JP7486746B2 - 空気電池正極用のカーボンナノチューブ膜の製造方法、並びにカーボンナノチューブ膜及びこれを正極に用いた空気電池 - Google Patents
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Description
本発明の一側面に係る空気電池正極用のカーボンナノチューブ膜の製造方法(以下、単に「第1側面」と記載することがある)は、カーボンナノチューブを水に分散させて分散液を調製すること、及び前記分散液から前記水を分離してカーボンナノチューブを膜化することを含む。
本発明の他の一側面に係る空気電池正極用のカーボンナノチューブ膜(以下、単に「第2側面」と記載することがある)は、細孔径が100nm以上1000nm以下である細孔の容積が0.30cm3/gを超えるものである。
本発明のさらに他の側面に係る空気電池(以下、単に「第3側面」と記載することがある)は、第2側面のカーボンナノチューブ膜を含む正極構造体、負極構造体、セパレータ及び電解質部材を含むものである。以下、第3側面について、コインセルを例に、図1を参照しながら説明する。
図1は、コインセルを示す模式図である。
最初に、負極構造体610を準備する。負極構造体610は、例えば、次のようにして製造、準備する。
セパレータ660としては、アルカリ金属イオン、及び/又はアルカリ土類金属イオンが通過可能であり、多孔質構造を有する絶縁性材料で、かつ、金属層640及び電解液との反応性を有さない任意の無機材料、有機材料、あるいは、金属材料で形成されたものが適用される。
金属メッシュ680としては、例えば、銅(Cu)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、クロム(Cr)の群から選ばれる金属を含むメッシュを挙げることができる。すなわち、この群から選ばれる金属単体、この群から選ばれる金属を含む合金、及びこの群から選ばれる金属と炭素(C)や窒素(N)等との化合物、の少なくとも1種で形成されたメッシュが使用可能である。メッシュは、例えば、厚さ0.2mm、目開き1mmとすることができる。
第3側面は、第2側面のカーボンナノチューブ膜を正極構造体として用いた積層型空気電池(金属電池)であってもよい。そこで、第3側面の他の実施形態として、積層型空気電池について、図2を参照しながら説明する。
図2は、積層型金属電池(空気電池)の断面構造を示す模式図である。
<カーボンナノチューブ膜の製造>
カーボンナノチューブとして、ゼオンナノテクノロジー(株)製、ZEONANO(登録商標)SG101を準備した。このカーボンナノチューブの性状は、表1のとおりである。このカーボンナノチューブ100重量部を、イソプロパノール(特級)100,000重量部(カーボンナノチューブの1,000倍の重量)を入れた容器に投入し、回転式ホモジナイザー((株)エスエムテー製、HF93)にて、9000rpmで1分間の分散処理を行って、カーボンナノチューブの一次分散液を得た。次に、この一次分散液を、別途準備したイソプロパノール(特級)100,000重量部(カーボンナノチューブの1,000倍の重量)を入れた容器中に移し、超音波ホモジナイザー(Branson Ultrasonics Corp.製、Sonifier(登録商標)SFX550)にて、3/4インチのホーンチップを用い、周波数20kHz、振幅75%(100μm)の条件で5分間の分散処理を行い、カーボンナノチューブの二次分散液を得た。次に、この二次分散液を、ろ紙(オムニポアメンブレンフィルターJAWP90mmφ、穴径1μm)をセットした加圧ろ過器に投入し、0.2MPaの圧力で加圧ろ過を行った。最後に、ろ紙上に残ったカーボンナノチューブを剥がし、50℃の減圧雰囲気中で3時間乾燥した後、さらに温度を110℃に上げて16時間乾燥することで、分散媒を除去し、比較例1に係るカーボンナノチューブ膜を得た。
得られたカーボンナノチューブ膜を、打抜き加工機にて直径16mmの円形に打ち抜き、測定用試料とした。この測定用試料を、多検体高性能比表面積/細孔分布測定装置(3Flex)(Micromeritics Instrument Corp.製)にセットし、窒素吸着法により得られた吸着等温線から、BJH法により、直径2~1000nmの細孔容積、及び直径100~1000nmの細孔容積をそれぞれ算出し、カーボンナノチューブ膜における各直径範囲の細孔容積とした。その結果、直径2~1000nmの細孔容積は1.18cm3/g、直径100~1000nmの細孔容積は0.12cm3/gであった。
得られたカーボンナノチューブ膜を、打抜き加工機にて直径16mmの円形に打ち抜き、測定用試料とした。この測定用試料を、多検体高性能比表面積/細孔分布測定装置(3Flex)(Micromeritics Instrument Corp.製)にセットし、窒素吸着法により得られた吸着等温線から、BET法により、比表面積を算出し、カーボンナノチューブ膜の比表面積とした。その結果、比表面積は1121m2/gであった。
得られたカーボンナノチューブ膜を、打抜き加工機にて直径16mmの円形に打ち抜き、測定用試料とした。この測定用試料の質量(mg)を測定し、これを測定用試料の面積(cm2)で割ることで、カーボンナノチューブ膜の目付けを算出した。その結果、目付けは3.1mg/cm2であった。
得られたカーボンナノチューブ膜を、打抜き加工機にて直径16mmの円形に打ち抜き、多孔炭素膜電極とした。正極の金属メッシュとして直径18mm、厚さ0.3mmのステンレス製円板の内径14mm以下の部分に0.8mmφの穴を1.0mmピッチで空けたものを、負極の集電体として直径18mm、厚さ0.3mmのステンレス製円板を、負極の金属層として金属リチウム(直径16mm、厚さ0.2mm)を、スペーサとして直径18mm、厚さ0.3mmのステンレス円板を、セパレータとしてガラス繊維ペーパ(Whatman(登録商標)GF/A)を、電解液としてLiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)の1M-テトラエチレングリコールジメチルエーテル溶液100μLを、それぞれ用い、図1に示す構造のコインセルを作製した。このコインセルについて、電流密度0.4mA/cm2で放電を行い、電圧が2.3Vに低下するまでの放電容量を測定した。得られた放電容量を、正極として用いたカーボンナノチューブ膜の質量で割ることで、正極質量あたりの放電容量を算出した。得られた放電容量は、830mAh/gであった。
カーボンナノチューブの一次分散液及び二次分散液における溶媒を、超純水に変更した以外は比較例1と同様の方法で、実施例1に係るカーボンナノチューブ膜を得た。超純水としては、メルク(株)製、Milli-Q Integralにて製造したものを用いた。
得られたカーボンナノチューブ膜について、比較例1と同様の方法で、細孔容積、比表面積及び目付けを測定・算出したところ、直径2~1000nmの細孔容積は1.39cm3/g、直径100~1000nmの細孔容積は0.44cm3/g、比表面積は993m2/g、目付けは2.7mg/cm2であった。
得られたカーボンナノチューブ膜を多孔炭素膜電極とするコインセルを、比較例1と同様の方法で作製し、放電容量を測定・算出したところ、2870mAh/gであった。
使用するカーボンナノチューブを、OCSiAl社製、TUBALL(登録商標)01RW03に変更した以外は比較例1と同様の方法で、比較例2に係るカーボンナノチューブ膜を得た。このカーボンナノチューブの性状は、表1のとおりである。
得られたカーボンナノチューブ膜について、比較例1と同様の方法で、細孔容積、比表面積及び目付けを測定・算出したところ、直径2~1000nmの細孔容積は0.94cm3/g、直径100~1000nmの細孔容積は0.30cm3/g、比表面積は867m2/g、目付けは2.3mg/cm2であった。
得られたカーボンナノチューブ膜を多孔炭素膜電極とするコインセルを、比較例1と同様の方法で作製し、放電容量を測定・算出したところ、4230mAh/gであった。
カーボンナノチューブの一次分散液及び二次分散液における溶媒を、超純水に変更した以外は比較例2と同様の方法で、実施例2に係るカーボンナノチューブ膜を得た。超純水としては、実施例1と同じものを用いた。
得られたカーボンナノチューブ膜について、比較例1と同様の方法で、細孔容積、比表面積及び目付けを測定・算出したところ、直径2~1000nmの細孔容積は1.15cm3/g、直径100~1000nmの細孔容積は0.43cm3/g、比表面積は921m2/g、目付けは2.2mg/cm2であった。
得られたカーボンナノチューブ膜を多孔炭素膜電極とするコインセルを、比較例1と同様の方法で作製し、放電容量を測定・算出したところ、5640mAh/gであった。
610 負極構造体
620 正極構造体
630 コインセル型拘束具
635 集電体
640 金属層
650 スペーサ
660 セパレータ
670 空間(電解質充填用空間)
680 金属メッシュ
690 多孔炭素膜電極
100 負極構造体層
500 空気電池
510 正極構造体層
520 負極用集電体電極
525 正極用集電体電極
540 セパレータ
550 多孔炭素膜電極
560 ガス拡散層
Claims (5)
- カーボンナノチューブを超純水に分散させて分散液を調製すること、及び
前記分散液から前記超純水を分離してカーボンナノチューブを膜化すること
を含む、空気電池正極用のカーボンナノチューブ膜の製造方法。 - 前記分散液の調製が、カーボンナノチューブを超純水中に分散させて一次分散液を得た後、これを別途準備した超純水に混合し、カーボンナノチューブを更に分散させて二次分散液とすることを含む、請求項1に記載のカーボンナノチューブ膜の製造方法。
- 前記分散液からの前記超純水の分離をろ過により行う、請求項1又は2に記載のカーボンナノチューブ膜の製造方法。
- 細孔径が100nm以上1000nm以下である細孔の容積が0.30cm3/gを超える、空気電池正極用のカーボンナノチューブ膜。
- 請求項4に記載のカーボンナノチューブ膜を含む正極構造体、負極構造体、セパレータ及び電解質部材を含む空気電池。
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