JPWO2018135117A1 - セパレータ構造体、ニッケル亜鉛二次電池及び亜鉛空気二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
層状複水酸化物(LDH)セパレータ、及び前記LDHセパレータの片側に設けられる多孔質基材を含む複合板と、
前記複合板が嵌合される開口部を備えた樹脂製外枠と、
を備え、
前記樹脂製外枠が、その内周に沿って前記複合板の前記多孔質基材側を係止する凹部を有し、前記凹部と前記複合板が接着剤で封止接合されており、
前記多孔質基材が100μm以上の厚さを有し、かつ、前記多孔質基材の前記凹部と対向する部分が前記多孔質基材の表面から100μm以上の深さにわたって前記接着剤が染み込んでいる、セパレータ構造体が提供される。
亜鉛、亜鉛合金及び/又は酸化亜鉛を含む負極と、
アルカリ金属水酸化物水溶液を含む電解液と、
前記正極と前記負極とを水酸化物イオン伝導可能に隔離する、前記セパレータ構造体と、
を備えた、ニッケル亜鉛二次電池が提供される。
亜鉛、亜鉛合金及び/又は酸化亜鉛を含む負極と、
アルカリ金属水酸化物水溶液を含む電解液と、
前記空気極と前記負極とを水酸化物イオン伝導可能に隔離する、前記セパレータ構造体と、
を備えた、亜鉛空気二次電池が提供される。
本発明のセパレータ構造体は、亜鉛二次電池に用いられるものである。本明細書において、亜鉛二次電池は、ニッケル亜鉛二次電池、酸化銀亜鉛二次電池、酸化マンガン亜鉛二次電池、亜鉛空気二次電池、及びその他各種のアルカリ亜鉛二次電池等、LDHセパレータを適用可能な各種亜鉛二次電池であることができる。特に、ニッケル亜鉛二次電池及び亜鉛空気二次電池が好ましく、特に好ましくはニッケル亜鉛電池である。セパレータ構造体を適用可能な電池は正極及び負極の対が1つの単位電池であってもよいし、正極及び負極の対を2つ以上、すなわち2つ以上の単位電池を備えた積層電池であってもよい。また、積層電池は直列型積層電池であってもよいし、並列型積層電池であってもよい。
複合板12は、LDHセパレータ14と、LDHセパレータ14の片側に設けられる多孔質基材16とを含む。
樹脂製外枠18は開口部18aを有し、開口部18aに複合板12が嵌合される。また、樹脂製外枠18は、その内周に沿って複合板12の多孔質基材16側を係止する凹部18bを有する。従って、開口部18aのサイズは複合板12よりも若干小さいが、凹部18bの輪郭形状のサイズは複合板12と同等ないし若干大きい。樹脂製外枠18が存在することで、複合板12の端部を補強することができ、それにより複合板12の端部の損傷を防いで信頼性を向上するとともに、複合板12をハンドリングしやすくなる。したがって、亜鉛二次電池の組み立てが容易となる。また、樹脂製外枠18自体も亜鉛デンドライトの貫通及び伸展の阻止に寄与しうる。樹脂製外枠18を構成する樹脂は水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物に対する耐性を有する樹脂であるのが好ましく、より好ましくはポリオレフィン樹脂、ABS樹脂、ポリプロピレン(PP)樹脂、ポリエチレン(PE)樹脂、又は変性ポリフェニレンエーテルであり、さらに好ましくはABS樹脂、ポリプロピレン(PP)樹脂、ポリエチレン(PE)樹脂、又は変性ポリフェニレンエーテルであり、特に好ましくは耐アルカリ性及び接着性の観点からABS樹脂、変性ポリフェニレンエーテル(m−PPE)、及びポリプロピレン(PP)樹脂である。変性ポリフェニレンエーテルは他のポリマー(例えばポリスチレン)と複合されたもの(例えばm−PPE/PS)であってもよい。
樹脂製外枠18の凹部18bと複合板12は接着剤20で封止接合されている。そして、多孔質基材16の凹部18bと対向する部分が多孔質基材16の表面から所定の深さDにわたって接着剤20が染み込んでいる。多孔質基材16への接着剤20の染み込み深さDは、多孔質基材16の表面から100μm以上であり、好ましくは100〜600μm、より好ましくは100〜500μm、さらに好ましくは100〜400μm、特に好ましくは100〜350μm、最も好ましくは100〜300μmである。このような染み込み深さを実現するためには、粘度が低い接着剤を選択することで実現することができる。粘度が低い接着剤は多孔質基材16の気孔内に浸入しやすいためである。粘度の低い接着剤は、例えば増粘剤や充填剤(例えばSi成分)を含有しないか、もしくは増粘剤や充填剤の含有量が少ない接着剤でありうる。
LDHを含む機能層及び複合材料を以下の手順により作製し、評価した。なお、本例における機能層は「LDHセパレータ」に相当する層であり、具体的にはLDH膜と多孔質基材内のLDHとを含む層である。また、本例における複合材料は「複合板」に相当する。
アルミナ粉末(住友化学社製、AES−12)100重量部に対して、分散媒(キシレン:ブタノール=1:1)70重量部、バインダー(ポリビニルブチラール:積水化学工業株式会社製BM−2)11.1重量部、可塑剤(DOP:黒金化成株式会社製)5.5重量部、及び分散剤(花王株式会社製レオドールSP−O30)2.9重量部を混合し、この混合物を減圧下で攪拌して脱泡することにより、スラリーを得た。このスラリーを、テープ成型機を用いてPETフィルム上に、乾燥後膜厚が220μmとなるようにシート状に成型してシート成形体を得た。得られた成形体を2.0cm×2.0cm×厚さ0.022cmの大きさになるよう切り出し、1300℃で2時間焼成して、アルミナ製多孔質基材を得た。
ポリスチレン基板0.6gをキシレン溶液10mlに溶かして、ポリスチレン濃度0.06g/mlのスピンコート液を作製した。得られたスピンコート液0.1mlをアルミナ多孔質基材上に滴下し、回転数8000rpmでスピンコートにより塗布した。このスピンコートは、滴下と乾燥を含めて200秒間行った。スピンコート液を塗布した多孔質基材を95%硫酸に25℃で4日間浸漬してスルホン化した。
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO3)2・6H2O、関東化学株式会社製)、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO3)3・9H2O、関東化学株式会社製)、及び尿素((NH2)2CO、シグマアルドリッチ製)を用意した。カチオン比(Mg2+/Al3+)が2となり且つ全金属イオンモル濃度(Mg2++Al3+)が0.320mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物と硝酸アルミニウム九水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を70mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO3 −=4の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
テフロン(登録商標)製密閉容器(内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に上記(3)で作製した原料水溶液と上記(2)でスルホン化した多孔質基材を共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように水平に設置した。その後、水熱温度70℃で168時間(7日間)水熱処理を施すことにより基材表面にLDH配向膜の形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、LDHを含む機能層を、その一部が多孔質基材中に組み込まれた形で得た。得られた機能層の厚さは(多孔質基材に組み込まれた部分の厚さを含めて)約3μmであった。
得られた機能層ないし複合材料に対して以下の評価を行った。
X線回折装置(リガク社製 RINT TTR III)にて、電圧:50kV、電流値:300mA、測定範囲:10〜70°の測定条件で、機能層の結晶相を測定してXRDプロファイルを得た。得られたXRDプロファイルについて、JCPDSカードNO.35−0964に記載されるLDH(ハイドロタルサイト類化合物)の回折ピークを用いて同定を行った。その結果、得られたXRDプロファイルから、機能層はLDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。
機能層の表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察した。また、イオンミリング装置(日立ハイテクノロジーズ社製、IM4000によって、機能層(LDH膜からなる膜状部とLDH及び基材からなる複合部)の断面研磨面を得た後に、この断面研磨面の微構造を表面微構造の観察と同様の条件でSEMにより観察した。その結果、機能層の表面微構造及び断面微構造のSEM画像はそれぞれ図2A及び2Bに示されるとおりであった。図2Bに示されるとおり、機能層は、LDH膜からなる膜状部と、膜状部の下に位置するLDH及び多孔質基材からなる複合部とから構成されていることが分かった。また、膜状部を構成するLDHは、複数の板状粒子の集合体で構成され、これら複数の板状粒子がそれらの板面が多孔質基材の表面(多孔構造に起因する微細凹凸を無視できる程度に巨視的に観察した場合における多孔質基材の面)と垂直に又は斜めに交差するような向きに配向していた。一方、複合部は、多孔質基材の孔内にLDHが充填されて緻密な層を構成していた。
クロスセクションポリッシャ(CP)により、機能層(LDH膜からなる膜状部とLDH及び基材からなる複合部)の断面研磨面が観察できるように研磨した。FE−SEM(ULTRA55、カールツァイス製)により、機能層(LDH膜からなる膜状部とLDH及び基材からなる複合部)の断面イメージを10000倍の倍率で1視野取得した。この断面イメージの基材表面のLDH膜と基材内部のLDH部分(点分析)についてEDS分析装置(NORAN System SIX、サーモフィッシャーサイエンティフィック製)により、加速電圧15kVの条件にて、元素分析を行った。その結果、機能層に含まれるLDH、すなわち基材表面のLDH膜と基材内のLDH部分のいずれにおいても、LDH構成元素であるC、Mg及びAlが検出された。すなわち、Mg及びAlは水酸化物基本層の構成元素である一方、CはLDHの中間層を構成する陰イオンであるCO3 2−に対応する。
(1)多孔質基材の作製
例A1と同様にしてアルミナ製多孔質基材を作製した。得られた多孔質基材の気孔率は40%であった。また、多孔質基材の平均気孔径は0.3μmであった。
表1に示されるとおり以下の5種類の接着剤A〜Eを用意した。
・接着剤A:エポキシ2液型接着剤(ヘンケルジャパン株式会社製、Hysol E30CL)
・接着剤B:エポキシ2液型接着剤(主剤としてビスフェノールA型エポキシ樹脂を、硬化剤として変性脂環式ポリアミンを用いて、粘度調整を行ったもの)
・接着剤C:エポキシ2液型接着剤(主剤としてビスフェノールA型エポキシ樹脂を、硬化剤として変性脂環式ポリアミンを用いて、粘度調整を行ったもの)
・接着剤D:エポキシ1液型接着剤(セメダイン株式会社製、セメダインEP171)
・接着剤E:エポキシ2液型接着剤(セメダイン株式会社製、セメダインEP008)
多孔質基材に対する各接着剤の染み込み深さを以下のようにして測定した。
接着剤A、B、C又はEを表1に示される混合比になるように秤量し、ヘラで1分間混合した後、脱泡機にて2000rpmで1分間脱泡した。図1A及び1Bに示されるように、樹脂製外枠18の凹部18bにヘラで接着剤20を塗布し、そこにアルミナ多孔質基材16を載置した。樹脂製外枠18は変性ポリフェニレンエーテル(ZYRON(登録商標)EV103)製である。アルミナ多孔質基材16の端面に接着剤20を付着させるように、多孔質基材16の四隅を樹脂製外枠18に向かって軽く押した。そして、表1に示される硬化条件で静置して接着剤20を硬化させた。接着剤20の硬化後、得られたサンプルの接着部分を切り出し、断面を機械研磨した。研磨断面をSEMで観察して、接着剤20が染み込んでいる部分の多孔質基材16の表面からの深さ(すなわち染み込み深さ)を測定した。測定した染み込み深さは表1に示されるとおりであった。
図1A及び1Bに示されるように、樹脂製外枠18の凹部18bにヘラで接着剤Dを塗布し、そこにアルミナ多孔質基材16を載置した。樹脂製外枠18は変性ポリフェニレンエーテル(ZYRON(登録商標)EV103)製である。アルミナ多孔質基材16の端面に接着剤20を付着させるように、多孔質基材16の四隅を樹脂製外枠17に向かって軽く押した。そして、表1に示される硬化条件で静置して接着剤20を硬化させた。接着剤20の硬化後、得られたサンプルの接着部分を切り出し、断面を機械研磨した。研磨断面をSEMで観察して、接着剤20が染み込んでいる部分の多孔質基材16の表面からの深さ(すなわち染み込み深さ)を測定した。測定した染み込み深さは表1に示されるとおりであった。
アルミナ多孔質基材の代わりに例A1で作製された複合材料(LDHセパレータと多孔質基材からなる複合板)を用いたこと以外は上記(3)と同様にして樹脂製外枠18に複合板12を接着させてセパレータ構造体10を得た。各接着剤についてセパレータ構造体サンプルを10個作製した。以下に示す緻密性判定試験とHe透過度測定を行い、各接着剤につき10個のサンプル中、気密性の確保が確認されたサンプルの割合を求めて、気密性確保割合とした。得られた気密性確保割合は表1に示されるとおりであった。
セパレータ構造体10が通気性を有しない程の緻密性を有する(すなわち気密性を有する)ことを確認すべく、緻密性判定試験を以下のとおり行った。まず、図5A及び5Bに示されるように、蓋の無いアクリル容器130と、このアクリル容器130の蓋として機能しうる形状及びサイズのセパレータ構造体10とを用意した。アクリル容器130にはその中にガスを供給するためのガス供給口130aが形成されている。そして、セパレータ構造体10を、アクリル容器130の開放部を完全に塞ぐようにシリコーン接着剤138を用いて気密かつ液密にアクリル容器130の上端に接着させて、測定用密閉容器140を得た。この測定用密閉容器140を水槽142に入れ、アクリル容器130のガス供給口130aを圧力計144及び流量計146に接続して、ヘリウムガスをアクリル容器130内に供給可能に構成した。水槽142に水143を入れて測定用密閉容器140を完全に水没させた。このとき、測定用密閉容器140の内部は気密性及び液密性が十分に確保されており、セパレータ構造体10のLDHセパレータ14側が測定用密閉容器140の内部空間に露出する一方、多孔質基材16側が水槽142内の水に接触している。この状態で、アクリル容器130内にガス供給口130aを介してヘリウムガスを測定用密閉容器140内に導入した。圧力計144及び流量計146を制御してLDHセパレータ14内外の差圧が0.5atmとなる(すなわちヘリウムガスに接する側に加わる圧力が反対側に加わる水圧よりも0.5atm高くなる)ようにして、セパレータ構造体10から水中にヘリウムガスの泡が発生するか否かを観察した。その結果、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった場合に、セパレータ構造体10は通気性を有しない程に高い緻密性を有する(すなわち気密性を有する)ものと判定した。
He透過度の観点からセパレータ構造体10の緻密性及び気密性を評価すべくHe透過試験を以下のとおり行った。まず、図6A及び図6Bに示されるHe透過度測定系310を構築した。He透過度測定系310は、Heガスを充填したガスボンベからのHeガスが圧力計312及び流量計314(デジタルフローメーター)を介して試料ホルダ316に供給され、この試料ホルダ316に保持されたセパレータ構造体10の一方の面から他方の面に透過させて排出させるように構成した。
表1に示されるように、例B1〜B4については接着剤の染み込み深さが100μm以上に達し、その結果、気密性確保割合がサンプル10個中10個、すなわち100%となった。一方、比較例である例B5については接着剤の染み込み深さが100μmに達しないものであり、その結果、気密性確保割合がサンプル10個中7個、すなわち70%となった。
図7に示されるように、アルミナ多孔質基材16の両面に接着剤20を塗布して樹脂棒102を接着させた。こうして得られたサンプル100を用いて引張強度試験を行った。その結果、例B1〜B5のいずれにおいても、多孔質基材16と接着剤20との界面での剥がれが生じず、他の界面(具体的には樹脂棒102と接着剤20との界面)で剥がれが生じた。なお、アルカリ水溶液に浸漬させた後のサンプルであっても同様の結果が得られた。これらの結果から、接着剤の染み込みにより高い接着強度が得られることが分かる。
Claims (11)
- 亜鉛二次電池用セパレータ構造体であって、
層状複水酸化物(LDH)セパレータ、及び前記LDHセパレータの片側に設けられる多孔質基材を含む複合板と、
前記複合板が嵌合される開口部を備えた樹脂製外枠と、
を備え、
前記樹脂製外枠が、その内周に沿って前記複合板の前記多孔質基材側を係止する凹部を有し、前記凹部と前記複合板が接着剤で封止接合されており、
前記多孔質基材が100μm以上の厚さを有し、かつ、前記多孔質基材の前記凹部と対向する部分が前記多孔質基材の表面から100μm以上の深さにわたって前記接着剤が染み込んでいる、セパレータ構造体。 - 前記多孔質基材の厚さが100〜600μmであり、かつ、前記多孔質部材における前記接着剤が染み込んでいる部分の深さが100〜600μmである、請求項1に記載のセパレータ構造体。
- 前記接着剤が耐アルカリ性を有する樹脂を含む、請求項1又は2に記載のセパレータ構造体。
- 前記接着剤が、エポキシ樹脂系接着剤、天然樹脂系接着剤、変性オレフィン樹脂系接着剤及び変成シリコーン樹脂系接着剤からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のセパレータ構造体。
- 前記樹脂製外枠が、ABS樹脂、変性ポリフェニレンエーテル、及びポリプロピレン樹脂からなる群から選択される少なくともいずれか1種で構成される、請求項1〜4のいずれか一項に記載のセパレータ構造体。
- 前記多孔質基材が、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成される、請求項1〜5のいずれか一項に記載のセパレータ構造体。
- 前記LDHセパレータがガス不透過性及び/又は水不透過性を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載のセパレータ構造体。
- 前記セパレータ構造体が全体としてガス不透過性及び/又は水不透過性を有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載のセパレータ構造体。
- 前記LDHセパレータが、複数のLDH板状粒子の集合体で構成されるLDH膜を有し、前記複数のLDH板状粒子がそれらの板面が前記多孔質基材の表面と垂直に又は斜めに交差するような向きに配向している、請求項1〜8のいずれか一項に記載のセパレータ構造体。
- 水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含む正極と、
亜鉛、亜鉛合金及び/又は酸化亜鉛を含む負極と、
アルカリ金属水酸化物水溶液を含む電解液と、
前記正極と前記負極とを水酸化物イオン伝導可能に隔離する、請求項1〜9のいずれか一項に記載のセパレータ構造体と、
を備えた、ニッケル亜鉛二次電池。 - 空気極と、
亜鉛、亜鉛合金及び/又は酸化亜鉛を含む負極と、
アルカリ金属水酸化物水溶液を含む電解液と、
前記空気極と前記負極とを水酸化物イオン伝導可能に隔離する、請求項1〜9のいずれか一項に記載のセパレータ構造体と、
を備えた、亜鉛空気二次電池。
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