TWI600197B - 金屬空氣電池及其製造方法 - Google Patents

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Description

金屬空氣電池及其製造方法
本發明係有關將金屬作為負極之活性物質，而將空氣中的氧作為正極之活性物質的金屬空氣電池。
以往，提案有將鎂或鎂合金作為負極的活性物質，而將空氣作為正極的活性物質之金屬空氣電池(鎂空氣電池)(例如，參照下述專利文獻1及專利文獻2)。
對於專利文獻1係加以介紹有作為金屬空氣電極之正極(陰極體)，加以層積自導電性金屬所形成之板狀的集電層，和自活性碳等之正極活性物質所形成之活性層，和自碳材等之導電性材料所形成之電極層而成之構成。另外，對於同文獻，係作為理想之集電層而加以記載有多孔質體。
對於專利文獻2係加以介紹有作為金屬空氣電池之正極(空氣極主體)，於發泡鎳所成之集電體，塗佈導電體材料淤漿之後進行燒成而加以形成之構成。此導 電體材料淤漿洗使白金載持於導電材料，將此等投入於PTFE之水性分散液，經由進行攪拌混合而加以調合。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2014-120401號公報
[專利文獻2]日本特開2013-191481號公報
例如，對於提供於行動電話之充電等用途之金屬空氣電池，係期望為某種程度高輸出(最大電力)。
但在記載於上述專利文獻1或專利文獻2之金屬空氣電池中，從內部阻抗為高之情況等，而無法充分地得到高輸出者。
本發明係依據如以上之情事所做為之構成，其目的係提供可達成對於行動電話的充電等之用途亦可適用程度之高輸出(最大電力)的金屬空氣電池者。
為了達成上述目的，而本發明者們則重複銳意檢討之結果，發現在層積多孔質金屬體所成之集電體與導電材料層而加以構成之正極中，經由於集電體與導電材 料層之間，使經由導電性塗料之塗膜介入存在之時，加以降低兩者間之接觸阻抗，而內部阻抗則變低，經由此等而可謀求輸出之提升者，依據有關的見解而至完成本發明。
即，本發明之金屬空氣電池係將金屬作為負極之活性物質，而將空氣中的氧作為正極之活性物質之金屬空氣電池，其特徵為前述正極係具備：板狀之多孔質金屬體所成之集電體，和加以配置於前述集電體之一面側的導電材料層所成，至少於加以配置前述導電材料層之前述集電體之一面，加以塗佈導電性塗料者。
在本發明之金屬空氣電池中，構成前述集電體之多孔質金屬體則為金屬發泡體者為佳。
另外，在本發明之金屬空氣電池中，前述導電性塗料之乾燥塗膜之體積固有阻抗值則為1.0Ω．cm以下、特別為5.0×10-3~4.0×10-1Ω．cm者為佳。
另外，在本發明之金屬空氣電池中，前述導電性塗料之塗佈量為2~10mg/cm2者為佳。
另外，在本發明之金屬空氣電池中，前述負極之活性物質為鎂或鎂合金者為佳。
本發明之金屬空氣電池之製造方法，係製造將金屬作為負極之活性物質，而將空氣中的氧作為正極之活性物質的金屬空氣電池之方法，其特徵為包含：於板狀之多孔質金屬體所成之集電體之至少一面，塗佈導電性塗料，於加以塗佈有前述導電性塗料之前述集電體的一面側，配置導電材料層而製作前述正極的工程者。
本發明之金屬空氣電池係如自後述之實施例的結果了解到，內部阻抗為低，而可達成高輸出(最大電力)者。
100‧‧‧鎂空氣電池
10‧‧‧容器
11‧‧‧開口窗
20‧‧‧正極
21‧‧‧導電材料層
23‧‧‧集電體
25‧‧‧導電性的塗膜
30‧‧‧負極
40‧‧‧電解液
50‧‧‧導線
圖1係模式性顯示本發明之金屬空氣電池之概略構成的說明圖。
以下，對於有關本發明之金屬空氣電池之一實施形態的鎂空氣電池，加以詳細說明。
圖1所示之此實施形態的鎂空氣電池100係具備：有底角筒狀的容器10，和加以固定配置於此容器10之側壁之空氣極的板狀之正極20，和呈與此正極20對向地加以配置於容器10內之板狀的負極30所成。
構成鎂空氣電池100之容器10係由有底角筒狀的樹脂所成，而對於此容器10內係作為電解液40，而加以收容有例如食鹽水。
對於構成容器10之側壁係加以設置有開口窗11，而作為呈封塞此開口窗11，板狀的正極20則加以固定於該容器10之側壁。
鎂空氣電池100之空氣極的正極20係具備集電體21，和加以配置於此集電體21之一面側的導電材料層23而成，對於正極20之集電體21，係藉由未圖示之端子而加以連接導線50。
正極20之集電體21係與空氣接觸之外側層，而由板狀的多孔質金屬體所成。在此，作為構成集電體21之多孔質金屬體，係可舉出發泡金屬，金屬粉末之燒結體等，而此等之中，發泡金屬則最佳。
作為構成集電體21(多孔質金屬體)之金屬，係可例示鎳，銅，不鏽鋼(SUS)等者。
經由作為集電體21而使用多孔質金屬體之時，可於與導電材料層23之間發揮經由定準效應之高結著力者。
最佳之多孔質金屬體的發泡金屬係在對於連續氣泡型之胺甲酸酯發泡體進行金屬鍍敷之後，可經由在氧化環境下及還原環境下進行加熱處理而使胺甲酸酯燃燒(消失)而製造者。
在此，作為理想之發泡金屬的市售品而可舉出「Celmet」(日本住友電氣工業(股)製)者。
正極20之導電材料層23係為與加以收容於容器10內之電解液40(食鹽水)接觸之內側層。
此導電材料層23係可經由使導電性材料，經由黏著劑樹脂而結著而形成者。
在此，作為為了得到導電材料層23而使用之導電性材料係並非特別加以限定者，而可完全使用構成以往公知 之金屬空氣電池之正極(導電材料層)之材料者，但作為最佳的導電性材料，可舉出乙炔碳黑，科琴碳黑，活性碳及奈米碳管等之碳素材料者。
作為為了形成正極20之導電材料層23而與導電性材料加以混合之黏著劑樹脂，亦無特別加以限定者，但作為最佳的黏著劑樹脂，可舉出聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯．六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯全氟代烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯．四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚氟乙烯(PVF)等之氟樹脂。
對於導電材料層23係含有以往公知之空氣電池正極用的電極觸媒亦可。
作為可含有於導電材料層23之觸媒，係可例示白金(Pt)、釕(Ru)、銥(Ir)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鋨(Os)、鎢(W)、鉛(Pb)、鐵(Fe)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)、釩(V)、鉬(Mo)、鎵(Ga)、鋁(Al)等之金屬及其化合物，以及此等合金等者。
在此鎂空氣電池100中，於正極20之集電體21之一面(加以配置導電材料層23側的面)，加以塗佈導電性塗料而加以形成導電性的塗膜25。然而，「塗膜」係亦可為在集電體21(多孔質金屬體)內部之導電性塗料的浸漬層。
於加以配置有導電材料層23之集電體21之一面，經由加以形成有導電性之塗膜25之時，加以降低集電體21與導電材料層23之間的接觸阻抗，而可降低電池之內部阻抗者。經由此，與未形成如此之塗膜之情況做比較，可謀求輸出(最大電力)之提升者。
作為加以塗佈於集電體21之一面的導電性塗料，係可使用含有導電性粒子，黏著劑，和溶劑之公知的塗料者，均可為水溶性形式，或有機溶劑形式。
作為含有於導電性塗料之導電性粒子，係可舉出碳黑，石墨等之碳粒子，金屬粒子等。
作為含有於水溶性形式之導電性塗料之接著劑，係可舉出纖維素系樹脂，水玻璃，丙烯酸系樹脂等，而作為溶劑係可舉出水者。
作為含有於有機溶劑形式之導電性塗料的黏著劑，係可舉出熱可塑性樹脂，乙烯系樹脂，合成橡膠等，而作為溶劑係可舉出各種的有機溶劑者。
作為導電性塗料的塗佈方法係並非特別加以限定者，而可例示經由刷毛或滾筒等之塗佈，經由噴塗之塗佈，經由浸漬之塗佈等者。
經由導電性塗料而加以形成之塗膜25(乾燥塗膜)之體積固有阻抗值係通常，作為1.0Ω．cm以下，而理想係作為5.0×10-3~4.0×10-1Ω．cmΩ．cm。
經由塗膜之體積固有阻抗值成為過大之導電性塗料，係無法充分地降低集電體與導電材料層之間的接觸阻抗 者。
作為導電性塗料之塗佈量(乾燥塗膜之形成量)係2~10mg/cm2者為佳。
對於塗佈量不足2mg/cm2之情況，係無法達成內部阻抗(集電體21與導電材料層23之間的接觸阻抗)之降低效果，輸出之提升效果者。
另一方面，即使超過10mg/cm2而進行塗佈，亦無法得到相稱於塗佈量之效果。
構成鎂空氣電池100之負極30係呈與正極20對向地加以配置於容器10內之板狀體，而對於此負極30係藉由未圖示之端子而加以連接導線50。
負極30(負極活性物質)係鎂或鎂合金所成之金屬極。
作為構成負極30的鎂合金係可完全使用構成以往公知的鎂空氣電池之負極體者。
具體而言，係可舉出選自鋁，鋅，錳，矽，稀土類元素，鈣，鍶，錫，鍺，鋰，鋯，鈹至少1種的金屬，和鎂的合金者。
作為最佳之鎂合金，係可舉出含有AZ31、AZ61、AZ91等的鎂和鋁和鋅之合金，含有AM60、AM80等的鎂和鋁和錳的合金，含有LZ91等的鎂和鋰和鋅的合金者。
在此之實施形態的鎂空氣電池100中，在負極30中引起有下述(1)所示之氧化反應，而在正極20 中引起有下述(2)所示之還原反應，作為電池全體經由引起下述(3)所示之反應而加以進行放電。
(1)2Mg→2Mg++4e-
(2)O2+2H2O+4e-→4OH-
(3)2Mg+O2+2H2O→2Mg(OH)2
如根據此實施形態之鎂空氣電池100，經由導電性塗料則加以塗佈於集電體21之一面，於集電體21與導電材料層23之間加以介入存在有導電性之塗膜25之時，可降低集電體21與導電材料層23之間的接觸阻抗，而降低作為電池之內部阻抗者。經由此，如從後述之實施例的結果了解到，與未形成如此之塗膜的情況做比較，可達成高輸出(在電流-電壓特性試驗之最大電力)者。
以上，對於本發明之一實施形態已做過說明，但本發明之金屬空氣電池係並非限定於此者，而可作各種的變更。
例如，構成負極之金屬係並非限定於鎂或鎂合金者，而可完全使用構成以往公知之金屬空氣電池之負極(金屬極)的金屬材料者。
具體而言係可舉出鋅，鋰，鐵，鈉，鈹，鋁，鎘，鉛及此等之合金者。
另外，於集電體之兩面加以塗佈導電性塗料亦可。
本發明之金屬空氣電池係可最佳地使用於行動電話的充電，小電力家電之驅動用者。
[實施例]
以下，對於本發明之實施例而加以說明，但本發明係並非限定於此等者。然而，在以下的實施例中，導電性塗料之乾燥塗膜之體積固有阻抗值係如以下作為而求得。
(體積固有阻抗值之測定方法)
使用刮刀而塗佈導電性塗料2g於玻璃板上，將加熱乾燥塗膜而形成之乾燥塗膜，框切為30mm×60mm。在測定端子間50mm加上500g之載重於各端子，測定試料(乾燥塗膜)之阻抗值而求得面積阻抗值，經由測微計而測定膜厚，求得體積固有阻抗值。
<實施例1>
以1：1(質量比)之比例而混合下述詳細顯示之水溶性形式之導電性塗料「Varniphite T-602」，和離子交換水，將所得到之混合液，經由刷毛而塗佈於發泡鎳所成之多孔質金屬體「Celmet #8」(住友電氣工業(股)製)所成之集電體(60mm×80mm×1.4mm)之一面，經由在100℃之恆溫槽內進行1小時乾燥之時，於該集電體之一面，形成導電性的塗膜。在此，將塗佈量(乾燥塗膜之形成量)作為2.2mg/cm2。然而，在塗膜形成後之集電體的一面中，加以維持與塗佈前同樣之多孔質之表面狀態。
(Varniphite T-602)
．Nippon Graphite Industries(股)製之水溶性形式之導電性塗料
．固形分：27%
．石墨(導電性粒子)之粒徑：38μm
．黏度：450mPa．s
．體積固有阻抗值：1.8×10-2Ω．cm
．接著劑：纖維素
接著，經由將含有科琴碳黑(導電性材料)100質量分，和二氧化錳(觸媒)25質量分，和PTFE(接著劑樹脂)100質量分的薄片狀的導電材(60mm×60mm×0.5mm)，貼合於加以形成有導電性的塗膜之集電體的一面而經由沖壓機而壓著之時，製作具有集電體，和藉由導電性的塗膜而結著於此集電體之一面側的導電材料層之正極(60mm×80mm×1mm)。
接著，於構成具有100mm×100mm×25mm之尺寸的有底角筒狀的容器之一側面的側壁，形成40mm×40mm之開口窗，而呈將此開口窗，自容器的外側液密地封塞地，使正極接合固定於該側壁。
在此，正極係構成此之導電材料層則成為內側(電解液側)，而集電體則呈成為外側(空氣側)地固定。另外，將夾持此正極之一端的銅板作為正極端子。
另一方面，將鎂合金「AZ31B」所成之板狀的負極(30mm×150mm×0.5mm)，呈與正極對向地配置於 容器內，將夾持此負極一端之銅板作為負極端子。
接著，經由作為電解液而將濃度10%之食鹽水200mL供給於容器內之時，製造具有如圖1所示之構成的本發明之金屬空氣電池。
<實施例2>
將導電性塗料變更為下述詳細顯示之「Varniphite T-602U」以外，係與實施例1同樣作為而製造本發明之金屬空氣電池。
(Varniphite T-602U)
．Nippon Graphite(股)製之水溶性形式之導電性塗料
．固形分：20%
．石墨(導電性粒子)之粒徑：15μm
．黏度：125mPa．s
．體積固有阻抗值：5.0×10-3Ω．cm
．接著劑：纖維素
<實施例3>
將導電性塗料變更為下述詳細顯示之「Varniphite #525」以外，係與實施例1同樣作為而製造本發明之金屬空氣電池。
(Varniphite #525)
．Nippon Graphite(股)製之水溶性形式之導電性塗料
．固形分：27%
．石墨(導電性粒子)之粒徑：6μm
．黏度：575mPa．s
．體積固有阻抗值：1.2×10-1Ω．cm
．接著劑：丙烯酸系
<實施例4>
將導電性塗料，以1：1的比例而混合下述詳細顯示之「Varniphite UCC-2」，和MEK而成之混合液，塗佈於集電體之一面以外，係與實施例1同樣作為而製造本發明之金屬空氣電池。
(Varniphite UCC-2)
．Nippon Graphite(股)製之有機溶劑形式之導電性塗料
．固形分：19%
．石墨(導電性粒子)之粒徑：10μm
．黏度：0.37mPa．s
．體積固有阻抗值：6.0×10-3Ω．cm
．接著劑：橡膠素
．溶劑：二甲苯．甲苯
<實施例5>
將導電性塗料，以1：1的比例而混合下述詳細顯示之「Varniphite #27」，和MEK而成之混合液，塗佈於集電體之一面以外，係與實施例1同樣作為而製造本發明之金屬空氣電池。
(Varniphite #27)
．Nippon Graphite(股)製之有機溶劑形式之導電性塗料
．固形分：32%
．石墨(導電性粒子)之粒徑：6μm
．黏度：0.5mPa．s
．體積固有阻抗值：4.0×10-1Ω．cm
．接著劑：乙烯系
．溶劑：酮系
<比較例1>
未於集電體的一面塗佈導電性塗料(形成導電性之塗膜)以外係與實施例1同樣作為而製造比較用的金屬空氣電池。
<試驗例1(輸出性能)>
對於經由實施例1~5及比較例1所得到之各金屬空氣 電池，進行電流-電壓(I-V)特性試驗，測定短路時之電流密度，最大電力密度及內部阻抗。將結果示於下述表1。
在此，對於電流-電壓之控制，使用電子負荷裝置「PLZ664WA」(菊水電子工業(股)製)，將金屬空氣電池之正極端子及負極端子，各連接於電子負荷裝置之正極側端子及負極側端子，以定電流模式，使設定電流值，在300秒間，自0A增加至5A(對於未增加至5A之情況，係在其時點作為試驗結束)。
如表1所示，在實施例1~5所得到之金屬空氣電池係與在比較例1所得到之金屬空氣電池做比較，短路時之電流密度及最大電力密度為高，而內部阻抗為低之構成。
10‧‧‧容器
11‧‧‧開口窗
20‧‧‧正極
21‧‧‧導電材料層
23‧‧‧集電體
25‧‧‧導電性的塗膜
30‧‧‧負極
40‧‧‧電解液
50‧‧‧導線
100‧‧‧鎂空氣電池

Claims (7)

  1. 一種金屬空氣電池，係將金屬作為負極之活性物質，而將空氣中的氧作為正極之活性物質的金屬空氣電池，其特徵為前述正極係具備：板狀之多孔質金屬體所成之集電體，和加以配置於前述集電體之一面側的導電材料層所成；至少於加以配置前述導電材料層之前述集電體之一面，加以塗佈導電性塗料者。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之金屬空氣電池，其中，構成前述集電體之多孔質金屬體則為金屬發泡體者。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項記載之金屬空氣電池，其中，前述導電性塗料之乾燥塗膜之體積固有阻抗值則為1.0Ω．cm以下者。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項記載之金屬空氣電池，其中，前述導電性塗料之乾燥塗膜之體積固有阻抗值則為5.0×10-3~4.0×10-1Ω．cm者。
  5. 如申請專利範圍第1項記載之金屬空氣電池，其中，前述導電性塗料之塗佈量為2~10mg/cm2者。
  6. 如申請專利範圍第1項記載之金屬空氣電池，其中，前述負極之活性物質為鎂或鎂合金者。
  7. 一種金屬空氣電池之製造方法，係製造將金屬作為負極之活性物質，而將空氣中的氧作為正極之活性物質的金屬空氣電池之方法，其特徵為包含： 於板狀之多孔質金屬體所成之集電體之至少一面，塗佈導電性塗料，於加以塗佈有前述導電性塗料之前述集電體的一面側，配置導電材料層而製作前述正極的工程者。
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