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JP2012003940A - Metal air battery - Google Patents

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JP2012003940A
JP2012003940A JP2010137934A JP2010137934A JP2012003940A JP 2012003940 A JP2012003940 A JP 2012003940A JP 2010137934 A JP2010137934 A JP 2010137934A JP 2010137934 A JP2010137934 A JP 2010137934A JP 2012003940 A JP2012003940 A JP 2012003940A
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casing
air battery
aqueous electrolyte
housing
metal
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JP2010137934A
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Japanese (ja)
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Koji Sudo
貢治 須藤
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal air battery capable of improving cycle characteristics.SOLUTION: The metal air battery comprises: a positive electrode; a negative electrode; a first housing which houses at least an aqueous electrolyte filled between the positive electrode and the negative electrode; and a second housing which houses the aqueous electrolyte. The first housing is connected with the second housing via a junction in which the aqueous electrolyte circulates.

Description

本発明は、水溶液電解質を用いた金属空気電池に関する。   The present invention relates to a metal-air battery using an aqueous electrolyte.

空気電池は、酸素を正極活物質とする電池であり、放電時には酸素含有ガスを外部から取り込んで用いる。そのため、正極及び負極の活物質を電池内に有する他の電池に比べ、電池容器内に占める負極活物質の割合を大きくすることが可能になる。したがって、原理的に放電できる電気容量が大きく、小型化や軽量化が容易という特徴を有している。また、正極活物質として用いる酸素の酸化力は強力であるため、電池の起電力が比較的高い。さらに、酸素は資源的な制約がなくクリーンな材料であるという特徴も有するため、空気電池は環境負荷が小さい。このように、多くの利点を有する空気電池は、ハイブリッド車用電池や携帯機器用電池等への利用が期待されており、近年、空気電池の高性能化が求められている。   The air battery is a battery using oxygen as a positive electrode active material, and an oxygen-containing gas is taken in from the outside during discharge. Therefore, it is possible to increase the proportion of the negative electrode active material in the battery container as compared with other batteries having positive and negative electrode active materials in the battery. Therefore, in principle, the electric capacity that can be discharged is large, and it is easy to reduce the size and weight. Further, since the oxidizing power of oxygen used as the positive electrode active material is strong, the electromotive force of the battery is relatively high. Furthermore, since oxygen has a feature that it is a clean material without resource restrictions, the air battery has a small environmental load. As described above, the air battery having many advantages is expected to be used for a hybrid vehicle battery, a portable device battery, and the like, and in recent years, there is a demand for higher performance of the air battery.

空気電池に関する技術として、例えば非特許文献1には、Li−Al/Li3−xPO4−y(LiPON)/Li1+x+yAlTi2−xSi3−y12(LATP)/1M LiCl水溶液/Ptによって表されるセルは、室温25℃で開回路電圧が3.64Vであり、1週間放置してもセル定数に変化が見られない旨、記載されている。また、非特許文献1には、水に対して安定なLi/LiPON/LATP系は、水溶液を用いたLi空気二次電池に利用可能である旨、記載されている。 As a technique relating to an air battery, for example, Non-Patent Document 1, Li-Al / Li 3 -x PO 4-y N y (LiPON) / Li 1 + x + y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (LATP ) / 1M LiCl aqueous solution / Pt indicates that the open circuit voltage is 3.64 V at room temperature of 25 ° C., and that the cell constant does not change even after standing for 1 week. Non-Patent Document 1 describes that a Li / LiPON / LATP system that is stable against water can be used for a Li-air secondary battery using an aqueous solution.

S. Hasegawa et al., "Study on lithium/air secondary batteries-Stability of NASICON-type lithium ion conducting glass-ceramics with water", J. Power Sources, (米国), 2009, 189, p.371-377S. Hasegawa et al., "Study on lithium / air secondary batteries-Stability of NASICON-type lithium ion conducting glass-ceramics with water", J. Power Sources, (USA), 2009, 189, p.371-377

非特許文献1に開示されているような、水溶液電解質(以下において、「電解液」ということがある。)を用いたLi空気二次電池では、放電時に放電生成物(Li及びOH)を電解液中に貯蔵し、貯蔵した放電生成物を充電時に消費して、Li及び酸素を発生させる。このような電池では、電解液中に放電生成物をイオンの形態で貯蔵することができるので、イオンの飽和溶解度を超えても放電が可能である。ところが、飽和溶解度を超えると、放電生成物はイオン結晶(LiOH)となって析出し、このイオン結晶は、正極(空気極)の表面等を不均一析出核として析出しやすい。空気が流通する孔の表面にイオン結晶が析出すると、反応物である酸素の供給が阻害されるため放電反応が生じ難くなるほか、充電反応も生じ難くなる虞がある。非特許文献1に開示されている技術では、正極表面へのイオン結晶の析出を抑制するための対策が施されていないため、電池のサイクル特性が低下しやすいという問題があった。 In a Li-air secondary battery using an aqueous electrolyte (hereinafter sometimes referred to as “electrolytic solution”) as disclosed in Non-Patent Document 1, discharge products (Li + and OH ) are discharged during discharge. Is stored in the electrolyte, and the stored discharge product is consumed during charging to generate Li and oxygen. In such a battery, since the discharge product can be stored in the form of ions in the electrolytic solution, discharge is possible even if the saturation solubility of ions is exceeded. However, when the saturation solubility is exceeded, the discharge product is precipitated as ionic crystals (LiOH), and the ionic crystals are likely to be deposited with the surface of the positive electrode (air electrode) or the like as non-uniform precipitation nuclei. If an ionic crystal is deposited on the surface of the hole through which air flows, the supply of oxygen as a reactant is hindered, so that it is difficult for a discharge reaction to occur and a charge reaction may be difficult to occur. The technique disclosed in Non-Patent Document 1 has a problem in that the cycle characteristics of the battery are likely to deteriorate because no measures are taken to suppress precipitation of ion crystals on the surface of the positive electrode.

そこで本発明は、サイクル特性を向上させることが可能な金属空気電池を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the metal air battery which can improve cycling characteristics.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、正極、負極、及び、正極と負極との間に充填された水溶液電解質を少なくとも収容する第1の筺体、並びに、水溶液電解質を収容する第2の筺体を有し、水溶液電解質が流通する接合部を介して、第1の筺体と第2の筺体とが接続されていることを特徴とする、金属空気電池である。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention has a first casing that contains at least a positive electrode, a negative electrode, and an aqueous electrolyte filled between the positive electrode and the negative electrode, and a second casing that stores the aqueous electrolyte, and the aqueous electrolyte is distributed. The metal-air battery is characterized in that the first casing and the second casing are connected to each other through a joining portion.

ここに、「水溶液電解質を収容する」とは、放電生成物を貯蔵した水溶液電解質を収容する形態も含む概念である。また、「正極、負極、及び、正極と負極との間に充填された水溶液電解質を少なくとも収容する第1の筺体」とは、第1の筺体には、少なくとも、正極、負極、及び、水溶液電解質が収容されることをいい、本発明の金属空気電池において、第1の筺体には、これら以外の構成要素も収容され得る。第1の筺体に収容された正極と負極との間に水溶液電解質のみが配設されている場合、水溶液電解質は、正極及び負極に接触している。これに対し、第1の筺体に収容された正極と負極との間に、水溶液電解質と他の構成要素とが配設されている場合、当該他の構成要素は、正極と負極との間をイオンが行き来できる形態で、第1の筺体に収容される。第1の筺体に収容され得る他の構成要素としては、固体電解質、非水電解液、イオン液体、アニオン交換膜等を例示することができる。本発明の金属空気電池において、水溶液電解質を収容している第1の筺体の部位と第2の筺体とは、接合部を介して、水溶液電解質が第1の筺体と第2の筺体との間を行き来できる形態で接続されている。本発明の金属空気電池において、充電反応及び放電反応は第1の筺体内で生じ、第2の筺体内では充電反応及び放電反応が生じない。   Here, “accommodating an aqueous electrolyte” is a concept including a form of accommodating an aqueous electrolyte that stores discharge products. The “first casing containing at least the positive electrode, the negative electrode, and the aqueous electrolyte filled between the positive electrode and the negative electrode” means that the first casing includes at least the positive electrode, the negative electrode, and the aqueous electrolyte. In the metal-air battery of the present invention, the first casing can also accommodate other components. When only the aqueous electrolyte is disposed between the positive electrode and the negative electrode accommodated in the first casing, the aqueous electrolyte is in contact with the positive electrode and the negative electrode. On the other hand, when the aqueous electrolyte and the other component are disposed between the positive electrode and the negative electrode housed in the first casing, the other component is interposed between the positive electrode and the negative electrode. It is accommodated in the first housing in a form that allows ions to come and go. Examples of other components that can be accommodated in the first housing include solid electrolytes, non-aqueous electrolytes, ionic liquids, anion exchange membranes, and the like. In the metal-air battery of the present invention, the portion of the first housing that contains the aqueous electrolyte and the second housing are located between the first housing and the second housing via the joint. Connected in a form that can be traversed. In the metal-air battery of the present invention, the charging reaction and the discharging reaction occur in the first casing, and the charging reaction and the discharging reaction do not occur in the second casing.

上記本発明において、さらに、第2の筺体に収容されている水溶液電解質からの放電生成物の析出を促進する析出促進手段が備えられていることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that a deposition promoting means for promoting deposition of a discharge product from the aqueous electrolyte contained in the second casing is further provided.

また、上記本発明において、第2の筺体の温度と第1の筺体の温度との差を広げる温度差拡大手段が、析出促進手段に含まれることが好ましい。   Moreover, in the said invention, it is preferable that the temperature difference expansion means which expands the difference of the temperature of a 2nd housing and the temperature of a 1st housing is contained in a precipitation promotion means.

ここに、析出促進手段の一形態である「温度差拡大手段」は、第1の筺体の温度よりも低い第2の筺体の温度と第1の筺体の温度との差を広げるものであれば、その形態は特に限定されるものではない。例えば、第2の筺体を冷却することによって第2の筺体の温度と第1の筺体の温度との差を広げる形態(形態A)や、第1の筺体を加温することによって第2の筺体の温度と第1の筺体の温度との差を広げる形態(形態B)のほか、第2の筺体を冷却し且つ第1の筺体を加温することによって第2の筺体の温度と第1の筺体の温度との差を広げる形態(形態C)とすることができる。形態Aとしては、第2の筺体にペルチェ素子等に代表される冷却素子や放熱板を設けることによって、第2の筺体を冷却する形態等を例示することができる。また、形態Bとしては、外部熱源(例えば、ヒーターのほか、本発明の金属空気電池がハイブリッド自動車等に設置される場合には機械摩擦等の熱源)を用いて第1の筺体を加温する形態等を例示することができる。また、形態Cとしては、ペルチェ素子を用いて第2の筺体を冷却し、且つ、このペルチェ素子から発生した廃熱を用いて第1の筺体を加温する形態等を例示することができる。   Here, the “temperature difference widening means” that is one form of the precipitation promoting means widens the difference between the temperature of the second housing and the temperature of the first housing, which is lower than the temperature of the first housing. The form is not particularly limited. For example, a form (form A) that widens the difference between the temperature of the second casing and the temperature of the first casing by cooling the second casing, or the second casing by heating the first casing In addition to the form (form B) that widens the difference between the temperature of the first casing and the temperature of the first casing, the second casing is cooled and the first casing is heated by cooling the second casing and heating the first casing. It can be set as the form (form C) which spreads the difference with the temperature of a housing. As the form A, the form etc. which cool a 2nd housing can be illustrated by providing the 2nd housing with the cooling element represented by the Peltier device etc., and a heat sink. In addition, as the form B, the first casing is heated using an external heat source (for example, a heat source such as a mechanical friction when the metal-air battery of the present invention is installed in a hybrid vehicle or the like in addition to a heater). The form and the like can be exemplified. Examples of the form C include a form in which the second casing is cooled using a Peltier element, and the first casing is heated using waste heat generated from the Peltier element.

また、上記本発明において、第1の筺体の外面と第2の筺体の外面との間に配設された断熱材が、析出促進手段に含まれることが好ましい。   Moreover, in the said invention, it is preferable that the heat insulating material arrange | positioned between the outer surface of the 1st housing and the outer surface of the 2nd housing is contained in a precipitation promotion means.

ここに、「断熱材」は、析出促進手段の一形態であり、第1の筺体の外面と第2の筺体との外面との間における熱拡散を抑制するために配設される。   Here, the “heat insulating material” is one form of the precipitation promoting means, and is disposed to suppress thermal diffusion between the outer surface of the first housing and the outer surface of the second housing.

また、上記本発明において、水溶液電解質に接触する第2の筺体の内部に設けられた凹凸が、析出促進手段に含まれることが好ましい。   Moreover, in the said invention, it is preferable that the unevenness | corrugation provided in the inside of the 2nd casing which contacts aqueous solution electrolyte is contained in a precipitation promotion means.

ここに、水溶液電解質に接触する第2の筺体の内部に設けられた「凹凸」は、析出促進手段の一形態である。この凹凸は、表面の十点平均粗さRzが5.25μm以上、平均間隔Smが10.5μm以上、表面の二乗平均平方根粗さRqが1以上13.5以下であることが好ましい。ここで、「表面の十点平均粗さRz」は、JIS B 0601:2001に記載されているRzJISに相当し、基準長さL(例えば500μm)における、凹凸表面の粗さ曲線の最大高さ(山(Zpeak、j)の高さ)5点と、最大深さ(谷(Zvalley、j)の深さ)5点との平均の和であり、下記式(1)で定義される。また、「平均間隔Sm」は、JIS B 0601:2001の4.3.1.に規定されている平均長さであり、基準長さL(例えば500μm)の間に存在する、凹凸表面の粗さ曲線の、隣り合う山の間隔の平均値である。また、「二乗平均平方根粗さRq」は、JIS B 0601:2001の4.2.2.に規定されている二乗平均平方根粗さである。 Here, the “unevenness” provided inside the second casing that contacts the aqueous electrolyte is one form of the precipitation promoting means. The irregularities preferably have a surface ten-point average roughness Rz of 5.25 μm or more, an average interval Sm of 10.5 μm or more, and a surface root mean square roughness Rq of 1 to 13.5. Here, “ten-point average roughness Rz of the surface” corresponds to RzJIS described in JIS B 0601: 2001, and the maximum height of the roughness curve of the uneven surface at the reference length L (for example, 500 μm). (Height of mountain (Z peak, j )) and the sum of the average of 5 points of maximum depth (depth of valley (Z valley, j )) and defined by the following formula (1) . The “average interval Sm” is 4.3.1. Of JIS B 0601: 2001. Is the average length of adjacent peaks in the roughness curve of the concavo-convex surface existing between the reference length L (for example, 500 μm). The “root mean square roughness Rq” is 4.2.2. Of JIS B 0601: 2001. Is the root mean square roughness specified in.

また、上記本発明において、第2の筺体と複数の第1の筺体とが接続されていることが好ましい。   Moreover, in the said invention, it is preferable that the 2nd housing and the some 1st housing are connected.

また、上記本発明において、第2の筺体に、第1の筺体の内側の圧力を制御可能な圧力制御手段が接続されていることが好ましい。   Moreover, in the said invention, it is preferable that the pressure control means which can control the pressure inside a 1st housing is connected to the 2nd housing.

また、第2の筺体に圧力制御手段が接続されている上記本発明において、該圧力制御手段がベントであり、該ベントの外側が加湿されていることが好ましい。   In the present invention in which the pressure control means is connected to the second housing, it is preferable that the pressure control means is a vent and the outside of the vent is humidified.

本発明の金属空気電池は、充電反応や放電反応を起こさせるために必要な金属空気電池の各構成要素を収容する第1の筺体に加えて、水溶液電解質を収容する第2の筺体を備えている。そのため、充電反応や放電反応が生じる第1の筺体内と比較して温度が低い第2の筺体内に、放電生成物を析出させることが可能になる。第2の筺体内に放電生成物を析出させることで、第1の筺体内の正極の表面等に放電生成物が析出する事態を回避しながら金属空気電池の高容量化を図ることが可能になる。したがって、本発明によれば、サイクル特性を向上させることが可能な金属空気電池を提供することできる。   The metal-air battery of the present invention includes a second casing that stores an aqueous electrolyte in addition to a first casing that stores each component of the metal-air battery necessary for causing a charging reaction and a discharging reaction. Yes. Therefore, it becomes possible to deposit the discharge product in the second casing having a lower temperature than that of the first casing in which the charging reaction or the discharge reaction occurs. By depositing the discharge product in the second housing, it is possible to increase the capacity of the metal-air battery while avoiding the situation where the discharge product is deposited on the surface of the positive electrode in the first housing. Become. Therefore, according to this invention, the metal air battery which can improve cycling characteristics can be provided.

本発明において、第2の筺体に収容されている水溶液電解質からの放電生成物の析出を促進する析出促進手段が備えられることにより、金属空気電池のサイクル特性を向上させることが容易になる。   In the present invention, it is easy to improve the cycle characteristics of the metal-air battery by providing the deposition promoting means for promoting the deposition of the discharge product from the aqueous electrolyte contained in the second casing.

また、本発明において、温度差拡大手段が備えられていることにより、放電生成物が第2の筺体内で析出しやすくなるので、金属空気電池のサイクル特性を向上させることが容易になる。   In the present invention, since the temperature difference widening means is provided, the discharge product is likely to be precipitated in the second casing, so that it becomes easy to improve the cycle characteristics of the metal-air battery.

また、本発明において、第1の筺体の外面と第2の筺体の外面との間に断熱材が配設されていることにより、第1の筺体の温度よりも第2の筺体の温度が低い状態を維持しやすくなり、その結果、放電生成物が第2の筺体内で析出しやすくなるので、金属空気電池のサイクル特性を向上させることが容易になる。   In the present invention, since the heat insulating material is disposed between the outer surface of the first housing and the outer surface of the second housing, the temperature of the second housing is lower than the temperature of the first housing. It becomes easy to maintain the state, and as a result, the discharge product is likely to precipitate in the second casing, so that it becomes easy to improve the cycle characteristics of the metal-air battery.

また、本発明において、水溶液電解質に接触する第2の筺体の内部に凹凸が設けられていることにより、放電生成物が第2の筺体内で析出しやすくなるので、金属空気電池のサイクル特性を向上させることが容易になる。   Further, in the present invention, since the unevenness is provided in the second casing that contacts the aqueous electrolyte, the discharge product is likely to be precipitated in the second casing, so that the cycle characteristics of the metal-air battery are improved. It becomes easy to improve.

また、本発明において、第2の筺体と複数の第1の筺体とが接続されていることにより、複数の金属空気電池のサイクル特性を向上させることが可能な、金属空気電池(組電池)を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a metal air battery (assembled battery) capable of improving cycle characteristics of a plurality of metal air batteries by connecting the second casing and the plurality of first casings. Can be provided.

また、本発明において、第1の筺体の内側の圧力を制御可能な圧力制御手段が第2の筺体に接続されていることにより、金属空気電池の安定性を向上させつつサイクル特性を向上させることが可能になる。   In the present invention, the pressure control means capable of controlling the pressure inside the first casing is connected to the second casing, thereby improving the cycle characteristics while improving the stability of the metal-air battery. Is possible.

また、本発明において、圧力制御手段として機能するベントが第2の筺体に接続され、且つ、ベントの外側が加湿されていることにより、上記効果に加え、電解質の蒸発に起因する液枯れによる電池の失活を抑制することができるので、金属空気電池のサイクル特性を向上させることが容易になる。   In the present invention, the vent functioning as the pressure control means is connected to the second casing, and the outside of the vent is humidified. In addition to the above effect, the battery withered due to electrolyte evaporation Therefore, it is easy to improve the cycle characteristics of the metal-air battery.

空気電池10を説明する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating an air battery 10. 空気電池20を説明する断面図である。2 is a cross-sectional view illustrating an air battery 20. FIG. 第2の筺体25を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the 2nd housing 25. FIG. 第2の筺体27を説明する断面図である。5 is a cross-sectional view illustrating a second casing 27. FIG. 空気電池30を説明する上面図である。2 is a top view illustrating the air battery 30. FIG. 実施例にかかる空気電池及び比較例にかかる空気電池の放電曲線を示す図である。It is a figure which shows the discharge curve of the air battery concerning an Example, and the air battery concerning a comparative example.

水溶液電解質中に放電生成物が析出する金属空気電池のうち、水溶液電解質を用いたリチウム空気電池は、例えば以下のように構成される。
Li負極|非水電解液又はイオン液体|Li伝導固体電解質|水溶液電解質|空気極
このように構成されるリチウム空気電池の放電反応は、下記式(2)で表される。
4Li + O + 2HO → 4LiOH 3.466V 式(2)
放電生成物であるLiOHは、水溶液電解質に約5.12mol/Lまで溶解する。飽和を超えて放電すると、溶解平衡を利用して固体として析出させることができ、これによって高い容量を得ることができる。
Among metal-air batteries in which discharge products are deposited in an aqueous electrolyte, a lithium-air battery using an aqueous electrolyte is configured as follows, for example.
Li negative electrode | non-aqueous electrolyte or ionic liquid | Li conductive solid electrolyte | aqueous solution electrolyte | air electrode The discharge reaction of the lithium air battery comprised in this way is represented by following formula (2).
4Li + O 2 + 2H 2 O → 4LiOH 3.466V formula (2)
LiOH as a discharge product is dissolved in an aqueous electrolyte up to about 5.12 mol / L. When the discharge exceeds saturation, it can be precipitated as a solid using the dissolution equilibrium, thereby obtaining a high capacity.

しかしながら、上記のように構成されるリチウム空気電池は、放電生成物が、空気極やLi伝導固体電解質を不均一析出核として析出しやすい。このような箇所に析出した放電生成物はイオン伝導を妨げるため、電圧が降下し、電池の失活を招く虞がある。そこで、かかる事態を回避するため、Li伝導固体電解質と空気極との間隔を広げ、Li伝導固体電解質と空気極との間に充填された水溶液電解質中に放電生成物を析出させる対策を施すことが考えられる。しかしながら、水溶液電解質中に析出したLiOHはイオン伝導の抵抗体である。そのため、このような対策を施すと、水溶液電解質のイオン伝導抵抗が増大し、空気電池の性能が低下する虞がある。   However, in the lithium-air battery configured as described above, the discharge product is likely to deposit using the air electrode and the Li conductive solid electrolyte as non-uniform precipitation nuclei. Since the discharge product deposited at such a location hinders ion conduction, the voltage drops and the battery may be deactivated. Therefore, in order to avoid such a situation, the interval between the Li conductive solid electrolyte and the air electrode is widened, and measures are taken to deposit discharge products in the aqueous electrolyte filled between the Li conductive solid electrolyte and the air electrode. Can be considered. However, LiOH deposited in the aqueous electrolyte is an ion conductive resistor. For this reason, when such measures are taken, the ion conduction resistance of the aqueous electrolyte increases and the performance of the air battery may deteriorate.

本発明者は、鋭意研究の結果、正極と負極とによって挟まれない位置に配設した水溶液電解質に放電生成物を析出させることにより、水溶液電解質のイオン伝導抵抗増大に起因する金属空気電池の性能低下を抑制することが可能になり、サイクル特性を向上させることが可能になることを知見し、本発明を完成させた。   As a result of earnest research, the present inventor has found that the performance of the metal-air battery due to the increase in the ionic conduction resistance of the aqueous electrolyte by precipitating the discharge product on the aqueous electrolyte disposed at a position not sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. The inventors have found that it is possible to suppress the decrease and improve the cycle characteristics, and the present invention has been completed.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す、リチウムイオンが吸蔵放出される空気電池は本発明の例示であり、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the air battery in which lithium ions are occluded and released as described below is an exemplification of the present invention, and the present invention is not limited to the embodiment described below.

図1は、第1実施形態にかかる本発明の空気電池10の形態を説明する断面図である。図1に示すように、空気電池10は、第1の筺体11及び第2の筺体12を有し、第1の筺体11と第2の筺体12とは、管状の接合部13を介して接続されている。第1の筺体11及び第2の筺体12の間には断熱材14が配設されており、第2の筺体12に対向する第1の筺体11の外面と、第1の筺体11に対向する第2の筺体12の外面とは、断熱材14を介して接続されている。   FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of an air battery 10 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the air battery 10 includes a first casing 11 and a second casing 12, and the first casing 11 and the second casing 12 are connected via a tubular joint portion 13. Has been. A heat insulating material 14 is disposed between the first casing 11 and the second casing 12, and the outer surface of the first casing 11 facing the second casing 12 and the first casing 11 are opposed to each other. The outer surface of the second housing 12 is connected via a heat insulating material 14.

図1に示すように、第1の筺体11には、図面下側から順に、負極層1と、固体電解質層2と、水溶液電解質層3と、正極(空気極)層4と、空気層5と、が収容されている。空気電池10では、負極層1の上面と固体電解質層2の下面とが接触しており、正極層4の下面と固体電解質層2の上面とによって挟まれた空間に、リチウムイオンを伝導させる水溶液電解質3aが充填されている。また、正極層4へと供給されるべき空気が流通可能な孔(不図示)が、空気層5に備えられている。   As shown in FIG. 1, the first casing 11 includes a negative electrode layer 1, a solid electrolyte layer 2, an aqueous electrolyte layer 3, a positive electrode (air electrode) layer 4, and an air layer 5 in order from the lower side of the drawing. And is housed. In the air battery 10, the upper surface of the negative electrode layer 1 and the lower surface of the solid electrolyte layer 2 are in contact, and an aqueous solution that conducts lithium ions in a space sandwiched between the lower surface of the positive electrode layer 4 and the upper surface of the solid electrolyte layer 2. The electrolyte 3a is filled. The air layer 5 is provided with holes (not shown) through which air to be supplied to the positive electrode layer 4 can flow.

第2の筺体12には、水溶液電解質層3に充填されているものと同じ水溶液電解質3aが収容されている一方、正極や負極は収容されていない。また、第2の筺体12の外面には、温度差拡大手段として機能する放熱板15が設けられている。図1に示すように、第2の筺体12と水溶液電解質層3とは、接合部13を介して接続されているので、第2の筺体12に収容されている水溶液電解質3aは、接合部13を介して水溶液電解質層3へと移動することができ、水溶液電解質層3に存在する放電生成物は、接合部13を介して第2の筺体12へと移動することができる。   The second casing 12 contains the same aqueous electrolyte 3a as that filled in the aqueous electrolyte layer 3, but does not contain a positive electrode or a negative electrode. In addition, a heat radiating plate 15 that functions as a temperature difference expanding means is provided on the outer surface of the second housing 12. As shown in FIG. 1, since the second casing 12 and the aqueous electrolyte layer 3 are connected via the joint 13, the aqueous electrolyte 3 a accommodated in the second casing 12 is connected to the joint 13. The discharge product existing in the aqueous electrolyte layer 3 can move to the second casing 12 via the joint portion 13.

空気電池10の作動時には、第1の筺体11の内側において充電反応や放電反応が生じる。そのため、第1の筺体11に収容されている水溶液電解質3aは、動作熱により加温される。これに対し、正極や負極が収容されていない第2の筺体12では、充電反応や放電反応が生じない。さらに、第2の筺体12には放熱板15が設けられているので、第2の筺体12に収容されている水溶液電解質3aは温度が低下しやすい。加えて、空気電池10は、断熱材14によって、第1の筺体11と第2の筺体12との間の熱拡散が抑制されている。それゆえ、空気電池10の作動時において、第2の筺体12に収容されている水溶液電解質3aの温度は、第1の筺体11に収容されている水溶液電解質3aの温度よりも低い。相対的に温度が低い第2の筺体12に収容されている水溶液電解質3aは、相対的に温度が高い第1の筺体11に収容されている水溶液電解質3aよりも、イオン結晶として析出する放電生成物(LiOH)の飽和溶解度が低い。そのため、空気電池10によれば、第2の筺体12に放電生成物(LiOH)を析出させることができる。ここで、第2の筺体12に収容されている水溶液電解質3aは、正極層4及び負極層1によって挟まれる領域に位置していない。そのため、空気電池10によれば、第1の筺体11内で生ずる充電反応や放電反応を阻害しない第2の筺体12内に、放電生成物(LiOH)を析出させることができ、これによって、正極層4や固体電解質層2の表面等に放電生成物(LiOH)が析出する事態を回避しながら空気電池10の高容量化を図ることが可能になる。したがって、本発明によれば、サイクル特性を向上させることが可能な空気電池10を提供することできる。   During the operation of the air battery 10, a charging reaction and a discharging reaction occur inside the first housing 11. Therefore, the aqueous electrolyte 3a accommodated in the first casing 11 is heated by operating heat. On the other hand, in the second casing 12 in which the positive electrode and the negative electrode are not accommodated, no charging reaction or discharging reaction occurs. Furthermore, since the heat sink 15 is provided in the second casing 12, the temperature of the aqueous electrolyte 3a accommodated in the second casing 12 tends to decrease. In addition, in the air battery 10, thermal diffusion between the first housing 11 and the second housing 12 is suppressed by the heat insulating material 14. Therefore, when the air battery 10 is operated, the temperature of the aqueous electrolyte 3 a accommodated in the second casing 12 is lower than the temperature of the aqueous electrolyte 3 a accommodated in the first casing 11. Discharge generation in which the aqueous electrolyte 3a accommodated in the second casing 12 having a relatively low temperature is deposited as an ionic crystal is more than the aqueous electrolyte 3a accommodated in the first casing 11 having a relatively high temperature. The saturated solubility of the product (LiOH) is low. Therefore, according to the air battery 10, the discharge product (LiOH) can be deposited on the second casing 12. Here, the aqueous electrolyte 3 a accommodated in the second housing 12 is not located in a region sandwiched between the positive electrode layer 4 and the negative electrode layer 1. Therefore, according to the air battery 10, the discharge product (LiOH) can be deposited in the second housing 12 that does not hinder the charge reaction and the discharge reaction that occur in the first housing 11, and thereby the positive electrode The capacity of the air battery 10 can be increased while avoiding the situation where the discharge product (LiOH) is deposited on the surface of the layer 4 or the solid electrolyte layer 2. Therefore, according to this invention, the air battery 10 which can improve cycling characteristics can be provided.

<負極層1>
負極層1には、リチウムイオンを放出可能、好ましくはリチウムイオンを吸蔵・放出可能な活物質(以下において、「負極活物質」という。)が含有されており、負極層1には、負極層1の内部又は外面に当接して、負極層1の集電を行う負極集電体(不図示)が設けられている。この負極集電体には、負極リードが接続されている。負極層1は、少なくとも負極活物質を含有していれば良く、負極活物質に加えて、導電性を向上させる導電性材料や金属等を固定化させる結着材が含有されていても良い。
<Negative electrode layer 1>
The negative electrode layer 1 contains an active material capable of releasing lithium ions, preferably occlude / release lithium ions (hereinafter referred to as “negative electrode active material”). A negative electrode current collector (not shown) for collecting the negative electrode layer 1 is provided in contact with the inside or the outer surface of 1. A negative electrode lead is connected to the negative electrode current collector. The negative electrode layer 1 only needs to contain at least a negative electrode active material, and may contain, in addition to the negative electrode active material, a conductive material that improves conductivity, a binder that fixes metal or the like.

負極層1に含有される負極活物質としては、リチウム空気電池の負極活物質として利用可能な公知の負極活物質を適宜用いることができる。空気電池10で使用可能な負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、LiTiO等の酸化物等を例示することができる。 As the negative electrode active material contained in the negative electrode layer 1, a known negative electrode active material that can be used as a negative electrode active material of a lithium-air battery can be appropriately used. Examples of the negative electrode active material that can be used in the air battery 10 include metal lithium, lithium alloys, and oxides such as Li 2 TiO 3 .

負極層1に含有され得る導電性材料は、空気電池10の使用時における環境に耐えることができ、且つ、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではない。空気電池10で使用可能な導電性材料としては、金、白金、グラファイトやカーボンブラック等の炭素材料のほか、メソポーラスカーボン等に代表される多孔質構造を有する炭素材料等を例示することができる。負極層1に導電性材料が含有される場合、電池容量の低下を抑制する等の観点から、導電性材料の含有量は、10質量%以上99質量%以下とすることが好ましい。
負極層1に含有され得る結着材としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、及び、スチレンブタジエンゴム(SBR)等、空気電池に使用可能な公知の結着材を例示することができる。負極層1に結着材が含有される場合、その含有量は特に限定されるものではないが、例えば10質量%以下とすることが好ましく、1質量%以上5質量%以下とすることがより好ましい。
The conductive material that can be contained in the negative electrode layer 1 is not particularly limited as long as it can withstand the environment when the air battery 10 is used and has conductivity. Examples of the conductive material that can be used in the air battery 10 include carbon materials having a porous structure typified by mesoporous carbon, in addition to carbon materials such as gold, platinum, graphite, and carbon black. When the negative electrode layer 1 contains a conductive material, the content of the conductive material is preferably 10% by mass or more and 99% by mass or less from the viewpoint of suppressing a decrease in battery capacity.
Examples of the binder that can be contained in the negative electrode layer 1 include known binders that can be used for air batteries, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and styrene butadiene rubber (SBR). It can be illustrated. When the negative electrode layer 1 contains a binder, the content is not particularly limited, but is preferably 10% by mass or less, for example, and more preferably 1% by mass to 5% by mass. preferable.

空気電池10において、負極集電体は負極層1の集電を行う部材である。負極集電体は、空気電池10の使用時における環境に耐えることができ、且つ、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではない。負極集電体の構成材料としては、銅、ステンレス鋼、及び、ニッケル等を例示することができ、負極集電体の形状としては、箔状、板状、及び、メッシュ(グリッド)状等を例示することができる。   In the air battery 10, the negative electrode current collector is a member that collects the negative electrode layer 1. The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it can withstand the environment when the air battery 10 is used and has conductivity. Examples of the constituent material of the negative electrode current collector include copper, stainless steel, and nickel. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. It can be illustrated.

このように構成される負極層1は、例えば、金属リチウムと負極集電体とを接合する等の工程を経て作製することができる。負極層1の大きさや厚さは、空気電池10が空気電池として機能可能であれば、特に限定されるものではない。   The negative electrode layer 1 configured as described above can be produced through, for example, a process of joining metallic lithium and a negative electrode current collector. The size and thickness of the negative electrode layer 1 are not particularly limited as long as the air battery 10 can function as an air battery.

<固体電解質層2>
固体電解質層2には、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質が含有されている。固体電解質層2に含有される固体電解質としては、種々のリチウム含有酸化物やリチウム系固体電解質等、リチウム空気電池に使用可能な固体電解質が用いられる。このような固体電解質としては、NASICON型固体電解質、ガーネット型固体電解質、ペロブスカイト型固体電解質、LISICON型固体電解質、ガラス型固体電解質、LATP型固体電解質のほか、リチウム塩を含ませたポリエチレンオキサイドや、リチウム塩を含ませたポリエチレンオキサイドとエチルグリシジルエーテルとの共重合体等を例示することができる。NASICON型固体電解質としては、Li1.5TiSi0.42.612や、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO等を例示することができ、ガーネット型固体電解質としては、LiLaZr12や、LiBaLaTa12等を例示することができる。また、ペロブスカイト型固体電解質としては、Li0.5La0.5TiO等を例示することができ、LISICON型固体電解質としては、Li3.60.4Si0.5、及び、Li3.40.6Ge0.4等を例示することができる。また、ガラス型固体電解質としては、LiO−B、LiCl−LiO−B、LiO−SiO、LiSO−LiPO、LiO−Nb、及び、LiO−Ta等を例示することができる。また、LATP型固体電解質としては、Li1+x+yAlTi2−xSi3−y12等を例示することができる。また、ポリエチレンオキサイドやポリエチレンオキサイドとエチルグリシジルエーテルとの共重合体等に含有させるリチウム塩としては、LiTFSA、LiPF、LiBF、LiClO、LiFSA、LiTfO等を例示することができる。このような固体電解質を含有する固体電解質層2は、例えば、粉体状の固体電解質を混合し、加圧成形すること等によって作製することができる。固体電解質層2の大きさや厚さは、空気電池10が空気電池として機能可能であれば、特に限定されるものではない。
<Solid electrolyte layer 2>
The solid electrolyte layer 2 contains a solid electrolyte having lithium ion conductivity. As the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer 2, solid electrolytes that can be used for lithium air batteries, such as various lithium-containing oxides and lithium-based solid electrolytes, are used. Examples of such solid electrolytes include NASICON type solid electrolytes, garnet type solid electrolytes, perovskite type solid electrolytes, LISICON type solid electrolytes, glass type solid electrolytes, LATP type solid electrolytes, polyethylene oxide containing lithium salts, Examples include a copolymer of polyethylene oxide and ethyl glycidyl ether containing a lithium salt. Examples of NASICON solid electrolytes include Li 1.5 Ti 2 Si 0.4 P 2.6 O 12 and Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 . Examples of the garnet-type solid electrolyte include Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 . Examples of the perovskite type solid electrolyte include Li 0.5 La 0.5 TiO 3. Examples of the LISICON type solid electrolyte include Li 3.6 P 0.4 Si 0.5 O 4 , and , Li 3.4 V 0.6 Ge 0.4 O 4 and the like. As the glass type solid electrolyte, Li 2 O-B 2 O 3, LiCl-Li 2 O-B 2 O 3, Li 2 O-SiO 2, Li 2 SO 4 -LiPO 4, Li 2 O-Nb 2 Examples include O 5 and Li 2 O—Ta 2 O 5 . As the LATP solid electrolyte, it can be exemplified Li 1 + x + y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 and the like. Examples of the lithium salt to be contained in polyethylene oxide or a copolymer of polyethylene oxide and ethyl glycidyl ether include LiTFSA, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiFSA, and LiTfO. The solid electrolyte layer 2 containing such a solid electrolyte can be produced, for example, by mixing a powdered solid electrolyte and performing pressure molding. The size and thickness of the solid electrolyte layer 2 are not particularly limited as long as the air battery 10 can function as an air battery.

<水溶液電解質層3>
水溶液電解質層3には、リチウムイオン伝導性を有する水溶液電解質3aが充填されており、例えば、多孔質のセパレータ(不図示)に水溶液電解質3aが保持された形態で、水溶液電解質3aが充填されている。水溶液電解質層3に含有されている水溶液電解質3aは、例えば、リチウム塩を溶解させたアルカリ性の水溶液電解質や、リチウム塩を溶解させた中性の水溶液電解質等を用いることができる。本発明において、水溶液電解質には、LiOH、CHCOOLi、LiClO、LiSO等のリチウム塩を溶解させることができ、LiOHの濃度は0mol/L以上5.12mol/L以下とすることができる。5.12mol/Lは、室温における飽和濃度である。ただし、0.1mol/L未満の電解質濃度では、リチウムイオン伝導性の低下が顕著になる。そのため、当該LiOH濃度領域における動作を補償するために、別途、0.1mol/L以上12mol/L以下程度のKOH、NaOH、若しくは、(K、Na、H、NH4)と(SO 2−、ClO 、NO 、Cl、Br、I、F、CHCOO、PO 3−)との組み合わせ、又は、海水を加えることができる。なお、LiOHの室温における飽和濃度5.12mol/Lを超えてLiOHの沈殿物が存在する状態においても、空気電池10は作動させることが可能である。また、水溶液電解質3aを保持するセパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜のほか、樹脂不織布やガラス繊維不織布等の不織布等を例示することができる。
<Aqueous electrolyte layer 3>
The aqueous electrolyte layer 3 is filled with an aqueous electrolyte 3a having lithium ion conductivity. For example, the aqueous electrolyte 3a is filled in a form in which the aqueous electrolyte 3a is held in a porous separator (not shown). Yes. As the aqueous electrolyte 3a contained in the aqueous electrolyte layer 3, for example, an alkaline aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved, a neutral aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved, or the like can be used. In the present invention, lithium salt such as LiOH, CH 3 COOLi, LiClO 4 , Li 2 SO 4 can be dissolved in the aqueous electrolyte, and the concentration of LiOH is 0 mol / L or more and 5.12 mol / L or less. Can do. 5.12 mol / L is the saturation concentration at room temperature. However, when the electrolyte concentration is less than 0.1 mol / L, the decrease in lithium ion conductivity becomes significant. Therefore, in order to compensate for the operation in the LiOH concentration region, KOH, NaOH, or (K + , Na + , H + , NH 4 + ) and (SO 4) of 0.1 mol / L or more and 12 mol / L or less are separately provided. 4 2− , ClO 4 , NO 3 , Cl , Br , I , F , CH 3 COO , PO 4 3− ), or seawater can be added. Note that the air battery 10 can be operated even in a state where the LiOH precipitate is present exceeding the saturation concentration of LiOH at room temperature of 5.12 mol / L. Moreover, as a separator holding the aqueous solution electrolyte 3a, in addition to porous films such as polyethylene and polypropylene, non-woven fabrics such as a resin non-woven fabric and a glass fiber non-woven fabric can be exemplified.

<正極層4>
正極層4は、空気電池の正極(空気極)として機能可能であれば、その形態は特に限定されるものではなく、公知の形態とすることができる。例えば、導電性材料、触媒、及び、これらを結着させる結着材を含有させることができる。
<Positive electrode layer 4>
If the positive electrode layer 4 can function as the positive electrode (air electrode) of an air battery, the form will not be specifically limited, It can be set as a well-known form. For example, a conductive material, a catalyst, and a binder for binding them can be contained.

正極層4には、負極層1に用いられる上記導電性材料と同様のものを用いることができる。正極層4に導電性材料を含有させる場合、反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、正極層4における導電性材料の含有量は、10質量%以上とすることが好ましい。また、充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、正極層4における導電性材料の含有量は、99質量%以下とすることが好ましい。
正極層4に用いられる触媒としては、MnO、ペロブスカイト型(ABO;Aは、Sr、Ba、Ca等のアルカリ土類元素に一部置換される、LaやNd等のランタノイドであり、Bは、他の遷移金属元素によって一部置換されるNi、Fe、Co、Mn等の遷移金属元素である。ABOの具体例としては、LaSr1−xFeMn1−y等が挙げられる。)、スピネル型(AB;A及びBは遷移金属元素)、パイロクロア型(A。A2−x7−y(AはPbやBi、BはRuやIr))、IrO等の酸化物、Pd、Ag、Ir、Pt、Ru等の貴金属、Cu、Co、Cu等の遷移金属、ポリピロール配位子を有するポルフィリン等の錯体、及び、Pr−Ir、Pt−Ru、Au−Pd等の合金等を例示することができる。正極層4に触媒を含有させる場合、充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、正極層4における触媒の含有量は、1質量%以上とすることが好ましい。また、反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、正極層4における触媒の含有量は、90質量%以下とすることが好ましい。
また、正極1には、負極層1に用いられる上記結着材と同様のものを用いることができる。正極層4に結着材を含有させる場合、結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば10質量%以下とすることが好ましく、1質量%以上5質量%以下とすることがより好ましい。
As the positive electrode layer 4, the same conductive material as that used for the negative electrode layer 1 can be used. When the positive electrode layer 4 contains a conductive material, the content of the conductive material in the positive electrode layer 4 is preferably 10% by mass or more from the viewpoint of suppressing a reduction in reaction field and a decrease in battery capacity. . Moreover, from a viewpoint of making it the form which can exhibit a sufficient catalyst function, it is preferable that content of the electroconductive material in the positive electrode layer 4 shall be 99 mass% or less.
As the catalyst used for the positive electrode layer 4, MnO 2 , perovskite type (ABO 3 ; A is a lanthanoid such as La or Nd, which is partially substituted by alkaline earth elements such as Sr, Ba, and Ca, Is a transition metal element partially substituted by other transition metal elements such as Ni, Fe, Co, Mn, etc. As a specific example of ABO 3 , La x Sr 1-x Fe y Mn 1-y O 3 Etc.), spinel type (AB 2 O 4 ; A and B are transition metal elements), pyrochlore type (A 2 B 2 O 7, A 2 B 2-x A x O 7-y (A is Pb) And Bi and B are Ru and Ir)), oxides such as IrO 2 , noble metals such as Pd, Ag, Ir, Pt, and Ru, transition metals such as Cu, Co, and Cu, and porphyrins having a polypyrrole ligand Complexes, and Pr-Ir, Pt-R It can be exemplified an alloy such as Au-Pd. In the case where the positive electrode layer 4 contains a catalyst, the content of the catalyst in the positive electrode layer 4 is preferably 1% by mass or more from the viewpoint of a form capable of exhibiting a sufficient catalytic function. Further, from the viewpoint of suppressing a decrease in reaction field and a decrease in battery capacity, the content of the catalyst in the positive electrode layer 4 is preferably 90% by mass or less.
The positive electrode 1 may be the same as the binder used for the negative electrode layer 1. When the positive electrode layer 4 contains a binder, the content of the binder is not particularly limited, but is preferably 10% by mass or less, for example, and preferably 1% by mass to 5% by mass. It is more preferable.

正極層4は、例えば、カーボンブラック、触媒、及び結着材を含む組成物を、後述する正極集電体の表面に塗布する等の工程を経て作製することができる。このほか、カーボンブラック及び触媒を含む混合粉末を熱圧着する等の工程を経て作製することもできる。正極層4の大きさや厚さは、空気電池10が空気電池として機能可能であれば、特に限定されるものではない。   The positive electrode layer 4 can be produced, for example, through steps such as applying a composition containing carbon black, a catalyst, and a binder to the surface of the positive electrode current collector described later. In addition, it can be produced through a process such as thermocompression bonding of a mixed powder containing carbon black and a catalyst. The size and thickness of the positive electrode layer 4 are not particularly limited as long as the air battery 10 can function as an air battery.

<空気層5>
空気層5は、空気を正極層4へと導く層である。空気層5は、正極層4へと導かれる空気の通り道を有し、例えば、正極層4の内部又は外面に当接して、正極層4の集電を行う正極集電体に備えられる孔が、空気層5として機能する。空気層5は、正極集電体5と表現することもできる。
<Air layer 5>
The air layer 5 is a layer that guides air to the positive electrode layer 4. The air layer 5 has an air passage that is led to the positive electrode layer 4. For example, the air layer 5 is in contact with the inside or the outer surface of the positive electrode layer 4 and has a hole provided in the positive electrode current collector that collects the positive electrode layer 4. , Function as an air layer 5. The air layer 5 can also be expressed as the positive electrode current collector 5.

空気電池10において、正極集電体は正極層4の集電を行う部材である。正極集電体の構成材料は、空気電池10の使用時における環境に耐えることができ、且つ、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではない。正極集電体の構成材料としては、Pt、Ag、Ir、Ru、Rh、Pd等の貴金属、Co、Ni、Mn等の遷移金属、グラファイトやカーボン等の炭素系材料、Au−Pd等のAuと貴金属との合金等を例示することができる。正極集電体の形状としては、例えばメッシュ(グリッド)状等を例示することができる。空気電池10において、正極集電体は、上記構成材料によってメッシュ状に形成したり、上記構成材料の微粒子を熱圧着する等して緻密に固めたりする等して作製することができる。正極集電体の大きさや厚さは、空気電池10が空気電池として機能可能であれば、特に限定されるものではない。   In the air battery 10, the positive electrode current collector is a member that collects the positive electrode layer 4. The constituent material of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it can withstand the environment when the air battery 10 is used and has conductivity. The constituent materials of the positive electrode current collector include noble metals such as Pt, Ag, Ir, Ru, Rh, and Pd, transition metals such as Co, Ni, and Mn, carbon-based materials such as graphite and carbon, and Au such as Au—Pd. And an alloy of a noble metal and the like. Examples of the shape of the positive electrode current collector include a mesh (grid) shape. In the air battery 10, the positive electrode current collector can be produced by forming it into a mesh shape with the above constituent materials, or by compacting the fine particles of the constituent materials by thermocompression bonding. The size and thickness of the positive electrode current collector are not particularly limited as long as the air battery 10 can function as an air battery.

<第1の筺体11>
第1の筐体11は、第2の筺体12と水溶液電解質層3との間を、接合部13を介して、物質が移動可能なように構成されていれば、その形状は特に限定されるものではない。例えば、接合部13が接続されるべき箇所に孔を形成するほかは、第1の筐体11の一部をメッシュ状としたり、開口部を設けたりすることによって、外部から取り込まれた空気が正極層4へと供給される形態とすることができる。このような形態の第1の筺体11は、リチウム空気電池の筐体に使用可能な公知の材料を用いて作製することができる。
<First housing 11>
The shape of the first housing 11 is particularly limited as long as the substance can move between the second housing 12 and the aqueous electrolyte layer 3 via the joint 13. It is not a thing. For example, in addition to forming a hole at a position where the joint portion 13 is to be connected, a part of the first housing 11 is meshed or an opening is provided so that air taken in from the outside It can be set as the form supplied to the positive electrode layer 4. The 1st housing 11 of such a form can be produced using the well-known material which can be used for the housing | casing of a lithium air battery.

<第2の筺体12>
第2の筺体12は、第1の筺体11に収容された水溶液電解質層3と第2の筺体12との間を、接合部13を介して、物質が移動可能なように構成されていれば、その形状は特に限定されるものではない。例えば、接合部13が接続されるべき箇所に孔を形成するほかは、孔を有しない形態の筺体とすることができる。このような形態の第2の筺体12は、リチウム空気電池の筐体に使用可能な公知の材料を用いて作製することができる。空気電池10において、空気電池10の総体積をV1、第2の筺体12の体積をV2とするとき、電池の容量密度を損なわないようにする等の観点からは、V2/V1≦0.5とすることが好ましい。
<Second housing 12>
If the second housing 12 is configured so that the substance can move between the aqueous electrolyte layer 3 accommodated in the first housing 11 and the second housing 12 via the joint portion 13. The shape is not particularly limited. For example, it can be set as the housing of the form which does not have a hole except forming a hole in the location where the junction part 13 should be connected. The 2nd housing 12 of such a form can be produced using the well-known material which can be used for the housing | casing of a lithium air battery. In the air battery 10, when the total volume of the air battery 10 is V1 and the volume of the second housing 12 is V2, V2 / V1 ≦ 0.5 from the viewpoint of not impairing the capacity density of the battery. It is preferable that

<接合部13>
接合部13は、第2の筺体12と水溶液電解質層3との間を水溶液電解質3aが移動可能なように、第1の筺体11と第2の筺体12とを接続する管状の部材である。接合部13は管状であればその形態は特に限定されるものではないが、電池内で気体が発生する場合を考慮して、軸方向を法線方向とする断面の形状は、円形、又は、三角形、四角形、五角形、若しくは、六角形等の多角形であることが好ましい。充電等で第1の筺体11内で気泡が発生した場合、又は、第2の筺体12から第1の筺体11へ気泡が流入した場合に、水溶液電解質3a(LiOH電解液)が高粘性であるために接合部13に気泡が詰まり、その結果、第2の筺体12と水溶液電解質層3との連結が絶たれてLiOHの析出を誘導する部位である第2の筺体12の機能が損なわれる事態を防止する等の観点から、接合部13の断面形状が円形である場合、当該円の直径は3mm以上とすることが好ましい。また、同様の観点から、接合部13の断面形状が多角形である場合、当該多角形の一辺の長さは3mm以上とすることが好ましい。接合部13は、例えば、第1の筺体11や第2の筺体12と同様の材料を用いて作製することができる。
<Joint part 13>
The joint 13 is a tubular member that connects the first casing 11 and the second casing 12 so that the aqueous electrolyte 3a can move between the second casing 12 and the aqueous electrolyte layer 3. The shape of the joint 13 is not particularly limited as long as it is tubular, but considering the case where gas is generated in the battery, the shape of the cross section with the axial direction as the normal direction is circular, or A polygon such as a triangle, a quadrangle, a pentagon, or a hexagon is preferable. When bubbles are generated in the first casing 11 due to charging or the like, or when bubbles flow into the first casing 11 from the second casing 12, the aqueous electrolyte 3a (LiOH electrolyte) is highly viscous. For this reason, bubbles are clogged in the joint portion 13, and as a result, the connection between the second casing 12 and the aqueous electrolyte layer 3 is broken, and the function of the second casing 12, which is a site for inducing LiOH precipitation, is impaired. In view of preventing the above, when the cross-sectional shape of the joint portion 13 is circular, the diameter of the circle is preferably 3 mm or more. From the same viewpoint, when the cross-sectional shape of the joint portion 13 is a polygon, the length of one side of the polygon is preferably 3 mm or more. The joint portion 13 can be manufactured using, for example, the same material as the first housing 11 and the second housing 12.

<断熱材14>
断熱材14は、第1の筺体11と第2の筺体12との間の、外面を介した熱拡散を抑制するために配設されている。空気電池10において、断熱材14は断熱機能を有するものであれば特に限定されるものではなく、公知の断熱材を適宜用いることができる。
<Insulation material 14>
The heat insulating material 14 is disposed in order to suppress thermal diffusion between the first housing 11 and the second housing 12 via the outer surface. In the air battery 10, the heat insulating material 14 is not particularly limited as long as it has a heat insulating function, and a known heat insulating material can be appropriately used.

<放熱板15>
放熱板15は、第2の筺体12の温度を低下させて、第1の筺体11と第2の筺体12との温度差を広げることにより、放電生成物を第2の筺体12内で析出させやすくするために設けられる部材である。当該機能を有するものであれば、放熱板15の形態は特に限定されるものではなく、公知の放熱板を適宜用いることができる。
<Heatsink 15>
The heat sink 15 reduces the temperature of the second casing 12 and widens the temperature difference between the first casing 11 and the second casing 12, thereby precipitating discharge products in the second casing 12. It is a member provided to make it easier. If it has the said function, the form of the heat sink 15 will not be specifically limited, A well-known heat sink may be used suitably.

本発明に関する上記説明では、第2の筺体12の温度を低下させる放熱板15を備えた空気電池10を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の金属空気電池に、第2の筺体の温度を低下させる温度差拡大手段が備えられる場合、温度差拡大手段としては、ペルチェ素子等に代表される公知の冷却素子を用いることも可能である。このほか、第1の筺体の温度を増大させる温度差拡大手段が備えられる形態とすることも可能であり、かかる形態の場合には、外部熱源(例えば、ヒーターのほか、機械摩擦等の熱源)を用いて、第1の筺体の温度を増大させることができる。さらに、ペルチェ素子等に代表される公知の冷却素子を用いて第2の筺体の温度を低減する場合には、冷却素子から発生した廃熱を用いて第1の筺体を加温することにより、第1の筺体と第2の筺体との温度差を拡大しても良い。   In the above description regarding the present invention, the air battery 10 including the heat radiating plate 15 that lowers the temperature of the second casing 12 has been exemplified, but the present invention is not limited to this form. In the case where the metal-air battery of the present invention is provided with a temperature difference expanding means for reducing the temperature of the second housing, a known cooling element typified by a Peltier element or the like can be used as the temperature difference expanding means. is there. In addition, it is possible to adopt a form provided with a temperature difference expanding means for increasing the temperature of the first housing. In such a form, an external heat source (for example, a heat source such as a mechanical friction in addition to a heater). Can be used to increase the temperature of the first housing. Furthermore, when reducing the temperature of the second casing using a known cooling element represented by a Peltier element or the like, by heating the first casing using waste heat generated from the cooling element, The temperature difference between the first housing and the second housing may be enlarged.

また、本発明に関する上記説明では、断熱材14及び温度差拡大手段として機能する放熱板15が備えられる形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の空気電池には、断熱材及び放熱板の一方のみが備えられていても良く、断熱材及び放熱板の両方が備えられていない形態とすることも可能である。そこで、断熱材及び放熱板以外の析出促進手段が備えられる形態の本発明の空気電池について、以下に説明する。   Moreover, in the said description regarding this invention, although the form provided with the heat sink 14 and the heat sink 15 which functions as a temperature difference expansion means was illustrated, the air battery of this invention is not limited to the said form. The air battery of the present invention may be provided with only one of the heat insulating material and the heat radiating plate, or may be provided with neither the heat insulating material nor the heat radiating plate. Then, the air battery of this invention of the form provided with precipitation promotion means other than a heat insulating material and a heat sink is demonstrated below.

図2は、第2実施形態にかかる本発明の空気電池20の形態を説明する断面図である。図2では、加湿部23へと供給される流体(例えば、加湿された空気等。以下において同じ。)が流通すべき流路等の記載を省略している。図2において、空気電池10と同様に構成されるものには、図1で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図2に示すように、空気電池20は、第1の筺体11及び第2の筺体21を有し、第1の筺体11と第2の筺体21とは、接合部13を介して接続されている。第1の筺体11及び第2の筺体21の間には断熱材14が配設されており、第2の筺体21に対向する第1の筺体11の外面と、第1の筺体11に対向する第2の筺体21の外面とは、断熱材14を介して接続されている。空気電池20は、さらに、圧力調整手段として機能するベント22と、ベント22の外側(図2ではベント22の上側)に配設された加湿部23と、を有しており、ベント22を介して、第2の筺体21と加湿部23とが接続されている。   FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the form of the air battery 20 of the present invention according to the second embodiment. In FIG. 2, description of a flow path and the like through which a fluid (for example, humidified air or the like; the same applies hereinafter) supplied to the humidifying unit 23 is omitted. In FIG. 2, components similar to those of the air battery 10 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and description thereof is omitted as appropriate. As shown in FIG. 2, the air battery 20 includes a first casing 11 and a second casing 21, and the first casing 11 and the second casing 21 are connected via a joint portion 13. Yes. A heat insulating material 14 is disposed between the first housing 11 and the second housing 21, and the outer surface of the first housing 11 that faces the second housing 21 and the first housing 11. The outer surface of the second casing 21 is connected via a heat insulating material 14. The air battery 20 further includes a vent 22 that functions as a pressure adjusting unit, and a humidifying unit 23 disposed outside the vent 22 (on the upper side of the vent 22 in FIG. 2). Thus, the second casing 21 and the humidifying unit 23 are connected.

第2の筺体21は、水溶液電解質3aで満たされており、水溶液電解質3aに接触する第2の筺体21の表面には、析出促進手段として機能する凹凸(析出部24)が備えられている。表面張力の大きい固体表面が放電生成物の結晶核として振る舞いやすく、微小な凹凸が形成される等により比表面積等が増大されている部位で、結晶成長が起こりやすい。それゆえ、空気電池20では、析出部24において放電生成物の析出を促進することが可能になり、これによって、水溶液電解質層3における放電生成物の析出を抑制することができる。すなわち、空気電池20によれば、第1の筺体11内で生ずる充電反応や放電反応を阻害しない第2の筺体21の析出部24に、放電生成物(LiOH)を析出させることができ、これによって、正極層4や固体電解質層2の表面等に放電生成物(LiOH)が析出する事態を回避しながら空気電池20の高容量化を図ることが可能になる。したがって、本発明によれば、サイクル特性を向上させることが可能な空気電池20を提供することできる。   The second casing 21 is filled with the aqueous electrolyte 3a, and the surface of the second casing 21 that is in contact with the aqueous electrolyte 3a is provided with unevenness (precipitation portion 24) that functions as a precipitation promoting means. A solid surface having a large surface tension tends to behave as a crystal nucleus of a discharge product, and crystal growth is likely to occur at a site where the specific surface area is increased due to the formation of minute irregularities. Therefore, in the air battery 20, it is possible to promote the precipitation of the discharge product in the precipitation portion 24, and thereby the precipitation of the discharge product in the aqueous electrolyte layer 3 can be suppressed. That is, according to the air battery 20, the discharge product (LiOH) can be deposited on the precipitation portion 24 of the second casing 21 that does not inhibit the charging reaction and the discharge reaction that occur in the first casing 11. Thus, it is possible to increase the capacity of the air battery 20 while avoiding a situation in which discharge products (LiOH) are deposited on the surfaces of the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 2. Therefore, according to this invention, the air battery 20 which can improve cycling characteristics can be provided.

さらに、空気電池20は、第2の筺体21にベント22が接続されている。空気電池は正極に空気が供給されるため、基本的に開放型の構造とされる。そのため、筺体内の圧力を制御する構成は必須ではないとも考えられる。しかしながら、電池内の温度上昇等によって内圧が上昇する虞があり、また、上記式2によれば空気電池は水分子を消費して放電するため、電池の内圧が低下する虞もある。電池内の圧力が過度に上昇・低下すると、電池の性能が低下する虞があるため、空気電池は電池内の圧力を制御する構成を有する形態とすることが好ましい。空気電池20にはベント22が備えられているので、ベント22を用いて第2の筺体21の内圧及び第1の筺体11の内圧を調整(制御)することができる。   Further, the air battery 20 has a vent 22 connected to a second housing 21. Since air is supplied to the positive electrode, the air battery basically has an open structure. Therefore, it is considered that the configuration for controlling the pressure in the housing is not essential. However, there is a risk that the internal pressure will increase due to temperature rise in the battery, etc. Further, according to the above equation 2, the air battery consumes water molecules and discharges, so the internal pressure of the battery may also decrease. If the pressure in the battery is excessively increased / decreased, the performance of the battery may be deteriorated. Therefore, the air battery preferably has a configuration for controlling the pressure in the battery. Since the air battery 20 includes the vent 22, the internal pressure of the second housing 21 and the internal pressure of the first housing 11 can be adjusted (controlled) using the vent 22.

上述のように、第2の筺体21は、水溶液電解質3aで満たされている。第2の筺体21に収容されている水溶液電解質3aの量が低減すると、第2の筺体21に放電生成物を析出させるという効果が得られ難くなる虞がある。それゆえ、第2の筺体21に接続されたベント22の外側には、水溶液電解質3aを加湿可能な構成を有していることが好ましい。かかる観点から、空気電池20では、ベント22の外側に、水溶液電解質3aを加湿可能な流体が収容される加湿部23を配置している。加湿部23を用いて水溶液電解質3aを加湿することにより、水溶液電解質3aの揮発量を低減することが可能になるので、空気電池20のサイクル特性を向上させることが容易になる。   As described above, the second casing 21 is filled with the aqueous electrolyte 3a. If the amount of the aqueous electrolyte 3a accommodated in the second casing 21 is reduced, it may be difficult to obtain the effect of depositing a discharge product on the second casing 21. Therefore, it is preferable that the outside of the vent 22 connected to the second housing 21 has a configuration capable of humidifying the aqueous electrolyte 3a. From this point of view, in the air battery 20, a humidifying unit 23 that accommodates a fluid capable of humidifying the aqueous electrolyte 3 a is disposed outside the vent 22. Since the amount of volatilization of the aqueous electrolyte 3a can be reduced by humidifying the aqueous electrolyte 3a using the humidifying unit 23, the cycle characteristics of the air battery 20 can be easily improved.

空気電池20において、析出部24は、例えば、水溶液電解質3aと接触する第2の筺体21の内面(内壁)を荒れた表面とすることにより形成することができる。第2の筺体21の内壁は、樹脂や無機不活性物質等によって構成されていることが好ましい。第2の筺体21の内壁がこれらの物質で構成されている場合、樹脂等の生成過程や生成後の後処理において析出部24を形成することができる。後処理を行う場合は、ヤスリ等の研磨手段を用いて研磨したり、不活性微粒子(炭素、金属、セラミックス、又は、樹脂等)を埋め込んだりすることによって、析出部24を形成することができる。   In the air battery 20, the precipitation part 24 can be formed by making the inner surface (inner wall) of the 2nd housing | casing 21 which contacts the aqueous solution electrolyte 3a into a rough surface, for example. The inner wall of the second casing 21 is preferably made of a resin, an inorganic inert substance, or the like. In the case where the inner wall of the second casing 21 is composed of these materials, the precipitation portion 24 can be formed in the process of generating the resin or the like and post-processing after the generation. When post-processing is performed, the precipitation portion 24 can be formed by polishing using a polishing means such as a file or by embedding inert fine particles (carbon, metal, ceramics, resin, or the like). .

水溶液電解質3aと接触する析出部24の表面は、JIS B 0601:2001に記載されているとがりRkuが9.96以上の凹凸を有することが好ましい。このようなとがりを有することで、水溶液電解質3aが飽和溶解度を超えた場合に、析出部24の表面に放電生成物を優先的に析出させることが容易になる。   It is preferable that the surface of the precipitation portion 24 that comes into contact with the aqueous electrolyte 3a has irregularities having a point Rku of 9.96 or more as described in JIS B 0601: 2001. By having such a point, it becomes easy to preferentially deposit the discharge product on the surface of the precipitation portion 24 when the aqueous electrolyte 3a exceeds the saturation solubility.

また、水溶液電解質3aと接触する析出部24の表面は、凹凸による表面の十点平均粗さRzが5.25μm以上であることが好ましい。また、当該凹凸の平均間隔Smは10.5μm以上であることが好ましい。また、水溶液電解質3aと接触する析出部24の表面は、凹凸による表面の二乗平均平方根粗さRqが1以上13.5以下であることが好ましく、4以上12以下であることがより好ましい。析出部24をこのような形態とすることにより、水溶液電解質3aが飽和溶解度を超えた場合に、放電生成物を析出部24の表面に優先的に析出させることが一層容易になる。   Moreover, it is preferable that the 10-point average roughness Rz of the surface by the unevenness | corrugation is 5.25 micrometers or more as for the surface of the precipitation part 24 which contacts the aqueous solution electrolyte 3a. Moreover, it is preferable that the average space | interval Sm of the said unevenness | corrugation is 10.5 micrometers or more. Further, the surface of the precipitation portion 24 that comes into contact with the aqueous electrolyte 3a preferably has a root mean square roughness Rq of 1 to 13.5, more preferably 4 to 12. By making the precipitation part 24 into such a form, when the aqueous electrolyte 3a exceeds the saturation solubility, it becomes easier to preferentially precipitate the discharge product on the surface of the precipitation part 24.

本発明に関する上記説明では、ベントが備えられない形態の空気電池10、及び、ベント22が備えられる形態の空気電池20を例示したが、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。本発明の金属空気電池は、温度差拡大手段とともにベント等の圧力制御手段が備えられる形態とすることも可能であり、放電生成物を析出させる凹凸が備えられる一方でベント等の圧力制御手段が備えられない形態とすることも可能である。   In the above description of the present invention, the air battery 10 in a form not provided with a vent and the air battery 20 in a form provided with a vent 22 are exemplified, but the present invention is not limited to these forms. The metal-air battery of the present invention can be configured to include a pressure control means such as a vent together with a temperature difference widening means. The metal air battery is provided with irregularities for depositing discharge products, while the pressure control means such as a vent is provided. It is possible to adopt a form that is not provided.

また、本発明に関する上記説明では、水溶液電解質3aと接触する第2の筺体21の内面(内壁)に析出部24が設けられた空気電池20を例示したが、析出促進手段として機能する凹凸は当該形態に限定されるものではない。そこで、図3及び図4を参照しつつ、第2の筺体の内部に備えられる凹凸の他の形態について説明する。   Moreover, in the said description regarding this invention, although the air battery 20 in which the precipitation part 24 was provided in the inner surface (inner wall) of the 2nd housing | casing 21 which contacts the aqueous solution electrolyte 3a was illustrated, the unevenness | corrugation which functions as a precipitation promotion means is the said The form is not limited. Therefore, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, another embodiment of the unevenness provided in the second casing will be described.

図3は、本発明の金属空気電池(例えば、リチウム空気電池)に備えられ得る第2の筺体25を説明する断面図である。図3では、第2の筺体25の外側に備えられているリチウム空気電池の構成要素として接合部13のみを記載し、その他の構成要素の記載を省略している。図3に示すように、第2の筺体25には水溶液電解質3aが充填されており、第2の筺体25の内面(内壁)には、析出促進手段として機能する構造体26、26、…が設けられている。構造体26、26、…は、第2の筺体25の一の内面から、これと対向する内面へと向かって延びており、水溶液電解質3aと接触する表面に微小な凹凸を有している。放電生成物を析出させやすい形態にする等の観点から、構造体26は、第2筺体25の内部に複数備えられていることが好ましい。図3に示すように複数の構造体26、26、…が備えられている場合、隣り合う構造体26、26の間隔は、水溶液電解質3aと溶存イオンの流動を妨げない間隔(当該間隔は水溶液電解質3aの粘性及び空気電池の大きさにより適宜調整可能であり、例えば、5μm〜5000μm)とすることが好ましい。構造体26、26、…は、表面の微小な凹凸に放電生成物を析出させることができれば、その形態は特に限定されるものではない。構造体26、26、…は、例えば、棒状部材や板状部材の表面を研磨し、又は、表面に比表面積の大きな微粒子を埋め込むことによって、表面に微小な凹凸を形成し、その後、第2の筺体25の内面(内壁)へ、溶接、接着、又は、係合等の方法で固定することができる。構造体26、26、…の構成材料は、空気電池の使用時における環境に耐えることができ、且つ、表面に放電生成物を析出させることができる材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、樹脂や無機不活性物質等を用いることができる。構造体26、26、…の大きさや形状は、放電生成物を表面に析出させることによって空気電池のサイクル特性を向上させるという本発明の目的に合わせて適宜選択することができる。   FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a second casing 25 that can be provided in the metal-air battery (for example, a lithium-air battery) of the present invention. In FIG. 3, only the joint portion 13 is shown as a component of the lithium-air battery provided outside the second casing 25, and other components are not shown. As shown in FIG. 3, the second casing 25 is filled with the aqueous electrolyte 3a, and the inner surfaces (inner walls) of the second casing 25 are structures 26, 26,. Is provided. The structures 26, 26,... Extend from one inner surface of the second housing 25 toward the inner surface facing the second housing 25, and have minute irregularities on the surface that contacts the aqueous electrolyte 3 a. It is preferable that a plurality of the structures 26 are provided inside the second casing 25 from the viewpoint of making the discharge product easily deposit. As shown in FIG. 3, when a plurality of structures 26, 26,... Are provided, the interval between the adjacent structures 26, 26 does not hinder the flow of the aqueous electrolyte 3 a and dissolved ions (the interval is an aqueous solution). It can be appropriately adjusted depending on the viscosity of the electrolyte 3a and the size of the air battery, and is preferably 5 μm to 5000 μm, for example. The structure is not particularly limited as long as the discharge product can be deposited on minute irregularities on the surface. The structures 26, 26,..., For example, polish the surface of a rod-like member or plate-like member, or embed fine particles having a large specific surface area on the surface to form minute irregularities on the surface, and then the second It can fix to the inner surface (inner wall) of the housing 25 by methods, such as welding, adhesion | attachment, or engagement. The constituent material of the structures 26, 26, ... is not particularly limited as long as it is a material that can withstand the environment during use of the air battery and can deposit discharge products on the surface. For example, a resin or an inorganic inert substance can be used. The size and shape of the structures 26, 26,... Can be appropriately selected in accordance with the object of the present invention to improve the cycle characteristics of the air battery by depositing discharge products on the surface.

図3では、析出促進手段として、構造体26、26、…のみが備えられる形態を例示したが、第2の筺体の内部に放電生成物を析出させやすくする等の観点からは、構造体26、26、…に加えて、第2の筺体25の内面(内壁)に析出部24が設けられていることが好ましい。このように構成される第2の筺体は、例えば、第2の筺体の内面(内壁)に析出部24を設けた後、構造体26、26、…を第2の筺体の内面(内壁)に固定する等の方法によって、作製することができる。   3 exemplifies a form in which only the structures 26, 26,... Are provided as the precipitation promoting means. However, from the viewpoint of facilitating precipitation of discharge products inside the second casing, the structure 26 is provided. , 26..., 26 is preferably provided with a precipitation portion 24 on the inner surface (inner wall) of the second casing 25. In the second casing configured in this manner, for example, after the precipitation portion 24 is provided on the inner surface (inner wall) of the second casing, the structures 26, 26,... Are formed on the inner surface (inner wall) of the second casing. It can be produced by a method such as fixing.

図4は、本発明の金属空気電池(例えば、リチウム空気電池)に備えられ得る第2の筺体27を説明する断面図である。図4では、第2の筺体27の外側に備えられているリチウム空気電池の構成要素として接合部13のみを記載し、その他の構成要素の記載を省略している。図4に示すように、第2の筺体27に充填されている水溶液電解質3aは、構造体28に含浸されており、構造体28には、結晶成長核29、29、…が備えられている。   FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a second casing 27 that can be provided in the metal-air battery (for example, a lithium-air battery) of the present invention. In FIG. 4, only the joint portion 13 is shown as a component of the lithium-air battery provided outside the second casing 27, and other components are not shown. As shown in FIG. 4, the aqueous electrolyte 3 a filled in the second casing 27 is impregnated in the structure 28, and the structure 28 includes crystal growth nuclei 29, 29,. .

構造体28は、水溶液電解質を透過・含浸させ得る、繊維状やフィルム状等の部材である。構造体28は、例えば、ガラス材料、高分子材料、合金、又は、セラミックス等、空気電池のセパレータとして使用可能な材料を用いて作製することができる。構造体28の表面にも放電生成物を析出させ得る形態にする観点からは、構造体28の表面に、析出部24と同様の凹凸が設けられていることが好ましい。   The structure 28 is a member such as a fiber or a film that can permeate and impregnate the aqueous electrolyte. The structure 28 can be manufactured using a material that can be used as a separator for an air battery, such as a glass material, a polymer material, an alloy, or ceramics. From the viewpoint of forming the discharge product on the surface of the structure 28, it is preferable that the surface of the structure 28 is provided with unevenness similar to that of the precipitation portion 24.

結晶成長核29、29、…は、放電生成物の析出・成長核として機能し、構造体28の内部や表面に点在・担持されている。結晶成長核29、29、…が配設されている構造体28の内部や表面は、凹凸を有しており、この凹凸が析出促進手段として機能する。放電生成物を析出させやすい形態にする等の観点から、結晶成長核29は、構造体28の内部に複数備えられていることが好ましく、比表面積の大きい微粒子や繊維状物質を結晶成長核29、29、…として用いることが好ましい。ここで、「比表面積の大きい」とは、例えば、BET法で求められる比表面積((BETによるガス吸着量から求められる粒子表面積)/(粒子の質量))が、同質量の粒子を球体と仮定した場合の比表面積の2倍以上であることをいう。結晶成長核29、29、…の構成材料は、空気電池の使用時の環境に耐えることができ、且つ、放電生成物の析出・成長核として機能する材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、ガラス材料、高分子材料、合金、又は、セラミックス等を用いることができる。また、結晶成長核29、29、…の大きさは、特に限定されるものではなく、例えば、単粒子又は二次粒子凝集体の形態であれば、その径を0.5μm〜3000μmとすることができ、繊維状形態であれば、繊維長さを0.5μm〜3000μm、繊維直径(繊維の長さ方向と直交する方向の幅)を0.01μm〜1000μmとすることができる。   The crystal growth nuclei 29, 29,... Function as precipitation / growth nuclei of the discharge product, and are scattered / supported in the structure 28. The inside and the surface of the structure 28 in which the crystal growth nuclei 29, 29,... Are arranged have irregularities, and these irregularities function as precipitation promoting means. From the viewpoint of making the discharge product easy to deposit, etc., it is preferable that a plurality of crystal growth nuclei 29 are provided in the structure 28, and the crystal growth nuclei 29 include fine particles and fibrous substances having a large specific surface area. , 29,... Here, “large specific surface area” means, for example, a specific surface area determined by the BET method ((particle surface area determined from the amount of gas adsorbed by BET) / (mass of particle)), It means that it is more than twice the specific surface area when assumed. The constituent material of the crystal growth nuclei 29, 29,... Is not particularly limited as long as the material can withstand the environment when the air battery is used and functions as a precipitation / growth nucleus of the discharge product. For example, a glass material, a polymer material, an alloy, ceramics, or the like can be used. Further, the size of the crystal growth nuclei 29, 29,... Is not particularly limited. For example, in the form of single particles or secondary particle aggregates, the diameter is 0.5 μm to 3000 μm. In the fibrous form, the fiber length can be 0.5 μm to 3000 μm, and the fiber diameter (width in the direction orthogonal to the fiber length direction) can be 0.01 μm to 1000 μm.

複数の結晶成長核29、29、…を内部に備えた構造体28は、例えば、構造体28を構成する繊維又はフィルム(繊維等)を複数用意し、繊維等の表面に結晶成長核29、29、…を点在させる工程、及び、表面に結晶成長核29、29、…が点在している繊維等の表面に他の繊維等を配設する工程を、厚さが第2の筺体27に充填されるべき水溶液電解質3aの深さと同程度になるまで繰り返す等の過程を経て、作製することができる。このほか、結晶成長核29、29、…が分散されている水溶液電解質3aを構造体28に含浸させることにより、構造体の内部に複数の結晶成長核29、29、…を点在させることも可能である。   The structure 28 provided with a plurality of crystal growth nuclei 29, 29,..., For example, prepares a plurality of fibers or films (fibers etc.) constituting the structure 28, and the crystal growth nuclei 29, .., And a step of disposing other fibers on the surface of the fiber or the like having crystal growth nuclei 29, 29,... Scattered on the surface. It can be manufactured through a process such as repeating until it reaches the same depth as the depth of the aqueous electrolyte 3a to be filled in 27. In addition, by impregnating the structure 28 with the aqueous electrolyte 3a in which the crystal growth nuclei 29, 29,... Are dispersed, a plurality of crystal growth nuclei 29, 29,. Is possible.

図4では、析出促進手段として、複数の結晶成長核29、29、…を内部に有する構造体28のみが備えられる形態を例示したが、第2の筺体の内部に放電生成物を析出させやすくする等の観点からは、複数の結晶成長核29、29、…を内部に有する構造体28に加えて、第2の筺体27の内面(内壁)に析出部24が設けられていることが好ましい。このように構成される第2の筺体は、例えば、内面(内壁)に析出部24が設けられた第2の筺体に構造体28を配置した後、結晶成長核29、29、…が分散されている水溶液電解質3aを構造体28に含浸させる等の方法によって、作製することができる。   In FIG. 4, the form in which only the structure 28 having a plurality of crystal growth nuclei 29, 29,... Is provided as the precipitation promoting means is illustrated, but it is easy to deposit discharge products inside the second casing. From such a viewpoint, it is preferable that a precipitation portion 24 is provided on the inner surface (inner wall) of the second casing 27 in addition to the structure 28 having a plurality of crystal growth nuclei 29, 29,. . In the second casing configured in this manner, for example, after the structure 28 is disposed on the second casing having the precipitation portion 24 provided on the inner surface (inner wall), the crystal growth nuclei 29, 29,. It can be produced by a method such as impregnating the structure 28 with the aqueous electrolyte 3a.

析出促進手段として機能する凹凸を有する形態の空気電池に関する上記説明では、当該凹凸及び断熱材14が析出促進手段として備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。析出促進手段として機能する凹凸を内部に備える第2の筺体には、放熱板15やペルチェ素子等に代表される冷却素子(温度差拡大手段)が設けられていても良い。ペルチェ素子等に代表される公知の冷却素子を用いて第2の筺体の温度を低減する場合には、冷却素子から発生した廃熱を用いて第1の筺体を加温することにより、第1の筺体と第2の筺体との温度差を拡大しても良い。   In the above description regarding the air cell having the unevenness functioning as the precipitation promoting means, the form in which the unevenness and the heat insulating material 14 are provided as the precipitation promoting means is illustrated, but the present invention is not limited to the form. A cooling element (temperature difference enlarging means) typified by the heat radiating plate 15 or a Peltier element may be provided in the second casing having irregularities that function as precipitation promoting means. When the temperature of the second casing is reduced using a known cooling element typified by a Peltier element or the like, the first casing is heated by using the waste heat generated from the cooling element. You may enlarge the temperature difference of this housing and a 2nd housing.

また、本発明に関する上記説明では、析出促進手段として機能する断熱材14、ベント22、及び、析出部24を有する空気電池20を例示したが、ベント22等の圧力制御手段が組み合わされる析出促進手段は、断熱材14、及び、析出部24に代表される第2の筺体の内部に設けられた凹凸、に限定されるものではない。本発明において、圧力制御手段は、断熱材14及び凹凸の一方のみと組み合わせることも可能であり、断熱材14及び凹凸の両方と組み合わせず温度差拡大手段と組み合わせる形態や、温度差拡大手段及び断熱材と組み合わせる形態のほか、温度差拡大手段、断熱材、及び、凹凸と組み合わせる形態とすることも可能である。   In the above description regarding the present invention, the air battery 20 having the heat insulating material 14, the vent 22, and the precipitation portion 24 functioning as the precipitation promoting means has been exemplified. However, the precipitation promoting means combined with the pressure control means such as the vent 22. Is not limited to the heat insulating material 14 and the unevenness provided inside the second housing represented by the precipitation portion 24. In the present invention, the pressure control means can be combined with only one of the heat insulating material 14 and the unevenness, and is combined with the temperature difference expanding means without combining with both the heat insulating material 14 and the unevenness, the temperature difference expanding means and the heat insulation. In addition to a form combined with a material, a form combined with a temperature difference widening means, a heat insulating material, and unevenness may be used.

また、本発明に関する上記説明では、第1の筺体1つと第2の筺体1つとが接合部を介して接続されている形態の空気電池を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。さらに、本発明に関する上記説明では、析出促進手段を備えている形態の空気電池を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。そこで、複数の第1の筺体と1つの第2の筺体とが接合部を介して接続され、且つ、析出促進手段が備えられていない形態の本発明について、以下に説明する。   Moreover, in the said description regarding this invention, although the 1st housing and the 2nd housing were illustrated through the junction part, the air battery of the form was illustrated, but this invention is limited to the said form is not. Furthermore, in the said description regarding this invention, although the air battery of the form provided with the precipitation promotion means was illustrated, this invention is not limited to the said form. Accordingly, the present invention in a form in which a plurality of first casings and one second casing are connected via a joint and no precipitation promoting means is provided will be described below.

図5は、第3実施形態にかかる本発明の空気電池30の形態を説明する上面図である。図5において、空気電池10と同様に構成されるものには、図1で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図5に示すように、空気電池30は、第1の筺体11、11、11及び第2の筺体31を有し、第1の筺体11、11、11と第2の筺体31とは、管状の接合部32、32、32を介してそれぞれ接合されている。接合部32、32、32には、それぞれ、接合部32、32、32内における水溶液電解液3aの流動の可否を切り替えることができる開閉弁33、33、33が設けられており、第2の筺体31には、水溶液電解質3aが収容されている一方、正極や負極は収容されていない。空気電池30では、第1の筺体11、11、11にそれぞれ収容されている水溶液電解質層3、3、3と第2の筺体31とが、接合部32、32、32を介して接続されている。そのため、開閉弁33、33、33が開いている間は、第2の筺体31に収容されている水溶液電解質3aが、接合部32、32、32を介して第1の筺体11、11、11にそれぞれ収容されている水溶液電解質層3、3、3へと移動することができ、第1の筺体11、11、11の水溶液電解質層3、3、3に存在する放電生成物が、接合部32、32、32を介して第2の筺体31へと移動することができる。なお、空気電池10や空気電池20とは異なり、空気電池30は析出促進手段を備えていない。   FIG. 5 is a top view for explaining the form of the air battery 30 according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same components as those of the air battery 10 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and the description thereof is omitted as appropriate. As shown in FIG. 5, the air battery 30 includes first casings 11, 11, 11 and a second casing 31, and the first casings 11, 11, 11 and the second casing 31 are tubular. Are joined via the joint portions 32, 32, and 32. The joint portions 32, 32, 32 are provided with on-off valves 33, 33, 33 that can switch the flow of the aqueous electrolyte solution 3 a in the joint portions 32, 32, 32, respectively. The housing 31 contains the aqueous electrolyte 3a, but does not contain the positive electrode or the negative electrode. In the air battery 30, the aqueous solution electrolyte layers 3, 3, 3 and the second housing 31 respectively accommodated in the first housing 11, 11, 11 are connected via the joint portions 32, 32, 32. Yes. Therefore, while the on-off valves 33, 33, 33 are open, the aqueous electrolyte 3 a accommodated in the second casing 31 is transferred to the first casings 11, 11, 11 via the joints 32, 32, 32. The discharge products present in the aqueous electrolyte layers 3, 3 and 3 of the first casings 11, 11, and 11 It is possible to move to the second housing 31 via 32, 32, 32. Note that, unlike the air battery 10 and the air battery 20, the air battery 30 does not include a deposition promoting means.

充電反応や放電反応が生じる第1の筺体11、11、11では、動作熱により水溶液電解質層3、3、3に充填されている水溶液電解質3a、3a、3aが加温されるのに対し、正極及び負極が収容されていない第2の筺体31では充電反応や放電反応が生じない。動作熱によって加温され難い第2の筺体31に収容されている水溶液電解質3aの温度は、第1の筺体11、11、11に収容されている水溶液電解質3a、3a、3aの温度よりも低いので、析出促進手段を備えていない空気電池30であっても、第2の筺体31内に放電生成物を析出させることができる。したがって、複数の第1の筺体11、11、11に接続された第2の筺体31を有する形態であっても、サイクル特性を向上させることが可能な空気電池30とすることできる。   In the first casings 11, 11, 11 where the charging reaction and the discharging reaction occur, the aqueous electrolytes 3 a, 3 a, 3 a filled in the aqueous electrolyte layers 3, 3, 3 are heated by operating heat, whereas In the second casing 31 in which the positive electrode and the negative electrode are not accommodated, no charging reaction or discharging reaction occurs. The temperature of the aqueous electrolyte 3a accommodated in the second casing 31 that is not easily heated by the operating heat is lower than the temperature of the aqueous electrolytes 3a, 3a, 3a accommodated in the first casing 11, 11, 11. Therefore, even in the air battery 30 that does not include the precipitation promoting means, the discharge product can be deposited in the second casing 31. Therefore, even if it is a form which has the 2nd housing | casing 31 connected to the some 1st housing | casing 11, 11, 11, it can be set as the air battery 30 which can improve cycling characteristics.

また、空気電池30の接合部32、32、32には、開閉弁33、33、33が設けられている。このようにすることで、第2の筺体31を着脱可能な形態とすることができる。空気電池30では、例えば、第2の筺体31に収容されている水溶液電解質3aの量が所定値以下に低減した場合に、開閉弁33、33、33を閉じて第2の筺体31を取り外し、水溶液電解質3aで満たされた新たな第2の筺体31を取り付けた後に、開閉弁33、33、33を開くことができる。そして、開閉弁33、33、33が開いた状態で、空気電池30を作動させることができる。空気電池30において、第2の筺体31は第2の筺体12と同様の材料によって構成することができ、接合部32は接合部13と同様の材料によって構成することができ、開閉弁33は空気電池30の使用時の環境に耐えることが可能な公知の開閉弁を適宜用いることができる。   In addition, open / close valves 33, 33, 33 are provided at the joints 32, 32, 32 of the air battery 30. By doing in this way, the 2nd housing 31 can be made into the form which can be attached or detached. In the air battery 30, for example, when the amount of the aqueous electrolyte 3a accommodated in the second casing 31 is reduced to a predetermined value or less, the on-off valves 33, 33, 33 are closed and the second casing 31 is removed, After the new second casing 31 filled with the aqueous electrolyte 3a is attached, the on-off valves 33, 33, 33 can be opened. And the air battery 30 can be operated in the state where the on-off valves 33, 33, 33 are opened. In the air battery 30, the second casing 31 can be made of the same material as the second casing 12, the joint portion 32 can be made of the same material as the joint portion 13, and the on-off valve 33 is made of air. A known on-off valve that can withstand the environment during use of the battery 30 can be used as appropriate.

本発明に関する上記説明では、第1の筺体11、11、11と第2の筺体31とが接続されている一方で、析出促進手段を備えていない形態の空気電池30を例示したが、本発明の金属空気電池は、当該形態に限定されるものではない。放電生成物を第2の筺体の内部に析出させやすい形態とすることにより、サイクル特性を向上させやすい形態の金属空気電池を提供する等の観点からは、複数の第1の筺体と1つの第2の筺体とが接続されている形態の本発明の金属空気電池にも、析出促進手段が備えられることが好ましい。   In the above description of the present invention, the air battery 30 in the form in which the first casing 11, 11, 11 and the second casing 31 are connected to each other but the precipitation promoting means is not provided is illustrated. The metal-air battery is not limited to this form. From the standpoint of providing a metal-air battery in a form in which the cycle characteristics are easily improved by making the discharge product easy to deposit inside the second casing, a plurality of first casings and one first casing are provided. It is preferable that the metal-air battery of the present invention in a form in which the two casings are connected is also provided with a precipitation promoting means.

また、本発明に関する上記説明では、下側から順に、負極層1と、固体電解質層2と、水溶液電解質層3と、正極層4と、空気層5と、を収容した第1の筺体11が備えられる形態を例示したが、本発明の金属空気電池に備えられる第1の筺体は、当該形態に限定されるものではない。第1の筺体には、少なくとも、正極層及び負極層、並びに、正極層と接触するように正極層及び負極層の間に配設された水溶液電解質層、が収容されていれば良い。すなわち、第1の筺体は、空気層を有しない形態とすることも可能であり、正極層と負極層との間に水溶液電解質層のみが配設される形態とすることも可能である。   In the above description regarding the present invention, the first casing 11 containing the negative electrode layer 1, the solid electrolyte layer 2, the aqueous electrolyte layer 3, the positive electrode layer 4, and the air layer 5 in this order from the bottom side. Although the provided form was illustrated, the 1st housing | casing with which the metal air battery of this invention is equipped is not limited to the said form. The first casing only needs to contain at least a positive electrode layer and a negative electrode layer, and an aqueous electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer so as to be in contact with the positive electrode layer. In other words, the first casing can have a form without an air layer, or can have a form in which only the aqueous electrolyte layer is disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer.

以下に、本発明の金属空気電池における第1の筺体に収容される、負極層から正極層までの積層構造の形態例について説明する。本発明の金属空気電池における上記積層構造としては、以下の構造を例示することができる。なお、以下において、第1の筺体に収容される水溶液電解質層を「a」、非水電解質層を「b」、イオン液体層を「c」、固体電解質層を「d」、アニオン交換膜層を「e」と表記することがある。
(1)負極層|a|正極層
(2)負極層|d|a|正極層
(3)負極層|b|d|a|正極層
(4)負極層|c|d|a|正極層
(5)負極層|d|a|e|a|正極層
(6)負極層|b|d|a|e|a|正極層
(7)負極層|c|d|a|e|a|正極層
Below, the example of the laminated structure from the negative electrode layer to a positive electrode layer accommodated in the 1st housing in the metal air battery of this invention is demonstrated. The following structure can be illustrated as said laminated structure in the metal air battery of this invention. In the following, the aqueous electrolyte layer accommodated in the first casing is “a”, the non-aqueous electrolyte layer is “b”, the ionic liquid layer is “c”, the solid electrolyte layer is “d”, and the anion exchange membrane layer May be written as “e”.
(1) Negative electrode layer | a | Positive electrode layer (2) Negative electrode layer | d | a | Positive electrode layer (3) Negative electrode layer | b | d | a | Positive electrode layer (4) Negative electrode layer | c | d | a | (5) Negative electrode layer | d | a | e | a | Positive layer (6) Negative electrode layer | b | d | a | e | a | Positive layer (7) Negative layer | c | d | a | e | a | Positive electrode layer

(1)は正極層と負極層との間に水溶液電解質層のみが配設される形態であり、(2)は第1の筺体11に収容されていた積層構造に相当する形態である。また、(3)は、(2)の負極層と固体電解質層との間に非水電解質層を介在させた形態であり、(4)は、(2)の負極層と固体電解質層との間にイオン液体層を介在させた形態である。また、(5)は、(2)の固体電解質層と水溶液電解質層との間に、水溶液電解質層及びアニオン交換膜層を介在させた形態である。また、(6)は、(5)の負極層と固体電解質層との間に非水電解質層を介在させた形態であり、(7)は、(5)の負極層と固体電解質層との間にイオン液体層を介在させた形態である。負極層と固体電解質層(d)とが接触している場合、これらは直接接合される。以下に、第1の筺体に収容され得る、非水電解質層、イオン液体層、アニオン交換膜層について具体的に説明する。   (1) is a form in which only the aqueous electrolyte layer is disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and (2) is a form corresponding to the laminated structure accommodated in the first casing 11. Further, (3) is a form in which a non-aqueous electrolyte layer is interposed between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer of (2), and (4) is a configuration of the negative electrode layer and the solid electrolyte layer of (2). The ionic liquid layer is interposed between them. (5) is a form in which an aqueous electrolyte layer and an anion exchange membrane layer are interposed between the solid electrolyte layer and the aqueous electrolyte layer of (2). (6) is a form in which a non-aqueous electrolyte layer is interposed between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer of (5), and (7) is a configuration of the negative electrode layer and the solid electrolyte layer of (5). The ionic liquid layer is interposed between them. When the negative electrode layer and the solid electrolyte layer (d) are in contact, they are directly joined. Hereinafter, the nonaqueous electrolyte layer, the ionic liquid layer, and the anion exchange membrane layer that can be accommodated in the first casing will be described in detail.

非水電解質層(b)は、非水溶媒に1種又は2種以上のリチウム塩を溶質として溶かすことによって作製された非水電解質が充填されている層であり、非水電解質層(b)は、必要に応じて、水溶液電解質層3でも用いられ得るセパレータに非水電解質を保持させた形態とすることも可能である。非水電解質に用いられる非水溶媒としては、カーボネート系溶媒(例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)等)、一般的な電池用溶媒(例えば、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジオキソフラン等)のほか、カーボネート系溶媒と一般的な電池用溶媒とを混合した混合溶媒等を例示することができる。また、非水電解質に用いられるリチウム塩としては、LITFSA、LiPF、LiBF、LiClO、LiFSA、LiTfO等を例示することができる。 The non-aqueous electrolyte layer (b) is a layer filled with a non-aqueous electrolyte prepared by dissolving one or more lithium salts as a solute in a non-aqueous solvent, and the non-aqueous electrolyte layer (b) If necessary, it is also possible to adopt a form in which a non-aqueous electrolyte is held in a separator that can also be used in the aqueous electrolyte layer 3. Nonaqueous solvents used for nonaqueous electrolytes include carbonate solvents (eg, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), etc.), and general battery solvents (eg, tetrahydrofuran, dimethyl). In addition to sulfoxide (DMSO), dioxofuran, etc.), a mixed solvent obtained by mixing a carbonate solvent and a general battery solvent can be exemplified. As the lithium salt used in the non-aqueous electrolyte can be exemplified LITFSA, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiFSA, the LiTfO like.

イオン液体層(c)は、イオン液体に1種又は2種以上のリチウム塩を溶質として溶かすことによって作製されたイオン液体が充填されている層であり、イオン液体層(c)は、必要に応じて、水溶液電解質層3でも用いられ得るセパレータにイオン液体を保持させた形態とすることも可能である。イオン液体層(c)に用いられるイオン液体としては、イミダゾリウムカチオン(EMImカチオン、BMImカチオン等)、アルキルアンモニウムカチオン(N1113カチオン等)、アルキルピリジニウムカチオン(P13カチオン、P14カチオン等)、アルキルピペリジニウムカチオン(PP13カチオン)、エーテル側鎖を持つアルキルアンモニウムカチオン(DEMEカチオン等)等のカチオンと、PFアニオン、BFアニオン、フルオロスルフォニルアミドアニオン又はパーフルオロアルキルスルフォニルアミドアニオン(FSAアニオン、TFSAアニオン等)等のアニオンと、を有するイオン液体や、これらのイオン液体を混合したもの等を例示することができる。また、イオン液体層(c)に用いられるリチウム塩としては、LITFSA、LiPF、LiBF、LiClO、LiFSA、LiTfO等を例示することができる。 The ionic liquid layer (c) is a layer filled with an ionic liquid prepared by dissolving one or more lithium salts as a solute in the ionic liquid, and the ionic liquid layer (c) is necessary Accordingly, it is possible to adopt a form in which the ionic liquid is held in a separator that can also be used in the aqueous electrolyte layer 3. Examples of the ionic liquid used in the ionic liquid layer (c) include imidazolium cations (EMIm cation, BMIm cation, etc.), alkylammonium cations (N1113 cation, etc.), alkylpyridinium cations (P13 cation, P14 cation, etc.), and alkyl piperidines. Cation such as nium cation (PP13 cation), alkylammonium cation having ether side chain (DEME cation, etc.), PF 6 anion, BF 4 anion, fluorosulfonylamide anion or perfluoroalkylsulfonylamide anion (FSA anion, TFSA anion) And the like, and those obtained by mixing these ionic liquids. As the lithium salt used in the ionic liquid layer (c), it is possible to illustrate LITFSA, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiFSA, the LiTfO like.

アニオン交換膜層(e)は、炭化水素重合体を有する層であり、例えば、側鎖にメチルアンモニウム基、メチルピリジニウム基、アルキルリンを含む高分子膜(例えば、株式会社トクヤマ製Aシリーズアニオン型電解質材料)等によって構成することができる。   The anion exchange membrane layer (e) is a layer having a hydrocarbon polymer, for example, a polymer membrane containing a methylammonium group, a methylpyridinium group, and an alkyl phosphorus in the side chain (for example, A series anion type manufactured by Tokuyama Corporation). Electrolyte material) or the like.

以上、本発明に関する上記説明では、本発明がリチウム空気電池に適用される場合を例示したが、本発明の金属空気電池はリチウム空気電池に限定されるものではない。本発明の金属空気電池は、充電や放電時に、電解液に可溶な塩が生成される電池であれば、他の形態の電池にも適用することができる。本発明は、特に、電解液において塩の濃度が大きく変化するような電池に効果的である。このような電池としては、リチウム空気電池のほか、水溶液電解質を備えるとともにZn等の負極を有するその他の金属空気電池や、ダニエル電池(Cu|CuSO水溶液|ZnSO水溶液|Zn)等を例示することができる。リチウム空気電池以外の金属空気電池においても、正極及び負極並びにこれらの間に配設される水溶液電解質層を収容する第1の筺体とは異なる第2の筺体に水溶液電解質を収容し、第2の筺体と水溶液電解質層とを水溶液電解質が流動可能なように接続した構成とすることで、本発明の効果を奏することができる。 As mentioned above, although the case where this invention is applied to a lithium air battery was illustrated in the said description regarding this invention, the metal air battery of this invention is not limited to a lithium air battery. The metal-air battery of the present invention can be applied to other types of batteries as long as a salt that is soluble in an electrolytic solution is generated during charging and discharging. The present invention is particularly effective for a battery in which the concentration of salt in the electrolytic solution varies greatly. Examples of such batteries include lithium-air batteries, other metal-air batteries having an aqueous electrolyte and having a negative electrode such as Zn, and Daniel batteries (Cu | CuSO 4 aqueous solution | ZnSO 4 aqueous solution | Zn). be able to. Also in the metal-air battery other than the lithium-air battery, the aqueous electrolyte is accommodated in a second casing different from the first casing that accommodates the positive electrode, the negative electrode, and the aqueous electrolyte layer disposed therebetween, and the second The effect of this invention can be show | played by setting it as the structure which connected the housing and the aqueous solution electrolyte layer so that aqueous solution electrolyte could flow.

以下、実施例を参照しつつ、本発明の金属空気電池について説明を続ける。   Hereinafter, the metal-air battery of the present invention will be described with reference to examples.

負極|非水電解質層|固体電解質層|水溶液電解質層|正極層を順に収容した第1の筺体と、当該第1の筺体に収容されている水溶液電解質と同じ水溶液電解質を収容した第2の筺体と、水溶液電解質層と第2の筺体とを水溶液電解質が流動可能な形態で繋ぐ管状の接合部とを備える、本発明の金属空気電池(Li空気電池)を作製した。ここで、負極層は金属Liによって構成し、非水電解質層にはPCに1mol/LのLiTFSAを溶かすことによって作製した非水電解液を充填した。また、固体電解質層にはLATP型固体電解質を用い、水溶液電解質層には5mol/LのLiOHを含む飽和LiOH水溶液(1ml)を充填した。また、空気極層は導電性材料(Ketjen Black等のカーボン)と結着材(PVDF等)と触媒(Pt、ペロブスカイト触媒等)とを混合する過程を経て作製した。本発明の金属空気電池では、第2の筺体に収容した分を含めて総量1.5mlのLiOH水溶液を用い、負極層には負極集電体を介して負極リードを接続し、正極層には空気が流通可能な孔を有する正極集電体を介して正極リードを接続した。   Negative electrode | Non-aqueous electrolyte layer | Solid electrolyte layer | Aqueous electrolyte layer | A first casing containing the positive electrode layer in order, and a second casing containing the same aqueous electrolyte as the aqueous electrolyte contained in the first casing A metal-air battery (Li-air battery) of the present invention was prepared, and a tubular joint portion connecting the aqueous electrolyte layer and the second casing in a form in which the aqueous electrolyte can flow. Here, the negative electrode layer was made of metal Li, and the nonaqueous electrolyte layer was filled with a nonaqueous electrolyte prepared by dissolving 1 mol / L LiTFSA in PC. Moreover, the LATP type solid electrolyte was used for the solid electrolyte layer, and the aqueous electrolyte layer was filled with a saturated LiOH aqueous solution (1 ml) containing 5 mol / L LiOH. The air electrode layer was prepared through a process of mixing a conductive material (carbon such as Ketjen Black), a binder (PVDF, etc.) and a catalyst (Pt, perovskite catalyst, etc.). In the metal-air battery of the present invention, a total amount of 1.5 ml of LiOH aqueous solution including the amount contained in the second casing is used, the negative electrode lead is connected to the negative electrode layer via the negative electrode current collector, and the positive electrode layer is connected to the positive electrode layer. A positive electrode lead was connected via a positive electrode current collector having holes through which air can flow.

また、結合部及び第2の筺体が備えないほかは上記本発明の金属空気電池と同様に構成した比較例の金属空気電池(Li空気電池)も作製した。そして、本発明のLi空気電池及び比較例のLi空気電池を、それぞれ、0.5mA/cmで放電し、性能を調査した。本発明のLi空気電池の放電曲線(実施例)、及び、比較例のLi空気電池の放電曲線を、図6に示す。図6の縦軸は放電電位E[V]、横軸は放電容量Q[mAh]である。 Moreover, the metal air battery of the comparative example (Li air battery) comprised similarly to the metal air battery of the said this invention except not having a coupling | bond part and a 2nd housing was also produced. And the Li air battery of this invention and the Li air battery of the comparative example were each discharged at 0.5 mA / cm < 2 >, and the performance was investigated. The discharge curve (Example) of the Li air battery of the present invention and the discharge curve of the Li air battery of the comparative example are shown in FIG. The vertical axis in FIG. 6 is the discharge potential E [V], and the horizontal axis is the discharge capacity Q [mAh].

図6に示すように、比較例のLi空気電池では、第一プラトー領域の2.7Vでしばらく放電した後、放電電位が急速に低下した。そして、1.7V以下の第2プラトー領域でさらに放電し、放電終止電位は1.5Vであった。比較例のLi空気電池は、放電終止後に、正極層の内部にLiOHが析出していた。これは、第一プラトー領域における放電反応は下記式(2)で示される想定反応通りであったが、空気極内にLiOHが析出したために空気極内の空気の拡散が妨げられて酸素還元反応の正味の反応速度が低下し、電圧が降下した結果、第二プラトー領域における放電反応は下記式(3)で示される水の分解反応が起こるようになったためであると考えられる。
想定放電反応:4Li + O + 2HO → 4LiOH 3.466V 式(2)
水分解型反応:2Li + 2HO → 2OH + H 2.127V 式(3)
As shown in FIG. 6, in the Li-air battery of the comparative example, the discharge potential decreased rapidly after being discharged for a while at 2.7 V in the first plateau region. And it discharged further in the 2nd plateau area | region below 1.7V, and discharge end potential was 1.5V. In the Li-air battery of the comparative example, LiOH was deposited inside the positive electrode layer after the discharge was finished. This is because the discharge reaction in the first plateau region was the expected reaction represented by the following formula (2), but LiOH was precipitated in the air electrode, so that the diffusion of air in the air electrode was hindered and the oxygen reduction reaction. As a result of the decrease in the net reaction rate and the voltage drop, the discharge reaction in the second plateau region is considered to be caused by the decomposition reaction of water represented by the following formula (3).
Assumed discharge reaction: 4Li + O 2 + 2H 2 O → 4LiOH 3.466V Formula (2)
Water splitting reaction: 2Li + 2H 2 O → 2OH + H 2 2.127V Formula (3)

これに対し、実施例のLi空気電池では、第一プラトー領域の電位のみで、比較例の空気電池の総容量の1.5倍以上の放電を行うことができた。実施例及び比較例の、第一プラトー領域同士の放電容量比は、おおよそ、実施例:比較例=3:1であった。なお、今回の実験において、実施例のLi空気電池は放電終止に達しておらず、さらに放電を継続することが可能であった。   On the other hand, in the Li air battery of the example, the discharge of 1.5 times or more of the total capacity of the air battery of the comparative example could be performed only by the potential of the first plateau region. The discharge capacity ratio between the first plateau regions in the example and the comparative example was approximately Example: Comparative Example = 3: 1. In this experiment, the Li-air battery of the example did not reach the end of discharge, and it was possible to continue the discharge.

以上のように、充電反応や放電反応を生じさせる第1の筺体のほかに、放電生成物を析出させる第2の筺体を増設した実施例のLi空気電池によれば、第2の筺体におけるLiOHの析出を促すことが可能になり、正極層の近傍や正極層内部におけるLiOHの析出を抑制することが可能になった結果、放電容量を増大させることができ、サイクル特性を向上させることができた。   As described above, according to the Li air battery of the embodiment in which the second casing for depositing the discharge product is added in addition to the first casing for causing the charging reaction and the discharge reaction, the LiOH in the second casing is provided. As a result, the discharge capacity can be increased and the cycle characteristics can be improved. It was.

本発明の金属空気電池は、電気自動車や携帯型情報機器の動力源等に利用することができる。   The metal-air battery of the present invention can be used as a power source for electric vehicles and portable information devices.

1…負極層
2…固体電解質層
3…水溶液電解質層
3a…水溶液電解質
4…正極層
5…空気層
10…空気電池(金属空気電池)
11…第1の筺体
12…第2の筺体
13…接続部
14…断熱材
15…放熱板(温度差拡大手段)
20…空気電池(金属空気電池)
21…第2の筺体
22…ベント(圧力調整手段)
23…加湿部
24…析出部(凹凸)
25…第2の筺体
26…構造体(凹凸)
27…第2の筺体
28…構造体
29…結晶成長核(凹凸)
30…空気電池(金属空気電池)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Negative electrode layer 2 ... Solid electrolyte layer 3 ... Aqueous electrolyte layer 3a ... Aqueous solution electrolyte 4 ... Positive electrode layer 5 ... Air layer 10 ... Air battery (metal-air battery)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... 1st housing 12 ... 2nd housing 13 ... Connection part 14 ... Heat insulating material 15 ... Heat sink (temperature difference expansion means)
20 ... Air battery (metal-air battery)
21 ... Second housing 22 ... Vent (pressure adjusting means)
23 ... Humidification part 24 ... Precipitation part (unevenness)
25 ... second housing 26 ... structure (unevenness)
27 ... second casing 28 ... structure 29 ... crystal growth nucleus (unevenness)
30 ... Air battery (metal-air battery)

Claims (8)

正極、負極、及び、前記正極と前記負極との間に充填された水溶液電解質を少なくとも収容する第1の筺体、並びに、前記水溶液電解質を収容する第2の筺体を有し、前記水溶液電解質が流通する接合部を介して、前記第1の筺体と前記第2の筺体とが接続されていることを特徴とする、金属空気電池。 A first housing containing at least a positive electrode, a negative electrode, and an aqueous electrolyte filled between the positive electrode and the negative electrode; and a second housing containing the aqueous electrolyte, wherein the aqueous electrolyte is distributed. The metal-air battery, wherein the first casing and the second casing are connected to each other through a joining portion. さらに、前記第2の筺体に収容されている前記水溶液電解質からの放電生成物の析出を促進する析出促進手段が備えられていることを特徴とする、請求項1に記載の金属空気電池。 2. The metal-air battery according to claim 1, further comprising a deposition promoting means for promoting deposition of a discharge product from the aqueous electrolyte contained in the second casing. 前記第2の筺体の温度と前記第1の筺体の温度との差を広げる温度差拡大手段が、前記析出促進手段に含まれることを特徴とする、請求項2に記載の金属空気電池。 3. The metal-air battery according to claim 2, wherein the precipitation promoting means includes temperature difference widening means for widening a difference between the temperature of the second housing and the temperature of the first housing. 前記第1の筺体の外面と前記第2の筺体の外面との間に配設された断熱材が、前記析出促進手段に含まれることを特徴とする、請求項2又は3に記載の金属空気電池。 The metal air according to claim 2 or 3, wherein a heat insulating material disposed between an outer surface of the first casing and an outer surface of the second casing is included in the precipitation promoting means. battery. 前記水溶液電解質に接触する前記第2の筺体の内部に設けられた凹凸が、前記析出促進手段に含まれることを特徴とする、請求項2〜4のいずれか1項に記載の金属空気電池。 The metal-air battery according to any one of claims 2 to 4, wherein unevenness provided in the second casing in contact with the aqueous electrolyte is included in the precipitation promoting means. 前記第2の筺体と複数の前記第1の筺体とが接続されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の金属空気電池。 The metal-air battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the second casing and the plurality of first casings are connected. 前記第2の筺体に、前記第1の筺体の内側の圧力を制御可能な圧力制御手段が接続されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の金属空気電池。 The metal-air battery according to any one of claims 1 to 6, wherein a pressure control means capable of controlling a pressure inside the first casing is connected to the second casing. . 前記圧力制御手段がベントであり、該ベントの外側が加湿されていることを特徴とする、請求項7に記載の金属空気電池。 The metal-air battery according to claim 7, wherein the pressure control means is a vent, and the outside of the vent is humidified.
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