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JP2013037999A - Metal-air battery - Google Patents

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JP2013037999A
JP2013037999A JP2011174979A JP2011174979A JP2013037999A JP 2013037999 A JP2013037999 A JP 2013037999A JP 2011174979 A JP2011174979 A JP 2011174979A JP 2011174979 A JP2011174979 A JP 2011174979A JP 2013037999 A JP2013037999 A JP 2013037999A
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Japan
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air
air electrode
negative electrode
metal
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JP2011174979A
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Japanese (ja)
Inventor
Fuminori Mizuno
史教 水野
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】体積効率及びエネルギー密度に優れた金属空気電池を提供する。
【解決手段】酸素を活物質とする空気極層を有する空気極と、負極活物質を含む負極層を有する負極と、前記空気極層及び前記負極層の間に配置され、金属イオンの伝導を担う電解質層とが、積層された発電要素、並びに、該発電要素を収容する、可撓性フィルムで形成された可撓性外装体を備える金属空気電池であって、前記空気極は、前記電解質層側から、前記空気極層と、導電性及び多孔質構造を有する空気極集電体とが、順に積層した構造を有し、前記可撓性外装体は、前記空気極集電体に連通する酸素取り込み孔を有し、前記可撓性外装体の外部から、前記酸素取り込み孔に酸素を供給する酸素含有ガスによって、前記発電要素がその積層方向に常圧以上の圧力で加圧されることを特徴とする、金属空気電池。
【選択図】図1
A metal-air battery excellent in volumetric efficiency and energy density is provided.
An air electrode having an air electrode layer containing oxygen as an active material, a negative electrode having a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and a metal ion conducting between the air electrode layer and the negative electrode layer. An electrolyte layer serving as a metal-air battery includes a laminated power generation element, and a flexible outer body formed of a flexible film that accommodates the power generation element, and the air electrode includes the electrolyte The air electrode layer and the air electrode current collector having a conductive and porous structure are sequentially stacked from the layer side, and the flexible outer package communicates with the air electrode current collector. The power generating element is pressurized at a pressure equal to or higher than normal pressure in the stacking direction by an oxygen-containing gas that supplies oxygen to the oxygen uptake hole from the outside of the flexible exterior body. A metal-air battery characterized by the above.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、金属空気電池に関する。   The present invention relates to a metal-air battery.

正極活物質として酸素を利用する金属空気電池は、エネルギー密度が高い、小型化及び軽量化が容易である等の利点を有する。そのため、現在、広く使用されているリチウム二次電池を超える高容量電池として注目を集めている。金属空気電池としては、例えば、リチウム空気電池、マグネシウム空気電池、亜鉛空気電池等が知られている。
金属空気電池は、空気極において酸素の酸化還元反応が行われ、負極において伝導イオン種の金属の酸化還元反応が行われることで、充放電が可能である。例えば、伝導イオンが一価の金属イオンである金属空気電池(二次電池)では、以下のような充放電反応が進むと考えられる。尚、下記式においてMは金属種を示す。
A metal-air battery using oxygen as a positive electrode active material has advantages such as high energy density, easy size reduction and weight reduction. Therefore, it is attracting attention as a high-capacity battery that exceeds the lithium secondary battery that is currently widely used. As metal-air batteries, for example, lithium-air batteries, magnesium-air batteries, zinc-air batteries, and the like are known.
The metal-air battery can be charged and discharged by performing an oxidation-reduction reaction of oxygen at the air electrode and an oxidation-reduction reaction of a metal of a conductive ion species at the negative electrode. For example, in a metal air battery (secondary battery) in which conductive ions are monovalent metal ions, the following charge / discharge reaction is considered to proceed. In the following formula, M represents a metal species.

[放電時]
負極 : M → M + e
正極 : 2M + O + 2e → M
[充電時]
負極 : M + e → M
正極 : M → 2M + O + 2e
[During discharge]
Negative electrode: M → M + + e
Positive electrode: 2M + + O 2 + 2e → M 2 O 2
[When charging]
Negative electrode: M + + e → M
Positive electrode: M 2 O 2 → 2M + + O 2 + 2e

金属空気電池は、例えば、導電性材料や結着材を含有する空気極層と、空気極層の集電を行う空気極集電体と、負極活物質(金属や合金等)を含有する負極層と、負極層の集電を行う負極集電体と、空気極層及び負極層の間に介在する電解質層とを有する発電要素を備える。
具体的な金属空気電池としては、例えば、特許文献1〜3に開示されたものが挙げられる。
The metal-air battery includes, for example, an air electrode layer containing a conductive material and a binder, an air electrode current collector that collects the air electrode layer, and a negative electrode containing a negative electrode active material (metal, alloy, etc.) A power generation element having a layer, a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode layer, and an electrolyte layer interposed between the air electrode layer and the negative electrode layer.
Specific metal-air batteries include those disclosed in Patent Documents 1 to 3, for example.

国際公開WO2010/100749International Publication WO2010 / 100749 特開2010−244929号公報JP 2010-244929 A 特開2005−116235号公報JP 2005-116235 A

金属空気電池において、小型化は重要な技術課題であり、体積効率の向上が求められている。特に、より大きな電流値を得るべく、複数の単電池を接続する場合には、各発電要素に酸素を供給するための酸素供給路や、必要に応じて各単電池間の絶縁を確保するための絶縁部材等を設ける必要があり、体積効率及びエネルギー密度の向上が望まれる。
しかしながら、特許文献1のような従来の金属空気電池では、充分な体積効率及びエネルギー密度は得られていない。
In metal-air batteries, downsizing is an important technical issue, and improvement in volumetric efficiency is required. In particular, in order to obtain a larger current value, when connecting a plurality of single cells, an oxygen supply path for supplying oxygen to each power generating element and, if necessary, ensuring insulation between the single cells. It is necessary to provide an insulating member or the like, and volume efficiency and energy density are desired to be improved.
However, a conventional metal-air battery such as Patent Document 1 does not provide sufficient volume efficiency and energy density.

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、体積効率及びエネルギー密度に優れた金属空気電池を提供することである。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a metal-air battery excellent in volumetric efficiency and energy density.

本発明の金属空気電池は、酸素を活物質とする空気極層を有する空気極と、負極活物質を含む負極層を有する負極と、前記空気極層及び前記負極層の間に配置され、金属イオンの伝導を担う電解質層とが、積層された発電要素、並びに、該発電要素を収容する、可撓性フィルムで形成された可撓性外装体を備える金属空気電池であって、
前記空気極は、前記電解質層側から、前記空気極層と、導電性及び多孔質構造を有する空気極集電体とが、順に積層した構造を有し、
前記可撓性外装体は、前記空気極集電体に連通する酸素取り込み孔を有し、
前記酸素取り込み孔に酸素を供給する酸素含有ガスによって、前記可撓性外装体の外部から、前記発電要素がその積層方向に常圧以上の圧力で加圧されることを特徴とする。
The metal-air battery of the present invention is disposed between an air electrode having an air electrode layer containing oxygen as an active material, a negative electrode having a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and the air electrode layer and the negative electrode layer, A metal-air battery comprising an electrolyte layer responsible for ion conduction and a laminated power generation element, and a flexible exterior body formed of a flexible film that accommodates the power generation element,
The air electrode has a structure in which the air electrode layer and an air electrode current collector having a conductive and porous structure are sequentially stacked from the electrolyte layer side,
The flexible exterior body has an oxygen uptake hole communicating with the air electrode current collector,
The power generation element is pressurized from the outside of the flexible exterior body at a pressure equal to or higher than normal pressure in the stacking direction by an oxygen-containing gas that supplies oxygen to the oxygen intake hole.

本発明の金属空気電池において、発電要素は、該発電要素を収容する可撓性外装体の外部から、空気極へ酸素を供給するための酸素含有ガスによって、その積層方向に加圧されると共に、多孔質構造を有し酸素の流路としても機能する空気極集電体を通って空気極層への酸素供給がなされる。このように、本発明によれば、発電要素の拘束が空気極層へ酸素を供給するための酸素含有ガスにより行われ、しかも、空気極集電体が酸素ガスの流路も兼ねるため、体積効率及びエネルギー密度の高い金属空気電池を提供することができる。特に、2つ以上の発電要素を積層して直列接続する場合には、金属空気電池の体積効率及びエネルギー密度の向上効果に優れる。また、上記のような酸素含有ガスによる発電要素の拘束により、発電要素に均一な面圧を付与することができる上、空気極集電体による空気極層への均一な酸素供給が可能であるため、本発明の金属空気電池は、耐久性や発電効率にも優れている。   In the metal-air battery of the present invention, the power generation element is pressurized in the stacking direction by an oxygen-containing gas for supplying oxygen to the air electrode from the outside of the flexible exterior body that houses the power generation element. In addition, oxygen is supplied to the air electrode layer through the air electrode current collector that has a porous structure and also functions as an oxygen flow path. As described above, according to the present invention, the power generation element is restrained by the oxygen-containing gas for supplying oxygen to the air electrode layer, and the air electrode current collector also serves as a flow path for oxygen gas. A metal-air battery with high efficiency and energy density can be provided. In particular, when two or more power generating elements are stacked and connected in series, the effect of improving the volume efficiency and energy density of the metal-air battery is excellent. In addition, since the power generation element is restrained by the oxygen-containing gas as described above, a uniform surface pressure can be applied to the power generation element, and a uniform oxygen supply to the air electrode layer by the air electrode current collector is possible. Therefore, the metal-air battery of the present invention is excellent in durability and power generation efficiency.

前記空気極集電体の形態として、例えば、前記発電要素における積層方向と直交する面の外周縁が、前記空気極層、前記電解質層及び前記負極の前記積層方向と直交する面の外周縁から延在する延在部を有するものが挙げられる。該延在部によって、可撓性外装体内に、前記積層方向における酸素含有ガスの流路を形成することができる。
上記のような酸素含有ガスの流路を備える形態の具体的な態様としては、例えば、前記空気極集電体が、前記直交面の外周縁が、前記空気極層、前記電解質層及び前記負極の前記直交面の外周縁よりも一回り大きい寸法及び形状を有し、前記空気極集電体、前記空気極層、前記電解質層及び前記負極が、前記直交面の中心点を重ね合わせて積層され、前記延在部が、前記空気極層、前記電解質層及び前記負極の外周縁を取り囲んでいる態様が挙げられる。
As a form of the air electrode current collector, for example, an outer peripheral edge of a surface orthogonal to the stacking direction of the power generation element is from an outer peripheral edge of a surface orthogonal to the stacking direction of the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode. The thing which has the extended part extended is mentioned. By the extended portion, a flow path of the oxygen-containing gas in the stacking direction can be formed in the flexible exterior body.
As a specific aspect of the form including the flow path of the oxygen-containing gas as described above, for example, the air electrode current collector has the outer peripheral edge of the orthogonal plane, the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode. The air electrode current collector, the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode are stacked by overlapping the center points of the orthogonal surfaces. And the aspect in which the said extension part surrounds the outer periphery of the said air electrode layer, the said electrolyte layer, and the said negative electrode is mentioned.

前記延在部は、少なくとも表面が絶縁性材料で被覆されている形態とすることができる。このような形態によって、酸素含有ガスの流路として機能する延在部において、電極反応が進行するのを防止することができる。延在部における電極反応の進行は、酸素含有ガスの流路となる延在部の閉塞等のデメリットが生じる場合がある。   The extending portion may have a form in which at least a surface is covered with an insulating material. With such a configuration, it is possible to prevent the electrode reaction from progressing in the extending portion that functions as a flow path for the oxygen-containing gas. The progress of the electrode reaction in the extending part may cause demerits such as blocking of the extending part that becomes the flow path of the oxygen-containing gas.

本発明の金属空気電池は、2つ以上の前記発電要素を備えていてもよい。具体的には、前記発電要素が2つ以上積層して直列接続されており、前記負極層に隣接する前記空気極集電体が、前記負極層と接触する領域において、前記多孔質構造が閉塞している形態が挙げられる。
上記のような形態では、前記空気極集電体に隣接する前記負極層を構成する材料と酸素との反応を抑制すると共に、積層された2つの発電要素間において、一方の発電要素から他方の発電要素へと酸素含有ガスが効率良く流れるようにすることができる。
The metal-air battery of the present invention may include two or more power generation elements. Specifically, two or more power generation elements are stacked and connected in series, and the porous structure is blocked in a region where the air electrode current collector adjacent to the negative electrode layer is in contact with the negative electrode layer. The form which is doing is mentioned.
In the form as described above, the reaction between the material constituting the negative electrode layer adjacent to the air electrode current collector and oxygen is suppressed, and between the two power generation elements stacked, from one power generation element to the other. The oxygen-containing gas can efficiently flow to the power generation element.

本発明の金属空気電池は、体積効率及びエネルギー密度に優れている。また、本発明の金属空気電池は、発電要素が酸素含有ガスにより拘束されていることによって、空気極層への均一な酸素供給や、発電要素の均一な加圧が可能であり、発電効率や耐久性にも優れている。   The metal-air battery of the present invention is excellent in volumetric efficiency and energy density. Further, the metal-air battery of the present invention is capable of uniform oxygen supply to the air electrode layer and uniform pressurization of the power generation element because the power generation element is constrained by the oxygen-containing gas. Excellent durability.

本発明の金属空気電池の一形態例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one example of a metal air battery of this invention. 本発明の金属空気電池における空気極集電体の一形態例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one example of the air electrode electrical power collector in the metal air battery of this invention.

本発明の金属空気電池は、酸素を活物質とする空気極層を有する空気極と、負極活物質を含む負極層を有する負極と、前記空気極層及び前記負極層の間に配置され、金属イオンの伝導を担う電解質層とが、積層された発電要素、並びに、該発電要素を収容する、可撓性フィルムで形成された可撓性外装体を備える金属空気電池であって、
前記空気極は、前記電解質層側から、前記空気極層と、導電性及び多孔質構造を有する空気極集電体とが、順に積層した構造を有し、
前記可撓性外装体は、前記空気極集電体に連通する酸素取り込み孔を有し、
前記酸素取り込み孔に酸素を供給する酸素含有ガスによって、前記可撓性外装体の外部から、前記発電要素がその積層方向に常圧以上の圧力で加圧されることを特徴とする。
The metal-air battery of the present invention is disposed between an air electrode having an air electrode layer containing oxygen as an active material, a negative electrode having a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and the air electrode layer and the negative electrode layer, A metal-air battery comprising an electrolyte layer responsible for ion conduction and a laminated power generation element, and a flexible exterior body formed of a flexible film that accommodates the power generation element,
The air electrode has a structure in which the air electrode layer and an air electrode current collector having a conductive and porous structure are sequentially stacked from the electrolyte layer side,
The flexible exterior body has an oxygen uptake hole communicating with the air electrode current collector,
The power generation element is pressurized from the outside of the flexible exterior body at a pressure equal to or higher than normal pressure in the stacking direction by an oxygen-containing gas that supplies oxygen to the oxygen intake hole.

以下、本発明の金属空気電池について、図1を参照しながら説明する。
図1において、金属空気電池100は、空気極(正極)1と、負極4と、空気極1及び負極4との間に配置された電解質層5とが積層された発電要素6を備えている。空気極1は、電解質層5側から順に、酸素を活物質とする空気極層2と空気極層2の集電を行う空気極集電体3とが積層した構造を有しており、負極4は、負極活物質を含む負極層からなる。すなわち、発電要素6は、空気極集電体3、空気極層2、電解質層5、及び負極(負極層)4が順に積層した構造を有している。
空気極集電体3は、発電要素6の積層方向と直交する面の外周縁が、空気極層2、電解質層5、及び負極4の上記積層方向(発電要素6の積層方向)と直交する面の外周縁から延在する延在部3Aを有している。
Hereinafter, the metal-air battery of the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 1, a metal-air battery 100 includes a power generation element 6 in which an air electrode (positive electrode) 1, a negative electrode 4, and an electrolyte layer 5 disposed between the air electrode 1 and the negative electrode 4 are laminated. . The air electrode 1 has a structure in which an air electrode layer 2 using oxygen as an active material and an air electrode current collector 3 that collects current from the air electrode layer 2 are stacked in this order from the electrolyte layer 5 side. 4 consists of a negative electrode layer containing a negative electrode active material. That is, the power generation element 6 has a structure in which the air electrode current collector 3, the air electrode layer 2, the electrolyte layer 5, and the negative electrode (negative electrode layer) 4 are sequentially stacked.
In the air electrode current collector 3, the outer peripheral edge of the surface orthogonal to the stacking direction of the power generation element 6 is orthogonal to the stacking direction of the air electrode layer 2, the electrolyte layer 5, and the negative electrode 4 (stacking direction of the power generation element 6). It has the extension part 3A extended from the outer periphery of a surface.

図1の金属空気電池100は、上記のような発電要素6が2つ(6A、6B)、積層されており、2つの発電要素の界面を形成する、発電要素6Aの負極4と発電要素6Bの空気極集電体3とが接触することによって、これら発電要素6Aと6Bとが直列接続されている。
2つの発電要素を構成する2つの空気極集電体3の延在部3Aに挟まれた空間9が、ガス流路として機能し、発電要素6Aの空気極集電体3及び空気極層2から、発電要素6Bの空気極集電体3の延在部3Aまで酸素含有ガスが流通できる。
また、発電要素6Bの負極4には、空気極集電体3と同様、導電性及び多孔質構造を有し且つ延在部10Aする導電性多孔質体10が隣接して設けられており、発電要素6Bの空気極集電体3の延在部3Aと導電性多孔質体10の延在部10Aとに挟まれた空間9がガス流路として機能し、発電要素6Bの空気極層3に供給された酸素含有ガスの未反応分が導電性多孔質体10まで流通できる。可撓性外装体7には、可撓性外装体7の外部に連通し、導電性多孔質体10から酸素含有ガスの未反応分を排出可能な排出口が設けられていてもよい(図示せず)。
The metal-air battery 100 in FIG. 1 includes two power generation elements 6 (6A, 6B) stacked as described above, and forms the interface between the two power generation elements, and the negative electrode 4 of the power generation element 6A and the power generation element 6B. These air generating elements 6A and 6B are connected in series by contact with the air electrode current collector 3.
The space 9 sandwiched between the extending portions 3A of the two air electrode current collectors 3 constituting the two power generation elements functions as a gas flow path, and the air electrode current collector 3 and the air electrode layer 2 of the power generation element 6A. From this, the oxygen-containing gas can circulate to the extending portion 3A of the air electrode current collector 3 of the power generation element 6B.
Further, similarly to the air electrode current collector 3, the negative electrode 4 of the power generation element 6B is provided with a conductive porous body 10 having a conductive and porous structure and extending 10A adjacent thereto, A space 9 sandwiched between the extension 3A of the air electrode current collector 3 of the power generation element 6B and the extension 10A of the conductive porous body 10 functions as a gas flow path, and the air electrode layer 3 of the power generation element 6B. The unreacted portion of the oxygen-containing gas supplied to the gas can flow to the conductive porous body 10. The flexible exterior body 7 may be provided with a discharge port that communicates with the exterior of the flexible exterior body 7 and can discharge unreacted oxygen-containing gas from the conductive porous body 10 (see FIG. Not shown).

これら発電要素6は、可撓性フィルムで形成された可撓性外装体7内に収容されており、可撓性外装体7の外側から、酸素含有ガス11によってその積層方向に加圧され、拘束されている。可撓性外装体7には、空気極集電体3に連通する酸素取り込み孔8が設けられており、酸素含有ガス11が酸素取り込み孔8から可撓性外装体7の内部へ取り込まれ、空気極層2へと供給される。   These power generation elements 6 are accommodated in a flexible exterior body 7 formed of a flexible film, and pressurized from the outside of the flexible exterior body 7 in the stacking direction by an oxygen-containing gas 11. It is restrained. The flexible exterior body 7 is provided with an oxygen uptake hole 8 communicating with the air electrode current collector 3, and an oxygen-containing gas 11 is taken into the flexible exterior body 7 from the oxygen uptake hole 8, It is supplied to the air electrode layer 2.

金属空気電池100は、さらに、発電要素6Aの空気極集電体3に接続され、可撓性外装体7の外部へと延びる正極端子12と、発電要素6Bの負極と隣接する導電性多孔質体10に接続され、可撓性外装体7の外部へと延びる負極端子13とを有している。   The metal-air battery 100 is further connected to the air electrode current collector 3 of the power generation element 6A, the positive electrode terminal 12 extending to the outside of the flexible exterior body 7, and the conductive porous adjacent to the negative electrode of the power generation element 6B. It has a negative electrode terminal 13 connected to the body 10 and extending to the outside of the flexible exterior body 7.

本発明の金属空気電池は、まず、発電要素が、該発電要素を収容する可撓性外装体の外部から、常圧以上の圧力のガスで、その積層方向に加圧される。このように、ガスによって発電要素が拘束されることによって、発電要素に加えられる圧力が均一となるため、拘束部材等を用いることによって局所的に高い圧力がかけられるような場合と比較して、発電要素を構成する部材の長寿命化が可能であり、金属空気電池の耐久性を向上させることができる。より具体的には、例えば、酸素不足に伴う電池部材の劣化や、放電時に生成する析出物が不均一に析出することによるサイクル劣化を抑制することができる。   In the metal-air battery of the present invention, first, the power generation element is pressurized in the stacking direction with a gas having a pressure equal to or higher than normal pressure from the outside of the flexible exterior body that houses the power generation element. Thus, since the power generation element is restrained by the gas, the pressure applied to the power generation element becomes uniform, so compared to the case where a high pressure is locally applied by using a restraining member, etc. The life of the members constituting the power generation element can be extended, and the durability of the metal-air battery can be improved. More specifically, for example, it is possible to suppress deterioration of the battery member due to oxygen shortage and cycle deterioration due to non-uniform precipitation of precipitates generated during discharge.

しかも、本発明においては、発電要素を拘束するガスが、空気極の活物質となる酸素を含有する酸素含有ガスであり、発電要素を拘束すると共に空気極への酸素供給も行うため、電池の構成部材点数を削減し、金属空気電池を小型化することができる。   In addition, in the present invention, the gas that restrains the power generation element is an oxygen-containing gas that contains oxygen as an active material of the air electrode, and restrains the power generation element and also supplies oxygen to the air electrode. The number of constituent members can be reduced, and the metal-air battery can be downsized.

さらには、上記酸素含有ガスは、可撓性外装体の酸素取り込み孔から、可撓性外装体の内部へと入り、多孔質構造を有する空気極集電体を経て、空気極層へと酸素を供給する。すなわち、空気極集電体が、酸素含有ガスの流路としても機能するため、別途、酸素含有ガスの流路となるリブ等を設けなくても、空気極層への酸素供給が可能である。その結果、金属空気電池のさらなる小型化が可能である。   Furthermore, the oxygen-containing gas enters the inside of the flexible exterior body from the oxygen intake hole of the flexible exterior body, passes through the air electrode current collector having a porous structure, and enters the air electrode layer. Supply. That is, since the air electrode current collector also functions as a flow path for the oxygen-containing gas, it is possible to supply oxygen to the air electrode layer without providing a rib or the like that becomes a flow path for the oxygen-containing gas. . As a result, the metal-air battery can be further reduced in size.

特に、図1のように、2つ以上の発電要素を積層して直列接続する場合には、多孔質構造を有する空気極集電体が、隣接する発電要素間の酸素ガス流路としても機能し、小型化効果が特に高い。   In particular, as shown in FIG. 1, when two or more power generation elements are stacked and connected in series, the air electrode current collector having a porous structure also functions as an oxygen gas flow path between adjacent power generation elements. However, the miniaturization effect is particularly high.

尚、本発明において、金属空気電池とは、正極活物質として酸素を用い、伝導イオンが金属イオンであるものであれば特に限定されず、一次電池であっても二次電池であってもよい。金属空気電池の具体例として、例えば、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カリウム空気電池、マグネシウム空気電池、カルシウム空気電池、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池等を挙げることができる。   In the present invention, the metal-air battery is not particularly limited as long as it uses oxygen as the positive electrode active material and the conductive ions are metal ions, and may be a primary battery or a secondary battery. . Specific examples of the metal-air battery include a lithium-air battery, a sodium-air battery, a potassium-air battery, a magnesium-air battery, a calcium-air battery, a zinc-air battery, an aluminum-air battery, and an iron-air battery.

以下、本発明の金属空気電池の各構成について、詳しく説明する。
[発電要素]
発電要素は、空気極と、電解質層と、負極と、がこの順で積層された構造を有する。本発明において、「発電要素の積層方向」とは、発電要素を構成する、これら空気極、電解質層及び負極の積層方向を意味する(図1参照)。
(空気極)
空気極は、導電性材料を少なくとも含む空気極層と、該空気極層の集電を行う空気極集電体とを備える。空気極において、空気極層と空気極集電体は、電解質層側から、空気極層、集電体の順に積層している。
Hereafter, each structure of the metal air battery of this invention is demonstrated in detail.
[Power generation element]
The power generation element has a structure in which an air electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode are laminated in this order. In the present invention, the “stacking direction of the power generation element” means the stacking direction of the air electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode constituting the power generation element (see FIG. 1).
(Air electrode)
The air electrode includes an air electrode layer including at least a conductive material, and an air electrode current collector that collects current from the air electrode layer. In the air electrode, the air electrode layer and the air electrode current collector are laminated in the order of the air electrode layer and the current collector from the electrolyte layer side.

<空気極層>
空気極層は、供給された酸素と金属イオンとの反応場であり、導電性材料の表面にて酸素と金属イオンの反応(金属酸化物や金属水酸化物等の生成、分解)が起こる。空気極層は、通常、多孔質構造を有し、活物質である酸素の拡散性が確保される。
<Air electrode layer>
The air electrode layer is a reaction field between supplied oxygen and metal ions, and the reaction between oxygen and metal ions (generation and decomposition of metal oxides, metal hydroxides, etc.) occurs on the surface of the conductive material. The air electrode layer usually has a porous structure and ensures the diffusibility of oxygen as an active material.

導電性材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、導電性炭素材料が挙げられる。
導電性炭素材料は特に限定されないが、空気極における反応場の面積や空間の観点から、高比表面積を有する炭素材料が好ましい。具体的には、導電性炭素材料は10m/g以上、特に100m/g以上、さらに600m/g以上の比表面積を有することが好ましい。高比表面積を有する導電性炭素材料の具体例として、カーボンブラック、活性炭、カーボン炭素繊維(例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等)等を挙げることができる。ここで、導電性材料の比表面積は、たとえば、窒素吸着測定によるBET法によって測定することができる。
導電性炭素材料は、多孔質構造を有するものであってもなくてもよいが、反応場の空間を確保する観点から、多孔質構造を有するものが好ましく、特に1cc/g以上の高い細孔容積を有するものが好ましい。高い細孔容積を有する導電性炭素材料の具体例としては、カーボンブラック、活性炭、カーボン炭素繊維(例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等)等を挙げることができる。ここで、導電性材料の細孔容積は、たとえば窒素吸着測定によるBJH法によって測定することができる。
空気極層における導電性材料の含有量は、その密度や比表面積等にもよるが、例えば、10重量%〜99重量%の範囲であることが好ましい。
The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include a conductive carbon material.
The conductive carbon material is not particularly limited, but a carbon material having a high specific surface area is preferable from the viewpoint of the reaction field area and space in the air electrode. Specifically, the conductive carbon material preferably has a specific surface area of 10 m 2 / g or more, particularly 100 m 2 / g or more, and more preferably 600 m 2 / g or more. Specific examples of the conductive carbon material having a high specific surface area include carbon black, activated carbon, carbon carbon fiber (for example, carbon nanotube, carbon nanofiber, etc.). Here, the specific surface area of the conductive material can be measured by, for example, the BET method based on nitrogen adsorption measurement.
The conductive carbon material may or may not have a porous structure, but from the viewpoint of securing a reaction field space, a conductive carbon material preferably has a porous structure, and particularly has a high pore of 1 cc / g or more. Those having a volume are preferred. Specific examples of the conductive carbon material having a high pore volume include carbon black, activated carbon, carbon carbon fiber (for example, carbon nanotube, carbon nanofiber, etc.) and the like. Here, the pore volume of the conductive material can be measured by, for example, the BJH method based on nitrogen adsorption measurement.
The content of the conductive material in the air electrode layer is preferably in the range of 10% by weight to 99% by weight, for example, although it depends on the density, specific surface area, and the like.

空気極層は、空気極における酸素の反応を促進する空気極触媒を含有していてもよい。このような空気極触媒は、上記導電性材料に担持されていてもよい。
空気極触媒としては、特に限定されず、例えば、コバルトフタロシアニン、マンガンフタロシアニン、ニッケルフタロシアニン、スズフタロシアニンオキサイド、チタンフタロシアニン、ジリチウムフタロシアニン等のフタロシアニン系化合物;コバルトナフトシアニン等のナフトシアニン系化合物;鉄ポルフィリン等のポリフィリン系化合物等の有機材料や、MnO、CeO、Co、NiO、V、Fe、ZnO、CuO、LiMnO、LiMnO、LiMn、LiTi12、LiTiO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNiO、LiVO、LiFeO、LiFeO、LiCrO、LiCoO、LiCuO、LiZnO、LiMoO、LiNbO、LiTaO、LiWO、LiZrO、NaMnO、CaMnO、CaFeO、MgTiO、KMnO等の金属酸化物;Au、Pt、Ag等の貴金属等の無機材料等が挙げられる。また、上記材料の複数を組み合わせた複合体を空気極触媒として用いることもできる。
空気極層における空気極触媒の含有量は、例えば、1重量%〜90重量%の範囲であることが好ましい。
The air electrode layer may contain an air electrode catalyst that promotes the reaction of oxygen in the air electrode. Such an air electrode catalyst may be supported on the conductive material.
The air electrode catalyst is not particularly limited. For example, phthalocyanine compounds such as cobalt phthalocyanine, manganese phthalocyanine, nickel phthalocyanine, tin phthalocyanine oxide, titanium phthalocyanine, and dilithium phthalocyanine; naphthocyanine compounds such as cobalt naphthocyanine; iron porphyrin Organic materials such as porphyrin-based compounds such as MnO 2 , CeO 2 , Co 3 O 4 , NiO, V 2 O 5 , Fe 2 O 3 , ZnO, CuO, LiMnO 2 , Li 2 MnO 3 , LiMn 2 O 4 , Li 4 Ti 5 O 12, Li 2 TiO 3, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, LiNiO 2, LiVO 3, Li 5 FeO 4, LiFeO 2, LiCrO 2, LiCoO 2, LiCuO 2 , Li nO 2, Li 2 MoO 4, LiNbO 3, LiTaO 3, Li 2 WO 4, Li 2 ZrO 3, NaMnO 2, CaMnO 3, CaFeO 3, MgTiO 3, KMnO metal oxides such as 2; Au, Pt, Ag, etc. Inorganic materials such as noble metals. Moreover, the composite_body | complex which combined two or more of the said material can also be used as an air electrode catalyst.
The content of the air electrode catalyst in the air electrode layer is preferably in the range of 1% by weight to 90% by weight, for example.

空気極層は、導電性材料や空気極触媒の固定化の観点から、さらに、結着材を含有することが好ましい。
結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、PVDFとヘキサフルオロプロピレン(HFP)の共重合体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。
空気極層における結着材の含有量は、例えば、1重量%〜40重量%の範囲であることが好ましい。
The air electrode layer preferably further contains a binder from the viewpoint of fixing the conductive material and the air electrode catalyst.
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), a copolymer of PVDF and hexafluoropropylene (HFP), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR), and the like.
The binder content in the air electrode layer is preferably in the range of, for example, 1% by weight to 40% by weight.

空気極層の厚さは、金属空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば2μm〜500μmの範囲内、特に5μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the air electrode layer varies depending on the use of the metal-air battery, but is preferably in the range of 2 μm to 500 μm, particularly in the range of 5 μm to 300 μm.

<空気極集電体>
空気極集電体は、空気極層の集電を行うものであり、本発明においては、導電性に加えて多孔質構造を有するものを用いる。
空気極集電体は、所望の導電性(電子伝導性)を有し、且つ、酸素含有ガスの流通が可能な多孔質構造を有するものであれば、特に限定されない。
<Air current collector>
The air electrode current collector performs current collection of the air electrode layer, and in the present invention, a material having a porous structure in addition to conductivity is used.
The air electrode current collector is not particularly limited as long as it has a desired conductivity (electron conductivity) and has a porous structure through which an oxygen-containing gas can flow.

空気極集電体の材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、銅等の金属材料、カーボンファイバー、カーボンペーパー等のカーボン材料、窒化チタン等の高電子伝導性セラミックス材料等が挙げられる。   Examples of the material for the air electrode current collector include metal materials such as stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and copper, carbon materials such as carbon fiber and carbon paper, and high electron conductive ceramic materials such as titanium nitride. Can be mentioned.

多孔質構造としては、例えば、構成繊維が規則正しく配列されたメッシュ構造、構成繊維がランダムに配列された不織布構造、独立孔や連結孔を有する三次元網目構造等が挙げられる。
空気極集電体における多孔質構造は、空気極集電体全体において、均一であってもよいし、不均一であってもよい。例えば、空気極集電体の厚み方向(発電要素の積層方向と同じ)において、空隙率(多孔度)が変化する空隙率分布を有していてもよい。尚、空隙率は、多孔質体全体の体積に対する細孔部分の体積の割合である。
具体的には、2つ以上の発電要素を積層し、直列接続させる場合、直列接続される発電要素の負極層と隣接する空気極集電体は、該負極層と接触する領域において、多孔質構造が閉塞していることが好ましい。このように、負極層と接触する領域の多孔質構造が閉塞していることによって、負極層を構成する材料が酸素を含むガスと接触して反応し、性能劣化することを防止することができ、また、酸素含有ガスが、酸素の必要な空気極層へ効率良く流れるような、酸素含有ガスの流れを形成するのにも効果的である。
このように負極層と接触する領域を閉塞させる場合、例えば、図2に示すように、隣接する負極層4側から順に、導電性非多孔質体3a、導電性多孔質体3b、導電性多孔質体3cを積層させたものを空気極集電体3として用いることも効果的である。ここで導電性非多孔質体3aは、負極層と接触する領域であるため、多孔質構造を有していない導電体であり、導電性多孔質体3bは、導電性多孔質体3cよりも空隙率が低いものである。このような多層構造を有する空気極集電体は、例えば、空隙率の異なる上記導電性非多孔質体3a、導電性多孔質体3b及び3cを、プレス成形することにより作製することができる。
尚、空隙率分布を有する空気極集電体は、図2に示す、多層型の空気極集電体のように、段階的にその空隙率が変化する形態の他、連続的に空隙率が変化する形態でもよい。
また、上記負極層と隣接する導電性非多孔質体を含め、負極層と接触する導電性部材は、負極層の集電体としてみなすこともできる。
Examples of the porous structure include a mesh structure in which constituent fibers are regularly arranged, a nonwoven fabric structure in which constituent fibers are randomly arranged, and a three-dimensional network structure having independent holes and connecting holes.
The porous structure of the air electrode current collector may be uniform or non-uniform throughout the air electrode current collector. For example, it may have a porosity distribution in which the porosity (porosity) varies in the thickness direction of the air electrode current collector (the same as the stacking direction of the power generation elements). In addition, the porosity is a ratio of the volume of the pore portion to the volume of the entire porous body.
Specifically, when two or more power generation elements are stacked and connected in series, the air electrode current collector adjacent to the negative electrode layer of the power generation elements connected in series is porous in the region in contact with the negative electrode layer. The structure is preferably occluded. As described above, since the porous structure in the region in contact with the negative electrode layer is blocked, it is possible to prevent the material constituting the negative electrode layer from contacting and reacting with a gas containing oxygen and degrading the performance. It is also effective to form a flow of oxygen-containing gas such that the oxygen-containing gas efficiently flows to the air electrode layer where oxygen is required.
When the region in contact with the negative electrode layer is closed as described above, for example, as shown in FIG. 2, the conductive non-porous body 3a, the conductive porous body 3b, and the conductive porous are sequentially formed from the adjacent negative electrode layer 4 side. It is also effective to use a laminate of the material bodies 3c as the air electrode current collector 3. Here, since the conductive non-porous body 3a is a region in contact with the negative electrode layer, the conductive non-porous body 3a is a conductor that does not have a porous structure, and the conductive porous body 3b is more than the conductive porous body 3c. The porosity is low. The air electrode current collector having such a multilayer structure can be produced, for example, by press-molding the conductive non-porous body 3a and the conductive porous bodies 3b and 3c having different porosity.
Incidentally, the air electrode current collector having a porosity distribution has a continuous porosity as well as a form in which the porosity changes stepwise as shown in the multilayer air electrode current collector shown in FIG. It may be a changing form.
Moreover, the electroconductive member which contacts a negative electrode layer including the electroconductive nonporous body adjacent to the said negative electrode layer can also be regarded as a collector of a negative electrode layer.

空気極集電体の形状は特に限定されず、適宜選択することができる。
可撓性外装体内での酸素含有ガスの流通、特に、2つ以上の発電要素を積層する場合の可撓性外装体内での酸素含有ガスの流通の観点から、空気極集電体は下記形状を有していることが好ましい。すなわち、発電要素における積層方向と直交する面の外周縁が、空気極層、電解質層及び負極(負極層)の上記直交面の外周縁から延在する延在部を有することが好ましい。このような延在部は、空気極集電体を、空気極層、電解質層、及び負極(負極層)を積層させた際に、酸素含有ガスの流路として機能し、可撓性外装体内の発電要素の積層方向における酸素含有ガスの流れを形成することができる。
延在部の具体的な形態は特に限定されず、適宜選択すればよい。例えば、上記直交面の外周が、空気極層、電解質層及び負極の上記直交面の外周縁よりも一回り大きい寸法及び形状を有する空気極集電体が挙げられる。このような空気極集電体は、空気極層、電解質層及び負極と、上記直交面の中心点を重ね合わせて積層した場合、空気極層、電解質層及び負極の外周縁を取り囲むように、延在部が設けられることになる。
The shape of the air electrode current collector is not particularly limited and can be appropriately selected.
From the viewpoint of the flow of oxygen-containing gas in the flexible exterior body, particularly the flow of oxygen-containing gas in the flexible exterior body when two or more power generation elements are stacked, the air electrode current collector has the following shape: It is preferable to have. That is, it is preferable that the outer peripheral edge of the surface orthogonal to the stacking direction of the power generation element has an extending portion that extends from the outer peripheral edge of the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode (negative electrode layer). Such an extended portion functions as a flow path for the oxygen-containing gas when the air electrode current collector is laminated with the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode (negative electrode layer), and the flexible exterior body The flow of oxygen-containing gas in the stacking direction of the power generation elements can be formed.
The specific form of the extending portion is not particularly limited, and may be selected as appropriate. For example, an air electrode current collector in which the outer periphery of the orthogonal surface has a size and shape that is slightly larger than the outer peripheral edge of the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode. In such an air electrode current collector, when the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode are stacked with the center point of the orthogonal plane superimposed, so as to surround the outer periphery of the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode, An extension part will be provided.

空気極集電体の延在部は、少なくとも表面が絶縁性材料で被覆されていることが好ましい。導電性を有している場合、空気極の反応場として機能することによって、放電時に生成する析出物等によりその多孔質構造が閉塞してしまうおそれがあったり、反応面積の変化(増減)に伴う、セル間の電流密度バラつきが発生するおそれがあるからである。
つまり、延在部は、酸素含有ガスの透過性を有していればよく、空気極層や負極と接触する領域とは異なる、絶縁性材料により形成されていてもよいが、製造工程の煩雑化等を考慮すると、導電性多孔質体の延在部となる領域の表面に選択的に絶縁処理を行うことが好ましいといえる。絶縁処理方法は、延在部の酸素含有ガス透過性を確保することができれば特に限定されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の絶縁性材料の塗布等が挙げられる。
It is preferable that at least the surface of the extended portion of the air electrode current collector is covered with an insulating material. If it has electrical conductivity, it functions as a reaction field for the air electrode, which may cause the porous structure to be clogged by precipitates generated during discharge, or change (increase / decrease) in the reaction area. This is because there is a possibility that current density variation between the cells may occur.
In other words, the extending portion only needs to be permeable to the oxygen-containing gas, and may be formed of an insulating material different from the region in contact with the air electrode layer or the negative electrode, but the manufacturing process is complicated. In view of the above, it can be said that it is preferable to selectively insulate the surface of the region to be the extended portion of the conductive porous body. The insulating treatment method is not particularly limited as long as the oxygen-containing gas permeability of the extending portion can be ensured, and examples thereof include application of an insulating material such as polytetrafluoroethylene.

空気極集電体の厚さは特に限定されないが、例えば、10μm〜1000μmの範囲であることが好ましい。   Although the thickness of an air electrode electrical power collector is not specifically limited, For example, it is preferable that it is the range of 10 micrometers-1000 micrometers.

空気極の製造方法は、特に限定されない。例えば、導電性材料と、結着材等のその他の空気極層構成材料を混合した空気極材料を用いて、空気極を形成することができる。具体的には、空気極集電体の表面に、溶媒を含む空気極材料を、圧延又は塗布して成形し、必要に応じて、乾燥処理、加圧処理、加熱処理等を施すことで空気極層と空気極集電体とが積層した空気極を作製することができる。或いは、溶媒を含む空気極材料を圧延又は塗布して成形し、必要に応じて、乾燥処理、加圧処理、加熱処理等を施した空気極層を、空気極集電体を重ね合わせ、適宜、加圧や加熱等を行うことで、空気極層と空気極集電体とが積層した空気極を作製することができる。
空気極材料に用いる溶媒としては、揮発性を有していれば特に限定されず、適宜選択することができる。具体的には、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等が挙げられる。空気極材料の乾燥が容易になることから、沸点が200℃以下の溶媒が好ましい。
空気極材料を塗布する方法は特に限定されず、ドクターブレード法、インクジェット法、スプレー法等の一般的な方法を用いることができる。
The method for producing the air electrode is not particularly limited. For example, an air electrode can be formed using an air electrode material obtained by mixing a conductive material and other air electrode layer constituent materials such as a binder. Specifically, an air electrode material containing a solvent is rolled or coated on the surface of the air electrode current collector and formed, and if necessary, air treatment is performed by performing a drying treatment, a pressure treatment, a heat treatment, or the like. An air electrode in which an electrode layer and an air electrode current collector are stacked can be produced. Alternatively, an air electrode material containing a solvent is rolled or applied and molded, and if necessary, an air electrode layer that has been subjected to a drying treatment, a pressure treatment, a heat treatment, or the like is overlaid with an air electrode current collector. By performing pressurization or heating, an air electrode in which an air electrode layer and an air electrode current collector are laminated can be produced.
The solvent used for the air electrode material is not particularly limited as long as it has volatility, and can be appropriately selected. Specific examples include acetone, N, N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like. A solvent having a boiling point of 200 ° C. or lower is preferable because the air electrode material can be easily dried.
The method for applying the air electrode material is not particularly limited, and general methods such as a doctor blade method, an ink jet method, and a spray method can be used.

(電解質層)
電解質は、空気極と負極との間で金属イオンを伝導できれば、特に限定されず、電解液でもよいし、固体電解質でもよいが、電解液を用いた場合、酸素含有ガスによる拘束圧によって、漏液し、電圧降下が生じるおそれがあるため、固体状の電解質を用いることが好ましい。
固体状の電解質としては、例えば、電解液をゲル化したもの、固体無機電解質、固体有機電解質等を用いることができる。非水電解液のゲル化の方法としては、例えば、非水系電解液に、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリルニトリル(PAN)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)またはポリメチルメタクリレート(PMMA)等のポリマーを添加する方法が挙げられる。
(Electrolyte layer)
The electrolyte is not particularly limited as long as it can conduct metal ions between the air electrode and the negative electrode, and may be an electrolytic solution or a solid electrolyte. However, when the electrolytic solution is used, leakage occurs due to the restraining pressure of the oxygen-containing gas. It is preferable to use a solid electrolyte because there is a possibility that a voltage drop will occur.
As the solid electrolyte, for example, a gelled electrolyte, a solid inorganic electrolyte, a solid organic electrolyte, or the like can be used. Examples of the gelation method of the non-aqueous electrolyte include, for example, polymers such as polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polymethyl methacrylate (PMMA). The method of adding is mentioned.

電解液としては、非水系電解液や水系電解液が挙げられる。非水系電解液は、支持電解質塩及び非水溶媒を含有する。
非水溶媒としては、特に限定されず、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)、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルプロピルカーボネート、イソプロピオメチルカーボネート、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸メチル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコージジエチルエーテル、アセトニトリル(AcN)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジエトキシエタン、ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)等が挙げられる。
Examples of the electrolytic solution include a non-aqueous electrolytic solution and an aqueous electrolytic solution. The nonaqueous electrolytic solution contains a supporting electrolyte salt and a nonaqueous solvent.
The non-aqueous solvent is not particularly limited. For example, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), vinylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), methyl propyl carbonate. , Isopropiomethyl carbonate, ethyl propionate, methyl propionate, γ-butyrolactone, ethyl acetate, methyl acetate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol didiethyl ether, acetonitrile (AcN), dimethyl sulfoxide (DMSO) ), Diethoxyethane, dimethoxyethane (DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) and the like. .

また、イオン性液体を非水溶媒として用いることもできる。イオン性液体としては、例えば、N,N,N−トリメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:TMPA−TFSA]、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:PP13−TFSA]、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:P13−TFSA]、N−メチル−N−ブチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:P14−TFSA]、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:DEME−TFSA]等の脂肪族4級アンモニウム塩;1−メチル−3−エチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート[略称:EMIBF]、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:EMITFSA]、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムブロマイド[略称:AEImBr]、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート[略称:AEImBF]、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:AEImTFSA]、1,3−ジアリルイミダゾリウムブロマイド[略称:AAImBr]、1,3−ジアリルイミダゾリウムテトラフルオロボラート[略称:AAImBF]、1,3−ジアリルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:AAImTFSA]等のアルキルイミダゾリウム4級塩等が挙げられる。 Moreover, an ionic liquid can also be used as a non-aqueous solvent. Examples of the ionic liquid include N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: TMPA-TFSA], N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl). ) Amide [abbreviation: PP13-TFSA], N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: P13-TFSA], N-methyl-N-butylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) ) Aliphatic quaternary ammonium such as amide [abbreviation: P14-TFSA], N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: DEME-TFSA] Salt; 1-methyl-3-ethyl ester Dazo tetrafluoroborate [abbreviation: EMIBF 4], 1- methyl-3-ethyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: EMITFSA], 1- allyl-3-ethyl imidazolium bromide [abbreviation: AEImBr], 1-allyl-3-ethylimidazolium tetrafluoroborate [abbreviation: AEImBF 4 ], 1-allyl-3-ethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: AEImTFSA], 1,3-diallylimidazolium bromide [abbreviation: AAImBr], 1,3- diallyl tetrafluoroborate [abbreviation: AAImBF 4], 1,3- diallyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: AAImTFSA] Include alkyl imidazolium quaternary salt of.

酸素ラジカルに対する電気化学安定性という観点からは、非水溶媒として、AcN、DMSO、DME、PP13−TFSA、P13−TFSA、P14−TFSA、TMPA−TFSA、DEME−TFSA等が好ましい。   From the viewpoint of electrochemical stability against oxygen radicals, AcN, DMSO, DME, PP13-TFSA, P13-TFSA, P14-TFSA, TMPA-TFSA, DEME-TFSA and the like are preferable as the nonaqueous solvent.

支持電解質塩は、非水溶媒に対して溶解性を有し、所望の金属イオン伝導性を発現するものであればよい。通常、伝導させたい金属イオンを含む金属塩を用いることができる。例えば、リチウム空気電池の場合、支持電解質塩としてリチウム塩を用いることができる。リチウム塩としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiOH、LiCl、LiNO、LiSO等の無機リチウム塩が挙げられる。また、CHCOLi、リチウムビスオキサレートボレート(略称 LiBOB)、LiN(CFSO(略称 LiTFSA)、LiN(CSO(略称 LiBETA)、LiN(CFSO)(CSO)等の有機リチウム塩を用いることもできる。
非水電解質において、非水溶媒に対する支持電解質塩の含有量は、特に限定されないが、例えば、非水系電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば0.5mol/L〜3mol/Lの範囲内である。
The supporting electrolyte salt only needs to have solubility in a non-aqueous solvent and express desired metal ion conductivity. Usually, a metal salt containing a metal ion to be conducted can be used. For example, in the case of a lithium air battery, a lithium salt can be used as the supporting electrolyte salt. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiOH, LiCl, LiNO 3 , Li 2 SO 4 . In addition, CH 3 CO 2 Li, lithium bisoxalate borate (abbreviation LiBOB), LiN (CF 3 SO 2 ) 2 (abbreviation LiTFSA), LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 (abbreviation LiBETA), LiN (CF 3 An organic lithium salt such as (SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ) can also be used.
In the non-aqueous electrolyte, the content of the supporting electrolyte salt with respect to the non-aqueous solvent is not particularly limited. For example, the concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte is, for example, in the range of 0.5 mol / L to 3 mol / L. .

水系電解液は、支持電解質塩及び水を含有する。支持電解質塩は、水に対して溶解性を有し、所望のイオン伝導性を発現するものであれば特に限定されない。通常、伝導させたい金属イオンを含む金属塩を用いることができる。例えば、リチウム空気電池の場合、例えば、LiOH、LiCl、LiNO、LiSO、CHCOOLi等のリチウム塩を用いることができる。 The aqueous electrolyte contains a supporting electrolyte salt and water. The supporting electrolyte salt is not particularly limited as long as it has solubility in water and expresses desired ionic conductivity. Usually, a metal salt containing a metal ion to be conducted can be used. For example, in the case of a lithium air battery, for example, a lithium salt such as LiOH, LiCl, LiNO 3 , Li 2 SO 4 , or CH 3 COOLi can be used.

電解液をゲル化して用いる場合、例えば、上記したようなポリマーと電解液とを混合した後、該混合液を基材上に流延塗布、乾燥し、基材から剥離した後、切断することで、ゲル状電解質膜を作製することができる。   When the electrolytic solution is used after being gelled, for example, after mixing the polymer and the electrolytic solution as described above, the mixed solution is cast-coated on the substrate, dried, peeled off from the substrate, and then cut. Thus, a gel electrolyte membrane can be produced.

固体電解質としては、例えば、無機固体電解質が挙げられる。尚、無機固体電解質としては、ガラス、結晶、ガラスセラミックスのいずれでもよい。これら固体電解質を用いる場合、例えば、固体電解質を圧延又は固体電解質を溶媒と混合したスラリーを塗布、乾燥することによって、固体電解質層を作製することができる。
具体的な無機固体電解質は、伝導金属イオンに応じて適宜選択すればよい。
例えば、リチウム空気電池の場合、NASICON型酸化物としては、例えば、Li(XはB、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、Sb及びSeよりなる群から選択される少なくとも1種であり、YはTi、Zr、Ge、In、Ga、Sn及びAlよりなる群から選択される少なくとも1種であり、a〜eは、0.5<a<5.0、0≦b<2.98、0.5≦c<3.0、0.02<d≦3.0、2.0<b+d<4.0、3.0<e≦12.0の関係を満たす)で表される酸化物を挙げることができる。特に、上記式において、X=Al、Y=Tiである酸化物(Li−Al−Ti−P−O系NASICON型酸化物)、及び、X=Al、Y=Ge若しくはX=Ge、Y=Alである酸化物(Li−Al−Ge−Ti−O系NASICON型酸化物)が好ましい。
また、ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、LiLa1−xTiO等で表される酸化物(Li−La−Ti−O系ペロブスカイト型酸化物)を挙げることができる。
Examples of the solid electrolyte include inorganic solid electrolytes. The inorganic solid electrolyte may be glass, crystal, or glass ceramic. When these solid electrolytes are used, for example, the solid electrolyte layer can be produced by rolling the solid electrolyte or applying and drying a slurry in which the solid electrolyte is mixed with a solvent.
What is necessary is just to select a specific inorganic solid electrolyte suitably according to a conductive metal ion.
For example, in the case of a lithium-air battery, as the NASICON type oxide, for example, Li a Xb Y cP d O e (X is from B, Al, Ga, In, C, Si, Ge, Sn, Sb and Se) Y is at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ge, In, Ga, Sn and Al, and a to e are 0.5 <a <5.0, 0 ≦ b <2.98, 0.5 ≦ c <3.0, 0.02 <d ≦ 3.0, 2.0 <b + d <4.0, 3.0 <e ≦ 12 0). In particular, in the above formula, an oxide where X = Al and Y = Ti (Li-Al-Ti-PO-based NASICON type oxide), and X = Al, Y = Ge or X = Ge, Y = An oxide that is Al (Li—Al—Ge—Ti—O-based NASICON-type oxide) is preferable.
As the perovskite-type oxide, for example, oxide represented by Li x La 1-x TiO 3, etc. (Li-La-TiO perovskite oxide) can be exemplified.

また、リチウム空気電池の場合、LISICON型酸化物としては、例えば、LiXO−LiYO(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種であり、YはP、As及びVから選ばれる少なくとも1種である)、LiXO−LiAO(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種であり、AはMo及びSから選ばれる少なくとも1種である)、LiXO−LiZO(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種であり、ZはAl、Ga及びCrから選ばれる少なくとも1種である)、並びに、LiXO−LiBXO(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種であり、BはCa及びZnから選ばれる少なくとも1種である)、LiDO−LiYO(DはB、YはP、As及びVから選ばれる少なくとも1種である)等が挙げられる。特に、LiSiO−LiPO、LiBO−LiPO等が好ましい。 In the case of a lithium-air battery, as the LISICON-type oxide, for example, Li 4 XO 4 -Li 3 YO 4 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti, and Y is P, As, and Li 4 XO 4 —Li 2 AO 4 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti, and A is at least one selected from Mo and S). Li 4 XO 4 —Li 2 ZO 2 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti, Z is at least one selected from Al, Ga, and Cr), and Li 4 XO 4 —Li 2 BXO 4 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti, and B is at least one selected from Ca and Zn), Li 3 DO 3 —Li 3 YO 4 (D is B, Y is at least one selected from P, As and V). In particular, Li 4 SiO 4 —Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3 —Li 3 PO 4, and the like are preferable.

また、リチウム空気電池の場合、ガーネット型酸化物としては、例えば、Li3+x2−v12で表される酸化物を挙げることができる。ここで、A、G、MおよびBは金属カチオンである。Aは、Ca、Sr、Ba及びMg等のアルカリ土類金属カチオン、又は、Zn等の遷移金属カチオンであることが好ましい。また、Gは、La、Y、Pr、Nd、Sm、Lu、Eu等の遷移金属カチオンであることが好ましい。また、Mとしては、Zr、Nb、Ta、Bi、Te、Sb等の遷移金属カチオンを挙げることができ、中でもZrが好ましい。また、Bは、例えばInであることが好ましい。xは、0≦x≦5を満たすことが好ましく、4≦x≦5を満たすことがより好ましい。yは、0≦y≦3を満たすことが好ましく、0≦y≦2を満たすことがより好ましい。zは、0≦z≦3を満たすことが好ましく、1≦z≦3を満たすことがより好ましい。vは、0≦v≦2を満たすことが好ましく、0≦v≦1を満たすことがより好ましい。なお、Oは部分的に、または、完全に二価アニオン及び/又は三価のアニオン、例えばN3−と交換されていてもよい。ガーネット型酸化物としては、LiLaZr12が等のLi−La−Zr−O系酸化物が好ましい。 In the case of a lithium-air battery, examples of the garnet-type oxide include an oxide represented by Li 3 + x A y G z M 2 -v B v O 12 . Here, A, G, M and B are metal cations. A is preferably an alkaline earth metal cation such as Ca, Sr, Ba and Mg, or a transition metal cation such as Zn. G is preferably a transition metal cation such as La, Y, Pr, Nd, Sm, Lu, or Eu. Examples of M include transition metal cations such as Zr, Nb, Ta, Bi, Te, and Sb. Among these, Zr is preferable. B is preferably In, for example. x preferably satisfies 0 ≦ x ≦ 5, and more preferably satisfies 4 ≦ x ≦ 5. y preferably satisfies 0 ≦ y ≦ 3, and more preferably satisfies 0 ≦ y ≦ 2. z preferably satisfies 0 ≦ z ≦ 3, and more preferably satisfies 1 ≦ z ≦ 3. v preferably satisfies 0 ≦ v ≦ 2, and more preferably satisfies 0 ≦ v ≦ 1. O may be partially or completely exchanged with a divalent anion and / or a trivalent anion, for example, N 3− . As the garnet-type oxide, Li—La—Zr—O-based oxides such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 are preferable.

(負極)
負極は、金属イオン種を放出・取り込み可能な負極活物質を含有する負極層を備える。負極は、負極層に加えて、負極層の集電を行う負極集電体を備えていてもよい。
負極活物質は、金属イオン種の放出・取り込みが可能なものであれば特に限定されず、例えば、金属イオンを含有する単体金属、合金、金属酸化物、金属硫化物、及び金属窒化物等が挙げられる。また、炭素材料も負極活物質として用いることができる。負極活物質としては、単体金属又は合金が好ましく、特に単体金属が好ましい。負極活物質の単体金属としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、亜鉛及び鉄等が挙げられ、合金としては、これら単体金属を少なくとも1種含む合金が挙げられる。
より具体的には、リチウム空気電池の負極活物質としては、例えば金属リチウム;リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金等のリチウム合金;スズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物等の金属酸化物;スズ硫化物、チタン硫化物等の金属硫化物;リチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等の金属窒化物;並びにグラファイト等の炭素材料等を挙げることができ、中でも金属リチウム及び炭素材料が好ましく、高容量化の観点から金属リチウムがより好ましい。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode layer containing a negative electrode active material capable of releasing and incorporating metal ion species. In addition to the negative electrode layer, the negative electrode may include a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode layer.
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can release and incorporate metal ion species, and examples thereof include simple metals, alloys, metal oxides, metal sulfides, and metal nitrides containing metal ions. Can be mentioned. A carbon material can also be used as the negative electrode active material. As the negative electrode active material, a single metal or an alloy is preferable, and a single metal is particularly preferable. Examples of the single metal of the negative electrode active material include lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium, aluminum, zinc, and iron. Examples of the alloy include alloys containing at least one of these single metals.
More specifically, examples of the negative electrode active material of the lithium-air battery include metal lithium; lithium alloys such as lithium aluminum alloy, lithium tin alloy, lithium lead alloy, and lithium silicon alloy; tin oxide, silicon oxide, and lithium titanium. Metal oxides such as oxides, niobium oxides and tungsten oxides; metal sulfides such as tin sulfides and titanium sulfides; metal nitrides such as lithium cobalt nitrides, lithium iron nitrides and lithium manganese nitrides; and Examples thereof include carbon materials such as graphite, among which metal lithium and carbon materials are preferable, and metal lithium is more preferable from the viewpoint of increasing capacity.

負極層は、少なくとも負極活物質を含有してればよいが、必要に応じて、負極活物質を固定化する結着材を含有していてもよい。例えば、負極活物質として箔状の金属や合金を用いる場合には、負極層を負極活物質のみを含有する形態とすることができるが、粉末状の負極活物質を用いる場合には、負極層を負極活物質と結着材を含有する形態とすることができる。また、負極層は、導電性材料を含有していてもよい。結着材及び導電性材料の種類、使用量等については、上述した空気極層と同様であるため、ここでの説明は省略する。   Although the negative electrode layer should just contain a negative electrode active material at least, it may contain the binder which fixes a negative electrode active material as needed. For example, when a foil-like metal or alloy is used as the negative electrode active material, the negative electrode layer can be configured to contain only the negative electrode active material, but when a powdered negative electrode active material is used, the negative electrode layer Can be made into a form containing a negative electrode active material and a binder. The negative electrode layer may contain a conductive material. Since the types and amounts of use of the binder and the conductive material are the same as those of the above-described air electrode layer, description thereof is omitted here.

負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されない。例えば、ステンレス、ニッケル等が挙げられる。負極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、及びメッシュ状等が挙げられる。また、電池ケースが負極集電体としての機能を有していてもよい。
また、図1のように、2つ以上の発電要素を積層して直列接続する場合、末端の発電要素の負極集電体としては、空気極集電体のような導電性多孔質体(図1中の導電性多孔質体10)であることが好ましい。導電性多孔質体であることによって、酸素含有ガスの未反応分を外装体の外部へと効率よく排出するための流れを形成することができるからである。このように負極集電体が多孔質構造を有する場合、空気極集電体同様の理由から、延在部を有することが好ましく、特に延在部の少なくとも表面が絶縁性材料で被覆されていることが好ましい。また、空気極集電体同様の理由から、負極層と接触する領域の多孔質構造が閉塞されていることが好ましい。
The material of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, stainless steel, nickel, etc. are mentioned. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh shape. Further, the battery case may have a function as a negative electrode current collector.
As shown in FIG. 1, when two or more power generation elements are stacked and connected in series, the negative electrode current collector of the terminal power generation element is a conductive porous body such as an air electrode current collector (see FIG. 1 is preferably a conductive porous body 10). This is because by using the conductive porous body, a flow for efficiently discharging the unreacted portion of the oxygen-containing gas to the outside of the exterior body can be formed. Thus, when the negative electrode current collector has a porous structure, it is preferable to have an extended portion for the same reason as the air electrode current collector, and at least the surface of the extended portion is particularly coated with an insulating material. It is preferable. For the same reason as the air electrode current collector, the porous structure in the region in contact with the negative electrode layer is preferably closed.

負極の製造方法は特に限定されない。例えば、箔状の負極活物質と負極集電体とを重ね合わせて加圧する方法が挙げられる。また、別の方法として、負極活物質と結着材とを含有する負極材混合物を調製し、該混合物を基材上又は負極集電体上に塗布、乾燥する方法を挙げることができる。   The manufacturing method of a negative electrode is not specifically limited. For example, there is a method in which a foil-like negative electrode active material and a negative electrode current collector are superposed and pressed. Another method includes preparing a negative electrode material mixture containing a negative electrode active material and a binder, and applying and drying the mixture on a substrate or a negative electrode current collector.

発電要素は、上記のような空気極、電解質層、及び負極を積層したものであり、可撓性外装体の内部に収容される。
次に可撓性外装体について説明する。
The power generation element is formed by laminating the air electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode as described above, and is accommodated in the flexible exterior body.
Next, the flexible exterior body will be described.

[可撓性外装体]
可撓性外装体は、可撓性フィルムから形成されており、外装体の内部に収容された発電要素に、外装体の外部からの酸素含有ガスによる圧力を負荷することができる。可撓性フィルムは、上記のように圧力を負荷できるものであれば特に限定されず、典型例として、ラミネートフィルムが挙げられる。ラミネートフィルムとしては、種々の電池の外装体として利用されているものから適宜選択して用いることが可能であり、例えば、アルミ層の一方の表面(外装体の外部側)に、耐衝撃性や材料補強を目的とした樹脂層(例えば、ポリエチレンテレフタレートやナイロン等)、が設けられ、他方の表面(外装体の内部)には、外装体の密封を目的とした接着層(例えば、ポリオレフィン製)が設けられたものが挙げられる。
[Flexible exterior body]
The flexible exterior body is formed of a flexible film, and can apply a pressure by an oxygen-containing gas from the outside of the exterior body to the power generation element accommodated in the exterior body. A flexible film will not be specifically limited if a pressure can be loaded as mentioned above, As a typical example, a laminate film is mentioned. The laminate film can be appropriately selected from those used as various battery exterior bodies. For example, one surface of the aluminum layer (external side of the exterior body) has impact resistance and A resin layer (for example, polyethylene terephthalate or nylon) for the purpose of material reinforcement is provided, and an adhesive layer (for example, made of polyolefin) for sealing the exterior body is provided on the other surface (inside the exterior body). Are provided.

可撓性外装体には、可撓性外装体の内部に収容される発電要素の空気極集電体に連通する酸素取り込み孔が設けられる。酸素取り込み孔は、発電要素を可撓性外装体の外部から拘束する酸素含有ガスが、上記空気極集電体に到達することができれば、数、断面形状、配置位置、配置形態等に特に限定はない。例えば、図1に示すように、空気極集電体3の面方向と平行な面に設けられていてもよいし、或いは、図1における正極端子12が設けられた面(空気極集電体3の面方向と垂直な面)に設けられてもよい。   The flexible exterior body is provided with an oxygen intake hole that communicates with the air electrode current collector of the power generation element housed inside the flexible exterior body. The oxygen intake hole is particularly limited to the number, the cross-sectional shape, the arrangement position, the arrangement form, etc., as long as the oxygen-containing gas that restrains the power generation element from the outside of the flexible outer casing can reach the air current collector. There is no. For example, as shown in FIG. 1, the air electrode current collector 3 may be provided on a surface parallel to the surface direction, or the surface on which the positive electrode terminal 12 in FIG. 3 surface).

可撓性外装体の外部から、発電要素を拘束し且つ酸素を供給する、酸素含有ガスは、常圧以上であって、発電要素をその積層方向に拘束可能であり、且つ、酸素を含有するものであればよい。
酸素含有ガスにより発電要素に負荷される圧力は、常圧(すなわち、大気圧)以上であればよいが、特に0.1MPa〜1MPa程度であることが好ましい。放電反応により酸素含有ガスが消費されても一定以上の圧力で加圧し続けることができるためである。
酸素含有ガスとしては、純酸素ガスの他、空気を用いることもでき、酸素濃度が15〜100体積%であることが好ましく、特に純酸素ガス(酸素濃度99.9体積%〜)であることが好ましい。尚、酸素含有ガス中に水分が含まれる場合、発電要素を構成する金属の腐食等が生じるおそれがあるため、酸素含有ガスは水分を含まない乾燥ガスであることが好ましい。
The oxygen-containing gas that restrains the power generation element and supplies oxygen from the outside of the flexible exterior body is an atmospheric pressure or higher, can constrain the power generation element in its stacking direction, and contains oxygen. Anything is acceptable.
The pressure applied to the power generation element by the oxygen-containing gas may be normal pressure (that is, atmospheric pressure) or higher, but is preferably about 0.1 MPa to 1 MPa. This is because even if the oxygen-containing gas is consumed by the discharge reaction, the pressurization can be continued at a certain pressure or higher.
As the oxygen-containing gas, air can be used in addition to pure oxygen gas, and the oxygen concentration is preferably 15 to 100% by volume, particularly pure oxygen gas (oxygen concentration 99.9% by volume). Is preferred. In addition, when moisture is contained in the oxygen-containing gas, there is a risk that corrosion of the metal constituting the power generation element or the like occurs. Therefore, the oxygen-containing gas is preferably a dry gas that does not contain moisture.

[その他]
可撓性外装体の酸素取り込み孔には、酸素を選択的に透過させる酸素透過膜を配置してもよい。可撓性外装体外部からの水分や二酸化炭素などのガスの侵入を防止するためである。同様の観点から、酸素取り込み孔には、撥水性を有する撥水性膜を配置してもよい。
酸素透過膜としては、一般的なもの(例えば、ポリジメチルシロキサンなど)を用いることができ、配置位置は、可撓性外装体の内部であっても外部であってもよい。同様に、撥水性膜としては、一般的なもの(例えば、ポリテトラフルオロエチレンなど)を用いることができ、配置位置は、可撓性外装体の内部であっても外部であってもよい。
[Others]
An oxygen permeable film that selectively permeates oxygen may be disposed in the oxygen uptake hole of the flexible exterior body. This is to prevent intrusion of gas such as moisture and carbon dioxide from the outside of the flexible exterior body. From the same viewpoint, a water repellent film having water repellency may be disposed in the oxygen uptake hole.
As the oxygen permeable membrane, a general one (for example, polydimethylsiloxane) can be used, and the arrangement position may be inside or outside the flexible exterior body. Similarly, a general film (for example, polytetrafluoroethylene) can be used as the water-repellent film, and the arrangement position may be inside or outside the flexible exterior body.

また、空気極及び負極には、それぞれ、外部との接続部となる端子を設けることができる。
本発明の金属空気電池の製造方法は特に限定されず、一般的な方法を採用することができる。
Each of the air electrode and the negative electrode can be provided with a terminal serving as a connection portion with the outside.
The method for producing the metal-air battery of the present invention is not particularly limited, and a general method can be adopted.

[実施例1]
(金属空気電池の作製)
カーボンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル製、ECP600JD)とポリテトラフルオロエチレン粉末とを、重量比で90:10となるように、エタノール溶媒で混合した後、ロールプレスにより圧延成形して、空気極層を作製した。
また、PP13TFSA(関東化学製)にLiTFSA(キシダ化学製)を0.32mol/kgの濃度となるように添加し、Ar雰囲気下で一晩攪拌混合溶解させたものと、PVdFとを、重量比で8:2となるようにアセトン溶媒を用いて混合した後、基材上に、流延塗布、乾燥させて膜化した。基材を剥離した後、膜を切断し、ゲル電解質層を得た。
一方、金属Li(本城金属製)(負極層)に、Ni箔(ニラコ製)を貼付した。
次に、多孔度の異なる3つのNi多孔質体(住友電工製)を、多孔度が順に大きくなるように積層し、プレス成形して導電性多孔質積層体を作製した。尚、導電性多孔質積層体は、上記空気極層、上記電解質層、及び、上記金属Li−Ni箔積層体の外周縁よりも、一回り大きい寸法及び形状とし、これら空気極層、電解質層、及び積層体とその中心点を重ね合わせた時にこれら各層の外周縁から延在する延在部の表面に、ポリテトラフルオロエチレン処理を行った。
上記にて作製した導電性多孔質積層体、空気極層、電解質層、及び、負極層−Ni箔積層体とを、この順序で積層し、発電要素を作製した。尚、導電性多孔質積層体は、多孔度が大きい層が空気極層側になるように積層した。また、負極層−Ni箔積層体は、負極層が電解質層側に成るように積層した。
上記発電要素を2つ作製し、2つの発電要素を、導電性多孔質積層体とNi箔とが接するように重ね合わせ、さらに、端部に位置するNi箔上に、導電性多孔質積層体を積層した。このとき、Ni箔上に積層した導電性多孔質積層体は、多孔度が小さい層がNi箔側になるように積層した。
得られた電極積層体を、酸素取り込み孔を有するアルミラミネートフィルムからなる外装体内に収容し、封止した。酸素取り込み孔には、テトラフルオロエチレンからなる撥水膜を配置した。
[Example 1]
(Production of metal-air battery)
Carbon black (manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., ECP600JD) and polytetrafluoroethylene powder are mixed with an ethanol solvent so that the weight ratio is 90:10, and then roll-formed by a roll press to form an air electrode layer. Produced.
In addition, LiTFSA (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was added to PP13TFSA (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) so as to have a concentration of 0.32 mol / kg, and stirred and dissolved overnight in an Ar atmosphere, and PVdF was weight ratio After mixing with an acetone solvent so that the ratio was 8: 2, the film was cast-coated on the substrate and dried to form a film. After peeling the substrate, the membrane was cut to obtain a gel electrolyte layer.
On the other hand, Ni foil (manufactured by Nilaco) was attached to metal Li (manufactured by Honjo Metal) (negative electrode layer).
Next, three Ni porous bodies (manufactured by Sumitomo Electric Industries) having different porosities were laminated so that the porosity increased in order, and press-molded to produce a conductive porous laminated body. The conductive porous laminate has a size and shape that is slightly larger than the outer peripheral edge of the air electrode layer, the electrolyte layer, and the metal Li-Ni foil laminate, and the air electrode layer and the electrolyte layer. And the surface of the extended part extended from the outer periphery of each layer when the laminated body and its center point were overlapped was subjected to polytetrafluoroethylene treatment.
The conductive porous laminate produced above, the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode layer-Ni foil laminate were laminated in this order to produce a power generation element. The conductive porous laminate was laminated so that the layer with high porosity was on the air electrode layer side. The negative electrode layer-Ni foil laminate was laminated so that the negative electrode layer was on the electrolyte layer side.
Two power generation elements are prepared, the two power generation elements are overlapped so that the conductive porous laminate and the Ni foil are in contact with each other, and the conductive porous laminate is formed on the Ni foil located at the end. Were laminated. At this time, the conductive porous laminate laminated on the Ni foil was laminated so that the layer with low porosity was on the Ni foil side.
The obtained electrode laminate was accommodated in an exterior body made of an aluminum laminate film having oxygen uptake holes and sealed. A water repellent film made of tetrafluoroethylene was disposed in the oxygen uptake hole.

(金属空気電池の評価)
上記外装体内に収容した電極積層体を、純酸素ガスを充填した密閉容器内(1.1気圧=0.11MPa)に設置し、該密閉容器を60℃で保持しながら、0.1mA/cmの一定電流密度下、充放電試験を行った。
開回路電圧が5.81Vであり、2.6Vでの放電平担部が認められ、さらには112時間の連続放電が可能であった。
(Evaluation of metal-air battery)
The electrode laminate housed in the outer package was placed in a sealed container (1.1 atm = 0.11 MPa) filled with pure oxygen gas, and the sealed container was held at 60 ° C. while maintaining 0.1 mA / cm. The charge / discharge test was conducted under a constant current density of 2 .
The open circuit voltage was 5.81 V, a discharge flat part at 2.6 V was observed, and continuous discharge for 112 hours was possible.

1…空気極
2…空気極層
3…空気極集電体
3A…延在部
4…負極(負極層)
5…電解質層
6…発電要素(6A、6B)
7…可撓性外装体
8…酸素取り込み孔
9…ガス流路
10…導電性多孔質体
11…酸素含有ガス
12…正極端子
13…負極端子
100…金属空気電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Air electrode 2 ... Air electrode layer 3 ... Air electrode collector 3A ... Extension part 4 ... Negative electrode (negative electrode layer)
5 ... Electrolyte layer 6 ... Power generation element (6A, 6B)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 ... Flexible exterior body 8 ... Oxygen uptake hole 9 ... Gas flow path 10 ... Conductive porous body 11 ... Oxygen containing gas 12 ... Positive electrode terminal 13 ... Negative electrode terminal 100 ... Metal-air battery

Claims (5)

酸素を活物質とする空気極層を有する空気極と、負極活物質を含む負極層を有する負極と、前記空気極層及び前記負極層の間に配置され、金属イオンの伝導を担う電解質層とが、積層された発電要素、並びに、該発電要素を収容する、可撓性フィルムで形成された可撓性外装体を備える金属空気電池であって、
前記空気極は、前記電解質層側から、前記空気極層と、導電性及び多孔質構造を有する空気極集電体とが、順に積層した構造を有し、
前記可撓性外装体は、前記空気極集電体に連通する酸素取り込み孔を有し、
前記酸素取り込み孔に酸素を供給する酸素含有ガスによって、前記可撓性外装体の外部から、前記発電要素がその積層方向に常圧以上の圧力で加圧されることを特徴とする、金属空気電池。
An air electrode having an air electrode layer containing oxygen as an active material, a negative electrode having a negative electrode layer containing a negative electrode active material, an electrolyte layer disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer and conducting metal ions; Is a metal-air battery comprising a laminated power generation element, and a flexible exterior body formed of a flexible film that accommodates the power generation element,
The air electrode has a structure in which the air electrode layer and an air electrode current collector having a conductive and porous structure are sequentially stacked from the electrolyte layer side,
The flexible exterior body has an oxygen uptake hole communicating with the air electrode current collector,
Metallic air, wherein the power generation element is pressurized at a pressure equal to or higher than normal pressure in the stacking direction from the outside of the flexible exterior body by an oxygen-containing gas that supplies oxygen to the oxygen intake holes. battery.
前記空気極集電体は、前記発電要素における積層方向と直交する面の外周縁が、前記空気極層、前記電解質層及び前記負極の前記積層方向と直交する面の外周縁から延在する延在部を有する、請求項1に記載の金属空気電池。   The air electrode current collector has an outer peripheral edge of a surface orthogonal to the stacking direction of the power generation element extending from an outer peripheral edge of a surface orthogonal to the stacking direction of the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode. The metal-air battery according to claim 1, wherein the metal-air battery has an existing part. 前記空気極集電体は、前記直交面の外周縁が、前記空気極層、前記電解質層及び前記負極の前記直交面の外周縁よりも一回り大きい寸法及び形状を有し、
前記空気極集電体、前記空気極層、前記電解質層及び前記負極が、前記直交面の中心点を重ね合わせて積層され、前記延在部が、前記空気極層、前記電解質層及び前記負極の外周縁を取り囲んでいる、請求項2に記載の金属空気電池。
The air electrode current collector has a size and shape in which the outer peripheral edge of the orthogonal surface is slightly larger than the outer peripheral edges of the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode.
The air electrode current collector, the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode are laminated with the center points of the orthogonal planes overlapped, and the extending part is the air electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode. The metal-air battery according to claim 2, wherein the metal-air battery surrounds the outer peripheral edge of the battery.
前記延在部は、少なくとも表面が絶縁性材料で被覆されている、請求項2又は3に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to claim 2 or 3, wherein at least a surface of the extension part is covered with an insulating material. 前記発電要素が2つ以上積層して直列接続されており、
前記負極層に隣接する前記空気極集電体が、前記負極層と接触する領域において、前記多孔質構造が閉塞している、請求項1乃至4のいずれかに記載の金属空気電池。
Two or more power generation elements are stacked and connected in series,
The metal-air battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the porous structure is closed in a region where the air electrode current collector adjacent to the negative electrode layer is in contact with the negative electrode layer.
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