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JP2013191284A - Air battery - Google Patents

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JP2013191284A
JP2013191284A JP2012054542A JP2012054542A JP2013191284A JP 2013191284 A JP2013191284 A JP 2013191284A JP 2012054542 A JP2012054542 A JP 2012054542A JP 2012054542 A JP2012054542 A JP 2012054542A JP 2013191284 A JP2013191284 A JP 2013191284A
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JP
Japan
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air
carbon material
air electrode
negative electrode
air battery
Prior art date
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Pending
Application number
JP2012054542A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Fuminori Mizuno
史教 水野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2012054542A priority Critical patent/JP2013191284A/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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Abstract

【課題】従来の炭素材料よりも酸素還元反応の反応起点が多い炭素材料を空気極層に含む空気電池を提供する。
【解決手段】少なくとも空気極、負極、並びに、当該空気極及び当該負極の間に介在する電解質層を備える空気電池であって、前記空気極が、少なくとも空気極層を備え、前記空気極層が、D/G比が0.8〜0.9である炭素材料を含むことを特徴とする、空気電池。
【選択図】図2
An air battery including a carbon material, which has more reaction starting points for oxygen reduction reaction than a conventional carbon material, in an air electrode layer.
An air battery including at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode, wherein the air electrode includes at least an air electrode layer, and the air electrode layer includes: An air battery comprising a carbon material having a D / G ratio of 0.8 to 0.9.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、従来の炭素材料よりも酸素還元反応の反応起点が多い炭素材料を空気極層に含む空気電池に関する。   The present invention relates to an air battery including, in an air electrode layer, a carbon material having more reaction starting points for oxygen reduction reaction than a conventional carbon material.

空気電池は、金属単体又は金属化合物を負極活物質に、酸素を正極活物質に利用した、充放電可能な電池である。正極活物質である酸素は空気から得られるため、電池内に正極活物質を封入する必要がないことから、理論上、空気電池は、固体の正極活物質を用いる二次電池よりも大きな容量を実現できる。   An air battery is a chargeable / dischargeable battery using a single metal or a metal compound as a negative electrode active material and oxygen as a positive electrode active material. Since oxygen, which is a positive electrode active material, is obtained from air, it is not necessary to enclose the positive electrode active material in the battery. Therefore, in theory, an air battery has a larger capacity than a secondary battery using a solid positive electrode active material. realizable.

空気電池の一種であるリチウム空気電池においては、放電の際、負極では式(I)の反応が進行する。
2Li→2Li+2e (I)
式(I)で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、空気極に到達する。そして、式(I)で生じたリチウムイオン(Li)は、負極と空気極に挟持された電解質内を、負極側から空気極側に電気浸透により移動する。
In a lithium-air battery, which is a type of air battery, the reaction of formula (I) proceeds at the negative electrode during discharge.
2Li → 2Li + + 2e (I)
The electrons generated in the formula (I) reach the air electrode after working with an external load via an external circuit. Then, lithium ions (Li + ) generated in the formula (I) move by electroosmosis from the negative electrode side to the air electrode side in the electrolyte sandwiched between the negative electrode and the air electrode.

また、放電の際、空気極では式(II)及び式(III)の反応が進行する。
2Li+O+2e→Li (II)
2Li+1/2O+2e→LiO (III)
生じた過酸化リチウム(Li)及び酸化リチウム(LiO)は、固体として空気極に蓄積される。
充電時においては、負極において上記式(I)の逆反応、空気極において上記式(II)及び(III)の逆反応がそれぞれ進行し、負極において金属リチウムが再生するため、再放電が可能となる。
Further, during discharge, the reactions of the formulas (II) and (III) proceed at the air electrode.
2Li + + O 2 + 2e → Li 2 O 2 (II)
2Li + + 1 / 2O 2 + 2e → Li 2 O (III)
The generated lithium peroxide (Li 2 O 2 ) and lithium oxide (Li 2 O) are accumulated in the air electrode as solids.
At the time of charging, the reverse reaction of the above formula (I) proceeds at the negative electrode, and the reverse reaction of the above formulas (II) and (III) proceeds at the air electrode, respectively. Become.

従来、空気極中の導電性材料としてケッチェンブラックが用いられてきた。しかし、ケッチェンブラックを用いた場合、初期容量は高いものの、充放電を繰り返した後の容量が大きく低下するという課題があった。このような課題の解決を目的とする技術として、特許文献1には、導電性材料を含有する空気極層を備える空気極、負極、及び非水電解質を備える金属空気二次電池であって、前記導電性材料は、平均アスペクト比が10以上の針状炭素であることを特徴とする金属空気二次電池に関する技術が開示されている。   Conventionally, ketjen black has been used as a conductive material in the air electrode. However, when ketjen black is used, although the initial capacity is high, there is a problem that the capacity after repeated charge and discharge is greatly reduced. As a technique for solving such a problem, Patent Literature 1 discloses a metal-air secondary battery including an air electrode including an air electrode layer containing a conductive material, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, A technique relating to a metal-air secondary battery, wherein the conductive material is acicular carbon having an average aspect ratio of 10 or more is disclosed.

特開2010−287390号公報JP 2010-287390 A

本発明者が特許文献1に開示された金属空気二次電池についてさらに検討したところ、1回の放電につき取り出せる放電容量が極めて低いことが分かった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、従来の炭素材料よりも酸素還元反応の反応起点が多い炭素材料を空気極層に含む空気電池を提供することを目的とする。
When the inventor further examined the metal-air secondary battery disclosed in Patent Document 1, it was found that the discharge capacity that can be taken out per discharge was extremely low.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an air battery including, in an air electrode layer, a carbon material having more reaction starting points for an oxygen reduction reaction than a conventional carbon material.

本発明の空気電池は、少なくとも空気極、負極、並びに、当該空気極及び当該負極の間に介在する電解質層を備える空気電池であって、前記空気極が、少なくとも空気極層を備え、前記空気極層が、D/G比が0.8〜0.9である炭素材料を含むことを特徴とする。   The air battery of the present invention is an air battery including at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode, wherein the air electrode includes at least an air electrode layer, and the air The extreme layer includes a carbon material having a D / G ratio of 0.8 to 0.9.

本発明においては、前記炭素材料は球状であることが好ましい。   In the present invention, the carbon material is preferably spherical.

本発明においては、前記炭素材料の(002)面の平均面間隔が、0.335nm以上0.370nm未満であることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that an average interplanar spacing of the (002) plane of the carbon material is 0.335 nm or more and less than 0.370 nm.

本発明においては、前記炭素材料のBET比表面積が、10〜3000m/gであってもよい。 In the present invention, the carbon material may have a BET specific surface area of 10 to 3000 m 2 / g.

本発明によれば、D/G比が0.8以上の炭素材料、すなわち、従来の炭素材料よりも酸素還元反応の反応起点が多い炭素材料を空気極層に含むため、当該炭素材料と、より多くの酸素分子との間の電子の授受が可能となる結果、従来の空気電池よりも高電圧化を実現することができる。   According to the present invention, the air electrode layer includes a carbon material having a D / G ratio of 0.8 or more, that is, a carbon material having a higher reaction starting point for the oxygen reduction reaction than the conventional carbon material. As a result of being able to exchange electrons with a larger number of oxygen molecules, it is possible to realize a higher voltage than conventional air batteries.

本発明の空気電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is a figure which shows an example of the laminated constitution of the air battery of this invention, Comprising: It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction. 実施例1、実施例2、及び比較例1の空気電池の定電流放電曲線を重ねて示したグラフである。It is the graph which piled up and showed the constant current discharge curve of the air battery of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. FIG.

本発明の空気電池は、少なくとも空気極、負極、並びに、当該空気極及び当該負極の間に介在する電解質層を備える空気電池であって、前記空気極が、少なくとも空気極層を備え、前記空気極層が、D/G比が0.8〜0.9である炭素材料を含むことを特徴とする。   The air battery of the present invention is an air battery including at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode, wherein the air electrode includes at least an air electrode layer, and the air The extreme layer includes a carbon material having a D / G ratio of 0.8 to 0.9.

上述したように、ケッチェンブラックを空気極層に用いた空気電池は、初期容量は高いものの耐久劣化が著しいため、繰り返し使用することは不可能であった。一方、上記特許文献1に開示されているような、VGCF等の針状炭素材料を空気極層に用いた空気電池は、本発明者が検討した結果、繰り返しの使用に耐えるものであったが、1回の放電につき取り出せる放電容量が極めて低いことが分かった。   As described above, an air battery using ketjen black for the air electrode layer has a high initial capacity but has a significant deterioration in durability, and therefore cannot be used repeatedly. On the other hand, as disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, an air battery using an acicular carbon material such as VGCF for the air electrode layer has been endured for repeated use as a result of the study by the present inventors. It was found that the discharge capacity that can be taken out per discharge was extremely low.

VGCF等の針状炭素材料を用いた場合に、1回あたりの放電容量が大幅に低い理由として、針状炭素材料中の反応起点の数、間隔、及び反応場所の面積が、ケッチェンブラック等の従来の炭素材料よりも格段に小さいということが考えられる。ここでいう反応とは、主に上記式(II)及び(III)の少なくともいずれか1つに示す酸素還元反応である。
反応起点の数の指標としては、D/G比が例示できる。D/G比とは、炭素材料のラマンスペクトルにおける、1580cm−1(Gバンド)のピーク強度に対する1360cm−1(Dバンド)のピーク強度の比を指す。Dバンドは、炭素材料において反応起点になりやすい欠陥部、例えば、カーボンエッジ部や歪のある箇所等に対応するピークである。一方、Gバンドは、炭素材料において反応起点になりにくい黒鉛化部、例えば、炭素網面等に対応するピークである。したがって、D/G比の値が大きいほど、反応起点の数が多くなると考えられる。
なお、Dバンドに対応する欠陥部は、酸素分子が炭素材料から最初に電子を受け取る場所であると考えられる。酸素分子が電子を受け取った結果生成する酸素ラジカル、及び電解質層を伝導した金属イオン等が反応し、Dバンドに対応する欠陥部、及びGバンドに対応する黒鉛化部に金属酸化物が析出すると考えられる。
When a needle-shaped carbon material such as VGCF is used, the reason why the discharge capacity per one time is significantly low is that the number of reaction starting points in the needle-shaped carbon material, the interval, and the area of the reaction site are It is thought that it is much smaller than conventional carbon materials. The reaction here is mainly an oxygen reduction reaction represented by at least one of the above formulas (II) and (III).
As an index of the number of reaction starting points, a D / G ratio can be exemplified. The D / G ratio refers to the ratio of the peak intensity at 1360 cm −1 (D band) to the peak intensity at 1580 cm −1 (G band) in the Raman spectrum of the carbon material. The D band is a peak corresponding to a defect portion that is likely to be a reaction starting point in the carbon material, such as a carbon edge portion or a strained portion. On the other hand, the G band is a peak corresponding to a graphitized part that is unlikely to be a reaction starting point in a carbon material, such as a carbon network surface. Therefore, it is considered that the number of reaction starting points increases as the D / G ratio value increases.
Note that the defect portion corresponding to the D band is considered to be a place where oxygen molecules first receive electrons from the carbon material. When oxygen radicals generated as a result of oxygen molecules receiving electrons and metal ions conducted through the electrolyte layer react with each other, and a metal oxide is deposited on a defect portion corresponding to the D band and a graphitization portion corresponding to the G band. Conceivable.

反応起点の間隔の指標として、X線回折法又は粉末X線回折法により求められる、炭素材料の(002)面の平均面間隔d002が例示できる。一般的に、d002の値が小さいほど、反応起点であるカーボンエッジ部同士の間隔が小さくなると考えられる。
反応場所の面積の指標として、N吸着法により求められる、BET比表面積が例示できる。BET比表面積は、必ずしも電気化学的に有効な表面積とは限らないが、BET比表面積が大きいほど放電容量が高くなると考えられる。なお、BET比表面積は、上記Dバンドに対応する欠陥部の面積、及び上記Gバンドに対応する黒鉛化部の面積の和に相当する。
As an index of the distance between reaction starting points, an average interplanar distance d 002 of the (002) plane of the carbon material, which is obtained by an X-ray diffraction method or a powder X-ray diffraction method, can be exemplified. In general, it is considered that the smaller the value of d002, the smaller the distance between the carbon edge portions that are reaction starting points.
As an index of the area of the reaction site, the BET specific surface area obtained by the N 2 adsorption method can be exemplified. Although the BET specific surface area is not necessarily an electrochemically effective surface area, it is considered that the discharge capacity increases as the BET specific surface area increases. The BET specific surface area corresponds to the sum of the area of the defect portion corresponding to the D band and the area of the graphitized portion corresponding to the G band.

一方、本発明者は、高容量化と併せて高電圧化についても検討した。電池のエネルギー密度は容量と電圧との積で定義されるため、高容量化及び高電圧化の両立はエネルギー密度向上のための条件の1つである。しかし、実際に使用する放電電圧の範囲内における空気電池の高電圧化について、これまでに検討した例は確認できていない。   On the other hand, the present inventor also examined the increase in voltage in addition to the increase in capacity. Since the energy density of a battery is defined by the product of capacity and voltage, coexistence of higher capacity and higher voltage is one of the conditions for improving the energy density. However, no examples have been confirmed that have been studied so far on increasing the voltage of the air battery within the range of the discharge voltage actually used.

本発明者は、D/G比が0.8〜0.9である炭素材料が、ケッチェンブラックやVGCF等の従来の炭素材料と比較して、O吸着の起こりやすいカーボン欠陥部を表面により多く含むことに着目した。本発明者は、D/G比が0.8〜0.9である炭素材料を空気電池の空気極層に用いることにより、当該炭素材料の表面におけるO吸着及びO還元を含む放電反応の過電圧が減少し、炭素材料表面における放電電圧が上昇し、併せて放電中期の電圧、すなわち放電実効電圧も向上する結果、当該空気電池の反応過電圧を従来の空気電池よりも減らし、放電反応を促進させ、高電圧化が実現できることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventor has found that a carbon material having a D / G ratio of 0.8 to 0.9 has a surface of a carbon defect portion on which O 2 adsorption is likely to occur as compared with conventional carbon materials such as ketjen black and VGCF. We focused on including more. The present inventor uses a carbon material having a D / G ratio of 0.8 to 0.9 for an air electrode layer of an air battery, thereby causing a discharge reaction including O 2 adsorption and O 2 reduction on the surface of the carbon material. As a result, the discharge voltage on the surface of the carbon material increases, and the discharge mid-voltage, that is, the effective discharge voltage is also improved. As a result, the reaction overvoltage of the air battery is reduced compared to the conventional air battery, and the discharge reaction is reduced. As a result, the inventors have found that a high voltage can be realized and completed the present invention.

本発明に用いられる炭素材料における、ラマンシフトにより得られる黒鉛化部に対する欠陥部の割合、すなわちD/G比は0.8〜0.9である。炭素材料のD/G比が0.8未満である場合には、上述したように、炭素材料表面に占める欠陥部(酸素還元に関わる反応起点)の割合が低すぎ、炭素材料表面に占める黒鉛化部の割合が高すぎるため、当該炭素材料を空気電池の空気極に使用した場合に、空気電池の放電実効電圧が小さくなるおそれがある。一方、炭素材料のD/G比が0.9を超える場合には、炭素材料表面に占める欠陥部の割合が高すぎるため、望ましくない副反応が生じるおそれがある。
本発明に用いられる炭素材料のD/G比は、0.81〜0.89であることが好ましく、0.82〜0.88であることがより好ましい。
本発明において、炭素材料のD/G比を測定する方法としては、例えば、上述したように、炭素材料のラマンスペクトル中のGバンド及びDバンドのピーク強度から算出する方法が挙げられる。
In the carbon material used in the present invention, the ratio of the defect portion to the graphitized portion obtained by Raman shift, that is, the D / G ratio is 0.8 to 0.9. When the D / G ratio of the carbon material is less than 0.8, as described above, the proportion of defects (reaction starting points related to oxygen reduction) in the carbon material surface is too low, and graphite occupies the carbon material surface. Since the ratio of the conversion part is too high, when the carbon material is used for the air electrode of the air battery, the effective discharge voltage of the air battery may be reduced. On the other hand, when the D / G ratio of the carbon material exceeds 0.9, an undesirable side reaction may occur because the ratio of the defective portion in the surface of the carbon material is too high.
The D / G ratio of the carbon material used in the present invention is preferably 0.81 to 0.89, and more preferably 0.82 to 0.88.
In the present invention, as a method for measuring the D / G ratio of the carbon material, for example, as described above, a method of calculating from the peak intensities of the G band and the D band in the Raman spectrum of the carbon material can be mentioned.

本発明に用いられる炭素材料の(002)面の平均面間隔、すなわちd002は、0.335nm以上0.370nm未満であることが好ましい。d002が0.335nm未満である炭素材料は理論上存在しない。また、炭素材料のd002が0.370nm以上である場合には、炭素材料の結晶性が低すぎるため、炭素が望ましくない副反応により消費されるおそれがある。
本発明に用いられる炭素材料のd002は、0.335〜0.365nmであることがより好ましく、0.335〜0.360nmであることがさらに好ましい。
本発明において、炭素材料のd002を測定する方法としては、例えば、炭素材料のXRDスペクトル中の(002)面の回折ピークの半値幅から算出する方法が挙げられる。
Mean spacing of (002) plane of the carbon material used in the present invention, i.e. d 002 is preferably less than or 0.335nm 0.370nm. There is theoretically no carbon material with d 002 less than 0.335 nm. When d 002 of the carbon material is 0.370 nm or more, the carbon material is too low in crystallinity, so that carbon may be consumed by an undesirable side reaction.
The d 002 of the carbon material used in the present invention is more preferably 0.335 to 0.365 nm, and further preferably 0.335 to 0.360 nm.
In the present invention, as a method for measuring d 002 of the carbon material, for example, a method of calculating from the half width of the diffraction peak of the (002) plane in the XRD spectrum of the carbon material can be mentioned.

本発明に用いられる炭素材料のBET比表面積は、大きければ大きいほどよいが、例えば、10〜3000m/gであってもよい。BET比表面積が小さすぎると、酸素還元に関わる反応面積が小さすぎるため、当該炭素材料を空気電池の空気極に使用した場合に、空気電池の放電容量が小さくなりすぎるおそれがある。
本発明に用いられる炭素材料のBET比表面積は、10〜1600m/gであることが好ましい。
本発明において、炭素材料のBET比表面積を測定する方法としては、例えば、当該炭素材料について、77Kの温度条件下でN吸着測定を行い、BET法により算出する方法が挙げられる。
The BET specific surface area of the carbon material used in the present invention is preferably as large as possible, but may be, for example, 10 to 3000 m 2 / g. If the BET specific surface area is too small, the reaction area involved in oxygen reduction is too small, so that when the carbon material is used for the air electrode of an air battery, the discharge capacity of the air battery may be too small.
The BET specific surface area of the carbon material used in the present invention is preferably 10 to 1600 m 2 / g.
In the present invention, as a method for measuring the BET specific surface area of the carbon material, for example, a method of performing N 2 adsorption measurement under a temperature condition of 77 K on the carbon material and calculating by the BET method can be mentioned.

上記D/G比、d002、及びBET比表面積の条件を全て満たす炭素材料の典型例としては、球状の炭素材料が例示できる。空気極層中に最密充填しやすく、その結果空気極の密度を上げ、電極反応部位を増やすことができるという観点から、本発明に用いられる炭素材料は球状であることが好ましく、炭素微小球(CNS)であることがより好ましい。
本発明に用いられる球状の炭素材料は、熱伝導度法により測定される炭素含有量が98%以上であることが好ましい。当該炭素含有量は、黒鉛化度とも関係する。一方、上述したケッチェンブラックは、当該炭素含有量が通常98%未満である。
本発明に用いられる球状の炭素材料は、中空でない粒子であることが好ましい。一方、上述したケッチェンブラックは、通常、中空粒子である。
本発明に用いられる球状の炭素材料は、実質的にストラクチャー構造(炭素が数珠つなぎの様に連結している構造)を有しないこと、すなわち、非ストラクチャー構造を有することが好ましい。一方、上述したケッチェンブラックは、通常、ストラクチャー構造を有する。
As a typical example of the carbon material that satisfies all the conditions of the D / G ratio, d 002 , and BET specific surface area, a spherical carbon material can be exemplified. The carbon material used in the present invention is preferably spherical from the viewpoint that it is easy to close-pack in the air electrode layer, and as a result, the density of the air electrode can be increased and the number of electrode reaction sites can be increased. More preferably (CNS).
The spherical carbon material used in the present invention preferably has a carbon content measured by a thermal conductivity method of 98% or more. The carbon content is also related to the degree of graphitization. On the other hand, the ketjen black described above usually has a carbon content of less than 98%.
The spherical carbon material used in the present invention is preferably a non-hollow particle. On the other hand, the ketjen black described above is usually hollow particles.
It is preferable that the spherical carbon material used in the present invention does not substantially have a structure structure (a structure in which carbon is connected like a bead), that is, has a non-structure structure. On the other hand, the ketjen black described above usually has a structure structure.

本発明に用いられる炭素材料は、未焼成品を用いてもよいが、焼成したものを使用してもよい。炭素材料の焼成温度は、2000℃以下であることが好ましく、1500℃以下であることがより好ましい。   The carbon material used in the present invention may be an unfired product or a fired product. The firing temperature of the carbon material is preferably 2000 ° C. or less, and more preferably 1500 ° C. or less.

図1は、本発明の空気電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本発明の空気電池は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
空気電池100は、空気極層2及び空気極集電体4を備える空気極6と、負極活物質層3及び負極集電体5を備える負極7と、空気極6及び負極7に挟持される電解質層1を備える。
以下、本発明の空気電池を構成する、空気極、負極、及び電解質層、並びに本発明の空気電池に好適に使用されるセパレータ及び電池ケースについて、詳細に説明する。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a layer configuration of an air battery according to the present invention, and is a diagram schematically showing a cross section cut in a stacking direction. The air battery of the present invention is not necessarily limited to this example.
The air battery 100 is sandwiched between the air electrode 6 including the air electrode layer 2 and the air electrode current collector 4, the negative electrode 7 including the negative electrode active material layer 3 and the negative electrode current collector 5, and the air electrode 6 and the negative electrode 7. An electrolyte layer 1 is provided.
Hereinafter, an air electrode, a negative electrode, an electrolyte layer, and a separator and a battery case that are preferably used for the air battery of the present invention, which constitute the air battery of the present invention, will be described in detail.

本発明に用いられる空気極は空気極層を備え、通常、空気極集電体、及び当該空気極集電体に接続された空気極リードをさらに備える。   The air electrode used in the present invention includes an air electrode layer, and generally further includes an air electrode current collector and an air electrode lead connected to the air electrode current collector.

上記空気極層は、少なくとも上述した炭素材料を含有する。さらに、必要に応じて、触媒、結着剤等を含有していても良い。   The air electrode layer contains at least the carbon material described above. Furthermore, you may contain a catalyst, a binder, etc. as needed.

上記空気極層中の炭素材料の含有割合としては、空気極層全体の質量を100質量%としたとき、10〜99質量%であることが好ましく、20〜95質量%であることがより好ましい。炭素材料の含有割合が低すぎると、反応場が減少し、電池容量の低下が生じるおそれがある。一方、炭素材料の含有割合が高すぎると、後述する触媒の含有割合が相対的に減り、充分な触媒機能を発揮できないおそれがある。   The content ratio of the carbon material in the air electrode layer is preferably 10 to 99% by mass and more preferably 20 to 95% by mass when the mass of the entire air electrode layer is 100% by mass. . If the content ratio of the carbon material is too low, the reaction field is reduced, and the battery capacity may be reduced. On the other hand, if the content ratio of the carbon material is too high, the content ratio of the catalyst described later is relatively reduced, and there is a possibility that a sufficient catalyst function cannot be exhibited.

上記空気極層に用いられる触媒としては、例えば、酸素活性触媒が挙げられる。酸素活性触媒の例としては、例えば、ニッケル、パラジウム及び白金等の白金族;コバルト、マンガン又は鉄等の遷移金属を含むペロブスカイト型酸化物;ルテニウム、イリジウム又はパラジウム等の貴金属酸化物を含む無機化合物;ポルフィリン骨格又はフタロシアニン骨格を有する金属配位有機化合物;酸化マンガン等が挙げられる。
電極反応がよりスムーズに行われるという観点から、上述した炭素材料に触媒が担持されていてもよい。
Examples of the catalyst used for the air electrode layer include an oxygen active catalyst. Examples of oxygen active catalysts include, for example, platinum groups such as nickel, palladium and platinum; perovskite oxides containing transition metals such as cobalt, manganese or iron; inorganic compounds containing noble metal oxides such as ruthenium, iridium or palladium A metal coordination organic compound having a porphyrin skeleton or a phthalocyanine skeleton; manganese oxide and the like.
From the viewpoint that the electrode reaction is performed more smoothly, a catalyst may be supported on the carbon material described above.

上記空気極層は、少なくとも上記炭素材料を含有してれば良いが、さらに、当該炭素材料を固定化する結着剤を含有することが好ましい。結着剤としては、例えば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)や、スチレン・ブタジエンゴム(SBRゴム)等のゴム系樹脂等を挙げることができる。空気極層における結着剤の含有割合としては、特に限定されるものではないが、例えば、空気極層全体の質量を100質量%としたとき、1〜40質量%、中でも1〜10質量%であることが好ましい。   Although the said air electrode layer should just contain the said carbon material at least, it is preferable to contain the binder which fixes the said carbon material further. Examples of the binder include rubber resins such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and styrene / butadiene rubber (SBR rubber). Although it does not specifically limit as a content rate of the binder in an air electrode layer, For example, when the mass of the whole air electrode layer is 100 mass%, 1-40 mass%, Especially 1-10 mass% It is preferable that

空気極層の作製方法としては、例えば、上記炭素材料を含む空気極層の原料等を、混合して圧延する方法や、当該原料に溶媒を加えてスラリーを調製し、後述する空気極集電体に塗布する方法等が挙げられるが、必ずしもこれらの方法に限定されない。スラリーの空気極集電体への塗布方法としては、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等の公知の方法が挙げられる。
上記空気極層の厚さは、空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば2〜500μm、中でも5〜300μmであることが好ましい。
As a method for producing the air electrode layer, for example, a method of mixing and rolling the air electrode layer raw material containing the carbon material, a slurry is prepared by adding a solvent to the raw material, and an air electrode current collector described later Although the method etc. which apply | coat to a body are mentioned, it is not necessarily limited to these methods. Examples of a method for applying the slurry to the air electrode current collector include known methods such as a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method.
The thickness of the air electrode layer varies depending on the use of the air battery and the like, but is preferably 2 to 500 μm, and more preferably 5 to 300 μm.

本発明に用いられる空気極集電体は、空気極層の集電を行うものである。空気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るものではないが、例えばステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、カーボン等を挙げることができる。空気極集電体の形状としては、例えば箔状、板状、及びメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。中でも、本発明においては、集電効率に優れるという観点から、空気極集電体の形状がメッシュ状であることが好ましい。この場合、通常、空気極層の内部にメッシュ状の空気極集電体が配置される。さらに、本発明の空気電池は、メッシュ状の空気極集電体により集電された電荷を集電する別の空気極集電体(例えば箔状の集電体)を備えていても良い。また、本発明においては、後述する電池ケースが空気極集電体の機能を兼ね備えていても良い。
空気極集電体の厚さは、例えば10〜1000μm、中でも20〜400μmであることが好ましい。
The air electrode current collector used in the present invention collects current in the air electrode layer. The material for the air electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and carbon. Examples of the shape of the air electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. In particular, in the present invention, the air electrode current collector is preferably mesh-shaped from the viewpoint of excellent current collection efficiency. In this case, usually, a mesh-shaped air electrode current collector is disposed inside the air electrode layer. Furthermore, the air battery of the present invention may include another air electrode current collector (for example, a foil-shaped current collector) that collects electric charges collected by the mesh-shaped air electrode current collector. In the present invention, a battery case to be described later may also have the function of an air electrode current collector.
The thickness of the air electrode current collector is, for example, preferably 10 to 1000 μm, and more preferably 20 to 400 μm.

本発明に用いられる負極は、好ましくは負極活物質を含有する負極活物質層を備え、通常、負極集電体、及び当該負極集電体に接続された負極リードをさらに備える。   The negative electrode used in the present invention preferably includes a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and generally further includes a negative electrode current collector and a negative electrode lead connected to the negative electrode current collector.

本発明に用いられる負極活物質層は、金属材料、合金材料、及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも1つを含む負極活物質を含有する。負極活物質に用いることができる金属及び合金材料としては、具体的には、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属;マグネシウム、カルシウム等の第2族元素;アルミニウム等の第13族元素;亜鉛、鉄等の遷移金属;又は、これらの金属を含有する合金材料や化合物を例示することができる。
リチウム元素を含有する合金としては、例えば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を挙げることができる。また、リチウム元素を含有する金属酸化物としては、例えばリチウムチタン酸化物等を挙げることができる。また、リチウム元素を含有する金属窒化物としては、例えば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を挙げることができる。また、負極活物質層には、固体電解質をコートしたリチウムを用いることもできる。
The negative electrode active material layer used in the present invention contains a negative electrode active material containing at least one selected from the group consisting of metal materials, alloy materials, and carbon materials. Specific examples of metals and alloy materials that can be used for the negative electrode active material include alkali metals such as lithium, sodium, and potassium; group 2 elements such as magnesium and calcium; group 13 elements such as aluminum; zinc, Examples include transition metals such as iron; or alloy materials and compounds containing these metals.
Examples of the alloy containing lithium element include a lithium aluminum alloy, a lithium tin alloy, a lithium lead alloy, and a lithium silicon alloy. Moreover, as a metal oxide containing a lithium element, lithium titanium oxide etc. can be mentioned, for example. Examples of the metal nitride containing a lithium element include lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride. In addition, lithium coated with a solid electrolyte can also be used for the negative electrode active material layer.

また、上記負極活物質層は、負極活物質のみを含有するものであっても良く、負極活物質の他に、導電性材料及び結着剤の少なくとも一方を含有するものであっても良い。例えば、負極活物質が箔状である場合は、負極活物質のみを含有する負極活物質層とすることができる。一方、負極活物質が粉末状である場合は、負極活物質及び結着剤を含有する負極活物質層とすることができる。なお、結着剤の種類及び含有割合については上述した通りである。   The negative electrode active material layer may contain only the negative electrode active material, or may contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the negative electrode active material. For example, when the negative electrode active material has a foil shape, a negative electrode active material layer containing only the negative electrode active material can be obtained. On the other hand, when the negative electrode active material is in a powder form, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and a binder can be obtained. In addition, about the kind and content rate of a binder, it is as above-mentioned.

負極活物質層が含有する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るものではないが、例えば炭素材料、ペロブスカイト型導電性材料、多孔質導電性ポリマー及び金属多孔体等を挙げることができる。炭素材料は、多孔質構造を有するものであっても良く、多孔質構造を有しないものであっても良い。多孔質構造を有する炭素材料としては、具体的にはメソポーラスカーボン等を挙げることができる。一方、多孔質構造を有しない炭素材料としては、具体的にはグラファイト、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ及びカーボンファイバー等を挙げることができる。   The conductive material contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, a carbon material, a perovskite-type conductive material, a porous conductive polymer, a metal porous body, etc. Can be mentioned. The carbon material may have a porous structure or may not have a porous structure. Specific examples of the carbon material having a porous structure include mesoporous carbon. On the other hand, specific examples of the carbon material having no porous structure include graphite, acetylene black, carbon nanotube, and carbon fiber.

本発明に用いられる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るものではないが、例えば銅、ステンレス、ニッケル、カーボン等を挙げることができる。負極集電体は、これらの内、SUS及びNiを用いることが好ましい。上記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(グリッド)状等を挙げることができる。本発明においては、後述する電池ケースが負極集電体の機能を兼ね備えていても良い。   The material for the negative electrode current collector used in the present invention is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, nickel, and carbon. Of these, SUS and Ni are preferably used for the negative electrode current collector. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. In the present invention, a battery case, which will be described later, may have the function of a negative electrode current collector.

本発明に用いられる電解質層は、空気極層及び負極活物質層の間に保持され、空気極層及び負極活物質層との間で金属イオンを交換する働きを有する。
電解質層には、電解液、ゲル電解質、及び固体電解質等を用いることができる。これらは、1種類のみを単独で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
The electrolyte layer used in the present invention is held between the air electrode layer and the negative electrode active material layer and functions to exchange metal ions between the air electrode layer and the negative electrode active material layer.
For the electrolyte layer, an electrolytic solution, a gel electrolyte, a solid electrolyte, or the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.

電解液としては、水系電解液及び非水系電解液を用いることができる。
非水系電解液の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム空気電池に用いる非水系電解液としては、通常、リチウム塩及び非水溶媒を含有したものを用いる。上記リチウム塩としては、例えばLiPF、LiBF、LiClO及びLiAsF等の無機リチウム塩;LiCFSO、LiN(SOCF(Li−TFSA)、LiN(SO及びLiC(SOCF等の有機リチウム塩等を挙げることができる。上記非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、エチルカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル(AcN)、ジメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド(DMSO)及びこれらの混合物等を挙げることができる。非水系電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば0.5〜3mol/Lである。
As the electrolytic solution, an aqueous electrolytic solution and a non-aqueous electrolytic solution can be used.
The type of non-aqueous electrolyte is preferably selected as appropriate according to the type of conductive metal ion. For example, as a non-aqueous electrolyte used for a lithium-air battery, a solution containing a lithium salt and a non-aqueous solvent is usually used. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4, and LiAsF 6 ; LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (Li-TFSA), LiN (SO 2 C 2 F 5 ) Organic lithium salts such as 2 and LiC (SO 2 CF 3 ) 3 can be mentioned. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethyl carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, and sulfolane. , Acetonitrile (AcN), dimethoxymethane, 1,2-dimethoxyethane (DME), 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide (DMSO) and A mixture thereof can be exemplified. The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte is, for example, 0.5 to 3 mol / L.

本発明においては、非水系電解液又は非水溶媒として、例えば、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(PP13TFSA)、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(P13TFSA)、N−ブチル−N−メ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(P14TFSA)、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(DEMETFSA)、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(TMPATFSA)に代表されるような、イオン性液体等の低揮発性液体を用いても良い。
上記非水溶媒のうち、上記式(II)又は(III)で表される酸素還元反応を進行させるために、酸素ラジカルに安定な電解液溶媒を用いることがより好ましい。このような非水溶媒の例としては、アセトニトリル(AcN)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、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(PP13TFSA)、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(P13TFSA)、N−ブチル−N−メ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(P14TFSA)等が挙げられる。
In the present invention, as the non-aqueous electrolyte or non-aqueous solvent, for example, N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (PP13TFSA), N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis ( Trifluoromethanesulfonyl) amide (P13TFSA), N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (P14TFSA), N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis Low volatile liquids such as ionic liquids such as (trifluoromethanesulfonyl) amide (DEMETFSA), N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (TMPATFSA) are used. May be
Among the non-aqueous solvents, in order to advance the oxygen reduction reaction represented by the formula (II) or (III), it is more preferable to use an electrolyte solution that is stable to oxygen radicals. Examples of such non-aqueous solvents include acetonitrile (AcN), 1,2-dimethoxyethane (DME), dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide ( PP13TFSA), N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (P13TFSA), N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (P14TFSA) and the like.

水系電解液の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム空気電池に用いる水系電解液としては、通常、リチウム塩及び水を含有したものを用いる。上記リチウム塩としては、例えばLiOH、LiCl、LiNO、CHCOLi等のリチウム塩等を挙げることができる。 It is preferable that the type of the aqueous electrolyte is appropriately selected according to the type of the conductive metal ion. For example, as an aqueous electrolyte used for a lithium air battery, a solution containing a lithium salt and water is usually used. Examples of the lithium salt include lithium salts such as LiOH, LiCl, LiNO 3 , and CH 3 CO 2 Li.

本発明に用いられるゲル電解質は、通常、非水系電解液にポリマーを添加してゲル化したものである。例えば、リチウム空気電池の非水ゲル電解質は、上述した非水系電解液に、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)又はポリメチルメタクリレート(PMMA)等のポリマーを添加し、ゲル化することにより得られる。本発明においては、LiTFSA(LiN(CFSO)−PEO系の非水ゲル電解質が好ましい。 The gel electrolyte used in the present invention is usually gelled by adding a polymer to a non-aqueous electrolyte solution. For example, a non-aqueous gel electrolyte of a lithium-air battery is obtained by adding a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), or polymethyl methacrylate (PMMA) to the non-aqueous electrolyte solution described above, and gelling. can get. In the present invention, a LiTFSA (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) -PEO-based non-aqueous gel electrolyte is preferable.

固体電解質としては、硫化物系固体電解質、酸化物系固体電解質、及びポリマー電解質等を用いることができる。
硫化物系固体電解質としては、具体的には、LiS−P、LiS−P、LiS−P−P、LiS−SiS、LiS−SiS、LiS−B、LiS−GeS、LiI−LiS−P、LiI−LiS−SiS−P、LiS−SiS−LiSiO、LiS−SiS−LiPO、LiPS−LiGeS、Li3.40.6Si0.4、Li3.250.25Ge0.76、Li4−xGe1−x等を例示することができる。
酸化物系固体電解質としては、具体的には、LiPON(リン酸リチウムオキシナイトライド)、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO、La0.51Li0.34TiO0.74、LiPO、LiSiO、LiSiO等を例示することができる。
ポリマー電解質は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム空気電池のポリマー電解質は、通常、リチウム塩及びポリマーを含有する。リチウム塩としては、上述した無機リチウム塩及び有機リチウム塩の少なくともいずれか1つを使用できる。ポリマーとしては、リチウム塩と錯体を形成するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。
As the solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte, an oxide-based solid electrolyte, a polymer electrolyte, or the like can be used.
Specific examples of the sulfide-based solid electrolyte include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 3 , Li 2 S—P 2 S 3 —P 2 S 5 , and Li 2 S—SiS. 2, Li 2 S-Si 2 S, Li 2 S-B 2 S 3, Li 2 S-GeS 2, LiI-Li 2 S-P 2 S 5, LiI-Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 -Li 4 SiO 4, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4, Li 3 PS 4 -Li 4 GeS 4, Li 3.4 P 0.6 Si 0.4 S 4, Examples include Li 3.25 P 0.25 Ge 0.76 S 4 , Li 4-x Ge 1-x P x S 4, and the like.
Specifically, as the oxide-based solid electrolyte, LiPON (lithium phosphate oxynitride), Li 1.3 Al 0.3 Ti 0.7 (PO 4 ) 3 , La 0.51 Li 0.34 TiO Examples include 0.74 , Li 3 PO 4 , Li 2 SiO 2 , Li 2 SiO 4 and the like.
The polymer electrolyte is preferably selected as appropriate depending on the type of metal ion to be conducted. For example, a polymer electrolyte of a lithium air battery usually contains a lithium salt and a polymer. As the lithium salt, at least one of the above-described inorganic lithium salt and organic lithium salt can be used. The polymer is not particularly limited as long as it forms a complex with a lithium salt, and examples thereof include polyethylene oxide.

本発明の空気電池は、空気極及び負極の間に、セパレータを備えていてもよい。上記セパレータとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜;及びポリプロピレン等の樹脂製の不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。
セパレータに使用できるこれらの材料は、上述した電解液を含浸させることにより、電解液の支持材として使用することもできる。
The air battery of the present invention may include a separator between the air electrode and the negative electrode. Examples of the separator include porous membranes such as polyethylene and polypropylene; and nonwoven fabrics made of resin such as polypropylene and nonwoven fabrics such as glass fiber nonwoven fabric.
These materials that can be used for the separator can also be used as a support material for the electrolytic solution by impregnating the above-described electrolytic solution.

本発明の空気電池は、通常、空気極、負極、電解質層等を収納する電池ケースを備える。電池ケースの形状としては、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。電池ケースは、大気開放型の電池ケースであっても良く、密閉型の電池ケースであっても良い。大気開放型の電池ケースは、少なくとも空気極層が十分に大気と接触可能な構造を有する電池ケースである。一方、電池ケースが密閉型電池ケースである場合は、密閉型電池ケースに、気体(空気)の導入管及び排気管が設けられることが好ましい。この場合、導入・排気する気体は、酸素濃度が高いことが好ましく、乾燥空気や純酸素であることがより好ましい。また、放電時には酸素濃度を高くし、充電時には酸素濃度を低くすることが好ましい。
電池ケース内には、電池ケースの構造に応じて、酸素透過膜や、撥水膜を設けてもよい。
The air battery of the present invention usually includes a battery case that houses an air electrode, a negative electrode, an electrolyte layer, and the like. Specific examples of the shape of the battery case include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminate type. The battery case may be an open-air battery case or a sealed battery case. An open-air battery case is a battery case having a structure in which at least the air electrode layer can sufficiently come into contact with the atmosphere. On the other hand, when the battery case is a sealed battery case, it is preferable that a gas (air) introduction pipe and an exhaust pipe are provided in the sealed battery case. In this case, the gas to be introduced / exhausted preferably has a high oxygen concentration, more preferably dry air or pure oxygen. In addition, it is preferable to increase the oxygen concentration during discharging and decrease the oxygen concentration during charging.
An oxygen permeable film or a water repellent film may be provided in the battery case according to the structure of the battery case.

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited only to these examples.

1.空気極の作製
[製造例1]
まず、炭素微小球(東海カーボン製;以下、CNSと称する。)未焼成品、及びPTFEバインダー(ダイキン製)を、CNS:PTFE=90質量%:10質量%の割合で混合した。次に、当該混合物をロールプレスにより圧延し、乾燥させ、適宜切断し、空気極層を作製した。続いて、空気極集電体として、SUSメッシュ(ニラコ製、SUS304製100メッシュ)を、当該空気極層の一面側に貼付け、製造例1の空気極を得た。
1. Production of air electrode [Production Example 1]
First, carbon microspheres (manufactured by Tokai Carbon; hereinafter referred to as CNS) and a non-fired product and PTFE binder (manufactured by Daikin) were mixed in a ratio of CNS: PTFE = 90% by mass: 10% by mass. Next, the mixture was rolled by a roll press, dried, and appropriately cut to produce an air electrode layer. Subsequently, as an air electrode current collector, SUS mesh (manufactured by Niraco, 100 mesh made of SUS304) was attached to one surface side of the air electrode layer to obtain an air electrode of Production Example 1.

[製造例2]
まず、CNS(東海カーボン製)を、1100℃の温度条件下で焼成した。次に、当該焼成後のCNS、及びPTFEバインダー(ダイキン製)を、CNS:PTFE=90質量%:10質量%の割合で混合した。あとは、製造例1と同様に、圧延、乾燥等を行って空気極層を作製した。続いて、空気極集電体として、SUSメッシュ(ニラコ製、SUS304製100メッシュ)を、当該空気極層の一面側に貼付け、製造例2の空気極を得た。
[Production Example 2]
First, CNS (manufactured by Tokai Carbon) was fired under a temperature condition of 1100 ° C. Next, the CNS after firing and the PTFE binder (manufactured by Daikin) were mixed at a ratio of CNS: PTFE = 90% by mass: 10% by mass. Thereafter, in the same manner as in Production Example 1, rolling, drying and the like were performed to produce an air electrode layer. Subsequently, as an air electrode current collector, SUS mesh (manufactured by Niraco, 100 mesh made of SUS304) was attached to one surface side of the air electrode layer to obtain an air electrode of Production Example 2.

[製造例3]
まず、CNS(東海カーボン製)を、2600℃の温度条件下で焼成した。次に、当該焼成後のCNS、及びPTFEバインダー(ダイキン製)を、CNS:PTFE=90質量%:10質量%の割合で混合した。あとは、製造例1と同様に、圧延、乾燥等を行って空気極層を作製した。続いて、空気極集電体として、SUSメッシュ(ニラコ製、SUS304製100メッシュ)を、当該空気極層の一面側に貼付け、製造例3の空気極を得た。
[Production Example 3]
First, CNS (manufactured by Tokai Carbon) was fired under a temperature condition of 2600 ° C. Next, the CNS after firing and the PTFE binder (manufactured by Daikin) were mixed at a ratio of CNS: PTFE = 90% by mass: 10% by mass. Thereafter, in the same manner as in Production Example 1, rolling, drying and the like were performed to produce an air electrode layer. Subsequently, as an air electrode current collector, SUS mesh (manufactured by Niraco, 100 mesh made of SUS304) was attached to one surface side of the air electrode layer to obtain an air electrode of Production Example 3.

2.炭素材料の評価
製造例1に使用したCNS未焼成品、製造例2に使用したCNS焼成品、及び製造例3に使用したCNS焼成品について、D/G比、BET比表面積、(002)面の平均面間隔d002、及びpHを測定した。
2. Evaluation of carbon material D / G ratio, BET specific surface area, (002) surface for CNS unfired product used in Production Example 1, CNS fired product used in Production Example 2, and CNS fired product used in Production Example 3 The average inter-surface distance d 002 and pH were measured.

2−1.D/G比の測定
上記各炭素材料について、レーザーラマン分光光度計により、488nmのレーザー光源を用いてラマン測定を行った。得られた各炭素材料のラマンスペクトルについて、ベースラインを差し引いた1360cm−1(Dバンド)及び1580cm−1(Gバンド)のピーク強度を算出し、Gバンドのピーク強度に対するDバンドのピーク強度を算出した。
各炭素材料に対して任意の場所にて3点ずつ測定を行い、各ピーク強度比を算出し、3点の各ピーク強度比の平均を、その炭素材料のD/G比とした。
2-1. Measurement of D / G ratio The above carbon materials were subjected to Raman measurement using a laser light source of 488 nm with a laser Raman spectrophotometer. About the obtained Raman spectrum of each carbon material, the peak intensity of 1360 cm −1 (D band) and 1580 cm −1 (G band) obtained by subtracting the baseline is calculated, and the peak intensity of the D band with respect to the peak intensity of the G band is calculated. Calculated.
Each carbon material was measured at three points at an arbitrary location, each peak intensity ratio was calculated, and the average of the three peak intensity ratios was taken as the D / G ratio of the carbon material.

2−2.BET比表面積の測定
上記各炭素材料について、77Kの温度条件下でN吸着測定を行い、BET法によりBET比表面積を算出した。
2-2. Measurement of BET specific surface area For each of the above carbon materials, N 2 adsorption measurement was performed under a temperature condition of 77 K, and the BET specific surface area was calculated by the BET method.

2−3.(002)面の平均面間隔d002の測定
上記各炭素材料について、粉末X線回折法により、XRDパターンを測定し、(002)面のピークの半値幅位置から、(002)面の平均面間隔d002を算出した。粉末X線回折測定の詳細な測定条件及び解析法は以下の通りである。
線源:CuKα
管電圧:40kV
管電流:40mA
解析法:FT法
2-3. Measurement of average plane distance d 002 of (002) plane For each of the above carbon materials, an XRD pattern was measured by a powder X-ray diffraction method, and the average plane of (002) plane from the half-width position of the peak of (002) plane The interval d 002 was calculated. Detailed measurement conditions and analysis methods of powder X-ray diffraction measurement are as follows.
Radiation source: CuK α
Tube voltage: 40 kV
Tube current: 40 mA
Analysis method: FT method

2−4.pHの測定
上記各炭素材料表面における官能基の量を定量的に評価するため、JIS K1474の6.10に記載された測定方法に基づき、各炭素材料のpHを測定した。pH計は、JIS Z8802に準ずるものを用いた。
まず、各炭素材料を乾燥質量換算で1.0gずつ量り取り、容器に加えた。次に、当該容器に水100mLを加えて、静かに沸騰が続くように5分間加熱した。続いて、室温まで冷却し、水を加えて100mLとし、よくかきまぜた後、pH計を用いて懸濁液のpHを測定した。
2-4. Measurement of pH In order to quantitatively evaluate the amount of functional groups on the surface of each carbon material, the pH of each carbon material was measured based on the measurement method described in JIS K1474 6.10. A pH meter according to JIS Z8802 was used.
First, 1.0 g of each carbon material was weighed in terms of dry mass and added to the container. Next, 100 mL of water was added to the container and heated for 5 minutes so that boiling continued gently. Subsequently, after cooling to room temperature and adding water to 100 mL and stirring well, the pH of the suspension was measured using a pH meter.

下記表1は、製造例1に使用したCNS未焼成品、製造例2に使用したCNS焼成品、及び製造例3に使用したCNS焼成品について、D/G比、BET比表面積、(002)面の平均面間隔d002、及びpHを比較した表である。 Table 1 below shows the D / G ratio, BET specific surface area, (002) for the CNS unfired product used in Production Example 1, the CNS fired product used in Production Example 2, and the CNS fired product used in Production Example 3. It is the table | surface which compared average surface space | interval d002 of a surface, and pH.

Figure 2013191284
Figure 2013191284

3.空気電池の作製
[実施例1]
空気極として、製造例1の空気極を使用した。
電解液として、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(関東化学製、PP13TFSA)に、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(キシダ化学製)を0.32mol/kgの濃度となるように溶解させ、アルゴン雰囲気下で一晩攪拌混合したものを用意した。また、セパレータとしてポリプロピレン製不織布を用意した。
負極集電体としてSUS箔(ニラコ製、SUS304)を用意し、当該SUS箔の一面側に金属リチウム(本城金属製)を貼り合わせて、負極を作製した。
電池ケースとして、空気極側に酸素取り込み孔を有するケースを用意した。
3. Production of air battery [Example 1]
The air electrode of Production Example 1 was used as the air electrode.
As an electrolytic solution, 0.32 mol / kg of N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd., PP13TFSA), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) A solution was prepared so as to have a concentration and stirred and mixed overnight under an argon atmosphere. Moreover, the nonwoven fabric made from a polypropylene was prepared as a separator.
A SUS foil (manufactured by Niraco, SUS304) was prepared as a negative electrode current collector, and metal lithium (manufactured by Honjo Metal) was bonded to one side of the SUS foil to prepare a negative electrode.
As a battery case, a case having an oxygen uptake hole on the air electrode side was prepared.

電池ケースの底から、負極集電体、金属リチウム、電解液を含浸させたセパレータ、CNS未焼成品を含む空気極層、及び空気極集電体の順に積層するように、電池ケース内に各部材を収納し、実施例1の空気電池を作製した。
以上の工程は、全て窒素雰囲気下のグローブボックス内で行った。
In the battery case, the negative electrode current collector, the metallic lithium, the separator impregnated with the electrolyte, the air electrode layer containing the CNS unfired product, and the air electrode current collector are stacked in this order from the bottom of the battery case. The member was accommodated and the air battery of Example 1 was produced.
All the above steps were performed in a glove box under a nitrogen atmosphere.

[実施例2]
実施例1において、製造例1の空気極の替わりに、製造例2の空気極を使用したこと以外は、実施例1と同様の部材を用いて、実施例2の空気電池を作製した。
[Example 2]
In Example 1, the air battery of Example 2 was produced using the same member as Example 1 except that the air electrode of Production Example 2 was used instead of the air electrode of Production Example 1.

[比較例1]
実施例1において、製造例1の空気極の替わりに、製造例3の空気極を使用したこと以外は、実施例1と同様の部材を用いて、比較例1の空気電池を作製した。
[Comparative Example 1]
In Example 1, an air battery of Comparative Example 1 was produced using the same members as in Example 1 except that the air electrode of Production Example 3 was used instead of the air electrode of Production Example 1.

4.空気電池の放電実効電圧の測定
実施例1、実施例2、及び比較例1の空気電池について、放電実効電圧を測定した。
まず、各空気電池を、60℃の温度条件下に3時間放置した。その後、充放電試験装置(ナガノ製、BTS2004H)を用いて、各空気電池の空気極層に純酸素(大陽日酸、99.9%)を供給しながら、60℃の温度条件、且つ、電流密度0.02mA/cmの条件下で、定電流放電測定を行った。測定して得られた放電容量の半分に当たる電圧を、その空気電池の放電実効電圧とした。
4). Measurement of effective discharge voltage of air battery The effective discharge voltage of the air battery of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1 was measured.
First, each air battery was left under a temperature condition of 60 ° C. for 3 hours. Then, using a charge / discharge test apparatus (manufactured by Nagano, BTS2004H), while supplying pure oxygen (Taiyo Nippon Sanso, 99.9%) to the air electrode layer of each air battery, Constant current discharge measurement was performed under the condition of a current density of 0.02 mA / cm 2 . The voltage corresponding to half of the discharge capacity obtained by measurement was defined as the effective discharge voltage of the air battery.

下記表2は、実施例1、実施例2、及び比較例1の空気電池について、放電実効電圧を比較した表である。   Table 2 below is a table comparing the effective discharge voltages of the air batteries of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1.

Figure 2013191284
Figure 2013191284

5.評価のまとめ
図2は、実施例1、実施例2、及び比較例1の空気電池の定電流放電曲線を重ねて示したグラフである。
表1及び表2に示すように、比較例1の空気電池は、D/G比が0.168、BET比表面積が12m/g、d002が0.340nm、及びpHが6.46のCNS(2600℃焼成品)を空気極層に含む。表2に示すように、比較例1の空気電池の放電実効電圧は2.50Vである。したがって、D/G比が0.2未満の炭素材料を使用した比較例1の空気電池は、後述する実施例1及び実施例2の空気電池よりも放電実効電圧が低い。
5. Summary of Evaluation FIG. 2 is a graph in which the constant current discharge curves of the air cells of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1 are superimposed.
As shown in Table 1 and Table 2, the air battery of Comparative Example 1 has a D / G ratio of 0.168, a BET specific surface area of 12 m 2 / g, d 002 of 0.340 nm, and a pH of 6.46. CNS (fired product at 2600 ° C.) is included in the air electrode layer. As shown in Table 2, the effective discharge voltage of the air battery of Comparative Example 1 is 2.50V. Therefore, the air battery of Comparative Example 1 using a carbon material having a D / G ratio of less than 0.2 has a lower discharge effective voltage than the air batteries of Examples 1 and 2 described later.

一方、表1及び表2に示すように、実施例1及び実施例2の空気電池は、D/G比が0.858又は0.823、BET比表面積がいずれも15m/g、d002が0.356nm又は0.357nm、pHが6.62又は6.34のCNSを空気極層に含む空気電池である。表2に示すように、実施例1の空気電池の放電実効電圧は2.57Vであり、実施例2の空気電池の放電実効電圧は2.51Vである。したがって、D/G比が0.8〜0.9である炭素材料を使用した実施例1及び実施例2の空気電池は、従来の炭素材料を使用した空気電池と比較して、最大で0.07Vも放電実効電圧が向上することが分かる。
なお、実施例1、実施例2、及び比較例1に用いられた炭素材料のpHは、いずれも6〜7(弱酸性)であった。このことは、当該3種類の炭素材料において、表面の官能基の状態にほぼ差が無いことを示す。したがって、炭素材料表面の官能基の量は、上述した空気電池の放電実効電圧の差にはほぼ寄与せず、もっぱらD/G比の差、すなわち、炭素材料の端部の構造の差が、当該放電実効電圧の差に寄与するものと考えられる。
On the other hand, as shown in Tables 1 and 2, the air batteries of Example 1 and Example 2 had a D / G ratio of 0.858 or 0.823, a BET specific surface area of 15 m 2 / g, d 002. Is an air battery including CNS of 0.356 nm or 0.357 nm and pH of 6.62 or 6.34 in the air electrode layer. As shown in Table 2, the effective discharge voltage of the air battery of Example 1 is 2.57V, and the effective discharge voltage of the air battery of Example 2 is 2.51V. Therefore, the air battery of Example 1 and Example 2 using the carbon material having a D / G ratio of 0.8 to 0.9 is 0 at the maximum as compared with the air battery using the conventional carbon material. It can be seen that the effective discharge voltage is improved by 0.07V.
In addition, pH of the carbon material used for Example 1, Example 2, and the comparative example 1 was all 6-7 (weakly acidic). This shows that there is almost no difference in the state of the functional group on the surface among the three types of carbon materials. Therefore, the amount of the functional group on the surface of the carbon material does not substantially contribute to the above-described difference in effective discharge voltage of the air battery, and only the difference in the D / G ratio, that is, the difference in the structure of the end of the carbon material, This is considered to contribute to the difference in the effective discharge voltage.

発明者の試算によると、リチウム空気電池において、放電実効電圧が0.05V向上することは、出力が1.5倍になることを意味する。また、当該試算によると、リチウム空気電池において、同様に、放電実効電圧が0.1V向上することは、出力が2倍になることを意味する。したがって、実施例1の空気電池が比較例1の空気電池と比較して0.07Vも放電実効電圧が高いことは、特に空気電池の実用化という観点から、極めて顕著な進歩であると考えられる。   According to the inventor's calculation, an increase in discharge effective voltage of 0.05 V in a lithium-air battery means that the output is increased by 1.5 times. Further, according to the trial calculation, in the lithium-air battery, similarly, an increase in the effective discharge voltage of 0.1 V means that the output is doubled. Therefore, it can be considered that the air battery of Example 1 has a discharge effective voltage as high as 0.07 V as compared with the air battery of Comparative Example 1, which is an extremely remarkable advance from the viewpoint of practical use of the air battery. .

1 電解質層
2 空気極層
3 負極活物質層
4 空気極集電体
5 負極集電体
6 空気極
7 負極
100 空気電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte layer 2 Air electrode layer 3 Negative electrode active material layer 4 Air electrode current collector 5 Negative electrode current collector 6 Air electrode 7 Negative electrode 100 Air battery

Claims (4)

少なくとも空気極、負極、並びに、当該空気極及び当該負極の間に介在する電解質層を備える空気電池であって、
前記空気極が、少なくとも空気極層を備え、
前記空気極層が、D/G比が0.8〜0.9である炭素材料を含むことを特徴とする、空気電池。
An air battery comprising at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode,
The air electrode comprises at least an air electrode layer;
The air battery, wherein the air electrode layer includes a carbon material having a D / G ratio of 0.8 to 0.9.
前記炭素材料は球状である、請求項1に記載の空気電池。   The air battery according to claim 1, wherein the carbon material is spherical. 前記炭素材料の(002)面の平均面間隔が、0.335nm以上0.370nm未満である、請求項1又は2に記載の空気電池。   The air battery according to claim 1 or 2, wherein an average interplanar spacing of the (002) plane of the carbon material is 0.335 nm or more and less than 0.370 nm. 前記炭素材料のBET比表面積が、10〜3000m/gである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の空気電池。 The air battery according to claim 1, wherein the carbon material has a BET specific surface area of 10 to 3000 m 2 / g.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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