JP2014053269A - Carbon material for air electrode of air cell, air cell containing the same, and process of manufacturing carbon material for air electrode of air cell - Google Patents
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Abstract
【課題】空気電池の空気極に使用されてきた従来の炭素材料よりも、酸素還元反応の反応起点が多い、空気電池の空気極用炭素材料、当該炭素材料を含む空気電池、及び空気電池の空気極用炭素材料の製造方法を提供する。
【解決手段】空気電池の空気極に用いられる炭素材料であって、前記炭素材料は少なくとも表面にアミノ基を含有することを特徴とする、空気電池の空気極用炭素材料。
【選択図】図3A carbon material for an air electrode of an air battery, an air battery including the carbon material, and an air battery having a reaction starting point of an oxygen reduction reaction more than that of a conventional carbon material that has been used for an air electrode of an air battery. A method for producing a carbon material for an air electrode is provided.
A carbon material used for an air electrode of an air battery, wherein the carbon material contains an amino group at least on a surface thereof.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、空気電池の空気極に使用されてきた従来の炭素材料よりも、酸素還元反応の反応起点が多い、空気電池の空気極用炭素材料、当該炭素材料を含む空気電池、及び空気電池の空気極用炭素材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon material for an air electrode of an air battery, an air battery including the carbon material, and an air battery having more reaction starting points for an oxygen reduction reaction than a conventional carbon material that has been used for an air electrode of an air battery. The present invention relates to a method for producing an air electrode 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++O2+2e−→Li2O2 (II)
2Li++1/2O2+2e−→Li2O (III)
生じた過酸化リチウム(Li2O2)及び酸化リチウム(Li2O)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.
空気電池の空気極には、炭素材料が従来用いられてきた。しかし、炭素材料のどのような特性が正極の容量を決定しているかについての知見は未だ得られていなかった。したがって、空気極に配合される炭素材料をいかに改良すれば、空気電池の高容量化が図れるかについては、決め手となる指針が無かった。高容量の非水電解質電池を得ることを目的とする技術として、特許文献1には、直径1nm以上の細孔の占める細孔容積が1.0mL/g以上の炭素質物を主体とする正極、金属イオンを吸蔵及び放出する負極活物質を具備する負極、並びに、前記正極及び負極に挟まれた非水電解質層を備えることを特徴とする非水電解質電池が開示されている。 A carbon material has been conventionally used for an air electrode of an air battery. However, knowledge about what characteristics of the carbon material determine the capacity of the positive electrode has not yet been obtained. Therefore, there has been no decisive guide on how to improve the carbon material blended in the air electrode to increase the capacity of the air battery. As a technique for obtaining a high-capacity nonaqueous electrolyte battery, Patent Document 1 discloses a positive electrode mainly composed of a carbonaceous material having a pore volume of 1.0 mL / g or more, which is occupied by pores having a diameter of 1 nm or more, A nonaqueous electrolyte battery comprising a negative electrode including a negative electrode active material that occludes and releases metal ions, and a nonaqueous electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode is disclosed.
特許文献1の段落[0056]−[0064]には、空気極にケッチェンブラックを用いた非水電解質電池の実施例が記載されている。しかし、本発明者らが特許文献1に開示された非水電解質電池についてさらに検討したところ、空気極にケッチェンブラックを用いた場合、容量が依然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、空気電池の空気極に使用されてきた従来の炭素材料よりも、酸素還元反応の反応起点が多い、空気電池の空気極用炭素材料、当該炭素材料を含む空気電池、及び空気電池の空気極用炭素材料の製造方法を提供することを目的とする。
Paragraphs [0056]-[0064] of Patent Document 1 describe examples of non-aqueous electrolyte batteries using ketjen black for the air electrode. However, when the present inventors further examined the nonaqueous electrolyte battery disclosed in Patent Document 1, it was found that the capacity was still low when Ketjen Black was used for the air electrode.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and has a carbon starting material for an air electrode of an air battery that has more reaction starting points for an oxygen reduction reaction than a conventional carbon material that has been used for an air electrode of an air battery. An object of the present invention is to provide an air battery containing the carbon material and a method for producing a carbon material for an air electrode of the air battery.
本発明の炭素材料は、空気電池の空気極に用いられる炭素材料であって、前記炭素材料は少なくとも表面にアミノ基を含有することを特徴とする。 The carbon material of the present invention is a carbon material used for an air electrode of an air battery, and the carbon material contains an amino group at least on the surface.
本発明においては、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比が、2×10−5m−2〜7.5×10−3m−2であることが好ましい。 In the present invention, the ratio of the nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration per specific surface area is preferably 2 × 10 −5 m −2 to 7.5 × 10 −3 m −2 .
本発明の第1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、上記空気電池の空気極用炭素材料を含むことを特徴とする。 A first air battery according to 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 is an air electrode of the air battery. It contains carbon materials for use.
本発明の第1の空気電池においては、前記負極がリチウム金属又はリチウム化合物を含有していてもよい。 In the first air battery of the present invention, the negative electrode may contain lithium metal or a lithium compound.
本発明の空気電池の空気極用炭素材料の製造方法は、リンカーとなる官能基そのもの及び当該リンカーとなる官能基を有する基からなる群より選ばれる少なくとも1つのリンカーを、少なくとも表面に含有する炭素原料、及び、当該リンカーとなる官能基と化学反応により結合を形成する結合形成官能基及びアミノ基を含有するアミノ化合物を準備する準備工程、並びに、前記炭素原料に前記アミノ化合物を作用させることにより、前記炭素原料が含有する前記リンカーと前記アミノ化合物が含有する前記結合形成官能基とが化学反応を起こすことによって、前記炭素原料と前記アミノ化合物との間に結合を形成し、アミノ基を少なくとも表面に含有する空気電池の空気極用炭素材料を合成する合成工程、を有することを特徴とする。 The method for producing a carbon material for an air electrode of an air battery according to the present invention includes a carbon containing at least one linker selected from the group consisting of a functional group itself serving as a linker and a group having a functional group serving as the linker. By preparing a raw material and an amino compound containing a bond-forming functional group and an amino group that form a bond by a chemical reaction with the functional group serving as the linker, and by causing the amino compound to act on the carbon raw material The linker contained in the carbon raw material and the bond-forming functional group contained in the amino compound cause a chemical reaction to form a bond between the carbon raw material and the amino compound, and at least an amino group And a synthesis step of synthesizing a carbon material for an air electrode of an air battery contained on the surface.
本発明の空気電池の空気極用炭素材料の製造方法においては、前記リンカーが、−W−CO2H、−W−CO2R、−W−OH、−W−OR、−W−CHO、及び−W−OCOR(ただし、Wは2価の有機基又は単結合を表し、且つ、Rは炭素数1〜10の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基を表す。)からなる群より選ばれる少なくとも1つの官能基であってもよい。 In the production method of an air electrode carbon material of the air battery of the present invention, wherein the linker, -W-CO 2 H, -W -CO 2 R, -W-OH, -W-OR, -W-CHO, And -W-OCOR (W represents a divalent organic group or a single bond, and R represents an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms or an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms. .) May be at least one functional group selected from the group consisting of:
本発明の空気電池の空気極用炭素材料の製造方法においては、前記結合形成官能基が、−Z−OH、−Z−OR、−Z−CHO、−Z−CO2H、−Z−CO2R、−Z−OCOR、−Z−X、及び−Z−NH2(ただし、Zは2価の有機基又は単結合を表し、且つ、Rは炭素数1〜10の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基を表し、且つ、Xはフッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、及びヨウ素(I)からなる群より選ばれるハロゲン原子を表す。)からなる群より選ばれる少なくとも1つの官能基であってもよい。 In the production method of an air electrode carbon material of the air battery of the present invention, the bond forming functional group, -Z-OH, -Z-OR , -Z-CHO, -Z-CO 2 H, -Z-CO 2 R, —Z—OCOR, —Z—X, and —Z—NH 2 (wherein Z represents a divalent organic group or a single bond, and R represents an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms) Alternatively, it represents an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms, and X represents a halogen atom selected from the group consisting of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I). And at least one functional group selected from the group consisting of:
本発明の第2の空気電池は、空気正極とリチウム金属又はリチウム化合物負極との間に電解質を介在してなる空気電池であって、前記空気正極は、連通した三相界面サイトを有する多孔性の炭素繊維材料を含有し、且つ、当該三相界面サイトのエッジ炭素原子にアミノ基が結合していることを特徴とする。 The second air battery of the present invention is an air battery in which an electrolyte is interposed between an air positive electrode and a lithium metal or lithium compound negative electrode, and the air positive electrode has a porous three-phase interface site in communication. And an amino group bonded to an edge carbon atom of the three-phase interface site.
本発明の第2の空気電池においては、前記炭素繊維材料における、比表面積当たりの炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比が、2×10−5m−2〜7.5×10−3m−2であることが好ましい。 In the second air battery of the present invention, the ratio of the number of nitrogen atoms to the number of carbon atoms per specific surface area in the carbon fiber material is 2 × 10 −5 m −2 to 7.5 × 10 −3. m- 2 is preferred.
本発明の空気正極の製造方法は、連通した三相界面サイトを有する多孔性の炭素繊維材料を原料とし、当該三相界面サイトにおけるエッジ炭素原子上のリンカー官能基とアミノ化合物が含有する結合形成官能基とを化学反応させることにより、当該エッジ炭素原子にアミノ基を結合させることを特徴とする。 The method for producing an air cathode of the present invention uses a porous carbon fiber material having a three-phase interface site in communication as a raw material, and forms a bond containing a linker functional group on an edge carbon atom and an amino compound at the three-phase interface site. An amino group is bonded to the edge carbon atom by chemically reacting with a functional group.
本発明の空気正極の製造方法において、前記エッジ炭素原子上のリンカー官能基は、−W−CO2H、−W−CO2R、−W−OH、−W−OR、−W−CHO、及び−W−OCOR(ただし、Wは2価の有機基又は単結合を表し、且つ、Rは炭素数1〜10の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基を表す。)からなる群より選ばれる少なくとも1つの官能基であってもよい。 In the method for manufacturing an air cathode of the present invention, the linker functional groups on the edge carbon atoms, -W-CO 2 H, -W -CO 2 R, -W-OH, -W-OR, -W-CHO, And -W-OCOR (W represents a divalent organic group or a single bond, and R represents an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms or an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms. .) May be at least one functional group selected from the group consisting of:
本発明の空気正極の製造方法において、前記結合形成官能基は、−Z−OH、−Z−OR、−Z−CHO、−Z−CO2H、−Z−CO2R、−Z−OCOR、−Z−X、及び−Z−NH2(ただし、Zは2価の有機基又は単結合を表し、且つ、Rは炭素数1〜10の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基を表し、且つ、Xはフッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、及びヨウ素(I)からなる群より選ばれるハロゲン原子を表す。)からなる群より選ばれる少なくとも1つの官能基であってもよい。 In the method for manufacturing an air cathode of the present invention, the bond-forming functional group, -Z-OH, -Z-OR , -Z-CHO, -Z-CO 2 H, -Z-CO 2 R, -Z-OCOR , -Z-X, and -Z-NH 2 (however, Z represents a divalent organic group or a single bond, and, R represents an aliphatic hydrocarbon group or a C 6-10 having 1 to 10 carbon atoms Represents an aromatic hydrocarbon group, and X represents a halogen atom selected from the group consisting of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I). There may be at least one functional group.
本発明によれば、アミノ基を少なくとも表面に含有するため、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となる結果、このような炭素材料を空気電池の空気極に用いた場合には、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り、従来の空気電池よりも高容量化を実現することができる。 According to the present invention, since the amino group is contained at least on the surface, the carbon material has a larger number of reaction starting points for the oxygen reduction reaction than the conventional carbon material. As a result, such a carbon material is used for the air electrode of an air battery. In this case, electrons can be exchanged between the carbon material and a larger number of oxygen molecules, and higher capacity can be realized than the conventional air battery.
1.空気電池の空気極用炭素材料
本発明の炭素材料は、空気電池の空気極に用いられる炭素材料であって、前記炭素材料は少なくとも表面にアミノ基を含有することを特徴とする。
1. The carbon material for the air electrode of an air battery The carbon material of this invention is a carbon material used for the air electrode of an air battery, Comprising: The said carbon material contains an amino group at least on the surface, It is characterized by the above-mentioned.
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、容量が依然低く、且つ、耐久劣化も著しいため、繰り返しの使用には耐えられなかった。これは、従来技術においては、炭素材料の表面構造に関する十分な検討がなされておらず、空気電池の容量を向上させるような、炭素材料表面に付加された官能基の種類や、原子数の濃度比について、ほぼ何の知見も得られていなかったことによる。 As described above, the air battery using ketjen black for the air electrode layer has a low capacity and has a significant deterioration in durability, and therefore cannot withstand repeated use. This is because, in the prior art, sufficient study on the surface structure of the carbon material has not been made, and the types of functional groups added to the surface of the carbon material and the concentration of the number of atoms, which improve the capacity of the air battery, This is because almost no knowledge about the ratio was obtained.
本発明者らは、炭素材料表面の官能基に着目し、検討を重ねた。その結果、本発明者らは、アミノ基を少なくとも表面に含有する炭素材料を空気極に用いることにより、酸素還元反応の反応起点の数を増やすことができ、その結果、空気極の充電容量を向上させることができることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventors paid attention to the functional group on the surface of the carbon material and repeated studies. As a result, the present inventors can increase the number of reaction starting points of the oxygen reduction reaction by using a carbon material containing an amino group at least on the surface for the air electrode. The present invention has been completed by finding that it can be improved.
ケッチェンブラック等の従来の炭素材料を用いた場合に、空気電池の放電容量が依然低い理由として、炭素材料中の反応起点の数、及び反応場所の面積が、例えば、後述する膨張化炭素繊維アミノ化物等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、炭素材料表面に含まれるアミノ基の量が例示できる。炭素材料表面に含まれるアミノ基の量を示す物性値としては、アミノ基含有量、及び炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比などが挙げられる。炭素材料はその形状や大きさが材料によってさまざまであり、アミノ基の含有量も異なることから、本発明においては、炭素材料に広く適用可能であり、炭素材料同士でも対比可能な指標である、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比を採用することが適切である。
炭素材料表面におけるアミノ基が酸素還元反応の起点となる根拠の1つとして、後述する実施例において示すように、アミノ基を表面に特定量含有する炭素材料を空気極に用いた空気電池において、放電後に空気極表面に析出する過酸化リチウム(Li2O2)及び酸化リチウム(Li2O)の固体が極めて小さくなることが挙げられる。このように、アミノ基を特定量含有することにより放電析出物が極めて小さくなる理由については、その詳細は明らかではないものの、炭素材料表面において高い分散度合いで導入されたアミノ基がリチウムイオンを補足し、放電析出物であるリチウム酸化物の核生成サイトをそれぞれ形成するためであると推測される。
When a conventional carbon material such as ketjen black is used, the reason why the discharge capacity of the air battery is still low is that the number of reaction starting points in the carbon material and the area of the reaction site are, for example, expanded carbon fibers described later It is thought that it is much smaller than an aminated product. 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, the amount of amino groups contained on the surface of the carbon material can be exemplified. Examples of the physical property value indicating the amount of amino groups contained on the surface of the carbon material include the amino group content and the ratio of the nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration. Carbon materials vary in shape and size depending on the material, and the amino group content is also different.In the present invention, the carbon material is widely applicable to carbon materials, and is an index that can be compared with other carbon materials. It is appropriate to employ the ratio of the number of nitrogen atoms to the number of carbon atoms.
As one of the grounds on which the amino group on the surface of the carbon material becomes the starting point of the oxygen reduction reaction, as shown in the examples described later, in an air battery using a carbon material containing a specific amount of amino group on the surface for the air electrode, It is mentioned that the solids of lithium peroxide (Li 2 O 2 ) and lithium oxide (Li 2 O) deposited on the air electrode surface after discharge become extremely small. As described above, the reason why discharge deposits are extremely small by containing a specific amount of amino groups is not clear in detail, but amino groups introduced with a high degree of dispersion on the carbon material surface supplement lithium ions. In addition, it is presumed that this is for forming nucleation sites of lithium oxide as discharge deposits.
本発明においては、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比(以下、当該比と称する場合がある。)が、2×10−5m−2〜7.5×10−3m−2であることが好ましい。当該比が2×10−5m−2未満である場合には、炭素材料表面のアミノ基の量が少なくなりすぎる結果、酸素還元反応の起点が少なくなり、本発明の効果である充放電容量の増加の効果が十分に享受できなくなるおそれがある。一方、当該比が7.5×10−3m−2を超える場合には、炭素材料表面のアミノ基が多くなりすぎるため、放電析出物である極性の高いリチウム酸化物が炭素材料表面のアミノ基に競争して吸着し、炭素材料の細孔が塞がれる結果、電池特性が低下するおそれがある。
本発明においては、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比が、5×10−4m−2以上であることがより好ましく、1×10−3m−2以上であることがさらに好ましい。また、本発明においては、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比が、6×10−3m−2以下であることがより好ましく、4×10−3m−2以下であることがさらに好ましい。
In the present invention, the ratio of the number of nitrogen atoms to the number of carbon atoms per specific surface area (hereinafter sometimes referred to as the ratio) is 2 × 10 −5 m −2 to 7.5 × 10 −. It is preferably 3 m -2 . When the ratio is less than 2 × 10 −5 m −2 , the amount of amino groups on the surface of the carbon material becomes too small, resulting in fewer starting points for the oxygen reduction reaction, and the charge / discharge capacity that is an effect of the present invention. There is a possibility that the effect of the increase in the amount cannot be fully enjoyed. On the other hand, when the ratio exceeds 7.5 × 10 −3 m −2 , the number of amino groups on the surface of the carbon material becomes too large, and thus the lithium oxide having a high polarity that is a discharge deposit is an amino group on the surface of the carbon material. As a result of competing and adsorbing to the base and closing the pores of the carbon material, the battery characteristics may be deteriorated.
In the present invention, the ratio of the nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration per specific surface area is more preferably 5 × 10 −4 m −2 or more, and more preferably 1 × 10 −3 m −2 or more. More preferably. In the present invention, the ratio of the nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration per specific surface area is more preferably 6 × 10 −3 m −2 or less, and 4 × 10 −3 m −2 or less. More preferably.
比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比の測定方法は、公知の方法を採用できる。例えば、X線光電子分光法(X−Ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)により、炭素材料表面の炭素原子数濃度及び窒素原子数濃度を測定し、且つ、BET法(Brunauer−Emmett−Teller法)により、炭素材料の比表面積を測定する方法等が挙げられる。測定した窒素原子数濃度を炭素原子数濃度により除し、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比を算出する。さらに、算出した炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比を、炭素材料の比表面積で除することにより、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比を算出できる。
なお、本発明に係る炭素材料を製造する際の原料の混合比、例えば、炭素原料とアミノ化合物との混合比を、そのままその炭素材料に関する、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比としてもよい。
As a method for measuring the ratio of the nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration per specific surface area, a known method can be adopted. For example, the carbon atom number concentration and the nitrogen atom number concentration on the surface of the carbon material are measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the BET method (Brunauer-Emmett-Teller method) Examples include a method for measuring the specific surface area of the material. The measured nitrogen atom number concentration is divided by the carbon atom number concentration, and the ratio of the nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration is calculated. Furthermore, the ratio of the nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration per specific surface area can be calculated by dividing the ratio of the calculated nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration by the specific surface area of the carbon material.
It should be noted that the mixing ratio of the raw materials when producing the carbon material according to the present invention, for example, the mixing ratio of the carbon raw material and the amino compound, is the number of nitrogen atoms relative to the carbon atom number concentration per specific surface area as it is. It may be a concentration ratio.
上述した、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比の条件を満たす炭素材料の典型例としては、適切な条件により少なくとも表面がアミノ化された膨張化炭素繊維が例示できる。本発明の空気電池の空気極用炭素材料は、このような膨張化炭素繊維アミノ化物であることが好ましい。
膨張化炭素繊維とは、炭素繊維原料を用いて合成された黒鉛層間化合物を、さらに熱処理して得られる微小炭素繊維を指す。膨張化炭素繊維の製造方法は特に限定されないが、例えば、化学的処理法、電気化学的処理法等が挙げられる。空気電池の空気極用炭素材料に必要とされる物性に応じて、膨張化炭素繊維について適宜分級処理を行ったり、磨砕処理を行ったりしてもよい。
As a typical example of the carbon material that satisfies the above-described condition of the ratio of the number of nitrogen atoms to the number of carbon atoms per specific surface area, an expanded carbon fiber having at least a surface aminated under appropriate conditions can be exemplified. The carbon material for the air electrode of the air battery of the present invention is preferably such an expanded carbon fiber aminated product.
An expanded carbon fiber refers to a fine carbon fiber obtained by further heat-treating a graphite intercalation compound synthesized using a carbon fiber raw material. Although the manufacturing method of expanded carbon fiber is not specifically limited, For example, a chemical processing method, an electrochemical processing method, etc. are mentioned. Depending on the physical properties required for the air electrode carbon material of the air battery, the expanded carbon fiber may be appropriately classified or ground.
図2(a)は膨張化炭素繊維の構造の拡大模式図であり、図2(b)は膨張化炭素繊維の炭素原子層の化学構造の模式図である。図2(b)は、図2(a)の破線部の円内をさらに拡大した模式図となる。
膨張化炭素繊維は、従来の炭素材料と比較して、炭素材料の全表面積に対するエッジ部分の占める面積が大きい。ここでいうエッジ部分とは、エッジ炭素原子が占める部分のことを指す。エッジ炭素原子とは、炭素原子層の端に位置し、且つ、炭素原子以外の原子とも結合可能な炭素原子のことを指す。膨張化炭素繊維のエッジ部分に存在するエッジ炭素原子には、後述するリンカーとなるような、修飾可能な官能基が付加している場合が多い。したがって、膨張化炭素繊維のエッジ部分には、当該リンカーを介することにより、他の炭素材料よりもアミノ基を多く付加させやすいという利点がある。
膨張化炭素繊維及びそのアミノ化物の製造方法については後述する。
FIG. 2A is an enlarged schematic view of the structure of the expanded carbon fiber, and FIG. 2B is a schematic view of the chemical structure of the carbon atom layer of the expanded carbon fiber. FIG. 2B is a schematic diagram further enlarging the inside of the circle of the broken line part of FIG.
In the expanded carbon fiber, the area occupied by the edge portion with respect to the total surface area of the carbon material is larger than that of the conventional carbon material. The edge part here refers to a part occupied by edge carbon atoms. An edge carbon atom refers to a carbon atom that is located at the end of a carbon atom layer and can be bonded to atoms other than carbon atoms. In many cases, a functional group that can be modified is added to the edge carbon atom present in the edge portion of the expanded carbon fiber so as to serve as a linker described later. Therefore, there is an advantage that more amino groups can be easily added to the edge portion of the expanded carbon fiber than other carbon materials through the linker.
A method for producing the expanded carbon fiber and an aminated product thereof will be described later.
本発明に係る空気電池の空気極用炭素材料は、アミノ基を少なくともその表面に含有していることにより、空気電池の空気極に用いられた際に、放電時に空気極表面に析出する固体が従来の空気電池よりも極めて小さくなる。このような空気電池は、充電時に当該放電析出物が分解し金属イオンへと還元されやすくなるため、従来の炭素材料を用いた空気電池よりも充電容量が大きい。 The carbon material for an air electrode of an air battery according to the present invention contains an amino group at least on the surface thereof, so that when it is used for the air electrode of an air battery, a solid that deposits on the air electrode surface during discharge is present. It becomes extremely smaller than the conventional air battery. Such an air battery has a larger charge capacity than an air battery using a conventional carbon material because the discharge deposit is easily decomposed and reduced to metal ions during charging.
2.空気電池の空気極用炭素材料の製造方法
本発明の空気電池の空気極用炭素材料の製造方法は、リンカーとなる官能基そのもの及び当該リンカーとなる官能基を有する基からなる群より選ばれる少なくとも1つのリンカーを、少なくとも表面に含有する炭素原料、及び、当該リンカーとなる官能基と化学反応により結合を形成する結合形成官能基及びアミノ基を含有するアミノ化合物を準備する準備工程、並びに、前記炭素原料に前記アミノ化合物を作用させることにより、前記炭素原料が含有する前記リンカーと前記アミノ化合物が含有する前記結合形成官能基とが化学反応を起こすことによって、前記炭素原料と前記アミノ化合物との間に結合を形成し、アミノ基を少なくとも表面に含有する空気電池の空気極用炭素材料を合成する合成工程、を有することを特徴とする。
2. Manufacturing method of carbon material for air electrode of air battery The manufacturing method of the carbon material for air electrode of the air battery of the present invention is at least selected from the group consisting of a functional group itself serving as a linker and a group having a functional group serving as the linker. A preparation step of preparing an amino compound containing a carbon raw material containing at least one linker at least on the surface, a bond-forming functional group that forms a bond by a chemical reaction with the functional group serving as the linker, and an amino group; and By causing the amino compound to act on a carbon raw material, the linker contained in the carbon raw material and the bond-forming functional group contained in the amino compound cause a chemical reaction, whereby the carbon raw material and the amino compound A synthetic engineer that synthesizes a carbon material for an air electrode of an air battery that forms a bond between them and contains at least an amino group on the surface It is characterized by having.
本発明の一態様である空気正極の製造方法は、連通した三相界面サイトを有する多孔性の炭素繊維材料を原料とし、当該三相界面サイトにおけるエッジ炭素原子上のリンカー官能基とアミノ化合物が含有する結合形成官能基とを化学反応させることにより、当該エッジ炭素原子にアミノ基を結合させることを特徴とする。
ここでいう「連通した三相界面サイト」とは、カーボン電極、リチウムイオン、及び酸素ガスが共存して電極反応が進行するサイトのことを指す。また、ここでいう多孔性の炭素繊維材料は、膨張化炭素繊維材料であることが好ましい。
The method for producing an air cathode according to one embodiment of the present invention uses a porous carbon fiber material having a three-phase interface site in communication as a raw material, and the linker functional group and amino compound on the edge carbon atom in the three-phase interface site are An amino group is bonded to the edge carbon atom by chemically reacting with the contained bond-forming functional group.
As used herein, “connected three-phase interface site” refers to a site where an electrode reaction proceeds in the presence of a carbon electrode, lithium ions, and oxygen gas. Moreover, it is preferable that the porous carbon fiber material here is an expanded carbon fiber material.
本発明は、(1)炭素原料及びアミノ化合物を準備する準備工程、及び、(2)アミノ基を少なくとも表面に含有する空気電池の空気極用炭素材料を合成する合成工程を有する。本発明は、必ずしも上記2工程のみに限定されることはなく、上記2工程以外にも他の工程を有していてもよい。
以下、上記工程(1)〜(2)について、順に説明する。
The present invention includes (1) a preparation step of preparing a carbon raw material and an amino compound, and (2) a synthesis step of synthesizing a carbon material for an air electrode of an air battery containing at least an amino group on the surface. The present invention is not necessarily limited to the above two steps, and may have other steps in addition to the above two steps.
Hereinafter, the steps (1) to (2) will be described in order.
2−1.準備工程
本工程は、炭素原料及びアミノ化合物を準備する工程である。
本発明に使用できる炭素原料は、リンカーとなる官能基そのもの及び当該リンカーとなる官能基を有する基からなる群より選ばれる少なくとも1つのリンカーを、少なくとも表面に含有する。
2-1. Preparation Step This step is a step of preparing a carbon raw material and an amino compound.
The carbon raw material that can be used in the present invention contains at least the surface of at least one linker selected from the group consisting of a functional group itself serving as a linker and a group having a functional group serving as the linker.
本発明において炭素原料が含有するリンカーとは、炭素原料が有する炭素原子と、アミノ化合物とを相互に結合させる役割を担う原子、官能基又は有機基のことをいう。リンカーの態様としては、リンカーとなる官能基そのものであってもよいし、当該官能基を有する基であってもよい。すなわち、本工程においては、リンカーとなる役割を持つ官能基を少なくとも1つ有する基を、リンカーとして用いる。 In the present invention, the linker contained in the carbon raw material refers to an atom, a functional group, or an organic group that plays a role of bonding the carbon atom of the carbon raw material and the amino compound to each other. As an aspect of a linker, the functional group itself used as a linker may be sufficient, and the group which has the said functional group may be sufficient. That is, in this step, a group having at least one functional group serving as a linker is used as the linker.
本発明において炭素原料が有するリンカーは、特に限定されることはなく、公知の化学反応により化学結合が形成できる基であればよい。後述するアミノ化合物の種類によっても、炭素原料が有するリンカーの種類は異なるが、リンカーは、−W−CO2H、−W−CO2R、−W−OH、−W−OR、−W−CHO、及び−W−OCOR(ただし、Wは2価の有機基又は単結合を表し、且つ、Rは炭素数1〜10の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基を表す。)からなる群より選ばれる少なくとも1つの官能基であってもよい。 In the present invention, the linker included in the carbon raw material is not particularly limited as long as it is a group capable of forming a chemical bond by a known chemical reaction. Depending on the kind described amino compound is different from the type of linker with the carbon raw material, linker, -W-CO 2 H, -W -CO 2 R, -W-OH, -W-OR, -W- CHO, and -W-OCOR (W represents a divalent organic group or a single bond, and R represents an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms or an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms. It may be at least one functional group selected from the group consisting of:
リンカー中の2価の有機基Wとしては、炭素原料とアミノ化合物との反応の際に化学構造を維持できるものであれば特に限定されないが、低級炭素鎖、具体的には炭素数1〜5の炭素鎖又は単結合が好ましく、特に、炭素数1〜3の炭素鎖又は単結合が好ましい。
具体的なリンカーとしては、例えば、−CO2H、−(CH2)n−CO2H、−CO2CH3、−OH、−(CH2)n−OH、−O−CH2CH2−OH、−O−CH3、−O−CH2CH3、−CHO、−(CH2)n−CHO、−OCOCH3、−(CH2)n−OCOCH3等(以上、nは1〜5の自然数である。)が例示できる。これらの中では、リンカーとして、−CO2H、−CHO、及び−OHを採用することが好ましい。
The divalent organic group W in the linker is not particularly limited as long as the chemical structure can be maintained during the reaction between the carbon raw material and the amino compound, but a lower carbon chain, specifically having 1 to 5 carbon atoms. Carbon chain or a single bond is preferable, and a carbon chain having 1 to 3 carbon atoms or a single bond is particularly preferable.
Specific linkers, for example, -CO 2 H, - (CH 2) n -CO 2 H, -CO 2 CH 3, -OH, - (CH 2) n -OH, -O-CH 2 CH 2 -OH, -O-CH 3, -O -CH 2 CH 3, -CHO, - (CH 2) n -CHO, -OCOCH 3, - (CH 2) n -OCOCH 3 , etc. (more, n represents 1 A natural number of 5). Among these, as a linker, -CO 2 H, it is preferable to employ -CHO, and -OH.
カルボキシル基(−CO2H)、アルデヒド基(−CHO)、及び/又はヒドロキシル基(−OH)等を含有するリンカーを表面に含有する炭素材料としては、上述した膨張化炭素繊維が例示できる。 Examples of the carbon material containing a linker containing a carboxyl group (—CO 2 H), an aldehyde group (—CHO), and / or a hydroxyl group (—OH) on the surface include the above-mentioned expanded carbon fibers.
本発明に使用できるアミノ化合物は、上述した炭素材料表面のリンカーと化学反応により結合を形成する結合形成官能基、及びアミノ基を含有するアミノ化合物である。本発明に使用できるアミノ化合物は、上記炭素原料との反応後にアミノ基を残すことができるものであれば、特に限定されない。
リンカーとなる官能基と化学反応により結合を形成する結合形成官能基は、特に限定されず、炭素原料の種類によって適宜選択することができるが、例えば、−Z−OH、−Z−OR、−Z−CHO、−Z−CO2H、−Z−CO2R、−Z−OCOR、−Z−X、及び−Z−NH2(ただし、Zは2価の有機基又は単結合を表し、且つ、Rは炭素数1〜10の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基を表し、且つ、Xはフッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、及びヨウ素(I)からなる群より選ばれるハロゲン原子を表す。)からなる群より選ばれる少なくとも1つの官能基であってもよい。
The amino compound that can be used in the present invention is an amino compound containing an amino group and a bond-forming functional group that forms a bond by a chemical reaction with the above-described linker on the surface of the carbon material. The amino compound that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it can leave an amino group after the reaction with the carbon raw material.
The bond-forming functional group that forms a bond by a chemical reaction with a functional group that serves as a linker is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the type of the carbon raw material. For example, -Z-OH, -Z-OR,- Z—CHO, —Z—CO 2 H, —Z—CO 2 R, —Z—OCOR, —Z—X, and —Z—NH 2 (wherein Z represents a divalent organic group or a single bond, R represents an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms or an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms, and X represents fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), and It may be at least one functional group selected from the group consisting of iodine (I) and a halogen atom selected from the group consisting of iodine (I).
結合形成官能基中の2価の有機基Zとしては、炭素原料とアミノ化合物との反応の際に化学構造を維持できるものであれば特に限定されないが、低級炭素鎖、具体的には炭素数1〜5の炭素鎖又は単結合が好ましく、特に、炭素数1〜3の炭素鎖又は単結合が好ましい。
具体的な結合性官能基としては、例えば、−OH、−(CH2)n−OH、−O−CH2CH2−OH、−O−CH3、−O−CH2CH3、−CHO、−(CH2)n−CHO、−CO2H、−(CH2)n−CO2H、−CO2CH3、−OCOCH3、−(CH2)n−OCOCH3、−Cl、−CH2−Cl、−Br、−CH2−Br、及び−CH2−NH2、等(以上、nは1〜5の自然数である。)が例示できる。これらの中では、結合性官能基として、−OH、−NH2、−Br、及び−CH2−Brを採用することが好ましい。
The divalent organic group Z in the bond-forming functional group is not particularly limited as long as the chemical structure can be maintained during the reaction between the carbon raw material and the amino compound, but the lower carbon chain, specifically the number of carbon atoms A carbon chain or a single bond having 1 to 5 carbon atoms is preferable, and a carbon chain or a single bond having 1 to 3 carbon atoms is particularly preferable.
Specific binding functional groups include, for example, —OH, — (CH 2 ) n —OH, —O—CH 2 CH 2 —OH, —O—CH 3 , —O—CH 2 CH 3 , —CHO. , — (CH 2 ) n —CHO, —CO 2 H, — (CH 2 ) n —CO 2 H, —CO 2 CH 3 , —OCOCH 3 , — (CH 2 ) n —OCOCH 3 , —Cl, — CH 2 —Cl, —Br, —CH 2 —Br, —CH 2 —NH 2 , and the like (where n is a natural number of 1 to 5) can be exemplified. Among these, it is preferable to employ —OH, —NH 2 , —Br, and —CH 2 —Br as the binding functional group.
本発明に使用できるアミノ化合物としては、例えば、2−アミノエタノール(構造式:HOCH2CH2NH2、CAS No.141−43−5)、3−アミノプロパノール(HOCH2CH2CH2NH2、CAS No.156−87−6)、4−アミノブタノール(HOCH2CH2CH2CH2NH2、CAS No.13325−10−5)、ジエタノールアミン(HN(CH2CH2OH)2、CAS No.111−42−2)、トリエタノールアミン(N(CH2CH2OH)3、CAS No.102−71−6)、N−(1−ナフチル)エタノールアミン((C10H7)HNCH2CH2OH)、N−(2−ナフチル)エタノールアミン、フェニルエタノールアミン((C6H5)CH(OH)CH2NH2、CAS No.7568−93−6)、アルノロール(CAS No.87129−71−3)等が挙げられる。 Examples of amino compounds that can be used in the present invention include 2-aminoethanol (structural formula: HOCH 2 CH 2 NH 2 , CAS No. 141-43-5), 3-aminopropanol (HOCH 2 CH 2 CH 2 NH 2). , CAS No.156-87-6), 4- aminobutanol (HOCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 NH 2, CAS No.13325-10-5), diethanolamine (HN (CH 2 CH 2 OH ) 2, CAS Nanba111-42-2), triethanolamine (N (CH 2 CH 2 OH ) 3, CAS No.102-71-6), N- (1- naphthyl) ethanol amine ((C 10 H 7) HNCH 2 CH 2 OH), N- ( 2- naphthyl) ethanol amine, phenyl ethanol amine ((C 6 H 5) CH OH) CH 2 NH 2, CAS No.7568-93-6), include Arno roll (CAS No.87129-71-3) and the like.
上記リンカー及び上記結合性官能基が形成する結合の例としては、例えば、上記リンカーがカルボキシル基(−CO2H)を含有し、上記結合性官能基がヒドロキシル基(−OH)を含有する場合における、エステル結合(−CO2−);上記リンカーがカルボン酸エステル基(−CO2R)を含有し、上記結合性官能基がアミノ基(−NH2)を含有する場合における、アミド結合(−C(O)NH−);上記リンカーがヒドロキシル基(−OH)を含有し、上記結合性官能基がハロゲン原子(−X)を含有する場合における、エーテル結合(−O−);等が挙げられる。 Examples of bonds formed by the linker and the binding functional group include, for example, the linker containing a carboxyl group (—CO 2 H) and the binding functional group containing a hydroxyl group (—OH). An ester bond (—CO 2 —); an amide bond (wherein the linker contains a carboxylic acid ester group (—CO 2 R) and the binding functional group contains an amino group (—NH 2 )) -C (O) NH-); when the linker contains a hydroxyl group (-OH) and the binding functional group contains a halogen atom (-X); Can be mentioned.
以下、本発明に使用できる炭素原料の一例である膨張化炭素繊維について、その製造方法を説明する。
膨張化炭素繊維の製造に用いる炭素繊維原料としては、ピッチ系炭素繊維、PAN系炭素繊維、及びフェノール樹脂炭素繊維等の難黒鉛化炭素繊維;メゾフェーズピッチ系炭素繊維等の易黒鉛化炭素繊維;カーボンナノチューブ、及びカーボンナノホーン等の炭素ナノ繊維等が好ましい。これらの炭素繊維の多くは、黒鉛と同様にsp2混成軌道を有する。例えば、高温で熱処理されたピッチ系炭素繊維は、単なる黒鉛と比較して極めて高い結晶性を有し、それに由来する炭素原子間の強い結合が、当該ピッチ系炭素繊維の強度及び弾性に影響を及ぼしている。一般に、PAN系炭素繊維及びピッチ系炭素繊維は、不融化処理方法及び熱処理温度が、強度及び弾性率の向上に大きく影響を及ぼしており、これら炭素繊維原料の優れた物性は、膨張化後のフィブリル状の微小繊維においても維持される。
Hereinafter, the manufacturing method is demonstrated about the expanded carbon fiber which is an example of the carbon raw material which can be used for this invention.
Carbon fiber raw materials used for the production of expanded carbon fibers include pitch-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, and non-graphitizable carbon fibers such as phenol resin carbon fibers; graphitizable carbon fibers such as mesophase pitch-based carbon fibers Carbon nanotubes such as carbon nanotubes and carbon nanohorns are preferred. Many of these carbon fibers have sp 2 hybrid orbitals similar to graphite. For example, pitch-based carbon fibers that have been heat-treated at a high temperature have extremely high crystallinity compared to simple graphite, and the strong bonds between carbon atoms derived from them affect the strength and elasticity of the pitch-based carbon fibers. It is exerting. In general, PAN-based carbon fibers and pitch-based carbon fibers are greatly affected by the infusibilization treatment method and heat treatment temperature in improving strength and elastic modulus, and the excellent physical properties of these carbon fiber raw materials are obtained after expansion. It is maintained even in fibrillar microfibers.
層状構造を有する黒鉛及び炭素繊維において、結晶学的に炭素原子層に略平行であるa軸方向及びb軸方向の炭素原子間は強い共有結合で結びついているが、一方、炭素原子層に略垂直であるc軸方向の炭素原子間は、弱いファンデルワールス力で結合しているのみである。したがって、炭素原子層の間に様々な種類の原子、分子、及びイオン等を取り込ませることにより、黒鉛層間化合物が製造される。 In graphite and carbon fibers having a layered structure, carbon atoms in the a-axis direction and the b-axis direction, which are crystallographically substantially parallel to the carbon atom layer, are connected by a strong covalent bond. The carbon atoms in the c-axis direction, which are perpendicular, are only bonded with a weak van der Waals force. Accordingly, graphite intercalation compounds are produced by incorporating various types of atoms, molecules, ions, and the like between the carbon atomic layers.
炭素繊維原料を用いた黒鉛層間化合物の合成方法としては、例えば、化学的処理法及び電気化学的処理法等が挙げられる。この内、化学的処理法の1つである化学的酸化法によれば、濃硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム等の酸化剤や、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等の塩基を炭素材料に添加することにより、これら酸化剤の分子又は塩基の分子が炭素原子層間に取り込まれ、黒鉛層間化合物を合成することができる。一方、例えば、電気化学的処理法の1つである電気化学的酸化法によれば、炭素繊維原料を硝酸や硫酸等の酸電解質中にて電気化学的に酸化することにより、黒鉛層間化合物を合成することができる。得られた黒鉛層間化合物は、熱分解後、その平均粒径が1μm以下の小繊維形状となる。これは、炭素原子層間に挿入された原子、分子、及びイオン等が、熱処理によって分解され、その分解物が炭素原子層の外に放出される際、当該炭素原子層の積層構造を一部壊したり、炭素原子層間を拡張したりする結果、炭素繊維原料が単なる炭素繊維形状から微小繊維形状に変わることによる。 Examples of a method for synthesizing a graphite intercalation compound using a carbon fiber raw material include a chemical treatment method and an electrochemical treatment method. Among these, according to the chemical oxidation method, which is one of the chemical treatment methods, an oxidizing agent such as concentrated sulfuric acid, nitric acid, potassium permanganate, or a base such as potassium hydroxide or sodium hydroxide is added to the carbon material. By doing so, the molecule of the oxidizing agent or the molecule of the base is taken in between the carbon atom layers, and the graphite intercalation compound can be synthesized. On the other hand, for example, according to an electrochemical oxidation method which is one of electrochemical treatment methods, a graphite intercalation compound is obtained by electrochemically oxidizing a carbon fiber raw material in an acid electrolyte such as nitric acid or sulfuric acid. Can be synthesized. The obtained graphite intercalation compound becomes a small fiber shape having an average particle size of 1 μm or less after pyrolysis. This is because when the atoms, molecules, ions, etc. inserted between the carbon atom layers are decomposed by heat treatment and the decomposition products are released out of the carbon atom layer, the laminated structure of the carbon atom layer is partially broken. As a result of expanding the carbon atom layer, the carbon fiber raw material is changed from a simple carbon fiber shape to a fine fiber shape.
以下、膨張化炭素繊維の電気化学的処理法及び化学的処理法についてそれぞれ説明する。なお、本発明に好適に使用できる膨張化炭素繊維の製造方法は、以下に述べる方法のみに限定されることはない。
膨張化炭素繊維の電気化学的処理法は、電気化学的処理工程、洗浄工程、及び炭素化処理工程を有することが好ましい。電気化学処理工程は、電気化学処理により炭素原子層間に原子、分子、及びイオンのうち少なくともいずれか1つ(以下、原子等と称する場合がある。)を挿入し、黒鉛層間化合物を製造する工程である。洗浄工程は、黒鉛層間化合物の表面に付着した余分な電解液成分や原子等を洗い流す工程である。炭素化処理工程は、黒鉛層間化合物の炭素原子層間に挿入された原子等を除去し、且つ、炭素原子層間を拡張する工程である。なお、電気化学的処理法は、以上の3工程のみに限定されるものではなく、例えば、洗浄工程と炭素化処理工程との間に、洗浄に用いた溶媒等を除去するための乾燥工程や、炭素化処理を効率よく進めるための磨砕工程等を設けてもよいし、炭素化処理工程の後に、所定の範囲内の粒径の炭素材料を得るための分級工程等を用いてもよい。
Hereinafter, an electrochemical treatment method and a chemical treatment method for the expanded carbon fiber will be described. In addition, the manufacturing method of the expanded carbon fiber which can be used suitably for this invention is not limited only to the method described below.
The electrochemical treatment method for the expanded carbon fiber preferably includes an electrochemical treatment step, a cleaning step, and a carbonization treatment step. The electrochemical treatment step is a step of producing a graphite intercalation compound by inserting at least one of atoms, molecules and ions (hereinafter sometimes referred to as atoms) between carbon atom layers by electrochemical treatment. It is. The washing step is a step of washing away excess electrolyte components and atoms adhering to the surface of the graphite intercalation compound. The carbonization treatment step is a step of removing atoms inserted between carbon atom layers of the graphite intercalation compound and expanding the carbon atom layer. Note that the electrochemical treatment method is not limited to the above three steps. For example, a drying step for removing the solvent used for washing or the like between the washing step and the carbonization treatment step, In addition, a grinding step or the like for efficiently advancing the carbonization treatment may be provided, or a classification step or the like for obtaining a carbon material having a particle size within a predetermined range may be used after the carbonization treatment step. .
電気化学的処理法に使用される電気化学的処理装置は、電解酸化に用いられる公知の装置を適宜使用できる。電気化学的処理装置の例としては、電気化学セル及びポテンショスタット/ガルバノスタット等の電流及び電圧制御装置が挙げられる。電気化学セルとしては、例えば、作用極、対極、及び参照極を備える三極セルが使用できる。三極セル内部の構成の例としては、例えば、炭素繊維原料が固定された作用極、対極、及び参照極を、いずれも電解液中に浸漬させたものが挙げられる。三極セルの容量にもよるが、電解液の量は、炭素繊維原料が十分に浸漬される量であることが好ましい。
電解液としては、通常、酸が使用できる。酸は通電することにより電気分解が生じるものであれば、その種類は特に限定されない。酸としては有機酸、無機酸、及びこれらの混合物が例示できる。無機酸としては硫酸、濃硫酸、硝酸、濃硝酸、及びリン酸などが例示できる。有機酸としては、ギ酸、及び酢酸などが例示できる。これらの酸の中でも、濃硝酸、ギ酸、及び濃度9mol/dm3以下の希硫酸が好ましく、濃硝酸がより好ましい。
作用極、対極、及び参照極をポテンショスタット/ガルバノスタット等の電流及び電圧制御装置に接続し、電気化学処理を行うことにより、炭素原子層間に原子等を挿入する。電解液として酸を用いた場合には、酸分子が炭素原子層間に挿入される。電気化学処理の際の電流値及び処理時間は、電気化学処理に使用される炭素繊維原料の量や電解液の種類及び濃度により適宜選択することができる。例えば、炭素繊維原料としてピッチ系炭素繊維原料を0.01〜1g用いた場合には、付与電荷量が2,000〜3,000Cとなるまで、電流密度5〜15A/gにて定電流通電することが好ましい。
このような電気化学処理により、繊維内部にわたって層間反応が行われ、炭素繊維に多繊維性、すなわち、微小繊維が多数撚り集まった束としての性質を付与することができる。
As the electrochemical treatment apparatus used for the electrochemical treatment method, a known apparatus used for electrolytic oxidation can be appropriately used. Examples of electrochemical processing devices include current and voltage control devices such as electrochemical cells and potentiostats / galvanostats. As the electrochemical cell, for example, a triode cell having a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode can be used. As an example of the configuration inside the triode cell, for example, a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode to which a carbon fiber raw material is fixed are all immersed in an electrolytic solution. Although depending on the capacity of the triode cell, the amount of the electrolyte is preferably such that the carbon fiber raw material is sufficiently immersed.
As the electrolytic solution, an acid can usually be used. The type of acid is not particularly limited as long as it causes electrolysis when energized. Examples of the acid include organic acids, inorganic acids, and mixtures thereof. Examples of inorganic acids include sulfuric acid, concentrated sulfuric acid, nitric acid, concentrated nitric acid, and phosphoric acid. Examples of the organic acid include formic acid and acetic acid. Among these acids, concentrated nitric acid, formic acid, and dilute sulfuric acid having a concentration of 9 mol / dm 3 or less are preferable, and concentrated nitric acid is more preferable.
The working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are connected to a current and voltage control device such as a potentiostat / galvanostat and an electrochemical process is performed to insert atoms and the like between the carbon atom layers. When acid is used as the electrolyte, acid molecules are inserted between the carbon atom layers. The current value and the treatment time during the electrochemical treatment can be appropriately selected depending on the amount of the carbon fiber raw material used for the electrochemical treatment and the type and concentration of the electrolytic solution. For example, when 0.01 to 1 g of pitch-based carbon fiber raw material is used as the carbon fiber raw material, constant current energization is performed at a current density of 5 to 15 A / g until the applied charge amount becomes 2,000 to 3,000 C. It is preferable to do.
By such an electrochemical treatment, an interlayer reaction is performed over the inside of the fiber, and the carbon fiber can be given a multi-fiber property, that is, a property as a bundle in which a large number of microfibers are twisted together.
洗浄工程に使用できる洗浄液は、黒鉛層間化合物表面に余分に付着した電解液成分や原子等を除去できるものであれば特に限定されない。洗浄液としては、例えば、水、有機酸、有機酸エステル、及びこれらの混合液などが挙げられる。有機酸としては、例えば、ギ酸、酢酸、及びシュウ酸等が使用できる。有機酸エステルとしては、上記有機酸のエステル等が使用できる。洗浄液により洗浄された黒鉛層間化合物は、必要に応じ、さらにアンモニア水、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等の塩基性溶液や、アンモニア等の塩基性ガス等によりアルカリ処理してもよい。これら塩基性溶液や塩基性ガス等によりアルカリ処理された黒鉛層間化合物は、必要に応じ、さらに水などで洗浄してもよい。
洗浄工程後、得られた黒鉛層間化合物を適宜脱水し、乾燥させることが好ましい。また、炭素化処理に備えて、洗浄工程後の黒鉛層間化合物を適宜磨砕してもよい。
The cleaning solution that can be used in the cleaning step is not particularly limited as long as it can remove the electrolyte component, atoms, and the like that are excessively attached to the surface of the graphite intercalation compound. Examples of the cleaning liquid include water, organic acids, organic acid esters, and mixed liquids thereof. Examples of organic acids that can be used include formic acid, acetic acid, and oxalic acid. As the organic acid ester, an ester of the above organic acid or the like can be used. The graphite intercalation compound washed with the washing liquid may be further subjected to an alkali treatment with a basic solution such as aqueous ammonia, aqueous sodium hydroxide or aqueous potassium hydroxide, or a basic gas such as ammonia, if necessary. These graphite intercalation compounds that have been alkali-treated with a basic solution or a basic gas may be further washed with water or the like, if necessary.
After the washing step, the obtained graphite intercalation compound is preferably dehydrated and dried appropriately. In preparation for the carbonization treatment, the graphite intercalation compound after the washing step may be appropriately ground.
炭素化処理は、洗浄処理後の黒鉛層間化合物について、熱処理によって分解し、炭素繊維の膨張化処理を行う工程である。具体的には、まず、洗浄処理後の黒鉛層間化合物を、加熱装置内に設置し、800〜1,200℃で3〜10秒間の加熱処理を行う。このように極めて短い時間に急速に加熱処理を行うことにより、炭素原子層間を拡張し、所望の膨張化炭素繊維を製造することができる。 The carbonization treatment is a step of performing a carbon fiber expansion treatment by decomposing the graphite intercalation compound after the washing treatment by heat treatment. Specifically, first, the graphite intercalation compound after the cleaning treatment is placed in a heating apparatus, and heat treatment is performed at 800 to 1,200 ° C. for 3 to 10 seconds. Thus, by performing heat processing rapidly in a very short time, a carbon atom layer can be expanded and a desired expanded carbon fiber can be manufactured.
電気化学的処理法により得られた膨張化炭素繊維は、通常、その表面に正常なエッジを有する。ここでいう正常なエッジとは、丸まらずに角ばった形状を維持し、且つ、酸素還元反応に関与できるエッジ炭素原子を含む、膨張化炭素繊維の端の部分を指す。そのため、電気化学的処理法により得られた膨張化炭素繊維は、表面のエッジ面積が従来よりも広くなる結果、従来の炭素材料よりも反応抵抗が小さく、充電容量が大きい。 Expanded carbon fibers obtained by an electrochemical treatment method usually have normal edges on the surface. The normal edge as used herein refers to an end portion of the expanded carbon fiber that contains an edge carbon atom that maintains an angular shape without being rounded and can participate in an oxygen reduction reaction. For this reason, the expanded carbon fiber obtained by the electrochemical treatment method has a surface edge area wider than that of the conventional carbon fiber. As a result, the reaction resistance is smaller than that of the conventional carbon material and the charge capacity is large.
膨張化炭素繊維の化学的処理法としては、アルカリ賦活法が例示できる。アルカリ賦活法には、アルカリ水溶液等のアルカリ溶液、及び公知の反応装置を適宜使用できる。アルカリ賦活法に使用できるアルカリ水溶液は、強アルカリ性のものが望ましく、濃度6mol/L以上の水酸化カリウム水溶液若しくは水酸化ナトリウム水溶液、又は濃度が20質量%以上のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液が好ましい。アルカリ処理時間及びアルカリ処理温度は、アルカリ処理に使用される炭素繊維原料の量やサイズ、アルカリ溶液の種類及び濃度により適宜選択することができる。例えば、炭素繊維原料としてピッチ系炭素繊維原料を0.1〜10g用いた場合には、60〜95℃の処理温度で、1〜10時間アルカリ処理することが好ましい。 An example of the chemical treatment method for the expanded carbon fiber is an alkali activation method. In the alkali activation method, an alkaline solution such as an alkaline aqueous solution and a known reaction apparatus can be appropriately used. The alkaline aqueous solution that can be used in the alkali activation method is preferably strongly alkaline, and is preferably a potassium hydroxide aqueous solution or a sodium hydroxide aqueous solution having a concentration of 6 mol / L or more, or a tetramethylammonium hydroxide aqueous solution having a concentration of 20% by mass or more. The alkali treatment time and the alkali treatment temperature can be appropriately selected depending on the amount and size of the carbon fiber raw material used for the alkali treatment and the type and concentration of the alkali solution. For example, when 0.1 to 10 g of pitch-based carbon fiber material is used as the carbon fiber material, it is preferable to perform an alkali treatment at a processing temperature of 60 to 95 ° C. for 1 to 10 hours.
2−2.合成工程
本工程は、上述した炭素原料にアミノ化合物を作用させることにより、当該炭素原料が含有するリンカーと当該アミノ化合物が含有する結合形成官能基とが化学反応を起こすことによって、当該炭素原料と当該アミノ化合物との間に結合を形成し、アミノ基を少なくとも表面に含有する空気電池の空気極用炭素材料を合成する工程である。
本工程において、「炭素原料にアミノ化合物を作用させる」とは、炭素原料とアミノ化合物との間に結合が形成されるように、炭素原料にアミノ化合物を十分接触させることを指す。炭素原料にアミノ化合物を作用させる態様の例としては、例えば、炭素原料とアミノ化合物とを混合する態様等が挙げられる。
2-2. Synthetic Step This step involves reacting the carbon raw material described above with a chemical reaction between the linker contained in the carbon raw material and the bond-forming functional group contained in the amino compound by causing the amino compound to act on the carbon raw material. This is a step of synthesizing a carbon material for an air electrode of an air battery that forms a bond with the amino compound and contains at least the amino group on the surface.
In this step, “to make the amino compound act on the carbon raw material” means that the amino compound is sufficiently brought into contact with the carbon raw material so that a bond is formed between the carbon raw material and the amino compound. As an example of the aspect which makes an amino compound act on a carbon raw material, the aspect etc. which mix a carbon raw material and an amino compound are mentioned, for example.
本工程においては、反応を促進させるために、適宜触媒を使用してもよい。例えば、上記リンカーがカルボキシル基(−CO2H)を含有し、上記結合性官能基がヒドロキシル基(−OH)を含有する場合において、エステル結合(−CO2−)を形成する場合には、p−トルエンスルホン酸等の酸触媒を使用してもよい。また、上記リンカーがヒドロキシル基(−OH)を含有し、上記結合性官能基がハロゲン原子(−X)を含有する場合において、エーテル結合(−O−)を形成する場合には、水酸化ナトリウム水溶液等の塩基触媒を使用してもよい。 In this step, a catalyst may be appropriately used to promote the reaction. For example, when the linker contains a carboxyl group (—CO 2 H) and the binding functional group contains a hydroxyl group (—OH), when an ester bond (—CO 2 —) is formed, An acid catalyst such as p-toluenesulfonic acid may be used. When the linker contains a hydroxyl group (—OH) and the binding functional group contains a halogen atom (—X), when forming an ether bond (—O—), sodium hydroxide A base catalyst such as an aqueous solution may be used.
以下、炭素原料がカルボキシル基(−CO2H)を含有する材料であり、且つ、上記アミノ化合物がヒドロキシル基(−OH)を含有するアミノアルコールである場合を例にとり、本工程を詳細に説明する。
まず、反応容器に、炭素原料、アミノアルコール、及び適宜酸触媒を加えて攪拌する。反応容器には、さらに適切な溶媒を加えてもよい。エステル化反応を促進させるために、反応溶液を適宜加熱してもよい。また、エステル化反応は脱水縮合反応であるため、反応容器に適宜ディーンスタークトラップ等の水捕集装置を備え付け、エステル結合を形成する向きへ反応平衡を片寄らせて、反応を促進させてもよい。
使用できる酸触媒としては、有機酸、無機酸、及びこれらの混合物が例示できる。無機酸としては硫酸、濃硫酸、硝酸、濃硝酸、及びリン酸などが例示できる。有機酸としては、ギ酸、及び酢酸などが例示できる。
エステル化反応が終了した後、反応溶液をろ過してろ過物を取り出し、当該ろ過物を適宜洗浄し、乾燥させることにより、アミノ基を少なくとも表面に含有する空気電池の空気極用炭素材料が得られる。なお、ろ過物の洗浄には、メタノールやエタノール等の低沸点且つ極性を有するプロトン性溶媒;ジエチルエーテル等の低沸点且つ無極性の溶媒;アセトン等の低沸点且つ極性を有する非プロトン性溶媒;等が使用できる。これらの中でも、メタノールやエタノール等の低沸点且つ極性を有するプロトン性溶媒を洗浄用の有機溶媒として用いることが好ましい。
Hereinafter, this process will be described in detail by taking as an example the case where the carbon raw material is a material containing a carboxyl group (—CO 2 H) and the amino compound is an amino alcohol containing a hydroxyl group (—OH). To do.
First, a carbon raw material, amino alcohol, and an appropriate acid catalyst are added to a reaction vessel and stirred. A suitable solvent may be further added to the reaction vessel. In order to promote the esterification reaction, the reaction solution may be appropriately heated. In addition, since the esterification reaction is a dehydration condensation reaction, the reaction vessel may be appropriately equipped with a water collecting device such as a Dean-Stark trap, and the reaction equilibrium may be shifted in the direction of forming an ester bond to promote the reaction. .
Examples of the acid catalyst that can be used include organic acids, inorganic acids, and mixtures thereof. Examples of inorganic acids include sulfuric acid, concentrated sulfuric acid, nitric acid, concentrated nitric acid, and phosphoric acid. Examples of the organic acid include formic acid and acetic acid.
After the esterification reaction is completed, the reaction solution is filtered to take out the filtrate, and the filtrate is appropriately washed and dried to obtain a carbon material for an air electrode of an air battery containing at least an amino group on the surface. It is done. For washing the filtrate, a low-boiling and polar protic solvent such as methanol and ethanol; a low-boiling and nonpolar solvent such as diethyl ether; a low-boiling and polar aprotic solvent such as acetone; Etc. can be used. Among these, it is preferable to use a protic solvent having a low boiling point and polarity such as methanol and ethanol as an organic solvent for washing.
炭素原料及びアミノ化合物の混合比は、炭素原料表面のリンカーの量や種類、アミノ化合物が含有する結合性官能基の量や種類に応じて、適宜調節することが好ましい。
なお、炭素原料として膨張化炭素繊維、アミノ化合物としてアミノアルコールを用いる場合において、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比を2×10−5m−2〜7.5×10−3m−2とする場合には、例えば、膨張化炭素繊維及びアミノアルコールの混合比(質量比)を、膨張化炭素繊維:アミノアルコール=20質量%:80質量%〜99質量%:1質量%とすることが好ましい。
The mixing ratio of the carbon raw material and the amino compound is preferably adjusted as appropriate according to the amount and type of the linker on the surface of the carbon raw material and the amount and type of the binding functional group contained in the amino compound.
In addition, when using expanded carbon fiber as a carbon raw material and amino alcohol as an amino compound, the ratio of the number of nitrogen atoms to the number of carbon atoms per specific surface area is 2 × 10 −5 m −2 to 7.5 ×. In the case of 10 −3 m −2 , for example, the mixing ratio (mass ratio) of the expanded carbon fiber and amino alcohol is expanded carbon fiber: amino alcohol = 20 mass%: 80 mass% to 99 mass%: It is preferable to set it as 1 mass%.
このように、炭素原料にアミノ化合物を作用させ、炭素原料表面にアミノ基を付加させることにより、上述した本発明に係る空気電池の空気極用炭素材料が製造できる。また、本製造方法は、炭素原料とアミノ化合物を比較的簡便な条件で反応させることにより、1段階で目的とする空気電池の空気極用炭素材料を製造することができる。 Thus, the carbon material for an air electrode of the air battery according to the present invention described above can be manufactured by causing an amino compound to act on the carbon raw material and adding an amino group to the surface of the carbon raw material. Moreover, this manufacturing method can manufacture the carbon material for air electrodes of the target air battery in one step by making a carbon raw material and an amino compound react on comparatively simple conditions.
3.空気電池
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、前記空気極が上記空気電池の空気極用炭素材料を含むことを特徴とする。
3. Air battery The air battery of the present invention is 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, wherein the air electrode is a carbon for an air electrode of the air battery. Including material.
本発明の一態様である空気電池は、空気正極とリチウム金属又はリチウム化合物負極との間に電解質を介在してなる空気電池であって、前記空気正極は、連通した三相界面サイトを有する多孔性の炭素繊維材料を含有し、且つ、当該三相界面サイトのエッジ炭素原子にアミノ基が結合していることを特徴とする。 An air battery according to one embodiment of the present invention is an air battery in which an electrolyte is interposed between an air positive electrode and a lithium metal or lithium compound negative electrode, and the air positive electrode has a porous three-phase interface site in communication. It is characterized in that an amino group is bonded to an edge carbon atom of the three-phase interface site.
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本発明に係る空気電池の空気極用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 for an air electrode of the air battery according to the present invention 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。本発明においては、負極がリチウム金属又はリチウム化合物を含有してもよい。 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. In the present invention, the negative electrode may contain lithium metal or a lithium compound.
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LiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6等の無機リチウム塩;LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2(Li−TFSA)、LiN(SO2C2F5)2及びLiC(SO2CF3)3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、粘性の高いものを用いることが好ましい。粘性の高い非水系電解液又は非水溶媒としては、例えば、イオン性液体等が挙げられる。イオン性液体としては、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)等が挙げられる。
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 this invention, it is preferable to use a highly viscous thing as a non-aqueous electrolyte solution or a non-aqueous solvent. Examples of the highly viscous non-aqueous electrolyte or non-aqueous solvent include ionic liquids. Examples of the ionic liquid include 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 (trifluoromethanesulfonyl) amide (DEMETFSA) N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (TMPATFSA) and the like.
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、LiNO3、CH3CO2Li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(CF3SO2)2)−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、Li2S−P2S5、Li2S−P2S3、Li2S−P2S3−P2S5、Li2S−SiS2、Li2S−Si2S、Li2S−B2S3、Li2S−GeS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−SiS2−P2S5、Li2S−SiS2−Li4SiO4、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li3PS4−Li4GeS4、Li3.4P0.6Si0.4S4、Li3.25P0.25Ge0.76S4、Li4−xGe1−xPxS4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(PO4)3、La0.51Li0.34TiO0.74、Li3PO4、Li2SiO2、Li2SiO4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、導入及び排気する気体は、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 and exhausted preferably has a high oxygen concentration, and more preferably is 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.膨張化炭素繊維の作製
[実施例1]
1−1.電気化学処理
ピッチ系炭素繊維を白金両電極の先に固定して、濃硝酸電解液中に浸漬し、定電流電気化学処理することにより、硝酸−黒鉛層間化合物を合成した。
図5は、定電流電気化学処理装置の概略模式図である。本発明に使用した定電流電気化学処理装置200は、ポテンショスタット/ガルバノスタット(Solartron社製、1287型)及び電気化学セルを備える。
電気化学セルの概要は以下の通りである。300mL容積の反応容器11に、電極として白金板12及び白金板13(長さ50mm×幅10mm×厚さ0.2mm)を備え付け、陽極(作用極)の白金板12の下端に、5cmの長さに切り揃えたピッチ系炭素繊維14(日本グラファイトファイバー社製,製品名「YS−95」、繊維径:5μm、質量:0.1g)をテープで固定した。参照電極として、陽極の近傍に銀/塩化銀電極15を取り付けた。ピッチ系炭素繊維14が十分に浸潰されるように、電解液として13mol/dm3硝酸100mL(図5中の16)を加えた。
電気化学セルの白金板12、白金板13、及び銀/塩化銀電極15を、いずれもポテンショスタット/ガルバノスタットに接続し、ピッチ系炭素繊維14への付与電荷量が2,400Cになるまで電流密度10A/gで定電流通電し、硝酸−黒鉛層間化合物を合成した。
1. Production of expanded carbon fiber [Example 1]
1-1. Electrochemical treatment A pitch-based carbon fiber was fixed to the tips of both platinum electrodes, immersed in a concentrated nitric acid electrolyte, and subjected to constant-current electrochemical treatment to synthesize a nitric acid-graphite intercalation compound.
FIG. 5 is a schematic diagram of a constant current electrochemical treatment apparatus. The constant current electrochemical treatment apparatus 200 used in the present invention includes a potentiostat / galvanostat (manufactured by Solartron, model 1287) and an electrochemical cell.
The outline of the electrochemical cell is as follows. A reaction vessel 11 having a volume of 300 mL is equipped with a platinum plate 12 and a platinum plate 13 (length 50 mm × width 10 mm × thickness 0.2 mm) as electrodes, and a lower end of the anode (working electrode) platinum plate 12 is 5 cm long. Pitch-based carbon fibers 14 (manufactured by Nippon Graphite Fiber Co., Ltd., product name “YS-95”, fiber diameter: 5 μm, mass: 0.1 g) were fixed with tape. As a reference electrode, a silver / silver chloride electrode 15 was attached in the vicinity of the anode. In order that the pitch-based carbon fiber 14 was sufficiently crushed, 100 mL of 13 mol / dm 3 nitric acid (16 in FIG. 5) was added as an electrolytic solution.
The electrochemical cell platinum plate 12, platinum plate 13, and silver / silver chloride electrode 15 are all connected to a potentiostat / galvanostat, and the electric current applied to the pitch-based carbon fiber 14 reaches 2,400C. A constant current was applied at a density of 10 A / g to synthesize a nitric acid-graphite intercalation compound.
1−2.洗浄
得られた硝酸−黒鉛層間化合物を電気化学セルから取り出し、当該硝酸−黒鉛層間化合物の表面に付着した硝酸を除去するため、当該硝酸−黒鉛層間化合物を十分量の水で繰り返し水洗した。その後、当該硝酸−黒鉛層間化合物を脱水し、デシケータ内で24時間乾燥させた。
1-2. Washing The obtained nitric acid-graphite intercalation compound was taken out of the electrochemical cell, and the nitric acid-graphite intercalation compound was repeatedly washed with a sufficient amount of water in order to remove the nitric acid adhering to the surface of the nitric acid-graphite intercalation compound. Thereafter, the nitric acid-graphite intercalation compound was dehydrated and dried in a desiccator for 24 hours.
1−3.炭素化処理
乾燥後の硝酸−黒鉛層間化合物を、熱処理によって分解し、炭素繊維の膨張化処理を行った。具体的には、乾燥後の硝酸−黒鉛層間化合物を電気炉内に挿入し、空気中において、1,000℃にて5秒間の急速加熱処理を施すことにより、炭素原子層間を拡大し、膨張化炭素繊維を作製した。
1-3. Carbonization treatment The nitric acid-graphite intercalation compound after drying was decomposed by a heat treatment to expand the carbon fiber. Specifically, the nitric acid-graphite intercalation compound after drying is inserted into an electric furnace and subjected to rapid heating treatment at 1,000 ° C. for 5 seconds in the air, thereby expanding and expanding the carbon atomic layer. Carbonized fiber was prepared.
1−4.膨張化炭素繊維へのアミノ基の付加
フィッシャーのエステル化反応により、膨張化炭素繊維へのアミノ基の付加を行った。この反応は、膨張化炭素繊維にエタノールアミンを作用させることによる、膨張化炭素繊維の主にエッジ炭素原子と結合を有するカルボキシル基と、エタノールアミンのヒドロキシル基との間のエステル化反応である。反応容器に、炭素化処理を経て得られた膨張化炭素繊維0.2g、エタノールアミン(キシダ化学株式会社製、純度99.0%以上)0.4mL、酸触媒としてp−トルエンスルホン酸(キシダ化学株式会社製、純度99.0%以上)1.5g、溶媒としてトルエン(キシダ化学株式会社製、純度99.0%以上)200mLをそれぞれ加え、さらにスターラーチップを加えた。反応容器にディーンスタークトラップ及び冷却器を連結し、反応溶液を約110℃で9時間攪拌し、還流させながら反応させた。その後、反応溶液をろ過してろ過物の固体を得た後、当該ろ過物の固体についてさらに飽和炭酸水素ナトリウム水溶液及び蒸留水を適宜用いて洗浄を繰り返した。洗浄後の当該固体を、さらにメタノールで洗浄した後、真空中で15時間乾燥させ、実施例1の空気電池の空気極用炭素材料(以下、実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物と称する場合がある。)を作製した。
1-4. Addition of Amino Group to Expanded Carbon Fiber An amino group was added to the expanded carbon fiber by Fischer's esterification reaction. This reaction is an esterification reaction between a carboxyl group mainly having an edge carbon atom in the expanded carbon fiber and a hydroxyl group of ethanolamine by allowing ethanolamine to act on the expanded carbon fiber. In a reaction vessel, 0.2 g of expanded carbon fiber obtained through a carbonization treatment, 0.4 mL of ethanolamine (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., purity 99.0% or more), p-toluenesulfonic acid (Kishida) as an acid catalyst Chemical Co., Ltd. (purity 99.0% or more) 1.5 g, toluene (Kishida Chemical Co., Ltd., purity 99.0% or more) 200 mL was added as a solvent, and a stirrer chip was further added. A Dean-Stark trap and a condenser were connected to the reaction vessel, and the reaction solution was stirred at about 110 ° C. for 9 hours and reacted while refluxing. Then, after filtering the reaction solution and obtaining the solid of a filtrate, washing | cleaning was repeated using the saturated sodium hydrogencarbonate aqueous solution and distilled water suitably about the solid of the said filtrate. The solid after the washing is further washed with methanol and then dried in a vacuum for 15 hours, and the carbon material for an air electrode of the air battery of Example 1 (hereinafter referred to as the expanded carbon fiber aminated product of Example 1) Was made.
[実施例2]
実施例1と同様に、電気化学処理、洗浄、及び炭素化処理を行い、膨張化炭素繊維を作製した。実施例1における膨張化炭素繊維へのアミノ基の付加において、エタノールアミンの添加量を0.4mLから2.0μLに変更した以外は、実施例1と同様に膨張化炭素繊維へのアミノ基の付加を行い、実施例2の空気電池の空気極用炭素材料(以下、実施例2の膨張化炭素繊維アミノ化物と称する場合がある。)を作製した。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, electrochemical treatment, washing, and carbonization treatment were performed to produce expanded carbon fibers. In addition of the amino group to the expanded carbon fiber in Example 1, the amino group was added to the expanded carbon fiber in the same manner as in Example 1 except that the addition amount of ethanolamine was changed from 0.4 mL to 2.0 μL. The carbon material for an air electrode of the air battery of Example 2 (hereinafter, sometimes referred to as an expanded carbon fiber aminated product of Example 2) was produced.
[比較例1]
実施例1と同様に、電気化学処理、洗浄、及び炭素化処理を行い、膨張化炭素繊維を作製した。実施例1における膨張化炭素繊維へのアミノ基の付加において、エタノールアミンの添加量を0.4mLから0.8mLに変更した以外は、実施例1と同様に膨張化炭素繊維へのアミノ基の付加を行い、比較例1の空気電池の空気極用炭素材料(以下、比較例1の膨張化炭素繊維アミノ化物と称する場合がある。)を作製した。
[Comparative Example 1]
In the same manner as in Example 1, electrochemical treatment, washing, and carbonization treatment were performed to produce expanded carbon fibers. In addition of the amino group to the expanded carbon fiber in Example 1, the amino group was added to the expanded carbon fiber in the same manner as in Example 1 except that the addition amount of ethanolamine was changed from 0.4 mL to 0.8 mL. The carbon material for an air electrode of the air battery of Comparative Example 1 (hereinafter, sometimes referred to as an expanded carbon fiber aminated product of Comparative Example 1) was prepared.
[比較例2]
実施例1と同様に、電気化学処理、洗浄、及び炭素化処理を行い、膨張化炭素繊維を作製した。実施例1における膨張化炭素繊維へのアミノ基の付加において、エタノールアミンの添加量を0.4mLから0.5μLに変更した以外は、実施例1と同様に膨張化炭素繊維へのアミノ基の付加を行い、比較例2の空気電池の空気極用炭素材料(以下、比較例2の膨張化炭素繊維アミノ化物と称する場合がある。)を作製した。
[Comparative Example 2]
In the same manner as in Example 1, electrochemical treatment, washing, and carbonization treatment were performed to produce expanded carbon fibers. In addition of the amino group to the expanded carbon fiber in Example 1, the amino group was added to the expanded carbon fiber in the same manner as in Example 1 except that the addition amount of ethanolamine was changed from 0.4 mL to 0.5 μL. The carbon material for an air electrode of the air battery of Comparative Example 2 (hereinafter, sometimes referred to as an expanded carbon fiber aminated product of Comparative Example 2) was prepared.
[比較例3]
実施例1と同様に、電気化学処理、洗浄、及び炭素化処理を行い、比較例3の空気電池の空気極用炭素材料(以下、比較例3の膨張化炭素繊維と称する場合がある。)を作製した。すなわち、比較例3においては、膨張化炭素繊維へのアミノ基の付加を行わなかった。
[Comparative Example 3]
In the same manner as in Example 1, electrochemical treatment, cleaning, and carbonization treatment were performed, and the carbon material for the air electrode of the air battery of Comparative Example 3 (hereinafter sometimes referred to as expanded carbon fiber of Comparative Example 3). Was made. That is, in Comparative Example 3, no amino group was added to the expanded carbon fiber.
[参考例1]
リービッヒ冷却管を備える500mLの反応容器を、オイルバス内に設置した。当該反応容器内に、濃度8mol/LのKOH水溶液を200mL加え、炭素材料を5g投入し、マグネチックスターラーで攪拌した。オイルバスの温度を80℃に設定し、且つ、リービッヒ冷却管には冷却水を流すことにより、アルカリ水溶液を6時間還流し、炭素材料に対するアルカリ賦活処理を行って、参考例1の空気電池の空気極用炭素材料を作製した。
[Reference Example 1]
A 500 mL reaction vessel equipped with a Liebig condenser was installed in the oil bath. 200 mL of a 8 mol / L KOH aqueous solution was added to the reaction vessel, 5 g of a carbon material was added, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer. The temperature of the oil bath was set to 80 ° C., and cooling water was allowed to flow through the Liebig condenser, whereby the alkaline aqueous solution was refluxed for 6 hours, and the alkali activation treatment was performed on the carbon material. A carbon material for an air electrode was produced.
2.炭素材料の評価
2−1.炭素材料のSEM観察
実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物、及び、ケッチェンブラック(Ketjen−EC600JD;以下、比較例4の空気電池の空気極用炭素材料と称する場合がある。)について、以下の条件にて走査型電子顕微鏡(scanning electron microscope;以下、SEMと称する。)観察を行った。すなわち、走査型電子顕微鏡(日立製、S−5500)を用いて、加速電圧10kV又は3kVにて、倍率500〜10,000倍でSEM観察を行った。
図6(a)は、比較例4の空気電池の空気極用炭素材料の倍率500倍のSEM画像である。図6から分かるように、比較例4の空気電池の空気極用炭素材料は、極めて肌理の細かい化学構造を有する。一方、図3(a)は、実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物の倍率5,000倍のSEM画像である。図3(a)から分かるように、実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物は、長径が1〜10μm、短径が0.5〜5μm、アスペクト比が2〜9の薄片状の固体である。
2. 2. Evaluation of carbon material 2-1. SEM Observation of Carbon Material The expanded carbon fiber aminated product of Example 1 and ketjen black (Ketjen-EC600JD; hereinafter may be referred to as the air electrode carbon material of the air battery of Comparative Example 4) are described below. Under the conditions, a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) was observed. That is, using a scanning electron microscope (Hitachi, S-5500), SEM observation was performed at an acceleration voltage of 10 kV or 3 kV and a magnification of 500 to 10,000 times.
6A is an SEM image at a magnification of 500 times of the carbon material for the air electrode of the air battery of Comparative Example 4. FIG. As can be seen from FIG. 6, the air electrode carbon material of the air battery of Comparative Example 4 has a very fine chemical structure. On the other hand, FIG. 3A is an SEM image of the expanded carbon fiber aminated product of Example 1 at a magnification of 5,000. As can be seen from FIG. 3A, the expanded carbon fiber aminated product of Example 1 is a flaky solid having a major axis of 1 to 10 μm, a minor axis of 0.5 to 5 μm, and an aspect ratio of 2 to 9. .
2−2.比表面積あたりの原子数濃度比の測定
実施例1−実施例2及び比較例1−比較例2の膨張化炭素繊維アミノ化物、比較例3の膨張化炭素繊維、並びに、比較例4の空気電池の空気極用炭素材料について、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比を測定した。
X線光電子分光装置(アルバック・ファイ社製、製品番号:PHI5700)を用いて、JIS K0167に準拠してX線光電子分光法を行い、炭素原子数濃度及び窒素原子数濃度を測定した。また、ガス吸着量測定装置(日本ベル社製、製品番号:Belsorp max)を用いて、JIS Z8830に準拠してBET法を行い、炭素材料の比表面積を測定した。
測定した窒素原子数濃度を炭素原子数濃度で除し、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比を算出した。さらに、算出した炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比を、炭素材料の比表面積で除することにより、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比を算出した。
2-2. Measurement of the number concentration ratio per specific surface area Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Expanded carbon fiber aminated product of Comparative Example 2, expanded carbon fiber of Comparative Example 3, and air battery of Comparative Example 4 For the air electrode carbon material, the ratio of the nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration per specific surface area was measured.
Using an X-ray photoelectron spectrometer (manufactured by ULVAC-PHI, product number: PHI5700), X-ray photoelectron spectroscopy was performed in accordance with JIS K0167, and the carbon atom number concentration and the nitrogen atom number concentration were measured. Moreover, the BET method was performed based on JISZ8830 using the gas adsorption amount measuring apparatus (Bell Japan, product number: Belsorb max), and the specific surface area of the carbon material was measured.
The measured nitrogen atom number concentration was divided by the carbon atom concentration, and the ratio of the nitrogen atom concentration to the carbon atom concentration was calculated. Furthermore, the ratio of the nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration per specific surface area was calculated by dividing the ratio of the calculated nitrogen atom number concentration to the carbon atom number concentration by the specific surface area of the carbon material.
3.空気極の作製
[実施例3]
まず、実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物、及びPTFEバインダー(ダイキン製)を、膨張化炭素繊維アミノ化物:PTFE=90質量%:10質量%の割合で混合し、当該混合物にさらに溶媒としてエタノールを所定量加えた。次に、当該混合物をロールプレスにより圧延し、60℃の温度条件下且つ真空条件下にて前乾燥させた。続いて、乾燥させた混合物を適宜切り出し、さらに120℃の温度条件下且つ真空条件下にて最終乾燥させ、実施例3の空気極を作製した。
3. Production of air electrode [Example 3]
First, the expanded carbon fiber aminated product of Example 1 and the PTFE binder (manufactured by Daikin) were mixed at a ratio of expanded carbon fiber aminated product: PTFE = 90% by mass: 10% by mass, and further added to the mixture as a solvent. A predetermined amount of ethanol was added. Next, the mixture was rolled by a roll press and pre-dried under a temperature condition of 60 ° C. and a vacuum condition. Subsequently, the dried mixture was appropriately cut out, and further finally dried under a temperature condition of 120 ° C. and a vacuum condition, whereby an air electrode of Example 3 was produced.
[実施例4]
実施例3において、実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物の替わりに、実施例2の膨張化炭素繊維アミノ化物を用いたこと以外は、実施例3と同様に材料の混合、前乾燥、切り出し、最終乾燥を行い、実施例4の空気極を作製した。
[Example 4]
In Example 3, in place of the expanded carbon fiber aminated product of Example 1, the expanded carbon fiber aminated product of Example 2 was used, except that the materials were mixed, pre-dried and cut out in the same manner as in Example 3. Then, final drying was performed to produce the air electrode of Example 4.
[比較例5]
実施例3において、実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物の替わりに、比較例1の膨張化炭素繊維アミノ化物を用いたこと以外は、実施例3と同様に材料の混合、前乾燥、切り出し、最終乾燥を行い、比較例5の空気極を作製した。
[Comparative Example 5]
In Example 3, in place of the expanded carbon fiber aminated product of Example 1, the expanded carbon fiber aminated product of Comparative Example 1 was used, except that the materials were mixed, pre-dried, and cut out in the same manner as in Example 3. Then, final drying was performed to produce an air electrode of Comparative Example 5.
[比較例6]
実施例3において、実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物の替わりに、比較例2の膨張化炭素繊維アミノ化物を用いたこと以外は、実施例3と同様に材料の混合、前乾燥、切り出し、最終乾燥を行い、比較例6の空気極を作製した。
[Comparative Example 6]
In Example 3, in place of the expanded carbon fiber aminated product of Example 1, the expanded carbon fiber aminated product of Comparative Example 2 was used except that the material was mixed, pre-dried, and cut out in the same manner as in Example 3. Then, final drying was performed to produce an air electrode of Comparative Example 6.
[比較例7]
実施例3において、実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物の替わりに、比較例3の膨張化炭素繊維を用いたこと以外は、実施例3と同様に材料の混合、前乾燥、切り出し、最終乾燥を行い、比較例7の空気極を作製した。
[Comparative Example 7]
In Example 3, in place of the expanded carbon fiber aminated product of Example 1, the expanded carbon fiber of Comparative Example 3 was used, except that the materials were mixed, pre-dried, cut out, and finally, as in Example 3. It dried and produced the air electrode of the comparative example 7.
[比較例8]
実施例3において、実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物の替わりに、比較例4の空気電池の空気極用炭素材料を用いたこと以外は、実施例3と同様に材料の混合、前乾燥、切り出し、最終乾燥を行い、比較例8の空気極を作製した。
[Comparative Example 8]
In Example 3, in place of the expanded carbon fiber aminated product of Example 1, the carbon material for the air electrode of the air battery of Comparative Example 4 was used, and the materials were mixed and pre-dried in the same manner as in Example 3. Then, cutting and final drying were performed to produce an air electrode of Comparative Example 8.
4.空気電池の作製
[実施例5]
空気極として、実施例3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(キシダ化学株式会社製)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(JH1004N)を用意した。
負極として金属リチウム(極東金属製、厚さ:200μm、φ15mm)を用意した。
電池ケースとして、F型セル(北斗電工製)を用意した。
4). Preparation of air battery [Example 5]
The air electrode of Example 3 was used as the air electrode.
As an electrolytic solution, N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (manufactured by Kanto Chemical Co., PP13TFSA), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) at 0.32 mol / Dissolved to a concentration of kg and prepared by stirring and mixing overnight under an argon atmosphere. In addition, a polypropylene nonwoven fabric (JH1004N) was prepared as a separator.
Metal lithium (manufactured by Kyokuto Metal, thickness: 200 μm, φ15 mm) was prepared as the negative electrode.
An F-type cell (made by Hokuto Denko) was prepared as a battery case.
電池ケースの底から、金属リチウム、電解液を含浸させたセパレータ、膨張化炭素繊維アミノ化物を含む空気極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5の空気電池を作製した。さらに電池ケース全体を500mLのガス置換コック付ガラスデシケータに収納して、電池ケース内の雰囲気を制御できるようにした。
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。
Each member is housed in the battery case so as to be laminated in the order of metallic lithium, a separator impregnated with an electrolytic solution, and an air electrode containing an expanded carbon fiber amination from the bottom of the battery case. Was made. Furthermore, the entire battery case was housed in a 500 mL glass desiccator with a gas replacement cock so that the atmosphere inside the battery case could be controlled.
All the above steps were performed in a glove box under a nitrogen atmosphere.
[実施例6]
実施例5において、実施例3の空気極の替わりに、実施例4の空気極を使用したこと以外は、実施例5と同様の部材を用いて、実施例6の空気電池を作製した。
[Example 6]
In Example 5, the air battery of Example 6 was produced using the same member as Example 5 except that the air electrode of Example 4 was used instead of the air electrode of Example 3.
[比較例9]
実施例5において、実施例3の空気極の替わりに、比較例5の空気極を使用したこと以外は、実施例5と同様の部材を用いて、比較例9の空気電池を作製した。
[Comparative Example 9]
In Example 5, an air battery of Comparative Example 9 was produced using the same members as in Example 5 except that the air electrode of Comparative Example 5 was used instead of the air electrode of Example 3.
[比較例10]
実施例5において、実施例3の空気極の替わりに、比較例6の空気極を使用したこと以外は、実施例5と同様の部材を用いて、比較例10の空気電池を作製した。
[Comparative Example 10]
In Example 5, an air battery of Comparative Example 10 was produced using the same members as in Example 5 except that the air electrode of Comparative Example 6 was used instead of the air electrode of Example 3.
[比較例11]
実施例5において、実施例3の空気極の替わりに、比較例7の空気極を使用したこと以外は、実施例5と同様の部材を用いて、比較例11の空気電池を作製した。
[Comparative Example 11]
In Example 5, an air battery of Comparative Example 11 was produced using the same members as in Example 5 except that the air electrode of Comparative Example 7 was used instead of the air electrode of Example 3.
[比較例12]
実施例5において、実施例3の空気極の替わりに、比較例8の空気極を使用したこと以外は、実施例5と同様の部材を用いて、比較例12の空気電池を作製した。
[Comparative Example 12]
In Example 5, an air battery of Comparative Example 12 was produced using the same members as in Example 5 except that the air electrode of Comparative Example 8 was used instead of the air electrode of Example 3.
5.空気電池の充放電試験
実施例5−実施例6、及び比較例9−比較例12の空気電池について、充放電試験を行い、充電容量及び反応抵抗を測定した。
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0.05mA/cm2、放電終始電圧2.0V、充電終始電圧3.8Vの条件下で、充放電試験を行い、充電容量を測定した。
5. Charge / Discharge Test of Air Battery The charge / discharge test was performed on the air batteries of Example 5 to Example 6 and Comparative Example 9 to Comparative Example 12, and the charge capacity and reaction resistance were 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, A charge / discharge test was conducted under the conditions of a current density of 0.05 mA / cm 2 , a discharge start voltage of 2.0 V, and a charge start voltage of 3.8 V, and the charge capacity was measured.
6.充放電試験後の炭素材料のSEM観察
上記充放電試験後の実施例5及び比較例12の空気電池について、空気極中から炭素材料を取り出し、以下の条件にてSEM観察を行った。すなわち、走査型電子顕微鏡(日立製、S−5500)を用いて、加速電圧10kV又は3kVにて、倍率500〜10,000倍でSEM観察を行った。
図6(b)は、放電後の比較例12の空気電池の空気極層に含まれる炭素材料の倍率5,000倍のSEM画像である。図6(b)中に示す白矢印は、放電析出物(Li2O2固体、Li2O固体、又はこれらの混合物を含む固体)を示す。図6(b)から分かるように、放電後の比較例12の空気電池における炭素材料の表面には、長径が約2〜4μmの放電析出物が析出する。一方、図3(b)は、放電後の実施例5の空気電池の空気極層に含まれる膨張化炭素繊維アミノ化物の倍率10,000倍のSEM画像である。図3(b)から分かるように、放電後の実施例5の空気電池における膨張化炭素繊維アミノ化物の表面には、長径が約1μm未満の非常に小さな放電析出物が析出する。
6). SEM observation of carbon material after charge / discharge test About the air battery of Example 5 and Comparative Example 12 after the charge / discharge test, the carbon material was taken out from the air electrode and subjected to SEM observation under the following conditions. That is, using a scanning electron microscope (Hitachi, S-5500), SEM observation was performed at an acceleration voltage of 10 kV or 3 kV and a magnification of 500 to 10,000 times.
FIG. 6B is an SEM image at a magnification of 5,000 times of the carbon material contained in the air electrode layer of the air battery of Comparative Example 12 after discharge. White arrows in FIG. 6 (b) shows the discharge precipitate (Li 2 O 2 solid, Li 2 O solid, or solid mixtures thereof). As can be seen from FIG. 6B, discharge deposits having a major axis of about 2 to 4 μm are deposited on the surface of the carbon material in the air battery of Comparative Example 12 after discharge. On the other hand, FIG. 3B is an SEM image at a magnification of 10,000 times of the expanded carbon fiber amination contained in the air electrode layer of the air battery of Example 5 after discharge. As can be seen from FIG. 3B, a very small discharge deposit having a major axis of less than about 1 μm is deposited on the surface of the expanded carbon fiber aminated product in the air battery of Example 5 after discharge.
7.評価のまとめ
図4は、実施例5−実施例6及び比較例9−比較例12の空気電池の充電容量、及び、これらの空気電池に使用された炭素材料における、比表面積あたりの、炭素原子数濃度に対する窒素原子数濃度の比(以下、比表面積あたりのN/C比と称する場合がある。)の関係を示したグラフである。図4は、縦軸に充電容量(mAh/g)、横軸に比表面積あたりのN/C比(10−3m−2)をそれぞれとったグラフである。なお、図4中、黒丸のプロットは、炭素材料として膨張化炭素繊維又はそのアミノ化物を用いた結果を示すプロットであり、黒三角のプロットは、炭素材料としてケッチェンブラックを用いた結果を示すプロットである。
図4から分かるように、空気極にケッチェンブラックを用いた比較例12の空気電池の充電容量は600mAh/gであり、比表面積あたりのN/C比は0.5×10−3m−2である。
一方、図4から分かるように、空気極に実施例1の膨張化炭素繊維アミノ化物を用いた実施例5の空気電池の充電容量は1,826mAh/gであり、比表面積あたりのN/C比は3.8×10−3m−2である。また、空気極に実施例2の膨張化炭素繊維アミノ化物を用いた実施例6の空気電池の充電容量は1,130mAh/gであり、比表面積あたりのN/C比は1.6×10−3m−2である。
従来の炭素材料を用いた比較例12の空気電池は、充電容量が600mAh/gであるのに対し、膨張化炭素繊維アミノ化物(実施例1−実施例2)を用いた実施例5−実施例6の空気電池は、いずれも、充電容量が1,000mAh/gを超える。特に、比表面積あたりのN/C比が3.8×10−3m−2である膨張化炭素繊維アミノ化物(実施例1)を用いた実施例5の空気電池は、比較例12の空気電池の3倍を超える充電容量を有する。したがって、従来の炭素材料を使用した比較例12の空気電池と比較して、実施例5及び実施例6の空気電池は、適切な原子数濃度比の膨張化炭素繊維アミノ化物を空気極に用いたことにより、充電容量が向上したことが分かる。
7). Summary of Evaluation FIG. 4 shows the charge capacity of the air cells of Example 5 to Example 6 and Comparative Example 9 to Comparative Example 12, and carbon atoms per specific surface area in the carbon material used in these air cells. 3 is a graph showing the relationship of the ratio of the number concentration of nitrogen atoms to the number concentration (hereinafter sometimes referred to as the N / C ratio per specific surface area). FIG. 4 is a graph in which the vertical axis represents the charge capacity (mAh / g) and the horizontal axis represents the N / C ratio per specific surface area (10 −3 m −2 ). In FIG. 4, the black circle plot is a plot showing the result of using expanded carbon fiber or an aminated product thereof as the carbon material, and the black triangle plot is the result of using ketjen black as the carbon material. It is a plot.
As can be seen from FIG. 4, the charge capacity of the air battery of Comparative Example 12 using ketjen black for the air electrode is 600 mAh / g, and the N / C ratio per specific surface area is 0.5 × 10 −3 m −. 2 .
On the other hand, as can be seen from FIG. 4, the charge capacity of the air battery of Example 5 using the expanded carbon fiber aminated product of Example 1 for the air electrode is 1,826 mAh / g, and N / C per specific surface area. The ratio is 3.8 × 10 −3 m −2 . Moreover, the charge capacity of the air battery of Example 6 using the expanded carbon fiber amination product of Example 2 for the air electrode is 1,130 mAh / g, and the N / C ratio per specific surface area is 1.6 × 10 6. -3 m -2 .
The air battery of Comparative Example 12 using a conventional carbon material has a charge capacity of 600 mAh / g, whereas Example 5-Example using an expanded carbon fiber aminated product (Example 1-Example 2). As for the air battery of Example 6, all charge capacity exceeds 1,000 mAh / g. In particular, the air battery of Example 5 using the expanded carbon fiber aminated product (Example 1) having an N / C ratio per specific surface area of 3.8 × 10 −3 m −2 is the air of Comparative Example 12. It has a charge capacity that is more than three times that of a battery. Therefore, compared with the air battery of Comparative Example 12 using a conventional carbon material, the air batteries of Examples 5 and 6 use the expanded carbon fiber amination product having an appropriate atomic number concentration ratio for the air electrode. It can be seen that the charging capacity has improved.
これに対し、空気極に比較例2の膨張化炭素繊維アミノ化物を用いた比較例10の空気電池の充電容量は832mAh/gであり、比表面積あたりのN/C比は2×10−5m−2である。また、空気極に比較例3の膨張化炭素繊維を用いた比較例11の空気電池の充電容量は375mAh/gであり、比表面積あたりのN/C比は1×10−5m−2である。
このように、比表面積あたりのN/C比が2×10−5m−2である膨張化炭素繊維アミノ化物(比較例2)を用いた比較例10の空気電池の充電容量は1,000mAh/g未満である。また、膨張化炭素繊維(比較例3)を用いた比較例11の空気電池の充電容量は、従来の炭素材料を用いた比較例12の空気電池の充電容量よりも低い。これらの結果は、比表面積あたりのN/C比が0か又は低すぎる場合には、酸素還元反応の起点が少なすぎるため、充電容量が小さくなることを示す。
On the other hand, the charge capacity of the air battery of Comparative Example 10 using the expanded carbon fiber aminated product of Comparative Example 2 for the air electrode is 832 mAh / g, and the N / C ratio per specific surface area is 2 × 10 −5. m- 2 . Further, the charge capacity of the air battery of Comparative Example 11 using the expanded carbon fiber of Comparative Example 3 for the air electrode is 375 mAh / g, and the N / C ratio per specific surface area is 1 × 10 −5 m −2 . is there.
Thus, the charge capacity of the air battery of Comparative Example 10 using the expanded carbon fiber aminated product (Comparative Example 2) having an N / C ratio per specific surface area of 2 × 10 −5 m −2 is 1,000 mAh. / G. Moreover, the charge capacity of the air battery of Comparative Example 11 using the expanded carbon fiber (Comparative Example 3) is lower than the charge capacity of the air battery of Comparative Example 12 using a conventional carbon material. These results indicate that when the N / C ratio per specific surface area is 0 or too low, the charging capacity is reduced because the starting point of the oxygen reduction reaction is too small.
また、空気極に比較例1の膨張化炭素繊維アミノ化物を用いた比較例9の空気電池の充電容量は320mAh/gであり、比表面積あたりのN/C比は7.6×10−3m−2である。
このように、比表面積あたりのN/C比が7.6×10−3m−2である膨張化炭素繊維アミノ化物(比較例1)を用いた比較例9の空気電池の充電容量は、従来の炭素材料を用いた比較例12の空気電池の充電容量よりも低い。この結果は、比表面積あたりのN/C比が高すぎる場合において、放電析出物であるリチウム酸化物の極性が高いため、表面に存在するアミノ基に競争して吸着することにより、炭素材料の細孔を塞ぎ、充電時における放電析出物の分解が不十分となる結果、充電容量が小さくなることを示す。
また、図4中に示すように、実施例5−実施例6、及び比較例9−比較例11のデータから、以下の式(A)により表される近似曲線が導き出される。
y=−86.3x2+629x+550 式(A)
(上記式(A)中、yは充電容量(mAh/g)を表し、xは比表面積あたりのN/C比(10−3m−2)を表す。)
上記式(A)より、理論上は、比表面積あたりのN/C比が1×10−5m−2〜7.6×10−3m−2である膨張化炭素繊維アミノ化物を空気極に用いることにより、従来の炭素材料を用いた空気電池よりも高い充電容量を発揮できる空気電池が製造される。
Moreover, the charge capacity of the air battery of Comparative Example 9 using the expanded carbon fiber aminated product of Comparative Example 1 for the air electrode is 320 mAh / g, and the N / C ratio per specific surface area is 7.6 × 10 −3. m- 2 .
Thus, the charge capacity of the air battery of Comparative Example 9 using the expanded carbon fiber aminated product (Comparative Example 1) having an N / C ratio per specific surface area of 7.6 × 10 −3 m −2 is It is lower than the charge capacity of the air battery of Comparative Example 12 using a conventional carbon material. This result shows that when the N / C ratio per specific surface area is too high, the lithium oxide, which is a discharge deposit, has a high polarity. This indicates that the charge capacity is reduced as a result of clogging the pores and insufficient decomposition of the discharge deposits during charging.
Moreover, as shown in FIG. 4, the approximate curve represented by the following formula | equation (A) is derived from the data of Example 5- Example 6 and Comparative Example 9-Comparative Example 11.
y = −86.3x 2 + 629x + 550 Formula (A)
(In the above formula (A), y represents the charge capacity (mAh / g), and x represents the N / C ratio per specific surface area (10 −3 m −2 ).)
From the above formula (A), the expanded carbon fiber aminated product having an N / C ratio per specific surface area of 1 × 10 −5 m −2 to 7.6 × 10 −3 m −2 is theoretically defined as an air electrode. As a result, an air battery capable of exhibiting a higher charge capacity than an air battery using a conventional carbon material is produced.
従来の炭素材料を用いた空気電池について、充放電前の炭素材料のSEM画像である図6(a)、及び、放電後の炭素材料のSEM画像である図6(b)を比較すると、放電後の炭素材料表面において、長径が約2〜4μmという粗大な放電析出物が析出することが分かる。
一方、本発明に係る炭素材料を用いた空気電池について、充放電前の炭素材料のSEM画像である図3(a)、及び、放電後の炭素材料のSEM画像である図3(b)を比較すると、放電後の炭素材料表面において、長径が約1μm未満という極めて微小な放電析出物が析出することが分かる。
これらの結果から、アミノ基を含有しない従来の炭素材料の表面においては、充電時に分解されにくく、リチウムイオンへと還元されにくいような、粗大な放電析出物が放電後に生成する。そのため、放電のたびに粗大な放電析出物が空気極表面に蓄積される結果、充電容量が小さくなると考えられる。
一方、アミノ基を含有する本発明に係る炭素材料の表面においては、充電時に比較的容易に分解し、リチウムイオンへと還元されやすい、微小な放電析出物が放電後に生成する。そのため、充電時に放電析出物が解消されやすくなる結果、未使用の炭素材料と同程度の充電容量を保持できると考えられる。
FIG. 6A, which is an SEM image of a carbon material before charging / discharging, and FIG. 6B, which is an SEM image of a carbon material after discharge, are compared for an air battery using a conventional carbon material. It can be seen that coarse discharge deposits having a major axis of about 2 to 4 μm are deposited on the later carbon material surface.
On the other hand, about the air battery using the carbon material which concerns on this invention, Fig.3 (a) which is a SEM image of the carbon material before charging / discharging, and FIG.3 (b) which is the SEM image of the carbon material after discharge are shown. By comparison, it can be seen that very minute discharge deposits having a major axis of less than about 1 μm are deposited on the surface of the carbon material after discharge.
From these results, on the surface of a conventional carbon material containing no amino group, coarse discharge deposits that are difficult to be decomposed during charging and difficult to be reduced to lithium ions are generated after discharge. Therefore, it is considered that the charge capacity is reduced as a result of coarse discharge deposits being accumulated on the surface of the air electrode at every discharge.
On the other hand, on the surface of the carbon material according to the present invention containing an amino group, minute discharge deposits that are relatively easily decomposed during charging and easily reduced to lithium ions are generated after discharging. For this reason, it is considered that discharge deposits are easily eliminated during charging, and as a result, a charge capacity comparable to that of an unused carbon material can be maintained.
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
11 容器
12 陽極(作用極)の白金板
13 陰極(対極)の白金板
14 ピッチ系炭素繊維
15 銀/塩化銀電極
16 13mol/dm3硝酸
100 空気電池
200 定電流電気化学処理装置
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 11 Container 12 Platinum plate of anode (working electrode) 13 Platinum plate of cathode (counter electrode) Pitch system Carbon fiber 15 Silver / silver chloride electrode 16 13 mol / dm 3 Nitric acid 100 Air battery 200 Constant current electrochemical treatment device
Claims (12)
前記炭素材料は少なくとも表面にアミノ基を含有することを特徴とする、空気電池の空気極用炭素材料。 A carbon material used for an air electrode of an air battery,
The carbon material for an air electrode of an air battery, wherein the carbon material contains an amino group at least on a surface thereof.
前記空気極が、前記請求項1又は2に記載の空気電池の空気極用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,
An air battery, wherein the air electrode includes the carbon material for an air electrode of the air battery according to claim 1 or 2.
前記炭素原料に前記アミノ化合物を作用させることにより、前記炭素原料が含有する前記リンカーと前記アミノ化合物が含有する前記結合形成官能基とが化学反応を起こすことによって、前記炭素原料と前記アミノ化合物との間に結合を形成し、アミノ基を少なくとも表面に含有する空気電池の空気極用炭素材料を合成する合成工程、を有することを特徴とする、空気電池の空気極用炭素材料の製造方法。 At least one linker selected from the group consisting of a functional group itself serving as a linker and a group having a functional group serving as the linker is bonded by a chemical reaction with the carbon raw material containing at least the surface and the functional group serving as the linker. A preparation step of preparing an amino compound containing a bond-forming functional group and an amino group to be formed; and
By causing the amino compound to act on the carbon raw material, the linker contained in the carbon raw material and the bond-forming functional group contained in the amino compound cause a chemical reaction, whereby the carbon raw material and the amino compound And a synthesis step of synthesizing a carbon material for an air electrode of an air battery containing an amino group at least on the surface thereof. A method for producing a carbon material for an air electrode of an air battery, comprising:
前記空気正極は、連通した三相界面サイトを有する多孔性の炭素繊維材料を含有し、且つ、当該三相界面サイトのエッジ炭素原子にアミノ基が結合していることを特徴とする、空気電池。 An air battery having an electrolyte interposed between an air positive electrode and a lithium metal or lithium compound negative electrode,
The air positive electrode includes a porous carbon fiber material having three-phase interface sites in communication with each other, and an amino group is bonded to an edge carbon atom of the three-phase interface site. .
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