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JP2017204350A - Lithium air battery and negative electrode structure of lithium air battery - Google Patents

Lithium air battery and negative electrode structure of lithium air battery Download PDF

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JP2017204350A
JP2017204350A JP2016094384A JP2016094384A JP2017204350A JP 2017204350 A JP2017204350 A JP 2017204350A JP 2016094384 A JP2016094384 A JP 2016094384A JP 2016094384 A JP2016094384 A JP 2016094384A JP 2017204350 A JP2017204350 A JP 2017204350A
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negative electrode
lithium
case
electrolyte
current collector
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JP2016094384A
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奏 田丸
Kana Tamaru
奏 田丸
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Mitsubishi Motors Corp
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Mitsubishi Motors Corp
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Abstract

【課題】リチウム空気電池の充放電時に生成されるスラッジで負極が失活した場合、スラッジを除去し且つ負極が空気に触れずに復活させてリチウム空気電池の繰返し使用が可能なリチウム空気電池及びこの負極構造体を提供する。【解決手段】リチウム空気電池は、負極と、負極に対して間隔を有して配置された正極と、負極及び正極間に配置された固体電解質と、固体電解質及び正極間に充填された第1電解質が電池ケース内に設けられる。負極は、負極集電体と、負極集電体に電気的に接続されたリチウム負極体とを有する。リチウム空気電池は、負極と、リチウム負極体に対して隙間を有して配置されてリチウム負極体及び第1電解質間でリチウムイオンの伝導が可能な固体電解質と、リチウム負極体及び固体電解質間でリチウムイオンの伝導が可能な第2電解質とを収容する負極部ケースを備える。負極部ケースは電池ケースに対して挿脱可能に構成される。【選択図】 図3A lithium-air battery capable of repeatedly using a lithium-air battery by removing sludge when the negative electrode is deactivated by sludge generated during charging and discharging of a lithium-air battery, and restoring the negative electrode without touching air. This negative electrode structure is provided. A lithium-air battery includes a negative electrode, a positive electrode disposed at a distance from the negative electrode, a solid electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode, and a first charged between the solid electrolyte and the positive electrode. An electrolyte is provided in the battery case. The negative electrode has a negative electrode current collector and a lithium negative electrode body electrically connected to the negative electrode current collector. The lithium-air battery includes a negative electrode, a solid electrolyte disposed with a gap with respect to the lithium negative electrode body, and capable of conducting lithium ions between the lithium negative electrode body and the first electrolyte, and between the lithium negative electrode body and the solid electrolyte. A negative electrode case is provided that houses a second electrolyte capable of conducting lithium ions. The negative electrode case is configured to be detachable from the battery case. [Selection] Figure 3

Description

本開示は、正極と、負極と、水系の電解質とを含むリチウム空気電池及びリチウム空気電池の負極構造体に関する。   The present disclosure relates to a lithium air battery including a positive electrode, a negative electrode, and an aqueous electrolyte, and a negative electrode structure of the lithium air battery.

近年、電力貯蔵用途や電動車両用途など多岐にわたって、リチウムイオン電池よりもはるかに大きいエネルギー密度を有する空気電池に期待が寄せられている。空気電池は、空気中の酸素を正極活物質に使用する。このような空気電池として、負極活物質に金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、又はリチウムを主成分とする化合物を使用するリチウム空気電池が知られている。このようなリチウム空気電池は、負極、電解質及び正極(空気極)から構成されてなり、電解質としては、水系電解質又は非水系電解質が用いられている。   In recent years, air batteries having a much higher energy density than lithium ion batteries have been expected for a wide variety of applications such as power storage and electric vehicle applications. The air battery uses oxygen in the air as a positive electrode active material. As such an air battery, a lithium-air battery using a lithium metal, a lithium-based alloy, or a lithium-based compound as a negative electrode active material is known. Such a lithium-air battery is composed of a negative electrode, an electrolyte, and a positive electrode (air electrode), and an aqueous electrolyte or a non-aqueous electrolyte is used as the electrolyte.

これらのうち、水系電解質のリチウム空気電池は、一般的には、負極と正極との間に固体電解質が配置され、固体電解質と正極との間に第1電解質(水系電解質)が充填され、負極と固体電解質との間に第2電解質(緩衝層)が配置されて構成されている(特許文献1参照)。このような水系電解質のリチウム空気電池は、非水系電解質のリチウム空気電池に比べて、空気中の水分の影響を受けず、電解質が安価であり、不燃性である等の長所がある。   Among these, the lithium-air battery of an aqueous electrolyte generally has a solid electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode, and a first electrolyte (aqueous electrolyte) is filled between the solid electrolyte and the positive electrode. The second electrolyte (buffer layer) is arranged between the solid electrolyte and the solid electrolyte (see Patent Document 1). Compared with a non-aqueous electrolyte lithium-air battery, such an aqueous electrolyte lithium-air battery is advantageous in that it is not affected by moisture in the air, the electrolyte is inexpensive, and is nonflammable.

このリチウム空気電池は、正極でリチウムイオンと酸素が反応し、LiOHを生成する(放電)ことで電気を得るメカニズムである。また、生成したLiOHをLiと酸素に分解する(充電)ことで再放電が可能となる。   This lithium-air battery is a mechanism for obtaining electricity by reacting lithium ions and oxygen at the positive electrode to generate LiOH (discharge). Further, the generated LiOH can be redischarged by decomposing (charging) Li and oxygen.

特開2015−106486号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-106486 特開2016−9533号公報JP-A-2006-9533

この特許文献1に記載の水系電解質のリチウム空気電池は、充電時に負極表面や第2電解質中の少なくともいずれかにリチウムデントライト(スラッジ)が生成される場合がある。このスラッジが生成されると、充電時に負極で再生される金属リチウムの量が減少して、電池容量が低下する虞が生じる。   In the lithium-air battery of the aqueous electrolyte described in Patent Document 1, lithium dentite (sludge) may be generated on the negative electrode surface or at least one of the second electrolyte during charging. When this sludge is generated, the amount of metallic lithium regenerated at the negative electrode during charging decreases, and the battery capacity may be reduced.

一方、特許文献2には、電極の交換が可能な金属空気電池が開示されているが、リチウム空気電池の負極にスラッジが形成された場合に、特許文献2に記載にならって、負極を交換すればリチウム空気電池の再生が可能になると考えられる。しかしながら、リチウムは空気との反応性が高く、燃焼する場合もあり、リチウムを含む負極の交換は容易ではない。   On the other hand, Patent Document 2 discloses a metal-air battery in which the electrode can be replaced. When sludge is formed on the negative electrode of a lithium-air battery, the negative electrode is replaced in accordance with Patent Document 2. If this is done, it is considered that the lithium-air battery can be regenerated. However, lithium is highly reactive with air and may burn, and replacement of a negative electrode containing lithium is not easy.

本発明の少なくとも一つの実施形態は、このような従来技術の状況の基になされた発明であって、その目的とするところは、リチウム空気電池の充放電時に生成されるスラッジによって負極が失活した場合、スラッジを除去するとともに、負極が空気に触れることなく負極を復活させてリチウム空気電池の繰り返し使用が可能になるリチウム空気電池及びリチウム空気電池の負極構造体を提供することにある。   At least one embodiment of the present invention is an invention based on such a state of the art, and its object is to deactivate the negative electrode by sludge generated during charging and discharging of a lithium air battery. In this case, it is an object to provide a lithium air battery and a negative electrode structure of a lithium air battery in which sludge is removed and the negative electrode is revived without being exposed to air so that the lithium air battery can be used repeatedly.

(1)本発明の少なくとも一つの実施形態にかかるリチウム空気電池は、負極と、前記負極に対して間隔を有して配置された正極と、前記負極と前記正極との間に配置された固体電解質と、前記固体電解質と前記正極との間に充填された第1電解質とが電池ケース内に設けられたリチウム空気電池であって、前記負極は、電極となる負極集電体と、前記負極集電体に電気的に接続されたリチウム負極体と、によって構成され、前記負極と、前記リチウム負極体に対して隙間を有して配置されて前記リチウム負極体と前記第1電解質との間でリチウムイオンの伝導が可能な前記固体電解質と、前記リチウム負極体と前記固体電解質との間でリチウムイオンの伝導が可能な第2電解質とを収容する負極部ケースを備え、前記負極部ケースは、前記電池ケースの上面に形成された挿脱孔部に対して挿脱可能に構成されている。   (1) A lithium-air battery according to at least one embodiment of the present invention includes a negative electrode, a positive electrode disposed at a distance from the negative electrode, and a solid disposed between the negative electrode and the positive electrode. A lithium-air battery in which an electrolyte and a first electrolyte filled between the solid electrolyte and the positive electrode are provided in a battery case, wherein the negative electrode includes a negative electrode current collector serving as an electrode, and the negative electrode A lithium negative electrode body electrically connected to a current collector, and disposed between the negative electrode and the lithium negative electrode body with a gap between the lithium negative electrode body and the first electrolyte. A negative electrode case that houses the solid electrolyte capable of conducting lithium ions and a second electrolyte capable of conducting lithium ions between the lithium negative electrode body and the solid electrolyte, wherein the negative electrode case is The above And it is configured to be inserted and removed with respect to insertion and removal hole formed on the upper surface of the pond case.

上記(1)に記載のリチウム空気電池によれば、負極や第2電解質にスラッジが生成されて負極が失活した場合には、失活した負極を含む負極部ケースを電池ケースから取り外した後に、新しい負極部ケースを電池ケースに挿着する。ここで、負極部ケースは、負極、リチウム負極体、固体電解質、第2電解質を一体化して収容しているので、負極部ケースの挿脱時にリチウム負極体が空気に触れることはない。また負極が失活した場合に、新しい負極部ケースを電池ケースに挿着することで、リチウム空気電池において、負極にスラッジの付着が無く、且つ第2電解質内にスラッジが浮遊していない状態に復元することができる。よって、リチウム空気電池の充放電時に生成されるスラッジによって負極が失活した場合、スラッジを除去するとともに、負極が空気に触れることなく負極を復活させてリチウム空気電池の繰り返し使用が可能になるリチウム空気電池を実現できる。   According to the lithium-air battery described in (1) above, when sludge is generated in the negative electrode or the second electrolyte and the negative electrode is deactivated, the negative electrode case containing the deactivated negative electrode is removed from the battery case. A new negative electrode case is inserted into the battery case. Here, since the negative electrode part case integrally accommodates the negative electrode, the lithium negative electrode body, the solid electrolyte, and the second electrolyte, the lithium negative electrode body does not come into contact with air when the negative electrode part case is inserted or removed. In addition, when the negative electrode is deactivated, a new negative electrode case is inserted into the battery case, so that in the lithium-air battery, no sludge adheres to the negative electrode, and no sludge floats in the second electrolyte. Can be restored. Therefore, when the negative electrode is deactivated by sludge generated during charging / discharging of the lithium-air battery, the sludge is removed and the negative electrode is reactivated without touching the air, so that the lithium-air battery can be used repeatedly. An air battery can be realized.

(2)幾つかの実施形態では、上記(1)に記載のリチウム空気電池において、前記負極部ケースは、箱状に形成されて、前記負極部ケースの一方側の側面に第1開口部が設けられ、前記第1開口部は、前記正極に対向配置され、前記固体電解質は、前記第1開口部を覆って前記負極部ケースの内部に固定されている。   (2) In some embodiments, in the lithium-air battery according to (1), the negative electrode case is formed in a box shape, and a first opening is formed on one side surface of the negative electrode case. The first opening is disposed opposite to the positive electrode, and the solid electrolyte is fixed inside the negative electrode case so as to cover the first opening.

上記(2)に記載の実施形態によれば、固体電解質は、第1開口部を覆って負極部ケースの内部に固定されているので、固体電解質が第1開口部の外側へ突出する虞が無い。このため、負極部ケースを電池ケースの上面に形成された挿脱孔部に対して挿脱する際に、固体電解質が挿脱孔部に接触して損傷する虞を防止することができる。   According to the embodiment described in (2) above, since the solid electrolyte covers the first opening and is fixed inside the negative electrode case, there is a possibility that the solid electrolyte protrudes outside the first opening. No. For this reason, when inserting / removing a negative electrode part case with respect to the insertion / removal hole part formed in the upper surface of a battery case, a possibility that a solid electrolyte may contact and damage a insertion / removal hole part can be prevented.

(3)幾つかの実施形態では、上記(2)に記載のリチウム空気電池において、前記第1開口部には、前記第1開口部を複数の開口部分に仕切るための複数の仕切部材が互いに交差する方向に延設されている。   (3) In some embodiments, in the lithium-air battery according to (2), a plurality of partition members for partitioning the first opening into a plurality of opening portions are mutually connected to the first opening. It extends in the intersecting direction.

上記(3)に記載の実施形態によれば、第1開口部に複数の仕切部材が互いに交差する方向に延設されているので、複数の仕切部材によって第1開口部を複数の開口部分に仕切ることができる。このため、開口部分の面積が第1開口部の面積よりも小さくなり、負極部ケースの挿脱時に障害物が開口部分に接触したり、外力が開口部分に作用したりする虞を抑えることができ、固体電解質が損傷する虞をより防止することができる。   According to the embodiment described in (3) above, since the plurality of partition members are extended in the direction in which the first openings intersect each other, the plurality of partition members form the first openings into the plurality of openings. Can be partitioned. For this reason, the area of the opening portion becomes smaller than the area of the first opening portion, and it is possible to suppress the possibility that an obstacle may come into contact with the opening portion or an external force may act on the opening portion when the negative electrode case is inserted and removed. This can further prevent the solid electrolyte from being damaged.

(4)幾つかの実施形態では、上記(2)又は(3)に記載のリチウム空気電池において、前記負極集電体は、板状の前記リチウム負極体に重なって接触した状態で固定される集電体本体部と、前記集電体本体部の外周部の少なくとも2か所の異なる位置から突出して前記負極部ケースの内面に接続される複数の接続部と、を含み、前記リチウム負極体は、前記負極集電体を介して前記負極部ケースに固定されるように構成される。   (4) In some embodiments, in the lithium-air battery according to (2) or (3), the negative electrode current collector is fixed in a state of being in contact with the plate-like lithium negative electrode body. A current collector main body, and a plurality of connecting portions protruding from at least two different positions on the outer periphery of the current collector main body and connected to the inner surface of the negative electrode case, and the lithium negative electrode body Is configured to be fixed to the negative electrode case through the negative electrode current collector.

上記(4)に記載の実施形態によれば、集電体本体部は板状のリチウム負極体に重なって接触した状態で固定されるので、リチウム負極体に対する集電体本体部の電極効果を効果的に発揮させることができる。また、負極集電体の集電体本体部の外周部の少なくとも2か所の異なる位置から突出する複数の接続部が負極部ケースの内面に接続されているので、負極集電体を負極部ケースに対してより強固に固定することができる。このため、板状のリチウム負極体に重なって接触した状態で固定されている集電体本体部を介して、リチウム負極体を負極部ケースに対してより強固に固定することができる。   According to the embodiment described in (4) above, the current collector main body is fixed in contact with the plate-like lithium negative electrode body, so that the electrode effect of the current collector main body on the lithium negative electrode body can be reduced. It can be exhibited effectively. In addition, since the plurality of connecting portions protruding from at least two different positions on the outer peripheral portion of the current collector main body of the negative electrode current collector are connected to the inner surface of the negative electrode case, the negative electrode current collector is connected to the negative electrode portion. It can be more firmly fixed to the case. For this reason, a lithium negative electrode body can be more firmly fixed with respect to a negative electrode part case via the collector main-body part fixed in the state which overlapped and contacted the plate-shaped lithium negative electrode body.

(5)幾つかの実施形態では、上記(4)に記載のリチウム空気電池において、前記複数の接続部のうちの一つは、前記集電体本体部の上部に上方へ向かって突設され、前記負極部ケースの上面に形成された挿通孔部に挿通されて前記負極部ケースに固定され、前記複数の接続部のうちの他の一つは、前記集電体本体部の下部に下方へ向かって突設され、前記負極部ケースの底部に接続されて前記負極部ケースに固定されるように構成される。   (5) In some embodiments, in the lithium-air battery according to (4), one of the plurality of connection portions protrudes upward from the upper portion of the current collector main body. The negative electrode case is inserted into an insertion hole formed in the upper surface of the negative electrode case and fixed to the negative electrode case, and the other one of the plurality of connection parts is formed below the current collector body. Projecting toward the bottom, connected to the bottom of the negative electrode case, and fixed to the negative electrode case.

上記(5)に記載の実施形態によれば、集電体本体部の上部に上方へ向かって突設された接続部を負極部ケースの上面に形成された挿通孔部に挿通することで、負極部ケースに対する集電体本体部の位置決めをすることができる。また、集電体本体部の下部に下方へ向かって突設された接続部を負極部ケースの底部に接続することで、負極部ケースに対して位置決めされた集電体本体部を負極部ケースに固定することができる。よって、集電体本体部を負極部ケース内において位置決めした状態で固定することができる。   According to the embodiment described in the above (5), by inserting the connection portion protruding upward from the upper portion of the current collector main body portion into the insertion hole portion formed in the upper surface of the negative electrode case, The current collector body can be positioned with respect to the negative electrode case. In addition, the current collector main body positioned with respect to the negative electrode case can be connected to the bottom of the negative electrode case by connecting a connecting portion protruding downward from the lower part of the current collector main body to the negative electrode case. Can be fixed to. Therefore, the current collector body can be fixed in a state of being positioned in the negative electrode case.

(6)幾つかの実施形態では、上記(1)に記載のリチウム空気電池において、前記電池ケースの上面に形成された前記挿脱孔部よりも下方の前記電池ケース内には、前記挿脱孔部を介して前記負極部ケースを前記電池ケースに対して挿脱する際の前記負極部ケースの移動を案内する案内ガイドが設けられている。   (6) In some embodiments, in the lithium-air battery according to (1), the insertion / removal is performed in the battery case below the insertion / removal hole formed in the upper surface of the battery case. A guide guide is provided for guiding the movement of the negative electrode case when the negative electrode case is inserted into and removed from the battery case through the hole.

上記(6)に記載の実施形態によれば、挿脱孔部よりも下方の前記電池ケース内に負極部ケースの移動を案内する案内ガイドが設けられているので、挿脱孔部を介して負極部ケースを電池ケースに対して挿脱する際の負極部ケースの挿脱操作を容易にすることができる。   According to the embodiment described in (6) above, since the guide guide for guiding the movement of the negative electrode case is provided in the battery case below the insertion / removal hole, the insertion / removal part is interposed. The insertion / removal operation of the negative electrode case can be facilitated when the negative electrode case is inserted into / removed from the battery case.

(7)幾つかの実施形態では、上記(2)に記載のリチウム空気電池において、前記負極部ケースが前記電池ケース内に挿入された状態で、前記正極と対向する側と反対側の前記負極部ケースの反対側面と前記電池ケースの内面との間に、前記第1電解質が存在し、前記負極部ケースの前記反対側面には、第2開口部が形成され、前記第2開口部を覆って固体電解質が前記負極部ケースの内部に固定されるとともに、前記固体電解質と前記リチウム負極体との間に前記第2電解質が充填されているように構成される。   (7) In some embodiments, in the lithium-air battery according to (2), the negative electrode on the side opposite to the side facing the positive electrode in a state where the negative electrode case is inserted into the battery case. The first electrolyte exists between the opposite side surface of the battery case and the inner surface of the battery case, and a second opening is formed on the opposite side surface of the negative electrode case to cover the second opening. The solid electrolyte is fixed inside the negative electrode case, and the second electrolyte is filled between the solid electrolyte and the lithium negative electrode body.

上記(7)に記載の実施形態によれば、負極部ケースの反対側面と電池ケースの内面との間に、第1電解質が存在し、反対側面には第2開口部が形成され、負極部ケースの内部に第2開口部を覆った固体電解質が固定され、固体電解質とリチウム負極体との間に第2電解質が充填されている。このため、リチウム負極体は正極側に対向する面とこの面と反対側の面の両面において、リチウムイオンの移動が可能になる。よって、リチウム空気電池の充放電特性を向上することができる。   According to the embodiment described in the above (7), the first electrolyte exists between the opposite side surface of the negative electrode case and the inner surface of the battery case, and the second opening is formed on the opposite side surface. A solid electrolyte covering the second opening is fixed inside the case, and the second electrolyte is filled between the solid electrolyte and the lithium negative electrode body. For this reason, the lithium negative electrode body can move lithium ions on both the surface facing the positive electrode side and the opposite surface. Therefore, the charge / discharge characteristics of the lithium air battery can be improved.

(8)本発明の少なくとも一つの実施形態にかかるリチウム空気電池の負極構造体は、負極と、前記負極に対して間隔を有して配置された正極と、前記負極と前記正極との間に配置された固体電解質と、前記固体電解質と前記正極との間に充填された第1電解質とが電池ケース内に設けられたリチウム空気電池に対して挿脱可能な負極構造体であって、前記負極は、電極となる負極集電体と、前記負極集電体に電気的に接続されたリチウム負極体と、によって構成され、前記負極と、前記リチウム負極体に対して隙間を有して配置されて前記リチウム負極体と前記第1電解質との間でリチウムイオンの伝導が可能な固体電解質と、前記リチウム負極体と前記固体電解質との間でリチウムイオンの伝導が可能な第2電解質とを収容する負極部ケースを備え、前記負極部ケースは、前記リチウム空気電池の前記電池ケースに対して挿脱可能であるように構成されている。   (8) A negative-electrode structure of a lithium-air battery according to at least one embodiment of the present invention includes a negative electrode, a positive electrode disposed with a gap with respect to the negative electrode, and the negative electrode and the positive electrode. A negative electrode structure in which the disposed solid electrolyte and the first electrolyte filled between the solid electrolyte and the positive electrode can be inserted into and removed from a lithium-air battery provided in a battery case, The negative electrode is composed of a negative electrode current collector to be an electrode and a lithium negative electrode body electrically connected to the negative electrode current collector, and is arranged with a gap with respect to the negative electrode and the lithium negative electrode body A solid electrolyte capable of conducting lithium ions between the lithium negative electrode body and the first electrolyte, and a second electrolyte capable of conducting lithium ions between the lithium negative electrode body and the solid electrolyte. Negative electrode housing Comprising a scan, the negative electrode unit case is configured to be inserted and removed with respect to the battery case of the lithium-air battery.

上記(8)に記載のリチウム空気電池の負極構造体によれば、リチウム空気電池の負極構造体は、負極、リチウム負極体、固体電解質、第2電解質が一体化されて収容された負極部ケースを備えて、負極部ケースは、リチウム空気電池の電池ケースに対して挿脱可能である。このため、電池ケースに対する負極部ケースの挿脱時にリチウム負極体が空気に触れることはない。また負極が失活した場合に、新しい負極部ケースを電池ケースに挿着することで、リチウム空気電池において、負極にスラッジの付着が無く、且つ第2電解質内にスラッジが浮遊していない状態に復元することができる。よって、リチウム空気電池の充放電時に生成されるスラッジによって負極が失活した場合、スラッジを除去するとともに、負極が空気に触れることなく負極を復活させてリチウム空気電池の繰り返し使用が可能になるリチウム空気電池の負極構造体を実現できる。   According to the negative-electrode structure of the lithium-air battery described in (8) above, the negative-electrode structure of the lithium-air battery includes a negative electrode case in which the negative electrode, the lithium negative electrode body, the solid electrolyte, and the second electrolyte are integrated and accommodated. The negative electrode case can be inserted into and removed from the battery case of the lithium-air battery. For this reason, a lithium negative electrode body does not touch air at the time of insertion / extraction of the negative electrode part case with respect to a battery case. In addition, when the negative electrode is deactivated, a new negative electrode case is inserted into the battery case, so that in the lithium-air battery, no sludge adheres to the negative electrode, and no sludge floats in the second electrolyte. Can be restored. Therefore, when the negative electrode is deactivated by sludge generated during charging / discharging of the lithium-air battery, the sludge is removed and the negative electrode is reactivated without touching the air, so that the lithium-air battery can be used repeatedly. A negative electrode structure of an air battery can be realized.

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、リチウム空気電池の繰り返しの充放電によって、リチウムデントライトが形成されてリチウム金属負極が失活した場合、リチウム金属負極を復活させてリチウム空気電池の繰り返し使用を可能な状態にすることができるリチウム空気電池及びリチウム空気電池の負極構造体を提供することできる。   According to at least one embodiment of the present invention, when a lithium dent light is formed and a lithium metal negative electrode is deactivated by repeated charging and discharging of the lithium air battery, the lithium metal negative electrode is revived to repeat the lithium air battery. A lithium-air battery that can be used and a negative-electrode structure of the lithium-air battery can be provided.

本発明の一実施形態にかかるリチウム空気電池の斜視図である。It is a perspective view of the lithium air battery concerning one Embodiment of this invention. リチウム空気電池の概略内部構造図である。It is a schematic internal structure figure of a lithium air battery. 図1のI−I矢視に相当する部分のリチウム空気電池の断面図である。It is sectional drawing of the lithium air battery of the part corresponded to the II arrow of FIG. 負極部ケースの正面側斜視図である。It is a front side perspective view of a negative electrode part case. 負極部ケースの概略内部構造図である。It is a schematic internal structure figure of a negative electrode part case. 図4のVI−VI矢視に相当する部分の負極部ケースの断面図である。It is sectional drawing of the negative electrode part case of the part corresponded to the VI-VI arrow of FIG. 図3のIII−III矢視に相当する負極部ケースの断面図である。It is sectional drawing of the negative electrode part case corresponded to the III-III arrow of FIG. 他の実施形態に係る負極部ケースの背面側斜視図である。It is a back side perspective view of the negative electrode part case which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係る負極部ケースの断面図である。It is sectional drawing of the negative electrode part case which concerns on other embodiment.

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、剤質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。また、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する場合がある。   Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, material properties, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. Only. For example, expressions expressing relative or absolute arrangements such as “in a certain direction”, “along a certain direction”, “parallel”, “orthogonal”, “center”, “concentric” or “coaxial” are strictly In addition to such an arrangement, it is also possible to represent a state of relative displacement with an angle or a distance such that tolerance or the same function can be obtained. For example, an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state. For example, expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed. On the other hand, the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of the other constituent elements. In the following description, the same components may be denoted by the same reference numerals and detailed description thereof may be omitted.

図1は、本発明の一実施形態にかかるリチウム空気電池の斜視図である。図2は、リチウム空気電池の概略内部構造図である。図3は、図1のI−I矢視に相当する部分のリチウム空気電池の断面図である。図4は、負極部ケースの正面側斜視図である。図5は、負極部ケースの概略内部構造図である。図6は、図4のVI−VI矢視に相当する部分の負極部ケースの断面図である。なお、本実施形態のリチウム空気電池は、一対の正極と負極を備えるリチウム空気電池を例として説明する。   FIG. 1 is a perspective view of a lithium-air battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic internal structure diagram of the lithium-air battery. FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion of the lithium-air battery corresponding to the view taken along arrows II in FIG. FIG. 4 is a front perspective view of the negative electrode case. FIG. 5 is a schematic internal structure diagram of the negative electrode case. FIG. 6 is a cross-sectional view of the negative electrode case in a portion corresponding to the VI-VI arrow in FIG. In addition, the lithium air battery of this embodiment is demonstrated as an example of the lithium air battery provided with a pair of positive electrode and negative electrode.

本発明の一実施形態に係るリチウム空気電池1は、図1及び図3に示すように、負極11を含んだ負極部ケース10と、正極40と、負極11と正極40との間に配置された固体電解質50(図6参照)と、固体電解質50と正極40との間に充填された第1電解質53とが電池ケース60内に設けられて構成されている。   As shown in FIGS. 1 and 3, the lithium-air battery 1 according to one embodiment of the present invention is disposed between a negative electrode case 10 including a negative electrode 11, a positive electrode 40, and the negative electrode 11 and the positive electrode 40. The solid electrolyte 50 (see FIG. 6) and the first electrolyte 53 filled between the solid electrolyte 50 and the positive electrode 40 are provided in the battery case 60.

図示した実施形態では、電池ケース60は、内部が中空な箱状(直方体状)に形成され、電池ケース60の一方側の側面61には空気の流通が可能な複数の孔部61aが設けられている。また電池ケース60の上面62の一方側の中央部には、正極40の上端部が突出するための正極孔部62aが設けられている。また、電池ケース60の上面62の他方側には、負極11を含んだ負極部ケース10の上端部が突出するための負極孔部62bが設けられている。正極孔部62aは平面視において円形状に形成され、負極孔部62bは平面視において長方形状に形成されて電池ケース60の上面62の他方側端に沿って延在している。   In the illustrated embodiment, the battery case 60 is formed in a box shape (cuboid shape) having a hollow inside, and a plurality of holes 61 a through which air can flow are provided on one side surface 61 of the battery case 60. ing. In addition, a positive hole 62 a for projecting the upper end of the positive electrode 40 is provided at a central portion on one side of the upper surface 62 of the battery case 60. Further, on the other side of the upper surface 62 of the battery case 60, a negative electrode hole 62 b is provided for the upper end portion of the negative electrode case 10 including the negative electrode 11 to protrude. The positive electrode hole 62 a is formed in a circular shape in plan view, and the negative electrode hole 62 b is formed in a rectangular shape in plan view and extends along the other side end of the upper surface 62 of the battery case 60.

正極40は、図2及び図3に示すように、正極集電体41と、正極端子42と、撥水層43と、触媒44とを有して構成されている。図示した実施形態では、正極集電体41は、例えば、多孔質炭素によって板状に形成されて、負極部ケース10側に対向配置されている。正極集電体41には、触媒44が付着している。触媒44は、リチウム空気電池1の放電時に酸素還元反応、充電時に酸素酸化反応を促進させる機能を有している。正極端子42は、導電性材料で形成されて、正極集電体41に接続されている。正極端子42は正極孔部62aに挿通されて電池ケース60の上面62から上方へ突出している。電池ケース60が金属製の場合には、負極11と正極40が電池ケース60を介して短絡(ショート)してしまう可能性がある。そこで正極40と電池ケース60の間に絶縁部材72を配して短絡を予防する。絶縁部材72としてはブチルゴム、フッ素ゴムなどが挙げられる。   As shown in FIGS. 2 and 3, the positive electrode 40 includes a positive electrode current collector 41, a positive electrode terminal 42, a water repellent layer 43, and a catalyst 44. In the illustrated embodiment, the positive electrode current collector 41 is formed in a plate shape from, for example, porous carbon, and is disposed opposite to the negative electrode case 10 side. A catalyst 44 is attached to the positive electrode current collector 41. The catalyst 44 has a function of promoting an oxygen reduction reaction during discharging of the lithium air battery 1 and an oxygen oxidation reaction during charging. The positive electrode terminal 42 is formed of a conductive material and is connected to the positive electrode current collector 41. The positive electrode terminal 42 is inserted through the positive electrode hole 62 a and protrudes upward from the upper surface 62 of the battery case 60. When the battery case 60 is made of metal, the negative electrode 11 and the positive electrode 40 may be short-circuited via the battery case 60. Therefore, an insulating member 72 is disposed between the positive electrode 40 and the battery case 60 to prevent a short circuit. Examples of the insulating member 72 include butyl rubber and fluorine rubber.

撥水層43は、第1電解質53の水分が電池ケース60の孔部61aから外部に漏洩するのを防止するためのものである。撥水層43は、板状に形成されて複数の孔部61aに対向して電池ケース60の内側から複数の孔部61aを覆うようにして電池ケース60内部に固定されている。   The water repellent layer 43 is for preventing the moisture of the first electrolyte 53 from leaking outside through the hole 61 a of the battery case 60. The water repellent layer 43 is formed in a plate shape and is fixed inside the battery case 60 so as to cover the plurality of holes 61a from the inside of the battery case 60 so as to face the plurality of holes 61a.

第1電解質53は、電池ケース60内に充填され、少なくとも固体電解質50(図6参照)及び正極40に接し、正極40と固体電解質50との間でリチウムイオンの伝導を担う。図示した実施形態では、第1電解質53は、図3に示すように、正極40と負極部ケース10との間及び負極部ケース10の裏側と電池ケース60の内面との間に存在する。   The first electrolyte 53 is filled in the battery case 60, is in contact with at least the solid electrolyte 50 (see FIG. 6) and the positive electrode 40, and carries lithium ions between the positive electrode 40 and the solid electrolyte 50. In the illustrated embodiment, the first electrolyte 53 exists between the positive electrode 40 and the negative electrode case 10 and between the back side of the negative electrode case 10 and the inner surface of the battery case 60, as shown in FIG. 3.

第1電解質53は、水にリチウム塩を溶解させた水系電解質である。第1電解質53は、例えば、水に溶解させるリチウム塩として、LiCl(塩化リチウム)、LiOH(水酸化リチウム)、LiNO(硝酸リチウム)、CHCOLi等が挙げられる。 The first electrolyte 53 is an aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved in water. Examples of the first electrolyte 53 include LiCl (lithium chloride), LiOH (lithium hydroxide), LiNO 3 (lithium nitrate), and CH 3 CO 2 Li as lithium salts dissolved in water.

幾つかの実施形態では、図5及び図6に示すように、負極11は、負極集電体12と、負極集電体12に電気的に接続されたリチウム負極体15と、によって構成されている。リチウム負極体15は、負極集電体12の一部と電気的に接続される。図示した実施形態では、リチウム負極体15は、板状に形成されている。   In some embodiments, as shown in FIGS. 5 and 6, the negative electrode 11 includes a negative electrode current collector 12 and a lithium negative electrode body 15 electrically connected to the negative electrode current collector 12. Yes. The lithium negative electrode body 15 is electrically connected to a part of the negative electrode current collector 12. In the illustrated embodiment, the lithium negative electrode body 15 is formed in a plate shape.

リチウム負極体15は、例えば、金属リチウム製である。なお、リチウム負極体は金属リチウム製に限るものではなく、金属リチウムに代えて、リチウムを主成分とする合金又はリチウムを主成分とする化合物でも良い。リチウムを主成分とする合金としては、例えば、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、銀、金、亜鉛等が挙げられる。また、リチウムを主成分とする化合物としては、例えば、コバルト、銅、ニッケル等が挙げられる。なお、リチウム負極体は、電池容量に応じてその厚さ及び面積が変更される。   The lithium negative electrode body 15 is made of, for example, metallic lithium. The lithium negative electrode body is not limited to metallic lithium, and may be an alloy containing lithium as a main component or a compound containing lithium as a main component instead of metallic lithium. Examples of the alloy containing lithium as a main component include magnesium, calcium, aluminum, silicon, germanium, tin, lead, antimony, bismuth, silver, gold, and zinc. Moreover, as a compound which has lithium as a main component, cobalt, copper, nickel etc. are mentioned, for example. In addition, the thickness and area of the lithium negative electrode body are changed according to the battery capacity.

負極集電体12は、板状のリチウム負極体15に重なって接触した状態で固着される集電体本体部12aと、集電体本体部12aの外周部の少なくとも2か所の異なる位置から突出して負極部ケース10の内面に接続される複数の接続部12bと、を含むように構成される。図示した実施形態では、集電体本体部12aは、リチウム空気電池1の動作範囲で安定して存在し、リチウムと合金化せず、且つ、所望とする導電性を有していれば良く、例えば、銅、ニッケル等を素材とする板状又は箔状の導電体からなる。集電体本体部12aの一面にリチウム負極体15が接触した状態で固着されている。   The negative electrode current collector 12 is formed from at least two different positions of the current collector main body 12a that is fixed in contact with the plate-like lithium negative electrode 15 and the outer periphery of the current collector main body 12a. And a plurality of connection portions 12b that protrude and are connected to the inner surface of the negative electrode case 10. In the illustrated embodiment, the current collector main body 12a may be present stably in the operating range of the lithium-air battery 1, does not alloy with lithium, and has a desired conductivity. For example, it consists of a plate-like or foil-like conductor made of copper, nickel or the like. The lithium negative electrode 15 is fixed in contact with one surface of the current collector body 12a.

接続部12bは、集電体本体部12aの上部から上方へ突出する第1接続部12b1と、集電体本体部12aの下部から下方へ突出する第2接続部12b2とを含む。接続部12bは、導電性を有して集電体本体部12aに一体的に接続されている。図示した実施形態では、第1接続部12b1は側面視において正方形状に形成された集電体本体部12aの上部中央に接続されて上方へ延びる。第1接続部12b1の上端には、電極となる負極端子13が接続されている。この負極端子13は負極部ケース10の上面10aから上方へ突出する。第2接続部12b2は側面視において正方形状に形成された集電体本体部12aの下部中央に接続されて下方へ延びる。   The connection part 12b includes a first connection part 12b1 projecting upward from the upper part of the current collector body part 12a, and a second connection part 12b2 projecting downward from the lower part of the current collector body part 12a. The connection portion 12b has conductivity and is integrally connected to the current collector main body portion 12a. In the illustrated embodiment, the first connection portion 12b1 is connected to the upper center of the current collector main body portion 12a formed in a square shape in a side view and extends upward. A negative electrode terminal 13 serving as an electrode is connected to the upper end of the first connection portion 12b1. The negative terminal 13 protrudes upward from the upper surface 10 a of the negative electrode case 10. The second connection portion 12b2 is connected to the lower center of the current collector main body portion 12a formed in a square shape in a side view and extends downward.

このように構成された負極11(負極集電体12及びリチウム負極体15)は、負極部ケース10内に収容されている。負極部ケース10は、図4及び図5に示すように、箱状に形成されて、負極部ケース10の一方側の側面10bに第1開口部17が設けられ、負極部ケース10の内部には負極11を収容可能な空間部19が形成されている。   The negative electrode 11 (the negative electrode current collector 12 and the lithium negative electrode body 15) configured as described above is accommodated in the negative electrode case 10. As shown in FIGS. 4 and 5, the negative electrode case 10 is formed in a box shape, and a first opening 17 is provided on a side surface 10 b on one side of the negative electrode case 10, and the negative electrode case 10 is formed inside the negative electrode case 10. A space 19 that can accommodate the negative electrode 11 is formed.

図示した実施形態では、第1開口部17は、側面視において正方形状に開口している。この第1開口部17には、第1開口部17を複数の開口部分17aに仕切るための複数の仕切部材21が互いに交差する方向を向いて延設されている。図示した実施形態では、複数の仕切部材21は、鉛直方向及び水平方向のいずれかの方向を向いて側面視において正方形状の開口部分17aを形成するように延設されている。   In the illustrated embodiment, the first opening 17 opens in a square shape in a side view. A plurality of partition members 21 for partitioning the first opening 17 into a plurality of opening portions 17 a are extended in the first opening 17 so as to face each other. In the illustrated embodiment, the plurality of partition members 21 are extended so as to form a square-shaped opening portion 17a in a side view when facing either the vertical direction or the horizontal direction.

負極部ケース10の上面10aには、第1接続部12b1及び負極端子13が挿通される挿入孔部22が設けられている。図示した実施形態では、挿入孔部22は、円形状に開口し、負極部ケース10の第1開口部17に対向する方向から負極部ケース10を見たときに、負極部ケース10の上面10aの幅方向中央部に設けられている。この挿入孔部22に第1接続部12b1及び負極端子13が挿入されて集電体本体部12aの上部が負極部ケース10に固定されている。集電体本体部12aの下部から突出する第2接続部12b2の下端部は、負極部ケース10の底面に接続されて集電体本体部12aの下部が負極部ケース10に固定される。なお、第1接続部12b1は、挿入孔部22に挿通されて挿入孔部22から延出するように長尺状に形成されて、第1接続部12b1の上端側が負極端子13となるように構成されてもよい。   The upper surface 10a of the negative electrode case 10 is provided with an insertion hole 22 through which the first connection portion 12b1 and the negative electrode terminal 13 are inserted. In the illustrated embodiment, the insertion hole portion 22 opens in a circular shape, and when the negative electrode portion case 10 is viewed from the direction facing the first opening portion 17 of the negative electrode portion case 10, the upper surface 10 a of the negative electrode portion case 10. Is provided at the center in the width direction. The first connection portion 12 b 1 and the negative electrode terminal 13 are inserted into the insertion hole portion 22, and the upper portion of the current collector main body portion 12 a is fixed to the negative electrode portion case 10. The lower end portion of the second connection portion 12b2 protruding from the lower portion of the current collector body portion 12a is connected to the bottom surface of the negative electrode portion case 10, and the lower portion of the current collector body portion 12a is fixed to the negative electrode portion case 10. The first connection portion 12b1 is formed in an elongated shape so as to be inserted through the insertion hole portion 22 and extend from the insertion hole portion 22, and the upper end side of the first connection portion 12b1 becomes the negative electrode terminal 13. It may be configured.

このように、集電体本体部12aの上部に突設された第1接続部12b1を負極部ケース10の上面10aに形成された挿入孔部22に挿通することで、負極部ケース10に対する集電体本体部12aの位置決めをすることができる。また、集電体本体部12aの下部に突設された第2接続部12b2を負極部ケース10の底部に接続することで、負極部ケース10に対して位置決めされた集電体本体部12aを負極部ケース10に固定することができる。よって、集電体本体部12aを負極部ケース10内において位置決めした状態で固定することができる。   As described above, the first connection portion 12b1 protruding from the upper portion of the current collector main body portion 12a is inserted into the insertion hole portion 22 formed in the upper surface 10a of the negative electrode portion case 10 to thereby collect the current with respect to the negative electrode case 10. The electric body main body 12a can be positioned. Further, the current collector body 12a positioned with respect to the negative electrode case 10 is connected to the bottom of the negative electrode case 10 by connecting the second connection part 12b2 projecting from the lower part of the current collector body 12a. It can be fixed to the negative electrode case 10. Therefore, the current collector main body 12 a can be fixed in a state of being positioned in the negative electrode case 10.

固体電解質50は、図6に示すように、リチウム負極体15に対して隙間25を有して配置されてリチウム負極体15と第1電解質53(図3参照)との間でリチウムイオンの伝導が可能である。図示した実施形態では、固体電解質50は、第1開口部17に対向して第1開口部17を覆って負極部ケース10の内部に固定されている。このため、固体電解質50は、第1開口部17よりも負極部ケース10の内側に配設されている。   As shown in FIG. 6, the solid electrolyte 50 is disposed with a gap 25 with respect to the lithium negative electrode body 15, and conducts lithium ions between the lithium negative electrode body 15 and the first electrolyte 53 (see FIG. 3). Is possible. In the illustrated embodiment, the solid electrolyte 50 is fixed inside the negative electrode case 10 so as to face the first opening 17 and cover the first opening 17. For this reason, the solid electrolyte 50 is disposed inside the negative electrode case 10 with respect to the first opening 17.

固体電解質50は、リチウムイオン伝導性を有して水透過性の無い材料からなり、板状又は膜状に形成されている。固体電解質50は、負極11のリチウム負極体15に対して隙間25を有して対向配置され、第1電解質53の水分からリチウム負極体15を保護するとともに、リチウムイオン(Li)のみを通過可能に構成されている。固体電解質50は、耐水性及びリチウムイオン伝導性を有するガラスセラミックスを用いることができる。固体電解質50は、例えば、NASICON(Na Superionic Conductor:ナトリウム超イオン導電体)型のリチウムイオン伝導体とすることができる。 The solid electrolyte 50 is made of a material having lithium ion conductivity and no water permeability, and is formed in a plate shape or a film shape. The solid electrolyte 50 is disposed opposite to the lithium negative electrode body 15 of the negative electrode 11 with a gap 25 to protect the lithium negative electrode body 15 from the moisture of the first electrolyte 53 and pass only lithium ions (Li + ). It is configured to be possible. As the solid electrolyte 50, glass ceramics having water resistance and lithium ion conductivity can be used. The solid electrolyte 50 can be, for example, a NASICON (Na Superconducting Conductor) type lithium ion conductor.

リチウム負極体15と固体電解質50との間の負極部ケース10内には、リチウムイオンの伝導が可能な第2電解質29が収容されている。第2電解質29は、例えば、リチウム塩を溶解したエチレンカーボネイトなどの有機電解液である。なお、第2電解質29は、リチウム塩をポリマーに分散させた固体電解質であってもよいし、リチウム塩を溶解した有機電解液をポリマーに膨潤させたゲル電解質であってもよい。   A second electrolyte 29 capable of conducting lithium ions is accommodated in the negative electrode case 10 between the lithium negative electrode body 15 and the solid electrolyte 50. The second electrolyte 29 is an organic electrolytic solution such as ethylene carbonate in which a lithium salt is dissolved. The second electrolyte 29 may be a solid electrolyte in which a lithium salt is dispersed in a polymer, or may be a gel electrolyte in which an organic electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved is swollen in a polymer.

このように形成された負極部ケース10は、図3に示すように、電池ケース60の上面62に設けられた負極孔部62bを介して電池ケース60に対して挿脱可能である。図示した実施形態では、負極孔部62bは、平面視において、負極部ケース10の外形形状よりもわずかに大きな相似形状を有している。このため、負極孔部62bを介して負極部ケース10を電池ケース60に対して挿脱可能である。   As shown in FIG. 3, the negative electrode case 10 formed in this manner can be inserted into and removed from the battery case 60 through a negative electrode hole 62 b provided in the upper surface 62 of the battery case 60. In the illustrated embodiment, the negative electrode hole 62b has a similar shape slightly larger than the outer shape of the negative electrode case 10 in plan view. For this reason, the negative electrode case 10 can be inserted into and removed from the battery case 60 through the negative electrode hole 62b.

このように構成されたリチウム空気電池1は、放電時において、負極11ではLi→Li+eとなり、正極40では、O+2HO+4e→4OH、OH+Li→LiOHの2段階の反応で水酸化リチウムが生成される。水酸化リチウムは水溶性なので、正極40の正極集電体41の微細孔を目詰まりさせることはない。 The lithium-air battery 1 configured as described above is in the two stages of Li → Li + + e at the negative electrode 11 and O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH and OH + Li + → LiOH at the negative electrode 11 during discharge. Lithium hydroxide is produced by this reaction. Since lithium hydroxide is water-soluble, the fine holes of the positive electrode current collector 41 of the positive electrode 40 are not clogged.

一方、充電時においては、負極11ではLi+e→Liとなり、正極40では、4OH→O+2HO+4eの反応が生じて酸素が発生する。ここで、充電時において、負極11のリチウム負極体15の表面や第2電解質29中の少なくともいずれかにリチウムデントライト(スラッジ)が生成される場合がある。このスラッジが生成されると、充電時にリチウム負極体15で再生される金属リチウムの量が減少して、電池容量が低下する虞が生じる。この場合、スラッジを除去しようとすると、リチウムが空気に触れて燃焼する虞があり、スラッジの除去は難しい。 On the other hand, at the time of charging, Li + + e → Li at the negative electrode 11, and 4 OH → O 2 + 2H 2 O + 4 e is generated at the positive electrode 40 to generate oxygen. Here, during charging, lithium dentite (sludge) may be generated on the surface of the lithium negative electrode body 15 of the negative electrode 11 or at least one of the second electrolyte 29. When this sludge is generated, the amount of metallic lithium regenerated by the lithium negative electrode body 15 at the time of charging is reduced, and the battery capacity may be reduced. In this case, if the sludge is to be removed, lithium may come into contact with the air and burn, and it is difficult to remove the sludge.

そこで、本願のリチウム空気電池1は、スラッジが発生した場合には、スラッジが発生した負極部ケース10を電池ケース60から脱着し、スラッジが発生していない新しい負極部ケース10を電池ケース60に挿着する。このような負極部ケース10の交換時期の判断は、充放電特性の変化(例えば、電池容量の減少、電池抵抗の上昇等)によって判断される。   Therefore, in the lithium-air battery 1 of the present application, when sludge is generated, the negative electrode case 10 in which sludge is generated is detached from the battery case 60, and a new negative electrode case 10 in which sludge is not generated is attached to the battery case 60. Insert it. The determination of the replacement time of the negative electrode case 10 is made based on changes in charge / discharge characteristics (for example, a decrease in battery capacity, an increase in battery resistance, etc.).

このように、上述したように、負極部ケース10は、負極11、リチウム負極体15、固体電解質50、第2電解質29が一体化して収容されているので、負極部ケース10の挿脱時にリチウム負極体15が空気に触れることはない。また負極11が失活した場合に、新しい負極部ケース10を電池ケース60に挿着することで、リチウム空気電池1において、負極11にスラッジの付着が無く、且つ第2電解質29内にスラッジが浮遊していない状態に復元することができる。よって、リチウム空気電池1の充放電時に生成されるスラッジによって負極が失活した場合、スラッジを除去するとともに、負極11が空気に触れることなく負極11を復活させてリチウム空気電池1の繰り返し使用が可能になるリチウム空気電池1を実現できる。   Thus, as described above, since the negative electrode case 10, the lithium negative electrode body 15, the solid electrolyte 50, and the second electrolyte 29 are integrated and accommodated in the negative electrode case 10, lithium is removed when the negative electrode case 10 is inserted and removed. The negative electrode body 15 does not come into contact with air. Further, when the negative electrode 11 is deactivated, a new negative electrode case 10 is inserted into the battery case 60, so that in the lithium-air battery 1, no sludge adheres to the negative electrode 11 and sludge is present in the second electrolyte 29. It can be restored to a non-floating state. Therefore, when the negative electrode is deactivated by the sludge generated during charging / discharging of the lithium air battery 1, the sludge is removed, and the negative electrode 11 is restored without touching the air so that the lithium air battery 1 can be used repeatedly. A lithium-air battery 1 that can be realized can be realized.

また、上述したように、固体電解質50は、図6に示すように、板状に形成されて、第1開口部17を覆って負極部ケース10の内部に固定されているので、固体電解質50が第1開口部17の外側へ突出する虞が無い。このため、図3に示すように、負極部ケース10を電池ケース60の上面62に形成された負極孔部62bに対して挿脱する際に、固体電解質50が負極孔部62bに接触して損傷する虞を防止することができる。   Further, as described above, as shown in FIG. 6, the solid electrolyte 50 is formed in a plate shape, covers the first opening 17, and is fixed inside the negative electrode case 10. There is no possibility of protruding outside the first opening 17. Therefore, as shown in FIG. 3, when the negative electrode case 10 is inserted into and removed from the negative electrode hole 62b formed on the upper surface 62 of the battery case 60, the solid electrolyte 50 comes into contact with the negative electrode hole 62b. The possibility of damage can be prevented.

また、上述したように、第1開口部17には、図4に示すように、複数の仕切部材21が互いに交差する方向に延設されているので、複数の仕切部材21によって第1開口部17を複数の開口部分17aに仕切ることができる。このため、開口部分17aの面積が第1開口部17の面積よりも小さくなり、負極部ケース10の挿脱時に障害物が開口部分17aに接触したり、外力が開口部分17aに作用したりする虞を抑えることができ、固体電解質50が損傷する虞をより防止することができる。   In addition, as described above, since the plurality of partition members 21 extend in the direction intersecting each other in the first opening 17 as shown in FIG. 4, the first openings are formed by the plurality of partition members 21. 17 can be partitioned into a plurality of opening portions 17a. For this reason, the area of the opening part 17a becomes smaller than the area of the first opening part 17, and an obstacle comes into contact with the opening part 17a when the negative electrode case 10 is inserted and removed, or an external force acts on the opening part 17a. The fear can be suppressed, and the possibility that the solid electrolyte 50 is damaged can be further prevented.

さらに、上述したように、集電体本体部12aは、図6に示すように、板状のリチウム負極体15に重なって接触した状態で固定されるので、リチウム負極体15に対する集電体本体部12aの電極効果を効果的に発揮させることができる。また、負極集電体12の集電体本体部12aの外周部の少なくとも2か所の異なる位置から突出する複数の接続部12bが負極部ケース10の内面に接続されているので、負極集電体12を負極部ケース10に対してより強固に固定することができる。このため、板状のリチウム負極体15は、集電体本体部12aを介して負極部ケース10に強固に固定することができる。従って、リチウム負極体15が固体電解質50に接触して、固体電解質50が腐食する等の不都合の発生を防止することができる。   Furthermore, as described above, the current collector main body 12a is fixed in a state of being in contact with the plate-like lithium negative electrode body 15 as shown in FIG. The electrode effect of the part 12a can be exhibited effectively. In addition, since the plurality of connection portions 12b protruding from at least two different positions on the outer peripheral portion of the current collector main body portion 12a of the negative electrode current collector 12 are connected to the inner surface of the negative electrode case 10, the negative electrode current collector The body 12 can be more firmly fixed to the negative electrode case 10. For this reason, the plate-like lithium negative electrode body 15 can be firmly fixed to the negative electrode case 10 through the current collector main body 12a. Accordingly, it is possible to prevent the occurrence of inconvenience such as the lithium negative electrode body 15 coming into contact with the solid electrolyte 50 and the solid electrolyte 50 being corroded.

図7は、図3のIII−III矢視に相当する負極部ケース10の断面図である。   FIG. 7 is a cross-sectional view of the negative electrode case 10 corresponding to the III-III arrow of FIG.

また、幾つかの実施形態によれば、図3及び図7に示すように、電池ケース60の上面10aに形成された負極孔部62bよりも下方の電池ケース10内には、負極孔部62bを介して負極部ケース10を電池ケース60に対して挿脱する際の負極部ケース10の移動を案内する案内ガイド65が設けられている。   Further, according to some embodiments, as shown in FIGS. 3 and 7, the negative electrode hole 62 b is formed in the battery case 10 below the negative electrode hole 62 b formed in the upper surface 10 a of the battery case 60. A guide guide 65 for guiding the movement of the negative electrode case 10 when the negative electrode case 10 is inserted into and removed from the battery case 60 is provided.

図示した実施形態では、案内ガイド65は、平面視において、電池ケース60に挿入された負極部ケース10の四隅の夫々の外側に配設されたガイド部材66を備える。ガイド部材66は、L字状に屈曲形成されて上下方向に棒状に延びる。ガイド部材66は電池ケース60内の空間部60aの上端から下端に亘って延在している。   In the illustrated embodiment, the guide guide 65 includes guide members 66 disposed on the outer sides of the four corners of the negative electrode case 10 inserted in the battery case 60 in a plan view. The guide member 66 is bent in an L shape and extends in a bar shape in the vertical direction. The guide member 66 extends from the upper end to the lower end of the space 60 a in the battery case 60.

このように、負極孔部62bよりも下方の電池ケース60内に負極部ケース10の移動を案内する案内ガイド65が設けられているので、負極孔部62bを介して負極部ケース10を電池ケース60に対して挿脱する際の負極部ケース10の挿脱操作を容易にすることができる。   Thus, since the guide guide 65 for guiding the movement of the negative electrode case 10 is provided in the battery case 60 below the negative electrode hole 62b, the negative electrode case 10 is connected to the battery case via the negative electrode hole 62b. The insertion / removal operation of the negative electrode case 10 at the time of insertion / removal with respect to 60 can be facilitated.

図8は、他の実施形態に係る負極部ケース10Aの背面側斜視図である。図9は、他の実施形態に係る負極部ケース10Aの断面図である。   FIG. 8 is a rear perspective view of a negative electrode case 10A according to another embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view of a negative electrode case 10A according to another embodiment.

他の実施形態に係る負極部ケース10Aは、図8及び図9に示すように、負極部ケース10Aが電池ケース60内に挿入された状態で、正極40と対向する側と反対側の負極部ケース10Aの反対側面と電池ケース60の内面との間に、第1電解質53が存在し(図3参照)、負極部ケース10Aの反対側面には、第2開口部70を覆って負極部ケース10Aの内部に固体電解質50Aが固定されるとともに、固体電解質50Aとリチウム負極体15Aとの間に第2電解質29Aが充填されている。なお、他の実施形態に係る負極部ケース10Aは、前述した負極部ケース10との相違点のみを説明し、前述した負極部ケース10と同一態様部分については同一符号を付して説明を省略する。   As shown in FIGS. 8 and 9, the negative electrode case 10 </ b> A according to another embodiment includes a negative electrode portion opposite to the side facing the positive electrode 40 in a state where the negative electrode case 10 </ b> A is inserted into the battery case 60. The first electrolyte 53 exists between the opposite side surface of the case 10A and the inner surface of the battery case 60 (see FIG. 3), and the negative electrode portion case covers the second opening 70 on the opposite side surface of the negative electrode portion case 10A. The solid electrolyte 50A is fixed inside 10A, and the second electrolyte 29A is filled between the solid electrolyte 50A and the lithium negative electrode body 15A. In addition, the negative electrode case 10A according to another embodiment is described only for the differences from the negative electrode case 10 described above, and the same reference numerals are given to the same aspects as the negative electrode case 10 described above, and description thereof is omitted. To do.

図示した実施形態では、図9に示すように、負極集電体12Aは、その一面と他面の両面にリチウム負極体15、15Aが接触した状態で固着されている。負極集電体12Aの他面に固着されたリチウム負極体15Aは、第2開口部70を覆うようにして配設された固体電解質50Aに対して隙間71を有して対向配置されている。また、負極集電体12Aの外周と負極部ケース10Aの内面との間には隙間が形成され、この隙間を介して、負極集電体12Aの一面側に充填された第2電解質29と負極集電体12Aの他面側に充填された第2電解質29Aとが流通可能である。   In the illustrated embodiment, as shown in FIG. 9, the negative electrode current collector 12 </ b> A is fixed in a state where the lithium negative electrode bodies 15 and 15 </ b> A are in contact with one surface and the other surface. The lithium negative electrode body 15A fixed to the other surface of the negative electrode current collector 12A is disposed so as to face the solid electrolyte 50A disposed so as to cover the second opening 70 with a gap 71 therebetween. In addition, a gap is formed between the outer periphery of the negative electrode current collector 12A and the inner surface of the negative electrode case 10A, and the second electrolyte 29 and the negative electrode filled on one surface side of the negative electrode current collector 12A through this gap. The second electrolyte 29A filled on the other surface side of the current collector 12A can be distributed.

このように他の実施形態に係る負極部ケース10Aは、負極部ケース10Aの反対側面と電池ケース60の内面との間に、第1電解質53が存在し、反対側面には第2開口部70が形成され、第2開口部70を覆って負極部ケース10Aの内部に固体電解質50Aが固定され、固体電解質50Aとリチウム負極体15Aとの間に第2電解質29Aが充填されている。このため、リチウム負極体15、15Aの正極40側に対向する面とこの面と反対側の面の両面において、リチウムイオンの移動が可能になる。よって、リチウム空気電池1の充放電特性を向上することができる。   Thus, in the negative electrode part case 10A according to another embodiment, the first electrolyte 53 exists between the opposite side surface of the negative electrode part case 10A and the inner surface of the battery case 60, and the second opening 70 is provided on the opposite side surface. The solid electrolyte 50A is fixed inside the negative electrode case 10A so as to cover the second opening 70, and the second electrolyte 29A is filled between the solid electrolyte 50A and the lithium negative electrode body 15A. For this reason, lithium ions can move on both surfaces of the lithium negative electrode bodies 15 and 15A facing the positive electrode 40 side and the opposite surface. Therefore, the charge / discharge characteristics of the lithium air battery 1 can be improved.

また、上述したように、負極部ケース10は、図6に示すように、負極11、リチウム負極体15、固体電解質50、第2電解質29が一体化されて収容され、またリチウム空気電池1の電池ケース60に対して挿脱可能であるように構成されている。このため、電池ケース60に対する負極部ケース10の挿脱時にリチウム負極体15が空気に触れることはない。また負極11が失活した場合に、新しい負極部ケース10を電池ケース60に挿着することで、リチウム空気電池1において、負極11にスラッジの付着が無く、且つ第2電解質29内にスラッジが浮遊していない状態に復元することができる。よって、リチウム空気電池1の充放電時に生成されるスラッジによって負極が失活した場合、スラッジを除去するとともに、負極11が空気に触れることなく負極11を復活させてリチウム空気電池1の繰り返し使用が可能になるリチウム空気電池1の負極構造体を実現できる。   Further, as described above, the negative electrode case 10 is accommodated in the negative electrode case 11, the lithium negative electrode body 15, the solid electrolyte 50, and the second electrolyte 29 as shown in FIG. The battery case 60 is configured to be detachable. For this reason, the lithium negative electrode body 15 does not come into contact with air when the negative electrode case 10 is inserted into and removed from the battery case 60. Further, when the negative electrode 11 is deactivated, a new negative electrode case 10 is inserted into the battery case 60, so that in the lithium-air battery 1, no sludge adheres to the negative electrode 11 and sludge is present in the second electrolyte 29. It can be restored to a non-floating state. Therefore, when the negative electrode is deactivated by the sludge generated during charging / discharging of the lithium air battery 1, the sludge is removed, and the negative electrode 11 is restored without touching the air so that the lithium air battery 1 can be used repeatedly. The negative electrode structure of the lithium-air battery 1 that can be realized can be realized.

以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。例えば、電池ケース内に正極よび負極部ケースからなる一対の電極群を、電池ケース内に複数備えるようにしてもよい。   As mentioned above, although the preferable form of this invention was demonstrated, this invention is not limited to said form, A various change in the range which does not deviate from the objective of this invention is possible. For example, the battery case may be provided with a plurality of a pair of electrode groups each including a positive electrode and a negative electrode case in the battery case.

1 リチウム空気電池
10、10A 負極部ケース
10a、62 上面
10b 側面
11 負極
12、12A 負極集電体
12a 集電体本体部
12b 接続部
12b1 第1接続部
12b2 第2接続部
13 負極端子
15 リチウム負極体
17 第1開口部
17a 開口部分
19、60a 空間部
21 仕切部材
22 挿入孔部
25、71 隙間
29 第2電解質
40 正極
41 正極集電体
42 正極端子
43 撥水層
44 触媒
50、50A 固体電解質
53 第1電解質
60 電池ケース
61 側面
61a 孔部
62a 正極孔部
62b 負極孔部
65 案内ガイド
66 ガイド部材
70 第2開口部
72 絶縁部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium air battery 10, 10A Negative electrode case 10a, 62 Upper surface 10b Side surface 11 Negative electrode 12, 12A Negative electrode collector 12a Current collector main body 12b Connection part 12b1 First connection part 12b2 Second connection part 13 Negative electrode 15 Lithium negative electrode Body 17 First opening portion 17a Opening portion 19, 60a Space portion 21 Partition member 22 Insertion hole portion 25, 71 Clearance 29 Second electrolyte 40 Positive electrode 41 Positive electrode current collector 42 Positive electrode terminal 43 Water repellent layer 44 Catalyst 50, 50A Solid electrolyte 53 First Electrolyte 60 Battery Case 61 Side 61a Hole 62a Positive Hole 62b Negative Hole 65 Guide Guide 66 Guide Member 70 Second Opening 72 Insulating Member

Claims (8)

負極と、前記負極に対して間隔を有して配置された正極と、前記負極と前記正極との間に配置された固体電解質と、前記固体電解質と前記正極との間に充填された第1電解質とが電池ケース内に設けられたリチウム空気電池であって、
前記負極は、
電極となる負極集電体と、
前記負極集電体に電気的に接続されたリチウム負極体と、によって構成され、
前記負極と、前記リチウム負極体に対して隙間を有して配置されて前記リチウム負極体と前記第1電解質との間でリチウムイオンの伝導が可能な前記固体電解質と、前記リチウム負極体と前記固体電解質との間でリチウムイオンの伝導が可能な第2電解質とを収容する負極部ケースを備え、
前記負極部ケースは、前記電池ケースの上面に形成された挿脱孔部に対して挿脱可能に構成されている
ことを特徴とするリチウム空気電池。
A negative electrode, a positive electrode disposed at a distance from the negative electrode, a solid electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode, and a first filled between the solid electrolyte and the positive electrode A lithium-air battery in which the electrolyte is provided in a battery case,
The negative electrode is
A negative electrode current collector serving as an electrode;
A lithium negative electrode body electrically connected to the negative electrode current collector,
The negative electrode, the solid electrolyte disposed with a gap with respect to the lithium negative electrode body and capable of conducting lithium ions between the lithium negative electrode body and the first electrolyte, the lithium negative electrode body, and the A negative electrode case that houses a second electrolyte capable of conducting lithium ions with the solid electrolyte;
The negative electrode case is configured to be detachable with respect to an insertion / removal hole formed on the upper surface of the battery case.
前記負極部ケースは、箱状に形成されて、前記負極部ケースの一方側の側面に第1開口部が設けられ、
前記第1開口部は、前記正極に対向配置され、
前記固体電解質は、前記第1開口部を覆って前記負極部ケースの内部に固定されている
ことを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。
The negative electrode case is formed in a box shape, and a first opening is provided on one side surface of the negative electrode case.
The first opening is disposed to face the positive electrode,
The lithium air battery according to claim 1, wherein the solid electrolyte covers the first opening and is fixed inside the negative electrode case.
前記第1開口部には、前記第1開口部を複数の開口部分に仕切るための複数の仕切部材が互いに交差する方向に延設されている
ことを特徴とする請求項2に記載のリチウム空気電池。
3. The lithium air according to claim 2, wherein a plurality of partition members for partitioning the first opening into a plurality of opening portions extend in a direction intersecting with each other in the first opening. battery.
前記負極集電体は、板状の前記リチウム負極体に重なって接触した状態で固定される集電体本体部と、前記集電体本体部の外周部の少なくとも2か所の異なる位置から突出して前記負極部ケースの内面に接続される複数の接続部と、を含み、
前記リチウム負極体は、前記負極集電体を介して前記負極部ケースに固定される
ことを特徴とする請求項2又は3に記載のリチウム空気電池。
The negative electrode current collector protrudes from at least two different positions of a current collector body fixed to the plate-like lithium negative electrode body in a state of overlapping and in contact with the outer periphery of the current collector body. A plurality of connecting portions connected to the inner surface of the negative electrode case,
The lithium-air battery according to claim 2 or 3, wherein the lithium negative electrode body is fixed to the negative electrode case through the negative electrode current collector.
前記複数の接続部のうちの一つは、前記集電体本体部の上部に上方へ向かって突設され、前記負極部ケースの上面に形成された挿通孔部に挿通されて前記負極部ケースに固定され、
前記複数の接続部のうちの他の一つは、前記集電体本体部の下部に下方へ向かって突設され、前記負極部ケースの底部に接続されて前記負極部ケースに固定される
ことを特徴とする請求項4に記載のリチウム空気電池。
One of the plurality of connecting portions protrudes upward from an upper portion of the current collector main body portion, and is inserted into an insertion hole portion formed in an upper surface of the negative electrode case. Fixed to
The other one of the plurality of connecting portions protrudes downward from a lower portion of the current collector main body, is connected to the bottom of the negative electrode case, and is fixed to the negative electrode case. The lithium air battery according to claim 4.
前記電池ケースの上面に形成された前記挿脱孔部よりも下方の前記電池ケース内には、前記挿脱孔部を介して前記負極部ケースを前記電池ケースに対して挿脱する際の前記負極部ケースの移動を案内する案内ガイドが設けられている
ことを特徴とする請求項2から5のいずれか1項に記載のリチウム空気電池。
In the battery case below the insertion / removal hole formed on the upper surface of the battery case, the negative electrode case is inserted into / removed from the battery case via the insertion / removal hole. The lithium air battery according to any one of claims 2 to 5, further comprising a guide for guiding the movement of the negative electrode case.
前記負極部ケースが前記電池ケース内に挿入された状態で、前記正極と対向する側と反対側の前記負極部ケースの反対側面と前記電池ケースの内面との間に、前記第1電解質が存在し、
前記負極部ケースの前記反対側面には、第2開口部が形成され、
前記第2開口部を覆って固体電解質が前記負極部ケースの内部に固定されるとともに、前記固体電解質と前記リチウム負極体との間に前記第2電解質が充填されている
ことを特徴とする請求項2に記載のリチウム空気電池。
In a state where the negative electrode case is inserted into the battery case, the first electrolyte exists between the opposite side surface of the negative electrode case opposite to the side facing the positive electrode and the inner surface of the battery case. And
A second opening is formed on the opposite side surface of the negative electrode case.
The solid electrolyte is fixed inside the negative electrode case, covering the second opening, and the second electrolyte is filled between the solid electrolyte and the lithium negative electrode body. Item 3. A lithium air battery according to Item 2.
負極と、前記負極に対して間隔を有して配置された正極と、前記負極と前記正極との間に配置された固体電解質と、前記固体電解質と前記正極との間に充填された第1電解質とが電池ケース内に設けられたリチウム空気電池に対して挿脱可能な負極構造体であって、
前記負極は、
電極となる負極集電体と、
前記負極集電体に電気的に接続されたリチウム負極体と、によって構成され、
前記負極と、前記リチウム負極体に対して隙間を有して配置されて前記リチウム負極体と前記第1電解質との間でリチウムイオンの伝導が可能な固体電解質と、前記リチウム負極体と前記固体電解質との間でリチウムイオンの伝導が可能な第2電解質とを収容する負極部ケースを備え、
前記負極部ケースは、前記リチウム空気電池の前記電池ケースに対して挿脱可能である
ことを特徴とするリチウム空気電池の負極構造体。
A negative electrode, a positive electrode disposed at a distance from the negative electrode, a solid electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode, and a first filled between the solid electrolyte and the positive electrode An electrolyte is a negative electrode structure that can be inserted into and removed from a lithium-air battery provided in a battery case,
The negative electrode is
A negative electrode current collector serving as an electrode;
A lithium negative electrode body electrically connected to the negative electrode current collector,
The negative electrode, a solid electrolyte disposed with a gap with respect to the lithium negative electrode body and capable of conducting lithium ions between the lithium negative electrode body and the first electrolyte, and the lithium negative electrode body and the solid A negative electrode case containing a second electrolyte capable of conducting lithium ions with the electrolyte;
The negative electrode structure of a lithium air battery, wherein the negative electrode case is detachable from the battery case of the lithium air battery.
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