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JP2018133168A - Lithium-air battery and method of using the same - Google Patents

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JP2018133168A
JP2018133168A JP2017025043A JP2017025043A JP2018133168A JP 2018133168 A JP2018133168 A JP 2018133168A JP 2017025043 A JP2017025043 A JP 2017025043A JP 2017025043 A JP2017025043 A JP 2017025043A JP 2018133168 A JP2018133168 A JP 2018133168A
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Japan
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lithium
positive electrode
air battery
electrode layer
negative electrode
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友 大塚
Tomo Otsuka
友 大塚
光一 澤田
Koichi Sawada
光一 澤田
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

【課題】高容量を確保しつつ、充放電サイクル特性の向上したリチウム空気電池を提供する。【解決手段】本開示のリチウム空気電池1は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極層12aを含む負極12と、炭素を含む導電性多孔質体を含み、かつ空気中の酸素を正極活物質として該酸素を酸化還元可能な正極層を含む正極13と、前記負極12と前記正極13との間に配置された非水系リチウムイオン伝導体(例えば電解質層14)と、を備えている。前記正極層において、1nm以上200nm以下の孔径を有する細孔の占める第1細孔容積は、200nmを超え10000nm以下の孔径を有する細孔の占める第2細孔容積よりも大きい。【選択図】図1A lithium-air battery having improved charge / discharge cycle characteristics while ensuring a high capacity is provided. A lithium-air battery 1 according to the present disclosure includes a negative electrode 12 including a negative electrode layer 12a capable of occluding and releasing lithium ions, a conductive porous material including carbon, and oxygen in the air as a positive electrode active material. A positive electrode 13 including a positive electrode layer capable of oxidizing and reducing oxygen, and a non-aqueous lithium ion conductor (for example, an electrolyte layer 14) disposed between the negative electrode 12 and the positive electrode 13 are provided. In the positive electrode layer, the first pore volume occupied by pores having a pore diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is larger than the second pore volume occupied by pores having a pore diameter of more than 200 nm and 10000 nm or less. [Selection] Figure 1

Description

本開示は、リチウム空気電池及びその使用方法に関する。   The present disclosure relates to lithium-air batteries and methods of use thereof.

リチウム空気電池とは、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵放出可能な金属又は化合物を用いる電池である。リチウム空気電池は、エネルギー密度(重量に対する放電可能な電力量)が高いこと、並びに、小型化及び軽量化が容易であること、といった利点を有している。したがって、リチウム空気電池は、現在最もエネルギー密度が高いと考えられているリチウムイオン電池を超えるエネルギー密度を有する電池として、注目されている。   A lithium air battery is a battery that uses oxygen in the air as a positive electrode active material and a metal or compound capable of occluding and releasing lithium ions as a negative electrode active material. Lithium-air batteries have advantages such as high energy density (amount of electric power that can be discharged with respect to weight), and easy miniaturization and weight reduction. Therefore, the lithium-air battery is attracting attention as a battery having an energy density exceeding that of the lithium ion battery that is considered to have the highest energy density.

リチウム空気電池は、正極と、負極と、正極と負極との間に配置された電解質層とを備えている。リチウム空気電池は、正極上に配置された酸素透過膜等の他の構成をさらに備えていてもよい。正極には、一般に導電性材料が用いられる。導電性材料としては、例えば、グラファイト及びアセチレンブラック等の炭素材料が用いられる。   The lithium-air battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode. The lithium air battery may further include other components such as an oxygen permeable membrane disposed on the positive electrode. A conductive material is generally used for the positive electrode. As the conductive material, for example, a carbon material such as graphite and acetylene black is used.

リチウム空気電池においては、リチウム空気電池が本来有している高容量であるという特徴を活かしつつ、さらなる性能向上が求められている。例えば、特許文献1には、高容量を確保しつつ、さらに向上した出力特性も有するリチウム空気電池が提案されている。特許文献1において提案されているリチウム空気電池は、特定の細孔容積及び細孔径分布を有する多孔質炭素を正極に用いている。この多孔質炭素は、メソ孔とこのメソ孔よりも孔径の小さなマイクロ孔とを含む細孔を備え、前記メソ孔の外郭を構成する炭素質壁が3次元網目構造をなし、この炭素質壁に前記マイクロ孔が形成されており、前記メソ孔が開気孔であって、気孔部分が連続して連結孔を形成しており、前記細孔の細孔径分布の半値幅が2nm以下であり、前記連結孔の連結孔径分布の半値幅が50nm以上であり、孔径1nm以上の細孔の占める細孔容積が1.0ml/g以上4.0ml/g以下であることを特徴としている。   In the lithium air battery, further performance improvement is demanded while taking advantage of the high capacity inherent in the lithium air battery. For example, Patent Literature 1 proposes a lithium-air battery that has a further improved output characteristic while ensuring a high capacity. The lithium air battery proposed in Patent Document 1 uses porous carbon having a specific pore volume and pore size distribution for the positive electrode. The porous carbon has pores including mesopores and micropores having a pore diameter smaller than the mesopores, and the carbonaceous wall constituting the outline of the mesopores has a three-dimensional network structure. The micropores are formed, the mesopores are open pores, the pore portions continuously form connection pores, and the half-value width of the pore diameter distribution of the pores is 2 nm or less, The linking hole diameter distribution has a half-value width of 50 nm or more, and a pore volume occupied by pores having a pore diameter of 1 nm or more is 1.0 ml / g or more and 4.0 ml / g or less.

特許第5852548号公報Japanese Patent No. 5852548

しかし、特許文献1に記載されているような特定の細孔容積及び細孔径分布を有する炭素材料が正極に用いられているリチウム空気電池は、大きな放電容量は得られるものの、二次電池として使用可能なサイクル特性は十分でないことが見出された。すなわち、従来のリチウム空気電池は、充放電サイクル特性が十分ではなく、リチウム空気電池が本来有している高容量であるという特徴を活かす以前に、二次電池化に問題があった。   However, a lithium air battery in which a carbon material having a specific pore volume and pore size distribution as described in Patent Document 1 is used for the positive electrode can be used as a secondary battery, although a large discharge capacity can be obtained. It has been found that the possible cycle characteristics are not sufficient. That is, the conventional lithium-air battery has a problem in making it a secondary battery before taking advantage of the high capacity that the lithium-air battery originally has due to insufficient charge / discharge cycle characteristics.

そこで、本開示は、高容量を確保しつつ、充放電サイクル特性の向上したリチウム空気電池を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present disclosure is to provide a lithium-air battery having improved charge / discharge cycle characteristics while ensuring a high capacity.

本開示は、
リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極層を含む負極と、
炭素を含む導電性多孔質体を含み、かつ空気中の酸素を正極活物質として該酸素を酸化還元可能な正極層を含む正極と、
前記負極と前記正極との間に配置された非水系リチウムイオン伝導体と、
を備えたリチウム空気電池であって、
前記正極層において、1nm以上200nm以下の孔径を有する細孔の占める第1細孔容積が、200nmを超え10000nm以下の孔径を有する細孔の占める第2細孔容積よりも大きい、
リチウム空気電池を提供する。
This disclosure
A negative electrode including a negative electrode layer capable of occluding and releasing lithium ions;
A positive electrode including a conductive porous body containing carbon, and a positive electrode layer capable of oxidation-reduction of oxygen using oxygen in the air as a positive electrode active material;
A non-aqueous lithium ion conductor disposed between the negative electrode and the positive electrode;
A lithium-air battery comprising:
In the positive electrode layer, the first pore volume occupied by pores having a pore diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is larger than the second pore volume occupied by pores having a pore diameter of more than 200 nm and 10000 nm or less,
A lithium air battery is provided.

本開示のリチウム空気電池は、高容量を確保しつつ、充放電サイクル特性を向上させることができる。   The lithium-air battery of the present disclosure can improve charge / discharge cycle characteristics while ensuring a high capacity.

図1は、本開示のリチウム空気電池の一構成例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration example of a lithium air battery according to the present disclosure.

<本開示に係る一態様の概要>
本開示の第1の態様に係るリチウム空気電池は、
リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極層を含む負極と、
炭素を含む導電性多孔質体を含み、かつ空気中の酸素を正極活物質として該酸素を酸化還元可能な正極層を含む正極と、
前記負極と前記正極との間に配置された非水系リチウムイオン伝導体と、
を備えたリチウム空気電池であって、
前記正極層において、1nm以上200nm以下の孔径を有する細孔の占める第1細孔容積が、200nmを超え10000nm(=10μm)以下の孔径を有する細孔の占める第2細孔容積よりも大きい。
<Overview of one aspect according to the present disclosure>
A lithium air battery according to the first aspect of the present disclosure is provided.
A negative electrode including a negative electrode layer capable of occluding and releasing lithium ions;
A positive electrode including a conductive porous body containing carbon, and a positive electrode layer capable of oxidation-reduction of oxygen using oxygen in the air as a positive electrode active material;
A non-aqueous lithium ion conductor disposed between the negative electrode and the positive electrode;
A lithium-air battery comprising:
In the positive electrode layer, the first pore volume occupied by pores having a pore diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is larger than the second pore volume occupied by pores having a pore diameter of more than 200 nm and 10000 nm (= 10 μm) or less.

正極層における第1細孔容積と第2細孔容積とが上記の関係を満たすことにより、第1の態様に係るリチウム空気電池は、高容量を確保しつつ、充放電サイクル特性を向上させることができる。   When the first pore volume and the second pore volume in the positive electrode layer satisfy the above relationship, the lithium-air battery according to the first aspect improves charge / discharge cycle characteristics while ensuring a high capacity. Can do.

第2の態様において、例えば、第1の態様に係るリチウム空気電池では、前記正極の電極密度が0.2〜0.4g/cm3であってよい。 In the second aspect, for example, in the lithium air battery according to the first aspect, the electrode density of the positive electrode may be 0.2 to 0.4 g / cm 3 .

第2の態様に係るリチウム空気電池では、正極の電極密度が上記の範囲を満たしており、換言すると正極が孔径の小さい細孔を多く含んでいるといえる。したがって、第2の態様に係るリチウム空気電池では、放電時に生成されるリチウム酸化物が小粒子となりやすく、充放電サイクル特性が向上する。   In the lithium air battery according to the second aspect, the electrode density of the positive electrode satisfies the above range, in other words, it can be said that the positive electrode includes many pores having a small pore diameter. Therefore, in the lithium-air battery according to the second aspect, the lithium oxide generated during discharge tends to be small particles, and the charge / discharge cycle characteristics are improved.

第3の態様において、例えば、第1又は第2の態様に係るリチウム空気電池では、前記正極層の表面官能基量が0.2mmol/g以下であってよい。   In the third aspect, for example, in the lithium air battery according to the first or second aspect, the surface functional group amount of the positive electrode layer may be 0.2 mmol / g or less.

第3の態様に係るリチウム空気電池では、正極層の表面官能基が0.2mmol/g以下と少ない。したがって、正極層の表面官能基と反応して、充電反応で酸化されずに正極層に固定化されるリチウムイオンが少なくなる。その結果、第3の態様に係るリチウム空気電池では、充放電サイクル特性が向上する。   In the lithium air battery according to the third aspect, the surface functional group of the positive electrode layer is as low as 0.2 mmol / g or less. Therefore, the lithium ion which reacts with the surface functional group of the positive electrode layer and is not oxidized by the charging reaction and immobilized on the positive electrode layer is reduced. As a result, in the lithium air battery according to the third aspect, the charge / discharge cycle characteristics are improved.

第4の態様において、例えば、第1〜第3の態様のいずれか1つの態様に係るリチウム空気電池では、前記正極層は5〜500nmの孔径を有する細孔を含んでよい。   In the fourth aspect, for example, in the lithium air battery according to any one of the first to third aspects, the positive electrode layer may include pores having a pore diameter of 5 to 500 nm.

第4の態様に係るリチウム空気電池では、正極が孔径5〜500nmの範囲の細孔を含んでいるので、放電時に生成されるリチウム酸化物が小粒子となりやすく、充放電サイクル特性が向上する。   In the lithium-air battery according to the fourth aspect, since the positive electrode includes pores having a pore diameter in the range of 5 to 500 nm, lithium oxide generated during discharge tends to be small particles, and charge / discharge cycle characteristics are improved.

第5の態様において、例えば、第1〜第4の態様のいずれか1つの態様に係るリチウム空気電池では、前記導電性多孔質体に含まれる炭素が、導電性カーボンブラックであってよい。   In the fifth aspect, for example, in the lithium air battery according to any one of the first to fourth aspects, the carbon contained in the conductive porous body may be conductive carbon black.

第5の態様に係るリチウム空気電池では、正極層の導電性多孔質体に含まれる炭素が導電性カーボンブラックであることにより、電子伝導性に優れた正極層を実現できる。   In the lithium air battery according to the fifth aspect, since the carbon contained in the conductive porous body of the positive electrode layer is conductive carbon black, a positive electrode layer having excellent electronic conductivity can be realized.

第6の態様において、例えば、第1〜第5の態様のいずれか1つの態様に係るリチウム空気電池では、前記非水系リチウムイオン伝導体が、テトラエチレングリコールジメチルエーテルを含んでよい。   In the sixth aspect, for example, in the lithium air battery according to any one of the first to fifth aspects, the non-aqueous lithium ion conductor may include tetraethylene glycol dimethyl ether.

テトラエチレングリコールジメチルエーテルは、カーボネート系溶媒と比較して正極内での酸素の酸化還元反応以外の副反応が起こりにくい。したがって、第6の態様に係るリチウム空気電池は、副反応によって生成した物質による充放電反応の阻害が起こりにくいので、充放電サイクル特性を向上させることができる。   Tetraethylene glycol dimethyl ether is less susceptible to side reactions than oxygen redox reactions in the positive electrode compared to carbonate solvents. Therefore, in the lithium air battery according to the sixth aspect, the charge / discharge reaction is hardly inhibited by the substance generated by the side reaction, so that the charge / discharge cycle characteristics can be improved.

第7の態様において、例えば、第1〜第6の態様のいずれか1つの態様に係るリチウム空気電池では、前記負極層が、金属リチウムを含んでよい。   In the seventh aspect, for example, in the lithium-air battery according to any one of the first to sixth aspects, the negative electrode layer may contain metallic lithium.

第7の態様に係るリチウム空気電池では、負極層が金属リチウムを含むので、さらに高エネルギー密度な電池を実現できる。   In the lithium-air battery according to the seventh aspect, since the negative electrode layer contains metallic lithium, a battery with higher energy density can be realized.

本開示の第8の態様に係るリチウム空気電池の使用方法は、第1〜第7の態様のいずれか1つの態様に係るリチウム空気電池の使用方法であって、前記空気電池の放電を、放電深度25%以下の範囲内で実施する。   A method for using a lithium air battery according to an eighth aspect of the present disclosure is a method for using a lithium air battery according to any one of the first to seventh aspects, wherein the discharge of the air battery is discharged. The depth is 25% or less.

第8の態様に係るリチウム空気電池の使用方法では、空気電池の放電を放電深度25%以下の範囲内で実施するので、正極に生成するリチウム酸化物を小粒子とすることができ、さらに放電終了時に正極層の空隙のほとんどが電気伝導性の低いリチウム酸化物によって埋められてしまうということがない。したがって、第8の態様に係る使用方法によれば、リチウム空気電池の充放電サイクル特性を向上させることができる。   In the method of using the lithium-air battery according to the eighth aspect, since the discharge of the air battery is performed within a discharge depth of 25% or less, the lithium oxide produced on the positive electrode can be made into small particles, and further the discharge At the end, most of the voids in the positive electrode layer are not filled with lithium oxide having low electrical conductivity. Therefore, according to the usage method according to the eighth aspect, the charge / discharge cycle characteristics of the lithium-air battery can be improved.

<実施形態>
以下、本開示のリチウム空気電池の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は一例であり、本開示は以下の形態に限定されない。
<Embodiment>
Hereinafter, embodiments of the lithium-air battery of the present disclosure will be described in detail. In addition, the following embodiment is an example and this indication is not limited to the following forms.

本実施形態のリチウム空気電池は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極層を含む負極と、炭素を含む導電性多孔質体を含み、かつ空気中の酸素を正極活物質として該酸素を酸化還元可能な正極層を含む正極と、負極と正極との間に配置された非水系リチウムイオン伝導体と、を備えている。正極は、正極層の集電を行う正極集電体をさらに含んでいてもよい。また、負極は、負極層の集電を行う負極集電体をさらに含んでいてもよい。本実施形態のリチウム空気電池は、正極と負極との間に配置されたセパレータをさらに備えていてもよい。このようなリチウム空気電池の一構成例の概略断面図を図1に示す。   The lithium-air battery of the present embodiment includes a negative electrode including a negative electrode layer capable of occluding and releasing lithium ions, and a conductive porous body containing carbon, and the oxygen can be oxidized and reduced using oxygen in the air as a positive electrode active material. A positive electrode including a positive electrode layer, and a nonaqueous lithium ion conductor disposed between the negative electrode and the positive electrode. The positive electrode may further include a positive electrode current collector that collects current from the positive electrode layer. The negative electrode may further include a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode layer. The lithium air battery according to the present embodiment may further include a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode. A schematic cross-sectional view of one configuration example of such a lithium-air battery is shown in FIG.

図1に例示されているリチウム空気電池1は、電池ケース11と、負極12と、正極13と、非水系リチウムイオン伝導体としての電解質層14とを備えている。電池ケース11は、上面側及び底面側の両方が開口した筒状部11aと、筒状部11aの底面側の開口を塞ぐように設けられた底部11bと、筒状部11aの上面側の開口を塞ぐように設けられた蓋部11cとを備えている。蓋部11cには、空気を電池ケース11内に取り込むための空気取り込み孔15が設けられている。負極12は、電池ケース11の底部11bの内底面上に配置された負極層12aを備えている。電池ケース11の底部11bは、負極12の負極集電体の機能を兼ね備えている。すなわち、負極集電体を兼ねる底部11bと負極層12aとによって、負極12が構成されている。正極13は、炭素を含む導電性多孔質体を含む正極層13aと、正極層13aに対して電池ケース11の蓋部11cの空気取り込み孔15側(換言すると、正極層13aに対して電解質層14と反対側)に配置された正極集電体13bとで構成されている。なお、図示されていないが、リチウム空気電池1は、電解質層14に含まれたセパレータをさらに備えている。   A lithium-air battery 1 illustrated in FIG. 1 includes a battery case 11, a negative electrode 12, a positive electrode 13, and an electrolyte layer 14 as a non-aqueous lithium ion conductor. The battery case 11 includes a cylindrical portion 11a that is open on both the upper surface side and the bottom surface side, a bottom portion 11b that is provided so as to close an opening on the bottom surface side of the cylindrical portion 11a, and an opening on the upper surface side of the cylindrical portion 11a. And a lid portion 11c provided so as to close the door. The lid portion 11 c is provided with an air intake hole 15 for taking air into the battery case 11. The negative electrode 12 includes a negative electrode layer 12 a disposed on the inner bottom surface of the bottom 11 b of the battery case 11. The bottom part 11 b of the battery case 11 also has the function of the negative electrode current collector of the negative electrode 12. That is, the negative electrode 12 is configured by the bottom 11b that also serves as the negative electrode current collector and the negative electrode layer 12a. The positive electrode 13 includes a positive electrode layer 13a including a conductive porous body containing carbon, and an air intake hole 15 side of the lid portion 11c of the battery case 11 with respect to the positive electrode layer 13a (in other words, an electrolyte layer with respect to the positive electrode layer 13a). 14 and the positive electrode current collector 13b disposed on the opposite side. Although not shown, the lithium air battery 1 further includes a separator included in the electrolyte layer 14.

上記のような構成を有するリチウム空気電池における電池反応は以下のとおりである。
放電反応(電池使用時)
負極:2Li → 2Li++2e- (1)
正極:2Li++2e-+O2 → Li22 (2)
充電反応(電池充電時)
負極:2Li++2e- → 2Li (3)
正極:Li22 → 2Li++2e-+O2 (4)
The battery reaction in the lithium air battery having the above-described configuration is as follows.
Discharge reaction (when using batteries)
Negative electrode: 2Li → 2Li + + 2e (1)
Positive electrode: 2Li + + 2e + O 2 → Li 2 O 2 (2)
Charging reaction (during battery charging)
Negative electrode: 2Li + + 2e → 2Li (3)
Positive electrode: Li 2 O 2 → 2Li + + 2e + O 2 (4)

放電時には、式(1)及び(2)に示すように、負極から電子とリチウムイオンとを放出し、一方正極では電子を取り込むと同時に電池外部から取り込んだ酸素とリチウムイオンとが反応してリチウム酸化物が生成する。また充電時には、式(3)及び(4)に示すように、負極において電子と共にリチウムイオンを取り込み、正極において電子と共にリチウムイオンと酸素とを放出する。   At the time of discharging, as shown in the formulas (1) and (2), electrons and lithium ions are released from the negative electrode, while at the positive electrode, oxygen and lithium ions taken from the outside of the battery simultaneously react with lithium. An oxide is formed. At the time of charging, as shown in equations (3) and (4), lithium ions are taken together with electrons in the negative electrode, and lithium ions and oxygen are released together with electrons in the positive electrode.

次に、このようなリチウム空気電池の各構成について詳細に説明する。   Next, each configuration of such a lithium-air battery will be described in detail.

1.正極
前述のとおり、正極は、正極層を含んでおり、さらに正極集電体を含んでいてもよい。以下に、正極層及び正極集電体についてそれぞれ説明する。
1. Positive electrode As described above, the positive electrode includes a positive electrode layer, and may further include a positive electrode current collector. Hereinafter, the positive electrode layer and the positive electrode current collector will be described.

(1)正極層
正極層は、空気中の酸素を正極活物質として該酸素を酸化還元可能とする材料を含んでいる。そのような材料として、本実施形態における正極層は、炭素を含む導電性多孔質体を含んでいる。炭素を含む導電性多孔質体として用いられる炭素材料は、高い電子伝導性を有することが望ましい。具体的には、アセチレンブラック及びケッチェンブラック等の、一般的に導電助剤として用いられている炭素材料が好ましい。これらの炭素材料の中でも、比表面積、一次粒子のサイズの点から、ケッチェンブラックなどの導電性カーボンブラックを用いることがより好ましい。炭素材料の比表面積は、例えば800〜2000m2/gとでき、1200〜1600m2/gであることが好ましい。炭素材料の比表面積をこのような範囲内とすることにより、後述する特徴的な細孔構造を有する正極層を形成しやすくなる。なお、ここでの比表面積は、BET法により測定される値である。
(1) Positive electrode layer The positive electrode layer contains a material that allows oxygen in the air to be oxidized and reduced using oxygen in the air as a positive electrode active material. As such a material, the positive electrode layer in the present embodiment includes a conductive porous body containing carbon. The carbon material used as the conductive porous body containing carbon desirably has high electron conductivity. Specifically, carbon materials that are generally used as conductive aids, such as acetylene black and ketjen black, are preferred. Among these carbon materials, it is more preferable to use conductive carbon black such as ketjen black in view of specific surface area and primary particle size. The specific surface area of the carbon material, for example, be a 800~2000m 2 / g, it is preferably 1200~1600m 2 / g. By setting the specific surface area of the carbon material in such a range, it becomes easy to form a positive electrode layer having a characteristic pore structure described later. The specific surface area here is a value measured by the BET method.

正極層は、5〜500nmの孔径を有する細孔を含むことが好ましい。ここで、正極層において、1nm以上200nm以下(第1孔径範囲)の孔径を有する細孔の占める容積を「第1細孔容積」とし、200nmを超え10000nm以下(第2孔径範囲)の孔径を有する細孔の占める容積を「第2細孔容積」と定義した場合、第1細孔容積は第2細孔容積よりも大きい。すなわち、本実施形態のリチウム空気電池における正極層の細孔容積は、第1孔径範囲内の小さい孔径を有する細孔によって形成されている割合の方が、第2孔径範囲内の大きい孔径を有する細孔によって形成される割合よりも大きく、換言すると、正極層は小さい孔径の細孔が多く存在する多孔質体であるといえる。前述のとおり、正極では放電時にリチウム酸化物が生成する。このリチウム酸化物は、正極層の空隙部分、すなわち細孔内に生成されることになる。本実施形態における正極層は小さい孔径の細孔を多く含むため、放電時に生成されるリチウム酸化物の多くは小粒子となる。一方、充電時には生成したリチウム酸化物の分解反応が起こる。リチウム酸化物の電気伝導性は低いが、本実施形態のリチウム空気電池ではリチウム酸化物が小粒子であるので、リチウム酸化物の分解反応が粒子の表面だけでなく全体で起こりやすい。その結果、放電時に生成したリチウム酸化物は、その大部分が分解されて充電に寄与できる。これにより、本実施形態のリチウム空気電池は、従来のリチウム空気電池と比較して、充放電サイクル特性を向上させることができる。   The positive electrode layer preferably includes pores having a pore diameter of 5 to 500 nm. Here, in the positive electrode layer, a volume occupied by pores having a pore diameter of 1 nm or more and 200 nm or less (first pore diameter range) is defined as “first pore volume”, and a pore diameter exceeding 200 nm and 10,000 nm or less (second pore diameter range) is defined. When the volume occupied by the pores is defined as “second pore volume”, the first pore volume is larger than the second pore volume. In other words, the pore volume of the positive electrode layer in the lithium-air battery of the present embodiment has a larger pore diameter in the second pore diameter range when the proportion formed by pores having a smaller pore diameter in the first pore diameter range is larger. In other words, it can be said that the positive electrode layer is a porous body in which many pores having a small pore diameter are present. As described above, lithium oxide is generated in the positive electrode during discharge. This lithium oxide is generated in the void portion of the positive electrode layer, that is, in the pores. Since the positive electrode layer in the present embodiment includes a large number of small pores, most of the lithium oxide generated during discharge becomes small particles. On the other hand, a decomposition reaction of the generated lithium oxide occurs during charging. Although the electrical conductivity of lithium oxide is low, in the lithium-air battery of this embodiment, since lithium oxide is small particles, the decomposition reaction of lithium oxide is likely to occur not only on the surface of the particles but also on the whole. As a result, most of the lithium oxide generated during discharge is decomposed and can contribute to charging. Thereby, the lithium air battery of this embodiment can improve charging / discharging cycling characteristics compared with the conventional lithium air battery.

充放電サイクル特性をより一層向上させるためには、第1細孔容積がより大きく、第2細孔容積がより小さいことが好ましい。例えば、第2細孔容積を第1細孔容積の80%以下に小さく抑えることにより、充電に寄与しないリチウム酸化物の割合を低くすることができるので、充放電サイクル特性をさらに向上させることができる。   In order to further improve the charge / discharge cycle characteristics, it is preferable that the first pore volume is larger and the second pore volume is smaller. For example, by suppressing the second pore volume to 80% or less of the first pore volume, the proportion of lithium oxide that does not contribute to charging can be reduced, so that the charge / discharge cycle characteristics can be further improved. it can.

第1細孔容積は、第2細孔容積よりも大きければよく、その範囲は特には限定されない。より一層の高容量の確保と充放電サイクル特性の向上とを考慮して、第1細孔容積を例えば0.1〜2.4cm3/gとすることが好ましく、1.0〜2.4cm3/gとすることがより好ましい。また、第2細孔容積の範囲も特には限定されないが、より一層の高容量の確保と充放電サイクル特性の向上とを考慮して、例えば0.1〜2.2cm3/gとすることが好ましい。 The 1st pore volume should just be larger than the 2nd pore volume, and the range is not specifically limited. In consideration of securing a higher capacity and improving charge / discharge cycle characteristics, the first pore volume is preferably set to 0.1 to 2.4 cm 3 / g, for example, 1.0 to 2.4 cm. More preferably, it is 3 / g. Further, the range of the second pore volume is not particularly limited, but is set to, for example, 0.1 to 2.2 cm 3 / g in consideration of securing a higher capacity and improving charge / discharge cycle characteristics. Is preferred.

正極の電極密度は、例えば0.2g/cm3以上が好ましく、0.3g/cm3以上がより好ましい。正極がこのような比較的高い電極密度を有することは、換言すると、正極が数nmサイズの孔径を有する小さい細孔を多く含んでいるということになる。したがって、このような電極密度を有する正極によれば、充放電サイクル特性を向上させることができる。なお、電極密度が高すぎると、放電時にリチウム酸化物が析出できる空隙が少なくなり過ぎるので、電極密度は例えば0.6g/cm3以下が好ましく、0.4g/cm3以下がより好ましい。ここで、正極の電極密度とは、正極のうち電極反応が起こる部分の密度のことであり、正極層の密度に相当する。すなわち、正極が正極集電体を含んでいる場合、正極の電極密度とは、正極集電体を除く部分の密度である。 For example, the electrode density of the positive electrode is preferably 0.2 g / cm 3 or more, and more preferably 0.3 g / cm 3 or more. In other words, the positive electrode has such a relatively high electrode density, which means that the positive electrode contains many small pores having a pore size of several nanometers. Therefore, according to the positive electrode having such an electrode density, the charge / discharge cycle characteristics can be improved. Incidentally, when the electrode density is too high, since the lithium oxide gap is too small that can be precipitated during the discharge, the electrode density is preferably for example 0.6 g / cm 3 or less, 0.4 g / cm 3 or less is more preferable. Here, the electrode density of the positive electrode is the density of the portion of the positive electrode where the electrode reaction occurs, and corresponds to the density of the positive electrode layer. That is, when the positive electrode includes a positive electrode current collector, the electrode density of the positive electrode is a density of a portion excluding the positive electrode current collector.

正極層の表面官能基(例えば、OH基等)は少ないことが好ましい。正極層の表面官能基が多すぎると、充放電サイクル特性が低下する場合があるからである。正極層の表面官能基による充放電サイクル特性の低下の要因としては様々なものが考えられるが、表面官能基が多い場合、表面上のOH基とLiイオンとが反応してO−Liを形成する副反応が起こり、このO−Liが安定となり充電反応で酸化されずに固定化されることで、充放電サイクル特性が悪くなると考えられる。一方、表面官能基量が少ない正極層の場合には、表面上に固定されるLiが少なく、上記副反応が少ないため、充放電サイクル特性が向上する。したがって、正極層の表面官能基量は、0.5mmol/g以下が好ましく、0.2mmol/g以下がより好ましい。   It is preferable that the positive electrode layer has few surface functional groups (for example, OH groups). This is because when the surface functional group of the positive electrode layer is too much, the charge / discharge cycle characteristics may be deteriorated. Various factors can be considered as the cause of the deterioration of the charge / discharge cycle characteristics due to the surface functional groups of the positive electrode layer. When there are many surface functional groups, the OH groups on the surface react with Li ions to form O-Li. It is considered that the charge / discharge cycle characteristics deteriorate due to the occurrence of side reactions that occur and the O-Li becomes stable and immobilized without being oxidized by the charge reaction. On the other hand, in the case of the positive electrode layer having a small amount of surface functional groups, the amount of Li immobilized on the surface is small and the side reaction is small, so the charge / discharge cycle characteristics are improved. Therefore, the surface functional group amount of the positive electrode layer is preferably 0.5 mmol / g or less, and more preferably 0.2 mmol / g or less.

正極層は、上記の導電性多孔質体を含んでいればよいが、上記の導電性多孔質体を固定化するバインダをさらに含有することが好ましい。バインダとしては、リチウム空気電池の正極層のバインダとして公知の材料を用いることができ、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。正極層におけるバインダの含有量は、特に限定されるものではないが、例えば1質量%〜40質量%の範囲内であることが好ましい。   Although the positive electrode layer should just contain said electroconductive porous body, it is preferable to further contain the binder which fixes said electroconductive porous body. As a binder, a well-known material can be used as a binder of the positive electrode layer of a lithium air battery, for example, a polyvinylidene fluoride (PVdF), a polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. can be mentioned. Although content of the binder in a positive electrode layer is not specifically limited, For example, it is preferable to exist in the range of 1 mass%-40 mass%.

正極層の厚さは、リチウム空気電池の用途等により異なるものであるため特に限定されるものではないが、例えば2μm〜500μmの範囲内とでき、5μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the positive electrode layer is not particularly limited because it varies depending on the use of the lithium-air battery, and can be, for example, in the range of 2 μm to 500 μm, and preferably in the range of 5 μm to 300 μm.

正極層の形成方法としては、例えば、以下に説明する正極集電体上に、正極層を構成する上記の導電性多孔質体及びバインダ等を含む組成物を溶媒中に分散した塗料をドクターブレード法等により塗布する方法、又は、上記組成物を圧着プレスにより成型する方法等を用いることができる。   As a method for forming the positive electrode layer, for example, a paint obtained by dispersing a composition containing the above-described conductive porous body and binder constituting the positive electrode layer in a solvent on a positive electrode current collector described below is used as a doctor blade. The method of apply | coating by the method etc. or the method of shape | molding the said composition with a crimping press etc. can be used.

(2)正極集電体
正極集電体は、正極層の集電を行うものである。したがって、正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く、リチウム空気電池の正極集電体として公知の材料を用いることができる。正極集電体の材料の例として、例えばステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン及びカーボン等を挙げることができる。正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。これらの中でも、本実施形態においては、正極集電体の形状がメッシュ状であることが好ましい。メッシュ状の正極集電体は、集電効率に優れているからである。この場合、通常、正極層の内部にメッシュ状の正極集電体が配置される。さらに、本実施形態のリチウム空気電池は、メッシュ状の正極集電体により集電された電荷を集電する別の正極集電体(例えば箔状の集電体)をさらに有していてもよい。本実施形態においては、後述する電池ケースが正極集電体の機能を兼ね備えていてもよい。
(2) Positive electrode current collector The positive electrode current collector collects current from the positive electrode layer. Therefore, the material of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and a known material can be used as the positive electrode current collector of the lithium air battery. Examples of the material of the positive electrode current collector include stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and carbon. Examples of the shape of the positive electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. Among these, in the present embodiment, the shape of the positive electrode current collector is preferably a mesh shape. This is because the mesh-shaped positive electrode current collector is excellent in current collection efficiency. In this case, usually, a mesh-like positive electrode current collector is disposed inside the positive electrode layer. Furthermore, the lithium-air battery of this embodiment may further include another positive electrode current collector (for example, a foil-shaped current collector) that collects electric charges collected by the mesh-shaped positive electrode current collector. Good. In the present embodiment, a battery case, which will be described later, may have the function of a positive electrode current collector.

正極集電体の厚さは、例えば10μm〜1000μmの範囲内とすることができ、20μm〜400μmの範囲内とすることが好ましい。   The thickness of the positive electrode current collector can be, for example, in the range of 10 μm to 1000 μm, and preferably in the range of 20 μm to 400 μm.

2.負極
前述のとおり、負極は、負極層を含んでおり、さらに負極集電体を含んでいてもよい。以下に、負極層及び負極集電体についてそれぞれ説明する。
2. Negative Electrode As described above, the negative electrode includes a negative electrode layer, and may further include a negative electrode current collector. Hereinafter, the negative electrode layer and the negative electrode current collector will be described.

(1)負極層
本実施形態における負極層は、少なくとも、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質を含有する。このような負極活物質としては、リチウム元素を含有する物質であれば特に限定されるものではないが、例えば金属単体(金属リチウム)、リチウム元素を含有する合金、リチウム元素を含有する酸化物及びリチウム元素を含有する窒化物等を挙げることができる。リチウム元素を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、リチウム鉛合金及び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、リチウム鉄窒化物及びリチウムマンガン窒化物等を挙げることができる。
(1) Negative electrode layer The negative electrode layer in this embodiment contains the negative electrode active material which can occlude / release lithium ion at least. Such a negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material containing lithium element. For example, a simple metal (metal lithium), an alloy containing lithium element, an oxide containing lithium element, and Examples thereof include a nitride containing lithium element. Examples of the alloy having a 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.

負極層は、負極活物質のみを含有するものであってもよいし、負極活物質の他にバインダを含有するものであってもよい。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、負極活物質及びバインダを有する負極層とすることができる。バインダとしては、リチウム空気電池の負極層のバインダとして公知の材料を用いることができ、例えばPVdF及びPTFE等を挙げることができる。負極層におけるバインダの含有量は、特に限定されるものではないが、例えば1質量%〜40質量%の範囲内であることが好ましい。また、粉末状の負極活物質を用いて負極層を形成する方法としては、上記の正極層の形成方法と同様に、ドクターブレード法又は圧着プレスによる成型方法等を用いることができる。   The negative electrode layer may contain only the negative electrode active material, or may contain a binder in addition to the negative electrode active material. For example, when the negative electrode active material is in the form of a foil, a negative electrode 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 layer having a negative electrode active material and a binder can be obtained. As a binder, a well-known material can be used as a binder of the negative electrode layer of a lithium air battery, for example, PVdF, PTFE, etc. can be mentioned. Although content of the binder in a negative electrode layer is not specifically limited, For example, it is preferable to exist in the range of 1 mass%-40 mass%. In addition, as a method for forming the negative electrode layer using the powdered negative electrode active material, a doctor blade method, a molding method using a pressure press, or the like can be used as in the above-described method for forming the positive electrode layer.

(2)負極集電体
負極集電体は、負極層の集電を行うものである。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く、リチウム空気電池の負極集電体として公知の材料を用いることができる。負極集電体の材料の例として、例えば銅、ステンレス、ニッケル及びカーボン等を挙げることができる。負極集電体の形状としては、例えば箔状、板状及びメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。本実施形態においては、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よい。
(2) Negative electrode current collector The negative electrode current collector collects current from the negative electrode layer. The material of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and any known material can be used as the negative electrode current collector of the lithium-air battery. Examples of the material for the negative electrode current collector include copper, stainless steel, nickel, and carbon. 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 embodiment, a battery case to be described later may have the function of a negative electrode current collector.

3.セパレータ
本実施形態のリチウム空気電池は、正極(正極層)と負極(負極層)との間に配置されたセパレータを備えてもよい。正極と負極との間にセパレータが配置されることにより、安全性の高い電池を得ることができる。セパレータとしては、正極層と負極層とを電気的に分離する機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリエチレン(PE)及びポリプロピレン(PP)等の多孔膜、PE及びPP等の樹脂不織布、ガラス繊維不織布、並びに、紙製の不織布等の多孔質絶縁材料等を挙げることができる。
3. Separator The lithium-air battery of this embodiment may include a separator disposed between the positive electrode (positive electrode layer) and the negative electrode (negative electrode layer). By disposing the separator between the positive electrode and the negative electrode, a highly safe battery can be obtained. The separator is not particularly limited as long as it has a function of electrically separating the positive electrode layer and the negative electrode layer. For example, porous films such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP), PE and PP Examples thereof include porous insulating materials such as resin nonwoven fabrics, glass fiber nonwoven fabrics, and paper nonwoven fabrics.

セパレータは、多孔度を30〜90%の範囲にすることが好ましい。多孔度が30%未満の場合、セパレータに電解質を保持させる場合に、セパレータが電解質を十分に保持することが困難になるおそれがある。一方、多孔度が90%を超えると、十分なセパレータ強度を得られなくなるおそれがあるからである。セパレータの多孔度のより好ましい範囲は、35〜60%である。   The separator preferably has a porosity in the range of 30 to 90%. When the porosity is less than 30%, when the separator holds the electrolyte, it may be difficult for the separator to hold the electrolyte sufficiently. On the other hand, if the porosity exceeds 90%, sufficient separator strength may not be obtained. A more preferable range of the porosity of the separator is 35 to 60%.

4.電解質層(リチウムイオン伝導体)
電解質層は、正極(正極層)と負極(負極層)との間に配置され、リチウムイオンの伝導を行う層である。したがって、電解質層は、リチウムイオン伝導性を有するもの(リチウムイオン伝導体)であればその形態は特には限定されず、電解質としてのリチウムの塩を含む有機溶媒系に代表される溶液系、及び、リチウムの塩を含む高分子固体電解質の系に代表される固体膜系のいずれの形態でもよい。
4). Electrolyte layer (lithium ion conductor)
The electrolyte layer is a layer that is disposed between the positive electrode (positive electrode layer) and the negative electrode (negative electrode layer) and conducts lithium ions. Therefore, the form of the electrolyte layer is not particularly limited as long as it has lithium ion conductivity (lithium ion conductor), and a solution system typified by an organic solvent system containing a lithium salt as an electrolyte, and Any form of a solid film system represented by a polymer solid electrolyte system containing a lithium salt may be used.

電解質層が溶液系である場合、非水溶媒にリチウム塩を溶解することにより調製される非水電解液を電解質層として用いることができる。   When the electrolyte layer is a solution system, a non-aqueous electrolyte prepared by dissolving a lithium salt in a non-aqueous solvent can be used as the electrolyte layer.

非水電解液に電解質として含まれるリチウム塩としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化硼酸リチウム(LiBF4)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)及びビストリフルオロメタンスルホニルアミドリチウム(LiN(CF3SO22)等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、リチウム空気電池の非水電解液の電解質として公知のリチウム塩を用いることができる。 Examples of the lithium salt contained in the non-aqueous electrolyte as an electrolyte include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and trifluoromethanesulfonic acid. Examples include lithium (LiCF 3 SO 3 ) and bistrifluoromethanesulfonylamide lithium (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), but are not limited to these, and as electrolytes for non-aqueous electrolytes of lithium-air batteries A known lithium salt can be used.

非水溶媒に対する電解質の溶解量は、例えば0.5〜2.5モル/lである。また、溶液系の電解質層(非水電解液)を用いる場合、前述のとおり、この非水電解液をセパレータに含浸させて保持することにより、電解質層が形成され得る。   The amount of the electrolyte dissolved in the nonaqueous solvent is, for example, 0.5 to 2.5 mol / l. When a solution-based electrolyte layer (non-aqueous electrolyte) is used, as described above, the electrolyte layer can be formed by impregnating and holding the non-aqueous electrolyte in a separator.

非水溶媒としては、リチウム空気電池の非水電解液の非水溶媒として公知の非水溶媒を用いることができる。この中でも特に、テトラエチレングリコールジメチルエーテルなどの鎖状エーテルを溶媒として用いることが好ましい。これはカーボネート系溶媒と比較して正極内での酸素の酸化還元反応以外の副反応が起こりにくいためである。   As the non-aqueous solvent, a known non-aqueous solvent can be used as the non-aqueous solvent of the non-aqueous electrolyte of the lithium air battery. Among these, it is particularly preferable to use a chain ether such as tetraethylene glycol dimethyl ether as a solvent. This is because side reactions other than the oxidation-reduction reaction of oxygen in the positive electrode are less likely to occur than in the carbonate-based solvent.

5.電池ケース
本実施形態のリチウム空気電池の電池ケースは、前述した正極、負極及び電解質層を収納することができればよいため、特には限定されない。したがって、本実施形態のリチウム空気電池の電池ケースは、図1に示されている電池ケース11には限定されず、コイン型、平板型、円筒型及びラミネート型等の様々な電池ケースを用いることができる。また、電池ケースは、大気開放型の電池ケースであることが好ましいが、密閉型の電池ケースであってもよい。なお、大気開放型の電池ケースとは、大気が出入りできる通風口を有しており、大気が正極と接触可能なケースである。一方、密閉型電池ケースの場合は、密閉型電池ケースに、気体(空気)の供給管及び排出管を設けることが好ましい。この場合、供給及び排出される気体は、乾燥気体であることが好ましく、なかでも、酸素濃度が高いことが好ましく、純酸素(99.99%)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。
5. Battery Case The battery case of the lithium-air battery of the present embodiment is not particularly limited because it only needs to accommodate the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer described above. Therefore, the battery case of the lithium-air battery of the present embodiment is not limited to the battery case 11 shown in FIG. 1, and various battery cases such as a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminate type are used. Can do. The battery case is preferably an open-air battery case, but may be a sealed battery case. Note that the open air battery case has a vent hole through which air can enter and exit, and the air can come into contact with the positive electrode. On the other hand, in the case of a sealed battery case, it is preferable to provide a gas (air) supply pipe and a discharge pipe in the sealed battery case. In this case, the gas to be supplied and discharged is preferably a dry gas, in particular, preferably has a high oxygen concentration, and more preferably pure oxygen (99.99%). In addition, it is preferable to increase the oxygen concentration during discharging and decrease the oxygen concentration during charging.

次に、本実施形態のリチウム空気電池の好ましい使用方法について説明する。   Next, the preferable usage method of the lithium air battery of this embodiment is demonstrated.

本実施形態のリチウム空気電池の放電を放電深度(DOD)50%以下の範囲内で実施することが好ましい。なお、本実施形態におけるリチウム空気電池の放電深度は、リチウム基準電位に対して正極の放電電位が2.0Vに達した状態を完全放電時の容量とし、この完全放電時の容量に対する放電容量の比率である。DOD50%以下で放電を行うことにより、正極に生成するリチウム酸化物をより小粒子とすることができ、さらに放電終了時に正極層の空隙のほとんどが電気伝導性の低いリチウム酸化物によって埋められてしまうということがない。これにより、充電時にリチウム酸化物が効率良く分解される。この結果、本実施形態の使用方法によれば、本実施形態のリチウム空気電池の充放電サイクル特性を向上させることができる。充放電サイクル特性の向上のために、リチウム空気電池の放電はDCD25%以下の範囲内で実施されることがより好ましい。   It is preferable to discharge the lithium air battery of this embodiment within a range of 50% or less of the depth of discharge (DOD). The discharge depth of the lithium-air battery in this embodiment is defined as the capacity at the time of complete discharge when the discharge potential of the positive electrode reaches 2.0 V with respect to the lithium reference potential. It is a ratio. By discharging at a DOD of 50% or less, the lithium oxide produced on the positive electrode can be made smaller particles, and at the end of the discharge, most of the voids in the positive electrode layer are filled with lithium oxide having low electrical conductivity. There is no end to it. Thereby, lithium oxide is decomposed | disassembled efficiently at the time of charge. As a result, according to the usage method of this embodiment, the charge / discharge cycle characteristics of the lithium-air battery of this embodiment can be improved. In order to improve the charge / discharge cycle characteristics, it is more preferable that the discharge of the lithium-air battery is performed within a range of DCD 25% or less.

以下、実施例により本開示をさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例は一例であり、本開示は以下の実施例に限定されない。   Hereinafter, the present disclosure will be described in more detail with reference to examples. Note that the following embodiments are examples, and the present disclosure is not limited to the following embodiments.

(実施例1)
炭素を含む導電性多孔質体を形成する材料として、ケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル社製、「ECP600」)を用いた。また、バインダとしてPTFE(ダイキン工業株式会社製)を用いた。このケッチェンブラックとPTFEバインダとを、質量比90:10でエタノール溶媒を用いて混練し、ロールプレスにより圧延し、電極シートを作製した。得られた電極シートを正極(正極層)とした。なお、得られた電極シートについて、細孔径分布、電極密度及び表面官能基量を後述の方法により求めた。また、得られた細孔径分布から、第1細孔容積及び第2細孔容積も求めた。非水電解液としては、非水溶媒であるテトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME、キシダ化学製)に、電解質としてLiTFSA(リチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド、キシダ化学製)を1mol/Lの濃度となるように露点−50度以下のドライエア雰囲気下で一晩攪拌混合溶解させたものを用いた。セパレータとしてはガラス繊維セパレータを用いた。負極としては、金属リチウム(本城化学製)を負極層とし、この負極層にSUS304メッシュ(ニラコ製)を負極集電体として貼付したものを用いた。これら正極(正極層のみ)、セパレータ、非水電解液及び負極(負極層及び負極集電体)を、図1に示されているように配置して、リチウム空気電池を作製した。作製されたリチウム空気電池について、充放電サイクル試験を行った。電極シートの第1細孔容積、第2細孔容積、電極密度及び表面官能基量の結果、並びに、リチウム空気電池の充放電サイクル試験の結果を、表1に示す。
Example 1
As a material for forming a conductive porous body containing carbon, ketjen black (manufactured by ketjen black international, “ECP600”) was used. Moreover, PTFE (made by Daikin Industries, Ltd.) was used as a binder. This ketjen black and PTFE binder were kneaded with an ethanol solvent at a mass ratio of 90:10 and rolled by a roll press to prepare an electrode sheet. The obtained electrode sheet was used as a positive electrode (positive electrode layer). In addition, about the obtained electrode sheet | seat, pore diameter distribution, the electrode density, and the surface functional group amount were calculated | required by the below-mentioned method. Further, the first pore volume and the second pore volume were also determined from the obtained pore size distribution. The non-aqueous electrolyte is tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME, manufactured by Kishida Chemical Co.), which is a non-aqueous solvent, and LiTFSA (lithium bistrifluoromethanesulfonylamide, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) is used as the electrolyte to a concentration of 1 mol / L. A dew point −50 ° C. or lower in a dry air atmosphere was used by stirring and mixing overnight. A glass fiber separator was used as the separator. As the negative electrode, metal lithium (Honjo Chemical) was used as a negative electrode layer, and SUS304 mesh (manufactured by Niraco) was attached to the negative electrode layer as a negative electrode current collector. These positive electrode (only the positive electrode layer), separator, non-aqueous electrolyte and negative electrode (negative electrode layer and negative electrode current collector) were arranged as shown in FIG. 1 to produce a lithium-air battery. The manufactured lithium air battery was subjected to a charge / discharge cycle test. Table 1 shows the results of the first pore volume, the second pore volume, the electrode density, and the surface functional group amount of the electrode sheet, and the results of the charge / discharge cycle test of the lithium air battery.

(実施例2)
実施例1と同様にしてリチウム空気電池を作製した。したがって、正極層として作製された電極シートの細孔径分布、第1細孔容積、第2細孔容積、電極密度及び表面官能基量は実施例1の電極シートと同じであった。作製されたリチウム空気電池について、充放電サイクル試験を行った。電極シートの細孔径分布、第1細孔容積、第2細孔容積、電極密度及び表面官能基量の結果、並びに、リチウム空気電池の充放電サイクル試験の結果を、表1に示す。
(Example 2)
A lithium air battery was produced in the same manner as in Example 1. Therefore, the pore size distribution, the first pore volume, the second pore volume, the electrode density, and the surface functional group amount of the electrode sheet produced as the positive electrode layer were the same as those of the electrode sheet of Example 1. The manufactured lithium air battery was subjected to a charge / discharge cycle test. Table 1 shows the results of the pore diameter distribution, the first pore volume, the second pore volume, the electrode density and the surface functional group amount of the electrode sheet, and the results of the charge / discharge cycle test of the lithium air battery.

(実施例3)
実施例1と同様にしてリチウム空気電池を作製した。したがって、正極層として作製された電極シートの細孔径分布、電極密度及び表面官能基量は実施例1の電極シートと同じであった。作製されたリチウム空気電池について、充放電サイクル試験を行った。電極シートの細孔径分布、第1細孔容積、第2細孔容積、電極密度及び表面官能基量の結果、並びに、リチウム空気電池の充放電サイクル試験の結果を、表1に示す。
(Example 3)
A lithium air battery was produced in the same manner as in Example 1. Therefore, the pore size distribution, electrode density, and surface functional group amount of the electrode sheet produced as the positive electrode layer were the same as those of the electrode sheet of Example 1. The manufactured lithium air battery was subjected to a charge / discharge cycle test. Table 1 shows the results of the pore diameter distribution, the first pore volume, the second pore volume, the electrode density and the surface functional group amount of the electrode sheet, and the results of the charge / discharge cycle test of the lithium air battery.

(比較例1)
炭素を含む導電性多孔質体を形成する材料としてMgO鋳型多孔質炭素(東洋炭素株式会社製、「Cnovel P3」)を用いたこと以外、実施例1と同様にしてリチウム空気電池を作製した。正極層として作製された電極シートについて、細孔径分布、電極密度及び表面官能基量を後述の方法により測定した。作製されたリチウム空気電池について、実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。電極シートの細孔径分布、電極密度及び表面官能基量の結果、並びに、充放電サイクル試験の結果を、表1に示す。
(Comparative Example 1)
A lithium-air battery was produced in the same manner as in Example 1, except that MgO-templated porous carbon (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., “Cnovel P3”) was used as a material for forming a conductive porous body containing carbon. About the electrode sheet produced as a positive electrode layer, pore diameter distribution, electrode density, and surface functional group amount were measured by the method described later. About the produced lithium air battery, the charge / discharge cycle test was implemented by the method similar to Example 1. FIG. Table 1 shows the results of the pore size distribution, electrode density and surface functional group amount of the electrode sheet, and the results of the charge / discharge cycle test.

実施例及び比較例において実施した、電極シートの細孔径分布、第1細孔容積、第2細孔容積、電極密度及び表面官能基量の測定方法、並びに、充放電サイクル試験の試験方法について、以下に具体的に説明する。   About the measurement method of the pore diameter distribution, the first pore volume, the second pore volume, the electrode density and the surface functional group amount of the electrode sheet, and the test method of the charge / discharge cycle test, which were carried out in Examples and Comparative Examples, This will be specifically described below.

(細孔径分布、第1細孔容積及び第2細孔容積)
第1細孔容積及び第2細孔容積は、得られた電極シートについて窒素吸着測定、及び水銀ポロシメトリー測定を行い、得られた吸着等温線からBJH法を用いて細孔径分布とともに細孔容積を求めた。
(Pore size distribution, first pore volume and second pore volume)
The first pore volume and the second pore volume are obtained by performing nitrogen adsorption measurement and mercury porosimetry measurement on the obtained electrode sheet, and using the BJH method from the obtained adsorption isotherm, the pore volume together with the pore diameter distribution. Asked.

(電極密度)
得られた電極シートの厚みと面積とから体積を測定し、さらにその質量を測定して、電極密度を算出した。
(Electrode density)
The volume was measured from the thickness and area of the obtained electrode sheet, the mass was further measured, and the electrode density was calculated.

(表面官能基量)
表面官能基量は、文献Boehm,H.P., Advances in Catalysis,16 179(1966)に記載されている手法に従って求めた。
(Surface functional group amount)
The amount of surface functional groups is described in the literature Boehm, H .; P. , Advances in Catalysis, 16 179 (1966).

(充放電サイクル試験)
実施例1及び比較例1のリチウム空気電池については、酸素雰囲気下で20分以上保持した後、電流密度0.4mA/cm2、放電時間3.5時間(DOD25%を想定)とし、充放電サイクル試験を行った。実施例2のリチウム空気電池については、酸素雰囲気下で20分以上保持した後、電流密度0.4mA/cm2、放電時間7時間(DOD50%を想定)とし、充放電サイクル試験を行った。実施例3のリチウム空気電池については、酸素雰囲気下で20分以上保持した後、電流密度0.4mA/cm2、放電時カット電圧を2.0V(DOD100%)とし、充放電サイクル試験を行った。
(Charge / discharge cycle test)
For the lithium air batteries of Example 1 and Comparative Example 1, after being held in an oxygen atmosphere for 20 minutes or more, the current density was 0.4 mA / cm 2 , the discharge time was 3.5 hours (assuming DOD of 25%), and charge / discharge A cycle test was conducted. About the lithium air battery of Example 2, after hold | maintaining under oxygen atmosphere for 20 minutes or more, it was set as the current density of 0.4 mA / cm < 2 >, discharge time 7 hours (DOD50% is assumed), and the charge / discharge cycle test was done. About the lithium air battery of Example 3, after hold | maintaining in oxygen atmosphere for 20 minutes or more, a current density was set to 0.4 mA / cm < 2 >, the cut voltage at the time of discharge was set to 2.0V (DOD100%), and the charge / discharge cycle test was done. It was.

Figure 2018133168
Figure 2018133168

以上の結果から分るように、比較例1のリチウム空気電池は10サイクル目での容量劣化が大きいのに対し、実施例1のリチウム空気電池は、10サイクル目でもほとんど容量劣化が見られていない。この結果から、第1細孔容積が第2細孔容積よりも大きい正極層を備えている実施例1のリチウム空気電池は、良好なサイクル特性を有することが分った。   As can be seen from the above results, the lithium air battery of Comparative Example 1 has a large capacity deterioration at the 10th cycle, whereas the lithium air battery of Example 1 shows almost no capacity deterioration even at the 10th cycle. Absent. From this result, it was found that the lithium-air battery of Example 1 having the positive electrode layer having the first pore volume larger than the second pore volume has good cycle characteristics.

また、実施例1と同じリチウム空気電池を用いて、実施例1とは異なるDODで放電を行った実施例2及び3では、初期容量については実施例1のリチウム空気電池よりも大きい容量が得られたが、サイクル経過に伴い容量が劣化し、10サイクル経過後には実施例1を下回る値となった。この結果から、リチウム空気電池を使用する際には、DOD25%以下で放電を実施することにより、サイクル特性を向上させることができることが分った。   Further, in Examples 2 and 3 in which the same lithium-air battery as that in Example 1 was used and discharge was performed at a DOD different from that in Example 1, the initial capacity was larger than that of the lithium-air battery in Example 1. However, the capacity deteriorated as the cycle progressed, and became a value lower than that of Example 1 after 10 cycles. From this result, it was found that when the lithium air battery is used, the cycle characteristics can be improved by discharging at a DOD of 25% or less.

本開示のリチウム空気電池は、高容量を確保しつつ、良好な充放電サイクル特性も有している。したがって、本開示のリチウム空気電池は、二次電池として有用である。   The lithium-air battery of the present disclosure has good charge / discharge cycle characteristics while securing a high capacity. Therefore, the lithium air battery of the present disclosure is useful as a secondary battery.

1 リチウム空気電池
11 電池ケース
11a 筒状部
11b 底部
11c 蓋部
12 負極
12a 負極層
13 正極
13a 正極層
13b 正極集電体
14 電解質層(非水系リチウムイオン伝導体)
15 空気取り込み孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium air battery 11 Battery case 11a Cylindrical part 11b Bottom part 11c Cover part 12 Negative electrode 12a Negative electrode layer 13 Positive electrode 13a Positive electrode layer 13b Positive electrode collector 14 Electrolyte layer (non-aqueous lithium ion conductor)
15 Air intake hole

Claims (8)

リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極層を含む負極と、
炭素を含む導電性多孔質体を含み、かつ空気中の酸素を正極活物質として該酸素を酸化還元可能な正極層を含む正極と、
前記負極と前記正極との間に配置された非水系リチウムイオン伝導体と、
を備えたリチウム空気電池であって、
前記正極層において、1nm以上200nm以下の孔径を有する細孔の占める第1細孔容積が、200nmを超え10000nm以下の孔径を有する細孔の占める第2細孔容積よりも大きい、
リチウム空気電池。
A negative electrode including a negative electrode layer capable of occluding and releasing lithium ions;
A positive electrode including a conductive porous body containing carbon, and a positive electrode layer capable of oxidation-reduction of oxygen using oxygen in the air as a positive electrode active material;
A non-aqueous lithium ion conductor disposed between the negative electrode and the positive electrode;
A lithium-air battery comprising:
In the positive electrode layer, the first pore volume occupied by pores having a pore diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is larger than the second pore volume occupied by pores having a pore diameter of more than 200 nm and 10000 nm or less,
Lithium air battery.
前記正極の電極密度が0.2〜0.4g/cm3である、
請求項1に記載のリチウム空気電池。
The electrode density of the positive electrode is 0.2 to 0.4 g / cm 3 .
The lithium air battery according to claim 1.
前記正極層の表面官能基量が0.2mmol/g以下である、
請求項1又は2に記載のリチウム空気電池。
The amount of surface functional groups of the positive electrode layer is 0.2 mmol / g or less,
The lithium air battery according to claim 1 or 2.
前記正極層は、5〜500nmの孔径を有する細孔を含む、
請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム空気電池。
The positive electrode layer includes pores having a pore size of 5 to 500 nm,
The lithium air battery according to claim 1.
前記導電性多孔質体に含まれる炭素が、導電性カーボンブラックである、
請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム空気電池。
The carbon contained in the conductive porous body is conductive carbon black.
The lithium air battery of any one of Claims 1-4.
前記非水系リチウムイオン伝導体が、テトラエチレングリコールジメチルエーテルを含む、
請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム空気電池。
The non-aqueous lithium ion conductor comprises tetraethylene glycol dimethyl ether;
The lithium air battery of any one of Claims 1-5.
前記負極層が、金属リチウムを含む、
請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウム空気電池。
The negative electrode layer contains metallic lithium;
The lithium air battery according to any one of claims 1 to 6.
請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウム空気電池の使用方法であって、
前記空気電池の放電を、放電深度25%以下の範囲内で実施する、
リチウム空気電池の使用方法。
It is a usage method of the lithium air battery of any one of Claims 1-7,
The discharge of the air battery is performed within a range of a discharge depth of 25% or less.
How to use lithium air battery.
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