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JP2019050085A - Lithium ion conductor, method of manufacturing lithium ion conductor, and lithium air battery - Google Patents

Lithium ion conductor, method of manufacturing lithium ion conductor, and lithium air battery Download PDF

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JP2019050085A JP2017172724A JP2017172724A JP2019050085A JP 2019050085 A JP2019050085 A JP 2019050085A JP 2017172724 A JP2017172724 A JP 2017172724A JP 2017172724 A JP2017172724 A JP 2017172724A JP 2019050085 A JP2019050085 A JP 2019050085A
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Masayuki Kondo
真行 近藤
岡本 光
Hikari Okamoto
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Abstract

【課題】アルカリ性水溶液に対する耐久性を向上することができるリチウムイオン伝導体、及び、リチウムイオン伝導体の製造方法、並びに、リチウム空気電池を提供する。【解決手段】リチウムイオン伝導体は、LATPからなるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含み、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの表面に、LATPの結晶相、及び、Li3PO4の結晶相を含むアルカリ処理層を有する。【選択図】図1BPROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion conductor capable of improving durability against an alkaline aqueous solution, a method for producing the lithium ion conductor, and a lithium air battery. A lithium ion conductor contains a lithium ion conductive glass ceramics made of LATP, and has an alkali treatment layer containing a crystal phase of LATP and a crystal phase of Li3PO4 on the surface of the lithium ion conductive glass ceramics. .. [Selection diagram] Fig. 1B

Description

本発明は、リチウムイオン伝導体、及び、リチウムイオン伝導体の製造方法、並びに、リチウム空気電池に関する。   The present invention relates to a lithium ion conductor, a method for producing a lithium ion conductor, and a lithium-air battery.

二次電池の高エネルギー密度化を狙い、正極活物質として空気中の酸素を利用する金属空気二次電池が注目されている。リチウム空気二次電池は、金属空気二次電池の一種であり、負極活物質として金属リチウムを使用しており、高いエネルギー密度を有する。   In order to increase the energy density of secondary batteries, metal air secondary batteries that use oxygen in the air as a positive electrode active material are attracting attention. The lithium air secondary battery is a type of metal air secondary battery, uses metallic lithium as a negative electrode active material, and has a high energy density.

リチウム空気二次電池として、非水電解液を用いるリチウム空気二次電池、及び、水系電解液を用いるリチウム空気二次電池(以下、「水系リチウム空気二次電池」と称呼される。)の2種類が、提案されている。下記特許文献1乃至特許文献3、及び、非特許文献1には、リチウム空気二次電池に関連する技術が開示されている。   2 as a lithium-air secondary battery: a lithium-air secondary battery using a non-aqueous electrolyte solution; and a lithium-air secondary battery using an aqueous electrolyte solution (hereinafter referred to as "aqueous-based lithium-air secondary battery") Types have been proposed. The following patent documents 1 to 3 and non-patent document 1 disclose techniques related to lithium air secondary batteries.

水系リチウム空気二次電池では、負極活物質である金属リチウムが水系電解液に接触すると、金属リチウムと水とが反応して、金属リチウムが水系電解液に溶解すると共に水素ガスを発生する虞がある。これに対して、金属リチウムと水系電解液との接触を避けるため、金属リチウムと水系電解液との間に水不透過性のリチウムイオン伝導体からなる「負極保護層」を介在させることによって、金属リチウムを保護することが行われている。   In the water based lithium air secondary battery, when metal lithium which is the negative electrode active material comes in contact with the water based electrolyte, metal lithium reacts with water, and there is a risk that metal lithium dissolves in the water based electrolyte and generates hydrogen gas. is there. On the other hand, in order to avoid contact between metallic lithium and the aqueous electrolyte, the “negative electrode protective layer” made of a water-impermeable lithium ion conductor is interposed between the metallic lithium and the aqueous electrolyte, It has been done to protect lithium metal.

特許文献1は、「負極保護層」として、LATPと称呼される水不透過性のNAICON型高リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを備えるリチウム空気電池(以下、「従来電池」と称呼される。)を開示している。LATPは、リチウムイオン導電率が比較的高い(約10−4S/cm)リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスである。更に、LATPは、水に対して化学的に安定であり、熱処理条件を調整することにより、粒界にガラス相が形成され、粒界の隙間を封止することが可能で、外部からの水の浸入を防止できる、数少ないリチウムイオン伝導体である。 Patent Document 1 discloses a lithium-air battery (hereinafter referred to as "conventional battery") including a water-impermeable NAICON type high lithium ion conductive glass ceramic called LATP as a "negative electrode protective layer". It is disclosed. LATP is a lithium ion conducting glass-ceramic with relatively high lithium ion conductivity (about 10 -4 S / cm). Furthermore, LATP is chemically stable with respect to water, and by adjusting the heat treatment conditions, a glass phase is formed at the grain boundaries, and it is possible to seal the interstices of the grain boundaries. It is one of the few lithium ion conductors that can prevent the infiltration of

特表2007−513464号公報Japanese Patent Publication No. 2007-513464 特開2010−192313号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-192313 特開2012−033490号公報JP 2012-033490 A

石原達己編,“金属・空気2次電池の開発と最新技術 第8章 リチウム空気水系二次電池の負極材料”,技術教育出版社(2011)Ishihara, Tatsuo, ed., "Development of metal and air secondary batteries and the latest technology. Chapter 8 Negative electrode materials of lithium air water system secondary battery", Technology Education Publishing Company (2011)

従来電池では、(1)式で示される放電反応の進行に伴い生成する水酸化リチウムが水系電解液に溶解することよって、水系電解液の強アルカリ性化が進行する。
Li+1/4O+3/2HO→LiOH・HO・・・(1)
In the conventional battery, lithium hydroxide generated with the progress of the discharge reaction represented by the formula (1) dissolves in the aqueous electrolytic solution, whereby the strong alkalization of the aqueous electrolytic solution proceeds.
Li + 1/4 O 2 + 3/2 H 2 O → LiOH · H 2 O (1)

しかしながら、「負極保護層」として使用されるLATPは、強アルカリ性水溶液に対する耐久性が弱く、強アルカリ性水溶液に接すると腐食する性質を有する。従って、従来電池の水系電解液の強アルカリ化性が進行した場合、LTAPは、水系電解液に接する表面から腐食が進行することにより、経時的に劣化してしまう虞がある。   However, LATP used as the “negative electrode protective layer” has a low durability to a strongly alkaline aqueous solution and has a property of corroding when in contact with a strongly alkaline aqueous solution. Therefore, when the strongly alkaline property of the aqueous electrolyte solution of the conventional battery progresses, the LTAP may be deteriorated with time due to the progress of corrosion from the surface in contact with the aqueous electrolyte solution.

本発明は上述した課題に対処するためになされた。即ち、本発明の目的の一つは、アルカリ性水溶液に対する耐久性を向上することができるリチウムイオン伝導体(以下、「本発明リチウムイオン伝導体」と称呼される場合がある。)、及び、リチウムイオン伝導体の製造方法(以下、「本発明製造方法」と称呼される場合がある。)、並びに、リチウム空気電池(以下、「本発明リチウム空気電池」と称呼される場合がある。)を提供することにある。   The present invention was made to address the problems described above. That is, one of the objects of the present invention is a lithium ion conductor (hereinafter sometimes referred to as "the present invention lithium ion conductor") capable of improving the durability to an alkaline aqueous solution, and lithium A method of producing an ion conductor (hereinafter sometimes referred to as "the present invention production method"), and a lithium air battery (hereinafter sometimes referred to as "the present invention lithium air battery") are used. It is to provide.

上述の課題を解決するために、
本発明リチウムイオン伝導体は、Li1+x+yAl(TiGe1−z2−xSi3−y12(式中、0≦x≦0.8、0≦y≦0.6、0<z≦1である。)で表されるLATPからなるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含み、
前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの表面に、LATPの結晶相、及び、LiPOの結晶相を含むアルカリ処理層を有する。
In order to solve the above-mentioned subject,
The lithium ion conductor according to the present invention is Li 1 + x + y Al x (Ti z Ge 1 -z ) 2-x Si y P 3-y O 12 (wherein 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6) , Lithium ion conductive glass ceramics comprising LATP represented by 0 <z ≦ 1),
The surface of the lithium ion conductive glass ceramic has an alkali-treated layer containing a crystal phase of LATP and a crystal phase of Li 3 PO 4 .

本発明リチウムイオン伝導体の一態様において、
前記LiPOの結晶相は、前記アルカリ処理層の内部の前記LATPの結晶相間、及び、表面に露出されたLATPの結晶相上の少なくとも一部に含まれる。
In one aspect of the lithium ion conductor of the present invention,
The crystal phase of the Li 3 PO 4 is included between the crystal phase of the LATP inside the alkali treatment layer and at least a part of the crystal phase of the LATP exposed to the surface.

本発明リチウムイオン伝導体の一態様において、
前記アルカリ処理層の内部の前記LATPの結晶相間の少なくとも一部に形成された空隙を有する。
In one aspect of the lithium ion conductor of the present invention,
It has a void formed in at least a part of the crystal phase of the LATP inside the alkali treatment layer.

本発明製造方法は、Li1+x+yAl(TiGe1−z2−xSi3−y12(式中、0≦x≦0.8、0≦y≦0.6、0<z≦1である。)で表されるLATPからなるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを、水酸化リチウム水溶液に浸漬させることにより、前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの表面に、LATPの結晶相、及び、LiPOの結晶相を含むアルカリ処理層を形成する工程を含み、
前記水酸化リチウム水溶液の前記水酸化リチウムの濃度は、0.021mol/Lより高い。
The present invention production process, Li 1 + x + y Al x (Ti z Ge 1-z) 2-x Si y P 3-y O 12 ( where, 0 ≦ x ≦ 0.8,0 ≦ y ≦ 0.6,0 By immersing lithium ion conductive glass-ceramics composed of LATP represented by <z ≦ 1) in an aqueous solution of lithium hydroxide, the crystalline phase of LATP on the surface of the lithium ion conductive glass-ceramics, and , Forming an alkali treatment layer containing a crystal phase of Li 3 PO 4 ,
The concentration of the lithium hydroxide in the lithium hydroxide aqueous solution is higher than 0.021 mol / L.

本発明製造方法の一態様において、
前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを前記水溶液に浸漬させる時間は、2週間以上である。
In one aspect of the process of the present invention,
The time for immersing the lithium ion conductive glass ceramic in the aqueous solution is 2 weeks or more.

本発明製造方法の一態様において、
前記水酸化リチウム水溶液は、リン酸塩を更に含む。
In one aspect of the process of the present invention,
The lithium hydroxide aqueous solution further contains a phosphate.

本発明製造方法の一態様において、
前記リン酸塩は、LiPOである。
In one aspect of the process of the present invention,
The phosphate is Li 3 PO 4 .

本発明リチウム空気電池は、
金属リチウムを含む負極と、
空気が供給される空気極と、
水系電解液を含む電解質と、
前記負極と前記電解質との間に介在された負極保護層と
を含み、
前記負極保護層は、Li1+x+yAl(TiGe1−z2−xSi3−y12(式中、0≦x≦0.8、0≦y≦0.6、0<z≦1である。)で表されるLATPからなるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含み、
前記電解質に対向する前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの表面に、LATPの結晶相、及び、LiPOの結晶相を含むアルカリ処理層を有する、リチウムイオン伝導体で構成される。
The lithium-air battery of the present invention
A negative electrode containing metallic lithium,
An air electrode supplied with air;
An electrolyte comprising a water-based electrolyte solution;
An anode protective layer interposed between the anode and the electrolyte;
The negative electrode protective layer is formed of Li 1 + x + y Al x (Ti z Ge 1 -z) 2-x Si y P 3-y O 12 (wherein 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 Containing lithium ion conductive glass ceramics composed of LATP represented by <z ≦ 1),
The surface of the lithium ion conductive glass ceramic facing the electrolyte is made of a lithium ion conductor having an alkali treatment layer containing a crystal phase of LATP and a crystal phase of Li 3 PO 4 .

本発明によれば、アルカリ性水溶液に対する耐久性を向上することができる。   According to the present invention, the durability to an alkaline aqueous solution can be improved.

図1Aは、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの構成例を示す概略断面図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of lithium ion conductive glass ceramics. 図1Bは、本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体の構成例を示す概略断面図である。FIG. 1B is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the lithium ion conductor according to the first embodiment of the present invention. 図2Aは、アルカリ処理層の形成メカニズムを説明するための概略図である。FIG. 2A is a schematic view for explaining the formation mechanism of the alkali treatment layer. 図2Bは、アルカリ処理層の形成メカニズムを説明するための概略図である。FIG. 2B is a schematic view for explaining the formation mechanism of the alkali treatment layer. 図2Cは、アルカリ処理層の形成メカニズムを説明するための概略図である。FIG. 2C is a schematic view for explaining the formation mechanism of the alkali treatment layer. 図3Aは、本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体の製造方法を説明するための概略図である。FIG. 3A is a schematic view for explaining a method of manufacturing a lithium ion conductor according to the first embodiment of the present invention. 図3Bは、本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体の製造方法を説明するための概略図である。FIG. 3B is a schematic view for explaining the method of manufacturing a lithium ion conductor according to the first embodiment of the present invention. 図3Cは、本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体の製造方法を説明するための概略図である。FIG. 3C is a schematic view for explaining the method for producing a lithium ion conductor according to the first embodiment of the present invention. 図3Dは、本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体の製造方法を説明するための概略図である。FIG. 3D is a schematic view for explaining the method for producing a lithium ion conductor according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第2実施形態に係るリチウム空気電池の構成例を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a lithium-air battery according to a second embodiment of the present invention. 図5は、実施例1−1〜実施例1−4及び比較例1−1のリチウムイオン伝導体のSEM写真である。FIG. 5 is a SEM photograph of lithium ion conductors of Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Example 1-1. 図6は、浸漬時間に対して腐食深さをプロットしたグラフである。FIG. 6 is a graph plotting corrosion depth against immersion time. 図7は、実施例1−1〜実施例1−4及び比較例1−1のリチウムイオン伝導体についてのX線回折プロファイルである。FIG. 7 is an X-ray diffraction profile of lithium ion conductors of Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Example 1-1. 図8は、インピーダンス測定を説明するための概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram for explaining impedance measurement. 図9は、実施例1−1〜実施例1−4及び比較例1−1のリチウムイオン伝導体のインピーダンス測定で得たコール−コールプロットである。FIG. 9 is a Cole-Cole plot obtained by measuring the impedance of the lithium ion conductors of Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Example 1-1. 図10は、実施例2−1〜実施例2−2及び比較例2−1のリチウムイオン伝導体のSEM写真である。FIG. 10 is a SEM photograph of lithium ion conductors of Example 2-1 to Example 2-2 and Comparative Example 2-1. 図11は、LiOH水溶液のLiOH濃度に対して腐食深さをプロットしたグラフである。FIG. 11 is a graph in which the corrosion depth is plotted against the LiOH concentration of the LiOH aqueous solution. 図12は、実施例3−1〜実施例3−2のリチウムイオン伝導体のSEM写真である。FIG. 12 is a SEM photograph of the lithium ion conductor of Example 3-1 to Example 3-2. 図13は、実施例3−1〜実施例3−4及び比較例1−1のリチウムイオン伝導体のインピーダンス測定で得たコール−コールプロットである。FIG. 13 is a Cole-Cole plot obtained by measuring the impedance of the lithium ion conductors of Examples 3-1 to 3-4 and Comparative Example 1-1. 図14Aは実施例4−1のリチウムイオン伝導体の写真である。FIG. 14A is a photograph of a lithium ion conductor of Example 4-1. 図14Bは実施例4−2のリチウムイオン伝導体の写真である。FIG. 14B is a photograph of a lithium ion conductor of Example 4-2. 図14Cは比較例4−1のリチウムイオン伝導体の写真である。FIG. 14C is a photograph of a lithium ion conductor of Comparative Example 4-1.

<技術的背景及び本発明の概要>
まず、本発明の理解を容易にするため、本発明の技術的背景及び本発明の概要について説明する。上述した特許文献1(特表2007−513464号公報)に記載のLATPは、リチウムイオン導電率が比較的高く、水に対して化学的に安定であり、更に、熱処理条件を調整することによって、粒界にガラス相が形成され、粒界の隙間を封止することが可能である。従って、リチウム空気電池において、LATPは、金属リチウムと水系電解液との間に介在させる「負極保護層」として使用される。
<Technical background and outline of the present invention>
First, in order to facilitate the understanding of the present invention, the technical background of the present invention and the outline of the present invention will be described. The LATP described in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Publication No. 2007-513464) mentioned above has a relatively high lithium ion conductivity, is chemically stable to water, and further adjusts the heat treatment conditions to A glass phase is formed at the grain boundaries, and it is possible to seal the interstices of the grain boundaries. Therefore, in a lithium-air battery, LATP is used as a "negative electrode protective layer" to be interposed between metallic lithium and an aqueous electrolyte.

しかしながら、LATPを「負極保護層」として使用したリチウム空気電池では、次のような問題が生じる虞がある。   However, in a lithium air battery using LATP as a "negative electrode protective layer", the following problems may occur.

LATPは、強酸性又は強アルカリ性の環境下で腐食してしまうことが明らかになっている。リチウム空気二次電池では、下記(2)式にて表されるリチウム空気電池の充放電反応の放電反応(右矢印方向の反応)に伴い生成する水酸化リチウムによって、水系電解液の強アルカリ性化が進行する。
Li+1/4O+3/2HO ⇔ LiOH・HO・・・(2)
(理論容量:1119Ah/kg)
It has been found that LATP is corroded in a strongly acidic or strongly alkaline environment. In a lithium-air secondary battery, strongly alkaline-ization of the aqueous electrolyte is achieved by lithium hydroxide generated along with the discharge reaction (reaction in the direction of the right arrow) of the charge-discharge reaction of the lithium-air battery represented by the following formula (2) Progress.
Li + 1/4 O 2 +3/2 H 2 O ⇔ LiOH · H 2 O (2)
(Theoretical capacity: 1119 Ah / kg)

一般的にLATPの安定領域はpH2〜pH10程度であるので、水系電解液の強アルカリ化が進行することに伴い、「負極保護層」として水系電解液に接するLATPが劣化する問題が生じる虞がある。   Generally, since the stable region of LATP is about pH 2 to pH 10, there is a possibility that the problem of deterioration of LATP in contact with the aqueous electrolyte as “negative electrode protective layer” may occur with the progress of strong alkalization of the aqueous electrolyte. is there.

これに対して、特許文献2(特開2010−192313号公報)は、水系リチウム空気電池の水系電解液として、酢酸及び酢酸リチウムを溶解させたpH緩衝溶液を用いることを開示している(以下、便宜上、「第1の従来技術」と称呼される場合がある。)。   On the other hand, Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-192313) discloses using a pH buffer solution in which acetic acid and lithium acetate are dissolved as an aqueous electrolyte solution of an aqueous lithium-air battery (hereinafter referred to as For convenience, it may be called "the first prior art".

この水系リチウム空気電池は、下記(3)式の充放電反応で作動する。
Li+1/4O+CHCOOH⇔1/2HO+CHCOOLi・・・(3)
(理論容量:357Ah/kg)
This aqueous lithium-air battery operates in the charge / discharge reaction of the following formula (3).
Li + 1/4 O 2 + CH 3 COOH⇔1⁄2 H 2 O + CH 3 COOLi (3)
(Theoretical capacity: 357 Ah / kg)

この水系リチウム空気電池では、pH緩衝作用によって、水系電解液を、pH2〜pH7程度の弱酸性に保持できるので、水系電解液の強アルカリ性化を抑制することができる。   In this aqueous lithium-air battery, the aqueous electrolytic solution can be maintained at a weakly acidic state of about pH 2 to pH 7 by the pH buffering action, so that the strong alkalization of the aqueous electrolytic solution can be suppressed.

しかしながら、この水系リチウム空気電池では、水系電解液の液性(酸化性)による活性酸素の低下、及び、酢酸による重量増加によって理論容量の低下の問題が生じてしまう。   However, in this water based lithium-air battery, there is a problem of a decrease in theoretical capacity due to a decrease in active oxygen due to the liquid property (oxidation property) of the water-based electrolyte and an increase in weight due to acetic acid.

更に、非特許文献1(石原達己編,“金属・空気2次電池の開発と最新技術 第8章 リチウム空気水系二次電池の負極材料”,技術教育出版社(2011))は、水酸化リチウム水溶液に、水酸化リチウムに比べて電離及び溶解し易い塩化リチウムを共存させ、水酸化リチウムの電離を抑制すると共にLATPの腐食を防止する水系リチウム空気電池を開示している。更に、特許文献3(特開2012−033490号公報)は、水酸化リチウム及びリチウムハライド(ハロゲン化リチウム:フッ化リチウム(LiF)、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、ヨウ化リチウム(LiI))が溶解された水系電解液を用いることにより、LATPの腐食を防止する水系リチウム空気電池を開示している。尚、非特許文献1及び特許文献3が開示する技術は、便宜上、「第2の従来技術」と総称される場合がある。   In addition, Non-Patent Document 1 (Tsumi Ishihara, "Development of metal-air secondary batteries and latest technology Chapter 8 Lithium-Aqueous Water Secondary Battery Anode Material", Technology Education and Publishing Company (2011)) A water-based lithium-air battery is disclosed in which an aqueous solution is made to coexist with lithium chloride, which is more easily ionized and dissolved than lithium hydroxide, to suppress the ionization of lithium hydroxide and to prevent the corrosion of LATP. Furthermore, Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-033490) describes lithium hydroxide and lithium halide (lithium halide: lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), lithium iodide) A water-based lithium-air battery is disclosed that prevents the corrosion of LATP by using a water-based electrolyte in which (LiI) is dissolved. The techniques disclosed in Non-Patent Document 1 and Patent Document 3 may be collectively referred to as “second prior art” for convenience.

例えば、特許文献3に記載の水系リチウム空気電池は、5mol/Lの水酸化リチウム水溶液に対して、8mol/L以上の高濃度の塩化リチウムを添加することによって、LATPの安定領域であるpH10以下の水系電解液にすることにより、LATPの腐食を抑制する。   For example, the aqueous lithium-air battery described in Patent Document 3 adds a high concentration of lithium chloride at a concentration of 8 mol / L or more to a 5 mol / L aqueous solution of lithium hydroxide to control pH 10 or less, which is a stable region of LATP. The corrosion of LATP is suppressed by using the aqueous electrolyte solution of

しかしながら、LiOHの電離抑制による固体の水酸化リチウム生成によって起こる空気極閉塞及び当該空気極閉塞による酸素供給不良、高濃度の塩化リチウムによる酸素発生反応阻害(塩素発生反応(Cl→1/2Cl+e)の進行)、並びに、高濃度LiCl分、水系電解液の全体質量が増加することによる容量低下の問題が生じてしまう。 However, cathode blockage caused by solid lithium hydroxide formation due to ionization suppression of LiOH and oxygen supply failure due to the cathode blockage, oxygen generation reaction inhibition by high concentration lithium chloride (chlorination reaction (Cl → 1 / 2Cl 2 + e -) progression), as well as a high concentration LiCl content, capacity deterioration of by the entire mass of the aqueous electrolytic solution is increased occurs.

以上説明したように、LATPを「負極保護層」として使用したリチウム空気電池では、第1の従来技術を用いてLATPの腐食を抑制しようとした場合、酸素活性の低下、及び、大幅な理論容量の低下の問題が生じてしまう。第2の従来技術を用いてLATPの腐食を抑制しようとした場合、空気極閉塞及び酸素供給不良、酸素発生反応阻害、並びに、容量低下の問題が生じてしまう。   As described above, in the lithium-air battery using LATP as the “negative electrode protective layer”, when trying to suppress the corrosion of LATP using the first prior art, the oxygen activity is reduced and the theoretical capacity is significantly increased. Problems will occur. If it is intended to suppress the corrosion of LATP by using the second prior art, problems such as cathode clogging and oxygen supply failure, oxygen generation reaction inhibition, and capacity reduction occur.

そこで、本発明者は、これらの問題を生じさせないでLATPの腐食を抑制する技術を検討したところ、LATPをLiOH水溶液に浸漬させるアルカリ処理を施すことによって、LATPのアルカリ水溶液に対する耐久性を向上できることを見出した。   Then, when the present inventor examined the technique which suppresses corrosion of LATP without giving rise to these problems, the durability with respect to the alkaline aqueous solution of LATP can be improved by performing the alkali treatment which immerses LATP in LiOH aqueous solution. Found out.

以下、本発明の各実施形態について説明する。   Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described.

<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体について図面を参照しながら説明する。
First Embodiment
A lithium ion conductor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(リチウムイオン伝導体の構成)
本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体は、図1Aに示された薄板形状のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11を浸漬液(アルカリ処理水溶液)に浸漬させるアルカリ処理を施すことにより得ることができる。図1Bに示されたように、このリチウムイオン伝導体は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面の少なくとも一部に、アルカリ処理層12を有する。尚、本例においては、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面全体にアルカリ処理層12を有する。
(Composition of lithium ion conductor)
The lithium ion conductor according to the first embodiment of the present invention is obtained by subjecting the thin plate-shaped lithium ion conductive glass ceramic 11 shown in FIG. 1A to an alkaline treatment to immerse it in an immersion liquid (alkaline treatment aqueous solution) Can. As shown in FIG. 1B, this lithium ion conductor has an alkali treatment layer 12 on at least a part of the surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11. In the present example, the alkali treatment layer 12 is provided on the entire surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11.

(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス)
リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11としては、例えば、水不透過性であり、且つ、リチウムイオン伝導性を有する材料を用いることができる。
(Lithium ion conductive glass ceramics)
As lithium ion conductive glass ceramics 11, for example, a material which is water impermeable and has lithium ion conductivity can be used.

リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11としては、Li1+x+yAl(TiGe1−z2−xSi3−y12(式中、0≦x≦0.8、0≦y≦0.6、0<z≦1である。)で表されるリチウム置換型NASICON型のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(「LATP」と称呼される。)を用いることができる。 As the lithium ion conductive glass ceramics 11, Li 1 + x + y Al x (Ti z Ge 1-z) 2-x Si y P 3-y O 12 ( where, 0 ≦ x ≦ 0.8,0 ≦ y ≦ 0 And lithium ion conductive glass ceramics (referred to as “LATP”) of the lithium substitution type NASICON type represented by the following formula (6, 0 <z ≦ 1) can be used.

(アルカリ処理層)
アルカリ処理層12は、アルカリ処理によって、アルカリ処理前のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面が変質されることにより形成された層である。アルカリ処理層12は、少なくともLATPの結晶相、及び、LiPOの結晶相を含む。尚、アルカリ処理層12は、LATPのガラス相、及び、アルカリ処理によって形成された他の化合物相を含んでいてもよい。
(Alkali treatment layer)
The alkali treatment layer 12 is a layer formed by altering the surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11 before the alkali treatment by the alkali treatment. The alkali treatment layer 12 contains at least a crystal phase of LATP and a crystal phase of Li 3 PO 4 . In addition, the alkali treatment layer 12 may contain the glass phase of LATP and the other compound phase formed by the alkali treatment.

LiPOの水100g当たりの溶解度は0.027wt%であり、LiPOはアルカリ水溶液に対する溶解性が低い傾向にある。アルカリ処理層12は、LATPの結晶相に比べて、アルカリ水溶液に対する溶解性が低いLiPOの結晶相を含むので、LATPに比べて、アルカリ水溶液に対する耐久性が高くなる。 The solubility of Li 3 PO 4 per 100 g of water is 0.027 wt%, and Li 3 PO 4 tends to have low solubility in an aqueous alkali solution. The alkali-treated layer 12 includes a crystal phase of Li 3 PO 4 having a low solubility in an alkaline aqueous solution as compared to the crystal phase of LATP, and therefore, the durability to an alkaline aqueous solution is higher than LATP.

図2Aに示されたように、アルカリ処理前のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面は、LATPの結晶相11a及びLATPのガラス相11bを有する。LATPの結晶相11aより、LATPのガラス相11bの方がアルカリ処理によって腐食されやすい。従って、アルカリ処理前のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面において、LATPの結晶相の部分と、LATPのガラス相の部分とでは腐食される程度に違いが生じる。   As shown in FIG. 2A, the surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11 before alkali treatment has a crystal phase 11a of LATP and a glass phase 11b of LATP. The glass phase 11b of LATP is more easily corroded by the alkali treatment than the crystal phase 11a of LATP. Therefore, on the surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11 before the alkali treatment, a difference occurs in the degree of corrosion between the portion of the crystal phase of LATP and the portion of the glass phase of LATP.

アルカリ処理を行うと、図2Bに示されたように、表面のLATPの結晶相11a間のLATPのガラス相11bの部分から腐食(分解)が進行すると共に、LATPのガラス相11bが腐食された部分及び表面から露出するLATPの結晶相11a上にLiPOの結晶相が形成される。更に、時間が経過すると、図2Cに示されたように、LATPの結晶相11a間(粒界)のLATPのガラス相11bの腐食が更に進行すると共に、内部のLATPの結晶相間の少なくとも一部にLiPOの結晶相12aが形成される。尚、表面のLATPのガラス相11bの部分から選択的に腐食が進行することにより、アルカリ処理層12は、アルカリ処理による変質前のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面に比べて粗い形状を有する。更に、アルカリ処理層12は、内部のLATPの結晶相11a間の少なくとも一部に、LATPが腐食されることにより形成された空隙(図示省略)を有していてもよい。 When alkali treatment is performed, as shown in FIG. 2B, corrosion (decomposition) proceeds from the portion of the glass phase 11b of the LATP between the crystal phase 11a of the surface LATP and the glass phase 11b of the LATP is corroded as shown in FIG. 2B A crystal phase of Li 3 PO 4 is formed on the crystal phase 11 a of LATP exposed from the part and the surface. Furthermore, as time passes, as shown in FIG. 2C, the corrosion of the glass phase 11b of LATP further progresses (grain boundary) between the crystal phases 11a of LATP, and at least a part of the crystal phase of LATP inside The crystal phase 12a of Li 3 PO 4 is formed in The alkali-treated layer 12 has a rougher shape than the surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11 before alteration by alkali treatment, because the corrosion selectively proceeds from the portion of the glass phase 11b of the surface LATP. . Furthermore, the alkali treatment layer 12 may have a void (not shown) formed by corrosion of LATP in at least a part of the crystal phase 11a of LATP inside.

アルカリ処理層12の表面の粗い形状、及び/又は、空隙によって、LATPの結晶相11aと電解液との接触面積を向上できるので、LiPOの結晶相12aが形成されることによるリチウムイオン伝導体の抵抗の大幅な上昇を抑制することができる。即ち、LiPOの結晶相12aは、LATPの結晶相11aより抵抗が高い特性(リチウムイオン導電率が低い特性)を有するのに対して、上記によって、LiPOの結晶相12aが形成されることによるリチウムイオン伝導体の抵抗の大幅な上昇を抑制することができる。 Rough shape of the surface of the alkali-treated layer 12, and / or, by an air gap, it is possible to improve the contact area between the crystal phase 11a and the electrolyte solution LATP, lithium ion due to the crystalline phase 12a of Li 3 PO 4 is formed A significant rise in the resistance of the conductor can be suppressed. That is, while the crystal phase 12a of Li 3 PO 4 has characteristics (resistance lower in lithium ion conductivity) higher in resistance than the crystal phase 11a of LATP, the crystal phase 12a of Li 3 PO 4 is A significant increase in resistance of the lithium ion conductor due to formation can be suppressed.

(リチウムイオン伝導体の製造方法)
本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体の製造方法について説明する。このリチウムイオン伝導体は、薄板状のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11をアルカリ処理水溶液に浸漬することにより作製することができる。
(Method of manufacturing lithium ion conductor)
The manufacturing method of the lithium ion conductor which concerns on 1st Embodiment of this invention is demonstrated. This lithium ion conductor can be produced by immersing the thin plate-like lithium ion conductive glass ceramic 11 in an aqueous alkali treatment solution.

具体的に述べると、まず、図3Aに示されたように、薄板状のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11を、容器15に入れたアルカリ処理水溶液16に浸漬させた後、図3Bに示されたように、容器15の開口に蓋17をかぶせて容器15を密閉する。次に、図3Cに示されたように密閉した容器15を恒温槽18内に所定時間配置する。これにより、図3Dに示されたように、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面にアルカリ処理層12が形成される。以上により、本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体を作製することができる。   Specifically, as shown in FIG. 3A, after immersing the thin plate lithium ion conductive glass ceramic 11 in the alkali treatment aqueous solution 16 contained in the container 15, it is shown in FIG. 3B. As described above, the lid 17 is put on the opening of the container 15 to seal the container 15. Next, as shown in FIG. 3C, the sealed container 15 is placed in the thermostatic bath 18 for a predetermined time. Thereby, as shown in FIG. 3D, the alkali treatment layer 12 is formed on the surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11. By the above, the lithium ion conductor according to the first embodiment of the present invention can be manufactured.

アルカリ処理水溶液16としては、LiOH水溶液を用いることができる。LiOH水溶液のLiOH濃度は、0.021mol/Lより高いことが好ましい。水溶液中のリン酸の3段階目の酸乖離平衡反応は、(4)式で表され、この場合の酸乖離定数がpKa3=12.32である。これに基づけば、LiPOの形成に必要なPO 3−量を増加させるために必要な水溶液のLiOH濃度としては、pH12.32に相当する0.021mol/Lより高いことが必要となるからである。
HPO 2−⇔H+PO 3−・・・(4)
As the alkali treatment aqueous solution 16, a LiOH aqueous solution can be used. The LiOH concentration of the LiOH aqueous solution is preferably higher than 0.021 mol / L. The third step acid dissociation equilibrium reaction of phosphoric acid in an aqueous solution is represented by equation (4), and in this case, the acid dissociation constant is pKa3 = 12.32. Based on this, the LiOH concentration of the aqueous solution required to increase the amount of PO 4 3- required to form Li 3 PO 4 needs to be higher than 0.021 mol / L corresponding to pH 12.32. It is because
HPO 4 2- ⇔ H + + PO 4 3- (4)

尚、LiOH水溶液の濃度の上限値としては、LiOH水溶液の飽和溶液に対応する濃度(例えば、25℃で5.23mol/L)であることが好ましい。   The upper limit of the concentration of the LiOH aqueous solution is preferably a concentration corresponding to a saturated solution of the LiOH aqueous solution (for example, 5.23 mol / L at 25 ° C.).

浸漬時間としては、LiPOがより多く生成されることにより、より優れたアルカリ耐性を有するアルカリ処理層12を形成できる観点から、1週間以上であることが好ましく、2週間以上であることがより好ましい。 The immersion time is preferably 1 week or more, more preferably 2 weeks or more, from the viewpoint of being able to form an alkali-treated layer 12 having more excellent alkali resistance by generating more Li 3 PO 4. Is more preferred.

LiOH水溶液は、LiOHに加えて、更に、リン酸塩を含むことが好ましい。これにより、LATPからLiOH水溶液へのPO 3−の溶出を抑制することができるので、LATPの表面にLiPOを効率良く形成することができる。リン酸塩としては、例えば、LiPO4、NaPO、及び、KPO等から選ばれた1種又は2種以上を用いることができる。 The LiOH aqueous solution preferably further contains a phosphate in addition to LiOH. As a result, the elution of PO 4 3- from LATP into the LiOH aqueous solution can be suppressed, so that Li 3 PO 4 can be efficiently formed on the surface of LATP. The phosphates, for example, Li 3 PO 4, Na 3 PO 4, and can be used alone or in combination of two or more selected from K 3 PO 4 and the like.

(効果)
第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面に形成された、LATPの結晶相及びLiPOの結晶相を含むアルカリ耐性の高いアルカリ処理層12によって、アルカリ水溶液に接触した場合のアルカリ腐食の進行を抑制できる。その結果、アルカリ水溶液に対する耐久性を向上することができる。
(effect)
The lithium ion conductor according to the first embodiment is formed by the surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11 by the highly alkali-resistant alkali-treated layer 12 including the crystal phase of LATP and the crystal phase of Li 3 PO 4 It is possible to suppress the progress of alkaline corrosion when in contact with an alkaline aqueous solution. As a result, the durability to an aqueous alkaline solution can be improved.

<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係るリチウム空気電池について図面を参照しながら説明する。本例において、リチウム空気電池は、充電及び放電可能なリチウム空気二次電池である。尚、リチウム空気電池は、リチウム空気一次電池であってもよい。第2実施形態に係るリチウム空気電池は、上述の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体を負極保護層として含む。
Second Embodiment
Next, a lithium-air battery according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present example, the lithium air battery is a chargeable and dischargeable lithium air secondary battery. The lithium air battery may be a lithium air primary battery. The lithium-air battery according to the second embodiment includes the lithium ion conductor according to the above-described first embodiment as a negative electrode protective layer.

(電池構成)
図4は、第2実施形態に係るリチウム空気電池の構成例を示す。図4に示されたように、リチウム空気電池は、負極21と、正極25(「空気極」とも称呼される。)との間に、反応防止層22と、負極保護層23と、水系電解質層24とが介在されている。反応防止層22、負極保護層23及び水系電解質層24は、負極21から正極25に向かって、反応防止層22、負極保護層23、水系電解質層24、及び、正極25の順に配設されている。
(Battery configuration)
FIG. 4 shows a configuration example of a lithium-air battery according to a second embodiment. As shown in FIG. 4, in the lithium-air battery, the reaction prevention layer 22, the negative electrode protective layer 23, and the aqueous electrolyte are disposed between the negative electrode 21 and the positive electrode 25 (also referred to as “air electrode”). Layer 24 is interposed. The reaction prevention layer 22, the negative electrode protection layer 23, and the aqueous electrolyte layer 24 are disposed in the order of the reaction prevention layer 22, the negative electrode protection layer 23, the aqueous electrolyte layer 24, and the positive electrode 25 from the negative electrode 21 toward the positive electrode 25. There is.

(負極)
負極21としては、箔状の金属リチウムを用いることができる。
(Negative electrode)
As the negative electrode 21, foil-like metallic lithium can be used.

(反応防止層)
反応防止層22は、負極保護層23と、負極21(金属リチウム)との反応を防止するために設けられている。反応防止層22を設けることにより、負極保護層23と、金属リチウムとが接触して、負極保護層23の構成成分のチタンが還元されることによって、負極保護層23が劣化することを防止することができる。
(Reaction prevention layer)
The reaction prevention layer 22 is provided to prevent a reaction between the negative electrode protective layer 23 and the negative electrode 21 (metallic lithium). By providing the reaction prevention layer 22, the negative electrode protective layer 23 is in contact with metal lithium, and titanium of the constituent component of the negative electrode protective layer 23 is reduced to prevent deterioration of the negative electrode protective layer 23. be able to.

反応防止層22としては、リチウムイオン伝導性を有し、且つ、金属リチウムに対して安定な材料を用いることができる。反応防止層22としては、例えば、ポリマー電解質、有機電解液(非水電解液)、又は、リチウムリン酸窒化物(LiPON(Li3−xPO4−yy))を用いることができる。 For the reaction prevention layer 22, a material having lithium ion conductivity and stable to metallic lithium can be used. As the reaction prevention layer 22, for example, a polymer electrolyte, an organic electrolytic solution (non-aqueous electrolytic solution), or lithium phosphoric oxynitride (LiPON (Li 3-x PO 4-y N y) ) can be used.

ポリマー電解質としては、真性ポリマー電解質(電解液を含まないポリマー電解質)又はゲル電解質(電解液を含むゲル状のポリマー電解質)を用いることができる。   As the polymer electrolyte, an intrinsic polymer electrolyte (polymer electrolyte not containing an electrolytic solution) or a gel electrolyte (gel-like polymer electrolyte containing an electrolytic solution) can be used.

真性ポリマー電解質としては、例えば、リチウム塩をホストポリマーに分散させた電解質を用いることができる。ホストポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、及び、ポリプロピレンオキシド(PPO)等から選ばれた1種又は2種以上を用いることができる。リチウム塩としては、例えば、LiPF、LiClO、LiBF、LiTFSI(Li(CFSON)、及び、LiBOB(リチウムビスオキサレートボレート)等から選ばれた1種又は2種以上を用いることができる。 As the intrinsic polymer electrolyte, for example, an electrolyte in which a lithium salt is dispersed in a host polymer can be used. As a host polymer, 1 type (s) or 2 or more types selected from polyethylene oxide (PEO), a polypropylene oxide (PPO), etc. can be used, for example. As a lithium salt, 1 type or 2 types or more selected from LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiTFSI (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), LiBOB (lithium bis oxalate borate), etc., for example Can be used.

非水電解液としては、非水溶媒にリチウム塩を溶解させた非水電解液を用いることができる。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、ジエチルカーボネート、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、及び、ジメチルカーボネート等から選ばれた1種又は2種以上を用いることができる。リチウム塩としては、上述したリチウム塩を用いることができる。   As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent can be used. As the non-aqueous solvent, for example, ethylene carbonate, propylene carbonate, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,2-dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran One or more selected from sulfolane, diethyl carbonate, dimethylformamide, acetonitrile, dimethyl carbonate and the like can be used. The lithium salt described above can be used as the lithium salt.

ゲル電解質は、上述の非水電解液と、非水電解液により膨潤したホストポリマー(マトリックスポリマー(高分子化合物))とを有する。ホストポリマーとしては、非水電解液により膨潤可能な高分子化合物を用いることができる。このようなホストポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、及び、ポリエチレンオキシド等から選ばれた1種又は2種以上を挙げることができる。   The gel electrolyte comprises the non-aqueous electrolyte described above and a host polymer (matrix polymer (polymer compound)) swollen by the non-aqueous electrolyte. As the host polymer, a polymer compound which can be swelled by a non-aqueous electrolyte can be used. As such a host polymer, 1 type (s) or 2 or more types selected from polyvinylidene fluoride, the copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polyethylene oxide etc. can be mentioned, for example.

(負極保護層)
負極保護層23は、上述の第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体で構成されている。負極保護層23(リチウムイオン伝導体)は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11と、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面に形成されたアルカリ処理層12とを有する。尚、アルカリ処理層12は、少なくとも水系電解質層24に対向するリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面に形成される。アルカリ処理層12は、第1実施形態のように、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス11の表面全体に形成されていてもよい。
(Anode protective layer)
The negative electrode protective layer 23 is made of the lithium ion conductor according to the first embodiment described above. The negative electrode protective layer 23 (lithium ion conductor) has a lithium ion conductive glass ceramic 11 and an alkali treatment layer 12 formed on the surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11. The alkali treatment layer 12 is formed on the surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11 facing at least the aqueous electrolyte layer 24. The alkali treatment layer 12 may be formed on the entire surface of the lithium ion conductive glass ceramic 11 as in the first embodiment.

(水系電解質層)
水系電解質層24は、セパレータ(図示省略)及びセパレータに含浸された水系電解液(水溶液電解液)で構成されている。セパレータとしては、親水性の多孔質膜を用いることができる。このような多孔質膜としては、親水性化処理が施されたポリオレフィンフィルム(例えば、ポリエチレン又はポリプロピレンフィルム)、又は、不織布を用いることができる。水系電解液としては、アルカリ水溶液(例えば、水酸化リチウム(LiOH)水溶液)を用いることができる。
(Water-based electrolyte layer)
The aqueous electrolyte layer 24 is composed of a separator (not shown) and an aqueous electrolytic solution (aqueous electrolytic solution) impregnated in the separator. A hydrophilic porous membrane can be used as a separator. As such a porous membrane, a polyolefin film (for example, polyethylene or polypropylene film) subjected to a hydrophilization treatment, or a non-woven fabric can be used. An aqueous alkaline solution (for example, an aqueous solution of lithium hydroxide (LiOH)) can be used as the aqueous electrolytic solution.

(正極)
正極25は、触媒層31及びガス拡散層32で構成されている。正極25には、活物質である酸素(空気)が供給される。
(Positive electrode)
The positive electrode 25 is composed of a catalyst layer 31 and a gas diffusion layer 32. The positive electrode 25 is supplied with oxygen (air) which is an active material.

触媒層31は、放電用触媒として、触媒担持カーボン粒子(白金担持カーボン)と、充電用触媒として酸化イリジウム(IrO)粒子(粉末)と、バインダー(フッ素系樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE))と、を含む。 The catalyst layer 31 includes catalyst-supporting carbon particles (platinum-supporting carbon) as a discharge catalyst, iridium oxide (IrO 2 ) particles (powder) as a charge catalyst, and a binder (a fluorine-based resin (for example, polytetrafluoroethylene (eg, polytetrafluoroethylene PTFE)) and.

ガス拡散層32は、触媒層31に反応ガス(空気(酸素))を供給すると共に触媒層31に発生する電荷を集電する導電性多孔質層(導電性材料を主成分とする多孔質層)である。ガス拡散層32の外側の一主面が空気と接し、ガス拡散層32の内側の他主面に、触媒層31が形成されている。ガス拡散層32としては、例えば、撥水処理を施したカーボンペーパーを用いることができる。   The gas diffusion layer 32 supplies a reaction gas (air (oxygen)) to the catalyst layer 31 and collects a charge generated in the catalyst layer 31. The conductive porous layer (a porous layer mainly composed of a conductive material) ). One main surface on the outer side of the gas diffusion layer 32 is in contact with air, and the catalyst layer 31 is formed on the other main surface on the inner side of the gas diffusion layer 32. As the gas diffusion layer 32, for example, carbon paper subjected to water repellent treatment can be used.

(電池の動作)
リチウム空気電池(二次電池)では、充電及び放電に伴い、負極21及び正極25にて、次の反応が生じる。
(放電時)
負極反応:Li→Li+e
正極反応:Li+1/4O+3/2HO→LiOH・H
(充電時)
負極反応:Li+e→Li
正極反応:LiOH・HO→Li+1/4O+3/2H
(Battery operation)
In the lithium air battery (secondary battery), the following reaction occurs at the negative electrode 21 and the positive electrode 25 along with charging and discharging.
(During discharge)
Negative electrode reaction: Li → Li + + e
Positive electrode reaction: Li + + 1⁄4O 2 + 3 / 2H 2 O → LiOH · H 2 O
(When charging)
Negative electrode reaction: Li + + e → Li
Positive electrode reaction: LiOH · H 2 O → Li + + 1 / 4O 2 + 3 / 2H 2 O

即ち、放電時、リチウム空気電池では、負極21にて、金属リチウムがリチウムイオンとして、反応防止層22及び負極保護層23を通り水系電解質層24(電解液)に移動する。このとき、電子は負極21に接続された外部回路(図示省略)に供給される。正極25にて、正極25に接続された外部回路から電子が供給されて触媒層31で空気中の酸素と水とが反応して水酸化物イオンが生じる。水系電解質層24(電解液)にて、リチウムイオンと水酸化物イオンとが反応して水溶性の水酸化リチウム(LiOH)が生じる。   That is, at the time of discharge, in the lithium-air battery, metal lithium is transferred as lithium ions at the negative electrode 21 through the reaction prevention layer 22 and the negative electrode protective layer 23 to the aqueous electrolyte layer 24 (electrolyte solution). At this time, the electrons are supplied to an external circuit (not shown) connected to the negative electrode 21. Electrons are supplied from the external circuit connected to the positive electrode 25 at the positive electrode 25, and oxygen in the air reacts with water at the catalyst layer 31 to generate hydroxide ions. In the aqueous electrolyte layer 24 (electrolytic solution), lithium ions and hydroxide ions react with each other to produce water-soluble lithium hydroxide (LiOH).

一方、充電時、リチウム空気電池では、負極21に外部回路から電子が供給され、水系電解質層24(電解液)に存在するリチウムイオンが、負極保護層23及び反応防止層22を通って負極21表面に移動して、負極21表面にて、リチウムイオンが電子を受け取り、金属リチウムが生じる。正極25の触媒層31にて、水酸化物イオンが反応して酸素が生じると共に電子が発生し、発生した電子が外部回路に供給される。   On the other hand, at the time of charging, in the lithium-air battery, electrons are supplied from the external circuit to the negative electrode 21, and lithium ions present in the aqueous electrolyte layer 24 (electrolyte solution) pass through the negative electrode protective layer 23 and the reaction prevention layer 22. It moves to the surface, and lithium ions receive electrons at the surface of the negative electrode 21 to generate metallic lithium. In the catalyst layer 31 of the positive electrode 25, the hydroxide ions react to generate oxygen and generate electrons, and the generated electrons are supplied to the external circuit.

(効果)
第2実施形態に係るリチウム空気電池では、負極保護層23が第1実施形態に係るリチウムイオン伝導体であり、リチウムイオン伝導体の表面のアルカリ処理層12が水系電解質層24に対向して接するように構成されている。これにより、負極保護層23のアルカリ水溶液に対する耐久性を向上することができ、リチウム空気電池の放電反応に伴い水系電解質層24に含まれる水系電解液が強アルカリ性化した場合でも、負極保護層23の腐食の進行を抑制できる。その結果、負極保護層23の腐食の進行によって、電池性能が劣化してしまうことを抑制できる。
(effect)
In the lithium-air battery according to the second embodiment, the negative electrode protective layer 23 is the lithium ion conductor according to the first embodiment, and the alkali treatment layer 12 on the surface of the lithium ion conductor faces and contacts the water-based electrolyte layer 24 Is configured as. As a result, the durability of the negative electrode protective layer 23 to the alkaline aqueous solution can be improved, and the negative electrode protective layer 23 can be made strongly alkaline even when the aqueous electrolyte solution contained in the aqueous electrolyte layer 24 becomes strongly alkaline due to the discharge reaction of the lithium air battery. Can control the progress of corrosion. As a result, it is possible to suppress the deterioration of the battery performance due to the progress of the corrosion of the negative electrode protective layer 23.

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples, but the present invention is not limited to only these examples.

本発明の実施例について以下の順序で説明する。
(1)アルカリ処理時間の影響評価
(2)浸漬液であるLiOH水溶液のLiOH濃度の影響評価
(3)浸漬液であるLiOH水溶液に対するLiPO添加の影響評価
(4)アルカリ耐性評価
Embodiments of the present invention will be described in the following order.
(1) Evaluation of the influence of alkali treatment time (2) Evaluation of the influence of LiOH concentration of LiOH aqueous solution which is the immersion liquid (3) evaluation of the influence of Li 3 PO 4 addition to LiOH aqueous solution which is the immersion liquid (4) evaluation of alkali resistance

(1)アルカリ処理時間の影響評価
<実施例1−1〜実施例1−4>
次のようにアルカリ処理時間が異なる実施例1−1から実施例1−4のリチウムイオン伝導体を作製した。
(1) Evaluation of influence of alkali treatment time <Example 1-1 to Example 1-4>
The lithium ion conductors of Examples 1-1 to 1-4 different in alkali treatment time as follows were produced.

<実施例1−1>
まず厚さ150μm、1インチ×1インチの大きさのLATP薄板(株式会社オハラ製、製品名:LICGCTM AG-01)を用意した。次に、このLATP薄板を、温度60℃の恒温槽中にて、飽和LiOH水溶液に1週間浸漬させた。これにより、実施例1−1のアルカリ処理LATP薄板(リチウムイオン伝導体)を作製した。
Example 1-1
First, the thickness of 150μm, 1 inch × 1 inch size of LATP thin (Ohara Inc., product name: LICGC TM AG-01) was prepared. Next, this LATP thin plate was immersed in a saturated LiOH aqueous solution for one week in a constant temperature bath at a temperature of 60.degree. Thus, an alkali-treated LATP thin plate (lithium ion conductor) of Example 1-1 was produced.

<実施例1−2>
LATP薄板の飽和LiOH水溶液への浸漬時間を2週間に変えたこと以外は、実施例1−1と同様にしてリチウムイオン伝導体を作製した。
Example 1-2
A lithium ion conductor was produced in the same manner as Example 1-1 except that the immersion time of the LATP thin plate in the saturated LiOH aqueous solution was changed to 2 weeks.

<実施例1−3>
LATP薄板の飽和LiOH水溶液への浸漬時間を4週間に変えたこと以外は、実施例1−1と同様にしてリチウムイオン伝導体を作製した。
Example 1-3
A lithium ion conductor was produced in the same manner as Example 1-1 except that the immersion time of the LATP thin plate in the saturated LiOH aqueous solution was changed to 4 weeks.

<実施例1−4>
LATP薄板の飽和LiOH水溶液への浸漬時間を10週間に変えたこと以外は、実施例1−1と同様にしてリチウムイオン伝導体を作製した。
Example 1-4
A lithium ion conductor was produced in the same manner as Example 1-1 except that the immersion time of the LATP thin plate in the saturated LiOH aqueous solution was changed to 10 weeks.

<比較例1−1>
LiOH水溶液に浸漬させていないLATP薄板を、比較例1−1のリチウムイオン伝導体とした。
Comparative Example 1-1
The LATP thin plate not immersed in the LiOH aqueous solution was used as a lithium ion conductor of Comparative Example 1-1.

作製した実施例1−1〜実施例1−4、及び、比較例1−1のリチウムイオン伝導体について、次のように「SEM観察による表面及び断面の腐食状態の確認」を行った。   "Confirmation of the corrosion state of the surface and the cross section by SEM observation" was performed as follows about the produced lithium ion conductor of Example 1-1 to Example 1-4, and Comparative Example 1-1.

(表面及び断面のSEM観察による腐食状態の確認)
フィールドエミッション電子プローブマイクロアナライザ(FE−EPMA、日本電子株式会社製、製品名:JXA−8530F)を用いて、加速電圧7kVで表面及び断面の形態観察(SEM観察)を行った。尚、断面観察は、平面イオンミリング後の断面を観察した。
(Confirmation of corrosion state by SEM observation of surface and cross section)
Using a field emission electron probe microanalyzer (FE-EPMA, manufactured by Nippon Denshi Co., Ltd., product name: JXA-8530F), morphological observation (SEM observation) of the surface and the cross section was performed at an acceleration voltage of 7 kV. In addition, cross-sectional observation observed the cross section after plane ion milling.

図5に、実施例1−1〜実施例1−4、及び、比較例1−1のリチウムイオン伝導体の表面及び断面の写真(二次電子像)を示す。図6に、浸漬時間に対して腐食深さ(アルカリ処理層の厚さ)をプロットしたグラフを示す。尚、図6において、縦座標軸に沿った太線は、観察領域の腐食深さの測定値の分布を示し、太線上の点は頻度の一番大きい腐食深さ(最頻値)を示している。   The photograph (secondary electron image) of the surface of the lithium ion conductor of Example 1-1 to Example 1-4, and Comparative Example 1-1 is shown in FIG. FIG. 6 shows a graph in which the corrosion depth (the thickness of the alkali-treated layer) is plotted against the immersion time. In FIG. 6, the thick line along the ordinate indicates the distribution of the measured value of the corrosion depth in the observation area, and the point on the thick line indicates the most frequent corrosion depth (mode). .

表1に腐食状態の評価結果を示す。尚、表1中の腐食状態評価は、下記の判断基準に基づき行っている。   Table 1 shows the evaluation results of the corrosion state. In addition, corrosion state evaluation in Table 1 is performed based on the following judgment criteria.

(表面腐食状態評価)
「あり」:SEM観察において表面に腐食(変質)が観察された。
「なし」:SEM観察において表面に腐食(変質)が観察されなかった。
(腐食深さ評価)
「浅い」:腐食深さの最頻値が600nm未満であった。
「深い」:腐食深さの最頻値が600nm以上1200nm未満であった。
「非常に深い」:腐食深さの最頻値が1200nm以上であった。
尚、表1において、実施例1−1〜実施例1−4、及び比較例1−1の中で、「非常に深い」に該当する実施例又は比較例はなかった。
(Surface corrosion evaluation)
"Available": Corrosion (deterioration) was observed on the surface in SEM observation.
"None": No corrosion (deterioration) was observed on the surface in SEM observation.
(Evaluation of corrosion depth)
"Shallow": The corrosion depth mode was less than 600 nm.
"Deep": The mode of corrosion depth was 600 nm or more and less than 1200 nm.
"Very deep": The mode of corrosion depth was 1200 nm or more.
In Table 1, in Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Example 1-1, no example or comparative example corresponding to “very deep” was found.

図5に示されたように、実施例1−1〜実施例1−4のリチウムイオン伝導体(アルカリ処理LATP)の表面には、結晶質のLATP(LATPの結晶相)と思われる数百nm程度の角形状の塊状物を多数確認できた。即ち、実施例1−1〜実施例1−4のリチウムイオン伝導体の表面がアルカリ処理によって腐食していることを確認できた。   As shown in FIG. 5, on the surface of the lithium ion conductor (alkali-treated LATP) of Examples 1-1 to 1-4, several hundreds of crystalline LATP (crystal phase of LATP) are considered. A large number of square-shaped lumps of about nm could be confirmed. That is, it could be confirmed that the surface of the lithium ion conductor of Example 1-1 to Example 1-4 was corroded by the alkali treatment.

更に、図6に示されたように、浸漬時間が2週間以上の実施例1―2〜実施例1−4のリチウムイオン伝導体の腐食深さは、900nmから1200nm程度に留まっており、時間経過に対する腐食深さの増加率はほぼ一定であった。即ち、浸漬時間が2週間以上で、LATPの腐食の進行がほぼ停止することがわかった。   Furthermore, as shown in FIG. 6, the corrosion depth of the lithium ion conductor of Example 1-2 to Example 1-4 in which the immersion time is 2 weeks or more remains at about 900 nm to 1200 nm, The rate of increase of corrosion depth over time was almost constant. That is, it was found that the progress of LATP corrosion almost stopped when the immersion time was 2 weeks or more.

(薄膜X線回折分析)
更に、作製した実施例1−1〜実施例1−4、及び、比較例1−1のリチウムイオン伝導体について、LATPの腐食によって生成した成分を確認するために、薄膜X線回折分析を行った。
(Thin film X-ray diffraction analysis)
Furthermore, thin film X-ray diffraction analysis is performed on the lithium ion conductors of Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Example 1-1 prepared to confirm the components generated by the corrosion of LATP. The

薄膜X線回折分析は、次のように行った。薄膜XRD装置(株式会社リガク製、製品名:RINT2500HLB)を用いて、管電圧50kV、管電流250mAで、薄膜X線回折分析を行うことにより、作製したリチウムイオン伝導体の表層部(アルカリ処理層)の組成分析を行った。図7にX線回折プロファイルを示す。   Thin film X-ray diffraction analysis was performed as follows. Using a thin film XRD apparatus (Rigaku Co., Ltd., product name: RINT2500HLB), by performing thin film X-ray diffraction analysis at a tube voltage of 50 kV and a tube current of 250 mA, the surface layer portion of the lithium ion conductor (alkali treated layer The composition analysis of. An X-ray diffraction profile is shown in FIG.

図7に示されたように、実施例1−1〜実施例1−4についてのX線回折プロファイルにLiPO由来の結晶性ピークを確認できた。即ち、飽和LiOH水溶液に浸漬させることによりLATPが腐食することによって生成した成分は、LiPOの結晶相を含むことがわかった。更に、図7中の表B1の積分強度比に示されたように、LATPを飽和LiOH水溶液に浸漬させる浸漬時間が長くなるに従い、生成したLiPO比率(即ち、LiPOの量)が増加していくことがわかった。 As shown in FIG. 7, crystalline peaks derived from Li 3 PO 4 could be confirmed in the X-ray diffraction profiles for Example 1-1 to Example 1-4. That is, it was found that the component produced by the LATP being corroded by immersion in a saturated LiOH aqueous solution contains the crystal phase of Li 3 PO 4 . Furthermore, as shown in the integrated intensity ratio of Table B1 in FIG. 7, the proportion of generated Li 3 PO 4 (ie, the amount of Li 3 PO 4 as the immersion time for immersing LATP in a saturated LiOH aqueous solution becomes longer ) Was found to increase.

(抵抗評価)
アルカリ処理により生成したLiPO自体のリチウムイオン導電性は、LATPに比べて非常に低いので、リチウムイオン伝導体の抵抗が増加してしまうことが懸念される。従って、実施例1−1〜実施例1−4、及び、比較例1−1のインピーダンスを測定した。これにより、実施例1−1〜実施例1−4のリチウムイオン伝導体のインピーダンス変化(アルカリ処理前の比較例1−1のインピーダンスからのインピーダンス変化)を評価した。
(Evaluation of resistance)
Since the lithium ion conductivity of Li 3 PO 4 itself produced by the alkali treatment is very low compared to LATP, there is a concern that the resistance of the lithium ion conductor will increase. Therefore, the impedance of Example 1-1 to Example 1-4 and Comparative Example 1-1 was measured. Thereby, the impedance change (The impedance change from the impedance of Comparative Example 1-1 before alkali treatment) of the lithium ion conductor of Example 1-1 to Example 1-4 was evaluated.

(インピーダンス測定)
インピーダンス測定は、次のように行った。図8に示されるように、ガラスU字管100の中央部に、作製したサンプル101(リチウムイオン伝導体)を取りつけた。サンプル101によって2つに仕切られたガラスU字管100の一方(A槽)及び他方(B槽)のそれぞれに、1mol/LのLiOH水溶液を入れた。
(Impedance measurement)
The impedance measurement was performed as follows. As shown in FIG. 8, the manufactured sample 101 (lithium ion conductor) was attached to the central part of a glass U-shaped tube 100. A 1 mol / L LiOH aqueous solution was placed in each of the one (tank A) and the other (tank B) of the glass U-shaped tube 100 partitioned into two by the sample 101.

A層に入れたLiOH水溶液中に電極102Aとして白金黒電極を設置し、B槽に入れたLiOH水溶液中に電極102Bとして白金黒電極を設定した。電極102A及び電極102Bにポテンショ/ガルバノスタット(BioLogic社製、製品名:VMP3)に接続し、2極間の交流インピーダンス測定を行った。   A platinum black electrode was set as the electrode 102A in the LiOH aqueous solution put in the A layer, and a platinum black electrode was set as the electrode 102B in the LiOH aqueous solution put in the B tank. The potentio / galvanostat (manufactured by BioLogic, product name: VMP3) was connected to the electrode 102A and the electrode 102B, and AC impedance measurement between two electrodes was performed.

図9にインピーダンス測定で得た実施例1−1〜実施例1−4、及び、比較例1−1についてのコール−コールプロットを示す。表1に、コール−コールプロットに基づいて求められた総抵抗値(リチウムイオン伝導体、及び、LiOH水溶液の総抵抗値)、及び、総抵抗値に基づく評価を示す。   FIG. 9 shows a Call-Cole plot for Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Example 1-1 obtained by impedance measurement. Table 1 shows the total resistance value (the total resistance value of the lithium ion conductor and the LiOH aqueous solution) determined based on the Cole-Cole plot, and the evaluation based on the total resistance value.

尚、表1中の抵抗の評価は、比較例1−1の総抵抗値を基準値として、下記の判断基準に基づいて行った。
「低下(◎)」:基準値に比べて、総抵抗値が小さい。
「大幅な上昇なし(〇)」:基準値に比べて、総抵抗値が大きく上昇していない(具体的に述べると、総抵抗値と基準値との差が20Ωcm未満である。)。
In addition, evaluation of resistance in Table 1 was performed based on the following judgment criteria by using the total resistance value of Comparative Example 1-1 as a reference value.
"Decrease (◎)": The total resistance value is smaller than the reference value.
"No significant increase (o)": The total resistance value has not increased significantly compared to the reference value (specifically, the difference between the total resistance value and the reference value is less than 20 Ωcm 2 ).

図9及び表1に示されたように、アルカリ処理時間(浸漬時間の長さ)に関係なく大幅な抵抗上昇は確認されなかった。LATPの腐食後もリチウムイオン導電性に寄与する結晶質のLATPが残存していることにより、抵抗上昇を抑制できたと考えられる。LATPの腐食後に表面が荒くなることや腐食部分に空隙が形成されることによって、電解液と結晶質のLATPとの接触面積が増大することにより、抵抗上昇を抑制できたと考えられる。   As shown in FIG. 9 and Table 1, no significant increase in resistance was observed regardless of the alkali treatment time (duration of immersion time). It is considered that the increase in resistance can be suppressed by the residual crystalline LATP that contributes to lithium ion conductivity even after the LATP corrosion. It is considered that the increase in the resistance can be suppressed by the increase in the contact area between the electrolytic solution and the crystalline LATP due to the surface becoming rough after corrosion of LATP and the formation of voids in the corrosion portion.

(2)浸漬液であるLiOH水溶液のLiOH濃度の影響評価
<実施例2−1〜実施例2−2、及び、比較例2−1>
次に、浸漬液であるLiOH水溶液のLiOH濃度のみ異なる実施例2−1〜実施例2−2、及び、比較例2−1のリチウムイオン伝導体を次のように作製した。
(2) Evaluation of influence of LiOH concentration of LiOH aqueous solution which is immersion liquid <Example 2-1 to Example 2-2, and Comparative Example 2-1>
Next, lithium ion conductors of Examples 2-1 to 2-2 and Comparative Example 2-1, which differ only in the LiOH concentration of the LiOH aqueous solution as the immersion liquid, were produced as follows.

<実施例2−1>
実施例1−3と同様にして、実施例2−1のリチウムイオン伝導体を作製した。
Example 2-1
A lithium ion conductor of Example 2-1 was produced in the same manner as in Example 1-3.

<実施例2−2>
飽和LiOH水溶液に代えて、1mol/LのLiOH水溶液を用いたこと以外は、実施例2−1と同様にしてリチウムイオン伝導体を得た。
Example 2-2
A lithium ion conductor was obtained in the same manner as in Example 2-1 except that a 1 mol / L LiOH aqueous solution was used instead of the saturated LiOH aqueous solution.

<比較例2−1>
飽和LiOH水溶液に代えて、0.01mol/LのLiOH水溶液を用いたこと以外は、実施例2−1と同様にしてリチウムイオン伝導体を得た。
Comparative Example 2-1
A lithium ion conductor was obtained in the same manner as in Example 2-1 except that a 0.01 mol / L LiOH aqueous solution was used instead of the saturated LiOH aqueous solution.

(表面及び断面のSEM観察による腐食状態の確認)
作製した実施例2−1〜実施例2−2及び比較例2−1のリチウムイオン伝導体について、実施例1−1と同様にして、「SEM観察による表面及び断面の腐食状態の確認」を行った。
(Confirmation of corrosion state by SEM observation of surface and cross section)
“Confirmation of the corrosion state of the surface and the cross section by SEM observation” of the prepared lithium ion conductors of Example 2-1 to Example 2-2 and Comparative Example 2-1 in the same manner as Example 1-1. went.

図10に、実施例2−1〜実施例2−2及び比較例2−1のリチウムイオン伝導体の表面及び断面の写真(二次電子像)を示す。図11に、LiOHの濃度に対して腐食深さ(アルカリ処理層の厚さ)の最頻値をプロットしたグラフを示す。表2に、腐食状態の評価結果を示す。   FIG. 10 shows photographs (secondary electron images) of the surfaces and cross sections of the lithium ion conductors of Example 2-1 to Example 2-2 and Comparative Example 2-1. FIG. 11 shows a graph in which the mode value of the corrosion depth (the thickness of the alkali-treated layer) is plotted against the concentration of LiOH. Table 2 shows the evaluation results of the corrosion state.

図10に示されたように、1mol/L以上のLiOH水溶液に浸漬させることにより得た実施例2−1及び実施例2−2のリチウムイオン伝導体の表面には、結晶質のLATPと思われる数百nm程度の角形状の塊状物が多数確認された。一方、希薄の0.01mol/LのLiOH水溶液に浸漬させることにより得た比較例2−1のリチウムイオン伝導体の表面には、結晶質のLATPと思われる角形状の塊状物を確認することができなかった。更に、当該比較例2−1のリチウムイオン伝導体の表面には、数nm程度の多数の空孔(空隙)が確認された。   As shown in FIG. 10, the surface of the lithium ion conductor of Example 2-1 and Example 2-2 obtained by immersing in an aqueous solution of 1 mol / L or more of LiOH seems to be crystalline LATP. A large number of square-shaped lumps having a size of several hundred nm were identified. On the other hand, on the surface of the lithium ion conductor of Comparative Example 2-1 obtained by immersing in a dilute 0.01 mol / L aqueous solution of LiOH, a square-shaped aggregate which is considered to be crystalline LATP should be confirmed. I could not Furthermore, on the surface of the lithium ion conductor of Comparative Example 2-1, a large number of pores (voids) of about several nm were confirmed.

図11に示されたように、LiOH水溶液のLiOH濃度が0.01mol/Lである比較例2−1のリチウムイオン伝導体は、水溶液の濃度が低すぎるのでLATPが水溶液へ溶解する反応が進行しやすくなってしまうことにより、腐食深さが非常に深くなってしまうと共に、空孔量(空隙量)のさらなる増加が確認された。既述したように、低溶解性のLiPOを生成するためのLiOH水溶液のLiOH濃度としてはpH12.32に相当する0.021mol/Lより高いことが必要であると考えられる。従って、この結果は、当該考察と整合性がある。 As shown in FIG. 11, in the lithium ion conductor of Comparative Example 2-1 in which the LiOH concentration in the LiOH aqueous solution is 0.01 mol / L, the concentration of the aqueous solution is too low, so the reaction of dissolving LATP in the aqueous solution proceeds As it became easy to do, while the corrosion depth became very deep, the further increase of the amount of void | holes (void amount) was confirmed. As described above, it is considered that the LiOH concentration of the LiOH aqueous solution for producing low solubility Li 3 PO 4 needs to be higher than 0.021 mol / L corresponding to pH 12.32. Thus, this result is consistent with the discussion.

以上の評価結果、及び、考察から、LiPOを含むアルカリ処理層を形成するためには、0.021mol/Lより高い濃度のLiOH水溶液で処理することが必要であることがわかった。 From the above evaluation results and consideration, it was found that in order to form an alkali-treated layer containing Li 3 PO 4 , it is necessary to treat with a LiOH aqueous solution having a concentration higher than 0.021 mol / L.

(3)浸漬液であるLiOH水溶液に対するLiPO添加の影響評価
<実施例3−1〜実施例3−2>
次に、浸漬液であるLiOH水溶液に対するLiPO添加の有無のみ異なる実施例3−1及び実施例3−2のリチウムイオン伝導体を次のように作製した。
(3) Evaluation of the influence of addition of Li 3 PO 4 on the aqueous solution of LiOH which is the immersion liquid <Examples 3-1 to 3-2>
Next, the lithium ion conductors of Example 3-1 and Example 3-2 which differ only in the presence or absence of addition of Li 3 PO 4 with respect to the LiOH aqueous solution which is an immersion liquid were produced as follows.

<実施例3−1>
実施例1−3と同様にして、実施例3−1のリチウムイオン伝導体を作製した。
Example 3-1
A lithium ion conductor of Example 3-1 was produced in the same manner as in Example 1-3.

<実施例3−2>
飽和LiOH水溶液に代えて、LiPOが5質量%となるようにLiPOを添加した飽和LiOH水溶液を用いたこと以外は、実施例3−1と同様にしてリチウムイオン伝導体を作製した。
Example 3-2
A lithium ion conductor was prepared in the same manner as in Example 3-1 except that a saturated LiOH aqueous solution was added in which the Li 3 PO 4 was added so that the Li 3 PO 4 was 5% by mass instead of the saturated LiOH aqueous solution. Made.

(表面及び断面のSEM観察による腐食状態の確認)
作製した実施例3−1及び実施例3−2のリチウムイオン伝導体について、実施例1−1と同様にして、「SEM観察による表面及び断面の腐食状態の確認」を行った。図12に、実施例3−1及び実施例3−2のリチウムイオン伝導体の表面及び断面の写真(二次電子像)を示す。腐食状態の評価結果を表3に示す。
(Confirmation of corrosion state by SEM observation of surface and cross section)
About the produced lithium ion conductor of Example 3-1 and Example 3-2, it carried out similarly to Example 1-1, "confirmed the corrosion state of the surface and cross section by SEM observation" was performed. The photograph (secondary electron image) of the surface and cross section of the lithium ion conductor of Example 3-1 and Example 3-2 is shown in FIG. The evaluation results of the corrosion state are shown in Table 3.

(インピーダンス測定)
更に、作製した実施例3−1及び実施例3−2のリチウムイオン伝導体について、実施例1−1と同様にして、「インピーダンス測定」を行った。図13にインピーダンス測定で得た実施例3−1〜実施例3−2のコール−コールプロットを示す。尚、比較のため、比較例1−1についてのコール−コールプロットも、図13に示す。表3に、コール−コールプロットに基づいて求められた総抵抗値(リチウムイオン伝導体、及び、LiOH水溶液の総抵抗値)、及び、総抵抗値に基づく評価を示す。
(Impedance measurement)
Furthermore, "impedance measurement" was performed about the lithium ion conductor of Example 3-1 and Example 3-2 which were produced similarly to Example 1-1. FIG. 13 shows a Call-Cole plot of Example 3-1 to Example 3-2 obtained by impedance measurement. In addition, the call-call plot about Comparative Example 1-1 is also shown in FIG. 13 for comparison. Table 3 shows the total resistance value (the total resistance value of the lithium ion conductor and the LiOH aqueous solution) determined based on the Cole-Cole plot, and the evaluation based on the total resistance value.

図12に示されたように、実施例3−2のアルカリ処理LATPの表面状態は、100nm以下の細かい粒状の生成物と、その生成物が凝集したと考えられる数百nmの粒状の生成物とが確認された。この生成物はLiPOと考えられ、LiPOを浸漬液であるLiOH水溶液に予め添加することによって、LiOH水溶液中にLATPからのPO 3−の溶出を防止できるので、LATP表面に効率良くLiPOを形成できたと考えられる。 As shown in FIG. 12, the surface condition of the alkali-treated LATP of Example 3-2 was a fine granular product of 100 nm or less and a several hundred nm granular product that the product was considered to be aggregated. And were confirmed. The product is believed to Li 3 PO 4, by adding in advance to an aqueous LiOH solution is dip the Li 3 PO 4, it is possible to prevent the PO 4 3- elution from LATP in aqueous LiOH, LATP surface It is considered that Li 3 PO 4 could be formed efficiently.

更に、実施例3−2のリチウムイオン伝導体の腐食深さは、300nm程度と浅くなっており、LiPOを添加しない浸漬液を用いた実施例3−1のリチウムイオン伝導体に比べて、1/3程度の薄さでアルカリ処理層を形成できた。 Furthermore, the corrosion depth of the lithium ion conductor of Example 3-2 is as shallow as about 300 nm, and it is compared with the lithium ion conductor of Example 3-1 using an immersion liquid to which Li 3 PO 4 is not added. The alkali-treated layer could be formed with a thickness of about 1/3.

更に、表3に示されたように、実施例3−2のリチウムイオン伝導体についてのインピーダンスの総抵抗値は、実施例3−1のリチウムイオン伝導体についてのインピーダンスの総抵抗値より低くなっており、浸漬液であるLiOH水溶液へのLiPO添加は、LATP表面に薄いアルカリ耐性被膜(アルカリ処理層)の形成により好ましい手法であることがわかった。 Furthermore, as shown in Table 3, the total resistance value of the impedance for the lithium ion conductor of Example 3-2 is lower than the total resistance value of the impedance for the lithium ion conductor of Example 3-1. It was found that the addition of Li 3 PO 4 to the immersion liquid LiOH aqueous solution is a more preferable method due to the formation of a thin alkali-resistant coating (alkali-treated layer) on the LATP surface.

(4)アルカリ耐性評価
次に、実施例4−1〜実施例4−3、及び、比較例4−1のリチウムイオン伝導体を次のように作製した。
(4) Alkali Tolerance Evaluation Next, lithium ion conductors of Example 4-1 to Example 4-3 and Comparative Example 4-1 were produced as follows.

<実施例4−1>
実施例1−3と同様にして、実施例4−1のリチウムイオン伝導体を作製した。
Example 4-1
The lithium ion conductor of Example 4-1 was produced in the same manner as in Example 1-3.

<実施例4−2>
実施例3−2と同様にして、実施例4−2のリチウムイオン伝導体を作製した。
Example 4-2
A lithium ion conductor of Example 4-2 was produced in the same manner as in Example 3-2.

<比較例4−1>
飽和LiOH水溶液に代えて、LiClが10mol/Lになるように添加した飽和LiOH水溶液を用いたこと以外は、実施例4−1と同様にしてリチウムイオン伝導体を作製した。
Comparative Example 4-1
A lithium ion conductor was produced in the same manner as in Example 4-1 except that the saturated LiOH aqueous solution was used instead of the saturated LiOH aqueous solution and LiCl was added to 10 mol / L.

<比較例4−2>
LiOH水溶液に浸漬させていないLATP薄板を、比較例4−2のリチウムイオン伝導体とした。
Comparative Example 4-2
The LATP thin plate not immersed in the LiOH aqueous solution was used as a lithium ion conductor of Comparative Example 4-2.

(アルカリ耐性評価)
アルカリ処理層のアルカリ耐性を確認するため、1mol/LのNaOH水溶液に室温×24時間浸漬を行った後、リチウムイオン伝導体(LATP)の表面形状変化を、光学顕微鏡を用いて観察した。
(Alkali resistance evaluation)
After immersion in a 1 mol / L aqueous solution of NaOH for 24 hours at room temperature to confirm the alkali resistance of the alkali-treated layer, the surface shape change of the lithium ion conductor (LATP) was observed using an optical microscope.

実施例4−1、実施例4−2、及び、比較例4−1のリチウムイオン伝導体の観察結果を図14A乃至図14Cに示し、評価結果を表4に示す。   The observation results of the lithium ion conductors of Example 4-1, Example 4-2, and Comparative Example 4-1 are shown in FIGS. 14A to 14C, and the evaluation results are shown in Table 4.

図14Cに示されたように、アルカリ処理を行っていない未処理のLATP(比較例4−2)は、板形状を保持できないほど腐食してしまい粉体となってしまった。尚、写真では示してないが、比較例4−1も同様に、LATPが粉体化してしまった。これに対して、浸漬液に飽和LiOH水溶液を用いた実施例4−1リチウムイオン伝導体、及び、5質量%LiPO添加LiOH水溶液を用いた実施例4−2のリチウムイオン伝導体は、板形状を保持することができた。尚、図14Aに示されたように、実施例4−1のリチウムイオン伝導体は、表面の矢印a1〜a3に示された場所等に亀裂が確認できるのに対して、図14Bに示されたように、実施例4−2のリチウムイオン伝導体は、その表面に亀裂が確認できず、緻密なアルカリ耐性被膜(アルカリ処理層)を形成できていることが確認できた。 As shown in FIG. 14C, the untreated LATP not subjected to the alkali treatment (Comparative Example 4-2) was corroded to such an extent that the plate shape could not be maintained and became powder. In addition, although not shown in the photograph, in Comparative Example 4-1, LATP was similarly pulverized. On the other hand, the lithium ion conductor of Example 4-2 using the lithium ion conductor of Example 4-1 using a saturated LiOH aqueous solution as the immersion liquid and the LiOH aqueous solution containing 5% by mass Li 3 PO 4 , Could hold the plate shape. Incidentally, as shown in FIG. 14A, the lithium ion conductor of Example 4-1 is shown in FIG. 14B while a crack can be confirmed in the places shown by arrows a1 to a3 on the surface. Thus, the lithium ion conductor of Example 4-2 did not show any cracks on its surface, and it could be confirmed that a dense alkali resistant film (alkali treated layer) could be formed.

<変形例>
以上、本発明の各実施形態及び各実施例について具体的に説明したが、本発明は、上述の各実施形態及び各実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
<Modification>
As mentioned above, although each embodiment and each example of the present invention were explained concretely, the present invention is not limited to each above-mentioned embodiment and each example, and various kinds based on the technical idea of the present invention Variations of are possible.

例えば、上述の各実施形態及び各実施例において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値等はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値等を用いてもよい。   For example, the configurations, methods, processes, shapes, materials, numerical values, and the like described in the above-described embodiments and examples are merely examples, and different configurations, methods, processes, shapes, materials, and the like may be used as necessary. You may use a numerical value etc.

また、上述の各実施形態及び各実施例の構成、方法、工程、形状、材料および数値等は、本発明の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。   In addition, the configurations, methods, processes, shapes, materials, numerical values, and the like of the above-described embodiments and examples can be combined with one another without departing from the spirit of the present invention.

11…リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス、12…アルカリ処理層、21…負極
22…反応防止層、23…負極保護層、24…水系電解質層、25…正極、31…触媒層、32…ガス拡散層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 lithium ion conductive glass ceramics, 12 alkali treatment layer 21 negative electrode 22 reaction prevention layer 23 negative electrode protective layer 24 water-based electrolyte layer 25 positive electrode 31 catalyst layer 32 gas diffusion layer

Claims (8)

Li1+x+yAl(TiGe1−z2−xSi3−y12(式中、0≦x≦0.8、0≦y≦0.6、0<z≦1である。)で表されるLATPからなるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含み、
前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの表面に、LATPの結晶相、及び、LiPOの結晶相を含むアルカリ処理層を有する、
リチウムイオン伝導体。
Li 1 + x + y Al x (Ti z Ge 1-z ) 2-x Si y P 3-y O 12 (wherein 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 <z ≦ 1) Containing lithium ion conductive glass-ceramics consisting of LATP,
It has an alkali treatment layer containing a crystal phase of LATP and a crystal phase of Li 3 PO 4 on the surface of the lithium ion conductive glass ceramic.
Lithium ion conductor.
請求項1に記載のリチウムイオン伝導体において、
前記LiPOの結晶相は、前記アルカリ処理層の内部の前記LATPの結晶相間、及び、表面に露出されたLATPの結晶相上の少なくとも一部に含まれる、
リチウムイオン伝導体。
In the lithium ion conductor according to claim 1,
The crystal phase of the Li 3 PO 4 is contained between at least a part of the crystal phase of the LATP inside the alkali treatment layer and on the crystal phase of the LATP exposed to the surface.
Lithium ion conductor.
請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン伝導体において、
前記アルカリ処理層の内部の前記LATPの結晶相間の少なくとも一部に形成された空隙を有する、
リチウムイオン伝導体。
In the lithium ion conductor according to claim 1 or 2,
It has a void formed at least in part between crystal phases of the LATP inside the alkali treatment layer,
Lithium ion conductor.
Li1+x+yAl(TiGe1−z2−xSi3−y12(式中、0≦x≦0.8、0≦y≦0.6、0<z≦1である。)で表されるLATPからなるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを、水酸化リチウム水溶液に浸漬させることにより、前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの表面に、LATPの結晶相、及び、LiPOの結晶相を含むアルカリ処理層を形成する工程を含み、
前記水酸化リチウム水溶液の前記水酸化リチウムの濃度は、0.021mol/Lより高い、リチウムイオン伝導体の製造方法。
Li 1 + x + y Al x (Ti z Ge 1-z ) 2-x Si y P 3-y O 12 (wherein 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 <z ≦ 1) By immersing lithium ion conductive glass-ceramics composed of LATP represented by L.) in an aqueous solution of lithium hydroxide, the crystal phase of LATP and Li 3 PO 4 on the surface of the lithium ion conductive glass-ceramics. Forming an alkali treatment layer containing a crystal phase,
The manufacturing method of a lithium ion conductor whose density | concentration of the said lithium hydroxide of the said lithium hydroxide aqueous solution is higher than 0.021 mol / L.
請求項4に記載のリチウムイオン伝導体の製造方法において、
前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを前記水溶液に浸漬させる時間は、2週間以上である、リチウムイオン伝導体の製造方法。
In the method for producing a lithium ion conductor according to claim 4,
The method for producing a lithium ion conductor, wherein the time for immersing the lithium ion conductive glass ceramic in the aqueous solution is 2 weeks or more.
請求項4又は請求項5に記載のリチウムイオン伝導体の製造方法において、
前記水酸化リチウム水溶液は、リン酸塩を更に含む、リチウムイオン伝導体の製造方法。
In the method for producing a lithium ion conductor according to claim 4 or 5,
The method for producing a lithium ion conductor, wherein the lithium hydroxide aqueous solution further comprises a phosphate.
請求項6に記載のリチウムイオン伝導体の製造方法において、
前記リン酸塩は、LiPOである、リチウムイオン伝導体の製造方法。
In the method for producing a lithium ion conductor according to claim 6,
The method for producing a lithium ion conductor, wherein the phosphate is Li 3 PO 4 .
金属リチウムを含む負極と、
空気が供給される空気極と、
水系電解液を含む電解質と、
前記負極と前記電解質との間に介在された負極保護層と
を含み、
前記負極保護層は、
Li1+x+yAl(TiGe1−z2−xSi3−y12(式中、0≦x≦0.8、0≦y≦0.6、0<z≦1である。)で表されるLATPからなるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含み、
前記電解質に対向する前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの表面に、LATPの結晶相、及び、LiPOの結晶相を含むアルカリ処理層を有する、リチウムイオン伝導体で構成された、
リチウム空気電池。
A negative electrode containing metallic lithium,
An air electrode supplied with air;
An electrolyte comprising a water-based electrolyte solution;
An anode protective layer interposed between the anode and the electrolyte;
The negative electrode protective layer is
Li 1 + x + y Al x (Ti z Ge 1-z ) 2-x Si y P 3-y O 12 (wherein 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 <z ≦ 1) Containing lithium ion conductive glass-ceramics consisting of LATP,
A lithium ion conductor comprising an alkali-treated layer containing a crystal phase of LATP and a crystal phase of Li 3 PO 4 on the surface of the lithium ion conductive glass ceramic facing the electrolyte.
Lithium air battery.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113403648A (en) * 2020-03-17 2021-09-17 本田技研工业株式会社 Electrolysis device

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