JP2021111574A - Metal air battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負極と、空気極と、前記負極及び前記空気極の間に介在する電解質と、を有する金属空気電池に関する。 The present invention relates to a metal-air battery having a negative electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed between the negative electrode and the air electrode.
一般的な金属空気電池は、負極に金属、電解質に液体電解質、正極に空気極を用い、空気中の酸素を正極活物質として利用する。このような金属空気電池は、空気中に無尽蔵に存在する酸素を正極活物質として利用するため、正極活物質を電池に内蔵する必要がない。さらに、電池容器内の大部分の空間に負極活物質を充填することが可能となるため、原理的には化学電池の中で最も大きなエネルギー密度を有する。そのため、電池の小型軽量化や高容量化が期待できる。 A general metal-air battery uses a metal as a negative electrode, a liquid electrolyte as an electrolyte, and an air electrode as a positive electrode, and uses oxygen in the air as a positive electrode active material. Since such a metal-air battery utilizes oxygen that is inexhaustibly present in the air as the positive electrode active material, it is not necessary to incorporate the positive electrode active material in the battery. Further, since most of the space in the battery container can be filled with the negative electrode active material, in principle, it has the highest energy density in the chemical battery. Therefore, it can be expected that the size and weight of the battery will be reduced and the capacity will be increased.
金属空気電池では、放電時には、空気極で酸素の還元を、負極で電子放出を伴う金属の溶解を行っている。例えば、負極にアルミニウムを用いたアルミニウム空気電池の場合のAlと空気との放電時の反応式を以下に示す。 In a metal-air battery, at the time of discharge, oxygen is reduced at the air electrode and metal is dissolved at the negative electrode with electron emission. For example, the reaction formula at the time of discharging Al and air in the case of an aluminum-air battery using aluminum for the negative electrode is shown below.
[放電時]
負極 : Al+3OH−→Al(OH)3+3e−
空気極 : 3/4O2+3/2H2O+3e−→3OH−
近年、発火の危険性が少なく、安全性に優れた空気電池として、電解液としてイオン液体を用いた空気電池も提案されている。例えば、特許文献1には、イオン液体を電解液として用いた空気電池が開示されており、実施例1には、1−エチル3−メチルイミダゾリウムクロライド(EMIC)と無水AlCl3とを用いたイオン液体での電解液が開示されている。
[At the time of discharge]
Negative electrode: Al + 3OH − → Al (OH) 3 + 3e −
Cathode: 3 / 4O 2 + 3 / 2H 2 O + 3e - → 3OH -
In recent years, as an air battery having a low risk of ignition and excellent safety, an air battery using an ionic liquid as an electrolytic solution has also been proposed. For example,
しかしながら、例えば、特許文献1の実施例1のようなイオン液体を電解液として用いると、比較的広い電位窓を有する一方で、金属塩としてAlCl3等のような腐食性のある成分が含まれているため、一般的な正極集電体(例えば、ステンレスメッシュやニッケルメッシュ等)を用いても、正極集電体が錆びてしまい、電池寿命や電池特性に悪影響を与えてしまうことが判明した。さらに、本発明者らの検討によると、イオン液体の代わりに深共晶溶媒を用いた場合であっても、ある程度腐食を抑制できるものの、イオン液体の時と同様にAlCl3等の腐食性のある成分が含まれているため、繰り返し使用することにより上記と同様の問題が生じることが判明した。
However, for example, when an ionic liquid as in Example 1 of
そこで、本発明の目的は、電解液中に腐食性のある成分が含まれていたとしても、正極集電体の腐食を抑制でき、電池を長持ちさせることにある。さらに、本発明の目的は、酸化還元反応を増加させて、電池容量等の電気特性を向上させることにある。 Therefore, an object of the present invention is to suppress corrosion of the positive electrode current collector and prolong the life of the battery even if the electrolytic solution contains a corrosive component. Furthermore, an object of the present invention is to increase the redox reaction and improve electrical characteristics such as battery capacity.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究したところ、金属空気電池において、従来の一般的な正極集電体の代わりに耐腐食性材料を含有する正極集電体とし、さらに貴金属系ナノコロイド等を担持させた空気極触媒材料を用いることで、電解液中に腐食性のある成分が含まれていたとしても、正極集電体の腐食を抑制でき、電池を長持ちさせることができ、さらに、酸化還元反応を増加させて、電池容量等の電気特性を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above object, the present inventors have made a positive electrode current collector containing a corrosion-resistant material instead of a conventional general positive electrode current collector in a metal-air battery, and further, a noble metal system. By using an air electrode catalyst material carrying nanocolloids or the like, even if the electrolytic solution contains corrosive components, the corrosion of the positive electrode current collector can be suppressed and the battery can last a long time. Furthermore, they have found that the redox reaction can be increased to improve the electrical characteristics such as the battery capacity, and have completed the present invention.
即ち、本発明の金属空気電池は、負極と、空気極と、前記負極及び前記空気極の間に介在する電解質と、を有する金属空気電池であって、
前記空気極は、空気極触媒材料を含有する触媒層と、正極集電体とを有し、
前記正極集電体は、チタン金属、モリブデン金属、ニッケル系合金、タングステン金属、ジルコニウム金属、タンタル金属及びカーボン系からなる群から選択される少なくとも1種を含有し、
前記空気極触媒材料は、非酸化物セラミック、炭素系材料、及び複合酸化物からなる群から選択される少なくとも1種を含有し、
さらに、前記空気極触媒材料は、貴金属系ナノコロイド、炭素量子ドット、グラフェン量子ドット、金属有機構造体(MOF)、金属有機構造体(MOF)由来の炭素系材料、及び金属有機構造体(MOF)由来の酸化物系材料からなる群から選択される少なくとも1種により担持されている金属空気電池であることを特徴とする。金属空気電池において、従来の一般的な正極集電体の代わりに耐腐食性材料を含有する正極集電体とし、さらに貴金属系ナノコロイド等を担持させた空気極触媒材料を用いることで、電解液中に腐食性のある成分が含まれていたとしても、正極集電体の腐食を抑制でき、電池を長持ちさせることができ、さらに、酸化還元反応を増加させて、電池容量等の電気特性を向上できる。
That is, the metal-air battery of the present invention is a metal-air battery having a negative electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed between the negative electrode and the air electrode.
The air electrode has a catalyst layer containing an air electrode catalyst material and a positive electrode current collector.
The positive electrode current collector contains at least one selected from the group consisting of titanium metal, molybdenum metal, nickel alloy, tungsten metal, zirconium metal, tantalum metal and carbon metal.
The air electrode catalyst material contains at least one selected from the group consisting of non-oxide ceramics, carbon-based materials, and composite oxides.
Further, the air electrode catalyst material includes a noble metal nanocolloid, a carbon quantum dot, a graphene quantum dot, a metal organic structure (MOF), a carbon material derived from the metal organic structure (MOF), and a metal organic structure (MOF). ) Is a metal-air battery supported by at least one selected from the group consisting of oxide-based materials derived from). In a metal-air battery, instead of a conventional general positive electrode current collector, a positive electrode current collector containing a corrosion-resistant material is used, and an air electrode catalyst material carrying a noble metal-based nanocolloid or the like is used for electrolysis. Even if the liquid contains corrosive components, the corrosion of the positive electrode current collector can be suppressed, the battery can last a long time, and the redox reaction can be increased to increase the electrical characteristics such as the battery capacity. Can be improved.
本発明の金属空気電池において、前記正極集電体は、多孔質構造であることが好ましい。このような構造であると、集電効率に優れ、本発明の作用効果を実現する上で有利となる。 In the metal-air battery of the present invention, the positive electrode current collector preferably has a porous structure. Such a structure is excellent in current collection efficiency and is advantageous in realizing the action and effect of the present invention.
本発明の金属空気電池において、前記非酸化物セラミックは、金属の炭化物、窒化物、ホウ化物、酸窒化物、炭窒化物、又はケイ化物を含有することが好ましい。これにより、副生成物の生成が抑制されるため、本発明の作用効果を実現する上で有利となる。 In the metal-air battery of the present invention, the non-oxide ceramic preferably contains metal carbides, nitrides, borides, oxynitrides, carbonitrides, or silicides. As a result, the formation of by-products is suppressed, which is advantageous in realizing the effects of the present invention.
本発明の金属空気電池において、前記炭素系材料は、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイト、活性炭、又はカーボンアロイを含有することが好ましい。これにより、酸素還元能力と導電性に優れ、本発明の作用効果を実現する上で有利となる。 In the metal-air battery of the present invention, the carbon-based material preferably contains carbon nanotubes, graphene, graphite, activated carbon, or a carbon alloy. This is excellent in oxygen reduction ability and conductivity, and is advantageous in realizing the action and effect of the present invention.
本発明の金属空気電池において、前記複合酸化物は、ペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましい。これにより、繰り返しの充放電に強く、2次電池化が最適となり、本発明の作用効果を実現する上で有利となる。 In the metal-air battery of the present invention, the composite oxide is preferably a perovskite-type composite oxide. As a result, it is resistant to repeated charging and discharging, and the use of a secondary battery is optimized, which is advantageous in realizing the effects of the present invention.
本発明の金属空気電池において、前記電解質は、イオン液体、又は深共晶溶媒を含有することが好ましい。イオン液体を用いることで、広い電位窓を有し、様々な系の金属空気電池に使用しやすくなる。一方、深共晶溶媒を用いることで、より環境親和性の高い電解質とすることができ、安全性をより向上させることができる。 In the metal-air battery of the present invention, the electrolyte preferably contains an ionic liquid or a deep eutectic solvent. By using an ionic liquid, it has a wide potential window and is easy to use for various types of metal-air batteries. On the other hand, by using a deep eutectic solvent, an electrolyte having a higher environmental affinity can be obtained, and safety can be further improved.
本発明の金属空気電池において、前記電解質は、固体状であることが好ましい。これにより、上記効果に加えて、さらに、電解質の揮発を防止することや、電解質の液漏れを防止することができる。 In the metal-air battery of the present invention, the electrolyte is preferably in a solid state. Thereby, in addition to the above effects, it is possible to further prevent the volatilization of the electrolyte and prevent the liquid leakage of the electrolyte.
本発明の金属空気電池において、前記負極は、アルミニウムを含有することが好ましい。これにより、アルミニウムは資源的にも豊富で安価であり、環境面でも優れているため、汎用性のあるアルミニウム空気電池を作製することができる。 In the metal-air battery of the present invention, the negative electrode preferably contains aluminum. As a result, aluminum is abundant in resources, inexpensive, and environmentally friendly, so that a versatile aluminum-air battery can be manufactured.
本発明の金属空気電池は、1次電池用又は2次電池用の金属空気電池であることが好ましい。これにより、1次電池用又は2次電池用の金属空気電池として、高体積エネルギー密度な電池を提供可能である。 The metal-air battery of the present invention is preferably a metal-air battery for a primary battery or a secondary battery. Thereby, it is possible to provide a battery having a high volume energy density as a metal-air battery for a primary battery or a secondary battery.
以下、本発明の金属空気電池の実施形態について説明するが、本発明は、以下の実施態様に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。なお、図の一部又は全部において、説明に不要な部分は省略し、また説明を容易にするために拡大または縮小等して図示した部分がある。上下等の位置関係を示す用語は、単に説明を容易にするために用いられており、本発明の構成を限定する意図は一切ない。 Hereinafter, embodiments of the metal-air battery of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following embodiments, and the present invention shall be carried out with appropriate modifications within the scope of the object of the present invention. Can be done. In addition, in a part or all of the figure, a part unnecessary for explanation is omitted, and there is a part shown by enlargement or reduction for facilitation of explanation. The terms indicating the positional relationship such as top and bottom are used merely for the sake of facilitation of explanation, and there is no intention of limiting the configuration of the present invention.
<金属空気電池>
図1は、本発明の金属空気電池において、好ましい実施形態の一例である本実施形態を示す図である。本発明の金属空気電池は、図1に示すように、負極1と、空気極3と、前記負極1及び前記空気極3の間に介在する電解質2と、を有する。本発明の金属空気電池は、負極1と空気極3とが電解質2を挟み込む構造を基本とし、それ以外の構成については、従来の周知の構成を特に限定されることなくとり得ることができる。
<Metal-air battery>
FIG. 1 is a diagram showing the present embodiment which is an example of a preferable embodiment in the metal-air battery of the present invention. As shown in FIG. 1, the metal-air battery of the present invention has a
例えば負極1は、アルミニウム板等の金属板で構成することができる。電解質2は、セパレータとして機能する材料に電解液を保持させたり、電解液をセパレータで仕切る構造とすることができる。また、空気極3は、耐腐食性を有する金属メッシュなどの金属多孔板に、貴金属系ナノコロイド等を担持させた非空気極触媒材料を用いた構造とすることができる。更に、負極1と空気極3の間には、固体電解質等のイオン伝導体等を介在させてもよい。以下、本発明の金属空気電池の各構成について、説明する。
For example, the
<負極>
本発明における負極は、酸化反応により金属イオンと電子を生成して負極活物質として働く金属のうち、理論エネルギー密度を増加させる観点から、アルミニウムを含有することが好ましい。アルミニウムを含有するものとしては、アルミニウム純金属、アルミニウム合金等が挙げられる。例えば、アルミニウム純金属としては、アルミニウムを主体として、99%以上がAl成分であるいわゆる純アルミニウム等が挙げられる。例えば、アルミニウム合金としては、アルミニウムを主体として、アルミニウムにLi、Mg、Sn、Zn、In、Mn、Ga、Bi、Fe等をそれぞれ単独でまたは2種以上合金化させることができる。なかでも、Al−Li、Al−Mg、Al−Sn、Al−Zn等のアルミニウム合金は、高い電池電圧を与えるので、特に好ましい。本発明の金属空気電池は、上述の通り、負極にアルミニウムを主体として含有するアルミニウム空気電池であることが好ましい。
<Negative electrode>
The negative electrode in the present invention preferably contains aluminum from the viewpoint of increasing the theoretical energy density among the metals that generate metal ions and electrons by the oxidation reaction and act as the negative electrode active material. Examples of those containing aluminum include pure aluminum metals and aluminum alloys. For example, examples of pure aluminum metal include so-called pure aluminum, which is mainly composed of aluminum and has an Al component of 99% or more. For example, as the aluminum alloy, aluminum is mainly used, and Li, Mg, Sn, Zn, In, Mn, Ga, Bi, Fe and the like can be alloyed with aluminum alone or in combination of two or more. Among them, aluminum alloys such as Al-Li, Al-Mg, Al-Sn, and Al-Zn are particularly preferable because they give a high battery voltage. As described above, the metal-air battery of the present invention is preferably an aluminum-air battery containing mainly aluminum in the negative electrode.
前記負極に用いられる材料(例えば、アルミニウム等)は、金属イオンを放出・取り込み可能な負極活物質として作用することができる。負極は、前記材料のみを含有するものであってもよく、前記材料の他に導電性材料および結着剤の少なくとも一方を含有するものであってもよい。例えば、前記材料が箔状、板状、メッシュ(グリッド)状等である場合は、前記材料のみを含有する負極とすることができる。一方、前記材料が粉末状等である場合は、前記材料及び結着剤を含有する負極とすることができる。なお、導電性材料および結着剤については、「空気極」の項に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。 The material used for the negative electrode (for example, aluminum) can act as a negative electrode active material capable of releasing and taking in metal ions. The negative electrode may contain only the material, or may contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the material. For example, when the material is foil-shaped, plate-shaped, mesh (grid) -shaped, or the like, it can be a negative electrode containing only the material. On the other hand, when the material is in the form of powder or the like, it can be a negative electrode containing the material and a binder. Since the conductive material and the binder are the same as those described in the section of "air electrode", the description thereof is omitted here.
負極は、必要に応じて、負極の集電を行う負極集電体を備えていても良い。負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、銅、ステンレス、ニッケル、カーボン等を挙げることができる。負極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。本発明においては、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。なお、負極は負極集電体を兼ねることができるが、仮に集電体や電池ケースを考えるならば、このあたりも電解液と触れる可能性があるため、負極集電体の材料として耐腐食性材料(例えば、正極集電体に記載の耐腐食性材料等)を用いることもできる。 The negative electrode may include a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode, if necessary. The material of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, nickel, and carbon. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, a mesh (grid) shape, and the like. In the present invention, the battery case may also have the function of the negative electrode current collector. The negative electrode can also serve as a negative electrode current collector, but if a current collector or a battery case is considered, this area may also come into contact with the electrolytic solution, so that it has corrosion resistance as a material for the negative electrode current collector. A material (for example, the corrosion-resistant material described in the positive electrode current collector) can also be used.
負極集電体の厚さは、金属空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば10μm〜1000μmの範囲内、特に20μm〜400μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the negative electrode current collector varies depending on the application of the metal-air battery and the like, but is preferably in the range of, for example, 10 μm to 1000 μm, particularly preferably in the range of 20 μm to 400 μm.
負極の製造方法は、特に限定されず、周知の方法を用いることができる。例えば、市販の板状等の材料(例えば、前述のような材料)をそのまま用いることができる。市販の板状等の材料としては、例えば、アルミニウムを用いる場合は、A1100,A1050、A1085等のように、99%以上がAl成分で、いわゆる純アルミニウムといわれる材料を、所定の形状(例えば、円状、テープ状、板状等)に切り出し、そのまま用いることができる。また、例えば、箔状の金属材料と負極集電体とを重ね合わせて加圧することができる。また、別の方法として、負極活物質と結着剤等とを含有する負極材混合物を調製し、該混合物を負極集電体上に塗布、乾燥する方法等を挙げることができる。 The method for producing the negative electrode is not particularly limited, and a well-known method can be used. For example, a commercially available plate-shaped material (for example, the material as described above) can be used as it is. As a commercially available plate-shaped material, for example, when aluminum is used, 99% or more of the material is Al component, such as A1100, A1050, A1085, etc., and a material called pure aluminum is formed into a predetermined shape (for example,). It can be cut into a circle, tape, plate, etc. and used as it is. Further, for example, the foil-shaped metal material and the negative electrode current collector can be superposed and pressurized. Further, as another method, a method of preparing a negative electrode material mixture containing a negative electrode active material and a binder and the like, applying the mixture onto a negative electrode current collector, and drying the mixture can be mentioned.
負極の厚さは、金属空気電池の用途等により異なるものであるが、材料が箔状、板状等である場合、例えば、2μm〜10mmの範囲内、特に5μm〜2mmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the negative electrode varies depending on the application of the metal-air battery, etc., but when the material is foil-shaped, plate-shaped, etc., for example, it should be in the range of 2 μm to 10 mm, particularly in the range of 5 μm to 2 mm. Is preferable.
<空気極>
本発明における空気極は、空気極触媒材料を含有する触媒層と、正極集電体とを有する。触媒層は、空気中から酸素を吸収し、これを酸素と反応させる役割等を有することができる。空気極触媒材料としては、負極で生成した電子を受け取り、酸素を還元する物質であれば、種々の触媒を何れも用いることができる。例えば、空気極触媒材料は、白金など貴金属、及び他の貴金属やニッケルやコバルトなどの遷移金属との合金を担持したような炭素系材料、ニッケルやコバルトなどの遷移金属の酸化物、Mn2O3、Mn3O4等のマンガン低級酸化物、非酸化物セラミック、炭素系材料、及び複合酸化物からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。酸素還元能と導電性の観点から、空気極触媒材料は、非酸化物セラミック、炭素系材料、及び複合酸化物からなる群から選択される少なくとも1種を含有することが好ましい。酸化還元能力を増加させる観点から、前記空気極触媒材料は、貴金属系ナノコロイド、炭素量子ドット、グラフェン量子ドット、金属有機構造体(MOF)、金属有機構造体(MOF)由来の炭素系材料、及び金属有機構造体(MOF)由来の酸化物系材料からなる群から選択される少なくとも1種により担持されていることが好ましい。
<Air pole>
The air electrode in the present invention has a catalyst layer containing an air electrode catalyst material and a positive electrode current collector. The catalyst layer can have a role of absorbing oxygen from the air and reacting it with oxygen. As the air electrode catalyst material, any of various catalysts can be used as long as it is a substance that receives electrons generated at the negative electrode and reduces oxygen. For example, the air electrode catalyst material is a carbon-based material such as carrying an alloy with a noble metal such as platinum, another noble metal or a transition metal such as nickel or cobalt, an oxide of a transition metal such as nickel or cobalt, Mn 2 O. 3, Mn 3 O manganese lower oxides such as 4, non-oxide ceramics, is preferably at least one selected carbon-based material, and from the group consisting of composite oxides. From the viewpoint of oxygen reducing ability and conductivity, the air electrode catalyst material preferably contains at least one selected from the group consisting of non-oxide ceramics, carbon-based materials, and composite oxides. From the viewpoint of increasing the redox capacity, the air electrode catalyst material is a noble metal nanocolloid, a carbon quantum dot, a graphene quantum dot, a metal organic structure (MOF), a carbon material derived from the metal organic structure (MOF), and the like. It is preferably supported by at least one selected from the group consisting of oxide-based materials derived from metal organic structures (MOF).
本発明における複合酸化物は、充放電特性の観点から、ペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましい。例えば、ペロブスカイト型複合酸化物としては、繰り返しの充放電に強く、2次電池化が最適との観点から、La(1−x)AxMnO3(0.05<x<0.95;A=Ca,Sr,Ba)で表されるランタンマンガナイト等のペロブスカイト型複合酸化物が好ましく、LaSrCoO3系複合酸化物(LSC)、LaSrMnO3系複合酸化物(LSM)、LaSrCoFeO3系複合酸化物(LSCF)、BaSrCoFeO3系複合酸化物(BSCF)、BaLaCoO3系複合酸化物(BLC)、LaSrFeO3系複合酸化物(LSF)、PrSrCoFeO3系複合酸化物(PSCF)、又はLaSrMnO3系複合酸化物(LSM)等が挙げられる。 The composite oxide in the present invention is preferably a perovskite-type composite oxide from the viewpoint of charge / discharge characteristics. For example, as a perovskite-type composite oxide, La (1-x) A x MnO 3 (0.05 <x <0.95; A) from the viewpoint of being resistant to repeated charging and discharging and being optimally used as a secondary battery. = Ca, Sr, Ba) and other perovskite-type composite oxides are preferable, and LaSrCoO 3- based composite oxides (LSC), LaSrMnO 3- based composite oxides (LSM), and LaSrCoFeO 3- based composite oxides are preferable. (LSCF), BaSrCoFeO 3- based composite oxide (BSCF), BaLaCoO 3- based composite oxide (BLC), LaSrFeO 3- based composite oxide (LSF), PrSrCoFeO 3- based composite oxide (PSCF), or LaSrMnO 3- based composite oxide Things (LSM) and the like can be mentioned.
前記ペロブスカイト型化合物は、周知の方法で製造することができ、天然物及び合成物ともに、市販品として入手することができる。市販品は、そのまま用いることもできるし、必要に応じて、乾式粉砕、湿式粉砕等の周知の方法で粉砕を行って、粒度を調整した上で用いることもできる。 The perovskite-type compound can be produced by a well-known method, and both natural products and synthetic products can be obtained as commercial products. The commercially available product can be used as it is, or if necessary, it can be pulverized by a well-known method such as dry pulverization or wet pulverization to adjust the particle size before use.
本発明において、「非酸化物セラミック」とは、金属の酸化物のみで構成される酸化物セラミック以外のセラミックをいう。非酸化物セラミックとしては、金属の炭化物、窒化物、ホウ化物、酸窒化物、炭窒化物、又はケイ化物等が挙げられる。また、これらの非酸化物セラミックは単独で、又は2種以上を併用することができる。具体的には、特に、空気極での副生成物の生成を抑制する観点から、金属の炭化物又は窒化物が好ましく、窒化チタン、及び炭化チタンからなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。 In the present invention, the "non-oxide ceramic" refers to a ceramic other than the oxide ceramic composed of only metal oxides. Examples of the non-oxide ceramic include metal carbides, nitrides, borides, oxynitrides, carbonitrides, silicides and the like. In addition, these non-oxide ceramics can be used alone or in combination of two or more. Specifically, from the viewpoint of suppressing the formation of by-products at the air electrode, metal carbides or nitrides are preferable, and at least one selected from the group consisting of titanium nitride and titanium carbide is preferable.
本発明における炭素系材料としては、特に限定されず、炭素原子を主体とする物質を用いることができる。たとえば、炭素系材料として、カーボンブラック等のカーボン微粒子、6角網目のグラフェンシートが1枚で中空円筒状の構造である単層カーボンナノチューブや、多数のグラフェンシートから構成されている多層カーボンナノチューブ等のカーボンナノチューブ、カーボンファイバ等のカーボン繊維、グラファイト等の層状カーボン、グラフェン等のシート状カーボン、活性炭、カーボンアロイ等を挙げることができる。上記炭素系材料は、導電性のものも非導電性のものであっても構わない。本発明における炭素系材料は、酸素還元能と導電性の観点から、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイト、活性炭、又はカーボンアロイを含有することが好ましい。また、これらの炭素材料は単独で、又は2種以上を併用することができる。 The carbon-based material in the present invention is not particularly limited, and a substance mainly composed of carbon atoms can be used. For example, as carbon-based materials, carbon fine particles such as carbon black, single-walled carbon nanotubes having a hollow cylindrical structure with one hexagonal mesh graphene sheet, multi-walled carbon nanotubes composed of a large number of graphene sheets, etc. Examples thereof include carbon nanotubes, carbon fibers such as carbon fibers, layered carbons such as graphite, sheet-like carbons such as graphene, activated carbon, and carbon alloys. The carbon-based material may be conductive or non-conductive. The carbon-based material in the present invention preferably contains carbon nanotubes, graphene, graphite, activated carbon, or carbon alloy from the viewpoint of oxygen reducing ability and conductivity. In addition, these carbon materials can be used alone or in combination of two or more.
ここで、カーボンアロイとは、ヘテロ原子(例えば、N、S、P、B、Fe、Co、Cu、Mn、Ni、Ti,Cr,V等)がドープされたカーボン系材料である。なお、カーボンアロイは、「カーボン原子の集合体を主体とした多成分系からなり、それらの構成単位間に物理的、化学的な相互作用を有する材料。ただし、異なる混成軌道を有する炭素は、異なる成分系と考える」と、炭素材料学会で定義付けされている。例えば、カーボンアロイとして、Ni,Co,Fe,Mn,Ti,Cr,Vなどの金属と窒素をドープしたカーボンアロイや、N,B,P,Sでドープしたカーボンアロイが挙げられる。 Here, the carbon alloy is a carbon-based material doped with a heteroatom (for example, N, S, P, B, Fe, Co, Cu, Mn, Ni, Ti, Cr, V, etc.). In addition, carbon alloy is "a material consisting of a multi-component system mainly composed of aggregates of carbon atoms and having physical and chemical interactions between their constituent units. However, carbon having different mixed orbitals is a material. Think of it as a different component system, "as defined by the Society of Carbon Materials. For example, examples of the carbon alloy include a carbon alloy doped with a metal such as Ni, Co, Fe, Mn, Ti, Cr, and V and nitrogen, and a carbon alloy doped with N, B, P, and S.
カーボンアロイは、周知の方法で製造することができる。具体的なカーボンアロイとして、例えば、N(窒素)ドープカーボン、B(ホウ素)ドープカーボン、BN(ホウ素、窒素)ドープカーボン、SN(硫黄、窒素)ドープカーボン、PBN(リン、ホウ素、窒素)ドープカーボン、NSP(窒素、硫黄、リン)ドープカーボン等が挙げられる。 The carbon alloy can be produced by a well-known method. Specific carbon alloys include, for example, N (nitrosulfur) doped carbon, B (boron) doped carbon, BN (boron, nitrogen) doped carbon, SN (sulfur, nitrogen) doped carbon, and PBN (phosphorus, boron, nitrogen) doped. Examples thereof include carbon and NSP (nitrosulfur, sulfur, phosphorus) doped carbon.
前記空気極触媒材料の含有量は、特に限定されないが、例えば、触媒層全体の質量を100質量%とした場合に、電池特性を向上させる観点から、30〜95質量%であることが好ましく、特に、40〜80質量%であることが好ましい。 The content of the air electrode catalyst material is not particularly limited, but is preferably 30 to 95% by mass, for example, from the viewpoint of improving the battery characteristics when the total mass of the catalyst layer is 100% by mass. In particular, it is preferably 40 to 80% by mass.
さらに、前記空気極触媒材料は、貴金属系ナノコロイド、炭素量子ドット、グラフェン量子ドット、金属有機構造体(MOF)、金属有機構造体(MOF)由来の炭素系材料、及び金属有機構造体(MOF)由来の酸化物系材料からなる群から選択される少なくとも1種により担持されていることが好ましい。 Further, the air electrode catalyst material includes a noble metal nanocolloid, a carbon quantum dot, a graphene quantum dot, a metal organic structure (MOF), a carbon material derived from the metal organic structure (MOF), and a metal organic structure (MOF). ) Is preferably supported by at least one selected from the group consisting of oxide-based materials derived from).
貴金属系ナノコロイドとしては、例えば、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)等の貴金属のナノコロイドが挙げられる。電気特性の観点から、貴金属系ナノコロイドとしては、Ptナノコロイドが用いられることが好ましい。例えば、化学反応を促進させるために、グラファイト、カーボンナノチューブなどの炭素系材料に白金などの貴金属を担持させることができる。貴金属系ナノコロイドは、その用途や基体の種類などに応じて、真空蒸着やスパッタリングなどの物理的気相蒸着法(PVD法)、あるいは電気めっき法、無電解めっき法、金属コロイド担持法などの湿式法の中から適宜選ばれた方法を用いて作製されている。これらの中で、金属コロイド担持法は、金属ナノコロイド微粒子を含む金属ナノコロイド液を用いて、浸漬、噴霧、蒸発乾固などの塗布方法によって、基体に金属ナノコロイド粒子を担持させる方法であり、操作が簡単であって、高価な塗布装置を必要としないなどの利点を有している。また、例えば、Ptナノコロイドを添加して超音波分散させることにより、炭素系材料等に白金を担持させることもできる。このような貴金属の担持量は空気極触媒材料100質量%中に、通常は0.01〜5質量%、好ましくは0.05〜1質量%である。なお担持される貴金属の平均一次粒子径は、通常は4〜100nmの範囲内にある。なお、ここでナノコロイドとは、平均一次粒子径が100nm未満程度のコロイド粒子をいう。 Examples of the noble metal nanocolloid include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and osmium (Os). Examples include nanocolloids of precious metals. From the viewpoint of electrical characteristics, Pt nanocolloids are preferably used as the noble metal nanocolloids. For example, a noble metal such as platinum can be supported on a carbon-based material such as graphite or carbon nanotubes in order to promote a chemical reaction. Depending on the application and the type of substrate, noble metal-based nanocolloids can be used in physical vapor deposition (PVD methods) such as vacuum vapor deposition and sputtering, electroplating methods, electroless plating methods, and metal colloid supporting methods. It is produced by using a method appropriately selected from the wet methods. Among these, the metal colloid supporting method is a method of supporting metal nanocolloid particles on a substrate by a coating method such as immersion, spraying, or evaporation to dryness using a metal nanocolloid liquid containing metal nanocolloid fine particles. It has advantages such as easy operation and no need for expensive coating equipment. Further, for example, platinum can be supported on a carbon-based material or the like by adding Pt nanocolloids and ultrasonically dispersing them. The amount of such a noble metal supported is usually 0.01 to 5% by mass, preferably 0.05 to 1% by mass in 100% by mass of the air electrode catalyst material. The average primary particle size of the supported noble metal is usually in the range of 4 to 100 nm. Here, the nanocolloid refers to colloidal particles having an average primary particle diameter of less than 100 nm.
量子ドットとは、通常、約0.5〜約10nm、特に約2〜10nmの直径を有する超微細ナノ粒子であって、三次元的に電子を閉じ込める構造を有するものである。本発明における炭素量子ドットは、例えば、炭素ターゲットをレーザーアブレーション(laser ablation)した後、化学処理する製造方法、ろうそくの煤から製造する方法、グラファイト酸化物を化学処理する製造方法、フラーレンの転換反応から製造する方法、水熱合成やソルボサーマル法、炭素繊維及び活性炭等のより安価な炭素原料を化学処理する製造方法等の公知の製造方法により製造することができる。たとえば、量子ドットとして、炭素量子ドット、グラフェン量子ドット等が挙げられる。 Quantum dots are ultrafine nanoparticles usually having a diameter of about 0.5 to about 10 nm, particularly about 2 to 10 nm, and have a structure that three-dimensionally confine electrons. The carbon quantum dots in the present invention are, for example, a production method in which a carbon target is laser ablated and then chemically treated, a method for producing from candle soot, a production method in which graphite oxide is chemically treated, and a fullerene conversion reaction. It can be produced by a known production method such as a method of producing from, a hydrothermal synthesis, a sorbothermal method, a production method of chemically treating a cheaper carbon raw material such as carbon fiber and activated carbon. For example, examples of quantum dots include carbon quantum dots and graphene quantum dots.
炭素量子ドットを炭素系材料等に担持させる方法や炭素量子ドット担持量は、空気極触媒材料100質量%中に、0.1〜100質量%、比較例、実施例に記載されているのと同じように触媒材料として、この炭素量子ドットを混ぜたものを、PVDFやN−メチルピロリドンやPTFEの水系エマルジョンや、CMC、SBRと合わせて、空気極を作成することができる。 The method for supporting carbon quantum dots on a carbon-based material or the like and the amount of carbon quantum dots supported are 0.1 to 100% by mass in 100% by mass of the air electrode catalyst material, as described in Comparative Examples and Examples. Similarly, as a catalyst material, a mixture of these carbon quantum dots can be combined with an aqueous emulsion of PVDF, N-methylpyrrolidone, or PTFE, CMC, or SBR to create an air electrode.
グラフェン量子ドットは、トップダウン法とボトムアップ法の2種類の製造方法に大別され、トップダウン法は、原料の黒鉛や炭素繊維に酸化剤を作用させて、酸化グラフェンとして微粒子(微ディスク)を切り出した後、切り出した酸化グラフェン微粒子(微ディスク)をそのまま、または、還元してグラフェン量子ドットに仕上げる製造方法で、一方、ボトムアップ法は、低分子量の糖類やアミノ酸類を原料に縮合を繰り返しながらグラフェン量子ドットを製造する方法であるが、公知の製造方法により製造することができる。 Graphene quantum dots are roughly divided into two types of manufacturing methods, a top-down method and a bottom-up method. In the top-down method, an oxidizing agent is allowed to act on the raw materials graphite and carbon fibers to form fine particles (fine discs) as graphene oxide. The graphene oxide fine particles (fine discs) that have been cut out are used as they are or reduced to form graphene quantum dots. On the other hand, the bottom-up method uses low-molecular-weight saccharides and amino acids as raw materials for condensation. Although it is a method of producing graphene quantum dots repeatedly, it can be produced by a known production method.
グラフェン量子ドットを炭素系材料等に担持させる方法やグラフェン量子ドット担持量は、空気極触媒材料100質量%中に、0.1〜100質量%、比較例、実施例に記載されているのと同じように触媒材料として、このグラフェン量子ドットを混ぜたものを、PVDFやN−メチルピロリドンやPTFEの水系エマルジョンや、CMC、SBRと合わせて、空気極を作成することができる。 The method for supporting graphene quantum dots on a carbon-based material or the like and the amount of graphene quantum dots supported are 0.1 to 100% by mass in 100% by mass of the air electrode catalyst material, as described in Comparative Examples and Examples. Similarly, as a catalyst material, a mixture of graphene quantum dots can be combined with an aqueous emulsion of PVDF, N-methylpyrrolidone, or PTFE, CMC, or SBR to create an air electrode.
金属有機構造体、及び金属有機構造体を窒素焼結して作成したMOF由来の炭素系触媒材料の混合量は空気極触媒材料100質量%中に、0.1〜100質量%、比較例、実施例に記載されているのと同じように触媒材料として、この金属有機構造体、及び金属有機構造体を窒素焼結して作成したMOF由来の炭素系触媒材料を混ぜたものを、PVDFやN−メチルピロリドンやPTFEの水系エマルジョンや、CMC、SBRと合わせて、空気極を作成することができる。 The mixing amount of the metal-organic framework and the carbon-based catalyst material derived from MOF prepared by nitrogen-sintering the metal-organic framework was 0.1 to 100% by mass in 100% by mass of the air electrode catalyst material, Comparative Example, As the catalyst material as described in the examples, a mixture of this metal-organic framework and a carbon-based catalyst material derived from MOF prepared by nitrogen-sintering the metal-organic framework is used as PVDF or An air electrode can be created by combining with an aqueous emulsion of N-methylpyrrolidone or PTFE, CMC, or SBR.
金属有機構造体(MOF:Metal Organic Frameworks)は、金属原子と有機配位子とが相互作用することで、高表面積を有する多孔質の配位ネットワーク構造を有する。このような金属有機構造体を空気極触媒材料の表面に担持させることで、電子絶縁性およびイオン伝導性を付与することができ、これにより空気極触媒材料上での分解反応を抑制することができると推測される。 Metal-organic frameworks (MOFs) have a porous coordination network structure with a high surface area due to the interaction of metal atoms and organic ligands. By supporting such a metal-organic framework on the surface of the air electrode catalyst material, electron insulation and ionic conductivity can be imparted, thereby suppressing the decomposition reaction on the air electrode catalyst material. It is presumed that it can be done.
MOFとしては、特に限定されないものの、金属原子(金属イオンであってもよい。)と、2以上の配位性官能基を有する有機配位子とが連続的に結合している構造体である。MOFは、典型的には、内部に複数の空孔を有する多孔質体である。MOFは、空孔内に何らかの機能性分子を包接していてもよい。 The MOF is not particularly limited, but is a structure in which a metal atom (which may be a metal ion) and an organic ligand having two or more coordinating functional groups are continuously bonded. .. The MOF is typically a porous body having a plurality of pores inside. The MOF may include some functional molecule in the pores.
MOFを構成する金属原子としては、特に限定されないものの、鉄、亜鉛、コバルト、ニオブ、ジルコニウム、カドミウム、銅、ニッケル、クロム、バナジウム、チタン、モリブデン、ジルコニウム及びアルミニウム等が挙げられる。MOFを構成する金属原子は1種でもよく2種以上でもよい。MOFの金属原料としては、特に、Fe2+/Fe3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Co2+等の金属イオンを有する錯体や金属含有二次構造単位(SBU)が好適である。 Examples of the metal atom constituting the MOF include, but are not limited to, iron, zinc, cobalt, niobium, zirconium, cadmium, copper, nickel, chromium, vanadium, titanium, molybdenum, zirconium and aluminum. The number of metal atoms constituting the MOF may be one or more. As the metal raw material of MOF, a complex having metal ions such as Fe 2+ / Fe 3+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , and Co 2+ , and a metal-containing secondary structural unit (SBU) are particularly suitable.
有機配位子の配位性官能基は、金属原子に配位可能な官能基であり、カルボキシル基、イミダゾール基、水酸基、スルホン酸基、ピリジン基、三級アミン基、アミド基、チオアミド基等が挙げられる。有機配位子としては、典型的には、2以上の配位性官能基が、剛直構造を有する骨格(例えば芳香族環、不飽和結合等)に置換したものが用いられる。例えば、1,3,5−トリス(4−カルボキシフェニル)ベンゼン(BTB)、1,4−ベンゼンジカルボン酸(BDC)、2,5−ジヒドロキシ−1,4−ベンゼンジカルボン酸(DOBDC)、シクロブチル−1,4−ベンゼンジカルボン酸(CB BDC)、2−アミノ−1,4−ベンゼンジカルボン酸(H2N BDC)、テトラヒドロピレン−2,7−ジカルボン酸(HPDC)、テルフェニルジカルボン酸(TPDC)、2,6−ナフタレンジカルボン酸(2,6−NDC)、ピレン−2,7−ジカルボン酸(PDC)、ビフェニルジカルボン酸(BPDC)、フェニール化合物を有する任意のジカルボン酸、3,3’,5,5’−ビフェニルテトラカルボン酸、イミダゾール、ベンズイミダゾール、2−ニトロイミダゾール、シクロベンズイミダゾール、イミダゾール−2−カルボキシアルデヒド、4−シアノイミダゾール、6−メチルベンズイミダゾール、6−ブロモベンズイミダゾール等が挙げられる。 The coordinating functional group of the organic ligand is a functional group capable of coordinating with a metal atom, such as a carboxyl group, an imidazole group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, a pyridine group, a tertiary amine group, an amide group, and a thioamide group. Can be mentioned. As the organic ligand, typically, one in which two or more coordinating functional groups are replaced with a skeleton having a rigid structure (for example, an aromatic ring, an unsaturated bond, etc.) is used. For example, 1,3,5-tris (4-carboxyphenyl) benzene (BTB), 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC), 2,5-dihydroxy-1,4-benzenedicarboxylic acid (DOBDC), cyclobutyl- 1,4-benzenedicarboxylic acid (CB BDC), 2-amino-1,4-benzenedicarboxylic acid (H2N BDC), tetrahydropyrene-2,7-dicarboxylic acid (HPDC), terphenyldicarboxylic acid (TPDC), 2 , 6-naphthalenedicarboxylic acid (2,6-NDC), pyrene-2,7-dicarboxylic acid (PDC), biphenyldicarboxylic acid (BPDC), any dicarboxylic acid with a phenyl compound, 3,3', 5,5 Examples thereof include'-biphenyltetracarboxylic acid, imidazole, benzimidazole, 2-nitroimidazole, cyclobenzimidazole, imidazole-2-carboxyaldehyde, 4-cyanoimidazole, 6-methylbenzimidazole, 6-bromobenzimidazole and the like.
得られるMOFの具体例としては、例えば、Zn4O(1,3,5−ベンゼントリベンゾエート)2で表されるMOF−177;IRMOF−Iとしても知られる、Zn4O(1,4−ベンゼンジカルボキシレート)3で表されるMOF−5;Mg2(2,5−ジヒドロキシ−1,4−ベンゼンジカルボキシレート)で表されるMOF−74(Mg);Zn2(2,5−ジヒドロキシ−1,4−ベンゼンジカルボキシレート)で表されるMOF−74(Zn);Cu2(3,3’,5,5’−ビフェニルテトラカルボキシレート)で表されるMOF−505;Zn4O(シクロブチル−1,4−ベンゼンジカルボキシレート)で表されるIRMOF−6;Zn4O(2−アミノ−1,4−ベンゼンジカルボキシレート)3で表されるIRMOF−3;Zn4O(テルフェニルジカルボキシレート)3又はZn4O(テトラヒドロピレン−2,7−ジカルボキシレート)3で表されるIRMOF−11;Zn4O(テトラヒドロピレン−2,7−ジカルボキシレート)3で表されるIRMOF−8;Zn(ベンズイミダゾレート)(2−ニトロイミダゾレート)で表されるZIF−68;Zn(シクロベンズイミダゾレート)(2−ニトロイミダゾレート)で表されるZIF−69;Zn(ベンズイミダゾレート)2で表されるZIF−7;Co(ベンズイミダゾレート)2で表されるZIF−9;Zn2(ベンズイミダゾレート)で表されるZIF−11;Zn(イミダゾレート−2−カルボキシアルデヒド)2で表されるZIF−90;Zn(4−シアノイミダゾレート)(2−ニトロイミダゾレート)でZIF−82;Zn(イミダゾレート)(2−ニトロイミダゾレート)で表されるZIF−70;Zn(6−メチルベンズイミダゾレート)(2−ニトロイミダゾレート)で表されるZIF−79;及びZn(6−ブロモベンズイミダゾレート)(2−ニトロイミダゾレート)で表されるZIF−81等が挙げられる。所望のMOFが市販されていれば、市販品を用いてもよい。 Specific examples of the obtained MOF include, for example, MOF-177 represented by Zn 4 O (1,3,5-benzenetribenzoate) 2 ; Zn 4 O (1,4-) also known as IRMOF-I. Benzene dicarboxylate) MOF-5 represented by 3 ; MOF-74 (Mg) represented by Mg 2 (2,5-dihydroxy-1,4-benzenedicarboxylate); Zn 2 (2,5-) MOF-74 (Zn) represented by dihydroxy-1,4-benzenedicarboxylate); MOF-505 represented by Cu 2 (3,3', 5,5'-biphenyltetracarboxylate); Zn 4 IRMOF-6 represented by O (cyclobutyl-1,4-benzenedicarboxylate); IRMOF-3 represented by Zn 4 O (2-amino-1,4-benzenedicarboxylate) 3; Zn 4 O ( Terphenyldicarboxylate) 3 or Zn 4 O (tetrahydropyrene-2,7-dicarboxylate) 3 represented by IRMOF-11; Zn 4 O (tetrahydropyrene-2,7-dicarboxylate) 3 IRMOF-8 represented; ZIF-68 represented by Zn (benzimidazolate) (2-nitroimidazolate); ZIF-69 represented by Zn (cyclobenzimidazolate) (2-nitroimidazolate); ZIF-7 represented by Zn (benz imidazolate) 2 ; ZIF-9 represented by Co (benz imidazolate) 2 ; ZIF-11 represented by Zn 2 (benz imidazolate); Zn (imidazolate-) 2-Carboxaldehyde) ZIF-90 represented by 2 ; Zn (4-cyanoimidazolate) (2-nitroimidazolate) and ZIF-82; Zn (imidazolate) (2-nitroimidazolate). ZIF-70; ZIF-79 represented by Zn (6-methylbenzimidazolate) (2-nitroimidazolate); and ZIF represented by Zn (6-bromobenzimidazolate) (2-nitroimidazolate). -81 and the like can be mentioned. If the desired MOF is commercially available, a commercially available product may be used.
また、本願発明では、上記の記載のMOFそのものを用いることもできるが、MOFを窒素中などで熱処理してその多孔質をできるだけ保ったまま(例えば、金属有機構造体(MOF)由来の炭素系材料、金属有機構造体(MOF)由来の酸化物系材料として)、空気電池の空気極としての触媒や、リチウムイオン電池などの電極として応用することも可能である。金属有機構造体(MOF)由来の炭素系材料としては、例えば、MIL 100 (Fe)由来の鉄を含んだ炭素系材料が挙げられる。金属有機構造体(MOF)由来の酸化物系材料としては、例えば、MIL 100 (Fe)由来の鉄を含んだFe2O3などの酸化鉄系材料が挙げられる。 Further, in the present invention, the MOF itself described above can be used, but the MOF is heat-treated in nitrogen or the like to maintain its porosity as much as possible (for example, a carbon-based framework derived from a metal-organic framework (MOF)). It can also be applied as a material (as an oxide-based material derived from a metal-organic framework (MOF)), a catalyst as an air electrode of an air battery, or an electrode of a lithium ion battery or the like. Examples of the carbon-based material derived from the metal-organic framework (MOF) include a carbon-based material containing iron derived from MIL 100 (Fe). Examples of the oxide-based material derived from the metal-organic framework (MOF) include iron oxide-based materials such as Fe 2 O 3 containing iron derived from MIL 100 (Fe).
MOFは公知の方法により合成できるが、本発明で用いるMOFの合成方法は特に限定されない。MOFの合成方法は、溶液法、水熱法が代表的であり、そのほか、固相合成法(メカノケミカル法)、マイクロ波法、超音波法等がある。 The MOF can be synthesized by a known method, but the method for synthesizing the MOF used in the present invention is not particularly limited. Typical methods for synthesizing MOF are a solution method and a hydrothermal method, and in addition, there are a solid phase synthesis method (mechanochemical method), a microwave method, an ultrasonic method and the like.
例えば、非酸化物セラミック、炭素系材料、及び複合酸化物からなる群から選択される少なくとも1種を担体として、貴金属系ナノコロイド、炭素量子ドット、グラフェン量子ドット、金属有機構造体(MOF)、金属有機構造体(MOF)由来の炭素系材料、及び金属有機構造体(MOF)由来の酸化物系材料からなる群から選択される少なくとも1種を担持させて、本発明における空気極触媒材料を製造することができる。具体的には、空気極材料に0.1−10質量%でも混ぜて、PVDFとNメチルピロリドンやPTFEの水系エマルジョンや、CMC、SBRと混ぜる方法で製造することができる。貴金属系ナノコロイドは前記と同じ方法か、含侵法で製造することができる。 For example, noble metal-based nanocolloids, carbon quantum dots, graphene quantum dots, metal organic structures (MOF), using at least one selected from the group consisting of non-oxide ceramics, carbon-based materials, and composite oxides as a carrier. The air electrode catalyst material in the present invention is supported by supporting at least one selected from the group consisting of a carbon-based material derived from a metal organic structure (MOF) and an oxide-based material derived from a metal organic structure (MOF). Can be manufactured. Specifically, it can be produced by mixing 0.1-10% by mass with an air electrode material and mixing it with an aqueous emulsion of PVDF and N-methylpyrrolidone or PTFE, or with CMC or SBR. The noble metal-based nanocolloid can be produced by the same method as described above or by an impregnation method.
触媒層は、さらに、導電性を向上させるため、導電性材料を含有していてもよい。導電性材料としては、空気極触媒材料に導電性を付与又は空気極触媒材料の導電性を向上できるものであればよく、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素質材料、ポリチアジル、ポリアセチレン等の導電性高分子等を挙げることができる。中でも、空気金属電池の電極材料として用いる場合、表面にメソ細孔を有し、放電析出物を格納するという観点から、炭素質材料が好ましく、特に、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ等が好ましい。導電性材料は、カーボンアロイの担体としても機能することがある。 The catalyst layer may further contain a conductive material in order to further improve the conductivity. The conductive material may be any material that can impart conductivity to the air electrode catalyst material or improve the conductivity of the air electrode catalyst material, for example, carbon black such as Ketjen black and acetylene black, and carbon such as carbon nanotubes. Examples thereof include quality materials, conductive polymers such as polythiazyl and polyacetylene. Among them, when used as an electrode material for an air metal battery, a carbonaceous material is preferable from the viewpoint of having mesopores on the surface and storing discharge precipitates, and in particular, Ketjen black, carbon nanotubes and the like are preferable. The conductive material may also function as a carrier for the carbon alloy.
前記導電性材料の含有割合は、特に限定されるものではないが、導電性確保の観点から、触媒層全体の質量を100質量%とした場合に、60質量%未満であることが好ましく、5〜50質量%であることがより好ましい。 The content ratio of the conductive material is not particularly limited, but from the viewpoint of ensuring conductivity, it is preferably less than 60% by mass when the mass of the entire catalyst layer is 100% by mass. More preferably, it is ~ 50% by mass.
触媒層は、さらに、空気極触媒材料を固定化するため、結着剤を含有していてもよい。結着剤は、集電を目的としない支持体を含有していてもよい。結着剤としては、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂、ポリアミド樹脂、スチレン・ブタジエンゴム(SBRゴム)等のゴム系樹脂等を挙げることができる。 The catalyst layer may further contain a binder to immobilize the air electrode catalyst material. The binder may contain a support that is not intended to collect current. Examples of the binder include olefin resins such as polyethylene and polypropylene, fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), polyamide resins, and rubbers such as styrene-butadiene rubber (SBR rubber). Examples include system resins.
前記結着剤の含有割合は、特に限定されるものではないが、導電性確保の観点から、触媒層全体の質量を100質量%とした場合に、60質量%未満であることが好ましく、5〜50質量%であることがより好ましい。 The content ratio of the binder is not particularly limited, but is preferably less than 60% by mass when the mass of the entire catalyst layer is 100% by mass from the viewpoint of ensuring conductivity. More preferably, it is ~ 50% by mass.
空気極触媒材料、導電性材料、結着剤等を含有するペーストを形成するため、溶媒を用いることができる。溶媒としては、揮発性を有していれば特に限定されず、適宜選択することができる。具体的には、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等が挙げられる。空気極合材ペーストの乾燥が容易になることから、沸点が200℃以下の溶媒が好ましい。 A solvent can be used to form a paste containing an air electrode catalyst material, a conductive material, a binder and the like. The solvent is not particularly limited as long as it has volatile properties, and can be appropriately selected. Specific examples thereof include acetone, N, N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like. A solvent having a boiling point of 200 ° C. or lower is preferable because the air electrode mixture paste can be easily dried.
前記溶媒の含有割合は、特に限定されるものではないが、塗布しやすさの観点から、触媒層全体の質量を100質量%とした場合に、60質量%未満であることが好ましく、5〜50質量%であることがより好ましい。 The content ratio of the solvent is not particularly limited, but from the viewpoint of ease of application, it is preferably less than 60% by mass when the mass of the entire catalyst layer is 100% by mass, and 5 to 5 More preferably, it is 50% by mass.
空気極触媒材料:導電性材料:結着剤:溶媒の混合比(質量比)は、塗布しやすさの観点から、40〜60:5〜15:5〜15:20〜40であることが好ましい。 The air electrode catalyst material: conductive material: binder: solvent mixture ratio (mass ratio) may be 40 to 60: 5 to 15: 5 to 15: 20 to 40 from the viewpoint of ease of coating. preferable.
触媒層の厚さは、金属空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば2μm〜500μmの範囲内、特に5μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the catalyst layer varies depending on the application of the metal-air battery and the like, but is preferably in the range of, for example, 2 μm to 500 μm, particularly preferably in the range of 5 μm to 300 μm.
空気極は必要に応じて、空気極の集電を行う正極集電体を備えていても良い。正極集電体は、チタン金属、モリブデン金属、ニッケル系合金、タングステン金属、ジルコニウム金属、タンタル金属及びカーボン系からなる群から選択される少なくとも1種を含有する。正極集電体は、多孔質構造(具体例として、メッシュ状等)、網目状構造、繊維、不織布、箔状、板状等、特に限定されず用いることができるが、酸素の供給性能が高く、かつ、集電効率に優れるという観点から、多孔質構造であることが好ましい。 The air electrode may be provided with a positive electrode current collector that collects electricity from the air electrode, if necessary. The positive electrode current collector contains at least one selected from the group consisting of titanium metal, molybdenum metal, nickel alloy, tungsten metal, zirconium metal, tantalum metal and carbon metal. The positive electrode current collector can be used without particular limitation, such as a porous structure (specific example, mesh shape, etc.), a mesh structure, a fiber, a non-woven fabric, a foil shape, a plate shape, etc., but has high oxygen supply performance. Moreover, from the viewpoint of excellent current collection efficiency, a porous structure is preferable.
例えば、チタン金属、モリブデン金属、タングステン金属、ジルコニウム金属、タンタル金属としては、市販のメッシュ状の材料(例えば、前述のような材料)をそのまま用いることができる。 For example, as the titanium metal, molybdenum metal, tungsten metal, zirconium metal, and tantalum metal, a commercially available mesh-like material (for example, the material as described above) can be used as it is.
例えば、ニッケル系合金としては、ニッケルをベースとし、鉄、クロム、ニオブ、モリブデン、スズ、タングステン等を添加したものが好ましく、具体的には、インコネル600、インコネル625、インコネル718、インコネルX750等が挙げられる。 For example, as the nickel-based alloy, those based on nickel with iron, chromium, niobium, molybdenum, tin, tungsten and the like added are preferable, and specifically, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 718, Inconel X750 and the like are used. Can be mentioned.
例えば、カーボン系としては、耐腐食性に優れている、電子伝導性に優れている、金属に比べて軽いため重量当たりのエネルギー密度が高くなるという観点から、カーボンファイバー(炭素繊維)、賦活カーボン(カーボン板を賦活したもの)等を挙げることができ、電子伝導性が高いことから、中でもカーボンファイバーが好ましい。カーボンファイバーの種類としては、例えばPAN系カーボンファイバー、ピッチ系カーボンファイバー等を挙げることができる。 For example, as carbon-based materials, carbon fiber (carbon fiber) and activated carbon are used from the viewpoints of excellent corrosion resistance, excellent electron conductivity, and lighter weight than metal, resulting in higher energy density per weight. (Carbon plate activated) and the like can be mentioned, and carbon fiber is particularly preferable because of its high electron conductivity. Examples of the type of carbon fiber include PAN-based carbon fiber and pitch-based carbon fiber.
カーボンファイバーを用いた空気極集電体としては、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパーおよびカーボンフェルト等を挙げることができる。カーボンクロスとは、一般的に、カーボンファイバーを規則正しく編み込んだものをいう(上記のメッシュ構造に該当する)。これに対して、カーボンペーパーとは、一般的に、カーボンファイバーをランダムに配列させたものをいう(上記の不織布構造に該当する)。なお、カーボンペーパーとは、通常、結着材と混合したカーボンファイバーを紙すきの要領で形成したものをいう。また、カーボンファイバーを用いた空気極集電体として、カーボンフェルトを用いても良い。カーボンフェルトは、通常、カーボンファイバーをランダムに配列させたものをいう(上記の不織布構造に該当するもの)。なお、カーボンフェルトとは、通常、カーボンファイバーを水にからませてランダムに配列させて形成したものをいう。 Examples of the air electrode current collector using carbon fiber include carbon cloth, carbon paper, and carbon felt. Carbon cloth generally refers to carbon fibers woven regularly (corresponding to the above mesh structure). On the other hand, the carbon paper generally refers to a material in which carbon fibers are randomly arranged (corresponding to the above-mentioned non-woven fabric structure). The carbon paper usually refers to carbon fibers mixed with a binder formed in the manner of papermaking. Further, carbon felt may be used as the air electrode current collector using carbon fiber. Carbon felt usually refers to a random arrangement of carbon fibers (corresponding to the above-mentioned non-woven fabric structure). The carbon felt is usually formed by entwining carbon fibers with water and randomly arranging them.
カーボンクロス、カーボンペーパーおよびカーボンフェルトは、互いに製造方法が全く異なるものである。また、本発明においては、カーボンクロス、カーボンペーパーおよびカーボンフェルトを、それぞれ重ねて用いても良い。これにより、機械的強度が向上した空気極集電体を得ることができるからである。 Carbon cloth, carbon paper and carbon felt are manufactured by completely different methods. Further, in the present invention, carbon cloth, carbon paper and carbon felt may be used in layers. This is because an air electrode current collector with improved mechanical strength can be obtained.
前記正極集電体は、多孔質構造であることが好ましいが、中でも、カーボンペーパー、耐腐食性材料からなる金属メッシュ等の多孔質構造であることが好ましい。耐腐食性の観点から、カーボンペーパーであることがより好ましい。耐腐食性材料からなる金属メッシュとしては、例えば、チタン金属、モリブデン金属、又は、ニッケル系合金等から形成した金属メッシュを用いることができる。その他の正極集電体として、酸素供給孔を有する金属箔を用いることもできる。なお、電池ケースが正極集電体の機能を兼ね備えても良い。 The positive electrode current collector preferably has a porous structure, and above all, a porous structure such as carbon paper or a metal mesh made of a corrosion-resistant material is preferable. From the viewpoint of corrosion resistance, carbon paper is more preferable. As the metal mesh made of a corrosion-resistant material, for example, a metal mesh formed of titanium metal, molybdenum metal, nickel-based alloy, or the like can be used. As another positive electrode current collector, a metal foil having an oxygen supply hole can also be used. The battery case may also have the function of a positive electrode current collector.
正極集電体の厚さは、金属空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば10μm〜1000μmの範囲内、特に20μm〜400μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the positive electrode current collector varies depending on the application of the metal-air battery and the like, but is preferably in the range of, for example, 10 μm to 1000 μm, particularly preferably in the range of 20 μm to 400 μm.
触媒層は、その内部に正極集電体を含有していてもよい。正極集電体は、触媒層の中央にあってもよいし、触媒層の片面に層状に存在してもよい。正極集電体が触媒層の片面に存在する場合は、正極集電体は、通常、電解質と反対側の空気との接触部側に配置され得る。触媒層の形状は、層状だけでなく、その他の形状のもの(例えば、ペレット状、板状、メッシュ状等)も含む。 The catalyst layer may contain a positive electrode current collector therein. The positive electrode current collector may be located in the center of the catalyst layer or may be present in layers on one side of the catalyst layer. When the positive electrode current collector is present on one side of the catalyst layer, the positive electrode current collector can usually be located on the side of contact with air on the opposite side of the electrolyte. The shape of the catalyst layer includes not only a layered shape but also other shapes (for example, pellet shape, plate shape, mesh shape, etc.).
空気極の製造方法は、特に限定されず、周知の方法を用いることができる。例えば、少なくとも本発明における空気極触媒材料、及び必要に応じて、導電性材料、結着剤、溶媒等を混合した空気極合材ペーストを、正極集電体の表面に塗布、乾燥させることで、触媒層と正極集電体とが積層した空気極を作製することができる。或いは、上記空気極合材ペーストを塗布、乾燥して得られた触媒層を、正極集電体と重ね合わせ、適宜、加圧や加熱等を行うことで、触媒層と正極集電体とが積層した空気極を作製することもできる。空気極合材ペーストを塗布する方法は、特に限定されず、ドクターブレード、スプレー法等の一般的な方法を用いることができる。 The method for producing the air electrode is not particularly limited, and a well-known method can be used. For example, by applying at least the air electrode catalyst material of the present invention and, if necessary, an air electrode mixture paste mixed with a conductive material, a binder, a solvent, etc., to the surface of the positive electrode current collector and drying it. , An air electrode in which a catalyst layer and a positive electrode current collector are laminated can be produced. Alternatively, the catalyst layer obtained by applying and drying the above-mentioned air electrode mixture paste is superposed on the positive electrode current collector, and appropriately pressurized or heated to form the catalyst layer and the positive electrode current collector. It is also possible to produce laminated air electrodes. The method of applying the air electrode mixture paste is not particularly limited, and a general method such as a doctor blade or a spray method can be used.
空気極の厚さは、金属空気電池の用途等により異なるものであるが、材料が箔状、板状等である場合、例えば、2μm〜10mmの範囲内、特に5μm〜2mmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the air electrode varies depending on the application of the metal-air battery, etc., but when the material is foil-shaped, plate-shaped, etc., it is, for example, in the range of 2 μm to 10 mm, particularly in the range of 5 μm to 2 mm. Is preferable.
<電解質>
本発明における電解質は、負極と空気極との間に保持されている。本発明における電解質は、負極と空気極との間で金属イオンを交換する働き等を有する。本発明における電解質は、イオン液体、又は深共晶溶媒を含有することが好ましい。副生成物の発生を抑制する観点から、本発明における電解質は、イオン液体を含有することが好ましい。
<Electrolyte>
The electrolyte in the present invention is held between the negative electrode and the air electrode. The electrolyte in the present invention has a function of exchanging metal ions between the negative electrode and the air electrode. The electrolyte in the present invention preferably contains an ionic liquid or a deep eutectic solvent. From the viewpoint of suppressing the generation of by-products, the electrolyte in the present invention preferably contains an ionic liquid.
ここで、「イオン液体」とは、アニオンとカチオンの組み合わせからなる化合物であり、室温でも液体で存在する塩を意味する。アニオンとカチオンの組み合わせ次第で多数のイオン液体が考えられる。カチオンとしては、例えば、イミダゾリウム(例えば、ジアルキルイミダゾリウム等)、ピリジニウム(例えば、アルキルピリジニウム等)等の芳香族系アミン由来のもの、アンモニウム(例えば、テトラアルキルアンモニウム等)、ピロリジニウム(例えば、環状のピロリジニウム等)等の脂肪族系アミン由来のものが挙げられる。アニオンとしては、例えば、Cl−、Br−、I−等のハロゲンイオン、BF4 −、PF6 −、CF3SO3 −、(CF3SO2)2N−等のフッ化物イオン等が挙げられる。また、最近では、硝酸や酢酸から構成されるイミダゾリウム塩がイオン液体となったり、アルキルスルホン酸などの汎用アニオンや、硫酸、リン酸などの多価アニオンもイオン液体を形成する時がある。つまり、このように非ハロゲン系イオン液体も存在する。また、アミノ酸、糖、糖誘導体、乳酸などの天然由来のイオンがイオン液体を構成しているものも増えてきている。他にも、S(硫黄)含有イオン、カルボン酸イオンをアニオンとするイオン液体、さらに、ホスホニウム、スルホニウムをカチオンとするイオン液体も存在する。 Here, the "ionic liquid" is a compound composed of a combination of anions and cations, and means a salt that exists as a liquid even at room temperature. Many ionic liquids can be considered depending on the combination of anions and cations. Examples of the cation include those derived from aromatic amines such as imidazolium (for example, dialkylimidazolium) and pyridinium (for example, alkylpyridinium), ammonium (for example, tetraalkylammonium), and pyrrolidinium (for example, cyclic). (Pyridinium, etc.) and other aliphatic amine-derived substances can be mentioned. Examples of the anion include halogen ions such as Cl − , Br − , and I − , and fluoride ions such as BF 4 − , PF 6 − , CF 3 SO 3 − , and (CF 3 SO 2 ) 2 N −. Be done. Recently, imidazolium salts composed of nitric acid and acetic acid may become ionic liquids, general-purpose anions such as alkyl sulfonic acids, and polyvalent anions such as sulfuric acid and phosphoric acid may also form ionic liquids. That is, there are also non-halogen ionic liquids in this way. In addition, naturally occurring ions such as amino acids, sugars, sugar derivatives, and lactic acid are increasingly forming ionic liquids. In addition, there are ionic liquids having S (sulfur) -containing ions and carboxylic acid ions as anions, and ionic liquids having phosphonium and sulfonium as cations.
また、数十℃以下の融点をもつ疎水性のイオン液体を使用すれば、電解質の揮発によって生じる空気電池の特性の低下を抑制することができる。また、イオン液体は、残留水分等により変化する可能性があるので、使用前には乾燥することが好ましい。乾燥方法は、公知の乾燥方法をとり得る。 Further, if a hydrophobic ionic liquid having a melting point of several tens of degrees or less is used, it is possible to suppress the deterioration of the characteristics of the air battery caused by the volatilization of the electrolyte. Further, since the ionic liquid may change due to residual moisture or the like, it is preferable to dry the ionic liquid before use. As the drying method, a known drying method can be adopted.
副生成物の発生の抑制、高いイオン伝導性、難揮発性、高い熱安定性などの観点から、イオン液体のカチオンは、イミダゾリウム、ピリジニウム、アンモニウム、ピロリジニウム、ピラゾリウム、ピペリジニウム、モルホリニウム、スルホニウム、及びホスホニウムからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記イオン液体のアニオンは、ハロゲンイオン、アミドイオン、イミドイオン、フッ化物イオン、硫酸イオン、リン酸イオン、フルオロ硫酸イオン、乳酸イオン、及びカルボン酸イオンからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。前記のようなカチオンとアニオンは、自由に組み合わせることができる。カチオンとアニオンは、それぞれ、1種のみを単独で用いても良いし、2種以上を組み合わせても良い。 From the viewpoint of suppressing the generation of by-products, high ionic conductivity, low volatility, high thermal stability, etc., the cations of the ionic liquid are imidazolium, pyridinium, ammonium, pyrrolidinium, pyrazolium, piperidinium, morpholinium, sulfonium, and It is at least one selected from the group consisting of phosphonium, and the anions of the ionic liquid are halogen ions, amide ions, imide ions, fluoride ions, sulfate ions, phosphate ions, fluorosulfate ions, lactic acid ions, and carboxylic acids. It is preferably at least one selected from the group consisting of ions. The cations and anions as described above can be freely combined. As the cation and the anion, only one kind may be used alone, or two or more kinds may be combined.
代表的なカチオンとしては、副生成物を抑制する観点から、イミダゾリウム、ピリジニウム、アンモニウム、ピロリジニウム、ピラゾリウム、ピペリジニウム、モルホリニウム、スルホニウム、ホスホニウム等が挙げられる。 Typical cations include imidazolium, pyridinium, ammonium, pyrrolidinium, pyrizolium, piperidinium, morpholinium, sulfonium, phosphonium and the like from the viewpoint of suppressing by-products.
具体的には、前記イミダゾリウムとして、例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMIm)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム(BMIm)等のジアルキルイミダゾリウム、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−アリル−3−メチルイミダゾリウム、1−アリル−3−エチルイミダゾリウム(AEIm)、1−アリル−3−ブチルイミダゾリウム、1,3−ジアリルイミダゾリウム(AAIm)等が挙げられる。 Specifically, examples of the imidazolium include dialkyl imidazoliums such as 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMIm) and 1-butyl-3-methylimidazolium (BMIm), 1-ethyl-2,3. −Dimethylimidazolium, 1-allyl-3-methylimidazolium, 1-allyl-3-ethylimidazolium (AEIm), 1-allyl-3-butylimidazolium, 1,3-diallylimidazolium (AAIm), etc. Can be mentioned.
前記ピリジニウムとしては、例えば、1−プロピルピリジニウム、1−ブチルピリジニウム等のアルキルピリジニウム、1−エチル−3−(ヒドロキシメチル)ピリジニウム、1−エチル−3−メチルピリジニウム等が挙げられる。 Examples of the pyridinium include alkylpyridinium such as 1-propylpyridinium and 1-butylpyridinium, 1-ethyl-3- (hydroxymethyl) pyridinium, 1-ethyl-3-methylpyridinium and the like.
前記アンモニウムとしては、例えば、N,N,N−トリメチル−N−プロピルアンモニウム(TMPA)、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウム(DEME)、メチルトリオクチルアンモニウム等のテトラアルキルアンモニウム等が挙げられる。 Examples of the ammonium include N, N, N-trimethyl-N-propylammonium (TMPA), N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium (DEME), and methyltrioctylammonium. Etc., such as tetraalkylammonium.
前記ピロリジニウムとしては、例えば、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム(P13)、N−メチル−N−ブチルピロリジニウム(P14)、N−メチル−N−メトキシメチルピロリジニウム等が挙げられる。 Examples of the pyrrolidinium include N-methyl-N-propylpyrrolidinium (P13), N-methyl-N-butylpyrrolidinium (P14), N-methyl-N-methoxymethylpyrrolidinium and the like. ..
前記ピラゾリウムとしては、例えば、1−エチル−2,3,5−トリメチルピラゾリウム、1−プロピル−2,3,5−トリメチルピラゾリウム、1−ブチル−2,3,5−トリメチルピラゾリウム等が挙げられる。 Examples of the pyrazolium include 1-ethyl-2,3,5-trimethylpyrazolium, 1-propyl-2,3,5-trimethylpyrazolium, 1-butyl-2,3,5-trimethylpyrazolium. Rium and the like can be mentioned.
前記ピペリジニウムとしては、例えば、N−メチル−N−プロピルピペリジニウム(PP13)、N,N,N−トリメチル−N−プロピルアンモニウム等が挙げられる。 Examples of the piperidinium include N-methyl-N-propyl piperidinium (PP13), N, N, N-trimethyl-N-propylammonium and the like.
前記モルホリニウムとしては、例えば、N,N−ジメチルモルホリニウム、N−エチル−N−メチルモルホリニウム、N,N−ジエチルモルホリニウムなどが挙げられる。 Examples of the morpholinium include N, N-dimethylmorpholinium, N-ethyl-N-methylmorpholinium, N, N-diethylmorpholinium and the like.
前記スルホニウムとしては、例えば、トリメチルスルホニウム、トリブチルスルホニウム、トリエチルスルホニウムが挙げられる。 Examples of the sulfonium include trimethylsulfonium, tributylsulfonium, and triethylsulfonium.
前記ホスホニウムとしては、例えば、トリブチルヘキサデシルホスホニウム、トリブチルメチルホスホニウム、トリブチル−n−オクチルホスホニウム、テトラブチルホスホニウム、テトラ−n−オクチルホスホニウム、テトラブチルホスホニウム、トリブチル(2メトキシエチル)ホスホニウム等が挙げられる。 Examples of the phosphonium include tributylhexadecylphosphonium, tributylmethylphosphonium, tributyl-n-octylphosphonium, tetrabutylphosphonium, tetra-n-octylphosphonium, tetrabutylphosphonium, tributyl (2methoxyethyl) phosphonium and the like.
上記カチオンと組み合わされてイオン液体を構成するアニオンとしては、副生成物を抑制する観点から、例えば、ハロゲンイオン、アミドイオン、イミドイオン、フッ化物イオン、硫酸イオン、リン酸イオン、フルオロ硫酸イオン、乳酸イオン、カルボン酸イオン等が挙げられる。 Examples of anions that form an ionic liquid in combination with the above cations include halogen ions, amide ions, imide ions, fluoride ions, sulfate ions, phosphate ions, fluorosulfate ions, and lactic acid from the viewpoint of suppressing by-products. Ions, carboxylic acid ions and the like can be mentioned.
具体的には、前記ハロゲンイオンとしては、例えば、Cl−、Br−、I−等が挙げられる。ハロゲンイオンとして、ハロゲンのオキソ酸イオン(YO4 −、YO3 −、YO2 −、又はYO−;YはCl、Br、又はIを表す)、AlX4 −(XはCl、BrまたはIであり、それぞれのXは同一または異なる。すなわち、AlX4 −は、例えば、AlCl4 −、AlBr4 −、AlI4 −、AlClBr3 −、AlClI3 −、AlCl2BrI−、AlClBr2I−、AlClBrI2 −等である。)等のハロゲンを含む化合物も含まれる。 Specifically, examples of the halogen ion include Cl − , Br − , I − and the like. Halogen ions, halogen oxoacid ion (YO 4 -, YO 3 - , YO 2 -, or YO -; Y represents Cl, Br, or I), AlX 4 - (X is Cl, Br or I Yes, each X is the same or different, that is, AlX 4 − is, for example, AlCl 4 − , AlBr 4 − , AlI 4 − , AlClBr 3 − , AlClI 3 − , AlCl 2 BrI − , AlClBr 2 I − , AlClBrI. 2 − etc.) and other halogen-containing compounds are also included.
前記アミドイオンとしては、例えば、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドイオン(N(SO2CF3)2 −)、ビス(フルオロスルホニル)アミドイオン等が挙げられる。 Examples of the amide ion, for example, bis (trifluoromethanesulfonyl) amide ion (N (SO 2 CF 3) 2 -), bis (fluorosulfonyl) amide ion, and the like.
前記イミドイオンとしては、例えば、ビストリフルオロメチルスルフォニルイミドイオン(TFSI−)、(CF3SO2)2N−、(C2F5SO2)2N−、(C3F7SO2)2N−、(CF3SO2)(C2F5SO2)N−、(CF3SO2)(C3F7SO2)N−、(C2F5SO2)(C3F7SO2)N−、N(C4F9SO2)2 −等が挙げられる。
Examples of the imide ion include bistrifluoromethylsulphonylimide ion (TFSI − ), (CF 3 SO 2 ) 2 N − , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N − , (C 3 F 7 SO 2 ) 2 N. -, (CF 3 SO 2) (C 2 F 5 SO 2) N -, (
前記フッ化物イオンとしては、例えば、テトラフルオロホウ酸イオン(BF4 −)、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 −)、SbF6 −等が挙げられる。 Examples fluoride ion, for example, tetrafluoroborate ion (BF 4 -), hexafluorophosphate ion (PF 6 -), SbF 6 - , and the like.
前記硫酸イオンとしては、例えば、HSO4 −、メト硫酸イオン(CH3OSO3‐)、CH3SO3 −、C4H9OSO3 −、CH3C6H4SO3 −、C8H16SO3 −、C2H5OSO3 −、C6H13OSO3 −、C8H17OSO3 −、C4F9SO3 −等が挙げられる。 Examples of the sulfate ion, for example, HSO 4 -, methosulfate (CH 3 OSO 3 -), CH 3 SO 3 -, C 4 H 9 OSO 3 -, CH 3 C 6 H 4 SO 3 -, C 8 H 16 SO 3 − , C 2 H 5 OSO 3 − , C 6 H 13 OSO 3 − , C 8 H 17 OSO 3 − , C 4 F 9 SO 3 − and the like.
前記リン酸イオンとしては、例えば、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 −)、(C2F5)3PF3 −等のフルオロリン酸イオン、次亜リン酸イオン(H2PO2 −)、(C2F5)3PF3 −、(CH3)2PO4 −、(C2H5)2PO4 −、(CH5)2PO4 −等が挙げられる。 Examples of the phosphate ion include fluorophosphate ions such as hexafluorophosphate ion (PF 6 − ) and (C 2 F 5 ) 3 PF 3 − , hypophosphite ion (H 2 PO 2 − ), and the like. Examples thereof include (C 2 F 5 ) 3 PF 3 − , (CH 3 ) 2 PO 4 − , (C 2 H 5 ) 2 PO 4 − , and (CH 5 ) 2 PO 4 −.
前記フルオロ硫酸イオンとしては、例えば、(CF3SO2)2N−、CF3SO3 −等等挙げられる。 Examples of the fluorosulfate ion include (CF 3 SO 2 ) 2 N − , CF 3 SO 3 − and the like.
前記乳酸イオンとしては、例えば、C2O3H−等が挙げられる。 Examples of the lactic acid ion include C 2 O 3 H − and the like.
前記カルボン酸イオンとしては、例えば、酢酸イオン(CH3COO−)、CH3OCO2 −、C9H19CO2 −等が挙げられる。 Examples of the carboxylic acid ion include acetate ion (CH 3 COO − ), CH 3 OCO 2 − , C 9 H 19 CO 2 − and the like.
その他にも、チオシアン酸イオン(SCN−)、硝酸イオン(NO3 −)、炭酸水素イオン(HCO3 −)、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ジシアナミドイオン、B(C6H5)4 −、テトラフェニルホウ酸イオン(BPh4 −)、B(C2O4)2 −、(CN)2N−、C4BO8 −等が挙げられる。 Besides, thiocyanate ion (SCN -), nitrate ion (NO 3 -), bicarbonate ions (HCO 3 -), trifluoromethanesulfonate ion, dicyanamide ion, B (C 6 H 5) 4 -, tetra phenylboronic acid ion (BPh 4 -), B ( C 2 O 4) 2 -, (CN) 2 N -, C 4 BO 8 - , and the like.
イオン液体は、前記のようなカチオンとアニオンを自由に組み合わせて形成することができる。カチオンとアニオンは、それぞれ、1種のみを単独で用いても良いし、2種以上を組み合わせても良い。上記カチオンと組み合わされてイオン液体を構成するアニオンとしては、正極反応の可逆性や蓄電性能の観点から、Cl−、Br−およびI−が好ましい。イオン液体の具体例としては、ジアルキルイミダゾリウムハロゲン化物、エチルトリブチルホスホニウムハロゲン化物、テトラアルキルアンモニウムハロゲン化物等が好ましく、ジアルキルイミダゾリウムハロゲン化物としては、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド([EMIM]・Cl),1−エチル−3−メチルイミダゾリウムブロミド([EMIM]・Br),1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヨージド([EMIM]・I),1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド([BMIM]・Cl),1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムブロミド([BMIM]・Br),1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヨージド([BMIM]・I)等の1,3−ジアルキルイミダゾリウムハロゲン化物を好適に用いることができる。
The ionic liquid can be formed by freely combining the above-mentioned cations and anions. As the cation and the anion, only one kind may be used alone, or two or more kinds may be combined. As the anions that form an ionic liquid in combination with the above cations, Cl − , Br − and I − are preferable from the viewpoint of reversibility of the positive electrode reaction and storage performance. Specific examples of the ionic liquid include dialkylimidazolium halides, ethyltributylphosphonium halides, tetraalkylammonium halides and the like, and dialkylimidazolium halides include 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([EMIM]. ] ・ Cl), 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide ([EMIM] ・ Br), 1-ethyl-3-methylimidazolium iodide ([EMIM] ・ I), 1-butyl-3-
また、エチルトリブチルホスホニウムハロゲン化物としては、エチルトリブチルホスホニウムクロリド([EBP]・Cl),エチルトリブチルホスホニウムブロミド([EBP]・Br),エチルトリブチルホスホニウムヨージド([EBP]・I)、などを好適に用いることができる。 As the ethyltributylphosphonium halide, ethyltributylphosphonium chloride ([EBP] · Cl), ethyltributylphosphonium bromide ([EBP] · Br), ethyltributylphosphonium iodide ([EBP] · I) and the like are suitable. Can be used for.
テトラアルキルアンモニウムハロゲン化物としては、テトラエチルアンモニウムブロミド([E4N]・Br),トリメチルエチルアンモニウムクロリド([M3EN]・Cl),テトラブチルアンモニウムクロリド([Bu4N]・Cl)などを好適に用いることができる。 The tetraalkylammonium halides, tetraethylammonium bromide ([E 4 N] · Br ), trimethylethylammonium chloride ([M 3 EN] · Cl ), tetrabutylammonium chloride ([Bu 4 N] · Cl ) , etc. It can be preferably used.
本発明における電解質は、前記イオン液体及び後述する非水溶媒の他に、通常、金属塩を有することができる。このような金属塩としては、負極及び空気極の間を伝導する金属イオンを含有するものであれば、特に制限されることなく用いることができる。例えば、アルミニウム塩等を挙げることができ、アルミニウム塩としては、AlCl3、臭化アルミニウム等のアルミニウムハロゲン化物等の無機アルミニウム塩や、有機アルミニウム塩を挙げることができる。金属塩を含有させる場合、電解質中に、40〜80重量%が好ましく、50〜70重量%がより好ましい。 The electrolyte in the present invention can usually have a metal salt in addition to the ionic liquid and the non-aqueous solvent described later. As such a metal salt, any one containing a metal ion conducting between the negative electrode and the air electrode can be used without particular limitation. For example, an aluminum salt and the like can be mentioned, and examples of the aluminum salt include an inorganic aluminum salt such as an aluminum halide such as AlCl 3 and aluminum bromide, and an organic aluminum salt. When a metal salt is contained, 40 to 80% by weight is preferable, and 50 to 70% by weight is more preferable in the electrolyte.
実用性の高い金属空気電池を提供する観点から、イオン液体と金属塩との組み合わせは、ジアルキルイミダゾリウムハロゲン化物とアルミニウムハロゲン化物との組み合わせが好ましく、例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムブロマイドとAlBr3とを組み合わせたり、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリドとAlCl3とを組み合わせたりできる。 From the viewpoint of providing a highly practical metal air battery, the combination of the ionic liquid and the metal salt is preferably a combination of a dialkylimidazolium halide and an aluminum halide, for example, 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide. And AlBr 3 can be combined, or 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride and AlCl 3 can be combined.
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド([EMIM]・Cl)とAlCl3とを用いた場合の反応を例として以下に記載する。以下の反応により、イオン対を形成したイオン液体が形成される。
(1)[EMIM]+Cl−+AlCl3=[EMIM]+[AlCl4]−
(2)[EMIM]+[AlCl4]−+AlCl3=[EMIM]+[Al2Cl7]−
(3)[EMIM]+ [Al2Cl7]− +AlCl3=[Al3Cl10]−
[AlCl3]と「EMIM」のmol比により、2種類の析出形態が考えられる。一つ目は[AlCl3]が50mol%以下の場合、Cl−及び[AlCl4]−のように存在していると考えられる。二つ目は[AlCl3]が50mol%より多い場合(過剰な場合)、[AlCl4]− 及び[Al2Cl7]−のように存在していると考えられる。このように、アルミニウム塩とジアルキルイミダゾリウム塩などの有機化合物を混合すると、それらはイオン対を形成し、融体(イオン液体)が得られる。放電時に負極から発生した金属イオン(例えば、負極がアルミニウムの場合、アルミニウムイオン)が、水酸化物イオンよりもイオン液体との方が安定であるため、副生成物の発生が抑制できると考えられる。また、[Al2Cl7]−[Al3Cl10]−のように多量体の陰イオンが存在していると、アルミニウムイオンがAlに還元されやすいと考えられるため、副生成物の発生を抑制できるし、負極としてアルミニウムを用いている場合には、負極としての利用価値もある。
The reaction when 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([EMIM] · Cl) and AlCl 3 are used is described below as an example. The following reaction forms an ionic liquid with an ion pair.
(1) [EMIM] + Cl - = + AlCl 3 [EMIM] + [AlCl 4] -
(2) [EMIM] + [AlCl 4 ] - + AlCl 3 = [EMIM] + [Al 2 Cl 7 ] -
(3) [EMIM] + [Al 2 Cl 7 ] − + AlCl 3 = [Al 3 Cl 10 ] −
Two types of precipitation forms are conceivable depending on the mol ratio of [AlCl 3] and "EMIM". First, when [AlCl 3 ] is 50 mol% or less, it is considered that it exists as Cl − and [AlCl 4 ] −. The second is considered to be present when [AlCl 3 ] is more than 50 mol% (excess), such as [AlCl 4 ] − and [Al 2 Cl 7 ] − . In this way, when an aluminum salt and an organic compound such as a dialkylimidazolium salt are mixed, they form an ion pair to obtain a melt (ionic liquid). Since the metal ions generated from the negative electrode during discharge (for example, aluminum ions when the negative electrode is aluminum) are more stable with the ionic liquid than the hydroxide ions, it is considered that the generation of by-products can be suppressed. .. Also, [Al 2 Cl 7] - [
本発明における電解質は、安全性やコスト等の観点から、深共晶溶媒を含有することが好ましい。ここで、「深共晶溶媒」(Deep Eutectic Solvent)とは、一般的に、水素結合ドナー性の化合物と水素結合アクセプター性の化合物との混合物によって形成されるものであって、共晶により融点が大きく降下しているものを意味する。深共晶溶媒は、低揮発性及び難着火性は保持しつつ、イオン液体と比較してコストが飛躍的に低い(組成原料から判断し2〜3桁は低コストと考えられる)媒体である。水素結合ドナー性の化合物と水素結合アクセプター性の化合物との組み合わせ次第で多数の深共晶溶媒が考えられる。 The electrolyte in the present invention preferably contains a deep eutectic solvent from the viewpoint of safety, cost and the like. Here, the "deep eutectic solvent" is generally formed by a mixture of a hydrogen bond donor compound and a hydrogen bond acceptor compound, and has a melting point due to eutectic. Means a large drop. The deep eutectic solvent is a medium whose cost is dramatically lower than that of an ionic liquid (it is considered that the cost is 2 to 3 orders of magnitude lower than that of an ionic liquid) while maintaining low volatility and resistance to ignition. .. A large number of deep eutectic solvents can be considered depending on the combination of the hydrogen bond donor compound and the hydrogen bond acceptor compound.
前記深共晶溶媒としては、水素結合ドナー性の化合物と水素結合アクセプター性の化合物との混合物であって共晶により融点が大きく降下している混合物であればよく、特に制限されることなく用いることができる。例えば、常温(25℃)で固体の水素結合アクセプター性の化合物と常温(25℃)で固体又は液体の水素結合ドナー性の化合物との混合物であって、常温(25℃)で液体である深共晶溶媒が好ましい。 The deep eutectic solvent may be a mixture of a hydrogen bond donor compound and a hydrogen bond acceptor compound whose melting point is greatly lowered by eutectic, and is not particularly limited. be able to. For example, a mixture of a hydrogen bond acceptor compound that is solid at room temperature (25 ° C) and a hydrogen bond donor compound that is solid or liquid at room temperature (25 ° C), and is liquid at room temperature (25 ° C). A eutectic solvent is preferred.
前記深共晶溶媒を構成する水素結合アクセプター性の化合物としては、例えば、塩等が挙げられる。塩としては、ハロゲン塩等を用いることができる。例えば、ハロゲン塩としては、金属ハロゲン化物、非金属ハロゲン塩等が挙げられるが、実用性の観点から、金属ハロゲン化物が好ましい。 Examples of the hydrogen bond acceptor compound constituting the deep eutectic solvent include salts and the like. As the salt, a halogen salt or the like can be used. For example, examples of the halogen salt include metal halides and non-metal halides, but from the viewpoint of practicality, metal halides are preferable.
例えば、前記金属ハロゲン化物としては、前記水素結合ドナー性の化合物と混合することによって深共晶溶媒を形成するものであれば、特に制限されることなく用いることができる。例えば、前記金属ハロゲン化物としては、アルミニウムハロゲン化物(例えば、ヨウ化アルミニウム、臭化アルミニウム、塩化アルミニウム、フッ化アルミニウム等)等が挙げられ、アルミニウム空気電池に用いる観点から、アルミニウムハロゲン化物が好ましい。アルミニウムハロゲン化物としては、生産コストの観点から、塩化アルミニウムを用いることが好ましい。また、金属塩化物、金属塩化物水和物等を用いることもできる。前記金属ハロゲン化物(例えば、アルミニウムハロゲン化物)は、1種を用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、前記金属ハロゲン化物として、金属ハロゲン化物水和物を用いることができる。前記金属ハロゲン化物を含有させる場合、電解質中に、40〜80質量%が好ましく、50〜70質量%がより好ましい。その他、金属ハロゲン塩としては、例えば塩化亜鉛等が挙げられる。 For example, the metal halide can be used without particular limitation as long as it forms a deep eutectic solvent by mixing with the hydrogen bond donor compound. For example, examples of the metal halide include aluminum halides (for example, aluminum iodide, aluminum bromide, aluminum chloride, aluminum fluoride, etc.), and aluminum halides are preferable from the viewpoint of being used in an aluminum air cell. As the aluminum halide, it is preferable to use aluminum chloride from the viewpoint of production cost. Further, metal chloride, metal chloride hydrate and the like can also be used. The metal halide (for example, aluminum halide) may be used alone or in combination of two or more. As the metal halide, a metal halide hydrate can be used. When the metal halide is contained, 40 to 80% by mass is preferable, and 50 to 70% by mass is more preferable in the electrolyte. Other examples of the metal halogen salt include zinc chloride and the like.
前記非金属ハロゲン塩としては、特に限定されないが、例えば、第4級アンモニウム塩、第4級ホスホニウム塩、第3級アンモニウム塩、第1級アンモニウム塩等が挙げられる。 The non-metal halogen salt is not particularly limited, and examples thereof include a quaternary ammonium salt, a quaternary phosphonium salt, a tertiary ammonium salt, and a primary ammonium salt.
前記第4級アンモニウム塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化コリン、塩化テトラブチルアンモニウム、塩化テトラメチルアンモニウム、塩化メチルトリオクチルアンモニウム、塩化テトラオクチルアンモニウム、アセチルコリンクロリド、クロロコリンクロリド、臭化テトラエチルアンモニウム、N−(2−ヒドロキシエチル)−N,N−ジメチルベンゼンメタンアミニウムクロリド、フルオロコリンブロミド、臭化テトラブチルアンモニウム等が挙げられる。 The quaternary ammonium salt is not particularly limited, and is, for example, choline chloride, tetrabutylammonium chloride, tetramethylammonium chloride, methyltrioctylammonium chloride, tetraoctylammonium chloride, acetylcholine chloride, chlorocholine chloride, tetraethyl bromide. Examples thereof include ammonium, N- (2-hydroxyethyl) -N, N-dimethylbenzenemethaneaminium chloride, fluorocholine bromide, tetrabutylammonium bromide and the like.
前記第4級ホスホニウム塩としては、例えば、メチルトリフェニルホスホニウムブロミド、ベンジルトリフェニルホスホニウムクロリド等が挙げられる。前記第3級アンモニウムハライドとしては、例えば、2−(ジエチルアミノ)エタノール塩酸塩が挙げられる。前記第1級アンモニウムハライドとしては、例えば、エチルアミン塩酸塩が挙げられる。 Examples of the quaternary phosphonium salt include methyltriphenylphosphonium bromide, benzyltriphenylphosphonium chloride and the like. Examples of the tertiary ammonium halide include 2- (diethylamino) ethanol hydrochloride. Examples of the primary ammonium halide include ethylamine hydrochloride.
例えば、水素結合ドナー性の化合物としては、前記水素結合アクセプター性の化合物と混合することによって深共晶溶媒を形成するものであれば、特に制限されることなく用いることができる。例えば、前記水素結合ドナーとしては、エチレングリコール、グリセリン、乳酸、酒石酸、ブドウ糖、ショ糖、キシロース、アスコルビン酸、クエン酸、尿素、チオ尿素、1−メチル尿素、1,3−ジメチル尿素、1,1−ジメチル尿素、エチレン尿素、テトラメチル尿素、アセトアミド、ジメチルアセトアミド、2,2,2−トリフルオロアセトアミド、ベンズアミド、4−プロピルピリジン、2−ヒドロキシピリジン、イミダゾール、アジピン酸、安息香酸、マロン酸、シュウ酸、フェニル酢酸、3−フェニルプロピオン酸、コハク酸、1,2,3−プロパントリカルボン酸、レブリン酸、イタコン酸、キシリトール、D−ソルビトール、D−イソソルビド、4−ヒドロキシ安息香酸、コーヒー酸、p−クマル酸、trans−ケイ皮酸、スベリン酸、没食子酸、レゾルシノール、ヘキサンジオール、1,4−ブタンジオール、トリエチレングリコール;蟻酸、酢酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ドデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、エイコサン酸、ドコサン酸、テチラコサン酸、ヘキサコサン酸、オクタコサン酸、トリアコンタン酸、等の脂肪酸、等が挙げられる。 For example, the hydrogen bond donor compound can be used without particular limitation as long as it forms a deep eutectic solvent by mixing with the hydrogen bond acceptor compound. For example, as the hydrogen binding donor, ethylene glycol, glycerin, lactic acid, tartrate acid, glucose, sucrose, xylose, ascorbic acid, citric acid, urea, thiourea, 1-methylurea, 1,3-dimethylurea, 1, 1-dimethylurea, ethyleneurea, tetramethylurea, acetamide, dimethylacetamide, 2,2,2-trifluoroacetamide, benzamide, 4-propylpyridine, 2-hydroxypyridine, imidazole, adipic acid, benzoic acid, malonic acid, Shuic acid, phenylacetic acid, 3-phenylpropionic acid, succinic acid, 1,2,3-propanetricarboxylic acid, levulinic acid, itaconic acid, xylitol, D-sorbitol, D-isosorbide, 4-hydroxybenzoic acid, coffee acid, p-kumalic acid, trans-silicic acid, suberic acid, gallic acid, resorcinol, hexanediol, 1,4-butanediol, triethylene glycol; formic acid, acetic acid, butanoic acid, pentanoic acid, hexanic acid, heptanic acid, octane Acids, nonanoic acid, decanoic acid, dodecanoic acid, tetradecanoic acid, pentadecanoic acid, hexadecanoic acid, heptadecanoic acid, octadecanoic acid, eicosanoic acid, docosanoic acid, tetiracosanoic acid, hexacosanoic acid, octacosanoic acid, triaconic acid, etc. Can be mentioned.
上記記載の水素結合ドナー性の化合物のうち、実用性の観点から、窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物であることが好ましい。例えば、窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物としては、尿素、チオ尿素、1−メチル尿素、1,3−ジメチル尿素、1,1−ジメチル尿素、エチレン尿素、テトラメチル尿素等の尿素化合物;アセトアミド、ジメチルアセトアミド等の脂肪族アミド、ベンズアミド等の環状アミド(例えば、芳香族、炭素環式、又は複素環式等)等のアミド化合物;4−プロピルピリジン、2−ヒドロキシピリジン等のピリジン化合物等があげられ、安全性の観点から、尿素化合物、アミド化合物、ピリジン化合物を用いることが好ましい。 Among the above-described hydrogen-bonded donor compounds, a nitrogen-containing hydrogen-bonded donor compound is preferable from the viewpoint of practicality. For example, examples of the nitrogen-containing hydrogen-bonded donor compound include urea compounds such as urea, thiourea, 1-methylurea, 1,3-dimethylurea, 1,1-dimethylurea, ethyleneurea, and tetramethylurea; Amide compounds such as aliphatic amides such as acetoamide and dimethylacetamide, cyclic amides such as benzamide (for example, aromatic, carbocyclic or heterocyclic amides); pyridine compounds such as 4-propylpyridine and 2-hydroxypyridine From the viewpoint of safety, it is preferable to use a urea compound, an amide compound, or a pyridine compound.
水素結合アクセプター性の化合物と水素結合ドナー性の化合物との組み合わせは、組み合わせ次第で多数の深共晶溶媒が考えられるが、例えば、第4級アンモニウム塩とアミンやカルボン酸等の水素結合ドナー性の化合物との組み合わせや、前記金属ハロゲン化物と尿素化合物、アミド化合物又はピリジン化合物等の窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物との組み合わせが挙げられる。例えば、好ましい組み合わせの深共晶溶媒としては、アルミニウムハロゲン化物(好ましくは、塩化アルミニウム)と窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物(好ましくは、尿素化合物、アミド化合物、ピリジン化合物)との混合物によって形成される深共晶溶媒が挙げられる。具体的には、好ましい組み合わせとして、例えば、塩化アルミニウムと尿素、塩化アルミニウムとアセトアミド、塩化アルミニウムと4−プロピルピリジン等が挙げられる。 As for the combination of the hydrogen bond acceptor compound and the hydrogen bond donor compound, a large number of deep eutectic solvents can be considered depending on the combination. For example, a quaternary ammonium salt and a hydrogen bond donor compound such as amine or carboxylic acid can be considered. Examples thereof include a combination of the above-mentioned metal halide and a hydrogen-bonding donor compound containing nitrogen such as a urea compound, an amide compound or a pyridine compound. For example, a preferred combination of deep eutectic solvents may be a mixture of an aluminum halide (preferably aluminum chloride) and a nitrogen-containing hydrogen-bonded donor compound (preferably a urea compound, an amide compound, a pyridine compound). Examples include the deep eutectic solvent formed. Specifically, preferred combinations include, for example, aluminum chloride and urea, aluminum chloride and acetamide, aluminum chloride and 4-propylpyridine and the like.
深共晶溶媒の製造方法は、特に限定されず、周知の方法を用いることができる。例えば、アルミニウムハロゲン化物(例えば、塩化アルミニウム)と窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物(例えば、尿素、アセトアミド等)を用いて深共晶溶媒を製造する場合、まず、窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物を、必要に応じて減圧下で、100〜130℃程度で、24時間以上乾燥させる。その後、アルミニウムハロゲン化物と窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物を所定のモル比(例えば、アルミニウムハロゲン化物:窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物=1.0〜2.0:1.0)となるようにして、窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物にアルミニウムハロゲン化物をゆっくりと添加して混合物を作製する。その後、液体反応生成物が形成されるまで混合物を室温、必要であれば100〜150℃程度で0.1〜10時間程度加熱することで、深共晶溶媒を製造することができる。例えば、尿素とAlCl3との混合により深共晶溶媒が形成された場合、AlCl3(Al2Cl6単位)のヘテロリティック開裂によって、AlCl4 −アニオンと[AlCl2・尿素n]+カチオンが得られ、イオン液体と同様の機能を果たすことになると推測される。 The method for producing the deep eutectic solvent is not particularly limited, and a well-known method can be used. For example, when a deep eutectic solvent is produced using a hydrogen-bonded donor compound (eg, urea, acetamide, etc.) containing an aluminum halide (for example, aluminum chloride) and nitrogen, first, a hydrogen bond containing nitrogen is produced. The donor compound is dried under reduced pressure, if necessary, at about 100 to 130 ° C. for 24 hours or more. Then, the hydrogen-bonded donor compound containing aluminum halide and nitrogen is mixed in a predetermined molar ratio (for example, aluminum halide: hydrogen-bonded donor compound containing nitrogen = 1.0 to 2.0: 1.0). ), The aluminum halide is slowly added to the hydrogen-bonded donor compound containing nitrogen to prepare a mixture. Then, the deep eutectic solvent can be produced by heating the mixture at room temperature, if necessary, at about 100 to 150 ° C. for about 0.1 to 10 hours until a liquid reaction product is formed. For example, when a deep eutectic solvent is formed by mixing urea and AlCl 3 , heterolytic cleavage of AlCl 3 (Al 2 Cl 6 units) produces AlCl 4 - anion and [AlCl 2 -urean] + cation. It is presumed that it will be obtained and will perform the same function as an ionic liquid.
本発明において、深共晶溶媒は、天然由来の深共晶溶媒であることが好ましい。ここで、「天然由来の深共晶溶媒」(Natural Deep Eutectic Solvent)とは、前記深共晶溶媒のうち、天然由来の成分で形成される深共晶溶媒を意味する。天然由来の成分として、例えば、水素結合アクセプター性の化合物としては、塩化コリン等の第4級アンモニウム塩、又は、塩化アルミニウム等のアルミニウムハロゲン化物から構成されているものであり、水素結合ドナー性の化合物としては、尿素、エチレングリコール、グリセリン、乳酸、酒石酸、ブドウ糖、ショ糖、キシロース、アスコルビン酸、クエン酸等から構成されているものが挙げられ、具体的な組み合わせとしては、アルミニウムハロゲン化物及び窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物の組み合わせが好ましい。なお、アルミニウムハロゲン化物または窒素を含有する水素結合ドナー性の化合物は、1種であってもよく、2種以上の複数であっても良い。具体的に好ましい組み合わせとしては、AlCl3/尿素/エチレングリコールの組み合わせ等が挙げられる。AlCl3/尿素/エチレングリコールのモル比が1.0:1.0:0.1〜0.5となることが好ましい。 In the present invention, the deep eutectic solvent is preferably a naturally derived deep eutectic solvent. Here, the "naturally-derived deep eutectic solvent" (Natural Deep Eutectic Solvent) means a deep eutectic solvent formed of a naturally-derived component among the deep eutectic solvents. As a naturally occurring component, for example, the hydrogen bond acceptor compound is composed of a quaternary ammonium salt such as choline chloride or an aluminum halide such as aluminum chloride, and has a hydrogen bond donor property. Examples of the compound include those composed of urea, ethylene glycol, glycerin, lactic acid, tartrate acid, glucose, sucrose, xylose, ascorbic acid, citric acid and the like, and specific combinations include aluminum halides and nitrogen. A combination of hydrogen-bonded donor compounds containing the above is preferred. The hydrogen-bonded donor compound containing an aluminum halide or nitrogen may be one kind or a plurality of two or more kinds. Specific preferred combinations include a combination of AlCl 3 / urea / ethylene glycol and the like. The molar ratio of AlCl 3 / urea / ethylene glycol is preferably 1.0: 1.0: 0.1 to 0.5.
前記電解質として深共晶溶媒を用いる場合は、深共晶溶媒の揮発を防止する観点から、さらに、イオン液体及び高沸点の非水電解液からなる群から選択される少なくとも1種を含有することが好ましい。また、電解質に含まれるイオン液体又は高沸点の非水電解液の含有量は、揮発防止の観点から、0.1〜30質量%が好ましく、0.5〜20質量%がより好ましく、1〜10質量%がさらに好ましい。また、深共晶溶媒とイオン液体又は高沸点の非水電解液の質量比は、揮発防止の観点から、深共晶溶媒:イオン液体又は高沸点の非水電解液=1:0.01〜0.3であることが好ましい。なお、イオン液体及び高沸点の非水電解液の両者が含まれる場合は、両者を合わせた値が前記範囲に含まれるように調整されることが好ましい。なお、同様の観点から、前記電解質としてイオン液体を用いる場合は、さらに、深共晶溶媒及び高沸点の非水電解液からなる群から選択される少なくとも1種を含有することができる。その含有量等は前述の深共晶溶媒を用いた場合と同様である。 When a deep eutectic solvent is used as the electrolyte, at least one selected from the group consisting of an ionic liquid and a non-aqueous electrolyte solution having a high boiling point is further contained from the viewpoint of preventing volatilization of the deep eutectic solvent. Is preferable. The content of the ionic liquid or the high boiling point non-aqueous electrolyte solution contained in the electrolyte is preferably 0.1 to 30% by mass, more preferably 0.5 to 20% by mass, and 1 to 1 to 20% by mass, from the viewpoint of preventing volatilization. 10% by mass is more preferable. The mass ratio of the deep eutectic solvent to the ionic liquid or the non-aqueous electrolyte solution having a high boiling point is as follows: Deep eutectic solvent: ionic liquid or non-aqueous electrolyte solution having a high boiling point = 1: 0.01 to It is preferably 0.3. When both an ionic liquid and a non-aqueous electrolytic solution having a high boiling point are included, it is preferable to adjust the combined value so as to be included in the above range. From the same viewpoint, when an ionic liquid is used as the electrolyte, it can further contain at least one selected from the group consisting of a deep eutectic solvent and a non-aqueous electrolyte solution having a high boiling point. The content and the like are the same as when the above-mentioned deep eutectic solvent is used.
本発明における電解質は、溶媒の揮発防止の観点から、非水電解液を含むことができる。非水電解液としては、溶媒の揮発を防止できれば、特に制限されず、公知のものを用いることができるものの、エステル類、炭酸エステル類、エーテル類、ニトリル類、および前記の各化合物(エステル類、炭酸エステル類、エーテル類、ニトリル類)に置換基を導入した化合物よりなる群から選ばれる1種以上を含有することが望ましい。好ましいのは、エステル類、炭酸エステル類より選ばれるものである。エステル類の中では、環状構造のエステル類が好ましく、特に5員環のγブチロラクトン(γBL)が好ましい。 The electrolyte in the present invention may contain a non-aqueous electrolyte solution from the viewpoint of preventing volatilization of the solvent. The non-aqueous electrolyte solution is not particularly limited as long as it can prevent the volatilization of the solvent, and known ones can be used, but esters, carbonic acid esters, ethers, nitriles, and each of the above compounds (esters). , Carbonated esters, ethers, nitriles), and it is desirable to contain at least one selected from the group consisting of compounds in which a substituent is introduced. Preferred are those selected from esters and carbonic acid esters. Among the esters, esters having a cyclic structure are preferable, and γ-butyrolactone (γBL) having a 5-membered ring is particularly preferable.
炭酸エステル類は環状、鎖状構造いずれも用いることができる。環状炭酸エステル類は、5員環構造の炭酸エステル類が好ましく、特にエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ビニレンカーボネート(VC)、ブチレンカーボネート、γ−ブチルラクトン、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等が好ましい。粘度調整の観点から、イオン液体とともに用いることも可能である。鎖状炭酸エステル類は、炭素数7以下の炭酸エステル類が好ましく、特にジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)が好ましい。 As the carbonic acid esters, both cyclic and chain structures can be used. Cyclic carbonate esters are preferably carbonate esters having a 5-membered ring structure, and in particular, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), vinylene carbonate (VC), butylene carbonate, γ-butyl lactone, dimethyl carbonate (DMC), and the like. Ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC) and the like are preferable. From the viewpoint of viscosity adjustment, it can also be used together with an ionic liquid. As the chain carbonic acid esters, carbonic acid esters having 7 or less carbon atoms are preferable, and dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC) are particularly preferable.
エーテル類は環状、鎖状構造のいずれも用いることができる。環状エーテル類としては、5員環、および6員環構造のエーテル類が好ましく、中でも二重結合を含まないものが好ましい。鎖状エーテル類としては、炭素原子を5つ以上含むものが好ましい。例えば、テトラヒドロピラン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ブチルエーテル、イソペンチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、メチルアセテート、2−メチルテトラヒドロフラン1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、3−メチルオキサゾリジノン、ギ酸メチルスルホラン、ジメチルスルホキシド等を挙げることができる。
As the ethers, either a cyclic structure or a chain structure can be used. As the cyclic ethers, ethers having a 5-membered ring and a 6-membered ring structure are preferable, and among them, those containing no double bond are preferable. The chain ethers preferably contain 5 or more carbon atoms. For example, tetrahydropyran, dioxane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, butyl ether, isopentyl ether, 1,2-dimethoxyethane, methyl acetate, 2-
ニトリル類は、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル等を挙げることができる。 Examples of nitriles include acetonitrile, propionitrile and the like.
本発明では、電解質の揮発防止の観点から、前記非水電解液のうち、高沸点の非水電解液を用いることが好ましい。例えば、高沸点の非水電解液として、沸点が160℃以上の非水電解液であることが好ましく、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)等の環状カーボネート等を用いれば、これらが高沸点であるため、好ましい。 In the present invention, from the viewpoint of preventing volatilization of the electrolyte, it is preferable to use a non-aqueous electrolyte solution having a high boiling point among the non-aqueous electrolyte solutions. For example, as the non-aqueous electrolytic solution having a high boiling point, a non-aqueous electrolytic solution having a boiling point of 160 ° C. or higher is preferable, and if cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) are used, these are high. It is preferable because it has a boiling point.
非水電解液は単独で用いてもよいが、複数種を混合して用いた方が好ましい。特に炭酸エステル類を含むことが好ましく、中でも5員環構造の炭酸エステル類を含むことが好ましく、特にECあるいはPCを含むことが好ましい。 The non-aqueous electrolytic solution may be used alone, but it is preferable to use a mixture of a plurality of types. In particular, it is preferable to contain carbonic acid esters, and in particular, it is preferable to contain carbonic acid esters having a 5-membered ring structure, and it is particularly preferable to contain EC or PC.
非水電解液の好ましい組成は、EC/PC、EC/γBL、EC/EMC、EC/PC/EMC、EC/EMC/DEC、EC/PC/γBLである。 The preferred composition of the non-aqueous electrolyte solution is EC / PC, EC / γBL, EC / EMC, EC / PC / EMC, EC / EMC / DEC, EC / PC / γBL.
本発明では、液漏れ防止の観点から、前記電解質は、固体状であることが好ましい。固体状の電解質としては、例えば、液体電解質をゲル化したもの、液体電解質を固体化したもの、固体電解質を用いたもの等があげられる。 In the present invention, the electrolyte is preferably in a solid state from the viewpoint of preventing liquid leakage. Examples of the solid electrolyte include gelled liquid electrolytes, solidified liquid electrolytes, and solid electrolytes.
例えば、液体電解質をゲル化する方法としては、本発明における電解質に以下のようなポリマーを添加してゲル化する方法が挙げられる。このようなポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリルニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のポリマーが挙げられる。液体電解質をゲル化して用いる場合、例えば、上述したようなポリマーと液体電解質とを混合した後、前記混合液を金属負極上に塗布し、乾燥することで、固体状の電解質を作製することができる。なお、電解質に添加されるポリマーの質量比は、液漏れ防止の観点から、電解質:ポリマー=1:0.01〜0.3であることが好ましい。 For example, as a method of gelling a liquid electrolyte, there is a method of adding the following polymer to the electrolyte in the present invention to gel. Examples of such a polymer include cellulosic polymers such as polyethylene oxide (PEO), polyacrylic nitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), and carboxymethyl cellulose, and polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF). When the liquid electrolyte is gelled and used, for example, a solid electrolyte can be produced by mixing the above-mentioned polymer and the liquid electrolyte, applying the mixture onto a metal negative electrode, and drying the mixture. can. The mass ratio of the polymer added to the electrolyte is preferably electrolyte: polymer = 1: 0.01 to 0.3 from the viewpoint of preventing liquid leakage.
例えば、液体電解質を固体化する方法としては、本発明における電解質を以下のような無機粒子に含浸させて固体化する方法が挙げられる。このような無機粒子としては、例えば、ガラス、結晶、ガラスセラミックス等が挙げられ、具体的には、SiO2、TiO2、ZnO、Al2O3、BaTiO3粒子等が挙げられる。液体電解質を固体化して用いる場合、例えば、上述したようなSiO2粒子と液体電解質とを混合したスラリーを塗布し、乾燥することで、固体状の電解質を作製することができる。なお、電解質に添加される無機粒子の質量比は、液漏れ防止の観点から、電解質:無機粒子=1:0.2〜4.0であることが好ましい。 For example, as a method for solidifying a liquid electrolyte, there is a method of impregnating the following inorganic particles with the electrolyte in the present invention to solidify the liquid electrolyte. Examples of such inorganic particles include glass, crystals, glass ceramics, and the like, and specific examples thereof include SiO 2 , TiO 2 , ZnO, Al 2 O 3 , BaTiO 3 particles, and the like. When the liquid electrolyte is solidified and used, for example, a solid electrolyte can be produced by applying a slurry in which SiO 2 particles and the liquid electrolyte are mixed as described above and drying the slurry. The mass ratio of the inorganic particles added to the electrolyte is preferably electrolyte: inorganic particles = 1: 0.2 to 4.0 from the viewpoint of preventing liquid leakage.
本発明では、揮発防止の観点から、前記電解質は、さらに、保湿剤を含有することが好ましい。保湿剤としては、溶媒の揮発を防止できれば、特に制限されず、公知のものを用いることができる。例えば、電解質の溶媒に合わせて、親水性や疎水性のいずれでも特に制限なく用いることができる。例えば、疎水性の保湿剤としては、アマニ油、トウモロコシ油、オリーブ油、ヒマワリ油、菜種油、ゴマ油、大豆油、カカオ油、ヤシ油、パーム油、モクロウなどの天然油やパラフィン、ワセリン、セレシン、流動パラフィン、スクワラン、ワックス、高級脂肪酸、シリコーン油、架橋シリコーン油などがあり、単独でも2種類以上の組み合わせても使用可能である。例えば、親水性の保湿剤としては、グリセリン、ジグリセリン、トリグリセリン等のグリセリン類等があげられる。また、前述のイオン液体や高沸点の非水電解質を保湿剤として使用することもできる。なお、電解質に含まれる保湿剤の含有量は、揮発防止の観点から、0.01〜30質量%が好ましく、0.1〜15質量%がより好ましい。また、溶媒と保湿剤の質量比は、揮発防止の観点から、溶媒:保湿剤=1:0.01〜0.2であることが好ましい。 In the present invention, from the viewpoint of preventing volatilization, the electrolyte preferably further contains a moisturizer. The moisturizer is not particularly limited as long as it can prevent the solvent from volatilizing, and known moisturizers can be used. For example, either hydrophilic or hydrophobic can be used without particular limitation according to the solvent of the electrolyte. For example, hydrophobic moisturizers include flaxseed oil, corn oil, olive oil, sunflower oil, rapeseed oil, sesame oil, soybean oil, cacao oil, palm oil, palm oil, mokuro and other natural oils, paraffin, vaseline, selecin, and fluid. There are paraffin, squalane, wax, higher fatty acid, silicone oil, crosslinked silicone oil and the like, and they can be used alone or in combination of two or more kinds. For example, examples of the hydrophilic moisturizer include glycerins such as glycerin, diglycerin, and triglycerin. Further, the above-mentioned ionic liquid or non-aqueous electrolyte having a high boiling point can also be used as a moisturizer. The content of the moisturizer contained in the electrolyte is preferably 0.01 to 30% by mass, more preferably 0.1 to 15% by mass, from the viewpoint of preventing volatilization. The mass ratio of the solvent to the moisturizer is preferably solvent: moisturizer = 1: 0.01 to 0.2 from the viewpoint of preventing volatilization.
本発明における電解質は、さらに、セパレータを備えていてもよい。セパレータは、空気極と負極の絶縁性を確保するために配置することができる。セパレータに電解質を含浸させることで、空気極と負極との絶縁性及び金属イオン伝導性を確保することができる。セパレータとしては、特に限定されないが、たとえば、ポリプロピレン製不織布、ポリフェニレンスルフィド製不織布等の高分子不織布、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂等の微多孔フィルム、これらの織布またはこれらの組み合わせを用いることができる。また、セパレータとして、液体フィルター等の各種フィルター用シート、タオル、ガーゼ、ティッシュ等の各種医療・衛材用シート等を用いることもできる。何枚かを積層させることもできる。 The electrolyte in the present invention may further include a separator. The separator can be arranged to ensure the insulating property between the air electrode and the negative electrode. By impregnating the separator with an electrolyte, the insulating property between the air electrode and the negative electrode and the metal ion conductivity can be ensured. The separator is not particularly limited, and for example, a polymer non-woven fabric such as a polypropylene non-woven fabric or a polyphenylene sulfide non-woven fabric, a microporous film such as an olefin resin such as polyethylene or polypropylene, a woven fabric thereof, or a combination thereof may be used. Can be done. Further, as the separator, various filter sheets such as a liquid filter, various medical / protective material sheets such as towels, gauze, and tissues can also be used. You can also stack several sheets.
セパレータの厚さは、絶縁性確保と電池を薄型化する観点から、0.01mm〜5mmが好ましく、0.05mm〜1mmがより好ましい。 The thickness of the separator is preferably 0.01 mm to 5 mm, more preferably 0.05 mm to 1 mm, from the viewpoint of ensuring insulation and reducing the thickness of the battery.
<金属空気電池>
本発明の金属空気電池は、通常、空気極、負極、電解質を収納する電池ケースを有することができる。電池ケースの形状は、特に限定されないが、具体的には、コイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等の1次電池及び2次電池に適用される所望の形状をとることができる。電池ケースは、大気開放型であっても、密閉型であってもよい。大気開放型の電池ケースは、少なくとも空気極が十分に大気と接触可能な構造を有する。一方、密閉型の電池ケースは、正極活物質である酸素(空気)の導入管および排気管を設けることができる。この場合、電池ケースに導入する気体は、酸素濃度が高いことが好ましく、純酸素であることがより好ましい。また、電池ケースに、電解液等の補充を行うための注入孔等の構造を設けてもよい。
<Metal-air battery>
The metal-air battery of the present invention can usually have a battery case that houses an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte. The shape of the battery case is not particularly limited, but specifically, it can take a desired shape applied to the primary battery and the secondary battery such as a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminated type. The battery case may be an open type to the atmosphere or a closed type. The open-air battery case has a structure in which at least the air electrode can sufficiently contact the atmosphere. On the other hand, the sealed battery case can be provided with an oxygen (air) introduction pipe and an exhaust pipe, which are positive electrode active materials. In this case, the gas to be introduced into the battery case preferably has a high oxygen concentration, and more preferably pure oxygen. Further, the battery case may be provided with a structure such as an injection hole for replenishing the electrolytic solution or the like.
本発明の金属空気電池の製造方法について説明する。本発明の金属空気電池の製造方法は、特に限定されるものではなく、周知の方法を用いることができる。たとえば、コインセル型の金属空気電池を製造する場合は、不活性ガス雰囲気下において、まず、負極を電池ケースに配置し、次に、その負極上にセパレータを配置し、次に、そのセパレータ上から、電解液を注液し、次に、触媒層および正極集電体を有する空気極を、触媒層をセパレータ側に向けて配置し、次に、空気極側電池ケースに配置し、これらを最後にかしめる方法等を挙げることができるが、これに限定されない。 The method for manufacturing the metal-air battery of the present invention will be described. The method for producing the metal-air battery of the present invention is not particularly limited, and a well-known method can be used. For example, in the case of manufacturing a coin cell type metal-air battery, in an inert gas atmosphere, the negative electrode is first placed in the battery case, then the separator is placed on the negative electrode, and then from above the separator. , The electrolyte is injected, then the air electrode with the catalyst layer and the positive electrode current collector is placed with the catalyst layer facing the separator side, then placed in the air electrode side battery case, and these are finally placed. The method of caulking can be mentioned, but the method is not limited to this.
本発明の金属空気電池は、1次電池用又は2次電池用として用いることができる。本発明の金属空気電池は、通常の1次電池や2次電池が使用できる機器への適用が可能である。たとえば、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品、定置型電源等が挙げられる。そのほか、パソコンや携帯端末等のメモリのバックアップ電源、パソコン等の瞬時停電対策用電源等の用途はもちろんのこと、電気自動車またはハイブリッド自動車、太陽電池と併用したソーラー発電エネルギー貯蔵システム等の用途まで種々の産業分野において様々な用途に好適に用いることができる。 The metal-air battery of the present invention can be used for a primary battery or a secondary battery. The metal-air battery of the present invention can be applied to a device that can use a normal primary battery or a secondary battery. For example, mobile phones, mobile devices, robots, personal computers, in-vehicle devices, various home electric appliances, stationary power supplies, and the like can be mentioned. In addition, it can be used not only as a backup power source for memory of personal computers and mobile terminals, as a power source for measures against instantaneous power outages such as personal computers, but also as an electric vehicle or hybrid vehicle, a solar power generation energy storage system used in combination with a solar cell, and the like. It can be suitably used for various purposes in the industrial field of.
本発明の金属空気電池は、アルミニウム空気電池に分類され、理論容量は8100Wh/kgとされている。本発明の金属空気電池は、安全性やコスト等の観点から、深共晶溶媒系の電解質を用いた金属空気電池とすることができ、例えば、深共晶溶媒系の電解質を用いたアルミニウム空気電池とすることができる。さらに、本発明の金属空気電池は、電解質の液漏れ防止や長期安定性の確保の観点から、電解質を固体状とした全固体型金属空気電池とすることができ、例えば、全固体型アルミニウム空気電池とすることができる。 The metal-air battery of the present invention is classified as an aluminum-air battery and has a theoretical capacity of 8100 Wh / kg. The metal-air battery of the present invention can be a metal-air battery using a deep eutectic solvent-based electrolyte from the viewpoint of safety, cost, and the like. For example, aluminum air using a deep eutectic solvent-based electrolyte. It can be a battery. Further, the metal-air battery of the present invention can be an all-solid-state metal-air battery in which the electrolyte is in a solid state from the viewpoint of preventing liquid leakage of the electrolyte and ensuring long-term stability. For example, all-solid-state aluminum air. It can be a battery.
以下、本発明に関し実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、実施例等における評価項目は下記のようにして測定を行った。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples as long as the gist of the present invention is not exceeded. The evaluation items in the examples and the like were measured as follows.
(1)充放電特性、電池容量
下記のようにして得た各金属空気電池の充放電特性を下記の条件で行った。なお、充放電は放電スタートとし、25℃の環境下で充放電を行った。実施例1における1および25サイクル後に測定した電池の容量と電圧を、図3に示した。電池容量については、充放電曲線から算出した。
・放電条件:0.1mA/cm2の定電流で電池電圧0.2Vになるまで放電を行った。
・充電条件:0.1mA/cm2の定電流で電池電圧2.0Vになるまで充電を行った。
(1) Charge / discharge characteristics and battery capacity The charge / discharge characteristics of each metal-air battery obtained as described below were performed under the following conditions. The charging / discharging was started, and the charging / discharging was performed in an environment of 25 ° C. The battery capacities and voltages measured after 1 and 25 cycles in Example 1 are shown in FIG. The battery capacity was calculated from the charge / discharge curve.
-Discharge conditions: Discharge was performed at a constant current of 0.1 mA / cm 2 until the battery voltage reached 0.2 V.
-Charging conditions: The battery was charged with a constant current of 0.1 mA / cm 2 until the battery voltage reached 2.0 V.
(2)サイクリックボルタモグラム
下記のようにして得た各金属空気電池について、下記条件にて電気化学測定を実施した。その際、測定される電極面積は、両極ともに1cm2であった。
(2) Cyclic Voltamogram Electrochemical measurement was carried out under the following conditions for each metal-air battery obtained as described below. At that time, the measured electrode area was 1 cm 2 for both electrodes.
測定方法はサイクリックボルタンメトリー(0〜2.0V)を採用した。測定は二極式で行った(アルミニウム負極と空気極)。測定装置としては、ガルバノスタット(SP−150、BioLogic社製(フランス))を用いた。測定は、温度25℃(測定開始前に恒温槽にて3時間静置)、通常の大気圧雰囲気条件、スキャン速度10mV/sで行った。実施例1における1および25サイクル後のサイクリックボルタモグラムを、図2に示した。 Cyclic voltammetry (0 to 2.0 V) was adopted as the measuring method. The measurement was performed by a bipolar method (aluminum negative electrode and air electrode). As a measuring device, a galvanostat (SP-150, manufactured by BioLogic (France)) was used. The measurement was carried out at a temperature of 25 ° C. (standing in a constant temperature bath for 3 hours before the start of measurement), normal atmospheric pressure atmosphere conditions, and a scanning speed of 10 mV / s. The cyclic voltammograms after 1 and 25 cycles in Example 1 are shown in FIG.
(3)防錆性に関する評価
下記のようにして得た各金属空気電池について、下記条件にて防錆性評価を行った。具体的には、各金属空気電池(n=12個)を3回サイクリック特性を評価した後、空気極の集電体を取り出し、目視により集電体表面の色合いの変化(錆の有無)を確認した。評価結果を表1に示した。
(3) Evaluation of rust prevention property Each metal-air battery obtained as described below was evaluated for rust prevention property under the following conditions. Specifically, after evaluating the cyclic characteristics of each metal-air battery (n = 12) three times, the current collector of the air electrode is taken out, and the color tone of the current collector surface changes visually (presence or absence of rust). It was confirmed. The evaluation results are shown in Table 1.
試験前と同等な色合いで実質的な変化が認められない場合は◎
12個のうち1〜4個について錆があった場合は○
12個のうち5〜8個について錆があった場合は△
12個のうち9〜12個について錆があった場合は×
<実施例1>
(負極)
厚さ1mmの市販の金属アルミニウム(Al A1050、純度99.5%)を、φ10mmに切り出して負極を製造した。
If the color is the same as before the test and no substantial change is observed, ◎
If 1 to 4 out of 12 are rusted, ○
If 5 to 8 out of 12 are rusted, △
If 9 to 12 out of 12 are rusted, ×
<Example 1>
(Negative electrode)
A commercially available metallic aluminum (Al A1050, purity 99.5%) having a thickness of 1 mm was cut into a diameter of 10 mm to produce a negative electrode.
(空気極)
空気極触媒材料として市販の窒化チタン/ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(Sigma Aldrich Co.)/N−メチルピロリドン溶液を質量比1:1:2で秤量し、十分に混合した後、集電体となるチタン金属メッシュ(開口200μm)上に厚さ100μmとなるように塗布し、120℃、1hrで乾燥し、チタン金属メッシュ上に触媒層を形成した。作成した触媒層を市販のPtナノコロイド(GSアライアンス株式会社製、GS NC Pt)0.2%水溶液に室温において2時間含侵した。その後、φ10mmに加工し、空気極とした。
(Air pole)
A commercially available titanium nitride / polyvinylidene fluoride (PVDF) (Sigma-Aldrich Co.) / N-methylpyrrolidone solution as an air electrode catalyst material is weighed at a mass ratio of 1: 1: 2, and after sufficient mixing, it is combined with a current collector. The titanium metal mesh (opening 200 μm) was coated with a thickness of 100 μm and dried at 120 ° C. for 1 hr to form a catalyst layer on the titanium metal mesh. The prepared catalyst layer was impregnated with a commercially available 0.2% aqueous solution of Pt nanocolloid (GS NC Pt, manufactured by GS Alliance Co., Ltd.) at room temperature for 2 hours. Then, it was processed to φ10 mm and used as an air electrode.
(電解質)
尿素(Sigma Aldrich Co.、純度99%)とAlCl3(Sigma Aldrich Co.、純度99%)との混合物(モル比1:1)を液体反応生成物が形成されるまで室温で2時間以上混合して、深共晶溶媒を含有する電解質を作製した。電解質は、セパレータ(φ10mm、厚さ100μm、材料:ガーゼ)に染み込ませて、用いた。
(Electrolytes)
A mixture of urea (Sigma Aldrich Co., purity 99%) and AlCl 3 (Sigma Aldrich Co., purity 99%) (molar ratio 1: 1) is mixed at room temperature for at least 2 hours until a liquid reaction product is formed. Then, an electrolyte containing a deep eutectic solvent was prepared. The electrolyte was impregnated into a separator (φ10 mm,
(金属空気電池の製造)
まず、上記で製造した負極を、内径10mm、長さ30mmのフッ素樹脂金型の片側にはめ込んだ。次に、負極の上から、上記で製造した電解質が染み込んだガーゼを配置した。次に、気泡が入らないように、触媒層側をガーゼと接触するように、上記で製造した空気極を配置して、金属空気電池を製造した。
(Manufacturing of metal-air batteries)
First, the negative electrode manufactured above was fitted into one side of a fluororesin mold having an inner diameter of 10 mm and a length of 30 mm. Next, the gauze impregnated with the electrolyte produced above was placed on the negative electrode. Next, the metal-air battery was manufactured by arranging the air electrodes manufactured above so that the catalyst layer side was in contact with the gauze so that air bubbles did not enter.
<実施例2>
実施例1において、正極集電体をモリブデン金属メッシュ(開口200μm)としたこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Example 2>
In Example 1, a metal-air battery was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the positive electrode current collector was a molybdenum metal mesh (opening 200 μm).
<実施例3>
実施例1において、正極集電体をインコネル金属メッシュ(開口200μm)としたこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Example 3>
In Example 1, a metal-air battery was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the positive electrode current collector was an Inconel metal mesh (opening 200 μm).
<実施例4>
実施例1において、正極集電体をカーボンペーパー(開口200μm)としたこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Example 4>
In Example 1, a metal-air battery was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the positive electrode current collector was carbon paper (opening 200 μm).
<実施例5>
実施例1において、窒化チタンをB、N、S(ホウ素、窒素や硫黄)でドープされたカーボンアロイ(市販品)としたこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Example 5>
A metal-air battery was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that titanium nitride was a carbon alloy (commercially available) doped with B, N, and S (boron, nitrogen, and sulfur) in Example 1.
<実施例6>
実施例1において、窒化チタンをペロブスカイト型複合酸化物(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF、Sigma Aldrich Co.))としたこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Example 6>
Example 1 except that titanium nitride was a perovskite-type composite oxide (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF, Sigma Aldrich Co.)) in Example 1. A metal-air battery was manufactured under the same conditions as above.
<実施例7>
実施例1において、正極集電体をタングステン金属メッシュ(開口200μm)としたこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Example 7>
In Example 1, a metal-air battery was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the positive electrode current collector was a tungsten metal mesh (opening 200 μm).
<実施例8>
実施例1において、Ptナノコロイドを市販のグラフェン量子ドット(GSアライアンス株式会社、GS QD Graphene)としたこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Example 8>
In Example 1, a metal-air battery was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the Pt nanocolloid was a commercially available graphene quantum dot (GS Alliance Co., Ltd., GS QD Graphene).
<実施例9>
実施例1において、Ptナノコロイドを市販の金属有機構造体(MOF)由来の炭素系材料(GSアライアンス株式会社、GS MOF Mil 100 (fe))としたこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Example 9>
Under the same conditions as in Example 1, except that the Pt nanocolloid was used as a commercially available carbon-based material derived from a metal-organic framework (MOF) (GS Alliance Co., Ltd., GS MOF Mill 100 (fe)). Manufactured a metal-air battery.
<実施例10>
実施例1において、実施例1の電解質を以下のように固体化したこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Example 10>
In Example 1, a metal-air battery was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the electrolyte of Example 1 was solidified as follows.
(電解質)
実施例1で得られた深共晶溶媒を含有する電解質と、カルボキシメチルセルロースポリマー(ダイセルファインケム社製)とを25℃で2時間混合した(質量比は、電解質:ポリマー=1:1)後、金属負極上に塗布し、乾燥することで、固体状の電解質を作製した。
(Electrolytes)
The electrolyte containing the deep eutectic solvent obtained in Example 1 and a carboxymethyl cellulose polymer (manufactured by Daicel FineChem) were mixed at 25 ° C. for 2 hours (mass ratio: electrolyte: polymer = 1: 1), and then. A solid electrolyte was prepared by applying it on a metal negative electrode and drying it.
<比較例1>
実施例1において、正極集電体をステンレス金属メッシュ(開口200μm)とし、Ptナノコロイドを担持させなかったこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Comparative example 1>
In Example 1, a metal-air battery was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the positive electrode current collector was a stainless metal mesh (opening 200 μm) and no Pt nanocolloid was supported.
<比較例2>
実施例1において、正極集電体をニッケル金属メッシュ(開口200μm)とし、Ptナノコロイドを担持させず、電解質を以下のように作成したこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Comparative example 2>
In Example 1, the metal-air battery was used under the same conditions as in Example 1 except that the positive electrode current collector was a nickel metal mesh (opening 200 μm), the Pt nanocolloid was not supported, and the electrolyte was prepared as follows. Manufactured.
(電解質)
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド(Sigma Aldrich Co.、純度99%)とAlCl3との混合物(モル比1:1)を電解質として用いた。
(Electrolytes)
A mixture of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (Sigma Aldrich Co., purity 99%) and AlCl 3 (molar ratio 1: 1) was used as the electrolyte.
<比較例3>
実施例1において、Ptナノコロイドを担持させず、電解質を以下のように作成したこと以外は、実施例1と同じ条件で金属空気電池を製造した。
<Comparative example 3>
In Example 1, a metal-air battery was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the Pt nanocolloid was not supported and the electrolyte was prepared as follows.
(電解質)
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド(Sigma Aldrich Co.、純度99%)とAlCl3との混合物(モル比1:1)を電解質として用いた。
(Electrolytes)
A mixture of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (Sigma Aldrich Co., purity 99%) and AlCl 3 (molar ratio 1: 1) was used as the electrolyte.
以上の結果を表1及び図2〜図3に示す。 The above results are shown in Table 1 and FIGS. 2 to 3.
(結果及び考察)
表1に示す通り、実施例1〜9と比較例1〜3を比較すると、実施例1〜9では、電解液中に腐食性のある成分(AlCl3等)が含まれているにもかかわらず、正極集電体の腐食を抑制でき、電池を長持ちさせることができた。さらに、実施例1〜9では、様々な触媒を担持することで、酸化還元反応を増加させて、電池容量等の電気特性を向上させることができた。
(Results and discussion)
As shown in Table 1, when Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 3 are compared, in Examples 1 to 9, although the electrolytic solution contains a corrosive component (AlCl 3, etc.), it is contained. However, corrosion of the positive electrode current collector could be suppressed, and the battery could last longer. Further, in Examples 1 to 9, by supporting various catalysts, the redox reaction could be increased and the electrical characteristics such as the battery capacity could be improved.
実施例10に関して、これは全固体型電池となっているので、電極/電解質の界面抵抗が高く、実施例1〜9よりも電池容量が小さくなっていると推測される。しかしながら、実施例10は、全固体型であることに価値がある。実施例10では、例えば、表1に記載がないものの、全固体型の比較例に比べると、十分に酸化還元反応を増加させて、電池容量等の電気特性を向上させることができていると考える。また、実施例10では、電解液中に腐食性のある成分(AlCl3等)が含まれているにもかかわらず、正極集電体の腐食を抑制でき、電池を長持ちさせることができた。 With respect to Example 10, since this is an all-solid-state battery, it is presumed that the interfacial resistance of the electrode / electrolyte is high and the battery capacity is smaller than that of Examples 1 to 9. However, it is worthwhile that Example 10 is an all-solid-state type. In Example 10, for example, although not shown in Table 1, it is said that the redox reaction can be sufficiently increased and the electrical characteristics such as the battery capacity can be improved as compared with the all-solid-state comparative example. think. Further, in Example 10, although the electrolytic solution contains a corrosive component (AlCl 3, etc.), the corrosion of the positive electrode current collector can be suppressed and the battery can be made to last longer.
アルミニウム空気二次電池ではAlCl4 −やAl2Cl7 −が電荷担体と言われており、例えば負極では以下の反応により、アルミニウムの酸化還元が進行して、充放電が可能であると推測されている。
4Al2Cl7 −+ 3e− ⇔ Al + 7AlCl4 −
また空気極側では以下の2電子反応や4電子反応により、酸素の酸化還元反応が進行していると推測されている。
2電子反応
O2 + 2H+ + 2e− → 2H2O2
H2O2 + 2H+ + 2e− → 2H2O
4電子反応
O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O
The aluminum air battery AlCl 4 - or Al 2 Cl 7 - is said to charge carriers, by the following reaction, for example the negative electrode, the redox of aluminum proceeds, estimated to be can be charged and discharged ing.
4Al 2 Cl 7 − + 3e − ⇔ Al + 7AlCl 4 −
Further, on the air electrode side, it is presumed that the redox reaction of oxygen is proceeding by the following two-electron reaction and four-electron reaction.
2-electron reaction O 2 + 2H + + 2e - → 2H 2
H 2 O 2 + 2H + + 2e - → 2H 2 O
4-electron reaction O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O
1 負極
2 電解質
3 空気極
1
Claims (9)
前記空気極は、空気極触媒材料を含有する触媒層と、正極集電体とを有し、
前記正極集電体は、チタン金属、モリブデン金属、ニッケル系合金、タングステン金属、ジルコニウム金属、タンタル金属及びカーボン系からなる群から選択される少なくとも1種を含有し、
前記空気極触媒材料は、非酸化物セラミック、炭素系材料、及び複合酸化物からなる群から選択される少なくとも1種を含有し、
さらに、前記空気極触媒材料は、貴金属系ナノコロイド、炭素量子ドット、グラフェン量子ドット、金属有機構造体(MOF)、金属有機構造体(MOF)由来の炭素系材料、及び金属有機構造体(MOF)由来の酸化物系材料からなる群から選択される少なくとも1種により担持されている金属空気電池。 A metal-air battery having a negative electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed between the negative electrode and the air electrode.
The air electrode has a catalyst layer containing an air electrode catalyst material and a positive electrode current collector.
The positive electrode current collector contains at least one selected from the group consisting of titanium metal, molybdenum metal, nickel alloy, tungsten metal, zirconium metal, tantalum metal and carbon metal.
The air electrode catalyst material contains at least one selected from the group consisting of non-oxide ceramics, carbon-based materials, and composite oxides.
Further, the air electrode catalyst material includes a noble metal nanocolloid, a carbon quantum dot, a graphene quantum dot, a metal organic structure (MOF), a carbon material derived from the metal organic structure (MOF), and a metal organic structure (MOF). A metal-air battery supported by at least one selected from the group consisting of oxide-based materials derived from).
The metal-air battery according to any one of claims 1 to 8, which is for a primary battery or a secondary battery.
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