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JP6302424B2 - Lithium air secondary battery - Google Patents

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JP6302424B2 JP2015047179A JP2015047179A JP6302424B2 JP 6302424 B2 JP6302424 B2 JP 6302424B2 JP 2015047179 A JP2015047179 A JP 2015047179A JP 2015047179 A JP2015047179 A JP 2015047179A JP 6302424 B2 JP6302424 B2 JP 6302424B2
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Description

本発明はリチウム空気二次電池に関する。本発明は、例えば鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの従来の二次電池よりも小型軽量で、かつ遙かに大きい放電容量を実現できるリチウム空気二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium air secondary battery. The present invention relates to a lithium-air secondary battery that is smaller and lighter than a conventional secondary battery such as a lead storage battery or a lithium ion battery and that can realize a discharge capacity that is much larger.

正極活物質として空気中の酸素を用いるリチウム空気二次電池は、電池外部から常に酸素が供給され、電池内に大量の負極活物質である金属リチウムを充填することができる。このため、電池の単位体積当たりの放電容量の値を非常に大きくできることが報告されている。   A lithium-air secondary battery that uses oxygen in the air as a positive electrode active material is always supplied with oxygen from the outside of the battery, and a large amount of metallic lithium, which is a negative electrode active material, can be filled in the battery. For this reason, it has been reported that the value of the discharge capacity per unit volume of the battery can be greatly increased.

これまでに非特許文献1や非特許文献2に報告されているように、正極であるガス拡散型空気極に種々の触媒を添加することにより、放電容量、サイクル特性などの電池性能を改善する試みがなされている。   As reported in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 so far, battery performance such as discharge capacity and cycle characteristics is improved by adding various catalysts to the gas diffusion air electrode as the positive electrode. Attempts have been made.

ガス拡散型空気極の電極触媒として遷移金属酸化物が検討されている。例えば、上記文献では、非特許文献1においてλ−MnO2などの遷移金属酸化物が、非特許文献2では主に酸化鉄(Fe23)、コバルト酸化物(Co34)などの遷移金属酸化物が検討されている。 Transition metal oxides have been studied as electrode catalysts for gas diffusion air electrodes. For example, in the above document, transition metal oxides such as λ-MnO 2 are used in Non-Patent Document 1, and iron oxide (Fe 2 O 3 ), cobalt oxide (Co 3 O 4 ) and the like are mainly used in Non-Patent Document 2. Transition metal oxides have been investigated.

J. Read, Journal of The Electrochemical Society, Vol.149, pp.A1190-A1195 (2002).J. Read, Journal of The Electrochemical Society, Vol.149, pp.A1190-A1195 (2002). Aurelie Debart et al., Journal of Power Sources, Vol.174, pp.1177-1182 (2007).Aurelie Debart et al., Journal of Power Sources, Vol.174, pp.1177-1182 (2007).

非特許文献1および非特許文献2には、以下のようなリチウム空気二次電池の電池特性の試験の結果が示されている。   Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 show the results of the battery characteristic test of the lithium air secondary battery as follows.

非特許文献1に開示されている二次電池では、充放電サイクルは可能であったが、4サイクル後に放電容量は約1/4に低下し、二次電池としての性能は低いものであった。また、非特許文献1に開示されている二次電池では、充電電圧が、約4.0Vであり、平均放電電圧の2.7Vと比較して非常に大きく、充放電エネルギー効率が低いという課題がある。   In the secondary battery disclosed in Non-Patent Document 1, a charge / discharge cycle was possible, but after 4 cycles, the discharge capacity was reduced to about 1/4, and the performance as a secondary battery was low. . Further, in the secondary battery disclosed in Non-Patent Document 1, the charging voltage is about 4.0V, which is very large compared to the average discharge voltage of 2.7V, and the charge / discharge energy efficiency is low. There is.

一方、非特許文献2では、9種類の触媒を検討し、空気極に含まれるカーボンの重量当たりで1000〜3000mAh/gの非常に大きな放電容量が得られている。しかしながら、充放電を繰り返すと、放電容量の低下が著しく、例えば、Co34の場合、10サイクルで容量維持率が約65%となる。このように、非特許文献2のリチウム空気二次電池でも著しい容量の減少が見られ、二次電池としての十分な特性は得られていない。また、ほとんどの場合で平均放電電圧は2.5V程度であり、一方、充電電圧は4.0〜4.5Vを示し、最も低いものでも3.9V程度である。このため、非特許文献2のリチウム空気二次電池の充放電エネルギー効率は低い。 On the other hand, in Non-Patent Document 2, nine types of catalysts are examined, and a very large discharge capacity of 1000 to 3000 mAh / g is obtained per weight of carbon contained in the air electrode. However, when charging and discharging are repeated, the discharge capacity is remarkably reduced. For example, in the case of Co 3 O 4 , the capacity retention rate becomes about 65% after 10 cycles. As described above, the lithium-air secondary battery of Non-Patent Document 2 also shows a significant decrease in capacity, and sufficient characteristics as a secondary battery are not obtained. In most cases, the average discharge voltage is about 2.5 V, while the charging voltage is 4.0 to 4.5 V, and the lowest is about 3.9 V. For this reason, the charge / discharge energy efficiency of the lithium-air secondary battery of Non-Patent Document 2 is low.

本発明は、高容量二次電池として作動し、充放電の電圧差が小さく、充放電サイクルを繰り返しても放電容量の低下が小さいリチウム空気二次電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a lithium-air secondary battery that operates as a high-capacity secondary battery, has a small charge / discharge voltage difference, and has a small decrease in discharge capacity even after repeated charge / discharge cycles.

本発明の課題を解決するための手段の一例は、空気極、リチウムを含む負極、および電解質を含み、前記電解質が、前記空気極および前記負極に接しているリチウム空気二次電池であって、前記空気極が触媒を含み、前記触媒がリン化モリブデン(MoP)を含むことを特徴とするリチウム空気二次電池である。   An example of means for solving the problems of the present invention is a lithium-air secondary battery including an air electrode, a negative electrode including lithium, and an electrolyte, and the electrolyte is in contact with the air electrode and the negative electrode, In the lithium-air secondary battery, the air electrode includes a catalyst, and the catalyst includes molybdenum phosphide (MoP).

ここで、前記リン化モリブデンが、硫黄(S)を含有することが好ましい。また、前記硫黄の含有量が、原子比で、前記硫黄を含有する前記リン化モリブデン全体の1〜50%または20〜40%であることが好ましい。更に、前記リン化モリブデンのBET比表面積が、30m2/g以上、40m2/g以上、または50m2/g以上であることが好ましい。 Here, it is preferable that the molybdenum phosphide contains sulfur (S). Moreover, it is preferable that content of the said sulfur is 1-50% or 20-40% of the whole said molybdenum phosphide containing the said sulfur by atomic ratio. Further, the BET specific surface area of the molybdenum phosphide is preferably 30 m 2 / g or more, 40 m 2 / g or more, or 50 m 2 / g or more.

本発明の課題を解決するための手段の別の例は、前述のリチウム空気二次電池を含むリチウム空気二次電池セルである。   Another example of means for solving the problems of the present invention is a lithium air secondary battery cell including the above-described lithium air secondary battery.

上述した本発明のリチウム空気二次電池によれば、電池性能の改善を達成することができる。本発明のリチウム空気二次電池によれば、従来よりも優れたサイクル特性を実現でき、更にエネルギー効率などを改善することができる。具体的には、充放電の電圧差が小さく、かつ充放電サイクルを繰り返しても放電容量の低下を抑えることができるリチウム空気二次電池を提供できる。   According to the lithium air secondary battery of the present invention described above, the battery performance can be improved. According to the lithium air secondary battery of the present invention, it is possible to realize cycle characteristics superior to those of the prior art, and further improve energy efficiency and the like. Specifically, it is possible to provide a lithium-air secondary battery that has a small charge / discharge voltage difference and that can suppress a decrease in discharge capacity even after repeated charge / discharge cycles.

本発明によるリチウム空気二次電池の基本的な概念図である。1 is a basic conceptual diagram of a lithium air secondary battery according to the present invention. 実施例において測定に用いたリチウム空気二次電池セルの構造を示すための概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for showing the structure of the lithium air secondary battery cell used for the measurement in an Example. 実施例1および実施例2のリチウム空気二次電池の初回の充放電曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the first charging / discharging curve of the lithium air secondary battery of Example 1 and Example 2. FIG. 実施例1、実施例2、および比較例1のリチウム空気二次電池の放電容量のサイクル依存性を示す図である。It is a figure which shows the cycle dependence of the discharge capacity of the lithium air secondary battery of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. FIG.

以下に、図面を参照しつつ、本発明のリチウム空気二次電池の一実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the lithium-air secondary battery of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[リチウム空気二次電池の構成]
図1に示されるように、本実施形態のリチウム空気二次電池100は、空気極(正極)101、負極102、および電解質(例えば有機電解質)103を少なくとも含む。前記空気極101は正極として機能する。電解質103は、空気極101および負極102に接している。電解質103は、空気極101と負極102との間に配置され得る。
[Configuration of lithium-air secondary battery]
As shown in FIG. 1, the lithium-air secondary battery 100 of this embodiment includes at least an air electrode (positive electrode) 101, a negative electrode 102, and an electrolyte (for example, an organic electrolyte) 103. The air electrode 101 functions as a positive electrode. The electrolyte 103 is in contact with the air electrode 101 and the negative electrode 102. The electrolyte 103 can be disposed between the air electrode 101 and the negative electrode 102.

以下に上記の各構成要素について説明する。
(I)空気極(正極)
空気極101は、少なくとも触媒を含む。
Each of the above components will be described below.
(I) Air electrode (positive electrode)
The air electrode 101 includes at least a catalyst.

(I−1)触媒
空気極101は、触媒(電極触媒)としてリン化モリブデン(MoP)を含む。特に、リン化モリブデンを含むことで、空気極101は、酸素還元(放電)及び酸素発生(充電)の両反応に対して高活性となり、二次電池としての性能を高めることができる。
(I-1) Catalyst The air electrode 101 contains molybdenum phosphide (MoP) as a catalyst (electrode catalyst). In particular, by including molybdenum phosphide, the air electrode 101 becomes highly active with respect to both reactions of oxygen reduction (discharge) and oxygen generation (charge), and the performance as a secondary battery can be enhanced.

空気極101では、電解質/電極触媒/空気(酸素)の三相界面サイトにおいて、電極反応が進行する。即ち、空気極101中に電解質103(典型的には有機電解液)が浸透し、同時に大気中の酸素ガスが供給され、電解質−電極触媒−空気(酸素)が共存する三相界面サイトが形成される。電極触媒が高活性であれば、酸素還元(放電)及び酸素発生(充電)がスムーズに進行し、電池性能は大きく向上することになる。   In the air electrode 101, an electrode reaction proceeds at a three-phase interface site of electrolyte / electrode catalyst / air (oxygen). That is, the electrolyte 103 (typically an organic electrolyte solution) penetrates into the air electrode 101, and at the same time, oxygen gas in the atmosphere is supplied to form a three-phase interface site in which electrolyte-electrode catalyst-air (oxygen) coexists. Is done. If the electrode catalyst is highly active, oxygen reduction (discharge) and oxygen generation (charge) proceed smoothly, and battery performance is greatly improved.

空気極101での反応は次のように表すことができる。   The reaction at the air electrode 101 can be expressed as follows.

2Li++(1/2)O2+2e- → Li2O (1)
2Li++O2+2e- → Li22 (2)
2Li + + (1/2) O 2 + 2e → Li 2 O (1)
2Li + + O 2 + 2e → Li 2 O 2 (2)

上式中のリチウムイオン(Li+)は、負極102から電気化学的酸化により電解質103中に溶解し、この電解質103中を空気極101の表面まで移動してきたものである。また、酸素(O2)は、大気(空気)中から空気極101の内部に取り込まれたものである。なお、負極102から溶解する材料(Li+)、空気極101で析出する材料(Li22)、および空気(O2)を図1の構成要素と共に示した。 Lithium ions (Li + ) in the above formula are dissolved in the electrolyte 103 from the negative electrode 102 by electrochemical oxidation, and move through the electrolyte 103 to the surface of the air electrode 101. Oxygen (O 2 ) is taken into the air electrode 101 from the atmosphere (air). The material (Li +) to dissolve from the anode 102, the material (Li 2 O 2) to be deposited in the air electrode 101, and shows air (O 2) together with the components of FIG.

空気極101の電極触媒として使用されるリン化モリブデンに硫黄(S)を含有させた場合、リン化モリブデン中に含まれる硫黄が酸素の活性中心となるため、電極触媒の酸素との相互作用が強くなり、多くの酸素種をリン化モリブデン表面に吸着できる。このように、リン化モリブデン表面上に吸着された酸素種は、上記式(1)および式(2)の酸素源(活性な中間反応体)として酸素還元反応に使用され、上記反応が容易に進むようになる。また、式(1)および式(2)の逆反応である充電反応に対しても、上記のリン(P)化物は活性を有している。従って、電池の充電、つまり、空気極101上での酸素発生反応も効率よく進行する。このように、硫黄を含有させたリン化モリブデンは、電極触媒として有効に機能する。   When sulfur (S) is contained in molybdenum phosphide used as the electrode catalyst of the air electrode 101, sulfur contained in the molybdenum phosphide serves as an active center of oxygen, so that the interaction of the electrode catalyst with oxygen is reduced. It becomes stronger and can adsorb many oxygen species on the surface of molybdenum phosphide. As described above, the oxygen species adsorbed on the molybdenum phosphide surface is used in the oxygen reduction reaction as an oxygen source (active intermediate reactant) of the above formulas (1) and (2), and the above reaction can be easily performed. Come on. Moreover, said phosphorus (P) compound has activity also with respect to the charging reaction which is a reverse reaction of Formula (1) and Formula (2). Therefore, battery charging, that is, oxygen generation reaction on the air electrode 101 also proceeds efficiently. Thus, molybdenum phosphide containing sulfur functions effectively as an electrode catalyst.

リチウム空気二次電池においては、電池の効率を上げるために、電極反応を引き起こす反応サイト(上記の電解質/電極触媒/空気(酸素)の三相部分)がより多く存在することが望ましい。このような観点から、上述の三相部位が電極触媒表面に多量に存在することが重要であり、使用する触媒は比表面積が高いことが望ましい。例えば、リン化モリブデンは、比表面積が30m2/g以上、好ましくは40m2/g以上、より好ましくは50m2/g以上であることが好適である。 In a lithium-air secondary battery, in order to increase the efficiency of the battery, it is desirable that there are more reaction sites (the above-described electrolyte / electrode catalyst / air (oxygen) three-phase portion) that cause an electrode reaction. From such a viewpoint, it is important that the above-mentioned three-phase sites are present in a large amount on the electrode catalyst surface, and it is desirable that the catalyst used has a high specific surface area. For example, molybdenum phosphide has a specific surface area of 30 m 2 / g or more, preferably 40 m 2 / g or more, more preferably 50 m 2 / g or more.

リン化モリブデンは、各種方法で入手することができる。例えば、リン化モリブデンは、固相法、液相法、気相法などの公知のプロセスを用いる、各種合成法で得ることができる。   Molybdenum phosphide can be obtained by various methods. For example, molybdenum phosphide can be obtained by various synthesis methods using known processes such as a solid phase method, a liquid phase method, and a gas phase method.

例えば、合成法の一例として、リン化モリブデンに含まれるモリブデン(Mo)の塩(例えばモリブデン硝酸塩、モリブデン硫酸塩、モリブデンアンモニウム塩など)と、リンのアンモニウム塩(例えばリン酸水素二アンモニウム塩など)を用いる液相法によりリン化物前駆体を調製し、次いでこの前駆体を熱処理する方法を挙げることができる。この液相法を含む方法でリン化モリブデンを調製することが望ましい。液相法には、上記の水溶液を蒸発乾固する方法、上記水溶液にアルカリ水溶液を滴下する沈殿法、金属のアルコキシドを加水分解する方法などに代表されるものがある。より具体的な手順としては、モリブデンの塩及びリンのアンモニウム塩の水溶液を混合し、得られた生成物を濾過し、乾燥した後、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、窒素(N2)等の不活性雰囲気下で熱処理する方法などがある。なお、この熱処理の手順は、100℃以上、好ましくは100〜800℃、より好ましくは300〜700℃の温度で、0.5〜24時間、好ましくは1〜5時間、水素(H2)などの還元ガスを混合した、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、窒素(N2)などの不活性雰囲気下で昇温還元することが含まれる。このような温度範囲及び処理時間の熱処理を含む合成法で、比表面積の高いリン化モリブデンを得ることができる。 For example, as an example of a synthesis method, a molybdenum (Mo) salt contained in molybdenum phosphide (eg, molybdenum nitrate, molybdenum sulfate, molybdenum ammonium salt) and an ammonium salt of phosphorus (eg, diammonium hydrogen phosphate) A phosphide precursor is prepared by a liquid phase method using, and then this precursor is heat-treated. It is desirable to prepare molybdenum phosphide by methods including this liquid phase method. Examples of the liquid phase method include a method in which the aqueous solution is evaporated to dryness, a precipitation method in which an alkaline aqueous solution is dropped into the aqueous solution, and a method in which a metal alkoxide is hydrolyzed. As a more specific procedure, an aqueous solution of molybdenum salt and phosphorus ammonium salt was mixed, and the resulting product was filtered, dried, and then helium (He), argon (Ar), nitrogen (N 2 ). For example, there is a method of heat treatment under an inert atmosphere. The heat treatment procedure is 100 ° C. or higher, preferably 100 to 800 ° C., more preferably 300 to 700 ° C., 0.5 to 24 hours, preferably 1 to 5 hours, hydrogen (H 2 ), etc. Temperature reduction in an inert atmosphere such as helium (He), argon (Ar), nitrogen (N 2 ), etc., mixed with a reducing gas. Molybdenum phosphide having a high specific surface area can be obtained by a synthesis method including heat treatment in such a temperature range and processing time.

液相法で得られたリン化モリブデンは空気中で自然酸化する可能性がある。従って、液相法で得られたリン化モリブデン表面に不動態化処理を施すことにより、安定なリン化モリブデンを得ることができる。不動態化処理は、例えば低濃度の酸素(約0.1〜1%、好ましくは約0.5%)を含む不活性雰囲気(例えば、He、Ar、窒素など)下に、室温程度の温度で、1〜10時間、好ましくは、1〜5時間放置することが含まれる。   Molybdenum phosphide obtained by the liquid phase method may spontaneously oxidize in air. Therefore, stable molybdenum phosphide can be obtained by subjecting the surface of molybdenum phosphide obtained by the liquid phase method to passivation treatment. The passivation treatment is performed at a temperature of about room temperature under an inert atmosphere (for example, He, Ar, nitrogen, etc.) containing, for example, low concentration oxygen (about 0.1 to 1%, preferably about 0.5%). And standing for 1 to 10 hours, preferably 1 to 5 hours.

このようにして得られたリン化モリブデンは、リチウム空気二次電池の空気極の電極触媒として用いると高い性能を示す。   The molybdenum phosphide thus obtained exhibits high performance when used as an electrode catalyst for the air electrode of a lithium air secondary battery.

ここで、上述したように、リン化モリブデンの比表面積は、例えば30m2/g以上、好ましくは40m2/g以上、より好ましくは50m2/g以上である。上記の液相法でリン化物を調製した場合の熱処理後の値は41m2/gであり、この条件を満たす。 Here, as described above, the specific surface area of molybdenum phosphide is, for example, 30 m 2 / g or more, preferably 40 m 2 / g or more, more preferably 50 m 2 / g or more. When the phosphide is prepared by the above liquid phase method, the value after the heat treatment is 41 m 2 / g, which satisfies this condition.

また、前記合成手法により得られたリン化モリブデンを水素(H2)及び硫化水素(H2S)雰囲気下で100℃以上、好ましくは100〜800℃、より好ましくは300〜500℃の温度で、熱処理することでリン化モリブデンに硫黄を含有させることができる。本発明では、このような硫黄を含むリン化モリブデンも電極触媒として好適に使用できる。前記硫黄を含むリン化モリブデンの硫黄含有率は、原子比で1〜50%が好ましく、より好ましくは、20〜40%である。 Further, the molybdenum phosphide obtained by the above synthesis method is at a temperature of 100 ° C. or higher, preferably 100 to 800 ° C., more preferably 300 to 500 ° C. in a hydrogen (H 2 ) and hydrogen sulfide (H 2 S) atmosphere. The molybdenum phosphide can contain sulfur by heat treatment. In the present invention, molybdenum phosphide containing such sulfur can also be suitably used as an electrode catalyst. The sulfur content of the molybdenum phosphide containing sulfur is preferably 1 to 50%, more preferably 20 to 40% in terms of atomic ratio.

(I−2)導電性材料
空気極101は、導電性材料を含むことができる。導電性材料としては、例えばカーボンを例示することができる。具体的には、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック類、活性炭類、グラファイト類、カーボン繊維類などを挙げることができる。空気極101中で反応サイトを十分に確保するために、カーボンは比表面積が大きなものが適している。具体的には、BET比表面積で300m2/g以上の値を有しているものが望ましい。これらのカーボンは、例えば市販品として、又は公知の合成手法により入手することが可能である。
(I-2) Conductive Material The air electrode 101 can include a conductive material. An example of the conductive material is carbon. Specific examples include carbon blacks such as ketjen black and acetylene black, activated carbons, graphites, and carbon fibers. In order to secure sufficient reaction sites in the air electrode 101, carbon having a large specific surface area is suitable. Specifically, those having a BET specific surface area of 300 m 2 / g or more are desirable. These carbons can be obtained, for example, as commercial products or by a known synthesis method.

空気極に使用される触媒および好ましいカーボンの比表面積は、所定の値を有することが望ましい。比表面積の測定は、市販の装置を用いて行うことができる。例えば、比表面積は、市販の測定装置を用いて、液体窒素を冷却媒として使用するようなBET法で測定することができる。   The specific surface area of the catalyst used for the air electrode and preferable carbon desirably has a predetermined value. The specific surface area can be measured using a commercially available apparatus. For example, the specific surface area can be measured by a BET method using liquid nitrogen as a cooling medium using a commercially available measuring apparatus.

(I−3)結着剤(バインダー)
空気極101は、必要に応じて前記材料を一体化するための結着剤等を含むことが好ましい。この結着剤は、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴムなどを例として挙げることができる。これらの結着剤は、粉末として又は分散液として用いることができる。
(I-3) Binder (binder)
The air electrode 101 preferably contains a binder or the like for integrating the materials as necessary. Although this binder is not specifically limited, Polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, etc. can be mentioned as an example. These binders can be used as a powder or as a dispersion.

(I−4)空気極の調製
空気極101は以下のように調製することができる。例えば、触媒であるリン化モリブデン、カーボン粉末、及び必要に応じてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなバインダー粉末を混合し、この混合物をチタンメッシュ等の支持体上に圧着することにより、空気極101を成形することができる。また、前述の混合物を有機溶剤等の溶媒中に分散してスラリー状にして、金属メッシュ又はカーボンクロスやカーボンシート上に塗布し乾燥することによって、空気極101を形成することができる。
(I-4) Preparation of air electrode The air electrode 101 can be prepared as follows. For example, by mixing a catalyst such as molybdenum phosphide, carbon powder, and, if necessary, a binder powder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), the mixture is pressure-bonded onto a support such as a titanium mesh, whereby air The pole 101 can be formed. Moreover, the air electrode 101 can be formed by dispersing the above-described mixture in a solvent such as an organic solvent to form a slurry, and applying the mixture onto a metal mesh or carbon cloth or carbon sheet and drying.

また、電極としての強度を高め、電解液の漏洩を防止するために、冷間プレスだけでなく、ホットプレスを適用することによっても、より安定性に優れた空気極101を作製することができる。   Moreover, in order to increase the strength as an electrode and prevent leakage of the electrolytic solution, the air electrode 101 with more stability can be produced by applying not only a cold press but also a hot press. .

空気極101の片面は大気に曝され、もう一方の面は電解質103と接する。なお、電解質103が空気極101および負極102に接しているとは、電解質103が空気極101および負極102の少なくとも一方に直接的または間接的に接していることの意味を含み、後述するセパレータ等を介して接していることの意味を含む。   One side of the air electrode 101 is exposed to the atmosphere, and the other side is in contact with the electrolyte 103. Note that the phrase “the electrolyte 103 is in contact with the air electrode 101 and the negative electrode 102” means that the electrolyte 103 is in direct or indirect contact with at least one of the air electrode 101 and the negative electrode 102. The meaning of being in contact with each other is included.

以上のように、リン化モリブデンを添加した空気極101を作製することで、充電および放電反応に対して高活性な空気極用電極を得ることができる。更に、上記のような構成のリチウム空気二次電池の空気極を作製することにより、リン化モリブデンを含む触媒の効果も高めることができる。   As described above, by producing the air electrode 101 to which molybdenum phosphide is added, it is possible to obtain an air electrode electrode that is highly active against charging and discharging reactions. Furthermore, the effect of the catalyst containing molybdenum phosphide can be enhanced by producing the air electrode of the lithium-air secondary battery having the above configuration.

(II)負極
負極102はリチウムを含む。例えば、負極102は金属リチウム又はリチウムイオンを放出及び吸収することができるリチウム含有合金などの物質を構成要素とすることができる。
(II) Negative electrode The negative electrode 102 contains lithium. For example, the negative electrode 102 can be made of a material such as lithium-containing alloy that can release and absorb metallic lithium or lithium ions.

典型的には、負極102はリチウムを含む負極活物質を含み、この負極活性物質はリチウム二次電池の負極材料として用いることができる材料であれば特に制限されない。負極活物質として、例えば金属リチウムを挙げることができる。或いは、リチウム含有物質として、リチウムイオンを放出及び吸蔵することができる物質である、リチウムと、シリコン又はスズとの合金、或いはLi2.6Co0.4Nなどのリチウム窒化物を例として挙げることができる。 Typically, the negative electrode 102 includes a negative electrode active material containing lithium, and the negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that can be used as a negative electrode material of a lithium secondary battery. Examples of the negative electrode active material include metallic lithium. Alternatively, examples of the lithium-containing material include lithium and silicon or tin alloy, or lithium nitride such as Li 2.6 Co 0.4 N, which is a material capable of releasing and occluding lithium ions.

なお、上記のシリコン又はスズの合金を負極102として用いる場合、負極102を合成する時にリチウムを含まないシリコン又はスズなどを用いることもできる。しかし、この場合には、空気二次電池の作製に先立って、化学的手法又は電気化学的手法(例えば、電気化学セルを組んで、リチウムとシリコン又はスズとの合金化を行う方法)によって、シリコン又はスズが、リチウムを含む状態にあるように処理しておく必要がある。具体的には、作用極にシリコン又はスズを含み、対極にリチウムを用い、有機電解液中で還元電流を流すことによって合金化を行う等の処理をしておくことが好ましい。   Note that when the above-described silicon or tin alloy is used as the negative electrode 102, silicon or tin that does not contain lithium may be used when the negative electrode 102 is synthesized. However, in this case, prior to the production of the air secondary battery, by a chemical method or an electrochemical method (for example, a method in which an electrochemical cell is assembled and lithium and silicon or tin are alloyed), It is necessary to process so that silicon or tin is in a state containing lithium. Specifically, it is preferable that the working electrode contains silicon or tin, the counter electrode is lithium, and a treatment such as alloying is performed by flowing a reducing current in the organic electrolyte.

負極102は、公知の方法で形成することができる。例えば、リチウム金属を負極102とする場合には、複数枚の金属リチウム箔を重ねて所定の形状に成形することで、負極102を作製すればよい。   The negative electrode 102 can be formed by a known method. For example, in the case where lithium metal is used as the negative electrode 102, the negative electrode 102 may be manufactured by stacking a plurality of metal lithium foils into a predetermined shape.

ここで、放電時の負極(金属リチウム)の反応は以下のように表すことができる。   Here, the reaction of the negative electrode (metallic lithium) during discharge can be expressed as follows.

(放電反応)
Li→Li++e- (3)
なお、充電時の負極102においては、式(3)の逆反応であるリチウムの析出反応が起こる。
(Discharge reaction)
Li → Li + + e (3)
In addition, in the negative electrode 102 at the time of charge, the lithium precipitation reaction which is the reverse reaction of Formula (3) occurs.

(III)電解質
本発明のリチウム空気二次電池は、電解質103を含む。なお、本明細書において、電解液とは、電解質103が液体形態である場合をいう。電解質103は、空気極(正極)101および負極102間でリチウムイオンの移動が可能な物質であればよい。例えば、リチウムイオンを含む金属塩を溶解した非水溶媒を使用できる。具体的には、リチウムイオンを含む金属塩として、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(LiTFSI)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)などのリチウムイオンを含む金属塩を挙げることができる。また、非水溶媒としては、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸メチルプロピル(MPC)、炭酸メチルイソプロピル(MIPC)、炭酸メチルブチル(MBC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸エチルプロピル(EPC)、炭酸エチルイソプロピル(EIPC)、炭酸エチルブチル(EBC)、炭酸ジプロピル(DPC)、炭酸ジイソプロピル(DIPC)、炭酸ジブチル(DBC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)、炭酸1,2−ブチレン(1,2−BC)などの炭酸エステル系溶媒、1,2−ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)などのエーテル系溶媒、γ−ブチロタクトン(GBL)などのラクトン系溶媒、又は、ジメチルスルホキシド(DMSO)などのスルホキシド系溶媒、並びに、これらの中からの二種類以上を混合した溶媒[例えば炭酸エチレン(EC)及び炭酸ジメチル(DMC)(体積比1:1)の混合溶媒、EC及び炭酸ジエチル(DEC)などのような混合溶媒]を挙げることができる。
(III) Electrolyte The lithium-air secondary battery of the present invention includes an electrolyte 103. Note that in this specification, the electrolytic solution refers to a case where the electrolyte 103 is in a liquid form. The electrolyte 103 may be any substance that can move lithium ions between the air electrode (positive electrode) 101 and the negative electrode 102. For example, a nonaqueous solvent in which a metal salt containing lithium ions is dissolved can be used. Specifically, as a metal salt containing lithium ions, a metal salt containing lithium ions such as lithium bistrifluoromethanesulfonylimide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), etc. Can be mentioned. Nonaqueous solvents include dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), methyl propyl carbonate (MPC), methyl isopropyl carbonate (MIPC), methyl butyl carbonate (MBC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl propyl carbonate. (EPC), ethyl isopropyl carbonate (EIPC), ethyl butyl carbonate (EBC), dipropyl carbonate (DPC), diisopropyl carbonate (DIPC), dibutyl carbonate (DBC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), carbonic acid 1, Carbonate ester solvents such as 2-butylene (1,2-BC), ether solvents such as 1,2-dimethoxyethane (DME) and tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), and lactone systems such as γ-butyrotactone (GBL) Solvent or dimethylsulfoxy A sulfoxide solvent such as (DMSO), and a solvent in which two or more of these are mixed [for example, a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) (volume ratio 1: 1), EC and carbonic acid Mixed solvent such as diethyl (DEC) and the like.

他の電解質103として、リチウムイオンを通す固体電解質(例えば、Li2SやP25を含む硫化物系固体電解質など)、リチウムイオンを通すポリマー電解質(例えば、ポリエチレンオキシド系、具体的には、例えば、上記有機電解液とポリエチレンオキシドをコンポジット化した物質など)等を挙げることができる。但し、本発明は、これらに限定されず、リチウム空気二次電池で使用される公知のリチウムイオンを通す固体電解質又はリチウムイオンを通すポリマー電解質であれば好適に使用することができる。 Other electrolytes 103 include solid electrolytes that pass lithium ions (for example, sulfide-based solid electrolytes including Li 2 S and P 2 S 5 ), polymer electrolytes that pass lithium ions (for example, polyethylene oxides, specifically, For example, a material obtained by compositing the organic electrolyte and polyethylene oxide may be used. However, this invention is not limited to these, It can use suitably if it is a solid electrolyte which lets the known lithium ion used for a lithium air secondary battery, or a polymer electrolyte which lets lithium ion pass.

(IV)他の要素
リチウム空気二次電池は、上記構成要素に加え、セパレータ、電池ケース、金属メッシュ(例えばチタンメッシュ)などの構造部材、その他のリチウム空気二次電池に要求される要素を含むことができる。これらは、従来公知のものを使用することができる。
(IV) Other elements The lithium air secondary battery includes structural elements such as a separator, a battery case, a metal mesh (for example, titanium mesh), and other elements required for the lithium air secondary battery, in addition to the above components. be able to. Conventionally known ones can be used.

(V)リチウム空気二次電池の作製
リチウム空気二次電池は、上述した通り、少なくとも空気極(正極)、負極、および電解質を含み、例えば図1に示されるように、空気極と負極との間に電解質を狭持するように構成される。このような構成のリチウム空気二次電池は、従来型の二次電池と同様に調製することができる。
(V) Production of Lithium-Air Secondary Battery As described above, the lithium-air secondary battery includes at least an air electrode (positive electrode), a negative electrode, and an electrolyte. For example, as shown in FIG. It is configured to sandwich the electrolyte in between. The lithium air secondary battery having such a configuration can be prepared in the same manner as a conventional secondary battery.

更なる実施形態では、例えば図2のような円柱形のリチウム空気二次電池セル200を調製することができる。具体的には、まず、空気極1を、絶縁被覆された空気極支持体10に配置して固定する。負極2は、負極支持体11に固定する。空気二次電池セル200の内部(空気極1と負極2の間となる部分)に、電解質(典型的には有機電解液)3を充填し、負極2が空気極1の大気と接する面と逆の面に配置されるように負極支持体11を被せて空気二次電池セル200全体を固定する。   In a further embodiment, for example, a cylindrical lithium-air secondary battery cell 200 as shown in FIG. 2 can be prepared. Specifically, first, the air electrode 1 is disposed and fixed on the air electrode support 10 that is coated with insulation. The negative electrode 2 is fixed to the negative electrode support 11. The inside of the secondary air battery cell 200 (the portion between the air electrode 1 and the negative electrode 2) is filled with an electrolyte (typically an organic electrolyte) 3, and the surface of the negative electrode 2 in contact with the atmosphere of the air electrode 1; The whole of the air secondary battery cell 200 is fixed by covering the negative electrode support 11 so as to be disposed on the opposite surface.

上記構成要素に加え、空気極1と負極2との間となる部分にはセパレータ5等の部材を配置することができる。その他、空気極端子4、負極端子13、および負極固定用PTFEリング6、負極固定用座金7、空気極固定用PTFEリング8、Oリング9、セル固定用ねじ(PTFE被覆)12などの固定具、絶縁部材、などを適宜配置することができる。   In addition to the above components, a member such as a separator 5 can be disposed in a portion between the air electrode 1 and the negative electrode 2. Other fixtures such as the air electrode terminal 4, the negative electrode terminal 13, and the negative electrode fixing PTFE ring 6, the negative electrode fixing washer 7, the air electrode fixing PTFE ring 8, the O ring 9, and the cell fixing screw (PTFE coating) 12. Insulating members and the like can be appropriately disposed.

[実施例]
以下に添付図面を参照して、本発明に係るリチウム空気二次電池の実施例を詳細に説明する。なお、本発明は下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。
[Example]
Embodiments of a lithium-air secondary battery according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to what was shown to the following Example, In the range which does not change the summary, it can change suitably and can implement.

(実施例1)
前述した空気極1の電極触媒として用いるリン化モリブデン(MoP)粉末を以下の手順で合成した。
Example 1
Molybdenum phosphide (MoP) powder used as the electrode catalyst for the air electrode 1 was synthesized by the following procedure.

市販のリン酸水素ニアンモニウム((NH42HPO4)(シグマアルドリッチ社製)及び、市販の七モリブデン酸六アンモニウム四水和物((NH46Mo724・4H2O)(和光純薬工業社製)を蒸留水に溶かし、リン及びモリブデンが原子量比で1対1になるように調整した。得られた溶液を、95%の窒素(N2)及び5%の水素(H2)の混合ガス雰囲気下650℃で2時間熱処理することで、リン化モリブデンを作製した。粉末は、空気中で酸化されないように0.5%の酸素(O2)を含むHe雰囲気中に4時間置き、表面を不動態化させた。この粉末は、X線回折(XRD)測定、BET比表面積測定を行い、評価した。 Commercially available diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) (manufactured by Sigma-Aldrich) and commercially available hexaammonium heptamolybdate tetrahydrate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O) (Manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved in distilled water and adjusted so that phosphorus and molybdenum were in an atomic weight ratio of 1: 1. The obtained solution was heat-treated at 650 ° C. for 2 hours in a mixed gas atmosphere of 95% nitrogen (N 2 ) and 5% hydrogen (H 2 ) to produce molybdenum phosphide. The powder was passivated for 4 hours in a He atmosphere containing 0.5% oxygen (O 2 ) so that it was not oxidized in the air. This powder was evaluated by X-ray diffraction (XRD) measurement and BET specific surface area measurement.

熱処理後の粉末は、XRD測定によりリン化モリブデン(JCPDS No.24−0771)に不純物が含まれていないことを確認した。また、BET法により粉末の比表面積を測定したところ、41m2/gであった。 The powder after the heat treatment was confirmed to contain no impurities in molybdenum phosphide (JCPDS No. 24-0771) by XRD measurement. Moreover, it was 41 m < 2 > / g when the specific surface area of the powder was measured by BET method.

(空気極の調製)
次に、このようなリン化モリブデン粉末を用いて空気極1及びこの空気極1を用いたリチウム空気二次電池セル200を以下のようにして作製した。
(Preparation of air electrode)
Next, an air electrode 1 and a lithium-air secondary battery cell 200 using the air electrode 1 using such a molybdenum phosphide powder were produced as follows.

リン化モリブデン粉末、ケッチェンブラック粉末及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末を50:30:20の重量比でらいかい機を用いて十分に粉砕混合し、ロール成形して、シート状電極(厚さ:0.5mm)を作製した。このシート状電極を直径23mmの円形に切り抜き、チタンメッシュ上にプレスすることにより、ガス拡散型の空気極を得た。   Molybdenum phosphide powder, ketjen black powder and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder are thoroughly pulverized and mixed using a rough machine at a weight ratio of 50:30:20, roll-molded, and a sheet electrode (thickness) Thickness: 0.5 mm). The sheet electrode was cut into a circle having a diameter of 23 mm and pressed onto a titanium mesh to obtain a gas diffusion type air electrode.

(リチウム二次電池セルの作製)
図2に示す断面構造を有する円柱形のリチウム空気二次電池セル200を作製した。図2は、リチウム空気二次電池セル200の概略縦断面図である。リチウム空気二次電池セル200は、露点が−60℃以下の乾燥空気中で、以下の手順で作製した。
(Production of lithium secondary battery cells)
A cylindrical lithium-air secondary battery cell 200 having the cross-sectional structure shown in FIG. 2 was produced. FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view of the lithium air secondary battery cell 200. The lithium air secondary battery cell 200 was produced in the following procedure in dry air having a dew point of −60 ° C. or less.

上記の方法で調製した空気極(正極)1を、PTFE被覆された空気極支持体10の凹部に配置し、空気極固定用PTFEリング8で固定した。なお、空気極1と空気極支持体10が接触する部分は、電気的接触をとるためにPTFEによる被覆を施さないものとした。また、空気極1と空気との接触する電極の有効面積は2cm2とした。 The air electrode (positive electrode) 1 prepared by the above method was placed in the recess of the PTFE-coated air electrode support 10 and fixed with the air electrode fixing PTFE ring 8. The portion where the air electrode 1 and the air electrode support 10 are in contact with each other was not covered with PTFE in order to make electrical contact. The effective area of the electrode in contact with the air electrode 1 and air was 2 cm 2 .

次に、空気極1と大気が接触する面とは逆の面に、リチウム二次電池用のセパレータ5を凹部の底面に配置した。続いて、図2に示すような負極固定用座金7に負極2である厚さ150μmの4枚の金属リチウム箔(有効面積:2cm2)を同心円上に重ねて圧着した。次いで、負極固定用PTFEリング6を、空気極1を設置する凹部と対向する逆の凹部に配置し、中央部に金属リチウムが圧着された負極固定用座金7を更に配置した。続いて、Oリング9を、図2に示すように空気極(正極)支持体10の底部に配置した。 Next, a separator 5 for a lithium secondary battery was disposed on the bottom surface of the recess on the surface opposite to the surface where the air electrode 1 and the atmosphere contacted. Subsequently, four metal lithium foils (effective area: 2 cm 2 ) having a thickness of 150 μm as the negative electrode 2 were stacked on the concentric circle and pressure bonded to the negative electrode fixing washer 7 as shown in FIG. Next, the negative electrode fixing PTFE ring 6 was disposed in a concave portion opposite to the concave portion in which the air electrode 1 was installed, and a negative electrode fixing washer 7 having metal lithium bonded thereto was further disposed in the central portion. Subsequently, the O-ring 9 was disposed at the bottom of the air electrode (positive electrode) support 10 as shown in FIG.

次に、セルの内部(正極1と負極8との間)に、有機電解液10を充填し、負極支持体11を被せて、セル固定用ねじ12で、セル全体を固定した。有機電解液10は、1mol/lの六フッ化リン酸リチウム/炭酸プロピレン(LiPF6/PC)溶液を用いた。 Next, the inside of the cell (between the positive electrode 1 and the negative electrode 8) was filled with the organic electrolyte solution 10, covered with the negative electrode support 11, and the entire cell was fixed with the cell fixing screws 12. The organic electrolyte 10 was a 1 mol / l lithium hexafluorophosphate / propylene carbonate (LiPF 6 / PC) solution.

続いて、空気極(正極)端子4を空気極(正極)支持体10に設置し、負極端子13を負極支持体11に設置した。   Subsequently, the air electrode (positive electrode) terminal 4 was installed on the air electrode (positive electrode) support 10, and the negative electrode terminal 13 was installed on the negative electrode support 11.

(電池性能)
以上の手順で調製したリチウム空気二次電池セルの電池性能を測定した。なお、図2に示す空気極(正極)端子4及び負極端子13を、電池性能の測定試験に用いた。
(Battery performance)
The battery performance of the lithium air secondary battery cell prepared by the above procedure was measured. In addition, the air electrode (positive electrode) terminal 4 and the negative electrode terminal 13 shown in FIG. 2 were used for the measurement test of battery performance.

電池のサイクル試験は、充放電測定システム(Bio Logic社製)を用いて、空気極1の有効面積当たりの電流密度で0.1mA/cm2を通電し、開回路電圧から電池電圧が、2.0Vに低下するまで放電電圧の測定を行った。また、電池の充電試験は、放電時と同じ電流密度で、電池電圧が4.4Vに増加するまで行った。電池の放電試験は、通常の生活環境下で行った。充放電容量は空気極(カーボン+リン化モリブデン+PTFE)1重量当たりの値(mAh/g)で表した。 In the battery cycle test, a charge / discharge measurement system (manufactured by Bio Logic) was used, and a current density per effective area of the air electrode 1 of 0.1 mA / cm 2 was applied. The discharge voltage was measured until the voltage dropped to 0.0V. Further, the battery charge test was performed until the battery voltage increased to 4.4 V at the same current density as during discharge. The battery discharge test was performed in a normal living environment. The charge / discharge capacity was expressed as a value (mAh / g) per weight of the air electrode (carbon + molybdenum phosphide + PTFE).

初回の放電及び充電曲線を図3に示す。   The initial discharge and charge curves are shown in FIG.

図3より、リン化モリブデンを空気極触媒に用いたときの平均放電電圧は2.74V、放電容量は650mAh/g(カーボン重量当たりでは、2200mAh/g)であることが分かる。ここで、平均充放電電圧は、図中の全放電容量の中間値時の放電電圧及び充電電圧と定義する。   FIG. 3 shows that when molybdenum phosphide is used as the air electrode catalyst, the average discharge voltage is 2.74 V, and the discharge capacity is 650 mAh / g (2200 mAh / g per carbon weight). Here, the average charge / discharge voltage is defined as a discharge voltage and a charge voltage at an intermediate value of the total discharge capacity in the figure.

また、初回の充電容量は、放電容量とほぼ同様の660mAh/gであり、可逆性に優れていることが分かる。   In addition, the initial charge capacity is 660 mAh / g which is almost the same as the discharge capacity, and it can be seen that the reversibility is excellent.

放電容量のサイクル依存性を図4に示す。本実施例(実施例1)では充放電サイクルを100回繰り返しても、放電容量(mAh/g)の減少はほとんど見られなかった。   FIG. 4 shows the cycle dependency of the discharge capacity. In this example (Example 1), even when the charge / discharge cycle was repeated 100 times, the discharge capacity (mAh / g) was hardly reduced.

また、この充電時の電圧は、図3より、およそ3.75Vに平坦部分が見られ、従来の報告より低い値を示すことが分かった。   Further, it was found from FIG. 3 that the voltage at the time of charging had a flat portion at about 3.75 V, which was lower than the conventional report.

充放電電圧の推移を以下の第1表に示す。本実施例(実施例1)では、充放電において若干の過電圧の増加が見られるが、ほぼ安定した電圧を示すことが分かった。このように、リン化モリブデンはリチウム空気二次電池の空気極用の触媒として非常に優れた活性を有していることが分かった。   The transition of the charge / discharge voltage is shown in Table 1 below. In this example (Example 1), it was found that a slight increase in overvoltage was observed during charging and discharging, but an almost stable voltage was exhibited. Thus, it has been found that molybdenum phosphide has very excellent activity as a catalyst for the air electrode of a lithium-air secondary battery.

(実施例2)
硫黄(S)を含むリン化モリブデン粉末を以下の手順で合成した。
(Example 2)
A molybdenum phosphide powder containing sulfur (S) was synthesized by the following procedure.

リン化モリブデンは実施例1と同様な手法で作製した。作製したリン化モリブデンを10%の硫化水素(H2S)及び90%の水素(H2)雰囲気下、400℃で15分熱処理することで、硫黄を含有したリン化モリブデンを得た。 Molybdenum phosphide was produced in the same manner as in Example 1. The produced molybdenum phosphide was heat-treated at 400 ° C. for 15 minutes in an atmosphere of 10% hydrogen sulfide (H 2 S) and 90% hydrogen (H 2 ) to obtain molybdenum phosphide containing sulfur.

空気極の作製、電池の作製及び評価法は、実施例1と同様にして行った。得られた粉末の評価法に関しては、硫黄の含有量を定量評価するため、実施例1の評価法に追加してICP発光分析を行った。   The production of the air electrode, the production of the battery, and the evaluation method were performed in the same manner as in Example 1. Regarding the evaluation method of the obtained powder, ICP emission analysis was performed in addition to the evaluation method of Example 1 in order to quantitatively evaluate the sulfur content.

熱処理後の粉末は、XRD測定によりリン化モリブデンと同様の結晶構造を有していることを確認した。また、ICP発光分析により、硫黄の含有量は原子比で全体の30%であることを確認した。また、BET法により粉末の比表面積を測定したところ、52m2/gであった。 It was confirmed by XRD measurement that the powder after the heat treatment had a crystal structure similar to that of molybdenum phosphide. ICP emission analysis confirmed that the sulfur content was 30% of the total by atomic ratio. Moreover, it was 52 m < 2 > / g when the specific surface area of the powder was measured by BET method.

(電池性能)
本実施例の硫黄を含有したリン化モリブデンを空気極1の電極触媒として用いたリチウム空気二次電池の放電容量及び充放電電圧のサイクル依存性を図3、4及び第1表に示す。
(Battery performance)
The cycle dependency of the discharge capacity and the charge / discharge voltage of the lithium-air secondary battery using the molybdenum phosphide containing sulfur of this example as the electrode catalyst of the air electrode 1 is shown in FIGS.

図4に示すように本実施例(実施例2)の放電容量は、初回で830mAh/gを示し、実施例1の硫黄を含有していないリン化モリブデンよりも大きい値であった。また、サイクルを繰り返しても、安定した挙動を示すことが分かった。   As shown in FIG. 4, the discharge capacity of this example (Example 2) was 830 mAh / g for the first time, which was larger than that of molybdenum phosphide not containing sulfur in Example 1. It was also found that even when the cycle was repeated, stable behavior was exhibited.

また、第1表に示すように充放電電圧についても、実施例1よりも過電圧の減少が見られ、充放電のエネルギー効率の改善を達成することができた。また、充放電電圧についても、サイクルを繰り返しても顕著な過電圧増加は見られず、安定に作動することを確認した。これらの特性の向上は、リン化モリブデン中に含まれる硫黄が電池反応における活性中心として働いたため、酸素還元(放電)及び酸素発生(充電)の両反応がスムーズに行われたことによると考えられる。   Further, as shown in Table 1, the charge / discharge voltage was also reduced more than in Example 1, and the improvement of the energy efficiency of charge / discharge could be achieved. In addition, regarding the charge / discharge voltage, it was confirmed that no significant overvoltage increase was observed even when the cycle was repeated, and the operation was stable. The improvement in these characteristics is considered to be due to the smooth reaction of both oxygen reduction (discharge) and oxygen generation (charge) because sulfur contained in molybdenum phosphide served as the active center in the battery reaction. .

(比較例1)
空気極1用の電極触媒として公知であるコバルト酸化物(Co34)を用いて、リチウム空気二次電池セルを実施例1と同様にして作製した。また、コバルト酸化物(Co34)は市販試薬(和光純薬工業社製)を用いた。電池のサイクル試験の条件は、実施例1と同様とした。
(Comparative Example 1)
A lithium air secondary battery cell was produced in the same manner as in Example 1 using cobalt oxide (Co 3 O 4 ), which is known as an electrode catalyst for the air electrode 1. As the cobalt oxide (Co 3 O 4 ), a commercially available reagent (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used. The conditions of the battery cycle test were the same as in Example 1.

本比較例に係るリチウム空気二次電池の放電容量に関するサイクル性能を、実施例1〜2の結果とともに図4に示す。   The cycle performance regarding the discharge capacity of the lithium air secondary battery according to this comparative example is shown in FIG. 4 together with the results of Examples 1-2.

図に示されるように本比較例1では、初回放電容量は約800mAh/gであり、例えば実施例1よりも大きな値を示した。しかしながら、充放電サイクルを繰り返すと、実施例1とは異なり放電容量の極端な減少が見られ、20サイクル後の容量維持率は初期の約13%であった。   As shown in the figure, in the first comparative example, the initial discharge capacity is about 800 mAh / g, which is larger than that in the first embodiment, for example. However, when the charge / discharge cycle was repeated, an extreme decrease in the discharge capacity was observed unlike Example 1, and the capacity retention rate after 20 cycles was about 13% of the initial value.

また、充放電電圧のサイクル依存性を実施例1〜2の結果とともに、第1表に示した。   In addition, the cycle dependency of the charge / discharge voltage is shown in Table 1 together with the results of Examples 1-2.

第1表からも分かるように本比較例1による充放電電圧は、実施例1〜2よりも明らかに充電電圧が高く、放電電圧が低い値であるとともに、サイクルを繰り返すと明らかに過電圧が増加し、20回目でサイクルは困難となった。   As can be seen from Table 1, the charge / discharge voltage according to the first comparative example is clearly higher than those of Examples 1 and 2, and the discharge voltage is a low value. However, the cycle became difficult at the 20th time.

以上の結果より、本発明のようにリン化モリブデンを電極触媒として含む電極を空気極として含むリチウム空気二次電池は、公知の材料を用いた場合よりも、容量及び電圧に関してサイクル特性に優れており、リン化モリブデンは、リチウム空気二次電池用の空気極の触媒として有効であることが確認された。   From the above results, the lithium-air secondary battery including the electrode containing molybdenum phosphide as an electrode catalyst as the air electrode as in the present invention is superior in cycle characteristics with respect to capacity and voltage, compared to the case where a known material is used. Thus, it was confirmed that molybdenum phosphide is effective as a catalyst for an air electrode for a lithium-air secondary battery.

リチウム空気二次電池の空気極用の電極触媒としてリン化モリブデンを用いることにより、充放電サイクル性能に優れたリチウム空気二次電池を作製することができ、様々な電子機器の駆動源として有効利用することができる。   By using molybdenum phosphide as an electrode catalyst for the air electrode of a lithium-air secondary battery, it is possible to produce a lithium-air secondary battery with excellent charge / discharge cycle performance and effectively use it as a drive source for various electronic devices. can do.

1、101 空気極(正極)
2、102 負極
3、103 電解質
4 空気極(正極)端子
5 セパレータ
6 負極固定用PTFEリング
7 負極固定用座金
8 空気極(正極)固定用PTFEリング
9 Oリング
10 空気極(正極)支持体(PTFE被覆)
11 負極支持体
12 セル固定用ねじ(PTFE被覆)
13 負極端子
100 リチウム空気二次電池
200 リチウム空気二次電池セル
1, 101 Air electrode (positive electrode)
2, 102 Negative electrode 3, 103 Electrolyte 4 Air electrode (positive electrode) terminal 5 Separator 6 Negative electrode fixing PTFE ring 7 Negative electrode fixing washer 8 Air electrode (positive electrode) fixing PTFE ring 9 O-ring 10 Air electrode (positive electrode) support ( PTFE coating)
11 Negative electrode support 12 Cell fixing screw (PTFE coating)
13 Negative terminal 100 Lithium air secondary battery 200 Lithium air secondary battery cell

Claims (8)

空気極、リチウムを含む負極、および電解質を含み、前記電解質が、前記空気極および前記負極に接しているリチウム空気二次電池であって、
前記空気極が触媒を含み、
前記触媒がリン化モリブデン(MoP)を含むことを特徴とするリチウム空気二次電池。
An air electrode, a negative electrode containing lithium, and an electrolyte, wherein the electrolyte is a lithium-air secondary battery in contact with the air electrode and the negative electrode,
The air electrode includes a catalyst;
The lithium air secondary battery, wherein the catalyst contains molybdenum phosphide (MoP).
前記リン化モリブデンが、硫黄(S)を含有する、請求項1に記載のリチウム空気二次電池。   The lithium air secondary battery according to claim 1, wherein the molybdenum phosphide contains sulfur (S). 前記硫黄の含有量が、原子比で、前記硫黄を含有する前記リン化モリブデン全体の1〜50%である、請求項2に記載のリチウム空気二次電池。 The lithium air secondary battery according to claim 2 , wherein the sulfur content is 1 to 50% in terms of atomic ratio of the entire molybdenum phosphide containing sulfur. 前記硫黄の含有量が、原子比で、前記硫黄を含有する前記リン化モリブデン全体の20〜40%である、請求項2に記載のリチウム空気二次電池。 3. The lithium air secondary battery according to claim 2 , wherein the sulfur content is 20 to 40% of the entire molybdenum phosphide containing the sulfur in an atomic ratio. 前記リン化モリブデンのBET比表面積が、30m/g以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム空気二次電池 The lithium air secondary battery according to claim 1, wherein the molybdenum phosphide has a BET specific surface area of 30 m 2 / g or more . 前記リン化モリブデンのBET比表面積が、40m/g以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム空気二次電池 The lithium air secondary battery according to claim 1, wherein the molybdenum phosphide has a BET specific surface area of 40 m 2 / g or more . 前記リン化モリブデンのBET比表面積が、50m/g以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム空気二次電池 The lithium air secondary battery according to claim 1, wherein the molybdenum phosphide has a BET specific surface area of 50 m 2 / g or more . 請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウム空気二次電池を含む、リチウム空気二次電池セル。   The lithium air secondary battery cell containing the lithium air secondary battery of any one of Claims 1-7.
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