JP2016028380A - All-solid air battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全固体空気電池に関する。 The present invention relates to an all-solid-state air battery.
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等のポータブル機器の開発に伴い、その電源としての電池の需要は大幅に拡大している。そして、より大容量の電池の実現を目指し、正極活物質として空気中の酸素を用いることでエネルギー密度が高いリチウム空気電池の研究が進められている。リチウム空気電池は、正極活物質を充填する必要が無いため、電池内に大量の金属リチウムを負極活物質として充填することが可能であるため、非常に大きな放電容量を示すことが報告されている。 In recent years, with the development of portable devices such as personal computers and mobile phones, the demand for batteries as power sources has been greatly expanded. Aiming at realization of a battery with a larger capacity, research on a lithium-air battery having a high energy density by using oxygen in the air as a positive electrode active material is underway. Lithium-air batteries do not need to be filled with a positive electrode active material, so it is possible to fill a large amount of metallic lithium as a negative electrode active material in the battery, and it has been reported that a very large discharge capacity is exhibited. .
このようなリチウム空気電池は、例えば、導電性材料、触媒、及び結着材を含有する正極層と、正極層の集電を行う正極集電体と、金属又は合金からなる負極層と、負極層の集電を行う負極集電体と、正極層及び負極層の間に介在する電解質とを有する。そしてリチウム空気電池は、以下のような充放電反応が進むと考えられる。
[放電時]
負極 : Li → Li+ + e−
正極 : 2Li+ + O2 + 2e− → Li2O2
[充電時]
負極 : Li+ + e− → Li
正極 : Li2O2 → 2Li+ + O2 + 2e−
Such a lithium-air battery includes, for example, a positive electrode layer containing a conductive material, a catalyst, and a binder, a positive electrode current collector that collects current from the positive electrode layer, a negative electrode layer made of a metal or an alloy, and a negative electrode A negative electrode current collector that performs current collection of the layer, and an electrolyte interposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. And it is thought that the following charge-discharge reaction advances in a lithium air battery.
[During discharge]
Negative electrode: Li → Li + + e −
Positive electrode: 2Li + + O 2 + 2e − → Li 2 O 2
[When charging]
Negative electrode: Li + + e − → Li
Positive electrode: Li 2 O 2 → 2Li + + O 2 + 2e −
従来、電池の電解質として、有機溶媒に支持電解質塩を溶解させた電解液が使用されている。有機溶媒を媒体とした電解液は高いイオン伝導率を示す。 Conventionally, an electrolytic solution in which a supporting electrolyte salt is dissolved in an organic solvent has been used as an electrolyte of a battery. An electrolytic solution using an organic solvent as a medium exhibits high ionic conductivity.
しかし、電解液を用いたリチウム空気電池は、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造・材料面での改善が必要となる。また、有機溶媒は揮発性であるため、空気を電池内に取り込む構造を有するリチウム空気電池においては、長期作動での安定性に課題があると考えられる。すなわち、リチウム空気電池の長期作動では、正極から電解液が揮発するおそれがある。電解液が揮発してしまうことにより、リチウム空気電池は電池抵抗が増大し、電池性能が著しく低下することが予想される。 However, a lithium-air battery using an electrolytic solution needs to be improved in terms of structure and material for the installation of a safety device that suppresses the temperature rise at the time of a short circuit and the prevention of a short circuit. In addition, since the organic solvent is volatile, it is considered that there is a problem in stability in long-term operation in a lithium air battery having a structure that takes air into the battery. That is, in the long-term operation of the lithium-air battery, the electrolyte solution may volatilize from the positive electrode. As the electrolytic solution volatilizes, it is expected that the battery performance of the lithium-air battery is increased and the battery performance is significantly reduced.
一方、電解液を固体電解質に変更した全固体空気電池は、電池内に有機溶媒を用いない。よって、燃焼(発火)の危険性が低く安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れる。また、全固体空気電池は、正極から有機溶媒が揮発するおそれもない。従って、有機溶媒が揮発することによる電池性能低下を防止できる。 On the other hand, an all-solid-state air battery in which the electrolytic solution is changed to a solid electrolyte does not use an organic solvent in the battery. Therefore, the risk of combustion (ignition) is low, the safety device can be simplified, and the manufacturing cost and productivity are excellent. Further, in the all solid-state air battery, there is no possibility that the organic solvent volatilizes from the positive electrode. Accordingly, it is possible to prevent a decrease in battery performance due to volatilization of the organic solvent.
しかしながら、固体電解質を用いた電池は、電解液を用いた電池に比べてセル抵抗が高い。固体電解質を用いた電池のセル抵抗が高い理由は、固体電解質と正極層及び負極層との界面における抵抗が、電解液と正極層及び負極層との界面における抵抗よりも大きいためである。つまり全固体空気電池の場合、この界面抵抗の問題を解消することが大電流の充放電を行うために必要である。 However, a battery using a solid electrolyte has a higher cell resistance than a battery using an electrolytic solution. The reason why the cell resistance of the battery using the solid electrolyte is high is that the resistance at the interface between the solid electrolyte and the positive electrode layer and the negative electrode layer is larger than the resistance at the interface between the electrolyte solution, the positive electrode layer and the negative electrode layer. That is, in the case of an all-solid-state air battery, it is necessary to eliminate this interfacial resistance problem in order to charge and discharge a large current.
特許文献1は、負極と、酸素還元のための触媒及び第1固体電解質層を含む正極と、負極と正極の間に配置された第2固体電解質層とを備えるリチウム空気電池を開示する。特許文献1では、さらに第1固体電解質層と第2固体電解質層とが物理的に分離せず連続していることも開示している。すなわち、特許文献1に記載の発明は、第1及び第2固体電解質層が物理的に分離せず連続することにより、正極と第2固体電解質層との境界における界面抵抗を低減させている。しかしながら、第2固体電解質層と負極との境界には界面が形成されるため、特許文献1に記載の発明では依然として界面抵抗の問題が存在する。従って、特許文献1に開示されているリチウム空気電池では、大電流の充放電は期待できない。
また、特許文献1に記載のリチウム空気電池は、負極保護層として有機溶媒を用いた電解液を使用しているため、電解液の揮発といった長期動作における問題点が存在する。
さらに、特許文献1に記載のリチウム空気電池は、正極に高分子及び水溶液からなる電解質を含むことや、負極保護層として有機溶媒を用いた電解液を使用しているため、正極構造や負極構造を積層し一体焼成して形成をおこなうことによる高集積化ができないという問題点も存在する。
Moreover, since the lithium air battery described in
Furthermore, since the lithium air battery described in
そこで、本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電極層と固体電解質層との境界における界面抵抗に起因するイオン伝導率の低下を抑制させ、大電流の充放電が可能となる全固体空気電池を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to suppress a decrease in ionic conductivity due to interface resistance at the boundary between the electrode layer and the solid electrolyte layer, and An object of the present invention is to provide an all-solid-state air battery that can be charged and discharged.
上記課題を解決するために本発明の全固体空気電池は、金属イオンを吸蔵放出可能な負極材料を有する負極と、酸素を正極活物質とし空気を導入する手段を備え、かつ、酸素を還元する触媒を備える正極材料を有する正極と、負極及び正極の間に介在する金属イオンを伝導する固体電解質からなる固体電解質層と、を有する全固体空気電池であって、負極材料及び正極材料は固体電解質を含み、かつ、固体電解質層と一体化していることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an all-solid-state air battery of the present invention includes a negative electrode having a negative electrode material capable of occluding and releasing metal ions, means for introducing air using oxygen as a positive electrode active material, and reduces oxygen. An all-solid-state air battery having a positive electrode having a positive electrode material including a catalyst and a solid electrolyte layer made of a solid electrolyte that conducts metal ions interposed between the negative electrode and the positive electrode, wherein the negative electrode material and the positive electrode material are solid electrolytes And is integrated with the solid electrolyte layer.
本発明の全固体空気電池は、正極を構成する正極材料及び負極を構成する負極材料が、正極と負極の間に介在する固体電解質層を構成する固体電解質と同一の材料を備える構成を採る。すなわち、本発明の全固体空気電池は、1つの固体電解質が正極から固体電解質層を介して負極まで繋がり一体化して固体電解質ネットワークを形成している。ここで「固体電解質ネットワーク」とは、固体電解質を構成する多数の粉末粒子が焼結によって三次元的に繋り、イオン伝導体となっていることをいう。 The all-solid-state air battery of the present invention employs a configuration in which the positive electrode material constituting the positive electrode and the negative electrode material constituting the negative electrode comprise the same material as the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode. That is, in the all-solid-state air battery of the present invention, one solid electrolyte is connected from the positive electrode to the negative electrode via the solid electrolyte layer to form a solid electrolyte network. Here, the “solid electrolyte network” means that a large number of powder particles constituting the solid electrolyte are three-dimensionally connected by sintering to form an ionic conductor.
この同一な固体電解質で一体化された構成を採ることにより、本発明の全固体空気電池は、正極と固体電解質層との境界及び固体電解質層と負極との境界における界面抵抗に起因するイオン伝導率の低下を抑制することができる。すなわち、本発明の全固体空気電池は、界面抵抗に起因する電池性能の低下を防止することができる。
また、正極を構成する正極材料及び負極を構成する負極材料が、正極と負極の間に介在する固体電解質層を構成する固体電解質と同一の材料を備える構成を採ることにより、各部材を積層することによる集積化に適する構造となる。
By adopting an integrated configuration of the same solid electrolyte, the all-solid-state air battery of the present invention is capable of conducting ionic conduction due to interface resistance at the boundary between the positive electrode and the solid electrolyte layer and at the boundary between the solid electrolyte layer and the negative electrode. A decrease in rate can be suppressed. That is, the all-solid-state air battery of the present invention can prevent the battery performance from being lowered due to the interface resistance.
Further, the positive electrode material constituting the positive electrode and the negative electrode material constituting the negative electrode are provided with the same material as the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, thereby laminating each member. Therefore, the structure is suitable for integration.
(第1実施形態)
以下、図1を参照して説明をする。第1実施形態の全固体空気電池1は正極A、負極B、そして固体電解質層Cを有する。正極Aは酸素を活物質として電池反応を進行するための空気導入手段を備え、かつ、酸素を還元する触媒を備える正極材料2を有する。負極Bは金属イオンを吸蔵放出可能な負極材料4を有する。固体電解質層Cは金属イオンが正極Aと負極Bとの間を移動する伝達経路として機能する。積層体100は、正極材料2からなる正極部200と、固体電解質3からなる固体電解質部300と、負極材料4からなる負極部400とからなる。金属イオンは、Li、Na、K,Mg、Ca、Fe、Zn、Alからなる群から選ばれる一種以上の金属のイオンである。なお、以下金属イオンはLiイオンを例に挙げて説明するがこれに限定されるものではない。
(First embodiment)
Hereinafter, description will be given with reference to FIG. The all-solid-
本実施形態の全固体空気電池1の外形の形状は、正極Aに空気(酸素)を接触させることができる形態であれば特に限定されない。正極Aに空気を接触させることができる形態としては、酸素取り込み口を有する形状をもつものが例示できる。外形としては、例えば円筒型、角型、ボタン型、コイン型、または扁平型等、所望の形状をとることができる。また、本実施形態の全固体空気電池1は一次電池でも二次電池でも構わない。
The external shape of the all-solid-
[固体電解質層C]
固体電解質層Cは正極A及び負極Bの間に介在し、金属イオンを伝導する(又は、伝導可能な)固体電解質3からなる。特に、固体電解質3は電子の伝導性がなく、金属イオンの伝導性が高い材料を用いることが望ましい。また、固体電解質3は大気雰囲気で高温焼成できる無機材料を用いることが好ましい。
[Solid electrolyte layer C]
The solid electrolyte layer C is interposed between the positive electrode A and the negative electrode B, and is composed of the
無機固体電解質は、結晶、ガラス、両者の混合物乃至複合物のいずれでもよい。また、無機固体電解質は、硫化物系でも酸化物系でもよい。より望ましくは、大気安定性に優れ、高温焼成に適した酸化物系がよい。 The inorganic solid electrolyte may be a crystal, glass, a mixture or a composite of both. The inorganic solid electrolyte may be sulfide-based or oxide-based. More desirably, an oxide system having excellent atmospheric stability and suitable for high-temperature firing is preferable.
このような酸化物系無機固体電解質として、ぺロブスカイト型、NASICON型、LISICON型、チオ‐LISICON型、γ−Li3PO4型、ガーネット型、及びLIPON型からなる群から選ばれる結晶構造を持つ少なくとも1以上の無機固体電解質材料を含むことが望ましい。 Such an oxide-based inorganic solid electrolyte has a crystal structure selected from the group consisting of perovskite type, NASICON type, LISICON type, thio-LISICON type, γ-Li 3 PO 4 type, garnet type, and LIPON type. It is desirable to include at least one or more inorganic solid electrolyte materials.
ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、LixLa1−xTiO3等で表される酸化物(Li−La−Ti−O系ペロブスカイト型酸化物)を挙げることができる。 Examples of the perovskite oxide include oxides represented by Li x La 1-x TiO 3 (Li—La—Ti—O-based perovskite oxide).
NASICON型酸化物としては、例えば、LiaXbYcPdOe(XはB、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、Sb及びSeよりなる群から選択される少なくとも1種である。YはTi、Zr、Ge、In、Ga、Sn及びAlよりなる群から選択される少なくとも1種である。また、0.5<a<5.0、0≦b<2.98、0.5≦c<3.0、0.02<d≦3.0、2.0<b+d<4.0、3.0<e≦12.0の関係を満たす。)で表される酸化物を挙げることができる。特に、上記式において、X=Al、Y=Tiである酸化物(Li−Al−Ti−P−O系NASICON型酸化物)、及び、X=Al、Y=Ge若しくはX=Ge、Y=Alである酸化物(Li−Al−Ge−Ti−O系NASICON型酸化物)が好ましい。そして、Li−Al−Ti−P−O系NASICON型酸化物であるLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)がより好ましい。 As the NASICON type oxide, for example, Li a Xb Y cP d O e (X is at least one selected from the group consisting of B, Al, Ga, In, C, Si, Ge, Sn, Sb and Se). Y is at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ge, In, Ga, Sn and Al, and 0.5 <a <5.0, 0 ≦ b <2. 98, 0.5 ≦ c <3.0, 0.02 <d ≦ 3.0, 2.0 <b + d <4.0, and 3.0 <e ≦ 12.0. Oxides. In particular, in the above formula, an oxide where X = Al and Y = Ti (Li-Al-Ti-PO-based NASICON type oxide), and X = Al, Y = Ge or X = Ge, Y = An oxide that is Al (Li—Al—Ge—Ti—O-based NASICON-type oxide) is preferable. Then, Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 ( PO 4) is a Li-Al-Ti-PO based NASICON type oxide 3 (LATP) is more preferable.
LISICON型酸化物、チオ−LiSICON型酸化物、又はγ−Li3PO4型酸化物としては、例えば、Li4XO4−Li3YO4(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種である。YはP、As及びVから選ばれる少なくとも1種である。)、Li4XO4−Li2AO4(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種である。AはMo及びSから選ばれる少なくとも1種である。)、Li4XO4−Li2ZO2(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種である。ZはAl、Ga及びCrから選ばれる少なくとも1種である。)、並びに、Li4XO4−Li2BXO4(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種である。BはCa及びZnから選ばれる少なくとも1種である。)、Li3DO3−Li3YO4(DはB、YはP、As及びVから選ばれる少なくとも1種である。)等が挙げられる。特に、Li3.25Ge0.25P0.75S4、Li4SiO4−Li3PO4、Li3BO3−Li3PO4等が好ましい。 As the LISICON-type oxide, thio-LiSICON-type oxide, or γ-Li 3 PO 4 -type oxide, for example, Li 4 XO 4 -Li 3 YO 4 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti) Y is at least one selected from P, As and V), Li 4 XO 4 -Li 2 AO 4 (X is at least one selected from Si, Ge and Ti. A Is at least one selected from Mo and S), Li 4 XO 4 —Li 2 ZO 2 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti. Z is from Al, Ga and Cr) And at least one selected from Li 4 XO 4 -Li 2 BXO 4 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti. B is selected from Ca and Zn). Li 3 DO 3 -Li 3 YO 4 (D is B, Y is at least one selected from P, As, and V), and the like. In particular, Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 4 SiO 4 —Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3 —Li 3 PO 4 and the like are preferable.
ガーネット型酸化物としては、例えば、Li3+xAyGzM2−vBvO12で表される酸化物を挙げることができる。ここで、A、G、MおよびBは金属カチオンである。Aは、Ca、Sr、Ba及びMg等のアルカリ土類金属カチオン、又は、Zn等の遷移金属カチオンであることが好ましい。また、Gは、La、Y、Pr、Nd、Sm、Lu、Eu等の遷移金属カチオンであることが好ましい。また、Mとしては、Zr、Nb、Ta、Bi、Te、Sb等の遷移金属カチオンを挙げることができ、中でもZrが好ましい。また、Bは、例えばInであることが好ましい。0≦x≦5を満たすことが好ましく、4≦x≦5を満たすことがより好ましい。0≦y≦3を満たすことが好ましく、0≦y≦2を満たすことがより好ましい。0≦z≦3を満たすことが好ましく、1≦z≦3を満たすことがより好ましい。0≦v≦2を満たすことが好ましく、0≦v≦1を満たすことがより好ましい。なお、Oは部分的に、または、完全に二価アニオン及び/又は三価のアニオン、例えばN3−と交換されていてもよい。ガーネット型酸化物としては、Li7La3Zr2O12(LLZ)等のLi−La−Zr−O系酸化物が好ましい。 The garnet-type oxide, and examples thereof include an oxide represented by Li 3 + x A y G z M 2-v B v O 12. Here, A, G, M and B are metal cations. A is preferably an alkaline earth metal cation such as Ca, Sr, Ba and Mg, or a transition metal cation such as Zn. G is preferably a transition metal cation such as La, Y, Pr, Nd, Sm, Lu, or Eu. Examples of M include transition metal cations such as Zr, Nb, Ta, Bi, Te, and Sb. Among these, Zr is preferable. B is preferably In, for example. It is preferable to satisfy 0 ≦ x ≦ 5, and it is more preferable to satisfy 4 ≦ x ≦ 5. It is preferable to satisfy 0 ≦ y ≦ 3, and it is more preferable to satisfy 0 ≦ y ≦ 2. It is preferable to satisfy 0 ≦ z ≦ 3, and it is more preferable to satisfy 1 ≦ z ≦ 3. It is preferable to satisfy 0 ≦ v ≦ 2, and it is more preferable to satisfy 0 ≦ v ≦ 1. O may be partially or completely exchanged with a divalent anion and / or a trivalent anion, for example, N 3− . As the garnet-type oxide, Li—La—Zr—O-based oxides such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) are preferable.
LiPON型酸化物としては、例えばLi2.88PO3.73N0.14、Li3.0PO2.0N1.2等を挙げることができる。 Examples of the LiPON type oxide include Li 2.88 PO 3.73 N 0.14 and Li 3.0 PO 2.0 N 1.2 .
硫化物系無機固体電解質としては、例えば、Li2S−P2S5、Li2S−P2S5−LiI、Li2S−P2S5−Li2O、Li2S−P2S5−Li2O−LiI、Li2S−SiS2、Li2S−SiS2−LiI、Li2S−SiS2−LiBr、Li2S−SiS2−LiCl、Li2S−SiS2−B2S3−LiI、Li2S−SiS2−P2S5−LiI、Li2S−B2S3、Li2S−P2S5−ZmSn(m、nは正の数である。Zは、Ge、Zn、Gaから選ばれる少なくとも1種である。)、Li2S−GeS2、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−SiS2−LixMOy(x、yは正の数である。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inから選ばれる少なくとも1種である。)等を挙げることができる。
Examples of the sulfide-based inorganic solid electrolyte include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—P 2 S 5 —Li 2 O, and Li 2 S—P 2. S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-
[正極A]
正極Aは、触媒と固体電解質と必要に応じて導電材とを含む正極材料2からなる部分と、正極集電体とから構成される。正極材料2は、固体電解質を母材とし、内部に空気を導入可能な孔を備えている。孔の内面には触媒と導電材が必要に応じて採用される。固体電解質は、上記した固体電解質層Cとして選択される固体電解質3と同じである。「正極材料2は、固体電解質を母材とし、」とは、固体電解質が、正極材料2において最も含有割合が多い成分である状態を示す。また、母材は、触媒を保持(担持)する基材としても機能する。
[Positive electrode A]
The positive electrode A includes a portion made of a
触媒は正極Aにおいて正極活物質である酸素の反応を促進する触媒である。正極活物質は空気中の酸素を用いる。触媒としては、銀、白金、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、マンガン酸化物、コバルト酸化物、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化銅、及び金属フタロシアニン類からなる群から選択される1種又は2種以上が例示できる。 The catalyst is a catalyst that promotes the reaction of oxygen, which is a positive electrode active material, in the positive electrode A. The positive electrode active material uses oxygen in the air. The catalyst is one or more selected from the group consisting of silver, platinum, iridium oxide, ruthenium oxide, manganese oxide, cobalt oxide, nickel oxide, iron oxide, copper oxide, and metal phthalocyanines. Can be illustrated.
導電材は導電性を有するものであれば特に限定されない。そして、導電材は必要に応じて用いられる。導電材は電池内の雰囲気下で必要な安定性を有し、かつ高温焼成に適した材料であることが望ましい。例えば、耐酸化性の高い金属又は合金を用いるのが好ましい。ここで、耐酸化性の高い金属又は合金とは、具体的に金属であれば、銀、パラジウム、金、プラチナ、アルミニウム、ニッケル等であることが好ましい。合金であれば、銀、パラジウム、金、白金、銅、アルミニウム、ニッケルから選ばれる2種以上の金属からなる合金であることが好ましい。また、これらの酸化物であることも望ましい。 The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity. The conductive material is used as necessary. The conductive material is desirably a material having the necessary stability under the atmosphere in the battery and suitable for high-temperature firing. For example, it is preferable to use a metal or alloy having high oxidation resistance. Here, the metal or alloy having high oxidation resistance is preferably silver, palladium, gold, platinum, aluminum, nickel or the like if it is specifically a metal. If it is an alloy, it is preferable that it is an alloy which consists of 2 or more types of metals chosen from silver, palladium, gold, platinum, copper, aluminum, and nickel. These oxides are also desirable.
正極集電体は電気伝導性をもつものであればよい。ところで、正極Aは正極材料2に空気を導入するための手段が必要である。そこで、正極集電体は酸素が透過可能であること(酸素を透過可能な構成であること)が望ましい。例えば、正極集電体は、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、銅等の金属から構成される多孔質材料、網・パンチングメタルであることが好ましい。また、多孔質材料等を用いる場合にはその孔に、導電材、触媒などを充填した形態を採用することが望ましい。
Any positive electrode current collector may be used as long as it has electrical conductivity. By the way, the positive electrode A needs a means for introducing air into the
[負極B]
負極Bは、金属イオンを吸蔵放出可能な負極活物質を含む負極材料4と負極集電体とからなる。負極材料4は、負極活物質と固体電解質と必要に応じて導電材とを含む。負極集電体としては、例えば、銅、ニッケル等を網、パンチドメタル、フォームメタル、板状、箔状などの形態とすることができる。負極集電体としては電池筐体を兼用することもできる。
[Negative electrode B]
The negative electrode B includes a
負極活物質は、金属リチウム,リチウム合金,リチウムの吸蔵と放出が可能な金属材料,リチウムの吸蔵と放出が可能な合金材料(金属のみからなる合金はもちろん、金属と半金属との合金をも含む概念として用いる。その組織には固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらのうち2種以上が共存するものがある。)、及びリチウムの吸蔵と放出が可能な化合物からなる群から選択される1種又は2種以上の材料である。ただし、後述するように本願発明は正極部200、固体電解質部300、及び負極部400を一体焼成により形成するため、負極活物質は高温焼成に適した材料が望ましい。
Negative electrode active materials include metallic lithium, lithium alloys, metal materials that can store and release lithium, and alloy materials that can store and release lithium (not only alloys consisting of metals but also alloys of metals and metalloids). The structure consists of a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound or a compound in which two or more of them coexist), and a compound capable of inserting and extracting lithium. One or more materials selected from the group. However, as will be described later, in the present invention, since the
金属材料及び合金材料を構成できる金属元素及び半金属元素としては、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、銀(Ag)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、ハフニウム(Hf)が例示できる。これらの合金材料あるいは化合物としては、化学式MafMbgLih、あるいは化学式MasMctMduで表されるものが挙げられる。これら化学式において、Maはリチウムと合金を形成可能な金属元素及び半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、Mbはリチウム及びMa以外の金属元素及び半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、Mcは非金属元素の少なくとも1種を表し、MdはMa以外の金属元素及び半金属元素のうちの少なくとも1種を表す。また、f>0、g≧0、h≧0、s>0、t>0、u≧0である。 Metal elements and metalloid elements that can constitute metal materials and alloy materials include tin (Sn), lead (Pb), aluminum (Al), indium (In), silicon (Si), zinc (Zn), and antimony (Sb). ), Bismuth (Bi), cadmium (Cd), magnesium (Mg), boron (B), gallium (Ga), germanium (Ge), arsenic (As), silver (Ag), zirconium (Zr), yttrium (Y ) And hafnium (Hf). Examples of these alloy materials or compounds include those represented by the chemical formula Ma f Mb g Li h or the chemical formula Ma s Mc t Md u . In these chemical formulas, Ma represents at least one of a metal element and a metalloid element capable of forming an alloy with lithium, Mb represents at least one of a metal element and a metalloid element other than lithium and Ma, Mc represents at least one of non-metallic elements, and Md represents at least one of metallic elements and metalloid elements other than Ma. Further, f> 0, g ≧ 0, h ≧ 0, s> 0, t> 0, u ≧ 0.
なかでも負極材料4は、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が好ましく、特に好ましいのはケイ素(Si)あるいはスズ(Sn)、またはこれらの合金あるいは化合物である。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。
Among them, the
リチウムを吸蔵・放出可能な材料としては、さらに、酸化物、硫化物、あるいはLiN3などのリチウム窒化物などの他の金属化合物が挙げられる。酸化物としては、MnO2、V2O5、V6O13、NiS、MoSなどが挙げられる。その他、比較的電位が卑でリチウムを吸蔵及び放出することが可能な酸化物として、例えば酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン、酸化スズなどが挙げられる。硫化物としてはNiS、MoSなどが挙げられる。 Examples of the material capable of inserting and extracting lithium further include oxides, sulfides, and other metal compounds such as lithium nitrides such as LiN 3 . Examples of the oxide include MnO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , NiS, and MoS. In addition, examples of the oxide that has a relatively low potential and can occlude and release lithium include iron oxide, ruthenium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, titanium oxide, and tin oxide. Examples of the sulfide include NiS and MoS.
負極材料4に含まれる固体電解質は、固体電解質層Cで用いられる固体電解質3と同じものを用いる。
The solid electrolyte contained in the
導電材は正極Aの欄において例示したものを用いることができる。そして、導電材は必要に応じて用いられる。 As the conductive material, those exemplified in the column of the positive electrode A can be used. The conductive material is used as necessary.
負極集電体は電気伝導性をもつものであればよい。例えば、銅、ステンレス、ニッケル等を挙げることができる。上記負極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。 The negative electrode current collector has only to have electrical conductivity. For example, copper, stainless steel, nickel, etc. can be mentioned. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape.
[第1実施形態の製造]
本実施形態の全固体空気電池1は、一例として以下のように製造される。
固体電解質層Cの製造として、まず固体電解質粉末と結着材を準備し、固体電解質スラリーを調整する。次に、この固体電解質スラリーから固体電解質グリーンシートを作製する。
[Production of First Embodiment]
The all-solid-
For the production of the solid electrolyte layer C, first, a solid electrolyte powder and a binder are prepared, and a solid electrolyte slurry is prepared. Next, a solid electrolyte green sheet is produced from the solid electrolyte slurry.
ここでグリーンシートとは、薄板状に成形された結晶粉末等の未焼成体を指し、具体的には、結晶粉末と導電材と結着材と溶媒等の混合スラリーをドクターブレードやカレンダ法、スピンコートやディップコーティング等の塗布法、インクジェット、及びオフセット等の印刷法、ダイコーター法、スプレー法等で薄板状に成形したものをいう。 Here, the green sheet refers to an unsintered body such as a crystal powder formed into a thin plate shape. Specifically, a mixed slurry of crystal powder, a conductive material, a binder, a solvent, and the like is subjected to a doctor blade, a calendar method, A thin plate formed by a coating method such as spin coating or dip coating, a printing method such as ink jet and offset, a die coater method, a spray method or the like.
結着材は固体電解質に含まれる構成要素間をつなぎ止める作用を有する。結着材としては特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などが挙げられる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、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、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体などが挙げられる。これらの材料は単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 The binder has a function of connecting the constituent elements contained in the solid electrolyte. Although it does not specifically limit as a binder, A thermoplastic resin, a thermosetting resin, etc. are mentioned. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), Tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin) , Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrif Examples include olefin copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, and ethylene-acrylic acid copolymer. . These materials may be used alone or in combination.
本実施形態の固体電解質層Cは、その一部に負極材料4を導入する空孔が設けられることが望ましい。つまり、固体電解質グリーンシートは、後の一体焼成後に固体電解質部300となる部分と負極部400となる部分とに分けられる。負極部400は、後に正極グリーンシートを積層する固体電解質部300の一端とは反対側の他端に設けられる。
The solid electrolyte layer C of the present embodiment is desirably provided with a hole for introducing the
固体電解質グリーンシートの負極部400となる部分には、造孔材や負極材料4を含めることが望ましい。より詳しくは後述するが、正極グリーンシートと固体電解質グリーンシートが一体焼成された後、負極部400となる部分は、造孔材の作用により空孔ができる。この空孔に液体化した金属リチウムを所定の圧力で導入する、又は固体電解質を通じてリチウム(負極材料4)を電析させることで、負極部400は製造される。
It is desirable to include the pore former and the
造孔材は、負極部400となる部分に空孔を形成する。すなわち、造孔材は負極活物質を導入する空孔を形成するためのものである。従って、造孔材は焼成により気化して空孔が形成可能である材料が望まれる。例えば、造孔材は、テオブロミン、グラファイト、小麦粉、澱粉、フェノール樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、又は発泡樹脂(アクリロニトリル系プラスチックバルーン等)等からなり、粉末状乃至繊維状の物質が挙げられる。また、造孔材は導電材と共に用いられることが望ましい。これにより、負極Bは焼成後導電材を備えた空孔を形成することができるからである。
The pore former forms pores in the portion that becomes the
正極部200の製造として、まず触媒粉末、造孔材粉末、導電材粉末、及び結着材を準備し、正極スラリーを調整する。次に、この正極スラリーから正極グリーンシートを作製する。ここで使用する造孔材は、正極材料に酸素を導入する空孔を設けるためのものである。すなわち、造孔材は焼成により気化して空孔が形成可能である材料が望まれる。造孔材は、上述した造孔材と同じ材料を使用することが望ましい。
As the manufacture of the
これら作製した固体電解質グリーンシートと正極グリーンシートは積層され、積層体100を形成する。このとき、正極グリーンシートは、造孔材を含有させた固体電解質グリーンシートの他端とは反対側の固体電解質シートの一端に積層される。そして、作製された積層体100は一体焼成される。以上により、固体電解質グリーンシートと正極グリーンシートは結合し、一体化する。すなわち、正極材料2と固体電解質3は結合し一体化する。
The produced solid electrolyte green sheet and positive electrode green sheet are laminated to form a
正極材料2と固体電解質3との一体焼成後、造孔材を含有させた固体電解質層Cの他端は空孔を形成する。負極材料4は、この空孔に液体化した金属リチウムを所定の圧力で導入することで形成されることが望ましい。また負極材料4は、充放電によってこの空孔に金属リチウムを電析させることで形成されることも望ましい。
After the integral firing of the
負極材料4を固体電解質層Cの他端に形成された空孔に導入後、積層体100は正極部200、固体電解質部300、及び負極部400を形成する。正極部200は固体電解質部300と同じ固体電解質を母材としている。故に、一体焼成後の正極部200と固体電解質部300との境界における界面抵抗に起因するイオン伝導率の低下は抑制されているものと考えられる。
After introducing the
このように、焼成した積層体100は正極部200から固体電解質部300を介して負極部400まで、同じ固体電解質を母体としたマトリックス構造を構成する。従って、本実施形態は、各部の境界における界面抵抗に起因するイオン伝導率の低下を抑制することができる。故に、本実施形態の全固体空気電池1は、大電流の充放電を可能とすることができる。
Thus, the fired
焼成した積層体100は、たとえばコインセル内に封止される。封止方法は特に限定されない。たとえば、焼成後の積層体100を樹脂で封止してもよい。また、コインセルは、正極部200に空気を導入する手段を設ける。この空気を導入する手段は、公知の方法を用いて設けられる。なお、正極部200と負極部400から効率的に電流を引き出すため、正極部200と負極部400の上に金属層等の導電層を形成してもよい。導電層の形成方法は、たとえば、スパッタリング法が挙げられる。また、他の導電層の形成方法としては、金属ペーストを塗布またはディップして、この金属ペーストを熱処理してもよい。
The fired
上記のグリーンシートを積層する方法は特に限定されないが、熱間等方圧プレス(HIP)、冷間等方圧プレス(CIP)、静水圧プレス(WIP)等を使用してグリーンシートを積層することができる。 The method for laminating the green sheets is not particularly limited, but the green sheets are laminated using a hot isostatic press (HIP), a cold isostatic press (CIP), a hydrostatic press (WIP), or the like. be able to.
グリーンシートを成形するためのスラリーは、高分子材料を溶剤に溶解した溶解液と、正極活物質粉末、負極活物質粉末、固体電解質粉末とを湿式混合することによって作製することができる。具体的には、ボールミル法、ビスコミル法、サンドミル法、高圧ホモジナイザー法、ニーダー分散法等を用いることができる。 The slurry for forming the green sheet can be prepared by wet-mixing a solution obtained by dissolving a polymer material in a solvent, a positive electrode active material powder, a negative electrode active material powder, and a solid electrolyte powder. Specifically, a ball mill method, a viscomill method, a sand mill method, a high-pressure homogenizer method, a kneader dispersion method, or the like can be used.
スラリーは可塑剤を含んでもよい。可塑剤の種類は特に限定されないが、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソノニル等のフタル酸エステル等を使用してもよい。 The slurry may contain a plasticizer. Although the kind of plasticizer is not particularly limited, phthalic acid esters such as dioctyl phthalate and diisononyl phthalate may be used.
焼成工程では、雰囲気は特に限定されないが、電極活物質に含まれる遷移金属の価数が変化しない条件で行うことが好ましい。より望ましくは、酸化雰囲気、特に大気雰囲気である。また、焼成温度は600〜1100℃が望ましい。
焼成工程での焼成は、正極部200−固体電解質部300間、負極部400−固体電解質部300間の界面抵抗を低減できる条件で行われればよく、無機固体電解質を用いる場合の焼成温度は、例えば、600〜1100℃である。
In the firing step, the atmosphere is not particularly limited, but it is preferably performed under conditions that do not change the valence of the transition metal contained in the electrode active material. More desirable is an oxidizing atmosphere, particularly an air atmosphere. The firing temperature is preferably 600 to 1100 ° C.
Firing in the firing step may be performed under the condition that the interface resistance between the
負極部400は、正極部200と同様に負極グリーンシートを作製し固体電解質部300と一体焼成することで形成されても良い。この場合、固体電解質層Cには負極部400となる部分を設けない。この場合の負極部400の製造として、まず負極活物質粉末、固体電解質粉末、導電材粉末および結着材を準備し、負極スラリーを調整する。固体電解質粉末は、固体電解質層3に用いられる固体電解質3を使用する。次に、この負極スラリーから負極グリーンシートを作製する。
The
そして、正極グリーンシート、固体電解質グリーンシート、及び負極グリーンシートはこの順に積層され積層体100を形成する。作製された積層体100は一体焼成される。以上により、正極グリーンシート、固体電解質グリーンシート、及び負極グリーンシートは結合し、一体化する。すなわち、正極材料2、固体電解質3、及び負極材料4は結合し、一体化する。
Then, the positive electrode green sheet, the solid electrolyte green sheet, and the negative electrode green sheet are stacked in this order to form the
この場合においても、正極材料2と負極材料4は固体電解質3と同じ固体電解質を母材として用いているため、製造された積層体100は正極部200から固体電解質部300を介して負極部400まで、同じ固体電解質を母材としたマトリックス構造を構成する。従って、各部の境界における界面抵抗に起因するイオン伝導率の低下を抑制することができる。故に、本実施形態の全固体空気電池1は、大電流の充放電を可能とすることができる。
Also in this case, since the
(第2実施形態)
以下、図2A〜C、図3A〜Bを参照して説明をする。本実施形態は、上記した第1実施形態の全固体空気電池と同様に同じ固体電解質を母材とした正極、固体電解質層、負極を備える全固体空気電池である。第1実施形態との違いは、図3Bに示すように本実施形態の正極500及び負極600が正極櫛体21及び負極櫛体41を備えることにある。従って、各構成要素を構成する材料は第1実施形態の欄で記載したものが適用できる。
(Second Embodiment)
Hereinafter, description will be given with reference to FIGS. 2A to 2C and FIGS. The present embodiment is an all-solid-state air battery including a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode using the same solid electrolyte as a base material, similar to the all-solid-state air battery of the first embodiment described above. The difference from the first embodiment is that the
図3Bに示すように本実施形態の負極600は、負極基部61と、正極500に向けて負極基部61から突出する複数の負極櫛体41とを持つ。負極基部61は板状体の負極集電体である。負極櫛体41は板状体の負極材料からなり、隣り合う正極櫛体21と固体電解質31を介してリチウムイオンの吸蔵乃至放出を行う。負極基部61は、負極櫛体41が行うリチウムイオンの吸蔵乃至放出に伴う電子の授受を行う。
As shown in FIG. 3B, the
本実施形態の正極500は、正極基部51と、負極600に向けて正極基部51から突出する複数の正極櫛体21とを持つ。正極基部51は板状体の正極集電体である。正極櫛体21は板状体の正極材料からなり、隣り合う負極櫛体41と固体電解質31を介してリチウムイオンの吸蔵乃至放出を行う。正極基部51は、正極櫛体21が行うリチウムイオンの吸蔵乃至放出に伴う電子の授受を行う。負極基部61と負極櫛体41を合わせた形状、及び正極基部51と正極櫛体21を合わせた形状は、共に櫛歯状の形状をしている。
The
本実施形態の全固体空気電池11は、負極基部61と正極基部51が間隔をあけて並設されている。そして、負極基部61と正極基部51の間には、負極櫛体41と正極櫛体21と固体電解質31が存在する。負極櫛体41と正極櫛体21と固体電解質31の配置は、負極櫛体41と正極櫛体21が交互に間隙を有して配設されており、この間隙に固体電解質31が存在する。すなわち、負極櫛体41と正極櫛体21が間隙に前記固体電解質を介して交互に櫛歯状に噛み合わされている。
In the all-solid-
また、負極櫛体41は固体電解質31によって被覆され、空気から遮断される。負極櫛体41は固体電解質31によって被覆され空気から遮断されることにより、負極材料の安定性が保たれる。
Further, the
正極櫛体21は酸素を正極活物質とする。従って、本実施形態の全固体空気電池11は正極櫛体21に空気を導入するための手段を設ける。空気を導入する手段としては、正極櫛体21に空気が導入されれば特に限定されるものではない。例えば、空気導入手段は、正極集電体である正極基部51が多孔質のものであることが望ましい。また、正極基部51及び負極基部61と隣接する面に空気導入孔を設け、この空気導入孔が正極櫛体21まで連通していることが望ましい。また、正極櫛体21が正極基部51及び負極基部61と隣接する面の表層に表れ、直接外気と接触することも望ましい。
The positive
[第2実施形態の製造]
本実施形態の全固体空気電池11は、一例として以下のように製造される。
まず、第1実施形態の製造の欄で記載したのと同様に、正極グリーンシート20(図2A)及び固体電解質グリーンシート30(図2B)とを作製する。正極グリーンシート20は、正極材料からなる部分である正極櫛体前駆体21aと固体電解質3aで構成される部分とを設ける。正極櫛体前駆体21aは、後の一体焼成後に正極櫛体21となる部分である。正極櫛体前駆体21aは正極500側に設けられ、固体電解質3aで構成される部分は負極600側に設けられる。
[Manufacturing of Second Embodiment]
The all-solid-
First, the positive electrode green sheet 20 (FIG. 2A) and the solid electrolyte green sheet 30 (FIG. 2B) are produced in the same manner as described in the manufacturing column of the first embodiment. The positive electrode
固体電解質グリーンシート30は、図2Bに示すように一体焼成後に負極櫛体41となる部分と一体的に形成されることが望ましい。つまり、固体電解質グリーンシート30は固体電解質3aで構成される固体電解質部30aと、負極部40aを設ける。負極部40aは、負極600側に負極櫛体前駆体41aと、正極500側に固体電解質3aで構成される部分を設ける。負極櫛体前駆体41aは一体焼成後負極櫛体41となる部分であり、固体電解質、造孔材、結着材、及び必要に応じて導電材から構成される。負極部40aは、後に正極グリーンシート20を積層する固体電解質グリーンシート30の一端とは反対側の他端に設けられる。
As shown in FIG. 2B, the solid electrolyte
正極グリーンシート20は固体電解質グリーンシート30の固体電解質部30a側に積層され、正極グリーンシート20と固体電解質グリーンシート30はセルグリーンシート50を形成する。このとき、正極櫛体前駆体21aは正極500側に存在するが負極600側には存在しない。また、負極櫛体前駆体41aは負極600側に存在するが正極500側には存在しない。より具体的に図2Cの断面図において説明するところ、正極櫛体前駆体21aは正極500側の一辺から負極600側に向かって垂直に延び、かつ、負極600側の一辺には到達しない。同様に、負極櫛体前駆体41aは負極600側の一辺から正極500側に向かって垂直に延び、かつ、正極500側の一辺には到達しない。つまり、各極櫛体前駆体(21a、41a)がそれぞれの他極側(600、500)に接触せず、かつ、各極櫛体前駆体同士が接触しない状態であることが条件である。
The positive electrode
このようにして作製された複数のセルグリーンシート50と固体電解質3aのみからなる複数のグリーンシート60は、積層体グリーンシート70を形成する(図3A)。積層体グリーンシート70は、セルグリーンシート50とグリーンシート60を交互に複数積層して形成される。この積層体グリーンシート70は高温焼成されることにより、結合し一体化する。積層体グリーンシート70の一体焼成後、造孔材を含有させた負極櫛体前駆体41aは空孔となる。負極櫛体41は、この空孔に液体化した金属リチウムを所定の圧力で導入することで形成されることが望ましい。また負極櫛体41は、充放電によりこの空孔に金属リチウムを電析させることで形成されることも望ましい。
The plurality of cell
以上のように一体焼成し製造された本実施形態の全固体空気電池11は、第1実施形態と同様に、同じ固体電解質を母材としたマトリックス構造を構成する。すなわち、本実施形態の全固体空気電池11は、複数の正極櫛体21、負極櫛体41、及び固体電解質31が同一の固体電解質を介して一体化した、固体電解質のネットワークをもつ構成をとる。
The all-solid-
従って、本実施形態は正負極が櫛歯状の形状を採り、かつ、同一の固体電解質ネットワークを形成することにより、従来より問題となっていた各層の境界における界面抵抗に起因するイオン伝導率の低下を抑制することができる。故に、本実施形態の全固体空気電池11は、大電流の充放電を可能とすることができる。
また、本実施形態は正負極が櫛歯状の形状を採り、かつ、同一の固体電解質ネットワークを形成することにより、従来の空気電池では集積構造を採る場合に必要となっていた支持体を不要とすることができる。故に、本実施形態の全固体空気電池11は、高度に集積した構造をとることが可能となる。
Therefore, in this embodiment, the positive and negative electrodes take a comb-like shape and form the same solid electrolyte network, so that the ionic conductivity due to the interface resistance at the boundary of each layer, which has been a problem in the past, has been increased. The decrease can be suppressed. Therefore, the all-solid-
Further, in this embodiment, the positive and negative electrodes have a comb-like shape, and the same solid electrolyte network is formed, thereby eliminating the need for a support that is required when adopting an integrated structure in a conventional air battery. It can be. Therefore, the all-solid-
本実施形態の全固体空気電池11の負極櫛体41は、固体電解質31に被覆され、かつ、負極集電体である負極基部61によって封止されている。つまり、負極櫛体41は固体電解質31と負極基部61とで密封されているため、大気と接触することはない。従って、たとえ本実施形態の全固体空気電池11を長期間作動させたとしても、負極が空気に接することがないため電池の安全性は保たれる。
The negative
(変形形態)
上記の各実施形態では、金属イオンとしてLiイオンを用いた形態を説明したが、金属イオンとしてLiイオン以外の他の金属のイオンを用いても良い。金属イオンとしてMgイオンを用いる場合の固体電解質3には、β−硫酸鉄型構造を有するMgZr4P6O24、この酸化物に第二相を分散させた化合物(Mg1+xZr4P6O24+x+xZr2P(PO4)2)、この酸化物のZr4+をNb5+で部分置換したMg1−2y(Zr1−yNby)4P6O24、NASICON型リン酸塩HfNb(PO4)3のHf4+をMg2+で部分置換した(MgzHf1−z)4(4−2z)Nb(PO4)3の等の酸化物を例示できる。
(Deformation)
In each of the above-described embodiments, the form using Li ions as metal ions has been described. However, other metal ions other than Li ions may be used as metal ions. In the case of using Mg ions as metal ions,
(試験例)
試験例について図4Bを参照して説明する。正極材料は、固体電解質82であるLATP(オハラ製LICGC;φ19mm(直径)、t=0.15mm(厚さ))上の10mm×10mmの範囲に、触媒81であるPtをスパッタリングすることにより作製された。触媒81が形成する触媒層は固体電解質82上にPt厚50nm、100μm間隔のライン&スペース状に設けられた。併せて、触媒層の一部に集電部となるタブを設けた。タブは、触媒81と同様に固体電解質82上にPtをスパッタリングすることにより作製され、かつ、触媒層とタブは電気的に接続している。負極材料84は、金属リチウムを用いた。
(Test example)
A test example will be described with reference to FIG. 4B. The positive electrode material is produced by sputtering Pt, which is a
外装材として40mm×40mmのラミネートフィルムを2枚用意した。一方のラミネートフィルムは正極側ラミネートフィルム87aであり、触媒81であるPtに酸素を導入するためのφ14.5mmの穴を設けた。もう一方のラミネートフィルムは、負極側ラミネートフィルム87bであり、穴を設けていない。正極側ラミネートフィルム87aの穴は、外側と内側から封止フィルム86によって封止した。また、負極側ラミネートフィルム87bには負極端子となるニッケルリード線85を取り付けた。
Two laminate films of 40 mm × 40 mm were prepared as exterior materials. One laminate film was a positive electrode
不活性乾燥雰囲気のグローブボックス内において、PtをスパッタリングしたLATPとLi(CF3SO2)2Nを含有したポリエチレンオキサイド(PEO)83と金属リチウムをこの順に積層した積層体を形成した。ここで、PEO層はLi金属によるLATPの還元を防止するために導入している。Li金属の還元を受けないLLZ等を用いる際には不要となる。
次に、これらの積層体を正極側及び負極側ラミネートフィルム(87a、87b)で挟み込んだ。積層体を正極側及び負極側ラミネートフィルム(87a、87b)で挟み込む際、触媒層が正極側ラミネートフィルム87aの穴に現れ、金属リチウムが負極側ラミネートフィルム87bのニッケルリード線85と接するように配置される。最後に、真空封止機を用いてラミネートフィルム内を真空にして封止しセル80を作成する。そしてセル80を60℃の恒温槽で一晩静置した。
In a glove box in an inert dry atmosphere, a laminate was formed by laminating Pt-sputtered LATP, polyethylene oxide (PEO) 83 containing Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, and metallic lithium in this order. Here, the PEO layer is introduced to prevent the reduction of LATP by Li metal. This is not necessary when using LLZ or the like that does not undergo Li metal reduction.
Next, these laminates were sandwiched between positive and negative side laminate films (87a, 87b). When sandwiching the laminate between the positive electrode side and negative electrode side laminate films (87a, 87b), the catalyst layer appears in the hole of the positive electrode
その後、正極側ラミネートフィルム87aの穴から触媒層がすべて露出するように封止フィルム86を取り除いた。また、触媒層の一部であるタブとニッケルリード線を重ね合わせ、銀ペーストによって接合することにより正極端子を設けた。
Thereafter, the sealing
作製後のセルが大気と接触することを防ぐために、セル80をチャンバーに組み付け、純酸素雰囲気内でセル80の評価を行った。
In order to prevent the fabricated cell from coming into contact with the atmosphere, the
<全固体空気電池の評価>
得られた試験電池に対して、2.0〜4.0Vの電圧範囲、1μAh/cm2の電流密度で定電流定電圧充放電を行った。その結果を図4Aに示す。
<Evaluation of all solid-state air battery>
The obtained test battery was charged and discharged at a constant current and a constant voltage in a voltage range of 2.0 to 4.0 V and a current density of 1 μAh / cm 2 . The result is shown in FIG. 4A.
試験電池の放電容量は2μAhであった。従って、図4Aより明らかなように、試験電池は充放電可能であることがわかる。 The discharge capacity of the test battery was 2 μAh. Therefore, as can be seen from FIG. 4A, the test battery can be charged and discharged.
1:第1実施形態の全固体空気電池 2:正極材料 3、31、3a:固体電解質
4:負極材料 100:積層体 200:正極部 300、30a:固体電解質部
400、40a:負極部 A、500:正極 B、600:負極 C:固体電解質層
20:正極グリーンシート 21a:正極櫛体前駆体 30:固体電解質グリーンシート
41a:負極櫛体前駆体 50:セルグリーンシート 60:グリーンシート
70:積層体グリーンシート 11:第2実施形態の全固体空気電池 21:正極櫛体
41:負極櫛体 51:正極基部 61:負極基部
80:セル 81:触媒(Pt) 82:固体電解質(LATP) 83:PEO
84:負極材料(金属リチウム( 85:ニッケルリード線(負極端子) 86:封止フィルム 87a:正極側ラミネートフィルム 87b:負極側ラミネートフィルム
1: All-solid-state air battery of 1st Embodiment 2:
400, 40a: negative electrode part A, 500: positive electrode B, 600: negative electrode C: solid electrolyte layer
20: Positive electrode
70: Laminated green sheet 11: All-solid-state air battery of the second embodiment 21: Positive electrode comb
41: Negative electrode comb 51: Positive electrode base 61: Negative electrode base
80: Cell 81: Catalyst (Pt) 82: Solid electrolyte (LATP) 83: PEO
84: Negative electrode material (metal lithium (85: nickel lead wire (negative electrode terminal) 86: sealing
Claims (6)
酸素を正極活物質とし空気を導入する手段を備え、かつ、酸素を還元する触媒を備える正極材料(2)を有する正極(A,500)と、
前記負極及び前記正極の間に介在する、該金属イオンを伝導する固体電解質(3)を含む固体電解質層(C)と、を有する全固体空気電池(1)であって、
前記負極材料及び前記正極材料は前記固体電解質を含み、かつ、前記固体電解質層と一体化していることを特徴とする全固体空気電池。 A negative electrode (B, 600) having a negative electrode material (4) capable of occluding and releasing metal ions;
A positive electrode (A, 500) having a positive electrode material (2) provided with a means for introducing air using oxygen as a positive electrode active material and having a catalyst for reducing oxygen;
An all-solid-state air battery (1) having a solid electrolyte layer (C) including a solid electrolyte (3) that conducts the metal ions, interposed between the negative electrode and the positive electrode,
The all-solid-state air battery, wherein the negative electrode material and the positive electrode material include the solid electrolyte and are integrated with the solid electrolyte layer.
前記正極は、板状体の正極基部(51)と前記負極に向けて前記正極基部から突出する複数の板状体の前記正極材料からなる正極櫛体(21)とを持ち、
前記負極基部と前記正極基部は間隔をあけて並設されており、
前記負極櫛体と前記正極櫛体とは間隙に前記固体電解質(31)を介して交互に櫛歯状に噛み合わされており、
前記負極櫛体は前記固体電解質に被覆され空気から遮断されている請求項1〜3のいずれか一項に記載の全固体空気電池。 The negative electrode (600) includes a negative electrode base (61) of a plate-like body and a negative electrode comb (41) made of a plurality of plate-like negative electrode materials protruding from the negative electrode base toward the positive electrode (500). Have
The positive electrode has a positive electrode base (51) of a plate-like body and a positive electrode comb (21) made of the positive electrode material of a plurality of plate-like bodies protruding from the positive electrode base toward the negative electrode,
The negative electrode base and the positive electrode base are juxtaposed at intervals,
The negative electrode comb body and the positive electrode comb body are alternately engaged with each other in a comb-tooth shape through the solid electrolyte (31) in the gap,
The all-solid-state air battery according to claim 1, wherein the negative electrode comb is covered with the solid electrolyte and is shielded from air.
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