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JP7223114B2 - Anode and metal-air batteries - Google Patents

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JP7223114B2 JP2021504036A JP2021504036A JP7223114B2 JP 7223114 B2 JP7223114 B2 JP 7223114B2 JP 2021504036 A JP2021504036 A JP 2021504036A JP 2021504036 A JP2021504036 A JP 2021504036A JP 7223114 B2 JP7223114 B2 JP 7223114B2
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Description

本開示は、負極および金属空気電池に関する。本願は、2019年3月5日に日本で出願された特願2019-039922号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。 The present disclosure relates to negative electrodes and metal-air batteries. This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-039922 filed in Japan on March 5, 2019, the content of which is incorporated herein.

金属空気電池は、正極(空気極)と負極(金属負極)と、電解質(電解液)とを備えて、高いエネルギー密度を有することから、実用化および二次電池化に向けた開発・研究が進められている。この種の金属空気電池は、正極と負極との間に絶縁性のセパレータが介在されて外装容器に収納されている。 A metal-air battery has a positive electrode (air electrode), a negative electrode (metal negative electrode), and an electrolyte (electrolyte solution), and has a high energy density. is underway. This type of metal-air battery is housed in an outer container with an insulating separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.

金属空気電池では、放電時に負極に含まれる金属が金属イオンとなって電解質中に拡散し、充電時に針状になって析出する。そのため、金属空気電池では、充放電が繰り返されたことで成長したデンドライト(針状の金属析出物)がセパレータを貫通して、正極と負極とが短絡するおそれがあった。 In the metal-air battery, the metal contained in the negative electrode becomes metal ions during discharge, diffuses into the electrolyte, and deposits in the form of needles during charging. Therefore, in the metal-air battery, dendrites (needle-shaped metal deposits) that have grown due to repeated charging and discharging may penetrate the separator, causing a short circuit between the positive electrode and the negative electrode.

これに対して、例えば、特許文献1には、金属空気電池の正極と負極との間にセパレータとしてアニオン伝導膜を設けることで、電極反応に必要なアニオンの良好な透過性を確保しながら金属イオンの拡散を抑制しつつ、正極と負極との短絡の原因となるデンドライトの成長を抑制しようとした構成が開示されている。 On the other hand, for example, in Patent Document 1, by providing an anion conductive film as a separator between the positive electrode and the negative electrode of a metal-air battery, metal A configuration is disclosed that attempts to suppress the growth of dendrites that cause a short circuit between the positive electrode and the negative electrode while suppressing the diffusion of ions.

特開2017-162773号公報JP 2017-162773 A

前記特許文献1に開示される金属空気電池では、負極が、セパレータであるアニオン伝導膜を介して正極と圧着されている。これによって、負極のうち、セパレータを介して正極に密着している面から、重力の作用で負極活物質が滑落するのを防止するよう意図されている。しかしながら、アニオン伝導膜に正極が圧着されていることによって、アニオン伝導膜と正極との間には摩擦が発生する。また、充放電により正極において酸素が生成および消費されることに伴って外装容器中に圧力変動が起こり、アニオン伝導膜が正極に押圧されることもある。このような摩擦や押圧によって、アニオン伝導膜は損傷や破裂を生じやすくなり、デンドライトが生成されて、正極と負極とが短絡するという問題点があった。 In the metal-air battery disclosed in Patent Document 1, the negative electrode is pressure-bonded to the positive electrode via an anion-conducting membrane that is a separator. This is intended to prevent the negative electrode active material from sliding down due to the action of gravity from the side of the negative electrode that is in close contact with the positive electrode via the separator. However, since the positive electrode is pressure-bonded to the anion conductive film, friction occurs between the anion conductive film and the positive electrode. In addition, as oxygen is generated and consumed in the positive electrode by charging and discharging, pressure fluctuations occur in the external container, and the anion conductive membrane may be pressed against the positive electrode. Such friction and pressure tend to damage or rupture the anion conductive membrane, generating dendrites and short-circuiting the positive electrode and the negative electrode.

本開示は、前記のような従来の問題点にかんがみてなされたものであり、その目的とするところは、デンドライトの成長を抑制し、電極間の短絡を抑制するのに適した負極およびその負極を備えた金属空気電池を提供することにある。 The present disclosure has been made in view of the conventional problems as described above, and its object is to provide a negative electrode suitable for suppressing the growth of dendrites and suppressing the short circuit between electrodes, and the negative electrode. To provide a metal-air battery with

前記の目的を達成するための本開示の負極は、少なくとも1つの開口を備えた樹脂製のケースと、前記ケースに収容された部分と、前記ケースから延伸された部分とを含む負極集電体と、前記ケースに収容され、前記負極集電体の少なくとも一部と接する負極活物質を含む負極活物質層と、前記開口を覆う第1の多孔膜と、前記第1の多孔膜と前記負極活物質層との間に配置されたアニオン伝導膜とを有することを特徴としている。 A negative electrode of the present disclosure for achieving the above object is a negative electrode current collector including a resin case having at least one opening, a portion accommodated in the case, and a portion extending from the case. a negative electrode active material layer housed in the case and containing a negative electrode active material in contact with at least a portion of the negative electrode current collector; a first porous film covering the opening; the first porous film and the negative electrode; and an anion-conducting membrane disposed between the active material layer.

この特定事項により、前記負極活物質は前記ケースに収容されてその滑落が抑制される。また、前記アニオン伝導膜と前記ケースの開口との間には前記第1の多孔膜が配置されるので、前記アニオン伝導膜の損傷等を防止することが可能となる。アニオン伝導膜の損傷等を防ぐことで、デンドライトが成長する経路を未然になくすことができる。そのため、デンドライトの成長を効果的に抑制することができ、電極間での短絡を防止することが可能となる。 Due to this specific matter, the negative electrode active material is housed in the case and is prevented from sliding down. In addition, since the first porous membrane is arranged between the anion conductive membrane and the opening of the case, it is possible to prevent the anion conductive membrane from being damaged. By preventing damage to the anion-conducting membrane, the route for dendrite growth can be eliminated. Therefore, the growth of dendrites can be effectively suppressed, and short circuits between electrodes can be prevented.

前記負極のより具体的な構成として、前記開口は前記ケースの内側で前記第1の多孔膜に覆われていることが好ましい。これにより、前記負極が充放電を繰り返すことで膨張し、デンドライトの成長経路になりやすい前記ケースの開口周縁部とアニオン伝導膜の間を前記第1の多孔膜によって、補強することができ、前記アニオン伝導膜の損傷・破損または前記ケースの開口周縁部と前記アニオン伝導膜の剥離を防ぐことができる。また、前記ケースと前記第1の多孔膜との一体性が高められ、デンドライトの成長経路を塞いで、電極間での短絡を防止することができる。 As a more specific configuration of the negative electrode, it is preferable that the opening is covered with the first porous film inside the case. As a result, the negative electrode expands due to repeated charging and discharging, and the space between the opening peripheral edge of the case and the anion conductive film, which tends to become a dendrite growth path, can be reinforced by the first porous film. It is possible to prevent damage or breakage of the anion-conducting membrane, or separation between the opening periphery of the case and the anion-conducting membrane. In addition, the integrity between the case and the first porous film is enhanced, and the dendrite growth path is blocked, thereby preventing short circuits between the electrodes.

前記構成の負極において、前記ケースと前記第1の多孔膜とは溶着されていることが好ましい。これにより、前記ケースと前記第1の多孔膜が溶着された領域において、前記ケースと前記第1の多孔膜のそれぞれの成分が溶けて、前記第1の多孔膜の孔を塞ぐことができる。そのため、デンドライトの成長経路になりやすかった前記第1多孔膜の周縁部においても、デンドライトの成長経路を遮断し、電極間の短絡を防止できる。 In the negative electrode having the above structure, it is preferable that the case and the first porous film are welded together. As a result, in the region where the case and the first porous membrane are welded together, the respective components of the case and the first porous membrane are melted to close the pores of the first porous membrane. Therefore, even in the peripheral portion of the first porous film, which tends to be a dendrite growth path, the dendrite growth path can be cut off, and a short circuit between the electrodes can be prevented.

また、前記構成の負極において、前記アニオン伝導膜は、前記ケースの内面に接していることが好ましい。これにより、正極と負極間の距離を維持しながら、デンドライトの成長経路を狭めることができるので、電極間の短絡をさらに防ぐことが可能となる。 Moreover, in the negative electrode having the above structure, it is preferable that the anion conductive film is in contact with the inner surface of the case. As a result, the growth path of the dendrite can be narrowed while maintaining the distance between the positive electrode and the negative electrode, so that it is possible to further prevent short circuits between the electrodes.

また、前記構成の負極において、前記アニオン伝導膜は、前記ケースの内側から前記第1の多孔膜に覆われ、前記第1の多孔膜の周縁部よりも外方へ延出していることが好ましい。このような構成によっても、デンドライトの成長経路を狭めることができるので、電極間の短絡をさらに防ぐことが可能になる。 Further, in the negative electrode having the above configuration, it is preferable that the anion conductive membrane is covered with the first porous membrane from the inside of the case and extends outward beyond the peripheral edge of the first porous membrane. . With such a configuration, the dendrite growth path can be narrowed, so short-circuiting between electrodes can be further prevented.

前記構成の負極における前記アニオン伝導膜について、より具体的には、陰イオン交換基を含む高分子、または層状複水酸化物を含むように構成されることが好ましい。また、前記アニオン伝導膜は、ジンケートイオンの透過を抑制するとともに水酸化物イオンの透過を許容するように構成されることが好ましい。このように構成されることにより、前記アニオン伝導膜としてアニオンの良好な透過性能を具備させることができる。 More specifically, the anion conductive membrane in the negative electrode having the above configuration preferably comprises a polymer containing an anion exchange group or a layered double hydroxide. Moreover, it is preferable that the anion-conducting membrane is configured to suppress permeation of zincate ions and allow permeation of hydroxide ions. With such a configuration, the anion conductive membrane can have good anion permeability.

また、前記構成の負極における前記第1の多孔膜について、より具体的には、透気度がガーレー値で0.1~1000秒であることが好ましい。さらに、前記第1の多孔膜は連通性を有する多数の微小孔を有し、前記微小孔の平均孔径が0.1~100μmであることが好ましい。前記第1の多孔膜は、このように構成されることにより、厚み方向に対して緩衝作用を期待できることに加え、微小孔に電解質を保持することができる。 More specifically, the air permeability of the first porous film in the negative electrode having the above structure is preferably 0.1 to 1000 seconds in Gurley value. Furthermore, it is preferable that the first porous membrane has a large number of interconnecting micropores and that the average pore diameter of the micropores is 0.1 to 100 μm. By being configured in this way, the first porous membrane can be expected to have a buffering effect in the thickness direction, and in addition, can retain the electrolyte in the micropores.

また、前記構成の負極において、前記アニオン伝導膜と前記負極活物質層との間に第2の多孔膜を備える構成とされてもよい。これにより、前記アニオン伝導膜の損傷等をさらに防止することが可能となる。 Further, in the negative electrode having the above structure, a second porous film may be provided between the anion conductive film and the negative electrode active material layer. This makes it possible to further prevent damage to the anion conductive membrane.

また、前記構成の負極において、前記ケースには電解質が収容されていることが好ましい。これにより、前記電解質を前記ケース内にて保持し、充放電反応を効率的に作用させることができる。 Moreover, in the negative electrode having the above structure, it is preferable that the case contains an electrolyte. As a result, the electrolyte can be held in the case, and the charge/discharge reaction can be effected efficiently.

また、前記構成に係る負極を備えた金属空気電池も本開示の技術的思想の範疇である。すなわち、本開示の金属空気電池は、負極と、正極と、電解質とを含み、前記負極は、少なくとも1つの開口を備えた樹脂製のケースと、前記ケースに収容され、前記ケースから延伸された負極集電体と、前記ケースに収容され、前記負極集電体の少なくとも一部と接する負極活物質を含む負極活物質層と、前記開口を覆う第1の多孔膜と、前記第1の多孔膜と前記負極活物質層との間に配置されたアニオン伝導膜とを備え、前記正極は、前記開口と対向して配置されていることを特徴としている。 A metal-air battery including the negative electrode according to the above configuration is also within the scope of the technical concept of the present disclosure. That is, the metal-air battery of the present disclosure includes a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte, and the negative electrode is housed in a resin case having at least one opening, and is extended from the case. a negative electrode current collector; a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material contained in the case and in contact with at least a portion of the negative electrode current collector; a first porous film covering the opening; An anion conductive film is provided between the film and the negative electrode active material layer, and the positive electrode is arranged to face the opening.

この特定事項により、前記負極においてデンドライトの成長を抑制し得て、電極間での短絡を防止することが可能な構造の金属空気電池を好適に形成することができる。 With this specific matter, it is possible to suitably form a metal-air battery having a structure capable of suppressing the growth of dendrites in the negative electrode and preventing a short circuit between the electrodes.

より具体的には、前記金属空気電池において、前記正極は、放電用の第1の正極と充電用の第2の正極とを備え、前記第1の正極、前記第2の正極、前記負極、の順に配設されていることが好ましい。 More specifically, in the metal-air battery, the positive electrode includes a first positive electrode for discharging and a second positive electrode for charging, wherein the first positive electrode, the second positive electrode, the negative electrode, are preferably arranged in this order.

また、前記金属空気電池において、前記開口として、前記負極活物質層の厚さ方向の両側に、それぞれ第1の開口と第2の開口とが設けられ、前記正極は、放電用の第1の正極と、充電用の第2の正極とを含み、前記第1の正極は前記第1の開口に対向して配置され、前記第2の正極は前記第2の開口に対向して配置した構成とされてもよい。 In the metal-air battery, a first opening and a second opening are provided on both sides in the thickness direction of the negative electrode active material layer as the openings, and the positive electrode is a first opening for discharging. A configuration including a positive electrode and a second positive electrode for charging, wherein the first positive electrode is arranged to face the first opening and the second positive electrode is arranged to face the second opening may be assumed.

前記金属空気電池は、このように構成されることにより、デンドライトの成長経路を効果的に遮断し、電極間での短絡を防止することができる。 With such a configuration, the metal-air battery can effectively block the dendrite growth path and prevent a short circuit between the electrodes.

本開示に係る負極およびその負極を備えた金属空気電池では、アニオン伝導膜の損傷や破損を防ぎ、電極間の短絡の原因となったデンドライトの成長を抑制することが可能となり、電池性能を向上させることができる。 In the negative electrode according to the present disclosure and the metal-air battery including the negative electrode, it is possible to prevent damage and breakage of the anion conductive film and suppress the growth of dendrites that cause short circuits between electrodes, improving battery performance. can be made

本開示の実施形態1に係る負極を模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a negative electrode according to Embodiment 1 of the present disclosure; FIG. 前記負極を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the said negative electrode. 本開示の実施形態1に係る金属空気電池を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a metal-air battery according to Embodiment 1 of the present disclosure; FIG. 実施形態2に係る負極を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing a negative electrode according to Embodiment 2; 前記負極を模式的に示す部分拡大断面図である。3 is a partially enlarged cross-sectional view schematically showing the negative electrode; FIG. 実施形態3に係る負極を模式的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a negative electrode according to Embodiment 3; 実施形態4に係る負極を模式的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a negative electrode according to Embodiment 4; 実施形態5に係る金属空気電池を模式的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a metal-air battery according to Embodiment 5; 実施形態6に係る金属空気電池を模式的に示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a metal-air battery according to Embodiment 6;

以下、本開示の実施形態に係る負極およびその負極を備えた金属空気電池について、図面を参照しつつ説明する。 A negative electrode and a metal-air battery including the negative electrode according to embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings.

(実施形態1)
図1は、本開示の実施形態1に係る負極1を模式的に示す断面図である。図2は、実施形態1に係る負極1を示す斜視図である。なお、説明の便宜上、図1における図中上方を、負極1およびこの負極1を備えた金属空気電池10における上方と仮定して、以下説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a negative electrode 1 according to Embodiment 1 of the present disclosure. FIG. 2 is a perspective view showing the negative electrode 1 according to Embodiment 1. FIG. For convenience of explanation, the following description assumes that the upper side of the drawing in FIG.

(負極)
負極1は、電極活物質となる金属を含み、正極8および電池ケース9等とともに金属空気電池10を構成し、電気化学的反応によって金属が金属酸化物に変化する過程で得られる電気エネルギーを取り出す。この負極1は、樹脂製の負極ケース(ケース)2、負極集電体3、負極活物質層4、第1の多孔膜5、およびアニオン伝導膜6を備えている。
(negative electrode)
The negative electrode 1 contains a metal that serves as an electrode active material, constitutes a metal-air battery 10 together with a positive electrode 8, a battery case 9, and the like, and extracts electrical energy obtained in the process in which the metal changes to a metal oxide through an electrochemical reaction. . This negative electrode 1 includes a negative electrode case (case) 2 made of resin, a negative electrode current collector 3 , a negative electrode active material layer 4 , a first porous film 5 , and an anion conductive film 6 .

負極1の負極ケース2は、少なくとも1つの開口20を備えて、内部に負極集電体3を収容している。負極ケース2は、例えば、1枚または複数枚のシート状絶縁フィルム材等を折り合わせて接合することで形成されている。 The negative electrode case 2 of the negative electrode 1 has at least one opening 20 and accommodates the negative electrode current collector 3 therein. The negative electrode case 2 is formed, for example, by folding and bonding one or a plurality of sheet-like insulating film materials or the like.

図1および図2に示す形態では、負極ケース2は、内外に貫通する開口20が、負極集電体3の一方の面と他方の面との両面に対向するように設けられている。すなわち、開口20は、負極ケース2において、負極集電体3を挟んで対向する面に、それぞれ形成されている。 In the form shown in FIGS. 1 and 2, the negative electrode case 2 is provided with an opening 20 penetrating inside and outside so as to face one surface and the other surface of the negative electrode current collector 3 . That is, the openings 20 are formed on the surfaces of the negative electrode case 2 that face each other with the negative electrode current collector 3 interposed therebetween.

各開口20の大きさは、負極ケース2に収容されている負極集電体3のいずれか一方の面の大きさよりも小さいものとされている。デンドライトは、負極集電体3または負極活物質層4の端部で成長しやすい。そのため、各開口20の大きさを、負極集電体3のいずれか一方の面の大きさよりも小さくすることで、負極集電体3または負極活物質層4の端部で電極反応が起こりにくくなり、デンドライトの成長を抑制することができる。 The size of each opening 20 is set to be smaller than the size of any one surface of the negative electrode current collector 3 housed in the negative electrode case 2 . Dendrites tend to grow at the edges of the negative electrode current collector 3 or the negative electrode active material layer 4 . Therefore, by making the size of each opening 20 smaller than the size of one of the surfaces of the negative electrode current collector 3, the electrode reaction is less likely to occur at the ends of the negative electrode current collector 3 or the negative electrode active material layer 4. It becomes possible to suppress the growth of dendrites.

負極集電体3は、多孔性であって電子伝導性を有する材料により形成されている。例えば、負極集電体3には、自己腐食抑制の観点から、水素過電圧の高い材料、またはステンレス等の金属素材表面に水素過電圧の高い材料によるメッキが施された材料が用いられる。また、負極集電体3は、メッシュ、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属粒子または金属繊維の焼結体、および発泡金属等により形成されてもよい。 The negative electrode current collector 3 is made of a material that is porous and has electronic conductivity. For example, from the viewpoint of self-corrosion suppression, the negative electrode current collector 3 is made of a material with a high hydrogen overvoltage, or a material in which the surface of a metal material such as stainless steel is plated with a material with a high hydrogen overvoltage. Further, the negative electrode current collector 3 may be made of mesh, expanded metal, punching metal, sintered metal particles or metal fibers, metal foam, or the like.

負極集電体3には、負極端子としてリード部31が延設されており、外部回路と電気的に接続することが可能とされている。負極集電体3は、このリード部31が負極ケース2の上部から延伸した状態で、負極ケース2に収容されている。これにより、負極1で消費し、または生成される電荷を、図示しない外部回路へ授受することが可能とされている。 A lead portion 31 is extended from the negative electrode current collector 3 as a negative electrode terminal, and can be electrically connected to an external circuit. The negative electrode current collector 3 is accommodated in the negative electrode case 2 with the lead portion 31 extending from the upper portion of the negative electrode case 2 . As a result, the charge consumed or generated by the negative electrode 1 can be transferred to and received from an external circuit (not shown).

負極活物質層4は、負極集電体3の両面に接するように負極ケース2内に配置され、電極活物質として金属元素を含む負極活物質を有している。このような金属元素としては、亜鉛、リチウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄などが好ましい。 The negative electrode active material layer 4 is arranged in the negative electrode case 2 so as to be in contact with both surfaces of the negative electrode current collector 3, and has a negative electrode active material containing a metal element as an electrode active material. As such metal elements, zinc, lithium, sodium, calcium, magnesium, aluminum, iron and the like are preferable.

例示の形態において、負極活物質層4は、還元状態の金属からなる層であっても、酸化状態の金属からなる層であってもよい。例えば、負極活物質層4には、粒子状亜鉛や酸化亜鉛を用いることができる。金属元素が亜鉛である場合、還元状態では金属亜鉛であり、酸化状態では酸化亜鉛である。亜鉛を含む負極1は、放電後に電池ケース9から取り出し、酸化亜鉛を亜鉛に還元することが可能である。 In an exemplary embodiment, the negative electrode active material layer 4 may be a layer of metal in a reduced state or a layer of metal in an oxidized state. For example, particulate zinc or zinc oxide can be used for the negative electrode active material layer 4 . When the metallic element is zinc, it is metallic zinc in the reduced state and zinc oxide in the oxidized state. The negative electrode 1 containing zinc can be removed from the battery case 9 after discharge to reduce zinc oxide to zinc.

また、金属元素が亜鉛である場合、放電時には、金属亜鉛の酸化反応が起こる。すなわち、亜鉛が酸化した結果、電解液中にジンケートイオンとして溶解する場合と、直接酸化亜鉛や水酸化亜鉛が生成する場合とがある。充電時には、金属亜鉛への還元反応が起こる。すなわち、電解液中に溶解しているジンケートイオンの還元により亜鉛が生成する場合と、酸化亜鉛や水酸化亜鉛が直接亜鉛へと還元する場合とがある。 Moreover, when the metal element is zinc, an oxidation reaction of metallic zinc occurs during discharge. That is, as a result of oxidation of zinc, there are cases where it dissolves in the electrolytic solution as zincate ions and cases where zinc oxide or zinc hydroxide is directly generated. During charging, a reduction reaction to metallic zinc occurs. That is, there are cases where zinc is produced by reduction of zincate ions dissolved in the electrolytic solution, and cases where zinc oxide and zinc hydroxide are directly reduced to zinc.

・第1の多孔膜5
負極ケース2の2つの開口20には、それぞれ、絶縁性の多孔質構造を有する第1の多孔膜5が添設されて、これらの開口20が覆われている。第1の多孔膜5は、負極ケース2の内側に収容されており、負極ケース2の内側から開口20を覆うように配設されている。
・First porous membrane 5
A first porous film 5 having an insulating porous structure is attached to each of the two openings 20 of the negative electrode case 2 to cover these openings 20 . The first porous film 5 is accommodated inside the negative electrode case 2 and arranged so as to cover the opening 20 from the inside of the negative electrode case 2 .

図1に示すように、負極1の負極ケース2内では、後述するアニオン伝導膜6と、開口20との間に、第1の多孔膜5が介在するよう構成されている。また、負極ケース2の開口20を介して、第1の多孔膜5には、後述する正極8が密接に配置される。 As shown in FIG. 1 , in the negative electrode case 2 of the negative electrode 1 , a first porous film 5 is interposed between an anion conductive film 6 (to be described later) and an opening 20 . A positive electrode 8 , which will be described later, is closely arranged on the first porous film 5 through the opening 20 of the negative electrode case 2 .

これにより、第1の多孔膜5は、負極ケース2の開口20を覆って、負極ケース2の内外の構成部材の間に介在し、これらの緩衝層として作用する。すなわち、負極ケース2内に配置されるアニオン伝導膜6は、第1の多孔膜5により、開口20の縁部に接触することが抑制される。負極ケース2外に配置される正極8は、開口20には当接するが、アニオン伝導膜6に接触せずに配置されるものとなる。 Thereby, the first porous film 5 covers the opening 20 of the negative electrode case 2 and intervenes between the inner and outer components of the negative electrode case 2, acting as a buffer layer therebetween. That is, the first porous membrane 5 prevents the anion conductive membrane 6 arranged in the negative electrode case 2 from coming into contact with the edge of the opening 20 . The positive electrode 8 arranged outside the negative electrode case 2 contacts the opening 20 but is arranged without contacting the anion conductive membrane 6 .

なお、図1では、負極ケース2の内側から開口20を覆うように第1の多孔膜5を配設する構成を示したが、第1の多孔膜5を負極ケース2の外側から開口20を覆うように配設してもよい。このような配置形態であっても、負極ケース2外に配置される正極8が、アニオン伝導膜6に接触することを防ぐことができる。 1 shows the configuration in which the first porous film 5 is arranged so as to cover the opening 20 from the inside of the negative electrode case 2, but the first porous film 5 is arranged from the outside of the negative electrode case 2 so as to cover the opening 20. You may arrange|position so that it may cover. Even with such an arrangement form, the positive electrode 8 arranged outside the negative electrode case 2 can be prevented from coming into contact with the anion conductive film 6 .

第1の多孔膜5の配置形態は、負極ケース2の内側から開口20を覆う配置の方が、外側から開口20を覆う配置よりもより望ましい。負極ケース2の内側から開口20を覆うように第1の多孔膜5を配設する場合、開口20の縁部、および、正極8がアニオン伝導膜に接触することを防ぐことができるためである。 As for the arrangement form of the first porous film 5, it is more desirable to cover the opening 20 from the inside of the negative electrode case 2 than to cover the opening 20 from the outside. This is because when the first porous membrane 5 is arranged to cover the opening 20 from the inside of the negative electrode case 2, the edge of the opening 20 and the positive electrode 8 can be prevented from coming into contact with the anion conductive membrane. .

第1の多孔膜5は、正極8と負極1との間のイオン伝導性を担うため、電解質を孔内に保持できる多孔質部材により形成され、ポリオレフィン製などの不織布、濾紙等を用いることができる。これらのほか、第1の多孔膜5は、例えば、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル等の無機物を含んでいてもよい。 Since the first porous membrane 5 is responsible for ion conductivity between the positive electrode 8 and the negative electrode 1, it is formed of a porous member that can hold the electrolyte in the pores, and non-woven fabric such as polyolefin, filter paper, etc. can be used. can. In addition to these, the first porous film 5 may contain inorganic substances such as titanium oxide, niobium oxide, and tantalum oxide.

また、第1の多孔膜5は、ガーレー値で表される透気度が、0.1~1000秒であることが好ましい。ガーレー値は、気体の通過しやすさを表す指標であり、値が大きいほど気体を通しにくい。第1の多孔膜5のガーレー値は、JIS P 8117に規定の測定法により簡易的に測定することができる。 Further, the first porous membrane 5 preferably has an air permeability represented by a Gurley value of 0.1 to 1000 seconds. The Gurley value is an index that expresses the ease with which gas can pass through. The Gurley value of the first porous film 5 can be easily measured by the measurement method specified in JIS P 8117.

この第1の多孔膜5におけるガーレー値は、0.1秒以上であることが好ましい。また、このガーレー値は、1000秒までであることが好ましく、上限値としては100秒であることがより好ましい。ガーレー値が0.1秒より小さい場合は、空隙が多過ぎるため、緩衝層として必要となる強度が不足し、第1の多孔膜5が損傷するおそれがある。ガーレー値が1000秒より大きい場合は、空隙が少なすぎるためイオン伝導を阻害し、電池の抵抗増加の原因となる。 The Gurley value of the first porous membrane 5 is preferably 0.1 seconds or more. The Gurley value is preferably up to 1000 seconds, and more preferably 100 seconds as the upper limit. If the Gurley value is less than 0.1 second, there are too many voids and the strength required for the buffer layer is insufficient, and the first porous membrane 5 may be damaged. If the Gurley value is greater than 1000 seconds, the voids are too small, impeding ion conduction and causing an increase in battery resistance.

また、第1の多孔膜5は、イオン伝導性を有して表裏両面の連通性を有する多数の微小孔を有している場合に、これらの微小孔の平均孔径は0.1~100μmであることが好ましい。より好ましくは、微小孔の平均孔径が1~50μmとされることである。 In addition, when the first porous membrane 5 has a large number of micropores having ionic conductivity and communication between the front and back surfaces, the average pore diameter of these micropores is 0.1 to 100 μm. Preferably. More preferably, the micropores have an average pore diameter of 1 to 50 μm.

第1の多孔膜5は、不織布や織布の場合などでは孔径が不均一であるが、平均孔径を前記範囲により構成することが好ましい。 The first porous membrane 5 has non-uniform pore diameters in the case of non-woven fabric or woven fabric, but it is preferable to configure the average pore diameter within the above range.

このような第1の多孔膜5が開口20に添設されていることにより、デンドライトの成長経路の原因となるアニオン伝導膜の損傷や破損を抑止することができ、デンドライトに起因する短絡の発生を抑えることが可能となる。 By attaching such a first porous film 5 to the opening 20, it is possible to suppress damage or breakage of the anion conductive film, which causes the growth path of dendrites, and the occurrence of short circuits caused by dendrites. can be suppressed.

・アニオン伝導膜6
第1の多孔膜5と負極活物質層4との間には、アニオン伝導膜6が配置されている。アニオン伝導膜6は、正極8と負極1の絶縁性を確保しつつ、これらの部材間でアニオンの移動を可能とし、電極間で電子伝導経路が形成されることによる短絡を防ぐ。アニオン伝導膜6は、電池反応に関与する水酸化物イオン(OH)等のアニオンを透過する膜であり、有機物と無機物を含む。
・Anion conductive membrane 6
An anion conductive film 6 is arranged between the first porous film 5 and the negative electrode active material layer 4 . The anion-conducting film 6 ensures insulation between the positive electrode 8 and the negative electrode 1, allows anions to move between these members, and prevents a short circuit due to the formation of an electron conduction path between the electrodes. The anion-conducting membrane 6 is a membrane that allows anions such as hydroxide ions (OH ) involved in the battery reaction to permeate, and includes organic matter and inorganic matter.

負極1の放電反応で生じるジンケートイオンは、電池中を充電極に拡散することで、電池の短絡不良の原因となる。アニオン伝導膜6は、水酸化物イオンの伝導性を有しており、水酸化物イオンの透過を許容する。一方で、アニオン伝導膜6は、ジンケートイオンの透過を抑制し、ジンケートイオンが拡散するのを阻害するものであることが好ましい。 Zincate ions generated by the discharge reaction of the negative electrode 1 diffuse in the battery to the charging electrode, causing short-circuit failure of the battery. The anion-conducting membrane 6 has conductivity for hydroxide ions and allows permeation of hydroxide ions. On the other hand, the anion-conducting membrane 6 preferably suppresses permeation of zincate ions and inhibits diffusion of zincate ions.

また、アニオン伝導膜6は、後述する無機物等の作用により、透過するアニオンの選択性を有する。アニオンの選択性は、例えば、水酸化物イオン等のアニオンは透過しやすく、アニオンであってもイオン半径の大きな、活物質に由来する金属含有イオン等の透過は十分に防止する。なお、アニオン伝導膜6におけるアニオン伝導とは、水酸化物イオン等のイオン半径の小さなアニオンを十分に透過することを意味しており、アニオンの透過性を有することをいう。金属含有イオン等のイオン半径の大きなアニオンは、より透過しにくいものであり、全く透過しなくてもよい。 In addition, the anion conductive membrane 6 has selectivity of permeating anions due to the action of an inorganic substance or the like, which will be described later. As for the selectivity of anions, for example, anions such as hydroxide ions are easily permeable, and even anions with large ionic radii, such as metal-containing ions derived from the active material, are sufficiently prevented from permeating. The anion conduction in the anion conductive membrane 6 means that anions having a small ionic radius such as hydroxide ions are sufficiently permeated, and means that the membrane has anion permeability. Anions with a large ionic radius, such as metal-containing ions, are more difficult to permeate, and may not permeate at all.

アニオン伝導膜6に含まれる無機物には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Mg、Sc、Y、ランタノイド、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Ru、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、In、Tl、C、Si、Ge、Sn、Pb、N、P、Sb、Bi、S、Se、Te、F、Cl、および、Brからなる群より選択される少なくとも1つの元素が含まれることが好ましい。 Inorganic substances contained in the anion conductive membrane 6 include alkali metals, alkaline earth metals, Mg, Sc, Y, lanthanides, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru. , Co, Ni, Pd, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Tl, C, Si, Ge, Sn, Pb, N, P, Sb, Bi, S, Se, Te , F, Cl, and Br.

前記無機物としては、例えば、酸化物、複合酸化物、層状複水酸化物等の層状無機化合物、水酸化物、粘土化合物、固溶体、合金、ゼオライト、ハロゲン化物、カルボキシラート化合物、炭酸化合物、炭酸水素化合物、硝酸化合物、硫酸化合物、スルホン酸化合物、ヒドロキシアパタイト等のリン酸化合物、亜リン化合物、次亜リン酸化合物、ホウ酸化合物、ケイ酸化合物、アルミン酸化合物、硫化物、オニウム化合物、塩等が挙げられる。中でも、酸化物、複合酸化物、ハイドロタルサイト等の層状複水酸化物、水酸化物、粘土化合物、固溶体、ゼオライト、フッ化物、リン酸化合物、ホウ酸化合物、ケイ酸化合物、アルミン酸化合物、塩が好ましい。 Examples of the inorganic substance include layered inorganic compounds such as oxides, composite oxides, and layered double hydroxides, hydroxides, clay compounds, solid solutions, alloys, zeolites, halides, carboxylate compounds, carbonate compounds, and hydrogen carbonate. compounds, nitrate compounds, sulfate compounds, sulfonic acid compounds, phosphate compounds such as hydroxyapatite, phosphorus compounds, hypophosphite compounds, boric acid compounds, silicic acid compounds, aluminate compounds, sulfides, onium compounds, salts, etc. is mentioned. Among them, oxides, composite oxides, layered double hydroxides such as hydrotalcite, hydroxides, clay compounds, solid solutions, zeolites, fluorides, phosphoric acid compounds, boric acid compounds, silicic acid compounds, aluminate compounds, Salt is preferred.

また、前記酸化物としては、例えば酸化セリウム、酸化ジルコニウムが好ましい。より好ましくは、酸化セリウムである。また、酸化セリウムは、例えば、酸化サマリウム、酸化ガドリニウム、酸化ビスマス等の金属酸化物がドープされたものや、酸化ジルコニウム等の金属酸化物との固溶体であってもよい。上記酸化物は、酸素欠陥を持つものであってもよい。前記水酸化物としては、例えば水酸化マグネシウム、水酸化セリウム、水酸化ジルコニウムが好ましい。 Moreover, as said oxide, a cerium oxide and a zirconium oxide are preferable, for example. Cerium oxide is more preferred. Cerium oxide may be doped with a metal oxide such as samarium oxide, gadolinium oxide, or bismuth oxide, or may be a solid solution with a metal oxide such as zirconium oxide. The oxide may have oxygen defects. Preferred examples of the hydroxide include magnesium hydroxide, cerium hydroxide, and zirconium hydroxide.

アニオン伝導膜6を構成する層状無機化合物は、1層だけであってもよく、2層以上が積層されたものであってもよい。層状無機化合物としては、例えば層状複水酸化物が挙げられる。この層状複水酸化物とは、次式;
[M (OH)](An-x/n・mH
(Mは、Mg、Fe、Zn、Ca、Li、Ni、Co、Cu、Mnのいずれかである二価の金属イオンを表す。Mは、Al、Fe、Mn、Co、Cr、Inのいずれかである三価の金属イオンを表す。An-は、OH、Cl、NO 、CO 2-、COO等の1~3価のアニオンを表す。mは0以上の数である。nは、1~3の数である。xは、0.20~0.40の数である。)に代表される化合物である。なお、An-は、2価以下のアニオンであることが好ましい。
The layered inorganic compound constituting the anion conductive membrane 6 may be composed of only one layer, or may be a laminate of two or more layers. Examples of layered inorganic compounds include layered double hydroxides. This layered double hydroxide is represented by the following formula;
[M 1 1x M 2 x (OH) 2 ](A n− ) x/n ·mH 2 O
( M1 represents a divalent metal ion that is any of Mg, Fe, Zn, Ca, Li, Ni, Co, Cu, Mn; M2 represents Al, Fe, Mn, Co, Cr, In represents a trivalent metal ion that is any of A n− represents a monovalent to trivalent anion such as OH , Cl , NO 3 , CO 3 2− , COO −, etc. m is 0 or more n is a number from 1 to 3. x is a number from 0.20 to 0.40.). Incidentally, A n- is preferably an anion having a valence of 2 or less.

層状複水酸化物によりアニオン伝導膜6を構成する場合、層状複水酸化物の粒子を成形し、および/または焼成することにより緻密層を得ることが好ましく、多孔質マトリクスバインダーなどの層状複水酸化物の粒子群の緻密化や固定化を助ける補助成分との複合体とされてもよい。 When the anion conductive membrane 6 is composed of a layered double hydroxide, it is preferable to obtain a dense layer by forming and/or firing particles of the layered double hydroxide. It may be a composite with an auxiliary component that helps densification and fixation of the oxide particle group.

アニオン伝導膜6に含まれる有機物としては、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンに代表される炭化水素部位含有ポリマー、ポリスチレン等に代表される芳香族基含有ポリマー;ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド等のアルキレングリコール等に代表されるエーテル基含有ポリマー;ポリビニルアルコールやポリ(α-ヒドロキシメチルアクリル酸塩)、セルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース(例えば、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等)等に代表される水酸基含有ポリマー;ポリアミド、ナイロン、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドンやN-置換ポリアクリルアミド等に代表されるアミド結合含有ポリマー;ポリマレイミド、ポリイミド等に代表されるイミド結合含有ポリマー;(メタ)アクリル酸アルキルエステルモノマー由来のモノマー単位を主成分として含む(メタ)アクリル系ポリマー;ポリ(メタ)アクリル酸(塩)、ポリマレイン酸(塩)、ポリイタコン酸(塩)、ポリメチレングルタル酸(塩)、カルボキシメチルセルロース等に代表されるカルボキシ基含有ポリマー(カルボキシ基の金属塩(アルカリ金属等)やアンモニウム塩等を含む);ポリ(メタ)アクリル酸塩、ポリマレイン酸塩、ポリイタコン酸塩、ポリメチレングルタル酸塩等に代表されるカルボン酸塩含有ポリマー;ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のハロゲン原子含有ポリマー;エポキシ樹脂等のエポキシ基が開環することにより結合したポリマー;スルホン酸(塩)部位含有ポリマー;ARB(Aは、NまたはPを表す。Bは、ハロゲンアニオンやOH等のアニオンを表す。R、R、Rは、同一または異なって、炭素数1~7のアルキル基、ヒドロキシアルキル基、アルキルカルボキシル基、芳香環基を表す。R、R、Rは、結合して環構造を形成してもよい。)で表される基が結合したポリマーに代表される第四級アンモニウム塩や第四級ホスホニウム塩含有ポリマー;陽イオン・陰イオン交換膜等に使用されるイオン交換性ポリマー;天然ゴム、人工ゴム等の主鎖に不飽和炭素結合を有するゴム状ポリマー;酢酸セルロース、キチン、キトサン、アルギン酸(塩)等に代表される糖類;ポリエチレンイミンに代表されるアミノ基含有ポリマー;カルバメート基部位含有ポリマー;カルバミド基部位含有ポリマー;エポキシ基部位含有ポリマー;複素環、および/または、イオン化した複素環部位含有ポリマー;ポリマーアロイ;ヘテロ原子含有ポリマー;低分子量界面活性剤等が挙げられ、これらの1種または2種以上を用いることができる。Organic substances contained in the anion conductive film 6 include hydrocarbon moiety-containing polymers typified by polyolefins such as polyethylene and polypropylene, aromatic group-containing polymers typified by polystyrene, and alkylene glycols such as polyethylene oxide and polypropylene oxide. Representative ether group-containing polymers; polyvinyl alcohol, poly(α-hydroxymethyl acrylate), cellulose, methyl cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyalkyl cellulose (e.g., hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, etc.), etc. Representative hydroxyl group-containing polymers; amide bond-containing polymers such as polyamide, nylon, polyacrylamide, polyvinylpyrrolidone and N-substituted polyacrylamide; imide bond-containing polymers such as polymaleimide and polyimide; (meth) acrylic (Meth)acrylic polymers containing monomer units derived from acid alkyl ester monomers as main components; Carboxy group-containing polymers represented by carboxymethyl cellulose (including carboxy group metal salts (alkali metals, etc.), ammonium salts, etc.); poly(meth)acrylates, polymaleates, polyitaconates, polymethylene glutaric acid Carboxylate-containing polymers typified by salts; halogen atom-containing polymers such as polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene; polymers bonded by ring-opening epoxy groups such as epoxy resins; salt) site-containing polymer; AR 1 R 2 R 3 B (A represents N or P. B represents an anion such as a halogen anion or OH- . R 1 , R 2 and R 3 are the same or different. represents an alkyl group having 1 to 7 carbon atoms, a hydroxyalkyl group, an alkylcarboxyl group, or an aromatic ring group, and R 1 , R 2 and R 3 may combine to form a ring structure. Polymers containing quaternary ammonium salts and quaternary phosphonium salts typified by polymers bonded with Rubber-like polymers with unsaturated carbon bonds in the chain; cellulose acetate, chitin, chitosan, Saccharides represented by ruginic acid (salt), etc.; Amino group-containing polymers represented by polyethyleneimine; Carbamate group site-containing polymers; Carbamide group site-containing polymers; Epoxy group site-containing polymers; Heterocyclic site-containing polymers; polymer alloys; heteroatom-containing polymers;

・電解質
これらの負極集電体3、負極活物質層4、アニオン伝導膜6および第1の多孔膜5が内包された負極ケース2には電解質が収容されている。電解質としては、電池の電解質として通常用いられるものであれば特に制限されず、例えば、水含有電解液、有機溶剤系電解液等が挙げられ、水含有電解液がより好ましい。
-Electrolyte An electrolyte is accommodated in the negative electrode case 2 in which the negative electrode current collector 3, the negative electrode active material layer 4, the anion conductive film 6 and the first porous film 5 are enclosed. The electrolyte is not particularly limited as long as it is commonly used as a battery electrolyte, and examples thereof include water-containing electrolytes and organic solvent-based electrolytes, with water-containing electrolytes being more preferred.

水含有電解液は、水のみを溶媒原料として使用する電解液(水系電解液)や、水に有機溶剤を加えた液を溶媒原料として使用する電解液をいう。水系電解液としては、例えば、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、硫酸亜鉛水溶液、硝酸亜鉛水溶液、リン酸亜鉛水溶液、酢酸亜鉛水溶液等が挙げられる。電解質は特に制限されないが、水系電解液を使用する場合には、系中でイオン伝導を担う水酸化物イオンを発生させる化合物であることが好ましい。イオン伝導性の観点からは、水酸化カリウム水溶液がより好ましい。水系電解液は、1種でも2種以上であってもよい。 The water-containing electrolytic solution refers to an electrolytic solution using only water as a solvent raw material (aqueous electrolytic solution) or an electrolytic solution using a liquid obtained by adding an organic solvent to water as a solvent raw material. Examples of aqueous electrolytes include potassium hydroxide aqueous solution, sodium hydroxide aqueous solution, lithium hydroxide aqueous solution, zinc sulfate aqueous solution, zinc nitrate aqueous solution, zinc phosphate aqueous solution, zinc acetate aqueous solution and the like. The electrolyte is not particularly limited, but when an aqueous electrolyte is used, it is preferably a compound that generates hydroxide ions responsible for ion conduction in the system. From the viewpoint of ion conductivity, a potassium hydroxide aqueous solution is more preferable. One or two or more aqueous electrolytes may be used.

さらに、かかる電解液は、電池ケース9内で負極1および正極8を浸漬する。図1に示すように、実施形態1に係る負極1(および金属空気電池10)では、電解液による液層は存在せず、負極1および正極8が電解液で湿潤した状態で浸漬されている。 Further, the electrolytic solution immerses the negative electrode 1 and the positive electrode 8 within the battery case 9 . As shown in FIG. 1, in the negative electrode 1 (and the metal-air battery 10) according to Embodiment 1, there is no liquid layer of the electrolytic solution, and the negative electrode 1 and the positive electrode 8 are immersed in the electrolytic solution in a wet state. .

例えば、金属空気電池10として、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池が適用される場合、電解液には、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などのアルカリ性水溶液を用いることができ、マグネシウム空気電池の場合には、電解液に塩化ナトリウム水溶液を用いることができ、リチウム空気電池の場合には、有機性の電解液を用いることができる。電解液には、電解質以外の有機添加物や無機添加物が添加されてもよく、高分子添加物によりゲル化されていてもよい。 For example, when a zinc-air battery, an aluminum-air battery, or an iron-air battery is applied as the metal-air battery 10, an alkaline aqueous solution such as an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution can be used as the electrolyte. In the case of an air battery, an aqueous sodium chloride solution can be used as the electrolyte, and in the case of a lithium-air battery, an organic electrolyte can be used. The electrolytic solution may contain an organic additive or an inorganic additive other than the electrolyte, or may be gelled with a polymer additive.

負極集電体3、負極活物質層4、アニオン伝導膜6および第1の多孔膜5は、負極ケース2に内包されて、金属空気電池10を構成する電池ケース9に収容されている。負極ケース2により、負極集電体3と正極8との電池ケース9内での絶縁性が確保されている。 Negative electrode current collector 3 , negative electrode active material layer 4 , anion conductive film 6 and first porous film 5 are enclosed in negative electrode case 2 and housed in battery case 9 constituting metal-air battery 10 . The negative electrode case 2 ensures insulation between the negative electrode current collector 3 and the positive electrode 8 in the battery case 9 .

図2に示すように、負極ケース2は、電池ケース9に収容される前段階では、上部が開放された有底の袋形状に形成されており、負極ケース2内に電解液を注入することができる。負極ケース2は、熱融着のための余白部分が上部側に確保されており、電解液の注入後に上部側が熱融着されて封止されてもよい。 As shown in FIG. 2, the negative electrode case 2 is formed in the shape of a bottomed bag with an open top before it is accommodated in the battery case 9, and the electrolytic solution is injected into the negative electrode case 2. can be done. The negative electrode case 2 has a margin for heat sealing on the upper side, and the upper side may be heat-sealed and sealed after the electrolyte solution is injected.

なお、負極ケース2の材質としては、この種の金属空気電池10に求められる電解液の透過を防ぎ、絶縁部材として機能し得る材料で構成されていれば特に制限されない。好ましくは、絶縁性が良好であってシワ等ができにくく、耐熱性が高い熱可塑性樹脂材料により形成されることである。具体的には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂材料を好適に使用することができる。かかるポリオレフィン系樹脂材料の厚さとしては、厚さ0.2mm以下であることが好ましく、さらには30~150μm、より好ましくは50~100μm程度の厚さのものを好適に使用することができる。 The material of the negative electrode case 2 is not particularly limited as long as it is made of a material that prevents permeation of the electrolytic solution required for this type of metal-air battery 10 and that can function as an insulating member. Preferably, it is made of a thermoplastic resin material that has good insulation properties, is less prone to wrinkles, etc., and has high heat resistance. Specifically, polyolefin resin materials such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP) can be preferably used. The thickness of the polyolefin resin material is preferably 0.2 mm or less, more preferably 30 to 150 μm, more preferably 50 to 100 μm.

負極1では、放電反応、充電反応ともに、負極活物質に加え、水酸化物イオン(OH)が関わる反応が起こる。そのため、負極1は負極活物質および水酸化物イオン(OH)の伝導パスとして働く電解質が効率的に接する構造を有しており、例えば、負極活物質を活物質粒子からなる多孔性の電極とすることで、活物質粒子の粒子間の空隙に電解液が浸透するものとなる。これにより、活物質粒子と電解液との接触界面を広げることができる。また、負極活物質層4はバインダーを含んで構成されてもよく、バインダーを含むことで、負極活物質同士を結着させることが可能となる。At the negative electrode 1, both the discharge reaction and the charge reaction involve reactions involving hydroxide ions (OH ) in addition to the negative electrode active material. Therefore, the negative electrode 1 has a structure in which the negative electrode active material and the electrolyte acting as a conduction path for hydroxide ions (OH ) are in efficient contact. As a result, the electrolytic solution permeates the voids between the active material particles. Thereby, the contact interface between the active material particles and the electrolytic solution can be widened. Moreover, the negative electrode active material layer 4 may be configured to contain a binder, and the binder enables the negative electrode active materials to bind to each other.

(金属空気電池)
図3は、実施形態1に係る金属空気電池10を示す斜視図である。金属空気電池10は、電池ケース9と、負極1と、正極8とを備えている。
(metal-air battery)
FIG. 3 is a perspective view showing the metal-air battery 10 according to Embodiment 1. FIG. A metal-air battery 10 includes a battery case 9 , a negative electrode 1 and a positive electrode 8 .

図1に示したように、金属空気電池10を構成する正極8は、放電用の第1の正極である放電用正極(空気極)81と、充電用の第2の正極である充電用正極82とを有する。負極1の負極ケース2の一方の面には放電用正極81が配置され、他方の面には充電用正極82が配置されている。 As shown in FIG. 1, the positive electrodes 8 that constitute the metal-air battery 10 include a discharging positive electrode (air electrode) 81 that is a first positive electrode for discharging, and a charging positive electrode that is a second positive electrode for charging. 82. A discharge positive electrode 81 is arranged on one surface of the negative electrode case 2 of the negative electrode 1, and a charging positive electrode 82 is arranged on the other surface.

・電池ケース9
電池ケース9は、負極1、放電用正極81、および充電用正極82を収容する外装容器である。例示の形態では、図1に示すように、電池ケース9は、負極ケース2の外方に配設されて負極1を内包するように構成されている。この場合、電池ケース9として、負極ケース2の一方の開口20に対向して配置される第1ケース91と、負極ケース2の他方の開口20に対向して配置される第2ケース92とが、内側に負極1を内包した状態で互いに接合されて形成されている。
Battery case 9
The battery case 9 is an exterior container that accommodates the negative electrode 1, the positive electrode 81 for discharge, and the positive electrode 82 for charge. In the exemplary embodiment, as shown in FIG. 1, the battery case 9 is arranged outside the negative electrode case 2 and is configured to enclose the negative electrode 1 therein. In this case, as the battery case 9 , a first case 91 is arranged facing one opening 20 of the negative electrode case 2 and a second case 92 is arranged facing the other opening 20 of the negative electrode case 2 . , are bonded to each other with the negative electrode 1 enclosed therein.

第1ケース91および第2ケース92には、それぞれ、多数の開孔が表裏面に貫通して形成されている。これらのうち、第1ケース91では、前記開孔が空気取込口93とされている。また、第2ケース92では、前記開孔はガス排出口94とされている。電池ケース9は、これらの空気取込口93を介して内部に空気を取り込むことが可能とされるとともに、ガス排出口94を介して、充電時に発生し充電極近傍に溜まる酸素などのガスを外部に排出することが可能とされている。 The first case 91 and the second case 92 are each formed with a large number of openings extending through the front and back surfaces. Among these, in the first case 91 , the opening serves as an air intake port 93 . Also, in the second case 92 , the opening serves as a gas discharge port 94 . The battery case 9 is capable of taking in air through these air intake ports 93, and through gas exhaust ports 94, exhausts gases such as oxygen generated during charging and accumulated near the charging electrodes. It is possible to discharge it to the outside.

電池ケース9は、製造過程において、第1ケース91と第2ケース92とが対向配置されて、外周部において融着される。電池ケース9の上端部は、電解液を注入する注入口として利用することができる。この電池ケース9の上端部は電解液を注入後に熱融着により封止される。図3に示すように、電池ケース9の上端部は、第1ケース91と第2ケース92との間に負極ケース2を挟み込んだ状態で封止されることが好ましい。 In the manufacturing process of the battery case 9, the first case 91 and the second case 92 are arranged to face each other and are fused at the outer peripheral portion. An upper end portion of the battery case 9 can be used as an injection port for injecting the electrolytic solution. The upper end of the battery case 9 is sealed by heat sealing after the electrolyte is injected. As shown in FIG. 3, the upper end of the battery case 9 is preferably sealed with the negative electrode case 2 sandwiched between the first case 91 and the second case 92 .

電池ケース9を構成する材料は、電解液に対して耐腐食性を有する材料であって、かつ、耐熱性および熱融着性を有する材料であることが好ましい。例えば、電池ケース9の材料には、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ酢酸ビニル、ABS樹脂、塩化ビニリデン、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などが好ましい。 The material forming the battery case 9 is preferably a material having corrosion resistance to the electrolytic solution, heat resistance, and heat-sealability. For example, the material of the battery case 9 is preferably polyvinyl chloride (PVC), polyvinyl acetate, ABS resin, vinylidene chloride, polyacetal, polyethylene, polypropylene, polyisobutylene, fluorine resin, epoxy resin, or the like.

なお、図1および図3に示す形態では、金属空気電池10として、電池ケース9内の電解液(電解質)中に負極1、放電用正極81、および充電用正極82が浸漬された状態で互いに平行に配置された3極方式の二次電池を例示している。 1 and 3, as the metal-air battery 10, the negative electrode 1, the discharging positive electrode 81, and the charging positive electrode 82 are immersed in the electrolytic solution (electrolyte) in the battery case 9. A tripolar secondary battery arranged in parallel is illustrated.

・放電用正極81
放電用正極81は、触媒を有し、かつ金属空気電池10の放電時に正極となる電極である。放電用正極81では、電解液としてアルカリ性水溶液を使用する場合、触媒上において電解液などから供給される水と大気から供給される酸素ガスと電子とが反応して、水酸化物イオン(OH)を生成する放電反応が起こる。この放電用正極81においては、酸素(気相)、水(液相)、電子伝導体(固相)が共存する三相界面で放電反応が進行する。
・Discharge positive electrode 81
The discharge positive electrode 81 is an electrode that has a catalyst and becomes a positive electrode when the metal-air battery 10 is discharged. In the discharge positive electrode 81, when an alkaline aqueous solution is used as the electrolyte, water supplied from the electrolyte or the like reacts with oxygen gas and electrons supplied from the atmosphere on the catalyst to form hydroxide ions (OH ) occurs. In the discharge positive electrode 81, a discharge reaction proceeds at a three-phase interface where oxygen (gas phase), water (liquid phase), and electron conductor (solid phase) coexist.

放電用正極81は、大気に含まれる酸素ガスが拡散できるように設けられる。例えば、放電用正極81は、少なくとも放電用正極81の表面の一部が大気に曝されるように設けられている。例示の形態では、電池ケース9の多数の空気取込口93を介して、大気に含まれる酸素ガスが放電用正極81中に拡散される。 The discharge positive electrode 81 is provided so that oxygen gas contained in the atmosphere can diffuse. For example, the discharge positive electrode 81 is provided so that at least part of the surface of the discharge positive electrode 81 is exposed to the atmosphere. In the exemplary embodiment, oxygen gas contained in the atmosphere is diffused into the discharge positive electrode 81 through the numerous air intake ports 93 of the battery case 9 .

放電用正極81は、放電用正極集電体、触媒を含む放電用正極触媒層、および撥水膜を備えて構成されてもよい。放電用正極集電体は、多孔性でかつ電子伝導性を有する材料であることが望ましい。電解液としてアルカリ性水溶液を使用する場合には、耐腐食性の観点から、ニッケル、または、ステンレスなどの金属素材の表面に対してニッケルメッキを施した材料を使用することが望ましい。メッシュ、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属粒子や金属繊維の焼結体、発泡金属などを使用することで放電用正極集電体を多孔性とすることもできる。 The discharge positive electrode 81 may include a discharge positive electrode current collector, a discharge positive electrode catalyst layer containing a catalyst, and a water-repellent film. The positive electrode current collector for discharge is desirably made of a material that is porous and has electronic conductivity. When an alkaline aqueous solution is used as the electrolyte, from the viewpoint of corrosion resistance, it is desirable to use nickel or a material obtained by plating the surface of a metal material such as stainless steel with nickel. The positive electrode current collector for discharge can be made porous by using mesh, expanded metal, punching metal, sintered metal particles or metal fibers, foamed metal, or the like.

放電用正極集電体は、ガス拡散層として機能するものであってもよい。この場合、放電用正極集電体は、撥水性樹脂により表面処理されたカーボンペーパーやカーボンクロス、あるいは、カーボンブラックと撥水性樹脂からなる多孔性シートとされる。撥水性樹脂は、電解液が電池ケース9から漏洩するのを防ぐために設けられ、気液分離機能を有するとともに、触媒層への酸素ガスの供給を妨げない。 The discharge positive electrode current collector may function as a gas diffusion layer. In this case, the positive electrode current collector for discharge is carbon paper or carbon cloth surface-treated with a water-repellent resin, or a porous sheet made of carbon black and a water-repellent resin. The water-repellent resin is provided to prevent the electrolyte from leaking from the battery case 9, has a gas-liquid separation function, and does not interfere with the supply of oxygen gas to the catalyst layer.

撥水膜は、撥水性樹脂を含有する多孔性材料であり、負極1とは反対側に配置される。撥水膜が配設されることにより電解液の漏洩を抑制することができる。撥水膜に用いられる撥水性樹脂には、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が好ましい。 The water-repellent film is a porous material containing a water-repellent resin, and is arranged on the side opposite to the negative electrode 1 . Leakage of the electrolytic solution can be suppressed by disposing the water-repellent film. Polytetrafluoroethylene (PTFE), for example, is preferable as the water-repellent resin used for the water-repellent film.

放電用正極81は、放電用正極端子(空気極端子)と電気的に接続することができ、触媒層で生じた電荷を図示しない外部回路へと取り出すことを可能にする。 The discharge positive electrode 81 can be electrically connected to a discharge positive electrode terminal (air electrode terminal), and enables charge generated in the catalyst layer to be taken out to an external circuit (not shown).

・充電用正極82
充電用正極82は、充電用の正極として働く多孔性の電極である。充電用正極82では、電解液としてアルカリ性水溶液を使用する場合、水酸化物イオン(OH)から酸素と水と電子とが生成される反応が起こる(充電反応)。つまり、充電用正極82においては、酸素(気相)、水(液相)、電子伝導体(固相)が共存する三相界面で充電反応が進行する。
・Charging positive electrode 82
The charging positive electrode 82 is a porous electrode that serves as a positive charging electrode. In the charging positive electrode 82, when an alkaline aqueous solution is used as the electrolyte, a reaction occurs in which oxygen, water, and electrons are generated from hydroxide ions (OH ) (charging reaction). That is, in the charging positive electrode 82, the charging reaction proceeds at the three-phase interface where oxygen (gas phase), water (liquid phase), and electron conductor (solid phase) coexist.

充電用正極82は、充電反応の進行により生成する酸素ガスなどのガスが拡散できるように設けられている。例えば、充電用正極82は、少なくともその一部が外気と連通するように設けられる。例示の形態では、電池ケース9の多数のガス排出口94を介して、充電反応により生成される酸素ガスなどのガスが充電用正極82から排出される。 The charging positive electrode 82 is provided so that gas such as oxygen gas generated by the progress of the charging reaction can diffuse. For example, the charging positive electrode 82 is provided so that at least part of it communicates with the outside air. In the exemplary embodiment, gas such as oxygen gas produced by the charging reaction is discharged from the charging positive electrode 82 through a number of gas discharge ports 94 of the battery case 9 .

充電用正極82は、多孔性でかつ電子伝導性を有する材料であることが望ましい。電解液としてアルカリ性水溶液を使用する場合、耐腐食性、充電反応に対する酸素発生触媒能の観点から、ニッケル、あるいは、ステンレスなどの金属素材の表面に対してニッケルメッキを施した材料を使用することが望ましい。充電用正極82として、メッシュ、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属粒子や金属繊維の焼結体、発泡金属などを使用することで充電用正極82を多孔性とすることもできる。充電用正極82は、表面に充電反応を促進する酸素発生触媒粒子が備えられてもよい。また、充電用正極82は、図示しない充電用正極集電体を備える構成であってもよい。 The charging positive electrode 82 is desirably made of a porous and electronically conductive material. When an alkaline aqueous solution is used as the electrolyte, from the viewpoint of corrosion resistance and oxygen evolution catalytic ability for the charging reaction, it is possible to use nickel or a material with the surface of a metal material such as stainless steel plated with nickel. desirable. The charging positive electrode 82 can be made porous by using mesh, expanded metal, punching metal, sintered metal particles or metal fibers, foamed metal, or the like. The charging positive electrode 82 may be provided with oxygen generating catalyst particles that promote the charging reaction on its surface. Moreover, the charging positive electrode 82 may be configured to include a charging positive electrode current collector (not shown).

充電用正極82においても、放電用正極81と同様、撥水膜が備えられてもよい。撥水膜が配設されることにより、充電用正極82を介した電解液の漏洩を抑制することができ、充電反応により生成される酸素ガスなどのガスを電解液と分離し、電池ケース9の外部へ排出することが可能とされる。充電用正極82は、充電用正極端子と電気的に接続することができ、充電反応に必要となる電荷を図示しない外部回路から供給することを可能にする。 Similarly to the discharging positive electrode 81, the charging positive electrode 82 may also be provided with a water-repellent film. By disposing the water-repellent film, it is possible to suppress leakage of the electrolytic solution through the positive electrode 82 for charging, and separate gas such as oxygen gas generated by the charging reaction from the electrolytic solution. It is possible to discharge to the outside of. The charging positive electrode 82 can be electrically connected to a charging positive electrode terminal, and can be supplied with electric charges necessary for the charging reaction from an external circuit (not shown).

このように構成される金属空気電池10は、図3に示すように、電池ケース9内に負極ケース2を備える負極1が配置されており、負極集電体3のリード部31を負極ケース2の上部から延伸させた状態で電池ケース9の外側へ引き出して形成される。また、図1を参照して、負極集電体3等の負極1の構成部材は、電池ケース9とは接触せず、また、負極集電体3と電池ケース9内面との絶縁性も確保されている。正極8は、負極ケース2によって負極集電体3から絶縁され、接触しないように配置されている。 As shown in FIG. 3, the metal-air battery 10 configured as described above has the negative electrode 1 provided with the negative electrode case 2 in the battery case 9 , and the lead portion 31 of the negative electrode current collector 3 is connected to the negative electrode case 2 . is extended from the upper portion of the battery case 9 to the outside of the battery case 9 . Further, referring to FIG. 1, the constituent members of the negative electrode 1 such as the negative electrode current collector 3 do not come into contact with the battery case 9, and the insulation between the negative electrode current collector 3 and the inner surface of the battery case 9 is ensured. It is The positive electrode 8 is insulated from the negative electrode current collector 3 by the negative electrode case 2 and arranged so as not to come into contact with them.

図1に示すように、負極1および正極8(放電用正極81および充電用正極82)の電極間には、アニオン伝導膜6が介在している。これらの電極間には、第1の多孔膜5を介してイオン伝導が起こり、金属空気電池10の充電反応および放電反応が可能となされる。アニオン伝導膜6は、正極8と負極1の絶縁性を確保しつつアニオンの移動を可能とし、電子伝導経路が形成されることを防ぐ。このため、金属空気電池10は、デンドライトの成長を抑制することが可能な構造とされ、電極間での短絡を防止することが可能とされている。 As shown in FIG. 1, an anion conductive film 6 is interposed between the electrodes of the negative electrode 1 and the positive electrode 8 (discharging positive electrode 81 and charging positive electrode 82). Ion conduction occurs between these electrodes through the first porous membrane 5, and charging and discharging reactions of the metal-air battery 10 are made possible. The anion conductive film 6 ensures insulation between the positive electrode 8 and the negative electrode 1, allows anions to move, and prevents the formation of an electron conduction path. Therefore, the metal-air battery 10 has a structure capable of suppressing the growth of dendrites, and is capable of preventing short circuits between electrodes.

金属空気電池10では、充放電サイクルに伴って、負極活物質層4の膨張または収縮を生じることがある。これに対して、金属空気電池10は、負極活物質層4を含めて負極1を構成するアニオン伝導膜6および第1の多孔膜5等が負極ケース2に収容されている。また、金属空気電池10は、負極1および正極8は、電池ケース9内で密接に配置され、電極間に電解液による液層の無い構造を有している。これにより、充放電サイクルに伴う膨張等を抑え、体積変化しにくい構造を実現している。さらに、金属空気電池10において膨張等を生じたとしても、アニオン伝導膜6と負極ケース2との間(またはアニオン伝導膜6と正極8との間)に第1の多孔膜5が介在して緩衝層となるので、アニオン伝導膜6が押圧されて損傷することが防がれる。 In the metal-air battery 10, expansion or contraction of the negative electrode active material layer 4 may occur with charge-discharge cycles. On the other hand, in the metal-air battery 10 , the anion conductive film 6 , the first porous film 5 , and the like, which constitute the negative electrode 1 , including the negative electrode active material layer 4 , are housed in the negative electrode case 2 . In addition, the metal-air battery 10 has a structure in which the negative electrode 1 and the positive electrode 8 are closely arranged in the battery case 9 and there is no liquid layer due to the electrolyte between the electrodes. As a result, expansion due to charge/discharge cycles is suppressed, and a structure that does not easily change in volume is realized. Furthermore, even if expansion or the like occurs in the metal-air battery 10, the first porous membrane 5 is interposed between the anion conductive film 6 and the negative electrode case 2 (or between the anion conductive film 6 and the positive electrode 8). Since it functions as a buffer layer, the anion conductive membrane 6 is prevented from being pressed and damaged.

金属空気電池10の製造過程では、負極ケース2を構成する単層構造または複層構造のシート材を熱融着により有底袋形状に形成するとともに、2つの開口20を側面に対向するように開設し、負極ケース2を形成する。各開口20には、第1の多孔膜5を内側からあてがい、負極ケース2の内側から開口20を閉塞する。 In the manufacturing process of the metal-air battery 10, the single-layered or multi-layered sheet material constituting the negative electrode case 2 is heat-sealed to form a bottomed bag shape, and the two openings 20 are arranged to face each other on the sides. to form the negative electrode case 2 . Each opening 20 is covered with the first porous film 5 from the inside to close the opening 20 from the inside of the negative electrode case 2 .

次いで、負極ケース2内に負極集電体3、負極活物質層4、およびアニオン伝導膜6を挿入する。アニオン伝導膜6と負極ケース2との間には、第1の多孔膜5が介在されるので、アニオン伝導膜6が負極ケース2の開口20に接触したり正極8に接触したりすることが防がれる。その結果、アニオン伝導膜6を損傷させることなく、負極ケース2内に配置することができ、アニオン伝導膜6を十分に機能させることが可能となる。 Next, the negative electrode current collector 3 , the negative electrode active material layer 4 and the anion conductive film 6 are inserted into the negative electrode case 2 . Since the first porous film 5 is interposed between the anion conductive film 6 and the negative electrode case 2 , the anion conductive film 6 can contact the opening 20 of the negative electrode case 2 and the positive electrode 8 . be prevented. As a result, the anion conductive film 6 can be placed in the negative electrode case 2 without damaging the anion conductive film 6, and the anion conductive film 6 can be sufficiently functioned.

次いで、電池ケース9に負極ケース2を収納するとともに、負極ケース2と電池ケース9との間に正極8を配置する。また、負極ケース2内および電池ケース9内(電池ケース9の内面と負極ケース2の外面との間)に電解液を注入し、熱融着により電池ケース9および負極ケース2を封止する。これにより、デンドライトの成長経路を遮断し得て、電極間での短絡を防止することが可能となされる。 Next, the negative electrode case 2 is housed in the battery case 9 and the positive electrode 8 is arranged between the negative electrode case 2 and the battery case 9 . Also, an electrolytic solution is injected into the negative electrode case 2 and the battery case 9 (between the inner surface of the battery case 9 and the outer surface of the negative electrode case 2), and the battery case 9 and the negative electrode case 2 are sealed by thermal fusion. As a result, the dendrite growth path can be cut off, making it possible to prevent short circuits between the electrodes.

金属空気電池10は、例えば、亜鉛空気電池、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池、マグネシウム空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池などに適用可能であるが、特に、負極1としての金属負極が亜鉛種である亜鉛空気電池に好適に用いることができる。亜鉛空気電池は、例えばリチウム空気電池のように引火性の電解液(電解質)を使用する必要がなく、アルカリ系の電解液(電解質)を利用することができるため、安全性が高いといった利点がある。また、亜鉛空気電池は、リチウム空気電池よりも低コストで負極が製造できるため、大容量化が容易であるといった利点がある。 The metal-air battery 10 can be applied to, for example, a zinc-air battery, a lithium-air battery, a sodium-air battery, a calcium-air battery, a magnesium-air battery, an aluminum-air battery, an iron-air battery, and the like. It can be suitably used for a zinc-air battery in which the negative electrode is a zinc species. Unlike lithium-air batteries, for example, zinc-air batteries do not require the use of flammable electrolytes (electrolytes), and can use alkaline electrolytes (electrolytes). be. In addition, the zinc-air battery has the advantage that the negative electrode can be manufactured at a lower cost than the lithium-air battery, so that it is easy to increase the capacity.

なお、この実施形態では、金属空気電池10として3極方式の金属空気二次電池を例示しているが、金属空気電池10が一次電池とされて、充電用正極82が省略された形態であってもよい。また、金属空気電池10は、正極に酸素還元能および酸素発生能を有する触媒を備えて、充電時と放電時の両方に使用できる正極を用いた形態とされてもよい。 In this embodiment, a three-electrode metal-air secondary battery is exemplified as the metal-air battery 10, but the metal-air battery 10 is a primary battery and the positive electrode 82 for charging is omitted. may Moreover, the metal-air battery 10 may have a positive electrode that includes a catalyst having oxygen reducing ability and oxygen generating ability in the positive electrode and that can be used both during charging and during discharging.

(実施形態2)
図4は、実施形態2に係る負極1の斜視図である。図5は、実施形態2に係る負極1を模式的に示す拡大断面図であり、図1におけるA1部に相当する部分を拡大して示している。なお、以下に説明する実施形態2~6は基本構成において前記実施形態1と共通していることから、各形態に特有の構成について詳細に説明し、その他の構成については前記実施形態1と共通の符号を用いてその説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a perspective view of the negative electrode 1 according to Embodiment 2. FIG. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view schematically showing the negative electrode 1 according to Embodiment 2, showing an enlarged view of a portion corresponding to part A1 in FIG. Since Embodiments 2 to 6 described below have the same basic configuration as Embodiment 1, configurations unique to each mode will be described in detail, and other configurations are common to Embodiment 1. , and description thereof will be omitted.

実施形態1では、負極1の負極ケース2に設けられる開口20は、負極ケース2の内側から第1の多孔膜5で覆われた構成を示した。実施形態2では、負極1は、さらに、負極ケース2の内側から開口20を覆う第1の多孔膜5が、負極ケース2に溶着されている点に特徴を有している。 In Embodiment 1, the opening 20 provided in the negative electrode case 2 of the negative electrode 1 is covered with the first porous film 5 from the inside of the negative electrode case 2 . In Embodiment 2, the negative electrode 1 is further characterized in that the first porous film 5 covering the opening 20 from the inside of the negative electrode case 2 is welded to the negative electrode case 2 .

図4および図5に示すように、開口20は負極ケース2の内側から第1の多孔膜5に覆われており、負極ケース2と第1の多孔膜5とは溶着されて、溶着領域23が設けられている。溶着領域23は、負極ケース2における開口20の周縁部に沿って設けられている。この溶着領域23において、第1の多孔膜5は開口20の周縁部に固定されて、負極ケース2に一体化されている。 As shown in FIGS. 4 and 5, the opening 20 is covered with the first porous film 5 from the inside of the negative electrode case 2, and the negative electrode case 2 and the first porous film 5 are welded to form a welded region 23. is provided. The welding region 23 is provided along the periphery of the opening 20 in the negative electrode case 2 . In this welding region 23 , the first porous membrane 5 is fixed to the peripheral edge of the opening 20 and integrated with the negative electrode case 2 .

このように負極ケース2と第1の多孔膜5とが溶着されていることで、負極ケース2内にアニオン伝導膜6を配置するとき、アニオン伝導膜6が負極ケース2の開口20に干渉したり引っ掛かったりすることが防がれ、アニオン伝導膜6をスムーズに挿入することが可能となる。これにより、負極1を製造する際の作業性が高められるだけでなく、アニオン伝導膜6が損傷することを防ぐことができる。 Since the negative electrode case 2 and the first porous film 5 are welded together in this manner, the anion conductive film 6 does not interfere with the opening 20 of the negative electrode case 2 when the anion conductive film 6 is arranged in the negative electrode case 2 . The anion conductive membrane 6 can be smoothly inserted. This not only improves the workability in manufacturing the negative electrode 1, but also prevents the anion conductive membrane 6 from being damaged.

また、溶着領域23を備えることで、負極ケース2と第1の多孔膜5とが隙間なく密接に配置される。これにより、デンドライトが正極8に向かって成長する経路を塞ぐことが可能となり、電極間での短絡を防止するうえで、より一層好ましいものとなる。特に、第1の多孔膜5は負極ケース2との溶着によって、溶着領域23の近傍で第1の多孔膜5の微小孔が閉塞される。そのため、溶着領域23では、負極ケース2(負極1)の内外が遮断されるものとなり、デンドライトの成長経路を塞ぐことが可能となる。 In addition, since the welding region 23 is provided, the negative electrode case 2 and the first porous film 5 are closely arranged without a gap. This makes it possible to block the path for dendrites to grow toward the positive electrode 8, which is even more preferable in terms of preventing short circuits between the electrodes. In particular, when the first porous film 5 is welded to the negative electrode case 2 , the micropores of the first porous film 5 are closed in the vicinity of the welded region 23 . Therefore, in the welded region 23, the inside and outside of the negative electrode case 2 (negative electrode 1) are cut off, and the growth path of the dendrite can be blocked.

(実施形態3)
図6は、実施形態3に係る負極1を模式的に示す断面図であり、実施形態1における図1に相当する図である。実施形態3に係る負極1はアニオン伝導膜6に特徴を有しており、その他の構成は実施形態1または2と共通する。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the negative electrode 1 according to Embodiment 3, which corresponds to FIG. 1 in Embodiment 1. FIG. The negative electrode 1 according to Embodiment 3 is characterized by the anion conductive film 6, and other configurations are common to those of Embodiment 1 or 2.

図6に示すように、アニオン伝導膜6は、負極ケース2の内面に接するように負極活物質層4と第1の多孔膜5との間に設けられている。アニオン伝導膜6は、開口20を覆った第1の多孔膜5の大きさよりも大きいものであり、重なり合った第1の多孔膜5の外縁部よりも外方へ延出する大きさを有している。 As shown in FIG. 6 , the anion conductive film 6 is provided between the negative electrode active material layer 4 and the first porous film 5 so as to be in contact with the inner surface of the negative electrode case 2 . The anion-conducting membrane 6 is larger than the first porous membrane 5 covering the opening 20, and has a size that extends outward beyond the outer edges of the overlapping first porous membranes 5. ing.

これにより、アニオン伝導膜6が負極ケース2内に配置された状態で、アニオン伝導膜6と負極ケース2との間に形成される隙間が、図1に示した形態よりも小さいものとなる。したがって、デンドライトが正極8に向かって成長する経路を長くするとともに塞ぐことが可能となり、電極間での短絡を防止するうえで、より一層好ましいものとすることができる。 As a result, the gap formed between the anion conductive film 6 and the negative electrode case 2 is smaller than that shown in FIG. Therefore, it is possible to lengthen the path along which the dendrite grows toward the positive electrode 8 and block it, which is more preferable in terms of preventing a short circuit between the electrodes.

なお、図6では、アニオン伝導膜6の下端部は負極ケース2の内面に接し、上端部は負極ケース2の内面に接していない状態を示している。負極1におけるアニオン伝導膜6の配置形態はこれに限定されるものではなく、アニオン伝導膜6が第1の多孔膜5よりも大きい大きさを有する構成であれば負極ケース2の内面に接することが可能なものであり、負極ケース2とアニオン伝導膜6との接触形態はどのようであってもよい。 6 shows a state in which the lower end of the anion conductive film 6 is in contact with the inner surface of the negative electrode case 2 and the upper end is not in contact with the inner surface of the negative electrode case 2. As shown in FIG. The arrangement form of the anion conductive film 6 in the negative electrode 1 is not limited to this. As long as the anion conductive film 6 has a size larger than that of the first porous film 5, the anion conductive film 6 can be in contact with the inner surface of the negative electrode case 2. is possible, and the form of contact between the negative electrode case 2 and the anion conductive film 6 may be any.

(実施形態4)
図7は、実施形態4に係る負極1を模式的に示す断面図であり、実施形態1における図1に相当する図である。実施形態4に係る負極1は、実施形態3で示した構成に加えて、さらに第2の多孔膜7を備えて構成されている。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the negative electrode 1 according to Embodiment 4, which corresponds to FIG. 1 in Embodiment 1. FIG. The negative electrode 1 according to Embodiment 4 further includes a second porous film 7 in addition to the structure shown in Embodiment 3. As shown in FIG.

図示するように、負極1は、アニオン伝導膜6と負極活物質層4との間に、第2の多孔膜7を備えている。この第2の多孔膜7は、第1の多孔膜5と同様、正極8と負極1との間のイオン伝導性を有する部材であればよく、ポリオレフィン製などの不織布、濾紙等の第1の多孔膜5と共通の部材を用いることができる。第2の多孔膜7の大きさおよび厚みも、第1の多孔膜5と共通とすることができる。 As illustrated, the negative electrode 1 has a second porous film 7 between the anion conductive film 6 and the negative electrode active material layer 4 . Like the first porous membrane 5, the second porous membrane 7 may be a member having ion conductivity between the positive electrode 8 and the negative electrode 1. A member common to the porous membrane 5 can be used. The size and thickness of the second porous membrane 7 can also be the same as those of the first porous membrane 5 .

第2の多孔膜7は、多孔質構造を有することから、負極ケース2内に配置されて負極ケース2内の電解液を保持することが可能とされる。このような負極1を備えた金属空気電池10では、充放電サイクルに伴って、負極活物質層4の膨張または収縮を生じることがあるが、第2の多孔膜7は負極活物質層4に密接に積層されて負極活物質層4の電解液が不足するのを抑制する。 Since the second porous film 7 has a porous structure, it can be arranged inside the negative electrode case 2 to retain the electrolytic solution inside the negative electrode case 2 . In the metal-air battery 10 having such a negative electrode 1, the negative electrode active material layer 4 may expand or contract with charge/discharge cycles. It suppresses shortage of the electrolytic solution in the negative electrode active material layer 4 by being closely laminated.

加えて、第2の多孔膜7は、負極活物質層4とアニオン伝導膜6との間に介在されることで、アニオン伝導膜6における第1の多孔膜5側と反対側にあって、アニオン伝導膜6に損傷を生じるのを防ぐものとなる。また、負極活物質層4から正極8に向かってデンドライトが成長する場合には、第2の多孔膜7は負極活物質層4とアニオン伝導膜6との間で緩衝層として作用し、デンドライトによってアニオン伝導膜6が損傷するのを防ぐ。 In addition, the second porous film 7 is interposed between the negative electrode active material layer 4 and the anion conductive film 6, so that the anion conductive film 6 is on the opposite side of the first porous film 5, This prevents the anion conductive membrane 6 from being damaged. When dendrites grow from the negative electrode active material layer 4 toward the positive electrode 8, the second porous film 7 acts as a buffer layer between the negative electrode active material layer 4 and the anion conductive film 6, and the dendrites It prevents the anion conductive membrane 6 from being damaged.

(実施形態5)
図8は、実施形態5に係る金属空気電池10を模式的に示す断面図である。実施形態1に係る金属空気電池10では、負極1の一方に放電用正極81が配置され、他方に充電用正極82が配置された構成であった。この形態に係る金属空気電池10は、放電用正極81と充電用正極82とが隣接して配置されている。金属空気電池10の負極1としては、実施形態4に示した構成のものが備えられている。
(Embodiment 5)
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a metal-air battery 10 according to Embodiment 5. As shown in FIG. In the metal-air battery 10 according to Embodiment 1, the discharging positive electrode 81 is arranged on one side of the negative electrode 1 and the charging positive electrode 82 is arranged on the other side. In the metal-air battery 10 according to this embodiment, the discharging positive electrode 81 and the charging positive electrode 82 are arranged adjacent to each other. The negative electrode 1 of the metal-air battery 10 has the configuration shown in the fourth embodiment.

図8に示すように、金属空気電池10を構成する正極8は、放電用の第1の正極である放電用正極(空気極)81と、充電用の第2の正極である充電用正極82とを有する。これらの放電用正極81と充電用正極82とは、負極1の両側に、双方とも配置されている。負極1の負極ケース2の一方の面には、開口20に接して充電用正極82が配置され、この充電用正極82に隣接して放電用正極81が配置されている。電池ケース9の内面には放電用正極81が内側から接して配置されている。負極ケース2の他方の面にも同様に備えられている。 As shown in FIG. 8, the positive electrodes 8 constituting the metal-air battery 10 include a discharging positive electrode (air electrode) 81 which is a first positive electrode for discharging, and a charging positive electrode 82 which is a second positive electrode for charging. and Both of the discharging positive electrode 81 and the charging positive electrode 82 are arranged on both sides of the negative electrode 1 . A charging positive electrode 82 is arranged in contact with the opening 20 on one surface of the negative electrode case 2 of the negative electrode 1 , and a discharging positive electrode 81 is arranged adjacent to the charging positive electrode 82 . A discharge positive electrode 81 is arranged in contact with the inner surface of the battery case 9 from the inside. The other surface of the negative electrode case 2 is similarly provided.

これにより、金属空気電池10は、負極1が、2つの放電用正極81の間の略中央に設けられて、充電用正極82は、放電用正極81と負極1との間(負極1の両側に2箇所)に設けられた構成とされている。金属空気電池10は、負極1におけるデンドライトの成長を抑制することができ、電極間での短絡を防止することが可能な構造を有するものとなる。 Thus, in the metal-air battery 10, the negative electrode 1 is provided substantially in the center between the two discharge positive electrodes 81, and the charging positive electrode 82 is provided between the discharge positive electrode 81 and the negative electrode 1 (both sides of the negative electrode 1). 2 places). The metal-air battery 10 has a structure capable of suppressing the growth of dendrite in the negative electrode 1 and preventing a short circuit between electrodes.

なお、図8では、金属空気電池10における負極1は、一例として実施形態4に示した構成のものである場合を示したが、これに限られず、他の形態に係る負極1が備えられてもよい。また、金属空気電池10は、電池ケース9内の負極1の片側に放電用正極81および充電正極8が設けられた構成であって、放電用正極81、充電用正極82、および負極1の順に配置されたものであれば、どのように構成されてもよい。図8には図示しないが、充電用正極82と放電用正極81の間に、充電用正極82と放電用正極81とを絶縁するためのセパレータが設けられてもよい。 Note that FIG. 8 shows the case where the negative electrode 1 in the metal-air battery 10 has the configuration shown in Embodiment 4 as an example, but the present invention is not limited to this, and negative electrodes 1 according to other forms are provided. good too. The metal-air battery 10 has a configuration in which a discharging positive electrode 81 and a charging positive electrode 8 are provided on one side of the negative electrode 1 in the battery case 9, and the discharging positive electrode 81, the charging positive electrode 82, and the negative electrode 1 are arranged in this order. As long as they are arranged, they may be configured in any way. Although not shown in FIG. 8 , a separator may be provided between the charging positive electrode 82 and the discharging positive electrode 81 to insulate the charging positive electrode 82 and the discharging positive electrode 81 .

(実施形態6)
図9は、実施形態6に係る金属空気電池10を模式的に示す断面図である。金属空気電池10における負極1、放電用正極81、および充電用正極82の配置形態は、前述した形態に限定されない。この形態に係る金属空気電池10は、負極1として実施形態4に示した構成のものを備えるとともに、この負極1を挟んで一方に放電用正極81、他方に充電用正極82を備えた構成とされている。
(Embodiment 6)
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a metal-air battery 10 according to Embodiment 6. As shown in FIG. The arrangement form of the negative electrode 1, the discharging positive electrode 81, and the charging positive electrode 82 in the metal-air battery 10 is not limited to the form described above. The metal-air battery 10 according to this embodiment includes a negative electrode 1 having the structure shown in Embodiment 4, and a discharging positive electrode 81 on one side and a charging positive electrode 82 on the other side with the negative electrode 1 interposed therebetween. It is

図9に示すように、負極ケース2には、負極活物質層4の厚さ方向の両側に、それぞれ第1の開口21と第2の開口22とが設けられている。正極8としては、第1の正極である放電用正極81と、第2の正極である充電用正極82とが備えられ、第1の開口21に対向して放電用正極81が配置され、第2の開口22に対向して充電用正極82が配置されている。 As shown in FIG. 9, the negative electrode case 2 is provided with a first opening 21 and a second opening 22 on both sides of the negative electrode active material layer 4 in the thickness direction. As the positive electrode 8, a discharging positive electrode 81 as a first positive electrode and a charging positive electrode 82 as a second positive electrode are provided. 2, a charging positive electrode 82 is arranged facing the opening 22 of the second electrode.

このように構成される金属空気電池10によっても、負極1におけるデンドライトの成長の原因となるアニオン伝導膜の損傷や破損を抑制することができ、電極間での短絡を防止することが可能な構造とすることができる。 Even with the metal-air battery 10 configured in this way, it is possible to suppress damage or breakage of the anion conductive film that causes dendrite growth in the negative electrode 1, and to prevent short circuits between the electrodes. can be

以上、本開示に係る負極1および金属空気電池10によれば、負極ケース2内に第1の多孔膜5を備えさせ、アニオン伝導膜6の緩衝層としたことから、アニオン伝導膜6に損傷が生じるのを防ぐことが可能となる。これにより、負極1および金属空気電池10は、デンドライトの成長経路の発生を未然に防止することができ、電極間での短絡を防止し、長寿命化と高出力化を図ることが可能となる。 As described above, according to the negative electrode 1 and the metal-air battery 10 according to the present disclosure, the first porous film 5 is provided in the negative electrode case 2 and used as a buffer layer for the anion conductive film 6, so that the anion conductive film 6 is damaged. can be prevented from occurring. As a result, the negative electrode 1 and the metal-air battery 10 can prevent dendrite growth paths from occurring, prevent short circuits between the electrodes, and achieve longer life and higher output. .

本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。 The present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments is also included in the technical scope of the present disclosure.

本開示に係る負極および金属空気電池は、電力供給装置の一つとして用いられる金属空気電池に広く利用可能である。 The negative electrode and metal-air battery according to the present disclosure can be widely used for metal-air batteries used as one of power supply devices.

Claims (14)

少なくとも1つの開口を備えた樹脂製のケースと、
前記ケースに収容された部分と、前記ケースから延伸された部分とを含む負極集電体と、
前記ケースに収容され、前記負極集電体の少なくとも一部と接する負極活物質を含む負極活物質層と、
前記開口を覆う第1の多孔膜と、
前記第1の多孔膜と前記負極活物質層との間に配置されたアニオン伝導膜と
前記ケースと前記第1の多孔膜とを溶着する溶着領域と、
を有し、
前記溶着領域は、前記開口の周縁部に沿って設けられていることを特徴とする負極。
a resin case having at least one opening;
a negative electrode current collector including a portion housed in the case and a portion extending from the case;
a negative electrode active material layer contained in the case and containing a negative electrode active material in contact with at least part of the negative electrode current collector;
a first porous film covering the opening;
an anion conductive film disposed between the first porous film and the negative electrode active material layer ;
a welding region for welding the case and the first porous membrane;
has
The negative electrode, wherein the welding region is provided along a peripheral edge of the opening .
請求項1に記載の負極において、
前記開口は前記ケースの内側で前記第1の多孔膜に覆われていることを特徴とする負極。
In the negative electrode according to claim 1,
The negative electrode, wherein the opening is covered with the first porous film inside the case.
請求項に記載の負極において、前記溶着領域の近傍で多孔質膜の微小孔が閉塞されていることを特徴とする負極。 2. The negative electrode according to claim 1 , wherein the micropores of the porous film are closed in the vicinity of said welding region. 請求項1~のいずれか1つの請求項に記載の負極において、
前記アニオン伝導膜は、前記ケースの内面に接していることを特徴とする負極。
In the negative electrode according to any one of claims 1 to 3 ,
The negative electrode, wherein the anion conductive film is in contact with the inner surface of the case.
請求項1~のいずれか1つの請求項に記載の負極において、
前記アニオン伝導膜は、前記ケースの内側から前記第1の多孔膜に覆われ、前記第1の多孔膜の周縁部よりも外方へ延出していることを特徴とする負極。
In the negative electrode according to any one of claims 1 to 4 ,
The negative electrode, wherein the anion conductive film is covered with the first porous film from the inside of the case and extends outward beyond the peripheral edge of the first porous film.
請求項1~のいずれか1つの請求項に記載の負極において、
前記アニオン伝導膜は、陰イオン交換基を含む高分子、または層状複水酸化物を含むことを特徴とする負極。
In the negative electrode according to any one of claims 1 to 5 ,
The negative electrode, wherein the anion conductive membrane contains a polymer containing an anion exchange group or a layered double hydroxide.
請求項1~のいずれか1つの請求項に記載の負極において、
前記アニオン伝導膜は、ジンケートイオンの透過を抑制するとともに水酸化物イオンの透過を許容することを特徴とする負極。
In the negative electrode according to any one of claims 1 to 6 ,
The negative electrode, wherein the anion conductive film suppresses permeation of zincate ions and allows permeation of hydroxide ions.
請求項1~のいずれか1つの請求項に記載の負極において、
前記第1の多孔膜は透気度がガーレー値で0.1~1000秒であることを特徴とする負極。
In the negative electrode according to any one of claims 1 to 7 ,
The negative electrode, wherein the first porous film has an air permeability of 0.1 to 1000 seconds in Gurley value.
請求項1~のいずれか1つの請求項に記載の負極において、
前記第1の多孔膜は連通性を有する多数の微小孔を有し、前記微小孔の平均孔径が0.1~100μmであることを特徴とする負極。
In the negative electrode according to any one of claims 1 to 7 ,
The negative electrode, wherein the first porous film has a large number of interconnecting micropores, and the micropores have an average pore diameter of 0.1 to 100 μm.
請求項1~のいずれか1つの請求項に記載の負極において、
前記アニオン伝導膜と前記負極活物質層との間に第2の多孔膜を備えることを特徴とする負極。
In the negative electrode according to any one of claims 1 to 9 ,
A negative electrode comprising a second porous film between the anion conductive film and the negative electrode active material layer.
請求項1~10のいずれか1つの請求項に記載の負極において、
前記ケースには電解質が収容されていることを特徴とする負極。
In the negative electrode according to any one of claims 1 to 10 ,
A negative electrode, wherein the case contains an electrolyte.
負極と、正極と、電解質とを含む金属空気電池であって、
前記負極は、
少なくとも1つの開口を備えた樹脂製のケースと、
前記ケースに収容され、前記ケースから延伸された負極集電体と、
前記ケースに収容され、前記負極集電体の少なくとも一部と接する負極活物質を含む負極活物質層と、
前記開口を覆う第1の多孔膜と、
前記第1の多孔膜と前記負極活物質層との間に配置されたアニオン伝導膜と
前記ケースと前記第1の多孔膜とを溶着する溶着領域と、
を備え、
前記正極は、前記開口と対向して配置され
前記溶着領域は、前記開口の周縁部に沿って設けられていることを特徴とする金属空気電池。
A metal-air battery comprising a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte,
The negative electrode is
a resin case having at least one opening;
a negative electrode current collector housed in the case and extended from the case;
a negative electrode active material layer contained in the case and containing a negative electrode active material in contact with at least part of the negative electrode current collector;
a first porous film covering the opening;
an anion conductive film disposed between the first porous film and the negative electrode active material layer ;
a welding region for welding the case and the first porous membrane;
with
The positive electrode is arranged to face the opening ,
The metal-air battery , wherein the welding region is provided along the peripheral edge of the opening .
請求項12に記載の金属空気電池において、
前記正極は、放電用の第1の正極と充電用の第2の正極とを備え、
前記第1の正極、前記第2の正極、前記負極、の順に配設されていることを特徴とする金属空気電池。
In the metal-air battery of claim 12 ,
The positive electrode comprises a first positive electrode for discharging and a second positive electrode for charging,
A metal-air battery, wherein the first positive electrode, the second positive electrode, and the negative electrode are arranged in this order.
請求項12に記載の金属空気電池において、
前記開口として、前記負極活物質層の厚さ方向の両側に、それぞれ第1の開口と第2の開口とが設けられ、
前記正極は、放電用の第1の正極と、充電用の第2の正極とを含み、
前記第1の正極は前記第1の開口に対向して配置され、前記第2の正極は前記第2の開口に対向して配置されていることを特徴とする金属空気電池。
In the metal-air battery of claim 12 ,
As the openings, a first opening and a second opening are provided on both sides in the thickness direction of the negative electrode active material layer,
The positive electrode includes a first positive electrode for discharging and a second positive electrode for charging,
A metal-air battery, wherein the first positive electrode is arranged to face the first opening, and the second positive electrode is arranged to face the second opening.
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