JP2011253789A - 金属空気電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】放電の際に正極上に金属炭酸塩が生成されることを防止する。
【解決手段】金属空気電池1は、正極2、負極3、電解質層4および空気導入管5を備える二次電池である。正極2は、略有底円筒状の多孔質部材であり、アルミナにより形成される正極支持部21、導電性を有するペロブスカイト型酸化物により形成される正極導電層22、および、二酸化マンガンにより形成される正極触媒層23を備える。負極3は、ステンレス鋼により形成された負極支持部31、および、リチウムまたはリチウム合金により形成される負極導電層32を備える。金属空気電池1では、ペロブスカイト型酸化物にて形成された正極導電層22上に正極触媒層23を形成することにより、炭素を含有しない正極2を実現することができる。これにより、放電の際に正極2上に炭酸リチウムが生成されることを防止することができ、金属空気電池1の充電電圧を低くすることができる。
【選択図】図2
【解決手段】金属空気電池1は、正極2、負極3、電解質層4および空気導入管5を備える二次電池である。正極2は、略有底円筒状の多孔質部材であり、アルミナにより形成される正極支持部21、導電性を有するペロブスカイト型酸化物により形成される正極導電層22、および、二酸化マンガンにより形成される正極触媒層23を備える。負極3は、ステンレス鋼により形成された負極支持部31、および、リチウムまたはリチウム合金により形成される負極導電層32を備える。金属空気電池1では、ペロブスカイト型酸化物にて形成された正極導電層22上に正極触媒層23を形成することにより、炭素を含有しない正極2を実現することができる。これにより、放電の際に正極2上に炭酸リチウムが生成されることを防止することができ、金属空気電池1の充電電圧を低くすることができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、金属空気電池に関する。
従来より、金属を負極の活物質とし、空気中の酸素を正極の活物質とする金属空気電池が知られている。例えば、特許文献1では、正極と負極との間に電解質含有層が設けられる金属空気電池において、電解質にイオン液体、無機微粒子および電解質塩を含有させることが提案されている。また、特許文献2では、非水電解液中に正極および負極が配置される金属空気電池において、空気中の酸素を酸素イオン伝導性の固体電解質を介して正極に供給する酸素ポンプを設けることが提案されている。
特許文献3のリチウム空気二次電池では、正極が酸素の吸放出能を有する正極触媒、炭素材料および有機バインダ(炭素繊維等)を含有し、負極が板状のリチウムにより形成される。正極触媒としては、二酸化マンガン(MnO2)やペロブスカイト型酸化物等が利用される。特許文献4のリチウム空気二次電池では、正極が炭素(C)を主体とするガス拡散型酸素電極であり、負極が金属リチウムあるいはリチウムイオンの吸蔵・放出が可能な物質から形成される。また、正極は、20〜60重量%のペロブスカイト型構造を有する鉄(Fe)系の酸化物を含む。
ところで、特許文献1ないし特許文献4の金属空気電池では、正極が導電性物質として炭素を含むため、放電の際に負極金属の炭酸塩である炭酸リチウム(Li2CO3)等が正極上に析出する。このような金属空気電池では、充電の際に炭酸リチウムを電気分解してイオン化するために大きなエネルギーが必要であるため、充電電圧が高くなってしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、放電の際に正極上に金属炭酸塩が生成されることを防止することを主な目的としている。
請求項1に記載の発明は、金属空気電池であって、金属を含むとともに放電の際に金属イオンを生成する負極と、導電性を有するペロブスカイト型酸化物、および、酸素還元反応を促進する触媒を含むとともに炭素を含まず、放電の際に酸素イオンを生成する多孔質の正極と、前記負極と前記正極との間に配置されて前記負極に接する非水系の電解質層とを備える。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の金属空気電池であって、前記正極が、ランタン系の前記ペロブスカイト型酸化物含む。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の金属空気電池であって、前記負極に含まれる前記金属がリチウムである。
請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の金属空気電池であって、前記正極が、支持部と、前記支持部上に前記ペロブスカイト型酸化物にて形成された導電膜と、前記導電膜上に前記触媒により形成された触媒層とを備える。
請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の金属空気電池であって、前記電解質層と前記正極との間に配置されて前記正極に接するもう1つの電解質層と、前記電解質層と前記もう1つの電解質層との間に配置されて前記電解質層および前記もう1つの電解質層に接する固体電解質またはセパレータである隔壁層とをさらに備える。
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の金属空気電池であって、前記隔壁層が膜状の固体電解質であり、前記電解質層が、非水系の電解質溶液を含浸させた多孔質ポリマであり、前記隔壁層を支持する。
請求項7に記載の発明は、請求項1ないし6のいずれかに記載の金属空気電池であって、外周に前記負極が配置され、内周に前記正極が配置される円筒状である。
請求項8に記載の発明は、請求項1ないし7のいずれかに記載の金属空気電池であって、前記電解質層が電解質溶液により形成されており、前記電解質溶液が無機微粒子を含む。
請求項9に記載の発明は、請求項1ないし8のいずれかに記載の金属空気電池であって、前記電解質層が電解質溶液により形成されており、前記電解質層が前記電解質溶液を循環させる機構に接続される。
請求項10に記載の発明は、請求項1ないし9のいずれかに記載の金属空気電池であって、水分および二酸化炭素が除去された空気を前記正極に供給するガス供給部をさらに備える。
本発明では、放電の際に正極上に金属炭酸塩が生成されることを防止することができる。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る金属空気電池1を示す縦断面図である。金属空気電池1は略円筒状であり、図1は、金属空気電池1の中心軸J1を含む断面を示す。図2は、金属空気電池1を図1中のA−Aの位置にて切断した横断面図である。図1および図2に示すように、金属空気電池1は、正極2、負極3、電解質層4および空気導入管5を備える二次電池であり、中心軸J1から径方向の外側に向かって、空気導入管5、正極2、電解質層4および負極3の順に同心円状に配置される。換言すれば、金属空気電池1は、外周に負極3が配置され、内周に正極2が配置される略円筒状である。
正極2は、略有底円筒状の多孔質部材であり、それぞれが略有底円筒状の正極支持部21、正極導電層22および正極触媒層23を備える。正極導電層22は正極支持部21の外側面上および外底面上に積層され、正極触媒層23は正極導電層22の外側面上および外底面上に積層される。正極2では、正極導電層22の外側面の一部において、正極触媒層23に代えて正極集電体24が設けられ、図1に示すように、正極集電体24の上端に正極集電端子25が接続される。正極2および正極集電体24には炭素(C)は含まれない。
正極支持部21は、アルミナ(酸化アルミニウム:Al2O3)やジルコニア、セラミック、ステンレス鋼等の金属により形成される多孔質部材であり、本実施の形態では、正極支持部21は絶縁体であるアルミナにより形成される。正極支持部21の形成は、押し出し成形、CIP(Cold Isostatic Press:冷間等方圧プレス)および焼成、または、HIP(Hot Isostatic Press:熱間等方圧プレス)等により行われる。
正極導電層22は、導電性を有するペロブスカイト型酸化物(通常は粉体状)により主に形成される多孔質の薄い導電膜であり、好ましくは、化学式A1−xBO3(0.9≦1−x<1.0)にて表されるペロブスカイト型酸化物により形成される。本実施の形態では、正極導電層22はランタン系のペロブスカイト型酸化物(具体的には、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM:La(Sr)MnO3)やランタンストロンチウムコバルタイト(LSC:La(Sr)CoO3)等のAサイトにランタンを含むペロブスカイト型酸化物)により形成される。正極導電層22の形成は、スラリーコート法、水熱合成法、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学蒸着)またはPVD(Physical Vapor Deposition:物理蒸着)等により行われる。
正極触媒層23は、酸素還元反応を促進する触媒であるマンガン(Mn)やニッケル(Ni)、コバルト(Co)等の金属酸化物により主に形成される多孔質部材である。正極触媒層23は、白金(Pt)やパラディウム(Pd)、銀(Ag)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)のような貴金属、または、これらの貴金属と上記金属酸化物との混合物により形成されてもよい。本実施の形態では、正極触媒層23はβ型(ルチル型)の結晶構造を有する二酸化マンガン(MnO2)により形成される。正極触媒層23の形成は、スラリーコート法および焼成、水熱合成法、CVDまたはPVD等により行われる。
図1および図2に示すように、負極3は、略有底円筒状の負極支持部31、および、負極支持部31の内側面上および内底面上に積層された略有底円筒状の負極導電層32を備える。負極支持部31は、金属等の導電性材料(本実施の形態では、ステンレス鋼)により形成された負極集電体であり、負極支持部31の外側面には、図1に示すように負極集電端子33が設けられる。負極導電層32は、リチウム(Li)や亜鉛(Zn)等の金属、または、当該金属を含む合金により形成された薄い導電膜であり、本実施の形態では、負極導電層32はリチウムまたはリチウム合金により形成される。負極導電層32の形成は、例えば、スラリーコート法により行われる。
電解質層4は、非水系の電解質により形成され、本実施の形態では、有機溶剤系の電解質溶液が正極2と負極3との間に充填される(配置される)ことにより形成される。電解質層4は、正極2の正極触媒層23、正極集電体24、および、負極3の負極導電層32に接する。電解質層4の上面は、正極支持部21の外側面および負極支持部31の内側面に接する略円環状の中蓋51により閉塞され、中蓋51の上方には、中蓋51と同形状の上蓋52が設けられて略有底円筒状の負極3の上部開口が閉塞される。
空気導入管5は、略有底円筒状の正極2の内側に配置され、空気導入管5の下端は正極2の正極支持部21の底部近傍に位置する。空気導入管5の上端は、空気から水分および二酸化炭素を除去する除去部53に接続される。除去部53では、膜分離法または吸着により空気中の水分および二酸化炭素の除去が行われる。除去部53からの空気(すなわち、水分および二酸化炭素が除去された空気)は、空気導入管5により正極2の内側において底部近傍へと導かれ、正極2へと供給されつつ正極2の内側面に沿って上昇して正極2の上部開口から外部へと排出される。金属空気電池1では、空気導入管5が、除去部53からの空気を正極2に供給するガス供給部となる。正極2に供給された空気は、多孔質部材である正極支持部21および正極導電層22を通過して正極触媒層23へと供給される。
金属空気電池1において放電が行われる際には、負極集電端子33と正極集電端子25とが負荷(例えば、照明器具等)を介して電気的に接続される。負極3では、負極導電層32に含まれるリチウムが酸化されてリチウムイオン(Li+)が生成され、電子は負極集電端子33、正極集電体24および正極集電端子25を介して正極2に供給される。正極2では、空気導入管5により供給された空気中の酸素が、負極3から供給された電子により還元されて酸素イオン(O2−)が生成される。正極2では、正極触媒層23に含まれる正極触媒により酸素イオンの生成(すなわち、酸素の還元反応)が促進されるため、当該還元反応に消費されるエネルギーによる過電圧が小さくなり、金属空気電池1の放電電圧を高くすることができる。正極2にて生成された酸素イオンは、負極3から電解質層4中に溶解したリチウムイオンと結合し、これにより酸化リチウム(Li2O)が生成される。
一方、金属空気電池1において充電が行われる際には、負極集電端子33と正極集電端子25との間に電圧が付与され、正極2において酸化リチウムが分解されるとともに酸素イオンから正極集電体24を介して正極集電端子25へと電子が供給されて酸素が発生する。負極3では、負極集電端子33に供給される電子によりリチウムイオンが還元されて負極導電層32の表面にリチウムが析出する。正極2では、正極触媒層23に含まれる正極触媒により酸素の発生が促進されるため、過電圧が小さくなり、金属空気電池1の充電電圧を低くすることができる。
ところで、通常の金属空気電池の正極は、導電性を得るための炭素が主体とされ、当該炭素に酸素の還元反応を促進する正極触媒が添加されている。しかしながら、このような金属空気電池では、放電の際に生成されるリチウムイオンが炭酸リチウム (Li2CO3)として正極上に析出し、充電の際に炭酸リチウムを電気分解してイオン化するために大きなエネルギーが必要であるため、充電電圧が高くなってしまう。
これに対し、本実施の形態に係る金属空気電池1では、ペロブスカイト型酸化物にて形成された正極導電層22上に正極触媒層23を形成することにより、炭素を含有しない正極2を実現することができる。これにより、放電の際に正極2上に炭酸リチウムが生成されることを防止することができ、金属空気電池1の充電電圧を低くすることができる。また、正極導電層22が、導電性が高いランタン系のペロブスカイト型酸化物を含んでいるため、金属空気電池1の放電電圧を高くすることができる。さらに、正極導電層22に含まれるペロブスカイト型酸化物が化学式A1−xBO3(0.9≦1−x<1.0)にて表されるものであることにより、正極導電層22が水分により劣化してしまうことを防止し、金属空気電池1の耐久性を向上することができる。
金属空気電池1では、正極2の正極導電層22が、正極支持部21により支持(担持)される薄い導電膜であるため、比較的高価なペロブスカイト型酸化物の使用量を低減することができる。その結果、金属空気電池1の製造コストを低減することができる。また、負極3が、高い理論電圧および電気化学当量を有するリチウムまたはリチウム合金を含んでいるため、金属空気電池1を高容量化することができる。
上述のように、金属空気電池1は、負極3および正極2がそれぞれ外周および内周に配置される円筒状であるため、金属空気電池1の大型化が要求される場合であっても、負極導電層32や正極導電層22のような薄膜状の層を容易に形成することができる。すなわち、金属空気電池1の大型化に容易に対応することができる。また、空気導入管5により、水分および二酸化炭素が除去された空気が正極2に供給されることにより、空気中の二酸化炭素とリチウムイオンとが反応して正極2に炭酸リチウムが付着することが防止されるとともに、負極3の負極導電層32に含まれるリチウムが水分と反応して負極導電層32が劣化してしまうことも防止される。
金属空気電池1では、電解質層4の非水系電解質溶液に無機微粒子(フィラー)が添加されてもよい。無機微粒子としては、アルミナや二酸化ケイ素(SiO2)、二酸化チタン(TiO2)、ゼオライト、ペロブスカイト型酸化物等の無機酸化物が好ましく、特に、Si比が高い(例えば、Si/Alが2以上の)ゼオライト粒子がより好ましい。電解質層4の電解質溶液が無機微粒子を含むことにより、金属空気電池1の内部抵抗が低減して電池容量が増大するとともに、金属空気電池1からの漏液が防止される。なお、以下の実施の形態に係る金属空気電池においても、後述する第1電解質層4に含まれる非水系の電解質溶液が無機微粒子を含むことにより、上記と同様の効果(すなわち、電池容量の増大および漏液防止)を得ることができる。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る金属空気電池について説明する。図3および図4は、第2の実施の形態に係る金属空気電池1aの縦断面図および横断面図であり、図4は、金属空気電池1aを図3中のB−Bの位置にて切断した図である。図3および図4では、図を簡素化するために、除去部53の図示を省略している(図5ないし図7においても同様)。
金属空気電池1aでは、電解質層4と正極2との間にもう1つの電解質層6が配置され、電解質層4と電解質層6との間に隔壁層7が配置される。隔壁層7は、薄膜状の固体電解質であり、リチウムイオンのみを選択的に通過させる。その他の構成は、図1および図2に示す金属空気電池1と同様であり、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。また、2つの電解質層4,6を区別するために、電解質層4および電解質層6をそれぞれ、「第1電解質層4」および「第2電解質層6」という。
図3および図4に示すように、第2電解質層6は、中心軸J1を中心とする略有底円筒状であり、正極2に接する。隔壁層7も略有底円筒状であり、第1電解質層4および第2電解質層6に接する。第2電解質層6は、水系の電解質溶液が正極2と隔壁層7との間に充填される(配置される)ことにより形成される。第2電解質層6の上面は、第1電解質層4の上面と同様に、略円環状の中蓋51(図3のみに図示する。)により閉塞される。本実施の形態では、第1電解質層4は、非水系(例えば、有機溶剤系)の電解質溶液を含浸させた多孔質ポリマであり、薄膜状の固体電解質である隔壁層7は、第1電解質層4の内側面上および内底面上にて第1電解質層4により支持(担持)される。すなわち、第1電解質層4は、隔壁層7を支持する隔壁支持層でもある。また、隔壁層7としては、化学式Lil+x+yTi2−xAlxP3−ySiyO12 にて表されるガラスセラミックス(LTAP)が利用される。
金属空気電池1aにおいて放電が行われる際には、負極3の負極導電層32に含まれるリチウムが酸化されてリチウムイオンが生成され、電子は負極集電端子33、正極集電体24および正極集電端子25を介して正極2に供給される。負極集電端子33および正極集電端子25は図3のみに図示される。正極2では、空気導入管5により供給された空気中の酸素が、負極3から供給された電子により還元されて酸素イオンが生成され、酸素イオンが第2電解質層6に含まれる水と反応して水酸化物イオン(OH−)が生成される。水酸化物イオンは、負極3から電解質層4中に溶解したリチウムイオンと共に水酸化リチウム(LiOH)となる。水酸化リチウムは水溶性であるため、第2電解質層6の水系電解質溶液に溶ける。
金属空気電池1aにおいて充電が行われる際には、負極集電端子33と正極集電端子25との間に電圧が付与され、正極2において水酸化物イオンから正極集電端子25へと電子が供給されて水と酸素が発生する。負極3では、負極集電端子33に供給される電子によりリチウムイオンが還元されて負極導電層32の表面にリチウムが析出する。
金属空気電池1aでは、第1の実施の形態と同様に、正極2が炭素を含有しないため、放電の際に正極2上に炭酸リチウムが生成されることを防止することができ、金属空気電池1aの充電電圧を低くすることができる。金属空気電池1aでは、特に、正極2と負極3との間に隔壁層7を設けることにより、充電の際に負極3上においてリチウムが樹枝状に析出した場合に、樹枝状に析出した部位(いわゆる、デンドライト)の正極2に向けての成長を抑制することができる。その結果、デンドライトが正極2に到達して短絡が発生することを防止することができる。また、第1電解質層4により隔壁層7を支持することにより、薄膜状の隔壁層7の設置を容易とし、その結果、金属空気電池1aの小型化が実現される。さらに、隔壁層7が薄膜状であるため、隔壁層7を厚くする場合に比べてイオン導電率が増大される。
次に、本発明の第3の実施の形態に係る金属空気電池について説明する。図5は、第3の実施の形態に係る金属空気電池1bの横断面図である。金属空気電池1bでは、図3および図4に示す金属空気電池1aの隔壁層7(固体電解質)に代えて、セパレータである隔壁層7aが設けられる。その他の構成は、図3および図4に示す金属空気電池1aと同様であり、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。
隔壁層7aは、セラミックや金属、無機材料または有機材料等により形成された多孔質部材であり、リチウムイオンを選択的に通過させる電解質を孔内に保持する。隔壁層7aの形成は、押し出し成形、CIPおよび焼成、または、HIP等により行われる。金属空気電池1bにおける放電および充電の際の反応は、第2の実施の形態に係る金属空気電池1aと同様である。
金属空気電池1bでは、第1および第2の実施の形態と同様に、正極2が炭素を含有しないため、放電の際に正極2上に炭酸リチウムが生成されることを防止することができ、金属空気電池1bの充電電圧を低くすることができる。また、正極2と負極3との間に隔壁層7aを設けることにより、第2の実施の形態と同様に、充電の際における負極3上のデンドライトの成長を抑制し、短絡が発生することを防止することができる。金属空気電池1bでは、特に、セパレータである隔壁層7aの設置に第1電解質層4による支持が必要ないため、第1電解質層4の材料選択の自由度が向上される。
次に、本発明の第4の実施の形態に係る金属空気電池について説明する。図6は、第4の実施の形態に係る金属空気電池1cの横断面図である。金属空気電池1cは、第2電解質層6と隔壁層7との間に隔壁支持層71を備える点を除き、図3および図4に示す金属空気電池1aと同様の構成を有し、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。
隔壁支持層71は、セラミックや金属、無機材料または有機材料等により、押し出し成形、CIPおよび焼成、または、HIP等の方法で形成された多孔質部材であり、孔内に第2電解質層6の水系の電解質溶液が含浸する。薄膜状の固体電解質である隔壁層7は、隔壁支持層71の外側面上および外底面上にて隔壁支持層71により支持(担持)される。金属空気電池1cにおける放電および充電の際の反応は、第2の実施の形態に係る金属空気電池1aと同様である。
金属空気電池1cでは、第1ないし第3の実施の形態と同様に、正極2が炭素を含有しないため、放電の際に正極2上に炭酸リチウムが生成されることを防止することができ、金属空気電池1cの充電電圧を低くすることができる。また、正極2と負極3との間に隔壁層7および隔壁支持層71を設けることにより、第2の実施の形態と同様に、充電の際における負極3上のデンドライトの成長を抑制し、短絡が発生することを防止することができる。上述のように、金属空気電池1cでは、隔壁層7が隔壁支持層71により支持されており、第1電解質層4による隔壁層7の支持が必要ないため、第1電解質層4の材料選択の自由度が向上される。
次に、本発明の第5の実施の形態に係る金属空気電池について説明する。図7は、第5の実施の形態に係る金属空気電池1dの縦断面図である。金属空気電池1dは、第1電解質層4が、第1電解質層4の非水系の電解質溶液を循環させる循環機構81に接続される点、および、第2電解質層6が、第2電解質層6の水系の電解質溶液を交換する交換機構に接続される点を除き、図6に示す金属空気電池1cと同様の構成を有し、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。
図7に示すように、金属空気電池1dの側部には、第1電解質層4に電解質溶液を供給する供給口41、および、第1電解質層4の電解質溶液が排出される排出口42が形成される。供給口41および排出口42は管路43を介して循環機構81に接続され、排出口42から排出された電解質溶液は、循環機構81を介して供給口41から第1電解質層4に再度供給される。これにより、第1電解質層4内に電解質溶液の流れが生じ、金属空気電池1dの充電時におけるデンドライトの発生や成長が抑制される。また、循環機構81にはフィルターが設けられており、充電時等に負極導電層32からリチウムの薄片が剥落した場合等、当該リチウムが循環機構81において回収される。
金属空気電池1dには、第2電解質層6に電解質溶液を供給する供給口61、および、第2電解質層6の電解質溶液が排出される排出口62が形成される。供給口61は上記交換機構の供給機構821に接続され、供給機構821から新たな電解質溶液が第2電解質層6に供給される。排出口62は交換機構の回収機構822に接続され、第2電解質層6から排出された電解質溶液が回収機構822に回収される。これにより、金属空気電池1dの放電時に、第2電解質層6の電解質溶液が水酸化リチウムにより飽和することが防止され、金属空気電池1dの放電時間を増大させることができる。回収機構822により回収された電解質溶液からはリチウムが回収される。当該リチウムは、金属空気電池の負極導電層32として再利用されてもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
負極3では、負極支持部31は、必ずしも導電性材料により形成される必要はなく、負極支持部31が絶縁体により形成される場合には、負極集電端子33は、負極支持部31を貫通して負極導電層32に電気的に接続される。また、必ずしも負極支持部31は設けられる必要はなく、リチウムやリチウム合金により負極3全体が形成されてもよい。負極導電層32は、放電の際に酸化されて金属イオンを生成する金属を含む様々な材料により形成されていればよい。
正極2では、正極支持部21が導電性材料により形成されている場合、正極集電体24が省略されて正極支持部21の内側面に正極集電端子25が設けられてよい。また、正極導電層22がある程度の厚さを有している場合、正極導電層22を支持する正極支持部21は省略されてもよい。この場合、正極集電端子25は正極導電層22の内側面に設けられる。
金属空気電池では、正極支持部21の材料と正極導電層22の材料(すなわち、ペロブスカイト型酸化物)とが混合されたものから導電層が形成され、当該導電層上に正極触媒層23が形成されて正極2とされてもよい。また、正極支持部21、正極導電層22および正極触媒層23の各材料が混合されたものから正極2が形成されてもよい。いずれの場合であっても、正極2が、導電性を有するペロブスカイト型酸化物、および、酸素還元反応を促進する触媒を含むとともに炭素を含んでいないため、金属空気電池の放電の際に、負極3に含まれる金属の炭酸塩が正極2上に生成されることを防止することができる。
第1の実施の形態に係る金属空気電池1では、電解質層4は、非水系の電解質により形成されていればよく、例えば、固体電解質により形成されてもよい。電解質層4が固体電解質により形成される場合、デンドライトの発生および成長は抑制される。また、第2ないし第4の実施の形態に係る金属空気電池では、第2電解質層6が非水系の電解質(例えば、非水系の電解質溶液や固体電解質)により形成されてもよい。第2電解質層6が非水系の電解質溶液により形成される場合、当該電解質溶液に上述の無機微粒子(フィラー)が添加されてもよく、電解質溶液が無機微粒子を含むことにより、金属空気電池の内部抵抗が低減して電池容量が増大するとともに、金属空気電池からの漏液が防止される。
上述の金属空気電池の構造は、円筒状以外の形状(例えば、平板状)の金属空気電池に適用されてもよい。また、上記実施の形態では、二次電池について説明したが、上述の金属空気電池の構造は、一次電池や燃料電池に適用されてもよい。
1,1a〜1d 金属空気電池
2 正極
3 負極
4 (第1)電解質層
5 空気導入管
6 第2電解質層
7,7a 隔壁層
21 正極支持部
22 正極導電層
23 正極触媒層
81 循環機構
2 正極
3 負極
4 (第1)電解質層
5 空気導入管
6 第2電解質層
7,7a 隔壁層
21 正極支持部
22 正極導電層
23 正極触媒層
81 循環機構
Claims (10)
- 金属空気電池であって、
金属を含むとともに放電の際に金属イオンを生成する負極と、
導電性を有するペロブスカイト型酸化物、および、酸素還元反応を促進する触媒を含むとともに炭素を含まず、放電の際に酸素イオンを生成する多孔質の正極と、
前記負極と前記正極との間に配置されて前記負極に接する非水系の電解質層と、
を備えることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項1に記載の金属空気電池であって、
前記正極が、ランタン系の前記ペロブスカイト型酸化物含むことを特徴とする金属空気電池。 - 請求項1または2に記載の金属空気電池であって、
前記負極に含まれる前記金属がリチウムであることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の金属空気電池であって、
前記正極が、
支持部と、
前記支持部上に前記ペロブスカイト型酸化物にて形成された導電膜と、
前記導電膜上に前記触媒により形成された触媒層と、
を備えることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載の金属空気電池であって、
前記電解質層と前記正極との間に配置されて前記正極に接するもう1つの電解質層と、
前記電解質層と前記もう1つの電解質層との間に配置されて前記電解質層および前記もう1つの電解質層に接する固体電解質またはセパレータである隔壁層と、
をさらに備えることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項5に記載の金属空気電池であって、
前記隔壁層が膜状の固体電解質であり、
前記電解質層が、非水系の電解質溶液を含浸させた多孔質ポリマであり、前記隔壁層を支持することを特徴とする金属空気電池。 - 請求項1ないし6のいずれかに記載の金属空気電池であって、
外周に前記負極が配置され、内周に前記正極が配置される円筒状であることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項1ないし7のいずれかに記載の金属空気電池であって、
前記電解質層が電解質溶液により形成されており、前記電解質溶液が無機微粒子を含むことを特徴とする金属空気電池。 - 請求項1ないし8のいずれかに記載の金属空気電池であって、
前記電解質層が電解質溶液により形成されており、前記電解質層が前記電解質溶液を循環させる機構に接続されることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項1ないし9のいずれかに記載の金属空気電池であって、
水分および二酸化炭素が除去された空気を前記正極に供給するガス供給部をさらに備えることを特徴とする金属空気電池。
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