JP6259300B2

JP6259300B2 - 金属空気電池

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Publication number: JP6259300B2
Application number: JP2014015304A
Authority: JP
Inventors: 知北川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: JP2015141862A

Description

本発明は、燃料金属を使用する金属極と、空気を使用する空気極とを備え、充放電可能な金属空気電池に関する。

金属空気電池は、金属極、空気極、および電解液などから構成され、燃料として使用される燃料金属が電気化学的な反応によって、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電池である。金属空気電池においては代表的な燃料金属として、亜鉛、鉄、マグネシウム、アルミニウム、ナトリウム、カルシウム、リチウムが挙げられる。

金属空気電池の空気極では、触媒層の反応を進行させるために、電解液・空気・触媒の三相界面が必要であり、この三相界面により水と酸素が反応し、水酸化物イオンとなることで発電が起こる。このような三相界面を保持するためには、触媒層の撥水性を適切に制御する必要があった。

例えば、特許文献１の空気電池２００は、図５に示すように、導電性撥水層２０１と触媒層２０２からなる空気極を備え、電解液層２０３に接する触媒層２０２に、触媒付きカーボン２１１からなる親水性部分２１２と、ＰＴＦＥ付きカーボン２１３からなる撥水性部分２１４を形成して、この親水性部分２１２と撥水性部分２１４により触媒近傍の三相界面を増やしている。

特開平６−２６７５９４号公報

しかしながら、上記の特許文献１における空気電池は、長期間の使用によって撥水性部分２１４の撥水性が徐々に低下し、撥水性部分２１４に電解液２０３が浸透して、三相界面を保持できなくなる問題があった。

また、親水性部分２１２と撥水性部分２１４を触媒層２０２中に均一に分散させることが難しく、放電特性のばらつきが生じ易い問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、触媒層の良好な三相界面を保持し、優れた放電特性を示す金属空気電池を提供することを目的とする。

本発明の金属空気電池は、金属極と、空気極と、金属極と空気極の間に介在する電解液層と、空気極の外側に設けられた撥水膜とを備える金属空気電池であって、空気極は、複数の触媒層が積層されており、電解液層側から撥水膜側に向かうに従い触媒層の撥水性が高くなることを特徴とする。

また、触媒層が積層された界面に集電体が設けられていることを特徴とする。

また、空気極が金属極を挟んで対向配置されていることを特徴とする。

また、金属極が棒状であり、円筒形状に形成された空気極の中心に配置されていることを特徴とする。

また、金属極と空気極の間に補助電極を備えることを特徴とする。

本発明によれば、触媒層の良好な三相界面を保持し、優れた放電特性を示す金属空気電池を提供することができる。

本発明の実施例１に係る金属空気電池１０１の概略断面図である。実施例１の触媒層の断面を拡大した概念図である。実施例２に係る金属空気電池１０２の概略断面図である。実施例３に係る金属空気電池１０３の概略断面図である。従来の金属空気電池２００の触媒層の断面を拡大した概念図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、金属空気電池における特徴的構成について説明を行うが、その他の構成については電池の一般的な技術が適用可能である。

図１は、本実施の形態に係る金属空気電池１０１の概略構成を示す断面図である。

実施例１の金属空気電池１０１は、図１に示すように、セル１内に金属極２、空気極３、および電解液層４を備えている。また、図示は省略するが、セル１内に燃料金属の酸化物の沈殿やセパレータ等を備えていてもよい。尚、放電によって生成される金属酸化物は電解液中ではまず金属イオンとして存在し、金属イオン濃度が高くなると金属酸化物として析出する。

充電時は電解液中の金属イオンから還元されて燃料支持金属２１に析出し、電解液中の金属イオン濃度が低くなるため、金属酸化物の沈殿は電解液に溶解してイオン化し、燃料として使用できる。また、金属極２と空気極３との間に、図示しないセパレータを配置することで、金属極２に発生する燃料金属のデンドライトが空気極３と短絡することができる。

空気極３は正極であって、集電体３１、触媒層３２とからなる。空気極３では、外部の空気から撥水膜５を介して酸素を取り込み、触媒層３２の三相界面で触媒との反応を進行させる。触媒層３２の詳細については後述する。

金属極２は負極であって、金属空気電池１０１では、燃料金属を担持するための燃料支持金属２１にて形成される。燃料支持金属２１は、燃料金属とは異なる金属からなり、充放電時に化学反応するものではない。燃料支持金属２１としては、例えば、ＳＵＳやＮｉ等の金属が使用されるが、その種類は特に限定されるものではない。また、金属極２は、燃料支持金属２１単体からなる構成に限定されるものではなく、めっき等で表面に燃料支持金属２１が形成される構成であってもよい。

燃料金属は、充電によって金属極２の表面、すなわち燃料支持金属２１の表面に析出される。また、放電によって生じる燃料金属の酸化物は、使用する燃料金属の種類によって、存在の仕方が異なる。

例えば、燃料金属として亜鉛を用いた場合には、放電によって生じた酸化亜鉛は電解液層４中に沈殿する。無論、金属空気電池１０１において使用可能な燃料金属は、亜鉛に限定されるものではなく、他の種類の燃料金属（例えば、リチウム）も使用可能である。

電解液層４に使用される電解質の種類は、特に限定されるものではないが、例えば、燃料金属として亜鉛を用いた場合には、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物が一般的に使用される。

本発明の金属空気電池１０１は、空気極３で必要とされる、電解液（液相）と触媒（固相）と酸素（気相）からなる三相界面を保持し長期使用するため、空気極３に撥水性の異なる触媒層３２を積層したことを特徴としている。図２は、金属空気電池１０１の触媒層３２の断面を拡大した概念図である。

図２に示すように、触媒層３２は撥水性の異なる触媒層３２ａ、３２ｂ、３２ｃが積層されており、電界液層４側から撥水膜５側に向かうに従って撥水性が高くなるように並んでいる。それぞれの触媒層３２は、反応を促進するための触媒３５とバインダー樹脂３６等により構成されている。上記の触媒３５としては、カーボン等の導電粒子上に白金や酸化マンガン等の触媒粒子が添加されたものが使用される。さらに、触媒層３２が積層された界面には集電体３１が設けられている。

それぞれの触媒層３２ａ、３２ｂ、３２ｃの撥水性は、例えば、触媒３５の充填率によって調整することが可能であり、この場合、触媒３５の充填率を高くし、触媒３５の間隙を小さくすることで撥水性を高めることができる。また、触媒３５の充填率を調整することで、撥水性の異なる各触媒層３２を容易に形成することができ、各触媒層３２中の撥水性のばらつきも小さくすることができる。

金属空気電池１０１の使用時は、最初に電界液層４側の触媒層３２ａが主体となって機能し、使用続けることにより撥水性が低下してくると、主体となる部分が元の撥水性が高かった触媒層３２ｂ、触媒層３２ｃに移っていく。このため、本発明の金属空気電池１０１は、長期間に亘って良好な三相界面を保持し続けることができる。

また、本発明の金属空気電池１０１は、触媒層３２ａと触媒層３２ｂの間の界面と、触媒層３２ｂと触媒層３２ｃの間の界面３２ｃに、それぞれ集電体３１を備えるため、空気極３の集電効率が向上し、長期使用による放電電圧の低下を抑制することができる。

なお、実施例１の金属空気電池１０１では触媒層３２を３層としたが、触媒層３２は２層以上で構成されていればよく、実施例１の金属空気電池１０１の構成に限定されるものではない。

図３は、実施例２に係る金属空気電池１０２の概略構成を示す断面図である。なお、実施例２の金属空気電池１０２のうち、実施例１の金属空気電池１０１の構成要素と同等である構成要素には、実施例１の金属空気電池１０１の構成要素と同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。

実施例２の金属空気電池１０２は、図３に示すように、対向して配置された２つの空気極３Ａ、空気極３Ｂを備え、空気極３Ａと空気極３Ｂの間に金属極２が配置されたバイセル構造となっている。なお、空気極３Ａ、空気極３Ｂの触媒層３２の構造は、実施例１に示した金属空気電池１０１と同じ構造である。

このようなバイセル構造とすることにより、空気極３の反応がさらに促進され、放電電圧、放電時間を増加させることができる。

なお、金属極２は平板でなくメッシュ構造でも良い。金属極２をメッシュ構造にすることで析出金属が金属極２から剥離、脱落することを抑制できる。これは、メッシュ構造が平板よりも大きな接触面積を得ること、メッシュの空隙部分を析出金属が覆うように成長することが理由であると考えられる。

また、本発明の金属空気電池は、バイセル構造以外にも、不図示の円筒形構造にも適用することができる。円筒形構造とする場合は、円筒形状を有する空気極３の中心に、棒状の金属極２が配置される。なお、円筒形構造の空気極３では、触媒層３２が内側の電界液層４側から外側の撥水膜５側に向かって撥水性が高くなるように構成される。

図４は、実施例３に係る金属空気電池１０３の概略構成を示す断面図である。なお、実施例３の金属空気電池１０３のうち、実施例２の金属空気電池１０２の構成要素と同等である構成要素には、実施例２の金属空気電池１０２の構成要素と同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。

実施例３の金属空気電池１０３は、３極方式の金属空気電池である。上述した実施例１の金属空気電池１０１や実施例２の金属空気電池１０２は、金属極２と空気極３を備えた２極方式の電池であるが、本発明は３極方式の金属空気電池にも適用可能である。

実施例３の金属空気電池１０３は、図４に示すように、実施例２のバイセル構造の金属空気電池１０２において、金属極２および空気極３の他にさらに補助電極６を備えている。補助電極６は金属極２と空気極３の間に配置され、電解液中のイオンの移動を妨げないようにメッシュ構造で構成されている。このような補助電極６を加えた３極方式では、充電時には空気極３を使わず補助電極５を用いることで２極方式における空気極３の劣化を
緩和することができる。

本発明は、上述した各実施例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発明の技術的範囲に含まれる。

１セル
２金属極
３、３Ａ、３Ｂ空気極
４電解液層
５撥水膜
６補助電極
２１燃料支持金属
３１集電体
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ触媒層
３５触媒
３６バインダー樹脂
１０１、１０２、１０３金属空気電池

Claims

金属極と、空気極と、前記金属極と前記空気極の間に介在する電解液層と、前記空気極の外側に設けられた撥水膜とを備える金属空気電池であって、
前記空気極は、複数の触媒層が積層されており、前記電解液層側から前記撥水膜側に向かうに従い前記触媒層の撥水性が高くなり、
前記空気極が前記金属極を挟んで対向配置されていることを特徴とする金属空気電池。
金属極と、空気極と、前記金属極と前記空気極の間に介在する電解液層と、前記空気極の外側に設けられた撥水膜とを備える金属空気電池であって、
前記空気極は、複数の触媒層が積層されており、前記電解液層側から前記撥水膜側に向かうに従い前記触媒層の撥水性が高くなり、
前記金属極と前記空気極の間に補助電極を備えることを特徴とする金属空気電池。
前記触媒層が積層された界面に集電体が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の金属空気電池。
前記金属極が棒状であり、円筒形状に形成された前記空気極の中心に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の金属空気電池。