JP2019133841A - Water-based lithium-air secondary battery and co2 removal method for water-based lithium-air secondary battery - Google Patents
Water-based lithium-air secondary battery and co2 removal method for water-based lithium-air secondary battery Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019133841A JP2019133841A JP2018015104A JP2018015104A JP2019133841A JP 2019133841 A JP2019133841 A JP 2019133841A JP 2018015104 A JP2018015104 A JP 2018015104A JP 2018015104 A JP2018015104 A JP 2018015104A JP 2019133841 A JP2019133841 A JP 2019133841A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- secondary battery
- lithium
- aqueous electrolyte
- air
- water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
【課題】空気中の二酸化炭素に起因する電池特性の低下を抑制できる水系リチウム−空気二次電池、及び水系リチウム−空気二次電池のCO2除去方法を提供する。【解決手段】水系リチウム−空気二次電池は、金属リチウムを含む負極と、空気が供給される空気極と、水系電解液と、水系電解液が収容される電解液収容空間とを備える。水系電解液のpHは、充電が進行するに従って小さくなり、放電が進行するに従って大きくなり、満充電時の水系電解液のpHは、水系電解液に吸収された二酸化炭素が水系電解液から放出されやすい第1範囲内から選ばれる第1所定値になる。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water-based lithium-air secondary battery capable of suppressing deterioration of battery characteristics due to carbon dioxide in the air, and a CO2 removal method for the water-based lithium-air secondary battery. A water-based lithium-air secondary battery includes a negative electrode containing metallic lithium, an air electrode to which air is supplied, a water-based electrolytic solution, and an electrolytic solution housing space in which the aqueous electrolytic solution is housed. The pH of the aqueous electrolytic solution decreases as the charging progresses and increases as the discharging progresses, and the pH of the aqueous electrolytic solution when fully charged is such that carbon dioxide absorbed in the aqueous electrolytic solution is released from the aqueous electrolytic solution. The first predetermined value is selected from within the easy first range. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、負極活物質としてリチウムを使用し、正極活物質として空気中の酸素を使用する水系リチウム−空気二次電池、及び水系リチウム−空気二次電池のCO2除去方法に関する。 The present invention relates to an aqueous lithium-air secondary battery using lithium as a negative electrode active material and oxygen in the air as a positive electrode active material, and a CO 2 removal method for the aqueous lithium-air secondary battery.
近年、二次電池の高容量化に対する要望は益々増大してきており、正極活物質として空気中の酸素(O2)を利用し、非常に高いエネルギー密度を有する金属空気二次電池が注目されている(例えば、特許文献1乃至特許文献5及び非特許文献1を参照。)。
In recent years, demands for higher capacity of secondary batteries have been increasing, and metal-air secondary batteries that use oxygen (O 2 ) in the air as a positive electrode active material and have a very high energy density have attracted attention. (For example, see
典型的な金属空気二次電池では、電解液として、高濃度の強アルカリ性水溶液(例えば、NaOH水溶液、KOH水溶液又はLiOH水溶液)が使用されている。 In a typical metal-air secondary battery, a highly concentrated strong alkaline aqueous solution (for example, NaOH aqueous solution, KOH aqueous solution, or LiOH aqueous solution) is used as an electrolytic solution.
金属空気二次電池では、(1)式及び(2)式の電極反応が進行する。
負極:M ⇔ Mn++ne−・・・(1)
(Mは金属(例えば、Zn、Fe、Al、Na又はLi等)である。)
空気極(正極):O2+2H2O+4e− ⇔ 4OH−・・・(2)
In the metal-air secondary battery, the electrode reactions of the formulas (1) and (2) proceed.
Negative electrode: M M M n + + ne − (1)
(M is a metal (for example, Zn, Fe, Al, Na or Li).)
Air electrode (positive electrode): O 2 + 2H 2 O + 4e − 4 4OH − (2)
放電時に、空気極では、(2)式の右向きに反応が進行し、空気中の酸素(O2)が還元され水酸化物イオン(OH−)が生成する。充電時に、空気極では、(2)式の左向きに反応が進行し、電解液中の水酸化物イオン(OH−)が酸化され酸素(O2)が生成する。 At the time of discharge, at the air electrode, the reaction proceeds to the right in the formula (2), and oxygen (O 2 ) in the air is reduced to generate hydroxide ions (OH − ). At the time of charging, at the air electrode, the reaction proceeds to the left in the formula (2), and hydroxide ions (OH − ) in the electrolytic solution are oxidized to generate oxygen (O 2 ).
空気(大気)中には、例えば400ppm程度の弱酸性の二酸化炭素(CO2)が含まれている。従って、下記(3)式に示されるように、二酸化炭素(CO2)がアルカリ電解液中の水酸化物イオン(OH−)及び放電反応により生成した水酸化物イオン(OH−)と反応し、炭酸イオン(CO3 2−)を生成する。
OH−+1/2CO2→1/2CO3 2−+1/2H2O・・・(3)
In the air (atmosphere), for example, weakly acidic carbon dioxide (CO 2 ) of about 400 ppm is contained. Accordingly, as shown in the following equation (3), carbon dioxide (CO 2) is hydroxide ion alkaline electrolyte reacting with (OH - -) and discharge reaction hydroxide ions generated by (OH) And carbonate ions (CO 3 2− ).
OH − + 1 / 2CO 2 → 1 / 2CO 3 2− + 1 / 2H 2 O (3)
そして、生成した炭酸イオン(CO3 2−)と電解液中の陽イオン(例えば、Na+、K+又はLi+)とが結合し、安定な炭酸塩(例えば、Na2CO3、K2CO3又はLi2CO3)が、電解液から析出する。析出した炭酸塩は、空気極の表面及び空気極の細孔内部に堆積し、空気極で生じる電池反応を阻害したり、電解液中に沈殿したりする。その結果、電池特性が低下してしまう。 Then, the resulting carbonate ion (CO 3 2-) and cations of the electrolyte solution (e.g., Na +, K + or Li +) and is bound, stable carbonates (e.g., Na 2 CO 3, K 2 CO 3 or Li 2 CO 3 ) is deposited from the electrolyte. The precipitated carbonate is deposited on the surface of the air electrode and inside the pores of the air electrode, and inhibits the battery reaction occurring at the air electrode or precipitates in the electrolyte. As a result, battery characteristics are degraded.
また、(3)式の反応は、酸と塩基との中和反応であり、電解液がアルカリ性である限り、反応が継続する。従って、電解液がアルカリ性である限り、(3)式の水酸化物イオン(OH−)と二酸化炭素(CO2)との反応が進行することによって、電解液中の水酸化物イオン濃度が低下し続ける。これにより、電解液の水酸化物イオン伝導性が低下してしまう。更に、一旦、炭酸イオンが生成すると、電極反応で二酸化炭素(CO2)と水酸化物イオン(OH−)とに再び戻すことはできないので、充電効率も低下してしまう。これらの結果、電池特性が低下してしまう。 The reaction of the formula (3) is a neutralization reaction between an acid and a base, and the reaction continues as long as the electrolytic solution is alkaline. Therefore, as long as the electrolytic solution is alkaline, the hydroxide ion concentration in the electrolytic solution is reduced by the reaction between the hydroxide ion (OH − ) of formula (3) and carbon dioxide (CO 2 ). Keep doing. Thereby, the hydroxide ion conductivity of electrolyte solution will fall. Furthermore, once carbonate ions are generated, they cannot be returned again to carbon dioxide (CO 2 ) and hydroxide ions (OH − ) by the electrode reaction, so that the charging efficiency also decreases. As a result, the battery characteristics are degraded.
以上述べたように、金属空気二次電池では、上述の「空気中の二酸化炭素に起因する電池特性の低下」が生じてしまう問題があった。 As described above, the metal-air secondary battery has a problem that the above-described “deterioration of battery characteristics due to carbon dioxide in the air” occurs.
本発明は上述した課題に対処するためになされた。即ち、本発明の目的の一つは、空気中の二酸化炭素に起因する電池特性の低下を抑制できる水系リチウム−空気二次電池(以下、「本発明水系リチウム−空気二次電池」と称呼される場合がある。)、及び水系リチウム−空気二次電池のCO2除去方法(以下、「本発明水系リチウム−空気二次電池のCO2除去方法」と称呼される場合がある。)を提供することにある。 The present invention has been made to address the above-described problems. That is, one of the objects of the present invention is referred to as an aqueous lithium-air secondary battery (hereinafter referred to as “the present invention aqueous lithium-air secondary battery”) that can suppress deterioration in battery characteristics caused by carbon dioxide in the air. . sometimes that), and aqueous lithium - CO 2 removal method of an air secondary battery (hereinafter,. which - in some cases be referred to as "the present invention-aqueous lithium CO 2 removal method of an air secondary battery") provides a There is to do.
上述の課題を解決するために、
本発明水系リチウム−空気二次電池は、金属リチウムを含む負極と、空気が供給される空気極と、リチウム塩及びプロトンを供与する酸が水に溶解された水溶液電解液と、前記水溶液電解液が収容される電解液収容空間と、を備え、前記水溶液電解液のpHは、充電が進行するに従って小さくなり、放電が進行するに従って大きくなり、満充電時の前記水溶液電解液のpHは、前記水溶液電解液に吸収された前記空気に含まれる二酸化炭素が前記水溶液電解液から放出されやすい第1範囲内から選ばれる第1所定値になり、前記水溶液電解液から放出された前記二酸化炭素が、前記電解液収容空間から外部に排出される。
In order to solve the above problems,
The aqueous lithium-air secondary battery of the present invention includes a negative electrode containing metallic lithium, an air electrode to which air is supplied, an aqueous electrolyte in which an acid for providing a lithium salt and a proton is dissolved in water, and the aqueous electrolyte. An electrolyte containing space in which the pH of the aqueous electrolyte decreases as charging progresses and increases as discharging progresses, and the pH of the aqueous electrolyte when fully charged is The carbon dioxide contained in the air absorbed in the aqueous electrolyte solution becomes a first predetermined value selected from the first range that is easily released from the aqueous electrolyte solution, and the carbon dioxide released from the aqueous electrolyte solution is: It is discharged outside from the electrolytic solution housing space.
本発明水系リチウム−空気二次電池の一態様において、
完全放電時の前記水溶液電解液のpHは、前記二酸化炭素が前記水溶液電解液に吸収されやすい第2範囲内から選ばれる第2所定値になる。
In one aspect of the aqueous lithium-air secondary battery of the present invention,
The pH of the aqueous electrolyte at the time of complete discharge becomes a second predetermined value selected from the second range in which the carbon dioxide is easily absorbed by the aqueous electrolyte.
本発明水系リチウム−空気二次電池の一態様において、
前記負極、前記空気極及び前記水溶液電解液を少なくとも含む電池構成部材を外装する外装体を更に備え、
前記外装体は、前記電解液収容空間と前記電池外部とを連通し、前記電解液から放出された前記二酸化炭素が通り前記電池外部に排出される排出口を有する。
In one aspect of the aqueous lithium-air secondary battery of the present invention,
Further comprising an exterior body that sheathes a battery constituent member including at least the negative electrode, the air electrode, and the aqueous electrolyte.
The exterior body communicates the electrolytic solution housing space and the outside of the battery, and has a discharge port through which the carbon dioxide released from the electrolytic solution passes and is discharged to the outside of the battery.
本発明水系リチウム−空気二次電池の一態様において、
前記第1範囲は、二酸化炭素の第1酸解離指数pKa1の値より小さい範囲である。
In one aspect of the aqueous lithium-air secondary battery of the present invention,
The first range is a range smaller than the value of the first acid dissociation index pKa1 of carbon dioxide.
本発明水系リチウム−空気二次電池の一態様において、
前記第1範囲は、pH5.587以下の範囲である。
In one aspect of the aqueous lithium-air secondary battery of the present invention,
The first range is a range of pH 5.587 or less.
本発明水系リチウム−空気二次電池の一態様において、
前記負極と前記水溶液電解液との間にある負極保護層を更に備え、
前記負極保護層は、LATPであり、
前記第1範囲の下限値は、pH2.0である。
In one aspect of the aqueous lithium-air secondary battery of the present invention,
A negative electrode protective layer located between the negative electrode and the aqueous electrolyte solution;
The negative electrode protective layer is LATP,
The lower limit of the first range is pH 2.0.
本発明水系リチウム−空気二次電池の一態様において、
前記プロトンを供与する酸のプロトンのカウンターイオン、及び、前記リチウム塩のリチウムイオンのカウンターイオンは、充電及び放電によって分解されない。
In one aspect of the aqueous lithium-air secondary battery of the present invention,
The proton ion counter ions of the acid that donates the protons and the lithium ion counter ions of the lithium salt are not decomposed by charging and discharging.
本発明水系リチウム−空気二次電池の一態様において、
前記プロトンを供与する酸は、H2SO4、HCl、HNO3及びCH3COOHから選ばれた少なくとも一つである。
In one aspect of the aqueous lithium-air secondary battery of the present invention,
The proton donating acid is at least one selected from H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 and CH 3 COOH.
本発明水系リチウム−空気二次電池の一態様において、
前記リチウム塩は、Li2SO4、LiCl、LiNO3及びCH3COOLiから選ばれた少なくとも一つである。
In one aspect of the aqueous lithium-air secondary battery of the present invention,
The lithium salt is at least one selected from Li 2 SO 4 , LiCl, LiNO 3 and CH 3 COOLi.
本発明水系リチウム−空気二次電池のCO2除去方法は、金属リチウムを含む負極と、空気が供給される空気極と、リチウム塩及びプロトンを供与する酸が水に溶解された水溶液電解液と、前記水溶液電解液が収容される電解液収容空間と、を備えた水系リチウム−空気二次電池のCO2除去方法であって、放電が進行して大きくなった前記水溶液電解液のpHを、充電が進行するに従って小さくなり、満充電時に、前記水溶液電解液に吸収された前記空気に含まれる二酸化炭素が前記水溶液電解液から放出されやすい第1範囲内から選ばれる第1所定値になるようにして、前記水溶液電解液から前記二酸化炭素を放出させ、前記放出させた二酸化炭素を、前記電解液収容空間から外部に排出する。 The CO 2 removal method of the aqueous lithium-air secondary battery of the present invention includes a negative electrode containing metallic lithium, an air electrode to which air is supplied, an aqueous electrolyte in which an acid for supplying a lithium salt and a proton is dissolved in water, , A CO 2 removal method for an aqueous lithium-air secondary battery comprising an electrolytic solution housing space in which the aqueous electrolytic solution is accommodated, wherein the pH of the aqueous electrolytic solution that has become larger as discharge progresses, The charge decreases as the charge progresses, and at the time of full charge, the carbon dioxide contained in the air absorbed in the aqueous electrolyte solution becomes a first predetermined value selected from the first range in which the aqueous electrolyte solution is easily released. Then, the carbon dioxide is released from the aqueous electrolyte solution, and the released carbon dioxide is discharged to the outside from the electrolyte solution storage space.
本発明によれば、空気中の二酸化炭素に起因する電池特性の低下を抑制できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fall of the battery characteristic resulting from the carbon dioxide in air can be suppressed.
<技術的背景及び本発明の概要>
まず、本発明の理解を容易にするため、本発明の技術的背景及び本発明の概要について説明する。
<Technical Background and Summary of the Present Invention>
First, in order to facilitate understanding of the present invention, the technical background of the present invention and the outline of the present invention will be described.
従来から金属空気二次電池は、非常に高いエネルギー密度を有する電池系であることが知られていた。しかしながら、空気(大気)中の二酸化炭素(CO2)により電池特性に悪い影響を与えてしまう問題があった。この「空気中の二酸化炭素に起因する問題(電池特性の低下)」の解決の目処が立っていないことが、金属空気二次電池の実用化に至っていない要因の一つであると言われている。 Conventionally, it has been known that a metal-air secondary battery is a battery system having a very high energy density. However, carbon dioxide (CO 2 ) in the air (atmosphere) has a problem of adversely affecting battery characteristics. It is said that one of the factors that has not led to the practical application of metal-air secondary batteries is that the “problem caused by carbon dioxide in the air (decrease in battery characteristics)” has not been established. Yes.
ここで、実験室レベルでは、空気中の二酸化炭素(CO2)を事前に除去することにより、「空気中の二酸化炭素に起因する問題」を解消することは比較的容易である。例えば、二酸化炭素(CO2)は、弱酸性であるので、事前に二酸化炭素(CO2)をアルカリ性のCO2除去材料(例えば、アルカリ性の固体及び/又はアルカリ性の液体)と中和反応させることによって、空気から除去することが可能である。 Here, at the laboratory level, it is relatively easy to eliminate the “problem caused by carbon dioxide in the air” by removing carbon dioxide (CO 2 ) in the air in advance. For example, carbon dioxide (CO 2) are the weakly acidic pre-dioxide (CO 2) the alkaline CO 2 removal material (e.g., an alkaline solid and / or alkaline liquid) be a neutralization reaction Can be removed from the air.
具体的に述べると、例えば、アルカリ水溶液を入れた洗気瓶に空気を導入すること、アルカリ水溶液を含浸させたフィルタに空気を導入すること、又は、アルカリ性の固体を充電したカラムに空気を導入することにより、空気中の二酸化炭素(CO2)を除去することができる。 Specifically, for example, introducing air into a washing bottle containing an alkaline aqueous solution, introducing air into a filter impregnated with an alkaline aqueous solution, or introducing air into a column charged with an alkaline solid By doing so, carbon dioxide (CO 2 ) in the air can be removed.
しかしながら、アルカリ性のCO2除去材料は、中和反応により消費するので、除去できるCO2量には限界がある。このため、実験室レベルでは、定期的にCO2除去材料を交換して使用することが行われている。これに対して、実用上の金属空気二次電池では、定期的なCO2除去材料の交換は、電池ユーザーに、煩雑な交換作業、及び、電池運用のコストの増加を強いてしまうので、問題となってしまう。 However, since the alkaline CO 2 removing material is consumed by the neutralization reaction, the amount of CO 2 that can be removed is limited. For this reason, at the laboratory level, the CO 2 removal material is regularly exchanged and used. On the other hand, in a practical metal-air secondary battery, periodic replacement of the CO 2 removal material forces the battery user to perform complicated replacement work and increase the cost of battery operation. turn into.
そこで、定期的なCO2除去材料の交換を回避すると共に「空気中の二酸化炭素に起因する問題」を解消するため、種々の技術が提案されている。例えば、特許文献1(特開2013−098174号公報)では、空気電池システムにCO2除去部材と、その再生機構とを搭載する技術が提案されている。特許文献1の技術では、CO2除去部材の再生をより容易にするために、メソポーラス材料及び/又はゼオライトの吸着系材料の使用が推奨されている。
Therefore, various techniques have been proposed in order to avoid periodic replacement of the CO 2 removal material and to solve the “problem caused by carbon dioxide in the air”. For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-098174) proposes a technique for mounting a CO 2 removal member and its regeneration mechanism on an air battery system. In the technique of
特許文献1の技術では、CO2除去材料の交換が不要となる利点がある。しかしながら、特許文献1の技術では、空気電池システムにCO2除去部材の再生機構を搭載することにより、空気電池システムの重量及び体積が増加してしまい、電池のエネルギー密度及び出力密度が低下してしまう問題が生じてしまう。
The technique of
更に、メソポーラス材料やゼオライトの吸着系材料(CO2除去部材)は、CO2以外に酸素(O2)及び窒素(N2)もある程度吸着するので、二酸化炭素(CO2)の吸着量が低下してしまう。その結果、より多くのCO2除去部材を空気電池システムに搭載することが必要となってしまう問題が生じてしまう。更に、メソポーラス材料やゼオライトの吸着系のCO2除去部材は、再生時に不活性ガスを流通させる必要があるので、その不活性ガスの確保が必要になる問題も生じてしまう。 Furthermore, the adsorption material of the mesoporous material and the zeolite (CO 2 removing member), since CO 2 oxygen addition (O 2) and nitrogen (N 2) is also to some extent adsorbed, reduced adsorption of carbon dioxide (CO 2) Resulting in. As a result, there arises a problem that it becomes necessary to mount more CO 2 removing members on the air battery system. Furthermore, since the mesoporous material or zeolite adsorption system CO 2 removal member needs to circulate an inert gas at the time of regeneration, there arises a problem that it is necessary to secure the inert gas.
他の技術としては、酸素選択性透過膜を利用することにより、空気中の酸素(O2)のみを選択的に金属空気二次電池中に供給する技術が、提案されている。例えば、特許文献2(国際公開第2012/046699号)では、電池外の空気の取り込みの流路中に酸素選択性透過膜を設置して用いる技術が、提案されている。特許文献3(国際公開2011/052440号)では、電池内に酸素選択性透過膜を設置して用いる技術が提案されている。 As another technique, a technique for selectively supplying only oxygen (O 2 ) in the air into the metal-air secondary battery by using an oxygen selective permeable membrane has been proposed. For example, Patent Document 2 (International Publication No. 2012/046699) proposes a technique of installing and using an oxygen-selective permeable membrane in a flow path for taking in air outside the battery. Patent Document 3 (International Publication 2011/052440) proposes a technique in which an oxygen-selective permeable membrane is used in a battery.
酸素選択性透過膜は、「分子ふるい効果」を利用することにより、分子サイズが異なる酸素(O2)と二酸化炭素(CO2)とを分離する部材である。特許文献2及び特許文献3には、酸素選択性透過膜として、シリコーン樹脂系の多孔膜が例示されている。
The oxygen selective permeable membrane is a member that separates oxygen (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) having different molecular sizes by utilizing a “molecular sieve effect”.
しかしながら、シリコーン樹脂系の多孔膜は、酸素(O2)と二酸化炭素(CO2)との分離能力がそれほど高くないので、空気中の二酸化炭素(CO2)を完全に除去できない問題が生じてしまう。なお、酸素選択性透過膜の材料として、金属空気二次電池に使用可能なレベルの酸素選択性の高い材料は、現在まで見つかっていない状況にある。 However, the silicone resin-based porous membrane has a problem in that carbon dioxide (CO 2 ) in the air cannot be completely removed because the separation capability of oxygen (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) is not so high. End up. As a material for the oxygen selective permeable membrane, a material having a high oxygen selectivity that can be used for a metal-air secondary battery has not been found so far.
更に他の技術としては、金属空気二次電池の電解液として通常用いられる、例えばNaOH水溶液、KOH水溶液及びLiOH水溶液等の高濃度の強アルカリ性水溶液の代わりに、「水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質」を用いる技術が提案されている。この技術では、空気中の二酸化炭素(CO2)と電解液中の水酸化物イオン(OH−)との反応を防止することができる。 Further, as another technique, instead of a highly alkaline aqueous solution having a high concentration such as a NaOH aqueous solution, a KOH aqueous solution, or a LiOH aqueous solution, which is usually used as an electrolyte of a metal-air secondary battery, “having hydroxide ion conductivity” A technique using a “solid electrolyte” has been proposed. With this technique, the reaction between carbon dioxide (CO 2 ) in the air and hydroxide ions (OH − ) in the electrolyte can be prevented.
例えば、特許文献4(国際公開第2009/104570号)の技術では、「水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質」として、高分子系の「水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質」である陰イオン交換膜を使用している。特許文献5(特開2012−099266号)の技術では、「水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質」として、無機系の「水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質」である層状複水酸化物を使用している。 For example, in the technique of Patent Document 4 (International Publication No. 2009/104570), a “solid electrolyte having hydroxide ion conductivity” is a polymer-based “solid electrolyte having hydroxide ion conductivity”. An anion exchange membrane is used. In the technique of Patent Document 5 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-099266), a layered double hydroxide which is an inorganic “solid electrolyte having hydroxide ion conductivity” is used as the “solid electrolyte having hydroxide ion conductivity”. I am using things.
特許文献4の技術では、空気極と電解液との間に陰イオン交換膜を設置することにより、空気中の二酸化炭素(CO2)と電解液との反応を防止することを狙っている。しかしながら、陰イオン交換膜は、弱アルカリ性であるので、陰イオン交換膜が二酸化炭素(CO2)と反応することによって、陰イオン交換膜の水酸化物イオン導電率(イオン導電率)が低下してしまう問題が生じてしまう。
The technique of
特許文献5の技術で用いる層状複水酸化物は、二酸化炭素(CO2)と接触しても、水酸化物イオン導電率(イオン導電率)が低下することはないと言われている。しかしながら、層状複水酸化物は、水溶液系の電解液と比較して水酸化物イオン導電率が大幅に低いので、「水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質」として使用した場合、金属空気二次電池の性能が大幅に低下してしまう。
It is said that the layered double hydroxide used in the technique of
上述の特許文献1乃至特許文献5の技術では、CO2除去部材、酸素選択性透過膜又は「水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質」を使用することによって、上述した問題が生じてしまう。
In the techniques of
そこで、本願発明者は、これらの部材を使用しないで、「空気中の二酸化炭素に起因する問題」の解決策を鋭意検討したところ、次のようなことを見出した。即ち、本願発明者は、電解液のpHが充電及び放電に伴い可逆的に変化し、電解液のpHが充電により電解液から二酸化炭素(CO2)が放出される所定範囲内に戻ることによって、電解液に吸収された二酸化炭素(CO2)を電解液から放出(除去)できることを見出した。 Therefore, the inventor of the present application diligently studied a solution to the “problem caused by carbon dioxide in the air” without using these members, and found the following. That is, the inventor of the present application reversibly changes the pH of the electrolytic solution with charge and discharge, and returns to a predetermined range in which carbon dioxide (CO 2 ) is released from the electrolytic solution by charging. The present inventors have found that carbon dioxide (CO 2 ) absorbed in the electrolytic solution can be released (removed) from the electrolytic solution.
<実施形態>
以下、本発明の実施形態に係る金属空気二次電池(水系リチウム−空気二次電池)について図面を参照しながら説明する。
<Embodiment>
Hereinafter, a metal-air secondary battery (aqueous lithium-air secondary battery) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(電池構成)
図1は、本発明の実施形態に係る金属空気二次電池の構成例を示す。本発明の実施形態に係る金属空気二次電池は、負極活物質としてリチウム(Li)を使用し、正極活物質として空気中の酸素(O2)を使用し、電解液として水溶液電解液(「水系電解液」とも称呼される。)を使用する水系リチウム−空気二次電池である。
(Battery configuration)
FIG. 1 shows a configuration example of a metal-air secondary battery according to an embodiment of the present invention. The metal-air secondary battery according to the embodiment of the present invention uses lithium (Li) as the negative electrode active material, uses oxygen (O 2 ) in the air as the positive electrode active material, and an aqueous electrolyte (“ It is also referred to as “aqueous electrolyte”.).
図1に示されたように、水系リチウム−空気二次電池は、負極21と、反応防止層22と、負極保護層23と、水系電解液24と、正極25と、これらが収容される外装体30とを備える。更に、水系リチウム−空気二次電池は、負極保護層23、正極25及び外装体30に囲まれた空間である電解液収容空間31と、電解液収容空間31と電池外部とを連通する二酸化炭素排出口32とを有する。
As shown in FIG. 1, the water-based lithium-air secondary battery includes a
水系リチウム−空気二次電池は、負極21と、正極25(「空気極」とも称呼される。)との間に、反応防止層22と、負極保護層23と、水系電解液24とが介在された構造を有する。反応防止層22、負極保護層23及び水系電解液24は、負極21から正極25に向かって、反応防止層22、負極保護層23及び水系電解液24の順に配設されている。
In the aqueous lithium-air secondary battery, a
(負極)
負極21としては、箔状の金属リチウムを用いることができる。
(Negative electrode)
As the
(反応防止層)
反応防止層22は、負極保護層23と、負極21(金属リチウム)との反応を防止するために設けられている。反応防止層22を設けることにより、負極保護層23と、金属リチウムとが接触して、負極保護層23の構成成分(例えばチタン)が還元されることによって、負極保護層23が劣化することを防止することができる。
(Anti-reaction layer)
The
反応防止層22としては、リチウムイオン伝導性を有し、且つ、金属リチウムに対して安定な材料を用いることができる。反応防止層22としては、例えば、ポリマー電解質、有機電解液(非水電解液)、又は、リチウムリン酸窒化物(LiPON(Li3−xPO4−yNy))を用いることができる。
As the
ポリマー電解質としては、真性ポリマー電解質(電解液を含まないポリマー電解質)又はゲル電解質(非水電解液を含むゲル状のポリマー電解質)を用いることができる。 As the polymer electrolyte, an intrinsic polymer electrolyte (a polymer electrolyte that does not include an electrolytic solution) or a gel electrolyte (a gel-like polymer electrolyte that includes a nonaqueous electrolytic solution) can be used.
真性ポリマー電解質としては、例えば、リチウム塩をホストポリマーに分散させた電解質を用いることができる。ホストポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、及び、ポリプロピレンオキシド(PPO)等から選ばれた1種又は2種以上を用いることができる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiTFSI(Li(CF3SO2)2N)、及び、LiBOB(リチウムビスオキサレートボレート)等から選ばれた1種又は2種以上を用いることができる。 As the intrinsic polymer electrolyte, for example, an electrolyte in which a lithium salt is dispersed in a host polymer can be used. As a host polymer, the 1 type (s) or 2 or more types chosen from polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), etc. can be used, for example. Examples of the lithium salt include one or more selected from LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiTFSI (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), LiBOB (lithium bisoxalate borate), and the like. Can be used.
非水電解液としては、非水溶媒にリチウム塩を溶解させた非水電解液を用いることができる。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、ジエチルカーボネート、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、及び、ジメチルカーボネート等から選ばれた1種又は2種以上を用いることができる。リチウム塩としては、上述したリチウム塩を用いることができる。 As the nonaqueous electrolytic solution, a nonaqueous electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in a nonaqueous solvent can be used. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,2-dimethoxyethane, and 2-methyltetrahydrofuran. , Sulfolane, diethyl carbonate, dimethylformamide, acetonitrile, dimethyl carbonate, or the like can be used. The lithium salt described above can be used as the lithium salt.
ゲル電解質は、上述の非水電解液と、非水電解液により膨潤したホストポリマー(マトリックスポリマー(高分子化合物))とを有する。ホストポリマーとしては、非水電解液により膨潤可能な高分子化合物を用いることができる。このようなホストポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、及び、ポリエチレンオキシド等から選ばれた1種又は2種以上を挙げることができる。 The gel electrolyte has the above-described non-aqueous electrolyte and a host polymer (matrix polymer (polymer compound)) swollen by the non-aqueous electrolyte. As the host polymer, a polymer compound that can swell with a non-aqueous electrolyte can be used. Examples of such a host polymer include one or more selected from polyvinylidene fluoride, a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polyethylene oxide, and the like.
(負極保護層)
負極保護層23は、水不透過性であり、且つ、リチウムイオン伝導性を有する水不透過性のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを用いることができる。これにより、負極21である金属リチウムが、水系電解液24と接触して反応してしまうことを防止することができる。このような水不透過性のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスとしては、例えば、LATPと称呼されるリチウム置換型NASICON型のリチウムイオン伝導性ガラスセラックスを用いることができる。
(Negative electrode protective layer)
The negative electrode
LATPは、例えば、(化1)及び/又は(化2)で表される結晶質相を含むリチウムイオン伝導性ガラスセラミックである。
(化1)
Li1+x1(M,Al,Ga)x1(Ge1−y1Tiy1)2−x1(PO4)3
(化1中、x1はx1≦0.8を満たす。y1は0≦y1≦1.0満たす。MはNd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm及びYbからなる群から選択される1つ以上の元素である。)
(化2)
Li1+x2+y2Qx2Ti2−x2SiP3−y2O12
(化2中、xは0<x2≦0.4を満たす。yは0<y2≦0.6を満たす。QはAl又はGaである。)
LATP is, for example, a lithium ion conductive glass ceramic including a crystalline phase represented by (Chemical Formula 1) and / or (Chemical Formula 2).
(Chemical formula 1)
Li 1 + x1 (M, Al, Ga) x1 (Ge 1-y1 Ti y1 ) 2-x1 (PO 4 ) 3
(In the
(Chemical formula 2)
Li 1 + x2 + y2 Q x2 Ti 2-x2 SiP 3-y2 O 12
(In the
LATPは、比較的高いリチウムイオン導電率を有し、水に対して化学的に安定である。更に、LATPは、熱処理条件を調整することよって、粒界にガラス相が形成されことにより粒界の隙間を封止できるので、外部から負極21に水が進入することを防止できる。
LATP has a relatively high lithium ion conductivity and is chemically stable to water. Furthermore, LATP can prevent gaps in the grain boundary from entering the
(水系電解液)
水系電解液24は、電解液収容空間31に収容されている。水系電解液24としては、リチウム塩及びプロトン(H+)を供与する酸並びにこれらが溶解された水を含む水溶液電解液が使用される。
(Aqueous electrolyte)
The
水系電解液24のpHは、充電が進行するに従って小さくなり、水系電解液24に吸収された二酸化炭素(CO2)が放出されやすい第1範囲内になる。更に、充電が進行して満充電になると、水系電解液24のpHは、更に小さくなり第1範囲内から選ばれる第1所定値になる。更に、水系電解液24のpHは、放電が進行するに従って大きくなり、二酸化炭素(CO2)が水系電解液24に吸収されやすい第2範囲内になる。更に、放電が進行して完全放電になると、水系電解液24のpHは、更に大きくなり第2範囲内から選ばれる第2所定値になる。
The pH of the
ここで、本願発明者は、水系電解液24に吸収された二酸化炭素(CO2)が、水系電解液24から放出されやすい(除去されやすい)第1範囲について検討した。水系電解液24のpHと二酸化炭素(CO2)との溶解性に関して、多くの成書で説明されているように二酸化炭素(CO2)の酸解離定数Ka(酸解離指数pKa)を用いて説明することができる。
Here, the inventor of the present application examined the first range in which carbon dioxide (CO 2 ) absorbed in the
二酸化炭素(CO2)は、水に溶解すると(4)式のように炭酸(H2CO3)を生成する。
CO2+H2O ⇔ H2CO3・・・(4)
Carbon dioxide (CO 2 ), when dissolved in water, produces carbonic acid (H 2 CO 3 ) as shown in equation (4).
CO 2 + H 2 O⇔H 2 CO 3 (4)
しかしながら、(4)式は左側に大きく偏っており、[CO2]+[H2CO3]≒[CO2]とみなすことができる。なお、[X]は化合物Xの濃度を表す。例えば、[CO2]はCO2濃度を表し、[H2CO3]はH2CO3濃度を表す。 However, Formula (4) is greatly biased to the left side, and can be regarded as [CO 2 ] + [H 2 CO 3 ] ≈ [CO 2 ]. [X] represents the concentration of compound X. For example, [CO 2 ] represents the CO 2 concentration, and [H 2 CO 3 ] represents the H 2 CO 3 concentration.
そこで、二酸化炭素(CO2)の溶解性に関しては、CO2とHCO3 −とCO3 2−との平衡((5)式及び(6)式を参照。)を考えればよいと言える。
CO2+H2O ⇔ H++HCO3−・・・(5)
HCO3− ⇔ H++CO3 2−・・・(6)
Therefore, regarding the solubility of carbon dioxide (CO 2 ), it can be said that the equilibrium between CO 2 , HCO 3 − and CO 3 2− (see the formulas (5) and (6)) may be considered.
CO 2 + H 2 O⇔H + + HCO 3- (5)
HCO 3 −⇔ H + + CO 3 2− (6)
(5)式及び(6)式の二酸化炭素(CO2)の酸解離定数(第1酸解離定数Ka1(単に「Ka1」とも表記する。)、第2酸解離定数Ka2(単に「Ka2」とも表記する。))は、それぞれ、(7)式及び(8)式により定義され、それぞれの値が以下のように知られている。
Ka1=([H+][HCO3 −])/[CO2]=10−6.34・・・(7)
なお、二酸化炭素(CO2)の第1酸解離指数pKa1(単に「pKa1」とも表記する。)は、pKa1=−logKa1=6.34である。
(7)式より、(7)’式が導出される。
log([CO2]/[HCO3 −])=pKa1−pH・・・(7)’
Ka2=[H+][CO3 2−]/[HCO3 −]=10−10.25・・・(8)
なお、二酸化炭素(CO2)の第2酸解離指数pKa2(単に「pKa2」とも表記する。)は、pKa2=−logKa2=10.25である。
(8)’式より、(8)式が導出される。
log([CO3 2−]/[HCO3 −])=pKa2−pH・・・(8)’
The acid dissociation constant (first acid dissociation constant Ka1 (also simply referred to as “Ka1”) and the second acid dissociation constant Ka2 (simply “Ka2”) of the carbon dioxide (CO 2 ) in the formulas (5) and (6) )) Is defined by the equations (7) and (8), and the respective values are known as follows.
Ka1 = ([H + ] [HCO 3 − ]) / [CO 2 ] = 10 −6.34 (7)
The first acid dissociation index pKa1 (also simply referred to as “pKa1”) of carbon dioxide (CO 2 ) is pKa1 = −logKa1 = 6.34.
The expression (7) ′ is derived from the expression (7).
log ([CO 2 ] / [HCO 3 − ]) = pKa 1 -pH (7) ′
Ka2 = [H + ] [CO 3 2− ] / [HCO 3 − ] = 10−10.25 (8)
The second acid dissociation index pKa2 (also simply referred to as “pKa2”) of carbon dioxide (CO 2 ) is pKa2 = −logKa2 = 10.25.
Equation (8) is derived from Equation (8) ′.
log ([CO 3 2− ] / [HCO 3 − ]) = pKa 2 −pH (8) ′
CO2とHCO3−とCO3 2−との濃度の総和が変化せず、総和濃度を1とすると、
[CO2]+[HCO3 −]+[CO3 2−]=1・・・(9)
とされる。
If the total concentration of CO 2 , HCO 3- and CO 3 2- does not change and the total concentration is 1,
[CO 2 ] + [HCO 3 − ] + [CO 3 2− ] = 1 (9)
It is said.
(7)式、(8)式及び(9)式の連立方程式を解き、
F=1+Ka1/[H+]+Ka1*Ka2/[H+]2・・・(10)
とすると、
[CO2]=1/F・・・(11)
[HCO3]=Ka1/([H+]*F)・・・(12)
[CO3 2−]=(K1*Ka2)/([H+]2*F)・・・(13)
と書き表すことができる。
Solve the simultaneous equations (7), (8) and (9),
F = 1 + Ka1 / [H + ] + Ka1 * Ka2 / [H + ] 2 (10)
Then,
[CO 2 ] = 1 / F (11)
[HCO 3 ] = Ka1 / ([H + ] * F) (12)
[CO 3 2− ] = (
Can be written as:
(11)式、(12)式及び(13)式から、CO2とHCO3 −とCO3 2−との濃度をpHに対してプロットすると、図2に示された濃度プロファイルが得られる。 When the concentrations of CO 2 , HCO 3 − and CO 3 2− are plotted against pH from the equations (11), (12) and (13), the concentration profile shown in FIG. 2 is obtained.
図2中の「CO2](CO2存在割合)を示す曲線a1と[HCO3 −](HCO3 −存在割合)を示す曲線a2との交点P1は、CO2濃度とHCO3 −濃度とが等しい濃度であり、(7)式において、[HCO3 −]/[CO2]=1の場合の濃度である。その際のpHは第1酸解離指数pKa1に等しくなり、pH=6.34(25℃)に相当する。 In FIG. 2, the intersection P1 between the curve a1 indicating “CO 2 ] (CO 2 abundance ratio) and the curve a2 indicating [HCO 3 − ] (HCO 3 − abundance ratio) is the CO 2 concentration and the HCO 3 − concentration. Are equal to each other, and in the formula (7), the concentration is [HCO 3 − ] / [CO 2 ] = 1, and the pH at that time is equal to the first acid dissociation index pKa1, and pH = 6. 34 (25 ° C.).
同様に、[HCO3 −](HCO3 −存在割合)を示す曲線a2と[CO3 2−](CO3 2−存在割合)を示す曲線a3との交点P2のpHは、第2酸解離指数pKa2の値(=10.25(25℃))に相当する。 Similarly, the pH of the intersection P2 between the curve a2 indicating [HCO 3 − ] (HCO 3 − abundance ratio) and the curve a3 indicating [CO 3 2− ] (CO 3 2 − abundance ratio) is the second acid dissociation. This corresponds to the value of the index pKa2 (= 10.25 (25 ° C.)).
水系電解液24のpHを第1酸解離指数pKa1の値よりも酸性にする(小さくする)と、より多くの水系電解液24に吸収された(溶解された)CO2を、水系電解液24から放出(除去)することが可能になる。
When the pH of the
例えば、(7’)式からわかるように、水系電解液24のpHを第1酸解離指数pKa1の値より1だけ小さい、pH5.34にすると、水系電解液24中に残存する[HCO3 −]と水系電解液24から放出される(電池外部に放出される)[CO2]との比は、[CO2]/[HCO3 −]=10となる。水系電解液24のpHを第1酸解離指数pKa1の値より2だけ小さい、pH4.34にすると、水系電解液24中に残存する[HCO3 −]と水系電解液24から放出される(電池外部に放出される)[CO2]との比は、[CO2]/[HCO3 −]=100となる。
For example, as can be seen from the equation (7 ′), when the pH of the
以上から第1範囲は、二酸化炭素(CO2)の第1酸解離指数pKa1の値より小さい範囲(第1範囲<pKa1)であることが好ましいことがわかる。 From the above, it can be seen that the first range is preferably a range smaller than the value of the first acid dissociation index pKa1 of carbon dioxide (CO 2 ) (first range <pKa1).
例えば、第1範囲は、常温(25℃)且つ所定のリチウム塩濃度(例えば、0.05mol/L以上2.0mol/以下)の水溶液電解液である場合、pH5.587以下であることが好ましく、pH5.5以下であることがより好ましく、pH4.0以下であることが更に好ましい。 For example, when the first range is an aqueous electrolyte solution having an ordinary temperature (25 ° C.) and a predetermined lithium salt concentration (for example, 0.05 mol / L to 2.0 mol / less), the pH is preferably 5.587 or less. The pH is more preferably 5.5 or less, and further preferably pH 4.0 or less.
なお、第1酸解離指数pKa1の値は、水系電解液24の温度及びリチウム塩濃度等が変化するに従って変化するので、第1範囲は、それに応じて変化する。従って、常温以外の温度で使用される等の場合、上記第1範囲は変わる。
Since the value of the first acid dissociation index pKa1 changes as the temperature of the
第1範囲の下限値は、pH2.0であることが好ましい。負極保護層23を構成するLATPは、pH2.0より小さい酸性溶液中で腐食される傾向にある(例えば、非特許文献1:Satoshi Hasegawa et al., “Study on lithium/air secondary batteries Stability of NASICON-type lithium ion conducting glass ceramics with water”, Journal of Power Sources, vol.189(1), p371-377 (2009)を参照。)。従って、LATPの腐食を抑制する効果も考慮すると、第1範囲の下限値は、pH2.0であることが好ましい。
The lower limit of the first range is preferably pH 2.0. LATP constituting the anode
即ち、CO2除去効果及びLATPの腐食を抑制する効果の両方を考慮すると、第1範囲は、pH2.0以上pH5.587以下であることが好ましく、pH2.0以上pH5.5以下であることがより好ましく、pH2.0以上pH4.0以下であることが更に好ましい。 That is, in consideration of both the CO 2 removal effect and the LATP corrosion inhibiting effect, the first range is preferably pH 2.0 or more and pH 5.587 or less, and pH 2.0 or more and pH 5.5 or less. Is more preferable, and it is still more preferable that it is pH2.0 or more and pH4.0 or less.
本発明の実施形態では、水系電解液24のpHが充電及び放電に伴い次のように変化し、水系電解液24に吸収された二酸化炭素(CO2)を電池外部に排出することができる。
In the embodiment of the present invention, the pH of the
即ち、図3の線b1に示されるように、水系電解液24のpHは、未放電時に第1範囲内から選ばれる第1所定値(y1)になる。その後、放電が開始されると、調製後未放電の水系電解液24は、水酸化物イオン(OH−)を生成する((2)式(O2+2H2O+4e− ⇔ 4OH−)の右向きの反応が進む。)。生成した水酸化物イオン(OH−)により、水系電解液24中の「プロトンを供与する酸」が中和され、水系電解液24は徐々にアルカリ性へと変化する。
That is, as indicated by the line b1 in FIG. 3, the pH of the
水系電解液24がアルカリ性に変化した後であっても、更に放電反応が継続されると、水系電解液24のpHは、放電が進行するに従って大きくなる。そして、水系電解液24のpHが、二酸化炭素(CO2)が水系電解液24に吸収されやすい第2範囲(例えば、pKa2より大きい範囲)内になると、水系電解液24に空気中の二酸化炭素(CO2)が吸収され、炭酸イオン(CO3 2−)の濃度が増加する。生成した炭酸イオン(CO3 2−)はLiOHと反応し、水への溶解性の低いLi2CO3が析出される。更に、放電が進行して完全放電時になると、水系電解液24のpHは、更に大きくなり第2範囲内から選ばれる第2所定値(y2)になる。
Even after the
その後、充電が開始されると、水酸化物イオン(OH−)が消費される((2)式の左向きの反応が進む)ので、水系電解液24のpHは、充電が進行するに従って小さくなり、第1範囲内になる。更に、充電が進行して満充電時になると、水系電解液24のpHは、更に小さくなり第1範囲内から選ばれる第1所定値(y1)に戻る。更に、その後、同様に放電及び充電を行うと、水系電解液24のpHは、同様に変化する。
Thereafter, when charging is started, hydroxide ions (OH − ) are consumed (the reaction in the left direction of the formula (2) proceeds), so that the pH of the
水系電解液24のpHが第1範囲内になると、水系電解液24に吸収された二酸化炭素(CO2)が水系電解液24から放出される。Li2CO3が析出された場合であっても、析出したLi2CO3が分解され二酸化炭素(CO2)として水系電解液24から放出(除去)される。放出された二酸化炭素(CO2)が、二酸化炭素排出口32を通して、電池外部へ排出される。これにより、本発明の実施形態では、水系電解液24に吸収された二酸化炭素(CO2)を電池外部に排出することできる。
When the pH of the
(リチウム塩)
リチウム塩は、水系電解液24中のリチウムの濃度を高めるために使用される。リチウム塩としては、リチウムイオンのカウンターイオン(アニオン)が、充電及び放電によって、分解しないリチウム塩であることが好ましい。
(Lithium salt)
The lithium salt is used to increase the concentration of lithium in the
(プロトンを供与する酸)
プロトンを供与する酸としては、水系電解液24中にプロトン(H+)を供給可能であって、プロトンのカウンターイオン(アニオン)が、充電及び放電によって、分解しない酸であることが好ましい。
(Acids that donate protons)
As an acid for donating protons, it is preferable that protons (H + ) can be supplied into the
このようなリチウム塩及びプロトンを供与する酸を用いることによって、放電によりpHが第1範囲より大きい値に上昇した場合でも、再び充電により満充電になった時に、水系電解液24のpHを第1範囲内から選ばれる第1所定値に戻すことができる。
By using such a lithium salt and an acid that donates a proton, even when the pH rises to a value greater than the first range due to discharge, the pH of the
例えば、クエン酸リチウムのようなリチウム塩、及び、クエン酸のような酸は、放電後の充電によってアニオンが酸化分解されてしまうことにより、放電時の電極反応によって生成したLiOH(水酸化リチウム)が充電によって酸化され難くなる((2)式の左向きの反応が進みにくくなる。)。これにより、放電後充電された場合でも、水系電解液24中の水酸化物イオン(OH−)が減少し難くなる傾向にある。その結果、放電後の充電によって、水系電解液24のpHが満充電時の第1範囲内から選ばれる第1所定値に戻り難くなる傾向にある。
For example, a lithium salt such as lithium citrate and an acid such as citric acid are formed by LiOH (lithium hydroxide) generated by an electrode reaction during discharge because anions are oxidized and decomposed by charge after discharge. Is less likely to be oxidized by charging (the reaction to the left in equation (2) is less likely to proceed). Thereby, even when charged after discharging, the hydroxide ions (OH − ) in the
リチウム塩としては、例えば、Li2SO4(硫酸リチウム)、LiCl(塩化リチウム)、LiNO3(硝酸リチウム)又はCH3COOLi(酢酸リチウム)を用いることができる。なお、リチウム塩は、これらのリチウム塩に限定されずに、種々のリチウム塩を用いることができる。更に、リチウム塩は、1種で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 As the lithium salt, for example, Li 2 SO 4 (lithium sulfate), LiCl (lithium chloride), LiNO 3 (lithium nitrate) or CH 3 COOLi (lithium acetate) can be used. The lithium salt is not limited to these lithium salts, and various lithium salts can be used. Furthermore, lithium salt may be used by 1 type and may be used in mixture of 2 or more types.
プロトンを供与する酸としては、強酸として、例えば、H2SO4(硫酸)、HCl(塩酸)又はHNO3(硝酸)を用いることができる。弱酸として、例えば、CH3COOH(酢酸)を用いることができる。なお、プロトンを供与する酸は、これらの酸に限定されずに、種々の酸を用いることができる。更に、プロトンを供与する酸は、1種で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 As an acid for donating protons, for example, H 2 SO 4 (sulfuric acid), HCl (hydrochloric acid) or HNO 3 (nitric acid) can be used as a strong acid. As the weak acid, for example, CH 3 COOH (acetic acid) can be used. The acid for donating protons is not limited to these acids, and various acids can be used. Furthermore, the acid which provides a proton may be used by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for it.
(電解液の調製方法)
上述の水系電解液24は、次のように調製できる。即ち、まず、水系電解液24のリチウムイオン伝導性を確保するために、水に対してリチウム塩を添加する。リチウム塩の濃度としては、水系電解液24のリチウムイオン伝導性を確保する観点から、例えば、0.05mol/L以上2.0mol/L以下であることが好ましい。次に、リチウム塩を添加した水に、プロトンを供与する酸を更に添加することにより、水系電解液24のpHを第1範囲内から選ばれる第1所定値に調整する。これにより、水系電解液24を得ることができる。
(Method for preparing electrolyte)
The
(電解液をリチウム空気二次電池に好適に使用できる理由)
上述の水系電解液24は、水系リチウム−空気二次電池に使用されるので、好適に使用することができ、他の金属空気二次電池等に対しては好適に使用することができない。その理由を以下に述べる。
(Reason why electrolyte can be used suitably for lithium-air secondary battery)
Since the above-mentioned
例えば、空気電池の一種である燃料電池のうち、アルカリ形燃料電池(AFC:Alkaline Fuel Cell)は、電解液として、高濃度のKOHやNaOH水溶液を用いるため、金属空気二次電池と同様に大気中の二酸化炭素(CO2)を吸収し、その影響を大きく受ける。一方、固体高分子形燃料電池(PEFC:phosphoric Acid Fuel Cell)は、電解質として、Nafion(登録商標)等の酸性の電解質を用いるため、二酸化炭素(CO2)が吸収されることはなく、大気中の二酸化炭素(CO2)の影響を排除できると考えられる。 For example, among fuel cells that are a type of air cell, an alkaline fuel cell (AFC) uses high-concentration KOH or NaOH aqueous solution as an electrolyte, so that the atmosphere is similar to that of a metal-air secondary cell. It absorbs carbon dioxide (CO 2 ) in it and is greatly affected by it. On the other hand, since a solid acid fuel cell (PEFC) uses an acidic electrolyte such as Nafion (registered trademark) as an electrolyte, carbon dioxide (CO 2 ) is not absorbed, and the atmosphere It is considered that the influence of carbon dioxide (CO 2 ) inside can be eliminated.
しかしながら、金属空気二次電池の負極として最も検討されている亜鉛等の金属は、強酸性電解液中で溶解してしまう。負極金属が溶解しない程度の弱酸性の電解液を用いた場合も、正極(空気極)は、(2)式に従い、放電時に水酸化物イオン(OH−)を生成するので、放電の進行と共に電解液は、アルカリ性にシフトしてゆき、やがて、二酸化炭素(CO2)を吸収してしまう。 However, metals such as zinc, which are most studied as negative electrodes for metal-air secondary batteries, are dissolved in a strongly acidic electrolyte. Even when a weakly acidic electrolyte solution that does not dissolve the negative electrode metal is used, the positive electrode (air electrode) generates hydroxide ions (OH − ) during discharge according to the formula (2). The electrolytic solution shifts to alkaline and eventually absorbs carbon dioxide (CO 2 ).
更に、通常の金属空気二次電池の電解液中の電荷移動を担うイオン種は、水酸化物イオン(OH−)であり、強アルカリ性電解液に代えて酸性の電解液を使用した場合、電解液の水酸化物イオン導電率の低下を引き起こしてしまう。その結果、電池性能が低下してしまう問題が生じてしまう。 Furthermore, the ionic species responsible for charge transfer in the electrolyte of a normal metal-air secondary battery is hydroxide ion (OH − ), and when an acidic electrolyte is used instead of a strong alkaline electrolyte, This causes a decrease in the hydroxide ion conductivity of the liquid. As a result, the problem that battery performance falls will arise.
これに対して、水系リチウム−空気二次電池は、強アルカリ性電解液に代えて、満充電時に酸性になる電解液(水系電解液24)を使用した場合でも、電解液の水酸化物イオン導電率の低下による影響を受けにくい。 On the other hand, in the case of using an aqueous lithium-air secondary battery instead of a strong alkaline electrolyte, an electrolyte that becomes acidic when fully charged (aqueous electrolyte 24) is used. Less susceptible to decline in rate.
即ち、水系リチウム−空気二次電池が他の金属空気二次電池と異なる点は、他の金属空気二次電池の放電生成物である金属水酸化物(M(OH)n)が負極上に生成するのに対して、水系リチウム−空気二次電池の場合、放電生成物である水酸化リチウム(LiOH)は、正極(空気極)上に生成する点にある。 That is, the difference between the water-based lithium-air secondary battery and other metal-air secondary batteries is that the metal hydroxide (M (OH) n), which is the discharge product of the other metal-air secondary batteries, is on the negative electrode. In contrast, in the case of an aqueous lithium-air secondary battery, lithium hydroxide (LiOH), which is a discharge product, is generated on the positive electrode (air electrode).
このことは、水系リチウム−空気二次電池の水系電解液中で、放電反応により、負極側で生成したリチウムイオン(Li+)が、正極(空気極)側へ移動していることを意味している。 This means that in the aqueous electrolyte of the aqueous lithium-air secondary battery, lithium ions (Li + ) generated on the negative electrode side have moved to the positive electrode (air electrode) side due to the discharge reaction. ing.
従って、他の金属空気二次電池では、電解液の水酸化物イオン(OH−)濃度の低下(換言するとpHの低下)によって、電池性能が大きく劣化するのに対して、水系リチウム−空気二次電池では、水系電解液中にリチウムイオン(Li+)(好ましくは高濃度のリチウムイオン(Li+))が存在すれば、水系電解液のpHの変化が、イオン導電率の変化に影響を与えにくい。このため、水系リチウム−空気二次電池では、満充電時に酸性の水系電解液を使用した場合であっても、電池性能が低下する可能性が低い。従って、水系リチウム−空気二次電池では、満充電時に酸性になる電解液(水系電解液24)を好適に使用することができる。 Therefore, in other metal-air secondary batteries, the battery performance is greatly deteriorated due to a decrease in the hydroxide ion (OH − ) concentration of the electrolytic solution (in other words, a decrease in pH), whereas an aqueous lithium-air secondary battery. In secondary batteries, if lithium ions (Li + ) (preferably high-concentration lithium ions (Li + )) are present in the aqueous electrolyte, changes in the pH of the aqueous electrolyte will affect changes in ionic conductivity. Hard to give. For this reason, in an aqueous lithium-air secondary battery, even when an acidic aqueous electrolyte is used during full charge, the battery performance is unlikely to deteriorate. Therefore, in the aqueous lithium-air secondary battery, an electrolytic solution (aqueous electrolytic solution 24) that becomes acidic when fully charged can be preferably used.
なお、水系リチウム−空気二次電池の場合も、満充電時に酸性の水系電解液を使用しても、他の金属空気二次電池と同様に(2)式に従い、放電反応に伴い正極(空気極)で生成した水酸化物イオン(OH−)により水系電解液の中和が起こり、やがて水系電解液はアルカリ性に変化してしまう。アルカリ性に変化した水系電解液は、大気中の二酸化炭素(CO2)を吸収するので、難溶性のLi2CO3を生成してしまう問題が生じてしまう。 In the case of an aqueous lithium-air secondary battery, even if an acidic aqueous electrolyte is used at full charge, the positive electrode (air The aqueous electrolyte solution is neutralized by the hydroxide ions (OH − ) generated in the electrode), and the aqueous electrolyte solution is eventually changed to alkaline. Since the aqueous electrolyte changed to alkaline absorbs carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere, there arises a problem of generating poorly soluble Li 2 CO 3 .
これに対して、本発明の実施形態では、上述したように、充電時(満充電時)に水系電解液24を再度酸性(pHが第1範囲内となる酸性)に戻すことによって、Li2CO3を容易に二酸化炭素(CO2)に分解することができる。これにより、本発明の実施形態では、水系電解液24に吸収された二酸化炭素(CO2)を水系電解液24から放出(除去)し、放出された二酸化炭素(CO2)を、二酸化炭素排出口32を通して外部へ排出できる。
On the other hand, in the embodiment of the present invention, as described above, by returning the
(正極)
正極25は、触媒層25a及びガス拡散層25bで構成されている。正極25には、活物質である酸素(空気)が供給される。
(Positive electrode)
The
触媒層25aは、放電用触媒として、触媒担持カーボン粒子(白金担持カーボン)と、充電用触媒として酸化イリジウム(IrO2)粒子(粉末)と、バインダ(フッ素系樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE))と、を含む。 The catalyst layer 25a includes a catalyst-supporting carbon particle (platinum-supporting carbon) as a discharge catalyst, an iridium oxide (IrO 2 ) particle (powder) as a charging catalyst, and a binder (fluorine-based resin (for example, polytetrafluoroethylene ( PTFE)).
ガス拡散層25bは、触媒層25aに反応ガス(空気)を供給すると共に触媒層25aに発生する電荷を集電する導電性多孔質層(導電性材料を主成分とする多孔質層)である。ガス拡散層25bの外側の一主面が空気と接し、ガス拡散層25bの内側の他主面に、触媒層25aが形成されている。ガス拡散層25bとしては、例えば、撥水処理を施したカーボンペーパーを用いることができる。 The gas diffusion layer 25b is a conductive porous layer (a porous layer mainly composed of a conductive material) that supplies a reaction gas (air) to the catalyst layer 25a and collects charges generated in the catalyst layer 25a. . One main surface outside the gas diffusion layer 25b is in contact with air, and a catalyst layer 25a is formed on the other main surface inside the gas diffusion layer 25b. As the gas diffusion layer 25b, for example, carbon paper subjected to water repellent treatment can be used.
(電池の動作)
水系リチウム−空気二次電池では、充電及び放電に伴い、負極21及び正極25にて、次の反応が生じる。
(放電時)
負極反応:Li→Li++e−
正極反応:Li++1/4O2+3/2H2O→LiOH・H2O
(充電時)
負極反応:Li++e−→Li
正極反応:LiOH・H2O→Li++1/4O2+3/2H2O
(Battery operation)
In the water-based lithium-air secondary battery, the following reaction occurs at the
(During discharge)
Negative electrode reaction: Li → Li + + e −
Positive electrode reaction: Li + + 1 / 4O 2 + 3 / 2H 2 O → LiOH · H 2 O
(When charging)
Negative electrode reaction: Li + + e − → Li
Positive electrode reaction: LiOH.H 2 O → Li + + 1 / 4O 2 + 3 / 2H 2 O
即ち、放電時、水系リチウム−空気二次電池では、負極21にて、金属リチウム(Li)がリチウムイオン(Li+)として、反応防止層22及び負極保護層23を通り水系電解液24に移動する。このとき、電子は負極21に接続された外部回路(図示省略)に供給される。正極25にて、正極25に接続された外部回路から電子が供給されて触媒層25aで空気中の酸素(O2)と水(H2O)とが反応して水酸化物イオン(OH−)が生じる(即ち、(2)式(O2+2H2O+4e− ⇔ 4OH−)の右向きの反応が生じる)。水系電解液24にて、リチウムイオン(Li+)と水酸化物イオン(OH−)とが反応して水溶性のLiOHが生じる。
That is, at the time of discharging, in the water-based lithium-air secondary battery, at the
一方、充電時、水系リチウム−空気二次電池では、負極21に外部回路から電子が供給され、水系電解液24に存在するリチウムイオン(Li+)が、負極保護層23及び反応防止層22を通って負極21表面に移動して、負極21表面にて、リチウムイオン(Li+)が電子を受け取り、金属リチウム(Li)が生じる。正極25の触媒層25aにて、水酸化物イオン(OH−)が反応して酸素(O2)が生じると共に電子が発生し(即ち、(2)式の左向きの反応が生じ)、発生した電子が外部回路に供給される。
On the other hand, at the time of charging, in the water-based lithium-air secondary battery, electrons are supplied to the
(効果)
本発明の実施形態に係る水系リチウム−空気二次電池では、水系電解液24が吸収した二酸化炭素(CO2)を水系電解液24から放出(除去)できると共に電池外部に排出できる。更に、本発明の実施形態に係る水系リチウム−空気二次電池では、水系電解液24中の電荷移動を担うイオン種は、リチウムイオン(Li+)であるので、二酸化炭素(CO2)が水系電解液24に吸収されることにより水酸化物イオン(OH−)が減少することに起因する水系電解液24のイオン導電率の低下による影響を受けにくい。これらの結果、空気中の二酸化炭素に起因する電池特性の低下を抑制できる。
(effect)
In the aqueous lithium-air secondary battery according to the embodiment of the present invention, carbon dioxide (CO 2 ) absorbed by the
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited only to these Examples.
本発明の実施形態に係る水系リチウム−空気二次電池を評価するために、以下の評価試験1及び評価試験2を行った。
(評価試験1)電解液のpH違いによる二酸化炭素(CO2)の除去性評価(Li2CO3の溶解性評価)
(評価試験2)放電及び充電に伴う電解液のpH変化の測定
In order to evaluate the water based lithium-air secondary battery according to the embodiment of the present invention, the following
(Evaluation Test 1) Carbon dioxide (CO 2 ) removability evaluation due to pH difference of electrolyte (Li 2 CO 3 solubility evaluation)
(Evaluation Test 2) Measurement of pH change of electrolytic solution accompanying discharge and charge
(評価試験1)
前述したように二酸化炭素(CO2)の第1酸解離指数pKa1の値は、6.34であることが報告されている。これは、常温(25℃)で純水中の値である。しかしながら、水系リチウム−空気二次電池の水系電解液24としては、リチウムイオン伝導性を付与するために、リチウム塩が水に溶解された水溶液が、使用される。
(Evaluation Test 1)
As described above, the value of the first acid dissociation index pKa1 of carbon dioxide (CO 2 ) is reported to be 6.34. This is a value in pure water at room temperature (25 ° C.). However, as the
リチウム塩が水に溶解された水溶液の二酸化炭素(CO2)の第1酸解離指数pKa1の値は、6.34からずれていることが予想される。従って、電解液から二酸化炭素(CO2)を除去することができる電解液のpHの範囲(第1範囲)が、変化していることが考えられる。そこで、電解液として、リチウム塩として硫酸リチウム(Li2SO4)が水に溶解された水溶液を用いて、電解液の二酸化炭素(CO2)の除去性に関して、以下のような評価を実施した。
It is expected that the value of the first acid dissociation index pKa1 of carbon dioxide (CO 2 ) in the aqueous solution in which the lithium salt is dissolved in water is deviated from 6.34. Therefore, it is conceivable that the pH range (first range) of the electrolytic solution that can remove carbon dioxide (CO 2 ) from the electrolytic solution is changed. Therefore, as an electrolytic solution, lithium sulfate as a lithium salt (
手順1−1:電解液のリチウムイオン伝導性を確保するために、イオン交換水中に硫酸リチウム・1水和物(和光純薬工業(株)製、特級)を溶解し、0.5mol/Lの濃度のLi2SO4水溶液を作製した。 Procedure 1-1: In order to ensure the lithium ion conductivity of the electrolyte, lithium sulfate monohydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) is dissolved in ion-exchanged water, and 0.5 mol / L A Li 2 SO 4 aqueous solution having a concentration of 5 was prepared.
手順1−2:ガラスサンプル瓶に、手順1−1で作製した0.5mol/LのLi2SO4水溶液を5mL入れた。次に、大気中の二酸化炭素(CO2)を吸収した電解液の状態を模擬するため、ガラスサンプル瓶内のLi2SO4水溶液に、炭酸リチウムLi2CO3(和光純薬工業(株)製、特級)を少量(70mg程度)ミクロスパーテルで投入した。この際、Li2CO3は溶解せずにLi2SO4水溶液中に沈殿した。 Procedure 1-2: 5 mL of the 0.5 mol / L Li 2 SO 4 aqueous solution prepared in Procedure 1-1 was placed in a glass sample bottle. Next, in order to simulate the state of the electrolytic solution that has absorbed carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere, lithium carbonate Li 2 CO 3 (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the Li 2 SO 4 aqueous solution in the glass sample bottle. A small amount (about 70 mg) of microspatel was added. At this time, Li 2 CO 3 was not dissolved but precipitated in the Li 2 SO 4 aqueous solution.
手順1−3:Li2CO3を少量添加したLi2SO4水溶液中に0.5mol/LのH2SO4(和光純薬工業(株)製、分析試薬級)を滴下添加することにより、Li2SO4水溶液中のpHを変えた複数の電解液サンプル(サンプル1〜サンプル13)を作製した。
Procedure 1-3: By adding dropwise 0.5 mol / L H 2 SO 4 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., analytical reagent grade) in a Li 2 SO 4 aqueous solution to which a small amount of Li 2 CO 3 has been added. A plurality of electrolyte samples (
手順1−4:0.5mol/LのH2SO4を添加した直後に溶液を攪拌して、室温(25℃)で1時間放置した場合のLi2CO3の溶解状況を目視で確認し、その際の溶液のpHをpHメータ(HORIBA製,F−52)で測定した。 Procedure 1-4: Immediately after adding 0.5 mol / L of H 2 SO 4 , the solution was stirred, and the dissolution state of Li 2 CO 3 when left at room temperature (25 ° C.) for 1 hour was visually confirmed. The pH of the solution at that time was measured with a pH meter (manufactured by HORIBA, F-52).
(評価結果)
評価結果を表1に示す。
(Evaluation results)
The evaluation results are shown in Table 1.
表1には、Li2CO3を少量添加した0.5mol/LのLi2SO4水溶液中に滴下した0.5mol/LのH2SO4添加量(mL)と、1時間攪拌及び放置した後のLi2CO3の溶解状況をまとめた。 Table 1 shows the amount of 0.5 mol / L H 2 SO 4 added (mL) dropwise into a 0.5 mol / L Li 2 SO 4 aqueous solution to which a small amount of Li 2 CO 3 was added, and stirring and leaving for 1 hour. The dissolution status of Li 2 CO 3 after the preparation was summarized.
なお、表1中の評価は、下記基準に基づいて判定した。
(完全溶解までの時間)
完全溶解までの時間は下記の基準に基づき判定した。
長い:55分<T分≦60分(=1時間)
普通:1分≦T分≦55分
瞬時:0分<T分<1分
なお、完全溶解までの時間をT分とする。
The evaluation in Table 1 was determined based on the following criteria.
(Time to complete dissolution)
The time until complete dissolution was determined based on the following criteria.
Long: 55 minutes <T minutes ≦ 60 minutes (= 1 hour)
Normal: 1 min ≦ T min ≦ 55 min Instantaneous: 0 min <T min <1 min Note that the time until complete dissolution is T min.
(総合評価)
総合評価は、下記基準に基づいて判定した。
☆:瞬時、且つ、完全に溶ける。
◎:普通、且つ、完全に溶ける。
〇:長い、且つ、完全に溶ける。
×:完全に溶けない、又は、全く溶けない。
なお、☆、◎、及び、〇は合格であり、×は不合格である。☆、◎、〇の順にLi2CO3の消失性(換言すると、CO2除去性)が優れている。
(Comprehensive evaluation)
Comprehensive evaluation was determined based on the following criteria.
☆: Instantly and completely melts.
(Double-circle): It melts normally and completely.
◯: Long and completely soluble.
X: It does not melt completely or does not melt at all.
In addition, *, (double-circle), and (circle) are a pass, and x is a disqualification. The disappearance (in other words, CO 2 removability) of Li 2 CO 3 is excellent in the order of ☆, ◎, ○.
表1からわかるように、室温(25℃)で0.5mol/LのLi2SO4電解液を用いた場合、pH5.587以下に電解液の酸性度を設定すれば、大気中から吸収した二酸化炭素(CO2)の影響を完全に排除できることが分かった。 As can be seen from Table 1, when a 0.5 mol / L Li 2 SO 4 electrolyte was used at room temperature (25 ° C.), it was absorbed from the atmosphere if the acidity of the electrolyte was set to pH 5.587 or lower. It has been found that the influence of carbon dioxide (CO 2 ) can be completely eliminated.
(評価試験2)放電及び充電操作に伴う電解液のpH変化の測定
本発明の実施形態に係る水系リチウム−空気二次電池では、電解液のpHを満充電時に第1範囲(例えば、弱酸性)に戻すことによって、電解液に吸収された二酸化炭素(CO2)を電解液から除去(放出)する。従って、未放電の弱酸性の電解液を使用した電池の放電及び充電を行い、初期(未放電時)の電解液のpHに戻せるかどうかの確認を行った。
(Evaluation Test 2) Measurement of pH Change of Electrolytic Solution Accompanying Discharge and Charging Operation In the aqueous lithium-air secondary battery according to the embodiment of the present invention, the pH of the electrolytic solution is in the first range (for example, weak acidity) when fully charged. ) To remove (release) carbon dioxide (CO 2 ) absorbed in the electrolytic solution from the electrolytic solution. Therefore, the battery using an undischarged weakly acidic electrolyte was discharged and charged, and it was confirmed whether or not it was possible to return to the initial pH of the electrolyte (when not discharged).
手順2−1:電解液の調製
イオン交換水中に硫酸リチウム・1水和物Li2SO4・H2O(和光純薬工業(株)製、特級)を溶解し、0.5mol/Lの濃度のLi2SO4水溶液を250mL作製した。更に、その中に、0.5mol/LのH2SO4(和光純薬工業(株)製、分析試薬級)を2.5mL添加し、pH2.6の酸性の電解液(評価用電解液)を調製した。この評価用電解液に少量(70mg程度)のLi2CO3(和光純薬工業(株)製、特級)を添加すると、溶解して、消失することが確認できた。
Procedure 2-1: Preparation of Electrolytic Solution Lithium sulfate monohydrate Li 2 SO 4 .H 2 O (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) is dissolved in ion-exchanged water, and 0.5 mol / L 250 mL of a Li 2 SO 4 aqueous solution having a concentration was prepared. Further, 2.5 mL of 0.5 mol / L H 2 SO 4 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., analytical reagent grade) is added therein, and an acidic electrolytic solution (evaluation electrolytic solution) of pH 2.6 is added. ) Was prepared. When a small amount (about 70 mg) of Li 2 CO 3 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) was added to the electrolytic solution for evaluation, it was confirmed that it was dissolved and disappeared.
手順2−2:空気極(正極の作製)
空気極の触媒層は、空気中の酸素(O2)を還元する放電触媒層と放電生成物であるLiOHを分解して酸素(O2)を発生させる充電触媒層とを一体化して形成した。
Procedure 2-2: Air electrode (preparation of positive electrode)
The catalyst layer of the air electrode is formed by integrating a discharge catalyst layer that reduces oxygen (O 2 ) in the air and a charge catalyst layer that decomposes LiOH as a discharge product and generates oxygen (O 2 ). .
放電触媒層を形成するための放電触媒として白金担持カーボン粉末(田中貴金属工業(株)製、TECEA50E)0.5gと、バインダ樹脂として陰イオン交換アイオノマー((株)トクヤマ製、AS−4)20gと、撥水材としてテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョン(ダイキン工業(株)製、D−210C)0.5gと、導電性助剤として、気相法炭素繊維(昭和電工(株)製、VGCF)0.5gとを、混合・分散して、放電触媒ペーストを調製した。 0.5 g of platinum-supported carbon powder (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TECEA50E) as a discharge catalyst for forming a discharge catalyst layer, and 20 g of anion exchange ionomer (manufactured by Tokuyama Co., Ltd., AS-4) as a binder resin. And 0.5 g of a tetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (Daikin Kogyo Co., Ltd., D-210C) as a water repellent material, and a vapor grown carbon fiber (Showa Denko Co., Ltd.) (VGCF) 0.5 g was mixed and dispersed to prepare a discharge catalyst paste.
次に、調製した放電触媒ペーストを、カーボンペーパー(東レ(株)製、TGP−120)の表面に塗工し、350℃で焼成することによって、カーボンペーパー(東レ(株)製、TGP−120)の片面に放電触媒層を形成した。 Next, the prepared discharge catalyst paste is coated on the surface of carbon paper (TGP-120, manufactured by Toray Industries, Inc.) and fired at 350 ° C., so that carbon paper (TGP-120, manufactured by Toray Industries, Inc.) is used. ) Was formed on one side of the discharge catalyst layer.
次に、充電触媒層を形成するため、充電触媒としてIrO2粉末(田中貴金属工業(株)製)0.25gと、バインダ樹脂として陰イオン交換アイオノマー((株)トクヤマ製、AS−4)10gと、導電性助剤として気相法炭素繊維(昭和電工(株)製、VGCF)0.5gとを、混合・分散して、充電触媒ペーストを調製した。その後、調製した充電触媒ペーストを先に調製した放電触媒層の裏面に塗工し、室温で乾燥することによって、放電触媒層と充電触媒層とが積層一体化された触媒層を作製した。 Next, to form a charge catalyst layer, 0.25 g of IrO 2 powder (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) as the charge catalyst and 10 g of anion exchange ionomer (manufactured by Tokuyama Co., Ltd., AS-4) as the binder resin Then, 0.5 g of vapor grown carbon fiber (VGCF, manufactured by Showa Denko KK) was mixed and dispersed as a conductive auxiliary agent to prepare a charging catalyst paste. Thereafter, the prepared charge catalyst paste was applied to the back surface of the previously prepared discharge catalyst layer, and dried at room temperature, thereby preparing a catalyst layer in which the discharge catalyst layer and the charge catalyst layer were laminated and integrated.
ガス拡散層としてPTFEディスパージョンで撥水処理を行ったカーボンペーパー(東レ(株)製、TGP−120)をホットプレスで接合して、空気極を作製した。 A carbon paper (TGP-120, manufactured by Toray Industries, Inc.) subjected to water repellency treatment with PTFE dispersion as a gas diffusion layer was joined by hot pressing to produce an air electrode.
手順2−3:評価セルの構成と評価条件
水系リチウム−空気二次電池における水系電解液24の状況を模擬するために、図4に概略構成を示したアクリル製の評価セル101を用いて、室温(25℃)で評価を行った。電解液と接する評価セル101を構成する部材の材質は、アクリルとPTFEの樹脂部材とチタンと貴金属からなる金属部材とカーボン部材のみであり、今回の評価中には腐食が発生しない部材を選択した。
Procedure 2-3: Configuration and Evaluation Conditions of Evaluation Cell In order to simulate the situation of the
評価セル101は、LATP窓102を介して、電解液槽103Aと電解液槽103Bとに分離されており、電解液槽103Aと電解液槽103Bとは、リチウムイオン(Li+)以外は移動ができない状況になっており、電解液槽103Aでは、水系リチウム−空気二次電池における水系電解液24と同一の電極反応を起こすことが可能である。
The
電解液槽103Aには、「手順2−1:電解液の調製」で記述した、酸性の評価用電解液104Aを46g入れた。電解液槽Bには、対極用電解液104Bとして0.5mol/LのLi2SO4水溶液を46g入れた。作用極105として、手順2−2:空気極(正極)の作製手順で記述した空気極を用い、対極106として、白金メッシュを、参照極107として、Hg/HgO電極を用いた。
In the
作用極105(空気極)、対極106、参照極107をポテンショ・ガルバノスタット110(Solartron Analytical社製、SI1287)に接続した。300ccmの流速で、空気111をCO2除去剤として1mol/Lの水酸化リチウム112が入れられた洗気瓶113にくぐらせ、空気中に存在する二酸化炭素(CO2)を予め除去し、作用極105のガス拡散層105b背面に評価中、流通させ、供給し続けた。
The working electrode 105 (air electrode), the
放電/充電操作による評価用電解液104AのpH変化を評価用電解液104A中に挿入したpH電極120によりモニターした。この際、作用極105近傍の評価用電解液104AのpHと、バルクのpHとの差異が小さくなるように、スターラーロッド121が入れてあり、評価中、攪拌し続けた。
The pH change of the evaluation
評価手順として、放電操作を模擬するために、作用極105を負に分散させ、−8mA(触媒層105aの面積で換算すると、−2mA/cm2)の一定電流を170分間流し、(2)式の右向きに反応を進行させた。その際、反応により水酸化物イオン(OH−)が生成し、評価用電解液104AのpHが上昇する。その後、同様に充電操作を模擬するために、作用極105を正に反転分極させ、+8mA(触媒層105aの面積で換算すると、+2mA/cm2)の一定電流を、170分間流し、(2)式の左向きに反応を進行させた。その際、放電反応を模擬して生成された水酸化物イオン(OH−)が、消費され評価用電解液104AのpHが初期のpHに戻ると考えられた。
As an evaluation procedure, in order to simulate the discharge operation, the working
放電操作後充電操作(放電操作→充電操作)を1回繰り返した後の評価用電解液104Aに、少量のLi2CO3を添加し、溶解及び消失できるかどうかを確認した。
A small amount of Li 2 CO 3 was added to the
(評価結果)
図5には、放電及び充電操作による評価用電解液104AのpH(線c1及び線c2を参照。)及び電極電位の変化(線d1及び線d2を参照。)を示した。その結果、線c1に示されるように、放電操作時は、電荷量で、40000mA・secを超え、評価用電解液104AのpHが4を超えた付近で、pHが大きく立ち上がり、アルカリ側にシフトすることがわかった。更に放電操作を継続すると、評価用電解液104AのpHは11を超え、評価用電解液104Aは、大気中の二酸化炭素(CO2)を吸収し、不溶性のLi2CO3を生成し易い性状の電解液に変化してしまうことがわかった。
(Evaluation results)
FIG. 5 shows changes in pH (see line c1 and line c2) and electrode potential (see line d1 and line d2) of the
次に、電流値を反転させ、充電操作を行った場合、線c2に示されるように、評価用電解液104AのpHが10を下回った付近で、評価用電解液104AのpHは急激に低下し、放電操作時と同量の電荷量で充電操作を行うと、初期(未放電時)の評価用電解液104Aの酸性のpHに戻ることが確認できた。
Next, when the current value is reversed and the charging operation is performed, as shown by a line c2, the pH of the evaluation
放電操作の後充電操作を行い(放電操作→充電操作)、初期評価用電解液の酸性のpHに戻すことができた評価用電解液104A中に少量のLi2CO3を添加したところ、容易にLi2CO3を、溶解・消失できた。
When a charging operation is performed after the discharging operation (discharging operation → charging operation), and a small amount of Li 2 CO 3 is added to the
これらの結果から、未放電時(満充電時)の水系リチウム−空気二次電池の水系電解液24として、弱酸性の水溶液電解液(未放電時(満充電時)のpHが第1範囲内から選ばれる第1所定値になる水溶液電解液)を用いることによって、次のことができることが分かった。即ち、放電反応により水溶液電解液がアルカリ性となり、仮に水溶液電解液が大気中の二酸化炭素(CO2)を吸収し、不溶性のLi2CO3を生成した場合でも、充電操作により水溶液電解液を弱酸性に再び戻すことができることがわかった。これにより、水溶液電解液に吸収された二酸化炭素(CO2)が、再び水溶液電解液から放出され、放出された二酸化炭素(CO2)を電池外部に排出できることがわかった。
From these results, as the
<変形例>
以上、本発明の実施形態及び実施例について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
<Modification>
Although the embodiments and examples of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. It is.
例えば、上述の実施形態及び実施例において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値等はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値等を用いてもよい。 For example, the configurations, methods, steps, shapes, materials, numerical values, and the like given in the above-described embodiments and examples are merely examples, and different configurations, methods, steps, shapes, materials, numerical values, etc. are necessary as necessary. May be used.
また、上述の実施形態及び実施例の構成、方法、工程、形状、材料および数値等は、本発明の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。 The configurations, methods, processes, shapes, materials, numerical values, and the like of the above-described embodiments and examples can be combined with each other without departing from the gist of the present invention.
例えば、二酸化炭素排出口32が設けられる位置は、上述の実施形態の位置に限定されるものではない。例えば、電解液収容空間31と電池外部とを連通している限り、種々の位置に設けることができる。
For example, the position where the carbon
電解液収容空間31に、セパレータ及びセパレータに含浸された水系電解液24が収容されるように構成してもよい。この場合、セパレータとしては、親水性の多孔質膜を用いることができる。このような多孔質膜としては、親水性化処理が施されたポリオレフィンフィルム(例えば、ポリエチレン又はポリプロピレンフィルム)、又は、不織布を用いることができる。
The electrolytic
21…負極、22…反応防止層、23…負極保護層、24…水系電解液、25…正極、25a…触媒層、25b…ガス拡散層、31…電解液収容空間、32…二酸化炭素排出口
DESCRIPTION OF
Claims (10)
空気が供給される空気極と、
リチウム塩及びプロトンを供与する酸が水に溶解された水溶液電解液と、
前記水溶液電解液が収容される電解液収容空間と、
を備え、
前記水溶液電解液のpHは、充電が進行するに従って小さくなり、放電が進行するに従って大きくなり、
満充電時の前記水溶液電解液のpHは、前記水溶液電解液に吸収された前記空気に含まれる二酸化炭素が前記水溶液電解液から放出されやすい第1範囲内から選ばれる第1所定値になり、前記水溶液電解液から放出された前記二酸化炭素が、前記電解液収容空間から外部に排出される、
水系リチウム−空気二次電池。 A negative electrode containing metallic lithium;
An air electrode to which air is supplied;
An aqueous electrolyte in which a lithium salt and an acid that donates a proton are dissolved in water;
An electrolyte storage space in which the aqueous electrolyte solution is stored;
With
The pH of the aqueous electrolyte decreases as charging progresses and increases as discharging progresses,
The pH of the aqueous electrolyte at full charge is a first predetermined value selected from the first range in which carbon dioxide contained in the air absorbed in the aqueous electrolyte is likely to be released from the aqueous electrolyte, The carbon dioxide released from the aqueous electrolyte is discharged from the electrolyte storage space to the outside.
Water-based lithium-air secondary battery.
完全放電時の前記水溶液電解液のpHは、前記二酸化炭素が前記水溶液電解液に吸収されやすい第2範囲内から選ばれる第2所定値になる、
水系リチウム−空気二次電池。 The water based lithium-air secondary battery according to claim 2,
The pH of the aqueous electrolyte at the time of complete discharge is a second predetermined value selected from the second range in which the carbon dioxide is easily absorbed by the aqueous electrolyte.
Water-based lithium-air secondary battery.
前記負極、前記空気極及び前記水溶液電解液を少なくとも含む電池構成部材を外装する外装体を更に備え、
前記外装体は、前記電解液収容空間と前記電池外部とを連通し、前記電解液から放出された前記二酸化炭素が通り前記電池外部に排出される排出口を有する、
水系リチウム−空気二次電池。 The water based lithium-air secondary battery according to claim 1 or 2,
Further comprising an exterior body that sheathes a battery constituent member including at least the negative electrode, the air electrode, and the aqueous electrolyte.
The exterior body communicates the electrolytic solution housing space and the outside of the battery, and has a discharge port through which the carbon dioxide released from the electrolytic solution passes and is discharged to the outside of the battery.
Water-based lithium-air secondary battery.
前記第1範囲は、二酸化炭素の第1酸解離指数pKa1の値より小さい範囲である、
水系リチウム−空気二次電池。 The water based lithium-air secondary battery according to any one of claims 1 to 3,
The first range is a range smaller than the value of the first acid dissociation index pKa1 of carbon dioxide.
Water-based lithium-air secondary battery.
前記第1範囲は、pH5.587以下の範囲である、
水系リチウム−空気二次電池。 The water based lithium-air secondary battery according to claim 4,
The first range is a range of pH 5.587 or less.
Water-based lithium-air secondary battery.
前記負極と前記水溶液電解液との間にある負極保護層を更に備え、
前記負極保護層は、LATPであり、
前記第1範囲の下限値は、pH2.0である、
水系リチウム−空気二次電池。 The water based lithium-air secondary battery according to claim 4 or 5,
A negative electrode protective layer located between the negative electrode and the aqueous electrolyte solution;
The negative electrode protective layer is LATP,
The lower limit of the first range is pH 2.0.
Water-based lithium-air secondary battery.
前記プロトンを供与する酸のプロトンのカウンターイオン、及び、前記リチウム塩のリチウムイオンのカウンターイオンは、充電及び放電によって分解されない、
水系リチウム−空気二次電池。 The water based lithium-air secondary battery according to any one of claims 1 to 6,
The counter ion of the proton of the acid that donates the proton and the counter ion of the lithium ion of the lithium salt are not decomposed by charging and discharging.
Water-based lithium-air secondary battery.
前記プロトンを供与する酸は、H2SO4、HCl、HNO3及びCH3COOHから選ばれた少なくとも一つである、
水系リチウム−空気二次電池。 The water based lithium-air secondary battery according to claim 7,
The proton donating acid is at least one selected from H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 and CH 3 COOH.
Water-based lithium-air secondary battery.
前記リチウム塩は、Li2SO4、LiCl、LiNO3及びCH3COOLiから選ばれた少なくとも一つである、
水系リチウム−空気二次電池。 The water based lithium-air secondary battery according to claim 7 or 8,
The lithium salt is at least one selected from Li 2 SO 4 , LiCl, LiNO 3 and CH 3 COOLi.
Water-based lithium-air secondary battery.
放電が進行して大きくなった前記水溶液電解液のpHを、充電が進行するに従って小さくなり、満充電時に、前記水溶液電解液に吸収された前記空気に含まれる二酸化炭素が前記水溶液電解液から放出されやすい第1範囲内から選ばれる第1所定値になるようにして、前記水溶液電解液から前記二酸化炭素を放出させ、
前記放出させた二酸化炭素を、前記電解液収容空間から外部に排出する、
水系リチウム−空気二次電池のCO2除去方法。 A negative electrode containing metallic lithium, an air electrode to which air is supplied, an aqueous electrolyte solution in which an acid for supplying a lithium salt and a proton is dissolved in water, and an electrolytic solution storage space in which the aqueous electrolyte solution is stored aqueous lithium with - a CO 2 removal method of an air secondary battery,
The pH of the aqueous electrolyte that has become larger as the discharge progresses becomes smaller as charging progresses, and carbon dioxide contained in the air absorbed in the aqueous electrolyte is released from the aqueous electrolyte when fully charged. The carbon dioxide is released from the aqueous electrolyte solution so as to be a first predetermined value selected from the first range that is likely to be obtained,
Exhausting the released carbon dioxide to the outside from the electrolytic solution housing space,
A method for removing CO 2 from an aqueous lithium-air secondary battery.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018015104A JP2019133841A (en) | 2018-01-31 | 2018-01-31 | Water-based lithium-air secondary battery and co2 removal method for water-based lithium-air secondary battery |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018015104A JP2019133841A (en) | 2018-01-31 | 2018-01-31 | Water-based lithium-air secondary battery and co2 removal method for water-based lithium-air secondary battery |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019133841A true JP2019133841A (en) | 2019-08-08 |
Family
ID=67547556
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2018015104A Pending JP2019133841A (en) | 2018-01-31 | 2018-01-31 | Water-based lithium-air secondary battery and co2 removal method for water-based lithium-air secondary battery |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2019133841A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111446522A (en) * | 2020-03-21 | 2020-07-24 | 复旦大学 | A kind of lithium carbon dioxide battery that can work at low temperature and preparation method thereof |
| JP2023135882A (en) * | 2022-03-16 | 2023-09-29 | 株式会社東芝 | air battery |
| WO2024136516A1 (en) * | 2022-12-21 | 2024-06-27 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | Electrode assembly and lithium secondary battery comprising same |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012216310A (en) * | 2011-03-31 | 2012-11-08 | Fujitsu Ltd | Control method of metal air cell system and metal air cell |
| JP2013004422A (en) * | 2011-06-20 | 2013-01-07 | Aisin Seiki Co Ltd | Aqueous lithium-air secondary battery |
| JP2013069591A (en) * | 2011-09-24 | 2013-04-18 | Imura Zairyo Kaihatsu Kenkyusho:Kk | Metal-air battery |
| JP2013182667A (en) * | 2012-02-29 | 2013-09-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Lithium air secondary battery and method for manufacturing lithium air secondary battery |
| JP2017084496A (en) * | 2015-10-23 | 2017-05-18 | 三菱自動車工業株式会社 | Lithium air battery |
-
2018
- 2018-01-31 JP JP2018015104A patent/JP2019133841A/en active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012216310A (en) * | 2011-03-31 | 2012-11-08 | Fujitsu Ltd | Control method of metal air cell system and metal air cell |
| JP2013004422A (en) * | 2011-06-20 | 2013-01-07 | Aisin Seiki Co Ltd | Aqueous lithium-air secondary battery |
| JP2013069591A (en) * | 2011-09-24 | 2013-04-18 | Imura Zairyo Kaihatsu Kenkyusho:Kk | Metal-air battery |
| JP2013182667A (en) * | 2012-02-29 | 2013-09-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Lithium air secondary battery and method for manufacturing lithium air secondary battery |
| JP2017084496A (en) * | 2015-10-23 | 2017-05-18 | 三菱自動車工業株式会社 | Lithium air battery |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111446522A (en) * | 2020-03-21 | 2020-07-24 | 复旦大学 | A kind of lithium carbon dioxide battery that can work at low temperature and preparation method thereof |
| CN111446522B (en) * | 2020-03-21 | 2023-10-03 | 复旦大学 | Lithium carbon dioxide battery capable of working at low temperature and preparation method thereof |
| JP2023135882A (en) * | 2022-03-16 | 2023-09-29 | 株式会社東芝 | air battery |
| JP7714491B2 (en) | 2022-03-16 | 2025-07-29 | 株式会社東芝 | air battery |
| WO2024136516A1 (en) * | 2022-12-21 | 2024-06-27 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | Electrode assembly and lithium secondary battery comprising same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rahman et al. | High energy density metal-air batteries: a review | |
| JP6113153B2 (en) | Metal-air cell with ion exchange material | |
| JP5627576B2 (en) | Aqueous lithium-air battery cell | |
| US8652692B2 (en) | Li/Air non-aqueous batteries | |
| Kowalczk et al. | Li-air batteries: A classic example of limitations owing to solubilities | |
| JP5721329B2 (en) | Air battery, air battery stack | |
| WO2012046699A1 (en) | Air battery | |
| US9660311B2 (en) | Aqueous lithium air batteries | |
| JP5273256B2 (en) | Non-aqueous electrolyte and metal-air battery | |
| WO2017099910A1 (en) | Metal-air battery | |
| US20160204490A1 (en) | Batteries | |
| US20150318590A1 (en) | Non-aqueous electrolyte solutions and lithium/oxygen batteries using the same | |
| JP2019133841A (en) | Water-based lithium-air secondary battery and co2 removal method for water-based lithium-air secondary battery | |
| US8304121B2 (en) | Primary aluminum hydride battery | |
| WO2019040906A1 (en) | High voltage aqueous electrolyte system for lithium metal or graphite anode | |
| KR20190009420A (en) | Alkali metal ion battery using alkali metal conductive ceramic separator | |
| JP2020119650A (en) | Aqueous lithium air battery and aqueous lithium air battery device | |
| KR20130131512A (en) | Cooling system using liquid coolant for dry room | |
| MXPA06009007A (en) | Protected active metal electrode and battery cell structures with non-aqueous interlayer architecture |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201217 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20211022 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20211116 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20220510 |