JP3699786B2 - Air lithium secondary battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極活物質に酸素、電解質に固体電解質、負極にリチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物を用いる空気リチウム二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、負極活物質としてリチウムを用いた非水電解液電池は高エネルギ―密度電池として注目されている。例えば、正極活物質に二酸化マンガン(MnO2 )、フッ化炭素[(CF2 )n ]、塩化チオニル(SOCl2 )等を用いた一次電池は、既に電卓、時計の電源やメモリのバックアップ電池として多用されている。
【0003】
さらに、近年、VTR,通信機器などの各種の電子機器の小型、軽量化に伴いそれらの電源として高エネルギ―密度の二次電池の要求が高まっている。このような要求に対応してリチウムを負極活物質とするリチウム二次電池の研究が活発に行われている。
【0004】
かかるリチウム二次電池として、J.Electrochem.Soc.,Vol.143,No.1,January 1996には、以下に説明するような構成を有する空気リチウム二次電池が開示されている。
【0005】
すなわち、前記空気リチウム二次電池は、コバルト触媒を含有するアセチレンブラック層と、ポリアクリルニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びLiPF6 からなるポリマー電解質フィルムとをニッケル網もしくはアルミニウム網に圧着させたものからなる正極と、リチウム箔からなる負極と、前記正極と前記負極の間に介装されたポリマー電解質膜と、前記正極上に積層された酸素透過膜とを有し、この4層積層物を金属で被覆されたプラスチック製袋に封入した構造を有するものである。なお、前記プラスチック製袋の正極側の面には空気孔が開口されている。
【0006】
しかしながら、このような空気リチウム二次電池は、負極が金属リチウムからなるため、前記空気孔から前記袋内に取り込まれた水分によって前記負極が劣化する。そのうえ、前記負極の表面には充放電を繰り返していくとデントライド状(樹枝状)や小球状にリチウムが析出し、これがポリマー電解質膜を貫通し、正極と接触して内部短絡が生じる。このため、前記空気リチウム二次電池には充放電サイクル寿命が短いという問題点がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電池容量及び充放電サイクル寿命が大幅に改善された空気リチウム二次電池を提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る空気リチウム二次電池は、空気孔が開口されている容器と、
前記容器内に収納され、固体電解質及びBET法による比表面積が100m 2 /g以上の活性炭素繊維を含む正極と、
前記容器内に収納され、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物を含む負極と、
前記容器内の前記正極及び前記負極の間に介在された固体電解質層と、
前記容器の前記空気孔が開口されている面と前記正極との間に配置された酸素透過膜とを具備することを特徴とするものである。
【0009】
前記正極は、固体電解質及びBET法による比表面積が100m2/g以上の炭素質物を含むものであることが好ましい。
また、前記正極の炭素質物は活性炭素繊維であることが好ましい。
前記負極の炭素質物はメソフェーズピッチ系炭素繊維であることが好ましい。
本発明に係る別の空気リチウム二次電池は、空気孔が開口されている容器と、
前記容器内に収納され、固体電解質及びBET法による比表面積が100m2/g以上の炭素質物を含む正極と、
前記容器内に収納され、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物を含む負極と、
前記容器内の前記正極及び前記負極の間に介在された固体電解質層と、
前記容器の前記空気孔が開口されている面と前記正極との間に配置された酸素透過膜とを具備することを特徴とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る空気リチウム二次電池をその一例を示す図1を参照して説明する。
2枚の正極1と1枚の負極2は、その間に固体電解質層3を介在しながら交互に積層されている。この正極1、負極2及び固体電解質層3からなる積層物の外側には前記正極1が位置する。2枚の酸素透過膜4は、前記正極1に積層されている。このような7層積層物は、両面に複数の空気孔(図示しない)が開口されたプラスチック製のシート状容器5内に収納されている。正極端子6は、一端が前記各正極1に接続され、かつ他端が前記容器5から突出している。また、負極端子7は、一端が前記負極2に接続され、かつ他端が前記容器5から突出している。
【0011】
前記固体電解質層3、前記正極1、前記負極2及び前記酸素透過膜4について説明する。
1)固体電解質層3
この固体電解質層3としては、リチウム塩が溶解された高分子材料を含むフィルムを用いることができる。
【0012】
前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリアクリロニトリル(PAN)等を挙げることができる。
【0013】
前記リチウム塩としては、例えば、六フッ化燐酸リチウム(LiPF6 )、六フッ化ヒ素リチウム(LiAsF6 )、四フッ化硼酸リチウム(LiBF4 )、過塩素酸リチウム(LiClO4 )、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム{LiN(CF3 SO2 )2 }等を挙げることができる。
【0014】
前記固体電解質層3には、イオン導電性を向上するために有機溶媒を添加することが好ましい。かかる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチロラクトン(BL)、フッ素含有のカーボネート類、鎖状カーボネート類等を挙げることができる。前記有機溶媒は、これらを単独で用いても良いが、2種類以上を組み合わせて用いても良い。特に、LiPF6 、EC及びPCが溶解されたポリビニリデンフロライド(PVDF)を含むフィルムからなる固体電解質層を用いるのが好ましい。このような固体電解質層は、リチウムイオンのイオン導電性を高めることができると共に、負極への酸素の拡散と水分の混入を防止することができるため、サイクル寿命が大幅に向上された空気リチウム二次電池を提供することができる。
【0015】
2)正極1
この正極1は、酸素を酸化還元するものである。また、前記正極1としては、固体電解質及びBET法による比表面積が100m2 /g以上の炭素質物を含むものが好ましい。なお、BET法は窒素ガス吸着によるものである。
【0016】
前記正極1は、例えば、固体電解質、BET法による比表面積が100m2 /g以上の炭素質物、リチウム過酸化物(Li2 O2 )及び結着剤を含むフィルムを作製し、集電体に圧延し、乾燥することにより製造することができる。
【0017】
前記固体電解質としては、リチウム塩が溶解された高分子材料を挙げることができる。前記リチウム塩及び前記高分子材料としては、前述した固体電解質層で説明したのと同様なものを用いることができる。
【0018】
前記炭素質物としては、例えば、活性炭素繊維、活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、木炭類などを挙げることができる。
前記炭素質物のBET法による比表面積を前記範囲に限定するのは次のような理由によるものである。前記比表面積を100m2 /g未満にすると、前記正極の反応面積が不足する恐れがあり、前記二次電池の放電容量及びサイクル寿命の低下を招く恐れがある。前記比表面積の上限値は5000m2 /gにすると良い。前記比表面積が5000m2 /gを越えると、正極体積が増大し、正極の厚さが著しく増大する恐れがある。より好ましい比表面積は、1000〜3000m2 /gの範囲である。
【0019】
前記炭素質物の中でも、活性炭素繊維が好ましい。この活性炭素繊維は、高い比表面積、高導電性及び高充填性を兼ね備えているため、前記二次電池の放電容量及びサイクル特性を飛躍的に向上することができる。より好ましい活性炭素繊維は、BET法による比表面積が1000〜3000m2 /gで、細孔容積が0.1〜3cm3 /gであるものである。この活性炭素繊維は、例えば、紡糸したポリアクリルニトリル繊維やピッチ系炭素繊維を不融化し、賦活化した後、600℃以上で焼成処理することにより合成することができる。
【0020】
前記BET法による比表面積が100m2 /g以上の炭素質物には、酸素または酸素イオンの酸化還元分解を効率良く行わせるために触媒を添加すると良い。
触媒の添加によって前記正極の充放電効率を向上することができる。かかる触媒としては、例えば、白金系、コバルト系、ニッケル系、鉄系、タングステン系などの酸素発生過電圧を低下させる機能を有する触媒を用いることができる。
【0021】
前記集電体としては、酸素の拡散を速やかに行わせるために多孔質(網状、メッシュ)の金属板を用いることが好ましい。前記金属としては、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄などを挙げることができる。なお、前記集電体は、酸化を抑制するために表面に耐酸化性の金属または合金を被覆しても良い。
【0022】
前記結着剤としては、例えば、ポリビニリデンフロライド(PVDF)等を挙げることができる。
前記正極においては、前記リチウム過酸化物(Li2 O2 )の代りにリチウム酸化物(Li2 O)を前記フィルムに添加することができる。
【0023】
3)負極2
この負極2は、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物を含む。
前記負極2は、例えば、前記炭素質物、固体電解質及び結着剤を溶媒に分散させ、スラリーを調製し、前記スラリーを集電体に塗布し、乾燥した後、プレスすることによって製造することができる。
【0024】
前記炭素質物としては、例えば、黒鉛、コークス、メソフェーズピッチ系炭素繊維、球状炭素、樹脂焼成炭素等を挙げることができる。中でも、メソフェーズピッチ系炭素繊維を用いるのが好ましい。このメソフェーズピッチ系炭素繊維は、繊維の横断面での黒鉛結晶子の配向が放射状であるため、前記固体電解質層から速やかにリチウムイオンを吸蔵することができ、サイクル寿命を大幅に向上させることができる。
【0025】
前記炭素質物は、(002)面の面間隔d002 を0.3354nm〜0.344nmの範囲にすることが好ましい。
前記炭素質物の比表面積は、窒素ガスによるBET法の比表面積で0.5〜5m2 /gの範囲にすることが好ましい。
【0026】
前記固体電解質としては、リチウム塩が溶解された高分子材料を挙げることができる。前記リチウム塩及び前記高分子材料としては、前述した固体電解質層で説明したのと同様なものを用いることができる。
【0027】
前記溶媒としては、例えば、n−メチル−2−ピロリドンのような有機溶媒等を挙げることができる。
前記結着剤としては、例えば、ポリビニリデンフロライド(PVDF)等を挙げることができる。
【0028】
前記集電体としては、例えば、銅箔などを挙げることができる。
4)酸素透過膜4
前記酸素透過膜4としては、空気中の酸素を透過させ、かつ水の侵入を防止する機能を有する撥水性の多孔質膜を用いることができる。
【0029】
このような構成の空気リチウム二次電池は、空気中の酸素ガスを正極活物質とし、負極にリチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物を利用するものである。この二次電池においては、放電時、前記正極にリチウムイオンが吸蔵されると共に、空気中の酸素ガスが前記酸素透過膜を通して前記正極中に取り込まれ、この酸素ガスが前記正極の炭素質物によって還元されて前記炭素質物の表面にリチウム過酸化物(Li2 O2 )又はリチウム酸化物(Li2 O)の放電生成物が生成する。一方、充電時には、前記放電生成物が前記炭素質物表面において酸化されて前記正極から酸素ガスが前記酸素透過膜を通して外部に放出されると共にリチウムイオンが放出される。
【0030】
前記二次電池は、組立て後、放電反応から使用を開始する場合、正極及び負極として前述した方法によって作製したものではなく、以下に説明する方法で作製した正極及び負極を用いる。
【0031】
すなわち、正極としては、リチウム過酸化物又はリチウム酸化物をフィルムに添加しないこと以外は前述したのと同様な方法によって作製されたものを用いる。一方、負極としては、前述したのと同様にしてスラリー調製、集電体への塗布、乾燥、プレスを行った後、リチウムイオンを吸蔵させる処理を施したものを用いる。なお、リチウムイオンを吸蔵させる処理は、二次電池組み立て後に行っても良い。
【0032】
以上説明した本発明に係る空気リチウム二次電池は、酸素を酸化還元する正極と、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物を含む負極と、前記正極及び前記負極の間に介在された固体電解質層と、酸素透過膜とを具備する。このような二次電池は、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物を含む負極を備えるため、容器内に混入した水分によって前記負極が劣化するのを抑制ないし回避することができると共に、充放電サイクルの進行に伴って負極表面に金属リチウムが析出するのを防止することができる。その結果、放電容量及びサイクル寿命が改善された空気リチウム二次電池を提供することができる。
【0033】
さらに、前記二次電池の正極として固体電解質及びBET法による比表面積が100m2 /g以上の炭素質物を含むものを用いることによって、前記正極の反応面積を増加させることができるため、前記二次電池の放電容量及びサイクル寿命を更に向上することができる。前記炭素質物を活性炭素繊維にすることによって、前記正極は、リチウムイオンのイオン導電性を向上することができ、かつ比表面積を増大させることができるため、リチウムイオンを吸蔵放出する際の抵抗を低減することができる。また、前記正極は嵩密度を低減することができるため、体積比容量を向上することができる。従って、前記正極を備えた二次電池は、放電容量及びサイクル寿命を飛躍的に向上することができる。
【0034】
また、前記二次電池の負極の炭素質物をメソフェーズピッチ系炭素繊維にすることによって、前記炭素繊維はその横断面の黒鉛結晶子の配向が放射状であるため、前記負極のリチウムイオン吸蔵放出速度を向上することができ、前記二次電池のサイクル寿命を大幅に改善することが可能になる。
【0035】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
(実施例1)
<負極の作製>
3000℃で焼成処理が施された黒鉛化メソフェーズピッチ系炭素繊維、前記炭素繊維に対して5重量%のPVDF、LiN(CF3 SO2 )2 及びn−メチル−2−ピロリドンを混合してスラリーを調製した後、前記スラリーを銅箔に塗布し、乾燥した後、プレスすることによって密度が1.3g/cm3 の負極を作製した。
【0036】
<正極の作製>
窒素ガスによるBET法の比表面積が2000m2 /gの活性炭素繊維にコバルト触媒を添加したもの、Li2 O2 、PVDF及びLiN(CF3 SO2 )2 を前記活性炭素繊維と前記Li2 O2 の重量比率が20%:40%になる配合比率で混合し、フィルム状に成形した後、これをステンレス製メッシュに圧延し、乾燥することによって正極を作製した。
【0037】
<固体電解質層の作製>
PVDF80重量%をLiN(CF3 SO2 )2 20重量%に溶解させ、フィルム状に成形することによって厚さが30μmの固体電解質層を作製した。
【0038】
前記正極2枚と前記負極1枚をその間に前記固体電解質層を介在させ、かつ外側に前記正極が位置するように交互に重ね、得られた5層積層物の外側の面に2枚の酸素透過膜をそれぞれ配置し、これを加熱して圧延した後、両面に複数の空気孔が開口されたプラスチック製のシール材に封入することによって厚さが200μmで、2cm×2cmサイズの前述した図1に示すフィルム状の空気リチウム二次電池を製造した。
(実施例2)
前記正極の炭素質物としてBET法の比表面積が2000m2 /gのカーボンブラックを用いること以外は、実施例1と同様な空気リチウム二次電池を組み立てた。
(実施例3)
PVDF60重量%にLiN(CF3 SO2 )2 を20重量%とEC及びPCからなる混合有機溶媒20重量%を溶解させ、フィルム状に成形することによって厚さが30μmの固体電解質層を作製すること以外は、実施例1と同様な空気リチウム二次電池を組み立てた。
(実施例4)
前記負極の炭素質物として天然黒鉛を用いること以外は、実施例3と同様な空気リチウム二次電池を組み立てた。
(実施例5)
前記負極の炭素質物としてフェノール樹脂を1100℃で焼成処理することにより得られる難黒鉛化性の炭素質物を用いること以外は、実施例3と同様な空気リチウム二次電池を組み立てた。
(比較例1)
前記負極としてリチウム金属箔を用い、かつ窒素ガスによるBET法の比表面積が50m2 /gのカーボンブラックにコバルト触媒を添加したもの、Li2 O2 、PVDF及びLiN(CF3 SO2 )2 を前記カーボンブラックと前記Li2 O2 の重量比率が20%:40%になる配合比率で混合し、フィルム状に成形した後、これをステンレス製メッシュに圧延し、乾燥することによって正極を作製すること以外は、実施例3と同様な空気リチウム二次電池を組み立てた。
(比較例2)
前記負極としてリチウム金属箔を用い、かつ窒素ガスによるBET法の比表面積が50m2 /gの活性炭にコバルト触媒を添加したもの、Li2 O2 、PVDF及びLiN(CF3 SO2 )2 を前記活性炭と前記Li2 O2 の重量比率が20%:40%になる配合比率で混合し、フィルム状に成形した後、これをステンレス製メッシュに圧延し、乾燥することによって正極を作製すること以外は、実施例3と同様な空気リチウム二次電池を組み立てた。
【0039】
得られた実施例1〜5及び比較例1、2の空気リチウム二次電池について、0.5mA/cm2 の電流密度で4.1Vまで充電した後、2Vまで放電する充放電を繰り返し、各サイクルごとに放電容量を測定し、その結果を図2に示す。
【0040】
図2から明らかなように、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物を含む負極を備えた実施例1〜5の二次電池は、リチウム金属箔からなる負極を備える比較例1、2の二次電池に比べて充放電サイクル寿命が長いことがわかる。
【0041】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、放電容量及びサイクル寿命が改善された空気リチウム二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る空気リチウム二次電池を示す部分断面図。
【図2】本発明の実施例1〜5及び比較例1〜2の空気リチウム二次電池におけるサイクル数と放電容量の関係を示す特性図。
【符号の説明】
1…正極、2…負極、3…固体電解質層、4…酸素透過膜、5…容器、6…正極端子、7…負極端子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an air lithium secondary battery that uses oxygen as a positive electrode active material, a solid electrolyte as an electrolyte, and a carbonaceous material that absorbs and releases lithium ions as a negative electrode.
[0002]
[Prior art]
In recent years, nonaqueous electrolyte batteries using lithium as a negative electrode active material have attracted attention as high energy density batteries. For example, primary batteries using manganese dioxide (MnO 2 ), fluorocarbon [(CF 2 ) n ], thionyl chloride (SOCl 2 ), etc. as positive electrode active materials have already been used as backup batteries for calculators, watches, and memories. It is used a lot.
[0003]
Furthermore, in recent years, with the reduction in size and weight of various electronic devices such as VTRs and communication devices, there is an increasing demand for secondary batteries with high energy density as their power source. In response to such demands, research on lithium secondary batteries using lithium as a negative electrode active material has been actively conducted.
[0004]
As such a lithium secondary battery, J. Org. Electrochem. Soc. , Vol. 143, no. 1, January 1996 discloses an air lithium secondary battery having a configuration as described below.
[0005]
That is, the air lithium secondary battery is obtained by press-bonding an acetylene black layer containing a cobalt catalyst and a polymer electrolyte film made of polyacrylonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate and LiPF 6 to a nickel net or an aluminum net. A positive electrode, a negative electrode made of lithium foil, a polymer electrolyte membrane interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an oxygen permeable membrane laminated on the positive electrode. It has a structure enclosed in a plastic bag covered with. An air hole is opened on the positive electrode side surface of the plastic bag.
[0006]
However, in such an air lithium secondary battery, since the negative electrode is made of metallic lithium, the negative electrode is deteriorated by moisture taken into the bag through the air hole. In addition, when charging / discharging is repeated on the surface of the negative electrode, lithium is deposited in a dendritic (dendritic) or small spherical shape, penetrating the polymer electrolyte membrane and contacting the positive electrode to cause an internal short circuit. Therefore, the air lithium secondary battery has a problem that the charge / discharge cycle life is short.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an air lithium secondary battery with greatly improved battery capacity and charge / discharge cycle life.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An air lithium secondary battery according to the present invention includes a container in which an air hole is opened,
A positive electrode that is housed in the container and includes a solid electrolyte and an activated carbon fiber having a specific surface area of 100 m 2 / g or more by a BET method ;
A negative electrode containing a carbonaceous material stored in the container and occluding and releasing lithium ions;
A solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode in the container;
An oxygen permeable membrane is provided between the surface of the container where the air holes are opened and the positive electrode.
[0009]
The positive electrode preferably contains a solid electrolyte and a carbonaceous material having a specific surface area of 100 m 2 / g or more by the BET method.
The carbonaceous material of the positive electrode is preferably activated carbon fiber.
The carbonaceous material of the negative electrode is preferably mesophase pitch-based carbon fiber.
Another air lithium secondary battery according to the present invention includes a container having an air hole,
A positive electrode contained in the container and containing a solid electrolyte and a carbonaceous material having a specific surface area of 100 m 2 / g or more by the BET method;
A negative electrode containing a carbonaceous material stored in the container and occluding and releasing lithium ions;
A solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode in the container;
An oxygen permeable membrane is provided between the surface of the container where the air holes are opened and the positive electrode.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an air lithium secondary battery according to the present invention will be described with reference to FIG.
Two positive electrodes 1 and one
[0011]
The
1)
As the
[0012]
Examples of the polymer material include polyethylene oxide (PEO), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile (PAN), and the like.
[0013]
Examples of the lithium salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium arsenic hexafluoride (LiAsF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and bistrifluoromethyl. Examples include sulfonylimidolithium {LiN (CF 3 SO 2 ) 2 }.
[0014]
It is preferable to add an organic solvent to the
[0015]
2) Positive electrode 1
The positive electrode 1 is used for oxidizing and reducing oxygen. The positive electrode 1 preferably includes a solid electrolyte and a carbonaceous material having a specific surface area of 100 m 2 / g or more by the BET method. The BET method is based on nitrogen gas adsorption.
[0016]
The positive electrode 1 is made, for example, by preparing a film containing a solid electrolyte, a carbonaceous material having a specific surface area of 100 m 2 / g or more by BET method, lithium peroxide (Li 2 O 2 ), and a binder. It can be manufactured by rolling and drying.
[0017]
Examples of the solid electrolyte include a polymer material in which a lithium salt is dissolved. As the lithium salt and the polymer material, the same materials as those described for the solid electrolyte layer can be used.
[0018]
Examples of the carbonaceous material include activated carbon fiber, activated carbon, carbon black, acetylene black, furnace black, and charcoal.
The reason why the specific surface area of the carbonaceous material by the BET method is limited to the above range is as follows. If the specific surface area is less than 100 m 2 / g, the reaction area of the positive electrode may be insufficient, and the discharge capacity and cycle life of the secondary battery may be reduced. The upper limit of the specific surface area is preferably 5000 m 2 / g. If the specific surface area exceeds 5000 m 2 / g, the positive electrode volume may increase and the thickness of the positive electrode may increase significantly. A more preferable specific surface area is in the range of 1000 to 3000 m 2 / g.
[0019]
Among the carbonaceous materials, activated carbon fibers are preferable. Since this activated carbon fiber has a high specific surface area, high conductivity, and high filling properties, it is possible to dramatically improve the discharge capacity and cycle characteristics of the secondary battery. More preferable activated carbon fibers are those having a specific surface area of 1000 to 3000 m 2 / g by BET method and a pore volume of 0.1 to 3 cm 3 / g. This activated carbon fiber can be synthesized by, for example, insolubilizing and activating a spun polyacrylonitrile fiber or pitch-based carbon fiber, and then firing at 600 ° C. or higher.
[0020]
A catalyst is preferably added to a carbonaceous material having a specific surface area of 100 m 2 / g or more by the BET method in order to efficiently perform redox decomposition of oxygen or oxygen ions.
The charge / discharge efficiency of the positive electrode can be improved by adding a catalyst. As such a catalyst, for example, a platinum-based, cobalt-based, nickel-based, iron-based, tungsten-based catalyst having a function of reducing oxygen generation overvoltage can be used.
[0021]
As the current collector, it is preferable to use a porous (mesh, mesh) metal plate in order to allow oxygen to diffuse quickly. Examples of the metal include stainless steel, nickel, aluminum, and iron. The current collector may be coated with an oxidation-resistant metal or alloy on the surface in order to suppress oxidation.
[0022]
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF).
In the positive electrode, lithium oxide (Li 2 O) can be added to the film instead of the lithium peroxide (Li 2 O 2 ).
[0023]
3)
The
The
[0024]
Examples of the carbonaceous material include graphite, coke, mesophase pitch carbon fiber, spherical carbon, and resin-fired carbon. Among them, it is preferable to use mesophase pitch-based carbon fibers. Since this mesophase pitch-based carbon fiber has a radial orientation of the graphite crystallites in the cross section of the fiber, it can quickly occlude lithium ions from the solid electrolyte layer, which can greatly improve cycle life. it can.
[0025]
The carbonaceous material may preferably be in the range of 0.3354nm~0.344nm surface spacing d 002 of (002) plane.
The specific surface area of the carbonaceous material is preferably in the range of 0.5 to 5 m 2 / g in terms of the specific surface area of the BET method using nitrogen gas.
[0026]
Examples of the solid electrolyte include a polymer material in which a lithium salt is dissolved. As the lithium salt and the polymer material, the same materials as those described for the solid electrolyte layer can be used.
[0027]
Examples of the solvent include organic solvents such as n-methyl-2-pyrrolidone.
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF).
[0028]
Examples of the current collector include copper foil.
4) Oxygen permeable membrane 4
As the oxygen permeable membrane 4, a water-repellent porous membrane having a function of allowing oxygen in the air to permeate and preventing water from entering can be used.
[0029]
The air lithium secondary battery having such a configuration uses a carbonaceous material that uses oxygen gas in the air as a positive electrode active material and occludes and releases lithium ions in the negative electrode. In this secondary battery, during discharge, lithium ions are occluded in the positive electrode, and oxygen gas in the air is taken into the positive electrode through the oxygen permeable membrane, and the oxygen gas is reduced by the carbonaceous material of the positive electrode. As a result, a lithium peroxide (Li 2 O 2 ) or lithium oxide (Li 2 O) discharge product is generated on the surface of the carbonaceous material. On the other hand, at the time of charging, the discharge product is oxidized on the surface of the carbonaceous material, oxygen gas is released from the positive electrode through the oxygen permeable film, and lithium ions are released.
[0030]
When the secondary battery is used from the discharge reaction after assembling, the secondary battery is not manufactured by the method described above as the positive electrode and the negative electrode, but uses the positive electrode and the negative electrode manufactured by the method described below.
[0031]
That is, as the positive electrode, one produced by the same method as described above is used except that lithium peroxide or lithium oxide is not added to the film. On the other hand, as the negative electrode, a slurry prepared, applied to a current collector, dried and pressed in the same manner as described above, and then subjected to a treatment for occluding lithium ions is used. In addition, you may perform the process which occludes lithium ion after a secondary battery assembly.
[0032]
The air lithium secondary battery according to the present invention described above includes a positive electrode that oxidizes and reduces oxygen, a negative electrode that includes a carbonaceous material that absorbs and releases lithium ions, and a solid electrolyte layer that is interposed between the positive electrode and the negative electrode. And an oxygen permeable membrane. Since such a secondary battery includes a negative electrode containing a carbonaceous material that occludes and releases lithium ions, it is possible to suppress or avoid deterioration of the negative electrode due to moisture mixed in the container, and charge and discharge cycles. It is possible to prevent metallic lithium from being deposited on the negative electrode surface as it progresses. As a result, an air lithium secondary battery with improved discharge capacity and cycle life can be provided.
[0033]
Furthermore, since the positive electrode of the secondary battery includes a solid electrolyte and a carbonaceous material having a specific surface area of 100 m 2 / g or more according to the BET method, the reaction area of the positive electrode can be increased. The discharge capacity and cycle life of the battery can be further improved. By making the carbonaceous material into activated carbon fiber, the positive electrode can improve the ionic conductivity of lithium ions and can increase the specific surface area, so that the resistance when occluding and releasing lithium ions is reduced. Can be reduced. Moreover, since the said positive electrode can reduce a bulk density, it can improve a volume specific capacity. Therefore, the secondary battery including the positive electrode can dramatically improve the discharge capacity and the cycle life.
[0034]
Further, by making the carbonaceous material of the negative electrode of the secondary battery into mesophase pitch-based carbon fiber, the carbon fiber has a radial orientation of the graphite crystallites in its cross section, so the lithium ion occlusion / release rate of the negative electrode is increased. The cycle life of the secondary battery can be greatly improved.
[0035]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Example 1)
<Production of negative electrode>
Graphitized mesophase pitch-based carbon fiber fired at 3000 ° C., slurry containing 5% by weight of PVDF, LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and n-methyl-2-pyrrolidone mixed with the carbon fiber Then, the slurry was applied to a copper foil, dried, and pressed to prepare a negative electrode having a density of 1.3 g / cm 3 .
[0036]
<Preparation of positive electrode>
The activated carbon fiber having a specific surface area of 2000 m 2 / g by nitrogen gas and a cobalt catalyst added thereto, Li 2 O 2 , PVDF and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 are mixed with the activated carbon fiber and the Li 2 O. After mixing at a blending ratio of 2 to 20%: 40% and forming into a film shape, this was rolled into a stainless mesh and dried to produce a positive electrode.
[0037]
<Preparation of solid electrolyte layer>
A solid electrolyte layer having a thickness of 30 μm was prepared by dissolving 80% by weight of PVDF in 20% by weight of LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and forming it into a film.
[0038]
Two pieces of the positive electrode and one piece of the negative electrode are alternately stacked so that the solid electrolyte layer is interposed therebetween and the positive electrode is positioned on the outer side, and two sheets of oxygen are formed on the outer surface of the obtained five-layer laminate. Each of the permeable membranes is placed, heated and rolled, and then sealed in a plastic sealing material having a plurality of air holes on both sides, thereby having a thickness of 200 μm and a size of 2 cm × 2 cm as described above. The film-like air lithium secondary battery shown in 1 was produced.
(Example 2)
An air lithium secondary battery similar to Example 1 was assembled except that carbon black having a BET specific surface area of 2000 m 2 / g was used as the carbonaceous material for the positive electrode.
(Example 3)
A solid electrolyte layer having a thickness of 30 μm is prepared by dissolving 20% by weight of LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and 20% by weight of a mixed organic solvent composed of EC and PC in 60% by weight of PVDF and forming into a film shape. Except for this, an air lithium secondary battery similar to that of Example 1 was assembled.
(Example 4)
An air lithium secondary battery similar to that in Example 3 was assembled except that natural graphite was used as the carbonaceous material for the negative electrode.
(Example 5)
An air lithium secondary battery similar to that of Example 3 was assembled except that a non-graphitizable carbonaceous material obtained by firing a phenol resin at 1100 ° C. was used as the carbonaceous material of the negative electrode.
(Comparative Example 1)
Lithium metal foil is used as the negative electrode, and a cobalt black is added to carbon black having a specific surface area of 50 m 2 / g by nitrogen gas, Li 2 O 2 , PVDF and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 The carbon black and the Li 2 O 2 are mixed at a blending ratio of 20%: 40%, formed into a film, rolled into a stainless mesh, and dried to produce a positive electrode. Except for this, an air lithium secondary battery similar to that of Example 3 was assembled.
(Comparative Example 2)
Lithium metal foil is used as the negative electrode, and a cobalt catalyst is added to activated carbon having a specific surface area of 50 m 2 / g in a BET method using nitrogen gas, Li 2 O 2 , PVDF, and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 Except for preparing the positive electrode by mixing the activated carbon and the Li 2 O 2 at a blending ratio of 20%: 40%, forming into a film, rolling it into a stainless mesh, and drying it. Assembled the same air lithium secondary battery as in Example 3.
[0039]
About the obtained air lithium secondary batteries of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, after charging to 4.1 V at a current density of 0.5 mA / cm 2 , charging and discharging to 2 V were repeated, The discharge capacity was measured for each cycle, and the results are shown in FIG.
[0040]
As is clear from FIG. 2, the secondary batteries of Examples 1 to 5 including the negative electrode including the carbonaceous material that occludes and releases lithium ions are the secondary batteries of Comparative Examples 1 and 2 including the negative electrode made of lithium metal foil. It can be seen that the charge / discharge cycle life is longer than that shown in FIG.
[0041]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, an air lithium secondary battery with improved discharge capacity and cycle life can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an air lithium secondary battery according to the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of cycles and discharge capacity in the air lithium secondary batteries of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode, 2 ... Negative electrode, 3 ... Solid electrolyte layer, 4 ... Oxygen permeable film, 5 ... Container, 6 ... Positive electrode terminal, 7 ... Negative electrode terminal.
Claims (4)
前記容器内に収納され、固体電解質及びBET法による比表面積が100m 2 /g以上の活性炭素繊維を含む正極と、
前記容器内に収納され、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物を含む負極と、
前記容器内の前記正極及び前記負極の間に介在された固体電解質層と、
前記容器の前記空気孔が開口されている面と前記正極との間に配置された酸素透過膜とを具備することを特徴とする空気リチウム二次電池。A container with an open air hole;
A positive electrode that is housed in the container and includes a solid electrolyte and an activated carbon fiber having a specific surface area of 100 m 2 / g or more by a BET method ;
A negative electrode containing a carbonaceous material stored in the container and occluding and releasing lithium ions;
A solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode in the container;
An air lithium secondary battery comprising: an oxygen permeable membrane disposed between a surface of the container in which the air holes are opened and the positive electrode.
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