JP7122946B2 - Air electrode catalyst for air secondary battery, method for producing air electrode catalyst, and air secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、空気二次電池用の空気極触媒、この空気極触媒の製造方法及び空気二次電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an air electrode catalyst for an air secondary battery, a method for producing the air electrode catalyst, and an air secondary battery.
近年、大気中の酸素を正極活物質とする空気電池が、エネルギー密度が高く、小型、軽量化が容易であること等の理由から注目を集めている。このような空気電池においては、亜鉛空気一次電池が補聴器用の電源として実用化されている。 In recent years, an air battery using oxygen in the atmosphere as a positive electrode active material has been attracting attention because of its high energy density and ease of miniaturization and weight reduction. Among such air batteries, zinc-air primary batteries have been put to practical use as power sources for hearing aids.
また、充電が可能な空気電池として、負極用金属に、Li、Zn、Al、Mgなどを用いる空気二次電池の研究がなされており、このような空気二次電池は、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を超える新しい二次電池として期待されている。 In addition, as a rechargeable air battery, an air secondary battery using Li, Zn, Al, Mg, or the like as a negative electrode metal has been researched, and such an air secondary battery is a lithium ion secondary battery. It is expected as a new secondary battery with an energy density exceeding that of .
しかしながら、上記したような負極用金属を用いる空気二次電池は、電池における充放電の際の化学反応(以下、電池反応という)にともない当該負極用金属の溶解析出反応が繰り返されるので、負極用金属が樹枝状に析出するいわゆるデンドライト成長が起き、それにともなう内部短絡が発生したり、シェイプチェンジにより負極の形状が変化することで電池容量が低下してしまうといった問題があり、未だ実用化には至っていない。 However, in the air secondary battery using the negative electrode metal as described above, the dissolution and deposition reaction of the negative electrode metal is repeated with the chemical reaction (hereinafter referred to as the battery reaction) during charging and discharging of the battery. There are problems such as so-called dendrite growth, in which metal precipitates in a dendrite pattern, which leads to internal short circuits, and battery capacity decreases due to changes in the shape of the negative electrode due to shape change. Not yet.
ところで、空気二次電池の一種として、電解液にアルカリ性水溶液(アルカリ電解液)を用い、負極活物質に水素を用いる空気水素二次電池の研究がなされている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に代表されるような空気水素二次電池は、負極用金属として水素吸蔵合金を用いているが、空気水素二次電池における負極活物質は、上記した水素吸蔵合金に吸蔵放出される水素であるので、電池反応にともない水素吸蔵合金自体の溶解析出反応は起こらない。このため、空気水素二次電池においては、上記したようなデンドライト成長による内部短絡やシェイプチェンジによる電池容量の低下の問題は起こらない。
As a type of air secondary battery, research has been conducted on an air-hydrogen secondary battery that uses an alkaline aqueous solution (alkaline electrolyte) as an electrolyte and hydrogen as a negative electrode active material (see, for example, Patent Document 1). An air-hydrogen secondary battery as typified by
上記の空気水素二次電池のようにアルカリ電解液を用いる空気二次電池では、正極(以下、空気極という)において以下に示すような充放電反応が起こる。 In an air secondary battery that uses an alkaline electrolyte, such as the air-hydrogen secondary battery, the following charging and discharging reactions occur at the positive electrode (hereinafter referred to as the air electrode).
充電(酸素発生反応):4OH-→O2+2H2O+4e-・・・(I)
放電(酸素還元反応):O2+2H2O+4e-→4OH-・・・(II)
空気二次電池の空気極は、充電時には反応式(I)で表されるように酸素と水を生成し、放電時には反応式(II)で表されるように酸素を還元して水酸化物イオンを生成する。空気極で発生した酸素は、空気極における大気に開放されている部分から大気中に放出される。
Charging (oxygen evolution reaction): 4OH − →O 2 +2H 2 O+4e − (I)
Discharge (oxygen reduction reaction): O 2 +2H 2 O+4e − →4OH − (II)
The air electrode of an air secondary battery produces oxygen and water as represented by Reaction Formula (I) during charging, and reduces oxygen to hydroxide as represented by Reaction Formula (II) during discharge. generate ions. Oxygen generated at the air electrode is released into the atmosphere from a portion of the air electrode that is open to the atmosphere.
ところで、上記した空気二次電池においては、エネルギー効率は未だ十分な値とはなっておらず、また、高出力化も未だ十分には図られていない。このため、空気二次電池の実用化を図るためには、更なるエネルギー効率の向上や高出力化が求められている。 By the way, in the above-described air secondary battery, the energy efficiency has not yet reached a sufficient value, and high output has not yet been sufficiently achieved. Therefore, in order to put air secondary batteries into practical use, further improvements in energy efficiency and higher output are required.
上記したようなエネルギー効率の向上や高出力化を妨げている要因の一つとしては、空気極における放電反応すなわち酸素還元反応の過電圧が大きいことが挙げられる。 One of the factors that hinder the improvement in energy efficiency and the increase in output as described above is the large overvoltage of the discharge reaction, that is, the oxygen reduction reaction, at the air electrode.
本発明は、上記の事情に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、放電反応における過電圧を低減することに貢献する空気二次電池用の空気極触媒、この空気極触媒の製造方法、及び、この空気極触媒を含む、放電反応における過電圧を低減することができる空気二次電池を提供することにある。 The present invention has been made based on the above circumstances, and its object is to manufacture an air electrode catalyst for an air secondary battery that contributes to reducing the overvoltage in the discharge reaction, and the manufacture of this air electrode catalyst. An object of the present invention is to provide a method and an air secondary battery that includes this air electrode catalyst and is capable of reducing overvoltage in the discharge reaction.
上記目的を達成するために、本発明によれば、一般式:A2-x(RuαB1-α)2-yO7-z(ただし、x、y、z、αは、それぞれ、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0<α≦1の関係を満たし、Aは、Bi、Pb、Tb、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Y、Zn及びAlから選ばれる少なくとも1種の元素を表し、Bは、Ir、Si、Ge、Ta、Sn、Hf、Zr、Ti、Nb、V、Sb、Rh、Cr、Re、Sc、Co、Cu、In、Ga、Cd、Fe、Ni、W及びMoから選ばれる少なくとも1種の元素を表している。)で表される組成を有しているパイロクロア型複合酸化物と、前記パイロクロア型複合酸化物の表面に存在するルテニウム酸化物と、を備えている空気二次電池用の空気極触媒が提供される。 To achieve the above object, according to the present invention, the general formula: A 2-x (Ru α B 1-α ) 2-y O 7-z , where x, y, z and α are 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, 0 < α ≤ 1, and A is Bi, Pb, Tb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu , Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Mn, Y, Zn and Al, B represents Ir, Si, Ge, Ta, Sn, Hf, Zr, represents at least one element selected from Ti, Nb, V, Sb, Rh, Cr, Re, Sc, Co, Cu, In, Ga, Cd, Fe, Ni, W and Mo.) and a ruthenium oxide present on the surface of the pyrochlore-type composite oxide.
前記ルテニウム酸化物のX線回折パターンの(110)面におけるピーク強度は、前記パイロクロア型複合酸化物のX線回折パターンの(222)面におけるピーク強度に対して、1.7%以上である構成とすることが好ましい。 The peak intensity in the (110) plane of the X-ray diffraction pattern of the ruthenium oxide is 1.7% or more with respect to the peak intensity in the (222) plane of the X-ray diffraction pattern of the pyrochlore-type composite oxide. It is preferable to
また、本発明によれば、一般式:A2-x(RuαB1-α)2-yO7-z(ただし、x、y、z、αは、それぞれ、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0<α≦1の関係を満たし、Aは、Bi、Pb、Tb、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Y、Zn及びAlから選ばれる少なくとも1種の元素を表し、Bは、Ir、Si、Ge、Ta、Sn、Hf、Zr、Ti、Nb、V、Sb、Rh、Cr、Re、Sc、Co、Cu、In、Ga、Cd、Fe、Ni、W及びMoから選ばれる少なくとも1種の元素を表している。)で表される組成を有しているパイロクロア型複合酸化物の前駆体を調製する前駆体調製工程と、前記前駆体に第1の熱処理を施し、前記パイロクロア型複合酸化物を形成する一次熱処理工程と、前記一次熱処理工程により得られた前記パイロクロア型複合酸化物を酸性水溶液に浸漬させ酸処理する酸処理工程と、前記酸処理工程を経た前記パイロクロア型複合酸化物に第2の熱処理を施す二次熱処理工程と、を備えている空気二次電池用の空気極触媒の製造方法が提供される。 Further, according to the present invention, the general formula: A 2-x (Ru α B 1-α ) 2-y O 7-z (where x, y, z, and α are 0≦x≦1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, 0 < α ≤ 1, and A is Bi, Pb, Tb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho , Er, Tm, Yb, Lu, Mn, Y, Zn and Al, B represents Ir, Si, Ge, Ta, Sn, Hf, Zr, Ti, Nb, V, represents at least one element selected from Sb, Rh, Cr, Re, Sc, Co, Cu, In, Ga, Cd, Fe, Ni, W and Mo.) A precursor preparation step of preparing a precursor of a pyrochlore-type composite oxide, a primary heat treatment step of subjecting the precursor to a first heat treatment to form the pyrochlore-type composite oxide, and a primary heat treatment step obtained by the primary heat treatment step an acid treatment step of immersing the pyrochlore-type composite oxide in an acidic aqueous solution for acid treatment; and a secondary heat treatment step of subjecting the pyrochlore-type composite oxide that has undergone the acid treatment step to a second heat treatment. A method for producing an air electrode catalyst for an air secondary battery is provided.
前記第1の熱処理は、400℃以上、700℃以下で行う構成とすることが好ましい。 The first heat treatment is preferably performed at 400° C. or higher and 700° C. or lower.
前記第2の熱処理は、400℃以上で行う構成とすることが好ましい。 The second heat treatment is preferably performed at 400° C. or higher.
また、本発明によれば、セパレータを介して重ね合わされた空気極及び負極を含む電極群と、前記電極群をアルカリ電解液とともに収容している容器と、を備え、前記空気極は、上記した空気二次電池用の空気極触媒を含んでいる、空気二次電池が提供される。 Further, according to the present invention, an electrode group including an air electrode and a negative electrode superimposed with a separator interposed therebetween, and a container housing the electrode group together with an alkaline electrolyte are provided, and the air electrode is the above-described An air secondary battery is provided that includes an air electrode catalyst for an air secondary battery.
前記負極は、水素吸蔵合金を含んでいる構成とすることが好ましい。 The negative electrode preferably contains a hydrogen storage alloy.
本発明に係る空気二次電池用の空気極触媒は、一般式:A2-x(RuαB1-α)2-yO7-z(ただし、x、y、z、αは、それぞれ、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0<α≦1の関係を満たし、Aは、Bi、Pb、Tb、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Y、Zn及びAlから選ばれる少なくとも1種の元素を表し、Bは、Ir、Si、Ge、Ta、Sn、Hf、Zr、Ti、Nb、V、Sb、Rh、Cr、Re、Sc、Co、Cu、In、Ga、Cd、Fe、Ni、W及びMoから選ばれる少なくとも1種の元素を表している。)で表される組成を有しているパイロクロア型複合酸化物と、前記パイロクロア型複合酸化物の表面に存在するルテニウム酸化物と、を備えていることから、放電反応における過電圧を低減することに貢献する。よって、斯かる空気極触媒を含む空気二次電池は、放電反応における過電圧が低減するので、エネルギー効率が向上し、出力も高くなる。このため、本発明によれば、放電反応における過電圧を低減することに貢献する空気二次電池用の空気極触媒、この空気極触媒の製造方法、及び、この空気極触媒を含む、放電反応における過電圧を低減することができる空気二次電池を提供することができる。 The air electrode catalyst for an air secondary battery according to the present invention has the general formula: A 2-x (Ru α B 1-α ) 2-y O 7-z (where x, y, z, and α are , 0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, and 0<α≦1, and A is Bi, Pb, Tb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, represents at least one element selected from Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Mn, Y, Zn and Al, and B is Ir, Si, Ge, Ta, Sn, Hf, Zr , Ti, Nb, V, Sb, Rh, Cr, Re, Sc, Co, Cu, In, Ga, Cd, Fe, Ni, W and Mo.) and the ruthenium oxide present on the surface of the pyrochlore-type composite oxide contribute to reducing the overvoltage in the discharge reaction. Therefore, in the air secondary battery containing such an air electrode catalyst, the overvoltage in the discharge reaction is reduced, so the energy efficiency is improved and the output is also increased. Therefore, according to the present invention, an air electrode catalyst for an air secondary battery that contributes to reducing overvoltage in the discharge reaction, a method for producing the air electrode catalyst, and a discharge reaction including the air electrode catalyst An air secondary battery that can reduce overvoltage can be provided.
以下、本発明に係る空気極触媒を含む空気水素二次電池1(以下、電池1という)について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an air-hydrogen secondary battery 1 (hereinafter referred to as battery 1) containing an air electrode catalyst according to the present invention will be described with reference to the drawings.
電池1は、図1に示すように、容器としての電池ケース10を備えている。この電池ケース10は、図2に示すように、空気極側ケース半体12と負極側ケース半体14とを含んでおり、これら空気極側ケース半体12と負極側ケース半体14とが組み合わされて、全体として箱形状の電池ケース10が形成されている。この電池ケース10は、例えば、アクリル樹脂により形成されている。
The
空気極側ケース半体12は、空気極23に対向する空気極対向壁16と、この空気極対向壁16の周縁部に設けられ、空気極23を囲む空気極側外周壁18とを含んでいる。
The air electrode
負極側ケース半体14は、負極21と接する負極側対向壁26と、この負極側対向壁26の周縁部に設けられ、負極21を囲む負極側外周壁28とを含んでいる。
The negative electrode-
電池ケース10の内部には、アルカリ電解液32とともに電極群20が収容されている。
電極群20は、空気極(正極)23と、負極21とがセパレータ22を介して重ね合わされて形成されている。
The
The
負極21は、多孔質構造をなし多数の空孔を有する導電性の負極基材と、前記した空孔内及び負極基材の表面に担持された負極合剤とを含んでいる。上記したような負極基材としては、例えば発泡ニッケルを用いることができる。
The
負極合剤は、負極活物質としての水素を吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金粒子の集合体である水素吸蔵合金粉末と、導電材と、結着剤とを含む。ここで、導電材としては、黒鉛、カーボンブラック等を用いることができる。 The negative electrode mixture contains hydrogen-absorbing alloy powder, which is an aggregate of hydrogen-absorbing alloy particles capable of absorbing and releasing hydrogen as a negative electrode active material, a conductive material, and a binder. Here, graphite, carbon black, or the like can be used as the conductive material.
水素吸蔵合金粒子を構成する水素吸蔵合金としては、特に限定されるものではないが、希土類-Mg-Ni系水素吸蔵合金が用いられる。この希土類-Mg-Ni系水素吸蔵合金の組成は自由に選択できるが、例えば、一般式:
Ln1-aMgaNib-c-dAlcMd・・・(III)
で表されるものを用いるのが好ましい。
The hydrogen storage alloy forming the hydrogen storage alloy particles is not particularly limited, but a rare earth-Mg-Ni hydrogen storage alloy is used. The composition of this rare earth-Mg-Ni hydrogen storage alloy can be freely selected.
Ln 1-a Mg a Ni b-c-d Al c M d (III)
It is preferable to use what is represented by.
ただし、一般式(III)中、Lnは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Y、Zr及びTiよりなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を表し、Mは、V、Nb、Ta、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ga、Zn、Sn、In、Cu、Si、P及びBよりなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を表し、添字a、b、c、dは、それぞれ0.01≦a≦0.30、2.8≦b≦3.9、0.05≦c≦0.30、0≦d≦0.50、を満たす数を表す。 However, in general formula (III), Ln is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, Y, Zr and Ti represents at least one element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ga, Zn, Sn, In, Cu, Si, P and B The subscripts a, b, c, and d represent at least one element selected from the group, and 0.01≦a≦0.30, 2.8≦b≦3.9, and 0.05≦c≦, respectively. It represents a number that satisfies 0.30 and 0≤d≤0.50.
ここで、水素吸蔵合金粒子は、例えば以下のようにして得られる。
まず、所定の組成となるように金属原材料を計量して混合し、この混合物を不活性ガス雰囲気下にて、例えば、高周波誘導溶解炉で溶解してインゴットにする。得られたインゴットは、不活性ガス雰囲気下にて900~1200℃に加熱され、その温度で5~24時間保持する熱処理が施され均質化される。この後、インゴットを粉砕し、篩分けを行うことにより所望粒径の水素吸蔵合金粒子の集合体である水素吸蔵合金粉末を得る。
Here, the hydrogen-absorbing alloy particles are obtained, for example, as follows.
First, metal raw materials are weighed and mixed so as to have a predetermined composition, and this mixture is melted in, for example, a high-frequency induction melting furnace under an inert gas atmosphere to form an ingot. The obtained ingot is homogenized by heating to 900 to 1200° C. in an inert gas atmosphere and holding at that temperature for 5 to 24 hours. Thereafter, the ingot is pulverized and sieved to obtain hydrogen-absorbing alloy powder, which is an aggregate of hydrogen-absorbing alloy particles having a desired particle size.
結着剤としては、例えば、ポリアクリル酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム等が用いられる。 Examples of binders that can be used include sodium polyacrylate, carboxymethylcellulose, styrene-butadiene rubber, and the like.
負極21は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、水素吸蔵合金粒子の集合体である水素吸蔵合金粉末、導電材、結着剤及び水を混練して負極合剤ペーストを調製する。得られた負極合剤ペーストは負極基材に充填され、乾燥させられる。乾燥後、水素吸蔵合金粒子等が付着した負極基材はロール圧延されて、体積当たりの合金量を高められ、その後、裁断がなされ、これにより負極21が製造される。この負極21は、全体として板状をなしている。
The
First, a negative electrode mixture paste is prepared by kneading a hydrogen-absorbing alloy powder, which is an aggregate of hydrogen-absorbing alloy particles, a conductive material, a binder, and water. The obtained negative electrode mixture paste is filled in a negative electrode substrate and dried. After drying, the negative electrode base material to which the hydrogen-absorbing alloy particles and the like are adhered is roll-rolled to increase the alloy content per volume, and then cut to manufacture the
次に、空気極23は、多孔質構造をなし多数の空孔を有する導電性の空気極基材と、前記した空孔内及び空気極基材の表面に担持された空気極合剤(正極合剤)とを含んでいる。上記したような空気極基材としては、例えば、発泡ニッケルやニッケルメッシュを用いることができる。
Next, the
空気極合剤は、空気二次電池用の空気極触媒と、導電材と、結着剤とを含む。
空気二次電池用の空気極触媒としては、パイロクロア型複合酸化物と、このパイロクロア型複合酸化物の表面に存在するルテニウム酸化物とを備えているものが用いられる。
The air electrode mixture contains an air electrode catalyst for an air secondary battery, a conductive material, and a binder.
As an air electrode catalyst for an air secondary battery, one comprising a pyrochlore-type composite oxide and a ruthenium oxide present on the surface of the pyrochlore-type composite oxide is used.
パイロクロア型複合酸化物としては、一般式:A2-x(RuαB1-α)2-yO7-z(ただし、x、y、z、αは、それぞれ、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0<α≦1の関係を満たし、Aは、Bi、Pb、Tb、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Y、Zn及びAlから選ばれる少なくとも1種の元素を表し、Bは、Ir、Si、Ge、Ta、Sn、Hf、Zr、Ti、Nb、V、Sb、Rh、Cr、Re、Sc、Co、Cu、In、Ga、Cd、Fe、Ni、W及びMoから選ばれる少なくとも1種の元素を表している。)で表される組成を有しているパイロクロア型複合酸化物を用いる。 The pyrochlore-type composite oxide has the general formula: A 2-x (Ru α B 1-α ) 2-y O 7-z (where x, y, z, and α are 0≦x≦1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, 0 < α ≤ 1, and A is Bi, Pb, Tb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho , Er, Tm, Yb, Lu, Mn, Y, Zn and Al, B represents Ir, Si, Ge, Ta, Sn, Hf, Zr, Ti, Nb, V, represents at least one element selected from Sb, Rh, Cr, Re, Sc, Co, Cu, In, Ga, Cd, Fe, Ni, W and Mo.) A pyrochlore-type composite oxide is used.
複合酸化物は、酸素還元及び酸素発生の2元機能を有しており、このような二元機能を有する触媒は、充電過程でも、放電過程でも電池の過電圧を低減させることに寄与する。本発明で用いるパイロクロア型複合酸化物も2元機能を有する触媒の一つである。 The composite oxide has dual functions of oxygen reduction and oxygen generation, and the catalyst having such dual functions contributes to reducing the overvoltage of the battery during both the charging process and the discharging process. The pyrochlore-type composite oxide used in the present invention is also one of the catalysts having a dual function.
ここで、複合酸化物触媒の酸素還元活性には、酸素欠陥構造等の特性が大きく寄与することが知られている。このため、酸素欠陥量、原子価状態、金属元素と酸素との間の結合エネルギーなどの、複合酸化物の特性を変化させることで酸素還元活性に影響を与えることができると考えられる。また、効率的に酸素分子の結合を切断するためには触媒上に酸素がサイドオン(side-on)吸着することが重要と考えられ、吸着点の間隔や表面状態も重要な要素となると考えられる。 Here, it is known that characteristics such as the oxygen defect structure greatly contribute to the oxygen reduction activity of the composite oxide catalyst. Therefore, it is considered that the oxygen reduction activity can be affected by changing the properties of the composite oxide, such as the amount of oxygen defects, the valence state, and the binding energy between the metal element and oxygen. In addition, it is considered important for oxygen to be adsorbed on the catalyst side-on in order to efficiently cut the bonds of oxygen molecules, and the spacing between adsorption points and the surface condition are also considered to be important factors. be done.
本発明者は、上記のような事項を考慮し、種々の検討を行った結果、パイロクロア型複合酸化物において、その表面にルテニウム酸化物を存在させると、優れた触媒活性を示すことを見出した。ルテニウム酸化物がパイロクロア型複合酸化物の表面に存在すると酸素との相互作用に変化が生じ、酸素と空気極触媒の表面との結合強度が変化することや、以下に示すような2電子還元経路の過程で生じる中間体である過酸化水素イオン(HO2 -)の分解を促進することなどが起こり、触媒の多元機能を引き起こすと考えられる。 The inventors of the present invention have conducted various studies in consideration of the above matters, and as a result, have found that a pyrochlore-type composite oxide exhibits excellent catalytic activity when ruthenium oxide is present on its surface. . When ruthenium oxide is present on the surface of the pyrochlore-type composite oxide, the interaction with oxygen changes, and the bonding strength between oxygen and the surface of the air electrode catalyst changes. It is thought that the decomposition of hydrogen peroxide ion (HO 2 − ), which is an intermediate produced in the process of , is accelerated, and the multifunctionality of the catalyst is caused.
ここで、アルカリ電解液中での酸素の電気化学的還元機構は、上記した(II)式で示されるような4電子還元経路の他に、以下の(IV)式で示されるような、2電子還元経路が存在する。この2電子還元経路は、中間体として過酸化水素イオン(HO2
-)を生じる。
O2+H2O+2e-→HO2
-+OH-・・・(IV)
Here, the electrochemical reduction mechanism of oxygen in the alkaline electrolyte includes, in addition to the four-electron reduction pathway as shown in the above formula (II), the two-electron reduction mechanism as shown in the following formula (IV) An electron reduction pathway exists. This two-electron reduction pathway yields hydrogen peroxide ion (HO 2 − ) as an intermediate.
O 2 +H 2 O+2e − →HO 2 − +OH − (IV)
HO2
-は、電極表面に吸着して反応を阻害し、電池反応に悪影響を及ぼし、電池の過電圧の上昇の原因となる。しかし、本発明に係るパイロクロア型複合酸化物及びルテニウム酸化物を含む空気極触媒は、HO2
-の分解を促進させると考えられ、以下の(V)式の反応を進行させていると考えられる。
2HO2
-→2OH-+O2・・・(V)
なお、上記した(IV)式及び(V)式から全反応は、(II)式と同様となる。
HO 2 − is adsorbed on the electrode surface, inhibits the reaction, adversely affects the battery reaction, and causes an increase in the overvoltage of the battery. However, the air electrode catalyst containing the pyrochlore-type composite oxide and ruthenium oxide according to the present invention is believed to promote the decomposition of HO 2 - , and is believed to promote the reaction of formula (V) below. .
2HO 2 − →2OH − +O 2 (V)
From the formulas (IV) and (V) above, the overall reaction is the same as the formula (II).
本発明に用いるパイロクロア型複合酸化物としては、好ましくはビスマスルテニウム酸化物が用いられる。具体的には、Bi2Ru2O7で表されるビスマスルテニウム酸化物を用いることが好ましい。ビスマスルテニウム酸化物は、パイロクロア型複合酸化物の一つであり、酸素発生と酸素還元の二元機能を有する触媒である。 Bismuth ruthenium oxide is preferably used as the pyrochlore-type composite oxide used in the present invention. Specifically, it is preferable to use a bismuth ruthenium oxide represented by Bi 2 Ru 2 O 7 . Bismuth ruthenium oxide is one of pyrochlore-type composite oxides, and is a catalyst having dual functions of oxygen evolution and oxygen reduction.
ここで、ルテニウムは、3価、4価、5価、7価、8価といった多様な酸化状態を取ることができ、RuO2やRuO4が存在する。 Here, ruthenium can take various oxidation states such as trivalent, tetravalent, pentavalent, heptavalent and octavalent, and RuO 2 and RuO 4 exist.
ルテニウム酸化物の量は、X線回折パターンのピークが確認できる程度には必要と考えられ、本発明においては、パイロクロア型複合酸化物との関係では、ルテニウム酸化物のX線回折パターンにおける2θ=28度の最強線である(110)面のピーク強度が、パイロクロア型複合酸化物のX線回折パターンにおける最強線である2θ=30度の(222)面のピーク強度に対し1.74%以上となる量に相当する量のルテニウム酸化物がパイロクロア型複合酸化物の表面に存在することが好ましい。より好ましくは、2.1%以上とする。 The amount of ruthenium oxide is considered necessary to the extent that the peak of the X-ray diffraction pattern can be confirmed, and in the present invention, in relation to the pyrochlore type composite oxide, 2θ = The peak intensity of the (110) plane, which is the strongest line at 28 degrees, is 1.74% or more of the peak intensity of the (222) plane at 2θ = 30 degrees, which is the strongest line in the X-ray diffraction pattern of the pyrochlore-type composite oxide. It is preferable that the amount of ruthenium oxide corresponding to the amount is present on the surface of the pyrochlore-type composite oxide. More preferably, it is 2.1% or more.
次に、空気二次電池用の空気極触媒の製造方法に関し、表面にルテニウム酸化物を有するパイロクロア型ビスマスルテニウム酸化物を例に挙げて具体的に以下に説明する。 Next, a method for producing an air electrode catalyst for an air secondary battery will be specifically described below, taking as an example a pyrochlore-type bismuth ruthenium oxide having ruthenium oxide on its surface.
まず、Bi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oを同じ濃度となるように蒸留水の中に投入し、撹拌してBi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oの混合水溶液を調製する。このとき蒸留水の温度は、60℃以上、90℃以下とする。そして、この混合水溶液に、1mol/L以上、3mol/L以下のNaOH水溶液を加える。この際の浴温度は60℃以上、90℃以下に保持し、酸素バブリングを行いながら撹拌する。この操作によって生じた沈殿物を含む溶液を80℃以上、100℃以下に保持して水分の一部を蒸発させてペーストを形成する。このペーストを蒸発皿に移し、100℃以上、150℃以下に加熱し、その状態で10時間以上、20時間以下保持して乾燥させ、ペーストの乾燥物を得る。そして、この乾燥物を乳鉢で粉砕した後、空気雰囲気下で400℃以上、700℃以下の温度に加熱し、0.5時間以上、24時間以下保持することにより一次熱処理を行い、第1焼成物を得る。 First, Bi(NO 3 ) 3.5H 2 O and RuCl 3.3H 2 O were put into distilled water so as to have the same concentration, and stirred to obtain Bi ( NO 3 ) 3.5H 2 O and RuCl 3 . • Prepare a mixed aqueous solution of 3H2O . At this time, the temperature of the distilled water should be 60° C. or higher and 90° C. or lower. Then, a NaOH aqueous solution of 1 mol/L or more and 3 mol/L or less is added to this mixed aqueous solution. At this time, the bath temperature is maintained at 60° C. or higher and 90° C. or lower, and the mixture is stirred while oxygen bubbling is performed. The solution containing the precipitate produced by this operation is held at 80° C. or higher and 100° C. or lower to evaporate part of the water to form a paste. This paste is transferred to an evaporating dish, heated to 100° C. or more and 150° C. or less, and kept in that state for 10 hours or more and 20 hours or less for drying to obtain a dried paste product. Then, after pulverizing this dried product in a mortar, it is heated to a temperature of 400° C. or higher and 700° C. or lower in an air atmosphere and held for 0.5 hours or more and 24 hours or less for primary heat treatment, followed by first firing. get things
ここで、一次熱処理の温度が400℃未満では、パイロクロア型の複合酸化物を形成することができない。一方、一次熱処理の温度が700℃を超えると、パイロクロア型の複合酸化物の構造が変化してしまうとともに粒子の焼結により第1焼成物の表面積が低下する。よって、一次熱処理の温度は、400℃以上、700℃以下とすることが好ましい。 Here, if the temperature of the primary heat treatment is less than 400° C., the pyrochlore-type composite oxide cannot be formed. On the other hand, if the temperature of the primary heat treatment exceeds 700° C., the structure of the pyrochlore-type composite oxide changes and the particles are sintered to reduce the surface area of the first fired product. Therefore, the temperature of the primary heat treatment is preferably 400° C. or higher and 700° C. or lower.
上記した第1焼成物は、上記した一次熱処理によりパイロクロア型複合酸化物とはなっているが、表面の一部に副生成物が形成されている。この副生成物には、ルテニウム酸化物が含まれているものの、その他に不要な単独酸化物、アモルファス状の酸化物、アモルファス状の水酸化物等も含まれている。このような不要な酸化物等を除去するため、次工程として、得られた第1焼成物に酸処理を施す。この酸処理を施すことにより、酸に不溶なルテニウム酸化物のみ残し、その他の酸化物等は除去することができる。 The above-described first fired product has become a pyrochlore-type composite oxide by the above-described primary heat treatment, but a by-product is formed on a part of the surface. Although this by-product contains ruthenium oxide, it also contains unnecessary single oxides, amorphous oxides, amorphous hydroxides, and the like. In order to remove such unnecessary oxides and the like, as the next step, the obtained first fired product is subjected to an acid treatment. By applying this acid treatment, only the ruthenium oxide which is insoluble in acid is left, and other oxides can be removed.
酸処理工程としては、第1焼成物を硝酸水溶液に浸漬させる。具体的には、以下の通りである。 As the acid treatment step, the first baked product is immersed in an aqueous nitric acid solution. Specifically, it is as follows.
まず、硝酸水溶液を準備する。ここで、硝酸水溶液の濃度は、1mol/L以上、3mol/L以下とすることが好ましく、硝酸水溶液の量は、第1焼成物1gに対して20mLの割合となる量を準備することが好ましく、硝酸水溶液の温度は、20℃以上、25℃以下に設定することが好ましい。 First, an aqueous nitric acid solution is prepared. Here, the concentration of the nitric acid aqueous solution is preferably 1 mol/L or more and 3 mol/L or less, and the amount of the nitric acid aqueous solution is preferably prepared at a rate of 20 mL with respect to 1 g of the first fired product. , the temperature of the nitric acid aqueous solution is preferably set to 20°C or higher and 25°C or lower.
そして、準備された硝酸水溶液の中に、第1焼成物を浸漬し、0.5時間以上、24時間以下撹拌する。所定時間経過後、硝酸水溶液中から第1焼成物を吸引濾過する。濾別された第1焼成物は、60℃以上、80℃以下に設定されたイオン交換水に投入され洗浄される。 Then, the first baked product is immersed in the prepared nitric acid aqueous solution and stirred for 0.5 hours or more and 24 hours or less. After a predetermined time has elapsed, the first baked product is suction-filtered from the nitric acid aqueous solution. The filtered first baked product is put into ion-exchanged water set at 60° C. or higher and 80° C. or lower and washed.
洗浄された第1焼成物は、100℃以上、120℃以下の環境下で1時間以上、2時間以下保持され、乾燥させられる。 The washed first baked product is held in an environment of 100° C. or higher and 120° C. or lower for 1 hour or longer and 2 hours or shorter and dried.
以上のようにして、酸処理が施された第1焼成物を得る。このように酸処理を施すことにより、ビスマスルテニウム酸化物(パイロクロア型複合酸化物)の製造過程で生じる不要な副生成物を除去し、ルテニウム酸化物のみ残すことができる。なお、酸処理に用いられる酸性水溶液は、硝酸水溶液に限定されるものではなく、硝酸水溶液の他に塩酸水溶液、硫酸水溶液を用いることができる。これら、塩酸水溶液及び硫酸水溶液においても、硝酸水溶液と同様に不要な副生成物を除去できるという効果が得られる。 As described above, the first baked product subjected to the acid treatment is obtained. By performing acid treatment in this way, unnecessary by-products generated in the process of manufacturing bismuth ruthenium oxide (pyrochlore type composite oxide) can be removed, leaving only ruthenium oxide. The acidic aqueous solution used for the acid treatment is not limited to the nitric acid aqueous solution, and besides the nitric acid aqueous solution, a hydrochloric acid aqueous solution and a sulfuric acid aqueous solution can be used. These aqueous solutions of hydrochloric acid and sulfuric acid also have the same effect of removing unnecessary by-products as the aqueous nitric acid solution.
次に、酸処理が施された第1焼成物に二次熱処理を施す。具体的には、酸処理後の第1焼成物を、空気雰囲気下で400℃以上の温度に加熱し、0.5時間以上、24時間以下保持することにより二次熱処理を行い、第2焼成物を得る。 Next, secondary heat treatment is applied to the acid-treated first baked product. Specifically, the first calcined product after the acid treatment is heated to a temperature of 400° C. or higher in an air atmosphere and held for 0.5 hours or more and 24 hours or less to perform secondary heat treatment, and the second calcination is performed. get things
この二次熱処理を行うことで、ビスマスルテニウム酸化物(パイロクロア型複合酸化物)の表面に残ったルテニウム酸化物の結晶化が促進され、優れた触媒活性を引き出すことができる。 By performing this secondary heat treatment, crystallization of the ruthenium oxide remaining on the surface of the bismuth ruthenium oxide (pyrochlore-type composite oxide) is promoted, and excellent catalytic activity can be obtained.
ここで、二次熱処理の温度は、400℃未満では、ルテニウム酸化物の結晶化が進み難い。ルテニウム酸化物の結晶成長を促進させるためには、熱処理温度は、400℃以上とすることが好ましく、より好ましくは500℃以上とする。一方、二次熱処理の温度が高すぎると、ルテニウム酸化物の結晶構造が変化してしまうとともに、ベースのパイロクロア型複合酸化物の結晶構造も変化してしまう。このような不具合を避けるため、二次熱処理の温度は700℃以下とすることが好ましい。 Here, if the temperature of the secondary heat treatment is less than 400° C., crystallization of the ruthenium oxide is difficult to progress. In order to promote crystal growth of the ruthenium oxide, the heat treatment temperature is preferably 400° C. or higher, more preferably 500° C. or higher. On the other hand, if the temperature of the secondary heat treatment is too high, the crystal structure of the ruthenium oxide will change, and the crystal structure of the base pyrochlore-type composite oxide will also change. In order to avoid such problems, the temperature of the secondary heat treatment is preferably 700° C. or less.
これにより、表面にルテニウム酸化物が存在するパイロクロア型のビスマスルテニウム酸化物、すなわち、空気極触媒が得られる。 As a result, a pyrochlore-type bismuth ruthenium oxide having ruthenium oxide present on its surface, that is, an air electrode catalyst is obtained.
次に、導電材について説明する。この導電材は、空気二次電池の高出力化を図るべく内部抵抗を低下させるため、及び、上記した触媒の担体として用いられる。斯かる導電材として、例えば、ニッケル粒子の集合体であるニッケル粉末を用いることが好ましい。上記したニッケル粒子としては、例えば、平均粒径が0.1μm~10μmの粒子を用いることが好ましい。ここで、本発明においては、平均粒径といった場合、対象となる粒子の集合体である粉末について、レーザー回折・散乱式粒径分布測定装置を用いて体積基準で粒径分布を測定して得られた体積平均粒径を指すものとする。 Next, the conductive material will be explained. This conductive material is used to reduce the internal resistance in order to increase the output of the air secondary battery and as a support for the above-described catalyst. As such a conductive material, it is preferable to use nickel powder, which is an aggregate of nickel particles, for example. As the nickel particles described above, for example, particles having an average particle size of 0.1 μm to 10 μm are preferably used. Here, in the present invention, the average particle size is obtained by measuring the particle size distribution on a volume basis using a laser diffraction/scattering particle size distribution measuring device for a powder that is an aggregate of target particles. shall refer to the volume-average particle size obtained.
上記したニッケル粉末は、空気極合剤中において、60質量%以上含有させることが好ましい。このニッケル粉末の含有量の上限は、空気極合剤における他の構成材料との関係から80質量%以下とすることが好ましい。 The nickel powder described above is preferably contained in the air electrode mixture in an amount of 60% by mass or more. The upper limit of the nickel powder content is preferably 80% by mass or less in view of the relationship with other constituent materials in the air electrode mixture.
また、導電材としては、上記したニッケル粉末に限定されるものではなく、コア材料に金属材料を被覆した金属被覆導電フィラーを用いることもできる。この金属被覆導電フィラーは、全体が金属で形成されている金属粒子よりも軽く、空気極全体としての軽量化に貢献する。上記したコア材料としては、特に限定されるものではなく、例えば、シリカの粒子が挙げられる。そして、金属被覆層としては、ニッケルを採用することが好ましい。このような金属被覆導電フィラーの集合体である金属被覆導電フィラー粉末は、空気極合剤に対し、30質量%以上含有させることが好ましい。 Moreover, the conductive material is not limited to the nickel powder described above, and a metal-coated conductive filler in which a core material is coated with a metal material can also be used. This metal-coated conductive filler is lighter than metal particles made entirely of metal, and contributes to weight reduction of the air electrode as a whole. The above-described core material is not particularly limited, and examples thereof include silica particles. It is preferable to employ nickel as the metal coating layer. The metal-coated conductive filler powder, which is an aggregate of such metal-coated conductive fillers, is preferably contained in an air electrode mixture in an amount of 30% by mass or more.
結着剤は、空気極合剤の構成材料を結着させるとともに空気極23に適切な撥水性を付与する働きをする。ここで、結着剤としては、特に限定されるものではなく、例えば、フッ素樹脂が用いられる。なお、好ましいフッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が用いられる。
The binder functions to bind the constituent materials of the air electrode mixture and to impart appropriate water repellency to the
空気極23は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、空気極触媒、導電材、結着剤及び水を含む空気極合剤ペーストを調製する。
The
First, an air electrode mixture paste containing an air electrode catalyst, a conductive material, a binder and water is prepared.
得られた空気極合剤ペーストは、シート状に成形され、その後、ニッケルメッシュ(空気極基材)にプレス圧着される。これにより、空気極の中間製品が得られる。 The obtained air electrode mixture paste is formed into a sheet, and then press-bonded to a nickel mesh (air electrode base material). This yields an intermediate cathode product.
次いで、得られた中間製品は、焼成炉に投入され焼成処理が行われる。この焼成処理は、不活性ガス雰囲気中で行われる。この不活性ガスとしては、例えば、窒素ガスやアルゴンガスが用いられる。焼成処理の条件としては、300℃以上、400℃未満の温度に加熱し、この状態で、10分以上、20分以下の間保持する。その後、中間製品を焼成炉内で自然冷却し、中間製品の温度が150℃以下になったところで大気中に取り出す。これにより、焼成処理が施された中間製品が得られる。この焼成処理後の中間製品を所定形状に裁断することにより、空気極23を得る。
Next, the obtained intermediate product is put into a sintering furnace and sintered. This firing treatment is performed in an inert gas atmosphere. Nitrogen gas and argon gas, for example, are used as this inert gas. The conditions for the firing treatment are heating to a temperature of 300° C. or more and less than 400° C., and maintaining this state for 10 minutes or more and 20 minutes or less. After that, the intermediate product is naturally cooled in the kiln, and when the temperature of the intermediate product reaches 150° C. or lower, it is taken out into the atmosphere. As a result, an intermediate product that has undergone a firing treatment is obtained. The
以上のようにして得られた空気極23及び負極21は、セパレータ22を介して積層され、これにより電極群20が形成される。このセパレータ22は、空気極23及び負極21の間の短絡を避けるために配設され、電気絶縁性の材料が採用される。このセパレータ22に採用される材料としては、例えば、ポリアミド繊維製不織布に親水性官能基を付与したもの、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン繊維製不織布に親水性官能基を付与したもの等を用いることができる。ここで、セパレータ22は、全体として矩形状をなしている。そして、セパレータ22の平面視形状は、上記した空気極23の平面視形状及び負極21の平面視形状よりも大きくすることが好ましい。
The
電極群20を形成する際、セパレータ22の四方の端部は、空気極23及び負極21の四方の端部よりも突出するようにして電極群20を組み立てる。
When forming the
得られた電極群20には、更に、空気極23の上に撥水通気部材50を載置することが好ましい。この撥水通気部材50は、空気は透過し、アルカリ電解液の透過は防止する機能を有しているものであれば特に限定されるものではない。このような撥水通気部材50としては、例えば、フッ素樹脂多孔膜を用いることが好ましい。より好ましくは、PTFE多孔膜を用いる。更に、撥水通気部材50として、フッ素樹脂多孔膜に不織布拡散紙を重ね合わせた複合体を用いることが好ましい。
It is preferable to further place a water-
撥水通気部材50が載置された電極群20は、電池ケース10内に配設される。詳しくは、図2に示すように、撥水通気部材50が載置された電極群20は、空気極側ケース半体12の空気極対向壁16と、負極側ケース半体14の負極側対向壁26との間に挟み込まれるとともに、セパレータ22の四方の端部が、空気極側ケース半体12の空気極側外周壁18の先端部19と、負極側ケース半体14の負極側外周壁28の先端部29とによって挟み込まれて固定される。これによって、電池1が形成される。
The
ここで、空気極側ケース半体12の空気極側外周壁18の先端部19と、負極側ケース半体14の負極側外周壁28の先端部29との間は、セパレータ22の端部から外部にアルカリ電解液32が漏出しないようパッキン34で封止されている。
Here, the distance between the
負極側ケース半体14は、図1及び図2に示すように、負極側外周壁28の一部に連結部40を介して取り付けられた電解液貯蔵部30を含んでいる。電解液貯蔵部30は、アルカリ電解液32を収容する容器である。連結部40は、電池ケース10の内部と電解液貯蔵部30との間を連通するアルカリ電解液32の流路である。このように、電池ケース10の内部と電解液貯蔵部30とは連通しているため、アルカリ電解液32は、電池ケース10の内部と電解液貯蔵部30との間を移動することができる。このため、充電時に空気極23が水を生成することによりアルカリ電解液32の量が増加した場合には、電池ケース10の内部の過剰なアルカリ電解液32は、電解液貯蔵部30へ移動して貯蔵される。また放電時に空気極23が水を分解することによりアルカリ電解液32が減少した場合には、電解液貯蔵部30に貯蔵されたアルカリ電解液32が電池ケース10の内部へ移動して空気極23におけるアルカリ電解液32の不足を補うことができる。このように、電解液貯蔵部30を有することで、アルカリ電解液32の漏出及び枯渇を抑制することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the negative electrode
なお、上記したアルカリ電解液としては、アルカリ二次電池に用いられる一般的なアルカリ電解液が好適に用いられ、具体的には、NaOH、KOH及びLiOHのうち、少なくとも1種を溶質として含む水溶液が用いられる。 As the alkaline electrolyte described above, a general alkaline electrolyte used in alkaline secondary batteries is preferably used. Specifically, an aqueous solution containing at least one of NaOH, KOH and LiOH as a solute. is used.
また、空気極側ケース半体12は、通気路60を有している。通気路60は、放電時に空気極23へ空気中の酸素を供給するとともに、充電時に空気極23から生じた酸素を外部へ排出する。通気路60の形状としては、特に限定されるものではない。好ましい通気路60の形状としては、例えば、図1及び図2に示したような形状が挙げられる。すなわち、通気路60は、空気極対向壁16における空気極側の内壁面17に設けられた空気極開口部としての凹溝63と、凹溝63の一方端に設けられた第1通気口61と、凹溝63の他方端に設けられた第2通気口62とを含んでいる。
In addition, the air electrode
凹溝63は、図1から明らかなように、平面視形状が全体として1本のサーペンタイン形状をなしており、図2から明らかなように、断面形状が、矩形状をなし、空気極23の側(撥水通気部材50の側)に向かって開口している。なお、サーペンタイン形状の折り返す数は特に限定されるものではない。
As is apparent from FIG. 1, the
第1通気口61は、凹溝63の一方端の部分にて、空気極対向壁16の内部から外部へ貫かれた貫通孔である。そして、第1通気口61の内周面の一部は、凹溝63と連通している。
The
第2通気口62は、凹溝63の他方端の部分にて、空気極対向壁16の内部から外部へ貫かれた貫通孔である。そして、第2通気口62の内周面の一部は、凹溝63と連通している。
The
上記した撥水通気部材50は、空気極対向壁16と空気極23との間に介在し、空気極対向壁16及び空気極23の両方に密着している。この撥水通気部材50は、凹溝63、第1通気口61及び第2通気口62の全体をカバーする大きさを有している。
The water-
以上のような態様の電池1においては、通気路60を通じて空気が流れる。通気路60を流れる空気は、通気路60の凹溝63に面する撥水通気部材50の内部に拡散する。そして、撥水通気部材50は、内部に拡散した空気を直下にて接する空気極23に透過させる。つまり、撥水通気部材50はガス拡散層として機能する。また、撥水通気部材50は、空気極23から発生する酸素を凹溝63へ透過させる。凹溝63へ到達した酸素は、通気口を通じて電池ケース10の外部の大気中に放出される。
Air flows through the
また、電池ケース10の内部のアルカリ電解液32は、撥水通気部材50によって通気路60への透過が妨げられる。このため、電池ケース10の内部のアルカリ電解液32の圧力が上昇した場合に、通気口を介してアルカリ電解液32が外部へ漏出することを抑制することができる。
Further, the water-
ここで、本発明に係る電池1においては、第1通気口61に、配管部材72を介して圧送装置としての圧送ポンプ74が取り付けられている。この圧送ポンプ74を駆動させることにより、第1通気口61から凹溝63に空気を送り込むことができる。
Here, in the
なお、本実施形態においては、図示することは省略したが、空気極23には空気極リードが、負極21には負極リードが、それぞれ電気的に接続されており、これら空気極リード及び負極リードは、電池ケース10の気密性及び水密性を保持した状態で電池ケース10の内側から外側へ適切に延びている。また、空気極リードの先端には空気極端子が取り付けられており、負極リードの先端には負極端子が取り付けられている。したがって、電池1においては、これら空気極端子及び負極端子を利用して充放電の際の電流の入力及び出力が行われる。
また、図1においては、圧送ポンプ74の図示を省略している。
In this embodiment, although illustration is omitted, an air electrode lead is electrically connected to the
Further, in FIG. 1, illustration of the compressing
ここで、電池1においては、空気極側ケース半体12の凹溝63は撥水通気部材50に相対している。撥水通気部材50は、気体は通すが水分は遮断するので、空気極23は撥水通気部材50、凹溝63、第1通気口61及び第2通気口62を介して大気に開放されることになる。つまり、空気極23は、撥水通気部材50を通じて大気と接することになる。
Here, in the
以上のような空気二次電池用の空気極触媒は、放電反応における過電圧を低減することに貢献することができるので、斯かる空気極触媒を含む空気二次電池は、放電反応における過電圧を低減することができ、それによりエネルギー効率の向上と高出力化を図ることができる。 Since the air electrode catalyst for the air secondary battery as described above can contribute to reducing the overvoltage in the discharge reaction, the air secondary battery containing such an air electrode catalyst reduces the overvoltage in the discharge reaction. It is possible to improve the energy efficiency and increase the power output.
[実施例]
1.電池の製造
(実施例1)
(1)空気極触媒の合成
第1ステップとして、Bi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oを所定量準備し、これらBi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oが同じ濃度となるように75℃の蒸留水中に投入し、撹拌してBi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oの混合水溶液を調製した。そして、この混合水溶液に、2mol/LのNaOH水溶液を加えた。この際の浴温度は75℃とし、酸素バブリングを行いながら撹拌した。この操作によって生じた沈殿物を含む溶液を85℃に保持して水分の一部を蒸発させてペーストを形成した。このペーストを蒸発皿に移し、120℃に加熱し、その状態で12時間保持して乾燥させ、ペーストの乾燥物(前駆体)を得た。
[Example]
1. Manufacture of battery (Example 1)
(1) Synthesis of air electrode catalyst As a first step, a predetermined amount of Bi(NO 3 ) 3.5H 2 O and RuCl 3.3H 2 O is prepared, and these Bi(NO 3 ) 3.5H 2 O and RuCl 3 are prepared . * 3H 2 O was put into distilled water at 75°C so as to have the same concentration, and stirred to prepare a mixed aqueous solution of Bi(NO 3 ) 3.5H 2 O and RuCl 3.3H 2 O. Then, a 2 mol/L NaOH aqueous solution was added to this mixed aqueous solution. At this time, the bath temperature was 75° C., and the mixture was stirred while oxygen bubbling was performed. The precipitate-containing solution resulting from this operation was held at 85° C. to evaporate some of the water to form a paste. This paste was transferred to an evaporating dish, heated to 120° C., and held in that state for 12 hours for drying to obtain a dried paste (precursor).
第2ステップとして、得られた乾燥物を乳鉢で粉砕した後、空気雰囲気下で600℃に加熱し、1時間保持する一次熱処理を施し、焼成物を得た。得られた焼成物を70℃の蒸留水を用いて水洗した後、吸引濾過し、120℃で乾燥させた。これにより、第1焼成物を得た。 As a second step, the obtained dried product was pulverized in a mortar, then subjected to primary heat treatment by heating to 600° C. in an air atmosphere and held for 1 hour to obtain a fired product. The obtained baked product was washed with distilled water at 70°C, filtered by suction, and dried at 120°C. Thus, a first fired product was obtained.
得られた第1焼成物を、乳鉢を用いて粉砕することにより所定粒子径の粒子の集合体である第1焼成物の粉末を得た。この第1焼成物の粉末に関し、走査型電子顕微鏡による二次電子像を観察した結果、第1焼成物の粒子径は0.1μm以下であった。 The obtained first fired product was pulverized using a mortar to obtain a powder of the first fired product, which is an aggregate of particles having a predetermined particle size. As a result of observing a secondary electron image of the powder of the first fired product with a scanning electron microscope, the particle size of the first fired product was 0.1 μm or less.
第3ステップとして、第1焼成物の粉末1gを20mLの硝酸水溶液とともにスターラーの撹拌槽に入れ、当該硝酸水溶液の温度を25℃に保持したまま1時間撹拌した。ここで、硝酸水溶液の濃度は2mol/Lとした。 As a third step, 1 g of the powder of the first fired product was placed in a stirring tank of a stirrer together with 20 mL of an aqueous nitric acid solution, and stirred for 1 hour while maintaining the temperature of the aqueous nitric acid solution at 25°C. Here, the concentration of the nitric acid aqueous solution was set to 2 mol/L.
撹拌が終了した後、硝酸水溶液中から第1焼成物の粉末を吸引濾過することにより取り出した。取り出された第1焼成物の粉末は、70℃に加熱したイオン交換水1リットルで洗浄した。洗浄後、第1焼成物の粉末を、120℃に加熱して乾燥を行った。 After the stirring was completed, the powder of the first baked product was taken out from the nitric acid aqueous solution by suction filtration. The powder of the first fired product taken out was washed with 1 liter of ion-exchanged water heated to 70°C. After washing, the powder of the first fired product was dried by heating to 120°C.
第4ステップとして、硝酸による処理が終了した第1焼成物を、空気雰囲気下で500℃に加熱し、1時間保持する二次熱処理を施し、焼成物を得た。これにより、第2焼成物、すなわち、空気二次電池用の空気極触媒を得た。ここで、得られた空気極触媒のうち、一部は分析用試料として取り分けておき、残りを空気極の製造用とした。 As a fourth step, the first calcined product, which had been treated with nitric acid, was subjected to secondary heat treatment by heating to 500° C. in an air atmosphere and held for 1 hour to obtain a calcined product. As a result, a second fired product, that is, an air electrode catalyst for an air secondary battery was obtained. Here, part of the obtained air electrode catalyst was set aside as a sample for analysis, and the rest was used for manufacturing the air electrode.
(2)空気極の製造
ニッケルの粒子の集合体であるニッケル粉末を準備した。このニッケルの粒子は、平均粒径が2~3μmであった。
(2) Manufacture of Air Electrode A nickel powder, which is an aggregate of nickel particles, was prepared. The nickel particles had an average particle size of 2 to 3 μm.
更に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョン及びイオン交換水を準備した。 Furthermore, polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion and deionized water were prepared.
上記のようにして得られた空気極触媒の粉末に、ニッケル粉末、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョン及びイオン交換水を混合した。このとき、空気極触媒の粉末は20質量部、ニッケル粉末は70質量部、PTFEディスパージョンは10質量部、イオン交換水は30質量部の割合で均一に混合して空気極合剤のペーストを製造した。 Nickel powder, polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion, and ion-exchanged water were mixed with the air electrode catalyst powder obtained as described above. At this time, 20 parts by mass of the air electrode catalyst powder, 70 parts by mass of the nickel powder, 10 parts by mass of the PTFE dispersion, and 30 parts by mass of the ion-exchanged water were uniformly mixed to form an air electrode mixture paste. manufactured.
得られた空気極合剤のペーストをシート状に成形し、25℃の雰囲気下で乾燥させた後、このシート状の空気極合剤のペーストをメッシュ数60、線径0.08mm、開口率60%のニッケルメッシュにプレス圧着させた。 The obtained air electrode mixture paste was molded into a sheet and dried in an atmosphere of 25° C., and then the sheet-like air electrode mixture paste was passed through a mesh having a mesh number of 60, a wire diameter of 0.08 mm, and an aperture ratio. It was press crimped onto a 60% nickel mesh.
ニッケルメッシュに圧着された空気極合剤のペーストを窒素ガス雰囲気下で340℃に加熱し、この温度で13分間保持し、焼成した。焼成された空気極合剤のシートは、縦40mm、横40mmに裁断され、これにより、空気極23を得た。この空気極23の厚さは0.23mmであった。なお、得られた空気極23において、空気極触媒の量は0.23gであった。
The air electrode mixture paste pressure-bonded to the nickel mesh was heated to 340° C. in a nitrogen gas atmosphere, held at this temperature for 13 minutes, and fired. The sintered air electrode mixture sheet was cut into a length of 40 mm and a width of 40 mm to obtain an
(3)負極の製造
Nd、Mg、Ni、Alの各金属材料を所定のモル比となるように混合した後、高周波誘導溶解炉に投入しアルゴンガス雰囲気下にて溶解させ、得られた溶湯を鋳型に流し込み、25℃の室温まで冷却してインゴットを製造した。
(3) Production of Negative Electrode After mixing metal materials such as Nd, Mg, Ni, and Al in a predetermined molar ratio, the resulting molten metal is put into a high-frequency induction melting furnace and melted in an argon gas atmosphere. was poured into a mold and cooled to room temperature of 25°C to produce an ingot.
ついで、このインゴットに対し、温度1000℃のアルゴンガス雰囲気下にて10時間保持する熱処理を施した後、アルゴンガス雰囲気下で機械的に粉砕して、希土類-Mg-Ni系水素吸蔵合金粉末を得た。得られた希土類-Mg-Ni系水素吸蔵合金粉末について、レーザー回折・散乱式粒径分布測定装置により体積平均粒径(MV)を測定した。その結果、体積平均粒径(MV)は60μmであった。 Next, the ingot is subjected to heat treatment at a temperature of 1000° C. in an argon gas atmosphere for 10 hours, and then mechanically pulverized in an argon gas atmosphere to obtain a rare earth-Mg-Ni hydrogen-absorbing alloy powder. Obtained. The volume average particle diameter (MV) of the obtained rare earth-Mg-Ni hydrogen-absorbing alloy powder was measured by a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer. As a result, the volume average particle diameter (MV) was 60 μm.
この水素吸蔵合金粉末の組成を高周波プラズマ分光分析法(ICP)によって分析したところ、組成は、Nd0.89Mg0.11Ni3.33Al0.17であった。 The composition of this hydrogen-absorbing alloy powder was analyzed by high-frequency plasma spectrometry (ICP) and found to be Nd 0.89 Mg 0.11 Ni 3.33 Al 0.17 .
得られた水素吸蔵合金の粉末100質量部に対し、ポリアクリル酸ナトリウムの粉末0.2質量部、カルボキシメチルセルロースの粉末0.04質量部、スチレンブタジエンゴムのディスパージョン3.0質量部、カーボンブラックの粉末0.5質量部、水22.4質量部を添加して25℃の環境下において混練し、負極合剤ペーストを調製した。 Based on 100 parts by mass of the obtained hydrogen-absorbing alloy powder, 0.2 parts by mass of sodium polyacrylate powder, 0.04 parts by mass of carboxymethyl cellulose powder, 3.0 parts by mass of styrene-butadiene rubber dispersion, and carbon black. and 22.4 parts by mass of water were added and kneaded in an environment of 25° C. to prepare a negative electrode mixture paste.
この負極合剤ペーストを面密度(目付)が約250g/m2、厚みが約0.6mmの発泡ニッケルのシートに充填した。そして、負極合剤ペーストを乾燥させ、負極合剤が充填された発泡ニッケルのシートを得た。得られたシートは圧延され、体積当たりの合金量を高めた後、縦40mm、横40mmに切断して負極21を得た。なお、負極21の厚さは、0.25mmであった。
This negative electrode mixture paste was filled in a foamed nickel sheet having a surface density (basis weight) of about 250 g/m 2 and a thickness of about 0.6 mm. Then, the negative electrode mixture paste was dried to obtain a foamed nickel sheet filled with the negative electrode mixture. The obtained sheet was rolled to increase the alloy content per volume, and then cut into a length of 40 mm and a width of 40 mm to obtain the
次に、得られた負極21に、活性化処理を施した。この活性化処理の手順を以下に示す。
まず、一般的な焼結式の水酸化ニッケル正極を準備した。なお、この水酸化ニッケル正極としては、その正極容量が負極21の負極容量よりも十分大きいものを準備した。そして、この水酸化ニッケル正極と、得られた負極21とを、これらの間にポリエチレンの不織布で形成されたセパレータを介在させた状態で重ね合わせて、活性化処理用電極群を形成した。この活性化処理用電極群を所定量のアルカリ電解液とともにアクリル樹脂製の容器に収容した。これにより、ニッケル水素二次電池の単極セルを形成した。
Next, the obtained
First, a general sintered nickel hydroxide positive electrode was prepared. As this nickel hydroxide positive electrode, one having a positive electrode capacity sufficiently larger than the negative electrode capacity of the
この単極セルに対し、初回の充放電操作として、温度25℃の環境下にて、5時間静置後、0.1Itで14時間の充電を行った後、0.5Itで電池電圧が0.70Vになるまで放電させた。次いで、2回目の充放電操作として、温度25℃の環境下にて、0.5Itで2.8時間の充電を行った後に、0.5Itで電池電圧が0.70Vになるまで放電させる操作を行った。2回目以降は、上記した2回目の充放電操作を1サイクルとする充放電サイクルを複数回行うことにより負極21の活性化処理を行った。また、各充放電サイクルにおいては単極セルの容量を求めた。そして、得られた容量の最大値を負極の容量とした。なお、負極の容量は640mAhであった。
As the initial charging and discharging operation, the monopolar cell was left to stand for 5 hours in an environment at a temperature of 25 ° C., and then charged at 0.1 It for 14 hours. It was discharged to 0.70V. Next, as the second charging and discharging operation, after charging at 0.5 It for 2.8 hours in an environment at a temperature of 25 ° C., discharging at 0.5 It until the battery voltage reaches 0.70 V. did After the second charge/discharge cycle, the charge/discharge cycle was repeated a plurality of times, thereby activating the
その後、0.5Itで2.8時間の充電を行った後、単極セルから負極21を取り外した。このようにして、活性化処理及び充電が済んだ負極21を得た。
Then, after charging at 0.5 It for 2.8 hours, the
(4)空気水素二次電池の製造
得られた空気極23及び負極21を、これらの間にセパレータ22を挟んだ状態で重ね合わせ、電極群20を製造した。この電極群20の製造に使用したセパレータ22はスルホン基を有するポリプロピレン繊維製不織布により形成されており、その厚みは0.1mm(目付量53g/m2)であった。
(4) Manufacture of air-hydrogen secondary battery The obtained
一方、撥水通気部材50として、PTFE多孔膜の上に不織布拡散紙を重ね合わせて形成した複合体を準備した。ここで、PTFE多孔膜の寸法は、縦が45mm、横が45mm、厚みが0.1mmであった。また、不織布拡散紙の寸法は、縦が40mm、横が40mm、厚みが0.2mmであった。
On the other hand, as the water-repellent air-
上記した電極群20における空気極23の上に上記した撥水通気部材50としての複合体を載置し、電池ケース10内に収容した。詳しくは、撥水通気部材50としての複合体が載置された電極群20を、空気極側ケース半体12の空気極対向壁16と、負極側ケース半体14の負極側対向壁26との間に挟み込むとともに、セパレータ22の四方の端部を、空気極側ケース半体12の空気極側外周壁18の先端部19と、負極側ケース半体14の負極側外周壁28の先端部29とによって挟み込み固定した。ここで、空気極側ケース半体12の空気極側外周壁18の先端部19と、負極側ケース半体14の負極側外周壁28の先端部29との間は、セパレータ22の端部から外部にアルカリ電解液32が漏出しないようパッキン34で封止した。
The composite as the water-
ここで、空気極側ケース半体12の空気極対向壁16には、凹溝63として、幅1mm、深さ1mm、山幅1mmのサーペンタイン形状の凹溝63が設けられている。この凹溝63の全長は720mmである。そして、この凹溝63の一方の端部に第1通気口61が設けられており、他方の端部に第2通気口62が設けられている。この凹溝63は、撥水通気部材50側が開放されている。更に、上記した第1通気口61には、配管部材72を介して圧送ポンプ74を取り付けた。
A serpentine-shaped recessed
また、負極側ケース半体14には、負極側外周壁28の一部に連結部40を介して電解液貯蔵部30が取り付けられている。この電解液貯蔵部30にアルカリ電解液32として5mol/LのKOH水溶液を注入した。なお、このとき注入したKOH水溶液の量は50mLであった。
An electrolytic
以上のようにして、図1及び図2に示すような電池1を製造した。得られた電池1は、25℃の環境下で1時間静置し、電極群20にアルカリ電解液を浸透させた。
As described above, the
なお、空気極23には空気極リード(図示せず)が、負極21には負極リード(図示せず)が、それぞれ電気的に接続されており、これら空気極リード及び負極リードは、電池ケース10の気密性及び水密性を保持した状態で電池ケース10の内側から外側へ適切に延びている。また、空気極リードの先端には空気極端子(図示せず)が取り付けられており、負極リードの先端には負極端子(図示せず)が取り付けられている。
An air electrode lead (not shown) is electrically connected to the
(実施例2)
第4ステップとして、硝酸による処理が終了した第1焼成物を、空気雰囲気下で400℃に加熱し、1時間保持する二次熱処理を施し、焼成物を得たことを除いて、実施例1と同様にして空気水素二次電池を製造した。
(Example 2)
As a fourth step, the first baked product that had been treated with nitric acid was heated to 400 ° C. in an air atmosphere and subjected to a secondary heat treatment of holding for 1 hour to obtain a baked product. An air-hydrogen secondary battery was produced in the same manner as above.
(比較例1)
第4ステップとして、硝酸による処理が終了した第1焼成物を、空気雰囲気下で300℃に加熱し、1時間保持する二次熱処理を施し、焼成物を得たことを除いて、実施例1と同様にして空気水素二次電池を製造した。
(Comparative example 1)
As a fourth step, the first baked product that had been treated with nitric acid was heated to 300 ° C. in an air atmosphere and subjected to a secondary heat treatment of holding for 1 hour to obtain a baked product. An air-hydrogen secondary battery was produced in the same manner as above.
(比較例2)
第4ステップの二次熱処理を省略し、硝酸による処理が終了した第1焼成物を空気二次電池用の空気極触媒としたことを除いて、実施例1と同様にして空気水素二次電池を製造した。
(Comparative example 2)
Air hydrogen secondary battery in the same manner as in Example 1, except that the secondary heat treatment in the fourth step was omitted, and the first baked product that had been treated with nitric acid was used as the air electrode catalyst for the air secondary battery. manufactured.
2.空気水素二次電池の評価
(1)空気極触媒の分析
実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2の空気極触媒の分析用試料についてX線回折(XRD)分析を行った。XRD分析には平行ビームX線回折装置を用いた。ここでの分析の条件は、X線源はCuKα、管電圧は40kV、管電流は15mA、スキャンスピードは1度/min、ステップ幅は0.01度であった。分析結果のプロファイルを図3及び図4に示した。ここで、図3には、全体的なプロファイルを示し、図4には、一部を拡大して示したプロファイルを示した。
2. Evaluation of Air-Hydrogen Secondary Battery (1) Analysis of Air Electrode Catalyst X-ray diffraction (XRD) analysis was performed on the analysis samples of the air electrode catalysts of Examples 1, 2, Comparative Examples 1 and 2. A parallel beam X-ray diffractometer was used for the XRD analysis. The analysis conditions here were as follows: X-ray source: CuKα; tube voltage: 40 kV; tube current: 15 mA; scan speed: 1 degree/min; step width: 0.01 degree. Profiles of the analysis results are shown in FIGS. 3 and 4. FIG. Here, FIG. 3 shows an overall profile, and FIG. 4 shows a partially enlarged profile.
図3及び図4のXRDプロファイルより、相構成を確認した。 The phase composition was confirmed from the XRD profiles of FIGS. 3 and 4. FIG.
また、実施例1及び実施例2の空気極触媒の分析用試料について、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察するとともにエネルギー分散型X線分光器(EDS)により元素分析を行う、いわゆるSEM/EDS分析を行った。実施例1の分析結果のSEM像(倍率:5000倍)の写真を図5に示し、実施例2の分析結果のSEM像(倍率:5000倍)の写真を図6に示した。 Further, the samples for analysis of the air electrode catalysts of Examples 1 and 2 were observed with a scanning electron microscope (SEM) and subjected to elemental analysis with an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS), so-called SEM/EDS. Analysis was carried out. A photograph of an SEM image (magnification: 5000 times) of the analysis results of Example 1 is shown in FIG. 5, and a photograph of an SEM image (magnification: 5000 times) of the analysis results of Example 2 is shown in FIG.
そして、各SEM像中において1~6の番号を付した部分の測定スポットにおけるEDS分析を行った。各測定スポットにおいて、C、O、Na、Al、Ru及びBiの特性X線の強度(カウント数)を測定し、各元素の濃度(原子数%)を調べた。その結果を、実施例1については表1に示し、実施例2については表2に示した。また、BiとRuの比をBi/Ruとして表1、表2に併せて示した。 EDS analysis was performed on the measurement spots numbered 1 to 6 in each SEM image. At each measurement spot, the intensity (number of counts) of characteristic X-rays of C, O, Na, Al, Ru and Bi was measured to examine the concentration (atomic %) of each element. The results are shown in Table 1 for Example 1 and Table 2 for Example 2. The ratio of Bi to Ru is also shown in Tables 1 and 2 as Bi/Ru.
(2)放電試験
実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2の空気水素二次電池については、空気極端子及び負極端子を介して、0.5Itで1.2時間充電し、0.5Itで電池電圧が0.4Vになるまで放電することを1サイクルとし、斯かる充放電を10サイクル繰り返した。このとき、充放電に関わらず、圧送ポンプ74により第1通気口61から空気を送り、通気路60には、53mL/分の割合で常に空気を供給し続けた。なお、負極容量(640mAh)を1Itとした。
(2) Discharge Test The air-hydrogen secondary batteries of Examples 1, 2, Comparative Examples 1 and 2 were charged at 0.5 It for 1.2 hours through the air electrode terminal and the negative electrode terminal. One cycle consisted of discharging at 0.5 It until the battery voltage reached 0.4 V, and such charging and discharging were repeated 10 cycles. At this time, regardless of charging/discharging, air was sent from the
そして、各サイクルにおいて、放電容量と電池電圧とを測定した。
ここで、電池特性が安定した10サイクル時における放電容量と電池電圧との関係(放電特性カーブ)を図7に示した。
Then, in each cycle, the discharge capacity and battery voltage were measured.
FIG. 7 shows the relationship (discharge characteristic curve) between the discharge capacity and the battery voltage at 10 cycles when the battery characteristics are stable.
また、このときの全放電容量の半分の放電容量になった時の電池電圧を放電中間電圧として表3に示した。 Table 3 shows the battery voltage when the discharge capacity reaches half of the total discharge capacity at this time as the discharge intermediate voltage.
(3)考察
図3にICDD(登録商標)(International Centre for Diffraction Data)におけるBi2Ru2O7及びRuO2のピーク位置のデータを併記した。これらBi2Ru2O7及びRuO2のピークの位置と実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2のXRDプロファイルを照合した結果、実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2の空気極触媒には、いずれもBi2Ru2O7のピークが存在していることが確認できた。そして、実施例1及び実施例2については、更に、RuO2に相当するピークが存在することが確認できた。ただし、比較例1及び比較例2については、RuO2に相当するピークは確認できなかった。このことから、比較例1及び比較例2の空気極触媒は、RuO2をほとんど含んでいないが、実施例1及び実施例2は、Bi2Ru2O7とRuO2とが共存していることがわかる。
(3) Consideration FIG. 3 shows peak position data of Bi 2 Ru 2 O 7 and RuO 2 in ICDD (registered trademark) (International Center for Diffraction Data). As a result of comparing the peak positions of these Bi 2 Ru 2 O 7 and RuO 2 with the XRD profiles of Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and It was confirmed that all the air electrode catalysts of Comparative Example 2 had a Bi 2 Ru 2 O 7 peak. Further, in Examples 1 and 2, it was confirmed that there was a peak corresponding to RuO 2 . However, in Comparative Examples 1 and 2, no peak corresponding to RuO 2 could be confirmed. From this, the air electrode catalysts of Comparative Examples 1 and 2 hardly contain RuO 2 , but in Examples 1 and 2, Bi 2 Ru 2 O 7 and RuO 2 coexist. I understand.
また、図5、図6、表1及び表2のSEM/EDS分析の結果より、実施例1においては、測定スポット1の部分が、Biの量が極めて少なく、Ruの量が多い部分であることが確認でき、実施例2においては、測定スポット4の部分が、Biの量が極めて少なく、Ruの量が多い部分であることが確認できた。これらの部分に存在するのは、Biがほとんど含まれていないRuO2に相当する結晶であると考えられる。つまり、実施例1及び実施例2の空気極触媒においては、Bi2Ru2O7の主相の表面にRuO2が存在していることが確認できた。
Further, from the SEM/EDS analysis results of FIGS. 5, 6, Tables 1 and 2, in Example 1, the portion of the
また、実施例1及び実施例2に関し、XRDプロファイルの結果を基に、Bi2Ru2O7の最強線となる(222)面のピーク強度に対する、RuO2の最強線となる(110)面のピーク強度の比率を求めたところ、実施例1では2.1%であり、実施例2では1.74%であった。 In addition, regarding Examples 1 and 2, based on the results of the XRD profile, the (110) plane, which is the strongest line of RuO 2 , with respect to the peak intensity of the (222) plane, which is the strongest line of Bi 2 Ru 2 O 7 When the peak intensity ratio of was obtained, it was 2.1% in Example 1 and 1.74% in Example 2.
次に、実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2の放電特性カーブを示した図7の結果から、比較例1及び比較例2の放電特性カーブに比べ実施例1及び実施例2の放電特性カーブは放電電圧が高い方にシフトしており、実施例1及び実施例2では、放電側の過電圧が低減されたことがわかる。 Next, from the results of FIG. 7 showing the discharge characteristic curves of Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the discharge characteristic curves of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are compared with the discharge characteristic curves of Example 1 and Example 2. The discharge characteristic curve of No. 2 shifts toward higher discharge voltages, and it can be seen that in Examples 1 and 2, the overvoltage on the discharge side was reduced.
また、放電中間電圧を示した表3の結果からも、比較例1、比較例2に対して、実施例1の放電中間電圧は0.08V向上し、実施例2の放電中間電圧は0.03V向上しており、放電側の過電圧が低減されたことがわかる。 Further, from the results of Table 3 showing the intermediate discharge voltage, the intermediate discharge voltage of Example 1 was improved by 0.08 V compared to Comparative Examples 1 and 2, and the intermediate discharge voltage of Example 2 was improved by 0.08V. 03 V, and it can be seen that the overvoltage on the discharge side has been reduced.
以上より、Bi2Ru2O7(パイロクロア型複合酸化物)の表面にルテニウム酸化物を存在させることで、放電電圧が上昇した。これは、酸素還元活性の向上により電荷移動抵抗が低下したためであると考えられる。ルテニウム酸化物はXRDプロファイルからRuO2の相を有しているが、RuO2は酸素発生(充電側)に活性を有しており、単独での酸素還元(放電側)の活性向上は考えにくい。したがって、パイロクロア型複合酸化物と合わせることで、高い触媒活性を有する触媒が作製できたと考えられる。つまり、パイロクロア型複合酸化物とルテニウム酸化物とが共存することで、酸素との相互作用変化や2電子還元過程の中間体である過酸化水素イオンの接触分解の促進など、触媒の多元機能化が起こったことが原因で放電反応における過電圧を低減することができたと推測される。 As described above, the presence of ruthenium oxide on the surface of Bi 2 Ru 2 O 7 (pyrochlore-type composite oxide) increased the discharge voltage. This is probably because the charge transfer resistance decreased due to the improvement in oxygen reduction activity. Ruthenium oxide has a RuO 2 phase from the XRD profile, but RuO 2 has activity in oxygen generation (charging side), and it is difficult to think that oxygen reduction (discharging side) activity can be improved by itself. . Therefore, it is considered that a catalyst having high catalytic activity could be produced by combining it with a pyrochlore-type composite oxide. In other words, the coexistence of pyrochlore-type composite oxides and ruthenium oxides makes the catalyst multi-functional, such as changes in interaction with oxygen and promotion of catalytic decomposition of hydrogen peroxide ions, which are intermediates in the two-electron reduction process. It is presumed that the overvoltage in the discharge reaction could be reduced because of the occurrence of
また、以上の結果より、Bi2Ru2O7(パイロクロア型複合酸化物)の表面にルテニウム酸化物を存在させるには、400℃以上で二次熱処理を行うことが好ましく、より優れた過電圧の低減効果を得るには、500℃以上で二次熱処理を行うことが好ましいといえる。更に、パイロクロア型複合酸化物のX線回折パターンの(222)面におけるピーク強度に対するルテニウム酸化物のX線回折パターンの(110)面におけるピーク強度の比率を、1.7%以上とすることにより、過電圧の低減効果が得られ、より優れた過電圧の低減効果を得るには、前記比率を2.1%以上とすることが好ましいといえる。 Further, from the above results, in order to make ruthenium oxide exist on the surface of Bi 2 Ru 2 O 7 (pyrochlore type composite oxide), it is preferable to perform secondary heat treatment at 400 ° C. or higher, and more excellent overvoltage can be obtained. In order to obtain the reduction effect, it can be said that it is preferable to perform the secondary heat treatment at 500° C. or higher. Furthermore, the ratio of the peak intensity in the (110) plane of the ruthenium oxide X-ray diffraction pattern to the peak intensity in the (222) plane of the X-ray diffraction pattern of the pyrochlore-type composite oxide is set to 1.7% or more. In order to obtain an overvoltage reduction effect, and to obtain a more excellent overvoltage reduction effect, it is preferable to set the ratio to 2.1% or more.
なお、本発明は上記した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、空気二次電池用の空気極触媒としては、ビスマスルテニウム酸化物の他に、上記したパイロクロア型複合酸化物の組成を表す一般式において挙げた選択可能元素の酸化物が挙げられる。また、本発明は、空気水素二次電池に限定されるものではなく、負極に用いる金属として、Zn、Al、Mg、Liなどを用いた他の空気二次電池であっても構わない。これら他の空気二次電池も上記した空気水素二次電池と同様の効果が得られる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and as an air electrode catalyst for an air secondary battery, in addition to the bismuth ruthenium oxide, the composition of the pyrochlore-type composite oxide described above can be used. Examples include oxides of the selectable elements listed in the general formula represented. Moreover, the present invention is not limited to the air-hydrogen secondary battery, and may be other air secondary batteries using Zn, Al, Mg, Li, or the like as the metal used for the negative electrode. These other air secondary batteries can also obtain the same effect as the above-described air-hydrogen secondary battery.
また、本発明ではRuO2に帰属するXRDプロファイルが確認されたが、電池反応の最中で酸化状態が変化することは十分にあり得るため、酸化ルテニウムはRuO2に限定されるものではない。 Also, in the present invention, an XRD profile attributed to RuO 2 was confirmed, but ruthenium oxide is not limited to RuO 2 because the oxidation state may well change during the battery reaction.
<本発明の態様>
本発明の第1の態様は、一般式:A2-x(RuαB1-α)2-yO7-z(ただし、x、y、z、αは、それぞれ、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0<α≦1の関係を満たし、Aは、Bi、Pb、Tb、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Y、Zn及びAlから選ばれる少なくとも1種の元素を表し、Bは、Ir、Si、Ge、Ta、Sn、Hf、Zr、Ti、Nb、V、Sb、Rh、Cr、Re、Sc、Co、Cu、In、Ga、Cd、Fe、Ni、W及びMoから選ばれる少なくとも1種の元素を表している。)で表される組成を有しているパイロクロア型複合酸化物と、前記パイロクロア型複合酸化物の表面に存在するルテニウム酸化物と、を備えている空気二次電池用の空気極触媒である。
<Aspect of the present invention>
A first aspect of the present invention is represented by the general formula: A 2-x (Ru α B 1-α ) 2-y O 7-z (where x, y, z, and α are , 0≦y≦1, 0≦z≦1, and 0<α≦1, and A is Bi, Pb, Tb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, represents at least one element selected from Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Mn, Y, Zn and Al, and B is Ir, Si, Ge, Ta, Sn, Hf, Zr, Ti, Nb, V , Sb, Rh, Cr, Re, Sc, Co, Cu, In, Ga, Cd, Fe, Ni, W, and Mo.) and a ruthenium oxide present on the surface of the pyrochlore-type composite oxide.
本発明の第2の態様は、上記した本発明の第1の態様において、前記ルテニウム酸化物のX線回折パターンの(110)面におけるピーク強度は、前記パイロクロア型複合酸化物のX線回折パターンの(222)面におけるピーク強度に対して、1.7%以上である、空気二次電池用の空気極触媒である。 In a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention described above, the peak intensity in the (110) plane of the X-ray diffraction pattern of the ruthenium oxide is the X-ray diffraction pattern of the pyrochlore type composite oxide. is 1.7% or more of the peak intensity on the (222) plane of the air electrode catalyst for an air secondary battery.
本発明の第3の態様は、一般式:A2-x(RuαB1-α)2-yO7-z(ただし、x、y、z、αは、それぞれ、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0<α≦1の関係を満たし、Aは、Bi、Pb、Tb、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Y、Zn及びAlから選ばれる少なくとも1種の元素を表し、Bは、Ir、Si、Ge、Ta、Sn、Hf、Zr、Ti、Nb、V、Sb、Rh、Cr、Re、Sc、Co、Cu、In、Ga、Cd、Fe、Ni、W及びMoから選ばれる少なくとも1種の元素を表している。)で表される組成を有しているパイロクロア型複合酸化物の前駆体を調製する前駆体調製工程と、前記前駆体に第1の熱処理を施し、前記パイロクロア型複合酸化物を形成する一次熱処理工程と、前記一次熱処理工程により得られた前記パイロクロア型複合酸化物を酸性水溶液に浸漬させ酸処理する酸処理工程と、前記酸処理工程を経た前記パイロクロア型複合酸化物に第2の熱処理を施す二次熱処理工程と、を備えている空気二次電池用の空気極触媒の製造方法である。 A third aspect of the present invention is represented by the general formula: A 2-x (Ru α B 1-α ) 2-y O 7-z (where x, y, z, and α are , 0≦y≦1, 0≦z≦1, and 0<α≦1, and A is Bi, Pb, Tb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, represents at least one element selected from Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Mn, Y, Zn and Al, and B is Ir, Si, Ge, Ta, Sn, Hf, Zr, Ti, Nb, V , Sb, Rh, Cr, Re, Sc, Co, Cu, In, Ga, Cd, Fe, Ni, W, and Mo.) a precursor preparation step of preparing a pyrochlore-type composite oxide precursor, a primary heat treatment step of subjecting the precursor to a first heat treatment to form the pyrochlore-type composite oxide, and the primary heat treatment step. an acid treatment step of immersing the obtained pyrochlore-type composite oxide in an acidic aqueous solution for acid treatment, and a secondary heat treatment step of subjecting the pyrochlore-type composite oxide that has undergone the acid treatment step to a second heat treatment. It is a method for producing an air electrode catalyst for an air secondary battery.
本発明の第4の態様は、上記した本発明の第3の態様において、前記第1の熱処理は、400℃以上、700℃以下で行う、空気二次電池用の空気極触媒の製造方法である。 A fourth aspect of the present invention is a method for producing an air electrode catalyst for an air secondary battery according to the third aspect of the present invention, wherein the first heat treatment is performed at 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. be.
本発明の第5の態様は、上記した本発明の第3の態様又は第4の態様において、前記第2の熱処理は、400℃以上で行う、空気二次電池用の空気極触媒の製造方法である。 A fifth aspect of the present invention is a method for producing an air electrode catalyst for an air secondary battery according to the third aspect or the fourth aspect of the present invention, wherein the second heat treatment is performed at 400 ° C. or higher. is.
本発明の第6の態様は、セパレータを介して重ね合わされた空気極及び負極を含む電極群と、前記電極群をアルカリ電解液とともに収容している容器と、を備え、前記空気極は、請求項1又は2に記載の空気二次電池用の空気極触媒を含んでいる、空気二次電池である。
A sixth aspect of the present invention comprises an electrode group including an air electrode and a negative electrode superimposed with a separator interposed therebetween, and a container housing the electrode group together with an alkaline electrolyte.
本発明の第7の態様は、上記した本発明の第6の態様において、前記負極は、水素吸蔵合金を含んでいる、空気二次電池である。 A seventh aspect of the present invention is the air secondary battery according to the sixth aspect of the present invention, wherein the negative electrode contains a hydrogen storage alloy.
1 空気二次電池(空気水素二次電池)
10 電池ケース
20 電極群
21 負極
22 セパレータ
23 空気極
30 電解液貯蔵部
50 撥水通気部材
60 通気路
61 第1通気口
62 第2通気口
63 凹溝
74 圧送ポンプ
1 Air secondary battery (air hydrogen secondary battery)
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記パイロクロア型複合酸化物の表面に存在するルテニウム酸化物と、を備えている空気二次電池用の空気極触媒。 General formula: A 2-x (Ru α B 1-α ) 2-y O 7-z (where x, y, z, and α are 0≦x≦1, 0≦y≦1, and 0≦ Satisfying the relationship of z ≤ 1, 0 < α ≤ 1, A is Bi, Pb, Tb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu , Mn, Y, Zn and Al, B represents Ir, Si, Ge, Ta, Sn, Hf, Zr, Ti, Nb, V, Sb, Rh, Cr, Re, represents at least one element selected from Sc, Co, Cu, In, Ga, Cd, Fe, Ni, W and Mo.) and a pyrochlore-type composite oxide having a composition represented by
and a ruthenium oxide present on the surface of the pyrochlore-type composite oxide.
前記前駆体に第1の熱処理を施し、前記パイロクロア型複合酸化物を形成する一次熱処理工程と、
前記一次熱処理工程により得られた前記パイロクロア型複合酸化物を酸性水溶液に浸漬させ酸処理する酸処理工程と、
前記酸処理工程を経た前記パイロクロア型複合酸化物に第2の熱処理を施す二次熱処理工程と、
を備えており、
前記第1の熱処理は、400℃以上、700℃以下で行い、
前記第2の熱処理は、400℃以上、700℃以下で行う、
空気二次電池用の空気極触媒の製造方法。 General formula: A 2-x (Ru α B 1-α ) 2-y O 7-z (where x, y, z, and α are 0≦x≦1, 0≦y≦1, and 0≦ Satisfying the relationship of z ≤ 1, 0 < α ≤ 1, A is Bi, Pb, Tb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu , Mn, Y, Zn and Al, B represents Ir, Si, Ge, Ta, Sn, Hf, Zr, Ti, Nb, V, Sb, Rh, Cr, Re, represents at least one element selected from Sc, Co, Cu, In, Ga, Cd, Fe, Ni, W, and Mo.). a precursor preparation step of preparing a body;
a primary heat treatment step of subjecting the precursor to a first heat treatment to form the pyrochlore-type composite oxide;
an acid treatment step of immersing the pyrochlore-type composite oxide obtained in the primary heat treatment step in an acidic aqueous solution for acid treatment;
a secondary heat treatment step of subjecting the pyrochlore-type composite oxide that has undergone the acid treatment step to a second heat treatment;
and
The first heat treatment is performed at 400° C. or higher and 700° C. or lower,
The second heat treatment is performed at 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower,
A method for producing an air electrode catalyst for an air secondary battery.
前記電極群をアルカリ電解液とともに収容している容器と、を備え、
前記空気極は、請求項1又は2に記載の空気二次電池用の空気極触媒を含んでいる、空気二次電池。 an electrode group including an air electrode and a negative electrode superimposed with a separator interposed therebetween;
and a container housing the electrode group together with an alkaline electrolyte,
The air secondary battery, wherein the air electrode contains the air electrode catalyst for an air secondary battery according to claim 1 or 2.
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