JP7486129B2 - Method for producing porous carbon membrane for positive electrode of air battery, and method for producing air battery using the porous carbon membrane obtained by the method as the positive electrode - Google Patents
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Description
本発明は、空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法、及びその方法で得られる多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a porous carbon membrane for use as a positive electrode in an air battery, and a method for producing an air battery using the porous carbon membrane obtained by this method as the positive electrode.
スマート社会を支える原動力として電池が着目され、その需要が急激に高まっている。電池には様々な種類のものがあるが、その中でも空気電池は、小型、軽量かつ大容量に適した構造であるため、高い注目を集めている。
空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質として金属を用いた電池で、金属空気電池とも呼ばれ、燃料電池の一種と位置づけられている電池である。その一例としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属又は化合物を負極活物質として用いたリチウム空気電池が挙げられる。リチウム空気電池における各電極での反応は、次式で表される。
Batteries have been attracting attention as the driving force behind a smart society, and demand for them is increasing rapidly. There are many different types of batteries, but air batteries are attracting a lot of attention because of their small size, light weight, and large capacity.
An air battery is a battery that uses oxygen in the air as the positive electrode active material and a metal as the negative electrode active material, and is also called a metal-air battery and is positioned as a type of fuel cell. One example is a lithium-air battery that uses a metal or compound capable of absorbing and releasing lithium ions as the negative electrode active material. The reaction at each electrode in a lithium-air battery is expressed by the following formula.
空気電池は、正極活物質が空気中の酸素であり、これを電池の外部から取り込むことができるので、正極活物質の供給源を電池内に配置する必要がなく、原理的に小型・軽量化に適する構造である。また、正極活物質を外部から取り込めることは、利用可能な正極活物質の量が制限されないことにもなるため、原理的に大容量化に適する構造でもある。 In air batteries, the positive electrode active material is oxygen in the air, which can be taken in from outside the battery, so there is no need to place a source of positive electrode active material inside the battery, and the structure is, in principle, suitable for making the battery small and lightweight. Furthermore, being able to take in the positive electrode active material from outside also means that there is no limit to the amount of positive electrode active material that can be used, so the structure is, in principle, suitable for making the battery large capacity.
しかしながら、現状の空気電池は、その小型・軽量・大容量に対するポテンシャルを十分には引き出せてはいない。その原因の一つとして、正極の放電容量がまだ十分に高くはないことが挙げられる。
空気電池では、空気中の酸素が正極活物質であり、放電時の正極での反応は、負極から移動してくる金属イオンが酸素及び電子と結合して酸化物を生成するものである。このため、空気電池の高容量化には、負極から移動してくる金属イオンが正極内の隅々まで移動しやすいこと(高イオン輸送効率)、金属イオンと反応する酸素を含む空気が、正極内の反応場へ浸透拡散しやすいこと(高酸素透過性)、正極内に金属イオンと酸素とが反応して酸化物となる反応場が多いこと、及びこの酸化物を蓄えるための細孔容積が大きいことが必要となる。また、小型・軽量な空気電池を低コストで製造するために、正極が構造体として自立することが望まれる。
However, the current potential of air batteries in terms of their small size, light weight, and large capacity has not been fully realized. One of the reasons for this is that the discharge capacity of the positive electrode is not yet high enough.
In an air battery, oxygen in the air is the positive electrode active material, and the reaction at the positive electrode during discharge is that metal ions moving from the negative electrode combine with oxygen and electrons to produce an oxide. Therefore, in order to increase the capacity of an air battery, it is necessary that the metal ions moving from the negative electrode can easily move to every corner of the positive electrode (high ion transport efficiency), that air containing oxygen that reacts with the metal ions can easily penetrate and diffuse into the reaction field in the positive electrode (high oxygen permeability), that there are many reaction fields in the positive electrode where metal ions react with oxygen to produce an oxide, and that the pore volume for storing this oxide is large. In addition, in order to manufacture a small and lightweight air battery at low cost, it is desirable for the positive electrode to be self-supporting as a structure.
このような問題に対し、特許文献1においては、正極に用いる多孔質炭素として、メソ孔とマイクロ孔とを含む細孔を備え、前記メソ孔の外郭を構成する炭素質壁が3次元網目構造をなすものであって、この炭素質壁に前記マイクロ孔が形成されており、前記メソ孔が開気孔であって、気孔部分が連続して連結孔を形成しており、前記細孔の細孔径分布の半値幅が2nm以下であり、前記連結孔の連結孔径分布の半値幅が50nm以上であり、孔径1nm以上の細孔が占める細孔容積が1.0ml/g以上、4.0ml/g以下のものが提案されている(請求項1)。ここで、細孔径は窒素吸着法により測定された値を意味すること(段落[0021])、細孔径が1nm以上のメソ細孔の領域に細孔を多く有する炭素材料が正極として高容量を与えること(段落[0023])、及び、前記多孔質炭素とこれを固定化するバインダーとを含有する組成物を溶媒中に分散した塗料を、正極集電体上に塗布する、又は前記組成物を圧着プレスにより成型することにより正極層を形成することができることが記載されている(段落[0033],[0035])。 In response to these problems, Patent Document 1 proposes a porous carbon for use in a positive electrode, which has pores including mesopores and micropores, and the carbonaceous walls that form the outer periphery of the mesopores have a three-dimensional mesh structure, the micropores are formed in the carbonaceous walls, the mesopores are open pores, the pore portions are continuous and form connected pores, the half-width of the pore size distribution of the pores is 2 nm or less, the half-width of the connected pore size distribution of the connected pores is 50 nm or more, and the pore volume occupied by pores with a pore size of 1 nm or more is 1.0 ml/g or more and 4.0 ml/g or less (Claim 1). Here, it is described that the pore size means a value measured by a nitrogen adsorption method (paragraph [0021]), that a carbon material having many pores in the mesopore region with a pore size of 1 nm or more provides a high capacity as a positive electrode (paragraph [0023]), and that a paint in which a composition containing the porous carbon and a binder that fixes it is dispersed in a solvent can be applied to a positive electrode current collector, or that the composition can be molded by a pressure press to form a positive electrode layer (paragraphs [0033], [0035]).
特許文献2には、炭素を含む導電性多孔質体を含む正極層において、1nm以上200nm以下の孔径を有する細孔の占める第1細孔容積が、200nmを超え10,000nm下の孔径を有する細孔の占める第2細孔容積よりも大きいリチウム空気電池が提案されている(請求項1)。そして、放電時に生成されるリチウム酸化物は、正極層の細孔内に生成されるから、孔径が小さい第1細孔が多いほど、多くの小粒子が生成し、小粒子であるほど、充電時に起こるリチウム酸化物の分解反応が表面だけでなく全体で起こりやすいから、充放電サイクル特性を向上させることができること(段落[0035])、高容量の確保と充放電サイクル特性の向上とを考慮すると、第1細孔容積の好ましい範囲は0.1~2.4cm3/gである旨が記載されている(段落[0037])。また、特許文献2には、前記正極層の製造方法として、正極集電体上に、導電性多孔質体及びバインダー等を含む組成物を溶媒中に分散した塗料を、ドクターブレード法等により塗布する方法、又は、上記組成物を圧着プレスにより成型する方法等が例示されている(段落[0042])。 Patent Document 2 proposes a lithium-air battery in which a first pore volume occupied by pores having a pore diameter of 1 nm or more and 200 nm or less in a positive electrode layer containing a conductive porous body containing carbon is larger than a second pore volume occupied by pores having a pore diameter of more than 200 nm and less than 10,000 nm (claim 1). It also describes that because lithium oxide generated during discharge is generated in the pores of the positive electrode layer, the more first pores with small pore diameters there are, the more small particles are generated, and the smaller the particles are, the more likely the decomposition reaction of lithium oxide that occurs during charging will occur throughout the battery rather than just on the surface, thereby improving the charge-discharge cycle characteristics (paragraph [0035]), and that in consideration of ensuring high capacity and improving charge-discharge cycle characteristics, the preferred range of the first pore volume is 0.1 to 2.4 cm 3 /g (paragraph [0037]). Furthermore, Patent Document 2 exemplifies, as a method for producing the positive electrode layer, a method for applying a coating material, in which a composition containing a conductive porous body and a binder, etc. is dispersed in a solvent, onto a positive electrode current collector by a doctor blade method or the like, or a method for molding the above-mentioned composition by a pressure pressing (paragraph [0042]).
特許文献3は、特定の細孔構造及び物性を有する多孔炭素構造体(請求項1~11)、前記多孔炭素構造体を、多孔炭素粒子と高分子材料とを原料として、0.03%より多く5%未満の範囲の酸素濃度を有する酸化性ガス雰囲気中で炭素化処理する製造方法(請求項13~15)、及び前記多孔炭素構造体を有する正極構造体を含む電池(請求項22)を提案している。 Patent Document 3 proposes a porous carbon structure having specific pore structure and physical properties (claims 1 to 11), a manufacturing method for the porous carbon structure in which the porous carbon structure is carbonized in an oxidizing gas atmosphere having an oxygen concentration in the range of more than 0.03% and less than 5% using porous carbon particles and a polymeric material as raw materials (claims 13 to 15), and a battery including a positive electrode structure having the porous carbon structure (claim 22).
このように、空気電池の高容量化について、正極に対する種々の試みがなされており、一定の成果を挙げている。
しかし、特許文献1に記載された、孔径1nm以上の細孔が占める細孔容積が1.0ml/g以上4.0ml/g以下である多孔質炭素を用いる正極では、バインダーを使用しているため、多孔質炭素の細孔の一部がバインダーで埋められてしまい、正極としての細孔容積は多孔質炭素の細孔容積よりも小さくなってしまうから、高容量化に限界がある。
特許文献2には、空気電池の高容量を確保しつつ、充放電サイクル特性を向上させるために、孔径が1nm以上200nm以下の第1細孔容積が、200nmを超え10000nm以下の第2細孔容積よりも大きい、炭素を含む導電性多孔体を正極層とすることが記載されている。しかし、前記第1細孔容積の好ましい範囲は0.1~2.4cm3/gとされており、より大きな放電容量を持つ空気電池とするには、さらに大きな第1細孔容積を持つ正極層、及びその製造方法が望まれる。
本発明者らは、0.03%より多く5%未満の範囲の酸素濃度を有する酸化性ガス雰囲気中で炭素化処理を行うことにより、空気電池の正極に適した高細孔容積を持つ多孔炭素構造体を製造することを先に提案した(特許文献3)。しかし、酸化燃焼力の高い酸素を処理に用いると、処理条件によっては炭素粒子を主体とした多孔膜が酸化燃焼により消失する虞があるため、酸素濃度、及び酸化温度を低い範囲内で微妙に制御して製造する必要があった。
Thus, various attempts have been made to increase the capacity of air batteries by improving the positive electrode, and certain successes have been achieved.
However, in the positive electrode described in Patent Document 1, which uses porous carbon in which the pore volume occupied by pores with a pore diameter of 1 nm or more is 1.0 ml/g or more and 4.0 ml/g or less, a binder is used, and therefore some of the pores in the porous carbon are filled with the binder, and the pore volume of the positive electrode becomes smaller than the pore volume of the porous carbon, so there is a limit to how much capacity can be increased.
Patent Document 2 describes that, in order to improve the charge/discharge cycle characteristics while ensuring a high capacity of the air battery, a conductive porous body containing carbon is used as the positive electrode layer, in which the volume of first pores having a pore size of 1 nm or more and 200 nm or less is larger than the volume of second pores having a pore size of more than 200 nm and 10,000 nm or less. However, the preferred range of the first pore volume is 0.1 to 2.4 cm3 /g, and in order to obtain an air battery with a larger discharge capacity, a positive electrode layer having an even larger first pore volume and a method for producing the same are desired.
The present inventors previously proposed to manufacture a porous carbon structure having a large pore volume suitable for the positive electrode of an air battery by performing a carbonization process in an oxidizing gas atmosphere having an oxygen concentration in the range of more than 0.03% and less than 5% (Patent Document 3). However, when oxygen with high oxidizing combustion power is used in the process, there is a risk that the porous film mainly composed of carbon particles will disappear due to oxidizing combustion depending on the process conditions, so it was necessary to manufacture the structure by delicately controlling the oxygen concentration and oxidation temperature within a low range.
本発明は、炭素化処理に酸素を用いることなく、空気電池の正極に用いた際に高容量が得られる多孔炭素膜を製造する方法、及びその多孔炭素膜を正極に用いて空気電池を製造する方法を提供することを課題とする。 The present invention aims to provide a method for producing a porous carbon membrane that does not use oxygen in the carbonization process and that provides high capacity when used in the positive electrode of an air battery, and a method for producing an air battery using the porous carbon membrane in the positive electrode.
本発明者は、前記課題を解決するための検討を重ねる中で、一般には不活性ガスとされている二酸化炭素でも、高温であれば炭素粒子を主体とした多孔膜を緩やかに酸化燃焼させ得ることを知見した。そして、二酸化炭素雰囲気中での熱処理により、細孔容積の大きな多孔炭素膜を製造することを見出し、本発明を完成するに至った。 In the course of further research into solving the above problems, the inventors discovered that even carbon dioxide, which is generally considered an inert gas, can slowly oxidize and burn a porous membrane made mainly of carbon particles at high temperatures. They then discovered that a porous carbon membrane with a large pore volume can be produced by heat treatment in a carbon dioxide atmosphere, and thus completed the present invention.
上記の課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用する。
[1]空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法であって、
多孔炭素粒子及びバインダー用高分子材料を含有する合剤スラリーを調製すること、
前記合剤スラリーを成型すること、
前記成型することによって得られた試料を、前記バインダー用高分子材料の溶解度が低い溶媒に浸漬すること、
前記浸漬して得られた試料を乾燥すること、
前記乾燥して得られた試料を、不活性ガス雰囲気中で炭素化すること、及び、
前記炭素化して得られた試料を二酸化炭素雰囲気で熱処理すること
を含む、空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法。
[2]前記炭素化の前に、前記乾燥して得られた試料を、空気中で不融化することをさらに含む、前記[1]の多孔炭素膜の製造方法。
[3]前記二酸化炭素雰囲気での熱処理を、前記多孔炭素膜における直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が、原料として用いる前記多孔炭素粒子の1.02倍以上になるまで行う、前記[1]又は[2]のいずれかの多孔炭素膜の製造方法。
[4]前記二酸化炭素雰囲気での熱処理を、500℃以上1000℃以下の温度で行う、前記[1]から[3]のいずれか1の多孔炭素膜の製造方法。
[5]前記二酸化炭素雰囲気での熱処理を、二酸化炭素濃度が50%以上の雰囲気で行う前記[1]から[4]のいずれか1の多孔炭素膜の製造方法。
[6]前記多孔炭素膜が、以下の(a)~(d)のすべての条件を満たす、前記[1]から[5]のいずれか1の多孔炭素膜の製造方法。
(a)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が、3.5cm3/g以上、7.0cm3/g以下
(b)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が、2.5cm3/g以上、7.0cm3/g以下
(c)直径200nm以上10,000nm以下の細孔の占める細孔容積が、2.2cm3/g以上、7.0cm3/g以下
(d)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が、900m2/g以上、2000m2/g以下
[7]前記多孔炭素膜が、さらに以下の(e)の条件を満たす、前記[6]の多孔炭素膜の製造方法。
(e)見かけ密度が、0.10g/cm3以上0.20g/cm3以下
[8]前記多孔炭素膜が、さらに以下の(f)の条件を満たす、前記[6]又は[7]の多孔炭素膜の製造方法。
(f)空隙率が、90%以上99%以下
[9]空気電池の製造方法であって、
請求項1から8のいずれか1項に記載の多孔炭素膜の製造方法により多孔炭素膜を製造すること、
前記多孔炭素膜から正極を形成すると共に、負極及びセパレータを準備すること、
前記正極及び負極を、セパレータを介して積層すること、並びに
前記セパレータに電解液を充填すること
を含む、空気電池の製造方法。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
[1] A method for producing a porous carbon membrane for an air battery positive electrode, comprising the steps of:
Preparing a mixture slurry containing porous carbon particles and a polymeric binder material;
Molding the mixture slurry;
immersing the sample obtained by the molding in a solvent in which the binder polymer material has a low solubility;
drying the sample obtained by immersion;
carbonizing the dried sample in an inert gas atmosphere; and
and heat-treating the sample obtained by the carbonization in a carbon dioxide atmosphere.
[2] The method for producing a porous carbon membrane according to [1] above, further comprising infusibly treating the sample obtained by drying in air prior to the carbonization.
[3] The method for producing a porous carbon membrane according to any one of [1] and [2] above, wherein the heat treatment in the carbon dioxide atmosphere is carried out until a pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less in the porous carbon membrane becomes 1.02 times or more of the porous carbon particles used as a raw material.
[4] The method for producing a porous carbon membrane according to any one of [1] to [3] above, wherein the heat treatment in the carbon dioxide atmosphere is carried out at a temperature of 500° C. or higher and 1000° C. or lower.
[5] The method for producing a porous carbon membrane according to any one of [1] to [4], wherein the heat treatment in a carbon dioxide atmosphere is carried out in an atmosphere having a carbon dioxide concentration of 50% or more.
[6] The method for producing a porous carbon membrane according to any one of [1] to [5] above, wherein the porous carbon membrane satisfies all of the following conditions (a) to (d):
(a) the pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 3.5 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less; (b) the pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 2.5 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less; (c) the pore volume occupied by pores having a diameter of 200 nm or more and 10,000 nm or less is 2.2 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less; and (d) the specific surface area occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 900 m 2 /g or more and 2000 m 2 /g or less. [7] The method for producing a porous carbon membrane according to [6] above, wherein the porous carbon membrane further satisfies the following condition (e):
(e) an apparent density of 0.10 g/cm 3 or more and 0.20 g/cm 3 or less. [8] The method for producing a porous carbon membrane according to the above [6] or [7], wherein the porous carbon membrane further satisfies the following condition (f):
(f) a porosity of 90% or more and 99% or less. [9] A method for producing an air battery, comprising the steps of:
Producing a porous carbon membrane by the method for producing a porous carbon membrane according to any one of claims 1 to 8;
forming a positive electrode from the porous carbon membrane and preparing a negative electrode and a separator;
stacking the positive electrode and the negative electrode with a separator interposed therebetween; and filling the separator with an electrolyte.
本発明によれば、大きな細孔容積を有する空気電池正極用の多孔炭素膜が得られるので、高い酸素透過性と高いイオン輸送効率が得られ、かつ、多くの反応場及び反応物貯蔵スペースが得られるから、小型・軽量で大容量化に適した空気電池を提供することができる。 According to the present invention, a porous carbon membrane for an air battery positive electrode having a large pore volume can be obtained, resulting in high oxygen permeability and high ion transport efficiency, and also providing many reaction sites and reactant storage spaces, making it possible to provide a small, lightweight air battery suitable for large capacity.
以下、図面を参照しながら、本発明の構成及び作用効果について、技術的思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。なお、数値範囲の記載(2つの数値を「~」でつないだ記載)については、下限及び上限として記載された数値をも含む意味である。 The configuration and effects of the present invention will be explained below with reference to the drawings, together with technical concepts. However, the mechanism of action includes assumptions, and the correctness of such assumptions does not limit the present invention. Furthermore, among the components in the following embodiments, those components that are not described in the claims that show the highest concept will be described as optional components. Furthermore, descriptions of numerical ranges (two numerical values connected with "~") are meant to include the numerical values described as the lower and upper limits.
[空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法]
本発明の一側面は、空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法である。この一側面に係る実施形態(以下、「本実施形態」と記載することがある。)は、図1に示すように、多孔炭素粒子及びバインダー用高分子材料を含有する合剤スラリーを調製すること(S1)、前記合剤スラリーを成型すること(S2)、前記成型した成型体を、前記バインダー用高分子材料に対して溶解度が低い溶媒に浸漬すること(S3)、前記浸漬した成型体を乾燥すること(S4)、前記乾燥した成型体を、不活性ガス雰囲気中で炭素化すること(S6)、及び前記炭素化した成型体を二酸化炭素雰囲気で熱処理すること(S7)を含む。なお、本実施形態では、前記S6の前に、前記S4で得られた試料を、空気中で不融化すること(S5)をさらに含んでもよい。
以下、各工程について詳述する。
[Method of manufacturing a porous carbon membrane for an air battery positive electrode]
One aspect of the present invention is a method for producing a porous carbon membrane for an air battery positive electrode. As shown in FIG. 1, an embodiment according to this aspect (hereinafter, sometimes referred to as "the present embodiment") includes preparing a mixture slurry containing porous carbon particles and a polymeric material for a binder (S1), molding the mixture slurry (S2), immersing the molded body in a solvent having a low solubility for the polymeric material for a binder (S3), drying the immersed molded body (S4), carbonizing the dried molded body in an inert gas atmosphere (S6), and heat-treating the carbonized molded body in a carbon dioxide atmosphere (S7). Note that, in this embodiment, the sample obtained in S4 may further be infusible in air (S5) before S6.
Each step will be described in detail below.
(S1:合剤スラリー調製)
合剤スラリーは、多孔炭素粒子とバインダー用高分子材料とを含む。
多孔炭素粒子としては、ケッチェンブラック(登録商標)等のカーボンブラック、その他テンプレート法にて形成された炭素粒子などを用いることができる。
バインダー用高分子材料としては、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルフォン、溶媒可溶型ポリイミド等の高分子材料を用いることができる。
多孔炭素粒子及びバインダー用高分子を分散させる溶剤としては、例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)などを用いることができる。
合剤スラリーは、カーボンファイバー及び/又はカーボンナノチューブを含んでもよい。合剤スラリーがカーボンファイバー及び/又はカーボンナノチューブを含むことで、得られる多孔炭素膜を高強度とすることができる。
カーボンファイバーとしては、例えば、直径が0.1μm以上20μm以下、長さが1mm以上20mm以下のものを用いることができる。また、カーボンナノチューブとしては、例えば、直径が0.5nm以上20nm以下、長さが1μm以上20μm以下のものを用いることができる。
合剤スラリー調製時に溶剤と混合する各成分の含有量は、例えば、50質量%以上85質量%以下の多孔炭素粒子、5質量%以上49質量%以下のバインダー用高分子材料、1質量%以上15質量%以下のカーボンファイバー、及び0質量%以上10質量%以下のカーボンナノチューブとすることができる。これらを溶剤に均一に分散して合剤スラリーを調製する。
(S1: Preparation of mixture slurry)
The composite slurry contains porous carbon particles and a polymeric binder material.
As the porous carbon particles, carbon black such as Ketjen Black (registered trademark) and other carbon particles formed by a template method can be used.
As the polymeric material for the binder, polymeric materials such as polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride, polysulfone, and solvent-soluble polyimide can be used.
As a solvent for dispersing the porous carbon particles and the binder polymer, for example, dimethylsulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), etc. can be used.
The mixture slurry may contain carbon fibers and/or carbon nanotubes. When the mixture slurry contains carbon fibers and/or carbon nanotubes, the strength of the resulting porous carbon membrane can be increased.
The carbon fiber may have a diameter of 0.1 μm to 20 μm and a length of 1 mm to 20 mm, and the carbon nanotube may have a diameter of 0.5 nm to 20 nm and a length of 1 μm to 20 μm.
The contents of the components mixed with the solvent when preparing the mixture slurry can be, for example, 50% by mass to 85% by mass of porous carbon particles, 5% by mass to 49% by mass of polymeric material for binder, 1% by mass to 15% by mass of carbon fibers, and 0% by mass to 10% by mass of carbon nanotubes. These are uniformly dispersed in the solvent to prepare the mixture slurry.
(S2:成型)
前記合剤スラリーを成型する方法は、所定の寸法の成形体が得られるものであれば限定されず、例えば、ドクターブレードなどを用いた湿式製膜法を挙げることができる。このほか、ロールコーター法、ダイコーター法、スピンコート法、スプレーコーティング法などを用いてもよい。
成型後の成型体の形状は、目的に応じたものであればよい。空気電池の小型化のためには、均一な厚みのシート状とすることが好ましい。
(S2: Molding)
The method for molding the mixture slurry is not limited as long as it can obtain a molded product of a predetermined size, and examples of the method include a wet film-forming method using a doctor blade, etc. In addition, a roll coater method, a die coater method, a spin coat method, a spray coating method, etc. may also be used.
The shape of the molded body after molding may be any shape depending on the purpose, but in order to reduce the size of the air battery, it is preferable to form the molded body in a sheet shape with a uniform thickness.
(S3:溶媒浸漬)
溶媒浸漬は、工程S2で成型した試料をバインダー用高分子材料の溶解度が低い溶媒中に浸漬する非溶媒誘起相分離法により行う。非溶媒誘起相分離法とは、高分子溶液を、その高分子の貧溶媒に浸漬することで、高分子を相分離析出させる方法である。非溶媒誘起相分離法により、バインダー用高分子材料が多孔炭素粒子同士を結合した状態で相分離析出し、多孔炭素粒子並びに任意成分であるカーボンファイバー及び/又はカーボンナノチューブを骨格とする多孔炭素膜を生成することができる。このとき、合剤スラリーの溶剤のほとんどは、上記の貧溶媒と相溶する。
前記バインダー用高分子材料の溶解度が低い溶媒としては、例えば、水、及びエチルアルコール、メチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコールなどのアルコール、並びにこれらの混合溶媒などを挙げることができる。
(S3: Solvent immersion)
The solvent immersion is performed by a non-solvent induced phase separation method in which the sample molded in step S2 is immersed in a solvent in which the binder polymer material has low solubility. The non-solvent induced phase separation method is a method in which a polymer solution is immersed in a poor solvent for the polymer, thereby causing the polymer to undergo phase separation and precipitation. By the non-solvent induced phase separation method, the binder polymer material undergoes phase separation and precipitation in a state in which the porous carbon particles are bonded to each other, and a porous carbon membrane having a skeleton of the porous carbon particles and the optional components of carbon fibers and/or carbon nanotubes can be produced. At this time, most of the solvent of the mixture slurry is compatible with the poor solvent.
Examples of the solvent in which the binder polymer material has low solubility include water, alcohols such as ethyl alcohol, methyl alcohol, isopropyl alcohol, and butyl alcohol, and mixtures of these.
(S4:乾燥)
乾燥工程は、合剤スラリーの調製に用いた溶剤及び工程S3で使用した貧溶媒を揮発除去するために行う。乾燥方法としては、乾燥空気環境下に置く方法、減圧乾燥法、真空乾燥法などを挙げることができる。この乾燥工程では、乾燥速度を速めるために、溶媒の沸点を超える程度の温度に加温してもよい。
(S4: Drying)
The drying step is performed to volatilize and remove the solvent used in the preparation of the mixture slurry and the poor solvent used in step S3. Examples of the drying method include a method of placing the mixture in a dry air environment, a reduced pressure drying method, a vacuum drying method, etc. In this drying step, the mixture may be heated to a temperature exceeding the boiling point of the solvent in order to increase the drying speed.
(S5:不融化)
不融化処理は、バインダー用高分子材料が、次の工程S6の炭素化処理で溶融分離して炭素粒子同士の結着を損ない、成型体の形状が崩れることを防止する目的で行なう。不融化処理は、使用するバインダー用高分子材料の種類等によっては、実施しないことも可能である。不融化処理が必要なバインダー用高分子材料は、そのまま加熱すると、溶融液状化してしまう構造の高分子であり、溶融液状化防止のため、酸素により分子間架橋を促進し、加熱で溶融液状化しない構造に変化させる必要がある。不融化処理が必要なバインダー用高分子材料の例としては、ポリ塩化ビニル(PVC)及びポリビニルアセテート等が挙げられる。一方、不融化処理が不要なバインダー用高分子材料は、酸素を導入しなくとも、加熱することで、自身の持つ官能基により分子間架橋が進行し、軟化はするが、液状にはならずに炭素化が進行するものである。不融化処理が不要なバインダー用高分子材料の例としては、フェノールホルムアルデヒド樹脂(PF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリフェニレン(PP)及びセルロース等が挙げられる。バインダー用高分子材料のうち、ポリアクリロニトリル(PAN)は、加熱により、軟化はするものの液状にならずに炭素化が進む高分子であるが、PANから炭素繊維を工業的に製造する場合、より架橋反応を進行させるため、空気中200~400℃で不融化処理を行い、高温でも溶融しない繊維に変えた上で炭素化を実施している。後述する実施例では、合剤スラリーの作製のしやすさ、非溶媒誘起相分離のしやすさから、PANを用いており、炭素繊維の工業的製法にならい、不融化を実施している。
(S5: Infusibility)
The infusible treatment is performed for the purpose of preventing the binder polymer material from melting and separating in the carbonization treatment in the next step S6, damaging the bond between the carbon particles, and causing the shape of the molded body to collapse. The infusible treatment may not be performed depending on the type of binder polymer material used. The binder polymer material that requires the infusible treatment is a polymer that melts and liquefies when heated as is, and in order to prevent the melting and liquefying, it is necessary to promote intermolecular crosslinking with oxygen and change the structure to one that does not melt and liquefy when heated. Examples of binder polymer materials that require the infusible treatment include polyvinyl chloride (PVC) and polyvinyl acetate. On the other hand, the binder polymer material that does not require the infusible treatment is a material that, even without oxygen being introduced, undergoes intermolecular crosslinking due to its own functional groups when heated, softening, but does not become liquid, and carbonization proceeds. Examples of binder polymeric materials that do not require infusible treatment include phenol formaldehyde resin (PF), polyvinylidene chloride (PVDC), polyphenylene (PP), and cellulose. Among the binder polymeric materials, polyacrylonitrile (PAN) is a polymer that softens but does not become liquid when heated, and carbonization proceeds. When carbon fiber is industrially produced from PAN, infusible treatment is performed at 200 to 400°C in air to promote crosslinking reaction, and carbonization is performed after changing the PAN into fibers that do not melt even at high temperatures. In the examples described below, PAN is used because of the ease of preparing a mixture slurry and the ease of non-solvent-induced phase separation, and infusible treatment is performed following the industrial production method of carbon fiber.
不融化処理を行う際の雰囲気は、空気循環下、或いは空気流通下で行うことがコスト的に好ましいが、酸素に対して窒素やアルゴンなどの不活性ガスを混合して用いることも可能である。空気を流通する場合の流量は、不融化を十分進行させる点からは、0.1mL/min以上であることが好ましく、1mL/min以上であることがより好ましい。また、製造コストを低減する点からは、100m3/min以下であることが好ましく、50m3/min以下であることがより好ましく、10m3/min以下であることがさらに好ましい。 The infusibilization treatment is preferably performed in an atmosphere under air circulation or air flow from the viewpoint of cost, but it is also possible to use an inert gas such as nitrogen or argon mixed with oxygen. In the case of air flow, the flow rate is preferably 0.1 mL/min or more, more preferably 1 mL/min or more, from the viewpoint of sufficiently progressing the infusibilization. Moreover, in terms of reducing the production cost, it is preferably 100 m3/min or less, more preferably 50 m3/min or less, and even more preferably 10 m3/min or less.
不融化処理を実施する温度は、不融化を十分に進行させる点からは、250℃以上が好ましく、260℃以上がより好ましく、270℃以上がさらに好ましい。不融化処理温度が前記下限値以上であると、十分な不融化により、次の炭素化工程で、バインダー用高分子が溶融して炭素粒子から離れてしまうことなく、多孔炭素膜の強度を維持することができる。また、不融化処理の温度は、350℃以下であることが好ましく、340℃以下であることがより好ましく、330℃以下であることがさらに好ましい。不融化処理の温度が前記上限値以下であると、適度な架橋反応を起こすことができ、空気中に21%存在する酸素との酸化反応によって架橋反応を通り越してバインダー用高分子が酸化燃焼により消失し、多孔膜が破損してしまう事態が生じにくくなる。
不融化での所定処理温度での保持時間は、不融化を十分進行させる点からは、下限は、1min以上が好ましく、10min以上がより好ましく、20min以上がさらに好ましい。また、保持時間の上限は、製造コストを低減する点からは、100hr以下が好ましく、10hr以下がより好ましく、5hr以下がさらに好ましい。
不融化処理での昇温速度の上限は、バインダーとして混合されている高分子の不融化を十分に進行させる点からは、100℃/min以下であることが好ましく、50℃/min以下であることがより好ましく、30℃/min以下であることがさらに好ましい。昇温速度の下限は特に限定されないが、昇温時間を短縮して不融化処理を短時間で終える点からは、0.01℃/min以上であること好ましい。
The temperature at which the infusible treatment is carried out is preferably 250°C or higher, more preferably 260°C or higher, and even more preferably 270°C or higher, in order to sufficiently advance the infusible treatment. When the infusible treatment temperature is equal to or higher than the lower limit, the binder polymer does not melt and separate from the carbon particles in the next carbonization step due to sufficient infusibility, and the strength of the porous carbon membrane can be maintained. In addition, the infusible treatment temperature is preferably 350°C or lower, more preferably 340°C or lower, and even more preferably 330°C or lower. When the infusible treatment temperature is equal to or lower than the upper limit, a moderate crosslinking reaction can be caused, and the binder polymer is lost by oxidative combustion through an oxidation reaction with oxygen present at 21% in the air, which goes beyond the crosslinking reaction, and the porous membrane is less likely to be damaged.
The holding time at a predetermined treatment temperature for infusibility is preferably 1 min or more, more preferably 10 min or more, and even more preferably 20 min or more, from the viewpoint of sufficiently progressing the infusibility, and the upper limit of the holding time is preferably 100 hr or less, more preferably 10 hr or less, and even more preferably 5 hr or less, from the viewpoint of reducing the production cost.
The upper limit of the heating rate in the infusible treatment is preferably 100° C./min or less, more preferably 50° C./min or less, and even more preferably 30° C./min or less, from the viewpoint of sufficiently infusible the polymer mixed as a binder. The lower limit of the heating rate is not particularly limited, but is preferably 0.01° C./min or more, from the viewpoint of shortening the heating time and completing the infusible treatment in a short time.
不融化処理に使用する装置としては、オーブン炉や赤外線炉などが例示される。 Examples of equipment used for the infusibility treatment include ovens and infrared furnaces.
(S6:炭素化)
炭素化処理の目的は、バインダー用高分子材料を炭素に変化させることにある。バインダー用高分子材料を炭素化することで、電気伝導性が向上し、さらには多孔炭素粒子やカーボンファイバー、カーンボンナノチューブとの結着性が増加し、多孔炭素膜の強度が増大する。
炭素化処理は、例えば、オーブン炉、管状炉、ボックス炉、赤外線炉、ベーク炉などを用いて行うことができる。炭素化処理の温度の下限は、バインダー用高分子材料を十分に炭素化する点からは、600℃以上が好ましく、700℃以上がより好ましく、800℃以上がさらに好ましい。他方、汎用の処理装置を使用して処理コストを低減する点からは、炭素化処理の温度は、3000℃以下が好ましく、2000℃以下がより好ましく、1500℃以下がさらに好ましい。
炭素化処理での昇温速度の上限は、多孔炭素膜を十分に炭素化して電子導電性を確保するために、100℃/min以下が好ましく、50℃/min以下がより好ましく、30℃/min以下がさらに好ましい。昇温速度の下限は特に定めないが、炭素化時間を短縮し、製造コストを低減するためには、0.01℃/min以上であることが好ましい。
炭素化処理の雰囲気はアルゴン(Ar)ガス、窒素(N2)ガスなどによる不活性雰囲気が好ましい。不活性ガスは、上記炉に封入した状態でも良いが、フローしながら処理をしても良い。不活性ガスをフローする場合、流量は特に限定されないが、炉の構造に起因する外気の混入の影響を抑制する点からは、0.1mL/min以上が好ましく、1mL/min以上がより好ましく、10mL/min以上がさらに好ましい。他方、処理コストを低減する点からは、不活性ガスの流量は、100m3/min以下が好ましく、50m3/min以下がより好ましく、10m3/min以下がさらに好ましい。
(S6: Carbonization)
The purpose of the carbonization process is to convert the binder polymer material into carbon, which improves electrical conductivity and increases the binding strength with porous carbon particles, carbon fibers, and carbon nanotubes, thereby increasing the strength of the porous carbon film.
The carbonization treatment can be carried out using, for example, an oven furnace, a tubular furnace, a box furnace, an infrared furnace, a bake furnace, etc. The lower limit of the temperature of the carbonization treatment is preferably 600° C. or higher, more preferably 700° C. or higher, and even more preferably 800° C. or higher, from the viewpoint of sufficiently carbonizing the binder polymer material. On the other hand, from the viewpoint of reducing the processing cost by using a general-purpose processing device, the temperature of the carbonization treatment is preferably 3000° C. or lower, more preferably 2000° C. or lower, and even more preferably 1500° C. or lower.
The upper limit of the heating rate in the carbonization treatment is preferably 100° C./min or less, more preferably 50° C./min or less, and even more preferably 30° C./min or less in order to sufficiently carbonize the porous carbon membrane and ensure electronic conductivity. There is no particular lower limit for the heating rate, but in order to shorten the carbonization time and reduce the production cost, it is preferably 0.01° C./min or more.
The carbonization treatment atmosphere is preferably an inert atmosphere such as argon (Ar) gas or nitrogen (N 2 ) gas. The inert gas may be sealed in the furnace, or may be flowed during the treatment. When the inert gas is flowed, the flow rate is not particularly limited, but from the viewpoint of suppressing the influence of the mixing of outside air due to the structure of the furnace, it is preferably 0.1 mL/min or more, more preferably 1 mL/min or more, and even more preferably 10 mL/min or more. On the other hand, from the viewpoint of reducing the treatment cost, the flow rate of the inert gas is preferably 100 m 3 /min or less, more preferably 50 m 3 /min or less, and even more preferably 10 m 3 /min or less.
以上の工程により、自立するに十分で実用的な機械的強度を有する多孔炭素膜が製造される。しかしながら、この多孔炭素膜では、多孔炭素粒子の表面がバインダー用高分子材料の炭素化物で被覆されている。したがって、製造された多孔炭素膜は、原料として用いた多孔炭素粒子に比べ、細孔容積、細孔比表面積が減少したものとなってしまい、原料として用いた多孔炭素粒子の持つ本来の特性を十分に活用できない状況にある。しかし、多孔炭素粒子そのものは粉体であるため、自立できず、そのままでは電極として用いることはできないことから、バインダー用高分子材料を用いて成形することは必須である。 The above steps produce a porous carbon membrane that is self-supporting and has practical mechanical strength. However, in this porous carbon membrane, the surfaces of the porous carbon particles are covered with a carbonized product of the binder polymer material. Therefore, the porous carbon membrane produced has a reduced pore volume and specific pore surface area compared to the porous carbon particles used as raw material, and the inherent properties of the porous carbon particles used as raw material cannot be fully utilized. However, since the porous carbon particles themselves are powder, they cannot stand on their own and cannot be used as an electrode as is, so it is essential to mold them using a binder polymer material.
多孔炭素粒子の表面がバインダー用高分子材料の炭素化物で被覆された多孔炭素膜では、多孔炭素粒子同士の接合部に存在する炭素化物は、多孔炭素膜の構造を維持する結着材として必要であるが、それ以外の大部分は、多孔炭素粒子表面に吸収被覆された状態で存在し、多孔炭素膜の構造維持には寄与しない。そこで、こうした多孔炭素膜の構造維持に寄与しない炭素化物量を減少させる手段として、本実施形態では、後述する二酸化炭素処理を行う。 In a porous carbon film in which the surfaces of porous carbon particles are coated with a carbonized product of a polymeric binder material, the carbonized product present at the junctions between the porous carbon particles is necessary as a binder to maintain the structure of the porous carbon film, but most of the rest exists in a state of being absorbed and coated on the surface of the porous carbon particles and does not contribute to maintaining the structure of the porous carbon film. Therefore, in this embodiment, carbon dioxide treatment, which will be described later, is carried out as a means of reducing the amount of carbonized product that does not contribute to maintaining the structure of the porous carbon film.
(S7:二酸化炭素雰囲気中での熱処理(二酸化炭素処理))
二酸化炭素処理は、本発明の効果を発現するための必須の工程である。
二酸化炭素処理は、例えば、オーブン炉、管状炉、ボックス炉、赤外線炉、ベーク炉などを用いて行うことができる。二酸化炭素処理の温度は500℃以上、1000℃以下であることが好ましい。二酸化炭素処理の温度が500℃以上であると、製造した多孔炭素膜の細孔容積を大きくすることができる。二酸化炭素処理の温度の下限は、好ましくは600℃以上、より好ましくは700℃以上、特に好ましくは800℃以上である。また、処理温度が1000℃以下であると、多孔炭素粒子同士の接合部に存在する炭素化物や多孔炭素粒子の酸化燃焼による減量を効果的に抑制できる。処理温度の上限は、好ましくは980℃以下、より好ましくは950℃以下、特に好ましくは900℃以下である。
(S7: Heat treatment in a carbon dioxide atmosphere (carbon dioxide treatment))
The carbon dioxide treatment is an essential step for achieving the effects of the present invention.
The carbon dioxide treatment can be carried out using, for example, an oven furnace, a tubular furnace, a box furnace, an infrared furnace, a bake furnace, etc. The temperature of the carbon dioxide treatment is preferably 500°C or more and 1000°C or less. When the temperature of the carbon dioxide treatment is 500°C or more, the pore volume of the produced porous carbon membrane can be increased. The lower limit of the temperature of the carbon dioxide treatment is preferably 600°C or more, more preferably 700°C or more, and particularly preferably 800°C or more. In addition, when the treatment temperature is 1000°C or less, the carbonized material present at the joint between the porous carbon particles and the weight loss due to the oxidative combustion of the porous carbon particles can be effectively suppressed. The upper limit of the treatment temperature is preferably 980°C or less, more preferably 950°C or less, and particularly preferably 900°C or less.
二酸化炭素処理の温度での保持時間は、1分以上であることが好ましく、10分以上であることがより好ましく、20分以上であることがさらに好ましく、30分以上であることが特に好ましい。保持時間がこの下限以上であることによって、二酸化炭素による炭素化物の酸化燃焼が進行し、得られる多孔炭素膜の細孔容積を大きくすることができる。また、保持時間は、24時間以下であることが好ましく、10時間以下であることがより好ましく、5時間以下であることがさらに好ましく、2時間以下であることが特に好ましい。保持時間がこの上限を超えないことによって、製造時間を短縮することができると共に、多孔炭素粒子同士の接合部に存在する炭素化物の酸化燃焼による減量を効果的に抑制できる。 The retention time at the carbon dioxide treatment temperature is preferably 1 minute or more, more preferably 10 minutes or more, even more preferably 20 minutes or more, and particularly preferably 30 minutes or more. By having a retention time at or above this lower limit, the oxidative combustion of the carbonized material by carbon dioxide proceeds, and the pore volume of the resulting porous carbon membrane can be increased. In addition, the retention time is preferably 24 hours or less, more preferably 10 hours or less, even more preferably 5 hours or less, and particularly preferably 2 hours or less. By having a retention time not exceeding this upper limit, the production time can be shortened and weight loss due to oxidative combustion of the carbonized material present at the junctions between the porous carbon particles can be effectively suppressed.
二酸化炭素は、製造コストの点からは、希釈せずに用いることが好ましいが、アルゴン(Ar)ガス、窒素(N2)ガスなどの不活性ガスで希釈して用いても良い。希釈して用いる場合の二酸化炭素濃度は、50%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましく、90%以上であることがさらに好ましい。二酸化炭素濃度を高めることによって、炭素化物の酸化燃焼が進みやすくなり、得られる多孔炭素膜の細孔容積を大きくすることができる。二酸化炭素処理は、二酸化炭素を炉に封入した状態で行ってもよく、二酸化炭素ガスをフローしながら行ってもよい。二酸化炭素ガスをフローする場合、流量は特に限定されないが、0.1mL/min以上であることが好ましく、1mL/min以上であることがより好ましく、10mL/min以上であることがさらに好ましい。二酸化炭素ガスの流量がこの下限以上であることにより、炭素化物の酸化燃焼を円滑に進行させることができる。また、流量の上限は特に限定されないが、炭素化物の酸化燃焼に寄与しない二酸化炭素量を減少させて製造コストを抑える点からは、100m3/min以下であることが好ましく、50m3/min以下であることがより好ましく、10m3/min以下であることがさらに好ましい。 From the viewpoint of production cost, carbon dioxide is preferably used without dilution, but may be used after dilution with an inert gas such as argon (Ar) gas or nitrogen (N 2 ) gas. When used after dilution, the carbon dioxide concentration is preferably 50% or more, more preferably 80% or more, and even more preferably 90% or more. By increasing the carbon dioxide concentration, the oxidative combustion of the carbonized material is facilitated, and the pore volume of the obtained porous carbon membrane can be increased. The carbon dioxide treatment may be performed in a state where carbon dioxide is sealed in the furnace, or may be performed while the carbon dioxide gas is flowing. When the carbon dioxide gas is flowed, the flow rate is not particularly limited, but is preferably 0.1 mL/min or more, more preferably 1 mL/min or more, and even more preferably 10 mL/min or more. By setting the flow rate of the carbon dioxide gas to this lower limit or more, the oxidative combustion of the carbonized material can be smoothly promoted. In addition, the upper limit of the flow rate is not particularly limited, but from the viewpoint of reducing the amount of carbon dioxide that does not contribute to the oxidative combustion of the carbonized material and thereby suppressing production costs, it is preferably 100 m 3 /min or less, more preferably 50 m 3 /min or less, and even more preferably 10 m 3 /min or less.
以上の方法で製造することで、多孔炭素膜において、多孔炭素粒子表面に被覆され、多孔炭素膜の構造維持に寄与しないバインダー用高分子材料の炭素化物の量を減少させることができ、多孔炭素粒子が本来持っていた細孔容積や細孔比表面積が表れてくる。さらには、多孔炭素粒子そのものの一部も酸化されることで、細孔容積や細孔比表面積が本来の多孔炭素粒子が持っていたものより増大する。また、バインダー用高分子材料の炭素化物や多孔炭素粒子の一部が焼失することで、その分粒子同士の空隙も増加することになる。しかも、得られた多孔炭素膜は、自立するに十分で実用的な機械的強度を有している。このことは、炭素化処理後に多孔炭素粒子間に存在しているバインダー用高分子材料の炭素化物は、焼失されずに多孔炭素粒子同士の結着に与っていることを示している。これは、前記炭素化物を介して緻密に結着している多孔炭素粒子間には、二酸化炭素が侵入しにくいためと考えることができる。一方で、炭素化処理後に多孔炭素粒子表面に存在する高分子材料の炭素化物のうち、多孔炭素粒子同士の結着に与っていないものに対しては、多孔炭素膜に構築されているメソ孔とマクロ孔とを通って二酸化炭素が届き、酸化燃焼による減量が起きると考えることができる。 By producing the porous carbon film by the above method, the amount of carbonized binder polymer material that covers the surface of the porous carbon particles and does not contribute to maintaining the structure of the porous carbon film can be reduced, and the pore volume and pore specific surface area that the porous carbon particles originally had can be revealed. Furthermore, by oxidizing a part of the porous carbon particles themselves, the pore volume and pore specific surface area are increased compared to those of the original porous carbon particles. In addition, by burning off a part of the carbonized binder polymer material and the porous carbon particles, the gaps between the particles also increase accordingly. Moreover, the obtained porous carbon film has sufficient and practical mechanical strength to stand on its own. This indicates that the carbonized binder polymer material that exists between the porous carbon particles after the carbonization process is not burned off and contributes to the binding of the porous carbon particles. This can be considered to be because carbon dioxide is unlikely to penetrate between the porous carbon particles that are densely bound together via the carbonized material. On the other hand, it is thought that carbon dioxide reaches the carbonized polymer material present on the surface of the porous carbon particles after the carbonization process through the mesopores and macropores in the porous carbon film, which does not contribute to bonding between the porous carbon particles, causing weight loss due to oxidative combustion.
また、酸化処理を酸素や空気ではなく、二酸化炭素で行うことで、酸化処理がマイルドに進むことになる。酸素ガスは酸化燃焼力が高いため、酸素濃度を下げて酸化力を低減させないと、処理される炭素多孔膜が酸化燃焼により消失してしまう。そのため、酸素濃度を0.03%より多く5%未満の範囲内で微妙に制御する必要がある。また酸化処理温度にも敏感で、設定温度より高くなると酸化力が強くなり、多孔膜の酸化燃焼により消失が生じる一方、設定温度より低くなると酸化力が弱まり、必要とする細孔を持つ多孔炭素膜とならないことがある。これに対し、本発明の二酸化炭素ガスでの処理では、酸化がマイルドに進行するため、ガス濃度の微妙な制御が不要となり、二酸化炭素100%での処理でも、好ましい細孔構造を持つ多孔炭素膜を製造することが可能となる。また、酸化処理温度についても、微妙な制御が不要となるため、製造設備の簡略化がはかれる。この点からは、二酸化炭素での酸化処理は、酸素での処理に比べ、多孔炭素膜の製造において、大幅なコストダウンも可能なものといえる。 In addition, by carrying out the oxidation treatment with carbon dioxide, rather than oxygen or air, the oxidation treatment proceeds mildly. Since oxygen gas has a high oxidation combustion power, if the oxygen concentration is not lowered to reduce the oxidation power, the carbon porous film being treated will disappear due to oxidation combustion. Therefore, it is necessary to delicately control the oxygen concentration within the range of more than 0.03% and less than 5%. It is also sensitive to the oxidation treatment temperature, and if the temperature is higher than the set temperature, the oxidation power becomes strong and the porous film disappears due to oxidation combustion, while if the temperature is lower than the set temperature, the oxidation power weakens and the porous carbon film may not have the required pores. In contrast, in the treatment with carbon dioxide gas of the present invention, oxidation proceeds mildly, so delicate control of the gas concentration is not necessary, and it is possible to manufacture a porous carbon film with a preferable pore structure even with treatment with 100% carbon dioxide. In addition, since delicate control of the oxidation treatment temperature is not required, the manufacturing equipment can be simplified. From this point of view, it can be said that oxidation treatment with carbon dioxide can significantly reduce costs in the manufacture of porous carbon films compared to treatment with oxygen.
[多孔炭素膜の物性]
本実施形態により得られる多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が、原料である多孔炭素粒子の直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積より増加することが好ましい。このとき、多孔炭素粒子における直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積に対する、多孔炭素膜における直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積の比である増加倍数は、1.02倍以上であることが好ましく、1.04倍以上であることがより好ましく、1.05倍以上であることがさらに好ましい。増加倍数がこの下限以上であることによって、多孔炭素膜を空気電池の正極に用いた場合に、高容量が得られる。また、増加倍数は、多孔炭素膜の強度を保ち、自立性の維持を可能とするために、10.0倍以下であることがこのましく、8.0倍以下であることがより好ましく、5.0倍以下であることがさらに好ましい。
[Physical properties of porous carbon membrane]
In the porous carbon membrane obtained by this embodiment, the pore volume occupied by the pores having a diameter of 1 nm to 1000 nm is preferably larger than the pore volume occupied by the pores having a diameter of 1 nm to 1000 nm in the raw material porous carbon particles. At this time, the increase factor, which is the ratio of the pore volume occupied by the pores having a diameter of 1 nm to 1000 nm in the porous carbon membrane to the pore volume occupied by the pores having a diameter of 1 nm to 1000 nm in the porous carbon particles, is preferably 1.02 times or more, more preferably 1.04 times or more, and even more preferably 1.05 times or more. By the increase factor being equal to or more than this lower limit, a high capacity can be obtained when the porous carbon membrane is used as a positive electrode of an air battery. In addition, the increase factor is preferably 10.0 times or less, more preferably 8.0 times or less, and even more preferably 5.0 times or less in order to maintain the strength of the porous carbon membrane and maintain its self-supporting property.
また、本実施形態により得られる多孔炭素膜は、多数の空孔を有し、以下の(a)~(d)のすべての条件を満たすことが好ましい。
(a)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が、3.5cm3/g以上7.0cm3/g以下
(b)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.5cm3/g以上7.0cm3/g以下
(c)直径200nm以上10000nm以下の細孔の占める細孔容積が、2.2cm3/g以上7.0cm3/g以下
(d)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が、900m2/g以上、2000m2/g以下
以下、条件(a)~(d)についてそれぞれ詳述する。
Moreover, it is preferable that the porous carbon membrane obtained by this embodiment has a large number of pores and satisfies all of the following conditions (a) to (d).
(a) the pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 3.5 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less; (b) the pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 2.5 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less; (c) the pore volume occupied by pores having a diameter of 200 nm or more and 10,000 nm or less is 2.2 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less; (d) the specific surface area occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 900 m 2 /g or more and 2000 m 2 /g or less. Each of the conditions (a) to (d) is described in detail below.
条件(a)は、直径1nm以上1000nm以下の細孔径範囲の細孔容積がかなり大きいということを表している。この細孔容積は、窒素吸着測定より得られた吸着等温線からBJH(Barrett-Joyner-Hallenda)法を用いて得られる。
条件(a)を満たす多孔炭素膜を空気電池の正極として用いた場合、放電で生成する金属酸化物(リチウム空気電池では過酸化リチウム)をより多く蓄えることができるため、高い放電容量特性を持つ電池を提供できる。また、細孔容積に比例して、この細孔径範囲の細孔を通過する空気の総量が増大することで、多孔炭素膜体内で空気の透過拡散がしやすくなる。このため、電池外部から正極内へ導入された空気は、炭素骨格を形成している炭素粒子の隅々まで、高速でいきわたることができる。さらには、この細孔径範囲の細孔は、金属イオン(リチウム空気電池ではLiイオン)の移動経路となるため、その容積が大きいことで、金属イオンがスムーズに移動可能となり、空気や酸素の透過拡散性の高さと相まって、高速放電特性、すなわち高負荷特性に優れた空気電池を提供できる。
したがって、より大きな放電容量と高負荷特性に優れた空気電池を得る点からは、上記の細孔容積は3.5cm3/g以上であることが好ましく、3.6cm3/g以上であることがより好ましく、3.7cm3/g以上であることがさらに好ましい。また、多孔炭素膜の強度を維持する点からは、上記の細孔容積は、7.0cm3/g以下であることが好ましく、6.0cm3/g以下であることがより好ましい。
Condition (a) indicates that the pore volume in the pore diameter range of 1 nm to 1000 nm is considerably large. This pore volume is obtained by using the Barrett-Joyner-Hallenda (BJH) method from an adsorption isotherm obtained by nitrogen adsorption measurement.
When the porous carbon membrane satisfying the condition (a) is used as the positive electrode of an air battery, it is possible to store more metal oxides (lithium peroxide in a lithium-air battery) generated by discharge, and thus a battery having high discharge capacity characteristics can be provided. In addition, the total amount of air passing through the pores in this pore size range increases in proportion to the pore volume, which facilitates the permeation and diffusion of air within the porous carbon membrane. Therefore, air introduced from outside the battery into the positive electrode can reach every corner of the carbon particles forming the carbon skeleton at high speed. Furthermore, since the pores in this pore size range serve as a migration path for metal ions (Li ions in a lithium-air battery), the large volume allows the metal ions to move smoothly, and combined with the high permeation and diffusion of air and oxygen, an air battery having excellent high-speed discharge characteristics, i.e., high-load characteristics, can be provided.
Therefore, from the viewpoint of obtaining an air battery having a larger discharge capacity and excellent high-load characteristics, the pore volume is preferably 3.5 cm3/g or more, more preferably 3.6 cm3/g or more, and even more preferably 3.7 cm3/g or more. Also, from the viewpoint of maintaining the strength of the porous carbon membrane, the pore volume is preferably 7.0 cm3/g or less, and more preferably 6.0 cm3/g or less.
条件(b)は、直径1nm以上200nm以下の比較的小さな範囲の細孔の占める細孔容積が大きく、より小さな細孔の数が多いことを表している。この細孔容積も、窒素吸着測定より得られた吸着等温線からBJH(Barrett-Joyner-Hallenda)法を用いて得られる。
条件(b)を満たす多孔炭素膜を空気電池の正極に用いた場合、放電で金属イオンと酸素と電子が反応して生成する酸化物を多く蓄える与えることが可能となり、高放電容量を示す電池を提供できる。
したがって、大きな放電容量を得る点からは、上記の細孔径範囲の細孔容積は2.5cm3/g以上であることが好ましく、2.6cm3/g以上であることがより好ましい。
また、より酸素透過拡散性が高い直径200nmを超える細孔の容積を確保し、高負荷での放電特性にも優れる、すなわち高速での放電容量も大きいものとする点からは、上記の細孔径範囲の細孔容積は、7.0cm3/g以下であることが好ましく、6.0cm3/g以下であることがより好ましく、5.0cm3/g以下であることがさらに好ましい。
Condition (b) indicates that the pore volume occupied by pores having a diameter in the range of 1 nm to 200 nm is large, and the number of smaller pores is large. This pore volume is also obtained by using the BJH (Barrett-Joyner-Hallenda) method from the adsorption isotherm obtained by nitrogen adsorption measurement.
When a porous carbon membrane satisfying the condition (b) is used for the positive electrode of an air battery, it becomes possible to store a large amount of oxide generated by the reaction of metal ions, oxygen, and electrons during discharge, and it is possible to provide a battery exhibiting a high discharge capacity.
Therefore, in order to obtain a large discharge capacity, the pore volume in the above pore diameter range is preferably 2.5 cm 3 /g or more, and more preferably 2.6 cm 3 /g or more.
In order to ensure a volume of pores with a diameter exceeding 200 nm, which have higher oxygen permeability and diffusivity, and to have excellent discharge characteristics under high loads, i.e., a large discharge capacity at high speed, the pore volume in the above pore diameter range is preferably 7.0 cm 3 /g or less, more preferably 6.0 cm 3 /g or less, and even more preferably 5.0 cm 3 /g or less.
条件(c)は、直径200m以上10000nm以下の細孔の占める細孔容積が十分に大きいことを表す。この細孔径領域の細孔容積は、水銀圧入法により測定した値を用いて得られる。
直径がこの範囲にある細孔は、主に、電池外部の酸素が、正極である多孔炭素膜の内部に侵入するために働く。このため、この範囲の直径を有する細孔容積が十分に大きい多孔炭素膜を空気電池の正極に用いると、放電時の正極反応で必要な酸素が高速で侵入することができるから、高電流密度での放電容量が大きい、すなわち高負荷特性に優れた電池となる。また、充電時には、金属酸化物が正極に電子を渡して、金属イオンと酸素になるが、この範囲の直径を有する細孔容積が十分に大きいことで、発生した酸素の多孔炭素膜からの抜けがよくなり、高速での充電が可能となる。
したがって、正極への酸素の侵入と抜けとを高速で実現する点から、上記の細孔容積の下限は、2.2cm3/g以上であることが好ましく、2.3cm3/g以上であることがより好ましく、2.4cm3/g以上であることがさらに好ましい。
また、上記の細孔容積が大きすぎないことで、多孔炭素膜の強度を保持できることから、該細孔容積の上限は、7.0cm3/g以下であることが好ましく、6.0cm3/g以下であることがより好ましく、5.0cm3/g以下であることがさらに好ましい。
Condition (c) indicates that the pore volume occupied by pores having a diameter of 200 nm or more and 10,000 nm or less is sufficiently large. The pore volume in this pore size range is obtained using a value measured by mercury intrusion porosimetry.
The pores with diameters in this range mainly function to allow oxygen from outside the battery to penetrate into the porous carbon membrane, which is the positive electrode. Therefore, if a porous carbon membrane with a sufficiently large pore volume having a diameter in this range is used as the positive electrode of an air battery, the oxygen required for the positive electrode reaction during discharge can penetrate at high speed, resulting in a battery with a large discharge capacity at high current density, i.e., excellent high-load characteristics. During charging, the metal oxide transfers electrons to the positive electrode to become metal ions and oxygen, and if the pore volume with a diameter in this range is sufficiently large, the generated oxygen can easily escape from the porous carbon membrane, enabling high-speed charging.
Therefore, in order to realize high speed intrusion and release of oxygen into and from the positive electrode, the lower limit of the pore volume is preferably 2.2 cm 3 /g or more, more preferably 2.3 cm 3 /g or more, and even more preferably 2.4 cm 3 /g or more.
Furthermore, since the strength of the porous carbon membrane can be maintained by not having the pore volume be too large, the upper limit of the pore volume is preferably 7.0 cm 3 /g or less, more preferably 6.0 cm 3 /g or less, and even more preferably 5.0 cm 3 /g or less.
条件(d)は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が大きいことを示している。空気電池の放電時の正極反応は、負極から移動してきた金属イオンと、正極の外気側から移動拡散してきた酸素とが、正極内部の細孔内で細孔内表面から電子を受け取って金属酸化物を生成する反応である。このため、上記の比表面積が大きいことで、空気電池の正極に用いた際にこの反応を生じる場が多くなり、放電がよりスムーズに行われる結果、高負荷特性に優れる電池が得られる。
前記の比表面積の下限は、反応場を確保する点からは、900m2/g以上であることが好ましく、1000m2/g以上であることがより好ましい。また、前記の比表面積の上限は、多孔炭素膜の強度を維持する点からは、2000m2/gであることが好ましく、1600m2/g以下であることがより好ましい。
Condition (d) indicates that the specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is large. The positive electrode reaction during discharge of the air battery is a reaction in which metal ions that have migrated from the negative electrode and oxygen that has migrated and diffused from the outside air side of the positive electrode receive electrons from the inner surface of the pores inside the positive electrode to generate metal oxide. Therefore, by having a large specific surface area, there are more places where this reaction occurs when used in the positive electrode of the air battery, and discharge is performed more smoothly, resulting in a battery with excellent high-load characteristics.
The lower limit of the specific surface area is preferably 900 m 2 /g or more, more preferably 1000 m 2 /g or more, from the viewpoint of ensuring a reaction field, and the upper limit of the specific surface area is preferably 2000 m 2 /g or more, more preferably 1600 m 2 /g or less, from the viewpoint of maintaining the strength of the porous carbon membrane.
本実施形態により得られる多孔炭素膜は、前記の条件(a)~(d)に加えて、次の条件(e)を満たすことが好ましい。
(e)見かけ密度が、0.10g/cm3以上0.20cm3/g以下
多孔炭素膜の見かけ密度がこの範囲であれば、多孔炭素膜は、酸素が透過拡散するのに必要な空孔を十分に有し、かつ、強度も十分である。したがって、自立性を有する多孔炭素膜とすることができ、金属メッシュ等を使用することなく、空気電池の正極に供することができる。これにより、電池の軽量化、小型化、生産性の向上、低コスト化を可能にする。見かけ密度は、多孔炭素膜の質量をその体積で割って求めることができる。
見かけ密度が小さすぎないことで、多孔炭素膜の強度が大きくなり、金属メッシュ等の集電体に付着させることなく正極とすることができる。この点からは、見かけ密度の下限は、0.10g/cm3以上であることが好ましく、0.11g/cm3以上であることがより好ましく、0.12g/cm3以上であることがさらに好ましい。これにより、空孔を有し、かつ、高い強度を有する多孔炭素膜を得ることができる。
また、見かけ密度が小さいと、多孔炭素膜に存在する空孔量が多くなり、容量が大きく、負荷特性に優れる空気電池が得られる。この点からは、見かけ密度の上限は、0.20g/cm3以下であることが好ましく、0.19g/cm3以下であることがより好ましく、0.18g/cm3以下であることがさらに好ましい。
The porous carbon membrane obtained by this embodiment preferably satisfies the following condition (e) in addition to the above conditions (a) to (d).
(e) Apparent density is 0.10 g/cm 3 or more and 0.20 cm 3 /g or less If the apparent density of the porous carbon membrane is in this range, the porous carbon membrane has sufficient pores necessary for oxygen to permeate and diffuse, and has sufficient strength. Therefore, it can be made into a self-supporting porous carbon membrane, and can be used as the positive electrode of an air battery without using a metal mesh or the like. This enables the battery to be made lighter, smaller, more productive, and less expensive. The apparent density can be calculated by dividing the mass of the porous carbon membrane by its volume.
When the apparent density is not too small, the strength of the porous carbon membrane is increased, and the porous carbon membrane can be used as a positive electrode without being attached to a current collector such as a metal mesh. From this point of view, the lower limit of the apparent density is preferably 0.10 g/cm 3 or more, more preferably 0.11 g/cm 3 or more, and even more preferably 0.12 g/cm 3 or more. This makes it possible to obtain a porous carbon membrane having pores and high strength.
In addition, when the apparent density is small, the amount of pores present in the porous carbon membrane is large, and an air battery having a large capacity and excellent load characteristics is obtained. From this point of view, the upper limit of the apparent density is preferably 0.20 g/ cm3 or less, more preferably 0.19 g/ cm3 or less, and further preferably 0.18 g/ cm3 or less.
本実施形態により得られる多孔炭素膜は、前記の条件(a)~(d)又は前記条件(a)~(e)に加えて、次の条件(f)を満たすことが好ましい。
(f)空隙率が、90%以上99%以下
多孔炭素膜の空隙率は、見かけ密度と真密度とから、(1-多孔炭素膜の見かけ密度/多孔炭素膜の構成材料の真密度)により求めることができる。空隙率が上記下限以上であることは、十分に大きい空隙率を有することを表す。このような多孔炭素膜を空気電池の正極に用いた場合、放電で生成する金属酸化物を多く蓄えることができ、電池外部から正極内への空気や酸素の侵入が抵抗少なくスムーズに行われるため、高い放電容量を有し、かつ、高速での放電が可能な電池を提供できる。
また、空隙率が上記上限以下であることで、多孔炭素膜としての剛性及び強度を確保し、自立が可能となる。空隙率の上限は98%以下であることがより好ましい。
The porous carbon membrane obtained by this embodiment preferably satisfies the following condition (f) in addition to the above conditions (a) to (d) or the above conditions (a) to (e).
(f) Porosity is 90% or more and 99% or less The porosity of the porous carbon membrane can be calculated from the apparent density and the true density by (1-apparent density of the porous carbon membrane/true density of the material constituting the porous carbon membrane). The porosity being equal to or greater than the lower limit indicates that the membrane has a sufficiently large porosity. When such a porous carbon membrane is used in the positive electrode of an air battery, a large amount of metal oxide generated by discharge can be stored, and air and oxygen can smoothly invade the positive electrode from the outside of the battery with little resistance, so that a battery having a high discharge capacity and capable of high-speed discharge can be provided.
Furthermore, by keeping the porosity at or below the above upper limit, the rigidity and strength of the porous carbon membrane are ensured, and the membrane can stand on its own.The upper limit of the porosity is preferably 98% or less.
[空気電池の製造方法]
本発明の他の側面は、上述した方法で多孔炭素膜を製造すること、前記多孔炭素膜から正極を形成すると共に、負極及びセパレータを準備すること、前記多孔炭素膜及び負極を、セパレータを介して積層すること、並びに前記セパレータに電解液を充填することを含む空気電池の製造方法である。以下、この側面について、コインセル、及び積層型電池の製造方法を例として挙げ、図面を参照しながら説明する。
[Method of manufacturing air battery]
Another aspect of the present invention is a method for producing an air battery, comprising the steps of producing a porous carbon membrane by the above-mentioned method, forming a positive electrode from the porous carbon membrane, preparing a negative electrode and a separator, stacking the porous carbon membrane and the negative electrode with the separator interposed therebetween, and filling the separator with an electrolyte. Hereinafter, this aspect will be described with reference to the drawings, taking as examples a method for producing a coin cell and a stacked battery.
(コインセル)
図2は、コインセルの一例を示す模式図である。
コインセル600は、負極構造体610と正極構造体620とがセパレータ660を介して積層された積層構造体で構成される。そして、この積層構造体はコインセル型拘束具630により拘束されている。なお、コインセル型拘束具630と金属メッシュ680の間には絶縁性のOリングが配置され(図示なし)、拘束具630と正極構造体620との絶縁性が確保されている。
(Coin Cell)
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a coin cell.
The coin cell 600 is composed of a laminated structure in which a negative electrode structure 610 and a positive electrode structure 620 are laminated with a separator 660 interposed therebetween. This laminated structure is restrained by a coin cell type restraining device 630. An insulating O-ring (not shown) is disposed between the coin cell type restraining device 630 and the metal mesh 680, ensuring insulation between the restraining device 630 and the positive electrode structure 620.
負極構造体610は、集電体635と、集電体635上に配置された金属層640と、その両端に配置された柱状のスペーサ650とにより構成され、金属層640と、セパレータ660との間には、空間670が設けられ、電解液が充填されている。
金属層640は、アルカリ金属、及び/又は、アルカリ土類金属を含有することが好ましい。なかでも、リチウム金属からなる層が好ましい。
The negative electrode structure 610 is composed of a current collector 635, a metal layer 640 arranged on the current collector 635, and columnar spacers 650 arranged on both ends of the current collector 635. A space 670 is provided between the metal layer 640 and the separator 660, and is filled with an electrolyte.
The metal layer 640 preferably contains an alkali metal and/or an alkaline earth metal, and is particularly preferably a layer made of lithium metal.
正極構造体620は、集電体である金属含有のメッシュ(金属メッシュ)680に機械的及び電気的に接触した多孔炭素膜690を備える。この場合、金属メッシュ680は、正極基材となり、空気又は酸素が通る流路の機能も兼ね備える。
負極構造体610と正極構造体620の間には、セパレータ660が配置される。
The positive electrode structure 620 includes a porous carbon membrane 690 in mechanical and electrical contact with a metal-containing mesh (metal mesh) 680, which is a current collector. In this case, the metal mesh 680 serves as a positive electrode substrate and also functions as a flow path through which air or oxygen passes.
A separator 660 is disposed between the negative electrode structure 610 and the positive electrode structure 620 .
以下、コインセル600の製造方法の一例について、説明する。
まず、負極構造体610を準備する。円盤状の集電体635の上に、集電体635と同心状で集電体635より径の小さな円盤状のリチウム等による金属層640を積層し、集電体635の上に柱状のスペーサ650を押し付け、負極構造体610を得る。
An example of a method for manufacturing the coin cell 600 will be described below.
First, a negative electrode structure 610 is prepared. A disk-shaped metal layer 640 made of lithium or the like is laminated on a disk-shaped current collector 635, the metal layer 640 being concentric with the current collector 635 and having a smaller diameter than the current collector 635, and a columnar spacer 650 is pressed onto the current collector 635, thereby obtaining a negative electrode structure 610.
スペーサ650は、絶縁体である。素材としては、金属酸化物、金属窒化物、及び、金属酸窒化物等であってよい。例えば、Al2O3、Ta2O5、TiO2、ZnO、ZrO2、SiO2、B2O3、P2O5、GeO2、Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、BaO、Si3N4、AlN、及び、AlOxN1-x(0<x<1)等であってもよい。なかでも、Al2O3、及びSiO2は、入手が容易であり、加工性に優れるため好ましい。 The spacer 650 is an insulator. The material may be a metal oxide, a metal nitride, a metal oxynitride, or the like. For example, Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , ZnO, ZrO 2 , SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, SrO, BaO, Si 3 N 4 , AlN, and AlO x N 1-x (0<x<1), or the like. Among them, Al 2 O 3 and SiO 2 are preferable because they are easily available and have excellent processability.
スペーサ650は、樹脂であってもよい。樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂、及び、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)系樹脂等が挙げられる。ポリオレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、及び、ポリプロピレン等が挙げられる。ポリエステル系樹脂は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、及び、ポリトリブチレンテレフタレート(PTT)等が挙げられる。これらの樹脂は、入手が容易であり、加工性に優れるため好ましい。 The spacer 650 may be made of a resin. Examples of the resin include polyolefin resin, polyester resin, polyimide resin, and polyether ether ketone (PEEK) resin. Examples of the polyolefin resin include polyethylene and polypropylene. Examples of the polyester resin include polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene naphthalate (PEN), and polytributylene terephthalate (PTT). These resins are preferred because they are easily available and have excellent processability.
次に、セパレータ660をスペーサ650上に押し付ける。
金属層640とスペーサ650とセパレータ660との間には、空間670が設けられる。
セパレータ660は、アルカリ金属イオン、及び/又はアルカリ土類金属イオンを通過させることが可能な多孔質の絶縁体である。セパレータ660は、金属層640、及び、電解液との反応性を有さない任意の無機材料(金属材料を含む)、及び、有機材料である。
セパレータ660の素材は、ポリエチレン、ポリプロピレン、及び、ポリオレフィン等の樹脂、及び、ガラス等でよい。セパレータ660は、織布であっても、不織布であってもよい。
The separator 660 is then pressed onto the spacer 650 .
A space 670 is provided between the metal layer 640 , the spacer 650 and the separator 660 .
The separator 660 is a porous insulator that allows alkali metal ions and/or alkaline earth metal ions to pass through it. The separator 660 is any inorganic material (including metallic materials) or organic material that is non-reactive with the metal layer 640 and the electrolyte.
The material of the separator 660 may be a resin such as polyethylene, polypropylene, or polyolefin, glass, etc. The separator 660 may be a woven fabric or a nonwoven fabric.
その後、セパレータ660に電解液を充填する。このとき、併せて空間670にも電解液を充填する。 Then, the separator 660 is filled with electrolyte. At this time, the space 670 is also filled with electrolyte.
電解液としては、アルカリ金属塩、及び/又はアルカリ土類金属塩を含有する、水系又は非水系の任意の電解液が使用できる。水系電解液がリチウム塩を含む場合、リチウム塩としては、例えば、LiOH、LiCl、LiNO3、及び、Li2SO4等が使用でき、溶媒としては水、又は、水溶性の溶媒を用いることができる。 The electrolyte may be any aqueous or non-aqueous electrolyte containing an alkali metal salt and/or an alkaline earth metal salt. When the aqueous electrolyte contains a lithium salt, the lithium salt may be, for example, LiOH, LiCl, LiNO 3 , or Li 2 SO 4 , and the solvent may be water or a water-soluble solvent.
非水系電解液(非水電解液)がリチウム塩を含む場合、リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiSiF6、LiAsF6、LiN(SO2C2F5)2、Li(FSO2)2N、LiCF3SO3(LiTfO)、Li(CF3SO2)2N(LiTFSI)、LiC4F9SO3、LiClO4、LiAlO2、LiAlCl4、及び、LiB(C2O4)2等が使用できる。 When the non-aqueous electrolyte (nonaqueous electrolyte) contains a lithium salt, examples of the lithium salt that can be used include LiPF6 , LiBF4 , LiSbF6 , LiSiF6 , LiAsF6 , LiN( SO2C2F5 ) 2 , Li( FSO2 ) 2N , LiCF3SO3 ( LiTfO ) , Li( CF3SO2 ) 2N ( LiTFSI), LiC4F9SO3 , LiClO4 , LiAlO2 , LiAlCl4 , and LiB ( C2O4 ) 2 .
非水電解液に用いる非水溶媒としては、グライム類(モノグライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライム)、メチルブチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルブチルエーテル、ジブチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、シクロヘキサノン、ジオキサン、ジメトキシエタン、2-メチルテトラヒドロフラン、2,2-ジメチルテトラヒドロフラン、2,5-ジメチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n-プロピル、酢酸ジメチル、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ポリエチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、デカノリド、バレロラクトン、メバロノラクトン、カプロラクトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、ニトロメタン、ニトロベンゼン、トリエチルアミン、トリフェニルアミン、テトラエチレングリコールジアミン、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホン、テトラメチレンスルホン、トリエチルホスフィンオキシド、1,3-ジオキソラン、及び、スルホラン等が挙げられる。 Non-aqueous solvents used in non-aqueous electrolytes include glymes (monoglyme, diglyme, triglyme, tetraglyme), methyl butyl ether, diethyl ether, ethyl butyl ether, dibutyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, cyclohexanone, dioxane, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, 2,2-dimethyltetrahydrofuran, 2,5-dimethyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, dimethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl formate, ethyl formate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethane, etc. These include ethyl methyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, polyethylene carbonate, gamma-butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, acetonitrile, benzonitrile, nitromethane, nitrobenzene, triethylamine, triphenylamine, tetraethylene glycol diamine, dimethylformamide, diethylformamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfone, tetramethylene sulfone, triethylphosphine oxide, 1,3-dioxolane, and sulfolane.
しかる後、多孔炭素膜690上に金属メッシュ680が配置された正極構造体620を準備する。
金属メッシュ680としては、例えば、銅(Cu)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、及びパラジウム(Pd)からなる群より選択される少なくとも1種の金属を有するメッシュが使用できる。すなわち、この群から選ばれる金属単体、この群から選ばれる金属を含む合金、この群から選ばれる金属と炭素(C)や窒素(N)などとの化合物からなるメッシュを挙げることができる。合金の場合、鉄(Fe)、クロム(Cr)を含むこともできる。メッシュは、例えば、厚さ0.2mm、目開き1mmとすることができる。
Thereafter, a positive electrode structure 620 is prepared in which a metal mesh 680 is disposed on a porous carbon membrane 690 .
As the metal mesh 680, for example, a mesh having at least one metal selected from the group consisting of copper (Cu), tungsten (W), aluminum (Al), nickel (Ni), titanium (Ti), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and palladium (Pd) can be used. That is, examples include a mesh made of a simple metal selected from this group, an alloy containing a metal selected from this group, and a compound of a metal selected from this group and carbon (C) or nitrogen (N). In the case of an alloy, it may also contain iron (Fe) or chromium (Cr). The mesh may have a thickness of 0.2 mm and a mesh size of 1 mm, for example.
その後、電解液で充填させた負極構造体610に正極構造体620がセパレータ660を介して貼り合わせ、拘束具630で拘束してコインセル600を得る。ここで、実装は乾燥空気下、例えば露点温度-50℃以下の乾燥空気下で行うことが好ましい。
以上の工程により、コインセル600が製造される。
なお、コインセル600は、正極構造体620として、多孔炭素膜690と、金属メッシュ680とを有しているが、本発明の空気電池は、上記に制限されず、正極構造体620として、多孔炭素膜690のみを有していてもよい。
Thereafter, the positive electrode structure 620 is attached to the negative electrode structure 610 filled with the electrolyte via a separator 660, and the assembly is restrained by a restraining tool 630 to obtain a coin cell 600. Here, the mounting is preferably performed in dry air, for example, in dry air with a dew point temperature of −50° C. or lower.
Through the above steps, the coin cell 600 is manufactured.
Although the coin cell 600 has a porous carbon membrane 690 and a metal mesh 680 as the positive electrode structure 620, the air battery of the present invention is not limited to the above and may have only the porous carbon membrane 690 as the positive electrode structure 620.
製造されたコインセル600は、多孔炭素膜690を使用した正極構造体620が、優れた高い空気又は酸素透過性を有しており、多量の酸素を取り込むことが可能であり、高いイオン輸送効率を有しており、広い反応場を有しているため、小型、軽量でも大きな容量を有する優れた空気電池とすることができる。 The manufactured coin cell 600 has a positive electrode structure 620 using a porous carbon membrane 690 that has excellent air or oxygen permeability, can take in a large amount of oxygen, has high ion transport efficiency, and has a large reaction field, making it an excellent air battery that is small, lightweight, and has a large capacity.
(積層型空気電池)
図3は、積層型空気電池の一例を示す模式図である。
積層型空気電池500は、正極構造体510と負極構造体100とがセパレータ540を介して積層された積層構造を備える。積層数は、正極構造体510と負極構造体100とが各々1からなる1対を単位として、1対以上複数対でよく、対数に特段の上限はない。
(Stacked air battery)
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a stacked-type air battery.
The stacked air battery 500 has a stacked structure in which a positive electrode structure 510 and a negative electrode structure 100 are stacked via a separator 540. The number of stacked pairs may be one or more pairs, with one positive electrode structure 510 and one negative electrode structure 100 being regarded as one pair, and there is no particular upper limit to the number of pairs.
負極構造体100は、一対の負極活物質層(金属層)と、それらにより挟まれる負極集電体520から構成されている。 The negative electrode structure 100 is composed of a pair of negative electrode active material layers (metal layers) and a negative electrode current collector 520 sandwiched between them.
一方、正極構造体510は、多孔炭素膜550とガス拡散層560とからなる一対の積層体が、正極集電体525を挟むように構成される。なお、正極集電体525側から、順に、ガス拡散層560、多孔炭素膜550が配置されている。 On the other hand, the positive electrode structure 510 is configured such that a pair of laminates consisting of a porous carbon membrane 550 and a gas diffusion layer 560 sandwich the positive electrode current collector 525. The gas diffusion layer 560 and the porous carbon membrane 550 are arranged in this order from the positive electrode current collector 525 side.
正極構造体510のガス拡散層560は、これを通して空気、酸素、及びその他のガスを電池外部と多孔炭素膜550の間を行き来させる。またガス拡散層は、多孔炭素膜550と正極集電体525間での電子の移動路としても働く。ガス拡散層は、上記のガスの移動路として働くため、通気性を有する連通孔を持っていることが必要であり、また電子電導性を持っていることが必要となる。ガス拡散層としては、例えば、東レのカーボンペーパーTGP-H、クレハのクレカ(登録商標)E704等が使用できる。 The gas diffusion layer 560 of the positive electrode structure 510 allows air, oxygen, and other gases to pass between the outside of the battery and the porous carbon membrane 550. The gas diffusion layer also acts as a path for electrons to move between the porous carbon membrane 550 and the positive electrode current collector 525. Since the gas diffusion layer acts as a path for the gases, it is necessary for it to have air-permeable communicating holes and to have electronic conductivity. For example, Toray's carbon paper TGP-H and Kureha's KRECA (registered trademark) E704 can be used as the gas diffusion layer.
正極集電体525は、外部との電気的接続機能と共に空気又は酸素の流路の機能も有しているため、本空気電池500はより単純な構造でより大きな容量が得られるようになっている。 The positive electrode current collector 525 functions as an air or oxygen flow path in addition to being electrically connected to the outside, so that the air battery 500 has a simpler structure and can achieve a larger capacity.
負極集電体520、及び正極集電体525としては、例えば、銅(Cu)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、及び、パラジウム(Pd)、等の金属、並びに、これらの合金、及び、これらの化合物(例えば、炭素及び/又は窒素との化合物)が使用できる。合金の場合、鉄(Fe)、クロム(Cr)を含むこともできる。 For the negative electrode current collector 520 and the positive electrode current collector 525, for example, metals such as copper (Cu), tungsten (W), aluminum (Al), nickel (Ni), titanium (Ti), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and palladium (Pd), as well as alloys and compounds of these (e.g., compounds with carbon and/or nitrogen) can be used. In the case of alloys, iron (Fe) and chromium (Cr) can also be included.
次に積層型空気電池500の製造方法について説明する。
負極構造体100を、一対の負極金属と、それらにより挟まれる負極集電体520から構成し、負極集電体520を外部に引き出すようにセパレータ540で囲み、セパレータ内の空間に電解液を充填する。
正極構造体510を、多孔炭素膜550とガス拡散層560とからなる一対の積層体と、それらにより挟まれる正極集電体525から構成する。なお、正極集電体525側から、順に、ガス拡散層560、多孔炭素膜550を配置する。正極集電体525及び負極集電体520の引き出し方向は、特に限定されない。
負極構造体100と、正極構造体510とをセパレータ540を介して積層し、積層型空気電池500を作製する。なお、この積層型空気電池は収納容器(図示せず)に収容されてもよい。
Next, a method for manufacturing the stacked air battery 500 will be described.
The negative electrode structure 100 is composed of a pair of negative electrode metals and a negative electrode current collector 520 sandwiched between them, and the negative electrode current collector 520 is surrounded by a separator 540 so as to extend to the outside, and the space within the separator is filled with an electrolyte.
The positive electrode structure 510 is composed of a pair of laminates each made of a porous carbon membrane 550 and a gas diffusion layer 560, and a positive electrode current collector 525 sandwiched therebetween. The gas diffusion layer 560 and the porous carbon membrane 550 are arranged in this order from the positive electrode current collector 525 side. The direction in which the positive electrode current collector 525 and the negative electrode current collector 520 are drawn out is not particularly limited.
The negative electrode structure 100 and the positive electrode structure 510 are laminated with a separator 540 interposed therebetween to produce a stacked type air battery 500. This stacked type air battery may be housed in a storage container (not shown).
なお、本明細書では、図2及び図3を参照して、空気電池の製造方法について詳述したが、本実施形態により得られた多孔炭素膜を用いる正極は、他の任意の空気電池の製造方法に適用できる。 In this specification, the method for manufacturing an air battery has been described in detail with reference to Figures 2 and 3, but the positive electrode using the porous carbon membrane obtained by this embodiment can be applied to any other method for manufacturing an air battery.
以下、本実施形態を実施例により詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。 The present embodiment will be described in detail below with reference to examples, but the present embodiment is not limited to these.
以下の実施例及び比較例で使用した多孔炭素粒子、並びに得られた多孔炭素膜の物性は、以下の方法により測定した。
(1)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積
3Flex(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いて、窒素吸着法により得られた吸着等温線からBJH(Barrett-Joyner-Hallenda)法を用いて求めた。
(2)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積
3Flex(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いて、窒素吸着法により得られた吸着等温線からBJH法を用いて求めた。
(3)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積
3Flex(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いて、窒素吸着法により得られた吸着等温線からBJH法を用いて求めた。
(4)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める比表面積
3Flex(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いて、窒素吸着法により得られた吸着等温線からBJH法を用いて求めた。
(5)直径200nm以上10,000nm以下の細孔の占める細孔容積
AutoPoreIV(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いた水銀圧入法により、細孔径10nm~200,000nm(0.01μm~200μm)の範囲の細孔容積を測定し、測定結果から、細孔直径200nmから10,000nmの細孔容積を算出した。
(6)BET法比表面積
3Flex(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いて窒素吸着法により得られた吸着等温線からBET(Brunauer―Emmett―Teller)法に従って求めた。
(7)多孔炭素膜の見かけ密度
多孔炭素膜の質量をその体積で割って求めた。
(8)空隙率(%)
次記の計算により求めた。
(1-多孔炭素膜の見かけ密度/多孔炭素膜を構成材料の真密度)×100
(9)炭素化収率(%)
次記の計算より求めた。
炭素化後多孔炭素膜質量(g)/不融化後多孔質膜質量(g)×100
(10)二酸化炭素処理収率(%)
次記の計算より求めた。
二酸化炭素処理後多孔炭素膜質量(g)/炭素化後多孔炭素膜質量(g)×100
The physical properties of the porous carbon particles used in the following Examples and Comparative Examples, and the properties of the resulting porous carbon membranes were measured by the following methods.
(1) Pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less: This was determined by the BJH (Barrett-Joyner-Hallenda) method from an adsorption isotherm obtained by a nitrogen adsorption method using a 3Flex (manufactured by Micromeritics Instrument Corp.).
(2) Pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less: The pore volume was determined by the BJH method from an adsorption isotherm obtained by a nitrogen adsorption method using a 3Flex (manufactured by Micromeritics Instrument Corp.).
(3) Specific surface area occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less: This was determined by the BJH method from an adsorption isotherm obtained by a nitrogen adsorption method using a 3Flex (manufactured by Micromeritics Instrument Corp.).
(4) Specific surface area occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less: This was determined by the BJH method from an adsorption isotherm obtained by a nitrogen adsorption method using a 3Flex (manufactured by Micromeritics Instrument Corp.).
(5) Pore volume occupied by pores with diameters of 200 nm to 10,000 nm The pore volume in the pore diameter range of 10 nm to 200,000 nm (0.01 μm to 200 μm) was measured by mercury intrusion using an AutoPoreIV (manufactured by Micromeritics Instrument Corp.), and the pore volume in the pore diameter range of 200 nm to 10,000 nm was calculated from the measurement results.
(6) BET specific surface area: The BET specific surface area was determined from an adsorption isotherm obtained by a nitrogen adsorption method using a 3Flex (Micromeritics Instrument Corp.) according to the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method.
(7) Apparent Density of Porous Carbon Membrane The apparent density was calculated by dividing the mass of the porous carbon membrane by its volume.
(8) Porosity (%)
This was calculated using the following formula:
(1-apparent density of porous carbon membrane/true density of material constituting porous carbon membrane) x 100
(9) Carbonization yield (%)
This was calculated using the following formula:
Mass of porous carbon membrane after carbonization (g)/mass of porous membrane after curing (g)×100
(10) Carbon dioxide treatment yield (%)
This was calculated using the following formula:
Mass of porous carbon membrane after carbon dioxide treatment (g)/mass of porous carbon membrane after carbonization (g)×100
また、以下の実施例及び比較例における多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の電池特性は、以下の方法により作製したコインセルを、以下の条件で得られる放電容量により評価した。
多孔炭素膜をφ16mmに切り出した正極、負極としての金属リチウム(φ16mm、厚さ0.2mm)、及び電解液LiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)の1M-テトラエチレングリコールジメチルエーテル溶液100μLを浸漬させたセパレータであるガラス繊維ペーパ(Whatman(登録商標)、GF/A)を、露点温度-50℃以下のドライルーム(乾燥空気内)で、コインセルケース(CR2032型)に実装することで、図2に示すコインセル600を作製した。
このコインセル600を、純酸素雰囲気下、電流密度0.4mA/cm2で放電し、電圧が2.3Vまで下がった時点を放電終点として、得られた放電容量を、正極として用いた多孔炭素膜の質量で割ることで、正極質量当りの放電容量(以下、「多孔炭素膜の放電容量」という。)を算出した。
In the following Examples and Comparative Examples, the battery characteristics of the air batteries using the porous carbon membranes as the positive electrodes were evaluated by measuring the discharge capacity of coin cells prepared by the following method under the following conditions.
A positive electrode cut into a size of φ16 mm from a porous carbon membrane, metallic lithium (φ16 mm, thickness 0.2 mm) as a negative electrode, and a glass fiber paper separator (Whatman (registered trademark), GF/A) soaked in 100 μL of a 1 M tetraethylene glycol dimethyl ether solution of LiTFS (lithium trifluoromethanesulfonate) as an electrolyte were mounted in a coin cell case (CR2032 type) in a dry room (in dry air) with a dew point temperature of −50° C. or lower to produce a coin cell 600 as shown in FIG. 2.
This coin cell 600 was discharged in a pure oxygen atmosphere at a current density of 0.4 mA/ cm2 , and the point at which the voltage dropped to 2.3 V was set as the discharge end point. The discharge capacity thus obtained was divided by the mass of the porous carbon membrane used as the positive electrode to calculate the discharge capacity per mass of the positive electrode (hereinafter referred to as the "discharge capacity of the porous carbon membrane").
[実施例1]
以下の方法で、空気電池正極用の多孔炭素膜を作製し、上述した方法で評価を行った。
(合剤スラリー作製工程)
多孔炭素粒子としてケッチェンブラックEC600JDを65質量部、カーボンファイバー12質量部、バインダー用高分子材料としてポリアクリロニトリル(PAN)を23質量部、及びそれらを均一に分散する溶媒としてN-メチルピロリドンを加え、シンキー社製の自公転混練機ARE310で混合し、合剤スラリーを作製した。カーボンファイバーは、繊維平均径6μm、平均長さ3mmのものを用いた。ケッチェンブラックEC600JDの物性は、後の表1に示す。
[Example 1]
A porous carbon membrane for an air battery positive electrode was prepared by the following method, and evaluated by the above-mentioned method.
(Combination slurry preparation process)
65 parts by mass of Ketjen Black EC600JD as porous carbon particles, 12 parts by mass of carbon fiber, 23 parts by mass of polyacrylonitrile (PAN) as a polymeric material for binder, and N-methylpyrrolidone as a solvent for uniformly dispersing them were added and mixed in a Thinky Corporation ARE310 rotary kneader to prepare a mixture slurry. The carbon fiber used had an average fiber diameter of 6 μm and an average length of 3 mm. The physical properties of Ketjen Black EC600JD are shown in Table 1 below.
(成型工程)
前記合剤スラリーを、ドクターブレードを用いた湿式製膜法にて、厚み500μmに成型してシート化した。
(Molding process)
The mixture slurry was formed into a sheet having a thickness of 500 μm by a wet film forming method using a doctor blade.
(溶媒浸漬工程)
成型したシートをトレーに入れ、そこにメタノール220gを投入し静置した。2hr後トレー中のメタノールを排出し、新たにメタノール220gを投入し17hr静置後トレー中のメタノールを排出した。
本実施例では、PANのN-メチルピロリドン溶液中に多孔炭素粒子と炭素繊維が分散した状態の上記成形シートを、非溶媒(貧溶媒)であるメタノールに浸漬することで、PANが炭素粒子及び炭素繊維を結合した状態で相分離析出し、炭素粒子を骨格とした多孔質膜が生成され、N-メチルピロリドンは、ほとんどがメタノールと相溶した。
(Solvent immersion process)
The molded sheet was placed in a tray, 220 g of methanol was added thereto, and the sheet was allowed to stand. After 2 hours, the methanol in the tray was discharged, and 220 g of fresh methanol was added. After the sheet was allowed to stand for 17 hours, the methanol in the tray was discharged.
In this example, the above-mentioned molded sheet in which the porous carbon particles and carbon fibers were dispersed in the N-methylpyrrolidone solution of PAN was immersed in methanol, which is a non-solvent (poor solvent), whereby the PAN was phase-separated and precipitated in a state in which the PAN was bound to the carbon particles and carbon fibers, and a porous film having the carbon particles as a skeleton was produced, and most of the N-methylpyrrolidone was compatible with methanol.
(乾燥工程)
トレーから、前記多孔質膜を取り出し、50℃で2時間、80℃で10時間の乾燥を行い、多孔質膜に含まれている揮発性の溶媒を取り除いた。
(Drying process)
The porous membrane was taken out of the tray and dried at 50° C. for 2 hours and then at 80° C. for 10 hours to remove the volatile solvent contained in the porous membrane.
(不融化工程)
乾燥した多孔質膜を、大気循環雰囲気で320℃3時間の不融化熱処理を行い、乾燥多孔質膜中のPANを、不融樹脂に変化させた。
(Infusible process)
The dried porous membrane was subjected to an infusible heat treatment at 320° C. for 3 hours in an air circulating atmosphere, and the PAN in the dried porous membrane was converted into an infusible resin.
(炭素化工程)
不融化処理で得られた長さ90mm、幅80mmの不融化多孔質膜を、デンケンハイデンタル社のボックス型炉を用い、窒素ガスを600mL/minで流しながら、昇温速度10℃/minで1050℃まで昇温し、1050℃で3時間保持後、室温まで放冷することで、不融化されたPANを炭素化し、全炭素からなる多孔炭素膜を得た。
(Carbonization process)
The infusible porous membrane having a length of 90 mm and a width of 80 mm obtained by the infusible treatment was heated to 1,050° C. at a heating rate of 10° C./min using a box furnace manufactured by Denken Hydental Co., Ltd. while flowing nitrogen gas at 600 mL/min, and then held at 1,050° C. for 3 hours and then allowed to cool to room temperature, thereby carbonizing the infusible PAN and obtaining a porous carbon membrane composed entirely of carbon.
(二酸化炭素中での熱処理(二酸化炭素処理)工程)
炭素化した多孔炭素膜を、デンケンハイデンタル社のボックス型炉を用い、二酸化炭素ガスを200mL/minで流しながら、昇温速度10℃/minで850℃まで昇温し、850℃で1時間保持後、室温まで放冷して、二酸化炭素処理多孔炭素膜を得た。
(Heat treatment in carbon dioxide (carbon dioxide treatment) step)
The carbonized porous carbon membrane was heated to 850°C at a heating rate of 10°C/min using a box furnace manufactured by Denken Hydental Co., Ltd. while flowing carbon dioxide gas at 200 mL/min, and then held at 850°C for 1 hour and then allowed to cool to room temperature to obtain a carbon dioxide-treated porous carbon membrane.
(多孔炭素膜の物性)
二酸化炭素処理して得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が4.3cm3/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.8cm3/gであった。また、直径200nm以上10,000nm以下の細孔の占める細孔容積は2.6cm3/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の比表面積は1057m2/gであった。
(Physical properties of porous carbon membrane)
The porous carbon membrane obtained by carbon dioxide treatment had a pore volume of 4.3 cm3 /g for pores with diameters of 1 nm to 1000 nm, a pore volume of 2.8 cm3 /g for pores with diameters of 1 nm to 200 nm, a pore volume of 2.6 cm3 /g for pores with diameters of 200 nm to 10,000 nm, and a specific surface area of 1 nm to 1000 nm.
(多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の放電容量)
次に、この多孔炭素膜を正極に用いたコインセルを、上述の方法で作製し、多孔炭素膜の放電容量を算出した。その結果、放電容量は、3554mAh/gと大きな値を示した。
(Discharge capacity of air battery using porous carbon membrane as positive electrode)
Next, a coin cell using this porous carbon membrane as a positive electrode was produced by the above-mentioned method, and the discharge capacity of the porous carbon membrane was calculated. As a result, the discharge capacity showed a large value of 3554 mAh/g.
[比較例1]
多孔炭素膜作製を、炭素化工程までとして、二酸化炭素処理を行わない以外は、実施例1と同様に行った。
得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.1cm3/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.0cm3/g、直径200nm以上10,000nm以下の細孔の占める細孔容積が1.4cm3/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の比表面積が655m2/gであった。また、この多孔炭素膜の放電容量は、2488mAh/gであり、実施例1の二酸化炭素処理した多孔炭素膜正極の3544mAh/gより小さかった。
[Comparative Example 1]
The porous carbon membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the carbonization step was performed without the carbon dioxide treatment.
The resulting porous carbon membrane had a pore volume of 3.1 cm3 /g for pores with diameters of 1 nm to 200 nm, a pore volume of 2.0 cm3 /g for pores with diameters of 200 nm to 10,000 nm, and a specific surface area of 655 m2 /g for pores with diameters of 1 nm to 1000 nm. The discharge capacity of this porous carbon membrane was 2488 mAh/g, which was smaller than the 3544 mAh/g of the carbon dioxide-treated porous carbon membrane positive electrode of Example 1.
[実施例2]
多孔炭素粒子としてケッチェンブラックEC600JDを68質量部、カーボンファイバーを9質量部、バインダー用高分子材料としてポリアクリロニトリル(PAN)を23質量部とし、シート厚みを300μmとした以外は、実施例1と同様の方法で、空気電池正極用の多孔炭素膜の作製及び評価を行った。
得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.8cm3/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.7cm3/g、直径200nm以上10,000nm以下の細孔の占める細孔容積は2.4cm3/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の比表面積は1008m2/gであった。また、この多孔炭素膜の放電容量は、3508mAh/gであり、実施例1同様、大きな放電容量を示した。
[Example 2]
A porous carbon membrane for an air battery positive electrode was produced and evaluated in the same manner as in Example 1, except that 68 parts by mass of Ketjen Black EC600JD was used as the porous carbon particles, 9 parts by mass of carbon fiber, 23 parts by mass of polyacrylonitrile (PAN) was used as the polymer material for binder, and the sheet thickness was 300 μm.
The resulting porous carbon membrane had a pore volume of 3.8 cm3 /g for pores with diameters of 1 nm to 1000 nm, a pore volume of 2.7 cm3 /g for pores with diameters of 1 nm to 200 nm, a pore volume of 2.4 cm3 /g for pores with diameters of 200 nm to 10,000 nm, and a specific surface area of 1008 m2 /g for pores with diameters of 1 nm to 1000 nm. The discharge capacity of this porous carbon membrane was 3508 mAh/g, which was a large discharge capacity similar to that of Example 1.
[比較例2]
多孔炭素膜作製を、炭素化工程までとして、二酸化炭素処理を行わない以外は、実施例2と同様に行った。得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.4cm3/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.1cm3/g、直径200nm以上10,000nm以下の細孔の占める細孔容積は1.5cm3/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の比表面積は771m2/gであった。また、この多孔炭素膜の放電容量は、2563mAh/gで、実施例2の二酸化炭素処理した多孔炭素膜の3508mAh/gより小さかった。
[Comparative Example 2]
The porous carbon membrane was prepared in the same manner as in Example 2, except that the carbonization step was not performed and carbon dioxide treatment was not performed. The obtained porous carbon membrane had a pore volume of 3.4 cm 3 /g for pores with a diameter of 1 nm to 1000 nm, a pore volume of 2.1 cm 3 /g for pores with a diameter of 1 nm to 200 nm, a pore volume of 1.5 cm 3 /g for pores with a diameter of 200 nm to 10,000 nm, and a specific surface area of 771 m 2 /g for pores with a diameter of 1 nm to 1000 nm. The discharge capacity of this porous carbon membrane was 2563 mAh/g, which was smaller than the 3508 mAh/g of the carbon dioxide-treated porous carbon membrane of Example 2.
[実施例3]
多孔炭素粒子としてブラックパール2000を75質量部、カーボンファイバーを5質量部、カーボンナノチューブを5質量部、バインダー用高分子材料としてポリアクリロニトリル(PAN)を15質量部、及びそれらを均一に分散する溶媒としてN-メチルピロリドンを用いて合剤スラリーを作製した点以外は実施例2と同様の方法で、空気電池正極用の多孔炭素膜の作製及び評価を行った。
用いたブラックパール2000の物性は、後の表1に示す。カーボンファイバーは、繊維平均径6μm、平均長さ3mmのもの、カーボンナノチューブは平均径1.6nm、長さ約5μmのものを用いた。
得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.9cm3/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が3.3cm3/g、直径200nm以上10,000nm以下の細孔の占める細孔容積は2.5cm3/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の比表面積は1323m2/gであった。また、この多孔炭素膜の放電容量は、2518mAh/gであった。
[Example 3]
A porous carbon membrane for an air battery positive electrode was produced and evaluated in the same manner as in Example 2, except that a mixture slurry was produced using 75 parts by mass of Black Pearl 2000 as the porous carbon particles, 5 parts by mass of carbon fiber, 5 parts by mass of carbon nanotubes, 15 parts by mass of polyacrylonitrile (PAN) as a polymeric binder material, and N-methylpyrrolidone as a solvent for uniformly dispersing them.
The physical properties of the Black Pearl 2000 used are shown in Table 1. The carbon fibers used had an average fiber diameter of 6 μm and an average length of 3 mm, and the carbon nanotubes used had an average diameter of 1.6 nm and a length of about 5 μm.
The resulting porous carbon membrane had a pore volume of 3.9 cm3 /g for pores with diameters of 1 nm to 1000 nm, a pore volume of 3.3 cm3 /g for pores with diameters of 1 nm to 200 nm, a pore volume of 2.5 cm3 /g for pores with diameters of 200 nm to 10,000 nm, and a specific surface area of 1323 m2 /g for pores with diameters of 1 nm to 1000 nm. The discharge capacity of this porous carbon membrane was 2518 mAh/g.
[比較例3]
多孔炭素膜作製を、炭素化工程までとして、二酸化炭素処理を行わない以外は、実施例3と同様に行った。
得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が2.6cm3/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.3cm3/g、直径200nm以上10,000nm以下の細孔の占める細孔容積は1.9cm3/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の比表面積は835m2/gであった。また、この多孔炭素膜の放電容量は、1463mAh/gで、実施例3の二酸化炭素処理した多孔炭素膜正極の2518mAh/gより小さかった。
[Comparative Example 3]
The porous carbon membrane was prepared in the same manner as in Example 3, except that the carbonization step was performed without carrying out the carbon dioxide treatment.
The resulting porous carbon membrane had a pore volume of 2.6 cm3 /g for pores with diameters of 1 nm to 1000 nm, a pore volume of 2.3 cm3 /g for pores with diameters of 1 nm to 200 nm, a pore volume of 1.9 cm3 /g for pores with diameters of 200 nm to 10,000 nm, and a specific surface area of 835 m2/g for pores with diameters of 1 nm to 1000 nm. The discharge capacity of this porous carbon membrane was 1463 mAh/g, which was smaller than the 2518 mAh/g of the carbon dioxide-treated porous carbon membrane positive electrode of Example 3.
[比較例4]
二酸化炭素処理の温度を1050℃とする以外は実施例1と同様に実施したが、二酸化炭素処理により、多孔炭素膜が焼失したため、以降の評価は実施しなかった。
[Comparative Example 4]
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the temperature for the carbon dioxide treatment was 1050° C. However, since the porous carbon membrane was burned away by the carbon dioxide treatment, the subsequent evaluations were not carried out.
[比較例5]
二酸化炭素の代わりに空気を用いて850℃で処理した以外は実施例1と同様に実施したが、多孔炭素膜が焼失したため、以降の評価は実施しなかった。
[Comparative Example 5]
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the treatment was carried out at 850° C. using air instead of carbon dioxide. However, since the porous carbon membrane was burned away, the subsequent evaluations were not carried out.
以上の実施例、比較例に用いた炭素粒子であるケッチェンブラックEC600JD、及びブラックパール2000の物性を表1に示し、多孔炭素膜の製造条件を表2に示す。また、得られた多孔炭素膜の物性及び電池の放電容量を表3に示す。 The physical properties of the carbon particles, Ketjen Black EC600JD and Black Pearl 2000, used in the above examples and comparative examples are shown in Table 1, and the manufacturing conditions of the porous carbon membrane are shown in Table 2. The physical properties of the obtained porous carbon membrane and the discharge capacity of the battery are shown in Table 3.
以上の実施例及び比較例から、以下のことがわかる。
炭素化処理後の多孔炭素膜を二酸化炭素雰囲気で処理して得られた多孔炭素膜について見ると、実施例1に係る多孔炭素膜では、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が4.3cm3/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.8cm3/gであり、実施例2に係る多孔炭素膜のそれぞれの細孔容積が3.8cm3/g、2.7cm3/gであったから、表1に示す原料として用いた炭素粒子ケッチェンブラックのそれぞれの細孔容積である3.5cm3/g、2.6cm3/gと比べて、大きくなった。
また、実施例3に係る多孔炭素膜も、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.9cm3/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が3.3cm3/gと、原料のブラックパールのそれぞれの細孔容積である3.2cm3/g、2.8cm3/gより大きな値となった。
これに対して、二酸化炭素処理を施していない以外は、それぞれ実施例1~3と同様に作製された比較例1~3に係る多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積、及び直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が、いずれも原料のケッチェンブラック又はブラックパールのそれぞれの細孔容積を下回った。
The above examples and comparative examples reveal the following.
Regarding the porous carbon membrane obtained by treating the porous carbon membrane after the carbonization treatment in a carbon dioxide atmosphere, the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less in the porous carbon membrane of Example 1 was 4.3 cm 3 /g, and the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 2.8 cm 3 /g, while the pore volumes of the porous carbon membrane of Example 2 were 3.8 cm 3 /g and 2.7 cm 3 /g, respectively, which were larger than the pore volumes of the carbon particles Ketjen black used as the raw material shown in Table 1, which were 3.5 cm 3 /g and 2.6 cm 3 /g.
In addition, the porous carbon membrane of Example 3 also had a pore volume of 3.9 cm 3 /g for pores with diameters of 1 nm or more and 1000 nm or less, and a pore volume of 3.3 cm 3 /g for pores with diameters of 1 nm or more and 200 nm or less, which were larger than the pore volumes of the raw material black pearls, 3.2 cm 3 /g and 2.8 cm 3 /g, respectively.
In contrast, the porous carbon membranes according to Comparative Examples 1 to 3, which were produced in the same manner as in Examples 1 to 3, except that they were not subjected to carbon dioxide treatment, had a pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 1,000 nm or less and a pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less that were lower than the pore volumes of the raw materials Ketjen Black and Black Pearl, respectively.
これは、二酸化炭素処理を施した実施例1~3においては、多孔炭素粒子を覆っていたバインダー用高分子材料であるPAN及びPANの炭素化物の大分部が焼失し、多孔炭素粒子表面が露出したことに加えて、多孔炭素粒子表面の一部も焼失したことによって、細孔容積が増大し、このことが、空気電池の正極構造体を形成した際に、電池の高容量化に寄与したるものと推察される。これに対して、二酸化炭素処理を施さなかった比較例1~3においては、バインダー用高分子材料として使用したPAN由来の炭素化物が、多孔炭素粒子を覆ったままであったため、電池の高容量化が達成されなかったと推察される。 This is presumably because in Examples 1 to 3, in which carbon dioxide treatment was performed, most of the PAN and PAN carbonized material, which were the polymeric binder material covering the porous carbon particles, were burned off, exposing the surface of the porous carbon particles, and part of the surface of the porous carbon particles was also burned off, increasing the pore volume, which is believed to have contributed to the increase in battery capacity when the positive electrode structure of the air battery was formed. In contrast, in Comparative Examples 1 to 3, in which carbon dioxide treatment was not performed, the PAN-derived carbonized material used as the polymeric binder material remained covering the porous carbon particles, and therefore the increase in battery capacity was not achieved.
また、実施例1~3では、直径200nm以上10,000nm以下の細孔容積が、比較例1~3のそれぞれよりも大きくなった。このことにより、実施例1~3では、放電時に、外部に存在する酸素の多孔炭素膜への侵入、及び充電時の酸素の抜けが高速に起こり、高放電容量であると共に、高負荷特性に優れた電池の提供が期待できる。 In addition, in Examples 1 to 3, the pore volume of pores with diameters of 200 nm or more and 10,000 nm or less was larger than that of Comparative Examples 1 to 3. As a result, in Examples 1 to 3, oxygen present outside the film penetrates the porous carbon film at high speed during discharge, and oxygen escapes at high speed during charge, so that it is expected to provide a battery with high discharge capacity and excellent high load characteristics.
さらに、実施例1~3では、直径1nm以上1000nm以下の細孔の比表面積も、比較例1~3のそれぞれよりも大きくなった。これは、放電時に負極から移動してきた金属イオンと外部から侵入した酸素とが、細孔内表面から電子を受け取って反応する反応場が大きく、反応がスムーズに進むことを意味するから、やはり、高放電容量であると共に、高負荷特性に優れた電池の提供が期待できる。 Furthermore, in Examples 1 to 3, the specific surface area of the pores with diameters of 1 nm to 1000 nm was also larger than those in Comparative Examples 1 to 3. This means that the reaction field in which the metal ions that migrate from the negative electrode during discharge and the oxygen that enters from the outside react by receiving electrons from the inner surface of the pores is large, and the reaction proceeds smoothly, so it is expected that a battery with high discharge capacity and excellent high-load characteristics can be provided.
加えて、実施例1~3では、多孔炭素膜の見かけ密度が0.16~0.19g/cm3、空隙率90.6~91.8%と大きな空隙を持ちながら、多孔炭素膜の自立性及び強度が確保されていることが確認された。これは、炭素粒子同士を結合している部分のPANは、二酸化炭素が侵入し難いことで焼失せず、炭素化して残っていたため、結着性が維持されたことによると考えられる。
これに対して、比較例4では、二酸化炭素処理の温度が高すぎたため、また、比較例5では、空気での処理では酸化力が強すぎたため、いずれも多孔炭素膜が焼失してしまった。
In addition, it was confirmed that the porous carbon membranes in Examples 1 to 3 had large pores with apparent densities of 0.16 to 0.19 g/ cm and porosities of 90.6 to 91.8%, while still maintaining their self-supporting and strength. This is believed to be because the PAN in the portion bonding the carbon particles together was not burned away because carbon dioxide was less likely to penetrate it, and instead remained carbonized, thereby maintaining its binding properties.
In contrast, in Comparative Example 4, the temperature of the carbon dioxide treatment was too high, and in Comparative Example 5, the oxidizing power of the air treatment was too strong, so the porous carbon membrane was burned away in both cases.
本発明によれば、同じ構造及び大きさを有する空気電池で比較したときに、従来は達成することができなかった高い放電容量を達成することができる。このため、従来は得られなかった高容量の空気電池が提供できる点、及び同じ放電容量を有する電池をより小型化できる点で、本発明は有用なものである。 According to the present invention, when compared with air batteries having the same structure and size, it is possible to achieve a high discharge capacity that was previously unattainable. Therefore, the present invention is useful in that it can provide air batteries with a high capacity that was previously unattainable, and in that it can make batteries with the same discharge capacity smaller.
600 コインセル
610 負極構造体
620 正極構造体
630 コインセル型拘束具
635 集電体
640 金属層
650 スペーサ
660 セパレータ
670 空間(電解液充填用空間)
680 金属メッシュ
690 多孔炭素膜
100 負極構造体
500 積層型空気電池
510 正極構造体
520 負極集電体
525 正極集電体
540 セパレータ
550 多孔炭素膜
560 ガス拡散層
600 coin cell 610 negative electrode structure 620 positive electrode structure 630 coin cell type restraining device 635 current collector 640 metal layer 650 spacer 660 separator 670 space (space for filling electrolyte)
680 Metal mesh 690 Porous carbon membrane 100 Negative electrode structure 500 Stacked air battery 510 Positive electrode structure 520 Negative electrode current collector 525 Positive electrode current collector 540 Separator 550 Porous carbon membrane 560 Gas diffusion layer
Claims (7)
多孔炭素粒子及びバインダー用高分子材料を含有する合剤スラリーを調製すること、
前記合剤スラリーを成型すること、
前記成型することによって得られた試料を、前記バインダー用高分子材料の溶解度が低い溶媒に浸漬すること、
前記浸漬して得られた試料を乾燥すること、
前記乾燥して得られた試料を、不活性ガス雰囲気中で炭素化すること、及び、
前記炭素化して得られた試料を、二酸化炭素濃度が50%以上の二酸化炭素雰囲気で、500℃以上1000℃以下の温度で、熱処理すること
を含む、空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法。 A method for producing a porous carbon membrane for an air battery positive electrode, comprising the steps of:
Preparing a mixture slurry containing porous carbon particles and a polymeric binder material;
Molding the mixture slurry;
immersing the sample obtained by the molding in a solvent in which the binder polymer material has a low solubility;
drying the sample obtained by immersion;
carbonizing the dried sample in an inert gas atmosphere; and
The method for producing a porous carbon membrane for an air battery positive electrode includes heat treating the sample obtained by the carbonization in a carbon dioxide atmosphere having a carbon dioxide concentration of 50% or more at a temperature of 500° C. or more and 1000° C. or less .
(a)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が、3.5cm3/g以上7.0cm3/g以下
(b)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が、2.5cm3/g以上7.0cm3/g以下
(c)直径200nm以上10,000nm以下の細孔の占める細孔容積が、2.2cm3/g以上7.0cm3/g以下
(d)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が、900m2/g以上2000m2/g以下 The method for producing a porous carbon membrane according to any one of claims 1 to 3 , wherein the porous carbon membrane satisfies all of the following conditions (a) to (d):
(a) the pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 3.5 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less; (b) the pore volume occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 2.5 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less; (c) the pore volume occupied by pores having a diameter of 200 nm or more and 10,000 nm or less is 2.2 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less; (d) the specific surface area occupied by pores having a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 900 m 2 /g or more and 2000 m 2 /g or less.
(e)見かけ密度が、0.10g/cm3以上0.20g/cm3以下 The method for producing a porous carbon membrane according to claim 4 , wherein the porous carbon membrane further satisfies the following condition (e):
(e) Apparent density is 0.10 g/ cm3 or more and 0.20 g/ cm3 or less.
(f)空隙率が、90%以上99%以下 The method for producing a porous carbon membrane according to claim 4 or 5 , wherein the porous carbon membrane further satisfies the following condition (f):
(f) Porosity is 90% or more and 99% or less.
請求項1から6のいずれか1項に記載の多孔炭素膜の製造方法により多孔炭素膜を製造すること、
前記多孔炭素膜から正極を形成すると共に、負極及びセパレータを準備すること、
前記正極及び負極を、セパレータを介して積層すること、並びに
前記セパレータに電解液を充填すること
を含む、空気電池の製造方法。 A method for producing an air battery, comprising the steps of:
Producing a porous carbon membrane by the method for producing a porous carbon membrane according to any one of claims 1 to 6 ;
forming a positive electrode from the porous carbon membrane and preparing a negative electrode and a separator;
stacking the positive electrode and the negative electrode with a separator interposed therebetween; and filling the separator with an electrolyte.
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