JP7758545B2 - Catalyst for air electrode, air electrode including this catalyst for air electrode, and air secondary battery including this air electrode - Google Patents
Catalyst for air electrode, air electrode including this catalyst for air electrode, and air secondary battery including this air electrodeInfo
- Publication number
- JP7758545B2 JP7758545B2 JP2021189348A JP2021189348A JP7758545B2 JP 7758545 B2 JP7758545 B2 JP 7758545B2 JP 2021189348 A JP2021189348 A JP 2021189348A JP 2021189348 A JP2021189348 A JP 2021189348A JP 7758545 B2 JP7758545 B2 JP 7758545B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- air electrode
- air
- electrode
- catalyst
- composite oxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Catalysts (AREA)
Description
本発明は、空気極用触媒、この空気極用触媒を含む空気極及びこの空気極を含む空気二次電池に関する。 The present invention relates to an air electrode catalyst, an air electrode including this air electrode catalyst, and an air secondary battery including this air electrode.
近年、大気中の酸素を正極活物質とする空気電池が、エネルギー密度が高く、小型、軽量化が容易であること等の理由から注目を集めている。このような空気電池においては、亜鉛空気一次電池が補聴器用の電源として実用化されている。 In recent years, air batteries, which use atmospheric oxygen as the positive electrode active material, have attracted attention due to their high energy density and ease of being small and lightweight. Among these air batteries, zinc-air primary batteries have been put to practical use as power sources for hearing aids.
また、充電が可能な空気電池として、負極用金属に、Li、Zn、Al、Mgなどを用いる空気二次電池の研究がなされており、このような空気二次電池は、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を超える可能性がある新しい二次電池として期待されている。 In addition, research is being conducted on rechargeable air batteries that use metals such as Li, Zn, Al, and Mg for the negative electrode, and these air secondary batteries are expected to become new secondary batteries with the potential to exceed the energy density of lithium-ion secondary batteries.
このような空気二次電池の一種として、電解液にアルカリ性水溶液(以下、アルカリ電解液とも表記する)を用い、負極活物質に水素を用いる空気水素二次電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に代表されるような空気水素二次電池は、負極用金属として水素吸蔵合金を用いているが、空気水素二次電池における負極活物質は、上記した水素吸蔵合金に吸蔵放出される水素であるので、電池における充放電の際の化学反応(以下、電池反応とも表記する)にともない水素吸蔵合金自体の溶解析出反応は起こらない。このため、空気水素二次電池は、負極用金属が樹枝状に析出するいわゆるデンドライト成長による内部短絡の発生やシェイプチェンジによる電池容量の低下といった問題が起こらないメリットを有している。 One type of air secondary battery known is the air-hydrogen secondary battery, which uses an alkaline aqueous solution (hereinafter also referred to as alkaline electrolyte) as the electrolyte and hydrogen as the negative electrode active material (see, for example, Patent Document 1). Air-hydrogen secondary batteries such as those described in Patent Document 1 use a hydrogen storage alloy as the negative electrode metal. However, the negative electrode active material in air-hydrogen secondary batteries is hydrogen absorbed and released by the hydrogen storage alloy. Therefore, dissolution and precipitation reactions of the hydrogen storage alloy itself do not occur during chemical reactions (hereinafter also referred to as battery reactions) during battery charging and discharging. Therefore, air-hydrogen secondary batteries have the advantage of not being susceptible to problems such as internal short circuits caused by so-called dendrite growth, in which the negative electrode metal precipitates in a dendritic form, or a decrease in battery capacity due to shape change.
上記の空気水素二次電池のようにアルカリ電解液を用いる空気二次電池では、正極(以下、空気極とも表記する)において以下に示すような充放電反応が起こる。 In air secondary batteries that use alkaline electrolyte, such as the air-hydrogen secondary battery described above, the following charge-discharge reactions occur at the positive electrode (hereinafter also referred to as the air electrode):
充電(酸素発生反応):4OH-→O2+2H2O+4e-・・・(I)
放電(酸素還元反応):O2+2H2O+4e-→4OH-・・・(II)
Charging (oxygen generation reaction): 4OH − → O 2 + 2H 2 O + 4e − (I)
Discharge (oxygen reduction reaction): O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (II)
反応式(I)で示すように、空気二次電池は、充電時に空気極で酸素と水が発生する。発生した酸素は、空気極内部の空隙を通って、空気極における大気に開放されている部分から大気中に放出される。一方、放電時は、大気中から取り込まれた酸素が反応式(II)で表されるように還元されて水酸化物イオンが生成される。 As shown in reaction formula (I), oxygen and water are generated at the air electrode during charging in an air secondary battery. The generated oxygen passes through the voids inside the air electrode and is released into the atmosphere from the part of the air electrode that is open to the atmosphere. On the other hand, during discharge, oxygen taken in from the atmosphere is reduced to produce hydroxide ions, as shown in reaction formula (II).
上記した空気二次電池の正極である空気極としては、上記した充放電反応を促進させる触媒が用いられている。空気二次電池においては、エネルギー効率の向上や高出力化を図るため、空気極の充放電反応における過電圧を低減することが望まれている。このため、空気極に用いられる触媒となる材料に関しては、過電圧の低減に有効な材料の検討がなされている。そのような過電圧の低減に有効な材料としては、種々の金属酸化物が有望である。そのような金属酸化物のなかでも、パイロクロア型のビスマスルテニウム複合酸化物は、酸素還元と酸素発生の「2元機能」を有し、充電反応においても放電反応においても過電圧を低減することができるため、空気極用触媒として特に有効であると考えられている。 A catalyst that promotes the above-mentioned charge and discharge reactions is used in the air electrode, which is the positive electrode of the above-mentioned air secondary battery. In air secondary batteries, it is desirable to reduce the overvoltage during the charge and discharge reactions of the air electrode in order to improve energy efficiency and increase output. Therefore, materials that are effective in reducing overvoltage are being investigated as catalyst materials for use in the air electrode. Various metal oxides are promising materials for reducing such overvoltage. Among these metal oxides, pyrochlore-type bismuth ruthenium composite oxide has the "dual function" of oxygen reduction and oxygen generation, and is thought to be particularly effective as an air electrode catalyst because it can reduce overvoltage in both charge and discharge reactions.
このビスマスルテニウム複合酸化物は、例えば、硝酸ビスマスと塩化ルテニウムを出発原料とする共沈法により前駆体を生成し、その後、当該前駆体を焼成するといった製造方法により製造される。 This bismuth-ruthenium composite oxide is produced, for example, by a coprecipitation method using bismuth nitrate and ruthenium chloride as starting materials to produce a precursor, which is then calcined.
ところで、上記したビスマスルテニウム複合酸化物の製造方法においては、その過程で副生成物が形成される。この副生成物が混入した触媒を用いて空気極を作成し、当該空気極を備えた空気水素二次電池について充放電サイクルを繰り返すと、ビスマスルテニウム酸化物自体は溶解析出反応を起こさないものの、上記した副生成物が溶解析出反応を起こす。詳しくは、電池における充放電の際の化学反応(以下、電池反応という)にともない、副生成物中の金属成分(主にビスマス)の溶解析出反応が繰り返され、極板上で金属成分が樹枝状に析出するいわゆるデンドライト成長をする。このように金属成分がデンドライト成長すると、当該金属成分はセパレータ中に伸びていき、最終的にはセパレータを突き抜けてしまう。その結果、微小短絡を発生させるという問題が生じる。このように微小短絡が発生すると、電池内部では、正極及び負極の間で、電解質を介したイオン伝導性だけではなく、電子伝導性が存在することになる。電子伝導性が存在する場合、電池は自己放電を起こしていることになる。金属成分のデンドライト成長は、充放電のサイクルにともない増加するので、充放電サイクルが進行すると自己放電量も増える。その結果、比較的少ないサイクル数で電池の放電容量の低下が起こり、早期に電池の寿命が尽きてしまう。 In the above-mentioned manufacturing method of bismuth ruthenium composite oxide, by-products are formed during the process. When an air electrode is fabricated using a catalyst containing these by-products and an air-hydrogen secondary battery equipped with the air electrode undergoes repeated charge-discharge cycles, the bismuth ruthenium oxide itself does not undergo dissolution-precipitation reactions, but the by-products do. Specifically, as the chemical reactions occurring during battery charge and discharge (hereinafter referred to as the battery reaction) occur, the metal components (primarily bismuth) in the by-products undergo repeated dissolution-precipitation reactions, resulting in dendritic growth, or dendritic deposition of the metal components on the electrode plates. This dendritic growth of the metal components extends into the separator and ultimately penetrates the separator. This results in the problem of micro-short circuits. When micro-short circuits occur, not only ionic conductivity via the electrolyte but also electronic conductivity exists between the positive and negative electrodes within the battery. If electronic conductivity exists, the battery is self-discharging. Dendrite growth of the metal components increases with each charge/discharge cycle, so the self-discharge rate also increases as the charge/discharge cycle progresses. As a result, the battery's discharge capacity decreases after a relatively small number of cycles, and the battery's lifespan expires early.
このようなサイクル寿命が短くなる不具合を解消するために、例えば、特許文献2に開示されているような製造方法が提案されている。特許文献2によれば、ビスマスルテニウム複合酸化物を酸処理することにより副生成物を除去することができ、副生成物に起因するサイクル寿命の低下を抑制できる。 To resolve this problem of shortened cycle life, a manufacturing method such as that disclosed in Patent Document 2 has been proposed. According to Patent Document 2, by-products can be removed by treating bismuth ruthenium composite oxide with acid, thereby suppressing the reduction in cycle life caused by the by-products.
上記のような特許文献2を採用すれば、酸処理により副生成物はほぼ除去され、副生成物に起因するサイクル寿命の低下はほぼ抑制されて空気二次電池の長寿命化が図れる。しかしながら、上記した副生成物以外にもサイクル寿命特性を阻害する要因は存在する。例えば、空気極用触媒において放電反応場となる三相界面の形成がサイクル数の増加にともない困難となることがあり、結果的にサイクル寿命特性が低下することがある。このため、サイクル寿命特性を阻害する要因を更に調査して対処することによりサイクル寿命特性は更に改善できる余地はあると考えられる。 By adopting the method described in Patent Document 2, by-products are almost entirely removed by acid treatment, and the reduction in cycle life caused by by-products is largely suppressed, thereby extending the life of the air secondary battery. However, there are other factors besides the by-products that impair cycle life characteristics. For example, the formation of a three-phase interface, which serves as the discharge reaction site in the air electrode catalyst, can become difficult as the number of cycles increases, resulting in a decrease in cycle life characteristics. For this reason, it is believed that there is room for further improvement in cycle life characteristics by further investigating and addressing the factors that impair cycle life characteristics.
今後、空気二次電池においては、様々な用途への応用が期待されていることから、サイクル寿命を更に延ばすことは極めて重要な課題である。 As air secondary batteries are expected to be used in a variety of applications in the future, further extending their cycle life is an extremely important issue.
本発明は、上記の事情に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、従来よりもサイクル寿命特性の向上に貢献することができる空気極用触媒、この空気極用触媒を含む空気極及びこの空気極を含む空気二次電池を提供することにある。 The present invention was made based on the above circumstances, and its purpose is to provide an air electrode catalyst that can contribute to improving cycle life characteristics compared to conventional methods, an air electrode containing this air electrode catalyst, and an air secondary battery containing this air electrode.
上記目的を達成するために、本発明によれば、少なくともBi、Ru及びSiを含むビスマスルテニウム複合酸化物からなる空気極用触媒であって、前記Biに対する前記Siの原子比を表すSi/Biが、0.007以下である、空気極用触媒が提供される。 To achieve the above objective, the present invention provides an air electrode catalyst comprising a bismuth ruthenium composite oxide containing at least Bi, Ru, and Si, in which Si/Bi, representing the atomic ratio of Si to Bi, is 0.007 or less.
本発明に係る空気極用触媒は、少なくともBi、Ru及びSiを含むビスマスルテニウム複合酸化物からなる空気極用触媒であって、前記Biに対する前記Siの原子比を表すSi/Biが、0.007以下である。Si/Biが、0.007以下であると、空気極用触媒において安定的に三相界面を形成することができる。このため、本発明に係る空気極用触媒を含む空気極を用いた空気二次電池は、サイクル数が増えても安定的に放電が可能でサイクル寿命特性が向上する。よって、本発明によれば、従来よりもサイクル寿命特性の向上に貢献することができる空気極用触媒、この空気極用触媒を含む空気極及びこの空気極を含む空気二次電池を提供することができる。 The air electrode catalyst according to the present invention is an air electrode catalyst made of a bismuth ruthenium composite oxide containing at least Bi, Ru, and Si, in which the Si/Bi ratio, representing the atomic ratio of Si to Bi, is 0.007 or less. When Si/Bi is 0.007 or less, a stable three-phase interface can be formed in the air electrode catalyst. Therefore, an air secondary battery using an air electrode containing the air electrode catalyst according to the present invention can discharge stably even with an increased number of cycles, improving cycle life characteristics. Therefore, the present invention can provide an air electrode catalyst that can contribute to improved cycle life characteristics compared to conventional methods, an air electrode containing this air electrode catalyst, and an air secondary battery containing this air electrode.
以下、一実施形態に係る空気二次電池用の空気極触媒を含む空気水素二次電池(以下、電池とも表記する)2について図面を参照して説明する。 An air-hydrogen secondary battery (hereinafter also referred to as a battery) 2 including an air electrode catalyst for an air secondary battery according to one embodiment will be described below with reference to the drawings.
図1に示すように、電池2は、容器4と、この容器4の中にアルカリ電解液82とともに入れられた電極群10とを備えている。 As shown in Figure 1, the battery 2 includes a container 4 and an electrode group 10 placed in the container 4 together with an alkaline electrolyte 82.
電極群10は、負極12と、空気極(正極)16とがセパレータ14を介して重ね合わされて形成されている。 The electrode group 10 is formed by stacking a negative electrode 12 and an air electrode (positive electrode) 16 with a separator 14 interposed between them.
負極12は、多孔質構造をなし多数の空孔を有する導電性の負極基材と、前記した空孔内及び負極基材の表面に担持された負極合剤とを含んでいる。上記したような負極基材としては、例えば、発泡ニッケルを用いることができる。 The negative electrode 12 includes a conductive negative electrode substrate with a porous structure and numerous pores, and a negative electrode mixture supported within the pores and on the surface of the negative electrode substrate. For example, foamed nickel can be used as the negative electrode substrate.
負極合剤は、負極活物質としての水素を吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金粒子の集合体である水素吸蔵合金粉末と、導電材と、結着剤とを含む。ここで、導電材としては、黒鉛粒子の集合体である黒鉛粉末、カーボンブラック粒子の集合体であるカーボンブラック粉末等を用いることができる。 The negative electrode mixture contains hydrogen storage alloy powder, which serves as the negative electrode active material and is an aggregate of hydrogen storage alloy particles capable of absorbing and releasing hydrogen, a conductive material, and a binder. Examples of conductive materials that can be used here include graphite powder, which is an aggregate of graphite particles, and carbon black powder, which is an aggregate of carbon black particles.
水素吸蔵合金粒子を構成する水素吸蔵合金としては、特に限定されるものではないが、例えば、希土類-Mg-Ni系水素吸蔵合金を用いることが好ましい。この希土類-Mg-Ni系水素吸蔵合金の組成は自由に選択できるが、例えば、
一般式:Ln1-aMgaNib-c-dAlcMd・・・(III)
で表されるものを用いることが好ましい。
The hydrogen storage alloy constituting the hydrogen storage alloy particles is not particularly limited, but it is preferable to use, for example, a rare earth-Mg-Ni based hydrogen storage alloy. The composition of this rare earth-Mg-Ni based hydrogen storage alloy can be freely selected, but for example,
General formula: Ln 1-a Mg a Ni b-c-d Al c M d ...(III)
It is preferable to use one represented by the following formula:
ただし、一般式(III)中、Lnは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Y、Zr及びTiよりなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を表し、Mは、V、Nb、Ta、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ga、Zn、Sn、In、Cu、Si、P及びBよりなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を表し、添字a、b、c、dは、それぞれ、0.01≦a≦0.30、2.8≦b≦3.9、0.05≦c≦0.30、0≦d≦0.50の関係を満たす数を表す。 In general formula (III), Ln represents at least one element selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, Y, Zr, and Ti; M represents at least one element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ga, Zn, Sn, In, Cu, Si, P, and B; and the subscripts a, b, c, and d represent numbers satisfying the relationships 0.01≦a≦0.30, 2.8≦b≦3.9, 0.05≦c≦0.30, and 0≦d≦0.50, respectively.
ここで、水素吸蔵合金粒子は、例えば以下のようにして得られる。
まず、所定の組成となるように金属原材料を計量して混合し、この混合物を不活性ガス雰囲気下にて、例えば、高周波誘導溶解炉で溶解した後、冷却してインゴットにする。得られたインゴットは、不活性ガス雰囲気下にて900~1200℃に加熱され、その温度で5~24時間保持する熱処理が施され均質化される。この後、インゴットを粉砕し、篩分けを行うことにより所望粒径の水素吸蔵合金粒子の集合体である水素吸蔵合金粉末を得る。
Here, the hydrogen storage alloy particles can be obtained, for example, as follows.
First, metal raw materials are weighed and mixed to obtain a predetermined composition. This mixture is melted in an inert gas atmosphere, for example, in a high-frequency induction melting furnace, and then cooled to form an ingot. The resulting ingot is heated to 900 to 1200°C in an inert gas atmosphere and homogenized by heat treatment, holding at that temperature for 5 to 24 hours. The ingot is then crushed and sieved to obtain a hydrogen storage alloy powder, which is an aggregate of hydrogen storage alloy particles of the desired particle size.
結着剤としては、例えば、ポリアクリル酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム等が用いられる。 Examples of binders that can be used include sodium polyacrylate, carboxymethyl cellulose, and styrene-butadiene rubber.
ここで、負極12は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、水素吸蔵合金粒子の集合体である水素吸蔵合金粉末、導電材、結着剤及び水を混練して負極合剤ペーストを調製する。得られた負極合剤ペーストは負極基材に充填され、その後、乾燥処理が施される。乾燥後、水素吸蔵合金粒子等が付着した負極基材はロール圧延されて、単位体積当たりの合金量を高められ、その後、裁断がなされ、これにより負極12が得られる。この負極12は、全体として板状をなしている。負極12に含まれる負極合剤層は、水素吸蔵合金の粒子、導電材の粒子等により形成されているので、粒子間に隙間があり、全体として多孔質構造をなしている。
The negative electrode 12 can be produced, for example, as follows.
First, a negative electrode mixture paste is prepared by kneading a hydrogen storage alloy powder, which is an aggregate of hydrogen storage alloy particles, a conductive material, a binder, and water. The resulting negative electrode mixture paste is filled into a negative electrode substrate and then dried. After drying, the negative electrode substrate with the hydrogen storage alloy particles and other components attached is rolled to increase the amount of alloy per unit volume, and then cut to obtain the negative electrode 12. This negative electrode 12 has a plate-like shape as a whole. The negative electrode mixture layer included in the negative electrode 12 is formed from hydrogen storage alloy particles, conductive material particles, and other components, and therefore has gaps between the particles, forming an overall porous structure.
次に、空気極16は、網目構造を有する導電性の空気極基材と、前記した空気極基材に担持された空気極合剤(正極合剤)により形成された空気極合剤層(正極合剤層)とを備えている。上記したような空気極基材としては、例えば、ニッケルメッシュを用いることができる。 Next, the air electrode 16 comprises a conductive air electrode substrate with a mesh structure and an air electrode mixture layer (cathode mixture layer) formed from an air electrode mixture (cathode mixture) supported on the air electrode substrate. For example, nickel mesh can be used as the air electrode substrate.
空気極合剤は、酸化還元触媒(空気極用触媒)、導電材、及び結着剤を含む。
酸化還元触媒としては、酸化還元の二元機能を有するものを用いる。このような二元機能を有する触媒は、充電過程でも、放電過程でも電池の過電圧を低減させることに寄与する。このような酸化還元触媒としては、例えば、パイロクロア型のビスマスルテニウム複合酸化物が用いられる。このビスマスルテニウム複合酸化物は、酸素発生及び酸素還元の2元機能を有している。
The air electrode mixture contains an oxidation-reduction catalyst (air electrode catalyst), a conductive material, and a binder.
The redox catalyst used has a dual redox function. Such a dual-function catalyst contributes to reducing the overvoltage of the battery during both the charging and discharging processes. For example, a pyrochlore-type bismuth ruthenium composite oxide is used as such a redox catalyst. This bismuth ruthenium composite oxide has the dual functions of oxygen generation and oxygen reduction.
本実施形態におけるビスマスルテニウム複合酸化物は、少なくともBi、Ru及びSiを含むビスマスルテニウム複合酸化物からなる空気極用触媒であって、前記Biに対する前記Siの原子比を表すSi/Biが、0.007以下である。好ましくは、前記Si/Biが、0.002以上である。 The bismuth ruthenium composite oxide in this embodiment is an air electrode catalyst made of a bismuth ruthenium composite oxide containing at least Bi, Ru, and Si, in which the Si/Bi atomic ratio of Si to Bi is 0.007 or less. Preferably, the Si/Bi ratio is 0.002 or more.
ここで、本願の発明者は、空気二次電池のサイクル寿命特性の向上を阻害する要因について鋭意研究したところ、空気極用触媒に含まれるSiの量が多いとサイクル寿命特性が悪化することを発見し、Si量を極力少なくすることによりサイクル寿命特性を向上できることを見出した。詳しくは、以下の通りである。 The inventors of the present application conducted extensive research into the factors that hinder the improvement of the cycle life characteristics of air secondary batteries, and discovered that a high amount of Si contained in the air electrode catalyst deteriorates the cycle life characteristics, and that the cycle life characteristics can be improved by minimizing the amount of Si. More details are as follows.
Siは、ビスマスルテニウム複合酸化物の中に不純物として含まれており、主に、Si又はSiO2(シリカ)の形態で存在している。このような、SiやSiO2を過剰に含むビスマスルテニウム複合酸化物がアルカリ電解液(例えば、KOH水溶液)と接触すると、上記したSiやSiO2中のSiがシラノール結合(Si-OH)し、更に水素イオンを中和する反応を起こし、Si-O-Kとなり、アルカリシリカゲルが生成される。このアルカリシリカゲルは、水分を取り込む性質があり、周囲の水分を吸収しながら膨張していく。ビスマスルテニウム複合酸化物上で生成されたアルカリシリカゲルは、主に空気二次電池の充電反応時に生成される水を吸収し蓄えていくので、サイクル数が増えるほど蓄えられる水分は多くなる。このように、ビスマスルテニウム複合酸化物において水分を多く含む部分が増えると、三相界面の形成が困難になっていき、三相界面の面積が小さくなっていく。放電反応場となる三相界面が少なくなると、放電が困難となり、サイクル寿命が早期に尽きる原因となる。つまり、Siの量がサイクル寿命特性に影響を与えており、Siの量を規制することにより空気二次電池のサイクル寿命特性を改善することができるとの知見を得た。 Si is contained as an impurity in the bismuth ruthenium composite oxide and exists mainly in the form of Si or SiO 2 (silica). When such a bismuth ruthenium composite oxide containing excess Si or SiO 2 comes into contact with an alkaline electrolyte (e.g., a KOH aqueous solution), the Si in the Si or SiO 2 forms a silanol bond (Si—OH), which further neutralizes hydrogen ions, forming Si—O—K, and producing alkaline silica gel. This alkaline silica gel has the property of absorbing moisture and expands while absorbing surrounding moisture. The alkaline silica gel formed on the bismuth ruthenium composite oxide mainly absorbs and stores water generated during the charging reaction of the air secondary battery, so the more cycles are performed, the more moisture can be stored. In this way, as the amount of moisture-rich portions of the bismuth ruthenium composite oxide increases, the formation of a three-phase interface becomes more difficult, and the area of the three-phase interface decreases. When the three-phase interface, which serves as a discharge reaction field, becomes fewer, discharge becomes more difficult, causing the cycle life to end prematurely. In other words, the inventors have found that the amount of Si affects the cycle life characteristics, and that the cycle life characteristics of air secondary batteries can be improved by regulating the amount of Si.
本願の発明者は、Siの量を規制すれば、空気二次電池のサイクル寿命特性が向上すると考え、より具体的に空気二次電池におけるサイクル寿命とSiとの関係について研究した。その結果、ビスマスルテニウム複合酸化物に含まれるSiの量とサイクル寿命との間に関係があり、ビスマスルテニウム複合酸化物におけるBiに対するSiの原子比を表すSi/Biが0.007以下となると、顕著なサイクル寿命特性の向上効果が得られることを見出した。Siの量は極力少なくすることがサイクル寿命特性の向上には有効であると考えられるが、この研究の過程において、少なくともSi/Biが0.002となる態様までは、サイクル寿命特性の向上効果が得られることを確認している。 The inventors of the present application believe that restricting the amount of Si would improve the cycle life characteristics of air secondary batteries, and have conducted more specific research into the relationship between the cycle life and Si in air secondary batteries. As a result, they have discovered that there is a relationship between the amount of Si contained in bismuth ruthenium composite oxide and cycle life, and that a significant improvement in cycle life characteristics can be achieved when Si/Bi, which represents the atomic ratio of Si to Bi in bismuth ruthenium composite oxide, is 0.007 or less. While minimizing the amount of Si is thought to be effective in improving cycle life characteristics, during the course of this research, they have confirmed that an improvement in cycle life characteristics can be achieved at least up to a Si/Bi ratio of 0.002.
上記したようなパイロクロア型のビスマスルテニウム複合酸化物は、例えば、以下のようにして製造することができる。 The pyrochlore-type bismuth ruthenium composite oxide described above can be produced, for example, as follows.
Bi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oを準備する。そして、Bi(NO3)3・5H2Oと、RuCl3・3H2Oとをそれぞれが所定量となるように計量する。ここで、Bi(NO3)3・5H2Oと、RuCl3・3H2Oとは、原子比でRuが1.00に対し、Biが1.00以下となるように、Bi(NO3)3・5H2Oと、RuCl3・3H2Oとを計量することが好ましい。なお、後述の酸処理が施され最終的に得られるビスマスルテニウム複合酸化物においては、原子比でRuが1.00に対し、Biが0.70以上、0.78以下となるようにすることが好ましい。 Bi( NO3 ) 3.5H2O and RuCl3.3H2O are prepared. Then, Bi( NO3 ) 3.5H2O and RuCl3.3H2O are weighed out to predetermined amounts, respectively. Here, it is preferable that Bi( NO3 ) 3.5H2O and RuCl3.3H2O are weighed out so that the atomic ratio of Ru to Bi is 1.00 to 1.00 or less. Note that in the bismuth ruthenium composite oxide finally obtained after the acid treatment described below, it is preferable that the atomic ratio of Bi to Ru is 0.70 to 0.78 .
次に、計量されたBi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oを蒸留水の中に投入し、撹拌してBi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oの混合水溶液を調製する。このとき蒸留水の温度は、60℃以上、90℃以下とする。そして、この混合水溶液と、1mol/L以上、3mol/L以下のNaOH水溶液とをガラス製の反応容器に同時に滴下する。混合水溶液及びNaOH水溶液は、反応容器がオーバーフローするまで滴下される。このとき、反応容器内では、前駆体が形成される。そして、反応容器内に蓄えられた混合水溶液及びNaOH水溶液は、ガラス製の撹拌容器に移され、撹拌される。 Next, the measured Bi(NO 3 ) 3 ·5H 2 O and RuCl 3 ·3H 2 O are added to distilled water and stirred to prepare a mixed aqueous solution of Bi(NO 3 ) 3 ·5H 2 O and RuCl 3 ·3H 2 O. The temperature of the distilled water is set to 60°C or higher and 90°C or lower. Then, this mixed aqueous solution and an NaOH aqueous solution of 1 mol/L or higher and 3 mol/L or lower are simultaneously added dropwise to a glass reaction vessel. The mixed aqueous solution and the NaOH aqueous solution are added dropwise until the reaction vessel overflows. At this time, a precursor is formed in the reaction vessel. The mixed aqueous solution and the NaOH aqueous solution stored in the reaction vessel are then transferred to a glass stirring vessel and stirred.
この撹拌操作は、酸素バブリングをともなって12時間~48時間行う。ここで、撹拌操作を行っている間、当該混合水溶液については、pHが11となるように維持するとともに、温度が60℃以上、90℃以下になるように維持する。撹拌操作の終了後、混合水溶液を12時間~48時間静置する。静置した後、生じた沈殿物を吸引ろ過して回収する。回収された沈殿物は、80℃以上、100℃以下に保持して水分の一部を蒸発させてペーストを形成する。このペーストを蒸発皿に移し、100℃以上、150℃以下に加熱し、その状態で1時間以上、5時間以下保持して乾燥させ、ペーストの乾燥物を得る。得られたペーストの乾燥物を乳鉢に入れ、乳棒ですりつぶして粉砕し、粉末を得る。そして、この粉末を、空気雰囲気下で400℃以上、700℃以下の温度に加熱し、0.5時間以上、4時間以下保持することにより焼成処理を施す。焼成処理が終了した粉末は、60℃以上、90℃以下の蒸留水を用いて水洗された後、乾燥処理が施される。これにより、パイロクロア型のビスマスルテニウム複合酸化物が得られる。このビスマスルテニウム複合酸化物は、Bi2-xRu2O7-z(ただし、xは0≦x≦1、zは0≦z≦1の関係を満たしている。)で表される。 This stirring operation is carried out for 12 to 48 hours with oxygen bubbling. During the stirring operation, the pH of the mixed aqueous solution is maintained at 11, and the temperature is maintained at 60°C or higher and 90°C or lower. After the stirring operation is completed, the mixed aqueous solution is allowed to stand for 12 to 48 hours. After standing, the resulting precipitate is recovered by suction filtration. The recovered precipitate is kept at 80°C or higher and 100°C or lower to evaporate some of the water and form a paste. This paste is transferred to an evaporating dish, heated to 100°C or higher and 150°C or lower, and held at that temperature for 1 hour to 5 hours to dry, thereby obtaining a dried paste. The dried paste obtained is placed in a mortar and crushed with a pestle to obtain a powder. This powder is then fired by heating to 400°C or higher and 700°C or lower in an air atmosphere and held for 0.5 hours to 4 hours. The powder after the calcination treatment is washed with distilled water at a temperature of 60°C or higher and 90°C or lower, and then dried. This results in a pyrochlore-type bismuth ruthenium composite oxide. This bismuth ruthenium composite oxide is expressed as Bi2 - xRu2O7 -z (where x satisfies the relationships 0≦x≦1 and z satisfies the relationships 0≦z≦1).
次に、得られたビスマスルテニウム複合酸化物を硝酸水溶液に浸漬させ、酸処理を施すことが好ましい。具体的には、以下の通りである。 Next, it is preferable to immerse the obtained bismuth ruthenium composite oxide in an aqueous nitric acid solution and perform an acid treatment. Specifically, this is as follows.
まず、硝酸水溶液を準備する。ここで、硝酸水溶液の濃度は、5mol/L以下とすることが好ましい。より好ましくは、2mol/L以下とする。硝酸水溶液の量は、ビスマスルテニウム複合酸化物1gに対して20mLの割合となる量を準備することが好ましい。硝酸水溶液の温度は、20℃以上に設定することが好ましい。 First, prepare an aqueous nitric acid solution. The concentration of the aqueous nitric acid solution is preferably 5 mol/L or less, and more preferably 2 mol/L or less. The amount of aqueous nitric acid solution prepared is preferably 20 mL per 1 g of bismuth ruthenium composite oxide. The temperature of the aqueous nitric acid solution is preferably set to 20°C or higher.
そして、準備された硝酸水溶液の中に、ビスマスルテニウム複合酸化物を浸漬し、1時間以上、6時間以下撹拌する。所定時間経過後、硝酸水溶液中からビスマスルテニウム複合酸化物を吸引濾過する。濾別されたビスマスルテニウム複合酸化物は、60℃以上、80℃以下に設定された蒸留水で洗浄される。 Then, the bismuth ruthenium composite oxide is immersed in the prepared nitric acid aqueous solution and stirred for at least one hour and not more than six hours. After the specified time has passed, the bismuth ruthenium composite oxide is suction filtered from the nitric acid aqueous solution. The filtered bismuth ruthenium composite oxide is washed with distilled water set to at least 60°C and not more than 80°C.
洗浄されたビスマスルテニウム複合酸化物は、100℃以上、130℃以下の環境下で1時間以上、4時間以下保持され、乾燥処理が施される。 The washed bismuth ruthenium composite oxide is then dried by being held in an environment of 100°C or higher and 130°C or lower for 1 hour or longer and 4 hours or shorter.
以上のようにして、酸処理が施されたビスマスルテニウム複合酸化物を得る。このように酸処理を施すことにより、ビスマスルテニウム複合酸化物の製造過程で生じる副生成物を除去することができる。なお、酸処理に用いられる酸性水溶液は、硝酸水溶液に限定されるものではなく、硝酸水溶液の他に塩酸水溶液、硫酸水溶液を用いることができる。これら、塩酸水溶液及び硫酸水溶液においても、硝酸水溶液と同様に副生成物を除去できるという効果が得られる。 In this way, an acid-treated bismuth ruthenium composite oxide is obtained. By performing the acid treatment in this manner, by-products generated during the production process of the bismuth ruthenium composite oxide can be removed. The acidic aqueous solution used for the acid treatment is not limited to an aqueous nitric acid solution; in addition to an aqueous nitric acid solution, an aqueous hydrochloric acid solution or an aqueous sulfuric acid solution can also be used. These aqueous hydrochloric acid and sulfuric acid solutions also have the effect of removing by-products, just like an aqueous nitric acid solution.
以上のようにして副生成物が除去されたビスマスルテニウム複合酸化物の粒子の集合体であるビスマスルテニウム複合酸化物の粉末が得られる。 In this way, bismuth ruthenium composite oxide powder is obtained, which is an aggregate of bismuth ruthenium composite oxide particles from which by-products have been removed.
得られたビスマスルテニウム複合酸化物においては、その表面あるいはバルク中にSiが含まれている。バルク中におけるSiの状態としては、Biの一部と置換された状態であると考えられる。 The resulting bismuth ruthenium composite oxide contains Si on its surface or in the bulk. The Si in the bulk is thought to be in a state where it has substituted for some of the Bi.
ビスマスルテニウム複合酸化物にSiが混入する経路は、ガラス製の反応容器からの溶け出し、乾燥工程における混入、濾過に使用するガラス製の漏斗からの溶け出し、焼成の際に使用する坩堝からの溶け出し等、色々と考えられ、これらの経路が組み合わされるため厳密に特定することは難しい。ここで、上記した経路のうち、ガラス製の反応容器からの溶け出しが代表的なSiの混入経路と考えられる。ガラスは、水酸化ナトリウム水溶液のような強アルカリ性の水溶液と接するとガラス成分中のSiやシリカが溶出する。この溶出したSiや溶出したシリカ中のSiがビスマスルテニウム複合酸化物に含まれることになる。このため、上記したガラス製の反応容器からのSiの溶け出しを制御することがビスマスルテニウム複合酸化物中のSi量を極力少なくすることに関し最も効果があると考えられる。 There are various possible routes by which Si may become mixed into bismuth ruthenium composite oxide, including dissolution from the glass reaction vessel, contamination during the drying process, dissolution from the glass funnel used for filtration, and dissolution from the crucible used during firing. Because these routes may be combined, it is difficult to pinpoint the exact route. Of the routes mentioned above, dissolution from the glass reaction vessel is considered to be the most common route by which Si may become mixed in. When glass comes into contact with a strongly alkaline aqueous solution such as an aqueous sodium hydroxide solution, the Si and silica contained in the glass components are eluted. This eluted Si and the Si contained in the eluted silica become incorporated into the bismuth ruthenium composite oxide. For this reason, controlling the elution of Si from the glass reaction vessel described above is considered to be the most effective way to minimize the amount of Si in the bismuth ruthenium composite oxide.
次に、導電材について説明する。導電材は、空気二次電池の高出力化を図るべく内部抵抗を低下させるため、及び、上記した酸化還元触媒の担体として用いられる。 Next, we will explain the conductive material. The conductive material is used to reduce internal resistance in order to increase the output of the air secondary battery, and as a support for the redox catalyst mentioned above.
このような導電材としては、例えば、ニッケル粒子からなるニッケル粉末を用いることが好ましい。上記したニッケル粒子の平均粒径としては、特に限定されるものではなく、空気極に所望の導電性を付与できる大きさとすることが好ましい。 As such a conductive material, it is preferable to use, for example, nickel powder made of nickel particles. The average particle size of the nickel particles is not particularly limited, but it is preferable to set it to a size that can impart the desired conductivity to the air electrode.
上記したニッケル粉末は、空気極合剤中において、60質量%以上含有させることが好ましい。このニッケル粉末の含有量の上限は、空気極合剤における他の構成材料との関係から80質量%以下とすることが好ましい。 The above-mentioned nickel powder is preferably contained in an amount of 60% by mass or more in the air electrode mixture. The upper limit of the nickel powder content is preferably set to 80% by mass or less, taking into account the relationship with other constituent materials in the air electrode mixture.
結着剤は、空気極合剤の構成材料を結着させるとともに空気極16に適切な撥水性を付与する働きをする。ここで、結着剤としては、特に限定されるものではなく、例えば、フッ素樹脂が用いられる。なお、好ましいフッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEとも表記する)が用いられる。 The binder binds the constituent materials of the air electrode mixture and also provides the air electrode 16 with appropriate water repellency. The binder is not particularly limited, and examples include fluororesin. A preferred example of a fluororesin is polytetrafluoroethylene (hereinafter also referred to as PTFE).
空気極16は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、ビスマスルテニウム複合酸化物粒子の集合体である触媒粉末、導電材としてのNi粒子の集合体である導電材粉末、結着剤及び水を準備する。そして、これら触媒粉末、導電材粉末、結着剤及び水を混錬して空気極合剤ペーストを調製する。
The air electrode 16 can be manufactured, for example, as follows.
First, a catalyst powder which is an aggregate of bismuth ruthenium composite oxide particles, a conductive powder which is an aggregate of Ni particles as a conductive material, a binder, and water are prepared. Then, the catalyst powder, conductive powder, binder, and water are kneaded together to prepare an air electrode mixture paste.
得られた空気極合剤ペーストは、例えば、ローラプレスを施すことによりシート状に成形され、それにより空気極合剤シートを得る。その後、空気極合剤シートは、ニッケルメッシュ(空気極基材)にプレス圧着される。これにより、空気極の中間製品が得られる。 The resulting air electrode mixture paste is formed into a sheet, for example by roller pressing, to obtain an air electrode mixture sheet. The air electrode mixture sheet is then press-bonded to a nickel mesh (air electrode substrate). This produces an intermediate air electrode product.
次いで、得られた中間製品は、焼成処理炉に投入され焼成処理が行われる。この焼成処理は、不活性ガス雰囲気中で行われる。この不活性ガスとしては、例えば、窒素ガスやアルゴンガスが用いられる。焼成処理の条件としては、200℃以上、400℃以下の温度に加熱し、この状態で、10分以上、40分以下の間保持する。その後、中間製品を焼成処理炉内で自然冷却し、中間製品の温度が150℃以下になったところで大気中に取り出す。これにより、焼成処理が施された中間製品が得られる。この焼成処理後の中間製品を所定形状に裁断することにより、空気極16が得られる。この空気極16は、空気極合剤により形成された空気極合剤層を備えている。空気極合剤は、ビスマスルテニウム複合酸化物の粒子等を含んでいるので、斯かる空気極合剤で形成された空気極合剤層は、全体として多数の細孔を含む多孔質構造をなしており、ガス拡散性に優れている。 The resulting intermediate product is then placed in a firing furnace and fired. This firing is carried out in an inert gas atmosphere, such as nitrogen or argon gas. The firing conditions include heating to a temperature of 200°C to 400°C and maintaining this temperature for 10 to 40 minutes. The intermediate product is then allowed to cool naturally in the firing furnace and removed into the atmosphere when its temperature drops to 150°C or below. This results in a fired intermediate product. The fired intermediate product is then cut into a predetermined shape to obtain the air electrode 16. This air electrode 16 includes an air electrode mixture layer formed from an air electrode mixture. Because the air electrode mixture contains particles of bismuth ruthenium composite oxide, the air electrode mixture layer formed from this air electrode mixture has a porous structure with numerous pores overall, providing excellent gas diffusion properties.
上記のようにして得られた空気極16及び負極12は、セパレータ14を介して積層され、これにより電極群10が形成される。このセパレータ14は、空気極16及び負極12の間の短絡を避けるために配設され、電気絶縁性の材料が採用される。このセパレータ14に採用される材料としては、例えば、ポリアミド繊維製不織布に親水性官能基を付与したもの、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン繊維製不織布に親水性官能基を付与したもの等を用いることができる。 The air electrode 16 and negative electrode 12 obtained as described above are stacked with a separator 14 interposed between them, thereby forming an electrode group 10. This separator 14 is arranged to prevent short circuits between the air electrode 16 and negative electrode 12, and is made of an electrically insulating material. Materials that can be used for this separator 14 include, for example, a polyamide fiber nonwoven fabric to which hydrophilic functional groups have been added, or a polyolefin fiber nonwoven fabric such as polyethylene or polypropylene to which hydrophilic functional groups have been added.
形成された電極群10は、アルカリ電解液とともに容器4の中に入れられる。この容器4としては、電極群10とアルカリ電解液とを収容できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、アクリル製の箱状の容器4が用いられる。この容器4は、例えば、図1に示すように、容器本体6と、蓋8とを含んでいる。 The formed electrode group 10 is placed in a container 4 together with an alkaline electrolyte. There are no particular limitations on the type of container 4 as long as it can accommodate the electrode group 10 and alkaline electrolyte; for example, an acrylic box-shaped container 4 is used. For example, as shown in Figure 1, this container 4 includes a container body 6 and a lid 8.
容器本体6は、底壁18と、底壁18の周縁部から上方に延びる側壁20とを有する箱形状をなしている。側壁20の上端縁21で囲まれた部分は、開口している。つまり、底壁18の反対側には、開口部22が設けられている。また、側壁20においては、右側壁20R及び左側壁20Lの所定位置に、それぞれ貫通孔が設けられており、これら貫通孔は、後述するリード線の引出口24、26となる。 The container body 6 is box-shaped and has a bottom wall 18 and side walls 20 that extend upward from the periphery of the bottom wall 18. The portion surrounded by the upper edge 21 of the side wall 20 is open. In other words, an opening 22 is provided on the opposite side of the bottom wall 18. Furthermore, the side wall 20 has through holes at predetermined positions on the right side wall 20R and the left side wall 20L, which serve as lead wire outlets 24, 26, which will be described later.
更に、容器本体6には、電解液貯蔵部80が取り付けられている。この電解液貯蔵部80は、アルカリ電解液82を収容する容器であり、例えば、底壁18に設けられた貫通孔19と連通する連結部84を介して取り付けられている。連結部84は、容器4の内部と電解液貯蔵部80との間を連通するアルカリ電解液82の流路である。このように、容器4の内部と電解液貯蔵部80とは連通しているため、アルカリ電解液82は、容器4の内部と電解液貯蔵部80との間を移動することができる。 Furthermore, an electrolyte storage unit 80 is attached to the container body 6. This electrolyte storage unit 80 is a container that stores alkaline electrolyte 82, and is attached, for example, via a connecting unit 84 that communicates with a through-hole 19 provided in the bottom wall 18. The connecting unit 84 is a flow path for the alkaline electrolyte 82 that connects the interior of the container 4 with the electrolyte storage unit 80. In this way, because the interior of the container 4 and the electrolyte storage unit 80 are connected, the alkaline electrolyte 82 can move between the interior of the container 4 and the electrolyte storage unit 80.
蓋8は、容器本体6の平面視形状と同じ平面視形状をなしており、容器本体6の上部に被せられ、開口部22を塞ぐ。蓋8と、側壁20の上端縁21との間は液密に封止される。 The lid 8 has the same shape as the container body 6 in a plan view, and is placed over the top of the container body 6 to close the opening 22. The gap between the lid 8 and the upper edge 21 of the side wall 20 is liquid-tight.
蓋8において、容器本体6の内側に臨む内面部28には、通気路30が設けられている。通気路30は、容器本体6の内側に面する部分が開放されており、全体として1本のサーペンタイン形状をなしている。更に、蓋8の所定位置には、厚さ方向に貫通する入側通気孔32及び出側通気孔34が設けられている。入側通気孔32は、通気路30の一方端と連通しており、出側通気孔34は、通気路30の他方端と連通している。つまり、通気路30は、入側通気孔32及び出側通気孔34を介して大気に開放されている。なお、入側通気孔32には、図示しない圧送ポンプを取り付けることが好ましい。この圧送ポンプを駆動することにより入側通気孔32から通気路30に空気を送り込むことができる。 The lid 8 has an air vent 30 on its inner surface 28 facing the inside of the container body 6. The air vent 30 is open at the portion facing the inside of the container body 6, forming a single serpentine shape overall. Furthermore, an inlet air vent 32 and an outlet air vent 34 are provided at predetermined positions on the lid 8, penetrating the thickness direction. The inlet air vent 32 is connected to one end of the air vent 30, and the outlet air vent 34 is connected to the other end of the air vent 30. In other words, the air vent 30 is open to the atmosphere via the inlet air vent 32 and the outlet air vent 34. It is preferable to attach a pressure pump (not shown) to the inlet air vent 32. Driving this pressure pump allows air to be sent from the inlet air vent 32 to the air vent 30.
容器本体6の底壁18の上には、必要に応じて、調整部材36を配置する。調整部材36は、容器4内において、電極群10の高さ方向の位置合わせに用いられる。調整部材36としては、例えば、発泡ニッケルのシートが用いられる。 If necessary, an adjustment member 36 is placed on the bottom wall 18 of the container body 6. The adjustment member 36 is used to align the electrode group 10 in the height direction within the container 4. For example, a foamed nickel sheet is used as the adjustment member 36.
調整部材36の上には、電極群10が配設される。このとき、電極群10の負極12は、調整部材36と接するように配設される。 The electrode group 10 is placed on top of the adjustment member 36. At this time, the negative electrode 12 of the electrode group 10 is placed so that it contacts the adjustment member 36.
一方、電極群10の空気極16側には、空気極16と接するように撥水通気部材40が配設される。この撥水通気部材40は、PTFE多孔膜42に不織布拡散紙44が組み合わされたものである。撥水通気部材40は、PTFEにより撥水効果を発揮するとともに、気体の通過を許容する。撥水通気部材40は、蓋8と空気極16との間に介在し、蓋8及び空気極16の両方に密着している。この撥水通気部材40は、蓋8の通気路30、入側通気孔32及び出側通気孔34の全体をカバーする大きさを有している。 On the other hand, a water-repellent ventilation member 40 is disposed on the air electrode 16 side of the electrode group 10 so as to contact the air electrode 16. This water-repellent ventilation member 40 is a combination of a PTFE porous membrane 42 and a nonwoven diffusion paper 44. The water-repellent ventilation member 40 exhibits water-repellent properties due to the PTFE and allows gas to pass through. The water-repellent ventilation member 40 is interposed between the lid 8 and the air electrode 16 and is in close contact with both the lid 8 and the air electrode 16. This water-repellent ventilation member 40 is large enough to cover the entire ventilation channel 30, inlet vent 32, and outlet vent 34 of the lid 8.
上記のような、電極群10、調整部材36及び撥水通気部材40を収容した容器本体6には、蓋8が被せられる。そして、図1において概略的に描かれているように、容器4(容器本体6及び蓋8)の周端縁部46、48が連結具50、52により上下から挟みこまれる。その後、所定量のアルカリ電解液82が電解液貯蔵部80から注入され、容器4内にアルカリ電解液82が満たされる。このようにして、電池2が形成される。 The lid 8 is placed on the container body 6, which houses the electrode group 10, adjustment member 36, and water-repellent and breathable member 40 as described above. Then, as shown schematically in Figure 1, the peripheral edges 46, 48 of the container 4 (container body 6 and lid 8) are sandwiched from above and below by connectors 50, 52. A predetermined amount of alkaline electrolyte 82 is then injected from the electrolyte reservoir 80, filling the container 4 with alkaline electrolyte 82. In this manner, the battery 2 is formed.
なお、上記したアルカリ電解液82としては、アルカリ二次電池に用いられる一般的なアルカリ電解液が好適に用いられ、具体的には、NaOH、KOH及びLiOHのうち、少なくとも1種を溶質として含む水溶液が用いられる。 The alkaline electrolyte 82 is preferably a typical alkaline electrolyte used in alkaline secondary batteries, specifically an aqueous solution containing at least one of NaOH, KOH, and LiOH as a solute.
ここで、電池2においては、蓋8の通気路30は撥水通気部材40に相対している。撥水通気部材40は、気体は通すが水分は遮断するので、空気極16は撥水通気部材40、通気路30、入側通気孔32及び出側通気孔34を介して大気に開放されることになる。つまり、空気極16は、撥水通気部材40を通じて大気と接することになる。 In the battery 2, the ventilation channel 30 of the lid 8 faces the water-repellent ventilation member 40. The water-repellent ventilation member 40 allows gas to pass through but blocks moisture, so the air electrode 16 is open to the atmosphere via the water-repellent ventilation member 40, the ventilation channel 30, the inlet ventilation hole 32, and the outlet ventilation hole 34. In other words, the air electrode 16 comes into contact with the atmosphere through the water-repellent ventilation member 40.
また、この電池2においては、空気極(正極)16に空気極リード(正極リード)54が電気的に接続されており、負極12に負極リード56が電気的に接続されている。これら空気極リード54及び負極リード56は、図1中においては概略的に描かれているが、気密性及び液密性を保持した状態で引出口24、26から容器4の外に引き出されている。そして、空気極リード54の先端には空気極端子(正極端子)58が設けられており、負極リード56の先端には負極端子60が設けられている。したがって、電池2においては、これら空気極端子58及び負極端子60を利用して充放電の際の電流の入力及び出力が行われる。 In addition, in this battery 2, an air electrode lead (positive electrode lead) 54 is electrically connected to the air electrode (positive electrode) 16, and an anode lead 56 is electrically connected to the anode 12. These air electrode lead 54 and anode lead 56 are depicted schematically in Figure 1, but are drawn out of the container 4 from the outlets 24, 26 while maintaining airtightness and liquid tightness. An air electrode terminal (positive electrode terminal) 58 is provided at the tip of the air electrode lead 54, and an anode terminal 60 is provided at the tip of the anode lead 56. Therefore, in the battery 2, current is input and output during charging and discharging using these air electrode terminal 58 and anode terminal 60.
[実施例]
1.電池の製造
(実施例1)
(1)空気極用触媒の合成
1)共沈工程
Bi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oを準備した。そして、原子比でRuが1.00に対し、Biが0.75となるように、Bi(NO3)3・5H2Oと、RuCl3・3H2Oとをそれぞれ計量した。なお、この時のBi/Ruの値は準備時のBi/Ruの値とし、その値は0.75である。計量されたBi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oをあわせて70℃の蒸留水中に投入し、撹拌してBi(NO3)3・5H2O及びRuCl3・3H2Oの混合水溶液を調製した。更に、2mol/LのNaOH水溶液を準備した。そして、ガラス製の反応容器の中に、上記した混合水溶液及びNaOH水溶液を同時に滴下した。ここで、上記した反応容器は、上端が開口した有底円筒形状の本体部と、この本体部の上端近傍の側壁において本体部の内部と連通しており、本体部に溜まった溶液を外部へ導出する導出管とを含んでいる。この導出管は上記した側壁から斜め下方に向かって延びている。このため、本体部内に注入された溶液がある程度溜まり、溶液の液面の高さが導出管の部分に到達すると、導出管から溶液がオーバーフローして外部に導出される。導出管の本体部側の開口(以下、本体部側開口という)は、注入された溶液の容積が100mLになったところでオーバーフローするように所定の高さに配設されている。つまり、この反応容器は、容積が100mLになるまで溶液を溜めることができる。よって、この反応容器の容積は100mLとする。
[Example]
1. Battery Production (Example 1)
(1) Synthesis of cathode catalyst 1) Coprecipitation process Bi( NO3 ) 3.5H2O and RuCl3.3H2O were prepared. Bi( NO3 ) 3.5H2O and RuCl3.3H2O were weighed so that the atomic ratio of Ru was 1.00 and Bi was 0.75. The Bi/Ru ratio at this time was the Bi/ Ru value at the time of preparation, which was 0.75. The weighed Bi( NO3 ) 3.5H2O and RuCl3.3H2O were combined and poured into distilled water at 70°C and stirred to prepare a mixed aqueous solution of Bi (NO3)3.5H2O and RuCl3.3H2O . Furthermore , a 2 mol/L NaOH aqueous solution was prepared. The mixed aqueous solution and the NaOH aqueous solution were then simultaneously dropped into a glass reaction vessel. The reaction vessel includes a cylindrical body with an open top and a closed bottom, and a discharge pipe connected to the interior of the body at a sidewall near the top of the body and used to discharge the solution accumulated in the body. The discharge pipe extends diagonally downward from the sidewall. Therefore, when a certain amount of the solution accumulates in the body and the liquid level reaches the discharge pipe, the solution overflows from the discharge pipe and is discharged to the outside. The opening of the discharge pipe on the body side (hereinafter referred to as the body-side opening) is positioned at a predetermined height so that the solution overflows when the volume of the injected solution reaches 100 mL. In other words, the reaction vessel can store solution up to a volume of 100 mL. Therefore, the volume of the reaction vessel is 100 mL.
この実施例1においては、混合水溶液及びNaOH水溶液の反応容器内における平均滞留時間が50分となったらオーバーフローするように滴下時間を調整した。ここで、平均滞留時間とは、平均滞留時間=反応容器の容積[mL]/滴下速度[mL/min]であり、滴下速度=滴下量[mL]/滴下時間[min]で計算している。つまり、ある容積の反応容器に一定量の溶液を滴下していく際に、所定の滴下量で滴下された溶液の液面が導出管の本体部側開口に達しオーバーフローするように溶液の滴下時間を調整した。具体的には、100mLの反応容器が50分経過後にオーバーフローする滴下速度で滴下した場合の平均滞留時間は50分となる。 In Example 1, the dripping time was adjusted so that the mixed aqueous solution and NaOH aqueous solution would overflow after an average residence time of 50 minutes in the reaction vessel. Here, the average residence time is calculated as follows: average residence time = reaction vessel volume [mL] / dripping rate [mL/min], and dripping rate = drip amount [mL] / dripping time [min]. In other words, when dripping a fixed amount of solution into a reaction vessel of a certain volume, the dripping time of the solution was adjusted so that the liquid level of the solution dripped at a specified drip amount would reach the opening on the main body side of the outlet tube and overflow. Specifically, the average residence time is 50 minutes when dripping into a 100 mL reaction vessel at a drip rate that will cause overflow after 50 minutes.
上記のように混合水溶液とNaOH水溶液とを反応させることにより前駆体を析出させた。その後、上記の前駆体を含む、オーバーフローした後の混合水溶液を撹拌用容器に入れ、撹拌操作を行った。この撹拌操作は、酸素バブリングを行いながら24時間行った。この撹拌操作を行っている間、当該混合水溶液については、pHを11に維持するとともに、温度を70℃に維持した。撹拌操作の終了後、当該混合水溶液を24時間静置した。静置した後、生じた沈殿物を吸引ろ過することにより回収した。回収された沈殿物は、85℃に保持して水分の一部を蒸発させてペースト状とした。得られたペーストを蒸発皿に移し、120℃に加熱し、その状態で3時間保持して乾燥処理を施し、前駆体の乾燥物を得た。 As described above, the precursor was precipitated by reacting the mixed aqueous solution with the NaOH aqueous solution. The overflowed mixed aqueous solution containing the precursor was then placed in a stirring vessel and stirred. This stirring was carried out for 24 hours while oxygen bubbling was performed. During this stirring, the pH of the mixed aqueous solution was maintained at 11, and the temperature was maintained at 70°C. After stirring, the mixed aqueous solution was allowed to stand for 24 hours. After standing, the resulting precipitate was recovered by suction filtration. The recovered precipitate was kept at 85°C to evaporate some of the water, forming a paste. The resulting paste was transferred to an evaporating dish, heated to 120°C, and dried by holding it there for 3 hours to obtain a dried precursor.
2)焼成工程
得られた前駆体の乾燥物を乳鉢に入れ、乳棒ですりつぶして粉砕し、粉末状とした。得られた前駆体の粉末を、空気雰囲気下で500℃に加熱し3時間保持する焼成処理を施した。当該焼成処理が終了した後の前駆体を、70℃の蒸留水を用いて水洗した後、吸引濾過し、120℃で3時間保持して乾燥処理を施した。これにより、ビスマスルテニウム複合酸化物(空気極用触媒)を得た。
2) Calcination Step The dried precursor was placed in a mortar and crushed with a pestle to form a powder. The resulting precursor powder was subjected to a calcination treatment in which it was heated to 500°C in an air atmosphere and maintained for 3 hours. After the calcination treatment, the precursor was washed with distilled water at 70°C, filtered by suction, and then maintained at 120°C for 3 hours to be dried. This yielded a bismuth ruthenium composite oxide (air electrode catalyst).
3)酸処理工程
ビスマスルテニウム複合酸化物を硝酸水溶液とともにスターラーの撹拌槽に入れ、当該硝酸水溶液の温度を25℃に保持したまま1時間撹拌して酸処理を施した。このとき、硝酸水溶液の量は、ビスマスルテニウム複合酸化物の粉末1gに対して20mLの割合となる量とした。また、硝酸水溶液の濃度は2mol/Lとした。
3) Acid Treatment Step The bismuth ruthenium composite oxide was placed in a stirring tank with a stirrer together with an aqueous nitric acid solution, and the nitric acid solution was stirred for 1 hour while maintaining the temperature at 25°C, thereby carrying out an acid treatment. The amount of the aqueous nitric acid solution was 20 mL per 1 g of the bismuth ruthenium composite oxide powder. The concentration of the aqueous nitric acid solution was 2 mol/L.
撹拌が終了した後、硝酸水溶液中からビスマスルテニウム複合酸化物の粉末を吸引濾過することにより取り出した。取り出されたビスマスルテニウム複合酸化物の粉末は、70℃に加熱した蒸留水で洗浄した。洗浄後、ビスマスルテニウム複合酸化物の粉末を、120℃の雰囲気下で3時間保持することにより乾燥させた。 After stirring was completed, the bismuth ruthenium composite oxide powder was removed from the nitric acid aqueous solution by suction filtration. The removed bismuth ruthenium composite oxide powder was washed with distilled water heated to 70°C. After washing, the bismuth ruthenium composite oxide powder was dried by holding it in an atmosphere at 120°C for 3 hours.
以上のようにして、酸処理されたビスマスルテニウム複合酸化物の粉末、すなわち、空気極用触媒の粉末を得た。 In this way, acid-treated bismuth ruthenium composite oxide powder, i.e., air electrode catalyst powder, was obtained.
(2)空気極の製造
Ni粒子の集合体であるNi粉末を準備した。このNi粒子は、フィラメント状をなしており、平均粒径が10~20μmであった。
(2) Fabrication of the Air Electrode Ni powder was prepared, which was an aggregate of Ni particles. The Ni particles were filament-shaped and had an average particle size of 10 to 20 μm.
更に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョン及びイオン交換水を準備した。 In addition, polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion and ion-exchanged water were prepared.
上記のようにして得られたビスマスルテニウム複合酸化物(空気極用触媒)の粉末に、ニッケル粉末、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョン及びイオン交換水を加えて混合した。このとき、ビスマスルテニウム複合酸化物の粉末は20重量部、ニッケル粉末は70重量部、PTFEのディスパージョンは10重量部、イオン交換水は10重量部の割合で均一に混合して空気極合剤のペーストを製造した。 The bismuth ruthenium composite oxide (air electrode catalyst) powder obtained as described above was mixed with nickel powder, polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion, and ion-exchanged water. 20 parts by weight of the bismuth ruthenium composite oxide powder, 70 parts by weight of the nickel powder, 10 parts by weight of the PTFE dispersion, and 10 parts by weight of the ion-exchanged water were uniformly mixed to produce a paste of the air electrode mixture.
得られた空気極合剤のペーストをシート状に成形し、25℃の室温環境下で保持することにより乾燥させ、空気極合剤のシートを得た。得られた空気極合剤のシートをメッシュ数60、線径0.08mm、開口率60%のニッケルメッシュにプレス圧着させた。これにより、空気極の中間製品を得た。 The resulting air electrode mixture paste was formed into a sheet and dried at room temperature of 25°C to obtain an air electrode mixture sheet. The resulting air electrode mixture sheet was then press-bonded to a nickel mesh with a mesh count of 60, a wire diameter of 0.08 mm, and an opening rate of 60%. This resulted in an intermediate air electrode product.
次に、空気極の中間製品を焼成処理炉にて焼成処理を施した。焼成処理の条件は、空気極の中間製品を窒素ガス雰囲気下で340℃の焼成温度に加熱し、この温度で13分間保持した。焼成処理された中間製品は、縦40mm、横40mmに裁断され、これにより、空気極16を得た。この空気極16の厚さは0.23mmであった。なお、得られた空気極16において、ビスマスルテニウム複合酸化物の粉末(空気極用触媒)の量は0.23gであった。 Next, the intermediate air electrode product was subjected to a calcination process in a calcination furnace. The calcination process was performed by heating the intermediate air electrode product to a calcination temperature of 340°C in a nitrogen gas atmosphere and holding it at this temperature for 13 minutes. The calcined intermediate product was cut into a length of 40 mm and a width of 40 mm, thereby obtaining an air electrode 16. The thickness of this air electrode 16 was 0.23 mm. The amount of bismuth ruthenium composite oxide powder (air electrode catalyst) in the resulting air electrode 16 was 0.23 g.
(3)負極の製造
Nd、Mg、Ni、Alの各金属材料を所定のモル比となるように混合した後、高周波誘導溶解炉に投入しアルゴンガス雰囲気下にて溶解させ、得られた溶湯を鋳型に流し込み、25℃の室温まで冷却してインゴットを製造した。
(3) Production of Negative Electrode After mixing the metal materials Nd, Mg, Ni, and Al to a predetermined molar ratio, the mixture was charged into a high-frequency induction melting furnace and melted in an argon gas atmosphere. The resulting molten metal was poured into a mold and cooled to room temperature of 25°C to produce an ingot.
ついで、このインゴットに対し、温度1000℃のアルゴンガス雰囲気下にて10時間保持する熱処理を施した後、25℃の室温まで冷却した。冷却後、当該インゴットをアルゴンガス雰囲気下で機械的に粉砕して、希土類-Mg-Ni系水素吸蔵合金粉末を得た。得られた希土類-Mg-Ni系水素吸蔵合金粉末について、レーザー回折・散乱式粒径分布測定装置により体積平均粒径(MV)を測定した。その結果、体積平均粒径(MV)は60μmであった。 The ingot was then heat-treated at 1000°C in an argon gas atmosphere for 10 hours, after which it was cooled to room temperature of 25°C. After cooling, the ingot was mechanically pulverized in an argon gas atmosphere to obtain rare earth-Mg-Ni-based hydrogen storage alloy powder. The volume average particle size (MV) of the obtained rare earth-Mg-Ni-based hydrogen storage alloy powder was measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer. The volume average particle size (MV) was found to be 60 μm.
この水素吸蔵合金粉末の組成を高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP-AES)によって分析したところ、組成は、Nd0.89Mg0.11Ni3.33Al0.17であった。 The composition of this hydrogen storage alloy powder was analyzed by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) and found to be Nd 0.89 Mg 0.11 Ni 3.33 Al 0.17 .
ここで、得られた水素吸蔵合金について、電気化学的合金容量の測定を行った。具体的には、上記のようにして得られた水素吸蔵合金粉末の一部を取り分けておいた測定用試料と、ニッケル粉末を準備した。そして、測定用試料としての水素吸蔵合金粉末0.25gと、ニッケル粉末0.75gとを混合して混合粉末を作製し、当該混合粉末を形成型して直径10mmの円形のペレット電極を作製した。 The electrochemical alloy capacity of the obtained hydrogen storage alloy was then measured. Specifically, a measurement sample was prepared by setting aside a portion of the hydrogen storage alloy powder obtained as described above, and nickel powder. 0.25 g of the hydrogen storage alloy powder used as the measurement sample was mixed with 0.75 g of nickel powder to produce a mixed powder, which was then molded to produce a circular pellet electrode with a diameter of 10 mm.
次いで、円筒形の樹脂製の容器内に、8mol/LのKOH水溶液100mLを注入するとともに、容器の中央部で、且つ、KOH水溶液内にペレット電極と酸化水銀参照電極とを配設した。更に、容器の縁に合わせて負極(ペレット電極)に対し容量が十分に大きい水酸化ニッケル対極を配設した。このようにして負極容量規制の電池を形成した。この電池において、0.5Itで200分間充電する充電操作と、0.5Itで酸化水銀参照電極に対して負極電位が-0.3Vになるまで放電する放電操作を行う充放電試験を実施し、電気化学的合金容量を求めた。なお、上記したペレット電極に関する充放電操作においては、合金容量を300mAh/gと仮定して計算した負極容量を1Itとした。 Next, 100 mL of an 8 mol/L KOH aqueous solution was poured into a cylindrical resin container, and a pellet electrode and a mercury oxide reference electrode were placed in the center of the container within the KOH aqueous solution. Furthermore, a nickel hydroxide counter electrode with a capacity sufficiently large relative to the negative electrode (pellet electrode) was placed along the edge of the container. In this way, a battery with a negative electrode capacity limitation was formed. A charge-discharge test was conducted on this battery, in which the battery was charged at 0.5 It for 200 minutes and discharged at 0.5 It until the negative electrode potential reached -0.3 V relative to the mercury oxide reference electrode, and the electrochemical alloy capacity was determined. Note that in the charge-discharge operation using the pellet electrode described above, the negative electrode capacity was calculated as 1 It, assuming an alloy capacity of 300 mAh/g.
得られた水素吸蔵合金の粉末100重量部に対し、ポリアクリル酸ナトリウムの粉末0.2重量部、カルボキシメチルセルロースの粉末0.04重量部、スチレンブタジエンゴムのディスパージョン1.0重量部、カーボンブラックの粉末0.3重量部、水22.4重量部を添加して25℃の環境下において混練し、負極合剤ペーストを調製した。 To 100 parts by weight of the obtained hydrogen storage alloy powder, 0.2 parts by weight of sodium polyacrylate powder, 0.04 parts by weight of carboxymethyl cellulose powder, 1.0 part by weight of styrene butadiene rubber dispersion, 0.3 parts by weight of carbon black powder, and 22.4 parts by weight of water were added and kneaded in an environment of 25°C to prepare a negative electrode mixture paste.
この負極合剤ペーストを面密度(目付)が約300g/m2、厚みが約1.7mmの発泡ニッケルのシートに充填した。そして、負極合剤ペーストを乾燥させ、負極合剤が充填された発泡ニッケルのシートを得た。得られたシートは圧延され、単位体積当たりの合金量を高められた後、縦40mm、横40mmに裁断された。このようにして負極12を得た。なお、負極12の厚さは、0.75mmであった。また、上記の電気化学的合金容量から計算した負極容量は2500mAhであった。 This negative electrode mixture paste was filled into a foamed nickel sheet with an areal density (weight per unit area) of approximately 300 g/m 2 and a thickness of approximately 1.7 mm. The negative electrode mixture paste was then dried to obtain a foamed nickel sheet filled with the negative electrode mixture. The obtained sheet was rolled to increase the amount of alloy per unit volume, and then cut into a length of 40 mm and a width of 40 mm. In this way, a negative electrode 12 was obtained. The thickness of the negative electrode 12 was 0.75 mm. The negative electrode capacity calculated from the above electrochemical alloy capacity was 2500 mAh.
次に、得られた負極12に、活性化処理を施した。この活性化処理の手順を以下に示す。
まず、一般的な焼結式の水酸化ニッケル正極を準備した。なお、この水酸化ニッケル正極としては、その正極容量が負極12の負極容量よりも十分大きいものを準備した。そして、この水酸化ニッケル正極と、得られた負極12とを、これらの間にポリエチレンの不織布で形成されたセパレータを介在させた状態で重ね合わせて、活性化処理用電極群を形成した。この活性化処理用電極群を所定量のアルカリ電解液とともにアクリル樹脂製の容器に収容した。これにより、負極容量規制のニッケル水素二次電池の単極セルを形成した。
Next, the obtained negative electrode 12 was subjected to activation treatment. The procedure of this activation treatment is as follows.
First, a typical sintered nickel hydroxide positive electrode was prepared. The positive electrode capacity of this nickel hydroxide positive electrode was sufficiently greater than the negative electrode capacity of the negative electrode 12. This nickel hydroxide positive electrode and the resulting negative electrode 12 were then stacked together with a separator made of polyethylene nonwoven fabric interposed therebetween to form an electrode group for activation treatment. This electrode group for activation treatment was then placed in an acrylic resin container together with a predetermined amount of alkaline electrolyte. This resulted in the formation of a single-electrode cell for a nickel-metal hydride secondary battery with a negative electrode capacity restriction.
この単極セルに対し、温度25℃の環境下にて、5時間静置後、0.5Itで2.8時間の充電を行った後、0.5Itで電池電圧が0.70Vになるまで放電させた。この充放電サイクルを5回行うことにより負極12の活性化処理を行った。 This single-electrode cell was left to stand for 5 hours in an environment at 25°C, then charged at 0.5 It for 2.8 hours, and then discharged at 0.5 It until the battery voltage reached 0.70 V. This charge-discharge cycle was repeated five times to activate the negative electrode 12.
その後、0.5Itで2.8時間の充電を行った後、単極セルから負極12を取り外した。このようにして、活性化処理及び充電が済んだ負極12を得た。 Then, the negative electrode 12 was charged at 0.5 It for 2.8 hours, and then removed from the single-electrode cell. In this way, an activated and charged negative electrode 12 was obtained.
(4)空気水素二次電池の製造
得られた空気極16及び負極12を、これらの間にセパレータ14を挟んだ状態で重ね合わせ、電極群10を製造した。この電極群10の製造に使用したセパレータ14はスルホン基を有するポリプロピレン繊維製不織布により形成されており、その厚みは0.2mm(目付量100g/m2)であった。
(4) Production of Air-Hydrogen Secondary Battery The obtained air electrode 16 and negative electrode 12 were stacked with a separator 14 sandwiched between them to produce an electrode group 10. The separator 14 used in producing this electrode group 10 was formed from a nonwoven fabric made of polypropylene fibers having sulfonic groups, and had a thickness of 0.2 mm (basis weight 100 g/m 2 ).
次いで、容器本体6を準備し、この容器本体6内に上記した電極群10を収容した。このとき、容器本体6の底壁18の上に調整部材36としての発泡ニッケルのシートを配置し、この調整部材36の上に電極群10を載置した。ここで、発泡ニッケルのシートは、厚さが1mmであり、縦40mm、横40mmの正方形状をなしている。 Next, the container body 6 was prepared, and the electrode group 10 described above was placed inside this container body 6. At this time, a foamed nickel sheet was placed on the bottom wall 18 of the container body 6 as the adjustment member 36, and the electrode group 10 was placed on this adjustment member 36. Here, the foamed nickel sheet was 1 mm thick and had a square shape measuring 40 mm in length and 40 mm in width.
次いで、電極群10の上(空気極16の上)に撥水通気部材40を配設した。ここで、撥水通気部材40は、縦が45mm、横が45mm、厚さが0.1mmであるPTFE多孔膜42と、縦が40mm、横が40mm、厚さが0.2mmである不織布拡散紙44とが組み合わされて形成されている。 Next, a water-repellent ventilation member 40 was placed on top of the electrode group 10 (on top of the air electrode 16). Here, the water-repellent ventilation member 40 was formed by combining a PTFE porous membrane 42 measuring 45 mm in length, 45 mm in width, and 0.1 mm in thickness with a nonwoven diffusion paper 44 measuring 40 mm in length, 40 mm in width, and 0.2 mm in thickness.
次いで、容器本体6の開口部22を塞ぐように蓋8を被せた。このとき、蓋8の内面部28における通気路30、入側通気孔32及び出側通気孔34を含むエリアの全体が撥水通気部材40で覆われるように、当該エリアと撥水通気部材40とを密着させる。ここで、通気路30は、全体として1本のサーペンタイン形状をなしている。通気路30の横断面は、矩形状をなしており、当該矩形における縦寸法が1mm、横寸法が1mmである。この通気路30は、撥水通気部材40側が開放されている。 The lid 8 was then placed over the container body 6 to close the opening 22. At this time, the water-repellent ventilation member 40 was brought into tight contact with the inner surface 28 of the lid 8 so that the entire area including the ventilation channel 30, inlet ventilation hole 32, and outlet ventilation hole 34 was covered with the water-repellent ventilation member 40. Here, the ventilation channel 30 has a single serpentine shape overall. The cross section of the ventilation channel 30 is rectangular, with a vertical dimension of 1 mm and a horizontal dimension of 1 mm. The ventilation channel 30 is open on the water-repellent ventilation member 40 side.
容器本体6及び蓋8が組み合わされて形成された容器4については、その周端縁部46、48が連結具50、52により上下から挟みこまれる。なお、容器本体6と蓋8との接触部には、図示しない樹脂製のパッキンが配設されており、アルカリ電解液の漏れを防止する。 The container 4 is formed by combining the container body 6 and lid 8, and its peripheral edges 46, 48 are sandwiched from above and below by connectors 50, 52. A resin gasket (not shown) is provided at the contact point between the container body 6 and lid 8 to prevent leakage of the alkaline electrolyte.
次いで、電解液貯蔵部80にアルカリ電解液82として5mol/LのKOH水溶液を注入した。なお、このとき注入したKOH水溶液の量は50mLであった。
以上のようにして、図1に示すような電池2を製造した。
Next, a 5 mol/L aqueous KOH solution was poured into the electrolyte reservoir 80 as the alkaline electrolyte 82. The amount of the poured KOH solution was 50 mL.
In this manner, a battery 2 as shown in FIG. 1 was manufactured.
なお、空気極16には空気極リード54が、負極12には負極リード56が、それぞれ電気的に接続されており、これら空気極リード54及び負極リード56は、容器4の気密性及び液密性を保持した状態でリード線の引出口24、26から容器4の外側へ適切に延びている。また、空気極リード54の先端には空気極端子58が取り付けられており、負極リード56の先端には負極端子60が取り付けられている。 An air electrode lead 54 is electrically connected to the air electrode 16, and an anode lead 56 is electrically connected to the anode 12. These air electrode lead 54 and anode lead 56 extend appropriately from the lead wire outlets 24, 26 to the outside of the container 4 while maintaining the airtightness and liquid tightness of the container 4. An air electrode terminal 58 is attached to the tip of the air electrode lead 54, and an anode terminal 60 is attached to the tip of the anode lead 56.
(実施例2)
共沈工程において、平均滞留時間が30分となるように調整したことを除いて、実施例1と同様にして空気水素二次電池を製造した。なお、実施例2におけるビスマスルテニウム複合酸化物の粉末(空気極用触媒)の量は0.24gであった。
Example 2
Except for adjusting the average residence time in the coprecipitation step to 30 minutes, an air-hydrogen secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. The amount of bismuth ruthenium composite oxide powder (air electrode catalyst) in Example 2 was 0.24 g.
(実施例3)
共沈工程において、原子比でRuが1.00に対し、Biが1.00となるように、Bi(NO3)3・5H2Oと、RuCl3・3H2Oとをそれぞれ計量したことを除いて、実施例1と同様にして空気水素二次電池を製造した。ここで、実施例3における準備時のBi/Ruの値は1.00である。なお、実施例3におけるビスマスルテニウム複合酸化物の粉末(空気極用触媒)の量は0.24gであった。
Example 3
An air-hydrogen secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 , except that in the coprecipitation step, Bi( NO3 ) 3.5H2O and RuCl3.3H2O were weighed so that the atomic ratio of Ru to Bi was 1.00. Here, the Bi/Ru value at the time of preparation in Example 3 was 1.00. The amount of bismuth ruthenium composite oxide powder (air electrode catalyst) in Example 3 was 0.24 g.
(比較例1)
共沈工程において、平均滞留時間が2分となるように調整したことを除いて、実施例1と同様にして空気水素二次電池を製造した。なお、比較例1におけるビスマスルテニウム複合酸化物の粉末(空気極用触媒)の量は0.25gであった。
(Comparative Example 1)
Except for adjusting the average residence time in the coprecipitation step to 2 minutes, an air-hydrogen secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. The amount of bismuth ruthenium composite oxide powder (air electrode catalyst) in Comparative Example 1 was 0.25 g.
(比較例2)
共沈工程において、平均滞留時間が5分となるように調整し、作製量を3倍スケールにしたことを除いて、実施例1と同様にして空気水素二次電池を製造した。ここで、3倍スケールとは、滴下時間が3倍で1ロットの数量が3倍の意味である。なお、比較例1におけるビスマスルテニウム複合酸化物の粉末(空気極用触媒)の量は0.24gであった。
(Comparative Example 2)
An air-hydrogen secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that in the coprecipitation step, the average residence time was adjusted to 5 minutes and the production amount was tripled. Here, "triple scale" means that the dropwise addition time was tripled and the quantity per lot was tripled. The amount of bismuth ruthenium composite oxide powder (air electrode catalyst) in Comparative Example 1 was 0.24 g.
(比較例3)
共沈工程において、反応容器を容積が200mLの反応容器に変更し、平均滞留時間が5分となるように調整したことを除いて、実施例1と同様にして空気水素二次電池を製造した。なお、比較例1におけるビスマスルテニウム複合酸化物の粉末(空気極用触媒)の量は0.25gであった。
(Comparative Example 3)
An air-hydrogen secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that in the coprecipitation step, the reaction vessel was changed to one with a volume of 200 mL and the average residence time was adjusted to 5 minutes. The amount of bismuth ruthenium composite oxide powder (air electrode catalyst) in Comparative Example 1 was 0.25 g.
2.空気極用触媒の分析
(1)組成比の分析
実施例1~3、比較例1~3において得られた空気極用触媒の粉末の分析用サンプルについて、ファンダメンタルパラメータ(FP)法を利用した蛍光X線分析によりBi、Ru及びSiの定量分析を行った。蛍光X線分析には、エネルギー分散型の蛍光X線分析装置を用いた。ここでの分析の条件は、X線源がCuKαであり、Bi及びRuでは、管電圧を50kV、管電流を60mAとし、Siでは、管電圧を30kV、管電流を100mAとした。具体的には、X線を分析用サンプルに照射し、それにより発生する固有X線(蛍光X線)の強度を測定し、FP法を利用して各元素の含有量を求めた。得られたBi、Ru及びSiの含有量を基にSiとBiとの原子比を表すSi/Bi、及びBiとRuとの原子比を表すBi/Ruを求めた。この結果を表1に示した。
2. Analysis of Air Electrode Catalysts (1) Analysis of Composition Ratios Quantitative analysis of Bi, Ru, and Si was performed on analytical samples of the air electrode catalyst powders obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 by X-ray fluorescence analysis using the fundamental parameter (FP) method. An energy-dispersive X-ray fluorescence analyzer was used for the X-ray fluorescence analysis. The analytical conditions were a CuKα X-ray source, a tube voltage of 50 kV, and a tube current of 60 mA for Bi and Ru, and a tube voltage of 30 kV and a tube current of 100 mA for Si. Specifically, the analytical samples were irradiated with X-rays, and the intensity of the characteristic X-rays (fluorescent X-rays) generated by the irradiation was measured. The content of each element was determined using the FP method. Based on the obtained Bi, Ru, and Si contents, Si/Bi, which represents the atomic ratio of Si to Bi, and Bi/Ru, which represents the atomic ratio of Bi to Ru, were calculated. The results are shown in Table 1.
ここで、分析されたBi/Ruの値は、準備時のBi/Ruの値よりも小さくなっている。これは、共沈工程及び焼成工程までは、準備時のBi/Ruの値がほぼ維持されるが、その後の酸処理工程及び酸処理工程で施される洗浄によりビスマスルテニウム複合酸化物の結晶に取り込まれていないBiやBi化合物が除去されるので、最終的に得られた空気極用触媒(ビスマスルテニウム複合酸化物)におけるBi/Ruの値は、準備時のBi/Ruの値よりも小さくなる。 The analyzed Bi/Ru value is smaller than the Bi/Ru value at the time of preparation. This is because the Bi/Ru value at the time of preparation is roughly maintained up until the co-precipitation and calcination processes, but the subsequent acid treatment process and the washing performed during the acid treatment process remove Bi and Bi compounds that are not incorporated into the bismuth ruthenium composite oxide crystals, so the Bi/Ru value in the final air electrode catalyst (bismuth ruthenium composite oxide) is smaller than the Bi/Ru value at the time of preparation.
(2)格子定数の測定
実施例1~3、比較例1~3において得られた空気極用触媒の粉末の分析用サンプルについて、X線回折法(XRD)により分析を行った。XRD分析には平行ビームX線回折装置を用いた。ここでの分析の条件は、X線源がCuKα、管電圧が15kV、管電流が15mA、スキャンスピードが1度/min、ステップ幅が0.01度とした。分析の結果、得られたXRDプロファイルの回折チャートパターンから空気極用触媒は、パイロクロア型の結晶構造及びこれに類似する結晶構造を有するBi2Ru2O7であることを確認した。一例として実施例1のXRDプロファイルを図2に示した。次いで、得られた回折チャートパターンにおけるピークの(111)面、(222)面、(400)面、(331)面、(440)面、(622)面、(444)面から格子定数を求めた。その結果を表1に示した。
(2) Measurement of Lattice Constants The analytical samples of the air electrode catalyst powders obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were analyzed by X-ray diffraction (XRD). A parallel-beam X-ray diffractometer was used for the XRD analysis. The analytical conditions were a CuKα X-ray source, a tube voltage of 15 kV, a tube current of 15 mA, a scan speed of 1 degree/min, and a step width of 0.01 degrees. From the diffraction chart patterns of the obtained XRD profiles, the air electrode catalysts were confirmed to be Bi2Ru2O7 , which has a pyrochlore-type crystal structure and a crystal structure similar thereto. As an example, the XRD profile of Example 1 is shown in Figure 2. Next, the lattice constants were determined from the peaks of the (111), (222), (400), (331), (440), (622), and (444) planes in the obtained diffraction chart patterns. The results are shown in Table 1.
3.電池特性評価
実施例1~3、及び比較例1~3の空気水素二次電池については、25℃の雰囲気下で、空気極端子58及び負極端子60を介して、0.1Itで10時間充電し、0.2Itで電池電圧が0.4Vになるまで放電することを1サイクルとする充放電を繰り返した。なお、上記した空気水素二次電池の充放電操作においては、負極容量の80%に相当する2.0Ahを定格容量とした。
3. Evaluation of Battery Characteristics The air-hydrogen secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were repeatedly charged and discharged in an atmosphere of 25° C. via the air electrode terminal 58 and the negative electrode terminal 60 at 0.1 It for 10 hours, and then discharged at 0.2 It until the battery voltage reached 0.4 V, forming one cycle. In the charge and discharge operations of the air-hydrogen secondary batteries described above, the rated capacity was 2.0 Ah, which corresponds to 80% of the negative electrode capacity.
上記した充放電操作において、充電と放電との間、及び放電と充電との間には、それぞれ10分間の休止期間を設けた。 During the above-mentioned charge/discharge operations, a 10-minute rest period was provided between charge and discharge, and between discharge and charge.
上記した充放電のサイクル毎に放電容量を求めた。そして、サイクル数をカウントし、放電容量/定格容量の百分率の値が70%を下回った時のサイクル数を記録した。このサイクル数を表1に示した。このサイクル数が多いほどサイクル寿命が長いことを意味する。 The discharge capacity was determined for each of the above charge/discharge cycles. The number of cycles was then counted, and the number of cycles at which the percentage of discharge capacity/rated capacity fell below 70% was recorded. This number of cycles is shown in Table 1. The higher the number of cycles, the longer the cycle life.
なお、上記した充放電操作において、充放電に関わらず、入側通気孔32から空気を入れ、出側通気孔34から空気を排出するようにして、通気路30には、33mL/minの割合で常に空気を供給し続けた。通気路30に供給される空気としては、KOH水溶液中をバブリング通気させた空気(CO2濃度が約100ppm)を用いた。 During the above-described charge/discharge operation, air was continuously supplied to the ventilation path 30 at a rate of 33 mL/min, by introducing air through the inlet vent 32 and discharging air through the outlet vent 34, regardless of whether the battery was being charged or discharged. The air supplied to the ventilation path 30 was air bubbling through a KOH aqueous solution ( CO2 concentration: approximately 100 ppm).
4.考察
表1より、実施例1~3の電池のサイクル数が49~58回であるのに対し、比較例1~3の電池のサイクル数は、13~18回であり、実施例1~3の電池は、比較例1~3の電池に比べサイクル寿命が大幅に改善されていることがわかる。実施例1~3の電池は、Si/Biの値が0.002~0.007であるのに対し、比較例1~3の電池は、Si/Biの値が0.011~0.014である。つまり、実施例1~3の電池は、比較例1~3の電池に比べBiに対するSiの量が低く抑えられている。このことから、空気極用触媒に含まれるSiの量をBiに対して0.007以下とすることにより、空気二次電池のサイクル寿命特性の向上に貢献することができるといえる。
4. Discussion Table 1 shows that the number of cycles for the batteries of Examples 1 to 3 was 49 to 58, while the number of cycles for the batteries of Comparative Examples 1 to 3 was 13 to 18. This indicates that the cycle life of the batteries of Examples 1 to 3 was significantly improved compared to the batteries of Comparative Examples 1 to 3. The batteries of Examples 1 to 3 had Si/Bi values of 0.002 to 0.007, while the batteries of Comparative Examples 1 to 3 had Si/Bi values of 0.011 to 0.014. In other words, the amount of Si relative to Bi in the batteries of Examples 1 to 3 was kept lower than that in the batteries of Comparative Examples 1 to 3. This suggests that setting the amount of Si relative to Bi contained in the air electrode catalyst to 0.007 or less can contribute to improving the cycle life characteristics of air secondary batteries.
実施例3は、実施例1に比べBi量が多い。ビスマスルテニウム複合酸化物のバルク内においては、Siは結晶中のBiサイトに置換すると考えられるので、Biが多いとSiはバルク中に入り込みにくいと考えられる。よって、実施例3においては、Bi量が実施例1に比べ多いため、その分だけバルク内へのSiの取り込み量が少なくSi/Biの値が0.002となったと考えられる。その結果、実施例3のサイクル数は58回となり、実施例3は特に優れたサイクル寿命特性を示していると考えられる。 Example 3 has a higher Bi content than Example 1. It is believed that within the bulk of bismuth ruthenium composite oxide, Si substitutes for Bi sites in the crystal, so if there is a lot of Bi, it is thought that Si is less likely to penetrate into the bulk. Therefore, since the Bi content in Example 3 is higher than in Example 1, it is thought that the amount of Si incorporated into the bulk is correspondingly less, resulting in a Si/Bi value of 0.002. As a result, the number of cycles in Example 3 was 58, and it is believed that Example 3 exhibits particularly excellent cycle life characteristics.
2 電池(空気水素二次電池)
4 容器
6 容器本体
8 蓋
10 電極群
12 負極
14 セパレータ
16 空気極(正極)
30 通気路
40 撥水通気部材
2. Battery (air hydrogen secondary battery)
4 Container 6 Container body 8 Lid 10 Electrode group 12 Negative electrode 14 Separator 16 Air electrode (positive electrode)
30 Ventilation path 40 Water-repellent ventilation member
Claims (5)
前記空気極基材に保持された空気極合剤と、を備えており、
前記空気極合剤は、請求項1又は2に記載の空気極用触媒を含んでいる、空気極。 an air electrode substrate;
an air electrode mixture held by the air electrode substrate,
The air electrode mixture comprises the air electrode catalyst according to claim 1 or 2.
前記容器内に配設された電極群と、
前記容器内に注入されたアルカリ電解液と、を備え、
前記電極群は、セパレータを介して重ね合わされた空気極及び負極を含んでおり、
前記空気極は、請求項3に記載の空気極である、空気二次電池。 A container and
an electrode group disposed in the container;
an alkaline electrolyte injected into the container;
the electrode group includes an air electrode and a negative electrode stacked together with a separator interposed therebetween,
An air secondary battery, wherein the air electrode is the air electrode according to claim 3 .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021189348A JP7758545B2 (en) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | Catalyst for air electrode, air electrode including this catalyst for air electrode, and air secondary battery including this air electrode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021189348A JP7758545B2 (en) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | Catalyst for air electrode, air electrode including this catalyst for air electrode, and air secondary battery including this air electrode |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023076130A JP2023076130A (en) | 2023-06-01 |
| JP7758545B2 true JP7758545B2 (en) | 2025-10-22 |
Family
ID=86547794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021189348A Active JP7758545B2 (en) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | Catalyst for air electrode, air electrode including this catalyst for air electrode, and air secondary battery including this air electrode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7758545B2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016152068A (en) | 2015-02-16 | 2016-08-22 | 学校法人同志社 | Positive electrode, air secondary battery using the same, and method for manufacturing positive electrode |
| JP2018098133A (en) | 2016-12-16 | 2018-06-21 | Fdk株式会社 | Air secondary battery |
| JP2020077469A (en) | 2018-11-05 | 2020-05-21 | Fdk株式会社 | Air electrode for air secondary battery and air secondary battery |
| JP2020080291A (en) | 2018-11-14 | 2020-05-28 | Fdk株式会社 | Air electrode catalyst for air secondary battery, manufacturing method of air electrode catalyst, and air secondary battery |
-
2021
- 2021-11-22 JP JP2021189348A patent/JP7758545B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016152068A (en) | 2015-02-16 | 2016-08-22 | 学校法人同志社 | Positive electrode, air secondary battery using the same, and method for manufacturing positive electrode |
| JP2018098133A (en) | 2016-12-16 | 2018-06-21 | Fdk株式会社 | Air secondary battery |
| JP2020077469A (en) | 2018-11-05 | 2020-05-21 | Fdk株式会社 | Air electrode for air secondary battery and air secondary battery |
| JP2020080291A (en) | 2018-11-14 | 2020-05-28 | Fdk株式会社 | Air electrode catalyst for air secondary battery, manufacturing method of air electrode catalyst, and air secondary battery |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023076130A (en) | 2023-06-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7081762B2 (en) | Manufacturing method of catalyst for air secondary battery, manufacturing method of air secondary battery, catalyst for air secondary battery and air secondary battery | |
| JP7364317B2 (en) | Air electrode catalyst for air secondary batteries and its manufacturing method, and air secondary batteries | |
| US11355751B2 (en) | Air electrode for air secondary battery and air secondary battery | |
| JP7122946B2 (en) | Air electrode catalyst for air secondary battery, method for producing air electrode catalyst, and air secondary battery | |
| US11495804B2 (en) | Air electrode catalyst for air secondary battery and air secondary battery | |
| JP7697766B2 (en) | Air electrode catalyst, air electrode including said air electrode catalyst, and air secondary battery including said air electrode | |
| JP7648398B2 (en) | Catalyst for air secondary battery and air secondary battery | |
| JP7758545B2 (en) | Catalyst for air electrode, air electrode including this catalyst for air electrode, and air secondary battery including this air electrode | |
| JP7820894B2 (en) | Air electrode for air secondary battery and air secondary battery | |
| JP7513411B2 (en) | Air secondary battery | |
| JP7256350B2 (en) | Hydrogen-absorbing alloy negative electrode for hydrogen-air secondary battery, and hydrogen-air secondary battery including this hydrogen-absorbing alloy negative electrode | |
| JP7414584B2 (en) | Air electrode for air secondary battery and air secondary battery | |
| JP7740929B2 (en) | Catalyst for air secondary battery, air electrode and air secondary battery | |
| JP2020202155A (en) | Air electrode for air secondary battery, and air secondary battery | |
| JP7572881B2 (en) | Catalyst for air secondary battery, air electrode and air secondary battery | |
| JP2021077563A (en) | Air electrode for air secondary battery and air secondary battery containing the air electrode | |
| JP7648401B2 (en) | Air electrode catalyst for air secondary battery, method for producing same, and air secondary battery | |
| JP2024085594A (en) | Air electrode for air secondary battery and air secondary battery including said air electrode | |
| JP7807268B2 (en) | Nickel-metal hydride secondary battery | |
| JP2024113887A (en) | Air electrode for air secondary battery and air secondary battery | |
| WO2024190570A1 (en) | Air secondary battery |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20231212 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20231212 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20240415 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20241008 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20250926 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20251008 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20251009 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7758545 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |