JP7773647B2 - Negative electrode plate and zinc secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、負極板及び亜鉛二次電池に関するものである。 The present invention relates to a negative electrode plate and a zinc secondary battery.
ニッケル亜鉛二次電池、空気亜鉛二次電池等の亜鉛二次電池では、充電時に負極から金属亜鉛がデンドライト状に析出し、不織布等のセパレータの空隙を貫通して正極に到達し、その結果、短絡を引き起こすことが知られている。このような亜鉛デンドライトに起因する短絡は繰り返し充放電寿命の短縮を招く。 It is known that in zinc secondary batteries, such as nickel-zinc secondary batteries and air-zinc secondary batteries, metallic zinc precipitates in the form of dendrites from the negative electrode during charging, penetrates the voids in the separator, such as nonwoven fabric, and reaches the positive electrode, resulting in a short circuit. Such short circuits caused by zinc dendrites shorten the repeated charge-discharge life.
上記問題に対処すべく、水酸化物イオンを選択的に透過させながら、亜鉛デンドライトの貫通を阻止する、層状複水酸化物(LDH)セパレータを備えた電池が提案されている。例えば、特許文献1(国際公開第2013/118561号)には、ニッケル亜鉛二次電池においてLDHセパレータを正極及び負極間に設けることが開示されている。また、特許文献2(国際公開第2016/076047号)には、樹脂製外枠に嵌合又は接合されたLDHセパレータを備えたセパレータ構造体が開示されており、LDHセパレータがガス不透過性及び/又は水不透過性を有する程の高い緻密性を有することが開示されている。また、この文献にはLDHセパレータが多孔質基材と複合化されうることも開示されている。さらに、特許文献3(国際公開第2016/067884号)には多孔質基材の表面にLDH緻密膜を形成して複合材料を得るための様々な方法が開示されている。この方法は、多孔質基材にLDHの結晶成長の起点を与えうる起点物質を均一に付着させ、原料水溶液中で多孔質基材に水熱処理を施してLDH緻密膜を多孔質基材の表面に形成させる工程を含むものである。To address the above issues, batteries have been proposed that include a layered double hydroxide (LDH) separator that selectively allows hydroxide ions to pass through while preventing zinc dendrites from penetrating. For example, Patent Document 1 (WO 2013/118561) discloses the placement of an LDH separator between the positive and negative electrodes in a nickel-zinc secondary battery. Patent Document 2 (WO 2016/076047) discloses a separator structure that includes an LDH separator fitted or bonded to a resin outer frame, and that the LDH separator has such high density that it is gas- and/or water-impermeable. This document also discloses that the LDH separator can be composited with a porous substrate. Patent Document 3 (WO 2016/067884) discloses various methods for forming a dense LDH membrane on the surface of a porous substrate to obtain a composite material. This method includes the steps of uniformly attaching a starting substance capable of providing a starting point for LDH crystal growth to a porous substrate, and then subjecting the porous substrate to hydrothermal treatment in a raw material aqueous solution to form a dense LDH membrane on the surface of the porous substrate.
ところで、亜鉛二次電池の短寿命化を招く別の要因として、負極活物質である亜鉛の形態変化が挙げられる。すなわち、充放電の繰り返しにより亜鉛が溶解及び析出を繰り返すにつれて、負極が形態変化して、気孔の閉塞による高抵抗化、孤立亜鉛の蓄積による充電活物質の減少等を生じ、その結果、充放電が困難になるとの問題がある。この問題に対処すべく、特許文献4(国際公開第2020/049902号)には、ZnO粒子と、(i)所定粒径の金属Zn粒子、(ii)所定の金属元素及び(iii)ヒドロキシル基を有するバインダー樹脂から選択される少なくとも2つとを組み合わせて負極に用いることが提案されている。この負極によれば、亜鉛二次電池において、充放電の繰り返しに伴う負極の劣化を抑制して耐久性を向上し、それによりサイクル寿命を長くすることができるとされている。Another factor that shortens the lifespan of zinc secondary batteries is morphological changes in the zinc, the negative electrode active material. Specifically, as zinc dissolves and precipitates during repeated charge and discharge cycles, the negative electrode undergoes morphological changes, resulting in increased resistance due to pore blockage and a decrease in the charge active material due to the accumulation of isolated zinc, making charging and discharging difficult. To address this issue, Patent Document 4 (WO 2020/049902) proposes the use of a negative electrode that combines ZnO particles with at least two selected from (i) metallic Zn particles of a specified particle size, (ii) a specified metal element, and (iii) a binder resin containing hydroxyl groups. This negative electrode is said to suppress negative electrode deterioration associated with repeated charge and discharge cycles in zinc secondary batteries, improving durability and thereby extending cycle life.
また、特許文献5(特許第6190101号公報)には、金属Zn、ZnO等の負極活物質と、芳香族基含有ポリマー、エーテル基含有ポリマー、水酸基含有ポリマー等のポリマーと、B、Ba、Bi、Br、Ca、Cd、Ce、Cl、F、Ga、Hg、In、La、Mn等の元素の化合物である導電助剤とを含む、負極合材が開示されており、電極活物質のシェイプチェンジやデンドライトといった電極活物質の形態変化、溶解、腐食や不動態形成を抑制したうえで、高いサイクル特性、レート特性、クーロン効率等の電池性能を発現する蓄電池の形成に適することが記載されている。 Patent document 5 (Japanese Patent Publication No. 6190101) discloses a negative electrode composite containing a negative electrode active material such as metallic Zn or ZnO, a polymer such as an aromatic group-containing polymer, an ether group-containing polymer, or a hydroxyl group-containing polymer, and a conductive additive which is a compound of elements such as B, Ba, Bi, Br, Ca, Cd, Ce, Cl, F, Ga, Hg, In, La, or Mn. It describes that this composite is suitable for forming a storage battery that exhibits high battery performance, such as high cycle characteristics, rate characteristics, and coulombic efficiency, while suppressing shape changes, dendrite-like morphological changes, dissolution, corrosion, and passivation of the electrode active material.
特許文献4及び5に開示されるように、亜鉛負極の形態変化に伴うサイクル特性の低下に対して様々な試みが提案されているが、サイクル特性の更なる改善が求められている。 As disclosed in Patent Documents 4 and 5, various attempts have been proposed to address the decline in cycle characteristics due to morphological changes in the zinc negative electrode, but further improvement in cycle characteristics is required.
本発明者らは、今般、負極板において、負極反応が進行しにくい反応抑制領域を所定の割合で設けることにより、亜鉛二次電池のサイクル寿命を長くすることができることを知見した。 The inventors have now discovered that the cycle life of a zinc secondary battery can be extended by providing a predetermined proportion of a reaction suppression region in the negative electrode plate, where the negative electrode reaction is less likely to proceed.
したがって、本発明の目的は、亜鉛二次電池のサイクル寿命を長くすることが可能な、負極板を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to provide a negative electrode plate that can extend the cycle life of a zinc secondary battery.
本発明によれば、以下の態様が提供される。
[態様1]
亜鉛二次電池に用いられる負極板であって、
ZnO粒子及びZn粒子を含む負極活物質と、
ポリマーと、
を含み、
前記負極板は、平面視した場合に、通常反応領域と、前記通常反応領域よりも負極反応が進行しにくい反応抑制領域とを有し、前記通常反応領域及び前記反応抑制領域の合計領域における、前記反応抑制領域の占める割合が30~75%であり、
前記反応抑制領域は、前記反応抑制領域を占める前記ZnO粒子の含有量100重量部に対する、前記ポリマーの含有量CAが0.5~6重量部であり、
前記通常反応領域は、前記通常反応領域を占める前記ZnO粒子の含有量100重量部に対する、前記ポリマーの含有量CBが、0~3重量部であり、かつ、前記CAよりも低い、負極板。
[態様2]
前記反応抑制領域が円形及び/又は多角形の形状を有する、態様1に記載の負極板。
[態様3]
前記反応抑制領域が複数存在しており、前記複数の前記反応抑制領域が互いに離間している、態様1又は2に記載の負極板。
[態様4]
前記ポリマーがノニオン性吸水ポリマーである、態様1~3のいずれか一つに記載の負極板。
[態様5]
前記ノニオン性吸水ポリマーが、ポリアルキレンオキサイド系吸水性樹脂、ポリビニルアセトアミド系吸水性樹脂、ポリビニルアルコール(PVA樹脂)、及びポリビニルブチラール(PVB樹脂)からなる群から選択される少なくとも1種である、態様4に記載の負極板。
[態様6]
前記ノニオン性吸水ポリマーが、ポリアルキレンオキサイド系吸水性樹脂である、態様4又は5に記載の負極板。
[態様7]
前記ノニオン性吸水ポリマーが、pHの変動に応じて吸液性が変化する特性を有する、態様4~6のいずれか一つに記載の負極板。
[態様8]
前記ポリマーが、10~200μmの粒径を有する粒子状である、態様1~7のいずれか一つに記載の負極板。
[態様9]
前記ZnO粒子の含有量を100重量部とした場合に、前記Zn粒子を1.0~87.5重量部含む、態様1~8のいずれか一つに記載の負極板。
[態様10]
In及びBiから選択される1種以上の金属元素をさらに含む、態様1~9のいずれか一つに記載の負極板。
[態様11]
前記負極板がシート状のプレス成形体である、態様1~10のいずれか一つに記載の負極板。
[態様12]
正極と、
態様1~11のいずれか一つに記載の負極板と、
前記正極と前記負極板とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するセパレータと、
電解液と、
を含む、亜鉛二次電池。
[態様13]
前記セパレータが層状複水酸化物(LDH)及び/又はLDH様化合物を含むLDHセパレータである、態様12に記載の亜鉛二次電池。
[態様14]
前記LDHセパレータが多孔質基材と複合化されている、態様12又は13に記載の亜鉛二次電池。
[態様15]
前記正極が水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含み、それにより前記亜鉛二次電池がニッケル亜鉛二次電池をなす、態様12~14のいずれか一つに記載の亜鉛二次電池。
[態様16]
前記正極が空気極であり、それにより前記亜鉛二次電池が亜鉛空気二次電池をなす、態様12~14のいずれか一つに記載の亜鉛二次電池。
According to the present invention, the following aspects are provided.
[Aspect 1]
A negative electrode plate used in a zinc secondary battery,
a negative electrode active material containing ZnO particles and Zn particles;
A polymer;
Including,
When viewed from above, the negative electrode plate has a normal reaction region and a reaction suppression region in which the negative electrode reaction proceeds more slowly than in the normal reaction region, and the reaction suppression region accounts for 30 to 75% of the total area of the normal reaction region and the reaction suppression region;
the reaction suppression region has a polymer content C A of 0.5 to 6 parts by weight relative to 100 parts by weight of the ZnO particles occupying the reaction suppression region;
The normal reaction region has a polymer content C B of 0 to 3 parts by weight relative to 100 parts by weight of the ZnO particles occupying the normal reaction region, and is lower than C A.
[Aspect 2]
2. The negative electrode plate according to claim 1, wherein the reaction-suppression region has a circular and/or polygonal shape.
[Aspect 3]
A negative electrode plate according to aspect 1 or 2, wherein a plurality of the reaction suppression regions are present, and the plurality of reaction suppression regions are spaced apart from one another.
[Aspect 4]
The negative electrode plate according to any one of aspects 1 to 3, wherein the polymer is a nonionic water-absorbing polymer.
[Aspect 5]
The nonionic water-absorbing polymer is at least one selected from the group consisting of polyalkylene oxide-based water-absorbing resins, polyvinyl acetamide-based water-absorbing resins, polyvinyl alcohol (PVA resin), and polyvinyl butyral (PVB resin). The negative electrode plate according to aspect 4.
[Aspect 6]
The negative electrode plate according to aspect 4 or 5, wherein the nonionic water-absorbing polymer is a polyalkylene oxide-based water-absorbing resin.
[Aspect 7]
The negative electrode plate according to any one of aspects 4 to 6, wherein the nonionic water-absorbing polymer has a property that its liquid absorption property changes depending on changes in pH.
[Aspect 8]
A negative electrode plate according to any one of Aspects 1 to 7, wherein the polymer is in the form of particles having a particle size of 10 to 200 μm.
[Aspect 9]
The negative electrode plate according to any one of aspects 1 to 8, wherein the Zn particles are contained in an amount of 1.0 to 87.5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the ZnO particles.
[Aspect 10]
The negative electrode plate according to any one of aspects 1 to 9, further comprising one or more metal elements selected from In and Bi.
[Aspect 11]
The negative electrode plate according to any one of aspects 1 to 10, wherein the negative electrode plate is a sheet-shaped press-molded body.
[Aspect 12]
A positive electrode and
A negative electrode plate according to any one of aspects 1 to 11,
a separator that separates the positive electrode and the negative electrode plate in a manner that allows hydroxide ions to be conducted between them;
An electrolyte;
A zinc secondary battery comprising:
[Aspect 13]
A zinc secondary battery according to aspect 12, wherein the separator is an LDH separator comprising a layered double hydroxide (LDH) and/or an LDH-like compound.
[Aspect 14]
14. The zinc secondary battery according to claim 12, wherein the LDH separator is composited with a porous substrate.
[Aspect 15]
A zinc secondary battery according to any one of aspects 12 to 14, wherein the positive electrode comprises nickel hydroxide and/or nickel oxyhydroxide, thereby making the zinc secondary battery a nickel-zinc secondary battery.
[Aspect 16]
The zinc secondary battery according to any one of aspects 12 to 14, wherein the positive electrode is an air electrode, thereby forming the zinc secondary battery into a zinc-air secondary battery.
負極板
本発明の負極板は亜鉛二次電池に用いられる負極板である。この負極板は、負極活物質と、ノニオン性吸水ポリマーのようなポリマーとを含む。負極活物質は、ZnO粒子及びZn粒子を含む。図1Aに本発明の負極板の一態様を示すとともに、図1B~1Dに本発明の負極板の変形態様をそれぞれ示す。図1A~1Dに示されるように、本発明による負極板10は、平面視した場合に、反応抑制領域10a及び通常反応領域10bを有する。反応抑制領域10aは通常反応領域10bよりも負極反応が進行しにくい領域である。反応抑制領域10aは、反応抑制領域10aを占めるZnO粒子の含有量100重量部に対する、ポリマーの含有量CAが0.5~6重量部である。一方、通常反応領域10bは、通常反応領域10bを占めるZnO粒子の含有量100重量部に対する、ポリマーの含有量CBが、0~3重量部であり、かつ、上記CAよりも低い。そして、通常反応領域10b及び反応抑制領域10aの合計領域における、反応抑制領域10aの占める割合が30~75%である。このように、負極板10において、負極反応が進行しにくい反応抑制領域10aを所定の割合で設けることにより、亜鉛二次電池のサイクル寿命を長くすることができる。The negative electrode plate of the present invention is a negative electrode plate used in a zinc secondary battery. This negative electrode plate includes a negative electrode active material and a polymer such as a nonionic water-absorbing polymer. The negative electrode active material includes ZnO particles and Zn particles. FIG. 1A shows one embodiment of the negative electrode plate of the present invention, and FIGS. 1B to 1D show modified embodiments of the negative electrode plate of the present invention, respectively. As shown in FIGS. 1A to 1D, the negative electrode plate 10 according to the present invention has a reaction suppression region 10a and a normal reaction region 10b when viewed in plan. The reaction suppression region 10a is a region where the negative electrode reaction proceeds more slowly than the normal reaction region 10b. In the reaction suppression region 10a, the polymer content C A is 0.5 to 6 parts by weight per 100 parts by weight of the ZnO particles occupying the reaction suppression region 10a. On the other hand, in the normal reaction region 10b, the polymer content C B is 0 to 3 parts by weight per 100 parts by weight of the ZnO particles occupying the normal reaction region 10b, and is lower than the above C A. The proportion of the reaction suppression region 10a in the total area of the normal reaction region 10b and the reaction suppression region 10a is 30 to 75%. In this way, by providing a predetermined proportion of the reaction suppression region 10a, where the negative electrode reaction is less likely to proceed, in the negative electrode plate 10, the cycle life of the zinc secondary battery can be extended.
前述のとおり、従来の負極においては、充放電の繰り返しにより亜鉛が溶解及び析出を繰り返すにつれて、負極が形態変化して、気孔の閉塞による高抵抗化、孤立亜鉛の蓄積による充電活物質の減少等を生じ、その結果、充放電が困難になるとの問題がある。かかる問題が、通常反応領域10bと比べてポリマー濃度が高い反応抑制領域10aを所定の割合で負極板10に設けることにより効果的に抑制又は解決される。そのメカニズムは必ずしも定かではないが、ポリマーの添加によって、負極板10全体における充電反応及び放電反応がそれぞれ均一化されることで、亜鉛の偏析ないし蓄積が抑制されることによるものと考えられる。As mentioned above, with conventional negative electrodes, repeated charge and discharge cycles cause zinc to dissolve and precipitate, which causes the morphology of the negative electrode to change, resulting in problems such as high resistance due to pore blockage and a decrease in charge active material due to the accumulation of isolated zinc, making charging and discharging difficult. These problems can be effectively suppressed or resolved by providing a predetermined proportion of reaction suppression zones 10a, which have a higher polymer concentration than the normal reaction zones 10b, in the negative electrode plate 10. While the mechanism behind this is not entirely clear, it is thought that the addition of polymer uniformly distributes the charge and discharge reactions throughout the negative electrode plate 10, thereby suppressing zinc segregation or accumulation.
すなわち、充電反応時においては、ZnO+H2O+2e-→Zn+2OH-に基づき負極での反応が進行する。そして、充電反応の進行に伴って、集電体に近い負極内部のOH-濃度がセパレータに近い負極表面のOH-濃度と比べて高くなる。その結果、負極表面での上記反応が進行する一方、負極内部での反応が鈍化することになる。一方、放電反応時においては、Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-に基づき負極での反応が進行する。そして、放電反応の進行に伴って、集電体に近い負極内部のOH-濃度がセパレータに近い負極表面と比べて低くなり、負極内部での反応が鈍化する。このように、従来の負極では充放電反応が不均一となり、これにより亜鉛が偏析するものと考えられる。 That is, during the charge reaction, the reaction at the negative electrode proceeds based on ZnO + H 2 O + 2e − → Zn + 2OH − . As the charge reaction progresses, the OH − concentration inside the negative electrode near the current collector becomes higher than the OH − concentration on the negative electrode surface near the separator. As a result, the above reaction at the negative electrode surface progresses, while the reaction inside the negative electrode slows down. On the other hand, during the discharge reaction, the reaction at the negative electrode proceeds based on Zn + 2OH − → ZnO + H 2 O + 2e − . As the discharge reaction progresses, the OH − concentration inside the negative electrode near the current collector becomes lower than that on the negative electrode surface near the separator, and the reaction inside the negative electrode slows down. In this way, it is thought that the charge/discharge reaction becomes uneven in conventional negative electrodes, which causes zinc segregation.
一方、本発明の負極板10においては、図1A~1Dに示されるように、通常反応領域10bと比べてポリマー濃度が高い反応抑制領域10aが所定の割合で設けられている。この点、ノニオン性吸水ポリマーのようなポリマーはイオン透過性を有しないため、負極板10のZn粒子及び/又はZnO粒子の反応可能部分がポリマーと接していない部分に限定される。したがって、ポリマー濃度が高い反応抑制領域10aでは、通常反応領域10bよりも負極反応が進行しにくいものとなる。こうして負極板10の一部エリアにおいて、過剰に進行しがちな負極反応が効果的に抑制されることにより、負極板10全体の充電反応が均一化する。その結果、亜鉛の偏析が抑制されて、亜鉛二次電池のサイクル寿命を長くすることができるものと考えられる。 On the other hand, in the negative electrode plate 10 of the present invention, as shown in Figures 1A-1D, a reaction suppression region 10a with a higher polymer concentration than the normal reaction region 10b is provided at a predetermined ratio. In this regard, polymers such as nonionic water-absorbing polymers are not ion-permeable, so the reactive portions of the Zn particles and/or ZnO particles in the negative electrode plate 10 are limited to areas that are not in contact with the polymer. Therefore, in the reaction suppression region 10a with a high polymer concentration, the negative electrode reaction is less likely to proceed than in the normal reaction region 10b. In this way, the negative electrode reaction, which tends to proceed excessively in certain areas of the negative electrode plate 10, is effectively suppressed, thereby making the charging reaction uniform throughout the negative electrode plate 10. As a result, zinc segregation is suppressed, which is believed to extend the cycle life of zinc secondary batteries.
負極板10は、平面視した場合に、通常反応領域10b及び反応抑制領域10aの合計領域における、反応抑制領域10aの占める割合が30~75%であり、好ましくは30~70%、より好ましくは30~60%、さらに好ましくは30~50%、特に好ましくは30~40%である。こうすることで、反応抑制領域10aの占有率が過度に大きいことに起因する抵抗の増大やガス抜けの悪化等を抑制しながら、負極板10の一部エリアにおける過剰に進行しがちな負極反応を効果的に抑制することができる。その結果、負極板10全体の反応を均一化することができ、亜鉛二次電池のサイクル寿命を長くすることができる。When viewed from above, the negative electrode plate 10 has a reaction suppression region 10a that occupies 30-75% of the total area of the normal reaction region 10b and the reaction suppression region 10a, preferably 30-70%, more preferably 30-60%, even more preferably 30-50%, and particularly preferably 30-40%. This effectively suppresses the negative electrode reaction, which tends to proceed excessively in some areas of the negative electrode plate 10, while suppressing increased resistance and worsening gas escape caused by an excessively large occupancy rate of the reaction suppression region 10a. As a result, the reaction can be made uniform throughout the negative electrode plate 10, extending the cycle life of the zinc secondary battery.
反応抑制領域10aは、反応抑制領域10aを占めるZnO粒子の含有量100重量部に対する、ポリマーの含有量CAが0.5~6重量部であり、好ましくは1~6重量部、より好ましくは2~6重量部、さらに好ましくは4~6重量部、特に好ましくは4~5重量部である。こうすることで、反応抑制領域10aにおけるポリマー濃度が過度に高いことに起因する抵抗の増大やガス抜けの悪化等を抑制しながら、負極板10の一部エリアにおける過剰に進行しがちな負極反応を効果的に抑制することができる。その結果、負極板10全体の反応を均一化することができ、亜鉛二次電池のサイクル寿命を長くすることができる。 The reaction suppression region 10a has a polymer content C A of 0.5 to 6 parts by weight, preferably 1 to 6 parts by weight, more preferably 2 to 6 parts by weight, even more preferably 4 to 6 parts by weight, and particularly preferably 4 to 5 parts by weight, per 100 parts by weight of the ZnO particles occupying the reaction suppression region 10a. This effectively suppresses the negative electrode reaction, which tends to proceed excessively in some areas of the negative electrode plate 10, while suppressing increased resistance and worsening gas leakage caused by an excessively high polymer concentration in the reaction suppression region 10a. As a result, the reaction can be made uniform throughout the negative electrode plate 10, thereby extending the cycle life of the zinc secondary battery.
反応抑制領域10aは、図1A~1Dに示されるように円形及び/又は多角形(例えば矩形)の形状を有するのが好ましい。また、図1A、1B及び1Dに示されるように、反応抑制領域10aが複数存在しており、これら複数の反応抑制領域10aが互いに離間しているのが負極板10全体の充電反応を均一化する観点から好ましい。反応抑制領域10aが複数存在する場合、個々の反応抑制領域10aの形状及び/又は大きさは、互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。 The reaction inhibition region 10a preferably has a circular and/or polygonal (e.g., rectangular) shape, as shown in Figures 1A to 1D. Furthermore, as shown in Figures 1A, 1B, and 1D, it is preferable that there are multiple reaction inhibition regions 10a, and that these multiple reaction inhibition regions 10a are spaced apart from one another, from the perspective of uniforming the charging reaction across the entire negative electrode plate 10. When there are multiple reaction inhibition regions 10a, the shapes and/or sizes of the individual reaction inhibition regions 10a may be the same as or different from one another.
通常反応領域10bは、通常反応領域10bを占めるZnO粒子の含有量100重量部に対する、ポリマーの含有量CBが0~3重量部であり、好ましくは0.5~3重量部、より好ましくは0.5~2重量部である。ただし、通常反応領域10bにおける上記ポリマーの含有量CBは、上述した反応抑制領域10aにおけるポリマーの含有量CAよりも低い。好ましくは、上記CAと上記CBとの差(すなわちCA-CB)が0.5~6重量部であり、より好ましくは1~6重量部、さらに好ましくは3~6重量部、特に好ましくは3~5重量部である。このように、負極板10の面内方向において、反応抑制領域10a及び通常反応領域10bというポリマー濃度の異なる領域を設けることで、負極板10の不均一な充放電反応を効果的に解消することができる。なお、反応抑制領域10a及び通常反応領域10bにおけるポリマー濃度(すなわちCA及びCB)は、それぞれ負極板10の厚さ方向にわたって一定であってよい。 In the normal reaction region 10b, the polymer content C B is 0 to 3 parts by weight, preferably 0.5 to 3 parts by weight, and more preferably 0.5 to 2 parts by weight, per 100 parts by weight of the ZnO particles occupying the normal reaction region 10b. However, the polymer content C B in the normal reaction region 10b is lower than the polymer content C A in the reaction suppression region 10a described above. Preferably, the difference between C A and C B (i.e., C A -C B ) is 0.5 to 6 parts by weight, more preferably 1 to 6 parts by weight, even more preferably 3 to 6 parts by weight, and particularly preferably 3 to 5 parts by weight. In this way, by providing regions with different polymer concentrations, the reaction suppression region 10a and the normal reaction region 10b, in the in-plane direction of the negative electrode plate 10, it is possible to effectively eliminate uneven charge/discharge reactions in the negative electrode plate 10. The polymer concentrations in the reaction suppression region 10 a and the normal reaction region 10 b (i.e., C A and C B ) may be constant across the thickness of the negative electrode plate 10 .
ポリマーは、負極板10のZn粒子及び/又はZnO粒子の反応可能部分を制限することができるものであれば特に限定されない。そのようなポリマーの好ましい例としてはノニオン性吸水ポリマーが挙げられる。ノニオン性吸水ポリマーは、市販の任意のノニオン性吸水ポリマーであることができるが、pHの変動に応じて吸液性が変化する特性を有するものであるのが好ましい。すなわち、水が生成される放電反応に対してノニオン性吸水ポリマーが好都合に水を吸収することで、負極板10内部においても放電反応が継続され、放電反応がより均一化される。その結果、亜鉛の蓄積が抑制されて、亜鉛二次電池のサイクル寿命をより一層長くすることができるものと考えられる。図2に、そのようなノニオン性吸水ポリマー1cm3当たりの、水の吸液量及びKOH捕集量と、KOH濃度との関係の一例を示す。図2に示されるように、電解液中のKOH濃度の変化(すなわちpHの変化)により水の吸液量は変化するが、KOHの捕集量は大きく変化しないものが、pH変動により水のみを吸収ないし放出できる点で好ましい。特に、pHの上昇に伴い水の吸液量が減少する挙動を示すものが好ましい。そのようなノニオン性吸水ポリマーの好ましい例としては、ポリアルキレンオキサイド系吸水性樹脂、ポリビニルアセトアミド系吸水性樹脂、ポリビニルアルコール(PVA樹脂)、及びポリビニルブチラール(PVB樹脂)が挙げられ、より好ましくはポリアルキレンオキサイド系吸水性樹脂である。ポリアルキレンオキサイド系吸水性樹脂としては市販のものが使用可能である。ノニオン性吸水ポリマーには、親水性のエーテル基、水酸基、アミド基、及びアセトアミド基から選択される少なくとも1種が含まれていてもよい。これら官能基の存在により、より電池反応に好ましい吸放水性機能を得ることができる。 The polymer is not particularly limited as long as it can restrict the reactive portions of Zn particles and/or ZnO particles in the negative electrode plate 10. A preferred example of such a polymer is a nonionic water-absorbing polymer. The nonionic water-absorbing polymer can be any commercially available nonionic water-absorbing polymer, but it is preferable that its absorbency changes in response to pH fluctuations. That is, the nonionic water-absorbing polymer advantageously absorbs water during the discharge reaction that generates water, allowing the discharge reaction to continue within the negative electrode plate 10 and making the discharge reaction more uniform. As a result, zinc accumulation is suppressed, which is believed to further extend the cycle life of the zinc secondary battery. Figure 2 shows an example of the relationship between the amount of water absorbed and the amount of KOH collected per 1 cm3 of such a nonionic water-absorbing polymer and the KOH concentration. As shown in Figure 2, the amount of water absorbed changes with changes in the KOH concentration (i.e., changes in pH) in the electrolyte, but a polymer that does not significantly change the amount of KOH collected is preferred because it can absorb or release only water with pH fluctuations. In particular, those that exhibit a behavior in which the amount of water absorbed decreases as the pH increases are preferred. Preferred examples of such nonionic water-absorbing polymers include polyalkylene oxide-based water-absorbing resins, polyvinyl acetamide-based water-absorbing resins, polyvinyl alcohol (PVA resin), and polyvinyl butyral (PVB resin), with polyalkylene oxide-based water-absorbing resins being more preferred. Commercially available polyalkylene oxide-based water-absorbing resins can be used. The nonionic water-absorbing polymer may contain at least one selected from hydrophilic ether groups, hydroxyl groups, amide groups, and acetamide groups. The presence of these functional groups can provide water absorption and release functions that are more favorable for battery reactions.
ポリマーは、粒子状であるのが好ましい。この場合、ポリマーの粒径は、10~200μmが好ましく、より好ましくは15~180μm、さらに好ましくは20~160μm、特に好ましくは30~150μmである。ポリマーの粒子は全てが上記数値範囲内に入っている必要はなく、平均粒径D50が上記数値範囲内に収まるものであればよい。なお、本明細書において、平均粒径D50は、レーザー回折・散乱法によって得られる粒度分布において小粒径側からの積算体積が50%になる粒径を意味するものとする。 The polymer is preferably particulate. In this case, the particle size of the polymer is preferably 10 to 200 μm, more preferably 15 to 180 μm, even more preferably 20 to 160 μm, and particularly preferably 30 to 150 μm. It is not necessary for all of the polymer particles to fall within the above numerical range; it is sufficient that the average particle size D50 falls within the above numerical range. In this specification, the average particle size D50 refers to the particle size at which the cumulative volume from the small particle size side in the particle size distribution obtained by laser diffraction/scattering method is 50%.
反応抑制領域10a及び通常反応領域10bを有する負極板10の形成手法は特に限定されない。例えば、以下に示す(a)~(d)のいずれかの方法を用いることにより、好ましく負極板10を形成することができる。
(a)ZnO粒子、Zn粒子、及びバインダー(例えばポリテトラフルオロエチレン)を含む混合粉末を作製する。この混合粉末を溶媒(例えばプロピレングリコール、イソプロピルアルコール)と共に混練機で混錬する。混練物をシート状にして集電体に貼り付けた後、乾燥して溶媒を除去する。得られた乾燥体の所定部分に対して、ポリマー(例えばノニオン性吸水ポリマー)を溶解させた溶媒を滴下又はディップコートすることにより塗布した後、乾燥することで、ポリマーをコーティングする。
(b)上記(a)と同様にして得られた乾燥体に対して、ポリマーを溶解させた溶媒をスクリーン印刷、グラビア印刷、又はディスペンサー塗布することで、所定部分にポリマーをコーティングする。
(c)ZnO粒子、Zn粒子、及びバインダーを含む混合粉末に、ポリマーを溶解させた溶媒を添加し、混錬する。このようにしてポリマー濃度の異なる複数の混錬物を準備し、これら複数の混錬物を積層する。
(d)ZnO粒子、Zn粒子、バインダー、及びポリマー粒子を含む混合粉末を加熱混錬する。このようにしてポリマー濃度の異なる複数の混錬物を準備し、これら複数の混錬物を積層する。
The method for forming the negative electrode plate 10 having the reaction suppression region 10 a and the normal reaction region 10 b is not particularly limited. For example, the negative electrode plate 10 can be preferably formed by using any of the following methods (a) to (d).
(a) A mixed powder containing ZnO particles, Zn particles, and a binder (e.g., polytetrafluoroethylene) is prepared. This mixed powder is kneaded in a kneader together with a solvent (e.g., propylene glycol, isopropyl alcohol). The kneaded material is formed into a sheet and attached to a current collector, and then dried to remove the solvent. A solvent in which a polymer (e.g., a nonionic water-absorbing polymer) is dissolved is applied to a predetermined portion of the obtained dried material by dropwise or dip coating, and then dried to coat the polymer.
(b) A solvent in which a polymer has been dissolved is applied to the dried product obtained in the same manner as in (a) above by screen printing, gravure printing, or dispenser application to coat the polymer in predetermined areas.
(c) A solvent in which a polymer is dissolved is added to a mixed powder containing ZnO particles, Zn particles, and a binder, and the mixture is kneaded. In this way, multiple kneaded materials with different polymer concentrations are prepared, and these multiple kneaded materials are layered.
(d) A mixed powder containing ZnO particles, Zn particles, a binder, and polymer particles is heated and kneaded. In this way, a plurality of kneaded materials with different polymer concentrations are prepared, and these kneaded materials are layered.
反応抑制領域10a及び通常反応領域10bにおける上記ポリマーの含有量CA及びCBは、各領域でのポリマーの添加量から算出できる他、上記方法による反応抑制領域10a及び通常反応領域10bそれぞれの作製処理前後の重量差から算出することもできる。あるいは、所定の機器を用いて負極板10を分析することにより、ポリマーの含有量CA及びCBを特定することもできる。すなわち、電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM、例えば日本電子株式会社製、JSM-7900M)により所定の倍率(例えば50000倍、視野:2.3μm×1.6μm)で負極板10断面を観察する。次いで、取得したFE-SEM画像を画像処理ソフト(例えばAdobe社製、Adobe Illustrator)に取り込む。そして、視野内におけるポリマーが占める割合を算出することで、ポリマーの含有量CA及びCBを特定することができる。あるいは、負極板10に含まれる負極活物質に対して熱重量示差熱分析(TG-DTA)を行うことにより、ポリマーの含有量CA及びCBを算出することもできる。 The polymer contents C A and C B in the reaction inhibition region 10a and the normal reaction region 10b can be calculated from the amount of polymer added in each region. Alternatively, they can also be calculated from the weight difference before and after the preparation process of the reaction inhibition region 10a and the normal reaction region 10b by the above method. Alternatively, the polymer contents C A and C B can be determined by analyzing the negative electrode plate 10 using a predetermined device. That is, the cross section of the negative electrode plate 10 is observed at a predetermined magnification (e.g., 50,000 times, field of view: 2.3 μm × 1.6 μm) using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, for example, JSM-7900M manufactured by JEOL Ltd.). The acquired FE-SEM image is then imported into image processing software (e.g., Adobe Illustrator manufactured by Adobe). The polymer contents C A and C B can be determined by calculating the proportion of the polymer in the field of view. Alternatively, the polymer contents C A and C B can be calculated by subjecting the negative electrode active material contained in the negative electrode plate 10 to thermogravimetric differential thermal analysis (TG-DTA).
負極活物質は、Zn粒子及びZnO粒子を含む。Zn粒子は、典型的には金属Zn粒子であるが、Zn合金やZn化合物の粒子を用いてもよい。金属Zn粒子は、亜鉛二次電池に一般的に使用される金属Zn粒子が使用可能であるが、それよりも小さい金属Zn粒子の使用が電池のサイクル寿命を長くする観点からより好ましい。具体的には、金属Zn粒子の平均粒径D50は、好ましくは5~200μmであり、より好ましくは50~200μmであり、さらに好ましくは70~160μmである。負極板10におけるZn粒子の好ましい含有量は、ZnO粒子の含有量を100重量部とした場合に、1.0~87.5重量部であるのが好ましく、より好ましくは3.0~70.0重量部、さらに好ましくは5.0~55.0重量部である。金属Zn粒子にはIn、Bi等のドーパントがドープされていてもよい。ZnO粒子は亜鉛二次電池に用いられる市販の酸化亜鉛粉末、もしくはそれらを出発原料として用いて固相反応等により粒成長させた酸化亜鉛粉末を用いればよく特に限定されない。ZnO粒子の平均粒径D50は、好ましくは0.1~20μmであり、より好ましくは0.1~10μm、さらに好ましくは0.1~5μmである。The negative electrode active material includes Zn particles and ZnO particles. The Zn particles are typically metallic Zn particles, but Zn alloy or Zn compound particles may also be used. While metallic Zn particles commonly used in zinc secondary batteries can be used, the use of smaller metallic Zn particles is preferable from the perspective of extending the battery's cycle life. Specifically, the average particle size D50 of the metallic Zn particles is preferably 5 to 200 μm, more preferably 50 to 200 μm, and even more preferably 70 to 160 μm. The preferred content of Zn particles in the negative electrode plate 10 is preferably 1.0 to 87.5 parts by weight, more preferably 3.0 to 70.0 parts by weight, and even more preferably 5.0 to 55.0 parts by weight, based on 100 parts by weight of the ZnO particles. The metallic Zn particles may be doped with a dopant such as In or Bi. The ZnO particles are not particularly limited, and may be a commercially available zinc oxide powder used in zinc secondary batteries, or a zinc oxide powder obtained by growing particles from such a starting material through a solid-state reaction, etc. The average particle size D50 of the ZnO particles is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.1 to 10 μm, and even more preferably 0.1 to 5 μm.
負極板10は、In及びBiから選択される1種以上の金属元素をさらに含むのが好ましい。これらの金属元素は負極板10の自己放電による望ましくない水素ガスの発生を抑制することができる。これらの金属元素は、金属、酸化物、水酸化物、その他の化合物等のいかなる形態で負極板10に含まれてもよいが、酸化物又は水酸化物の形態で含まれるのが好ましく、より好ましくは酸化物粒子の形態で含まれる。上記金属元素の酸化物の例としては、In2O3、Bi2O3等が挙げられる。上記金属元素の水酸化物の例としては、In(OH)3、Bi(OH)3等が挙げられる。いずれにしても、ZnO粒子の含有量を100重量部とした場合に、Inの含有量が酸化物換算で0~2重量部であり、かつ、Biの含有量が酸化物換算で0~6重量部であるのが好ましく、より好ましくはInの含有量が酸化物換算で0~1.5重量部であり、かつ、Biの含有量が酸化物換算で0~4.5重量部である。In及び/又はBiが酸化物又は水酸化物の形態で負極板10に含まれる場合、In及び/又はBiの全てが酸化物又は水酸化物の形態である必要は無く、それらの一部が金属又は他の化合物等の他の形態で負極に含まれていてもよい。例えば、上記金属元素が金属Zn粒子に微量元素としてドープされていてもよい。この場合、金属Zn粒子中のIn濃度は好ましくは50~2000重量ppm、より好ましくは200~1500重量ppm、金属Zn粒子中のBi濃度は好ましくは50~2000重量ppm、より好ましくは100~1300重量ppmである。 The negative electrode plate 10 preferably further contains one or more metal elements selected from In and Bi. These metal elements can suppress the generation of undesirable hydrogen gas due to self-discharge of the negative electrode plate 10. These metal elements may be contained in the negative electrode plate 10 in any form, such as metal, oxide, hydroxide, or other compound. However, these metal elements are preferably contained in the form of oxide or hydroxide, and more preferably in the form of oxide particles. Examples of oxides of the above metal elements include In 2 O 3 and Bi 2 O 3. Examples of hydroxides of the above metal elements include In(OH) 3 and Bi(OH) 3. In any case, when the content of the ZnO particles is taken as 100 parts by weight, the content of In is preferably 0 to 2 parts by weight in terms of oxide, and the content of Bi is preferably 0 to 6 parts by weight in terms of oxide, more preferably 0 to 1.5 parts by weight in terms of oxide, and 0 to 4.5 parts by weight in terms of oxide. When In and/or Bi are contained in the negative electrode plate 10 in the form of oxides or hydroxides, it is not necessary that all of the In and/or Bi be in the form of oxides or hydroxides; some of them may be contained in the negative electrode in other forms, such as metals or other compounds. For example, the metal elements may be doped into metal Zn particles as trace elements. In this case, the In concentration in the metal Zn particles is preferably 50 to 2000 ppm by weight, more preferably 200 to 1500 ppm by weight, and the Bi concentration in the metal Zn particles is preferably 50 to 2000 ppm by weight, more preferably 100 to 1300 ppm by weight.
負極板10は導電助剤をさらに含んでいてもよい。導電助剤の例としては、カーボン、金属粉末(錫、鉛、銅、コバルト等)、及び貴金属ペーストが挙げられる。The negative electrode plate 10 may further contain a conductive additive. Examples of conductive additives include carbon, metal powder (tin, lead, copper, cobalt, etc.), and precious metal paste.
負極板10はバインダー樹脂をさらに含んでいてもよい。負極板10がバインダーを含むことで、負極形状を保持しやすくなる。バインダー樹脂は公知の様々なバインダーが使用可能であるが、好ましい例としては、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が挙げられる。PVA及びPTFEの両方を組み合わせてバインダーとして用いるのが特に好ましい。The negative electrode plate 10 may further contain a binder resin. The inclusion of a binder in the negative electrode plate 10 makes it easier to maintain the shape of the negative electrode. Various known binders can be used as the binder resin, but preferred examples include polyvinyl alcohol (PVA) and polytetrafluoroethylene (PTFE). It is particularly preferred to use a combination of both PVA and PTFE as the binder.
負極板10はシート状のプレス成形体であるのが好ましい。こうすることで、負極活物質の脱落防止や電極密度の向上を図ることができ、負極板10の形態変化をより効果的に抑制することができる。かかるシート状のプレス成形体の作製は、負極材料にバインダーを加えて混練し、得られた混練物にロールプレス等のプレス成形を施してシート状に成形すればよい。 The negative electrode plate 10 is preferably a sheet-shaped pressed body. This prevents the negative electrode active material from falling off, improves electrode density, and more effectively suppresses changes in the shape of the negative electrode plate 10. Such a sheet-shaped pressed body can be produced by adding a binder to the negative electrode material and kneading it, and then pressing the resulting kneaded material into a sheet using a press such as a roll press.
負極板10には集電体が設けられるのが好ましい。集電体の好ましい例としては、銅パンチングメタルや銅エキスパンドメタルが挙げられる。この場合、例えば、銅パンチングメタルや銅エキスパンドメタル上に、Zn粒子、ZnO粒子、所望によりポリマー(例えばノニオン性吸水ポリマー)、及び所望によりバインダー樹脂(例えばポリテトラフルオロエチレン粒子)を含む混合物を塗布して負極板10/集電体からなる負極板を好ましく作製することができる。その際、乾燥後の負極板(すなわち負極板10/集電体)にプレス処理を施して、負極活物質の脱落防止や電極密度の向上を図ることも好ましい。あるいは、上述したようなシート状のプレス成形体を銅エキスパンドメタル等の集電体に圧着してもよい。乾燥後の負極板に対して、ポリマーを含む溶媒を上述した方法によりコーティングすることで、ポリマー濃度が異なる領域(すなわち反応抑制領域10a及び通常反応領域10b)を形成することもできる。A current collector is preferably provided on the negative electrode plate 10. Preferred examples of current collectors include copper punched metal and copper expanded metal. In this case, a negative electrode plate consisting of the negative electrode plate 10/current collector can be preferably produced by applying a mixture containing Zn particles, ZnO particles, an optional polymer (e.g., a nonionic water-absorbing polymer), and an optional binder resin (e.g., polytetrafluoroethylene particles) to the copper punched metal or copper expanded metal. It is also preferable to press the dried negative electrode plate (i.e., the negative electrode plate 10/current collector) to prevent the negative electrode active material from falling off and improve electrode density. Alternatively, the sheet-like pressed compact described above may be crimped onto a current collector such as copper expanded metal. Regions with different polymer concentrations (i.e., the reaction suppression region 10a and the normal reaction region 10b) can be formed by coating the dried negative electrode plate with a polymer-containing solvent using the method described above.
亜鉛二次電池
本発明の負極板10は亜鉛二次電池に適用されるのが好ましい。したがって、本発明の好ましい態様によれば、正極と、負極板10と、正極と負極板10とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するセパレータと、電解液とを含む、亜鉛二次電池が提供される。本発明の亜鉛二次電池は、上述した負極板10を用い、かつ、電解液(典型的にはアルカリ金属水酸化物水溶液)を用いた二次電池であれば特に限定されない。したがって、ニッケル亜鉛二次電池、酸化銀亜鉛二次電池、酸化マンガン亜鉛二次電池、亜鉛空気二次電池、その他各種のアルカリ亜鉛二次電池であることができる。例えば、正極が水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含み、それにより亜鉛二次電池がニッケル亜鉛二次電池をなすのが好ましい。あるいは、正極が空気極であり、それにより亜鉛二次電池が亜鉛空気二次電池をなしてもよい。The negative electrode plate 10 of the present invention is preferably applied to a zinc secondary battery. Therefore, according to a preferred embodiment of the present invention, a zinc secondary battery is provided, comprising a positive electrode, a negative electrode plate 10, a separator separating the positive electrode and the negative electrode plate 10 in a manner that allows hydroxide ion conductivity, and an electrolyte. The zinc secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it uses the above-described negative electrode plate 10 and an electrolyte (typically an aqueous alkali metal hydroxide solution). Therefore, it can be a nickel-zinc secondary battery, a silver oxide-zinc secondary battery, a manganese oxide-zinc secondary battery, a zinc-air secondary battery, or any other type of alkaline zinc secondary battery. For example, it is preferable that the positive electrode contains nickel hydroxide and/or nickel oxyhydroxide, thereby forming a nickel-zinc secondary battery. Alternatively, the positive electrode may be an air electrode, thereby forming a zinc-air secondary battery.
セパレータは層状複水酸化物(LDH)セパレータであるのが好ましい。すなわち、前述したように、ニッケル亜鉛二次電池や空気亜鉛二次電池の分野において、LDHセパレータが知られており(特許文献1~3を参照)、このLDHセパレータを本発明の亜鉛二次電池にも好ましく使用することができる。LDHセパレータは、水酸化物イオンを選択的に透過させながら、亜鉛デンドライトの貫通を阻止することができる。本発明の負極板の採用による効果と相まって、亜鉛二次電池の耐久性をより一層向上することができる。なお、本明細書において、LDHセパレータは、層状複水酸化物(LDH)及び/又はLDH様化合物(以下、水酸化物イオン伝導層状化合物と総称する)を含むセパレータであって、専ら水酸化物イオン伝導層状化合物の水酸化物イオン伝導性を利用して水酸化物イオンを選択的に通すものとして定義される。本明細書において「LDH様化合物」は、LDHとは呼べないかもしれないがLDHに類する層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物であり、LDHの均等物といえるものである。もっとも、広義の定義として、「LDH」はLDHのみならずLDH様化合物を包含するものとして解釈することも可能である。The separator is preferably a layered double hydroxide (LDH) separator. As mentioned above, LDH separators are known in the fields of nickel-zinc secondary batteries and air-zinc secondary batteries (see Patent Documents 1 to 3), and these LDH separators can also be preferably used in the zinc secondary battery of the present invention. LDH separators can selectively allow hydroxide ions to pass through while preventing the penetration of zinc dendrites. Combined with the effects of the negative electrode plate of the present invention, this can further improve the durability of zinc secondary batteries. In this specification, an LDH separator is defined as a separator containing a layered double hydroxide (LDH) and/or an LDH-like compound (hereinafter collectively referred to as a hydroxide ion-conducting layered compound) that selectively passes hydroxide ions solely by utilizing the hydroxide ion conductivity of the hydroxide ion-conducting layered compound. In this specification, "LDH-like compounds" are hydroxides and/or oxides with a layered crystal structure similar to LDH, which may not be called LDH, and can be considered equivalent to LDH. However, in a broad sense, "LDH" can be interpreted as including not only LDH but also LDH-like compounds.
LDHセパレータは、特許文献1~3に開示されるように多孔質基材と複合化されたものであってもよい。多孔質基材はセラミックス材料、金属材料、及び高分子材料のいずれで構成されてもよいが、高分子材料で構成されるのが特に好ましい。高分子多孔質基材には、1)フレキシブル性を有する(それ故薄くしても割れにくい)、2)気孔率を高くしやすい、3)伝導率を高くしやすい(気孔率を高めながら厚さを薄くできるため)、4)製造及びハンドリングしやすいといった利点がある。特に好ましい高分子材料は、耐熱水性、耐酸性及び耐アルカリ性に優れ、しかも低コストである点から、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィンであり、最も好ましくはポリプロピレンである。多孔質基材が高分子材料で構成される場合、水酸化物イオン伝導層状化合物が多孔質基材の厚さ方向の全域にわたって組み込まれている(例えば多孔質基材内部の大半又はほぼ全部の孔が水酸化物イオン伝導層状化合物で埋まっている)のが特に好ましい。この場合における高分子多孔質基材の好ましい厚さは、5~200μmであり、より好ましくは5~100μm、さらに好ましくは5~30μmである。このような高分子多孔質基材として、リチウム電池用セパレータとして市販されているような微多孔膜を好ましく用いることができる。The LDH separator may be composited with a porous substrate, as disclosed in Patent Documents 1 to 3. The porous substrate may be composed of ceramic, metal, or polymeric materials, but is particularly preferably composed of a polymeric material. Polymeric porous substrates have the following advantages: 1) flexibility (hence, they are less likely to crack even when thinned); 2) ease of achieving high porosity; 3) ease of achieving high conductivity (because thickness can be reduced while increasing porosity); and 4) ease of manufacturing and handling. Particularly preferred polymeric materials are polyolefins such as polypropylene and polyethylene, with polypropylene being the most preferred, due to their excellent hot water resistance, acid resistance, and alkali resistance, as well as low cost. When the porous substrate is composed of a polymeric material, it is particularly preferred that the hydroxide ion-conducting layered compound be incorporated throughout the entire thickness of the porous substrate (e.g., most or almost all of the pores within the porous substrate are filled with the hydroxide ion-conducting layered compound). In this case, the preferred thickness of the polymeric porous substrate is 5 to 200 μm, more preferably 5 to 100 μm, and even more preferably 5 to 30 μm. As such a polymeric porous substrate, a microporous membrane such as those commercially available as separators for lithium batteries can be preferably used.
電解液は、アルカリ金属水酸化物水溶液を含むのが好ましい。アルカリ金属水酸化物の例としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウム等が挙げられるが、水酸化カリウムがより好ましい。亜鉛含有材料の自己溶解を抑制するために、電解液中に酸化亜鉛、水酸化亜鉛等を添加してもよい。The electrolyte preferably contains an aqueous solution of an alkali metal hydroxide. Examples of alkali metal hydroxides include potassium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide, and ammonium hydroxide, with potassium hydroxide being more preferred. Zinc oxide, zinc hydroxide, etc. may be added to the electrolyte to suppress self-dissolution of zinc-containing materials.
LDH様化合物
本発明の好ましい態様によれば、LDHセパレータは、LDH様化合物を含むものであることができる。LDH様化合物の定義は前述したとおりである。好ましいLDH様化合物は、
(a)Mgと、Ti、Y及びAlからなる群から選択される少なくともTiを含む1以上の元素とを含む層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物である、又は
(b)(i)Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はMgと、(ii)In、Bi、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種である添加元素Mとを含む、層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物である、又は
(c)Mg、Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はInを含む層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物であり、該(c)において前記LDH様化合物がIn(OH)3との混合物の形態で存在する。According to a preferred embodiment of the present invention, the LDH separator may contain an LDH- like compound. The definition of the LDH-like compound is as described above. Preferred LDH-like compounds are:
(a) a hydroxide and/or oxide having a layered crystal structure containing Mg and one or more elements, including at least Ti, selected from the group consisting of Ti, Y, and Al, or (b) a hydroxide and/or oxide having a layered crystal structure containing (i) Ti, Y, and optionally Al and/or Mg, and (ii) an additional element M, which is at least one element selected from the group consisting of In, Bi, Ca, Sr, and Ba, or (c) a hydroxide and/or oxide having a layered crystal structure containing Mg, Ti, Y, and optionally Al and/or In, wherein the LDH-like compound (c) is present in the form of a mixture with In(OH) 3 .
本発明の好ましい態様(a)によれば、LDH様化合物は、Mgと、Ti、Y及びAlからなる群から選択される少なくともTiを含む1以上の元素とを含む層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物でありうる。したがって、典型的なLDH様化合物は、Mg、Ti、所望によりY及び所望によりAlの複合水酸化物及び/又は複合酸化物である。LDH様化合物の基本的特性を損なわない程度に上記元素は他の元素又はイオンで置き換えられてもよいが、LDH様化合物はNiを含まないのが好ましい。例えば、LDH様化合物は、Zn及び/又はKをさらに含むものであってもよい。こうすることで、LDHセパレータのイオン伝導率をより一層向上することができる。According to a preferred aspect (a) of the present invention, the LDH-like compound may be a hydroxide and/or oxide having a layered crystal structure containing Mg and one or more elements, including at least Ti, selected from the group consisting of Ti, Y, and Al. Therefore, a typical LDH-like compound is a composite hydroxide and/or composite oxide of Mg, Ti, optionally Y, and optionally Al. While the above elements may be replaced with other elements or ions to the extent that the basic properties of the LDH-like compound are not impaired, it is preferable that the LDH-like compound does not contain Ni. For example, the LDH-like compound may further contain Zn and/or K. This can further improve the ionic conductivity of the LDH separator.
LDH様化合物はX線回折により同定することができる。具体的には、LDHセパレータは、その表面に対してX線回折を行った場合、典型的には5°≦2θ≦10°の範囲に、より典型的には7°≦2θ≦10°の範囲にLDH様化合物に由来するピークが検出される。前述のとおり、LDHは積み重なった水酸化物基本層の間に、中間層として交換可能な陰イオン及びH2Oが存在する交互積層構造を有する物質である。この点、LDHをX線回折法により測定した場合、本来的には2θ=11~12°の位置にLDHの結晶構造に起因したピーク(すなわちLDHの(003)ピーク)が検出される。これに対して、LDH様化合物をX線回折法により測定した場合、典型的にはLDHの上記ピーク位置よりも低角側にシフトした上述の範囲でピークが検出される。また、X線回折におけるLDH様化合物に由来するピークに対応する2θを用いてBraggの式により、層状結晶構造の層間距離を決定することができる。こうして決定されるLDH様化合物を構成する層状結晶構造の層間距離は0.883~1.8nmであるのが典型的であり、より典型的には0.883~1.3nmである。 LDH-like compounds can be identified by X-ray diffraction. Specifically, when X-ray diffraction is performed on the surface of an LDH separator, peaks derived from LDH-like compounds are typically detected in the range of 5°≦2θ≦10°, more typically in the range of 7°≦2θ≦10°. As described above, LDH is a substance having an alternating layer structure in which exchangeable anions and H 2 O exist as intermediate layers between stacked hydroxide base layers. In this regard, when LDH is measured by X-ray diffraction, a peak inherently attributable to the crystalline structure of LDH (i.e., the (003) peak of LDH) is detected at 2θ = 11 to 12°. In contrast, when an LDH-like compound is measured by X-ray diffraction, a peak is typically detected in the aforementioned range, shifted to a lower angle than the peak position of LDH. Furthermore, the interlayer distance of the layered crystalline structure can be determined by the Bragg equation using 2θ corresponding to the peak derived from the LDH-like compound in X-ray diffraction. The interlayer distance of the layered crystal structure constituting the LDH-like compound determined in this manner is typically 0.883 to 1.8 nm, more typically 0.883 to 1.3 nm.
上記態様(a)によるLDHセパレータは、エネルギー分散型X線分析(EDS)により決定される、LDH様化合物におけるMg/(Mg+Ti+Y+Al)の原子比が0.03~0.25であるのが好ましく、より好ましくは0.05~0.2である。また、LDH様化合物におけるTi/(Mg+Ti+Y+Al)の原子比は0.40~0.97であるのが好ましく、より好ましくは0.47~0.94である。さらに、LDH様化合物におけるY/(Mg+Ti+Y+Al)の原子比は0~0.45であるのが好ましく、より好ましくは0~0.37である。そして、LDH様化合物におけるAl/(Mg+Ti+Y+Al)の原子比は0~0.05であるのが好ましく、より好ましくは0~0.03である。上記範囲内であると、耐アルカリ性により一層優れ、かつ、亜鉛デンドライトに起因する短絡の抑制効果(すなわちデンドライト耐性)をより効果的に実現することができる。ところで、LDHセパレータに関して従来から知られるLDHは一般式:M2+ 1-xM3+ x(OH)2An- x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An-はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1~0.4であり、mは0以上である)なる基本組成で表しうる。これに対して、LDH様化合物における上記原子比は、LDHの上記一般式から概して逸脱している。このため、本態様におけるLDH様化合物は、概して、従来のLDHとは異なる組成比(原子比)を有するといえる。なお、EDS分析は、EDS分析装置(例えばX-act、オックスフォード・インストゥルメンツ社製)を用いて、1)加速電圧20kV、倍率5,000倍で像を取り込み、2)点分析モードで5μm程度間隔を空け、3点分析を行い、3)上記1)及び2)をさらに1回繰り返し行い、4)合計6点の平均値を算出することにより行うのが好ましい。 In the LDH separator according to the above aspect (a), the atomic ratio of Mg/(Mg + Ti + Y + Al) in the LDH-like compound, as determined by energy dispersive X-ray analysis (EDS), is preferably 0.03 to 0.25, more preferably 0.05 to 0.2. The atomic ratio of Ti/(Mg + Ti + Y + Al) in the LDH-like compound is preferably 0.40 to 0.97, more preferably 0.47 to 0.94. The atomic ratio of Y/(Mg + Ti + Y + Al) in the LDH-like compound is preferably 0 to 0.45, more preferably 0 to 0.37. The atomic ratio of Al/(Mg + Ti + Y + Al) in the LDH-like compound is preferably 0 to 0.05, more preferably 0 to 0.03. Within the above range, the alkali resistance is even better, and the effect of suppressing short circuits caused by zinc dendrites (i.e., dendrite resistance) can be more effectively achieved. Conventionally known LDHs for LDH separators can be expressed by a basic composition represented by the general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x/n ·mH 2 O (wherein M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, A n- is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is 0 or more). In contrast, the atomic ratios in LDH-like compounds generally deviate from the general formula for LDH. Therefore, it can be said that the LDH-like compound in this embodiment generally has a composition ratio (atomic ratio) different from that of conventional LDHs. The EDS analysis is preferably performed using an EDS analyzer (e.g., X-act, manufactured by Oxford Instruments) by: 1) capturing an image at an accelerating voltage of 20 kV and a magnification of 5,000; 2) performing three-point analysis in point analysis mode with an interval of about 5 μm; 3) repeating the above 1) and 2) once more; and 4) calculating the average value of the six points in total.
本発明の別の好ましい態様(b)によれば、LDH様化合物は、(i)Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はMgと、(ii)添加元素Mとを含む、層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物でありうる。したがって、典型的なLDH様化合物は、Ti、Y、添加元素M、所望によりAl及び所望によりMgの複合水酸化物及び/又は複合酸化物である。添加元素Mは、In、Bi、Ca、Sr、Ba又はそれらの組合せである。LDH様化合物の基本的特性を損なわない程度に上記元素は他の元素又はイオンで置き換えられてもよいが、LDH様化合物はNiを含まないのが好ましい。According to another preferred aspect (b) of the present invention, the LDH-like compound may be a hydroxide and/or oxide having a layered crystal structure containing (i) Ti, Y, and optionally Al and/or Mg, and (ii) an additional element M. Thus, a typical LDH-like compound is a composite hydroxide and/or composite oxide of Ti, Y, the additional element M, optionally Al, and optionally Mg. The additional element M is In, Bi, Ca, Sr, Ba, or a combination thereof. While the above elements may be replaced with other elements or ions to the extent that the basic properties of the LDH-like compound are not impaired, it is preferred that the LDH-like compound does not contain Ni.
上記態様(b)によるLDHセパレータは、エネルギー分散型X線分析(EDS)により決定される、LDH様化合物におけるTi/(Mg+Al+Ti+Y+M)の原子比が0.50~0.85であるのが好ましく、より好ましくは0.56~0.81である。LDH様化合物におけるY/(Mg+Al+Ti+Y+M)の原子比は0.03~0.20であるのが好ましく、より好ましくは0.07~0.15である。LDH様化合物におけるM/(Mg+Al+Ti+Y+M)の原子比は0.03~0.35であるのが好ましく、より好ましくは0.03~0.32である。LDH様化合物におけるMg/(Mg+Al+Ti+Y+M)の原子比は0~0.10であるのが好ましく、より好ましくは0~0.02である。そして、LDH様化合物におけるAl/(Mg+Al+Ti+Y+M)の原子比は0~0.05であるのが好ましく、より好ましくは0~0.04である。上記範囲内であると、耐アルカリ性により一層優れ、かつ、亜鉛デンドライトに起因する短絡の抑制効果(すなわちデンドライト耐性)をより効果的に実現することができる。ところで、LDHセパレータに関して従来から知られるLDHは一般式:M2+ 1-xM3+ x(OH)2An- x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An-はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1~0.4であり、mは0以上である)なる基本組成で表しうる。これに対して、LDH様化合物における上記原子比は、LDHの上記一般式から概して逸脱している。このため、本態様におけるLDH様化合物は、概して、従来のLDHとは異なる組成比(原子比)を有するといえる。なお、EDS分析は、EDS分析装置(例えばX-act、オックスフォード・インストゥルメンツ社製)を用いて、1)加速電圧20kV、倍率5,000倍で像を取り込み、2)点分析モードで5μm程度間隔を空け、3点分析を行い、3)上記1)及び2)をさらに1回繰り返し行い、4)合計6点の平均値を算出することにより行うのが好ましい。 In the LDH separator according to the above aspect (b), the atomic ratio of Ti/(Mg+Al+Ti+Y+M) in the LDH-like compound, as determined by energy dispersive X-ray analysis (EDS), is preferably 0.50 to 0.85, more preferably 0.56 to 0.81. The atomic ratio of Y/(Mg+Al+Ti+Y+M) in the LDH-like compound is preferably 0.03 to 0.20, more preferably 0.07 to 0.15. The atomic ratio of M/(Mg+Al+Ti+Y+M) in the LDH-like compound is preferably 0.03 to 0.35, more preferably 0.03 to 0.32. The atomic ratio of Mg/(Mg+Al+Ti+Y+M) in the LDH-like compound is preferably 0 to 0.10, more preferably 0 to 0.02. The atomic ratio of Al/(Mg+Al+Ti+Y+M) in the LDH-like compound is preferably 0 to 0.05, and more preferably 0 to 0.04. Within this range, the alkali resistance is even better, and the effect of suppressing short circuits caused by zinc dendrites (i.e., dendrite resistance) can be more effectively achieved. Meanwhile, LDH, a conventionally known LDH separator, can be expressed by a basic composition represented by the general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x/n ·mH 2 O (wherein M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, A n- is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is 0 or more). In contrast, the atomic ratio in the LDH-like compound generally deviates from the general formula of LDH. Therefore, it can be said that the LDH-like compound in this embodiment generally has a composition ratio (atomic ratio) different from that of conventional LDH. Note that the EDS analysis is preferably performed by using an EDS analyzer (e.g., X-act, manufactured by Oxford Instruments) by 1) capturing an image at an accelerating voltage of 20 kV and a magnification of 5,000 times, 2) performing three-point analysis in point analysis mode with an interval of about 5 μm, 3) repeating the above 1) and 2) once more, and 4) calculating the average value of the six points in total.
本発明の更に別の好ましい態様(c)によれば、LDH様化合物は、Mg、Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はInを含む層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物であり、LDH様化合物がIn(OH)3との混合物の形態で存在するものでありうる。この態様のLDH様化合物は、Mg、Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はInを含む、層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物である。したがって、典型的なLDH様化合物は、Mg、Ti、Y、所望によりAl、及び所望によりInの、複合水酸化物及び/又は複合酸化物である。なお、LDH様化合物に含まれうるInは、LDH様化合物中に意図的に添加されたもののみならず、In(OH)3の形成等に由来してLDH様化合物中に不可避的に混入したものであってもよい。LDH様化合物の基本的特性を損なわない程度に上記元素は他の元素又はイオンで置き換えられてもよいが、LDH様化合物はNiを含まないのが好ましい。ところで、LDHセパレータに関して従来から知られるLDHは一般式:M2+ 1-xM3+ x(OH)2An- x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An-はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1~0.4であり、mは0以上である)なる基本組成で表しうる。これに対して、LDH様化合物における原子比は、LDHの上記一般式から概して逸脱している。このため、本態様におけるLDH様化合物は、概して、従来のLDHとは異なる組成比(原子比)を有するといえる。 According to yet another preferred aspect (c) of the present invention, the LDH-like compound is a hydroxide and/or oxide having a layered crystal structure containing Mg, Ti, Y, and optionally Al and/or In, and the LDH-like compound may exist in the form of a mixture with In(OH) 3. The LDH-like compound of this aspect is a hydroxide and/or oxide having a layered crystal structure containing Mg, Ti, Y, and optionally Al and/or In. Therefore, a typical LDH-like compound is a composite hydroxide and/or composite oxide of Mg, Ti, Y, optionally Al, and optionally In. The In contained in the LDH-like compound may not only be intentionally added to the LDH-like compound, but may also be unavoidably mixed into the LDH-like compound due to the formation of In(OH) 3 , etc. While the above elements may be replaced with other elements or ions to the extent that the basic properties of the LDH-like compound are not impaired, it is preferable that the LDH-like compound does not contain Ni. Incidentally, conventionally known LDHs for LDH separators can be represented by a basic composition represented by the general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x/n ·mH 2 O (wherein M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, A n- is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is 0 or more). In contrast, the atomic ratios in LDH-like compounds generally deviate from the above general formula of LDH. For this reason, it can be said that the LDH-like compound in this embodiment generally has a composition ratio (atomic ratio) different from that of conventional LDHs.
上記態様(c)による混合物はLDH様化合物のみならずIn(OH)3をも含む(典型的にはLDH様化合物及びIn(OH)3で構成される)。In(OH)3の含有により、LDHセパレータにおける耐アルカリ性及びデンドライト耐性を効果的に向上することができる。混合物におけるIn(OH)3の含有割合は、LDHセパレータの水酸化物イオン伝導性を殆ど損なわずに耐アルカリ性及びデンドライト耐性を向上できる量であるのが好ましく、特に限定されない。In(OH)3はキューブ状の結晶構造を有するものであってもよく、In(OH)3の結晶がLDH様化合物で取り囲まれている構成であってもよい。In(OH)3はX線回折により同定することができる。 The mixture according to the above aspect (c) contains not only an LDH-like compound but also In(OH) 3 (typically composed of an LDH-like compound and In(OH) 3 ). The inclusion of In(OH) 3 can effectively improve the alkali resistance and dendrite resistance of the LDH separator. The content of In(OH) 3 in the mixture is preferably an amount that can improve the alkali resistance and dendrite resistance without substantially impairing the hydroxide ion conductivity of the LDH separator, and is not particularly limited. In(OH) 3 may have a cubic crystal structure, or may have a structure in which In(OH) 3 crystals are surrounded by the LDH-like compound. In(OH) 3 can be identified by X-ray diffraction.
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。 The present invention will be further illustrated by the following examples.
例1~31
(1)正極の用意
ペースト式水酸化ニッケル正極(容量密度:約700mAh/cm3)を用意した。 Examples 1 to 31
(1) Preparation of Positive Electrode A paste-type nickel hydroxide positive electrode (capacity density: approximately 700 mAh/cm 3 ) was prepared.
(2)負極板の作製
以下に示される各種原料粉末を用意した。
・ZnO粉末(正同化学工業株式会社製、JIS規格1種グレード、平均粒径D50:0.2μm)
・金属Zn粉末(DOWAエレクトロニクス株式会社製、Bi及びInがドープされたもの、Bi:70重量ppm、In:200重量ppm、平均粒径D50:120μm)
・ノニオン性吸水ポリマー(ポリアルキレンオキサイド系吸水性樹脂、住友精化株式会社製、アクアコーク、グレード:TWB-P、製品形態:粉体、平均粒径D50:50μm)
(2) Preparation of Negative Electrode Plate The following raw material powders were prepared.
ZnO powder (manufactured by Seido Chemical Industry Co., Ltd., JIS standard type 1 grade, average particle size D50: 0.2 μm)
Metallic Zn powder (manufactured by DOWA Electronics Co., Ltd., doped with Bi and In, Bi: 70 ppm by weight, In: 200 ppm by weight, average particle size D50: 120 μm)
Nonionic water-absorbing polymer (polyalkylene oxide-based water-absorbing resin, manufactured by Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd., Aquacoke, grade: TWB-P, product form: powder, average particle size D50: 50 μm)
ZnO粉末100重量部に、金属Zn粉末5.7重量部、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)1重量部を添加し、プロピレングリコールと共に混練した。得られた混練物をロールプレスで圧延して、負極活物質シートを得た。負極活物質シートを、錫メッキが施された銅エキスパンドメタルに圧着し、乾燥させた。得られた負極活物質シートの乾燥体に対して、ノニオン性吸水ポリマーを溶解させたプロピレングリコールを滴下又はディップコートし、乾燥させることで、ノニオン性吸水ポリマーをコーティングした。このとき、ノニオン性吸水ポリマーの添加量及び添加領域を、表1及び2、並びに図1A~1D、3A及び3Bに示されるように適宜変更することで、反応抑制領域10a及び通常反応領域10bを有する負極板10を得た。100 parts by weight of ZnO powder was mixed with 5.7 parts by weight of metallic Zn powder and 1 part by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE), and then kneaded with propylene glycol. The resulting mixture was rolled using a roll press to obtain a negative electrode active material sheet. The negative electrode active material sheet was then pressed onto a tin-plated copper expand metal and dried. The dried negative electrode active material sheet was then coated with a nonionic water-absorbing polymer by dripping or dip-coating with propylene glycol dissolved in a nonionic water-absorbing polymer and drying. The amount and region of the nonionic water-absorbing polymer added were appropriately adjusted as shown in Tables 1 and 2, and Figures 1A-1D, 3A, and 3B, to obtain a negative electrode plate 10 having a reaction-suppressed region 10a and a normal reaction region 10b.
(3)電解液の作製
48%水酸化カリウム水溶液(関東化学株式会社製、特級)にイオン交換水を加えてKOH濃度を5.4mol%に調整した後、酸化亜鉛を0.42mol/Lとなるように加熱攪拌により溶解させて、電解液を得た。
(3) Preparation of Electrolyte Solution Ion-exchanged water was added to a 48% aqueous potassium hydroxide solution (special grade, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) to adjust the KOH concentration to 5.4 mol%, and zinc oxide was then dissolved in the solution by heating and stirring to a concentration of 0.42 mol/L, thereby obtaining an electrolyte solution.
(4)評価セルの作製
正極と負極板の各々を不織布で包むとともに、電流取り出し端子を溶接した。こうして準備された正極及び負極板を、LDHセパレータを介して対向させ、電流取り出し口が設けられたラミネートフィルムに挟んで、ラミネートフィルムの3辺を熱融着した。こうして得られた上部開放されたセル容器に電解液を加え、真空引き等により電解液を十分に正極及び負極板に浸透させた。その後、ラミネートフィルムの残りの1辺も熱融着して、簡易密閉セルとした。
(4) Preparation of Evaluation Cell The positive and negative electrode plates were each wrapped in nonwoven fabric, and a current extraction terminal was welded. The positive and negative electrode plates thus prepared were placed opposite each other with an LDH separator interposed therebetween, sandwiched between laminate films with current extraction ports, and three sides of the laminate film were heat-sealed. An electrolyte solution was added to the resulting open-top cell container, and the electrolyte solution was thoroughly permeated into the positive and negative electrode plates by evacuation or the like. The remaining side of the laminate film was then heat-sealed to form a simple sealed cell.
(5)評価
<サイクル特性>
充放電装置(東洋システム株式会社製、TOSCAT3100)を用いて、簡易密閉セルに対し、0.1C充電及び0.2C放電で化成を実施した。その後、1C充放電サイクルを実施した。同一条件で繰り返し充放電サイクルを実施し、試作電池の1サイクル目の放電容量の70%まで放電容量が低下するまでの充放電回数を記録した。各例の充放電回数を、例13における充放電回数を1.00とした場合の相対値として算出し、これをサイクル特性を示す指標(サイクル特性比率)として採用した。結果は表1及び2に示されるとおりであり、所定量のノニオン性吸水ポリマーを含む反応抑制領域10a及び通常反応領域10bを負極板10に設けることにより、サイクル特性が改善することが確認された。
(5) Evaluation <Cycle characteristics>
Using a charge/discharge device (TOSCAT3100, manufactured by Toyo Systems Co., Ltd.), the simple sealed cell was subjected to chemical formation with a 0.1C charge and a 0.2C discharge. A 1C charge/discharge cycle was then performed. Repeated charge/discharge cycles were performed under the same conditions, and the number of charge/discharge cycles was recorded until the discharge capacity of the prototype battery decreased to 70% of the discharge capacity of the first cycle. The number of charge/discharge cycles for each example was calculated as a relative value when the number of charge/discharge cycles in Example 13 was set to 1.00, and this was used as an index of cycle characteristics (cycle characteristic ratio). The results are shown in Tables 1 and 2. It was confirmed that the cycle characteristics were improved by providing the negative electrode plate 10 with a reaction suppression region 10a containing a predetermined amount of nonionic water-absorbing polymer and a normal reaction region 10b.
Claims (16)
ZnO粒子及びZn粒子を含む負極活物質と、
イオン透過性を有しないポリマーと、
を含み、
前記負極板は、平面視した場合に、通常反応領域と、前記通常反応領域よりも負極反応が進行しにくい反応抑制領域とを有し、前記通常反応領域及び前記反応抑制領域の合計領域における、前記反応抑制領域の占める割合が30~75%であり、
前記反応抑制領域は、前記反応抑制領域を占める前記ZnO粒子の含有量100重量部に対する、前記ポリマーの含有量CAが0.5~6重量部であり、
前記通常反応領域は、前記通常反応領域を占める前記ZnO粒子の含有量100重量部に対する、前記ポリマーの含有量CBが、0~3重量部であり、かつ、前記CAよりも低い、負極板。 A negative electrode plate used in a zinc secondary battery,
a negative electrode active material containing ZnO particles and Zn particles;
a polymer that is not ion-permeable ;
Including,
When viewed from above, the negative electrode plate has a normal reaction region and a reaction suppression region in which the negative electrode reaction proceeds more slowly than in the normal reaction region, and the reaction suppression region accounts for 30 to 75% of the total area of the normal reaction region and the reaction suppression region;
the reaction suppression region has a polymer content C A of 0.5 to 6 parts by weight relative to 100 parts by weight of the ZnO particles occupying the reaction suppression region;
The normal reaction region has a polymer content C B of 0 to 3 parts by weight relative to 100 parts by weight of the ZnO particles occupying the normal reaction region, and is lower than C A.
請求項1又は2に記載の負極板と、
前記正極と前記負極板とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するセパレータと、
電解液と、
を含む、亜鉛二次電池。 A positive electrode and
The negative electrode plate according to claim 1 or 2,
a separator that separates the positive electrode and the negative electrode plate in a manner that allows hydroxide ions to be conducted between them;
An electrolyte;
A zinc secondary battery comprising:
13. The zinc secondary battery according to claim 12, wherein the positive electrode is an air electrode, thereby making the zinc secondary battery a zinc-air secondary battery.
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