金属空气电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供与以往相比具有高放电容量的金属空气电池。本发明是一种金属空气电池，包含正极层、负极层和正极层与负极层之间的电解质层，正极层含有碳材料，且具备在正极层的厚度方向贯通的2个以上的贯通孔。
【专利说明】金属空气电池
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用氧作为正极活性物质的金属空气电池。
【背景技术】
[0002]随着近年的移动电话等设备的普及、进步，期待作为其电源的电池的高容量化。其中金属空气电池因为在空气极中利用大气中的氧作为正极活性物质，进行该氧的氧化还原反应，另一方面，在负极中进行构成负极的金属的氧化还原反应，从而能够充电或放电，所以作为能量密度高、比目前通用的锂离子电池优异的高容量电池而备受关注(非专利文献I)。
[0003]而且，为了实现金属空气电池的高容量化，提出了如下的空气电池:作为金属空气电池的正极，具备成型为片状的正极层、以具有Inm上的细孔的碳质物为主体的正极(专利文献I)。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开2002-15737号公报
[0007]非专利文献
[0008]非专利文献1:独立行政法人产业技术总合研究所(产总研)，“开发新结构的高性能锂空气电池”，[online]，2009年2月24日报道发表，[平成23年8月19日检索]，网络 < http://www.aist.g0.jp/aist_j/press_release/pr2009/pr20090224/pr20090224.html >
【发明内容】
[0009]这样，以往，提出了在金属空气电池中，以高容量化为目的，具备成型为片状的正极层、以具有Inm以上的细孔的碳质物为主体的正极的空气电池，但依然期望更进一步的
高容量化。
[0010]本发明的金属空气电池具有如下构成:在含有碳材料的正极层的厚度方向具有贯通孔。
[0011]本发明是一种金属空气电池，包含正极层、负极层和在上述正极层与负极层之间且含有电解液的电解质层，
[0012]上述正极层含有碳材料，且具备在上述正极层的厚度方向贯通的2个以上的贯通孔。
[0013]根据本发明，能够得到与以往的金属空气电池相比提高了放电容量的金属空气电池。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是正极层的表面的扫描式电子显微镜(SEM)照片。[0015]图2是正极层的截面的SEM照片。
[0016]图3是电化学电池单元的截面示意图。
[0017]图4是表示基于贯通孔直径的电池单元的放电容量值的图。
[0018]图5是表示基于正极层的每单位体积的贯通孔的内表面面积的电池单元的放电容量的值的图。
[0019]图6是表示相对于贯通孔间隔的倒数的电池单元的放电容量的值的图。
[0020]图7是表示具有贯通孔或者非贯通孔的电池单元的放电容量的值的图。
【具体实施方式】
[0021]本发明的金属空气电池具有以下构成:包含正极层、负极层和在上述正极层与负极层之间的电解质层，上述正极层含有碳材料，且具备在上述正极层的厚度方向贯通的2个以上的贯通孔。
[0022]金属空气电池中，放电中在正极中发生空气中的氧被还原而负极的金属离子被氧化的氧化还原反应。以往，认为在金属空气电池中，氧和负极金属离子的氧化还原反应在正极中的高表面积的碳材料的纳米级的细孔内发生，因此,金属空气电池中一直使用主要含有高表面积的碳材料的正极材料。
[0023]然而，令人吃惊的是，本发明人发现通过在正极层的厚度方向形成贯通孔，与以往相比能够大幅提高金属空气电池的放电容量。贯通孔可以具有微米级的直径，这是与以往的纳米级的细孔有很大差异的大小。
[0024]不受理论束缚，认为通过在正极层的厚度方向形成贯通孔，能够促进氧和金属离子向正极层的厚度方向扩散，因此能够促进氧和金属离子的氧化还原反应，能够提高电池的放电容量。另外，认为通过在正极层形成多个贯通孔，也能够提高氧和金属离子向正极层的横向(与厚度方向垂直的方向)扩散，因此，能够促进氧和负极金属离子的氧化还原反应，引起电池的容量的提高。这样，认为利用正极层中的贯通孔，能够在正极中提高氧和金属离子的扩散，促进氧和负极金属离子的氧化还原反应，可以提高电池的放电容量。
[0025]本发明中，贯通孔是指在正极层的厚度方向贯通地形成的2个以上的孔。贯通孔是遍及正极层的厚度地贯通的孔，是以连接正极层的上下表面的方式形成的孔。
[0026]贯通孔优选与正极层的厚度方向平行(与正极层的上下表面垂直)地形成，但也可以具有相对于正极层的厚度方向倾斜的角度地形成。另外，贯通孔优选为在正极层的厚度整体上具有相同的直径的圆柱形状，但可以在正极层的厚度整体上具有不同的形状。例如，贯通孔可以是在正极层的厚度整体上具有相同的直径的圆柱形状，或者可以在正极层的厚度整体上直径不同，例如可以是具有锥角的圆锥台形状。另外，贯通孔的形状不限于圆柱形状，可以是棱柱形状、椭圆柱形状等任意形状。
[0027]本发明的金属空气电池中，优选形成于正极层的贯通孔全部以连接正极层的上下表面的方式贯通，但不排除全部贯通孔中的一部分的孔是非贯通的情况。贯通孔的个数占全部孔的比例优选为50%以上，更优选为60%以上，进一步优选为70%以上，更进一步优选为80%以上，再进一步优选为90%以上，最优选为100%。
[0028]本发明的金属空气电池中，优选正极层的贯通孔的直径为微米级。为了使用电解液充满贯通孔内，贯通孔的直径优选为I μ m以上，更优选为10 μ m以上，进一步优选为20 μ m以上,更进一步优选为30 μ m以上,再更进一步优选为50 μ m以上,再更进一步优选为65 μ m以上。另外，正极层的贯通孔的直径优选为1000 μ m以下,更优选为500 μ m以下,进一步优选为300 μ m以下，更进一步优选为220 μ m以下，再更进一步优选为170 μ m以下。
[0029]本发明的金属空气电池中，形成于正极层的全部贯通孔的内表面面积以每正极层的单位体积计，优选为50m2/m3以上,进一步优选为80m2/m3以上。
[0030]贯通孔的内表面面积是指由贯通孔的直径和正极层的厚度计算的贯通孔的内表面的面积。而且，正极层的每单位体积的贯通孔的内表面面积是贯通孔的内表面面积除以正极层的体积而得的数值。因而，在正极层形成的孔数越多，正极层的每单位体积的贯通孔的内表面面积的数值越大。孔数少时，贯通孔的直径越大，正极层的每单位体积的贯通孔的内表面面积的数值越大。因此，优选正极层的每单位体积的贯通孔的内表面面积总体上大，但从正极层中的氧和金属离子的反应场的确保和正极层的强度等观点考虑，可以优选为25000m2/m3以下，更优选为1000mVm3以下，进一步优选为5000m2/m3以下。应予说明，上述的正极层的厚度是指由正极层的整体的平均厚度计算的表观厚度，是未考虑正极层的贯通孔而计算的厚度。正极层的体积是指由正极层的表观直径和正极层的表观厚度计算的体积，是未考虑正极层的表面的凹凸、贯通孔而计算的表观体积。
[0031 ] 将X个平均直径为Y (m)的贯通孔形成在具有Z (m2)的面积和W (m)的厚度的正极层时，正极层的每单位体积的贯通孔的内表面面积通过下式计算:
[0032]正极层的每单位体积的贯通孔的内表面面积=(π YXWXX)/(WXZ) (m2/m3)。
[0033]本发明的金属空气电池中，形成于正极层的贯通孔间隔的倒数优选为220(l/m)以上，更优选为510 (1/m)以上。
[0034]本说明书中，贯通孔间隔的倒数是指形成于正极层的贯通孔的孔径的间的距离的平均的倒数。因此，贯通孔间隔的倒数的数值越大，表示贯通孔间的间隔越小。在正极层形成越多的孔数和/或越大的孔径，贯通孔间隔的倒数的数值越大。优选贯通孔间隔的倒数的数值总体上大，但从正极层中的氧和金属离子的反应场的确保和正极层的强度等观点考虑，可以优选为36000 (Ι/m)以下，更优选为10000(l/m)以下，进一步优选为5000 (1/m)以下。
[0035]贯通孔间隔的倒数可以根据以下步骤计算。将X(个)平均直径为Y(m)的贯通孔形成于具有Z(m2)的面积的正极层的厚度方向时，假设贯通孔以等间隔、正方形地排列在正方形的正极面，可以通过下式计算多个贯通孔的孔径间的距离的平均:
[0036]
【权利要求】
1.一种金属空气电池，含有正极层、负极层和所述正极层与负极层之间的电解质层， 所述正极层含有碳材料，且具备在所述正极层的厚度方向贯通的2个以上的贯通孔。
2.根据权利要求1所述的金属空气电池，其中，所述正极层的每单位体积的所述贯通孔的内面面积为50以上，单位为m2/m3。
3.根据权利要求1所述的金属空气电池，其中，所述正极层的每单位体积的所述贯通孔的内面面积为80以上，单位为m2/m3。
4.根据权利要求1?3中任一项所述的金属空气电池，其中，作为所述贯通孔间的平均距离的倒数的贯通孔间隔的倒数为220以上，单位为1/m。
5.根据权利要求1?3中任一项所述的金属空气电池，其中，作为所述贯通孔间的平均距离的倒数的贯通孔间隔的倒数为510以上，单位为1/m。
6.根据权利要求1?5中任一项所述的金属空气电池，其中，所述贯通孔的直径为I μ m ?220 μ m。
7.根据权利要求1?5中任一项所述的金属空气电池，其中，所述贯通孔的直径为65 μ m ?170 μ m。
8.根据权利要求1?7中任一项所述的金属空气电池，其中，所述电解质层含有离子液体。
9.根据权利要求1?8中任一项所述的金属空气电池,为锂空气电池。
【文档编号】H01M12/08GK104040786SQ201180076210
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2011年12月9日 优先权日:2011年12月9日
【发明者】广濑宽 申请人:丰田自动车株式会社