金屬空氣電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供與以往相比具有高放電容量的金屬空氣電池。本發(fā)明是一種金屬空氣電池，包含正極層、負極層和正極層與負極層之間的電解質(zhì)層，正極層含有碳材料，且具備在正極層的厚度方向貫通的2個以上的貫通孔。
【專利說明】金屬空氣電池
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及利用氧作為正極活性物質(zhì)的金屬空氣電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著近年的移動電話等設備的普及、進步，期待作為其電源的電池的高容量化。其中金屬空氣電池因為在空氣極中利用大氣中的氧作為正極活性物質(zhì)，進行該氧的氧化還原反應，另一方面，在負極中進行構(gòu)成負極的金屬的氧化還原反應，從而能夠充電或放電，所以作為能量密度高、比目前通用的鋰離子電池優(yōu)異的高容量電池而備受關注(非專利文獻I)。
[0003]而且，為了實現(xiàn)金屬空氣電池的高容量化，提出了如下的空氣電池:作為金屬空氣電池的正極，具備成型為片狀的正極層、以具有Inm上的細孔的碳質(zhì)物為主體的正極(專利文獻I)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2002-15737號公報
[0007]非專利文獻
[0008]非專利文獻1:獨立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所(產(chǎn)總研)，“開發(fā)新結(jié)構(gòu)的高性能鋰空氣電池”，[online]，2009年2月24日報道發(fā)表，[平成23年8月19日檢索]，網(wǎng)絡 < http://www.aist.g0.jp/aist_j/press_release/pr2009/pr20090224/pr20090224.html >

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]這樣，以往，提出了在金屬空氣電池中，以高容量化為目的，具備成型為片狀的正極層、以具有Inm以上的細孔的碳質(zhì)物為主體的正極的空氣電池，但依然期望更進一步的
高容量化。
[0010]本發(fā)明的金屬空氣電池具有如下構(gòu)成:在含有碳材料的正極層的厚度方向具有貫通孔。
[0011]本發(fā)明是一種金屬空氣電池，包含正極層、負極層和在上述正極層與負極層之間且含有電解液的電解質(zhì)層，
[0012]上述正極層含有碳材料，且具備在上述正極層的厚度方向貫通的2個以上的貫通孔。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，能夠得到與以往的金屬空氣電池相比提高了放電容量的金屬空氣電池。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是正極層的表面的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。[0015]圖2是正極層的截面的SEM照片。
[0016]圖3是電化學電池單元的截面示意圖。
[0017]圖4是表示基于貫通孔直徑的電池單元的放電容量值的圖。
[0018]圖5是表示基于正極層的每單位體積的貫通孔的內(nèi)表面面積的電池單元的放電容量的值的圖。
[0019]圖6是表示相對于貫通孔間隔的倒數(shù)的電池單元的放電容量的值的圖。
[0020]圖7是表示具有貫通孔或者非貫通孔的電池單元的放電容量的值的圖。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明的金屬空氣電池具有以下構(gòu)成:包含正極層、負極層和在上述正極層與負極層之間的電解質(zhì)層，上述正極層含有碳材料，且具備在上述正極層的厚度方向貫通的2個以上的貫通孔。
[0022]金屬空氣電池中，放電中在正極中發(fā)生空氣中的氧被還原而負極的金屬離子被氧化的氧化還原反應。以往，認為在金屬空氣電池中，氧和負極金屬離子的氧化還原反應在正極中的高表面積的碳材料的納米級的細孔內(nèi)發(fā)生，因此,金屬空氣電池中一直使用主要含有高表面積的碳材料的正極材料。
[0023]然而，令人吃驚的是，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過在正極層的厚度方向形成貫通孔，與以往相比能夠大幅提高金屬空氣電池的放電容量。貫通孔可以具有微米級的直徑，這是與以往的納米級的細孔有很大差異的大小。
[0024]不受理論束縛，認為通過在正極層的厚度方向形成貫通孔，能夠促進氧和金屬離子向正極層的厚度方向擴散，因此能夠促進氧和金屬離子的氧化還原反應，能夠提高電池的放電容量。另外，認為通過在正極層形成多個貫通孔，也能夠提高氧和金屬離子向正極層的橫向(與厚度方向垂直的方向)擴散，因此，能夠促進氧和負極金屬離子的氧化還原反應，引起電池的容量的提高。這樣，認為利用正極層中的貫通孔，能夠在正極中提高氧和金屬離子的擴散，促進氧和負極金屬離子的氧化還原反應，可以提高電池的放電容量。
[0025]本發(fā)明中，貫通孔是指在正極層的厚度方向貫通地形成的2個以上的孔。貫通孔是遍及正極層的厚度地貫通的孔，是以連接正極層的上下表面的方式形成的孔。
[0026]貫通孔優(yōu)選與正極層的厚度方向平行(與正極層的上下表面垂直)地形成，但也可以具有相對于正極層的厚度方向傾斜的角度地形成。另外，貫通孔優(yōu)選為在正極層的厚度整體上具有相同的直徑的圓柱形狀，但可以在正極層的厚度整體上具有不同的形狀。例如，貫通孔可以是在正極層的厚度整體上具有相同的直徑的圓柱形狀，或者可以在正極層的厚度整體上直徑不同，例如可以是具有錐角的圓錐臺形狀。另外，貫通孔的形狀不限于圓柱形狀，可以是棱柱形狀、橢圓柱形狀等任意形狀。
[0027]本發(fā)明的金屬空氣電池中，優(yōu)選形成于正極層的貫通孔全部以連接正極層的上下表面的方式貫通，但不排除全部貫通孔中的一部分的孔是非貫通的情況。貫通孔的個數(shù)占全部孔的比例優(yōu)選為50%以上，更優(yōu)選為60%以上，進一步優(yōu)選為70%以上，更進一步優(yōu)選為80%以上，再進一步優(yōu)選為90%以上，最優(yōu)選為100%。
[0028]本發(fā)明的金屬空氣電池中，優(yōu)選正極層的貫通孔的直徑為微米級。為了使用電解液充滿貫通孔內(nèi)，貫通孔的直徑優(yōu)選為I μ m以上，更優(yōu)選為10 μ m以上，進一步優(yōu)選為20 μ m以上,更進一步優(yōu)選為30 μ m以上,再更進一步優(yōu)選為50 μ m以上,再更進一步優(yōu)選為65 μ m以上。另外，正極層的貫通孔的直徑優(yōu)選為1000 μ m以下,更優(yōu)選為500 μ m以下,進一步優(yōu)選為300 μ m以下，更進一步優(yōu)選為220 μ m以下，再更進一步優(yōu)選為170 μ m以下。
[0029]本發(fā)明的金屬空氣電池中，形成于正極層的全部貫通孔的內(nèi)表面面積以每正極層的單位體積計，優(yōu)選為50m2/m3以上,進一步優(yōu)選為80m2/m3以上。
[0030]貫通孔的內(nèi)表面面積是指由貫通孔的直徑和正極層的厚度計算的貫通孔的內(nèi)表面的面積。而且，正極層的每單位體積的貫通孔的內(nèi)表面面積是貫通孔的內(nèi)表面面積除以正極層的體積而得的數(shù)值。因而，在正極層形成的孔數(shù)越多，正極層的每單位體積的貫通孔的內(nèi)表面面積的數(shù)值越大?？讛?shù)少時，貫通孔的直徑越大，正極層的每單位體積的貫通孔的內(nèi)表面面積的數(shù)值越大。因此，優(yōu)選正極層的每單位體積的貫通孔的內(nèi)表面面積總體上大，但從正極層中的氧和金屬離子的反應場的確保和正極層的強度等觀點考慮，可以優(yōu)選為25000m2/m3以下，更優(yōu)選為1000mVm3以下，進一步優(yōu)選為5000m2/m3以下。應予說明，上述的正極層的厚度是指由正極層的整體的平均厚度計算的表觀厚度，是未考慮正極層的貫通孔而計算的厚度。正極層的體積是指由正極層的表觀直徑和正極層的表觀厚度計算的體積，是未考慮正極層的表面的凹凸、貫通孔而計算的表觀體積。
[0031 ] 將X個平均直徑為Y (m)的貫通孔形成在具有Z (m2)的面積和W (m)的厚度的正極層時，正極層的每單位體積的貫通孔的內(nèi)表面面積通過下式計算:
[0032]正極層的每單位體積的貫通孔的內(nèi)表面面積=(π YXWXX)/(WXZ) (m2/m3)。
[0033]本發(fā)明的金屬空氣電池中，形成于正極層的貫通孔間隔的倒數(shù)優(yōu)選為220(l/m)以上，更優(yōu)選為510 (1/m)以上。
[0034]本說明書中，貫通孔間隔的倒數(shù)是指形成于正極層的貫通孔的孔徑的間的距離的平均的倒數(shù)。因此，貫通孔間隔的倒數(shù)的數(shù)值越大，表示貫通孔間的間隔越小。在正極層形成越多的孔數(shù)和/或越大的孔徑，貫通孔間隔的倒數(shù)的數(shù)值越大。優(yōu)選貫通孔間隔的倒數(shù)的數(shù)值總體上大，但從正極層中的氧和金屬離子的反應場的確保和正極層的強度等觀點考慮，可以優(yōu)選為36000 (Ι/m)以下，更優(yōu)選為10000(l/m)以下，進一步優(yōu)選為5000 (1/m)以下。
[0035]貫通孔間隔的倒數(shù)可以根據(jù)以下步驟計算。將X(個)平均直徑為Y(m)的貫通孔形成于具有Z(m2)的面積的正極層的厚度方向時，假設貫通孔以等間隔、正方形地排列在正方形的正極面，可以通過下式計算多個貫通孔的孔徑間的距離的平均:
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種金屬空氣電池，含有正極層、負極層和所述正極層與負極層之間的電解質(zhì)層， 所述正極層含有碳材料，且具備在所述正極層的厚度方向貫通的2個以上的貫通孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬空氣電池，其中，所述正極層的每單位體積的所述貫通孔的內(nèi)面面積為50以上，單位為m2/m3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬空氣電池，其中，所述正極層的每單位體積的所述貫通孔的內(nèi)面面積為80以上，單位為m2/m3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項所述的金屬空氣電池，其中，作為所述貫通孔間的平均距離的倒數(shù)的貫通孔間隔的倒數(shù)為220以上，單位為1/m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項所述的金屬空氣電池，其中，作為所述貫通孔間的平均距離的倒數(shù)的貫通孔間隔的倒數(shù)為510以上，單位為1/m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項所述的金屬空氣電池，其中，所述貫通孔的直徑為I μ m ?220 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項所述的金屬空氣電池，其中，所述貫通孔的直徑為65 μ m ?170 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1?7中任一項所述的金屬空氣電池，其中，所述電解質(zhì)層含有離子液體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1?8中任一項所述的金屬空氣電池,為鋰空氣電池。
【文檔編號】H01M12/08GK104040786SQ201180076210
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月9日
【發(fā)明者】廣瀨寬 申請人:豐田自動車株式會社