具有凝膠狀固體電解質的金屬-空氣電池的製作方法
2023-09-22 04:04:20 1
具有凝膠狀固體電解質的金屬-空氣電池的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種鋰空氣二次電池，其具有空氣電極、負極和凝膠狀固體電解質，所述負極含有金屬鋰或含鋰物質，其特徵在於，所述凝膠狀固體電解質含有固體電解質鹽、溶劑和特定的脂質肽型膠凝劑。
【專利說明】具有凝膠狀固體電解質的金屬-空氣電池
【技術領域】
[0001]本發明涉及具有凝膠狀固體電解質的金屬空氣電池、特別是鋰空氣電池，詳細地說，涉及具有使用低分子脂質肽型膠凝劑的離子傳導性凝膠狀固體電解質的鋰空氣二次電池。
【背景技術】
[0002]鋰空氣電池，使用能夠從電池外部供給的空氣中的氧氣作為正極活性物質，所以需要在電池內儲藏正極活性物質，因此，人們期待能夠在電池內填充大量的作為負極活性物質的鋰金屬，獲得非常大的放電容量，從而能夠長時間進行驅動。
[0003]例如，在專利文獻I中，作為溶質使用lmol/L的雙三氟甲磺醯亞胺鋰(LiTFSI)，作為有機溶劑使用碳酸亞乙酯和碳酸二乙酯的混合溶劑而製作鋰空氣(氧氣)電池並進行了評價。
[0004]此外、專利文獻2中，作為電解液,溶質使用lmol/L的六氟化磷酸鋰(LiPF6)，有機溶劑使用碳酸亞乙酯和碳酸二乙酯的混合溶劑，而製作鋰空氣電池並進行了評價。
[0005]在任一文獻中，所製作的鋰空氣電池都比通常的鋰離子電池獲得了非常大的放電容量。
[0006]但在這些文獻介紹的鋰離子電池中，作為電解液的一成分使用的有機溶劑是揮發性，而且與水的混和性也有一些，所以可以想到，它們在長期工作時穩定性方面存在問題。即、在長期的電池工作時，不僅可以預測到由於電解液從正極側揮發而使電池電阻增大，而且通過氧氣和水分浸入電池內部，會有負極的鋰金屬被腐蝕、此外產生氫的懸念。這些現象是有損於鋰空氣電池的長時間放電這一特徵的重要原因。
[0007]針對這樣的問題，在專利文獻3中提出了不使用電解液而使用鋰離子傳導性固體電解質的鋰空氣電池。但是，該鋰空氣電池只能在95°C這樣的較高的溫度下工作。
[0008]另一方面，為了抑制水分侵入負極，專利文獻4中提出了一種鋰空氣電池，其在負極側配置有機溶劑系的電解液、在空氣電極側配置水溶液系的電解液，共計使用2種電解液。該鋰空氣電池，負極側的有機溶劑系的電解液和空氣電極側的水溶液系的電解液被僅能夠傳導鋰離子的固體電解質(隔板)隔開，抑制了水分從空氣電極側向負極側的浸透，所以安全性優異。
[0009]但是，使用這種方式需要分別配製負極側(有機溶劑系)和空氣電極側(水溶液系)的電解液，而且還要將它們用鋰離子固體電解質隔開，所以有電池製造步驟複雜化之虞，而且由於水溶液成為空氣電極的電極活性物質，所以容量上受到制約。
[0010]現有技術文獻
[0011]專利文獻
[0012]專利文獻1:日本特開2010-176907號公報
[0013]專利文獻2:日本特開2008-198590號公報
[0014]專利文獻3:日本特開2010-3694號公報[0015]專利文獻4:日本特開2010-176941號公報
【發明內容】
[0016]發明要解決的課題
[0017]如上文所述，在以往公開的文獻中，由於充當電解質的一成分而使用的有機溶劑具有一些揮發性以及與水、氧氣的混和性，所以在長期工作時在穩定性方面存在課題。
[0018]此外，儘管針對該課題已經提出了改善方法，但要限定工作條件、電池容量等，仍然沒有得到令人滿意的結果，需要重新進行討論。
[0019]本發明基於上述現狀而完成，其要解決的課題是提供一種對於以往的液體狀的電解質而言、被視為問題的 有機溶劑的揮發量減少、水分的混入等得到抑制的新的鋰空氣電池。
[0020]解決課題的手段
[0021]本發明人為了解決上述課題而進行了深入研究，結果發現，通過作為鋰空氣電池的固體電解質採用含有低分子脂質肽或其可藥用鹽的脂質肽型膠凝劑、固體電解質鹽和溶劑的凝膠狀固體電解質，能夠使對於以往的電解質而言、視為問題的有機溶劑的揮發、水分的混入得到抑制、且具有良好的離子傳導性，得到與以往的使用液狀電解質的電池同樣的充放電特性，從而完成本發明。
[0022]即、本發明，作為觀點I是一種鋰空氣二次電池，具有空氣電極、負極、和凝膠狀固體電解質，所述負極含有金屬鋰或含鋰物質，其特徵在於，
[0023]所述凝膠狀固體電解質含有固體電解質鹽、溶劑和脂質肽型膠凝劑，所述脂質肽型膠凝劑含有選自下式(I)~式(3)所表示的化合物或其可藥用鹽中的至少一種，
[0024]
【權利要求】
1.一種鋰空氣二次電池，具有空氣電極、負極、和凝膠狀固體電解質，所述負極含有金屬鋰或含鋰物質，其特徵在於， 所述凝膠狀固體電解質含有固體電解質鹽、溶劑和脂質肽型膠凝劑，所述脂質肽型膠凝劑含有選自下式(I)~式(3)所表示的化合物或其可藥用鹽中的至少一種，
2.如權利要求1所述的鋰空氣二次電池，其特徵在於，所述凝膠狀固體電解質中含有的溶劑含有: 鏈狀碳酸酯、和 環狀碳酸酯類或醚化合物。
3.如權利要求2所述的鋰空氣二次電池，所述鏈狀碳酸酯類選自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯。
4.如權利要求2所述的鋰空氣二次電池，所述環狀碳酸酯類是碳酸亞乙酯或碳酸亞丙酯。
5.如權利要求2所述的鋰空氣二次電池，所述醚化合物是1，2-二甲氧基乙烷。
6.如權利要求1所述的鋰空氣二次電池，其特徵在於，所述凝膠狀固體電解質中含有的溶劑含有鏈狀碳酸酯類、環狀碳酸酯類和環狀羧酸酯類。
7.如權利要求6所述的鋰空氣二次電池，所述環狀羧酸酯類是Y-丁內酯。
8.如權利要求1~7的任一項所述的鋰空氣二次電池，其特徵在於，所述空氣電極具有擔載有催化劑的多孔質碳或微細化碳，作為所述催化劑是以下中的至少一者， 選自鉬、銠、鈀、銀和釕中的貴金屬，以及 選自鈣鈦礦型氧化物、錳氧化物、鈷氧化物、氧化鎳、氧化鐵和氧化銅中的金屬氧化物。
9.如權利要求8所述的鋰空氣二次電池，其特徵在於，所述空氣電極具有擔載有錳氧化物的多孔質碳。
10.如權利要求1~9的任一項所述的鋰空氣二次電池，其特徵在於，所述負極是金屬鋰。
11.如權利要求1~10的任一項所述的鋰空氣二次電池，其特徵在於，所述凝膠狀固體電解質中含有的固體電解質鹽含有能夠在鋰離子二次電池中使用的固體電解質鹽。
12.如權利要求11所述的鋰空氣二次電池，所述固體電解質鹽選自LiN(SO2C2F5)2、LiPF6, LiBF4' LiClO4' LiAsF6, LiCF3SO3' LiN(SO2CF3)2、和它們的混合物。
【文檔編號】H01M4/90GK103988361SQ201280061610
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年10月12日 優先權日:2011年10月14日
【發明者】石原達己, 三井滋, 宮地伸英 申請人:日產化學工業株式會社, 國立大學法人九州大學