(57)【要約】【課題】高い放電容量および高い重量エネルギー密度を実現できる空気電池用正極を提供すること。【解決手段】空気電池用正極１３は、正極集電体１３２と、導電性材料を含む多孔質層１３１とを備える。正極集電体１３２は、平板状のベース部１３２ａと、ベース部１３２ａの第１主面１５に配置された複数の突起部１３２ｂと、を含む。多孔質層１３１は、ベース部１３２ａの第１主面１５上に配置されている。突起部１３２ｂは、多孔質層１３１内において多孔質層１３１と接触している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体と、
導電性材料を含む多孔質層と、を備え、
前記集電体は、平板状のベース部と、前記ベース部の第１主面に配置された複数の突起部と、を含み、
前記多孔質層は、前記ベース部の前記第１主面上に配置されており、
前記複数の突起部は、前記多孔質層の内部で前記多孔質層に接している、
空気電池用正極。
【請求項２】
前記第１主面を、前記複数の突起部を含む第１の領域と、前記第１の領域の外側であって前記複数の突起部を含む第２の領域とに分けた場合、
前記第１の領域において隣り合う突起部間の距離の平均値は、前記第２の領域において隣り合う突起部間の距離の平均値よりも大きい、
請求項１に記載の空気電池用正極。
【請求項３】
前記複数の突起部は、中心が同一で互いに半径が異なる複数の円に沿って配置されている、
請求項１に記載の空気電池用正極。
【請求項４】
前記複数の円のうち最小の円と前記最小の円と隣り合う円との半径の差が、
前記複数の円のうち最大の円と前記最大の円と隣り合う円との半径の差よりも大きい、  請求項３に記載の空気電池用正極。
【請求項５】
前記複数の円のうち最小の円の半径が、
前記複数の円のうち最大の円と前記最大の円と隣り合う円との半径の差よりも大きい、  請求項３または４に記載の空気電池用正極。
【請求項６】
前記複数の円のうち最小の円に沿って配置された前記突起部の数が、
前記複数の円のうち最大の円に沿って配置された前記突起部の数よりも少ない、
請求項３から５のいずれか１項に記載の空気電池用正極。
【請求項７】
前記複数の突起部を平面視した形状は、円状、長丸状、または楕円状である、
請求項１から６のいずれか１項に記載の空気電池用正極。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の空気電池用正極と、
金属イオンの吸蔵および放出が可能な負極と、
前記空気電池用正極と前記負極との間に配置された電解質層と、を備える、
空気電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、空気電池用正極および空気電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質として金属イオンの吸蔵および放出が可能な金属または化合物を用いる電池である。空気電池は、エネルギー密度（重量に対する放電可能な電力量）が高く、小型化および軽量化が容易であるといった利点を有する。現在最もエネルギー密度が高いと考えられている電池は金属イオン電池であるが、空気電池は、その金属イオン電池を超えるエネルギー密度を有する電池として注目されている。
【０００３】
空気電池は、正極と、負極と、正極と負極との間に配置された電解質層とを備えている。正極は、例えば、多孔質層と、集電体とを備えている。多孔質層には、一般に炭素材料が用いられる。集電体には、例えば、金属メッシュおよびエキスパンドメタル等が用いられる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、多孔質層としての多孔質炭素と、箔状、板状、またはメッシュ状等の正極集電体とを備えた空気電池用正極が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−０１７２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１の構造では、発電時の多孔質層の膨張を抑制することが困難である。そのため、多孔質層が集電体より剥がれることにより、集電性が安定せず、高い放電容量および高いエネルギー密度を得ることができないという課題を有している。
【０００７】
本開示の一態様の目的は、高い放電容量および高い重量エネルギー密度を得ることができる空気電池用正極および空気電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様に係る空気電池用正極は、集電体と、導電性材料を含む多孔質層と、を備え、前記集電体は、平板状のベース部と、前記ベース部の第１主面に配置された複数の突起部と、を含み、前記多孔質層は、前記ベース部の前記第１主面上に配置されており、前記複数の突起部は、前記多孔質層の内部で前記多孔質層に接している。
【０００９】
本開示の一態様に係る空気電池は、本開示の一態様に係る空気電池用正極と、金属イオンの吸蔵および放出が可能な負極と、前記空気電池用正極と前記負極との間に配置された電解質層と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、高い放電容量および高い重量エネルギー密度を得ることができる空気電池用正極および空気電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の実施の形態に係る空気電池の構成例を示す概略断面図
【図２】本開示の実施の形態に係る正極集電体の一例を示す平面図
【図３】本開示の実施の形態に係る正極集電体の一例を示す平面図
【図４】本開示の実施の形態に係る正極集電体の一例を示す平面図
【図５】図４に示す円環部を模式的に示す図
【図６Ａ】本開示の実施の形態に係る突起部が円柱状である場合の平面視および断面視を示す図
【図６Ｂ】本開示の実施の形態に係る突起部が長丸柱状である場合の平面視および断面視を示す図
【図６Ｃ】本開示の実施の形態に係る突起部が楕円柱状である場合の平面視および断面視を示す図
【図６Ｄ】本開示の実施の形態に係る突起部が四角柱状である場合の平面視および断面視を示す図
【図７】本開示の実施の形態に係る実施例および比較例の解析結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示の実施の形態に係る空気電池用正極、その製造方法、および空気電池について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、下記説明は一例であり、本開示は、下記説明に限定されない。また、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
【００１３】
本実施の形態の空気電池は、空気電池用正極（以下、単に「正極」という）と、金属イオンの吸蔵および放出を可能とする負極と、正極と負極との間に配置された電解質層と、を備えている。
【００１４】
正極は、正極集電体と、導電性材料を含む多孔質層とを含む。多孔質層は、正極活物質として空気中の酸素を用い、当該酸素を酸化還元可能な正極層として設けられている。正極集電体は、多孔質層に集電を行う。
【００１５】
負極は、金属イオンの吸蔵および放出を可能とする負極層を含む。負極は、さらに、負極層の集電を行う負極集電体を含んでもよい。
【００１６】
本実施の形態の空気電池は、正極と負極との間に配置されたセパレータをさらに備えてもよい。
【００１７】
本実施の形態の正極において、正極集電体は、平板状のベース部と、このベース部の少なくとも第１主面に配置された複数の突起部とを含む。
【００１８】
正極の多孔質層は、ベース部の第１主面上に配置されている。
【００１９】
突起部は、ベース部の第１主面から多孔質層側へ突出した部分であり、例えば、柱状の形状を有する。突起部は、多孔質層を部分的に押し潰し、多孔質層と部分的に接している。換言すれば、正極は、正極集電体を構成する突起部が多孔質層を部分的に圧縮、接触している構造を有している。
【００２０】
（全体構成）
上述した本実施の形態の空気電池の具体的な構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態の空気電池１の構成例を示す概略断面図である。
【００２１】
図１に示すように、空気電池１は、電池ケース１１と、負極１２と、正極１３と、電解質層１４とを備える。電解質層１４は、負極１２と正極１３との間に配置されている。
【００２２】
電池ケース１１は、筒状部１１ａ、底部１１ｂ、および蓋部１１ｃを備える。
【００２３】
筒状部１１ａは、上面（図中において最も上側の端面）側および底面（図中において最も下側の端面）側の両方が開口した筒状の部材である。底部１１ｂは、筒状部１１ａの底面側の開口部分を塞ぐように設けられている。蓋部１１ｃは、筒状部１１ａの上面側の開口部分を塞ぐように設けられている。
【００２４】
なお、図示は省略しているが、電池ケース１１は、その内部に空気を取り込める構成を有している。例えば、蓋部１１ｃに、空気を電池ケース１１内に取り込むための空気取り込み孔が設けられていてもよい。
【００２５】
負極１２は、負極層１２１と、負極集電体１２２とを含む。負極層１２１は、負極集電体１２２よりも、電解質層１４側に配置されている。
【００２６】
正極１３は、多孔質層１３１と、正極集電体１３２とを含む。
【００２７】
多孔質層１３１は、導電性材料を含んでおり、正極層として機能する。多孔質層１３１は、正極集電体１３２よりも、電解質層１４側に配置されている。また、多孔質層１３１は、ベース部１３２ａの第１主面１５上に配置されている。
【００２８】
正極集電体１３２は、ベース部１３２ａと、その第１主面１５上に配置された複数の突起部１３２ｂとを含む。ベース部１３２ａは、例えば、平板状である。
【００２９】
突起部１３２ｂは、ベース部１３２ａの第１主面１５から多孔質層１３１側へ突出した部分である。突起部１３２ｂは、多孔質層１３１の内部に入り込んでおり、多孔質層１３１を部分的に圧縮し、多孔質層１３１と部分的に接している。
【００３０】
突起部１３２ｂの形状としては、例えば、円柱状、長丸柱状、楕円柱状、四角柱状、または、錐台状が挙げられる。
【００３１】
図示は省略しているが、正極集電体１３２のベース部１３２ａには、空気を多孔質層１３１に取り込むための空気取り込み孔が設けられている。例えば、ベース部１３２ａがメッシュ構造を有する場合、そのメッシュ構造の開口部が空気取り込み孔として機能する。
【００３２】
なお、負極１２、電解質層１４、および正極１３で構成された積層体の側面には、枠体１６が設けられている。また、図示は省略しているが、空気電池１は、電解質層１４に含まれたセパレータをさらに備えていてもよい。
【００３３】
（突起部１３２ｂの配置例）
図２〜図４を用いて、突起部１３２ｂの配置の各例について説明する。図２〜図４は、それぞれ、図１に示した正極集電体１３２の一例を示す平面図である。すなわち、図２〜図４のそれぞれに示す正極集電体１３２Ａ〜１３２Ｃは、図１に示した正極集電体１３２の一例に相当する。また、図２〜図４のそれぞれに示すベース部１３２ａ１〜１３２ａ３は、図１に示したベース部１３２ａの一例に相当する。
【００３４】
図２に示す正極集電体１３２Ａでは、ベース部１３２ａ１が、縦方向の複数の長方形部と、横方向の複数の長方形部とが直交して構成されている。換言すれば、ベース部１３２ａ１は、格子状である。突起部１３２ｂは、縦方向の長方形部と横方向の長方形部との交点に配置されている。
【００３５】
なお、以下では、図２に示したように、突起部１３２ｂが縦方向の長方形部と横方向の長方形部との交点に配置される態様を「格子配置」という。
【００３６】
図３に示す正極集電体１３２Ｂでは、ベース部１３２ａ２が、径が異なる複数の円環部と、複数の円環部を繋ぐように正極集電体１３２Ｂの中心から外側に向けて放射状に延びる複数の長方形部との組み合わせで構成されている。換言すれば、ベース部１３２ａ２は、円網状である。突起部１３２ｂは、複数の円環部のそれぞれにおいて一定間隔で配置されている。また、突起部１３２ｂは、円環部と長方形部との交点にも配置されている。
【００３７】
なお、ベース部１３２ａ２は、図３に示した円網状に限定されず、例えばハニカム形状等であってもよい。
【００３８】
図４に示す正極集電体１３２Ｃでは、ベース部１３２ａ３が、径が異なる複数の円環部と、複数の円環部を繋ぐように正極集電体１３２Ｃの中心から外側に向けて放射状に延びる長方形部の組み合わせで構成されている。換言すれば、ベース部１３２ａ３は、円網状である。突起部１３２ｂは、複数の円環部のそれぞれにおいて一定間隔で配置されている。また、突起部１３２ｂは、円環部と長方形部との交点にも配置されている。
【００３９】
なお、ベース部１３２ａ３は、図４に示した円網状に限定されず、例えばハニカム形状等であってもよい。
【００４０】
正極集電体１３２Ｃは、図３に示した正極集電体１３２Ｂと比べて、各円環部における配置が異なる。図３に示したように、正極集電体１３２Ｂでは、突起部１３２ｂは、各円環部において、円周状に均等に配置されている。これに対し、正極集電体１３２Ｃでは、図４に示すように、突起部１３２ｂは、各円環部において円周状に配置されている点は正極集電体１３２Ｂと同じであるが、内側の円環部（例えば、最小径の円環部）よりも、外側の円環部（例えば、最大径の円環部）において密に配置されている。
【００４１】
なお、以下では、図３に示したように突起部１３２ｂが円環部において円周状に均等に配置される態様を「均等配置」という。また、以下では、図４に示したように突起部１３２ｂが円環部において円周状に配置され、内側の円環部よりも外側の円環部で密に配置される態様を「外寄配置」という。
【００４２】
以上説明したように、正極集電体１３２Ａ〜１３２Ｃにおいて、ベース部１３２ａ１〜１３２ａ３はメッシュ構造を有する。そして、突起部１３２ｂは、メッシュ構造の開口部以外の領域に配置されている。また、正極集電体１３２Ｃでは、突起部１３２ｂは、メッシュ構造の開口部以外の領域のうち、内側の領域よりも外側の領域に密に配置されている。
【００４３】
なお、本実施の形態では、図２〜図４に示したように、ベース部１３２ａ１〜１３２ａ３を平面視した外形が円形である場合を例に挙げて説明したが、それらの形状は、四角形でもよいし、それら以外の形状であってもよい。
【００４４】
ここで、図５を用いて、図４に示す正極集電体１３２Ｃの突起部１３２ｂの配置についてより詳細に説明する。図５は、図４に示した円環部を模式的に示す図である。
【００４５】
図５に示す円Ｃ１〜Ｃ５は、それぞれ、図４に示した各円環部に相当する。図５に示す中心Ｃは、円Ｃ１〜Ｃ５の中心である。図５に示す半径Ｒ１〜Ｒ５は、それぞれ、円Ｃ１〜Ｃ５の半径である。よって、円Ｃ１〜Ｃ５は、中心Ｃが同一であって、互いに半径が異なる。円Ｃ１〜Ｃ５のうち、円Ｃ１が最大の円であり、円Ｃ５が最小の円である。
【００４６】
図５に示すように、突起部１３２ｂは、円Ｃ１〜Ｃ５に沿って配置される。
【００４７】
最小の円Ｃ５の半径と、その円Ｃ５に隣り合う円Ｃ４の半径との差（Ｒ４−Ｒ５）は、最大の円Ｃ１の半径と、その円Ｃ１に隣り合う円Ｃ２の半径との差（Ｒ１−Ｒ２）よりも大きい。
【００４８】
最小の円Ｃ５の半径Ｒ５は、最大の円Ｃ１の半径と、その円Ｃ１に隣り合う円Ｃ２の半径との差（Ｒ１−Ｒ２）よりも大きい。
【００４９】
最小の円Ｃ５に沿って配置された突起部１３２ｂの数（８個）は、最大の円Ｃ１に沿って配置された突起部１３２ｂの数（３２個）よりも少ない。
【００５０】
ベース部１３２ａの第１主面１５を、複数の突起部１３２ｂが配置された第１の領域（例えば、最小径を有する円Ｃ５を含む領域）と、第１の領域よりも外側であって複数の突起部１３２ｂが配置された第２の領域（例えば、最大径を有する円Ｃ１を含む領域）とに分けたとする。この場合、第１の領域に含まれる複数の突起部１３２ｂの平均距離は、第２の領域に含まれる複数の突起部１３２ｂの平均距離よりも大きい。平均距離とは、１つの円において、隣り合う突起部１３２ｂ間の距離の平均値である。なお、第１の領域は、円Ｃ４よりも内側の領域であり、第２の領域は、円Ｃ１および円Ｃ２を含む領域であってもよい。
【００５１】
（突起部１３２ｂの形状例）
図６Ａ〜図６Ｄを用いて、突起部１３２ｂの形状の各例について説明する。なお、図６Ａ〜図６Ｄでは、図１に示した多孔質層１３１の図示を省略している。
【００５２】
図６Ａは、突起部１３２ｂが円柱状である場合の平面視および断面視を示す図である。円柱状の突起部１３２ｂは、図６Ａの上図に示すように平面視で正円状である。この突起部１３２ｂは、図６Ａの下図に示すようにベース部１３２ａの第１主面１５から突出して設けられている。
【００５３】
図６Ｂは、突起部１３２ｂが長丸柱状である場合の平面視および断面視を示す図である。長丸柱状の突起部１３２ｂは、図６Ｂの上図に示すように平面視で長丸状である。この突起部１３２ｂは、図６Ｂの下図に示すようにベース部１３２ａの第１主面１５から突出して設けられている。
【００５４】
図６Ｃは、突起部１３２ｂが楕円柱状である場合の平面視および断面視を示す図である。楕円柱状の突起部１３２ｂは、図６Ｃの上図に示すように平面視で楕円状である。この突起部１３２ｂは、図６Ｃの下図に示すようにベース部１３２ａの第１主面１５から突出して設けられている。
【００５５】
図６Ｄは、突起部１３２ｂが四角柱状である場合の平面視および断面視を示す図である。四角柱状の突起部１３２ｂは、図６Ｄの上図に示すように平面視で四角形状（例えば、正方形状）である。この突起部１３２ｂは、図６Ｄの下図に示すようにベース部１３２ａの第１主面１５から突出して設けられている。
【００５６】
（変位分布、応力分布、およびひずみ分布の解析）
多孔質層１３１を平面方向に５％膨張させたときの、変位分布、応力分布、およびひずみ分布を解析した。ここで、多孔質層１３１の半径を７ｍｍ、厚みを０．１ｍｍ、ヤング率を５．８２ＭＰａとし、以下に示す実施例１〜４および比較例について解析を行った。
【００５７】
実施例１は、図６Ｄに示した四角柱状の突起部１３２ｂを、図２に示したベース部１３２ａ１に、格子配置により９７個配置した正極集電体の解析モデルである。
【００５８】
実施例２は、図６Ａに示した円柱状の突起部１３２ｂを、図２に示したベース部１３２ａ１に、格子配置により９７個配置した正極集電体の解析モデルである。
【００５９】
実施例３は、図６Ａに示した円柱状の突起部１３２ｂを、図３に示したベース部１３２ａ２に、均等配置により９７個配置した正極集電体の解析モデルである。
【００６０】
実施例４は、図６Ａに示した円柱状の突起部１３２ｂを、図４に示したベース部１３２ａ３に、外寄配置により９７個配置した正極集電体の解析モデルである。
【００６１】
比較例は、突起部１３２ｂを備えない正極集電体の解析モデルである。
【００６２】
図７に実施例１〜４および比較例の解析結果を示す。なお、図７では、変位分布、応力分布、およびひずみ分布それぞれの解析により得られた最大値として、最大変位、最大応力、および最大ひずみの数値を示している。また、図７において、二重丸は最も好ましい値を意味し、丸は二重丸の次に好ましい値を意味し、三角は丸の次に好ましい値を意味し、バツは好ましくない値を意味する。
【００６３】
比較例と実施例１〜４との比較から、所定の形状の突起部１３２ｂを配置することにより、最大変位を大幅に低減できることがわかる。
【００６４】
また、実施例１と実施例２との比較から、突起部１３２ｂが円柱状である場合の方が、突起部１３２ｂが四角柱状である場合よりも、最大応力および最大ひずみを低減できることがわかる。
【００６５】
なお、実施例２では、突起部１３２ｂの形状を図６Ａに示した円柱状としたが、図６Ｂに示した長丸柱状、または、図６Ｃに示した楕円柱状であっても、最大応力および最大ひずみを低減できる。その理由は、円柱状、長丸柱状、または楕円柱状のような、平面方向の断面（図６Ｂの上図、図６Ｃの上図に示した平面でもよい）において角が円弧状に形成された突起部１３２ｂは、多孔質層１３１への応力を低減できるからである。
【００６６】
また、実施例２と実施例３との比較から、格子配置よりも均等配置の方が最大ひずみを低減できることがわかる。
【００６７】
また、実施例３と実施例４との比較から、均等配置よりも外寄配置の方が、最大変位、最大応力、および最大ひずみを低減できることがわかる。
【００６８】
以上説明したように、突起部１３２ｂが多孔質層１３１内で多孔質層１３１と接している実施例１〜４はいずれも、突起部１３２ｂを備えない比較例に比べて、最大変位、最大応力、および最大ひずみを低減できるので、正極１３の発電時による多孔質層１３１の膨張を抑制することができる。その結果、集電性が安定し、高い放電容量および高い重量エネルギー密度を得ることができる。特に、実施例１〜４のうち、突起部１３２ｂを円柱状とし、外寄配置とした実施例４では、最大変位、最大応力、および最大ひずみを最も低減できるため、正極１３の発電時による多孔質層１３１の膨張を最も抑制できる。よって、集電性が最も安定し、最も高い放電容量および最も高い重量エネルギー密度を得ることができる。
【００６９】
なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本開示の空気電池用正極および空気電池は、発電時の多孔質層の膨張を抑制でき、高い放電容量および高い重量エネルギー密度を実現できるので、高容量電池として有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１  空気電池
１１  電池ケース
１１ａ  筒状部
１１ｂ  底部
１１ｃ  蓋部
１２  負極
１２１  負極層
１２２  負極集電体
１３  正極
１３１  多孔質層
１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ  正極集電体
１３２ａ、１３２ａ１、１３２ａ２、１３２ａ３  ベース部
１３２ｂ  突起部
１４  電解質層
１５  第１主面
１６  枠体
【図１】
2020095813.tif 000003
【図２】
2020095813.tif 000004
【図３】
2020095813.tif 000005
【図４】
2020095813.tif 000006
【図５】
2020095813.tif 000007
【図６Ａ】
2020095813.tif 000008
【図６Ｂ】
2020095813.tif 000009
【図６Ｃ】
2020095813.tif 000010
【図６Ｄ】
2020095813.tif 000011
【図７】
2020095813.tif 000012