(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、集電体１３２と、導電性材料を含む多孔質層１３１とを備える。集電体１３２は、開口部を有する平板状のベース部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、
開口部を有する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】
前記ベース部は、六角形格子線に基づいて配置された桟を有し、
前記複数の突起部は、前記第１主面における前記桟の交点に配置されている、
請求項１に記載の空気電池用正極。
【請求項３】
前記六角形格子線は、正六角形を構成する、
請求項２に記載の空気電池用正極。
【請求項４】
前記ベース部の前記桟は、前記六角形格子線に沿って配置されている、
請求項２または３に記載の空気電池用正極。
【請求項５】
前記開口部の形状は、前記六角形格子線に基づいて配置された前記桟により構成された、互いに隣り合う２つの六角形を組み合わせた形状に基づいて形成される、
請求項２または３に記載の空気電池用正極。
【請求項６】
前記ベース部の前記桟は、前記六角形格子線において互いに隣り合う２つの交点を結ぶ線分に沿って配置されている、
請求項２または３に記載の空気電池用正極。
【請求項７】
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、開口部を有する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】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６】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７】本開示の実施の形態に係る突起部の平面視および断面視を示す図
【図８】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、本開示の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、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、開口部を有する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６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６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６のそれぞれに示す正極集電体１３２Ａ〜１３２Ｅ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６のそれぞれに示すベース部１３２ａ１〜１３２ａ５は、図１に示したベース部１３２ａの一例に相当する。なお、以下の説明では、図２〜図６において、図中の上下方向を「縦方向」といい、図中の左右方向を「横方向」という。
【００３４】
図２に示す正極集電体１３２Ａでは、ベース部１３２ａ１は、円部（正極集電体の内側の円形部分。以下同様）において、縦方向に配置された複数の桟２０と、横方向に配置された複数の桟２１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、桟２０と桟２１との交点に配置されている。
【００３５】
以下では、図２に示したように、突起部１３２ｂが桟２０と桟２１との交点に配置される態様を「格子配置」という。また、以下では、図２に示した桟２０、２１の配置により形成されるメッシュ形状を「格子形状」という。
【００３６】
図３に示す正極集電体１３２Ｂでは、ベース部１３２ａ２は、円部において複数の桟２２〜２４により複数の正六角形が形成されるように構成されている。
【００３７】
桟２２は、横方向に配置された桟である。桟２３は、縦方向を基準として左方向へ傾いた桟である。桟２４は、縦方向を基準として右方向へ傾いた桟である。桟２２〜２４それぞれの長さは、同じである。図３に示すように、互いに対向する１組の桟２２と、互いに対向する１組の桟２３と、互いに対向する１組の桟２４とにより、１つの正六角形が形成されている。桟２２〜２４は、正六角形を構成する六角形格子線に沿って配置される。
【００３８】
換言すれば、ベース部１３２ａ２は、ハニカム状である。突起部１３２ｂは、正六角形の角部（桟２２と桟２３と桟２４との交点）に配置されている。換言すれば、突起部１３２ｂは、六角形格子線の交点に配置されている。
【００３９】
以下では、図３に示したように、突起部１３２ｂが正六角形の角部に配置される態様を「ハニカム配置」という。また、以下では、図３に示した桟２２〜２４の配置により形成されるメッシュ形状を「ハニカム形状」という。
【００４０】
なお、上記説明では、桟２２〜２４により正六角形が形成される場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、その他の六角形（例えば、桟２２の長さが桟２３、２４よりも長い六角形）であってもよい。
【００４１】
図４に示す正極集電体１３２Ｃでは、ベース部１３２ａ３は、円部において複数の桟２２〜２４により複数の瓢箪形状Ｓが形成されるように構成されている。この瓢箪形状Ｓは、図３に示した縦方向に隣り合う２つの正六角形において中央部分の桟２２を取り除くことで形成される。突起部１３２ｂは、瓢箪形状の角部（桟２２と桟２３と桟２４との交点、または、桟２３と桟２４との交点）に配置されている。
【００４２】
以下では、図４に示したように、突起部１３２ｂが瓢箪形状Ｓの角部に配置される態様を「ハニカム配置」という。また、以下では、図４に示した桟２２〜２４の配置により形成されるメッシュ形状を「瓢箪形状」という。
【００４３】
なお、上記説明では、瓢箪形状Ｓの基となる六角形が正六角形（図３参照）である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、その他の六角形（例えば、桟２２の長さが桟２３、２４よりも長い六角形）であってもよい。
【００４４】
図５に示す正極集電体１３２Ｄでは、ベース部１３２ａ４は、円部において桟２３と桟２４とが縦方向に交互に配置されて構成されている。桟２３、２４は、それぞれ、六角形格子線の縦方向において互いに隣り合う２つの交点を結ぶ線分に沿って配置されている。換言すれば、ベース部１３２ａ４は、ジグザグ形状である。このジグザグ形状は、図３に示した全ての桟２２を取り除くことで形成される。突起部１３２ｂは、ジグザグ形状の角部（桟２３と桟２４との交点）に配置されている。
【００４５】
以下では、図５に示したように、突起部１３２ｂがジグザグ形状の角部に配置される態様を「ハニカム配置」という。また、以下では、図５に示した桟２３、２４の配置により形成されるメッシュ形状を「ジグザグ形状」という。
【００４６】
なお、ジグザグ形状の基となる六角形が正六角形（図３参照）である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、その他の六角形（例えば、桟２２の長さが桟２３、２４よりも長い六角形）であってもよい。
【００４７】
図６に示す正極集電体１３２Ｅでは、ベース部１３２ａ５は、円部において桟２２〜２４が横方向に配置されて構成されている。桟２２〜２４は、それぞれ、六角形格子線の横方向において互いに隣り合う２つの交点を結ぶ線分に沿って配置されている。換言すれば、ベース部１３２ａ５は、アームチェア形状である。このアームチェア形状は、図３に示した各正六角形において、横方向に隣り合う桟２３および桟２４を取り除くことにより形成される。突起部１３２ｂは、アームチェア形状の角部（例えば、桟２２と桟２３との交点、または、桟２２と桟２４との交点）に配置されている。
【００４８】
以下では、図６に示したように、突起部１３２ｂがアームチェア形状の角部に配置される態様を「ハニカム配置」という。また、以下では、図６に示した桟２２〜２４の配置により形成されるメッシュ形状を「アームチェア形状」という。
【００４９】
なお、アームチェア形状の基となる六角形が正六角形（図３参照）である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、その他の六角形（例えば、桟２２の長さが桟２３、２４よりも長い六角形）であってもよい。
【００５０】
以上説明したように、正極集電体１３２Ａ〜１３２Ｅにおいて、ベース部１３２ａ１〜１３２ａ５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。
【００５１】
なお、本実施の形態では、図２〜図６に示したように、ベース部１３２ａ１〜１３２ａ５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、これに限定されず、例えば、四角形でもよいし、または、四角形以外の形状であってもよい。
【００５２】
（突起部１３２ｂの形状例）
図７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。図７の上図が突起部１３２ｂの平面視を示しており、図７の下図が突起部１３２ｂの断面視を示している。四角柱状の突起部１３２ｂは、図７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７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】
なお、突起部１３２ｂは、図７に示した四角柱に限定されず、例えば円柱、楕円柱、長丸柱、錐台等であってもよい。
【００５４】
（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１〜５および比較例について解析を行った。
【００５５】
実施例１は、図７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２５個配置した正極集電体の解析モデルである。
【００５６】
実施例２は、図７に示した四角柱状の突起部１３２ｂを、図３に示したベース部１３２ａ２に、ハニカム配置により６０個配置した正極集電体の解析モデルである。なお、突起部１３２ｂの個数６０個は、多孔質層１３１に接している数を表している。
【００５７】
実施例３は、図７に示した四角柱状の突起部１３２ｂを、図４に示したベース部１３２ａ３に、ハニカム配置により６０個配置した正極集電体の解析モデルである。なお、突起部１３２ｂの個数６０個は、多孔質層１３１に接している数を表している。
【００５８】
実施例４は、図７に示した四角柱状の突起部１３２ｂを、図５に示したベース部１３２ａ４に、ハニカム配置により６０個配置した正極集電体の解析モデルである。なお、突起部１３２ｂの個数６０個は、多孔質層１３１に接している数を表している。
【００５９】
実施例５は、図７に示した四角柱状の突起部１３２ｂを、図６に示したベース部１３２ａ５に、ハニカム配置により６０個配置した正極集電体の解析モデルである。なお、突起部１３２ｂの個数６０個は、多孔質層１３１に接している数を表している。
【００６０】
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。
【００６１】
図８に実施例１〜５および比較例の解析結果を示す。なお、図８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８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。
【００６２】
比較例と実施例１〜５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。
【００６３】
また、実施例１と実施例２との比較から、突起部１３２ｂの配置がハニカム配置である場合の方が、突起部１３２ｂが格子配置である場合よりも、開口面積を確保しつつ突起部１３２ｂの数を増やすことができるため、最大応力および最大ひずみを低減できることがわかる。
【００６４】
また、突起部１３２ｂの配置を六角形格子状とすることで、ベース部の面内の３方向（正六角形の場合、互いに６０°の角度をなす方向）において同一の突起部の配置パターンを得ることができる。そのため、ベース部の面内の２方向（正方形の場合、互いに９０°の角度をなす方向）において同一の突起部の配置パターンとなる格子形状に比べて、ベース部の面内の変位や応力、ひずみを均一に低減することができる。
【００６５】
なお、実施例３〜５は、突起部１３２ｂの配置がハニカム配置のため、同じく最大応力および最大ひずみを低減できることがわかる。
【００６６】
また、実施例２と実施例３との比較から、メッシュ形状がハニカム形状よりも瓢箪形状の方が開口面積を大きくすることができることがわかる。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および実施例５との比較から、メッシュ形状が瓢箪形状よりもジグザク形状およびアームチェア形状の方が開口面積を大きくすることが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１〜５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１〜５のうち、突起部１３２ｂを、ハニカム配置とした実施例２〜５では、最大変位、最大応力、および最大ひずみを低減できるため、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】
また、正極集電体の内側部分に桟を配置する場合、正極集電体の外周部の開口面積のばらつきにより、酸素の分配性および透過性が低下するという課題がある。これに対し、本実施の形態では、ベース部１３２ａを図２〜図６に示した形状とすることにより、開口面積のばらつきを抑制できるので、酸素の分配性および透過性を向上させることができる。
【００７０】
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】
【００７１】
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、更に酸素の分配性および透過性を向上させることができ、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】
【００７２】
１  空気電池
１１  電池ケース
１１ａ  筒状部
１１ｂ  底部
１１ｃ  蓋部
１２  負極
２０、２１、２２、２３、２４  桟
１２１  負極層
１２２  負極集電体
１３  正極
１３１  多孔質層
１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄ、１３２Ｅ  正極集電体
１３２ａ、１３２ａ１、１３２ａ２、１３２ａ３、１３２ａ４、１３２ａ５  ベース部
１３２ｂ  突起部
１４  電解質層
１５  第１主面
１６  枠体
【図１】
2020170612.tif 000003
【図２】
2020170612.tif 000004
【図３】
2020170612.tif 000005
【図４】
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【図５】
2020170612.tif 000007
【図６】
2020170612.tif 000008
【図７】
2020170612.tif 000009
【図８】
2020170612.tif 000010