(57)【要約】【課題】より安全性の高い空気電池を提供する。【解決手段】本発明の空気電池は、電解質を含浸させたセパレータ５と、セパレータ５の一側に設けられ、電気化学的に溶解して陽イオンをセパレータ５中に放出する負極４と、正極１とを備えている。正極１は、セパレータ５の他側に設けられ、陽イオンと空気中の酸素とを反応させる触媒層１ａと、空気中の酸素が通過する無数の通孔が形成された拡散層１ｂとが順に積層されている。拡散層１ｂは、異常温度まで昇温したときに溶融して通孔を閉鎖し、酸素の通過を阻止する第１樹脂を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、
該電解質層の一側に設けられ、電気化学的に溶解して陽イオンを前記電解質層中に放出する負極と、
前記電解質層の他側に設けられ、前記陽イオンと空気中の酸素とを反応させる触媒層と、前記空気中の酸素が通過する無数の通孔が形成された拡散層とが順に積層された正極と、
を備えた空気電池において、
前記拡散層は、異常温度まで昇温したときに溶融して前記通孔を閉鎖し、前記酸素の通過を阻止する第１樹脂を有することを特徴とする空気電池。
【請求項２】
前記電解質層は、前記陽イオンが通過する無数の通孔が形成されたセパレータと、該セパレータに含浸された電解質とからなり、
前記セパレータは、異常温度まで昇温したときに溶融して前記通孔を閉鎖し、前記陽イオンの通過を阻止する第２樹脂からなる請求項１記載の空気電池。
【請求項３】
前記第１樹脂の方が前記第２樹脂よりも融点が高い請求項２記載の空気電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負極に金属を用いた空気電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気電池では、特許文献１に記載されているように、正極（陽極）は酸素を還元するためのＰｔ等の触媒を有しつつ空気が供給されるようになっている。また、負極（陰極）は、リチウム等の金属を有している。正極と負極との間には電解質を含浸させた多孔質のセパレータが介在されている。
【０００３】
一般的な空気電池では、負極の金属が電解質中に溶解して陽イオンとなり、これによって生じた電子が集電板に集められる。このため、空気電池の正極と負極との間に導線で接続された負荷が設けられれば、負極の電子は負荷を通って正極に移動するとともに、正極の触媒の表面で酸素が還元されて電子を受け取る。このように、負極は金属の溶解／析出の電位を示し、正極は酸素還元電位を示し、電池起電力が得られることになる。
【０００４】
特許文献１には、シャットダウン効果のあるセパレータを採用できる旨の記載もある。このセパレータは、正極と負極とが外部短絡等することにより、空気電池に異常電流が流れ、空気電池の温度が異常温度まで上昇した場合、溶融することにより各通孔を閉鎖して陽イオンの通過を阻止する。空気電池は、セパレータのこのシャットダウン効果により、より過剰に異常電流が流れることが防止され、燃焼等を生じることがなく、安全性が確保される。
【０００５】
なお、リチウム電池又はリチウムイオン電池においては、特許文献２、３にシャットダウン効果のあるセパレータを採用できる旨の記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６６２０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１３７７８９号公報
【特許文献３】特開２００８−１９２４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、空気電池では、より高い安全性が求められている。特に、昨今では、空気電池に高電圧かつ高エネルギー密度が要求され、そのために負極にリチウム等が用いられ、かつ電解質が水系ではない有機系溶媒からなる空気電池が開発されつつある。そのような空気電池においては、従来にも増してより高い安全性が求められる。
【０００８】
すなわち、上記リチウム電池やリチウムイオン電池においては、非水系電解質のイオン伝導度が低いため、正極と負極との間に位置する電解質で発熱を生じることから、シャットダウン効果のあるセパレータの採用により安全性を高めることは可能である。
【０００９】
しかしながら、非水系の電解質を用いた空気電池においては、過剰な電流が流れた場合、リチウム電池やリチウムイオン電池と同様に高い液抵抗によって電解質が発熱するが、それよりも酸化物や水酸化物等の生成物を生じる正極の方がより発熱するおそれがある。つまり、空気電池においては、陽イオンの高い伝導率（輸率）を確保するため、陽イオンを高濃度で含んだ電解質が正極の細孔中の触媒近傍に存在しており、セパレータの通孔を閉鎖しただけでは、陽イオンと酸素とが触媒上で直接反応して発熱することを防ぐことができないという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、より安全性の高い空気電池を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の空気電池は、電解質層と、
該電解質層の一側に設けられ、電気化学的に溶解して陽イオンを前記電解質層中に放出する負極と、
前記電解質層の他側に設けられ、前記陽イオンと空気中の酸素とを反応させる触媒層と、前記空気中の酸素が通過する無数の通孔が形成された拡散層とが順に積層された正極と、
を備えた空気電池において、
前記拡散層は、異常温度まで昇温したときに溶融して前記通孔を閉鎖し、前記酸素の通過を阻止する第１樹脂を有することを特徴とする（請求項１）。
【００１２】
本発明の空気電池は正極の拡散層が第１樹脂を有する。この拡散層は、異常温度まで昇温したときに溶融して通孔を閉鎖し、酸素の通過を阻止する（シャットダウン効果）。このため、触媒層に酸素が供給されなくなり、陽イオンと酸素とが触媒上で直接反応して発熱することを防ぐことができる。
【００１３】
したがって、本発明の空気電池はより安全性の高いものとされている。
【００１４】
第１樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）のような比較的高融点（１４０〜２００°Ｃ）のポリマーを採用することができる。正極は導電体と触媒とからなり得る。また、正極は集電板を有し得る。正極の触媒は、Ｐｔ、ＭｎＯ2、ペロブスカイト型酸化物等であり得る。負極は、リチウム、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉄又はこれらの合金であり得る。負極も集電板を有し得る。触媒層と拡散層との間に、カーボン粒子等の導電性の粒子と第１樹脂とが混練されてなる中間層を設けることも可能である。
【００１５】
電解質層は、陽イオンが通過する無数の通孔が形成されたセパレータと、セパレータに含浸された電解質とからなり得る。そして、セパレータは、異常温度まで昇温したときに溶融して通孔を閉鎖し、陽イオンの通過を阻止する第２樹脂からなることが好ましい（請求項２）。この場合、セパレータのシャットダウン効果を発揮することができるため、より高い安全性が確保される。この第２樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）のような比較的融点が低い（１００〜１４０°Ｃ）ポリマーを採用することができる。
【００１６】
第１樹脂の方が第２樹脂よりも融点が高いことが好ましい（請求項３）。この場合、第１樹脂が第２樹脂よりも後に溶解するため、セパレータがシャットダウンされた後に正極がシャットダウンされることになる。これにより、セパレータのシャットダウンにより温度上昇を止めることができれば、正極を再利用することが可能になり、安全対策としてのコストメリットが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１の空気電池の模式断面図である。
【図２】実施例２の空気電池の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を具体化した実施例１、２を図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
（実施例１）
実施例１の空気電池では、図１に示すように、正極１は、触媒層１ａと、触媒層１ａに空気を拡散する拡散層１ｂとからなる。
【００２０】
触媒層１ａは導電体とＰｔ等の酸素を還元するための触媒とからなる。導電体には図示しない集電板が一体に設けられている。触媒層１ａは、空気中の酸素を一面側（拡散層１ｂ側）から後述のセパレータ５まで通過させる無数の細孔を有している。触媒層１ａの一端には正極端子３が接続されている。
【００２１】
拡散層１ｂは第１樹脂によって多孔質に形成されている。拡散層１ｂの表面側には空気通路２が形成されており、拡散層１ｂには空気通路２により空気が供給されるようになっている。拡散層１ｂは、空気中の酸素を一面側（空気通路２側）から触媒層１ａまで通過させる無数の通孔を有している。また、拡散層１ｂは、第１の異常温度によって溶融して各通孔を閉鎖することによって酸素の通過を阻止するようになっている。
【００２２】
負極４は、電解質層中に溶解するリチウム等の金属を有している。負極にも図示しない集電板が一体に設けられている。負極４の一端には負極端子６が接続されている。
【００２３】
正極１の触媒層１ａと負極４との間には第２樹脂からなるセパレータ５が介在されている。セパレータ５は、負極４の陽イオンを負極４側から正極１まで通過させる無数の通孔を有し、第２の異常温度によって溶融して各通孔を閉鎖することによって陽イオンの通過を阻止するようになっている。拡散層１ｂが溶融する第１の異常温度の方がセパレータ５が溶融する第２の異常温度より高い。セパレータ５には非水系の電解質が含浸されている。電解質を含浸したセパレータ５が電解質層を構成している。
【００２４】
以上のように構成された空気電池では、負極４の金属が電解質層中に溶解して陽イオンとなり、これによって生じた電子が負極４の集電板に集められる。このため、空気電池の正極端子３と負極端子６との間に導線で接続された負荷７が設けられれば、負極４の電子は負荷７を通って正極１に移動するとともに、正極１における触媒層１ａの触媒の表面で酸素が還元されて電子を受け取る。このように、負極４は金属の溶解／析出の電位を示し、正極は酸素還元電位を示し、電池起電力が得られることになる。
【００２５】
この間、拡散層１ｂは、無数の通孔が空気中の酸素を通過させるため、触媒層１ａによる陽イオンと酸素との反応は損なわない。
【００２６】
そして、正極１と負極４とが外部短絡等することにより、過剰な電流が流れ、空気電池の温度が第２の異常温度まで上昇した場合、まずセパレータ５が溶融することにより各通孔を閉鎖して陽イオンの通過を阻止する（シャットダウン効果）。このため、この空気電池は、より過剰に異常電流が流れることが防止され、また高い液抵抗によってセパレータ５の発熱が防止される。
【００２７】
しかしながら、非水系の電解質を用いた空気電池においては、陽イオンを高濃度で含んだ電解質が触媒層１ａの細孔中の触媒近傍に存在していることから、過剰な電流が流れた場合にセパレータ５の発熱よりも酸化物や水酸化物等の生成物を生じる正極１の方がより発熱するおそれがある。このため、正極１の拡散層１ｂは、より高温の第１の異常温度まで昇温したときに溶融して各通孔を閉鎖し、酸素の通過を阻止する（シャットダウン効果）。このため、触媒層１ａに酸素が供給されなくなり、陽イオンと酸素とが触媒上で直接反応して発熱することを防ぐことができる。
【００２８】
こうして、この空気電池では、異常電流が流れることが防止され、たとえ負極４にリチウム等が用いられ、かつ電解質が水系ではない有機系溶媒からなる場合であっても、燃焼等を生じることがない。したがって、この空気電池は優れた安全性を発揮することができる。
【００２９】
また、この空気電池では、第１樹脂が第２樹脂よりも後に溶解するため、セパレータ５がシャットダウンされた後に正極１がシャットダウンされることになる。これにより、セパレータ５のシャットダウンにより温度上昇を止めることができれば、正極１を再利用することが可能になり、安全対策としてのコストメリットが期待できる。
【００３０】
（実施例２）
図２に示すように、実施例２の空気電池は、拡散層１ｂと正極端子３との接続の自由度を向上させるために、拡散層１ｂが導電性材料で構成され、触媒層１ａよりも厚く形成された拡散層１ｂの一端に正極端子３が接続されている。このように構成しても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【００３１】
以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、電気自動車、ハイブリッド車等の蓄電池等に利用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
５…セパレータ（電解質層）
４…負極
１ａ…触媒層
１ｂ…拡散層
１…正極
【図１】
2010238620.tif 000003
【図２】
2010238620.tif 000004