(57)【要約】電池の充電又は放電を繰り返したことによる、放電容量の低下、及び電池内部抵抗の上昇を抑えることができる金属空気電池を提供する。正極、電解質層、及び負極がこの順に積層され、正極には、互いに離間して配列された複数の正極材層が備えられ、正極、電解質層、及び負極の積層方向と、複数の正極材層の配列方向とが交差している金属空気電池とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極、電解質層、及び負極がこの順に積層され、
前記正極には、互いに離間して配列された複数の正極材層が備えられ、
前記正極、電解質層、及び負極の積層方向と、前記複数の正極材層の配列方向とが交差している金属空気電池。
【請求項２】
前記正極、電解質層、及び負極の積層方向と、前記複数の正極材層の配列方向とが略直交している、請求の範囲第１項に記載の金属空気電池。
【請求項３】
前記正極には、さらに、前記複数の正極材層の間に介在する導電性多孔体が備えられる、請求の範囲第１項又は第２項に記載の金属空気電池。
【請求項４】
前記正極が、シート状の正極材を巻回してなる、請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の金属空気電池。
【請求項５】
互いに離間させて正極材層を複数配列して正極を作製する、正極作製工程、
作製された前記正極に電解質層を積層する工程であって、前記複数の正極材層の配列方向と前記正極及び前記電解質層の積層方向とが交差するように、前記正極に前記電解質層を積層する、電解質層積層工程、及び、
前記電解質層の、前記正極が備えられる側とは反対側に負極を設ける、負極積層工程、
を備える金属空気電池の製造方法。
【請求項６】
前記電解質層積層工程において、前記複数の正極材層の配列方向と前記正極及び前記電解質層の積層方向とが略直交するように、前記正極に前記電解質層が積層される、請求の範囲第５項に記載の金属空気電池の製造方法。
【請求項７】
前記正極作製工程において、前記複数の正極材層の間に、導電性多孔体を介在させる、請求の範囲第５項又は第６項に記載の金属空気電池の製造方法。
【請求項８】
前記正極作製工程において、シート状の正極材を巻回して前記正極が作製される、請求の範囲第５項〜第７項のいずれかに記載の金属空気電池の製造方法。
【請求項９】
前記負極がリチウム金属を有する、請求の範囲第５項〜第８項のいずれかに記載の金属空気電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属空気電池、及び金属空気電池の製造方法に関する。詳しくは、充電又は放電を繰り返したことによる放電容量の低下、及び電池内部抵抗の上昇を抑えることができる金属空気電池、及び金属空気電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属空気電池は、正極において、酸素を正極活物質として、当該酸素の酸化還元反応が行われ、一方、負極において、負極を構成する金属の酸化還元反応が行われることで、充電又は放電が可能とされる。金属空気電池は、エネルギー密度が高く、容易に小型化可能であり、現在汎用されているリチウムイオン二次電池に優る高容量二次電池として注目されている。一方、金属空気電池は、二次電池として適用するには依然として課題が多く、また、自動車等に適用すべく大型化するにあたっても克服すべき課題が多い。【０００３】
例えば、金属空気電池の充電又は放電時において、電池内部に気体が発生する。これは上記酸化還元反応や、電解質の分解等によるものである。当該気体は電池反応に悪影響を及ぼすものと考えられ、電池内部の気体発生を抑制する手段や、電池内部の気体を排出する手段が提案されている。【０００４】
例えば、特許文献１には空気電極と電解質との間で気体の発生を抑制するため、電極の電解質側で酸素発生電位の高い活物質の濃度を高くすることが提案されている。また、特許文献２には、電池ケース内で生成される気体を排気するため、電池ケースに気体収集領域及び気体排出孔を備えた空気電池とすることが提案されている。さらに、特許文献３には、負極と複数の正極間が固体電解質を介して接続され、負極がアルミニウムあるいはアルミニウム合金で構成され、正極が複数の空気極で構成され、かつ、負極と複数の正極と固体電解質が少なくとも一部分において積層構造となっていることを特徴とするアルミニウム空気固体電池が提案されている。【０００５】
【特許文献１】特表平８−５０４９９８号公報
【特許文献２】特表平９−５００４８０号公報
【特許文献３】特開２００６−１９０５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の空気電池にあっては、電池の充電又は放電時における空気電極と電解質との界面における気体の発生をある程度抑制できるものの、一度気体が発生してしまうと、当該気体を排出することができない。また、特許文献２に記載の金属空気電池にあっては、電池内部で発生した気体のうち、電池ケース近傍に存在する気体については、電池ケースに形成された排出孔から排出することができるものの、正極と電解質層との界面等に溜まった気体をケース排出孔へと誘導して排出することは容易でない。さらに、特許文献３に記載のアルミニウム空気固体電池にあっては、空気極と固体電解質の界面に生成する放電阻害物質（アルミナ）の影響を低減することが可能であるが、固体電解質を用いているがゆえ、空気極と電解質層の界面に発生する気体の影響については何ら考慮されていない。
本発明者らは、従来の金属空気電池について充放電耐久試験を実施した。その結果、正極の下方に電解質層を配置し、正極の層平面を水平面と略平行とした金属空気電池にあっては、時間の経過とともに電池の放電容量が急激に低下する場合があることを知見した。その原因を突き詰めたところ、正極と電解質層との界面に気泡が溜まり、当該気泡が成長して電池反応を阻害していたためであった。そのため、上記のような従来の金属空気電池にあっては、正極と電解質層との界面に溜まった気体に対して、対策が十分でないといえる。【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、電池の充電又は放電を繰り返したことによる、放電容量の低下、及び電池内部抵抗の上昇を抑えることができ、電池性能が向上された金属空気電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明者らは正極と電解質との界面に溜まった気体について、正極と気泡との接触面積を増大させないような電池構造とすることで、上記放電容量の低下や内部抵抗の上昇を抑えることができることを知見し、本発明を完成させた。【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
第一の本発明は、正極、電解質層、及び負極がこの順に積層され、正極には、互いに離間して配列された複数の正極材層が備えられ、正極、電解質層、及び負極の積層方向と、複数の正極材層の配列方向とが交差している金属空気電池である。【００１０】
第一の本発明及び以下に示す本発明において、「正極材層」とは、金属空気電池の正極として使用される材料からなる層をいう。「互いに離間して配列された複数の正極材層」とは、正極材層が隙間を介して複数配列された形態や、正極材層が正極材層とは異なる層を介して複数積層された形態のほか、正極の断面において、正極材層が互いに離間して複数配列されて見える形態も含む。【００１１】
第一の本発明において、正極、電解質層、及び負極の積層方向と、複数の正極材層の配列方向とが略直交していることが好ましい。正極と電解質層との界面に溜まった気体を、効率よく拡散除去可能とされるからである。【００１２】
第一の本発明において、正極には、さらに、上記複数の正極材層の間に介在する導電性多孔体が備えられる好ましい。正極に十分な導電性を付与可能で、且つ、導電性多孔体中に存在する電解液と酸素との反応によってスムーズな放電が可能となるとともに、充電で発生する気体を拡散除去可能とされるからである。【００１３】
また、第一の本発明において、正極が、シート状の正極材を巻回してなることが好ましい。簡易な構成で気体を除去可能な正極とすることができるからである。【００１４】
第一の本発明及び以下に示す本発明において、「正極が、シート状の正極材を巻回してなる」とは、金属空気電池の正極として使用される材料をシート状とし、当該シートを巻き取って、断面形状においてシートが複数積層された形態とすることで、正極を形成することを意味する。例えば正極材層と導電性多孔体とを備えた正極とする場合にあっては、導電性多孔体と正極材層とからなる複層シートを巻き取ることで正極が形成される。【００１５】
また、第一の本発明において、負極がリチウム金属を有することが好ましい。電池の放電容量が大きく、且つ、本発明の効果が顕著に得られるからである。【００１６】
第二の本発明は、互いに離間させて正極材層を複数配列して正極を作製する、正極作製工程、作製された正極に電解質層を積層する工程であって、複数の正極材層の配列方向と、正極及び電解質層の積層方向とが交差するように、正極に電解質層を積層する、電解質層積層工程、及び、電解質層の正極が備えられる側とは反対側に負極を設ける、負極積層工程、を備える金属空気電池の製造方法である。【００１７】
第二の本発明において、電解質層積層工程時に、複数の正極材層の配列方向と正極及び電解質層の積層方向とが略直交するように、正極に電解質層が積層されることが好ましい。正極と電解質層との界面に溜まった気体を、効率よく拡散除去可能とされるからである。【００１８】
第二の本発明において、正極作製工程時に、複数の正極材層の間に導電性多孔体を介在させることが好ましい。正極に十分な導電性を付与可能で、且つ、導電性多孔体中に存在する電解液と酸素との反応によってスムーズな放電が可能となるとともに、充電で発生する気体を拡散除去可能とされるからである。【００１９】
また、第二の本発明において、正極作製工程時に、シート状の正極材を巻回して正極が作製されることが好ましい。簡易な構成で正極を形成可能だからである。【００２０】
また、第二の本発明において、負極がリチウム金属を有することが好ましい。電池の放電容量が大きく、且つ、本発明の効果が顕著に得られるような金属空気電池を製造可能だからである。
【発明の効果】
【００２１】
第一の本発明によれば、正極と電解質層との界面において、正極と気泡との接触面積の増大を抑えることが可能とされ、電池の充電又は放電を繰り返したことによる、放電容量の低下、及び電池内部抵抗の上昇を抑えることが可能な金属空気電池を提供することができる。また、互いに離間して複数配列された正極材層の間に電解液を行き渡らせて酸素と電解液とを効率よく反応させることができるので、スムーズな放電が可能な金属空気電池を提供することができる。【００２２】
第二の本発明によれば、正極と電解質層との界面において、正極と気泡との接触面積の増大を抑えることが可能とされ、電池の充電又は放電を繰り返したことによる、放電容量の低下、及び電池内部抵抗の上昇を抑えることが可能な金属空気電池の製造方法を提供することができる。また、互いに離間して複数配列された正極材層の間に電解液を行き渡らせて酸素と電解液とを効率よく反応させる、スムーズな放電が可能な金属空気電池の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】金属空気電池の内部構造を概略的に示す図である。
【図２】金属空気電池の製造方法にかかる各工程を示すフローチャートである。
【図３】正極の作製方法の一例を示す図である。
【図４】図３に示された正極を備えた金属空気電池を概略的に示す図である。
【図５】実施例、及び比較例にかかる評価セルについての放電特性評価結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１、１’  正極
１ａ  正極材層
１ｂ  導電性多孔体
２  電解質層
３  負極
４  電池ケース
５  酸素供給口
６、７  電極端子
１０、１０’  金属空気電池
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本実施形態では、使用状態において、正極、負極、及び当該正極と負極との間に介在する電解質層が、水平面に対して略平行に積層されたリチウム空気電池について説明する。但し、本発明は、正極と電解質層との界面に気泡が溜まり得る空気電池（亜鉛系空気電池、アルミニウム系空気電池、水素空気電池等）であれば、特に限定されずに適用されるものとして解されなければならない。【００２６】
図１に示すように、第一実施形態にかかる金属空気電池１０は、正極１、負極３、及び当該正極１及び負極３の間に介在する電解質層２、並びに、これらを内包する電池ケース４を備えている。電池ケース４には、酸素供給口５が備えられており、ここから空気（酸素）が供給されて、正極１の電池反応に供される。また、正極１及び負極３には、それぞれ電極端子６、７が備えられ、電池反応にて発生した電気エネルギーを外部へ供給可能とされている。【００２７】
（正極１）
本発明にかかる金属空気電池１０に備えられる正極１は、正極材層１ａ、１ａ、…及び導電性多孔体１ｂ、１ｂ、…が交互に複数積層されている。正極材層１ａは、酸素を活物質として、酸素の酸化還元反応を行うために従来正極として用いられてきた材料からなる層である。また、導電性多孔体１ｂは、正極に十分な導電性を付与し、導電性多孔体１ｂ中に存在する電解液と酸素との反応によってスムーズに放電可能とし、また、充電で発生する気体を拡散除去可能とする多孔質層である。【００２８】
正極材層１ａには導電材料、触媒、及びこれらを結着させるバインダーが含有される。導電材料としては、例えばカーボンブラックや活性炭、カーボン炭素繊維などの高比表面積カーボン材料等を用いることができる。触媒としては、コバルトフタロシアニン等の有機錯体、ＭｎＯ２、ＣｅＯ２、金属複合酸化物等の無機セラミックス、又はこれらの複合材料等を用いることができる。バインダーとしては、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、又はＳＢＲ等、一般的に用いられるバインダーを用いることができる。【００２９】
導電性多孔体１ｂとしては、上記正極材層１ａの隙間に介在させることができる導電性多孔体であれば特に限定されずに用いることができる。例えば、シート状のカーボンペーパーや、導電性ポリマーを多孔質のシート状にしたもの、金属メッシュ等を用いることができる。【００３０】
正極１は、これら正極材層１ａと導電性多孔体１ｂとからなる。正極１の作製方法については、下記金属空気電池の製造方法にかかる説明において詳述する。【００３１】
（電解質層２）
本発明にかかる金属空気電池１０に備えられる電解質層２は、電解質及びセパレータを有する。本実施形態においては、下記に説明する負極３がリチウム金属とされており、それに伴って電解質層はリチウムイオンを電導可能とされている。電解質としては、リチウムイオンを電導可能な電解質として従来使用されてきた電解質を用いることができ、特にリチウム塩を有する液状電解質が好ましく用いられる。具体的には、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２やリチウムのイミド塩等と、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、１，３−ジオキソラン、ニトロメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等の非水溶媒と、を混合したものを挙げることができる。セパレータとしては、上記電解質に対して従来使用されてきたセパレータを用いることができる。具体的には、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム、酸化チタン、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の無機物粒子、又は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、セルロース、ポリイミド、及びポリアミド等の有機樹脂、さらには、上述の無機物粒子と有機樹脂との混合物及び成形体等とすることができる。このような液状電解質をセパレータに含浸させることで、電解質層２とされる。【００３２】
（負極３）
本発明にかかる金属空気電池１０に備えられる負極３としては、金属空気電池として用いられるものであれば特に限定されずに適用可能である。本実施形態においては、負極３として金属リチウム、又はリチウム合金が用いられている。当該金属リチウム等を厚膜や薄膜とすることで、負極３が作製される。【００３３】
（電池ケース４）
本発明にかかる金属空気電池１０は、上記正極１、電解質層２、及び負極３を電池ケース４に内包して作製される。電池ケース４としては、従来から金属空気電池の電池ケース４として用いられてきたものを特に限定されずに適用できる。また、電池ケース４の正極１近傍には、酸素供給口５が設けられており、ここから空気（酸素）を取り込むことで正極１の電池反応に供されることとなる。酸素供給口５の形態としては、従来の空気電池と同様の形態とすることができる。電池ケース４の内部から外部には電極端子６、７が伸びており、これらはそれぞれ正極１、又は負極３へと接続されている。電池ケース４のその他形状については、内包する正極１等の形状に合わせて適宜選択することができ、円筒状、矩形の筒状等とすることができる。【００３４】
（金属空気電池の製造方法）
上記のような構成部材について、正極１と電解質層２と負極３とをこの順に積層し、この積層体を電池ケース４内に設置することで、本発明にかかる金属空気電池が作製される。以下、金属空気電池の製造方法について説明する。図２は金属空気電池の製造方法の一部を示すフローチャートである。また、図３は正極１の好ましい形態である正極１’を説明するための図である。さらに、図４（ａ）は正極１’を備えた金属空気電池１０’の一部を概略的に示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＶ（ｂ）―ＩＶ’（ｂ）線に沿った面における金属空気電対１０’の断面の一部を示す図である。図３、図４において、図１と同様のものについては同符号が付されている。下記において、「正極１（１’）」なる記載は、「正極１又は正極１’」を意味するものとする。また、下記において、「金属空気電池１０（１０’）」なる記載は、「金属空気電池１０又は金属空気電池１０’」を意味するものとする。【００３５】
図２に、本実施形態にかかる金属空気電池１０（１０’）の製造方法に備えられる工程を示す。当該製造方法は、互いに離間させて正極材層１ａを複数配列して正極１（１’）を作製する、正極作製工程（以下、「工程Ｓ１」という場合がある。）、複数の正極材層１ａの配列方向と、正極１（１’）及び電解質層２の積層方向とが略直交するように、正極１（１’）に電解質層２を積層する電解質層積層工程（以下、「工程Ｓ２」という場合がある。）、及び、電解質層２の正極材層１ａが備えられる側とは反対側に、負極３を積層する、負極積層工程（以下、「工程Ｓ３」という場合がある。）を有している。以下各工程について説明する。【００３６】
（工程Ｓ１）
工程Ｓ１において、正極１（１’）が作製される。まず、上記正極材層１ａとされる導電材料、触媒、及びバインダーと溶媒とを混ぜ合わせた塗料を上記シート状の導電性多孔体１ｂに塗布し、乾燥させて溶媒を除去し、シート状の導電性多孔体１ｂ表面に、正極材層１ａを形成する。このとき用いる溶媒としては、アセトンやＤＭＦ、ＮＭＰ等、揮発性のある液体であって、沸点が２００℃以下のものが好ましい。塗料の塗布方法としては特に限定されないが、ドクターブレード、ディップコート、スピンコート、スプレーコート等の公知の方法を用いることができる。【００３７】
このようにして作製された正極材層１ａ及び導電性多孔体１ｂを有する複層シートについて、正極材層１ａと導電性多孔体１ｂとが交互に積層されるように複数積層することで、正極１（１’）が作製される。複層シートを積層する場合は、当該複層シートを複数用意して、これらを次々に重ねることで正極１としてもよいが、より簡易に効率よく積層体とする観点から、以下のような方法とすることが好ましい。すなわち、図３（ａ）に示すように、導電性多孔体シート１ｂに正極材層１ａを形成した複層シートについて、公知の巻き取り機等を用いて巻き取ることでロール状の正極１’とすることが好ましい（図３（ｂ）の状態）。この場合においても、図４（ｂ）に示すように、断面において正極材層１ａ、１ａ…と導電性多孔体１ｂ、１ｂ…とが交互に積層された正極１’を作製可能である。
また、正極１（１’）には、公知の方法により正極端子６が接続される。【００３８】
（工程Ｓ２）
工程Ｓ２において、作製された上記正極１（１’）に電解質層２が形成される。図１、又は図４に示すように、正極１（１’）と電解質層２との積層方向が、上記正極材層１ａ及び導電性多孔体１ｂの積層方向と略直交するように、正極１（１’）に電解質層２が積層されている。電解質層２は上記のとおり、電解液とセパレータとからなり、電解液が導電性多孔体１ｂの孔中に取り込まれるように、正極１（１’）が電解液に浸された状態となる。正極１（１’）に電解質層２を積層する方法については、特に限定されないが、例えば、正極１（１’）にセパレータのみを積層したのち、これを電解液で含浸させればよい。電解液の含浸については、下記工程Ｓ３の後に行ってもよい。【００３９】
（工程Ｓ３）
工程Ｓ３において、電解質層２の正極１（１’）が備えられる側とは反対側に、負極３が形成される。電解質層２に負極３を形成する方法については特に限定されず、従来の方法を用いることができる。
また、負極３には、公知の方法により負極端子７が接続される。【００４０】
工程Ｓ１〜Ｓ３によって、作製された積層体は、電池ケース４内に入れられて、密封され金属空気電池１０（１０’）とされる。尚、工程１〜３の順番については、特に限定されず、セパレータを用意し、その両面にそれぞれ正極１（１’）と負極２とを形成し、これを電解液に含浸させるとともに電池ケース内に内包してもよい。【００４１】
金属空気電池の充電又は放電時には、上述のように、正極と電解質層との界面に気泡が溜まる場合がある。従来において、当該気体は充電又は放電を繰り返すことで、気泡は徐々に大きくなり、やがては正極の大部分を覆ってしまい、放電容量の低下、内部抵抗の上昇を招くこととなっていた。それに対して、本実施形態の金属空気電池１０（１０’）によれば、正極１（１’）において正極材層１ａと導電性多孔体１ｂとが交互に積層され、且つ、正極１（１’）及び電解質層２の積層方向と、複数の正極材層１ａ、１ａ、…及び導電性多孔体１ｂ、１ｂ、…の積層方向とが略直交しているから、正極１と電解質２との界面に溜まった気泡は、導電性多抗体１ｂを介して、当該界面から酸素供給口５側へと拡散除去される。そのため、充電又は放電時に気体が発生した場合であっても、正極１（１’）と電解質層２との界面において、気泡と正極１（１’）との接触面積が増大することがないので、電池反応を阻害することがなく、放電容量の低下や内部抵抗の上昇を抑えることができる。また、正極材層１ａ、１ａ、…の間に導電性多孔体１ｂを介在させることで、孔に取り込まれた電解液と酸素との反応によりスムーズな放電が可能とされる。従って、金属空気電池１０（１０’）は、電池の充電又は放電を繰り返したことによる、放電容量の低下、及び電池内部抵抗の上昇を抑えることが可能であるとともに、効率よく放電可能である。
【実施例】
【００４２】
（実施例にかかる評価セルの作製）
実施例にかかる評価セルを作製するにあたり、まず正極を以下の通り作製した。
導電性多孔体としてカーボンペーパー（東レ社製、厚さ３００μｍ）を用意し、この表面に、バインダー（ポリフッ化ビニリデン、ＰＶＤＦ）、導電材（ケッチェンブラック）、及び触媒（ＭｎＯ２）を質量比で５：８０：１５となるように混合した混合物を５ｍｇ塗工し、乾燥させて、３０μｍの厚さを有する正極材層を形成して、複層シートを作製した。この複層シートφ１４ｍｍについて３列スタックし、厚さ９０μｍの正極とした。【００４３】
作製した正極にセパレータ及び負極を配置して、電解液に含浸させるとともに電池ケースに内包し、図１に示すような正極材層及び導電性多孔体の積層方向と、正極、セパレータ、及び負極の積層方向とが略直交する評価セルを作製した。電解液としては、ＥＣ／ＤＭＣ及びＬｉＣｌＯ４（１ｍｏｌ／Ｌ）（キシダ化学社製ＬＢＧ−０００２９）を用い、負極としてはリチウム金属を用いた。【００４４】
（比較例にかかる評価セルの作製）
正極材層をガラス表面に塗工し、厚さ９０μｍの正極を作製した。そして、正極材層及びガラスの積層方向と、正極、セパレータ、及び負極の積層方向とが、略同一となるように積層し、電解液に含浸させるとともに電池ケース内に内包して評価セルを作製した。正極材層、電解液、負極については、実施例にかかる評価セルと同様のものを用いた。【００４５】
（１）放電特性
それぞれの評価セルについて、２．８Ｖ充電後の放電特性を評価した。評価条件としては、純酸素雰囲気下（酸素９９．９９９％、１．０１３×１０５Ｐａ）で、電流密度を０．０５ｍＡ／ｃｍ２（電極面積あたり）とした。結果を図５に示す。【００４６】
図５に示された結果より、実施例にかかる評価セルの放電容量は、比較例にかかる評価セルの放電容量の３倍程度であることがわかる。従って、実施例にかかる評価セルのように正極に導電性多孔体を設けて、孔に電解液を取り込ませて電池反応を起こすことで、スムーズな放電が可能となり、放電容量の向上につながることがわかった。【００４７】
（２）充放電耐久試験
それぞれの評価セルについて、充電、放電を２０サイクル繰り返した場合の、電池内部抵抗の変化を評価した。その結果、実施例にかかる評価セルについては、電池内部抵抗の上昇は認められなかった。また、評価セルを取り出して電池を解体し、内部の状態を観察したところ、正極と電解質層との界面には気泡が残存していなかった。一方で、比較例にかかる評価セルについては、充電、放電を繰り返したことによって、初期の電池内部抵抗と比較して１００倍もの電池内部抵抗の上昇が確認された。また、評価セルを取り出して電池を解体し、内部の状態を観察したところ、正極と電解質層との界面に大きな気泡が残存していた。以上のことから、実施例にかかる評価セルは、電池の充電、放電を繰り返したことによる内部抵抗の上昇や放電容量の低下を防ぐことができることがわかった。【００４８】
本実施形態においては、負極３にリチウム金属を使用した金属空気電池１０について説明したが、本発明は当該実施形態に限定されない。負極に亜鉛やマグネシウム、アルミニウム、カルシウム等の金属を用いた金属空気電池としてもよい。このとき、負極の材質に合わせて、電解液は適宜選択される。【００４９】
本実施形態においては、正極材層１ａ及び導電性多孔体１ｂの積層方向と、電解質層２及び負極３の積層方向とが略直交する場合について好ましい実施形態として説明したが、本発明は当該実施形態に限定されない。正極材層１ａ及び導電性多孔体１ｂの積層方向と、電解質層２及び負極３の積層方向とが略平行となる場合を除き、本発明に適用することができる。但し、正極１と電解質層２との界面において、気体を速やかに拡散除去する観点から、正極材層１ａ及び導電性多孔体１ｂの積層方向と、電解質層２及び負極３の積層方向とが略直交していることが好ましい。【００５０】
本実施形態においては、正極材層１ａ、１ａの間に、導電性多孔体１ｂが備えられる形態について説明したが、本発明は当該実施形態に限定されない。導電性多孔体１ｂ、１ｂの一部またはすべてを取り除いて、正極材層１ａ、１ａの間に間隙を設けてもよい。【００５１】
以上、現時点において、最も実践的であり、且つ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う金属空気電池、及び金属空気電池の製造方法もまた本発明の技術範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明にかかる金属空気電池は、充放電耐久性に優れ、且つ、スムーズに放電可能であり、小型機器の電源、電気自動車やハイブリッド型自動車等の電源等、各種電源としての用途が期待できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年2月19日(2009.2.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極、電解質層、及び負極がこの順に積層され、
前記正極には、互いに離間して配列された複数の正極材層が備えられ、
前記正極、電解質層、及び負極の積層方向と、前記複数の正極材層の配列方向とが交差し、且つ、互いに離間して配列された前記複数の正極材層の間に、電解液が行き渡らされている金属空気電池。
【請求項２】
前記正極、電解質層、及び負極の積層方向と、前記複数の正極材層の配列方向とが略直交している、請求の範囲第１項に記載の金属空気電池。
【請求項３】
正極、電解質層、及び負極がこの順に積層され、
前記正極には、互いに離間して配列された複数の正極材層が備えられ、
前記正極、電解質層、及び負極の積層方向と、前記複数の正極材層の配列方向とが交差し、且つ、前記正極には、互いに離間して配列された前記複数の正極材層の間に介在する導電性多孔体が備えられている金属空気電池。
【請求項４】
正極、電解質層、及び負極がこの順に積層され、
前記正極は、シート状の正極材を巻回してなるとともに、互いに離間して配列された複数の正極材層を備え、
前記正極、電解質層、及び負極の積層方向と、前記複数の正極材層の配列方向とが交差している金属空気電池。
【請求項５】
互いに離間させて正極材層を複数配列して正極を作製する、正極作製工程、
作製された前記正極に電解質層を積層する工程であって、互いに離間させて配列された複数の前記正極材層の間に電解液を行き渡らせるとともに、前記複数の正極材層の配列方向と前記正極及び前記電解質層の積層方向とが交差するように、前記正極に前記電解質層を積層する、電解質層積層工程、及び、
前記電解質層の、前記正極が備えられる側とは反対側に負極を設ける、負極積層工程、
を備える金属空気電池の製造方法。
【請求項６】
前記電解質層積層工程において、前記複数の正極材層の配列方向と前記正極及び前記電解質層の積層方向とが略直交するように、前記正極に前記電解質層が積層される、請求の範囲第５項に記載の金属空気電池の製造方法。
【請求項７】
互いに離間させて正極材層を複数配列するとともに、複数配列された該正極材層の間に導電性多孔体を介在させて正極を作製する、正極作製工程、
作製された前記正極に電解質層を積層する工程であって、前記複数の正極材層の配列方向と前記正極及び前記電解質層の積層方向とが交差するように、前記正極に前記電解質層を積層する、電解質層積層工程、及び、
前記電解質層の、前記正極が備えられる側とは反対側に負極を設ける、負極積層工程、
を備える金属空気電池の製造方法。
【請求項８】
シート状の正極材を巻回して、互いに離間して複数配列された正極材層を有する正極を作製する、正極作製工程、
作製された前記正極に電解質層を積層する工程であって、複数の前記正極材層の配列方向と前記正極及び前記電解質層の積層方向とが交差するように、前記正極に前記電解質層を積層する、電解質層積層工程、及び、
前記電解質層の、前記正極が備えられる側とは反対側に負極を設ける、負極積層工程、
を備える金属空気電池の製造方法。
【請求項９】
前記負極がリチウム金属を有する、請求の範囲第５項〜第８項のいずれかに記載の金属空気電池の製造方法。
【国際調査報告】
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