(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極部を収納する開放系電気化学セルにおいて、
内部に前記電極部を収納する筐体と、
前記筐体の開口部を封止する上蓋であって、観察窓を有する上蓋と、
前記電極部を挟持する２つのプレートとを備え、
前記２つのプレートの一方は、空気極に接するプレートであって、前記空気極に空気を通すための穴が形成された穴付きのプレートであり、前記電極部の切断面は、前記観察窓に接していることを特徴とする開放系電気化学セル。
【請求項２】
前記穴付きのプレートには、２以上のガス流路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の開放系電気化学セル。
【請求項３】
前記開放系電気化学セルに、前記電極部に電解液を注入・抽出することができる流路をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の開放系電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開放系電気化学セルに関し、より詳細には、電気化学反応の最中に電極断面を分析することができる開放系電気化学セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
開放系二次電池であるリチウム空気電池は、電池の単位体積当たり非常に大きな放電容量を示すことが報告されており、研究が活発に行われている。電池の研究開発においては、電極の評価が重要であり、特に、電気化学セルを用いて、電気化学反応の最中の電極断面の様子を観察・分析できることが望ましい。例えば、非特許文献１においては、閉鎖系二次電池であるリチウム電池の評価において、電気化学セルに観察窓を設けることにより、充放電の最中の電極断面の観察を詳細に分析できることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】米澤良他、「コンフォーカルシステムを用いたリチウム電池Ｓｉ負極のＩｎ−ｓｉｔｕ観察」、第５４回電池討論会講演要旨集、2D27、p.263(2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、開放系二次電池であるリチウム空気電池は、酸素などの供給が必要なため、閉鎖系の観察セルを適用することができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、電気化学反応最中の電極断面の様子を分析できる開放系電気化学セルを提供することにある。
【０００６】
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、電極部を収納する開放系電気化学セルにおいて、内部に前記電極部を収納する筐体と、前記筐体の開口部を封止する上蓋であって、観察窓を有する上蓋と、前記電極部を挟持するプレートであって、空気極に接するプレートは、穴付きのプレートであることとを備え、前記電極部の切断面は、前記観察窓に接していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
以上説明したように、本発明によれば、開放系電気化学セルの上蓋に、電極部の切断面と接している観察窓を設けたので、開放系電気化学セルであっても、電気化学反応中の電極断面の様子を分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる開放系電気化学セルを示す上面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる開放系電気化学セルを示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる開放系電気化学セルを示す外観図である。
【図４】電極部のリチウム空気電池のセルの構成を示す図である。
【図５】開放系電気化学セルの電極部の拡大図である。
【図６】穴付きのプレートの構成を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる開放系電気化学セルを用いて観察した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、リチウム空気電池を用いた開放系電気化学セルの使用方法を取り上げて説明する。なお、本発明は下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態にかかる開放系電気化学セルを示す上面図である。図２は、図１に示したＩＩ−ＩＩ’の断面図であり、図３は、上面から見た外観写真である。開放系電気化学セルは、内部に電極部を収納する筐体１と、筐体１の上部の開口部に取り付けられ、電極部を封止する上蓋３とを備えている。上蓋３には、石英ガラスからなる観察窓２が設けられている。電極部４は、正極である空気極とセパレータと負極とを接合して、リチウム空気電池のセルを構成している。筐体１には、電極部４に接続される正極端子５および負極端子６と、ガス流入口７およびガス流出口８と、液体流入口９および液体流出口１０とが設けられている。
【００１１】
図４に、電極部のリチウム空気電池のセルの構成を示す。リチウム空気電池のセルは、露点が−６０℃以下の乾燥空気中で、以下の手順で作製した。電極部４の正極２１は、カーボンブラックの一つであるケッチェンブラック（ＫＢ、ライオン社製）粉末、ＲｕＯ２、およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）粉末を、８：１：１の重量比でＮ−メチル−２ピロリドン（ＮＭＰ）溶媒中で分散させスラリー状にし、カーボンシート（東レ社製）上に塗布し、乾燥させて作製した。これを、直径１６ｍｍの円形に切り抜くことにより、空気極とした。正極２１（空気極）、リチウム二次電池用のセパレータ２２、金属リチウム箔（厚さ：３００μｍ）からなる負極２３を同心円上に重ねて圧着した（図４（ｂ））。圧着された正極とセパレータと負極とを半分に切断して、リチウム空気電池のセルを構成した（図４（ａ））。
【００１２】
図５に、開放系電気化学セルの電極部の拡大図を示す。開放系電気化学セルの内部に、空気極・セパレータ・負極からなる電極部４を筐体１に収納し、上蓋３を閉める。このとき、上蓋３の観察窓２に電極部４を作製したときの断面が接触するようにする。電極部４の断面が観察窓３に常に接触するように、下方から適度な圧力のかかるようにバネ等を設置してもよい。
【００１３】
空気極・セパレータ・負極は、それらが常に適度な圧力がかかっていることがふさわしいために、電極部４を横から圧力が加えられるように、プレート３１，３２で挟持する。空気極（正極２１）は、空気と接触している必要があるために、プレート３１は、穴付きのＳＵＳ３０３製のプレートを用いる。ガス流入口７からガス流路３３から入ってきた空気は、穴付きのプレート３１から空気極に接触することができる。
【００１４】
図６に、穴付きのプレートの構成を示す。プレート３１は、直径１７ｍｍの半円で厚さ１ｍｍである。ガス流路３３には、ガス流入口７およびガス流出口８が接続されているが、異なるガス流入口およびガス流出口を設け、２以上のガス流路が穴付きのプレート３１に接触するようにしてもよい。
【００１５】
有機電解液（１ｍｏｌ／ｌの六フッ化リン酸リチウム／炭酸プロピレン（ＬｉＰＦ６／ＰＣ）溶液）を、液体流入口９から注入し、液体流路３４を介して負極２３と接触する。電気化学反応中でもあっても、電解液の注入・抽出を行うことができる。
【００１６】
図７に、本発明の一実施形態にかかる開放系電気化学セルを用いて観察した結果を示す。以上の手順で調製したリチウム空気二次電池セルを放電し、光学顕微鏡（レーザーテック社製ＥＣＣＳ  Ｂ３１０）により、観察窓２から電極部４を観察する。放電測定システム（Ｂｉｏ  Ｌｏｇｉｃ社製）を用いて、空気極の有効面積当たりの電流密度で０．１ｍＡ／ｃｍ２を通電した。
【００１７】
図７（ａ）は、放電前の電極部４の断面を示す。上から、空気極（正極２１）、セパレータ２２および負極２３である。図７（ｂ）は、放電途中の電極部４の断面である。放電により、空気極に放電生成物４１が生成されていることがわかる。
【符号の説明】
【００１８】
１  筐体
２  観察窓
３  上蓋
４  電極部
５  正極端子
６  負極端子
７  ガス流入口
８  ガス流出口
９  液体流入口
１０  液体流出口
２１  正極（空気極）
２２  セパレータ
２３  負極
３１，３２  プレート
【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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【図６】
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【図７】
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