本发明专利技术提供一种可以在三相界面配置较多的催化剂、进而能够改善电池特性、新颖且得以改良的金属空气电池。在本发明专利技术的金属空气电池中，金属空气电池的空气极的催化剂层包含催化剂成分以及碳材料，所述碳材料由担载着所述催化剂成分的碳材料A、和没有担载所述催化剂成分的碳材料B这2种构成，所述催化剂层由以所述催化剂成分、所述碳材料A以及所述碳材料B为主成分的凝聚相X、和以所述碳材料B为主成分的凝聚相Y构成，所述凝聚相X为连续体，所述凝聚相Y为分散于所述凝聚相X中的结构。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属空气电池用电极
本专利技术涉及一种将水溶液用作电解液的金属空气电池用电极，特别涉及一种以氧为活性物质的正极的催化剂层。
技术介绍
一般地说，将水溶液用作电解液的金属空气电池是组合有负极反应即金属的氧化还原反应、和正极反应即氧的还原反应与生成反应的电池，它可以从空气中吸取作为正极活性物质的氧，从而在正极可以省略保持活性物质的空间，因而可以期待成为具有高能量密度的电池。例如在负极金属为锌的情况下，两极的放电反应如以下那样进行。正极：O2+2H2O+4e－→4OH－负极：2Zn+4OH－→2ZnO+2H2O+4e－此外，逆反应为充电反应，金属空气电池无论是作为一次电池还是作为二次电池都可以发挥作用。金属空气电池的通常的结构如图1以及图2所示。金属空气电池具有负极1、隔膜(或者电解质膜)2、正极3、催化剂层4、多孔质层5、电解质水溶液6、负极集电体7、正极集电体8。金属空气电池形成负极1和正极3以不会产生物理接触的方式而被隔膜2分隔的结构。隔膜2形成为如下的结构：为了使强碱性的电解质水溶液6能够透过而采用多孔质材料、或者可以传导OH-离子的高分子膜形成，电解质水溶液6渗入负极1和正极3的多孔质空隙，充放电时OH-可以经由电解质水溶液而在两极间移动。特别地，正极3的材质为了确保电子传导性而大多使用具有电子传导性的碳材料作为主成分，其外侧(隔膜的相反侧)向大气开放，或者曝露于供给空气的流路中，从而正极放电反应所需要的空气可以向正极内扩散。再者，为了降低正极反应的过电位，在正极内配置有催化剂。该催化剂需要使电子、空气、电解质水溶液的供给路径分别连接在一起，以便产生涉及电极反应的空气(氧)、水、电子、OH-的授受。水和OH-的供给路径由于为电解质水溶液，因而电解质水溶液需要从隔膜侧渗入催化剂层4，正极3的至少隔膜对置侧必须是亲水性且多孔质的。另一方面，正极的相反侧的面虽然为向空气开放的结构，但为了设计为避免强碱性的电解质水溶液从空气开放口漏出且空气能够扩散的结构，空气极的空气开放侧要求为疏水性且多孔质的。为了满足以上的结构上的要件，通常设计为如下的两层结构：从隔膜对置侧(负极对置侧)开始，设置以碳材料和催化剂成分为主成分的亲水性且多孔质的催化剂层4，继而设置疏水性的多孔质层5；用于与外部电路授受电子的正极侧的集电体8通常使用金属网，与疏水性多孔质层的空气开放侧接触配置(图2)，或者在催化剂层和疏水性多孔质层之间配置(图1)。这种结构的正极为了进行效率良好的电极反应，重要的是确保电极反应所需要的物质向配置于电极中的催化剂的移动路径，从而促进物质移动。从更微观的视点上看，在可以与外部电路导通并供给反应所需要的电子的碳材料网络、和由空气可以从电池外部的大气扩散开来的孔隙连接而成的空气扩散网络、和可以根据充放电而与负极授受OH-的电解质水溶液网络的接点即三相界面，需要尽可能多地存在作为反应场的催化剂。为了形成这样的三相界面，一直以来提出了几种方法。在由亲水性催化剂层和疏水性多孔质层组合而成的通常的两层结构中，如果在用亲水性材料形成的多孔质催化剂层中渗入电解质水溶液，则电解质水溶液渗入形成于催化剂层的整个气孔中，实质上存在电解质水溶液和空气的三相界面局限于亲水性催化剂层和疏水性多孔质层的界面部分9(图3)。也就是说，配置于催化剂层内部的催化剂成分的大部分被电解质水溶液包围，不能供给电极反应所需要的空气(氧)而变得不会有助于反应。为了避免这样的状况，作为正在广泛而通常地进行的手段，可以列举出在用亲水性碳材料形成的催化剂层中复合作为憎水成分的PTFE的方法。另外，作为类似的方法，专利文献1提出了在催化剂层中复合作为疏水成分的蜡的方法。在催化剂层中复合作为疏水性的PTFE或蜡的方法的目标是：通过在亲水性多孔质催化剂层的一部分上形成疏水部分，便在催化剂层内形成空气(氧)的扩散路径，从而使三相界面增加。另外，作为其它方法，专利文献2提出了一种对亲水性多孔质催化剂层和疏水性多孔质层的界面实施纹理加工、从而赋予界面以凹凸形状的电极。本方法的目标是：通过增加被电解质水溶液充满的亲水性多孔质催化剂层和疏水性多孔质层的界面的面积，使形成于界面部分的三相界面增加。再者，作为其它方法，专利文献3提出了一种将多孔质催化剂层用担载着催化剂成分的亲水性多孔质材料和疏水性多孔质材料的混合物形成的方法。作为基本的构思，本方法也与复合PTFE或蜡的方法同样，通过在亲水性多孔质催化剂层中复合疏水性材料，便形成空气的扩散路径，使三相界面增大，从而谋求电极反应的效率化。另一方面，即便是与金属空气电池同样，活性物质为氧，配置氧还原催化剂的燃料电池的空气极的催化剂层，也进行亲水性-疏水性的材料控制。在燃料电池的空气极(正极)的催化剂层中，重要的是使存在于由活性物质的空气中的氧能够扩散的孔隙、作为质子的传递路径的电解质材料以及能够传递电子的碳材料形成的三相界面的催化剂高密度化。一般地说，作为质子传递路径的电解质材料在高湿润条件下质子传递阻力达到最小，因而需要将催化剂层构成材料设计成亲水性，使电解质材料保持在湿润状态，从而抑制质子传导阻力的上升。另一方面，通过空气极反应而产生水，为了抑制因该水引起的气体扩散路径的封闭，需要在催化剂层中复合疏水性材料而确保含有作为活性物质的氧的空气的扩散路径。满足这两个相反要求的高度的亲水性-疏水性的材料控制特别要求以高电流密度进行发电的高性能催化剂层。从这样的角度考虑，专利文献4提出了在催化剂层中包含具有疏水性且对气体扩散有利的立体结构的碳黑的方法。再者，作为兼顾使电解质材料保持在湿润状态从而不会损害质子传导路径即电解质材料的质子传导性、且确保气体扩散路径的技术，专利文献5提出了使疏水性碳材料成为凝聚结构而分散于催化剂层中的技术。专利文献6公开了一种固体高分子型燃料电池用电极，其通过将相对湿度在90％下的水蒸气吸附量为1ml/g～20ml/g的碳材料用作气体扩散碳材料，可以有效地抑制因水引起的气体扩散路径的封闭，并能够以稳定的电压取出电流。另外，在专利文献7中，公开了在将燃料电池用催化剂粉末的粒度分布的体积累积频率分别达到50％以及90％时的粒径各自设定为D50以及D90时，通过满足(D90/D50)≤2.5的条件，使电极中的气体扩散性得以提高。另外，在专利文献8中，为了提供对用作气体扩散电极合适的材料，公开了一种由包含多中孔性纳米结构疏水性材料的第1层、和包含在第1层上配置的多中孔性纳米结构亲水性材料的第2层构成的电极。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特表2008-502118专利文献2：日本特表2003-514367专利文献3：日本特表2012-502427专利文献4：日本特开2007-273145专利文献5：日本特开2009-252359专利文献6：国际公开WO2010/047415专利文献7：日本特开2008-147007专利文献8：日本特表2012-502427
技术实现思路
专利技术所要解决的课题PTFE的复合或专利文献1提出的蜡的复合虽然通过设置使电解质水溶液不会渗入催化剂层中的疏水部分而确保空气的扩散路径，可以期待一定的效果，但复合的材料实质上为绝缘体，因而成为课题的是难以调整电子传导性和疏水性的平衡。具体地说，如图本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种金属空气电池用电极，其特征在于：金属空气电池的空气极的催化剂层包含催化剂成分以及碳材料；所述碳材料由担载着所述催化剂成分的碳材料A、和没有担载所述催化剂成分的碳材料B这2种构成；所述催化剂层由合计含有超过50质量％的所述催化剂成分、所述碳材料A以及所述碳材料B的凝聚相X、和含有超过50质量％的所述碳材料B的凝聚相Y构成；所述凝聚相X为连续体，所述凝聚相Y为分散于所述凝聚相X中的结构；所述碳材料A满足以下的特征(i)或者(ii)；所述碳材料B在25℃且相对压力为0.1的环境下，水蒸气吸附量低于0.1cm
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.26 JP 2014-266528;2014.12.26 JP 2014-266521.一种金属空气电池用电极，其特征在于：金属空气电池的空气极的催化剂层包含催化剂成分以及碳材料；所述碳材料由担载着所述催化剂成分的碳材料A、和没有担载所述催化剂成分的碳材料B这2种构成；所述催化剂层由合计含有超过50质量％的所述催化剂成分、所述碳材料A以及所述碳材料B的凝聚相X、和含有超过50质量％的所述碳材料B的凝聚相Y构成；所述凝聚相X为连续体，所述凝聚相Y为分散于所述凝聚相X中的结构；所述碳材料A满足以下的特征(i)或者(ii)；所述碳材料B在25℃且相对压力为0.1的环境下，水蒸气吸附量低于0.1cm3/g，DBP吸油量(X)(cm3/100g)与基于BET评价的比表面积(SBET)之比(X/SBET)为0.5以上；(i)所述碳材料A在25℃且相对压力为0.1的环境下，水蒸气吸附量为0.1cm3/g以上，采用氮吸附等温线的t图分析求出的微孔表面积Smicro与总表面积Stotal之比Smicro/Stotal为0.90以上，平均粒径d50低于1.5μm，d90和d10的差(d90－d10)与d50之比(d90－d10)/d50低于1.0；(ii)所述碳材料A在25℃且相对压力为0.1的环境下，水蒸气吸附量为0.1cm3/g以上，采用氮吸附等温线的t图分析求出的微孔表面积...
【专利技术属性】
技术研发人员：田所健一郎，祢宜教之，
申请(专利权)人：新日铁住金株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。