用于金属空气电池的空气电极、用于具有这种空气电极的金属空气电池的膜/空气电极组件、以及金属空气电池制造技术

一种用于金属空气电池的空气电极（6），包括空气电极催化剂、用于空气电极的电解质、以及导电材料。用于空气电极的电解质包括层状双金属氢氧化物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于金属空气电池的空气电极、一种具有该空气电极的膜/空气电极组件、以及一种金属空气电池，其中，该金属空气电池在放电期间的氧还原时以及在充电期间的氧生成时稳定地起作用。
技术介绍
金属空气电池是一种利用了负电极活性物质中的金属或金属化合物以及正电极活性物质中的氧的可充电/可放电电池。作为正电极活性物质的氧能够从空气获得，因此不必将正电极活性物质密封在电池中。因此，理论上，金属空气电池获得了比利用了固态正电极活性物质的二次电池的容量更大的容量。在使用碱性电解质溶液的情况下，由以下方程式(I )表示的反应于放电期间发生在金属空气二次电池的空气电极处。02+2H20+4e — 40H ( I )方程式(I )的反应中所产生的OIT离子溶解在电解质溶液中。由方程式(II)表示的反应于充电期间发生在空气电极处。40H — 02+2H20+4e (II) 方程式(II )的反应中所产生的O2气扩散出电解池。方程式(I )的反应被认为发生在三相一即，作为反应物的氧、空气电极催化剂以及离子传导相一开始接触的所谓的三相边界处。因此，可以形成相当数量的三相边界以促进反应。近年来，正在积极进行有关使用了碱性电解质溶液的金属空气二次电池的研究。如果使用碱性电解质溶液，则碱性电解质溶液会容易吸收空气中存在的二氧化碳。对二氧化碳的吸收影响了电解质溶液的性能并造成金属离子碳酸盐的沉淀，所有这些都是成问题的。为避免上述问题，Naoko FUJIWARA“Kinzoku_kuki nijinidenchiyo kagyaku kukikyokuno kaihatsu，， (Development of Reversible Air Electrode for Metal-Air SecondaryBattery (Electrochemistry, 78 (2010) 540-544))(用于金属空气二次电池的可逆空气电极的发展(电化学，78 (2010) 540-544))提出了一种电极结构，在该电极结构中，空气电极与碱性电解质溶液之间设置有一层阴离子交换膜。该阴离子交换膜为聚合物膜，该聚合物膜选择性地允许阴离子穿过，使得该膜在未妨碍方程式(I )和(II)的反应的情况下抑制了电解质溶液中金属离子朝向空气电极的迁移，以及抑制了空气中二氧化碳到电解质溶液中的溶解。Naoko FUJIffARA “Kinzoku-kuki nijinidenchiyo kagyaku kukikyoku nokaihatsu，， (Development of Reversible Air Electrode for Metal-Air Secondary Battery (Electrochemistry, 78 (2010) 540-544))研究了通过与使用了贵金属催化剂的空气电极中的阴离子交换膜的接触而使二氧化碳的影响无效的特点。然而，在这种电极结构中，空气电极没有与电解质溶液直接接触，并因此不容易在催化剂层中形成三相边界。
技术实现思路
本专利技术提供了 一种用于金属空气电池的空气电极、一种用于具有该空气电极的金属空气电池的膜/空气电极组件、以及一种金属空气电池，该金属空气电池在放电期间的氧还原时以及在充电期间的氧生成时稳定地起作用。本专利技术的第一方面涉及一种用于金属空气电池的空气电极。该用于金属空气电池的空气电极包括空气电极催化剂、用于空气电极的电解质、以及导电材料。该用于空气电极的电解质包括层状双金属氢氧化物。在上述方面中，层状双金属氢氧化物可以具有至少一种类型的二价金属离子以及至少一种类型的三价金属离子。在上述方面中，层状双金属氢氧化物可以具有高级次结构，在该高次结构中，板状晶体具有对含金属离子的双金属氢氧化物进行的二维规则布置，该板状晶体堆叠成两层或更多层。在上述方面中，层状双金属氢氧化物可以具有阴离子被吸纳到所述层之间的特性。在上述方面中，层状双金属氢氧化物可以为从由镁-铝双金属氢氧化物、镍-铝双金属氢氧化物以及钴-铝双金属氢氧化物组成的组中选择的至少一个层状双金属氢氧化物。在上述方面中，空气电极催化剂可以为复合氧化物，该复合氧化物具有选自由铁、钴、镍、钛、锰以及铜组成的组中的至少一种金属元素并且具有选自由钙钛矿结构、尖晶石结构以及烧绿石结构组成的组中的至少一种结构。在上述方面中，用于空气电极的电解质的层厚度可以处于从0.5iim至500iim的范围之中。在上述方面中，用于空气电极的电解质的层厚度可以处于从Iym至200 iim的范围之中。本专利技术的第二方面涉及一种用于金属空气电池的膜/空气电极组件。该用于金属空气电池的膜/空气电极组件具有阴离子交换膜以及根据第一方面的用于金属空气电池的空气电极。该空气电极设置在阴离子交换膜的一面上。在上述方面中，用于金属空气电池的膜/空气电极组件还可以具有集电器，该集电器设置在空气电极的与设置有阴离子交换膜的面不同的面上。在上述方面中，用于金属空气电池的膜/空气电极组件还可以具有设置在空气电极与集电器之间的气体扩散层。本专利技术的第三方面涉及一种金属空气电池。该金属空气电池具有根据第一方面的空气电极、负电极以及设置在空气电极与负电极之间的电解质溶液层。在上述方面中，该金属空气电池还可以具有设置在空气电极与电解质溶液层之间的阴离子交换膜。通过上面提到的方面，该用于金属空气电池的空气电极展现出了更强的抗氧化性，并且即使当暴露于恶劣环境下也不容易变坏。因此，对于氧还原反应以及对于氧生成反应均能够稳定地执行充放电。在上述方面中，使用了具有规则层构型的层状双金属氢氧化物作为用于空气电极的电解质。因此，这允许保持层之间以及层的表面附近的阴离子传导路径。相比于常规的用于金属空气电池的空气电极，上面提到的方面提供了更强的亲水性和更大的刚性。由于所形成的三相边界不容易因压力而变形，因此预期所形成的三相边界能够被保存。附图说明下面将通过参照附图来描述本专利技术的示例性实施方式的特征、优点以及技术及工业意义，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中:图1为示出了根据本专利技术的实施方式的金属空气电池的层构型的示例的示图，其中该示图沿堆叠方向示意性地描绘了该金属空气电池的层的横截面；图2为两室电解池的横截面示意图，其中该两室电解池用于示例I至示例4以及比较例I的用于金属空气电池的膜/空气电极组件的性能评估；图3A为示出了示例I和示例2以及比较例I的用于金属空气电池的膜/空气电极组件的空气电极中的氧还原反应的电流-电位特性的曲线图；图3B为示出了示例I和示例2以及比较例I的用于金属空气电池的膜/空气电极组件的空气电极中的氧生成反应的电流-电位特性的曲线图；图4A为示出了示例3和示例4以及比较例I的用于金属空气电池的膜/空气电极组件的空气电极中的氧还原反应的电流-电位特性的曲线图；以及图4B为示出了示例3和示例4以及比较例I的用于金属空气电池的膜/空气电极组件的空气电极中的氧生成反应的电流-电位特性的曲线图。具体实施例方式根据本专利技术的实施方式的用于金属空气电池的空气电极包括空气电极催化剂、用于空气电极的电解质、以及导电材料，其中，用于空气电极的电解质包括层状双金属氢氧化物。使用碱性水溶液作为电解质溶液的金属空气电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：小久见善八，宫崎晃平，西尾晃治，小谷幸成，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，国立大学法人京都大学，
类型：
国别省市：