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JP5562204B2 - Positive electrode for lithium air secondary battery, method for producing the same, and lithium air secondary battery - Google Patents

Positive electrode for lithium air secondary battery, method for producing the same, and lithium air secondary battery Download PDF

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JP5562204B2 JP2010241736A JP2010241736A JP5562204B2 JP 5562204 B2 JP5562204 B2 JP 5562204B2 JP 2010241736 A JP2010241736 A JP 2010241736A JP 2010241736 A JP2010241736 A JP 2010241736A JP 5562204 B2 JP5562204 B2 JP 5562204B2
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Description

本発明は、リチウム空気二次電池用正極とリチウム空気二次電池用正極製造方法ならびにリチウム空気二次電池に関し、特に、充電電圧が低く充放電サイクル特性に優れたリチウム空気二次電池に好適に適用可能なリチウム空気二次電池用正極とリチウム空気二次電池用正極製造方法ならびに該リチウム空気二次電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode for a lithium air secondary battery, a positive electrode manufacturing method for a lithium air secondary battery, and a lithium air secondary battery, and is particularly suitable for a lithium air secondary battery having a low charge voltage and excellent charge / discharge cycle characteristics. The present invention relates to a positive electrode for a lithium-air secondary battery, a positive electrode manufacturing method for a lithium-air secondary battery, and the lithium-air secondary battery.

金属空気電池は、リチウムイオン電池などのリチウム系電池を遥かに凌駕する理論エネルギー密度を有している。中でも、亜鉛空気一次電池は、300mAh/g程度の大きな放電容量を有していることから、主に、補聴器などに用いられている。しかしながら、亜鉛空気一次電池は、非水電解液を用いるリチウム系電池と比較すると、1V程度の電圧しか得られないため、広範な利用は難しいと考えられる。   Metal-air batteries have a theoretical energy density that far surpasses lithium-based batteries such as lithium ion batteries. Among these, zinc-air primary batteries have a large discharge capacity of about 300 mAh / g, and are mainly used for hearing aids and the like. However, since the zinc-air primary battery can only obtain a voltage of about 1 V as compared with a lithium battery using a non-aqueous electrolyte, it is considered difficult to use it widely.

近年、正極反応系として、亜鉛空気電池と同様、酸素の電気化学的な還元(放電)・発生(充電)を用いて、負極として亜鉛に代わって金属リチウムを組み合わせ、また、電解液として非水電解質を用いることによって、2〜3Vの高電圧を示すリチウム空気二次電池を作製する試みが行われており、初回の放電時では1000mAh/g以上のより大きな放電容量が得られる試作例が報告されている。   In recent years, as a positive electrode reaction system, as with a zinc-air battery, electrochemical reduction (discharge) and generation (charge) of oxygen are used, and metal lithium is combined in place of zinc as a negative electrode, and nonaqueous is used as an electrolyte. An attempt has been made to produce a lithium-air secondary battery exhibiting a high voltage of 2 to 3 V by using an electrolyte, and a prototype example in which a larger discharge capacity of 1000 mAh / g or more can be obtained at the first discharge is reported. Has been.

しかし、このようなリチウム空気二次電池においては、充電時の電圧が高く、電解液の分解が起こることや、放電生成物(酸化リチウム)の析出・分解の可逆性が不十分であることなどが原因で、充放電サイクルを繰り返すと、放電容量が著しく減少してくるといった問題を抱えている。   However, in such a lithium-air secondary battery, the voltage at the time of charging is high, the electrolytic solution is decomposed, and the reversibility of deposition and decomposition of the discharge product (lithium oxide) is insufficient. For this reason, when the charge / discharge cycle is repeated, the discharge capacity is remarkably reduced.

そこで、リチウム空気二次電池用正極へ触媒を添加することにより、電極の高活性化を行うことが試みられている。例えば、下記の非特許文献1においては、白金(Pt)や種々の金属酸化物を触媒として添加した正極を用いたリチウム空気二次電池を作製し、充放電試験を行っている。充放電試験の結果、金属酸化物触媒として、酸化ニッケル(NiO)を添加した場合、初回の充放電サイクル時の放電容量は1600mAh/gであり、10回目の充放電サイクル後であっても、放電容量は600mAh/gを示している。   Therefore, attempts have been made to increase the activity of the electrode by adding a catalyst to the positive electrode for a lithium-air secondary battery. For example, in the following Non-Patent Document 1, a lithium-air secondary battery using a positive electrode to which platinum (Pt) or various metal oxides are added as a catalyst is manufactured, and a charge / discharge test is performed. As a result of the charge / discharge test, when nickel oxide (NiO) was added as the metal oxide catalyst, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 1600 mAh / g, and even after the 10th charge / discharge cycle, The discharge capacity is 600 mAh / g.

また、三酸化鉄(Fe)を添加した場合には、初回の充放電サイクル時の放電容量は2700mAh/gであり、10回目の充放電サイクル後は75mAh/gである。また、四酸化三鉄(Fe)を添加した場合、初回の充放電サイクル時の放電容量は1200mAh/gであり、10回目の充放電サイクル後の放電容量は800mAh/gを示している。 When iron trioxide (Fe 2 O 3 ) is added, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle is 2700 mAh / g, and after the 10th charge / discharge cycle, it is 75 mAh / g. When triiron tetroxide (Fe 3 O 4 ) is added, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle is 1200 mAh / g, and the discharge capacity after the 10th charge / discharge cycle is 800 mAh / g. Yes.

しかし、該非特許文献1の充放電試験の結果においては、いずれも、充電電圧が高く、かつ、充放電サイクルによる放電容量の減少が著しく、二次電池としての実用化には、更なる充放電サイクル特性の改善が必要であることを示している。   However, in the results of the charge / discharge test of Non-Patent Document 1, all of them have a high charge voltage and a significant decrease in discharge capacity due to the charge / discharge cycle. For practical use as a secondary battery, further charge / discharge is required. This indicates that the cycle characteristics need to be improved.

「An 02 cathode for rechargeable lithiumbatteries:The effect of a catalyst」,A.Debart,J.Bao,G.Armstrong,P.G.Bruce,Journal of Power Sources,Vol.174,pp.1177−1182 (2007).“An 02 cathode for rechargeable lithiumbatteries: The effect of a catalyst”, A. Debart, J.A. Bao, G. Armstrong, P.A. G. Bruce, Journal of Power Sources, Vol. 174, pp. 1177-1182 (2007).

前述したように、前記非特許文献1に記載されているような従来のリチウム空気二次電池は、充電電圧が高く、良好な充放電サイクル特性を得ることが困難であるという課題があった。   As described above, the conventional lithium-air secondary battery as described in Non-Patent Document 1 has a problem that it has a high charge voltage and it is difficult to obtain good charge / discharge cycle characteristics.

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、充電電圧の低減を可能とし、良好な充放電サイクル特性を有するリチウム空気二次電池用正極とその製造方法ならびにリチウム空気二次電池を提供することを、その目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can provide a positive electrode for a lithium-air secondary battery capable of reducing a charging voltage and having good charge / discharge cycle characteristics, a manufacturing method thereof, and a lithium-air secondary battery. The purpose is to provide.

本発明は、前述の課題を解決するために、以下のごとき各技術手段から構成されている。   The present invention comprises the following technical means in order to solve the above-mentioned problems.

第1の技術手段は、リチウム空気二次電池に用いるリチウム空気二次電池用正極であって、カーボン、触媒およびバインダーからなり、該触媒が鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとを少なくとも含む混合酸化物であり、前記触媒とする前記混合酸化物を構成する鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオンのそれぞれのモル数を、NFe、NNiと表現したとき、(NFe:NNi)=2:1もしくは(NFe:NNi)=1:2のモル比とすることにより、前記混合酸化物をスピネル型酸化物とすることを特徴とする。 The first technical means is a positive electrode for a lithium-air secondary battery used for a lithium-air secondary battery, comprising carbon, a catalyst, and a binder, wherein the catalyst contains at least iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions. When the number of moles of iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions constituting the mixed oxide used as the catalyst is expressed as NFe and NNi, (NFe: NNi) = By making the molar ratio of 2: 1 or (NFe: NNi) = 1: 2, the mixed oxide is a spinel oxide .

第2の技術手段は、リチウム空気二次電池の正極を製造するリチウム空気二次電池用正極製造方法であって、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比があらかじめ定めたモル比となる重量比の硝酸鉄九水和物(Fe(NO ・9H O)粉末と硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO ・6H O)粉末とをイオン交換水に溶解させた金属塩混合水溶液に、リンゴ酸(C )とアンモニア水溶液とをさらに加えて、あらかじめ定めたpH(potential Hydrogen)の混合水溶液に調合する第1の工程と、あらかじめ定めたpHに調合された前記混合水溶液をあらかじ定めた温度で加熱して蒸発乾固させて得られる前駆体を、あらかじめ定めた温度・時間の条件下で熱処理を行うことにより酸化物触媒として形成する第2の工程と、形成された前記酸化物触媒を、カーボンとバインダーとにあらかじめ定めた重量比で混合し、さらに、成形して、リチウム空気二次電池用正極として作製する第3の工程とを、を少なくとも含み、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比を、2:1もしくは1:2とすることにより、前記酸化物触媒として、Fe Ni の組成式において、x:y=2:1もしくはx:y=1:2の関係になるスピネル型酸化物が得られることを特徴とする。 A second technical means is a positive electrode manufacturing method for a lithium air secondary battery for manufacturing a positive electrode of a lithium air secondary battery, wherein a molar ratio of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions is predetermined. The iron nitrate nonahydrate (Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O) powder and the nickel nitrate hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) powder in a weight ratio to be a ratio are ion-exchanged water A first step of adding a malic acid (C 4 H 6 O 5 ) and an aqueous ammonia solution to a mixed aqueous solution of metal salt dissolved in a solution to prepare a mixed aqueous solution having a predetermined pH (potential hydrogen); A precursor obtained by evaporating to dryness by heating the mixed aqueous solution prepared at a predetermined pH at a predetermined temperature is heat-treated at a predetermined temperature and time as an oxide catalyst. Formation And a third step of mixing the formed oxide catalyst with carbon and a binder at a predetermined weight ratio, and further molding to produce a positive electrode for a lithium-air secondary battery. And the molar ratio of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions is 2: 1 or 1: 2, whereby the composition of Fe x Ni y O z is used as the oxide catalyst. In the formula, a spinel oxide having a relationship of x: y = 2: 1 or x: y = 1: 2 is obtained .

第3の技術手段は、カーボン、触媒、バインダーからなる正極と、金属リチウムまたはリチウムイオンの吸蔵・放出が可能な物質からなる負極と、を具備し、前記正極の一方の面が空気に接し、前記正極の他方の面が非水電解液に接し、前記正極と前記負極との間に前記非水電解液を配置してなるリチウム空気電池において、前記正極が、カーボン、触媒およびバインダーからなり、該触媒が鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとを少なくとも含む混合酸化物であり、前記触媒とする前記混合酸化物を構成する鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオンのそれぞれのモル数を、NFe、NNiと表現したとき、(NFe:NNi)=2:1もしくは(NFe:NNi)=1:2のモル比とすることにより、前記混合酸化物をスピネル型酸化物により構成されていることを特徴とする。 The third technical means comprises a positive electrode made of carbon, a catalyst, and a binder, and a negative electrode made of metal lithium or a substance capable of occluding and releasing lithium ions, and one surface of the positive electrode is in contact with air, In the lithium-air battery in which the other surface of the positive electrode is in contact with a non-aqueous electrolyte and the non-aqueous electrolyte is disposed between the positive electrode and the negative electrode, the positive electrode is composed of carbon, a catalyst, and a binder. The catalyst is a mixed oxide containing at least iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions, and each mole of iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions constituting the mixed oxide serving as the catalyst. When the number is expressed as NFe, NNi, the mixed oxide is spinned by setting the molar ratio of (NFe: NNi) = 2: 1 or (NFe: NNi) = 1: 2. Characterized in that it is constituted by a type oxides.

本発明のリチウム空気二次電池用正極材料とリチウム空気二次電池用正極材料製造方法ならびにリチウム空気二次電池によれば、リチウム空気二次電池の充電電圧の低減に重要であると考えられる正極に、高活性な触媒を添加して構成しているので、以下のごとき効果を奏することができる。   According to the positive electrode material for a lithium air secondary battery, the positive electrode material manufacturing method for a lithium air secondary battery, and the lithium air secondary battery of the present invention, the positive electrode considered to be important for reducing the charging voltage of the lithium air secondary battery In addition, since a highly active catalyst is added, the following effects can be obtained.

すなわち、リチウム空気二次電池用の正極に高活性な触媒を添加することにより、放電時に生成した析出物の分解が促進され、放電生成物の良好な可逆性が得られるので、充電電圧を低下させることができ、非常に良好な充放電サイクル特性を有するリチウム空気二次電池を作製することが可能になる。   That is, by adding a highly active catalyst to the positive electrode for a lithium-air secondary battery, decomposition of precipitates generated during discharge is accelerated, and good reversibility of the discharge products is obtained, so the charging voltage is reduced. Therefore, it is possible to produce a lithium-air secondary battery having very good charge / discharge cycle characteristics.

本発明によるリチウム空気二次電池のセル構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the cell structure of the lithium air secondary battery by this invention. 本発明によるリチウム空気二次電池の初回充放電時の充放電曲線の一例を示す特性図である。It is a characteristic view which shows an example of the charging / discharging curve at the time of the first charge / discharge of the lithium air secondary battery by this invention. 本発明によるリチウム空気二次電池の正極の触媒として用いたペロブスカイト型酸化物(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)のXRDパターンを示す特性図である。It is a characteristic diagram showing the XRD pattern of the perovskite type oxide used as a positive electrode of a catalyst of a lithium air secondary cell according to the present invention (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3).

以下に、本発明に係るリチウム空気二次電池用正極とリチウム空気二次電池用正極製造方法ならびにリチウム空気二次電池の好適な実施形態について、その一例を、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of a positive electrode for a lithium air secondary battery, a positive electrode manufacturing method for a lithium air secondary battery, and a lithium air secondary battery according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. .

(本発明の特徴)
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の特徴についてその概要をまず説明する。本発明は、リチウム空気二次電池用の正極とその製造方法ならびに該正極を用いたリチウム空気二次電池に関するものである。
(Features of the present invention)
Prior to the description of the embodiments of the present invention, an outline of the features of the present invention will be described first. The present invention relates to a positive electrode for a lithium air secondary battery, a method for producing the same, and a lithium air secondary battery using the positive electrode.

本発明においては、リチウム空気二次電池の正極がカーボン、触媒、バインダーからなり、該触媒を、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとを少なくとも含み、あらかじめ定めたモル比(例えば、8:2、2:1、6:4、4:6、1:2、2:8)の鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとからなる混合酸化物とすることを主要な特徴としている。   In the present invention, the positive electrode of the lithium-air secondary battery is made of carbon, a catalyst, and a binder, and the catalyst contains at least iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions, and has a predetermined molar ratio (for example, 8 : 2, 2: 1, 6: 4, 4: 6, 1: 2, 2: 8), which is a mixed oxide composed of iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions. .

該触媒を含有するリチウム空気二次電池正極の製造方法は、例えば、次の通りである。まず、第1の工程として、あらかじめ定めたモル比(例えば、8:2、2:1、6:4、4:6、1:2、2:8)の鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとの金属塩混合水溶液に、リンゴ酸とアンモニア水溶液とを加えて、あらかじめ定めたpH(potential Hydrogen:水素イオン濃度指数)の水溶液例えばpHが2.5の水溶液に調合した後、第2の工程として、あらかじめ定めた温度(例えば170℃)で加熱して蒸発乾固して得られた前駆体をあらかじめ定めた温度および時間の条件下で熱処理(例えば600℃の場合5時間以上の熱処理)を行うことにより混合酸化物を形成する。   The manufacturing method of the lithium air secondary battery positive electrode containing this catalyst is as follows, for example. First, as a first step, iron (Fe) ions and nickel (Ni) having a predetermined molar ratio (for example, 8: 2, 2: 1, 6: 4, 4: 6, 1: 2, 2: 8) are used. ) After adding malic acid and an aqueous ammonia solution to a mixed aqueous solution of metal salt with ions to prepare an aqueous solution having a predetermined pH (potential hydrogen: hydrogen ion concentration index), for example, an aqueous solution having a pH of 2.5, As a process of the above, a precursor obtained by evaporating to dryness by heating at a predetermined temperature (for example, 170 ° C.) is heat-treated under conditions of a predetermined temperature and time (for example, heat treatment for 5 hours or more at 600 ° C.) ) To form a mixed oxide.

しかる後、第3の工程として、第2の工程で得られた該混合酸化物を酸化物触媒として用いて、カーボンとバインダーとにあらかじめ定めた重量比(例えば、酸化物触媒:カーボン:バインダー = 5:3:2の重量比)で混合して、さらに、成形して(例えば、シート状に成形した後、円形に切り抜いて)、リチウム空気二次電池用正極を作製する。   Thereafter, as the third step, using the mixed oxide obtained in the second step as an oxide catalyst, a weight ratio (for example, oxide catalyst: carbon: binder = 5: 3: 2 weight ratio), and further molded (for example, formed into a sheet and then cut into a circle) to produce a positive electrode for a lithium-air secondary battery.

かくのごとき混合酸化物からなる触媒を含有したリチウム空気二次電池用正極を用いることにより、充電電圧が低下し、かつ、優れた充放電サイクル特性を有するリチウム空気二次電池を実現することが可能となる。   By using a positive electrode for a lithium-air secondary battery containing a catalyst made of a mixed oxide such as this, it is possible to realize a lithium-air secondary battery having a low charge voltage and excellent charge / discharge cycle characteristics. It becomes possible.

ここで、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比を、2:1もしくは1:2とすることにより、前記酸化物触媒として、FeNiの組成式において、x:y = 2:1もしくはx:y = 1:2の関係からなるスピネル型酸化物を用いることにより、さらに良好な特性を有するリチウム空気二次電池を実現することができる。 Here, by setting the molar ratio of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions to 2: 1 or 1: 2, as the oxide catalyst, in the composition formula of Fe x Ni y O z , x By using a spinel oxide having a relationship of: y = 2: 1 or x: y = 1: 2, a lithium-air secondary battery having even better characteristics can be realized.

また、前記第1の工程において、金属塩混合水溶液に前記リンゴ酸と前記アンモニア水溶液とを加える前に、前記金属塩混合水溶液に、あらかじめ定めたモル数分のランタン(La)イオンを含む重量の硝酸ランタン六水和物(Ni(NO・6HO)粉末を、もしくは、ランタン(La)イオンとアルカリ土類金属イオン(例えばカルシウム(Ca)イオン、ストロンチウム(Sr)イオン、バリウム(Ba)イオンのいずれか)とのモル比があらかじめ定めたモル比となる重量比の硝酸ランタン六水和物粉末と硝酸系アルカリ土類金属粉末とをさらに加える手順を追加し、しかる後、前記リンゴ酸と前記アンモニア水溶液とをさらに加えて、あらかじめ定めたpHの混合水溶液に調合するようにしても良い。 In addition, in the first step, before adding the malic acid and the ammonia aqueous solution to the metal salt mixed aqueous solution, the metal salt mixed aqueous solution has a weight that includes a predetermined number of moles of lanthanum (La) ions. Lanthanum nitrate hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O) powder, or lanthanum (La) ions and alkaline earth metal ions (for example, calcium (Ca) ions, strontium (Sr) ions, barium ( A step of further adding a lanthanum nitrate hexahydrate powder and a nitrate-based alkaline earth metal powder in a weight ratio at which the molar ratio with any one of Ba) ions becomes a predetermined molar ratio; Malic acid and the aqueous ammonia solution may be further added to prepare a mixed aqueous solution having a predetermined pH.

ランタン(La)イオンを含む酸化物もしくはランタン(La)イオンとアルカリ土類金属イオンとの双方を含む複合酸化物をさらに加えた場合においては、アルカリ土類金属イオンをMイオンと表現し、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオン、ランタン(La)イオン、アルカリ土類金属イオン(Mイオン)それぞれのモル数を、NFe、NNi、NLa、NMと表現したとき、金属塩混合水溶液に硝酸ランタン六水和物(Ni(NO・6HO)粉末をさらに加えた場合には、(NFe+NNi):NLa = 1:1とし、もしくは、金属塩混合水溶液に硝酸ランタン六水和物粉末と硝酸系アルカリ土類金属粉末とをさらに加えた場合には、(NFe+NNi):(NLa+NM) = 1:1のモル比とすることにより、酸化物触媒として、LaFeNiもしくはLaFeNiの組成式において、x = (z+u)もしくは(x+y) = (z+u)の関係からなるペロブスカイト型酸化物を用いることにより、さらに良好な特性を有するリチウム空気二次電池を実現することができる。 In the case where an oxide containing lanthanum (La) ions or a composite oxide containing both lanthanum (La) ions and alkaline earth metal ions is further added, the alkaline earth metal ions are expressed as M ions, and iron When the number of moles of (Fe) ion, nickel (Ni) ion, lanthanum (La) ion, and alkaline earth metal ion (M ion) is expressed as NFe, NNi, NLa, NM, nitric acid is added to the metal salt mixed aqueous solution. When lanthanum hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) powder is further added, (NFe + NNi): NLa = 1: 1, or lanthanum nitrate hexahydrate in a metal salt mixed aqueous solution When the powder and nitrate alkaline earth metal powder are further added, the molar ratio of (NFe + NNi) :( NLa + NM) = 1: 1 is established. As compound catalyst, in the composition formula La x Fe z Ni u O v or La x M y Fe z Ni u O v, x = (z + u) or (x + y) = (z + u) perovskite type oxide consisting relation to By using it, a lithium air secondary battery having even better characteristics can be realized.

(実施形態)
次に、本発明に係わるリチウム空気二次電池の概要について、その一例を説明する。
(Embodiment)
Next, an example of the outline of the lithium air secondary battery according to the present invention will be described.

正極活物質である酸素の電気化学的酸化還元反応が進行する正極は、カーボン、触媒、バインダーからなり、カーボン粉末および触媒粉末とポリテトラフルオロエチレン(PTFE:polytetrafluoroethylene)のようなバインダー粉末との混合物を、通気性のある金属メッシュ等の支持体上に圧着成形する、あるいは、前述の混合物を有機溶剤等の溶媒中に分散してスラリー(Slurry)状にしたものを、金属メッシュ上に塗布し乾燥する、等の手段を用いて作製される。   The positive electrode in which the electrochemical redox reaction of oxygen, which is the positive electrode active material, is made of carbon, catalyst, and binder, and is a mixture of carbon powder and catalyst powder with binder powder such as polytetrafluoroethylene (PTFE). Is applied to a metal mesh by applying pressure-molding on a support such as a breathable metal mesh or by dispersing the above mixture in a solvent such as an organic solvent to form a slurry (Slurry). It is produced using means such as drying.

作製された正極の一方の面は大気に曝され、また、正極の他方の面は非水電解液と接するように配置する。なお、ここで、電極の強度を高め、電解液の漏洩を防止するために、冷間プレスだけでなく、ホットプレスを行うことによって、より安定性に優れた正極を作製することも可能である。   One surface of the produced positive electrode is exposed to the atmosphere, and the other surface of the positive electrode is disposed in contact with the non-aqueous electrolyte. Here, in order to increase the strength of the electrode and prevent leakage of the electrolytic solution, it is possible to produce a positive electrode with more stability by performing hot pressing as well as cold pressing. .

正極上における放電反応は、次の式(1)、(2)のように表すことができる。   The discharge reaction on the positive electrode can be expressed by the following formulas (1) and (2).

2Li+O+2e → Li …(1)
あるいは
2Li+(1/2)O+2e → LiO …(2)
前記式(1)、(2)中のリチウムイオン(Li)は、負極から電解液を介して正極表面まで移動してきたものである。また、酸素は、大気中から正極内部に取り込まれたものである。
2Li + + O 2 + 2e → Li 2 O 2 (1)
Or 2Li + + (1/2) O 2 + 2e → Li 2 O (2)
The lithium ions (Li + ) in the formulas (1) and (2) have moved from the negative electrode to the positive electrode surface via the electrolytic solution. Further, oxygen is taken into the positive electrode from the atmosphere.

かくのごとき放電反応により生成されたLiまたはLiOが、正極上に析出し、正極上の反応サイトを全て被覆した時点で、放電反応は終了する。充電時においては、放電反応とは逆の反応が起こり、放電時に生成された放電生成物がすべて分解されると、充電が終了する。 When Li 2 O 2 or Li 2 O produced by the discharge reaction as described above is deposited on the positive electrode and covers all the reaction sites on the positive electrode, the discharge reaction is completed. At the time of charging, a reaction opposite to the discharge reaction occurs, and when all the discharge products generated at the time of decomposition are decomposed, the charging is completed.

本発明によるリチウム空気二次電池の正極材料として用いるカーボンは、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、活性炭、カーボンファイバーなどを用いることができるが、該カーボンとしては、結晶が成長しておらず、粒径が小さく、反応サイトが多く存在する高表面積の材料を用いることが望ましい。   As the carbon used as the positive electrode material of the lithium air secondary battery according to the present invention, ketjen black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, etc. can be used. It is desirable to use a material with a small surface area and a high surface area in which many reaction sites exist.

また、本発明者らは、前述のような触媒として金属酸化物を添加した正極を用いて作製したリチウム空気二次電池の充放電特性について鋭意検討を行った。その検討結果として、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとを少なくとも含む混合酸化物を触媒として正極に添加した場合に、充電電圧が低下し、かつ、充放電サイクル特性が大幅に向上することを見出した。   In addition, the present inventors have intensively studied the charge / discharge characteristics of a lithium-air secondary battery manufactured using a positive electrode to which a metal oxide is added as a catalyst as described above. As a result of the study, when a mixed oxide containing at least iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions is added to the positive electrode as a catalyst, the charging voltage is lowered and the charge / discharge cycle characteristics are greatly improved. I found out.

特に、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオンのモル数を、それぞれ、NFe、NNiと表現したとき、触媒とする鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比を、
(NFe:NNi) = 2:1、もしくは、(NFe:NNi) = 1:2
として、スピネル(spinel)型酸化物(例えば、NiFe、FeNi)のみが得られる場合に、優れた充放電特性を有するリチウム空気二次電池を実現することができる。
In particular, when the number of moles of iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions are expressed as NFe and NNi, respectively, the molar ratio of iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions used as a catalyst is
(NFe: NNi) = 2: 1 or (NFe: NNi) = 1: 2.
As described above, when only a spinel type oxide (for example, NiFe 2 O 4 , FeNi 2 O 4 ) is obtained, a lithium air secondary battery having excellent charge / discharge characteristics can be realized.

また、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとランタン(La)イオンとを混合することにより、もしくは、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとランタン(La)イオンとアルカリ土類金属イオンを混合することにより、得られる混合酸化物を触媒として正極に添加することにより、さらに良好な特性を示すことを見出した。ここで、アルカリ土類金属イオンとしては、例えば、カルシウム(Ca)イオン、ストロンチウム(Sr)イオン、バリウム(Ba)イオンのいずれかのイオンを用いる。   Further, by mixing iron (Fe) ions, nickel (Ni) ions, and lanthanum (La) ions, or iron (Fe) ions, nickel (Ni) ions, lanthanum (La) ions, and alkaline earth metals. It has been found that by mixing the ions, the resulting mixed oxide is added to the positive electrode as a catalyst, thereby showing even better characteristics. Here, as the alkaline earth metal ion, for example, any of calcium (Ca) ion, strontium (Sr) ion, and barium (Ba) ion is used.

特に、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオン、ランタン(La)イオン、アルカリ土類金属イオン(例えば、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)のいずれかのイオン)のモル数を、それぞれ、NFe、NNi、NLa、NMと表現したとき(ただし、触媒として、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとランタン(La)イオンのみを用いる場合には、NM=0)、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとランタン(La)イオンとアルカリ土類金属イオンとの各金属イオンのモル比を、
(NFe+NNi):(NLa+NM) = 1:1
となるように混合することにより、ペロブスカイト(perovskite)型酸化物のみが得られる場合には、さらに充電電圧が低くなり、充放電サイクル特性がさらに向上することを見出した。中でも、アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウム(Sr)イオンを用いる場合、最も優れた特性を示すことを見出した。
In particular, moles of iron (Fe) ion, nickel (Ni) ion, lanthanum (La) ion, alkaline earth metal ion (for example, any of calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba) ions) When the numbers are expressed as NFe, NNi, NLa, and NM, respectively (however, when only iron (Fe) ions, nickel (Ni) ions, and lanthanum (La) ions are used as catalysts, NM = 0)) , The molar ratio of each metal ion of iron (Fe) ion, nickel (Ni) ion, lanthanum (La) ion and alkaline earth metal ion,
(NFe + NNi) :( NLa + NM) = 1: 1
It was found that when only a perovskite type oxide is obtained by mixing so as to satisfy the following conditions, the charge voltage is further lowered and the charge / discharge cycle characteristics are further improved. In particular, it has been found that when strontium (Sr) ions are used as alkaline earth metal ions, the most excellent characteristics are exhibited.

なお、ここで、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)のいずれか1つのアルカリ土類金属をMとし、触媒とする前記ペロブスカイト型酸化物の組成式をLaFeNiと表現したとき、(x+y) = (z+u)とすることと、前述のようにモル比を(NLa+NM):(NFe+NNi) = 1:1とすることとは、同値である。アルカリ土類金属イオン(Mイオン)を含むことなく、ランタン(La)イオンのみを鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとに混合する場合は、触媒とする前記ペロブスカイト型酸化物の組成式をLaFeNiと表現したとき、x = (z+u)とすることと、前述のように、NM=0として、モル比をNLa:(NFe+NNi) = 1:1とすることとは、同値である。 Here, the composition formula of the perovskite-type oxide using M as the alkaline earth metal of any one of calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba) is defined as La x M y Fe z. When expressed as Ni u O v , setting (x + y) = (z + u) is equivalent to setting the molar ratio to (NLa + NM) :( NFe + NNi) = 1: 1 as described above. When only lanthanum (La) ions are mixed with iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions without containing alkaline earth metal ions (M ions), the composition formula of the perovskite oxide used as a catalyst Is expressed as La x Fe z Ni u O v , x = (z + u), and as described above, NM = 0, and the molar ratio is NLa: (NFe + NNi) = 1: 1 Are equivalent.

なお、触媒の合成法については、固相法や湿式法などの従来公知の方法を用いることができるが、表面積の大きい酸化物を合成することが可能である湿式法を用いることがより望ましい。   As a catalyst synthesis method, a conventionally known method such as a solid phase method or a wet method can be used, but a wet method capable of synthesizing an oxide with a large surface area is more preferable.

また、リチウム空気二次電池の正極材料として用いるバインダーについては、前述したようなPTFE粉末の他に、PTFE分散液や、もしくは、ポリフッ化ビニリデン(PVdF:PolyVinylidene DiFluoride)の粉末やその分散液を用いることも可能である。   As the binder used as the positive electrode material of the lithium-air secondary battery, in addition to the PTFE powder as described above, a PTFE dispersion liquid, a polyvinylidene fluoride (PVdF) powder, or a dispersion liquid thereof is used. It is also possible.

また、リチウム空気二次電池の負極については、金属リチウム、または、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な物質(例えば、カーボン、シリコン(Si)、錫(Sn)、Li2.6Ni0.4Nなど)からなる負極材料等を用いることができる。しかしながら、負極材料として、最初にリチウムを含んでいないカーボンなどの化合物を用いる場合については、リチウム空気二次電池の作製前に、あらかじめ、化学的もしくは電気化学的に、リチウムを含むリチウム化カーボン(CLi)などの化合物に化学変化させておくことが必要である。 As for the negative electrode of the lithium-air secondary battery, metallic lithium or a substance capable of occluding and releasing lithium ions (for example, carbon, silicon (Si), tin (Sn), Li 2.6 Ni 0.4 ). N) or the like can be used. However, in the case of using a compound such as carbon that does not contain lithium as the negative electrode material first, prior to the production of the lithium-air secondary battery, a lithiated carbon containing lithium (chemically or electrochemically in advance) It is necessary to chemically change to a compound such as C 6 Li).

また、リチウム空気二次電池の非水電解液としては、リチウムイオンの移動が可能な非水電解液であれば良く、有機電解液や、イオン液体を使用することができる。ここで、有機電解液については、過塩素酸リチウム(LiClO)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)等の金属塩をプロピレンカーボネート(PC:Propylene Carbonate)、エチレンカーボネート(EC:Ethylene Carbonate)、ジメチルカーボネート(DMC:Dimethyl Carbonate)等の有機溶媒、もしくは、これらの混合溶媒に溶解したものを使用することができる。 Moreover, as a non-aqueous electrolyte of a lithium air secondary battery, what is necessary is just a non-aqueous electrolyte which can move lithium ion, and an organic electrolyte or an ionic liquid can be used. Here, for the organic electrolyte, metal salts such as lithium perchlorate (LiClO 4 ) and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) are used as propylene carbonate (PC: Propylene Carbonate), ethylene carbonate (EC: Ethylene Carbonate). In addition, an organic solvent such as dimethyl carbonate (DMC) or a mixture thereof can be used.

なお、リチウム空気二次電池のセパレータや電池ケース等の電池構成材料等についても、従来公知の各種材料を使用することができ、特に制限はない。   In addition, conventionally well-known various materials can be used also about battery constituent materials, such as a separator of a lithium air secondary battery, and a battery case, and there is no restriction | limiting in particular.

(実施例)
以下に、本発明に係るリチウム空気二次電池用正極とリチウム空気二次電池用正極製造方法ならびにリチウム空気二次電池についての実施例を、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例のみ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、適宜変更して実施することができることは言うまでもない。
(Example)
Examples of a positive electrode for a lithium air secondary battery, a positive electrode manufacturing method for a lithium air secondary battery, and a lithium air secondary battery according to the present invention will be described in detail below. In addition, this invention is not limited only to the Example demonstrated below, In the range which does not change the summary, it cannot be overemphasized that it can change suitably and can implement.

(実施例1)
まず、実施例1として、リチウム空気二次電池用正極に添加する触媒を、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとによって形成する場合について説明する。
Example 1
First, as Example 1, a case where a catalyst added to a positive electrode for a lithium-air secondary battery is formed by iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions will be described.

(1)リチウム空気二次電池用正極の製造方法
最初に、リチウム空気二次電池用正極の製造方法について説明する。
(1) Manufacturing method of positive electrode for lithium air secondary battery First, the manufacturing method of the positive electrode for lithium air secondary battery is demonstrated.

第1の工程において、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオンのモル数をNFe、NNiと表現したとき、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比が
(NFe:NNi) = 8:2
になるように、400mlのイオン交換水に、0.016molの硝酸鉄九水和物(Fe(NO・9HO)粉末(純度:99.0%)と0.004molの硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO・6HO)粉末(純度:99.0%)とを溶解させ、金属硝酸塩混合水溶液を得た。
In the first step, when the number of moles of iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions is expressed as NFe and NNi, the molar ratio of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions is (NFe: NNi) = 8: 2
So that, in the ion exchanged water 400 ml, iron nitrate nonahydrate 0.016mol (Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O) powder (purity: 99.0%) and 0.004mol of nickel nitrate Hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O) powder (purity: 99.0%) was dissolved to obtain a mixed metal nitrate aqueous solution.

しかる後、得られた金属硝酸塩混合水溶液に、リンゴ酸(C)粉末(純度:99.0%)を8.1g加え、撹拌しながらアンモニア水溶液をさらに加え、水溶液のpH(potential Hydrogen)があらかじめ定めた値すなわち本実施例1においては2.5になるようにした。 Thereafter, 8.1 g of malic acid (C 4 H 6 O 5 ) powder (purity: 99.0%) was added to the obtained mixed aqueous solution of metal nitrate, and an aqueous ammonia solution was further added with stirring. potential Hydrogen) is set to a predetermined value, that is, 2.5 in the first embodiment.

さらに、第2の工程において、pHが2.5の水溶液をあらかじめ定めた温度すなわち本実施例1においては170℃で撹拌しながら蒸発乾固させ、得られた前駆体をあらかじめ定めた温度・時間の条件下ですなわち本実施例1においては600℃以上、5時間の間熱処理を行うことにより、混合酸化物として酸化物触媒を得た。   Furthermore, in the second step, the aqueous solution having a pH of 2.5 is evaporated to dryness while stirring at a predetermined temperature, that is, 170 ° C. in Example 1, and the obtained precursor is heated to a predetermined temperature and time. In other words, in Example 1, heat treatment was performed at 600 ° C. or higher for 5 hours to obtain an oxide catalyst as a mixed oxide.

次いで、第3の工程において、得られた酸化物触媒に、カーボンとバインダー(PTFE粉末:polytetrafluoroethylene粉末)とを、あらかじめ定めた重量比すなわち本実施例1においては、
酸化物触媒:カーボン:PTFE = 5:3:2
の重量比となるように、混合し、ロール成形し、厚さ0.5mmのシート状電極を作製し、直径23mmの円形に切り抜くことにより、リチウム空気二次電池用の正極を得た。
Next, in the third step, carbon and binder (PTFE powder: polytetrafluoroethylene powder) are added to the obtained oxide catalyst in a predetermined weight ratio, that is, in Example 1,
Oxide catalyst: Carbon: PTFE = 5: 3: 2
The sheet electrode was mixed and roll-molded so as to have a weight ratio of 0.5 mm to produce a sheet-like electrode having a thickness of 0.5 mm and cut into a circle having a diameter of 23 mm to obtain a positive electrode for a lithium-air secondary battery.

また、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比(NFe:NNi)が(8:2)の場合のみならず、後述の表1に示すように、モル比(NFe:NNi)が(2:1)、(6:4)、(4:6)、(1:2)、(2:8)となる5種類の触媒をカーボンとバインダー(PTFE粉末)とに添加した正極についても、前述した製造方法と同様の手順で作製した。   Further, not only when the molar ratio (NFe: NNi) of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions is (8: 2), but as shown in Table 1 described later, the molar ratio (NFe: NNi) A positive electrode in which five types of catalysts having (2: 1), (6: 4), (4: 6), (1: 2), and (2: 8) are added to carbon and a binder (PTFE powder) Was also prepared in the same procedure as the manufacturing method described above.

すなわち、硝酸鉄九水和物(Fe(NO)・9HO)粉末(純度:99.0%)と硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO・6HO粉末(純度:99.0%)とを、(2:1)、(6:4)、(4:6)、(1:2)、(2:8)の各モル比(NFe:NNi)になるように、イオン交換水に溶解させ、得られた金属硝酸塩混合水溶液に、リンゴ酸(C)粉末(純度:99.0%)を加え、撹拌しながらアンモニア水溶液をさらに加え、それぞれのモル比(NFe:NNi)の水溶液のpHが2.5になるようにした。 That is, iron nitrate nonahydrate (Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O) powder (purity: 99.0%) and nickel nitrate hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O powder (purity) : 99.0%) so that the molar ratios (NFe: NNi) of (2: 1), (6: 4), (4: 6), (1: 2), and (2: 8) are obtained. In addition, malic acid (C 4 H 6 O 5 ) powder (purity: 99.0%) was added to the resulting metal nitrate mixed aqueous solution dissolved in ion-exchanged water, and an aqueous ammonia solution was further added while stirring. The pH of the aqueous solution with a molar ratio (NFe: NNi) of 2.5 was adjusted to 2.5.

しかる後、それぞれのモル比(NFe:NNi)の水溶液についても170℃で撹拌しながら蒸発乾固させ、得られた前駆体を600℃以上、5時間熱処理を行うことにより、酸化物触媒を得た。   Thereafter, the aqueous solution of each molar ratio (NFe: NNi) is also evaporated to dryness while stirring at 170 ° C., and the obtained precursor is heat-treated at 600 ° C. or more for 5 hours to obtain an oxide catalyst. It was.

得られたそれぞれの酸化物触媒に、カーボンとバインダー(PTFE粉末)とを、
酸化物触媒:カーボン:PTFE = 5:3:2
の重量比となるように、混合し、ロール成形し、厚さ0.5mmのシート状電極を作製し、直径23mmの円形に切り抜くことにより、それぞれの正極を得た。
Carbon and binder (PTFE powder) were added to each of the obtained oxide catalysts.
Oxide catalyst: Carbon: PTFE = 5: 3: 2
The resulting mixture was mixed and roll-molded to produce a sheet electrode having a thickness of 0.5 mm and cut into a circle having a diameter of 23 mm to obtain each positive electrode.

また、比較のために、表1に示すように、触媒を添加せずに、カーボン(ケッチェンブラックEC600JD)とバインダー(PTFE)とのみからなる正極についても、前述の製造方法と同様の方法によって作製した。なお、この場合のカーボンとバインダーとの重量比は6:4としている。   For comparison, as shown in Table 1, a positive electrode composed of carbon (Ketjen Black EC600JD) and a binder (PTFE) without adding a catalyst was also subjected to the same manufacturing method as described above. Produced. In this case, the weight ratio of carbon to binder is 6: 4.

(2)リチウム空気二次電池の製造方法
次に、(1)項において説明した製造方法によって製造したそれぞれのリチウム空気二次電池用正極を用いたリチウム空気二次電池の製造方法について説明する。図1は、本発明によるリチウム空気二次電池のセル構造の一例を示す断面図であり、本実施例1において製造した円柱型のリチウム空気二次電池についてそのセル構造の概略を示している。
(2) Manufacturing method of lithium air secondary battery Next, the manufacturing method of the lithium air secondary battery using each positive electrode for lithium air secondary batteries manufactured by the manufacturing method demonstrated in the (1) term is demonstrated. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a cell structure of a lithium-air secondary battery according to the present invention, and shows an outline of the cell structure of the cylindrical lithium-air secondary battery manufactured in Example 1.

図1に示すリチウム空気二次電池は、正極接合具1、電極ケース2、正極3、セパレータ4、金属リチウム負極5、負極接合具6、負極支持体7、Oリング8、負極端子9から構成されており、正極接合具1、負極接合具6、負極支持体7は、いずれも、SUS(Special Use Stainless steel:特殊用途用ステンレス鋼)製である。また、正極3に空気を取り込むための円形の空気孔の直径は16mmである。   The lithium air secondary battery shown in FIG. 1 includes a positive electrode connector 1, an electrode case 2, a positive electrode 3, a separator 4, a metal lithium negative electrode 5, a negative electrode connector 6, a negative electrode support 7, an O-ring 8, and a negative electrode terminal 9. The positive electrode connector 1, the negative electrode connector 6, and the negative electrode support 7 are all made of SUS (Special Use Stainless steel). The diameter of the circular air hole for taking air into the positive electrode 3 is 16 mm.

図1に示すリチウム空気二次電池を製造する工程は次の通りである。まず、表面をテフロン(登録商標)コーティングした電極ケース2(ただし、正極3との接触部はコーティングなし)の片側に、カーボン、触媒、バインダーからなる正極3を配置し、SUS製の正極接合具1を嵌め込むことによって正極3を固定した。ここで、正極3は、(1)項において説明したリチウム空気二次電池用正極であり、6種類のモル比(NFe:NNi)の触媒を添加した正極の場合と、比較のために作製した触媒なしのカーボン、バインダーのみからなる正極の場合との、合計7種類の正極3を有するリチウム空気二次電池を製造することになる。   The steps for manufacturing the lithium-air secondary battery shown in FIG. 1 are as follows. First, a positive electrode 3 made of carbon, a catalyst, and a binder is arranged on one side of an electrode case 2 whose surface is coated with Teflon (but no contact with the positive electrode 3). The positive electrode 3 was fixed by fitting 1. Here, the positive electrode 3 is a positive electrode for a lithium-air secondary battery described in the section (1), and was prepared for comparison with the case of a positive electrode to which six types of molar ratio (NFe: NNi) catalysts were added. A lithium-air secondary battery having a total of seven types of positive electrodes 3 in the case of a positive electrode composed of carbon without a catalyst and a binder alone is manufactured.

次に、正極3を固定した電極ケース2の正極3とは反対側に、非水電解液を注入し、さらに、セパレータ4を挿入した後、円形に切り抜いて、負極接合具6に圧着させた金属リチウム負極5を、負極支持体7とともに、該セパレータ4を電極ケース2で挟み込むようにして、嵌め込む。この結果、正極3は、一方の面が空気に接し、他方の面が非水電解液に接する状態になる。   Next, a non-aqueous electrolyte was injected on the side opposite to the positive electrode 3 of the electrode case 2 to which the positive electrode 3 was fixed. Further, after the separator 4 was inserted, the electrode case 2 was cut out into a circular shape and pressure-bonded to the negative electrode connector 6. The metallic lithium negative electrode 5 is fitted together with the negative electrode support 7 so that the separator 4 is sandwiched between the electrode cases 2. As a result, the positive electrode 3 is in a state where one surface is in contact with air and the other surface is in contact with the non-aqueous electrolyte.

さらに、Oリング8を電極ケース2に取り付けた後、負極端子9を嵌め込むことによって、リチウム空気二次電池を作製した。   Further, after attaching the O-ring 8 to the electrode case 2, the negative electrode terminal 9 was fitted into a lithium air secondary battery.

なお、非水電解液としては、有機電解液を用い、プロピレンカーボネート(PC)の溶媒に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1mol/lの濃度で溶解した溶液を使用した。また、金属リチウム負極5については、前述したように、金属リチウムの代わりに、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な物質を用いて構成するようにしても良い。 As the non-aqueous electrolyte, an organic electrolyte was used, and a solution in which lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in a propylene carbonate (PC) solvent at a concentration of 1 mol / l was used. Further, as described above, the metal lithium negative electrode 5 may be configured using a substance capable of inserting and extracting lithium ions instead of metal lithium.

(3)リチウム空気二次電池の特性評価試験
次に、(2)項において説明した製造方法によって製造した合計7種類のリチウム空気二次電池について、特性評価試験として充放電サイクル試験を行った結果について説明する。
(3) Characteristic Evaluation Test of Lithium Air Secondary Battery Next, results of conducting a charge / discharge cycle test as a characteristic evaluation test on a total of seven types of lithium air secondary batteries manufactured by the manufacturing method described in (2). Will be described.

7種類のリチウム空気二次電池それぞれについて、電流密度0.1mA/cm(大気に曝される正極3の面積で規格化した電流密度)で、放電終止電圧2.0V、充電終止電圧4.5Vの条件下で、充放電サイクル試験を行った。なお、測定結果を示す容量については、以後の比較のために、正極3に含まれるカーボン重量当たりの容量(mAh/g)を用いて記述することにする。 For each of the seven types of lithium-air secondary batteries, the discharge end voltage was 2.0 V and the charge end voltage was 4. mA at a current density of 0.1 mA / cm 2 (current density normalized by the area of the positive electrode 3 exposed to the atmosphere). A charge / discharge cycle test was performed under the condition of 5V. In addition, about the capacity | capacitance which shows a measurement result, it describes using the capacity | capacitance (mAh / g) per carbon weight contained in the positive electrode 3 for subsequent comparison.

表1は、本実施例1において作製した合計7種類のリチウム空気二次電池の各サイクル(初回、第20回目、第50回目)における放電容量の測定結果を示すテーブルである。   Table 1 is a table showing the measurement results of the discharge capacity in each cycle (first time, 20th time, 50th time) of a total of seven types of lithium-air secondary batteries produced in Example 1.

Figure 0005562204
表1に示すように、本実施例1において作製したモル比(NFe:NNi)が(8:2)、(2:1)、(6:4)、(4:6)、(1:2)、(2:8)のそれぞれの酸化物触媒添加の正極3を用いる6種類すべての電池において、リチウム空気二次電池としての良好な作動を確認したが、正極3に触媒として添加した鉄(Fe)イオンとニッケル(Niイオン)との金属硝酸塩の混合比率すなわちモル比(NFe:NNi)の違いによって、放電特性に差異があることが分かった。
Figure 0005562204
As shown in Table 1, the molar ratios (NFe: NNi) produced in Example 1 were (8: 2), (2: 1), (6: 4), (4: 6), (1: 2). ), (2: 8) In all six types of batteries using the positive electrode 3 to which the oxide catalyst was added, good operation as a lithium-air secondary battery was confirmed. It has been found that there is a difference in discharge characteristics depending on the mixing ratio of metal nitrate of Fe) ions and nickel (Ni ions), that is, the molar ratio (NFe: NNi).

特に、正極3に触媒として添加した鉄(Fe)イオンとニッケル(Niイオン)とのモル比(NFe:NNi)が、(2:1)または(1:2)の場合に、極めて良好な放電特性を示している。   Particularly, when the molar ratio (NFe: NNi) of iron (Fe) ions and nickel (Ni ions) added to the positive electrode 3 as a catalyst is (2: 1) or (1: 2), extremely good discharge The characteristics are shown.

すなわち、FeNiスピネル型酸化物のみが得られる鉄(Fe)イオンとニッケル(Niイオン)とのモル比(NFe:NNi)が(2:1)のときには、初回放電容量が1720mAh/g、第20回目放電容量が1593mAh/g、第50回目放電容量が1233mAh/gと、7種類のリチウム空気二次電池の中では、最も大きな放電容量を示した。 That is, when the molar ratio (NFe: NNi) of iron (Fe) ions to nickel (Ni ions) from which only FeNi 2 O 4 spinel type oxide is obtained is (2: 1), the initial discharge capacity is 1720 mAh / g. The 20th discharge capacity was 1593 mAh / g, and the 50th discharge capacity was 1233 mAh / g, showing the largest discharge capacity among the seven types of lithium air secondary batteries.

また、NiFeスピネル型酸化物のみが得られる鉄(Fe)イオンとニッケル(Niイオン)とのモル比(NFe:NNi)が(1:2)のときにも、初回放電容量が1663mAh/g、第20回目放電容量が1501mAh/g、第50回目放電容量が1212mAh/gと、7種類のリチウム空気二次電池の中では、第2番目に大きな放電容量を示した。 Further, when the molar ratio (NFe: NNi) of iron (Fe) ions to nickel (Ni ions) from which only NiFe 2 O 4 spinel type oxide is obtained is (1: 2), the initial discharge capacity is 1663 mAh. Among the seven types of lithium air secondary batteries, the 20th discharge capacity was 1501 mAh / g and the 50th discharge capacity was 1212 mAh / g, showing the second largest discharge capacity.

なお、比較のために作製した、触媒を添加しないで、カーボン単独(つまりカーボンとバインダーのみ)の正極3の場合は、初回放電容量こそ2031mAh/gと大きいが、第20回目放電容量が7mAh/g、第50回目放電容量が0mAh/gと、充放電サイクルを繰り返すと、放電容量が激減することが分かった。   In addition, in the case of the positive electrode 3 made of carbon alone (that is, only carbon and binder) without adding a catalyst, the initial discharge capacity is as large as 2031 mAh / g, but the 20th discharge capacity is 7 mAh / g. g, It was found that when the 50th discharge capacity was 0 mAh / g and the charge / discharge cycle was repeated, the discharge capacity drastically decreased.

本実施例1のモル比(NFe:NNi)が(2:1)および(1:2)の触媒を添加した正極3を用いたリチウム空気二次電池、および、触媒なしでカーボン単独からなる正極3を用いたリチウム空気二次電池について、それぞれの初回の充放電時の充放電曲線を、図2に曲線(a)、(b)、(c)として示している。ここに、図2は、本発明によるリチウム空気二次電池の初回充放電時の充放電曲線の一例を示す特性図であり、本実施例1のみならず、後述する実施例2、比較例1および2についても示している。なお、図2の横軸は充放電容量(Capacity)であり、縦軸は電池電圧(Voltage)である。   A lithium-air secondary battery using a positive electrode 3 to which a catalyst having a molar ratio (NFe: NNi) of Example 1 of (2: 1) and (1: 2) was added, and a positive electrode made of carbon alone without a catalyst For the lithium air secondary battery using No. 3, the charge / discharge curves at the first charge / discharge are shown as curves (a), (b), and (c) in FIG. FIG. 2 is a characteristic diagram showing an example of a charge / discharge curve at the time of initial charge / discharge of the lithium-air secondary battery according to the present invention. Not only this Example 1, but also Example 2 and Comparative Example 1 described later are shown. And 2 are also shown. In FIG. 2, the horizontal axis represents charge / discharge capacity (Capacity), and the vertical axis represents battery voltage (Voltage).

図2において、本実施例1のモル比(NFe:NNi)が(2:1)の触媒を添加した正極を用いた場合、曲線(a)に示すように、放電時においては平均電圧が約2.75Vであり、放電容量は1720mAh/gを示した。また、充電時においては平均電圧が4.10Vであり、充電容量は1593mAh/gを示した。   In FIG. 2, when using a positive electrode to which a catalyst having a molar ratio (NFe: NNi) of Example 1 of (2: 1) is used, the average voltage is approximately about during discharge, as shown by curve (a). The discharge capacity was 1720 mAh / g. During charging, the average voltage was 4.10 V and the charging capacity was 1593 mAh / g.

また、本実施例1のモル比(NFe:NNi)が(1:2)の触媒を添加した正極を用いた場合、曲線(b)に示すように、放電時においては平均電圧が約2.70Vであり、放電容量は1663mAh/gを示した。また、充電時においては平均電圧が4.10Vであり、充電容量は1751mAh/gを示した。   In addition, when a positive electrode to which a catalyst having a molar ratio (NFe: NNi) of Example 1 of (1: 2) was used was used, as shown in the curve (b), the average voltage was about 2. The discharge capacity was 1663 mAh / g. During charging, the average voltage was 4.10 V, and the charging capacity was 1751 mAh / g.

これらに対して、触媒なしでカーボン単独の正極を用いた場合、曲線(c)に示すように、放電時においては平均電圧が約2.70Vであり、放電容量は2031mAh/gを示した。また、充電時においては平均電圧が4.30Vと高い電圧値であり、充電容量は451mAh/gと著しく低い値を示した。   On the other hand, when a positive electrode made of carbon alone without a catalyst was used, as shown in the curve (c), the average voltage during discharge was about 2.70 V, and the discharge capacity was 2031 mAh / g. Further, during charging, the average voltage was a high voltage value of 4.30 V, and the charging capacity was a remarkably low value of 451 mAh / g.

本実施例1においては、表1および図2に示すように、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比(NFe:NNi)が(8:2)、(2:1)、(6:4)、(4:6)、(1:2)、(2:8)それぞれの触媒を添加したすべての場合について、良好な充放電サイクル特性を示したが、モル比(NFe:NNi)が(8:2)、(6:4)、(4:6)、(2:8)の場合のように、複数の酸化物触媒が得られる場合に比べ、(2:1)、(1:2)の場合のスピネル型酸化物(NiFe、FeNi)のみの触媒が得られる場合には、特に、充電電圧が低く、かつ、充放電容量も大きく、最も良好な充放電サイクル特性を示した。 In Example 1, as shown in Table 1 and FIG. 2, the molar ratio (NFe: NNi) of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions is (8: 2), (2: 1), In all cases where the catalysts (6: 4), (4: 6), (1: 2), and (2: 8) were added, good charge / discharge cycle characteristics were shown, but the molar ratio (NFe: NNi) is (2: 1) compared to the case where a plurality of oxide catalysts are obtained as in (8: 2), (6: 4), (4: 6), and (2: 8). When the catalyst of only the spinel type oxide (NiFe 2 O 4 , FeNi 2 O 4 ) in the case of (1: 2) is obtained, the charging voltage is low and the charge / discharge capacity is also large and the best. The charge / discharge cycle characteristics were shown.

また、触媒なしでカーボン単独の正極と比較して、初回放電時においては、放電容量がやや低い値になっているが、触媒を添加することにより、充電電圧が低下し、充放電サイクル特性も大幅に向上した。これは、触媒を正極に添加することにより、正極のガス拡散性、導電性、濡れ性などが変化したため、初回の放電容量は減少するものの、鉄(Fe)とニッケル(Ni)との混合酸化物が、酸素発生に対して高い活性を有しており、充電時における放電生成物の分解を促進することができるため、充電電圧が低下し、充放電サイクル特性が向上したものと考えることができる。   In addition, compared with the positive electrode of carbon alone without a catalyst, the discharge capacity is slightly lower at the time of the first discharge, but by adding a catalyst, the charging voltage is lowered and the charge / discharge cycle characteristics are also improved. Greatly improved. This is because the addition of a catalyst to the positive electrode changed the gas diffusivity, conductivity, wettability, etc. of the positive electrode, so the initial discharge capacity decreased, but mixed oxidation of iron (Fe) and nickel (Ni). It can be considered that the product has a high activity for oxygen generation and can promote the decomposition of the discharge product at the time of charging, so that the charging voltage is lowered and the charge / discharge cycle characteristics are improved. it can.

(実施例2)
次に、実施例2として、リチウム空気二次電池用正極に添加する触媒を、実施例1の場合の鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとに、さらに、ランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンとを追加した混合酸化物によって形成する場合について説明する。
(Example 2)
Next, as Example 2, the catalyst to be added to the positive electrode for the lithium-air secondary battery was changed to iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions in the case of Example 1, and further lanthanum (La) ions and strontium. A case of forming with a mixed oxide added with (Sr) ions will be described.

(1)リチウム空気二次電池用正極の製造方法
最初に、本実施例2におけるリチウム空気二次電池用正極の製造方法について説明する。
(1) Manufacturing method of positive electrode for lithium air secondary battery First, the manufacturing method of the positive electrode for lithium air secondary battery in the present Example 2 is demonstrated.

まず、第1の工程において、実施例1の場合と同様に、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオンのモル数をNFe、NNiと表現したとき、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比が
(NFe:NNi) = 8:2
になるように、400mlのイオン交換水に、0.016molの硝酸鉄九水和物(Fe(NO・9HO)粉末(純度:99.0%)と0.004molの硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO・6HO)粉末(純度:99.0%)とを溶解させ、金属硝酸塩混合水溶液を得た。
First, in the first step, as in Example 1, when the number of moles of iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions is expressed as NFe and NNi, iron (Fe) ions and nickel (Ni) The molar ratio with ions is (NFe: NNi) = 8: 2.
So that, in the ion exchanged water 400 ml, iron nitrate nonahydrate 0.016mol (Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O) powder (purity: 99.0%) and 0.004mol of nickel nitrate Hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O) powder (purity: 99.0%) was dissolved to obtain a mixed metal nitrate aqueous solution.

さらに、本実施例2においては、ランタン(La)イオン、ストロンチウム(Sr)イオンのモル数をNLa、NSrと表現したとき、ランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンとのモル比が
(NLa:NSr) = 6:4
になるように、前記金属硝酸塩混合水溶液に、0.03molの硝酸ランタン六水和物(La(NO・6HO)粉末(純度:99.99%)と0.02molの硝酸ストロンチウム(Sr(NO)粉末(純度:99.0%)とをさらに溶解させ、最終的に、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンとのモル比の関係が
(NFe+NNi):(NLa+NSr) = 1:1
となる金属硝酸塩混合水溶液を得た。
Furthermore, in Example 2, when the number of moles of lanthanum (La) ions and strontium (Sr) ions is expressed as NLa and NSr, the molar ratio of lanthanum (La) ions to strontium (Sr) ions is (NLa : NSr) = 6: 4
So that, in the metal nitrate mixed aqueous solution, lanthanum nitrate hexahydrate 0.03mol (La (NO 3) 3 · 6H 2 O) powder (purity: 99.99%) and strontium nitrate 0.02mol (Sr (NO 3 ) 2 ) powder (purity: 99.0%) is further dissolved, and finally, iron (Fe) ions, nickel (Ni) ions, lanthanum (La) ions, and strontium (Sr) ions (NFe + NNi) :( NLa + NSr) = 1: 1
A metal nitrate mixed aqueous solution was obtained.

しかる後、最終的に得られた金属硝酸塩混合水溶液に、実施例1の場合と同様、リンゴ酸(C)粉末(純度:99.0%)を8.1g加え、撹拌しながらアンモニア水溶液をさらに加え、水溶液のpH(potential Hydrogen)が実施例1の場合と同じ2.5になるようにした。 Thereafter, 8.1 g of malic acid (C 4 H 6 O 5 ) powder (purity: 99.0%) was added to the finally obtained metal nitrate mixed aqueous solution as in Example 1, and the mixture was stirred. Then, an aqueous ammonia solution was further added so that the pH (potential Hydrogen) of the aqueous solution was 2.5 as in the case of Example 1.

さらに、第2の工程において、実施例1の場合と同様、pHが2.5の前記水溶液を170℃で撹拌しながら蒸発乾固させ、得られた前駆体を600℃以上、5時間熱処理を行うことにより、混合酸化物として酸化物触媒を得た。   Furthermore, in the second step, as in Example 1, the aqueous solution having a pH of 2.5 was evaporated to dryness while stirring at 170 ° C., and the obtained precursor was heat-treated at 600 ° C. or more for 5 hours. As a result, an oxide catalyst was obtained as a mixed oxide.

次いで、第3の工程において、得られた酸化物触媒に、実施例1の場合と同様、カーボンとバインダー(PTFE粉末)とを、
酸化物触媒:カーボン:PTFE = 5:3:2
の重量比となるように、混合し、ロール成形し、厚さ0.5mmのシート状電極を作製し、直径23mmの円形に切り抜くことにより、リチウム空気二次電池用の正極を得た。
Next, in the third step, carbon and a binder (PTFE powder) are added to the obtained oxide catalyst in the same manner as in Example 1.
Oxide catalyst: Carbon: PTFE = 5: 3: 2
The sheet electrode was mixed and roll-molded so as to have a weight ratio of 0.5 mm to produce a sheet-like electrode having a thickness of 0.5 mm and cut into a circle having a diameter of 23 mm to obtain a positive electrode for a lithium-air secondary battery.

また、本実施例2における第1の工程においては、ランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンとのモル比(NLa:NSr)が(6:4)の場合のみならず、後述の表2に示すように、モル比(NLa:NSr)が(10:0)、(8:2)、(4:6)、(2:8)となる4種類についても調合し、モル比(NLa:NSr)が(10:0)、(8:2)、(6:4)、(4:6)、(2:8)となる合計5種類のそれぞれの場合において、モル比が(NFe:NNi)=(8:2)の鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとに対して、ランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンとのモル比の関係が、
(NFe+NNi):(NLa+NSr) = 1:2、1:1、2:1
との3種類の関係となるそれぞれの金属硝酸塩混合水溶液を調合した。
Further, in the first step in Example 2, not only the molar ratio (NLa: NSr) of lanthanum (La) ions to strontium (Sr) ions is (6: 4), but also Table 2 described later. As shown in Fig. 4, the four kinds of molar ratios (NLa: NSr) of (10: 0), (8: 2), (4: 6), and (2: 8) were also prepared, and the molar ratio (NLa: In each of the five cases in total where NSr) is (10: 0), (8: 2), (6: 4), (4: 6), (2: 8), the molar ratio is (NFe: NNi). ) = (8: 2) The ratio of the molar ratio of lanthanum (La) ion to strontium (Sr) ion with respect to iron (Fe) ion and nickel (Ni) ion,
(NFe + NNi) :( NLa + NSr) = 1: 2, 1: 1, 2: 1
The respective metal nitrate mixed aqueous solutions having the three types of relationships were prepared.

しかる後、調合した15種類それぞれの金属硝酸塩混合水溶液に、リンゴ酸(C)粉末(純度:99.0%)を加え、撹拌しながらアンモニア水溶液をさらに加え、それぞれのモル比{(NLa:NSr)および(NFe+NNi):(NLa:NSr)}の水溶液のpHが実施例1の場合と同じ2.5になるようにした。 Thereafter, malic acid (C 4 H 6 O 5 ) powder (purity: 99.0%) was added to each of the 15 mixed metal nitrate mixed aqueous solutions, and an aqueous ammonia solution was further added while stirring. The pH of the aqueous solution of {(NLa: NSr) and (NFe + NNi) :( NLa: NSr)} was set to 2.5, the same as in Example 1.

さらに、第2の工程において、それぞれのモル比{(NLa:NSr)および(NFe+NNi):(NLa:NSr)}の水溶液についても、実施例1の場合と同様、170℃で撹拌しながら蒸発乾固させ、得られた前駆体を600℃以上、5時間熱処理を行うことにより、酸化物触媒を得た。   Furthermore, in the second step, the aqueous solutions of the respective molar ratios {(NLa: NSr) and (NFe + NNi) :( NLa: NSr)} were also evaporated to dryness while stirring at 170 ° C. as in Example 1. The oxide precursor was obtained by solidifying and heat-treating the obtained precursor at 600 ° C. or more for 5 hours.

次いで、第3の工程において、実施例1の場合と同様、得られたそれぞれの酸化物触媒に、カーボンとバインダー(PTFE粉末)とを、
酸化物触媒:カーボン:PTFE = 5:3:2
の重量比となるように、混合し、ロール成形し、厚さ0.5mmのシート状電極を作製し、直径23mmの円形に切り抜くことにより、それぞれの正極(リチウム空気二次電池用正極)を得た。
Next, in the third step, as in Example 1, carbon and a binder (PTFE powder) were added to each of the obtained oxide catalysts.
Oxide catalyst: Carbon: PTFE = 5: 3: 2
Are mixed, roll-molded to produce a sheet-like electrode having a thickness of 0.5 mm, and each positive electrode (positive electrode for a lithium-air secondary battery) is cut out into a circle having a diameter of 23 mm. Obtained.

しかる後、実施例1と同様の製造方法によって、図1に示した断面構造を有するリチウム空気二次電池を、それぞれのリチウム空気二次電池用正極を用いて、作製した。   Thereafter, the lithium-air secondary battery having the cross-sectional structure shown in FIG. 1 was produced by the same manufacturing method as in Example 1, using the respective positive electrodes for the lithium-air secondary battery.

(2)リチウム空気二次電池の特性評価試験
次に、(1)項において説明した製造方法によって製造した合計15種類のリチウム空気二次電池について、特性評価試験として充放電サイクル試験を行った結果について説明する。
(2) Lithium-air secondary battery characteristic evaluation test Next, a result of conducting a charge / discharge cycle test as a characteristic evaluation test on a total of 15 types of lithium-air secondary batteries manufactured by the manufacturing method described in (1). Will be described.

15種類のリチウム空気二次電池それぞれについては、実施例1の場合と同様の測定方法を用いて、すなわち、電流密度0.1mA/cm(大気に曝される正極3の面積で規格化した電流密度)で、放電終止電圧2.0V、充電終止電圧4.5Vの条件下で、充放電サイクル試験を行った。また、本実施例2の測定結果を示す容量についても、実施例1の場合と同様、正極3に含まれるカーボン重量当たりの容量(mAh/g)を用いて記述することにする。 For each of the 15 types of lithium-air secondary batteries, the same measurement method as in Example 1 was used, that is, a current density of 0.1 mA / cm 2 (normalized by the area of the positive electrode 3 exposed to the atmosphere). Current density), a charge / discharge cycle test was performed under the conditions of a discharge end voltage of 2.0 V and a charge end voltage of 4.5 V. The capacity indicating the measurement result of Example 2 is also described using the capacity per unit weight of carbon (mAh / g) contained in the positive electrode 3 as in Example 1.

なお、酸化物触媒について、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとに対して、ランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンとのモル比の関係が、{(NFe+NNi):(NLa+NSr)}が(1:1)の関係にあるときには、ペロブスカイト(perovskite)型酸化物のみが得られる。   For the oxide catalyst, the relationship of the molar ratio of lanthanum (La) ion to strontium (Sr) ion with respect to iron (Fe) ion and nickel (Ni) ion is {(NFe + NNi) :( When NLa + NSr)} is in a (1: 1) relationship, only perovskite type oxides are obtained.

例えば、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比(NFe:NNi)が(8:2)、ランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンとのモル比(NLa:NSr)が(6:4)であった場合に、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオンに対するランタン(La)イオン、ストロンチウム(Sr)イオンのモル比の関係{(NFe+NNi):(NLa+NSr)}が(1:1)の関係となるような金属硝酸塩混合水溶液に、リンゴ酸(C)粉末(純度:99.0%)を8.1g加え、撹拌しながらアンモニア水溶液をさらに加え、水溶液のpHが2.5になるようにし、しかる後、pHが2.5の水溶液を170℃で撹拌しながら蒸発乾固させて得られた前駆体を600℃以上、5時間熱処理を行うことによって、(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)という組成からなるペロブスカイト型酸化物の触媒が得られる。 For example, the molar ratio of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions (NFe: NNi) is (8: 2), and the molar ratio of lanthanum (La) ions to strontium (Sr) ions (NLa: NSr) is In the case of (6: 4), the relationship {(NFe + NNi) :( NLa + NSr)} of the molar ratio of lanthanum (La) ions and strontium (Sr) ions to iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions is ( 1: 1) Malic acid (C 4 H 6 O 5 ) powder (purity: 99.0%) is added to a metal nitrate mixed aqueous solution that has a relationship of 1: 1), and an aqueous ammonia solution is further added with stirring. The pH of the aqueous solution was adjusted to 2.5, and then the precursor obtained by evaporating and drying the aqueous solution having a pH of 2.5 while stirring at 170 ° C. was subjected to heat treatment at 600 ° C. or more for 5 hours. Thus, a perovskite oxide catalyst having a composition of (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) can be obtained.

図3は、本発明によるリチウム空気二次電池の正極の触媒として用いたペロブスカイト型酸化物(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)のXRDパターンを示す特性図である。図3のXRDパターンに示すように、前述のような製造方法によって得られた酸化物を正極の触媒として添加したリチウム空気二次電池については、(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)という組成からなるペロブスカイト型酸化物のみを正極に含有していることを示している。 FIG. 3 is a characteristic diagram showing an XRD pattern of a perovskite oxide (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) used as a catalyst for a positive electrode of a lithium-air secondary battery according to the present invention. It is. As shown in the XRD pattern of FIG. 3, the lithium-air secondary battery to which the oxide obtained by the above-described manufacturing method is added as a positive electrode catalyst is expressed as (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8). It shows that the positive electrode contains only a perovskite oxide having a composition of Ni 0.2 O 3 ).

表2は、本実施例2において作製した合計15種類のリチウム空気二次電池の各サイクル(初回、第20回目、第50回目)における放電容量の測定結果を示すテーブルである。   Table 2 is a table showing the measurement results of the discharge capacity in each cycle (first time, 20th time, 50th time) of a total of 15 types of lithium-air secondary batteries produced in Example 2.

Figure 0005562204
表2に示すように、本実施例2において作製した、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比(NFe:NNi)が(8:2)であり、かつ、ランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンとのモル比(NLa:NSr)が(10:0)、(8:2)、(6:4)、(4:6)、(2:8)のそれぞれにおいて、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオンに対するランタン(La)イオン、ストロンチウム(Sr)イオンのモル比の関係{(NFe+NNi):(NLa+NSr)}が、(1:2)、(1:1)、(2:1)のそれぞれの酸化物触媒添加の正極を用いた15種類すべての電池において、酸化物触媒がペロブスカイト型酸化物であるか否かによらず、リチウム空気二次電池としての良好な作動を確認することができた。
Figure 0005562204
As shown in Table 2, the molar ratio (NFe: NNi) of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions produced in Example 2 is (8: 2), and lanthanum (La) In each of the molar ratio of ions to strontium (Sr) ions (NLa: NSr) (10: 0), (8: 2), (6: 4), (4: 6), (2: 8), The relationship of the molar ratio of lanthanum (La) ion and strontium (Sr) ion to iron (Fe) ion and nickel (Ni) ion {(NFe + NNi) :( NLa + NSr)} is (1: 2), ( In all 15 types of batteries using the positive electrode with the addition of the oxide catalyst (1: 1) and (2: 1), the lithium-air secondary battery is used regardless of whether the oxide catalyst is a perovskite oxide. Confirm good operation as a battery It could be.

しかし、中でも、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比(NFe:NNi)が(8:2)であり、かつ、ランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンとのモル比(NLa:NSr)が(6:4)であり、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオンに対するランタン(La)イオン、ストロンチウム(Sr)イオンのモル比の関係{(NFe+NNi):(NLa+NSr)}が(1:1)の関係になる場合には、すなわち、(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)という組成のペロブスカイト型酸化物触媒のみが得られる場合には、最も良好な放電特性を示している。 However, among them, the molar ratio of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions (NFe: NNi) is (8: 2), and the molar ratio of lanthanum (La) ions to strontium (Sr) ions. (NLa: NSr) is (6: 4), and the relationship of the molar ratio of lanthanum (La) ion and strontium (Sr) ion to iron (Fe) ion and nickel (Ni) ion {(NFe + NNi) :( NLa + NSr)} has a relationship of (1: 1), that is, only a perovskite oxide catalyst having a composition of (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) Is obtained, the best discharge characteristics are shown.

ペロブスカイト型酸化物(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)触媒のみが得られる正極を用いたリチウム空気二次電池の初回充放電時における充放電曲線を、実施例1において前述した図2の曲線(d)として示している。 A charge / discharge curve at the time of the first charge / discharge of a lithium air secondary battery using a positive electrode from which only a perovskite type oxide (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) catalyst is obtained This is shown as the curve (d) in FIG.

図2の曲線(d)に示すように、正極の触媒としてペロブスカイト型酸化物(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)のみを含有する場合、放電時においては平均電圧が約2.75Vであり、放電容量は2295mAh/gを示した。また、充電時においては平均電圧が3.85Vであり、充電容量は2647mAh/gを示した。 As shown in the curve (d) of FIG. 2, when only the perovskite oxide (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) is contained as a positive electrode catalyst, The average voltage was about 2.75 V, and the discharge capacity was 2295 mAh / g. During charging, the average voltage was 3.85 V and the charging capacity was 2647 mAh / g.

つまり、本実施例2においては、表2および図2に示すように、実施例1において良好な特性を示した鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比(NFe:NNi)が(8:2)の金属硝酸塩混合水溶液に、さらに、ランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンの金属硝酸塩を混合することによって得られる触媒を正極に用いることによって、リチウム空気二次電池のさらなる充電電圧の低下、充放電サイクル特性の改善が可能となることが確認された。   That is, in Example 2, as shown in Table 2 and FIG. 2, the molar ratio (NFe: NNi) of iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions, which showed good characteristics in Example 1, is The catalyst obtained by mixing the metal nitrate mixed aqueous solution of (8: 2) with a metal nitrate of lanthanum (La) ion and strontium (Sr) ion is further used for the positive electrode of the lithium air secondary battery. It was confirmed that the charge voltage can be lowered and the charge / discharge cycle characteristics can be improved.

特に、金属硝酸塩混合水溶液におけるランタン(La)イオンとストロンチウム(Sr)イオンとのモル比(NLa:NSr)が(6:4)であり、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオンに対するランタン(La)イオン、ストロンチウム(Sr)イオンのモル比の関係{(NFe+NNi):(NLa+NSr)}が(1:1)の場合には、(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)という組成の酸化物触媒のみが得られる。かかる組成の酸化物触媒のみを含有する正極を用いることによって、平均の充電電圧が3.85Vと最も低くなり、さらに、第50回目の充放電サイクル試験後においても、表2に示すように、1000mAh/gを遥かに上回る1798mAh/gという放電容量を有するなど、非常に良好な特性を示している。 In particular, the molar ratio (NLa: NSr) of lanthanum (La) ions to strontium (Sr) ions in the metal nitrate mixed aqueous solution is (6: 4), and lanthanum with respect to iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions ( La) ions, the relationship of the molar ratio of strontium (Sr) ions {(NFe + NNi) :( NLa + nSr)} is (1: in the case of 1), (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0 . Only an oxide catalyst with a composition of 8 Ni 0.2 O 3 ) is obtained. By using a positive electrode containing only an oxide catalyst having such a composition, the average charging voltage is 3.85 V, which is the lowest, and even after the 50th charge / discharge cycle test, as shown in Table 2, It has very good characteristics, such as having a discharge capacity of 1798 mAh / g, far exceeding 1000 mAh / g.

これは、正極に添加された(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)という組成の酸化物触媒がペロブスカイト型構造を形成することにより、遷移金属の混合原子価状態や酸素欠陥が格子内に導入されて、触媒の活性化が向上し、而して、正極の特性が改善されたためと考えることができる。 This is because the mixed metal valence of the transition metal is obtained when the oxide catalyst having the composition of (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) added to the positive electrode forms a perovskite structure. It can be considered that the state and oxygen defects are introduced into the lattice, the activation of the catalyst is improved, and the characteristics of the positive electrode are improved.

よって、以上の特性評価結果により、正極に混合する触媒として、鉄(Fe)やニッケル(Ni)の混合物を用いることが好ましく、さらに、ランタン(La)やストロンチウム(Sr)を混合することにより、充放電サイクル特性をさらに向上させることができる。中でも、混合する金属イオンのモル比の関係{(NFe+NNi):(NLa+NSr)}が(1:1)となるようなペロブスカイト型酸化物を正極の触媒として用いることが好ましい。   Therefore, from the above characteristic evaluation results, it is preferable to use a mixture of iron (Fe) and nickel (Ni) as a catalyst to be mixed with the positive electrode, and further, by mixing lanthanum (La) and strontium (Sr), Charge / discharge cycle characteristics can be further improved. Among them, it is preferable to use a perovskite oxide having a molar ratio of mixed metal ions {(NFe + NNi) :( NLa + NSr)} of (1: 1) as a catalyst for the positive electrode.

(実施例3)
次に、実施例3として、実施例2のリチウム空気二次電池用正極に添加する触媒として最も良好な特性を示した、(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)という組成のペロブスカイト型酸化物において、ストロンチウム(Sr)が属するアルカリ土類金属をMと表現すると、ストロンチウム(Sr)以外の同様のアルカリ土類金属(M)に属するカルシウム(Ca)とバリウム(Ba)とのそれぞれのイオン(Mイオン=カルシウム(Ca)イオン、バリウム(Ba)イオン)によって、ストロンチウム(Sr)イオンの置換を行った場合について説明する。
(Example 3)
Next, as Example 3, the best characteristics as a catalyst to be added to the positive electrode for a lithium-air secondary battery of Example 2 were shown. (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) In the perovskite type oxide having a composition of 3 ), when the alkaline earth metal to which strontium (Sr) belongs is expressed as M, calcium (Ca) and barium belonging to the same alkaline earth metal (M) other than strontium (Sr) A case where strontium (Sr) ions are replaced by respective ions (M ions = calcium (Ca) ions, barium (Ba) ions) with (Ba) will be described.

(1)リチウム空気二次電池用正極の製造方法
最初に、本実施例3におけるリチウム空気二次電池用正極の製造方法について説明する。
(1) Manufacturing method of positive electrode for lithium air secondary battery First, the manufacturing method of the positive electrode for lithium air secondary battery in the present Example 3 is demonstrated.

まず、第1の工程において、実施例2の場合と同様の方法を用いて、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオン、ランタン(La)イオン、カルシウム(Ca)イオン、バリウム(Ba)イオンのモル数をそれぞれNFe、NNi、NLa、NSr、NBaと表現したとき、次の2種類の金属硝酸塩混合水溶液を調合した。   First, in the first step, using the same method as in Example 2, iron (Fe) ions, nickel (Ni) ions, lanthanum (La) ions, calcium (Ca) ions, barium (Ba) ions Are expressed as NFe, NNi, NLa, NSr, and NBa, the following two types of metal nitrate mixed aqueous solutions were prepared.

すなわち、まず、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比が
(NFe:NNi) = 8:2
になり、かつ、ランタン(La)イオンとカルシウム(Ca)イオンとのモル比が
(NLa:NCa) = 6:4
になり、かつ、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとランタン(La)イオンとカルシウム(Ca)イオンとのモル比の関係が
(NFe+NNi):(NLa+NCa) = 1:1
となる金属硝酸塩混合水溶液を調合した。
That is, first, the molar ratio of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions is (NFe: NNi) = 8: 2.
And the molar ratio of lanthanum (La) ion to calcium (Ca) ion is (NLa: NCa) = 6: 4
And the relationship of the molar ratio of iron (Fe) ion, nickel (Ni) ion, lanthanum (La) ion and calcium (Ca) ion is (NFe + NNi) :( NLa + NCa) = 1: 1
A metal nitrate mixed aqueous solution was prepared.

同様に、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比が
(NFe:NNi) = 8:2
になり、かつ、ランタン(La)イオンとバリウム(Ba)イオンとのモル比が
(NLa:NBa) = 6:4
になり、かつ、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとランタン(La)イオンとバリウム(Ba)イオンとのモル比の関係が
(NFe+NNi):(NLa+NBa) = 1:1
となる金属硝酸塩混合水溶液を調合した。
Similarly, the molar ratio of iron (Fe) ions to nickel (Ni) ions is (NFe: NNi) = 8: 2.
And the molar ratio of lanthanum (La) ions to barium (Ba) ions is (NLa: NBa) = 6: 4
And the relationship of the molar ratio of iron (Fe) ion, nickel (Ni) ion, lanthanum (La) ion and barium (Ba) ion is (NFe + NNi) :( NLa + NBa) = 1: 1
A metal nitrate mixed aqueous solution was prepared.

しかる後、得られた2種類の金属硝酸塩混合水溶液それぞれに、実施例1の場合と同様、リンゴ酸(C)粉末(純度:99.0%)を8.1g加え、撹拌しながらアンモニア水溶液をさらに加え、水溶液のpH(potential Hydrogen)が実施例1の場合と同じ2.5になるようにした。 Thereafter, 8.1 g of malic acid (C 4 H 6 O 5 ) powder (purity: 99.0%) was added to each of the obtained two mixed aqueous metal nitrate solutions as in Example 1, and the mixture was stirred. While further adding an aqueous ammonia solution, the pH (potential Hydrogen) of the aqueous solution was adjusted to 2.5, the same as in Example 1.

さらに、第2の工程において、実施例1の場合と同様、pHが2.5のこれらの2種類の水溶液それぞれを170℃で撹拌しながら蒸発乾固させ、得られた前駆体を600℃以上、5時間熱処理を行うことにより、2種類の混合酸化物として、それぞれの酸化物触媒を得た。   Furthermore, in the second step, as in Example 1, each of these two aqueous solutions having a pH of 2.5 was evaporated to dryness while stirring at 170 ° C., and the resulting precursor was 600 ° C. or higher. By performing heat treatment for 5 hours, respective oxide catalysts were obtained as two types of mixed oxides.

次いで、第3の工程において、実施例1の場合と同様、得られた2種類の酸化物触媒それぞれに、カーボンとバインダー(PTFE粉末)とを、
酸化物触媒:カーボン:PTFE = 5:3:2
の重量比となるように、混合し、ロール成形し、厚さ0.5mmのシート状電極を作製し、直径23mmの円形に切り抜くことにより、2種類の正極(リチウム空気二次電池用正極)を得た。
Next, in the third step, as in Example 1, carbon and a binder (PTFE powder) were added to each of the two types of oxide catalysts obtained.
Oxide catalyst: Carbon: PTFE = 5: 3: 2
Two types of positive electrodes (positive electrodes for lithium-air secondary batteries) are prepared by mixing, roll-molding to produce a sheet-like electrode having a thickness of 0.5 mm, and cutting out into a circle having a diameter of 23 mm. Got.

しかる後、実施例1と同様の製造方法によって、図1に示した断面構造を有するリチウム空気二次電池を、それぞれのリチウム空気二次電池用正極を用いて、作製した。   Thereafter, the lithium-air secondary battery having the cross-sectional structure shown in FIG. 1 was produced by the same manufacturing method as in Example 1, using the respective positive electrodes for the lithium-air secondary battery.

(2)リチウム空気二次電池の特性評価試験
まず、(1)項において説明した製造方法によって製造した2種類のリチウム空気二次電池用の正極の触媒として用いた、前述のような2種類の混合酸化物(La0.6Ca0.4Fe0.8Ni0.2、La0.6Ba0.4Fe0.8Ni0.2)についてXRDパターン測定による結晶構造の測定を行った。測定したXRDパターンは、2種類の混合酸化物(La0.6Ca0.4Fe0.8Ni0.2、La0.6Ba0.4Fe0.8Ni0.2)のいずれも、図3に示した混合酸化物(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)のXRDパターンと類似のパターンを示し、ペロブスカイト型酸化物のみが得られる結晶構造を有していることが確認された。
(2) Lithium-air secondary battery characteristic evaluation test First, two kinds of the above-described two types of catalysts used as the positive electrode catalyst for the lithium-air secondary battery manufactured by the manufacturing method described in the section (1) are used. Crystal structure of mixed oxides (La 0.6 Ca 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 , La 0.6 Ba 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) by XRD pattern measurement Measurements were made. The measured XRD patterns are two kinds of mixed oxides (La 0.6 Ca 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 , La 0.6 Ba 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3. ) Show similar patterns to the XRD pattern of the mixed oxide (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) shown in FIG. 3, and only perovskite oxide is obtained. It was confirmed to have a crystal structure.

次に、2種類のリチウム空気二次電池について、実施例1の場合と同様の測定方法を用いて、特性評価試験として充放電サイクル試験を行った結果について説明する。また、本実施例3の測定結果を示す容量についても、実施例1の場合と同様、正極3に含まれるカーボン重量当たりの容量(mAh/g)を用いて記述することにする。   Next, the results of conducting a charge / discharge cycle test as a characteristic evaluation test using the same measurement method as in Example 1 for two types of lithium-air secondary batteries will be described. The capacity indicating the measurement result of Example 3 is also described using the capacity per unit weight of carbon (mAh / g) contained in the positive electrode 3, as in Example 1.

表3は、本実施例3において作製した2種類のリチウム空気二次電池の各サイクル(初回、第20回目、第50回目)における放電容量の測定結果を、実施例2において最も良好な特性を示した(La0.6Sr0.4Fe0.8Ni0.2)という組成のペロブスカイト型酸化物を正極触媒としたリチウム空気二次電池の放電容量の測定結果(表2より転記したもの)とともに示したテーブルである。 Table 3 shows the measurement results of the discharge capacity in each cycle (first time, 20th time, 50th time) of the two types of lithium-air secondary batteries produced in Example 3, and shows the best characteristics in Example 2. The measurement results of the discharge capacity of a lithium air secondary battery using a perovskite oxide having a composition of (La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) as a positive electrode catalyst (transcribed from Table 2) It is a table shown together.

Figure 0005562204
表3に示すように、実施例2のストロンチウム(Sr)イオンというアルカリ土類金属イオン(Mイオン)を用いる場合と同様、該ストロンチウム(Sr)イオンを、同じアルカリ土類金属イオン(Mイオン)であるカルシウム(Ca)イオンやバリウム(Ba)イオンに置換した本実施例3の場合においても、ペロブスカイト型酸化物(La0.6Ca0.4Fe0.8Ni0.2、La0.6Ba0.4Fe0.8Ni0.2)の結晶構造が得られるので、遷移金属の混合原子価状態や酸素欠陥が格子内に導入されて、触媒の活性化が向上し、而して、正極の特性が改善されることが確認された。
Figure 0005562204
As shown in Table 3, the same strontium (Sr) ion is used as the alkaline earth metal ion (M ion) as in the case of using the alkaline earth metal ion (M ion) called strontium (Sr) ion in Example 2. In the case of this Example 3 substituted with calcium (Ca) ions and barium (Ba) ions, the perovskite oxides (La 0.6 Ca 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 , La 0.6 Ba 0.4 Fe 0.8 Ni 0.2 O 3 ) crystal structure is obtained, so that mixed metal valence states and oxygen vacancies are introduced into the lattice to improve catalyst activation. Thus, it was confirmed that the characteristics of the positive electrode were improved.

ただし、表3に示すように、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等の各アルカリ土類金属の置換種の中では、ストロンチウム(Sr)を用いる場合が、最も良好な特性を示すことが分かった。   However, as shown in Table 3, among the substituted alkaline earth metal species such as calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba), the best characteristics are obtained when strontium (Sr) is used. It was found that

よって、リチウム空気二次電池の正極の触媒とするペロブスカイト構造を有する酸化物におけるアルカリ土類金属の置換種としては、ストロンチウム(Sr)を用いることが最も好ましい。   Therefore, it is most preferable to use strontium (Sr) as the alkaline earth metal substitution species in the oxide having a perovskite structure as a positive electrode catalyst of a lithium-air secondary battery.

なお、表3には示していないが、正極の酸化物触媒として、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとに対する、ランタン(La)イオンとカルシウム(Ca)イオンやバリウム(Ba)イオン等のアルカリ土類金属イオン(Mイオン)とのモル比の関係が、(1:1)ではなく、(2:1)や(1:2)等の場合においても、つまり、ペロブスカイト型酸化物が得られない場合においても、アルカリ土類金属イオン(Mイオン)としてストロンチウム(Sr)イオンを用いた実施例2の場合と同様に、モル比の関係が(1:1)のペロブスカイト型酸化物ほどの改善効果は得られないものの、リチウム空気二次電池として良好な電池特性を有しており、リチウム空気二次電池用の正極に添加する酸化物触媒として有効であることが分かった。   Although not shown in Table 3, lanthanum (La) ions, calcium (Ca) ions, barium (Ba) ions, etc. with respect to iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions are used as the positive electrode oxide catalyst. When the molar ratio of the alkaline earth metal ion (M ion) is not (1: 1) but (2: 1) or (1: 2), the perovskite oxide is Even in the case where it is not obtained, the perovskite type oxide having a molar ratio of (1: 1) as in the case of Example 2 using strontium (Sr) ions as alkaline earth metal ions (M ions). However, it has good battery characteristics as a lithium air secondary battery, and is effective as an oxide catalyst added to the positive electrode for a lithium air secondary battery. It was.

また、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとを含む混合酸化物にさらに混合させるイオンとして、ランタン(La)イオンとアルカリ土類金属イオン(カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)のいずれかのイオン)とを含む複合酸化物ではなく、ランタン(La)イオンを含む酸化物のみを混合させるようにしても良い。   As ions to be further mixed with a mixed oxide containing iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions, lanthanum (La) ions and alkaline earth metal ions (calcium (Ca), strontium (Sr), barium ( It is also possible to mix only oxides containing lanthanum (La) ions instead of complex oxides containing any one of Ba).

すなわち、第1の工程においては、鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとを含む金属硝酸塩混合水溶液に、アルカリ土類金属イオンを含む硝酸塩水和物の粉末を加えることなく、ランタン(La)イオンをあらかじめ定めたモル数分だけ含む重量の硝酸ランタン六水和物(La(NO・6HO)粉末(純度:99.99%)をさらに加えた後、撹拌しながらアンモニア水溶液とリンゴ酸(C)粉末(純度:99.0%)とを加えて、水溶液のpHが実施例1の場合と同じ2.5になるように調合するようにし、しかる後、前述のような第2、第3の工程を経て、リチウム空気二次電池用の正極として作製したものを用いて、リチウム空気二次電池を作製しても、前述の場合と同様に、良好な電池特性を得ることができる。 That is, in the first step, lanthanum (La) is added to a metal nitrate mixed aqueous solution containing iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions without adding nitrate hydrate powder containing alkaline earth metal ions. ) the weight of lanthanum nitrate hexahydrate containing only mole number of a predetermined ion (La (NO 3) 3 · 6H 2 O) powder (purity: 99.99%) was further added, ammonia while stirring The aqueous solution and malic acid (C 4 H 6 O 5 ) powder (purity: 99.0%) are added so that the pH of the aqueous solution is 2.5, which is the same as in the case of Example 1. After that, even if a lithium air secondary battery is produced using the positive electrode for a lithium air secondary battery that has undergone the second and third steps as described above, Good battery characteristics can be obtained. Can.

ここで、ランタン(La)イオンのみをさらに加える場合には、鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオン、ランタン(La)イオン、それぞれのモル数を、NFe、NNi、NLaと表現したとき、(NFe+NNi):NLa = 1:1の関係とすることにより、酸化物触媒として、LaFeNiの組成式において、x = z+uの関係からなるペロブスカイト型酸化物が得られることになり、さらに良好な電池特性を得ることができる。 Here, when only adding lanthanum (La) ions, when the number of moles of each of iron (Fe) ions, nickel (Ni) ions, lanthanum (La) ions is expressed as NFe, NNi, NLa, (NFe + NNi): NLa = 1: with 1 relationship, as an oxide catalyst, in the composition formula La x Fe z Ni u O v , to perovskite type oxide consisting relation x = z + u is obtained Thus, even better battery characteristics can be obtained.

(比較例)
次に、本発明に係るリチウム空気二次電池用正極の酸化物触媒を添加した正極を用いたリチウム空気二次電池について、公知の触媒である三酸化鉄(Fe)や酸化ニッケル(NiO)を添加した場合の電池との充放電特性を比較した結果について説明する。
(Comparative example)
Next, for a lithium air secondary battery using a positive electrode to which an oxide catalyst of a positive electrode for a lithium air secondary battery according to the present invention is added, known catalysts such as iron trioxide (Fe 2 O 3 ) and nickel oxide ( The result of comparing charge / discharge characteristics with the battery when NiO) is added will be described.

(1)比較対象のリチウム空気二次電池の製造方法
まず、公知の触媒である三酸化鉄(Fe)を添加した正極からなるリチウム空気電池を実施例1と類似の製造方法により作製した。
(1) Method for Producing Lithium-Air Secondary Battery for Comparison First, a lithium-air battery comprising a positive electrode to which iron trioxide (Fe 2 O 3 ), which is a known catalyst, was added was produced by a production method similar to Example 1. did.

つまり、比較対象となる三酸化鉄(Fe)触媒の正極を用いたリチウム空気電池の製造方法については、触媒となる三酸化鉄(Fe)粉末、カーボン(ケッチェンブラックEC600JD)、バインダー(PTFE)を、
三酸化鉄触媒:カーボン:バインダー = 5:3:2
の重量比で混合し、ロール成形し、厚さ0.5mmのシート状電極を作製し、直径23mmの円形に切り抜くことにより、正極を得た。
In other words, regarding a method for producing a lithium air battery using a positive electrode of an iron trioxide (Fe 2 O 3 ) catalyst to be compared, iron trioxide (Fe 2 O 3 ) powder to be used as a catalyst, carbon (Ketjen Black EC600JD) ), Binder (PTFE),
Iron trioxide catalyst: Carbon: Binder = 5: 3: 2
The sheet electrode having a thickness of 0.5 mm was prepared and cut into a circle having a diameter of 23 mm to obtain a positive electrode.

しかる後、得られた正極を用いて、実施例1と同様の製造方法によって、図1に示した断面構造を有するリチウム空気二次電池を作製した。   Thereafter, a lithium air secondary battery having the cross-sectional structure shown in FIG. 1 was produced by the same production method as in Example 1 using the obtained positive electrode.

次いで、三酸化鉄(Fe)の場合と同様に、公知の触媒である酸化ニッケル(NiO)を添加した正極からなるリチウム空気電池を作製した。 Next, similarly to the case of iron trioxide (Fe 2 O 3 ), a lithium air battery including a positive electrode to which nickel oxide (NiO) as a known catalyst was added was produced.

つまり、比較対象となる酸化ニッケル(NiO)触媒の正極を用いたリチウム空気電池の製造方法についても、同様に、触媒となる三酸化鉄(Fe)粉末、カーボン(ケッチェンブラックEC600JD)、バインダー(PTFE)を、
酸化ニッケル触媒:カーボン:バインダー = 5:3:2
の重量比で混合し、ロール成形し、厚さ0.5mmのシート状電極を作製し、直径23mmの円形に切り抜くことにより、正極を得た。
That is, the manufacturing method of the lithium air battery using the positive electrode of the nickel oxide (NiO) catalyst to be compared is similarly the iron trioxide (Fe 2 O 3 ) powder, carbon (Ketjen Black EC600JD) to be the catalyst. , Binder (PTFE),
Nickel oxide catalyst: Carbon: Binder = 5: 3: 2
The sheet electrode having a thickness of 0.5 mm was prepared and cut into a circle having a diameter of 23 mm to obtain a positive electrode.

しかる後、得られた正極を用いて、実施例1と同様の製造方法によって、図1に示した断面構造を有するリチウム空気二次電池を作製した。   Thereafter, a lithium air secondary battery having the cross-sectional structure shown in FIG. 1 was produced by the same production method as in Example 1 using the obtained positive electrode.

(2)比較対象のリチウム空気二次電池の特性評価試験
公知の三酸化鉄(Fe)触媒および酸化ニッケル(NiO)触媒をそれぞれ添加した正極を用いて作製した2種類のリチウム空気二次電池について、実施例1の場合と同様の測定方法を用いて、特性評価試験として充放電サイクル試験を行った。
(2) Characteristic evaluation test of lithium-air secondary battery for comparison Two types of lithium-air secondary batteries prepared using positive electrodes to which a known iron trioxide (Fe 2 O 3 ) catalyst and nickel oxide (NiO) catalyst were added, respectively. The secondary battery was subjected to a charge / discharge cycle test as a characteristic evaluation test using the same measurement method as in Example 1.

三酸化鉄(Fe)触媒を添加した正極を用いたリチウム空気二次電池の初回充放電時における充放電曲線を、実施例1において前述した図2の曲線(e)として示している。 The charging / discharging curve at the time of the first charge / discharge of the lithium air secondary battery using the positive electrode to which the iron trioxide (Fe 2 O 3 ) catalyst is added is shown as the curve (e) of FIG. .

また、酸化ニッケル(NiO)触媒を添加した正極を用いたリチウム空気二次電池の初回充放電時における充放電曲線も、実施例1において前述した図2の曲線(f)として示している。   In addition, a charge / discharge curve at the time of initial charge / discharge of a lithium-air secondary battery using a positive electrode to which a nickel oxide (NiO) catalyst is added is also shown as the curve (f) in FIG.

図2の曲線(e)として充放電特性を示す三酸化鉄(Fe)触媒を添加した正極を用いたリチウム空気二次電池は、図2の曲線(a)、(b)、(d)や表1〜表3に示す前述の実施例1〜実施例3の場合のリチウム空気二次電池のいずれよりも、充電電圧が高くなっている。また、図2の曲線(f)として充放電特性を示す酸化ニッケル(NiO)触媒を添加した正極を用いたリチウム空気二次電池は、図2の曲線(a)、(b)、(d)や表1〜表3に示す前述の実施例1〜実施例3の場合のリチウム空気二次電池のいずれよりも、充放電サイクル特性の低下が著しい。 A lithium-air secondary battery using a positive electrode to which an iron trioxide (Fe 2 O 3 ) catalyst showing charge / discharge characteristics as a curve (e) in FIG. 2 is added is shown in curves (a), (b), ( d) The charging voltage is higher than any of the lithium-air secondary batteries in Examples 1 to 3 shown in Tables 1 to 3 above. Moreover, the lithium air secondary battery using the positive electrode to which the nickel oxide (NiO) catalyst which shows a charge / discharge characteristic as the curve (f) of FIG. 2 was added is the curve (a), (b), (d) of FIG. In addition, the deterioration of the charge / discharge cycle characteristics is remarkable as compared with any of the lithium-air secondary batteries in Examples 1 to 3 shown in Tables 1 to 3 above.

公知の三酸化鉄(Fe)触媒および酸化ニッケル(NiO)触媒をそれぞれ添加した正極を用いて作製した2種類のリチウム空気二次電池のこのような特性の低下は、実施例1〜実施例3の場合のリチウム空気二次電池の正極よりも、活性化状態が低く、充電時において放電生成物の分解が不十分であり、反応サイト数が減少したため、充電電圧が高くなり、充放電サイクル特性が低下したものと考えることができる。 Such deterioration of the characteristics of two types of lithium-air secondary batteries prepared using positive electrodes to which a known iron trioxide (Fe 2 O 3 ) catalyst and nickel oxide (NiO) catalyst were added, respectively. The activated state is lower than that of the positive electrode of the lithium-air secondary battery in the case of Example 3, the discharge product is not sufficiently decomposed during charging, and the number of reaction sites is reduced. It can be considered that the discharge cycle characteristics have deteriorated.

而して、従来の公知の正極触媒に比し、酸素発生に対して高活性な鉄(Fe)イオンやニッケル(Ni)イオンを含む酸化物を混合することにより、さらには、ランタン(La)イオンを含む酸化物や、もしくは、ランタン(La)イオンとアルカリ土類金属イオン特にストロンチウム(Sr)イオンとの双方を含む複合酸化物をさらに混合することにより、得られる混合酸化物触媒を正極に用いた場合には、正極に高活性な触媒を添加することになり、放電時に生成した析出物の分解が促進され、放電生成物の良好な可逆性が得られるので、充電電圧を低下させることができ、かつ、充放電サイクル特性を向上させることができることが確認された。特に、混合酸化物の金属イオンのモル比が
(NFe+NNi):(NLa+NSr) = 1:1
となるようなペロブスカイト型酸化物を触媒として正極に添加することにより、従来の公知の正極触媒を用いた電池よりも、極めて高い充放電サイクル特性を有するリチウム空気二次電池を作製することができる。
Thus, as compared with the conventional known positive electrode catalyst, by mixing an oxide containing iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions which are highly active against oxygen generation, further, lanthanum (La) By further mixing an oxide containing ions or a composite oxide containing both lanthanum (La) ions and alkaline earth metal ions, particularly strontium (Sr) ions, the resulting mixed oxide catalyst can be used as a positive electrode. If used, a highly active catalyst will be added to the positive electrode, which will accelerate the decomposition of precipitates generated during discharge and provide good reversibility of the discharge products, thus reducing the charging voltage. It was confirmed that charge / discharge cycle characteristics could be improved. In particular, the molar ratio of metal ions in the mixed oxide is (NFe + NNi) :( NLa + NSr) = 1: 1.
By adding such a perovskite oxide as a catalyst to the positive electrode, it is possible to produce a lithium-air secondary battery having extremely higher charge / discharge cycle characteristics than a battery using a conventionally known positive electrode catalyst. .

以上のように、本発明によれば、高性能なリチウム空気二次電池を作製することができるので、携帯電話やデジタルカメラ等の携帯電子機器をはじめ様々な電子機器の駆動源として使用することができる。   As described above, according to the present invention, since a high-performance lithium-air secondary battery can be manufactured, it can be used as a driving source for various electronic devices such as mobile phones and digital cameras. Can do.

1…正極接合具、2…電極ケース、3…カーボン正極、4…セパレータ、5…金属リチウム負極、6…負極接合具、7…負極支持体、8…Oリング、9…負極端子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode connector, 2 ... Electrode case, 3 ... Carbon positive electrode, 4 ... Separator, 5 ... Metal lithium negative electrode, 6 ... Negative electrode connector, 7 ... Negative electrode support body, 8 ... O-ring, 9 ... Negative electrode terminal.

Claims (3)

リチウム空気二次電池に用いるリチウム空気二次電池用正極であって、
カーボン、触媒およびバインダーからなり、該触媒が鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとを少なくとも含む混合酸化物であり、
前記触媒とする前記混合酸化物を構成する鉄(Fe)イオン、ニッケル(Ni)イオンのそれぞれのモル数を、NFe、NNiと表現したとき、(NFe:NNi)=2:1もしくは(NFe:NNi)=1:2のモル比とすることにより、前記混合酸化物をスピネル型酸化物とすることを特徴とするリチウム空気二次電池用正極。
A positive electrode for a lithium air secondary battery used for a lithium air secondary battery,
Carbon consists catalyst and binder, Ri mixed oxide der said catalyst containing at least iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions,
When the moles of iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions constituting the mixed oxide used as the catalyst are expressed as NFe and NNi, (NFe: NNi) = 2: 1 or (NFe: NNi) = 1: 2 molar ratio, whereby the mixed oxide is a spinel oxide, and a positive electrode for a lithium air secondary battery.
リチウム空気二次電池の正極を製造するリチウム空気二次電池用正極製造方法であって、
鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比があらかじめ定めたモル比となる重量比の硝酸鉄九水和物(Fe(NO・9HO)粉末と硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO・6HO)粉末とをイオン交換水に溶解させた金属塩混合水溶液に、リンゴ酸(C)とアンモニア水溶液とをさらに加えて、あらかじめ定めたpH(potential Hydrogen)の混合水溶液に調合する第1の工程と、あらかじめ定めたpHに調合された前記混合水溶液をあらかじ定めた温度で加熱して蒸発乾固させて得られる前駆体を、あらかじめ定めた温度・時間の条件下で熱処理を行うことにより酸化物触媒として形成する第2の工程と、形成された前記酸化物触媒を、カーボンとバインダーとにあらかじめ定めた重量比で混合し、さらに、成形して、リチウム空気二次電池用正極として作製する第3の工程とを、を少なくとも含み、
鉄(Fe)イオンとニッケル(Ni)イオンとのモル比を、2:1もしくは1:2とすることにより、前記酸化物触媒として、Fe Ni の組成式において、x:y=2:1もしくはx:y=1:2の関係になるスピネル型酸化物が得られることを特徴とするリチウム空気二次電池用正極製造方法。
A positive electrode manufacturing method for a lithium air secondary battery for manufacturing a positive electrode of a lithium air secondary battery,
Iron (Fe) ions and nickel (Ni) iron nitrate nonahydrate in a weight ratio of the molar ratio of the ions becomes predetermined molar ratio (Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O) powder and nickel nitrate Further, malic acid (C 4 H 6 O 5 ) and an aqueous ammonia solution are added to a metal salt mixed aqueous solution in which a Japanese (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) powder is dissolved in ion-exchanged water. A first step of preparing a mixed aqueous solution having a predetermined pH (potential hydrogen), and a precursor obtained by evaporating to dryness by heating the mixed aqueous solution prepared to a predetermined pH at a predetermined temperature. The second step of forming an oxide catalyst by performing a heat treatment under conditions of a predetermined temperature and time, and the formed oxide catalyst are mixed with carbon and a binder in a predetermined weight ratio. And, further, by molding, and a third step of preparing a positive electrode for lithium-air secondary battery, at least viewed contains a
The molar ratio of iron (Fe) ions and nickel (Ni) ions, 2: 1 or 1: With 2, as the oxide catalyst, in the composition formula Fe x Ni y O z, x : y = A method for producing a positive electrode for a lithium-air secondary battery , wherein a spinel oxide having a relationship of 2: 1 or x: y = 1: 2 is obtained .
カーボン、触媒、バインダーからなる正極と、金属リチウムまたはリチウムイオンの吸蔵・放出が可能な物質からなる負極と、を具備し、前記正極の一方の面が空気に接し、前記正極の他方の面が非水電解液に接し、前記正極と前記負極との間に前記非水電解液を配置してなるリチウム空気電池において、前記正極が請求項1に記載のリチウム空気二次電池用正極により構成されていることを特徴とするリチウム空気二次電池。 A positive electrode made of carbon, a catalyst and a binder, and a negative electrode made of metal lithium or a substance capable of occluding and releasing lithium ions, wherein one surface of the positive electrode is in contact with air, and the other surface of the positive electrode is In the lithium air battery which contacts a nonaqueous electrolyte and arrange | positions the said nonaqueous electrolyte between the said positive electrode and the said negative electrode, the said positive electrode is comprised by the positive electrode for lithium air secondary batteries of Claim 1. Lithium-air secondary battery, characterized in that
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