JP6487314B2 - リチウム空気二次電池およびリチウム空気二次電池用電解質 - Google Patents

Description

本発明は、有機材料による電解質を用いるリチウム空気二次電池およびリチウム空気二次電池用電解質に関する。

正極活物質として空気中の酸素を用いるリチウム空気二次電池は、電池外部から常に酸素が供給され、電池内に大量の負極活物質である金属リチウムを充填することができるため、電池の単位体積当たり非常に大きな放電容量を示すことが報告されている。

これまでに、非特許文献１または非特許文献２に報告されているように、正極であるガス拡散型空気極に種々の触媒を添加することにより、放電容量やサイクル特性などの電池性能を改善する試みがなされている。

例えば、ガス拡散型空気極の電極触媒として、非特許文献１においてＬｉ_1.01ＣｅＶ_2.99Ｏ₈などの遷移金属複合酸化物が、非特許文献２では主に酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、コバルト酸化物（Ｃｏ₃Ｏ₄）などの遷移金属酸化物が、各々検討されている。

なお、非特許文献１および非特許文献２を含む多くの文献の報告では、リチウム空気二次電池の有機材料による電解質として、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＴＦＳＩ（リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド）などのリチウム塩を、炭酸プロピレンなどの炭酸エステル系溶媒に１．０ｍｏｌ／Ｌ程度の濃度で溶解した溶液が用いられている。

Z.-j. Wu, Y. Zhou, "Effect of Ce-doping on the structure and electrochemical performance of lithium trivanadate prepared by a citrate sol-gel method", Journal of Power Sources, vol.199, pp.300-307, 2012. A. Debart et al., "An O2 cathode for rechargeable lithium batteries: The effect of a catalyst", Journal of Power Sources, vol.174, pp.1177-1182, 2007.

しかしながら、非特許文献１の二次電池は、電流密度７５ｍＡ／ｇの条件下では２６１ｍＡｈ／ｇ程度と放電容量が小さい。

これに対し、非特許文献２では、９種類の触媒を検討しており、空気極に含まれるカーボンの重量当たりで１０００〜３０００ｍＡｈ／ｇの非常に大きな放電容量が得られている。しかしながら、非特許文献２のリチウム空気二次電池では、電流密度が７０ｍＡ／ｇと小さい。このため、非特許文献２のリチウム空気二次電池は、高い電流密度特性が得られていない。

これらのように、現状では、リチウム空気二次電池の大きな放電容量が、高い電流密度で得られていないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、リチウム空気二次電池の大きな放電容量が、高い電流密度で得られるようにすることを目的とする。

本発明に係るリチウム空気二次電池用電解質は、リチウム空気二次電池用の電解質であって、電解質は、Ｎ，Ｎ’−ｍｏｎｏ−８−ｑｕｉｎｏｌｙｌ−ｏ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅからなる金属錯体を備える。

上記リチウム空気二次電池用電解質において、金属錯体の金属は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、またはＭｏのいずれか１つであればよい。また、金属錯体は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、またはＭｏの少なくとも１つを含んで構成されていてもよい。

本発明に係るリチウム空気二次電池は、上記のいずれかのリチウム空気二次電池用電解質を用いたリチウム空気二次電池であり、空気極と、リチウムを含んで構成された負極と、空気極と負極とに挾まれて配置された上記電解質とを備える。

上記リチウム空気二次電池において、空気極は、カーボンからなる導電性材料から構成されている。

以上説明したように、本発明によれば、電解質がＮ，Ｎ’−ｍｏｎｏ−８−ｑｕｉｎｏｌｙｌ−ｏ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅからなる金属錯体を備えるようにしたので、リチウム空気二次電池の大きな放電容量が、高い電流密度で得られるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態におけるリチウム空気二次電池の構成を示す構成図である。 図２は、リチウム空気二次電池のより詳細な構成例を示す断面図である。 図３は、実施例１における電流密度３０ｍＡ／ｇ、１００ｍＡ／ｇ、２００ｍＡ／ｇの各条件で通電した場合の、初回の放電および充電の状態を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるリチウム空気二次電池の構成を示す構成図である。このリチウム空気二次電池は、一般的なよく知られたリチウム空気二次電池と同様に、正極でありガス拡散型の空気極１０１と、リチウムを含んで構成された負極１０２と、空気極１０１と負極１０２とに挾まれて配置された電解質１０３とを備える。空気極１０１の一方の面は大気に曝され、他方の面は電解質１０３と接する。また、負極１０２の電解質１０３の側の面は、電解質１０３と接する。

上述した基本構成に加え、本発明の実施の形態では、電解質１０３が、以下の化学式（Ａ）で示される、Ｎ，Ｎ’−ｍｏｎｏ−８−ｑｕｉｎｏｌｙｌ−ｏ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ（ｍｑｐｈ）からなる金属錯体を備えるところに大きな特徴がある。言い換えると、電解質１０３は、ｍｑｐｈを配位子とした金属錯体を含んで構成されている。

電解質１０３は、Ｌｉ塩を供給するためのリチウム化合物（金属塩など）と有機溶媒から構成されている。金属塩は、例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄）、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド（ＬｉＴＦＳＡ）［（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂ＮＬｉ］などを挙げることができる。

有機溶媒は、例えば、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、炭酸メチルエチル（ＭＥＣ）、炭酸メチルプロピル（ＭＰＣ）、炭酸メチルイソプロピル（ＭＩＰＣ）、炭酸メチルブチル（ＭＢＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、炭酸エチルプロピル（ＥＰＣ）、炭酸エチルイソプロピル（ＥＩＰＣ）、炭酸エチルブチル（ＥＢＣ）、炭酸ジプロピル（ＤＰＣ）、炭酸ジイソプロピル（ＤＩＰＣ）、炭酸ジブチル（ＤＢＣ）、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸プロピレン（ＰＣ）、炭酸１，２−ブチレン（１，２−ＢＣ）などの炭酸エステル系溶媒、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、などのエーテル系溶媒、γ−ブチロタクトン（ＧＢＬ）などのラクトン系溶媒、あるいはこれらの中から二種類以上を混合した溶媒を挙げることができる。実施の形態において、混合溶媒を用いる場合の混合割合は、特に限定されない。

ｍｑｐｈを配位子とした金属錯体（金属ｍｑｐｈ錯体）の金属は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、またはＭｏのいずれか１つであれば良い。また、金属ｍｑｐｈ錯体は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、またはＭｏの少なくとも１つを含んで構成されていてもよい。例えば、Ｃｒ（ｍｑｐｈ）の末端に、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、またはＭｏが結合していても良い。また、電解質１０３が含む金属ｍｑｐｈ錯体は、１種類で用いてもよく、また、２種以上が混合されていても良い。金属ｍｑｐｈ錯体を２種以上混合する場合の、混合割合は特に限定されず、どのような割合であってもよい。

電解質１０３における金属ｍｑｐｈ錯体は、電解質１０３を基準に、０．００１ｍｏｌ／Ｌ以上の濃度で添加され、添加される電解質１０３に対する飽和濃度まで添加することができる。例えば、０．００１ｍｏｌ／Ｌ以上１．００ｍｏｌ／Ｌ以下の範囲で添加することができる。

なお、電解質１０３は、電解液または固体電解質のいずれであってもよい。電解液とは、電解質が液体形態である場合をいう。また、固体電解質とは、電解質がゲル形態または固体形態である場合をいう。

次に、正極である空気極１０１について説明する。空気極１０１は、よく知られているように、導電性材料から構成され、また、必要に応じて触媒，結着剤などを添加して用いる。

空気極１０１を構成する導電性材料は、カーボンであることが好ましい。例えば、導電性材料は、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック類、活性炭類、グラファイト類、カーボンファイバー類、カーボンシート、カーボンクロスなどから構成すれば良い。これらのカーボンは、例えば市販品として入手可能であり、また合成することが可能である。

空気極１０１に添加する触媒は、酸化マンガン（ＭｎＯ₂）、ルテニウム酸化物（ＲｕＯ₂）などの酸素還元（放電）および酸素発生（充電）の両反応に対して高活性な、公知の酸化物触媒であれば特に限定されない。例えば、ＭｎＯ₂、Ｍｎ₃Ｏ₄、ＭｎＯ、ＦｅＯ₂、Ｆｅ₃Ｏ₄、ＦｅＯ、ＣｏＯ、Ｃｏ₃Ｏ₄、ＮｉＯ、ＮｉＯ₂、Ｖ₂Ｏ₅、ＷＯ₃などの単独酸化物、Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＭｎＯ₃、Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＦｅＯ₃、Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＣｏＯ、Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＣｏＯ₃、Ｐｒ_0.6Ｃａ_0.4ＭｎＯ₃、ＬａＮｉＯ₃、Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4Ｍｎ_0.4Ｆｅ_0.6Ｏ₃などのペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を用いることができる。これらの触媒は、固相法や液相法などの公知のプロセスを用いて合成することができる。

また、空気極１０１に添加される触媒として、中心金属にＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｗ等の遷移金属を少なくとも一種含むポルフィリンやフタロシアニンなどの大環状金属錯体も用いることができる。これらの金属錯体は、カーボンと混合後、不活性ガス雰囲気中で熱処理を行い活性化させてもよい。

空気極１０１に添加される触媒としては、上記の化合物系に限らず、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄなどの貴金属、およびＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎなどの遷移金属の単体金属を用いてもよい。例えば、これらの金属をカーボン上に高分散担持させることにより高い活性を発現することができる。

空気極１０１では、電解質／電極触媒／ガス（酸素）の三相部分（三相界面）において電極反応が進行する。空気極１０１中に電解質１０３が浸透し、ここに大気中の酸素ガスが供給されることで、電解質−電極触媒−ガス（酸素）が共存する三相部位が形成される。電極触媒が高活性であれば、酸素還元（放電）および酸素発生（充電）が円滑に進行し、電池性能が大きく向上することになる。

空気極１０１での放電反応は次のように表すことができる。

２Ｌｉ⁺＋（１／２）Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｌｉ₂Ｏ・・・（１）
２Ｌｉ⁺＋Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｌｉ₂Ｏ₂・・・（２）

上式中のリチウムイオン（Ｌｉ⁺）は、負極１０２から電気化学的酸化により、電解質１０３中に溶解し、電解質１０３中を空気極１０１の表面まで移動してきたものである。また、酸素（Ｏ₂）は、大気（空気）中から空気極１０１の内部に取り込まれたものである。なお、図１において、負極１０２から溶解する材料（Ｌｉ⁺）、空気極１０１で析出する材料（Ｌｉ₂Ｏ）、および空気（Ｏ₂）を構成要素と共に示している。

空気極１０１の電極触媒として用いることができる酸化物、特に酸化マンガン（ＭｎＯ₂）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ₂）などは、マンガンおよびルテニウムが、＋４、＋３などの価数を有するイオンで存在しうる。また、これらの酸化物を合成する際の条件によっては、酸化マンガン、酸化ルテニウム等の酸化物内に酸素を取り込むことができる空孔（本明細書では酸素空孔とも称する）が存在し、活性サイトとして機能すると考えられる。このため、このような酸化物触媒は、正極活物質である酸素との相互作用が強く、多くの酸素種を酸化物表面上に吸着でき、または酸素空孔内に酸素種を吸蔵することができる。

このように、酸化物表面上に吸着された、または酸素空孔内に吸蔵された酸素種は、上記式（１）および式（２）の酸素源（活性な中間反応体）として酸素還元反応に使用され、上記反応が容易に進むようになる。また、式（１）および式（２）の逆反応である充電反応に対しても、上記の酸化物は活性を有している。従って、電池の充電に対応する空気極１０１上での酸素発生反応も効率よく進行する。このように、酸化マンガン、酸化ルテニウムなどの酸化物は、電極触媒として有効に機能する。

リチウム空気二次電池では、電池の効率を上げるために、電極反応を引き起こす反応部位［電解質／電極触媒／空気（酸素）の三相部分］がより多く存在することが望ましい。このような観点から、上述の三相部位が電極触媒表面に多量に存在することが重要であり、使用する触媒は比表面積が高い方が好ましい。例えば、焼成後の空気極１０１における比表面積は、１０ｍ²／ｇ以上であることが好適である。

空気極１０１中での触媒含有量は、空気極１０１の重量を基準に、例えば０を越え、１００重量％以下であることが望ましい。空気極１０１における他の成分の割合は、従来のリチウム空気二次電池と同様である。

次に、空気極１０１に添加可能な結着剤（バインダー）について説明する。結着剤は、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリブタジエンゴムなどを例として挙げることができる。これらの結着剤は、粉末としてまたは分散液として用いることができる。

ここで、空気極１０１の作製について、簡単に説明する。まず、触媒である酸化物粉末、カーボン粉末およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のようなバインダー粉末を所定量混合し、この混合物をチタンメッシュなどの支持体上に圧着することにより、空気極１０１を成形することができる。

また、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状にし、金属メッシュまたはカーボンクロスやカーボンシート上に塗布して乾燥することによって、空気極１０１を形成することができる。また、電極の強度を高め電解質の漏洩を防止するために、冷間プレスだけでなく、ホットプレスを適用することによっても、より安定性に優れた空気極１０１を作製することができる。

次に、負極１０２について説明する。負極１０２は、負極活物質を含んで構成されている。負極活物質は、リチウム二次電池の負極材料として用いることができる材料であれば特に制限されない。例えば負極活物質は、金属リチウムである。また、負極活物質は、リチウム含有物質として、リチウムイオンを放出および吸蔵することができる物質であるリチウムと、シリコンまたはスズとの合金、あるいは、Ｌｉ_2.6Ｃｏ_0.4Ｎなどのリチウム窒化物であってもよい。

負極１０２は、公知の方法で作製することができる。例えば、リチウム金属を負極とする場合には、複数枚の金属リチウム箔を重ねて所定の形状に成形することで、負極を作製すればよい。

なお、上記のシリコンまたはスズの合金を負極１０２として用いる場合、負極１０２を作成する時にリチウムを含まないシリコンまたはスズなどを用いることもできる。しかし、この場合には、空気電池の作製に先立って、化学的手法または電気化学的手法（例えば、電気化学セルを組んで、リチウムとシリコンまたはスズとの合金化を行う方法）によって、シリコンまたはスズが、リチウムを含む状態にあるように処理しておく必要がある。

具体的には、作用極にシリコンまたはスズを含み、対極にリチウムを用い、電解質中で還元電流を流すことによって合金化を行うなどの電気化学的な処理をしておくことが好ましい。

金属リチウムから構成した負極１０２における放電時の反応は、以下のように表すことができる。

（放電反応）
Ｌｉ→Ｌｉ⁺＋ｅ^-・・・（３）

なお、充電時の負極１０２においては、式（３）の逆反応であるリチウムの析出反応が起こる。

なお、リチウム空気二次電池は、上記構成に加え、セパレータ、電池ケース、金属メッシュ（例えばチタンメッシュ）などの構造部材、また、リチウム空気二次電池に要求される要素を含むことができる。これらは、従来公知のものを使用することができる。

例えば、リチウム空気二次電池は、図２に示すように構成することができる。このリチウム空気二次電池は、空気極２０１，負極２０２，電解質２０３，セパレータ２０４，空気極支持体２０５、空気極固定用リング２０６，負極固定用リング２０７，負極固定用座金２０８，負極支持体２０９，固定ねじ２１０，Ｏリング２１１，空気極端子２２１，負極端子２２２を備える。

空気極２０１，負極２０２，電解質２０３，セパレータ２０４は、円筒形状の空気極支持体２０５に収容されている。空気極支持体２０５は、円筒内中央部に仕切り２５１があり、仕切り２５１により空気極２０１が配置される第１領域２０５ａと、負極２０２およびセパレータ２０４が配置される第２領域２０５ｂとに区画されている。また、仕切り２５１は中央部が開口しており、開口部により第１領域２０５ａと第２領域２０５ｂが連通している。

液状の電解質２０３は、仕切り２５１の開口に配置され、空気極２０１および塩橋となるセパレータ２０４に挟まれている。セパレータ２０４には電解質２０３が含浸している。なお、セパレータ２０４の周囲にも電解質２０３は配置されている。電解質２０３は、１ｍｏｌ／Ｌのリチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド／炭酸プロピレン［（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂ＮＬｉ／ＰＣ］溶液である。

また、空気極２０１は、ポリテトラフルオロエチレン （ＰＴＦＥ）より構成された空気極固定用リング２０６と仕切り２５１とに挟まれて、空気極支持体２０５の円筒内の第１領域２０５ａに固定されている。空気極固定用リング２０６の開口内において、空気極１０１と空気との接触する電極の有効面積は、２ｃｍ²とされている。一方、セパレータ２０４は、ＰＴＦＥより構成された負極固定用リング２０７と仕切り２５１とに挟まれて、空気極支持体２０５の円筒内の第２領域２０５ｂに固定されている。このようにして、液状の電解質２０３が、仕切り２５１の開口において空気極２０１とセパレータ２０４との間に封入されている。

また、負極２０２は、負極固定用リング２０７の内部で、負極固定用座金２０８が積層され、この上に金属から構成された負極支持体２０９が被せられている。負極２０２は、厚さ１５０μｍの４枚の金属リチウム箔が同心円上に重ねられて構成され、負極固定用座金２０８に圧着されている。負極２０２は、有効面積が２ｃｍ²とされている。負極支持体２０９は、固定ねじ２１０により空気極支持体２０５に固定されている。また、空気極支持体２０５と負極支持体２０９との間には、Ｏリング２１１が配置されている。

固定ねじ２１０により空気極支持体２０５の側に押しつけられている負極支持体２０９により、負極固定用座金２０８を介し、負極２０２がセパレータ２０４の方向に押圧され、セパレータ２０４に圧接されている。これら構成としたリチウム空気二次電池は、露点が−６０℃以下の乾燥空気中で作製した。

なお、空気極支持体２０５は、金属から構成されているが、図示していないが、ＰＴＦＥに被覆され、電解質２０３，セパレータ２０４などと絶縁分離されている。なお、空気極２０１と空気極支持体２０５が接触する部分は、電気的接触をとるためにＰＴＦＥによる被覆を施さない。また、金属から構成された固定ねじ２１０も、図示していないが、ＰＴＦＥに被覆され、空気極支持体２０５と負極支持体２０９とが、電気的に分離された状態としている。

以下、実施例を用いて詳細に説明する。

［セル作製］
以下の各実施例では、図２を用いて説明した円柱形のリチウム空気二次電池セルを作製した。

まず、空気極用の触媒として公知であるルテニウム酸化物（ＲｕＯ₂）を用い、リチウム空気二次電池セルを以下の手順で作製した。ルテニウム酸化物（ＲｕＯ₂）は市販試薬（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）を用いた。

ルテニウム酸化物（ＲｕＯ₂）粉末、ケッチェンブラック粉末、およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）粉末を、１０：７２：１８の重量比で、ミキサーを用いてＮ‐メチル‐２‐ピロリドン（ＮＭＰ）に十分混合し、スラリーを作製した。このスラリーを直径１７ｍｍのカーボンシートに塗布し、９０℃の真空乾燥機に入れ、一晩乾燥させ、ガス拡散型の空気極２０１を作製した。

次に、リチウム空気電池セルを、露点が−６０℃以下の乾燥空気中で、以下の手順で作製した。作製した空気極２０１を、空気極支持体２０５の第１領域２０５ａにおいて、仕切り２５１に接する状態に配置して空気極固定用リング２０６で固定した。空気極２０１と空気極支持体２０５が接触する部分は、電気的接触をとるためにＰＴＦＥによる被覆を施していない。

次に、空気極支持体２０５の第２領域２０５ｂにおいて、仕切り２５１に接する状態にセパレータ２０４を配置した。次に、負極固定用リング２０７に負極２０２として厚さ１５０μｍの４枚の金属リチウム箔（有効面積：２ｃｍ²）を同心円上に重ねて圧着した。次に、負極固定用リング２０７を、空気極支持体２０５の第２領域２０５ｂに配置し、この中央部に、負極２０２が圧着された負極固定用リング２０７を勘合した。

次に、空気極２０１と負極２０２との間に電解質２０３を構成する有機電解液を充填し、この状態で、空気極支持体２０５の底面にＯリング２１１を配置して負極支持体２０９を被せ、固定ねじ２１０で空気極支持体２０５に固定した。有機電解液としては、１．００ｍｏｌ／Ｌ：ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液を用いた。この後、空気極端子２２１を空気極支持体２０５に接続して固定し、負極端子２２２を負極支持体２０９に接続して固定した。

［実施例１］
［Ｃｒ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
８-ヒドロキシキノリン（アルドリッチ社製）、ｏ−フェニルジアミン（アルドリッチ社製）と二硫酸ナトリウム（和光純薬工業社製）をモル比２：１：２でフラスコに入れ、１１０℃にて１週間還流し、メタノールで洗浄することによりｍｑｐｈ粉末を得た。次に、ｍｑｐｈ粉末と酢酸クロム（ＩＩ）、ダイマー、一水和物（アルドリッチ社製）を配位子となるｍｑｐｈと中心金属となるクロムとが等モルとなるようフラスコ中のエタノールに室温窒素雰囲気下にて加えた。このフラスコをエバポレーターにて回転および加熱して溶媒除去することでＣｒ−ｍｑｐｈ錯体を得た。

このＣｒ−ｍｑｐｈ錯体を、リチウム空気二次電池の電解質に添加した。電解質は、ＬｉＴＦＳＡを有機溶媒テトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＤＭＥ）に１．００ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解したものを用いた。実施例１では、上記構成とした電解質に、１．００ｍｏｌ／ＬのＣｒ−ｍｑｐｈ錯体を添加した。

電流密度３０ｍＡ／ｇ、１００ｍＡ／ｇ、２００ｍＡ／ｇの各条件で通電した場合の、初回の放電および充電の状態を図３に示す。図３に示すように、実施例１のＣｒ−ｍｑｐｈ錯体含有１．００ｍｏｌ／ＬＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液を電解質に用いると、電流密度３０ｍＡ／ｇ時の初回放電容量は６８４４ｍＡｈ／ｇであることが分かる。また、電流密度１００ｍＡ／ｇ時の初回放電容量は５０００ｍＡ／ｇであり、電流密度２００ｍＡ／ｇ時の初回放電容量は２９７３ｍＡ／ｇであった。３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げても、放電容量は約４３％維持された。

実施例１のＣｒ−ｍｑｐｈ錯体含有１．００ｍｏｌ／ＬＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液を電解質として使用したリチウム空気二次電池は、非特許文献１および非特許文献２で報告されたものよりも高電流密度において初回放電容量が同程度またはそれ以上となり、加えて、高電流密度化した際の容量維持率が高いことが分かった。

電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を以下の表１に示す。また、サイクル特性の測定結果を以下の表２に示す。表２に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの際の１０サイクル後の放電容量は、約９０％となり、高い維持率が得られた。

このように、Ｃｒ−ｍｑｐｈ錯体含有１．００ｍｏｌ／ＬＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液を電解質として使用したリチウム空気二次電池は、電池性能が向上できることが確認された。

［実施例２］
実施例２では、電解質の添加剤として実施例１のＣｒ−ｍｑｐｈ錯体を用い、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌで電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）へ混合した。上記以外の他の条件は、すべて実施例１と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例２の電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度を０．００１ｍｏｌ／Ｌとした場合でも、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量が、約４４％となり、高い維持率が得られた。このように、電解質の添加剤としてＣｒ−ｍｑｐｈ錯体を０．００１ｍｏｌ／Ｌと添加濃度が小さい場合においても、本発明のリチウム空気二次電池の電池性能を向上できることが確認された。

［実施例３］
［Ｍｎ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例１で得られたｍｑｐｈ粉末と酢酸マンガン（ＩＩ）四水和物（和光純薬工業社製）を配位子となるｍｑｐｈと中心金属となるマンガンとが等モルとなるようフラスコ中のエタノールに室温窒素雰囲気下にて加えた。このフラスコをエバポレーターにて回転および加熱して溶媒除去することでＭｎ−ｍｑｐｈ錯体を得た。

実施例３では、電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）に、１．００ｍｏｌ／ＬのＭｎ−ｍｑｐｈ錯体を添加した。

実施例３の電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、２８７０ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約３９％となり、高い維持率が得られた。

また、実施例３におけるサイクル特性の測定結果を表２に示す。表２に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの際の１０サイクル後の放電容量維持率は、約８９％となり、高い維持率が得られた。このように、電解質にＭｎ−ｍｑｐｈ錯体を添加することによって、本発明のリチウム空気二次電池の電池性能を向上できることが確認された。

［実施例４］
［Ｍｎ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例４では、電解質の添加剤として実施例３のＭｎ−ｍｑｐｈ錯体を用い、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌで電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）へ混合した。上記以外の他の条件は、すべて実施例１と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例４の電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌとした場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、２３６７ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約３９％となり、高い維持率が得られた。

［実施例５］
［Ｃｏ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例１で得られたｍｑｐｈ粉末と酢酸コバルト（ＩＩ）四水和物（和光純薬工業社製）を配位子となるｍｑｐｈと中心金属となるコバルトとが等モルとなるようフラスコ中のエタノールに室温窒素雰囲気下にて加えた。このフラスコをエバポレーターにて回転および加熱して溶媒除去することでＣｏ−ｍｑｐｈ錯体を得た。

Ｃｏ−ｍｑｐｈ錯体を添加する際、電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）に対して、１．００ｍｏｌ／Ｌの添加濃度に調整し、実施例１と同様の手順で電解質に添加した。上記以外の他の条件は、すべて実施例１と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例５における電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、４１５０ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約４７％となり、高い維持率が得られた。

また、サイクル特性の測定結果を表２に示す。表２に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの際の１０サイクル後の放電容量維持率は約９２％と高い維持率を示した。このように、電解質の添加剤としてＣｏ−ｍｑｐｈ錯体を添加することによって本発明のリチウム空気二次電池の電池性能を向上できることが確認された。

［実施例６］
［Ｃｏ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例６では、電解質の添加剤として実施例５のＣｏ−ｍｑｐｈ錯体を用い、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌで電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）へ混合した。上記以外の他の条件は、すべて前述した実施例と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例６における電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌとした場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、２９９４ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約４９％となり、高い維持率が得られた。

［実施例７］
［Ｎｉ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例１で得られたｍｑｐｈ粉末と酢酸ニッケル（ＩＩ）四水和物（和光純薬工業社製）を配位子となるｍｑｐｈと中心金属となるニッケルとが等モルとなるようフラスコ中のエタノールに室温窒素雰囲気下にて加えた。このフラスコをエバポレーターにて回転および加熱して溶媒除去することでＮｉ−ｍｑｐｈ錯体を得た。

Ｎｉ−ｍｑｐｈ錯体を添加する際、電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）に対して、１．００ｍｏｌ／Ｌの添加濃度に調整し、実施例１と同様の手順で電解質に添加した。上記以外の他の条件は、すべて実施例１と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例７における電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、４８３７ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約５４％となり、高い維持率が得られた。

また、サイクル特性の測定結果を表２に示す。表２に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの際の１０サイクル後の放電容量維持率は約８１％と高い維持率を示した。このように、電解質の添加剤としてＮｉ−ｍｑｐｈ錯体を添加することによって本発明のリチウム空気二次電池の電池性能を向上できることが確認された。

［実施例８］
［Ｎｉ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例８では、電解質の添加剤として実施例７のＮｉ−ｍｑｐｈ錯体を用い、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌで電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）へ混合した。上記以外の他の条件は、すべて前述した実施例と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例８における電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌとした場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、２２９３ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約５２％となり、高い維持率が得られた。

［実施例９］
［Ｃｕ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例１で得られたｍｑｐｈ粉末と酢酸銅（ＩＩ）一水和物（和光純薬工業社製）を配位子となるｍｑｐｈと中心金属となる銅とが等モルとなるようフラスコ中のエタノールに室温窒素雰囲気下にて加えた。このフラスコをエバポレーターにて回転および加熱して溶媒除去することでＣｕ−ｍｑｐｈ錯体を得た。

Ｃｕ−ｍｑｐｈ錯体を添加する際、電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）に対して、１．００ｍｏｌ／Ｌの添加濃度に調整し、実施例１と同様の手順で電解質に添加した。上記以外の他の条件は、すべて実施例１と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例９における電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、３４１０ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約５０％となり、高い維持率が得られた。

また、サイクル特性の測定結果を表２に示す。表２に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの際の１０サイクル後の放電容量維持率は約９５％と高い維持率を示した。このように、電解質の添加剤としてＣｕ−ｍｑｐｈ錯体を添加することによって本発明のリチウム空気二次電池の電池性能を向上できることが確認された。

［実施例１０］
［Ｃｕ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例１０では、電解質の添加剤として実施例９のＣｕ−ｍｑｐｈ錯体を用い、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌで電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）へ混合した。上記以外の他の条件は、すべて前述した実施例と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例１０における電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌとした場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、２２０２ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約４２％となり、高い維持率が得られた。

［実施例１１］
［Ｓｎ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例１で得られたｍｑｐｈ粉末と酢酸スズ（ＩＩ）（和光純薬工業社製）を配位子となるｍｑｐｈと中心金属となるスズとが等モルとなるようフラスコ中のエタノールに室温窒素雰囲気下にて加えた。このフラスコをエバポレーターにて回転および加熱して溶媒除去することでＳｎ−ｍｑｐｈ錯体を得た。

Ｓｎ−ｍｑｐｈ錯体を添加する際、電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）に対して、１．００ｍｏｌ／Ｌの添加濃度に調整し、実施例１と同様の手順で電解質に添加した。上記以外の他の条件は、すべて実施例１と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例１１における電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、６１０４ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約５９％となり、高い維持率が得られた。

また、サイクル特性の測定結果を表２に示す。表２に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの際の１０サイクル後の放電容量維持率は約９６％と高い維持率を示した。このように、電解質の添加剤としてＳｎ−ｍｑｐｈ錯体を添加することによって本発明のリチウム空気二次電池の電池性能を向上できることが確認された。

［実施例１２］
［Ｓｎ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例１２では、電解質の添加剤として実施例１１のＳｎ−ｍｑｐｈ錯体を用い、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌで電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）へ混合した。上記以外の他の条件は、すべて前述した実施例と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例１２における電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌとした場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、３７６５ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約４６％となり、高い維持率が得られた。

［実施例１３］
［Ｍｏ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例１で得られたｍｑｐｈ粉末と酢酸モリブデン（ＩＩ）二量体（和光純薬工業社製）を配位子となるｍｑｐｈと中心金属となるモリブデンとが等モルとなるようフラスコ中のエタノールに室温窒素雰囲気下にて加えた。このフラスコをエバポレーターにて回転および加熱して溶媒除去することでＭｏ−ｍｑｐｈ錯体を得た。

Ｍｏ−ｍｑｐｈ錯体を添加する際、電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）に対して、１．００ｍｏｌ／Ｌの添加濃度に調整し、実施例１と同様の手順で電解質に添加した。上記以外の他の条件は、すべて実施例１と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

本実施例における電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、５２６２ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は、約５４％となり、高い維持率が得られた。

また、サイクル特性の測定結果を表２に示す。表２に示すように、添加濃度１．００ｍｏｌ／Ｌの際の１０サイクル後の放電容量維持率は約９０％と高い維持率を示した。このように、電解質の添加剤としてＭｏ−ｍｑｐｈ錯体を添加することによって本発明のリチウム空気二次電池の電池性能を向上できることが確認された。

［実施例１４］
［Ｍｏ−ｍｑｐｈ錯体を含む電解質の調製］
実施例１４では、電解質の添加剤として実施例１３のＭｏ−ｍｑｐｈ錯体を用い、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌで電解質（１．００ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液）へ混合した。上記以外の他の条件は、すべて前述した実施例と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。

実施例１４における電流密度毎の初回放電容量に関する測定結果を表１に示す。表１に示すように、添加濃度０．００１ｍｏｌ／Ｌとした場合、電流密度２００ｍＡ／ｇの場合の初回放電容量は、３２８０ｍＡｈ／ｇとなり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量維持率は約４３％となり、高い維持率が得られた。

［比較例１］
電解質として１．００ｍｏｌ／ＬのＬｉＴＦＳＡ／ＴＥＧＤＭＥ溶液を用いて、リチウム空気二次電池セルを実施例１と同様にして作製した。電解質以外のリチウム空気二次電池の作製条件およびサイクル試験の条件は、実施例１と同様である。

電池のサイクル試験は、充放電測定システム（ＶＭＰ３，Ｂｉｏ Ｌｏｇｉｃ社製）を用い、空気極２０１の重量当たりの電流密度で３０ｍＡ／ｇ、１００ｍＡ／ｇ、２００ｍＡ／ｇを通電し、開回路電圧から電池電圧が、２．０Ｖに低下するまで放電電圧の測定を行った。電池の充電試験は、放電時と同じ電流密度で、電池電圧が、４．４Ｖに達するまで行った。充放電容量は空気極（カーボン＋酸化物＋ＰＶＤＦ）重量当たりの値（ｍＡｈ／ｇ）で表した。

比較例１の測定結果を、表１に示す。表１に示すように、電流密度２００ｍＡ／ｇ時の初回放電容量は、１９２ｍＡｈ／ｇであり、３０ｍＡ／ｇから２００ｍＡ／ｇへ電流密度を上げた際の放電容量は約１４％であり、低い維持率であった。また、サイクル特性の測定結果を表２に示す。表２に示すように、１０サイクル後の放電容量は、約３９％であり、低い維持率であった。

以上に説明したように、本発明によれば、金属ｍｑｐｈ錯体を添加した電解質を使用してリチウム空気二次電池を構成したので、公知の材料を用いた場合よりも、電流密度特性に優れており、リチウム空気二次電池用電解質添加剤として有効であることが確認された。このように、本発明によれば、リチウム空気二次電池の大きな放電容量が、高い電流密度で得られるようになる。

金属ｍｑｐｈ錯体を添加することで、電解質におけるイオンの伝導がより促進され、負荷逆な反応が抑制されて可逆的な反応が促進されるようになるものと考えられ、この結果、電流密度を上昇させても、放電容量の低下が抑制できるようになるものと考えられる。従って、本発明の効果は、金属錯体の配位子がｍｑｐｈであることが重要であるものと考えられ、金属錯体の金属は上述した金属以外であってもよいものと考えられる。また、金属ｍｑｐｈ錯体の末端などに、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、またはＭｏなどの金属が結合していても同様の効果が得られるものと考えられる。この場合、複数の金属が結合しても良いものと考えられる。また、電解質に、複数の金属ｍｑｐｈ錯体が添加されていても、同様の効果が得られるものと考えられる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…空気極、１０２…負極、１０３…有機電解質。

Claims (5)

1. リチウム空気二次電池用の電解質であって、
   前記電解質は、Ｎ，Ｎ’−ｍｏｎｏ−８−ｑｕｉｎｏｌｙｌ−ｏ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅからなる金属錯体を備える
   ことを特徴とするリチウム空気二次電池用電解質。
2. 請求項１記載のリチウム空気二次電池用電解質において、
   前記金属錯体の金属は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、またはＭｏのいずれか１つである
   ことを特徴とするリチウム空気二次電池用電解質。
3. 請求項２記載のリチウム空気二次電池用電解質において、
   前記金属錯体は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、またはＭｏの少なくとも１つを含んで構成されている
   ことを特徴とするリチウム空気二次電池用電解質。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のリチウム空気二次電池用電解質を用いたリチウム空気二次電池であって、
   空気極と、
   リチウムを含んで構成された負極と、
   前記空気極と前記負極とに挾まれて配置された前記電解質と
   を備えることを特徴とするリチウム空気二次電池。
5. 請求項４記載のリチウム空気二次電池において、
   前記空気極は、カーボンからなる導電性材料から構成されている
   ことを特徴とするリチウム空気二次電池。

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