JP6717681B2 - Method for producing catalyst sheet and method for producing air electrode - Google Patents
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Description
本発明は、電池の電極に用いられる触媒シートの製造方法、及び空気極の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a catalyst sheet used for a battery electrode and a method for manufacturing an air electrode.
従来、空気極の酸素還元触媒として種々のものが検討されている。例えば、白金族元素や銀などの貴金属を活性炭やカーボンパウダーに析出担持させたもの、活性炭と金属転化物とを混合させたもの、さらには金属ポルフィリン等の有機金属錯体とカーボン粉末との混合物、あるいは、それらの熱処理品などが検討されている。一般に白金族元素や銀などの貴金属の触媒効果は大きいが、特に一次電池では、空気極の再生使用は困難なことから、高価な材料を使用することはコスト面も考慮すると現実的ではない。そこで、安価な触媒の一つとしてマンガン酸化物が試みられている(例えば特許文献1参照)。 Various types of oxygen reduction catalysts for air electrodes have been studied so far. For example, those in which a precious metal such as a platinum group element or silver is deposited and supported on activated carbon or carbon powder, those in which activated carbon and a metal conversion product are mixed, and further, a mixture of an organometallic complex such as metal porphyrin and carbon powder, Alternatively, those heat-treated products are being studied. In general, noble metals such as platinum group elements and silver have a large catalytic effect, but since it is difficult to recycle the air electrode especially in a primary battery, it is not realistic to use an expensive material in terms of cost. Then, manganese oxide is tried as one of the cheap catalysts (for example, refer patent document 1).
しかし、電極への触媒付与方法として、カーボンパウダーへ触媒粉末を添加した混合粉、またはカーボンパウダーに担持させた粉末を更にバインダと供に混練して電極を製造する方法等の場合、粒子間の電気的な接続が破壊され、電極において重要な電気的接続が乏しくなる欠点を有していた。このため、電極中において、触媒表面の反応場からの電子移動が円滑でなく、電荷移動抵抗が大きくなることから、空気極の十分な性能は引出されてないのが実情である。
そこで、本発明の目的は、マンガン触媒を用いた構成で電子の移動をスムーズにすることで分極特性を改善し、且つ安価な触媒シート及び空気極を製造し、提供することにある。
However, as a method of applying a catalyst to the electrode, in the case of a method of producing an electrode by mixing the powder mixed with the catalyst powder to the carbon powder or the powder supported on the carbon powder together with a binder to produce an electrode, It has a drawback that the electrical connection is broken and the important electrical connection in the electrode is poor. Therefore, in the electrode, the electron transfer from the reaction field on the catalyst surface is not smooth and the charge transfer resistance increases, so that the actual performance of the air electrode is not fully obtained.
Therefore, an object of the present invention is to improve the polarization characteristics by smoothing the movement of electrons with a structure using a manganese catalyst, and to manufacture and provide an inexpensive catalyst sheet and air electrode.
上記目的を達成するために、本発明は、電池の電極に用いられる触媒シートの製造方法において、導電材と有機物バインダとを水及びマンガン触媒前駆体の溶液中で混練した後、成形乾燥してシート部材を作製し、前記シート部材を、大気中で触媒が得られる温度で熱処理し、触媒シートを形成し、前記有機物バインダは、前記熱処理する際の温度よりも融点が高い高分子ディスパージョンであり、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE、テフロン(登録商標)とも言う)などのフッ素系樹脂、又は、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂などの熱可塑性樹脂であり、前記溶液は、硝酸マンガン(II)六水和物、又は酢酸マンガン(II)四水和物であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention, in a method for producing a catalyst sheet used for a battery electrode, after kneading a conductive material and an organic binder in a solution of water and a manganese catalyst precursor, followed by molding and drying. A sheet member is prepared, and the sheet member is heat-treated at a temperature at which a catalyst is obtained in the air to form a catalyst sheet, and the organic binder is a polymer dispersion having a higher melting point than the temperature at which the heat treatment is performed. There is a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE, also referred to as Teflon (registered trademark)) or a thermoplastic resin such as a polyolefin resin such as polypropylene (PP), and the solution is manganese nitrate (II ) hexahydrate, or characterized by manganese (II) acetate tetrahydrate der Rukoto.
上記触媒シートの製造方法において、前記触媒シートを、マンガン触媒前駆体の溶液中に含浸し、次いで、乾燥、及び熱処理しても良い。 In the above method for producing a catalyst sheet, the catalyst sheet may be impregnated with a solution of a manganese catalyst precursor, and then dried and heat-treated.
また、本発明は、空気電池に使用される空気極の製造方法において、導電材と有機物バインダとを水及びマンガン触媒前駆体の溶液中で混練した後、成形乾燥してシート部材を作製し、前記シート部材を、大気中で触媒が得られる温度で熱処理することで触媒シートを得、前記触媒シートを、集電体に圧着することで得られ、前記有機物バインダは、前記熱処理する際の温度よりも融点が高い高分子ディスパージョンであり、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE、テフロン(登録商標)とも言う)などのフッ素系樹脂、又は、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂などの熱可塑性樹脂であり、前記溶液は、硝酸マンガン(II)六水和物、又は酢酸マンガン(II)四水和物であることを特徴とする。
前記触媒シートを、マンガン触媒前駆体の溶液中に含浸し、次いで、乾燥、及び熱処理しても良い。
Further, the present invention, in the method for producing an air electrode used in an air battery, after kneading a conductive material and an organic binder in a solution of water and a manganese catalyst precursor, it is molded and dried to produce a sheet member, said sheet member, to obtain a catalyst sheet by heat treatment at a temperature at which the catalyst is obtained in the atmosphere, the catalyst sheet, resulting et been by crimping the current collector, wherein the organic binder at the time of the heat treatment A polymer dispersion having a melting point higher than temperature, such as a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (also referred to as PTFE or Teflon (registered trademark)), or a thermoplastic resin such as a polyolefin resin such as polypropylene (PP). , and the said solution is characterized manganese nitrate (II) hexahydrate, or manganese acetate (II) is tetrahydrate der Rukoto.
The catalyst sheet may be impregnated with a solution of a manganese catalyst precursor, and then dried and heat-treated.
本発明では、導電材と有機物バインダとを水及びマンガン触媒前駆体の溶液中で混練した後、成形乾燥してシート部材を作製し、前記シート部材を、大気中で触媒が得られる温度で熱処理し、触媒シートを形成する。これにより、電子の移動をスムーズにすることで分極特性を改善し、且つ安価な触媒シートが得られる。また、この触媒シートを、集電体に圧着することで空気極が得られるので、マンガン触媒を用いた構成で電子の移動をスムーズにすることで分極特性を改善し、且つ安価な空気極を製造し易くなる。 In the present invention, a conductive material and an organic binder are kneaded in a solution of water and a manganese catalyst precursor, and then molded and dried to produce a sheet member, and the sheet member is heat-treated at a temperature at which a catalyst is obtained in the atmosphere. Then, a catalyst sheet is formed. This makes it possible to improve the polarization characteristics by smoothing the movement of electrons and obtain an inexpensive catalyst sheet. In addition, since the air electrode can be obtained by pressure-bonding this catalyst sheet to the current collector, it is possible to improve the polarization characteristics by smoothing the movement of electrons with the structure using the manganese catalyst, and to provide an inexpensive air electrode. It is easy to manufacture.
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
本発明の実施形態に係る触媒シートを、空気電池の空気極に用いた例を示す。
図1は空気電池の断面構造を模式的に示した図である。
空気電池10は、樹脂製のプラスチックケースで形成された外装体11を備え、この外装体11に、一対の電極を構成する空気極13と金属極15とが間隔を空けて対向配置される。この空気電池10は、外装体11内に電解液が注液されることによって、空気極13が正極として作用し、金属極15が負極として作用する一次電池である。図1中、符号ULは電解液の液面を示している。
An embodiment of the present invention will be described below.
The example which used the catalyst sheet which concerns on embodiment of this invention for the air electrode of an air cell is shown.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of an air battery.
The
外装体11は、中空の箱形状に形成され、この外装体11の最も大きい面を構成する前面には、矩形の開口部11Kが設けられる。空気極13は、この開口部11Kを覆うように外装体11に装着される。また、金属極15は、外装体11の上面に形成された金属極挿入口より挿入され、外装体11の内部に形成された狭持部材11Aと支持部材11Bとによって固定される。
The
なお、外装体11を、紙を含有するシート材とし、前記シート材には、基材を構成する紙の表面にフィルムを設けたシート材を用いることも可能である。前記シート材には、熱融着性樹脂(例えば、ポリエチレン(PE))で少なくとも内面がラミネート加工された紙、つまり、ラミネート紙を用いることが可能である。
Note that it is also possible to use the sheet material containing paper as the
空気極13は、集電体と、酸素還元の触媒層を構成する触媒シートとを備え、接着などで外装体11に固定される。空気極13は、外部の空気を外装体11内に通気可能にする通気性、及び電解液を漏らさない非透液性を有している。
金属極15は、空気極13と対向するように外装体11内に支持される。この金属極15を支持する構造は、前記するように外装体11内に配置した挟持部材11Aと支持部材11Bとで固定しても良いし、また、別途形成される外装体11の蓋部で金属極15を支持するなど、様々な支持構造を適用可能である。
The
The
金属極15は、マグネシウム合金製の板材で形成され、空気極13と平行に配置される。電解液には、塩化ナトリウム水溶液が使用される。つまり、本実施形態の空気電池10はマグネシウム空気電池(金属空気電池)である。
マグネシウム空気電池は、電解液に海水を用いたり、水道水に塩を混合した液体を用いたりすることができるので、電解液の調達が容易である。なお、外装体11の内部に、電解質である塩化ナトリウムを収容した袋体を予め配置し、水道水などの水を注入するだけで発電するように構成しても良い。
The
The magnesium-air battery can use seawater as an electrolytic solution or a liquid obtained by mixing salt with tap water, so that the electrolytic solution can be easily procured. A bag body containing sodium chloride, which is an electrolyte, may be arranged in advance inside the
この金属極15は、マグネシウム合金に限定されず、亜鉛、鉄、アルミニウムなどの金属、又はその合金を用いても良い。金属極15に亜鉛を用いた場合、電解液に水酸化カリウム水溶液を用いれば良く、金属極15に鉄を用いた場合、電解液にアルカリ系水溶液を用いれば良い。また、金属極15にアルミニウムを用いた場合、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムを含む電解液を用いれば良い。
The
空気極13について説明する。
空気極13の集電体は、矩形状の銅メッシュ(銅の網状体)である。なお、銅メッシュに限定されず、銅以外の金属を用いた金属メッシュなどの銅メッシュ以外の多孔構造を有する多孔質集電体を広く適用可能である。
触媒シートは、導電材(導電性材料)と有機物バインダとを、水及びマンガン触媒前駆体が分散する分散媒中で混練した後、成形乾燥してシート状にし、触媒が得られる温度で熱処理することによって作製される。この触媒シートは、所定サイズのシートに裁断された後、銅メッシュの両面に圧着して銅メッシュと一体化される。
The
The collector of the
The catalyst sheet is prepared by kneading a conductive material (conductive material) and an organic binder in a dispersion medium in which water and a manganese catalyst precursor are dispersed, molding and drying the mixture into a sheet, and heat-treating at a temperature at which a catalyst is obtained. It is made by This catalyst sheet is cut into a sheet of a predetermined size and then pressure-bonded to both surfaces of the copper mesh to be integrated with the copper mesh.
触媒シートをシート状にする工程は、例えば、導電材と有機物バインダとを水及びマンガン触媒前駆体の溶液中で混練したペーストをPETフィルムに挟み、ローラープレス機を用いたプレスにより行われる。また、触媒シートを銅メッシュ(集電体)に圧着する工程は、プレス機によるプレスにより行われる。これらの工程は、公知の様々な装置を適用しても良く、例えば、圧着は、この触媒シート及び銅メッシュの圧着に適した専用の圧着装置(治工具を含む)を製作し、この圧着装置を用いて圧着しても良い。
なお、触媒シートは、後述するように、粒状の酸化還元触媒やバインダなどを練って焼成したものであるので、表面に凹凸を有しており、ローラープレス機でプレスした後もある程度の凹凸を有している。触媒シートに凹凸を有することで表面積が増加し、銅メッシュと触媒シートを圧着する際に密着性の向上を図ることができる。
The step of forming the catalyst sheet into a sheet shape is performed by, for example, sandwiching a paste obtained by kneading a conductive material and an organic binder in a solution of water and a manganese catalyst precursor in a PET film and pressing the paste using a roller press machine. The step of pressure-bonding the catalyst sheet to the copper mesh (current collector) is performed by pressing with a pressing machine. Various known devices may be applied to these steps. For example, for crimping, a dedicated crimping device (including jigs and tools) suitable for crimping the catalyst sheet and the copper mesh is manufactured, and the crimping device is manufactured. You may crimp using.
As will be described later, the catalyst sheet is a product obtained by kneading and firing a granular redox catalyst, a binder, etc., so that it has unevenness on the surface and has some unevenness even after being pressed by a roller press. Have Since the catalyst sheet has irregularities, the surface area is increased, and the adhesion can be improved when the copper mesh and the catalyst sheet are pressure-bonded.
導電材は、カーボンパウダーである。より具体的には、ケッチェンブラック(KB)などのカーボンブラック、カーボンウィスカー、グラファイト、グラファイトウィスカー、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、カーボンナノホーンの粉末である。なお、この導電材に、銅やアルミニウムなどの金属材料、又はポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などのカーボン以外の導電材を用いても良い。
有機物バインダは、高分子ディスパージョンであり、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE、テフロン(登録商標)とも言う)などのフッ素系樹脂、又は、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂などの熱可塑性樹脂である。
The conductive material is carbon powder. More specifically, it is a powder of carbon black such as Ketjen black (KB), carbon whiskers, graphite, graphite whiskers, activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. The conductive material may be a conductive material other than carbon, such as a metal material such as copper or aluminum, or an organic conductive material such as a polyphenylene derivative.
The organic binder is a polymer dispersion, specifically, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (also referred to as PTFE or Teflon (registered trademark)) or a polyolefin resin such as polypropylene (PP). It is a thermoplastic resin.
分散媒は、マンガン触媒前駆体の溶液を含む。この溶液は、目的のマンガン触媒(マンガン酸化物)が得られるものであれば特に限定されない。本実施形態では、目的のマンガン触媒が二酸化マンガンであり、マンガン触媒前駆体は、硝酸マンガン(II)六水和物、又は酢酸マンガン(II)四水和物である。なお、硝酸マンガン(II)六水和物、又は酢酸マンガン(II)四水和物に代えて、他の2価のマンガン塩の水溶液を用いても良い。 The dispersion medium comprises a solution of manganese catalyst precursor. This solution is not particularly limited as long as the desired manganese catalyst (manganese oxide) can be obtained. In the present embodiment, the target manganese catalyst is manganese dioxide, and the manganese catalyst precursor is manganese (II) nitrate hexahydrate or manganese (II) acetate tetrahydrate. Instead of manganese (II) nitrate hexahydrate or manganese (II) acetate tetrahydrate, an aqueous solution of another divalent manganese salt may be used.
1.(実施例)
次に、実施例及び比較例を説明する。各実施例及び比較例は、触媒シートが異なる点を除いて同じ構成であり、以下、触媒シートについて説明する。各触媒シートに関する情報は表1に示している。
1. (Example)
Next, examples and comparative examples will be described. Each example and comparative example have the same configuration except that the catalyst sheet is different, and the catalyst sheet will be described below. Information on each catalyst sheet is given in Table 1.
(実施例1)
導電材としてKBと有機物バインダとしてPTFEとを水及び硝酸マンガン(II)六水和物を溶解した1M硝酸マンガン水溶液中で混練した。この際、PTFEのフィブリル化が起こり、粘度変化が安定するまで混練を継続し、所定粘度のペーストを作製した。なお、触媒シートを作製するときに、カーボン:二酸化マンガン=9:1になるように、硝酸マンガン(II)六水和物を溶解した1M硝酸マンガン水溶液を水の量が同じになるように添加した。
次に、シート状に成形して乾燥した後、焼成処理として、120℃で一時間の熱処理を行った。この熱処理は、大気存在下、且つ、大気圧の環境(大気中)で実施した。120℃は、触媒が得られる温度である。この熱処理により、硝酸マンガン(II)の熱分解により二酸化マンガンを得るとともに、二酸化マンガンの固定と担持とを完了させた。続いて、PTFEの焼結処理として、200℃で30分の熱処理を行った。以上の工程により、導電材(KB)に対し重量比で二酸化マンガンを10%含有する触媒シートを作製した。
(Example 1)
KB as a conductive material and PTFE as an organic binder were kneaded in a 1M manganese nitrate aqueous solution in which water and manganese(II) nitrate hexahydrate were dissolved. At this time, fibrillation of PTFE occurred, and kneading was continued until the change in viscosity became stable to prepare a paste having a predetermined viscosity. When preparing the catalyst sheet, 1M manganese nitrate aqueous solution in which manganese(II) nitrate hexahydrate was dissolved was added so that carbon:manganese dioxide=9:1 so that the amount of water was the same. did.
Next, after being formed into a sheet and dried, a heat treatment was performed at 120° C. for one hour as a firing process. This heat treatment was performed in the presence of air and in an environment of atmospheric pressure (in air). 120° C. is the temperature at which the catalyst is obtained. By this heat treatment, manganese dioxide was obtained by thermal decomposition of manganese (II) nitrate, and fixing and supporting of manganese dioxide were completed. Then, as a sintering process of PTFE, a heat treatment was performed at 200° C. for 30 minutes. Through the above steps, a catalyst sheet containing 10% by weight of manganese dioxide with respect to the conductive material (KB) was produced.
(実施例2)
導電材としてKBとバインダとしてポリプロピレンとを水及び硝酸マンガン(II)六水和物を溶解した1M硝酸マンガン水溶液中で混練した。この際、粘度変化が安定するまで混練を継続し、所定粘度のペーストを作製した。なお、触媒シートを作製するときに、カーボン:二酸化マンガン=9:1になるように、硝酸マンガン(II)六水和物を溶解した1M硝酸マンガン水溶液を水の量が同じになるように添加した。
次に、シート状に成形して乾燥した後、焼成処理として、120℃で一時間の熱処理を行った。この熱処理は、実施例1と同様に、大気存在下、且つ、大気圧の環境で実施した。以上の工程により、導電材(KB)に対し重量比で二酸化マンガンを10%含有する触媒シートを作製した。
(Example 2)
KB as a conductive material and polypropylene as a binder were kneaded in a 1M manganese nitrate aqueous solution in which water and manganese(II) nitrate hexahydrate were dissolved. At this time, kneading was continued until the viscosity change became stable, and a paste having a predetermined viscosity was produced. When preparing the catalyst sheet, 1M manganese nitrate aqueous solution in which manganese(II) nitrate hexahydrate was dissolved was added so that carbon:manganese dioxide=9:1 so that the amount of water was the same. did.
Next, after being formed into a sheet and dried, a heat treatment was performed at 120° C. for one hour as a firing process. This heat treatment was carried out in the presence of air and at atmospheric pressure, as in Example 1. Through the above steps, a catalyst sheet containing 10% by weight of manganese dioxide with respect to the conductive material (KB) was produced.
(実施例3)
導電材としてKBと有機物バインダとしてPTFEとを水及び酢酸マンガン(II)四水和物を溶解した1M酢酸マンガン水溶液中で混練した。この際、PTFEのフィブリル化が起こり、粘度変化が安定するまで混練を継続し、所定粘度のペーストを作製した。なお、触媒シートを作製するときに、カーボン:二酸化マンガン=9:1になるように、酢酸マンガン(II)四水和物を溶解した1M酢酸マンガン水溶液を水の量が同じになるように添加した。
次に、シート状に成形して乾燥した後、焼成処理として、200℃で一時間の熱処理を行った。この熱処理は、上記実施例1,2と同様に、大気存在下、且つ、大気圧の環境で実施した。以上の工程により、導電材(KB)に対し重量比で二酸化マンガンを10%含有する触媒シートを作製した。
(Example 3)
KB as a conductive material and PTFE as an organic binder were kneaded in a 1M manganese acetate aqueous solution in which water and manganese (II) acetate tetrahydrate were dissolved. At this time, fibrillation of PTFE occurred, and kneading was continued until the change in viscosity became stable to prepare a paste having a predetermined viscosity. When preparing the catalyst sheet, a 1M manganese acetate aqueous solution in which manganese (II) acetate tetrahydrate was dissolved was added so that carbon:manganese dioxide=9:1 and the amount of water was the same. did.
Next, after being formed into a sheet and dried, a heat treatment was performed at 200° C. for one hour as a firing process. This heat treatment was carried out in the presence of air and at atmospheric pressure, as in Examples 1 and 2 above. Through the above steps, a catalyst sheet containing 10% by weight of manganese dioxide with respect to the conductive material (KB) was produced.
(比較例1)
導電材としてKBと有機物バインダとしてPTFEバインダとを水で混練し、成形乾燥することにより、触媒シートを作製した。つまり、比較例1の触媒シートはマンガン触媒を含んでいない。
(Comparative Example 1)
A catalyst sheet was prepared by kneading KB as a conductive material and PTFE binder as an organic binder with water and molding and drying. That is, the catalyst sheet of Comparative Example 1 does not contain a manganese catalyst.
(比較例2)
導電材としてKBと触媒として二酸化マンガン粉末とを9:1の割合とし、これに有機物バインダとしてPTFEと水とを混練し、成形乾燥することにより、触媒シートを作製した。つまり、二酸化マンガン粉末を単純追加する方法によって、二酸化マンガンを10%含有する触媒シートを作製した。なお、二酸化マンガン粉末には、乾電池グレードの電解二酸化マンガン(EMD)の粉末を用いた。
(Comparative example 2)
A catalyst sheet was prepared by mixing KB as a conductive material and manganese dioxide powder as a catalyst in a ratio of 9:1, kneading PTFE and water as an organic binder, and molding and drying the mixture. That is, a catalyst sheet containing 10% of manganese dioxide was produced by a method of simply adding manganese dioxide powder. As the manganese dioxide powder, dry battery grade electrolytic manganese dioxide (EMD) powder was used.
(比較例3)
導電材としてKBと触媒として二酸化マンガンとが9:1の割合になるように、KBと硝酸マンガン(II)六水和物を溶解した1M硝酸マンガン水溶液とを混練し、混練物を80℃で24時間乾燥した後、120℃で24時間、熱処理した後粉砕してKBの表面に二酸化マンガン担持された触媒粉を調製した。この熱処理は、大気存在下、且つ、大気圧の環境で実施した。
次に、この触媒粉とPTFEと水とを混練し、成形乾燥した。これにより、二酸化マンガンを10%含有する触媒シートを作製した。つまり、比較例3の触媒シートは、カーボン表面に二酸化マンガンが析出担持した粉末によって形成されている。
(Comparative example 3)
KB and 1M manganese nitrate aqueous solution in which manganese (II) nitrate hexahydrate was dissolved were kneaded so that KB as a conductive material and manganese dioxide as a catalyst had a ratio of 9:1, and the kneaded material was heated at 80°C. After being dried for 24 hours, heat-treated at 120° C. for 24 hours and then pulverized to prepare a catalyst powder having KB supported on its surface. This heat treatment was performed in the presence of air and at atmospheric pressure.
Next, this catalyst powder, PTFE and water were kneaded, and molded and dried. Thus, a catalyst sheet containing 10% manganese dioxide was produced. That is, the catalyst sheet of Comparative Example 3 is formed of powder in which manganese dioxide is deposited and carried on the surface of carbon.
(比較例4)
導電材としてKBとバインダとしてポリエチレンと水とを混練し、所定粘度のペーストを作製した。次に、カーボン:二酸化マンガン=9:1になるように、硝酸マンガン(II)六水和物を溶解した1M硝酸マンガン水溶液を水の量が同じになるように調整し、前記作製したペーストと混練し、成形乾燥したシートに作製した後、焼成処理として、大気存在下において、大気圧で、且つ、120℃で一時間の熱処理を行った。
以上の工程により触媒シートの作製を試みたが、ポリエチレンが低融点であるため、ポリエチレンが融解して凝集し、強度が得られず、触媒シートの作製は不可能であった。
なお、ポリエチレンの融点は、低密度ポリエチレンで95〜130℃、高密度ポリエチレンで120〜140℃である。これに対し、PTFEの融点は327℃であり、PPの融点は約165℃である。
(Comparative Example 4)
KB as a conductive material, polyethylene as a binder and water were kneaded to prepare a paste having a predetermined viscosity. Next, a 1M aqueous solution of manganese nitrate in which manganese(II) nitrate hexahydrate was dissolved was adjusted to have the same amount of water so that carbon:manganese dioxide=9:1, and the paste prepared above was prepared. After kneading and forming into a molded and dried sheet, as a baking treatment, a heat treatment was carried out at 120° C. for one hour in the presence of air at atmospheric pressure.
Attempts were made to produce a catalyst sheet through the above steps, but since polyethylene had a low melting point, polyethylene melted and agglomerated, strength was not obtained, and a catalyst sheet could not be produced.
The melting point of polyethylene is 95 to 130° C. for low density polyethylene and 120 to 140° C. for high density polyethylene. On the other hand, the melting point of PTFE is 327°C, and the melting point of PP is about 165°C.
2.(評価試験)
比較例4を除いた各触媒シートを所定サイズに切断(サイジング)し、銅メッシュの両面に圧着して空気極13を作製した。次に、各空気極13と、マグネシウム合金からなる金属極15とを用いて空気電池10をそれぞれ作製し、放電による分極試験を行った。試験結果は図2に示している。図2中、横軸は、電流密度(mA/平方センチメートル)を示し、縦軸は電池電圧(V)を示している。
2. (Evaluation test)
Each catalyst sheet except for Comparative Example 4 was cut (sized) into a predetermined size, and pressure-bonded to both surfaces of a copper mesh to prepare an
図2に示すように、実施例1〜3は、いずれも比較例1〜3と比べて良好な結果であった。このことは、実施例1〜3で使用する触媒シートを用いることにより、マンガン触媒を用いた構成で電子の移動をスムーズ化できていることを示している。実施例の中では、実施例1、実施例2及び実施例3の順に良好な結果が得られた。
比較例については、マンガン触媒を含有しない比較例1と比べて、比較例2及び3が多少の分極低下は見られたが、十分な効果は得られなかった。
As shown in FIG. 2, Examples 1 to 3 were all good results as compared with Comparative Examples 1 to 3. This indicates that by using the catalyst sheets used in Examples 1 to 3, the movement of electrons can be made smooth with the configuration using the manganese catalyst. Among the examples, good results were obtained in the order of Example 1, Example 2 and Example 3.
As for the comparative example, compared with the comparative example 1 containing no manganese catalyst, the comparative examples 2 and 3 showed some decrease in polarization, but the sufficient effect was not obtained.
発明者等は、実施例1,2のように硝酸マンガンを用いる場合、焼成処理として、約120℃以上であれば二酸化マンガンを得られることを確認している。実施例1,2では、焼成が可能な範囲で比較的低い温度(120℃)で熱処理することにより、PTFEの分解を避けている。
また、酢酸マンガンを用いる実施例3では、200℃で焼成処理を行っている。200℃であっても、PTFEの融点(327℃)よりも十分に低いので、PTFEの分解を避けることができる。
上記熱処理の温度は、PTFEの分解を避ける温度であればよく、反応熱による温度上昇を考慮する観点から、320℃以下が好ましい。より好ましくは、120℃以上280℃以下が良い。なお、熱処理の時間は、バインダの種類や熱処理温度に応じて適宜に調整すれば良い。
The inventors have confirmed that when manganese nitrate is used as in Examples 1 and 2, manganese dioxide can be obtained at a baking temperature of about 120° C. or higher. In Examples 1 and 2, the decomposition of PTFE is avoided by performing the heat treatment at a relatively low temperature (120° C.) within the range where firing is possible.
Further, in Example 3 using manganese acetate, the baking treatment was performed at 200°C. Even at 200° C., it is sufficiently lower than the melting point of PTFE (327° C.), so that the decomposition of PTFE can be avoided.
The temperature of the heat treatment may be a temperature that avoids the decomposition of PTFE, and is preferably 320° C. or lower from the viewpoint of considering the temperature rise due to the heat of reaction. More preferably, the temperature is 120° C. or higher and 280° C. or lower. The heat treatment time may be appropriately adjusted depending on the type of binder and the heat treatment temperature.
また、実施例1では、200℃で焼結処理を行っている。この200℃は、上記したように、PTFEの分解を避ける温度である。なお、PTFEの分解を避ける温度であれば200℃以外にしても良い。
さらに、発明者等は、上記熱処理を、大気存在下において、大気圧の環境で実施するので、有機物バインダの水性ディスパージョン中に分散するマンガン触媒前駆体の熱分解を効率良く行うことが可能である。つまり、減圧下で熱処理を行う場合と比べて、周囲の酸素が多く、熱分解反応を促進させることができる。
Further, in Example 1, the sintering process is performed at 200°C. This 200° C. is a temperature that avoids the decomposition of PTFE, as described above. It should be noted that the temperature may be other than 200° C. as long as the temperature avoids the decomposition of PTFE.
Furthermore, since the present inventors perform the above heat treatment in the presence of air in an environment of atmospheric pressure, it is possible to efficiently perform thermal decomposition of the manganese catalyst precursor dispersed in the aqueous dispersion of the organic binder. is there. That is, as compared with the case where the heat treatment is performed under reduced pressure, the surrounding oxygen content is large, and the thermal decomposition reaction can be promoted.
本実施形態によれば、予め成形したシート内では、カーボンパウダーが高分子バインダにより固定されており、マンガン触媒前駆体の溶液を含浸、乾燥及び熱処理することにより、カーボンパウダー及びバインダ表面にマンガン酸化物系触媒が析出形成される。例えば、複数回、この操作を繰り返すことにより、緻密で十分な量の触媒がシート内部に担持される。最終的には、シート内で反応場である触媒が担持されたカーボンによる導電マトリクスが形成されるので、シート内の電子移動は容易になり、このシートと集電体とで構成された空気極13の性能は飛躍的に向上する。 According to the present embodiment, in the preformed sheet, the carbon powder is fixed by the polymer binder, and by impregnating the solution of the manganese catalyst precursor, drying and heat treatment, the carbon powder and the binder surface are oxidized with manganese. The physical catalyst is deposited and formed. For example, by repeating this operation a plurality of times, a dense and sufficient amount of catalyst is supported inside the sheet. Eventually, a conductive matrix of carbon supporting a catalyst, which is a reaction field, is formed in the sheet, which facilitates electron transfer in the sheet, and an air electrode composed of this sheet and a current collector. The performance of 13 is improved dramatically.
また、大気中で触媒が得られる温度で熱処理し、触媒シートを形成するので、熱分解反応を促進させることができる。従って、安価なマンガン系触媒を効率よく作動させることができ、安価で高性能な空気電池が得られる。特に、マンガン触媒前駆体の溶液として、硝酸マンガン水溶液を用いた場合は、化学式(式(1))のような熱分解が120℃付近で起きるので、熱処理温度を120℃とし、融点がこれ以上の高分子バインダである有機物バインダを用いると、シートの破壊が起こらずにマンガン酸化物系触媒を析出できる。
Mn(NO3)2→MnO2+2(NO2) ・・・式(1)
Further, the catalyst sheet is formed by heat treatment in the atmosphere at a temperature at which the catalyst can be obtained, so that the thermal decomposition reaction can be accelerated. Therefore, an inexpensive manganese-based catalyst can be efficiently operated, and an inexpensive and high-performance air battery can be obtained. In particular, when an aqueous solution of manganese nitrate is used as the solution of the manganese catalyst precursor, thermal decomposition such as the chemical formula (Formula (1)) occurs at around 120°C, so the heat treatment temperature is set to 120°C and the melting point is higher than this. When the organic binder, which is the polymer binder of (1), is used, the manganese oxide-based catalyst can be deposited without causing the sheet to break.
Mn(NO 3 ) 2 →MnO 2 +2(NO 2 )... Formula (1)
マンガン触媒前駆体としては、処理温度と有機物バインダの融点との組み合わせを考慮する必要があり、例えば、硝酸マンガン(II)、酢酸マンガン(II)、又はビス酢酸マンガン(II)等を使用できる。有機物バインダは、PTFEなどのフッ素系樹脂、及びポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂に限定されず、ポリイミド樹脂、又はアラミド樹脂等を使用できる。
また、有機物バインダが熱可塑性を有するので、熱処理温度がこれらの焼結温度付近のときにバインダ同士の焼結が起こり、触媒シートの機械的強度を増大させる効果も得ることができる。
As the manganese catalyst precursor, it is necessary to consider the combination of the treatment temperature and the melting point of the organic binder, and for example, manganese (II) nitrate, manganese (II) acetate, or manganese (II) bisacetate can be used. The organic binder is not limited to a fluorine resin such as PTFE and a polyolefin resin such as polypropylene, but a polyimide resin, an aramid resin, or the like can be used.
In addition, since the organic binder has thermoplasticity, sintering of the binders occurs when the heat treatment temperature is near these sintering temperatures, and the effect of increasing the mechanical strength of the catalyst sheet can also be obtained.
すなわち、本実施形態の触媒シートは、導電材であるカーボンパウダーと有機物バインダとを水及びマンガン触媒前駆体の溶液中で混練した後、成形乾燥してシート部材を作製し、このシート部材を、大気中で触媒が得られる温度で熱処理し、触媒シートを形成する。これにより、電子の移動をスムーズにすることで分極特性を改善し、且つ安価な触媒シートを製造することが可能である。この場合、シート部材を、大気中で触媒が得られる温度で熱処理するので、シート製造時の熱分解反応を促進させ易くなる。 That is, the catalyst sheet of the present embodiment, after kneading the carbon powder as the conductive material and the organic binder in the solution of water and the manganese catalyst precursor, it is molded and dried to produce a sheet member, the sheet member, Heat treatment is performed in the atmosphere at a temperature at which the catalyst is obtained to form a catalyst sheet. This makes it possible to improve the polarization characteristics by smoothing the movement of electrons and to manufacture an inexpensive catalyst sheet. In this case, since the sheet member is heat-treated in the atmosphere at a temperature at which the catalyst is obtained, it becomes easy to promote the thermal decomposition reaction at the time of manufacturing the sheet.
しかも、実施例1,2に示すように、マンガン触媒前駆体の溶液として、硝酸マンガン水溶液を用いるので、比較的低い温度でマンガン酸化物系触媒を析出形成できる。従って、融点がこれ以上の高分子バインダである有機物バインダを選び易くなる。
さらに、有機物バインダとして、前記熱処理する際の温度よりも融点が高い高分子ディスパージョンを用いるので、有機物バインダの分解を避け、シートの破壊を回避することができる。また、この有機物バインダに熱可塑性樹脂を用いることによって、触媒シートの機械的強度を増大させることもできる。
Moreover, as shown in Examples 1 and 2, since the manganese nitrate aqueous solution is used as the solution of the manganese catalyst precursor, the manganese oxide-based catalyst can be deposited and formed at a relatively low temperature. Therefore, it becomes easy to select an organic binder which is a polymer binder having a melting point higher than this.
Furthermore, since a polymer dispersion having a melting point higher than the temperature during the heat treatment is used as the organic binder, decomposition of the organic binder can be avoided and destruction of the sheet can be avoided. Moreover, the mechanical strength of the catalyst sheet can be increased by using a thermoplastic resin for the organic binder.
また、上記の製造方法で製造した触媒シートを、集電体に圧着することで空気極13を得るので、マンガン触媒を用いた構成で電子の移動をスムーズにすることが可能な空気極13を製造することができる。また、本実施形態のシート及び空気極13の製造方法では、触媒シート及び空気極13に局所的な応力(例えばせん断力)が作用しないので、触媒シート及び空気極13の品質の安定化を図り易くなる。
Further, since the
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形、及び変更が可能である。
例えば、上述の実施形態の触媒シートは、様々な空気電池の空気極に用いることができる。また、この触媒シートを、空気電池以外の電池の極板に用いても良い。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention.
For example, the catalyst sheet of the above-mentioned embodiment can be used for the air electrode of various air batteries. Further, this catalyst sheet may be used as an electrode plate of batteries other than air batteries.
10 空気電池
11 外装体
11A 狭持部材
11B 支持部材
11K 開口部
13 空気極
15 金属極
10
Claims (4)
導電材と有機物バインダとを水及びマンガン触媒前駆体の溶液中で混練した後、成形乾燥してシート部材を作製し、前記シート部材を、大気中で触媒が得られる温度で熱処理し、触媒シートを形成し、
前記有機物バインダは、前記熱処理する際の温度よりも融点が高い高分子ディスパージョンであり、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE、テフロン(登録商標)とも言う)などのフッ素系樹脂、又は、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂などの熱可塑性樹脂であり、
前記溶液は、硝酸マンガン(II)六水和物、又は酢酸マンガン(II)四水和物であることを特徴とする触媒シートの製造方法。 In a method for producing a catalyst sheet used for a battery electrode,
A conductive material and an organic binder are kneaded in a solution of water and a manganese catalyst precursor, and then molded and dried to produce a sheet member, and the sheet member is heat-treated at a temperature at which a catalyst can be obtained in the atmosphere to form a catalyst sheet. to form,
The organic binder is a polymer dispersion having a melting point higher than the temperature during the heat treatment, and is a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE, also called Teflon (registered trademark)), or polypropylene (PP). It is a thermoplastic resin such as a polyolefin resin such as
The solution, the catalyst sheet manufacturing method, wherein the manganese (II) nitrate hexahydrate, or manganese acetate (II) is tetrahydrate der Rukoto.
導電材と有機物バインダとを水及びマンガン触媒前駆体の溶液中で混練した後、成形乾燥してシート部材を作製し、前記シート部材を、大気中で触媒が得られる温度で熱処理することで触媒シートを得、前記触媒シートを、集電体に圧着することで得られ、 After kneading a conductive material and an organic binder in a solution of water and a manganese catalyst precursor, a sheet member is prepared by molding and drying, and the sheet member is heat-treated at a temperature at which a catalyst is obtained in the atmosphere to form a catalyst. A sheet is obtained, which is obtained by pressing the catalyst sheet onto a current collector,
前記有機物バインダは、前記熱処理する際の温度よりも融点が高い高分子ディスパージョンであり、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE、テフロン(登録商標)とも言う)などのフッ素系樹脂、又は、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂などの熱可塑性樹脂であり、 The organic binder is a polymer dispersion having a melting point higher than the temperature during the heat treatment, and is a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE, also called Teflon (registered trademark)), or polypropylene (PP). It is a thermoplastic resin such as a polyolefin resin such as
前記溶液は、硝酸マンガン(II)六水和物、又は酢酸マンガン(II)四水和物であることを特徴とする空気極の製造方法。 The method for producing an air electrode, wherein the solution is manganese (II) nitrate hexahydrate or manganese (II) acetate tetrahydrate.
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