JP7260349B2 - Electrolyte for zinc battery and zinc battery - Google Patents
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Description
本発明は、亜鉛電池用電解液及び亜鉛電池に関する。 The present invention relates to electrolytes for zinc batteries and zinc batteries.
亜鉛電池としては、ニッケル亜鉛電池、空気亜鉛電池、銀亜鉛電池等が知られている。例えば、ニッケル亜鉛電池は、水酸化カリウム水溶液等の水系電解液を用いる水系電池であることから、高い安全性を有するとともに、亜鉛電極とニッケル電極との組み合わせにより、水系電池としては高い起電力を有することが知られている。さらに、ニッケル亜鉛電池は、優れた入出力性能に加えて、低コストであることから、産業用途(例えば、バックアップ電源等の用途)及び自動車用途(例えば、ハイブリッド自動車等の用途)への適用可能性が検討されている。 Nickel-zinc batteries, air-zinc batteries, silver-zinc batteries and the like are known as zinc batteries. For example, a nickel-zinc battery is an aqueous battery that uses an aqueous electrolyte such as an aqueous potassium hydroxide solution, so it has a high degree of safety, and the combination of zinc and nickel electrodes produces a high electromotive force as an aqueous battery. known to have In addition, nickel-zinc batteries have excellent input/output performance and are low in cost, so they can be applied to industrial applications (e.g., backup power supplies) and automotive applications (e.g., hybrid vehicles). gender is being considered.
ニッケル亜鉛電池の充放電反応は、例えば、下記式に従って進行する(放電反応:右向き、充電反応:左向き)。
(正極)2NiOOH+2H2O+2e- → 2Ni(OH)2+2OH-
(負極)Zn+2OH- → Zn(OH)2+2e-
The charge/discharge reaction of a nickel-zinc battery proceeds, for example, according to the following formula (discharge reaction: rightward, charge reaction: leftward).
(Positive electrode) 2NiOOH+2H 2 O+2e − → 2Ni(OH) 2 +2OH −
(Negative electrode) Zn+2OH − → Zn(OH) 2 +2e −
上記式に示されるように、亜鉛電池では、放電反応により水酸化亜鉛(Zn(OH)2)が生成する。水酸化亜鉛は電解液に可溶であり、水酸化亜鉛が電解液に溶解すると、テトラヒドロキシド亜鉛酸イオン([Zn(OH)4]2-)が電解液中に拡散する。その結果、負極の形態変化(変形)が進行するとともに充電電流の分布が不均一となること等により、負極上の局所で亜鉛の析出が起こり、デンドライト(樹枝状結晶)が発生する。従来の亜鉛電池では、充放電の繰り返しによりデンドライトが成長した場合、デンドライトがセパレータを貫通し短絡が発生する場合がある。そのため、このようなデンドライトによる短絡を防止し、寿命性能を向上させる種々の試みがなされている。例えば、下記特許文献1には、負極表面近傍にカチオン性有機物を配することで、したことを特徴とするものである、ニッケルメッキを施した不織布を電極間に介在させることで、デンドライトによる短絡を防止する技術が開示されている。
As shown in the above formula, zinc hydroxide (Zn(OH) 2 ) is produced by the discharge reaction in zinc batteries. Zinc hydroxide is soluble in the electrolyte, and when zinc hydroxide dissolves in the electrolyte, tetrahydroxide zincate ions ([Zn(OH) 4 ] 2− ) diffuse into the electrolyte. As a result, the shape change (deformation) of the negative electrode progresses and the distribution of the charging current becomes uneven. In conventional zinc batteries, when dendrites grow due to repeated charging and discharging, the dendrites may penetrate the separator and cause a short circuit. Therefore, various attempts have been made to prevent short circuits due to such dendrites and improve life performance. For example, in
ところで、亜鉛電池は、上記デンドライトに起因する短絡の発生の他、充放電の繰り返しにより放電容量を発揮し得なくなることで寿命に至る場合がある。亜鉛電池の寿命を向上させるためには、上記放電容量の低下を抑制することが重要である。 By the way, zinc batteries may reach the end of their service life due to short circuits caused by dendrites as well as failure to exhibit discharge capacity due to repeated charging and discharging. In order to improve the life of the zinc battery, it is important to suppress the decrease in the discharge capacity.
そこで、本発明は、亜鉛電池の放電容量の低下を抑制することができる亜鉛電池用電解液、及び当該電解液を備える亜鉛電池を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a zinc battery electrolytic solution capable of suppressing a decrease in discharge capacity of a zinc battery, and a zinc battery including the electrolytic solution.
本発明の一側面は、カチオン性界面活性剤と、ノニオン性界面活性剤とを含有する、亜鉛電池用電解液に関する。この電解液によれば、亜鉛電池の放電容量の低下を抑制することができ、亜鉛電池の寿命性能を向上させることができる。また、この電解液によれば、デンドライトの発生も抑制される傾向がある。 One aspect of the present invention relates to a zinc battery electrolytic solution containing a cationic surfactant and a nonionic surfactant. According to this electrolytic solution, it is possible to suppress the decrease in the discharge capacity of the zinc battery and improve the life performance of the zinc battery. In addition, this electrolytic solution tends to suppress the formation of dendrites.
一側面において、カチオン性界面活性剤は、モノアルキルトリメチルアンモニウム塩又はジアルキルジメチルアンモニウム塩であってよい。 In one aspect, the cationic surfactant can be a monoalkyltrimethylammonium salt or a dialkyldimethylammonium salt.
一側面において、ノニオン性界面活性剤は、ポリオキシエチレンアルキルエーテル又はポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルであってよい。 In one aspect, the nonionic surfactant can be a polyoxyethylene alkyl ether or polyoxyethylene alkylphenyl ether.
本発明の他の一側面は、上記電解液を備える亜鉛電池に関する。この亜鉛電池は、放電容量が低下し難く、優れた寿命性能を有する。 Another aspect of the present invention relates to a zinc battery comprising the above electrolyte. This zinc battery does not easily decrease in discharge capacity and has excellent life performance.
本発明によれば、亜鉛電池の放電容量の低下を抑制することができる亜鉛電池用電解液、及び当該電解液を備える亜鉛電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a zinc battery electrolytic solution capable of suppressing a decrease in discharge capacity of a zinc battery, and a zinc battery including the electrolytic solution.
本明細書において、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階の数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階の数値範囲の上限値又は下限値と任意に組み合わせることができる。本明細書に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実験例に示されている値に置き換えてもよい。「A又はB」とは、A及びBのどちらか一方を含んでいればよく、両方とも含んでいてもよい。本明細書に例示する材料は、特に断らない限り、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。本明細書において、組成物中の各成分の使用量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。また、本明細書において「膜」又は「層」との語は、平面図として観察したときに、全面に形成されている形状の構造に加え、一部に形成されている形状の構造も包含される。また、本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。 In this specification, a numerical range indicated using "to" indicates a range including the numerical values before and after "to" as the minimum and maximum values, respectively. In the numerical ranges described stepwise in this specification, the upper limit value or lower limit value of the numerical range in one step can be arbitrarily combined with the upper limit value or lower limit of the numerical range in another step. In the numerical ranges described herein, the upper and lower limits of the numerical ranges may be replaced with the values shown in Experimental Examples. "A or B" may include either A or B, or may include both. The materials exemplified in this specification can be used singly or in combination of two or more unless otherwise specified. As used herein, the amount of each component used in the composition refers to the total amount of the multiple substances present in the composition when there are multiple substances corresponding to each component in the composition, unless otherwise specified. means Further, in this specification, the term "film" or "layer" includes not only a shape structure formed on the entire surface but also a shape structure formed partially when observed as a plan view. be done. In addition, the term "step" as used herein refers not only to an independent step, but also to the term if the desired action of the step is achieved even if it cannot be clearly distinguished from other steps. included.
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は下記実施形態に何ら限定されるものではない。 Preferred embodiments of the present invention are described below. However, the present invention is by no means limited to the following embodiments.
<亜鉛電池用電解液>
一実施形態の電解液は、カチオン性界面活性剤と、ノニオン性界面活性剤とを含有する。カチオン性界面活性剤及びノニオン性界面活性剤は、電解液の溶媒(例えば水)に対して溶解可能な有機化合物又はその塩であり、電解液中に溶解した状態で存在してよい。
<Electrolyte for zinc batteries>
The electrolytic solution of one embodiment contains a cationic surfactant and a nonionic surfactant. Cationic surfactants and nonionic surfactants are organic compounds or salts thereof that are soluble in the solvent (for example, water) of the electrolytic solution, and may exist dissolved in the electrolytic solution.
カチオン性界面活性剤は、カチオン性の親水基と、疎水基とを有している。カチオン性界面活性剤としては、例えば、脂肪族アミン又はその塩、アルキルアミドアミン塩、モノアルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルベンジルジメチルアンモニウム塩、アルキルピリジニウム塩、塩化ベンゼトニウム塩等の第4級アンモニウム塩型カチオン性界面活性剤などが挙げられる。これらの中でも、モノアルキルトリメチルアンモニウム塩及びジアルキルジメチルアンモニウム塩が好ましく、モノアルキルトリメチルアンモニウム塩がより好ましい。 A cationic surfactant has a cationic hydrophilic group and a hydrophobic group. Examples of cationic surfactants include quaternary surfactants such as aliphatic amines or salts thereof, alkylamidoamine salts, monoalkyltrimethylammonium salts, dialkyldimethylammonium salts, alkylbenzyldimethylammonium salts, alkylpyridinium salts, and benzethonium chloride salts. ammonium salt-type cationic surfactants; Among these, monoalkyltrimethylammonium salts and dialkyldimethylammonium salts are preferred, and monoalkyltrimethylammonium salts are more preferred.
モノアルキルトリメチルアンモニウム塩及びジアルキルジメチルアンモニウム塩は、例えば、下記式(1)で表される構造を有する。
式(1):(R1)nN+(R2)n-4 X-
[式(1)中、nは1又は2であり、R1は、炭素数1~20の炭化水素基であり、複数のR2は、それぞれ独立して、炭素数1~20の炭化水素基であり、X-は、アニオンを表す。nが2である場合、複数のR1は、同一でも異なっていてもよい。]
Monoalkyltrimethylammonium salts and dialkyldimethylammonium salts have, for example, structures represented by the following formula (1).
Formula (1): (R 1 ) n N + (R 2 ) n-4 X −
[In formula (1), n is 1 or 2, R 1 is a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, and a plurality of R 2 are each independently a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms. group and X - represents an anion. When n is 2, multiple R 1s may be the same or different. ]
R1の炭化水素基は、直鎖状であっても分枝状であってもよく、飽和又は不飽和のいずれであってもよく、脂環式構造等の環状構造を含んでいてもよい。R1の炭化水素基は、好ましくはアルキル基である。R1の炭化水素基の炭素数は、好ましくは12~18である。R2の炭化水素基は、直鎖状であっても分枝状であってもよく、飽和又は不飽和のいずれであってもよい。R2の炭化水素基は、好ましくはアルキル基である。R2の炭化水素基の炭素数は、好ましくは1~4である。X-は、式(1)の第4級アンモニウムイオンとの塩を形成できるアニオンであればよく、例えば、F-、Cl-、Br-、I-等のハロゲンイオン、CH3COO-等のカルボキシレートイオン、スルフェートイオン、ホスフェートイオン等であってよい。 The hydrocarbon group for R 1 may be linear or branched, saturated or unsaturated, and may contain a cyclic structure such as an alicyclic structure. . The hydrocarbon group for R 1 is preferably an alkyl group. The hydrocarbon group for R 1 preferably has 12 to 18 carbon atoms. The hydrocarbon group for R2 may be linear or branched and either saturated or unsaturated. The hydrocarbon group for R2 is preferably an alkyl group. The number of carbon atoms in the hydrocarbon group for R 2 is preferably 1-4. X - may be any anion capable of forming a salt with the quaternary ammonium ion of formula (1), for example, halogen ions such as F - , Cl - , Br - and I - , CH 3 COO - and the like. It may be a carboxylate ion, sulfate ion, phosphate ion, and the like.
モノアルキルトリメチルアンモニウム塩の具体例としては、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、トリデシルトリメチルアンモニウムブロミド、トリデシルトリメチルアンモニウムクロライド、テトラデシルトリメチルアンモニウムブロミド、テトラデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ペンタデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ペンタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヘプタデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘプタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムブロミド及びオクタデシルトリメチルアンモニウムクロライドが挙げられる。 Specific examples of monoalkyltrimethylammonium salts include dodecyltrimethylammonium bromide, dodecyltrimethylammonium chloride, tridecyltrimethylammonium bromide, tridecyltrimethylammonium chloride, tetradecyltrimethylammonium bromide, tetradecyltrimethylammonium chloride, and pentadecyltrimethylammonium bromide. , pentadecyltrimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium bromide, hexadecyltrimethylammonium chloride, heptadecyltrimethylammonium bromide, heptadecyltrimethylammonium chloride, octadecyltrimethylammonium bromide and octadecyltrimethylammonium chloride.
ジアルキルジメチルアンモニウム塩の具体例としては、ジドデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジドデシルジメチルアンモニウムクロライド、ジトリデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジトリデシルジメチルアンモニウムクロライド、ジテトラデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジテトラデシルジメチルアンモニウムクロライド、ジペンタデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジペンタデシルジメチルアンモニウムクロライド、ジヘキサデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジヘキサデシルジメチルアンモニウムクロライド、ジヘプタデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジヘプタデシルジメチルアンモニウムクロライド、ジオクタデシルジメチルアンモニウムブロミド及びジオクタデシルジメチルアンモニウムクロライドが挙げられる。 Specific examples of dialkyldimethylammonium salts include didodecyldimethylammonium bromide, didodecyldimethylammonium chloride, ditridecyldimethylammonium bromide, ditridecyldimethylammonium chloride, ditetradecyldimethylammonium bromide, ditetradecyldimethylammonium chloride, dipenta Decyldimethylammonium bromide, dipentadecyldimethylammonium chloride, dihexadecyldimethylammonium bromide, dihexadecyldimethylammonium chloride, diheptadecyldimethylammonium bromide, diheptadecyldimethylammonium chloride, dioctadecyldimethylammonium bromide and dioctadecyldimethylammonium chloride.
カチオン性界面活性剤の分子量は、例えば、90以上であり、500以下である。カチオン性界面活性剤は、一種を単独で又は複数種を組み合わせて用いることができる。 The molecular weight of the cationic surfactant is, for example, 90 or more and 500 or less. A cationic surfactant can be used individually by 1 type or in combination of multiple types.
電解液中のカチオン性界面活性剤の濃度(含有量)は、充放電を繰り返すことによる放電容量の低下を抑制する効果がより向上する観点及びデンドライトの抑制効果がより向上する観点から、電解液の全量を基準として、好ましくは0.0005質量%以上であり、より好ましくは0.001質量%以上であり、更に好ましくは0.003質量%以上である。電解液中のカチオン性界面活性剤の濃度(含有量)は、電解液中への溶解度の観点から、電解液の全質量を基準として、好ましくは2.0質量%以下であり、より好ましくは1.0質量%以下であり、更に好ましくは0.5質量%以下である。 The concentration (content) of the cationic surfactant in the electrolyte is determined from the viewpoint of further improving the effect of suppressing the decrease in discharge capacity due to repeated charging and discharging and the viewpoint of further improving the effect of suppressing dendrite formation. is preferably 0.0005% by mass or more, more preferably 0.001% by mass or more, and still more preferably 0.003% by mass or more, based on the total amount of The concentration (content) of the cationic surfactant in the electrolyte is preferably 2.0% by mass or less, more preferably 2.0% by mass or less, based on the total mass of the electrolyte, from the viewpoint of solubility in the electrolyte. It is 1.0% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less.
ノニオン性界面活性剤は、ノニオン性の親水基と、疎水基とを有している。ノニオン性界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル等のポリオキシエチレン含有エステル化合物、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等のポリオキシエチレン含有エーテル化合物等が挙げられる。これらの中でも、ポリオキシエチレンアルキルエーテル及びポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルが好ましく、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルがより好ましい。 A nonionic surfactant has a nonionic hydrophilic group and a hydrophobic group. Examples of nonionic surfactants include polyoxyethylene-containing ester compounds such as polyoxyethylene fatty acid esters, polyoxyethylene sorbitan fatty acid esters, polyoxyethylene sorbitol fatty acid esters, polyoxyethylene alkyl ethers, and polyoxyethylene alkylphenyl ethers. and polyoxyethylene-containing ether compounds such as Among these, polyoxyethylene alkyl ethers and polyoxyethylene alkylphenyl ethers are preferred, and polyoxyethylene alkylphenyl ethers are more preferred.
ポリオキシエチレンアルキルエーテル及びポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルは、例えば、下記式(2)又は(3)で表される構造を有する。
式(2):R3O(CH2CH2O)mH
[式(2)中、mは2~60の整数であり、R3は、炭素数1~30の炭化水素基である。]
式(3):R4C6H11O(CH2CH2O)pH
[式(3)中、pは2~60の整数であり、R4は、炭素数1~30の炭化水素基である。]
Polyoxyethylene alkyl ethers and polyoxyethylene alkylphenyl ethers have structures represented by the following formula (2) or (3), for example.
Formula (2): R3O ( CH2CH2O ) mH
[In formula (2), m is an integer of 2 to 60, and R 3 is a hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms. ]
Formula ( 3 ) : R4C6H11O ( CH2CH2O ) pH
[In formula (3), p is an integer of 2 to 60, and R 4 is a hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms. ]
R3及びR4の炭化水素基は、直鎖状であっても分枝状であってもよく、飽和又は不飽和のいずれであってもよい。R3及びR4の炭化水素基は、好ましくはアルキル基である。R3の炭化水素基の炭素数は、好ましくは10~18である。R4の炭化水素基の炭素数は、好ましくは4~12である。m及びpは平均重合度であり、好ましくは5~12であり、より好ましくは7~10である。 The hydrocarbon groups for R 3 and R 4 may be linear or branched and either saturated or unsaturated. The hydrocarbon groups for R 3 and R 4 are preferably alkyl groups. The hydrocarbon group for R 3 preferably has 10 to 18 carbon atoms. The hydrocarbon group of R 4 preferably has 4 to 12 carbon atoms. m and p are average degrees of polymerization, preferably 5-12, more preferably 7-10.
ポリオキシエチレンアルキルエーテルの具体例としては、ポリオキシエチレンデシルエーテル、ポリオキシエチレンウンデシルエーテル、ポリオキシエチレンドデシルエーテル、ポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンテトラデシルエーテル、ポリオキシエチレンペンタデシルエーテル、ポリオキシエチレンヘキサデシルエーテル、ポリオキシエチレンヘプタデシルエーテル及びポリオキシエチレンオクタデシルエーテルが挙げられる。 Specific examples of polyoxyethylene alkyl ethers include polyoxyethylene decyl ether, polyoxyethylene undecyl ether, polyoxyethylene dodecyl ether, polyoxyethylene tridecyl ether, polyoxyethylene tetradecyl ether, and polyoxyethylene pentadecyl ether. , polyoxyethylene hexadecyl ether, polyoxyethylene heptadecyl ether and polyoxyethylene octadecyl ether.
ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルの具体例としては、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル及びポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル等が挙げられる。 Specific examples of polyoxyethylene alkylphenyl ether include polyoxyethylene octylphenyl ether and polyoxyethylene nonylphenyl ether.
ノニオン性界面活性剤の分子量は、例えば、100以上であり、1000以下である。ノニオン性界面活性剤は、一種を単独で又は複数種を組み合わせて用いることができる。 The molecular weight of the nonionic surfactant is, for example, 100 or more and 1000 or less. A nonionic surfactant can be used individually by 1 type or in combination of multiple types.
電解液中のノニオン性界面活性剤の濃度(含有量)は、充放電を繰り返すことによる放電容量の低下を抑制する効果がより向上する観点から、電解液の全量を基準として、好ましくは0.0005質量%以上であり、より好ましくは0.001質量%以上であり、更に好ましくは0.003質量%以上である。電解液中のノニオン性界面活性剤の濃度(含有量)は、電解液への溶解度の観点から、電解液の全質量を基準として、好ましくは5.0質量%以下であり、より好ましくは2.0質量%以下であり、更に好ましくは1.0質量%以下である。 The concentration (content) of the nonionic surfactant in the electrolytic solution is preferably 0.5% based on the total amount of the electrolytic solution, from the viewpoint of further improving the effect of suppressing the decrease in discharge capacity due to repeated charging and discharging. 0005% by mass or more, more preferably 0.001% by mass or more, and still more preferably 0.003% by mass or more. The concentration (content) of the nonionic surfactant in the electrolyte is preferably 5.0% by mass or less, more preferably 2, based on the total mass of the electrolyte, from the viewpoint of solubility in the electrolyte. 0% by mass or less, more preferably 1.0% by mass or less.
ノニオン性界面活性剤の含有量に対するカチオン性界面活性剤の含有量の質量比(カチオン性界面活性剤の含有量/ノニオン性界面活性剤の含有量)は、充放電を繰り返すことによる放電容量の低下を抑制する効果がより向上する観点から、0.7以上、0.8以上又は0.9以上であってよく、1.3以下、1.2以下又は1.1以下であってよい。 The mass ratio of the content of cationic surfactant to the content of nonionic surfactant (content of cationic surfactant/content of nonionic surfactant) is the ratio of discharge capacity due to repeated charging and discharging. From the viewpoint of further improving the effect of suppressing the decrease, it may be 0.7 or more, 0.8 or more, or 0.9 or more, and may be 1.3 or less, 1.2 or less, or 1.1 or less.
電解液の電解質は、通常、塩基性化合物であり、例えば、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化リチウム(LiOH)等のアルカリ金属水酸化物などが挙げられる。これらの塩基性化合物は、水溶液中で電離していてよく、塩として存在していてもよい。 The electrolyte of the electrolytic solution is usually a basic compound, and examples thereof include alkali metal hydroxides such as potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH) and lithium hydroxide (LiOH). These basic compounds may be ionized in an aqueous solution, or may exist as salts.
電解液中の電解質の濃度(含有量)は、高率放電性能に更に優れる観点及び副反応を更に抑制できる観点から、電解液の全質量を基準として、12質量%以上、15質量%以上又は18質量%以上であってよく、35質量%以下、30質量%以下又は28質量%以下であってよい。 The concentration (content) of the electrolyte in the electrolytic solution is 12% by mass or more, 15% by mass or more, or It may be 18% by mass or more, and may be 35% by mass or less, 30% by mass or less, or 28% by mass or less.
電解液の溶媒は、例えば水(イオン交換水等)である。 The solvent of the electrolytic solution is, for example, water (ion-exchanged water, etc.).
電解液は、リン酸カリウム、フッ化カリウム、炭酸カリウム、リン酸ナトリウム、フッ化ナトリウム、水酸化リチウム、酸化亜鉛、酸化アンチモン、二酸化チタン等の上記以外の成分を更に含有してもよい。 The electrolytic solution may further contain components other than the above, such as potassium phosphate, potassium fluoride, potassium carbonate, sodium phosphate, sodium fluoride, lithium hydroxide, zinc oxide, antimony oxide, and titanium dioxide.
上記実施形態の電解液は、亜鉛電池(例えば亜鉛二次電池)に組み込まれる亜鉛電池用電解液である。亜鉛電池としては、ニッケル亜鉛電池、空気亜鉛電池等が挙げられる。亜鉛電池では、亜鉛負極を用いることができる。 The electrolytic solution of the above embodiment is a zinc battery electrolytic solution incorporated in a zinc battery (for example, a zinc secondary battery). Zinc batteries include nickel-zinc batteries, air-zinc batteries, and the like. Zinc batteries can use zinc anodes.
上記実施形態の電解液によれば、亜鉛電池の放電容量の低下を抑制することができ、亜鉛電池の寿命性能を向上させることができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、従来の亜鉛電池においては、電解液が亜鉛極の活物質(亜鉛成分)の表面に均一に拡散し難く、電解液と接触しない活物質が不活性化することが原因で放電容量が低下すると考えられるところ、本実施形態の電解液を用いる場合、上記2種の界面活性剤により活物質の表面への電解液の拡散性が向上するため、放電容量の低下が抑制されると推察している。以下、図1の模式図を用いて、詳細に説明する。 According to the electrolytic solution of the above embodiment, it is possible to suppress the decrease in the discharge capacity of the zinc battery and improve the life performance of the zinc battery. Although the reason why such an effect is obtained is not clear, in conventional zinc batteries, it is difficult for the electrolyte to diffuse evenly on the surface of the active material (zinc component) of the zinc electrode, and the active material that does not come into contact with the electrolyte is It is thought that the discharge capacity decreases due to deactivation, but when using the electrolyte solution of the present embodiment, the above two surfactants improve the diffusion of the electrolyte solution to the surface of the active material. , it is speculated that the decrease in discharge capacity is suppressed. A detailed description will be given below with reference to the schematic diagram of FIG.
まず、図1(a)に示すように、亜鉛電池では、亜鉛電極1の表面を構成する活物質2(例えばZnO)が負に帯電しているところ、カチオン性界面活性剤3のカチオン性親水基c1が負に帯電した活物質に吸着(静電吸着)し、カチオン性界面活性剤3の疎水基c2が外側(電解液側)を向いた状態となる。ここで、カチオン性界面活性剤3の疎水基c2とノニオン性界面活性剤4の疎水基n2とは親和性が高いため、図1(b)に示すように、ノニオン性界面活性剤4の疎水基n2がカチオン性界面活性剤の疎水基c2に吸着することなり、当該ノニオン性親水基n1が外側(電解液側)を向いた状態となる。その結果、亜鉛電極1の表面の親水性が向上し、電解液が電極材の内部に浸透しやすくなることで、活物質2の表面への電解液の拡散性が向上し、放電容量の低下が抑制されると推察される。
First, as shown in FIG. 1(a), in the zinc battery, the active material 2 (e.g., ZnO) constituting the surface of the
更に、上記実施形態の電解液では、カチオン性界面活性剤のカチオン性親水基C1が負に帯電した亜鉛電極の表面Sに吸着することで電位が平滑化されるため、デンドライトの発生も抑制される傾向がある。 Furthermore, in the electrolytic solution of the above-described embodiment, the cationic hydrophilic group C1 of the cationic surfactant is adsorbed to the negatively charged surface S of the zinc electrode, thereby smoothing the potential, so that the generation of dendrites is also suppressed. tend to
以下、上記実施形態の電解液が用いられる亜鉛電池の一例として、ニッケル亜鉛電池について説明する。 A nickel-zinc battery will be described below as an example of a zinc battery in which the electrolytic solution of the above embodiment is used.
<ニッケル亜鉛電池>
本実施形態のニッケル亜鉛電池(例えばニッケル亜鉛二次電池)は、例えば、電槽と、電槽に収容された電極群(例えば極板群)及び電解液と、を備える。本実施形態の亜鉛電池は化成後又は未化成のいずれであってもよい。
<Nickel zinc battery>
A nickel-zinc battery (for example, a nickel-zinc secondary battery) of the present embodiment includes, for example, a battery case, an electrode group (for example, an electrode plate group) and an electrolytic solution housed in the battery case. The zinc battery of this embodiment may be either post-formation or non-formation.
電極群は、例えば、正極(例えば正極板)と、負極(例えば負極板)と、セパレータと、を備える。正極と負極とは、一又は複数のセパレータを介して隣り合っている。すなわち、隣り合う正極と負極との間には、一又は複数のセパレータが設けられている。電極群は、複数の正極、負極及びセパレータを備えていてよい。電極群が複数の正極及び/又は複数の負極を備える場合、正極と負極は、セパレータを介して交互に積層されてよい。複数の正極同士及び複数の負極同士は、例えば、ストラップで連結されていてよい。本実施形態の正極はニッケル(Ni)電極であり、負極は亜鉛(Zn)電極である。すなわち、以下の説明における「正極」は「ニッケル電極」と置き換えてよく、「負極」は「亜鉛電極」と置き換えてよい。「正極材」、「負極材」等の記載についても同様である。 The electrode group includes, for example, a positive electrode (eg, positive electrode plate), a negative electrode (eg, negative electrode plate), and a separator. The positive electrode and the negative electrode are adjacent to each other with one or more separators interposed therebetween. That is, one or more separators are provided between the adjacent positive electrode and negative electrode. The electrode group may comprise a plurality of positive electrodes, negative electrodes and separators. When the electrode group includes a plurality of positive electrodes and/or a plurality of negative electrodes, the positive electrodes and the negative electrodes may be alternately laminated with separators interposed therebetween. The plurality of positive electrodes and the plurality of negative electrodes may be connected by straps, for example. The positive electrode of this embodiment is a nickel (Ni) electrode, and the negative electrode is a zinc (Zn) electrode. That is, in the following description, "positive electrode" may be replaced with "nickel electrode", and "negative electrode" may be replaced with "zinc electrode". The same applies to descriptions such as “positive electrode material” and “negative electrode material”.
正極は、例えば、正極集電体と、当該正極集電体に支持された正極材と、を備えている。正極は、化成前及び化成後のいずれであってもよい。 The positive electrode includes, for example, a positive electrode current collector and a positive electrode material supported by the positive electrode current collector. The positive electrode may be formed before or after formation.
正極集電体は、正極材からの電流の導電路を構成する。正極集電体は、例えば、平板状、シート状等の形状を有している。正極集電体は、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属繊維のフェルト状物等によって構成された3次元網目構造の集電体などであってもよい。正極集電体は、導電性及び耐アルカリ性を有する材料で構成されている。このような材料としては、例えば、正極の反応電位でも安定である材料(正極の反応電位よりも貴な酸化還元電位を有する材料、アルカリ水溶液中で基材表面に酸化被膜等の保護被膜を形成して安定化する材料など)を用いることができる。また、正極においては、副反応として電解液の分解反応が進行し酸素ガスが発生するが、酸素過電圧の高い材料はこのような副反応の進行を抑制できる点で好ましい。正極集電体を構成する材料の具体例としては、白金;ニッケル(発泡ニッケル等);ニッケル等の金属メッキを施した金属材料(銅、真鍮、鋼等)などが挙げられる。これらの中でも、発泡ニッケルで構成される正極集電体が好ましく用いられる。高率放電性能を更に向上させることができる観点から、少なくとも正極集電体における正極材を支持する部分(正極材支持部)が発泡ニッケルで構成されていることが好ましい。 The cathode current collector constitutes a conductive path for current from the cathode material. The positive electrode current collector has, for example, a plate shape, a sheet shape, or the like. The positive electrode current collector may be a current collector having a three-dimensional mesh structure made of foamed metal, expanded metal, punched metal, metal fiber felt, or the like. The positive electrode current collector is made of a material having electrical conductivity and alkali resistance. Examples of such materials include materials that are stable even at the reaction potential of the positive electrode (materials that have a nobler oxidation-reduction potential than the reaction potential of the positive electrode, materials that form a protective film such as an oxide film on the substrate surface in an alkaline aqueous solution, and (such as a material that stabilizes by In the positive electrode, a decomposition reaction of the electrolyte progresses as a side reaction to generate oxygen gas, and a material having a high oxygen overvoltage is preferable in that it can suppress the progress of such a side reaction. Specific examples of materials constituting the positive electrode current collector include platinum; nickel (foamed nickel, etc.); metal materials plated with metal such as nickel (copper, brass, steel, etc.). Among these, a positive electrode current collector made of foamed nickel is preferably used. From the viewpoint of further improving the high-rate discharge performance, it is preferable that at least the portion of the positive electrode current collector that supports the positive electrode material (positive electrode material supporting portion) is made of foamed nickel.
正極材は、例えば、層状を呈している。すなわち、正極は、正極材層を有していてよい。正極材層は、正極集電体上に形成されていてよい。正極集電体の正極材支持部が3次元網目構造を有する場合、当該集電体の網目の間に正極材が充填されて正極材層が形成されていてもよい。 The positive electrode material is, for example, layered. That is, the positive electrode may have a positive electrode material layer. The positive electrode material layer may be formed on the positive electrode current collector. When the positive electrode material supporting portion of the positive electrode current collector has a three-dimensional mesh structure, the positive electrode material may be filled between the meshes of the current collector to form a positive electrode material layer.
正極材は、ニッケルを含む正極活物質(電極活物質)を含有する。正極活物質としては、オキシ水酸化ニッケル(NiOOH)、水酸化ニッケル等が挙げられる。正極材は、例えば、満充電状態ではオキシ水酸化ニッケルを含有し、放電末状態では水酸化ニッケルを含有する。正極活物質の含有量は、例えば、正極材の全質量を基準として50~95質量%であってもよい。 The positive electrode material contains a positive electrode active material (electrode active material) containing nickel. Examples of the positive electrode active material include nickel oxyhydroxide (NiOOH) and nickel hydroxide. The positive electrode material contains, for example, nickel oxyhydroxide in a fully charged state and nickel hydroxide in a discharged state. The content of the positive electrode active material may be, for example, 50 to 95% by mass based on the total mass of the positive electrode material.
正極材は、添加剤として、正極活物質以外の他の成分を更に含有してよい。添加剤としては、バインダー(結着剤)、導電剤、膨張抑制剤等が挙げられる。 The positive electrode material may further contain components other than the positive electrode active material as additives. Additives include binders (binding agents), conductive agents, expansion inhibitors, and the like.
バインダーとしては、親水性又は疎水性のポリマー等が挙げられる。具体的には、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、ポリアクリル酸ナトリウム(SPA)、フッ素系ポリマー(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等)などをバインダーとして用いることができる。バインダーの含有量は、例えば、正極活物質100質量部に対して0.01~5質量部である。 Examples of binders include hydrophilic or hydrophobic polymers. Specifically, for example, carboxymethyl cellulose (CMC), hydroxyethyl cellulose (HEC), hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC), sodium polyacrylate (SPA), fluorine-based polymers (polytetrafluoroethylene (PTFE), etc.) and the like are used as binders. can be used as The binder content is, for example, 0.01 to 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material.
導電剤としては、コバルト化合物(金属コバルト、酸化コバルト、水酸化コバルト等)などが挙げられる。導電剤の含有量は、例えば、正極活物質100質量部に対して1~20質量部である。 Examples of conductive agents include cobalt compounds (metallic cobalt, cobalt oxide, cobalt hydroxide, etc.). The content of the conductive agent is, for example, 1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material.
膨張抑制剤としては、酸化亜鉛等が挙げられる。膨張抑制剤の含有量は、例えば、正極活物質100質量部に対して0.01~5質量部である。 Zinc oxide etc. are mentioned as an expansion inhibitor. The content of the expansion inhibitor is, for example, 0.01 to 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material.
負極は、負極集電体(集電体)と、該負極集電体に支持された負極材(電極材)と、を備える。負極は、化成前及び化成後のいずれであってもよい。 The negative electrode includes a negative electrode current collector (current collector) and a negative electrode material (electrode material) supported by the negative electrode current collector. The negative electrode may be formed before or after chemical conversion.
負極集電体は、負極材からの電流の導電路を構成する。負極集電体は、例えば、平板状、シート状等の形状を有している。負極集電体は、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属繊維のフェルト状物等によって構成された3次元網目構造の集電体などであってもよい。負極集電体は、導電性及び耐アルカリ性を有する材料で構成されている。このような材料としては、例えば、負極の反応電位でも安定である材料(負極の反応電位よりも貴な酸化還元電位を有する材料、アルカリ水溶液中で基材表面に酸化被膜等の保護被膜を形成して安定化する材料など)を用いることができる。また、負極においては、副反応として電解液の分解反応が進行し水素ガスが発生するが、水素過電圧の高い材料はこのような副反応の進行を抑制できる点で好ましい。負極集電体を構成する材料の具体例としては、亜鉛;鉛;スズ;スズ等の金属メッキを施した金属材料(銅、真鍮、鋼、ニッケル等)などが挙げられる。 The negative electrode current collector constitutes a conductive path for current from the negative electrode material. The negative electrode current collector has, for example, a plate shape, a sheet shape, or the like. The negative electrode current collector may be a current collector having a three-dimensional mesh structure made of foamed metal, expanded metal, punched metal, metal fiber felt, or the like. The negative electrode current collector is made of a material having electrical conductivity and alkali resistance. Examples of such materials include materials that are stable even at the reaction potential of the negative electrode (materials that have a nobler oxidation-reduction potential than the reaction potential of the negative electrode, materials that form a protective film such as an oxide film on the substrate surface in an alkaline aqueous solution, and (such as a material that stabilizes by In the negative electrode, a decomposition reaction of the electrolytic solution progresses as a side reaction to generate hydrogen gas, and a material having a high hydrogen overvoltage is preferable in that the progress of such a side reaction can be suppressed. Specific examples of materials constituting the negative electrode current collector include zinc; lead; tin; metal materials plated with metal such as tin (copper, brass, steel, nickel, etc.).
負極材は、例えば、層状を呈している。すなわち、負極は、負極材層を有していてよい。負極材層は、負極集電体上に形成されていてよい。負極集電体の負極材を支持する部分が3次元網目構造を有する場合、当該集電体の網目の間に負極材が充填されて負極材層が形成されていてもよい。 The negative electrode material is, for example, layered. That is, the negative electrode may have a negative electrode material layer. The negative electrode material layer may be formed on the negative electrode current collector. When the portion of the negative electrode current collector that supports the negative electrode material has a three-dimensional network structure, the negative electrode material may be filled between the meshes of the current collector to form a negative electrode material layer.
負極材は、亜鉛を含む負極活物質(電極活物質)を含有する。負極活物質としては、例えば、金属亜鉛、酸化亜鉛及び水酸化亜鉛が挙げられる。負極活物質は、これらの成分のうちの一種を単独で含んでいてよく、複数種を含んでいてもよい。負極材は、例えば、満充電状態では金属亜鉛を含有し、放電末状態では酸化亜鉛及び水酸化亜鉛を含有する。負極活物質は例えば粒子状である。すなわち、負極材は、金属亜鉛粒子、酸化亜鉛粒子及び水酸化亜鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種を含んでいてよい。負極活物質の含有量は、例えば、負極材の全質量を基準として50~95質量%である。 The negative electrode material contains a negative electrode active material (electrode active material) containing zinc. Examples of negative electrode active materials include metal zinc, zinc oxide, and zinc hydroxide. The negative electrode active material may contain one of these components alone, or may contain a plurality of them. The negative electrode material contains, for example, metallic zinc in a fully charged state, and zinc oxide and zinc hydroxide in a discharged state. The negative electrode active material is, for example, particulate. That is, the negative electrode material may contain at least one selected from the group consisting of metallic zinc particles, zinc oxide particles and zinc hydroxide particles. The content of the negative electrode active material is, for example, 50 to 95% by mass based on the total mass of the negative electrode material.
負極材は、添加剤を含有してよい。添加剤としては、例えば、結着剤、導電剤等が挙げられる。 The negative electrode material may contain additives. Examples of additives include binders and conductive agents.
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレンオキシド、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。結着剤の含有量は、例えば、負極活物質100質量部に対して0.5~10質量部であってもよい。 Binders include polytetrafluoroethylene, hydroxyethyl cellulose, polyethylene oxide, polyethylene, polypropylene and the like. The content of the binder may be, for example, 0.5 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material.
導電剤としては、インジウム化合物(酸化インジウム等)などが挙げられる。導電剤の含有量は、例えば、負極活物質100質量部に対して1~20質量部である。 Examples of conductive agents include indium compounds (indium oxide, etc.). The content of the conductive agent is, for example, 1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material.
セパレータは、例えば、平板状、シート状等の形状を有するセパレータであってもよい。セパレータとしては、ポリオレフィン系微多孔膜、ナイロン系微多孔膜、耐酸化性のイオン交換樹脂膜、セロハン系再生樹脂膜、無機-有機セパレータ、ポリオレフィン系不織布等が挙げられる。セパレータは、正極及び/又は負極を収容可能なように、袋状に加工されていてもよい。この場合、正極及び/又は負極はセパレータに収容されていてよい。セパレータは一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いてよい。 The separator may be, for example, a separator having a plate shape, a sheet shape, or the like. Examples of separators include polyolefin-based microporous membranes, nylon-based microporous membranes, oxidation-resistant ion-exchange resin membranes, cellophane-based recycled resin membranes, inorganic-organic separators, and polyolefin-based nonwoven fabrics. The separator may be processed into a bag shape so as to accommodate the positive electrode and/or the negative electrode. In this case, the positive electrode and/or the negative electrode may be housed in a separator. A separator may be used alone or in combination of two or more.
以上説明したニッケル亜鉛電池の製造方法は、例えば、亜鉛電池の構成部材を得る構成部材製造工程と、構成部材を組み立てて亜鉛電池を得る組立工程と、を備える。構成部材製造工程では、少なくとも電極(正極及び負極)を得る。 The manufacturing method of the nickel-zinc battery described above includes, for example, a component manufacturing step for obtaining the component members of the zinc battery, and an assembling step for assembling the component members to obtain the zinc battery. In the component manufacturing process, at least electrodes (a positive electrode and a negative electrode) are obtained.
電極は、例えば、電極材(正極材及び負極材)の原料に対して溶媒(例えば水)を加えて混練することにより電極材ペースト(ペースト状の電極材)を得た後、電極材ペーストを用いて電極材層を形成することにより得ることができる。 For the electrode, for example, an electrode material paste (paste-like electrode material) is obtained by adding a solvent (e.g., water) to the raw materials of the electrode materials (positive electrode material and negative electrode material) and kneading, and then the electrode material paste is obtained. can be obtained by forming an electrode material layer using
正極材の原料としては、正極活物質の原料(例えば水酸化ニッケル)、添加剤(例えば前記結着剤)等が挙げられる。負極材の原料としては、負極活物質の原料(例えば金属亜鉛、酸化亜鉛及び水酸化亜鉛)、添加剤(例えば前記結着剤)等が挙げられる。 Examples of the raw material for the positive electrode material include raw materials for the positive electrode active material (for example, nickel hydroxide), additives (for example, the binder), and the like. Raw materials for negative electrode materials include raw materials for negative electrode active materials (eg, metallic zinc, zinc oxide, and zinc hydroxide), additives (eg, the binder), and the like.
電極材層を形成する方法としては、例えば、電極材ペーストを集電体に塗布又は充填した後に乾燥することで電極材層を得る方法が挙げられる。電極材層は、必要に応じて、プレス等によって密度を高めてもよい。 As a method of forming the electrode material layer, for example, there is a method of obtaining the electrode material layer by applying or filling an electrode material paste to a current collector and then drying it. If necessary, the electrode material layer may be densified by pressing or the like.
組立工程では、例えば、構成部材製造工程で得られた正極及び負極を、セパレータを介して交互に積層した後、正極同士及び負極同士をストラップで連結させて電極群を作製する。次いで、この電極群を電槽内に配置した後、電槽の上面に蓋体を接着して未化成の亜鉛電池(ニッケル亜鉛電池)を得る。 In the assembly process, for example, the positive electrodes and the negative electrodes obtained in the component manufacturing process are alternately laminated with separators interposed therebetween, and then the positive electrodes and the negative electrodes are connected with straps to form an electrode group. Next, after placing this electrode group in a container, a cover is adhered to the upper surface of the container to obtain an unformed zinc battery (nickel-zinc battery).
続いて、電解液を未化成の亜鉛電池の電槽内に注入した後、一定時間放置する。次いで、所定の条件にて充電を行うことで化成することにより亜鉛電池(ニッケル亜鉛電池)を得る。化成条件は、電極活物質(正極活物質及び負極活物質)の性状に応じて調整することができる。 Subsequently, after pouring the electrolytic solution into the container of the unformed zinc battery, the battery is left for a certain period of time. Then, a zinc battery (nickel-zinc battery) is obtained by chemical conversion by charging under predetermined conditions. Formation conditions can be adjusted according to the properties of the electrode active materials (positive electrode active material and negative electrode active material).
以上、正極がニッケル電極であるニッケル亜鉛電池(例えばニッケル亜鉛二次電池)の例を説明したが、亜鉛電池は、正極が空気極である空気亜鉛電池(例えば空気亜鉛二次電池)であってもよく、正極が酸化銀極である銀亜鉛電池(例えば銀亜鉛二次電池)であってもよい。 An example of a nickel-zinc battery (for example, a nickel-zinc secondary battery) in which the positive electrode is a nickel electrode has been described above. Alternatively, it may be a silver-zinc battery (for example, a silver-zinc secondary battery) in which the positive electrode is a silver oxide electrode.
空気亜鉛電池の空気極としては、空気亜鉛電池に使用される公知の空気極を用いることができる。空気極は、例えば、空気極触媒、電子伝導性材料等を含む。空気極触媒としては、電子伝導性材料としても機能する空気極触媒を用いることができる。 As the air electrode of the zinc-air battery, a known air electrode used for zinc-air batteries can be used. The cathode includes, for example, a cathode catalyst, an electronically conductive material, and the like. As the air electrode catalyst, an air electrode catalyst that also functions as an electronically conductive material can be used.
空気極触媒としては、空気亜鉛電池における正極として機能するものを用いることが可能であり、酸素を正極活物質として利用可能な種々の空気極触媒が使用できる。空気極触媒としては、酸化還元触媒機能を有するカーボン系材料(黒鉛等)、酸化還元触媒機能を有する金属材料(白金、ニッケル等)、酸化還元触媒機能を有する無機酸化物材料(ペロブスカイト型酸化物、二酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化コバルト、スピネル酸化物等)などが挙げられる。空気極触媒の形状は、特に限定されないが、例えば粒子状であってもよい。空気極における空気極触媒の使用量は、空気極の合計量に対して、5~70体積%であってもよく、5~60体積%であってもよく、5~50体積%であってもよい。 As the air electrode catalyst, one that functions as a positive electrode in a zinc-air battery can be used, and various air electrode catalysts that can use oxygen as a positive electrode active material can be used. As the air electrode catalyst, carbon-based materials (graphite, etc.) having redox catalytic function, metal materials (platinum, nickel, etc.) having redox catalytic function, inorganic oxide materials (perovskite oxide, etc.) having redox catalytic function , manganese dioxide, nickel oxide, cobalt oxide, spinel oxide, etc.). Although the shape of the air electrode catalyst is not particularly limited, it may be particulate, for example. The amount of the air electrode catalyst used in the air electrode may be 5 to 70% by volume, 5 to 60% by volume, or 5 to 50% by volume with respect to the total amount of the air electrode. good too.
電子伝導性材料としては、導電性を有し、かつ、空気極触媒とセパレータとの間の電子伝導を可能とするものを用いることができる。電子伝導性材料としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類;鱗片状黒鉛のような天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等のグラファイト類;炭素繊維、金属繊維等の導電性繊維類;銅、銀、ニッケル、アルミニウム等の金属粉末類;ポリフェニレン誘導体等の有機電子伝導性材料;これらの任意の混合物などが挙げられる。電子伝導性材料の形状は、粒子状であってもよく、その他の形状であってもよい。電子伝導性材料は、空気極において厚さ方向に連続した相をもたらす形態で用いられることが好ましい。例えば、電子伝導性材料は、多孔質材料であってもよい。また、電子伝導性材料は、空気極触媒との混合物又は複合体の形態であってもよく、前述したように、電子伝導性材料としても機能する空気極触媒であってもよい。空気極における電子伝導性材料の使用量は、空気極の合計量に対して、10~80体積%であってもよく、15~80体積%であってもよく、20~80体積%であってもよい。 As the electronically conductive material, a material that has electrical conductivity and enables electronic conduction between the air electrode catalyst and the separator can be used. Examples of electron conductive materials include carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; graphites such as natural graphite such as flake graphite, artificial graphite, and expanded graphite; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as copper, silver, nickel and aluminum; organic electronic conductive materials such as polyphenylene derivatives; The shape of the electron conductive material may be particulate or other shapes. The electronically conductive material is preferably used in a form that provides a continuous phase in the thickness direction in the air electrode. For example, the electronically conductive material may be a porous material. Further, the electronically conductive material may be in the form of a mixture or composite with the air electrode catalyst, and as described above, may be the air electrode catalyst that also functions as an electronically conductive material. The amount of the electronically conductive material used in the air electrode may be 10 to 80% by volume, 15 to 80% by volume, or 20 to 80% by volume with respect to the total amount of the air electrode. may
銀亜鉛電池の酸化銀極としては、銀亜鉛電池に使用される公知の酸化銀極を用いることができる。酸化銀極は、例えば酸化銀(I)を含む。 As the silver oxide electrode of the silver-zinc battery, a known silver oxide electrode used for silver-zinc batteries can be used. The silver oxide electrode contains, for example, silver (I) oxide.
以下、本発明の内容を実施例及び比較例を用いてより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The content of the present invention will be described in more detail below using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
[電解液の調製]
イオン交換水に、電解質である水酸化カリウム(KOH)及び水酸化リチウム(LiOH)と、カチオン性界面活性剤であるテトラデシルトリメチルアンモニウムブロミド(特級試薬、富士フィルム和光純薬株式会社製)と、ノニオン性界面活性剤であるTriton-X100(シグマアルドリッチジャパン合同会社製)とを加え、混合することにより電解液(水酸化カリウム濃度:25質量%、水酸化ナトリウム濃度:1質量%、カチオン性界面活性剤濃度:0.005質量%、ノニオン性界面活性剤濃度:0.005質量%)を調製した。
(Example 1)
[Preparation of electrolytic solution]
In ion-exchanged water, potassium hydroxide (KOH) and lithium hydroxide (LiOH) as electrolytes, and tetradecyltrimethylammonium bromide (special grade reagent, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Co., Ltd.) as a cationic surfactant, Triton-X100 (manufactured by Sigma-Aldrich Japan LLC), which is a nonionic surfactant, is added and mixed to form an electrolytic solution (potassium hydroxide concentration: 25% by mass, sodium hydroxide concentration: 1% by mass, cationic interface active agent concentration: 0.005% by mass, nonionic surfactant concentration: 0.005% by mass).
[正極の作製]
空隙率95%の発泡ニッケルからなる格子体を用意し、格子体を加圧成形することで正極集電体を得た。次いで、コバルトコート水酸化ニッケル粉末、金属コバルト、水酸化コバルト、酸化イットリウム、CMC、PTFE、イオン交換水を所定量秤量して混合し、混合液を攪拌することにより、正極材ペーストを作製した。この際、固形分の質量比を、「水酸化ニッケル:金属コバルト:酸化イットリウム:水酸化コバルト:CMC:PTFE=88:10.3:1:0.3:0.3:0.1」に調整した。正極材ペーストの水分量は、正極材ペーストの全質量基準で27.5質量%に調整した。次いで、正極材ペーストを正極集電体の正極材支持部に塗布した後、80℃で30分乾燥した。その後、ロールプレスにて加圧成形し、正極材層を有する未化成の正極を得た。
[Preparation of positive electrode]
A grid body made of foamed nickel with a porosity of 95% was prepared, and the grid body was pressure-molded to obtain a positive electrode current collector. Then, predetermined amounts of cobalt-coated nickel hydroxide powder, metallic cobalt, cobalt hydroxide, yttrium oxide, CMC, PTFE, and ion-exchanged water were weighed and mixed, and the mixture was stirred to prepare a positive electrode material paste. At this time, the mass ratio of the solid content was set to "nickel hydroxide: metallic cobalt: yttrium oxide: cobalt hydroxide: CMC: PTFE = 88: 10.3: 1: 0.3: 0.3: 0.1". It was adjusted. The water content of the positive electrode material paste was adjusted to 27.5% by mass based on the total mass of the positive electrode material paste. Next, the positive electrode material paste was applied to the positive electrode material supporting portion of the positive electrode current collector, and then dried at 80° C. for 30 minutes. After that, pressure molding was performed using a roll press to obtain an unformed positive electrode having a positive electrode material layer.
[負極の作製]
負極集電体として開孔率60%のスズメッキを施した鋼板パンチングメタルを用意した。次いで、酸化亜鉛、金属亜鉛、HEC及びイオン交換水を所定量秤量して混合し、得られた混合液を攪拌することにより負極材ペーストを作製した。この際、固形分の質量比を「酸化亜鉛:金属亜鉛:HEC=85:11.5:3.5」に調整した。HECとしては、住友精化株式会社製のAV-15F(商品名)を使用した。負極材ペーストの水分量は、負極材ペーストの全質量基準で32.5質量%に調整した。次いで、負極材ペーストを負極集電体上に塗布した後、80℃で30分乾燥した。その後、ロールプレスにて加圧成形し、負極材(負極材層)を有する未化成の負極を得た。
[Preparation of negative electrode]
As a negative electrode current collector, a tin-plated steel plate punching metal having a porosity of 60% was prepared. Then, predetermined amounts of zinc oxide, metallic zinc, HEC, and ion-exchanged water were weighed and mixed, and the obtained mixture was stirred to prepare a negative electrode material paste. At this time, the mass ratio of the solid content was adjusted to "zinc oxide:metal zinc:HEC=85:11.5:3.5". As the HEC, AV-15F (trade name) manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd. was used. The water content of the negative electrode material paste was adjusted to 32.5% by mass based on the total mass of the negative electrode material paste. Next, the negative electrode material paste was applied onto the negative electrode current collector and then dried at 80° C. for 30 minutes. After that, pressure molding was performed using a roll press to obtain an unformed negative electrode having a negative electrode material (negative electrode material layer).
[セパレータの準備]
セパレータには、微多孔膜として、UP3355(宇部興産社製、商品名、透気度:440sec/100mL)、不織布として、不織布(ニッポン高度紙工業株式会社製、商品名:VL-100、透気度:0.3sec/100mL)を、それぞれ用いた。微多孔膜は、電池組立て前に、界面活性剤Triton-X100(シグマアルドリッチジャパン合同会社製)で、親水化処理した。親水化処理は、Triton-X100が1質量%の量で含まれる水溶液に微多孔膜を24時間浸漬した後、室温で1時間乾燥する方法で行った。なお、微多孔膜の透気度は親水化処理後の値を示す。さらに、微多孔膜は、所定の大きさに裁断し、それを半分に折り、側面を熱溶着することで袋状に加工した。不織布は、所定の大きさに裁断したものを使用した。
[Preparation of separator]
For the separator, UP3355 (manufactured by Ube Industries, Ltd., trade name, air permeability: 440 sec/100 mL) as a microporous membrane, and non-woven fabric (manufactured by Nippon Kodoshi Kogyo Co., Ltd., trade name: VL-100, air permeability) as a non-woven fabric degree: 0.3 sec/100 mL) were used respectively. The microporous membrane was hydrophilized with a surfactant Triton-X100 (manufactured by Sigma-Aldrich Japan LLC) before battery assembly. Hydrophilization was performed by immersing the microporous membrane in an aqueous solution containing 1% by mass of Triton-X100 for 24 hours and then drying at room temperature for 1 hour. The air permeability of the microporous membrane indicates the value after hydrophilization treatment. Further, the microporous membrane was cut into a predetermined size, folded in half, and heat-sealed on the sides to form a bag. The nonwoven fabric was cut into a predetermined size and used.
[ニッケル亜鉛電池の作製]
袋状に加工した微多孔膜に、正極(未化成の正極)及び負極(未化成の負極)のそれぞれを1枚収納した。袋状の微多孔膜に収納された正極と、袋状の微多孔膜に収納された負極と、不織布とを積層した後、同極性の極板同士をストラップで連結させて電極群(極板群)を作製した。電極群は、正極11枚及び負極12枚で、正極と負極の間(正極側の微多孔膜と負極側の微多孔膜との間)に不織布を1枚ずつ配置した構成とした。この電極群を電槽内に配置した後、電槽の上面に蓋体を接着し、上記電解液を電槽内に注入することにより、未化成のニッケル亜鉛電池を得た。その後、0.8A、15時間の条件で充電を行い、公称容量が8Ahのニッケル亜鉛電池を作製した。
[Fabrication of nickel-zinc battery]
A positive electrode (unformed positive electrode) and a negative electrode (unformed negative electrode) were placed in a bag-shaped microporous membrane. After stacking the positive electrode housed in the bag-shaped microporous membrane, the negative electrode housed in the bag-shaped microporous membrane, and the nonwoven fabric, the electrode plates of the same polarity are connected with a strap to form an electrode group (electrode plate group) were prepared. The electrode group consisted of 11 positive electrodes and 12 negative electrodes, and one non-woven fabric was arranged between the positive electrode and the negative electrode (between the microporous film on the positive electrode side and the microporous film on the negative electrode side). After placing this electrode group in a battery case, a cover was adhered to the upper surface of the battery case, and the electrolytic solution was poured into the battery case to obtain an unformed nickel-zinc battery. Thereafter, charging was performed at 0.8 A for 15 hours to produce a nickel-zinc battery with a nominal capacity of 8 Ah.
(比較例1)
電解液の調製において、ノニオン性界面活性剤を用いなかったこと、及び、電解液中のカチオン性界面活性剤の濃度が0.01質量%となるように、カチオン性界面活性剤の使用量を変更したこと以外は、実施例1と同様にして電解液を調製した。こうして得られた電解液を用いたこと以外は実施例1と同様にしてニッケル亜鉛電池を作製した。
(Comparative example 1)
In the preparation of the electrolytic solution, no nonionic surfactant was used, and the amount of cationic surfactant used was adjusted so that the concentration of the cationic surfactant in the electrolytic solution was 0.01% by mass. An electrolytic solution was prepared in the same manner as in Example 1, except for the change. A nickel-zinc battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution thus obtained was used.
(比較例2)
電解液の調製において、カチオン性界面活性剤を用いなかったこと、及び、電解液中のノニオン性界面活性剤の濃度が0.01質量%となるように、ノニオン性界面活性剤の使用量を変更したこと以外は、実施例1と同様にして電解液を調製した。こうして得られた電解液を用いたこと以外は実施例1と同様にしてニッケル亜鉛電池を作製した。
(Comparative example 2)
In the preparation of the electrolytic solution, no cationic surfactant was used, and the amount of nonionic surfactant used was adjusted so that the concentration of the nonionic surfactant in the electrolytic solution was 0.01% by mass. An electrolytic solution was prepared in the same manner as in Example 1, except for the change. A nickel-zinc battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution thus obtained was used.
(比較例3)
電解液の調製において、カチオン性界面活性剤及びノニオン性界面活性剤を用いなかったこと以外は、実施例1と同様にして電解液を調製した。こうして得られた電解液を用いたこと以外は実施例1と同様にしてニッケル亜鉛電池を作製した。
(Comparative Example 3)
An electrolytic solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that the cationic surfactant and the nonionic surfactant were not used in the preparation of the electrolytic solution. A nickel-zinc battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the electrolytic solution thus obtained was used.
<サイクル試験>
下記の操作を1サイクルとする試験(25℃)を上記実施例及び比較例のニッケル亜鉛電池に対して行い、各サイクルの放電容量を測定した。そして、初回サイクル時の放電容量に対する各サイクル時の放電容量の維持率(%)を算出した。結果を表1及び図2に示す。なお、下記の単位「C」とは、満充電状態から定格容量を定電流放電するときの電流の大きさを相対的に表したものである。単位「C」は、“放電電流値(A)/電池容量(Ah)”を意味する。例えば、定格容量を1時間で放電させることができる電流を「1C」、2時間で放電させることができる電流を「0.5C」と表現する。
・8A(1C)、1.9Vの定電圧充電(電流値40mA(0.05C)まで減衰した時点で充電終止)
・電池電圧が1.1Vに到達するまで2.5A(0.25C)の定電流放電
<Cycle test>
A test (25° C.) in which one cycle of the following operation was performed was performed on the nickel-zinc batteries of the above Examples and Comparative Examples, and the discharge capacity of each cycle was measured. Then, the maintenance rate (%) of the discharge capacity at each cycle with respect to the discharge capacity at the first cycle was calculated. The results are shown in Table 1 and FIG. Note that the unit "C" described below relatively represents the magnitude of the current when the rated capacity is discharged from the fully charged state at a constant current. The unit "C" means "discharge current value (A)/battery capacity (Ah)". For example, the current that can discharge the rated capacity in 1 hour is expressed as "1C", and the current that can be discharged in 2 hours is expressed as "0.5C".
・8A (1C), 1.9V constant voltage charging (charging ends when the current decays to 40mA (0.05C))
・Constant current discharge at 2.5A (0.25C) until the battery voltage reaches 1.1V
Claims (2)
前記カチオン性界面活性剤として、テトラデシルトリメチルアンモニウムブロミドを含有し、
前記ノニオン性界面活性剤として、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルを含有し、
前記ノニオン性界面活性剤の含有量に対する前記カチオン性界面活性剤の含有量の質量比が、0.7以上1.3以下である、亜鉛電池用電解液。 A zinc battery electrolytic solution containing a cationic surfactant and a nonionic surfactant ,
Containing tetradecyltrimethylammonium bromide as the cationic surfactant,
Containing polyoxyethylene alkylphenyl ether as the nonionic surfactant,
A zinc battery electrolytic solution, wherein the mass ratio of the content of the cationic surfactant to the content of the nonionic surfactant is 0.7 or more and 1.3 or less.
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