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金属空気電池用正極触媒及び金属空気電池 NEW コモンズ

国内特許コード P180015349
整理番号 P2017-049070
掲載日 2018年10月22日
出願番号 特願2017-049070
公開番号 特開2018-152298
出願日 平成29年3月14日(2017.3.14)
公開日 平成30年9月27日(2018.9.27)
発明者
  • 本橋 輝樹
  • 齋藤 美和
出願人
  • 学校法人神奈川大学
発明の名称 金属空気電池用正極触媒及び金属空気電池 NEW コモンズ
発明の概要 【課題】金属空気電池の環境下において、優れた耐久性や活性を有する正極触媒を提供すること。
【解決手段】本発明に係る金属空気電池用正極触媒は、YBaCo置換体を備えるものであり、その置換体のYサイトの少なくとも一部がCa、In又は希土類金属で置換されているか、Coサイトの少なくとも一部がFe、Ga、Al又はZnで置換されているか、前記YBaCo置換体のYサイトの少なくとも一部がCa、In又は希土類金属で置換されており、且つCoサイトの少なくとも一部がFe、Ga、Al又はZnで置換されている。Yサイトの全てがCaで置換されていることが好ましい。
【選択図】図9
従来技術、競合技術の概要 電気自動車(EV)の更なる普及にはガソリン自動車並の航続距離を実現する高エネルギー密度蓄電池の開発が必要不可欠である。現在、現状のリチウムイオン二次電池を超えた「革新型蓄電池」の一つとして、金属空気電池が注目を集めている。金属空気電池とは、負極活物質として亜鉛等の金属、正極活物質として空気中の酸素を用いる二次電池をいう。このような金属空気電池は、非常に高い理論エネルギー密度を達成する可能性がある。金属空気電池、特に金属として亜鉛を用いた亜鉛空気電池は、国内外の研究機関で古くから研究開発が行われているが(例えば、非特許文献1、2)、現在のところ、本格的な実用化には至っていない。

このような金属空気電池の空気極では、放電時には酸素(活物質)の4電子還元反応により水酸化物イオンが生成し、一方で、充電時には水酸化物イオンの4電子酸化反応により酸素が発生する。これら4電子の授受を伴う酸素還元反応(以下、「ORR」ということもある。)及び酸素発生反応(以下、「OER」ということもある。)は、速度論的に非常に遅い反応であることから充放電時に大きな過電圧が生じるため、ORR/OERを促進し得る高活性触媒が必要である。

具体的に、金属空気電池の各電極における充電反応及び放電反応は、以下の(1)~(4)の式のとおりである。なお、式(1)~(4)においては、便宜のため、負極として亜鉛を用いた例を示している。
(正極)
充電反応(酸素発生反応):4OH→O+2HO+4e ・・・(1)
放電反応(酸素還元反応):O+2HO+4e→4OH ・・・(2)
(負極)
充電反応:ZnO+HO+2e→Zn+2OH ・・・(3)
放電反応:Zn+2OH→ZnO+HO+2e ・・・(4)

ところで、金属空気電極においては、電解液として高濃度KOH水溶液の強アルカリ水溶液等を用いて、上記(1)、(4)式に関与する水酸化物イオンを供給する。そして、正極触媒は強アルカリ水溶液に浸漬されるため、優れた化学的安定性(特に、アルカリ耐久性)が求められる。

正極触媒として、白金、酸化ルテニウム、酸化イリジウム等が高いORR/OER活性を示すことが知られている。しかしながら、これらに含まれる貴金属は稀少で高価であることから自動車用蓄電池等の大規模な実用化は困難である。したがって、遷移金属等、資源的に豊富な元素を主成分とする汎用的な高性能ORR/OER活性を示す正極触媒の開発が強く望まれている。

また、正極触媒として、ペロブスカイト(ABO)型遷移金属酸化物の開発が進められている。これまで、ペロブスカイトABO構造における六配位八面体のBサイトのエネルギー準位がt2g及びeに分裂した際、e電子数が1でORR/OER活性が極大となることが報告されている(例えば、非特許文献3、4)。しかしながら、この設計指針では、ORR/OER活性のみに着目しているため、金属空気電池の実用化に必要である耐久性については考慮されておらず、金属空気電池の動作環境下において有用な材料は見出されていない。
産業上の利用分野 本発明は、金属空気電池用正極触媒及び金属空気電池に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】
YBaCo置換体を備える金属空気電池用正極触媒であって、
前記YBaCo置換体のYサイトの少なくとも一部がCa、In又は希土類金属で置換されているか、Coサイトの少なくとも一部がFe、Ga、Al又はZnで置換されているか、前記YBaCo置換体のYサイトの少なくとも一部がCa、In又は希土類金属で置換されており、且つCoサイトの少なくとも一部がFe、Ga、Al又はZnで置換されている
金属空気電池用正極触媒。

【請求項2】
前記Yサイトの全てがCaで置換されている
請求項1に記載の金属空気電池用正極触媒。

【請求項3】
請求項1又は2に記載の金属空気電池用正極触媒を含む
金属空気電池。

【請求項4】
前記金属空気電池用正極触媒がアルカリ溶液に浸漬される
請求項3に記載の金属空気電池。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2017049070thum.jpg
出願権利状態 公開
参考情報 (研究プロジェクト等) 革新型蓄電池実用化促進基盤技術開発
本技術について、ライセンスや共同研究等をご希望の方は、下記「問合せ先」まで直接お問い合わせください。


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