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電極及び金属空気電池

国内特許コード P210017448
整理番号 P2019-127785
掲載日 2021年3月12日
出願番号 特願2019-127785
公開番号 特開2021-011627
出願日 令和元年7月9日(2019.7.9)
公開日 令和3年2月4日(2021.2.4)
発明者
  • 小川 哲志
  • 本橋 輝樹
  • 齋藤 美和
  • 鈴木 健太
  • 荻野 泰代
出願人
  • 学校法人神奈川大学
発明の名称 電極及び金属空気電池
発明の概要 【課題】例えば金属空気電池等に用いることができ、酸化還元活性に優れ、柔軟な設計が可能な新たな触媒物質を備える電極を提供すること。
【解決手段】本発明に係る電極は、鉄元素を含む第1触媒と、コバルト元素及び/又はニッケル元素を含む第2触媒と、を備え、第1触媒と、第2触媒とが、互いに離間して配置される。第1触媒と、第2触媒とが、共通の電解液溶液に浸漬されて用いられることが好ましい。
【選択図】図3
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る「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。

ところで、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)式のとおりである。なお、(1)~(4)式においては、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)

ここで、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、酸化イリジウム等の貴金属系触媒が高い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。

近年では、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(BO)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)。このように正極触媒として、これまでBO6八面体配位構造を有するペロブスカイト型酸化物が主として研究されてきたが、他の金属-酸素配位構造を持つ化合物群については殆ど研究されておらず、それら以外に有用な材料は見出されていない。

一方で、金属空気電池には、上述した電気自動車以外にも、正極について柔軟な設計が可能となれば多数の分野への応用が拓ける可能性もある。
産業上の利用分野 本発明は、電極及び金属空気電池に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】
鉄元素を含む第1触媒と、コバルト元素及び/又はニッケル元素を含む第2触媒と、を備え、
前記第1触媒と、前記第2触媒とが、互いに離間して配置される、
電極。

【請求項2】
前記第1触媒と、前記第2触媒とが、共通の電解質溶液に浸漬されて用いられる、
請求項1に記載の電極。

【請求項3】
酸素発生反応のための
請求項1又は2に記載の電極。

【請求項4】
金属空気電池における正極反応のための
請求項1又は2に記載の電極。

【請求項5】
請求項1又は2に記載の電極を正極として含む
金属空気電池。

【請求項6】
電解質として、電解質溶液をさらに含み、
前記第2触媒の近傍から前記第1触媒の近傍に向けて前記電解質溶液を流動させる流動機構をさらに備える、
請求項5に記載の金属空気電池。
画像

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thum_JPA 503011627_i_000002.jpg
出願権利状態 公開
参考情報 (研究プロジェクト等) 本橋研究室
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