CN105958089B - 镁电池及包含其的发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够长期保存并且即使在寒冷地域也能够适宜使用的镁电池。一种镁电池，其特征在于，具有：壳体、包含正极及具有含有镁的负极活性物质的负极的电极部、分散介质和通过分散于分散介质而表现镁离子导电性的电解质，电极部和电解质配置于壳体的内部，分散介质以与电解质隔离的状态配置于壳体的内部或外部，在使用时，分散介质与电解质接触、混合，进行发电。

Description

镁电池及包含其的发电装置
技术领域
本发明涉及镁电池及包含其的发电装置，更具体而言，涉及能够长期保存并且即使在寒冷地域也能够适宜使用的镁电池及包含其的发电装置。
背景技术
近年来，利用镁离子移动的镁电池作为成本和安全性优异的电池备受关注。镁的标准电极电位低达－2.375V，在金属中，不仅较轻，而且与锂相比，安全性也高，且资源上也丰富。
例如，专利文献1(日本特开2012－38666号公报)中公开有一种镁电池，其特征在于，具备包含镁的负极、和能够保持使镁离子从负极溶出的水系电解液的保液部，保液部保持柠檬酸盐的水溶液作为水系电解液。
上述专利文献1所记载的镁电池中，柠檬酸离子和从负极溶出的镁离子络合，使氢氧化镁的溶解度增大，由此，能够抑制氧化镁的析出，进行镁的持续电解，其结果能够持续维持较大的镁电池的负极容量。
另外，专利文献2(日本特开2013－182862号公报)中公开有一种镁电池，其特征在于，包含能够进行镁离子的嵌入和脱嵌的正极、能够进行镁金属、含镁的合金或镁离子的嵌入和脱嵌的负极、以及具有镁离子导电性的电解质，正极含有镁卟啉。
上述专利文献2所记载的镁电池即使在正极材料中不含高昂的稀有金属，也能够实现充分的放电容量，能够提供成本性优异的镁电池。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012－38666号公报
专利文献2：日本特开2013－182862号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，上述专利文献1和专利文献2的镁电池未考虑到在寒冷地域的使用，如果伴随使用环境温度的降低而电解液冻结，则难以使用。而且，由于正极和负极持续与电解液接触，所以不适于长期保存。
因此，本发明的目的在于，提供一种能够长期保存并且即使在寒冷地域也能够适宜使用的镁电池。另外，本发明的目的还在于，提供一种便携用或临时用的发电装置，其通过使用该镁电池，能够长期保存，并且即使在寒冷地域也能够适宜使用。
用于解决课题的方法
为了解决上述课题，本发明提供一种镁电池(及使用该镁电池的发电装置)，其特征在于，
具有：壳体、
包含正极及具有含有镁的负极活性物质的负极的电极部、
分散介质、和
通过分散于上述分散介质而表现镁离子导电性的电解质，
上述电极部和上述电解质配置于上述壳体的内部，
上述分散介质以与上述电解质隔离的状态配置于上述壳体的内部或外部，
在上述电极部具有端子部，该端子部由沿大致水平方向卷绕的带状的绝缘体和插入于沿大致水平方向设于上述绝缘体的缝隙的导线构成，
在使用时，上述分散介质与上述电解质接触、混合，进行发电。
在上述本发明的镁电池中，作为代表的方式，优选的是，
上述壳体包含相互处于嵌套的位置关系的第一壳体和第二壳体，
上述电极部和上述电解质配置于上述第一壳体的内部，
上述分散介质配置于上述第二壳体的内部，
通过上述第一壳体和上述第二壳体向相对接近的方向移动，上述分散介质浸入上述第一壳体的内部，进行发电。
该情况下，优选的是，具有止动器，其配置于上述第一壳体与上述第二壳体之间，抑制上述第一壳体和上述第二壳体的相对移动。
另外，本发明的镁电池中，优选上述分散介质具有防冻性，更优选上述分散介质含有选自甘油、乙二醇、一缩二乙二醇和丙二醇中的1种以上的醇。此外，本发明中所说的“防冻性”是指分散介质在0℃以下(优选为0℃～－50℃、更优选为0℃～－90℃)不冻结。
而且，在本发明的镁电池中，在从外部对第二壳体施加压力的情况下，该第二壳体被破坏，处于第二壳体的内部的分散介质侵入第一壳体。由此，通过电解质和分散介质混合，发挥作为电解液的功能。该电解液只要是与电极部接触的方式即可，本发明中，可以是液体，也可以是流体，还可以是凝胶体。
发明的效果
能够提供能够长期保存并且即使在寒冷地域也能够适宜使用的镁电池及使用其的发电装置。
附图说明
图1是概念性表示本发明的镁电池的代表性的实施方式的结构的纵剖面图；
图2是表示本发明的镁电池的电极配置的一例的概略图；
图3是表示本发明的镁电池的放电时的状态的概略图；
图4是表示本发明的镁电池的电极部的结构的概略图。
符号说明
1···镁电池、
2···壳体、
4···电极部、
6···分散介质贮存部、
8···第一壳体、
10···第二壳体、
12···刃部、
20···负极、
22···正极、
24···隔板、
26···电解质、
30···分散介质、
32···绝缘体、
32a、32b···缝隙、
32c···区域、
34···导线。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的镁电池的代表性的实施方式，但本发明不仅仅限于这些。另外，在以下的说明中，对于相同或相当部分标注同一符号，有时也省略重复说明。附图用于概念性地说明本发明，因此，为便于理解，有时也根据需要将尺寸、比或数夸张或简化表示。
《镁电池的结构》
图1是概念性表示本发明的镁电池的一个实施方式的结构的概略图。如图1所示，镁电池1在壳体2的内部，将由正极、具有含有镁的负极活性物质的负极及电解质构成的电极部4和分散介质贮存部6以分离的状态配置。即，贮存于分散介质贮存部6的分散介质(流体状)不与电极部4接触。
壳体2没有特别限定，只要伴随壳体2的形状变化等使电极部4浸渍于(接触)分散介质贮存部6中所贮存的分散介质即可。本实施方式中，壳体2由相互处于嵌套的位置关系的第一壳体(上部壳体)8和第二壳体(下部壳体)10构成。上部壳体8的外表面抵接于下部壳体10的内表面，上部壳体8和下部壳体10利用摩擦力和/或通过机械的止动器等保持相互的相对位置，通过施加外力，能够使上部壳体8沿下部壳体10的内表面向上下移动(滑动)。
在上部壳体8收纳有电极部4，优选在上部壳体8的下表面(与下部壳体10的底面对置的面)具备刃部12。另外，上部壳体8的下表面(与下部壳体10的底面对置的面)具有开口部(未图示。)，成为分散介质可以从该开口部浸入上部壳体8的内部的构造。
在下部壳体10收纳有分散介质贮存部6，在分散介质贮存部6贮存有分散介质。通过使上部壳体8沿下部壳体10的内表面向下移动，分散介质贮存部6的上表面的一部分被刃部12破坏，由此，将分散介质从分散介质贮存部6放出。被放出的分散介质从上部壳体8的下表面(与下部壳体10对置的面)的开口部浸入上部壳体8的内部，电极部4浸渍于(接触)分散介质。
通过电极部4浸渍于(接触)分散介质，电极部4的电解质与分散介质接触、混合，镁离子(Mg2+)能够移动，电荷被输送(发电)。
壳体2(上部壳体8和下部壳体10)在不损及本发明的效果的范围内，能够使用现有公知的各种材料，只要考虑作为电池的安全性和成本等选定即可，例如能够适宜使用具有一定程度的刚性的各种树脂制容器等(例如大致长方体状)。
刃部12只要能够破坏分散介质贮存部6的一部分，就没有特别限定，在不损及本发明的效果的范围内，能够使用现有公知的各种刃具和突起物等。另外，作为分散介质贮存部6，只要选定能够长期安全地保存分散介质且能够通过刃部12容易切断的部件即可，能够适宜使用各种树脂制容器等(例如大致长方体状)。另外，分散介质还可以内包于袋状的树脂制容器内。
此外，本实施方式中，将分散介质贮存部6配置于壳体2的内部，但也可以将分散介质贮存部6配置于壳体2的外部，在使用时将贮存于分散介质贮存部6的分散介质注入壳体2，使电极部4浸渍于分散介质中。
《电极部》
图2是表示本发明的镁电池的电极配置的概略图。在电极部4交替配置单个或多个负极20和正极22而构成电极组。在此，负极20和正极22由隔板24隔开，且在隔板24与正极22之间配置有电解质26。此外，电解质26也可以以分散于正极22等方式与正极22一体形成。
负极20只要是具有含有镁的负极活性物质且镁离子(Mg2+)能够移动的负极，就没有特别限定。负极20例如能够使用镁金属制片材、或将该镁金属制片材压接于镍、不锈钢等的金属箔得到的材料等。
另外，作为负极20的材料，能够例示作为负极活性物质含有镁作为主要成分的合金(例如镁－锡合金、镁－硅合金等)、或镁离子(Mg2+)能够移动的无定形碳等。含有这些负极活性物质的负极20例如能够通过将在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)之类的有机溶剂中分散负极活性物质和聚偏氟乙烯(PVDF)之类的粘接剂得到的浆料涂布于铜箔之类的金属箔并进行干燥而得到。
镁电池1例如能够制成使用卤素作为正极活性物质的镁－卤素电池、使用空气作为正极活性物质的镁－空气电池或利用镁的插层反应的镁离子电池等。
正极22没有特别限定，也可以是金属板，另外，例如在镁－卤素电池的情况下，正极能够以卤素作为正极活性物质。该正极活性物质也可以设为通过溶解于离子传导介质中的卤素进行供给。另外，正极22也可以含有卤素的氧化还原催化剂。因为通过卤素氧化还原催化剂促进作为正极活性物质的卤素的还原反应，作为正极活性物质的功能提高。作为卤素的氧化还原催化剂，例如能够例示镍等。
在镁－空气电池的情况下，正极22能够以来自气体或液体的氧作为正极活性物质。作为气体，可以是空气，也可以是氧气。另外，作为液体，也可以是水。出于使在正极22的反应更有效进行的目的，正极22也可以含有氧的氧化还原催化剂。作为氧的氧化还原催化剂，能够例示二氧化锰、四氧化三钴等金属氧化物、Pt、Pd、Co等金属、金属卟啉、金属酞菁、离子化富勒烯、碳纳米管等有机和无机化合物。另外，例如在镁离子电池的情况下，正极能够具有吸留释放镁的正极活性物质。
正极22也可以如下形成：将上述氧化还原催化剂和正极活性物质、粘结材料及电解质26等混合，添加适当的溶剂制成膏状的正极材料，将这样的材料涂布于集电体的表面并干燥，根据需要为提高电极密度进行压缩。电解质26只要是对电池的性能没有不良影响的电子传导性材料，就没有特别限定，例如能够使用天然石墨(鳞状石墨、鳞片状石墨)或人造石墨等石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳晶须、针状焦、碳纤维、活性炭、金属(铜、镍、铝、银、金等)等的1种或将2种以上混合而成的材料。
在此，在本实施方式中，如图4所示，电极部4也具有特征。图4(a)是表示电极部4的正面侧的结构的概略图。即，电极部4具有端子部，该端子部由沿大致水平方向卷绕的带状的绝缘体(树脂制或纸制)32、和插入沿大致水平方向设于绝缘体32的缝隙32a及32b的导线34构成。
在该端子部，导线34的下端部如箭头X所示位于绝缘体32之上，不与电极部4接触。此外，在此，设置有两个缝隙32a、32b，但也可以为单一的缝隙。
另外，图4(b)是表示电极部4的背面侧的结构的概略图。如该图所示，绝缘体32沿大致水平方向卷绕电极部4，并在重合的部分32c粘接、固定。此外，通过至少在如图4(a)中箭头Y所示的区域Y，采用由第一壳体8按压电极部4的构造(例如在第一壳体8的内侧设置有按压区域Y的凸部的构造)，能够利用电极部4可靠地电、物理连接导线34。
在电极部4，根据需要也能够适当含有其它要素。对于该要素，能够使用现有公知的镁电池所使用的要素，没有特别限制。另外，电极部4能够设为硬币形、圆筒形、层压形等现有公知的形状，电极部4的制造方法也能够使用现有公知的方法。
《电解液(电解质+分散介质)》
本发明的镁电池中，分散介质和电解质混合而构成电解液。电解质的一部分或全部可以溶解于分散介质中。
作为电解质，例如可以列举：镁(双三氟甲烷磺酰亚胺)[Mg(TFSI)2]、高氯酸镁(Mg(ClO4)2、六氟磷酸镁(Mg(PF6)2)等含有镁离子的金属盐、以及氢氧化镁(Mg(OH)2)、硫酸镁(MgSO4)、氯化镁(MgCl2)等含有镁离子的金属盐、自然盐等。
另外，作为分散介质，例如能够使用：水、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)(体积比1：1)的混合溶剂、EC和碳酸二乙酯(DEC)等的混合溶剂、或碳酸丙烯酯等的单独溶剂、甘油、乙二醇、一缩二乙二醇、丙二醇、尿、或果汁、咖啡等饮料等。
其中，优选分散介质和电解液具有防冻性，更优选含有选自甘油、乙二醇、一缩二乙二醇和丙二醇中的1种以上的醇。
《放电状态》
在此，图3是表示本发明的镁电池的放电时的状态的概略图。如上所述，通过上部壳体8的移动，分散介质贮存部6的一部分被刃部12切断，由此，分散介质30从分散介质贮存部6被放出。被放出的分散介质30从上部壳体8的下表面(与下部壳体10的底面对置的面)的开口部浸入上部壳体8的内部，负极20、正极22和电解质26一同浸入分散介质30中。
这样，由于负极20、正极22和电解质26一同浸入分散介质30中(即，电极部4浸入电解液)，从而通过经由分散有电解质26的分散介质30的镁离子(Mg2+)的移动来输送电荷。即，本发明的镁电池1中，通过壳体2的变形(本实施方式中为上部壳体8的移动)和分散介质30从外部的供给，能够表现作为电极部电池的功能。
另外，通过使用具有防冻性的分散介质30，能够抑制使用环境温度的降低导致的镁电池1的电动势的降低，即使在使用环境温度在冰点下的情况下，也能够维持作为电池的功能。即，镁电池1例如能够适合作为寒冷地域的紧急用的电池使用。
以上，对本发明的镁电池的代表性的实施方式进行了说明，但本发明不仅仅限定于这些，可以进行各种设计变更，这些设计变更全部包含于本发明的技术范围内。例如，在上述实施方式中，表示了将电解质贮存部配置于电极部的下侧，电解质从电极部的下侧浸渍的方式，但也可以设计为将电解质贮存部配置于电极部的上侧，电解质从电极部的上侧浸渍。
如果在该镁电池中的电极部的正极端子和负极端子连接例如LED元件等，则能够适合作为发电装置利用。另外，电极部的构造可以适当变更，也可以为相对于第一电极U状地配置第二电极的构造。电极部的数量只要为1个以上，则本发明的镁电池就发挥本来的作用效果。
而且，本发明的镁电池能够与锂二次电池、铅电池等蓄电池并用。如果与蓄电池并用，则即使分散介质和电解质接触、混合而开始发电，也能够蓄积多余的电力并在需要时使用。

Claims (5)

1.一种镁电池，其特征在于：
具有：壳体、
包含正极及具有含有镁的负极活性物质的负极的电极部、
具有防冻性的分散介质、和
通过分散于所述分散介质而表现镁离子导电性的电解质，
所述电极部和所述电解质配置于所述壳体的内部，
所述分散介质以与所述电解质隔离的状态配置于所述壳体的内部或外部，
在所述电极部具有端子部，该端子部由沿大致水平方向卷绕的带状的绝缘体和插入于沿大致水平方向设于所述绝缘体的缝隙的导线构成，
在使用时，所述分散介质与所述电解质接触、混合，进行发电。
2.如权利要求1所述的镁电池，其特征在于：
所述壳体包含相互处于嵌套的位置关系的第一壳体和第二壳体，
所述电极部和所述电解质配置于所述第一壳体的内部，
所述分散介质配置于所述第二壳体的内部，
通过所述第一壳体和所述第二壳体向相对接近的方向移动，所述分散介质浸入所述第一壳体的内部，进行发电。
3.如权利要求2所述的镁电池，其特征在于：
具有止动器，其配置于所述第一壳体与所述第二壳体之间，抑制所述第一壳体和所述第二壳体的相对移动。
4.如权利要求1～3中任一项所述的镁电池，其特征在于：
所述分散介质含有选自甘油、乙二醇、一缩二乙二醇和丙二醇中的1种以上的醇。
5.一种发电装置，其特征在于：
其包含权利要求1～4中任一项所述的镁电池。
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