JP2006278092A - メカニカルチャージバッテリー - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の電池とは異なる新たなエネルギー電池を提供しようとするもの。
【解決手段】 カーボンブラック又は／及びカーボンナノファイバーが高温拡散処理により付着した活性炭素繊維状構造体３を具備する。このメカニカルチャージバッテリーは、高温拡散処理により付着したカーボンブラック（例えば粒径数μｍ）やカーボンナノファイバー（例えば直径１５０ｎｍで長さ１０〜２０μｍ）によって、もともと表面積が大きい活性炭素繊維状構造体が非常に導電性に富む状態となっている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、従来の1次電池、２次電池とは異なる新たなメカニカルチャージバッテリーに関し、安定性の優れ燃料電池に変わり得る可能性があり、環境にやさしく省エネルギーで低コストなエネルギー電池(酸化還元触媒電池)に関するものである。

従来より、化学電池（例えば、非特許文献１参照）は、１次電池、２次電池、燃料電池、特殊電池と４つに分けることができる。

1次電池は放電のみを行なう電池で、電池活物質が電池内に固定され、その物質が消費されると電池としての働きが終わりというものである。２次電池は、放電した電気活物質を再び元の状態に再生することにより充放電できるものである。充電は、外部エネルギーである電気が使われている。燃料電池は、燃料の持っている化学エネルギーを電気化学的反応により連続的に電気エネルギーに変換する装置であり、外部から燃料と酸化剤を与え続けるといつまでも電気エネルギーを取り出すことができる。

ところで、近年電気機器の小型化・高機能化、及び携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡなどのモバイル機器の駆動源、非常時用電池として長寿命で安定性の優れた電池が要望され、また自動車用、家庭・業務用等に利用される燃料電池の開発などが急務の状況にある。

しかし、耐久性、信頼性、高コスト等の課題を抱えており、従来の1次電池、2次電池とは異なる新たなエネルギー電池が求められている。
平凡社 大百科事典、１９８５年３月２５日初版発行、第１０巻p.３５９

そこでこの発明は、従来の電池とは異なる新たなエネルギー電池を提供しようとするものである。

前記課題を解決するためこの発明では次のような技術的手段を講じている。

(１)この発明のメカニカルチャージバッテリー(電池)は、カーボンブラック又は／及びカーボンナノファイバーが高温拡散処理により付着した活性炭素繊維状構造体を具備することを特徴とする。

前記活性炭素繊維状構造体の形態として、フェルト状のものや不織布（ウェブ）状のもの、クロス状のものなどを例示することができる。

このメカニカルチャージバッテリーは具体的には、銅などの正極板（陽極物質）／「電子キャリアー材〔（４）項参照〕」が付着した「活性炭素繊維状構造体」／「電子受容材〔（３）項参照〕」が付着した「活性炭素繊維状構造体」／「セパレーター〔（１１）項参照」〕／「電子供与材〔（２）項参照〕」が付着した「活性炭素繊維状構造体」／「電子キャリアー材〔（４）項参照〕」が付着した「活性炭素繊維状構造体」／アルミニウムなどの負極板（陰極物質）という構造で順次隣接して形成し、これを電解液に浸して使用することができる。

この発明のメカニカルチャージバッテリーは、高温拡散処理により付着したカーボンブラック（例えば粒径数μｍ）やカーボンナノファイバー（例えば直径１５０ｎｍで長さ１０〜２０μｍ）によって、もともと表面積が大きい活性炭素繊維状構造体が非常に導電性に富む状態となっている。よって、正極板（陽極物質）、負極板（陰極物質）、電解質溶液等と組み合わせて用いることにより電池（メカニカルチャージバッテリー）全体としての電気的導通性を大きく向上させることができる。ここで、カーボンブラックとカーボンナノファイバーを共に付着せしめると、電池全体としての電気的導通性をより大きく向上させることができる。

また、カーボンブラックやカーボンナノファイバーは高温拡散処理により活性炭素繊維状構造体に付着させるようにしたので、バインダー等を用いて付着させた場合よりも付着密度を高くすることが可能であると共に不純物を殆ど含まず、よって電子の移動がし易いものとなっており、また電池としての持続性にも優れたものとすることができる。

前記正極板（陽極物質）や負極板（陰極物質）を構成する酸化還元中心元素として、ニッケル、カドミウム、アルミニウム、バナジウム、亜鉛、銅、鉄、銀、プラチナなどを例示することができる。

(２) 前記活性炭素繊維状構造体に電子供与材が高温拡散処理により付着したこととしてもよい。前記電子供与材の元素としてケイ酸ジルコニウム、モリブデン、ニッケル、コバルト、ゲルマニウムなどから１種又は２種以上の元素を用いることができ、この電子供与材により負極（陰極物質）への電子の潤沢な供与を行うことができる。前記電子供与材は、カーボンブラックやカーボンナノファイバーと共に高温拡散処理により一遍に付着させることができる。

(３) 前記活性炭素繊維状構造体に電子受容材が高温拡散処理により付着したこととしてもよい。前記電子受容材の元素として酸化ジルコニウム、ケイ素、マンガン、鉄、チタン、アルミニウム、亜鉛などから１種又は２種以上の元素を用いることができ、この電子受容材により正極（陽極物質）から電子を豊富に受容することができる。前記電子受容材は、カーボンブラックやカーボンナノファイバーと共に高温拡散処理により一遍に付着させることができる。

(４) 前記活性炭素繊維状構造体に電子キャリアー材が高温拡散処理により付着したこととしてもよい。前記電子キャリアー材の元素としてジルコニウム、アルミナ、ゼオライト、フタロシアニンなどから１種又は２種以上の元素を用いることができ、この電子キャリアー材により活性炭素繊維状構造体を電子の受け皿として機能せしめ電子の移動をより活性化することができる。前記電子キャリアー材は、カーボンブラックやカーボンナノファイバーと共に高温拡散処理により一遍に付着させることができる。

(５) 前記電子キャリアー材は活性炭素繊維状構造体にカーボンブラックとフタロシアニンとゼオライトが高温拡散処理により三重構造状に複合・付着したものであることとしてもよい。

このように構成すると、活性炭素繊維状構造体に三重構造状に複合・付着したカーボンブラックとフタロシアニンとゼオライトにより電子の受け皿として機能をより向上させて電子の移動をより一層活性化することができる。

(６) 前記電子キャリアー材のゼオライトはナトリウム、カルシウム、鉄、マグネシウム、アンモニウム塩、銀、銅、アルミニウムのうち１種又は２種以上で陽イオン交換されていることとしてもよい。このように構成すると、電子キャリアー材による電子の移動をさらに活性化することができる。

(７) 水溶液系の電解液を有すると共に、前記電解液はケイ素、酸化マンガン、アルミナ、ゼオライト、フタロシアニンのうち１種又は２種以上の元素を電解質として含有することとしてもよい。このように構成すると、ケイ素、酸化マンガン、アルミナ、ゼオライト、フタロシアニン（電子キャリアー元素）により電解液中のイオンの移動をし易くすることができる。

(８) 水溶液系の電解液を有すると共に、前記電解液はカーボンブラックとフタロシアニンとゼオライトが高温拡散処理により三重構造状に複合・付着したカーボン複合体を電解質に含有させることとしてもよい。

このように構成すると、カーボンブラックとフタロシアニンとゼオライトが高温拡散処理により三重構造状に複合・付着したカーボン複合体により電子の受け皿として機能をより向上させて電解液中のイオンの移動をより一層活性化することができる。

(９) 電解液を有すると共に、ナトリウム、カルシウム、鉄、マグネシウム、アンモニウム塩、銀、銅、アルミニウムのうち１種又は２種以上で陽イオン交換されたゼオライト、及びモリブデンと銅とニッケルにより触媒機能が付与されたゼオライトを電解質として含有することとしてもよい。

このように構成すると、電解液の劣化を抑制することができる。

(１０) 電解液（８）を有すると共に、ナトリウム、カルシウム、鉄、マグネシウム、アンモニウム塩、銀、銅、アルミニウムのうち１種又は２種以上で陽イオン交換されたゼオライトと、カオリンと、有機高分子と、無機高分子とを前記電解液（８）中に含有すると共に、白金、バリウム、バナジウム、リチウム、タングステン、モリブデンから1種以上の元素を酸化還元活性剤として電解液（８）中に含有することとしてもよい。

このように構成すると、凝集し易い傾向があるゼオライトを略均一に分散させた状態で電解液をゲル状化することができる。また、メカニズムは不明であるが電池の起電力を向上させることができた。ここで、前記有機高分子としてカーボン系ポリマーを用いることができ、前記無機高分子としてシリカ系ポリマーを用いることができる。

(１１) 導電性高分子であるポリピロール系薄膜をセパレーターとして含有することとしてもよい。このように構成すると、イオンの拡散速度を促進できると共に電解質の保持量を増大させることができる。

(１２) 負極の陰極物質を補充交換可能としたこととしてもよい。このように構成すると、負極の陰極物質がなくなると交換することにより電池の機能を持続させることができる。すなわち、充電という時間がかかる電気化学的な方法ではなく交換という簡単な手間だけによって電池としての寿命を新たに開始・継続させることができる。

この発明は上述のような構成であり、次の効果を有する。

正極（陽極物質）、負極（陰極物質）、電解質溶液等と組み合わせて用いることにより電池全体としての電気的導通性を大きく向上させることができるので、従来の電池とは異なる新たなエネルギー電池（メカニカルチャージバッテリー）を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（１）この実施形態のメカニカルチャージバッテリー(電池)は、カーボンブラック（粒径約数μｍ）及びカーボンナノファイバー（直径約１５０ｎｍで長さ約１０〜２０μｍ）が高温拡散処理（公知の処理）により付着した活性炭素繊維状構造体を具備する。前記活性炭素繊維状構造体の形態として、フェルト状のものや不織布（ウェブ）状のもの、クロス状のものなどを例示することができる。この活性炭素繊維状構造体は柔軟で弾性があり、低コストで薄膜状に加工できるという利点がある。

図１に示すように、このメカニカルチャージバッテリーは、銅などの正極板１（陽極物質）／電子キャリアー材２〔（４）項参照〕が付着した活性炭素繊維状構造体3a／電子受容材４〔（３）項参照〕が付着した活性炭素繊維状構造体3b／セパレーター５〔（１１）項参照〕／電子供与材６〔（２）項参照〕が付着した活性炭素繊維状構造体3c／電子キャリアー材２〔（４）項参照〕が付着した活性炭素繊維状構造体3a／アルミニウムなどの負極板７（陰極物質）という構造で順次隣接させ積層して形成し、これを電解液８（水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなど）に浸漬して使用する。なお、前記正極板１（陽極物質）や負極板７（陰極物質）を構成する酸化還元中心元素として、ニッケル、カドミウム、アルミニウム、バナジウム、亜鉛、銅、鉄、銀、プラチナなどの公知の元素から選択することができる。

このメカニカルチャージバッテリーは、高温拡散処理により付着したカーボンブラックとカーボンナノファイバーによって、もともと表面積が大きい活性炭素繊維状構造体の表面積が飛躍的に拡大し非常に導電性に富む状態となっており、電子の移動が極めてし易いと共に電子を潤沢に溜める機能も有するものと考えられる。よって、正極板（陽極物質）、負極板（陰極物質）、電解質溶液等と組み合わせて用いることにより電池全体としての反応抵抗や通電抵抗を極端に抑えることができ、電気的導通性を大きく向上させることができ、連続使用しても抵抗値の変化が極めて少なく安定性に優れたものとなる。

また、粒径が小さいカーボンブラック（粒径数μｍ）と粒径が大きいカーボンナノファイバー（直径１５０ｎｍで長さ１０〜２０μｍ）を共に組み合わせて付着せしめたので、表面積を格段に飛躍的に拡大せしめ、電池全体としての電気的導通性をより大きく向上させることができる。さらに、カーボンブラックやカーボンナノファイバーは高温拡散処理により活性炭素繊維状構造体に付着させるようにしたので、バインダー等を用いて付着させた場合よりも付着密度を高くすることが可能であると共に不純物を殆ど含まず、よって電子の移動がし易いものとなっており、また電池としての持続性にも優れたものとすることができる。

(２) 前記活性炭素繊維状構造体3cは、電子供与材６が高温拡散処理により付着したこととしている。前記電子供与材６の元素としてケイ酸ジルコニウム、モリブデン、ニッケル、コバルト、ゲルマニウムなどから１種又は２種以上の元素を用いることができ、この電子供与材６により負極板７（陰極物質）への電子の潤沢な供与を行うことができる。前記電子供与材７は、上記カーボンブラック（粒径約数μｍ）やカーボンナノファイバー（直径約１５０ｎｍで長さ約１０〜２０μｍ）と共に高温拡散処理により一遍に付着させた。

(３) 前記活性炭素繊維状構造体3bは、電子受容材４が高温拡散処理により付着したこととしている。前記電子受容材４の元素として酸化ジルコニウム、チタン、ケイ素、マンガン、鉄、アルミニウム、亜鉛などから１種又は２種以上の元素を用いることができ、この電子受容材４により正極板１（陽極物質）から電子を豊富に受容することができる。前記電子受容材４は、上記カーボンブラック（粒径約数μｍ）やカーボンナノファイバー（直径約１５０ｎｍで長さ約１０〜２０μｍ）と共に高温拡散処理により一遍に付着させた。

(４) 前記活性炭素繊維状構造体3aは、電子キャリアー材２が高温拡散処理により付着したこととしている。前記電子キャリアー材２の元素としてジルコニウム、アルミナ、ゼオライト、フタロシアニンなどから１種又は２種以上の元素を用いることができ、この電子キャリアー材２により活性炭素繊維状構造体３を電子の受け皿として機能せしめることができる。前記電子キャリアー材２は、カーボンブラック（粒径約数μｍ）やカーボンナノファイバー（直径約１５０ｎｍで長さ約１０〜２０μｍ）と共に高温拡散処理により一遍に付着させた。

(５) 前記電子キャリアー材２は、活性炭素繊維状構造体3aにカーボンブラック（粒径約数μｍ）とフタロシアニンとゼオライトが高温拡散処理により三重構造状に複合・付着したものとしている。よって、活性炭素繊維状構造体3aに三重構造状に複合・付着したカーボンブラックとフタロシアニンとゼオライトにより電子の受け皿として機能をより向上させて電子の移動をより一層活性化することができる。

(６) 前記電子キャリアー材２のゼオライトはナトリウム、カルシウム、鉄、マグネシウム、アンモニウム塩、銀、銅、アルミニウムのうち１種又は２種以上で陽イオン交換されていることとしている。よって、電子キャリアー材２による電子の移動をさらに活性化することができる。

(７)上記水溶液系の電解液８は、ケイ素、酸化マンガン、アルミナ、ゼオライト、フタロシアニンのうち１種又は２種以上の元素を電解質として含有することとしている。よって、ケイ素、酸化マンガン、アルミナ、ゼオライト、フタロシアニン（電子キャリアー元素）により電解液８中のイオンの移動をし易くすることができる。

ここで、電解液８中に酸化還元活性化剤としてリチウム、バリウム、ジルコニウム、モリブデン、パラジウムのうち1種以上を含有させると、電子の移動を活性化させられるという利点がある。

(８) さらに前記水溶液系の電解液８は、カーボンブラック（粒径約数μｍ）とフタロシアニンとゼオライトが高温拡散処理により三重構造状（ドーナツリング状の構造）に複合・付着したカーボン複合体を電解質に含有させるようにしている。よって、カーボンブラックとフタロシアニンとゼオライトが高温拡散処理により三重構造状に複合・付着したカーボン複合体により電子の受け皿として機能をより向上させて電解液８中のイオンの移動をより一層活性化することができる。

(９) ここで前記電解液８が、ナトリウム、カルシウム、鉄、マグネシウム、アンモニウム塩、銀、銅、アルミニウムのうち１種又は２種以上で陽イオン交換されたゼオライト、及びモリブデンと銅とニッケルにより触媒機能が付与されたゼオライトを電解質として含有するようにすると、電解液８の劣化を抑制することができる。

(１０)また前記 電解液８は、ナトリウム、カルシウム、鉄、マグネシウム、アンモニウム塩、銀、銅、アルミニウムのうち１種又は２種以上で陽イオン交換されたゼオライトと、カオリンと、有機高分子（例えばカーボン系ポリマー）と、無機高分子（例えばシリカ系ポリマー）とを混合させて電解液中に含有させることができる。このようにすると、凝集し易い傾向があるゼオライトを略均一に分散させた状態で電解液をゲル状化することができるという大きな利点がある。また、酸化還元活性剤として電解液中に、白金、バリウム、バナジウム、リチウム、タングステン、モリブデンから1種以上の元素を含有することにより、化学反応を活性化している。メカニズムは不明であるが、ゲル状化すると共に活性剤を含有させることにより電池の起電力を1.1Ｖから1.3Ｖに向上させることができた。

(１１) 導電性高分子であるポリピロール系薄膜をセパレーター５として含有することとした。よって、イオンの拡散速度を促進できると共に電解質の保持量を増大させることができる。

(１２) 負極板７の陰極物質は補充交換可能としている。このように、負極板７の陰極物質がなくなると交換することにより電池の機能を持続させることができる。すなわち、充電という時間がかかる電気化学的な方法ではなく交換という簡単な手間だけによって電池としての寿命を新たに開始・継続させることができるという利点がある。

実施例として図１に示すように、銅製の正極板１とアルミニウム製の負極板７と電解液８（水酸化カリウム）を用い、メカニカルチャージバッテリーを形成した。ここでカーボンブラック（粒径数μｍ）及びカーボンナノファイバー（直径１５０ｎｍで長さ１０〜２０μｍ）が高温拡散処理により付着した活性炭素繊維状構造体３としてカーボン繊維を用い、高温拡散処理により前記活性炭素繊維状構造体３に付着させる電子供与材６としてモリブデンを用い、高温拡散処理により前記活性炭素繊維状構造体３に付着させる電子受容材４としてケイ素を用い、高温拡散処理により前記活性炭素繊維状構造体３に付着させる電子キャリアー材２としてジルコニウムを用いた。また、活性炭素繊維状構造体３内外（電解液８中）に酸化反応を活性化する酸化活性剤（白金）と、還元反応を活性化する還元活性剤（バリウム）とを含有させている。

このメカニカルチャージバッテリーは、電子受容材４と電子供与材６をそれぞれ活性炭素繊維状構造体３に高温拡散処理して付着させ、酸化還元中心元素（正極板１、負極板７）に複合させると共に、電子キャリアー材２を活性炭素繊維状構造体３に高温拡散処理して組み合わせており、電子供与材６から電子受容材４への電子の全体的な移動を電子キャリアー材２により促進し、電子受容材４に移動した電子により還元中心元素（正極板１）で還元反応を行うと共に電子の移動により生じた電子供与材６により酸化中心元素（負極板７）で酸化反応を行う。

このメカニカルチャージバッテリーは、電子供与材６や電子受容材４のエネルギーを効率よく引き出すことができ、電気化学的反応により連続的に電気エネルギーに変えることができた。
一方比較例として、銅製の正極板とアルミニウム製の負極板と電解液（水酸化カリウム）から構成する電池（化学反応電池）を製造した。

前記実施例のメカニカルチャージバッテリーと比較例の電池とを用いて起電力試験を行った結果、比較例の電池（起電力１．１Ｖ）は１５秒から３０秒しか持続しなかったのに対し、実施例のメカニカルチャージバッテリー（起電力１．３Ｖ）は１４時間以上酸化還元機能を継続することができた。これは負極板７である陰極物質が化学反応により消失するまでの時間であり、負極板７として新しい陰極物質を交換・補充することにより新たに反応を開始し継続させることができた。

正極（陽極物質）、負極（陰極物質）、電解質溶液等と組み合わせて用いることにより電池全体としての電気的導通性を大きく向上させることができることによって、従来の電池とは異なる新たなエネルギー電池の用途に適用することができる。

たとえば、1次電池のように使い捨てではないので産業廃棄物になりにくく環境にやさしく、２次電池のように電源を必要としないので省エネルギーで低コストあり、災害時や遠隔地、発展途上国等電源がない所での連続使用が可能となり安全性の確保に寄与することができる。また、活性炭素繊維状構造体の組み合わせにより燃料電池に匹敵する容量をもつ可能性を有する。

この発明のメカニカルチャージバッテリーの実施形態を説明する図。

符号の説明

２ 電子キャリアー材
３ 活性炭素繊維状構造体
４ 電子受容材
５ セパレーター
６ 電子供与材
７ 負極
８ 電解液

Claims (12)

1. カーボンブラック又は／及びカーボンナノファイバーが高温拡散処理により付着した活性炭素繊維状構造体（３）を具備すること特徴とするメカニカルチャージバッテリー。
2. 前記活性炭素繊維状構造体（３）に電子供与材（６）が高温拡散処理により付着した請求項１記載のメカニカルチャージバッテリー。
3. 前記活性炭素繊維状構造体（３）に電子受容材（４）が高温拡散処理により付着した請求項１又は２記載のメカニカルチャージバッテリー。
4. 前記活性炭素繊維状構造体（３）に電子キャリアー材（２）が高温拡散処理により付着した請求項１乃至３のいずれかに記載のメカニカルチャージバッテリー。
5. 前記電子キャリアー材（２）は活性炭素繊維状構造体（３）にカーボンブラックとフタロシアニンとゼオライトが高温拡散処理により三重構造状に複合・付着したものである請求項４記載のメカニカルチャージバッテリー。
6. 前記電子キャリアー材（２）のゼオライトはナトリウム、カルシウム、鉄、マグネシウム、アンモニウム塩、銀、銅、アルミニウムのうち１種又は２種以上で陽イオン交換されている請求項５記載のメカニカルチャージバッテリー。
7. 水溶液系の電解液（８）を有すると共に、前記電解液（８）はケイ素、酸化マンガン、アルミナ、ゼオライト、フタロシアニンのうち１種又は２種以上の元素を電解質として含有する請求項１乃至６のいずれかに記載のメカニカルチャージバッテリー。
8. 水溶液系の電解液（８）を有すると共に、前記電解液（８）はカーボンブラックとフタロシアニンとゼオライトが高温拡散処理により三重構造状に複合・付着したカーボン複合体を電解質に含有させるようにした請求項１乃至７のいずれかに記載のメカニカルチャージバッテリー。
9. 電解液（８）を有すると共に、ナトリウム、カルシウム、鉄、マグネシウム、アンモニウム塩、銀、銅、アルミニウムのうち１種又は２種以上で陽イオン交換されたゼオライト、及びモリブデンと銅とニッケルにより触媒機能が付与されたゼオライトを電解質として含有する請求項７又は８記載のメカニカルチャージバッテリー。
10. 電解液（８）を有すると共に、ナトリウム、カルシウム、鉄、マグネシウム、アンモニウム塩、銀、銅、アルミニウムのうち１種又は２種以上で陽イオン交換されたゼオライトと、カオリンと、有機高分子と、無機高分子とを前記電解液（８）中に含有すると共に、白金、バリウム、バナジウム、リチウム、タングステン、モリブデンから1種以上の元素を酸化還元活性剤として電解液（８）中に含有する請求項７乃至９のいずれかに記載のメカニカルチャージバッテリー。
11. 導電性高分子であるポリピロール系薄膜をセパレーター（５）として含有する請求項１乃至１０のいずれかに記載のメカニカルチャージバッテリー。
12. 負極（７）の陰極物質を補充交換可能とした請求項１乃至１１のいずれかに記載のメカニカルチャージバッテリー。

Images