JP2010062074A - 酸性電解質を用いた電池 - Google Patents

Abstract

【課題】酸性電解質を用いた電池（一次電池及び二次電池）を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも負極となる金属１と、正極となる導電部材３とを重ね合わせて重合体７を形成し、導電部材３の金属１に対向する側には酸性電解質４が付着され、金属１に対向しない側には陽極触媒５を配置することにより一次電池を構成する。金属１はマグネシウム又はアルミニウム等を使用し、酸性電解質４としては過塩素酸を用いることができる。金属１と導電部材３との間にセパレータ２を配置し、金属１とセパレータ２との間に吸水・保湿部材を配置しても良い。電池化学反応に伴って溶滅する金属１を取り替えることで、充電時に外部電源を不要とする二次電池を形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸性電解質を用いた一次電池及び二次電池に関するものである。

従来、電池としては多種多様のものがあり、例えば使い捨ての一次電池や、充電可能な二次電池や燃料電池等が代表的な化学電池であり、そのほか光電池や太陽電池等の物理電池が知られている。

周知のように、一次電池は充電できず、二次電池は充電できるが充電時には電源に接続して通電しなければならないといった欠点がある。又、燃料電池は、電極触媒として白金を使用するため高価となる。更に、補聴器等に使用される空気電池は、一旦シールを剥がして空気を供給すると、その後シールを貼り直しても内部での化学反応を完全に停止することができず、自然放電をとめることができない欠点がある。

一方、リザーブ電池として知られているマグネシウム電池は、比較的大きな起電力を得られるが、放電持続時間が短いことや塩化銀などの高価な材料を用いる等のことから広く普及することは難しいとされている。このマグネシウム電池は、まだまだ未開発の分野であり、それに対する情報量も非常に少ない。例えば特許文献１、２等の中に僅かに記載されている程度である。

特表２００８−５２３２１１号公報 特表平９−５０１００７号公報

本件発明者らは、マグネシウム電池に関連する研究を重ねた結果、酸性電解質を用いることで従来よりも起電力がはるかに大きく、しかも電源に接続せずに負極の金属を取り替えるだけで充電できることを知見して本発明を完成するに至った。即ち、本発明は、酸性電解質を用いた電池（一次電池及び二次電池）を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、少なくとも負極となる金属と、正極となる導電部材とを重ね合わせて重合体を形成し、前記導電部材における前記金属に対向する側には酸性電解質が付着され、前記金属に対向しない側には陽極触媒を配置して成る酸性電解質を用いた電池を特徴とする。

本発明の請求項２は、少なくとも負極となる金属と、正極となる導電部材とを重ね合わせて重合体を形成し、前記導電部材における前記金属に対向する側には酸性電解質が付着され、前記重合体を前記金属が外側となるようにして折り曲げ、前記導電部材の内側に生じた空間部に陽極触媒を配置して成る酸性電解質を用いた電池を特徴とする。

本発明の請求項３は、少なくとも負極となる金属と、正極となる導電部材とを重ね合わせて重合体を形成し、前記導電部材における前記金属に対向する側には酸性電解質が付着され、前記重合体を前記金属が内側となるようにして折り曲げ、前記導電部材の外側に陽極触媒を配置して成る酸性電解質を用いた電池を特徴とする。

本発明の請求項４は、請求項２又は３の酸性電解質を用いた電池において、前記重合体を筒状に屈曲形成したことを特徴とする。

本発明の請求項５は、請求項１ないし４のいずれかの酸性電解質を用いた電池において、前記金属と導電部材との間にセパレータを配置したことを特徴とする。

本発明の請求項６は、請求項１ないし５のいずれかの酸性電解質を用いた電池において、前記金属と導電部材との間、又は前記金属とセパレータとの間に吸水・保湿部材を配置したことを特徴とする。

本発明の請求項７は、請求項６の酸性電解質を用いた電池において、前記吸水・保湿部材に金属を取り付け、当該吸水・保湿部材と共に金属を交換することを特徴とする。

本発明の請求項８は、請求項１ないし７のいずれかの酸性電解質を用いた電池において、前記重合体を電気絶縁性の保護部材で保護したことを特徴とする。

本発明の請求項９は、請求項１ないし８のいずれかの酸性電解質を用いた電池において、前記重合体を電気絶縁性の容器内に収納し、この容器に空気導入孔を設けたことを特徴とする。

上記請求項１の発明によれば、負極と正極とをリード線で接続すると負極から金属陽イオンが溶出されると共に、電子がリード線を介して負極から正極側へ移動し、正極の表面に供給された酸素は、電子を取り込んで水を生成する。これにより、正極から負極側に電流がながれて電気を取り出すことができる。この場合、負極から発生する金属陽イオンと酸性電解質中の錯イオンとが結合して錯体が形成されるが、この錯体は電池化学反応によって生じる生成水によって簡単に溶解するため負極の金属表面に付着せず、大きな起電力が得られると共に起電力の低下を抑えることができる。又、正極には空気を供給して反応させるが、負極側を酸性電解質と接触させないことにより化学反応を完全に停止させることができる。

上記請求項２の発明によれば、少なくとも負極となる金属と、正極となる導電部材（金属に対向する側に酸性電解質を塗布する）とを重ね合わせた重合体を、前記金属が外側となるようにして二つに折り曲げてその内側空間に陽極触媒を配置することで小型・軽量の一次電池を形成することができる。

上記請求項３の発明によれば、請求項２のものとは反対方向に、即ち前記金属が内側となるようにして二つに折り曲げて前記導電部材の外側に陽極触媒を配置することで小型・軽量の一次電池を形成することができる。

上記請求項４の発明によれば、前記重合体を筒状に屈曲形成することにより、例えば円筒形や角筒形の一次電池を形成することができる。この場合も、金属が外側となっても内側となってもどちらでも良い。

上記請求項５の発明によれば、前記金属と導電部材との間にセパレータを配置したので負極と正極との領域を区画することができ、電池化学反応を確実に行うことができる。

上記請求項６の発明によれば、前記金属と導電部材との間、又は前記金属とセパレータとの間に吸水・保湿部材を配置したので、金属に対して酸性電解質を確実に且つ平均して接触させることができ、常時安定した起電力を得ることができる。又、電池化学反応によって負極の金属が溶けて無くなった（以下、溶滅という）時に、当該金属を取り替えることにより継続して使用することができる。これにより、外部電源に接続せずに負極の金属を取り替えるだけで充電が可能な二次電池を形成することができる。

上記請求項７の発明によれば、前記吸水・保湿部材に金属を取り付け、当該吸水・保湿部材と共に金属を交換するので、金属の取り替えが簡単にできると共に金属の残渣を残すことなく綺麗に取り除くことができる。

上記請求項８の発明によれば、前記重合体を電気絶縁性の保護部材で保護したので、電池の損傷を防止すると共に電池自体の強度を向上させることができる。

上記請求項９の発明によれば、前記重合体を電気絶縁性の容器内に収納し、この容器に空気導入孔を設けたので、空気の供給を阻害することなく電池を十分保護することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第１実施形態を示すもので、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略分解断面図である。

図１において、１は負極となる板状の金属であり、本実施形態ではマグネシウムを用いるがこれに限定されない。この金属１としては、マグネシウム以外にアルミニウムを使用することができ、そのほか例えばリチウム、カルシウム、亜鉛、鉄、コバルト、カドミウム、鉛等も使用可能であると考えられる。又、金属１は金属粉を固めたものあるいは金属合金であっても使用することができる。この場合、金属１の大きさは３．５ｃｍ×３．５ｃｍ×０．４ｍｍ厚であり、重量は０．８１ｇである。

２は金属１の下に配置するセパレータであり、合成樹脂等から形成されて陽イオンを通過できるようにしてある。このセパレータ２の大きさは４ｃｍ×４．５ｃｍ×０．１ｍｍ厚であり、重量は０．０２５ｇである。尚、このセパレータ２を設けないで実施することも可能である。

３はセパレータ２の下に配置する正極となる通気性の導電部材であり、この場合はカーボンシートが用いられ、大きさは４ｃｍ×３．５ｃｍ×０．３ｍｍ厚であり、重量は０．１２ｇである。この導電部材３における前記セパレータ２に対向する面側（上側面）には酸性電解質４が塗布されている。この酸性電解質４は、ゲル化した酸性電解液が用いられているがそれに限定されず、例えば液体及び触媒と複合した酸性電解液、又はゲル及び触媒と複合した酸性電解液なども使用することができる。

前記導電部材３のセパレータ２に対向しない面側（下側面）には陽極触媒５を配置すると共に、この陽極触媒５に集電体６を取り付ける。この場合、陽極触媒５はカーボン粉末と触媒とを混合してペースト状に形成したものであり、この陽極触媒５を前記導電部材３の下側面に付着させると共に前記集電体６を取り付けることができる。又、予め集電体６に陽極触媒５を塗布して押し固めておき、この集電体６を前記導電部材の下面側に配置するようにしても良い。集電体６は、例えばカーボンで形成した細板状のものを用いることができ、その大きさは０．５ｃｍ×６．５ｃｍ×０．１ｃｍ厚であり、重量は０．３６ｇである。尚、導電部材３に配線する場合には集電体６を設けなくても良い。

このようにして、負極となる金属１と、セパレータ２と、正極となる導電部材３とを重ね合わせて重合体７を形成し、導電部材３のセパレータ２に対向する面側には酸性電解質４が付着され、セパレータ２に対向しない面側には陽極触媒５を付着すると共に、この陽極触媒５に集電体６を取り付けることで小型・軽量の一次電池を形成することができる。この場合、酸性電解質４としては過塩素酸（ＨＣｌＯ_４）を用いるが、それに限定されない。

上記のような構成を備えた電池において、電池化学反応に伴って前記負極の金属１からマグネシウムイオンが溶出すると共に水素が発生し、図示しないリード線を介して電子が金属１から正極の導電部材３側に移動し、この導電部材３に供給される空気中の酸素が還元されて水を生成する。

この電池化学反応により、前記酸性電解質４の過塩素酸はＨ^＋と［ＣｌＯ_４］⁻とに電離し、［ＣｌＯ_４］⁻が金属１から生じるＭｇ^２＋と結合して錯塩Ｍｇ（ＣｌＯ_４）₂となる。この錯塩は金属１の表面に付着すると分極が生じて起電力を阻害するが、前記生成水によって簡単に溶解するため金属１への付着が抑えられる。このため、金属１の表面は殆ど清浄状態に保持されることから、常時確実に電池化学反応が得られると共に起電力の低下を抑えることができる。

従来の電解液の役割は、電池内の内部抵抗を低くして電極近傍での電気的中性を保つことであるが、本発明ではこの役割に加えて負極側の触媒機能を付加するために酸性電解質を用いたものである。又、酸性電解質を用いることで、アルカリ性電解質よりも安全性を高めることができる。

この一次電池は、負極の金属１にリード線（図略）の端部を固定し、集電体６の突出端部にもリード線（図略）の端部を取り付けて電池性能試験を行った。この電池性能試験においては、北斗電工株式会社製の充放電試験機（ＨＪＲ−１１０ｍＳＭ６）を使用し、前記リード線に接続して１ｍＡの負荷を掛け、電圧が２．５Ｖから１Ｖに低下するまでの電気容量を計測した。この電気容量は、８２８．８ｍＡｈ／ｇであり、前記従来のマグネシウム電池の電気容量は１７０ｍＡｈ／ｇ程度であるから、単純計算で約４．８倍であることが分かった。

図２は、本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第２実施形態を示すもので、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は模式的概略断面図である。ここで、第１実施形態と同じ構成要素は、前記と同じ符号をつけて詳しい説明は省略する。

第２実施形態では、負極となる金属１と、セパレータ２と、正極となる導電部材３とを重ね合わせて重合体７を形成し、導電部材３のセパレータ２に対向する面側には酸性電解質４が付着され、重合体７を金属１が外側面となるようにして二つに折り曲げ、導電部材３の内側面に生じた空間部に陽極触媒５を配置すると共に、この陽極触媒５に集電体６を取り付けた構成である。前記第１実施形態が平面型の電池であるのに対し、第２実施形態は折曲型の電池である点で相違している。

この第２実施形態では、重合体７を二つ折りする際に金属１が外側面となるようにしたが、これに限定されずに金属１が内側面となるように二つ折りして実施することも可能である。その場合には、図示は省略したが導電部材３の外側面に陽極触媒５を付着すると共に、この陽極触媒５に集電体６を取り付ける。

図３は、本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第３実施形態を示す模式的概略断面図である。ここでも、第１実施形態と同じ構成要素は、前記と同じ符号をつけて詳しい説明は省略する。

この第３実施形態では、負極となる金属１と、セパレータ２と、正極となる導電部材３とを重ね合わせて重合体７を形成し、導電部材３のセパレータ２に対向する面側には酸性電解質４が付着され、重合体７を金属１が外側面となるようにして円筒状に屈曲し、導電部材３の内側面に生じた円形の空間部に陽極触媒５を配置すると共に、この陽極触媒５に集電体６を取り付けた構成である。

この場合は、重合体７を円筒状に屈曲する際に金属１が外側面となるようにしたが、これに限定されずに金属１が内側面となるように円筒状に屈曲して実施することも可能である。その時には、図示は省略したが導電部材３の外側面に陽極触媒５を付着すると共に、この陽極触媒５に集電体６を取り付ける。

又、上記第３実施形態では円筒状に屈曲する場合であったが、これに限定されることなく角筒状に形成することも可能であり、例えば三角形状や、四角形状その他の角形にすることができる。更に、円筒状の場合は円形に限定されずに、楕円形であっても良い。

図４は、本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第４実施形態を示す概略分解断面図である。ここにおいても、第１実施形態と同じ構成要素は、前記と同じ符号をつけて詳しい説明は省略する。

この第４実施形態では、第１実施形態と基本的な構成は同じであり、負極となる金属１と、セパレータ２と、正極となる導電部材３とを重ね合わせて重合体７を形成し、導電部材３のセパレータ２に対向する面側には酸性電解質４が付着され、セパレータ２に対向しない面側には陽極触媒５を付着すると共に、この陽極触媒５に集電体６を取り付けた構成であり、金属１とセパレータ２との間に吸水・保湿部材８を配置したことを特徴とする二次電池である。吸水・保湿部材８は、液体を吸収して湿潤状態に保持できる機能を有するものであり、この場合はガラス繊維シートが用いられているが、これに限定されず例えば紙、布、不織布や吸水性樹脂等を使用することができる。尚、前記実施形態１〜３の一次電池においても、金属１とセパレータ２との間に吸水・保湿部材８を配置させることもある。吸水・保湿部材８を配置することにより、金属１に対して酸性電解質４を確実に且つ均等に接触させることができ、安定した起電力を得ることが可能となる。

電池化学反応に伴って、前記負極の金属１は徐々に溶け出して減少する。この金属１が溶滅すると電池化学反応が停止して、前記一次電池はそれ以上使用できなくなる。しかしながら、第４実施形態において、負極の金属１が溶滅した際に新品の金属に取り替えることで、継続して使用することが可能となる。即ち、二次電池としての使用が可能となり、しかも従来の二次電池のように外部電源に接続して充電する必要はない。

図５は、本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第５実施形態を示す模式的概略断面図である。この場合も、第１実施形態と同じ構成要素は、前記と同じ符号をつけて詳しい説明は省略する。

この第５実施形態では、第１実施形態と基本的な構成は同じであり、負極となる金属１と、セパレータ２と、正極となる導電部材３とを重ね合わせて重合体７を形成し、導電部材３のセパレータ２に対向する面側には酸性電解質４が付着され、セパレータ２に対向しない面側には陽極触媒５を付着すると共に、この陽極触媒５に集電体６を取り付け、金属１とセパレータ２との間に吸水・保湿部材８を配置してあり、この吸水・保湿部材８に金属１を取り付ける点に特徴を有している。

このようにして、金属１が吸水・保湿部材８に取り付けられていると、負極の金属１が溶滅した際に図５のように金属１を吸水・保湿部材８と一緒に綺麗に剥ぎ取って取り替えることができる。吸水・保湿部材８とその下のセパレータ２とは非接着であるから、吸水・保湿部材８を剥がす作業は容易に行うことができる。これにより、溶滅した金属１の残渣が残留することなく完全に取り除かれるので、重合体７は綺麗な状態で残される。このため、新しい吸水・保湿部材と共に金属１を取り替える作業がきわめて容易になる。この時、新たなガラス繊維シートを省いて新品の金属だけ取り替えるようにしても良い。

図６は、本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第５実施形態を示す概略側面図である。これは、前記平面型電池（図１）や折曲型電池（図２）を、電気絶縁性の保護部材９で挟み付けて保護した構成である。これにより、重合体７を損傷から保護できると共に、重合体７の強度を向上させることができる。保護部材９としては、例えばアクリル等の合成樹脂板を使用することができ、上下の保護部材９をボルトとナット等の適宜の締着具１０で固定する。尚、重合体７の保護手段はこれに限定されない。

図７は、本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第６実施形態を示す概略斜視図である。これは、前記平面型電池（図１）や折曲型電池（図２）を、電気絶縁性の容器１１内に収納したものである。これにより、重合体７を損傷から保護できると共に、重合体７の強度を向上させることができる。この容器１１は例えばアクリル等の合成樹脂で形成することができ、空気導入孔１１ａを設けると共に集電体６の取出孔１１ｂをそれぞれ設ける。空気導入孔１１ａは図示の窓孔に限定されず、電池への空気供給を十分できる形態であれば良く、例えば複数の小孔で構成するようにしても良い。

前記の筒型電池（図３）の場合は、図示は省略したが電気絶縁性の筒状容器を用いて、この筒状容器内に重合体を収納する構成にすれば良い。角筒状の場合は、この角筒状に対応する容器を用いるようにする。

本発明に係る酸性電解質を用いた電池は、例えばノートパソコン、携帯電話、時計、電気器具、電動工具等の各種機器のバッテリーとして利用することができ、その他電気自動車、家庭用発電ユニット、無停電電源、医療機器等広い範囲での用途が期待できる。

本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第１実施形態を示すもので、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略分解断面図である。 本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第２実施形態を示すもので、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は模式的概略断面図である。 本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第３実施形態を示す模式的概略断面図である。 本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第４実施形態を示す概略分解断面図である。 本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第５実施形態を示す模式的概略断面図である。 本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第５実施形態を示す概略側面図である。 本発明に係る酸性電解質を用いた電池の第６実施形態を示す概略斜視図である。

符号の説明

１ 金属
２ セパレータ
３ 導電部材
４ 酸性電解質
５ 陽極触媒
６ 集電体
７ 重合体
８ 吸水・保湿部材
９ 保護部材
１０ 締着具
１１ 容器
１１ａ 空気導入孔
１１ｂ 取出孔

Claims (9)

1. 少なくとも負極となる金属と、正極となる導電部材とを重ね合わせて重合体を形成し、前記導電部材における前記金属に対向する側には酸性電解質が付着され、前記金属に対向しない側には陽極触媒を配置して成ることを特徴とする酸性電解質を用いた電池。
2. 少なくとも負極となる金属と、正極となる導電部材とを重ね合わせて重合体を形成し、前記導電部材における前記金属に対向する側には酸性電解質が付着され、前記重合体を前記金属が外側となるようにして折り曲げ、前記導電部材の内側に生じた空間部に陽極触媒を配置して成ることを特徴とする酸性電解質を用いた電池。
3. 少なくとも負極となる金属と、正極となる導電部材とを重ね合わせて重合体を形成し、前記導電部材における前記金属に対向する側には酸性電解質が付着され、前記重合体を前記金属が内側となるようにして折り曲げ、前記導電部材の外側に陽極触媒を配置して成ることを特徴とする酸性電解質を用いた電池。
4. 前記重合体を筒状に屈曲形成したことを特徴とする請求項２又は３に記載の酸性電解質を用いた電池。
5. 前記金属と導電部材との間にセパレータを配置したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の酸性電解質を用いた電池。
6. 前記金属と導電部材との間、又は前記金属とセパレータとの間に吸水・保湿部材を配置したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の酸性電解質を用いた電池。
7. 前記吸水・保湿部材に金属を取り付け、当該吸水・保湿部材と共に金属を交換することを特徴とする請求項６に記載の酸性電解質を用いた電池。
8. 前記重合体を電気絶縁性の保護部材で保護したことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の酸性電解質を用いた電池。
9. 前記重合体を電気絶縁性の容器内に収納し、この容器に空気導入孔を設けたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の酸性電解質を用いた電池。

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