JP2014038770A - 電池用アノード、金属空気電池および電池用アノードの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、電極活物質が消費されることにより生じる反応熱による昇温を抑制することができる電池用アノードを提供する。
【解決手段】本発明の電池用アノードは、板状の集電体と、前記集電体上に設けられかつ金属からなる電極活物質部とを備え、前記集電体は、内部に流路を有することを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の電池用アノードは、板状の集電体と、前記集電体上に設けられかつ金属からなる電極活物質部とを備え、前記集電体は、内部に流路を有することを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、電池用アノード、金属空気電池および電池用アノードの製造方法に関する。
金属からなる電極活物質を有する金属電極をアノードとし、空気極をカソードとする金属空気電池は、高いエネルギー密度を有するため、次世代の電池として注目されている。
金属空気電池を二次電池として用いると充電時に電池内部において金属電極から空気極に向けて樹枝状のデンドライトが生成し短絡の原因となる場合がある。このため、金属空気電池を一次電池として用い、副生成物である金属酸化物などを還元処理することにより、金属からなる電極活物質を製造し金属空気電池に供給するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
金属空気電池を二次電池として用いると充電時に電池内部において金属電極から空気極に向けて樹枝状のデンドライトが生成し短絡の原因となる場合がある。このため、金属空気電池を一次電池として用い、副生成物である金属酸化物などを還元処理することにより、金属からなる電極活物質を製造し金属空気電池に供給するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
一次電池として用いられる金属空気電池として亜鉛空気電池が挙げられる。図１１は亜鉛空気電池の放電反応を説明するための模式的な断面図である。亜鉛空気電池は、図１１に示すようにアルカリ性電解液１０３中に電極活物質である金属亜鉛を含む亜鉛電極１０１を設け、空気極１０５を電解液１０３と接するように設けた構造を有しており、放電反応が進行することにより亜鉛電極１０１と空気極１０５とから電力を出力する。なお、空気極１０５は、一般的にカーボン担体に空気極触媒を担持したものが用いられる。
亜鉛空気電池の放電反応において、亜鉛電極１０１の金属亜鉛がアルカリ性電解液１０３中の水酸化物イオンと反応し、水酸化亜鉛となり亜鉛電極１０１中に電子を放出する。その後、この水酸化亜鉛は脱水して酸化亜鉛が電解液中に析出する。また、空気極１０５において、電子と水と酸素が反応することにより水酸化物イオンが生成され、この水酸化物イオンは、アルカリ性電解液１０３に移動する。このような放電反応が進行すると、亜鉛電極１０１の金属亜鉛が消費されるため、亜鉛空気電池に電極活物質である金属亜鉛を供給する必要がある。
また、金属亜鉛が消費される化学反応は発熱反応であるため、放電反応が進行すると、亜鉛電極１０１は発熱する。この発熱により亜鉛電極１０１の温度が上昇すると、金属亜鉛が消費される化学反応の反応速度が変化して亜鉛空気電池の出力が安定しない。また、亜鉛電極１０１を構成する金属亜鉛に不均一な温度分布が生じ、場所により金属亜鉛が消費される速度が不均一になる。また、亜鉛金属１０１の温度上昇とともに、アルカリ性電解液１０３の温度も上昇し、電解液の蒸発が生じ、亜鉛空気電池の安定動作を妨げる。
従来の金属空気電池では電解液の温度を制御することにより、金属電極の昇温を抑制している。
従来の金属空気電池では電解液の温度を制御することにより、金属電極の昇温を抑制している。
しかし、電池が大型化し、アノードが有する電極活物質の量が多くなると、従来の金属空気電池ではアノードを十分に冷却できない場合がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電極活物質が消費されることにより生じる反応熱による昇温を抑制することができる電池用アノードを提供する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電極活物質が消費されることにより生じる反応熱による昇温を抑制することができる電池用アノードを提供する。
本発明は、板状の集電体と、前記集電体上に設けられかつ金属からなる電極活物質部とを備え、前記集電体は、内部に流路を有することを特徴とする電池用アノードを提供する。
本発明によれば、板状の集電体と、前記集電体上に設けられかつ金属からなる電極活物質部とを備えるため、電極活物質部の表面において電極反応を進行させることができ、電極反応により生じた電荷を集電体で集電することができる。また、電極活物質部を構成する金属が消費されることにより電極活物質部が崩壊することを抑制することができる。
本発明によれば、集電体は内部に流路を有するため、この流路を流れる液体または気体により電極反応の反応熱を電池用アノードから除去することができ、電池用アノードが昇温することを抑制することができる。このことにより、電池用アノードを組み込んだ電池の出力特性を安定化することができる。
本発明によれば、集電体は内部に流路を有するため、電池用アノードの単位重量当たりの電極活物質の重量を大きくすることができる。このため、アノードのエネルギー密度が上昇し、電極活物質の輸送コストを低減することができる。
本発明によれば、集電体は内部に流路を有するため、この流路を流れる液体または気体により電極反応の反応熱を電池用アノードから除去することができ、電池用アノードが昇温することを抑制することができる。このことにより、電池用アノードを組み込んだ電池の出力特性を安定化することができる。
本発明によれば、集電体は内部に流路を有するため、電池用アノードの単位重量当たりの電極活物質の重量を大きくすることができる。このため、アノードのエネルギー密度が上昇し、電極活物質の輸送コストを低減することができる。
本発明の電池用アノードは、板状の集電体と、前記集電体上に設けられかつ金属からなる電極活物質部とを備え、前記集電体は、内部に流路を有することを特徴とする。
本発明の電池用アノードにおいて、前記集電体は、第１主要面および第２主要面を有し、前記流路は、第１または第２主要面と実質的に平行であることが好ましい。
このような構成によれば、集電体内部の流路を細長い流路とすることができ、この流路を流れる液体または気体により電極反応の反応熱を電池用アノードから効率的に除去することができる。このことにより、電池用アノードが昇温することを抑制することができ、電池用アノードを組み込んだ電池の出力特性を安定化することができる。
本発明の電池用アノードにおいて、第１および第２主要面は、それぞれ平面であり、前記電極活物質部は、第１主要面上および第２主要面上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、本発明の電池用アノードを組み込んだ電池により発電する際に、電極反応が進行する電極活物質部の表面を実質的に等電位面とすることができる。このことにより、電極活物質部の表面における電極反応の進行速度を均一化することができ、電池の出力特性を安定化させることができる。
本発明の電池用アノードにおいて、前記集電体は、第１主要面および第２主要面を有し、前記流路は、第１または第２主要面と実質的に平行であることが好ましい。
このような構成によれば、集電体内部の流路を細長い流路とすることができ、この流路を流れる液体または気体により電極反応の反応熱を電池用アノードから効率的に除去することができる。このことにより、電池用アノードが昇温することを抑制することができ、電池用アノードを組み込んだ電池の出力特性を安定化することができる。
本発明の電池用アノードにおいて、第１および第２主要面は、それぞれ平面であり、前記電極活物質部は、第１主要面上および第２主要面上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、本発明の電池用アノードを組み込んだ電池により発電する際に、電極反応が進行する電極活物質部の表面を実質的に等電位面とすることができる。このことにより、電極活物質部の表面における電極反応の進行速度を均一化することができ、電池の出力特性を安定化させることができる。
本発明の電池用アノードにおいて、前記流路は、前記集電体を貫通する直線状の流路であることが好ましい。
このような構成によれば、本発明の電池用アノードを組み込んだ電池により発電する際に、前記流路に電解液を流通させることができ、この電解液により電極反応の反応熱を電池用アノードから効率的に除去することができる。
本発明の電池用アノードにおいて、前記流路は、蛇行する流路であることが好ましい。
このような構成によれば、本発明の電池用アノードを組み込んだ電池により発電する際に、前記流路に熱媒体を流通させることができ、この熱媒体により電極反応の反応熱を電池用アノードから効率的に除去することができる。
このような構成によれば、本発明の電池用アノードを組み込んだ電池により発電する際に、前記流路に電解液を流通させることができ、この電解液により電極反応の反応熱を電池用アノードから効率的に除去することができる。
本発明の電池用アノードにおいて、前記流路は、蛇行する流路であることが好ましい。
このような構成によれば、本発明の電池用アノードを組み込んだ電池により発電する際に、前記流路に熱媒体を流通させることができ、この熱媒体により電極反応の反応熱を電池用アノードから効率的に除去することができる。
本発明の電池用アノードにおいて、前記集電体は、前記流路の内壁に絶縁層を有することが好ましい。
このような構成によれば、前記流路の内壁において電極反応が進行することを抑制することができる。また、集電体上に電極活物質である金属を析出させて電池用アノードを作製する場合に、流路の内壁上に金属が析出することを抑制することができる。
本発明の電池用アノードにおいて、前記金属は、金属亜鉛、金属カルシウム、金属マグネシウム、金属アルミニウム、金属鉄、金属リチウムまたは金属ナトリウムであることが好ましい。
このような構成によれば、電極活物質部を構成する金属を、金属空気電池などの電極活物質とすることができる。
このような構成によれば、前記流路の内壁において電極反応が進行することを抑制することができる。また、集電体上に電極活物質である金属を析出させて電池用アノードを作製する場合に、流路の内壁上に金属が析出することを抑制することができる。
本発明の電池用アノードにおいて、前記金属は、金属亜鉛、金属カルシウム、金属マグネシウム、金属アルミニウム、金属鉄、金属リチウムまたは金属ナトリウムであることが好ましい。
このような構成によれば、電極活物質部を構成する金属を、金属空気電池などの電極活物質とすることができる。
本発明は、本発明の電池用アノードと、電解液を溜める電解液槽と、カソードとなる空気極とを備え、前記電池用アノードは、前記電解液槽内に挿入することができ、かつ、前記電解液槽内から抜き出すことができるように設けられた金属空気電池も提供する。
本発明の金属空気電池によれば、本発明の電池用アノードを電解液槽内に挿入することにより供給した電極活物質により、発電することができる。
本発明の金属空気電池において、前記流路は、前記電解液が流れる流路であることが好ましい。
このような構成によれば、前記流路に電解液槽に溜めた電解液を流通させることができ、この流路を流れる電解液により、電極反応の反応熱を電池用アノードから除去することができる。
本発明の金属空気電池によれば、本発明の電池用アノードを電解液槽内に挿入することにより供給した電極活物質により、発電することができる。
本発明の金属空気電池において、前記流路は、前記電解液が流れる流路であることが好ましい。
このような構成によれば、前記流路に電解液槽に溜めた電解液を流通させることができ、この流路を流れる電解液により、電極反応の反応熱を電池用アノードから除去することができる。
本発明の金属空気電池において、熱媒体により熱を回収する熱回収器をさらに備え、前記流路は、前記熱媒体が流れる流路であることが好ましい。
このような構成によれば、前記流路に熱回収器の熱媒体を流通させることができ、この流路を流れる熱媒体により、電極反応の反応熱を電池用アノードから除去することができる。
本発明の金属空気電池において、前記電池用アノードと前記空気極との間に設けられたイオン交換膜をさらに備え、前記イオン交換膜は、第１主要面が前記電解液槽に溜める電解液に接触し、第２主要面が前記空気極と接触することが好ましい。
このような構成によれば、空気極と電解液との間を移動するイオン種を限定することができ、空気極において金属や炭酸化合物が析出することを抑制することができる。例えば、イオン交換膜としてアニオン交換膜を備えた場合、アニオン交換膜は電解液中の金属陽イオンの空気極への透過を抑制し、空気極における金属陽イオンと空気に含まれる二酸化炭素の反応による炭酸化合物の析出、および、炭酸化合物析出に伴う空気極の細孔閉塞を抑制することができ、燃料電池の安定動作を実現することができる。
このような構成によれば、前記流路に熱回収器の熱媒体を流通させることができ、この流路を流れる熱媒体により、電極反応の反応熱を電池用アノードから除去することができる。
本発明の金属空気電池において、前記電池用アノードと前記空気極との間に設けられたイオン交換膜をさらに備え、前記イオン交換膜は、第１主要面が前記電解液槽に溜める電解液に接触し、第２主要面が前記空気極と接触することが好ましい。
このような構成によれば、空気極と電解液との間を移動するイオン種を限定することができ、空気極において金属や炭酸化合物が析出することを抑制することができる。例えば、イオン交換膜としてアニオン交換膜を備えた場合、アニオン交換膜は電解液中の金属陽イオンの空気極への透過を抑制し、空気極における金属陽イオンと空気に含まれる二酸化炭素の反応による炭酸化合物の析出、および、炭酸化合物析出に伴う空気極の細孔閉塞を抑制することができ、燃料電池の安定動作を実現することができる。
本発明は、内部に流路を有する板状の集電体上に電極活物質である金属を電解析出させる工程を備える電池用アノードの製造方法も提供する。
本発明の電池用アノードの製造方法によれば、本発明の電池用アノードを製造することができる。
本発明の電池用アノードの製造方法において、前記集電体は、平面である第１主要面と平面である第２主要面とを有することが好ましい。
このような構成によれば、第１および第２主要面上に電極活物質である金属を電解析出させることができる。また、電極活物質の析出面を実質的に等電位面とすることができ、電極活物質を第１または第２主要面上に均一に析出させることができる。
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
本発明の電池用アノードの製造方法によれば、本発明の電池用アノードを製造することができる。
本発明の電池用アノードの製造方法において、前記集電体は、平面である第１主要面と平面である第２主要面とを有することが好ましい。
このような構成によれば、第１および第２主要面上に電極活物質である金属を電解析出させることができる。また、電極活物質の析出面を実質的に等電位面とすることができ、電極活物質を第１または第２主要面上に均一に析出させることができる。
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
電池用アノード
図１、４は本実施形態の電池用アノードの構成を示す概略斜視図であり、図２、３、５〜７は本実施形態の電池用アノードの概略断面図である。
本実施形態の電池用アノード５は、板状の集電体２と、集電体２上に設けられかつ金属からなる電極活物質部３とを備え、集電体２は、内部に流路１を有することを特徴とする。
本実施形態の電池用アノード５の製造方法は、内部に流路を有する板状の集電体２上に電極活物質である金属を電解析出させる工程を備える。
図１、４は本実施形態の電池用アノードの構成を示す概略斜視図であり、図２、３、５〜７は本実施形態の電池用アノードの概略断面図である。
本実施形態の電池用アノード５は、板状の集電体２と、集電体２上に設けられかつ金属からなる電極活物質部３とを備え、集電体２は、内部に流路１を有することを特徴とする。
本実施形態の電池用アノード５の製造方法は、内部に流路を有する板状の集電体２上に電極活物質である金属を電解析出させる工程を備える。
電池用アノード５は、電池に組み込まれアノードとなる電極であり、電池に組み込まれた電極でもよく、電池に組み込まれる前の電極であってもよい。
電池用アノード５は、例えば、金属空気電池、アルカリ・マンガン電池、マンガン電池のアノードである。
電池用アノード５は、例えば、金属空気電池、アルカリ・マンガン電池、マンガン電池のアノードである。
電極活物質部３は、電極活物質である金属からなる。電極活物質部３を構成する金属は、金属空気電池などの電極活物質となる金属であれば特に限定されないが、例えば、金属亜鉛、金属アルミニウム、金属鉄、金属マグネシウム、金属リチウム、金属ナトリウム、金属カルシウムなどである。
また、電極活物質部３は、上記の例では一種の金属元素からなる金属を挙げたが、金属部１は合金からなってもよい。
電池用アノード５を組み込んだ電池により放電反応を進行させると、電池用アノード５における電極反応は発熱反応であるため、電極活物質部３の表面において熱が発生する。
また、電極活物質部３は、上記の例では一種の金属元素からなる金属を挙げたが、金属部１は合金からなってもよい。
電池用アノード５を組み込んだ電池により放電反応を進行させると、電池用アノード５における電極反応は発熱反応であるため、電極活物質部３の表面において熱が発生する。
電極活物質部３は、集電体２上に設けられる。このことにより、電解液などと接する電極活物質部３の表面における電極反応で生じる電荷を集電体２により集電することができる。また、電極活物質部３は、板状の集電体２の第１主要面上および第２主要面上に設けられてもよい。
電極活物質部３を構成する金属は、例えば、鉱石などの精錬や、金属酸化物の乾式法や湿式法などによる還元などにより製造される。なお、電極活物質となる金属を電解析出により製造する場合、集電体２上に金属を電解析出させてもよい。
また、電極活物質部３は、集電体２上に電解析出させた金属層であってもよく、金属スラリーを乾燥させることにより成型した金属塊であってもよく、粉末状の金属を押し固めることにより成型した金属塊であってもよい。
例えば、金属イオンを電解質として含む電解液中に集電体２をカソードとして浸漬し、アノードとカソードとの間に電圧を印加することにより、集電体２上に金属を電解析出させることができる。
また、電極活物質部３は、集電体２上に電解析出させた金属層であってもよく、金属スラリーを乾燥させることにより成型した金属塊であってもよく、粉末状の金属を押し固めることにより成型した金属塊であってもよい。
例えば、金属イオンを電解質として含む電解液中に集電体２をカソードとして浸漬し、アノードとカソードとの間に電圧を印加することにより、集電体２上に金属を電解析出させることができる。
集電体２は、板状である。このことにより、電池用アノード５に占める集電体２の割合を低くすることができ、電池用アノード５に占める電極活物質の割合を高くすることができる。また、集電体２の第１主要面および第２主要面において集電することができ、効率よく集電することができる。さらに、集電体２の第１主要面上および第２主要面上に電極活物質部３を設けることにより、集電体２を電極活物質部３の支持体として機能させることができる。このことにより、電極活物質部３の表面における電極反応により電極活物質が消費された際に電極活物質部３が崩壊し、電極反応に寄与することなく電解液中に崩落する電極活物質部３の量を低減することができる。
集電体２の第１主要面および第２主要面は、それぞれ平面であってもよい。また、電極活物質部３は、第１主要面上および第２主要面上にそれぞれ設けられてもよい。また、電極活物質部３は、電極反応が生じる表面が第１主要面または第２主要面と実質的に平行となるように設けることができる。このような構成によると、電池用アノード５を組み込んだ電池により発電する際に、電極反応が進行する電極活物質部３の表面を実質的に等電位面とすることができる。このことにより、電極活物質部３の表面における電極反応の進行速度を均一化することができ、電池の出力特性を安定化させることができる。
また、第１主要面および第２主要面がそれぞれ平面である集電体２上に、電極活物質である金属を電解析出させ電池用アノードを製造する場合、電極活物質部３の析出面が第１または第２主要面と実質的に平行となるように金属を電解析出させることができる。このようして製造した電池用アノード５は、電極活物質部３の電極反応が生じる表面が第１主要面または第２主要面と実質的に平行となる。
集電体２を構成する材料は、高い導電性を有し、電解液などに対する耐食性を有すれば、特に限定されないが、例えば、ステンレス、ニッケルなどとすることができる。
集電体２を構成する材料は、高い導電性を有し、電解液などに対する耐食性を有すれば、特に限定されないが、例えば、ステンレス、ニッケルなどとすることができる。
集電体２は、内部に流路１を有する。流路１は、電池用アノード５を電池に組み込んだ際に、電解液１３や熱媒体などの流路となる。流路１に電解液１３や熱媒体が流れることにより、電解液１３や熱媒体が集電体２の熱を吸収することができる。このことにより、電池用アノード５の昇温を抑制することができ、電池用アノードにおける電極反応の反応速度を安定させることができる。
流路１は、集電体２の第１主要面または第２主要面と実質的に平行に設けられてもよい。このことにより、流路１に流す電解液１３または熱媒体により、第１または第２主要面上に設けられた電極活物質部３を効率的に冷却することができる。また、流路１に流す電解液１３や熱媒体の出入り口を板状の集電体２の第１主要面または第２主要面に配置した場合、出入り口に電極活物質部３を設けることができず、第１主要面上および第２主要面上の実質的な全体に電極活物質部３を設けることができないため、電極の反応面積が小さくなる問題があるが、流路１を集電体２の第１主要面または第２主要面と実質的に平行に設けた場合、流路１に流す電解液１３や熱媒体の出入り口を板状の集電体２の端部に設けることができ、第１主要面上および第２主要面上の実質的な全体に電極活物質部３を設けることができる。
流路１に流す電解液１３や熱媒体の出入り口は、電解液槽１１中の電解液１３と連通していても良いし、連通していなくても良い。特に、流路１に電解液１３を流す場合は、少なくとも１つの出入り口が電解液槽１１中の電解液と連通していることが望ましく、流路１に電解液１３以外の熱媒体を流す場合は、電解液１３中に、電解液１３以外の成分が混入することを防ぐため全ての出入り口が電解液槽１１中の電解液１３と連通していないことが望ましい。
流路１は、例えば、集電体２を貫通する直線状の流路であってもよく、蛇行する流路であってもよい。
流路１に流す電解液１３や熱媒体の出入り口は、電解液槽１１中の電解液１３と連通していても良いし、連通していなくても良い。特に、流路１に電解液１３を流す場合は、少なくとも１つの出入り口が電解液槽１１中の電解液と連通していることが望ましく、流路１に電解液１３以外の熱媒体を流す場合は、電解液１３中に、電解液１３以外の成分が混入することを防ぐため全ての出入り口が電解液槽１１中の電解液１３と連通していないことが望ましい。
流路１は、例えば、集電体２を貫通する直線状の流路であってもよく、蛇行する流路であってもよい。
流路１は、その内壁に絶縁層９を有することができる。このことにより、流路１の内壁において電極反応が進行することを抑制することができる。また、集電体２上に電極活物質である金属を析出させて電池用アノード５を作製する場合に、流路１の内壁上に金属が析出することを抑制することができる。
流路１を有する集電体２は、流路１となる主要面と平行な穴を金属板に形成することにより作製してもよく、流路１となる溝を有する金属板を接合して作製してもよく、波形状の金属板を接合して作製してもよい。また、金属管により流路１を形成し、金属管の周りを金属射出成形により固めることにより集電体２を作製してもよい。
次に、流路１を内部に有する集電体２を備える電池用アノード５について図面を用いて説明する。
電池用アノード５は、例えば、図１〜３に示したような構造を有することができる。図２は、図１の破線Ａ−Ａにおける電池用アノード５の概略断面図であり、図３は、図１の一点鎖線Ｂ−Ｂにおける電池用アノード５の概略断面図である。この電池用アノード５では、板状の集電体２の内部に、集電体２の第１主要面、第２主要面と平行で直線状の流路１が９本設けられている。
また、図１、２に示したように、この流路１は、集電体１を貫通し、第１および第２主要面の周りの側面に開口を有している。また、集電体２の側面上に接続端子１０が設けられている。
また、図１、３に示したように、電極活物質部３は、第１主要面上および第２主要面上に設けられ、実質的に一定の厚さを有している。また、第１主要面および第２主要面は、実質的に平面である。
電池用アノード５は、例えば、図１〜３に示したような構造を有することができる。図２は、図１の破線Ａ−Ａにおける電池用アノード５の概略断面図であり、図３は、図１の一点鎖線Ｂ−Ｂにおける電池用アノード５の概略断面図である。この電池用アノード５では、板状の集電体２の内部に、集電体２の第１主要面、第２主要面と平行で直線状の流路１が９本設けられている。
また、図１、２に示したように、この流路１は、集電体１を貫通し、第１および第２主要面の周りの側面に開口を有している。また、集電体２の側面上に接続端子１０が設けられている。
また、図１、３に示したように、電極活物質部３は、第１主要面上および第２主要面上に設けられ、実質的に一定の厚さを有している。また、第１主要面および第２主要面は、実質的に平面である。
また、電池用アノード５は、例えば、図４〜６に示したような構造を有することができる。図５は、図４の破線Ｅ−Ｅにおける電池用アノード５の概略断面図であり、図６は、図４の一点鎖線Ｆ−Ｆにおける電池用アノード５の概略断面図である。この電池用アノード５では、板状の集電体２の内部に、集電体２の第１主要面、第２主要面と平行で蛇行する流路１が設けられている。
また、図４、５に示したように、この流路１は、第１および第２主要面の周りの側面に入口および出口となる２つの開口を有しており、つづら折の流路となっている。また、集電体２の側面上に接続端子１０が設けられている。
また、図４、６に示したように、電極活物質部３は、第１主要面上および第２主要面上に設けられ、実質的に一定の厚さを有している。また、第１主要面および第２主要面は、実質的に平面である。
また、集電体１は、図７に示したように、流路１の内壁に絶縁層９を有することができる。なお、図７の断面図は、図３または図６の断面図に対応する。
また、図４、５に示したように、この流路１は、第１および第２主要面の周りの側面に入口および出口となる２つの開口を有しており、つづら折の流路となっている。また、集電体２の側面上に接続端子１０が設けられている。
また、図４、６に示したように、電極活物質部３は、第１主要面上および第２主要面上に設けられ、実質的に一定の厚さを有している。また、第１主要面および第２主要面は、実質的に平面である。
また、集電体１は、図７に示したように、流路１の内壁に絶縁層９を有することができる。なお、図７の断面図は、図３または図６の断面図に対応する。
金属空気電池
図８は、図１〜３に示したような電池用アノード５を組み込んだ金属空気電池４５の概略断面図である。なお、図８では、図２の点線Ｃ−Ｃ、図３の点線Ｄ−Ｄにおける電池用アノード５の断面を示している。
図９は、図４〜６に示したような電池用アノード５を組み込んだ金属空気電池４５の概略断面図である。なお、図９では、図５の点線Ｇ−Ｇ、図６の点線Ｈ−Ｈにおける電池用アノード５の断面を示している。
また、図１０は、図９の点線Ｊ−Ｊにおける金属空気電池４５の概略断面図である。なお、図１０では、図４の破線Ｅ−Ｅにおける電池用アノード５の断面を示している。
本実施形態の金属空気電池４５は、本実施形態の電池用アノード５と、電池用アノード５を収容しかつ電解液を溜める電解液槽１１と、カソードとなる空気極１２とを備え、電池用アノード５は、電解液槽１１内に挿入することができ、かつ、前記電解液槽内から抜き出すことができるように設けられる。
また、本実施形態の金属空気電池４５は、電池用アノード５と空気極１２との間に設けられたイオン交換膜８をさらに備えてもよく、イオン交換膜８は、第１主要面が電解液槽１１に溜める電解液に接触し、第２主要面が空気極１２と接触するように設けられてもよい。
図８は、図１〜３に示したような電池用アノード５を組み込んだ金属空気電池４５の概略断面図である。なお、図８では、図２の点線Ｃ−Ｃ、図３の点線Ｄ−Ｄにおける電池用アノード５の断面を示している。
図９は、図４〜６に示したような電池用アノード５を組み込んだ金属空気電池４５の概略断面図である。なお、図９では、図５の点線Ｇ−Ｇ、図６の点線Ｈ−Ｈにおける電池用アノード５の断面を示している。
また、図１０は、図９の点線Ｊ−Ｊにおける金属空気電池４５の概略断面図である。なお、図１０では、図４の破線Ｅ−Ｅにおける電池用アノード５の断面を示している。
本実施形態の金属空気電池４５は、本実施形態の電池用アノード５と、電池用アノード５を収容しかつ電解液を溜める電解液槽１１と、カソードとなる空気極１２とを備え、電池用アノード５は、電解液槽１１内に挿入することができ、かつ、前記電解液槽内から抜き出すことができるように設けられる。
また、本実施形態の金属空気電池４５は、電池用アノード５と空気極１２との間に設けられたイオン交換膜８をさらに備えてもよく、イオン交換膜８は、第１主要面が電解液槽１１に溜める電解液に接触し、第２主要面が空気極１２と接触するように設けられてもよい。
１．金属空気電池
本実施形態の金属空気電池４５は、例えば、亜鉛空気電池、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池、マグネシウム空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池などである。また、本実施形態の金属空気電池４５は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、一次電池がより好ましい。本実施形態の金属空気電池４５が一次電池の場合、本実施形態の電池用アノード５を金属空気電池本体に組み込むことにより、電極活物質を金属空気電池４５に供給することができる。
本実施形態の金属空気電池４５は、例えば、亜鉛空気電池、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池、マグネシウム空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池などである。また、本実施形態の金属空気電池４５は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、一次電池がより好ましい。本実施形態の金属空気電池４５が一次電池の場合、本実施形態の電池用アノード５を金属空気電池本体に組み込むことにより、電極活物質を金属空気電池４５に供給することができる。
２．電解液槽、電解液
電解液槽１１は、電解液１３を溜める電解槽であり、 電解液に対して耐食性を有する材料からなる。また、電解液槽１１は、その中に電池用アノード５を設置することができる構造を有する。また、電解液槽１１は、溜めた電解液１３に含まれるイオンが空気極１２に移動できる構造を有する。このことにより電解液槽１１に溜める電解液１３を介して電池用アノード５と空気極１２との間をイオンが伝導することができる。
電解液槽１１は、電解液１３を溜める電解槽であり、 電解液に対して耐食性を有する材料からなる。また、電解液槽１１は、その中に電池用アノード５を設置することができる構造を有する。また、電解液槽１１は、溜めた電解液１３に含まれるイオンが空気極１２に移動できる構造を有する。このことにより電解液槽１１に溜める電解液１３を介して電池用アノード５と空気極１２との間をイオンが伝導することができる。
電解液１３は、溶媒に電解質が溶解しイオン導電性を有する液体である。電解液１３の種類は、電極活物質部３を構成する金属の種類によって異なるが、水溶媒を用いた電解液（電解質水溶液）であってもよく、有機溶媒を用いた電解液（有機電解液）であってもよい。
例えば、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池の場合、電解液には、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などのアルカリ性水溶液を用いることができ、マグネシウム空気電池の場合、電解液には塩化ナトリウム水溶液を用いることができる。また、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池の場合、有機電解液を用いることができる。
また、電解液槽１１が固体電解質からなる隔壁を有し、隔壁で仕切られた一方側に電解質水溶液が溜められ、他方側に有機電解液が溜められてもよい。
例えば、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池の場合、電解液には、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などのアルカリ性水溶液を用いることができ、マグネシウム空気電池の場合、電解液には塩化ナトリウム水溶液を用いることができる。また、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池の場合、有機電解液を用いることができる。
また、電解液槽１１が固体電解質からなる隔壁を有し、隔壁で仕切られた一方側に電解質水溶液が溜められ、他方側に有機電解液が溜められてもよい。
３．電池用アノード、支持体、蓋部材
電池用アノード５は上述の説明の通りである。
金属空気電池４５に含まれる電池用アノード５、支持体１６、蓋部材１７は、金属空気電池本体から取り外し可能に設けられ、金属空気電池４５に含まれる電池用アノード５を取り替えることにより、金属空気電池４５に電極活物質である金属を供給できるように設けられる。
電池用アノード５は上述の説明の通りである。
金属空気電池４５に含まれる電池用アノード５、支持体１６、蓋部材１７は、金属空気電池本体から取り外し可能に設けられ、金属空気電池４５に含まれる電池用アノード５を取り替えることにより、金属空気電池４５に電極活物質である金属を供給できるように設けられる。
図８又は図９に示したような金属空気電池４５により発電すると、電池反応が進行し、電極活物質部３を構成する金属が消費され、電池用アノード５は使用済みとなる。使用済みの電池用アノード５は、支持体１６および蓋部材１７と共に金属空気電池本体から取り外され、電解液槽１１内から抜き出される。その後、支持体１６から使用済みの電池用アノード５が取り外され、図１〜３に示したような使用前の電池用アノード５または図４〜６に示したような使用前の電池用アノード５の接続端子１０が支持体１６を接続される。この電池用アノード５を電解液槽１１内に挿入し、電池用アノード５、支持体１６、蓋部材１７を金属空気電池本体に組み込む。このように、使用後の電池用アノード５と使用前の電池用アノードとを取り替えることにより、金属空気電池４５に電極活物質である金属を供給できる。
電池用アノード５を組み込んだ金属空気電池４５により発電する際の流路１について説明する。
図８に示したような金属空気電池４５により発電すると、電池反応により電極活物質部３および空気極１２において発熱する。発生した熱の多くは、電解液槽１１内の電解液１３により吸収される。電解液１３は、熱回収器２０により冷却され、温度が制御される。このようにして、電極活物質部３の温度上昇を抑制することができる。
図８に示したような金属空気電池４５により発電すると、電池反応により電極活物質部３および空気極１２において発熱する。発生した熱の多くは、電解液槽１１内の電解液１３により吸収される。電解液１３は、熱回収器２０により冷却され、温度が制御される。このようにして、電極活物質部３の温度上昇を抑制することができる。
また、集電体２の内部に設けられた流路１は、電解液１３で満たされている。このため、電極活物質部３で発生した熱は、集電体２を伝導し流路１内の電解液に吸収される。このため、流路１内の電解液１３が上昇する液流が発生する。上に向かって流路１を流れた電解液１３は、流路１の上部開口から電解液槽１１内の電解液１３に流入する。また、流路１の下部開口から電解液１３が流路１内に流入する。電解液槽１１内の電解液１３は、熱回収器２０により冷却されるため、流路１には連続的に電解液１３が流れ、電極活物質部３で発生した熱を吸収していく。
ここで、熱回収器２０は、流路１の上部開口近傍の電解液槽１１に設けられた吸熱部２１と吸熱部と熱伝導するように電解液槽１１の槽外部に設けられた放熱部２２からなる。電極活物質部３で発生した熱は、流路１を流れた電解液１３により吸収され、吸熱部２１によりさらに吸収され、放熱部２２より放熱される。
このように流路１を設けることにより、電極活物質部３の表面からだけではなく、集電体２の内部からも電極活物質部３で発生した熱を電解液が吸収することができる。従って、流路１を設けることにより、電池用アノード５が昇温することを抑制することができ、金属空気電池４５の出力特性を安定化させることができる。
ここで、熱回収器２０は、流路１の上部開口近傍の電解液槽１１に設けられた吸熱部２１と吸熱部と熱伝導するように電解液槽１１の槽外部に設けられた放熱部２２からなる。電極活物質部３で発生した熱は、流路１を流れた電解液１３により吸収され、吸熱部２１によりさらに吸収され、放熱部２２より放熱される。
このように流路１を設けることにより、電極活物質部３の表面からだけではなく、集電体２の内部からも電極活物質部３で発生した熱を電解液が吸収することができる。従って、流路１を設けることにより、電池用アノード５が昇温することを抑制することができ、金属空気電池４５の出力特性を安定化させることができる。
図９、１０に示したような金属空気電池４５では、流路１は、熱媒体流路１５により熱回収器２０と接続し、熱媒体の流路となる。また、流路１により集電体２は、熱回収器２０の吸熱部２１となる。
図９、１０に示したような金属空気電池４５により発電すると、電池反応により電極活物質部３および空気極１２において発熱する。電極活物質部３で発生した熱の多くは、熱回収器２０の吸熱部２１として機能する集電体２により吸収される。このことにより、電極活物質部３で発生した熱を直接集電体２により吸収することができ、電池用アノード５が昇温することを抑制することができ、金属空気電池４５の出力特性を安定化させることができる。
ここで、熱回収器２０は、吸熱部２１として機能する集電体２と、電解液槽１１の槽外に設けられた放熱部２２からなる。放熱部２２の内部には流路１と連通するように熱媒体の流路が設けられる。流路１を流れた熱媒体は、吸熱部２１で電極活物質部３で発生した熱を吸収したのち、放熱部２２まで移動し、放熱部２２にて放熱がおこる。
また、熱回収器２０の吸熱部２１として機能する集電体２は、電極活物質部３を介して電解液１３の熱を吸収することもでき、空気極１２で発生した熱を電解液１３を介して吸収することもできる。このため、電解液１３を直接冷却するための装置を省略することが可能である。
図９、１０に示したような金属空気電池４５により発電すると、電池反応により電極活物質部３および空気極１２において発熱する。電極活物質部３で発生した熱の多くは、熱回収器２０の吸熱部２１として機能する集電体２により吸収される。このことにより、電極活物質部３で発生した熱を直接集電体２により吸収することができ、電池用アノード５が昇温することを抑制することができ、金属空気電池４５の出力特性を安定化させることができる。
ここで、熱回収器２０は、吸熱部２１として機能する集電体２と、電解液槽１１の槽外に設けられた放熱部２２からなる。放熱部２２の内部には流路１と連通するように熱媒体の流路が設けられる。流路１を流れた熱媒体は、吸熱部２１で電極活物質部３で発生した熱を吸収したのち、放熱部２２まで移動し、放熱部２２にて放熱がおこる。
また、熱回収器２０の吸熱部２１として機能する集電体２は、電極活物質部３を介して電解液１３の熱を吸収することもでき、空気極１２で発生した熱を電解液１３を介して吸収することもできる。このため、電解液１３を直接冷却するための装置を省略することが可能である。
４．空気極、イオン交換膜
空気極１２は、大気中の酸素ガスと水と電子から水酸化物イオン（OH-）を生成する電極である。空気極１２は、例えば、導電性の多孔性担体と多孔性担体に担持された空気極触媒からなる。このことにより、空気極触媒上において、酸素ガスと水と電子を共存させることが可能になり、電極反応を進行させることが可能になる。電極反応に使われる水は、大気中から供給されてもよく、電解液から供給されてもよい。
多孔性担体には、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。また、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることもできる。
空気極触媒には、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子が挙げられる。この合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金等、鉄−コバルト−ニッケル合金が挙げられる。
また、空気極１２に含まれる多孔性担体は、その表面に陽イオン基が固定イオンとして存在するように表面処理がなされていてもよい。このことにより、多孔性担体の表面を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
また、空気極１２は、多孔性担体に担持されたアニオン交換樹脂を有してもよい。このことにより、アニオン交換樹脂を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
空気極１２は、大気中の酸素ガスと水と電子から水酸化物イオン（OH-）を生成する電極である。空気極１２は、例えば、導電性の多孔性担体と多孔性担体に担持された空気極触媒からなる。このことにより、空気極触媒上において、酸素ガスと水と電子を共存させることが可能になり、電極反応を進行させることが可能になる。電極反応に使われる水は、大気中から供給されてもよく、電解液から供給されてもよい。
多孔性担体には、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。また、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることもできる。
空気極触媒には、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子が挙げられる。この合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金等、鉄−コバルト−ニッケル合金が挙げられる。
また、空気極１２に含まれる多孔性担体は、その表面に陽イオン基が固定イオンとして存在するように表面処理がなされていてもよい。このことにより、多孔性担体の表面を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
また、空気極１２は、多孔性担体に担持されたアニオン交換樹脂を有してもよい。このことにより、アニオン交換樹脂を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
空気極１２は、大気に直接接するように設けてもよく、空気流路２６に接して設けてもよい。このことにより、空気極１２に酸素ガスを供給することができる。また、空気流路２６を設ける場合、空気流路２６に加湿された空気を流すことにより、空気極１２に酸素ガスと共に水も供給できる。空気流路２６は、例えば、図８、９に示した金属空気電池４５に含まれる集電部材２５に設けることができる。このことにより、空気流路２６を形成することができると共に集電部材２５を介して空気極１２と外部回路とを接続することができ、金属空気電池４５の電力を外部回路に出力することができる。
空気極１２は電解液槽１１に溜める電解液１３に接触するように設けてもよい。このことにより、空気極１２で生成した水酸化物イオンが容易に電解液１３へ移動することができる。また、空気極１２における電極反応に必要な水が電解液１３から空気極１２に供給されやすくなる。
また、空気極１２は、電解液槽１１に溜める電解液１３と接触するイオン交換膜８と接触するように設けてもよい。イオン交換膜８は、アニオン交換膜であってもよい。このことにより、空気極１２で発生した水酸化物イオンがアニオン交換膜を伝導し、電解液へ移動することができる。
イオン交換膜８を設けることにより、空気極１２と電解液１３との間を移動するイオン種を限定することができる。イオン交換膜８がアニオン交換膜である場合、アニオン交換膜は、固定イオンである陽イオン基を有するため、電解液１３中の陽イオンは空気極１０に伝導することはできない。これに対し、空気極１２で生成した水酸化物イオンは陰イオンであるため、電解液１３へと伝導することができる。このことにより、金属空気電池４５の電池反応を進行させることができ、かつ、電解液１３中の陽イオンが空気極１２に移動するのを防止することができる。このことにより、空気極１２における金属や炭酸化合物の析出を抑制することができる。
また、空気極１２は、電解液槽１１に溜める電解液１３と接触するイオン交換膜８と接触するように設けてもよい。イオン交換膜８は、アニオン交換膜であってもよい。このことにより、空気極１２で発生した水酸化物イオンがアニオン交換膜を伝導し、電解液へ移動することができる。
イオン交換膜８を設けることにより、空気極１２と電解液１３との間を移動するイオン種を限定することができる。イオン交換膜８がアニオン交換膜である場合、アニオン交換膜は、固定イオンである陽イオン基を有するため、電解液１３中の陽イオンは空気極１０に伝導することはできない。これに対し、空気極１２で生成した水酸化物イオンは陰イオンであるため、電解液１３へと伝導することができる。このことにより、金属空気電池４５の電池反応を進行させることができ、かつ、電解液１３中の陽イオンが空気極１２に移動するのを防止することができる。このことにより、空気極１２における金属や炭酸化合物の析出を抑制することができる。
また、イオン交換膜８を設けることにより、電解液１３に含まれる水が空気極１２に過剰に供給されることを抑制することができる。
イオン交換膜８としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系、スチレンビニルベンゼン系、第４級アンモニウム系の固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）が挙げられる。
空気極１２をイオン交換膜８に接触するように設ける場合、例えば、図８、９のように、空気極１２をイオン交換膜８の上に形成し、これを電解液槽１１と集電部材２５とで挟むように設けることができる。
イオン交換膜８としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系、スチレンビニルベンゼン系、第４級アンモニウム系の固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）が挙げられる。
空気極１２をイオン交換膜８に接触するように設ける場合、例えば、図８、９のように、空気極１２をイオン交換膜８の上に形成し、これを電解液槽１１と集電部材２５とで挟むように設けることができる。
５．熱回収器
熱回収器２０は、金属空気電池４５の電池反応の進行に伴い発生する熱を吸収する吸熱部２１を有する。熱回収器２０は、吸熱部２１の流路に水を流し吸収した熱を温水として利用する装置であってもよい。また、熱回収器２０は、吸熱部２１と放熱部２２を有する熱交換器であってもよい。
また、集電体２に含まれる流路１に熱媒体を流すことにより集電体２を熱回収器２０の冷却部２１とすることもできる。
熱回収器２０は、金属空気電池４５の電池反応の進行に伴い発生する熱を吸収する吸熱部２１を有する。熱回収器２０は、吸熱部２１の流路に水を流し吸収した熱を温水として利用する装置であってもよい。また、熱回収器２０は、吸熱部２１と放熱部２２を有する熱交換器であってもよい。
また、集電体２に含まれる流路１に熱媒体を流すことにより集電体２を熱回収器２０の冷却部２１とすることもできる。
１：流路 ２：集電体 ３：電極活物質部 ５：電池用アノード ６： ８：イオン交換膜 ９：絶縁層 １０：接続端子 １１：電解液槽 １２：空気極 １３：電解液 １５：熱媒体流路 １６：支持体 １７：蓋部材 ２０：熱回収器 ２１：吸熱部 ２２：放熱部 ２５：集電部材 ２６：空気流路 ２８：スペーサー ３１：ボルト ３２：ナット ４５：金属空気電池
１０１：亜鉛電極 １０３：アルカリ性電解液 １０５：空気極 １０６：アニオン交換膜
１０１：亜鉛電極 １０３：アルカリ性電解液 １０５：空気極 １０６：アニオン交換膜
Claims (13)
- 板状の集電体と、前記集電体上に設けられかつ金属からなる電極活物質部とを備え、
前記集電体は、内部に流路を有することを特徴とする電池用アノード。 - 前記集電体は、第１主要面および第２主要面を有し、
前記流路は、第１または第２主要面と実質的に平行である請求項１に記載の電池用アノード。 - 第１および第２主要面は、それぞれ平面であり、
前記電極活物質部は、第１主要面上および第２主要面上に設けられた請求項２に記載の電池用アノード。 - 前記流路は、前記集電体を貫通する直線状の流路である請求項１〜３のいずれか１つに記載の電池用アノード。
- 前記流路は、蛇行する流路である請求項１〜３のいずれか１つに記載の電池用アノード。
- 前記集電体は、前記流路の内壁に絶縁層を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池用アノード。
- 前記金属は、金属亜鉛、金属カルシウム、金属マグネシウム、金属アルミニウム、金属鉄、金属リチウムまたは金属ナトリウムである請求項１〜６のいずれか１つに記載の電池用アノード。
- 請求項１〜７のいずれか１つに記載の電池用アノードと、電解液を溜める電解液槽と、カソードとなる空気極とを備え、
前記電池用アノードは、前記電解液槽内に挿入することができ、かつ、前記電解液槽内から抜き出すことができるように設けられた金属空気電池。 - 前記流路は、前記電解液が流れる流路である請求項８に記載の金属空気電池。
- 熱媒体により熱を回収する熱回収器をさらに備え、
前記流路は、前記熱媒体が流れる流路である請求項８に記載の金属空気電池。 - 前記電池用アノードと前記空気極との間に設けられたイオン交換膜をさらに備え、
前記イオン交換膜は、第１主要面が前記電解液槽に溜める電解液に接触し、第２主要面が前記空気極と接触する請求項８〜１０のいずれか１つに記載の金属空気電池。 - 内部に流路を有する板状の集電体上に電極活物質である金属を電解析出させる工程を備える電池用アノードの製造方法。
- 前記集電体は、平面である第１主要面と平面である第２主要面とを有する請求項１２に記載の製造方法。
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