JP2015130237A

JP2015130237A - 次亜塩素酸ナトリウムによるマグネシウム二次電池

Info

Publication number: JP2015130237A
Application number: JP2014000131A
Authority: JP
Inventors: 元楢崎; Hajime Narasaki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-06
Filing date: 2014-01-06
Publication date: 2015-07-16

Abstract

【課題】従来マグネシウム金属を負極に使用した電池は放電完了後マグネシウムリボンが虫食い状に腐食し、容器の底に灰色の沈殿物があり充電後もその沈殿物が残っていたため完全に単体マグネシウムに戻らない。容量の大きいマグネシウム金属を使用し、二次電池として、取り扱いが容易な蓄電池を提供する。【解決手段】電池の構成はカーボンファイバー棒１、マグネシウムリボン２、電解液３として次亜塩素酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの混合溶液、発泡スチロール製ふた４、ガラス容器５からなる。【選択図】図４

Description

本発明はカソード(負極)にマグネシウム、アノード(正極)に黒鉛、もしくはカーボンファイバー、電解質は次亜塩素酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの混合水溶液（塩素系漂白剤）で構成される蓄電池に関する。

空気マグネシウム電池
アノード（化３） O2 + 2 H2O + 4e → 4OH (E0 = 0.4 V)
カソード（化４） 2 Mg + 3OH → 2 Mg2+ + 4e (E0 = -2.36 V)

空気亜鉛電池
アノード（化１）O2 + 2H2O + 4e → 4OH
カソード（化２）Zn + 4OH → Zn(OH)4 → ZnO + H2O + 2OH +4e

空気マグネシウム電池は、空気電池および燃料電池の一種であり、負極に金属マグネシウムを使用し、正極に空気中の酸素を使用する。電解液としては食塩水が利用される。90%の効率および-20〜55℃の環境下での動作が可能としている。国内では埼玉県産業技術総合センターの栗原英紀博士が活物質重量比90%以上の実容量での放電に成功している。負極の放電容量2000Wh/kg。現状で反応（放電）速度を制限しているのはマグネシウムのイオン化速度ではなく酸素の吸収速度であり、大電流を取り出すためにはより高効率な酸素の吸収を行える空気極の開発が必要である。
使用済みマグネシウムの再生 [編集]電池の放電によって生成される水酸化マグネシウムは安定した物質であるため金属マグネシウムにリサイクルすることは容易ではない。触媒とともに真空中で約2200℃に加熱することにより還元できるため、小濱教授は太陽炉によるマグネシウムリサイクルを提案している。二次電池化 [編集]正極活物質を工夫する必要があるが、酸化物は構造が安定しているものの、マグネシウムイオンが正極にトラップされやすいため充電が難しく、硫化物は構造が不安定で電解液中に溶解する等の問題があった。そこで両者を併用することで特性の向上が図られている。
現在のところ容量は250Wh/kgであり、10サイクル後の維持率は90%である。

空気亜鉛電池はアノードに空気中の酸素、カソードに亜鉛を使用し電解液に水酸化カリウム水溶液を使用。１９０７年にフランスのフェリーによって考案された。比較的大容量、安価、電圧変動少ないが、外気温が５度以下の環境、二酸化炭素が多い環境下では性能が著しく低下する。起電力は 1.35(V)〜1.40(V)

特開平２０１２−０３８５４５特表２００５−５３６０１８

ところで、前述の種々空気亜鉛電池はカソードの量と放電時間は比例するが一次電池として利用されている。
空気マグネシウム電池は１セルあたりのエネルギー量は多く高性能な電池であり現在は一次電池として流通するが二次電池化が最大の課題である。

本発明は、これらの事情のもとでなされたものであり、取り扱いやすい蓄電池として使用できることを目的とする。

本発明の次亜塩素酸ナトリウムによるマグネシウム蓄電池はカソードにてマグネシウムは表面のみ塩化マグネシウムとなるがすぐに水酸化ナトリウムと化合（NaとCl）して塩化ナトリウムに化合し水酸基を発生する。当初はカソードもにカーボンファイバーを使用し、ナトリウムイオンと塩素イオンの反応による電位差を期待したが電位は生じなかった。また、次亜塩素酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの混合溶液の自然分解（2ClO- + 2NaOH = NaCl +2H2O +O2）を期待していたため、次亜塩素酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの混合溶液（塩素系漂白剤）を使用した。第一回目は充電せずに最高放電電圧は1.63Vを計測した。また、テスターでの計測では電圧は下がらず、2.0V用のＬＥＤをつなぐと55時間点灯し続けた。放電時間はマグネシウムの量に比例しており、マグネシウムリボンは虫食い状に減少し、電解液面で断線した。
第二回目は12V電源で15分間充電した。放電電圧は1.78Vを計測したのでマイクロモーターを繋げたが回転しなかった。その直後、再びテスターで電圧を計測すると2.48Vに上がっており2.43Vからは電圧は下がらなかった。
第二回目の放電時間は５３時間であったがカソードのマグネシウムが無くなったのではなく、液面で断線しており少量の沈殿物がたまっていた。

前記の蓄電池はカソードのカーボンファイバーからマグネシウムに変更した結果、電位差が生じた。また、マグネシウム単体は表面のみ塩化ナトリウムと化合しやすいが塩基性溶液中ではナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオンと陰イオンとの反応速度は電気陰性度に比例し酸化マグネシウムを単体マグネシウムに還元する。

前記の蓄電池のアノードは備長炭を使用すると反応が早くなるため放電時間が短くなるおそれがあり、塩素イオンの標準電極電位（約1.4V）のみで事足りると判断し実行した。

本発明は充電後、燃料電池特有の自己放電がなく、１セルにLED（2.0V負荷）をつないだ場合、５５時間点燈し続けた。

空気マグネシウム一次電池は一セルで模型用電動機を回転させることができるが、本発明では２ボルト用ＬＥＤの点灯のみ確認できた。

簡略化した充電時の説明図簡略化した放電時の説明図両電極の構成図３を容器に入れた実施例

以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図１は充電中の簡単な説明図である。図１の構成はカーボンファイバー棒、電解液、マグネシウムリボン、発泡スチロール製のふた、ガラス製容器である。同図において、１はカーボンファイバー棒、２はマグネシウムリボン、３は塩素系漂白剤、４は発泡スチロール製のふた、５はガラス容器を示す。充電時、電解液自体がアルカリ性のためカソードにおいては水酸化ナトリウムのナトリウムイオンが塩化マグネシウムの塩素イオンを奪おうとするため塩化ナトリウムが増える。一方アノードでは電解液中の酸素イオンと、空中の酸素イオンが電解液中の塩化ナトリウムイオンと化合し次亜塩素酸イオンを形成する。

図２は放電中の簡単な説明図である。図２の構成はカーボンファイバー棒、電解液、マグネシウムリボン、発泡スチロール製のふた、ガラス製容器である。同図において、１はカーボンファイバー棒、２はマグネシウムリボン、３は塩素系漂白剤、４は発泡スチロール製のふた、５はガラス容器を示す。放電時、次亜塩素酸ナトリウム水溶液は食塩水に変化していくがカソードのマグネシウムが表面のみ塩化マグネシウムに化合したところで水酸化ナトリウムのナトリウムイオンが塩化マグネシウムの塩素イオンと化合しているためと思われる。

図３は両電極の構成についての説明図である。図３の構成はカーボンファイバー棒とマグネシウムリボンである。同図において、１はカーボンファイバー棒、２はマグネシウムリボンを示す。

図４は図３の実施例であり、図４の構成はカーボンファイバー棒、電解液、マグネシウムリボン、発泡スチロール製のふた、ガラス製容器である。同図において、１はカーボンファイバー棒、２はマグネシウムリボン、３は塩素系漂白剤、４は発泡スチロール製のふた、５はガラス容器を示す。

上述のガラス製容器は、実験に適した大きさを選んだ。

（化５）2H2O + 2NaOH + MgCl2 ⇒ 2H2 + 2NaCl + O2 + Mg（充電）
（化６）MgCl2 + 2NaOH + H2O ⇔ Mg + H2O + 2NaCl + O2（表面のみ）
（化７）Mg + 2NaOH + 2NaClO + H2 ⇒ 2H2O + MgCl2 + 2NaCl + O2（放電）

１カーボンファイバー棒
２マグネシウムリボン
３電解液（塩素系漂白剤）
４発泡スチロール
５ガラス容器
Mg マグネシウム
NaClO 次亜塩素酸ナトリウム
NaOH 水酸化ナトリウム
H2O 水
NaCl 塩化ナトリウム
H 水素イオン
MgCl2 塩化マグネシウム
e 電子

Claims

少なくとも電解液に次亜塩素酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの混合液を使用しマグネシウムをカソードに使用した次亜塩素酸ナトリウムによるマグネシウム二次電池。
前記電解液は充電時塩化マグネシウムが水酸化ナトリウムにより塩化ナトリウムと水と酸素に分解する請求項１に記載の次亜塩素酸ナトリウムによるマグネシウム二次電池。
前記電解液は塩基性溶液を使用することによって放電後カソードのマグネシウムの体積を最小限維持する請求項１に記載の次亜塩素酸ナトリウムによるマグネシウム二次電池。
前記電解液の水酸化ナトリウムは放電時マグネシウムが塩化マグネシウムに化合すると同時に水酸化ナトリウムが塩化ナトリウムに化合する請求項１に記載の次亜塩素酸ナトリウムによるマグネシウム二次電池。
前記二次電池は次亜塩素酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの混合液を使用し２ボルトＬＥＤの場合５５時間以上放電することができる請求項１に記載の次亜塩素酸ナトリウムによるマグネシウム二次電池。
前記二次電池は初回は放電電圧１．６３ボルトを指し二回目は２．４８ボルトを指し自己放電がない請求項１に記載の次亜塩素酸ナトリウムによるマグネシウム二次電池。
前記二次電池は構成上アノードにカーボンファイバーを使用しカソードのマグネシウムとの組み合わせによるイオン化傾向の差で起電力を優位にする請求項１に記載の次亜塩素酸ナトリウムによるマグネシウム二次電池。