JP2015198031A - マグネシウム燃料体、マグネシウム空気電池、及び電子機器 - Google Patents

マグネシウム燃料体、マグネシウム空気電池、及び電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】電極付近への連続した導入及び引き出しが可能であり任意の厚さに設計可能なマグネシウム燃料体等を提供する。
【解決手段】マグネシウム燃料体100は、マグネシウム薄板101と、表面セパレータ102と、裏面セパレータ103と、を備え、マグネシウム空気電池の燃料として機能する燃料体である。表面セパレータ102と裏面セパレータ103とが折りたたまれ、複数のマグネシウム薄板101が積み重ねられるように配置される。マグネシウム薄板101を表面に平行に移動すると、表面セパレータ102と裏面セパレータ103とが展開される。
【選択図】図1

Description

本発明は、マグネシウム燃料体、マグネシウム空気電池、及び電子機器に関する。
空気中の酸素を正極活物質とし、マグネシウムを負極活物質とするマグネシウム空気電池の一例として、特許文献1には、カートリッジタイプのマグネシウム空気電池が開示されている。具体的には、特許文献1に記載のマグネシウム空気電池では、マグネシウム薄膜の各端部が一対のリールと接続され、リールを回転させることによりマグネシウム薄膜が巻き取られるとともに、リール間のマグネシウム薄膜と、その近傍に位置する正極とが協働して発電する。
特開2012−15013号公報
マグネシウム空気電池において、マグネシウムの厚さは、反応の速さや持続時間に影響し、電池の特性を決定する重要な要素の一つである。様々な特性を備える電池を開発するためには、様々な厚さのマグネシウムを用いる必要がある。しかし、マグネシウムの厚さが100μmを超えると、マグネシウムを円筒状に巻き付けることが困難になってくる。このため、特許文献1に記載のマグネシウム空気電池のようにマグネシウム薄膜がリールに巻き付けられた構造では、使用できるマグネシウムの厚さが100μm程度に限界されてしまうという問題がある。
100μmを超えるようなものを含む任意の厚さのマグネシウムの電極部への連続した導入及び引き出しを可能にし、マグネシウム空気電池を構成するためには、マグネシウム薄膜がリールに巻き付けられた構造以外の新しい構造が必要である。
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであって、電極付近への連続した導入及び引き出しが可能であり任意の厚さに設計可能なマグネシウム燃料体、そのマグネシウム燃料体を備えるマグネシウム空気電池、及びそのマグネシウム空気電池を備える電子機器、を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点に係るマグネシウム燃料体は、
マグネシウムを含む複数のマグネシウム薄板と、
前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの表面に接続され、前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの表面、一方の側面、及び裏面に沿って折り曲げられる表面セパレータと、
前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの裏面に接続され、前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの表面、他方の側面、及び裏面に沿って折り曲げられる裏面セパレータと、を備え、
前記表面セパレータと前記裏面セパレータとが折りたたまれ、前記複数のマグネシウム薄板が積み重ねられるように配置され、
前記複数のマグネシウム薄板の一つを表面に平行に移動すると、該マグネシウム薄板に接続された前記表面セパレータと前記裏面セパレータとが展開される、
ことを特徴とする。
前記表面セパレータは、前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの表面の中央部に接続され、蛇腹状に折りたたみ可能であり、
前記裏面セパレータは、前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの裏面の中央部に接続され、蛇腹状に折りたたみ可能であってもよい。
前記表面セパレータと前記裏面セパレータとの少なくとも一方は、イオンを透過する透過フィルムから形成されてもよい。
前記表面セパレータと前記裏面セパレータとの少なくとも一方は、前記マグネシウム薄板を移動させる駆動装置と噛み合う穴を備えていてもよい。
本発明の第2の観点に係るマグネシウム空気電池は、
本発明の第1の観点に係るマグネシウム燃料体と、
電極部と、を備え、
前記複数のマグネシウム薄板の一つが前記電極部に挿入され、該マグネシウム薄板を燃料として起電力を生じさせ、
反応後の該マグネシウム薄板が前記電極部から引き出される、
ことを特徴とする。
反応前の前記複数のマグネシウム薄板と反応後の前記複数のマグネシウム薄板とはそれぞれ、積み重ねられて配置されてもよい。
前記電極部は、前記マグネシウム薄板が挿入される導入口と、前記マグネシウム薄板が引き出される排出口と、導電性を有し酸素に電子を供給する正極と、電解液を含浸して保持し前記正極と前記マグネシウム燃料体とに接する電解液保持材と、を備えてもよい。
前記正極は炭素、金属、マンガン酸化物のうち少なくとも一つから形成されてもよい。
本発明の第3の観点に係る電子機器は、
本発明の第2の観点に係るマグネシウム空気電池を備える、
ことを特徴とする。
充電可能な二次電池をさらに備え、
前記二次電池の残存容量が閾値以下の場合に、前記マグネシウム空気電池に起電力を生じさせて前記二次電池を充電してもよい。
本発明によれば、電極付近への連続した導入及び引き出しが可能であり任意の厚さに設計可能なマグネシウム燃料体、そのマグネシウム燃料体を備えるマグネシウム空気電池、及びそのマグネシウム空気電池を備える電子機器、を提供できる。
実施形態に係るマグネシウム燃料体の折り畳まれた状態での概略構成を示す(a)側面図及び(b)平面図である。 実施形態に係るマグネシウム燃料体の一部が展開された状態での概略構成を示す側面図である。 実施形態に係るマグネシウム燃料体の一部が展開された状態での概略構成を示す側面図である。 実施形態における電極部の概略構成を示す(a)側面図及び(b)断面図である。 実施形態に係るマグネシウム空気電池の概略構成を示す側面図である。 実施形態に係るマグネシウム空気電池の概略構成を示す側面図である。 実施形態に係るマグネシウム空気電池の概略構成を示す側面図である。 実施形態に係るマグネシウム空気電池の概略構成を示す側面図である。 実施形態に係るマグネシウム空気電池の概略構成を示す側面図である。 実施形態に係るマグネシウム燃料体の展開された状態での概略構成を示す平面図である。 実施形態に係る電子機器の概略構成を示す斜視図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
まず、マグネシウム燃料体100の構成について説明する。図1(a)は、マグネシウム燃料体100の、折り畳まれた状態での概略構成を示す側面図であり、図1(b)はその平面図である。図1に示すように、マグネシウム燃料体100は、複数のマグネシウム薄板101と、表面セパレータ102と、裏面セパレータ103と、を備える。マグネシウム燃料体100は、マグネシウム空気電池の燃料として機能する。
マグネシウム薄板101は、長辺の長さがL、厚さがTの短冊状に形成された金属マグネシウムの薄板である。マグネシウム薄板101は、一方の面(表面)の中央部、即ち短辺からL/2の位置である位置Aにおいて表面セパレータ102と接続されている。また、他方の面(裏面)の中央部である位置Bにおいて裏面セパレータ103と接続されている。複数のマグネシウム薄板101が表面セパレータ102と裏面セパレータ103とにほぼ等間隔で接続されており、その間隔は(L+T)である。
表面セパレータ102及び裏面セパレータ103は、マグネシウム空気電池のセパレータとして機能する。表面セパレータ102及び裏面セパレータ103は、酸化還元反応に必要なイオンを透過し、可撓性を有する透過フィルムであり、例えば不織布、イオン交換樹脂等から形成されている。表面セパレータ102は、位置Aにおいて折り曲げられるとともに、マグネシウム薄板101に密着するようにマグネシウム薄板101の表面、一方の側面、及び裏面に沿って折り曲げられている。同様に、裏面セパレータ103は、マグネシウム薄板101に密着するようにマグネシウム薄板101の表面、他方の側面、及び裏面に沿って折り曲げられるとともに、位置Bにおいて折り曲げられている。全体として、表面セパレータ102及び裏面セパレータ103は蛇腹状に折りたたまれている。
図2は、マグネシウム燃料体100の一部が展開された状態での概略構成を示す側面図である。マグネシウム薄板101Aが表面に平行かつ長辺に平行な方向(図の矢印の方向)に移動すると、マグネシウム薄板101の表面側の折り曲げられていた表面セパレータ102と裏面セパレータ103とが展開される。
図2に示した状態から、移動したマグネシウム薄板101Aが矢印と逆の方向に移動すると、展開されていた表面セパレータ102と裏面セパレータ103とが再び折り曲げられ、図1に示した状態に戻る。
図2に示した状態から、図3に示すように、移動したマグネシウム薄板101Aの上のマグネシウム薄板101Bが矢印の方向に移動すると、展開されていたマグネシウム薄板101Aとマグネシウム薄板101Bとの間の表面セパレータ102と裏面セパレータ103とが再び折り曲げられるとともに、マグネシウム薄板101Bの表面側の折り曲げられていた表面セパレータ102と裏面セパレータ103とが展開され、マグネシウム薄板101Aとマグネシウム薄板101Bとが再び重なる。
このように、任意のマグネシウム薄板101が表面に平行かつ長辺に平行な方向に移動することで、重ねられた状態から展開された状態に移行したり、再び重ねられた状態に移行したりすることができる。
次に、マグネシウム燃料体100を燃料として使用するマグネシウム空気電池200について説明する。
マグネシウム空気電池200は、電極部300を備え、マグネシウム燃料体100を燃料として起電力を生じる。
図4(a)は電極部300の概略構成を示す側面図であり、図4(b)はそのA−A'矢視断面図である。電極部300は、導入口301と、排出口302と、正極303と、負極304と、電解液保持材305と、を備える。
導入口301は、電極部300の一側面に形成されている。マグネシウム薄板101が、導入口301から電極部300の内部へ矢印Iの方向に挿入され、マグネシウム空気電池200の燃料として使われることで、マグネシウム空気電池200が起電力を生じる。
排出口302は、電極部300の導入口301が形成された側面の反対の側面に形成されている。燃料として使われて消耗したマグネシウム薄板101は排出口302から矢印Oの方向に引き出される。
正極303は、導電性を有する素材で形成され、マグネシウム空気電池200の正極活物質である空気中の酸素に電子を供給する。正極303は、酸素を還元する反応を促進するため、表面積が大きく酸素を吸着しやすいことが望ましい。正極303を形成する素材としては、例えば炭素、金属、マンガン化合物、及びこれらを組み合わせたもの等が挙げられるが、これに限られるものではない。このうち炭素に関しては、活性炭、炭素粉末、炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンフェルト等の形態を取りうる。
負極304は、導電性を有する素材で形成され、電極部300に挿入されたマグネシウム燃料体100に電気的に接続される。この実施形態では、マグネシウム薄板101の側面に電気的に接続される。
電解液保持材305は、電解液を含浸して保持する。電解液保持材305はマグネシウム燃料体100と正極303とに挟まれ、それぞれに接するように設置される。電解液保持材305を形成する素材としては、例えば濾紙、不織布、フェルト、炭素フェルト、ゲル等が挙げられるが、これに限られるものではない。
電解液は、マグネシウム燃料体100と正極303との間のイオンの交換を可能にする電解液である。また、電解液に含まれる水は、正極303で酸素が還元される反応に使われる。電解液は、例えば塩化ナトリウム水溶液であるが、これに限られるものではない。
次に、図5−図9を参照して、マグネシウム燃料体100をマグネシウム空気電池200の燃料として使用する方法について説明する。図5−図9は、マグネシウム空気電池200の概略構成を示す側面図である。なお、図5−図9においては、マグネシウム薄板101と表面セパレータ102及び裏面セパレータ103との接続箇所の図示は省略されている。
まず、図5に示すように、マグネシウム燃料体100が電極部300の近傍に設置される。このとき、マグネシウム燃料体100の一番下のマグネシウム薄板101Cが導入口301に合うように設置される。なお、一番下のマグネシウム薄板101Cにおいては、表面セパレータ102も裏面セパレータ103と同じ位置でマグネシウム薄板101Cに接続されている。
次に、図6に示すように、マグネシウム薄板101Cが表面に平行かつ長辺に平行な方向(図の矢印の方向)に移動し、導入口301を通って電極部300に挿入される。このとき、マグネシウム薄板101Cに接続され、折り曲げられていた表面セパレータ102と裏面セパレータ103とが徐々に展開される。
次に、図7に示すように、マグネシウム薄板101Cが移動しきって、電極部300に完全に挿入される。同時に、マグネシウム燃料体100全体が下方向に移動し、下から2番目のマグネシウム薄板101Dが導入口301に合う位置に設置され、表面セパレータ102と裏面セパレータ103とが完全に展開される。
図7の状態において、表面セパレータ102と裏面セパレータ103とは完全に展開され、表面セパレータ102がマグネシウム薄板101Cの表面に、裏面セパレータ103がマグネシウム薄板101Cの裏面に、それぞれ密着して覆う。この状態で、電極部300で、表面セパレータ102がマグネシウム空気電池のセパレータとして機能し、電解液がイオンの交換を行うことで、空気中の酸素を正極活物質とし、マグネシウム薄板101Cに含まれるマグネシウムを負極活物質とする酸化還元反応が起こって起電力が生じる。反応の進行に伴い、電極部300に挿入されているマグネシウム薄板101Cが消耗していく。
図8に示すように、反応の進行に伴ってマグネシウム薄板101Cが消耗しきると、マグネシウム薄板101Cは電極部300から引き出される。同時に、次のマグネシウム薄板101Dが電極部300に挿入され、マグネシウム燃料体100全体が下方向に移動する。
消耗し、引き出されたマグネシウム薄板101がある状態で次の消耗したマグネシウム薄板101が引き出される場合、先に引き出されていたマグネシウム薄板101が下方向に移動し、使用前と同じように積み重ねられる。図9に示すように、反応の進行に伴ってマグネシウム薄板101Dが消耗しきると、マグネシウム薄板101Dは電極部300から引き出される。同時に、先に引き出されていたマグネシウム薄板101Cが下方向に移動し、マグネシウム薄板101Cとマグネシウム薄板101Dとの間に接続され、展開していた表面セパレータ102と裏面セパレータ103とが再び折りたたまれる。
このように、マグネシウム燃料体100が電極部300に順次挿入され、また引き出されることで、任意の厚さのマグネシウムを燃料として、マグネシウム空気電池200が起電力を生じ続けることができる。また、使用前及び使用後のマグネシウム燃料体100は積み重ねられているので、マグネシウム燃料体100自体、及びマグネシウム燃料体100を使用するマグネシウム空気電池200を小さく形成することができる。
マグネシウム薄板101を電極部300に挿入し、引き出す際にマグネシウム薄板101を移動させる方法については、任意のものを採ることができる。例えば、図10に示すように、表面セパレータ102と裏面セパレータ103との少なくとも一方(図10では表面セパレータ102)に一定間隔で穴104を開け、そこに駆動装置として歯車を噛み合わせ、その歯車を回転させることでマグネシウム薄板101を移動させてもよい。また、マグネシウム薄板101を側面や表面から押し込むことで移動させてもよい。
次に、電子機器の電源として、マグネシウム空気電池200を使用する方法について説明する。
図11は、マグネシウム空気電池200を電源とする電子機器400の概略構成を示す斜視図である。図11に示すように、電子機器400は、二次電池401を備え、マグネシウム空気電池200が取り付けられている。
電子機器400は、電池から供給される電力によって動作する電子機器であり、例えば携帯電話、スマートフォン、パーソナルコンピュータ等である。電子機器400は、例えばケーブルや接続アダプタ等(図示しない)によってマグネシウム空気電池200に電気的に接続されている。
二次電池401は、充電可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン二次電池等である。二次電池401は、電子機器400を動作させる直接の電源となる。
電子機器400は、二次電池401から供給される電力によって動作する。電子機器400は、二次電池401の残存容量を監視し、二次電池401の残存容量が閾値以下になると、マグネシウム空気電池200に起電力を生じさせる。これは、電子機器400に導入されたアプリケーションによって実行されてもよい。このアプリケーションソフトウェアを導入することで、どのような電子機器であってもマグネシウム空気電池200によって動作させることができるようになる。
このようにマグネシウム空気電池200を使用することにより、電子機器400の電源としてマグネシウム空気電池200を使用することができる。
マグネシウム空気電池200を電子機器400の外部に取り付ける構成により、二次電池401を電源として備えているものであっても、マグネシウム空気電池200を電源として用いることができる。また、マグネシウム空気電池200の外観は自由に構成できるので、電子機器400を装飾するように構成することもできる。
使用後のマグネシウム空気電池200は、例えばコンビニエンスストア等で回収し、マグネシウム燃料体100を入れ替えることで再利用できる。このとき回収した反応後のマグネシウム燃料体100は、新しいマグネシウム燃料体100を作る際の原料として用いることができる。
マグネシウム空気電池の容量は、同程度の大きさのリチウムイオン二次電池に比べて大きくすることができるため、上記のようにマグネシウム空気電池を使用すれば、長時間に渡って交流電源からの充電をすることなく電子機器を利用することができる。
なお、表面セパレータ102と裏面セパレータ103とは、マグネシウム燃料体100の上端部、即ち一番上のマグネシウム薄板101の表面において一体となっていてもよい。このとき、表面セパレータ102と裏面セパレータ103とは、一体のリボン状に形成されていることになる。マグネシウム燃料体100の下端部においても同様である。また、マグネシウム燃料体100の上端部と下端部との両方において一体となっていてもよい。このとき、表面セパレータ102と裏面セパレータ103とは、一体のリング状に形成されていることになる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、マグネシウム薄板101は金属マグネシウムから形成されるとしたが、これに限られるものではない。即ち、マグネシウム燃料体101はマグネシウムイオンを溶出するものであればよく、マグネシウムを含む合金や、マグネシウム化合物から形成されていてもよい。
また、マグネシウム薄板101は表面の中央部で表面セパレータ102と接続されているとしたが、これに限られるものではない。即ち、表面の中央部以外の箇所で接続されていてもよいし、2箇所以上で接続されていてもよい。裏面セパレータ103についても同様である。ただし、表面セパレータ102及び裏面セパレータ103がそれぞれの面の中央部で接続されている構成であれば、表面セパレータ102及び裏面セパレータ103を容易に折りたたむことができる。
また、表面セパレータ102及び裏面セパレータ103は、酸化還元反応に必要なイオンを透過するとしたが、これに限られるものではない。即ち、表面セパレータ102と裏面セパレータ103との少なくとも一方が酸化還元反応に必要なイオンを透過するものであればよい。このとき、他方のセパレータは、例えば絶縁性フィルム、導電性フィルム等で形成してもよい。他方のセパレータを導電性フィルムで形成した場合は、電極部300の負極304をそのセパレータに接するように設けることもできる。
また、電極部300は正極303と電解液保持材305とをそれぞれ一つ備えるものとして説明したが、これに限られるものではない。即ち、正極303と電解液保持材305とをそれぞれ二つ備え、マグネシウム燃料体100を挟むように設置されていてもよい。このとき、表面セパレータ102及び裏面セパレータ103はどちらも、酸化還元反応に必要なイオンを透過するものである。二つの正極同士を接続すれば、マグネシウム空気電池は並列に接続されていることになり、取り出す電流を増やすことができる。
また、電子機器400は、二次電池401の残存容量が閾値以下になるとマグネシウム空気電池200に起電力を生じさせるとしたが、これに限られるものではない。即ち、電子機器400の電力消費量、例えばアプリケーションの使用状態等に応じて、マグネシウム空気電池200に起電力を生じさせ、二次電池401を充電してもよい。
また、電子機器400にはマグネシウム空気電池200が取り付けられているとしたが、これに限られるものではない。即ち、マグネシウム空気電池200が電子機器400の内部に配置されていてもよい。
また、電子機器400は二次電池401を備え、マグネシウム空気電池200は二次電池401を充電するとしたが、これに限られるものではない。即ち、二次電池401を介することなく、マグネシウム空気電池200が供給する電力で電子機器400を直接動作させてもよい。
100 マグネシウム燃料体
101,101A−101D マグネシウム薄板
102 表面セパレータ
103 裏面セパレータ
104 穴
200 マグネシウム空気電池
300 電極部
301 導入口
302 排出口
303 正極
304 負極
305 電解液保持材
400 電子機器
401 二次電池

Claims (10)

  1. マグネシウムを含む複数のマグネシウム薄板と、
    前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの表面に接続され、前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの表面、一方の側面、及び裏面に沿って折り曲げられる表面セパレータと、
    前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの裏面に接続され、前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの表面、他方の側面、及び裏面に沿って折り曲げられる裏面セパレータと、を備え、
    前記表面セパレータと前記裏面セパレータとが折りたたまれ、前記複数のマグネシウム薄板が積み重ねられるように配置され、
    前記複数のマグネシウム薄板の一つを表面に平行に移動すると、該マグネシウム薄板に接続された前記表面セパレータと前記裏面セパレータとが展開される、
    ことを特徴とするマグネシウム燃料体。
  2. 前記表面セパレータは、前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの表面の中央部に接続され、蛇腹状に折りたたみ可能であり、
    前記裏面セパレータは、前記複数のマグネシウム薄板のそれぞれの裏面の中央部に接続され、蛇腹状に折りたたみ可能である、
    ことを特徴とする請求項1に記載のマグネシウム燃料体。
  3. 前記表面セパレータと前記裏面セパレータとの少なくとも一方は、イオンを透過する透過フィルムから形成される、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のマグネシウム燃料体。
  4. 前記表面セパレータと前記裏面セパレータとの少なくとも一方は、前記マグネシウム薄板を移動させる駆動装置と噛み合う穴を備える、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のマグネシウム燃料体。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載のマグネシウム燃料体と、
    電極部と、を備え、
    前記複数のマグネシウム薄板の一つが前記電極部に挿入され、該マグネシウム薄板を燃料として起電力を生じさせ、
    反応後の該マグネシウム薄板が前記電極部から引き出される、
    ことを特徴とするマグネシウム空気電池。
  6. 反応前の前記複数のマグネシウム薄板と反応後の前記複数のマグネシウム薄板とはそれぞれ、積み重ねられて配置される、
    ことを特徴とする請求項5に記載のマグネシウム空気電池。
  7. 前記電極部は、前記マグネシウム薄板が挿入される導入口と、前記マグネシウム薄板が引き出される排出口と、導電性を有し酸素に電子を供給する正極と、電解液を含浸して保持し前記正極と前記マグネシウム燃料体とに接する電解液保持材と、を備える、
    ことを特徴とする請求項5又は6に記載のマグネシウム空気電池。
  8. 前記正極は炭素、金属、マンガン酸化物のうち少なくとも一つから形成される、
    ことを特徴とする請求項7に記載のマグネシウム空気電池。
  9. 請求項5から8のいずれか1項に記載のマグネシウム空気電池を備える、
    ことを特徴とする電子機器。
  10. 充電可能な二次電池をさらに備え、
    前記二次電池の残存容量が閾値以下の場合に、前記マグネシウム空気電池に起電力を生じさせて前記二次電池を充電する、
    ことを特徴とする請求項9に記載の電子機器。
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