JP2017079188A - Magnesium battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マグネシウムを含む金属空気電池に関するものである。特に、複数の電池セルを直列接続したマルチセル型のマグネシウム電池において、安定かつ効率的に長期間の電流供給を可能とさせるための構造に関するものである。 The present invention relates to a metal-air battery containing magnesium. In particular, the present invention relates to a structure that enables stable and efficient long-term current supply in a multi-cell type magnesium battery in which a plurality of battery cells are connected in series.
マグネシウムを含む金属等を負極とし、空気極を正極とするマグネシウム電池は、エネルギー密度が高く、安全性も高い。材料のマグネシウムは資源的に極めて豊富で安価であり、また軽量である。 A magnesium battery using a metal or the like containing magnesium as a negative electrode and an air electrode as a positive electrode has high energy density and high safety. The material magnesium is extremely abundant in resources, inexpensive and lightweight.
しかし、マグネシウム電池では、負極活物質のマグネシウムが電解液に溶出して反応することにより放電が行われるため、放電の都度、負極活物質が消耗する。したがって、やがては負極活物質が消失し、電池としての寿命が尽きることとなる。 However, in a magnesium battery, discharge occurs when magnesium as a negative electrode active material is eluted into the electrolyte and reacts, so that the negative electrode active material is consumed each time the discharge is performed. Therefore, the negative electrode active material disappears eventually, and the life as a battery is exhausted.
電池をできるだけ長寿命化させるためには、理想的には、負極活物質のすべてが使い尽くされるまで、電池としての機能が発揮できるようにすることが望まれる。しかし、負極反応は必ずしも負極活物質の各所で一様とはならないため、負極活物質が全体としてはまだ十分使用されていないのに、一部分のみの消耗が進行して消滅することが間々あり、これにより電池の寿命が予想外に短くなってしまうという問題を生じている。 In order to extend the life of the battery as much as possible, ideally, it is desired that the battery function can be exhibited until all of the negative electrode active material is used up. However, since the negative electrode reaction is not necessarily uniform in each part of the negative electrode active material, although the negative electrode active material is not yet fully used as a whole, only a part of the negative electrode reaction proceeds and disappears frequently. This causes a problem that the battery life is unexpectedly shortened.
負極活物質の量を多くすれば消失までの寿命は長くできるが、電池の重量や製造コストが増加するなどの問題がある。このためマグネシウム電池の負極活物質の消耗をできるだけ防ぐことや、消滅しないようにするため、特許文献1ないし5のような諸々の発明が行われている。 If the amount of the negative electrode active material is increased, the lifetime until disappearance can be extended, but there are problems such as an increase in the weight and manufacturing cost of the battery. For this reason, in order to prevent the negative electrode active material of the magnesium battery from being consumed as much as possible and not to disappear, various inventions such as Patent Documents 1 to 5 have been made.
特許文献1ないし5の発明は、単体のマグネシウム電池における長寿命化のための発明である。しかるに本発明は、複数個のマグネシウム電池セルが直列に接続されているマルチセル型のマグネシウム電池において、電池を長寿命化する手段を提供するものである。 The inventions of Patent Documents 1 to 5 are inventions for extending the life of a single magnesium battery. However, the present invention provides means for extending the battery life in a multi-cell type magnesium battery in which a plurality of magnesium battery cells are connected in series.
直列接続された複数個のセルから構成されたマルチセル型のマグネシウム電池は、単一セルのマグネシウム電池では得られない高電圧を発生することができるので、実用上極めて重要なものである。 A multi-cell type magnesium battery composed of a plurality of cells connected in series can generate a high voltage that cannot be obtained with a single-cell magnesium battery, and is extremely important in practical use.
直列接続マルチセル型のマグネシウム電池は、図1に示すように、一つの電池容器の中に複数セルを直接隣接させて並べることにより簡易に構成することができ、小型・低価格なマグネシウム電池が実現できる。 As shown in Fig. 1, a series-connected multi-cell magnesium battery can be easily configured by arranging a plurality of cells directly adjacent to each other in a single battery container, realizing a compact and low-cost magnesium battery. it can.
しかしながら、このような直列接続のマルチセル型のマグネシウム電池においては、該電池の正極側により近く接続されているセルは、該電池の負極側により近いセルに比べて、負極活物質が異常に早く消耗する現象を生ずることが経験的に知られている。 However, in such a series-connected multi-cell type magnesium battery, the cells connected closer to the positive electrode side of the battery are consumed more rapidly than the cells closer to the negative electrode side of the battery. It is empirically known to cause the phenomenon to occur.
したがって、複数のマグネシウム電池セルの各負極活性物質の層厚が等しいマグネシウム電池の場合は、発電を開始すると、電池の正極近くに位置するマグネシウム電池セルにおいては、負極活性物質が早期に消耗するので、負極活物質が他のマグネシウム電池セルにはまだ十分に残っているときでも、電池としては機能できなくなる現象が発生する。よって、一部のマグネシウム電池セルにおいて、負極活性物質が未使用のまま廃棄されることになり、負極活性物質の効率的な使用が出来ず、また電池寿命も負極活性物質の総量を使いこなせない結果、理論寿命より短寿命とならざるを得ない。この点が、直列接続マルチセル型マグネシウム電池の問題点となっている。 Therefore, in the case of a magnesium battery in which the layer thickness of each negative electrode active material of the plurality of magnesium battery cells is the same, when power generation is started, the negative electrode active material is consumed quickly in the magnesium battery cell located near the positive electrode of the battery. Even when the negative electrode active material is still sufficiently remaining in other magnesium battery cells, a phenomenon occurs in which the battery cannot function. Therefore, in some magnesium battery cells, the negative electrode active material is discarded without being used, the negative electrode active material cannot be used efficiently, and the battery life cannot be fully utilized. The life must be shorter than the theoretical life. This is a problem of the series-connected multicell magnesium battery.
このような負極活物質の不均等な消耗現象は、セル内の電解液が漏出して他のセルの電極に接触すること(液絡)により、セル間に局部的な電池が形成されてしまうことに原因すると推測されている。 Such uneven consumption of the negative electrode active material is caused by the fact that the electrolyte in the cell leaks out and contacts the electrode of another cell (liquid junction), thereby forming a local battery between the cells. It is speculated that it is caused by that.
したがって、各セルをそれぞれ完全に密封し、電解液がセル間に漏れ出すことがないようにすれば、本現象を防ぐことは可能である。しかしこの場合、密封機構に加えて、セル間を直列接続する配線をセルの外部に設けることが必要になるので、電池内の構造が複雑になる。これにより、電池サイズの増大や製造コストの上昇を招来し、小型・低価格な直列接続マルチセル型マグネシウム電池を実現するためには大きな障害となる。 Therefore, this phenomenon can be prevented if each cell is completely sealed so that the electrolyte does not leak between the cells. However, in this case, in addition to the sealing mechanism, it is necessary to provide a wiring for connecting cells in series outside the cell, so that the structure in the battery becomes complicated. This causes an increase in battery size and an increase in manufacturing cost, and is a major obstacle to realizing a small-sized and low-price series-connected multicell magnesium battery.
本発明は、上記した課題に鑑みなされたもので、負極となるマグネシウムを含む金属層、電解液で満たされているセパレータ層、活性炭素層、及び正極となる導体層の4つの層がこの順序で並んでいるマグネシウム電池セルの複数個を備え、該複数個のマグネシウム電池セルを直列に接続して1個の電池を構成するマルチセル型のマグネシウム電池であって、 該マグネシウム電池のより正極側に接続されているマグネシウム電池セルの該金属層を、該マグネシウム電池のより負極側に接続されているマグネシウム電池セルの該金属層に比べて厚くすることにある。
The present invention has been made in view of the above-described problems, and the four layers of the metal layer containing magnesium serving as the negative electrode, the separator layer filled with the electrolytic solution, the activated carbon layer, and the conductor layer serving as the positive electrode are in this order. A multi-cell type magnesium battery comprising a plurality of magnesium battery cells arranged in series, and connecting the plurality of magnesium battery cells in series to form one battery, on the positive electrode side of the magnesium battery The metal layer of the connected magnesium battery cell is made thicker than the metal layer of the magnesium battery cell connected to the negative electrode side of the magnesium battery.
本発明により、直列接続マルチセル型マグネシウム電池において、各セルを密封せず、かつセル内の負極活物質であるマグネシウム等金属の消耗速度の差に起因する無駄の発生を防ぎつつ、電池の長寿命化が実現できる。このため、電池の軽量・小型化、製造コストの低減等の効果が得られる。 According to the present invention, in a serially connected multi-cell type magnesium battery, each cell is not sealed, and the long life of the battery is prevented while preventing waste due to a difference in consumption rate of a metal such as magnesium as a negative electrode active material in the cell. Can be realized. For this reason, effects such as reduction in weight and size of the battery and reduction in manufacturing cost can be obtained.
以下、図1および図2に示した本発明の一実施形態であるマグネシウム電池について説明する。 図1および図2において、直方体の電池容器20の中には、3個のマグネシウム電池セル30、40、50が収納されている。本実施例においては、電池容器20の上面は空気を取り込むため開放されているが、通気ができるものであれば、上面は覆われていてもよい。
Hereinafter, the magnesium battery which is one embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 will be described. 1 and 2, three
各セル30、40、50の中では、それぞれ、負極となる金属層であるマグネシウム層31、41、51、中間のセパレータ層32、42、52、活性炭素層33,43,53、及び正極となる導体層34、44、54がこの順序で並んでいる。セパレータ層32、42、52は電解液で満たされている。なお、図1においては、電池10の負極端子61の電池容器外の部分、および電池10の正極端子62の電池容器内の部分は、電池容器20の陰になっていて図示されていない。
In each of the
また、セル30の正極34はセル40の負極41と、セル40の正極44はセル50の負極51と直接隣接して電気的にも接触しており、これによりセル30、40、50は、直列接続を構成している。
Further, the
更に、セル30の負極31は電池10の負極端子61に、セル50の正極54は電池10の正極端子62に、接続されている。
Further, the
以上の構成により、セル30、40、50のそれぞれにおいては、活性炭素層33,43,53から取り込まれた空気中の酸素がセパレータ層32、42、52の電解液中においてマグネシウム層31、41、51から溶出したマグネシウムイオンと反応し、これにより各セルの正極と負極との間に起電力を発生する。そして、セル30、40、50は直列接続されているので、電池10の正極端子72と負極端子71との間には、各セルの起電力の総和に等しい起電力を発生する。
With the above configuration, in each of the
ここにおいて、セル30、40、50のマグネシウム層31、41、51に関しては、本発明の特徴として、電池10の負極端子61に最も近く接続されているセル30のマグネシウム層31が最も薄く、電池10の正極端子62に最も近く接続されているセル50のマグネシウム層51が最も厚く構成されている。
Here, regarding the
例えば、マグネシウム層41の厚さを相対比で1.0とするとき、マグネシウム層31の厚さは0.8と薄くし、マグネシウム層51の厚さは1.2と厚くすることが考えられる。
For example, when the relative thickness of the
このように三つのマグネシウム層の厚さを変えることによって、「発明が解決しようとする課題」に述べたように、セル50の負極であるマグネシウム層51の消耗が最も早く進行し、セル40のマグネシウム層41の消耗がそれに次ぎ、セル30のマグネシウム層31の消耗が最も遅くなるが、各セルのマグネシウム層がほぼ同時に消失するようにすることができる。
By changing the thicknesses of the three magnesium layers in this way, as described in “Problems to be Solved by the Invention”, the consumption of the
本実施形態においては、負極活物質はマグネシウムとしたが、一般にはマグネシウムを含む金属等を負極活物質とする電池において本発明が適用され得ることは明らかである。 In the present embodiment, the negative electrode active material is magnesium. However, it is apparent that the present invention can be applied to a battery using a metal containing magnesium or the like as the negative electrode active material.
また本発明は、この本実施形態に示したような各セルおよびセル内の各層が平面板状に並んで接している構造のマグネシウム電池に限らず、セル内の各層が同心円の円筒状に構成されているマグネシウム電池や、セル間が直接隣接せずに別途導体により接続されているマグネシウム電池などにも同様に適用され得ることも明らかである。 The present invention is not limited to a magnesium battery having a structure in which each cell and each layer in the cell are in contact with each other as shown in this embodiment, but each layer in the cell is configured in a concentric cylindrical shape. It is obvious that the present invention can be similarly applied to a magnesium battery that is used or a magnesium battery that is not directly adjacent to each other but is connected by a conductor.
本発明は、電池全体としての重量・寸法や製造コストを抑えながら長寿命のマグネシウム電池を提供する。 The present invention provides a long-life magnesium battery while suppressing the weight, size, and manufacturing cost of the battery as a whole.
10 マグネシウム電池
20 電池容器
30 電池セル
31 電池セル30のマグネシウム層(負極)
32 電池セル30のセパレータ層
33 電池セル30の活性炭素層
34 電池セル30の導電体層(正極)
40 電池セル
41 電池セル40のマグネシウム層(負極)
42 電池セル40のセパレータ層
43 電池セル40の活性炭素層
44 電池セル40の導電体層(正極)
50 電池セル
51 電池セル50のマグネシウム層(負極)
52 電池セル50のセパレータ層
53 電池セル50の活性炭素層
54 電池セル50の導電体層(正極)
61 電池10の負極端子
62 電池10の正極端子
10
32
40
42
50
52
61 Negative terminal of
Claims (1)
の複数個を備え、
該複数個のマグネシウム電池セルを直列に接続して1個の電池を構成するマルチセル型のマグネシウム電池であって、
該マグネシウム電池のより正極側に接続されているマグネシウム電池セルの該金属層を、該マグネシウム電池のより負極側に接続されているマグネシウム電池セルの該金属層には津名をすることを特徴とするマルチセル型のマグネシウム電池。 A plurality of magnesium battery cells in which four layers of a metal layer containing magnesium as a negative electrode, a separator layer filled with an electrolyte, an activated carbon layer, and a conductor layer as a positive electrode are arranged in this order,
A multi-cell type magnesium battery in which a plurality of magnesium battery cells are connected in series to form one battery,
The metal layer of the magnesium battery cell connected to the positive electrode side of the magnesium battery is named as the metal layer of the magnesium battery cell connected to the negative electrode side of the magnesium battery. Multi-cell type magnesium battery.
Priority Applications (1)
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