JP2018032557A - 金属空気電池 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施形態1に係る金属空気電池の構成を示す概略断面図である。
筐体10は、その内部に電解液を湿潤した金属極12、充電極13、空気極14を収納する槽である。筐体10を構成する材料は、電解液に対して耐腐食性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ酢酸ビニル、ABS樹脂、塩化ビニリデン、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などである。
空気極14は、空気極触媒を有しかつ放電正極となる多孔性の電極である。また、空気極14は、多孔性のガス拡散層と、ガス拡散層上に設けられた多孔性の空気極触媒層とを有していてもよい。
O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
また、空気極14は、図示しない空気極端子と電気的に接続することができる。これにより、空気極触媒層で生じた電荷を図示しない外部回路へと取り出すことができる。
充電極13は、充電正極として働く多孔性の電極である。充電極13では、電解液としてアルカリ性水溶液を使用する場合、水酸化物イオン(OH−)から酸素と水と電子とが生成される反応が起こる(充電反応)。つまり、充電極13において、酸素(気相)、水(液相)、電子伝導体(固相)が共存する三相界面において充電反応が進行する。
4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
金属極(以下、金属負極ともいう。)12は、金属元素を含む活物質からなる電極であり、放電時には活物質の酸化反応が、充電時には還元反応が起こる。金属元素としては、亜鉛、リチウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄などが用いられる。金属元素が亜鉛である場合、放電時には、下記の金属亜鉛の還元反応が起こる。
Zn + 4OH- → Zn(OH)42- + 2e-
Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e-
Zn + 2OH- → Zn(OH)2 + 2e-
Zn(OH)4 2- → ZnO + 2OH- + H2O
Zn(OH)4 2- → Zn(OH)2 + 2OH-
Zn(OH)4 2- + 2e- → Zn + 4OH-
ZnO + H2O + 2e- → Zn + 2OH-
Zn(OH)2 + 2e- → Zn + 2OH-
電解液は、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。電解液の種類は、金属電極に含まれる電極活物質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)であってもよい。
図2は、実施形態1に係る充電極13の部分(図1中符号Dで示す部分)を拡大して示す概略断面図、図3は、図2のA−A線断面図である。ただし、図2及び図3では、特に、充電極13の領域について、多孔質で形成される孔の断面を模式的に示している。
ここで、本発明者らは、第1部材13a及び第2部材13bのそれぞれの孔の大きさについて検証を行った。ここで、孔の大きさとは、孔の断面の面積のことであるが、この検証では孔の断面形状を円形状に近似し、そのときの円の径(直径)についての検証を行った。
次に、本発明者らは、第1部材13aと第2部材13bの厚みについての検証を行った。
実施形態1では、充電極13の第1部材13aと第2部材13bの孔径と厚みについては検証しているが、その他の構成要素については検討していない。すなわち、第1部材13a及び第2部材13bは、同じ矩形状の薄板体を2枚合せた構造として説明している。しかし、第2部材13bについては、放電反応に寄与する必要がなく、金属極12の膨張を抑制するのに十分な強度を有し、かつ、ガスの排出機能を有すればよい点に鑑みれば、孔径や厚みだけでなく、形状自体を工夫することで、ガス排出機能を高めることができる。
実施形態3は、第2部材13bの他の実施形態である。
実施形態4は、第2部材13bのさらに他の実施形態である。
実施形態5は、第2部材13bのさらに他の実施形態である。
実施形態6は、第2部材13bのさらに他の実施形態である。
実施形態7は、第2部材13bのさらに他の実施形態である。
実施形態8は、第2部材13bのさらに他の実施形態である。
図18は、本発明の実施形態9に係る金属空気電池1を示す概略断面図、図19は、実施形態9に係る充電極13の部分(図18中符号Eで示す部分)を拡大して示す概略断面図である。
比較例1では、キシダ化学株式会社製酸化亜鉛、シグマアルドリッチ製PTFE分散液、及び純水を二軸混練機で混合し、シート状に成型した後、乾燥して、厚み1.0mm、5cm角の亜鉛負極活物質シートを得た。そして、2枚の活物質シートの間に集電体であるニッケルメッシュを挟み込んで金属極を作製した。
参考例1では、充電極として、住友電気化学工業株式会社製の発泡ニッケル(セルメット(登録商標)品番#8、厚み1.4mm、5cm角)を使用し、金属極上のセパレータと発泡ニッケルとの間、及び、空気極上のセパレータと発泡ニッケルとの間は、密着する構成とする以外は、比較例1と同じ構成として、金属空気電池を作製した。なお、充電極として使用した発泡ニッケルの断面を光学顕微鏡により観察した結果、ニッケル骨格領域により囲まれる空隙の長径の最大サイズは約0.45mmであった。
実施例1では、充電極13の充電領域を構成する第1部材13aとして、住友電気化学工業株式会社製の発泡ニッケル(セルメット(登録商標)品番#8、厚み1.4mm、5cm角)を用い、充電極13の排出領域を構成する第2部材13bとして、住友電気化学工業株式会社製の発泡ニッケル(セルメット(登録商標)品番#4、厚み2.0mm、5cm角)を用い、第1部材13aを金属極12上のセパレータ16に密着させて積層し、第2部材13bを第1部材13a上に積層するとともに空気極14上のセパレータ16と密着する図18に示す構成とする以外は、比較例1と同じ構成の金属空気電池を作製した。なお、第1部材13aとして使用した発泡ニッケル、及び第2部材13bとして使用した発泡ニッケルの断面を光学顕微鏡により観察し、ニッケル骨格領域により囲まれる空隙の長径の最大サイズを計測したところ、それぞれ、0.45mm、0.9mmであった。第1部材13aの厚みに対する第2部材13bの厚みの比率は1.43であり、第1部材13aの孔径に対する第2部材13bの孔径の比率は2であった。
実施例2では、充電極13の排出領域を構成する第2部材13bの棒状部材13b1として、1cm幅の短冊形状を有する住友電気工業株式会社製の発泡ニッケル(セルメット(登録商標)品番#4、厚み2.0mm)を1cmの間隔をあけて3本配置し、図4に示す構造(ただし、図4では、6本配置した構成を例示している。)の充電極13とする以外は、実施例1と同じ構成の金属空気電池を作製した。なお、第1部材13aとして使用した発泡ニッケル、及び第2部材13bとして使用した発泡ニッケルは、実施例1と同じ部材を使用した。
10 筐体(電池筐体)
10a 開口部
12 金属極
13 充電極
13a 充電領域(第1部材)
13b 排出領域(第2部材)
13b1,13b2,13b3 棒状部材
13b4,13b5 板状体
13b5
14 空気極
16 セパレータ(隔膜)
21〜25 溝部
23 突起部
31 貫通孔
Claims (17)
- 金属極と充電極と空気極とを備えた金属空気電池であって、
前記充電極は、前記金属極との間で充電反応を促進する充電領域と、前記充電反応によって発生したガスを排出する排出領域とを備えていることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項1に記載の金属空気電池であって、
前記充電領域は、多数の微細な孔を有する第1部材によって形成され、前記排出領域は、多数の微細な孔を有する第2部材によって形成されており、前記第2部材の前記孔の孔径は、前記第1部材の前記孔の孔径より大きいことを特徴とする金属空気電池。 - 請求項2に記載の金属空気電池であって、
前記第1部材の前記孔の孔径は、50μm〜1mmであり、前記第2部材の前記孔の孔径は、800μm〜5mmであることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項2または請求項3に記載の金属空気電池であって、
前記第1部材の前記孔に対する前記第2部材の前記孔の比率は、1.0より大きく100以下であることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項2から請求項4までのいずれか一つに記載の金属空気電池であって、
前記第2部材の厚みは、前記第1部材の厚みより厚いことを特徴とする金属空気電池。 - 請求項5に記載の金属空気電池であって、
前記第1部材の厚みは、0.05mm〜1.0mmであり、前記第2部材の厚みは、0.5mm〜5.0mmであることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項5または請求項6に記載の金属空気電池であって、
前記第1部材の厚みに対する前記第2部材の厚みの比率は、1.0より大きく100以下であることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項2から請求項7までのいずれか一つに記載の金属空気電池であって、
前記第1部材の前記孔は、前記充電極が接触する前記金属極の接触表面に対して少なくとも直交する方向に開口し、前記第2部材の前記孔は、前記充電極が接触する前記金属極の接触表面に対して直交する方向及び平行な方向を含む向に開口していることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項2から請求項8までのいずれか一つに記載の金属空気電池であって、
前記第2部材は、前記充電反応によって発生した前記ガスを排出する少なくとも一方の端部が開放された1または複数本の溝部を有することを特徴とする金属空気電池。 - 請求項9に記載の金属空気電池であって、
前記溝部には、対向する辺に、前記ガスの排出方向に向かって傾斜した複数の突起部が形成されていることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項10に記載の金属空気電池であって、
対向する前記複数の突起部は、前記排出方向に沿って互い違いに形成されていることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項9に記載の金属空気電池であって、
前記溝部は、前記ガスの排出方向に対して斜めに傾斜して設けられていることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項2から請求項8までのいずれか一つに記載の金属空気電池であって、
前記第2部材は、連続する凹凸形状に屈曲形成されることにより、前記充電反応によって発生した前記ガスを排出する方向に開放された1または複数の溝部を有する板状体からなり、前記板状体には、前記ガスを排出する方向に直交する面方向に多数の貫通孔が形成されていることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項2から請求項8までのいずれか一つに記載の金属空気電池であって、
前記第2部材は、三次元格子構造の構造体であることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項14に記載の金属空気電池であって、
前記三次元格子構造は、三角格子構造、四角格子構造、ハニカム格子構造、ダイヤモンド格子構造のいずれか一つの構造であることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項2から請求項15までのいずれか一つに記載の金属空気電池であって、
前記第1部材は、電子伝導性の多孔質材料によって形成され、前記第2部材は、電子伝導性または絶縁性の多孔質材料によって形成されていることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項1から請求項16までのいずれか一つに記載の金属空気電池であって、
前記金属極と前記充電極との間、及び、前記充電極と前記空気極との間にそれぞれ隔膜が介装されていることを特徴とする金属空気電池。
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JP2012209020A (ja) * | 2011-03-29 | 2012-10-25 | Hitachi Zosen Corp | 金属空気電池 |
JP2014519152A (ja) * | 2011-05-16 | 2014-08-07 | フィナジー リミテッド | 亜鉛空気蓄電池 |
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