JP2018190596A - 身体への装着が可能なマグネシウム空気電池 - Google Patents

Abstract

【課題】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において、身体への装着を可能にし携帯性を向上させた、マグネシウム電池の提供。【解決手段】リストバンドのような筒状の形状を有する装着部１０６の内部に、金属マグネシウムを含むマグネシウム燃料体１１０と、電解液１０４を保持する電解液保持部１０５と、を備える。マグネシウム燃料体１１０は、金属マグネシウムを含むマグネシウム薄板１０１をセパレータ１０２とカソード１０３とで挟みこんで構成されるマグネシウム空気電池１００。電解液保持部１０５における電解液１０４をセパレータ１０２が含浸してイオン交換が行われ、マグネシウムを負極活物質、空気中の酸素を正極活物質として起電力を生じるマグネシウム空気電池１００。【選択図】図１

Description

本発明は、身体への装着が可能なマグネシウム空気電池に関する。

近年、種々の携帯型の電子機器が使用されるようになってきたが、これらの電子機器を充電するための充電器を持ち運ぶには、バッグなどに入れる必要がある。また、充電しながら電子機器を使用する場合もある。そのような場合は、一般的には電子機器と充電器を重ねて把持するなどして使用する。携帯性においては重量も重要である。しかし、重量が軽いと一般的には充電器の容量が小さくなるうえ、充電できる電子機器も限られることになるので、重量と充電器のバッテリー容量の関係も重要である。特許文献１および２には、金属マグネシウムを燃料としたマグネシウム空気電池に関する発明が開示されている。特許文献１には蛇腹状に折りたたまれた金属マグネシウムの薄板が、次々に電極部に挿入され、その際に電解液を含んで電池反応を開始する、という発明が開示されている。また、特許文献２には、本発明の出願時にはまだ公開されていない、本発明者らによる、使用時にマグネシウムを主体とする燃料体が電解液の入った容器に押し込まれることで電解液を含浸して電池反応を開始するマグネシウム空気電池の発明が提案されている。これらのマグネシウム空気電池は、複雑な構成を必要とせずに、軽量なマグネシウムの薄板による燃料を用途によって複数接続し、また接続の仕方を工夫することで必要な電圧を確保することが可能である。

特開２０１５−１９８０３１ 特願２０１６−２４０９１９

これらのマグネシウム電池は、携帯性を考慮すると、さらなる工夫が必要である。本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであって、身体への装着が可能なマグネシウム空気電池、を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第一の観点に係るマグネシウム空気電池は、
身体への装着を可能にする装着部と、
マグネシウムを含むマグネシウム薄板と、電解液を含浸可能なセパレータと、導電性を有し酸素に電子を供給するカソードと、を重ねあわせたマグネシウム燃料体と、
内部に電解液を保持する電解液保持部と、
を備え、
前記セパレータが前記電解液を含浸し、イオン交換が行われることで起電力を生じ、前記マグネシウム薄板を負極活物質とし、空気中の酸素を正極活物質とするマグネシウム空気電池。

前記装着部は、腕や手首へ巻き付けることで装着する筒状形状、あるいは前記筒状形状を展開した形状であって、該装着部の内部に、前記マグネシウム燃料体と、前記電解液と、前記電解液保持部と、を含んでもよい。

前記マグネシウム空気電池は、前記マグネシウム燃料体を少なくとも１つ備え、
それぞれの前記マグネシウム燃料体を、自由に折り曲げ可能な導電性を有するやわらかい素材で形成される接続部によって電気的に接続してもよい。

前記マグネシウム燃料体は、前記マグネシウム薄板と、前記マグネシウム薄板を挟み込む前記セパレータとを、前記カソードを折り曲げた内側に挟みこみ、該カソードを折り曲げた部分と反対側の開口部に前記マグネシウム薄板と前記セパレータと前記カソードとをそれぞれ密着させて固定する留め具を備えてもよい。

このとき、前記電解液保持部は、前記セパレータを含む内袋と、前記内袋とは分離され前記内袋の外側に配され内部に前記電解液を保持する外袋と、前記内袋に穴をあける穿孔機構とを備え、前記穿孔機構によって前記内袋に穴をあけることで、前記外袋から前記内袋へ前記電解液が移動し、前記セパレータが前記電解液を含浸して、電池反応を開始してもよい。

また、前記マグネシウム燃料体は、前記マグネシウム薄板と、前記セパレータと、前記カソードを、この順番に１つずつ重ね合わせ、該マグネシウム薄板が切れ込みを備え、該切れ込みの手前に前記電解液保持部が設置されてもよい。

このとき、前記電解液保持部は、前記電解液を含浸して保持し、前記マグネシウム燃料体を該電解液保持部に押し付けることで、前記セパレータが前記切れ込みを通して前記電解液を含浸して、電池反応を開始してもよい。

前記マグネシウム空気電池は、
前記マグネシウム薄板と、前記セパレータと、前記カソードとを、それぞれ重ね合わせて密着させる支持体を備えてもよい。

前記マグネシウム空気電池は、前記電解液保持部を１つ備え、複数の前記マグネシウム燃料体で共用してもよい。

本発明によれば、身体への装着が可能なマグネシウム空気電池、を提供できる。

本発明の実施形態１に係るマグネシウム空気電池の斜視図（ａ）、およびマグネシウム燃料体の側面断面図（ｂ）である。 本発明の実施形態１に係る電解液保持部の側面断面図であり、電池反応開始前（ａ）および開始後（ｂ）である。 本発明の実施形態１に係るマグネシウム燃料体の側面図（ａ）およびＡ−Ａ‘における断面図（ｂ）である。 本発明の実施形態２に係るマグネシウム空気電池の斜視概要図である。 本発明の実施形態２に係るマグネシウム燃料体の側面図（ａ）および斜視図（ｂ）である。 本発明の実施形態２に係る支持体の斜視図（ａ）および上面図（ｂ）である。 本発明の実施形態２に係るマグネシウム空気電池の上面断面図であり、電池反応開始前（ａ）および開始後（ｂ）である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明のマグネシウム空気電池１００の斜視図（ａ）およびマグネシウム燃料体１１０の断面図（ｂ）である。マグネシウム空気電池１００は、マグネシウム燃料体１１０と、その下部に、電解液１０４を保持する電解液保持部１０５と、これらを含み身体への装着を可能にする装着部１０６と、を備える。なお、図１（ａ）は、マグネシウム燃料体１１０を４つ直列に接続した例を示している。

装着部１０６は、身体への装着を可能にし、内部、あるいは表面に電池反応を開始する機構、すなわちマグネシウム燃料体１１０と、電解液１０４を保持する電解液保持部１０５と、電解液１０４とを含む。図１（ａ）では、一例として筒状のリストバンドの形状を採用した装着部１０６を示している。装着部１０６の形状としては、筒状の他、ベルト状の形状で、装着部分に合わせて巻き付ける、なども考えられる。

図１（ｂ）は、マグネシウム燃料体１１０と、その下部の電解液保持部１０５の様子を示した断面図である。マグネシウム燃料体１１０は、マグネシウム薄板１０１と、マグネシウム薄板１０１の一部を露出させて両側から挟みこむセパレータ１０２と、さらにその両側からセパレータ１０２を挟み込むカソード１０３と、で構成される。図１（ｂ）に示すように、カソード１０３の下部は開いており、そこからセパレータ１０２の下部が出ており、そこに電解液１０４を保持する電解液保持部１０５を備える。

マグネシウム薄板１０１は、金属マグネシウムを含む薄い板であり、マグネシウム空気電池１００の負極活物質となる。一部露出したマグネシウム薄板１０１は負極端子１０１ａを備え、外部と電気的に接続してマグネシウム空気電池１００の負極として機能する。

負極端子１０１ａは、導電性を有する素材で形成される。

セパレータ１０２は、マグネシウム空気電池１００のセパレータとして機能する。セパレータ１０２の下部には電解液保持部１０５を備える。セパレータ１０２は、電解液１０４を毛管現象により自動的に給水する。セパレータ１０２としては、液体を給水する素材で構成される。例えば不織布や濾紙、フェルト、炭素フェルト、あるいはこれらの組み合わせたものなどが考えられるが、これに限らない。セパレータ１０２に含浸された電解液１０４がイオン交換を行なうことで、空気中の酸素を正極活物質とし、マグネシウム薄板１０１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によって起電力が生じる。セパレータ１０２は、マグネシウム薄板１０１およびカソード１０３のどちらとも接触して設置される。セパレータ１０２として、例えばフェルトと不織布を用いると、フェルトは電解液１０４を含浸し、不織布は電池反応が進むにしたがって析出する反応物がカソードを汚すことを抑制し、電池の持続時間を長くすることができる。

電解液保持部１０５は、セパレータ１０２の下部に備えられる。図２（ａ）、（ｂ）は、セパレータ１０２の下部に配置された電解液保持部１０５の側面断面図である。電解液保持部１０５はこの実施形態ではセパレータ１０２を中心とした二重構造の液袋の形状を有し、セパレータ１０２を含み電解液保持部１０５の内側に配される内袋１０５ａと、内袋１０５ａの外側に配され内袋１０５ａとは分離された外袋１０５ｂと、内袋１０５ａに穴をあける穿孔機構１０５ｃと、を備える。また、図１（ａ）のように、複数のマグネシウム燃料体１１０を接続する場合は、複数のマグネシウム燃料体１１０で１つの電解液保持部１０５を備えると、設置されたすべての電池の反応を同時に開始することができる。図２（ａ）は、電池反応を開始する前の状態を示しており、（ｂ）は、電池反応を開始した後の状態を示している。図２の（ａ）から（ｂ）において、電解液１０４（図２の斜線部で表される）が外袋１０５ｂから内袋１０５ａへ移動している。このとき、図２（ａ）、（ｂ）では外袋１０５ｂに穿孔機構１０５ｃを備えることで、外袋１０５ｂを押すと、穿孔機構１０５ｃによって内袋１０５ａの外壁に穴をあけ、電解液１０４が内袋１０５ａに流入して移動する。穿孔機構１０５ｃは、例えば鋭利な先端を有する針などである。穿孔機構１０５ｃの位置は一例であり、これに限らない。電池反応を開始する方法については、後で述べる。

電解液１０４は、マグネシウム燃料体１１０においてマグネシウム薄板１０１とカソード１０３のイオン交換を可能にする電解液である。セパレータ１０２が電解液１０４を含浸すると、マグネシウム薄板１０１とカソード１０３との両者と密着したセパレータ１０２においてイオン交換が行われる。電解液１０４に含まれる水は、カソード１０３において、酸素が還元される反応に使われる。電解液１０４は、例えば水酸化ナトリウムなどが挙げられるが、これに限らない。

カソード１０３は、マグネシウム空気電池１００の正極活物質である空気中の酸素に電子を供給する。カソード１０３の形状として、図３に示すように、カソード１０３を折り曲げ、その内側にマグネシウム薄板１０１およびセパレータ１０２を挟みこみ、そのあり曲げた部分と反対側の開口部にあたる辺を、テープなどの留め具１０３ｂで止める構造を採用することで、ケースなどにいれずに、カソード１０３とセパレータ１０２と、マグネシウム薄板１０１とをそれぞれ密着させることができる。また、カソード１０３、あるいはマグネシウム燃料体１１０全体としての厚みが薄くても、固定する機構が不要であり、軽量化することができる。この様子を示したのが図３であり、マグネシウム燃料体１１０の側面図（ａ）およびＡ−Ａ‘における断面図（ｂ）である。カソード１０３を構成する素材としては、導電性を有し、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が考えられるが、これに限らない。カソード１０３は、正極端子１０３ａを備え、外部と接続してマグネシウム空気電池１００の正極として機能する。

正極端子１０３ａは、導電性を有する素材で形成される。

図１（ａ）に戻る。マグネシウム燃料体１１０は、必要な電力に応じて、複数接続することができる。この場合、マグネシウム燃料体１１０どうしを、接続部１０７で接続する。直列に接続する際は、マグネシウム燃料体１１０における負極端子１０１ａと、隣のマグネシウム燃料体１１０における正極端子１０３ａとを接続部１０７によって接続していき、それぞれ残りの両端の正極端子１０３ａおよび負極端子１０１ａが正極、負極として外部の、例えば携帯型電子機器と接続する。

接続部１０７は、導電性を有し、手首や腕への装着に合わせて自由に折り曲げることができるやわらかい素材で構成される。例えば、薄いシート状の銅板などが考えられる。

次に、マグネシウム空気電池１００を使用する方法について説明する。

電池反応を開始する際は、マグネシウム燃料体１１０の下部の電解液保持部１０５における外袋１０５ｂを手で押さえる。このとき、外袋１０５ｂの内部には電解液１０４を保持している。手で押さえることで内袋１０５ａに穿孔機構１０５ｃによって穴をあけ、電解液１０４が外袋１０５ｂから内袋１０５ａに移動して、セパレータ１０２を湿らせる。セパレータ１０２が電解液１０４を含浸すると、イオン交換が行われ、空気中の酸素を正極活物質とし、マグネシウム薄板１０１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によって起電力が生じて電池反応を開始する。また、外袋１０５ｂを直に押すのではなく、装着部１０６の表面から押すことで反応を開始するようにしてもよい。（図示しない）

マグネシウム空気電池１００は、必要な電力に応じて、正極端子１０３ａや負極端子１０１ａで複数接続して使用する。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電池に比べて大きくすることができるため、軽量化しても必要な電力の確保が容易である。

次に、マグネシウム空気電池１００を、電子機器の充電器として使用する方法について説明する。

装着部１０６を手首や腕に取り付け、マグネシウム空気電池１００における負極端子１０１ａおよび正極端子１０３ａを、例えばケーブルやアダプタなどによって、充電対象となる電子機器と電気的に接続する。

電子機器は、電池から供給される電力によって動作する、携帯電話、スマートフォン、携帯型ゲーム機、タブレット端末、などである。電子機器は、充電可能な二次電池から供給される電力によって動作する。二次電池は、例えばリチウムイオン電池等である。二次電池は、電子機器を動作させる直接の電源となる。二次電池の残存容量が少なくなると、使用者はマグネシウム空気電池１００を前記の方法で電池反応を開始させ、電子機器を充電する。

このようにして、身体への装着が可能なマグネシウム空気電池を提供でき、使用者は、電子機器のみを手に持ち、充電を行ないながら電子機器を利用することができる。

（実施形態２）
実施形態１においては、マグネシウム薄板１０１をセパレータ１０２およびカソード１０３によって両側から挟み込んでいたが、実施形態２では、これを片側のみにする。片側のみにすることで、さらに構造が簡単になり、さらに軽量化することができる。

図４は、実施形態２のマグネシウム空気電池２００のうち装着部１０６を省略して示した斜視概要図である。実際に使用する際は、装着部１０６の形状、あるいは装着する部分に合わせて折り曲げて使用する。マグネシウム空気電池２００は、マグネシウム燃料体２１０と、電解液１０４を保持する電解液保持部２０５と、これらを含み身体への装着を可能にする装着部１０６（図示しない）と、を備える。マグネシウム燃料体２１０は、必要な電力に合わせて複数接続する。図５は、４つのマグネシウム燃料体２１０を直列に接続した例である。複数を接続する際は、実施形態１と同様に、マグネシウム燃料体２１０における負極端子１０１ａと、隣のマグネシウム燃料体２１０における正極端子１０３ａとを接続部１０７によって接続する。接続部１０７および、接続する方法については実施形態１と同様のため、省略する。また、装着部１０６も実施形態１と同様であり、説明を省略する。

図５は、実施形態２におけるマグネシウム燃料体２１０の側面図（ａ）および斜視図（ｂ）である。マグネシウム燃料体２１０は、図５に示すように、マグネシウム薄板１０１と、セパレータ１０２と、カソード１０３と、で構成され、この順番で重ね合わせられる。重ね合わせたうちの最も外側に位置するマグネシウム薄板１０１は、切れ込み１０１ｂを備える。切れ込み１０１ｂは、図５では矩形状だが、形状はこれに限らない。また、位置は一例であり、これに限らない。また、マグネシウム薄板１０１およびカソード１０３は、それぞれ実施形態１と同様、負極端子１０１ａおよび正極端子１０３ａを備え、外部と電気的に接続してそれぞれ負極、正極して機能する。

また、マグネシウム燃料体２１０は、マグネシウム薄板１０１とセパレータ１０２とカソード１０３とが、それぞれ密着するよう支持体２０８で固定してもよい。

支持体２０８は、マグネシウム燃料体２１０を構成するマグネシウム薄板１０１と、セパレータ１０２と、カソード１０３とを、重ね合わせてそれぞれ密着させる。支持体２０８を構成する素材としては、断熱材など、軽量かつ熱を伝えにくい素材がよい。図６は、支持体２０８の斜視図（ａ）および上からみた上面図（ｂ）である。支持体２０８の形状は様々なものが考えられるが、図６に示すように、両端にマグネシウム燃料体２１０を挟むことができるクリップ２０８ａを備えることで、マグネシウム燃料体２１０を図６（ｂ）の矢印の方向から挟みこんで固定し、また、他端のクリップ２０８ａにもマグネシウム燃料体２１０を挟み込んで複数のマグネシウム燃料体２１０の接続を容易にする。形状は一例であり、これに限らない。

電解液保持部２０５は、電解液１０４を含浸して保持する。電解液保持部２０５は、マグネシウム燃料体２１０のうち、マグネシウム薄板１０１に備わる切れ込み１０１ｂの手前に配置される。マグネシウム燃料体２１０を電解液保持部２０５に手などで押し付けて密着させることで、電解液１０４が切れ込み１０１ｂを通してセパレータ１０２に到達し、セパレータ１０２が電解液１０４を含浸して電池反応を開始する。電解液保持部２０５としては、例えばスポンジやゲル等、電解液１０４を含浸できる素材が考えられる。

次に、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７は、マグネシウム燃料体２１０と電解液保持部２０５の上面断面図を示す。電池反応を開始する前は、電解液保持部２０５とマグネシウム燃料体２１０は接触していない。（図７（ａ）参照）マグネシウム燃料体２１０を電解液保持部２０５に押し付ける（図７（ｂ））と、電解液保持部２０５に含浸された電解液１０４は、マグネシウム燃料体２１０におけるマグネシウム薄板１０１に備えられた切れ込み１０１ｂからセパレータ１０２へと浸透する。セパレータ１０２が電解液１０４を含浸すると、イオン交換が行われ、空気中の酸素を正極活物質とし、マグネシウム薄板１０１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によって起電力が生じて電池反応を開始する。

使用者は、装着部１０６を手首や腕に取り付け、マグネシウム空気電池２００における負極端子１０１ａおよび正極端子１０３ａを電子機器に接続し、前述のように電池反応を開始する。

このようにして、手首や腕へ装着可能なマグネシウム空気電池を提供でき、使用者は、電子機器のみを手に持ち、充電を行ないながら、電子機器を利用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態に限定されるものではない。

１００、２００ マグネシウム空気電池
１０１ マグネシウム薄板
１０１ａ 負極端子
１０１ｂ 切れ込み
１０２ セパレータ
１０３ カソード
１０３ａ 正極端子
１０３ｂ 留め具
１０４ 電解液
１０５、２０５ 電解液保持部
１０５ａ 内袋
１０５ｂ 外袋
１０５ｃ 穿孔機構
１０６ 装着部
１０７ 接続部
１１０、２１０ マグネシウム燃料体
２０８ 支持体
２０８ａ クリップ

Claims (9)

1. 身体への装着を可能にする装着部と、
   マグネシウムを含むマグネシウム薄板と、セパレータと、導電性を有し酸素に電子を供給するカソードと、を重ねあわせたマグネシウム燃料体と、
   内部に電解液を保持する電解液保持部と、
   を備え、
   前記セパレータが前記電解液を含浸し、イオン交換が行われることで起電力を生じ、前記マグネシウム薄板を負極活物質とし、空気中の酸素を正極活物質とするマグネシウム空気電池。
2. 前記装着部は、腕や手首へ巻き付けることで装着する筒状形状、あるいは前記筒状形状を展開した形状であって、該装着部の内部に、前記マグネシウム燃料体と、前記電解液と、前記電解液保持部とを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム空気電池。
3. 前記マグネシウム空気電池は、前記マグネシウム燃料体を少なくとも１つ備え、
   それぞれの前記マグネシウム燃料体を、自由に折り曲げ可能な導電性を有するやわらかい素材で形成される接続部によって電気的に接続する、
   ことを特徴とする請求項１から２いずれか一項に記載のマグネシウム空気電池。
4. 前記マグネシウム燃料体は、前記マグネシウム薄板と、前記マグネシウム薄板を挟み込む前記セパレータとを、前記カソードを折り曲げた内側に挟みこみ、該カソードを折り曲げた部分と反対側の開口部に前記マグネシウム薄板と前記セパレータと前記カソードとをそれぞれ密着させて固定する留め具、を備える、ことを特徴とする請求項１から３いずれか一項に記載のマグネシウム空気電池。
5. 請求項４に記載のマグネシウム空気電池において、
   前記電解液保持部は、前記セパレータを含む内袋と、前記内袋とは分離され前記内袋の外側に配され内部に前記電解液を保持する外袋と、前記内袋に穴をあける穿孔機構とを備え、前記穿孔機構によって前記内袋に穴をあけることで、前記外袋から前記内袋へ前記電解液が移動し、前記セパレータが前記電解液を含浸して、電池反応を開始する、
   ことを特徴とするマグネシウム空気電池。
6. 前記マグネシウム燃料体は、前記マグネシウム薄板と、前記セパレータと、前記カソードを、この順番に１つずつ重ね合わせ、該マグネシウム薄板が切れ込みを備え、該切れ込みの手前に前記電解液保持部が設置される、ことを特徴とする請求項１から３いずれか一項に記載のマグネシウム空気電池。
7. 請求項６に記載のマグネシウム空気電池において、
   前記電解液保持部は、前記電解液を含浸して保持し、前記マグネシウム燃料体を該電解液保持部に押し付けることで、前記セパレータが前記切れ込みを通して前記電解液を含浸して、電池反応を開始する、
   ことを特徴とするマグネシウム空気電池。
8. 前記マグネシウム空気電池は、
   前記マグネシウム薄板と、前記セパレータと、前記カソードとを、それぞれ重ね合わせて密着させる支持体を備える、
   ことを特徴とする請求項１から７いずれか一項に記載のマグネシウム空気電池。
9. 前記マグネシウム空気電池は、前記電解液保持部を１つ備え、複数の前記マグネシウム燃料体で共用する、ことを特徴とする請求項１から８いずれか一項に記載のマグネシウム空気電池
   
   
   
   
   
   
   
   

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