JP2022166341A - Charge transfer type primary battery - Google Patents

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Katsuya Tazaki
健也 柳原
Takeya Yanagihara
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Abstract

To provide a primary battery using electrodes capable of efficiently extracting electrical energy and usable over a long period of time.SOLUTION: The primary battery of the present invention uses a coated electrode, in which a film including a layered compound is formed on a metal for at least one of a positive electrode (cathode electrode) and a negative electrode (anode electrode). The layered compound is used here as a generic term for materials with an intercalation function and includes microporous crystals and porous coordination polymers with a fixed pore structure in a three-dimensional framework. The layered compounds preferably include graphite and Prussian blue or Prussian blue analogs.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電気エネルギーを取り出すことができる一次電池の電極に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a primary battery electrode from which electrical energy can be extracted.

携帯電話やノート型パソコン、電子玩具など電子機器では、電源として電池が幅広く使用されている。電池にはマンガン電池やアルカリ電池などが広く利用されているが、現在、金属材料を電極に使用した亜鉛電池、アルミニウム電池、マグネシウム電池等が開発されている。また、自然界から電気エネルギーを取り出すことができる微生物燃料電池も、取り出せる電気エネルギーは僅かではあるが、自然に適合し、環境にやさしい自然エネルギーとして注目されている。 Batteries are widely used as power sources in electronic devices such as mobile phones, laptop computers, and electronic toys. Manganese batteries, alkaline batteries, and the like are widely used as batteries, and zinc batteries, aluminum batteries, magnesium batteries, and the like using metal materials as electrodes are currently being developed. Microbial fuel cells, which can extract electric energy from the natural world, are attracting attention as natural energy that is compatible with nature and friendly to the environment, although the amount of electric energy that can be extracted is small.

なお、以下の説明で正極とカソード電極(又はカソード)、負極とアノード電極(又はアノード)の言葉は、業界により標準的に使用されている言葉が違うため、混在しているが、基本的には同じ意味で使用している。また、二次電池は電流の向きが充電時と放電時では逆になるため、カソード電極とアノード電極は同じ電極でも意味が逆になる場合もある。 In the following description, the terms positive electrode and cathode electrode (or cathode), and negative electrode and anode electrode (or anode) are mixed because the terms used as standard are different depending on the industry. are used interchangeably. In addition, since the direction of current in a secondary battery is reversed during charging and during discharging, even if the cathode electrode and the anode electrode are the same electrode, their meanings may be reversed.

亜鉛電池は負極に亜鉛または亜鉛合金が用いられ、高容量化や高電圧化が求められる一方、より長時間の使用が要望されている。 A zinc battery uses zinc or a zinc alloy for the negative electrode, and is required to have a high capacity and a high voltage, but is also required to be used for a longer period of time.

特許文献1には、電池のサイクル寿命および保存可能期間が向上する技術が開示されている。充電式亜鉛アルカリ電気化学電池の負極活性物質は、スズおよび/または鉛で被覆された金属亜鉛粒子から形成される。その後、残りの亜鉛電極構成成分、たとえば、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ビスマス(Bi)、分散剤および結合剤を加える。これにより。従来の電池に比べて、60~80%も水素ガスの発生が起こりにくくなり、亜鉛導電性マトリックスが元の状態のまま損なわれず、保存時の放電を抑制できる。これにより、電池のサイクル寿命および保存可能期間が向上する。 Patent Literature 1 discloses a technique for improving the cycle life and shelf life of a battery. The negative electrode active material for rechargeable zinc-alkaline electrochemical cells is formed from metallic zinc particles coated with tin and/or lead. Thereafter, the remaining zinc electrode components, such as zinc oxide (ZnO), bismuth oxide ( Bi2O3) , dispersant and binder are added. By this. Compared to conventional batteries, generation of hydrogen gas is 60 to 80% less likely to occur, the zinc conductive matrix is preserved in its original state, and discharge during storage can be suppressed. This improves the cycle life and shelf life of the battery.

特許文献2には、電池の負極にアルミニウムを用いても、高電圧、高寿命かつ低コストの電池を得る技術が開示されている。アルミニウム電池は、正極と負極との間に電解質を有し、負極のアルミニウム電極に接触している電解質中に分散された粘土鉱物を有するアルミニウム電池、または正極と負極との間に電解質を有し、負極のアルミニウム電極に接触している粘土鉱物の層を有する。 Patent Document 2 discloses a technique for obtaining a high-voltage, long-life, low-cost battery even when aluminum is used for the negative electrode of the battery. Aluminum batteries have an electrolyte between the positive and negative electrodes and clay minerals dispersed in the electrolyte in contact with the negative aluminum electrode, or have an electrolyte between the positive and negative electrodes. , with a layer of clay mineral in contact with the negative aluminum electrode.

特許文献3には、マグネシウム電池の長寿命化を図ることができる技術が開示されている。マグネシウム電池は、負極にマグネシウムを使用している。負極は、薄板状アルミニウムの導電板の両面に薄膜状マグネシウムの負極材を接合した構成を有している。負極材は、1.5~2.5重量%のカルシウムが添加されたマグネシウムからなっている。 Patent Literature 3 discloses a technique capable of extending the life of a magnesium battery. Magnesium batteries use magnesium for the negative electrode. The negative electrode has a configuration in which thin film magnesium negative electrode material is bonded to both surfaces of a thin aluminum conductive plate. The anode material consists of magnesium doped with 1.5-2.5% by weight of calcium.

微生物燃料電池は、微生物の異化代謝能を利用して有機物から電力を生産するシステムである。ヘドロは、産業排水及び家庭排水等に含まれる有機物が泥と共に、川底及び海底に堆積しているが、微生物によりヘドロ中の有機物を分解するバイオマス処理すると、水素イオンと電子が発生して電力という形で直接電気エネルギーを回収できる。微生物燃料電池において,微生物から放出された電子はアノード電極(負極)へと受け渡される。電子はアノード電極から外部負荷を経てカソード電極(正極)へと移動し,そこで酸化剤(電子受容体)となる化合物およびアノード側から拡散してきた水素イオン(H+)と反応する。このため、アノード電極とカソード電極の間に負荷を接続することにより電気回路として機能する。 A microbial fuel cell is a system that uses the catabolic ability of microorganisms to produce electricity from organic matter. Sludge consists of organic substances contained in industrial and domestic wastewater, etc., which are deposited together with mud on the bottom of rivers and seas. Biomass treatment, in which the organic substances in sludge are decomposed by microorganisms, generates hydrogen ions and electrons, generating electricity. Electric energy can be recovered directly in the form of In a microbial fuel cell, electrons emitted from microorganisms are transferred to an anode electrode (negative electrode). Electrons move from the anode electrode through an external load to the cathode electrode (positive electrode), where they react with a compound that serves as an oxidant (electron acceptor) and hydrogen ions (H+) diffused from the anode side. Therefore, it functions as an electric circuit by connecting a load between the anode electrode and the cathode electrode.

特許文献4では、電力生産力を向上させると共に発電コストを抑制することのできる微生物燃料電池、微生物燃料電池用電極およびその製造方法、微生物を利用した電力生産方法及びその電力生産方法に用いられる微生物の選択的培養方法を開示されている。有機性物質を含む液体とアノード電極とを有し、嫌気雰囲気下で微生物により有機性物質を生分解するアノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極を電気的に接続する外部回路とを備え、アノード電極は、グラフェンを備えている。アノード電極に備えられたグラフェンは、優れた電子伝導材料であるので、グラフェンによって微生物から負極までの電子伝達を容易にすることができ、電力生産量を向上させることができるとしている。 In Patent Document 4, a microbial fuel cell capable of improving power productivity and suppressing power generation costs, an electrode for a microbial fuel cell, a method for producing the same, a method for producing power using microorganisms, and a microorganism used in the method for producing power A method for the selective culturing of is disclosed. An anode electrode having a liquid containing an organic substance and an anode electrode, wherein the organic substance is biodegraded by microorganisms in an anaerobic atmosphere, a cathode electrode, and an external circuit electrically connecting the anode electrode and the cathode electrode. and the anode electrode comprises graphene. Graphene provided in the anode electrode is an excellent electron-conducting material, so graphene can facilitate electron transfer from microorganisms to the negative electrode, which can improve power production.

特許文献5では、微生物燃料電池において高出力電流を発生することが可能な微生物燃料電池用電極とそれを用いた微生物燃料電池が開示されている。微生物燃料電池のアノード電極として、電極基盤表面に導電性ポリマーによりナノワイヤ構造を形成させて電極表面積を増大させている。これにより、微生物から電極への電荷移動効率が、従来の微生物燃料電池用電極と比較して10倍~100倍も増大することを見出している。 Patent Document 5 discloses a microbial fuel cell electrode capable of generating a high output current in a microbial fuel cell and a microbial fuel cell using the same. As an anode electrode for a microbial fuel cell, a nanowire structure is formed on the surface of the electrode substrate with a conductive polymer to increase the surface area of the electrode. As a result, the efficiency of charge transfer from microorganisms to electrodes is found to be increased by 10 to 100 times compared to conventional electrodes for microbial fuel cells.

特開2012-527733号公報JP 2012-527733 A 特開2018-041670号公報JP 2018-041670 A 特開2017-188483号公報JP 2017-188483 A 国際公開2013/073284号WO2013/073284 国際公開2011/025021号WO2011/025021

従来の亜鉛電池、アルミニウム電池やマグネシウム電池等の一次電池は、化学反応を利用しており、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムおよびそれらの合金類は、化学反応により溶解し小さくなっていく。このため、特性の劣化は避けられず、寿命が大きな課題となっている。 Conventional primary batteries such as zinc batteries, aluminum batteries, and magnesium batteries utilize chemical reactions, and zinc, aluminum, magnesium, and alloys thereof dissolve and become smaller due to chemical reactions. For this reason, the deterioration of characteristics is inevitable, and life is a major issue.

微生物燃料電池では、取り出せる電力が著しく少なく、電圧も太陽電池に比べて低く、実用化に際して更なる高電圧化、電力生産量の向上が必要であるという課題があった。 Microbial fuel cells have the problem that the amount of power that can be extracted is remarkably small, and the voltage is also lower than that of solar cells.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電気エネルギーを効率よく取り出し、長期に使用できる電極を使用した一次電池を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a primary battery using an electrode that can efficiently extract electric energy and can be used for a long period of time.

本発明は、以下の手段により電極の長寿命化を図っている。 The present invention attempts to extend the life of the electrode by the following means.

(1)本発明の一次電池は、金属に層状化合物を含んだ被膜が形成されているコーティング電極を、少なくとも正極(カソード電極)又は負極(アノード電極)のいずれか一方の電極に使用したことを特徴とする。ここで層状化合物は、インターカレーション機能を有する物質の総称として使用しており、三次元骨格で細孔構造が固定化されたマイクロポーラスクリスタル、多孔性配位高分子を含む。 (1) In the primary battery of the present invention, a coated electrode in which a film containing a layered compound is formed on a metal is used as at least one of the positive electrode (cathode electrode) and the negative electrode (anode electrode). Characterized by Here, the layered compound is used as a general term for substances having an intercalation function, and includes microporous crystals and porous coordination polymers in which a pore structure is fixed in a three-dimensional skeleton.

(2)本発明の(1)に記載の一次電池において、金属は、銅,亜鉛または亜鉛合金,アルミニウムまたはアルミニウム合金,マグネシウムまたはマグネシウム合金であること、が好ましい。 (2) In the primary battery described in (1) of the present invention, the metal is preferably copper, zinc or a zinc alloy, aluminum or an aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy.

(3)本発明の(1)に記載の一次電池において、層状化合物は、黒鉛,プルシアンブルーまたはプルシアンブルー類似体であること、が好ましい。 (3) In the primary battery according to (1) of the present invention, the layered compound is preferably graphite, Prussian blue, or a Prussian blue analogue.

(4)本発明の(1)に記載の一次電池において、被膜には導電材が含まれていること、が好ましい。 (4) In the primary battery according to (1) of the present invention, it is preferable that the film contains a conductive material.

(5)本発明の(1)に記載の一次電池は、導電材は、グラファイト,カーボンナノチューブ,カーボンブラック,活性炭,ケッチェンブラック,フラーレン,木炭の微粉末の1又は1以上の混合物であること、が好ましい。 (5) In the primary battery described in (1) of the present invention, the conductive material is one or a mixture of one or more of fine powder of graphite, carbon nanotube, carbon black, activated carbon, ketjen black, fullerene, and charcoal. , is preferred.

(6)本発明の(1)に記載の一次電池において、被膜は、層状化合物と導電材と結合剤が混合されて金属にコーティングされていること、が好ましい。 (6) In the primary battery described in (1) of the present invention, it is preferable that the layered compound, the conductive material, and the binder are mixed and coated on the metal.

(7)本発明の(6)に記載の一次電池において、コーティング電極は、透水性の高分子フィルムに包まれていること、が好ましい。 (7) In the primary battery described in (6) of the present invention, the coated electrode is preferably wrapped with a water-permeable polymer film.

(8)本発明の(1)に記載の一次電池は、カーボンを材料とするカーボン電極と、植物由来の有機物又は肥料を含んだ電解質と、コーティング電極とで構成されていること、が好ましい。 (8) The primary battery according to (1) of the present invention preferably comprises a carbon electrode made of carbon, an electrolyte containing plant-derived organic matter or fertilizer, and a coated electrode.

(9)本発明の(8)に記載の一次電池において、電解質は、土壌に肥料を混入していること、が好ましい。 (9) In the primary battery described in (8) of the present invention, it is preferable that the electrolyte is mixed with fertilizer in the soil.

(10)本発明の(8)に記載の一次電池において、電解質は、肥料の水溶液であること、が好ましい。 (10) In the primary battery described in (8) of the present invention, the electrolyte is preferably an aqueous solution of fertilizer.

(11)本発明の(8)に記載の一次電池において、電解質は、土壌領域と水領域で構成されていること、が好ましい。 (11) In the primary battery described in (8) of the present invention, the electrolyte preferably comprises a soil region and a water region.

(1)一次電池は、正極(カソード電極)、負極(アノード電極)と電解質で構成されるが、電極に金属を用いた場合は、腐食の問題がつきまとう。さらに、電気エネルギーは、金属の化学反応を利用しているため、寿命の問題もある。また、微生物燃料電池は、カーボンフェルトが使用されているが、カソード電極とアノード電極に同じ材料が使用されているため、電圧や電流が少なくなってしまう。 (1) A primary battery is composed of a positive electrode (cathode electrode), a negative electrode (anode electrode), and an electrolyte. When metal is used for the electrodes, there is a problem of corrosion. Furthermore, since electrical energy uses chemical reactions of metals, there is also the problem of life span. Further, although carbon felt is used in the microbial fuel cell, the same material is used for the cathode electrode and the anode electrode, so the voltage and current are reduced.

本発明では、金属電極に層状化合物を含んだ被膜が形成されているので、電気エネルギーは、化学反応からインターカレーション現象を利用した電荷移動反応とすることができる。このため、金属の化学反応を生成せず、溶解しないので寿命の問題が解決できる。また、層状化合物は金属では無いため、腐食の問題も生じない。さらに、インターカレーション現象を利用しているため、電流容量の増大も可能である。電圧は、イオン化傾向、即ち金属の酸化還元電位に依存しているため、イオン化傾向が大きいほど電圧が高くとれる。 In the present invention, since the film containing the layered compound is formed on the metal electrode, the electric energy can be changed from chemical reaction to charge transfer reaction utilizing intercalation phenomenon. Therefore, the problem of service life can be solved because the chemical reaction of the metal does not occur and the metal does not dissolve. Also, since the layered compound is not a metal, there is no problem of corrosion. Furthermore, since the intercalation phenomenon is used, it is possible to increase the current capacity. Since the voltage depends on the ionization tendency, that is, the oxidation-reduction potential of the metal, the higher the ionization tendency, the higher the voltage.

微生物燃料電池においては、アノード電極としてカーボンフェルトが使用されている。このアノード電極を、酸化還元電位がマイナスの金属に、層状化合物を含んだ被膜を形成して使用すれば、電圧、電流とも大幅な増加が可能となる。 Carbon felt is used as the anode electrode in microbial fuel cells. If this anode electrode is used by forming a film containing a layered compound on a metal having a negative oxidation-reduction potential, it is possible to greatly increase both voltage and current.

(2)金属は、銅,亜鉛または亜鉛合金,アルミニウムまたはアルミニウム合金,マグネシウムまたはマグネシウム合金が好ましい。酸化還元電位は、銅が+0.34V、亜鉛が-0.76V、アルミニウムが-1.68V、マグネシウムが-2.34Vである。この酸化還元電位に依存して発生電圧が決まる。酸化還元電位がプラスの銅は正極に、酸化還元電位がマイナスの亜鉛,アルミニウム,マグネシウム等は負極に使用することが好ましい。 (2) The metal is preferably copper, zinc or a zinc alloy, aluminum or an aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy. The redox potentials are +0.34V for copper, -0.76V for zinc, -1.68V for aluminum and -2.34V for magnesium. The generated voltage is determined depending on this oxidation-reduction potential. It is preferable to use copper, which has a positive redox potential, for the positive electrode, and zinc, aluminum, magnesium, etc., which have a negative redox potential, for the negative electrode.

(3)層状化合物は、黒鉛,プルシアンブルーまたはプルシアンブルー類似体であることが好ましく、インターカレーション機能を持っていることが必要である。インターカレーションは分子または分子集団の空隙に他の元素が侵入する可逆反応である。黒鉛は酸化還元電位がプラスの銅に、プルシアンブルーまたはプルシアンブルー類似体は酸化還元電位がマイナスの亜鉛,アルミニウム,マグネシウム等が金属表面にコーティングされていることが好ましい。層状化合物のコーティングは、金属の化学反応を抑制し、インターカレーション機能により、電荷移動反応に代えることができる。 (3) The layered compound is preferably graphite, Prussian blue, or a Prussian blue analogue, and must have an intercalation function. Intercalation is a reversible reaction in which other elements enter the voids of a molecule or group of molecules. Graphite is preferably coated with copper having a positive redox potential, and Prussian blue or a Prussian blue analog is preferably coated with zinc, aluminum, magnesium or the like with a negative redox potential on the metal surface. Layered compound coatings can suppress metal chemical reactions and replace charge transfer reactions with intercalation functions.

(4)金属の表面に形成される被膜には、導電材が含まれていることが好ましい。特にプルシアンブルー及びプルシアンブルー類似体は導電性がなく、導電材を含ませることが必要であり、導電材により電子の移動が可能となるため、電流を取り出すことができる。 (4) The film formed on the surface of the metal preferably contains a conductive material. In particular, Prussian blue and Prussian blue analogues have no electrical conductivity, so it is necessary to contain a conductive material. The conductive material allows electrons to move, so that current can be extracted.

(5)導電材は、グラファイト,カーボンナノチューブ,カーボンブラック,活性炭,ケッチェンブラック,フラーレン,木炭の微粉末の1又は1以上の混合物であることが好ましい。これらの導電材は、カーボン系であり、抵抗が小さく電子を通しやすい。 (5) The conductive material is preferably one or a mixture of one or more fine powders of graphite, carbon nanotube, carbon black, activated carbon, ketjen black, fullerene, and charcoal. These conductive materials are carbon-based, have low resistance, and easily pass electrons.

(6)被膜は、層状化合物と導電材が混合されて金属にコーティングされていることが好ましい。コーティングの前に、層状化合物と導電材と結合剤を混合して十分に攪拌して均一な分散状態として、コーティングすることで、被膜も均一な皮膜となる。 (6) The film is preferably a mixture of a layered compound and a conductive material and coated on a metal. Prior to coating, the layered compound, the conductive material and the binder are mixed and thoroughly stirred to form a uniformly dispersed state, which is then coated to form a uniform coating.

(7)コーティング電極を透水性の高分子フィルムで包むことにより、コーティング電極と電解質間は、電解質における電荷の移動のみを行うことができる。また、コーティング電極交換の際には、高分子フィルムで包まれたコーティング電極を、残渣物を含めて取り除くことができ、電解質に残渣物が残らず、容易に交換できる。 (7) By wrapping the coated electrode with a water-permeable polymer film, only charge transfer in the electrolyte can be performed between the coated electrode and the electrolyte. Moreover, when replacing the coated electrode, the coated electrode wrapped with the polymer film can be removed including the residue, and the electrolyte can be easily replaced without leaving any residue.

(8)電池を、カーボンを材料とするカーボン電極と、又は肥料を含んだ電解質と、コーティング電極とで構成することができる。電解質を、有機物又は肥料を含ませることにより、主に微生物燃料電池の大幅な性能向上に効果がある。 (8) The battery can be composed of a carbon electrode made of carbon, or an electrolyte containing fertilizer, and a coated electrode. Incorporating organic matter or fertilizer into the electrolyte is effective in greatly improving the performance of the microbial fuel cell.

(9)電解質は、土壌に肥料を混入していることが好ましい。植物由来の有機物は、地上に落ち葉が積もって発酵し腐葉土となった土壌であり、植物由来の有機物が存在している。この有機物を電流発生菌、例えばシュワネラキンが分解して、水素イオンと電子を発生させる。さらに肥料の成分、例えばカリウムやマグネシウムを加えることにより、移動する電荷が増大し、取得する電力が増加する効果がある。 (9) The electrolyte is preferably mixed with fertilizer in the soil. Plant-derived organic matter is soil that has fallen leaves piled up on the ground and fermented to become leaf mulch, and plant-derived organic matter is present. This organic matter is decomposed by electrogenic bacteria such as schwanellakin to generate hydrogen ions and electrons. Furthermore, the addition of fertilizer components such as potassium and magnesium has the effect of increasing the amount of charge that moves and increasing the power that can be obtained.

(10)電解質は、肥料の水溶液であってもよく、肥料の成分であるカリウムやマグネシウムにより電気エネルギーを取得できる効果がある。 (10) The electrolyte may be an aqueous solution of fertilizer, and has the effect of being able to acquire electrical energy from potassium and magnesium, which are components of the fertilizer.

(11)電解質は、土壌領域と水領域で構成されていてもよく、例えば水田や湿地等での電気エネルギーの取得が可能となる。 (11) The electrolyte may be composed of a soil region and a water region, enabling the acquisition of electrical energy in, for example, paddy fields and wetlands.

電荷移動型一次電池に用いるコーティング電極の断面を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a cross section of a coated electrode used in a charge transfer primary battery; マグネシウム空気電池の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of a magnesium air battery. 本発明による電荷移動型一次電池を説明する図である。It is a figure explaining the charge transfer type|mold primary battery by this invention. 土壌に植物を植え、アノード電極とカソード電極を埋め込んだ微生物燃料電池を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a microbial fuel cell in which plants are planted in soil and an anode electrode and a cathode electrode are embedded; 電解質を土壌領域と水領域で構成した微生物燃料電池の類型である田んぼ発電を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating rice field power generation, which is a type of microbial fuel cell in which the electrolyte is composed of a soil region and a water region. アノード電極として試作したコーティング電極の試作例を示している。An example of a trial production of a coated electrode produced as an anode electrode is shown. コーティング電極の機能を確認する実験装置Aである。Experimental device A for confirming the function of the coating electrode. 花を植えた植木鉢に、電極を埋め込んで電気エネルギーを取り出し、イルミネーションを点灯させる実験装置Bを示す図である。Fig. 10 is a diagram showing an experimental device B in which electrodes are embedded in a flower pot in which flowers are planted, and electrical energy is extracted to turn on illumination.

電池には一次電池と二次電池がある。一次電池は、カソード(正極)とアノード(負極)が電解質(化学物質)を挟んだセル構造であり、原理的には、セル内に存在する化学物質を電極との不可逆的な化学反応によっているため、非充電式である。化学反応は、電極とセル内に存在する化学物質との反応であり、電極は化学反応によって溶解する。電極又は化学物質のすべてが使用されると発電は終了する。 Batteries include primary batteries and secondary batteries. A primary battery has a cell structure in which an electrolyte (chemical substance) is sandwiched between a cathode (positive electrode) and an anode (negative electrode). Therefore, it is non-rechargeable. The chemical reaction is the reaction between the electrode and the chemicals present in the cell, and the electrode dissolves due to the chemical reaction. Power generation ends when all of the electrodes or chemicals are used.

一次電池の起電力は、カソードとアノードのイオン化傾向の差である。イオン化傾向を表す酸化還元電位が、カソードとアノードとで差が大きいほど大きな起電力が得られる。一次電池の例としては、電極材に二酸化マンガンと亜鉛を使用したマンガン乾電池やアルカリ乾電池がある。マンガン乾電池の電解質は主に塩化亜鉛溶液であり、アルカリ乾電池の電解質は水酸化カリウム溶液である。 The electromotive force of a primary cell is the difference between the ionization tendencies of the cathode and anode. A larger electromotive force can be obtained as the difference between the oxidation-reduction potential, which indicates the ionization tendency, between the cathode and the anode is larger. Examples of primary batteries include manganese dry batteries using manganese dioxide and zinc as electrode materials, and alkaline dry batteries. The electrolyte of manganese dry batteries is mainly zinc chloride solution, and the electrolyte of alkaline dry batteries is potassium hydroxide solution.

リチウム一次電池は、アノードの電極材料にイオン化傾向の大きいリチウムを使い、カソードの電極材料として、二酸化マンガン、フッ化黒鉛、塩化チオニル等を使用している。安価な二酸化マンガンを使った出力電圧が3Vのものが主流であるが、フッ化黒鉛、塩化チオニル等を使った出力電圧が3.6Vのものもある。 Lithium primary batteries use lithium, which has a high ionization tendency, as an anode electrode material, and manganese dioxide, graphite fluoride, thionyl chloride, or the like as a cathode electrode material. Most of them use inexpensive manganese dioxide and have an output voltage of 3V, but there are also those that use graphite fluoride, thionyl chloride, etc. and have an output voltage of 3.6V.

マグネシウム一次電池は、現在非常用の電池として実用化されている。アノードの電極材料にマグネシウムを使い、カソードの電極材料としてカーボンを使用している。電解質として塩化ナトリウム水溶液を使用するため、一度マグネシウムが塩化ナトリウム水溶液にさらされると浸蝕が発生する。このため、マグネシウムにアルミニウムや亜鉛等を添加して耐食性を向上させているが十分ではなく、現状では非常用の使い切りタイプに限定されている。 Magnesium primary batteries are currently in practical use as emergency batteries. Magnesium is used as the anode electrode material, and carbon is used as the cathode electrode material. Since an aqueous sodium chloride solution is used as the electrolyte, corrosion occurs once the magnesium is exposed to the aqueous sodium chloride solution. For this reason, the corrosion resistance is improved by adding aluminum, zinc, etc. to magnesium, but it is not sufficient, and at present, it is limited to a single-use type for emergency use.

電極材料の化学反応を伴わない一次電池としては、燃料電池及び微生物燃料電池がある。燃料電池は、水の電気分解の逆で、水素と酸素により水をつくり、その過程で生じる電気を取り出す。燃料極において、水素燃料を供給することで触媒反応より水素イオン(H)と電子(e)を取り出す。電解質は、例えばリン酸(HPO)水溶液であり、イオンは通すが電子を通さない物質の為、水素イオン(H)は電解質を通り、空気極に移動する。 Primary cells that do not involve chemical reactions of electrode materials include fuel cells and microbial fuel cells. A fuel cell is the reverse of electrolysis of water, in which water is produced from hydrogen and oxygen and the electricity generated in the process is extracted. At the fuel electrode, hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) are extracted from the catalytic reaction by supplying hydrogen fuel. The electrolyte is, for example, an aqueous solution of phosphoric acid (H 3 PO 4 ), which allows ions to pass but does not allow electrons to pass, so hydrogen ions (H + ) pass through the electrolyte and move to the air electrode.

電子は、電解質に阻まれ移動できないので、外部に取り出すことで、電気を発生させることができる。空気極では、空気中の酸素を供給することで触媒反応により、酸素(O)が酸素原子2個に分離する。この酸素原子に移動した電子と電解質を通ってきた水素イオンが結合することより、水(HO)ができる。 Electrons cannot move because they are blocked by the electrolyte, so electricity can be generated by taking them out. At the air electrode, by supplying oxygen in the air, oxygen (O 2 ) is separated into two oxygen atoms by a catalytic reaction. Water (H 2 O) is produced by combining the electrons that have moved to the oxygen atoms with the hydrogen ions that have passed through the electrolyte.

微生物燃料電池は、微生物の代謝能力を利用して有機物などを電気エネルギーに変換する。微生物燃料電池の燃料となる有機物は、落ち葉等が発酵したり、植物の光合成により生成されて根から排出されたりした糖分等である。負極(アノード)では、有機物が電流発生菌と呼ばれる微生物(例えばシュワネラ菌)により酸化分解される時に発生する電子を回収する。 Microbial fuel cells use the metabolic ability of microorganisms to convert organic matter into electrical energy. The organic substances that serve as fuel for the microbial fuel cell are fermented fallen leaves and the like, and sugars produced by photosynthesis of plants and discharged from the roots. At the negative electrode (anode), electrons generated when organic matter is oxidatively decomposed by microorganisms called galvanogenic bacteria (for example, Shewanella bacteria) are recovered.

その電子は外部回路を経由して正極(カソード)に移動し、正極で酸化剤の還元反応、即ち空気中の酸素により消費され水となる。このため、正極はエアカソードとも呼ばれている。汚水や汚泥などの有機物を燃料として用いることができ、発電と同時に有機廃棄物の処理や水質改善などの環境浄化にも応用可能である。電極の材料は、正極、負極とも主にカーボンフェルトが使用されており、取り出せる電気エネルギーも小さい。 The electrons move to the positive electrode (cathode) via an external circuit, where they are consumed by the reduction reaction of the oxidant, that is, oxygen in the air to become water. For this reason, the positive electrode is also called an air cathode. Organic substances such as sewage and sludge can be used as fuel, and at the same time as power generation, it can also be applied to environmental purification such as treatment of organic waste and improvement of water quality. Carbon felt is mainly used as the electrode material for both the positive and negative electrodes, and the electrical energy that can be extracted is small.

一次電池の一種である再生可能エネルギーとしては、太陽光発電や風力発電等がある。現在は太陽光発電が主流であり、COを発生せず、地球温暖化対策の重要なエネルギーに位置付けられている。太陽光発電は、太陽光をエネルギー源としているため、当然ながら、太陽光の当たらない場所や夜間は発電しない。風力発電も風を利用しているので、まさに風任せの不安定なエネルギーであり、設置場所も限られる。 Renewable energy, which is a type of primary battery, includes solar power generation, wind power generation, and the like. At present, photovoltaic power generation is the mainstream, does not generate CO2 , and is positioned as an important energy for global warming countermeasures. Since solar power generation uses sunlight as an energy source, it naturally does not generate electricity in places where sunlight does not hit or at night. Wind power generation also uses the wind, so it is an unstable energy that depends on the wind, and the installation location is limited.

二次電池は、繰り返し充放電可能なことが要求され、可逆的な化学反応を伴う二次電池は繰り返し電極材料を析出・溶解することが難しく、例えばリチウムイオン電池のように、正極と負極の間で電荷を移動させる電荷移動型が主流である。電荷移動型は、充電時は、外部からの電圧印加により正極に電荷を蓄積し、使用時は、正極に蓄積された電荷を電解質内で負極に移動させて、外部回路には電子を流す方式である。 Secondary batteries are required to be able to be charged and discharged repeatedly, and it is difficult for secondary batteries that involve reversible chemical reactions to deposit and dissolve electrode materials repeatedly. The charge transfer type, in which charges are transferred between them, is the mainstream. In the charge transfer type, when charging, electric charge is accumulated in the positive electrode by applying a voltage from the outside, and when in use, the electric charge accumulated in the positive electrode is transferred to the negative electrode in the electrolyte, and electrons flow to the external circuit. is.

二次電池の例としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池がある。ニッケル水素電池は、正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金を使った電池である。水素吸蔵合金は、体積の1000倍もの水素を蓄えられる金属である。電解液には水酸化カリウム水溶液などのアルカリ溶液が使用されている。充電時は、水素吸蔵合金へ水素を蓄積し、放電時は水素吸蔵合金に蓄積された水素を放出する。ニッケル水素電池の電圧は、1.2Vとニッカド電池と同じであるが、約2倍の電気容量を持っている。 Examples of secondary batteries include nickel-metal hydride batteries and lithium-ion batteries. A nickel-metal hydride battery is a battery that uses nickel hydroxide for the positive electrode and a hydrogen absorbing alloy for the negative electrode. A hydrogen storage alloy is a metal that can store hydrogen up to 1000 times its volume. An alkaline solution such as an aqueous potassium hydroxide solution is used as the electrolyte. During charging, hydrogen is accumulated in the hydrogen-absorbing alloy, and during discharging, hydrogen accumulated in the hydrogen-absorbing alloy is released. Nickel metal hydride batteries have a voltage of 1.2 V, which is the same as nickel cadmium batteries, but have about twice the electric capacity.

リチウムイオン電池は、インターカレーション現象を利用した高電圧大容量を特徴とする代表的な二次電池であり、現在の主流を占めている。正極、負極ともインターカレーション機能を有する層状化合物が使用されており、正極はコバルト酸リチウムと焦電体にアルミニウム、負極は黒鉛(グラファイト)と焦電体に銅が使用されているのが代表的な例である。 Lithium ion batteries are typical secondary batteries characterized by high voltage and large capacity utilizing the intercalation phenomenon, and occupy the current mainstream. A layered compound with an intercalation function is used for both the positive electrode and the negative electrode. Typically, the positive electrode uses lithium cobalt oxide and the pyroelectric material is aluminum, while the negative electrode uses graphite and the pyroelectric material is copper. This is a typical example.

コバルト酸リチウムは酸化複合物とも呼ばれ、コバルトはコストが高いことから、コストをより抑えられるマンガン酸リチウム(LiMn)系、ニッケル酸リチウム(LiNiO)系、リン酸鉄リチウム(LiFePO)系なども用いられている。電解質(電解液)に高い導電率と安全性を与えるため、炭酸エチレン・炭酸プロピレンなどの環状炭酸エステル系高誘電率・高沸点溶媒に、低粘性率溶媒である炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル等の低級鎖状炭酸エステルなども用いられている。 Lithium cobalt oxide is also called an oxide compound, and since cobalt is expensive, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) based, lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) based, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) system is also used. In order to give high conductivity and safety to the electrolyte (electrolytic solution), cyclic carbonate-based high dielectric constant and high boiling point solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate are mixed with low viscosity solvents such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and carbonate. Lower chain carbonates such as diethyl are also used.

以上、一次電池と二次電池について概観したが、一次電池は化学反応、二次電池は電荷移動反応が主な原理である。これらは化学電池に分類されているが、一次電池としては、物理電池もあり、太陽光発電、風力発電、水力発電等があり、電解質(燃料)を継続的に供給する燃料電池もある。 The primary battery and the secondary battery have been overviewed above. The main principle of the primary battery is a chemical reaction, and the secondary battery is based on a charge transfer reaction. These are classified as chemical batteries, but primary batteries include physical batteries, solar power generation, wind power generation, hydraulic power generation, etc., and fuel cells that continuously supply electrolyte (fuel).

化学電池としての一次電池は、起電力に金属電極のイオン化傾向の差を利用しているが、電流の発生は金属の化学反応を用いて溶解させているため、自ずと寿命に限界がある。二次電池は、繰り返し使用可能であるが、最初は外部からの電気エネルギーによる充電である。COを排出しない再生可能エネルギーとして注目されている太陽光発電や風力発電は、安定に電力を供給することができず、太陽光発電は太陽光が照射されているときに限られ、風力発電も風が吹いているときに限られる。燃料電池は継続的な電気エネルギーの供給が可能であるが、単位セルでの電圧が低く、特に微生物燃料電池は電流容量が少ない。 A primary battery, which is a chemical battery, uses the difference in ionization tendency of metal electrodes to generate electromotive force, but the current is generated by dissolving the metal using a chemical reaction, so there is a natural limit to the life of the battery. A secondary battery can be used repeatedly, but is initially charged with electric energy from the outside. Solar power generation and wind power generation, which are attracting attention as renewable energies that do not emit CO2 , cannot supply electricity stably. only when the wind is blowing. Fuel cells can supply continuous electrical energy, but the voltage in a unit cell is low, and the current capacity of microbial fuel cells in particular is low.

これらの問題点を解決するために、新たに考案したのが電荷移動型一次電池である。 In order to solve these problems, a charge transfer type primary battery was newly devised.

電荷移動型一次電池は、起電力に金属のイオン化傾向の差を利用する。金属電極にはインターカレーション機能を有する層状化合物をコーティングする。インターカレーションは、分子または分子集団の空隙に他の元素が侵入する可逆反応である。侵入した物質はインターカレーターやインターカラントと呼ばれ、電解質(電解液)に存在する電荷が、インターカレーション現象により、イオン化傾向の差による起電力でアノード(負極)に蓄積される。 A charge transfer primary battery utilizes the difference in the ionization tendency of metals for the electromotive force. A layered compound having an intercalation function is coated on the metal electrode. Intercalation is a reversible reaction in which other elements enter the voids of a molecule or group of molecules. The intruding substance is called an intercalator or an intercalant, and the charge present in the electrolyte (electrolytic solution) is accumulated in the anode (negative electrode) by the electromotive force due to the difference in ionization tendency due to the intercalation phenomenon.

電池の使用時(放電時)は、アノードに蓄積されたインターカレーターとしての電荷、おそらく電解質中の電荷も含めて、カソード(正極)側に移動するとともに電子が外部回路を介してカソード側に流れ、空気中の酸素あるいは電解質中の溶存酸素と反応する。 When the battery is in use (discharging), the charge accumulated in the anode as an intercalator, possibly including the charge in the electrolyte, moves to the cathode (positive electrode) side, and electrons flow to the cathode side through an external circuit. , reacts with oxygen in the air or dissolved oxygen in electrolytes.

電解質中の電荷は使い切ると電気エネルギーを出さなくなり、電解質を新たな電解質と入れ替えることにより繰り返し使えるようになる。また、燃料電池のように電解質を供給しながら使えば、継続的な使用が可能となる。詳細な電荷移動型一次電池の構造は後述するものとして、まずは層状化合物をコーティングしたコーティング電極について説明する。 When the charge in the electrolyte is used up, it no longer emits electric energy, and can be used repeatedly by replacing the electrolyte with a new electrolyte. Also, if it is used while supplying an electrolyte like a fuel cell, continuous use becomes possible. Assuming that the detailed structure of the charge transfer primary battery will be described later, first, the coated electrode coated with the layered compound will be described.

図1は、電荷移動型一次電池に用いるコーティング電極の断面を示す図である。図1のコーティング電極10は、金属12にコーティングにより層状化合物の被膜を形成している。金属12の材料は、イオン化傾向を利用するため様々な材料が考えられる。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a coated electrode used in a charge transfer primary battery. The coated electrode 10 of FIG. 1 forms a layered compound film on the metal 12 by coating. Various materials can be considered for the material of the metal 12 in order to utilize the ionization tendency.

イオン化傾向は、金属の持つ特有の基本的な性質であり、水溶液中における水和イオンと単体金属との間の標準酸化還元電位の順で表される。 Ionization tendency is a unique fundamental property of metals and is expressed in order of standard redox potentials between hydrated ions and elemental metals in aqueous solutions.

標準酸化還元電位がマイナスである金属は、例えば、リチウム(標準酸化還元電位:-3.05V),カリウム(標準酸化還元電位:-2.93V),マグネシウム(標準酸化還元電位:-2.36V),アルミニウム(標準酸化還元電位:-1.68V),チタン(標準酸化還元電位:-1.63V),亜鉛(標準酸化還元電位:-0.76V)、鉄(標準酸化還元電位:-0.44V),ニッケル(標準酸化還元電位:-0.26V)等がある。 Metals with a negative standard redox potential include, for example, lithium (standard redox potential: -3.05 V), potassium (standard redox potential: -2.93 V), magnesium (standard redox potential: -2.36 V ), aluminum (standard redox potential: -1.68 V), titanium (standard redox potential: -1.63 V), zinc (standard redox potential: -0.76 V), iron (standard redox potential: -0 .44 V), nickel (standard oxidation-reduction potential: -0.26 V), and the like.

標準酸化還元電位がプラスである金属は、例えば、銅(標準酸化還元電位:0.34V),銀(標準酸化還元電位:0.80V),白金(標準酸化還元電位:1.19V),金(標準酸化還元電位:1.52V)等がある。 Metals with a positive standard redox potential include, for example, copper (standard redox potential: 0.34 V), silver (standard redox potential: 0.80 V), platinum (standard redox potential: 1.19 V), gold (standard oxidation-reduction potential: 1.52 V).

層状化合物は、インターカレーション機能を有する物質の総称として使用しており、三次元骨格で細孔構造が固定化されたマイクロポーラスクリスタル、多孔性配位高分子を含む。層状化合物は、層構造がファンデルールスカで保持されている層状化合物と、層体が電荷を持っており、その電荷を補償するための交換可能なカウンターイオンが層間に存在し、それらの間に働くクーロンカで層構造が保たれている層状化合物がある。 A layered compound is used as a general term for substances having an intercalation function, and includes microporous crystals and porous coordination polymers in which a pore structure is fixed in a three-dimensional skeleton. The layered compound has a layered compound whose layer structure is held by van der Luska, and the layered body has an electric charge, and exchangeable counter ions exist between the layers to compensate for the charge. There are layered compounds in which the layered structure is preserved by the working kulonka.

ファンデルールスカで保持されている層状化合物代表的な層状物質に黒鉛(グラファイト)がある。グラフェンシート層は、規則的に並べて形成される三次元秩序構造である。面内の炭素原子はC-C共有結合で結ばれており、面と面の間の炭素原子間に働いているのがファンデルワールス力である。これが電荷挿入の要因となる。 Layered Compounds Retained by Van der Luska A representative layered substance is graphite. A graphene sheet layer is a three-dimensional ordered structure that is regularly arranged. In-plane carbon atoms are linked by C—C covalent bonds, and van der Waals forces act between the carbon atoms between the planes. This becomes a factor of charge insertion.

層体が電荷を持つ層状化合物は、例えば層状複水酸化物は、ブルース石の構造を基本とし、2価の金属イオンM2+の一部を3価のものM3+に置き換えた水酸化物層からなる。そのため層自体は正電荷を有し、それを補償するために層間に交換可能な陰イオンが存在している。M2+としては,Mg,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Znなどが、また,M3+としてはAl,Fe,Cr,Co,Inなどがとり得る。そして,いろいろなM2+とM3+の組み合わせの層状複水酸化物を合成することができる。 A layered compound having an electric charge, for example, a layered double hydroxide, is based on the structure of bruceite , and a hydroxide layer in which a part of the divalent metal ion M2 + is replaced with a trivalent metal ion M3+. consists of The layers themselves therefore have a positive charge and there are exchangeable anions between the layers to compensate. Examples of M 2+ include Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn, and examples of M 3+ include Al, Fe, Cr, Co, and In. Layered double hydroxides of various combinations of M 2+ and M 3+ can be synthesized.

リチウムイオン電池に使用されているコバルト酸リチウムは層状複水酸化物の一種であり酸化複合物とも呼ばれている。コストをより抑えられるマンガン酸リチウム(LiMn)系,ニッケル酸リチウム(LiNiO)系,リン酸鉄リチウム(LiFePO)系なども用いられている。 Lithium cobalt oxide used in lithium ion batteries is a type of layered double hydroxide and is also called an oxide compound. Lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), and the like, which are more economical, are also used.

プルシアンブルーもインターカレーション機能を有する多孔性配位高分子の一種として、層状化合物である。プルシアンブルーの分子組成は鉄(Fe3+/Fe2+)とシアノ基(CN)-が主成分となって、NaCl型の結晶構造を持つ。カリウム(K)やアンモニウム(NH )等の陽イオンを含んでいる。 Prussian blue is also a layered compound as a kind of porous coordination polymer having an intercalation function. The molecular composition of Prussian blue is mainly composed of iron (Fe 3+ /Fe 2+ ) and cyano groups (CN)-, and has a NaCl-type crystal structure. It contains cations such as potassium (K + ) and ammonium (NH 4 + ).

鉄イオン(Fe+2)の上下・左右・前後の6方位にシアノ基(CN)-が配位して,金属イオン(Fe/Ni/Coなど)を頂点とする立方体ジャングルジム構造を組んでいる.金属イオンがFeの場合がプルシアンブルーである。Fe2+とFe3+の距離は0.5nmと大きいため、大きな空隙を持っている。この大きな空隙は様々なカチオンや分子を脱挿入できる。プルシアンブルー類似体は、プルシアンブルーの金属イオンや配位子の中心金属を置換することで得られ、プルシアンブルーと同じ格子構造を持つが、格子定数が異なる。Fe2+とFe3+の距離を大きくしているため、Na,K,Ca,Mgといった無機イオンを利用したアノード電極として好適である。 Cyano groups (CN)- are coordinated in 6 directions of iron ions (Fe +2 ) up, down, left, right, front and back, forming a cubic jungle gym structure with metal ions (Fe/Ni/Co, etc.) as vertices. . Prussian blue is obtained when the metal ion is Fe. Since the distance between Fe 2+ and Fe 3+ is as large as 0.5 nm, it has large voids. This large cavity can de-insert various cations and molecules. Prussian blue analogues are obtained by substituting the central metal of the metal ion or ligand of Prussian blue, and have the same lattice structure as Prussian blue, but different lattice constants. Since the distance between Fe 2+ and Fe 3+ is large, it is suitable as an anode electrode using inorganic ions such as Na + , K + , Ca + , and Mg + .

層状化合物自体に導電性がない場合は、導電材を混入させる。導電材としては、活性炭,ケッチェンブラック,黒鉛,カーボンナノチューブなどの炭素材料、マグネシウム,銅やアルミニウムなどの金属材料、ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などがある。また、酸素の還元酸化反応を効率よく行うための触媒成分が含まれていてもよい。触媒成分としては、白金,コバルト,ニッケル,パラジウム,およびマンガンなどの金属,これらの金属の合金,およびこれらの金属の酸化物などがある。 If the layered compound itself does not have conductivity, a conductive material is mixed therein. Examples of conductive materials include carbon materials such as activated carbon, ketjen black, graphite and carbon nanotubes, metal materials such as magnesium, copper and aluminum, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives. Moreover, a catalyst component for efficiently performing the reduction-oxidation reaction of oxygen may be contained. Catalyst components include metals such as platinum, cobalt, nickel, palladium, and manganese, alloys of these metals, and oxides of these metals.

層状化合物と導電材は、結合剤で決着させる。結合剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF),ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP),テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA),エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE),ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE),エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE),ポリフッ化ビニル(PVF)などがある。 The layered compound and the conductive material are bound together with a binder. Binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene・Tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), etc.

電荷移動型一次電池においては、アノード側に電荷を蓄積し、一方向に電流が流れるので、カソード側に電荷を蓄積せず、カソード側は必ずしも層状化合物をコーティングする必要はない。また、アノード側の酸化還元電位のみを利用すれば、カソード側は金属を使用しなくとも起電力は発生する。 In a charge transfer primary battery, charge is accumulated on the anode side and current flows in one direction. Therefore, no charge is accumulated on the cathode side, and the cathode side does not necessarily need to be coated with a layered compound. If only the oxidation-reduction potential on the anode side is used, an electromotive force is generated even if no metal is used on the cathode side.

このため、カソード電極は、例えば酸化還元電位がプラスの銅を使用してカーボン系の層状化合物をコーティングすることが好ましいが、必ずしも銅などの金属を使用する必要はなく、また、層状化合物でなくてもよい。即ち、カソード電極としては、カーボン系の材料を金属にコーティングしてもよいし、単独で使用してもよい。 For this reason, the cathode electrode is preferably coated with a carbon-based layered compound using, for example, copper having a positive oxidation-reduction potential, but it is not always necessary to use a metal such as copper, and it is not necessary to use a layered compound. may That is, as the cathode electrode, a metal may be coated with a carbon-based material, or it may be used alone.

カーボン系の材料はいろいろあるが、層状化合物としては黒鉛がある。黒鉛はグラファイトとも呼ばれ、炭素からなる元素鉱物で、六方晶系、六角板状結晶である。構造は亀の甲状の層状物質で、層毎の面内は強い共有結合で炭素間が繋がっているが、層と層の間(面間)は弱いファンデルワールス力で結合している。層状化合物以外では、炭素繊維(カーボンファイバー)、木炭、活性炭など、きちんとした結晶構造を持たない無定形炭素があり、この無定形炭素も使用可能である。内部に筒状の中空空間を有しているため、様々な分子を内包させることができる。 Among various carbon-based materials, there is graphite as a layered compound. Graphite, also known as graphite, is an elemental mineral composed of carbon, with a hexagonal system and hexagonal plate-like crystals. The structure is a tortoise shell-like layered substance, in which carbon atoms are connected by strong covalent bonds in the planes of each layer, but weak Van der Waals forces are formed between layers (between planes). Besides layered compounds, there are amorphous carbons such as carbon fiber, charcoal, and activated carbon that do not have a proper crystal structure, and this amorphous carbon can also be used. Since it has a cylindrical hollow space inside, it can contain various molecules.

また、カーボンナノチューブも利用できる。カーボンナノチューブは、一様な平面のグラファイトを円筒状に丸めたような構造をしている。閉口状態の場合、両端はフラーレンの半球のような構造で閉じられており5員環を必ず6個ずつ持つ。5員環の数が少ないため有機溶媒等には溶けにくい。チューブは筒のような構造のためキャップを焼き切るなどにより中に様々な物質を取りこむ事ができる。 Carbon nanotubes can also be used. A carbon nanotube has a structure that looks like a uniform flat graphite rolled into a cylindrical shape. In the closed state, both ends are closed with a structure like a hemisphere of fullerene, and always have six five-membered rings each. Since the number of 5-membered rings is small, it is difficult to dissolve in organic solvents. Since the tube has a cylinder-like structure, it is possible to take in various substances by burning off the cap.

さらに、ケッチェンブラックも利用できる。ケッチェンブラックは、組成的に言えば、ゴム用カーボンブラック、炭素繊維、黒鉛(グラファイト)と同様炭素からなり、疑似グラファイト構造と呼ばれる結晶子から構成されている。結晶子はπ電子をもった縮合ベンゼン環からなり、このπ電子はカーボンブラック上を自由に移動することができる。アグリゲートやアグロメレートにより形成された導電回路上をπ電子が移動するためこのため、ケッチェンブラックを添加した材料が導電性を発現する。ケッチェンブラックは、比表面積、多孔度ともに高いことが特徴的であり、粒子密度の増加による導電回路の形成が支配的となって高導電性を発現させている。 In addition, Ketjen Black is also available. Ketjenblack is composed of carbon, like carbon black for rubber, carbon fiber, and graphite, and is composed of crystallites called a pseudo-graphite structure. The crystallites consist of condensed benzene rings with π electrons that can move freely on the carbon black. Because π electrons move on conductive circuits formed by aggregates and agglomerates, materials to which Ketjenblack is added exhibit conductivity. Ketjenblack is characterized by its high specific surface area and high porosity, and the formation of conductive circuits due to an increase in particle density is dominant, resulting in high conductivity.

次に、コーティング電極を使用した電荷移動型一次電池について説明するが、まずマグネシウム電池について従来との比較により説明する。 Next, a charge transfer type primary battery using a coated electrode will be described. First, a magnesium battery will be described in comparison with conventional batteries.

図2は、マグネシウム空気電池の原理を説明する図である。マグネシウム空気電池は、非常用電源として既に市販されている。マグネシウム空気電池20は、アノード電極22としてマグネシウム合金(以下、単にマグネシウムという。)を使用し、カソード電極26にカーボンを使用している。カソード電極22は、容器内の電解質30に接する側と反対側は大気中にさらされて、空気中の酸素を反応に利用することができるようにしている。このため、エアカソードと呼ぶ場合もある。電解質は、例えば水や塩化ナトリウムの水溶液である。 FIG. 2 is a diagram explaining the principle of a magnesium air battery. Magnesium-air batteries are already on the market as emergency power sources. The magnesium-air battery 20 uses a magnesium alloy (hereinafter simply referred to as magnesium) as the anode electrode 22 and carbon as the cathode electrode 26 . The cathode electrode 22 is exposed to the atmosphere on the side opposite to the side in contact with the electrolyte 30 in the container so that the oxygen in the air can be used for the reaction. Therefore, it is sometimes called an air cathode. The electrolyte is, for example, water or an aqueous solution of sodium chloride.

カソードでの反応は、
+2HO+4e → 4OH
であり、アノードでの反応は、
2Mg → 2Mg2++4e
であり、全体としての反応は、
2Mg+O+2HO → 2Mg(OH)
となる。
The reaction at the cathode is
O 2 +2H 2 O+4e → 4OH
and the reaction at the anode is
2Mg → 2Mg 2+ +4e -
and the overall reaction is
2Mg+ O2 +2H2O → 2Mg (OH) 2
becomes.

アノード電極はマグネシウムであり、化学反応により溶解し水酸化マグネシウム(Mg(OH))を生成する。溶解によりマグネシウム電極は減少し、最終的には無くなって寿命となる。当然、マグネシウム電極が減少するに従い、電流容量も減少する。寿命を長くするためには、マグネシウム板の厚さを厚くすることが必要となる。 The anode electrode is magnesium, which is dissolved by a chemical reaction to produce magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ). Due to dissolution, the magnesium electrode decreases and eventually runs out and reaches the end of its life. Naturally, as the magnesium electrode decreases, so does the ampacity. In order to prolong the life, it is necessary to increase the thickness of the magnesium plate.

図3は、本発明による電荷移動型一次電池を説明する図である。図3(A)は電荷移動型一次電池40の構成を示す図、図3(B)は電荷移動型一次電池36のモデル図である。電荷移動型一次電池36の構成は、アノード電極22に、例えばプルシアンブルーあるいはプルシアンブルー類似体をコーティングしたマグネシウム板を使用し、カソード電極26に黒鉛をコーティングした銅板を使用している。銅板は、エアカソードとするため、メッシュ状の銅板を用いている。アノード電極22,カソード電極26とも金属板に層状化合物をコーティングしたコーティング電極である。 FIG. 3 is a diagram illustrating a charge transfer primary battery according to the present invention. FIG. 3A is a diagram showing the configuration of the charge transfer primary battery 40, and FIG. 3B is a model diagram of the charge transfer primary battery 36. As shown in FIG. The structure of the charge transfer primary battery 36 uses, for the anode electrode 22, a magnesium plate coated with, for example, Prussian blue or a Prussian blue analogue, and the cathode electrode 26 uses a copper plate coated with graphite. A mesh-like copper plate is used as the copper plate for use as an air cathode. Both the anode electrode 22 and the cathode electrode 26 are coated electrodes obtained by coating a layered compound on a metal plate.

電解質(電解液)は、例えば塩化ナトリウム(NaCl)の水溶液であり、電解液中には陽イオンとしてH(水素イオン)とNaが存在することになる。これらの陽イオンがインターカレーター(インターカラントとも呼ばれている。)となって層状化合物に侵入してインターカレーション反応を生成する。 The electrolyte (electrolytic solution) is, for example, an aqueous solution of sodium chloride (NaCl), and H + (hydrogen ion) and Na + are present as cations in the electrolytic solution. These cations act as intercalators (also called intercalants) and enter the layered compound to generate an intercalation reaction.

インターカレーターとなる陽イオンは、無機イオンのMg(マグネシウムイオン),K(カリウムイオン),Ca(カルシウムイオン),S(硫化物イオン)等であってもよい。純粋なマグネシウムは水によく溶けるため、水に純粋なマグネシウムを溶解させた水溶液を電解液とすることができる。また、Mg,K,Ca,S等は、植物を育てる肥料の成分でもあり、例えば化成肥料やリンカリ肥料にはKが含まれている。苦土石灰にはMg,Caが含まれている。さらに有機肥料としては発酵鶏糞があり、K成分が含まれている。従って、電解液は肥料の水溶液であってもよい。 The cations serving as intercalators may be inorganic ions such as Mg + (magnesium ion), K + (potassium ion), Ca + (calcium ion), S + (sulfide ion). Since pure magnesium dissolves well in water, an aqueous solution of pure magnesium dissolved in water can be used as the electrolyte. Mg + , K + , Ca + , S + and the like are also components of fertilizers for growing plants. For example, K + is contained in chemical fertilizers and phosphorous fertilizers. Magnesium lime contains Mg + and Ca + . Further organic fertilizers include fermented poultry manure, which contains K + components. Therefore, the electrolyte may be an aqueous solution of fertilizer.

電荷移動型一次電池20は、アノードに使用したマグネシウムとカソードに使用した銅のイオン化傾向の差が起電力となっており、電解液中の陽イオンがインターカレーターとなってアノード側でインターカレーション反応を生成し、電池の使用時には、インターカレーターが放出されるとともに、アノード電極22から外部回路を介してカソード電極26に流れる。 In the charge transfer primary battery 20, the electromotive force is the difference in ionization tendency between magnesium used in the anode and copper used in the cathode. The intercalator is released and flows from the anode electrode 22 to the cathode electrode 26 through an external circuit to produce a reaction and during use of the battery.

一次電池にインターカレーション反応を利用することは、従来にない新たな発想であり、詳細な原理は不明な点が多いのは確かであり、完全な原理の説明ができている訳ではない。しかしながら、化学反応から電荷移動反応に変えられるため、電極の溶解がなく長寿命化できる。このため、例えば非常用マグネシウム空気電池に適用し、マグネシウム電極を本発明のコーティング電極10に代えれば、塩化ナトリウム水溶液(塩水)を入れ替えて常時使用可能な電池となる。 Utilizing an intercalation reaction in a primary battery is a new idea that has not existed in the past, and it is true that there are many unclear points about the detailed principle, and the principle has not been completely explained. However, since the chemical reaction is changed to the charge transfer reaction, there is no dissolution of the electrode and the life can be extended. For this reason, for example, if it is applied to an emergency magnesium-air battery and the magnesium electrode is replaced with the coated electrode 10 of the present invention, the battery can always be used by replacing the sodium chloride aqueous solution (salt water).

また、燃料電池が水素を供給するように、電解液を連続的に、あるいは定期的に供給すれば、継続して発電可能となる。定期的な供給にあっては、例えば、電解液を大気にさらし、蒸発分を補給する形態であってもよい。さらに、微生物燃料電池に適用すれば、高電圧化と電流容量の増加が可能である。 Also, if the electrolytic solution is supplied continuously or periodically like the fuel cell supplies hydrogen, power can be continuously generated. In the periodic supply, for example, the electrolytic solution may be exposed to the atmosphere to replenish the evaporated amount. Furthermore, if applied to a microbial fuel cell, it is possible to increase the voltage and current capacity.

図4は、土壌に植物を植え、アノード電極とカソード電極を埋め込んだ微生物燃料電池を示す図である。微生物燃料電池40は、土壌42に化成肥料等の肥料を混入させている。この土壌42に、アノード電極22とカソード電極26を埋め込み、電気エネルギーを取り出す。アノード電極22は、マグネシウムやアルミニウム等のイオン化傾向が卑な金属に、層状化合物として、例えばプルシアンブルーあるいはプルシアンブルー類似体をコーティングしている。カソード電極26は、銅などのイオン化傾向が貴な金属に、層状化合物として、例えば黒鉛をコーティングしている。カソード電極26は、銅などのイオン化傾向が貴な金属を用いず、木炭,黒鉛電極,カーボングラファイトフェルト,炭素繊維シート等であってもよい。 FIG. 4 is a diagram showing a microbial fuel cell in which plants are planted in soil and an anode electrode and a cathode electrode are embedded. In the microbial fuel cell 40, soil 42 is mixed with fertilizer such as chemical fertilizer. The anode electrode 22 and the cathode electrode 26 are embedded in this soil 42 to take out electrical energy. The anode electrode 22 is formed by coating a layered compound such as Prussian blue or a Prussian blue analog on a metal having a low ionization tendency, such as magnesium or aluminum. The cathode electrode 26 is formed by coating a metal such as copper having a noble ionization tendency with a layered compound such as graphite. The cathode electrode 26 may be made of charcoal, graphite electrode, carbon graphite felt, carbon fiber sheet, etc., without using a metal such as copper that has a noble ionization tendency.

土壌42には、太陽の光合成により植物44により生成された糖分(C12)が根46から排出され、シュワネラ菌等の電流生産菌により水素イオン(H)と電子(e)に分解され、電気エネルギー源となる。さらに土壌42に存在する有機物や肥料等が電気エネルギー源となる。 In soil 42, sugar (C 6 H 12 O 6 ) produced by plants 44 by photosynthesis of the sun is discharged from roots 46, and hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) and become a source of electrical energy. In addition, organic substances, fertilizers, and the like existing in the soil 42 serve as electric energy sources.

一般に微生物燃料電池は、微生物の異化代謝能を利用して有機物から電力を生産するシステムであり、燃料として汚泥、生ごみ等のバイオマスを使用できることから、持続可能な発電システムでもある。微生物自体が有機物から電子を取り出す生体触媒として機能するため、低コストである利点もある。 In general, microbial fuel cells are systems that produce electric power from organic matter using the catabolic ability of microorganisms, and are also sustainable power generation systems because biomass such as sludge and garbage can be used as fuel. Since the microorganism itself functions as a biocatalyst that extracts electrons from organic matter, it also has the advantage of low cost.

土壌中に存在する微生物には、水素を電子放出源とし硫黄で電子を受容する、高度好熱性硫黄依存古細菌が存在し、この菌は硫化水素を生成する。さらに、二酸化炭素を電子受容体とするメタン細菌や、硫酸塩を電子受容体にする硫酸塩還元細菌、炭酸塩を電子受容体にする酢酸生成細菌や、鉄を電子受容体にする異化的鉄還元細菌が存在する。 Microorganisms in soil include highly thermophilic sulfur-dependent archaea that use hydrogen as an electron source and sulfur to accept electrons, and this bacterium produces hydrogen sulfide. Furthermore, methanogenic bacteria that use carbon dioxide as an electron acceptor, sulfate-reducing bacteria that use sulfate as an electron acceptor, acetogenic bacteria that use carbonate as an electron acceptor, and dissimilatory iron bacteria that use iron as an electron acceptor Reducing bacteria are present.

微生物の中には、有機物を分解する過程で電子を外部に放出する性質をもつ電流生成菌と呼ばれる細菌が存在する。電流生成菌は、この異化的鉄還元細菌のことで、異化的鉄還元細菌は、アモルファス状の鉄酸化物に直接触れることで、三価鉄を二価鉄に還元し、ナノサイズの磁性粒子を生産する。 Among microorganisms, there is a bacterium called an electroproducing bacterium that has the property of releasing electrons to the outside during the process of decomposing organic matter. Current-producing bacteria are dissimilatory iron-reducing bacteria, and dissimilatory iron-reducing bacteria reduce trivalent iron to divalent iron by directly contacting amorphous iron oxide, and form nano-sized magnetic particles. to produce.

異化的鉄還元細菌として、ジオバクター菌やシュワネラ菌などがある。これらの菌は、空気中の酸素を嫌い、地中や海底、沼底など、酸素のほとんどない環境で生息している。この電流生成菌は、有機物と一緒に水を与えると電流発生菌が有機物を分解し、水素イオンと電子を放出する。放出した電子をアノード電極に渡し、カソード電極側に流せば、電流が流れ、カソード電極側では水素イオンが酸素と反応して水となる。このため、有機物と水を継続的に微生物に与えれば、持続的に発電が可能となる。 Dissimilatory iron-reducing bacteria include Geobacter and Shewanella. These fungi do not like oxygen in the air, and live in environments with little oxygen, such as the ground, the bottom of the sea, and the bottom of a swamp. When water is given to the elec- trogen-producing bacteria together with the organic matter, the elec- trogen-producing bacterium decomposes the organic matter and releases hydrogen ions and electrons. If the emitted electrons are transferred to the anode electrode and flowed to the cathode electrode side, an electric current flows, and hydrogen ions react with oxygen on the cathode electrode side to form water. Therefore, if organic matter and water are continuously given to microorganisms, it will be possible to generate electricity continuously.

有機物を継続的に土壌に与えるために、植物の光合成を利用することができる。植物は、葉緑体で太陽の光により光合成を行い、根から導管により吸い上げた水と空気中の二酸化炭素から、有機物、例えばショ糖(C12)やデンプンを合成する。水を分解する過程で生じた酸素は、空気中に放出する。光合成により生産された有機物の一部は、植物の根から土壌中に放出される。このため、エネルギー源となる有機物を継続的に供給することができる。 Photosynthesis in plants can be used to continuously feed the soil with organic matter. Plants carry out photosynthesis in chloroplasts using sunlight, and synthesize organic substances such as sucrose (C 6 H 12 O 6 ) and starch from carbon dioxide in the air and water sucked up from the roots through ducts. Oxygen produced in the process of decomposing water is released into the air. Some of the organic matter produced by photosynthesis is released into the soil from plant roots. Therefore, it is possible to continuously supply the organic matter as an energy source.

土壌に肥料を含ませることにより、肥料の成分も電気的エネルギーとして利用でき、発電能力が飛躍的に増大する。従来の微生物燃料電池は、主に有機物から電気エネルギーを得ていたが、肥料を含ませることにより、肥料の成分が追加され、発電能力の飛躍的増加につながる。 By adding fertilizer to the soil, the components of the fertilizer can also be used as electrical energy, resulting in a dramatic increase in power generation capacity. Conventional microbial fuel cells obtain electrical energy mainly from organic matter, but by including fertilizer, the components of the fertilizer are added, leading to a dramatic increase in power generation capacity.

肥料は、「有機肥料」と「化学肥料」の2種に大きく分けられるが、何れでもよい。化成肥料は、化学肥料の分類に属し、鉱石などの無機物から抽出した成分を原料としている。有機肥料とは、油粕や魚粉、鶏糞など、植物性または動物性の有機物(炭酸そのものを除く炭素を含む化合物)を原料にした肥料である。また、肥料はその成分により窒素肥料,リン酸肥料,カリ肥料,ケイ酸肥料,石灰肥料,複合肥料などに分類され,化学的性質によりアルカリ性肥料,酸性肥料に分けられる。 Fertilizers are roughly classified into two types, "organic fertilizers" and "chemical fertilizers", but either of them may be used. Chemical fertilizers belong to the classification of chemical fertilizers, and are made from ingredients extracted from minerals such as ores. Organic fertilizers are fertilizers made from vegetable or animal organic matter (compounds containing carbon other than carbonic acid itself) such as oil cake, fishmeal, and poultry manure. Fertilizers are classified into nitrogen fertilizers, phosphate fertilizers, potash fertilizers, silicic acid fertilizers, lime fertilizers, compound fertilizers, etc. according to their components, and are classified into alkaline fertilizers and acid fertilizers according to their chemical properties.

肥料は、土壌に施す栄養物質であり、これによって土壌の生産力を維持,増進し,植物の生長を促進する。肥料の3大要素は、窒素,リン酸,カリ(カリウム)である。さらに、マグネシウム,カルシウム,硫黄と酸素及び水素を合わせた9元素のほか、マンガン,亜鉛,鉄,ホウ素などの微量成分が必要とされている。 Fertilizers are nutrients applied to soil to maintain and increase soil productivity and promote plant growth. The three major elements of fertilizer are nitrogen, phosphoric acid and potash (potassium). In addition, nine elements including magnesium, calcium, sulfur, oxygen and hydrogen, as well as trace elements such as manganese, zinc, iron and boron are required.

肥料によって電気エネルギーが増大するのは、9元素と微量成分がイオンとなって電解質中を移動するためである。 The reason why the electric energy is increased by the fertilizer is that the nine elements and trace elements become ions and move in the electrolyte.

さらに、肥料は植物の生長と電気的エネルギーの増大に効果がある。このため、自然界の生態系に適合し、まさに自然界と共存する自然エネルギーとなる。他の自然エネルギー、例えば太陽発電は、太陽光パネルを設置するためにコンクリートで固定するなど自然を破壊してしまう。完成された太陽光発電システムの景観は自然とは相いれず、風景を一変する。また、風力発電も同様であり、自然の破壊と、さらに低騒音問題を抱えている。いずれも廃棄する場合には費用が高額であり、廃棄処理の問題もある。 In addition, fertilizers are effective in increasing plant growth and electrical energy. For this reason, it is suitable for the ecosystem of the natural world, and it is truly a natural energy that coexists with the natural world. Other natural energy sources, such as solar power generation, destroy nature by fixing it with concrete to install solar panels. The landscape of the completed solar power generation system is incompatible with nature and completely changes the landscape. Similarly, wind power generation also has problems of destruction of nature and low noise. In either case, disposal costs are high, and there is also the problem of disposal.

肥料を利用した電解質は、土壌に肥料を混入することで実現することができる。土壌は固体(固相)、液体(液相)および気体(気相)から構成され,これら3つは土壌の三相と呼ばれ,これら三相の分布割合を土壌の三相分布という.土壌の三相分布は,植物の根の伸長の難易および,根への水分,酸素および養分の供給の良否といった要素に 影響を及ぼし、植物の生育にとって重要な要素のひとつである. Electrolytes using fertilizer can be realized by mixing fertilizer into the soil. Soil consists of solid (solid phase), liquid (liquid phase) and gas (gas phase). The three-phase distribution of soil affects factors such as the difficulty of plant root elongation and the availability of water, oxygen and nutrients to the roots, and is one of the important factors for plant growth.

土壌の隙間は,気相および液相で占められている。この三相の分布割合は様々で,土壌の種類あるいは利用形態などにより異なる.畑土壌の場合,三相分布が固相30~40%、液相40~30%占めている状態が植物の生育に最適であるとされている。土壌の構造は、単位構造と団粒構造の2つのタイプに分類されている。単位構造は、土壌の粒子が単独に並んでいる状態である。団粒構造は個々の粒子が集まり団粒を形成し、この団粒が並んでいる状態である。 Soil voids are occupied by gas and liquid phases. The distribution ratio of these three phases varies and varies depending on the type of soil and the form of use. In the case of upland soil, a three-phase distribution of 30 to 40% solid phase and 40 to 30% liquid phase is considered optimal for plant growth. The structure of soil is classified into two types, unit structure and aggregate structure. A unit structure is a state in which soil particles are arranged in a single line. Aggregated grain structure is a state in which individual particles gather to form aggregated grains, and these aggregated grains are lined up.

団粒構造には,大きな孔隙および小さな孔隙の両方がある。大きい孔隙は排水性を良くし、小さい孔隙は保水性に関係する。一般的に、団粒構造の土壌の方が土壌中の隙間(孔隙)が多く、隙間がある程度多い方が、排水、保水、通気および根の伸長等、植物の生育に適している。 The aggregate structure has both large and small pores. Large pores are associated with good drainage and small pores are associated with water retention. In general, soil with an aggregated structure has more gaps (pores) in the soil, and more gaps are suitable for plant growth, such as drainage, water retention, aeration, and root elongation.

土壌には、植物の生長に欠かせない窒素,リン酸,カリ(カリウム)等の養分の他に、微量要素として、鉄,マンガン,銅,亜鉛,ホウ素等が含まれている。肥料は、土壌中に欠乏し易い成分、特に窒素,リン酸,カリを補給するのが役割である。 Soil contains nutrients essential for plant growth such as nitrogen, phosphoric acid and potash (potassium), as well as trace elements such as iron, manganese, copper, zinc and boron. The role of fertilizers is to replenish components that tend to be lacking in the soil, especially nitrogen, phosphoric acid, and potassium.

土壌は固体(固相)、液体(液相)および気体(気相)から構成され、液相は水分であり、気相は主に空気であるから、アノード電極を土壌中に埋め込んでも、水素イオン(H)と気相における空気の酸素が反応し、電池としての機能を果たすことができる。また、液相の水分は、導電性を付与し、アノード電極への電子の移動を可能としている。このため、アノード電極とカソード電極を土壌中に埋めても電気エネルギーを取り出すことができる。 Soil consists of a solid (solid phase), a liquid (liquid phase) and a gas (gas phase). The liquid phase is water and the gas phase is mainly air. The ions (H + ) react with the oxygen in the air in the gas phase, and the function as a battery can be achieved. In addition, the water in the liquid phase imparts electrical conductivity, allowing electrons to move to the anode electrode. Therefore, electric energy can be taken out even if the anode electrode and the cathode electrode are buried in the soil.

肥料を含む電解質は、水に肥料を溶解させた水溶液であってもよい。この場合は、肥料の成分を利用して、電極で電気エネルギーを取り出している。肥料の成分には、前述したように窒素,リン酸,カリ(カリウム)と、マグネシウム,カルシウム,硫黄と酸素及び水素を合わせた9元素がある。 The fertilizer-containing electrolyte may be an aqueous solution in which the fertilizer is dissolved in water. In this case, the components of fertilizer are used to extract electric energy with electrodes. As mentioned above, fertilizers have nine elements, namely nitrogen, phosphoric acid, potash (potassium), magnesium, calcium, sulfur, oxygen and hydrogen.

これら9元素のうち、電気的なエネルギー源としてカリウム,マグネシウム,カルシウムと硫黄が挙げられる。これらの成分は、水溶液中でイオン化してアノード電極とカソード電極の電気伝導を担う。これにより電子の移動が生じ、電気エネルギーとなる。従って、肥料には、カリウム,マグネシウム、カルシウム、及び、硫黄のいずれか1以上の成分を含んでいることが好ましい。 Among these nine elements, potassium, magnesium, calcium and sulfur are listed as electrical energy sources. These components ionize in an aqueous solution and are responsible for electrical conduction between the anode electrode and the cathode electrode. This causes the movement of electrons, resulting in electrical energy. Therefore, the fertilizer preferably contains at least one of potassium, magnesium, calcium and sulfur.

植物は、光合成により大気中の二酸化炭素を吸収し、酸素を放出する。光合成は、二酸化炭素を利用して糖分を生成するが、植物体内で消費される量以上に糖分が生成されるから、余った糖分は根から排出される。さらに土壌には、落ち葉や枯れた枝が存在し、有機物の増加に寄与している。また、植物の根からの滲出物、分泌物等も電気エネルギーに寄与している。これらの有機物は、土壌中に存在するシュワネラ菌とよばれる電流発生菌により分解され、水素イオン(H)と電子(e)が生成される。アノード電極では、カソード電極から外部回路を通して流れてきた電子(e)と酸素が水素イオン(H)と反応して水(HO)となる。この化学反応が基本的な原理であり、電子(e)の流れを生じさせることで電気エネルギーに変換される。 Plants absorb carbon dioxide in the atmosphere and release oxygen through photosynthesis. Photosynthesis uses carbon dioxide to produce sugar, but since sugar is produced in excess of the amount consumed in the plant body, excess sugar is excreted from the roots. In addition, fallen leaves and dead branches are present in the soil, contributing to an increase in organic matter. Exudates, secretions, etc. from plant roots also contribute to electrical energy. These organic substances are decomposed by current-producing fungi called Shewanella bacteria present in the soil to generate hydrogen ions (H + ) and electrons (e ). At the anode electrode, electrons (e ) and oxygen flowing from the cathode electrode through the external circuit react with hydrogen ions (H + ) to form water (H 2 O). This chemical reaction is the basic principle, which is converted into electrical energy by creating a flow of electrons (e ).

土壌の養分に肥料を加え、それにより植物の生長を促進する。植物は太陽の光により光合成して大気中の二酸化炭素(CO)を吸収し、植物体内には糖類を生成して植物自身を成長させる。生成された糖類は、全てが植物体内で消費されるのではなく、余った糖類は根から放出される。根から放出された糖類が電流発生菌により水素イオンと電子に分解され、酸素と反応して電気エネルギー源となる。まさに自然と共存し、自然の持続的な生態系循環サイクルに適合した自然エネルギーである。 Fertilizers add nutrients to the soil, thereby promoting plant growth. Plants photosynthesise with sunlight to absorb carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere, produce sugars in the plant body, and grow themselves. Not all of the sugars produced are consumed within the plant body, but surplus sugars are released from the roots. Saccharides released from the roots are decomposed into hydrogen ions and electrons by electrogenic bacteria, which react with oxygen to become an electrical energy source. It is truly a natural energy that coexists with nature and is compatible with nature's sustainable ecosystem circulation cycle.

図5は、電解質を土壌領域と水領域で構成した微生物燃料電池の類型である田んぼ発電を説明する図である。田んぼ発電50は、水田を利用した微生物燃料電池であり、電解質は、水領域54と土壌領域52で構成されている。稲56が植えられており、稲56が
太陽の光合成により根46から糖分(C12)を排出する。排出された糖分(C12)は、シュワネラ菌等の電流生産菌により水素イオン(H)と電子(e)に分解され、電気エネルギー源となる。稲56は光合成により継続的に糖分を生成し、根46から排出するため、継続的な発電が可能となる
FIG. 5 is a diagram for explaining rice field power generation, which is a type of microbial fuel cell in which the electrolyte is composed of a soil region and a water region. The rice field power generation 50 is a microbial fuel cell using paddy fields, and the electrolyte is composed of a water region 54 and a soil region 52 . A rice plant 56 is planted, and the rice plant 56 excretes sugar (C 6 H 12 O 6 ) from the root 46 by photosynthesis of the sun. The excreted sugar (C 6 H 12 O 6 ) is decomposed into hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) by current-producing bacteria such as Shewanella, and serves as an electric energy source. The rice plant 56 continuously produces sugar by photosynthesis and discharges it from the root 46, so that continuous power generation is possible.

従来、アノード電極22とカソード電極26は、両電極とも同じカーボンフェルトが使用されている。カソード電極26は、空気中の酸素を取り入れて化学反応をさせるため、空気と接するように配置されている。このため、エアカソードとも呼ばれている。カソード電極28では、電流生産菌により糖分を分解して生成された水素イオン(H)が、空気中の酸素と結合し水を生成する。この時電子(e)を必要とし、外部回路を介してアノード電極22から電子(e)を引き寄せるため、外部回路に電流が流れ、電気エネルギーとして取り出すことができる。 Conventionally, the same carbon felt is used for both the anode electrode 22 and the cathode electrode 26 . The cathode electrode 26 is arranged so as to be in contact with the air in order to take in oxygen in the air and cause a chemical reaction. For this reason, it is also called an air cathode. At the cathode electrode 28, hydrogen ions (H + ) generated by decomposition of sugar by current-producing bacteria combine with oxygen in the air to generate water. At this time, electrons (e ) are required, and electrons (e ) are attracted from the anode electrode 22 via the external circuit, so that current flows through the external circuit and can be extracted as electrical energy.

この田んぼ発電50のアノード電極22に、コーティング電極10を使用することにより、大幅に電気エネルギーを増大させることができる。金属12としては、マグネシウムやアルミニウムが使用できる。金属12にコーティングする層状化合物14は、プルシアンブルーまたはプルシアンブルー類似体が使用できる。このコーティング電極10を用いた田んぼ発電では、化学反応を伴わずに効率よく電気エネルギーを取り出すことができるので、例えば金属12にマグネシウムを使用し、層状化合物14としてプルシアンブルーを使用した場合は、1.8V前後の出力電圧が得られる。金属12にアルミニウムを使用した場合は、0.8V前後の出力電圧である。従来の田んぼ発電では、出力電圧が0.5V程度であり、大幅に改善することができる。 By using the coated electrode 10 for the anode electrode 22 of this rice field power generation 50, electric energy can be greatly increased. Magnesium or aluminum can be used as the metal 12 . The layered compound 14 that coats the metal 12 can be Prussian blue or a Prussian blue analogue. In rice field power generation using this coated electrode 10, electric energy can be efficiently extracted without a chemical reaction. An output voltage of around .8V can be obtained. When aluminum is used as the metal 12, the output voltage is around 0.8V. In conventional rice field power generation, the output voltage is about 0.5 V, which can be greatly improved.

土壌等に電極を設置する場合は、取り扱い時にコーティング電極10の層状化合物14の被膜が傷つつくことがあるが、透水性シートにより覆うのがよい。コーティング電極10の全体を、包み込むことにより、被膜を保護すると同時に、交換時には透水性シートに包まれたコーティング電極10を残渣物とともに全てを除去することができる。このため、交換が容易となる。 When the electrode is installed in soil or the like, the film of the layered compound 14 of the coating electrode 10 may be damaged during handling, but it is preferable to cover it with a water-permeable sheet. By wrapping the entire coating electrode 10, the film can be protected, and at the time of replacement, the entire coating electrode 10 wrapped in the water-permeable sheet can be removed together with the residue. Therefore, replacement is facilitated.

図6は、アノード電極として試作したコーティング電極の試作例を示している。図6(A)は、マグネシウム板にプルシアンブルーをコーティングした試作例である。図6(B)は、プルシアンブルーをコーティングしたマグネシウム板に透水、シートでカバーした試作例である。 FIG. 6 shows a prototype example of a coated electrode that was prototyped as an anode electrode. FIG. 6A shows a prototype example in which a magnesium plate is coated with Prussian blue. FIG. 6(B) is a prototype example in which a Prussian blue-coated magnesium plate is water-permeable and covered with a sheet.

マグネシウム板は、厚さ0.5mmのAZ31を使用している。層状化合物としてプルシアンブルーを使用し、結合剤としてのウレタン樹脂を混合してシンナーで稀釈している。導電材は、活性炭を使用し、20~30%でプルシアンブルーの希釈液に混合した。この希釈液をマグネシウム板に塗布し、常温で乾燥させた。プルシアンブルーをコーティングしたマグネシウム板は、透水性シートで全体が包み込まれており、透水性シートは、保護カバーとしての機能を有している。 The magnesium plate uses AZ31 with a thickness of 0.5 mm. Prussian blue is used as a layered compound, mixed with urethane resin as a binder, and diluted with thinner. Activated carbon was used as the conductive material and was mixed with a diluted solution of Prussian blue at 20 to 30%. This diluted solution was applied to a magnesium plate and dried at room temperature. The Prussian blue-coated magnesium plate is entirely wrapped in a water-permeable sheet, and the water-permeable sheet functions as a protective cover.

図7は、コーティング電極の機能を確認する実験装置Aである。アノード電極22とカソード電極26でセパレータ62を挟んだ三層構造の電荷移動型一次電池としている。セパレータ62には、絶縁性の吸水シートを使用し、電解質30の水溶液を毛細管現象で吸い上げてアノード電極22とカソード電極26から構成される電池部に供給している。電解質30としては、化成肥料(窒素リン酸カリ)の水溶液を使用し、容器32に入れている。 FIG. 7 shows an experimental device A for confirming the function of the coating electrode. The charge transfer primary battery has a three-layer structure in which a separator 62 is sandwiched between the anode electrode 22 and the cathode electrode 26 . An insulating water-absorbing sheet is used for the separator 62 , and the aqueous solution of the electrolyte 30 is sucked up by capillary action and supplied to the battery section composed of the anode electrode 22 and the cathode electrode 26 . As the electrolyte 30 , an aqueous solution of chemical fertilizer (potassium nitrogen phosphate) is used and placed in a container 32 .

アノード電極22は、厚さ0.5mmのマグネシウム板(AZ31)に、活性炭とウレタン樹脂とプルシアンブルーを混ぜてコーティングし、透水性シートで包んでいる。実施例1で示した図6(B)の電極である。カソード電極26は、厚さ0.3mmの銅メッシュ板に、ケッチェンブラックとポリフッ化ビニリデン(PVDF)を混ぜ、触媒として白金を使用して加熱して焼成することにより作製した。アノード電極22とカソード電極26は、長さ7.4cmで幅2.5cmであり、面積は18.5cmである。 The anode electrode 22 is formed by coating a magnesium plate (AZ31) having a thickness of 0.5 mm with a mixture of activated carbon, urethane resin and Prussian blue, and wrapping it with a water-permeable sheet. 6(B) shown in Example 1. FIG. The cathode electrode 26 was prepared by mixing Ketjenblack and polyvinylidene fluoride (PVDF) on a copper mesh plate having a thickness of 0.3 mm and heating and calcining the mixture using platinum as a catalyst. The anode electrode 22 and cathode electrode 26 are 7.4 cm long and 2.5 cm wide with an area of 18.5 cm 2 .

この条件で、開放電圧と短絡電流を測定した。結果は、開放電圧が1.8V、短絡電流が48.7mA得られた。電流密度は、2.6mA/cmである。カソード電極26を、セパレータ62を挟んでアノード電極22の逆側に設けると、電流密度は2倍の5.2mA/cmとなる。この場合、単純に開放電圧と短絡電流を掛けたエネルギー密度は、9.6mW/cmである。 The open-circuit voltage and short-circuit current were measured under these conditions. As a result, an open-circuit voltage of 1.8 V and a short-circuit current of 48.7 mA were obtained. The current density is 2.6 mA/cm 2 . When the cathode electrode 26 is provided on the opposite side of the anode electrode 22 with the separator 62 interposed therebetween, the current density doubles to 5.2 mA/cm 2 . In this case, the energy density obtained by simply multiplying the open-circuit voltage and the short-circuit current is 9.6 mW/cm 2 .

また、アノード電極22の両側に、セパレータ62を挟んでカソード電極を設けた場合の厚さは、約3mmであり、高さ15cmの電極を垂直に設置すると、エネルギー密度は、481mW/cmとなる。設置する場合に、この電極を1cm当たり3本設置するとしても、設置面積でのエネルギー密度は、441mW/cmである。 In addition, when the cathode electrode is provided on both sides of the anode electrode 22 with the separator 62 interposed therebetween, the thickness is about 3 mm. Become. Even if three electrodes per cm are installed, the energy density in the installation area is 441 mW/cm 2 .

エネルギー密度は、(最大取り出せる短絡電流密度)×(最大取り出せる開放電圧)として算出したが、最大取り出せる電力は、(最大取り出せる短絡電流密度)×(最大取り出せる開放電圧)とはならない。これは、微生物燃料電池内部の直列抵抗や並列抵抗(シャント抵抗)の影響によるものであり、最大発電電力と(最大取り出せる短絡電流密度)×(最大取り出せる開放電圧)の比は、形状因子と呼ばれている。 The energy density was calculated as (maximum extractable short-circuit current density) x (maximum extractable open-circuit voltage), but the maximum extractable power is not (maximum extractable short-circuit current density) x (maximum extractable open-circuit voltage). This is due to the effects of the series resistance and parallel resistance (shunt resistance) inside the microbial fuel cell, and the ratio of maximum generated power to (maximum available short-circuit current density) x (maximum available open-circuit voltage) is called the form factor. is

太陽光電池のエネルギー密度は、13~15mW/cmと言われている。これは、太陽電池の最大エネルギー密度である。太陽光の南中時に真上から降りそそぐパワーは、地上1mの面積に約1kWであり、太陽電池の変換効率は、現状では受けた光の13~15%である。当然ながら朝夕、曇りの日、雨の日はエネルギー密度が低下し、夜間は全く発電していない。従って、形状因子を考慮しても太陽光電池からの電気エネルギーを大幅に超えた電気エネルギーが取得できる。 The energy density of solar cells is said to be 13-15 mW/cm 2 . This is the maximum energy density of a solar cell. The power that falls from directly above at the time of the sun's mid-century is about 1 kW in an area of 1 m 2 above the ground, and the conversion efficiency of solar cells is currently 13 to 15% of the received light. Naturally, the energy density decreases in the morning and evening, cloudy days, and rainy days, and no power is generated at night. Therefore, even if the form factor is taken into account, it is possible to obtain electric energy that greatly exceeds the electric energy from the solar cell.

図8は、花を植えた植木鉢に、電極を埋め込んで電気エネルギーを取り出し、イルミネーションを点灯させる実験装置Bを示す図である。実験装置B66において、アノード電極は、マグネシウム板にプルシアンブルーをコーティングし、透水性シートで包んだカバー付きコーティング電極である。カソード電極は、木炭をステンレス線で巻いた木炭電極である。この2つの電極を植木鉢の土壌に埋め込んでいる。植木鉢に化成肥料の水溶液を供給しながら、花を育てている。 FIG. 8 is a diagram showing an experimental device B in which electrodes are embedded in a flowerpot in which flowers are planted, and electrical energy is extracted to turn on the illumination. In the experimental apparatus B66, the anode electrode is a covered coated electrode in which a magnesium plate is coated with Prussian blue and wrapped with a water-permeable sheet. The cathode electrode is a charcoal electrode in which charcoal is wound with a stainless steel wire. These two electrodes are embedded in the soil of the flowerpot. Flowers are grown while supplying an aqueous solution of chemical fertilizer to the flowerpot.

植木鉢へ埋め込んだ電極から取り出した電気エネルギーは、制御回路に入力され、ニッケル水素電池に蓄電される。制御回路はイルミネーションに接続され、イルミネーションの点灯を行っている。イルミネーションの点灯は制御回路で制御され、連続点灯やオン・オフの点滅等、数種類の点灯モードがコントロールできる。 Electric energy extracted from the electrodes embedded in the flower pot is input to the control circuit and stored in the nickel metal hydride battery. The control circuit is connected to the illumination and turns on the illumination. The lighting of the illumination is controlled by a control circuit, and several lighting modes such as continuous lighting and on/off flashing can be controlled.

植木鉢へ埋め込んだ電極からは1.5~1.8Vの電圧が得られ、短絡電流は5~10mAが得られている。当然、取り出せる電流は土壌の状態に依存し、特に水分量の影響が大きい。ニッケル水素電池は、定格1.2V,1900mAhのものを使用しており、満充電状態でのイルミネーション点灯は、約2日間行えた。ニッケル水素電池への充電は、常時行われており、土壌の状態によっては、更に長時間の点灯が可能である。イルミネーションの輝度が低下し、薄い光となった時のニッケル水素電池の電圧は836mVであったが、定格電圧への充電は半日ぐらいで行えた。 A voltage of 1.5 to 1.8 V and a short-circuit current of 5 to 10 mA were obtained from the electrode embedded in the flower pot. Naturally, the electric current that can be taken out depends on the condition of the soil, and the water content has a particularly large effect. A nickel-metal hydride battery with a rating of 1.2 V and 1900 mAh was used, and illumination lighting in a fully charged state could be performed for about two days. The nickel-metal hydride battery is constantly charged, and depending on the condition of the soil, it can be lit for a longer period of time. The voltage of the nickel metal hydride battery was 836 mV when the brightness of the illumination decreased and the light became dim, but it took about half a day to charge the battery to the rated voltage.

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention includes appropriate modifications that do not impair its objects and advantages, and is not limited by the above-described embodiments.

10 コーティング電極
12 金属
14 層状化合物
16 端子
20 従来のマグネシウム空気電池
22 アノード電極
24 アノード端子
26 カソード電極
28 カソード端子
30 電解質
32 容器
36 電荷移動型一次電池
38 インターカレーター
40 微生物燃料電池
42 土壌
44 植物
46 根
50 田んぼ発電
52 土壌領域
54 水領域
56 稲
58 試作電極
60 実験装置A
62 セパレータ
66 実験装置B
REFERENCE SIGNS LIST 10 coated electrode 12 metal 14 layered compound 16 terminal 20 conventional magnesium air battery 22 anode electrode 24 anode terminal 26 cathode electrode 28 cathode terminal 30 electrolyte 32 container 36 charge transfer primary cell 38 intercalator 40 microbial fuel cell 42 soil 44 plant 46 Root 50 Rice field power generation 52 Soil region 54 Water region 56 Rice 58 Prototype electrode 60 Experimental device A
62 Separator 66 Experimental device B

Claims (11)

金属に層状化合物を含んだ被膜が形成されているコーティング電極を、少なくとも正極又は負極のいずれか一方の電極に使用したこと、
を特徴とする一次電池。
A coated electrode in which a film containing a layered compound is formed on a metal is used as at least one of the positive electrode and the negative electrode;
A primary battery characterized by:
前記金属は、銅,亜鉛または亜鉛合金,アルミニウムまたはアルミニウム合金,マグネシウムまたはマグネシウム合金であること、
を特徴とする請求項1に記載の一次電池。
the metal is copper, zinc or a zinc alloy, aluminum or an aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy;
The primary battery according to claim 1, characterized by:
前記層状化合物は、黒鉛,プルシアンブルーまたはプルシアンブルー類似体であること、
を特徴とする請求項1に記載の一次電池。
the layered compound is graphite, Prussian blue or a Prussian blue analog;
The primary battery according to claim 1, characterized by:
前記被膜には、導電材が含まれていること、
を特徴とする請求項1に記載の一次電池。
The coating contains a conductive material;
The primary battery according to claim 1, characterized by:
前記導電材は、黒鉛,カーボンナノチューブ,カーボンブラック,活性炭,ケッチェンブラック,フラーレン,木炭の微粉末であること、
を特徴とする請求項3に記載の一次電池。
The conductive material is graphite, carbon nanotube, carbon black, activated carbon, ketjen black, fullerene, fine powder of charcoal,
The primary battery according to claim 3, characterized by:
前記被膜は、前記層状化合物と前記導電材は、結合剤と混合されて前記金属にコーティングされていること、
を特徴とする請求項1乃至4に記載の一次電池。
The layered compound and the conductive material are mixed with a binder and coated on the metal in the coating;
The primary battery according to any one of claims 1 to 4, characterized by:
前記コーティング電極は、透水性の高分子フィルムで包まれていること、
を特徴とする請求項6に記載の一次電池。
The coated electrode is wrapped with a water-permeable polymer film;
The primary battery according to claim 6, characterized by:
カーボンを材料とするカーボン電極と、
有機物又は肥料を含んだ電解質と、
前記コーティング電極と、
で構成されていること、
を特徴とする請求項1に記載の一次電池。
a carbon electrode made of carbon;
an electrolyte containing organic matter or fertilizer;
the coating electrode;
consist of
The primary battery according to claim 1, characterized by:
前記電解質は、土壌に肥料を混入していること、
を特徴とする請求項8に記載の一次電池。
The electrolyte is mixed with fertilizer in the soil;
The primary battery according to claim 8, characterized by:
前記電解質は、肥料の水溶液であること、
を特徴とする請求項8に記載の一次電池。
The electrolyte is an aqueous solution of fertilizer;
The primary battery according to claim 8, characterized by:
前記電解質は、土壌領域と水領域で構成されていること、
を特徴とする請求項8に記載の一次電池。
the electrolyte being composed of a soil region and a water region;
The primary battery according to claim 8, characterized by:
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