JP4278468B2 - 電池の正極材料及びそれを用いた空気電池 - Google Patents
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Description
教材(教材キットを含む)を提供する。
なわちおがくずを用いている。このおがくずは、備長炭などの原木である硬質の
カシ、ナラ、クヌギなどの制限はなく、針葉樹のかんばつ材(杉、ヒノキなどの
軟質の木材)の製材や加工で生じるおがくずをも包含している。
圧縮加工する。
おいて炭化焼成を行い、その焼成後、空気(酸素)を遮断して数時間かけて室温
まで徐冷して作製する。
、その検証実験の手法を詳細に説明する。
ここで、導電率σ = neμ, nはキャリア密度、eはキャリア(電子または正孔)の電荷、μはキャリア移動度である。
その電子密度(ne)は室温近傍の温度変化では殆ど変化しない。
ルギーバンドの理論からは、最上位のエネルギーを持つ電子を格納するエネルギー帯(価電子帯)が、電子で完全に満たされていないことによる。この場合、温度変化による効果を考慮しなくてはならないファクターはキャリアである電子の移動度(μe)であるが、
温度上昇が原子の熱振動を激しく励起し、キャリアの散乱を増加させることを考えれば、キャリアの動きやすさの目安である移動度(μ)は温度上昇により低下することは明らかである。つまり、(1)式から、金属性電気伝導では、温度上昇に対して導電率(σ)は移動度の低下により単調に減少し、温度低下では増加する。この導電率(σ)の温度変化は金属性電気伝導材料の特徴である。
(2)式で表現されるように絶対温度Tの変化に対して指数関数的な変化を示す。
(2)式から温度Tを下げると導電率は指数関数的に減少し、極低温では非常に小さな
値となる(絶縁体に近づく)。
リア(電子、ホール)が熱励起で発生する事情は本質的に同じである。
いる。#Dは本発明で使用したおがくずから製造した半導体性木炭である。
化は、以下に示すように、式(2)の指数関数的な温度変化であることが判る。
σ(実験値) = A・exp{-ΔE/kT}: A ≒4.4Ω-1・cm-1 , △E ≒ 33 meV (3)
(3)式のσの実験的な温度特性より、#Dのおがくずから製造した木炭は、半導体特有の電気伝導率の温度特性を有していることが確認される。これより、おがくずから作製した#Dの木炭は、キャリアの熱活性化エネルギー(ΔE)≒33meVの半導体性木炭であるこ
とがわかる。
てVan der pauw法による4端子ホール測定を実施した。測定した資料構造は10mm×10mm×1mm厚の試料(図1(b)参照)で行い、正方形試料の4角に金蒸着により電極を形成した。この測定の目的は、キャリア移動度(μ)の温度変化が緩やかであることを確かめるためである。290Kと360Kでのホール測定の結果より移動度(<0.5 cm2/V・sec)の温度変化は5%以下であることが判った。
度の温度変化を反映しており、半導体材料固有の電気伝導機構を有していることが判定される。
結果を詳細に説明したが、この特異な半導体性木炭は、
(1) 酸素、水素などの分解や化学反応において重要な物理・化学反応における 有
効な触媒効果を持つこと、
(2) 比重は約1.1程度で1gあたり100〜200m2の内壁面積を持つ極めて多孔質
の材料であること、
(3) 高い強度を有し且つ、線状、板状や粉末などへ容易に加工できること、
などの優れた利点を有しており、空気電池や燃料電池などの正極材料として有用
な材料であることが判る(優れた反応触媒効果は、後で示す空気電池の正極とし
ての実験で実証されている)。
のおがくずを加圧と加温により固体製形するときの装置に依存しており、ある程度自由に形状(外系、内径、高さ)を変えることが可能である。
にステンレス金属を挿入して半導体性木炭正極からの電流を収集する電極5としている。負極3はアルミニウムを使用した。
メッシュを木炭陽極表面に配置している。尚、6は電池容器、7は電池(−)電極を示す。
で示す結果と類似している。
、つまり10mAを駆動する起電力(0.6V)は全く劣化しないことを実験は示している。
放電特性で比較したが、後述の実験で示すように、本発明の半導体性木炭を正極とする空気電池では、空気中から酸素の自動補給を可能にした構成では千時間(数ヶ月)から1万時間(年単位)の長寿命動作を実現することが可能となる。
力を維持している。
び空気に接触させて起電力の回復を調べたものである。 空気と接触させたあと100時間
程度で、起電力は0.5V以上に回復することが確認される。
O2(木炭細孔壁に吸着した酸素分子) → 2O (酸素原子への解離) (4)
(4)式の酸素原子は、電界液に以下の反応で(OH)-イオンとして溶解する
2O + 2(H2O) + 4e- → 4(OH)- (5)
この反応における4個の電子(e)は、半導体性木炭正極から受け取る。
負極では、Al原子が3個の電子を金属に残し、電解液中へAl3+イオンとして溶解する過程(6)式で表現される。
(4)式の反応で生じた電子は外部に接続された回路を通して半導体性木炭正極に供給され、(5)式で要求される電子として消費される。 つまり、(4)から(5)式の化学反応が循環し、外部回路に電流が流れることを示している。 全ての反応をまとめると、
2Al3+ + 6(OH)- → Al2O3 + 3H2O ・・・(7)
で記述され、この一連の反応が継続することで電池動作が継続する。尚、この空気電池の動作反応で生成される副産物は無害なAl2O3(アルミナ)である。
イオンとしての電解液への溶解反応過程に対して顕著な効果を示す。(4)式及び(5)式の反応が、半導体性木炭のミクロな細孔内固相・気相・液相の境界で効率よく進行することが、本発明の重要な要素といえる。さらに、この反応は空気電池の場合だけでなく、類似の反応を伴う燃料電池等の正極(酸素極)の場合にも当てはまり、その場合においても半導体性木炭は有効な正極材料として働くことは明らかである。
濃度でも本発明の空気電池の基本的な能力(起電力、電流駆動能力、寿命)は、図6から
図8に示した空気電池の能力と遜色のない結果を確認した。
本発明の空気電池を6個直列に集積して、約3.5Vの起電力の電源を構成し、低消費電力の発光ダイオード(LED)のイルミネーション装置を作製した。この空気電池は、プラス
チック性の電池ボックスに収容し、風雨のあたる屋外でも使用できるように設計している。このイルミネーション装置には光センサーを備えており、LEDは夜間のみの照明が出来
るようにしている。
海岸、山林、などにおける実用的なイルミネーションや照明装置に応用可能である。また、この装置の大きな特徴としては、数ヶ月の連続動作後に電池機能が低下した場合でも、負極金属(Al等)を交換・補給することで、電池機能を回復させることが可能であり、コストおよび環境面においても従来の電池より優れていることである。 2:自然海水を電界液にした空気電池による照明設備に関する応用実施例
この実験では、10個の木炭空気電池を海水に浸漬させ、300mA以上の電流を駆動できる
空気電池を作製した。半導体性木炭は図4(a)に示す正極の形状で、その大きさは、外形4cm、内径1cm、長さは30cmである。正極からの電流はステンレス線により取り出して
いる。空気中から酸素の自然補給ができるように木炭の上部10cm程度を空気中に露出させている。また、電解液となる海水を容器に入れるのではなく、自然の海中に開放した形で行っている。 照明は白色LEDを20個使用し、電池からの電圧をDC-DCコンバータにより昇圧する電源装置となっている。
・自然環境を重視する公園、森林、海洋、沿岸、船舶などの低コストかつクリーンな電源および照明装置。
・家庭や公共設備における、屋外での照明、イルミネーション設備、水循環ポンプの電源。
・海水利用による船舶、海岸の照明、海洋のブイなどの照明あるいは電子装置の電源・深海における電子デバイス装置の特殊電源装置など。
・半導体性木炭を正極した空気電池の学習用教材(教材キットを含む)。
2 電解液
3 負極
Claims (4)
- 木材の製材あるいは加工で生じた屑の圧縮加工体を高温焼成した炭化物であって導電率が温度上昇とともに増大する特性を有する木炭よりなる正極と、金属よりなる負極とを電解物質を介して設けたことを特徴とする空気電池。
- 木材の製材あるいは加工で生じた屑の圧縮加工体の高温焼成炭化物よりなり、かつ導電率が温度上昇とともに増大する特性を有する木炭よりなる電池の正極材料。
- 請求項1に記載の空気電池を用いたイルミネーション装置、照明装置又は循環水ポンプ装置。
- 請求項2に記載の正極材料を用いた電池の学習用教材。
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