JP5646104B1 - Magnesium air battery - Google Patents
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Abstract
【課題】 発電継続時間、放電容量の面で優れたマグネシウム空気電池の電解液を提供する。【解決手段】 ケース11内に、4つのセル20が積層され、さらに一端に導電性の金属板28が積層された状態で、封入し、貫通孔16が形成されたキャップ15によって下面を封印してマグネシウム空気電池10を構成する。各セル20は、ステンレスの正極21、活性炭を含む正極活性体22、電解質を保持したセパレータシートで構成された電解質層23、マグネシウム合金AZ31からなる負極24で構成される。電解質層23は、エチレンジアミン四酢酸四ナトリウム(EDTA4Na)に、塩化カリウムを0.2%添加した水溶液を浸透させた後、乾燥させて形成する。エチレンジアミン四酢酸四ナトリウムを電解液として用いることにより、水酸化マグネシウムの生成を抑制でき、発電継続時間、放電容量を向上させることができる。【選択図】 図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte for a magnesium air battery excellent in terms of power generation duration and discharge capacity. SOLUTION: In a case 11, four cells 20 are laminated, and a conductive metal plate 28 is laminated at one end, and the lower surface is sealed with a cap 15 in which a through hole 16 is formed. The magnesium air battery 10 is configured. Each cell 20 includes a stainless positive electrode 21, a positive electrode active body 22 including activated carbon, an electrolyte layer 23 formed of a separator sheet holding an electrolyte, and a negative electrode 24 formed of a magnesium alloy AZ31. The electrolyte layer 23 is formed by impregnating ethylenediaminetetraacetic acid tetrasodium (EDTA4Na) with an aqueous solution containing 0.2% potassium chloride and then drying. By using ethylenediaminetetraacetic acid tetrasodium as an electrolytic solution, the production of magnesium hydroxide can be suppressed, and the power generation duration and the discharge capacity can be improved. [Selection] Figure 2
Description
本発明は、マグネシウムと酸素を用いて発電するマグネシウム空気電池に関する。 The present invention relates to a magnesium-air battery that generates power using magnesium and oxygen.
近年、負極側にマグネシウムまたはマグネシウム合金を用い、正極側に空気中の酸素を用いるマグネシウム空気電池が開発されている。マグネシウム空気電池における正極および負極での反応は、次の通りである。
正極側:O2+2H2O+4e−→4OH−
負極側:2Mg+3OH−→2Mg2++4e−
In recent years, magnesium-air batteries using magnesium or a magnesium alloy on the negative electrode side and oxygen in the air on the positive electrode side have been developed. The reaction at the positive electrode and the negative electrode in the magnesium-air battery is as follows.
Positive electrode side: O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH −
Negative electrode side: 2Mg + 3OH − → 2Mg 2+ + 4e −
マグネシウム空気電池については、電解液のpHと関連して、次のような課題が指摘されている。電解液が酸性の場合、自己放電、即ち負極側のマグネシウムまたはマグネシウム合金から溶出された電子が、負極上で水素イオンと反応し、水素ガスを発生してしまう現象が生じてしまうのである。一方、電解液がアルカリ性の場合、マグネシウム表面に水酸化マグネシウム、即ちMg(OH)2が生成され、電気もイオンも通さない不動態膜を形成するため、電流が流れなくなってしまうのである。
特許文献1、特許文献2は、それぞれ上述した課題の解決を図るため、クエン酸塩およびコハク酸塩などの多価カルボン酸塩を用いる旨を開示している。特許文献1によれば、多価カルボン酸塩を用いる効果として、「マグネシウムイオンに多価カルボン酸塩のイオンがキレート結合してマグネシウムイオンと結合するため、マグネシウムイオンが水酸化イオンと結合するのを妨げて、マグネシウムイオンの溶解度を飛躍的に向上」させるとともに、「多価カルボン酸イオンの緩衝作用によって水系電解質が容易にアルカリ性へと変化することを防止する」ことができるとされている。
Regarding magnesium-air batteries, the following problems have been pointed out in relation to the pH of the electrolyte. When the electrolytic solution is acidic, a phenomenon occurs in which self-discharge, that is, electrons eluted from magnesium or magnesium alloy on the negative electrode side react with hydrogen ions on the negative electrode to generate hydrogen gas. On the other hand, when the electrolytic solution is alkaline, magnesium hydroxide, that is, Mg (OH) 2 is generated on the magnesium surface, and a passive film that does not allow electricity and ions to pass therethrough is formed, so that no current flows.
しかし、先に述べた通り、マグネシウム空気電池の電解液は、酸性の場合には自己放電を生じ、アルカリ性の場合には不動態膜が形成されるという課題を有しており、特許文献1、2の技術においても、これらの課題を回避できる範囲にpHを調整する必要があり、安定的に発電させることは容易ではなかった。
また、特許文献1ではクエン酸が効果的とされているものの、「クエン酸を加えた電解液では負極が全て溶解する前に電圧が0.1V以下となったことから容量の測定はできなかった」(安田剛他、「マグネシウム燃料電池の開発」http://www.tonio.or.jp/koryu/ronbunsyu−27/H25−045.pdf)との報告もあり、マグネシウム空気電池における電解液には、まだ改善の余地が残されていた。
本発明は、かかる状況下、発電継続時間、放電容量の面で優れたマグネシウム空気電池の電解液を提供することを目的とする。
However, as described above, the electrolyte of the magnesium-air battery has a problem that self-discharge occurs when it is acidic, and a passive film is formed when it is alkaline. In the
Moreover, although citric acid is considered to be effective in
An object of this invention is to provide the electrolyte solution of the magnesium air battery excellent in the surface of electric power generation continuation time and discharge capacity in this condition.
本発明は、マグネシウムと酸素を用いて発電するマグネシウム空気電池であって、
マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる負極と、
導電性材料からなる正極と、
前記正極に接して配置され、酸素を供給する正極活性体と、
前記正極活性体と前記負極との間に配置され、アルカリ性を示すアミノポリカルボン酸塩の水溶液を含む電解液を保持する電解質層とを備えるマグネシウム空気電池として構成することができる。
The present invention is a magnesium air battery that generates electricity using magnesium and oxygen,
A negative electrode made of magnesium or a magnesium alloy;
A positive electrode made of a conductive material;
A positive electrode active body arranged in contact with the positive electrode and supplying oxygen;
It can be comprised as a magnesium air battery provided with the electrolyte layer which is arrange | positioned between the said positive electrode active body and the said negative electrode, and hold | maintains the electrolyte solution containing the aqueous solution of the aminopolycarboxylate which shows alkalinity.
アミノポリカルボン酸塩は、少なくとも1つの−N(CH2COOH)2を有しており、マグネシウムイオンと安定的にキレート結合することができる。本発明では、種々のアミノポリカルボン酸塩の中で、アルカリ性の溶液となるものを用いる。
本発明によれば、アミノポリカルボン酸塩がマグネシウムイオンとキレート結合することにより、水酸化マグネシウムの発生を抑制でき、不動態膜の形成を抑制することができる。また、本発明では、電解液はアルカリ性となるから、酸性下で生じる自己放電の問題も自然と回避することができる。
即ち、本発明は、電解液を敢えてアルカリ性にすることによって、マグネシウム空気電池の電解液が酸性下で生じる課題を回避するとともに、マグネシウムイオンとキレート結合を生じるアミノポリカルボン酸塩を用いることによってアルカリ性下で生じる課題も回避することを図っている。こうすることにより、本発明のマグネシウム空気電池は、発電継続時間および放電容量を向上させることが可能となる。
The aminopolycarboxylate has at least one —N (CH 2 COOH) 2 and can stably chelate with magnesium ions. In the present invention, among various aminopolycarboxylates, an alkaline solution is used.
According to the present invention, the aminopolycarboxylate can chelate bond with magnesium ions, so that the generation of magnesium hydroxide can be suppressed and the formation of a passive film can be suppressed. In the present invention, since the electrolytic solution becomes alkaline, the problem of self-discharge that occurs under acidic conditions can be naturally avoided.
That is, the present invention avoids the problem that the electrolyte of the magnesium-air battery is acidic under the condition that the electrolyte is made alkaline, and is alkaline by using an aminopolycarboxylate that forms a chelate bond with magnesium ions. It also tries to avoid the problems that occur below. By doing so, the magnesium-air battery of the present invention can improve the power generation duration and the discharge capacity.
本発明のマグネシウム空気電池においては、
前記アミノポリカルボン酸塩として、エチレンジアミン四酢酸四ナトリウム(EDTA4Na)、エチレンジアミン四酢酸三ナトリウム(EDTA3Na)、ニトリロ三酢酸三ナトリウム(NTA3Na)、ジエチレントリアミン五酢酸五ナトリウム(DTPA5Na)、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸三ナトリウム(HEDTA3Na)、 トリエチレンテトラミン−N,N,N’,N”,N”,N”’六ナトリウム(TTHA6Na)、N−(2−ヒドロキシエチル)イミノ二ナトリウム(HIDA2Na)、N,N−ジ(2−ヒドロキシエチル)グリシン−ナトリウム(DHEGNa)、グルタミン酸二酢酸四ナトリウム(GLDA4Na)、およびエチレンジアミン−N,N’ −ジコハク酸三ナトリウム(EDDSH3Na)の少なくとも一つを用いるものとしてもよい。
これらは、単独で用いても良いし、混合して用いても良い。fa
また、これらのアミノポリカルボン酸塩において、アルカリ性が非常に弱い場合などには、水酸化ナトリウムを添加するなどしてもよい。
In the magnesium air battery of the present invention,
Examples of the aminopolycarboxylate include ethylenediaminetetraacetic acid tetrasodium (EDTA4Na), ethylenediaminetetraacetic acid trisodium (EDTA3Na), nitrilotriacetic acid trisodium (NTA3Na), diethylenetriaminepentaacetic acid pentasodium (DTPA5Na), hydroxyethylethylenediaminetriacetic acid triacetate. Sodium (HEDTA3Na), triethylenetetramine-N, N, N ′, N ″, N ″, N ″ ′ hexadium (TTHA6Na), N- (2-hydroxyethyl) iminodisodium (HIDA2Na), N, N— Using at least one of di (2-hydroxyethyl) glycine-sodium (DHEGNa), tetrasodium glutamate diacetate (GLDA4Na), and ethylenediamine-N, N′-trisodium disuccinate (EDDSH3Na) It is good.
These may be used alone or in combination. fa
In these aminopolycarboxylates, sodium hydroxide may be added when the alkalinity is very weak.
また、本発明のマグネシウム空気電池においては、
発電時における前記電解液が、pH8以上かつpH13以下に調整されていることが好ましい。
このようにpHを調整しておくことにより、酸性下で生じる自己放電を確実に回避することができる。pHの調整は、電解液の濃度や、水酸化ナトリウムなどのアルカリ性物質の添加などによって行うことができる。
In the magnesium-air battery of the present invention,
It is preferable that the electrolytic solution during power generation is adjusted to
By adjusting the pH in this way, self-discharge that occurs under acidic conditions can be reliably avoided. The pH can be adjusted by the concentration of the electrolytic solution or the addition of an alkaline substance such as sodium hydroxide.
本発明のマグネシウム空気電池においては、
前記電解液は、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムの少なくとも一方を、0.05重量%以上かつ18重量%以下の範囲で含有することも好ましい。
こうすることによって、電解液の電気伝導率を向上させることができる。
In the magnesium air battery of the present invention,
The electrolytic solution preferably contains at least one of sodium chloride and potassium chloride in the range of 0.05% by weight to 18% by weight.
By carrying out like this, the electrical conductivity of electrolyte solution can be improved.
本発明において、電解質層は、種々の構成が可能である。
電解質層の第1の構成として、
前記電解質層は、前記負極および正極活性体の少なくとも一部を浸す状態で前記電解液を貯蔵するタンクによって構成されるものとしてもよい。
電解液は、当初からタンクに貯蔵されていてもよいし、発電開始時にタンクに電解液を注入するようにしてもよい。また、タンク内に固体のアミノポリカルボン酸塩を貯蔵しておき、発電開始時にタンクに水を注入するようにしてもよい。
In the present invention, the electrolyte layer can have various configurations.
As a first configuration of the electrolyte layer,
The electrolyte layer may be configured by a tank that stores the electrolytic solution in a state in which at least a part of the negative electrode and the positive electrode active body is immersed.
The electrolytic solution may be stored in the tank from the beginning, or the electrolytic solution may be injected into the tank at the start of power generation. Alternatively, a solid aminopolycarboxylate may be stored in the tank, and water may be injected into the tank at the start of power generation.
電解質層の第2の構成として、
前記電解質層は、前記負極および正極活性体に少なくとも一部で接触し、前記電解液を吸収し保持する保水体によって構成されるものとしてもよい。
かかる構成によれば、電解液が保水体に保持されているため、液漏れを抑制しやすい利点がある。かかる構成においても、マグネシウム空気電池の組み立て当初から、電解液を保水体に保持させておいてもよいし、発電開始時に外部から電解液を保水体に供給するようにしてもよい。
As a second configuration of the electrolyte layer,
The electrolyte layer may be constituted by a water retaining body that contacts at least part of the negative electrode and the positive electrode active body and absorbs and holds the electrolytic solution.
According to such a configuration, since the electrolytic solution is held in the water retaining body, there is an advantage that liquid leakage is easily suppressed. Even in such a configuration, the electrolytic solution may be held in the water holding body from the beginning of the assembly of the magnesium-air battery, or the electrolytic solution may be supplied from the outside to the water holding body at the start of power generation.
また、第2の構成、即ち保水体を用いた構成の場合、
前記電解質は、発電開始前の状態において、前記保水体に溶出可能な部位に固体として保持されており、
前記保水体に、前記溶出を実現できる量の水を外部から供給するための供給機構を備えているものとしてもよい。
こうすることにより、発電開始前の状態では電池内には固体しか存在しないため、液漏れの心配なく保管することができる。また、外部から水を供給するだけで簡便に発電を開始させることができる。
発電開始前に電解質を保持しておく部位としては、保水体の表面または内部、負極と保水体の接触面、正極活性体と保水体の接触面などが考えられる。
In the case of the second configuration, that is, the configuration using the water retaining body,
The electrolyte is held as a solid at a site that can be eluted in the water holding body in a state before the start of power generation,
The water holding body may be provided with a supply mechanism for supplying an amount of water capable of realizing the elution from the outside.
By doing so, since only the solid exists in the battery before the start of power generation, it can be stored without worrying about liquid leakage. In addition, power generation can be started simply by supplying water from the outside.
Possible parts for holding the electrolyte before the start of power generation include the surface or inside of the water retention body, the contact surface between the negative electrode and the water retention body, the contact surface between the positive electrode active body and the water retention body, and the like.
外部から電解液または水を供給するための供給機構として、
前記負極、正極、正極活性体、および前記保水体を封入するケースを備える場合には、
前記供給機構は、前記ケースの下面に形成された貫通孔であるものとすることができる。貫通孔の大きさおよび数は任意である。
こうすることにより、水等を貯めた容器にマグネシウム空気電池の下面を浸すと、保水体の吸水性によって、保水体内に水を吸い上げ、発電を開始することができる。マグネシウム空気電池の上面から水等を供給する機構に比較し、マグネシウム空気電池を浸すだけで済むため、簡便であるとともに、供給時の水等の漏れを回避でき、漏れた水等に起因する短絡を抑制できる利点もある。
As a supply mechanism for supplying electrolyte or water from the outside,
In the case of including a case that encloses the negative electrode, the positive electrode, the positive electrode active body, and the water retaining body,
The supply mechanism may be a through hole formed in the lower surface of the case. The size and number of the through holes are arbitrary.
By so doing, when the lower surface of the magnesium-air battery is immersed in a container storing water or the like, water can be sucked into the water retaining body due to the water absorption of the water retaining body, and power generation can be started. Compared to a mechanism that supplies water etc. from the top surface of the magnesium air battery, it is only necessary to immerse the magnesium air battery, so it is simple and avoids leakage of water etc. during supply, and a short circuit caused by leaked water etc. There is also an advantage that can be suppressed.
また、下面に貫通孔を設けた場合、
前記負極および正極に接続された外部への接続端子が、前記ケースの中央より上側に形成されているものとしてもよい。
こうしておけば、マグネシウム空気電池を水等に浸した状態でも端子に回路を接続することができる。
In addition, when a through hole is provided on the lower surface,
An external connection terminal connected to the negative electrode and the positive electrode may be formed above the center of the case.
In this way, the circuit can be connected to the terminal even when the magnesium-air battery is immersed in water or the like.
保水体は、種々の構成が可能であり、例えば、
前記保水体は、パルプを主成分とする重量密度が100グラム/平方メートル以上、かつ1000グラム/平方メートル以下であるものとしてもよい。
保水体は、パルプのみで形成してもよいし、パルプと不織布などを組み合わせて形成してもよい。上述の重量密度にしておくことにより、マグネシウム空気電池の発電を開始するのに十分な吸水性を確保することができる。
The water retaining body can have various configurations, for example,
The water-retaining body may have a weight density of 100 g / square meter or more and 1000 g / square meter or less based on pulp.
The water retaining body may be formed only from pulp, or may be formed by combining pulp and nonwoven fabric. By setting the above-described weight density, water absorption sufficient to start power generation of the magnesium-air battery can be ensured.
電解質層の構成に関わらず、本発明のマグネシウム空気電池においては、
前記正極活性体は、活性炭および二酸化マンガンの少なくとも一部を用いるものとしてもよい。
活性炭は、空気中の酸素などを内部に吸蔵しておき、これを供給することができる。二酸化マンガンは、水と反応することで酸素原子を遊離することができる。従って、これらの物質を用いることにより、正極活性体を構成することができる。
これらは、単独で用いても良いし、混合して用いても良い。また、固形の状態で用いても良いし、粉末状にした上でシート上に積層等して用いても良い。
Regardless of the configuration of the electrolyte layer, in the magnesium-air battery of the present invention,
The positive electrode active material may use at least a part of activated carbon and manganese dioxide.
Activated carbon can store oxygen in the air and supply it. Manganese dioxide can liberate oxygen atoms by reacting with water. Therefore, a positive electrode active body can be comprised by using these substances.
These may be used alone or in combination. Further, it may be used in a solid state or may be used after being powdered and laminated on a sheet.
本発明において、上述した特徴は、必ずしも全てを備えている必要はなく、適宜、その一部を省略したり、組み合わせたりしてもよい。また、本発明は、マグネシウム空気電池の他、種々の態様をとることができる。例えば、上述したマグネシウム空気電池を製造する製造方法、上述したマグネシウム空気電池を用いた発電方法、マグネシウム空気電池に用いられる電解液、およびマグネシウム空気電池に用いられる電解液を固体の状態で保持した電解質層の製造方法などである。 In the present invention, the above-described features are not necessarily all provided, and some of them may be omitted or combined as appropriate. In addition to the magnesium-air battery, the present invention can take various forms. For example, a manufacturing method for manufacturing the above-described magnesium-air battery, a power generation method using the above-described magnesium-air battery, an electrolyte used for the magnesium-air battery, and an electrolyte that holds the electrolyte used for the magnesium-air battery in a solid state For example, a method for producing a layer.
図1は、実施例におけるマグネシウム空気電池10の外観を示す説明図である。実施例のマグネシウム空気電池10は、水に下方を浸すことによって発電を開始するよう構成されている。以下、その構造および発電能力について説明する。
FIG. 1 is an explanatory view showing the appearance of a magnesium-
A.全体構造:
マグネシウム空気電池10は、樹脂製のケース11内に、複数のセルが組み込まれた構造となっている。ケース11の上方には幅方向に凹んだ凹部12が形成されており、ここに外部の回路に接続するための端子13が設けられている。本実施例では、端子13は、セルの電極を構成する導電性の金属の一部を露出させる構造としている。セルの電極とは別に端子13を設けるようにしてもよい。
A. Overall structure:
The magnesium-
図の下側に、マグネシウム空気電池10を下方から見た状態を示した。図示する通り、ケース11の下面には、段部11sが形成され、複数の貫通孔16が形成されたキャップ15がはめ込まれて封印されている。水を蓄えた容器等に、キャップ15を下面にしてマグネシウム空気電池10を立てることによって、貫通孔16を通じてケース11内に水が浸透し、発電を開始することができる。
The state which looked at the
本実施例では、外部の回路に接続するための端子13は、上方に設けられているため、このようにマグネシウム空気電池10を水に浸しているときでも、短絡等の心配なく外部回路に電池を接続することが可能である。本実施例では、上端に端子13が形成されているが、端子13が水に浸かることを回避するという観点からは、端子13は発電時の水位よりも上方に設けられていればよく、例えば、ケース11の半分より上側の任意の位置に設けることができる。
In this embodiment, since the terminal 13 for connecting to an external circuit is provided on the upper side, even when the
ケース11の側面には、発電開始時にマグネシウム空気電池を水に浸す基準となる基準線14が描かれている。もっとも、基準線14は、目安に過ぎず、基準線14よりも水位が多少低くても発電を開始することは可能である。
On the side surface of the
図2は、実施例におけるマグネシウム空気電池10の内部構造を示す説明図である。斜視図(図1)におけるA−A断面の様子を模式的に示した。
図示するように、マグネシウム空気電池10には、ケース11内に、4つのセル20が積層され、さらに一端に導電性の金属板28が積層された状態で、封入されている。セル20の数は任意に設定可能である。ケース11の下側は、貫通孔16が形成されたキャップ15によって封印されている。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the internal structure of the magnesium-
As shown in the figure, the magnesium-
図の下側に、各セル20の拡大図を示した。セル20は、4つの層を積層した構造となっている。
正極21は、ステンレスや銅などの導電性の金属で形成することができる。本実施例ではステンレスを用いている。
正極活性体22は、活性炭粉末を積層した層である。活性炭に代えて二酸化マンガンなどを用いても良い。
電解質層23は、電解質を保持したセパレータシートで構成されている。
負極24は、マグネシウム合金AZ31で形成されている。マグネシウムを用いても良い。
4つのセルは、負極24に、正極21が接触するように、直列に配置されている。図中の左端に位置するセル20の正極21と、金属板28の上端の一部がケース11から露出するように構成されており、図1で説明した端子13として機能する。
An enlarged view of each
The
The positive electrode
The
The
The four cells are arranged in series such that the
電解質層23の構造についてさらに詳細に説明する。
セパレータシートは、パルプと不織布の混成素材であり、その重量密度は、100〜1000グラム/平方メートル程度となっている。
本実施例では、電解液としてエチレンジアミン四酢酸四ナトリウム(EDTA4Na)に、塩化カリウムを0.2%添加した水溶液を用いる。マグネシウム空気電池10を製造する際には、セパレータシートに対して、上述の電解液を浸透させた後、これを乾燥させて電解質層23を形成する。このように製造された電解質層23は、発電開始前は、液体を含んでいないため、マグネシウム空気電池10を保存する際に液漏れなどが生じる心配がない。
発電を開始時に、マグネシウム空気電池10を水に浸すと、セパレータシートが水を吸収し、予め保持されていたエチレンジアミン四酢酸四ナトリウム(EDTA4Na)が溶出するため、電解液として機能するようになる。
The structure of the
The separator sheet is a hybrid material of pulp and nonwoven fabric, and its weight density is about 100 to 1000 grams / square meter.
In this embodiment, an aqueous solution obtained by adding 0.2% of potassium chloride to ethylenediaminetetraacetic acid tetrasodium (EDTA4Na) is used as an electrolytic solution. When manufacturing the magnesium-
When the magnesium-
本実施例で用いたエチレンジアミン四酢酸四ナトリウム(EDTA4Na)の水溶液は、pH8〜13程度のアルカリ性を示す。従って、電解液が酸性下で生じる自己放電を回避することができる。
電解質層23には、この他、エチレンジアミン四酢酸三ナトリウム(EDTA3Na)、ニトリロ三酢酸三ナトリウム(NTA3Na)、ジエチレントリアミン五酢酸五ナトリウム(DTPA5Na)、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸三ナトリウム(HEDTA3Na)、 トリエチレンテトラミン−N,N,N’,N”,N”,N”’六ナトリウム(TTHA6Na)、N-(2-ヒドロキシエチル)イミノ二ナトリウム(HIDA2Na)、N,N-ジ(2-ヒドロキシエチル)グリシン一ナトリウム(DHEGNa)、グルタミン酸二酢酸四ナトリウム(GLDA4Na)、およびエチレンジアミン-N,N’-ジコハク酸三ナトリウム(EDDSH3Na)などを用いてもよい。また、電解液のpHが、8以下となるような場合には、水酸化ナトリウムなどのアルカリ性物質を合わせて保持しておいてもよい。
The aqueous solution of ethylenediaminetetraacetic acid tetrasodium (EDTA4Na) used in this example exhibits an alkalinity of about pH 8-13. Therefore, it is possible to avoid self-discharge that occurs when the electrolyte is acidic.
In addition to this, for the
B.発電継続時間:
図3は、実施例におけるマグネシウム空気電池の発電継続時間の計測結果を示すグラフである。縦軸に電流値、横軸に経過時間をとって示した。本実施例は、エチレンジアミン四酢酸四ナトリウム(EDTA4Na)6%に塩化カリウムO.2%の重量比で混合させた水溶液を電解液として用いており、その結果は、図中の曲線C1で示されている。比較例として、電解液を塩化カリウムの10%水溶液とした場合の計測結果を曲線C2で示した。外部回路として、弾丸型白色LED(Vf=2.8V、53ルーメンス/w、実用的な明るさが得られる電流域は2mA以上)を接続した。
図示する通り、比較例(曲線C2)は、測定開始当初は高い電流値を得られるが、4時間経過後から急激に電流値が低下し、約10時間経過後には2mA以下となり、実用的な明るさが得られなくなった。これに対して本実施例では、曲線C1に示す通り、24時間経過後でも10mA以上の電流値が得られており、発電継続時間が大幅に向上していることが分かる。
B. Power generation duration:
FIG. 3 is a graph showing the measurement results of the power generation duration time of the magnesium-air battery in the example. The vertical axis represents current value, and the horizontal axis represents elapsed time. In this example, 6% ethylenediaminetetraacetate (EDTA4Na) was added to potassium chloride O.D. An aqueous solution mixed at a weight ratio of 2% is used as the electrolytic solution, and the result is shown by a curve C1 in the figure. As a comparative example, the measurement result when the electrolytic solution is a 10% aqueous solution of potassium chloride is shown by a curve C2. As an external circuit, a bullet-type white LED (Vf = 2.8 V, 53 lumens / w, a current range where practical brightness can be obtained is 2 mA or more) was connected.
As shown in the figure, the comparative example (curve C2) can obtain a high current value at the beginning of the measurement, but the current value suddenly decreases after 4 hours, and becomes less than 2 mA after about 10 hours. I can't get the brightness. On the other hand, in this example, as shown by the curve C1, a current value of 10 mA or more is obtained even after 24 hours have elapsed, and it can be seen that the power generation duration time is significantly improved.
C.放電容量:
図4は、実施例におけるマグネシウム空気電池の放電容量の計測結果を示すグラフである。本実施例の結果を曲線C11に示し、比較例の結果を曲線C12に示した。実施例および比較例におけるマグネシウム空気電池の構造は、発電継続時間(図3)の場合と同じである。外部回路による負荷として、10オームの固定抵抗器を接続した。比較例(曲線C12)では、測定開始当初は高い出力電圧が得られたが、発電継続時聞が短いため、放電容量は約450mAh/gとなっている。一方、本実施例(曲線C11)の場合は、放電容量は約1900mAh/gとなっており、比較例の約4倍となっていることが分かる。
C. Discharge capacity:
FIG. 4 is a graph showing the measurement results of the discharge capacity of the magnesium-air battery in the example. The result of this example is shown in a curve C11, and the result of the comparative example is shown in a curve C12. The structure of the magnesium-air battery in the examples and comparative examples is the same as in the case of the power generation duration (FIG. 3). A 10 ohm fixed resistor was connected as a load by an external circuit. In the comparative example (curve C12), a high output voltage was obtained at the beginning of the measurement, but the discharge capacity was about 450 mAh / g because the power generation continuation time was short. On the other hand, in the case of this example (curve C11), the discharge capacity is about 1900 mAh / g, which is about four times that of the comparative example.
D.効果および変形例:
以上で説明した通り、本実施例のマグネシウム空気電池10によれば、塩化カリウムを電解液に用いた一般的なマグネシウム電池と比較して、発電継続時間、放電容量が大幅に向上することが確認できた。
上述の向上が得られるのは、次の理由による。即ち、実施例の電解液で用いたエチレンジアミン四酢酸四ナトリウム(EDTA4Na)は、アミノポリカルボン酸塩の一種であり、マグネシウムイオンと安定的にキレート結合することができるのである。この結果、マグネシウムイオンが水酸化イオンと反応して水酸化マグネシウムを発生することを抑制でき、不動態膜の形成を抑制することができる。また、本発明では、電解液はアルカリ性となるから、酸性下で生じる自己放電の問題も自然と回避することができるのである。
D. Effects and variations:
As described above, according to the magnesium-
The above-mentioned improvement is obtained for the following reason. That is, ethylenediaminetetraacetic acid tetrasodium (EDTA4Na) used in the electrolytic solution of the example is a kind of aminopolycarboxylate, and can stably chelate bond with magnesium ions. As a result, it can suppress that magnesium ion reacts with hydroxide ion and generates magnesium hydroxide, and can suppress formation of a passive film. In the present invention, since the electrolytic solution becomes alkaline, the problem of self-discharge that occurs under acidic conditions can be naturally avoided.
実施例で説明したマグネシウム空気電池10は、以下に示す通り、種々の変形例をとることができる。
(1) 実施例では、発電前の状態では、固体の電解質を電解質層23に保持する例を示した。これに代えて、電解質は、電解質層23に溶出可能な種々の部位に保持することができ、例えば、負極24と電解質層23との接触面、正極活性体22と電解質層23との接触面などに保持してもよい。
(2) 実施例では、電解質層23に固体の電解質を保持しておき、水を加えることで発電を開始する例を示したが、電解質層23に予め電解液を保持しておくものとしてもよい。
(3) 実施例では、電解質層23にセパレータシートを用いた例を示したが、電解質層23は以下に示すように液体を貯蔵するタンクとしてもよい。
The
(1) In the Example, the example which hold | maintains the solid electrolyte in the
(2) In the embodiment, the solid electrolyte is held in the
(3) Although the example which used the separator sheet for the
図5は、変形例におけるマグネシウム空気電池10Aの内部構造を示す説明図である。変形例のマグネシウム空気電池10Aは、実施例と同様、樹脂のケース11A、11Bの内部に4つのセル20Aが直列に積層され、負極側には電極となる金属板28Aが積層されている。
ただしケース11A、11Bは下面も閉じた容器状となっており、下側のケース11Aに上側のケース11Bをかぶせて接着等することで、セル20A、金属板28Aを封入している。
ケース11Bの上面には貫通孔18が設けられており、ここから電解液を注入可能となっている。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the internal structure of the magnesium-
However, the
A through
図の下側にセル20Aの構造を示した。正極21、正極活性体22、負極24は、それぞれ実施例と同じである。変形例では、実施例における電解質層に代えて、スペーサ23Aが取り付けられている。変形例では、筒状のスペーサ23Aを正極21から負極24まで貫通するピン23Bで止める構造とした。図示の便宜上、ピン23Bの頭は正極21、負極24の表面より突出して描いてあるが、隣接するセル20Aの正極21と負極24とが接触しやすいよう、ピン23Bの頭は、正極21と負極24から突出させないよう加工しておくことが好ましい。スペーサ23Aの取り付けは、ピン23Bを用いる他、接着など種々の構造が可能である。
The structure of the
スペーサ23Aによって、正極活性体22と負極24との間には所定の間隙が形成されており、ケース11A、11Bと合わせて電解液を貯蔵するタンクとして機能する。電解液を貫通孔18から注入すると、ケース11Aの内部全体が、電解液で満たされるため、正極活性体22と負極24との間の部分が発電に寄与する電解質層として機能することになる。
変形例においても、例えば、発電前の状態では、ケース11内のいずれかの部分や、正極21、正極活性体22および負極24の表面などに固体の電解質を保持しておくようにしてもよい。こうしておくことにより、貫通孔18から水を注入すれば、予め保持された電解質が溶けだして電解液となるため、発電を開始することができる。
正極活性体22と負極24との間は、必ずしもスペーサ23Aを設ける必要はなく、ケース11Bの内面に、所定の間隔をあけて正極活性体22と負極24を固定する溝を設けるなどしてもよい。
The
Also in the modification, for example, in a state before power generation, a solid electrolyte may be held on any part in the
The
以上、本発明の実施例および変形例について説明した。本発明は、実施例等で説明した全ての特徴を備えている必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりしてもよい。 In the above, the Example and modification of this invention were demonstrated. The present invention need not have all the features described in the embodiments and the like, and some of them may be omitted or combined as appropriate.
本発明は、マグネシウム空気電池の発電継続時間、放電容量向上のために利用可能である。 The present invention can be used to improve the power generation duration and discharge capacity of a magnesium-air battery.
10、10A…マグネシウム空気電池
11、11A、11B…ケース
11s…段部
12…凹部
13…端子
14…基準線
15…キャップ
16…貫通孔
20、20A…セル
21…正極
22…正極活性体
23…電解質層
23A…スペーサ
23B…ピン
24…負極
28、28A…金属板
DESCRIPTION OF
Claims (10)
マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる負極と、
導電性材料からなる正極と、
前記正極に接して配置され、酸素を供給する正極活性体と、
前記正極活性体と前記負極との間に配置され、アルカリ性を示すアミノポリカルボン酸塩の水溶液を含む電解液を保持する電解質層とを備え、
前記アミノポリカルボン酸塩として、エチレンジアミン四酢酸四ナトリウム(EDTA4Na)、エチレンジアミン四酢酸三ナトリウム(EDTA3Na)、ニトリロ三酢酸三ナトリウム(NTA3Na)、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸三ナトリウム(HEDTA3Na)、トリエチレンテトラミン−N,N,N’,N”,N”,N”’六ナトリウム(TTHA6Na)、エチレンジアミン-N,N’-ジコハク酸三ナトリウム(EDDSH3Na)の少なくとも一つを用いるマグネシウム空気電池。 A magnesium-air battery that generates electricity using magnesium and oxygen,
A negative electrode made of magnesium or a magnesium alloy;
A positive electrode made of a conductive material;
A positive electrode active body arranged in contact with the positive electrode and supplying oxygen;
An electrolyte layer disposed between the positive electrode active body and the negative electrode and holding an electrolytic solution containing an aqueous solution of an aminopolycarboxylate salt exhibiting alkalinity ,
Examples of the aminopolycarboxylate include ethylenediaminetetraacetic acid tetrasodium (EDTA4Na), ethylenediaminetetraacetic acid trisodium (EDTA3Na), nitrilotriacetic acid trisodium (NTA3Na), hydroxyethylethylenediaminetriacetic acid trisodium (HEDTA3Na), triethylenetetramine- A magnesium-air battery using at least one of N, N, N ′, N ″, N ″, N ″ ′ hexasodium (TTHA6Na) and ethylenediamine-N, N′-trisuccinate (EDDSH3Na) .
発電時における前記電解液が、pH8以上かつpH13以下に調整されているマグネシウム空気電池。 The magnesium-air battery according to claim 1 ,
A magnesium-air battery in which the electrolyte during power generation is adjusted to pH 8 or more and pH 13 or less.
前記電解液は、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムの少なくとも一方を、0.05重量%以上かつ18重量%以下の範囲で含有するマグネシウム空気電池。 The magnesium-air battery according to claim 1 or 2 ,
The said electrolyte solution is a magnesium air battery containing 0.05 weight% or more and 18 weight% or less of at least one of sodium chloride and potassium chloride.
前記電解質層は、前記負極および正極活性体の少なくとも一部を浸す状態で前記電解液を貯蔵するタンクによって構成されるマグネシウム空気電池。 It is a magnesium air battery in any one of Claims 1-3 ,
The said electrolyte layer is a magnesium air battery comprised by the tank which stores the said electrolyte solution in the state which immersed at least one part of the said negative electrode and positive electrode active body.
前記電解質層は、前記負極および正極活性体に少なくとも一部で接触し、前記電解液を吸収し保持する保水体によって構成されるマグネシウム空気電池。 It is a magnesium air battery in any one of Claims 1-3 ,
The said electrolyte layer is a magnesium air battery comprised by the water holding body which contacts the said negative electrode and positive electrode active body at least partially, and absorbs and hold | maintains the said electrolyte solution.
前記電解質は、発電開始前の状態において、前記保水体に溶出可能な部位に固体として保持されており、
前記保水体に、前記溶出を実現できる量の水を外部から供給するための供給機構を備えているマグネシウム空気電池。 The magnesium-air battery according to claim 5 ,
The electrolyte is held as a solid at a site that can be eluted in the water holding body in a state before the start of power generation,
A magnesium-air battery comprising a supply mechanism for supplying from the outside an amount of water capable of realizing the elution to the water retaining body.
前記負極、正極、正極活性体、および前記保水体を封入するケースを備え、
前記供給機構は、前記ケースの下面に形成された貫通孔であるマグネシウム空気電池。 The magnesium-air battery according to claim 6 ,
A case for enclosing the negative electrode, the positive electrode, the positive electrode active body, and the water retention body,
The supply mechanism is a magnesium-air battery, which is a through hole formed in the lower surface of the case.
前記負極および正極に接続された外部への接続端子が、前記ケースの中央より上側に形成されているマグネシウム空気電池。 The magnesium-air battery according to claim 7 ,
A magnesium-air battery, wherein an external connection terminal connected to the negative electrode and the positive electrode is formed above the center of the case.
前記保水体は、パルプを主成分とする重量密度が100グラム/平方メートル以上、かつ1000グラム/平方メートル以下であるマグネシウム空気電池。 It is a magnesium air battery in any one of Claims 5-8 ,
The water-retaining body is a magnesium-air battery having a weight density of 100 grams / square meter or more and 1000 grams / square meter or less based on pulp.
前記正極活性体は、活性炭および二酸化マンガンの少なくとも一部を用いているマグネシウム空気電池。 It is a magnesium air battery in any one of Claims 1-9, Comprising :
The positive electrode active material is a magnesium air battery using at least a part of activated carbon and manganese dioxide.
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