JP6312319B2 - マグネシウム空気電池 - Google Patents
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Description
本発明は、マグネシウム合金を負極の活物質として使用するマグネシウム空気電池に関する。
金属を負極の活物質とし、空気を正極の活物質とする金属空気電池としてマグネシウム空気電池が注目されている（例えば、特許文献１および２参照）。
マグネシウム空気電池の負極活物質として、特許文献１には、Ｍｇ−Ｚｎ系合金であるＺＫ６０、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ系合金であるＡＺ８０が記載されている。
また、特許文献２には、負極活物質として、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ９１、ＡＭ６０、ＡＭ８０などのマグネシウム合金が開示されている。
また、特許文献２には、負極活物質として、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ９１、ＡＭ６０、ＡＭ８０などのマグネシウム合金が開示されている。
例えば、携帯電話の充電などの用途に供される金属空気電池には、ある程度高い出力（最大電力）が望まれる。
しかしながら、上記特許文献１または２に記載されているマグネシウム合金を負極の活物質として使用するマグネシウム空気電池では、十分に高い出力（最大電力）を得ることができず、出力の高いマグネシウム空気電池の開発が望まれている。
しかしながら、上記特許文献１または２に記載されているマグネシウム合金を負極の活物質として使用するマグネシウム空気電池では、十分に高い出力（最大電力）を得ることができず、出力の高いマグネシウム空気電池の開発が望まれている。
本発明は以上のような事情に基いてなされたものであり、その目的は、従来公知のものよりも高い出力を達成することのできるマグネシウム空気電池を提供することにある。
本発明のマグネシウム空気電池は、マグネシウム合金を負極の活物質とし、空気中の酸素を正極の活物質とするマグネシウム空気電池であって、
前記マグネシウム合金が、リチウム６〜１０．５質量％と、亜鉛０．５〜３質量％とを含み、残部がマグネシウムおよび不可避不純物であることを特徴とする。
前記マグネシウム合金が、リチウム６〜１０．５質量％と、亜鉛０．５〜３質量％とを含み、残部がマグネシウムおよび不可避不純物であることを特徴とする。
また、前記マグネシウム合金が、リチウム９質量％と、亜鉛１質量％とを含み、残部がマグネシウムおよび不可避不純物であることが好ましい。
本発明のマグネシウム空気電池によれば、後述する実施例の結果から明らかなように、従来公知のマグネシウム空気電池よりも高い出力を達成することができる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１に示すこの実施形態のマグネシウム空気電池１００は、特定のマグネシウム合金を負極の活物質として使用するマグネシウム空気電池である。
このマグネシウム空気電池１００は、有底角筒状の容器１０と、この容器１０の側壁に固定配置された、空気極を構成する板状の正極体２０と、この正極体２０と対向するように容器１０内に配置された、特定のマグネシウム合金からなる板状の負極体３０とを備えてなる。
図１に示すこの実施形態のマグネシウム空気電池１００は、特定のマグネシウム合金を負極の活物質として使用するマグネシウム空気電池である。
このマグネシウム空気電池１００は、有底角筒状の容器１０と、この容器１０の側壁に固定配置された、空気極を構成する板状の正極体２０と、この正極体２０と対向するように容器１０内に配置された、特定のマグネシウム合金からなる板状の負極体３０とを備えてなる。
マグネシウム空気電池１００を構成する容器１０は、有底角筒状の樹脂材料からなり、この容器１０内には、電解液４０として例えば食塩水が収容される。
容器１０を構成する側壁には開口窓１１が形成されており、この開口窓１１を塞ぐようにして、板状の正極体２０が当該容器１０の側壁に固定されている。
容器１０を構成する側壁には開口窓１１が形成されており、この開口窓１１を塞ぐようにして、板状の正極体２０が当該容器１０の側壁に固定されている。
マグネシウム空気電池１００の空気極を構成する正極体２０は、導電材層２１と集電体層２３とが積層されてなり、この正極体２０には、図示しない正極端子（リード接続部）が電気的に接続されている。
正極体２０の導電材層２１は、容器１０内に収容される電解液４０（食塩水）と接触する内側層である。
この導電材層２１は、導電性材料をバインダ樹脂により結着させることにより形成することができる。
ここに、導電材層２１を得るために使用する導電性材料としては特に限定されるものではなく、従来公知の金属空気電池の正極体（導電材層）を構成する材料をすべて使用することができるが、好適な導電性材料として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、活性炭およびカーボンナノチューブなどの炭素材料を挙げることができる。
この導電材層２１は、導電性材料をバインダ樹脂により結着させることにより形成することができる。
ここに、導電材層２１を得るために使用する導電性材料としては特に限定されるものではなく、従来公知の金属空気電池の正極体（導電材層）を構成する材料をすべて使用することができるが、好適な導電性材料として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、活性炭およびカーボンナノチューブなどの炭素材料を挙げることができる。
正極体２０の導電材層２１を形成するために導電性材料と混合されるバインダ樹脂としても特に限定されるものではないが、好適なバインダ樹脂として、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）などのフッ素樹脂を挙げることができる。
導電材層２１には、従来公知の空気電池正極用の電極触媒が含有されていてもよい。
導電材層２１に含有させることのできる触媒としては、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属およびその化合物、並びにこれらの合金などを例示することができる。
導電材層２１に含有させることのできる触媒としては、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属およびその化合物、並びにこれらの合金などを例示することができる。
正極体２０の集電体層２３は、空気と接する外側層である。
集電体層２３としては、導電性の金属材料からなる金網、エキスパンドメタル、織物、パンチングシートなどを好適に使用することができる。
導電性の金属材料としては、集電体として機能するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、銅、ニッケルなどを挙げることができる。
集電体層２３としては、導電性の金属材料からなる金網、エキスパンドメタル、織物、パンチングシートなどを好適に使用することができる。
導電性の金属材料としては、集電体として機能するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、銅、ニッケルなどを挙げることができる。
マグネシウム空気電池１００を構成する負極体３０は、正極体２０と対向するように容器１０内に配置された板状体であり、この負極体３０には、図示しない負極端子（リード接続部）が電気的に接続されている。
負極体３０（負極活物質）は、リチウム６〜１０．５質量％と、亜鉛０．５〜３質量％とを含み、残部がマグネシウムおよび不可避不純物である特定のマグネシウム合金からなる。
負極体３０（負極活物質）は、リチウム６〜１０．５質量％と、亜鉛０．５〜３質量％とを含み、残部がマグネシウムおよび不可避不純物である特定のマグネシウム合金からなる。
負極活物質である特定のマグネシウム合金において、リチウムの含有割合は６〜１０．５質量％とされ、好適な一例を示せば９質量％である。
リチウムの含有割合が６質量％未満の場合および１０．５質量％を超える場合の何れにも、得られるマグネシウム空気電池は、十分な出力を達成することはできない。
リチウムの含有割合が６質量％未満の場合および１０．５質量％を超える場合の何れにも、得られるマグネシウム空気電池は、十分な出力を達成することはできない。
負極活物質である特定のマグネシウム合金において、亜鉛の含有割合は０．５〜３質量％とされ、好適な一例を示せば１質量％である。
好適な特定のマグネシウム合金としては、リチウム９質量％と、亜鉛１質量％とを含み、残部がマグネシウムおよび不可避不純物である「ＬＺ９１」を挙げることができる。
本実施形態のマグネシウム空気電池１００では、負極体３０において下記（１）に示す酸化反応が起こり、正極体２０において下記（２）に示す還元反応が起こり、電池全体として下記（３）に示す反応が起こることにより放電が行われる。
（１）２Ｍｇ → ２Ｍｇ+ ＋ ４ｅ-
（２）Ｏ2 ＋２Ｈ2 Ｏ＋４ｅ- → ４ＯＨ-
（３）２Ｍｇ＋Ｏ2 ＋２Ｈ2 Ｏ → ２Ｍｇ（ＯＨ）2
（２）Ｏ2 ＋２Ｈ2 Ｏ＋４ｅ- → ４ＯＨ-
（３）２Ｍｇ＋Ｏ2 ＋２Ｈ2 Ｏ → ２Ｍｇ（ＯＨ）2
本実施形態のマグネシウム空気電池１００によれば、高い出力（電流−電圧特性試験における最大電力）を達成することができる。
本発明の金属空気電池は、携帯電話の充電、小電力家電の駆動用に好適に用いることができる。
本発明の金属空気電池は、携帯電話の充電、小電力家電の駆動用に好適に用いることができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明のマグネシウム空気電池はこれらに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、正極および負極の形状は板状でなくてもよく、円柱状、円筒状など、特に限定されるものではない。
例えば、正極および負極の形状は板状でなくてもよく、円柱状、円筒状など、特に限定されるものではない。
＜実施例１＞
１４５ｍｍ×１４５ｍｍ×２０ｍｍのサイズを有する容器１０の一側面を構成する側壁に４０ｍｍ×４０ｍｍの開口窓１１を形成し、この開口窓１１を容器１０の外側から液密に塞ぐよう当該側壁に板状の正極体２０（６０ｍｍ×６０ｍｍ）を当接させて固定した。ここに、正極体２０は、これを構成する導電材層２１が内側（電解液側）になり、集電体層２３が外側（空気側）になるように固定した。また、この正極体２０の一端を挟持する銅板を正極端子とした。
一方、特定のマグネシウム合金「ＬＺ９１」からなる板状の負極体３０（３０ｍｍ×１３４ｍｍ×０．５ｍｍ）を正極体２０と対向するように容器１０内に配置し、この負極体３０一端を挟持する銅板を負極端子とした。
次に、電解液４０として濃度１０％の食塩水２５０ｍＬを容器１０内に供給することにより、図１に示したような構成を有する本発明のマグネシウム空気電池を製造した。
１４５ｍｍ×１４５ｍｍ×２０ｍｍのサイズを有する容器１０の一側面を構成する側壁に４０ｍｍ×４０ｍｍの開口窓１１を形成し、この開口窓１１を容器１０の外側から液密に塞ぐよう当該側壁に板状の正極体２０（６０ｍｍ×６０ｍｍ）を当接させて固定した。ここに、正極体２０は、これを構成する導電材層２１が内側（電解液側）になり、集電体層２３が外側（空気側）になるように固定した。また、この正極体２０の一端を挟持する銅板を正極端子とした。
一方、特定のマグネシウム合金「ＬＺ９１」からなる板状の負極体３０（３０ｍｍ×１３４ｍｍ×０．５ｍｍ）を正極体２０と対向するように容器１０内に配置し、この負極体３０一端を挟持する銅板を負極端子とした。
次に、電解液４０として濃度１０％の食塩水２５０ｍＬを容器１０内に供給することにより、図１に示したような構成を有する本発明のマグネシウム空気電池を製造した。
＜比較例１＞
負極体を構成するマグネシウム合金を、アルミニウム３質量％と、亜鉛１質量％とを含み、残部がマグネシウムおよび不可避不純物である「ＡＺ３１」に変更したこと以外は実施例１と同様にして比較用のマグネシウム空気電池を製造した。
負極体を構成するマグネシウム合金を、アルミニウム３質量％と、亜鉛１質量％とを含み、残部がマグネシウムおよび不可避不純物である「ＡＺ３１」に変更したこと以外は実施例１と同様にして比較用のマグネシウム空気電池を製造した。
＜試験例１（出力性能）＞
実施例１および比較例１によって得られたマグネシウム空気電池の各々について、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性試験を行って出力性能を評価した。
ここに、電流−電圧の制御には、電子負荷装置「ＰＬＺ６６４ＷＡ」（菊水電子工業（株）製）を使用し、マグネシウム空気電池の正極端子および負極端子を、それぞれ、電子負荷装置の正極側端子および負極側端子に接続し、定電流モードで、設定電流値を３００秒間で０Ａから５Ａまで増加させた。
各々のマグネシウム空気電池についての電流−電圧特性を図２に示す。ここに、同図（１）は電流−電圧変化を示し、同図（２）は電圧−電力変化を示している。
実施例１および比較例１によって得られたマグネシウム空気電池の各々について、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性試験を行って出力性能を評価した。
ここに、電流−電圧の制御には、電子負荷装置「ＰＬＺ６６４ＷＡ」（菊水電子工業（株）製）を使用し、マグネシウム空気電池の正極端子および負極端子を、それぞれ、電子負荷装置の正極側端子および負極側端子に接続し、定電流モードで、設定電流値を３００秒間で０Ａから５Ａまで増加させた。
各々のマグネシウム空気電池についての電流−電圧特性を図２に示す。ここに、同図（１）は電流−電圧変化を示し、同図（２）は電圧−電力変化を示している。
図２（２）に示す結果から、比較例１に係るマグネシウム空気電池の最大電力が１．４Ｗ程度であるのに対して、実施例１に係るマグネシウム空気電池の最大電力は約１．７Ｗであり、約２０％高い最大電力を達成することができた。
１００ マグネシウム空気電池
１０ 容器
１１ 開口窓
２０ 正極体
２１ 導電材層
２３ 集電体層
３０ 負極体
４０ 電解液
１０ 容器
１１ 開口窓
２０ 正極体
２１ 導電材層
２３ 集電体層
３０ 負極体
４０ 電解液
Claims (2)
- マグネシウム合金を負極の活物質とし、空気中の酸素を正極の活物質とするマグネシウム空気電池であって、
前記マグネシウム合金が、リチウム６〜１０．５質量％と、亜鉛０．５〜３質量％とを含み、残部がマグネシウムおよび不可避不純物であることを特徴とするマグネシウム空気電池。 - 前記マグネシウム合金が、リチウム９質量％と、亜鉛１質量％とを含み、残部がマグネシウムおよび不可避不純物であることを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム空気電池。
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| JP2014217349A JP6312319B2 (ja) | 2014-10-24 | 2014-10-24 | マグネシウム空気電池 |
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-
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