JP6680627B2 - 金属空気電池および金属空気組電池 - Google Patents

金属空気電池および金属空気組電池 Download PDF

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本発明は、正極である空気極と、負極である燃料極とを備えた金属空気電池および金属空気組電池に関する。
近年、電極用金属の化学反応を用いた様々な電池が実用化されており、その1つとして金属空気電池が挙げられる。金属空気電池は、空気極(正極)、燃料極(負極)、および電解質(または電解液)等で構成されており、電気化学的な反応により、亜鉛、鉄、マグネシウム、アルミニウム、ナトリウム、カルシウム、およびリチウム等の金属が金属酸化物に変化する過程で得られる電気エネルギーを取り出して利用する。
例えば、燃料極として亜鉛を用いた金属空気電池では、放電時に燃料極および空気極において、以下のような反応が起こる。燃料極では、亜鉛と水酸化物イオンとが反応することで、水酸化亜鉛が生成されると共に、放出された電子が空気極へ流れる。生成された水酸化亜鉛は、酸化亜鉛と水とに分解され、電解液内に水が戻る。一方、空気極では、空気中に含まれる酸素と、燃料極から流れてきた電子とが、空気極触媒によって水と反応し、水酸化物イオンに変化する。水酸化物イオンは、電解液中をイオン伝導し、燃料極へ到達する。このようなサイクルにより、金属空気電池は、空気極から取り込んだ酸素を利用し、燃料極の亜鉛を燃料として酸化亜鉛を形成しながら、連続的な電力の取り出しを実現する。
ところで、負極に亜鉛を用いた場合、亜鉛がデンドライト状に成長し、ショート(短絡)が起きるという課題があった。これに対し、アニオン伝導性材料で活物質を覆うことにより、短絡を抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2015−5493号公報
特許文献1に記載の電池は、集電体と、活物質層と、アニオン伝導性材料とを含んで電極を備える構成とされている。アニオン伝導性材料は、電流が通過する活物質面を覆っている。上述した電池では、活物質がアニオン伝導性材料に覆われているので、短絡が抑制されるが、電池反応によって生じた気体が閉じ込められ、電極が膨張する虞がある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、電極の膨張を抑制し、電池の長寿命化を図った金属空気電池および金属空気組電池を提供することを目的とする。
本発明に係る金属空気電池は、気極と、燃料極とを備えた金属空気電池であって、前記燃料極は、金属で形成された集電体と、前記集電体の表面に沿って設けられた活物質と、前記集電体の外縁に沿って設けられた外枠と、前記外枠に支持され、少なくとも前記活物質の一部を支持する桟部材と、前記活物質を介して、前記集電体と対向するように、前記外枠に支持されたアニオン膜とを含み、前記外枠および前記桟部材は、空気を通す通気部が設けられていることを特徴とする。
本発明に係る金属空気電池では、前記桟部材は、複数設けられ、一方向に延びた第1桟部材と、前記第1桟部材と交差した第2桟部材とを含む構成としてもよい。
本発明に係る金属空気電池では、前記第1桟部材は、前記燃料極の高さ方向に沿って延び、前記第2桟部材は、前記燃料極の水平方向に沿って延び、複数の前記第1桟部材と複数の前記第2桟部材とで格子状に領域を形成し、2つの前記第1桟部材と2つの前記第2桟部材とで形成された領域は、前記燃料極の高さ方向での幅よりも、前記燃料極の水平方向での幅が大きい構成としてもよい。
本発明に係る金属空気電池では、前記活物質は、2つの前記第1桟部材と2つの前記第2桟部材とで形成された領域に対して、隙間を有するように充填されている構成としてもよい。
本発明に係る金属空気電池では、前記桟部材は、前記集電体の対向する両面のそれぞれに沿って設けられている構成としてもよい。
本発明に係る金属空気電池では、前記通気部は、前記外枠または前記桟部材を切り欠いて形成されている構成としてもよい。また、本発明に係る金属空気電池では、前記通気部は、前記外枠の上辺に設けられている構成としてもよい。また、本発明に係る金属空気電池では、前記通気部は、前記活物質の上方に設けられている構成としてもよい。また、本発明に係る金属空気電池では、前記通気部は、前記第2桟部材に設けられている構成としてもよい。また、本発明に係る金属空気電池では、前記通気部は、前記第1桟部材と前記第2桟部材とが交差する位置に設けられている構成としてもよい。
本発明に係る金属空気電池では、充電用の正極を備えている構成としてもよい。
本発明に係る金属空気組電池は、本発明に係る金属空気電池が複数接続されたことを特徴とする。
本発明によると、電池反応によって発生した気体を、通気部を介して案内することで、燃料極の膨張を抑制し、電池の長寿命化を図ることができる。
切替装置の構成例を模式的に示すブロック図である。 充電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。 放電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。 本発明の第1実施形態に係る金属空気電池の概略側面図である。 本発明の第1実施形態に係る金属空気電池の概略断面図である。 空気極を拡大して示す拡大断面図である。 補助極を拡大して示す拡大側面図である。 燃料極の概略側面図である。 図8の燃料極を上方から見た概略平面図である。 図8の矢符A−Aでの断面を示す概略断面図である。 分割領域に充填された活物質を示す拡大説明図である。 燃料極における集電体の実施例1を拡大して示す拡大側面図である。 燃料極における集電体の実施例2を拡大して示す拡大側面図である。 本発明の第2実施形態に係る金属空気電池の概略断面図である。 本発明の第2実施形態に係る金属空気電池の燃料極を上方から見た概略平面図である。 図14の矢符B−Bでの断面を示す概略断面図である。 本発明の第3実施形態に係る金属空気電池の燃料極の概略側面図である。 図16の矢符C−Cでの断面を示す概略断面図である。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。
図1は、切替装置の構成例を模式的に示すブロック図である。
金属空気電池1は、切替装置300を介して外部負荷および外部電源に接続されている。切替装置300は、金属空気電池1の空気極101、燃料極102、および補助極103(詳しくは、後述する図5参照)に接続されており、また、外部負荷の正極および負極並びに外部電源の正極および負極に接続されている。切替装置300は、切替部301と電池制御部302とを備えている。切替部301は、外部負荷および外部電源のそれぞれの電極に対する金属空気電池1の接続状態を切り替える。電池制御部302は、切替部301の切り替えによる接続状態を制御する。電池制御部302は、人為的作業による手動切替操作および自動判定による切替処理のいずれかの機能、あるいは双方の機能を有する。金属空気電池1は、接続状態によって、放電モードおよび充電モードの2種類のモードを切り替えて動作する。
図2は、充電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。
充電モードでは、外部電源によって金属空気電池1を充電する接続状態であって、外部電源の正極と補助極103とが接続され、外部電源の負極と燃料極102とが接続されている。金属空気電池1は、外部電源から電圧を印加されることで、電気分解が発生し、燃料極102に亜鉛が析出する形で充電が行われる。
図3は、放電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。
放電モードは、金属空気電池1から外部負荷に対して電力を供給する接続状態であって、外部負荷の正極と空気極101とが接続され、外部負荷の負極と燃料極102とが接続されている。燃料極102では、放電によって亜鉛の酸化反応が生じる。
次に、本発明の第1実施形態に係る金属空気電池の詳細な構造について説明する。
図4は、本発明の第1実施形態に係る金属空気電池の概略側面図であって、図5は、本発明の第1実施形態に係る金属空気電池の概略断面図である。なお、図5は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略し、収容体10を透視して示している。
金属空気電池1は、収容体10の内部に、空気極101、燃料極102、補助極103、および電解液20が収納された構成とされている。なお、以下では説明の簡略化のため、空気極101、燃料極102、および補助極103を併せて電極と呼ぶことがある。
収容体10は、アクリル、POM(ポリアセタール)、およびABS等の耐アルカリ性を有する樹脂で形成され、内部が空洞とされた直方体状とされている。収容体10の一方の側面は、収容体10内の空気極101へ空気を取り込むための取込側面11とされており、円形で開口した取込孔13が複数設けられている。取込側面11には、水平方向に平行な補強リブ12が複数設けられており、補強リブ12は、厚さ方向で周囲よりも突出している。収容体10の上面には、2つの電解液投入口15がそれぞれ内部まで貫通形成されており、電解液投入口15を介して内部に電解液20を補充することができる。2つの電解液投入口15は、取込側面11に隣接する側面寄りにそれぞれ設けられている。
収容体10の内部では、空気極101が取込側面11に沿って設けられ、燃料極102が取込側面11に対向する側面に沿って設けられている。補助極103は、空気極101と燃料極102との間に設けられている。
空気極101は、例えば、基材として多孔質の炭素材料が使用され、表面をフッ素系撥水材でコーティングして形成されたものや、炭素材料と混合分散して形成されたものである。なお、空気極101については、後述する図8を参照して、詳細に説明する。
補助極103は、平板状とされ、例えば、ニッケル製の多孔質体や、ニッケル/ニッケル合金/SUS板といった非酸化性の多孔質金属材料で形成されている。本実施の形態では、補助極103として厚さ0.5mmのニッケル板を用いており、打ち抜き加工によって複数の連絡孔103aが形成されている。電解液20は、連絡孔103aを通って空気極101と燃料極102との間を円滑に流れる。なお、連絡孔103aの形状については、後述する図9を参照して、詳細に説明する。
燃料極102は、略平板形状の集電体102bと筐体30とを含む構成とされている。なお、燃料極102については、後述する図8ないし図10を参照して、詳細に説明する。
電解液20は、強アルカリ水溶液を用いることができ、本実施の形態では、pH14の水酸化カリウム水溶液を用いており、収容体10の内部に充填されている。
金属空気電池1は、さらに、空気極101に接続された空気極端子201、燃料極102に接続された燃料極端子202、および補助極103に接続された補助極端子203を備えている。なお、以下では説明の簡略化のため、空気極端子201、燃料極端子202、および補助極端子203を併せて端子と呼ぶことがある。端子は、それぞれ収容体10の上面側に設けられており、図5では、収容体10の上面より突出させているが、これに限定されず、収容体10の上面に沿った形状としてもよい。
図6は、空気極を拡大して示す拡大断面図である。なお、図6は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略している。
空気極101は、ガス拡散層101a、撥水層101b、触媒層101c、およびセパレータ101eの順に積層された構造とされており、ガス拡散層101aが外部に露出して空気に接する側(図5では、左側)に設けられ、セパレータ101eが電解液20および補助極103に接する側(図5では、右側)に設けられている。ガス拡散層101aは、PET(ポリエチレンテレフタレート)製の不織布で形成され、厚さが100μmとされている。撥水層101bは、多孔質フッ素樹脂で形成され、厚さが3μmとされている。触媒層101cは、多孔質の炭素材料と、触媒である白金と、バインダー(接着剤)であるPTFEとを混合分散して形成され、厚さが0.4mmとされている。触媒層101cの内部には、金属メッシュで形成された空気極集電体101dが埋め込まれており、空気極集電体101dによって発生した電流を流す。セパレータ101eは、ポリエステル製の不織布で形成され、厚さが100μmとされており、補助極103と空気極101とを電気的に絶縁する。
図7は、補助極を拡大して示す拡大側面図である。
図7に示すように、連絡孔103aは矩形状とされている。つまり、補助極103は、複数の多孔状の連絡孔103aが形成されたメッシュ状とされている。なお、連絡孔103aの形状は、これに限定されず、他の形状としてもよく、後述する図12Aおよび図12Bのように、円形状や多角形状としてもよい。
図8は、燃料極の概略側面図であって、図9は、図8の燃料極を上方から見た概略平面図であって、図10は、図8の矢符A−Aでの断面を示す概略断面図である。
燃料極102は、金属で形成された集電体102bと、集電体102bの表面に沿って設けられた収容空間SRに収容された活物質50と、収容空間SRを構成する筐体30と、筐体30の表面を覆うアニオン膜40とを含む構成とされている。つまり、燃料極102は、空気極101および補助極103に面する側にアニオン膜40が設けられ、アニオン膜40と集電体102bとの間に筐体30が挟まれた構造とされている。
集電体102bは、空気極101と同様に金属メッシュで形成され、矩形状の平板とされている。なお、集電体102bについては、後述する図12Aおよび図12Bを参照して、詳細に説明する。
活物質50は、亜鉛材料をベースにして形成されており、集電体102bの表面に取り付けられている。
アニオン膜40は、周期表の第1族〜第17族から選ばれる少なくとも1種の元素を含有し、酸化物、水酸化物、層状複水酸化物、硫酸化合物、およびリン酸化合物からなる群より選ばれる少なくとも1つの化合物とポリマーとで形成されている。アニオン膜40は、水酸化物イオン等のアニオンを透過させ、活物質50を収容空間SRに閉じ込めている。
筐体30は、集電体102bの一方の表面に取り付けられ、アクリル、POM(ポリアセタール)、およびABS等の耐アルカリ性を有する樹脂で形成されている。筐体30は、集電体102bの表面の一部を矩形状の収容空間SRとして露出させるように設けられている。具体的に、筐体30は、複数の桟部材によって構成されており、集電体102bの外縁に沿って設けられた外枠33と、幅方向Xに沿って設けられた横桟部材31と、高さ方向Zに沿って設けられた縦桟部材32とを備えている。つまり、外枠33によって囲まれた収容空間SRは、横桟部材31および縦桟部材32で格子状に区切って分割され、分割領域BRが形成されている。なお、外枠33については、収容空間SRを形成すると伴に、分割領域BRを形成していることから、横桟部材31および縦桟部材32に相当するとみなすことができる。図8に示す構造において、収容空間SRは、高さ方向Zで4つに分割され、幅方向Xで5つに分割されているが、これに限定されず、高さ方向Zで少なくとも2つ以上に分割されていればよい。また、本実施の形態では、集電体102bの表面全体が収容空間SRとされておらず、集電体102bの上縁が一部露出した構造とされている。矩形状の分割領域BRとした際には、直線的な桟部材とすることができるので、筐体30を簡素で頑丈な構造とすることができる。
横桟部材31には、一部を切り欠いて形成された通気部31aが設けられている。切欠きを通気部31aとすることで、活物質50を支えることと、気体を通すこととを両立できる筐体30とすることができる。分割領域BRは、集電体102b、筐体30、およびアニオン膜40によって囲まれているが、完全には密閉されておらず、通気部31aを介して上方へ空気を通すことができる。通気部31aは、それぞれの分割領域BRの上辺に対して、幅方向Xの略中央に対応する部分に設けられている。つまり、筐体30の上辺に対応する外枠33にも、通気部31aが形成されている。金属空気電池1では、電池反応によって、分割領域BR内に気体(酸素)が発生するが、通気部31aを介して上方へ案内することで、順に上方の分割領域BRへ送られ、外枠33から燃料極102の外部へ放出される。その結果、電池反応で発生した気体によって燃料極102が膨張することを抑制し、電池の長寿命化を図ることができる。
図11は、分割領域に充填された活物質を示す拡大説明図である。
図11では、燃料極からアニオン膜40を取り除いて、分割領域BRのいずれか1つを中心にして拡大した状態を示している。分割領域BRは、高さ方向Zの幅(高さ幅W2)よりも、幅方向Xの幅(水平幅W1)が大きく形成されている。したがって、幅方向Xの幅を大きくすることで、分割領域BRに収容された活物質50の脱落を抑制することができる。つまり、高さ方向Zの幅を短くすると、活物質50は、特に、上端に加わる重力の影響が小さくなるので、集電体102bから剥がれにくくなる。
また、活物質50は、分割領域BRに対して、隙間を有するように充填されている。したがって、分割領域BRに余裕を持たせて活物質50を充填することで、電池反応した活物質50が膨張して脱落することを抑制できる。また、活物質50の周囲に隙間が設けられているので、金属空気電池1の膨張を防止し、電池性能の劣化を抑制することができる。
通気部31aの幅については、適宜設定することができ、分割領域BRの水平幅W1に対して1/3以下程度であれば、活物質50の脱落を充分に防止できる。
図12Aは、燃料極における集電体の実施例1を拡大して示す拡大側面図であって、図12Bは、燃料極における集電体の実施例2を拡大して示す拡大側面図である。
燃料極102の集電体102bは、複数の多孔状の燃料孔102aが形成されたメッシュ状とされている。燃料孔102aの形状は、特に限定されておらず、例えば、実施例1や実施例2のような形状とすることができる。実施例1では、図12Aに示すように、燃料孔102aは円形状とされている。また、実施例2では、図12Bに示すように、燃料孔102aは六角形状とされ、集電体102bはハニカム状とされている。また、燃料孔102aの形状は、図7のように、矩形状としてもよい。
本実施の形態では、通気部31aが切欠きとされていたが、これに限定されず、横桟部材31を高さ方向Zで貫通する孔とするなど、異なる形状としてもよい。
また、金属空気電池1においては、単体で使用することもでき、複数を接続して、金属空気組電池として使用することもできる。
(第2実施形態)
図13は、本発明の第2実施形態に係る金属空気電池の概略断面図である。なお、図13は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略し、収容体10を透視して示している。また、第1実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
第2実施形態では、空気極101および補助極103をそれぞれ2つ備えている点で、第1実施形態と異なる。つまり、第1実施形態では、空気極101が収容体10の1つの側面に沿って配置されていたが、第2実施形態では、金属空気電池1の厚さ方向における中央部に燃料極102が配置されており、収容体10の互いに対向する側面に空気極101が配置されている。従って、空気極101を両面に配置することで電極面積が2倍になり、取り出す電流量を増加させて、出力不足を解消することができる。なお、第2実施形態において、取込側面11の側から金属空気電池1を見た状態については、上述した図4と略同様であるので省略する。
上述したように、収容体10は、互いに対向する側面が取込側面11とされ、取込側面11のそれぞれの内面に沿って空気極101および補助極103が設けられている。
図14は、本発明の第2実施形態に係る金属空気電池の燃料極を上方から見た概略平面図であって、図15は、図14の矢符B−Bでの断面を示す概略断面図である。なお、第2実施形態において、アニオン膜40を設けられた側から燃料極102を見た状態については、上述した図8と略同様であるので省略する。
第2実施形態において、収容空間SRは、集電体102bの対向する両面のそれぞれに沿って設けられている。つまり、第1実施形態では、集電体102bの一方の表面に筐体30が取り付けられていたが、第2実施形態では、集電体102bの対向する両面のそれぞれに筐体30が取り付けられており、2つの筐体30は、それぞれアニオン膜40に覆われている。したがって、集電体102bの両面に収容空間SRが設けられた構造とすることで、電極として利用される面積を増やし、金属空気電池1の高効率化を図ることができる。
また、第2実施形態における燃料極102を第1実施形態の金属空気電池1に適用してもよい。つまり、集電体102bの両面に活物質50が取り付けられた燃料極102を用いることで、電池効率を向上させることができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。なお、第3実施形態は、第1実施形態に対して、燃料極102の構造が異なっているだけなので、要部の図面を示し、その他の図面を省略する。
図16は、本発明の第3実施形態に係る金属空気電池の燃料極の概略側面図であって、図17は、図16の矢符C−Cでの断面を示す概略断面図である。
第3実施形態では、第1実施形態に対して、通気部31aが設けられた位置が異なる。本実施の形態において、通気部31aは、横桟部材31と縦桟部材32とが交差する位置に設けられている。このようにすることで、幅方向Xで隣接する分割領域BRに対して共通する通気部31aとすることができ、気体を効率よく排出することができる。
なお、今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。
1 金属空気電池
10 収容体
20 電解液
30 筐体
31 横桟部材
31a 通気部
32 縦桟部材
33 外枠
40 アニオン膜
50 活物質
101 空気極
102 燃料極
102b 集電体(燃料極の一部)
103 補助極
201 空気極端子
202 燃料極端子
203 補助極端子
BR 分割領域
SR 収容空間
X 幅方向
Z 高さ方向

Claims (12)

  1. 気極と、燃料極とを備えた金属空気電池であって、
    前記燃料極は、金属で形成された集電体と、
    前記集電体の表面に沿って設けられた活物質と、
    前記集電体の外縁に沿って設けられた外枠と、
    前記外枠に支持され、少なくとも前記活物質の一部を支持する桟部材と、
    前記活物質を介して、前記集電体と対向するように、前記外枠に支持されたアニオン膜とを含み、
    前記外枠および前記桟部材は、空気を通す通気部が設けられていること
    を特徴とする金属空気電池。
  2. 請求項1に記載の金属空気電池であって、
    前記桟部材は、複数設けられ、一方向に延びた第1桟部材と、前記第1桟部材と交差した第2桟部材とを含むこと
    を特徴とする金属空気電池。
  3. 請求項2に記載の金属空気電池であって、
    前記第1桟部材は、前記燃料極の高さ方向に沿って延び、
    前記第2桟部材は、前記燃料極の水平方向に沿って延び、
    複数の前記第1桟部材と複数の前記第2桟部材とで格子状に領域を形成し、
    2つの前記第1桟部材と2つの前記第2桟部材とで形成された領域は、前記燃料極の高さ方向での幅よりも、前記燃料極の水平方向での幅が大きいこと
    を特徴とする金属空気電池。
  4. 請求項2または請求項3に記載の金属空気電池であって、
    前記活物質は、2つの前記第1桟部材と2つの前記第2桟部材とで形成された領域に対して、隙間を有するように充填されていること
    を特徴とする金属空気電池。
  5. 請求項1から請求項4までのいずれか1つに記載の金属空気電池であって、
    前記桟部材は、前記集電体の対向する両面のそれぞれに沿って設けられていること
    を特徴とする金属空気電池。
  6. 請求項1から請求項5までのいずれか1つに記載の金属空気電池であって、
    前記通気部は、前記外枠または前記桟部材を切り欠いて形成されていること
    を特徴とする金属空気電池。
  7. 請求項1から請求項6までのいずれか1つに記載の金属空気電池であって、
    前記通気部は、前記外枠の上辺に設けられていること
    を特徴とする金属空気電池。
  8. 請求項1から請求項7までのいずれか1つに記載の金属空気電池であって、
    前記通気部は、前記活物質の上方に設けられていること
    を特徴とする金属空気電池。
  9. 請求項3に記載の金属空気電池であって、
    前記通気部は、前記第2桟部材に設けられていること
    を特徴とする金属空気電池。
  10. 請求項3に記載の金属空気電池であって、
    前記通気部は、前記第1桟部材と前記第2桟部材とが交差する位置に設けられていること
    を特徴とする金属空気電池。
  11. 請求項1から請求項10までのいずれか1つに記載の金属空気電池であって、
    充電用の正極を備えていること
    を特徴とする金属空気電池。
  12. 請求項1から請求項11までのいずれか1つに記載の金属空気電池が複数接続された金属空気組電池。
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