JP6744704B2 - 金属空気電池、電解液槽、及び、金属空気電池の使用方法 - Google Patents
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Description
また、各実施形態の構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わされてもよいし、変更されてもよい。
実施形態1に係る金属空気電池について、図1〜8を参照して説明する。図1は、放電状態の実施形態1の金属空気電池を側面方向から見た断面模式図である。図2は、図1中の電解液槽の開口部近傍を拡大して示した断面模式図である。図3は、図1中の第1の封止部材を拡大して示した断面模式図である。図4は、図1中の金属電極カートリッジを拡大して示した断面模式図である。図5は、実施形態1の金属空気電池の使用方法を説明する断面模式図であり、図5(a)は、放電状態を示し、図5(b)は、実施形態1の金属空気電池から金属電極カートリッジを取り外す直前の状態を示し、図5(c)は、実施形態1の金属空気電池から金属電極カートリッジを取り外した状態を示す。図6は、図5(b)の状態における金属空気電池を正面方向から見た断面模式図である。図7は、第1の封止部材の寸法を説明する断面模式図である。図8は、実施形態1の金属空気電池において、金属電極カートリッジを引き上げるときの電解液槽内部の様子を拡大して示す側面方向から見た断面模式図である。なお、負極集電体11a及び正極集電体(空気極集電体)21aについては、図1以外では図示を省略している。
以下、実施形態1の金属空気電池1について詳述する。
金属電極カートリッジ10には、金属空気電池1の負極(アノード)として金属電極11が用いられる。金属電極11に含まれる金属としては、負極活物質として利用できる金属種であれば特に限定されず、例えば、亜鉛(Zn)、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、鉄(Fe)、銅(Cu)、コバルト(Co)、カドミウム(Cd)、パラジウム(Pd)等の金属、それらの合金、及び、それら金属及び/又は合金の混合物が挙げられる。なかでも、Zn、Li、Al、Feを用いれば、常温作動させることができる。また、Zn、Fe、Al、Mg、Cuは、取り扱いの安全性に優れている。Znを主成分とする亜鉛電極が、金属電極11として特に好適に用いられる。金属電極11に含まれる金属は、電池の放電反応により電子を放出し、電解液50中に溶解した後、金属酸化物、金属水酸化物等の金属化合物になって析出する。
また、金属電極カートリッジ10は、電解液槽20から取り出された場合に、空気中に金属電極11が露出した状態であってもいし、金属電極11がセパレータに覆われていてもよい。
多孔性担体は、その表面に陽イオン基が固定イオンとして存在するように表面処理がなされていてもよい。このことにより、多孔性担体の表面を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
また、空気極21は、多孔性担体に担持されたアニオン交換樹脂を有してもよい。このことにより、アニオン交換樹脂を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。アニオン交換樹脂のイオン交換基としては、4級アンモニウム塩基等の強塩基性基;1級、2級又は3級アミノ基を有する弱塩基性基等が例示できる。強塩基性のアニオン交換樹脂としては、例えば、スチレン骨格を有する架橋ポリマーに、トリメチルアンモニウム等のトリアルキルアンモニウム塩基、ジメチルエタノールアンモニウム、メチルジエタノールアンモニウム等のアルキルアルカノールアンモニウム塩基を導入したもの等が例示できる。また、弱塩基性のアニオン交換樹脂としては、例えば、ポリベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール−ポリイミド共重合体等のベンズイミダゾールユニットを有する単独重合体又は共重合体;アミノ化ポリエーテルスルホン等が例示できる。
例えば、金属電極11が亜鉛、アルミニウム、鉄を主として含む場合には、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性電解液を用いることができ、マグネシウムを主として含む場合には、塩化ナトリウム水溶液等の中性電解液を用いることができ、リチウム、ナトリウム、カルシウムを主として含む場合には、酸性電解液を用いることができる。また、金属電極11がリチウムを主として含む場合には、有機電解液を用いることが好ましい。上記有機電解液としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、Li(CF3SO2)2N、Li(CF3SO3)、LiN(C2F5SO2)2等の公知のリチウム塩を、非プロトン性で鎖状構造を持たない有機溶媒(エチレンカーボネート、テトラヒドロフラン等)に溶解したものを使用することができる。
(1)金属電極カートリッジ10の着脱操作のみによって、電解液槽20の開口部24を封止することができる。これにより、金属電極カートリッジ10を挿入しているとき及び挿入していないときに関わらず、常に開口部24からの電解液50の漏洩・飛散を防止できる。
(2)第1の封止部材31を嵌合させることにより、開口部24が設けられた電解液槽20の上部の強度を高めることができる。
(3)第1の封止部材31と電解液槽20の側面を構成する内壁の間に間隔があることにより、第1の封止部材31の移動によって電解液50が押し出されにくくされており、また、第1の封止部材31が接触して電解液槽20の側面を構成する内壁や空気極21を傷つけることが防止されている。
実施形態2に係る金属空気電池について、図9及び10を参照して説明する。図9は、実施形態2の金属電極電池を分解して示す側面方向から見た断面模式図であり、図9(a)は、金属電極カートリッジ10及び第1の封止部材31が取り除かれた状態を示し、図9(b)は、金属電極カートリッジ10及び第1の封止部材31が結合した状態を示す。図10は、実施形態2の金属電極電池を模式的に示す側面方向から見た断面模式図であり、図10(a)は、放電状態を示し、図10(b)は、金属電極カートリッジ10が取り外された様子を示す。なお、実施形態2以降では、実施形態1と共通する事項についての説明は省略する。
実施形態3に係る金属空気電池について、図11及び12を参照して説明する。図11は、実施形態3の第1の封止部材31を模式的に示す図であり、図11(a)は上面図であり、図11(b)は断面図である。図12は、図11中の点線で囲んだ部分を拡大して示した図である。
実施形態4に係る金属空気電池について、図13〜15を参照して説明する。図13は、実施形態4の金属空気電池を側面方向から見た断面模式図である。図14は、金属電極カートリッジ10を取り出した状態において、図13の電解液槽20の第1の凹凸部近傍を拡大して示した断面模式図である。図15は、金属電極カートリッジ10を取り付けた状態において、図13の電解液槽20の第2の凹凸部近傍を拡大して示した断面模式図である。
実施形態5に係る金属空気電池について、図16を参照して説明する。図16は、実施形態5の金属空気電池を側面方向から見た断面模式図であり、図16(a)は、放電状態を示し、図16(b)は、金属電極カートリッジ10を取り外す直前の状態を示す。
密着部材27は、図16(a)が示すように、金属電極カートリッジ10が電解液槽20に挿入されている際には、密着部材27の上側の平坦面と第4の封止部材17の下側の平坦面が密着している。一方で、図16(b)が示すように、密着部材27の下側の平坦面と第3の封止部材37の上側の平坦面とが密着している。これによって、凹凸構造を互いに嵌合させる固定方法を用いる必要がないので、密着部材27及び第3の封止部材37の形状を単純なものにすることできる。また、第4の封止部材17の形状も単純なものにすることできる。
実施形態6に係る金属空気電池について、図17〜19を参照して説明する。図17は、実施形態6の第1の封止部材を模式的に示す上面図である。図18は、実施形態6の電解液槽を模式的に示す上面図である。図19は、実施形態6の金属空気電池を側面方向から見た断面模式図である。
実施形態7に係る金属空気電池について、図20及び21を参照して説明する。図20は、実施形態7の電解液槽を側面方向から見た断面模式図である。図21は、実施形態7の金属空気電池を側面方向から見た断面模式図であり、図21(a)は、放電状態を示し、図21(b)は、金属電極カートリッジを取り外す直前の状態を示す。
実施形態8に係る金属空気電池について、図22を参照して説明する。図22は、実施形態8の金属空気電池を側面方向から見た断面模式図であり、図22(a)は、放電状態を示し、図22(b)は、金属電極カートリッジ10を取り外す直前の状態を示し、図22(c)は、金属電極カートリッジ10が取り外された様子を示す。
実施形態9に係る金属空気電池について、図23を参照して説明する。図23は、実施形態9の金属空気電池を側面方向から見た断面模式図である。
本発明の第1の態様は、電解液槽20と、上記電解液槽20の側壁の一部を形成する空気極21と、上記電解液槽20の開口部24から上記電解液槽20内に挿入された金属電極カートリッジ10と、上記開口部24の内壁に設けられた第1の凹凸部23と、上記金属電極カートリッジ10の下端部および上記電解液槽20内に設けられ、上記第1の凹凸部23と嵌合可能な第2の凹凸部32を有する第1の封止部材31と、を備えた金属空気電池1である。
10:金属電極カートリッジ
11:金属電極
11a:負極集電体
13:第2の封止部材
13b:除去部
14:第3の凹凸部
15:イオン吸着材
16:第4の凹凸部
17:第4の封止部材
20:電解液槽
20a:第2のガイド部
21:空気極
21a:正極集電体
22:通気孔
23:第1の凹凸部
23a:第1のテーパー部
23b:面取り
23e:ガスケット
24:開口部
25:第1の凸部
26:第2の凸部
27:密着部材
31:第1の封止部材
31a:第2のテーパー部
31b:切欠き
31d:第1のガイド部
32:第2の凹凸部
33:溝
34:第5の凹凸部
35:第3の凸部
36:第4の凸部
37:第3の封止部材
50:電解液
111:亜鉛電極
112:空気極
113:空気流路
115:電解液
121:亜鉛空気電池
Claims (9)
- 電解液槽と、
前記電解液槽の側壁の一部を形成する空気極と、
前記電解液槽の開口部から前記電解液槽内に挿入された金属電極カートリッジと、
前記開口部の内壁に設けられた第1の凹凸部と、
前記金属電極カートリッジの下端部および前記電解液槽内に設けられ、前記第1の凹凸部と嵌合可能な第2の凹凸部を有する第1の封止部材と、を備えたことを特徴とする金属空気電池。 - さらに、前記金属電極カートリッジの上端に設けられた第2の封止部材と、
前記第2の封止部材の外壁に設けられ、前記第1の凹凸部に嵌合している第3の凹凸部と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の金属空気電池。 - 前記金属電極カートリッジの下端部には、第4の凹凸部を有し、
前記第1の封止部材は、前記金属電極カートリッジの下端部を抜差可能な溝を有し、
前記溝の内壁には、前記第4の凹凸部と嵌合可能な第5の凹凸部を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の金属空気電池。 - 前記第1の凹凸部は、前記電解液槽の底面側に向かって内径が大きい第1のテーパー部を有し、
前記第1の封止部材は、前記電解液槽の底面側に向かって外径が大きく、かつ前記第1のテーパー部の傾斜面に適合する傾斜面を有する第2のテーパー部を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の金属空気電池。 - 前記第1の封止部材の側壁に上下に延びた切欠部が設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の金属空気電池。
- 前記第1の凹凸部は、第1の凸部と、前記第1の凸部よりも下に設けられている第2の凸部とを備え、
前記第2の凸部の突出量は前記第1の凸部の突出量よりも小さいことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の金属空気電池。 - 前記第2の凹凸部は、第3の凸部と、前記第3の凸部よりも上に設けられている第4の凸部とを備え、
前記第4の凸部の突出量は、前記第3の凸部の突出量より小さいことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の金属空気電池。 - 前記第2の凹凸部は、第3の凸部と、前記第3の凸部よりも上に設けられている第4の凸部とを備え、
前記第4の凸部の突出量は、前記第3の凸部の突出量より小さく、
前記第1の凸部と前記第4の凸部が接触している第1の接触面積は、
前記第2の凸部と前記第3の凸部が接触している第2の接触面積よりも小さいことを特徴とする請求項6に記載の金属空気電池。 - 金属空気電池の使用方法であって、
前記金属空気電池は、
金属電極カートリッジと、
電解液を収容する電解液槽と、
前記電解液槽の壁部の一部を形成する空気極と、
前記電解液槽の開口部を封止する第1の封止部材とを備え、
前記金属電極カートリッジを前記開口部から前記電解液槽の内部に押し入れ、前記第1の封止部材と前記金属電極カートリッジを嵌合させ、前記金属電極カートリッジを前記電解液に浸漬させる工程と、
前記金属電極カートリッジを前記開口部から引き抜き、前記第1の封止部材を前記金属電極カートリッジとともに前記電解液から引き上げ、前記開口部を前記第1の封止部材で封止する工程とを含むことを特徴とする金属空気電池の使用方法。
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