JP7008300B2 - 電源デバイス - Google Patents
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Description
図1に示す第一実施形態の金属空気電池は、酸素を正極活物質とする正極14と、金属を負極活物質とする負極16と、正極14と負極16との間に介在し且つ水を保持してゲル状をなす高分子電解質12と、を備えており、正極14、負極16、及び高分子電解質12は容器10に収容されている。
正極14は、水との接触により表面に塩基性官能基が生成し得る正極材料17、又は、表面に塩基性官能基を備える正極材料17を有する。なお、正極材料17が、本発明の構成要件である電極材料に相当する。負極16は電極材料を有していない。
そして、図1に示すように、正極14と負極16が導線21によって電気的に接続されているとともに、導線21の途中に負荷22が設けられている。負荷22の種類は特に限定されない。
(1)容器10について
容器10の材質は、耐食性や止水性(容器10内の水を外部に漏出させない性質)を有するならば特に限定されるものではないが、例えば、樹脂があげられる。あるいは、金属層と樹脂層との積層体であるラミネートフィルムで容器10を構成してもよい。また、容器10は、可撓性を有していてもよいし、可撓性を有していなくてもよい。
容器10の形状は、正極14、負極16、及び高分子電解質12を収容可能であるならば特に限定されるものではないが、例えば箱状、袋状があげられる。容器10を箱状として、金属空気電池の形状を箱状としてもよい。また、容器10が袋状である場合は、金属空気電池の形状をシート状としてフレキシブル化することもできるし、袋状の容器10を捲回して金属空気電池の形状を筒状とすることもできる。
高分子電解質12は、例えば、ナトリウム、カリウム等の金属が結合したカルボキシ基を有する樹脂(例えば弱酸性陽イオン交換樹脂)によって形成することができる。ナトリウム、カリウム等の金属が結合したカルボキシ基を有する樹脂は、水を吸収してゲル状をなしゲル状物となる。高分子電解質12が弱酸性陽イオン交換樹脂を有している場合は、高分子電解質12が保持する水中には、カルボキシ基から電離したナトリウムイオン、カリウムイオン等の金属イオンが存在する。なお、高分子電解質12は、植物(例えば、木、草、竹、籾殻)から製造可能なセルロースナノファイバーや、エビ、カニ等から製造可能なキチンナノファイバーによって形成することもできる。
高分子電解質12に保持させる水は、塩を含有する塩水溶液であってもよいし、塩を含有しない単なる水(真水)であってもよい。また、高分子電解質12に保持させる水は、中性、酸性、アルカリ性のいずれの液性でも差し支えないが、安全性や取り扱い性を考慮すると中性が好ましい。
また、高分子電解質12は水を吸収してゲル状をなしているので、負極16や正極14に接続された導線21の近傍に電解質が析出することが防止される。これにより、導線21の近傍に析出する電解質によって導線21が損傷することが防止される。
負極16の負極活物質である金属としては、例えば、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、亜鉛、リチウム、ナトリウム、鉄や、これらの金属のうち1種以上を含有する合金を使用することができる。これらの金属のうち1種を単独で負極活物質として用いることもできるし、2種以上を組み合わせて負極活物質として用いることもできる。これらの金属の中では、起電力の高さと電気容量の大きさから、マグネシウム及びマグネシウム合金からなる群より選択される少なくとも1種が、負極活物質として好ましい。マグネシウム合金の例としては、AZ31Bが挙げられる。
正極14は、水との接触により表面に塩基性官能基が生成し得る正極材料17、又は、表面に塩基性官能基を備える正極材料17を有する。すなわち、正極材料17は、水と接触することにより表面に塩基性官能基が生成する性質を有する物質でもよいし、水との接触の有無に関係なく表面に塩基性官能基を備えている物質でもよい。
なお、本発明において、電極材料の表面の塩基性官能基の量とは、以下のようにして算出されたものである。すなわち、電極材料の表面を赤外分光法で分析し、炭素の吸光度に対する塩基性官能基(例えばカルボキシ基)の吸光度の比率を算出したものである。
正極材料17としては、例えば、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト、カーボンファイバー等の炭素材料や、シリカ等の火山堆積物や、アルミナ、酸化チタンを使用することができる。これらの材料は比表面積が大きいので、電極材料として好適である。
賦活処理としては、例えば、750℃以上の水蒸気を接触させる水蒸気処理や、アルカリを接触させるアルカリ処理があげられる。
第一実施形態の金属空気電池においては、正極14は、図2に示すように、正極材料17と接する集電体18を有してもよい。集電体18としては、例えば金属材料製の箔や網を使用可能である。集電体18は、酸素を還元する金属触媒として作用するが、集電体18を構成する金属材料としては、下記の条件(A)及び(B)を満たすものが好ましい。
(B)耐アルカリ性を有する。
これらの条件を満たす金属としてはチタンと鉄があげられるが、集電体18は、チタン及びチタン合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属材料からなることがより好ましい。
なお、集電体18と活性炭は、接触しているだけで接着はしていなくてもよいが、接着していてもよい。
負極16側において高分子電解質12を構成する弱酸性陽イオン交換樹脂等の樹脂と負極16から溶出した金属イオンとが錯体化するため、塩析が生じ、その結果、高分子電解質12の正極14側に存在する水が負極16側に移動する。そのため、高分子電解質12において正極14側の部分の水が不足して、高分子電解質12の正極14側の部分が収縮し、高分子電解質12と正極14との接触不良が生じるおそれがある。
水供給部材19の材質は、毛細管現象によって水を吸い上げることが可能であれば特に限定されるものではないが、例えば紙、織布、不織布があげられる。
活性炭(例えば、焼酎粕を原料とする活性炭)からなる正極材料17に、高分子電解質12や水供給部材19から供給された水が接触すると、正極材料17の表面にカルボキシ基(-COOH)が生成する。このカルボキシ基は、水素イオン(H+)や水酸化物イオン(OH-)を生成する酸塩基触媒として作用する。すなわち、カルボキシ基は下記式1のように水素イオンを放出してカルボキシラートイオン(R-COO-)となり、このカルボキシラートイオンに水が接触すると、下記式2のように水酸化物イオンが生成する。
2R-COOH → 2R-COO-+2H+ ・・・(式1)
2R-COO-+2H2O → 2R-COOH+2OH- ・・・(式2)
O2+4e- → 2O2- ・・・(式3)
なお、負極16で電子が生成する酸化反応は下記式4の通りである。
2Mg → 2Mg2++4e- ・・・(式4)
これらの正極14における還元反応をまとめた全反応は、下記式5のようになる。
2H++O2+4e- → 2OH- ・・・(式5)
このような金属空気電池における全反応は下記式6の通りである。
2Mg+2H2O+O2 → 2Mg(OH)2 ・・・(式6)
第一実施形態の金属空気電池は、一次電池として使用することもできるし、充電を行うことにより二次電池として使用することもできる。充電方法としては、負極16のみ又は負極16と高分子電解質12を交換するメカニカルチャージを採用することができる。負極16のみを交換する場合、負極16と高分子電解質12の両方を交換する場合のいずれの場合であっても、交換する部材を一体にしてカートリッジ化してあれば、カートリッジを交換するのみで交換作業が完了するので、交換作業が容易、確実、且つ安全である。また、使用済みのカートリッジの廃棄も容易である。さらに、水酸化マグネシウムの回収も容易であるため、マグネシウムの再精錬も安価に行うことができる。
第一実施形態の金属空気電池は、種々の用途に使用可能である。例えば、電気自動車、ハイブリッド車(原動機として内燃機関と電動機を併用する自動車)、自動二輪車、電動アシスト自転車、鉄道車両等の各種車両に使用可能である。また、航空機、船舶、農業機械、建設機械、運搬用機械、電動工具、医療機器、福祉用機器、ロボット、蓄電装置、非常用電源装置等にも使用可能である。
以下に実施例及び比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。図1、2に示す金属空気電池とほぼ同様の構成の金属空気電池を製造した。すなわち、実施例の金属空気電池は、焼酎粕を原料とする活性炭及び集電体を有する正極と、マグネシウムからなる負極と、ポリアクリル酸ナトリウムに水を吸収させてゲル状としたゲル状物からなる高分子電解質と、水供給部材と、を備えている。
両金属空気電池を用いてそれぞれ発電を行ったところ、実施例の金属空気電池の起電力は2.15Vであり、開放電圧は1.8Vであったのに対して、比較例の金属空気電池の起電力は0.401Vであり、開放電圧は1.4Vであった。
図5に示す第二実施形態の燃料電池は、酸素を正極活物質とする正極(酸素極)114と、水素を負極活物質とする負極(水素極)116と、正極114と負極116との間に介在し且つ水を保持してゲル状をなす高分子電解質112と、を備えている。
正極114は、正極材料117と、正極材料117に接する集電体118と、を有しており、図5に示すように、正極材料117が高分子電解質112と集電体118に挟まれている。負極116は電極材料を有していない。
そして、図5に示すように、正極114(集電体118)と負極116が導線121によって電気的に接続されているとともに、導線121の途中に負荷122が設けられている。負荷122の種類は特に限定されない。
図6に示す第三実施形態の電気二重層キャパシタは、正極214と、負極216と、正極214と負極216との間に介在し且つ水を保持してゲル状をなす高分子電解質212と、を備えている。
そして、図6に示すように、正極214(集電体218)と負極216(集電体218)が導線221によって電気的に接続されているとともに、導線221の途中に負荷222が設けられている。負荷222の種類は特に限定されない。
図7に示す第四実施形態の導電性高分子コンデンサは、金属からなる正極314と、負極316と、正極314と負極316との間に介在し且つ水を保持してゲル状をなす高分子電解質(導電性高分子)312と、を備えている。
負極316は、電極材料317と、電極材料317に接する集電体318と、を有しており、図7に示すように、電極材料317が高分子電解質312と集電体318に挟まれている。正極314は電極材料を有していない。
電極材料317、集電体318、及び高分子電解質312については、第一実施形態における正極材料17、集電体18、及び高分子電解質12と同様であるので、詳細な内容の説明は省略する。
なお、高分子電解質312の代わりに、電解液を含浸させたセパレータを用いてもよい。セパレータの素材としては、第一実施形態における水供給部材と同様のものを用いることができ、例えば紙、織布、不織布を用いることができる。
12 高分子電解質
14 正極
14a 内側面
14b 露出面
16 負極
17 正極材料
18 集電体
19 水供給部材
112 高分子電解質
114 正極
116 負極
117 正極材料
118 集電体
212 高分子電解質
214 正極
216 負極
217 電極材料
218 集電体
312 高分子電解質
314 正極
316 負極
317 電極材料
318 集電体
Claims (12)
- 正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に介在し且つ水を含有する電解質と、を備え、前記正極及び前記負極の少なくとも一方は、水との接触により表面に塩基性官能基が生成し得る電極材料又は表面に塩基性官能基を備える電極材料を有し、水との接触により前記電極材料の表面に生成する前記塩基性官能基の量、及び、前記電極材料が表面に備える前記塩基性官能基の量は、0.036%以上であり、前記塩基性官能基の量は、前記電極材料の表面を赤外分光法で分析し、炭素の吸光度に対する前記塩基性官能基の吸光度の比率を算出したものである電源デバイス。
- 前記正極は酸素を正極活物質とし、前記負極は金属を負極活物質とし、前記電解質は水を保持してゲル状をなす高分子電解質である金属空気電池であって、
前記正極が前記電極材料を有し、前記負極は前記電極材料を有さず、
さらに、前記正極は、大気に露出する露出面を有し前記電極材料によって前記露出面から大気中の酸素を取り込み可能に形成されている請求項1に記載の電源デバイス。 - 前記正極を酸素極とし、前記負極を水素極とする燃料電池であって、
前記正極が前記電極材料を有し、前記負極は前記電極材料を有さず、
さらに、前記正極は、大気に露出する露出面を有し前記電極材料によって前記露出面から大気中の酸素を取り込み可能に形成されている請求項1に記載の電源デバイス。 - 前記正極及び前記負極が前記電極材料を有する電気二重層キャパシタである請求項1に記載の電源デバイス。
- 前記正極が金属からなるコンデンサであって、
前記負極が前記電極材料を有し、前記正極は前記電極材料を有さず、
前記正極と前記電解質の間に誘電体が介在された請求項1に記載の電源デバイス。 - 前記金属は、マグネシウム及びマグネシウム合金からなる群より選択される少なくとも1種である請求項2に記載の電源デバイス。
- 前記金属はアルミニウムである請求項5に記載の電源デバイス。
- 前記電極材料は、賦活処理が施された多孔質炭素材料である請求項1~7のいずれか一項に記載の電源デバイス。
- 前記電極材料は活性炭である請求項1~7のいずれか一項に記載の電源デバイス。
- 前記塩基性官能基はカルボキシ基である請求項1~9のいずれか一項に記載の電源デバイス。
- 前記電解質は、ポリアクリル酸塩に水を吸収させてゲル状としたゲル状物である請求項1~10のいずれか一項に記載の電源デバイス。
- 前記正極及び前記負極のうち前記電極材料を有する極は、前記電極材料と接する集電体を有し、前記集電体は、チタン及びチタン合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属材料からなる請求項1~11のいずれか一項に記載の電源デバイス。
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