JP7277831B2 - 空気電池および検知装置 - Google Patents

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Description

本発明は、空気電池および検知装置に関する。
従来、使い捨て一次電池としてアルカリ電池、マンガン電池、空気電池などが広く使用されている。また、近年ＩｏＴ（Internet of Things）の発展において、土壌や森の中など自然界のあらゆる所に設置して用いるばらまき型センサの開発も進んでおり、従来のモバイル機器のみならずこれらのセンサなど様々な用途に対応した小型の高性能なリチウムイオン電池が普及している。
これらの一般に用いられている使い捨て電池は、電極が電解質溶液（電解液）に接触した状態であるため、自己放電（自然発電）を起こす。また、電解質溶液として、水酸化ナトリウム水溶液などの強アルカリまたは有機電解液が使用されているため、安全性や環境への問題が指摘されており、取扱いが容易ではないという問題がある。
このような問題を解決するために、使用時に電池セル内に水を注入するタイプの電池が知られている（非特許文献１）。
日本技能電子株式会社、"ＮＯＰＯＰＯ 災害時用水電池"、平成28年7月28日検索、［online］、インターネット＜URL: http://www.aps-j.jp/pdf/NWPx3.pdf＞
非特許文献１の長期保存向けの非常用電池では、使用時に水を加えるための注入口が設けられているが、専用のスポイトで注入する必要があり注入が困難である。また、当該非常用電池は、注液するための水がない状態では利用することが出来ず、また、注入する水量の調整が難しく液漏れが発生する可能性もある。
本発明は、これら課題に鑑みてなされたものであり、取り扱いがより容易で、使用開始前に自己放電の発生を抑制可能な空気電池を提供することを目的とする。
本発明の一態様の空気電池は、負極と、正極と、前記負極と前記正極との間に配置されたセパレータと、を含む基本セルを収容する第１の筐体と、電解質溶液または水を内包する第２の筐体と、を備え、第１の筐体および前記負極は、前記セパレータに通じる孔を有し、第２の筐体は、封止可能な孔を有し、第１の筐体および第２の筐体は、互いの孔が対向するように配置される。
本発明の一態様の空気電池は、負極と、正極と、前記負極と前記正極との間に配置されたセパレータとを含む基本セルと、前記基本セルを収容する筐体内で、前記基本セルとは別室に内包された電解質溶液または水と、を備え、前記負極は、前記セパレータに通じる孔を有し、前記基本セルと、前記電解質溶液または水とを前記筐体内で仕切る仕切り部材は、封止可能な孔を有し、前記仕切り部材の孔は、前記負極の孔と対向するように設けられる。
本発明によれば、取り扱いがより容易で、使用開始前に自己放電の発生を抑制可能な空気電池を提供することができる。
本発明の実施形態における空気電池の構成を示す構成図である。 変形例１の空気電池の構成を示す構成図である。 変形例２の空気電池の構成を示す構成図である。 変形例３の変形例の空気電池の構成を示す構成図である。 空気電池を用いた検知装置の構成を示す構成図である。 空気電池の電解質溶液吸い上げ時の電圧変化を示す図である。 空気電池の放電曲線を示す図である。 実施例と比較例の試験結果を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態における空気電池（金属空気一次電池）の構成を示す構成図である。空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質として金属を用いる一次電池である。
図１に示す空気電池は、基本セル（電池セル）を収容する第１の筐体６Ａ、６Ｂと、電解質溶液９（電解液）を内包する第２の筐体７と、第２の筐体７の孔を封止する弁８（封止部材）とを備える。基本セルは、負極１と、正極３と、負極１と正極３との間に配置されるセパレータ５とを備える。
図示する基本セルは、第１の筐体６Ａと負極１との間に配置される負極集電体２と、第１の筐体６Ｂと正極３との間に配置される正極集電体４とをさらに備える。負極集電体２は、その一部が延出した電極端子２２を有し、電極端子２２は第１の筐体６Ａ、６Ｂの外に露出している。同様に、正極集電体４は、その一部が延出した電極端子４２を有し、電極端子４２は第１の筐体６Ａ、６Ｂの外に露出している。
本実施形態の第１の筐体６Ａ、負極集電体２および負極１は、セパレータ５に通じる孔６１、２１、１１をそれぞれ有する。第２の筐体７は、第１の筐体６Ａ側に封止可能な孔７１を有する。
本実施形態の空気電池では、第２の筐体７の孔を封止する弁８を制御（例えば、取り外すなど）することで、第２の筐体７の孔が開き、第２の筐体７の電解質溶液９が、第２の筐体７、第１の筐体６Ａ、負極集電体２および負極１のそれぞれの孔を通じて、セパレータ５に滴下し、接触する。
電解質溶液９がセパレータ５に接触することで、孔に対応するセパレータ５の部分５１から毛細管現象により自発的（自律的）に第２の筐体７に収納された電解質溶液９が吸い上げられ、セパレータ５を通じて電解質溶液９が第１の筐体の基本セル内に取り込まれる。これにより、電解質溶液９が正極３および負極１と接することで空気電池１０の放電（発電）が開始される。孔に対応するセパレータ５の部分５１は、第１の筐体６Ａ、負極集電体２および負極１に覆われていない部分である。
第２の筐体７の孔７１および第１の筐体６Ａの孔６１を介して電解質溶液９が基本セルに流入するように、第１の筐体６Ａ、６Ｂおよび第２の筐体７は、互いの孔７１、６１が対向するように配置される。
なお、図１に示す例では、第２の筐体７、第１の筐体６Ａ、負極集電体２および負極１は、それぞれ１つの孔を有するが、それぞれ複数の孔を有してもよい。また、各孔は、電解質溶液９を徐々にセパレータ５に供給する必要があるため、適切な開口径である必要がある。
セパレータ５は、吸水性を有する絶縁体であればよい。例えば、コーヒーフィルタ、キッチンペーパー、紙などを用いることが可能である。植物繊維からつくられるセルロース系セパレータのような、強度を保ちつつ自然分解される材料のシートをセパレータ５に用いることで、環境に対する負荷を低減させることができる。
正極３には、一般的な金属空気電池の正極に用いられる導電性材料を用いることが出来る。代表例として、炭素材料があげられるがこれに限定はされない。正極３は、カーボン粉末をバインダーで成形するといった公知のプロセスで作製することができるが、空気電池では、正極内部に反応サイトを多量に生成することが重要であり、正極３は、高比表面積であることが望ましい。
カーボン粉末をバインダーで成形してペレット化することで作製している正極の場合、高比表面積化した際にカーボン粉末同士の結着強度が低下し、構造が劣化することで、安定して放電することが困難であり、放電容量が低下する。これに対し、例えば、三次元ネットワーク構造を有する正極を用いれば、バインダーを使用する必要がなく、放電容量を高くできるようになる。
また、正極３は、触媒を担持していてもよい。触媒は、特に限定はされないが、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｏの少なくとも１つの金属、あるいは、Ｃａ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｏの少なくとも１つの金属からなる金属酸化物を含むことが好ましい。金属としては、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎが好ましく、これらの１つからなる酸化物または２つ以上からなる複合酸化物を含むことが好ましい。
次に、負極１について説明する。負極１は負極活性物質から構成する。この負極活性物質は、空気電池の負極材料として用いることができる材料であれば限定されない。例えば、負極１は、マグネシウム、亜鉛、アルミニウム、および鉄からなる群から選択される少なくとも１種を含んでもよい。具体的には、負極１に、マグネシウム、亜鉛、アルミニウム、および鉄から選ばれる１種類以上の金属、または、これら金属から選ばれる１種類以上の金属を主成分とした合金を用いてもよい。負極１は、公知の方法で形成することができる。例えば、市販の金属または合金の板または箔を所定の形状に成形して用いることができる。
正極集電体４は、公知のものを使用することができる。例えば、カーボンシートやカーボンクロス、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ板などを使用すればよい。負極集電体２についても、公知のものを使用することができる。負極１に金属を用いる場合は、負極集電体２を備えることなく、負極１から直接、電極端子を外部に取り出しても良い。
電解質溶液９は、電解質を含む溶液である。電解質は、正極３と負極１と間で金属イオンおよび水酸化物イオンの移動が可能な物質であれば、特に限定されない。例えば、電解質は、酢酸マグネシウム、塩化ナトリウムや塩化カリウムなどを含むことが好ましい。ただし、環境への影響に配慮した場合、電解質には、中性のものを用いるのが好ましい。
保水する役割を持たせるため、電解質溶液９は、寒天、セルロース、吸水ポリマーなどを含んでもよい。また、電解質溶液９は、電解質ゲルであってもよい。
ここで、正極３および負極１における電極反応について、負極１にマグネシウム金属を用いた空気電池の場合を例に説明する。正極反応は、導電性を有する正極３の表面において、空気中の酸素および電解質が接することで、式（１）に示す反応が進行する。一方、負極反応は、セパレータ５により供給される電解質に接している負極１において、式（２）の反応が進行し、負極１を構成しているマグネシウムが電子を放出し、電解質中にマグネシウムイオンとして溶解する。これらの反応により、放電を行うことが可能である。全反応は式（３）となり、水酸化マグネシウムが生成（析出）する反応である。理論起電力は約２．７Ｖである。
１／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→２ＯＨ- ・・・（１）
Ｍｇ→Ｍｇ2+＋２ｅ- ・・・（２）
Ｍｇ＋１／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→Ｍｇ（ＯＨ）2 ・・・（３）
このように、空気電池は、正極３の表面において式（１）で示す反応が進行するため、正極３の内部に反応サイトを多量に生成する方がよいものと考えられる。
第１の筐体６Ａ、６Ｂは、基本セルを内部に保持することが可能な材料であれば材質および形状は限定されない。例えば、第１の筐体に公知のラミネートフィルム型の筐体を使用することができる。また、第１の筐体に、天然物系、微生物系、化学合成系など自然分解される材料を用いることができる。例えば、第１の筐体は、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリグリコール酸、変性ポリビニルアルコール、カゼイン、変性澱粉などから構成することができる。特に、第１の筐体には、植物由来のポリ乳酸などの化学合成系を用いることが好ましい。また、第１の筐体に適用可能な材料としては、市販の生分解性プラスチックおよびそのフィルムの他、牛乳パックなどに用いられるポリエチレンなどの樹脂の被膜が形成されている用紙、また寒天フィルムなども使用できる。
第１の筐体を、周縁部で接着することで、基本セル内部を密閉することが可能である。接着方法としては、熱シールや接着剤を使用する例が挙げられるが、これに限定はされない。熱シールでの接着が困難な場合は、接着剤を使用することが好ましい。また、第１の筐体に予め空気孔を設けておくか、または、周縁部の一部を接着せずに開放しておくことで、空気の取り込が可能である。
第１の筐体の形状は、生分解性プラスチックを加工することで得られる形状であれば、図１に示す形状に限定されない。
第２の筐体７は、電解質溶液９を内包することが可能な材料であれば材質および形状は限定されない。第２の筐体７を構成する材料は第１の筐体と同様であり、第２の筐体７の形状についても、図１に示す形状に限定されない。
第１の筐体６Ａ、６Ｂおよび第２の筐体７は、互いの孔が対向するように配置し、一体化することで空気電池が作製される。具体的には、第２の筐体７の弁８で塞いだ孔７１の位置と、第１の筐体６Ａの孔６１の位置とが重なるように、第１の筐体６Ａ、６Ｂと第２の筐体７とを、例えば接着剤などで接合して一体化する。
自然分解される材料で構成した空気電池は、使い捨て一次電池として使用することができる。このような使い捨て一次電池を、例えば、土壌の水分センサなどの使い捨てデバイスで使用した際に、時間が経つにつれて自然分解され、電池を回収する必要がない。また、このような空気電池は、自然由来の材料や肥料成分で構成されているため、土壌以外にも、森の中や海中などの自然界で使用しても環境に対する負荷が極めて低い。
なお、負極１、負極集電体２、正極３、正極集電体４、セパレータ５、第１の筐体６Ａ、６Ｂおよび第２の筐体７は、空気電池として作動するためのこれらの配置が損なわれない限り、形状は限定されない。例えば、平面視で、四角形または円形のシート形状、あるいは、ロールした形状で使用することができる。
次に、図１に示す実施形態の空気電池１０の変形例について説明する。
（変形例１）
図２は、本実施形態の変形例１の空気電池１０Ａの構成を示す図である。本変形例の空気電池１０Ａは、第２の筐体７に電解質溶液９のかわりに水９Ａが内包され、セパレータ５Ａが電解質５２を含有する点において、第１の実施形態の空気電池１０と異なり、それ以外は第１の実施形態の空気電池１０と同様である。
セパレータ５Ａが電解質５２を含有する場合、孔に対応するセパレータ５Ａの部分から第２の筐体７の水９Ａが吸い上げられることで、本変形例の空気電池１０Ａは放電（発電）を開始する。図１に示す本実施形態と同様に、第２の筐体７の弁８を制御することで、孔７１があき、第２の筐体７の水９Ａがセパレータ５Ａに吸い上げられる。
（変形例２）
図３は、本実施形態の変形例２の空気電池１０Ｂの構成を示す図である。本変形例の空気電池１０Ｂは、１つの筐体６の内部を仕切り部材６１で２つの空間（部屋）に区切り、一方の空間には基本セルを収容し、他方の空間には電解質溶液９を収容する。
具体的には、空気電池１０Ｂは、基本セルと、基本セルを収容する筐体６内で基本セルとは別室に内包された電解質溶液９とを備える。筐体６は、基本セルと、電解質溶液とを筐体内で仕切る仕切り部材６１を備える。仕切り部材６１は、封止可能な孔６２を少なくとも１つ有する。空気電池１０Ｂは、仕切り部材６１の孔６２を封止する弁８を備える。
基本セルは、負極１と、正極３と、負極１と正極３との間に配置されるセパレータ５とを少なくとも含む。図示する基本セルは、負極１に取り付けられた負極集電体２と、正極３に取り付けられた正極集電体４とをさらに備える。負極１は、セパレータ５に通じる孔１１を少なくとの１つ有する。負極集電体２もセパレータ５に通じる孔を有してもよい。
変形例２の基本セルは、中空の円柱形状の負極１の内部に、中空の円柱形状のセパレータ５が配置され、このセパレータ５の内部に正極３が配置される。筐体６の仕切り部材６１の孔６２は、負極１の孔１１と対向するように設けられる。
本変形例においても、実施形態と同様に、弁８（封止部材）を制御することで仕切り部材６１の孔６２が開き、仕切り部材６１の孔６２および負極１の孔１１を介して筐体６内の別室に内包された電解質溶液９がセパレータ５に接触することで毛細管現象により自発的に電解質溶液が基本セル内に取り込まれ放電（発電）が開始される。
（変形例３）
図３は、本実施形態の変形例３の空気電池１０Ｃの構成を示す図である。本変形例の空気電池１０Ｃは、筐体６内に電解質溶液９のかわりに水９Ａが内包され、セパレータ５Ａが電解質を含有する点において、変形例２の空気電池１０Ｂと異なり、それ以外は変形例２の空気電池１０Ｂと同様である。
（検知装置）
次に、本実施形態の空気電池を用いた検知装置について説明する。
図５は、本実施形態の検知装置を模式的に示す図である。図示する検知装置３０は、空気電池１０と、検知器２０とを備える。空気電池１０は、図１に示す本実施形態の空気電池１０であっても、変形例１－３の空気電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃであってもよい。
空気電池１０の筐体から露出した負極集電体の電極端子２２と、正極集電体の電極端子４２とは、互いに接することなく配置されている。これらの電極端子２２、２４は、リード線などにより検知器２０に接続され、検知器２０の電極となる。弁８の制御により孔が開封された場合、２つの電極端子２２、４２が、検知器２０を経由して接続されることで回路が構成される。
弁８が制御されることで、電解質溶液または水が孔を介してセパレータに供給され空気電池１０の放電が開始され、検知器２０は電極端子２２、２４間の導通を検知する。すなわち、検知器２０は、正極３および負極１における電極反応（上記（１）－（３）電気式）を検知する。弁８が孔を封止しているときは、２つの電極端子２２、４２は、互いに絶縁されている。
検知器２０は、電極端子２２、２４間の導通を検知すると、所定の検知動作を実施する。検知器２０は、例えば、弁８を取り去ることで封止されていた孔が開封されたことを報知する報知器であってもよい。この場合、報知機は、孔が開封されたことを検知すると、大きな音量の警報音を鳴らして周囲に知らせる、電波を発信することで離れた機器に知らせるなどの報知動作を実施してもよい。
検知器２０についても自然由来の材料や肥料成分で構成されていれば、土壌以外にも、森の中や海中などの自然界で使用しても環境に対する負荷が極めて低い。
以上述べた本実施形態の空気電池を評価するために実験を行った。以下に実験で用いた空気電池の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、正極にカーボンナノファイバーを使用して、図１に示す空気電池を作製した。
（空気電池の作製）
まず、正極の作製方法について説明する。市販のカーボンナノファイバーゾル［分散媒：水（Ｈ2Ｏ）、０．４重量％、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ製］を試験管に入れ、この試験管を液体窒素中に３０分間浸すことでカーボンナノファイバーゾルを完全に凍結させた。カーボンナノファイバーゾルを完全に凍結させた後、凍結させたカーボンナノファイバーゾルをナスフラスコに取り出し、これを凍結乾燥機（東京理科器械株式会社製）により１０Ｐａ以下の真空中で乾燥させることで、カーボンナノファイバーを含む三次元ネットワーク構造を有する伸縮性共連続体を得た。正極は、この伸縮性共連続体を直径１７ｍｍの円形サイズにポンチで切り抜いて作成した。
正極集電体にはカーボンクロスを用い、２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形の一部に集電用のタブを有する形状にカットして用いた。
負極は、市販のマグネシウム合金板ＡＺ３１Ｂ（厚さ３００μｍ、日本金属製）を、はさみを用いて２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形の一部に集電用のタブ（電極端子）を有する形状に切り抜くことで作製した。実施例１では、負極集電体２を備えることなく、負極がタブを備える。また、負極は、電解質溶液を通すためのφ2mmの孔をあける。
セパレータは、電池用のセルロース系セパレータ（日本高度紙工業製）を２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形状にカットして用いた。また、セパレータは、電解質溶液を通すためのφ2mmの孔をあける。
第２の筐体に収容される電解質溶液は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ、関東化学製）を１ｍｏｌ／Ｌの濃度で純水に溶解した溶液を用いた。
第１の筐体の材料として、フィルムシート エコロージュ（三菱樹脂製）を用いた。このシートを平面視３０ｍ×３０ｍｍにカットしたカットシートを、２枚作製し、一方を負極側の第１の筐体とし、他方を正極側の第１の筐体とした。
負極側の第１の筐体の上に、電解質溶液を通すためのφ2mmの孔を有する負極およびセパレータを配置し、この上に、正極、正極集電体、および正極側の第１の筐体を順に配置する。そして、２枚の第１の筐体の周縁部を、シーラーを用いて１３０℃で熱シールし密閉し、基本セルを収納した第１の筐体を作成した。この際、第１の筐体の周縁部の一部（約１０ｍｍ）だけシールをしないことで空気孔を設けた。
第２の筐体についても、第１の筐体と同様のフィルムシート エコロージュをカットした２枚のカットシートを用い、周縁部三方を熱シールした筐体を用いた。この第２の筐体に電解質溶液を注入し、残り一方を熱シールした。そして、熱シールした筐体に電解質溶液を流出するためのφ2mmの孔を開け、その後、孔を開けた箇所を塞ぐために、フィルムシート エコロージュを用いた弁を熱シールした。なお、孔のサイズ、形状および数は、電解質溶液がセパレータに供給可能であれば問わない。
最後にラミネートされ第１の筐体と、ラミネートされた第２の筐体とを一体化し、空気電池を作製した。ここで、第２の筐体の弁で塞いだ孔の位置と、第１の筐体の孔とが重なるように（２つの孔が対向するように）、第１の筐体と第２の筐体とを接合して一体化する。このようにして得られた空気電池の総重量は約２ｇであった。
（電池の評価）
実施例１の空気電池の電池性能を測定した。まず、第２の筐体の孔を封止する弁を取り外し、電解質溶液として１mol/l ＮａＣｌ水溶液をセパレータに吸わせた際の正極と負極間の電圧変化を測定した。
図６は、電解質溶液を吸い上げた時の正極と負極間の電圧変化（空気電池の電圧変化）の測定結果を示す図である。セパレータが電解質溶液を吸い上げると電圧が立ち上がり、吸い上げ開始から約２００秒で安定した電圧が得られた。このときの電圧は１．６Ｖであった。
次に、放電試験を実施した。空気電池の放電試験は、市販の充放電測定システム（北斗電工社製、ＳＤ８充放電システム）を用い、正極の有効面積当たりの電流密度で２．０ｍＡ／ｃｍ2を通電し、開回路電圧から電池電圧が、０Ｖに低下するまで測定を行った。電池の放電試験は、２５℃の恒温槽内（雰囲気は通常の生活環境下）で、第２の筐体の電解質溶液がセパレータに通じる孔を介して当該孔に対応するセパレータの部分に供給されながら行なわれた。
図７に、初回の放電試験の結果である放電曲線を示す。放電容量は、共連続体からなる正極の重量当たりの値（ｍＡｈ／ｇ）で表した。図示するように、平均放電電圧は１．２Ｖであり、放電容量は１０８０ｍＡｈ／ｇであることが分かる。
［実施例２］
実施例２は、図２に示す空気電池である。実施例２の空気電池は、電解質含有セパレータを用いる点で実施例１の異なり、それ以外は実施例１と同様である。
電解質含有セパレータは、実施例１のセパレータを電解質溶液に３０分間浸漬し、電解質であるＮａＣｌをセパレータに担持させ、大気中で１時間自然乾燥させて得た。
放電試験は、第２の筐体の水がセパレータに通じる孔を介して当該孔に対応するセパレータの部分に供給されながら行なわれた。実施例２の平均放電電圧は１．２３Ｖであり、放電容量は、１３００ｍＡｈ／ｇであった。
なお、放電後に土壌中に設置したところ、約１月で筐体の分解が目視で確認できた。土壌中の微生物によって空気電池が代謝され分解されたことが示された。
［実施例３－５］
実施例３－５では、負極に用いる金属のみが実施例２と異なり、それ以外は実施例２と同様の方法で空気電池を作成し、評価した。実験例３の負極には、市販の金属亜鉛板（厚さ２００μｍ、ニラコ製）を用いた。実施例４の負極には、アルミニウム板（厚さ２００μｍ、ニラコ製）を用いた。実施例５の負極には、鉄板（厚さ２００μｍ、ニラコ製）（を用いた。実施例３－５のいずれも空気電池として作動することが確認された。
［比較例１］
比較例１は、筐体内に電解質溶液または水を収容せずに、電解質溶液に予め浸して湿らせた状態のセパレータを筐体内に入れ密閉した点で実施例１、２と異なる。比較例１のセパレータは、電池用のセルロース系セパレータ（日本高度紙工業製）を２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形にカットして用いた。
負極側の筐体の上に、負極と、電解質溶液を注入して湿らせたセパレータとを配置し、この上に、正極、正極集電体、および正極側の筐体を順に被せ、２枚の筐体の周縁の４辺を、シーラーを用いて１３０℃で熱シールし密閉した。この際、筐体の周縁部の一部（約１０ｍｍ）だけシールをしないことで空気孔を設けた。
このように予め一定量の電解質溶液で湿らせたセパレータを用いて作製した空気電池は、平均放電電圧は１．２７Ｖで、放電容量は１３０ｍＡｈ／ｇであり、実施例１、２と比較して放電容量が大幅に低下した。
［比較例２］
比較例２は、筐体の周縁部の一部（約１０ｍｍ）だけシールをしないことで空気孔を設けて密閉した後で、空気孔から水（水道水）を注入した点で実施例２と異なる。すなわち、実験例２では、第２の筐体にあらかじめ水を内包しているのに対し、比較例２では、筐体内に水を内包せずに、使用時に水を注入する点において異なる。
負極側の筐体の上に、負極および電解質含有セパレータを配置し、この上に、正極、正極集電体、および正極側の筐体を順に被せ、２枚の筐体の周縁の４辺を、シーラーを用いて１３０℃で熱シールした。この際、筐体の周縁部の一部（約１０ｍｍ）だけシールをしないことで空気孔を設けた。
この空気孔からスポイトで十分な量の水（３ｍＬ）を注入して作製した空気電池は、平均放電電圧は０．８０Ｖであり、放電容量は５００ｍＡｈ／ｇであった。比較例２の空気電池は、実施例２と比較して放電電圧および容量が低下した。
図８に、実施例および比較例の試験結果を示す。図示するように、実施例１、２の負極にマグネシウム金属を用いた空気電池は、１０００ｍＡｈ／ｇ以上の放電容量を示すことが確認された。実施例３－５の負極にマグネシウム以外の金属（亜鉛、アルミニウム、鉄）を用いた空気電池についても、電池としては作動することが確認された。
比較例１の空気電池の場合は、放電容量が１３０ｍＡ／ｇと低い。これは、本実施形態の空気電池は、セパレータに通じる孔を介して電解質溶液がセパレータに随時、過不足なく供給されているのに対し、比較例１では、あらかじめ電解質溶液で湿らせたセパレータが筐体内に収容されており、電解質溶液量が十分ではないためであると考えられる。
比較例２の空気電池の場合は、平均放電電圧および放電容量ともに実施例２と比較して低下した。比較例２では、スポイトで水を注入することにより負極および正極の両面が電解質溶液に触れるため、負極の腐食が観察され、また、正極は空気に接する面が実施例２の場合と比較して減少したため、放電容量が低下したと考えられる。平均放電電圧の低下については、正極、セパレータおよび負極の接触が良好でなかったためであると考えられる。
以上の実験結果から、本実施形態の空気電池は、放電平均電圧および放電容量ともに優れた性能を有することが示された。
以上説明したように、本実施形態では、空気電池を構成する電解質溶液または水を、筐体内の基本セルとは異なる空間に予め内包する。これにより、ユーザが使用する際にこれらの液体を空気電池に注入する必要はなく、また、使用時にこれらの液体を確保しておく必要もない。
したがって、本実施形態によれば、空気電池における負極の腐食等の副反応を抑えることが可能であり、使用前に電解質溶液または水が別室に格納されているため、水がない状況でも、利用可能であり、ユーザがより容易に取り扱うことができる。
また、本実施形態の空気電池は、使用時に弁を開けるなどの制御を行うことで孔を開け、孔を介して電解質溶液または水をセパレータに接触させることで毛細管現象により自発的に電解質溶液または水が基本セル内に取り込まれ放電（発電）が開始される。このため、本実施形態では、使用前の自己放電がなく、使用時にセパレータに供給される電解質溶液または水が少量で液漏れの心配がなく、取り扱いが容易であるという効果が得られる。すなわち、本実施形態では、取り扱いが容易で、使用開始前の自己放電の発生を抑制することができる。
本実施形態では、放電時に筐体内から常時、電解質溶液または水が吸い上げられる構成であるため、空気電池の放電容量を大きくすることができる。
本実施形態の検知装置は、空気電池と、当該空気電池の発電を検知する検知器とを備える。検知器は、空気電池の筐体に設置された弁を開け、毛細管現象により筐体内のセパレータ部分に電解質溶液または水が吸い上げられることで起電力が生じ発電が可能となることを検知し、所定の検知動作を行うことができる。
なお、本発明は上記実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、様々な変形および組み合わせが可能である。
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：空気電池
１ ：負極
２ ：負極集電体
３ ：正極
４ ：正極集電体
５、５Ａ ：セパレータ
５１：電解質
６ ：筐体
６Ａ、６Ｂ：第１の筐体
７ ：第２の筐体
８ ：弁（封止部材）
９ ：電解質溶液
９Ａ：水
２０：検知器
３０：検知装置

Claims (8)

  1. 負極と、正極と、前記負極と前記正極との間に配置されたセパレータと、を含む基本セルを収容する第１の筐体と、
    電解質溶液または水を内包する第２の筐体と、を備え、
    第１の筐体および前記負極は、前記セパレータに通じる孔を有し、
    第２の筐体は、封止可能な孔を有し、
    第１の筐体および第２の筐体は、互いの孔が対向するように配置される
    空気電池。
  2. 第２の筐体の孔を封止する封止部材を備え、
    前記封止部材を制御することで第２の筐体の孔が開き、第１の筐体および前記負極の孔を介して前記電解質溶液または水が前記セパレータに接触することで発電が開始される
    請求項１記載の空気電池。
  3. 第２の筐体は水を内包し、
    前記セパレータは電解質を含有する
    請求項１または２に記載の空気電池。
  4. 負極と、正極と、前記負極と前記正極との間に配置されたセパレータとを含む基本セルと、
    前記基本セルを収容する筐体内で、前記基本セルとは別室に内包された電解質溶液または水と、を備え、
    前記負極は、前記セパレータに通じる孔を有し、
    前記基本セルと、前記電解質溶液または水とを前記筐体内で仕切る仕切り部材は、封止可能な孔を有し、
    前記仕切り部材の孔は、前記負極の孔と対向するように設けられる
    空気電池。
  5. 前記仕切り部材の孔を封止する封止部材を備え、
    前記封止部材を制御することで前記仕切り部材の孔が開き、前記孔を介して前記電解質溶液または水が前記セパレータに接触することで発電が開始される
    請求項４記載の空気電池。
  6. 前記別室は水を内包し、
    前記セパレータは電解質を含有する
    請求項４または５に記載の空気電池。
  7. 前記負極は、マグネシウム、亜鉛、アルミニウム、および鉄からなる群から選択される少なくとも１種を含む
    請求項１から６のいずれか１項に記載の空気電池。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の空気電池と、
    前記空気電池の発電を検知する検知器と、
    を備える検知装置。
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