KR102575867B1 - 금속 공기 전지 - Google Patents

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Abstract

특히 종래에 비해 높은 출력에 더하여 출력을 장기간 지속시키는 것이 가능한 금속 공기 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 있어서 금속 공기 전지(1)는, 케이스(2)와, 상기 케이스의 양측에 배치된 공기극(3)과, 상기 공기극에서 내측으로 이격되어 배치된 복수 매의 금속극(4)을 가지며, 상기 금속극 끼리는 사이에 공간(S)을 매개로 하여 대향하고 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 금속 공기 전지에 따르면, 반응 생성물이 공기극과 금속극의 사이에 퇴적되는 것을 억제 가능하다. 또한, 공기극과 금속극 사이 거리의 자유도가 높다. 이상에 따라, 높은 출력에 더하여 출력을 장기간 지속시키는 것이 가능하다.

Description

금속 공기 전지
본 발명은 금속 공기 전지에 관한 것으로, 특히, 음극인 금속극의 구조에 관한 것이다.
금속 공기 전지에서는, 양극인 공기극에 있어서 대기 중의 산소를 양극 활물질로서 이용하여, 해당 산소의 산화 환원 반응이 행해진다. 한편, 음극인 금속극에 있어서 금속의 산화 환원 반응이 행해진다. 금속 공기 전지의 에너지 밀도가 높아 재해 시 등에 있어서 비상용 전원 등의 역할로서 기대되고 있다.
공기극은 예를 들어, 케이스의 양측에 배치되는 금속극은 공기극의 사이에 전해액을 매개로 하여 대향하고 있다(특허문헌1의 도 1 참조). 특허문헌1에 기재된 금속 공기 전지에서는 금속극이 집전체와, 집전체의 양측에 형성된 전극 활성 물질로 구성되어 있다.
일본 공개특허 제2015-99740호 공보
종래에 있어서 금속 공기 전지의 구조에서는 다음과 같은 문제점이 있었다. 즉, 전지 반응에 따라 생성된 반응 생성물이 공기극과 금속극 사이에 퇴적되고, 그 결과, 전지 반응의 저하에 따른 소정 출력의 지속성 저하가 문제로 되었다.
또한, 특허문헌1에 기재된 금속 공기 전지와 같이, 양측에 공기극이 배치되고, 그 사이에 금속극이 배치되는 구성에서는, 공기극과 금속극 사이 거리의 자유도가 낮아 충분히 높은 출력을 얻을 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 점에 착안하여 이루어진 것이며, 특히 종래에 비해 높은 출력에 더하여 출력을 장기간 지속시키는 것이 가능한 금속 공기 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 있어서 금속 공기 전지는, 케이스와, 상기 케이스의 양측에 배치되는 공기극과, 상기 공기극에서 내측으로 이격되어 배치된 복수 매의 금속극을 가지며, 상기 금속극 끼리는 사이에 공간을 매개로 하여 대향하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 상기 케이스는 복수로 분할되어 있고, 상기 금속극은 각각 다른 상기 케이스에 배치되는 동시에, 각 금속극의 적어도 하나는 상기 케이스의 대향부 보다도 내측에 배치되어 있으며, 복수의 상기 케이스가 상기 대향부를 대향시켜 조립되어서, 상기 금속극 사이에 상기 공간이 형성되는 구성으로 하는 것이 가능하다.
구체적으로는, 일 예로서, 외측 테두리체 및 상기 대향부로서의 내측 테두리체를 가진 제1케이스 및 제2케이스와, 상기 제1케이스의 상기 외측 테두리체에 배치되는 제1공기극과, 상기 제1케이스의 상기 내측 테두리체 측에 배치되는 제1금속극과, 상기 제2케이스의 상기 외측 테두리체에 배치되는 제2공기극과, 상기 제2케이스의 상기 내측 테두리체 측에 배치되는 제2금속극을 구비하고 있고, 상기 제1금속극과 상기 제2금속극 중 적어도 하나가 상기 내측 테두리체 보다도 내측에 배치되어 있으며, 상기 제1케이스와 상기 제2케이스가, 상기 내측 테두리체에 내측을 향하여 조립되어 상기 제1금속극과 상기 제2금속극의 사이에 상기 공간이 형성되는 구성으로 하는 것이 가능하다.
본 발명에서는, 상기 공기극은 원통형상으로 형성되어 있거나, 또는 상기 원통형상의 일부가 결여된 형상이어도 좋다.
또한 본 발명에 있어서 금속 공기 전지는, 케이스와, 상기 케이스 내에 배치된 원통형상 또는 상기 원통형상의 일부가 결여된 형상의 공기극과, 상기 공기극에서 내측으로 이격되어 배치된 원통형상 또는 상기 원통형상의 일부가 결여된 형상의 금속극을 가지며, 상기 금속극의 원통형상 내부는 공간으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 상기 금속극은 상기 케이스로부터 착탈 가능하게 장착되는 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서는, 상기 금속극에는 상기 금속극의 내측으로부터 외측까지 관통하는 슬릿, 또는 구멍이 마련되어 있는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 금속극은 일단부가 상기 케이스 측에 고정된 고정단이며, 타단부가 자유단으로 되어 있는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 금속극을 구성하는 금속은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 마그네슘 또는 마그네슘 합금이다.
본 발명의 금속 공기 전지에 따르면, 반응 생성물이 공기극과 금속극 사이에 퇴적되는 것을 억제 가능하다. 또한, 공기극과 금속극 사이의 거리의 자유도가 높다. 이상에 따라, 종래에 비해 높은 출력에 더하여 출력을 장기간 지속시키는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1실시 형태에 있어서, 금속 공기 전지의 모식도(종단면도)이다.
도 2는 본 발명의 제2실시 형태에 있어서, 금속 공기 전지의 모식도(종단면도)이다.
도 3은 금속극의 하단을 자유단으로 한 구조에 있어서, 반응 생성물에 의한 금속극의 상태를 설명하기 위한 금속 공기 전지의 모식도(종단면도)이다.
도 4는 본 발명의 제3실시 형태에 있어서, 금속 공기 전지의 모식도(종단면도)이다.
도 5는 본 발명의 제4실시 형태에 있어서, 금속극의 모식도(정면도)이다.
도 6은 본 발명의 제5실시 형태에 있어서, 금속 공기 전지의 모식도(횡단면도)이다.
도 7은 본 발명의 제6실시 형태에 있어서, 금속 공기 전지의 모식도(횡단면도)이다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태(이하, "실시 형태"라 약기한다)에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 그 요지의 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하다.
<제1실시 형태>
도 1은 본 발명의 제1실시 형태에 있어서, 금속 공기 전지의 모식도(종단면도)이다. 종단면이란 케이스의 높이 방향을 따라 절단한 절단면을 가리킨다. 이하, 마찬가지이다. 도 1A에 도시한 바와 같이, 금속 공기 전지(1)는, 케이스(2)와, 케이스(2)의 양측에 배치된 공기극(3)과, 공기극(3)의 내측으로 이격되어 배치된 금속극(4)을 가지고 구성된다. 공기극(3)은 양극이며, 금속극(4)은 음극이다.
케이스(2)는 전기 절연성이며, 또한, 전해액의 누설 방지가 가능한 플라스틱 수지나 종이 등으로 형성된다. 케이스(2)의 제1측면(2a)과 제2측면(2b)에는 각각 개구창(5)이 형성되어 있다. 복수의 공기극(3)이 제1측면(2a)과 제2측면(2b)의 테두리에 각각 고정된다. 이때, 개구창(5)에 의해 각 공기극(3)의 외측면은 공기에 노출된다.
예를 들어, 케이스 외관의 세로 치수, 가로 치수 및 높이 치수는 수 cm~수십 cm 단위이다. 또한, 케이스(2)의 형상은 예를 들어, 직육면체, 정육면체, 원기둥, 각기둥 등이다. 케이스(2)는 단독으로 구성되어 있어도 좋고, 복수의 파츠를 조립한 것이어도 좋다. 또한, 케이스(2)의 크기나 형상 등은 특별히 한정되지 않는다.
도 1A에 도시한 케이스(2)에는, 천정부(2c)에 금속극(4)을, 금속 공기 전지(1)의 외측으로부터 케이스 내부로 삽입 가능한 삽입공(6)이 마련되어 있다.
도 1A에 도시한 바와 같이, 금속극(4)은 공기극(3) 보다도 내측에 배치된다. 공기극(3)과 금속극(4) 사이에는 소정의 간격(갭)(G)이 마련된다. 간격(G)은, 예를 들어, 0.5~20mm 이며, 바람직하게는 0.5~5mm 이고, 보다 바람직하게는 0.5~2.5mm 이다. 0.5mm 이상이면, 반응 생성물이 금속극(4)과 공기극(3) 사이에 퇴적되며, 공기극(3) 및 금속극(4)을 손상하는 일이 없고, 20mm 이하, 바람직하게는 5mm 이하, 보다 바람직하게는 2.5mm 이하이면 충분한 출력을 얻는 것이 가능하다. 또한, 간격(G)은 안정된 출력을 얻기 위하여, 도 1A에 도시한 좌우 양측의 공기극(3)-금속극(4) 사이에서 대략 동일하도록 조정된다.
또한, 공기극(3) 및 금속극(4)의 형상을 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 주면(主面)이 직사각형, 정사각형 등의 얇은 평판이다.
도 1A에 도시한 바와 같이, 공기극(3)은 양극 단자(8)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 금속극(4)은 음극 단자(9)에 접속되어 있다.
도 1A에 도시한 바와 같이, 공기극(3)과 금속극(4)은 전해액(7)을 매개로 하여 대향하고 있다. 공기극(3)과 금속극(4)은 서로에 전해액(7)으로 접촉하고 있다.
도 1에 도시한 금속 공기 전지(1)가, 마그네슘 공기 전지인 경우, 금속극(4)의 근방에 있어서는 아래 기재한 (1)로 나타낸 산화 반응이 발생한다. 또한, 공기극(3)에 있어서는 아래 기재한 (2)에 나타낸 환원 반응이 발생한다. 마그네슘 공기 전지 전체로서는 아래 기재한 (3)에 나타낸 반응이 일어나 방전이 행해진다.
(1) 2Mg → 2Mg2 + + 4e-
(2) O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
(3) 2Mg + O2 + 2H2O → 2Mg(OH)2
그런데, 종래의 금속 공기 전지에 있어서는, 예를 들어, 특허문헌1에 나타난 바와 같이, 케이스의 양측에 공기극이 배치되고, 케이스의 대략 중심 위치에 금속극이 배치되는 구성이었다. 그러나, 이와 같은 구성에 있어서는 공기극과 금속극 사이에 전지 반응에 있어서 반응 생성물이 퇴적하는 것으로, 소정 출력의 지속성이 문제가 되었다. 또한, 공기극과 금속극 사이 거리의 자유도가 낮아 충분히 높은 출력을 얻을 수 없는 문제도 있었다.
그래서 본 발명자들은, 금속극의 구조를 개량하여 공기극과 금속극 사이의 반응 생성물의 퇴적을 종래에 비하여 억제 가능한 금속 공기 전지를 구축하기에 이르렀다. 다시 말해, 도 1A에 도시한 바와 같이, 제1실시 형태에서는, 금속극(4)은 복수 매 마련되고, 이들 금속극(4) 끼리가 사이에 공간(S)을 매개로 하여 대향하고 있다. 공간(S)은 금속극(4)과 케이스(2) 사이에 마련되어진 간극(13)에 연통하고 있다. 여기에서 "공간"이란 금속극(4)의 내면(대향면)(4a) 사이를 특허문헌1과 같은 집전체 등으로 메우지 않고, 전해액(7)으로 채우는 것이 가능한 3차원적인 확장을 가리킨다.
이와 같이, 금속극(4) 끼리를, 공간(S)을 매개로 하여 대향시키는 것으로, 공간(S)을 반응 생성물의 퇴적 가능한 영역으로 이용 가능하다. 다시 말해, 본 실시 형태에서는 반응 생성물을 금속극(4)과 케이스(2) 사이에 마련되어진 간극(13)으로부터 금속극(4)의 내면(4a) 측으로 순조롭게 이행시키는 것이 가능하고, 케이스(2) 내에서 반응 생성물의 분산성을 향상시키는 것이 가능하다. 따라서, 공기극(3)과 금속극(4) 사이의 반응 생성물의 퇴적량을 종래 보다도 저감시키는 것이 가능하다.
또한 본 실시 형태에서는, 복수 매의 금속극(4)을 공간(S)을 매개로 하여 대향시키는 것으로, 공기극(3)과 금속극(4)의 간격(G)의 자유도를 높게 할 수 있다. 따라서, 높은 출력을 얻기 위하여 공기극(3)과 금속극(4)의 각 간격(G)을 좁게 하는 것이 가능하다.
또한 본 실시 형태에서는, 금속극(4) 끼리를, 공간(S)을 매개로 하여 대향시키는 것으로, 공간(S)에 전해액(7)을 주입 할 수 있고, 전해액(7)의 용량을 크게 할 수 있다. 그 결과, 전지 반응에 필요한 전해액(7)을 충분하게 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 높은 출력에 더하여 출력을 장기간 지속시키는 것이 가능하다. 특히, 금속 공기 전지(1)의 소형화에 따라, 본 실시 형태의 구성은 효과적이다.
도 1A에 도시한 구조에서는, 2매의 금속극(4)이 상단(4b)의 위치에서 전도성 평판 형상의 연결부(10)에 의해 연결되어 있다. 그리고, 음극 단자(9)가 연결부(10)의 위치에 전기적으로 접속되어 있다. 연결부(10)는 케이스(2) 천정부(2c)의 윗면 측에 고정 지지된다.
도 1A에서는, 연결부(10)에 의해 연결된 금속극(4)은 케이스(2)에 대하여 착탈 가능하게 지지되어 있다. 따라서, 출력 저하나 반응 종료 시 등에 따라 금속극(4)의 교환이 가능하다.
도 1B에 도시한 구성에서는, 금속극(4)의 상단(4b)이 리드선 등의 도체(11)로서 전기적으로 접속되어 있다. 도 1B에서는, 금속극(4)의 상단(4b)은 천정부(2c) 보다도 위쪽으로 돌출되어 있다. 그리고, 금속극(4)의 상단(4b) 사이가 도체(11)로 접속되어 있다. 도 1B에 도시한 구성에 있어서도, 금속극(4)은 케이스(2)에 대하여 착탈 가능하게 지지되어 있다.
<제2실시 형태>
이하, 제1실시 형태 이외의 금속 공기 전지의 구성에 대하여 설명하지만, 금속극이 사이에 공간(S)을 매개로 하여 대향하고 있는 특징적 구성을 구비하고 있는 것에 변함이 없다. 따라서, 제2실시 형태 이후에서는, 공간(S)을 매개로 하여 금속극이 대향 배치되는 특징적 구성 이외의 다른 부분을 중심으로 설명한다. 또한, 도 2 이후에 있어서, 도 1과 동일한 부호는 도 1과 동일한 부분을 가리키고 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시 형태에 있어서, 금속 공기 전지의 모식도(종단면도)이다. 도 2A는 도 1A와 마찬가지로, 금속극(4)의 상단(4b)이 도전성의 연결부(10)로 연결되어 있지만, 연결부(10)는 케이스(2) 내에 수납되어 있다. 또한, 도 2B는 도 1B와 마찬가지로, 금속극(4)의 상단(4b)이 리드선 등의 도체(11)에 의해 전기적으로 접속되어 있지만, 금속극(4) 전체가 케이스(2) 내에 수납되어 있다.
따라서, 도 2에 도시한 실시 형태에서는, 금속극(4)을 케이스(2)에 대해 착탈 불가하다. 따라서, 도 2에서는 일회용의 금속 공기 전지(1)로 된다.
도 2C는 도 2B와 마찬가지로, 일회용의 금속 공기 전지(1)이지만, 도 2C에서는, 금속극(4)의 하단(4c)이 고정부(12)에 의해 고정되어 있다. 도 2C에 도시한 바와 같이, 고정부(12)는 케이스(2)의 저면부(2d) 표면으로부터 위쪽으로 돌출되어 있다. 도 2C에 도시한 구성에서는, 금속극(4)의 상단(4b)과 하단(4c)이 케이스(2)에 직접 또는 간접적으로 고정된 구조로 되어 있다. 또한, 도 2C에서는, 도면상, 금속극(4)과 케이스(2) 사이에 간극이 없는 것처럼 보이지만, 실제로는 금속극(4)과 케이스(2)의 측면 사이 등에 공간(S)으로 통하는 간극이 마련되어 있다. 그리고, 반응 생성물을 금속극(4)과 케이스(2) 사이의 간극으로부터 금속극(4) 사이의 공간(S)으로 이행시키는 것이 가능하다.
도 2B의 구성에서는, 도 2C와 마찬가지로, 금속극(4)의 상단(4b) 측은 케이스(2)의 천정부(2c) 측에 도체(11)를 매개로 하여 고정되어 있지만, 도 2C와 다르게, 하단(4c)은 고정 되어 있지 않다. 다시 말해, 하단(4c)은 자유단으로 되어 있다.
도 3은 금속극의 하단을 자유단으로 한 구조에 있어서, 반응 생성물에 의한 금속극의 상태를 설명하기 위한 금속 공기 전지의 모식도(종단면도)이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 금속극(4)의 하단(4c)을 자유단으로 하는 것으로, 금속극(4)의 하단(4c) 측을 요동시키는 것이 가능하다. 이 때문에, 공기극(3)과 금속극(4) 사이에 퇴적된 반응 생성물(P)에 의한 가압력을 받아 금속극(4)의 하단(4c) 측을 내측으로 변위시키는 것이 가능하다. 이에 따라, 반응 생성물(P)에 의한 공기극(3) 및 금속극(4)으로의 가압력을 완화 가능하고, 공기극(3)이나 금속극(4)의 손상을 억제하는 것이 가능하다.
또한, 상기한 효과는 도 1에 도시한 금속극(4)의 구성에 있어서도 적절하게 발휘하는 것이 가능하다.
<제3실시 형태>
도 4는 본 발명의 제3실시 형태에 있어서, 금속 공기 전지의 모식도(종단면도)이다. 도 4에 있어서 도 1, 도 2와 동일한 부호는 도 1, 도 2와 동일한 부분을 나타내고 있다. 또한, 도 4는 금속 공기 전지를 구성하는 각 케이스를 조립하기 전의 상태를 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이, 케이스(2)는, 제1케이스(32) 및 제2케이스(42)로 분할되어 있다. 도 4에 도시한 바와 같이 제1케이스(32)는 서로 대향하는 외측 테두리체(32a) 및 내측 테두리체(32b)를 구비한다. 마찬가지로, 제2케이스(42)는 서로 대향하는 외측 테두리체(42a) 및 내측 테두리체(42b)를 구비한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 제1케이스(32)의 내측 테두리체(32b)에는 철부(凸部)(50)가 형성되어 있다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 제2케이스(42)의 내측 테두리체(42b)에는 요부(凹部)(51)가 형성되어 있다. 따라서, 제1케이스(32)는 수놈 형의 케이스 구조이며, 제2케이스(42)는 암놈 형의 케이스 구조이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제1케이스(32)의 외측 테두리체(32a)에는 제1공기극(33)이 설치되고, 제1케이스(32)의 내측 테두리체(32b) 측에는 제1금속극(34)이 설치된다. 마찬가지로, 제2케이스(42)의 외측 테두리체(42a)에는 제2공기극(43)이 설치되고, 내측 테두리체(42b)에는 제2금속극(44)이 설치된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제1금속극(34)은, 제1케이스(32)의 내측 테두리체(32b) 보다도 내측(외측 테두리체(32a)에 접근하는 방향)에 위치하고 있다. 마찬가지로, 제2금속극(44)은, 제2케이스(42)의 내측 테두리체(42b) 보다도 내측(외측 테두리체(42a)에 접근하는 방향)에 위치하고 있다. 여기에서, "내측 테두리체 보다도 내측"이란 철부(50)나 요부(51) 등의 케이스 연결 부분을 제외한 내측 테두리체의 표면 보다도 내측인 것을 가리킨다.
이에 따라, 제1케이스(32)의 내측 테두리체(32b)와 제2케이스(42)의 내측 테두리체(42b)를 대향시켜 각 케이스(32, 42)를, 예를 들어 요철 결합에 의해 조립시키면 도 1, 도 2와 마찬가지로, 금속극(34, 44) 사이에 소정 폭의 공간(S)을 형성하는 것이 가능하다. 공간(S)의 폭은 각 케이스(32, 42)에 배치되는 금속극(34, 44)의 설치 위치에 따라 조정하는 것이 가능하다. 또한, 동시에 공기극(33, 43)과 금속극(34, 44) 사이의 간격(갭)(G)을 조정하는 것이 가능하다.
이와 같이, 도 4의 금속 공기 전지에서는 케이스(2)를 복수로 분할하여 각 케이스(32, 42)에 금속극(34, 44)을 배치한다. 게다가, 금속극(34, 44)을 각 케이스(32, 42)의 대향부로서 내측 테두리체(32b, 42b) 보다도 내측에 배치한다. 이에 따라, 각 케이스(32, 42)를 합체시키는 것만으로 소망하는 공간(S)을 금속극(34, 44) 사이에 간단하게 마련하는 것이 가능하다. 또한, 한정하는 것은 아니지만, 도 4의 구조는 예를 들어, 케이스(2) 내에 금속극(34, 44)이 고정 지지되는 구조에 특히 유용하다. 케이스(2)를 분할하고, 분할된 케이스(32, 42)를 조립시키는 구조로 하는 것으로, 간단하면서 적절하게 케이스(2) 내에 금속극(34, 44)을 고정 지지하는 것이 가능하다.
또한, 도 4에는 제1금속극(34) 및 제2금속극(44) 모두가 각 케이스(32, 42)의 내측 테두리체(32b, 42b) 보다도 내측에 위치하고 있지만, 적어도 하나가 케이스의 내측 테두리체 보다도 내측에 위치하고 있는 구조이어도 좋다. 이에 따라서도, 분할된 각 케이스를 조립시키는 것으로, 금속극(34, 44) 사이에 공간(S)을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 도 4와는 다르게, 예를 들어, 제1공기극(33), 제2공기극(43), 제1금속극(34), 및 제2금속극(44)이 각각 개별적으로 케이스에 배치되어 있으며, 금속극(34, 44)을 배치한 각 케이스를 조립시켰을 때에 금속극(34, 44) 사이에 공간(S)이 형성되도록 구성하여도 좋다. 혹은, 공기극은 제1공기극(33) 및 제2공기극(43)과 같이 복수로 분할되어 있지 않고, 후술할 원통형상체 등으로 구성되어 있어도 좋다.
<제4실시 형태>
도 5는 본 발명의 제4실시 형태에 있어서, 금속극의 모식도(정면도)이다. 도 5A에 도시한 바와 같이, 금속극(4)에는 슬릿(20)이 마련되어 있다. 도 5A에는, 슬릿(20)이 2개이지만, 수를 한정하는 것은 아니다. 슬릿(20)은 금속극(4)의 하단(4c)으로부터 상단(4b)을 향하여 도중 위치까지 마련되어 있다.
한편, 도 5B에는, 슬릿(21)이 금속극(4)의 하단(4c)으로부터 상단(4b)에 이르고, 3매의 직사각 형상으로 잘린 조각으로 분리되어 있다. 이러한 직사각 형상으로 잘린 조각은, 예를 들어 도 1A에 도시한 연결부(10)에 의해 연결되어 있다.
또한, 도 5C에서는, 금속극(4)에 슬릿 형상의 구멍(22)이 형성되어 있다. 구멍(22)의 형상이나 수를 특별히 한정하는 것은 아니다.
이러한 슬릿(20, 21)이나 구멍(22)은 도 1A에 도시한 금속극(4)의 내면(4a)에서 외면(공기극(3)과의 대향면)에 걸쳐 관통하고 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 금속극(4)에 슬릿이나 구멍을 마련하는 것으로, 반응 생성물을 슬릿이나 구멍을 통해 금속극(4) 사이에 마련되어진 공간(S)(도 1 등 참조)에 순조롭게 이행시키는 것이 가능하다. 따라서, 도 5의 구성에 따르면, 보다 효과적으로 공기극(3)과 금속극(4) 사이에 반응 생성물이 퇴적되는 결함을 억제 가능하다.
또한, 제4실시 형태는 다른 실시 형태에도 적용하는 것이 가능하다.
<제5실시 형태>
도 6은 본 발명의 제5실시 형태에 있어서, 금속 공기 전지의 모식도(횡단면도)이다. 횡단면이란 케이스의 평면 방향을 따라 절단한 절단면을 위쪽에서 본 단면을 가리킨다.
도 6A에서는, 공기극(3)이 원통형상으로 형성되어 있다. 한편, 금속극(4)은 공기극(3)의 내측으로 이격되어 2매, 마련되어 있다. 또한 "원통형상"이란 중공 형상을 의미하고, 평면으로 보아 링 형상을 이루는 것은 모두 포함된다.
도 6A에 도시한 바와 같이, 공기극(3)은 금속극(4)과 대향하는 대향부(3a)와, 대향부(3a) 사이를 접속하는 접속부(3b)로 구성된다. 공기극(3)의 외관 형상은 한정되지 않지만, 예를 들어, 도 6A에 도시한 둥근 모서리 직사각 형상이나, 다각형상, 원형상, 타원형상 등이다. 한편, 도 6B의 구성에서는 도 6A에 도시한 공기극(3)의 접속부(3b) 일부가 결여된 형상으로 되어 있다.
또한, 도 6에 있어서, 대향부(3a)와 접속부(3b)의 복수 파츠를 조립시켜 공기극(3)을 구성하여도 좋고, 대향부(3a)와 접속부(3b)가 일체로 형성된 공기극(3)으로 하는 것도 가능하다.
도 6의 구성에서는, 공기극(3)의 표면적을 넓게 확보 가능하고, 높은 출력을 얻는 것이 가능하다.
<제6실시 형태>
도 7은 본 발명의 제6실시 형태에 있어서, 금속 공기 전지의 모식도(횡단면도)이다.
도 7에 도시한 구성에서는, 공기극(3)과 금속극(4) 모두가 원통형상으로 형성되어 있다. 도 7에 도시한 구성에 있어서, 공기극(3)은 도 1과 마찬가지로, 케이스의 양측으로 분리된 복수 매의 구성이어도 좋다.
도 7에 도시한 구성에서는, 금속극(4)의 원통형상 내부(15)가 공간(S)으로 되어 있다. 또한, 도 7에 도시한 원통형상의 금속극(4) 일부가 결여된 형상이어도 좋다.
도 7에 도시한 구성에서는, 공기극(3)에 대향하는 금속극(4)의 몸체 표면적을 넓게 확보하는 것이 가능하다. 게다가, 공기극(3)과 금속극(4) 사이의 간격(G)을 전체 둘레에 걸쳐서 좁게 설정 가능하다. 이에 따라, 효과적으로 높은 출력을 달성 가능하다. 더욱이, 금속극(4)의 원통형상 내부(15)가 공간(S)으로 되고, 공간(S)은 금속극(4)과 케이스(2) 사이에 마련되어진 간극(예를 들어, 금속극(4)의 하단과 케이스(2) 사이의 간극)과 연통되어 있다. 이 때문에, 공간(S)은 원통형상 내부(15)를 반응 생성물의 퇴적 영역으로 사용 가능하다. 따라서, 높은 출력에 더하여 출력을 장기간 지속시키는 것이 가능하다.
<공기극>
계속해서, 공기극(3)의 구성에 대하여 설명한다. 공기극(3)은 도전 재료 층과 집전체의 적층 구조로 형성하는 것이 가능하다. 또한, 도전 재료 층이 케이스(2) 내에 수용되는 전해액과 접촉하는 내측 층이다.
도전 재료 층은, 도전성 재료를 바인더 수지에 의해 결착시킴으로써 형성하는 것이 가능하다. 도전 재료 층을 구성하는 도전성 재료를 한정하는 것은 아니다. 종래로부터 알려져 있는 금속 공기 전지의 도전 재료 층을 구성하는 재료를 모두 사용 가능하다. 예를 들어, 적합한 도전성 재료로는 아세틸렌 블랙(acetylene black), 캣첸 블랙(ketjen black), 활성탄, 및 탄소나노튜브 등의 탄소 재료를 들 수 있다.
공기극(3)의 도전 재료 층에 사용되는 바인더 수지는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 바람직한 바인더 수지로는 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 테트라플루오르에틸렌·헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 에틸렌·테트라플루오르에틸렌 공중합체(ETFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 에틸렌·클로로트리플루오르에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리불화비닐(PVF) 등의 불소 수지를 들 수 있다.
또한, 도전 재료 층에는, 종래로부터 알려져 있는 공기 금속 전지 양극용의 전극 촉매가 함유되어 있어도 좋다. 예를 들어, 전극 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 텅스텐(W), 납(Pb), 철(Fe) , 크롬(Cr), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 금속 및 그 화합물, 그리고 이들의 합금 등을 예시 할 수 있다.
공기극(3)을 구성하는 집전체 층은 공기와 접하는 외측 층이다. 집전체 층은 도전성의 금속 재료로 이루어진 철망, 익스펜디드 메탈, 직물, 펀칭 시트, 에칭 박, 발포체 등을 적절하게 사용하는 것이 가능하다.
전도성의 금속 재료로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 스테인리스강(STS), 구리, 니켈 등을 들 수 있다.
<금속극>
본 실시 형태에서는 금속극(4)의 재질을 한정하는 것은 아니지만, 아연, 알루미늄, 마그네슘 등의 금속 또는 이들의 합금이 바람직하다.
또한 합금으로는 종래로부터 알려져 있는 금속 공기 전지의 음극을 구성하는 모든 재질을 적용 가능하다.
예를 들어, 마그네슘 공기 전지라면 금속극(4)에는 마그네슘 또는 마그네슘 합금이 사용된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 금속 공기 전지(1)를 복수 연결하여서 된 금속 공기 전지 유닛을 구성하여도 좋다.
본 발명의 금속 공기 전지에 따르면, 종래에 비해 높은 출력을 장시간 지속시키는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 금속 공기 전지를 재해 시 등에 있어서 비상용 전원 등으로 유효하게 적용하는 것이 가능하다.
본 출원은 2016년 1월 26일에 출원된 일본 특허출원 2016-012628에 기초한다. 이 내용은 모두 여기에 포함되어 있다.
1 : 금속 공기 전지 2 : 케이스
2a : 제1측면 2b : 제2측면
2c : 천정부 2d : 저면부
3 : 공기극 3a : 대향부
3b : 접속부 4 : 금속극
4a : 내면 4b : 상단
4c : 하단 5 : 개구창
6 : 삽입공 7 : 전해액
8 : 양극 단자 9 : 음극 단자
10 : 연결부 11 : 도체
12 : 고정부 13 : 간극
15 : 내부 20, 21 : 슬릿
22 : 구멍 32 : 제1케이스
32a : 외측 테두리체 32b : 내측 테두리체
33 : 제1공기극 34 : 제1금속극
42 : 제2케이스 42a : 외측 테두리체
42b : 내측 테두리체 43 : 제2공기극
44 : 제2금속극 50 : 철부
51 : 요부 G : 간격
S : 공간 P : 반응 생성물

Claims (9)

  1. 케이스와,
    상기 케이스의 양측에 배치되며, 외측면이 공기에 노출되는 공기극과,
    상기 공기극에서 내측으로 이격되어 배치된 복수 매의 금속극을 가지며,
    상기 금속극 끼리는 사이에 공간을 매개로 하여 대향하고 있고,
    상기 금속극 사이의 상기 공간과, 상기 공기극과 상기 금속극 사이의 간격은 연통되며,
    상기 공간 및 상기 간격은 상기 케이스에 주입된 전해액에 의해 채워지는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 복수로 분할되어 있고,
    상기 금속극은 각각 다른 상기 케이스에 배치되는 동시에, 각 금속극의 적어도 하나는 상기 케이스의 대향부 보다도 내측에 배치되어 있으며,
    복수의 상기 케이스가 상기 대향부를 대향시켜 조립되어서, 상기 금속극 사이에 상기 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    외측 테두리체 및 상기 대향부로서의 내측 테두리체를 가진 제1케이스 및 제2케이스와,
    상기 제1케이스의 상기 외측 테두리체에 배치되는 제1공기극과,
    상기 제1케이스의 상기 내측 테두리체 측에 배치되는 제1금속극과,
    상기 제2케이스의 상기 외측 테두리체에 배치되는 제2공기극과,
    상기 제2케이스의 상기 내측 테두리체 측에 배치되는 제2금속극을 구비하고 있고,
    상기 제1금속극과 상기 제2금속극 중 적어도 하나가 상기 내측 테두리체 보다도 내측에 배치되어 있으며,
    상기 제1케이스와 상기 제2케이스가, 상기 내측 테두리체에 내측을 향하여 조립되어 상기 제1금속극과 상기 제2금속극의 사이에 상기 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기극은 원통형상으로 형성되어 있거나, 또는 상기 원통형상의 일부가 결여된 형상인 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지.
  5. 케이스와,
    상기 케이스 내에 배치된 원통형상 또는 상기 원통형상의 일부가 결여된 형상으로 외측면이 공기에 노출되는 공기극과,
    상기 공기극에서 내측으로 이격되어 배치된 원통형상 또는 상기 원통형상의 일부가 결여된 형상의 금속극을 가지며,
    상기 금속극의 원통형상 내부는 공간으로 되어 있고,
    상기 원통형상 내부의 공간과, 상기 공기극과 상기 금속극 사이의 간격은 연통되며,
    상기 공간 및 상기 간격은 상기 케이스에 주입된 전해액에 의해 채워지는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 금속극은 상기 케이스로부터 착탈 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 금속극에는, 상기 금속극의 내측으로부터 외측까지 관통하는 슬릿, 또는 구멍이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지.
  8. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 금속극은 일단부가 상기 케이스 측에 고정된 고정단이며, 타단부가 자유단으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지.
  9. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 금속극을 구성하는 금속은 마그네슘 또는 마그네슘 합금인 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지.
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