JP5681307B1

JP5681307B1 - マグネシウム電池及びこれを含む発電装置

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Publication number: JP5681307B1
Application number: JP2014034883A
Authority: JP
Inventors: 博幸塩谷; 正行天野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: JP2015162269A

Abstract

【課題】長期保管が可能であると共に、寒冷地においても好適に使用することができるマグネシウム電池を提供すること。【解決手段】筐体と、正極及びマグネシウムを含む負極活物質を有する負極を含む電極部と、分散媒と、分散媒に分散することでマグネシウムイオン導電性を発現する電解質と、を有し、電極部と電解質とは筐体の内部に配置され、分散媒は電解質と隔離された状態で筐体の内部又は外部に配置され、用時に分散媒と電解質とが接触・混合して発電すること、を特徴とするマグネシウム電池。【選択図】図１

Description

本発明は、マグネシウム電池及びこれを含む発電装置に関し、より具体的には、長期保管が可能であると共に、寒冷地においても好適に使用することができるマグネシウム電池及びこれを含む発電装置に関する。

近年、マグネシウムイオンの移動を利用したマグネシウム電池が、コスト及び安全性に優れた電池として注目されている。マグネシウムの標準電極電位は−２．３７５Ｖと低く、金属の中では比較的軽量であることに加え、リチウムに比べて安全性も高く、かつ、資源的にも豊富である。

例えば、特許文献１（特開２０１２−３８６６６号公報）においては、マグネシウムからなる負極と、負極からマグネシウムイオンを溶出させる水系電解液を保持可能な保液部と、を備え、保液部は、クエン酸塩の水溶液を水系電解液として保持することを特徴とするマグネシウム電池が開示されている。

上記特許文献１に記載のマグネシウム電池は、クエン酸イオンと負極から溶出したマグネシウムイオンとが錯体化し、水酸化マグネシウムの溶解度を増大させることで、酸化マグネシウムの析出を抑制しマグネシウムの持続的電解を可能とし、その結果、マグネシウム電池の負極容量を持続的に大きくすることができるというものである。

また、特許文献２（特開２０１３−１８２８６２号公報）においては、マグネシウムイオンの挿入及び脱離が可能な正極、マグネシウム金属、マグネシウムを含む合金若しくはマグネシウムイオンの挿入及び脱離が可能な負極、並びにマグネシウムイオン導電性を有する電解質を含むマグネシウム電池であって、正極が、マグネシウムポルフィリンを含むことを特徴とするマグネシウム電池が開示されている。

上記特許文献２に記載のマグネシウム電池は、正極材料中に高価なレアメタルを含有させなくても十分な放電容量を実現することができ、コスト製に優れたマグネシウム電池を提供することができるというものである。

特開２０１２−３８６６６号公報特開２０１３−１８２８６２号公報

しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２のマグネシウム電池は、寒冷地における使用を考慮しておらず、使用環境温度の低下に伴い電解液が凍結すると使用が困難となる。加えて、正極及び負極が電解液に常時接触していることから、長期保管には不向きである。

そこで、本発明の目的は、長期保管が可能であると共に、寒冷地においても好適に使用することができるマグネシウム電池を提供することにある。また、本発明は、当該マグネシウム電池を用いることにより、長期保管が可能であると共に、寒冷地においても好適に使用することができる携帯用乃至は臨時用の発電装置を提供することをも目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明は、
筐体と、
正極及びマグネシウムを含む負極活物質を有する負極を含む電極部と、
分散媒と、
前記分散媒に分散することでマグネシウムイオン導電性を発現する電解質と、を有し、
前記電極部と前記電解質とは前記筐体の内部に配置され、
前記分散媒は前記電解質と隔離された状態で前記筐体の内部に配置され、
用時に前記分散媒と前記電解質とが接触・混合して発電すること、
を特徴とするマグネシウム電池（及びこれを用いた発電装置）を提供する。

上記本発明のマグネシウム電池においては、代表的な態様として、
前記筺体が、互いに入れ子の位置関係にある第一の筐体及び第二の筐体を含み、
前記電極部と前記電解質とは前記第一の筐体の内部に配置され、
前記分散媒は前記第二の筐体の内部に配置され、
前記第一の筐体と前記第二の筐体とが相対的に近づく方向に移動することにより、前記分散媒が前記第一の筐体の内部に浸入して発電すること、
が好ましい。

この場合、前記第一の筐体と前記第二の筐体との間に配置され、前記第一の筐体と前記第二の筐体との相対的な移動を抑制するストッパを有すること、が好ましい。

また、本発明のマグネシウム電池においては、前記分散媒が不凍性を有すること、が好ましく、前記分散媒がグリセリン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、及びプロピレングリコールからなる群より選ばれた１種以上のアルコールを含むこと、がより好ましい。なお、本発明においていう「不凍性」とは、分散媒が０℃以下（好ましくは０℃〜−５０℃）において凍結しないことを意味している。

そして、本発明のマグネシウム電池においては、電解質と分散媒とが混合することによって電解液としての機能を発揮するものである。この電解液は、電極部と接触する形態であればよく、本発明においては、液体であっても流体であってもゲル体であってもよい。

長期保管が可能であると共に、寒冷地においても好適に使用することができるマグネシウム電池及びこれを用いた発電装置を提供することができる。

本発明のマグネシウム電池の代表的な実施形態の構成を概念的に示す縦断面図である。本発明のマグネシウム電池の電極配置の一例を示す概略図である。本発明のマグネシウム電池の放電時の状態を示す概略図である。

以下において、本発明のマグネシウム電池の代表的な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。また、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、理解容易のために、必要に応じて寸法、比又は数を誇張又は簡略化して表している場合もある。

≪マグネシウム電池の構成≫
図１は、本発明のマグネシウム電池の一実施形態の構成を概念的に示す概略図である。図１に示すように、マグネシウム電池１は、筐体２の内部に、正極、マグネシウムを含む負極活物質を有する負極、及び電解質で構成される電極部４と分散媒貯蔵部６とが分離された状態で配置されている。つまり、分散媒貯蔵部６に貯蔵された分散媒（流体状）は、電極部４に接触していない。

筐体２は特に限定されず、筐体２の形状変化等に伴って電極部４が分散媒貯蔵部６に貯蔵された分散媒に浸漬（接触）すればよい。本実施形態においては、筐体２は、互いに入れ子の位置関係にある第一の筐体（上部筐体）８と第二の筐体（下部筐体）１０とから構成されている。上部筐体８の外面が下部筐体１０の内面に当接し、上部筐体８と下部筐体１０とは摩擦力を利用した及び／又は機械的なストッパ等で互いの相対位置が保持されており、外力を印加することによって上部筐体８を下部筐体１０の内面に沿って上下に移動（摺動）させることができる。

上部筐体８には電極部４が収納され、上部筐体８の下面（下部筐体１０の底面と対向する面）には刃部１２が備わっていることが好ましい。また、上部筐体８の下面（下部筐体１０の底面と対向する面）は開口部（図示せず。）を有しており、当該開口部から分散媒が上部筐体８の内部に浸入できる構造となっている。

下部筐体１０には分散媒貯蔵部６が収納され、分散媒貯蔵部６には分散媒が貯蔵されている。上部筐体８を下部筐体１０の内面に沿って下に移動させることにより、分散媒貯蔵部６の上面の一部が刃部１２によって破損することで、分散媒が分散媒貯蔵部６から放出される。放出された分散媒は上部筐体８の下面（下部筐体１０と対向する面）の開口部から上部筐体８の内部に浸入し、電極部４が分散媒に浸漬（接触）することとなる。

電極部４が分散媒に浸漬（接触）することにより、電極部４の電解質が分散媒に接触・混合してマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）の移動が可能となり、電荷が輸送される（発電される）。

筐体２（上部筐体８及び下部筐体１０）には、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の材料を用いることができるが、電池としての安全性及びコスト等を勘案して選定すればよく、例えば、ある程度の剛性を有する種々の樹脂製容器等（例えば、略直方体状）を好適に用いることができる。

刃部１２は分散媒貯蔵部６の一部を破損させることができれば特に限定されず、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の刃物及び突起物等を用いることができる。また、分散媒貯蔵部６には、分散媒を安全に長期保存でき、刃部１２によって容易に切断可能なものを選定すればよく、種々の樹脂製容器等（例えば、略直方体状）を好適に用いることができる。また、分散媒は更に袋状の樹脂製容器に内包されていてもよい。

なお、本実施形態では分散媒貯蔵部６が筐体２の内部に配置されているが、分散媒貯蔵部６を筐体２の外部に配置し、用時に分散媒貯蔵部６に貯蔵された分散媒を筐体２に注入し、電極部４を分散媒に浸漬させてもよい。

≪電極部≫
図２は、本発明のマグネシウム電池の電極配置を示す概略図である。電極部４には、単数または複数の負極２０と正極２２とが交互に配置されて電極群を構成している。ここで、負極２０と正極２２とはセパレータ２４で隔離され、セパレータ２４と正極２２の間に電解質２６が配置されている。なお、電解質２６は正極２２に分散される等の態様で、正極２２と一体に形成されていてもよい。

負極２０は、マグネシウムを含む負極活物質を有し、マグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）の移動が可能なものであれば特に限定されない。負極２０には、例えば、マグネシウム金属製シート、又は当該マグネシウム金属製シートをニッケル、ステンレス等の金属箔に圧着したもの等を用いることができる。

また、負極２０の材料としては、負極活物質としてマグネシウムを主成分として含む合金（例えば、マグネシウム−スズ合金、マグネシウム−シリコン合金等）、又は、マグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）の移動が可能なアモルファスカーボン等を例示することができる。これらの負極活物質を含む負極２０は、例えば、銅箔のような金属箔に、負極活性物質とポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような結着剤をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）のような有機溶媒に分散させたスラリーを塗布し、乾燥することで得ることができる。

マグネシウム電池１は、例えば、ハロゲンを正極活物質として用いるマグネシウム−ハロゲン電池、空気を正極活物質として用いるマグネシウム−空気電池、又はマグネシウムのインターカレーション反応を利用するマグネシウムイオン電池等とすることができる。

正極２２は特に限定されず、金属板であってもよく、また、例えば、マグネシウム−ハロゲン電池の場合には、正極は、ハロゲンを正極活物質とすることができる。当該正極活物質は、イオン伝導媒体に溶解したハロゲンにより供給されるものとしてもよい。また、正極２２は、ハロゲンの酸化還元触媒を含んでいてもよい。ハロゲン酸化還元触媒により、正極活物質であるハロゲンの還元反応が促進され、正極活物質としての機能が向上するためである。ハロゲンの酸化還元触媒としては、例えば、ニッケル等を例示することができる。

マグネシウム−空気電池の場合には、正極２２は、気体又は液体からの酸素を正極活物質とすることができる。気体としては、空気であってもよいし酸素ガスであってもよい。また、液体としては、水でもよい。正極２２は、正極２２での反応をより効率的に進行させることを目的とし、酸素の酸化還元触媒を含んでいてもよい。酸素の酸化還元触媒としては、二酸化マンガン、四酸化三コバルト等の金属酸化物、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｏ等の金属、金属ポルフィリン、金属フタロシアニン、イオン化フラーレン、カーボンナノチューブなどの有機及び無機化合物を例示することができる。また、例えば、マグネシウムイオン電池の場合には、正極は、マグネシウムを吸蔵放出する正極活物質を有するものとすることができる。

正極２２は、上記酸化還元触媒及び正極活物質、結着材、及び電解質２６等を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。電解質２６は、電池の性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛（鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛）や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、活性炭、金属（銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など）などの１種又は２種以上を混合したものを用いることができる。

電極部４には、必要に応じて適宜その他の要素を含むこともできる。当該要素については、従来公知のマグネシウム電池に用いられるものを使用でき、特に制限はない。また、電極部４は、コイン形、円筒形、ラミネート形など従来公知の形状とすることができ、電極部４の製造方法も、従来公知の方法を用いることができる。

≪電解液（電解質＋分散媒）≫
本発明のマグネシウム電池においては、分散媒と電解質とが混合して電解液を構成する。電解質の一部又は全部が分散媒に溶解していてもよい。

電解質としては、例えば、マグネシウム（ビストリフルオロメタンスルホニルイミド）［Ｍｇ（ＴＦＳＩ）₂］、過塩素酸マグネシウム（Ｍｇ（ＣｌＯ₄）₂、ヘキサフルオロリン酸マグネシウム（Ｍｇ（ＰＦ₆）₂）等のマグネシウムイオンを含む金属塩、また、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）₂）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ₄）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ₂）等のマグネシウムイオンを含む金属塩、自然塩等が挙げられる。

また、分散媒としては、例えば、水、炭酸エチレン（ＥＣ）及び炭酸ジメチル（ＤＭＣ）（体積比１：１）の混合溶媒、ＥＣ及び炭酸ジエチル（ＤＥＣ）等の混合溶媒、又は炭酸プロピレン等の単独溶媒、グリセリン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、尿、又は、果汁、コーヒー等の飲料等を用いることができる。

なかでも、分散媒及び電解液が不凍性を有することが好ましく、グリセリン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、及びプロピレングリコールからなる群より選ばれた１種以上のアルコールを含むこと、がより好ましい。

≪放電状態≫
ここで、図３は、本発明のマグネシウム電池の放電時の状態を示す概略図である。上述のとおり、上部筐体８の移動により、分散媒貯蔵部６の一部が刃部１２によって切断されることで、分散媒３０が分散媒貯蔵部６から放出される。放出された分散媒３０は上部筐体８の下面（下部筐体１０の底面と対向する面）の開口部から上部筐体８の内部に浸入し、負極２０、正極２２、及び電解質２６が共に分散媒３０に浸漬することとなる。

このように、負極２０、正極２２、及び電解質２６が共に分散媒３０に浸漬することで（即ち、電極部４が電解液に浸漬することで）、電解質２６が分散した分散媒３０を介したマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）の移動によって電荷が輸送される。つまり、本発明のマグネシウム電池１においては、筐体２の変形（本実施形態においては上部筐体８の移動）及び外部からの分散媒３０の供給によって、電極部電池としての機能を発現させることができる。

また、不凍性を有する分散媒３０を用いることで、使用環境温度の低下によるマグネシウム電池１の起電力の低下を抑制することができ、使用環境温度が氷点下である場合においても電池としての機能を維持することができる。つまり、マグネシウム電池１は、例えば、寒冷地における非常用の電池として好適に使用することができる。

以上、本発明のマグネシウム電池の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。例えば、上記実施形態では電解質貯蔵部を電極部の下側に配置し、電解質が電極部の下側から浸漬する態様を示しているが、電解質貯蔵部を電極部の上側に配置し、電解質が電極部の上側から浸漬するように設計してもよい。

当該マグネシウム電池における電極部の正極端子及び負極端子に、例えばＬＥＤ素子等を接続すれば、発電装置として好適に利用することができる。また、電極部の構造も適宜変更可能で、第一の電極に対し、第二の電極がU状に配置されている構造であってもよい。電極部の数も１以上であれば本発明のマグネシウム電池は本来の作用効果を奏する。

１・・・マグネシウム電池、
２・・・筐体、
４・・・電極部、
６・・・分散媒貯蔵部、
８・・・第一の筐体、
１０・・・第二の筐体、
１２・・・刃部、
２０・・・負極、
２２・・・正極、
２４・・・セパレータ、
２６・・・電解質、
３０・・・分散媒。

Claims

筐体と、
正極及びマグネシウムを含む負極活物質を有する負極を含む電極部と、
分散媒と、
前記分散媒に分散することでマグネシウムイオン導電性を発現する電解質と、を有し、
前記電極部と前記電解質とは前記筐体の内部に配置され、
前記分散媒は前記電解質と隔離された状態で前記筐体の内部に配置され、
用時に前記分散媒と前記電解質とが接触・混合して発電すること、
を特徴とするマグネシウム電池。
前記筺体が、互いに入れ子の位置関係にある第一の筐体及び第二の筐体を含み、
前記電極部と前記電解質とは前記第一の筐体の内部に配置され、
前記分散媒は前記第二の筐体の内部に配置され、
前記第一の筐体と前記第二の筐体とが相対的に近づく方向に移動することにより、前記分散媒が前記第一の筐体の内部に浸入して発電すること、
を特徴とする請求項１に記載のマグネシウム電池。
前記第一の筐体と前記第二の筐体との間に配置され、前記第一の筐体と前記第二の筐体との相対的な移動を抑制するストッパを有すること、
を特徴とする請求項２に記載のマグネシウム電池。
前記分散媒が不凍性を有すること、
を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載のマグネシウム電池。
前記分散媒がグリセリン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、及びプロピレングリコールからなる群より選ばれた１種以上のアルコールを含むこと、
を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載のマグネシウム電池。
請求項１〜５のうちのいずれかに記載のマグネシウム電池を含む発電装置。