(57)【要約】【課題】マグネシウム燃料極に含まれるマグネシウムが反応して生成する水酸化マグネシウムを効率良く回収することができるとともに、空気極において空気中の酸素を効率良く吸着できるように設計することが可能なマグネシウム空気電池を提供する。【解決手段】マグネシウム又はマグネシウム合金を負極活物質とするマグネシウム燃料極１２と、空気極１４と、を備えたマグネシウム空気電池１０であって、高分子吸収体に塩基性電解液を吸収させて構成されたゲル状電解質層１６を備えていることを特徴とする。ここで、空気極１４が、多孔質活性炭で構成されていることが好ましい。【選択図】図１
2020166956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム又はマグネシウム合金を負極活物質とするマグネシウム燃料極と、空気極と、を備えたマグネシウム空気電池であって、
高分子吸収体に塩基性電解液を吸収させて構成されたゲル状電解質層を備えていることを特徴とするマグネシウム空気電池。
【請求項２】
前記空気極が、多孔質活性炭で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム空気電池。
【請求項３】
前記高分子吸収体がポリアクリル酸ナトリウムを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマグネシウム空気電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム又はマグネシウム合金を負極活物質とするマグネシウム燃料極と、空気極と、を備えたマグネシウム空気電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウムは、塩基性溶液又は酸溶液中でのイオン化速度が他の金属より高く、そのため，マグネシウムを負極材として用いる電池は、リチウムイオン２次電池より６倍も高い重量出力エネルギー密度の高性能な電池となる可能性があり、大容量の発電が期待される。
また、マグネシウムは、リチウム材に比べて海水、砂漠中での地殻埋蔵量が多く、将来的なエネルギー資源として有望である。また、マグネシウム材においては、電解質と接触することによって発電して電池となることから、電解質を注入するまでは、自然放電、電極劣化もなく、ほぼ初期状態が保つことができるため、メンテナンスが容易となる。
【０００３】
以上のような利点を有していることから、マグネシウム燃料極を負極とする各種マグネシウム電池が開発されている。
上述のマグネシウム電池としては、例えば特許文献１に示すように、空気極と、マグネシウム又はマグネシウム合金を含む金属を負極活物質とした金属極と、電解液を介して対向配置した構造のものが一般的である。
【０００４】
また、特許文献２には、ロール状に形成されたマグネシウムフィルムからなるマグネシウム空気電池用燃料体と、空気を正極活物質とする正極と、セパレータと、を備えたマグネシウム空気電池が提案されている。特許文献２に記載されたマグネシウム空気電池においては、ロール状に巻いたマグネシウムフィルムを供給部から巻取部へと送り出し、供給部と巻取部の間に配置された電池本体（電解液）内を通過させ、マグネシウム空気電池の負極として作用させる構造とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９１４８１号公報
【特許文献２】特許第５５９８８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のマグネシウム空気電池においては、マグネシウム燃料極（負極）及び空気極（正極）において、以下のような反応が起こることになる。
負極  ：  Ｍｇ  →  Ｍｇ２＋＋２ｅ−
正極  ：  １／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  ２ＯＨ−
全反応  ：  Ｍｇ＋１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ  →  Ｍｇ（ＯＨ）２↓
【０００７】
上述の反応により、マグネシウム燃料極に含まれるマグネシウムは、水酸化マグネシウムとなる。
この水酸化マグシウムは、例えば、融雪剤、抗菌剤、下剤、アオコ除去剤等として広く利用されている。また、この水酸化マグネシウムを精錬することで、金属マグネシウムを得ることができる。
【０００８】
ここで、マグネシウム空気電池を用いて上述の反応が進行すると、マグネシウム燃料極の表面で反応して生成した水酸化マグネシウムは、電解液内に混入することになる。
このため、使用後のマグネシウム空気電池から水酸化マグネシウムを回収するためには、電解液と水酸化マグネシウムとを分離する必要があり、水酸化マグネシウムの回収、再利用は進んでいなかった。
【０００９】
また、マグネシウム空気電池においてエネルギー密度を向上させるためには、空気極において空気中の酸素を効率良く吸着するとともに、電解液を通してマグネシウム燃料極との反応を促進させる必要がある。
しかしながら、特許文献１，２に開示されたマグネシウム空気電池においては、電解液が漏れ出すことがないように、電解液が収容される容器の密封性を向上させる必要があるため、構造設計に大きな制約があり、空気極において空気中の酸素を効率良く吸着させることができないことがあった。
さらに、電解液が収容される容器の密封性を向上させるために、ゴムからなるパッキン材等を配設した場合には、ゴム成分によって親水性が劣化し、Ｍｇイオンと吸着酸素との水和反応が阻害され、エネルギー密度が低下するおそれがあった。
【００１０】
本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、マグネシウム燃料極に含まれるマグネシウムが反応して生成する水酸化マグネシウムを効率良く回収することができ、かつ、空気極において空気中の酸素を効率良く吸着できるように設計するとともにＭｇイオンと吸着酸素との水和反応を促進することにより、エネルギー密度を向上させることが可能なマグネシウム空気電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のマグネシウム空気電池は、マグネシウム又はマグネシウム合金を負極活物質とするマグネシウム燃料極と、空気極と、を備えたマグネシウム空気電池であって、高分子吸収体に塩基性電解液を吸収させて構成されたゲル状電解質層を備えていることを特徴としている。
【００１２】
この構成のマグネシウム空気電池によれば、高分子吸収体に塩基性電解液を吸収させて構成されたゲル状電解質層を備えているので、マグネシウム燃料極に含まれるマグネシウムの反応により生成した水酸化マグネシウムが電解液中に混入することが抑制され、水酸化マグネシウムを比較的容易に回収することができる。よって、水酸化マグネシウムの回収及び再利用を促進することができる。
【００１３】
また、電解液の液漏れを考慮して密封性を向上させる必要が軽減されたため、構造設計に大きな制約がなくなり、空気極において空気中の酸素を効率良く吸着できるように設計することが可能となる。
さらに、ゴムからなるパッキン材等を配設する必要がないため、ゴム成分による親水性の劣化がなく、Ｍｇイオンと吸着酸素との水和反応を促進することができる。
これにより、マグネシウム空気電池のエネルギー密度を十分に向上させることが可能となる。
【００１４】
ここで、本発明のマグネシウム空気電池においては、前記空気極が、多孔質活性炭で構成されていることが好ましい。
この場合、前記空気極が、多孔質活性炭で構成されることにより、空気中の酸素を効率良く吸着することができる。よって、さらにエネルギー密度を向上させることが可能となる。
また、上述のようにゲル状電解質層を備えているので、空気極を多孔質活性炭で構成しても液漏れが生じることがなく、安定して使用することができる。
【００１５】
また、本発明のマグネシウム空気電池においては、前記高分子吸収体がポリアクリル酸ナトリウムを含むことが好ましい。
この場合、前記高分子吸収体がポリアクリル酸ナトリウムを含んでいるので、水分を吸収することによって構造となり、塩基性電解液を吸収させることによって、確実にゲル状電解質層を構成することができる。
また、前記高分子吸収体の吸水性がさらに向上するので、塩基性電解液を効率的に吸収することができ、さらにエネルギー密度を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、マグネシウム燃料極に含まれるマグネシウムが反応して生成する水酸化マグネシウムを効率良く回収することができ、かつ、空気極において空気中の酸素を効率良く吸着できるように設計するとともにＭｇイオンと吸着酸素との水和反応を促進することにより、エネルギー密度を向上させることが可能なマグネシウム空気電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態であるマグネシウム空気電池の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施形態であるマグネシウム空気電池１０について、添付した図面を参照して説明する。
なお、本実施形態であるマグネシウム空気電池１０は、例えば、車載用のリチウムイオン電池等への充電用電池として使用可能なものである。
【００１９】
本実施形態であるマグネシウム空気電池１０においては、図１に示すように、負極となるマグネシウム燃料極１２と、正極となる空気極１４とが、互いに対向するように配置されている。
そして、空気極１４とマグネシウム燃料極１２との間には、高分子吸収体に塩基性電解液を吸収させて構成されたゲル状電解質層１６が配設されている。
【００２０】
正極となる空気極１４は、空気中の酸素を吸着する作用を有する炭素材で構成されている。
本実施形態においては、空気極１４は、空気中の酸素を効率良く吸着することが可能な多孔質活性炭で構成されていることが好ましい。
【００２１】
負極となるマグネシウム燃料極１２は、負極活物質としてマグネシウム又はマグネシウム合金を含有したものとされている。
本実施形態においては、マグネシウム燃料極１２として、金属マグネシウムの板材を用いている。
【００２２】
そして、空気極１４とマグネシウム燃料極１２との間配設されるゲル状電解質層１６は、上述のように、塩基性電解液が高分子吸収体に吸収された構造とされている。
ここで、塩基性電解液としては、本実施形態では、例えば１０〜２０質量％の塩化ナトリウム水溶液（すなわち、塩水）を用いている。
【００２３】
高分子吸収体は、高い吸収性を有する高分子体であり、本実施形態では、ポリアクリル酸ナトリウムを含むものを用いることが好ましい。
ポリアクリル酸ナトリウムは、網目構造をなしており、この網目構造の中に水分子を取り込むことでゲル構造となり、上述のゲル状電解質層１６を構成することが可能となる。また、ポリアクリル酸ナトリウムは、親水性のカルボシル基を有しているため、吸水性に特に優れている。
【００２４】
このような構成のマグネシウム空気電池１０においては、負極（マグネシウム燃料極１２）及び正極（空気極１４）において、以下のような反応が起こることになる。
負極  ：  Ｍｇ  →  Ｍｇ２＋＋２ｅ−
正極  ：  １／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  ２ＯＨ−
全反応  ：  Ｍｇ＋１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ  →  Ｍｇ（ＯＨ）２↓
【００２５】
以上のように、マグネシウム空気電池１０においては、負極活物質であるマグネシウム又はマグネシウム合金がゲル状電解質層１６と反応して水酸化マグネシウムが形成されることになる。
ここで、上述のマグネシウム空気電池１０において、大容量の電池を構成するためには、空気極１４において空気中の酸素を効率的に取り込んで、ゲル状電解質層１６側へと供給し、上述の反応を促進させることが必要となる。このため、本実施形態である空気極１４においては、上述のように、空気中の酸素を効率良く吸着することが可能な多孔質活性炭で構成されている。
【００２６】
そして、本実施形態であるマグネシウム空気電池１０においては、使用後には、マグネシウム燃料極１２の表面に水酸化マグネシウムが生じている。
本実施形態においては、使用後のマグネシウム空気電池１０から、水酸化マグネシウムを回収し、融雪剤、抗菌剤、下剤、アオコ除去剤といった用途、あるいは、金属マグネシウムの原料として再利用する。
【００２７】
以上のような構成とされた本実施形態であるマグネシウム空気電池１０によれば、高分子吸収体に塩基性電解液（本実施形態では、塩水）を吸収させて構成されたゲル状電解質層１６を備えているので、マグネシウム燃料極１２に含まれるマグネシウムが反応して生成する水酸化マグネシウムが電解液中に混入することが抑制され、生成した水酸化マグネシウムを比較的容易に回収することができる。よって、水酸化マグネシウムの回収及び再利用を促進することができる。
【００２８】
また、ゲル状電解質層１６を構成しているので、電解液の液漏れを考慮して密封性を向上させる必要がないため、構造設計に大きな制約がなく、空気極１４において空気中の酸素を効率良く吸着できるように設計することが可能となる。
さらに、ゴムからなるパッキン材等を配設する必要がないため、ゴム成分による親水性の劣化がなく、Ｍｇイオンと吸着酸素との水和反応を促進することができる。
よって、本実施形態であるマグネシウム空気電池１０のエネルギー密度を十分に向上させることが可能となる。
【００２９】
さらに、本実施形態のマグネシウム空気電池１０において、空気極１４が、多孔質活性炭で構成されている場合には、空気中の酸素を効率良く吸着することができ、ゲル状電解質層１６に酸素を効率良く供給することにより、本実施形態であるマグネシウム空気電池１０のエネルギー密度をさらに向上させることが可能となる。
また、本実施形態のマグネシウム空気電池１０では、上述のようにゲル状電解質層１６を備えているので、空気極１４を多孔質活性炭で構成しても液漏れが生じることがなく、安定して使用することができる。
【００３０】
さらに、本実施形態のマグネシウム空気電池１０において、ゲル状電解質層１６を構成する高分子吸収体がポリアクリル酸ナトリウムを含む場合には、網目構造の内部に水分子を取り込むことでゲル状構造となり、上述のゲル状電解質層１６を確実に構成することができる。
また、塩基性電解液を効率的に吸収することができるので、本実施形態であるマグネシウム空気電池１０のエネルギー密度をさらに向上させることが可能となる。
【００３１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００３２】
例えば、本実施形態では、図１に示すように、空気極とマグネシウム燃料極とを対向配置した構造のマグネシウム空気電池を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、マグネシウム又はマグネシウム合金を負極活物質とするマグネシウム燃料極と、空気極と、高分子吸収体に塩基性電解液を吸収させて構成されたゲル状電解質層と、を備えていれば、これらの配置等に特に制限はない。
【００３３】
また、本実施形態においては、空気極として、多孔質活性炭を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の構造の空気極を用いてもよい。
さらに、本実施形態では、マグネシウム燃料極として、金属マグネシウムの板材を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、マグネシウムを含むものであれば特に制限はない。例えば、導電性シート材の表面にマグネシウム又はマグネシウム合金からなるマグネシウムチップを積層した構造のマグネシウム燃料極としてもよい。
【００３４】
また、本実施形態においては、塩基性電解液として、１０〜２０質量％の塩化ナトリウム水溶液（すなわち、塩水）を用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の塩基性電解液、例えば、塩化アンモニウムを用いてもよい。
さらに、本実施形態においては、高分子吸収体として、ポリアクリル酸ナトリウムを含むものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、水分を吸収してゲル構造となるものであれば、他の高分子吸収体を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１０  マグネシウム空気電池
１２  マグネシウム燃料極
１４  空気極
１６  ゲル状電解質層
【図１】
2020166956.tif 000003