(57)【要約】【課題】棒状形状をなし、その外周面で反応が進行することで重量出力エネルギー密度を向上させることができ、かつ、マグネシウムの使用効率を向上させることが可能なマグネシウム燃料極、及び、このマグネシウム燃料極を備えたマグネシウム空気電池を提供する。【解決手段】マグネシウムを負極活物質とするマグネシウム電池の負極として用いられるマグネシウム燃料極２０であって、マグネシウムよりも貴な金属からなる通電用芯材２１と、この通電用芯材２１の周囲に配設されたマグネシウム層２２と、を備えていることを特徴とする。また、延在方向の一方の端面に導電層２３が形成されており、導電層２３と通電用芯材２１とが電気的に接続されていることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウムを負極活物質とするマグネシウム電池の負極として用いられるマグネシウム燃料極であって、
マグネシウムよりも貴な金属からなる通電用芯材と、この通電用芯材の周囲に配設されたマグネシウム層と、を備えていることを特徴とするマグネシウム燃料極。
【請求項２】
延在方向の一方の端面に導電層が形成されており、前記導電層と前記通電用芯材とが電気的に接続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燃料極。
【請求項３】
前記マグネシウム層が、カルシウムを含むマグネシウム合金で構成されている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燃料極。
【請求項４】
空気極と、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のマグネシウム燃料極と、を備えたことを特徴とするマグネシウム空気電池。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のマグネシウム燃料極が複数積層されていることを特徴とする請求項４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電池の負極として用いられるマグネシウム燃料極、及び、このマグネシウム燃料極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、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、を対向配置したマグネシウム空気電池においては、金属極は平板形状をなしており、空気極と対向した面でのみ反応が進行することになるため、重量出力エネルギー密度が低くなり、マグネシウム空気電池全体として効率が低くなる傾向にある。また、マグネシウム燃料極に含まれるマグネシウム量を十分に確保できず、大容量の電池を構成することが困難であった。
【０００７】
また、特許文献２に示す構造のマグネシウム空気電池においては、負極となるマグネシウム燃料体が、逐次、電池本体（電解液）内に供給されることになるが、マグネシウムフィルムの表面でのみ反応が進行することになり、やはり、重量出力エネルギー密度が低く、マグネシウム空気電池全体として効率が低くなる傾向にあり、大容量の電池を構成することが困難であった。
【０００８】
ここで、マグネシウム燃料極を棒状に形成し、このマグネシウム燃料極を電解液に浸漬させることにより、棒状のマグネシウム燃料極の外周面で反応が進行することになるため、重量出力エネルギー密度を比較的高くすることが可能となる。
しかしながら、棒状のマグネシウム燃料極においては、その外周面から反応が進行することになるため、使用後に、マグネシウム燃料極の内部に未反応のマグネシウムが残存し、マグネシウム燃料極に含まれるマグネシウムの使用効率が低下するといった問題があった。
【０００９】
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、棒状形状をなし、その外周面で反応が進行することで重量出力エネルギー密度を向上させることができ、かつ、マグネシウムの使用効率を向上させることが可能なマグネシウム燃料極、及び、このマグネシウム燃料極を備えたマグネシウム空気電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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燃料極は、マグネシウムを負極活物質とするマグネシウム電池の負極として用いられるマグネシウム燃料極であって、マグネシウムよりも貴な金属からなる通電用芯材と、この通電用芯材の周囲に配設されたマグネシウム層と、を備えていることを特徴としている。
【００１１】
この構成のマグネシウム燃料極によれば、マグネシウムよりも貴な金属からなる通電用芯材と、この通電用芯材の周囲に配設されたマグネシウム層と、を備えているので、使用後においても、マグネシウム燃料極の内部に未反応のマグネシウムが残存することを抑制でき、マグネシウムの使用効率を向上させることが可能となる。また、負極となるマグネシウム燃料極の構造を簡易なものとすることができる。
また、通電用芯材がマグネシウムよりも貴な金属で構成されているので、通電用芯材が電解液に接触しても、イオン化して損耗することを抑制できる。
【００１２】
ここで、本発明のマグネシウム燃料極においては、延在方向の一方の端面に導電層が形成されており、前記導電層と前記通電用芯材とが電気的に接続されていることが好ましい。
この場合、延在方向の一方の端面に形成された前記導電層を介して通電用芯材に対して確実に通電することが可能となり、負極となるマグネシウム燃料極の構造を簡易なものとすることができる。
【００１３】
また、本発明のマグネシウム燃料極においては、前記マグネシウム層が、カルシウムを含むＭｇ−Ｃａ合金で構成されていることが好ましい。
カルシウムを含むＭｇ−Ｃａ合金は、加工性に優れていることから、通電用芯材の周囲に配設されるマグネシウム層を、比較的容易に、かつ、安定して成形することが可能となる。また、カルシウムを含むＭｇ−Ｃａ合金は、難燃性に優れていることから、マグネシウム燃料極の保管・管理が容易となる。
【００１４】
本発明のマグネシウム空気電池は、空気極と、上述のマグネシウム燃料極と、を備えたことを特徴としている。
この構成のマグネシウム空気電池によれば、上述のマグネシウム燃料極を備えているので、使用後においても、マグネシウム燃料極の内部に未反応のマグネシウムが残存することを抑制でき、マグネシウムの使用効率を向上させることが可能となる。
また、負極となるマグネシウム燃料極の構造を簡易なものとすることができ、マグネシウム空気電池の構造も簡易なものとなり、製造コストを削減することが可能となる。
【００１５】
ここで、本発明のマグネシウム空気電池においては、上述のマグネシウム燃料極が複数積層されている構成とされていることが好ましい。
この場合、上述のマグネシウム燃料極が複数積層されているので、燃料となるマグネシウム量を十分に確保でき、電池の大容量化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、棒状形状をなし、その外周面で反応が進行することで重量出力エネルギー密度を向上させることができ、かつ、マグネシウムの使用効率を向上させることが可能なマグネシウム燃料極、及び、このマグネシウム燃料極を備えた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燃料極を備えたマグネシウム空気電池の説明図である。
【図２】本発明の実施形態であるマグネシウム燃料極の説明図である。（ａ）が斜視図、（ｂ）が延在方向に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施形態であるマグネシウム燃料極を積層した状態を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態であるマグネシウム燃料極の製造方法の一例を示すフロー図である。
【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燃料極、及び、マグネシウム空気電池、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燃料極は、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大容量のマグネシウム空気電池を構成するものとされている。
【００１９】
まず、本実施形態であるマグネシウム燃料極２０を備えたマグネシウム空気電池１０について、図１を参照して説明する。
このマグネシウム空気電池１０は、正極となる空気極１６と、負極となるマグネシウム燃料極２０と、が対向配置されて構成されている。
マグネシウム燃料極２０は、電解液１２が貯留された電解槽１１中に配置されており、空気極１６は、電解槽１１の壁面に配置されている。また、マグネシウム燃料極２０の空気極１６とは反対側には、セパレータ１８が配設されている。
【００２０】
正極となる空気極１６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おり、本実施形態においては、炭素繊維不織布で構成されている。
セパレータ１８は、親水性があり、かつ、電気的絶縁性を有する材料で構成されており、本実施形態では、ポリエチレン系不織布で構成されている。
電解液１２は、塩基性電解質で構成されており、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。
負極となるマグネシウム燃料極２０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。
【００２１】
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２０）及び正極（空気極１６）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↓
【００２２】
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電解液１２（本実施形態では、塩水）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、重量出力エネルギー密度を向上させるとともに、大容量の電池を構成するためには、電解液１２との接触面積を確保してマグネシウムの反応を促進させるとともに、マグネシウム燃料極２０に含まれるマグネシウムの使用効率を十分に向上させることが必要となる。
【００２３】
そこで、本実施形態であるマグネシウム燃料極２０においては、図２に示すように、棒状をなし、マグネシウムよりも貴な金属からなる通電用芯材２１と、この通電用芯材２１の周囲に配設されたマグネシウム層２２と、を備えた構造とされている。
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、図３に示すように、棒状のマグネシウム燃料極２０が複数積層された構造とされている。
【００２４】
本実施形態であるマグネシウム燃料極２０は、上述のように、棒状をなしている。なお、マグネシウム燃料極２０の断面形状（延在方向に直交する断面の形状）は、特に制限はなく、円形状、楕円形状、多角形状をなしていてもよい。本実施形態では、図２に示すように、断面円形状をなしている。
また、本実施形態においては、棒状のマグネシウム燃料極２０の一方の端面に、導電層２３が形成されており、この導電層２３と通電用芯材２１とが電気的に接続された構造とされていることが好ましい。
【００２５】
ここで、上述の通電用芯材２１を構成するマグネシウムよりも貴な金属としては、例えば、鉄（Ｆｅ），アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ），ニッケル（Ｎｉ）等を用いることができる。
なお、通電用芯材２１の断面形状（延在方向に直交する断面の形状）は、特に制限はなく、円形状、楕円形状、多角形状をなしていてもよい。本実施形態では、図２に示すように、断面円形状をなしている。
【００２６】
また、本実施形態のマグネシウム燃料極２０においては、通電用芯材２１の断面積Ａ（延在方向に直交する断面の面積）は、０．０３ｍｍ２以上３ｍｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。
通電用芯材２１の断面積Ａを０．０３ｍｍ２以上とすることで、安定して通電するとともにマグネシウム層２２の使用効率を向上させることが可能となる。一方、通電用芯材２１の断面積Ａを３ｍｍ２以下とすることで、燃料となるマグネシウム量を確保するとともに、マグネシウム燃料極２０の軽量化を図ることが可能となる。
なお、通電用芯材２１の断面積Ａの下限は０．１ｍｍ２以上とすることがさらに好ましく、０．２ｍｍ２以上とすることがより好ましい。一方、通電用芯材２１の断面積Ａの上限は１．８ｍｍ２以下とすることがさらに好ましく、０．７ｍｍ２以下とすることがより好ましい。
【００２７】
マグネシウム層２２は、マグネシウム又はマグネシウム合金で構成されたものとされている。ここで、本実施形態では、マグネシウム層２２は、カルシウムを含むＭｇ−Ｃａ合金、具体的には、Ｃａを１．０ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有するＭｇ−Ｃａ合金で構成されていることが好ましい。
【００２８】
ここで、本実施形態のマグネシウム燃料極２０においては、マグネシウム層２２の断面積Ｂ（延在方向に直交する断面の面積）は、７０ｍｍ２以上８０００ｍｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。
マグネシウム層２２の断面積Ｂを７０ｍｍ２以上とすることで、燃料となるマグネシウム量を十分に確保することが可能となる。一方、マグネシウム層２２の断面積Ｂを８０００ｍｍ２以下とすることで、使用後に未反応のマグネシウムが残存することを抑制でき、マグネシウムの使用効率を確実に向上させることが可能となる。
なお、マグネシウム層２２の断面積Ｂの下限は２００ｍｍ２以上とすることがさらに好ましく、５００ｍｍ２以上とすることがより好ましい。一方、マグネシウム層２２の断面積Ｂの上限は５０００ｍｍ２以下とすることがさらに好ましく、３０００ｍｍ２以下とすることがより好ましい。
【００２９】
また、本実施形態のマグネシウム燃料極２０においては、通電用芯材２１の断面積Ａとマグネシウム層２２の断面積Ｂとの比Ａ／Ｂが１／２５００００以上１／５０以下の範囲内であることが好ましい。
通電用芯材２１の断面積Ａとマグネシウム層２２の断面積Ｂとの比Ａ／Ｂを１／２５００００以上とすることで、通電用芯材２１の断面積Ａが確保され、安定して通電するとともにマグネシウム層２２の使用効率を向上させることが可能となる。一方、通電用芯材２１の断面積Ａとマグネシウム層２２の断面積Ｂとの比Ａ／Ｂを１／５０以下とすることで、マグネシウム層２２の断面積Ｂが確保され、燃料となるマグネシウム量を十分に確保することが可能となる。
なお、通電用芯材２１の断面積Ａとマグネシウム層２２の断面積Ｂとの比Ａ／Ｂの下限は１／１０００００以上とすることがさらに好ましく、１／３００００以上とすることがより好ましい。一方、通電用芯材２１の断面積Ａとマグネシウム層２２の断面積Ｂとの比Ａ／Ｂの上限は１／５００以下とすることがさらに好ましく、１／３０００以下とすることがより好ましい。
【００３０】
導電層２３は、例えば、棒状のマグネシウム燃料極２０の一方の端面に導電性塗料を塗布することによって形成される。この導電層２３は、一方の端面に露出した通電用芯材２１と電気的に接続されている。
そして、図３に示すように、複数のマグネシウム燃料極２０を積層した際に、導電層２３が形成された一方の端面が同一の方向を向くように配置することで、この導電層２３に金属板等を接触させることで、積層した複数のマグネシウム燃料極２０同士を電気的に接続することが可能となる。
【００３１】
次に、本実施形態であるマグネシウム燃料極２０の製造方法について、図４を参照して説明する。
【００３２】
（通電用芯材準備工程Ｓ０１）
まず、通電用芯材２１となる金属棒を準備する。この金属棒は、上述のように、例えば、鉄（Ｆｅ），アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ），ニッケル（Ｎｉ）等のマグネシウムよりも貴な金属で構成されたものとされている。
【００３３】
（マグネシウム層形成工程Ｓ０２）
次に、上述の通電用芯材２１となる金属棒の周囲にマグネシウム層２２を形成する。このマグネシウム層形成工程Ｓ０２においては、例えば、円柱状のマグネシウム棒の中心に貫通孔を形成し、この貫通孔に通電用芯材２１となる金属棒を挿入することにより、上述のマグネシウム層２２を形成してもよい。あるいは、金属棒の外周面に、導電性接着剤を用いてマグネシウム粒状体を接着することで、上述のマグネシウム層２２を形成してもよい。
【００３４】
（端面加工工程Ｓ０３）
次に、通電用芯材２１の周囲にマグネシウム層２２を形成した棒材の延在方向の少なくとも一方の端面が平面になるように端面加工を行う。この端面加工工程Ｓ０３において、一方の端面に通電用芯材２１が露出することになる。
【００３５】
（導電層形成工程Ｓ０４）
次に、端面加工した一方の端面に、導電性塗料を塗布することによって導電層２３を形成する。このとき、上述の端面加工工程Ｓ０３により、一方の端面に通電用芯材２１が露出されているので、導電層２３と通電用芯材２１とが電気的に接続される。
【００３６】
以上のような工程により、本実施形態であるマグネシウム燃料極２０が製造されることになる。
【００３７】
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燃料極２０によれば、マグネシウムよりも貴な金属からなる通電用芯材２１と、この通電用芯材２１の周囲に配設されたマグネシウム層２２と、を備えているので、使用後においても、マグネシウム燃料極２０の内部に未反応のマグネシウムが残存することを抑制でき、マグネシウムの使用効率を向上させることが可能となる。また、負極となるマグネシウム燃料極２０の構造を簡易なものとすることができる。
また、通電用芯材２１がマグネシウムよりも貴な金属で構成されているので、通電用芯材２１がイオン化して損耗することを抑制できる。
【００３８】
さらに、本実施形態であるマグネシウム燃料極２０において、延在方向の一方の端面に導電層２３が形成されており、この導電層２３と通電用芯材２１とが電気的に接続されている場合には、導電層２３を介して通電用芯材２１に対して確実に通電されることになり、負極となるマグネシウム燃料極２０の構造を簡易なものとすることができる。
【００３９】
また、本実施形態であるマグネシウム燃料極２０において、マグネシウム層２２が、カルシウムを含むＭｇ−Ｃａ合金で構成されている場合には、加工性に優れていることから、通電用芯材２１の周囲に配設されるマグネシウム層２２を、比較的容易に、かつ、安定して成形することが可能となる。また、Ｍｇ−Ｃａ合金は、難燃性に優れており、マグネシウム燃料極２０の管理が容易となる。
【００４０】
本実施形態であるマグネシウム空気電池１０は、上述のマグネシウム燃料極２０を備えているので、使用後においても、マグネシウム燃料極２０の内部に未反応のマグネシウムが残存することを抑制でき、マグネシウムの使用効率を向上させることができ、大容量の電池を構成することが可能となる。
また、負極となるマグネシウム燃料極２０の構造を簡易なものとすることができ、マグネシウム空気電池１０の構造も簡易なものとなり、マグネシウム空気電池１０の製造コストを削減することが可能となる。
【００４１】
さらに、本実施形態であるマグネシウム空気電池１０において、上述のマグネシウム燃料極２０が複数積層されている構成とされている場合には、燃料となるマグネシウム量を十分に確保でき、電池の大容量化を図ることができる。
また、本実施形態において、上述のように、マグネシウム燃料極２０の一方の端面に導電層２３が形成されている場合には、導電層２３に接触するように金属板を配設することで、積層した複数のマグネシウム燃料極２０の通電用芯材２１を電気的に接続することが可能となる。
【００４２】
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。
例えば、本実施形態では、図１に示すマグネシウム空気電池の負極として用いられるマグネシウム燃料極として説明したが、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電池であれば適用可能である。
【００４３】
また、本実施形態では、図１に示す構造のマグネシウム空気電池として説明したが、これに限定されることはなく、他の構造のマグネシウム空気電池であってもよい。例えば、空気極が円柱状（円筒状）をなしていてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０  マグネシウム空気電池
１２  電解液
１６  空気極
２０  マグネシウム燃料極
２１  通電用芯材
２２  マグネシウム層
２３  導電層
【図１】
2020167004.tif 000003
【図２】
2020167004.tif 000004
【図３】
2020167004.tif 000005
【図４】
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