(57)【要約】【課題】重量出力エネルギー密度を向上させることができ、大容量化を図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３０と、空気極２０と、を備えたマグネシウム空気電池１０であって、マグネシウム燃料極３０及び空気極２０は、それぞれ棒状をなしており、棒状のマグネシウム燃料極３０と棒状の空気極２０が、その延在方向が互いに平行となるように配置されており、マグネシウム燃料極３０と空気極２０との間の空間に、電解質材料１５が配設されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【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、空気中の酸素を取り込んで正極活物質とする空気極と、を備えたマグネシウム空気電池であって、
前記マグネシウム燃料極及び前記空気極は、それぞれ棒状をなしており、棒状の前記マグネシウム燃料極と棒状の前記空気極が、その延在方向が互いに平行となるように配置されており、
前記マグネシウム燃料極と前記空気極との間の空間に、電解質材料が配設され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】
棒状の前記空気極の周囲を囲むように棒状の前記マグネシウム燃料極が複数配置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】
棒状の前記空気極が複数配設されていることを特徴とする請求項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、空気中の酸素を取り込んで正極活物質とする空気極と、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、電解質材料と接触することによって発電して電池となることから、電解質材料を注入するまでは、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、空気中の酸素を取り込んで正極活物質とする空気極と、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】
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、重量出力エネルギー密度を向上させることができるとともに、大容量化を図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する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、空気中の酸素を取り込んで正極活物質とする空気極と、を備えたマグネシウム空気電池であって、前記マグネシウム燃料極及び前記空気極は、それぞれ棒状をなしており、棒状の前記マグネシウム燃料極と棒状の前記空気極が、その延在方向が互いに平行となるように配置されており、前記マグネシウム燃料極と前記空気極との間の空間に、電解質材料が配設されていることを特徴としている。
【００１０】
この構成のマグネシウム空気電池によれば、棒状の前記マグネシウム燃料極と前記空気極が、その延在方向が互いに平行となるように配置されており、前記マグネシウム燃料極と前記空気極との間の空間に、電解質材料が配設されているので、マグネシウム燃料極の外周面と空気極の外周面とが電解質材料を介して対向配置されることになり、負極（マグネシウム燃料極）及び正極（空気極）での反応を促進することができ、重量出力エネルギー密度を向上させることが可能となる。また、マグネシウム燃料極が棒状とされているので、反応に寄与す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可能となる。
【００１１】
ここで、本発明のマグネシウム空気電池においては、棒状の前記空気極の周囲を囲むように棒状の前記マグネシウム燃料極が複数配置されていることが好ましい。
この場合、棒状の前記空気極の周囲に棒状の前記マグネシウム燃料極が複数配置されているので、燃料となるマグネシウム量がさらに十分に確保され、電池のさらなる大容量化を図ることが可能となる。
【００１２】
さらに、本発明のマグネシウム空気電池においては、棒状の前記空気極が複数配設されていることが好ましい。
この場合、棒状の前記空気極が複数配設されるとともに、これら前記空気極の周囲に棒状の前記マグネシウム燃料極が配設されることになり、空気から酸素を十分に取り込むことができ、重量出力エネルギー密度をさらに向上させることができるとともに、電池のさらなる大容量化を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、重量出力エネルギー密度を向上させることができ、大容量化を図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】
【００１４】
【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。
【図２】本発明の実施形態であるマグネシウム空気電池に備えられた空気極の説明図である。
【図３】本発明の実施形態であるマグネシウム空気電池に備えられた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４】本発明の他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】
【００１５】
以下に、本発明の実施形態である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空気電池は、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電池とされている。
【００１６】
本実施形態であるマグネシウム空気電池１０は、図１に示すように、空気中の酸素を取り込んで正極活物質とする空気極２０と、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３０と、これらマグネシウム燃料極３０と前記空気極２０との間の空間に配設された電解質材料１５と、を備えている。
ここで、図１に示すように、正極となる空気極２０及び負極となるマグネシウム燃料極３０は、それぞれ棒状（本実施形態では、断面円形の円柱形状）をなしており、棒状のマグネシウム燃料極３０と棒状の空気極２０が、その延在方向が互いに平行となるように配置されている。
【００１７】
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３０）及び正極（空気極２０）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↓
【００１８】
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質材料１５（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ためには、空気極２０において空気中の酸素を効率的に取り込んで、電解質材料１５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。
また、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、電解質材料１５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、反応に寄与するマグネシウム量を確保することが必要となる。
【００１９】
ここで、正極となる空気極２０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、正極となる空気極２０は、図２に示すように、多孔質の炭素材からなる炭素シート材２１（本実施形態では、炭素繊維不織布）がロール状に丸められることによって円筒形状（棒状）に形成されている。これにより、空気極２０においては、その軸線に沿って延在するように、空気（酸素）を導入するガス流通路２２が形成されている。
また、本実施形態においては、図２に示すように、ガス流通路２２の内周面には、撥水層２３が形成されている。この撥水層２３は、ガス流通路２２の内周面に、例えばフッ素系樹脂等をコーティングすることによって構成されている。
【００２０】
負極となるマグネシウム燃料極３０は、図３に示すように、棒状（本実施形態では、断面円形の円柱形状）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３１と、この通電用芯材３１の周囲に配設されたマグネシウム層３２と、を備えた構造とされている。
ここで、上述の通電用芯材３１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。
【００２１】
また、マグネシウム層３２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３２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。
【００２２】
棒状のマグネシウム燃料極３０と棒状の空気極２０の間に配設された電解質材料１５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）とされている。
【００２３】
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１に示すように、空気極２０の周囲に複数のマグネシウム燃料極３０が配設されており、本実施形態では、１本の空気極２０の周囲に６本のマグネシウム燃料極３０が配設されている。
また、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、複数の空気極２０が配設されており、それぞれの空気極２０の周囲に複数（本実施形態では６本）のマグネシウム燃料極３０が配設されている。
そして、複数のマグネシウム燃料極３０及び空気極２０の間に形成された空間に、電解質材料１５が充填されている。
【００２４】
ここで、１本の空気極２０の断面積ａ（延在方向に直交する断面の面積）と１本のマグネシウム燃料極３０の断面積ｂ（延在方向に直交する断面の面積）との比ａ／ｂは、０．７以上１．２以下の範囲内とされていることが好ましい。
１本の空気極２０の断面積ａと１本のマグネシウム燃料極３０の断面積ｂとの比ａ／ｂを０．７以上１．２以下の範囲内とすることで、１本の空気極２０の断面積ａと１本のマグネシウム燃料極３０の断面積ｂに大きな差がなくなり、マグネシウム燃料極３０を密に配設することができ、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。また、空気極２０とマグネシウム燃料極３０との間に適度な空間が確保され、棒状のマグネシウム燃料極３０と棒状の空気極２０の間に電解質材料１５を十分に配設することが可能となる。
なお、１本の空気極２０の断面積ａと１本のマグネシウム燃料極３０の断面積ｂとの比ａ／ｂの下限は０．８以上とすることがさらに好ましく、０．９以上とすることがより好ましい。一方、１本の空気極２０の断面積ａと１本のマグネシウム燃料極３０の断面積ｂとの比ａ／ｂの上限は１．１以下とすることがさらに好ましく、１．０以下とすることがより好ましい。
【００２５】
また、本実施形態であるマグネシウム空気電池１０の全体で、複数の空気極２０が占める断面積Ａ（延在方向に直交する断面の面積）と、複数のマグネシウム燃料極３０が占める断面積Ｂ（延在方向に直交する断面の面積）との比Ａ／Ｂは、０．１以上０．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
複数の空気極２０が占める断面積Ａと複数のマグネシウム燃料極３０が占める断面積Ｂとの比Ａ／Ｂを０．１以上とすることで、空気極２０の断面積Ａが確保され、確実に空気から効率的に酸素を取り込むことが可能となる。一方、複数の空気極２０が占める断面積Ａと複数のマグネシウム燃料極３０が占める断面積Ｂとの比Ａ／Ｂを０．４以下とすることで、マグネシウム燃料極３０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でき、大容量の電池を構成することが可能となる。
なお、複数の空気極２０が占める断面積Ａと複数のマグネシウム燃料極３０が占める断面積Ｂとの比Ａ／Ｂの下限は０．１３以上とすることがさらに好ましく、０．１５以上とすることがより好ましい。一方、複数の空気極２０が占める断面積Ａと複数のマグネシウム燃料極３０が占める断面積Ｂとの比Ａ／Ｂの上限は０．２以下とすることがさらに好ましく、０．１７以下とすることがより好ましい。
【００２６】
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、棒状のマグネシウム燃料極３０と空気極２０が、その延在方向が互いに平行となるように配置されており、マグネシウム燃料極３０と空気極２０との間の空間に、電解質材料１５が配設されているので、マグネシウム燃料極３０の外周面と空気極２０の外周面とが電解質材料１５を介して対向配置されることになり、負極（マグネシウム燃料極３０）及び正極（空気極２０）での反応を促進することができ、重量出力エネルギー密度を向上させることが可能となる。また、マグネシウム燃料極３０が棒状とされているので、反応に寄与す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可能となる。
【００２７】
さらに、本実施形態であるマグネシウム空気電池１０においては、棒状の空気極２０の周囲を囲むように棒状のマグネシウム燃料極３０が複数配置されており、具体的には、１本の空気極２０の周囲に６本のマグネシウム燃料極３０が配設されているので、反応に寄与するマグネシウム量がさらに十分に確保され、電池のさらなる大容量化を図ることが可能となる。
【００２８】
さらに、本実施形態においては、棒状の空気極２０が複数配設されており、それぞれの空気極２０の周囲に複数のマグネシウム燃料極３０が配設されているので、空気から酸素を十分に取り込むことができ、重量出力エネルギー密度をさらに向上させることができる。また、燃料となるマグネシウム量が十分に確保され、電池のさらなる大容量化を図ることが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態においては、空気極２０が、複数の空孔を有する多孔質の炭素材で構成されており、この空孔とは別に空気（酸素）を導入するガス流通路２２を有しているので、空気中の酸素を、ガス流通路２２を介して効率良く取り込むことができる。そして、取り込まれた酸素は、空孔を介して電解質材料１５側へと供給されることになり、酸素の流通方向が一方向となり、酸素の流れが安定することになる。
また、図２に示すように、ガス流通路２２の内壁面に撥水層２３が形成されているので、ガス流通路２２の内部に水分が滞留することが抑制され、空気中の酸素を、ガス流通路２２を介してさらに効率的に取り込むことが可能となる。
【００３０】
さらに、本実施形態においては、マグネシウム燃料極３０が、マグネシウムよりも貴な金属からなる通電用芯材３１と、この通電用芯材３１の周囲に配設されたマグネシウム層３２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３０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３０の構造を簡易なものとすることができる。
また、マグネシウム層３２が、カルシウムを含むＭｇ−Ｃａ合金で構成されているので、加工性に優れており、通電用芯材３１の周囲に配設されるマグネシウム層３２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３０の管理が容易となる。
【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。
例えば、本実施形態では、図１に示すように、空気極及びマグネシウム燃料極を、断面円形の円柱形状（円筒形状）のものとして説明したが、これに限定されることはなく、断面が楕円形状、多角形状をなしていてもよい。
【００３２】
また、本実施形態では、図１に示すように、空気極２０及びマグネシウム燃料極３０を配列したものとして説明したが、これに限定されることなく、図５に示すマグネシウム空気電池１１０のように、空気極２０及びマグネシウム燃料極３０を配列したものであってもよい。
さらに、本実施形態では、１本の空気極の周囲に６本のマグネシウム燃料極を配列したものとして説明したが、これに限定されることはない。
【符号の説明】
【００３３】
１０，１１０  マグネシウム空気電池
１５  電解質材料
２０  空気極
３０  マグネシウム燃料極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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