(57)【要約】【課題】電池性能の低下を抑制することが可能な空気電池を提供する。【解決手段】酸素含有ガスが供給される空気極と、負極と、空気極及び負極の間でイオンの伝導を担う非水電解液と、該非水電解液のイオン伝導度を測定する測定手段と、該測定手段によって測定されたイオン伝導度が上昇から下降へ転じた後に電気信号を出力する出力手段と、を備える、空気電池とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素含有ガスが供給される空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間でイオンの伝導を担う非水電解液と、前記非水電解液のイオン伝導度を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定されたイオン伝導度が上昇から下降へ転じた後に電気信号を出力する出力手段と、を備えることを特徴とする、空気電池。
【請求項２】
前記空気電池の使用開始時における前記非水電解液のイオン伝導度をＩｎ、前記非水電解液のイオン伝導度の最大値をＩｍａｘ、とするとき、前記出力手段は、前記測定手段によって測定されたイオン伝導度ＩがＩｎ≦Ｉ＜Ｉｍａｘを満たす場合に電気信号を出力することを特徴とする、請求項１に記載の空気電池。
【請求項３】
酸素含有ガスが供給される空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間でイオンの伝導を担う水系電解液と、前記水系電解液のイオン伝導度を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定されたイオン伝導度が下降から上昇へ転じた後に電気信号を出力する出力手段と、を備えることを特徴とする、空気電池。
【請求項４】
前記空気電池の使用開始時における前記水系電解液のイオン伝導度をＩａ、前記水系電解液のイオン伝導度の最小値をＩｍｉｎ、とするとき、前記出力手段は、前記測定手段によって測定されたイオン伝導度ＩがＩｍｉｎ＜Ｉ≦Ｉａを満たす場合に電気信号を出力することを特徴とする、請求項３に記載の空気電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気電池は、酸素を正極活物質とする電池であり、放電時には空気を外部から取り込んで用いる。そのため、正極及び負極の活物質を電池内に有する他の電池に比べ、電池容器内に占める負極活物質の割合を大きくすることが可能になる。したがって、原理的に放電できる電気容量が大きく、小型化や軽量化が容易という特徴を有している。また、正極活物質として用いる酸素の酸化力は強力であるため、電池起電力が比較的高い。さらに、酸素は資源的な制約がなくクリーンな材料であるという特徴も有するため、空気電池は環境負荷が小さい。このように、空気電池は多くの利点を有しており、ハイブリッド車用電池や携帯機器用電池等への利用が期待されている。
【０００３】
空気電池では、正極（以下において、「空気極」という。）と負極との間に収容された電解質層に含まれる電解質（電解液や固体の電解質）が、空気極と負極との間におけるイオン伝導機能を担う。そして、空気電池から電気エネルギーを取り出すためには、イオンが電解質層を移動することが必要とされる。そのため、空気電池の性能を向上させるためには、イオンが電解質層を移動しやすい形態にすることが重要である。
【０００４】
このような空気電池に関する技術として、例えば特許文献１には、非水電解液の物性又は組成を測定する測定手段と、この測定手段によって非水電解液の物性又は組成が所定の範囲から外れたことを検出した場合に非水電解液又はその成分を補充するための電解液補充手段とを備える電池装置が開示されている。そして、特許文献１には、非水電解液の物性として、導電率、比重、濁度、及び、粘度等が例示されている。また、特許文献２には、正極と、リチウムイオンを吸蔵、放出する能力を有する負極と、蒸気圧の低い溶融塩を含む非水電解質と、正極に酸素を供給する空気孔を備える収納容器とを具備した非水電解質空気電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３６８９２号公報
【特許文献２】特許第３９７４０８８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術によれば、例えば、非水電解液のイオン伝導度を測定し、この測定値が所定の範囲から外れた場合に非水電解液を補充することができるので、非水電解液の劣化による電池性能の低下を防止することが可能になるとも考えられる。しかしながら、負極に金属を用いる空気電池（金属空気電池）では、非水電解液のイオン伝導度及び溶存酸素量から非水電解液の塩濃度が最適化されるため、非水電解液のイオン伝導度が所定の範囲以下であっても、非水電解液を補充する最適な時機ではない場合がある。そのため、特許文献１に開示されている技術では、電池性能の低下を十分に抑制できない虞があった。この問題は、特許文献１に開示されている技術と特許文献２に開示されている技術とを単に組み合わせても、解決することが困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、電池性能の低下を抑制することが可能な空気電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第１の態様は、酸素含有ガスが供給される空気極と、負極と、空気極及び負極の間でイオンの伝導を担う非水電解液と、該非水電解液のイオン伝導度を測定する測定手段と、該測定手段によって測定されたイオン伝導度が上昇から下降へ転じた後に電気信号を出力する出力手段と、を備えることを特徴とする、空気電池である。
【０００９】
ここに、本発明の第１の態様において、「非水電解液」とは、水分を含まない溶媒（例えば、有機溶媒）を電解質溶媒とする電解液をいう。また、本発明において、「測定手段」は、電解液のイオン伝導度を測定し得るものであれば、その形態は特に限定されるものではなく、公知の測定手段を用いることができる。本発明における測定手段の具体例としては、交流インピーダンス法により電解液のイオン伝導度を測定する際に用いられる装置等を挙げることができる。
【００１０】
上記本発明の第１の態様において、空気電池の使用開始時における非水電解液のイオン伝導度をＩｎ、非水電解液のイオン伝導度の最大値をＩｍａｘ、とするとき、出力手段は、測定手段によって測定されたイオン伝導度ＩがＩｎ≦Ｉ＜Ｉｍａｘを満たす場合に電気信号を出力することが好ましい。
【００１１】
本発明の第２の態様は、酸素含有ガスが供給される空気極と、負極と、空気極及び負極の間でイオンの伝導を担う水系電解液と、該水系電解液のイオン伝導度を測定する測定手段と、該測定手段によって測定されたイオン伝導度が下降から上昇へ転じた後に電気信号を出力する出力手段と、を備えることを特徴とする、空気電池である。
【００１２】
ここに、本発明の第２の態様において、「水系電解液」とは、水、又は、水と他の溶媒との混液を電解質溶媒とする電解液をいう。
【００１３】
上記本発明の第２の態様において、空気電池の使用開始時における水系電解液のイオン伝導度をＩａ、水系電解液のイオン伝導度の最小値をＩｍｉｎ、とするとき、出力手段は、測定手段によって測定されたイオン伝導度ＩがＩｍｉｎ＜Ｉ≦Ｉａを満たす場合に電気信号を出力することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の態様にかかる空気電池によれば、測定手段で測定した非水電解液のイオン伝導度が上昇から下降へ転じた後に出力される電気信号を通じて、非水電解液を補充すべき時機であることを認識できる。非水電解液を補充することにより、電解質塩濃度を制御することができ、電解質塩濃度を制御することにより、電池性能の低下を抑制することができる。したがって、本発明によれば、電池性能の低下を抑制することが可能な空気電池を提供することができる。
【００１５】
本発明の第１の態様において、イオン伝導度ＩがＩｎ≦Ｉ＜Ｉｍａｘを満たす場合に電気信号を出力する出力手段が備えられることにより、電池性能の低下を容易に抑制することが可能な空気電池を提供することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様にかかる空気電池によれば、測定手段で測定した水系電解液のイオン伝導度が下降から上昇へ転じた後に出力される電気信号を通じて、水系電解液を補充すべき時機であることを認識できる。水系電解液を補充することにより、電解質塩濃度を制御することができ、電解質塩濃度を制御することにより、電池性能の低下を抑制することができる。したがって、本発明によれば、電池性能の低下を抑制することが可能な空気電池を提供することができる。
【００１７】
本発明の第２の態様において、イオン伝導度ＩがＩｍｉｎ＜Ｉ≦Ｉａを満たす場合に電気信号を出力する出力手段が備えられることにより、電池性能の低下を容易に抑制することが可能な空気電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】空気電池１０の形態例を示す断面図である。
【図２】空気電池１０の制御フローの形態例を示すフローチャートである。
【図３】空気電池２０の形態例を示す断面図である。
【図４】リチウムイオン伝導度と電解質塩濃度との関係を示す図である。
【図５】イオン伝導度と電解質塩濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
空気極と負極との間に電解液が充填されている金属空気電池において、電解液が揮発すると、電解液中の電解質塩濃度が上昇する。電解質塩濃度が過度に上昇すると、イオン伝導度が低下するため、イオン伝導度の低下に起因する金属空気電池の性能低下を抑制するためには、電解液を補充することが求められる。そこで、測定した電解液の物性が所定の範囲を外れた場合に電解液を補充する技術が、これまでに提案されている。一方、本発明者は、負極にリチウムを用いる金属空気電池（リチウム空気電池）における、リチウムイオン伝導度と電解質塩濃度との間には、図４に示されるような関係があり、リチウムイオン伝導度及び電解液の溶存酸素量から、電解質塩濃度が最適化されることを知見した。図４に示すように、リチウムイオン伝導度は、電解質塩濃度の増大とともに増大して最大値（変曲点）へと達し、その後は、電解質塩濃度が増大するにつれて低下する。そして、電解液への酸素溶解度は、図４にＸで示される電解質塩濃度の時に最大となる。図４に示すように、リチウムイオン伝導度が所定値Ａ以上となるのは、図４にＺで示される領域であり、Ｙ１で示される領域、及び、Ｙ２で示される領域では、リチウムイオン伝導度が所定値Ａ未満となる。リチウムイオン伝導度が所定値Ａ未満となる場合のうち、領域Ｙ２では、電解液を補充することにより、電解質塩濃度を低減させてＸに制御することが可能になる。ところが、リチウムイオン伝導度が所定値Ａ未満となる場合のうち、電解質塩濃度がＸに満たない領域Ｙ１では、領域Ｙ２から電解質塩濃度をＸへ制御する際に用いた電解液を補充しても、電解質塩濃度をＸに制御することはできない。このように、電解液の物性が所定の範囲を外れたか否かによって電解液の補充時機を判断する従来技術では、金属空気電池の性能低下を十分に抑制できない虞があった。
他方、本発明者は、ＫＯＨ水溶液のような、いわゆる水系電解液が、空気極と負極との間に充填される金属空気電池における、イオン伝導度と電解質塩濃度との間には、図５に示されるような関係があることを知見した。図５に示すように、水系電解液が用いられる場合、イオン伝導度は、電解質塩濃度の増大とともに低下して最小値（変曲点）へと達し、その後は、電解質塩濃度が増大するにつれて増大する。すなわち、空気極と負極との間に水系電解液が充填される金属空気電池においても、例えばリチウム空気電池のような、空気極と負極との間にいわゆる非水電解液が充填される金属空気電池の場合と同様に、従来技術では、金属空気電池の性能低下を十分に抑制できない虞があった。
【００２０】
本発明者らは、上記状況を踏まえて鋭意研究した結果、測定した非水電解液のイオン伝導度が上昇から下降へと転じた後、又は、測定した水系電解液のイオン伝導度が下降から上昇へと転じた後に電解液を補充することにより、電解質塩濃度を最適化することが可能になり、その結果、金属空気電池の性能低下を抑制することが可能になることを知見した。
【００２１】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、性能低下を抑制することが可能な空気電池を提供することを、主な要旨とする。
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００２３】
１．第１実施形態
図１は、本発明の空気電池１０の形態例を概略的に示す断面図である。図１に示すように、空気電池１０は、空気極１、負極２、並びに、空気極１及び負極２の間に配設された電解質層３を備える発電部４と、空気極１側に配設された酸素層５と、発電部４及び酸素層５を収容する筐体６と、を具備している。非水電解液を保持したセパレータが収容されている電解質層３には、金属線７ａ及び金属線７ｂが挿入されており、金属線７ａ及び金属線７ｂを有する測定手段７は、イオン伝導度が上昇から下降へと転じた場合に電気信号を出力する出力手段８に接続されている。空気電池１０において、負極２には、アルカリ金属のイオンを放出、又は、吸蔵・放出可能な物質（アルカリ金属の単体又は化合物。以下において「アルカリ金属」という。）が含有されている。また、筐体６の上面と酸素層５との空間９には、酸素含有ガスが充満している。
【００２４】
図１に示すように、電解質層３は空気極１及び負極２と接触しており、空気極１には酸素含有ガスが供給される。そのため、空気電池１０は、電解質層３に含まれている非水電解液が揮発する虞がある。非水電解液が揮発すると、非水電解液中の電解質塩濃度が増大し、電解質塩濃度が過度に増大すると空気電池１０の性能が低下する。したがって、空気電池１０の性能低下を抑制するためには、電解質塩の濃度が過度に増大することを防止すべく、非水電解液を補充する必要がある。上述のように、空気電池１０がリチウム空気電池の場合、リチウムイオン伝導度と電解質塩濃度との間には図４に示される関係が成立する。そこで、空気電池１０は、非水電解液のイオン伝導度を測定する測定手段７、及び、該測定手段７によって測定されたイオン伝導度が上昇から下降へと転じた場合に電気信号を出力する出力手段８が備えられる形態としている。かかる形態とすることにより、図４にＹ１で示される状態の時に非水電解液を補充する事態を防止することができ、出力手段８から出力された電気信号を通じて、非水電解液を補充すべき適切な時機を把握することができる。このようにして、非水電解液を適切な時期に補充することにより、非水電解液の電解質塩濃度を最適範囲に制御することが可能になるので、本発明によれば、性能低下を抑制することが可能な空気電池１０を提供することができる。また、空気電池１０によれば、電解質層３に高粘度の電解液を用いる必要がない。そのため、非水電解液中における酸素の拡散及びイオンの移動を低下させることがなく、高出力の空気電池１０を提供することが可能になる。
【００２５】
図２は、空気電池１０の制御フローの形態例を示すフローチャートである。図２に示すように、空気電池１０では、例えば、空気電池１０を使用した後の点検時、又は、空気電池１０の異常発生時等に、測定手段７を用いて非水電解液のイオン伝導度を測定し、測定されたイオン伝導度が上昇から下降へと転じたか否かが判断される（工程Ｓ１）。工程Ｓ１において、否定判断がなされた場合には、出力手段８から電気信号が出力されない。この場合は、非水電解液を補充する時機ではないため、非水電解液を補充することなく、空気電池１０の使用が続行される（工程Ｓ２）。これに対し、工程Ｓ１において肯定判断がなされた場合には、出力手段８から電気信号が出力される。この場合は、非水電解液を補充する時機に相当するため、電解質層３へ非水電解液が補充される（工程Ｓ３）。工程Ｓ３で非水電解液を補充したら、測定手段７を用いて非水電解液のイオン伝導度を測定し、測定されたイオン伝導度が所定値以上であるか否かが判断される（工程Ｓ４）。工程Ｓ４で否定判断がなされた場合には、非水電解液の補充量が不足しているため、処理が工程Ｓ３へと戻され、工程Ｓ４で工程判断がなされるまで、非水電解液の補充が続けられる。そして、工程Ｓ４で肯定判断がなされると、空気電池１０の性能低下を抑制できる程度に非水電解液が補充されたことになるため、処理が工程Ｓ２へと進められ、空気電池１０の使用が再開される。このような制御方法で空気電池１０を制御することにより、空気電池１０の性能低下を抑制することができる。
【００２６】
以下、空気電池１０について、構成ごとに説明する。
【００２７】
＜空気極１＞
空気極１は、導電性材料、触媒、及び、これらを結着させる結着材を含有している。
【００２８】
空気極１に含有される導電性材料は、空気電池１０の使用時における環境に耐えることができ、且つ、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではない。空気極１に含有される導電性材料としては、カーボンブラックやメソポーラスカーボン等の炭素材料等を例示することができる。また、反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、空気極１における導電性材料の含有量は、１０質量％以上とすることが好ましい。また、充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、空気極１における導電性材料の含有量は、９９質量％以下とすることが好ましい。
【００２９】
空気極１に含有される触媒としては、コバルトフタロシアニン及び二酸化マンガン等を例示することができる。充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、空気極１における触媒の含有量は、１質量％以上とすることが好ましい。また、反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、空気極１における触媒の含有量は、９０質量％以下とすることが好ましい。
【００３０】
空気極１に含有される結着材としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を例示することができる。空気極１における結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば１０質量％以下とすることが好ましく、１質量％以上５質量％以下とすることがより好ましい。
【００３１】
空気極１は、例えば、カーボンブラック、触媒、及び、結着材からなる塗料を、後述する空気極集電体の表面に、ドクターブレード法にて塗布する等の方法により作製することができる。このほか、カーボンブラック及び触媒を含む混合粉末を熱圧着する等の方法により作製することもできる。
【００３２】
＜負極２＞
負極２は、負極活物質として機能するアルカリ金属を含有している。また、負極２には、負極２の内部又は外面に当接して、負極２の集電を行う負極集電体（不図示）が設けられる。
【００３３】
負極２に含有され得るアルカリ金属の単体としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等を例示することができる。また、負極２に含有され得るアルカリ金属の化合物としては、Ｌｉ合金等を例示することができる。空気電池１０がリチウム空気二次電池の場合、高容量化を図りやすい空気電池１０を提供する等の観点からは、Ｌｉが含有されることが好ましい。
【００３４】
負極２は少なくとも負極活物質を含有していれば良く、さらに、導電性を向上させる導電性材料やアルカリ金属等を固定化させる結着材を含有していても良い。反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、負極２における導電性材料の含有量は１０質量％以下とすることが好ましい。また、負極２における結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば１０質量％以下とすることが好ましく、１質量％以上５質量％以下とすることがより好ましい。負極２に含有され得る導電性材料及び結着材の種類、使用量等は、空気極１の場合と同様にすることができる。
【００３５】
空気電池１０では、負極２の内部又は外面に当接して、負極集電体が設けられる。負極集電体は、負極２の集電を行う機能を担う。空気電池１０において、負極集電体の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではない。負極集電体の材料としては、銅、ステンレス鋼、及び、ニッケル等を例示することができる。また、負極集電体の形状としては、箔状、板状、及び、メッシュ（グリッド）状等を例示することができる。空気電池１０において、負極２は、例えば空気極１と同様の方法により作製することができる。
【００３６】
＜電解質層３＞
電解質層３には、空気極１及び負極２の間でイオン（アルカリ金属のイオン）の伝導を担う非水電解液を保持したセパレータが収容される。
【００３７】
電解質層３に充填される非水電解液の形態は、アルカリ金属イオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではない。電解質層３に充填される非水電解液の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム空気電池の非水電解液は、通常、リチウム塩及び有機溶媒を含有する。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４及びＬｉＡｓＦ６等の無機リチウム塩のほか、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３等の有機リチウム塩等を例示することができる。また、有機溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシメタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン及びこれらの混合物等を例示することができる。また、溶存酸素が効率良く反応に用いられる形態にする等の観点から、有機溶媒は、酸素溶解性が高い溶媒であることが好ましい。非水電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば０．２ｍｏｌ／Ｌ以上３ｍｏｌ／Ｌ以下とする。なお、本発明の空気電池においては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いることができる。
【００３８】
また、電解質層３に用いられるセパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜のほか、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を例示することができる。
【００３９】
＜酸素層５＞
酸素層５は、筐体６内に存在する酸素ガスを、空気極１へと導く機能を担う。酸素層５は、空気極１へと導かれる空気の通り道であり、例えば、空気極１の内部又は外面に当接して、空気極１の集電を行う空気極集電体に備えられる孔が、酸素層５として機能する。すなわち、酸素層５は、空気極集電体５と表現することもできる。
【００４０】
空気電池１０において、空気極集電体は空気極１の集電を行う機能を担う。空気電池１０において、空気極集電体の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではない。空気極集電体の材料としては、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、及び、カーボン等を例示することができる。このような空気極集電体の形状としては、例えばメッシュ（グリッド）状等を例示することができる。
【００４１】
＜筐体６＞
筐体６には、発電部４、酸素層５、酸素含有ガス、及び、測定手段７の少なくとも一部が収容される。空気電池１０において、筐体６は、その形状は特に限定されるものではない。筐体６の構成材料は、金属空気電池の筐体に使用可能な材料を適宜用いることができる。また、筐体６に収容される（空間９に存在させる）酸素含有ガスは、乾燥した酸素含有ガスであることが好ましく、例えば、圧力が１．０１×１０５Ｐａ、酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等を用いることができる。
【００４２】
＜測定手段７＞
測定手段７は、電解質層３に充填されている非水電解液のイオン伝導度を測定する。空気電池１０における測定手段７は、このような機能を発揮し得るものであれば、その形態は特に限定されるものではなく、公知の装置を用いることができる。測定手段７の具体例としては、交流インピーダンス法によって電解液のイオン伝導度を測定する際に用いられる装置等を挙げることができる。また、空気電池１０において、測定手段７の設置場所は、電解質層３に充填された非水電解液のイオン伝導度を測定可能であれば特に限定されるものではない。また、測定手段７の一部である金属線７ａ及び金属線７ｂは、非水電解液のイオン伝導度を測定する際に使用可能なものであれば、特に限定されるものではない。金属線７ａの具体例としてはＰｔ等を挙げることができ、金属線７ｂの具体例としてはＮｉ等を挙げることができる。また、金属線７ａ及び金属線７ｂの線径は特に限定されるものではない。ただし、高出力の空気電池１０を提供可能にする等の観点からは、線径を小さくすることが好ましい。
【００４３】
＜出力手段８＞
出力手段８は、測定手段７と無線又は有線で接続され、測定手段７によって測定された非水電解液のイオン伝導度が上昇から下降へと転じた場合に、電気信号を出力する。空気電池１０では、出力手段８によって出力された電気信号を通じて、非水電解液を補充すべき時機であることを認識することができる。空気電池１０において、出力手段８は、このような機能を有するものであれば、その形態は特に限定されるものではない。ただし、電池性能の低下を容易に抑制し得る空気電池１０を提供する等の観点からは、空気電池１０の使用開始時における非水電解液のイオン伝導度をＩｎ、非水電解液のイオン伝導度の最大値をＩｍａｘ、とするとき、測定手段７によって測定されたイオン伝導度ＩがＩｎ≦Ｉ＜Ｉｍａｘを満たす場合に電気信号を出力する出力手段８であることが好ましい。
【００４４】
空気電池１０に関する上記説明では、発電部４と大気とが筐体６の上面によって隔てられ、発電部４が大気に開放されていない形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の空気電池の筐体は、上蓋が備えられない形態や、上蓋に大気を取り入れるための複数の穴が設けられている形態とすることも可能である。このような形態にすると、発電部４が大気に開放されていない場合と比較して、非水電解液が揮発しやすくなるため、本発明の上記効果を奏しやすくなる。
【００４５】
２．第２実施形態
図３は、本発明の空気電池２０の形態例を概略的に示す断面図である。図３において、空気電池１０と同様の構成を採るものには、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４６】
図３に示すように、空気電池２０は、筐体２１と、非水電解液２２と、非水電解液２２の中に配置された構造体２３、２３と、を有し、非水電解液２２には、金属線７ａ及び金属線７ｂの一部が挿入されている。金属線７ａ及び金属線７ｂを有する測定手段７は、イオン伝導度が上昇から下降へと転じた場合に電気信号を出力する出力手段８に接続されている。筐体２１の内側は密閉空間とされており、筐体２１の上面と非水電解液２２との間の空間２６には、酸素含有ガスが充満している。空気電池２０の構造体２３は、酸素層２４を境に発電部４、４が左右対称に配置された構造を有している。空間２６に充満している酸素含有ガスは、酸素層２４、２４と空間２６とを繋ぐ酸素流路２５、２５を通って、酸素層２４、２４へと拡散する。
【００４７】
空気電池２０において、非水電解液２２が揮発すると、非水電解液２２の電解質塩濃度が変動し、これに伴って非水電解液２２のイオン伝導度も変動する。空気電池２０では、非水電解液２２に金属線７ａ及び金属線７ｂが挿入されているので、当該金属線７ａ及び金属線７ｂを有する測定手段７により、非水電解液２２のイオン伝導度を測定することができる。このようにして測定されたイオン伝導度に関するデータは、出力手段８へと送られる。出力手段８は、イオン伝導度が上昇から下降へ転じた後に電気信号を出力する。そのため、空気電池２０によれば、出力手段８から出力された電気信号を通じて、非水電解液を補充すべき時機であることを認識することができる。したがって、本発明によれば、性能低下を抑制することが可能な空気電池２０を提供することができる。以下、空気電池２０について、構成ごとに説明する。
【００４８】
＜筐体２１＞
筐体２１には、少なくとも、非水電解液２２、構造体２３、２３、…、酸素含有ガス、及び、測定手段７の少なくとも一部が収容される。空気電池２０において、筐体２１は、非水電解液２２の枯渇を抑制するために筐体２１の内側を密閉可能な構造を有していれば、その形状は特に限定されるものではない。筐体２１の構成材料は、筐体６と同様の材料を用いることができる。また、筐体２１に収容される（空間２６に存在させる）酸素含有ガスは、乾燥した酸素含有ガスであることが好ましく、例えば、圧力が１．０１×１０５Ｐａ、酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等を用いることができる。
【００４９】
＜非水電解液２２＞
非水電解液２２は、空気極１、１、…及び負極２、２、…の間でイオンの伝導を担う。非水電解液２２の具体例としては、電解質層３に用いることが可能な非水電解液と同様のものを挙げることができる。
【００５０】
＜構造体２３＞
構造体２３は、酸素層２４を境に一対の発電部４、４が左右対称に配置されている。かかる形態とすることにより、構造体２３の単位体積当たりの出力（出力密度）を向上させることが容易になる。空気電池２０において、非水電解液２２の中に配置された発電部４、４、…を構成する空気極１、１、…及び負極２、２、…は、電気的に直列に接続されていてもよく、並列に接続されていても良い。
【００５１】
＜酸素層２４＞
酸素層２４は、後述する酸素流路２５を介して供給された酸素含有ガスを、空気極１、１へと導く機能を担う。酸素層２４は、空気極１、１へと導かれる空気の通り道であり、例えば、空気極１、１の外面に当接して、空気極１、１の集電を行う空気極集電体に備えられる孔が、酸素層２４として機能する。すなわち、酸素層２４は、空気極集電体２４と表現することもできる。
【００５２】
＜酸素流路２５＞
酸素流路２５は、空間２６に存在している酸素含有ガスを、酸素層２４へと導く酸素の通り道である。このような機能を発揮可能であれば、酸素流路２５の形態は特に限定されるものではない。酸素流路２５は、例えば、筐体２１と同様の材料によって作製された筒状部材によって構成することができる。
【００５３】
空気電池２０に関する上記説明では、構造体２３、２３が間隔を開けて配置されている形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではなく、図３の負極２ａと負極２ｂとが接触している形態や、負極２ａと負極２ｂとが１つの部材によって構成される（構造体２３、２３が一体に構成される）形態とすることも可能である。
【００５４】
また、空気電池２０に関する上記説明では、筐体２１の内側と大気とが筐体２１の上面によって隔てられ、非水電解液２２が大気に開放されていない形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の空気電池の筐体は、上蓋が備えられない形態や、上蓋に大気を取り入れるための複数の穴が設けられている形態とすることも可能である。このような形態にすると、非水電解液２２が大気に開放されていない場合と比較して、非水電解液が揮発しやすくなるため、本発明の上記効果を奏しやすくなる。
【００５５】
以上説明した本発明の空気電池の種類としては、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カリウム空気電池等を例示することができ、高容量化を図りやすい空気電池を提供する等の観点からは、リチウム空気電池が好ましい。また、本発明の空気電池の用途としては、車両搭載用途、定置型電源用途、家庭用電源用途、及び、携帯型情報機器等を例示することができる。
【００５６】
以上、負極２にアルカリ金属が含有される形態の本発明の空気電池について説明したが、本発明の技術思想は、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｚｎやこれらを含む合金等を含有する負極を備えた空気電池にも適用することが可能である。
【００５７】
また、本発明の空気電池に関する上記説明では、非水電解液が用いられる形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではない。負極に用いられる金属の種類に応じて、いわゆる水系電解液を用いることも可能である。水系電解液の具体例としては、ＫＯＨ水溶液等を挙げることができる。電解液として水系電解液が用いられる場合には、上記出力手段８に代えて、測定手段によって測定された水系電解液のイオン伝導度が下降から上昇へ転じた後に電気信号を出力する出力手段が備えられる形態とすれば良い。そして、水系電解液が用いられる場合には、空気電池の使用開始時における水系電解液のイオン伝導度をＩａ、水系電解液のイオン伝導度の最小値をＩｍｉｎ、とするとき、測定手段によって測定されたイオン伝導度ＩがＩｍｉｎ＜Ｉ≦Ｉａを満たす場合に電気信号を出力する出力手段が備えられる形態とすることが好ましい。また、本発明の空気電池において、出力手段から電気信号が出力された後に補充される電解液には、電解質塩が含有されていても良く、電解質塩が含有されていなくても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の空気電池は、電気自動車や携帯型情報機器の動力源等に利用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１…空気極
２…負極
３…電解質層
４…発電部
５…酸素層
６…筐体
７…測定手段
７ａ…金属線
７ｂ…金属線
８…出力手段
９…空間
１０…空気電池
２０…空気電池
２１…筐体
２２…非水電解液
２３…構造体
２４…酸素層
２５…酸素流路
２６…空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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