(57)【要約】      （修正有）【課題】電池の起電力を安定的に増大させる。【解決手段】３次元網状構造を有する炭素の層間に希土類系の化合物からなる微粉末を混入させた層間化合物及び電解液により構成される発電素子３ａ〜３ｄと、浸炭性ガスの雰囲気中において、銅板をアルミニウムとともに、アルミニウムの融点よりも高く、銅の融点よりも低い温度まで加熱し、当該銅板の表面にアルミニウム及び炭素を高温拡散させて形成された陽極板１と、アルミニウムに固体炭素を接合させて形成され、上記発電素子３ａ〜３ｄを挟んで上記陽極板１に対向させた陰極板２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を介在させて配置された陽極及び陰極の少なくとも一方が、金属板を浸炭性ガスの雰囲気中において加熱し、上記金属板の表面に炭素を高温拡散させて形成された電極板からなることを特徴とする電池。
【請求項２】
上記金属板が、第１の金属材料からなり、第２の金属材料とともに、第１の金属材料の融点よりも低く、第２の金属材料の融点よりも高い温度まで加熱され、
上記電極板が、上記金属板の表面に上記第２の金属材料を高温拡散させて形成されることを有することを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項３】
第１の金属材料が銅であり、第２の金属材料がアルミニウムであることを特徴とする請求項２に記載の電池。
【請求項４】
３次元網状構造を有する炭素の層間に希土類系の化合物からなる微粉末を混入させた層間化合物及び電解液により構成される発電素子と、
浸炭性ガスの雰囲気中において、銅板をアルミニウムとともに、アルミニウムの融点よりも高く、銅の融点よりも低い温度まで加熱し、当該銅板の表面にアルミニウム及び炭素を高温拡散させて形成された陽極板と、
アルミニウムに固形炭素を接合させて形成され、上記発電素子を挟んで上記陽極板に対向させた陰極板とを備えたことを特徴とする電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽極又は陰極として金属板を有する電池の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、化学反応電池は、電解質を介在させて配置された陽極及び陰極で構成される。電解質は、陽極及び陰極によって酸化還元され、この酸化還元反応により生成されたイオンが当該電解質を介して一方の電極から他方の電極へ移動することにより、外部へ電力を供給することができる。例えば、陽極板及び陰極板を電解液を介在させて対向配置して構成される。
【０００３】
陽極又は陰極としての金属板の表面にカーボン（Ｃ）などの高導電性物質を貼付し、当該電極の導電性を増大させることにより、良好な電池特性が得られることが知られている。このような高導電性物質は導電助材と呼ばれている。このため、従来の電池には、金属製の電極板にカーボンを含む導電性被膜を設けて、電池の起電力を増大させているものがあった（例えば、特許文献１）。
【０００４】
図４の（ａ）及び（ｂ）は、導電性被膜が形成された従来の電極板の一例を示した断面図である。（ａ）の電極板は、バインダー（接合剤）３２を用いて、金属板３０の表面にシート状の固形炭素３１を貼付することにより形成されている。また、（ｂ）の電極板は、炭素粉末３３を混合したバインダー３４を金属板の表面に塗布して形成されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来の電池は、電極板の表面に、炭素を含む導電性被膜を形成することによって、電極板の電気抵抗を抑制している。しかしながら、電極板に炭素を付着させるためにバインダーが用いられており、当該バインダーが電極板の電極電位を低下させていた。つまり、酸化還元反応によって発生するイオンや電子の移動をバインダーが妨げることにより、電池の起電力を低下させているという問題があった。また、炭素粉末の金属板への接着力が弱く、電池特性を安定的に維持することが容易でないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、電池の起電力を向上させることを目的とする。また、電池の起電力を安定化させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明による電池は、電解質を介在させて配置された陽極及び陰極の少なくとも一方が、金属板を浸炭性ガスの雰囲気中において加熱し、上記金属板の表面に炭素を高温拡散させて形成された電極板からなる。
【０００８】
高温拡散を利用して、金属板の表面に炭素を付着させれば、金属板に対し炭素を強固に付着させることができる。また、バインダーを使用することなく炭素を付着させることができ、酸化還元反応により発生したイオンや電子の移動が容易になる。従って、このような電極板を陽極及び陰極の少なくとも一方に用いれば、従来の電池に比べて、電池の起電力を安定的に増大させることができる。なお、陽極及び陰極の両方に、このような電極板を用いることによって、電池の起電力を更に増大させることができる。上記金属板の材料としては、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）等を採用することができ、特に、炭素鋼が好適である。
【０００９】
第２の本発明による電池は、上記構成に加えて、上記金属板が、第１の金属材料からなり、第２の金属材料とともに、第１の金属材料の融点よりも低く、第２の金属材料の融点よりも高い温度まで加熱され、上記電極板が、上記金属板の表面に上記第２の金属材料を高温拡散させて形成されることを有する。
【００１０】
第１の金属材料からなる金属板と第２の金属材料とを加熱する際、第２の金属材料の融点よりも高い温度まで加熱し、高温拡散を利用して、第２の金属材料及び炭素を金属板の表面に付着させれば、金属板に対し、第２の金属を混入させた炭素を強固に付着させることができる。また、電極板の材料とは異なる第２の金属材料を付着させることにより、起電力を増大させることができる。
【００１１】
第１及び第２の金属材料には、標準電位差の大きな組み合わせが望ましい。第１の金属材料には、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等を採用することができ、第２の金属材料には、アルミニウム（Ａｌ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）等を採用することができる。例えば、第１の金属材料として銅、第２の金属材料としてアルミニウムを採用すれば、銅板のみの場合に比べて、数倍高い標準電極電位が得られる。
【００１２】
第３の本発明による電池は、発電素子、陽極板及び陰極板により構成される。発電素子は、３次元網状構造を有する炭素の層間に希土類系の化合物からなる微粉末を混入させた層間化合物及び電解液により構成される。陽極板は、浸炭性ガスの雰囲気中において、アルミニウムの融点よりも高く、銅の融点よりも低い温度まで銅板を加熱し、当該銅板の表面にアルミニウム及び炭素を高温拡散させて形成される。陰極板は、アルミニウムに固形炭素を接合させて形成され、上記発電素子を挟んで上記陽極板に対向させて配置される。
【００１３】
炭素の層間に混入した希土類系の化合物は、酸化還元反応により生成されたイオンの移動を容易化させる。従って、このような発電素子を陽極板及び陰極板の間に設けることにより、酸化還元反応を促進させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による電池は、高温拡散を利用し、金属板の表面に炭素を付着させて形成された電極板が用いられている。このため、バインダーを用いることなく、金属板に炭素を付着させることができ、電池の起電力を増大させることができる。また、炭素を強固に付着させることができ、電池の起電力を安定的に増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電池の一構成例を示した模式図である。この電池は、陽極板１、陰極板２、発電素子３ａ〜３ｄ、バックアップ層４ａ，４ｂ及び粒子制御膜５を積み重ねた積層体を絶縁パッケージ６に封入して構成される。陽極板１及び陰極板２の一端は、絶縁パッケージ６から引き出され、陽極端子１ｔ及び陰極端子２ｔとして用いられる。また、これらの陽極端子１ｔ及び陰極端子２ｔは、出力コントローラ７に接続されている。
【００１６】
陽極板１は、焼成炉内において、陽極基板としての銅板（Ｃｕ）に炭素（Ｃ）及びアルミニウム（Ａｌ）を重ねた状態で、高温拡散処理を行うことにより形成される。この高温拡散処理によって、アルミニウムを混入させた炭素を銅板の表面に強固に付着させることができる。陽極板１の表面に形成された層間化合物は、３次元網状構造の層間にアルミニウムが混入されている。アルミニウムと銅は、標準電位の差が比較的大きな組み合わせであることから、その相互作用によって、多くの自由電子が生成され、高い起電力が得られる。実験によれば、この陽極板の電位は、銅板の場合に比べて数倍高くなる。
【００１７】
３次元網状構造化された層間化合物には、少量の有機質が含まれ、炭素原子が規則的に配置されている。従来の電極板では、上述した通り、炭素を金属板と接合するためにバインダーが用いられており、当該バインダーによって有機質を含む組織構造が破壊される。これに対し、高温拡散によってアルミニウムを混入させた炭素を金属板の表面に付着させた場合には、この様な組織構造を維持しつつ、その層間にアルミニウムを混入することができ、銅板による酸化反応を促進させることができる。
【００１８】
陰極板２は、陰極基板となるアルミニウム板に炭素を接合して形成される。アルミニウム及び炭素の接合は、導電性の高いバインダーを用いて行ってもよいし、両者を接触させて圧力をかけ、バインダーを用いることなく接合させてもよい。高温拡散を行うことにより、銅の原子間に炭素を入り込ませることは容易であるのに対し、アルミニウムの原子間に炭素を入り込ませることは容易ではない。このため、本実施の形態では、陰極基板としてのアルミニウム板にシート状の固形炭素を接合させている。
【００１９】
発電素子３ａ〜３ｄは、電解液としての水酸化カリウム（ＫＯＨ）に浸した層間化合物からなる。この層間化合物は、３次元網状構造化された炭素の層間にトリウム、ジルコニウムなどの希土類化合物からなるナノオーダーの微粉末を混入して構成される。電解液としての水酸化カリウムは炭素に触れると化学反応を起し、イオンを発生させる。また、層間化合物に混入された希土類系化合物の微粉末は、この化学反応を促進し、より多くのイオンを発生させる。この様にして生成されたイオンの電荷は、層間化合物を通り抜けて移動し、陽極板１及び陰極板２へ到達し、起電力を生じさせる。
【００２０】
バックアップ層４ａ，４ｂは、それぞれが複数枚の多孔質フィルムを重ねて構成され、発電素子３ａ〜３ｄ間に配置されている。例えば、不織布及び高分子膜を交互に重ね合わせて構成される。このバックアップ層４ａ，４ｂは、酸化還元反応により生成されたイオンの移動を抑制し、上記反応の速度を調整する。
【００２１】
粒子制御膜５は、発電素子３ｂ，３ｄ間、つまり、陽極板１及び陰極板２の中央付近に配置された高分子膜からなり、イオンの移動方向を制御している。発電素子３ａ〜３ｄ中においてイオンは様々な方向へ移動する。粒子制御膜５は、これらのイオンが、陽極板１及び陰極板２の間を最短経路を通って移動するように、イオンの移動方向を陽極板１又は陰極板２の方向へ向け、イオンの移動を調整する。
【００２２】
絶縁パッケージ６は、電解液を漏出させないように保持するとともに、酸化還元反応によって生成されたイオンを外部に漏らさず、また、電池内部が外部環境の影響を受けないようにしている。
【００２３】
出力コントローラ７は、放電出力を安定化させることにより、電池内部の化学反応のスピードを制御している。電気の仕事量は、仕事量（Ｗ）＝電圧（Ｖ）×電流（Ａ）×時間（ｔ）で表され、急激な電圧変動、電流変動を抑制することによって、安定的な出力を長期間にわたって供給することができる。ここでは、正極端子１ｔ及び陰極端子２ｔをコンデンサ７ｃで接続し、出力を安定化させている。このコンデンサ７ｃの容量は、出力電圧や出力電流に応じて定められる。
【００２４】
図２は、陽極板１の製造装置の一例を示した図である。焼成炉１０には、炉内の温度調整が行うためのヒータ１１が設けられている。また、真空ポンプ１２、二酸化炭素ボンベ１３が、バルブ１２ｂ，１３ｂを介して接続されている。バルブ１４ｂは、炉内と外気とを導通させるためのバルブである。
【００２５】
まず、陽極板材料２０を炉内に配置する。陽極板材料２０は、水平に配置された銅板（Ｃｕ）の上下を２枚の固形炭素（Ｃ）で挟み込み、その外側をさらにアルミニウム板で挟み込んだ状態で、炉内に設置される。その後、炉内を密閉状態にしてバルブ１２ｂのみを開き、真空ポンプ１２を用いて炉内を真空状態にする。次に、ヒータ１１を用いて炉内温度を徐々に高め、アルミニウムの融点よりも高く、銅の融点よりも低い温度まで上昇させた後、バルブ１３ｂを開き、炭素系ガスを炉内に導入する。そして、炉内気圧が大気圧よりも僅かに高い状態下で所定時間の焼成を行う。
【００２６】
焼成時の炉内温度は、銅の融点（１０８４℃）に近い温度であることが望ましい。アルミニウムの融点は６６０℃であるため、炉内温度が６５０℃を超える頃から、アルミニウムの表面が溶けだし、高温拡散によって、アルミニウムの混入した炭素が、銅板表面に付着する。また、焼成時の炉内圧力は、大気圧よりも０．０３ｍＰａ高くしておくことが望ましい。この炉内温度及び炉内気圧で３時間焼成した後、バルブ１４ｂを開いて炉内気圧を下げ、自然冷却によって炉内温度が常温まで低下するのを待って、焼成炉から陽極板を取り出す。
【００２７】
この様な方法により製造された陽極板は、アルミニウム及び炭素が、銅板の表面に強固に付着されており、剥離や割れなどは一切観察されない。
【００２８】
実施の形態２．
実施の形態１では、高温拡散処理を行って、アルミニウムを混入させた炭素を金属板に付着させて陽極板を形成する例について説明したが、アルミニウムを用いることなく、炭素のみを金属板に付着させて陽極板を形成することもできる。
【００２９】
図３は、本発明の実施の形態２による陽極板１の製造時の様子を示した説明図である。製造装置は、実施の形態１の場合と同様である。陽極板材料２０は銅板のみであり、炉内に垂直に立てて配置される。銅板を立てた状態で焼成することにより、加熱中における銅板の歪みを抑制することができる。陽極板材料２０の設置後は、実施の形態１の場合と全く同様にして、高温拡散処理が行われる。すなわち、炉内を密閉状態にしてバルブ１２ｂのみを開き、真空ポンプ１２を用いて炉内を真空状態にする。次に、ヒータ１１を用いて炉内温度を徐々に高め、銅の融点未満の温度まで上昇させた後、バルブ１３ｂを開き、炭素系ガスを炉内に導入する。そして、炉内気圧が大気圧よりも僅かに高い状態下で所定時間の焼成を行う。
【００３０】
焼成時の炉内温度は、銅の融点（１０８４℃）に近い温度であることが望ましい。また、焼成時の炉内圧力は、大気圧よりも０．０５ｍＰａ高くしておくことが望ましい。この炉内温度及び炉内気圧で３時間焼成した後、バルブ１４ｂを開いて炉内気圧を下げた後に、自然冷却によって炉内温度が常温まで低下するのを待って、焼成炉から陽極板を取り出す。
【００３１】
この様な方法により製造された陽極板は、炭素が、銅板の表面に強固に付着されており、剥離や割れなどは一切観察されない。また、バインダーを用いることなく金属板の表面に炭素を付着させる。従って、このような陽極板１を従来の電池において採用すれば、電池の起電力を安定的に増大させることができる。
【００３２】
なお、上記の各実施の形態では、陽極板１について、高温拡散により炭素を付着させる場合の例について説明したが、陰極板についても、同様にして炭素を付着させることができる。
【００３３】
なお、上記の各実施の形態では、炭素系ガスとして二酸化炭素を使用する場合の例について説明したが、いわゆる浸炭処理において使用される天然ガス、都市ガス、プロパンガス、ブタンガスなどの浸炭性ガスを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１による電池の一構成例を示した模式図である。
【図２】陽極板１の製造装置の一例を示した図である。
【図３】本発明の実施の形態２による陽極板１の製造時の様子を示した説明図である。
【図４】導電性被膜が形成された従来の電極板の一例を示した断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  陽極板
２  陰極板
３ａ〜３ｄ  発電素子
４ａ，４ｂ  バックアップ層
５  粒子制御膜
６  絶縁パッケージ
７  出力コントローラ
７ｃ  コンデンサ
１０  焼成炉
１１  ヒータ
１２  真空ポンプ
１３  二酸化炭素ボンベ
２０  陽極板材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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