(57)【要約】【課題】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を、効率良く、かつ、低コストで製造することが可能なマグネシウム燃料極の製造方法を提供する。【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電池の負極として用いられるマグネシウム燃料極の製造方法であって、マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料と還元剤とを加熱チャンバー４０内に配設し、この加熱チャンバー４０内で、前記マグネシウム含有原料及び前記還元剤をマイクロ波加熱手段４２によって加熱して、マグネシウム蒸気を発生させ、発生したマグネシウム蒸気を、連通路３５を介して蒸着チャンバー５０に導入し、当該蒸着チャンバー５０内において、基材２１の表面にマグネシウムを蒸着することにより、マグネシウム層を有するマグネシウム燃料極を形成する。【選択図】図３
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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電池の負極として用いられるマグネシウム燃料極の製造方法であって、
マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料と還元剤とを加熱チャンバー内に配設し、この加熱チャンバー内で、前記マグネシウム含有原料及び前記還元剤をマイクロ波加熱手段によって加熱して、マグネシウム蒸気を発生させ、
発生したマグネシウム蒸気を、連通路を介して蒸着チャンバーに導入し、当該蒸着チャンバー内において、基材の表面にマグネシウムを蒸着することにより、マグネシウム層を有するマグネシウム燃料極を形成することを特徴とするマグネシウム燃料極の製造方法。
【請求項２】
前記マグネシウム含有原料として、ドロマイトを用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の製造方法。
【請求項３】
前記基材が、導電性材料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の製造方法。
【請求項４】
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の製造装置であって、
マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料と還元剤とを加熱してマグネシウム蒸気を発生させる加熱チャンバーと、基材の表面にマグネシウムを蒸着する蒸着チャンバーと、前記加熱チャンバーで発生させたマグネシウム蒸気を前記蒸着チャンバーに導入する連通路と、を有し、
前記加熱チャンバーには、前記マグネシウム含有原料を加熱するマイクロ波加熱手段が配設されていることを特徴とするマグネシウム燃料極の製造装置。
【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の製造方法、及び、マグネシウム燃料極の製造装置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に示すマグネシウム空気電池において負極として用いられる金属極は、マグネシウムを含む金属を板状に成形した負極活物質層と導体層とを備えた構成とされている。このような金属極を製造するためには、金属マグネシウムを用いて成形する必要があり、原料費が高く、かつ、製造工程が複雑で、製造コストが高くなるといった問題があった。
【０００７】
また、特許文献２に示すマグネシウム空気電池においては、負極として使用されるマグネシウム空気電池用燃料体として、照射材料であるマグネシウムに対してレーザーを照射し、導電フィルムの上にマグネシウムを蒸着することによって形成されたマグネシウムフィルムが用いられている。また、照射材料としては、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、を用いることが開示されている。また、レーザー照射以外に、放電によって蒸着することが開示されている。
この特許文献２においては、レーザー照射や放電によって蒸着を実施していることから、蒸着を効率良く行うことができず、かつ、製造設備が高価であり、製造コストが高くなるといった問題あった。
【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、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を、効率良く、かつ、低コストで製造することが可能なマグネシウム燃料極の製造方法、及び、マグネシウム燃料極の製造装置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】
【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燃料極の製造方法は、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の製造方法であって、マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料と還元剤とを加熱チャンバー内に配設し、この加熱チャンバー内で、前記マグネシウム含有原料及び前記還元剤をマイクロ波加熱手段によって加熱して、マグネシウム蒸気を発生させ、発生したマグネシウム蒸気を、連通路を介して蒸着チャンバーに導入し、当該蒸着チャンバー内において、基材の表面にマグネシウムを蒸着することにより、マグネシウム層を有するマグネシウム燃料極を形成することを特徴としている。
【００１０】
この構成のマグネシウム燃料極の製造方法によれば、加熱チャンバー内において、マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料と還元剤とを、マイクロ波加熱手段によって加熱することにより、マグネシウム含有原料が還元され、マグネシウム蒸気が発生することになる。ここで、マグネシウム含有原料及び還元剤の加熱に、マイクロ波加熱手段を使用していることから、レーザーや放電を用いる場合に比べて、設備コストを大幅に削減することができる。
【００１１】
また、マグネシウム蒸気を発生させる加熱チャンバーと、基材にマグネシウムを蒸着する蒸着チャンバーと、を有しているので、加熱チャンバーと蒸着チャンバーとで、それぞれに適した条件とすることができ、効率的にマグネシウム蒸気の発生、及び、マグネシウムの蒸着を行うことが可能となる。
以上により、基材にマグネシウム層が形成された構造のマグネシウム燃料極を、効率良く、かつ、低コストで製造することが可能となる。
【００１２】
ここで、本発明のマグネシウム燃料極の製造方法においては、前記マグネシウム含有原料として、ドロマイトを用いてもよい。
この場合、マグネシウムを含む鉱物であるドロマイト（ＭｇＣＯ３／ＣａＣＯ３）をマグネシウム含有原料として用いることにより、マグネシウムの精錬と蒸着とを同時に行うことができ、マグネシウム燃料極を、さらに効率良く、かつ、低コストで製造することが可能となる。
【００１３】
さらに、本発明のマグネシウム燃料極の製造方法においては、前記基材が、導電性材料で構成されていることが好ましい。
この場合、基材が導電性材料で構成されているので、この基材を集電極として利用することが可能となる。よって、別途、集電極を配設する必要がなく、マグネシウム燃料極を、さらに効率良く、かつ、低コストで製造することが可能となる。
【００１４】
本発明のマグネシウム燃料極の製造装置は、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の製造装置であって、マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料と還元剤とを加熱してマグネシウム蒸気を発生させる加熱チャンバーと、基材の表面にマグネシウムを蒸着する蒸着チャンバーと、前記加熱チャンバーで発生させたマグネシウム蒸気を前記蒸着チャンバーに導入する連通路と、を有し、前記加熱チャンバーには、前記マグネシウム含有原料を加熱するマイクロ波加熱手段が配設されていることを特徴としている。
【００１５】
この構成のマグネシウム燃料極の製造装置においては、マグネシウム蒸気を発生させる加熱チャンバーと、基材の表面にマグネシウムを蒸着する蒸着チャンバーと、前記加熱チャンバーで発生させたマグネシウム蒸気を前記蒸着チャンバーに導入する連通路と、を備えているので、加熱チャンバーと蒸着チャンバーとで、それぞれに適した条件とすることができ、効率的にマグネシウム蒸気の発生、及び、マグネシウムの蒸着を行うことが可能となる。
また、加熱チャンバーに、マイクロ波加熱手段が配設されているので、マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料及び還元剤を確実に加熱して、マグネシウム蒸気を発生させることができる。さらに、構造が比較的簡単であり、設備コストを削減す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を、効率良く、かつ、低コストで製造することが可能なマグネシウム燃料極の製造方法、及び、マグネシウム燃料極の製造装置を提供することが可能となる。
【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の製造方法によって製造された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製造方法によって製造されたマグネシウム燃料極の一例を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態であるマグネシウム燃料極の製造装置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を示すフロー図である。
【図５】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によって製造されたマグネシウム燃料極を備えた他の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燃料極の製造方法、及び、マグネシウム燃料極の製造装置について、添付した図面を参照して説明する。
【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とは反対側を向く面に、セパレータ１４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１４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。
【００２３】
ここで、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、基材２１と、この基材２１の表面に形成されたマグネシウム層２２と、を備えた構造とされている。
基材２１は、導電性材料で構成されていることが好ましい。本実施形態では、基材２１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム箔を用いている。
また、基材２１の厚さは、１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００２４】
マグネシウム層２２は、基材２１の表面にマグネシウムを蒸着して形成されたものとされている。
このマグネシウム層２２の厚さは、１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００２５】
次に、本実施形態であるマグネシウム燃料極の製造装置３０について、図３を参照して説明する。
このマグネシウム燃料極の製造装置３０は、加熱チャンバー４０と、蒸着チャンバー５０と、これら加熱チャンバー４０と蒸着チャンバー５０とを連結する連通路３５と、を備えている。
【００２６】
加熱チャンバー４０には、原料載置部４１と、この原料載置部４１の下部に配置されたマイクロ波加熱手段４２と、が配設されている。また、この加熱チャンバー４０には、加熱チャンバー４０内に発生した不純物を除去するトラップ部４３が設けられている。
【００２７】
蒸着チャンバー５０は、図３に示すように、隔壁５１及び隔壁５１の間に配設された蒸着ドラム５３によって、上部領域５０Ａと下部領域５０Ｂとに区画されており、下部領域５０Ｂに連通路３５が連結されている。
上部領域５０Ａには、フィルム状の基材２１を蒸着ドラム５３へと送り出す基材供給部５４と、蒸着ドラム５３から送り出された基材２１を巻き取る基材巻取部５５と、を備えている。
蒸着ドラム５３に巻き付けられた基材２１は、下部領域５０Ｂを通過する際に、マグネシウム蒸気が蒸着されるように構成されている。
【００２８】
次に、本実施形態であるマグネシウム燃料極の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
【００２９】
（蒸発用ペレット成形工程Ｓ０１）
まず、マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料と還元剤とを混合して加圧成形することにより、蒸発用ペレットＱを作製する。
ここで、本実施形態においては、マグネシウム含有原料として、ドロマイト（ＭｇＣＯ３／ＣａＣＯ３）の粉末を用いている。
また、還元剤として、Ｓｉの含有量が５０質量％以上８０質量％以下の範囲内のＳｉ含有フェロシリコン粉末を用いている。
マグネシウム含有原料と還元剤との混合割合は、還元剤の含有量が蒸発用ペレットＱ全体の１０質量％以上３０質量％以下の範囲内とされていることが好ましい。
【００３０】
（マグネシウム蒸気発生工程Ｓ０２）
次に、図３に示すように、上述の蒸発用ペレットＱを、加熱チャンバー４０の原料載置部４１に載置する。
そして、マイクロ波加熱手段４２によって蒸発用ペレットＱを加熱することにより、ドロマイトを精錬してマグネシウム蒸気を発生させる。
ここで、加熱チャンバー４０は、雰囲気が２．０×１０−４Ｐａ以上５．０×１０−３Ｐａ以下の範囲内の減圧（真空）条件、加熱温度が１０００℃以上１２００℃以下の範囲内とされている。
【００３１】
（マグネシウム蒸着工程Ｓ０３）
次に、加熱チャンバー４０において発生したマグネシウム蒸気が連通路３５を介して、蒸着チャンバー５０の下部領域５０Ｂに導入される。
蒸着チャンバー５０においては、上部領域５０Ａに配設された基材供給部５４から蒸着ドラム５３へと基材２１が供給される。そして、蒸着ドラム５３に巻き付けられた基材２１は、下部領域５０Ｂを通過する際にマグネシウム蒸気と接触し、マグネシウムの蒸着膜からなるマグネシウム層２２が形成されることになる。マグネシウム層２２が形成された基材２１は、蒸着ドラム５３に沿って上部領域５０Ａへと送り出され、基材巻取部５５によって巻き取られる。
なお、この蒸着チャンバー５０においては、雰囲気が５．０×１０−１Ｐａの低真空で、温度が室温の２５℃以下とされている。
ここで、上述のように、蒸着チャンバー５０内の温度が加熱チャンバー４０内の温度よりも低温に設定されるとともに減圧雰囲気とされているので、蒸着チャンバー５０内において、基材２１の表面にマグネシウムが確実に蒸着され、マグネシウム層２２を安定して形成することが可能となる。
【００３２】
以上のようにして、基材２１の表面にマグネシウム層２２が形成されたマグネシウム燃料極２０が製造されることになる。
【００３３】
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の製造方法によれば、加熱チャンバー４０において、マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料と還元剤とからなる蒸着用ペレットＱを、マイクロ波加熱手段４２によって加熱することにより、マグネシウム含有原料が還元され、マグネシウム蒸気を発生させることが可能となる。
また、蒸着用ペレットＱの加熱手段としてマイクロ波加熱手段４２を用いているので、レーザーや放電を用いる場合に比べて、設備コストを削減することができる。
【００３４】
また、マグネシウム蒸気を発生させる加熱チャンバー４０と、基材２１にマグネシウムを蒸着する蒸着チャンバー５０と、を有しているので、加熱チャンバー４０と蒸着チャンバー５０とで、それぞれに適した条件とすることができ、効率的にマグネシウム蒸気の発生、及び、マグネシウムの蒸着を行うことが可能となる。
【００３５】
さらに、本実施形態においては、マグネシウム含有原料としてドロマイト（ＭｇＣＯ３／ＣａＣＯ３）を用いているので、マグネシウムの精錬と蒸着とを同時に行うことができ、マグネシウム燃料極２０を、さらに効率良く、かつ、低コストで製造することが可能となる。
【００３６】
さらに、本実施形態においては、基材２１が導電性材料で構成されており、具体的には、アルミニウム箔で構成されているので、この基材２１を集電極として利用することが可能となる。よって、別途、集電極を配設する必要がなく、マグネシウム燃料極２０を、さらに効率良く、かつ、低コストで製造することが可能となる。
【００３７】
本実施形態であるマグネシウム燃料極の製造装置３０においては、マグネシウム蒸気を発生させる加熱チャンバー４０と、基材２１の表面にマグネシウムを蒸着する蒸着チャンバー５０と、加熱チャンバー４０で発生させたマグネシウム蒸気を蒸着チャンバー５０に導入する連通路３５と、を備えているので、加熱チャンバー４０と蒸着チャンバー５０とで、それぞれに適した条件とすることができ、効率的にマグネシウム蒸気の発生、及び、マグネシウムの蒸着を行うことが可能となる。
【００３８】
また、加熱チャンバー４０に、マイクロ波加熱手段４２が配設されているので、マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料と還元剤とからなる蒸着用ペレットＱを確実に加熱して、マグネシウム蒸気を発生させることができる。さらに、構造が比較的簡単であり、設備コストを削減することが可能となる。
【００３９】
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。
【００４０】
例えば、図５に示すように、フィルム状のマグネシウム燃料極１２０を、フィルム供給部１１７からフィルム巻取部１１８へと送り出し、フィルム供給部１１７とフィルム巻取部１１８の間に配置された電池本体１１１（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たマグネシウム空気電池１１０に適用してもよい。
【００４１】
さらに、本実施形態においては、マグネシウムを含む化合物からなるマグネシウム含有原料として、ドロマイト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、例えば、上述のマグネシウム空気電池においてマグネシウムが反応することによって生成した水酸化マグネシウムや酸化マグネシウム等をマグネシウム含有原料として用いてもよい。
また、還元剤としてＳｉ含有フェロシリコン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、他の還元剤を用いてもよい。
さらに、本実施形態では、蒸着用ペレットを成形するものとして説明したが、これに限定されることはなく、必ずしもペレット形状に成形しなくてもよい。
【００４２】
また、本実施形態では、基材として、導電性材料であるアルミニウム箔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、例えばポリエステル系樹脂の不織布等の絶縁材料で構成されたものであってもよい。なお、絶縁材料を用いる場合には、別途、導電体によって集電極を配設する必要がある。
【符号の説明】
【００４３】
１０  マグネシウム空気電池
２０  マグネシウム燃料極
２１  基材
２２  マグネシウム層
３０  マグネシウム燃料極の製造装置
３５  連通路
４０  加熱チャンバー
４２  マイクロ波加熱手段
５０  蒸着チャンバー
【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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