(57)【要約】【課題】空気中の酸素を効率良く取り込むことができ、大容量の電池を構成することが可能な空気極、及び、この空気極を備えた金属空気電池を提供する。【解決手段】空気中の酸素を取り込んで正極活物質とするとともに、金属を負極活物質とする金属空気電池において使用される空気極２０であって、複数の空孔を有する多孔質の炭素材で構成されており、前記空孔とは別に空気を導入するガス流通路２２を有することを特徴とする。また、ガス流通路２２の内壁面に撥水層２４が形成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】
空気中の酸素を取り込んで正極活物質とするとともに、金属を負極活物質とする金属空気電池において使用される空気極であって、
複数の空孔を有する多孔質の炭素材で構成されており、前記空孔とは別に、空気を導入するガス流通路を有することを特徴とする空気極。
【請求項２】
前記ガス流通路の内壁面に撥水層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の空気極。
【請求項３】
多孔質の炭素材からなる炭素シート材がロール状に丸められることによって、前記ガス流通路が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空気極。
【請求項４】
負極活物質とする金属を含む金属層を備えた金属極と、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の空気極と、を備えたことを特徴とする金属空気電池。
【請求項５】
前記金属極が、マグネシウム又はマグネシウム合金からなるマグネシウム層が形成されたマグネシウム燃料極とされていることを特徴とする請求項４に記載の金属空気電池。
【請求項６】
前記金属極の前記金属層の内部に、前記空気極が挿入され、前記金属層と前記空気極との間に電解質材料が配設された構造とされていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の金属空気電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の酸素を取り込んで正極活物質とするとともに、金属を負極活物質とする金属空気電池において使用される空気極、この空気極を備えた金属空気電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上述の金属空気電池としては、例えば負極活性物質として亜鉛を用いた亜鉛空気電池、アルミニウムを用いたアルミニウム空気電池、マグネシウムを用いたマグネシウム空気電池等が提案されている。このような金属空気電池においては、正極活物質である酸素を空気中から取り込むことができるため、原理的には電池容器内に負極活性物質となる金属を大量に充填することができ、大容量の電池を構成できる可能性がある。
ここで、特にマグネシウムは、重量出力エネルギー密度が比較的高く、大容量の電池を構成するのに適している。また、埋蔵量も比較的多いことから、将来的なエネルギー媒体として有望である。さらに、再生可能エネルギーを用いて酸化マグネシウムを還元して金属マグネシウムにすることでエネルギーを保存することができる。また、マグネシウムは比重が小さいので手軽に移動でき、金属が酸化する反応は、熱にも電気にも簡単に変換できるので、使い勝手が良い。
【０００３】
以上のような利点を有していることから、マグネシウムを負極活性物質とするマグネシウム空気電池が提案されている。
上述のマグネシウム空気電池としては、例えば特許文献１に示すように、空気極と、マグネシウムを含む金属を負極活物質とした金属極と、電解質材料を介して対向配置した構造のものが一般的である。なお、マグネシウム以外の金属を負極活性物質とした金属空気電池においても同様な構造とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９１４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、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は、複数の空孔を有する多孔質の炭素材で構成されており、この空孔を介して空気中の酸素を取り込むとともに電解質材料側に供給し、電解質材料中の水と反応して水酸化イオンを生成する構成されている。
【０００６】
ここで、例えば車載用イオンリチウム電池等の充電用電池として上述の金属空気電池を適用する場合には、さらなる大容量化が求められる。このため、上述の空気極においては、空気中の酸素をさらに効率良く取り込んで、電解質材料側へ酸素を供給する必要がある。しかしながら、従来の空気極においては、多孔質の炭素材の空孔を介して空気中の酸素を取り込むとともに、電解質材料側に酸素を供給しているので、効率良く酸素を取り込むことができないおそれがあった。なお、空気中の酸素を効率良く取り込むために空気極を大型化した場合には、負極活性物質である金属の充填量が低下してしまうため、大容量の電池を構成することができないおそれがあった。
【０００７】
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、空気中の酸素を効率良く取り込むことができ、大容量の電池を構成することが可能な空気極、及び、この空気極を備えた金属空気電池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】
【０００８】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の空気極は、空気中の酸素を取り込んで正極活物質とするとともに、金属を負極活物質とする金属空気電池において使用される空気極であって、複数の空孔を有する多孔質の炭素材で構成されており、前記空孔とは別に、空気を導入するガス流通路を有することを特徴としている。
【０００９】
この構成の空気極によれば、複数の空孔を有する多孔質の炭素材で構成されており、前記空孔とは別に前記空気を導入するガス流通路を有しているので、空気中の酸素を、ガス流通路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。
よって、電解質材料側への空気中の酸素を効率良く供給することができ、大容量の金属空気電池を構成することが可能となる。
【００１０】
ここで、本発明の空気極においては、前記ガス流通路の内壁面に撥水層が形成されていることが好ましい。
この場合、前記ガス流通路の内壁面に撥水層が形成されているので、ガス流通路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、ガス流通路を介してさらに効率的に取り込むことが可能となる。
【００１１】
また、本発明の空気極においては、多孔質の炭素材からなる炭素シート材がロール状に丸められることによって、前記ガス流通路が形成されている構成とされていてもよい。
この場合、多孔質の炭素材からなる炭素シート材をロール状に丸めることでガス流通路が形成されているので、構造が比較的簡単となり、この空気極を効率良く成形することが可能となる。
【００１２】
本発明の金属空気電池は、負極活物質とする金属を含む金属層を備えた金属極と、上述の空気極と、を備えたことを備えたことを特徴としている。
この構成の金属空気電池によれば、上述の空気極を備えていることから、空気中の酸素を効率良く取り込むことができ、大容量の電池を構成することができる。よって、例えばリチウムイオン電池等の充電用電池として使用することが可能となる。
【００１３】
ここで、本発明の金属空気電池においては、前記金属極が、マグネシウム又はマグネシウム合金からなるマグネシウム層が形成されたマグネシウム燃料極とされた構成としてもよい。
この場合、前記金属極が、マグネシウム又はマグネシウム合金からなるマグネシウム層が形成されたマグネシウム燃料極とされているので、比較的重量エネルギー密度が高い金属空気電池を構成することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の金属空気電池においては、前記金属極の前記金属層の内部に、前記空気極が挿入され、前記金属層と前記空気極との間に電解質材料が配設された構造とされていることが好ましい。
この場合、負極活性物質である金属からなる金属層の内部に電解質材料を介して上述の空気極が挿入されることになり、負極活性物質である金属を大量に充填することが可能となる。また、上述の空気極によって、負極活性物質である金属からなる金属層との間に介在された電解質材料に対して、空気中の酸素を効率良く取り込むことができ、さらに大容量の電池を構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空気中の酸素を効率良く取り込むことができ、大容量の電池を構成することが可能な空気極、及び、この空気極を備えた金属空気電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態である空気極を備えた金属空気電池の説明図である。
【図２】本発明の実施形態である空気極の説明図である。
【図３】本発明の実施形態において用いられる金属極の説明図である。
【図４】本発明の空気極を用いた他の実施形態である金属空気電池の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施形態である空気極、及び、金属空気電池について、添付した図面を参照して説明する。
なお、本実施形態である空気極、及び、金属空気電池は、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の電池を構成するものである。
【００１８】
まず、本実施形態である空気極２０を備えた金属空気電池１０について、図１を参照して説明する。
本実施形態である金属空気電池１０は、負極活性物質である金属を有する金属極３０と、この金属極３０の内部に挿入された空気極２０と、この空気極２０と金属極３０との間に配設された電解質材料１５と、を備えている。
【００１９】
正極となる空気極２０は、複数の空孔を有する多孔質の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。
負極となる金属極３０は、負極活性物質としてマグネシウムを含有したものとされている。
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１０〜２０ｖｏｌ％の塩化ナトリウム水溶液（すなわち、塩水）を用いている。
【００２０】
上述の負極活性物質としてマグネシウムを用いた金属空気電池１０（マグネシウム空気電池）では、負極（金属極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↓
【００２１】
以上のように、負極活性物質としてマグネシウムを用いた金属空気電池１０（マグネシウム空気電池）においては、負極活性物質であるマグネシウムが電解質材料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。
上述の金属空気電池１０（マグネシウム空気電池）において、大容量の電池を構成するためには、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。
【００２２】
そこで、本実施形態である空気極２０においては、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を備えた構造とされている。本実施形態では、空気極２０は、図２に示すように、軸線に沿って延在するガス流通路２２を備えた概略円筒形状をなしている。
【００２３】
ここで、ガス流通路２２の内径は、０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内とされている。
また、本実施形態においては、ガス流通路２２の内周面には、撥水層２４が形成されている。この撥水層２４は、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。
【００２４】
また、本実施形態である空気極２０においては、多孔質の炭素材からなる炭素シート材がロール状に丸められることによって、ガス流通路２２が形成されている。ここで、炭素シート材としては、炭素繊維不織布を用いることができる。
ここで、炭素シート材の厚さは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内とされている。
【００２５】
本実施形態における金属極３０は、図３に示すように、導電性シート材３１と、この導電性シート材３１の表面にマグネシウム又はマグネシウム合金からなるマグネシウムチップが導電性接着剤を介して固着されることによって形成されたマグネシウムチップ層３３と、を備えた構造とされている。
【００２６】
ここで、本実施形態においては、導電性シート材３１として、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、貫通孔を有するアルミニウム箔を用いている。
なお、アルミニウム箔の厚さは、１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、貫通孔は、その孔径が０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内とされ、貫通孔の単位面積当たりの個数が１０個／ｍｍ２以上１００個／ｍｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
【００２７】
導電性接着剤は、導電性を有する無機フィラーを含有する樹脂材料で構成されている。無機フィラーとしては、グラファイト、ニッケル等を用いることができる。また、樹脂材料としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等を用いることができる。
この導電性接着剤としては、硬化後の体積抵抗率が０．５×１０−３Ω・ｃｍ以上１．０×１０−３Ω・ｃｍ以下のものを用いることが好ましい。
【００２８】
マグネシウムチップ層３３を構成するマグネシウムチップは、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。本実施形態では、Ｃａを１ｍａｓｓ％以上７ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有するＭｇ−Ｃａ合金で構成されたものとしている。このＭｇ−Ｃａ合金は、難燃性であることから、管理が容易となる。
また、マグネシウムチップは、概略円柱形状をなしており、その長さが０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲内、断面の円相当径が０．３ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲内とされている。
さらに、このマグネシウムチップのサイズは、７０メッシュ以上１０メッシュ以下の範囲内とされている。なお、このサイズのマグネシウムチップは、危険物には該当しないため、管理が容易となる。
【００２９】
そして、導電性シート材３１の表面に形成されたマグネシウムチップ層３３は、その厚さが０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内とされている。
このマグネシウムチップ層３３は、複数のマグネシウムチップが積層することによって構成されていることから、マグネシウムチップ同士の間に空隙が形成されており、多孔質な構造となる。
【００３０】
本実施形態である金属極３０は、図３に示すように、マグネシウムチップ層３３が形成された導電性シート材３１が折り曲げられ、複数のマグネシウムチップ層３３が積層した構造とされている。なお、導電性シート材３１であるアルミニウム箔には貫通孔が形成されていることから、複数のマグネシウムチップ層３３が貫通孔を介して連通された構造となる。
【００３１】
本実施形態の金属空気電池１０においては、上述のように、金属極３０がマグネシウムチップ層３３を備え、一対のマグネシウムチップ層３３，３３同士が対向して接触するように構成されており、これら対向配置された一対のマグネシウムチップ層３３，３３同士の間に、電解質材料１５を介して空気極２０が挿入された構造とされている。
【００３２】
以上のような構成とされた本実施形態である空気極２０によれば、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。
よって、電解質材料１５側への空気中の酸素を効率良く供給することができ、大容量の金属空気電池１０を構成することが可能となる。
【００３３】
また、本実施形態である空気極２０においては、ガス流通路２２の内壁面に撥水層２４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。
さらに、本実施形態である空気極２０においては、多孔質の炭素材からなる炭素シート材をロール状に丸めることでガス流通路２２が形成されているので、構造が比較的簡単となり、この空気極２０を効率良く成形することが可能となる。
【００３４】
さらに、本実施形態である金属空気電池１０によれば、上述の空気極２０を備えていることから、空気中の酸素を効率良く取り込むことができ、大容量の電池を構成することが可能となる。よって、例えばリチウムイオン電池等の充電用電池として使用することが可能となる。
また、本実施形態である金属空気電池１０においては、金属極３０が、マグネシウム又はマグネシウム合金からなるマグネシウムチップによって形成されたマグネシウムチップ層３３を備えているので、比較的重量エネルギー密度が高い電池を提供できる。
【００３５】
さらに、本実施形態である金属空気電池１０においては、金属極３０がマグネシウムチップ層３３を備え、一対のマグネシウムチップ層３３，３３同士が対向して接触するように構成されており、これら対向配置された一対のマグネシウムチップ層３３，３３同士の間に、電解質材料１５を介して空気極２０が挿入された構造とされているので、負極活性物質であるマグネシウムを大量に充填することが可能となる。また、上述の空気極２０によって、マグネシウムチップ層３３との間に介在された電解質材料１５に対して、空気中の酸素を効率良く取り込むことができ、さらに大容量の電池を構成することができる。
【００３６】
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に示す金属空気電池の正極として用いられる空気極として説明したが、これに限定されることはなく、金属極の構成に特に制限はない。
【００３７】
また、本実施形態においては、負極活性物質としてマグネシウムを用いた金属空気電池（マグネシウム空気電池）に用いられる空気極として説明したが、これに限定されることはなく、負極活性物質として、マグネシウム以外の金属、例えば、亜鉛、アルミニウム、鉄等を用いた金属空気電池において使用される空気極としてもよい。
【００３８】
さらに、本実施形態においては、金属極がマグネシウムチップ層を備え、一対のマグネシウムチップ層同士が対向して接触するように構成されており、これら対向配置された一対のマグネシウムチップ層同士の間に、電解質材料を介して空気極が挿入された構造としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば図４に示すように、バルク形状に成型された金属極１３０の内部に空気極２０を挿入した構造の金属空気電池１１０であってもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０  金属空気電池
１５  電解質材料
２０  空気極
２２  ガス流通路
２４  撥水層
３０  金属極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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