(57)【要約】【課題】  負極でのデンドライトの生成を抑制し、信頼性の優れた金属空気電池を提供する。【解決手段】  負極となる板状体の金属極と、正極となる空気極と、金属極と空気極との間に介在する電解液層とを備える金属空気電池であって、金属極は、電解液層と接するエッジ部の少なくとも一つに面取り構造が形成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】
負極となる板状体の金属極と、正極となる空気極と、前記金属極と前記空気極との間に介在する電解液層とを備える金属空気電池であって、
前記金属極は、前記電解液層と接するエッジ部の少なくとも一つに面取り構造が形成されていることを特徴とする金属空気電池。
【請求項２】
前記面取り構造は、前記金属極の板厚の１０〜４０％に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属空気電池。
【請求項３】
前記面取り構造は、Ｃ面取りにより形成されており、
前記金属極の端面を含む平面と前記Ｃ面取りの傾斜面とのなす角度が、３０〜６０度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属空気電池。
【請求項４】
前記面取り構造は、Ｒ面取りにより形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属空気電池。
【請求項５】
前記金属極の両側に前記空気極を備えるバイセル構造であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つ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、燃料金属を使用する金属極と、空気を使用する空気極とを備え、充放電可能な金属空気電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属空気電池は、負極となる金属極、正極となる空気極、および電解液などから構成され、金属極の燃料金属が電気化学的な反応により金属酸化物に変化する過程で得られる電気エネルギーを取り出す。金属空気電池において、代表的な燃料金属としては、亜鉛、鉄、マグネシウム、アルミニウム、ナトリウム、カルシウム、リチウムが挙げられる。
【０００３】
金属空気電池では、充電時に負極表面にデンドライト（樹枝状析出物）が生成され、空気極と短絡することが課題となっている。このため、デンドライトによる短絡を防止する検討が数多く行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１の金属空気電池２００では、図５に示すように、空気極２０３と負極２０４との間に、電解液２０１を透過するセパレータ２０２を設け、負極２０４にデンドライト２０５が生成されると、セパレータ２０２を移動させてデンドライト２０５を負極２０４に押し付けて、デンドライト２０５と空気極２０３の短絡を防止している。
【０００５】
しかし、金属空気電池２００にセパレータ２０２を設けると、電解液層の容積が減少して電池容量が低下することや、セパレータ２０２が移動することで電解液の液漏れが生じ易くなるという問題がある。
【０００６】
一方、デンドライトの生成を防止するために、金属空気電池の負極構造についても検討が行われている。デンドライトが生成されるメカニズムとして、負極のエッジ部が起点になってデンドライトが生成されていると考えられている。これは、負極のエッジ部にはバリなどの尖った部分や鋭角な部分が残っていることが多く、図６に示すように、負極３０１と正極３０２の位置ずれ等によって、エッジ部に充電時の電気力線が集中しやすくなるためである。
【０００７】
そこで、特許文献２では、負極３０１のエッジ部での電界強度を弱めるため、負極３０１の大きさを正極３０２の大きさよりも大きくした二次電池３００を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−８９３２８号公報
【特許文献２】特開平８−５０９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２の二次電池３００において、負極３０１のエッジ部で実用的な電界強度まで弱めるためには、負極３０１を正極３０２に対してかなり大きくしなければならず、電池が大きくなり放電効率が低下する問題があった。
【００１０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、負極でのデンドライトの生成を抑制し、信頼性の優れた金属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】
【００１１】
本発明の加工装置は、負極となる板状体の金属極と、正極となる空気極と、金属極と空気極との間に介在する電解液層とを備える金属空気電池であって、金属極は、電解液層と接するエッジ部の少なくとも一つに面取り構造が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、面取り構造は、金属極の板厚の１０〜４０％に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、面取り構造は、Ｃ面取りにより形成されており、金属極の端面を含む平面とＣ面取りの傾斜面とのなす角度が、３０〜６０度であることを特徴とする。
【００１４】
また、面取り構造は、Ｒ面取りにより形成されていることを特徴とする。
【００１５】
また、金属極の両側に空気極を備えるバイセル構造であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、負極でのデンドライトの生成を抑制し、信頼性の優れた金属空気電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１の金属空気電池１０１の構成を示す断面図である。
【図２】実施例１の金属極の面取り構造を示す断面図である。
【図３】実施例２の金属極の面取り構造を示す断面図である。
【図４】実施例３の金属空気電池１０２の構成を示す断面図である。
【図５】従来技術の金属空気電池の断面図である。
【図６】従来技術の電気力線を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、金属空気電池における特徴的構成について説明を行うが、その他の構成については電池の一般的な技術が適用可能である。
【実施例１】
【００１９】
図１は、実施例１に係る金属空気電池１０１の概略構成を示す断面図である。
【００２０】
実施例１の金属空気電池１０１は、図１に示すように、セル１内に、負極となる金属極２、正極となる空気極３、および電解液層４を備えている。
【００２１】
金属極２は、本実施例では、燃料金属を担持するための燃料支持金属２１にて形成される。燃料支持金属２１は、燃料金属とは異なる金属からなり、充放電時に化学反応するものではない。燃料支持金属２１としては、例えば、ＳＵＳやＮｉ等の金属が使用されるが、その種類は特に限定されるものではない。また、金属極２は、燃料支持金属２１単体からなる構成に限定されるものではなく、めっき等で表面に燃料支持金属２１が形成される構成であってもよい。
【００２２】
燃料金属は、充電によって金属極２の表面、すなわち燃料支持金属２１の表面に析出される。また、放電によって生じる燃料金属の酸化物は、使用する燃料金属の種類によって、存在の仕方が異なる。例えば、燃料金属として亜鉛を用いた場合、放電によって生じた酸化亜鉛が電解液層４中に沈殿する。無論、金属空気電池１０１において使用可能な燃料金属は、亜鉛に限定されるものではなく、他の種類の燃料金属（例えば、リチウム）も使用可能である。
【００２３】
空気極３は、電荷を集電する集電体３１、電極反応を促進させる触媒層３２とからなる。また、空気極３の外側には、セル１内に電解液を保持し、外部から酸素を取り込むための撥水膜５が設けられている。触媒層３２には、白金や酸化マンガン等の触媒が担持されており、さらにバインダー樹脂等が塗布されている。
【００２４】
電解液層４に使用される電解質の種類は、特に限定されるものではないが、例えば、燃料金属として亜鉛を用いた場合には、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物が一般的に使用される。
【００２５】
実施例１の金属空気電池１０１は、図１に示すように、金属極２と空気極３とを備えた２極方式の電池であるが、本発明は、３極方式の電池にも適用可能である。３極方式では、金属極２および空気極３の他にさらに図示しない補助極を備え、充電時には空気極３を使わず補助極を用いることで、充電により空気極３が劣化することを防止できる。
【００２６】
本発明の金属空気電池１０１は、金属極２を充電する時に、燃料支持金属２１の表面に樹枝状のデンドライトが生成されることを防止している。具体的には、金属極２の電解液層４と接するエッジ部の少なくとも一つに面取り構造２２を形成することにより、エッジ部の電界強度を弱めてデンドライトの生成を抑制するものである。
【００２７】
図２は、実施例１の金属空気電池１０１の金属極２の先端形状を示した断面図である。本発明の金属空気電池１０１は、金属極２となる燃料支持金属２１が電解液層４と接するエッジ部の少なくとも一つに、機械加工や研磨加工等によって形成された面取り構造２２を設けている。金属極２のエッジ部に面取り構造２２を設けることにより、エッジ部に残っていたバリなどの尖った部分や鋭角な部分が除去され、充電時にエッジ部の電界集中が緩和されてデンドライトの生成を抑制することができる。
【００２８】
図２（ａ）は、本発明の金属空気電池１０１の金属極２に設けられた面取り構造２２であり、金属極２の片側のエッジ部をＣ面取りして形成している。面取り構造２２は、少なくとも電界が集中しやすいエッジ部、具体的には金属極２が空気極３または補助極と対向する側のエッジ部に設けることが好ましい。
【００２９】
面取り構造２２の幅Ｄは、電界集中をより効果的に緩和するために、図２（ａ）に示すように、金属極２の板厚Ｔの１０〜４０％に形成されていることが好ましい。面取り構造２２の幅Ｄは、１０％以下では電界緩和の効果が弱く、４０％以上では先端部が鋭角に近づいて先端部に電界が集中しやすくなってしまう。
【００３０】
また、金属極２の端面を含む平面とＣ面取りの傾斜面とのなす角度Ａは、電界の集中をより防ぐうえで、３０度以上、６０度以下であることが好ましい。面取り構造２２のＣ面取りの角度Ａは、３０度より小さくても、また、６０度より大きくても、電界緩和の効果が弱くなってしまう。
【００３１】
なお、面取り構造２２は、図２（ｂ）に示すように、金属極２の端面の両側のエッジ部に設けてもよい。また、面取り構造２２を設ける端部の位置は、図１に示したように金属極２の下端に限定されるものではなく、金属極２の側端部や上端部など、電解液層４に接するエッジ部のいずれにも面取り構造２２を設けることができる。
【実施例２】
【００３２】
図３は、実施例２の金属極２の端部を示した側面図である。実施例２では、金属極２となる燃料支持金属２１のエッジ部をＲ面取りして面取り構造２３を形成したことを特徴としている。面取り構造２３をＲ面で形成することにより、電界緩和の効果をさらに向上することができる。
【００３３】
面取り構造２３の幅Ｄは、電界集中をより効果的に緩和するために、図３（ａ）に示すように、金属極２の板厚Ｔの１０〜４０％に形成されていることが好ましい。面取り構造２３の幅Ｄは、１０％以下では電界緩和の効果が弱く、４０％以上では先端部が鋭角に近づいて先端部に電界が集中しやすくなってしまう。
【００３４】
なお、面取り構造２３は、図３（ｂ）に示すように、金属極２の端面の両側のエッジ部に設けてもよい。また、面取り構造２３を設ける端部の位置は、図１に示したように金属極２の下端に限定されるものではなく、金属極２の側端部や上端部など、電解液層４に接するエッジ部のいずれにも面取り構造２３を設けることができる。
【実施例３】
【００３５】
図４は、実施例３に係る金属空気電池１０２の概略構成を示す断面図である。実施例３の金属空気電池１０２は、図４に示すように、金属極２と、金属極２の両側に設けられた空気極３で構成されたバイセル構造となっている。バイセル構造では、２つの空気極３と金属極２の両側で生じる電気化学反応を利用できるため、金属空気電池１０２の放電出力をさらに向上することができる。
【００３６】
このようなバイセル構造では、図２（ｂ）に示した実施例１の面取り構造２２や、図３（ｂ）に示した実施例２の面取り構造２３のように、金属極２の端面の両側のエッジ部に面取り構造２２や面取り構造２３を設けることが好ましい。
【００３７】
また、金属空気電池１０２は、図４に示すように、金属極２および空気極３以外に、金属極２の近傍に補助極６を加えた３極方式の電池であってもよい。充電時には空気極３を使わず補助極６を用いることで、２極方式における空気極３の空気極が劣化する問題を解決することができる。
【００３８】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３９】
１  セル
２  金属極
３  空気極
４  電解液層
５  撥水膜
６  補助極
２１  燃料支持金属
２２、２３  面取り構造
３１  集電体
３２  触媒層
１０１、１０２  金属空気電池
【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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【図６】
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