(57)【要約】【課題】電池性能の低下を抑制することが可能な金属空気電池を提供する。【解決手段】負極と、正極と、負極及び正極の間に配置された電解質と、これらを収容する外装体と、を備え、負極は、外装体から取り出し可能であり、負極に、負極活物質と、二酸化炭素吸収剤と、これらを保持する導電性保持体と、が備えられている、金属空気電池とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極と、正極と、負極及び正極の間に配置された電解質と、これらを収容する外装体と、を備え、
前記負極は、前記外装体から取り出し可能であり、
前記負極に、負極活物質と、二酸化炭素吸収剤と、これらを保持する導電性保持体と、が備えられている、金属空気電池。
【請求項２】
前記二酸化炭素吸収剤が、ＭｇＯ、ソーダ石灰、ソーダアスベスト、Ｌｉ２ＺｒＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４、酸化カルシウム、ハイドロタルサイト様化合物、ゼオライト、金属有機構造体、Ｌｉ２Ｏ、及び、Ｎａ２Ｏからなる群より選択された１又は２以上の物質である、請求項１に記載の金属空気電池。
【請求項３】
前記二酸化炭素吸収剤が、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、及び、水酸化ナトリウムからなる群より選択された１又は２以上の物質であり、且つ、前記電解質が前記二酸化炭素吸収剤とは異なる物質である、請求項１に記載の金属空気電池。
【請求項４】
前記二酸化炭素吸収剤が、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、及び、水酸化ナトリウムからなる群より選択された１又は２以上の物質であり、且つ、
前記電解質に、前記二酸化炭素吸収剤と同じ物質が含まれ、且つ、前記電解質の塩溶解量が過飽和である、請求項１に記載の金属空気電池。
【請求項５】
前記負極活物質は、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｍｇ、及び、Ｃａからなる群より選択された少なくとも１以上を含んでいる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属空気電池。
【請求項６】
前記電解質が水系電解液であり、且つ、該水系電解液に、ＬｉＯＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、及び、Ｓｒ（ＯＨ）２からなる群より選択された電解質塩が含有されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属空気電池。
【請求項７】
前記正極で電気化学反応をする正極活物質が酸素である、請求項１〜６のいずれか１項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、金属空気電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
正極活物質として酸素を利用する空気電池は、エネルギー密度が高い等の多くの利点を有している。空気電池としては、例えば、鉄空気電池や亜鉛空気電池等の金属空気電池が知られている。金属空気電池は、一般に、導電性材料（例えば炭素材料）及びバインダーを含む空気極（正極）と、負極活物質（金属や合金等）を含む負極と、空気極及び負極の間に介在する電解質と、を備えている。液状の電解質（電解液）が用いられる場合、電解液は、絶縁性の多孔質体であるセパレータに含浸された状態で、空気極と負極との間に配置される。
【０００３】
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、亜鉛負極と、金属酸化物、黒鉛、活性炭、及び、フッ素系結着剤を主成分とする正極材料を金属メッシュに充填した空気極とを備える空気亜鉛電池において、空気極に二酸化炭素吸収剤を添加する技術が開示されている。また、特許文献２には、空気極と、空気孔を有する正極ケースとの間に二酸化炭素吸収剤を有する空気電池が開示されている。また、特許文献３には、金属酸化物、黒鉛、活性炭、及び、フッ素系結着剤を主成分とする正極触媒層を集電体に合わせた触媒シートに撥水膜を貼り合わせた構造の空気極と拡散紙を備えた空気電池において、空気極の撥水膜面と拡散紙との間に樹脂フィルムを内包した二酸化炭素吸収剤を配置する技術が開示されている。また、特許文献４には、空気極と空気孔を有する正極ケースとの間に、その表面層が細孔を有する樹脂フィルムで内面層が二酸化炭素吸収剤を含浸した多孔体からなる二酸化炭素吸収体を配した空気電池が開示されている。また、特許文献５には、底面に空気供給孔を設けた正極ケース内に、正極触媒層とその空気拡散側に配した撥水膜とを設け、この撥水膜と空気供給孔との間に、二酸化炭素吸収層を設けた空気ボタン電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３７３５号公報
【特許文献２】特開２００７−１４１７４５号公報
【特許文献３】特開２００５−２６１４４号公報
【特許文献４】特開平７−３７６２４号公報
【特許文献５】特開昭６２−２７２４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１乃至特許文献５に開示されている従来の技術では、二酸化炭素吸収剤が用いられているので、空気電池内に混入した二酸化炭素を低減することが可能と考えられる。しかしながら、これらの技術では、空気極（正極）側に二酸化炭素吸収剤が配置されている。二酸化炭素吸収剤は、二酸化炭素を吸収することにより膨張すると考えられるので、空気極側に二酸化炭素吸収剤を配置すると、二酸化炭素吸収剤が膨張した際に、空気極が破損する虞がある。空気極が破損すると、酸素の供給が妨げられる虞があるため、従来の技術では、空気電池の性能が低下する虞があった。また、例えば金属空気一次電池の場合、負極活物質は反応により劣化するため、電池の性能を一定以上に保つために、負極活物質を交換する。ここで、負極活物質を交換する際に、電解質や空気極を交換する形態も考えられる。しかしながら、電解質や空気極も交換すると、金属空気一次電池の多くの構成要素を交換することになるため、コストが増大しやすい。したがって、コストの増大を抑制する観点からは、空気極は交換しないことが好ましい。空気極を交換しない金属空気電池に、特許文献１乃至特許文献５に開示されている技術を適用すると、二酸化炭素吸収剤が交換されないので、時間の経過とともに二酸化炭素の吸収能が低下しやすい。二酸化炭素の吸収能が低下すると、例えば電解液に含まれているイオンと二酸化炭素とが反応することにより炭酸化合物が生成される。この炭酸化合物によって空気極の細孔が塞がれると、空気の供給が妨げられる。さらに、炭酸化合物の生成反応に使用されて電解液に含まれているイオンが低減すると負極における電気化学反応の発生頻度が低下するため、電池の性能が低下しやすい。すなわち、特許文献１乃至特許文献５に開示されている技術には、電池の性能が低下しやすいという問題があった。
【０００６】
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金属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】
【０００７】
本発明者は、鋭意検討の結果、取り出し可能に構成された金属空気電池の負極に、二酸化炭素吸収剤を含有させることにより、負極の交換時に二酸化炭素吸収剤を回収できるので、電池性能の低下を抑制することが可能になることを知見した。本発明は、当該知見に基づいて完成させた。
【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、
本発明は、負極と、正極と、負極及び正極の間に配置された電解質と、これらを収容する外装体と、を備え、負極は、外装体から取り出し可能であり、負極に、負極活物質と、二酸化炭素吸収剤と、これらを収容する導電性収容体と、が備えられている、金属空気電池である。
【０００９】
このように構成される金属空気電池は、負極活物質と共に、二酸化炭素吸収剤を外装体から取り出すことができる。二酸化炭素吸収剤を取り出すことにより、二酸化炭素吸収性能が低下した二酸化炭素吸収剤を、二酸化炭素吸収性能が低下していない二酸化炭素吸収剤に交換することができるので、二酸化炭素の吸収性能を一定水準以上に保つことができる。二酸化炭素の吸収性能を一定水準以上に保つことにより、金属空気電池内における炭酸化合物の生成を抑制できるので、電池性能の低下を抑制することが可能になる。
【００１０】
また、上記本発明において、二酸化炭素吸収剤が、ＭｇＯ、ソーダ石灰、ソーダアスベスト、Ｌｉ２ＺｒＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４、酸化カルシウム、ハイドロタルサイト様化合物、ゼオライト、金属有機構造体（ＭＯＦ）、Ｌｉ２Ｏ、及び、Ｎａ２Ｏからなる群より選択された１又は２以上の物質であることが好ましい。このような形態にすることにより、電池性能の低下を抑制することが可能な金属空気電池を容易に得ることが可能になる。
【００１１】
また、上記本発明において、二酸化炭素吸収剤が、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、及び、水酸化ナトリウムからなる群より選択された１又は２以上の物質であり、且つ、電解質が上記二酸化炭素吸収剤とは異なる物質であっても良い。このような形態であっても、電池性能の低下を抑制することが可能な金属空気電池を容易に得ることが可能になる。
【００１２】
また、上記本発明において、二酸化炭素吸収剤が、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、及び、水酸化ナトリウムからなる群より選択された１又は２以上の物質であり、且つ、電解質に、上記二酸化炭素吸収剤と同じ物質が含まれ、且つ、電解質の塩溶解量が過飽和であっても良い。このような形態であっても、電池性能の低下を抑制することが可能な金属空気電池を容易に得ることが可能になる。
【００１３】
また、上記本発明において、負極活物質は、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｍｇ、及び、Ｃａからなる群より選択された少なくとも１以上を含んでいることが好ましい。このような形態にすることにより、電池性能の低下を抑制することが可能な金属空気電池を容易に得ることが可能になる。
【００１４】
また、上記本発明において、電解質が水系電解液であり、且つ、該水系電解液に、ＬｉＯＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、及び、Ｓｒ（ＯＨ）２からなる群より選択された電解質塩が含有されていることが好ましい。このような形態にすることにより、電池性能の低下を抑制することが可能な金属空気電池を容易に得ることが可能になる。
【００１５】
また、上記本発明において、正極で電気化学反応をする正極活物質として酸素を用いることができる。このような形態にすることにより、電池性能の低下を抑制することが可能な金属空気電池を容易に得ることが可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
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】本発明の金属空気電池１０を説明する断面図である。
【図２】負極１１を説明する図である。
【図３】負極２１を説明する図である。
【図４】本発明の金属空気電池２０を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。以下の図面では、繰り返される符号の一部を省略することがある。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ない。
【００１９】
図１は、本発明の金属空気電池を説明する断面図である。図１には、本発明の金属空気電池の一形態である鉄空気一次電池１０（以下において、単に「電池１０」ということがある。）を示している。図１では、電池１０を簡略化して示している。図１に示すように、電池１０は、負極活物質として機能する鉄を含有している負極１１と、正極１２と、負極１１及び正極１２の間に配置され、且つ、負極１１及び正極１２の間に配置される電解質１３を保持するセパレータ１４と、負極１１に接続された負極集電体１５と、正極１２に接続された正極集電体１６と、これらを収容する外装体１７と、を備え、外装体１７の一部が撥水膜１８で構成されている。負極１１は、シート状であり、外装体１７から取り出し可能に構成されている。正極１２は、正極１２における酸素（正極活物質）の反応を生じやすくする触媒を、結着剤を用いて導電性部材に保持させた構造をしている。電解質１３は、ＫＯＨを含有している電解液（以下において、「電解液１３」ということがある。）である。セパレータ１４は、電解液１３を保持できる空隙や孔を有する、樹脂製の多孔質部材である。負極集電体１５及び正極集電体１６は、電気を外部へ取り出す際などに用いられる。また、外装体１７は、その一部を構成している撥水膜１８を介して、外装体１７の周囲に存在している空気を正極１２へと拡散させることが可能なように構成されている。電池１０は、撥水膜１８等を用いて、電解液１３が外装体１７から漏洩しないように構成されている。
【００２０】
空気に含まれている酸素を正極１２へ到達させて放電反応を生じさせることにより電池１０を作動させると、負極１１では下記式（１）で表される反応が生じ、正極１２では下記式（２）で表される反応が生じる。
Ｆｅ ＋ ２ＯＨ− → Ｆｅ（ＯＨ）２ ＋ ２ｅ−          …式（１）
１／２Ｏ２ ＋ Ｈ２Ｏ ＋２ｅ−→ ２ＯＨ−              …式（２）
ここで、空気には二酸化炭素が含まれている。そのため、酸素が正極１２へ到達可能な状態になると、二酸化炭素が電解液１３に混入するようになる。その結果、下記式（３）で表される反応が生じ得る。
２ＫＯＨ ＋ ＣＯ２ → Ｋ２ＣＯ３＋ Ｈ２Ｏ             …式（３）
【００２１】
上記式（３）で表される反応が生じることにより生成した炭酸カリウムが、正極１２に析出すると、正極１２へと拡散してくる酸素の流通経路を閉塞する虞がある。酸素の流通経路が閉塞されることにより酸素の供給が妨げられると上記式（２）で表される反応が生じ難くなるため、電池１０の性能が低下する。本発明では、このような事態を防止するために、負極１１に二酸化炭素吸収剤（以下において、「ＣＯ２吸収剤」ということがある。）を含有させている。
【００２２】
図２は、負極１１を説明する図である。負極活物質１１ａ及びＣＯ２吸収剤１１ｂの配置を理解しやすくするため、図２では、導電性保持体１１ｃの形状を簡略化して示している。図２に示すように、負極１１は、負極活物質１１ａと、ＣＯ２吸収剤１１ｂと、これらを保持する導電性保持体１１ｃと、を有している。負極活物質１１ａは鉄粉であり、ＣＯ２吸収剤１１ｂはＭｇＯ粒子である。導電性保持体１１ｃは、電解液１３に存在しているＯＨ−を負極活物質１１ａへと到達させる細孔を有し、且つ、負極活物質１１ａ及びＣＯ２吸収剤１１ｂを保持する、導電性の部材である。
【００２３】
図１に示すように、負極１１は電解液１３と接触している。それゆえ、電池１０では、ＣＯ２吸収剤１１ｂと電解液１３に混入している二酸化炭素とが接触する。その結果、下記式（４）及び（５）で表される反応が生じる。
ＭｇＯ ＋ Ｈ２Ｏ → Ｍｇ（ＯＨ）２                    …式（４）
Ｍｇ（ＯＨ）２ ＋ ＣＯ２→ ＭｇＣＯ３                 …式（５）
【００２４】
このように、電池１０によれば、負極１１に含有されているＣＯ２吸収剤１１ｂによって、電解液１３に混入している二酸化炭素を吸収すること（低減すること）ができる。電解液１３に混入している二酸化炭素を吸収することにより、上記式（３）で表される反応を抑制することができるので、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電池１０を提供することができる。
【００２５】
式（４）及び（５）に示したように、ＣＯ２吸収剤１１ｂは、二酸化炭素を吸収することにより、当初の形態（ＭｇＯ）から炭酸マグネシウムへと変化する。それゆえ、二酸化炭素を吸収するにつれて、負極１１に備えられている、二酸化炭素を吸収していないＣＯ２吸収剤１１ｂの残量は、低減する。このように、負極１１に備えられているＣＯ２吸収剤１１ｂによる二酸化炭素の吸収性能には限りがあるので、二酸化炭素を吸収するにつれて、負極１１に備えられているＣＯ２吸収剤１１ｂによる二酸化炭素吸収性能は低下すると考えられる。
一方、式（１）に示したように、放電反応を生じさせると負極活物質１１ａが他の物質へと変化する。それゆえ、電池１０の性能を一定以上に保つためには、式（１）で表される反応が生じ難くなる前に、初期の状態から変化した負極活物質（以下において、当該負極活物質を「負極活物質１１ａ’」と言うことがある。）を交換することが望まれる。かかる観点から、電池１０では、負極活物質１１ａ’及び初期の状態から変化したＣＯ２吸収剤（以下において、当該ＣＯ２吸収剤を「ＣＯ２吸収剤１１ｂ’」と言うことがある。）を備えた負極（以下において、当該負極を「負極１１’」と言うことがある。）を、外装体１７から取り出し可能に構成している。電池１０によれば、負極活物質１１ａ’を交換するために負極１１’を外装体１７から取り出す際に、ＣＯ２吸収剤１１ｂ’も同時に外装体１７から取り出すことができる。このようにして、外装体１７から負極１１’を取り出したら、その後、負極１１’に代えて、負極活物質１１ａ、ＣＯ２吸収剤１１ｂ、及び、導電性保持体１１ｃを備えた負極１１を、外装体１７に収容する。負極１１’を負極１１へと交換することにより、上記式（１）、（４）、及び、（５）が生じやすい状態になるので、本発明によれば、電池１０の性能低下を抑制することができる。
【００２６】
これに対し、本発明とは異なり、正極側にＣＯ２吸収剤を配置する従来技術において、二酸化炭素の吸収性能を一定以上に維持するためには、正極を交換することが考えられる。上述のように、鉄空気一次電池では、負極活物質を交換するために負極を交換するので、正極を交換する従来技術では、正極及び負極を交換することが必要になる。正極及び負極を交換する形態では、交換作業の所要時間が長くなりやすく、交換のためのコストが増大しやすい。このような問題点を解決するため、本発明では、二酸化炭素吸収剤が負極に備えられる構成にしている。二酸化炭素吸収剤が負極に備えられていることにより、正極を交換する必要が無くなるので、交換作業の所要時間を短縮することが可能になり、交換のためのコストも低減することが可能になる。
【００２７】
このほか、電解液に二酸化炭素が混入しないようにする技術としては、アルカリ性の物質が充填された槽を有する二酸化炭素吸収装置（ＣＯ２スクラバー）を用いる形態や、酸素透過膜を用いる形態等がある。二酸化炭素吸収装置を用いる形態であれば、上記式（３）で表される反応を抑制することは可能と考えられる。しかしながら、当該形態では、電池と共に二酸化炭素吸収装置を用いることになるため、電池の体積エネルギー密度が低下しやすい。これに対し、本発明では、電池１０の構成要素である負極１１にＣＯ２吸収剤１１ｂが備えられる形態にしているので、二酸化炭素吸収装置を用いる形態と比較して、電池１０の体積エネルギー密度を高めることが可能になる。また、従来の酸素透過膜を用いる形態では、酸素透過性が低いため、電池の性能が低下しやすい。さらに、当該形態によって二酸化炭素の透過を完全に防止することは事実上不可能であるため、上記式（３）で表される反応を抑制し難いと考えられる。
【００２８】
本発明において、負極１１’を外装体１７から取り出す方法は、特に限定されず、公知の方法で取り出すことができる。例えば、電池１０を用いる機器に電池１０が取り付けられた状態で負極１１’を取り出しても良く、当該機器から電池１０を取り外した後に、電池１０から負極１１’を取り出しても良い。具体的な取り出し方としては、負極１１’を外装体１７から引き抜く、負極集電体１５及び負極１１’を外装体１７から取り出した後に負極１１’を負極集電体から剥がす、等の形態を採ることができる。
【００２９】
本発明において、負極１１’を負極１１に交換する方法は、特に限定されない。環境への影響やコスト等を総合的に勘案して、適切な形態を適宜選択することができる。例えば、負極１１’を負極１１に交換した後、負極１１’から負極活物質１１ａ’及びＣＯ２吸収剤１１ｂ’を分離回収し、続いて、負極活物質１１ａ’を負極活物質１１ａに再生し、且つ、ＣＯ２吸収剤１１ｂ’をＣＯ２吸収剤１１ｂに再生してから、再生された負極活物質１１ａ及びＣＯ２吸収剤１１ｂを再利用する形態、とすることができる。このほか、例えば、負極１１’から負極活物質１１ａ’及びＣＯ２吸収剤１１ｂ’を分離回収し、続いて、負極活物質１１ａ’を負極活物質１１ａに再生する一方、ＣＯ２吸収剤１１ｂ’については再利用するための再生を行わず、新たなＣＯ２吸収剤１１ｂを導電性保持体１１ｃに充填する形態、とすることも可能である。
【００３０】
負極１１’から負極活物質１１ａ’及びＣＯ２吸収剤１１ｂ’を分離回収する方法は、特に限定されず、公知の方法を適宜用いることができる。本発明では、例えば、電位−ｐＨ線図からそれぞれの金属（負極活物質１１ａ’のＦｅ、及び、ＣＯ２吸収剤１１ｂ’のＭｇ）の溶解性の違いを利用して、一方を選択的に溶解させて他方を抽出することができる。このほか、エタノール等に代表される低級アルコールに負極１１’を浸すことにより、ＣＯ２吸収剤１１ｂ’を沈殿させて分離することも可能である。
【００３１】
また、負極活物質１１ａ’を負極活物質１１ａに再生する方法や、ＣＯ２吸収剤１１ｂ’をＣＯ２吸収剤１１ｂに再生する方法は、特に限定されない。負極活物質１１ａ’を負極活物質１１ａに再生する方法としては、内部を還元雰囲気にした熱処理炉を用いて熱処理（還元熱処理）をすることにより、負極活物質１１ａ’を負極活物質１１ａに再生する形態等を例示することができる。また、ＣＯ２吸収剤１１ｂ’をＣＯ２吸収剤１１ｂに再生する方法としては、水にＣＯ２吸収剤１１ｂ’を浸すことにより、下記式（６）で表される反応を生じさせた後、当該反応で生成した水酸化マグネシウムを、内部を還元雰囲気にした熱処理炉を用いて熱処理（還元熱処理）をすることにより、ＣＯ２吸収剤１１ｂ’をＣＯ２吸収剤１１ｂに再生する形態等を例示することができる。
ＭｇＣＯ３ ＋ Ｈ２Ｏ → Ｍｇ（ＯＨ）２ ＋ ＣＯ２        …式（６）
【００３２】
本発明に関する上記説明では、シート状の負極１１を例示したが、本発明で使用可能な負極の形態は、これに限定されない。そこで、他の形態の負極２１を図３に示す。
【００３３】
図３は、本発明で使用可能な負極２１の形態を説明する上面図である。図３において、図２に示した構成要素と同様に構成されるものには、図２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。負極活物質１１ａ及びＣＯ２吸収剤１１ｂの配置を理解しやすくするため、図３では、導電性保持体２１ｃの形状を簡略化して示している。
図３に示すように、負極２１は上面から見たときの形状が円形である、略筒状の形態をしている。負極２１は、負極活物質１１ａと、ＣＯ２吸収剤１１ｂと、これらを保持する導電性保持体２１ｃと、を有している。導電性保持体２１ｃは、負極２１が用いられる金属空気電池の電解質に存在しているＯＨ−を負極活物質１１ａへと到達させる細孔を有し、且つ、負極活物質１１ａ及びＣＯ２吸収剤１１ｂを保持する、導電性の部材である。このような形態の負極２１であっても、負極２１を取り出した際に、負極活物質１１ａ及びＣＯ２吸収剤１１ｂを同時に取り出すことができるので、負極１１を備えた電池１０と同様の効果を奏することが可能である。
【００３４】
本発明に関する上記説明では、一方向から見たときに、負極活物質１１ａ及びＣＯ２吸収剤１１ｂが交互に配置されている形態の負極１１及び負極２１を例示したが、本発明の金属空気電池に用いられる負極は、当該形態に限定されない。本発明における負極は、負極活物質と、二酸化炭素吸収剤と、これらを保持する導電性保持体と、を備えていれば良く、負極を何れの方向から見ても、負極活物質及びＣＯ２吸収剤が交互に配置されていない形態とすることも可能である。ただし、電子を生じさせる反応に用いられる負極活物質の数を増大させやすい形態にする等の観点からは、多数の負極活物質が凝集することなく配置されていることが好ましい。また、二酸化炭素を吸収することによりＣＯ２吸収剤が膨張した場合であっても、導電性保持体が破損し難い形態にする等の観点からは、負極活物質及びＣＯ２吸収剤のそれぞれが過度に集まらず、それぞれが満遍なく散らばって配置されていることが好ましい。このような観点から、本発明における負極は、一方向から見たときに、負極活物質及びＣＯ２吸収剤が交互に配置されている形態にすることが好ましい。
【００３５】
本発明において、負極を一方向から見たときに、負極活物質及びＣＯ２吸収剤が交互に配置されるように、導電性保持体へ負極活物質及びＣＯ２吸収剤を配置する方法は、特に限定されない。図２に示した負極１１や図３に示した負極２１は、例えば、負極活物質１１ａが充填された導電性保持体の一部（負極活物質１１ａが充填されている、導電性保持体の部位）と、ＣＯ２吸収剤１１ｂが充填された導電性保持体の一部（ＣＯ２吸収剤１１ｂが充填されている、導電性保持体の部位）とを交互に積層する過程を経て、作製することができる。また、負極活物質が配置される箇所の制御（負極活物質を配置すべき箇所に負極活物質を配置すること）は、例えば、負極活物質を充填する部位に対応する箇所に孔を有し、且つ、負極活物質を充填しない部位に対応する箇所には孔を有しないフィルター等の部材を用いることにより、行うことができる。また、ＣＯ２吸収剤は、例えば以下に示す方法等により、導電性保持体に配置することができる。
上述の方法等により、負極活物質を配置すべき箇所に負極活物質を充填した導電性保持体を、例えば、Ｍｇ塩水溶液に含浸する。その後、水酸化ナトリウム等の塩基性水溶液と反応させることにより、導電性保持体にＭｇ（ＯＨ）２として沈殿析出させる。次いで、Ｍｇ（ＯＨ）２を沈殿析出させた導電性保持体を乾燥し、引き続き、大気雰囲気下で熱処理することにより、導電性保持体にＭｇＯ粒子（ＣＯ２吸収剤）を配置することができる。このほか、この順序を逆にして、負極活物質やＣＯ２吸収剤が配置されるべき導電性保持体内の部位にゲル状のＭｇ（ＯＨ）２を充填した後、これを乾燥し、さらに大気雰囲気下で熱処理することにより、導電性保持体にＭｇＯ粒子（ＣＯ２吸収剤）を配置する。その後、上記フィルター等の部材を用いて、負極活物質を配置すべき導電性保持体内の箇所へ選択的に負極活物質を充填すると同時に、負極活物質を配置すべき箇所に充填されていたＣＯ２吸収剤を押し出す。例えばこのような方法によっても、負極活物質を配置すべき箇所に負極活物質を配置し、且つ、ＣＯ２吸収剤を配置すべき箇所にＣＯ２吸収剤を配置することが可能である。
【００３６】
本発明において、負極活物質は、金属空気電池に使用可能な公知の金属を適宜用いることができる。負極活物質は、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｍｇ、及び、Ｃａからなる群より選択された少なくとも一以上を含んでいることが好ましく、特に、Ｆｅ又はＺｎを含んでいることが好ましい。負極活物質にＦｅ又はＺｎを含有させる場合、負極活物質の全質量に対するＦｅ又はＺｎの質量の割合をｘ［ｗｔ％］とするとき、１０＜ｘ≦１００とすることが好ましく、３０＜ｘ≦１００とすることがさらに好ましく、５０＜ｘ≦１００とすることが特に好ましい。
【００３７】
負極活物質の形態は、特に限定されない。粒子状や板状等、公知の形態の負極活物質を適宜用いることができ、金属空気電池の性能を高めやすい形態にする等の観点からは、粒子状であることが好ましい。粒子状の負極活物質を用いる場合、その大きさは特に限定されない。例えば、直径が１００ｎｍ以上である粒子状の負極活物質を用いることができる。また、直径が１ｍｍ以下である粒子状の負極活物質を用いることができる。粒子状の負極活物質を用いる場合、その直径は、金属空気電池の性能、及び、製造コスト等を総合的に勘案して、適宜決定することができる。
【００３８】
また、二酸化炭素吸収剤は、（１）金属空気電池内で負極活物質、正極活物質、及び、電解質と反応せず、且つ、（２）二酸化炭素と反応したり二酸化炭素を吸収したりすることにより、金属空気電池内の二酸化炭素を低減可能、という性質を有する公知の物質を適宜用いることができる。そのような物質としては、ＭｇＯ、ソーダ石灰、水酸化リチウム、ソーダアスベスト、Ｌｉ２ＺｒＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、ハイドロタルサイト様化合物、ゼオライト、金属有機構造体（ＭＯＦ）、Ｌｉ２Ｏ、及び、Ｎａ２Ｏ等を例示することができる。ここで、「ハイドロタルサイト様化合物」は、一般式Ｍ２＋１−ｘＭ３＋ｘ（ＯＨ）２Ａｎ−ｘ/ｎ・ｍＨ２Ｏ（Ｍ２＋は２価の金属イオン、Ｍ３＋は３価の金属イオン、Ａｎ−はｎ価のアニオン、０＜ｘ＜１）で表される化合物の総称である。本発明における二酸化炭素吸収剤として使用可能なハイドロタルサイト様化合物としては、Ｍｇ６Ａｌ２（ＯＨ）１６ＣＯ３・４Ｈ２Ｏ等を例示することができる。また、金属有機構造体（ＭＯＦ）は、多孔性配位高分子（ＰＣＰ）とも呼ばれる。本発明における二酸化炭素吸収剤として使用可能な金属有機構造体（ＭＯＦ）としては、Ｃｕ２（ｐｚｄｃ）２Ｌ（ｐｚｄｃ：2,3-pyrazinedicarboxylate、Ｌ＝dipyridyl-based ligand）等を例示することができる。
【００３９】
本発明において、二酸化炭素吸収剤が、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、及び、水酸化ナトリウムからなる群より選択された１又は２以上の物質である場合、電解質に含有させる電解質塩として、二酸化炭素吸収剤と異なる物質を用いても良く、二酸化炭素吸収剤と同じ物質を用いても良い。ただし、二酸化炭素吸収剤として、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、及び、水酸化ナトリウムからなる群より選択された１又は２以上の物質を用い、且つ、電解質に含有させる電解質塩に二酸化炭素吸収剤と同じ物質が含まれる場合には、電解質の塩溶解量を過飽和にする。換言すれば、電解質に含有させる電解質塩に二酸化炭素吸収剤と同じ物質が含まれる場合には、過飽和に達するまで、この二酸化炭素吸収剤を電解質に添加する。このような形態とすることにより、二酸化炭素吸収剤及び電解質塩に同じ物質を用いた場合であっても、電解質塩の一部を固体の状態で電解液内に保持することが可能になる。その結果、その固体の状態の電解質塩を、二酸化炭素吸収剤として機能させることが可能になる。
【００４０】
また、本発明において、電解質として水系電解液を用いる場合、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、及び、水酸化ナトリウムのほか、Ｌｉ２Ｏ、及び、Ｎａ２Ｏのように、水に溶解する物質を二酸化炭素吸収剤として使用する場合には、過飽和に達するまで、水に溶解する二酸化炭素吸収剤（以下において、「溶解型二酸化炭素吸収剤」ということがある。）を電解液に溶解させる。この際、溶解型二酸化炭素吸収剤とは異なる物質を電解質塩として用いる場合には、電解質塩も水系電解液に溶存しているので、溶解型二酸化炭素吸収剤の溶解量が変化することが考えられる。したがって、このような場合には、水系電解液に添加する溶解型二酸化炭素吸収剤の添加量は適宜調整することが好ましい。
【００４１】
二酸化炭素吸収剤の形態は、特に限定されない。粒子状や板状等、公知の形態の二酸化炭素吸収剤を適宜用いることができる。ただし、二酸化炭素吸収性能を高めやすい形態にするとともに、二酸化炭素を吸収することにより膨張した場合に二酸化炭素吸収剤によって占められる空間を、膨張前の二酸化炭素吸収剤の周囲に確保しやすい形態にする等の観点からは、粒子状であることが好ましい。粒子状の二酸化炭素吸収剤を用いる場合、その大きさは特に限定されない。例えば、直径が１００ｎｍ以上である粒子状の二酸化炭素吸収剤を用いることができる。また、直径が１ｍｍ以下である粒子状の二酸化炭素吸収剤を用いることができる。粒子状の二酸化炭素吸収剤を用いる場合、その直径は、二酸化炭素の吸収性能、及び、製造コスト等を総合的に勘案して、適宜決定することができる。
【００４２】
また、導電性保持体は、（１）導電性を有し、（２）イオンが出入りできる孔を有し、（３）負極活物質及び二酸化炭素吸収剤を保持可能、という性質を有していれば、その形態は特に限定されない。導電性保持体は、これらの性質に加えて、さらに（４）金属空気電池内で負極活物質、二酸化炭素吸収剤、及び、電解質と反応しない物質、によって構成されていることが好ましい。加えて、（５）二酸化炭素吸収剤や負極活物質の酸化（例えばＦｅ ＋ ２ＯＨ− → Ｆｅ（ＯＨ）２ ＋ ２ｅ−）に伴う体積変化を緩和することにより導電性保持体の構造を維持可能であることが好ましい。導電性保持体には、例えば、金属空気電池の負極集電体に使用可能な材料等を用いることができる。本発明では、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、及び、Ａｌからなる群より選択された少なくとも一以上を含有する金属層（被覆膜）が表面に形成されている導電性材料や、その全体がＮｉ、Ｃｒ、及び、Ａｌからなる群より選択された少なくとも一以上を含有する金属からなる金属材料等で、導電性保持体を形成することが好ましい。導電性保持体は、例えば、発泡金属によって形成することが可能であり、このほか、メッシュ状／網目状の導電性材料を用いて形成することも可能である。
【００４３】
また、正極の形態は特に限定されず、金属空気電池の正極が採り得る公知の形態にすることができる。正極は、例えば、金属体に触媒及び結着剤が保持された形態にすることができる。正極の金属体は、金属空気電池の正極における、触媒の支持体として使用可能な公知の形態にすることができる。金属体は、電解液に対して安定な公知の金属によって構成することができる。具体的には、例えばＮｉ、Ｃｒ、及び、Ａｌからなる群より選択された少なくとも一以上を含有する金属層（被覆膜）が表面に形成されている金属のほか、その全体がＮｉ、Ｃｒ、及び、Ａｌからなる群より選択された少なくとも一以上を含有する金属からなる金属材料によって、金属体を構成することができる。金属体の形態は、例えば、金属メッシュ、穴開け加工された金属箔、又は、発泡金属体等の公知の形態にすることができる。
金属体に保持される触媒は、金属空気電池に使用可能な、酸素還元能を有する公知の触媒を適宜用いることができる。そのような触媒としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等を例示することができ、カーボンの表面に触媒を担持させた形態であることが好ましい。カーボンの表面に担持させる触媒としては、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、及び、Ｐｔ等の白金族；Ｃｏ、Ｍｎ又はＦｅ等の遷移金属を含むペロブスカイト型酸化物；Ｒｕ、Ｉｒ又はＰｄ等の貴金属酸化物を含む無機化合物；ポルフィリン骨格又はフタロシアニン骨格を有する金属配位有機化合物；二酸化マンガン（ＭｎＯ２）及び酸化セリウム（ＣｅＯ２）等の無機セラミックス；これらの材料を混合した複合材料等を挙げることができる。
金属体に触媒と共に保持される結着剤は、金属空気電池に使用可能な、公知の結着剤を適宜用いることができる。そのような結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を例示することができる。
【００４４】
また、電解質の形態は、特に限定されない。水系電解液であっても良く、非水系電解液であっても良い。これらの中では、水系電解液を用いることが好ましい。水系電解液は、電解質塩及び水を含有する。電解質塩は、水に対して溶解性を有し、所望のイオン伝導性を発現する公知の電解質塩を適宜用いることができ、中でも、少なくとも１種以上のアルカリ金属やアルカリ土類金属が電解質塩に含まれることが好ましい。そのような電解質塩としては、ＬｉＯＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、及び、Ｓｒ（ＯＨ）２等を例示することができる。
また、電解質として電解液（液状の電解質）を用いる場合、電解液は、アルカリ性であることが好ましい。電解液のｐＨは７以上であることが好ましく、１２以上であることがさらに好ましい。
【００４５】
また、セパレータの形態は特に限定されず、アルカリ電池で使用可能な公知のセパレータを適宜用いることができる。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース等の多孔膜や、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。
【００４６】
また、負極集電体及び正極集電体の形態は特に限定されず、金属空気電池の集電体として使用可能な、電解質に安定な公知の導電性材料を適宜用いることができる。負極集電体や正極集電体は、例えばＮｉ、Ｃｒ、及び、Ａｌからなる群より選択された少なくとも一以上を含有する金属層（被覆膜）が表面に形成されている導電性材料や、その全体がＮｉ、Ｃｒ、及び、Ａｌからなる群より選択された少なくとも一以上を含有する金属からなる金属材料等で集電体を形成することが好ましい。このような導電性材料や金属材料を用いることにより、集電体と電解質との反応を防止することが可能になるので、電解質の漏洩を防止しやすい形態にすることが可能になる。また、負極集電体や正極集電体は、必要に応じて、メッシュ状等の公知の形態にすることができる。
【００４７】
また、撥水膜の形態は特に限定されず、酸素を金属空気電池の正極へと到達させることが可能であり、且つ、電解質の漏洩を防止することが可能な、公知の撥水膜を適宜用いることができる。そのような撥水膜としては、多孔性のフッ素樹脂シート（多孔性ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート等）のほか、金属体側の表面に撥水処理を施した多孔性のセルロース等を例示することができる。
【００４８】
また、外装体の形態は特に限定されず、電解質に対して安定な、公知の物質によって構成することができる。そのような物質としては、Ｎｉ、Ｃｒ、及び、Ａｌからなる群より選択された少なくとも一以上を含有する金属層（被覆膜）が表面に形成された部材や、Ｎｉ、Ｃｒ、及び、Ａｌからなる群より選択された少なくとも一以上を含有する金属のほか、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、及び、アクリル樹脂等に代表される樹脂等を例示することができる。なお、外装体の側面は、必要に応じて、外装体の周囲に存在している空気を外装体の内側へと導く孔を有している。
【００４９】
上記説明では、本発明の金属空気電池として鉄空気一次電池を例示したが、本発明の金属空気電池は当該形態に限定されない。本発明の金属空気電池は、負極活物質に使用する金属の種類に応じて、例えば、亜鉛空気一次電池、アルミニウム空気一次電池、マグネシウム空気一次電池等、他の形態にすることも可能である。
【００５０】
また、上記説明では、負極のみを取り外す（交換する）形態を例示したが、本発明の金属空気電池は当該形態に限定されない。本発明の金属空気電池は、負極に加えて電解質を交換する形態とすることも可能である。なお、二酸化炭素吸収剤を使用しない場合には、電解質のイオン伝導度が低下しやすいため、負極と共に電解質を交換することが好ましいと考えられる。これに対し、本発明では、二酸化炭素吸収剤を使用するため、電解質のイオン伝導度の低下を抑制することが可能である。それゆえ、本発明では、電解質を交換せずに負極のみを交換しても、電池性能の低下を抑制することが可能である。
【００５１】
また、本発明において、負極がシート状（板状）である場合、本発明の金属空気電池は、例えば、シート状の負極、シート状のセパレータ、及び、シート状の正極がこの順で積層されることによって形成された積層体を含む構造体と、電解質とを、外装体に収容した形態にすることができる。また、本発明において、負極が筒状（棒状）である場合、本発明の金属空気電池は、例えば、筒状の負極、当該負極を囲むように配置されたセパレータ、及び、当該セパレータを囲むように配置された正極を有する構造体と、電解質とを、外装体に収容した形態にすることができる。当該形態の金属空気電池の例を、図４に示す。図４において、図２又は図３に示した構成要素と同様に構成されるものには、これらの図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。
【００５２】
図４に示した金属空気電池２０は、負極２１と、その周囲に配置された筒状のセパレータ２４と、該セパレータ２４の周囲に配置された筒状の正極２２と、セパレータ２４の細孔に充填された電解液１３と、負極２１に接続された負極集電体２５と、正極２２の周囲に配置された正極集電体２６と、これらを収容する外装体２７と、を備え、外装体２７の一部が撥水膜２８で構成されている。負極２１は筒状であり、外装体２７から取り出し可能に構成されている。正極２２は、正極２２における酸素（正極活物質）の反応を生じやすくする触媒を、結着剤を用いて導電性部材に保持させた構造をしている。セパレータ２４は、電解液１３を保持できる空隙や孔を有する、樹脂製の多孔質部材である。負極集電体２５及び正極集電体２６は、電気を外部へ取り出す際などに用いられる。また、外装体２７は、その一部を構成している撥水膜２８を介して、外装体２７の周囲に存在している空気を正極２２へと拡散させることが可能なように構成されている。金属空気電池２０は、撥水膜２８等を用いて、電解液１３が外装体２７から漏洩しないように構成されている。このように構成される金属空気電池２０であっても、負極活物質１１ａ、ＣＯ２吸収剤１１ｂ、及び、導電性保持体２１ｃを有する負極２１を備えているので、電池１０と同様の効果を奏することが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１０、２０…金属空気電池
１１、２１…負極
１１ａ…負極活物質
１１ｂ…二酸化炭素吸収剤（ＣＯ２吸収剤）
１１ｃ、２１ｃ…導電性保持体
１２、２２…正極
１３…電解質
１４、２４…セパレータ
１５、２５…負極集電体
１６、２６…正極集電体
１７、２７…外装体
１８、２８…撥水膜
【図１】
2015079692.tif 000003
【図２】
2015079692.tif 000004
【図３】
2015079692.tif 000005
【図４】
2015079692.tif 000006