(57)【要約】      （修正有）【課題】電池の材料コスト低減を図り、電極利用効率を向上させたマグネシウム金属電池を提供する。【解決手段】マグネシウム金属電池１００は、携帯端末Ｓを装着して保持する樹脂製の本体１と、本体１の平面部に構成した電池部２とから構成される。本体１は、電池部２を収納した矩形の平面部３と、平面部３の周囲に設けた壁面４とからなる。平面部３の短辺側に位置する壁面４には、携帯端末Ｓとの間で電気的接続を行う接点部５が設けられる。平面部３の内部には、上記マグネシウム金属電池１００の負極１１、セパレータ１２、正極１４が積層状態で且つ注入した液体が漏れないように封入されている。本体１の端部には、前記負極１１、セパレータ１２、正極１４の積層部分に液体を栓を通じて導入する導入構造６が形成される。【選択図】図３
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる負極と、
吸液性誘電体からなるセパレータと、
導電性多孔質体からなり、前記負極から発生する電子を受け取る正極と、
を有し、
前記セパレータと前記正極との少なくとも一方に、電解質体が塗布されており、
前記電解質体は、海塩、グルタミン酸ナトリウム、炭酸カルシウムおよびクエン酸三ナトリウムからなり、且つ、
上記負極、セパレータ及び正極を内部に封入する本体と、
当該本体１の一部に設けられ且つ内部に液体を導入する導入構造と、
を備えた
前記電解質体が液体に浸漬されることによって活性化するマグネシウム金属電池。
【請求項２】
前記導入構造は、本体の一部に設けた栓と、栓を貫通する針体を有する注射器とから構成される、請求項１に記載のマグネシウム金属電池。
【請求項３】
前記本体は、前記注射器を収納する収納部を有する、請求項２に記載のマグネシウム金属電池。
【請求項４】
マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる負極と、
吸液性誘電体からなるセパレータと、
導電性多孔質体からなり、前記負極から発生する電子を受け取る正極と、
を有し、
前記セパレータと前記正極との少なくとも一方に、電解質体が塗布されており、
前記電解質体は、海塩、グルタミン酸ナトリウム、炭酸カルシウムおよびクエン酸三ナトリウムからなり、且つ、
上記負極、セパレータ及び正極を内部に封入する本体と、
当該本体の内部に設けられ且つ内部に液体を封入した外部刺激で破裂する薄膜袋と、
を備えた
前記電解質体が液体に浸漬されることによって活性化するマグネシウム金属電池。
【請求項５】
前記本体の端部には、レバーと、当該レバーと連動して動作する前記薄膜袋に先端を向けて配置された針体とからなる穿孔構造が設けられた、請求項４に記載のマグネシウム金属電池。
【請求項６】
前記本体は、携帯端末を保持する壁面を有し、且つ、当該携帯端末との間で電気的接続を行う接点部が設けられた、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマグネシウム金属電池。
【請求項７】
前記正極は、微細中空高電導炭素粒をバインダとともに不織布に塗布されることによって製作された、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のマグネシウム金属電池。
【請求項８】
前記セパレータは、紙フィルタによって構成される、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のマグネシウム金属電池。
【請求項９】
前記正極は、微細中空高電導炭素粒を板状に固めてなる、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のマグネシウム金属電池。
【請求項１０】
前記電解質体とともに、または、前記電解質体に代えて、炭酸カルシウムとクエン酸との組み合わせからなる電解質体を、前記セパレータと前記正極とに塗布した、
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のマグネシウム金属電池。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、マグネシウム金属電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、マグネシウム金属電池は、マグネシウムのイオン化を利用して電気化学的にマグネシウムの還元状態（金属単体）と酸化状態との間の化学ポテンシャルを電気エネルギーとして取り出す素子（電池）である。この電池ではマグネシウムは負極と呼ばれ、イオン化により電子を発生する。負極から発生する電子を受け取る電極（正極と呼ばれる）が存在すれば、電気エネルギーを取り出す基本構造を構成できる。そして、負極と正極との間にエネルギーを利用する負荷（モータなど）と電解液部とが直列に設けられると回路が成立する。この回路において、負荷に電流が流れることにより、電気エネルギーを機械運動、光、熱などの形で取り出すことができる。
【０００３】
上記電解液部は、液中で電荷移動を担う電解質（溶質）とそのイオン化を促す溶媒とで構成される液体を有する。特に、本明細書では溶媒を活性液と呼ぶ。
【０００４】
一般に、金属は表面近傍に酸素が存在すると酸化反応が進み、所謂錆による腐食が進む。これにより金属を電極とする電池の性能（主に蓄積エネルギー量）は使用しなくても経年変化により劣化する。その点、マグネシウムは表面の酸化により不働態と呼ばれる保護膜が生成し、それ以上の酸化反応は進まなくなる。マグネシウム金属電池内に電解液が満たされると不働態の溶解により新鮮なマグネシウム面が電解液に露出し、イオン化が開始する。このような性質はマグネシウムなど一部の金属に見られる特徴である。適当な反応性を有するマグネシウム金属電池は、長期間の保存後、簡単な操作で活性化し発電を開始するユニークな特長を持つ。
【０００５】
マグネシウム金属電池の性能は、負極のイオン化と正極の電子吸収とを効率よく行う組成および構造、電解液の性能を決定する電解質（溶質）と溶媒（活性液）の組み合わせ、ならびに、電解液の機能を発現させる活性化の手段、などにより決定される。
【０００６】
なお、従来から特許文献１に開示のマグネシウム金属電池が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許５１９２６１３号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来のマグネシウム金属電池は電解液に浸して用いることから、電解液に浸す作業が面倒であり、その場で直ぐに電池を機能させることができないという問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本考案は、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる負極と、吸液性誘電体からなるセパレータと、導電性多孔質体からなり、前記負極から発生する電子を受け取る正極と、を有し、前記セパレータと前記正極との少なくとも一方に、電解質体が塗布されており、前記電解質体は、海塩、グルタミン酸ナトリウム、炭酸カルシウムおよびクエン酸三ナトリウムからなり、且つ、上記負極、セパレータ及び正極を内部に封入する本体と、当該本体１の一部に設けられ且つ内部に液体を導入する導入構造と、を備えた前記電解質体が液体に浸漬されることによって活性化するマグネシウム金属電池である。
【００１０】
前記導入構造は、本体の一部に設けた栓と、栓を貫通する針体を有する注射器としても良い。また、前記本体は、前記注射器を収納する収納部を有するようにしても良い。
【００１１】
また、本考案は、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる負極と、吸液性誘電体からなるセパレータと、導電性多孔質体からなり、前記負極から発生する電子を受け取る正極とを有し、前記セパレータと前記正極との少なくとも一方に、電解質体が塗布されており、前記電解質体は、海塩、グルタミン酸ナトリウム、炭酸カルシウムおよびクエン酸三ナトリウムからなり、且つ、上記負極、セパレータ及び正極を内部に封入する本体と、当該本体の内部に設けられ且つ内部に液体を封入した外部刺激で破裂する薄膜袋と、を備えた前記電解質体が液体に浸漬されることによって活性化するマグネシウム金属電池である。
【００１２】
前記本体の端部には、レバーと、当該レバーと連動して動作する前記薄膜袋に先端を向けて配置された針体とからなる穿孔構造が設けるのが良い。また、前記本体は、携帯端末を保持する壁面を有し、且つ、当該携帯端末との間で電気的接続を行う接点部を設けても良い。更に、前記正極は、微細中空高電導炭素粒をバインダとともに不織布に塗布されることによって製作されたものであっても良い。更に、前記セパレータは、紙フィルタによって構成されるものとしても良い。
【００１３】
また、前記正極は、微細中空高電導炭素粒を板状に固めてなる構成としても良い。更に、前記電解質体とともに、または、前記電解質体に代えて、炭酸カルシウムとクエン酸との組み合わせからなる電解質体を、前記セパレータと前記正極とに塗布したものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この考案の実施の形態に係るマグネシウム金属電池の基本構造を示す構成例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係るマグネシウム金属電池を液中に浸漬した状態の例を示す図である。
【図３】マグネシウム金属電池の応用例を示す断面図である。
【図４】図３に示したマグネシウム金属電池の平面図である。
【図５】導入構造を示す拡大図である。
【図６】マグネシウム金属電池の別の応用例を示す断面図である。
【図７】図６に示したマグネシウム金属電池の平面図である。
【図８】薄箱体の変形例を示す説明図である。
【図９】導入構造を示す拡大図である。
【考案を実施するための形態】
【００１５】
以下に、実施の形態に係るマグネシウム金属電池を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１６】
[基本構造]
図１は、この考案の実施の形態に係るマグネシウム金属電池の基本構造を示す構成例を示す図である。このマグネシウム金属電池１は、負極１１、セパレータ１２、正極１４を積層した構造になっている。負極１１、正極１４には、それぞれ、端子Ｔ１、Ｔ２が電気的に接続されている。
【００１７】
負極１１は、マグネシウムまたはマグネシウム合金によって構成される。負極１１は、イオン化により電子を発生する。
【００１８】
セパレータ１２は、毛細管現象による吸液性（吸水性）を有する誘電体である。代表的な素材は紙フィルタなどである。セパレータ１２は、電解質を含んでいるときに導電性を実現する。セパレータ１２は、例えば、乾燥時の面密度０．００４７ｇ／ｃｍ２を満たす紙（フィルタ、しかしそれに限定するものではない）によって構成する。
【００１９】
正極１４は、負極１１から発生する電子を受け取る電極である。例えば、微細中空高電導炭素粒であるケッチェンブラック（登録商標）を板状に固めた材料を、正極１４に使用する。この材料を用いることにより、正極反応（電子の吸収）をスムーズに行い、かつ、積層された場合には隣のセルへの漏電を防ぐことができる。これにより、積層された場合でもセル間の絶縁物を用いずに電池性能を最大化できる。正極１４は、導電性多孔質体に、電池を活性化するために用いる電解質を塗布することによって構成してもよい。電解質には、海塩の他、グルタミン酸ナトリウムおよびクエン酸三ナトリウムを用いる。外部から液体が注入されることにより、電解質の作用によって電池としての機能が活性化する。上記電解質は、正極１４と、セパレータ１２との、少なくとも一方に塗布すればよい。
【００２０】
また、誘電体であるセパレータ１２および導電性多孔質体である正極１４には、上記の海塩の他、グルタミン酸ナトリウムおよびクエン酸三ナトリウムからなる電解質とともに、または、前記電解質体に代えて、炭酸カルシウムとクエン酸との組み合わせからなる電解質を塗布してもよい。炭酸カルシウムとクエン酸との組み合わせを塗布することにより、ｐＨ調整機能を持たせることができる。これにより、種々の液体を、活性液として使用できるようにする。
【００２１】
なお、導電性を高めるための炭素粉が塗布されていないので、炭素粉が正極１４から剥がれ落ちたり、炭素粉が電池外部に漏れて環境を汚染したりすることはない。
【００２２】
次に、このマグネシウム金属電池１の動作について説明する。マグネシウム金属電池１は、液中に浸漬することによって、発電する。図２は、マグネシウム金属電池１を、液中に浸漬した状態の例を示す図である。図２に示すように、例えば、容器２０に満たされた液体１０に、マグネシウム金属電池１の少なくとも一部を浸漬する。これにより、マグネシウム金属電池１は、電池としての機能が活性化する。なお、液体１０には、例えば、真水、水道水などの他、金属塩化物水溶液以外の液体を、ｐＨに関わりなく用いることができる。
【００２３】
（活性液注入量の調整）
マグネシウム金属電池１において、電解液の機能を最大限に発揮するためには電解液の濃度が重要である。電解液の濃度は、予め電池に含まれる溶質量と活性液の液量とにより決まる。製品としての電池個々の性能ばらつきを抑えて安定かつ確実に提供するために活性液注入量自動調節機能を設けてもよい。この機能は、例えば、次のように実現する。すなわち、セパレータ１２の仕様と電池スタック全体を内包する容器の特殊構造とにより毛細管現象を発現させ、その特性を制御することにより、適切な活性水量を電池内部に導入することによって、実現する。具体的には、電極スタック構造をその厚さ方向に圧縮する構造をケース内部に設け、セパレータ１２内の微細構造（の大きさ）を制御し所要の毛細管現象量を得ることにより適量の活性化液量導入を実現する。
【００２４】
ここで、マグネシウム金属電池１は、電極層を圧縮した構造を採用してもよい。例えば、負極１１、セパレータ１２、および、正極１４からなるセルを三段積み重ね、厚さ８．７ｍｍに調整する。
【００２５】
吸湿性多孔質体であるセパレータ１２には、適切な毛細管現象を発現するために、例えば面密度が５ミリグラム／平方センチの紙フィルタを用いる。また、導電性多孔質体である正極１４は、例えば、微細中空高電導炭素粒であるケッチェンブラック（登録商標）をバインダとともに不織布に塗布することによって製作する。塗布面密度は、例えば、５０ｍｇ／ｃｍ２である。不織布の面密度は、例えば、０．００３６ｇ／ｃｍ２である。
【００２６】
液体１０には、例えば、真水、水道水などの他、金属塩化物水溶液以外の液体を、ｐＨに関わりなく用いることができる。なお、上記のグルタミン酸ナトリウムは、他の適当なアミノ酸塩で置き換えてもよい。また、上記のクエン酸ナトリウムは他の適当なヒドロキシ酸塩で置き換えてもよい。
【００２７】
（まとめ）
以上説明したマグネシウム金属電池１は、以下の特徴を有する。
【００２８】
（１）マグネシウム金属電池１は、マンガンなどの触媒を介さずに電子の吸収を促進するためグルタミン酸ナトリウム、クエン酸三ナトリウムを電解質として構成される。電解質の液中ではグルタミン酸は電荷移動を、クエン酸はヒドロキシ基に由来するｐＨ調整や電子受容体の役割を果たすと考えられる。マンガンなど金属触媒を用いずに発電が行えるので、電解質の構成の最適化を行い、これにより電池の材料コスト低減および廃棄物処理の問題を解決できる。
【００２９】
（２）マグネシウム金属電池１は、活性液の種類、特性（ｐＨ）に関わらず電池を活性化しマグネシウムのイオン化を促すために炭酸カルシウムとクエン酸との組み合せを利用する。クエン酸の作用により炭酸カルシウムは溶質となり、マグネシウムの電池反応を促進すると考えられる。これにより、マグネシウム電池の電極利用効率（すなわち、電池内マグネシウム総量のうち電気エネルギーに変換される割合）を向上させることができる。
【００３０】
[応用構造]
図３は、上記マグネシウム金属電池の応用例を示す断面図である。図４は、図３に示したマグネシウム金属電池の平面図である。このマグネシウム金属電池１００は、スマートフォン等の携帯端末Ｓの補助電源であり、当該携帯端末Ｓを装着して保持する樹脂製の本体１と、本体１の平面部に構成した電池部２とから構成される。
【００３１】
本体１は、電池部２を収納した矩形の平面部３と、平面部３の周囲に設けた壁面４とからなる。平面部３の短辺側に位置する壁面４には、携帯端末Ｓとの間で電気的接続を行う接点部５が設けられる。接点部５の位置等は、携帯端末Ｓの種類により適宜決定される。接点部５は、本体１に設けたスライダ等により壁面４の内側に突出する構造とする。平面部３の内部には、上記マグネシウム金属電池１００の負極１１、セパレータ１２、正極１４が積層状態で且つ注入した液体が漏れないように封入されている。負極１１、正極１４には、それぞれ、端子Ｔ１、Ｔ２が電気的に接続されている。この端子Ｔ１，Ｔ２は、前記接点部５に接続される。
【００３２】
このように、板状の金属を電極とする金属燃料電池を本体１の内部に構成し、全体として携帯端末Ｓの面積と同じ寸法とする。マグネシウムは、電極材料として質量あたりの電気エネルギー量が多いので携帯端末Ｓの補助電源に好ましい。また、電極構成は携帯端末Ｓの充電電圧と同様の５ボルトとする。電池の出力パワーは携帯端末Ｓの内蔵電池を短時間で充電するよりも長時間連続的に稼働させるように調整される。また、使用者の携帯端末使用パターンに応じて１ワット、２ワット、５ワットの充電パワーを選択できる電力選択装置２０を備える。これらは、本体１の内部に電力選択回路２１を配置してスイッチで選択するようにする。また、本体１に充電状況をモニターし、放電状態を制御するモニター装置２２を付加する。
【００３３】
接点部５の反対側であって本体１の端部には、前記負極１１、セパレータ１２、正極１４の積層部分に液体を栓を通じて導入する導入構造６が形成される。この導入構造６は、図５に示すように、例えばゴム栓７と注射器８とから構成される。ゴム栓７は本体１の端部に露出し、本体１内部まで貫通している。注射器８は専用の小型のものであり、本体１の一部（導入構造６を設けた側とは反対側）に形成した収納部９に収納されている。収納部９は、注射器８の形状に合わせた形状となり、内部に収納した状態で蓋（図示省略）がされている。使用の際は、この注射器８を収納部９から取り出して内部に液体を入れ（図５（ａ））、注射器８の針をゴム栓７に差し込み、ピストンを押す（図５（ｂ））。これにより、前記負極１１、セパレータ１２、正極１４の積層部分に液体が注入されて、電池として機能する。
【００３４】
前記ゴム栓７の形状は、円筒形状で良いがこれに限定されない。また、栓は、ゴム栓７の他、樹脂製の膜等であっても良い。即ち、注射器８の金属製の針を貫通可能な柔かさを備え、内部の液体を封入できる弾性素材であれば栓として機能する。
【００３５】
前記壁面４は、携帯端末Ｓを本体１に保持するように当該携帯端末Ｓの大きさ及び形状に合わせて設計された構造である。この壁面４の端縁に設けたフック構造等により携帯端末Ｓを本体１に装着可能とする。これらの構造は周知のものを適宜採用できる。
【００３６】
このような構成とすれば、ユーザは、使用したいときに注射器８を取り出して適当な液体を内部に入れ、上記のように内部に注入する。これにより、使用したいときに直ぐに使用可能となる。
【００３７】
また、図６は、上記マグネシウム金属電池の別の応用例を示す断面図である。図７は、図６に示したマグネシウム金属電池の平面図である。このマグネシウム金属電池１５０は、上記同様、スマートフォン等の携帯端末Ｓの補助電源であり、当該携帯端末Ｓを装着して保持する樹脂製の本体１と、本体１の平面部３に構成した電池部２とから構成される。
【００３８】
本体１は、電池部２を収納した矩形の平面部３と、平面部３の周囲に設けた壁面４とからなる。平面部３の短辺側に位置する壁面４には、携帯端末Ｓとの間で電気的接続を行う接点部５が設けられる。接点部５の位置等は、携帯端末Ｓの種類により適宜決定される。平面部３の内部には、上記マグネシウム金属電池の負極１１、液体パック、セパレータ１２、正極１４が積層状態で且つ液体が漏れないように封入されている。負極１１、正極１４には、それぞれ、端子Ｔ１、Ｔ２が電気的に接続されている。この端子Ｔ１，Ｔ２は、前記接点部５に接続される。
【００３９】
液体パック３０は、ポリウレタン等で形成され且つ略矩形で全体が薄板状となる薄膜袋３１からなり、内部に水等の液体が封入されている。薄膜袋３１は、外部からの刺激（針による穿孔等）により破裂して内部の液体が負極１１、セパレータ１２、正極１４の間に供給される構造となっている。この薄膜袋３１は、内部に液体を封入した状態で全体が伸びて張力が付与された状態になっており、針により穿孔することで風船が割れるように破裂する。
【００４０】
この薄膜袋３１は、負極１１とセパレータ１２との間に挟まれた状態で押し広げて結果として薄板状となれば良いので、積層前の状態では餅状ないし丸ビスケット形状でも良い。また、薄板状にするため、図８（ａ）に示すように網３２で薄箱体を構成し或いは図８（ｂ）に示すように多数の穿孔がされた板体３３で薄箱体を構成し、この内部に薄膜袋３１を内設しても良い。このようにすれば、針は網の目や孔から内部に侵入可能であり、液体は外部に出ることができる。
【００４１】
接点部５の反対側であって本体１の端部には、穿孔構造３５が設けられる。この穿孔構造３５は、図９に示すように、本体１の端部に設けた引く動作を行えるレバー３６と、このレバー３６に連動して進退動作を行うと共に前記薄膜袋３１に向けて配置された針体３７と、レバー３６と針体３７との間の連動機構とから構成される。連動機構は、中心で回転するアーム３８からなり、一端に前記レバー３６の端部が連結され、他端に針体３７の端部が連結される。なお、誤操作防止のためレバー３６は引くことで針体３７が動作するようにしてある。
【００４２】
このマグネシウム金属電池１５０の使用時には、本体１のレバー３６を引くと、アーム３８が回転し、他端が押されて針体３７が本体１内部に進出する。そして、当該針体３７の先端が液体パック３０の薄膜袋３１に接触して当該薄膜袋３１が破裂する。これにより、前記負極１１、セパレータ１２、正極１４の積層部分に液体が供給されて、電池として機能するようになる。
【００４３】
以上、本考案の実現により携帯端末Ｓのユーザは内部電源の電池切れの心配をする必要がなくなる。また、本電池は他の乾電池式や充電式電池と異なり、携帯端末Ｓのカバーの大きさに収まることが特長であり、また大きさ重量に比べて電池の電気容量が大きいため、携帯端末Ｓのカバーに収まる大きさの電池で一週間以上の連続運転が可能である。ユーザは外部電源をあまり意識せず長期間にわたって安定的に携帯電話を使用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  マグネシウム金属電池
１０  液体
１１  負極
１２  セパレータ
１４  正極
２０  容器
Ｔ１、Ｔ２  端子
【図１】
0003193410.tif 000003
【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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【図７】
0003193410.tif 000009
【図８】
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【図９】
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