(57)【要約】【課題】高い効率で再充電できる再充電可能マグネシウム電池を提供する。【解決手段】マグネシウム電池は、負極、正極および電解質触媒を含む。負極は、電池の放電中にマグネシウムイオンを放出し、かつ、電池の充電中にマグネシウム元素を沈殿または析出させるように構成されている。正極は、電池の放電中に少なくともマグネシウムおよび酸素を含む放電生成物を沈殿または析出させ、かつ、電池の充電中にマグネシウムイオンおよび酸素を放出するように構成されている。電解質触媒は負極と正極の間にある。電解質触媒は、放電生成物の上における電解質触媒、またはその陰イオンの少なくとも１つの吸着を促進するように構成された任意の適切な化合物である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の放電中にマグネシウムイオンを放出し、かつ、電池の充電中にマグネシウム元素を沈殿または析出させるように構成された負極、
電池の放電中に少なくともマグネシウムおよび酸素を含む放電生成物を沈殿または析出させ、かつ、電池の充電中にマグネシウムイオンおよび酸素を放出するように構成された正極、および
前記負極と前記正極の間の非水系のマグネシウムイオン伝導体を備え、
前記非水系のマグネシウムイオン伝導体に含まれる電解質触媒であって、陰イオンを含んでいる電解質触媒を備え、
前記電解質触媒、前記電解質触媒の陰イオン、または前記電解質触媒および前記電解質触媒の陰イオンの両方は、前記放電生成物に吸着するように構成されている再充電可能マグネシウム電池。
【請求項２】
前記電解質触媒は陰イオンを含んでおり、前記放電生成物の分解電位より高い電位において前記放電生成物に吸着する請求項１に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項３】
前記放電生成物の分解電位は、２．５Ｖを上回る請求項２に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項４】
前記放電生成物はＭｇＯｘ、またはＭｇＡｘＢｙを含んでおり、
前記ＭｇＯｘは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）、および超酸化マグネシウム（Ｍｇ（Ｏ２）２）のうちの１つであり、
前記ＭｇＡｘＢｙのＡは酸素（Ｏ）であり、
前記ＭｇＡｘＢｙのＢは塩素（Ｃｌ）、炭素（Ｃ）、または水素（Ｈ）である請求項１に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項５】
前記電解質触媒は陰イオンを含み、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の表面に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）より高い価電子のエネルギー準位をもつ陰イオン吸着状態を提供するために酸化マグネシウム（ＭｇＯ）に吸着する請求項１に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項６】
前記電解質触媒はハロゲンを含んでいる陰イオンを含み、酸化マグネシウムに吸着する請求項１に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項７】
前記電解質触媒は塩素を含んでいる陰イオンを含み、酸化マグネシウムに吸着する請求項６に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項８】
前記電解質触媒は有機的な陰イオンを含み、酸化マグネシウムに吸着するように構成されている請求項１に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項９】
前記電解質触媒は陰イオンを含み、過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）より高い価電子のエネルギー準位をもつ陰イオン吸着状態を過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）の表面上に提供するために過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）に吸着するように構成されている請求項１に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項１０】
前記電解質触媒はハロゲンを含んでいる陰イオンを含み、過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）に吸着するように構成されている請求項１に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項１１】
前記電解質触媒は塩素を含んでいる陰イオンを含み、過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）に吸着するように構成されている請求項１０に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項１２】
前記電解質触媒は有機的な陰イオンを含み、過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）に吸着するように構成されている請求項１に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項１３】
前記電解質触媒は、溶媒中に（ＰｈＭｇＣｌ）４−Ａｌ（ＯＰｈ）３として形成され、Ｐｈはフェニル基である請求項１に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項１４】
前記電解質触媒は溶媒の中で吸着されている請求項１３に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項１５】
前記溶媒はエーテルを含む請求項１４に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項１６】
電池の放電中にマグネシウムイオンを放出し、かつ、電池の充電中にマグネシウム元素を沈殿または析出させるように構成された負極、
電池の放電中に少なくともマグネシウムおよび酸素を含む放電生成物を沈殿または析出させ、かつ、電池の充電中にマグネシウムイオンおよび酸素を放出するための正極、および
前記負極と前記正極の間の非水系のマグネシウムイオン伝導体を備え、
前記非水系のマグネシウムイオン伝導体に含まれる電解質触媒であって、塩素を含む陰イオンを含んでいるマグネシウムアルミニウムクロリド複合体である電解質触媒を備え、
前記電解質触媒、前記電解質触媒の陰イオン、または前記電解質触媒および前記電解質触媒の陰イオンの両方は、前記放電生成物に吸着するように構成されている再充電可能マグネシウム電池。
【請求項１７】
前記マグネシウムアルミニウムクロリド複合体は塩素イオンを含み、過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）より高い価電子のエネルギー準位をもつイオン吸着状態を過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）の表面上に提供するために過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）に吸着するように構成されている請求項１６に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項１８】
前記電解質触媒は溶媒中に（ＰｈＭｇＣｌ）４−Ａｌ（ＯＰｈ）３として形成され、Ｐｈはフェニル基である請求項１６に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項１９】
前記電解質触媒は溶媒の中で吸着されている請求項１８に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【請求項２０】
前記溶媒はエーテルを含む請求項１９に記載の再充電可能マグネシウム電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は再充電可能なマグネシウム電池に関する。再充電可能なマグネシウム電池は、マグネシウム二次電池、再充電可能なマグネシウム酸素電池、または再充電可能な空気マグネシウム電池とも呼ばれる。
【背景技術】
【０００２】
この項は、発明に関連する背景技術を開示するが、それは公知の従来技術として開示されるものではない。
【０００３】
特許文献１−４は、マグネシウム電池を開示する。再充電可能なマグネシウム電池は、ハイブリッド車両および電気自動車における車両推進動力用としての使用に適しているが、改良が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／００４５０７１Ａ１号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／０１４１３２４Ａ１号
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１４／０１７４９３５Ａ１号
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１４／０３０２４０３Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
再充電可能マグネシウム電池には、例えば、より高い効率で充電できることが求められている。この開示は、このような要求に応えるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この項は、発明に関する概略的な開示を与えるが、その全範囲またはその全特徴の包括的な開示ではない。
【０００７】
この開示は、負極、正極、および正極と負極との間の非水系のマグネシウムイオン伝導体を有する再充電可能マグネシウム電池を提供する。非水系のマグネシウムイオン伝導体に電解質触媒が含まれている。電解質触媒は陰イオンを含んでいる。電解質触媒、電解質触媒の陰イオン、または、電解質触媒および電解質触媒の陰イオンの両方は、放電生成物に吸着するように構成されている。電池は、高い効率をもって充電することができる。
【０００８】
この発明を適用可能な分野はここでの開示によって明らかにされる。この発明の概要における説明と具体的な例示とは、具体的な説明を与える用途だけを意図したものであって、本発明の技術的範囲を限定することを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
ここに説明された図面は、選択された実施形態を図示するためだけのものであって、すべての実用的な可能性を示すものではない。そして、ここに説明された図面は、発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【図１】図１は、この開示における再充電可能マグネシウム電池の断面図である。
【図２】図２は、この開示における再充電可能マグネシウム電池の充電反応の一例を示す図であり、電解質触媒の塩化物陰イオンまたは有機物陰イオンのいずれかは、ＭｇＯｘに吸着され得るし、代替的に、電解質触媒全体もＭｇＯｘに吸着され得る。
【図３】図３は、ＭｇＯｘへの触媒吸着の作用を示す図である。
【図４】図４は、ＭｇＯｘへの触媒吸着の効果一覧を示す図である。
【図５】図５は、この開示における再充電可能マグネシウム電池がその本来の容量の１００％まで再充電可能であることを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、発明の複数の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１において、この開示における再充電可能マグネシウム電池の一例は、符号１０によって示されている。電池１０は一般に負極１２、正極１４、および負極１２と正極１４の間の非水系の電解質溶液１６を含んでいる。図示された電池１０の配置は、例示目的のものにすぎない。電池１０は、図１に例示された配置に加えて多数の他の配置を持つことができる。
【００１２】
負極１２は、マグネシウムを吸着し、マグネシウムイオンを放出するように構成された任意の適切な電極である。負極１２は、マグネシウムイオンを吸着し、放出するように構成された任意の適切な活物質層を含んでもよい。負極１２の活物質は、特定の材料に限定されない。活物質は、従来の任意の適切な材料である。例えば、活物質は、１４ミリメートルの直径、および０．１ミリメートルの厚さをもつ金属マグネシウム（例えばGoodfellow Cambridge Limited製の９９．９％の純度を備えたもの）である。代替的に、活物質は、マグネシウム合金のような金属材料、あるいはマグネシウムイオンを吸着し放出するための化合物でも良い。さらに、活物質は、これらの材料の組合わせでも良い。マグネシウム合金の付随成分は、アルミニウム、亜鉛、マンガン、シリコン、カルシウム、鉄、銅あるいはニッケルを含むことができる。負極１２は、例えば電池１０の下部ケーシング２０の上に配置されるなど、任意の適切な態様で配置することができる。下部ケーシング２０は、ステンレス鋼のような任意の適切な材料によって作ることができる。下部ケーシング２０は、負極１２のための電気的な接続部２２を有することができる。
【００１３】
負極１２は、充電のための大きい容量をもつ任意の適切な材料、例えば黒鉛のような、マグネシウムイオンを吸着し、および放出するための任意の適切な化合物を含むことができる。代替的に、化合物は、短周期型周期表における４Ｂ族金属元素（又は任意の他の適切な金属元素）から、または、シリコンと錫などのようなハーフメタルの単一体若しくは合金から作られていてもよい。具体的には、化合物は、シリコンおよび／または錫を含む合金、あるいは黒鉛または無定形炭素のような炭素物質で作られていてもよい。これらの化合物の単一の集まりは活物質として使用される。代替的に、これらの化合物の組合わせが、活物質として使用される。
【００１４】
活物質層が負極１２の上に分散配置される場合、活物質層は負極１２を形成するために集電装置に適用されてもよい。集電装置が適切な導電性をもつ限り、任意の適切な集電装置が使用されてもよい。集電装置は、例えば、銅、ステンレス鋼、チタニウム、またはニッケルの箔または網状体である。さらに、これらの材料を含む電池１０の任意の他の適切な部分も集電装置として機能してもよい。
【００１５】
正極１４は、電池１０の放電中に少なくともマグネシウムおよび酸素を含む放電生成物を生産するのに適した任意の電極である。放電生成物は、二元性化合物（ＭｇＯｘ）、または三元性化合物（ＭｇＡｘＢｙ、（Ａは酸素（Ｏ）、Ｂは塩素（Ｃｌ）、炭素（Ｃ）、または水素（Ｈ）））である。なお、ｘおよびｙは、整数であり、ｘがｙと等しい場合と等しくない場合とがある。ＭｇＯｘは、酸化マグネシウム（magnesium oxide：ＭｇＯ）、過酸化マグネシウム（magnesium peroxide：ＭｇＯ２）、および超酸化マグネシウム（magnesium superoxide：Ｍｇ（Ｏ２）２）のうちの１つである。例えば、放電生成物はＭｇＯ２である。正極１４は、電池１０の放電中に放電生成物の生産を促進するために、任意の適切な触媒または促進剤を含んでいてもよい。触媒は、任意の適切な手法で正極１４に予め設けられていてもよい。また、例えば、図１に図示されるように、正極１４には促進剤を含む触媒層３０があってもよい。触媒層３０は、非水系の電解質溶液１６に隣接して配置され、かつ、非水系の電解質溶液１６とガス拡散層３４との間に配置されている。ガス拡散層３４は触媒層３０と集電装置３２の間にある。
【００１６】
触媒層３０と負極１２の間に、セパレータ４０がある。セパレータ４０は、ドイツのEL-Cell GmbH社から入手可能なガラス繊維セパレータ（ECC1-01-0012-A/L）のような任意の適切なセパレータである。セパレータ４０は、非水系の電解質溶液１６がセパレータ４０に浸透するように負極１２と正極１４とを電気的に絶縁するように構成された任意の適切なセパレータである。セパレータ４０は例えばポリオレフィンポリマー（polyolefin polymer）製の多孔性フィルムのような多孔性の合成樹脂フィルムである。具体的には、セパレータ４０はポリエチレンポリマー（polyethylene polymer）製の多孔性フィルム、またはポリプロピレン（polypropylene）製の多孔性フィルムでもよい。代替的に、セパレータ４０は、樹脂製の不織布、ガラス繊維の不織布などでもよい。非水系の電解質溶液１６は、正極１４の触媒層３０と負極１２との間にある。
【００１７】
電解質溶液１６は、負極１２と正極１４の間においてマグネシウムイオンを導くのにふさわしい非水系のマグネシウムイオン伝導体のような任意の適切な電解質溶液でもよい。電池１０を１００％まで充電することを促進するために、電解質溶液１６は任意の適切な電解質触媒を含んでいる。触媒は、放電生成物への触媒および／または触媒の陰イオンの吸着を促進する電解質溶液１６の中に存在する任意の化合物である。したがって、他の陰イオンの吸着の促進に加えて、触媒それ自身は、放電生成物上に吸着する陰イオンの種でもある。このように、触媒は陰イオンを含むことができる。触媒および／または触媒の陰イオンは、ＭｇＯｘのような放電生成物に、例えば、ＭｇＯｘの分解電位より高いそれにおいて、吸着するように構成されている。「分解電位」は、理想的には、ＭｇＯｘおよびＭｇ＋Ｏ２の平衡電位を意味する。例えば、ＭｇＯとＭｇ＋Ｏ２との平衡電位は約２．９Ｖである。また、ＭｇＯ２とＭｇ＋Ｏ２との平衡電位は、約２．９Ｖである。ＭｇＯｘの分解電位は欠陥などにより平衡電位より低くなることがある。電解質溶液１６は、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）（（ＣＨ２）４Ｏ））の中の（ＰｈＭｇＣｌ）４−Ａｌ（ＯＰｈ）３（Ｐｈは任意の適切なＣ６Ｈ５フェニル基）のような電解質である場合がある。電解質触媒はこの電解質の中で形成される。
【００１８】
電解質触媒は、ＡＰＣ（all-phenyl complex）と呼ばれる電解質、またはマグネシウムアルミニウムクロリド複合体（magnesium aluminum chloride complex：ＭＡＣＣ）と呼ばれる電解質のような任意の他のマグネシウム電解質の中で形成されてもよい。電解質触媒は、例えば、ＭｘＡｙ（Ｍはマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、またはガリウム（Ｇａ）であり、Ａはハロゲンまたは有機基である）、または、ＭｘＡｙＢｚ（Ｍはマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、またはガリウム（Ｇａ）であり、Ａはハロゲンまたは有機基であり、Ｂはハロゲンあるいは有機基である）である。なお、ｘ、ｙおよびｚは整数であり、ｘは、ｙおよびｚと等しい場合、または等しくない場合がある。例えば、電解質触媒は、ＭｇＣｌ３−、ＭｇＣｌ４２−、ＡｌＣｌ４−、（ＯＰｈ）ＡｌＣｌ３−、ＧａＣｌ４−、ＢＣｌ４−の場合がある。溶媒はＴＨＦに制限されない。ＴＨＦの代わりに、溶解力のある任意の他の溶媒、またはイオン液体を使用することができる。ここに説明されるように、電解質触媒は陰イオンを含んでいる。電解質触媒および／または電解質触媒の陰イオンは、放電生成物上に吸着するように構成され、それは放電生成物の価電子のエネルギーを上げ、電池１０が高い効率で充電されることができるようにする。これは、少なくとも一部分は、ＭｇＯｘから電極への電子移動が再充電の間における限定的な因子であるから、および、価電子（ＥＯＶ）のエネルギー準位が電子移動の割合に影響するからである。
【００１９】
非水系の電解質溶液１６は、従来の非水系の電解質溶液の１つの種類または多数の種類の組合わせなどの任意の適切な有機溶媒も含んでいてもよい。例えば、有機溶媒は、環状エステル（cyclic ester）、鎖状エステル（chained ester）、環状エーテル（cyclic ether）、鎖状エーテル（chained ether）、環状炭酸塩（cyclic carbonate）、鎖状炭酸塩（chained carbonate）、またはこれらの溶媒の組合わせである場合がある。具体的には、例示的な鎖状エーテル化合物（chained ether compound）は、ジエチレングリコールジメチルエーテル（diethylene glycol dimethyl ether）である。例示的な環状エーテル化合物（cyclic ether compound）はテトラヒドロフラン（tetrahydrofuran）である。例示的な環状炭酸塩（cyclic carbonate）は、炭酸エチレン（ethylene carbonate）、または炭酸プロピレン（propylene carbonate）である。例示的な鎖状炭酸塩は、炭酸ジメチル（dimethyl carbonate）、または炭酸ジエチル（diethyl carbonate）である。非プロトン有機溶媒が高度の酸素可溶性を有する場合、溶かされた酸素は反応に有効に使用される。イオン液体が再充電可能な電池１０の中で非水系の電解質溶液に使用される限り、イオン液体は特定の液体に制限されない。例示的な陽イオン要素は、１−メチル−３−エチルイミダゾリウム陽イオン（1-methyl-3-ethyl imidazolium cation）、またはジエチルメチル（メトキシ）アンモニア塩基陽イオン（diethyl methyl （methoxy） ammonium cation）である。例示的な陰イオン要素は、ＢＦ４−、または（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２Ｎ−である。
【００２０】
正極１４は、酸素ガスのような任意の適切な活物質を含む空気電極である。図１に図示されるように、電池１０は、触媒層３０へ酸素ガスを拡散するために穿孔された集電装置３２およびガス拡散層３４を経由して、大気から得られる空気のような、酸素を含む外部空気を導入するための酸素入口３６Ａ、および酸素出口３６Ｂを有する。より具体的には、酸素入口３６Ａは電池１０のキャップ８０（ここではステンレス鋼製キャップ８０）を通して、そして、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の棒状部材８４によって区画形成された穴８２を通して延びている。穴８２および棒状部材８４は、集電装置３２に酸素を向かわせるためにキャップ８０と集電装置３２の間に配置されている。ＰＴＦＥ製の棒状部材８４は、電池１０の構成部品を圧縮するためのスプリング８６、または他の適切な装置を備えることができる。スプリング８６は、金メッキされたスプリングのような、任意の適切な導電性のスプリングである。金メッキされたスプリング８６は、集電装置３２に圧接され、かつ、下部ケーシング２０のステンレス鋼から絶縁されている。したがって、キャップ８０は、スプリング８６を経由して、正極１４に導通する。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）層９０は負極１２および正極１４を絶縁する。酸素ガスは、外部空気に含まれるか、または、任意の適切な手法を使用して満たされた高濃度酸素容器から供給される。例えば、酸素ガスは、純粋酸素ガス容器、または他の酸素蓄積装置から供給されてもよい。
【００２１】
ガス拡散層３４は任意の適切なガス拡散層であってもよい。例えば、ガス拡散層３４はカーボン紙（例えば、Ion Power, Inc.,社によって製造されるSigracet 25BC）を含んでいてもよい。ガス拡散層３４は集電装置３２に装着することができる。正極１４のための電気的な接続部８８は、キャップ８０に含むことができる。正極１４は、このように、集電装置３２、触媒層３０、ガス拡散層３４のカーボン紙、および酸素ガスを有する空気電極である。
【００２２】
触媒層３０は、例えば、プラチナ、ＭｎＯ２、ＭｇＯ２（触媒層３０中の促進剤／触媒は電解液１６の触媒とは異なる）である金属および金属酸化膜のような、充電の間に容易に分解される放電生成物の生成を促進する任意の適切な化合物を含んでいる。電気化学的な反応の滑らかな進行を考慮して、酸化触媒、および／または触媒層３０は、高い導電性を有している。この場合、促進剤は、導電性部材、および／または導電性部材と促進剤とを接合するための接合材を含んでいてもよい。導電性部材は、適切な伝導性がある任意の適切な導電性部材とすることができる。例えば、導電性部材は、炭素物質あるいは金属の粉状部材である。炭素物質は、例えば、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、または炭素繊維である。接合材は、任意の適切な接合部材である。例えば、接合材は、ポリビニリデンジフルオリド（polyvinylidene difluoride：ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene：ＰＴＦＥ）、フッ素化エチレンエチレンプロピレン共重合体（フッ素樹脂の共重合体）（fluorinated ethylene ethylene−propylene copolymer （fluorine resin copolymer））、または、エチレンプロピレンジエンモノマー（ethylene propylene diene monomer：ＥＰＤＭ）、ブタジエンスチレンゴム（styrene−butadiene rubber）、およびニトリルゴム（nitrile rubber）のようなゴム樹脂である。
【００２３】
ガス拡散層３４は、電池１０の放電反応の間に入口３６Ａから触媒層３０に導入された酸素ガスを拡散する。電池１０が再充電されている場合、ガス拡散層３４は、出口３６Ｂへ向けて生成された酸素ガスを拡散する。ガス拡散層３４は、例えば、炭素などで作られた導電性のシートであってもよく、多孔性であってもよい。例えば、ガス拡散層３４は、紙状炭素材料、布状炭素材料、またはフエルト状炭素材料を含むことができる。
【００２４】
集電装置３２は、電池１０の電気化学的な反応によって生成された電流を集めるように構成されている。集電装置３２は、適切な導電性がある任意の材料によって形成することができる。例えば、集電装置３２はニッケル、ステンレス鋼、プラチナ、アルミニウム、またはチタンを含むことができる。集電装置３２は、任意の適切な形をもつことができ、例えば、箔状、板状、または網状である。例えば、酸素ガスの確実な拡散のために、集電装置３２は、網状の形状をもつことができる。図示された例において、集電装置３２は、穿孔された形状をもつことができ、プラチナで覆われたステンレス鋼を含むことができる。
【００２５】
電池１０は特定の形状に制限されない。例えば、電池１０は、コイン状の形、筒状の形、四角形などの形状をもつことができる。電池１０は、特定の容器に制限されない。例えば、容器は、外部の形を維持する金属または樹脂製の容器、積層包装材料のような柔軟な容器、または類似物であってもよい。電池１０が空気電極を含んでいる場合、電池１０の容器は開放型容器、または閉鎖型容器であってもよい。
【００２６】
電池１０の放電中に、上述のように、少なくともマグネシウムおよび酸素を含んでいる放電生成物が正極１４において生成される。ＭｇＯｘ（ＭｇＯ、ＭｇＯ２、またはＭｇ（Ｏ２）２）のような放電生成物は、正極活物質として酸素を使用する放電反応期間の間に生成される。
【００２７】
過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）に関して、放電反応において正極１４で促進される電気化学的反応は、下記である。
Ｍｇ２＋＋Ｏ２＋２ｅ−  →  ＭｇＯ２
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）に関して、放電反応において正極１４で促進される電気化学的反応は、下記である。
２Ｍｇ２＋＋Ｏ２＋４ｅ−  →  ２ＭｇＯ
ＭｇＯ２に関して、充電反応において正極１４で促進される電気化学的反応は、下記である。
ＭｇＯ２  →  Ｍｇ２＋＋Ｏ２＋２ｅ−
ＭｇＯに関して、充電反応において正極１４で促進される電気化学的反応は、下記である。
２ＭｇＯ  →  ２Ｍｇ２＋＋Ｏ２＋４ｅ−
電池１０の放電中に、負極１２では、マグネシウムイオンが生成されるように、負極活物質としての金属マグネシウムは電子を放出する。マグネシウムイオンは非水系のマグネシウムイオン伝導体において可溶である。正極１４では、酸素が還元されイオン化されるように、酸素は、負極でマグネシウムから放出された電子を外部回路を通して受け取る。さらに、放電生成物が上記の反応によって生成されるように、酸素イオンは電解質溶液１６中のマグネシウムイオンと結合する。
【００２８】
電池１０が充電される場合、電子がそこから回収されるように、放電生成物が分解される。図２に図示されるように、この開示による電解質触媒はＭｇＯまたはＭｇＯ２のような放電生成物上に吸着する。電解質触媒は任意の適切なハロゲン、または、任意の適切な有機基を含むことができる。ハロゲンは、例えば、Ｆ−、Ｃｌ−、Ｂｒ−、Ｉ−である。有機基は、例えば、フェニル基（Ｃ６Ｈ５−）、フェノール基（ＯＣ６Ｈ５−）、エチル基（Ｃ２Ｈ５−）、パラアミノ馬尿酸塩（p-aminohippurate（ＰＡＨ））、環状ヌクレオチド（cyclic nucleotides）、プロスタグランジン（prostaglandins）、または、ジカルボン酸（dicarboxylates）である。
【００２９】
したがって、放電生成物は酸素を放出するために酸化される。さらに、マグネシウムイオンは、上記の方程式にしたがって、非水系の電解質溶液１６に放出される。負極１２では、金属マグネシウムが形成されるように、非水系の電解質溶液１６の中のマグネシウムイオンは、放電生成物から回収された電子を、外部回路を通して、受け取る。
【００３０】
ＭｇＯｘの上における電解質触媒の吸着は、多数の利点を提供する。例えば、図３に図示されるように、電解質触媒は、ＭｇＯ２の価電子のエネルギーを、電解質触媒の吸着のないＭｇＯ２のそれと比較して約１．５ｅＶ上げる。より高い原子価のエネルギーは、ＭｇＯｘから電極への電子移動を促進し、ＭｇＯｘが容易に分解されるようにし、電池１０の充電効率を上げる。
【００３１】
図４に図示されるように、例えば、電解質触媒のＯＰｈ−がその上に吸着したＭｇＯの価電子のエネルギー準位は、電解質触媒のＣｌ−がその上に吸着したＭｇＯの価電子のエネルギー準位も同様に、電解質触媒がその上に吸着していないＭｇＯの価電子のエネルギー準位よりも高い。電解質触媒のＣｌ−がその上に吸着したＭｇＯの価電子のエネルギー準位は、電解質触媒のＯＰｈ−がその上に吸着したＭｇＯの価電子のエネルギー準位より高い。同様に、電解質触媒のＣｌ−がその上に吸着したＭｇＯ２の価電子のエネルギー準位は、電解質触媒のＯＰｈ−がその上に吸着したＭｇＯ２の価電子のエネルギー準位より高く、この電解質触媒のＯＰｈ−がその上に吸着したＭｇＯ２の価電子のエネルギー準位は、触媒がその上に吸着していないＭｇＯ２の価電子のエネルギー準位よりも高い。電解質触媒のＣｌ−がその上に吸着したＭｇＯ２の価電子のエネルギー準位は、電解質触媒のＣｌ−がその上に吸着したＭｇＯの価電子のエネルギー準位より高い。触媒の吸着は、ＭｇＯおよびＭｇＯ２の例のために図４に図示されているが、ＭｇＯｘとは異なるひとつの化学当量をもつより一般的な放電生成物のための同様の利点を奏する。
【００３２】
この開示に関する陰イオンを含む電解質触媒の使用に起因する価電子のエネルギーの増加は、多数の利点を提供する。例えば、増加した価電子のエネルギーは、過電圧の抑制を生じる。価電子のエネルギー準位の変化、および価電子エネルギーの増加は、ＭｇＯｘの分解を促進し、電池１０の再充電を促進する。さらに、特に触媒からのＣｌ−がＭｇＯ２の上に吸着される用途において、より小さい充電過電圧で充電可能である。さらに、図５において、例えば、電池１０は、その容量の約１００％まで充電することができる。具体的には、図５の例において、当初容量または放電容量として１２μＡｈ／ｃｍ２を有する電池１０は、約１２μＡｈ／ｃｍ２まで充電することができる。
【００３３】
価電子のエネルギーは、密度汎関数理論を使用する第一原理シミュレーション（First−principle simulation）によって得られる。第一原理シミュレーションは、ウィーン大学の第一原理シミュレーションパッケージ（Vienna ab initio simulation package）（ＶＡＳＰコード）を使用して行なわれた。
【００３４】
この開示は、その複数の実施形態を参照することによって説明されているが、この開示は、実施形態および構成に限定されないものと理解されるべきである。この開示は、多様な変形例と、均等の構成とを包含することを意図している。加えて、ここに説明された多様な組み合わせおよび構成が望ましいが、さらに多くの、さらに少ない、またはたったひとつの要素を含む他の組み合わせおよび構成もまた、この開示の要旨および範囲の中にある。
【００３５】
例示された実施形態は、この開示が完全になるように、そして、この開示が当業者に技術的範囲を完全に伝えるように提供されている。特定の成分、装置、および方法の例示のような多数の特定の詳細な説明は、この開示の実施形態についての完全な理解を提供するために述べられている。特定の詳細が採用される必要がない場合があること、例示された実施形態が多数の異なる形態によって実施可能であること、そして、何も開示の範囲を限定するように解釈されるべきではないことは当業者には明白である。いくつかの例示された実施形態では、周知の方法、周知の装置構造、および周知の技術は、詳細に記述されない。  
【００３６】
ここに使用される用語は、特別の例示された実施形態だけを記述するためのものであり、制限的な意図はない。ここに使用されるように、文脈が明確に反対のことを示さない限り、１つを示す語は複数形をも含むように意図されている。用語「備える」「有する」「含む」「もつ」は、包括的であって、したがって記述された特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または部品の存在を述べており、しかし、ひとつまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、部品、および／またはそれらの組み合わせの追加または存在を除外しない。ここに説明された方法の工程、処理、および操作は、実行の順序として特別に指定されない限り、説明され、または図示された特定の順序での実行を要求するものとして解釈されない。さらに、追加的な、または代替的な工程が採用可能であるとも理解されるべきである。
【００３７】
ひとつの要素または層と、他の要素または層とが、「上に」、「連結されて」、「接続されて」、または「組み合わせられて」のように参照される場合、ひとつの要素または層と、他の要素または層とは、「直接に」または「介在要素または介在層が存在して」上に、連結されて、接続されて、または組み合わせられていてもよい。反対に、ひとつの要素または層と、他の要素または層とが、「直接に上に」、「直接に連結され」、「直接に接続され」、または「直接に組み合わせられ」と参照される場合、そこには介在要素または介在層は存在しなくてもよい。複数の要素の間の関係を説明する他の用語（例えば、「の間」と「の間に直接に」、「隣接する」と「直接に隣接する」など）は、同様に解釈されるべきである。ここに使用されるように、用語「および／または」は、関連付けて列挙された要素のすべての１つ、または、複数のすべての組み合わせを含んでいる。
【００３８】
ここでは、様々な要素、部品、領域、層、および／または区分について記述するために、第１、第２、第３などの用語が使用されることがあるが、それらの要素、部品、領域、層、および／または区分はそれらの用語では限定されない。これらの用語はひとつの要素、部品、領域、層、また区分を他の要素、部品、領域、層、また区分から区別するために単純に使用される。文脈によって明示されない限り、「第１」、「第２」および他の数詞は使用された場合に順序または順番を意味しない。したがって、例示された実施形態の教示から外れずに、ここに記述の第１要素、第１部品、第１領域、第１層、および第１区分は、第２要素、第２部品、第２領域、第２層、および第２区分としても記述可能である。
【００３９】
空間的な相対的な用語、例えば、「内部の」、「外部の」、「の下に」「以下に」「より低い」、「上に」、「上部の」などは、図面に図示されたひとつの要素または特徴の他の要素または特徴に対する関係を記述するための記載を簡単にするために用いられている。空間的に相対的な用語は、図の中に描かれた方向に加えて、使用または操作において装置の異なる方向を包含するように意図されている。例えば、図の中の装置がひっくり返される場合、他の要素または特徴の「以下に」または「下に」と記述された要素または特徴は、他の要素または特徴の「上に」と方向付けられる。したがって、例えば、用語「以下に」は「上に」と「以上に」の両方を包含することができる、装置は他の方向付けられてもよく（９０度回転された方向、または他の方向）、また、ここに用いられた空間的な相対的説明用語はそのように適合的に解釈されてもよい。
【００４０】
以上に述べた実施形態の説明は、図示と説明のために与えられたものである。そこには、発明を限定する意図や、網羅的にする意図はない。それぞれの個別の構成要素、または特定の実施形態の特徴は、その特定の実施形態に限定されない。しかし、具体的に図示され説明されていない限り、適用可能であれば、それらは互いに入れ替え可能であり、特定の選ばれた実施形態において利用可能である。それぞれの個別の構成要素、または特定の実施形態の特徴は、多くの手法に変形可能でもある。それらの変形例は発明からの派生物として考慮されるべきではなく、すべてのそれらの変形例は発明の技術的範囲に属するべきものとして意図されている。
【符号の説明】
【００４１】
１０  電池、１２  負極、１４  正極、１６  電解質溶液、
２０  下部ケーシング、２２  接続部、
３０  触媒層、３２  集電装置、３４  ガス拡散層、
３６Ａ  入口、３６Ｂ  出口、
４０  セパレータ、
８０  キャップ、８２  穴、８４  棒状部材、
８６  スプリング、８８  接続部、
９０  ＰＴＦＥ層
【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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