(57)【要約】  負極としてマグネシウム電極を備えた電気化学デバイスのための電解液であって、直鎖エーテルを含んで成る溶媒、および、溶媒に含まれるマグネシウム塩を含んで成る電解液が提供される。かかる電解液では、直鎖エーテルが、下記一般式で表される２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位を有するエーテルとなっている。［化１］2020027099.tif 000007  式中、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立して炭素数１以上１０以下の炭化水素基であり、ｎは２以上１０以下の整数である。
2020027099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極としてマグネシウム電極を備えた電気化学デバイスのための電解液であって、
直鎖エーテルを含んで成る溶媒、および
前記溶媒に含まれるマグネシウム塩
を含んで成り、
前記直鎖エーテルが、下記一般式で表される２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位を有するエーテルである、電解液。
［化１］
2020027099.tif 000006
式中、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立して炭素数１以上１０以下の炭化水素基であり、ｎは２以上１０以下の整数である。
【請求項２】
前記炭素数１以上１０以下の炭化水素基が、脂肪族炭化水素基である、請求項１に記載の電解液。
【請求項３】
前記ｎが２以上４以下の整数であって、前記直鎖エーテルが前記エチレンオキシ構造単位を２以上４以下有する、請求項１または２に記載の電解液。
【請求項４】
前記Ｒ１および前記Ｒ２がそれぞれ独立して炭素数１以上４以下の低級アルキル基である、請求項１〜３のいずれかに記載の電解液。
【請求項５】
前記ｎが２であって、前記直鎖エーテルが前記エチレンオキシ構造単位を２つ有する、請求項１〜４のいずれかに記載の電解液。
【請求項６】
前記Ｒ１と前記Ｒ２とが互いに同じアルキル基である、請求項１〜５のいずれかに記載の電解液。
【請求項７】
前記直鎖エーテルが、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルおよびジエチレングリコールエチルメチルエーテルから成る群から選択される少なくとも１種である、請求項１〜５のいずれかに記載の電解液。
【請求項８】
前記マグネシウム塩として、ハロゲン金属塩またはイミド金属塩が含まれる、請求項１〜７のいずれかに記載の電解液。
【請求項９】
前記ハロゲン金属塩が塩化マグネシウムである、請求項８に記載の電解液。
【請求項１０】
前記イミド金属塩が、パーフルオロアルキルスルホニルイミドのマグネシウム塩である、請求項８または９に記載の電解液。
【請求項１１】
前記マグネシウム塩として、塩化マグネシウムとマグネシウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドとが含まれる、請求項１〜７のいずれかに記載の電解液。
【請求項１２】
前記電気化学デバイスの正極が、硫黄を含んで成る硫黄電極である、請求項１〜１１のいずれかに記載の電解液。
【請求項１３】
負極および正極を備えた電気化学デバイスであって、
前記負極がマグネシウム電極であり、
前記電気化学デバイスの電解液が請求項１〜１２のいずれかに記載の電解液である、電気化学デバイス。
【請求項１４】
前記正極が、硫黄を含んで成る硫黄電極である、請求項１３に記載の電気化学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解液および電気化学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学デバイスとしては、キャパシタ、空気電池、燃料電池および二次電池などがあり、種々の用途に用いられている。電気化学デバイスは、正極および負極を備え、かかる正極と負極との間のイオン輸送を担う電解液を有している。【０００３】
例えばマグネシウム電池に代表される電気化学デバイスの電極としては、マグネシウムから成る電極あるいはマグネシウムを少なくとも含んだ電極が設けられている（以下では、そのような電極を単に「マグネシウム電極」とも称し、マグネシウム電極が用いられている電気化学デバイスを「マグネシウム電極系の電気化学デバイス」とも称する）。マグネシウムは、リチウムに比べて資源的に豊富で遙かに安価である。また、マグネシウムは、酸化還元反応によって取り出すことができる単位体積当たりの電気量が一般に大きく、電気化学デバイスに用いた場合の安全性も高い。それゆえ、マグネシウム電池は、リチウムイオン電池に代わる次世代の二次電池として注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開公報ＵＳ２０１３／２５２１１２Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マグネシウム二次電池の電解液としては、マグネシウム塩とそれを溶解させるエーテル系有機溶媒を用いることが提案されている。例えば、米国特許公開公報ＵＳ２０１３／２５２１１２Ａ１では、マグネシウム塩を溶解させる溶媒としてジメトキシエタン（ＤＭＥ）、すなわち、エチレングリコールジメチルエーテルが用いられる。【０００６】
このようなエーテル系有機溶媒を含んだ電解液が用いられるマグネシウム電極系の電気化学デバイスでは、より高い放電電位が求められる。より高いエネルギー密度を呈する電気化学デバイスが実現され得るからである。【０００７】
本発明はかかる課題に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の主たる目的は、放電電位がより高い電気化学デバイスの実現に資する電解液を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明者は、従来技術の延長線上で対応するのではなく、新たな方向で対処することによって上記課題の解決を試みた。その結果、上記主たる目的が達成された電解液の発明に至った。【０００９】
本発明では、負極としてマグネシウム電極を備えた電気化学デバイスのための電解液であって、
直鎖エーテルを含んで成る溶媒、および
溶媒に含まれるマグネシウム塩
を含んで成り、
直鎖エーテルが、下記一般式で表される２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位を有するエーテルである、電解液が提供される。
［化１］
2020027099.tif 000003
式中、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立して炭素数１以上１０以下の炭化水素基であり、ｎは２以上１０以下の整数である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電解液では、より高い放電電位を呈する電気化学デバイスが得られる。より具体的には、本発明の電解液が用いられたマグネシウム電極系の電気化学デバイスでは、特に電解液の溶媒としてジメトキシエタン（ＤＭＥ）が用いられる場合よりも高い放電電位が呈され得る。【００１１】
かかる観点ゆえ、本発明の電解液が用いられたマグネシウム電極系の電気化学デバイスは、より高いエネルギー密度を有し得る。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでなく、また、付加的な効果があってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施態様のマグネシウム電極系の電気化学デバイス（特に電池）の概念図である。
【図２】図２は、本発明の一実施態様として供されるマグネシウム二次電池（円筒型のマグネシウム二次電池）の模式的な断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施態様として供されるマグネシウム二次電池（平板型のラミネートフィルム型マグネシウム二次電池）の模式的な斜視図である。
【図４】図４は、本発明の一実施態様においてキャパシタとして供される電気化学デバイスの模式的な断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施態様において空気電池として供される電気化学デバイスの模式的な断面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施態様において燃料電池として供される電気化学デバイスの模式的な断面図である。
【図７】図７は、本発明の一実施態様として供されるマグネシウム二次電池を電池パックに適用した場合の回路構成例を示すブロック図である。
【図８】図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃは、本発明の一実施態様としてマグネシウム二次電池が適用された電動車両、電力貯蔵システムおよび電動工具の構成をそれぞれ表したブロック図である。
【図９】図９は、本明細書の［実施例］で作製した電池を模式的に表した展開図である。
【図１０】図１０は、本明細書の［実施例］で得られた結果を示す充放電カーブである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の「電気化学デバイスのための電解液」および「電気化学デバイス」を詳細に説明する。必要に応じて図面を参照して説明を行うものの、図示する内容は、本発明の理解のために模式的かつ例示的に示したにすぎず、外観および寸法比などは実物と異なり得る。なお、本明細書で言及する各種の数値範囲は、下限および上限の数値そのものも含むことを意図している。つまり、例えば１〜１０といった数値範囲を例にとれば、特段の説明が付されない限り下限値の“１”を含むと共に、上限値の“１０”をも含むものとして解釈される。
【００１４】
本発明において「電気化学デバイス」とは、広義には、電気化学的な反応を利用してエネルギーを取り出すことができるデバイスを意味している。狭義には、「電気化学デバイス」は、一対の電極および電解質を備え、特にはイオンの移動に伴って充電および放電が為されるデバイスを意味している。あくまでも例示にすぎないが、電気化学デバイスとしては、二次電池の他、キャパシタ、空気電池および燃料電池などを挙げることができる。
【００１５】
［本発明の電気化学デバイスのための電解液］
本発明の電解液は、電気化学デバイスに用いられる。つまり、本明細書で説明する電解液は、電気化学的な反応を利用してエネルギーを取り出すことができるデバイスのための電解質に相当する。
【００１６】
本発明の電解液は、その大前提として、マグネシウム電極を備える電気化学デバイスに用いられる電解液となっている。特に、負極としてマグネシウム電極を備える電気化学デバイスのための電解液である。したがって、本発明の電解液は、マグネシウム電極系の電気化学デバイス用の電解液であるともいえる（以下では、単に「マグネシウム電極系の電解液」とも称す）。
【００１７】
後述でも触れるが、かかる電気化学デバイスは、その負極がマグネシウム電極である一方、正極は硫黄電極であることが好ましい。つまり、ある好適な一態様では、本発明の電解液は、マグネシウム（Ｍｇ）−硫黄（Ｓ）電極用の電解液となっている。
【００１８】
ここで、本明細書で用いる「マグネシウム電極」とは、広義には、活性成分（すなわち、活物質）としてマグネシウム（Ｍｇ）を有する電極のことを指している。狭義には「マグネシウム電極」は、マグネシウムから成る電極のことを指しており、例えば、マグネシウム金属あるいはマグネシウム合金を含んで成る電極、特にはそのようなマグネシウムの負極を指している。なお、かかるマグネシウム電極は、マグネシウム金属またはマグネシウム合金以外の成分を含んでいてもよいものの、ある好適な一態様ではマグネシウムの金属体から成る電極（例えば、純度９０％以上、好ましくは純度９５％以上、更に好ましくは純度９８％以上のマグネシウム金属の単体物から成る電極）となっている。
【００１９】
また、本明細書で用いる「硫黄電極」とは、広義には、活性成分（すなわち、活物質）として硫黄（Ｓ）を有する電極のことを指している。狭義には「硫黄電極」は、硫黄を少なくとも含んで成る電極のことを指しており、例えば、Ｓ８および／またはポリマー状の硫黄などの硫黄（Ｓ）を含んで成る電極、特にはそのような硫黄の正極を指している。なお、硫黄電極は、硫黄以外の成分を含んでいてもよく、例えば導電助剤および結着剤などを含んでいてもよい。あくまでも例示にすぎないが、硫黄電極における硫黄の含有量は電極全体基準で５質量％以上９５質量％以下であってよく、７０質量％以上９０質量％以下程度が好ましい（また、ある１つの例示態様では、硫黄電極における硫黄の含有量が５質量％〜２０質量％または５質量％〜１５質量％などとなっていてもよい）。
【００２０】
本発明に係るマグネシウム電極系の電解液は、少なくとも溶媒およびマグネシウム塩を含んで成る。より具体的には、電解液は、マグネシウム塩と、その塩が溶解するためのエーテル系溶媒を含んで成る。
【００２１】
溶媒は、エーテル系溶媒であるところ、特に直鎖エーテルである。つまり、テトラヒドロフランなどの環状エーテルではなく、分子が直鎖状構造を有するエーテルがマグネシウム電極系の電解液溶媒を成している。端的にいえば、本発明に係るマグネシウム電極系の電解液における溶媒は、好ましくは直鎖エーテル溶媒である。
【００２２】
本発明に係るマグネシウム電極系の電解液では、溶媒としての直鎖エーテルが、下記一般式で表される２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位を有する直鎖エーテルとなっている。
［化１］
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式中、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立して炭素数１以上１０以下の炭化水素基であり、ｎは２以上１０以下の整数である。
【００２３】
本発明に係るマグネシウム電極系の電解液に用いられる溶媒は、エチレンオキシ構造単位が２又はそれよりも多いといった点で特徴を有している。ここでいう「エチレンオキシ構造単位」とは、エチレン基と酸素原子とが結合した分子構造単位（−Ｏ−Ｃ２Ｈ４−）のことを指しており、そのような分子構造単位が直鎖エーテルに２つ以上含まれている。別の切り口で捉えれば、マグネシウム電極系の電解液における直鎖エーテルは、２分子以上グリコールが脱水縮合した構造を有しているともいえる。
【００２４】
直鎖エーテルの上記一般式におけるＲ１およびＲ２は、それぞれ独立して炭化水素基を表している。よって、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立に脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基および／または芳香脂肪族炭化水素基となっていてよい。ここで、本発明にいう「直鎖エーテル」とは、少なくともエチレンオキシ構造単位の部位が分岐していないこと（すなわち、枝別れ構造を有していないこと）を意味している。それゆえ、上記一般式におけるＲ１およびＲ２については、必ずしも直鎖構造である必要はなく、枝別れ構造を有するものであってもよい。ある１つの好適な態様でいえば、本発明に係るマグネシウム電極系の電解液に用いられる直鎖エーテルは、エチレンオキシ構造単位の部位が枝別れ構造を有していないだけでなく、Ｒ１およびＲ２もまた枝別れ構造を有していないグリコール系エーテルである。
【００２５】
本発明に係るマグネシウム電極系の電解液では、直鎖エーテルが“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”を有するからこそ、マグネシウム電極系の電気化学デバイスでは、より高い放電電位が呈されることになる。つまり、単一のエチレンオキシ構造単位ではなく、あくまでも“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”がマグネシウム電極系の電解液の特性向上に直接的または間接的に寄与している。特定の理論に拘束されるわけではないが、これは、“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”が、その構造単位を有する溶媒に対して溶解されるマグネシウム塩の存在と相俟って、マグネシウム電極の特性をより効果的に引き出すからであると考えられる。
【００２６】
このようなエチレンオキシ構造単位を２又はそれよりも多く有する直鎖エーテルとしては、特に限定するわけではないが、ジエチレングリコール系エーテル、トリエチレングリコール系エーテル、テトラエチレングリコール系エーテル、ペンタエチレングリコール系エーテル、ヘキサエチレングリコール系エーテルなどを挙げることができる。同様にして、ヘプタエチレングリコール系エーテル、オクタエチレングリコール系エーテル、ノナエチレングリコール系エーテル、デカエチレングリコール系エーテルなどであってもよく、さらにいえば、それよりも多いエチレンオキシ構造単位を有するポリエチレングリコール系エーテルであってもよい。
【００２７】
本発明における直鎖エーテルのある好適な１つの態様では、炭素数１以上１０以下の炭化水素基が脂肪族炭化水素基となっている。つまり、本発明に係るマグネシウム電極系の電解液に含まれる直鎖エーテルにつき、上記一般式中のＲ１およびＲ２は、それぞれ独立して１以上１０以下の脂肪族炭化水素基となっていてよい。特に限定するわけではないが、例えば以下で挙げるようなジエチレングリコール系エーテル、トリエチレングリコール系エーテル、テトラエチレングリコール系エーテル、ペンタエチレングリコール系エーテル、ヘキサエチレングリコール系エーテルを挙げることができる。同様にして、ヘプタエチレングリコール系エーテル、オクタエチレングリコール系エーテル、ノナエチレングリコール系エーテル、デカエチレングリコール系エーテルであってよい。
（ジエチレングリコール系エーテル）
ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルプロピルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルペンチルエーテル、ジエチレングリコールメチルヘキシルエーテル、ジエチレングリコールメチルへプチルエーテル、ジエチレングリコールメチルオクチルエーテル；
ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールエチルプロピルエーテル、ジエチレングリコールブチルエチルエーテル、ジエチレングリコールエチルペンチルエーテル、ジエチレングリコールエチルヘキシルエーテル、ジエチレングリコールエチルへプチルエーテル、ジエチレングリコールエチルオクチルエーテル；
ジエチレングリコールジプロピルエーテル、ジエチレングリコールブチルプロピルエーテル、ジエチレングリコールプロピルペンチルエーテル、ジエチレングリコールプロピルヘキシルエーテル、ジエチレングリコールプロピルへプチルエーテル、ジエチレングリコールプロピルオクチルエーテル；
ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルペンチルエーテル、ジエチレングリコールブチルヘキシルエーテル、ジエチレングリコールブチルへプチルエーテル、ジエチレングリコールブチルオクチルエーテル；
ジエチレングリコールジペンチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルペンチルエーテル、ジエチレングリコールへプチルペンチルエーテル、ジエチレングリコールオクチルペンチルエーテル；
ジエチレングリコールジヘキシルエーテル、ジエチレングリコールへプチルヘキシルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルオクチルエーテル；
ジエチレングリコールジへプチルエーテル、ジエチレングリコールへプチルオクチルエーテル；
ジエチレングリコールジオクチルエーテル
（トリエチレングリコール系エーテル）
トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールエチルメチルエーテル、トリエチレングリコールメチルプロピルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、トリエチレングリコールメチルペンチルエーテル、トリエチレングリコールメチルヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルへプチルエーテル、トリエチレングリコールメチルオクチルエーテル；
トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールエチルプロピルエーテル、トリエチレングリコールブチルエチルエーテル、トリエチレングリコールエチルペンチルエーテル、トリエチレングリコールエチルヘキシルエーテル、トリエチレングリコールエチルへプチルエーテル、トリエチレングリコールエチルオクチルエーテル；
トリエチレングリコールジプロピルエーテル、トリエチレングリコールブチルプロピルエーテル、トリエチレングリコールプロピルペンチルエーテル、トリエチレングリコールプロピルヘキシルエーテル、トリエチレングリコールプロピルへプチルエーテル、トリエチレングリコールプロピルオクチルエーテル；
トリエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールブチルペンチルエーテル、トリエチレングリコールブチルヘキシルエーテル、トリエチレングリコールブチルへプチルエーテル、トリエチレングリコールブチルオクチルエーテル；
トリエチレングリコールジペンチルエーテル、トリエチレングリコールヘキシルペンチルエーテル、トリエチレングリコールへプチルペンチルエーテル、トリエチレングリコールオクチルペンチルエーテル；
トリエチレングリコールジヘキシルエーテル、トリエチレングリコールへプチルヘキシルエーテル、トリエチレングリコールヘキシルオクチルエーテル；
トリエチレングリコールジへプチルエーテル、トリエチレングリコールへプチルオクチルエーテル；
トリエチレングリコールジオクチルエーテル
（テトラエチレングリコール系エーテル）
テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールエチルメチルエーテル、テトラエチレングリコールメチルプロピルエーテル、テトラエチレングリコールブチルメチルエーテル、テトラエチレングリコールメチルペンチルエーテル、テトラエチレングリコールメチルヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールメチルへプチルエーテル、テトラエチレングリコールメチルオクチルエーテル；
テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールエチルプロピルエーテル、テトラエチレングリコールブチルエチルエーテル、テトラエチレングリコールエチルペンチルエーテル、テトラエチレングリコールエチルヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールエチルへプチルエーテル、テトラエチレングリコールエチルオクチルエーテル；
テトラエチレングリコールジプロピルエーテル、テトラエチレングリコールブチルプロピルエーテル、テトラエチレングリコールプロピルペンチルエーテル、テトラエチレングリコールプロピルヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールプロピルへプチルエーテル、テトラエチレングリコールプロピルオクチルエーテル；
テトラエチレングリコールジブチルエーテル、テトラエチレングリコールブチルペンチルエーテル、テトラエチレングリコールブチルヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールブチルへプチルエーテル、テトラエチレングリコールブチルオクチルエーテル；
テトラエチレングリコールジペンチルエーテル、テトラエチレングリコールヘキシルペンチルエーテル、テトラエチレングリコールへプチルペンチルエーテル、テトラエチレングリコールオクチルペンチルエーテル；
テトラエチレングリコールジヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールへプチルヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールヘキシルオクチルエーテル；
テトラエチレングリコールジへプチルエーテル、テトラエチレングリコールへプチルオクチルエーテル；
テトラエチレングリコールジオクチルエーテル
（ペンタエチレングリコール系エーテル）
ペンタエチレングリコールジメチルエーテル、ペンタエチレングリコールエチルメチルエーテル、ペンタエチレングリコールメチルプロピルエーテル、ペンタエチレングリコールブチルメチルエーテル、ペンタエチレングリコールメチルペンチルエーテル、ペンタエチレングリコールメチルヘキシルエーテル、ペンタエチレングリコールメチルへプチルエーテル、ペンタエチレングリコールメチルオクチルエーテル；
ペンタエチレングリコールジエチルエーテル、ペンタエチレングリコールエチルプロピルエーテル、ペンタエチレングリコールブチルエチルエーテル、ペンタエチレングリコールエチルペンチルエーテル、ペンタエチレングリコールエチルヘキシルエーテル、ペンタエチレングリコールエチルへプチルエーテル、ペンタエチレングリコールエチルオクチルエーテル；
ペンタエチレングリコールジプロピルエーテル、ペンタエチレングリコールブチルプロピルエーテル、ペンタエチレングリコールプロピルペンチルエーテル、ペンタエチレングリコールプロピルヘキシルエーテル、ペンタエチレングリコールプロピルへプチルエーテル、ペンタエチレングリコールプロピルオクチルエーテル；
ペンタエチレングリコールジブチルエーテル、ペンタエチレングリコールブチルペンチルエーテル、ペンタエチレングリコールブチルヘキシルエーテル、ペンタエチレングリコールブチルへプチルエーテル、ペンタエチレングリコールブチルオクチルエーテル；
ペンタエチレングリコールジペンチルエーテル、ペンタエチレングリコールヘキシルペンチルエーテル、ペンタエチレングリコールへプチルペンチルエーテル、ペンタエチレングリコールオクチルペンチルエーテル；
ペンタエチレングリコールジヘキシルエーテル、ペンタエチレングリコールへプチルヘキシルエーテル、ペンタエチレングリコールヘキシルオクチルエーテル；
ペンタエチレングリコールジへプチルエーテル、ペンタエチレングリコールへプチルオクチルエーテル；
ペンタエチレングリコールジオクチルエーテル
（ヘキサエチレングリコール系エーテル）
ヘキサエチレングリコールジメチルエーテル、ヘキサエチレングリコールエチルメチルエーテル、ヘキサエチレングリコールメチルプロピルエーテル、ヘキサエチレングリコールブチルメチルエーテル、ヘキサエチレングリコールメチルペンチルエーテル、ヘキサエチレングリコールメチルヘキシルエーテル、ヘキサエチレングリコールメチルへプチルエーテル、ヘキサエチレングリコールメチルオクチルエーテル；
ヘキサエチレングリコールジエチルエーテル、ヘキサエチレングリコールエチルプロピルエーテル、ヘキサエチレングリコールブチルエチルエーテル、ヘキサエチレングリコールエチルペンチルエーテル、ヘキサエチレングリコールエチルヘキシルエーテル、ヘキサエチレングリコールエチルへプチルエーテル、ヘキサエチレングリコールエチルオクチルエーテル；
ヘキサエチレングリコールジプロピルエーテル、ヘキサエチレングリコールブチルプロピルエーテル、ヘキサエチレングリコールプロピルペンチルエーテル、ヘキサエチレングリコールプロピルヘキシルエーテル、ヘキサエチレングリコールプロピルへプチルエーテル、ヘキサエチレングリコールプロピルオクチルエーテル；
ヘキサエチレングリコールジブチルエーテル、ヘキサエチレングリコールブチルペンチルエーテル、ヘキサエチレングリコールブチルヘキシルエーテル、ヘキサエチレングリコールブチルへプチルエーテル、ヘキサエチレングリコールブチルオクチルエーテル；
ヘキサエチレングリコールジペンチルエーテル、ヘキサエチレングリコールヘキシルペンチルエーテル、ヘキサエチレングリコールへプチルペンチルエーテル、ヘキサエチレングリコールオクチルペンチルエーテル；
ヘキサエチレングリコールジヘキシルエーテル、ヘキサエチレングリコールへプチルヘキシルエーテル、ヘキサエチレングリコールヘキシルオクチルエーテル；
ヘキサエチレングリコールジへプチルエーテル、ヘキサエチレングリコールへプチルオクチルエーテル；
ヘキサエチレングリコールジオクチルエーテル
なお、同様にして、ヘプタエチレングリコール系エーテル、オクタエチレングリコール系エーテル、ノナエチレングリコール系エーテル、デカエチレングリコール系エーテルなどであってもよく、さらにいえばポリエチレングリコール系エーテルであってもよい。
【００２８】
本発明に係るマグネシウム電極系の電解液では、上述のような直鎖エーテルが、マグネシウム塩と共存している。好ましくは、マグネシウム塩が直鎖エーテルに溶解した状態となっている。直鎖エーテルと組み合わされるマグネシウム塩は、１種であってよく、あるいはそれよりも多い種類から成るマグネシウム塩（例えば２種のマグネシウム塩）となっていてもよい。
【００２９】
ある好適な一態様では、本発明に係るマグネシウム電極系の電解液において、溶媒としての直鎖エーテルが２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位を有するとともに、かかる構造単位を有する溶媒に対して１種類以上のマグネシウム塩が溶解していることによって、マグネシウム電極系の電気化学デバイスがより高い放電電位を呈し易くなる。
【００３０】
そのようなマグネシウム塩としては、一般式ＭｇＸｎ（但し、ｎは１又は２であり、Ｘは、１価又は２価のアニオンである）を有する塩を挙げることができる。Ｘがハロゲン（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）の場合、そのようなマグネシウム塩は、ハロゲン金属塩を成す。また、Ｘがその他のアニオンとなる場合であってもよく、例えば過塩素酸マグネシウム（Ｍｇ（ＣｌＯ4）2）、硝酸マグネシム（Ｍｇ（ＮＯ3）2）、硫酸マグネシム（ＭｇＳＯ4）、酢酸マグネシウム（Ｍｇ（ＣＨ3ＣＯＯ）2）、トリフルオロ酢酸マグネシウム（Ｍｇ（ＣＦ3ＣＯＯ）2）、テトラフルオロホウ酸マグネシウム（Ｍｇ（ＢＦ4）2）、テトラフェニルホウ酸マグネシウム（Ｍｇ（Ｂ（Ｃ6Ｈ5）4）2）、ヘキサフルオロリン酸マグネシウム（Ｍｇ（ＰＦ6）2）、ヘキサフルオロヒ酸マグネシウム（Ｍｇ（ＡｓＦ6）2）、パーフルオロアルキルスルホン酸のマグネシウム塩（（Ｍｇ（Ｒf1ＳＯ3）2）、但し、Ｒf1はパーフルオロアルキル基）、パーフルオロアルキルスルホニルイミドのマグネシウム塩（Ｍｇ（（Ｒf2ＳＯ2）2Ｎ）2、但し、Ｒf2はパーフルオロアルキル基）、および、ヘキサアルキルジシラジドのマグネシウム塩（（Ｍｇ（ＨＲＤＳ）2）、但し、Ｒはアルキル基）から成る群より選択された少なくとも１種類のマグネシウム塩であってもよい。
【００３１】
上記のなかでも、特にはハロゲン系およびイミド系の少なくとも１種がマグネシウム塩として好ましい。つまり、直鎖エーテルと組み合わされるマグネシウム塩は、ハロゲン金属塩およびイミド金属塩のいずれか一方であるか、あるいは、ハロゲン金属塩とイミド金属塩との組合せであってよい。これは、マグネシウム塩としてハロゲン金属塩およびイミド金属塩のうちの少なくとも１種が直鎖エーテルに溶解した状態となっていることを意味している。このようなマグネシウム塩が用いられることによって、マグネシウム電極系の電気化学デバイスがより高い放電電位を更に呈し易くなる。
【００３２】
ハロゲン金属塩としては、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ2）、臭化マグネシウム（ＭｇＢｒ2）およびヨウ化マグネシウム（ＭｇＩ2）から成る群から選択される少なくとも１種を挙げることができる。その中でも、塩化マグネシウムがハロゲン金属塩として用いられることが好ましい。つまり、直鎖エーテルと組み合わされるマグネシウム塩として、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ2）が好ましい。かかる塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ2）は、電気化学デバイスにて高い放電電位を達成し易いからである。ある好適な態様では、かかる塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ2）がイミド塩と相俟って、マグネシウム電極系の電気化学デバイスにて高い放電電位の達成を促進し得る。
【００３３】
イミド金属塩は、分子構造としてイミドを有するマグネシウム塩である。好ましくは、イミド金属塩は、スルホニルイミドを分子構造として有するマグネシウム塩である。スルホニルイミドを分子構造として有するマグネシウム塩は、電気化学デバイスにて高い放電電位を達成し易いからである。ある好適な態様では、スルホニルイミドを分子構造として有するマグネシウム塩は、上記ハロゲン金属塩（例えば塩化マグネシウム）と相俟って、マグネシウム電極系の電気化学デバイスにて高い放電電位の達成を促進し得る。
【００３４】
ある好適な１つの態様では、イミド金属塩は、パーフルオロアルキルスルホニルイミドのマグネシウム塩となっている。すなわち、イミド金属塩がＭｇ（（ＲｆＳＯ２）２Ｎ）２となっている（式中、Ｒｆ：パーフルオロアルキル基）ことが好ましい。例えば、Ｒｆは、炭素数１以上１０以下のパーフルオロアルキル基、炭素数１以上８以下のパーフルオロアルキル基、炭素数１以上６以下のパーフルオロアルキル基、炭素数１以上４以下のパーフルオロアルキル基、炭素数１以上３以下のパーフルオロアルキル基、あるいは炭素数１以上２以下のパーフルオロアルキル基であってよい。１つの例示であるが、イミド金属塩は、マグネシウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドとなっていてよい。すなわち、イミド金属塩がＭｇ（ＴＦＳＩ）２となっていてよい。かかるＭｇ（ＴＦＳＩ）２は、電気化学デバイスにて高い放電電位を達成し易い。ある好適な態様では、Ｍｇ（ＴＦＳＩ）２は、上記ハロゲン金属塩（特に塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２））と相俟って、マグネシウム電極系の電気化学デバイスにおいて高い放電電位の達成を特に促進し得る。
【００３５】
本発明に係るマグネシウム電極系の電解液において、上述のマグネシウム塩と組み合わされる直鎖エーテルの溶媒は、特に、エチレンオキシ構造単位を２〜４つ有するものであってよい。つまり、直鎖エーテルを表す上記一般式においてｎが２以上４以下の整数であってよく、それゆえ直鎖エーテルがエチレンオキシ構造単位を２以上４以下有するエーテルとなっていてよい。ある好適な態様では、マグネシウム塩と組み合わされる直鎖エーテルの溶媒は、ジエチレングリコール系エーテル、トリエチレングリコール系エーテルおよびテトラエチレングリコール系エーテルから成る群から選択される少なくとも１種となっている。
【００３６】
また、本発明に係るマグネシウム電極系の電解液において、上述のマグネシウム塩と組み合わされる直鎖エーテルの溶媒は、特に、炭素数１〜４の低級アルキル基を有するものであってよい。換言すれば、直鎖エーテルを表す上記一般式において、Ｒ１およびＲ２がそれぞれ独立して炭素数１以上４以下のアルキル基となっていてよい。
【００３７】
これにつき、ある好適な態様では、本発明に係るマグネシウム電極系の電解液に含まれる直鎖エーテルは、ジエチレングリコール系エーテル、トリエチレングリコール系エーテル、テトラエチレングリコール系エーテル、ペンタエチレングリコール系エーテル、ヘキサエチレングリコール系エーテル、ヘプタエチレングリコール系エーテル、オクタエチレングリコール系エーテル、ノナエチレングリコール系エーテル、デカエチレングリコール系エーテルなどのグリコール系エーテルについて、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、メチルプロピルエーテル、ブチルメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルプロピルエーテル、ブチルエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ブチルプロピルエーテル、ジブチルエーテルであってよい。つまり、エチレンオキシ構造単位を２以上有する直鎖エーテル溶媒は、上記一般式におけるＲ１およびＲ２に関して、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、メチルプロピルエーテル、ブチルメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルプロピルエーテル、ブチルエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ブチルプロピルエーテルまたはジブチルエーテルなどとなっていてよい。
【００３８】
さらには、本発明に係るマグネシウム電極系の電解液において、上述のマグネシウム塩と組み合わされる直鎖エーテルの溶媒は、特に、互いに同じアルキル基を有するものであってよい。つまり、直鎖エーテルを表す上記一般式において、Ｒ１およびＲ２とが互いに同じアルキル基となっていてよい。
【００３９】
これにつき、ある好適な態様では、本発明に係るマグネシウム電極系の電解液に含まれる直鎖エーテルは、ジエチレングリコール系エーテル、トリエチレングリコール系エーテル、テトラエチレングリコール系エーテル、ペンタエチレングリコール系エーテル、ヘキサエチレングリコール系エーテル、ヘプタエチレングリコール系エーテル、オクタエチレングリコール系エーテル、ノナエチレングリコール系エーテル、デカエチレングリコール系エーテルなどのグリコール系エーテルについて、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジペンチルエーテル、ジヘキシルエーテル、ジへプチルエーテル、ジオクチルエーテルなどであってよい。つまり、エチレンオキシ構造単位を２以上有する直鎖エーテル溶媒は、上記一般式におけるＲ１およびＲ２に関して、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジペンチルエーテル、ジヘキシルエーテル、ジへプチルエーテルまたはジオクチルエーテルなどとなっていてよい。
【００４０】
例えば、本発明に係るマグネシウム電極系の電解液において、上述のマグネシウム塩と組み合わされる直鎖エーテルの溶媒は、特に、エチレンオキシ構造単位を２つ有しているものであってよい。つまり、直鎖エーテルを表す上記一般式においてｎが２の整数であってよく、それゆえ、直鎖エーテルがエチレンオキシ構造単位を２つ有するエーテルとなっていてよい。ある好適な態様では、マグネシウム塩と組み合わされる直鎖エーテルの溶媒は、ジエチレングリコール系エーテルとなっている。
【００４１】
本発明に係るマグネシウム電極系の電解液において、溶媒としての直鎖エーテルは、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルおよびジエチレングリコールエチルメチルエーテルから成る群から選択される少なくとも１種であってよく、例えば、ジエチレングリコールジメチルエーテルおよびジエチレングリコールエチルメチルエーテルから成る群から選択される少なくとも１種であってよい。これにつき、本発明のある１つの好適態様では、マグネシウム電極系の電解液の溶媒としての直鎖エーテルが、ジエチレングリコールジメチルエーテルおよび／またはジエチレングリコールエチルメチルエーテルとなっており、かかる溶媒に含まれるマグネシウム塩が、ハロゲン金属塩とイミド金属塩との組合せになっている。例えば、本発明に係るマグネシウム電極系の電解液において、溶媒としての直鎖エーテルがジエチレングリコールジメチルエーテルおよび／またはジエチレングリコールエチルメチルエーテルとなっており、かかる溶媒に含まれるハロゲン金属塩が塩化マグネシウムであって、イミド塩がパーフルオロアルキルスルホニルイミドのマグネシウム塩（例えばＭｇ（ＴＦＳＩ）２）となっていてよい。
【００４２】
本発明に係るマグネシウム電極系の電解液は、マグネシウム電極を負極として備える電気化学デバイスにとって好適なものであるが、デバイスが硫黄電極を正極として備える場合が更に好適となる。つまり、本発明の電解液は、マグネシウム電極を負極として備えた電気化学デバイスのための電解液であるところ、当該電気化学デバイスの正極が、硫黄電極となっていることが好ましい。このようなマグネシウム電極−硫黄電極の対を備える電気化学デバイス（以下では「マグネシウム−硫黄電極系の電気化学デバイス」とも称する）のための電解液の場合、本発明の電解液は、マグネシウム−硫黄電極系の電気化学デバイスの放電電位をより向上させる効果を奏し得る。このように放電電位がより高くなると、マグネシウム−硫黄電極系の電気化学デバイスのエネルギー密度が高くなるので、所望のデバイスが実現され易くなる。マグネシウム−硫黄電極系の電気化学デバイスが二次電池である場合を想定すると、本発明によってリチウムイオン電池の理論エネルギー密度を凌駕する電池の可能性が見出されたことになる。
【００４３】
［本発明の電気化学デバイス］
次に本発明の電気化学デバイスを説明する。かかる電気化学デバイスは、負極および正極を備えており、当該負極としては、マグネシウム電極が設けられている。かかる電気化学デバイスは、その電解液が上述の電解液から少なくとも成ることを特徴としている。
【００４４】
つまり、本発明の電気化学デバイスの電解液は、少なくとも溶媒およびマグネシウム塩を含んで成り、かかる溶媒が、エーテル系溶媒であって、好ましくは直鎖エーテルとなっている。つまり、電気化学デバイスでは、テトラヒドロフランなどの環状エーテルではなく、直鎖状の分子構造を有するエーテルが電解液溶媒として含まれている。
【００４５】
本発明の電気化学デバイスは、負極がマグネシウム電極であり、それゆえマグネシウム電極系の電気化学デバイスに相当する。かかるマグネシウム電極系の電気化学デバイスに用いられている電解液は、直鎖エーテル溶媒が、下記一般式において２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位を有するエーテルとなっている。
［化１］
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式中、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立して炭素数１以上１０以下の炭化水素基であり、ｎは２以上１０以下の整数である。
【００４６】
このようなマグネシウム電極系の電気化学デバイスは、その電解液の直鎖エーテルが、２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位を有しており、それゆえに、より高い放電電位を呈し得る。つまり、本発明に係るマグネシウム電極系の電気化学デバイスに用いられている電解質の溶媒は、単一のエチレンオキシ構造単位でなく、あくまでも２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位を有することが、直接的または間接的に放電電位の向上に関係している。
【００４７】
上述したように、“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”を有する直鎖エーテルは、上記一般式におけるＲ１およびＲ２が、それぞれ独立して炭素数１以上１０以下の脂肪族炭化水素基となっていてよい。また、そのような“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”を有する直鎖エーテルでは、上記一般式においてｎが２以上４以下の整数となっていてよく、それゆえに、直鎖エーテルがエチレンオキシ構造単位を２以上４以下有するエーテルとなっていてよい。また、“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”を有する直鎖エーテルの溶媒では、上記一般式において、Ｒ１およびＲ２がそれぞれ独立して炭素数１以上４以下の低級アルキル基となっていてよい。更には、“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”を有する直鎖エーテルの溶媒において、上記一般式におけるＲ１およびＲ２とが互いに同じアルキル基（例えば互いに同一の低級アルキル基）となっていてよい。
【００４８】
あくまでも１つの例示であるが、本発明のマグネシウム電極系の電気化学デバイスでは、“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”を有する直鎖エーテル溶媒が、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルおよびジエチレングリコールエチルメチルエーテルから成る群から選択される少なくとも１種であってよく、例えば、ジエチレングリコールジメチルエーテルおよび／またはジエチレングリコールエチルメチルエーテルであってよい。
【００４９】
マグネシウム電極系の電気化学デバイスは、その電解液における直鎖エーテルがマグネシウム塩と共存しているが、そのような共存によって、本発明のマグネシウム電極系の電気化学デバイスにおける放電電位の向上がより促され得る。
【００５０】
マグネシウム塩は、ハロゲン金属塩およびイミド金属塩のうちの一方を少なくとも含んで成ることが好ましい。これは、“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”を有する直鎖エーテル溶媒に含まれている又は溶解しているマグネシウム塩が１種であってよく、あるいは、それよりも多い種類から成るマグネシウム塩となっていてよいことを意味している。ある態様では、マグネシウム塩が２種の塩となっており、ハロゲン金属塩とイミド金属塩との組合せとなっている。ハロゲン金属塩は、例えば塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）であり、イミド塩が、パーフルオロアルキルスルホニルイミドのマグネシウム塩、例えばＭｇ（ＴＦＳＩ）２となっていてよい。ＭｇＣｌ２およびＭｇ（ＴＦＳＩ）２は、比較的安定性の高いＭｇ塩である。よって、直鎖エーテル溶媒中でＭｇＣｌ２およびＭｇ（ＴＦＳＩ）２を高い濃度で含ませたとしても、高い安全性を得ることができる。これは、従来のＡｌＣｌ3およびグリニヤールを用いた電解液とは異なる利点となり得る。しかも、ＭｇＣｌ２およびＭｇ（ＴＦＳＩ）２は反応性が低いため、硫黄との電気化学反応以外の副反応が生じず、より高容量化が期待され得る。更には、マグネシウムの析出溶解の過電圧が低いため、充放電のヒステリシスが従来の報告例よりも狭くなり得、その点でもデバイスの高エネルギー密度化が望める。さらには、Ｍｇ塩総濃度を非常に高くすることができるところ、イオン伝導度が高く、高いレート特性が期待できるとともに、凝固点がより低く、沸点がより高くなるので温度域の広い電気化学デバイスがもたらされ得る。
【００５１】
マグネシウム塩として、ハロゲン金属塩とイミド金属塩との組合せなどの２種の塩が用いられる場合、それらの物質量は、同程度であってよい（ある１つの具体的例でいえば、それらは互いに当モル量であってよい）。特に限定されるわけではないが、ＭｇＣｌ２およびＭｇ（ＴＦＳＩ）２との組合せを例に挙げていうと、ＭｇＣｌ２：Ｍｇ（ＴＦＳＩ）２のモル比は１：０．７〜１．３程度、例えば１：０．８５〜１．２５程度であってよい。
【００５２】
本発明の電気化学デバイスでは、正極が、硫黄を少なくとも含んで成る硫黄電極であることが好ましい。つまり、本発明の電気化学デバイスの硫黄電極は、Ｓ8および／またはポリマー状の硫黄といった硫黄（Ｓ）の正極電極として構成することが好ましい。負極はマグネシウム電極ゆえ、本発明の電気化学デバイスは、マグネシウム電極−硫黄電極の対を備えた電気化学デバイスとなり、それに好適な電解液を有するので、高い放電電位を呈することになる（換言すれば、マグネシウム−硫黄二次電池の理論電位に少しでも近づくことになる高い放電電位を呈することになる）。より高い放電電位は、より高いエネルギー密度につながるので、マグネシウム−硫黄二次電池の場合、本発明によって、リチウムイオン電池の理論エネルギー密度を凌駕する電池の実現化により近づくことになる。
【００５３】
硫黄電極は、硫黄を少なくとも含んで成る電極であるところ、その他に導電助剤および／または結着剤などが含まれていてよい。かかる場合、硫黄電極における硫黄の含有量は、当該電極の全体基準で５質量％以上９５質量％以下、好ましくは７０質量％以上９０質量％以下となっていてよい。
【００５４】
例えば、正極として用いられる硫黄電極に含まれる導電助剤としては、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素材料を挙げることができ、これらの１種類又が２種類以上を混合して用いることができる。炭素繊維としては、例えば、気相成長炭素繊維（Vapor Growth Carbon Fiber：ＶＧＣＦ（登録商標））等を用いることができる。カーボンブラックとして、例えば、アセチレンブラックおよび／またはケッチェンブラック等を用いることができる。カーボンナノチューブとして、例えば、シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）および／またはダブルウォールカーボンナノチューブ（ＤＷＣＮＴ）等のマルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）等を用いることができる。導電性が良好な材料であれば、炭素材料以外の材料を用いることもでき、例えば、Ｎｉ粉末のような金属材料、および／または導電性高分子材料等を用いることもできる。また、正極として用いられる硫黄電極に含まれる結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）および／もしくはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）系樹脂、ならびに／またはスチレン−ブタジエン共重合ゴム（ＳＢＲ）系樹脂等の高分子樹脂を挙げることができる。また、結着剤としては導電性高分子を用いてもよい。導電性高分子として、例えば、置換又は無置換のポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、および、これらから選ばれた１種類又は２種類から成る（共）重合体等を用いることができる。
【００５５】
一方、本発明の電気化学デバイスにおいて、負極を構成する材料（具体的には、負極活物質）は、“マグネシウム電極”ゆえ、マグネシウム金属単体、マグネシウム合金あるいはマグネシウム化合物から成っている。負極がマグネシウムの金属単体物（例えばマグネシウム板など）から成る場合、その金属単体物のＭｇ純度は９０％以上、好ましくは９５％以上、更に好ましくは９８％以上となっている。負極は、例えば、板状材料あるいは箔状材料から作製することができるが、これに限定するものではなく、粉末を用いて形成（賦形）することも可能である。
【００５６】
負極は、その表面近傍に負極活物質層が形成された構造とすることもできる。例えば、負極活物質層として、マグネシウム（Ｍｇ）を含み、更に、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）およびハロゲンのいずれかを少なくとも含む、マグネシウムイオン伝導性を有する層を有するような負極であってもよい。このような負極活物質層は、あくまでも例示の範疇にすぎないが、４０ｅＶ以上６０ｅＶ以下の範囲にマグネシウム由来の単一のピークを有するものであってよい。ハロゲンとして、例えば、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）およびヨウ素（Ｉ）から成る群より選ばれた少なくとも１種類を挙げることができる。かかる場合、負極活物質層の表面から２×１０-7ｍまでの深さに亙り、４０ｅＶ以上６０ｅＶ以下の範囲にマグネシウム由来の単一のピークを有していてよい。負極活物質層が、その表面から内部に亙り、良好な電気化学的活性を示すからである。また、同様の理由から、マグネシウムの酸化状態が、負極活物質層の表面から深さ方向に２×１０-7ｎｍに亙りほぼ一定であってもよい。ここで、負極活物質層の表面とは、負極活物質層の両面の内、電極の表面を構成する側の面を意味し、裏面とは、この表面とは反対側の面、即ち、集電体と負極活物質層の界面を構成する側の面を意味する。負極活物質層が上記の元素を含んでいるか否かはＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）法に基づき確認することができる。また、負極活物質層が上記ピークを有すること、および、マグネシウムの酸化状態を有することも、ＸＰＳ法に基づき、同様に確認することができる。
【００５７】
本発明の電気化学デバイスにおいて、正極と負極とは、両極の接触による短絡を防止しつつ、マグネシウムイオンを通過させる無機セパレータあるいは有機セパレータによって分離されていることが好ましい。無機セパレータとしては、例えば、ガラスフィルター、グラスファイバーを挙げることができる。有機セパレータとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンおよび／またはポリエチレン等から成る合成樹脂製の多孔質膜を挙げることができ、これらの２種類以上の多孔質膜を積層した構造とすることもできる。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜は短絡防止効果に優れ、且つ、シャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。
【００５８】
電気化学デバイスにおける電解質層は、上述の本発明の電解液、および、電解液を保持する保持体から成る高分子化合物から構成することができる。高分子化合物は、電解液によって膨潤されるものであってもよい。この場合、電解液により膨潤された高分子化合物はゲル状であってもよい。かかる高分子化合物として、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンおよび／またはポリカーボネートを挙げることができる。特に、電気化学的な安定性の観点をより重視するならば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドであってよい。電解質層は固体電解質層としてもよい。
【００５９】
上述したマグネシウム電極系の電気化学デバイスは、二次電池として構成することができ、その場合の概念図を図１に示す。図示するように、充電時、マグネシウムイオン（Ｍｇ2+）が正極１０から電解質層１２を通って負極１１に移動することにより電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄電する。放電時には、負極１１から電解質層１２を通って正極１０にマグネシウムイオンが戻ることにより電気エネルギーを発生させる。
【００６０】
電気化学デバイスを、上述の本発明の電解液から構成された電池（一次電池あるいは二次電池）とするとき、かかる電池は、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話、スマートフォン、コードレス電話の親機・子機、ビデオムービー、デジタルスチルカメラ、電子書籍、電子辞書、携帯音楽プレイヤー、ラジオ、ヘッドホン、ゲーム機、ナビゲーションシステム、メモリカード、心臓ペースメーカー、補聴器、電動工具、電気シェーバ、冷蔵庫、エアコンディショナー、テレビジョン受像機、ステレオ、温水器、電子レンジ、食器洗浄器、洗濯機、乾燥機、照明機器、玩具、医療機器、ロボット、ロードコンディショナー、信号機、鉄道車両、ゴルフカート、電動カート、および／または電気自動車（ハイブリッド自動車を含む）等の駆動用電源又は補助用電源として使用することができる。また、住宅をはじめとする建築物又は発電設備用の電力貯蔵用電源等として搭載し、あるいは、これらに電力を供給するために使用することができる。電気自動車において、電力を供給することにより電力を駆動力に変換する変換装置は、一般的にはモータである。車両制御に関する情報処理を行う制御装置（制御部）としては、電池の残量に関する情報に基づき、電池残量表示を行う制御装置等が含まれる。また、電池を、所謂スマートグリッドにおける蓄電装置において用いることもできる。このような蓄電装置は、電力を供給するだけでなく、他の電力源から電力の供給を受けることにより蓄電することができる。この他の電力源としては、例えば、火力発電、原子力発電、水力発電、太陽電池、風力発電、地熱発電、および／または燃料電池（バイオ燃料電池を含む）等を用いることができる。
【００６１】
二次電池、二次電池に関する制御を行う制御手段（または制御部）、および、二次電池を内包する外装を有する電池パックにおいて本発明の電気化学デバイス（すなわち、二次電池）を適用することができる。かかる電池パックにおいて、制御手段は、例えば、二次電池に関する充放電、過放電又は過充電の制御を行う。
【００６２】
二次電池から電力の供給を受ける電子機器に本発明の電気化学デバイス（すなわち、二次電池）を適用することもできる。
【００６３】
二次電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置、および、二次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置（または制御部）を有する電動車両における二次電池に本発明の電気化学デバイスを適用することもできる。かかる電動車両において、変換装置は、典型的には、二次電池から電力の供給を受けてモータを駆動させ、駆動力を発生させる。モータの駆動には、回生エネルギーを利用することもできる。また、制御装置（または制御部）は、例えば、二次電池の電池残量に基づいて車両制御に関する情報処理を行う。このような電動車両には、例えば、電気自動車、電動バイク、電動自転車、および鉄道車両等の他、所謂ハイブリッド車が含まれる。
【００６４】
二次電池から電力の供給を受け、および／または、電力源から二次電池に電力を供給するように構成された電力システムに本発明の電気化学デバイス（すなわち、二次電池）を適用することができる。このような電力システムは、およそ電力を使用するものである限り、どのような電力システムであってもよく、単なる電力装置も含む。かかる電力システムは、例えば、スマートグリッド、家庭用エネルギー管理システム（ＨＥＭＳ）、および／または車両等を含み、蓄電も可能である。
【００６５】
二次電池を有し、電力が供給される電子機器が接続されるように構成された電力貯蔵用電源において本発明の電気化学デバイス（すなわち、二次電池）を適用することができる。かかる電力貯蔵用電源の用途は問わず、基本的にはどのような電力システム又は電力装置にも用いることができるが、例えば、スマートグリッドに用いることができる。
【００６６】
本発明の電気化学デバイスのより詳細な事項、更なる具体的な態様などその他の事項は、上述の［本発明の電気化学デバイスのための電解液］で説明しているので、重複を避けるために説明を省略する。
【００６７】
ここで、本発明のマグネシウム電極系の電気化学デバイスが、二次電池として供される場合について更に詳述しておく。以下では、かかる二次電池を「マグネシウム二次電池」とも称する。
【００６８】
本発明の電気化学デバイスとしてのマグネシウム二次電池は、それを駆動用・作動用の電源又は電力蓄積用の電力貯蔵源として利用可能な機械、機器、器具、装置、システム（複数の機器等の集合体）に対して、特に限定されることなく、適用することができる。電源として使用されるマグネシウム二次電池（例えば、マグネシウム−硫黄二次電池）は、主電源（優先的に使用される電源）であってもよいし、補助電源（主電源に代えて、又は、主電源から切り換えて使用される電源）であってもよい。マグネシウム二次電池を補助電源として使用する場合、主電源はマグネシウム二次電池に限られない。
【００６９】
マグネシウム二次電池（特に、マグネシウム−硫黄二次電池）の用途として、具体的には、ビデオカメラ、カムコーダ、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、パーソナルコンピュータ、テレビジョン受像機、各種表示装置、コードレス電話機、ヘッドホンステレオ、音楽プレーヤー、携帯用ラジオ、電子ブック、および／または電子新聞等の電子ペーパー、ＰＤＡを含む携帯情報端末といった各種電子機器、電気機器（携帯用電子機器を含む）；玩具；電気シェーバ等の携帯用生活器具；室内灯等の照明器具；ペースメーカーおよび／または補聴器等の医療用電子機器；メモリーカード等の記憶用装置；着脱可能な電源としてパーソナルコンピュータ等に用いられる電池パック；電動ドリルおよび／または電動鋸等の電動工具；非常時等に備えて電力を蓄積しておく家庭用バッテリシステム等の電力貯蔵システムおよび／またはホームエネルギーサーバー（家庭用蓄電装置）、電力供給システム；蓄電ユニットおよび／またはバックアップ電源；電動自動車、電動バイク、電動自転車、および／またはセグウェイ（登録商標）等の電動車両；航空機および／または船舶の電力駆動力変換装置（具体的には、例えば、動力用モータ）の駆動を例示することができるが、これらの用途に限定するものではない。
【００７０】
そのなかでも、マグネシウム二次電池（特に、マグネシウム−硫黄二次電池）は、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電力供給システム、電動工具、電子機器、および／または電気機器等に適用されることが有効である。電池パックは、マグネシウム二次電池を用いた電源であり、所謂組電池等である。電動車両は、マグネシウム二次電池を駆動用電源として作動（例えば走行）する車両であり、二次電池以外の駆動源を併せて備えた自動車（例えばハイブリッド自動車等）であってもよい。電力貯蔵システム（例えば電力供給システム）は、マグネシウム二次電池を電力貯蔵源として用いるシステムである。例えば、家庭用の電力貯蔵システム（例えば電力供給システム）では、電力貯蔵源であるマグネシウム二次電池に電力が蓄積されているため、電力を利用して家庭用の電気製品等が使用可能となる。電動工具は、マグネシウム二次電池を駆動用の電源として可動部（例えばドリル等）が可動する工具である。電子機器および電気機器は、マグネシウム二次電池を作動用の電源（すなわち、電力供給源）として各種機能を発揮する機器である。
【００７１】
以下、円筒型のマグネシウム二次電池および平板型のラミネートフィルム型のマグネシウム二次電池について説明する。
【００７２】
円筒型のマグネシウム二次電池１００の模式的な断面図を図２に示す。マグネシウム二次電池１００にあっては、ほぼ中空円柱状の電極構造体収納部材１１１の内部に、電極構造体１２１および一対の絶縁板１１２，１１３が収納されている。電極構造体１２１は、例えば、セパレータ１２６を介して正極１２２と負極１２４とを積層して電極構造体を得た後、電極構造体を捲回することで作製することができる。電極構造体収納部材（例えば電池缶）１１１は、一端部が閉鎖され、他端部が開放された中空構造を有しており、鉄（Ｆｅ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）等から作製されている。一対の絶縁板１１２，１１３は、電極構造体１２１を挟むと共に、電極構造体１２１の捲回周面に対して垂直に延在するように配置されている。電極構造体収納部材１１１の開放端部には、電池蓋１１４、安全弁機構１１５および熱感抵抗素子（例えばＰＴＣ素子、Positive Temperature Coefficient 素子）１１６がガスケット１１７を介してかしめられており、これによって、電極構造体収納部材１１１は密閉されている。電池蓋１１４は、例えば、電極構造体収納部材１１１と同様の材料から作製されている。安全弁機構１１５および熱感抵抗素子１１６は、電池蓋１１４の内側に設けられており、安全弁機構１１５は、熱感抵抗素子１１６を介して電池蓋１１４と電気的に接続されている。安全弁機構１１５にあっては、内部短絡および／または外部からの加熱等に起因して内圧が一定以上になると、ディスク板１１５Ａが反転する。これによって、電池蓋１１４と電極構造体１２１との電気的接続が切断される。大電流に起因する異常発熱を防止するために、熱感抵抗素子１１６の抵抗は温度の上昇に応じて増加する。ガスケット１１７は、例えば、絶縁性材料から作製されている。ガスケット１１７の表面にはアスファルト等が塗布されていてもよい。
【００７３】
電極構造体１２１の捲回中心には、センターピン１１８が挿入されている。但し、センターピン１１８は、捲回中心に挿入されていなくてもよい。正極１２２には、アルミニウム等の導電性材料から作製された正極リード部１２３が接続されている。具体的には、正極リード部１２３は正極集電体に取り付けられている。負極１２４には、銅等の導電性材料から作製された負極リード部１２５が接続されている。具体的には、負極リード部１２５は負極集電体に取り付けられている。負極リード部１２５は、電極構造体収納部材１１１に溶接されており、電極構造体収納部材１１１と電気的に接続されている。正極リード部１２３は、安全弁機構１１５に溶接されていると共に、電池蓋１１４と電気的に接続されている。尚、図２に示した例では、負極リード部１２５は１箇所（捲回された電極構造体の最外周部）であるが、２箇所（捲回された電極構造体の最外周部および最内周部）に設けられている場合もある。
【００７４】
電極構造体１２１は、正極集電体上に（より具体的には、正極集電体の両面に）正極活物質層が形成された正極１２２と、負極集電体上に（より具体的には、負極集電体の両面に）負極活物質層が形成された負極１２４とが、セパレータ１２６を介して積層されて成る。正極リード部１２３を取り付ける正極集電体の領域には、正極活物質層は形成されていないし、負極リード部１２５を取り付ける負極集電体の領域には、負極活物質層は形成されていない。
【００７５】
マグネシウム二次電池１００は、例えば、以下の手順に基づき製造することができる。
【００７６】
まず、正極集電体の両面に正極活物質層を形成し、負極集電体の両面に負極活物質層を形成する。
【００７７】
次いで、溶接法等を用いて、正極集電体に正極リード部１２３を取り付ける。また、溶接法等を用いて、負極集電体に負極リード部１２５を取り付ける。次に、微多孔性ポリエチレンフィルムから成るセパレータ１２６を介して正極１２２と負極１２４とを積層し、捲回して、（より具体的には、正極１２２／セパレータ１２６／負極１２４／セパレータ１２６の電極構造体（すなわち、積層構造体）を捲回して）、電極構造体１２１を作製した後、最外周部に保護テープ（図示せず）を貼り付ける。その後、電極構造体１２１の中心にセンターピン１１８を挿入する。次いで、一対の絶縁板１１２，１１３で電極構造体１２１を挟みながら、電極構造体１２１を電極構造体収納部材１１１の内部に収納する。この場合、溶接法等を用いて、正極リード部１２３の先端部を安全弁機構１１５に取り付けると共に、負極リード部１２５の先端部を電極構造体収納部材１１１に取り付ける。その後、減圧方式に基づき電解液を注入して、電解液をセパレータ１２６に含浸させる。次いで、ガスケット１１７を介して電極構造体収納部材１１１の開口端部に電池蓋１１４、安全弁機構１１５および熱感抵抗素子１１６をかしめる。
【００７８】
次に、平板型のラミネートフィルム型の二次電池について説明する。かかる二次電池の模式的な分解斜視図を図３に示す。この二次電池にあっては、ラミネートフィルムから成る外装部材２００の内部に、基本的に前述したと同様の電極構造体２２１が収納されている。電極構造体２２１は、セパレータおよび電解質層を介して正極と負極とを積層した後、この積層構造体を捲回することで作製することができる。正極には正極リード部２２３が取り付けられており、負極には負極リード部２２５が取り付けられている。電極構造体２２１の最外周部は、保護テープによって保護されている。正極リード部２２３および負極リード部２２５は、外装部材２００の内部から外部に向かって同一方向に突出している。正極リード部２２３は、アルミニウム等の導電性材料から形成されている。負極リード部２２５は、銅、ニッケル、および／またはステンレス鋼等の導電性材料から形成されている。
【００７９】
外装部材２００は、図３に示す矢印Ｒの方向に折り畳み可能な１枚のフィルムであり、外装部材２００の一部には、電極構造体２２１を収納するための窪み（例えばエンボス）が設けられている。外装部材２００は、例えば、融着層と、金属層と、表面保護層とがこの順に積層されたラミネートフィルムである。二次電池の製造工程では、融着層同士が電極構造体２２１を介して対向するように外装部材２００を折り畳んだ後、融着層の外周縁部同士を融着する。但し、外装部材２００は、２枚の別個のラミネートフィルムが接着剤等を介して貼り合わされたものでもよい。融着層は、例えば、ポリエチレンおよび／またはポリプロピレン等のフィルムから成る。金属層は、例えば、アルミニウム箔等から成る。表面保護層は、例えば、ナイロンおよび／またはポリエチレンテレフタレート等から成る。中でも、外装部材２００は、ポリエチレンフィルムと、アルミニウム箔と、ナイロンフィルムとがこの順に積層されたアルミラミネートフィルムであることが好ましい。但し、外装部材２００は、他の積層構造を有するラミネートフィルムでもよいし、ポリプロピレン等の高分子フィルムでもよいし、金属フィルムでもよい。具体的には、ナイロンフィルムと、アルミニウム箔と、無延伸ポリプロピレンフィルムとが外側からこの順に積層された耐湿性のアルミラミネートフィルムから成っていてよい。
【００８０】
外気の侵入を防止するために、外装部材２００と正極リード部２２３との間、および、外装部材２００と負極リード部２２５との間には、密着フィルム２０１が挿入されている。密着フィルム２０１は、正極リード部２２３および負極リード部２２５に対して密着性を有する材料、例えば、ポリオレフィン樹脂等から成っていてよく、より具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂から成っていてよい。
【００８１】
上述では、二次電池を主に念頭にした説明であったが、本開示事項は他の電気化学デバイス、例えば、キャパシタ、空気電池および燃料電池などについても同様に当てはまる。以下それについて説明する。
【００８２】
本発明の電気化学デバイスは、模式的な断面図を図４に示すように、キャパシタとして供すことができる。キャパシタでは、電解液が含浸されたセパレータ３３を介して、正極３１および負極３２が対向して配置されている。尚、セパレータ３３、正極３１および負極３２の少なくとも１つの表面に、本発明の電解液が含浸されたゲル電解質膜が配置されてもよい。参照番号３５，３６は集電体を示し、参照番号３７はガスケットを示す。
【００８３】
あるいは、本発明の電気化学デバイスは、図５の概念図に示すように、空気電池として供すこともできる。かかる空気電池は、例えば、水蒸気を透過し難く酸素を選択的に透過させる酸素選択性透過膜４７、導電性の多孔質材料から成る空気極側集電体４４、この空気極側集電体４４と多孔質正極４１の間に配置され導電性材料から成る多孔質の拡散層４６、導電性材料と触媒材料を含む多孔質正極４１、水蒸気を通過し難いセパレータおよび電解液（又は、電解液を含む固体電解質）４３、マグネシウムイオンを放出する負極４２、負極側集電体４５、および、これらの各層が収納される外装体４８から構成されている。
【００８４】
酸素選択性透過膜４７によって空気（例えば大気）５１中の酸素５２が選択的に透過され、多孔質材料から成る空気極側集電体４４を通過し、拡散層４６によって拡散され、多孔質正極４１に供給される。酸素選択性透過膜４７を透過した酸素の進行は空気極側集電体４４によって部分的に遮蔽されるが、空気極側集電体４４を通過した酸素は拡散層４６によって拡散され、広がるので、多孔質正極４１全体に効率的に行き渡るようになり、多孔質正極４１の面全体への酸素の供給が空気極側集電体４４によって阻害されることがない。また、酸素選択性透過膜４７によって水蒸気の透過が抑制されるので、空気中の水分の影響による劣化が少なく、酸素が多孔質正極４１全体に効率的に供給されるので、電池出力を高くすることが可能となり、安定して長期間使用可能となる。
【００８５】
あるいは、本発明の電気化学デバイスは、図６の概念図に示すように、燃料電池として供すこともできる。燃料電池は、例えば、正極６１、正極用電解液６２、正極用電解液輸送ポンプ６３、燃料流路６４、正極用電解液貯蔵容器６５、負極７１、負極用電解液７２、負極用電解液輸送ポンプ７３、燃料流路７４、負極用電解液貯蔵容器７５、およびイオン交換膜６６から構成されている。燃料流路６４には、正極用電解液貯蔵容器６５および正極用電解液輸送ポンプ６３を介して、正極用電解液６２が連続的又は断続的に流れており（循環しており）、燃料流路７４には、負極用電解液貯蔵容器７５および負極用電解液輸送ポンプ７３を介して、負極用電解液７２が連続的又は断続的に流れたり又は循環しており、正極６１と負極７１との間で発電が行われる。正極用電解液６２として、本発明の電解液に正極活物質を添加したものを用いることができ、負極用電解液７２として、本発明の電解液に負極活物質を添加したものを用いることができる。
【００８６】
なお、電気化学デバイスにおける負極についていえば、Ｍｇ金属板を用いることができるほか、以下の手法で製造することもできる。例えば、ＭｇＣｌ2とＥｎＰＳ（エチル−ｎ−プロピルスルホン）とを含むＭｇ電解液（Ｍｇ−ＥｎＰＳ）を準備し、このＭｇ電解液を用いて、電解メッキ法に基づきＣｕ箔上にＭｇ金属を析出させて、負極活物質層としてＭｇメッキ層をＣｕ箔上に形成してよい。ちなみに、かかる手法で得られたＭｇメッキ層の表面をＸＰＳ法に基づき分析した結果、Ｍｇメッキ層の表面にＭｇ、Ｃ、Ｏ、ＳおよびＣｌが存在することが明らかになり、また、表面分析で観察されたＭｇ由来のピークは分裂しておらず、４０ｅＶ以上６０ｅＶ以下の範囲にＭｇ由来の単一のピークが観察された。更には、Ａｒスパッタ法に基づき、Ｍｇメッキ層の表面を深さ方向に約２００ｎｍ掘り進め、その表面をＸＰＳ法に基づき分析した結果、Ａｒスパッタ後におけるＭｇ由来のピークの位置および形状は、Ａｒスパッタ前におけるピークの位置および形状と比べて変化がないことが分かった。
【００８７】
本発明に係る電気化学デバイスは、図１〜図３を参照して説明したようにマグネシウム二次電池として特に用いることができるが、かかるマグネシウム二次電池の幾つかの適用例についてより具体的に説明しておく。尚、以下で説明する各適用例の構成は、あくまで一例であり、構成は適宜変更可能である。
【００８８】
マグネシウム二次電池は電池パックの形態で用いることができる。かかる電池パックは、マグネシウム二次電池を用いた簡易型の電池パック（所謂ソフトパック）であり、例えば、スマートフォンに代表される電子機器等に搭載される。それに代えて又はそれに加えて、２並列３直列となるように接続された６つのマグネシウム二次電池から構成された組電池を備えていてよい。尚、マグネシウム二次電池の接続形式は、直列でもよいし、並列でもよいし、双方の混合型でもよい。
【００８９】
本発明のマグネシウム二次電池を電池パックに適用した場合の回路構成例を表すブロック図を図７に示す。電池パックは、セル（例えば組電池）１００１、外装部材、スイッチ部１０２１、電流検出抵抗器１０１４、温度検出素子１０１６および制御部１０１０を備えている。スイッチ部１０２１は、充電制御スイッチ１０２２および放電制御スイッチ１０２４を備えている。また、電池パックは、正極端子１０３１および負極端子１０３２を備えており、充電時には正極端子１０３１および負極端子１０３２は、それぞれ、充電器の正極端子および負極端子に接続され、充電が行われる。また、電子機器使用時には、正極端子１０３１および負極端子１０３２は、それぞれ、電子機器の正極端子および負極端子に接続され、放電が行われる。
【００９０】
セル１００１は、複数の本開示におけるマグネシウム二次電池１００２が直列および／または並列に接続されることで、構成される。尚、図７では、６つのマグネシウム二次電池１００２が、２並列３直列（２Ｐ３Ｓ）に接続された場合を示しているが、その他、ｐ並列ｑ直列（但し、ｐ，ｑは整数）のように、どのような接続方法であってもよい。
【００９１】
スイッチ部１０２１は、充電制御スイッチ１０２２およびダイオード１０２３、並びに、放電制御スイッチ１０２４およびダイオード１０２５を備えており、制御部１０１０によって制御される。ダイオード１０２３は、正極端子１０３１からセル１００１の方向に流れる充電電流に対して逆方向、負極端子１０３２からセル１００１の方向に流れる放電電流に対して順方向の極性を有する。ダイオード１０２５は、充電電流に対して順方向、放電電流に対して逆方向の極性を有する。尚、例ではプラス（＋）側にスイッチ部を設けているが、マイナス（−）側に設けてもよい。充電制御スイッチ１０２２は、電池電圧が過充電検出電圧となった場合に閉状態とされて、セル１００１の電流経路に充電電流が流れないように制御部１０１０によって制御される。充電制御スイッチ１０２２が閉状態となった後には、ダイオード１０２３を介することによって放電のみが可能となる。また、充電時に大電流が流れた場合に閉状態とされて、セル１００１の電流経路に流れる充電電流を遮断するように、制御部１０１０によって制御される。放電制御スイッチ１０２４は、電池電圧が過放電検出電圧となった場合に閉状態とされて、セル１００１の電流経路に放電電流が流れないように制御部１０１０によって制御される。放電制御スイッチ１０２４が閉状態となった後には、ダイオード１０２５を介することによって充電のみが可能となる。また、放電時に大電流が流れた場合に閉状態とされて、セル１００１の電流経路に流れる放電電流を遮断するように、制御部１０１０によって制御される。
【００９２】
温度検出素子１０１６は例えばサーミスタから成り、セル１００１の近傍に設けられ、温度測定部１０１５は、温度検出素子１０１６を用いてセル１００１の温度を測定し、測定結果を制御部１０１０に送出する。電圧測定部１０１２は、セル１００１の電圧、およびセル１００１を構成する各マグネシウム二次電池１００２の電圧を測定し、測定結果をＡ／Ｄ変換して、制御部１０１０に送出する。電流測定部１０１３は、電流検出抵抗器１０１４を用いて電流を測定し、測定結果を制御部１０１０に送出する。
【００９３】
スイッチ制御部１０２０は、電圧測定部１０１２および電流測定部１０１３から送られてきた電圧および電流を基に、スイッチ部１０２１の充電制御スイッチ１０２２および放電制御スイッチ１０２４を制御する。スイッチ制御部１０２０は、マグネシウム二次電池１００２のいずれかの電圧が過充電検出電圧若しくは過放電検出電圧以下になったとき、および／または、大電流が急激に流れたときに、スイッチ部１０２１に制御信号を送ることにより、過充電および過放電、過電流充放電を防止する。充電制御スイッチ１０２２および放電制御スイッチ１０２４は、例えばＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチから構成することができる。この場合、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードによってダイオード１０２３，１０２５が構成される。ＭＯＳＦＥＴとして、ｐチャネル型ＦＥＴを用いる場合、スイッチ制御部１０２０は、充電制御スイッチ１０２２および放電制御スイッチ１０２４のそれぞれのゲート部に、制御信号ＤＯおよび制御信号ＣＯを供給する。充電制御スイッチ１０２２および放電制御スイッチ１０２４は、ソース電位より所定値以上低いゲート電位によって導通する。即ち、通常の充電および放電動作では、制御信号ＣＯおよび制御信号ＤＯをローレベルとし、充電制御スイッチ１０２２および放電制御スイッチ１０２４を導通状態とする。そして、例えば過充電若しくは過放電の際には、制御信号ＣＯおよび制御信号ＤＯをハイレベルとし、充電制御スイッチ１０２２および放電制御スイッチ１０２４を閉状態とする。
【００９４】
メモリ１０１１は、例えば、不揮発性メモリであるＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）等から成る。メモリ１０１１には、制御部１０１０で演算された数値および／または製造工程の段階で測定された各マグネシウム二次電池１００２の初期状態におけるマグネシウム二次電池の内部抵抗値等が予め記憶されており、また、適宜、書き換えが可能である。また、マグネシウム二次電池１００２の満充電容量を記憶させておくことで、制御部１０１０と共に例えば残容量を算出することができる。
【００９５】
温度測定部１０１５では、温度検出素子１０１６を用いて温度を測定し、異常発熱時に充放電制御を行い、また、残容量の算出における補正を行う。
【００９６】
次に、マグネシウム二次電池の電動車両への適用について説明する。電動車両の一例であるハイブリッド自動車といった電動車両の構成を表すブロック図を図８Ａに示す。電動車両は、例えば、金属製の筐体２０００の内部に、制御部２００１、各種センサ２００２、電源２００３、エンジン２０１０、発電機２０１１、インバータ２０１２，２０１３、駆動用のモータ２０１４、差動装置２０１５、トランスミッション２０１６およびクラッチ２０１７を備えている。その他、電動車両は、例えば、差動装置２０１５および／またはトランスミッション２０１６に接続された前輪駆動軸２０２１、前輪２０２２、後輪駆動軸２０２３、および後輪２０２４を備えている。
【００９７】
電動車両は、例えば、エンジン２０１０又はモータ２０１４のいずれか一方を駆動源として走行可能である。エンジン２０１０は、主要な動力源であり、例えば、ガソリンエンジン等である。エンジン２０１０を動力源とする場合、エンジン２０１０の駆動力（例えば回転力）は、例えば、駆動部である差動装置２０１５、トランスミッション２０１６およびクラッチ２０１７を介して前輪２０２２又は後輪２０２４に伝達される。エンジン２０１０の回転力は発電機２０１１にも伝達され、回転力を利用して発電機２０１１が交流電力を発生させ、交流電力はインバータ２０１３を介して直流電力に変換され、電源２００３に蓄積される。一方、変換部であるモータ２０１４を動力源とする場合、電源２００３から供給された電力（例えば直流電力）がインバータ２０１２を介して交流電力に変換され、交流電力を利用してモータ２０１４を駆動する。モータ２０１４によって電力から変換された駆動力（例えば回転力）は、例えば、駆動部である差動装置２０１５、トランスミッション２０１６およびクラッチ２０１７を介して前輪２０２２又は後輪２０２４に伝達される。
【００９８】
制動機構（図示せず）を介して電動車両が減速すると、減速時の抵抗力がモータ２０１４に回転力として伝達され、その回転力を利用してモータ２０１４が交流電力を発生させるようにしてもよい。交流電力はインバータ２０１２を介して直流電力に変換され、直流回生電力は電源２００３に蓄積される。
【００９９】
制御部２００１は、電動車両全体の動作を制御するものであり、例えば、ＣＰＵ等を備えている。電源２００３は、本発明に従った１又は２以上のマグネシウム二次電池（図示せず）を備えることができる。電源２００３は、外部電源と接続され、外部電源から電力供給を受けることで電力を蓄積する構成とすることもできる。各種センサ２００２は、例えば、エンジン２０１０の回転数を制御すると共に、スロットルバルブ（図示せず）の開度（スロットル開度）を制御するために用いられる。各種センサ２００２は、例えば、速度センサ、加速度センサ、および／またはエンジン回転数センサ等を備えている。
【０１００】
尚、電動車両がハイブリッド自動車である場合について説明したが、電動車両は、エンジン２０１０を用いずに電源２００３およびモータ２０１４だけを用いて作動する車両（例えば電気自動車）でもよい。
【０１０１】
次に、マグネシウム二次電池の電力貯蔵システム（例えば電力供給システム）への適用について説明する。電力貯蔵システム（例えば電力供給システム）の構成を表すブロック図を図８Ｂに示す。電力貯蔵システムは、例えば、一般住宅および商業用ビル等の家屋３０００の内部に、制御部３００１、電源３００２、スマートメータ３００３、および、パワーハブ３００４を備えている。
【０１０２】
電源３００２は、例えば、家屋３０００の内部に設置された電気機器（例えば電子機器）３０１０に接続されていると共に、家屋３０００の外部に停車している電動車両３０１１に接続可能である。また、電源３００２は、例えば、家屋３０００に設置された自家発電機３０２１にパワーハブ３００４を介して接続されていると共に、スマートメータ３００３およびパワーハブ３００４を介して外部の集中型電力系統３０２２に接続可能である。電気機器（例えば電子機器）３０１０は、例えば、１又は２以上の家電製品を含んでいる。家電製品として、例えば、冷蔵庫、エアコンディショナー、テレビジョン受像機、および／または給湯器等を挙げることができる。自家発電機３０２１は、例えば、太陽光発電機および／または風力発電機等から構成されている。電動車両３０１１として、例えば、電動自動車、ハイブリッド自動車、電動オートバイ、電動自転車、および／またはセグウェイ（登録商標）等を挙げることができる。集中型電力系統３０２２として、商用電源、発電装置、送電網、および／またはスマートグリッド（例えば次世代送電網）を挙げることができるし、また、例えば、火力発電所、原子力発電所、水力発電所、および／または風力発電所等を挙げることもできるし、集中型電力系統３０２２に備えられた発電装置として、種々の太陽電池、燃料電池、風力発電装置、マイクロ水力発電装置、および／または地熱発電装置等を例示することができるが、これらに限定するものではない。
【０１０３】
制御部３００１は、電力貯蔵システム全体の動作（電源３００２の使用状態を含む）を制御するものであり、例えば、ＣＰＵ等を備えている。電源３００２は、本発明にしたがった１又は２以上のマグネシウム二次電池（図示せず）を備えることができる。スマートメータ３００３は、例えば、電力需要側の家屋３０００に設置されるネットワーク対応型の電力計であり、電力供給側と通信可能である。そして、スマートメータ３００３は、例えば、外部と通信しながら、家屋３０００における需要・供給のバランスを制御することで、効率的で安定したエネルギー供給が可能となる。
【０１０４】
かかる電力貯蔵システムでは、例えば、外部電源である集中型電力系統３０２２からスマートメータ３００３およびパワーハブ３００４を介して電源３００２に電力が蓄積されると共に、独立電源である自家発電機３０２１からパワーハブ３００４を介して電源３００２に電力が蓄積される。電源３００２に蓄積された電力は、制御部３００１の指示に応じて電気機器（例えば電子機器）３０１０および電動車両３０１１に供給されるため、電気機器（例えば電子機器）３０１０の作動が可能になると共に、電動車両３０１１が充電可能になる。即ち、電力貯蔵システムは、電源３００２を用いて、家屋３０００内における電力の蓄積および供給を可能にするシステムである。
【０１０５】
電源３００２に蓄積された電力は、任意に利用可能である。そのため、例えば、電気料金が安価な深夜に集中型電力系統３０２２から電源３００２に電力を蓄積しておき、電源３００２に蓄積しておいた電力を電気料金が高い日中に用いることができる。
【０１０６】
以上に説明した電力貯蔵システムは、１戸（例えば１世帯）毎に設置されていてもよいし、複数戸（例えば複数世帯）毎に設置されていてもよい。
【０１０７】
次に、マグネシウム二次電池の電動工具への適用について説明する。電動工具の構成を表すブロック図を図８Ｃに示す。電動工具は、例えば、電動ドリルであり、プラスチック材料等から作製された工具本体４０００の内部に、制御部４００１および電源４００２を備えている。工具本体４０００には、例えば、可動部であるドリル部４００３が回動可能に取り付けられている。制御部４００１は、電動工具全体の動作（電源４００２の使用状態を含む）を制御するものであり、例えば、ＣＰＵ等を備えている。電源４００２は、本発明に従った１又は２以上のマグネシウム二次電池（図示せず）を備えることができる。制御部４００１は、動作スイッチ（図示せず）の操作に応じて、電源４００２からドリル部４００３に電力を供給する。
【０１０８】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、あくまでも典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の態様が考えられることを当業者は容易に理解されよう。
【０１０９】
例えば、上述した電解液の組成、製造に用いた原材料、製造方法、製造条件、電解液の特性、電気化学デバイス、電池の構成または構造は例示であり、これらに限定するものではなく、また、適宜、変更することができる。本発明の電解液を有機ポリマー（例えば、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルおよび／またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ））と混合してゲル電解質として使用することもできる。
【実施例】
【０１１０】
本発明の効果を確認すべく以下の実証試験を行った。【０１１１】
特に、マグネシウム電極系の電解液に含まれる直鎖エーテル溶媒が、単一のエチレンオキシ構造単位でなく、“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”を有することでマグネシウム電極系の電解液の特性向上に寄与するか否かについて実証試験を行った。【０１１２】
実施例１
電気化学デバイスとして以下の仕様を有するマグネシウム−硫黄二次電池を作製した。
(マグネシウム−硫黄二次電池の仕様)
● 負極：マグネシウム電極（φ１５ｍｍおよび厚み２００μｍのＭｇ板／純度９９．９％）
● 正極：硫黄電極（Ｓ８硫黄を１０質量％含有した電極、導電助剤としてケッチェンブラック（ＫＢ）を含有、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含有）
● セパレータ：グラスファイバー
● 電解液
・マグネシウム塩：ハロゲン金属塩（ＭｇＣｌ2（無水物）０．８Ｍ）およびイミド金属塩（Ｍｇ（ＴＦＳＩ）2 ０．８Ｍ）
・直鎖エーテル溶媒：ジエチレングリコールジメチルエーテル
● 二次電池形態：コイン電池ＣＲ２０１６タイプ
【０１１３】
図９に作製した電池を模式的な展開図で示す。正極２３は、硫黄（Ｓ8）１０質量％、導電助剤としてケッチェンブラック６０質量％、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）３０質量％を瑪瑙製の乳鉢を用いて混合した。そして、アセトンで馴染ませながらローラーコンパクターを用いて１０回程度圧延成型した。その後、７０℃の真空乾燥で１２時間乾燥した。こうして、正極２３を得ることができた。【０１１４】
コイン電池缶２１にガスケット２２を載せ、硫黄から成る正極２３、グラスファイバー製のセパレータ２４、直径１５ｍｍ、厚さ２００μｍのＭｇ板から成る負極２５、厚さ０．５ｍｍのステンレス鋼板から成るスペーサ２６、コイン電池蓋２７の順に積層した後、コイン電池缶２１をかしめて封止した。スペーサ２６はコイン電池蓋２７に予めスポット溶接しておいた。電解液は、コイン電池２０のセパレータ２４に含ませる形態で用いた。【０１１５】
作製した電池を充放電に付した。充放電条件は、以下の通りである。
(充放電条件)
放電条件：ＣＣ放電０．１ｍＡ／０．４Ｖまたは０．７Ｖカットオフ
充電条件：ＣＣ充電０．１ｍＡ／２．２Ｖカットオフ
温度：２５℃【０１１６】
実施例２
上記実施例１における電解液の直鎖エーテル溶媒について「ジエチレングリコールジメチルエーテル」を「ジエチレングリコールエチルメチルエーテル」へと変更（およびＭｇＣｌ2およびＭｇ（ＴＦＳＩ）2の使用量をそれぞれ１．０Ｍおよび０．８Ｍへと変更）した以外は、同様にマグネシウム−硫黄二次電池を作製し、同様の充放電に付した。【０１１７】
比較例１
上記実施例１における電解液の直鎖エーテル溶媒について「ジエチレングリコールジメチルエーテル」を「ジメトキシエタン（エチレングリコールジメチルエーテル）」へと変更（およびＭｇＣｌ2およびＭｇ（ＴＦＳＩ）2の使用量をそれぞれ２Ｍおよび１Ｍへと変更）した以外は、同様にマグネシウム−硫黄二次電池を作製し、同様の充放電に付した。【０１１８】
（結果）
結果を図１０に示す。図１０には、実施例１、実施例２および比較例１における充放電カーブが示されている。【０１１９】
図１０の充放電カーブから分かるように、実施例１および実施例２は、比較例１と異なり、特に二段目プラトーが１．０Ｖ以上で放電し、高い平均放電電位を示した。かかる放電電位は、従前報告されているもの、例えば「（１）Toyota：特表2013-525993、（２）Kang Xu: Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, p13526-13530、（３）KIT: Adv. Energy Mater., 2014, 1401155」で報告されている放電曲線よりも明らかに高い値である。【０１２０】
このようなことを踏まえて総括すると、以下の事項を本実証試験から見出すことができた。
・マグネシウム電極系の電解液に含まれる直鎖エーテル溶媒が、単一のエチレンオキシ構造単位でなく、あくまでも“２又はそれよりも多いエチレンオキシ構造単位”を有することによって、マグネシウム電極系の電気化学デバイスの放電電位が高くなる。より高い放電電位ゆえ、エネルギー密度がより高い電気化学デバイスの実現が達成され得る。
・実施例１および実施例２における電解液は、ハロゲン金属塩およびイミド金属塩を含んでいたことから、直鎖エーテル溶媒に含まれるマグネシウム塩を用いることは、マグネシウム電極系の電気化学デバイスのより高い放電電位に寄与し得る。
・実施例１および実施例２におけるハロゲン金属塩およびイミド金属塩について、ハロゲン金属塩が塩化マグネシウムであったことから、直鎖エーテル溶媒に含まれるマグネシウム塩として塩化マグネシウムを用いることは、マグネシウム電極系の電気化学デバイスのより高い放電電位に寄与し得る。
・実施例１および実施例２におけるハロゲン金属塩およびイミド金属塩について、イミド金属塩がＭｇ（ＴＦＳＩ）２であったことから、直鎖エーテル溶媒に含まれるマグネシウム塩としてパーフルオロアルキルスルホニルイミドのマグネシウム塩を用いることは、マグネシウム電極系の電気化学デバイスのより高い放電電位に寄与し得る。
・実施例１および実施例２における直鎖エーテル溶媒は、炭素数１以上１０以下の脂肪族炭化水素基を有するものであったことから、そのような特徴は、マグネシウム電極系の電気化学デバイスのより高い放電電位に寄与し得る。
・実施例１および実施例２における直鎖エーテル溶媒は、含有する２つの炭化水素基がそれぞれ炭素数１以上４以下の低級アルキル基であったことから、そのような特徴はマグネシウム電極系の電気化学デバイスのより高い放電電位に寄与し得る。
・実施例１における直鎖エーテル溶媒は、含有する２つの炭化水素基が互いに同じアルキル基であったことから、そのような特徴は、マグネシウム電極系の電気化学デバイスのより高い放電電位に寄与し得る。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明の電解液は、電気化学的な反応を利用してエネルギーを取り出す様々な分野に利用することができる。あくまでも例示にすぎないが、本発明の電解液は、二次電池はもちろんのこと、それに限らず、キャパシタ、空気電池および燃料電池などの種々の電気化学デバイスに用いられる。
【符号の説明】
【０１２２】
１０・・・正極、１１・・・負極、１２・・・電解質層、２０・・・コイン電池、２１・・・コイン電池缶、２２・・・ガスケット、２３・・・正極、２４・・・セパレータ、２５・・・負極、２６・・・スペーサ、２７・・・コイン電池蓋、３１・・・正極、３２・・・負極、３３・・・セパレータ、３５，３６・・・集電体、３７・・・ガスケット、４１・・・多孔質正極、４２・・・負極、４３・・・セパレータおよび電解液、４４・・・空気極側集電体、４５・・・負極側集電体、４６・・・拡散層、４７・・・酸素選択性透過膜、４８・・・外装体、５１・・・空気（大気）、５２・・・酸素、６１・・・正極、６２・・・正極用電解液、６３・・・正極用電解液輸送ポンプ、６４・・・燃料流路、６５・・・正極用電解液貯蔵容器、７１・・・負極、７２・・・負極用電解液、７３・・・負極用電解液輸送ポンプ、７４・・・燃料流路、７５・・・負極用電解液貯蔵容器、６６・・・イオン交換膜、１００・・・マグネシウム二次電池、１１１・・・電極構造体収納部材（電池缶）、１１２，１１３・・・絶縁板、１１４・・・電池蓋、１１５・・・安全弁機構、１１５Ａ・・・ディスク板、１１６・・・熱感抵抗素子（ＰＴＣ素子）、１１７・・・ガスケット、１１８・・・センターピン、１２１・・・電極構造体、１２２・・・正極、１２３・・・正極リード部、１２４・・・負極、１２５・・・負極リード部、１２６・・・セパレータ、２００・・・外装部材、２０１・・・密着フィルム、２２１・・・電極構造体、２２３・・・正極リード部、２２５・・・負極リード部、１００１・・・セル（組電池）、１００２・・・マグネシウム二次電池、１０１０・・・制御部、１０１１・・・メモリ、１０１２・・・電圧測定部、１０１３・・・電流測定部、１０１４・・・電流検出抵抗器、１０１５・・・温度測定部、１０１６・・・温度検出素子、１０２０・・・スイッチ制御部、１０２１・・・スイッチ部、１０２２・・・充電制御スイッチ、１０２４・・・放電制御スイッチ、１０２３，１０２５・・・ダイオード、１０３１・・・正極端子、１０３２・・・負極端子、ＣＯ，ＤＯ・・・制御信号、２０００・・・筐体、２００１・・・制御部、２００２・・・各種センサ、２００３・・・電源、２０１０・・・エンジン、２０１１・・・発電機、２０１２，２０１３・・・インバータ、２０１４・・・駆動用のモータ、２０１５・・・差動装置、２０１６・・・トランスミッション、２０１７・・・クラッチ、２０２１・・・前輪駆動軸、２０２２・・・前輪、２０２３・・・後輪駆動軸、２０２４・・・後輪、３０００・・・家屋、３００１・・・制御部、３００
２・・・電源、３００３・・・スマートメータ、３００４・・・パワーハブ、３０１０・・・電気機器（電子機器）、３０１１・・・電動車両、３０２１・・・自家発電機、３０２２・・・集中型電力系統、４０００・・・工具本体、４００１・・・制御部、４００２・・・電源、４００３・・・ドリル部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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