JP2016012468A - 押圧型電池ケース - Google Patents

Abstract

【課題】マグネシウム電池をはじめとする電池において、発電中に電池セルのコアとなる極板類の積層体が膨満することを抑制し、継続して安定に発電することが可能な金属空気電池を提供することである。【解決手段】マグネシウム、セパレータ、活性炭素、金属をこの順に積層して積層体となし、１つ以上の該積層体を積層方向に密に配列し、該積層体を筒形で２重の筐体の内筐体の中に収め、該内筐体の外側に積層方向に補強板を配置して、外筐体の中に収め、該積層体に電解液を注入して発電を行い、発電化学反応の進行とともに積層体が膨満するのを抑制することを特徴とするマグネシウム電池である。【選択図】図１

Description

本発明は、電池の筐体によって電極積層構造が膨満するのを抑制する構造であることに関する。

マグネシウム電池は、エネルギー密度が高く、安全性も高く、また軽量である。材料のマグネシウムは資源的に極めて豊富で安価である。

マグネシウム電池では、発電することで水酸化マグネシウムを生成するが、これは電解液から分離後に高温にすることで再びマグネシウムに転換することが可能であり、循環型の電池材料として期待されている。

マグネシウム電池は、陰極活物質となるマグネシウムまたはマグネシウム合金と、セパレータ、活性炭素、空気極となる銅などの金属の４つの層を記載の順に重ねて電池セルを構成している。これを積層体と呼ぶ。通常の電池は、この積層体と同様の構造を持っている。

セパレータは、非導電性材料の不織布などで電解液を保持できるものである。また、セパレータおよび活性炭素は空気中から酸素を取り込む作用を行っている。セパレータに電解液を注入すると電池としての化学反応が起き、発電する。

マグネシウム電池の反応は下記の化学式によって表せる。

２Ｍｇ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ → ２Ｍｇ（ＯＨ）２↓・・・・・化学反応式１
または、電極の周囲に酸素が無い場合の反応は下記の化学式によって表せる。

Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ → Ｍｇ（ＯＨ）２↓＋Ｈ２ ・・・・・化学反応式２
実際には、両方の反応が混合して発電がおこなわれる。

マグネシウム電池は発電によって生成される水酸化マグネシウムなどによってマグネシウム電極の表面が膨満し、陽極との接触が不安定になり、内部抵抗が上昇するなど、発電性能が低下する。膨満はマグネシウム極板の全面に均一に発生するとは限らず、マグネシウム極板の表面は不整となることが有る。

このような状況を抑制するために、積層体の表面を強く押圧して、発電性能が低下するのを避ける必要がある。そのために電池セルを収納するケースの対向する１組の側壁を内側に向けて湾曲したものとしておき、積層体が膨満してケースを変形させると、反力により電池セルを押圧する構造が提案されている。（特許文献１）

このような構造であると、ケースの中央部から押圧力が働き、中央部から離れた部分には押圧力が働かないという問題が有る。

また、扁平な直方体形状に構成された複数の角型電池を１組の押圧プレートの間に厚さ方向に積層して配置し、押圧プレートを相互に接近する方向に圧縮バネにより付勢する構造が提案されている。（特許文献２）

この構造であると、電池セルの全面に均等に押圧力が働くが、構造が大きく複雑になるという問題がある。

実用新案登録第３１８３３６９号 特開２００３−３６８３０号

本発明が解決しようとする課題は、マグネシウム電池をはじめとする電池において、発電中に電池セルのコアとなる極板類の積層体が膨満することを抑制し、継続して安定に発電することが可能な金属空気電池を提供することである。

本発明は、
マグネシウム、セパレータ、活性炭素、金属をこの順に積層して積層体となし、
１つ以上の該積層体を積層方向に密に配列し、
該積層体を筒形で２重の筐体の内筐体の中に収め、
該内筐体の外側に積層方向に補強板を配置して、外筐体の中に収め、
該積層体に電解液を注入して発電を行い、
発電化学反応の進行とともに積層体が膨満するのを抑制することを特徴とするマグネシウム電池である。

また、本発明は、
マグネシウム、セパレータ、活性炭素、金属をこの順に積層して積層体となし、
１つ以上の該積層体を、絶縁板を該積層体の間に挟んで、積層方向に密に配列し、
押圧板と板バネを、該積層体の配列の少なくとも片側に、積層方向に重ねて配置し、
複数の該積層体、該押圧板、該板バネを、長方形断面の筒状の筐体の中に収めて、
該積層体に電解液を注入して発電を行い、
該積層体が該押圧板によって常に押圧されており、発電化学反応の進行とともに積層体が膨満するのを抑制することを特徴とするマグネシウム電池である。

本発明により、マグネシウム電池の発電効率の改善を図ることが出来る。

第１のマグネシウム電池の全体構成図 第２のマグネシウム電池の全体構成図 第１の筐体の見取図 第２の筐体の見取図 積層体の見取図 積層体の配列図 折り曲げた積層体の見取図 板バネの見取図 筐体の長辺の壁の凹凸構造の図 筐体の短辺の壁の凹凸構造の図 テーパーのある壁の断面図 積層体を組み込んだ状態を示す図 積層体が膨満した状態を示す図

図１は第１のマグネシウム電池１の全体構成図である。マグネシウム電池１は１つ以上の積層体２を配列したもの、内筐体１１ａ、補強板１６、外筐体１１ｂ、底板５から構成される。まず、積層体２を配列したものを内筐体１１ａに収めて、その外側に積層体２の積層の方向に重ねて補強板１６を密着して配置し、その全体を外筐体１１ｂに挿入することを示している。図３（ｃ）の側面断面図に示すように、内筐体１１ａの外側寸法と外筐体１１ｂの内側寸法は、補強板１６の２枚分の厚さだけ差が有る。補強板１６は内筐体１１ａと外筐体１１ｂの間の隙間に挿入されている。

図５に示すように、積層体２は、マグネシウム板２１、セパレータ２２、活性炭素２３、銅板２４を、記載の順に積層したものである。マグネシウム板２１には、負極端子１４ｂが、また銅板２４には正極端子１４ａが取り付けられている。

この実施例では、図６に示すように、積層体２を４つ重ねて配列したものを１つの電池としている。積層体２の間には絶縁物からなる絶縁板２５を配置してあり、積層体２の間で接触して漏電することが無いようにしてある。

それぞれの積層体２の負極端子１４ｂと正極端子１４ａを適宜に直列または並列に接続して、１つの積層体２の発生する電圧の４倍まで、もしくは１つの積層体２の発生する電流の４倍までを得ることができる。また、絶縁板２５を使わず、積層体２を直接に接触させ、全ての積層体２を直列に接続することもできる。

図３に、筐体１１の構造を示す。筐体１１は基本的に断面が長方形の筒であり、底や天井が無い。筐体１１は、２重になっており、内筐体１１ａと外筐体１１ｂからなる。外筐体１１ｂの下側には底板５が固定してある。底板５は、図３（ｂ）の平面図から見てとれるようにスノコ状になっており、空気が通過できるようになっている。内筐体１１ａの内側に積層体２を複数配列したものを収める。図６に積層体２を４つ重ねた様子を示す。内筐体１１ａ、外筐体１１ｂは絶縁性の材料、または少なくとも表面が絶縁性である材料で製作されている。

内筐体１１ａの外側には、積層方向の両側に補強板１６を配置して、その全体を外筐体１１ａの内側に収める。外筐体１１ｂの底部には底板５が固定してあり、内筐体１１ａと板バネ１２が下方に落ちてしまわないように、保持する。また、底板５の開口部を通じて空気が流入できる。補強板１６は、厚さが薄くても曲げ応力が大きい金属板、とくに塑性変形しにくいバネ鋼板などが好適である。

このように構成されたマグネシウム電池１は、積層体２のセパレータ２２および活性炭素２３に電解液を注入すると発電する。

発電の化学反応が進行するとマグネシウム板２１の表面に水酸化マグネシウムが蓄積して全体が膨満してきて、積層体２の層間に隙間が発生し、内部抵抗が増大して電池の性能が落ちる。

図１３に、積層体が膨満した状態を上から見た状態を示す。図１３（ａ）は、マグネシウム電池を組み立てて発電する前（使用前）の状態を示す。積層体が膨満していないので、筐体１１の上から見た断面形状は直方体である。

図１３（ａ）から補強板１６ならびに外筐体１１ｂを除くと拘束の無い構造（図示されていない）とすることが出来る。図１２（ｂ）は、そのような補強板１６と外筐体１１ｂが無く（拘束無し）、内筐体１１ａだけの構造の場合であって、発電を開始した（使用中）の状態を示し、積層体２が大きく膨満している状態を示している。筐体１１は絶縁性を求められるのでプラスチック材料で製作され、そのため筐体の壁は大きな力には耐えられない。積層体２は積層してある方向に膨満し、内筐体１１ａの短辺の壁にはあまり力がかからないので変形は小さく、長辺の壁には力がかかり、長辺の壁の端（短辺の壁と近い方）は短辺の壁に支えられているので変形せず、結局長辺の壁の中央部が大きく膨らむ。

図１３（ｃ）は、補強板１６と外筐体１１ｂが有る場合（拘束有り）を示す。内筐体１１ａの変形を、補強板１６と外筐体１１ｂが拘束しているので、長辺の壁の中央部が膨らむことを抑制している。また積層体２の端部は短辺の壁に支えられているので変形が少ない。このとき、積層体２の全面には積層の方向に押圧力がかかり、電池としての性能の低下を抑制する。

本実施例では、補強板１６と外筐体１１ｂの存在によって内筐体１１ａひいては積層体の全面に力がかかり膨満が抑制されるので電池の性能が低下せず、長時間安定に発電することが実現できた。

第２の実施例を図によって説明する。図２は第２のマグネシウム電池１の全体構成図である。マグネシウム電池１は、積層体２を配列したもの、押圧板１３、板バネ１２を重ねて、筐体１１に挿入した構造であることを示している。

図５に示すように、積層体２は、マグネシウム板２１、セパレータ２２、活性炭素２３、銅板２４を、記載の順に積層したものである。マグネシウム板２１には、負極端子１４ｂが、また銅板２４には正極端子１４ａが取り付けられている。

ここでは、図６に示すように、積層体２を４つ重ねて配列したものを１つの電池としている。積層体２の間には絶縁物からなる絶縁板２５を配置してあり、積層体２の間で接触して漏電することが無いようにしてある。

それぞれの積層体２の負極端子１４ｂと正極端子１４ａを適宜に直列または並列に接続して、１つの積層体２の発生する電圧の４倍まで、もしくは１つの積層体２の発生する電流の４倍までを得ることができる。また、絶縁板２５を使わず、積層体２を直接に接触させ、全ての積層体２を直列に接続しても良い。

図４に、筐体１１の構造を示す。筐体１１は基本的に断面が長方形の筒形であり、底や天井が無い。長方形の長辺をなす壁の片側には、図４（ｃ）の側面断面図で示すように支持用突起１５がある。支持用突起１５は、のちに説明するように板バネ１２を、下方に落ち込まないように、筐体１１の中央に保持するためのものである。

図４（ｃ）に示す筐体１１の短辺の内のりＬは、積層体２と押圧板１３のそれぞれの厚みを加えた値よりわずかに大きく、その隙間には板バネ１２を設置できる。

筐体１１の下側には底板５を固定してある。本発明のマグネシウム電池１は、図２に示した姿勢で使用することを前提にしている。そのとき、筒状の筐体１１から積層体２などが、底板５に遮られて下方に抜け落ちない。

筐体１１は絶縁性の材料、または少なくとも表面が絶縁性である材料で製作されている。

押圧板１３は、積層体２の積層面（図５で紙面に平行な面）とほぼ同じ大きさで、積層体２を押圧する力でも撓みが少ない金属あるいはプラスチックなどの材質、厚み、構造を選択してある。

板バネ１２は、図２に示したように、幅の狭い金属あるいはプラスチックなどを「くの字」状に曲げたものである。図８は、板バネ１２の曲り具合が見やすいように、上から見たものである。図８（ａ）は、板バネ１２に力がかかっていない状態を示している。図８（ｂ）は、筐体１１の内側に、板バネ１２を押圧板１３、積層体２と共に、図２で上側から挿入した状態を示している。

このとき、図１２（ａ）に示すように、板バネ１２は支持用突起１５に突き当たって、その位置より下に落ちて行かないように保持される。

１図８（ｂ）を図８（ａ）と比較すると判るように、板バネ１２は変形して、「くの字」がやや平らになっており、もとの図８（ａ）の形状に戻ろうとする応力を発生しており、すなわち押圧板１３を図で右方向に常に押し付けている。

したがって、押圧板１３は、中央部分のほぼ１点で押圧されており、不均一に膨満した積層体２であっても、自由に傾くことが可能であるので、全面にわたってほぼ均等な力で積層体２を押圧することができる。

この状態で、セパレータ２２および活性炭素２３に電解液を注入すると、発電の化学反応が起こり、正極端子１４ａと負極端子１４ｂの間に接続された負荷に電流が流れる。

積層体２の中で、マグネシウム板２１が発電するための化学反応によって膨満した場合は、図８（ｃ）に示したように、板バネ１２はさらに変形して、「くの字」がやや平らになって、より強い力で押圧板１３を押すことになる。したがって、積層体２は始めより強く押圧され、発電性能の低下が抑制される。

実施例１では、積層体２が有る程度膨満してきてから押圧力が強くなるのに比べて、実施例２では、最初から積層体２を押圧できるので、化学反応の初期から発電性能の低下の抑制が期待できる。また、積層体２の膨満が不均一であっても、全面をほぼ同じ強さの力で押圧できる。

実施例３は、実施例１または実施例２において、４つの積層体２を重ねて配列していたのに対して、図７に示すように、１つの積層体２を３回折り曲げて４つの積層体を重ねたのと同等としたものである。
この構造では、折り曲げた個々の積層体に電極を設ける必要が無く、構造に簡素化が図れる。ただし、発電する電気の電流を大きくすることには有効であるが、電圧を重畳することは出来ない。
また、図７は３回折り曲げて４つの積層体と同等なものとした例であるが、１回以上折り曲げるのであれば、その折り曲げ回数には、特別の制限はない。

その他の点は、実施例１または実施例２と同じである。

実施例４は、実施例１において内筐体１１ａの内側を凹凸構造としたものである。図８は、筐体１１の長辺側の壁に、図９（ｃ）で上下方向に伸びる複数の突起が形成されていて、凹部を壁面の厚さの基準とする凹凸構造となっているものを示している。図１０は、短辺側の壁に、図１０（ｃ）で上下方向に伸びる複数の突起が形成されていて、凹凸構造となっているものを示している。

この凹凸構造の凹部は、積層体２が筐体１１に挿入されたときも積層体２に対して接触せず、隙間を保つ。そのため、空気が自由に流通し、セパレータ２２や活性炭素２３の内部に空気中の酸素が浸透しやすくなり、発電のための化学反応がスムーズに進む効果が有る。

また、積層体２を筐体１１に収めるとき、積層体２を挟む、またはガイドするツールの通路ともなる。

実施例５は、実施例４において内筐体１１ａの長辺側の壁を、図１１に示すように、筐体の積層体と接する面が上端から下端に向けてテーパーになっているテーパー付きの構造としたものである。

このように、上から下に向かって拡がるテーパーを付けることにより、積層体２を筐体１１に収めるとき、入りやすいという効果が有り、また、筐体１１の内側に収めた積層体２が、上に抜けにくくなる効果が有る。

１ マグネシウム電池
１１ 筐体
１１ａ 内筐体
１１ｂ 外筐体
１２ 板バネ
１３ 押圧板
１４ 正又は負極端子
１４ａ 正極端子
１４ｂ 負極端子
１５ 支持用突起
１６ 補強板
２ 積層体
２１ マグネシウム板
２２ セパレータ
２３ 活性炭素
２４ 銅板
２５ 絶縁板
４ 凹凸構造
５ 底板

Claims (5)

1. マグネシウム、セパレータ、活性炭素、金属をこの順に積層して積層体となし、
   １つ以上の該積層体を積層方向に密に配列し、
   該積層体を断面が長方形の筒形で２重の筐体の内筐体の中に収め、
   該内筐体の外側に積層方向に、曲げ応力の大きい補強板を配置して、外筐体の中に収め、
   該積層体に電解液を注入して発電を行い、
   発電の化学反応の進行とともに積層体が膨満するのを抑制することを特徴とするマグネシウム電池。
2. マグネシウム、セパレータ、活性炭素、金属をこの順に積層して積層体となし、
   １つ以上の該積層体を、絶縁板を該積層体の間に挟んで、積層方向に密に配列し、
   押圧板と板バネを、該積層体の配列の少なくとも片側に、積層方向に重ねて配置し、
   複数の該積層体、該押圧板、該板バネを、断面が長方形の筒状の筐体の中に収めて、
   該積層体に電解液を注入して発電を行い、
   該積層体が該押圧板によって常に押圧されており、発電の化学反応の進行とともに積層体が膨満するのを抑制することを特徴とするマグネシウム電池。
3. 請求項１、２において、積層体を積層の方向に重なるように、１回以上折り重ねたことを特徴とするマグネシウム電池。
4. 請求項１において、筐体の積層体と接する面を凹凸構造としたことを特徴とするマグネシウム電池。
5. 請求項１において、筐体の積層体と接する面が上端から下端に向けてテーパーになっていることを特徴とするマグネシウム電池。
   

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