JP5385569B2 - 酸性電解質を用いた電池 - Google Patents

Description

本発明は、酸性電解質を用いた電池に関する。

従来、電池としては多種多様のものがあり、例えば使い捨ての一次電池や、充電可能な二次電池や燃料電池等が代表的な化学電池であり、そのほか光電池や太陽電池等の物理電池が知られている。

周知のように、一次電池は充電できず、二次電池は充電できるが充電時には電源に接続して通電しなければならないといった欠点がある。又、燃料電池は、電極触媒として白金等を使用するため高価となる。更に、補聴器等に使用される空気電池は、一旦シールを剥がして空気を供給すると、その後シールを貼り直しても内部での化学反応を完全に停止することができず、自然放電を止めることができない欠点がある。

一方、リザーブ電池として知られているマグネシウム電池は、比較的大きな起電力を得られるが、放電持続時間が短いことや塩化銀などの高価な材料を用いる等のことから広く普及することは難しいとされている。このマグネシウム電池は、まだまだ未開発の分野であり、それに関する情報量も非常に少ない。例えば特許文献１、２等の中に僅かに記載されている程度である。

特表２００８−５２３２１１号公報 特表平９−５０１００７号公報

本件発明者らは、マグネシウム電池に関する実験を行って鋭意研究した結果、電解液として酸性電解質を用いることで従来よりも起電力がはるかに大きく、しかも電源に接続せずとも充電が可能であることを知見して本発明を完成するに至った。即ち、本発明は、酸性電解質を用いた電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１は、マグネシウム又はアルミニウムである金属を負極とすると共に、導電部材を正極として当該正極に空気を供給し、この負極と正極間に過塩素酸から成る酸性電解質を配設してなり、前記負極の金属が溶滅したら、新しい金属と取り替えるだけで引き続き使用することが可能であることを特徴とする酸性電解質を用いた電池を要旨とする。

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上記請求項１の発明によれば、リード線を介して負極と正極とを接続することにより、負極から正極に電子が移動して直流電力が得られる。
この場合、負極から発生する金属イオンと酸性電解質の電離イオンとが結合して金属塩が形成されるが、この金属塩は電池内で生じる水によって溶解し、負極の金属表面に付着しないため起電力の低下を抑えることができる。又、負極の金属が溶滅したら、新しい金属と取り替えるだけで引き続き使用することが可能である。これにより、充電時には電源に接続する必要がない二次電池としての機能を発揮することができる。
更に、従来の燃料電池のように触媒として白金等の高価な金属を使用しないので、安価に提供することができる。この場合、正極には空気を供給して反応させるが、従来の空気電池とは違って負極側を電解質と接触させないことにより化学反応を完全に停止させることができる。

前記酸性電解質として過塩素酸を用いることで、電池としての機能を高めることができ、且つアルカリ性の電解質よりも安全性を高めることができる。

負極の金属としてマグネシウム又はアルミニウムを用いることができ、特に、マグネシウムは水素が大量に発生し、その水素を電池内で利用して前記水を生成することができる。

次に、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る酸性電解質を用いた電池の基本構成を示す説明図である。

図１において、１は負極であり、本実施形態ではマグネシウムを用いるがこれに限定されない。この負極１としては、マグネシウム以外にアルミニウムを使用することができ、そのほか例えばリチウム、カルシウム、亜鉛、鉄、コバルト、カドミウム、鉛等も使用可能であると考えられる。又、金属は合金であっても使用することができる。

２は正極であり、例えばカーボン等の炭素系導電部材を用いることができ、当該正極２に空気を供給する。この場合、取り込んだ空気中の酸素を酸化剤として利用する。

３は酸性電解質であり、本実施形態では過塩素酸（ＨＣｌＯ_４）を用いるがこれに限定されない。前記負極１の金属と反応し易い酸性の電解液であれば使用することができる。

４は負荷であり、前記負極１と正極２と接続するリード線５の途中に設けられる。

上記のような基本構成を備えた電池において、前記負極１ではマグネシウムからマグネシウムイオンが溶出すると共に水素が発生し、電子がリード線５を介して負極１から正極２側に移動し、正極２では酸素が還元されて水を生成する。

化学反応式は次の通りである。
正極：２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２ ＋２ｅ ⁻ →Ｈ_２Ｏ
負極：Ｍｇ＋２Ｈ^＋→Ｍｇ^２＋＋Ｈ_２

この電池の化学反応に伴って、前記酸性電解質３の過塩素酸はＨ^＋と［ＣｌＯ_４］⁻とに電離し、［ＣｌＯ_４］⁻が負極１から生じるＭｇ^２＋と結合して錯塩Ｍｇ（ＣｌＯ_４）₂となる。この錯塩は負極１の表面に付着すると分極が生じて起電力が阻害されるが、前記生成水によって簡単に溶解するため負極１への付着が抑えられる。このため、負極１の表面は常に清浄状態に保持されることから、起電力の低下を抑えることができる。

従来の電解液の役割は、電池内の内部抵抗を低くして電極近傍での電気的中性を保つことであるが、本発明ではこの役割に加えて負極側の触媒機能を付加するために酸性電解液を用いたものである。又、酸性電解液を用いることで、アルカリ性電解液よりも安全性を高めることができる。

酸性の電解液を用いる電池は、例えば特開平１１−２２１０１１号公報に開示されているが、この場合は梅干の塩漬け原液を回収して、この塩漬け原液をアルミ電池に添加利用したものである。即ち、塩漬け水にアリカリを入れて電解液を作り、これに増粘剤、炭素分を入れてアルミ缶やアルミ廃品を陰極とし、炭素マンガン銅の陽極を電解容器内に嵌挿してアルミ電池を構成したものが記載されている。しかしながら、このアルミ電池は、上記酸性電解質を用いた本発明の電池とは構成が相違するものである。

又、特開平６−１５０８９２号公報には、アルカリ性水溶液を電解液とするアルカリ電池を使用後に安全に廃棄するため、酸性水溶液を注入して中和することで当該アルカリ電池を不能化する方法が記載されている。しかしながら、このアルカリ電池は、上記酸性電解質を用いた本発明の電池とは全く異なるものである。本発明者らによる先行技術の調査範囲においては、酸性電解質を用いた電池に関して上記の公報以外の特許文献を見出すことはできなかった。

本発明に係る酸性電解質を用いた電池のモデルを作成し、その電池性能を試験した。
図２は、電池性能試験に用いる電池モデルの概略斜視図を示す。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う概略分解断面図である。図２及び図３において、１はマグネシウムからなる板状の負極であり、その下にガラス繊維シート６、セパレータ７、正極となるカーボンシート８（導電部材）を順に重ねて負極１が外側になるようにして全体を二つに折り曲げるように変形し、その両端部を重ね合わせて固定することでモデル本体９を形成する。尚、セパレータ７は設けないで形成することも可能である。又、ガラス繊維シート６の代わりに紙、布、不織布等を使用しても良い。

前記カーボンシート８の外面側にはゲル化した酸性電解質３を塗布すると共に、カーボンシート８の内面側で挟まれた空間領域にはペースト状の陽極触媒１０を充填し、その陽極触媒１０にカーボンからなる細板状の集電体１１を取り付ける。陽極触媒１０としては、例えばカーボン粉末に触媒を混合してペースト状に形成したものを用いることができる。
更に、図２のように前記マグネシウムからなる負極１の表面にリード線１２の端部をテープ１４で固定し、前記集電体１１の突出端部にもリード線１３の端部を取り付ける。尚、正極のカーボンシート８にリード線１３の端部を取り付ける場合には、集電体１１を設けなくても良い。

ちなみに、このモデル本体９の大きさは、ほぼ縦４０ｍｍ×横１８ｍｍ×最大厚さ５ｍｍであり、全重量は約７．５ｇである。又、負極１のマグネシウムは０．８１ｇであった。

電池性能試験の計測器としては、北斗電工株式会社製の充放電試験機（ＨＪＲ−１１０ｍＳＭ６）を使用し、前記リード線１２、１３に接続して１ｍＡの負荷を掛け、電圧が２．５Ｖから１Ｖに低下するまでの電気容量を計測した。この電気容量は、８２８．８ｍＡｈ／ｇであった。前記従来のマグネシウム電池の電気容量は１７０ｍＡｈ／ｇ程度であるから、単純計算で約４．８倍であることが分かった。

上記の測定値はモデル本体９をケース等に入れないで計測した結果であり、今後モデル本体９をケース等に入れることで保湿等を改善し、更に充填等の技術を導入することにより高密度で高容量の電池を製造できると予測される。ケース等に収納する場合は、正極へ空気が充分に供給できるように当該ケース等に空気導入用の孔（図略）を設けることが好ましい。

本発明に係る電池の具体的な用途としては、例えばノートパソコン、携帯電話、時計、電気機器、電動工具や、その他電気自動車、家庭用発電ユニット、無停電電源、医療機器等広い範囲での用途が期待できる。

本発明による電池は、一次電池のように使い捨てではないので産業廃棄物になり難くて環境にやさしく、しかも従来の二次電池のように充電時に外部電源を必要としないので、省エネルギー及び低コストであり、災害時や遠隔地又は発展途上国等電源が無い場所での連続使用が可能であり、且つ安全性を確保することができる。

本発明は、小型軽量で電気容量の大きな電池を製造することができ、化学反応によって負極の金属を溶かしながら高い起電力が得られると共に、その起電力の低下を抑えることができる。充電時には電源に接続することなく、負極の金属を取り替えるだけで継続して使用することが可能である。

本発明に係る酸性電解質を用いた電池の基本構成を示す説明図である。 電池性能試験に用いる電池モデルの概略斜視図である。 図２におけるＡ−Ａ線に沿う概略分解断面図である。

１ 負極
２ 正極
３ 酸性電解質
４ 負荷
５ リード線
６ ガラス繊維シート
７ セパレータ
８ カーボンシート
９ モデル本体
１０ 陽極触媒
１１ 集電体
１２、１３ リード線
１４ テープ

Claims (1)

1. マグネシウム又はアルミニウムである金属を負極とすると共に、導電部材を正極として当該正極に空気を供給し、この負極と正極間に過塩素酸から成る酸性電解質を配設してなり、前記負極の金属が溶滅したら、新しい金属と取り替えるだけで引き続き使用することが可能であることを特徴とする酸性電解質を用いた電池。

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