(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-10
(45)【発行日】2022-03-18
(54)【発明の名称】マグネシウム空気電池
(51)【国際特許分類】
H01M 12/06 20060101AFI20220311BHJP
H01M 4/06 20060101ALN20220311BHJP
【FI】
H01M12/06 G
H01M12/06 D
H01M4/06 Q
(21)【出願番号】P 2018009478
(22)【出願日】2018-01-24
【審査請求日】2021-01-06
(31)【優先権主張番号】P 2017012621
(32)【優先日】2017-01-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第2項適用 富山県工業技術センター研究報告No.30 2016 第115頁にて公開
(73)【特許権者】
【識別番号】000175560
【氏名又は名称】三協立山株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000236920
【氏名又は名称】富山県
(74)【代理人】
【識別番号】100136331
【氏名又は名称】小林 陽一
(72)【発明者】
【氏名】小島 始男
(72)【発明者】
【氏名】安田 剛
(72)【発明者】
【氏名】清水 和紀
(72)【発明者】
【氏名】中川 昭
(72)【発明者】
【氏名】石黒 智明
(72)【発明者】
【氏名】本保 栄治
(72)【発明者】
【氏名】角田 龍則
(72)【発明者】
【氏名】高田 耕児
【審査官】前田 寛之
(56)【参考文献】
【文献】特開2016-004693(JP,A)
【文献】特開2017-228446(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M12/00-16/00
H01M 6/24- 6/52
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
正極と負極と電解液とを備え、正極は、空気を通し且つ導電性を有するものであり、負極は、マグネシウム又はマグネシウム合金からなり、電解液は、塩化ナトリウム水溶液にリン
酸を所定濃度含有し、pHが
初期状態で4.0~11.2であることを特徴とするマグネシウム空気電池。
【請求項2】
正極と負極と電解液とを備え、正極は、空気を通し且つ導電性を有するものであり、負極は、マグネシウム又はマグネシウム合金からなり、電解液は、塩化ナトリウム水溶液にリン酸
二水素カリウムを所定濃度含有し、pHが
初期状態で4.3~10.1であることを特徴とするマグネシウム空気電池。
【請求項3】
正極と負極と電解液とを備え、正極は、空気を通し且つ導電性を有するものであり、負極は、マグネシウム又はマグネシウム合金からなり、電解液は、塩化ナトリウム水溶液にリン酸
とカリウ
ムを所定濃度含有し、pHが
初期状態で3.2~11.7であることを特徴とするマグネシウム空気電池。
【請求項4】
正極と負極と電解液とを備え、正極は、空気を通し且つ導電性を有するものであり、負極は、マグネシウム又はマグネシウム合金からなり、電解液は、塩化ナトリウム水溶液
にカリウム
とホウ酸を所定濃度含有し、pHが
初期状態で4.2~8.0であることを特徴とするマグネシウム空気電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マグネシウム空気電池に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、負極にマグネシウム又はマグネシウム合金を用い、正極に空気中の酸素を用いるマグネシウム空気電池が知られている。マグネシウム空気電池は、電解液が強い酸性であると負極で自己放電が起こり、電解液が強いアルカリ性であると、電気を通さない反応生成物(水酸化マグネシウム)が生成され、負極表面がこの反応生成物で覆われると電池反応が停止する。そのため、理論上発電できる放電容量の半分程度の電力しか取り出せない問題があった。
特許文献1には、マグネシウム空気電池の電解液中にリン酸化合物、硫化物、アミノカルボン酸系塩、ホスホン酸系塩、グルコン酸塩のうち少なくとも2種類以上配合することが記載されている。この場合、電解液に複数のものを含有させる必要があり、それら含有物の管理が大変であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は以上に述べた実情に鑑み、電解液中の含有物の管理が容易で、且つ効率の良いマグネシウム空気電池の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記の課題を達成するために請求項1記載の発明によるマグネシウム空気電池は、正極と負極と電解液とを備え、正極は、空気を通し且つ導電性を有するものであり、負極は、マグネシウム又はマグネシウム合金からなり、電解液は、塩化ナトリウム水溶液にリン酸を所定濃度含有し、pHが初期状態で4.0~11.2であることを特徴とする。なお、電解液は、リン酸の化合物を含有するものでもよく、リン酸基を有し、電解液中でリン酸イオンを生じさせるものであればよい。
【0006】
請求項2記載の発明によるマグネシウム空気電池は、正極と負極と電解液とを備え、正極は、空気を通し且つ導電性を有するものであり、負極は、マグネシウム又はマグネシウム合金からなり、電解液は、塩化ナトリウム水溶液にリン酸二水素カリウムを所定濃度含有し、pHが初期状態で4.3~10.1であることを特徴とする。
【0007】
請求項3記載の発明によるマグネシウム空気電池は、正極と負極と電解液とを備え、正極は、空気を通し且つ導電性を有するものであり、負極は、マグネシウム又はマグネシウム合金からなり、電解液は、塩化ナトリウム水溶液にリン酸とカリウムを所定濃度含有し、pHが初期状態で3.2~11.7であることを特徴とする。なお、電解液は、リン酸とカリウムの化合物を含有するものでもよく、リン酸を含有するものの場合でいえば、リン酸基を有し、電解液中でリン酸イオンを生じさせるものであればよい。
【0008】
請求項4記載の発明によるマグネシウム空気電池は、正極と負極と電解液とを備え、正極は、空気を通し且つ導電性を有するものであり、負極は、マグネシウム又はマグネシウム合金からなり、電解液は、塩化ナトリウム水溶液にカリウムとホウ酸を所定濃度含有し、pHが初期状態で4.2~8.0であることを特徴とする。なお、電解液は、カリウムとホウ酸の化合物を含有するものであってもよい。
【発明の効果】
【0009】
請求項1記載の発明によるマグネシウム空気電池は、電解液が塩化ナトリウム水溶液にリン酸を所定濃度含有し、pHが初期状態で4.0~11.2であることにより、放電容量のロスを防ぎ、効率良く電力を取り出すことができる。また電解液は、塩化ナトリウム水溶液にリン酸だけを含有させたものでよいため、含有物の管理が容易である。
【0010】
請求項2記載の発明によるマグネシウム空気電池は、電解液が塩化ナトリウム水溶液にリン酸二水素カリウムを所定濃度含有し、pHが初期状態で4.3~10.1であることにより、放電容量のロスを防ぎ、効率良く電力を取り出すことができる。また電解液は、塩化ナトリウム水溶液にリン酸二水素カリウムを含有させるだけでよく、しかもリン酸二水素カリウムは粉末状のため、保管や電解液に溶かす際の取扱いが容易である。
【0011】
請求項3記載の発明によるマグネシウム空気電池は、電解液が塩化ナトリウム水溶液にリン酸とカリウムを所定濃度含有し、pHが初期状態で3.2~11.7であることにより、放電容量のロスを防ぎ、効率良く電力を取り出すことができる。
【0012】
請求項4記載の発明によるマグネシウム空気電池は、電解液が塩化ナトリウム水溶液にカリウムとホウ酸を所定濃度含有し、pHが初期状態で4.2~8.0であることにより、放電容量のロスを防ぎ、効率良く電力を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1-1】本発明に係るマグネシウム空気電池について行った実験の結果をまとめた表(実施例)である。
【
図1-2】本発明に係るマグネシウム空気電池について行った実験の結果をまとめた表(比較例)である。
【
図2】電解液にリン酸を含有する場合のpHと放電容量の関係を示すグラフである。
【
図3】電解液にリン酸二水素カリウムを含有する場合のpHと放電容量の関係を示すグラフである。
【
図4】電解液にリン酸+塩化カリウム、ホウ酸+塩化カリウムを含有する場合のpHと放電容量の関係を示すグラフである。
【
図5】本発明の一実施形態に係るマグネシウム空気電池を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図5は、本発明に係るマグネシウム空気電池の一実施形態を示している。本マグネシウム空気電池は、電解液3を収納する容器4と、電解液3に浸漬して設けた正極1と負極2を備える。
正極1は、いわゆる空気極であって、空気を通し且つ導電性を有するものとしてある。正極1は、例えばポーラス構造を有するカーボン繊維を用いることができる。正極1は、電解液3を収納する容器4の側壁に沿って設けてあり、容器4の側壁に設けた開口より容器4の外の空気と接している。
負極2は、マグネシウム又はマグネシウム合金からなる。マグネシウム合金としては、種々のものを用いることができるが、例えば汎用マグネシウム合金であるAZ31や、Caを添加して難燃性を持たせたAMX601を用いることができる。
【0015】
電解液3は、塩化ナトリウム水溶液にリン酸又はカリウム又はホウ酸を所定濃度含有し、pHを4~11としてある。なお、電解液3のpHは、初期状態で4~11であればよい。塩化ナトリウム水溶液は、水に塩を溶かしたものでもよいが、海水を用いることもできる。
【0016】
電解液3は、pHを4~11に調整するためのpH調整剤を含有することができる。pH調整剤としては、例えばNaOH、NH3を用いることができる。電解液3にリン酸等を含有させたことで、そのままではpHが4未満となる場合でも、pH調整剤を用いることでpHを4~11に調整できる。
【0017】
図1-1,1-2の表に示すように、負極合金種、電解液組成、初期pHを変化させ、放電容量への影響を調べた。放電容量の測定は、30mA/cm
2で定電流放電させ、負極2が完全に溶解、または電圧10mV以下で終了した。反応面積は、正極1が1.0cm
2、負極2が1.5cm
2、正極と負極の間隔は一定とした。電解液3の量は、40mlとした。放電容量の測定は、恒温恒湿機内で25℃の環境で行った。
電解液が塩化ナトリウム水溶液単体の場合の放電容量1490mAh/g(比較例2参照)に対して3%upの1535mAh/gを基準とし、放電容量がそれより大きいものを効果有りとした。
実施例1-1~1-24は、負極にAZ31を用い、電解液として塩化ナトリウム水溶液にリン酸を添加したものであり、放電容量が基準値を超えるものである。比較例1-1~1-15はその比較例であって、電解液として塩化ナトリウム水溶液にリン酸を添加し、放電容量が基準値を超えなかったものである。
実施例2-1~2-8は、負極にAZ31又はAMX601を用い、電解液として塩化ナトリウム水溶液にリン酸二水素カリウムを添加したものであり、放電容量が基準値を超えるものである。比較例2-1~2-4はその比較例であって、電解液として塩化ナトリウム水溶液にリン酸二水素カリウムを添加し、放電容量が基準値を超えなかったものである。
実施例3-1~3-4は、負極にAZ31を用い、電解液として塩化ナトリウム水溶液にリン酸と塩化カリウムを添加したものであり、放電容量が基準値を超えるものである。比較例3-1はその比較例であって、電解液として塩化ナトリウム水溶液にリン酸と塩化カリウムを添加し、放電容量が基準値を超えなかったものである。
実施例4-1~4-2は、負極にAZ31を用い、電解液として塩化ナトリウム水溶液にホウ酸と塩化カリウムを添加したものであり、放電容量が基準値を超えるものである。比較例4-1~4-2はその比較例であって、電解液として塩化ナトリウム水溶液にホウ酸と塩化カリウムを添加し、放電容量が基準値を超えなかったものである。
比較例1~6は、負極2にAZ31又はAMX601を用い、電解液3を単なる塩化ナトリウム水溶液(リン酸、カリウム、ホウ酸の何れも含有しないもの)としたものである。
【0018】
図2に示すように、リン酸を添加した場合(実施例1-1~1-24、比較例1-1~1-15)のpHと放電容量をグラフ上にプロットし、リン酸の濃度毎に近似曲線(二次曲線)を引き、濃度毎の近似曲線と基準放電容量(=1535mAh/g)との交点より、リン酸の濃度毎の「効果有り」となるpHの範囲を求めた。同図より、リン酸の濃度が0.05mol/LのときはpHが3.0~12.2、リン酸の濃度が0.20mol/LのときはpHが4.0~12.9、リン酸の濃度が0.25mol/LのときはpHが3.3~11.2、リン酸の濃度が0.30mol/LのときはpHが4.0~11.7、リン酸の濃度が0.35mol/LのときはpHが3.8~11.8で、放電容量を向上する効果がある。したがって、上記の濃度毎のpHの範囲の重複する範囲であるpH4.0~11.2であれば、リン酸の濃度が0.05~0.35mol/Lの何れの濃度であっても、放電容量を向上する効果がある。
【0019】
図3に示すように、リン酸二水素カリウムを添加した場合(実施例2-1~2-8、比較例2-1~2-4)のpHと放電容量をグラフ上にプロットし、リン酸二水素カリウムの濃度毎に近似曲線を引き、濃度毎の近似曲線と基準放電容量との交点より、リン酸二水素カリウムの濃度毎の「効果有り」となるpHの範囲を求めた。同図より、リン酸二水素カリウムの濃度が0.20mol/LのときはpHが3.0~10.1、リン酸二水素カリウムの濃度が0.30mol/LのときはpHが4.3~11.2で、放電容量を向上する効果がある。したがって、上記の濃度毎のpHの範囲の重複する範囲であるpH4.3~10.1であれば、リン酸二水素カリウムの濃度が0.20~0.30mol/Lの何れの濃度であっても、放電容量を向上する効果がある。
【0020】
図4に示すように、リン酸と塩化カリウムを添加した場合(実施例3-1~3-4、比較例3-1)、ホウ酸と塩化カリウムを添加した場合(実施例4-1~4-2、比較例4-1)のpHと放電容量をグラフ上にプロットし、添加剤の濃度毎に近似曲を引き、濃度毎の近似曲線と基準放電容量との交点より、添加剤の濃度毎の「効果有り」となるpHの範囲を求めた。同図より、リン酸と塩化カリウムの濃度が0.20mol/Lで、pHが3.2~11.7のとき、ホウ酸と塩化カリウムの濃度が0.20mol/Lで、pHが4.2~8.0のときに、放電容量を向上する効果がある。
【0021】
以上の結果より、添加剤の種類と濃度毎に「効果有り」となるpHの範囲をまとめると、下記の表1に示すとおりである。
【表1】
【0022】
塩化ナトリウム単体の場合(比較例1~6)には、負極をAMX601としたものの方がAZ31のものよりも放電容量が大きいが、本願発明の実施例では負極がAZ31の場合とAMX601の場合とで放電容量にあまり違いはなかった。また、pH調整剤をNaOHとした場合とNH3とした場合で、放電容量の増加量に大差はなかった。
初期pHを3~5に調整した実施例1-4,1-5,1-12,1-17,2-1,2-2,2-3,3-1,4-1は、放電実験後もpHが酸性領域に維持され、電解液3が白濁しない。
【0023】
以上に述べたように本マグネシウム空気電池は、電解液3が塩化ナトリウム水溶液にリン酸又はカリウム又はホウ酸を所定濃度含有し、pHが4~11であることにより、放電容量のロスを防ぎ、効率良く電力を取り出すことができる。これは、電解液中に含まれるリン酸又はカリウム又はホウ酸により、pHを弱酸性から弱アルカリ性の間に調整しつつ、負極2表面に保護膜を形成させて負極2の溶解を抑えられるためと推察される。電解液3のpHが強酸性であると、負極2で自己放電が顕著に起こり、自己放電が起こると、放電量が低下する。一方、強アルカリ性であると、負極2の反応性が低下し、出力が出ない。また、pHが高いと反応生成物が発生し、反応生成物は電気を通さない性質のため、負極2の表面がこれに覆われると電池反応が停止する。そこで本マグネシウム空気電池は、自己放電を抑制すると共に、負極2の反応性の低下と、反応生成物が多く発生して電池反応が阻害されるのを防止するため、電解液3のpHを4~11としている。
図2~4より明らかなように、何れの添加剤の種類・濃度の場合でも、pHが6~8の中性域のときに放電容量が最も大きくなる。特に、電解液3にリン酸又はリン酸二水素カリウムを0.2~0.3mol/l含有し、pHを6~8の中性域としたときに、放電容量を向上する効果が高い。本マグネシウム空気電池は、電解液3が塩化ナトリウム水溶液にリン酸又はカリウム又はホウ酸の何れか一つだけを含有させたものでもよいため、含有物の管理が容易である。
電解液3にリン酸を含有する場合と、リン酸二水素カリウムを含有する場合とでは、リン酸が液体であるのに対して、リン酸二水素カリウムは粉末状のため、保管や電解液に溶かす際の取扱いが容易である。例えば、容器4に食塩とリン酸二水素カリウムを入れておき、電気が必要なときに容器に水を入れて発電するといった使い方が可能になる。
さらに本マグネシウム空気電池は、電解液3にpHを4~11に調整するためのpH調整剤を含有することで、電解液3のpHを4~11に調整できる。
電解液3のpHが初期状態で5.0以下であると、電池反応が終了した時点で電解液3が透明なまま保持される。このことは、反応を阻害する生成物が少ないことを意味し、よって電池反応が長時間持続することが期待できる。また、電解液3が白濁しないことで、電解液3を繰り返し使用できる、回収が容易といった効果が期待できる。
本マグネシウム空気電池は、電解液3に塩化ナトリウム水溶液を用いるため、水を入れない状態で保管し、必要なときに水又は海水と、リン酸又はカリウム又はホウ酸を入れるだけで発電ができ、屋台用、レジャー用電源、災害時用の電源として好適である。
本マグネシウム空気電池は、使用後に負極2を新しいものに交換するだけで、繰り返し電池として使用することができる。
【0024】
本発明は以上に述べた実施形態に限定されない。負極には、AZ31とAMX601に限らず、あらゆるマグネシウム合金を用いることができる。正極は、導電性材料で空気を通すように形成してあればよく、材質は適宜変更することができ、例えば活性炭や銅を用いることもできる。正極及び負極の形状、配置は、任意である。電解液に含有させるリン酸又はカリウム又はホウ酸は、化合物の状態で含有するものであってもよく、リン酸二水素カリウム、塩化カリウムの他、種々の化合物を用いることができる。pH調整剤は、必ずしも使用しなくてもよい。
【符号の説明】
【0025】
1 正極
2 負極
3 電解液