金属空气电池以及金属空气电池的极间距离设定方法与流程

本发明涉及金属空气电池以及金属空气电池的极间距离设定方法。

背景技术：

通常，在金属空气电池中，作为正极的空气电极和作为负极的金属电极成对地存在。此外，还提出了在金属空气电池中的金属电极(燃料极)的两侧以等距离配置空气电极的结构(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-99740号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，由于金属空气电池主要在空气电极与金属电极相对的面发生反应，因此，在为空气电极只与金属电极的一面相对的结构的情况下，每一个电池(cell)的反应面积受到制约，从而电池性能的提高存在制约。例如，由于电流流过时的电流密度变大，其结果是电极极化程度容易变大。

另一方面，在专利文献1的结构中，通过扩大每一个电池的空气电极面积而使电流密度变小，因此，其结果是电极极化程度变小。但是，市场上期望更高性能的电池，特别是对于在灾害时使用的金属空气电池，期望能够进行高电流充电的对智能手机等进行充电的用途。即，金属空气电池需要进一步减小电极极化。

因此，本发明的目的在于高效地获得高性能的金属空气电池。

用于解决课题的手段

本说明书中包含2018年4月16日申请的日本国专利申请·特愿2018-078517号的全部内容。

为了解决上述课题，本发明的金属空气电池具备金属电极、以及与所述金属电极相对的空气电极，其特征在于，所述空气电极分别配置在所述金属电极的两侧，所述金属电极配置在靠近两侧的所述空气电极中的任意一方的位置，作为所述金属电极与一方的所述空气电极之间的极间距离的第1距离和作为所述金属电极与另一方的所述空气电极之间的极间距离的第2距离满足以下条件，即，从所述金属电极和所述一方的空气电极以所述第1距离配置的第1电池获得的电压与从所述金属电极和所述另一方的空气电极以所述第2距离配置的第2电池获得的电压的平均值高于在将所述金属电极配置在两侧的所述空气电极的中央位置的情况下获得的电压。

此外，在上述结构中，也可以是，在设所述极间距离较短的一方为值la，极间距离较长的一方为值lb的情况下，值(lb/la)为2以上。

此外，在上述结构中，也可以具有支承部件，该支承部件将所述金属电极支承为从收纳该金属电极的电池槽的底板部离开。

此外，在金属空气电池的极间距离设定方法中，所述金属空气电池具备金属电极和与所述金属电极相对的空气电极，所述空气电极分别配置在所述金属电极的两侧，所述金属电极配置在靠近两侧的所述空气电极中的任意一方的位置，其特征在于，根据表示极间距离与电压的关系的非线性特性，将作为所述金属电极与一方的所述空气电极之间的极间距离的第1距离和作为所述金属电极与另一方的所述空气电极之间的极间距离的第2距离设定成，从所述金属电极和所述一方的空气电极以所述第1距离配置的第1电池获得的电压与从所述金属电极和另一方的所述空气电极以所述第2距离配置的第2电池获得的电压的平均值高于将所述金属电极配置在两侧的所述空气电极的中央位置的情况下获得的电压。

发明效果

根据本发明，能够在确保容量的同时容易获得较高的电压，能够高效地获得高性能的金属空气电池。

附图说明

图1是本发明的实施方式的金属空气电池的立体图。

图2是图1的a-a纵剖视图。

图3的(a)是示出实施例1的图，图3的(b)是示出比较例1的图，图3的(c)是示出比较例2的图。

图4是示出实施例1、比较例1和比较例2的容量试验的结果的图。

图5是示出极间距离la、lb的每个组合的电极极化试验的结果的图。

图6是示出极间距离la、lb的每个组合的恒流放电试验的结果的图。

图7是示出极间距离[mm]-电压[v]的关系的非线性特性的图。

图8是示出其它极间距离la、lb的每个组合的电极极化试验结果的图。

图9是示出图8所示的每个组合的恒流放电试验的结果的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。

图1是本发明的实施方式的金属空气电池10的立体图，图2是图1的a-a纵剖视图。

金属空气电池10是一次电池，其具备：电池槽11(也称为电池)，在该电池槽11中配置有两个空气电极13a、13b和一个金属电极15，通过向电池槽11内注入电解液而开始发电。在发电时，空气电极13a、13b作为正极发挥功能，金属电极15作为负极发挥功能。另外，图2中，标号ul表示注入到电池槽11中的电解液的上表面位置。

另外，所述电池槽11的材料没有特别限定，例如可以使用纸或树脂。在将纸用作所述电池槽11的情况下，使用在构成基材的纸的表面设置有薄膜的片材，如列举具体例，可以使用内表面被用热熔树脂(例如，聚乙烯(pe))进行层压加工而得到的层压纸。通过实施所述层压加工，能够防止电解液的漏出等。

在本说明中，上下左右等各方向与金属空气电池10被使用时的方向对应，图1等所示的标号x表示前方，标号y表示右方，标号z表示上方。x方向与空气电极13a、金属电极15以及空气电极13b的排列方向一致。另外，还存在根据使用状况等变更设置方向的情况。

电池槽11为薄型的长方体形状，通过弯折含有纸的片而一体地具有如下部分：底板部21，其构成电池槽11的底面；前壁部22，其构成前表面；后壁部23，其构成后表面；左右的侧壁部(左壁部、右壁部)24，它们构成左右侧面；以及上板部25，其构成上表面。

前壁部22和后壁部23是相同形状的面，被配置成彼此平行，形成电池槽11中的最大的面，具有形状及尺寸相同的矩形的开口部22k。前壁部22的开口部22k被矩形的空气电极13a覆盖，后壁部23的开口部22k被矩形的空气电极13b覆盖。

空气电极13a、13b以相同的形状和相同的尺寸形成，分别配置在金属电极15的两侧。各空气电极13a、13b是具有使外部空气能够向电池槽11内透气的透气性、以及不使电解液泄漏的非透液性的部件，例如，各空气电极13a、13b是通过在构成集电体的矩形状的铜网的两面上按压(冲压)构成催化剂层的催化剂片等而一体化形成的。

各空气电极13a、13b经由设置于电池槽11的开口部22k在电池槽11内露出，各空气电极13a、13b在各开口部22k内的区域实质上作为空气电极13a、13b发挥功能。另外，也可以通过另外设置具有非透液性的片来确保非透液性。此外，空气电极13a、13b不限于上述结构，可以广泛地应用公知的结构。

所述集电体是多孔集电体，通过形成为矩形状的铜网(铜的网状体)而具有良好的透气性。另外，所述集电体不限于铜，也可以是铁、镍及黄铜等其它金属。此外，不限于由网(网状体)构成的多孔结构，可以广泛应用网以外的具有透气性的多孔结构。考虑电池特性和成本这两个方面，特别优选铜网。

所述催化剂片是用由聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)制成的膜(以下称为pet膜)夹持用水将导电剂和有机物粘合剂捏合而成的糊剂，用辊压机压制成片状，经过干燥工序制作出的。

对于所述导电剂，可以使用碳粉、铜或铝等金属材料、或聚亚苯基衍生物等有机导电性材料等。另外，碳粉优选超导电炭黑等炭黑、石墨、活性炭、碳纳米管、碳纳米角的粉末。

所述有机物粘合剂是高分子分散体，具体而言，优选聚四氟乙烯(ptfe、特氟龙(注册商标))等氟系树脂、或聚丙烯(pp)等聚烯烃系树脂等热塑性树脂。

金属电极15由左右一对支承部件30支承在电池槽11内，与各空气电极13a、13b相对。金属电极15由镁合金所构成的金属板形成，与各空气电极13a、13b平行地配置。该金属空气电池10的电解液使用氯化钠水溶液。即，本实施方式的金属空气电池10是镁空气电池。对于镁空气电池，作为电解液，可以使用海水、或者在自来水中混合了盐的液体，因此电解液的供应较容易。另外，也可以构成为，在电池槽11的内部预先配置收纳有作为电解质的氯化钠的袋体，仅通过注入自来水等水来发电。电解液中的氯化钠的质量相对于溶剂的质量优选为4％～18％。这是因为，如果低于4％，则由于电解质不足，液体电阻较大，电池的性能不可靠，如果超过18％，则伴随着放电电解液会逐渐蒸发，食盐析出而成为电阻，电池的性能不可靠。

金属电极15具有向上方延伸并在电解液上方露出的左右一对阳极片15a1，任意一方的阳极片15a1被用作连接电力布线52(图3)的布线连接部。

另外，如图1所示，在金属电极15的左右下端部形成有在上方进行切削而成的切口部15a2，各切口部15a2的外形与阳极片15a1的外形一致。由此，金属电极15的上表面和下表面形成为相同形状，在从一个金属板(在本结构中为镁合金的板)上将金属电极15切下时，能够不隔开间隙地连续地进行切下。

在本结构中，在将金属电极15与左右一对支承部件30一起插入电池槽11内的情况下，利用支承部件30在电池槽11中对金属电极15进行定位。由此，金属电极15与经由开口部22k露出至内部的空气电极13a、13b相对，并且，作为空气电极13a、13b与金属电极15之间的分离距离的极间距离la、lb分别被保持恒定。另外，也可以预先将支承部件30插入电池槽11内，然后插入金属电极15。

左右一对支承部件30由同一部件形成，更具体而言，支承部件30具备：支承部件主体31，其装卸自如地安装在金属电极15上并沿上下方向(y方向)延伸；和多个(4个)抵接部41，它们从支承部件主体31伸出并与电池槽11的内表面抵接。各抵接部41具备：上下一对前侧伸出部42，它们从支承部件主体31朝向前方(+x方向)伸出；和上下一对后侧伸出部43，它们从支承部件主体31向后方(-x方向)伸出。

在将支承部件30插入到电池槽11内时，支承部件30的前侧伸出部42的突出面与前壁部22抵接，后侧伸出部43的突出面与后壁部23抵接，由此，对被支承于支承部件30的金属电极15的前后位置进行定位。此外，前侧伸出部42也向左右外侧伸出而与电池槽11的侧壁部24抵接，对金属电极15的左右位置进行定位。由此，能够对金属电极15在电池槽11中进行定位，将极间距离la、lb等保持为恒定。

此外，左右一对支承部件30将金属电极15支承为从电池槽11的底板部21离开。

另外，在负极活性物质即金属电极15为足够的量的情况下，电池容量依赖于作为电解液的溶剂的水的量。因此，发明者们为了在具有相同的电池容积的空气电池中确保容量并获得较高的发电电压，进行了各种研究。在本结构中，如图2所示，通过将金属电极15配置在靠近两侧的空气电极13a、13b中的任意一方的位置，在确保容量的同时获得了较高的发电电压。以下，对实施例和比较例进行说明。另外，实施例不限于以下的实施例。

图3的(a)示出实施例1，图3的(b)示出比较例1，图3的(c)示出比较例2。另外，图3的(a)～图3的(c)示出的是实施例1、比较例1和2的金属空气电池10的左右中央的截面结构。在各图中，标号51表示与空气电极13a、13b连接的电力布线，标号52表示与金属电极15连接的电力布线。

实施例1是使金属电极15靠近一方的空气电极13a而配置的结构，可以表述为偏置型。与此相对，比较例1是将金属电极15配置在两侧的空气电极13a、13b的中央的结构，以下适当表述为中央配置型。此外，比较例2是从实施例1去除了右侧的空气电极13b后的结构，即，是仅在金属电极15的单侧配置空气电极13a的单侧型。

图4是示出在下述条件下进行上述3种类型的金属空气电池10的恒流放电试验得到的结果(容量-电压特性)的图。图4以及后述的各图所示的特性图是在内部容积为650cm³、空气电极13a与空气电极13b的分离距离为26mm的电池槽11中，使用四个边为150mm、厚度为3mm的金属电极15进行恒流放电试验得到的结果。另外，在所述电池槽中注入600cm³左右的食盐水作为电解液。

所述恒流放电试验是在常温(设为25℃)环境下使相当于2a的恒定电流持续流过直到电池电压达到0v(直到金属电极15消耗而达到电池寿命)的恒流放电试验。另外，图4中的横轴是电池容量[ah]，纵轴是电池电压[v]。

如图4所示可知，实施例1与比较例1、2相比电极极化程度小，并且维持着电极极化程度较小的状态直至放电末期。比较例1与比较例2相比电压上升，但是与实施例1相比较，电压较低。

接下来，为了确认极间距离的影响，除了设为多种极间距离la、lb以外，使用与实施例1相同的电池进行了试验。试验结果在图5(电极极化试验)和图6(恒流放电试验)中示出。

在所述电极极化试验中，在注入了电解液的状态下，以使电池状态在同一条件下一致并且使反应活性化为目的，在放置3分钟之后，与放电装置连接，在10分钟内使相当于-2a的电流流动，然后，停止3分钟。接下来，测定了使1.0a、1.5a、2.0a、2.5a、3.0a，4.0a、5.0a、6.0a的电流各流动5分钟时的各个电流值的平均放电电压。

图5是示出极间距离la、lb的每个组合的电流-电压的关系的图，横轴是电池电流[a]，纵轴是平均电池电压[v]。

如图5所示，极间距离0.5mm、22.5mm的组合在任何电流值下都获得了相对较高的电压值。除了该组合以外，极间距离5.5mm、17.5mm的组合、极间距离9.5mm、13.5mm的组合依次得到了良好的结果。另一方面，相当于比较例2的极间距离11.5mm、11.5mm的组合在任何电流值下电压都是最低的。

根据发明人等的研究，在设极间距离较小的一方为值la的情况下，当值(lb/la)在2以上时，能够高效地提高电压。另外，值(lb/la)为2以上的情况是图5的示例中的极间距离0.5mm、22.5mm的组合、以及极间距离5.5mm、17.5mm的组合。

图6是示出极间距离la、lb的每个组合的恒流放电试验的结果的图，横轴是电池容量[ah]，纵轴是电池电压[v]。另外，恒流放电试验是利用与实施例1相同的方法进行的。

如图6所示，在图5所示的极间距离la、lb的全部组合中，容量大致没有变化。这表示，即使像上述极间距离la、lb的各组合那样变更极间距离，对容量的影响也较小。

但是，当极间距离la或lb过窄时，反应生成物会沉积在空气电极13a、13b与金属电极15之间，导致放电容量降低。由此，优选极间距离至少在0.5mm以上，通过设定为0.5mm以上，使得伴随放电而生成的反应生成物几乎不会沉积在空气电极13a、13b与金属电极15之间，从而能够抑制对发电的影响。

此外，优选根据表示极间距离[mm]-电压[v]的关系的非线性特性来设定极间距离la、lb的值。以下，对极间距离设定方法进行说明。

图7是示出极间距离[mm]-电压[v]的关系的非线性特性(以下称为特性曲线f1)的图。该特性曲线f1是当确定了空气电极13a、13b、金属电极15等时所唯一确定的曲线。

通过使用该特性曲线f1，如图7所示，能够计算出由隔开极间距离la相对配置的一对极板(金属电极15和空气电极13a)构成的第1电池的电压va、以及由隔开极间距离lb相对配置的一对极板(金属电极15和空气电极13b)构成的第2电池的电压vb。

计算出的值va、vb之和可以视为被设定成极间距离la、lb的图2所示的金属空气电池10的电压。

此外，如图7所示，根据特性曲线f1计算出由隔开极间距离lc而相对配置的一对极板(金属电极15和空气电极13a)构成的中央配置型的电池的电压vc。可以将计算出的电压vc的2倍的值视为中央配置型的金属空气电池10的电压。

并且，设定极间距离la、lb，使得以下的式(1)成立。

(va+vb)>2×vc

＝(va+vb)/2＞vc····(1)

上述式(1)表示电压va与电压vb的平均值大于中央配置型的电压vc。

通过设定极间距离la、lb使得满足该式(1)，能够获得高于中央配置型的电压。

总之，根据表示极间距离-电压的关系的特性曲线f1将极间距离la、lb设定成，使得电压va与电压vb的平均值高于电压vc，其中，所述电压va是从隔开极间距离la来配置金属电极15和空气电极13a的第1电池获得的，所述电压vb是从隔开极间距离lb来配置金属电极15和空气电极13b的第2电池获得的，所述电压vc是在将金属电极15配置在两侧的空气电极13a、13b的中央位置的情况下获得的。由此，对于使金属电极15靠近两侧的空气电极13a、13b中的任意一方的金属空气电池10，能够容易地设定可获得较高的电压的极间距离la、lb。

图8和图9示出进行了如下金属空气电池10的电极极化试验和恒流放电试验得到的结果，该金属空气电池10在内部容积为350cm³、空气电极13a与空气电极13b的分离距离为14mm的电池槽11中使用了四边为150mm、厚度为3mm的金属电极15。另外，在所述电池槽11中注入了330cm³左右的食盐水作为电解液。

图8是示出其它极间距离la、lb的每个组合的电极极化试验结果的图，示出电流值-电压的关系。电极极化试验与上述内容相同，在放置3分钟之后，与放电装置连接，在10分钟内使当于-2a的电流流动，然后，停止3分钟。接下来，测定了使1.0a、2.0a、3.0a、4.0a、5.0a、6.0a的电流各流动5分钟时的各个电流值下的平均电压。

图9是示出图8所示的每个组合的恒流放电试验的结果的图，横轴是电池容量[ah]，纵轴是电池电压[v]。另外，恒流放电试验是利用与实施例1相同的方法进行的。

如图8所示，在设极间距离la、lb的组合为极间距离0.5mm、10.5mm的组合、以及极间距离4.5mm、6.5mm的组合的情况下，极间距离0.5mm、10.5mm的组合、极间距离4.5mm、6.5mm的组合从高到低地获得了较高的电压。另一方面，相当于中央配置型的极间距离5.5mm、5.5mm的组合的电压最低。

如图9所示，确认了在图8所示的极间距离la、lb的全部组合中，容量大致没有变化。因此，从图8也可知，通过使金属电极15靠近两侧的空气电极13a、13b中的任意一方，能够在确保容量的同时获得较高的电压。

如以上所说明的那样，在本实施方式的金属空气电池10中，在金属电极15的两侧配置空气电极13a、13b，金属电极15配置在靠近两侧的空气电极13a、13b中的任意一方的位置，因此，在确保容量的同时容易获得较高的电压。因此，能够高效地获得高性能的金属空气电池。

此外，金属电极15与一方的空气电极13a的极间距离la(相当于第1距离)、以及金属电极15与另一方的空气电极13b的极间距离lb(相当于第2距离)满足以下条件。该条件是，电压va与电压vb的平均值高于电压vc，其中，所述电压va是从以极间距离la来配置金属电极15和一方的空气电极13a的第1电池获得的，所述电压vb是从以极间距离lb来配置金属电极15和另一方的空气电极13b的第2电池获得的，所述电压vc是在将金属电极15配置在两侧的空气电极13a、13b的中央位置的情况下获得的。由此，能够获得高于中央配置型的电压。

而且，作为极间距离设定方法，根据表示极间距离-电压的关系的特性曲线f1将极间距离la、lb设定成，使得电压va与电压vb的平均值高于电压vc，其中，所述电压va是从隔开极间距离la来配置金属电极15和空气电极13a的第1电池获得的，所述电压vb是从隔开极间距离lb来配置金属电极15和空气电极13b的第2电池获得的，所述电压vc是在将金属电极15配置在两侧的空气电极13a、13b的中央位置的情况下获得的，因此，能够容易地设定可获得较高的电压的极间距离la、lb。

此外，在设极间距离较短的一方为值la，极间距离较长的一方为值lb的情况下，通过将值(lb/la)设定在2以上，能够更容易地设定获得较高的电压的极间距离la、lb。

进而，通过将极间距离的值la设定在0.5mm以上，使得伴随放电而生成的反应生成物几乎不会沉积在空气电极13a、13b与金属电极15之间，容易充分抑制对发电的影响。

此外，本实施方式的金属空气电池10具备左右一对支承部件30，所述左右一对支承部件30将金属电极15支承为从电池槽11的底板部21离开。由此，能够抑制伴随放电而生成的反应生成物的沉积，并且能够促进电解液的对流，能够有效地抑制反应生成物对电池反应的影响。

本发明不限于上述的实施方式，能够根据本发明的技术构思进行各种变形及变更。例如，还可以适当变更包含空气电极13a、13b、金属电极15的金属空气电池10的各部。

此外，金属电极15不限于镁合金，也可以使用其它原材料。作为其它原材料，例如可以举出锌、铁、铝等金属、或者含有它们中的任意一种的合金。在金属电极15使用了锌的情况下，电解液可以使用氢氧化钾水溶液，在金属电极15使用了铁的情况下，电解液可以使用碱类水溶液。此外，在金属电极15使用了铝的情况下，可以使用含有氢氧化钠或氢氧化钾的电解液。

标号说明

10：金属空气电池；

11：电池槽；

13a、13b：空气电极；

15：金属电极；

21：底板部；

22：前壁部；

22k：开口部；

23：后壁部；

24：侧壁部；

30：支承部件；

la、lb、lc：极间距离；

va、vb、vc：电压；

f1：特性曲线(表示极间距离－电压的关系的非线性特性)。