金属空気電池

キーワード：　再生可能エネルギー、自然、太陽光、レーザー、金属、ナノ粒子、空気電池、発電、エネルギー貯蔵、リサイクル
研究担当者：狩田達也、佐藤、中村、中田
研究期間　：　２０１１年〜現在


研究背景

関西大学システム理工学部超高周波工学研究室太陽光励起レーザーＧでは、金属空気電池（金属燃料電池）に関する研究も行っている。

空気電池の原理について、（金属）空気電池は燃料電池の亜種で、燃料電池は水素と酸素を原料として電気分解の逆反応で発電するが、空気電池では金属と酸素を反応させることで発電を行う。

空気電池の原理は１９００年初頭に考案された。空気亜鉛電池が１９０７年にフランスのフェリーによって提案された。
その後、空気電池に関する研究は過去３０年前ごろから盛んに行われている。海洋ブイや宇宙開発にも空気電池は用いられてきた。

現在、Ｌｉや、Ｍｇ等を用いた空気電池の研究開発が行われている。補聴器用の亜鉛空気電池はすでに販売されている。

空気電池は単位重量辺りのエネルギー蓄積密度が従来の電池等よりも1桁ほど高いため、水素燃料電池とともに次世代の電源として期待されている。


　　　図　エネルギー密度と出力密度


問題点
　過去に多数の企業が空気電池の開発を行った経緯があるが、普及は遅れている。
　特に2次電池として電気を蓄積することが困難であったのが主な原因と思われる。（他に、長時間運転時の課題等もある。）


発電の原理（通常の金属空気電池）



エネルギーサイクル
我々のグループでは、太陽光（インコヒーレント光）のレーザー光（コヒーレント光）への変換やその応用に関する研究を継続して行っている。これらの研究の開始は（財）レーザー総研での研究や検討も含めれば２０００年以前までさかのぼる。
太陽光励起レーザーをこの金属空気電池に適応させる。


図、太陽光励起レーザーと金属ナノ粒子を用いたエネルギーサイクル（水素燃料電池と金属空気電池の両立）

　（東工大のマグネシウムサイクル提案と比較して、レーザー発生方法・種類、還元方式が異なることに注意）


太陽光励起レーザーと金属ナノ粒子を用いたエネルギーサイクル（金属空気電池バージョン）
１) 水素製造の項目で述べたのと同様に液中の酸化金属に太陽光励起パルスレーザーを照射する。

２) 酸化金属は金属に還元され、太陽エネルギーが金属に蓄積される。

３) 得られた還元金属微粒子を空気電池に利用する場合、それ自体の電気伝導度を高める必要があるため、
　　還元金属微粒子を板状に加工する。

４) 金属板を金属空気電池に用い発電する。

５) 使い終えた金属空気電池からは水酸化金属が得られ、さらに乾燥させることで最終的に酸化金属を得る。

６) この酸化金属をもう一度集め、１）に戻り太陽光励起パルスレーザーを照射して金属微粒子にもどしてリサイクルを行う。

　これら一連のサイクルで太陽エネルギーの持続的利用が可能となる。


利点
　・太陽エネルギーを金属に蓄積　
　　　＝＞　発電における蓄電の問題を解決できる。　自由に使用したいときに電力を発生できる。
　・低コストでエネルギーを生産
　・その他


発電の原理（異種金属接合空気電池）


異種金属接合空気電池の応用例

１．Ｍｇカー


改良型Ａｌ空気電池搭載マグネシウム燃料電池カー


２．プロペラ付きモータの駆動

鉄−空気電池によるモータの駆動

３．ＬＥＤの点灯




４．携帯電話の充電

５．電動キックボード（小型電動バイク）の駆動

電動キックボード１　モーター１００Ｗ出力


現状と課題

１）太陽光励起レーザーのパルス化・高効率化　　すでに可能
　　太陽光励起レーザーをパルス化し高効率化するため高繰返しパルスの発生を行なわなければならないのは我々の研究グループではすでに実証済み。

　　高平均出力化が課題
　　　　２）金属の還元とナノ粒子化を短い時間で行うためレーザーの高平均出力化が課題である。

２）金属の還元とナノ粒子化
　　水素製造で、液相アブレーション法による金属微粒子の還元＋ナノ粒子化が可能であり、実験がすでに行われたことは述べた。高繰返しパルスでもレーザーフルエンスＪ／ｃｍ２を維持できればナノ粒子生成＋還元は可能である。
　　
　物理現象についてはナノ粒子特有の現象が生じているようであり、諸説あってまとまっていない。現在、液相レーザーアブレーションによる還元・ナノ粒子化の物理として、熱によるものとクーロン爆発によるものが提唱されている。

　我々は、還元が主に熱的に行われるとは考えていない。なぜかというと、還元過程において最終的に得られる金属が必要な熱的還元エネルギーの計算値が明らかに全投入レーザー入力エネルギーをはるかに大きく超えているためである。
実験の再現性もある。
　残っているのがクーロン爆発である。レーザーが粒子に当たるとレーザー加速の原理でレーザーが当たっている間強い電場により電子が粒子から飛び出し、粒子がプラスイオンの塊となり、静電気力により粒子が爆発しプラズマを生成するという話である。粒子が小さくなると電子が自由に動きやすくなるためこれが近いのではないか、と考えている。


３）板状金属の形成
　　　得られた還元金属微粒子を空気電池に利用する場合、それ自体の電気伝導度を高める必要があるため、
　　還元金属微粒子を板状に加工する必要がある。　その結果として純粋に近い金属板が現在実験で得られている。
　　

４）空気電池
　　３）で得られた金属板を用いて空気電池を構成し、発電できることを確認している。
　　酸化鉄Ｆｅ３Ｏ４の粉末を高繰返しパルスレーザーで還元・ナノ粒子化し、その粉末をある方法で金属板を形成することをすでに行った。酸化アルミAl2O3を持ちいても同様に進めている。さらに、上記のようにこの板を用いた空気電池による発電が可能であることをすでに確認している。
　　金属元素の組み合わせにより、起電力の改善が可能であるが、これについてはいろいろ試行している段階である。

現状での空気電池の種類
１．リチウム＝アルミ、鉄空気電池
　　組み合わせ　Li-Al paste、Li−Fe paste
　　起電力2.9V

２．還元Mgペースト空気電池
　　組み合わせ　Mg−Mg paste
　　起電力1.4V

３．還元Siペースト空気電池
　　Mg−Si paste
　　組み合わせ　Mg−Si paste
　　起電力1.35-1.4V

注意：
世の中の空気電池は通常の金属板を用いた空気電池であるが、ここで用いられている金属は数ナノサイズ
の結晶径を持つナノ多結晶金属であり、サイズ効果により起電力が大幅に（倍以上）大きくなる点が異なる。
エネルギーの担体はナノ多結晶金属で、これのみ消費される。
　出力電圧がLiやMgの板を使用した空気電池と近いのでそれらの金属が溶け出して発電しているのではという意見をよく聞くが、それは実際の実験を行なっていない人たちの意見である。焼成金属は、通常の金属とは性質が大きく異なり量子サイズ効果により基準電位が大幅に大きくなるため、取り出し電極の基準電位自体も大きくしなければならない。
　このタイプの空気電池でMgやLiの析出部物は出ないことは確認済み。さらにAgコートやAlはくを間に挟んでも同様の出力電圧が得られることを実験で確認済み。
あれこれ考えるよりも実験で確認すべき。


　　発電電力の高出力化が課題
　　現状での最大発電電力は数Ｗ程度である。これは、単位時間あたりの還元金属粒子生成量により制限され、金属板の大きさも制限される。長時間レーザーを駆動させてより大きな金属板を作成することは現状でも可能である。
　　
　　大電力発生には金属板や活性炭素電極の大型化が必要である。金属板を１０ｃｍ角の大きさにすれば、数Ａの電流、直列接続により、１０Ｖ程度の電圧、数１００Ｗの電力が得られるであろう。


参考文献

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3. T. Saiki, K. Fujioka, M. Nakatsuka, Y. Iida, “Efficient Amplification of Nd3+/Cr3+:YAG Ceramic Lasers Based on Cross-Relaxation under Solar-Pumping”, Technical digest of Conference on the Lasers and Electro-Optics (CLEO) (2012)JW2A.25.

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T. Saiki, K. Nakamura, J. Tokumoto, K. Nakamura, T. Uematsu, “Fabrication of metal air cells using sintered Si nanopaste with reduced Si nanoparticles”,The Review of Laser Engineering, (2017), Vol. 45 No.6.


特許関連
関西大学、佐伯　拓　空気電池　　特願2013-154287

共同研究、技術提供、その他
株式会社　ぺガソス・エレクトラ