“一个月内无需为智能手机充电”的高容量镁燃料电池

镁合金除了作为轻量化材料而受到期待外，还是一种高性能电池的电极材料。这种电池是用镁作电极的“镁燃料电池”(也叫镁空气电池)。镁合金作为构造材料，有容易与水等反应的缺点，但作为电极，这种缺点却成了一种武器。

　　

镁燃料电池，是用镁作为负极活性物质、用空气中的氧作为正极活性物质的一次性电池，利用镁与氢氧根离子结合后会释放电子的现象来发电。因为反应很难控制，迄今一直无法达到实用水平，但只要解决这一问题并完全发挥镁的实力，便可对解决能源问题起到积极作用，因此相关开发也在推进之中。研究学者们一直在对这一领域进行不断地研究和探索，其中在智能手机用小型镁燃料电池方面，美国大型厂商计划于2013年内启动使用电池样机的实证实验。该电池内置了约3g的镁，装上这种电池后，“一个月内无需为智能手机充电”。

　　

可改变反应位置来发电

　　

由日本东京工业大学理工学研究系机械物理工学专业教授矢部孝等人设计的镁燃料电池，采用了称为“薄膜型”的构造(图1)。这种电池配置了两个卷轴，从一个卷轴送出镁薄膜，然后用另一个卷轴将其一点点地卷绕起来*1。想象一下录像带或传统照相机使用的胶卷，也许就比较容易理解了。这种电池在相当于录像带磁头、相机胶卷中按快门的位置设置了反应室。

　　

*1 镁薄膜方面，考虑采用在薄膜中涂布及蒸镀镁，以及用薄膜分层加工镁箔等方法制造。

 

　　

通过让负极的镁薄膜发生反应来发电。一边卷绕一边发电，可以让镁充分发生反应。镁薄膜为盒式，用完之后可以更换。

　　

如篇首提到的那样，镁燃料电池本身并不是一个新创意。只要有镁、电解质和正极端电极(碳等)，就能构成这种电池，而且理论上可获得比锂(Li)离子充电电池更大的能量密度，因此以前就备受关注。

　　

但是，将镁合金用作负极的话，在镁溶解于电解液的同时，还会发生自我放电*2。因此，光靠电极溶解，无法获得充分的发电量。尤其是电解液呈酸性时，这种现象更为明显。

　　

*2 自我放电：产生的电子和电解液中的氢离子发生反应后产生氢气的现象。

　　

另一方面，为了防止自我放电而采用碱性电解液时，又会在负极镁合金表面形成氢氧化镁〔Mg(OH)2〕惰性膜，从而导致通电停止。所以，采用传统材料，无法有效利用镁来发电。

　　

为了解决这些问题，矢部的燃料电池使用了镁薄膜。在反应室内使镁的表面发生反应后，可在不除去惰性膜的情况下送出薄膜。也就是说，可使发生反应的位置不断发生变化。采用这种方式的话，使用碱性电解液也能使镁充分发生反应，从而“可以高效发电”(矢部)。

　　

矢部的研究室2010年通过实证实验证实，可以获得1300Ah/kg的电容量。矢部称，“智能手机的放电容量为1000～1500mAh。只要有1g镁，就能让智能手机使用一天”。

　　

而且，不使用时镁也不会劣化，长时间停止使用后仍能重新发电，这也是薄膜型镁燃料电池的一大优点。存放镁(反应之前的镁)的薄膜卷离反应盒较远，因此还具有安全性高、容易缩小尺寸等特点。

　　

用作便携终端电池

　　

矢部认为薄膜型镁燃料电池将来会实用化，于是面向多种用途推进了开发，包括智能手机、高尔夫推车、车站内的电光标牌。

　　

其中在智能手机用小型镁燃料电池方面，美国大型厂商计划于2013年内启动使用电池样机的实证实验。矢部表示，该电池内置了约3g的镁，装上这种电池后，“一个月内无需为智能手机充电”。

　　

关于薄膜型镁燃料电池，矢部设想在盒装状态下回收镁并进行循环再利用。因预计这种技术会实用化，矢部还打算开发使用半导体激光的镁回收技术。

　　

让阻燃性镁合金不断反应

　　

日本东北大学未来科学技术共同研究中心教授小滨泰昭打算采用与矢部不同的方法，解决传统镁燃料电池存在的问题。小滨发现，使用阻燃性镁合金，可以抑制自我放电，并缓慢进行氧化反应。这样发电就不会停止，从而可有效利用电极的镁。

　　

这种阻燃性镁合金是日本产业技术综合研究所设想用作构造材料而开发的，添加了百分之几(重量比例)的铝(Al)和钙(Ca)。

　　

小滨以前一直在开发利用地面效应(飞行在地面附近的飞行器会产生巨大升力的现象)的高速运输系统。在此过程中为了减轻车身重量而使用了阻燃性镁合金。小滨认为，阻燃性也就是不易与氧发生反应，这种特点十分适合镁燃料电池，于是便着手进行开发。

　　

小滨使用阻燃性镁合金，与产业技术综合研究所、古河电池、日本素材(总部：仙台市)等合作，试制出了高性能镁燃料电池(图2)。电池单元的电压为1.5V，每个单元具备60Ah的发电能力。电极的能量密度也高达1.55Wh/g，因此小滨称，“打算半年以内开始销售”。

　　

 

(a)为电池内部。由五个电池单元排列而成。(b)为电池单元。在中间的网状部分与电解液发生反应。(c)电极的阻燃性镁合金。右为未使用的镁合金，中间为发生一定程度反应后的镁合金，左为使用完的镁合金。发生反应的镁合金会变成Mg(OH)2溶解到电解液中。

　　

从发电成本的角度来看，镁燃料电池要比使用汽油的发电机逊色。但是，如果目前2000日元/kg左右的阻燃性镁合金价格能够降至500日元/kg左右，便可在成本方面获得竞争力，因此小滨非常希望镁合金能够降低价格。

　　

利用太阳能来还原镁

　　

镁燃料电池的开发并没有仅仅停留在制造一次性电池上。有人提出了一个构想，那就是利用太阳能进行热还原，回收已用完电极的镁，以便循环再利用。

　　

与电解液反应后用完的负极镁会变成Mg(OH)2或氧化镁(MgO)。上述构想是，将其回收并运送到沙漠中，然后利用沙漠的太阳能进行热还原，再把生成的镁重新运回日本使用。也就是说，利用沙漠中的丰富太阳能得到镁，再把镁运到日本(图3)。通过电缆将电力输送到日本虽然非常困难，但得到镁之后，便可采用物理方法进行运输。

 

　　

将用完的镁运输至沙漠地带，利用丰富的太阳能进行热还原，并再次运至日本重新使用。

　　

提出这种“镁循环社会”构想的人是东工大的矢部。矢部目前考虑使用半导体激光，但将来打算利用“太阳光激励激光”*3作为热源，对镁进行热还原。

　　

*3 太阳光激励激光 通过向作为介质的材料照射太阳光来激发的激光。

　　

东北大学的小滨也描绘了类似的蓝图。其构想是，将用完的镁运到名为阳光地带的沙漠地区进行热还原。不过，小滨设想使用凹镜来进行热还原。打算使用可通过聚集太阳光来获得高温的太阳炉。据其介绍，如果可以获得1200℃左右的温度，便可以进行热还原。

　　

小滨2011年实施了使用直径1.5m左右的太阳炉将用过的Mg(OH)2以金属镁箔的形式回收的实验。

　　

目前，除了古河电池及尼康之外，其他商社及物流公司也参与进来，共同启动了名为“Magnesium Soleil”的项目，现在正以形成业务为目标进行讨论。

　　

小滨说，“镁不像核电那样存在风险，也不会像化石燃料那样会枯竭，而且完全不存在温室气体排放等环境问题，是一种清洁燃料”。而且，镁在海水中的含量十分丰富。也可以利用太阳能从海水中提炼镁。

　　

经由镁燃料电池，将太阳能有效地转换成电力。小滨将这种体系称为“燃料耕种”。与已经实用化的氢燃料电池相比，镁燃料电池能以很少的使用量获得同等的发电量，而且容易搬运，因此具有优势。据小滨教授推算，28.4g镁获得的能量与60L氢气获得的能量相同。

　　

不过，镁燃料电池也存在课题。一个是空气极的耐久性。这种电池使用的可以透过空气的多孔质碳，还需要提高耐久性。另一个课题是，进行热还原时使用的催化剂铁硅(Fe-Si)需要耗费能源来制造。小滨表示，今后“必须探讨使用太阳能制造铁硅的方法”。