[일본] 물을 이용한 전지 개발, 비상시 휴대폰 충전 30회 가능
고가전지와 토판인쇄는 물을 주입하는 것만으로 전기를 만들어 내는 전지를 개발하였다. 사전에 충전해 놓지 않더라도 물을 2L 준비하는 것만으로 이용할 수 있기 때문에 비상용으로 적합하다. 이 전지는 축전지가 아니고 한 번 쓰고 버리는 1차전지이다. 이 전지를 사용하기 위해서는 물 및 해수를 넣은 PET병을 1개 준비한다. 동봉된 주입용 부품(노즐)을 PET병의 뚜껑 위치에 끼운다. 전지의 윗덮개를 열면 주입구가 4개 존재하며 순차적으로 물을 넣는다. 주입량은 합계 2L이다. 주입 후 약 3분에 충분한 전력에 이른다.
전지 셀에서는 케이블이 나와 있으며, 이것을 USB박스(약12cm×약6cm×약2.5cm)에 접속하고, 윗덮개를 닫는다. 이후 전지를 열 필요는 없다. USB박스에는 USB단자가 2개 설치되어 있으며, 스마트폰을 최대 30회 충전할 수 있는 전기를 만들어 낸다. 전지의 용량은 300Wh, 5V 출력으로 1.2A의 전류를 만들어 낼 수 있다. 거의 모든 스마트폰 및 태블릿 단말기에 대응한다. USB박스에는 충전을 온/오프하기 위한 리셋 스위치가 갖추어져 있으며, 최대 5일간 단속적으로 전력을 발생시킬 수 있다. 물을 주입한 후 한 번에 전지를 다 사용하지 않아도 된다.
이상과 같은 구조로 한 이유는 재해 시에 필요한 전원을 확보한다는 목적이 있기 때문이다. 고가전지는 후쿠시마현 이와키시에 사업소를 설치하였으며, 동일본 대지진에 의한 정전 시에 개인의 통신기기를 사용할 수 없게 되는 상황을 경험하였다. 그래서 사전에 충전해 놓지 않더라도 필요할 때 바로 이용할 수 있으며, 장기간 보존할 수 있는 전지를 목표로 하였다.
이 전지는 발전에 물을 사용한다. 동시에 공기 중의 산소도 불가결하다. 즉 밀봉할 수 없다. 그래서 토판인쇄가 전지의 종이용기를 개발, 제조하였다. 이 회사는 액체를 넣을 수 있는 종이용기를 대량으로 제조하고 있다. 이번에는 전지 포장 내면에 폴리에틸렌 필름을 붙였다. 이 전지 내부에는 4개의 전지 셀과 전지 셀에 공기를 공급하는 상자, 완충재가 들어 있으며, 셀 외장재와 공기상자는 종이로 만들어져 있다. 토판인쇄의 기술에 의해 수밀구조를 유지한 채 상자를 대형화(233×226×226mm)가 가능하며, 종이이지만 강도도 확보하였다.
상자(물을 주입하기 전에는 약 1.6kg)를 6단으로 쌓아 보존하더라도 튼튼한 강도를 보증하고 있다. USB박스 및 케이블을 제외하면 종이 및 마그네슘만으로 이루어져 있기 때문에 재해 등에 사용한 후에 타는 물질로서 취급해도 유해한 물질은 발생하지 않는다. 이 전지와 동일한 반응을 소규모로 천천히 일으키는 것은 어렵지 않다. 어린이용 장난감의 전력원으로서 이용하고 있을 정도이다.
금속판(정극)의 표면에 활성탄 등을 깔고 공기가 잘 통하는 구조로 하고, 식염수를 묻힌 섬유를 사이에 두고 금속 마그네슘판을 설치하였다. 마지막에 금속판과 금속 마그네슘판을 접속하면 전류가 흐른다. 마그네슘으로부터 전자가 나오고, 정극으로 향하는 형태이다. 이 전지에서는 전지 셀에 들어 있는 금속 마그네슘(Mg)이 전해액(주입한 물)에 녹아 마그네슘이온(Mg2+)이 된다. 이 때 2개의 전자(e-)를 부극에 방출하여 USB단자를 통해 외부기기에 향한다. 돌아온 전자는 정극에서 산소, 물과 반응하여 수산화물이온(OH-)이 된다. 금속 마그네슘은 점점 줄어들며, 전해액에는 수산화마그네슘이 남는다. 모든 금속 마그네슘이 반응하면 전지의 수명이 끝난다. 마그네슘은 1원자에서 2개의 전자를 방출할 수 있으며, 염수에 녹기 쉽기 때문에 발전효율이 높다.
이 전지의 개발 포인트는 하나이다. 정극에 이용하는 산소환원촉매이다. 산소를 높은 효율로 분해하기 위해 필요한 촉매이다. 종래 기술에서는 백금(Pt) 및 희소금속을 사용할 필요가 있어 비용 상승의 원인이 되었다. 고가전지는 희소금속을 사용하지 않는 촉매를 개발함으로써 이 문제를 해결하였다.
(그림) 이번에 개발한 전지의 외관
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水で発電「マグボックス」、非常時のケータイ充電30回
古河電池と凸版印刷は2014年8月、水を注入するだけで電池として機能する「非常用Mg空気電池 『マグボックス』」を開発し、2014年12月に販売を開始すると発表した（図1）。当初は地方自治体向けに販売する。
図1 マグボックスの外観。古河電池が2014年2月に展示したもの。デザインは製品と変わらない
マグボックスは蓄電池ではなく、使い切りの一次電池だ。マグボックスを使うためには、水や海水を入れたペットボトル1本を用意する。マグボックスに同梱されている注水用治具（ノズル）をペットボトルのキャップの位置にはめる。マグボックスの上蓋を開けると、注水口が4つ見えるので、順に注水していく。注水量は合計2Lだ。注水後約3分で十分な電力に達するという。
マグボックスの電池セルからはケーブルが伸びており、これをUSBボックス（約12cm×約6cm×約2.5cm）に接続し、上蓋を閉じる。以降、マグボックスを開ける必要はない。USBボックスにはUSB端子が2つ備わっており、スマートフォンを最大30回充電可能な電気を生み出す。電池の「容量」は300Wh、5V出力で1.2Aの電流を取り出すことが可能。ほぼ全てのスマートフォンやタブレット端末に対応する。
USBボックスには発電をオンオフするためのリセットスイッチが備わっており、最大5日間、断続的に電力を取り出すことができる。水を注入後、一気にマグボックスを使い終わらなくてもすむ工夫だ。
以上のような仕組みをとった理由は、災害時に必要な電源を確保するという目的があったからだ。古河電池は福島県いわき市に事業所を置いており、東日本大震災による停電時に個人の通信機器が使えなくなる状況を目の当たりにした。そこで、「あらかじめ充電しておかなくても、いざというときにどこでもすぐに利用でき、長期間保存できる電池」を目指した。これがマグボックスである。
世界初をうたう紙製容器
マグボックスの開発・製造・販売は古河電池が担当する。マグボックスは発電に水を使う。同時に空気中の酸素も不可欠だ。つまり、密封できない。そこで凸版印刷がマグボックスの紙製容器を開発・製造した。「当社は液体を入れる紙製容器を大量に製造している。コンバーティング技術と呼んでおり、今回はマグボックスの外箱の内面に薄いポリエチレンフィルムを貼った」（凸版印刷）。
マグボックス内には4本の電池セルと電池セルに空気を供給する箱、緩衝材がぎっしりつまっており、セル外装材と空気箱は紙製だ。凸版印刷の技術により、水密構造を維持したまま外箱を大型化（233×226×226mm）でき、紙製ながら強度も確保した。
「
外箱（注水前は約1.6kg）を6段重ねて保存しても大丈夫な強度を保証している。USBボックスやケーブルを取り除くと、紙やマグネシウムだけでできているため、災害時などには使用後に燃えるゴミとして扱っても有害な物質を出さない」（凸版印刷）。
電気を生み出す仕組みとは
マグボックスと同じ反応を小規模にゆっくりと起こすこと自体は難しくない。子供用おもちゃ（ミニカーなど）の電力源として利用されているほどだ。
金属板（正極）の表面に活性炭などを敷いて空気が通りやすい構造を作り、食塩水を染み込ませた繊維を挟んで金属マグネシウム板を向かい合わせる。最後に金属板と金属マグネシウム板を接続すると電流が流れる。マグネシウムから電子が出て、正極に向かう形だ。
マグボックスでは電池セルに収められた金属マグネシウム（Mg）が電解液（注水した水）に溶け出し、マグネシウムイオン（Mg2＋）となる＊1）。このとき2個の電子（e－）を負極に放出し、USB端子を通って外部機器に向かう。戻ってきた電子は正極で酸素（O2）、水（H2O）と結び付き、水酸化物イオン（OH－）となる。金属マグネシウムは次第に減っていき、電解液には水酸化マグネシウムが残る。全ての金属マグネシウムが反応すると、電池の寿命が尽きる。
＊1）負極：2Mg→2Mg2＋＋4e－、正極：O2＋2H2O＋4e－→4OH－、全反応：2Mg＋O2＋2H2O→2Mg（OH）2
マグネシウムは1原子から2個の電子を取り出すことができ、塩水に溶け出しやすい。このため発電効率が高いのだという。
マグボックスの開発ポイントの1つは、正極で用いる酸素還元触媒だという。酸素を効率良く「分解」するために必要な触媒だ。従来の技術では白金（Pt）やレアメタルを使用する必要があり、コストアップ要因となっていた。古河電池はレアメタルを使わない触媒を開発することで解決したという。
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