JP6211800B2 - 電解液流通型二次電池 - Google Patents
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Description
一方、亜鉛ハロゲン電池は、負極活物質に亜鉛、正極活物質に臭素または塩素が一般的に使用されている。正極活物質に塩素を用いた亜鉛−塩素電池は、負極材は亜鉛、正極材はカーボンからなり、負極では亜鉛の析出、溶解が起こる。すなわち、充電時には電解液中の亜鉛イオンが金属亜鉛となって亜鉛電極上に析出し、放電時には再び亜鉛イオンとなって溶解する。一方、正極では充電時には電解液中の塩素イオンが正極の電子の放出により塩素ガスとなって発生し、これは反応系外へ出て塩素水和物として水和物槽に冷却固化して貯蔵される。放電時は水和物槽を加熱して、貯蔵していた塩素水和物を塩素ガスに戻して正極に送り、正極で塩素イオンとなり、負極から溶解する亜鉛イオンと塩化亜鉛を形成する。亜鉛−塩素電池は、亜鉛と塩素ガスを隔離するための隔膜を必要としないことが特徴である。
これらの電解液流通型二次電池は、電気出力(W)は電池セル数に、充放電時間(h)はタンクに貯蔵する活物質量に比例するので、任意の電力貯蔵量(Wh)が選定可能であり、電池材料はカーボン・プラスチック系が多く、これらは比較的安価であることから、大型の電力貯蔵システムに適している。
レドックスフロー電池は、エネルギー密度が低く、小型化に適していない。例えば、バナジウム系レドックスフロー電池のエネルギー密度は、リチウムイオン二次電池と比較すると約1/10、亜鉛−臭素電池と比較すると約1/4である。
一方、亜鉛ハロゲン電池は比較的エネルギー密度が高いものの、リチウムイオン二次電池と比較すると、なお改良の余地を有するものである。例えば、亜鉛ハロゲン電池のように、充放電に伴い金属の溶解、析出が起こる場合、金属のデンドライド析出ならびにそれに伴う充放電サイクル寿命の低下が見られる。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー密度が高く、かつサイクル寿命が長い、電解液流通型二次電池を提供することにある。
〔1〕
正極と負極とを備えたセルに、電解液を流通させる電解液流通型二次電池であって、
正極活物質と負極活物質のどちらか一方または両方が、固体の活物質粒子と、電解液に溶解した活物質イオンとの両方の状態を有しており、
前記活物質粒子が電解液によって流動化され、流動化されている前記活物質粒子の層の体積が、流動化していない前記活物質粒子の層の体積に対して1.05〜3.00倍であり、
充電または放電に伴い、前記活物質粒子が、イオン化されて前記電解液中に溶解する、または、前記電解液中に溶解していた前記活物質イオンが粒子状の固体として析出する、電解液流通型二次電池。
〔2〕
放電に伴い、固体の負極活物質粒子がイオン化されて電解液中に溶解し、充電に伴い、電解液中に溶解していた負極活物質イオンが粒子状の固体として析出する、前項〔1〕記載の電解液流通型二次電池。
〔3〕
前記負極活物質粒子/前記負極活物質イオンの組み合わせが、Li/Li+、K/K+、Ca/Ca2+、Na/Na+、Mg/Mg2+、Al/Al3+、Mn/Mn3+、Zn/Zn2+、Zn/ZnO2 2−、Cr/Cr2+、Fe/Fe2+、Cd/Cd2+、Co/Co2+、Ni/Ni2+、Sn/Sn2+、Pb/Pb2+からなる群から選ばれる1種以上の金属/金属イオンの組み合わせである、前項〔2〕記載の電解液流通型二次電池。
〔4〕
前記活物質イオンを含む電解液を蓄えるタンクを備える、前項〔1〕〜〔3〕のいずれか1項記載の電解液流通型二次電池。
正極と負極とを備えたセルに、電解液を流通させる電解液流通型二次電池であって、
正極活物質と負極活物質のどちらか一方または両方が、固体の活物質粒子と、電解液に溶解した活物質イオンとの両方の状態を有しており、
前記活物質粒子が電解液によって流動化され、流動化されている前記活物質粒子の層の体積が、流動化していない前記活物質粒子の層の体積に対して1.05〜3.00倍であり、
充電または放電に伴い、前記活物質粒子が、イオン化されて前記電解液中に溶解する、または、前記電解液中に溶解していた前記活物質イオンが粒子状の固体として析出する。
ここで、体積膨張率は、電解液が循環していない時の、固定層の体積と、電解液を循環している時の流動層の体積を測定することにより測定することができる。
ここで、活物質粒子の粒径は、例えば電子顕微鏡により測定することができる。
活物質粒子の体積膨張率は以下の方法により測定した。縦3.0cm、横3.0cm、厚み2mmの透明アクリル容器に、活物質粒子と水を注いだ。透明アクリル容器内に沈殿した活物質粒子の層(固定層)の高さを測定した。透明アクリル容器の下部から上部に向けて、300mL/minで水を流通させた。この時、流動化した活物質粒子の層(流動層)が、透明アクリル容器の高さ3.0cmまで膨張することを確認し、流動層の高さを3.0cmとした。固定層の高さに対する流動層の高さの比率を体積膨張率とした。
活物質粒子の平均粒径は以下の方法により測定した。走査型電子顕微鏡により亜鉛粒子を観察し、任意の100個の亜鉛粒子の大きさを測定し、その平均を算出した。
図1に示すような電気化学測定セル11を用いて、電池特性の評価を行った。上記電気化学測定セルは、隔膜として電解質膜1(デュポン社製、Nafion212CS)が配置され、その一方側に負極集電体2、他方側に正極3を備えていた。電解質膜1と負極集電体2との間隔、および電解質膜1と正極3との間隔は共に2mmとした。有効セル面積は3.0cm×3.0cmとした。また負極側の底面には、平均ポアサイズ10μmのPPフィルター4を備えていた。負極活物質粒子5には平均粒径100μmの亜鉛末(堺化学工業(株)製、♯4)、負極集電体2および正極3にはカーボングラファイト板(東洋炭素(株)製、ISEM−3)を用いた。負極活物質粒子5の体積膨張率が1.50倍になるよう、亜鉛末をセルの2/3の高さに到達するまで充填した。電気化学測定セル内を循環させる負極電解液6には3MZnBr2溶液50mL、正極電解液7には3MZnBr2+0.2MBr2水溶液50mLを用いた。また、負極電解液6および正極電解液7を蓄えた負極タンク8および正極タンク9から、電解液流路10を通じて各電解液を循環させた。
電解液の流量は正極、負極共に300mL/minとし、負極活物質粒子5を流動化させて流動層を形成させた。負極活物質粒子5の流動層の体積は、固定層の体積に対して1.50倍であった。
ポテンシオガルバノスタット((株)東陽テクニカ製、1280B型)を用いて、50mA/cm2定電流にて2時間充電した後、セル電圧1.5V時の放電電流を測定したところ、40mA/cm2であった。また、50mA/cm2定電流にて2時間の充電と2時間の放電を5サイクル繰り返し、充放電サイクル試験を行った。充放電サイクル試験においても顕著な亜鉛デンドライドは確認されず、充放電サイクル試験後のセル電圧1.5V時の放電電流を測定したところ、38mA/cm2であった。その結果を表1に示す。
体積膨張率が1.11倍になるよう、亜鉛末をセルの9/10の高さに到達するまで充填したこと以外は、実施例1と同様の方法で放電電流を測定したところ、35mA/cm2であった。充放電サイクル試験においても顕著な亜鉛デンドライドは確認されず、充放電サイクル試験後のセル電圧1.5V時の放電電流は32mA/cm2であった。その結果を表1に示す。
体積膨張率が2.00倍になるよう、亜鉛末をセルの1/2の高さに到達するまで充填したこと以外は、実施例1と同様の方法で放電電流を測定したところ、32mA/cm2であった。充放電サイクル試験においても顕著な亜鉛デンドライドは確認されず、充放電サイクル試験後のセル電圧1.5V時の放電電流は32mA/cm2であった。その結果を表1に示す。
体積膨張率が1.00倍になるよう、セルの最上部まで亜鉛末を充填したこと以外は、実施例1と同様の方法で放電電流を測定したところ、28mA/cm2であった。充放電サイクル試験においても顕著な亜鉛デンドライドは確認されず、充放電サイクル試験後のセル電圧1.5V時の放電電流は27mA/cm2であった。その結果を表1に示す。
負極活物質に亜鉛板((株)ニラコ製、ZN−483384)を用い、前記亜鉛板を負極集電体として用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で放電電流を測定したところ、20mA/cm2であった。充放電サイクル試験においても、1サイクル目の放電で亜鉛デンドライドを確認し、3サイクル目で亜鉛デンドライドが電解質膜を突き刺し、サイクル試験を続行することは困難となったため、充放電サイクル試験後の放電電流を測定することができなかった。その結果を表1に示す。
2 負極集電体
3 正極
4 フィルター
5 負極活物質粒子
6 負極電解液
7 正極電解液
8 負極タンク
9 正極タンク
10 電解液流路
11 電気化学測定セル
Claims (4)
- 正極と負極とを備えたセルに、電解液を流通させる電解液流通型二次電池であって、
正極活物質と負極活物質のどちらか一方または両方が、固体の活物質粒子と、電解液に溶解した活物質イオンとの両方の状態を有しており、
前記活物質粒子が電解液によって流動化され、流動化されている前記活物質粒子の層の体積が、前記電解液が循環していない時沈殿している前記活物質粒子の層の体積に対して1.05〜3.00倍であり、
充電または放電に伴い、前記活物質粒子が、イオン化されて前記電解液中に溶解する、または、前記電解液中に溶解していた前記活物質イオンが粒子状の固体として析出する、電解液流通型二次電池。 - 放電に伴い、固体の負極活物質粒子がイオン化されて電解液中に溶解し、充電に伴い、電解液中に溶解していた負極活物質イオンが粒子状の固体として析出する、請求項1記載の電解液流通型二次電池。
- 前記負極活物質粒子/前記負極活物質イオンの組み合わせが、Li/Li+、K/K+、Ca/Ca2+、Na/Na+、Mg/Mg2+、Al/Al3+、Mn/Mn3+、Zn/Zn2+、Zn/ZnO2 2-、Cr/Cr2+、Fe/Fe2+、Cd/Cd2+、Co/Co2+、Ni/Ni2+、Sn/Sn2+、Pb/Pb2+からなる群から選ばれる1種以上の金属/金属イオンの組み合わせである、請求項2記載の電解液流通型二次電池。
- 前記活物質イオンを含む電解液を蓄えるタンクを備える、請求項1〜3のいずれか1項記載の電解液流通型二次電池。
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