JP2010092636A - Storage battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、充電及び放電が繰り返し可能な2次電池に関するものであり、特に、電解質の鉄イオンの価数変化のみを電池反応として利用した蓄電池に関するものである。 The present invention relates to a secondary battery that can be repeatedly charged and discharged, and more particularly, to a storage battery that uses only a change in the valence of iron ions in an electrolyte as a battery reaction.
従来、この種の電解液中の金属イオンの価数変化のみを電池反応としたものとしてレドックスフロー型の電池があり、単一金属を用いたものにバナジウム系のレドックスフロー電池がある(例えば特許文献1)。 Conventionally, there is a redox flow type battery in which only a valence change of a metal ion in an electrolyte of this type is used as a battery reaction, and there is a vanadium type redox flow battery using a single metal (for example, a patent) Reference 1).
図2は、特許文献1に記載されたレドックスフロー電池の断面図である。当該電池は、電池反応セル21を分離膜22によって分離された正極電解質23と負極電解質24にそれぞれ正極25と負極26が挿入されており、電解液は正極液タンク27、負極液タンク28をポンプ29によって循環させることができるよう構成されている。正極電解質23、正極液タンク27には4価、5価のバナジウムイオンが蓄えられており、また負極電解質24、負極液タンク28には2価、3価のバナジウムイオンが蓄えられている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the redox flow battery described in
バナジウムのレドックスフロー電池では、充電時に正極液タンク27に蓄えられた5価と4価のバナジウムイオンがポンプ29によって正極電解質23に送られて外部回路30から電子を受取り還元される。また、負極液タンク28に蓄えられた2価と3価のバナジウムイオンがポンプ29によって負極電解質24に送られ、外部回路30に電子を放出して3価に酸化される。そして放電時には、正極液タンク27、負極液タンク28においてそれぞれ充電時と逆の反応によって電子を取り出すものである。
In the vanadium redox flow battery, pentavalent and tetravalent vanadium ions stored in the
また、電極として、グラファイト、カーボン、カーボン繊維、カーボンクロスなどが利用されている。
しかしながら、従来のレドックスフロー電池では、電極としてグラファイト、カーボン等利用するものの導電性が不十分であるという課題があった。 However, in the conventional redox flow battery, there is a problem that the conductivity is insufficient when graphite, carbon or the like is used as an electrode.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電池内部抵抗を低下させ、充放電特性を改善した蓄電池を提供することを目的とする。 This invention solves the said conventional subject, and it aims at providing the storage battery which reduced battery internal resistance and improved the charging / discharging characteristic.
上記目的を達成するために、本発明の蓄電池は、正極と、前記正極に接する炭素材料を含有する正極電解質と、負極と、前記負極に接する炭素材料を含有する負極電解質と、前記正極電解質と負極電解質を分離する分離膜とを有し、前記正極電解質では2価及び3価の鉄イオンの反応、前記負極電解質では2価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a storage battery of the present invention comprises a positive electrode, a positive electrode electrolyte containing a carbon material in contact with the positive electrode, a negative electrode, a negative electrode electrolyte containing a carbon material in contact with the negative electrode, and the positive electrode electrolyte. A separation membrane for separating the negative electrode electrolyte, and the positive electrode electrolyte charges and discharges by a reaction of divalent and trivalent iron ions, and the negative electrode electrolyte charges and discharges by a reaction of divalent iron ions and iron. It is what.
これにより、電池の内部抵抗を低下させることができるため、充放電効率を向上させることができる。 Thereby, since internal resistance of a battery can be reduced, charging / discharging efficiency can be improved.
本発明の蓄電池は、分離膜を隔てて、正極電解質では2価及び3価の鉄イオンの反応、負極電解質では2価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うに際して炭素材料を含有した電解質を使用することにより、充放電効率の向上した蓄電池を実現することができる。 The storage battery of the present invention contains a carbon material when charge / discharge is performed by the reaction of divalent and trivalent iron ions in the positive electrode electrolyte and the reaction of divalent iron ions and iron in the negative electrode electrolyte across the separation membrane. By using the electrolyte, a storage battery with improved charge / discharge efficiency can be realized.
第1の発明は、正極と、前記正極に接する炭素材料を含有する電解質を保持する正極電解質と、負極と、前記負極に接する炭素材料を含有する電解質を保持する負極電解質と、前記正極電解質と負極電解質を分離する分離膜とを有し、前記正極電解質では2価及び3価の鉄イオンの反応、前記負極電解質では2価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うものである。 The first invention includes a positive electrode, a positive electrode electrolyte holding an electrolyte containing a carbon material in contact with the positive electrode, a negative electrode, a negative electrode electrolyte holding an electrolyte containing a carbon material in contact with the negative electrode, and the positive electrode electrolyte. And a separation membrane that separates the negative electrode electrolyte. The positive electrode electrolyte charges and discharges by a reaction of divalent and trivalent iron ions, and the negative electrode electrolyte charges and discharges by a reaction of divalent iron ions and iron. .
電解質に導電性のカーボンを添加することにより、内部抵抗を低下させることができ、したがって、充電電荷量に対する放電電荷量の割合の低下を抑えることができる。 By adding conductive carbon to the electrolyte, the internal resistance can be reduced, and therefore the reduction in the ratio of the discharge charge amount to the charge amount can be suppressed.
第2の発明は、第1の発明の炭素材料が、平均粒子径の異なる複数種のグラファイトの混合物であるものである。 In the second invention, the carbon material of the first invention is a mixture of a plurality of types of graphite having different average particle diameters.
平均粒子径の大きいグラファイトによって導電性を高め、そのグラファイトとグラファイトとの間を小さなグラファイトよって繋ぐことにより、全体として電解質の導電性を向上させることができる。 The conductivity of the electrolyte can be improved as a whole by increasing the conductivity by graphite having a large average particle diameter and connecting the graphite and the graphite by a small graphite.
第3の発明は、特に、第2の発明の2種のグラファイトの平均粒子径の比が10倍以上であるものである。 In the third invention, in particular, the ratio of the average particle diameters of the two types of graphite of the second invention is 10 times or more.
これにより、全体として電解質の導電性を向上させることができ、内部抵抗を低下させることができる。 Thereby, the electroconductivity of electrolyte can be improved as a whole and internal resistance can be reduced.
第4の発明は、第1の発明の炭素材料が、カーボンブラック及びグラファイトの混合物であるものである。 In a fourth invention, the carbon material of the first invention is a mixture of carbon black and graphite.
カーボンブラックは導電率がグラファイトと比べて小さいものの、導電方向に方向性が無いが、グラファイトは導電率がカーボンブラックと比べて大きいものの、導電方向に方向性がある。これは炭素材料の結晶構造に依存する特徴である。このカーボンブラックとグラファイトを組み合わせることによって、安定的に電解質の導電性を向上させることができ、内部抵抗を低下させることができる。 Although carbon black has a smaller conductivity than graphite, it has no directionality in the conduction direction, but graphite has a larger conductivity than carbon black, but has a directionality in the conduction direction. This is a feature that depends on the crystal structure of the carbon material. By combining the carbon black and graphite, the conductivity of the electrolyte can be stably improved, and the internal resistance can be reduced.
第5の発明は、特に、第4の発明のカーボンブラックの平均粒子径よりグラファイトの平均粒子径が50倍以上大きいことを特徴としたものである。 The fifth invention is particularly characterized in that the average particle diameter of graphite is 50 times or more larger than the average particle diameter of the carbon black of the fourth invention.
平均粒子径の大きいグラファイトによって導電性を高め、そのグラファイトとグラファイトとの間を小さなカーボンブラックによって繋ぐことにより、全体として電解質の導電性を向上させることができる。 By increasing the conductivity by graphite having a large average particle diameter and connecting the graphite and graphite by a small carbon black, the conductivity of the electrolyte as a whole can be improved.
第6の発明は、第1から第6の発明で、特に、正極の電解質と負極の電解質の体積比が2対1であるものである。 The sixth invention is the first to sixth inventions, and in particular, the volume ratio of the positive electrode electrolyte to the negative electrode electrolyte is 2: 1.
負極の電解質では2価の鉄イオン1個が電子2個を受け取り金属鉄となって析出する一方、正極の電解質では2価の鉄イオン1個が電子を1個放出して3価の鉄イオンとなる。すなわち、充電反応に関わる2価の鉄イオンのモル比は、正極と負極で2対1となり、それ以外のモル比であればどちらかのセル中のイオンが未反応となって残ってしまう。 In the negative electrode electrolyte, one divalent iron ion receives two electrons and deposits as metallic iron, while in the positive electrode electrolyte, one divalent iron ion emits one electron and trivalent iron ions. It becomes. That is, the molar ratio of the divalent iron ions involved in the charging reaction is 2 to 1 between the positive electrode and the negative electrode, and ions in either cell remain unreacted at other molar ratios.
したがって、本発明によれば、負極の体積を小さくすることができるため、電池の内部抵抗を低下させることができる。 Therefore, according to the present invention, since the volume of the negative electrode can be reduced, the internal resistance of the battery can be reduced.
以下、本発明の蓄電池の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態による蓄電池の断面図である。
Hereinafter, embodiments of the storage battery of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a storage battery according to the first embodiment of the present invention.
蓄電池は、電池反応セル1を分離膜2によって分離された正極電解質3と負極電解質4によって構成されており、それぞれのセルの壁面に正極5と負極6が配置され、外枠7によって固定されている。そして、それぞれの極と電源8及び負荷9とが導通されている。
The storage battery is composed of a
分離膜2は孔径0.1μm、厚み5μmの微細孔樹脂膜であり、正極5及び負極6は厚さ2mmの樹脂含浸黒鉛材、外枠7は厚さ2mmのチタン板を使用した。そして電源8と負荷9とはリード線によってチタン板の外枠7を介して電極と電気的に接続している。ここで、正極5と分離膜3との距離は3mmであり、負極6と分離膜3との距離は1.5mmである。
The
正極電解質3と負極電解質4は、モル分率0.17の塩化第一鉄、モル分率0.17の塩化アンモニウムを水に溶かし、さらに炭素材料を全重量の10分の1添加して混合させた。正極電解質3と負極電解質4との体積比は2対1とした。
The
以上のような構成の蓄電池において、充電、放電の効率の評価法を述べる。 A method for evaluating the efficiency of charging and discharging in the storage battery configured as described above will be described.
まず、電源8によって電流が50mAの一定値となるように電圧を10分間印加する。そして電源8を短絡して2分間保持する。その後50Ωの抵抗を有した負荷9につなぎ変えて放電させる。このとき流れた電流を測定しておく。充電、放電によって移動した電荷は電流値より見積もることができる。ここで、充電した電荷量に対する放電した電荷量の割合を充放電効率とする。
First, a voltage is applied for 10 minutes by the
本実施の形態では、炭素材料を、平均粒子径が0.5μmのグラファイトと10μmのグラファイトを重量比で1対1の割合で混合した場合、平均粒子径が20nmのカーボンブラックと1μmのグラファイトを重量比で1対1の割合で混合した場合について、正極電解質と負極電解質の体積比を1対1とした場合と2対1とした場合について、充放電効率の値の大きさ計測した。この値を平均粒子径が20nmのカーボンブラックのみを混合した場合と比較すると、いずれの場合も本実施の形態の構成の蓄電池の方が、充電効率が高く、さらに繰り返しの充放電においても安定した効率を得ることがわかった。 In this embodiment, when carbon material is mixed with graphite having an average particle diameter of 0.5 μm and graphite having a particle diameter of 10 μm at a weight ratio of 1: 1, carbon black having an average particle diameter of 20 nm and graphite having a particle diameter of 1 μm are mixed. About the case where it mixed by the ratio of 1: 1 by weight ratio, the magnitude | size of the value of charging / discharging efficiency was measured about the case where the volume ratio of a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte is set to 1: 1, and 2: 1. Compared with the case where only this value is mixed with carbon black having an average particle diameter of 20 nm, in all cases, the storage battery having the configuration of the present embodiment has higher charging efficiency and is more stable even during repeated charging and discharging. It turns out to gain efficiency.
本発明による蓄電池は、低コストの蓄電池である。この蓄電池は、変電所や工場に設置するための大容量の電池として利用できるだけでなく、安全性も高いため家庭用の電池、例えば夜間電力を蓄え、昼間使うための蓄電池に適用できる。 The storage battery according to the present invention is a low-cost storage battery. This storage battery can be used not only as a large-capacity battery for installation in a substation or factory, but also because of its high safety, it can be applied to a battery for home use, for example, a storage battery for storing nighttime power and using it in the daytime.
2 分離膜
3 正極電解質
4 負極電解質
5 正極
6 負極
2
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2008
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