JP2010140736A - 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二次電池に関するものであり、特に、正極活物質に酸素を利用し、負極活物質に金属を利用した空気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 an air battery that uses oxygen as a positive electrode active material and metal as a negative electrode active material.
空気電池の負極活物質として亜鉛を利用したものは、既に一次電池として実用化されている。また、二次電池における負極活物質には亜鉛の他、アルミニウムが考えられている。さらに、負極の溶解や形態変化を抑えることを目的に、負極活物質としてコバルトを用いることも考えられている(例えば特許文献1)。 The thing using zinc as the negative electrode active material of an air battery has already been put into practical use as a primary battery. In addition to zinc, aluminum is considered as the negative electrode active material in the secondary battery. Furthermore, it is also considered to use cobalt as a negative electrode active material for the purpose of suppressing dissolution and form change of the negative electrode (for example, Patent Document 1).
図2は、特許文献1に記載された空気電池の断面図である。従来の空気電池は、負極活物質21に多孔性コバルト、正極活物質に酸素を取り込んだカーボンブラック等の空気極22、そして電解液23には1Mの水酸化カリウムを使用している。ここで、空気極22は空気孔24を通じて外界に開放されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the air battery described in
充電は、外界から電圧を印加することで、負極ではコバルトとアルカリ性溶液中の水酸化物イオンが反応し、水酸化コバルトが生成されると同時に電子を放出し、正極では空気と水と電子から、水酸化物イオンが生成される反応が行われ、充電される。放電は前記反応の逆向き方向として行われることになる。 Charging is performed by applying a voltage from the outside so that cobalt and hydroxide ions in the alkaline solution react at the negative electrode, and cobalt hydroxide is generated, and at the same time, electrons are emitted. At the positive electrode, air, water and electrons are emitted. The reaction in which hydroxide ions are generated is performed and charged. Discharging is performed in the reverse direction of the reaction.
このように従来の負極活物質であるコバルト、亜鉛等の空気電池は、反応を活性化させる点から電解液をアルカリ性(pH8以上)にするものであった。
しかしながら、アルカリ性の電解液は、充放電における初期性能の点では優れるものの、長時間におよぶ使用の耐久性の点では早期に性能が劣化するものであった。すなわち、長期間の使用において電解液に外気である空気中の二酸化炭素が溶け込むこととなり、炭酸塩が析出して電解液としての性質が変化し、しだいに充放電ができなくなってしまう。 However, although the alkaline electrolyte is excellent in terms of initial performance in charge and discharge, the performance is deteriorated early in terms of durability over a long period of use. That is, in a long-term use, carbon dioxide in the air, which is the outside air, dissolves in the electrolytic solution, and carbonates are deposited to change the properties of the electrolytic solution, and charging and discharging cannot be performed gradually.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、酸性の範囲内の電解液を使用し、酸性の範囲内でも電極反応が優れる鉄及び鉄イオンを負極活物質に使用することによって、電解液中の炭酸塩析出を抑えた蓄電池を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and uses an electrolytic solution in an acidic range, and uses iron and iron ions, which have an excellent electrode reaction even in an acidic range, as a negative electrode active material. It aims at providing the storage battery which suppressed carbonate precipitation in the inside.
前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄電池は、負極活物質として鉄及び鉄イオンを用い、電解液が酸性であることを特徴とするものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the storage battery of the present invention is characterized in that iron and iron ions are used as the negative electrode active material, and the electrolytic solution is acidic.
このとき、充電時では、正極側で水から酸素、水素イオン及び電子へと反応し、負極側で鉄イオンと電子から鉄へと反応する。また、放電時では、逆反応をし、正極側では酸素が取り込まれ、負極側では鉄が酸化されて鉄イオンになる。そのときの電解液は、酸性の水溶液である。 At this time, at the time of charging, it reacts from water to oxygen, hydrogen ions and electrons on the positive electrode side, and reacts from iron ions and electrons to iron on the negative electrode side. In addition, the reverse reaction occurs during discharge, oxygen is taken in on the positive electrode side, and iron is oxidized to iron ions on the negative electrode side. The electrolytic solution at that time is an acidic aqueous solution.
これにより、電解液中の二酸化炭素の吸収、炭酸塩としての析出を抑えられるため、充放電特性の低下を抑制した蓄電池を実現することができる。 Thereby, since the absorption of the carbon dioxide in electrolyte solution and the precipitation as carbonate can be suppressed, the storage battery which suppressed the fall of charging / discharging characteristics is realizable.
本発明の蓄電池は、負極活物質としての鉄及び鉄イオンを使用し、電解液に酸性の溶液を使用することによって、蓄電池の使用耐久性を向上させた蓄電池を実現することができる。 The storage battery of this invention can implement | achieve the storage battery which improved the use durability of a storage battery by using iron and iron ion as a negative electrode active material, and using an acidic solution for electrolyte solution.
第1の発明は、正極活物質としての酸素と、負極活物質としての鉄及び鉄イオンとを有し、電解液に酸性溶液を使用することを特徴としたものである。 1st invention has oxygen as a positive electrode active material, Iron and iron ion as a negative electrode active material, and uses an acidic solution for electrolyte solution, It is characterized by the above-mentioned.
酸性領域とは、pH6.0未満の領域である。当該領域では、二酸化炭素が電解液に溶け込んだ場合でも炭酸塩として析出し難い領域である。また、当該領域では、鉄イオンは水酸化物として析出され難く、鉄イオンとして反応に関与することができる。すなわち、電解液が安定状態に保持されることとなるから、充放電特性の低下を抑制した蓄電池を実現することができる。 The acidic region is a region having a pH of less than 6.0. In this region, even when carbon dioxide is dissolved in the electrolytic solution, the region is difficult to precipitate as carbonate. Further, in this region, iron ions are hardly precipitated as hydroxides and can participate in the reaction as iron ions. That is, since the electrolytic solution is held in a stable state, a storage battery that suppresses deterioration in charge / discharge characteristics can be realized.
第2の発明は、第1の発明の電解液のpHが2以上でかつ5未満であることを特徴とするものである。 The second invention is characterized in that the pH of the electrolytic solution of the first invention is 2 or more and less than 5.
pHが2未満であると水素過電圧が下がり、充電時に水素が発生するおそれがある。一方、pHが5以上であると鉄の水酸化物が析出し、電解液の安定が損なわれることとなる。したがって、pHを2以上でかつ5未満とすることによって、炭酸塩や鉄の水酸化物の析出及び水素発生を抑えることができ、電解液が安定状態に保持されることとなるから、充放電特性の低下を抑制した蓄電池を実現することができる。 If the pH is less than 2, the hydrogen overvoltage decreases, and hydrogen may be generated during charging. On the other hand, when the pH is 5 or more, iron hydroxide is precipitated, and the stability of the electrolytic solution is impaired. Therefore, by setting the pH to 2 or more and less than 5, precipitation of carbonate and iron hydroxide and generation of hydrogen can be suppressed, and the electrolyte solution is maintained in a stable state. A storage battery that suppresses deterioration in characteristics can be realized.
第3の発明は、特に、第2の発明の電解液として、カチオンがLiイオン、Kイオン、Naイオン、NH4またはCaイオンであり、アニオンがFイオン、Clイオン、SO4イオン、NO3イオンまたはPO4イオンである塩の少なくとも一種と酸性添加剤とを含むことを特徴とするものである。
In the third invention, in particular, as the electrolytic solution of the second invention, the cation is Li ion, K ion, Na ion,
当該塩を溶解させた水溶液はイオン導電性に優れたものである。当該水溶液は基本的に弱酸性から中性領域であるが、酸性のカーボンブラック、pH調節剤等の酸性添加剤を加えることによって酸性領域に変化させることができる。これにより、電解液が安定状態に保持されることとなるから、二酸化炭素吸収による充放電特性の低下を抑制した蓄電池を実現することができる。 An aqueous solution in which the salt is dissolved has excellent ionic conductivity. The aqueous solution is basically weakly acidic to neutral, but can be changed to acidic by adding an acidic additive such as acidic carbon black or pH adjuster. Thereby, since electrolyte solution will be hold | maintained in a stable state, the storage battery which suppressed the fall of the charging / discharging characteristic by carbon dioxide absorption is realizable.
第4の発明は、特に、第3の発明の酸性添加剤が酸性のカーボンの微粉末を使用したものである。 In particular, the fourth invention uses fine powder of carbon in which the acidic additive of the third invention is acidic.
酸性のカーボンは、表面を酸化処理することによって、表面に酸性の酸素含有官能基からなる揮発成分を付与させたものである。これを添加することによって、導電性の増加、電極反応の活性点の増加をさせるだけでなく、電解液を酸性に変化させることができるため、炭酸塩や鉄の水酸化物の析出及び水素発生を抑えることができ、電解液が安定状態に保持されることとなるから、充放電特性の低下を抑制した蓄電池を実現することができる。 Acidic carbon is obtained by oxidizing a surface to give a volatile component composed of an acidic oxygen-containing functional group to the surface. By adding this, not only the conductivity and the active point of the electrode reaction can be increased, but also the electrolyte can be changed to acidic, so precipitation of carbonates and iron hydroxides and hydrogen generation Since the electrolyte solution is held in a stable state, a storage battery in which deterioration of charge / discharge characteristics is suppressed can be realized.
第5の発明は、特に、第4の発明の微粉末の比表面積が1200m2/g以上であるものである。 In the fifth invention, in particular, the specific surface area of the fine powder of the fourth invention is 1200 m 2 / g or more.
これにより反応の活性点が増大することとなって過電圧が下がり、充放電特性が改善されて安定的な蓄電池を実現できる。 As a result, the active point of the reaction increases, the overvoltage decreases, the charge / discharge characteristics are improved, and a stable storage battery can be realized.
正極セルと負極セルの体積比は、2対1が好ましい。負極セルでは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、正極セルでは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、正極セルと負極セルで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。したがって、未反応の2価の鉄イオンを最小限に抑えることができ、体積及び重量当たりのエネルギー密度を大きくすることができる。 The volume ratio between the positive electrode cell and the negative electrode cell is preferably 2: 1. In the negative electrode cell, one divalent iron ion receives two electrons and precipitates as metallic iron, whereas in the positive electrode cell, one divalent iron ion emits one electron to become a trivalent iron ion. . That is, the molar ratio of the divalent iron ions involved in the charging reaction is 2 to 1 in the positive electrode cell and the negative electrode cell, and in other molar ratios, ions in either cell remain unreacted. End up. Therefore, unreacted divalent iron ions can be minimized, and the energy density per volume and weight can be increased.
以下、本発明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 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.
蓄電池の基本構造は、空気極1、疎水性膜2、セパレータ3、電解液4、電極板5、導電体6、絶縁体7及びそれらを固定する筐体8によって構成されている。
The basic structure of the storage battery is composed of an
空気極1は、多孔性のカーボン又はグラファイトのシート状、クロス状(炭素繊維の編物)が使用でき、またニッケルやステンレス等の金属メッシュも使用できる。本実施の形態では、厚さ0.2mmのカーボンシートを使用した。
The
疎水性膜2は、カーボンの粉末と樹脂との混合物である。カーボンとしてはアセチレンブラック、樹脂としてはPTFE等のフッ素樹脂が好ましいが、本実施の形態では、ポリエチレンの微粉末を使用した。
The
セパレータ3は、親水化処理がされた樹脂性の多孔性フィルムである。孔径0.1μm、厚み10μmの微細孔のポリエチレンフィルムを使用した。
The
電解液4の活物質として、FeCl2、FeSO4、Fe(NO3)2及びFe(ClO4)2によるFeイオンを使用することができが、本実施の形態では、FeClを用いる。また、電解液4には、その他イオン及び酸性添加剤が加えられている。イオンを生じさせる塩としてKCl、CaCl、NH4Cl、KF等あるが、塩素の発生を極力避けるため、KFを使用する。
As an active material of the
また、酸性添加剤として、アスコルビン酸を使用することができる。アスコルビン酸は、ヒドロキシ基とカルボニル基のはたらきにより高い酸性を示し、また、食品添加物として安全性も確認されたものである。しかし、本実施の形態では、導電性の付与等の点から、酸性のカーボンブラックの微粉末を使用した。当該微粉末の一次粒子径は数十nm、比表面積は平均1200m2/gである。 Moreover, ascorbic acid can be used as an acidic additive. Ascorbic acid is highly acidic due to the action of the hydroxy group and the carbonyl group, and has been confirmed to be safe as a food additive. However, in the present embodiment, acidic carbon black fine powder is used from the viewpoint of imparting conductivity. The primary particle diameter of the fine powder is several tens of nm, and the specific surface area is 1200 m 2 / g on average.
そして、電解液のモル比は、モル分率0.17のFeCl2、モル分率0.17のKFを水に溶かし、さらに酸性のカーボンブラックを全重量の10分の1添加して混合させたものである。この状態でリトマス試験紙によってpHがほぼ2から3であることが確認できた。 The molar ratio of the electrolytic solution is as follows: FeCl 2 having a molar fraction of 0.17 and KF having a molar fraction of 0.17 are dissolved in water, and acidic carbon black is added to one tenth of the total weight and mixed. It is a thing. In this state, it was confirmed by the litmus paper that the pH was approximately 2 to 3.
以上のような構成の蓄電池において、充電、放電の効率の評価を行った。評価はまず、電源10によって電流が10mAの一定値となるように電圧を10分間印加する(完全充電ではない)。そして電源10をオープンにして2分間保持する。その後50Ωの抵抗を有した負荷11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量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。そして、充放電を繰り返して、繰り返し回数に対する充放電効率をプロットすることができる。このプロットが縦軸方向に大きいときは充放電効率が高いことを示し、横軸に対して水平であれば蓄電池は安定であることを示すことになる。
In the storage battery configured as described above, the efficiency of charging and discharging was evaluated. In the evaluation, first, a voltage is applied for 10 minutes by the
また、比較例として、電解液にKFの変わりに1MのKOHに変えて電解液のpHを11以上とした場合、酸性のカーボンを加えないで電解液のpHを5から7の範囲内とした場合、酸性のカーボンの比表面積が500m2/gであるものを使用した場合についても評価を行った。 Further, as a comparative example, when the electrolyte solution was changed to 1 M KOH instead of KF and the pH of the electrolyte solution was 11 or more, the pH of the electrolyte solution was set within the range of 5 to 7 without adding acidic carbon. In this case, the case where an acidic carbon having a specific surface area of 500 m 2 / g was used was also evaluated.
本評価の結果、比表面積の大きなカーボンを使用したものは、小さいものに比べて充放電効率が大きかった。また、電解液を酸性とすることによって、繰り返し回数に対する安定性が良いことが分かった。すなわち、上記比較例のいずれの場合と比べても本実施の形態の構成の蓄電池の方が、充電効率が高く、安定のある蓄電池を実現することができるものであった。 As a result of this evaluation, the one using carbon having a large specific surface area had a higher charge / discharge efficiency than the small one. Moreover, it turned out that stability with respect to the frequency | count of repetition is good by making electrolyte solution acidic. That is, the storage battery having the configuration of the present embodiment has a higher charging efficiency and can realize a stable storage battery as compared with any of the comparative examples.
本発明による蓄電池は、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、エネルギー密度の高いため自動車用バッテリーとして利用でき、安全性も高いため家庭用の電池、例えば夜間電力を蓄えて昼間使うための蓄電池にも利用できる。 The storage battery according to the present invention can be used as a large-capacity battery for installation in a substation or factory, can be used as a battery for automobiles due to its high energy density, and is highly safe so that it can store a battery for home use, such as nighttime power. It can also be used as a storage battery for daytime use.
4 電解液 4 Electrolyte
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