JP2019003928A - フロー電池 - Google Patents
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Abstract
Description
第1電極と、
第1活物質と、
前記第1電極と前記第1活物質との間で前記第1液体を循環させる第1循環機構と、を備え、
前記第1電極メディエータは、トリフェニルアミン誘導体を含み、
前記トリフェニルアミン誘導体のフェニル基は、2位、4位または6位の少なくとも1つに置換基を有する。
図1は、実施形態1におけるフロー電池1000の概略構成を示すブロック図である。
R1は鎖状飽和炭化水素、鎖状不飽和炭化水素、環状飽和炭化水素、環状不飽和炭化水素、シアノ基、ニトロ基およびそれらの組み合わせからなる群より選ばれる少なくとも1種である。ただし、X1〜X9がすべて水素である場合を除く。)
で示されるトリフェニルアミン誘導体であってもよい。
で示されるトリフェニルアミン誘導体であってもよい。
で示されるトリフェニルアミン誘導体であってもよい。
で示されるトリフェニルアミン誘導体であってもよい。
実施形態1におけるフロー電池1000の充放電プロセスが、以下に、説明される。
まず、充電反応が、説明される。
電圧の印加により、負極である第2電極220にフロー電池の外部から電子が供給される。これにより、負極である第2電極220では、還元反応が起こる。すなわち、負極は、充電状態となる。
Li+ + e- → Li
電圧の印加により、正極である第1電極210では、第1電極メディエータ111の酸化反応が起こる。すなわち、第1電極210の表面において、第1電極メディエータ111が酸化される。これにより、第1電極210からフロー電池の外部に電子が放出される。
TPA deriv. → TPA deriv.+ + e-
TPA deriv. → TPA deriv.+ + e- (全てのベンゼン環の4位置換体の場合)
2TPA deriv.+ → TPB(2量体:テトラフェニルベンジジン)deriv. + 2H+
(1)全てのベンゼン環の4位置換体の場合
LiCoO2 + TPA deriv.+ → CoO2 + Li+ + TPA deriv.+
LiCoO2 + TPB deriv.2+ → CoO2 + Li+ + TPB deriv.+
(1)全てのベンゼン環の4位置換体の場合
TPA deriv. → TPA deriv.+ + e-
TPB deriv.+→TPB deriv.2+ + e-
次に、満充電からの放電反応が、説明される。
負極である第2電極220では、酸化反応が起こる。すなわち、負極は、放電状態となる。
Li → Li+ + e-
電池の放電により、正極である第1電極210にフロー電池の外部から電子が供給される。
(1)全てのベンゼン環の4位置換体の場合
TPA deriv.+ + e-→ TPA deriv.
TPB deriv.2+ + e-→TPB deriv.+
CoO2 + Li+ + TPA deriv.+ → LiCoO2 + TPA deriv.+
CoO2 + Li+ + TPB deriv.+ → LiCoO2 + TPB deriv.2+
(1)全てのベンゼン環の4位置換体の場合
TPA deriv.+ + e-→ TPA deriv.
TPB deriv.2+ + e-→TPB deriv.+
以下、実施形態2が説明される。なお、上述の実施形態1と重複する説明は、適宜、省略される。
以下、実施形態3が説明される。なお、上述の実施形態1または実施形態2と重複する説明は、適宜、省略される。
実施形態3におけるフロー電池3000の充放電プロセスが、以下に、説明される。
まず、充電反応が、説明される。
電圧の印加により、負極である第2電極220にフロー電池の外部から電子が供給される。これにより、第2電極220上では、充電メディエータ121と放電メディエータ122との還元反応が起こる。
ChMd + Li+ + e- → ChMd・Li
DchMd + Li+ + e- → DchMd・Li
6C + ChMd・Li → C6Li + ChMd
電圧の印加により、正極である第1電極210では、第1電極メディエータ111の酸化反応が起こる。すなわち、第1電極210の表面において、第1電極メディエータ111が酸化される。これにより、第1電極210からフロー電池の外部に電子が放出される。
(1)全てのベンゼン環の4位置換体の場合
TPA deriv. → TPA deriv.+ + e-
TPA deriv. → TPA deriv.+ + e- (全てのベンゼン環の4位置換体の場合)
2TPA deriv.+ → TPB(2量体:テトラフェニルベンジジン)deriv. + 2H+
LiCoO2 + TPA deriv.+ → CoO2 + Li+ + TPA deriv.+
LiCoO2 + TPB deriv.2+ → CoO2 + Li+ + TPB deriv.+
TPA deriv. → TPA deriv.+ + e-
TPB deriv.+→TPB deriv.2+ + e-
次に、満充電からの放電反応が、説明される。
電池の放電により、負極である第2電極220上では、充電メディエータ121と放電メディエータ122との酸化反応が起こる。これにより、第2電極220からフロー電池の外部に電子が放出される。
DchMd・Li → DchMd + Li+ + e-
ChMd・Li → ChMd + Li+ + e-
C6Li + DchMd → 6C + DchMd・Li
電池の放電により、正極である第1電極210にフロー電池の外部から電子が供給される。これにより、第1電極210上では、第1電極メディエータ111の還元反応が起こる。すなわち、第1電極210の表面において、第1電極メディエータ111が還元される。
(1)全てのベンゼン環の4位置換体の場合
TPA deriv.+ + e-→ TPA deriv.
TPB deriv.2+ + e-→TPB deriv.+
(1)全てのベンゼン環の4位置換体の場合
CoO2 + Li+ + TPA deriv.+ → LiCoO2 + TPA deriv.+
CoO2 + Li+ + TPB deriv.+ → LiCoO2 + TPB deriv.2+
(1)全てのベンゼン環の4位置換体の場合
TPA deriv.+ + e-→ TPA deriv.
TPB deriv.2+ + e-→TPB deriv.+
実施形態3におけるフロー電池3000のエネルギー密度の推算結果が、以下に、説明される。
以下、実施形態4が説明される。なお、上述の実施形態1から3のいずれかと重複する説明は、適宜、省略される。
111 第1電極メディエータ
120 第2液体
121 充電メディエータ
122 放電メディエータ
210 第1電極
211 正極端子
220 第2電極
221 負極端子
310 第1活物質
320 第2活物質
400 隔離部
510 第1循環機構
511 第1収容部
512 第1透過抑制部
513、514、523、524 配管
515、525 ポンプ
520 第2循環機構
521 第2収容部
522 第2透過抑制部
600 電気化学反応部
610 正極室
620 負極室
1000、2000、3000、4000 フロー電池
Claims (21)
- 第1電極メディエータが溶解した第1液体と、
第1電極と、
第1活物質と、
前記第1電極と前記第1活物質との間で前記第1液体を循環させる第1循環機構と、
を備え、
前記第1電極メディエータは、トリフェニルアミン誘導体を含み、
前記トリフェニルアミン誘導体のフェニル基は、2位、4位または6位の少なくとも1つに置換基を有する、
フロー電池。 - 前記X1〜X9は、それぞれ独立して、弗素、塩素、臭素、シアノ基、ニトロ基、−N(R1)2、鎖状飽和炭化水素、鎖状不飽和炭化水素、環状飽和炭化水素、または環状不飽和炭化水素を表し、R1は、水素、鎖状飽和炭化水素、鎖状不飽和炭化水素、環状飽和炭化水素、環状不飽和炭化水素、シアノ基、ニトロ基およびそれらの組み合わせからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を表す、
請求項2に記載のフロー電池。 - 前記X1〜X9は、それぞれ独立して、鎖状飽和炭化水素、鎖状不飽和炭化水素、環状飽和炭化水素、および環状不飽和炭化水素からなる群より選ばれる少なくとも1種である、請求項2に記載のフロー電池。
- 前記トリフェニルアミン誘導体は、2−ブロモトリフェニルアミン、4−ブロモトリフェニルアミン、2,4−ジブロモトリフェニルアミン、4,4’−ジブロモトリフェニルアミン、4,4’−ジメチルトリフェニルアミン、トリス(2,4−ブロモフェニル)アミン、トリス(4−ブロモフェニル)アミン、およびN,N’−ジフェニル−N,N’−ビス(p−トリル)−1,4−フェニレンジアミンからなる群より選ばれる少なくとも1種である、
請求項2から7のいずれか1項に記載のフロー電池。 - 前記トリフェニルアミン誘導体は、第1酸化電位と第2酸化電位と、第1還元電位と第2還元電位とを有し、
前記第1活物質の平衡電位は、前記第1酸化電位または第2酸化電位より低い、または、前記第1還元電位または第2還元電位より高い、
請求項1から8のいずれか1項に記載のフロー電池。 - 前記第1液体には、第1電極側放電メディエータが、さらに溶解しており、
前記トリフェニルアミン誘導体は、酸化電位を有し、
前記第1活物質の平衡電位は、前記トリフェニルアミン誘導体の前記酸化電位より低く、
前記第1活物質の平衡電位は、前記第1電極側放電メディエータの平衡電位より高い、請求項1から8のいずれか1項に記載のフロー電池。 - 前記第1循環機構は、第1収容部を備え、
前記第1活物質と前記第1液体とは、前記第1収容部に、収容され、
前記第1循環機構は、前記第1電極と前記第1収容部との間で、前記第1液体を循環させ、
前記第1収容部において前記第1活物質と前記第1液体とが接触することにより、前記第1活物質と前記第1電極メディエータとの間の酸化反応と還元反応の少なくとも一方が行われる、
請求項1から10のいずれかに記載のフロー電池。 - 前記第1循環機構は、前記第1活物質の透過を抑制する第1透過抑制部を備え、
前記第1透過抑制部は、前記第1液体が前記第1収容部から前記第1電極に流出する経路に、設けられる、
請求項11に記載のフロー電池。 - 充電メディエータと放電メディエータとが溶解した第2液体と、
前記第2液体に浸漬される第2電極と、
前記第2液体に浸漬される第2活物質と、
前記第1電極および前記第1液体と前記第2電極および前記第2液体との間を隔離する隔離部と、
をさらに備え、
前記充電メディエータの平衡電位は、前記第2活物質の平衡電位より低く、
前記放電メディエータの平衡電位は、前記第2活物質の平衡電位より高い、
請求項1から12のいずれか1項に記載のフロー電池。 - 前記第2液体には、リチウムが溶解され、
前記第2活物質は、前記リチウムを吸蔵および放出する性質を有する物質であり、
充電時においては、前記充電メディエータは前記第2電極上において還元され、かつ、前記第2電極上において還元された前記充電メディエータは前記第2活物質により酸化されるとともに前記第2活物質は前記リチウムを吸蔵し、
放電時においては、前記リチウムを吸蔵した前記第2活物質は前記放電メディエータを還元するとともに前記第2活物質は前記リチウムを放出し、かつ、前記第2活物質により還元された前記放電メディエータは前記第2電極上において酸化される、
請求項13に記載のフロー電池。 - 前記充電時においては、前記放電メディエータは前記第2電極上において還元され、
前記放電時においては、前記充電メディエータは前記第2電極上において酸化される、請求項14に記載のフロー電池。 - 前記充電メディエータと前記放電メディエータとは、縮合芳香族化合物であり、
前記縮合芳香族化合物が溶解した前記第2液体は、リチウムの溶媒和電子を放出させ、前記リチウムをカチオンとして溶解する性質を有する、
請求項13から15のいずれか1項に記載のフロー電池。 - 前記充電メディエータは、フェナントレン、ビフェニル、O−ターフェニル、トリフェニレン、およびアントラセンからなる群より選ばれる少なくとも1種である、
請求項16に記載のフロー電池。 - 前記放電メディエータは、フェナントロリン、2,2’−ビピリジル、ベンゾフェノン、trans−スチルベン、4,4’−ビピリジル、3,3’−ビピリジル、2,4’−ビピリジル、2,3’−ビピリジル、cis−スチルベン、アセトフェノン、プロピオフェノン、ブチロフェノン、バレロフェノン、およびエチレンジアミンからなる群より選ばれる少なくとも1種である、
請求項16または17に記載のフロー電池。 - 第2収容部を備える第2循環機構をさらに備え、
前記第2活物質と前記第2液体とは、前記第2収容部に、収容され、
前記第2循環機構は、前記第2電極と前記第2収容部との間で、前記第2液体を循環させ、
前記第2収容部において前記第2活物質と前記第2液体とが接触することにより、前記第2活物質による前記充電メディエータの酸化反応と、前記第2活物質による前記放電メディエータの還元反応、の少なくとも一方が行われる、
請求項13から18のいずれか1項に記載のフロー電池。 - 前記第2循環機構は、前記第2活物質の透過を抑制する第2透過抑制部を備え、
前記第2透過抑制部は、前記第2液体が前記第2収容部から前記第2電極に流出する経路に、設けられる、
請求項19に記載のフロー電池。 - 第1電極メディエータが溶解した第1液体と、
第1電極と、
第1活物質と、
前記第1電極と前記第1活物質との間で前記第1液体を循環させる第1循環機構と、
を備え、
前記第1電極メディエータは、テトラフェニルベンジジンを含む、
フロー電池。
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