JP2612888B2 - ナトリウム−硫黄電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はナトリウム−硫黄電池に関し、さらに詳しく
は陰極容器及び固体電解質管内に収納された安全対策用
のウイックの線径に関するものである。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題） 最近、電気自動車用、夜間電力貯蔵用の二次電池とし
て性能面及び経済面の両面において優れ、300〜400℃で
作動する高温型のナトリウム−硫黄電池の研究開発が進
められている。

即ち、性能面では、ナトリウム−硫黄電池は鉛蓄電池
に比べて理論エネルギー密度が高く、充放電時における
水素や酸素の発生といった副反応もなく、活物質の利用
率も高く、経済面ではナトリウム及び硫黄が安価である
という利点を有している。

従来のナトリウム−硫黄電池は、第５図に示すように
下部に陽極端子１を備え、陽極活物質である溶融硫黄を
含浸したカーボンマット等の陽極用導電材Ｍを収納する
円筒状の陽極容器２と、該陽極容器２の上端部に対し、
αアルミナ製の絶縁リング３を介して連結され、かつ溶
融金属ナトリウムNaを貯留する陰極容器４と、前記絶縁
リング３の内周部に固着され、かつ陰極活物質であるナ
トリウムイオンを選択的に透過させる機能を有した下方
へ延びる円筒状の袋管を形成するβアルミナ製の固体電
解質管５とからなっている。又、陰極容器４の上部蓋の
中央部には、該陰極容器４を通して固体電解質管５底部
まで延びた細長い陰極管６が貫通支持され、該陰極管６
の上端部には、陰極端子７が固着されている。

そして、放電時には次のような反応によってナトリウ
ムイオンが固体電解質管５を透過して陽極容器２内の硫
黄と反応し、多硫化ナトリウムを生成する。

2Na＋XS→Na₂Sx 又、充電時には放電時とは逆の反応が起こり、ナトリ
ウム及び硫黄が生成される。

前記陰極容器４及び固体電解質管５内には、該固体電
解質管５が破損した場合の安全対策として、ステンレス
製のウイック８（繊維）が充填されている。このウイッ
ク８の線径Ｄは、従来ほぼ８μｍに統一され、ウイック
８以外の空間の占める割合、つまり空孔率Ｒは97％と一
定に保持されている。

ところが、前述したナトリウム−硫黄電池は、ウイッ
ク８全体の線径Ｄが同じであるため、充電あるいは放電
時、特に放電時に固体電解質管５内の溶融金属ナトリウ
ムの上部液面が均等に上昇あるいは降下し、この結果陰
極管６自身のもつ電気抵抗が大きくなり、電池エネルギ
ー効率が低下するという問題があった。

又、陰極容器４から固体電解質管５内へのナトリウム
の移動がスムーズに行われず、この結果ナトリウムの利
用率を向上することができないという問題もあった。こ
のようにナトリウムの利用率が低いと、電池容量を向上
することができないばかりでなく、電池容量のバラツキ
が生じるという問題もあった。

本発明の第１の目的は上記問題点を解消して電池の充
電時あるいは放電時に陰極管の電気抵抗を軽減して電池
エネルギー効率を向上することができるナトリウム−硫
黄電池を提供することにある。

又、本発明の第２の目的は、第１の目的に加えて、陰
極容器内のナトリウムの利用率を向上して、電池容量を
アップし、さらに、陰極容器内へのナトリウムの充填量
を減少し、電池を小型化することができるナトリウム−
硫黄電池を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 請求項１記載のナトリウム−硫黄電池は、第１の目的
を達成するため、陽極用導電材を貯留する有底筒状の陽
極容器の上部に対し、絶縁リングを介して、溶融金属ナ
トリウムを貯留する有蓋筒状の陰極容器を接合固定し、
前記陽極容器の内部には、上端を前記絶縁リングの内周
部に固着して前記陰極容器内部と連通し、かつ陰極作用
物質であるナトリウムイオンを選択的に透過させる機能
を有した有底筒状の固体電解質管を配設し、さらに、前
記陰極容器の上蓋を貫通して前記固体電解質管内に進入
する陰極管を備え、前記陰極容器及び固体電解質管の内
部に該固体電解質管が破壊した場合の安全対策用のウイ
ックを充填してなるナトリウム−硫黄電池において、 前記陰極管の固体電解質管と対応する外周壁面側のウ
イックの線径を小さくし、該ウイックの外側に位置する
ウイック及び陰極容器内のウイックの線径を大きくする
という手段をとっている。

又、請求項２記載のナトリウム−硫黄電池は請求項１
記載のナトリウム−硫黄電池において、固体電解質管の
内周壁面側のウィックの線径を、前記陰極管の固体電解
質管と対応する外周壁面側のウイックの線径と同様に小
さくし、さらに、両ウイックの間のウイックの線径及び
陰極容器内のウイックの線径を大きくするという手段を
とっている。

（作用） 請求項１記載のナトリウム−硫黄電池は、放電末期に
なり固体電解質管内のナトリウムの上部液面が低下して
も、陰極管の外周壁面側では線径の細いウイックの毛細
管現象によるナトリウムの浸み上り効果により陰極管の
外周壁面がナトリウムと長時間接触しているので、陰極
管の電気抵抗の増大が抑制され、電池エネルギー効率が
低下することはない。

又、請求項２記載のナトリウム−硫黄電池は、陰極容
器内の線径の大きいウイックの間隙から固体電解質管内
の線径の小さいウイックの間隙へのナトリウムの移動が
スムーズに行われ、かつ固体電解質管内壁側では線径の
小さいウイックの毛細管現象によるナトリウムの浸み上
り効果により、固体電解質管内壁面の広い範囲でナトリ
ウムイオンが浸透し、この結果ナトリウムの利用率が向
上する。

（実施例） 次に、請求項１記載のナトリウム−硫黄電池を具体化
した一実施例を第１図〜第３図に従って説明する。

この実施例のナトリウム−硫黄電池は、後述する特徴
部分、つまりウイック8a〜8cの線径D1〜D3を除いて、前
述した第５図に示す従来のナトリウム−硫黄電池と構造
が同様である。すなわち、この実施例のナトリウム−硫
黄電池も、第１図及び第２図に示すように下部に陽極端
子１を備えた陽極用導電材Ｍを貯留する円筒状の陽極容
器２と、該陽極容器２の上端部に対し、αアルミナ製の
絶縁リング３を介して連結され、かつ溶融金属ナトリウ
ムNaを貯留する陰極容器４と、前記絶縁リング３の内周
部に固着され、βアルミナ製の固体電解質管５と、陰極
端子７を備えた陰極管６とにより構成されている。

従って、電池の放電時には溶融金属ナトリウムはナト
リウムイオンとなって固体電解質管５を浸透し、陽極容
器２及び固体電解質管５で区画形成された陽極用導電材
Ｍの収容空間に入り、そこで前述した反応式に基づいて
硫黄と反応し多硫化ナトリウム、特に最終的には三硫化
ナトリウムを生成する。

次に、本発明のナトリウム−硫黄電池の特徴的構成を
説明する。

前記陰極管６の外周壁面側に充填するウイック8aの線
径D1は、５〜20μｍ、空孔率R1は98％未満、厚さＴは0.
1〜5mmである。又、固体電解質管５内壁面側に充填する
ウイック8bの線径D2は、20〜50μｍ、空孔率R2は、95％
以上の範囲である。さらに、陰極容器４内に配置するウ
イック8cの線径D3は、20〜50μｍ、空孔率R3は、95％以
上の範囲である。

従って、放電時において陰極管６の外周壁面側の線径
D1の小さいウイック8aの毛細管現象でナトリウムの陰極
管６の外周壁面での浸み上がり保持効果により、放電末
期になり固体電解質管５内のナトリウムの上部液面が低
下しても、ナトリウムが第３図に鎖線で示すように陰極
管６の上部外周壁面と接触して、該陰極管６の電気抵抗
の上昇を防止することができ、電池エネルギー効率の低
下を抑制することができる。

なお、前記固体電解質管５の外径は例えば1.5cm、流
さは15cm、又は外径5cm、長さ40cmというように、外径
に対する長さの比を５〜10の範囲に設定するのが、固体
電解質管５の製造上の真直度向上及び欠陥品の発生率低
減による歩留まりの向上と、性能の良好な安価な電池を
得る上で望ましい。

又、前記固体電解質管５の外径を例えば1.5cm、肉厚
を0.09cm、外径5cm、肉厚を0.25cmというように、外径
に対する肉厚の比を0.035〜0.065の範囲に設定するの
が、固体電解質管５の製造上の真円度向上及び欠陥品の
発生率低減による歩留まりの向上と、性能の良好な安価
な電池を得る上で望ましい。

次に第４図により請求項２記載のナトリウム−硫黄電
池の一実施例を説明する。

この実施例では請求項１記載のナトリウム−硫黄電池
において、前記固体電解質管５の内周壁面側のウイック
8dの線径D4を、前記陰極管６の外壁面側のウイック8aの
線径D1と同様に小さくし、両ウイック8a,8dの間のウイ
ック8b′の線径D2′及び陰極容器４内のウイック8cの線
径D3を請求項１の実施例と同様に大きくしている。な
お、ウイック8dの空孔率R4及びウイック8b′の空孔率R
2′も、ウイック8a及びウイック8bの空孔率R1、R2と同
じである。

従って、この実施例のナトリウム−硫黄電池は、放電
時において陰極容器４内の線径D3の大きいウイック8cの
間隙から固体電解質管５内壁面側の線径D4の小さいウイ
ック8dの間隙へのナトリウムの移動がスムーズに行わ
れ、かつ固体電解質管内壁側では線径の小さいウイック
8dの毛細管現象によるナトリウムの浸み上り効果によ
り、固体電解質管内壁面の広い範囲でナトリウムイオン
が浸透し、この結果ナトリウムの利用率が向上する。従
って、電池容量をアップし、ナトリウムの充填量を少な
くして、電池を小型化することができる。

なお、本発明は次のように具体化することも可能であ
る。

前記ウイック8a〜8dの材質をステンレス以外に、例え
ばニッケル等の耐ナトリウム性を有する材質にするこ
と。

（発明の効果） 以上詳述したように、請求項１記載のナトリウム−硫
黄電池は、陰極管の固体電解質管と対応する外周面側の
径の細いウイックのナトリウム浸み上がり効果により、
陰極管の外壁面にナトリウムを長時間接触させて陰極管
の電気抵抗の上昇を抑制し、電池エネルギー効率の低下
を抑制することができる。

又、請求項２記載のナトリウム−硫黄電池は、請求項
１記載のナトリウム−硫黄電池の効果に加えて、陰極容
器のナトリウム利用率を向上し、電池容量をアップする
ことができる効果がある。又、ナトリウム利用率が高ま
るので、その充填量を減少することができ、電池の小型
化を図ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１記載のナトリウム−硫黄電池の中央部
縦断面図、第２図は第１図の拡大横断面図、第３図は要
部の拡大断面図、第４図は請求項２記載のナトリウム−
硫黄電池の一実施例を示す中央部縦断面図、第５図は従
来のナトリウム−硫黄電池の中央部縦断面図である。 ２……陽極容器、３……絶縁リング、４……陰極容器、
５……固体電解質管、６……陰極管、8a……陰極管６の
外周面側のウイック、8b……固体電解質管５の内周面と
ウイック8aとの間に位置するウイック、8c……陰極容器
４内のウイック、8d……固体電解質管５の内周面側に位
置するウイック、8b′…前記ウイック8aと8dとの間に位
置するウイック、D1〜D4……ウイック8a〜8dの線径、
Ｄ′……ウイック8b′の線径、R1〜R4……ウイック8a〜
8dの充填状態の空孔率、R2′……ウイック8b′の充填状
態の空孔率、Ｍ……陽極用導電材。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】陽極作用物質である溶融硫黄を含んだカー
   ボンマツト等の陽極用導電材（Ｍ）を貯留する有底筒状
   の陽極容器（２）の上部に対し、絶縁リング（３）を介
   して、溶融金属ナトリウム（Na）を貯留する有蓋筒状の
   陰極容器（４）を接合固定し、前記陽極容器（２）の内
   部には、上端を前記絶縁リング（３）の内周部に固着し
   て前記陰極容器（４）内部と連通し、かつ陰極作用物質
   であるナトリウムイオンを選択的に透過させる機能を有
   した有底筒状の固体電解質管（５）を配設し、さらに、
   前記陰極容器（４）の上蓋を貫通して前記固体電解質管
   （５）内に進入する陰極管（６）を備え、前記陰極容器
   （４）及び固体電解質管（５）の内部に各固体電解質管
   （５）が破壊した場合の安全対策用のステンレス又はニ
   ッケル等の耐ナトリウム性を有するウイック（８）を充
   填してなるナトリウム−硫黄電池において、 前記陰極管（６）の固体電解質管（５）と対応する外周
   壁面側のウイック（8a）の線径（D1）を小さくし、該ウ
   イック（8a）の外側に位置するウイック（8b）及び陰極
   容器（４）内のウイック（8c）の線径（D2,D3）を大き
   くしたことを特徴とするナトリウム−硫黄電池。
2. 【請求項２】請求項１記載のナトリウム−硫黄電池にお
   いて、固体電解質管（５）の内周壁面側のウィック（8
   d）の線径（D4）を、前記陰極管（６）の固体電解質管
   （５）と対応する外周壁面側のウイック（8a）の線径
   （D1）と同様に小さくし、さらに、両ウイック（8a,8
   d）の間のウイック（8b′）の線径（D2′）及び陰極容
   器（４）内のウイック（8c）の線径（D3）を大きくした
   ことを特徴とするナトリウム−硫黄電池。