JP6002685B2 - レドックスフロー二次電池及びレドックスフロー二次電池用電解質膜 - Google Patents
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Description
特許文献2に開示された複合膜は、電気抵抗が高く、また、各イオンは多孔膜ほどではないが、自由に拡散してしまうという問題があり、電池の電流効率は高くない。特許文献3に開示された膜についても、上記と同様の問題があり、耐酸化耐久性にも劣る。
特許文献4に開示された電池は、電流効率が未だ不十分であり、長期にわたる硫酸電解液中での耐酸化劣化性にも劣り、耐久性も不十分である。同文献には、比較例として、PTFE系イオン交換膜を使用する電池が開示されているが、その電流効率は64.8〜78.6%であり、不十分であることが記載されている。
特許文献5に開示された電池も、上記と同様の問題点を解決できておらず、また、大型設備では、価格的にも高価となってしまうという問題がある。
特許文献6に開示された膜は、塗布膜の厚みを極薄(数μm)にしないと、内部抵抗が増加すると記載されている。また、イオン選択透過性を向上させる工夫については一切記載されていない。
引用文献7に開示された電池は、ポリスルホン系隔膜を使用するため、隔膜のイオン選択透過性や耐酸化劣化性が十分ではなく、電池の電気抵抗、電流効率、耐久性が十分ではない。
特許文献8に開示された電池は、電流効率が不十分であり、また、酸化劣化するため長期使用に関しても問題点を有している。
特許文献9に開示された膜は、電気抵抗が高くなるという問題点を有している。
特許文献10の実施例に示された結果では、膜の内部抵抗(電気抵抗)が十分低いとは言えず、また、長期使用では耐酸化劣化が問題となる。
〔1〕
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中に前記フッ素系高分子電解質ポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.03%以下であるレドックスフロー二次電池。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
〔2〕
3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中に前記フッ素系高分子電解質ポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.002%以下である、〔1〕記載のレドックスフロー二次電池。
〔3〕
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
前記イオン交換樹脂組成物が、前記フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して0.1〜20質量部のポリフェニレンエーテル樹脂及び/又はポリフェニレンスルフィド樹脂を含むレドックスフロー二次電池。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
〔4〕
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
前記イオン交換樹脂組成物がCe系添加剤を含み、
前記Ce系添加剤の含有量が、電解質膜中のイオン交換基の数に対するセリウムイオンの割合で、0.02〜20%である、レドックスフロー二次電池。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
〔5〕
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
前記イオン交換樹脂組成物がCo系及び/又はMn系添加剤を含み、
Co系添加剤及び/又はMn系添加剤の含有量は、電解質膜中のイオン交換基の数に対するコバルトイオン及び/又はマンガンイオンの割合で、0.01〜50%である、レドックスフロー二次電池。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
〔6〕
前記正極電解液及び負極電解液として、バナジウムを含む硫酸電解液を用いる、〔1〕〜〔5〕のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。
〔7〕
前記フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜1300g/eqであり、前記電解質膜の平衡含水率が5〜80質量%である、〔1〕〜〔6〕のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。
〔8〕
下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中に前記フッ素系高分子電解質ポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.03%以下であるレドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
〔9〕
3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中に前記フッ素系高分子電解質ポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.002%以下である、〔8〕記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜。
〔10〕
下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、前記イオン交換樹脂組成物が、前記フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して0.1〜20質量部のポリフェニレンエーテル樹脂及び/又はポリフェニレンスルフィド樹脂を含むレドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
〔11〕
下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、前記イオン交換樹脂組成物がCe系添加剤を含み、
前記Ce系添加剤の含有量が、電解質膜中のイオン交換基の数に対するセリウムイオンの割合で、0.02〜20%である、レドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
〔12〕
下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、前記イオン交換樹脂組成物がCo系及び/又はMn系添加剤を含み、
Co系添加剤及び/又はMn系添加剤の含有量は、電解質膜中のイオン交換基の数に対するコバルトイオン及び/又はマンガンイオンの割合で、0.01〜50%である、レドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
〔13〕
前記フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜1300であり、前記電解質膜の平衡含水率が5〜80質量%である、〔8〕〜〔12〕のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜。
〔14〕
〔8〕〜〔13〕のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜の製造方法であって、
電解質膜を成膜する成膜工程と、
成膜された前記電解質膜を、130〜200℃にて1〜60分間加熱処理する工程と、を有する、レドックスフロー二次電池用電解質膜の製造方法。
本発明のレドックスフロー二次電池用電解質膜は、優れたイオン選択透過性を有しており、高いプロトン(H+)透過性と電解液中の活物質イオンの透過阻止性とに優れ、更には、長期にわたる耐酸化劣化性(耐ヒドロキシラジカル性)に優れるため、レドックスフロー二次電池の隔膜として使用することにより、セル電気抵抗が低く、電流効率が高いレドックスフロー二次電池を提供でき、また、系内の電解液セル内で発生するヒドロキシラジカルに対して長期に渡り、高い酸化劣化防止効果を発揮するため、通常の炭化水素系電解質を用いる場合に生じるイオン基の脱離や、高分子電解質の崩壊現象などを抑えることができる。
[レドックスフロー二次電池]
本実施形態1におけるレドックスフロー二次電池は、
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中に前記フッ素系高分子電解質ポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.03%以下であるレドックスフロー二次電池。
−[CF2−CX1X2]a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF2X3))b−Oc−(CFR1)d−(CFR2)e−(CF2)f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO3Z2又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH3R1、NH2R1R2、NHR1R2R3、NR1R2R3R4)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO3Z2である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
本実施形態1におけるレドックスフロー二次電池用電解質膜は、特定の構造を有し、且つ、分子鎖末端の一部がフッ素化されたフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含むものである。
本実施形態1において、イオン交換樹脂組成物は、上記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有する。
本実施形態1において、フッ素系高分子電解質ポリマーは、下記式(1)で表される構造を有する。
−[CF2−CX1X2]a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF2X3))b−Oc−(CFR1)d−(CFR2)e−(CF2)f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO3Z2又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH3R1、NH2R1R2、NHR1R2R3、NR1R2R3R4)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO3Z2である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、下記式(3)又は(4)で表される化合物から誘導される繰り返し単位を含有することが好ましく、さらに、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、前記式(3)又は前記式(4)で表される化合物から誘導される繰り返し単位とからなることが好ましい。
式(3):CF2=CF(−O−(CF2CFXO)n−[A])(式中、Xは、F又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示し、nは0〜5の整数を示す。[A]は(CF2)m−SO3H(mは0〜6の整数を示す。ただし、nとmは同時に0にならない。)、
又は式(4):CF2=CF−O−(CF2)P−CFX(−O−(CF2)K−SSO3H)若しくはCF2=CF−O−(CF2)P−CFX(−(CF2)L−O−(CF2)m−SO3H)(式中、Xは、炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示し、Pは0〜12の整数を示し、Kは1〜5の整数を示し、Lは1〜5の整数を示し、mは0〜6の整数を示す。ただし、KとLは同じでも、異なっていてもよく、P、K、Lは同時に0とはならない。)。
本発明者らが検討したところ、レドックスフロー二次電池用電解質膜として使用する場合には、前記ナフィオンに比べて、前記−(CF2−CF(−O−(CF2CFXO)n−(CF2)m−SO3H))−で表される繰り返し単位中のnが0であり、mが1〜6の整数であるもの、又は式(4)で表される−CF2−CF(−O−(CF2)P−CFX(−O−(CF2)K−SO3H)−及び−CF2−CF(−O−(CF2)P−CFX(−(CF2)L−O−(CF2)m−SO3H)−の両方の繰り返し単位を含むPFSA樹脂の方が、親水性やイオン選択透過性が優れており、得られるレドックスフロー二次電池の電気抵抗が低く、電流効率も向上する傾向にあることがわかった。
−[CF2CF2]a−[CF2−CF((−O−(CF2)m−SO3H)]g− (2)
(式(2)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示し、mは1〜6の整数を示し、X4はSO3Hを示す。)
例えば、フッ素系高分子電解質ポリマーのEWが280程度であっても、前記部分架橋を行うことにより、フッ素系高分子電解質ポリマーの水溶解性を低下(耐水性が向上)させることができる。
また、フッ素系高分子電解質ポリマーが低メルトフロー領域(高分子領域)である場合にも、前記部分架橋により、分子間絡みを増加し、溶解性や過剰膨潤性を低下できる。
本実施形態1におけるフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりのフッ素系高分子電解質ポリマーの乾燥質量グラム数)は、300〜1300(g/eq)であることが好ましく、より好ましくは350〜1000(g/eq)、更に好ましくは400〜900(g/eq)、特に好ましくは450〜750(g/eq)である。
本実施形態1におけるフッ素系高分子電解質ポリマーは、例えば、高分子電解質ポリマーの前駆体(以下、「樹脂前駆体」ともいう。)を製造した後、それを加水分解処理することにより得ることができる。
PFSA樹脂の場合、例えば、下記一般式(5)又は(6)で表されるフッ化ビニルエーテル化合物と、下記一般式(7)で表されるフッ化オレフィンモノマーとの共重合体からなるPFSA樹脂前駆体を加水分解することにより得られる。
(式(5)中、Xは、F又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示し、nは0〜5の整数を示し、Aは(CF2)m−Wを示し、Wは加水分解によりSO3Hに転換し得る官能基を示す。)
式(6): CF2=CF−O−(CF2)P−CF((−O−(CF2)K−W)又はCF2=CF−O−(CF2)P−CF(−(CF2)L−O−(CF2)m−W)
(式(6)中、pは0〜12の整数を示し、mは0〜6の整数を示し(ただし、nとmは同時に0にならない。)、Kは1〜5の整数を示し、Lは1〜5の整数を示し(ただし、nとL又はKは同時に0とならない。)、Wは加水分解によりSO3Hに転換し得る官能基を示す。)
式(7): CF2=CFZ
(式(7)中、Zは、H、Cl、F、炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基、又は酸素を含んでいてもよい環状パーフルオロアルキル基を示す。)
3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50gを調製後、1分以内に前記フェントン試薬溶液中にポリマー0.1gを40℃で16時間撹拌することなく浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量の試験前後における変化量により評価する。ここで、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量は、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.03%以下、好ましくは0.01%以下、より好ましくは0.002%以下である。フッ素イオン溶出量が浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.03%以下であると、不安定末端基の量が少なく、長時間の電池運転において電圧低下が起こりにくくなる。
なお、フェントン試薬浸漬試験の試料形状は、高分子電解質ポリマーでもよいし、それを含む分散液を公知の方法により成膜したフィルムでもよい。
上記フッ素イオン溶出量は、レドックスフロー二次電池運転におけるポリマーの分解に対する耐性の指標となる。
本実施形態1における電解質膜を形成するイオン交換樹脂組成物中に含まれる前記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーの含有量は、特に限定されないが、イオン選択透過性及び耐酸化劣化性の観点から、イオン交換樹脂組成物が前記特定の構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とすることが好ましい。ここで、「主体とする」とは、樹脂組成物中の含有量の下限値が約33.3質量%、好ましくは40質量%、より好ましくは50質量%、更に好ましくは50質量%、より更に好ましくは80質量%、特に好ましくは90質量%含まれることをいう。上限値は特に制限はないが、99.5質量%以下であることが好ましい。
これらの樹脂を2種以上用いる場合、混合方法は特に限定されず、溶媒に溶解又は媒体に分散させて混合してもよく、樹脂前駆体同士を押し出し混合してもよい。
本実施形態1における電解質膜の平衡含水率は、好ましくは5質量%以上であり、より好ましくは10質量%以上、さらに好ましくは15質量%以上である。また、本実施形態1における電解質膜の平衡含水率は、好ましくは80質量%以下、より好ましくは50質量%以下、さらに好ましくは40質量%以下である。電解質膜の平衡含水率が5質量%以上であると、膜の電気抵抗や電流効率、耐酸化性、イオン選択透過性が良好となる傾向にある。一方、平衡含水率が80質量%以下であると、膜の寸法安定性や強度が良好となり、また水溶解性成分の増加を抑制できる傾向にある。電解質膜の平衡含水率は、樹脂組成物を水とアルコール系溶媒での分散液から成膜し、160℃以下で乾燥した膜を基準とし、23℃、50%関係湿度(RH)での平衡(24Hr放置)飽和吸水率(Wc)で表す。
本実施形態1における電解質膜の製造方法(成膜法)としては、特に限定されず、公知の、押し出し方法、キャスト成膜方法を用いることができる。電解質膜は単層でも多層(2〜5層)でもよく、多層の場合は性質の異なる膜(例えば、EWや官能基の異なる樹脂)を積層することにより、電解質膜の性能を改善することができる。多層の場合は、押し出し製膜時、キャスト時に積層させるか、又は得られたそれぞれの膜を積層させればよい。
本実施形態2におけるレドックスフロー二次電池は、
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
前記イオン交換樹脂組成物がCe系添加剤を含むレドックスフロー二次電池。
−[CF2−CX1X2]a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF2X3))b−Oc−(CFR1)d−(CFR2)e−(CF2)f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO3Z2又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH3R1、NH2R1R2、NHR1R2R3、NR1R2R3R4)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO3Z2である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
本実施形態3におけるレドックスフロー二次電池は、
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
前記イオン交換樹脂組成物がCo系及び/又はMn系添加剤を含むレドックスフロー二次電池。
−[CF2−CX1X2]a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF2X3))b−Oc−(CFR1)d−(CFR2)e−(CF2)f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO3Z2又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH3R1、NH2R1R2、NHR1R2R3、NR1R2R3R4)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO3Z2である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
本実施形態4におけるレドックスフロー二次電池は、
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
前記イオン交換樹脂組成物が、前記フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して0.1〜20質量部のポリフェニレンエーテル樹脂及び/又はポリフェニレンスルフィド樹脂を含むレドックスフロー二次電池。
−[CF2−CX1X2]a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF2X3))b−Oc−(CFR1)d−(CFR2)e−(CF2)f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO3Z2又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH3R1、NH2R1R2、NHR1R2R3、NR1R2R3R4)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO3Z2である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
PPE・PPS樹脂は、押し出し法によりフッ素系高分子電解質ポリマーを含有する樹脂組成物に混合する方法や、PPE・PPS樹脂の水性溶媒分散体を、フッ素系高分子電解質ポリマーを含有する樹脂組成物の原液分散体に混合する方法により、添加できる。
PPE・PPS樹脂の含有添加量は、前記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して、0.1〜20質量部であり、0.5〜10質量部であることが好ましい。PPE及び/又はPPS樹脂の含有量が0.1質量部以上である場合、電解質膜の耐酸化性やイオン選択透過性が向上し、20質量部以下である場合、十分な膜強度が得られる。
酸性官能基の導入方法は特に限定されず、一般的な方法を用いることができる。スルホン酸基の導入については、例えば、無水硫酸、発煙硫酸などのスルホン化剤を用いて公知の条件で実施することができ、具体的には、K.Hu, T.Xu, W.Yang, Y.Fu, Journal of Applied Polymer Science, Vol.91,や、 E.Montoneri, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol.27, 3043−3051(1989)に記載の条件で実施できる。
また、PPS樹脂に導入した酸性官能基を金属塩またはアミン塩に置換したものも好適に用いられる。この場合、金属塩としては、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩を用いることが好ましい。
(1) PFSA樹脂前駆体のメルトフローインデックス
ASTM:D1238に準拠して、測定条件:温度270℃、荷重2160gで測定を行った。
PFSA樹脂0.3gを、25℃、飽和NaCl水溶液30mLに浸漬し、攪拌しながら30分間放置した。次いで、飽和NaCl水溶液中の遊離プロトンを、フェノールフタレインを指示薬として0.01N水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和滴定した。中和滴定の終点をpH7とし、中和滴定後に得られた、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっているPFSA樹脂分を純水ですすぎ、さらに上皿乾燥機により160℃で乾燥し、秤量した。中和に要した水酸化ナトリウムの物質量をM(mmol)、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっているPFSA樹脂の質量をW(mg)とし、下記式より当量質量EW(g/eq)を求めた。
EW=(W/M)−22
以上の操作を5回繰り返した後、算出された5つのEW値の最大値および最小値を除き、3つの値を相加平均して測定結果とした。
電解質膜を23℃、50%RHの恒温恒湿の室内で1時間以上静置した後、膜厚計(東洋精機製作所製、商品名「B−1」)を用いて膜厚を測定した。
PFSA樹脂の分散液を清澄なガラス板上に塗布し、150℃で約10分間乾燥し、剥離して約30μmの膜を形成させ、これを23℃の水中に約3時間放置し、その後23℃、関係湿度(RH)50%の部屋に24時間放置した時の平衡含水率を測定した。基準の乾燥膜としては、80℃真空乾燥膜を用いた。平衡含水率は、膜の質量変化から算出した。また、平衡含水率測定時に観測される最大値を、最大含水率とした。
PFSA樹脂を、窒素を流したグローブボックス中に24時間保持し、約0.1gをグローブボックス中で秤量し、3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50gを調製後、1分以内に前記フェントン試薬溶液中に40℃で16時間撹拌することなく浸漬した。膜を取り除いた後、溶液質量を測定し、溶液中のフッ素イオン濃度をイオンメータで測定し、フッ素イオン溶出量を計算した。
レドックスフロー二次電池は、隔膜の両側にて、液透過性で多孔質の集電体電極(負極用、正極用)を隔膜の両側にそれぞれ配置し、押圧でそれらを挟み、隔膜で仕切られた一方を正極セル室、他方を負極セル室とし、スペーサーで両セル室の厚みを確保した。正極セル室には、バナジウム4価(V4+)及び同5価(V5+)を含む硫酸電解液からなる正極電解液を、負極セル室にはバナジウム3価(V3+)及び同2価(V2+)を含む負極電解液を流通させ、電池の充電及び放電を行った。このとき、充電時には、正極セル室においては、バナジウムイオンが電子を放出するためV4+がV5+に酸化され、負極セル室では外路を通じて戻って来た電子によりV3+がV2+に還元された。この酸化還元反応では、正極セル室ではプロトン(H+)が過剰になり、一方負極セル室では、プロトン(H+)が不足する。隔膜は正極セル室の過剰なプロトンを選択的に負極室に移動させ電気的中性が保たれた。放電時には、この逆の反応が進んだ。この時の電池効率(エネルギー効率)(%)は、放電電力量を充電電力量で除した比率(%)で表され、両電力量は、電池セルの内部抵抗と隔膜のイオン選択透過性及びその他電流損失に依存する。また、電流効率(%)は、放電電気量を充電電気量で除した比率(%)で表され、両電気量は、隔膜のイオン選択透過性及びその他電流損失に依存する。電池効率は、電流効率と電圧効率の積で表される。内部抵抗すなわちセル電気抵抗率の減少は電池効率(エネルギー効率)を向上させ、イオン選択透過性の向上及びその他電流損失の低減は、電流効率を向上させるので、レドックスフロー二次電池において、重要な指標となる。
充放電実験は、上述のようにして得られた電池を用いて行った。全バナジウム濃度が2M/Lで、全硫酸根濃度が4M/Lでの水系電解液を使用し、また、設置した正極及び負極セル室の厚みがそれぞれ5mmで、両多孔質電極と隔膜の間には炭素繊維からなる厚み5mmで嵩密度が約0.1g/cm3の多孔質状のフエルトを挟んで用いた。充放電実験は電流密度80mA/cm2で実施した。
セル電気抵抗率(Ω・cm2)は、ACインピーダンス法を用いて、放電開始時においてAC電圧10mV,周波数20kHzでの直流抵抗値を測定し、それに電極面積を掛けることによって求めた。
耐久性は、前記(6)の充放電を200サイクル実施した後の電流効率(%)及びセル電気抵抗率(Ω・cm2)により評価した。
(1)(PFSA樹脂前駆体の作製)
ステンレス製攪拌式オートクレーブに、C7F15COONH4の10%水溶液と純水とを仕込み、十分に真空、窒素置換を行った後、テトラフルオロエチレン(CF2=CF2)(以下、「TFE」ともいう。)ガスを導入してケージ圧力で0.7MPaまで昇圧した。引き続いて、過硫酸アンモニウム水溶液を注入して重合を開始した。重合により消費されたTFEを補給するため、連続的にTFEガスを供給してオートクレーブの圧力を0.7MPaに保つようにして、供給したTFEに対して、質量比で0.70倍に相当する量のCF2=CFO(CF2)2−SO2Fを連続的に供給して重合を行い、重合条件を最適な範囲に調整して、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体粉末を得た。得られたPFSA樹脂前駆体粉末A1のMFIは1.5(g/10分)であった。
内面がハステロイC合金で作られた内部容積50Lの耐圧反応容器に、ハステロイC合金で作られた多段式棚を入れ、フッ素ガス20%と窒素ガス80%の混合気体をゲージ圧力で0.25MPa導入し、190℃で4時間保持して金属表面の不動体化処理を行った。温度を低下させた後、上記のPFSA樹脂前駆体粉末を上記50Lの耐圧容器に入れ、フッ素ガス20%と窒素ガス80%の混合気体をゲージ圧力で0.25MPa導入し、180℃で4時間保持してフッ素化処理を行った。フッ素化処理後、フッ素ガスを排気してポリマーを取り出し、粉砕器で粉砕して、フッ素化処理されたスルホン酸基の前駆体基である−SO2F基を有するポリマー(以下、「前駆体ポリマー」ともいう。)を得た。
得られた前駆体ポリマーを、水酸化カリウム(15質量%)とメチルアルコール(50質量%)を溶解した水溶液中に、80℃で20時間接触させて、加水分解処理を行った。その後、60℃水中に5時間浸漬した。次に、60℃の2N塩酸水溶液に1時間浸漬させる処理を、毎回塩酸水溶液を更新して5回繰り返した後、イオン交換水で水洗、乾燥した。これにより、スルホン酸基(SO3H)を有し、式(2)(m=2)で表される構造を有するPFSA樹脂を得た。得られたPFSA樹脂A1のEWは650(g/eq)であった。また、前駆体ポリマーの代わりにPFSA樹脂前駆体粉末A1を用いて得られたPFSA樹脂A2のEWは650(g/eq)であった。
PFSA樹脂A1及びA2から得られたPFSA樹脂分散液を、それぞれ分散液(ASF1)及び(ASF2)とした。
得られた分散液(ASF1)を、公知の通常の方法にて、担体シートであるポリイミド製フィルム上にキャストし、120℃(20分)の熱風を当てて、溶媒をほぼ完全に飛ばし、乾燥させることにより膜を得た。これを更に、160℃10分の条件下における熱風空気雰囲気下で、熱処理することにより膜厚50μmの電解質膜を得た。得られた電解質膜の上記熱処理前後のEWは、その変化率が0.2〜0.3%程度であった。
得られた電解質膜の平衡含水率は、ASF1は12質量%であった。
25℃水中3時間における電解質膜の最大含水率は、ASF1は23質量%、であった。
得られたポリマーを用いてフッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.001%であった。
分散液(ASF1)の代わりにナフィオンDE2021CS(登録商標、デュポン社製、20%溶液)を用いたこと以外は実施例1と同様の方法により電解質膜を得た。この膜の平衡含水率は6質量%であり、最大含水率は14質量%であった。
また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は94.5/1.20であり、また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果、電流効率が94%、電気抵抗が1.20であった。
得られた電解質膜を用いて、フッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.002%であった。
分散液(ASF2)を用いて実施例1と同様の方法により得られた膜厚50μmの電解質膜を、硝酸セリウムを蒸留水に溶解した1%硝酸セリウム水溶液に浸漬し、室温で40時間、スターラーを用いて撹拌することにより、電解質膜中にセリウムイオンを含有させた。なお、浸漬前後の硝酸セリウム溶液を誘導結合プラズマ(ICP)発光分析により分析した結果、この電解質膜のセリウムイオンの含有率(膜中の−SO3−基の数に対するセリウムイオンの割合)は10.2%であった。
得られた電解質膜の平衡含水率は、12質量%であり、最大含水率は、23質量%であった。
また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は、97.5/0.90であり、また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は、97.3/0.90と変化が極めて小さく、耐酸化性に優れていた。
得られた電解質膜を用いて、フッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.008%であった。
分散液(ASF2)の代わりにナフィオンDE2021(登録商標、デュポン社製、20%溶液、EW1050)を用い、硝酸セリウムの代わりに炭酸セリウムを用いたこと以外は実施例3と同様の方法により電解質膜を得た。この膜の平衡含水率は6質量%であり、最大含水率は14質量%であった。
また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は94.5/1.20であり、電流効率については、実施例3よりも低いレベルであった。これは、実施例4の電解質膜は、イオン選択透過性がやや低いためと推測される。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果においても、電流効率が94%、電気抵抗が1.20であり、耐久性にもやや劣っていた。
得られた電解質膜を用いて、フッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.01%であった。
分散液(ASF2)を用いて、実施例1と同様の方法により得られた膜厚50μmの電解質膜を、硝酸コバルト(実施例5)又は酢酸マンガン(実施例6)を蒸留水に溶解した1%水溶液に浸漬し、室温で40時間、スターラーを用いて撹拌することにより、電解質膜中に、各々コバルトイオン、マンガンイオンを含有させた。なお、浸漬前後の硝酸コバルト溶液、又は酢酸マンガン溶液を誘導結合プラズマ(ICP)発光分析により分析した結果、それぞれの電解質膜のコバルトイオン、マンガンイオンの含有率(膜中の−SO3−基の数に対するコバルトイオン、マンガンイオンの割合)は14.7%、13.8%であった。
得られた電解質膜の平衡含水率は、実施例5、6の電解質膜のいずれも12質量%であり、最大含水率は、いずれも23質量%であった。
また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は、いずれも97.5/0.90であり、また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は、97.3/0.90と変化が極めて小さく、耐酸化性に優れていた。
得られた電解質膜を用いて、フッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.01%であった。
分散液(ASF2)の代わりにナフィオンDE2021(デュポン社製、20%溶液、EW1050)を用いたこと以外は実施例5、6と同様の方法により電解質膜を得た。この膜の平衡含水率は、実施例7、8の電解質膜のいずれも6質量%であり、最大含水率は、いずれも14質量%であった。
また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は94.5/1.20であり、電流効率については、実施例5、6よりも低いレベルであった。これは、実施例7、8の電解質膜は、イオン選択透過性がやや低いためと推測される。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果においても、電流効率が94%、電気抵抗が1.20であり、耐久性にもやや劣っていた。
得られた電解質膜を用いて、フッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.02%であった。
上記PFSA樹脂分散液(ASF2)に、アルカリ水溶液(KOH10%水溶液)に溶解したPPS粉末(シェブロン・フィリップス社製、型番P−4)を、均一に混合分散しながら攪拌し、最終的(固形成分で)に、該PFSA樹脂成分100質量部に対して5質量部となるように均一に混合した。次にこれを、粒子状カチオン交換樹脂粒子を充填したカラムに通して、アルカリイオン成分をほぼ完全に除去し、少なくとも一部の該官能基同士(スルホン酸基とアルカリ性の窒素原子と)のイオン結合を生成せしめた混合分散液(ASF3)とした。
25℃水中3時間における電解質膜の最大含水率は18質量%であった。
得られた電解質膜を用いて、フッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.01%であった。
分散液(ASF2)の代わりにナフィオンDE2021(デュポン社製、20%溶液、EW1050)を用いたこと以外は実施例9と同様の方法により電解質膜を得た。この膜の平衡含水率は6質量%であり、最大含水率は、14質量%であった。
また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は97.2/0.98であった。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果、電流効率が97%、セル電気抵抗が0.99Ω・cm2であった。
得られた電解質膜を用いて、フッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.02%であった。
実施例9で用いたPPS粉末の代わりにPPE粉末(日本エクストロン株式会社製)を用いたこと以外は実施例9と同様の方法により電解質膜を得た。この膜の平衡含水率は11質量%、最大含水率は18質量%であった。また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は98/0.95であった。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果、電流効率が97.8%、セル電気抵抗が0.95Ω・cm2であった。
得られた電解質膜を用いて、同フッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.01%であった。
分散液(ASF1)の代わりにナフィオンDE2021(デュポン社製、20%溶液、EW1050)を用いたこと以外は実施例1と同様の方法により電解質膜を得た。この膜の平衡含水率は4質量%であった。
実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は94.5/1.20であり、電流効率は、実施例1及び2よりも低いレベルであった。これは、比較例1の電解質膜は、イオン選択透過性が低いためと推測される。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果においても、電流効率が86.0%、電気抵抗が1.30であり、耐久性にも劣っていた。
得られた電解質膜を用いて、フッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.05%であった。
分散液(ASF1)の代わりに分散液(ASF2)を用いたこと以外は実施例1と同様にして電解質膜を得た。この膜の平衡含水率は12質量%、最大含水率は23質量%であった。
実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は97.5/0.90であった。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果においても、電流効率が89.7%、電気抵抗が1.18であり、耐久性に劣っていた。
得られたポリマーを用いて、フッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.04%であった。
ナフィオン112(デュポン社製、膜厚50μm)を用いて実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は94.0/1.20であった。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果においても、電流効率が85.2%、電気抵抗が1.30であり、耐久性に劣っていた。
得られた電解質膜を用いて、実施例1と同様の方法によりフッ素イオン溶出量を測定したところ、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.05%であった。
本発明のレドックスフロー二次電池用電解質膜は、イオンの選択透過性に優れ、電気抵抗も低く、耐久性(主に、ヒドロキシラジカル耐酸化性)にも優れており、レドックスフロー二次電池用の隔膜としての産業上利用可能性を有する。
2 正極セル室
3 負極
4 負極セル室
5 電解質膜
6 電解槽
7 正極電解液タンク
8 負極電解液タンク
9 交直変換装置
10 レドックスフロー二次電池
Claims (14)
- 炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中に前記フッ素系高分子電解質ポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.03%以下であるレドックスフロー二次電池。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。) - 3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中に前記フッ素系高分子電解質ポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.002%以下である、請求項1記載のレドックスフロー二次電池。
- 炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
前記イオン交換樹脂組成物が、前記フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して0.1〜20質量部のポリフェニレンエーテル樹脂及び/又はポリフェニレンスルフィド樹脂を含むレドックスフロー二次電池。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。) - 炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
前記イオン交換樹脂組成物がCe系添加剤を含み、
前記Ce系添加剤の含有量が、電解質膜中のイオン交換基の数に対するセリウムイオンの割合で、0.02〜20%である、レドックスフロー二次電池。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。) - 炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
前記イオン交換樹脂組成物がCo系及び/又はMn系添加剤を含み、
Co系添加剤及び/又はMn系添加剤の含有量は、電解質膜中のイオン交換基の数に対するコバルトイオン及び/又はマンガンイオンの割合で、0.01〜50%である、レドックスフロー二次電池。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。) - 前記正極電解液及び負極電解液として、バナジウムを含む硫酸電解液を用いる、請求項1〜5のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。
- 前記フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜1300g/eqであり、前記電解質膜の平衡含水率が5〜80質量%である、請求項1〜6のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。
- 下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、
3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中に前記フッ素系高分子電解質ポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.03%以下であるレドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。) - 3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中に前記フッ素系高分子電解質ポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.002%以下である、請求項8記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜。
- 下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、前記イオン交換樹脂組成物が、前記フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して0.1〜20質量部のポリフェニレンエーテル樹脂及び/又はポリフェニレンスルフィド樹脂を含むレドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。) - 下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、前記イオン交換樹脂組成物がCe系添加剤を含み、
前記Ce系添加剤の含有量が、電解質膜中のイオン交換基の数に対するセリウムイオンの割合で、0.02〜20%である、レドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。) - 下記式(1’)又は(1’’)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含有するイオン交換樹脂組成物を含み、前記イオン交換樹脂組成物がCo系及び/又はMn系添加剤を含み、
Co系添加剤及び/又はMn系添加剤の含有量は、電解質膜中のイオン交換基の数に対するコバルトイオン及び/又はマンガンイオンの割合で、0.01〜50%である、レドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2)2−SO3H)]g− (1’)
(式(1’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。)
−[CF2−CF2]a−[CF2−CF(−O−(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO3H)]g− (1’’)
(式(1’’)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。) - 前記フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜1300であり、前記電解質膜の平衡含水率が5〜80質量%である、請求項8〜12のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜。
- 請求項8〜13のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜の製造方法であって、
電解質膜を成膜する成膜工程と、
成膜された前記電解質膜を、130〜200℃にて1〜60分間加熱処理する工程と、を有する、レドックスフロー二次電池用電解質膜の製造方法。
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