JP2010015947A - Thermal battery, and electrolyte layer used for the same - Google Patents
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Abstract
【課題】電池の信頼性を向上させ、さらに電池性能も向上させることができる電解質層、およびそれを用いた熱電池を提供する。
【解決手段】溶融塩と前記溶融塩を保持する保持体とを含み、溶融塩の融点以上の温度で、10〜20N/cm2の圧力を加えた後の厚みの変化率が、30%未満である電解質層、および前記電解質層を用いた熱電池。
【選択図】図2An electrolyte layer capable of improving battery reliability and battery performance, and a thermal battery using the electrolyte layer are provided.
A thickness change rate after applying a pressure of 10 to 20 N / cm 2 at a temperature equal to or higher than a melting point of the molten salt, including a molten salt and a holding body for holding the molten salt is less than 30%. And a thermal battery using the electrolyte layer.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、熱電池に関し、具体的には、前記熱電池に用いられる電解質層の改良に関する。 The present invention relates to a thermal battery, and specifically relates to an improvement in an electrolyte layer used in the thermal battery.
熱電池は貯蔵型電池の一種であり、電解質として高温で溶融する溶融塩を用いている。前記溶融塩は常温ではイオン伝導性を有さないため、熱電池は、不活性状態にある。一方、前記溶融塩は、高温に加熱されると溶融状態となり、良好なイオン伝導体となる。このため、熱電池は、高温で活性化し、外部に電気を供給することができる。 A thermal battery is a type of storage battery, and uses a molten salt that melts at a high temperature as an electrolyte. Since the molten salt does not have ionic conductivity at room temperature, the thermal battery is in an inactive state. On the other hand, when the molten salt is heated to a high temperature, it is in a molten state and becomes a good ion conductor. For this reason, the thermal battery can be activated at a high temperature to supply electricity to the outside.
上記のように、溶融塩が溶融しない限り、電池反応は進行しないため、熱電池は、5〜10年またはそれ以上の期間貯蔵した後でも、製造直後と同じ電池特性を発揮できる。
また、熱電池は、高温下で電極反応が進行するので、水溶液電解液または有機電解液を用いる電池に比べて、電極反応が格段に進行しやすい。よって、熱電池は、大電流放電特性に優れている。
さらに、熱電池は、使用時に電池に起動信号を送ると1秒以内の短時間で電力を取り出すことができる。このため、熱電池は、前記特徴を活かして、飛翔体、誘導機器といった各種防衛機器の電源、緊急用電源などに利用されている。
As described above, since the battery reaction does not proceed unless the molten salt is melted, the thermal battery can exhibit the same battery characteristics as immediately after production even after being stored for a period of 5 to 10 years or longer.
In addition, since an electrode reaction proceeds at a high temperature in a thermal battery, the electrode reaction is much easier to proceed than a battery using an aqueous electrolyte solution or an organic electrolyte solution. Therefore, the thermal battery is excellent in large current discharge characteristics.
Furthermore, the thermal battery can take out electric power in a short time within one second when a start signal is sent to the battery during use. For this reason, thermal batteries are used for power supplies for various defense equipment such as flying objects and induction equipment, emergency power supplies, and the like, taking advantage of the above characteristics.
溶融塩は、高温では液体化するため、熱電池において、溶融塩は、通常、無機材料のような保持体に保持されている。つまり、熱電池において、正極と負極との間に配置される電解質層は、一般的に、溶融塩と保持体から構成される。 Since the molten salt is liquefied at a high temperature, in the thermal battery, the molten salt is usually held in a holding body such as an inorganic material. That is, in the thermal battery, the electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode is generally composed of a molten salt and a holding body.
従来より、電池特性を向上させるために、前記電解質層を改良することが行なわれている。例えば、特許文献1には、電解質層が、フッ化リチウムと塩化リチウムと臭化リチウムからなる溶融塩電解質と、保持材である酸化マグネシュウムを含み、電解質層に占める電解質の含有率を60重量%以上、85重量%未満とすることが提案されている。
特許文献2には、電解質層が、塩化リチウムと塩化カリウムからなる溶融塩電解質と、保持材である酸化マグネシュウムを含み、電解質層に占める電解質の含有率を55重量%以上、65重量%未満とすることが提案されている。
特許文献3には、保持体の比表面積を25〜80m2/kgとすること、および電解質層における電解質の含有率を50〜70重量%とすることが提案されている。
In
熱電池において、電解質層には、2つの機能が要求される。その1つの機能は、正極と負極との直接的な接触により生じる短絡を防ぐセパレータとしての機能であり、もう1つの機能は、イオン伝導体としての機能(液体化することによるイオンの経路として機能。通常の電池の電解液と同じ機能。)である。 In a thermal battery, the electrolyte layer requires two functions. One function is a function as a separator that prevents a short circuit caused by direct contact between the positive electrode and the negative electrode, and the other function is a function as an ion conductor (functions as an ion path by being liquefied). The same function as the electrolyte of a normal battery.)
しかしながら、上記従来の電解質層を用いたとしても、近年要求される熱電池の信頼性および性能を満足することは困難である。 However, even if the above-described conventional electrolyte layer is used, it is difficult to satisfy the reliability and performance of thermal batteries that are recently required.
具体的には、熱電池の信頼性に関して、上記特許文献には特に触れられていないが、電解質層のセパレータとしての機能の検証と確保が不十分であり、構成条件または製造条件によっては、電解質層はセパレータとして十分に機能できない。このような場合、正極と負極とが短絡する可能性がある。 Specifically, regarding the reliability of the thermal battery, the above-mentioned patent document does not particularly mention, but the verification and securing of the function as the separator of the electrolyte layer is insufficient, and depending on the configuration conditions or the manufacturing conditions, the electrolyte The layer cannot function sufficiently as a separator. In such a case, the positive electrode and the negative electrode may be short-circuited.
熱電池の性能に関しては、例えば、近年、機器のハイテク化により、前記機器に搭載される熱電池には、平均的な電流密度(約0.5A・cm-2)よりも高い電流密度(約1A・cm-2)が要求されている。このような従来よりも高い電池性能を実現するためには、従来の電解質層では不十分である。 Regarding the performance of the thermal battery, for example, due to the recent high-tech of the equipment, the thermal battery mounted on the equipment has a higher current density (about 0.5 A · cm −2 ) than the average current density (about 0.5 A · cm −2 ). 1 A · cm −2 ) is required. In order to realize such battery performance higher than the conventional one, the conventional electrolyte layer is insufficient.
そこで、本発明は、上記従来の問題を解決するため、電池の信頼性を向上させ、さらに電池性能も向上させることができる電解質層、およびそれを用いた熱電池を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrolyte layer capable of improving battery reliability and battery performance, and a thermal battery using the same, in order to solve the above conventional problems. .
本発明の熱電池用の電解質層は、溶融塩および前記溶融塩を保持する保持体を含み、かつ溶融塩の融点以上の温度で、10〜20N/cm2の圧力を加えた後の厚みの変化率が、30%未満である。前記溶融塩の融点は、430℃以下である。前記溶融塩の融点以上の温度は、200℃以上、600℃以下であることが好ましい。前記保持体は、無機物の粉末を含むことが好ましい。前記無機物の粉末は、MgO、SiO2およびAl2O3よりなる群から選択される少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。 The electrolyte layer for a thermal battery of the present invention includes a molten salt and a holder for holding the molten salt, and has a thickness after applying a pressure of 10 to 20 N / cm 2 at a temperature equal to or higher than the melting point of the molten salt. The rate of change is less than 30%. The melting point of the molten salt is 430 ° C. or lower. The temperature above the melting point of the molten salt is preferably 200 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. The holding body preferably contains an inorganic powder. More preferably, the inorganic powder includes at least one selected from the group consisting of MgO, SiO 2 and Al 2 O 3 .
前記溶融塩と前記保持体との重量比は、50:50〜90:10であることが好ましい。 The weight ratio of the molten salt to the holding body is preferably 50:50 to 90:10.
前記溶融塩の500℃における粘度は、2.2mN・S・m-2未満であることが好ましい。前記溶融塩の500℃における導電率は、2S/cm以上であることが好ましい。 The viscosity of the molten salt at 500 ° C. is preferably less than 2.2 mN · S · m −2 . The conductivity of the molten salt at 500 ° C. is preferably 2 S / cm or more.
前記溶融塩は、無機カチオンおよび無機アニオンを含むことが好ましい。前記無機カチオンは、リチウムカチオン、ナトリウムカチオン、カリウムカチオン、ルビジウムカチオン、およびセシウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記無機アニオンは、フッ素アニオン、塩素アニオン、臭素アニオン、ヨウ素アニオン、硝酸イオンおよび炭酸イオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。 The molten salt preferably contains an inorganic cation and an inorganic anion. The inorganic cation is at least one selected from the group consisting of a lithium cation, a sodium cation, a potassium cation, a rubidium cation, and a cesium cation, and the inorganic anion includes a fluorine anion, a chlorine anion, a bromine anion, an iodine anion, and nitric acid. It is preferably at least one selected from the group consisting of ions and carbonate ions.
前記電解質層に含まれる水分は、500ppm以下であることが好ましい。 The moisture contained in the electrolyte layer is preferably 500 ppm or less.
また、本発明は、正極、負極、および前記電解質層を備える熱電池に関する。 The present invention also relates to a thermal battery including a positive electrode, a negative electrode, and the electrolyte layer.
本発明によれば、熱電池の作動温度において、熱電池内に加圧された状態で配置された電解質層の変形を抑制することができる。よって、本発明により、熱電池の作動時に、正極と負極とが短絡することを十分に抑制することができる。つまり、熱電池の信頼性をさらに向上させることができる。また、前記溶融塩の融点は430℃以下であるため、前記溶融塩を含む熱電池の作動温度範囲を広く取ることができる。
さらに、電解質層が、溶融状態におけるイオン伝導性が高い溶融塩を含むことにより、熱電池の信頼性と放電特性の両方をさらに向上させることができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the deformation | transformation of the electrolyte layer arrange | positioned in the state pressurized in the thermal battery can be suppressed in the operating temperature of a thermal battery. Therefore, according to the present invention, it is possible to sufficiently suppress a short circuit between the positive electrode and the negative electrode during operation of the thermal battery. That is, the reliability of the thermal battery can be further improved. Moreover, since melting | fusing point of the said molten salt is 430 degrees C or less, the operating temperature range of the thermal battery containing the said molten salt can be taken widely.
Furthermore, when the electrolyte layer contains a molten salt having high ion conductivity in the molten state, both the reliability and discharge characteristics of the thermal battery can be further improved.
図1に、本発明の一実施形態に係る熱電池を示す。
図1の熱電池において、素電池7と発熱剤5とを交互に複数個積み重ねた発電部が、金属製の外装ケース1に収納されている。発電部の最上部には、着火パッド4が配され、着火パッド4の上部に近接して点火栓3が設置されている。発電部の周囲には導火帯6が配されている。発熱剤5は鉄粉を含み、導電性を有するため、素電池7は発熱剤5を介して電気的に直列に接続されている。発熱剤5は、例えば、FeとKClO4の混合物からなる。電池の活性化時には、発熱剤5の燃焼にともないFe粉が焼結するため、放電初期(燃焼初期)から放電末期(燃焼末期)まで、発熱剤5の導電性は維持される。
FIG. 1 shows a thermal battery according to an embodiment of the present invention.
In the thermal battery of FIG. 1, a power generation unit in which a plurality of
外装ケース1は、一対の点火端子2、ならびに正極端子10aおよび負極端子10bを備えた電池蓋11により封口されている。正極端子10aは、正極リード板を介して発電部最上部の素電池7の正極に接続されている。一方、負極端子10bは、負極リード板8を介して発電部最下部の素電池7の負極に接続されている。電池蓋11と着火パッド4との間には、断熱材9aが配され、外装ケース1と発電部との間には、断熱材9bが配されている。
The outer case 1 is sealed by a battery lid 11 having a pair of
素電池7は、図2に示すように、負極12、正極13、および負極12と正極13との間に配される電解質層14からなる。
As shown in FIG. 2, the
負極12は、図2に示すように、負極活物質を含む負極合剤層15、および負極合剤層15を収容するカップ状の金属ケース16を含む。負極活物質は、熱電池に使用可能なものであれば何でもよく特に制限されない。負極活物質には、例えば、リチウム金属、Li−Al、Li−Si、もしくはLi−Bなどのリチウム合金が用いられる。金属ケース16の構成材料としては、例えば、鉄を用いることができる。
As shown in FIG. 2, the
正極13は正極活物質を含む。正極活物質は、熱電池で使用可能な材料であれば何でもよく特に制限されない。正極活物質には、例えば、MnO2などのマンガン酸化物、V2O5などのバナジウム酸化物、FeS2などの硫化物、モリブデン酸化物、またはリチウム含有酸化物を用いることができる。
The
本発明においては、電解質層14に特徴がある。具体的には、電解質層は、溶融塩と、前記溶融塩を保持する保持体を含み、かつ溶融塩の融点以上の温度で、10〜20N/cm2の圧力を加えた場合に、厚みの変化率が、30%未満である。前記溶融塩の融点は、430℃以下である。
厚みの変化率が、30%以上となると、正極と負極を隔てるセパレータとしての機能が低下し、ショートを引き起こす可能性が生じる。
In the present invention, the electrolyte layer 14 is characterized. Specifically, the electrolyte layer includes a molten salt and a holding body that holds the molten salt, and the thickness of the electrolyte layer is increased when a pressure of 10 to 20 N / cm 2 is applied at a temperature equal to or higher than the melting point of the molten salt. The rate of change is less than 30%. The melting point of the molten salt is 430 ° C. or lower.
When the rate of change in thickness is 30% or more, the function as a separator that separates the positive electrode and the negative electrode is lowered, which may cause a short circuit.
熱電池においては、通常、負極と正極と電解質層からなる素電池が、所定の電圧を得られるように、複数個積層している。このとき、素電池間の接触抵抗を下げる目的などから、複数個の素電池からなる積層体を、金属ケース内に、加圧した状態で収める。前記積層体への加圧は、積層体を構成する素電池面(例えば、図2の面17)に対して垂直方向(図2の矢印Aの方向)に行なわれる。このときの加圧力は、積層体の大きさ、面積などの構成にもよるが、熱電池の作製時における加圧力が、素電池の単位断面積(1cm2)あたり10〜20N程度(つまり、10〜20N・cm-2程度)になるように、設定される。ここで、素電池の断面積とは、素電池の積層方向とは垂直であり、かつ素電池としての最大面積を与える面の面積のことをいう。
In a thermal battery, usually, a plurality of unit cells each composed of a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte layer are stacked so as to obtain a predetermined voltage. At this time, for the purpose of reducing the contact resistance between the unit cells, a laminated body composed of a plurality of unit cells is stored in a pressurized state in a metal case. The pressurization to the laminate is performed in a direction perpendicular to the unit cell surface (for example, the
熱電池の作動温度は、一般的に500℃程度の高温であり、このような温度では、溶融塩は溶融する。このため、熱電池の作動温度において、電解質層全体の剛性が低下する。特に熱電池の内部においては、素電池は、上記にように、加圧された状態にある。このため、電解質層の構成および電解質層の製造条件によっては、熱電池の作動時に、電解質層が変形し、正極と負極とが直接接触して、短絡が生じる可能性がある。 The operating temperature of the thermal battery is generally as high as about 500 ° C., and at such temperature, the molten salt melts. For this reason, the rigidity of the entire electrolyte layer is reduced at the operating temperature of the thermal battery. In particular, inside the thermal battery, the unit cell is in a pressurized state as described above. For this reason, depending on the configuration of the electrolyte layer and the manufacturing conditions of the electrolyte layer, the electrolyte layer may be deformed during the operation of the thermal battery, and the positive electrode and the negative electrode may be in direct contact with each other to cause a short circuit.
そこで、本発明においては、上記のように、溶融塩の融点以上の温度で、10〜20N/cm2の圧力を加えた場合に、厚みの変化が、30%未満であるような電解質層が用いている。このような電解質層は、熱電池内に加圧された状態で配置された場合でも、熱電池の作動温度において、大きく変形することが抑制される。よって、正極と負極との短絡を防止することができる。つまり、本発明により、熱電池の信頼性を高めることができる。 Therefore, in the present invention, as described above, an electrolyte layer having a thickness change of less than 30% when a pressure of 10 to 20 N / cm 2 is applied at a temperature equal to or higher than the melting point of the molten salt. Used. Even when such an electrolyte layer is arranged in a pressurized state in the thermal battery, it is suppressed from being greatly deformed at the operating temperature of the thermal battery. Therefore, a short circuit between the positive electrode and the negative electrode can be prevented. That is, according to the present invention, the reliability of the thermal battery can be increased.
本発明においては、本発明の溶融塩を含む熱電池の作動温度範囲を従来よりも広くするため、上記のように、前記溶融塩の融点を、430℃以下としている。前記溶融塩の融点は、200℃以上、430℃以下であることが好ましい。 In the present invention, as described above, the melting point of the molten salt is set to 430 ° C. or lower in order to widen the operating temperature range of the thermal battery including the molten salt of the present invention. The melting point of the molten salt is preferably 200 ° C. or higher and 430 ° C. or lower.
前記溶融塩の融点以上の温度は、200℃以上、600℃以下であることが好ましい。なお、熱電池の作動温度の上限値が、ほぼ600℃程度である。 The temperature above the melting point of the molten salt is preferably 200 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. Note that the upper limit of the operating temperature of the thermal battery is approximately 600 ° C.
電解質層の厚みの変化は、例えば、加熱手段、加圧手段、厚みを計測する手段、および前記手段を制御する手段を備える装置を用いて測定することができる。 The change in the thickness of the electrolyte layer can be measured using, for example, an apparatus including a heating unit, a pressurizing unit, a unit for measuring the thickness, and a unit for controlling the unit.
加熱手段は、電解質層を、熱電池の作動領域(500℃、できれば600℃)まで加熱できるとともに、加熱温度等をコントロールできる手段であればよい。 The heating means may be any means that can heat the electrolyte layer to the operating range of the thermal battery (500 ° C., preferably 600 ° C.) and can control the heating temperature and the like.
電解質層は、通常、0.5mm(500μm)から1.0mm(1000μm)の厚みを有する。よって、厚みを計測する手段は、最低でも数mmの厚み、つまり1.0mm(1000μm)から3mm(3000μm)程度の厚みを計測できる手段であることが好ましい。さらに、前記測定手段の測定精度は、数μm(2〜3μm)以下であることが好ましく、1μm以下であることがさらに好ましい。 The electrolyte layer usually has a thickness of 0.5 mm (500 μm) to 1.0 mm (1000 μm). Therefore, the means for measuring the thickness is preferably a means capable of measuring a thickness of at least several millimeters, that is, a thickness of about 1.0 mm (1000 μm) to about 3 mm (3000 μm). Furthermore, the measurement accuracy of the measurement means is preferably several μm (2 to 3 μm) or less, and more preferably 1 μm or less.
加圧手段は、電解質層を、熱電池の作動時における加圧状態(10〜20N・cm-2)まで加圧することができるとともに、加圧をコントロールできる手段であればよい。
電解質層を加圧手段により実際に加圧する際に、熱電池内での電解質層の加圧状態に極力近づけるために、電解質層に接触する冶具の断面積は、電解質層の断面積に近いか、それにほぼ等しいことが望ましい。ここで、電解質層の断面積とは、電解質層の厚さ方向とは垂直であり、かつ最大面積を与える面の面積のことをいう。
The pressurizing means may be any means that can pressurize the electrolyte layer to a pressurized state (10 to 20 N · cm −2 ) during operation of the thermal battery and can control the pressurization.
When the electrolyte layer is actually pressed by the pressurizing means, is the cross-sectional area of the jig contacting the electrolyte layer close to the cross-sectional area of the electrolyte layer in order to make it as close as possible to the pressurized state of the electrolyte layer in the thermal battery? It is desirable to be approximately equal to that. Here, the cross-sectional area of the electrolyte layer refers to the area of the surface that is perpendicular to the thickness direction of the electrolyte layer and gives the maximum area.
但し、電解質層を、10〜20N/cm2程度の力で加圧する必要がある。具体的に、加圧力を、電解質層と加圧治具との単位接触面積(1cm2)あたり、10〜20N程度とする必要がある。
一般的な熱電池で用いられている素電池の断面積は、30mmφであるため、必要な荷重の最大値は約140Nと大きい。加圧に必要な力と、電解質層の厚みを計測するときの精度(数μm)とのバランスを考えると、前記のような大きな力で、加圧することは、装置上、非常に困難である。そこで、前記の点について、本発明者が検討を行なった結果、加圧治具の断面積は0.2cm2程度あればよいことがわかった。この場合、必要な加圧力は、最大約4N程度となる。
なお、電解質層試料の断面積は、加圧治具の断面積と同程度であってもよいし、大きくてもよい。
However, it is necessary to pressurize the electrolyte layer with a force of about 10 to 20 N / cm 2 . Specifically, the applied pressure needs to be about 10 to 20 N per unit contact area (1 cm 2 ) between the electrolyte layer and the pressing jig.
Since the cross-sectional area of the unit cell used in a general thermal battery is 30 mmφ, the maximum required load is as large as about 140 N. Considering the balance between the force required for pressurization and the accuracy (several μm) when measuring the thickness of the electrolyte layer, it is very difficult on the apparatus to pressurize with such a large force. . Therefore, as a result of the examination of the above point by the present inventor, it was found that the cross-sectional area of the pressing jig should be about 0.2 cm 2 . In this case, the necessary pressure is about 4N at the maximum.
The cross-sectional area of the electrolyte layer sample may be approximately the same as or larger than the cross-sectional area of the pressing jig.
電解質層の厚みの変化の測定には、以上の手段を備える装置を、特に限定することなく用いることができる。このような装置としては、例えば、熱機械分析装置(TMA(Thermomechanical Analyzer))が挙げられる。 For measuring the change in the thickness of the electrolyte layer, an apparatus including the above means can be used without any particular limitation. An example of such an apparatus is a thermomechanical analyzer (TMA (Thermomechanical Analyzer)).
上記のような測定装置を用い、例えば、以下のようにして、溶融塩の融点以上の温度で、10〜20N/cm2の圧力をかけたときの電解質層の厚みの変化を測定することができる。
まず、常温で、かつ加圧していない状態で、電解質層試料の厚み(初期厚み)を測定する。次に、例えば、前記電解質層試料に、15N・cm-2の圧力を加えた状態で、電解質層試料を、常温から、溶融塩の融点以上の温度(溶融塩が溶融する温度)まで加熱する。この状態で、電解質層試料の厚み(加熱および加圧後の厚み)を測定する。得られた初期厚みと、加熱および加圧後の厚みを用い、式(1):
([初期厚み]−[加熱および加圧後の厚み])×100/[初期厚み] (1)
から、電解質層の厚みの変化率を求めることができる。
Using the measuring device as described above, for example, as follows, the change in the thickness of the electrolyte layer when a pressure of 10 to 20 N / cm 2 is applied at a temperature equal to or higher than the melting point of the molten salt can be measured. it can.
First, the thickness (initial thickness) of the electrolyte layer sample is measured at room temperature and in a state where no pressure is applied. Next, for example, in a state where a pressure of 15 N · cm −2 is applied to the electrolyte layer sample, the electrolyte layer sample is heated from room temperature to a temperature equal to or higher than the melting point of the molten salt (a temperature at which the molten salt melts). . In this state, the thickness (thickness after heating and pressing) of the electrolyte layer sample is measured. Using the obtained initial thickness and the thickness after heating and pressing, the formula (1):
([Initial thickness]-[thickness after heating and pressing]) × 100 / [initial thickness] (1)
Thus, the rate of change of the thickness of the electrolyte layer can be obtained.
なお、上記測定において、測定手段および加圧手段に含まれる冶具の熱膨張が、試料厚みの測定および加圧力に影響すると考えられる。前者は、熱膨張による治具の寸法の変化を予め計測することにより、キャンセルすることが可能である。後者に関しては、測定中は一定加圧力になるように、熱膨張を考慮して、加圧手段を制御することが望ましい。 In the above measurement, it is considered that the thermal expansion of the jig included in the measuring means and the pressurizing means affects the measurement of the sample thickness and the applied pressure. The former can be canceled by measuring in advance the change in dimension of the jig due to thermal expansion. Regarding the latter, it is desirable to control the pressurizing means in consideration of thermal expansion so that a constant pressure is applied during the measurement.
電解質層の厚みの変化の測定は、水分の影響を極力排除するため、水分の含有量をできる限り減少させた測定雰囲気中で行なうことが好ましい。電解質層に含まれる溶融塩は吸湿性が高く、測定雰囲気中に含まれる水分により、電解質層の剛性が変化することがあるからである。前記測定雰囲気としては、例えば、露点−50℃以下の乾燥空気を用いることができる。 The measurement of the change in the thickness of the electrolyte layer is preferably performed in a measurement atmosphere in which the moisture content is reduced as much as possible in order to eliminate the influence of moisture as much as possible. This is because the molten salt contained in the electrolyte layer has high hygroscopicity, and the rigidity of the electrolyte layer may change depending on the moisture contained in the measurement atmosphere. As the measurement atmosphere, for example, dry air having a dew point of −50 ° C. or lower can be used.
電解質層に含まれる溶融塩と保持体との重量比は、50:50〜90:10であることが好ましい。溶融塩と保持体との合計重量に占める溶融塩の量が50重量%より少ないと、放電性能が顕著に低下することがある。溶融塩と保持体との合計重量に占める溶融塩の量が90重量%より多いと、電解質層を加熱したときの厚みの変化率を30%以下に制限できなくなることがある。 The weight ratio between the molten salt contained in the electrolyte layer and the holding body is preferably 50:50 to 90:10. When the amount of the molten salt in the total weight of the molten salt and the holding body is less than 50% by weight, the discharge performance may be significantly lowered. If the amount of the molten salt in the total weight of the molten salt and the holding body is more than 90% by weight, the rate of change in thickness when the electrolyte layer is heated may not be limited to 30% or less.
電解質層に含まれる保持体は、無機物の粉末を含むことが好ましい。前記無機物は、MgO、SiO2、およびAl2O3よりなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。 The holding body included in the electrolyte layer preferably includes an inorganic powder. The inorganic material is preferably at least one selected from the group consisting of MgO, SiO 2 , and Al 2 O 3 .
前記無機物の粉末の比表面積は、10〜80m2・g-1であることが好ましい。前記無機物の比表面積が10m2・g-1より小さいと、前記無機物の溶融塩の保持能力が低下する。このため、電解質層を加熱したときの厚さの変化率が大きくなることがある。前記無機物の比表面積が80m2・g-1より大きいと、前記無機物に保持される溶融塩の量が多くなり、相対的に電解質として有効な溶融塩の量が減少する。このため、放電特性が低下することがある。 The specific surface area of the inorganic powder is preferably 10 to 80 m 2 · g −1 . When the specific surface area of the inorganic material is smaller than 10 m 2 · g −1 , the ability to retain the molten salt of the inorganic material is lowered. For this reason, the rate of change in thickness when the electrolyte layer is heated may increase. When the specific surface area of the inorganic substance is larger than 80 m 2 · g −1 , the amount of molten salt retained in the inorganic substance increases, and the amount of molten salt that is relatively effective as an electrolyte decreases. For this reason, the discharge characteristics may deteriorate.
また、前記無機物の粉末の平均粒径は、1〜30μmであることが好ましい。前記無機物の平均粒径が1μmより小さい場合、前記無機物は嵩高く、その結果電解質層の密度が低下し、よって保有できる溶融塩の量が低下するため、放電特性が低下することがある。前記無機物の平均粒径が30μmより大きい場合、電解質層の成型性が低下し、よって電解質層の強度が低下する。その結果、電解質層およびそれを含む素電池の信頼性が低下することがある。
前記平均粒径は、体積基準の平均粒径であり、当該分野で公知の装置を用いて測定することができる。
The average particle size of the inorganic powder is preferably 1 to 30 μm. When the average particle size of the inorganic material is smaller than 1 μm, the inorganic material is bulky. As a result, the density of the electrolyte layer is lowered, and thus the amount of molten salt that can be held is lowered, so that the discharge characteristics may be lowered. When the average particle size of the inorganic substance is larger than 30 μm, the moldability of the electrolyte layer is lowered, and thus the strength of the electrolyte layer is lowered. As a result, the reliability of the electrolyte layer and the unit cell including the electrolyte layer may be reduced.
The average particle diameter is a volume-based average particle diameter, and can be measured using a device known in the art.
前記溶融塩の500℃における導電率は、2S/cm以上であることが好ましい。このような溶融塩を含む電解質層は、高いイオン伝導性を有する。よって、電解質層が、このような溶融塩を含むことにより、熱電池の信頼性と放電特性の両方をさらに向上させることができる。 The conductivity of the molten salt at 500 ° C. is preferably 2 S / cm or more. The electrolyte layer containing such a molten salt has high ionic conductivity. Therefore, when the electrolyte layer contains such a molten salt, both the reliability and the discharge characteristics of the thermal battery can be further improved.
前記溶融塩は、500℃における粘度が、2.2mN・s・m-2(mPa・s)未満であることが好ましい。溶融塩の500℃における粘度が、2.2mN・s・m-2以上であると、溶融塩の保持体への浸透性が低下し、保持される溶融塩の量が低下する。その結果、放電特性が低下することがある。 The molten salt preferably has a viscosity at 500 ° C. of less than 2.2 mN · s · m −2 (mPa · s). When the viscosity of the molten salt at 500 ° C. is 2.2 mN · s · m −2 or more, the permeability of the molten salt to the holding body is lowered, and the amount of the molten salt held is lowered. As a result, the discharge characteristics may deteriorate.
上記のような特性(融点、導電率および粘度)を満たす溶融塩としては、以下が挙げられる。
具体的には、前記特性をコントロールするという観点から、電解質層を構成する溶融塩は、2種類以上の組成の異なる塩(つまり混合塩)を含むことが好ましい。つまり、溶融塩の特性は、例えば、添加される塩の種類、添加される塩のモル比等を適宜変更することにより、制御することができる。よって、上記のような特性を有せば、溶融塩は、2元系、3元系、4元系、5元系などの複数の塩の混合物であってもよい。
Examples of the molten salt satisfying the above characteristics (melting point, conductivity and viscosity) include the following.
Specifically, from the viewpoint of controlling the above characteristics, the molten salt constituting the electrolyte layer preferably contains two or more kinds of different salts (that is, mixed salts). That is, the characteristics of the molten salt can be controlled, for example, by appropriately changing the kind of added salt, the molar ratio of the added salt, and the like. Therefore, if it has the above characteristics, the molten salt may be a mixture of a plurality of salts such as a binary system, a ternary system, a quaternary system, and a ternary system.
例えば、本発明で用いられる溶融塩は、無機カチオンおよび無機アニオンを含む。前記無機カチオンは、リチウムカチオン、ナトリウムカチオン、カリウムカチオン、ルビジウムカチオン、およびセシウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。前記無機アニオンは、フッ素アニオン、塩素アニオン、臭素アニオン、ヨウ素アニオン、硝酸イオンおよび炭酸イオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。 For example, the molten salt used in the present invention contains an inorganic cation and an inorganic anion. The inorganic cation is preferably at least one selected from the group consisting of a lithium cation, a sodium cation, a potassium cation, a rubidium cation, and a cesium cation. The inorganic anion is preferably at least one selected from the group consisting of a fluorine anion, a chlorine anion, a bromine anion, an iodine anion, a nitrate ion and a carbonate ion.
本発明で用いられる溶融塩は、例えば、第1の塩と第2の塩を含むことができる。第1の塩としては、LiF、LiCl、およびLiBrよりなる群から選ばれる少なくとも1種の塩が挙げられる。第2の塩としては、NaF、NaCl、NaBr、KF、KCl、KBr、RbF、RbCl、RbBr、CsF、CsCl、およびCsBrよりなる群から選ばれる少なくとも1種の塩が挙げられる。 The molten salt used in the present invention can include, for example, a first salt and a second salt. Examples of the first salt include at least one salt selected from the group consisting of LiF, LiCl, and LiBr. Examples of the second salt include at least one salt selected from the group consisting of NaF, NaCl, NaBr, KF, KCl, KBr, RbF, RbCl, RbBr, CsF, CsCl, and CsBr.
前記溶融塩に含まれる塩の具体的な組み合わせとしては、例えば、
LiF−LiCl−LiBr−NaF、
LiF−LiCl−LiBr−NaF−KCl、
LiF−LiCl−LiBr−NaCl、
LiF−LiCl−LiBr−NaCl−KBr、
LiF−LiCl−LiBr−NaBr、
LiF−LiCl−LiBr−NaBr―KCl、
LiF−LiCl−LiBr−KF、
LiF−LiCl−LiBr−KF−NaF、
LiF−LiCl−LiBr−KCl、
LiF−LiCl−LiBr−KCl−KBr、
LiF−LiCl−LiBr−KBr、
LiF−LiCl−NaBr、
LiF−LiCl−KF、
LiF−LiBr−NaF、
LiF−LiBr−NaF−NaCl、
LiF−LiBr−NaF−KCl、
LiF−LiBr−NaCl、
LiF−LiBr−NaCl−KCl、
LiCl−LiBr−NaF、
LiCl−LiBr−NaF−NaCl、
LiCl−LiBr−NaCl−KF、
LiCl−LiBr−NaBr、
LiCl−LiBr−KF、
LiCl−LiBr−KF−KCl、
LiCl−NaBr−KF、
LiCl−NaBr−CsF、
LiBr−KF−NaCl、
LiBr−KF−NaBr
などが挙げられる。
As a specific combination of salts contained in the molten salt, for example,
LiF-LiCl-LiBr-NaF,
LiF-LiCl-LiBr-NaF-KCl,
LiF-LiCl-LiBr-NaCl,
LiF-LiCl-LiBr-NaCl-KBr,
LiF-LiCl-LiBr-NaBr,
LiF-LiCl-LiBr-NaBr-KCl,
LiF-LiCl-LiBr-KF,
LiF-LiCl-LiBr-KF-NaF,
LiF-LiCl-LiBr-KCl,
LiF-LiCl-LiBr-KCl-KBr,
LiF-LiCl-LiBr-KBr,
LiF-LiCl-NaBr,
LiF-LiCl-KF,
LiF-LiBr-NaF,
LiF-LiBr-NaF-NaCl,
LiF-LiBr-NaF-KCl,
LiF-LiBr-NaCl,
LiF-LiBr-NaCl-KCl,
LiCl-LiBr-NaF,
LiCl-LiBr-NaF-NaCl,
LiCl-LiBr-NaCl-KF,
LiCl-LiBr-NaBr,
LiCl-LiBr-KF,
LiCl-LiBr-KF-KCl,
LiCl-NaBr-KF,
LiCl-NaBr-CsF,
LiBr-KF-NaCl,
LiBr-KF-NaBr
Etc.
第1の塩は、溶融塩の50〜95重量%を占めることが好ましい。第2の塩は、溶融塩の5〜50重量%を占めることが好ましい。 The first salt preferably accounts for 50 to 95% by weight of the molten salt. The second salt preferably accounts for 5 to 50% by weight of the molten salt.
なお、前記溶融塩の組成は、上記のような特性が得られれば、特に限定されない。例えば、融点降下の効果が最も大きいため、前記溶融塩の組成は、共晶を与える組成とすることができる。 The composition of the molten salt is not particularly limited as long as the above characteristics are obtained. For example, since the melting point lowering effect is the greatest, the composition of the molten salt can be a composition that provides a eutectic.
溶融塩に含まれる塩の種類およびその組成比は、例えば、蛍光X線分析法と他の分析方法(例えば、ICP発光分析法、原子吸光分析法、イオンクロマトグラフィー法、滴定法等)とを組み合わせて用いることにより、求めることもできる。
また、溶融塩に含まれる各塩の組成比は、各塩の混合比から求めることもできる。
The kind of salt contained in the molten salt and the composition ratio thereof are determined by, for example, fluorescent X-ray analysis and other analysis methods (for example, ICP emission analysis, atomic absorption analysis, ion chromatography, titration, etc.) It can also be obtained by using in combination.
The composition ratio of each salt contained in the molten salt can also be determined from the mixing ratio of each salt.
溶融塩粒子の平均粒径は、5〜50μmであることが好ましい。 The average particle size of the molten salt particles is preferably 5 to 50 μm.
電解質層に含まれる水分の量は、500ppm以下であることが好ましい。電解質層に含まれる水分の量が500ppm超える場合、熱電池に用いられている負極活物質であるリチウム金属などの他の材料の劣化を招き、よって長期保存性の低下などが生じることがある。
電解質層に含まれる水分は、例えば、高温気化装置を有したカールフィッシャー法、EGA−MS(加熱時発生ガス質量分析法(Evolved Gas Analysis by MASS Spectrometry)により、正確に測定することができる。
なお、電解質層に含まれる水分の量は、例えば、作製直後の電解質層に含まれる水分の量であり、熱電池の組立後の電解質層に含まれる水分の量は、作業環境での露点管理が十分になされているため、作製直後の電解質層に含まれる水分の量からほとんど変化しない。
The amount of moisture contained in the electrolyte layer is preferably 500 ppm or less. When the amount of moisture contained in the electrolyte layer exceeds 500 ppm, deterioration of other materials such as lithium metal, which is a negative electrode active material used in a thermal battery, may occur, resulting in a decrease in long-term storage stability.
The moisture contained in the electrolyte layer can be accurately measured by, for example, the Karl Fischer method having a high-temperature vaporizer, EGA-MS (Evolved Gas Analysis by MASS Spectrometry).
The amount of moisture contained in the electrolyte layer is, for example, the amount of moisture contained in the electrolyte layer immediately after fabrication, and the amount of moisture contained in the electrolyte layer after assembly of the thermal battery is controlled by dew point in the work environment. Therefore, there is almost no change from the amount of water contained in the electrolyte layer immediately after fabrication.
上記熱電池の動作を以下に説明する。
点火端子2に接続された電源により、点火端子2に高電圧が印加されると、点火栓3が発火する。これにより、着火パッド4および導火帯6が燃焼し、ついで、発熱剤5が燃焼して、素電池7が加熱される。そして、素電池7に配された電解質層14が溶融状態となり、前記電解質がイオン伝導体となる。このようにして、電池が活性化し、放電が可能となる。
The operation of the thermal battery will be described below.
When a high voltage is applied to the
正極13および負極合剤層15の少なくとも一方は、イオン伝導性を向上させるため、所定の溶融塩を含んでいてもよい。正極および/または負極合剤層に含まれる溶融塩は、電解質層14に用いられる溶融塩と同じでもよい。または、電解質層14に用いられる溶融塩と融点がほぼ同じであれば、正極および/または負極合剤層に含まれる溶融塩は、電解質層14に用いられる溶融塩と異なっていてもよい。
At least one of the
なお、上記では電池内部に点火栓を備え、電池内部より発電部を加熱して電池を活性化する内部加熱方式の熱電池について説明したが、本発明は、電池内部に点火栓を備えずに、バーナ等により電池外部から発電部を加熱して電池を活性化する外部加熱方式の熱電池にも適用することができる。 In the above description, an internal heating type thermal battery in which an ignition plug is provided inside the battery and the power generation unit is heated from inside the battery to activate the battery has been described. However, the present invention does not include an ignition plug inside the battery. The present invention can also be applied to an external heating type thermal battery in which the power generation unit is heated from outside the battery by a burner or the like to activate the battery.
以下、本発明を、実施例を参照しながら具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely, referring an Example, this invention is not limited to these Examples.
《実施例1》
以下の手順で、図2に示す素電池を作製した。なお、素電池の作製は、水分の影響を極力排除するために、基本的に、露点−50℃以下の乾燥空気中で行った。
(1)電解質の作製
第1の塩として、フッ化リチウム(LiF)、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウムLiBr)を用い、第2の塩として、フッ化ナトリウム(NaF)を用いた。これらを、真空環境下、200℃で48時間乾燥した。乾燥後、露点が管理されたアルゴン雰囲気のグローブボックス内にて、LiFとLiClとLiBrとNaFとを、6:24:60:10のモル比で混合した。得られた混合物を、適量、高純度アルミナ製のルツボに移し、前記ルツボを溶融炉に入れた。溶融炉の内部は、露点が管理されたアルゴン雰囲気とした。前記混合物を、溶融炉にて加熱溶融し、LiFとLiClとLiBrとNaFの混合塩(溶融塩)を得た。
Example 1
The unit cell shown in FIG. 2 was produced according to the following procedure. In order to eliminate the influence of moisture as much as possible, the unit cell was basically produced in dry air with a dew point of −50 ° C. or less.
(1) Production of electrolyte Lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCl), and lithium bromide LiBr) were used as the first salt, and sodium fluoride (NaF) was used as the second salt. These were dried in a vacuum environment at 200 ° C. for 48 hours. After drying, LiF, LiCl, LiBr, and NaF were mixed in a molar ratio of 6: 24: 60: 10 in an argon atmosphere glove box in which the dew point was controlled. An appropriate amount of the obtained mixture was transferred to a crucible made of high-purity alumina, and the crucible was put in a melting furnace. The inside of the melting furnace was an argon atmosphere with a controlled dew point. The mixture was heated and melted in a melting furnace to obtain a mixed salt (molten salt) of LiF, LiCl, LiBr, and NaF.
得られた溶融塩を、自然冷却した。この後、溶融塩を、露点が管理されたアルゴン雰囲気下で、ステンレス鋼製のボールを用いるボールミルにより、約12時間粉砕し、粉末化した。得られた溶融塩の粉末を60メッシュ(目開き250μm)の篩いにて分級した。分級後の溶融塩の平均粒径は、約20μm(推定値)であった。 The obtained molten salt was naturally cooled. After that, the molten salt was pulverized for about 12 hours by a ball mill using stainless steel balls in an argon atmosphere with a controlled dew point. The obtained molten salt powder was classified with a sieve of 60 mesh (aperture 250 μm). The average particle diameter of the molten salt after classification was about 20 μm (estimated value).
保持体としては、酸化マグネシウム(MgO)を用いた。用いたMgOの比表面積は20m2・g-1であり、平均粒径は20μmであった。 As the support, magnesium oxide (MgO) was used. The specific surface area of MgO used was 20 m 2 · g −1 and the average particle size was 20 μm.
上記溶融塩とMgOとを、60:40の重量比で混合した。得られた混合物を、溶解炉にて、500℃で12時間加熱して、溶融塩をMgOに十分なじませた。加熱後、前記混合物は、自然冷却した。 The molten salt and MgO were mixed at a weight ratio of 60:40. The obtained mixture was heated at 500 ° C. for 12 hours in a melting furnace to fully adjust the molten salt to MgO. After heating, the mixture was naturally cooled.
前記混合物を、露点が管理されたアルゴン雰囲気下、ステンレス鋼製のボールを用いるボールミルにより、約12時間粉砕した。得られた粉末を60メッシュ(目開き250μm)の篩いにて分級した。分級後の混合物粉末の平均粒径は、約25μm(推定値)であった。 The mixture was pulverized by a ball mill using stainless steel balls in an argon atmosphere with a controlled dew point for about 12 hours. The obtained powder was classified with a sieve of 60 mesh (aperture 250 μm). The average particle diameter of the mixture powder after classification was about 25 μm (estimated value).
得られた混合物の粉末を、3ton/cm2の圧力で成型して、直径13mm、厚さ約0.5mmの円盤状の電解質層を得た。 The powder of the obtained mixture was molded at a pressure of 3 ton / cm 2 to obtain a disc-shaped electrolyte layer having a diameter of 13 mm and a thickness of about 0.5 mm.
(2)正極の作製
正極活物質としてFeS2粉末(平均粒径12μm)を用いた。正極活物質と、上記溶融塩と、シリカ粉末(平均粒径約0.2μm)とを、70:20:10の重量比で混合した。得られた混合物を、3ton/cm2の圧力で成型して、直径13mm、厚さ約0.4mmの円盤状の正極を得た。
(2) Production of positive electrode FeS 2 powder (
(3)負極の作製
負極活物質としてLi−Al合金粉末(リチウム含有量:20重量%)を用いた。負極活物質と上記溶融塩とを、65:35の重量比で混合した。得られた混合物を、3ton/cm2の圧力で成型して、直径11mm、厚さ約0.4mmの負極合剤層を得た。
次いで、得られた負極合剤層をステンレス鋼(SUS304)製のカップ状の金属ケースに入れ、金属ケースの開口端部を内方に折り曲げて、負極合剤層の周縁部をかしめて、負極合剤層を金属ケース内に固定した。このようにして、直径13mm、厚さ約0.5mmの円盤状の負極を得た。
(3) Production of negative electrode Li-Al alloy powder (lithium content: 20% by weight) was used as the negative electrode active material. The negative electrode active material and the molten salt were mixed at a weight ratio of 65:35. The obtained mixture was molded at a pressure of 3 ton / cm 2 to obtain a negative electrode mixture layer having a diameter of 11 mm and a thickness of about 0.4 mm.
Next, the obtained negative electrode mixture layer is put into a cup-shaped metal case made of stainless steel (SUS304), the opening end portion of the metal case is bent inward, and the peripheral portion of the negative electrode mixture layer is caulked. The mixture layer was fixed in the metal case. In this way, a disc-shaped negative electrode having a diameter of 13 mm and a thickness of about 0.5 mm was obtained.
(4)素電池の作製
正極と負極とを電解質層を介して積層して、図2に示す素電池を得た。得られた素電池を、素電池1とした。
(4) Production of unit cell A positive electrode and a negative electrode were laminated via an electrolyte layer to obtain a unit cell shown in FIG. The obtained unit cell was designated as unit cell 1.
《実施例2》
電解質層の作製において、溶融塩と保持体(MgO)との混合比を50:50(重量比)としたこと以外、実施例1と同様の方法により、素電池2を得た。
Example 2
In the production of the electrolyte layer, a
《実施例3》
電解質層の作製において、溶融塩と保持体との混合比を、70:30(重量比)としたこと以外、実施例1と同様の方法により、素電池3を得た。
Example 3
In the production of the electrolyte layer, a
《実施例4》
電解質層の作製において、溶融塩と保持体との混合比を、80:20(重量比)としてこと以外、実施例1と同様の方法により、素電池4を得た。
Example 4
In the production of the electrolyte layer, a unit cell 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of the molten salt and the support was 80:20 (weight ratio).
《実施例5》
電解質層の作製において、第1の塩としてLiFおよびLiClを用い、第2の塩としてNaBrを用い、LiFとLiClとNaBrとのモル比を7:64:30としたこと以外は、実施例1と同様の方法により、素電池5を得た。
Example 5
Example 1 except that LiF and LiCl were used as the first salt, NaBr was used as the second salt, and the molar ratio of LiF, LiCl, and NaBr was 7:64:30 in the preparation of the electrolyte layer. A
《実施例6》
電解質層の作製において、第1の塩としてLiFおよびLiBrを用い、第2の塩としてNaClを用い、LiFとLiBrとNaClとのモル比を14:71:16としたこと以外は、実施例1と同様の方法により、素電池5を得た。
Example 6
Example 1 except that LiF and LiBr were used as the first salt, NaCl was used as the second salt, and the molar ratio of LiF, LiBr, and NaCl was 14:71:16 in the preparation of the electrolyte layer. A
《実施例7》
電解質層の作製において、第1の塩としてLiClおよびLiBrを用い、第2の塩としてNaBrを用い、LiClとLiBrとNaBrとのモル比を44:25:31としたこと以外は、実施例1と同様の方法により、素電池7を得た。
Example 7
Example 1 except that LiCl and LiBr were used as the first salt, NaBr was used as the second salt, and the molar ratio of LiCl, LiBr, and NaBr was set to 44:25:31 in the preparation of the electrolyte layer. A
《比較例1》
電解質層の作製において、LiClおよびKClのみからなる溶融塩を用い、LiClとKClとのモル比を59:41としたこと以外は、実施例1と同様の方法により、素電池Aを得た。
<< Comparative Example 1 >>
A unit cell A was obtained in the same manner as in Example 1 except that a molten salt consisting only of LiCl and KCl was used in the production of the electrolyte layer, and the molar ratio of LiCl to KCl was 59:41.
《比較例2》
電解質層の作製において、LiFとLiClとLiBrとからなる溶融塩を用い、LiFとLiClとLiBrとのモル比を21:23:56としたこと以外は、実施例1と同様の方法により、素電池Bを得た。
<< Comparative Example 2 >>
In the production of the electrolyte layer, the same procedure as in Example 1 was applied except that a molten salt composed of LiF, LiCl, and LiBr was used and the molar ratio of LiF, LiCl, and LiBr was set to 21:23:56. Battery B was obtained.
[評価]
(1)電解質層の評価方法
上記で説明したように、電解質層に15N・cm-2の圧力を加え、常温から500℃まで加熱したときの電解質層の厚みの変化率を求めた。
具体的には、まず、直径26mm、厚み1.2mm(初期厚み)の電解質層試料を用意した。
所定の熱機械分析装置を用いて、15N・cm-2の圧力を加え、常温から500℃まで加熱したときの電解質層試料の厚み(加熱および加圧後の厚み)を測定した。
上記式(1)を用い、初期厚みと、加熱および加圧後の厚みとから、電解質層の厚みの変化率を求めた。
[Evaluation]
(1) Evaluation method of electrolyte layer As explained above, a pressure of 15 N · cm −2 was applied to the electrolyte layer, and the rate of change in thickness of the electrolyte layer when heated from room temperature to 500 ° C. was determined.
Specifically, first, an electrolyte layer sample having a diameter of 26 mm and a thickness of 1.2 mm (initial thickness) was prepared.
Using a predetermined thermomechanical analyzer, a pressure of 15 N · cm −2 was applied, and the thickness of the electrolyte layer sample (thickness after heating and pressing) when heated from room temperature to 500 ° C. was measured.
Using the above formula (1), the rate of change in the thickness of the electrolyte layer was determined from the initial thickness and the thickness after heating and pressing.
各実施例および各比較例で用いた溶融塩の、500℃における粘度、500℃における導電率、および融点を、以下のようにして、評価した。
さらに、素電池の電池特性を、以下のようにして測定した。
The viscosity at 500 ° C., the conductivity at 500 ° C., and the melting point of the molten salt used in each example and each comparative example were evaluated as follows.
Furthermore, the battery characteristics of the unit cell were measured as follows.
(2)溶融塩の粘度の評価方法
電解質の粘度の評価は、次のようにして行った。
溶融塩試料を、500℃に加熱して溶融した。溶融した試料を、試料容器に入れ、試料温度を500℃に維持した。試料上部から吊るした測定子を、試料容器内の溶融した試料に浸した。測定子を試料に浸した状態で、試料容器を、毎分20回転または200回転で回転させた。回転により、測定子に生じる捩れ応力を測定し、得られた値を、溶融塩の500℃における粘度とした。
本測定においては、既に粘度の実験値が報告されているLiCl−KCl溶融塩を標準試料として用い、測定装置の校正などに用いた。
(2) Evaluation method of viscosity of molten salt The evaluation of the viscosity of the electrolyte was performed as follows.
The molten salt sample was heated to 500 ° C. and melted. The molten sample was placed in a sample container and the sample temperature was maintained at 500 ° C. A probe suspended from the top of the sample was immersed in the molten sample in the sample container. With the probe immersed in the sample, the sample container was rotated at 20 or 200 revolutions per minute. The torsional stress generated in the probe was measured by rotation, and the obtained value was defined as the viscosity of the molten salt at 500 ° C.
In this measurement, LiCl-KCl molten salt, for which the experimental value of viscosity has already been reported, was used as a standard sample, and was used for calibration of the measuring apparatus.
なお、上記のように、溶融塩は吸湿性が高く、測定雰囲気中の水分によって溶融塩の重量変化および性状変化が懸念される。このため、溶融塩試料の取り扱いおよび粘度の測定は、水分の影響を極力排除するために、露点−50℃以下の乾燥空気中で行なった。 As described above, the molten salt has a high hygroscopic property, and there is a concern that the molten salt may change in weight and properties due to moisture in the measurement atmosphere. For this reason, the handling of the molten salt sample and the measurement of the viscosity were performed in dry air having a dew point of −50 ° C. or less in order to eliminate the influence of moisture as much as possible.
(3)溶融塩の導電率の評価方法
導電率の測定は、東北大学の佐藤ら(例えば、「溶融NaF−AlF3系の密度および電気伝導度」佐藤譲ら、日本金属学会誌 第41巻 第12号(1977))などによって紹介されている方法を参考にして行った。具体的には、石英のボディと白金電極で構成された伝導度セルを作製した。交流インピーダンス法によって予め電気伝導度の値が既知のKCl水溶液またはLiCl−KCl溶融塩を測定し、伝度度セルのセル定数を決定した。セル定数を求めた伝導度セルを用いて、500℃での溶融塩の抵抗値を測定した。得られた抵抗値を用いて、溶融塩の導電率を得た。なお、この方法により、任意温度での溶融塩の導電率を正確に測定することができる。
(3) Method for evaluating conductivity of molten salt The measurement of conductivity is performed by measuring Sato et al. (For example, “Density and Electrical Conductivity of Molten NaF—AlF 3 System”, Joe Sato et al. No. 12 (1977)) and the like. Specifically, a conductivity cell composed of a quartz body and a platinum electrode was fabricated. A KCl aqueous solution or LiCl-KCl molten salt having a known electrical conductivity value was measured in advance by the AC impedance method, and the cell constant of the conductivity cell was determined. Using the conductivity cell for which the cell constant was determined, the resistance value of the molten salt at 500 ° C. was measured. Using the obtained resistance value, the conductivity of the molten salt was obtained. In addition, the electrical conductivity of the molten salt at an arbitrary temperature can be accurately measured by this method.
(4)溶融塩の融点の評価
電解質に用いた溶融塩の融点は、示差走査熱量測定(DSC(Differential Scanning Calorimetry))により求めた。溶融塩試料を、所定の温度まで、所定の昇温速度で、加熱し、次いで、所定の降温速度で、冷却した。試料の昇温時の吸熱ピークの開始温度、および試料の降温時の発熱ピークの開始温度から、溶融塩の融点を求めた。
(4) Evaluation of Melting Point of Molten Salt The melting point of the molten salt used in the electrolyte was determined by differential scanning calorimetry (DSC). The molten salt sample was heated to a predetermined temperature at a predetermined temperature increase rate, and then cooled at a predetermined temperature decrease rate. The melting point of the molten salt was determined from the start temperature of the endothermic peak when the sample was heated and the start temperature of the exothermic peak when the sample was cooled.
(5)素電池の評価方法
熱電池の構成する1つの電池単位である素電池の電池特性を、以下のようにして評価した。
素電池を、温度の制御が可能な2枚の板で、正極および負極が破損しない程度の力で挟み込み、所定の温度まで加熱した。素電池を、前記所定の温度において、電池電圧が1.2Vになるまで放電し、放電容量を求めた。
素電池の加熱温度は、LiCl−KCl溶融塩を含む電解質層を備える従来の熱電池の作動温度である500℃と、低温側の影響を調べるために425℃とした。
素電池を放電するときの電流値は、LiCl−KCl溶融塩を含む電解質層を備える従来の熱電池の500℃における平均的な電流値(0.5A/cm2)よりも高い1.0A/cm2とした。なお、前記電流値は、素電池の単位断面積あたりの電流値である。
(5) Evaluation method of unit cell The battery characteristics of a unit cell, which is one unit of a battery, were evaluated as follows.
The unit cell was sandwiched between two plates capable of controlling the temperature with such a force that the positive electrode and the negative electrode were not damaged, and heated to a predetermined temperature. The unit cell was discharged at the predetermined temperature until the battery voltage reached 1.2 V, and the discharge capacity was determined.
The heating temperature of the unit cell was set to 500 ° C., which is the operating temperature of a conventional thermal cell including an electrolyte layer containing LiCl—KCl molten salt, and 425 ° C. in order to investigate the influence on the low temperature side.
The current value when discharging the unit cell was 1.0 A / higher than the average current value (0.5 A / cm 2 ) at 500 ° C. of the conventional thermal battery including the electrolyte layer containing the LiCl—KCl molten salt. cm 2 . The current value is a current value per unit cross-sectional area of the unit cell.
各素電池の各温度および各放電電流値における放電容量は、各素電池を、500℃において、0.5A/cm2の電流で、電池電圧が1.2Vに低下するまで放電したときの放電容量に対する容量比率(すなわち、各素電池の、500℃、放電電流0.5A/cm2での放電容量値を100%とした相対比率)として求めた。
上記実施例および比較例において、各温度につき、5つの素電池について、放電容量を求め、得られた比率の平均値を、容量比率とした。
The discharge capacity at each temperature and each discharge current value of each unit cell is the discharge when each unit cell is discharged at a current of 0.5 A / cm 2 at 500 ° C. until the battery voltage drops to 1.2 V. It was determined as a capacity ratio to capacity (that is, a relative ratio of each unit cell with a discharge capacity value at 500 ° C. and a discharge current of 0.5 A / cm 2 as 100%).
In the above examples and comparative examples, the discharge capacity was determined for five unit cells for each temperature, and the average value of the obtained ratios was taken as the capacity ratio.
表1に、各溶融塩を構成する塩の種類および組成比を示す。表2に、溶融塩の500℃における粘度、500℃における導電率および融点、電解質層における溶融塩と保持体(MgO)との重量比、電解質層を加圧および加熱したときの厚さの変化率、ならびに425℃での容量比率および500℃での容量比率を示す。 Table 1 shows the types and composition ratios of the salts constituting each molten salt. Table 2 shows the viscosity of the molten salt at 500 ° C., the conductivity and melting point at 500 ° C., the weight ratio of the molten salt to the support (MgO) in the electrolyte layer, and the change in thickness when the electrolyte layer is pressurized and heated. And the capacity ratio at 425 ° C and the capacity ratio at 500 ° C.
上記のように、電解質層には、正極と負極とが接触することによる短絡を防ぐセパレータとしての機能と、イオン伝導体としての機能が要求される。
まず、電解質層のセパレータとしての機能の観点から、電解質層の厚さの変化率を比べると、表2に示されるように、素電池1〜7では、素電池A〜Cと比較して、変形率30%未満で有り、十分なセパレータ機能を有していることが分かる。
As described above, the electrolyte layer is required to have a function as a separator that prevents a short circuit due to contact between the positive electrode and the negative electrode, and a function as an ion conductor.
First, from the viewpoint of the function of the electrolyte layer as a separator, when comparing the rate of change of the thickness of the electrolyte layer, as shown in Table 2, in the unit cells 1 to 7, compared to the unit cells A to C, It can be seen that the deformation rate is less than 30% and the separator function is sufficient.
次に、電解質層のイオン伝導体としての機能を電池特性の観点から比較すると、表2に示されるように、素電池1〜7では、素電池AおよびBと比較して、425℃および500℃の両方において、高い放電電流値1.0A/cm2にも関わらず、90%を超える高い放電性能を有する。つまり、本発明で用いられる電解質層は、イオン伝導体として、十分に機能できることが分かる。 Next, when the function of the electrolyte layer as an ion conductor is compared from the viewpoint of battery characteristics, as shown in Table 2, in the unit cells 1 to 7, compared with the unit cells A and B, 425 ° C. and 500 ° C. At both degrees Celsius, it has a high discharge performance of over 90% despite a high discharge current value of 1.0 A / cm 2 . That is, it can be seen that the electrolyte layer used in the present invention can sufficiently function as an ionic conductor.
これは、次のように考えられる。
実施例で用いられている溶融塩は、表2に示されるように、比較例で用いられている溶融塩と比較して、粘度が低い。粘度が低いため、実施例で用いられている溶融塩は、比較例で用いられている溶融塩と比較して、保持体に浸透しやすい。保持体の内部に吸収される溶融塩の量が多ければ、保持体の外部に存在する溶融塩の量が相対的に低下する。このため、電解質層が溶融塩の融点以上の温度に加熱された場合でも、電解質層の剛性の低下の程度が少ない。よって、熱電池の作動状態における電解質層の厚みの変化率を30%未満とすることにより、信頼性の高い熱電池を提供することができる。
This is considered as follows.
As shown in Table 2, the molten salt used in the examples has a lower viscosity than the molten salt used in the comparative example. Since the viscosity is low, the molten salt used in the examples tends to penetrate into the holding body as compared with the molten salt used in the comparative example. If the amount of molten salt absorbed inside the holding body is large, the amount of molten salt existing outside the holding body is relatively lowered. For this reason, even when the electrolyte layer is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the molten salt, the degree of decrease in rigidity of the electrolyte layer is small. Therefore, a highly reliable thermal battery can be provided by making the rate of change of the thickness of the electrolyte layer in the operating state of the thermal battery less than 30%.
さらに、電解質層において、保持体の外部に存在する溶融塩の量が少なくなると、電解質層のイオン導電体としての機能が低下すると考えられる。しかしながら、実施例のように、従来の溶融塩より導電率が高い溶融塩を用いることにより、保持体の外部に存在する溶融塩の量が従来よりも少ない場合でも、電解質層は、イオン伝導体として十分に機能することができる。よって、この場合には、信頼性が高いとともに、電池特性がさらに向上した熱電池を提供することができる。 Furthermore, in the electrolyte layer, if the amount of the molten salt existing outside the holding body is reduced, it is considered that the function of the electrolyte layer as an ionic conductor is lowered. However, by using a molten salt having higher conductivity than the conventional molten salt as in the examples, the electrolyte layer can be used as an ionic conductor even when the amount of the molten salt existing outside the holding body is smaller than the conventional one. Can function as well. Therefore, in this case, it is possible to provide a thermal battery having high reliability and further improved battery characteristics.
一方、比較例1で用いられている溶融塩は、粘度が高く、溶融した溶融塩の保持体への浸透性に劣ると考えられる。このため、比較例1で用いられている電解質層において、保持体の内部に吸収される溶融塩の量が少なく、保持体の周りに存在する溶融塩の量が相対的に多くなる。保持体の周り(つまり、保持体の外部)に存在する溶融塩の量が増えると、電解質層を、溶融塩の融点以上に加熱したときに、電解質層の剛性が低下する。このような場合、電解質層は、セパレータとしての機能を十分に果たすことができない。
さらに、比較例1で用いた溶融塩は、実施例で用いた溶融塩と比較して、導電性が低く、十分なイオン伝導性を示すことができない。このため、比較例1の素電池の425℃での容量比率は、実施例1〜7の425℃での容量比率と比較して、低下している。
On the other hand, the molten salt used in Comparative Example 1 has a high viscosity and is considered to be inferior in the permeability of the molten salt into the holding body. For this reason, in the electrolyte layer used in Comparative Example 1, the amount of molten salt absorbed inside the holding body is small, and the amount of molten salt present around the holding body is relatively large. When the amount of the molten salt present around the holding body (that is, outside the holding body) increases, the rigidity of the electrolyte layer decreases when the electrolyte layer is heated to the melting point of the molten salt or higher. In such a case, the electrolyte layer cannot sufficiently function as a separator.
Furthermore, the molten salt used in Comparative Example 1 has a lower conductivity than the molten salt used in the Examples, and cannot exhibit sufficient ionic conductivity. For this reason, the capacity ratio at 425 ° C. of the unit cell of Comparative Example 1 is lower than the capacity ratio at 425 ° C. of Examples 1-7.
電解質層に関し、それに含まれる溶融塩の融点も重要な因子である。比較例2で用いられている溶融塩は、融点が438℃である。このため、425℃での容量比率が顕著に低下している。熱電池の作動温度範囲は広いことが好ましいが、比較例2で作製した素電池を用いる場合、熱電池の作動温度範囲を広く取ることが困難である。 Regarding the electrolyte layer, the melting point of the molten salt contained therein is also an important factor. The molten salt used in Comparative Example 2 has a melting point of 438 ° C. For this reason, the capacity ratio at 425 ° C. is significantly reduced. Although it is preferable that the operating temperature range of the thermal battery is wide, when the unit cell produced in Comparative Example 2 is used, it is difficult to take a wide operating temperature range of the thermal battery.
なお、熱電池には、高電流での放電に加え、高電圧が要求される場合が多い。このため、一般的な熱電池は、図1に示すように、素電池と発熱剤とを交互に複数個積層した発電部を備える。熱電池の性能は、素電池の性能に大きく依存する。本発明では、素電池に含まれる電解質層の性能が向上しており、よって、素電池の性能が向上している。従って、本発明により、積層される素電池の数に関係無く、高性能の熱電池を提供することができる。 A thermal battery often requires a high voltage in addition to a discharge at a high current. For this reason, as shown in FIG. 1, a general thermal battery includes a power generation unit in which a plurality of unit cells and heating agents are alternately stacked. The performance of the thermal battery depends greatly on the performance of the unit cell. In the present invention, the performance of the electrolyte layer contained in the unit cell is improved, and thus the unit cell performance is improved. Therefore, according to the present invention, a high-performance thermal battery can be provided regardless of the number of unit cells to be stacked.
なお、上記実施例では、電解質層の形状は径13mmの円板状としたが、電解質層の大きさおよび形状は特に限定されない。電解質層の形状は、例えば、中心部に穴の空いたドーナッツ状、半円状、四角形状であってもよい。 In addition, in the said Example, although the shape of the electrolyte layer was made into the disk shape of diameter 13mm, the magnitude | size and shape of an electrolyte layer are not specifically limited. The shape of the electrolyte layer may be, for example, a donut shape with a hole in the center, a semicircular shape, or a square shape.
本発明によれば、セパレータ機能とイオン伝導の機能を十分に有し、信頼性の面においても、性能の面においても、十分な性能を発揮できる電解質層とそれを用いた熱電池を提供することができる。 According to the present invention, there are provided an electrolyte layer having a sufficient separator function and ion conduction function and capable of exhibiting sufficient performance in terms of reliability and performance, and a thermal battery using the electrolyte layer. be able to.
1 外装ケース
2 点火端子
3 点火栓
4 着火パッド
5 発熱剤
6 導火帯
7 素電池
8 負極リード板
9a、9b 断熱材
10a 正極端子
10b 負極端子
11 電池蓋
12 負極
13 正極
14 電解質
15 負極合剤層
16 集電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (11)
前記電解質層は、溶融塩および前記溶融塩を保持する保持体を含み、かつ溶融塩の融点以上の温度で、10〜20N/cm2の圧力を加えた後の前記電解質層の厚みの変化率が、30%未満であり、
前記溶融塩の融点が、430℃以下である、電解質層。 An electrolyte layer for a thermal battery,
The electrolyte layer includes a molten salt and a holding body for holding the molten salt, and a rate of change in thickness of the electrolyte layer after applying a pressure of 10 to 20 N / cm 2 at a temperature equal to or higher than the melting point of the molten salt. Is less than 30%,
The electrolyte layer whose melting point of the said molten salt is 430 degrees C or less.
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