JP2012018773A - Molten-salt battery and separator pore sealing processing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶融塩を含んでなるセパレータを介して相対向する正極及び負極を備える溶融塩電池及びセパレータの封孔処理方法に関する。 The present invention relates to a molten salt battery including a positive electrode and a negative electrode facing each other through a separator containing a molten salt, and a separator sealing method.
近年、二酸化炭素の排出を伴わずに電力を発生させる手段として、太陽光、風力等の自然エネルギーを利用した発電が促進されている。自然エネルギーによる発電では、発電量が気候、天候等の自然条件に左右されることが多いのに加えて、電力需要に合わせた発電量の調整が難しいため、負荷に対する電力供給の平準化が不可欠となる。発電された電気エネルギーを充電及び放電させて平準化するには、高エネルギー密度・高効率で大容量の蓄電池が必要とされ、このような条件を満たす蓄電池として、電解質に溶融塩を用いた溶融塩電池が着目されている。 In recent years, power generation using natural energy such as sunlight and wind power has been promoted as a means for generating electric power without discharging carbon dioxide. In the case of power generation using natural energy, the amount of power generation is often affected by natural conditions such as climate and weather, and it is difficult to adjust the amount of power generation according to power demand. It becomes. In order to charge and discharge the generated electrical energy and level it, a high-energy density, high-efficiency, large-capacity storage battery is required. As a storage battery that satisfies these conditions, molten salt is used as the electrolyte. Salt batteries are attracting attention.
溶融塩電池は、例えば、ナトリウムの化合物からなる活物質を含む正極と錫等の金属からなる負極との間に、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属のカチオンとフッ素を含むアニオンとからなる溶融塩を含浸させたセパレータを介装させてある。溶融塩電池を充電する場合、充電電流の大きさに応じた量のナトリウムイオンが、正極の活物質からセパレータを介して負極側に移動して負極の金属と合金を形成する。このような金属イオンの移動は、電解メッキの際にも見られ、いわゆるターミナルエフェクト(端部への電界集中)によってメッキの電流が周縁部に集中してメッキされる金属の厚みが不均一になるため、電流分布の均一化が重要となる(例えば特許文献1参照)。 In the molten salt battery, for example, a molten salt made of an alkali metal cation such as sodium or potassium and an anion containing fluorine is provided between a positive electrode containing an active material made of a sodium compound and a negative electrode made of a metal such as tin. An impregnated separator is interposed. When charging a molten salt battery, an amount of sodium ions corresponding to the magnitude of the charging current moves from the active material of the positive electrode to the negative electrode side through the separator to form an alloy with the metal of the negative electrode. This movement of metal ions is also observed during electroplating, and the so-called terminal effect (electric field concentration at the edge) concentrates the plating current on the periphery, resulting in uneven plating metal thickness. Therefore, it is important to make the current distribution uniform (see, for example, Patent Document 1).
さて、イオン化した金属が電極間を移動し、再び金属に還元される場合、イオンマイグレーション現象の一種として、金属からなる樹枝状の結晶(デンドライト:Dendrite )が析出することがある。溶融塩電池では、デンドライトは主に負極の表層で発生し、成長したデンドライトがセパレータの間隙を通過して正極にまで達すると電極間の短絡に至る。このようなデンドライトによる電極間の短絡は、リチウムイオン二次電池でも問題視されており、例えば特許文献2では、デンドライト生成防止剤を電解液に添加してデンドライトの析出を防止する技術が開示されている。
When the ionized metal moves between the electrodes and is reduced again to the metal, dendritic crystals made of metal (Dendrite) may be deposited as a kind of ion migration phenomenon. In the molten salt battery, dendrite is mainly generated in the surface layer of the negative electrode, and when the grown dendrite passes through the gap between the separators and reaches the positive electrode, a short circuit between the electrodes occurs. Such a short circuit between electrodes due to dendrite is also regarded as a problem in lithium ion secondary batteries. For example,
しかしながら、電力の平準化に用いられる蓄電池では、電池容量の全量を数分で充放電するような急速の充放電が行われる時があり、その時にデンドライトが析出する割合は、通常の充放電と比較して桁違いに大きいものとなる。特に負極の周縁部ではターミナルエフェクトによって充電電流が高密度になり易く、充放電を繰り返すうちに負極のデンドライトが成長して電極間が短絡する虞があった。 However, in a storage battery used for power leveling, there is a case where rapid charge / discharge is performed such that the entire amount of battery capacity is charged / discharged in a few minutes. Compared to that, it is an order of magnitude larger. In particular, at the peripheral edge of the negative electrode, the charge current tends to be high due to the terminal effect, and the negative electrode dendrite grows and the electrodes may be short-circuited during repeated charging and discharging.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、負極に析出したデンドライトが成長した場合であっても、電極間の短絡を防止することが可能な溶融塩電池及びセパレータの封孔処理方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is a molten salt battery capable of preventing a short circuit between electrodes even when dendrites deposited on a negative electrode grow. And providing a separator sealing method.
本発明に係る溶融塩電池は、溶融塩を含んでなるセパレータを介して相対向する正極及び負極を備える溶融塩電池において、前記セパレータは、多孔質体であり、周縁部を封孔処理してあることを特徴とする。 The molten salt battery according to the present invention is a molten salt battery including a positive electrode and a negative electrode facing each other through a separator containing a molten salt, wherein the separator is a porous body and has a peripheral edge sealed. It is characterized by being.
本発明にあっては、多孔質体からなり負極に対向するセパレータの周縁部を封孔処理してあるため、ターミナルエフェクトによって負極に発生したデンドライトが、セパレータの間隙を通過するのを阻止する。
正極及び負極が対向する方向と交差する方向について、正極及び負極の大きさより大きいセパレータの周縁部を封孔処理する場合は、前記交差する方向に対して正極、セパレータ及び負極の相互の位置関係にずれが生じた場合であっても、封孔処理が必要とされる範囲が確保される。
In the present invention, since the peripheral portion of the separator made of a porous material and facing the negative electrode is sealed, dendrite generated in the negative electrode by the terminal effect is prevented from passing through the gap of the separator.
When sealing the periphery of the separator that is larger than the size of the positive electrode and the negative electrode in the direction intersecting the direction in which the positive electrode and the negative electrode face each other, the positional relationship between the positive electrode, the separator, and the negative electrode is relative to the intersecting direction. Even if a shift occurs, a range that requires a sealing process is secured.
本発明に係る溶融塩電池は、封孔処理する部分は、前記負極の周縁部に対面する部分であることを特徴とする。 In the molten salt battery according to the present invention, the part to be sealed is a part facing the peripheral edge of the negative electrode.
本発明にあっては、少なくとも、デンドライトが発生し易い負極の周縁部に対面する部分のセパレータを封孔処理することにより、必要最小限の範囲の封孔処理によって、負極の周縁部に発生し易いデンドライトがセパレータの間隙を通過するのを阻止する。 In the present invention, at least a portion of the separator facing the peripheral edge of the negative electrode where dendrite is likely to occur is subjected to a sealing treatment, so that it is generated at the peripheral edge of the negative electrode by a minimum necessary range of sealing treatment. Prevents easy dendrite from passing through the separator gap.
本発明に係る溶融塩電池は、封孔処理する部分は、前記負極の外縁に対応する部位より内側の0.5mm幅〜5mm幅を有する部分であることを特徴とする。 In the molten salt battery according to the present invention, the portion to be sealed is a portion having a width of 0.5 mm to 5 mm inside a portion corresponding to the outer edge of the negative electrode.
本発明にあっては、セパレータに対する負極の外縁の投影位置より内側の0.5mm幅〜5mm幅を有する部分を封孔処理する。この幅が0.5mmより狭い場合は、封孔処理による効果が得られず、5mmより広い場合は、エネルギー密度の低下が無視できない。
これにより、例えば負極の一辺の寸法が100mmの場合、寸法比では1%〜10%、面積比では約2%〜19%に相当する負極の周縁部について、対向するセパレータが封孔処理されるため、負極の周縁部に発生し易いデンドライトが、セパレータの間隙を通過するのを効果的に阻止すると共に、封孔処理によるエネルギー密度の低下が最大でも約19%に抑えられる。
In the present invention, a portion having a width of 0.5 mm to 5 mm inside the projected position of the outer edge of the negative electrode with respect to the separator is sealed. If this width is smaller than 0.5 mm, the effect of the sealing treatment cannot be obtained, and if it is larger than 5 mm, the decrease in energy density cannot be ignored.
Thus, for example, when the dimension of one side of the negative electrode is 100 mm, the opposing separator is sealed with respect to the peripheral edge of the negative electrode corresponding to 1% to 10% in the dimension ratio and about 2% to 19% in the area ratio. Therefore, the dendrite that is likely to be generated at the peripheral edge of the negative electrode is effectively prevented from passing through the gap between the separators, and the reduction in energy density due to the sealing treatment is suppressed to about 19% at the maximum.
本発明に係る溶融塩電池は、封孔処理する部分は、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)の溶解液を塗布して乾燥させることにより、封孔処理してあることを特徴とする。 The molten salt battery according to the present invention is characterized in that the portion to be sealed is sealed by applying a solution of polyvinylidene fluoride (PVdF) and drying.
本発明にあっては、セパレータの封孔処理する部分に、PVdFを溶媒に溶解させた溶解液を塗布し、溶媒を揮発させてPVdFを固化させることにより、PVdFをセパレータに付着させる。
これにより、融点が高く耐薬品性に富むPVdFの粒子によってセパレータが封孔される。
In the present invention, a solution obtained by dissolving PVdF in a solvent is applied to a portion of the separator to be sealed, and the PVdF is adhered to the separator by volatilizing the solvent and solidifying the PVdF.
As a result, the separator is sealed with PVdF particles having a high melting point and high chemical resistance.
本発明に係る溶融塩電池は、封孔処理する部分は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水分散体を塗布して乾燥させることにより、封孔処理してあることを特徴とする。 The molten salt battery according to the present invention is characterized in that the portion to be sealed is sealed by applying an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) and drying.
本発明にあっては、セパレータの封孔処理する部分に、PTFE(四フッ化エチレン)のディスパージョンを塗布して乾燥させることにより、PTFEの微粒子をセパレータに付着させる。
これにより、融点が高く耐薬品性に富むPTFEの微粒子によってセパレータが封孔処理される。
In the present invention, a PTFE fine particle is adhered to the separator by applying a PTFE (tetrafluoroethylene) dispersion to a portion of the separator to be sealed and drying.
Thus, the separator is sealed with PTFE fine particles having a high melting point and high chemical resistance.
本発明に係る溶融塩電池は、封孔処理する部分は、ホットメルト材料によって封孔処理してあることを特徴とする。 The molten salt battery according to the present invention is characterized in that the portion to be sealed is sealed with a hot melt material.
本発明にあっては、セパレータの封孔処理する部分に、アプリケータ(メルター)内で加熱溶融させたホットメルト材料を塗布して自然冷却させることにより、セパレータの間隙にホットメルト材料を充填する。
これにより、乾燥が不要なホットメルトによって短時間のうちにセパレータが封孔処理される。
In the present invention, a hot melt material heated and melted in an applicator (melter) is applied to a portion of the separator that is to be sealed, and is naturally cooled, thereby filling the gap between the separators with the hot melt material. .
Thereby, the separator is sealed in a short time by hot melt that does not require drying.
本発明に係る溶融塩電池は、封孔処理は、気孔率が30%より小さくなるようにしてあることを特徴とする。 The molten salt battery according to the present invention is characterized in that the porosity treatment is such that the porosity is less than 30%.
本発明にあっては、通常50〜70%程度とされるセパレータの気孔率を、封孔処理により少なくとも30%にまで低下させるため、セパレータの間隙をデンドライトが通過するのを効果的に阻止する。後述するように、気孔率が30%より大きいと、デンドライトの通過を阻止する効果が不十分である。 In the present invention, the porosity of the separator, which is usually about 50 to 70%, is reduced to at least 30% by the sealing treatment, so that the dendrite is effectively prevented from passing through the gap of the separator. . As will be described later, when the porosity is higher than 30%, the effect of preventing the passage of dendrites is insufficient.
本発明に係る溶融塩電池は、前記セパレータは、袋状に形成してあり、前記正極(又は負極)を収容してあることを特徴とする。 The molten salt battery according to the present invention is characterized in that the separator is formed in a bag shape and houses the positive electrode (or negative electrode).
本発明にあっては、袋状のセパレータに正極又は負極を収容してある。
これにより、セパレータに正極を収容した場合は、正極から脱落した活物質が電池容器内に散逸することが防止される。また、正極及び負極の何れをセパレータに収容した場合であっても、セパレータ、正極及び負極の相互の位置関係に関わらず、正極及び負極が確実に分離されて短絡が防止される。
In this invention, the positive electrode or the negative electrode is accommodated in the bag-shaped separator.
Thereby, when a positive electrode is accommodated in a separator, it is prevented that the active material which fell from the positive electrode dissipates in a battery container. Moreover, even if it is a case where any of a positive electrode and a negative electrode is accommodated in a separator, regardless of the mutual positional relationship of a separator, a positive electrode, and a negative electrode, a positive electrode and a negative electrode are reliably isolate | separated and a short circuit is prevented.
本発明に係る溶融塩電池は、前記セパレータは、ヒートシールが可能な材料からなり、開口部となるべき部分を除く周縁部をヒートシールして袋状に形成してあることを特徴とする。 The molten salt battery according to the present invention is characterized in that the separator is made of a heat-sealable material and is formed in a bag shape by heat-sealing a peripheral portion excluding a portion to be an opening.
本発明にあっては、2枚のシートを重ね合わせ、セパレータの開口部となるべき部分を除く周縁部同士をヒートシールすることによって袋状に形成するため、シート状の材料だけで、袋状のセパレータが容易に形成される。 In the present invention, the two sheets are overlapped and formed into a bag shape by heat-sealing the peripheral portions excluding the portion to be the opening of the separator. The separator is easily formed.
本発明に係る溶融塩電池は、前記セパレータは、フッ素樹脂膜からなり、開口部となるべき部分を除く周縁部にフッ素樹脂より融点が低い樹脂からなるシートを挟持してヒートシールすることにより、袋状に形成してあることを特徴とする。 In the molten salt battery according to the present invention, the separator is made of a fluororesin film, and a sheet made of a resin having a melting point lower than that of the fluororesin is sandwiched and heat-sealed at a peripheral portion excluding a portion to be an opening, It is formed in a bag shape.
本発明にあっては、2枚のシートを重ねるときに、セパレータの開口部となるべき部分を除く周縁部に低融点のシートを挟み、セパレータと共にヒートシールすることによって袋状に形成するため、シート状の材料だけで、袋状のセパレータが容易に形成される。 In the present invention, when two sheets are stacked, a sheet having a low melting point is sandwiched between the peripheral portions excluding the portion to be the opening of the separator, and heat sealed together with the separator to form a bag shape. A bag-like separator can be easily formed with only a sheet-like material.
本発明に係るセパレータの封孔処理方法は、前述の溶融塩電池を構成するセパレータを封孔処理する方法であって、前記セパレータの封孔処理する部分に、N−メチル−2−ピロリドンに溶解させたポリフッ化ビニリデン(PVdF)の溶解液を塗布する工程と、前記溶解液を乾燥させる工程とを含むことを特徴とする。 The separator sealing method according to the present invention is a method for sealing the separator constituting the molten salt battery described above, and is dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone in the portion of the separator to be sealed. The method includes a step of applying a dissolved solution of polyvinylidene fluoride (PVdF), and a step of drying the solution.
本発明にあっては、セパレータの封孔処理する部分に、N−メチル−2−ピロリドンに溶解させたPVdFの溶解液を塗布し、例えば120〜150℃の温度に加熱して溶媒を揮発させ、PVdFを固化(結晶化を含む)させてセパレータに付着させる。
これにより、融点が高く耐薬品性に富むPVdFによってセパレータが封孔処理される。
In the present invention, a solution of PVdF dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone is applied to the part of the separator to be sealed, and the solvent is volatilized by heating to a temperature of 120 to 150 ° C., for example. , PVdF is solidified (including crystallization) and attached to the separator.
Thereby, the separator is sealed with PVdF having a high melting point and high chemical resistance.
本発明によれば、多孔質体からなり負極に対向するセパレータの周縁部を封孔処理してあるため、ターミナルエフェクトによって負極に発生したデンドライトが、セパレータの間隙を通過するのを阻止する。
従って、負極におけるデンドライトが成長した場合であっても、電極間の短絡を防止することが可能となる。
According to the present invention, since the peripheral portion of the separator made of a porous material and facing the negative electrode is sealed, dendrite generated in the negative electrode by the terminal effect is prevented from passing through the gap of the separator.
Therefore, even when dendrite in the negative electrode grows, it is possible to prevent a short circuit between the electrodes.
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る溶融塩電池を模式的に示す縦断面図である。図中200は電池容器であり、電池容器200は、アルミニウム(以下、単にアルミという)からなり、中空の略直方体の一側面が開放された容器本体6と、フェノール樹脂からなり、容器本体6の一側面を封止する蓋体7とを備える。容器本体6の開放された開口の周縁部は、耐熱性の接着剤からなる接着剤層201を介して蓋体7の周縁部と衝合されており、容器本体6及び蓋体7は、接着剤層201の接着剤によって接合されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings illustrating embodiments thereof.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a molten salt battery according to
電池容器200内には、矩形平板状の正極1及び負極2間に多孔質のガラスクロス又はフッ素樹脂からなるセパレータ3を介装させた発電要素100が、正極1を下方に向けて収容されている。負極2の蓋体7側の端部には、負極端子21が、蓋体7を貫通して外側に一部が突出するように取着されている。正極1、セパレータ3及び負極2の夫々は、図示しない移動防止部材によって横方向への移動が抑制されている。これにより、正極1、セパレータ3及び負極2は、相互の位置関係が一定に保たれている。
In the
容器本体6の天壁61と負極2との間には、波板状のステンレス鋼(例えばSUS304)からなるバネ4が配されている。バネ4は、ゴム等の弾性体であってもよい。バネ4は、ステンレス鋼又はアルミ合金からなる平板状の押え板5を下方に付勢しており、付勢された押え板5がマイカからなる絶縁シート51を介して負極2を下方に略均等に押圧する。そして、その反作用で、正極1が容器本体6の底壁62の上面から上方に略均等に押圧されるようになっている。
A
正極1は、アルミからなる不織布に、バインダ(結着剤)と導電助剤と正極活物質であるNaCrO2 とを含む合剤(スラリー)を充填して形成してある。正極活物質はNaCrO2 に限定されない。負極2は、負極活物質である錫がメッキされたアルミ箔からなる。正極1及びセパレータ3には電解質を含浸させてあり、本実施の形態1では、電解質としてFSI(ビスフルオロスルフォニルイミド)又はTFSI(ビストリフルオロメチルスルフォニルイミド)系アニオンと、ナトリウム及び/又はカリウムのカチオンとからなる溶融塩を用いる。
The
負極2は、絶縁シート51及びセパレータ3によって容器本体6から電気的に絶縁されているが、正極1は容器本体6の底壁62と当接しており、正極1と容器本体6とは電気的に導通している。従って、容器本体6及び負極端子21間で充電及び放電が行われる。尚、図1では、発電要素100、バネ4、押え板5、及び絶縁シート51が、互いに隙間を隔てて電池容器200内に収容されているかの如く示されているが、実際には、これらが上下方向に隙間なく接するように収容されている。発電要素100内においても同様に、正極1、セパレータ3、及び負極2が隙間なく接している。
The
上述した構成において、図示しない外部の加熱手段により、電池容器200全体が85℃〜95℃に加熱されることにより、溶融塩が融解して充電及び放電が可能となる。充放電に伴って発電要素100が上下方向に伸縮した場合であっても、負極2から絶縁シート51を介して押え板5に伝達される上下方向の変位が、バネ4の上下方向の伸縮によって吸収されるため、正極1及び負極2に対する押圧力が略一定に保持される。
In the above-described configuration, the
溶融塩電池が充電される場合は、ターミナルエフェクトによって負極2の周縁部に充電電流が集中し、デンドライトが析出し易くなる。一方、セパレータ3は、溶融塩を含浸すべく少なくとも40%、通常は50〜70%以上の気孔率が確保されており、この程度の気孔率ではデンドライトの通過を阻止するに足りるほど小さいとは言えない。そこで、本実施の形態1では、負極2の周縁部に対面するセパレータ3の部分から外側(図1に示す細かい斜線部)を封孔処理してある。これにより、負極2の周縁部に析出するデンドライトがセパレータ3の間隙を通過することが阻止される。
When the molten salt battery is charged, the charging current concentrates on the peripheral edge of the
次に、正極サイズ及び負極サイズが異なる場合にセパレータ3で封孔処理すべき範囲について説明する。
図2は、セパレータ3の封孔処理される部分を説明するための説明図である。負極2に対する正極1の投影寸法が正極サイズであり、正極1に対する負極2の投影寸法が負極サイズである。図2Aに示すように負極サイズより正極サイズが大きい場合、正極1からの充電電流は、負極2の外縁部を含む周縁部に集中し易いため、セパレータ3において封孔処理すべき封孔部分32は、負極2の周縁部に対面する部分、即ち、セパレータ3に対する負極2の外縁の投影位置より内側の所定幅の領域となる。セパレータ3の封孔部分32より外側の周縁部31は、封孔処理する効果が小さいが、封孔部分32と共に封孔処理してもよい。特に、正極1、セパレータ3及び負極2の相互の位置関係を一定に保つことが困難な場合は、セパレータ3の周縁部31のうち、封孔部分32と隣接する一部又は全部を封孔処理することが好ましい。
Next, the range to be sealed with the
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a portion of the
図2Bに示すように正極サイズより負極サイズが大きい場合、正極1の外縁に対応する負極2の位置周辺には充電電流が集中し難くなる。このため、セパレータ3において封孔処理すべき封孔部分32は、負極2の狭小な周縁部に対面する部分、即ち、セパレータ3に対する負極2の外縁の投影位置より内側の狭小幅(図2Aの場合の所定幅より狭い幅)の領域とすれば十分である。また、図2Aの場合と同様に、正極1、セパレータ3及び負極2の相互の位置関係を一定に保つことが困難な場合は、セパレータ3の周縁部31のうち、封孔部分32と隣接する一部又は全部を封孔処理することが好ましい。
When the negative electrode size is larger than the positive electrode size as shown in FIG. 2B, it is difficult to concentrate the charging current around the position of the
次に、セパレータ3において封孔処理すべき封孔部分32の幅について説明する。
図3は、電極サイズの差分と電池寿命との関係を示す図表である。正極1の活物質はNaCrO2 であり、電解質はFSIとナトリウム及びカリウムとからなる溶融塩である。また、負極2は錫メッキされたアルミである。正極1及び負極2は、略100mm角の矩形をなしている。この溶融塩電池を100℃に加熱し、1Cの充放電レートで3.5Vまで充電して2Vまで放電させるサイクルを繰り返し、充放電の容量が初期の定格容量の80%に低下するまでのサイクル数を充放電サイクル寿命(回)として測定した。ここで、「C」は放電時間率を表す。1Cとは、溶融塩電池の定格容量(Ah)に相当する電気量を1時間で供給し得る電流値(A)を意味する。
Next, the width of the sealing
FIG. 3 is a chart showing the relationship between the difference in electrode size and the battery life. The active material of the
図3に示すように、負極サイズ−正極サイズの値が0mmの場合の充放電サイクル寿命が450回であるのに対し、負極サイズ−正極サイズの値を1mm及び30mmにした場合の充放電サイクル寿命は、夫々730回及び3600回にまで増加した。上記の差分値を0mmから1mm増加させるだけで、充放電サイクル寿命が1.6倍以上に延びるという結果が特筆される。負極2に析出するデンドライトの量は、溶融塩電池の充放電サイクル寿命を決定付ける主要なパラメータの1つと考えられている。負極サイズ−正極サイズの値を増大させることにより、充放電サイクル寿命が延びるのは、それだけデンドライトの析出が抑制されている結果といえる。
As shown in FIG. 3, the charge / discharge cycle life when the negative electrode size-positive electrode size value is 0 mm is 450 times, while the charge / discharge cycle when the negative electrode size-positive electrode size value is 1 mm and 30 mm. Lifespan increased to 730 and 3600 times, respectively. A special note is that the charge / discharge cycle life is extended 1.6 times or more simply by increasing the difference value from 0 mm to 1 mm. The amount of dendrite deposited on the
さて、負極サイズを正極サイズより大きくしたときにデンドライトの析出を抑制する効果は、負極サイズ−正極サイズの値だけ負極サイズの周縁部を封孔したときにデンドライトがセパレータ3を通過するのを阻止する効果と類似していると考えることができる。つまり所定部分にデンドライトが析出し難いようにしたときの効果から、前記部分に析出したデンドライトの影響を回避したときの効果を類推する。このように考えた場合、図3の結果より、100mm角の負極2において、周縁部の0.5mm幅(負極サイズ−正極サイズの値の半分)の部分を封孔処理することにより、充放電サイクル寿命が1.6倍以上に延びることが類推される。このことは、別の実験結果からも裏付けられている。
The effect of suppressing dendrite precipitation when the negative electrode size is made larger than the positive electrode size is to prevent the dendrite from passing through the
セパレータ3におけるデンドライトの通過を阻止する効果は、上述した負極サイズ−正極サイズの値が大きいほど高くなるが、この値を5mmまで大きくした場合、負極2において封孔処理される部分の面積が負極2全体の面積の19%にもなる。その結果、負極2において電池として機能し難い部分の割合が19%となり、その分だけ溶融塩電池としてのエネルギー密度が低下するので、負極2において封孔処理する周縁部の幅は、5mmを限度とする。本実施の形態1では、この幅を2mmとしているため、エネルギー密度の低下は約7.8%以下に抑えられる。
The effect of blocking the passage of dendrites in the
次に、封孔処理する部分の気孔率に応じて充放電サイクル寿命が変化する様子を説明する。
図4は、封孔処理する部分と電池寿命との関係を示す図表である。負極2の周縁部において封孔処理する部分の幅は、片端5mmずつとした。その他の測定の条件は図3の場合と同様である。ここでも100℃に加熱した溶融塩電池を1Cの充放電レートで3.5Vまで充電して2Vまで放電させるサイクルを繰り返し、充放電の容量が初期の定格容量の80%に低下するまでのサイクル数を充放電サイクル寿命(回)として測定した。
Next, how the charge / discharge cycle life changes according to the porosity of the portion to be sealed will be described.
FIG. 4 is a chart showing the relationship between the part to be sealed and the battery life. The width of the portion to be sealed at the peripheral edge of the
封孔処理する部分の気孔率は、90%、70%、50%、30%及び10%以下の5種類について測定した。気孔率が50%の場合の充放電サイクル寿命が450〜500回であるのに対し、気孔率を70%及び90%に上げた場合の充放電サイクル寿命は、夫々250〜300回及び100〜150回に低下した。気孔率を30%及び10%以下にした場合の充放電サイクル寿命は、夫々1000〜1200回及び3600〜3800回にまで増加した。セパレータ3の気孔率は、通常50〜70%程度であり、このときの充放電サイクル寿命を2〜4倍以上に延ばすためには、封孔処理する部分の気孔率を30%以下にすることが好ましいといえる。
The porosity of the part to be sealed was measured for five types of 90%, 70%, 50%, 30%, and 10% or less. The charge / discharge cycle life when the porosity is 50% is 450 to 500 times, whereas the charge / discharge cycle life when the porosity is increased to 70% and 90% is 250 to 300 times and 100 to 100%, respectively. Reduced to 150 times. The charge / discharge cycle life when the porosity was 30% and 10% or less increased to 1000 to 1200 times and 3600 to 3800 times, respectively. The porosity of the
以下では、いくつかの封孔処理方法について説明する。
図5は、セパレータ3の一部分を模式的に示す平面図である。セパレータ3は、セパレータ3の形状を安定させるための多孔質基材33と、セパレータ3の一部を封孔するための封孔部34とを備えている。多孔質基材33は、例えば気孔率60%、且つ厚さ25μmの矩形状のガラス織布を用いてなる。
Below, some sealing processing methods are demonstrated.
FIG. 5 is a plan view schematically showing a part of the
多孔質基材33には多数のガラス繊維331,331,…が含まれており、ガラス繊維331,331,…間にはナトリウムイオンが容易に通過可能な間隙(以下、孔という)が適度に存在する。このような多孔質基材33の孔径は、正極活物質の粒径よりも1桁小さい0.05μm〜50μmである。多孔質基材33は、ガラス織布に限定されず、ガラス不織布でもよい。また、適切な耐熱性及び強度を有しているのであれば、ガラスを用いてなる織布又は不織布に限定されず、合成樹脂(例えばフッ素樹脂)を用いてなる織布又は不織布でもよい。
The
封孔部34は、多数個の粒状体341,341,…を用いてなり、粒状体341,341,…は、多孔質基材33のガラス繊維331,331,…に付着している。多孔質基材33自体の気孔率は例えば60%であるが、粒状体341,341,…を付着させることによって、セパレータ3の気孔率を30%以下とする。粒状体341,341,…は、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)の結晶、又はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の粒子からなる。以下では、先ずPVdFを用いてなる封孔部32を例示する。
The sealing
以上のような封孔部34を形成する場合、作業者は、まず、N−メチル−2−ピロリドンを溶媒としてPVdFを溶解させ、次に、PVdFが溶解している溶解液を、多孔質基材33の封孔処理すべき部分に塗布する。続いて、作業者は、溶解液が塗布された多孔質基材33を120〜150℃の温度に加熱して溶媒を揮発させ、PVdFを固化(結晶化)させる。この結果、多孔質基材33にPVdFの結晶からなる粒状体341,341,…が残留してガラス繊維331,331,…に付着する。
When forming the sealing
封孔部34は、また、PTFEの水分散体(ディスパージョン)を用いて形成することができる。PTFEの水分散体は、PTFEの微粒子を水に分散させた乳白色の液体であり、微粒子の粒径は0.2〜0.25μmである。作業者は、多孔質基材33の封孔処理すべき部分にPTFEの水分散体を塗布した後に多孔質基材33を乾燥させる。この結果、多孔質基材33にPTFEの微粒子からなる粒状体341,341,…が残留してガラス繊維331,331,…に付着する。
尚、封孔部34の形成手法は、粒状体341,341,…を付着させる方法に限定されるものではない。例えば、作業者は、アプリケータ(メルター)内で加熱溶融させたホットメルト材料を塗布して自然冷却させることにより、セパレータ3の間隙にホットメルト材料を充填してもよい。
The sealing
In addition, the formation method of the sealing
以上のように本実施の形態1によれば、多孔質のガラスクロス又はフッ素樹脂からなり負極に対向するセパレータの周縁部を封孔処理してあるため、ターミナルエフェクトによって負極に発生したデンドライトが、セパレータの間隙を通過するのを阻止する。更に、負極の外縁部より外側まで封孔処理してあるため、正極、セパレータ及び負極の相互の位置関係にずれが生じた場合であっても、封孔処理が必要とされる範囲が確保される。
従って、負極に析出したデンドライトが成長した場合であっても、電極間の短絡を防止することが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, since the peripheral edge of the separator made of porous glass cloth or fluororesin is opposed to the negative electrode, the dendrite generated in the negative electrode by the terminal effect is Blocking the separator gap. Furthermore, since the sealing process is performed from the outer edge portion of the negative electrode to the outside, even if the positional relationship among the positive electrode, the separator, and the negative electrode is deviated, a range in which the sealing process is required is ensured. The
Therefore, even when dendrites deposited on the negative electrode grow, it is possible to prevent a short circuit between the electrodes.
また、少なくとも負極の周縁部に対面する部分のセパレータを封孔処理してあるため、必要最小限の範囲の封孔処理が確保されており、負極の周縁部に発生し易いデンドライトがセパレータの間隙を通過するのを阻止することが可能となる。 In addition, since the separator in at least the portion facing the peripheral edge of the negative electrode is sealed, the minimum necessary range of sealing treatment is ensured, and dendrites that are likely to occur in the peripheral edge of the negative electrode Can be prevented from passing through.
更にまた、セパレータに対する負極の外縁の投影位置より内側の0.5mm幅〜5mm幅を有する部分を封孔処理する。
従って、負極の周縁部に発生し易いデンドライトが、セパレータの間隙を通過するのを効果的に阻止すると共に、封孔処理によるエネルギー密度の低下が最大でも約19%に抑えられる。
Furthermore, a portion having a width of 0.5 mm to 5 mm inside the projected position of the outer edge of the negative electrode with respect to the separator is sealed.
Therefore, the dendrite that is likely to be generated at the peripheral edge of the negative electrode is effectively prevented from passing through the gap between the separators, and the reduction in energy density due to the sealing treatment is suppressed to about 19% at the maximum.
更にまた、セパレータの封孔処理する部分に、PVdFをN−メチル−2−ピロリドンに溶解させた溶解液を塗布し、N−メチル−2−ピロリドンを揮発させてPVdFを固化させることにより、PVdFをセパレータに付着させる。
従って、融点が高く耐薬品性に富むPVdFの粒子によってセパレータを封孔処理することが可能となる。
Furthermore, a solution obtained by dissolving PVdF in N-methyl-2-pyrrolidone is applied to the part of the separator to be sealed, and the PVdF is solidified by volatilizing N-methyl-2-pyrrolidone. Is attached to the separator.
Therefore, the separator can be sealed with PVdF particles having a high melting point and high chemical resistance.
更にまた、セパレータの封孔処理する部分に、PTFEのディスパージョンを塗布して乾燥させることにより、PTFEの微粒子をセパレータに付着させる。
従って、融点が高く耐薬品性に富むPTFEの微粒子によってセパレータを封孔処理することが可能となる。
Furthermore, a PTFE dispersion is applied to a portion of the separator that is to be sealed, and then dried to adhere PTFE fine particles to the separator.
Accordingly, the separator can be sealed with PTFE fine particles having a high melting point and high chemical resistance.
更にまた、セパレータの封孔処理する部分に、アプリケータ(メルター)内で加熱溶融させたホットメルト材料を塗布して自然冷却させることにより、セパレータの間隙にホットメルト材料を充填してもよい。
この場合は、乾燥が不要なホットメルトによって短時間のうちにセパレータを封孔処理することが可能となる。
Furthermore, the hot-melt material may be filled in the gaps of the separator by applying a hot-melt material heated and melted in an applicator (melter) to the part of the separator to be sealed and naturally cooling.
In this case, the separator can be sealed in a short time by hot melt that does not require drying.
更にまた、封孔処理により、通常50〜70%程度とされるセパレータの気孔率を少なくとも30%にまで低下させるため、セパレータの間隙におけるデンドライトの通過を効果的に阻止することが可能となる。 Furthermore, since the porosity of the separator, which is normally about 50 to 70%, is reduced to at least 30% by the sealing treatment, it is possible to effectively prevent the passage of dendrites in the gaps between the separators.
(実施の形態2)
実施の形態1が、平板状に形成したセパレータ3を介して正極1及び負極2を対向させてなる発電要素100を電池容器200内に平置きする形態であるのに対し、実施の形態2は、袋状に形成したセパレータ3に収容された正極1を負極2と対向させて電池容器200内に縦置きする形態である。
図6は、本発明の実施の形態2に係る溶融塩電池を模式的に示す縦断面図である。溶融塩電池は、実施の形態1と同様に、正極1、負極2、セパレータ3、絶縁シート51、押え板5、バネ4、負極端子21、容器本体6、接着剤層201及び蓋体7を含んでなる。正極1、負極2、絶縁シート51、押え板5、バネ4、負極端子21、蓋体7、接着剤層201及び容器本体6の構成は、実施の形態1と同様である。
(Embodiment 2)
While the first embodiment is a mode in which the
FIG. 6 is a longitudinal sectional view schematically showing a molten salt battery according to
セパレータ3は、溶融塩電池が動作する温度で溶融塩に対する耐性を有するポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)等の樹脂からなり、多孔質に且つ袋状をなすように形成されている。上面に開口を有する電池容器200内には、セパレータ3に包まれた正極1と負極2とを対向させた発電要素100が、縦置きに収容されている。正極1及び負極2は、電池容器200から絶縁されている。電池容器200内には電解液(溶融塩)8が満たされており、正極1及び負極2が、上端部まで電解液8の液面下に隠れるように浸漬されている。負極2の周縁部に対面するセパレータ3の部分から外側(図6に示すセパレータ3の上側の細かい斜線部)を封孔処理してある。
The
正極1及び負極2の蓋体7側の上端部には、夫々正極端子11,12及び負極端子21が、蓋体7を貫通して外側に一部が突出するように取着されている。正極1及び負極2の夫々は、図示しない保持部材によって上下方向への移動が抑制されている。バネ4は、押え板5を一側方に付勢しており、付勢された押え板5がマイカからなる絶縁シート51を介して負極2を一側方に略均等に押圧する。そして、その反作用で、正極1が容器本体6の側壁63の内面から他側方に略均等に押圧されるようになっている。
図7は、袋状に形成されたセパレータ3を模式的に示す説明図である。図7Aでは、正極1を収容する前のセパレータ3を示し、図7Bでは、正極1が収容された後のセパレータ3を示す。セパレータ3は、PP、PE等の熱可塑性を有する樹脂からなる2枚のシートを重ね合わせ、開口部となるべき部分を除く周縁部30同士を溶着(ヒートシール)することによって形成される。ヒートシールされた周縁部30に隣接する領域及び開口部の縁部は、所定幅だけ封孔処理が施された封孔部分32となっている。封孔部分32を封孔処理する方法は、実施の形態1と同様である。
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing the
セパレータ3を構成するシートがフッ素樹脂等からなり、そのままではヒートシールができない場合は、2枚のシートを重ね合わせるときに、開口部となるべき部分を除く周縁部30に、フッ素樹脂より融点が低いPP、PE等の樹脂からなるシートを挟持して2枚のシートと共にヒートシールすればよい。
When the sheet constituting the
このようにして袋状に形成し、封孔部分32に封孔処理が施されたセパレータ3には、開口部より正極1が収容される。正極1は、セパレータ3の開口部側に位置する端部の両側に正極端子11,12を備えている。袋状のセパレータ3に正極1が収容された状態において、正極1の周縁部には、封孔部分32が重なるようになっている。正極1がセパレータ3に収容されることにより、正極1から脱落した活物質が、電極間の短絡を引き起こすことが防止される。
尚、袋状のセパレータ3には、負極2を収容するようにしてもよい。
Thus, the
The bag-
その他、実施の形態1に対応する箇所には同様の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the location corresponding to
以上のように本実施の形態2によれば、袋状のセパレータに正極又は負極を収容する。
従って、セパレータに正極を収容した場合は、正極から脱落した活物質が電池容器内に散逸することが防止される。また、正極及び負極の何れをセパレータに収容した場合であっても、セパレータ、正極及び負極の相互の位置関係に関わらず、正極及び負極を確実に分離して短絡を防止することが可能となる。
As described above, according to the second embodiment, the positive electrode or the negative electrode is accommodated in the bag-shaped separator.
Therefore, when the positive electrode is accommodated in the separator, the active material dropped from the positive electrode is prevented from being dissipated in the battery container. Moreover, regardless of the positional relationship between the separator, the positive electrode, and the negative electrode, it is possible to reliably separate the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit regardless of whether the positive electrode or the negative electrode is accommodated in the separator. .
また、PP、PE等の熱可塑性を有する樹脂からなる2枚のシートを重ね合わせ、セパレータの開口部となるべき部分を除く周縁部同士をヒートシールすることによって袋状に形成するため、シート状の材料だけで、袋状のセパレータを容易に形成することができる。 In addition, two sheets made of thermoplastic resin such as PP and PE are overlapped, and the peripheral portions excluding the portion to be the opening of the separator are heat sealed to form a bag shape. A bag-like separator can be easily formed using only this material.
更にまた、2枚のシートを重ねるときに、セパレータの開口部となるべき部分を除く周縁部に、PP、PE等のフッ素樹脂より融点が低い樹脂からなるシートを挟み、セパレータと共にヒートシールすることによって袋状に形成するため、シート状の材料だけで、袋状のセパレータを容易に形成することができる。 Furthermore, when two sheets are stacked, a sheet made of a resin having a melting point lower than that of a fluororesin such as PP or PE is sandwiched between the peripheral portions excluding a portion to be an opening of the separator, and heat sealed together with the separator. Therefore, a bag-like separator can be easily formed using only a sheet-like material.
今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the meanings described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
100 発電要素
200 電池容器
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 バネ
5 押え板
6 容器本体
7 蓋体
8 電解液(溶融塩)
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記セパレータは、多孔質体であり、周縁部を封孔処理してあることを特徴とする溶融塩電池。 In a molten salt battery comprising a positive electrode and a negative electrode facing each other via a separator comprising a molten salt,
The separator is a porous body, and a peripheral portion is sealed, and the molten salt battery is characterized in that:
前記セパレータの封孔処理する部分に、N−メチル−2−ピロリドンに溶解させたポリフッ化ビニリデン(PVdF)の溶解液を塗布する工程と、
前記溶解液を乾燥させる工程と
を含むことを特徴とするセパレータの封孔処理方法。 A method for sealing a separator constituting the molten salt battery according to claim 4,
Applying a solution of polyvinylidene fluoride (PVdF) dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone to the separator to be sealed;
And a step of drying the solution.
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