JP6874806B2 - Aqueous solution-based secondary battery and aqueous solution-based secondary battery system - Google Patents
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Description
本発明は、水溶液系二次電池および水溶液系二次電池システムに関する。 The present invention relates to an aqueous solution-based secondary battery and an aqueous solution-based secondary battery system.
近年、情報通信インフラはライフラインの一種と考えられるようになり、安定した情報通信技術は現代社会の根幹を支えている。このため、情報通信機器は停電時にも動作することが求められている。特に、昨今、地震、大雨、落雷などの自然災害による停電のリスクに対する危機感が高まっている。このような背景のもと、停電時のバックアップ電源となる蓄電装置への需要が高まっており、特に、取扱い性に優れた蓄電装置への需要が高まっている。さらには、情報通信機器を多く備えるデータセンタなどの施設では、大量の電力が消費される。そのため、バックアップ電源として、取扱い性に優れるとともに高出力での放電が可能な蓄電装置が求められている。 In recent years, information and communication infrastructure has come to be considered as a kind of lifeline, and stable information and communication technology supports the foundation of modern society. For this reason, information and communication equipment is required to operate even during a power outage. In particular, in recent years, there is a growing sense of crisis about the risk of power outages due to natural disasters such as earthquakes, heavy rains, and lightning strikes. Against this background, there is an increasing demand for power storage devices that serve as backup power sources in the event of a power outage, and in particular, there is an increasing demand for power storage devices that are easy to handle. Furthermore, facilities such as data centers equipped with many information and communication devices consume a large amount of electric power. Therefore, as a backup power source, there is a demand for a power storage device that is easy to handle and can discharge at a high output.
蓄電装置として、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、アルカリ蓄電池(アルカリ水溶液系二次電池)などが知られている。鉛蓄電池は、100年以上の歴史に裏打ちされた高い信頼性があり、単位蓄電容量当たりのコストが低いため、バックアップ用に限らず移動体用などの幅広い用途に用いられている。リチウムイオン二次電池は高エネルギ密度、高出力密度であるため、モバイル機器、移動体などの電源に広く用いられている。アルカリ蓄電池は、アルカリ水溶液を電解液として用いるため、出力特性に優れるとともに取扱い性に優れる。そのため、アルカリ蓄電池は、モバイル機器、移動体などの電源として用いられている。 As a power storage device, a lead storage battery, a lithium ion secondary battery, an alkaline storage battery (alkaline aqueous solution type secondary battery) and the like are known. Lead-acid batteries have high reliability backed by a history of more than 100 years and have a low cost per unit storage capacity, so they are used in a wide range of applications such as mobile devices as well as backup batteries. Lithium-ion secondary batteries have high energy density and high output density, and are therefore widely used as power sources for mobile devices and mobile devices. Since the alkaline storage battery uses an alkaline aqueous solution as an electrolytic solution, it has excellent output characteristics and is easy to handle. Therefore, alkaline storage batteries are used as a power source for mobile devices, mobile devices, and the like.
一方で、鉛蓄電池については、体積エネルギ密度が低いため、鉛蓄電池の設置面積が大きくなる。さらには、RoHS指令に代表されるように、鉛が世界的に規制の対象となっていることから、鉛蓄電池自体が将来的に規制対象となることも考えられる。また、リチウムイオン二次電池については、有機電解液が使用されるため、取扱いが煩雑である。 On the other hand, since the volumetric energy density of the lead-acid battery is low, the installation area of the lead-acid battery becomes large. Furthermore, as represented by the RoHS Directive, lead is subject to regulation worldwide, so it is possible that the lead-acid battery itself will be subject to regulation in the future. Further, the lithium ion secondary battery is complicated to handle because an organic electrolytic solution is used.
そこで、アルカリ蓄電池が注目されている。ただし、アルカリ蓄電池は高温下(例えば40℃程度以上)において、水溶液系電解液の揮発が促進される。この結果、電池寿命が低下する。 Therefore, alkaline storage batteries are attracting attention. However, in the alkaline storage battery, volatilization of the aqueous electrolytic solution is promoted at a high temperature (for example, about 40 ° C. or higher). As a result, battery life is reduced.
水溶液系電解液の揮発抑制に関する技術として、例えば、特許文献1に記載の技術が知られている。特許文献1には、電解液面上にオイルを浮遊させ、かつ、少なくとも規定電解液面の上限位置から下限位置に相当する正極柱を筒状体で囲い、当該筒状体によって電解液面上のオイルと正極柱とが接することのないようにしたことを特徴とする鉛蓄電池が記載されている。
As a technique for suppressing volatilization of an aqueous solution-based electrolytic solution, for example, the technique described in
しかしながら、特許文献1に記載の技術のように、電解液の上部に電解液の蒸発を抑制するオイルを備える構成では、振動や極板間の表面張力によってオイルが極板群の内部や多孔膜まで浸透してしまう。そのため、徐々に内部抵抗が上昇し、電池の出力特性が低下する。また、内部抵抗が大きくなり、出力特性が低下すると、放電しても充電生成物を解消しきれなくなることから、見かけ上の容量が低下し、寿命特性も低下する。なお、本明細書において、極板群とは、一般的には正極(板)と、負極(板)と、これらの間に配置され、これらが短絡するのを防止するセパレータと、で構成される一群の構成体をいうが、セパレータを備えないものもある。なお、単電池(セル)はこの極板群を1つ備えて構成されており、二次電池は必要に応じて当該単電池を複数備えることができる。
However, in the configuration in which the oil that suppresses the evaporation of the electrolytic solution is provided above the electrolytic solution as in the technique described in
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高温下においても高出力かつ長寿命な水溶液系二次電池および水溶液系二次電池システムを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide an aqueous solution-based secondary battery and an aqueous solution-based secondary battery system having high output and long life even at high temperatures.
前記課題を解決した本発明に係る水溶液系二次電池は、正極と、前記正極と離間して配置される負極と、前記正極および前記負極と接触し、水を含有する水溶液系電解液と、前記正極、前記負極および前記水溶液系電解液を内包する外装体と、を備え、前記水溶液系電解液の上部、外周および前記外装体の内壁からなる群より選ばれる少なくとも一つに配置されて前記水溶液系電解液の揮発を抑制する揮発抑制層を備えるとともに、前記揮発抑制層が、難揮発性の液体と、前記難揮発性の液体を保持する多孔質性の保持体と、を備える。 The aqueous secondary battery according to the present invention that solves the above problems includes a positive electrode, a negative electrode arranged apart from the positive electrode, an aqueous electrolytic solution that comes into contact with the positive electrode and the negative electrode and contains water. The positive electrode, the negative electrode, and an exterior body containing the aqueous electrolytic solution are provided, and the electrode is arranged in at least one selected from the group consisting of an upper portion, an outer periphery, and an inner wall of the outer body of the aqueous electrolytic solution. A volatilization suppressing layer that suppresses volatilization of the aqueous electrolytic solution is provided, and the volatilization suppressing layer includes a refractory liquid and a porous retainer that holds the refractory liquid.
本発明によれば、高温下においても高出力かつ長寿命な水溶液系二次電池および水溶液系二次電池システムを提供できる。
前述した以外の課題、構成および効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
According to the present invention, it is possible to provide an aqueous solution-based secondary battery and an aqueous solution-based secondary battery system having high output and long life even at a high temperature.
Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the description of the following embodiments.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、実施形態を概略的に示したものであるため、部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張や変形、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。なお、以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明はこれらの説明に限定されるものではない。本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
また、本明細書において、「上」、「下」などは構成要素間の相対的な位置を示すものであって、絶対的な位置を示すことを意図したものではない。
本明細書に記載される「〜」は、その前後に記載される数値を下限値および上限値として有する意味で使用する。本明細書に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された下限値または上限値は、他の段階的に記載されている下限値または上限値に置き換えてもよく、実施例に示された数値に置き換えてもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Since the drawings referred to in the following description schematically show the embodiment, the scale, spacing, positional relationship, etc. of the members are exaggerated or deformed, or a part of the members is not shown. There may be. The following description shows specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these descriptions. Various changes and modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical ideas disclosed herein. Further, in all the drawings for explaining the present invention, those having the same function may be designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof may be omitted.
Further, in the present specification, "upper", "lower" and the like indicate relative positions between components, and are not intended to indicate absolute positions.
The "~" described in the present specification is used to mean that the numerical values described before and after the "~" are used as the lower limit value and the upper limit value. In the numerical range described stepwise in the present specification, the lower limit or upper limit described in one numerical range may be replaced with the lower limit or upper limit described in another stepwise. It may be replaced with the numerical value shown in the Example.
図1は、本発明の第1実施形態に係る水溶液系二次電池100の構成を示す概略図である。図2は、本発明の第2実施形態に係る水溶液系二次電池200の構成を示す概略図である。図3は、本発明の第3実施形態に係る水溶液系二次電池300の構成を示す概略図である。図4は、本発明の第4実施形態に係る水溶液系二次電池400の構成を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of an aqueous solution-based
(水溶液系二次電池100)
図1に示すように、第1実施形態に係る水溶液系二次電池100は、正極1と、負極2と、水溶液系電解液3と、外装体4と、揮発抑制層5と、を備えている。
水溶液系二次電池100は、正極1および負極2と、水溶液系電解液3と、の間でイオンの授受により充放電される。図1に示すように、第1実施形態における揮発抑制層5は、水溶液系電解液3の上部に配置される。揮発抑制層5は、正極1と、負極2と、水溶液系電解液3と、のいずれか一つまたは全てと接触していてもよいし、接触していなくてもよい。揮発抑制層5が水溶液系電解液3の周囲の少なくとも一部、好ましくは上部を覆っていれば、水溶液系電解液3の揮発を抑制できる。揮発抑制層5について詳しくは後述する。また、外装体4は、正極1と、負極2と、水溶液系電解液3と、揮発抑制層5と、を全て内包する。以下、水溶液系二次電池100を構成するこれらの要素について説明する。
(Aqueous solution type secondary battery 100)
As shown in FIG. 1, the aqueous solution-based
The aqueous solution-based
(正極1)
正極1は、負極2の酸化還元電位よりも貴な酸化還元電位を有する化合物を含んで構成される。例えば、正極1は、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、ニッケル金属(ニッケル単体)、ニッケル合金、酸化ニッケル、酸化マンガン、二酸化マンガン、酸化銀、酸化銅、硫酸鉛および酸化鉛からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を含むことで構成される。または、正極1は、酸素の酸化還元反応を利用することで構成される。このようにすると、水溶液系二次電池100に好適に用いることができる。特に、例えば、ニッケル亜鉛二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルマンガン二次電池、鉛蓄電池などに好適に用いることができる。
正極1は、正極端子1aと電気的に接続されている。正極端子1aは外部の電気信号線11(図5参照)と接続される。正極端子1aと接続されている電気信号線11は、電源8の正極に接続される。
(Positive electrode 1)
The
The
(負極2)
負極2は、正極1と離間して配置される。負極2は、正極1の酸化還元電位よりも卑な化合物を含んで構成される。例えば、負極2は、水酸化亜鉛、酸化亜鉛、亜鉛金属(亜鉛単体)、亜鉛合金、カドミウム金属、カドミウム合金、金属水素化物、鉛金属および硫酸鉛からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を含むことで構成される。このようにすると、水溶液系二次電池100に好適に用いることができる。特に、例えば、ニッケル亜鉛二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルマンガン二次電池、鉛蓄電池などに好適に用いることができる。
負極2は、負極端子2aと電気的に接続されている。負極端子2aは外部の電気信号線11(図5参照)と接続される。負極端子2aと接続されている電気信号線11は、スイッチ10を介して電源8の負極に接続される。
(Negative electrode 2)
The
The
(水溶液系電解液3)
水溶液系電解液3は、正極1および負極2と接触し、水を含有する。水溶液系電解液3は、イオン電導性を有し、電気伝導性を有さない化合物または溶液を含んで構成される。例えば、水溶液系電解液3は、カチオンとアニオンを含む水溶液から構成される。水溶液系電解液3のpHは特に限定されない。
(Aqueous solution electrolyte 3)
The aqueous
水溶液系電解液3がアルカリ水溶液の場合は、水溶液系電解液3をアルカリ性にするためのアルカリ剤を含む。アルカリ剤は、水溶液系電解液3において、少なくとも一種のカチオン(A+)と、水酸化物イオン(OH−)(アニオン(B−))とに電離する。アルカリ剤は、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化セシウムおよび水酸化アンモニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種のアルカリ剤を使用することができる。これらのアルカリ剤を用いると水に溶け易く、OH−を好適に供給できる。これらのアルカリ剤は、特に、ニッケル系の水溶液系二次電池100に好適に適用できる。
When the aqueous solution-based
アルカリ剤の含有量は、水溶液系電解液3に含まれる水酸化物イオンと正極1および負極2との電気化学的分極を小さくすることで、充放電反応速度を十分に速くできる程度とすることが好ましい。具体的には例えば、アルカリ剤の含有量は、水溶液系電解液3に対する含有量として、10質量%以上、好ましくは15質量%以上である。アルカリ剤の含有量が10質量%以上であると、充放電に使用される水酸化物イオンを十分に確保できる。また、アルカリ剤の含有量は、例えば、40質量%以下、好ましくは30質量%以下である。アルカリ剤の含有量が40質量%以下であると、過剰な水酸化物イオンに起因する正極1での酸素発生を十分に抑制できる。
The content of the alkaline agent shall be such that the charge / discharge reaction rate can be sufficiently increased by reducing the electrochemical polarization between the hydroxide ion contained in the aqueous
また、水溶液系電解液3が酸性水溶液の場合は、水溶液系電解液3を酸性にするための酸を含む。酸は、水溶液系電解液3において、少なくとも一種のアニオン(B−)と、プロトン(H+)(カチオン(A+))とに電離する。酸は、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、弗酸、臭素酸、ヨウ素酸および有機酸からなる群より選ばれる少なくとも一種の酸を使用することができる。これらの酸を用いると、水との混合が容易であり、H+を好適に供給できる。これらの酸は、特に、鉛蓄電池に好適に適用できる。
When the aqueous solution-based
酸の含有量は、水溶液系電解液3に含まれるプロトンと正極1および負極2との電気化学的分極を小さくすることで、充放電反応速度を十分に速くできる程度とすることが好ましい。具体的には例えば、硫酸を用いた場合の含有量は、水溶液系電解液3に対する含有量として、20質量%以上である。硫酸の含有量が20質量%以上であると、充放電に使用される硫酸イオンを十分に確保できる。また、硫酸の含有量は、例えば、40質量%以下である。硫酸の含有量が40質量%以下であると、水溶液系電解液3の粘度が上昇して二次電池の出力特性が低下することを十分に抑制できる。
The acid content is preferably such that the charge / discharge reaction rate can be sufficiently increased by reducing the electrochemical polarization between the protons contained in the aqueous
なお、水溶液系電解液3は、アルカリ剤や酸のほか、任意の単体または化合物を含むことができる。単体としては、例えば、亜鉛、シリコンなどが挙げられる。また、化合物としては、例えば、界面活性剤、四ホウ酸ナトリウム、過塩素酸ナトリウムなどが挙げられる。
The aqueous
(外装体4)
外装体4は、正極1、負極2および水溶液系電解液3を内包する。外装体4は、水溶液系電解液3に対して耐食性のある材料で任意の形状に形成することができる。外装体4は、例えば、有底角筒形または有底円筒形の本体と、本体の開口部を封じる蓋体と、で形成することができる。この場合、外装体4は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼などの金属材料の表面を水溶液系電解液3に対して耐食性のある樹脂で覆ったものを好適に挙げることができる。また、外装体4は、水溶液系電解液3に対して耐食性のある樹脂で形成した筐体を好適に用いることができる。本体と蓋体とで外装体4を形成する場合、必要に応じて本体と蓋体との間に樹脂製のシーリング材を介在させてもよい。このようにすると、本体と蓋体との隙間から電解質などが漏出するのを防ぐことができる。さらに、外装体4は、例えば、任意のラミネート材を用いて密封させたものを用いることもできる。
(Exterior body 4)
The
また、外装体4は、正極1と接続された正極端子1aが任意の箇所から外部に露出し、負極2と接続された負極端子2aが任意の箇所から外部に露出している。正極端子1aおよび負極端子2aは、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ステンレス、チタンなどで任意の形状に形成できる。
Further, in the
(揮発抑制層5)
そして、本実施形態では、揮発抑制層5は、水溶液系電解液3の上部、外周および外装体4の内壁からなる群より選ばれる少なくとも一つに配置されて水溶液系電解液3の揮発を抑制する。なお、第1実施形態を説明する図1では、水溶液系電解液3の上部に揮発抑制層5が配置されている様子を図示している。揮発抑制層5の他の配置態様については第2実施形態から第4実施形態として後に説明する。水溶液系二次電池100は、揮発抑制層5を備えているので、高温下においても水溶液系電解液3の揮発を抑制できる。そのため、揮発抑制層5を備える水溶系二次電池100は、高温下においても高出力かつ長寿命なものとなる。
(Volatilization suppression layer 5)
Then, in the present embodiment, the
揮発抑制層5は、難揮発性の液体5aと、この難揮発性の液体5aを保持する多孔質性の保持体5bと、を備える。
保持体5bは、前記したように難揮発性の液体5aを保持できるものであればどのようなものでもよい。例えば、保持体5bとしては、固体またはゲルが挙げられる。具体的には、保持体5bとしては、多孔膜、多孔体、綿、布、紙、寒天、ゼラチン、シリカゲル、シリコーンゲルおよび水ガラスからなる群より選ばれる少なくとも一種を使用することができる。なお、多孔膜は、例えば、ポリエチレン樹脂や四フッ化エチレン樹脂などで形成されたものを好適に用いることができる。また、多孔体は、例えば、セラミックスで形成されたものを好適に用いることができる。これらの素材で形成された保持体5bは、水溶液系電解液3に対して安定であり(つまり、反応し難く)、難揮発性の液体5aを好適に保持できる。保持体5bの有する空孔のサイズや密度などについては難揮発性の液体5aを保持できればどのようなものでもよく、特に限定されない。また、本明細書において難揮発性とは、蒸気圧が水よりも小さいこと、より好ましくは25℃における蒸気圧が3200Pa以下であることをいう。
The
The
難揮発性の液体5aは、水溶液系電解液3の揮発を抑制できるものであればどのようなものでもよい。例えば、難揮発性の液体5aとしては、鉱油、植物油および動物油からなる群より選ばれる少なくとも一種を使用することができる。このようにすると、難揮発性の液体5aは水溶液系電解液3の上に浮き易く、また、水溶液系電解液3と混じり難い。また、このようにすると、難揮発性の液体5aは電気を通さないので、正極1と負極2とが短絡することもない。さらに、言うまでもなくこれらを使用した難揮発性の液体5a自体、揮発性が低いので高温下においても高出力かつ長寿命な水溶液系二次電池100を具現できる。難揮発性の液体5aとして、特に、パラフィン系の鉱油は粘度が高く極板群の内部への浸透が生じ難く好適である。
The
保持体5bに対する難揮発性の液体5aの割合は特に限定されないが、過剰であると難揮発性の液体5aが極板群の内部へ浸透し、不足であると水溶液系電解液3の揮発抑制効果が小さくなる。そのため、保持体5bは、難揮発性の液体5aを保持量上限で保持することが好ましい。このようにすると、過剰な難揮発性の液体5aが極板群の内部へ浸透することもなく、また、水溶液系電解液3の揮発抑制効果をより確実に得ることができる。
The ratio of the
(水溶液系二次電池200)
図2に示すように、第2実施形態に係る水溶液系二次電池200は、正極1と負極2との間にセパレータ6を備えている点で、第1実施形態に係る水溶液系二次電池100と相違している。水溶液系二次電池200は、セパレータ6を備えていることにより、正極1と負極2との短絡をより確実に防止できる。セパレータ6は、イオンおよび分子を自由に透過させる多孔膜などにより構成することができる。セパレータ6は、例えば、保持体5bと同様の素材で形成することができる。
(Aqueous solution type secondary battery 200)
As shown in FIG. 2, the aqueous solution-based
なお、セパレータ6の配置は、図2に示すように、正極1と負極2との間に1つだけ設ける態様に限定されるものではなく、任意に配置を変更できる。例えば、セパレータ6の配置は、正極1と負極2との間に2つ以上設ける態様とすることができる。
As shown in FIG. 2, the arrangement of the
(水溶液系二次電池300)
図3に示すように、第3実施形態に係る水溶液系二次電池300は、正極1と負極2との間に保液層7を備えている点で、第1実施形態に係る水溶液系二次電池100と相違している。また、水溶液系二次電池300は、正極1と保液層7との間にセパレータ6を配置し、負極2と保液層7との間にセパレータ6を配置している点でも、第1実施形態に係る水溶液系二次電池100と相違している。
(Aqueous solution type secondary battery 300)
As shown in FIG. 3, the aqueous solution-based
水溶液系二次電池300は、保液層7を備えているのでこれに水溶液系電解液3を浸透させることができ、水溶液系電解液3の揮発をより抑制できる。保液層7は、例えば、不織布、紙、フェルトおよび編物からなる群より選ばれる少なくとも一種の材料を含んで構成できる。
Since the aqueous solution-based
なお、セパレータ6や保液層7の配置は、図3に示すように、正極1と保液層7との間にセパレータ6を1つ配置し、負極2と保液層7との間にセパレータ6を1つ配置し、これら2つのセパレータ6の間に保液層7を配置する態様に限定されるものではなく、任意に配置を変更できる。例えば、セパレータ6は、図3に示している2つのセパレータ6のうちいずれか一方のみに配置する態様とすることができる。また、セパレータ6は、正極1と保液層7との間および負極2と保液層7との間にそれぞれ2つ以上配置する態様とすることができる。さらに、水溶液系二次電池300においては、セパレータ6を配置しない態様とすることもできる。
As for the arrangement of the
(水溶液系二次電池400)
図4に示すように、第4実施形態に係る水溶液系二次電池400は、水溶液系電解液3の外周に揮発抑制層5を配置している点、見方を変えれば、揮発抑制層5は外装体4の内壁に沿って配置している点で、第1実施形態に係る水溶液系二次電池100と相違している。このようにすると、水溶液系電解液3の外周に揮発抑制層5を配置しているので、水溶液系電解液3の上部からの水溶液系電解液3の揮発を防ぐとともに、外装体4の壁面から水溶液系電解液3が浸み出すのを防ぐことができる。なお、図4では、揮発抑制層5の上部が外装体4と接触しているが、揮発抑制層5の上部は必ずしも外装体4と接触していなくてもよい。これは、第1実施形態から第3実施形態における揮発抑制層5も同様であり、第1実施形態から第3実施形態においても揮発抑制層5の上部は外装体4と接触していてもよいし、接触していなくてもよい。また、図4では、外装体4の内壁(例えば、側壁や底部)に揮発抑制層5を接触させて配置しているが、揮発抑制層5は必ずしも外装体4の内壁と接触していなくてもよい。
(Aqueous solution type secondary battery 400)
As shown in FIG. 4, in the aqueous solution-based
また、第4実施形態に係る水溶液系二次電池400は、第3実施形態と同様に、正極1と負極2との間に保液層7を備え、正極1と保液層7との間にセパレータ6を1つ配置するとともに、負極2と保液層7との間にセパレータ6を1つ配置している点で第1実施形態に係る水溶液系二次電池100と相違しているが、これらの相違点については第3実施形態で説明しているので、その説明を省略する。
Further, the aqueous solution-based
(水溶液系二次電池システム500)
次に、図5を参照して、一実施形態に係る水溶液系二次電池システム500について説明する。図5は、本発明の一実施形態に係る水溶液系二次電池システム500の構成を示す概略図である。なお、図5に示す水溶液系二次電池として、代表的に第1実施形態に係る水溶液系二次電池100を図示しているが、これに換えて水溶液系二次電池200〜400を適用できることは言うまでもない。
(Aqueous solution system secondary battery system 500)
Next, the aqueous solution-based
図5に示すように、水溶液系二次電池システム500は、前述した水溶液系二次電池100を備えている。また、水溶液系二次電池システム500は、電源8と、外部負荷9と、スイッチ10と、を備えている。
水溶液系二次電池システム500における水溶液系二次電池100は、正極端子1aおよび負極端子2aが、図5において実線で示す電気信号線11と接続されている。そして、前記した電源8と、外部負荷9と、スイッチ10とは、この電気信号線11によって接続されている。なお、図5に示すように、外部負荷9と水溶液系二次電池100とは、並列に接続されている。
As shown in FIG. 5, the aqueous solution-based
In the aqueous solution-based
図5に示す例では、水溶液系二次電池100は外部負荷9のバックアップ用蓄電装置として使用される。電源8が正常に動作している場合にはスイッチ10は閉じており、電源8から、水溶液系二次電池100と、水溶液系二次電池100に対して並列に接続された外部負荷9とに電力が供給される。そして、電源8が予期せず断たれた場合にはスイッチ10が開き、水溶液系二次電池100に蓄電された電力が外部負荷9に供給される。このようにすることで、水溶液系二次電池システム500は、電源8が意図せず断たれた場合であっても、水溶液系二次電池100を外部負荷9のバックアップ用蓄電装置として使用できる。
In the example shown in FIG. 5, the aqueous solution-based
なお、外部負荷9は、水溶液系二次電池システム500が適用できるものであれば、どのようなものも対象となる。外部負荷9としては、例えば、電源、移動体、電子機器などが挙げられる。電源としては、例えば、バッテリ、系統電源、分散電源、再生エネルギなどが挙げられるが、これらに限定されない。移動体としては、例えば、自動車、オートバイ、電動自転車、鉄道車両、船舶、潜水艦、航空機、宇宙船などが挙げられるが、これらに限定されない。電子機器としては、例えば、携帯端末機、情報通信機器、コンピュータ、ゲーム機、CDプレイヤ、DVDプレイヤ、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ドローンなどが挙げられるが、これらに限定されない。
The external load 9 can be any external load 9 as long as it can be applied to the aqueous solution-based
(効果)
以上に説明したように、第1実施形態〜第4実施形態に係る水溶液系二次電池100〜400および位置実施形態に係る水溶液系二次電池システム500は、水溶液系電解液3の上部、外周および外装体4の内壁からなる群より選ばれる少なくとも一つに揮発抑制層5を配置しているので、水溶液系電解液3の揮発を抑制できる。そのため、水溶液系二次電池100〜400は、高温下においても高出力かつ長寿命なものとなる。また、水溶液系二次電池システム500は、当該水溶液系二次電池100〜400を備えているので同様に高温下においても高出力かつ長寿命なものとなる。
(effect)
As described above, the aqueous solution-based
以下、具体的な実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.
(高温下における寿命)
水溶液系電解液3として、総重量に対して20質量%の水酸化カリウムと、5質量%の水酸化ナトリウムと、1質量%の水酸化リチウムと、を含むアルカリ水溶液を用いて、水溶液系電解液3の揮発量を計測した。揮発抑制層5の難揮発性の液体5aには、超高電圧器用絶縁油、ポンプ油、流動パラフィンのいずれか一種を用い、保持体5bにはポリプロピレン綿を用いた。
(Life at high temperature)
As the
環境温度55℃において4日経過後に残存していた水溶液系電解液3の割合(保液率)を図6に示す。つまり、図6は、揮発抑制層5の有無における水溶液系電解液3の保持率(保液率)を示すグラフである。なお、本実験では、電極を用いておらず、電圧を印加していないため水溶液系電解液3の電気分解は生じていない。そのため、水溶液系電解液3の減少は全て揮発によるものである。
FIG. 6 shows the ratio (liquid retention rate) of the aqueous
図6に示すように、揮発抑制層を備えない比較例1と比べて、揮発抑制層5を用いた実施例1(超高電圧器用絶縁油+ポリプロピレン綿)、実施例2(ポンプ油+ポリプロピレン綿)および実施例3(流動パラフィン+ポリプロピレン綿)は、4日後の水溶液系電解液3の揮発量が60分の1以下に低減されていた。本実験により、揮発抑制層5を用いることによって、水溶液系電解液3の揮発が抑制されることが確認できた。すなわち、揮発抑制層5を用いることによって、つまり、難揮発性の液体5aと保持体5bとを用いることによって、高温下においても長寿命な水溶液系二次電池を具現できることが確認できた。
As shown in FIG. 6, as compared with Comparative Example 1 not provided with the volatilization suppression layer, Example 1 (insulating oil for ultrahigh voltage equipment + polypropylene cotton) and Example 2 (pump oil + polypropylene) using the
(高温下における出力)
次に、正極1として水酸化ニッケルの金属板を用意し、負極2として酸化亜鉛の金属板を用意した。また、水溶液系電解液3として、総重量に対して20質量%の水酸化カリウムと、5質量%の水酸化ナトリウムと、1質量%の水酸化リチウムと、を含むアルカリ水溶液を用意した。セパレータ6として多孔膜を用い、保液層7として不織布を用いた。そして、揮発抑制層5として流動パラフィンを含浸させたポリプロピレン綿を用いて、図3で示した構成の水溶液系二次電池300(実施例4)を作製した。
また、この実施例4と比較するため、揮発抑制層を備えない水溶液系二次電池(比較例2)と、水溶液系電解液3上に流動パラフィンのみを添加した水溶液系二次電池(比較例3)とを用意した。
(Output at high temperature)
Next, a nickel hydroxide metal plate was prepared as the
Further, in order to compare with this Example 4, an aqueous solution-based secondary battery (Comparative Example 2) not provided with a volatilization suppression layer and an aqueous solution-based secondary battery (Comparative Example) in which only liquid paraffin is added on the aqueous solution-based
初期の活性化処理後の実施例4に係る水溶液系二次電池300と、同じく初期の活性化処理後の比較例2、3に係る水溶液系二次電池とをそれぞれ1Cの電流密度により1.90Vまで充電した後、4Cの電流密度により放電した放電曲線を図7に示す。つまり、図7は、揮発抑制層5の有無における放電曲線を示すグラフである。なお、1Cの電流密度とは、電池容量を全て充電する、または全て放電するまでに1時間かかる電流密度を表す。4Cの電流密度は、1Cの電流密度の4倍を意味する。前記初期の活性化処理では、1Cよりも低い電流密度で充放電を繰り返すことにより電極を活性化した。
The aqueous
図7に示すように、比較例2の放電曲線に比べて比較例3の放電曲線は放電電圧が顕著に低下し、放電容量は6分の1以下に低下した。これは、比較例3の流動パラフィンが極板群の内部へ浸透したことにより内部抵抗が上昇したために生じたものである。
一方、実施例4は、比較例3よりも放電電圧と放電容量とがともに大幅に改善し、比較例2と同等程度の性能を示した。すなわち、揮発抑制層5を用いることによって、つまり、難揮発性の液体5aと保持体5bとを用いることによって、高温下においても高出力な水溶液系二次電池を具現できることが確認できた。
As shown in FIG. 7, the discharge voltage of the discharge curve of Comparative Example 3 was remarkably reduced as compared with the discharge curve of Comparative Example 2, and the discharge capacity was reduced to 1/6 or less. This is caused by the increase in internal resistance due to the permeation of the liquid paraffin of Comparative Example 3 into the inside of the electrode plate group.
On the other hand, in Example 4, both the discharge voltage and the discharge capacity were significantly improved as compared with Comparative Example 3, and the performance was about the same as that of Comparative Example 2. That is, it was confirmed that the aqueous solution-based secondary battery having high output can be realized even at a high temperature by using the
(まとめ)
以上の結果から、揮発抑制層5を備えることにより、高温下においても水溶液系電解液3の揮発を抑制できると同時に、高出力での放電を維持できることが確認された。すなわち、本発明により高温下においても高出力かつ長寿命な水溶液系二次電池および水溶液系二次電池システムを提供できることが確認された。
(Summary)
From the above results, it was confirmed that by providing the
以上、本発明に係る水溶液系二次電池および水溶液系二次電池システムについて実施形態および実施例により詳細に説明したが、本発明の主旨はこれに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 Although the aqueous solution-based secondary battery and the aqueous solution-based secondary battery system according to the present invention have been described in detail with reference to the embodiments and examples, the gist of the present invention is not limited to this, and various modifications can be made. included. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
100、200、300、400 水溶液系二次電池
500 水溶液系二次電池システム
1 正極
1a 正極端子
2 負極
2a 負極端子
3 水溶液系電解液
4 外装体
5 揮発抑制層
5a 難揮発性の液体
5b 保持体
6 セパレータ
7 保液層
8 電源
9 外部負荷
10 スイッチ
11 電気信号線
100, 200, 300, 400 Aqueous
Claims (8)
前記正極と離間して配置される負極と、
前記正極および前記負極と接触し、水を含有する水溶液系電解液と、
前記正極、前記負極および前記水溶液系電解液を内包する外装体と、を備え、
前記水溶液系電解液の上部、外周および前記外装体の内壁からなる群より選ばれる少なくとも一つに配置されて前記水溶液系電解液の揮発を抑制する揮発抑制層を備えるとともに、
前記揮発抑制層が、難揮発性の液体と、前記難揮発性の液体を保持する多孔質性の保持体と、を備える水溶液系二次電池。 With the positive electrode
A negative electrode arranged apart from the positive electrode and
An aqueous electrolyte solution that comes into contact with the positive electrode and the negative electrode and contains water,
The positive electrode, the negative electrode, and an exterior body containing the aqueous electrolytic solution are provided.
It is provided with a volatilization suppressing layer which is arranged in at least one selected from the group consisting of the upper part, the outer periphery and the inner wall of the outer body of the aqueous solution-based electrolytic solution and suppresses the volatilization of the aqueous solution-based electrolytic solution.
An aqueous solution-based secondary battery in which the volatility suppressing layer comprises a refractory liquid and a porous retainer that holds the refractory liquid.
前記負極は、水酸化亜鉛、酸化亜鉛、亜鉛金属、亜鉛合金、カドミウム金属、カドミウム合金、金属水素化物、鉛金属および硫酸鉛からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む請求項1に記載の水溶液系二次電池。 The positive electrode contains at least one selected from the group consisting of nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide, nickel metal, nickel alloy, nickel oxide, manganese oxide, manganese dioxide, silver oxide, copper oxide, lead sulfate and lead oxide.
The aqueous solution system according to claim 1, wherein the negative electrode contains at least one selected from the group consisting of zinc hydroxide, zinc oxide, zinc metal, zinc alloy, cadmium metal, cadmium alloy, metal hydride, lead metal and lead sulfate. Secondary battery.
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