JP2000512429A - 高エネルギー電池電解液および該電解液の製造方法 - Google Patents

高エネルギー電池電解液および該電解液の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、電解液、該電解液の製造方法、ならびに高電気容量鉛蓄電池の製造方法を提供する。該電解液は、ET-90安定剤(1.5〜9.6%)、硫酸ニッケル(0.005〜0.04%)、硫酸コバルト(0.003〜0.025%)、硫酸アルミニウム(2〜4.8%)、硫酸ナトリウム(1.3〜3.7%)、リン酸アルミニウム(2〜6.3%)、ヨウ化リチウム(0.09〜0.3%)、コロイド状二酸化珪素(シリカゲル)(17.6〜24%)、塩化リチウム(0.09〜0.31%)、炭酸リチウム(1.3〜5%)、硫酸マグネシウム(1.2〜5.9%)、硫酸(分析用)(7〜11.6%)および純水(39〜60%)から成る。

Description

【発明の詳細な説明】 高エネルギー電池電解液および該電解液の製造方法発明の属する技術分野 本発明は、電解液および該電解液の製造方法に関するものであり、詳細には高 エネルギー鉛蓄電池電解液および該電解液の製造方法に関する。発明の背景 一般の鉛蓄電池では、陽極は二酸化鉛でできており、陰極は鉛でできていて、 電解液は硫酸電解液である。外部の負荷に接続されると、電池は放電を行って、 電流を発生させ、電極での反応は次のようになる。 陽極:Pb+SO4 2-→PbSO4+2e 陰極:PbO2+SO4 2-+4H++2e→PbSO4+2H2O このように、陽極上で鉛が硫酸鉛に変換され、陰極上でも二酸化鉛が硫酸鉛に 変換される。硫酸鉛が形成されると、極めて不溶性であることから電極に付着す る。この放電プロセスの全体の化学反応は次のようになる。 Pb+2H2SO4+PbO2→2PbSO4+2H2O 電池の1個のセルの電圧は2.04Vである。放電中、電解液中の硫酸の量は減 少し、水の量は増加する。 外部電源に接続すると、電池は充電され、電流が電池を逆方向に流れ、2つの 電極での反応は放電時の方向と丁度逆方向に進んで、陽極および陰極上での硫酸 鉛の反応によって、それぞれ鉛と二酸化鉛が生成し、それらが個々の電極に付着 し、水が吸収される。そうして電池は元の状態に戻る。化学反応は次のように起 こる。 2PbSO4+2H2O→Pb+2H2SO4+PbO2 電池の充電と同時に水の電気分解が起こり、結果的に水は水素と酸素に電気分 解され、次にそれらは放出される。以下の反応が起こる。 陽極:4OH-→2H2O+O2+4e 陰極:2H++2e→H2 そのような反応がどの程度起こるかは、充電の条件によって決まる。その反応 は、充電が完了する間際に促進されると考えられる。 そこで、電気分解プロセス中に頻繁に水を加えることで水の消費を補わなけれ ばならないとともに、充電を注意深く進めて、電池で放出された水素が空気中で 燃焼したり爆発するのを防止するようにしなければならない。 現時点では、鉛蓄電池のコロイド電解液は、珪酸ナトリウム溶液と硫酸溶液と を混合することで調製される。この電解液は、コロイド状態であってほとんど流 動性がないことから、使用、維持、保管および輸送に便利である。さらに、この コロイド電解液は、反応性物質が電極から出ていくのを防ぐことができることか ら、電池の耐用期間を20%超延長させることができる。しかしながら、コロイ ド電解液の内部抵抗は硫酸電解液の場合より高いために、その蓄電池の内部抵抗 が高くなり、電気容量が低下する。 スイス特許391807号公報には、チキソトロピー性コロイド電解液を用い た鉛蓄電池が開示されている。中国特許出願公開1056019号公報にも、高 電気容量コロイド電解液および該電解液の製造方法が開示されている。コロイド 電解液およびコロイド電解液を用いた鉛蓄電池によって、溶液の蒸発、浸出およ び腐食を低減することはできるが、鉛蓄電池における技術的問題は完全には解決 されておらず、電気容量の増加は達成されていない。発明の概要 本発明の目的は、高エネルギー鉛蓄電池電解液であって、使用において安全か つ信頼性があるだけでなく、環境に対する汚染を起こさず、ガス生成の抑制に有 効で、電池の電極板の硫化を防止することができ、電池の耐用期間を延長するこ とができ、さらに重要な点として、鉛蓄電池の電気容量を約30〜100%上昇 させることができる電解液を提供することにある。 本発明による電解液は、成分として以下の原料を主として含有するものである (重量基準)。 ET-90安定剤 1.5〜9.6% 硫酸ニッケル 0.005〜0.04% 硫酸コバルト 0.003〜0.025% 硫酸アルミニウム 2〜4.8% 硫酸ナトリウム 1.3〜3.7% リン酸アルミニウム 2〜6.3% ヨウ化リチウム 0.09〜0.3% コロイド状シリカ(シリカゾル) 17.6〜24% 塩化リチウム 0.09〜0.31% 炭酸リチウム 1.3〜5% 硫酸マグネシウム 1.2〜5.9% 硫酸(A.R.グレード) 7〜11.6% 純水 39〜60% 上記において、ET-90は以下の組成を有する: 高純度水 82〜91% 珪酸ナトリウム(A.R.グレード) 7〜10% 硫酸ナトリウム 2〜8% 電解液中の前記成分の好ましい配合は以下の通りである。 ET-90安定剤 2〜8% 硫酸ニッケル 0.017〜0.02% 硫酸コバルト 0.005〜0.01% 硫酸アルミニウム 3〜4% 硫酸ナトリウム 2〜3% リン酸アルミニウム 4〜4.5% ヨウ化リチウム 0.15〜0.2% コロイド状シリカ(シリカゾル) 19.5〜20% 塩化リチウム 0.15〜0.2% 炭酸リチウム 2.5〜3% 硫酸マグネシウム 3〜5% 硫酸(A.R.グレード) 9.5〜10% 純水 47.9〜52.7% 本発明の別の目的は、高エネルギー鉛蓄電池電解液(以下、2000型高エネ ルギー電解液と称する)の製造方法を提供することにあり、該電解液は以下の段 階に従って上記の原料を所定の比で用いることによって得ることができる。 a)硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸アルミニウム、硫酸ナトリウム、リン酸 アルミニウム、ヨウ化リチウム、炭酸リチウム、硫酸マグネシウムおよび塩化リ チウムを高純度水でそれぞれ希釈し、それらを砕き、混和し、溶解させ、得られ た混合物が乳化するまで攪拌して反応させることで形成される高重合体触媒20 00を得る段階; b)シリカゾルを高純度水で希釈して、比重を1.015〜1.04とする段階; c)段階b)で得られた溶液をカチオン交換カラム、アニオン交換カラムおよびア ニオン・カチオン混合樹脂交換カラムに通し、反応槽に入れ、得られた溶液のp H値をET-90安定剤によってpH=8〜14に調節し、得られた溶液を濃縮 する段階; d)段階c)で得られた溶液を加熱して70〜80℃とし、攪拌下で該溶液に硫酸 (A.R.グレード)を加える段階; e)該溶液に高重合体触媒2000を加え、それを砕き、攪拌し、得られた混合 物を均一に混和することで溶解させ、反応槽を加熱し、乳化剤を加えることで溶 液を乳化させてペーストを得ることで、2000型高エネルギー蓄電池電解液を 得る段階。 本発明のさらに別の目的は、高エネルギー鉛蓄電池(以下、ET−2000型 高エネルギー電池と称する)の製造方法を提供することにあり、該電池は、以下 の段階に従って、乾燥状態の電池に本発明による前記電解液を加えることで得る ことができる。 a)新しい乾燥状態の鉛蓄電池を純水に浸漬して、該電池の電極板に、飽和する まで十分に水を吸収させる段階; b)前記純水を電池から排出し、直ちに本発明に従って製造した電解液を加える 段階; c)電池をそれの適合する負荷によって放電させて、該電池の電圧を6V未満に 低下させることで、高エネルギー電池を得る段階。 本発明のさらに別の目的は、高エネルギー鉛蓄電池(以下、ET−2000型 高エネルギー電池と称する)を提供することにあり、該電池は、高電気容量、コ ンパクトな大きさおよび長い耐用期間、ならびに急速充電、低い充電消費量およ び大電流放電への適応性という利点を有する。 本発明による電池は主として、電極棒、ゴム栓、筐体、電極板、頂部キャップ および本発明による高エネルギー電解液(すなわち、2000型高エネルギー電 解液)を有してなる。 以下、本発明の電池の構造について、添付の図面を参照しながら説明する。添付図面の簡単な説明 図1は、本発明による高エネルギー電池の模式図である。発明の詳細な説明 本発明による原理は、前記2000型高エネルギー電解液の高重合体構造が、 放電速度を高め、遊離のイオン性反応物を高重合体の方へ移動させて該重合体と 衝突させることで、非常に高い衝突頻度を与えることができるというものであり 、高重合体の量を連続的に大きくすると、それに伴って該触媒反応は促進される 。 2000型高エネルギー電解液の分子式は以下のようになる。 -(HnX)-(HnX)-(HnX)-(HnX)-(HnX)- 式中、 nは水素原子の量を表し、 Xは該電解液の構造組成を表す。 2000型高エネルギー電解液は非常に強力な電解液であり、pH値が非常に 低い場合は、上記式中の「H」は水素イオンを表す。それが高重合体性電解液で ある場合は、電解液と電極板との間の反応によって、電極板表面に合成生成物が 形成される。2000型高エネルギー電解液と電極板との間の反応は次の通りで ある。 陽極:mPb+Xn-→PbmX+ne 陰極:mPbO2+Xn-+2nH+ne→PbmX+nH2O すなわち、 →充電→ ←放電←実施例1 実施例1では、2000型電解液の製造における各種原料の配合を以下の通り とした。 ET-90安定剤 4.1% 硫酸ニッケル 0.025% 硫酸コバルト 0.015% 硫酸アルミニウム 3.1% 硫酸ナトリウム 2.1% リン酸アルミニウム 5.8% ヨウ化リチウム 0.1% コロイド状シリカ(シリカゾル) 21.6% 塩化リチウム 0.14% 炭酸リチウム 2.7% 硫酸マグネシウム 4.6% 硫酸(A.R.グレード) 8.2% 純水 47.52%実施例2 実施例2では、2000型電解液の製造における各種原料の配合を以下の通り とした。 ET-90安定剤 1.7% 硫酸ニッケル 0.02% 硫酸コバルト 0.01% 硫酸アルミニウム 4.2% 硫酸ナトリウム 1.7% リン酸アルミニウム 4.2% ヨウ化リチウム 0.18% コロイド状シリカ(シリカゾル) 19.9% 塩化リチウム 0.16% 炭酸リチウム 1.7% 硫酸マグネシウム 2.8% 硫酸(A.R.グレード) 9.5% 純水 53.93%実施例3 実施例3では、2000型電解液の製造における各種原料の配合を以下の通り とした。 ET-90安定剤 9.4% 硫酸ニッケル 0.035% 硫酸コバルト 0.005% 硫酸アルミニウム 2.3% 硫酸ナトリウム 2.9% リン酸アルミニウム 3.6% ヨウ化リチウム 0.22% コロイド状シリカ(シリカゾル) 18.4% 塩化リチウム 0.23% 炭酸リチウム 3.4% 硫酸マグネシウム 1.6% 硫酸(A.R.グレード) 8.37% 純水 49.54%実施例4 実施例4では、2000型電解液の製造における各種原料の配合を以下の通り とした。 ET-90安定剤 5.6% 硫酸ニッケル 0.009% 硫酸コバルト 0.021% 硫酸アルミニウム 3.4% 硫酸ナトリウム 3.5% リン酸アルミニウム 2.8% ヨウ化リチウム 0.29% コロイド状シリカ(シリカゾル) 23.1% 塩化リチウム 0.29% 炭酸リチウム 4.85% 硫酸マグネシウム 5.4% 硫酸(A.R.グレード) 11.24% 純水 39.5%実施例5 本発明の高エネルギー鉛蓄電池は、従来の乾燥状態電池に本発明による電解液 を加えることで製造することができる。 図1に示した代表的な乾燥状態電池は、電極棒およびゴム栓1、筐体2、電極 板3および頂部キャップ4を有しており、それらはいずれも当業者には公知であ る。さらに、本発明による蓄電池には内部の電解液の温度を指示する温度計5を 取り付けることもできる。 本発明による高エネルギー電解液を図1に示した乾燥状態電池に加える操作は 、以下の段階に従って行った。 a)新しい乾燥状態の鉛蓄電池を常温で約1時間純水に浸漬して、該電池の電極 板に、飽和するまで十分に水を吸収させる段階; b)前記純水を電池から排出し、直ちに本発明に従って製造した電解液を加える 段階; c)3〜4分後、電池をそれの適合する負荷によって放電させて、該電池の電圧 を6V未満に低下させることで、高エネルギー電池を得る段階; d)得られた高エネルギー蓄電池を適合する電流にて、高い定電流パルス充電器 を用いて、電池が完全に充電されたことを示す69℃まで昇温するまで充電する 段階。 上記実施例で製造された電解液を乾燥状態電池に加えて、ET-2000型高 エネルギー蓄電池を得た。それについて市販の電池と性能比較を行い、その結果 を以下の表1に示してある。表1:ET2000型高エネルギー電池と他の電池との間の特性の比較 本発明による高エネルギー電池の電解液を充填したNX110-5型蓄電池と 硫酸電解液を充填したNX110-5型蓄電池について、1時間定格で破壊試験を 行った。結果および相対的パラメータを以下の表2に示してある。表2:NX110-5型蓄電池についての1時間定格での放電試験結果 以上の表から、前記の本発明による電解液が以下の顕著な特徴を有することが わかる。 1)ガス発生を効果的に抑制し、水素放出を低減することで、環境汚染を防止 する。 2)使用において安全かつ信頼性があって、不燃性であり、爆発性がない。 3)電池の電極板の硫化を防止し、電極板に対して良好な保護効果を有するこ とから、硫酸電解液と比較して電池の耐用期間を400%延長する。 4)電池に注入した場合に10年以下、保管状態で15年超の保管寿命を有す る。 5)鉛蓄電池のエネルギーを30〜150%増加させる。 先行技術の各種鉛蓄電池と比較して、本発明による蓄電池は、以下の顕著な特 徴を有する。 1)150kw.h/トン以上の高いエネルギーを有し、それは亜鉛/銀電池のエネ ルギーに近いかそれより高いこともある。 2)大きさがコンパクトであり、相対的に軽量で、耐用期間が相対的に長い。 3)充電が急速で、充電消費量が相対的に小さく、電力消費が約70%低くな る。 4)大電流での放電に好適であり、内部抵抗がほとんどゼロであり、自己放電 速度が非常に低くて約0.4%/月でしかない。 5)最終電圧を持たない。 本発明による蓄電池は、電気自動車用電源として使用できるだけでなく、点火 、引張りおよび太陽エネルギーの貯蔵にも、そして非常用電源などとしても使用 可能である。 以上、本発明による実施態様を実施例を参照しながら説明したが、本発明の精 神および本質を逸脱しない限りにおいて、当業者が各種の変更および改善を行う ことは可能であり、そのような変更および改善も、以下に添付の請求の範囲に含 まれる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,HU,I S,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN, MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,S D,SE,SG,SI,SK,TJ,TM,TR,TT ,UA,UG,US,UZ,VN

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.高エネルギー鉛蓄電池電解液において、 ET−90安定剤 1.5〜9.6% 硫酸ニッケル 0.005〜0.04% 硫酸コバルト 0.003〜0.025% 硫酸アルミニウム 2〜4.8% 硫酸ナトリウム 1.3〜3.7% リン酸アルミニウム 2〜6.3% ヨウ化リチウム 0.09〜0.3% コロイド状シリカ(シリカゾル) 17.6〜24% 塩化リチウム 0.09〜0.31% 炭酸リチウム 1.3〜5% 硫酸マグネシウム 1.2〜5.9% 硫酸(A.R.グレード) 7〜11.6% 純水 39〜60% という原料を成分として含有することを特徴とする電解液。 2.前記ET−90において成分として使用される原料の配合が、 高純度水 82〜91% 珪酸ナトリウム(A.R.グレード) 7〜10% 硫酸ナトリウム 2〜8% である、請求項1記載の高エネルギー鉛蓄電池電解液。 3.使用される前記純水の温度が20〜40℃であり、新鮮な場合の固有抵抗 が10×106〜20×106Ω/cmである請求項1または2記載の高エネルギー 鉛蓄電池電解液。 4. ET-90安定剤 2〜8% 硫酸ニッケル 0.017〜0.02% 硫酸コバルト 0.005〜0.01% 硫酸アルミニウム 3〜4% 硫酸ナトリウム 2〜3% リン酸アルミニウム 4〜4.5% ヨウ化リチウム 0.15〜0.2% コロイド状シリカ(シリカゾル) 19.5〜20% 塩化リチウム 0.15〜0.2% 炭酸リチウム 2.5〜3% 硫酸マグネシウム 3〜5% 硫酸(A.R.グレード) 9.5〜10% 純水 47.9〜52.7% という原料を成分として含有する請求項1または2記載の高エネルギー鉛蓄電池 電解液。 5.使用される前記純水の温度が20〜40℃であり、新鮮な場合の固有抵抗 が10×106〜20×106Ω/cmである請求項4記載の高エネルギー鉛蓄電 池電解液。 6.高エネルギー鉛蓄電池電解液の製造方法において、 a)硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸アルミニウム、硫酸ナトリウム、リン酸 アルミニウム、ヨウ化リチウム、炭酸リチウム、硫酸マグネシウムおよび塩化リ チウムを高純度水でそれぞれ希釈し、それらを砕き、混和し、得られた混合物が 乳化するまで攪拌して溶解させることで高重合体触媒2000を得る段階; b)シリカゾルを高純度水で希釈して、比重を1.015〜1.04とする段階 ; c)段階b)で得られた溶液をカチオン交換カラム、アニオン交換カラムおよびア ニオン・カチオン混合樹脂交換カラムに通し、反応槽に入れ、得られた溶液のp H値をET-90安定剤によってpH=8〜14に調節し、得られた溶液を濃縮 する段階; d)段階c)で得られた溶液を加熱して70〜80℃とし、攪拌下で該溶液に硫酸 (A.R.グレード)を加える段階; e)該溶液に高重合体触媒2000を加え、それを十分に砕き、得られた混合物 を均一に攪拌することで混和して溶解させ、反応槽を加熱し、乳化剤を加えるこ とで溶液を乳化させてペーストを得ることで、2000型高エネルギー蓄電池電 解液を得る段階 を有して成ることを特徴とする方法。 7.前記段階a)で、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸アルミニウム、硫酸ナ トリウム、リン酸アルミニウム、ヨウ化リチウム、炭酸リチウム、硫酸マグネシ ウムおよび塩化リチウムを高純度水でそれぞれ希釈して、比重を1.015〜1. 04とし;十分に粉砕し、均一に攪拌することで混和し、攪拌を続けることで得 られた混合物を乳化させて、2000型高重合体触媒を得る請求項6記載の高エ ネルギー鉛蓄電池電解液の製造方法。 8.前記段階c)で、前記溶液を、直列で、カチオン交換カラムに通してpH3 〜4とし、アニオン交換カラムに通してpH7〜8とし、混合アニオン・カチオ ン樹脂交換カラムに通し、次に反応槽に入れ、得られた溶液のpH値をET-9 0安定剤によって8〜14に調節し、得られた溶液を濃縮することで室温での比 重を1.01〜1.09とする請求項6または7記載の高エネルギー鉛蓄電池電解 液の製造方法。 9.前記段階c)で、前記溶液を、カチオン交換カラムに通してpH3〜4とし 、アニオン交換カラムに通してpH7〜8とし、混合アニオン・カチオン樹脂交 換カラムに通し、次に反応槽に入れ、得られた溶液のpH値をET-90安定剤 によって9〜11に調節し、得られた溶液を濃縮することで室温での比重を1. 03〜1.05とする請求項8記載の高エネルギー鉛蓄電池電解液の製造方法。 10.高エネルギー鉛蓄電池の製造方法において、 a)新しい乾燥状態の鉛蓄電池を純水に浸漬して、該電池の電極板に、飽和する まで十分に水を吸収させる段階; b)前記純水を電池から排出し、直ちに請求項6記載の方法によって製造した電 解液を加える段階; c)電池をそれの適合する負荷によって放電させて、該電池の電圧を6V未満に 低下させることで、高エネルギー電池を得る段階 を有してなることを特徴とする方法。 11.前記段階a)で、新しい乾燥状態の鉛蓄電池を約20〜45℃の温度で純 水に入れ、そこで約1時間浸漬することで、該電池の電極板に、飽和するまで十 分に水分子を吸収させ; 前記段階c)で、前記段階b)から3〜4分後に、電池をそれの適合する負荷によ って放電させて、該電池の電圧を6V未満に低下させることで、高エネルギー電 池を得る、請求項10記載の高エネルギー鉛蓄電池の製造方法。 12.さらに、 d)得られた高エネルギー蓄電池を、好適な電流にて、高い定電流パルス充電器 を用いて、電池が完全に充電されたことを示す69℃まで昇温するまで充電する 段階 を有してなる請求項10または11記載の高エネルギー鉛蓄電池の製造方法。 13.電極棒、ゴム栓、筐体、電極板、頂部キャップを有してなる高エネルギ ー鉛蓄電池であって、さらに請求項1記載の高エネルギー鉛蓄電池電解液を有す る蓄電池。 14.さらに、前記高エネルギー鉛蓄電池における電解液の温度を測定するた めの温度計を有する請求項13記載の高エネルギー鉛蓄電池。
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