JP2005122948A - Sodium-sulfur battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はナトリウム硫黄電池に係り、特に電力貯蔵用等に好適なナトリウム硫黄電池に関する。 The present invention relates to a sodium sulfur battery, and more particularly to a sodium sulfur battery suitable for power storage and the like.
ナトリウム硫黄電池は、負極活物質にナトリウム、正極活物質に硫黄、及び多硫化ナトリウムが用いられ、正極と負極の隔壁にナトリウムイオンに導電性がある固体電解質管が用いられる高温型二次電池である。ナトリウムイオンに導電性がある固体電解質管としては、ベータアルミナが用いられ、袋管を用いる場合が多い。一般に、ナトリウムイオンに導電性がある固体電解質管とナトリウム,硫黄及び多硫化ナトリウムを収納する1つの容器から1つの電池が構成される。これを単電池と呼ぶ。大電力を蓄えるには、通常多数本の単電池を直並列に接続して用いられる。 The sodium-sulfur battery is a high-temperature secondary battery in which sodium is used for the negative electrode active material, sulfur and sodium polysulfide are used for the positive electrode active material, and a solid electrolyte tube having conductivity for sodium ions is used for the partition walls of the positive electrode and the negative electrode. is there. Beta alumina is used as a solid electrolyte tube having conductivity for sodium ions, and a bag tube is often used. In general, one battery is composed of a solid electrolyte tube having conductivity with sodium ions and one container containing sodium, sulfur and sodium polysulfide. This is called a single cell. In order to store a large amount of power, a large number of single cells are usually connected in series and parallel.
ナトリウム硫黄電池の通常の運転温度は280℃〜370℃と高温であるため、複数の単電池を断熱容器に詰めてモジュールとする。1単電池当たりの電池出力を増大するには、電池のジュール損失を低減して大電流で放電運転する必要がある。電池のジュール損失を低減するには電池の内部抵抗を極力低減する必要がある。 Since the normal operating temperature of a sodium sulfur battery is as high as 280 ° C. to 370 ° C., a plurality of single cells are packed in a heat insulating container to form a module. In order to increase the battery output per unit cell, it is necessary to reduce the Joule loss of the battery and perform a discharge operation with a large current. In order to reduce battery Joule loss, it is necessary to reduce the internal resistance of the battery as much as possible.
ナトリウム硫黄電池の放電反応は次式で示せる。
正極側:xS + 2Na+ + 2e- → Na2Sx (x=3〜5)
負極側:2Na → 2Na+ + 2e-
全反応:2Na + xS → Na2Sx
充電反応は上式の逆反応である。
The discharge reaction of the sodium sulfur battery can be expressed by the following equation.
Positive electrode side: xS + 2Na + + 2e − → Na 2 S x (x = 3 to 5)
Negative electrode side: 2Na → 2Na + + 2e −
Total reaction: 2Na + xS → Na 2 S x
The charging reaction is the reverse reaction of the above equation.
上記した電池反応でNa2Sx の生成と解離は正極である硫黄極で生じる。従って、電池の内部抵抗の大半は、硫黄極の抵抗であり、内部抵抗を極力低減するには、硫黄極の抵抗を低減することが最も有効である。 In the battery reaction described above, Na 2 Sx is generated and dissociated at the sulfur electrode as the positive electrode. Therefore, most of the internal resistance of the battery is the resistance of the sulfur electrode, and in order to reduce the internal resistance as much as possible, it is most effective to reduce the resistance of the sulfur electrode.
従来のナトリウム硫黄電池の一例を図2に示す。固体電解質管1はベータアルミナ等の材料により、一方の端部が閉じられた袋管状に作られ、この内部に装着された下部に開口部をもつステンレス等の金属材料で作られた袋管状の安全容器2にナトリウムが貯蔵されている。安全容器2の外表面と固体電解質管1の内表面とは一定の間隔をもって配置され、固体電解質管1の内表面に充放電に必要な最小限のナトリウムが供給されるようになっている。固体電解質管1の外表面側には、正極活物質である硫黄、及び多硫化ナトリウムが充填され、正極(硫黄極)が形成されている。硫黄は絶縁物であり、多硫化ナトリウムも電子伝導性に乏しいため、正極での電池反応を成立させるため電子伝導性のある補助導電材が、正極(硫黄極)3の全領域に必要となる。このため、硫黄極内での電池活物質の流動性は極めて小さい。
An example of a conventional sodium-sulfur battery is shown in FIG. The
また、電池の内部抵抗を低減する方法として、図3のような集電極10を用いたものがある。図3は固体電解質管1の軸を水平に設置したものを軸方向に対して直角に断面した図である。固体電解質管1はベータアルミナ等の材料により円筒管形状に作られ、内部にステンレス等の金属材料で作られた円筒管形状の安全容器が装着され、ナトリウム7が充填されている。安全容器の外表面と固体電解質管1の内表面との間にナトリウム供給体が装着され、安全容器の開口部を介して、固体電解質管1の内表面に充放電に必要な最小限のナトリウム7が供給されるようになっている。また、多硫化ナトリウムに比べ硫黄に優先的浸透性の高い円筒形状の補助導電体9と硫黄に比べ多硫化ナトリウムに優先浸透性がある高抵抗層8を装着し、電池反応領域へ硫黄11及び多硫化ナトリウム12を供給するようにしたものである。
Further, as a method for reducing the internal resistance of the battery, there is a method using a
上記背景技術では、高出力で電池を充放電運転すると内部抵抗が上昇して電池の運転領域が狭くなり、結果的に電池容量が充分取れない電池となることがあった。これは、高出力になると電池活物質が充分に電池反応領域へ供給されていないためである。例えば、高抵抗層を使って多硫化ナトリウムを電池反応領域へ充分供給するには、高抵抗層からなる流路断面積を増大する必要がある。しかし、流路の断面積を大きくすると実質的な高抵抗層の厚みが厚くなり、電池の内部抵抗が増大して電池のエネルギー効率を低下せざるを得ない。 In the above background art, when a battery is charged / discharged at a high output, the internal resistance increases and the operating range of the battery is narrowed. As a result, the battery may not have sufficient battery capacity. This is because the battery active material is not sufficiently supplied to the battery reaction region at high output. For example, in order to sufficiently supply sodium polysulfide to the battery reaction region using the high resistance layer, it is necessary to increase the cross-sectional area of the channel composed of the high resistance layer. However, if the cross-sectional area of the flow path is increased, the thickness of the substantial high resistance layer is increased, and the internal resistance of the battery is increased to reduce the energy efficiency of the battery.
本発明の目的は、高出力運転可能で、かつ、長時間安定して運転できるナトリウム硫黄電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a sodium-sulfur battery that can be operated at a high output and can be stably operated for a long time.
本発明のナトリウム硫黄電池は、固体電解質管と集電極間に硫黄に比べ多硫化ナトリウムに優先浸透性の高い高抵抗層を配置し、その外周に多硫化ナトリウムに比べ硫黄に優先浸透性の高い円筒形状の補助導電体を配置し、高抵抗層が補助導電体の径方向に貫通するようにして、電池反応に必要な多硫化ナトリウムを電池反応領域へ供給し、さらに反応生成物を排出することが容易となるように、多硫化ナトリウムの適切な流路パスを設けたものである。 In the sodium-sulfur battery of the present invention, a high-resistance layer having higher preferential permeability for sodium polysulfide than sulfur is disposed between the solid electrolyte tube and the collector electrode, and the preferential permeability for sulfur is higher on the outer periphery than sodium polysulfide. Cylindrical auxiliary conductor is arranged, high resistance layer penetrates in the radial direction of auxiliary conductor, sodium polysulfide necessary for battery reaction is supplied to battery reaction area, and reaction product is discharged In order to facilitate this, a suitable flow path for sodium polysulfide is provided.
本発明によれば、従来のナトリウム硫黄電池の高抵抗層を改善することにより、多硫化ナトリウムの電池反応領域への十分な供給と反応生成物の排出が容易となり、高出力で長時間安定して運転することが可能となる。 According to the present invention, by improving the high resistance layer of the conventional sodium-sulfur battery, sufficient supply of sodium polysulfide to the battery reaction region and discharge of the reaction product are facilitated, and high output is stable for a long time. Driving.
多硫化ナトリウムの流路断面積を増大し、高出力運転を可能とするという目的を、電池の内部抵抗を増大せずに実現した。 The purpose of increasing the channel cross-sectional area of sodium polysulfide and enabling high output operation was achieved without increasing the internal resistance of the battery.
図1は本発明に係るナトリウム硫黄電池の第1の実施例であり、袋管状の固体電解質管1の長手方向(軸方向)に対して直角に切断した横断面である。
FIG. 1 shows a first embodiment of a sodium-sulfur battery according to the present invention, which is a cross section cut at right angles to the longitudinal direction (axial direction) of a bag-shaped
図1に示す如く、ナトリウム硫黄電池は、正極容器4内に固体電解質管1が装着され、固体電解質管1の内部にナトリウムが充填され、負極であるナトリウム極6となっている。
As shown in FIG. 1, the sodium-sulfur battery has a
固体電解質管1の外周には、多硫化ナトリウムに比べ抵抗率が高い高抵抗層13が設けられている。高抵抗層13の一例としてはアルミナやガラス等絶縁物を多孔体やメッシュに加工し、シート状に成形した物、または、粒子状や粉末状態の物を用いる。高抵抗層
13の外周には電子伝導性のある補助導電体9を設ける。補助導電体9の一例としてはグラファイトやカーボン、その他金属を多孔体やメッシュ,フェルト状に加工し、シート状に成形した物、または、粒子状や粉末状態の物を用いる。さらに、補助導電体9の外周には充放電反応の電流を流すための集電極10を設ける。集電極10は正極容器4と電気的に接続されている。
A
尚、バルク15の活物質液面高さ17は、集電極10全体が液面下になるように配置されている。
In addition, the active material
ここで、高抵抗層13は、硫黄に比べ多硫化ナトリウムに優先的に濡れ易い材料、すなわち、優先浸透性がある材料を用い、固体電解質管1の外周に装着するばかりでなく、固体電解質管1の径方向に向かう多硫化ナトリウム流路をも形成するように補助導電体9を貫通して装着されている。補助導電体9を貫通した高抵抗層13は、補助導電体9の外周に装着された集電極の開口部14を経て、硫黄11、並びに多硫化ナトリウム12からなる電池活物質で構成されるバルク15の活物質と直接接触する構造とした。仮に、高抵抗層がバルクに直接接触しないと周囲の補助導電体や集電極の部材の影響や付着した活物質の影響を受け、貫通流路としての役割を十分に果たせないことになる。
Here, the
本実施例ではバルク15に直接接触した高抵抗層13で形成される貫通流路断面積を、固体電解質管1の下半分が上半分より大きくなるように構成した。図1では下半分の高抵抗層13の貫通流路断面積は、上半分に比べ、2倍以上とした例を概念図として示した。無論、高抵抗層13で形成される貫通流路断面積は電池の電流密度等、使用条件に合わせて選定する必要があり、図1のように下半分の高抵抗層13の貫通流路断面積は、上半分に比べ、2倍以上とする必要性はない。実施例では、多硫化ナトリウムは硫黄に比べ密度が高く下方に沈降するため、充電時に下方から多硫化ナトリウム12を吸い上げ、補助導電体9へ供給し易くするため、このような構成とした。
In this embodiment, the through-flow channel cross-sectional area formed by the
以下、充放電に伴う電池内の活物質挙動を説明する。電池はナトリウムや硫黄等電池活物質が液体状態となる280℃以上に加熱して運転した。 Hereinafter, the behavior of the active material in the battery accompanying charge / discharge will be described. The battery was operated by heating to 280 ° C. or higher at which the battery active material such as sodium or sulfur was in a liquid state.
放電運転では、補助導電体9に含浸された硫黄がナトリウム極(負極)6から固体電解質管1を透過したナトリウムイオンと反応して、多硫化ナトリウム12を生成する。生成した多硫化ナトリウム12は、高抵抗層13を流路としてバルク15へと流下する。不足する硫黄はバルク15の硫黄11から集電極の開口部14を経て、補助導電体9に供給される。
In the discharge operation, sulfur impregnated in the
一方充電では、補助導電体9内の多硫化ナトリウム12をナトリウム7と硫黄11に解離し、ナトリウム7は高抵抗層13を経て固体電解質管1を透過し、ナトリウム極(負極)6にもどる。硫黄11は多硫化ナトリウム12との密度差でバルク15の硫黄11へと流出する。無論、バルク15では硫黄11と多硫化ナトリウム12は二層に分離する。充電反応で不足した多硫化ナトリウム12はバルク15に貫通した高抵抗層13を経て、補給される。さらに充電が進んでも固体電解質管1の真下に存在する高抵抗層18によって電池容器の底部に存在する多硫化ナトリウム12が吸上げられ、補助導電体9の上部まで供給されるので正極容器4内に存在する殆どの多硫化ナトリウム12が充電可能である。
On the other hand, in charging, the
図4は本発明の第2の実施例を示す図である。図1の高抵抗層13の一部を改善したものである。固体電解質管1からバルク15へ向かい高抵抗層13で形成される貫通流路断面積を増大し、バルク15と接触する部分の貫通流路断面積を最も増大した構造とした。これによって、外周に向かうに従い多硫化ナトリウムの流量を増大できる。
FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. A part of the
実施例の高抵抗層材としては固体電解質管1に悪影響を及ぼさないように、カリウムやカルシウムの含有量を削減したシリガラスを用いた。バインダについても吟味し、バインダレスのシリガラスを用いた。なお、固体電解質管1に接触した高抵抗層13と補助導電体9を貫通してバルク15に接触する高抵抗層13は、材質的に同一である必要はないし、一体構造である必要もない。
As the high resistance layer material of the example, silica glass with reduced potassium and calcium contents was used so as not to adversely affect the
実施例の高抵抗層13の製法は、補助導電体9の両面、すなわち、固体電解質管1に接する側と集電極10または、バルク15に接する側から、高抵抗層材をニードルパンチによって打ち込んだ。高抵抗層材をニードルパンチで打ち込む位置は集電極の開口部14に合わせることが好ましい。無論、ニードルパンチで打ち込まなくとも高抵抗層13と補助導電体9とが接触できる状態であれば一向に機能を損なうものでない。
In the manufacturing method of the
上記材料や製法の記載は実施例1にも適用できるものである。 The above description of materials and manufacturing methods can also be applied to Example 1.
図5は本発明の第3の実施例を示す図である。図1の高抵抗層13の一部を改善したものである。固体電解質管1からバルク15へ向かう高抵抗層13をリング状にして周方向の全領域にバルク15への貫通流路を形成して貫通流路断面積を増大したものである。
FIG. 5 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. A part of the
上記の実施例1,2,3では、バルク15の活物質液面高さ17は、集電極10全体が液面下になるように配置したが、活物質液面高さ17が低く、集電極10が露出しても上記機能を損なうものでない。この場合はカバーガス16の空間を減圧状態とすることが好ましい。正極活物質は硫黄蒸気の形で補助導電体9に供給され易くなる。
In the above Examples 1, 2, and 3, the active material
また、正極容器については図14とも矩形としたが円形,楕円形等任意の形状であっても何ら機能を損ねるものではない。さらに、本実施例では、固体電解質管の軸を水平設置したが、縦設置型や斜め設置型のナトリウム硫黄電池にも適用可能である。 Further, although the positive electrode container is rectangular in FIG. 14, it does not impair any function even if it has an arbitrary shape such as a circle or an ellipse. Furthermore, in this embodiment, the axis of the solid electrolyte tube is horizontally installed, but the present invention can also be applied to a vertically installed type or an obliquely installed type sodium sulfur battery.
1…固体電解質管、2…安全容器、3…硫黄極、4…正極容器、5…負極容器、6…ナトリウム極、7…ナトリウム、8,13,18…高抵抗層、9…補助導電体、10…集電極、11…硫黄、12…多硫化ナトリウム、14…集電極の開口部、15…バルク、16…カバーガス及び硫黄蒸気、17…活物質液面高さ。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
2. The sodium-sulfur battery according to claim 1, wherein the axis of the solid electrolyte tube is installed horizontally.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101546960B1 (en) * | 2013-12-03 | 2015-08-25 | 재단법인 포항산업과학연구원 | Felt of sodium sulfur battery and method for manufacturing the felt |
KR20160119206A (en) * | 2014-02-07 | 2016-10-12 | 바스프 에스이 | Electrode unit for an electrochemical device |
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- 2003-10-15 JP JP2003354473A patent/JP2005122948A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101546960B1 (en) * | 2013-12-03 | 2015-08-25 | 재단법인 포항산업과학연구원 | Felt of sodium sulfur battery and method for manufacturing the felt |
KR20160119206A (en) * | 2014-02-07 | 2016-10-12 | 바스프 에스이 | Electrode unit for an electrochemical device |
US20160351970A1 (en) * | 2014-02-07 | 2016-12-01 | Basf Se | Electrode unit for an electrochemical device |
US10629959B2 (en) | 2014-02-07 | 2020-04-21 | Basf Se | Electrode unit for an electrochemical device |
KR102355603B1 (en) * | 2014-02-07 | 2022-01-26 | 바스프 에스이 | Electrode unit for an electrochemical device |
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