JP2006228623A - 半透過膜を用いた電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】酸性又はアルカリ性電解液を用いた電池であって、エネルギ密度が高く、内部抵抗が増加せず充放電サイクル寿命が長く、最少残存電圧値が低い値まで再充電が可能な、しかも鉛電池やニッケル水素(NiMH)電池における電解液のような硫酸や苛性カリなどの劇薬を必要としない、即ち公害性が実質的に無く、さらに廃棄に際して環境に負担をかけない、半透過膜を用いた電池を提供する。
【解決手段】少なくとも正極と負極と電解液と、前記電解液の水分を選択的に透過しない半透過膜とを含む電池であって、前記正極及び負極が前記半透過膜によって前記電解液から隔離されており、好ましくは前記電解液が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるpH1〜4の酸性電解液、又はpH9〜14のアルカリ性電解液を含むことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、酸性及びアルカリ性電解液型電池に係り、特に、pH1〜4の酸性電解液を利用した酸性電解液型の、及びpH9〜14のアルカリ性電解液を利用したアルカリ性電解液型の、半透過膜を用いた電池に関するものである。
電極に鉛、電解液に硫酸を用いる鉛電池は長い間代表的2次電池として普及し、材料及び構造の絶え間ない改良により、その性能や寿命は向上して来た。
具体的には極板(グリッド)、セパレータ、電池ケースなどの改良であり、現在最も広く使われている「メンテナンスフリー・シールドタイプ電池」に至っている。
しかしながら、依然としてエネルギ密度が低い、即ち、重くて嵩張るという根本的問題がある。
さらに、電解液として硫酸を用いることに変わりなく、一般に性能を高めると極板がサルフレーション(硫化)を起こし易くなり、その結果電池の内部抵抗の増加が避けられない。
さらにサルフレーションが進行すると、電池動作に不可欠なイオンの移動が困難になり、遂には動作不能となって廃棄に至るが、硫酸・鉛を始めとして各種の公害物質を含むので、廃棄処理が容易ではない。
また、鉛電池を重負荷で苛酷使用した場合、極板も電解液も共に減耗するけれども、特にシールド電池の場合は、極板は勿論、電解液の補充も不可能である。
また、電池電圧が所定の値、例えば、定格12Vの鉛電池で6V、を下回った場合、通常は再充電が不可能になる。
電池内部の構造や電解液などの改良が多少行われているが、殆どの場合、電池の性能を悪化させており、材料固有の公害物質としての危険要因も回避できていない。
例えば、鉛電池内部の構造の改良に関しては、特許文献1には、電解液槽の蓋に触媒を配した制御弁を設け、電池内で発生するガスを効率よく触媒反応させて生成した水を還流すると共に負極のサルフレーションを防止する技術が開示されている。
鉛電池は、以上のような問題点があるので、用途及び使用方法が限定される。
そこで、最近の携帯機器の普及に伴い、携帯機器用の2次電池としては、鉛電池の有するこれらの問題をある程度回避できるリチウムイオン電池が普及している。
リチウムイオン電池は、エネルギ密度が高く、小型軽量であり、公害性が低いからである。
しかしながら、製造コストが高価であり、さらにサイクル寿命が300回程度と鉛電池の1000回程度に比べて低いので、ランニングコストがより高価になるという問題がある。
また、リチウムイオン電池は、過放電と過充電に対して、耐力がなく、とくに過充電を行うと電池が過熱し、約130℃を越えると電池の破裂、電解液の吐出に至る。
そこで、電池の内部が高温で破裂直前になると、封入部のガスケットの一部からガスを逃がす方法や、蓋部分(正極端子)が飛び出すことでガスを逃がす方法や、内部セパレータを破壊して短絡することで、ガスの発生を抑える方法などが開発されている。
あるいは例えば特許文献2を参照すると、ゲル状の非水系電解液を用いることで、可燃性の有機溶媒を電解液の溶剤として用いた場合の火災の危険性を減少させる技術が開示されている。
しかし、いずれも破裂の被害を最小限に抑えるに止まり、破裂自体を避けるのは困難であるので、破裂自体を避けるためには、電池を機器に内蔵して交換不能にしてしまうか、電池の充放電制御を行うマイコンを組み合わせたバッテリパックの形にするしかないという問題がある。
また、リチウムイオン電池の電解液は可燃性の有機溶剤を必要とするので、僅かな液漏れと加熱により出火する危険性がある。有機溶剤を難燃性にするため各種の添加剤を加える研究が進められているが、一般に添加剤を加えると電池の性能が低下してしまうという問題がある。
特開2001−148256号公報 特開平09−270271号公報
本発明の目的は、上記のような2次電池における諸問題を解決するためになされたものであり、酸性電解液を用いた電池であって、硫酸を用いる通常の鉛電池などに比べてエネルギ密度が高く、サルフレーションがないので内部抵抗が増加せず充放電サイクル寿命が長く、最少残存電圧値が低い値まで再充電が可能な、しかも鉛電池における電解液のような硫酸などの劇薬を必要としない、即ち公害性が実質的に無く、さらに廃棄に際して環境に負担をかけない、半透過膜を用いた電池を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記のような2次電池における諸問題を解決するためになされたものであり、アルカリ性電解液を用いた電池であって、ニッケル水素(NiMH)電池などに勝るエネルギ密度とサイクル寿命を有し、しかもニッケル水素電池における電解液のような苛性カリなどの劇薬を必要としない、即ち公害性が実質的に無い、さらに廃棄に際して環境に負担をかけない、半透過膜を用いた電池を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の請求項1による半透過膜を用いた電池は、少なくとも正極と負極と電解液と、前記電解液の水分を選択的に透過しない半透過膜とを含む電池であって、前記正極及び負極が前記半透過膜によって前記電解液から隔離されていることを特徴とする。
また、請求項2に記載のとおり、前記半透過膜が前記電解液を収容する袋状をなしていることを特徴とする。
また、請求項3に記載のとおり、前記半透過膜が疎水性の高分子からなる多孔性の膜からなる。
また、請求項4に記載のとおり、前記高分子がポリウレタンであることを特徴とする。
また、請求項5に記載のとおり、前記ポリウレタンが、60〜100℃で4〜96時間高温保管することによりエージングされた履歴を有するポリウレタンであり、また好ましくは請求項6に記載のとおり、前記ポリウレタンが生分解性ポリウレタンであることを特徴とする。
また、請求項7に記載のとおり、前記電解液が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるpH1〜4の酸性電解液を含むことを特徴とする。
また、請求項8に記載のとおり、前記電解液が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるpH9〜14のアルカリ性電解液を含むことを特徴とする。
また、本発明による酸性電解液型2次電池では、硫酸を用いない鉛系電極電池の場合において、電解液の水分を選択的に透過しない半透過膜によって電池の正負の極板が電解液から隔離されており、正負の極板と電解液を層状に重ねることができ、しかも電解液として、海水から化学的手段を用いないで、物理的手段のみを用いて得られるpH1〜4の電解液、以下「スーパーナチュラル電解液」、略して「SN電解液」と称される電解液を用いる場合には、通常の鉛電池に比べて重量的にも体積的にもエネルギ密度が格段に高く、公害性が低く、しかも電極板を損傷せずサルフレーションがないので内部抵抗が増加せず充放電サイクル寿命が長く、最少残存電圧値が低い値まで再充電が可能な、半透過膜を用いた電池を提供することができる。
また、本発明によるアルカリ性電解液型2次電池では、電解液の水分を選択的に透過しない半透過膜によって電池の正負の極板が電解液から隔離されており、正負の極板と電解液を層状に重ねることができ、しかも電解液として、海水から化学的手段を用いないで、物理的手段のみを用いて得られるpH9〜14の電解液、以下「スーパーナチュラル電解液」、略して「SN電解液」と称される電解液を用いる場合には、通常のアルカリ性電解液型電池に比べて重量的にも体積的にもエネルギ密度が格段に高く、公害性が低く、しかも電極板を損傷しないので内部抵抗が増加せず充放電サイクル寿命が長く、最少残存電圧値が低い値まで再充電が可能な、半透過膜を用いた電池を提供することができる。
以下、本発明に係る実施の形態と効果を、図面を参照して具体的に説明する。
図1を参照すると、第1の実施例に係る半透過膜を用いた電池は酸性電解液型2次電池であって、少なくとも鉛、カーボン、マグネシウム、及びカルシウムを含む7枚の電極板10〜16と、海水から化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるpH1〜4の電解液30を各々収容した6個の袋状の半透過膜20〜25とからなり、電極板10〜16と袋状の半透過膜20〜25は、両端を電極いた10、16として交互に積層されている。
本実施例においては、袋20〜25の半透過膜として、疎水性の高分子からなり、酸・アルカリに腐食されにくいポリウレタン膜を用い、60〜100℃で4〜96時間高温保管してエージングすることにより、多数のナノスケールの微細孔を有する多孔性の膜となったものを適用する。
さらに本実施例においては、生分解性のポリウレタン膜を用いる。生分解性のポリウレタン膜は、廃棄した場合、土中の微生物などにより、自然に生分解されるので、環境に優しい。
このような膜は、袋内に収容した電解液のうち溶媒である水分を通さないが溶質であるイオンを通すので、膜に接する電極板10〜16は、電解液に直接接していないので電解液である酸による腐食を受けないが、イオンは微細孔を通過するので電池としての充放電動作に支障を来たさない。
即ち、電極板は電解液に対し、マクロスケールでは半透過膜により隔離されているが、ナノスケールでは接していることになる。
図2を参照すると、第1の実施例に係る半透過膜を用いた電池の部分図であって、電極板10、袋状の半透過膜20の一部、電解液30、袋状の半透過膜20の他の一部、電極板11がこの順に積層されている。
袋状の半透過膜20、21は多数の微細孔205を備え、半透過膜の少なくとも周縁部202には疎水性基が並んでいるので、電解液30の水分は半透過膜20、21にはじかれて半透過膜の内部に保持される。電解液中のイオン35は微細孔205を通って出入りし、イオン36のように電極板10に到達できるので、電極板10、電解液30、電極板11の間を移動し、電池の充放電動作に必要な化学反応を行う。
実際の使用にあたっては、上記pH1〜4の「SN電解液」を用意しておき、各半透過膜の袋に注ぐ。
「SN電解液」は、硫酸などのような劇薬ではなく、人体に無害で環境に優しい。
図1に戻って、本実施例においては電解液を収容した6個の、縦横各々10cmの半透過膜の袋が同じく縦横10cmの電極板を挟んで直列に接続されており、全体の厚さは4cmになる。
電極板と袋の1組あたり2ボルトの起電力を有する場合、充電すると、全体では12ボルトの起電力を発生する。
本実施例の酸性電解液型2次電池は60Ahの電流供給能力、即ち720Whのエネルギ供給能力を有し、そのサイズ、重量は付随部品を含めた全体で各々12×12×6=864立方cm、1.5kgであるので、容積・重量エネルギ密度は各々、833Wh/リッタ、480Wh/kgにのぼる。
表1を参照すると、従来技術による2次電池としては最善とされるニッケル水素(NiMH)電池の各社発表データである。
Figure 2006228623
表1によれば、容積・重量エネルギ密度は各々、160Wh/リッタ、60Wh/kg程度であるのに対して、本実施例によれば各々、5倍、8倍程度の密度が得られるので、これらと比較して格段に優れている。
さらに、このようにして得られた半透過膜を用いた電池は廃棄に際して、半透過膜と電解液はそのまま廃棄しても人畜に無害であり、残る電極などは再利用が可能であるので、実質的に環境に負担をかけない。
電極の構造としては、電極板10を正極、16を負極とする場合、中間の電極板11〜15は実際には正負極板を貼り合わせてもよく、その場合、正極材料として鉛ではなく2酸化鉛を使うことができる。
電極板及び半透過膜の袋の個数は、勿論本実施例の場合に限られない。
また、電極板と袋のセットは、一部又は全部を並列接続してもよく、その場合、並列接続された隣接する袋に介在する電極板は正負一方の極板とすることができる。
以上、実施例1では、実績のある鉛電池をベースとして、鉛を含む混合物を電極とし、酸性電解液型、特に酸性「SN電解液」を用いた2次電池について説明したが、本発明は、鉛電池以外の酸性電解液型2次電池に対しても適用することができた。
また本発明は、アルカリ性電解液型2次電池、例えば、ニッケル水素電池に対しても適用できた。
その際、アルカリ性電解液としてpH9〜14の「SN電解液」を使うと、電流容量を増加し、充放電サイクル寿命を延ばすことができた。
また、これらの2次電池においてセパレータが使われている場合、本発明による半透過膜で置換することにより、セパレータを省くことができた。
車両用化石燃料の消費は地球規模で激増しており、地球温暖化対策、排ガス規制対策のためには、代替エネルギ源の開発が急務である。
これに対して本発明は、その目的に適う軽量・高エネルギ密度で長寿命・安全な2次電池を供給するものである。
さらに本発明は、人畜無害な電解液と生分解性の半透過膜を用いているので環境に負荷をかけない2次電池を供給するものである。
以上、実施例1において、酸性電解液型2次電池への適用例を鉛系電極電池の場合について説明し、実施例2〜5においては、他の電極構成や、他の酸性電解液型2次電池やアルカリ性電解液型2次電池について説明したが、本発明の権利範囲は、特許請求の範囲に記す全ての、半透過膜を用いた電池、例えば、2次電池だけではなく1次電池にも及ぶ。
第1の実施例に係る半透過膜を用いた電池を示す図である。 第1の実施例に係る半透過膜を用いた電池の部分図である。
符号の説明
10〜16 電極板
20〜25 袋状の半透過膜
202 半透過膜の周縁部
205 半透過膜の微細孔
30 電解液
35 イオン
36 イオン

Claims (8)

  1. 少なくとも正極と負極と電解液と、前記電解液の水分を選択的に透過しない半透過膜とを含む電池であって、前記正極及び負極が前記半透過膜によって前記電解液から隔離されていることを特徴とする半透過膜を用いた電池。
  2. 前記半透過膜が前記電解液を収容する袋状をなしていることを特徴とする請求項1に記載の半透過膜を用いた電池。
  3. 前記半透過膜が疎水性の高分子からなる多孔性の膜からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の半透過膜を用いた電池。
  4. 前記高分子がポリウレタンであることを特徴とする請求項3に記載の半透過膜を用いた電池。
  5. 前記ポリウレタンが、60〜100℃で4〜96時間高温保管することによりエージングされた履歴を有するポリウレタンであることを特徴とする請求項4に記載の半透過膜を用いた電池。
  6. 前記ポリウレタンが、生分解性のポリウレタンであることを特徴とする請求項4又は5に記載の半透過膜を用いた電池。
  7. 前記電解液が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるpH1〜4の酸性電解液を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の半透過膜を用いた電池。
  8. 前記電解液が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるpH9〜14のアルカリ性電解液を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の半透過膜を用いた電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014041799A (ja) * 2012-08-23 2014-03-06 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 非水電解液二次電池

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