JP2006228623A

JP2006228623A - 半透過膜を用いた電池

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Publication number: JP2006228623A
Application number: JP2005042789A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Mori; 幸信森
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-31

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。

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

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。