JP2008112614A

JP2008112614A - ナトリウム硫黄電池

Info

Publication number: JP2008112614A
Application number: JP2006293991A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Koriyama; 慎一郡山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: JP5052096B2

Abstract

【課題】高信頼性および低コストを実現するナトリウム硫黄電池を提供すること。
【解決手段】ナトリウムイオン伝導性を有する固体電解質板１１と、固体電解質板１１に接合された凹状の第１および第２の容器１２，１３と、第１の容器１２に収容された負極活物質１４と、第２の容器１３に収容された正極活物質１５とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力貯蔵システムなどに用いられるナトリウム硫黄電池に関するものである。

電力貯蔵システムなどに用いる電池として、ナトリウム硫黄電池が研究開発されてきた。このナトリウム硫黄電池は、負極活物質であるナトリウムと、正極活物質である硫黄と、電解質としてナトリウムイオン伝導性を有する固体電解質とを備えている。

このナトリウム硫黄電池は、寿命が長く、エネルギー密度が大きいことから、工場、ビル、家庭などの電力貯蔵または電気自動車、ハイブリッド自動車等の動力源として期待されている。
特開平０５−０５４９０８号公報

しかしながら、今後、各用途においてナトリウム硫黄電池を普及させるためには、信頼性の向上およびコストの低減を図る必要がある。

本発明は、電力貯蔵システムなどの分野におけるこのような課題に鑑みて案出されたものであり、高信頼性および低コストを実現するナトリウム硫黄電池を提供することを目的とするものである。

ナトリウムイオン伝導性を有する固体電解質板と、固体電解質板に接合された凹状の第１および第２の容器と、第１の容器に収容された負極活物質と、第２の容器に収容された正極活物質とを備えている。

本発明のナトリウム硫黄電池は、固体電解質板の両面に接合された第１および第２の容器内に負極活物質および正極活物質が収容された構成により、信頼性の向上およびコストの低減を図ることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明のナトリウム硫黄電池の単電池の構造を示す斜視図である。図２は、図１に示した単電池の断面図である。

本実施の形態におけるナトリウム硫黄電池は、ナトリウムイオン伝導性を有する固体電解質板１１と、固体電解質板１１に接合された凹状の容器１２，１３と、ナトリウムを含む負極活物質１４と、硫黄を含む正極活物質１５とを備えている。

本実施の形態において、固体電解質板１１は、四角形の平板状であり、ナトリウムイオンに対して伝導性を有するセラミックスからなる。具体的には、固体電解質板１１は、セラミックスからなる。固体電解質板１１は、凹状の第１の容器１２が接合された第１の面１１ａと、凹状の第２の容器１３が接合された第１の面１１ｂとを有している。

本実施の形態において、第１および第２の容器１２，１３は、絶縁材料からなる。第１および第２の容器１２，１３の構成材料の他の例として、金属材料がある。第１および第２の容器１２，１３は、負極活物質１４および正極活物質１５を収容する空間を構成している。

負極活物質１４は、ナトリウムであり、電池の動作時においては溶融状態で維持される。正極活物質１５は、硫黄であり、電池の動作時においては溶融状態で維持される。電池の動作時において、凹状の第２の容器１３（正極側）の中には、生成物である多硫化ナトリウムが存在する。電池の動作時において、負極活物質１４，正極活物質１５および生成物は、電池の充放電に伴う発熱を利用して溶融状態に維持される。電池の起動時において、負極活物質１４，正極活物質１５および生成物は、ヒータなどで加熱されて溶融状態とされる。

負極端子１６および正極端子１７が、固体電解質板１１の第１および第２の面１１ａ，１１Ｂに形成されている。負極端子１６は、固体電解質板１１の第１の面１１ａにおける第１の容器１２内の領域に形成されている。正極端子１７は、固体電解質板１１の第２の面１１ｂにおける第２の容器１３内の領域に形成されている。

負極端子１６は、固体電解質板１１の第１の面１１ａに形成された負極パターン１８に電気的に接続されている。具体的には、負極端子１６は、固体電解質板１１の内部に形成された導体パターン２０により、負極パターン１８に電気的に接続されている。本実施の形態において、負極パターン１８は、網状に形成されている。パターンが網状であって、反応界面における電位差が小さくなることにより、電池内部の電気抵抗が小さくなり、充放電効率が向上される。

正極端子１７は、固体電解質板１１の第２の面１１ｂに形成された正極パターン１９に電気的に接続されている。具体的には、正極端子１７は、固体電解質板１１の内部に形成された導体パターン２１により、正極パターン１９に電気的に接続されている。本実施の形態において、正極パターン１９は、網状に形成されている。パターンが網状であって、反応界面における電位差が小さくなることにより、電池内部の電気抵抗が小さくなり、充放電効率が向上される。

負極パターン１８の表面および正極パターン１９の表面は、ＡｕまたはＡｇの膜により覆われている。このような構成により、負極パターン１８および正極パターン１９の活物質による腐食が低減され、電池寿命が延びる。

ここで、図３を用いて本実施の形態の単電池の動作原理を説明する。図３は、本実施の形態の単電池の動作原理を示す図である。図３において、放電時の動作を実線の矢印で示しており、充電時の動作を点線の矢印で示している。

（放電時）第１の容器１２に収容されている負極活物質１４（ナトリウム；Ｎａ）が、電子（ｅ⁻）を放出してナトリウムイオン（Ｎａ^＋）となって、固体電解質板１１を通り抜ける。第２の容器１３に収容されている正極活物質１５（硫黄；Ｓ）は、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）と電子（ｅ⁻）とによって多硫化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_Ｘ）となる。

（充電時）第２の容器１３に収容されている多硫化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_Ｘ）が、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋），正極活物質１５（硫黄；Ｓ）および電子（ｅ⁻）に分かれる。ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）は、固体電解質板１１を通り抜けて、電子（ｅ⁻）を受取って負極活物質１４（ナトリウム；Ｎａ）になる。

第２の容器１３に繊維状導電材料を備えた構成においては、正極活物質１５（硫黄；Ｓ）の電子伝導が促進されて、単電池内部の電気抵抗が低減され、充放電効率が向上される。

第１の容器１２が導電性材料からなり、第１の容器１２が負極パターン１８に電気的に接続されている構成においては、放電時に負極活物質の量が少なくなった場合であっても、第１の容器と負極活物質とで電子を授受して、放電効率が向上される。

第２の容器１３が導電性材料からなり、第２の容器１３が正極パターン１９に電気的に接続されている構成においては、充電時に正極活物質の硫黄濃度が低くなった場合であっても、第２の容器と正極活物質とで電子を授受して、充電効率が向上される。

本発明のナトリウム硫黄電池の単電池の構造を示す斜視図である。図１に示した単電池の断面図である。本実施の形態の単電池の動作原理を示す図である。

符号の説明

１１固体電解質板
１２第１の容器
１３第２の容器
１４負極活物質
１５正極活物質
１６負極端子
１７正極端子
１８負極パターン
１９正極パターン

Claims

第１の面および第２の面を有しており、ナトリウムイオン伝導性を有する固体電解質板と、
前記固体電解質板の前記第１の面に接合された凹状の第１の容器と、
前記固体電解質板の前記第２の面に接合された凹状の第２の容器と、
ナトリウムを含んでおり、前記第１の容器に収容された負極活物質と、
硫黄を含んでおり、前記第２の容器に収容された正極活物質と、
を備えたナトリウム硫黄電池。
前記固体電解質板の前記第１の面における前記第１の容器内の領域に形成された負極パターンと、
前記固体電解質板の前記第２の面における前記第２の容器内の領域に形成された正極パターンと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のナトリウム硫黄電池。
前記負極パターンおよび前記正極パターンが網状であることを特徴とする請求項２記載のナトリウム硫黄電池。
前記負極パターンの表面および前記正極パターンの表面が、ＡｕまたはＡｇの膜により覆われていることを特徴とする請求項２記載のナトリウム硫黄電池。
前記負極パターンに電気的に接続されており、前記固体電解質板の表面における前記第１の容器外の領域または前記第２の容器外の領域に形成された負極端子と、
前記正極パターンに電気的に接続されており、前記固体電解質板の表面における前記第１の容器外の領域または前記第２の容器外の領域に形成された正極端子と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のナトリウム硫黄電池。
前記負極端子が、前記固定電解質板の前記第１の面に形成されており、
前記正極端子が、前記固体電解質板の前記第２の面に形成されている、ことを特徴とする請求項５記載のナトリウム硫黄電池。
前記負極端子が、前記固体電解質板の内部に形成された第１の導体パターンを介して、前記負極パターンに電気的に接続されており、
前記正極端子が、前記固体電解質板の前記内部に形成された第２の導体パターンを介して、前記正極パターンに電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項５記載のナトリウム硫黄電池。
前記第１の容器および前記第２の容器が導電性材料からなることを特徴とする請求項１記載のナトリウム硫黄電池。
前記第１の容器内の空間および前記第２の容器内の空間が、減圧状態にされていることを特徴とする請求項１記載のナトリウム硫黄電池。
前記第２の容器内に繊維状導電材が収容されていることを特徴とする請求項１記載のナトリウム硫黄電池。
前記第１の容器が導電性材料からなり、
前記第１の容器が、前記負極パターンに電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１記載のナトリウム硫黄電池。
前記第２の容器が導電性材料からなり、
前記第２の容器が、前記正極パターンに電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１記載のナトリウム硫黄電池。