JP2012054035A - バナジウムイオン電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】レドックスフロー電池の原理を応用しつつも、電解液を循環させる循環ポンプを不要として小型化できると共に、メンテナンス性を向上させることができるバナジウムイオン電池を提供する。
【解決手段】耐酸性金属または耐酸皮膜を施した金属、もしくは導電性で非液透過性を有する炭素シートからなる陽極電極１１と、オキソ硫酸バナジウムを電解した陽極電解液を、高通電性を有する炭素粉末に混練してペースト状にし、固めた陽極電解質部１２と、オキソ硫酸バナジウムを電解した陰極電解液を、高通電性を有する炭素粉末に混練してペースト状にし、固めた陰極電解質部１４と、陽極電解質部１２と陰極電解質部１３との間に設けられ、水素イオンを交換する耐酸性の隔膜１３と、耐酸性金属または耐酸皮膜を施した金属、もしくは導電性で非液透過性を有する炭素シートからなる陰極電極１５と、を有する。
【選択図】図３
【解決手段】耐酸性金属または耐酸皮膜を施した金属、もしくは導電性で非液透過性を有する炭素シートからなる陽極電極１１と、オキソ硫酸バナジウムを電解した陽極電解液を、高通電性を有する炭素粉末に混練してペースト状にし、固めた陽極電解質部１２と、オキソ硫酸バナジウムを電解した陰極電解液を、高通電性を有する炭素粉末に混練してペースト状にし、固めた陰極電解質部１４と、陽極電解質部１２と陰極電解質部１３との間に設けられ、水素イオンを交換する耐酸性の隔膜１３と、耐酸性金属または耐酸皮膜を施した金属、もしくは導電性で非液透過性を有する炭素シートからなる陰極電極１５と、を有する。
【選択図】図３
Description
本発明は、バナジウム系レドックスフロー電池の原理を応用した固形電池のバナジウムイオン電池に関する。
近年、パソコンや電気自動車のバッテリとして、リチウムイオン電池が使用されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
その一方、バナジュウムイオン電池のような電極の化学反応を利用しない二次電池として、レドックスフロー電池が開発されている。レドックスフロー電池は、例えば、正極液に４価のバナジウムの硫酸溶液を使用する一方、負極液に３価のバナジウムの硫酸溶液を使用して、タンクに貯蔵した両極液を循環ポンプによりセルに送液して循環させることにより、充放電を行っている（例えば、特許文献４〜６参照。）。
しかし、前記特許文献１〜３に記載のリチウムイオン電池は、電極の化学反応を利用して蓄電するため、充放電の繰り返しにより電極が劣化して、いわゆるメモリー効果により充電効率が低下したり、電極反応を調整するため詳細な充電コントロールが必要であったり、コントロールの不具合による急激な電極反応により発熱等したり、さらには、製造ライン等に高度な技術が必要である、等のリチウムイオン電池固有の種々の課題がある。
その一方、前記特許文献４〜６等に記載のレドックスフロー電池では、前述のようなリチウムイオン電池の欠点はないものの、バナジウムの硫酸溶液等の電解液を循環させる循環ポンプが必要であり、電池が大型化したり、循環ポンプのメンテナンス等が必要である、という課題があった。
そこで、本発明は、レドックスフロー電池の原理を応用しつつも、電解液を循環させる循環ポンプを不要として小型化できると共に、メンテナンス性を向上させることができるバナジウムイオン電池を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明のバナジウムイオン電池は、耐酸性金属または耐酸皮膜を施した金属、もしくは導電性で非液透過性を有する炭素シートからなる陽極電極と、オキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）を電解した陽極電解液を、高通電性を有する炭素粉末に混練してペースト状にし固めた陽極電解質部と、オキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）を電解した陰極電解液を、高通電性を有する炭素粉末に混練してペースト状にし固めた陰極電解質部と、前記陽極電解質部と前記陰極電解質部との間に設けられ、選択的に水素イオン（Ｈ＋）を透過する耐酸性の隔膜と、耐酸性金属または耐酸皮膜を施した金属、もしくは導電性で非液透過性を有する炭素シートからなる陰極電極と、を有することを特徴とするバナジウムイオン電池である。
ここで、前記バナジウムイオン電池において、さらに、前記陽極電極および前記陰極電極は、電気抵抗が１［Ω］以下であり、かつ、その厚さが０．２〜０．５［ｍｍ］であることを特徴とする。
また、前記バナジウムイオン電池において、前記陽極電解液のＯＲＰ（酸化還元電位）値は、１０００〜１２００［ｍＶ］であり、４００メッシュ以上の炭素粉末である一方、前記陰極電解液のＯＲＰ（酸化還元電位）値は、（−）２５０〜（−）３５０［ｍＶ］である、ことを特徴とする。
また、前記バナジウムイオン電池において、さらに、前記隔膜は、水素イオン（Ｈ＋）を選択的に透過させる耐酸性の隔膜で、その厚さが０．２〜０．５［ｍｍ］である、ことを特徴とする。
また、前記バナジウムイオン電池において、前記陽極電解質部と前記陰極電解質部の周囲を、１．０〜５．０［ｍｍ］厚のセルフレームにより囲み補強し、前記陽極電極と、前記陽極電解質部を有する陽極側セルフレームと、前記隔膜と、前記陰極電解質部を有する陰極側セルフレームと、前記陰極電極とを積層したフレーム積層型に構成した、ことを特徴とする。
また、前記バナジウムイオン電池において、前記陽極電解質部を中心に丸めことにより円筒状電池とした、ことを特徴とする。
ここで、前記バナジウムイオン電池において、さらに、前記陽極電極および前記陰極電極は、電気抵抗が１［Ω］以下であり、かつ、その厚さが０．２〜０．５［ｍｍ］であることを特徴とする。
また、前記バナジウムイオン電池において、前記陽極電解液のＯＲＰ（酸化還元電位）値は、１０００〜１２００［ｍＶ］であり、４００メッシュ以上の炭素粉末である一方、前記陰極電解液のＯＲＰ（酸化還元電位）値は、（−）２５０〜（−）３５０［ｍＶ］である、ことを特徴とする。
また、前記バナジウムイオン電池において、さらに、前記隔膜は、水素イオン（Ｈ＋）を選択的に透過させる耐酸性の隔膜で、その厚さが０．２〜０．５［ｍｍ］である、ことを特徴とする。
また、前記バナジウムイオン電池において、前記陽極電解質部と前記陰極電解質部の周囲を、１．０〜５．０［ｍｍ］厚のセルフレームにより囲み補強し、前記陽極電極と、前記陽極電解質部を有する陽極側セルフレームと、前記隔膜と、前記陰極電解質部を有する陰極側セルフレームと、前記陰極電極とを積層したフレーム積層型に構成した、ことを特徴とする。
また、前記バナジウムイオン電池において、前記陽極電解質部を中心に丸めことにより円筒状電池とした、ことを特徴とする。
本発明のバナジウムイオン電池では、従来のレドックスフロー電池では必要であった、陽極液および陰極液を循環させる循環ポンプが不要となり、小型化できると共に、メンテナンス性を向上させることができる。
以下、本発明に係るバナジウムイオン電池の一実施形態１，２を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態１のバナジウムイオン電池１では、セルフレームを使用した例について説明し、実施形態２のバナジウムイオン電池２では、セルフレームを使用しない例について説明する。
実施形態１
まずは、実施形態１のバナジウムイオン電池１について説明する。
まずは、実施形態１のバナジウムイオン電池１について説明する。
図１は、実施形態１のバナジウムイオン電池１の１セル基本構成例の分解斜視図である。
図１に示すように、実施形態１のバナジウムイオン電池１は、図上、下から、陽極電極１１と、陽極電解質部１２の周囲を補強した陽極セルフレーム１２と、隔膜１３と、陰極電解質部１４の周囲を補強した陰極セルフレーム１４と、陰極電極１５とを重ねて１セル基本構成例としたものであり、図１に示す１セル基本構成例、または、図２に示すように１セル基本構成例を積層した複数セルから構成する。
次に、図１に示すバナジウムイオン電池１の各構成について説明する。
＜陽極電極１１＞
陽極電極１１は、例えば、ＡｕやＰｔ等の耐酸性金属や、金メッキ等を施した金属、炭素等の耐酸皮膜を施した銅やアルミ等の金属、もしくは導電性の良好な非液透過性を有する炭素シート（グラフォイル等）であって、電気抵抗が１［Ω］以下で、０．１〜０．５［ｍｍ］程度の電極を使用する。なお、抵抗値は、より小さいものが好ましい。
陽極電極１１は、例えば、ＡｕやＰｔ等の耐酸性金属や、金メッキ等を施した金属、炭素等の耐酸皮膜を施した銅やアルミ等の金属、もしくは導電性の良好な非液透過性を有する炭素シート（グラフォイル等）であって、電気抵抗が１［Ω］以下で、０．１〜０．５［ｍｍ］程度の電極を使用する。なお、抵抗値は、より小さいものが好ましい。
＜陽極電解質部１２および陽極セルフレーム１２１＞
陽極電解質部１２は、例えば、クラスタの小さい純水等にオキソ硫酸バナジウム（硫酸バナジルともいう。）（ＶＯＳＯ４）を１〜６［ｍｏｌ／Ｌ］、より好ましくは３〜６［ｍｏｌ／Ｌ］溶かした水溶液を専用電解装置にて電解し、ＯＲＰ（酸化還元電位）値を１０００〜１２００［ｍＶ］とした陽極電解液を、高通電性を有する４００メッシュ以上のふるいをかけた炭素粉末、さらにはかかる炭素粉末に、例えば、吸水性ポリマー等の安定材を添加したものに混練して、ペースト状にしたものを、約５°〜３０°の温度で固めて使用する。なお、この電解は、専用電解装置以外の通常の一般の電解装置でも良い。また、オキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）も、通常のバナジウム系のレドックスフロー電池で使用されているオキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）でも良い。
陽極電解質部１２は、例えば、クラスタの小さい純水等にオキソ硫酸バナジウム（硫酸バナジルともいう。）（ＶＯＳＯ４）を１〜６［ｍｏｌ／Ｌ］、より好ましくは３〜６［ｍｏｌ／Ｌ］溶かした水溶液を専用電解装置にて電解し、ＯＲＰ（酸化還元電位）値を１０００〜１２００［ｍＶ］とした陽極電解液を、高通電性を有する４００メッシュ以上のふるいをかけた炭素粉末、さらにはかかる炭素粉末に、例えば、吸水性ポリマー等の安定材を添加したものに混練して、ペースト状にしたものを、約５°〜３０°の温度で固めて使用する。なお、この電解は、専用電解装置以外の通常の一般の電解装置でも良い。また、オキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）も、通常のバナジウム系のレドックスフロー電池で使用されているオキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）でも良い。
そして、本実施形態１のバナジウムイオン電池１では、上記のように構成した陽極電解質部１２の周囲を、１．０［ｍｍ］〜５．０［ｍｍ］程度の厚さ、主に、１．５［ｍｍ］厚の陽極セルフレーム１２１により補強している。
ここで、陽極セルフレーム１２１の材質は、ＡｕやＰｔ等の金属製や導電性の材質、あるいは塩ビやＰＰ（ポリプロピレン）等の樹脂等の絶縁体により構成する。なお、陽極セルフレーム１２１により陽極電解質部１２の周囲を補強などしたとしても、水素イオン（Ｈ＋）、電子（ｅ−）の移動を確保する必要があるため、原則として、陽極電解質部１２は、陽極電極１１および隔膜１３に接触するように配置する。
ここで、陽極セルフレーム１２１の水平方向の幅を変えることにより、陽極電解質部１２の面積を変更して、出力電流値などを変更することができる。
また、陽極セルフレーム１２１の材質をＡｕやＰｔ等の金属製や導電性の材質により構成した場合でも、水素イオン（Ｈ＋）の移動を確保する必要があるため、陽極電解質部１２は隔膜１３に接触させる必要がある。
ただし、陽極セルフレーム１２１の材質を塩ビやＰＰ（ポリプロピレン）等の樹脂等の絶縁体により構成した場合、電子（ｅ−）は陽極セルフレーム１２１を流れないため、、陽極電解質部１２が陽極電極１１および隔膜１３に接触するように配置する。そして、陽極セルフレーム１２１の水平方向の幅を変えることにより、陽極電解質部１２の面積を変更して、出力電流値などを変更することができる。
＜隔膜１３＞
隔膜１３は、陽極電解質部１２の周囲を補強した陽極セルフレーム１２と、陰極電解質部１４の周囲を補強した陰極セルフレーム１４との間に設けられ、充放電時に、プロトン（陽イオン）である水素イオン(Ｈ＋)等を陽極電解質部１２と陰極電解質部１４との間で選択的に透過させるものである。隔膜１３は、例えば、イオン交換膜等の耐酸性の隔膜を使用し、０．２〜０．５［ｍｍ］程度の高効率の隔膜を使用する。
隔膜１３は、陽極電解質部１２の周囲を補強した陽極セルフレーム１２と、陰極電解質部１４の周囲を補強した陰極セルフレーム１４との間に設けられ、充放電時に、プロトン（陽イオン）である水素イオン(Ｈ＋)等を陽極電解質部１２と陰極電解質部１４との間で選択的に透過させるものである。隔膜１３は、例えば、イオン交換膜等の耐酸性の隔膜を使用し、０．２〜０．５［ｍｍ］程度の高効率の隔膜を使用する。
＜陰極電解質部１４および陰極セルフレーム１４１＞
陰極電解質部１４は、例えば、クラスタの小さい純水等にオキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）を１〜６［ｍｏｌ／Ｌ］、より好ましくは３〜６［ｍｏｌ／Ｌ］溶かした水溶液を専用電解装置にて電解し、ＯＲＰ（酸化還元電位）値を、（−）２５０〜（−）３５０［ｍＶ］とした陰極電解液を、高通電性を有する４００メッシュ以上のふるいをかけた炭素粉末、さらにはかかる炭素粉末に吸水性ポリマー等の安定材を添加したものに混練して、ペースト状にしたものを、約５°〜３０°で固めて使用する。なお、この電解も、専用電解装置以外の通常の一般の電解装置でも良い。また、オキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）も、通常のバナジウム系のレドックスフロー電池で使用されているオキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）でも良い。
陰極電解質部１４は、例えば、クラスタの小さい純水等にオキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）を１〜６［ｍｏｌ／Ｌ］、より好ましくは３〜６［ｍｏｌ／Ｌ］溶かした水溶液を専用電解装置にて電解し、ＯＲＰ（酸化還元電位）値を、（−）２５０〜（−）３５０［ｍＶ］とした陰極電解液を、高通電性を有する４００メッシュ以上のふるいをかけた炭素粉末、さらにはかかる炭素粉末に吸水性ポリマー等の安定材を添加したものに混練して、ペースト状にしたものを、約５°〜３０°で固めて使用する。なお、この電解も、専用電解装置以外の通常の一般の電解装置でも良い。また、オキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）も、通常のバナジウム系のレドックスフロー電池で使用されているオキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）でも良い。
ここで、陰極セルフレーム１４１の材質は、陽極セルフレーム１２１と同様に、ＡｕやＰｔ等の金属製や導電性の材質、あるいは塩ビやＰＰ（ポリプロピレン）等の樹脂等の絶縁体により構成する。なお、陰極セルフレーム１４１により陰極電解質部１４の周囲を補強などしたとしても、陰極電解質部１４は、陰極電極１５および隔膜１３に接触するように配置する。
また、陰極セルフレーム１４１を陽極フレームと同一に水平方向の幅を変えることにより、陰極電解質部１４の面積を変更して、出力電流値などを変更することができる。
また、陰極セルフレーム１４１の材質を、ＡｕやＰｔ等の金属製や導電性の材質により構成した場合、水素イオン（Ｈ＋）の移動を確保する必要があるため、陰極電解質部１４は隔膜１３に接触させる必要があるものの、電子（ｅ−）は金属製や導電性の陰極セルフレーム１４１を介して移動可能であるため、必ずしも、陰極電解質部１４は陰極電極１５に接触させる必要はない。ただし、陰極セルフレーム１４１の材質を、塩ビやＰＰ（ポリプロピレン）等の樹脂等の絶縁体により構成した場合、電子（ｅ−）は陰極セルフレーム１４１を流れないため、陰極電解質部１４が陰極電極１５および隔膜１３に接触するように配置する。ただし、陰極セルフレーム１４１を陽極セルフレーム１２１と同一に水平方向の幅を変えることにより、陰極電解質部１４の面積を変更して、出力電流値などを変更することができる。
＜陰極電極１５＞
陰極電極１５は、陽極電極１１と同様に、例えば、ＡｕやＰｔ等の耐酸性金属、または炭素等の耐酸皮膜を施した銅やアルミ等の金属、もしくは導電性の良好な非液透過性を有する炭素シート（グラフォイル等）で、電気抵抗が１［Ω］以下で、０．１〜０．５［ｍｍ］程度の電極を使用する。なお、抵抗値は、より小さいものが好ましい。
陰極電極１５は、陽極電極１１と同様に、例えば、ＡｕやＰｔ等の耐酸性金属、または炭素等の耐酸皮膜を施した銅やアルミ等の金属、もしくは導電性の良好な非液透過性を有する炭素シート（グラフォイル等）で、電気抵抗が１［Ω］以下で、０．１〜０．５［ｍｍ］程度の電極を使用する。なお、抵抗値は、より小さいものが好ましい。
以上が、実施形態１のバナジウムイオン電池１の１セル基本構成である。
次に、上記のように構成された１の基本セルに加えるセル電圧と、出力電流値について説明する。
＜セル電圧＞
ここで、図１に示すように構成された実施形態１のバナジウムイオン電池１の基本セルに加えるセル電圧は、バナジウムイオンの酸化還元電位に起因するため、例えば、１．４［Ｖ］〜１．５９［Ｖ］の範囲に設定し、おおむね１．４５［Ｖ］程度に設定する。
＜セル電圧＞
ここで、図１に示すように構成された実施形態１のバナジウムイオン電池１の基本セルに加えるセル電圧は、バナジウムイオンの酸化還元電位に起因するため、例えば、１．４［Ｖ］〜１．５９［Ｖ］の範囲に設定し、おおむね１．４５［Ｖ］程度に設定する。
＜出力電流値＞
図１に示すように構成された実施形態１のバナジウムイオン電池１の１の基本セルの出力電流値は、隔膜１３の面積や、水素イオン（Ｈ＋）の交換効率にも起因するが、現行では、例えば、３０［ｍＡ／ｃｍ２］〜１２０［ｍＡ／ｃｍ２］の範囲であり、おおむね５０［ｍＡ／ｃｍ２］である。
図１に示すように構成された実施形態１のバナジウムイオン電池１の１の基本セルの出力電流値は、隔膜１３の面積や、水素イオン（Ｈ＋）の交換効率にも起因するが、現行では、例えば、３０［ｍＡ／ｃｍ２］〜１２０［ｍＡ／ｃｍ２］の範囲であり、おおむね５０［ｍＡ／ｃｍ２］である。
本実施形態１では、以上のように構成された陽極電極１１、陽極電解質部１２の周囲を補強した陽極セルフレーム１２と、隔膜１３と、陰極電解質部１４の周囲を補強した陰極セルフレーム１４と、陰極電極１５とを重ねて１セル基本構成例としたものである。そして、本実施形態１のでは、補強用の陽極セルフレーム１２と陰極セルフレーム１４とを使用して堅固に構成しているので、１層で使用するだけでなく、次に説明する図２に示すように、１セル基本構成例を４層以上積層して使用する場合に最適である。
図２（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図１に示す１セル基本構成の本実施形態１のバナジウムイオン電池１を、４層積層する前と、４層積層した後とを示している。なお、４層積層は、あくまで、一例であり、５層以上積層して、出力電圧を増大するようにしても良い。
つまり、図２（ａ），（ｂ）では、図１に示す１セル基本構成の本実施形態１のバナジウムイオン電池１を、４層積層、すなわち４個直列に接続し、出力電圧を約４倍にしている。
そして、図２（ａ）に示すように１セル基本構成の本実施形態１のバナジウムイオン電池１を４層積層したものを、図２（ｂ）に示すように、絶縁性ケーシング２に収納して、電池パック等として使用する。
なお、４層積層は、あくまで一例であり、実際の電池パックは、図１に示すセル構造を、目的とする電圧に応じて、通常は、１〜１０セル程度積層して用いる。
従って、本実施形態１のバナジウムイオン電池１によれば、レドックスフロー電池と同様に、バナジウム元素の原子価の変化のみを利用した二次電池であるため、反応熱やガスの発生がなく、従来のリチウムイオン電池等と較べ安全である。
また、本実施形態１のバナジウムイオン電池１では、レドックスフロー電池と同様に、電極の化学変化がないため、充放電の繰り返しによる電極の劣化が生じないと共に、電解質も化学反応がないため、劣化が生じなく、充放電の繰り返しによる、いわゆるメモリー効果も生じなく、長期間、繰り返し使用可能となる。
また、本実施形態１のバナジウムイオン電池１では、効率よく充電するには、ＣＣ−ＣＶ（定電流定電圧）方式が望ましいが、ＣＶ(定電圧)方式でも充電可能なため、充電コントロールが容易である。
また、本実施形態１のバナジウムイオン電池１では、陽極電解質部１２および陰極電解質部１４を、オキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）の１〜６［ｍｏｌ／Ｌ］、より好ましくは３〜６［ｍｏｌ／Ｌ］を専用電解装置にて電解した高濃度のイオン溶液を、上述のような特殊な炭素粉末に混練しペースト状にして固めてあるため、重量が軽量になる。
さらに、本実施形態１のバナジウムイオン電池１では、従来のレドックスフロー電池と比較しても、従来のレドックスフロー電池では必要であった、陽極電解液および陰極電解液を循環させる循環ポンプが不要となるので、電池全体を小型化できると共に、メンテナンス性を向上させることができる。
特に、本実施形態１のバナジウムイオン電池１では、陽極電解質部１２および陰極電解質部１４の周囲を、それぞれ、陽極セルフレーム１２または陰極セルフレーム１３により補強しているので、１層の基本セル構成を４層以上重ねて、絶縁性ケーシング２に収納して、主に蓄電容量の大きいものに使用することが可能となる。
実施形態２．
次に、シート積層型の実施形態２のバナジウムイオン電池２について説明する。前記実施形態１では、本発明にかかるバナジウムイオン電池を、セルフレームを使用したフレーム積層型により構成して説明したが、本実施形態２では、セルフレームを使用しないシート積層型により構成した場合について説明する。
次に、シート積層型の実施形態２のバナジウムイオン電池２について説明する。前記実施形態１では、本発明にかかるバナジウムイオン電池を、セルフレームを使用したフレーム積層型により構成して説明したが、本実施形態２では、セルフレームを使用しないシート積層型により構成した場合について説明する。
図３は、実施形態２のバナジウムイオン電池２の構成例を示す構成図である。
実施形態２のバナジウムイオン電池２では、図３に示すように、シート状の陽極電極１１、陽極電解質部１２、隔膜１３、陰極電解質部１４、陰極電極１５を積層し、１セルを構成する。
つまり、実施形態２のバナジウムイオン電池２は、図１に示す実施形態１のバナジウムイオン電池１と比較すると明らかだが、図３に示すように、陽極電解質部１２および陰極電解質部１４の周囲を、それぞれ、陽極セルフレーム１２または陰極セルフレーム１３により補強しないだけで、それ以外の構成は、図１に示す実施形態１のバナジウムイオン電池１と同じである。
ここで、本実施形態２のバナジウムイオン電池では、セルフレームを使用せずに、０．３［ｍｍ］〜０．５［ｍｍ］程度の陽極電解質部１２および陰極電解質部１４を、それぞれ直接、陽極電極１１または陰極電極１５に均等に貼り付けて、さらにそれらを、隔膜１４に張り付ける。
図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図３に示す構成の実施形態２のバナジウムイオン電池２を、例えば、３層積層する前と、３層積層した後とを示している。
つまり、図４（ａ），（ｂ）では、図３に示す１セル基本構成の本実施形態１のバナジウムイオン電池１を、３層積層、すなわち３個直列に接続している。ここで、３層積層した理由は、実施形態２のバナジウムイオン電池２では、陽極電解質部１２および陰極電解質部１４の周囲を、それぞれ、陽極セルフレーム１２または陰極セルフレーム１３により補強してなく、実施形態１のバナジウムイオン電池１より強度がないからである。なお、３層はあくまで一例であり、実際の電池パックは、図３に示すセル構造を、目的とする電圧に応じて、通常は、１層や、２層程度積層して用いる。
そして、本実施形態２のバナジウムイオン電池２では、セルフレームを使用しないシート積層型であるので、図４（ａ）に示すように１セル基本構成を３層程度積層し、図４（ｂ）に示すように絶縁シート４１等により包み折り込んだ後、絶縁性ケーシング４２に収納して、電池パックとして使用する。そのため、本実施形態２のバナジウムイオン電池は、４．５［Ｖ］以下の二次電池として使用することができる。
従って、本実施形態２のバナジウムイオン電池２によれば、実施形態１のバナジウムイオン電池２と同様と同様の効果が得られる。
特に、本実施形態２のバナジウムイオン電池２では、セルフレームを使用しないシート積層型であるので、軽量になると共に、変形することが容易になる。例えば、図３に示す１セル基本構成の実施形態２のバナジウムイオン電池２を、図５（ａ）に示すように、プラスの電極となる炭素棒１０を中心（芯）にしてその周りに、図３に示す本実施形態２のバナジウムイオン電池２の陽極電極１１を内側にして丸めたり、さらには、図５（ｂ）に示すように、プラスの電極となる炭素棒１０を使用せずに、陽極電極１１を他の陽極電解質部１２や隔膜１３、陰極電解質部１４、陰極電極１５より長めに形成しておいて、陽極電極１１自体を中心（芯）にして内側に丸めて、陽極電極１１を直接プラスの電極として使用して、既存の乾電池のように円筒状電池とすることも可能である。このようにすれば、さらに小型化することが可能となると共に、レドックスフロー電池を既存の充電式乾電池に置き換えることも可能となり、レドックスフロー電池の適用範囲が今まで以上に非常に拡大する。
なお、上記実施の形態１，２の説明では、陽極電極、陽極電解質部、隔膜、陰極電解質部、陰極電極の特性ないしはパラメータを限定して説明したが、本発明では、これに限らない。つまり、本発明の主眼は、電解液の循環ポンプを必要としないレドックスフロー電池であるバナジウムイオン電池またはその構造を提供することが第１であり、電解液である既存のレドックスフロー電池で使用されているオキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）液等の電解液を使用して、陽極電極、陽極電解質部、隔膜、陰極電解質部、陰極電極という電解液の循環ポンプを必要としない構造のレドックスフロー電池であるバナジウムイオン電池またはその構造を提供することができれば、それらでも勿論よい。
１，２ バナジウムイオン電池
１１ 陽極電極
１２ 陽極電解質部
１３ 隔膜
１４ 陰極電解質部
１５ 陰極電極
１２１ 陽極セルフレーム
１４１ 陰極セルフレーム
１１ 陽極電極
１２ 陽極電解質部
１３ 隔膜
１４ 陰極電解質部
１５ 陰極電極
１２１ 陽極セルフレーム
１４１ 陰極セルフレーム
Claims (6)
- 耐酸性金属または耐酸皮膜を施した金属、もしくは導電性で非液透過性を有する炭素シートからなる陽極電極と、
オキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）を電解した陽極電解液を、高通電性を有する炭素粉末に混練してペースト状にし固めた陽極電解質部と、
オキソ硫酸バナジウム（ＶＯＳＯ４）を電解した陰極電解液を、高通電性を有する炭素粉末に混練してペースト状にし固めた陰極電解質部と、
前記陽極電解質部と前記陰極電解質部との間に設けられ、選択的に水素イオン（Ｈ＋）を透過する耐酸性の隔膜と、
耐酸性金属または耐酸皮膜を施した金属、もしくは導電性で非液透過性を有する炭素シートからなる陰極電極と、
を有することを特徴とするバナジウムイオン電池。 - 請求項１記載のバナジウムイオン電池において、
前記陽極電極および前記陰極電極は、
電気抵抗が１［Ω］以下であり、かつ、その厚さが０．１〜０．５［ｍｍ］である、
ことを特徴とするバナジウムイオン電池。 - 請求項１または請求項２記載のバナジウムイオン電池において、
請求項１記載のバナジウムイオン電池において、
前記陽極電解液のＯＲＰ（酸化還元電位）値は、１０００〜１２００［ｍＶ］であり、４００メッシュ以上の炭素粉末である一方、
前記陰極電解液のＯＲＰ（酸化還元電位）値は、（−）２５０〜（−）３５０［ｍＶ］である、
ことを特徴とするバナジウムイオン電池。 - 請求項１〜請求項３のいずれか一の請求項に記載のバナジウムイオン電池において、
前記隔膜は、
陽イオンを選択的に透過させる耐酸性の隔膜で、その厚さが０．１〜０．５［ｍｍ］である、
ことを特徴とするバナジウムイオン電池。 - 請求項１〜請求項４のいずれか一の請求項に記載のバナジウムイオン電池において、
前記陽極電解質部と前記陰極電解質部の周囲を、
１．０〜５．０［ｍｍ］厚のセルフレームにより囲み補強し、
前記陽極電極と、前記陽極電解質部を有する陽極側セルフレームと、前記隔膜と、前記陰極電解質部を有する陰極側セルフレームと、前記陰極電極とを積層したフレーム積層型に構成した、
ことを特徴とするバナジウムイオン電池。 - 請求項１〜請求項４のいずれか一の請求項に記載のバナジウムイオン電池において、
前記陽極電解質部を中心に丸めことにより円筒状電池とした、
ことを特徴とするバナジウムイオン電池。
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