JP2016177868A - Redox flow battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レドックスフロー電池に関するものである。特に、析出物の発生を抑制できる上に、エネルギー密度が高いレドックスフロー電池に関するものである。 The present invention relates to a redox flow battery. In particular, the present invention relates to a redox flow battery that can suppress the generation of precipitates and has a high energy density.
近年、電力不足の深刻化に伴って、世界規模での風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーの急速導入や電力系統の安定化(例えば、周波数や電圧の維持など)が課題となっている。この対策技術の一つとして、大容量の蓄電池を設置して、出力変動の平滑化、余剰電力の貯蓄、負荷平準化などを図ることが注目されている。 In recent years, with the seriousness of power shortage, rapid introduction of natural energy such as wind power generation and solar power generation on a global scale and stabilization of the power system (for example, maintenance of frequency and voltage, etc.) have become issues. . As one of the countermeasure technologies, attention has been paid to installing large-capacity storage batteries to smooth output fluctuations, store surplus power, and level load.
大容量の蓄電池の一つにレドックスフロー電池(以下、RF電池と呼ぶことがある)がある。RF電池は、(1)メガワット級(MW級)の大容量化が容易である、(2)長寿命である、(3)電池の充電状態が正確に監視可能である、などの特徴を有しており、電力系統の安定化用途の蓄電池として最適であると期待される。 One of the large-capacity storage batteries is a redox flow battery (hereinafter sometimes referred to as an RF battery). RF batteries have features such as (1) easy to increase the capacity of megawatt class (MW class), (2) long life, and (3) the state of charge of the battery can be monitored accurately. Therefore, it is expected to be optimal as a storage battery for stabilizing power systems.
RF電池は、正極電極と負極電極との間に隔膜を介在させた電池セルに、正極電解液及び負極電解液をそれぞれ供給して充放電を行う。各極の電解液は、代表的には、酸化還元により価数が変化する金属イオンを活物質として含有する溶液が利用される。正極活物質に鉄(Fe)イオン、負極活物質にクロム(Cr)イオンを用いるFe−Cr系RF電池、両極の活物質にバナジウム(V)イオンを用いるV系RF電池が代表的である(特許文献1の明細書の段落0003)。 In an RF battery, charging and discharging are performed by supplying a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to battery cells in which a diaphragm is interposed between the positive electrode and the negative electrode, respectively. As the electrolytic solution for each electrode, a solution containing, as an active material, a metal ion whose valence changes by oxidation and reduction is typically used. Typical examples include an Fe-Cr RF battery using iron (Fe) ions as a positive electrode active material and chromium (Cr) ions as a negative electrode active material, and a V RF battery using vanadium (V) ions as active materials of both electrodes ( Paragraph 0003 of the specification of Patent Document 1).
特許文献1では、従来のV系RF電池よりも高い起電力が得られるRF電池として、正極活物質にマンガン(Mn)イオン、負極活物質にチタン(Ti)イオンなどを用いたMn−Ti系RF電池を開示している。また、特許文献1では、正極電解液にチタンイオンを合わせて含有することで、マンガン酸化物(MnO2)といった析出物の発生を抑制でき、Mn2+/Mn3+の反応を安定して行えることを開示している。
In
エネルギー密度がより高いレドックスフロー電池の開発が望まれている。 Development of a redox flow battery with higher energy density is desired.
特許文献1に開示されるMn−Ti系RF電池では、正極電解液にチタンイオンを含有することで、上述のように析出物の発生を抑制できる。しかし、正極電解液中のチタンイオンは、基本的に正極活物質として機能せず、充放電に寄与しない。そのため、正極電解液中の金属イオンの総濃度を一定とする場合、チタンイオンの含有によって正極電解液中の活物質の割合が相対的に低下して、エネルギー密度が低くなる。また、例えば、活物質の割合が少ない電解液を用いて長時間容量のレドックスフロー電池として使用するには、電解液を大量に用いる必要がある。すると、タンクの容量の増大、タンクの増大に起因するRF電池システム全体の大型化(設置スペースの大型化)、電解液コストの増大などを招く。
In the Mn—Ti-based RF battery disclosed in
そこで、本発明の目的の一つは、析出物の発生を抑制できる上に、エネルギー密度が高いレドックスフロー電池を提供することにある。 Accordingly, one of the objects of the present invention is to provide a redox flow battery that can suppress the generation of precipitates and has a high energy density.
本発明のレドックスフロー電池は、正極電極と、負極電極と、これら両電極間に介在される隔膜とを備える電池セルに正極電解液及び負極電解液を供給して充放電を行う。前記正極電解液は、マンガンイオンと、反応性金属イオンとを含有する。前記負極電解液は、チタンイオン、クロムイオン、及び亜鉛イオンから選択される少なくとも一種の金属イオンを含有する。前記反応性金属イオンは、バナジウムイオン、クロムイオン、鉄イオン、コバルトイオン、銅イオン、モリブデンイオン、ルテニウムイオン、パラジウムイオン、銀イオン、タングステンイオン、水銀イオン及びセリウムイオンから選択される少なくとも一種である。 The redox flow battery of the present invention performs charge and discharge by supplying a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to a battery cell including a positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm interposed between the two electrodes. The positive electrode electrolyte contains manganese ions and reactive metal ions. The negative electrode electrolyte contains at least one metal ion selected from titanium ions, chromium ions, and zinc ions. The reactive metal ion is at least one selected from vanadium ion, chromium ion, iron ion, cobalt ion, copper ion, molybdenum ion, ruthenium ion, palladium ion, silver ion, tungsten ion, mercury ion and cerium ion. .
本発明のレドックスフロー電池は、析出物の発生を抑制できる上に、エネルギー密度が高い。 The redox flow battery of the present invention can suppress generation of precipitates and has a high energy density.
[本発明の実施の形態の説明]
本発明者らは、正極活物質にマンガンイオンを用いるレドックスフロー電池について、エネルギー密度の向上を図るために、活物質として機能するイオン種を複数にすることを検討した。その結果、特定の金属イオンは、正極電解液中で活物質として機能すると共に、マンガン酸化物といった析出物の発生を抑制できるという驚くべき知見を得た。この知見に基づき、正極電解液に、正極活物質であるマンガンイオンに加えて、活物質として機能すると共に析出物の抑制効果を備える金属イオンを別途含む構成を提案する。最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
In order to improve the energy density of the redox flow battery using manganese ions as the positive electrode active material, the present inventors have studied using a plurality of ion species that function as the active material. As a result, the inventors have obtained a surprising finding that specific metal ions function as an active material in the positive electrode electrolyte and can suppress the generation of precipitates such as manganese oxides. Based on this finding, a configuration is proposed in which the positive electrode electrolyte separately includes metal ions that function as an active material and have an effect of suppressing precipitates, in addition to manganese ions that are positive electrode active materials. First, the contents of the embodiment of the present invention will be listed and described.
(1) 実施形態に係るレドックスフロー電池は、正極電極と、負極電極と、これら両電極間に介在される隔膜とを備える電池セルに正極電解液及び負極電解液を供給して充放電を行う。上記正極電解液は、マンガンイオンと、反応性金属イオンとを含有する。上記負極電解液は、チタンイオン、クロムイオン、及び亜鉛(Zn)イオンから選択される少なくとも一種の金属イオンを含有する。上記反応性金属イオンは、バナジウムイオン、クロムイオン、鉄(Fe)イオン、コバルト(Co)イオン、銅(Cu)イオン、モリブデン(Mo)イオン、ルテニウム(Ru)イオン、パラジウム(Pd)イオン、銀(Ag)イオン、タングステン(W)イオン、水銀(Hg)イオン及びセリウム(Ce)イオンから選択される少なくとも一種である。上記反応性金属イオンとは、正極活物質としての機能、及び析出物の析出を抑制する機能を有するものをいう。 (1) The redox flow battery according to the embodiment performs charge and discharge by supplying a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to a battery cell including a positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm interposed between the two electrodes. . The positive electrode electrolyte contains manganese ions and reactive metal ions. The negative electrode electrolyte contains at least one metal ion selected from titanium ions, chromium ions, and zinc (Zn) ions. The reactive metal ions include vanadium ions, chromium ions, iron (Fe) ions, cobalt (Co) ions, copper (Cu) ions, molybdenum (Mo) ions, ruthenium (Ru) ions, palladium (Pd) ions, silver It is at least one selected from (Ag) ions, tungsten (W) ions, mercury (Hg) ions, and cerium (Ce) ions. The said reactive metal ion means what has a function as a positive electrode active material, and the function which suppresses precipitation of a deposit.
実施形態のRF電池は、正極電解液に含有するマンガンイオンを正極活物質とすることから、(1)従来のV系RF電池などと比較して起電力を高くすることができる、(2)マンガンイオンが水溶性の金属イオンであることから、電解液を水溶液とすることができ、製造性に優れる、(3)マンガンイオンは比較的安価であり、資源供給の点から好ましい、といった効果を奏する。かつ、実施形態のRF電池は、正極電解液に含有する特定の金属イオン(反応性金属イオン)も正極活物質として機能することから、電解液中の活物質の割合を高められる。そのため、実施形態のRF電池は、マンガンイオン及びチタンイオンを含みかつ上記反応性金属イオンを含まない正極電解液を備えるRF電池に比較して、エネルギー密度が高い。また、実施形態のRF電池は、析出物の発生を抑制できるため、充電状態を高めた場合でも、析出物に起因するセル抵抗の増大を抑制でき、セル抵抗が低い。このように実施形態のRF電池は、優れた電池特性を有する。更に、実施形態のRF電池は、タンクの小型化、設置スペースの小型化、電解液コストの低減などを図ることができる。 Since the RF battery of the embodiment uses manganese ions contained in the positive electrode electrolyte as the positive electrode active material, (1) the electromotive force can be increased as compared with a conventional V-type RF battery, (2) Since manganese ions are water-soluble metal ions, the electrolytic solution can be made into an aqueous solution and excellent in manufacturability. (3) Manganese ions are relatively inexpensive and preferable from the viewpoint of resource supply. Play. In the RF battery of the embodiment, the specific metal ion (reactive metal ion) contained in the positive electrode electrolyte also functions as the positive electrode active material, so that the ratio of the active material in the electrolyte can be increased. Therefore, the RF battery of the embodiment has a higher energy density than an RF battery including a positive electrode electrolyte that includes manganese ions and titanium ions and does not include the reactive metal ions. In addition, since the RF battery of the embodiment can suppress the generation of precipitates, even when the state of charge is increased, an increase in cell resistance due to the precipitates can be suppressed, and the cell resistance is low. Thus, the RF battery of the embodiment has excellent battery characteristics. Furthermore, the RF battery of the embodiment can reduce the size of the tank, the installation space, the cost of the electrolyte, and the like.
(2) 実施形態のRF電池の一例として、上記正極電解液が更に添加金属イオンを含有する形態が挙げられる。上記添加金属イオンは、アルミニウム(Al)イオン、カドミウム(Cd)イオン、インジウム(In)イオン、錫(Sn)イオン、アンチモン(Sb)イオン、イリジウム(Ir)イオン、金(Au)イオン、鉛(Pb)イオン及びビスマス(Bi)イオンから選択される少なくとも一種である。上記添加金属イオンとは、実質的に活物質として機能せず、析出物の析出を抑制する機能を有するものをいう。 (2) As an example of the RF battery of the embodiment, a form in which the positive electrode electrolyte further contains an added metal ion can be mentioned. The additive metal ions include aluminum (Al) ions, cadmium (Cd) ions, indium (In) ions, tin (Sn) ions, antimony (Sb) ions, iridium (Ir) ions, gold (Au) ions, lead ( Pb) at least one selected from ions and bismuth (Bi) ions. The said additive metal ion means what has a function which does not function as an active material substantially, but suppresses precipitation of a deposit.
本発明者らが検討した結果、上述の特定の金属イオン(添加金属イオン)は、正極電解液にマンガンイオンと共に存在することで、マンガン酸化物といった析出物の発生を抑制することができる、との知見を得た。特に、添加金属イオンは、その含有量が極僅かであっても、析出物の発生の抑制効果が得られる、との知見を得た。上記形態は、反応性金属イオンに加えて、添加金属イオンを含有することで、析出物の発生をより効果的に抑制することができる。また、上記形態は、添加金属イオンの含有量を少なくすることで、電解液中における活物質の割合の低下を抑制でき、高いエネルギー密度を有することができる。 As a result of the study by the present inventors, the above-mentioned specific metal ions (added metal ions) are present together with manganese ions in the positive electrode electrolyte, thereby suppressing the generation of precipitates such as manganese oxides. I got the knowledge. In particular, the inventors have found that the additive metal ions can suppress the generation of precipitates even if the content of the added metal ions is very small. The said form can suppress generation | occurrence | production of a precipitate more effectively by containing an addition metal ion in addition to a reactive metal ion. Moreover, the said form can suppress the fall of the ratio of the active material in electrolyte solution by reducing content of an addition metal ion, and can have a high energy density.
(3) 実施形態のRF電池の一例として、上記正極電解液における上記反応性金属イオンの濃度(複数の場合には合計濃度)が0.001M以上5M以下である形態が挙げられる。濃度の単位として示すMとは、体積モル濃度、即ちmol/L(モル/リットル)を意味する。以下、濃度について同様である。 (3) As an example of the RF battery of the embodiment, a form in which the concentration of the reactive metal ions in the positive electrode electrolyte (total concentration in a plurality of cases) is 0.001M or more and 5M or less. M shown as a unit of concentration means volume molar concentration, that is, mol / L (mol / liter). Hereinafter, the same applies to the concentration.
上記形態は、反応性金属イオンを上述の特定の範囲で含有することで、(1)反応性金属イオンを活物質として良好に利用できて高いエネルギー密度を有することができる、(2)析出物の発生を抑制できる、(3)電解液を酸の水溶液とする場合でも良好に溶解でき、電解液の製造性に優れる、という効果を奏する。 The said form contains a reactive metal ion in the above-mentioned specific range, (1) It can utilize a reactive metal ion favorably as an active material, and can have a high energy density, (2) Precipitate (3) Even when the electrolytic solution is an aqueous acid solution, it can be dissolved satisfactorily, and the electrolytic solution is excellent in manufacturability.
(4) 実施形態のRF電池の一例として、上述の添加金属イオンを含有する場合、上記正極電解液における上記添加金属イオンの濃度(複数の場合には合計濃度)が0.001M以上1M以下である形態が挙げられる。 (4) As an example of the RF battery of the embodiment, when the above-described additive metal ions are contained, the concentration of the additive metal ions in the positive electrode electrolyte (the total concentration in the case of a plurality) is 0.001M or more and 1M or less. One form is mentioned.
上記形態は、添加金属イオンを上述の特定の範囲で含有することで、析出物の発生を効果的に抑制できる。 The said form can suppress generation | occurrence | production of a precipitate effectively by containing an additional metal ion in the above-mentioned specific range.
(5) 実施形態のRF電池の一例として、上記正極電解液における上記マンガンイオンの濃度、及び上記負極電解液における上記金属イオンの濃度の少なくとも一方が0.3M以上5M以下である形態が挙げられる。負極電解液に含む上記金属イオンが複数種の場合、合計濃度とする。 (5) As an example of the RF battery of the embodiment, there is a mode in which at least one of the manganese ion concentration in the positive electrode electrolyte and the metal ion concentration in the negative electrode electrolyte is 0.3 M or more and 5 M or less. . When the metal ions contained in the negative electrode electrolyte are plural kinds, the total concentration is used.
上記形態は、各極の活物質として機能する金属イオンを上述の特定の範囲で含有することで、(i)価数変化反応を行う金属元素を十分に含み、高いエネルギー密度を有することができる、(ii)電解液を酸の水溶液とする場合でも良好に溶解でき、電解液の製造性に優れる、という効果を奏する。 The said form contains the metal ion which functions as an active material of each pole in the above-mentioned specific range, (i) It can fully contain the metal element which performs a valence change reaction, and can have a high energy density. (Ii) Even when the electrolytic solution is an aqueous acid solution, it can be dissolved satisfactorily, and the electrolytic solution is excellent in manufacturability.
(6) 実施形態のRF電池の一例として、上記負極電解液が上記金属イオンとしてチタンイオンを含有し、上記正極電解液における上記マンガンイオンの濃度、及び上記負極電解液における上記チタンイオンの濃度の少なくとも一方が0.3M以上5M以下である形態が挙げられる。 (6) As an example of the RF battery of the embodiment, the negative electrode electrolyte contains titanium ions as the metal ions, the concentration of the manganese ions in the positive electrode electrolyte, and the concentration of the titanium ions in the negative electrode electrolyte. The form whose at least one is 0.3M or more and 5M or less is mentioned.
上記形態は、上記マンガンイオンの濃度や上記チタンイオンの濃度が特定の範囲を満たすことで、エネルギー密度が高いMn−Ti系RF電池とすることができ、更に上記形態(5)で述べた(ii)の効果も奏する。 The said form can be set as the Mn-Ti type | system | group RF battery with a high energy density because the density | concentration of the said manganese ion and the density | concentration of the said titanium ion satisfy | fill a specific range, and also described in the said form (5) ( The effect of ii) is also achieved.
(7) 実施形態のRF電池の一例として、上記反応性金属イオンは、下記(A)〜(L)の少なくとも1つを満たす形態が挙げられる。
(A)上記バナジウムイオンが2価のバナジウムイオン、3価のバナジウムイオン、4価のバナジウムイオン、及び5価のバナジウムイオンの少なくとも一種である
(B)上記クロムイオンが2価のクロムイオン、3価のクロムイオン、4価のクロムイオン、及び6価のクロムイオンの少なくとも一種である
(C)上記鉄イオンが2価の鉄イオン、及び3価の鉄イオンの少なくとも一方である
(D)上記コバルトイオンが2価のコバルトイオン、及び3価のコバルトイオンの少なくとも一方である
(E)上記銅イオンが1価の銅イオン、及び2価の銅イオンの少なくとも一方である
(F)上記モリブデンイオンが4価のモリブデンイオン、5価のモリブデンイオン、及び6価のモリブデンイオンの少なくとも一種である
(G)上記ルテニウムイオンが2価のルテニウムイオン、3価のルテニウムイオン、及び4価のルテニウムイオンの少なくとも一種である
(H)上記パラジウムイオンが2価のパラジウムイオン、及び4価のパラジウムイオンの少なくとも一方である
(I)上記銀イオンが1価の銀イオン、及び2価の銀イオンの少なくとも一方である
(J)上記タングステンイオンが4価のタングステンイオン、5価のタングステンイオン、及び6価のタングステンイオンの少なくとも一種である
(K)上記水銀イオンが1価の水銀イオン、及び2価の水銀イオンの少なくとも一方である
(L)上記セリウムイオンが3価のセリウムイオン、及び4価のセリウムイオンの少なくとも一方である
(7) As an example of the RF battery of the embodiment, the reactive metal ion may have a form satisfying at least one of the following (A) to (L).
(A) The vanadium ion is a divalent vanadium ion, a trivalent vanadium ion, a tetravalent vanadium ion, or a pentavalent vanadium ion. (B) The chromium ion is a divalent chromium ion, 3 (C) The iron ion is at least one of a divalent iron ion and a trivalent iron ion (D) The cobalt ion is at least one of a divalent cobalt ion and a trivalent cobalt ion. (E) The copper ion is at least one of a monovalent copper ion and a divalent copper ion. (F) The molybdenum ion. Is at least one of a tetravalent molybdenum ion, a pentavalent molybdenum ion, and a hexavalent molybdenum ion. (G) The mu ion is at least one of a divalent ruthenium ion, a trivalent ruthenium ion, and a tetravalent ruthenium ion. (H) The palladium ion is at least one of a divalent palladium ion and a tetravalent palladium ion. I) The silver ion is at least one of a monovalent silver ion and a divalent silver ion. (J) The tungsten ion is at least a tetravalent tungsten ion, a pentavalent tungsten ion, and a hexavalent tungsten ion. (K) The mercury ion is at least one of monovalent mercury ion and divalent mercury ion. (L) The cerium ion is at least one of trivalent cerium ion and tetravalent cerium ion. is there
列挙した各価数の金属イオンは、正極活物質として機能すると共に、析出物の抑制効果を奏することから、上記形態は、エネルギー密度が高い上に、析出物の発生を抑制できる。 The metal ions having each valence listed above function as a positive electrode active material and exhibit the effect of suppressing precipitates. Thus, the above form has high energy density and can suppress the generation of precipitates.
(8) 実施形態のRF電池の一例として、上記負極電解液は、更にマンガンイオンを含む形態が挙げられる。 (8) As an example of the RF battery according to the embodiment, the negative electrode electrolyte may further include a manganese ion.
上記形態は、正極電解液及び負極電解液の双方がマンガンイオンを含む。つまり、上記形態は、両極の電解液中に存在する少なくとも一つのイオン種が重複する。そのため、例えば、経時的に正極のマンガンイオンが負極に移動した場合でも、負極のマンガンイオンが正極に移動することで正極活物質の低減による電池容量の減少を回避し易い。 In the above form, both the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain manganese ions. That is, in the above form, at least one ionic species existing in the electrolyte solution of both electrodes overlaps. Therefore, for example, even when the manganese ions of the positive electrode move to the negative electrode over time, it is easy to avoid a decrease in battery capacity due to the reduction of the positive electrode active material by moving the manganese ions of the negative electrode to the positive electrode.
(9) 実施形態のRF電池の一例として、上記負極電解液は、更にマンガンイオンと、上記反応性金属イオンとを含む形態が挙げられる。 (9) As an example of the RF battery of the embodiment, the negative electrode electrolyte may further include manganese ions and the reactive metal ions.
上記形態は、正極電解液及び負極電解液の双方がマンガンイオン及び反応性金属イオンを含む。つまり、上記形態は、両極の電解液のいずれもが複数のイオン種を含み、かつ両極の電解液中に存在する複数のイオン種が重複する。そのため、上記形態は、(i)上述の経時的な活物質の低減による電池容量の減少を回避し易い、(ii)充放電に伴って経時的に液移り(一方の極の電解液が他方の極に移動する現象)が生じて両極の電解液の液量にばらつきが生じた場合でも是正し易い、(iii)電解液の製造性に優れる、といった効果を奏する。 In the above form, both the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain manganese ions and reactive metal ions. That is, in the above embodiment, both of the electrolyte solutions of both electrodes include a plurality of ion species, and a plurality of ion species existing in the electrolyte solution of both electrodes overlap. Therefore, in the above-described embodiment, (i) it is easy to avoid a decrease in battery capacity due to the above-described reduction in active material over time, (ii) liquid transfer with time along with charge / discharge (the electrolyte of one electrode is the other) Even if there is a variation in the amount of electrolyte solution in both electrodes due to the phenomenon of movement to the other electrode, it is easy to correct, and (iii) it is excellent in the productivity of the electrolyte solution.
(10) 実施形態のRF電池の一例として、正極電解液が上述の添加金属イオンを含む場合に、上記負極電解液が、更にマンガンイオンと、上記反応性金属イオンと、上記添加金属イオンとを含む形態が挙げられる。 (10) As an example of the RF battery of the embodiment, when the positive electrode electrolyte contains the above-described added metal ions, the negative electrode electrolyte further contains manganese ions, the reactive metal ions, and the added metal ions. The form to include is mentioned.
上記形態は、正極電解液及び負極電解液の双方にマンガンイオン、反応性金属イオン及び添加金属イオンを含む。つまり、上記形態は、両極の電解液がいずれも複数のイオン種を含み、かつ両極の電解液中に存在する複数のイオン種が重複する。そのため、上記形態は、上述の形態(9)と同様に、(i)上述の経時的な活物質の低減による電池容量の減少を回避し易い、(ii)充放電に伴って経時的に液移りが生じて両極の電解液の液量にばらつきが生じた場合でも是正し易い、(iii)電解液の製造性に優れる、といった効果を奏する。 The said form contains a manganese ion, a reactive metal ion, and an addition metal ion in both a positive electrode electrolyte solution and a negative electrode electrolyte solution. In other words, in the above embodiment, both the electrolytes of both electrodes contain a plurality of ionic species, and the plurality of ionic species existing in the electrolytes of both electrodes overlap. Therefore, as in the above-described form (9), the above-described form is (i) it is easy to avoid a decrease in battery capacity due to the reduction of the active material over time, and (ii) the liquid is changed over time with charge / discharge. Even if there is a variation in the amount of electrolyte solution in both electrodes due to the transfer, it is easy to correct, and (iii) the electrolyte solution is excellent in productivity.
(11) 実施形態のRF電池の一例として、負極電解液がマンガンイオンを含む場合に、上記負極電解液におけるマンガンイオンの濃度が0.3M以上5M以下である形態が挙げられる。 (11) As an example of the RF battery of the embodiment, when the negative electrode electrolyte contains manganese ions, a form in which the concentration of manganese ions in the negative electrode electrolyte is 0.3 M or more and 5 M or less.
上記形態は、上述の形態(8)〜(10)と同様の効果を奏する。具体的には、上記形態は、少なくとも経時的な正極活物質の低減による電池容量の減少を抑制できる。更に、上記形態は、負極電解液中のマンガンイオンの濃度が上述の特定の範囲であることで、電解液を酸の水溶液とする場合でも良好に溶解でき、電解液の製造性に優れる。 The said form has an effect similar to the above-mentioned form (8)-(10). Specifically, the said form can suppress the reduction | decrease of the battery capacity by the reduction | decrease of the positive electrode active material with time at least. Furthermore, the said form can melt | dissolve favorably even when making electrolyte solution into the aqueous solution of an acid because the density | concentration of the manganese ion in negative electrode electrolyte solution is the above-mentioned specific range, and it is excellent in manufacturability of electrolyte solution.
(12) 実施形態のRF電池の一例として、正極電解液が上記添加金属イオンを含む場合に、上記添加金属イオンが下記(a)〜(i)の少なくとも1つを満たす形態が挙げられる。
(a)上記アルミニウムイオンが1価のアルミニウムイオン、2価のアルミニウムイオン、及び3価のアルミニウムイオンの少なくとも一種である
(b)上記カドミウムイオンが1価のカドミウムイオン、及び2価のカドミウムイオンの少なくとも一方である
(c)上記インジウムイオンが1価のインジウムイオン、2価のインジウムイオン、及び3価のインジウムイオンの少なくとも一種である
(d)上記錫イオンが2価の錫イオン、及び4価の錫イオンの少なくとも一方である
(e)上記アンチモンイオンが3価のアンチモンイオン、及び5価のアンチモンイオンの少なくとも一方である
(f)上記イリジウムイオンが1価のイリジウムイオン、2価のイリジウムイオン、3価のイリジウムイオン、4価のイリジウムイオン、5価のイリジウムイオン、及び6価のイリジウムイオンの少なくとも一種である
(g)上記金イオンが1価の金イオン、2価の金イオン、3価の金イオン、4価の金イオン、及び5価の金イオンの少なくとも一種である
(h)上記鉛イオンが2価の鉛イオン、及び4価の鉛イオンの少なくとも一方である
(i)上記ビスマスイオンが3価のビスマスイオン、及び5価のビスマスイオンの少なくとも一方である
(12) As an example of the RF battery according to the embodiment, when the positive electrode electrolyte contains the additional metal ion, the additional metal ion satisfies at least one of the following (a) to (i).
(A) The aluminum ion is a monovalent aluminum ion, a divalent aluminum ion, or a trivalent aluminum ion. (B) The cadmium ion is a monovalent cadmium ion or a divalent cadmium ion. (C) The indium ion is at least one of monovalent indium ion, divalent indium ion, and trivalent indium ion. (D) The tin ion is divalent tin ion and tetravalent. (E) the antimony ion is a trivalent antimony ion and at least one of a pentavalent antimony ion (f) the iridium ion is a monovalent iridium ion or a divalent iridium ion Trivalent iridium ion, tetravalent iridium ion, pentavalent iri (G) The gold ion is a monovalent gold ion, a divalent gold ion, a trivalent gold ion, a tetravalent gold ion, or a pentavalent gold ion. (H) the lead ion is at least one of a divalent lead ion and a tetravalent lead ion (i) the bismuth ion is at least a trivalent bismuth ion and a pentavalent bismuth ion On the other hand
列挙した各価数の金属イオンは、析出物の抑制効果を奏することから、上記形態は、反応性金属イオンに加えて、上記各価数の添加金属イオンを含有することで、析出物の発生をより効果的に抑制することができる。 Since the metal ions having the respective valences listed have the effect of suppressing precipitates, the above-described form contains the added metal ions having the respective valences in addition to the reactive metal ions, thereby generating precipitates. Can be more effectively suppressed.
(13) 実施形態のRF電池の一例として、上記マンガンイオンが2価のマンガンイオン、及び3価のマンガンイオンの少なくとも一方であり、上記負極電解液が上記金属イオンとしてチタンイオンを含有し、このチタンイオンが3価のチタンイオン、及び4価のチタンイオンの少なくとも一方である形態が挙げられる。 (13) As an example of the RF battery of the embodiment, the manganese ion is at least one of a divalent manganese ion and a trivalent manganese ion, and the negative electrode electrolyte contains titanium ions as the metal ions. The form whose titanium ion is at least one of a trivalent titanium ion and a tetravalent titanium ion is mentioned.
列挙した各価数のマンガンイオンは、正極電解液中では正極活物質として機能し、列挙した各価数のチタンイオンは、負極活物質として機能することから、上記形態は、高い起電力が得られるMn−Ti系RF電池を構築することができる。列挙した各価数のマンガンイオンが負極電解液中にも含有される場合には、上述の形態(8)〜(10)と同様の効果、即ち少なくとも経時的な正極活物質の低減による電池容量の減少を抑制できる。 The listed manganese ions function as a positive electrode active material in the positive electrode electrolyte, and the listed titanium ions function as a negative electrode active material. An Mn-Ti RF battery can be constructed. In the case where manganese ions of each valence listed are also contained in the negative electrode electrolyte, the same effect as in the above embodiments (8) to (10), that is, the battery capacity due to at least the reduction of the positive electrode active material over time Can be suppressed.
[本発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施形態に係るレドックスフロー電池を詳細に説明する。なお、本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。例えば、後述の試験例において、正極電解液中のマンガンイオンの濃度、負極電解液中の金属イオン(負極活物質)の種類・濃度、各極の電解液の酸の種類・酸濃度、反応性金属イオン・添加金属イオンの種類・濃度、電解液の量、電極の材質・大きさ、隔膜の材質などを適宜変更することができる。また、後述の試験例において、少なくとも一方の極の電解液に添加金属イオンを添加することができる。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, a redox flow battery according to an embodiment of the present invention will be described in detail. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and is intended that all the changes within the meaning and range equivalent to the claim are included. For example, in the test examples described later, the concentration of manganese ions in the positive electrode electrolyte, the type / concentration of metal ions (negative electrode active material) in the negative electrode electrolyte, the type of acid / acid concentration, and the reactivity of the electrolyte in each electrode The type / concentration of the metal ions / additional metal ions, the amount of the electrolyte, the material / size of the electrode, the material of the diaphragm, and the like can be appropriately changed. In addition, in the test examples described later, an additive metal ion can be added to the electrolyte solution of at least one electrode.
まず、図1を参照して、実施形態に係るレドックスフロー電池を備える電池システムの概要を説明し、その後、電解液を詳細に説明する。図1のタンク内に示す元素は、電解液中に含むイオン種の一例を示す。図1において、実線矢印は、充電、破線矢印は、放電を意味する。 First, with reference to FIG. 1, the outline | summary of a battery system provided with the redox flow battery which concerns on embodiment is demonstrated, and electrolyte solution is demonstrated in detail after that. The element shown in the tank of FIG. 1 shows an example of ionic species contained in the electrolytic solution. In FIG. 1, a solid line arrow means charging, and a broken line arrow means discharging.
(全体構成)
実施形態のレドックスフロー電池(RF電池)1は、代表的には、交流/直流変換器200や変電設備210などを介して、発電部300(例えば、太陽光発電機、風力発電機、その他、一般の発電所など)と電力系統や需要家などの負荷400とに接続され、発電部300を電力供給源として充電を行い、負荷400を電力提供対象として放電を行う。充放電を行うにあたり、RF電池1と、RF電池1に電解液を循環させる循環機構(タンク、導管、ポンプ)とを備える以下の電池システムが構築される。
(overall structure)
The redox flow battery (RF battery) 1 of the embodiment typically includes a power generation unit 300 (for example, a solar power generator, a wind power generator, and the like, via an AC /
RF電池1は、正極電極104を内蔵する正極セル102と、負極電極105を内蔵する負極セル103と、両セル102,103を分離すると共に所定のイオンを透過する隔膜101とを備える電池セル100を主要構成部材とする。正極セル102には、正極電解液用のタンク106が導管108,110を介して接続される。負極セル103には、負極電解液用のタンク107が導管109,111を介して接続される。導管108,109には、各極の電解液を循環させるためのポンプ112,113を備える。RF電池1は、導管108〜111、ポンプ112,113を利用して、正極セル102(正極電極104)、負極セル103(負極電極105)にそれぞれ、タンク106の正極電解液、タンク107の負極電解液を循環供給して、各極の電解液中の活物質となる金属イオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。
The
RF電池1は、代表的には、複数の電池セル100を備えるセルスタックと呼ばれる形態が利用される。ここで、上記セル102,103は、一面に正極電極104、他面に負極電極105が配置される双極板(図示せず)と、電解液を供給する給液孔及び電解液を排出する排液孔を有し、かつ上記双極板の外周に形成される枠体(図示せず)とを備えるセルフレームを用いた構成が代表的である。複数のセルフレームを積層することで、上記給液孔及び上記排液孔は電解液の流路を構成し、この流路は導管108〜111に接続される。セルスタックは、セルフレーム、正極電極104、隔膜101、負極電極105、セルフレーム、…と順に繰り返し積層されて構成される。RF電池システムの基本構成は、公知の構成を適宜利用することができる。
The
実施形態のRF電池1では、上記正極電解液にマンガンイオンを含有し、上記負極電解液にチタンイオン、クロムイオン、及び亜鉛イオンから選択される少なくとも一種の金属イオンを含有する。そして、実施形態のRF電池1では、正極電解液に更に複数の機能を有する特定の金属イオンとして反応性金属イオンを含有する。
In the
(電解液)
・正極電解液
・・マンガンイオン
実施形態のRF電池1に備える正極電解液は、正極活物質としてマンガンイオンを含有する。マンガンイオンは、正極電解液中において少なくとも一つの価数のイオンが存在する。例えば、2価のマンガンイオン、3価のマンガンイオンが挙げられる。更に、4価のマンガンを含有する場合がある。この4価のマンガンは、MnO2と考えられる。但し、このMnO2は、固体の析出物ではなく、電解液中に溶解したような安定な状態で存在し、放電時、2電子反応(Mn4++2e−→Mn2+)によってMn2+に還元されて、即ち放電して、活物質として作用し、繰り返し使用できることで、電池容量の増加に寄与することがある。従って、正極電解液中に、若干量(マンガンイオンの総量(mol)に対して10%程度以下)の4価のマンガンの存在を許容する。
(Electrolyte)
-Positive electrode electrolyte-Manganese ion The positive electrode electrolyte with which the
正極電解液中のマンガンイオンの濃度(以下、Mn含有量と呼ぶ)は、例えば、0.3M以上5M以下が挙げられる。0.3M以上であると、大容量の蓄電池として十分なエネルギー密度(例えば、10kWh/m3程度)を有することができる。Mn含有量は、高いほどエネルギー密度が高められることから、0.5M以上、更に1.0M以上とすることができる。実施形態のRF電池1では、正極電解液中に後述する反応性金属イオンを合わせて含有することで、マンガンイオンの濃度を高めても、析出物の発生を抑制でき、マンガンイオンを安定して存在させられる。但し、溶媒に対する溶解度を考慮すると、Mn含有量は、5M以下、更に2M以下が利用し易く、電解液の製造性に優れる。
Examples of the manganese ion concentration (hereinafter referred to as Mn content) in the positive electrode electrolyte include 0.3M or more and 5M or less. When it is 0.3 M or more, a sufficient energy density (for example, about 10 kWh / m 3 ) as a large-capacity storage battery can be obtained. Since the energy density is increased as the Mn content is higher, the Mn content can be set to 0.5 M or more, and further 1.0 M or more. In the
・・反応性金属イオン
実施形態のRF電池1に備える正極電解液は、更に、反応性金属イオンを含有する。この反応性金属イオンは、正極活物質として機能すると共に、マンガン酸化物といった析出物の発生の抑制剤としても機能する。具体的な反応性金属イオンは、バナジウムイオン、クロムイオン、鉄イオン、コバルトイオン、銅イオン、モリブデンイオン、ルテニウムイオン、パラジウムイオン、銀イオン、タングステンイオン、水銀イオン及びセリウムイオンから選択される少なくとも一種が挙げられる。各反応性金属イオンはそれぞれ、正極電解液中において少なくとも一つの価数のイオンが存在する。例えば、(A)バナジウムイオンは、2価のバナジウムイオン、3価のバナジウムイオン、4価のバナジウムイオン、5価のバナジウムイオンが挙げられる。(B)クロムイオンは、2価のクロムイオン、3価のクロムイオン、4価のクロムイオン、6価のクロムイオンが挙げられる。(C)鉄イオンは、2価の鉄イオン、3価の鉄イオンが挙げられる。(D)コバルトイオンは、2価のコバルトイオン、3価のコバルトイオンが挙げられる。(E)銅イオンは、1価の銅イオン、2価の銅イオンが挙げられる。(F)モリブデンイオンは、4価のモリブデンイオン、5価のモリブデンイオン、6価のモリブデンイオンが挙げられる。(G)ルテニウムイオンは、2価のルテニウムイオン、3価のルテニウムイオン、4価のルテニウムイオンが挙げられる。(H)パラジウムイオンは、2価のパラジウムイオン、4価のパラジウムイオンが挙げられる。(I)銀イオンは、1価の銀イオン、2価の銀イオンが挙げられる。(J)タングステンイオンは、4価のタングステンイオン、5価のタングステンイオン、6価のタングステンイオンが挙げられる。(K)水銀イオンは、1価の水銀イオン、2価の水銀イオンが挙げられる。(L)セリウムイオンは、3価のセリウムイオン、及び4価のセリウムイオンが挙げられる。列記した以外の価数も有り得る。また、同一元素のイオンであって、価数が異なるイオンを含む場合がある。更に、これらの元素がイオンに加えて、金属(固体)として存在する場合を許容する。
-Reactive metal ion The positive electrode electrolyte solution with which
反応性金属イオンとして列挙した各金属イオンの標準酸化還元電位(電位)は、マンガンイオンの電位よりも卑な電位又は貴な電位である。そのため、これらの金属イオンは、正極電解液中にマンガンイオンと合わせて含まれることで、概ね電位に応じて、順次、価数変化反応を行って、正極活物質として機能する。上記列挙した各金属イオンのうち、単一種の反応性金属イオンを含有した形態、複数種の反応性金属イオンを含有した形態のいずれも利用できる。特に、反応性金属イオンとしてバナジウムイオンを含む場合には、バナジウムイオンが従来のV系RF電池の活物質としての実績があることから、電池の信頼性を高められる。 The standard oxidation-reduction potential (potential) of each metal ion listed as a reactive metal ion is a lower potential or a higher potential than that of manganese ions. For this reason, these metal ions are contained together with manganese ions in the positive electrode electrolyte solution, so that the valence change reaction is sequentially performed substantially in accordance with the potential and functions as a positive electrode active material. Of the metal ions listed above, any of a form containing a single type of reactive metal ion and a form containing a plurality of types of reactive metal ions can be used. In particular, when vanadium ions are included as reactive metal ions, the vanadium ions have a track record as an active material for conventional V-type RF batteries, so that the reliability of the battery can be improved.
正極電解液中の反応性金属イオンの濃度(複数種の反応性金属イオンを含む場合には合計濃度)は、例えば、0.001M以上5M以下が挙げられる。0.001M以上であると、反応性金属イオンをマンガンイオンと共に正極活物質として有効に利用でき、正極電解液中における正極活物質の割合を高められる。そのため、エネルギー密度が高いRF電池1とすることができる。また、0.001M以上であると、正極電解液にチタンイオンを含有していなくても、析出物の発生を抑制できる。反応性金属イオンの濃度は、高いほどエネルギー密度を高められ、かつ析出物を抑制し易いことから、更に0.1M以上とすることができる。但し、溶媒に対する溶解度を考慮すると、正極電解液中の反応性金属イオンの濃度は5M以下、更に2M以下が利用し易く、電解液の製造性に優れる。ここで、電解液を酸の水溶液とする場合、後述するように、酸の濃度をある程度高めることで、析出物の発生を抑制できる。しかし、酸の濃度を高めると、金属イオンの溶解度の低下を招く。実施形態のRF電池1は、反応性金属イオンを含有することで析出物の発生を抑制できることから、酸の濃度を過度に高める必要がなく、金属イオンの濃度を実用的な範囲とすることができる。マンガンイオンの濃度と反応性金属イオンの濃度とが同じ形態、異なる形態のいずれも利用できる。
Examples of the concentration of the reactive metal ions in the positive electrode electrolyte (the total concentration when a plurality of types of reactive metal ions are included) are 0.001M or more and 5M or less. When it is 0.001 M or more, reactive metal ions can be effectively used as a positive electrode active material together with manganese ions, and the ratio of the positive electrode active material in the positive electrode electrolyte can be increased. Therefore, the
・・添加金属イオン
実施形態のRF電池1に備える正極電解液は、更に、マンガン酸化物といった析出物の発生に対して抑制効果があるイオンを含有することができる。このようなイオンとして、アルミニウムイオン、カドミウムイオン、インジウムイオン、錫イオン、アンチモンイオン、イリジウムイオン、金イオン、鉛イオン、及びビスマスイオンから選択される少なくとも一種が挙げられる。各金属イオンはそれぞれ、正極電解液中において少なくとも一つの価数のイオンが存在する。例えば、(a)アルミニウムイオンは、1価のアルミニウムイオン、2価のアルミニウムイオン、3価のアルミニウムイオンが挙げられる。(b)カドミウムイオンは、1価のカドミウムイオン、2価のカドミウムイオンが挙げられる。(c)インジウムイオンは、1価のインジウムイオン、2価のインジウムイオン、3価のインジウムイオンが挙げられる。(d)錫イオンは、2価の錫イオン、4価の錫イオンが挙げられる。(e)アンチモンイオンは、3価のアンチモンイオン、5価のアンチモンイオンが挙げられる。(f)イリジウムイオンは、1価のイリジウムイオン、2価のイリジウムイオン、3価のイリジウムイオン、4価のイリジウムイオン、5価のイリジウムイオン、6価のイリジウムイオンが挙げられる。(g)金イオンは、1価の金イオン、2価の金イオン、3価の金イオン、4価の金イオン、5価の金イオンが挙げられる。(h)鉛イオンは、2価の鉛イオン、4価の鉛イオンが挙げられる。(i)ビスマスイオンは、3価のビスマスイオン、5価のビスマスイオンが挙げられる。列記した以外の価数も有り得る。また、同一元素のイオンであって、価数が異なるイオンを含む場合がある。更に、これらの元素がイオンに加えて、金属(固体)として存在する場合を許容する。
-Addition metal ion The positive electrode electrolyte solution with which the
その他、リチウム(Li)イオン、ベリリウム(Be)イオン、ナトリウム(Na)イオン、マグネシウム(Mg)イオン、カリウム(K)イオン、カルシウム(Ca)イオン、スカンジウム(Sc)イオン、ニッケル(Ni)イオン、亜鉛(Zn)イオン、ガリウム(Ga)イオン、ゲルマニウム(Ge)イオン、ルビジウム(Rb)イオン、ストロンチウム(Sr)イオン、イットリウム(Y)イオン、ジルコニウム(Zr)イオン、ニオブ(Nb)イオン、テクネチウム(Tc)イオン、ロジウム(Rh)イオン、セシウム(Cs)イオン、バリウム(Ba)イオン、ランタノイド元素(但しセリウムを除く)のイオン、ハフニウム(Hf)イオン、タンタル(Ta)イオン、レニウム(Re)イオン、オスミウム(Os)イオン、白金(Pt)イオン、タリウム(Tl)イオン、ポロニウム(Po)イオン、フランシウム(Fr)イオン、ラジウム(Ra)イオン、アクチニウム(Ac)イオン、トリウム(Th)イオン、プロトアクチニウム(Pa)イオン、ウラン(U)イオンは、マンガン酸化物といった析出物の発生に対して抑制効果があると期待される。従って、上記に列挙した少なくとも一つの金属イオンも、添加金属イオンとしての利用が期待できる。 In addition, lithium (Li) ion, beryllium (Be) ion, sodium (Na) ion, magnesium (Mg) ion, potassium (K) ion, calcium (Ca) ion, scandium (Sc) ion, nickel (Ni) ion, Zinc (Zn) ion, gallium (Ga) ion, germanium (Ge) ion, rubidium (Rb) ion, strontium (Sr) ion, yttrium (Y) ion, zirconium (Zr) ion, niobium (Nb) ion, technetium ( Tc) ion, rhodium (Rh) ion, cesium (Cs) ion, barium (Ba) ion, ion of lanthanoid element (excluding cerium), hafnium (Hf) ion, tantalum (Ta) ion, rhenium (Re) ion , Osmium (Os) ion, white (Pt) ion, thallium (Tl) ion, polonium (Po) ion, francium (Fr) ion, radium (Ra) ion, actinium (Ac) ion, thorium (Th) ion, protoactinium (Pa) ion, uranium ( U) ions are expected to have an inhibitory effect on the generation of precipitates such as manganese oxides. Accordingly, at least one metal ion listed above can be expected to be used as an additive metal ion.
添加金属イオンとして列挙した各金属イオンは、微量であっても、上記析出物の発生の抑制に効果があることから、電解液における添加金属イオンの含有に伴う活物質の割合の低下を抑制し易い。上記列挙した各金属イオンは、主として、上記析出物の発生の抑制剤として機能し、実質的に活物質として機能しない。但し、イオン種によっては、活物質として機能する場合がある(例えば、鉛イオンなど)。添加金属イオンが正極活物質としても機能する場合、エネルギー密度を更に高められる。上記列挙した各金属イオンのうち、単一種の添加金属イオンを含有した形態、複数種の添加金属イオンを含有した形態のいずれも利用できる。 Each metal ion enumerated as an additive metal ion is effective in suppressing the generation of the above-mentioned precipitates, even if it is in a trace amount, and therefore suppresses a decrease in the ratio of the active material accompanying the inclusion of the additive metal ion in the electrolyte. easy. Each of the metal ions listed above mainly functions as an inhibitor of the generation of the precipitate, and does not substantially function as an active material. However, some ionic species may function as an active material (for example, lead ions). When the added metal ion also functions as a positive electrode active material, the energy density can be further increased. Of the metal ions listed above, any of a form containing a single kind of added metal ion and a form containing a plurality of kinds of added metal ions can be used.
正極電解液中の添加金属イオンの濃度(複数種の添加金属イオンを含む場合には合計濃度)は、例えば、0.001M以上1M以下が挙げられる。0.001M以上であると、反応性金属イオンと共に、析出物の発生を効果的に抑制できる。添加金属イオンの濃度は、高いほど析出物の抑制効果が高いと期待されることから、0.005M以上、更に0.01M以上とすることができる。但し、添加金属イオンの濃度が高過ぎると、電解液中における活物質の割合の低下を招き、ひいてはエネルギー密度の低下を招く。従って、添加金属イオンの濃度は、0.8M以下、更に0.5M以下が好ましい。 Examples of the concentration of the added metal ions in the positive electrode electrolyte (the total concentration when a plurality of types of added metal ions are included) include 0.001 M or more and 1 M or less. Generation | occurrence | production of a precipitate can be effectively suppressed with a reactive metal ion as it is 0.001M or more. Since the concentration of the added metal ions is expected to increase the effect of suppressing the precipitate as the concentration increases, it can be 0.005M or more, and further 0.01M or more. However, if the concentration of the added metal ion is too high, the ratio of the active material in the electrolytic solution is lowered, and consequently the energy density is lowered. Therefore, the concentration of the added metal ion is preferably 0.8M or less, more preferably 0.5M or less.
・負極電解液
実施形態のRF電池1に備える負極電解液は、負極活物質としてチタンイオン、クロムイオン、及び亜鉛イオンから選択される少なくとも一種の金属イオンを含有する。これらの金属イオンはいずれも、正極活物質のマンガンイオンと組み合わせることで、高い起電力を有するレドックス対を構成することができる。負極活物質とする各金属イオンはそれぞれ、負極電解液中において少なくとも一つの価数のイオンが存在する。同一元素のイオンであって、価数が異なるイオンを含む場合がある。また、これらの元素がイオンに加えて、金属(固体)として存在する場合を許容する。列挙した各金属イオンのうち、単一種の金属イオンを含有した形態、複数種の金属イオンを含有した形態のいずれも利用できる。
-Negative electrode electrolyte The negative electrode electrolyte with which the
特に、負極活物質としてチタンイオンを含むMn−Ti系RF電池では、1.4V程度の起電力が得られる。また、負極活物質としてチタンイオンを含む場合、充放電の繰り返しによって、経時的にチタンイオンが移動して負極電解液から正極電解液に混入された場合、このチタンイオンは、正極電解液中で析出物の発生の抑制剤として機能することができる。負極電解液中のチタンイオンは、少なくとも一つの価数のイオンが存在する。例えば、3価のチタンイオン、4価のチタンイオンが挙げられる。 In particular, an electromotive force of about 1.4 V can be obtained in a Mn-Ti RF battery containing titanium ions as a negative electrode active material. Also, when titanium ions are included as the negative electrode active material, titanium ions move over time due to repeated charge and discharge and mixed into the positive electrode electrolyte from the negative electrode electrolyte. It can function as an inhibitor for the generation of precipitates. The titanium ion in the negative electrode electrolyte contains at least one valence ion. For example, a trivalent titanium ion and a tetravalent titanium ion can be mentioned.
負極活物質として複数種の金属イオンを含有する場合、各金属イオンの標準酸化還元電位(電位)を考慮した組み合わせとする、即ち、貴な電位のものと卑な電位のものとの組み合わせとすると、正極電解液と同様に、負極電解液でも金属イオンの利用率を高められ、エネルギー密度を向上できる。 When a plurality of types of metal ions are contained as the negative electrode active material, a combination that takes into account the standard oxidation-reduction potential (potential) of each metal ion, that is, a combination of a noble potential and a base potential Similarly to the positive electrode electrolyte, the negative electrode electrolyte can increase the utilization rate of metal ions and improve the energy density.
負極活物質として列挙した各金属イオンの濃度(複数種の金属イオンを含む場合には合計濃度)は、例えば、0.3M以上5M以下が挙げられる。0.3M以上であると、大容量の蓄電池として十分なエネルギー密度(例えば、10kWh/m3程度)を有することができる。負極電解液中の上記金属イオンの濃度は、高いほどエネルギー密度が高められることから、0.5M以上、更に1.0M以上とすることができる。但し、溶媒に対する溶解度を考慮すると、負極電解液中の上記金属イオンの濃度は、5M以下、更に2M以下が利用し易く、電解液の製造性に優れる。特に、負極活物質としてチタンイオンを0.3M以上5M以下の範囲で含む場合には、上述のように高いエネルギー密度を有するMn−Ti系RF電池とすることができる。正極電解液中において主として正極活物質として機能するマンガンイオンの濃度と反応性金属イオンの濃度との合計濃度と、負極電解液中において主として負極活物質として機能する金属イオンの濃度とが同じ形態、異なる形態のいずれも利用できる。 Examples of the concentration of each metal ion listed as the negative electrode active material (the total concentration when a plurality of types of metal ions are included) include 0.3 M or more and 5 M or less. When it is 0.3 M or more, a sufficient energy density (for example, about 10 kWh / m 3 ) as a large-capacity storage battery can be obtained. Since the energy density increases as the concentration of the metal ion in the negative electrode electrolyte increases, it can be set to 0.5 M or more, and further 1.0 M or more. However, considering the solubility in the solvent, the concentration of the metal ion in the negative electrode electrolyte is easily 5M or less, more preferably 2M or less, and the productivity of the electrolyte is excellent. In particular, when titanium ions are contained in the range of 0.3 M or more and 5 M or less as the negative electrode active material, a Mn—Ti RF battery having a high energy density as described above can be obtained. The total form of the concentration of manganese ions that mainly function as a positive electrode active material and the concentration of reactive metal ions in the positive electrode electrolyte and the concentration of metal ions that mainly function as the negative electrode active material in the negative electrode electrolyte are the same, Any of the different forms can be used.
負極電解液は、上述の列挙した添加金属イオンのイオン種のうち、少なくとも一つを含有することができる。即ち、正極電解液及び負極電解液の少なくとも一方が、添加金属イオンを含有する形態とすることができる。負極電解液が少なくとも一種の添加金属イオンを含有する場合、(1)負極活物質として機能する金属イオンの電池反応性を高められる(反応速度を速められる)、(2)イオン種によっては活物質として機能することがある(錫イオン、亜鉛イオンなど)、(3)水の分解に伴う水素の発生を抑制することができる、といった効果が期待される。 The negative electrode electrolyte can contain at least one of the above-mentioned ionic species of the added metal ions. That is, at least one of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte can be in a form containing an additive metal ion. When the negative electrode electrolyte contains at least one kind of added metal ion, (1) the battery reactivity of the metal ion functioning as the negative electrode active material can be increased (the reaction rate can be increased), and (2) depending on the ionic species, the active material (3) the generation of hydrogen accompanying water decomposition can be suppressed.
その他、負極電解液は、負極活物質となるチタンイオンなどの上述の金属イオンを含むと共に、以下の形態とすることができる。
(a) マンガンイオンを含む形態。
(b) 正極電解液に含まれる反応性金属イオンと同じイオン種のものを少なくとも一つ含む形態。
(c) 正極電解液が上述の列挙した添加金属イオンのイオン種のうちの少なくとも一つを含む場合に、同じイオン種のものを少なくとも一つ含む形態。
(d) 上記形態(a)〜形態(c)のうちの二つを満たす形態(例えば、形態(a)+形態(b))。
(e) 上記形態(a)〜形態(c)の全てを満たす形態。
In addition, the negative electrode electrolyte solution can include the above-described metal ions such as titanium ions serving as a negative electrode active material, and can have the following form.
(A) A form containing manganese ions.
(B) A form containing at least one of the same ionic species as the reactive metal ion contained in the positive electrode electrolyte.
(C) A form in which at least one of the same ionic species is included when the positive electrode electrolyte contains at least one of the ionic species of the additive metal ions listed above.
(D) A form satisfying two of the above forms (a) to (c) (for example, form (a) + form (b)).
(E) A form satisfying all of the above forms (a) to (c).
上述の形態(a)〜形態(e)はいずれも、正極電解液及び負極電解液に含まれる少なくとも一つのイオン種が重複する。そのため、これらの形態は、(i)経時的な活物質の低減による電池容量の減少を回避し易い、(ii)液移りによる両極の電解液の液量のばらつきを是正し易い、(iii)対極への金属イオンの移動に起因する濃度の変化を抑制し易い、(iv)電解液を製造し易い、といった効果を奏する。例えば、形態(a)では、少なくとも正極活物質の経時的な低減を抑制し易い。例えば、負極電解液がクロムイオン及びマンガンイオンを含み、正極電解液の反応性金属イオンがクロムイオンである形態では、全てのイオン種が一致し得る。両極の電解液中で重複する金属イオンの濃度は、両極で異なる形態、両極で等しい形態のいずれも利用できる。両極の電解液中で重複する金属イオンの価数は、両極で異なる形態、両極で等しい形態のいずれも利用できる。両極の電解液中に存在する全てのイオン種が一致する場合に更に濃度も一致すると、一つの電解液を両極の電解液に利用でき、電解液の製造性に更に優れる。 In any of the above-described forms (a) to (e), at least one ion species contained in the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte overlaps. Therefore, these forms are (i) easy to avoid a decrease in battery capacity due to a decrease in active material over time, (ii) easy to correct variations in the amount of electrolyte in both electrodes due to liquid transfer, (iii) There are effects that it is easy to suppress a change in concentration caused by the movement of metal ions to the counter electrode, and (iv) it is easy to produce an electrolyte solution. For example, in the form (a), it is easy to suppress at least a decrease with time of the positive electrode active material. For example, in a form in which the negative electrode electrolyte contains chromium ions and manganese ions and the reactive metal ions of the positive electrode electrolyte are chromium ions, all ionic species can match. The concentration of the metal ion overlapping in the electrolyte solution of both electrodes can be used either in a different form in both electrodes or in an equal form in both electrodes. As for the valence of the metal ions overlapping in the electrolyte solution of both electrodes, either a different form in both electrodes or an equal form in both electrodes can be used. If all the ionic species existing in the electrolyte solution of both electrodes are matched, and if the concentrations are further matched, one electrolyte solution can be used as the electrolyte solution of both electrodes, and the productivity of the electrolyte solution is further improved.
より具体的な形態は、負極電解液がチタンイオンとマンガンイオンとを含む形態(a)、負極電解液がチタンイオンとマンガンイオンと正極電解液に含まれる同じイオン種の反応性金属イオンとを含む形態(d)(形態(a)+形態(b))、負極電解液がチタンイオンとマンガンイオンと正極電解液に含まれる同じイオン種の反応性金属イオン及び添加金属イオンとを含む形態(e)などが挙げられる。両極の電解液に含まれる反応性金属イオンがバナジウムイオンであると、各極の電解液中のバナジウムイオンは、正極活物質及び負極活物質として機能することができる。このように負極電解液がマンガンイオンを含有する形態では、負極電解液中のマンガンイオンの濃度は、例えば0.3M以上5M以下が挙げられる。この濃度範囲であれば、上述のように溶解し易く、電解液の製造性にも優れる。負極電解液がマンガンイオンを含有する場合、例えば、2価のマンガンイオン、3価のマンガンイオンが挙げられる。なお、両極の電解液に反応性金属イオンや添加金属イオンを含む場合に、各極の少なくとも一つのイオン種が異なるイオンを含む形態とすることができる。 More specifically, the negative electrode electrolyte contains titanium ions and manganese ions (a), the negative electrode electrolyte contains titanium ions, manganese ions, and reactive metal ions of the same ionic species contained in the positive electrode electrolyte. Form (d) (form (a) + form (b)), form in which the negative electrode electrolyte contains titanium ions, manganese ions, and reactive metal ions and added metal ions of the same ionic species contained in the positive electrode electrolyte ( e). When the reactive metal ion contained in the electrolyte solution of both electrodes is vanadium ion, the vanadium ion in the electrolyte solution of each electrode can function as a positive electrode active material and a negative electrode active material. Thus, in the form in which the negative electrode electrolyte contains manganese ions, the concentration of manganese ions in the negative electrode electrolyte is, for example, 0.3 M or more and 5 M or less. If it is this concentration range, it will be easy to melt | dissolve as mentioned above, and it is excellent also in manufacturability of electrolyte solution. When the negative electrode electrolyte contains manganese ions, for example, divalent manganese ions and trivalent manganese ions can be mentioned. In addition, when reactive metal ions or additive metal ions are included in the electrolyte solution of both electrodes, at least one ion species of each electrode can include different ions.
・電解液の溶媒など
上述の各極の電解液に含有する金属イオンは、いずれも水溶性イオンである。従って、正極電解液及び負極電解液には、溶媒を水とする水溶液を好適に利用することができる。特に、電解液を硫酸や硫酸塩を含有する酸の水溶液とすると、(1)各種の金属イオンの安定性の向上、活物質となる金属イオンの反応性の向上、溶解度の向上が得られる場合がある、(2)マンガンイオンのような電位が高い金属イオンを用いる場合でも、副反応が生じ難い(分解が生じ難い)、(3)イオン伝導度が高く、電池の内部抵抗が小さくなる、(4)塩酸を利用した場合と異なり、塩素ガスが発生しない、(5)硫酸塩などと水とを用いて電解液が容易に得られ、製造性に優れる、といった複数の効果が期待できる。上記硫酸や硫酸塩を用いて作製した酸の水溶液(電解液)は、例えば、硫酸アニオン(SO4 2−)が存在する。電解液を酸溶液とする場合、酸の濃度を高めると、マンガン酸化物といった析出物の発生をある程度抑制できる。反応性金属イオンといった析出物の発生を抑制可能な金属イオンを含む電解液では、電解液中における酸の濃度をある程度低くしても、析出物の発生を抑制できる可能性がある。電解液には、硫酸や硫酸塩の他、公知の酸や公知の塩を用いて作製した水溶液を利用することができる。
-Solvent of electrolyte solution etc. All the metal ions contained in the electrolyte solution of each above-mentioned electrode are water-soluble ions. Therefore, an aqueous solution containing water as a solvent can be suitably used for the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte. In particular, when the electrolytic solution is an aqueous solution of an acid containing sulfuric acid or sulfate, (1) When the stability of various metal ions is improved, the reactivity of metal ions as an active material is improved, and the solubility is improved. (2) Even when metal ions having a high potential such as manganese ions are used, side reactions are unlikely to occur (degradation is unlikely to occur), (3) ion conductivity is high, and internal resistance of the battery is reduced. (4) Unlike the case where hydrochloric acid is used, a plurality of effects can be expected, such as no generation of chlorine gas, (5) an electrolyte can be easily obtained using sulfate and the like, and excellent manufacturability. The acid aqueous solution (electrolytic solution) prepared using the above sulfuric acid or sulfate includes, for example, sulfate anion (SO 4 2− ). When the electrolytic solution is an acid solution, the generation of precipitates such as manganese oxide can be suppressed to some extent by increasing the acid concentration. In an electrolytic solution containing metal ions capable of suppressing the generation of precipitates such as reactive metal ions, the generation of precipitates may be suppressed even if the acid concentration in the electrolytic solution is lowered to some extent. As the electrolytic solution, an aqueous solution prepared using a known acid or a known salt in addition to sulfuric acid or a sulfate can be used.
(その他の構成)
・電極
正極電極104及び負極電極105の材質は、炭素繊維を主体とするもの、例えば、不織布(カーボンフェルト)やペーパーが挙げられる。カーボンフェルト製の電極を利用すると、(1)電解液に水溶液を用いた場合において充電時に酸素発生電位になっても、酸素ガスが発生し難い、(2)表面積が大きい、(3)電解液の流通性に優れる、といった効果がある。公知の電極を利用できる。
(Other configurations)
-Electrode The materials of the
・隔膜
隔膜101は、例えば、陽イオン交換膜や陰イオン交換膜といったイオン交換膜が挙げられる。イオン交換膜は、(1)正極活物質の金属イオンと負極活物質の金属イオンとの隔離性に優れる、(2)H+イオン(電池内部の電荷担体)の透過性に優れる、といった効果があり、隔膜101に好適に利用することができる。公知の隔膜を利用できる。
-Diaphragm As the
以下、試験例を挙げて、RF電池の電解液の安定性、電池特性を具体的に説明する。 Hereinafter, the stability of the electrolytic solution of the RF battery and the battery characteristics will be specifically described with reference to test examples.
[試験例1]
マンガンイオンを含有する正極電解液と、チタンイオンを含有する負極電解液とを用意して図1に示すRF電池システムを構築し、充電を行った後、析出状態を調べた。
[Test Example 1]
A positive electrode electrolyte containing manganese ions and a negative electrode electrolyte containing titanium ions were prepared, the RF battery system shown in FIG. 1 was constructed, and after charging, the deposition state was examined.
この試験では、正極活物質としてマンガンイオンのみを含む試料No.1−100と、正極活物質としてマンガンイオンとバナジウムイオン(反応性金属イオン)とを含む試料No.1−1とを用意した。 In this test, Sample No. containing only manganese ions as the positive electrode active material was used. Sample No. 1-100 containing manganese ions and vanadium ions (reactive metal ions) as positive electrode active materials. 1-1 were prepared.
試料No.1−1の正極電解液は、硫酸マンガン、オキソ硫酸バナジウム、硫酸を用いて作製した(ここでは水溶液)。作製した正極電解液のマンガンイオン(2価)濃度は0.5M、バナジウムイオン(4価)濃度は0.5M、硫酸イオン濃度(電解液中の合計濃度であり、表中では総濃度として示す。以降の試験例についても同様である。)は4.0Mである。 Sample No. The positive electrode electrolyte 1-1 was prepared using manganese sulfate, vanadium oxosulfate, and sulfuric acid (in this case, an aqueous solution). The produced positive electrode electrolyte has a manganese ion (divalent) concentration of 0.5 M, a vanadium ion (tetravalent) concentration of 0.5 M, and a sulfate ion concentration (the total concentration in the electrolyte, which is shown as the total concentration in the table) The same applies to the following test examples.) Is 4.0M.
試料No.1−100の正極電解液は、硫酸マンガンと硫酸とを用いて作製した(ここでは水溶液)。作製した正極電解液のマンガンイオン(2価)濃度は0.5M、硫酸イオン濃度(合計濃度)は3.5Mである。 Sample No. A positive electrode electrolyte of 1-100 was prepared using manganese sulfate and sulfuric acid (here, an aqueous solution). The prepared positive electrode electrolyte has a manganese ion (divalent) concentration of 0.5M and a sulfate ion concentration (total concentration) of 3.5M.
試料No.1−1,No.1−100のいずれも、負極電解液は、硫酸チタンと硫酸とを用いて作製した(ここでは水溶液)。作製した負極電解液のチタンイオン(4価)濃度は1.0M、硫酸イオン濃度(合計濃度)は4.0Mである。 Sample No. 1-1, no. In any of 1-100, the negative electrode electrolyte was prepared using titanium sulfate and sulfuric acid (in this case, an aqueous solution). The produced negative electrode electrolyte has a titanium ion (tetravalent) concentration of 1.0 M and a sulfate ion concentration (total concentration) of 4.0 M.
電極の反応面積が9cm2である小型セルを作製した。各極の電極には、カーボンフェルト、隔膜には、イオン交換膜を用いた。 A small cell having an electrode reaction area of 9 cm 2 was produced. Carbon felt was used for each electrode, and an ion exchange membrane was used for the diaphragm.
作製した各極の電解液をそれぞれ7mlずつ用意し、作製した小型セルを用いて充電を行った。充電条件は、630mAの定電流(電流密度が70mA/cm2の定電流)とし、マンガンイオンの充電状態(SOC)が70%となるまで充電を行った。この充電直後に、正極電解液のタンクの内壁を目視にて確認した。マンガンイオンの充電状態(SOC、%)は、(充電電気量/1電子反応時の理論電気量)×100によって求めた。なお、充電電気量、1電子反応の理論電気量は以下のように表わされる。マンガンイオンの1電子反応は、Mn2+→Mn3++e−である。
充電電気量(A・h)=充電電流(A)×充電時間(h)
1電子反応の理論電気量(A・h)=電解液の体積(L)×マンガンイオンの濃度(mol/L)×ファラデーの定数:96,485(A・秒/mol)×1(電子)/3600
7 ml of each prepared electrolyte solution was prepared, and charged using the prepared small cell. The charging conditions were a constant current of 630 mA (a constant current of 70 mA / cm 2 ), and charging was performed until the state of charge (SOC) of manganese ions reached 70%. Immediately after this charging, the inner wall of the positive electrode electrolyte tank was visually confirmed. The state of charge (SOC,%) of manganese ions was determined by (charged electricity / theoretical electricity during one-electron reaction) × 100. In addition, the charge electricity amount and the theoretical electricity amount of one-electron reaction are expressed as follows. The one-electron reaction of manganese ions is Mn 2+ → Mn 3+ + e − .
Charged electricity (A · h) = Charging current (A) x Charging time (h)
Theoretical electricity of one-electron reaction (A · h) = electrolyte volume (L) × manganese ion concentration (mol / L) × Faraday constant: 96,485 (A · second / mol) × 1 (electron) / 3600
その結果、正極電解液にマンガンイオンのみを含有する試料No.1−100では、正極電解液のタンクの内壁において、正極電解液が存在した領域に茶色の物質(固体)が付着していた。この茶色の物質を分析したところ、MnO2であった。このことから、試料No.1−100では、充電状態を高めると、析出物が発生することが分かる。一方、試料No.1−1では、正極電解液のタンクの内壁に上述のような付着物が実質的に見られなかった。このことから、正極電解液にマンガンイオンに加えて、バナジウムイオンといった金属イオンを添加することで、MnO2といった析出物の発生を抑制できることが確認できた。 As a result, sample No. 1 containing only manganese ions in the positive electrode electrolyte was obtained. In 1-100, a brown substance (solid) was attached to the area where the cathode electrolyte was present on the inner wall of the tank of the cathode electrolyte. This brown material was analyzed and found to be MnO 2 . From this, sample no. In 1-100, it turns out that a precipitate will generate | occur | produce when a charge condition is raised. On the other hand, sample No. In 1-1, the above deposits were not substantially seen on the inner wall of the positive electrode electrolyte tank. From this, it was confirmed that the generation of precipitates such as MnO 2 can be suppressed by adding metal ions such as vanadium ions in addition to manganese ions to the positive electrode electrolyte.
[試験例2]
マンガンイオンを含有する正極電解液と、チタンイオンを含有する負極電解液とを用意して図1に示すRF電池システムを構築し、充電を行った後、充電状態(SOC)を調べた。
[Test Example 2]
A positive electrode electrolyte containing manganese ions and a negative electrode electrolyte containing titanium ions were prepared, the RF battery system shown in FIG. 1 was constructed, and after charging, the state of charge (SOC) was examined.
正極電解液及び負極電解液は、試験例1と同様のイオン種、濃度のものを用いた。即ち、試料No.2−1は、正極電解液として、マンガンイオン(2価)濃度が0.5M、バナジウムイオン(4価)濃度が0.5M、硫酸イオン濃度(合計濃度)は4.0Mの組成の電解液を用意した。試料No.2−100は、正極電解液として、マンガンイオン(2価)濃度が0.5M、硫酸イオン濃度(合計濃度)が3.5Mの組成の電解液を用意した。いずれの試料も負極電解液は、チタンイオン(4価)濃度が1.0M、硫酸イオン濃度(合計濃度)は4.0Mの組成の電解液を用意した。各試料について、正極電解液は、9ml、負極電解液は、30ml用意した。 As the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte, those having the same ionic species and concentration as those in Test Example 1 were used. That is, sample no. 2-1 is an electrolytic solution having a composition of manganese ion (divalent) concentration of 0.5M, vanadium ion (tetravalent) concentration of 0.5M, and sulfate ion concentration (total concentration) of 4.0M as a positive electrode electrolytic solution. Prepared. Sample No. In No. 2-100, an electrolyte solution having a manganese ion (divalent) concentration of 0.5 M and a sulfate ion concentration (total concentration) of 3.5 M was prepared as a positive electrode electrolyte. In all the samples, an electrolyte solution having a composition of a negative electrode electrolyte having a titanium ion (tetravalent) concentration of 1.0 M and a sulfate ion concentration (total concentration) of 4.0 M was prepared. For each sample, 9 ml of the positive electrode electrolyte and 30 ml of the negative electrode electrolyte were prepared.
電極の反応面積が9cm2である小型セルを作製し、用意した電解液を用いて、充電を行った。充電条件は、630mAの定電流(電流密度が70mA/cm2の定電流)とし、充電終了電圧を2.0Vとした。この充電終了時のマンガンイオンの充電状態(SOC、%)を調べた。その結果を表1に示す。また、充電終了後、タンクなどに存在する析出物(ここではMnO2)の量を目視にて調べた。その結果を表1に示す。 A small cell having an electrode reaction area of 9 cm 2 was prepared and charged using the prepared electrolyte. The charging conditions were a constant current of 630 mA (a constant current with a current density of 70 mA / cm 2 ), and a charge termination voltage of 2.0V. The state of charge (SOC,%) of manganese ions at the end of this charge was examined. The results are shown in Table 1. Further, after the end of charging, the amount of precipitates (here, MnO 2 ) present in the tank or the like was visually examined. The results are shown in Table 1.
表1に示すように、正極電解液にマンガンイオンのみを含有する試料No.2−100に比較して、正極電解液にマンガンイオンに加えて、バナジウムイオンといった金属イオンを含有する試料No.2−1では、充電状態(SOC)がより高いことが分かる。充電状態が向上した理由の一つとして、試料No.2−1では、バナジウムイオンといった金属イオンによってMnO2といった析出物の発生を抑制できたことで、マンガンイオンを活物質として十分に利用できたため、と考えられる。 As shown in Table 1, sample No. 1 containing only manganese ions in the positive electrode electrolyte was used. Compared with 2-100, sample No. 2 containing metal ions such as vanadium ions in addition to manganese ions in the positive electrode electrolyte. 2-1, it can be seen that the state of charge (SOC) is higher. One of the reasons for the improved state of charge is that of sample no. In Example 2-1, it is considered that manganese ions were sufficiently utilized as an active material because generation of precipitates such as MnO 2 could be suppressed by metal ions such as vanadium ions.
[試験例3]
マンガンイオンを含有する正極電解液と、チタンイオンを含有する負極電解液とを用意して図1に示すRF電池システムを構築し、充放電を行って電池特性を調べた。
[Test Example 3]
A positive electrode electrolyte containing manganese ions and a negative electrode electrolyte containing titanium ions were prepared, the RF battery system shown in FIG. 1 was constructed, and the battery characteristics were examined by charging and discharging.
正極電解液及び負極電解液は、試験例1と同様のイオン種、濃度のものを用いた。即ち、試料No.3−1は、正極電解液として、マンガンイオン(2価)濃度が0.5M、バナジウムイオン(4価)濃度が0.5M、硫酸イオン濃度(合計濃度)は4.0Mの組成の電解液を用意した。試料No.3−100は、正極電解液として、マンガンイオン(2価)濃度が0.5M、硫酸イオン濃度(合計濃度)が3.5Mの組成の電解液を用意した。比較として、原料に硫酸チタンを用いて、試料No.3−100の正極電解液に更にチタンイオンを含有する試料No.3−110を用意した。試料No.3−110の正極電解液は、マンガンイオン(2価)濃度が0.5M、チタンイオン(4価)濃度が0.5M、硫酸イオン濃度(合計濃度)が4.0Mの組成の電解液とした。いずれの試料も負極電解液は、チタンイオン(4価)濃度が1.0M、硫酸イオン濃度(合計濃度)は4.0Mの組成の電解液を用意した。各試料について、各極の電解液をそれぞれ6mlずつ用意した。 As the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte, those having the same ionic species and concentration as those in Test Example 1 were used. That is, sample no. 3-1. As a positive electrode electrolyte, an electrolyte having a composition of manganese ion (divalent) concentration of 0.5M, vanadium ion (tetravalent) concentration of 0.5M, and sulfate ion concentration (total concentration) of 4.0M. Prepared. Sample No. 3-100 prepared an electrolyte solution having a composition of a manganese ion (divalent) concentration of 0.5 M and a sulfate ion concentration (total concentration) of 3.5 M as a positive electrode electrolyte. As a comparison, using titanium sulfate as a raw material, Sample No. 3 further containing titanium ions in the positive electrode electrolyte of 3-100. 3-110 was prepared. Sample No. The 3-110 positive electrode electrolyte is composed of an electrolyte having a composition of manganese ion (divalent) concentration of 0.5M, titanium ion (tetravalent) concentration of 0.5M, and sulfate ion concentration (total concentration) of 4.0M. did. In all the samples, an electrolyte solution having a composition of a negative electrode electrolyte having a titanium ion (tetravalent) concentration of 1.0 M and a sulfate ion concentration (total concentration) of 4.0 M was prepared. For each sample, 6 ml of electrolyte solution for each electrode was prepared.
電極の反応面積が9cm2である小型セルを作製し、用意した電解液を用いて、充放電のサイクル試験を行った。充放電条件は、630mAの定電流(電流密度が70mA/cm2の定電流)とし、充電側切替電圧(充電から放電に切り替える電圧)を1.5Vとし、放電側切替電圧(放電から充電に切り替える電圧)を0Vとし、サイクル数=3とした。そして、電流効率(%)、放電容量(Ah/L)をそれぞれ調べた。ここでは、電流効率(%)は、サイクルごとに(放電時間/充電時間)×100で求めた。2サイクル目の電流効率と3サイクル目の電流効率との平均を表2に示す。放電容量は、サイクルごとに、(放電時間(s)×電流値(A)/3600)/電解液体積(L)を求めた。2サイクル目の放電容量と3サイクル目の放電容量との平均を表2に示す。 A small cell having an electrode reaction area of 9 cm 2 was prepared, and a charge / discharge cycle test was performed using the prepared electrolyte. The charging / discharging conditions are a constant current of 630 mA (constant current of 70 mA / cm 2 current density), a charging side switching voltage (voltage switching from charging to discharging) is 1.5 V, and a discharging side switching voltage (from discharging to charging). The voltage to be switched) was 0 V, and the number of cycles was 3. Then, current efficiency (%) and discharge capacity (Ah / L) were examined. Here, the current efficiency (%) was obtained by (discharge time / charge time) × 100 for each cycle. Table 2 shows the average of the current efficiency at the second cycle and the current efficiency at the third cycle. For the discharge capacity, (discharge time (s) × current value (A) / 3600) / electrolyte volume (L) was determined for each cycle. Table 2 shows the average of the discharge capacity at the second cycle and the discharge capacity at the third cycle.
表2に示すように、正極電解液にマンガンイオンのみを含有する試料No.3−100に比較して、正極電解液にマンガンイオンに加えて、バナジウムイオンといった金属イオンを含有する試料No.3−1では、電流効率及び放電容量が高いことが分かる。電流効率や放電容量が向上した理由の一つとして、試料No.3−1では、バナジウムイオンといった金属イオンによってMnO2といった析出物の発生を抑制できたことで、マンガンイオンを活物質として十分に利用できたため、と考えられる。また、マンガンイオンに加えて、バナジウムイオンといった金属イオンを含有する試料No.3−1では、マンガンイオンに加えてチタンイオンを含有する試料No.3−110と比較して、放電容量が向上していることが分かる。放電容量が向上した理由の一つとして、試料No.3−1では、マンガンイオンに加えて、バナジウムイオンといった金属イオンが活物質として機能することで、エネルギー密度が高められたため、と考えられる。 As shown in Table 2, sample No. 1 containing only manganese ions in the positive electrode electrolyte was used. Compared to 3-100, sample No. 1 containing metal ions such as vanadium ions in addition to manganese ions in the positive electrode electrolyte. 3-1, it turns out that current efficiency and discharge capacity are high. One of the reasons for the improvement in current efficiency and discharge capacity is that of sample no. In 3-1, it is considered that manganese ions could be sufficiently used as an active material because generation of precipitates such as MnO 2 could be suppressed by metal ions such as vanadium ions. In addition to manganese ions, sample Nos. Containing metal ions such as vanadium ions. In Sample 3-1, sample No. 1 containing titanium ions in addition to manganese ions. It can be seen that the discharge capacity is improved as compared with 3-110. One of the reasons for the improved discharge capacity is that of sample no. In 3-1, it is thought that in addition to manganese ions, metal ions such as vanadium ions function as an active material, thereby increasing the energy density.
[試験例4]
マンガンイオンを含有する正極電解液と、チタンイオン及びマンガンイオンを含有する負極電解液とを用意して図1に示すRF電池システムを構築し、充放電を行って電池特性を調べた。
[Test Example 4]
A positive electrode electrolyte containing manganese ions and a negative electrode electrolyte containing titanium ions and manganese ions were prepared, the RF battery system shown in FIG. 1 was constructed, and the battery characteristics were examined by charging and discharging.
正極電解液及び負極電解液は、試験例1と同様に硫酸塩と硫酸とを用いて作製した。試料No.4−1は、正極電解液として、マンガンイオン(2価)濃度が0.5M、バナジウムイオン(4価)濃度が0.5M、硫酸イオン濃度(合計濃度)が4.0Mの組成の電解液を6ml用意した。負極電解液は、チタンイオン(4価)濃度が0.5M、マンガンイオン(2価)濃度が0.5M、硫酸イオン濃度(合計濃度)は4.0Mの組成の電解液を12ml用意した。 The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte were prepared using sulfate and sulfuric acid as in Test Example 1. Sample No. 4-1 is an electrolytic solution having a composition of a manganese ion (divalent) concentration of 0.5M, a vanadium ion (tetravalent) concentration of 0.5M, and a sulfate ion concentration (total concentration) of 4.0M as a positive electrode electrolytic solution. 6 ml was prepared. As the negative electrode electrolyte, 12 ml of an electrolyte having a composition of titanium ion (tetravalent) concentration of 0.5M, manganese ion (divalent) concentration of 0.5M, and sulfate ion concentration (total concentration) of 4.0M was prepared.
試料No.4−2は、正極電解液として、マンガンイオン(2価)濃度が0.5M、バナジウムイオン(3価)濃度が0.25M、バナジウムイオン(4価)濃度が0.25M、硫酸イオン濃度(合計濃度)が4.0Mの組成の電解液を用意した。負極電解液は、チタンイオン(4価)濃度が0.5M、マンガンイオン(2価)濃度が0.5M、バナジウムイオン(3価)濃度が0.25M、バナジウムイオン(4価)濃度が0.25M、硫酸イオン濃度(合計濃度)は4.5Mの組成の電解液を用意した。試料No.4−2では、各極の電解液をそれぞれ6mlずつ用意した。 Sample No. 4-2 is a positive electrode electrolyte solution having a manganese ion (divalent) concentration of 0.5M, a vanadium ion (trivalent) concentration of 0.25M, a vanadium ion (tetravalent) concentration of 0.25M, and a sulfate ion concentration ( An electrolyte solution having a composition with a total concentration of 4.0M was prepared. The negative electrode electrolyte has a titanium ion (tetravalent) concentration of 0.5M, a manganese ion (divalent) concentration of 0.5M, a vanadium ion (trivalent) concentration of 0.25M, and a vanadium ion (tetravalent) concentration of 0. An electrolyte solution having a composition of .25M and a sulfate ion concentration (total concentration) of 4.5M was prepared. Sample No. In 4-2, 6 ml of electrolyte solution for each electrode was prepared.
用意した電解液を用いて、試験例3と同様の小型セル(電極の反応面積が9cm2)を作製し、充放電のサイクル試験を行い、電流効率及び放電容量を測定した。その結果を表3に示す。充放電条件及び測定方法は、試験例3と同様である。但し、試料No.4−2については、充放電条件の充電側切替電圧を1.85Vとし、放電側切替電圧を0Vとした。 Using the prepared electrolyte, a small cell similar to Test Example 3 (electrode reaction area 9 cm 2 ) was prepared, a charge / discharge cycle test was performed, and current efficiency and discharge capacity were measured. The results are shown in Table 3. The charge / discharge conditions and measurement method are the same as in Test Example 3. However, sample No. For 4-2, the charge side switching voltage in the charge / discharge conditions was 1.85 V, and the discharge side switching voltage was 0 V.
表3に示すように、正極電解液にマンガンイオンに加えて、バナジウムイオンといった金属イオンを含有する試料No.4−1,No.4−2は、正極電解液にマンガンイオンのみを含有する場合と同等程度の放電容量を有していることが分かる。また、試料No.4−1,No.4−2では、正極電解液と負極電解液とが同じイオン種の金属イオンを含有することで、経時的なイオンの移動に伴う活物質の低下を抑制したり、液移りの是正を行い易かったり、製造性に優れたりする点で利用し易い。この例では、両極の電解液中に含有する同じイオン種の金属イオンについて、イオンの価数及びイオン濃度も同じであるため、上述の液移りの是正の容易性や製造の容易性により優れる。 As shown in Table 3, sample No. 1 containing metal ions such as vanadium ions in addition to manganese ions in the positive electrode electrolyte. 4-1, no. It can be seen that 4-2 has a discharge capacity equivalent to that in the case where the positive electrode electrolyte contains only manganese ions. Sample No. 4-1, no. In 4-2, since the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain metal ions of the same ionic species, it is easy to suppress a decrease in the active material due to the movement of ions over time, or to correct the liquid transfer. It is easy to use because it is excellent in manufacturability. In this example, the metal ions of the same ionic species contained in the electrolyte solutions of both electrodes have the same valence and ion concentration, so that the above-described ease of correction of liquid transfer and ease of manufacture are superior.
試験例1〜4の結果から、正極電解液にマンガンイオンと、特定の金属イオン(反応性金属イオン)とを含有することで、マンガン酸化物といった析出物の発生を抑制することができながら、起電力が高い、充電状態を高められる、電流効率を高められる、放電容量を高められる、といった電池特性に優れるレドックスフロー電池とすることができることが確認できた。また、このレドックスフロー電池は、エネルギー密度や放電容量が高いことから、電解液量を低減できるため、小型化、電解液コストの低減なども期待できる。また、両極の電解液中の複数のイオン種が重複する場合には、液移りの是正が容易であったり、電解液を製造し易かったりする電解液となる。このような電解液を備えることで、実用的で、運転制御なども行い易いレドックスフロー電池とすることができる。 From the results of Test Examples 1 to 4, by containing manganese ions and specific metal ions (reactive metal ions) in the positive electrode electrolyte, the generation of precipitates such as manganese oxides can be suppressed. It was confirmed that a redox flow battery having excellent battery characteristics such as high electromotive force, increased charge state, increased current efficiency, and increased discharge capacity could be confirmed. In addition, since the redox flow battery has a high energy density and discharge capacity, the amount of the electrolytic solution can be reduced, so that downsizing and a reduction in electrolytic solution cost can be expected. Further, when a plurality of ionic species in the electrolyte solution of both electrodes overlap, the electrolyte solution is easy to correct the liquid transfer or to easily manufacture the electrolyte solution. By providing such an electrolytic solution, a redox flow battery that is practical and easy to perform operation control can be obtained.
本発明のレドックスフロー電池は、太陽光発電、風力発電などの自然エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化などを目的とした大容量の蓄電池に好適に利用することができる。また、本発明のレドックスフロー電池は、一般的な発電所に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした大容量の蓄電池としても好適に利用することができる。 The redox flow battery of the present invention has a large capacity for the purpose of stabilizing fluctuations in power generation output, storing power when surplus generated power, load leveling, etc., for power generation of natural energy such as solar power generation and wind power generation. It can utilize suitably for this storage battery. The redox flow battery of the present invention can be suitably used as a large-capacity storage battery that is provided in a general power plant and is used for the purpose of instantaneous voltage drop / power failure countermeasures and load leveling.
1 レドックスフロー電池(RF電池) 100 電池セル
101 隔膜 102 正極セル 103 負極セル
104 正極電極 105 負極電極
106 正極電解液用のタンク 107 負極電解液用のタンク
108〜111 導管 112,113 ポンプ
200 交流/直流変換器 210 変電設備
300 発電部 400 負荷
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記正極電解液は、マンガンイオンと、反応性金属イオンとを含有し、
前記負極電解液は、チタンイオン、クロムイオン、及び亜鉛イオンから選択される少なくとも一種の金属イオンを含有し、
前記反応性金属イオンは、バナジウムイオン、クロムイオン、鉄イオン、コバルトイオン、銅イオン、モリブデンイオン、ルテニウムイオン、パラジウムイオン、銀イオン、タングステンイオン、水銀イオン及びセリウムイオンから選択される少なくとも一種であるレドックスフロー電池。 A redox flow battery that performs charging and discharging by supplying a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to a battery cell including a positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm interposed between the two electrodes,
The positive electrode electrolyte contains manganese ions and reactive metal ions,
The negative electrode electrolyte contains at least one metal ion selected from titanium ions, chromium ions, and zinc ions,
The reactive metal ion is at least one selected from vanadium ion, chromium ion, iron ion, cobalt ion, copper ion, molybdenum ion, ruthenium ion, palladium ion, silver ion, tungsten ion, mercury ion and cerium ion. Redox flow battery.
前記添加金属イオンは、アルミニウムイオン、カドミウムイオン、インジウムイオン、錫イオン、アンチモンイオン、イリジウムイオン、金イオン、鉛イオン、及びビスマスイオンから選択される少なくとも一種である請求項1に記載のレドックスフロー電池。 The positive electrode electrolyte further contains an additive metal ion,
2. The redox flow battery according to claim 1, wherein the additive metal ion is at least one selected from aluminum ion, cadmium ion, indium ion, tin ion, antimony ion, iridium ion, gold ion, lead ion, and bismuth ion. .
前記正極電解液における前記マンガンイオンの濃度、及び前記負極電解液における前記チタンイオンの濃度の少なくとも一方は、0.3M以上5M以下である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。 The negative electrode electrolyte contains titanium ions as the metal ions,
6. The device according to claim 1, wherein at least one of the manganese ion concentration in the positive electrode electrolyte and the titanium ion concentration in the negative electrode electrolyte is 0.3 M or more and 5 M or less. Redox flow battery.
(A)前記バナジウムイオンが2価のバナジウムイオン、3価のバナジウムイオン、4価のバナジウムイオン、及び5価のバナジウムイオンの少なくとも一種である
(B)前記クロムイオンが2価のクロムイオン、3価のクロムイオン、4価のクロムイオン、及び6価のクロムイオンの少なくとも一種である
(C)前記鉄イオンが2価の鉄イオン、及び3価の鉄イオンの少なくとも一方である
(D)前記コバルトイオンが2価のコバルトイオン、及び3価のコバルトイオンの少なくとも一方である
(E)前記銅イオンが1価の銅イオン、及び2価の銅イオンの少なくとも一方である
(F)前記モリブデンイオンが4価のモリブデンイオン、5価のモリブデンイオン、及び6価のモリブデンイオンの少なくとも一種である
(G)前記ルテニウムイオンが2価のルテニウムイオン、3価のルテニウムイオン、及び4価のルテニウムイオンの少なくとも一種である
(H)前記パラジウムイオンが2価のパラジウムイオン、及び4価のパラジウムイオンの少なくとも一方である
(I)前記銀イオンが1価の銀イオン、及び2価の銀イオンの少なくとも一方である
(J)前記タングステンイオンが4価のタングステンイオン、5価のタングステンイオン、及び6価のタングステンイオンの少なくとも一種である
(K)前記水銀イオンが1価の水銀イオン、及び2価の水銀イオンの少なくとも一方である
(L)前記セリウムイオンが3価のセリウムイオン、及び4価のセリウムイオンの少なくとも一方である The redox flow battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the reactive metal ion satisfies at least one of the following (A) to (L).
(A) The vanadium ion is a divalent vanadium ion, a trivalent vanadium ion, a tetravalent vanadium ion, or a pentavalent vanadium ion. (B) The chromium ion is a divalent chromium ion, 3 (C) the iron ion is at least one of a divalent iron ion and a trivalent iron ion. (D) the valent chromium ion, a tetravalent chromium ion, and a hexavalent chromium ion. The cobalt ion is at least one of a divalent cobalt ion and a trivalent cobalt ion. (E) The copper ion is at least one of a monovalent copper ion and a divalent copper ion. (F) The molybdenum ion. Is at least one of tetravalent molybdenum ions, pentavalent molybdenum ions, and hexavalent molybdenum ions. (G) The mu ion is at least one of divalent ruthenium ion, trivalent ruthenium ion, and tetravalent ruthenium ion. (H) The palladium ion is at least one of divalent palladium ion and tetravalent palladium ion. I) The silver ion is at least one of monovalent silver ion and divalent silver ion. (J) The tungsten ion is at least tetravalent tungsten ion, pentavalent tungsten ion, and hexavalent tungsten ion. (K) The mercury ion is at least one of monovalent mercury ion and divalent mercury ion. (L) The cerium ion is at least one of trivalent cerium ion and tetravalent cerium ion. is there
(a)前記アルミニウムイオンが1価のアルミニウムイオン、2価のアルミニウムイオン、及び3価のアルミニウムイオンの少なくとも一種である
(b)前記カドミウムイオンが1価のカドミウムイオン、及び2価のカドミウムイオンの少なくとも一方である
(c)前記インジウムイオンが1価のインジウムイオン、2価のインジウムイオン、及び3価のインジウムイオンの少なくとも一種である
(d)前記錫イオンが2価の錫イオン、及び4価の錫イオンの少なくとも一方である
(e)前記アンチモンイオンが3価のアンチモンイオン、及び5価のアンチモンイオンの少なくとも一方である
(f)前記イリジウムイオンが1価のイリジウムイオン、2価のイリジウムイオン、3価のイリジウムイオン、4価のイリジウムイオン、5価のイリジウムイオン、及び6価のイリジウムイオンの少なくとも一種である
(g)前記金イオンが1価の金イオン、2価の金イオン、3価の金イオン、4価の金イオン、及び5価の金イオンの少なくとも一種である
(h)前記鉛イオンが2価の鉛イオン、及び4価の鉛イオンの少なくとも一方である
(i)前記ビスマスイオンが3価のビスマスイオン、及び5価のビスマスイオンの少なくとも一方である 11. The redox flow battery according to claim 2, wherein the additive metal ion satisfies at least one of the following (a) to (i):
(A) The aluminum ion is a monovalent aluminum ion, a divalent aluminum ion, or a trivalent aluminum ion. (B) The cadmium ion is a monovalent cadmium ion or a divalent cadmium ion. (C) The indium ion is at least one of monovalent indium ion, divalent indium ion, and trivalent indium ion. (D) The tin ion is divalent tin ion and tetravalent. (E) the antimony ion is a trivalent antimony ion and at least one of a pentavalent antimony ion (f) the iridium ion is a monovalent iridium ion or a divalent iridium ion Trivalent iridium ion, tetravalent iridium ion, pentavalent iri (G) The gold ion is a monovalent gold ion, a divalent gold ion, a trivalent gold ion, a tetravalent gold ion, or a pentavalent gold ion. (H) The lead ion is at least one of a divalent lead ion and a tetravalent lead ion. (I) The bismuth ion is at least a trivalent bismuth ion and a pentavalent bismuth ion. On the other hand
前記負極電解液は、前記金属イオンとしてチタンイオンを含有し、このチタンイオンが3価のチタンイオン、及び4価のチタンイオンの少なくとも一方である請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。 The manganese ion is at least one of a divalent manganese ion and a trivalent manganese ion;
The negative electrode electrolyte solution contains titanium ions as the metal ions, and the titanium ions are at least one of trivalent titanium ions and tetravalent titanium ions. The redox flow battery described.
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