JP2016534528A - ナトリウム−ハロゲン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Sandia National Labより支給される契約番号1189875の連邦政府の援助によりなされたものである。連邦政府は本発明のいくらかの権利を有する。
この実施例として、溶融ナトリウム負極20と、白金メッシュ集電体30と、正極溶液とから成る電池10を調製した。正極溶液は、NaIの20重量%ホルムアミド溶液から成り、I2対NaIのモル比率が1:3で、正極としてホルムアミドに対して5重量%のカーボンを含む。この実施例において、約120℃の温度まで2000分を超えて作動させたのち、電池は図8に示す性能特性を有していた。具体的には、図8は、電池が比較的ノイズのある充電/放電曲線を有しており、幾らかの大きな過電圧も認められることを示す。これに関し、このようなノイズのある曲線および過電圧はホルムアミドの使用による結果であると考えられる。これは、ホルムアミドはNaIのみを溶解し、ヨウ素を溶解しないこと、ホルムアミドはガスの泡を作ること、そしてホルムアミドは、正極溶液35に存在する溶媒としての他の好適な溶媒より伝導性が悪いこと等の理由による。それにもかかわらず、図8は、記載されるNaI/NaI2電池の少なくともある実施態様は実現可能性を示すものである。
第2の例において、負極20と、白金メッシュ集電体30と、約25重量%までのNaI及び約75%を超えるDMSOから成る正極溶液と、NaSICON型膜とを有し、5mA/cm2〜10mA/cm2の電流密度を有する電池10を調製した。この実施例において、約120℃までの温度で150時間を超えて作動させた後、電池は、上述の電気化学1の従う図9に示す特性を有した。具体的には、図9に示すその特性は、この実施例の電池が前の実施例のよりもより低い過電圧を有することを示す。これに関し、DMSO溶液はホルムアミドよりもより伝導性が高く、それにより、より低い過電圧を電池に付与すると考えられる。更に、この実施例において、DMSOはNaI及びヨウ素を溶解したことは明らかである。更に、DMSOは、この電池が実施例1の電池よりも良好に作動する安定した電気化学的窓を有すると考えられる。従って、この実施例から明らかなように、少なくとも幾つかの電池の実施態様での使用において、ホルムアミドよりも優れた溶媒である。
実施例3において、電流密度約3.65mA/cm2を有し、上記の2つの実施例で使用された膜のほぼ4倍の表面積を有する電解質膜40、溶融ナトリウム負極20、白金メッシュ集電体30、約25重量%までのNaIと約75重量%を超えるDMSOとから成り、NaI1モルに対して0.5モルのI2を有する正極溶液35を含む第1の大型電池を調製した。更に、電流密度約3.65mA/cm2を有し、上記の2つの実施例で使用された膜のほぼ4倍の表面積を有する電解質膜40、溶融ナトリウム負極20、白金メッシュ集電体30、約25重量%までのNaIと約75重量%を超えるDMSOとから成り、NaI1モルに対して0.5モルのI2を有する正極溶液35を含む第2の大型電池を調製した。これらの2つの電池は、約120℃までの温度で120時間を超えて、電池の可能な容量の放電深度約20%で作動させた。上述の電池化学1に従った、DMSO溶媒を使用した電池の性能特性を図10に示す。ホルムアミドを使用した電池の性能特性と類似であった。図11は、上述の電池化学1に従った、電池の可能な容量の放電深度50%で作動させた際のDMSO電池の性能特性を示す。これに関し、図11は、比較的ディープサイクルでこのような電池を作動させる実現可能性を示している。
1つの例において、溶液ナトリウム負極と、NaSICON型膜から成る電解質膜40と、カーボンが加えられているホルムアミド溶媒中にNaI/I2を溶解した正極溶液35とを含み、電流密度がほぼ10mA/cm2である電池10を調製した。電池は約110℃で30時間作動させた。上述の電池化学1に従うこの実施例の電池の作動特性を図12に示す。これに関し、図12は、実施例の電池の電圧降下が比較的大きく、データ中にいくらかノイズがあることを示すものの、それにもかかわらず、図12は、ヨウ素を使用するナトリウム−ハロゲン系電池の実現可能性を示すものである。
1つの電池化学1及び2の例において、ハロゲンがヨウ素であり、標準電気化学的サイクリックボルタメトリー(CV)法を使用して、ほぼpHが中性のヨウ化ナトリウム溶液の酸化について研究した。3つの白金電極(一つは基準電極、一つは対電極、もう一つは活電極)を0.2MのNaI/0.1MのI2から成る水性溶液に浸して試験装置の調製を行った。試験は常温で行った。試験中、電圧は、電池の開路電圧に対して徐々に上昇し、徐々に減少した。そして、基準電極を使用して活電極電位を測定した。活電極と対電極における反応により発生する電池電流も測定した。図17は、活電極電位を基準電極に対して500mV/s(左側)および5mV/s(右側)でスキャンした際に生じる異なるプロセス(電流増加により示される)を示す。アノード正スキャン(酸化)で0.3Vにおいて生じる最初のプロセスは、上述の電池化学1の反応に従うヨウ化物の3ヨウ化物への酸化であった(以下に示す)。
1つの電池化学の例において、溶液ナトリウム負極と、NaSICON型膜から成る電解質膜と、NMF溶媒中に溶解する35重量%NaI(I2無し)から成る正極溶液とを含み、約8.8mA/cm2の電流密度を有する263mAh電池を調製した。電池は約110℃で24時間作動させた。この実験例での電池の作動テストにおけるいくつかの性能特性を図18に示す。これに関し、図18は、最初の6サイクルにおいて一定電圧の充電(3.25V(電圧平坦部分))した後、一定電流充電(電圧上昇部分)を行ったことを示す。正極の電池化学2の示すシステムの充電OCVを約3Vに上昇させることで十分であった。最後のサイクルは一定電流で、高充電OCVが維持され、高電位電池化学2を示すことが維持された。
ある例として、溶融ナトリウム負極と、NaSICON型膜から成る電解質膜と、35重量%のNaIがNMF溶媒(I2無し)に溶解したものから成る正極溶液とを含み、7.5mA/cm2の電流密度を有する263mAh電池を調製した。電池は約110℃で200時間作動させた。この実験例での電池の作動テストにおけるいくつかの性能特性を図19に示す。これに関し、図19は、高電圧における一定の電圧での充電で使用された初期サイクルを示す。その電圧は、正極電池化学2の示す3Vを超えるまでのサイクルの休止に関するシステムの充電OCVを上昇させるに十分な電圧であった。
溶融ナトリウム負極と、NaSICON型膜から成る電解質膜と、35重量%のNaIがNMF溶媒(I2無し)に溶解したものから成る正極溶液と含み、約3.8mA/cm2の電流密度を有する263mAhの電池を調製した。この電池は約110℃で3回充電/放電させた。この実験例での電池の作動テストにおけるいくつかの性能特性を図20に示す。これに関し、図20は、部分的により高い一定の電圧での充電が、クーロン効率および提供容量の増加を示す。
1つの例において、溶液ナトリウム負極およびNaSICON型膜から成る電解質膜を含む2つの電池を調製した。当該電池は、約8.3mA/cm2の電流密度を有し、正極溶液は、NMF溶媒またはDMSO溶媒に溶解した7MのI2(過剰のヨウ素を予め供給しておいた)及び3MのNaIから成る。電池は、約120℃で放電された。この実施例の電池の作動テストの充電特性を図21に示す。これに関し、図21は、DMSO注意で生じる電池化学1及び2(ヨウ素から3ヨウ化物からヨウ化物)の組合せに対し、NMF中で生じる電池化学1(3ヨウ化物からヨウ化物)を示す。この結果は、NaI及びI2を溶解するために使用される溶媒が、電池化学で放電中に生じることに影響を及ぼすことを示す。
Claims (15)
- ナトリウムから成る負極から成る負極室と、ハロゲン及びハライドの少なくとも1つから成る液体正極溶液中に配置される集電体から成る正極室と、液体正極溶液から負極を分離するナトリウムイオン伝導性電解質膜とから成るナトリウム−ハロゲンナトリウム−ハロゲン二次電池であって、放電中に負極は電気化学的に酸化してナトリウムイオンを放出し、充電中に負極は電気化学的にナトリウムイオンを還元してナトリウム金属を形成し、二次電池が正極室内で以下に示される反応を1つ以上遂行するように構成されることを特徴とするナトリウム−ハロゲンナトリウム−ハロゲン二次電池。
NaX3+2e−⇔3NaX
3X2+2Na++2e−⇔2NaX3 - 負極が溶融ナトリウム金属から成る請求項1に記載の二次電池。
- 負極の温度が150℃未満で二次電池が作動する請求項1に記載の二次電池。
- 負極の温度が100℃を超えて二次電池が作動する請求項3に記載の二次電池。
- 電解質膜がNaSICON型材料から成る請求項1に記載の二次電池。
- NaSICON型材料が、多孔質層と緻密機能コート層とを有する複合膜から成る請求項5に記載の二次電池。
- 液体正極溶液が、3X2+2Na++2e−⇔2NaX3の正極室における反応を優先するように選択された溶媒から成る請求項1に記載の二次電池。
- 液体正極溶液がジメチルスルホキシド溶媒から成る請求項1に記載の二次電池。
- 液体正極溶液がN−メチルホルムアミド溶媒から成る請求項1に記載の二次電池。
- 液体正極溶液がNaBr、NaI及びNaClから選択される化合物から成る請求項1に記載の二次電池。
- 液体正極溶液が、二次電池の作動中にナトリウムポリハライドを形成するの十分な量のハロゲン化ナトリウム及び元素状ハロゲンの少なくとも1つから成る請求項1に記載の二次電池。
- 液体正極溶液が、液体正極溶液中のハロゲン、ハロゲン化ナトリウム及びポリハライドの少なくとも1つと錯体形成できる錯化剤から成る請求項1に記載の二次電池。
- 錯化剤がテトラメチルアンモニウムハライド化合物から成る請求項1に記載の二次電池。
- 集電体が、グラファイト、硬質炭素、マンガン、モリブデン、タングステン、チタン、タンタル、銅、ニッケル、亜鉛およびこれらの組合せから成る群より選択される材料から成る請求項1に記載の二次電池。
- 更に、正極室と流体連結する第1リザーバーと、液体正極溶液をリザーバーから流し出し、正極室中の集電体を通過させるように構成される第1のポンプ機構とを有する請求項1に記載の二次電池。
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