JP2023162465A - Electrolyte and redox flow battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、電解液、及びレドックスフロー電池に関する。 TECHNICAL FIELD This disclosure relates to electrolytes and redox flow batteries.
特許文献1は、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いたマンガン-チタン系のレドックスフロー電池を開示する。正極電解液にマンガンイオンを含有する場合、充放電に伴ってマンガン酸化物(MnO2)が析出し得る。特許文献1は、正極電解液中にマンガンイオンに加えてチタンイオンを含有することで、マンガン酸化物の析出を抑制している。
エネルギー密度が高いレドックスフロー電池が望まれている。 Redox flow batteries with high energy density are desired.
エネルギー密度を向上させるためには、例えば、電解液における活物質イオンの濃度を高めることが挙げられる。しかし、電解液中のイオン濃度は溶解度に制限される。また、イオン濃度を高くすると、酸化物の析出が生じ易い。 In order to improve the energy density, for example, it is possible to increase the concentration of active material ions in the electrolytic solution. However, the ion concentration in the electrolyte is limited by solubility. Furthermore, when the ion concentration is increased, oxide precipitation tends to occur.
レドックスフロー電池において、エネルギー密度を高める観点から、電解液を充電状態(SOC:State Of Charge)の高い領域まで充電することが求められている。しかし、SOCが高い領域では、電解液中のイオンの溶解状態が不安定であり、酸化物が生成され易い。例えば、正極電解液中のマンガンイオンは、充電時に2価のイオン(Mn2+)から3価のイオン(Mn3+)に酸化される。しかし、Mn3+は不安定であり、すぐに水と反応してMnO2に変化する。特に、長期にわたって充放電を繰り返したり、電解液のSOCが高い状態で長時間待機したりすると、析出した酸化物が成長して粗大化するおそれがある。 In redox flow batteries, from the viewpoint of increasing energy density, it is required to charge the electrolytic solution to a high state of charge (SOC) region. However, in a region where the SOC is high, the dissolved state of ions in the electrolytic solution is unstable, and oxides are likely to be generated. For example, manganese ions in the positive electrode electrolyte are oxidized from divalent ions (Mn 2+ ) to trivalent ions (Mn 3+ ) during charging. However, Mn 3+ is unstable and quickly reacts with water to turn into MnO 2 . In particular, if charging and discharging are repeated over a long period of time or if the electrolytic solution is left on standby for a long time in a state where the SOC is high, the precipitated oxide may grow and become coarse.
活物質イオンの酸化物が粗大化して電解液を貯留するタンク内に沈殿すると、電解液中の活物質が減少する。沈殿した酸化物は、電解液中に再溶解して活物質として利用し難い。電解液中の活物質が減少すれば、電池容量が低下することから、エネルギー密度の低下を招く。また、粗大化した酸化物は、電極や配管等に付着する等して、電解液の流れを悪化させる原因となる。従って、上記酸化物が電解液中に安定して存在することが望まれる。 When the oxides of the active material ions become coarse and precipitate in the tank storing the electrolyte, the amount of active material in the electrolyte decreases. The precipitated oxide is difficult to be redissolved in the electrolytic solution and used as an active material. If the amount of active material in the electrolyte decreases, the battery capacity will decrease, leading to a decrease in energy density. In addition, the coarse oxides adhere to electrodes, piping, etc., causing deterioration of the flow of the electrolytic solution. Therefore, it is desired that the above-mentioned oxide exists stably in the electrolyte.
本開示は、析出した酸化物が安定して存在できる電解液を提供することを目的の一つとする。また、本開示は、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を目的の一つとする。 One of the objects of the present disclosure is to provide an electrolytic solution in which precipitated oxides can exist stably. Moreover, one of the objects of the present disclosure is to provide a redox flow battery with high energy density.
本開示の電解液は、
レドックスフロー電池に用いられる電解液であって、
分散質と、
前記分散質を懸濁する分散媒とを含み、
前記分散質は、特定条件下で前記分散媒中に浮遊する複数の粒子であり、
前記特定条件は、前記電解液を1時間静置した直後であり、
前記複数の粒子の各々は、活物質イオンとなる元素と酸素とを含む酸化物からなる。
The electrolyte solution of the present disclosure is
An electrolytic solution used in a redox flow battery,
a dispersoid,
a dispersion medium that suspends the dispersoid,
The dispersoid is a plurality of particles suspended in the dispersion medium under specific conditions,
The specific conditions are immediately after the electrolyte is left standing for 1 hour,
Each of the plurality of particles is made of an oxide containing oxygen and an element serving as an active material ion.
本開示のレドックスフロー電池は、本開示の電解液を備える。 The redox flow battery of the present disclosure includes the electrolyte of the present disclosure.
本開示の電解液は、析出した酸化物が安定して存在できる。 In the electrolytic solution of the present disclosure, the precipitated oxide can exist stably.
本開示のレドックスフロー電池は、エネルギー密度が高い。 The redox flow battery of the present disclosure has high energy density.
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
[Description of embodiments of the present disclosure]
First, embodiments of the present disclosure will be listed and described.
(1)本開示の一態様に係る電解液は、
レドックスフロー電池に用いられる電解液であって、
分散質と、
前記分散質を懸濁する分散媒とを含み、
前記分散質は、特定条件下で前記分散媒中に浮遊する複数の粒子であり、
前記特定条件は、前記電解液を1時間静置した直後であり、
前記複数の粒子の各々は、活物質イオンとなる元素と酸素とを含む酸化物からなる。
(1) The electrolytic solution according to one aspect of the present disclosure is
An electrolytic solution used in a redox flow battery,
a dispersoid,
a dispersion medium that suspends the dispersoid,
The dispersoid is a plurality of particles suspended in the dispersion medium under specific conditions,
The specific conditions are immediately after the electrolyte is left standing for 1 hour,
Each of the plurality of particles is made of an oxide containing oxygen and an element serving as an active material ion.
本開示の電解液における各粒子は、電解液中の活物質イオンの濃度を高めることで生成される。従って、上記粒子を含む電解液は、活物質イオンの濃度が高い。電解液中の活物質イオンの濃度が高いことで、本開示の電解液は、エネルギー密度が高い。 Each particle in the electrolyte solution of the present disclosure is generated by increasing the concentration of active material ions in the electrolyte solution. Therefore, the electrolytic solution containing the particles has a high concentration of active material ions. Due to the high concentration of active material ions in the electrolyte, the electrolyte of the present disclosure has high energy density.
本開示の電解液における各粒子は、特定条件下であっても、分散媒中に浮遊する。ここでの「浮遊する」とは、特定条件下であっても、重力による沈降が殆ど起こらないことである。この浮遊可能な酸化物からなる各粒子は、電解液中に安定して存在できる。よって、本開示の電解液は、複数の粒子を含んでいたとしても、上記酸化物に起因して電解液の流れが悪化することを抑制できる。流通性に優れる本開示の電解液を利用すれば、エネルギー密度が高いレドックスフロー電池を構築できる。 Each particle in the electrolyte of the present disclosure is suspended in the dispersion medium even under certain conditions. "Floating" here means that even under specific conditions, almost no sedimentation due to gravity occurs. Each particle made of this buoyant oxide can stably exist in the electrolyte. Therefore, even if the electrolytic solution of the present disclosure contains a plurality of particles, it is possible to suppress deterioration of the flow of the electrolytic solution due to the oxide. By using the electrolytic solution of the present disclosure that has excellent flowability, a redox flow battery with high energy density can be constructed.
(2)本開示の電解液の一例として、
前記複数の粒子は、粒径が1000nm以上である体積割合が20%以下である形態が挙げられる。
(2) As an example of the electrolyte of the present disclosure,
The plurality of particles may have a particle size of 1000 nm or more in a volume ratio of 20% or less.
上記形態は、複数の粒子のうち粗大な粒子の割合が小さい。粗大な粒子は、重力によって微細な粒子よりも早く沈降し易い。よって、粗大な粒子の割合が小さいことで、複数の粒子が分散媒中に浮遊し易い。 In the above configuration, the proportion of coarse particles among the plurality of particles is small. Coarse particles tend to settle faster than fine particles due to gravity. Therefore, since the proportion of coarse particles is small, a plurality of particles are likely to float in the dispersion medium.
(3)本開示の電解液の一例として、
前記複数の粒子は、平均粒径が600nm以下である形態が挙げられる。
(3) As an example of the electrolyte of the present disclosure,
The plurality of particles may have an average particle size of 600 nm or less.
上記形態によれば、複数の粒子が分散媒中に浮遊し易い。 According to the above embodiment, a plurality of particles are likely to float in the dispersion medium.
(4)本開示の電解液の一例として、
前記複数の粒子の各々は、前記レドックスフロー電池の充放電によって大きさが変化する形態が挙げられる。
(4) As an example of the electrolyte of the present disclosure,
Each of the plurality of particles may have a size that changes depending on charging and discharging of the redox flow battery.
各粒子は、活物質として機能し得る。各粒子は、活物質として機能することで、大きさが変化する。本開示の電解液における各粒子は、大きさが変化したとしても、分散媒中に浮遊し易い。 Each particle can function as an active material. Each particle changes in size as it functions as an active material. Each particle in the electrolyte of the present disclosure tends to float in the dispersion medium, even if the size varies.
(5)上記(4)に記載の本開示の電解液の一例として、
前記複数の粒子は、前記レドックスフロー電池の充放電によって平均粒径が変化し、
前記平均粒径の変化幅が1nm以上600nm未満である形態が挙げられる。
(5) As an example of the electrolytic solution of the present disclosure described in (4) above,
The plurality of particles have an average particle size that changes due to charging and discharging of the redox flow battery,
An example is an embodiment in which the variation width of the average particle size is 1 nm or more and less than 600 nm.
上記形態によれば、複数の粒子が分散媒中に浮遊し易い。 According to the above embodiment, a plurality of particles are likely to float in the dispersion medium.
(6)本開示の電解液の一例として、
前記複数の粒子は、平均粒径が100nm以下である形態が挙げられる。
(6) As an example of the electrolyte of the present disclosure,
The plurality of particles may have an average particle diameter of 100 nm or less.
上記形態によれば、複数の粒子が分散媒中により浮遊し易い。 According to the above embodiment, the plurality of particles are more likely to float in the dispersion medium.
(7)本開示の電解液の一例として、
前記電解液は、チタンイオン、クロムイオン、マンガンイオン、亜鉛イオン、鉄イオン、コバルトイオン、セリウムイオン、及びバナジウムイオンからなる群より選択される1種以上のイオンを含む形態が挙げられる。
(7) As an example of the electrolyte of the present disclosure,
The electrolytic solution may include one or more ions selected from the group consisting of titanium ions, chromium ions, manganese ions, zinc ions, iron ions, cobalt ions, cerium ions, and vanadium ions.
上記に列記するイオンは、電解液における活物質イオンとなる。本開示の電解液における各粒子は、上記に列記するイオンとなる元素を含む酸化物からなる。本開示の電解液における各粒子は、上記元素の酸化物からなっても、分散媒中に浮遊し易い。 The ions listed above serve as active material ions in the electrolyte. Each particle in the electrolytic solution of the present disclosure is made of an oxide containing an element that becomes an ion listed above. Each particle in the electrolytic solution of the present disclosure easily floats in the dispersion medium even if it is made of an oxide of the above element.
(8)本開示の電解液の一例として、
前記電解液は、マグネシウムイオン、カドミウムイオン、スズイオン、インジウムイオン、アンチモンイオン、モリブデンイオン、セリウムイオン、鉛イオン、ビスマスイオン、鉄イオン、及びアンモニウムイオンからなる群より選択される1種以上のイオンを含む形態が挙げられる。
(8) As an example of the electrolyte of the present disclosure,
The electrolytic solution contains one or more ions selected from the group consisting of magnesium ions, cadmium ions, tin ions, indium ions, antimony ions, molybdenum ions, cerium ions, lead ions, bismuth ions, iron ions, and ammonium ions. Examples include forms that include.
電解液が上記に列記するイオンを含むことで、分散媒中に各粒子が浮遊した状態を経時的に維持し易い。 When the electrolytic solution contains the ions listed above, it is easy to maintain the state in which each particle is suspended in the dispersion medium over time.
(9)本開示の一態様に係るレドックスフロー電池は、
上記(1)から(8)のいずれか1つに記載の電解液を備える。
(9) The redox flow battery according to one aspect of the present disclosure includes:
The electrolytic solution according to any one of (1) to (8) above is provided.
本開示のレドックスフロー電池は、本開示の電解液を備えることで、エネルギー密度が高い。特に、本開示の電解液が流通性に優れることから、本開示のレドックスフロー電池は、エネルギー密度が高い状態を長期にわたり維持し易い。 The redox flow battery of the present disclosure has high energy density because it includes the electrolyte of the present disclosure. In particular, since the electrolytic solution of the present disclosure has excellent flowability, the redox flow battery of the present disclosure can easily maintain a high energy density state for a long period of time.
[本開示の実施形態の詳細]
本開示の実施形態の詳細を、以下に図面を参照しつつ説明する。まず、図1を参照して、実施形態のレドックスフロー電池を説明する。その後、図2を参照して、実施形態の電解液を説明する。更にその後、図1から図5を参照して、実施形態の電解液を製造できるレドックスフロー電池システムを説明する。以下、レドックスフロー電池をRF電池と呼ぶ。図中の同一符号は同一名称物を示す。
[Details of embodiments of the present disclosure]
Details of embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. First, with reference to FIG. 1, a redox flow battery according to an embodiment will be described. Thereafter, with reference to FIG. 2, the electrolytic solution of the embodiment will be described. Further thereafter, a redox flow battery system capable of producing the electrolyte of the embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5. Hereinafter, the redox flow battery will be referred to as an RF battery. The same reference numerals in the figures indicate the same names.
<RF電池>
RF電池1は、電解液循環型の蓄電池の一つである。RF電池1は、図1に示すように、電池セル10と、電池セル10に電解液を循環させる循環機構とを備える。RF電池1は、電池セル10に電解液を供給しながら、充放電を行う。
<RF battery>
The
RF電池1は、代表的には、変電設備71、交流/直流変換器7を介して、発電部8と負荷9とに接続される。RF電池1は、発電部8を電力供給源として充電を行い、負荷9を電力提供対象として放電を行う。発電部8は、例えば、太陽光発電機、風力発電機、その他一般の発電所等が挙げられる。負荷9は、例えば、電力系統や電力の需要家等が挙げられる。RF電池1は、負荷平準化、瞬低補償や非常用電源、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギー発電の出力平滑化等に利用される。
The
〔電池セル〕
電池セル10は、隔膜11で正極セル12と負極セル13とに分離されている。正極セル12には、正極電解液が供給される正極電極14が内蔵されている。負極セル13には、負極電解液が供給される負極電極15が内蔵されている。電池セル10は、一組のセルフレーム5に挟まれて構成される。セルフレーム5は、双極板51と枠体50とを備える。双極板51の表面に正極電極14が配置され、双極板51の裏面に負極電極15が配置される。枠体50は、双極板51の外周に設けられる。枠体50は、双極板51を支持する。枠体50間には、電池セル10からの電解液の漏洩を抑制するために、シール部材55が配置されている。
[Battery cell]
The
RF電池1は、代表的には、複数の電池セル10が積層されたセルスタック100と呼ばれる形態で利用される。セルスタック100は、あるセルフレーム5、正極電極14、隔膜11、負極電極15、別のセルフレーム5が繰り返し積層された積層体と、積層体を挟む一対のエンドプレート101と、締結部材102とを備える。締結部材102は、長ボルト等の連結部材及びナット等が挙げられる。一対のエンドプレート101は、締結部材102によって締め付けられる。この締め付けによって、上記積層体の積層状態が保持される。セルスタック100は、代表的には、所定数の電池セル10をサブスタック(図示せず)とし、複数のサブスタックを積層した形態で利用される。サブスタックやセルスタック100における電池セル10の積層方向の両端に位置するセルフレーム5の外側には、給排板(図示せず)が配置される。
The
〔循環機構〕
循環機構は、正極セル12に正極電解液を循環させる正極循環機構と、負極セル13に負極電解液を循環させる負極循環機構とを備える。正極循環機構は、正極タンク22と、往路配管42と、復路配管44と、ポンプ46とを備える。正極タンク22は、正極電解液を貯留する。往路配管42及び復路配管44は、正極タンク22と正極セル12との間をつなぐ。ポンプ46は、供給側の往路配管42に設けられる。負極循環機構は、負極タンク23と、往路配管43と、復路配管45と、ポンプ47とを備える。負極タンク23は、負極電解液を貯留する。往路配管43及び復路配管45は、負極タンク23と負極セル13との間をつなぐ。ポンプ47は、供給側の往路配管43に設けられる。
[Circulation mechanism]
The circulation mechanism includes a cathode circulation mechanism that circulates the cathode electrolyte to the
正極電解液は、正極タンク22から往路配管42を介して正極電極14に供給され、正極電極14から復路配管44を介して正極タンク22に戻される。負極電解液は、負極タンク23から往路配管43を介して負極電極15に供給され、負極電極15から復路配管45を介して負極タンク23に戻される。正極電極14に正極電解液を循環させると共に、負極電極15に負極電解液を循環させることで、各極の電解液中の活物質イオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。
The positive electrolyte is supplied from the
上述したRF電池1の基本構成は、公知の構成を適宜利用できる。
As the basic configuration of the
<電解液>
実施形態の電解液3は、上述したRF電池1に用いられる。実施形態の電解液3は、図2に示すように、分散質と、分散質を懸濁する分散媒31とを備える。分散媒31は、活物質イオンを含む水溶液である。活物質イオンは、活物質となる元素のイオンである。図2は、図1の正極タンク22内に図示する破線円で囲まれる電解液3を拡大して示す。実施形態の電解液3は、分散質として、特定の複数の粒子30が分散媒31中に浮遊している点を特徴の一つとする。
<Electrolyte>
The
各粒子30は、活物質イオンとなる元素と酸素とを含む酸化物からなる。各粒子30は、分散媒31に含まれる活物質イオンの濃度を高めることで生成される。各粒子30は、上記活物質イオンに由来して生成された析出物である。例えば、電解液3に活物質イオンとしてマンガンイオンが含まれる場合、各粒子30は、マンガンイオンに由来して析出したマンガン酸化物(MnO2)である。
Each
各粒子30は、特定条件下で分散媒31中に浮遊して存在する。言い換えると、各粒子30は、特定条件下で重力によって殆ど沈降しない。この浮遊可能な各粒子30は、電解液3中に安定して存在できる。各粒子30が浮遊していることで、複数の粒子30を含んでいたとしても、電解液3の流れが悪化することを抑制できる。言い換えると、複数の粒子30は、電解液3の流れを阻害し難い。そのため、電解液3は流通性に優れる。各粒子30が浮遊していることは、目視にて確認できる。
Each
上記特定条件とは、電解液3を1時間静置した直後である。ここでの「直後」とは、上記1時間経過後、3分以内の短時間のことである。各粒子30が分散媒31中に浮遊している状態は、電解液3を3時間、更に5時間、8時間、特に1日静置した直後であっても維持されることが挙げられる。
The above specific conditions are immediately after the
分散媒31中における各粒子30の沈降速度は、上記特定条件下で1mm/hour未満であることが挙げられる。沈降速度が1mm/hour未満であることで、各粒子30は、特定条件下で分散媒31中に浮遊して存在し易い。沈降速度は、ストークスの式により求められる。ストークスの式は、v={Dp
2(ρp-ρf)g}/18ηである。式中の各記号は、以下である。記号vは、沈降速度である。記号Dpは、粒子30の粒子径である。記号ρpは、粒子30の密度である。記号ρfは、分散媒31の密度である。記号gは、重力加速度である。記号ηは、分散媒31の粘度である。粒子30の粒子径は、主に充放電条件に依存する。粒子30の密度は、主に粒子30の組成に依存する。分散媒31の密度、及び分散媒31の粘度は、主に電解液の液組成に依存する。粒子30の粒子径、粒子30の密度、分散媒31の密度、及び分散媒31の粘度は、公知の装置を用いて測定できる。
The sedimentation rate of each
複数の粒子30は、粒径が1000nm以上である体積割合が20%以下であることが挙げられる。粒子30は、粒径が大きくなると、分散媒31中に浮遊し難くなり、重力によって沈降し易い。よって、粒径が1000nm以上である粗大な粒子の体積割合が20%以下であることで、複数の粒子30が分散媒31中に浮遊し易い。上記粗大な粒子の体積割合は、更に15%以下、10%以下、特に5%以下であることが挙げられる。上記粗大な粒子の体積割合は、動的光散乱法による粒子径測定よって得られる散乱強度から求められる。動的光散乱法に用いられる粒子径測定装置は、例えば、マルバーン社製のゼータナノサイザーが挙げられる。上記粗大な粒子が体積割合で20%以下の範囲で含まれる場合、粒子30全体の平均沈降速度が1mm/hour未満であることが挙げられる。平均沈降速度が1mm/hour未満であることで、複数の粒子30が分散媒31中に浮遊し易い。
For example, the volume percentage of the plurality of
また、複数の粒子30は、粒径が800nm以上である体積割合が30%以下であることが挙げられる。粒径が800nm以上である粒子の体積割合が30%以下であることで、複数の粒子30が分散媒31中により浮遊し易い。粒径が800nm以上である粒子の体積割合は、更に20%以下、15%以下、特に10%以下であることが挙げられる。
Further, the volume percentage of the plurality of
複数の粒子30は、平均粒径が600nm以下であることが挙げられる。複数の粒子30の平均粒径が600nm以下であることで、複数の粒子30が分散媒31中に浮遊し易い。また、複数の粒子30の平均粒径が600nm以下であることで、複数の粒子30が分散媒31中に浮遊した状態を維持し易い。各粒子30は、微細であるほど分散媒31中に浮遊し易く、また分散媒31中に浮遊した状態を維持し易い。複数の粒子30の平均粒径は、更に300nm以下、200nm以下、100nm以下、80nm以下であることが挙げられる。複数の粒子30の平均粒径は、動的光散乱法を用いた母集団の平均粒径から求められる。母集団とは、全粒子30の集合体のことである。
The plurality of
複数の粒子30は、平均粒径が1nm超であることが好ましい。粒子30が微細過ぎると、微細過ぎる粒子30同士が凝集し易くなる。粒子30同士が凝集すると、粗大な粒子に成長し、沈降し易くなる。複数の粒子30の平均粒径が1nm超であることで、粒子30同士が凝集することを抑制できる。複数の粒子30の平均粒径は、更に10nm以上、特に20nm以上であることが挙げられる。
It is preferable that the plurality of
複数の粒子30は、平均粒径が1nm超600nm以下、更に10nm以上300nm以下、特に20nm以上100nm以下であることが挙げられる。
The plurality of
複数の粒子30は、分散媒31中に分散していることが挙げられる。複数の粒子30が分散媒31中に分散しているとは、複数の粒子30が分散媒31中で凝集することなく均一的に存在している状態を言う。例えば、隣り合う粒子30同士は、ある程度の間隔を有して浮遊している。言い換えると、隣り合う粒子30同士は、離れて浮遊している。複数の粒子30が分散媒31中に分散している状態は、経時的にも維持されることが挙げられる。例えば、複数の粒子30は、上記特定条件下において、分散媒31中に分散していることが挙げられる。複数の粒子30が分散媒31中に分散している状態は、電解液3を3時間、更に5時間、8時間、特に1日静置した直後であっても維持されることが挙げられる。分散媒31中の複数の粒子30の分散状態は、動的光散乱法によって把握することができる。
The plurality of
分散媒31の単位体積当たりに含まれる粒子30の個数、つまり粒子30の数密度は、1010個/cm3以上1022個/cm3以下であることが挙げられる。粒子30の個数が多いほど、分散媒31中の活物質イオンの濃度が高いと言える。粒子30の数密度が1010個/cm3以上であるということは、分散媒31中に多くの粒子30が存在しているということである。よって、粒子30の数密度が1010個/cm3以上であることで、エネルギー密度の向上が期待できる。一方、粒子30の数密度が1022個/cm3以下であることで、複数の粒子30の平均粒径が1nm超となり易い。複数の粒子30の平均粒径が1nm超であることで、微細過ぎる粒子30同士が凝集して沈降することを抑制し易い。よって、粒子30の数密度が1022個/cm3以下であることで、各粒子30が電解液3中に安定して存在できることから、エネルギー密度の向上が期待できる。粒子30の数密度は、更に1013個/cm3以上1020個/cm3以下、特に1015個/cm3以上1017個/cm3以下であることが挙げられる。粒子30の数密度は、A×B/(C×D)で表される計算式によって求められる。計算式中の各記号は、以下である。記号Aは、活物質イオンの濃度である。記号Bは、各粒子30の分子量である。記号Cは、各粒子30の密度である。記号Dは、4/3×π×r3である。記号rは、複数の粒子30の平均粒径の1/2である。活物質イオンの濃度は、例えば、充電電気量と測定電位からネルンストの式を用いて求められる。活物質イオンの濃度は、遠心分離等を用いて濃度測定することからも求められる。
The number of
各粒子30は、RF電池1の充放電によって大きさが変化し得る。つまり、各粒子30は、活物質として機能し得る。具体的には、各粒子30は、RF電池1の充電時に大きくなり、RF電池1の放電時に小さくなる。各粒子30における大きさの変化は、分散媒31中の活物質イオンの価数の変化に基づく。例えば、各粒子30は、RF電池1の充放電によって平均粒径が変化する。平均粒径の変化幅は、1nm以上600nm未満であることが挙げられる。平均粒径の変化幅とは、満充電時における複数の粒子30の平均粒径と、放電時における複数の粒子30の平均粒径との差である。ここでは、満充電時は、充電状態が100%のときであり、放電時は、充電状態が30%のときである。上記平均粒径の変化幅が1nm以上であることで、充電時に新たに発生し得る酸化物が凝集して沈降することを抑制できる。また、上記平均粒径の変化幅が1nm以上であることで、各粒子30を活物質として積極的に利用できる。一方、上記平均粒径の変化幅が600nm未満であることで、各粒子30の粗大化を抑制し易い。上記平均粒径の変化幅は、更に2nm以上300nm以下、2nm以上200nm以下、特に5nm以上100nm以下であることが挙げられる。
The size of each
電解液3は、チタン(Ti)イオン、クロム(Cr)イオン、マンガン(Mn)イオン、亜鉛(Zn)イオン、鉄(Fe)イオン、コバルト(Co)イオン、セリウム(Ce)イオン、及びバナジウム(V)イオンからなるα群より選択される1種以上のイオンを含むことが挙げられる。α群に列記するイオンは、電解液3における活物質となる。α群に列記するイオンは、充電時に、水溶液に含まれる水と反応して酸化物を生成することが挙げられる。例えば、Mnイオンは、充電時に3価のMnイオンが水と反応して、酸化物であるMnO2を生成し得る。各粒子30は、α群に列記するイオンを構成する元素の酸化物からなることが挙げられる。
The
電解液3としては、正極活物質がMnイオン、負極活物質がTiイオンであるMn-Ti系電解液が挙げられる。他に、正極活物質及び負極活物質の双方がVイオンである全V系電解液が挙げられる。また、正極活物質がFeイオン、負極活物質がCrイオンであるFe-Cr系電解液が挙げられる。
The
電解液3は、マグネシウム(Mg)イオン、カドミウム(Cd)イオン、スズ(Sn)イオン、インジウム(In)イオン、アンチモン(Sb)イオン、モリブデン(Mo)イオン、セリウム(Ce)イオン、鉛(Pb)イオン、ビスマス(Bi)イオン、鉄(Fe)イオン、及びアンモニウム(NH4)イオンからなるβ群より選択される1種以上のイオンを含むことが挙げられる。β群に列記するイオンは、活物質イオンとは異なる。電解液3中にβ群に列記するイオンを含むことで、上記酸化物同士が凝集することを抑制できると考えられる。電解液3中にβ群に列記するイオンを含むことで、分散媒31中に各粒子30が浮遊した状態を経時的に維持し易い。
The
β群に列記するイオンの濃度は、合計で0.001mol/L以上1mol/L以下であることが挙げられる。β群に列記するイオンの合計濃度が0.001mol/L以上であることで、分散媒31中に各粒子30が浮遊した状態を経時的に維持し易い。一方、β群に列記するイオンの濃度が1mol/L以下であることで、活物質イオンの割合が相対的に低下することを抑制できる。β群に列記するイオンの濃度は、合計で更に0.01mol/L以上0.5mol/L以下であることが挙げられる。
The total concentration of the ions listed in the β group may be 0.001 mol/L or more and 1 mol/L or less. When the total concentration of the ions listed in the β group is 0.001 mol/L or more, it is easy to maintain the state in which each
β群に列記するイオンを複数種含む場合、各イオンの濃度の割合は、同じとしてもよいし、異ならせてもよい。 When multiple types of ions listed in the β group are included, the concentration ratio of each ion may be the same or different.
分散媒31を構成する水溶液としては、例えば、硫酸(H2SO4)水溶液、リン酸(H3PO4)水溶液、硝酸(HNO3)水溶液等を用いることができる。上記水溶液の濃度は、1mol/L以上5mol/L以下、更に1mol/L以上4.5mol/L以下、特に1mol/L以上4mol/L以下であることが挙げられる。
As the aqueous solution constituting the
複数の粒子30は、正極電解液において生成され易い。よって、上述した複数の粒子30を含む電解液3は、正極電解液に用いられることが好ましい。
A plurality of
<RF電池システム>
RF電池システム1αは、図1に示すように、上述したRF電池1と制御部6とを備える。制御部6は、電解液を用いた充放電を制御する。制御部6は、少なくとも一部の充電を250mA/cm2以上の電流密度で行うように制御する。本例の制御部6は、充電状態が60%以上100%以下の電解液を用いて、250mA/cm2以上の電流密度での充電を開始するように制御している。具体的には、本例の制御部6は、電解液を60%以上100%以下の充電状態とする第一の充電を行い、その後に250mA/cm2以上の電流密度で第二の充電を行うようにRF電池1の運転を制御する。また、本例の制御部6は、第一の充電及び第二の充電を電池セル10が行うように制御している。
<RF battery system>
The RF battery system 1α includes the above-described
制御部6には、例えばコンピュータを利用できる。コンピュータは、代表的にはプロセッサ60とメモリ(図示せず)とを備える。プロセッサ60は、例えばCPUである。制御部6は、メモリに記憶された制御プログラムがプロセッサ60によって実行されることで動作される。
For example, a computer can be used as the
電解液の充電状態の把握は、公知の技術が利用できる。例えば、電池セル10と同じ電解液が供給されるモニタセルを用いて電解液の充電状態を把握することができる。
Known techniques can be used to determine the state of charge of the electrolyte. For example, the state of charge of the electrolyte can be grasped using a monitor cell to which the same electrolyte as the
上述した電解液3は、例えば、RF電池システム1αを用いて、第一の充電と第二の充電とを順に電池セル10に行わせることで製造できる。上記RF電池システム1αを用いたRF電池の運転方法は、図3に示すように、第一の工程S1と第二の工程S2とを順に行う。図4は、第一の工程と第二の工程とを説明する説明図である。図4に示すグラフは、縦軸が充電状態であり、横軸が時間である。図4において、「I」は第一の工程を表し、「II」は第二の工程を表す。
The
〔第一の工程〕
第一の工程では、電解液中に含まれるイオンの種類にもよるが、電解液の充電状態が60%以上100%以下となるまで第一の充電を行う。例えば、電解液中に活物質イオンとしてMnイオンが含まれる場合、第一の充電では、電解液の充電状態が60%以上70%以下となるまで充電を行う。電解液中にMnイオンに加えてTiイオンが含まれる場合、第一の充電では、電解液の充電状態が70%以上100%以下となるまで充電を行う。第一の充電では、図4に示すように、時間の経過に伴って一様に充電状態が高くなる。
[First step]
In the first step, the first charging is performed until the state of charge of the electrolyte becomes 60% or more and 100% or less, although it depends on the type of ions contained in the electrolyte. For example, when the electrolytic solution contains Mn ions as active material ions, in the first charging, charging is performed until the state of charge of the electrolytic solution becomes 60% or more and 70% or less. When the electrolytic solution contains Ti ions in addition to Mn ions, in the first charging, charging is performed until the state of charge of the electrolytic solution becomes 70% or more and 100% or less. In the first charging, as shown in FIG. 4, the state of charge uniformly increases over time.
第一の充電は、公知の充電条件を適用できる。例えば、第一の充電は、電流密度を40mA/cm2以上200mA/cm2以下、更に70mA/cm2以上200mA/cm2以下、特に100mA/cm2以上200mA/cm2以下とすることが挙げられる。充電状態は、充電電気量から把握することができる。 For the first charging, known charging conditions can be applied. For example, in the first charging, the current density may be set to 40 mA/cm 2 or more and 200 mA/cm 2 or less, further 70 mA/cm 2 or more and 200 mA/cm 2 or less, particularly 100 mA/cm 2 or more and 200 mA/cm 2 or less. It will be done. The state of charge can be determined from the amount of electricity charged.
電解液中に含まれる活物質イオンの濃度は、活物質イオンの種類にもよるが、0.3mol/L以上5mol/L以下であることが挙げられる。複数の活物質イオンを含む場合、合計の濃度が上記濃度範囲を満たすことが挙げられる。活物質イオンの濃度が0.3mol/L以上であることで、電解液のエネルギー密度を高めることができる。活物質イオンの濃度が高いほど、エネルギー密度を高められることから、活物質イオンの濃度は0.5mol/L以上、更に0.7mol/L以上、0.9mol/L以上であることが挙げられる。水溶液に対する溶解度等の観点から、活物質イオンの濃度は5mol/L以下、更に2mol/L以下が挙げられる。つまり、活物質イオンの濃度は、更に0.5mol/L以上5mol/L以下、更に0.7mol/L以上5mol/L以下、0.9mol/L以上2mol/Lであることが挙げられる。活物質イオンとしてMnイオンを用いる場合、Mnイオンの濃度は、0.8mol/L以上2.0mol/L以下、更に1.0mol/L以上1.5mol/L以下であることが挙げられる。電解液中の活物質イオンの濃度は、第一の工程及び第二の工程の双方を行った後もほぼ維持される。つまり、活物質イオンの濃度は、第一の工程を行う前と第二の工程を行った後とでは、ほぼ同じである。 The concentration of active material ions contained in the electrolytic solution is 0.3 mol/L or more and 5 mol/L or less, although it depends on the type of active material ions. When a plurality of active material ions are included, the total concentration may satisfy the above concentration range. When the concentration of active material ions is 0.3 mol/L or more, the energy density of the electrolytic solution can be increased. Since the higher the concentration of active material ions, the higher the energy density, the concentration of active material ions is 0.5 mol/L or more, further 0.7 mol/L or more, and 0.9 mol/L or more. . From the viewpoint of solubility in an aqueous solution, etc., the concentration of active material ions is 5 mol/L or less, and further 2 mol/L or less. In other words, the concentration of the active material ions may be 0.5 mol/L or more and 5 mol/L or less, further 0.7 mol/L or more and 5 mol/L or less, and 0.9 mol/L or more and 2 mol/L. When using Mn ions as active material ions, the concentration of Mn ions is preferably 0.8 mol/L or more and 2.0 mol/L or less, and further 1.0 mol/L or more and 1.5 mol/L or less. The concentration of active material ions in the electrolytic solution is approximately maintained even after both the first step and the second step are performed. That is, the concentration of active material ions is approximately the same before performing the first step and after performing the second step.
電解液は、活物質イオンとしてMnイオンを用いる場合、Mnイオンに加えてTiイオンを含むことが挙げられる。Tiイオンは、充電時に析出するMnO2の酸化物を微粒子化する効果がある。活物質イオンとしてMnイオンを含む正極電解液では、正極電解液中のTiイオンは正極活物質として機能しない。Mnイオンに加えてTiイオンを含む場合、Tiイオンの濃度は、0.8mol/L以上2.0mol/L以下、更に1.0mol/L以上1.8mol/L以下であることが挙げられる。Mnイオンの濃度とTiイオンの濃度とは、同じであってもよいし、異なってもよい。 When using Mn ions as active material ions, the electrolytic solution may include Ti ions in addition to Mn ions. Ti ions have the effect of making the MnO 2 oxide that precipitates during charging into fine particles. In a positive electrode electrolyte containing Mn ions as active material ions, Ti ions in the positive electrode electrolyte do not function as a positive electrode active material. When Ti ions are included in addition to Mn ions, the concentration of Ti ions is preferably 0.8 mol/L or more and 2.0 mol/L or less, and further 1.0 mol/L or more and 1.8 mol/L or less. The concentration of Mn ions and the concentration of Ti ions may be the same or different.
〔第二の工程〕
第二の工程は、250mA/cm2以上の電流密度で第二の充電を行う充電工程を備える。充電工程は、充電状態が60%以上100%以下である電解液を用いて開始する。つまり、第二の工程の開始時における電解液の充電状態は、60%以上100%以下である。充電工程は、パルス放電と交互に繰り返すパルス充電を行うことが挙げられる。つまり、第二の充電は、パルス充電であることが挙げられる。この場合、第二の工程では、パルス充電を行う充電工程とパルス放電を行う放電工程とが交互に繰り返される。第二の工程は、全体的に見て第一の充電で得られた充電状態P(図4)を大きく変化させるものではない。第二の工程では、図4に示すように、パルス充放電による充電状態の変化幅が小さいジグザグの波形となっているが、全体的に見て概ね充電状態に変化はない。
[Second process]
The second step includes a charging step of performing second charging at a current density of 250 mA/cm 2 or more. The charging process is started using an electrolytic solution whose state of charge is 60% or more and 100% or less. That is, the state of charge of the electrolytic solution at the start of the second step is 60% or more and 100% or less. The charging process includes performing pulse charging alternately with pulse discharge. That is, the second charging may be pulse charging. In this case, in the second step, a charging step of performing pulse charging and a discharging step of performing pulse discharge are alternately repeated. Overall, the second step does not significantly change the state of charge P (FIG. 4) obtained in the first charging. In the second step, as shown in FIG. 4, the charging state has a small zigzag waveform due to pulse charging and discharging, but overall there is no change in the charging state.
パルス充放電は、図5の上図に示す電流のパルス波形のように、充電時と放電時における電流のパルス波形が対称となるように行うことが挙げられる。図5の下図は、図5の上図の電流のパルス波形に対応した電圧のパルス波形である。パルス充放電における一サイクル当たりの充電の電流密度が上記250mA/cm2以上の電流密度である。パルス充放電における一サイクルとは、一パルスの充電と一パルスの放電とで示される電流のパルス波形の単位のことである。つまり、充電時と放電時における電流のパルス波形が対称とは、充電時の一パルスの電流の波形と、放電時の一パルスの電流の波形とが対称であることを言う。パルス充放電における充電は、一般的な定電流充電に比べて高出力である。電流密度が250mA/cm2以上であることで、上述した複数の粒子30を含む電解液3(図2)を製造できる。具体的には、分散質と、分散質を懸濁する分散媒31とを備え、分散質として、特定の複数の粒子30が分散媒31中に浮遊している電解液3を製造できる。各粒子30は、活物質イオンに由来して生成された酸化物からなる析出物である。
Pulse charging and discharging can be performed such that the current pulse waveforms during charging and discharging are symmetrical, as shown in the current pulse waveform shown in the upper diagram of FIG. The lower diagram in FIG. 5 shows a voltage pulse waveform corresponding to the current pulse waveform in the upper diagram in FIG. The charging current density per cycle in pulse charging and discharging is the above-mentioned current density of 250 mA/cm 2 or more. One cycle in pulse charging and discharging is a unit of a current pulse waveform represented by one pulse of charging and one pulse of discharging. In other words, symmetrical current pulse waveforms during charging and discharging mean that the waveform of one pulse of current during charging and the waveform of one pulse of current during discharging are symmetrical. Charging in pulse charging and discharging has a higher output than general constant current charging. When the current density is 250 mA/cm 2 or more, the electrolytic solution 3 (FIG. 2) containing the plurality of
電流密度は、主に各粒子30の析出量に影響を及ぼす。電流密度が高いほど、粒子30の析出量が増え易い。一方、電流密度が低いほど、粒子30の析出量が減り易い。そのため、各粒子30の析出量を多くするために、電流密度は高い方が好ましい。よって、電流密度は、更に300mA/cm2以上、400mA/cm2以上、500mA/cm2以上とすることが挙げられる。しかし、電流密度が高過ぎると、析出した粒子30が粗大化し易い。粗大化した粒子30は、分散媒31中に浮遊し難くなり、重力によって沈降し易くなる。そのため、電流密度は、ある程度低い方が好ましい。よって、電流密度は、1000mA/cm2以下、更に800mA/cm2以下、600mA/cm2以下とすることが挙げられる。電流密度は、250mA/cm2以上1000mA/cm2以下、300mA/cm2以上800mA/cm2以下、400mA/cm2以上700mA/cm2以下、500mA/cm2以上600mA/cm2以下とすることが挙げられる。
The current density mainly affects the amount of precipitation of each
パルス充放電における一サイクル当たりの充電時間t1(図5)は、1秒以上10分以下とすることが挙げられる。パルス充放電における一サイクル当たりの充電時間t1とは、一パルスの充電と一パルスの放電とで示される電流のパルス波形の単位のうちの一パルスの充電の時間のことである。一サイクル当たりの充電時間t1が1秒以上であることで、上述した電解液3(図2)を製造し易い。一サイクル当たりの充電時間t1は、生成される各粒子30(図2)の大きさに影響を及ぼす。一サイクル当たりの充電時間t1が大きいほど、生成される各粒子30が粗大になり易い。一サイクル当たりの充電時間t1が小さいほど、生成される各粒子30が微細になり易い。一サイクル当たりの充電時間t1が10分以下であることで、各粒子30の粗大化を抑制できる。一サイクル当たりの充電時間t1は、更に1秒以上300秒以下、特に5秒以上100秒以下とすることが挙げられる。
The charging time t1 (FIG. 5) per cycle in pulse charging and discharging may be 1 second or more and 10 minutes or less. The charging time t1 per cycle in pulse charging and discharging is the charging time of one pulse of the unit of the current pulse waveform represented by one pulse of charging and one pulse of discharging. When the charging time t1 per cycle is 1 second or more, it is easy to manufacture the electrolytic solution 3 (FIG. 2) described above. The charging time t1 per cycle affects the size of each particle 30 (FIG. 2) produced. The longer the charging time t1 per cycle is, the larger each
パルス充放電における一サイクル当たりの放電時間t2(図5)も、充電時間t1と同様に、1秒以上10分以下、更に1秒以上300秒以下、特に5秒以上100秒以下とすることが挙げられる。 Similarly to the charging time t1, the discharge time t2 (FIG. 5) per cycle in pulse charging and discharging can be set to 1 second or more and 10 minutes or less, further 1 second or more and 300 seconds or less, particularly 5 seconds or more and 100 seconds or less. Can be mentioned.
パルス充放電は、一サイクル当たりの充電と放電との間に待機時間を設けてもよい。待機時間は、0秒以上60秒以下とすることが挙げられる。 Pulse charging and discharging may provide a standby time between charging and discharging per cycle. The waiting time may be set to 0 seconds or more and 60 seconds or less.
また、パルス充放電は、充電時と放電時における電流のパルス波形が非対称となるように行ってもよい。例えば、パルス充放電は、高出力充電と低出力放電とを交互に繰り返すことが挙げられる。充電状態P(図4)が低い、例えば充電状態Pが60%未満である場合、複数の粒子30を生成しようとすると、一サイクル当たりの充電の電流密度を高くし、高い電流値で充電することになる。この高い電流値に合わせて放電すると、低い充電状態では、充電時に生成された複数の粒子30が溶けるおそれがある。そのため、充電状態Pが低い場合、高い電流値で充電し、低い電流値で放電することが挙げられる。このとき、パルス波形において、一サイクルでの充電時の電流値と充電時間との積で表される面積と、一サイクルでの放電時の電流値と放電時間との積で表される面積とが同じであることが挙げられる。よって、一サイクルでの充電及び放電は、高出力かつ短時間で充電し、低出力かつ長時間で放電することが挙げられる。
Further, pulse charging and discharging may be performed so that the pulse waveforms of the current during charging and discharging are asymmetrical. For example, pulse charging and discharging includes alternating high-output charging and low-output discharging. When the state of charge P (FIG. 4) is low, for example, when the state of charge P is less than 60%, when trying to generate a plurality of
他に、パルス充放電は、低出力充電と高出力放電とを交互に繰り返すことが挙げられる。充電状態P(図4)が高い、例えば充電状態Pが60%以上である場合、一サイクル当たりの充電の電流密度を高くし、高い電流値で充電すると、電池セル10(図1)が損傷するおそれがある。そのため、充電状態Pが高い場合、一サイクル当たりの充電の電流密度を低くし、低い電流値で充電することが挙げられる。一方、高い充電状態では、高い電流密度で放電すると、充電時に生成された複数の粒子30が電極に付着した場合、その複数の粒子30が電極から剥離されると期待できる。このとき、パルス波形において、一サイクルでの充電時の電流値と充電時間との積で表される面積と、一サイクルでの放電時の電流値と放電時間との積で表される面積とが同じであることが挙げられる。よって、一サイクルでの充電及び放電は、低出力かつ長時間で充電し、高出力かつ短時間で放電することが挙げられる。
Another example of pulse charging and discharging is to alternately repeat low-output charging and high-output discharging. When the state of charge P (Fig. 4) is high, for example, when the state of charge P is 60% or more, increasing the charging current density per cycle and charging at a high current value may damage the battery cell 10 (Fig. 1). There is a risk of Therefore, when the state of charge P is high, the charging current density per cycle may be lowered to perform charging at a lower current value. On the other hand, in a highly charged state, when discharging at a high current density, if a plurality of
パルス充放電は、上述したように電流値及び時間による制御ではなく、電圧及び時間あるいは電気量による制御を行うクロノアンペロメトリー・クロノポテンショメトリーによる充放電とすることもできる。 Pulse charging and discharging can also be performed by chronoamperometry or chronopotentiometry, which controls by voltage and time or quantity of electricity, instead of controlling by current value and time as described above.
パルス充放電は、0.5時間以上24時間以下行うことが挙げられる。パルス充放電の時間とは、パルス充放電を開始してから終了するまでのトータルの時間のことである。例えば、複数サイクルのパルス充放電を繰り返す場合、パルス充放電の時間とは、全サイクルのトータル時間のことである。パルス充放電を0.5時間以上行うことで、上述した複数の粒子30を含む電解液3(図2)を製造し易い。パルス充放電の時間は、生成される粒子30の大きさに影響を及ぼす。パルス充放電の時間が長いほど、生成される各粒子30が粗大になり易い。一方、パルス充放電の時間が短いほど、生成される各粒子30が微細になり易い。パルス充放電の時間が24時間以下であることで、各粒子30の粗大化を抑制できる。パルス充放電の時間は、更に1時間以上12時間以下、特に2時間以上6時間以下とすることが挙げられる。第二の工程において、パルス充放電を行わず、一回の充電を行う場合、この一回の充電時間が0.5時間以上24時間以下、更に1時間以上12時間以下、特に2時間以上6時間以下であることが挙げられる。
Pulse charging and discharging may be performed for 0.5 hours or more and 24 hours or less. The pulse charge/discharge time is the total time from the start to the end of pulse charge/discharge. For example, when repeating multiple cycles of pulse charging and discharging, the pulse charging and discharging time is the total time of all cycles. By performing pulse charging and discharging for 0.5 hours or more, it is easy to manufacture the electrolytic solution 3 (FIG. 2) containing the plurality of
上述したRF電池の運転方法は、例えば、RF電池1(図1)を運用する前の初期段階で行うことが挙げられる。RF電池1を運用する前の初期段階で行うことで、上述した複数の粒子30を含む電解液3(図2)を用いて、RF電池1を運用することができる。上述した複数の粒子30を含む電解液3は、各粒子30が安定して存在している。また、上述した複数の粒子30を含む電解液3は、エネルギー密度が高い。そのため、上述した複数の粒子30を含む電解液3を用いてRF電池1を運用することで、エネルギー密度の高いRF電池1を構築できる。
The above-described RF battery operating method may be performed, for example, at an initial stage before operating the RF battery 1 (FIG. 1). By performing this at an early stage before operating the
複数の粒子30を含む電解液3は、上述したように、充電状態が60%以上100%以下である電解液を用いて、250mA/cm2以上の電流密度で充電を行うことで得られる。複数の粒子30は、電解液の充電状態が60%以上と比較的高い充電状態で生成され易い。比較的高い充電状態で生成された各粒子30は、RF電池1の運用時に、電極を通過し易い。よって、RF電池1の運用時に、生成された複数の粒子30が減少し難い。
As described above, the
上述したRF電池の運転方法は、例えば、RF電池1のメンテナンス時に行うこともできる。メンテナンスは、例えば、RF電池1の運用を開始してから相当期間経過した際に行われる。相当期間とは、RF電池1の運用を開始してから3日以上経過後のことである。上述した複数の粒子30を含む電解液3を用いてRF電池1を運用すると、複数の粒子30が電極に付着し得る。そこで、RF電池1のメンテナンス時に上述した第二の工程を行うことで、電極に付着した複数の粒子30が剥離されると期待できる。電極に付着した複数の粒子30は、主に第二の工程におけるパルス充放電の放電によって剥離されると考えられる。電極に付着した複数の粒子30は、RF電池1の運用時における通常の放電では剥離し難い。メンテナンス時に第二の工程を行うと、複数の粒子30が新たに生成される。メンテナンス時に生成された各粒子30も、電解液3中に浮遊可能である。
The above-described RF battery operating method can also be performed, for example, during maintenance of the
[試験例]
試験例では、実際に運用するRF電池を想定して、正極電解液に生成される粒子の粒径及び浮遊状態を調べた。本例では、正極セル及び負極セルを一つずつ備える単セル構造の電池セルを用いて行った。
[Test example]
In the test example, the particle size and floating state of particles generated in the positive electrode electrolyte were investigated assuming an RF battery that would actually be used. In this example, a battery cell having a single cell structure including one positive electrode cell and one negative electrode cell was used.
<試験体>
各試験体は、RF電池において、正極タンクと正極セルとの間で正極電解液を循環させると共に、負極タンクと負極セルとの間で負極電解液を循環させ、図3に示す第一の工程及び第二の工程を行うことで作製した。
各試験体は、正極電解液の組成と負極電解液の組成とを同一とした。
正極電解液及び負極電解液の各々は、濃度が1mol/LのMnイオンと、濃度が1mol/LのTiイオンと、濃度が5mol/Lの硫酸と、濃度が0.2mol/Lの添加イオンとを含む。添加イオンを複数種含む場合、添加イオンの合計の濃度が0.2mol/Lである。なお、試験体1は、添加イオンを含まない。
各試験体における添加イオンの種類は以下である。
・試験体1:添加イオンを含まない
・試験体2:Biイオン
・試験体3:Snイオン
・試験体4:Feイオン
・試験体5:Alイオン
・試験体6:BiイオンとSnイオン
・試験体7:BiイオンとFeイオン
・試験体8:SnイオンとFeイオン
・試験体9:FeイオンとAlイオン
各試験体では、電解液の組成を異ならせ、第一の工程及び第二の工程の条件を同じとした。
第一の工程では、正極電解液の充電状態が70%となるまで、70mA/cm2の電流密度で第一の充電を行った。
第二の工程では、上記第一の工程の後に、パルス充放電を行った。パルス充放電は、図5に示すように、充電と放電とを対称に交互に繰り返し行った。パルス充放電では、一サイクル当たりの電流密度を250mA/cm2とした。パルス充放電における一サイクル当たりの充電時間は、8秒とした。パルス充放電は、トータルで4時間行った。
上記第二の工程を完了した後、正極電解液の充電状態が100%となるように充電した。
<Test specimen>
Each test specimen was tested in an RF battery in which a positive electrolyte was circulated between a positive tank and a positive cell, and a negative electrolyte was circulated between a negative tank and a negative cell. and the second step.
In each test specimen, the composition of the positive electrode electrolyte and the composition of the negative electrode electrolyte were made the same.
Each of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contains Mn ions with a concentration of 1 mol/L, Ti ions with a concentration of 1 mol/L, sulfuric acid with a concentration of 5 mol/L, and additive ions with a concentration of 0.2 mol/L. including. When multiple types of added ions are included, the total concentration of added ions is 0.2 mol/L. Note that the
The types of added ions in each test specimen are as follows.
・Test specimen 1: Does not contain added ions ・Test specimen 2: Bi ions ・Test specimen 3: Sn ions ・Test specimen 4: Fe ions ・Test specimen 5: Al ions ・Test specimen 6: Bi ions and Sn ions ・Test Body 7: Bi ions and Fe ions ・Test body 8: Sn ions and Fe ions ・Test body 9: Fe ions and Al ions In each test body, the composition of the electrolyte was different, and the first step and second step The conditions were the same.
In the first step, first charging was performed at a current density of 70 mA/cm 2 until the state of charge of the positive electrode electrolyte reached 70%.
In the second step, pulse charging and discharging was performed after the first step. As shown in FIG. 5, pulse charging and discharging were performed by repeating charging and discharging alternately and symmetrically. In pulse charging and discharging, the current density per cycle was 250 mA/cm 2 . The charging time per cycle in pulse charging and discharging was 8 seconds. Pulse charging and discharging was performed for a total of 4 hours.
After completing the second step, the positive electrode electrolyte was charged to a state of charge of 100%.
得られた各試験体の電解液中に含まれる複数の粒子の平均粒径を動的光散乱法により測定した。測定条件は、分散質屈折率:1.59、分散質吸収率:0.01、分散媒屈折率:1.33、減衰器:10、測定位置:自動、温度:25℃、分散媒の粘度:電解液の粘度とした。複数の粒子の平均粒径は、パルス充放電を止めた後、電解液を所定時間静置した直後にそれぞれ測定した。所定時間としては、1時間、3時間、及び24時間とした。その結果を表1に示す。平均粒径の単位はnmである。表1における「※」は、複数の粒子に沈降が確認されたことを示す。表1における「-」は、複数の粒子に沈降が確認されたため、平均粒径の測定を行っていないことを示す。 The average particle diameter of a plurality of particles contained in the electrolyte solution of each test specimen obtained was measured by a dynamic light scattering method. The measurement conditions were: refractive index of dispersoid: 1.59, absorption rate of dispersoid: 0.01, refractive index of dispersion medium: 1.33, attenuator: 10, measurement position: automatic, temperature: 25°C, viscosity of dispersion medium. : The viscosity of the electrolyte. The average particle size of the plurality of particles was measured immediately after the electrolytic solution was allowed to stand for a predetermined period of time after stopping pulse charging and discharging. The predetermined times were 1 hour, 3 hours, and 24 hours. The results are shown in Table 1. The unit of average particle size is nm. "*" in Table 1 indicates that sedimentation was confirmed in a plurality of particles. The "-" in Table 1 indicates that the average particle size was not measured because sedimentation was confirmed in a plurality of particles.
表1に示すように、電解液を1時間静置した直後において、複数の粒子の平均粒径が1000nm以下である試験体2から試験体4、試験体6から試験体9は、複数の粒子に殆ど沈降は見られなかった。特に、電解液を1時間静置した直後に平均粒径が50nm以下である試験体2、試験体3、試験体6、試験体7、及び試験体8は、24時間経過した直後でも複数の粒子に殆ど沈降は見られなかった。複数の粒子の沈降が見られなかった各試料では、1時間、更に24時間経過した直後における各粒子の沈降速度は、1mm/hour未満であった。
As shown in Table 1, immediately after the electrolytic solution was allowed to stand for 1 hour, test specimens 2 to 4 and
試験体2、試験体3、試験体6、試験体7、及び試験体8について、粒径が1000nm以上である粒子の体積割合を動的光散乱法により測定した。その結果、いずれの試験体も、20%以下であった。
For test specimen 2,
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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、試験例において、活物質イオンの種類を変更したり、添加イオンの種類や組み合わせを変更したりできる。また、試験例において、第一の充電における充電状態を変更したり、第二の工程におけるパルス充放電の条件を変更したりできる。 The present invention is not limited to these examples, but is indicated by the scope of the claims, and is intended to include all changes within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims. For example, in the test example, the types of active material ions can be changed, and the types and combinations of added ions can be changed. Further, in the test example, the charging state in the first charging can be changed, and the conditions of pulse charging and discharging in the second step can be changed.
1 RF電池、1α RF電池システム
10 電池セル
11 隔膜
12 正極セル、13 負極セル
14 正極電極、15 負極電極
22 正極タンク、23 負極タンク
3 電解液、30 粒子、31 分散媒
42、43 往路配管、44、45 復路配管
46,47 ポンプ
5 セルフレーム、50 枠体、51 双極板、55 シール部材
100 セルスタック、 101 エンドプレート、102 締結部材
6 制御部、60 プロセッサ
7 交流/直流変換器、71 変電設備、8 発電部、9 負荷
t1 充電時間、t2 放電時間
1 RF battery, 1α
Claims (9)
分散質と、
前記分散質を懸濁する分散媒とを含み、
前記分散質は、特定条件下で前記分散媒中に浮遊する複数の粒子であり、
前記特定条件は、前記電解液を1時間静置した直後であり、
前記複数の粒子の各々は、活物質イオンとなる元素と酸素とを含む酸化物からなる、
電解液。 An electrolytic solution used in a redox flow battery,
a dispersoid,
a dispersion medium that suspends the dispersoid,
The dispersoid is a plurality of particles suspended in the dispersion medium under specific conditions,
The specific conditions are immediately after the electrolyte is left standing for 1 hour,
Each of the plurality of particles is made of an oxide containing an element serving as an active material ion and oxygen,
Electrolyte.
前記平均粒径の変化幅が1nm以上600nm未満である請求項4に記載の電解液。 The plurality of particles have an average particle size that changes due to charging and discharging of the redox flow battery,
The electrolytic solution according to claim 4, wherein the variation width of the average particle size is 1 nm or more and less than 600 nm.
レドックスフロー電池。 comprising the electrolytic solution according to any one of claims 1 to 8;
redox flow battery.
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