JP2568622B2 - ナトリウム−硫黄電池 - Google Patents

ナトリウム−硫黄電池

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JP2568622B2 JP63080523A JP8052388A JP2568622B2 JP 2568622 B2 JP2568622 B2 JP 2568622B2 JP 63080523 A JP63080523 A JP 63080523A JP 8052388 A JP8052388 A JP 8052388A JP 2568622 B2 JP2568622 B2 JP 2568622B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はナトリウム−硫黄電池に関し、さらに詳しく
は充放電反応時に陽極活物質としての溶融硫黄を含浸す
る陽極用導電材から陽極容器の内周面に移行する電子の
流れを円滑にして、抵抗低減化を図り、電池エネルギー
効率を向上することができるナトリウム−硫黄電池に関
するものである。
(従来の技術) 最近、電気自動車用、夜間電力貯蔵用の二次電池とし
て性能面及び経済面の両面において優れ、300〜400℃で
作動する高温型のナトリウム−硫黄電池の研究開発が進
められている。
即ち、性能面では、ナトリウム−硫黄電池は鉛蓄電池
に比べて理論エネルギー密度が高く、充放電時における
水素や酸素の発生といった副反応もなく、活物質の利用
率も高く、経済面ではナトリウム及び硫黄が安価である
という利点を有している。
従来のナトリウム−硫黄電池を第7図に基づいて説明
すると、図中2は陽極端子1を備えた陽極容器、4は陽
極容器2に対し絶縁リング3を介して連結され、かつ溶
融金属ナトリウムを貯留する陽極容器である。又、5は
前記絶縁リング3に固定した有底筒状の固体電解質管、
6は陰極容器4を貫通して固体電解質管5内へ進入した
陰極管であって、外端に陰極端子7を備えている。
前記陽極容器2と固体電解質管5との間に収容され、
かつ導電性を有するカーボン繊維をマット状に、かつ円
筒状に形成してなる陽極用導電材Mは、そのカーボン繊
維の方向が任意の方向に不規則となっていた。そして、
電池の放電時には固体電解質管5内のナトリウムがナト
リウムイオンと電子に分かれて固体電解質管5を浸透
し、陽極用導電材M内の硫黄と反応して多硫化ナトリウ
ムを成形する。
又、従来のナトリウム−硫黄電池として特開昭56−35
374号公報や特開昭55−133775号公報に示すように導電
性繊維の方向を陽極容器の半径方向に配向したものもあ
った。
(発明が解決しようとする課題) ところが、前者のナトリウム−硫黄電池は、第8図に
示すように陽極用導電材Mのカーボン繊維のうち陽極容
器2の内周面へ向かう半径方向の繊維の割合が少ないた
め、前述した放電時において、陽極用導電材Mのカーボ
ン繊維に沿って陽極容器2側へ移行する電子eの方向が
任意の方向に指向し、陽極用導電材Mと陽極容器2の接
触界面での抵抗が増大し、電池エネルギー効率が低下す
るという問題があった。
又、半径方向に繊維配向を揃えた後者のナトリウム−
硫黄電池においては、陽極容器側までの電子の移行は円
滑になるが、陽極用導電材のカーボン繊維が陽極容器の
内周面と直交しているので、放電時において陽極用導電
材のカーボン繊維に沿って陽極容器の内周面に移行した
電子が陽極容器の下方へ90度偏向するため、この接触界
面においてやはり抵抗が増大し、電池エネルギー効率が
低下するという問題があった。
本発明の第1の目的は上記問題点を解消して、陽極用
導電材内から陽極容器の内周面への電子の流れを円滑に
して電池エネルギー効率を向上することができるナトリ
ウム−硫黄電池を提供することにある。
又、本発明の第2の目的は、第1の目的に加えて、陽
極用導電材の中間部における電子の移行を円滑にして一
層電池エネルギー効率を向上することができるナトリウ
ム−硫黄電池を提供することにある。
(課題を解決するための手段) 請求項1記載のナトリウム−硫黄電池は前記第1の目
的を達成するため、カーボン繊維あるいはグラファイト
繊維等の導電性繊維を集合してなり、かつ陽極活物質の
硫黄を含浸する筒状の陽極用導電材を収納する筒状の陽
極容器に対し、絶縁リングを介して、溶融金属ナトリウ
ムを貯留する陰極容器を接合固定し、前記陽極容器の内
部には、基端を前記絶縁リングの内周部に嵌合して前記
陰極容器内部と連通し、かつナトリウムイオンを選択的
に透過させる機能を有した有底筒状の固定電解質管を前
記陽極用導電材の中空部に挿入したナトリウム−硫黄電
池において、 前記陽極用導電材を陽極容器の内周面に接触する外側
陽極用導電層と、固体電解質管の外周面に接触する内側
陽極用導電層とに形成し、外側陽極用導電層を構成する
導電性繊維の方向を陽極容器の縦方向に80%以上配向す
るという手段をとっている。
又、請求項2記載のナトリウム−硫黄電池は、第2の
目的を達成するため、請求項1記載のナトリウム−硫黄
電池の構成に加えて、前記内側陽極用導電層を構成する
導電性繊維の方向を陽極容器の半径方向に30%以上配向
するという手段をとっている。
(作用) 請求項1記載のナトリウム−硫黄電池は、放電時に内
側陽極用導電層から外側陽極用導電層に移行した電子
が、外側陽極導電層の縦方向に配列した導電性繊維に案
内されて偏向しながら陽極容器の縦方向に移行され、こ
の結果電子が陽極容器の基端へと円滑に収束され、抵抗
が低滅されて電池エネルギー効率が向上する。
又、請求項2記載のナトリウム−硫黄電池は、請求項
1記載のナトリウム−硫黄電池の作用に加えて、内側陽
極用導電層が陽極容器の半径方向に指向しているので、
外側陽極用導電層へ向かう電子の流れが円滑となるた
め、電池エネルギー効率がさらに向上する。
(実施例) 次に、請求項1記載のナトリウム−硫黄電池をを具体
化した一実施例を第1図〜第3図に従って説明する。
この実施例のナトリウム−硫黄電池は、下部に陽極端
子1を備えた陽極容器2と、該陽極容器2の内部に収容
され、かつカーボン繊維あるいはグラファイト繊維をマ
ット状、かつ円筒状に形成してなり陽極活物質である溶
融硫黄を含浸した陽極用導電材Mと、前記陽極容器2の
上端部に対し、α−アルミナ製の絶縁リング3を介して
連結され、かつ溶融金属ナトリウムNaを貯留する陰極容
器4と、前記絶縁リング3の内周部に固着され、かつ陰
極活物質であるナトリウムイオンを選択的に透過させる
機能を有した下方へ延びる円筒状の袋管を形成するβ−
アルミナ製の固体電解質管5とからなっている。又、陰
極容器4の上部蓋の中央部には、該陰極容器4を通して
固体電解質管5底部まで延びた細長い陰極管6が貫通支
持され、該陰極管6の上端部には、陰極端子7が固着さ
れている。
そして、放電時には次のような反応によってナトリウ
ムイオンが固体電解質管5を透過して陽極容器2及び固
体電解質管5で区画形成された陽極用導電材Mの収容空
間に入り、該導電材M内の溶融硫黄と反応し、多硫化ナ
トリウム、特に最終的には三硫化ナトリウムを生成す
る。
2Na+XS→Na2Sx 又、充電時には放電時とは逆の反応が起こり、ナトリ
ウム及び硫黄が生成される。
前記陰極容器4及び固体電解質管5内には、ほぼ全体
にわたって該固体電解質管5が破損した場合の安全対策
として、ステンレス製のウイック8が充填されている。
次に、本発明のナトリウム−硫黄電池の特徴的構成を
説明する。
前述したようにカーボン繊維をマット状に、かつ円筒
状に形成した前記陽極用導電材Mは、外側陽極用導電層
Maと内側陽極用導電層Mbの二層に形成されている。そし
て、外側陽極用導電層Maを構成するカーボン繊維のう
ち、陽極容器2の縦(長手)方向に指向するカーボン繊
維の割合を80%以上とし、横方向に指向する繊維の割合
を20%以下としている。
前記外側陽極用導電材Maの厚さは、例えば1〜2mmに
設定すればよい。
又、内側陽極用導電層Mbを形成するカーボン繊維の方
向は任意に設定されている。
さらに、外側陽極用導電層Maと内側陽極用導電層Mbの
カーボンの繊維の充填率はいづれも10%に設定されてい
る。
さて、この実施例では、外側陽極用導電層Maの繊維の
うち縦方向に指向する繊維の割合を80%と多くしたの
で、電池の放電時において第1図に示すように内側陽極
用導電材層Mbの繊維に沿って陽極容器2の内周面側へ移
行する電子eが外側陽極用導電材Ma内に入ると、繊維の
方向が縦方向となっているため、電子eが陽極容器2の
内周面に接触するまでの間に、縦方向に偏向され、従っ
て、電子は陽極容器2の内周面に円滑に移行し、陽極端
子1へと円滑に収束される。この結果、抵抗が低滅さ
れ、電池エネルギー効率が向上するのである。
次に、請求項2記載のナトリウム−硫黄電池の一実施
例を第4図に基づいて説明する。
この実施例では内側陽極用導電層Mbの繊維のうち、陽
極容器2の半径方向に指向する繊維の割合を30%以上と
している。そして、固体電解質管5から陽極用導電材Mb
に移行した電子が前記外側陽極用導電層Maに向かって迅
速に移行し、全体として電子の流れが促進され、電池エ
ネルギー効率がさらに向上する。
なお、本発明は次のように具体化することも可能であ
る。
(1)第4図に示す実施例において第5図に示すように
固体電解質管5の外周面にも繊維方向が縦方向に指向す
る別の内側陽極用導電材Mcを設けること。この場合に
は、縦方向配向した導電材Mcの毛細管現象により硫黄活
物質を固体電解質管5の外周面に保持させることができ
るため、硫黄活物質の利用率を向上させることができ
る。
(2)第4図又は第5図に示す実施例において、図示し
ないが、内側陽極用導電層Mbと外側陽極用導電層Maの境
界部を滑らかな円弧状に接続すること。この実施例では
内側陽極用導電層Mbから外側陽極用導電材Maへの電子の
流れをさらに円滑にすることができる。
なお、本発明と近似する技術として、第6図に示すよ
うに外側陽極用導電材Maを省略したものが考えられる。
(発明の効果) 以上詳述したように、請求項1記載のナトリウム−硫
黄電池は、電池エネルギー効率を向上することができる
効果がある。
又、請求項2記載のナトリウム−硫黄電池は、請求項
1記載のナトリウム−硫黄電池よりもさらに、電池エネ
ルギー効率を向上することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のナトリウム−硫黄電池の要部の作用状
態を示す部分拡大断面図、第2図はナトリウム−硫黄電
池の中央部縦断面図、第3図は第2図のA−A線断面
図、第4図は請求項2記載のナトリウム−硫黄電池の実
施例を示す中央部縦断面図、第5図は本発明の別の実施
例を示す中央部縦断面図、第6図は本発明と近似した技
術を示す中央部縦断面図、第7図は従来のナトリウム−
硫黄電池の中央部縦断面図、第8図は従来の電池の部分
断面図である。 2……陽極容器、3……絶縁リング、4……陰極容器、
5……固体電解質管、6……陰極管、M……陰極用導電
材、Ma……外側陽極用導電層、Mb,Mc……内側陽極用導
電層、S……硫黄、Na……ナトリウム。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】カーボン繊維あるいはセラミック繊維等の
    導電性繊維を集合してなり、かつ陽極活物質の硫黄を含
    浸する筒状の陽極用導電材(M)を収納する筒状の陽極
    容器(2)に対し、絶縁リング(3)を介して、溶融金
    属ナトリウム(Na)を貯留する陰極容器(4)を設け、
    前記陽極容器(2)の内部には、基端を前記絶縁リング
    (3)の内周部に嵌合して前記陰極容器(4)内部と連
    通し、かつナトリウムイオンを選択的に透過させる機能
    を有した有底筒状の固体電解質管(5)を前記陽極用導
    電材(M)の中空部に挿入したナトリウム−硫黄電池に
    おいて、 前記陽極用導電材(M)を陽極容器(2)の内周面に接
    触する外側陽極用導電層(Ma)と、固体電解質管(5)
    の外周面に接触する内側陽極用導電層(Mb)とに形成
    し、外側陽極用導電層(Ma)を構成する導電性繊維の方
    向を陽極容器(2)の縦方向に80%以上配向したことを
    特徴とするナトリウム−硫黄電池。
  2. 【請求項2】請求項1記載のナトリウム−硫黄電池にお
    いて、前記内側陽極用導電層(Mb)を構成する導電性繊
    維の方向を陽極容器(2)の半径方向に30%以上配向し
    たことを特徴とするナトリウム−硫黄電池。
JP63080523A 1988-03-31 1988-03-31 ナトリウム−硫黄電池 Expired - Lifetime JP2568622B2 (ja)

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