JP2832155B2 - ナトリウム−硫黄電池用カーボンフェルト及びその製造方法 - Google Patents

ナトリウム−硫黄電池用カーボンフェルト及びその製造方法

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JP2832155B2 JP6198576A JP19857694A JP2832155B2 JP 2832155 B2 JP2832155 B2 JP 2832155B2 JP 6198576 A JP6198576 A JP 6198576A JP 19857694 A JP19857694 A JP 19857694A JP 2832155 B2 JP2832155 B2 JP 2832155B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】 この発明は、二次電池として電
力貯蔵などに利用されるナトリウム−硫黄電池用のカー
ボンフェルト及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】 近年、電力需要の増加に伴って、夜間
電力の利用を図るために、活物質の利用率が高く、充放
電反応の効率が良いナトリウム−硫黄電池が研究されて
いる。このナトリウム−硫黄電池においては、陽極室内
に陽極活物質としての硫黄が含浸されたフェルトが収容
されている。このフェルトはカーボン繊維よりなり、湾
曲形成されて陽極室内に複数個収容される。
【0003】そして、放電時にはナトリウムと硫黄がフ
ェルトの繊維表面で反応して多硫化ナトリウムを生成
し、充電時には多硫化ナトリウムがナトリウムと硫黄に
戻る。前記フェルトは、一般に次のように成形される。
すなわち、ポリアクリロニトリル繊維が200℃程度ま
で加熱されて耐炎化処理される。この耐炎化繊維はフェ
ルト化され、ニードルパンチングが施される。その後、
このフェルトは約2000℃で焼成される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】 ところが、このよう
な従来の製造方法により得られたカーボンフェルトをナ
トリウム−硫黄電池の陽極室に収容すると、カーボンフ
ェルトの外周面と陽極容器との間の接触抵抗が大きく、
かつナトリウムイオンの移動が抑制され、充電時に陽極
室内の陽極容器側で多硫化ナトリウムが残存しやすい。
その結果、電池の抵抗が大きく、充電回復率が低いとい
う問題があった。
【0005】この発明は、このような従来技術に存在す
る問題に鑑みてなされたものである。その目的とすると
ころは、ナトリウム−硫黄電池の陽極室内に収容された
とき、陽極容器との間の接触抵抗が低減され、ナトリウ
ムイオンの移動が容易となって充電反応が促進され、電
池抵抗を低減するとともに、充電回復率の向上を図るこ
とができるナトリウム−硫黄電池用カーボンフェルト及
びその製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】 上記の目的を達成する
ために、請求項1のナトリウム−硫黄電池用カーボンフ
ェルトの発明では、フェルトは、その厚さ方向へ配向し
た繊維がフェルトの片側面より突出しているものであ
る。
【0007】また、請求項2のナトリウム−硫黄電池用
カーボンフェルトの製造方法の発明では、フェルトはそ
の厚さ方向へ深くニードルパンチングが施され、フェル
トのニードルの侵入面と反対の側面より繊維が突出され
るものである。
【0008】
【作用】 この発明のナトリウム−硫黄電池用カーボン
フェルトの製造方法では、フェルトの厚さ方向へ深くニ
ードルパンチングが施され、フェルトの繊維がそのニー
ドルの侵入面と反対の側面より突出形成されている。
【0009】このように形成されたカーボンフェルトを
繊維が突出した部分を陽極容器側にして、ナトリウム−
硫黄電池の陽極室内に収容すると、突出した繊維が陽極
容器に密着して接触抵抗が低減される。そのため、電池
抵抗が低減し、かつナトリウム−イオンの移動が容易と
なって、充電反応が促進され、充電回復率の向上を図る
ことができる。
【0010】
【実施例】 以下に、この発明のナトリウム−硫黄電池
用カーボンフェルト及びその製造方法を具体化した実施
例について、図1〜6に基づいて説明する。まず、ナト
リウム−硫黄電池について説明する。図1,2に示すよ
うに、アルミニウム合金よりなる陽極容器1は円筒状に
形成されてその底部に底蓋2が接合されるとともに、上
部外周面に陽極端子3が取付けられている。アルファア
ルミナ製の絶縁リング4は陽極容器1の上端部に接合固
定されている。有底円筒状をなすナトリウムイオン透過
性の固体電解質管5はベータアルミナにより形成され、
その上端外周面が絶縁リング4の内周面に接合されてい
る。陽極室6は陽極容器1と固体電解質管5との間にお
いて環状に形成されている。陽極用のフェルト7は、カ
ーボン繊維により形成され、陽極室6内に収容されて陽
極活物質である硫黄Sが含浸されている。
【0011】カートリッジ8は固体電解質管5の内側に
形成される陰極室14内に配置され、密閉状に形成され
て内部に陰極活物質である溶融した金属ナトリウムNa
が収容されている。ナトリウムの供給孔8aはカートリ
ッジ8の底部に透設され、カートリッジ8内のナトリウ
ムNaを固体電解質管5側へ導出する。安全管9は固体
電解質管5とカートリッジ8との間隙に配置され、固体
電解質管5の破損によるカートリッジ8の損傷を防止し
ている。陰極蓋10は絶縁リング4の上端面に固着さ
れ、その上面には陰極端子11が取付けられている。な
お、コイルスプリング12はカートリッジ8の上端面と
陰極蓋10の内面間に介装され、カートリッジ8の浮き
上がりを防止している。
【0012】そして、電池は300〜350℃という高
温で動作し、充電及び放電反応が行われる。すなわち、
放電時には陽極室6内のフェルト7中でナトリウムNa
と硫黄Sが反応して多硫化ナトリウム(Na2 X )が
生成し、充電時には多硫化ナトリウムがナトリウムNa
と硫黄Sに戻り、ナトリウムNaはナトリウムイオンと
なって陰極室14内へ戻る。
【0013】次に、陽極室6内の前記フェルト7の製造
方法及び陽極室6内へのフェルト7の収容方法について
説明する。まず、有機繊維としてのポリアクリロニトリ
ル繊維が、所定の厚さを有するフェルト7に成形され
る。このフェルト7は耐炎化工程において200℃程度
に加熱されて酸化され、黒色の耐炎化繊維に形成され
る。次いで、図5に示すように、ポリアクリロニトリル
繊維の耐炎化繊維によるフェルト7に対してニードルパ
ンチングが施される。このニードルパンチングは、フェ
ルト7を構成する繊維15がフェルト7のニードル侵入
面と反対の側面より突出するようにニードルがフェルト
を深く貫通することにより行われる。そして、マット7
の突出繊維15aがフェルト7の側面よりわずかに、例
えば1mm程度突出する。
【0014】この突出繊維15aは通常繊維束として突
出されるが、繊維15が切れた状態であってもよい。突
出繊維15aの密度は高く、反発力が大きい方が望まし
い。この突出繊維15aの突出距離があまり長いと反発
力が弱くなり、かえって陽極容器1との接触抵抗が大き
くなって好ましくない。このニードルパンチングによ
り、フェルト7の繊維15がその厚さ方向Xに配向さ
れ、ナトリウムイオンが厚さ方向Xに配向された繊維1
5に沿って移動し易くなる。
【0015】次に、ニードルパンチングされたフェルト
7は約2000℃での焼成により黒鉛化処理が施され
る。このフェルト7は、図3に示すように、所定の大き
さの直方体状に切断される。
【0016】その後、図4に示すように、フェルト7は
ニードルパンチング面を内側にして幅方向に湾曲状に成
形される。そして、湾曲状に成形された3つのフェルト
7が円筒状に形成され、図2に示すように、これらのフ
ェルト7が圧縮状態で陽極室6内に収容される。このと
き、図6に示すように、フェルト7の突出繊維15が陽
極容器1の内周面に接触し、接触抵抗が低減され、しか
もナトリウムイオンの移動が容易になる。
【0017】そして、電池の放電時にカートリッジ8内
のナトリウムNaがカートリッジ8底部の供給孔8aを
経て安全管9内に移動し、さらに固体電解質管5と安全
管9との間隙へと移動する。そして、ナトリウムイオン
が固体電解質管5内を透過して陽極室6へ移動し、前記
のように成形されたフェルト7内の繊維15表面で硫黄
Sと反応して多硫化ナトリウムを生成する。
【0018】一方、充電時には、放電時とは逆に陽極室
6内の多硫化ナトリウムが繊維15表面でナトリウムイ
オンと硫黄に戻る。生成したこのナトリウムイオンはフ
ェルト7の厚さ方向Xに延びる繊維15に沿って移動
し、固体電解質管5の外表面に至る。ナトリウムイオン
はさらに固体電解質管5内を透過し、安全管9内から供
給孔8aを経てカートリッジ8内へ戻る。
【0019】このように、この実施例のナトリウム−硫
黄電池用カーボンフェルトの製造方法では、ニードルパ
ンチングにより得られたフェルト7は、その側面より所
定長さだけ突出形成された突出繊維15aを有してい
る。
【0020】そして、このフェルト7が突出繊維15a
を陽極容器1側にして、ナトリウム−硫黄電池の陽極室
6内に収容されると、突出繊維15aが陽極容器1に接
触して接触抵抗が低減される。しかも、ナトリウム−イ
オンの移動が容易となる。その結果、電池の内部抵抗が
低減され、かつ充電回復率が向上する。
【0021】ちなみに、ポリアクリロニトリル繊維を耐
炎化処理した2デニール品の繊維を用い、フェルト7を
製作した。このフェルト7にニードルパンチングを施し
て厚さ10mmのフェルト7を得た。この際、ニードルパ
ンチングの深さを考慮して突出量が約1mmの突出繊維1
5aを形成したフェルト7と、繊維15を突出させない
フェルト7の2種類を製作した。そして、これらのフェ
ルト7を電池の陽極室6内に収容し、電池の内部抵抗
と、充電回復率を測定した。その結果、前者は後者に比
較して、内部抵抗が5%減少し、充電回復率が2%向上
した。
【0022】なお、この発明は前記実施例に限定される
ものではなく、例えば次のように構成を変更して具体化
することも可能である。 (イ)フェルト7表面に、電子伝導性がなく多硫化ナト
リウムの酸化還元反応を抑制するアルファアルミナ粉体
やガラス繊維などよりなる高抵抗体13を散布するこ
と。 (ロ)カーボンフェルトの原料となる有機繊維として、
セルロース繊維、リグニンを原料とする繊維、石油系又
は石炭系ピッチを出発原料とする繊維などを使用するこ
と。 (ハ)フェルト7上にV字状の溝を設けること。 (ニ)フェルト7の分割数を変えること。
【0023】ちなみに、前記実施例より把握される請求
項以外の技術的思想について、その効果とともに以下に
記載する。 (1)ニードルパンチングは、所定長の突出繊維が形成
されるようにニードルがフェルトを貫通して行われる請
求項2に記載のナトリウム−硫黄電池用カーボンフェル
トの製造方法。この方法により、フェルトの突出繊維が
所定密度をもって確実に形成される。
【0024】
【発明の効果】 以上詳述したように、この発明のナト
リウム−硫黄電池用カーボンフェルト及びその製造方法
によれば、ナトリウム−硫黄電池の陽極室内に収容され
たとき、陽極容器との間の接触抵抗が低減され、かつナ
トリウムイオンの移動が容易となって充電反応が促進さ
れ、電池抵抗低減化と充電回復率の向上を図ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明を具体化した実施例のナトリウム−
硫黄電池を示す断面図である。
【図2】 図1のA−A線における断面図である。
【図3】 ニードルパンチングを施した後のフェルトを
示す斜視図である。
【図4】 フェルトを湾曲させて円筒状に形成した状態
を示す斜視図である。
【図5】 フェルトにニードルパンチングを施して突出
繊維を形成した状態を示す説明図である。
【図6】 突出繊維を形成したフェルトを電池の陽極室
に収容した状態を示す部分拡大断面図である。
【符号の説明】
1…陽極容器、5…固体電解質管、6…陽極室、7…陽
極用のカーボンフェルト、14…陰極室、15…繊維、
15a…突出繊維、Na…ナトリウム、S…硫黄、X…
厚さ方向。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 宏次 名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日本碍 子 株式会社 内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 10/39

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 筒状の陽極容器内にナトリウムイオンを
    選択的に透過させる有底筒状の固体電解質管を配置し、
    陽極容器と固体電解質管との間に形成される陽極室に陽
    極活物質としての硫黄を収容するとともに、固体電解質
    管内の陰極室に陰極活物質としてのナトリウムを収容し
    たナトリウム−硫黄電池の前記陽極室に硫黄を含浸させ
    るためのナトリウム−硫黄電池用カーボンフェルトにお
    いて、前記フェルトは、その厚さ方向へ配向した繊維が
    フェルトの片側面より突出しているナトリウム−硫黄電
    池用カーボンフェルト。
  2. 【請求項2】 筒状の陽極容器内にナトリウムイオンを
    選択的に透過させる有底筒状の固体電解質管を配置し、
    陽極容器と固体電解質管との間に形成される陽極室に陽
    極活物質としての硫黄を収容するとともに、固体電解質
    管内の陰極室に陰極活物質としてのナトリウムを収容し
    たナトリウム−硫黄電池の前記陽極室に硫黄を含浸させ
    るためのナトリウム−硫黄電池用カーボンフェルトの製
    造方法において、 前記フェルトは、その厚さ方向へ深くニードルパンチン
    グが施され、フェルトのニードルの侵入面と反対の側面
    より繊維が突出されるナトリウム−硫黄電池用カーボン
    フェルトの製造方法。
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