JP4728217B2 - 新規なハロゲン化バナジウム・レドックスフロー・バッテリ - Google Patents
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Description
ハロゲン化物電解液と、ハロゲン化バナジウム(III)と、ハロゲン化バナジウム(IV)とを備える正半電池液を含む正の半電池と、
ハロゲン化物電解液と、ハロゲン化バナジウム(III)と、ハロゲン化バナジウム(IV)とを備える負半電池液を含む負の半電池とを備え、
上記正および負半電池液中のハロゲン化バナジウム(III)、ハロゲン化バナジウム(IV)およびハロゲン化物イオンの量は、
当該充電前ハロゲン化バナジウム・レドックス電池を充電する段階を備える最初の充電段階において、ハロゲン化バナジウム・レドックス電池が、上記正半電池液中の主としてハロゲン化バナジウム(IV)と上記負半電池液中の主としてハロゲン化V(III)とから成る、ゼロの充電状態および略ゼロの充電状態から成る群から選択された充電状態を有する、
充電前ハロゲン化バナジウム・レドックス電池が提供される。
上記ゼロの充電状態のハロゲン化バナジウム・レドックス電池を充電する第2充電段階において、上記正半電池液中のポリハロゲン化物錯体および上記負半電池液中のハロゲン化バナジウム(II)を備える充電済みハロゲン化バナジウム・レドックス電池が調製され得るものであってもよい。
上記負半電池液は約0.8:1〜6:1もしくは0.9:1〜約6:1もしくは約0.95:1〜約6:1もしくは約0.98:1〜約6:1もしくは約0.99:1〜約6:1もしくは約1:1〜約6:1もしくは約1.01:1〜約6:1もしくは約1.02:1〜約6:1もしくは約1.03:1〜約6:1もしくは約1.04:1〜約6:1もしくは約1.05:1〜約6:1もしくは約1.1:1〜約6:1もしくは約1.5:1〜約6:1もしくは約1.75:1〜約6:1もしくは約2:1〜約6:1もしくは約2.25:1〜約6:1もしくは約2.5:1〜約6:1もしくは約0.9:1〜約5.5:1もしくは約0.9:1〜約5:1もしくは約0.9:1〜約4.75:1もしくは約0.9:1〜約4.5:1もしくは約0.9:1〜約4:1もしくは約0.9:1〜約3.75:1もしくは約0.8:1〜約3.5:1もしくは約0.9:1〜約3.5:1もしくは約0.9:1〜約3:1もしくは約0.8:1〜約3:1もしくは約0.9:1〜約2.5:1もしくは約0.8:1〜約2.5:1もしくは約0.9:1〜約2:1もしくは約1:1〜約2:1もしくは約1.1:1〜約2:1のV(III):V(IV)モル比でハロゲン化バナジウム(III)およびハロゲン化バナジウム(IV)を備え、且つ、
(上記負半電池液の体積):(上記正半電池液の体積)は上記V(III):V(IV)モル比に等しいか略等しくされ得る。
ハロゲン化物イオン合計濃度はバナジウム・イオン合計濃度の少なくとも3倍である。
ハロゲン化物電解液と、主としてハロゲン化バナジウム(IV)であるハロゲン化バナジウムとを備える正半電池液を含む正の半電池と、
ハロゲン化物電解液と、主としてハロゲン化バナジウム(III)であるハロゲン化バナジウムとを備える負半電池液を含む負の半電池とを備え、
上記正半電池液中のハロゲン化バナジウム(IV)の量および上記負半電池液中のハロゲン化バナジウム(III)の量は、当該ハロゲン化バナジウム・レドックス電池が、ゼロの充電状態および略ゼロの充電状態から成る群から選択された充電状態に在り、
ゼロの充電状態および略ゼロの充電状態から成る群から選択された充電状態に在るハロゲン化バナジウム・レドックス電池が提供される。
ハロゲン化物電解液と、ポリハロゲン化物錯体と、ハロゲン化バナジウム(IV)と、ハロゲン化バナジウム(V)とを備える正半電池液を含む正の半電池と、
ハロゲン化物電解液とハロゲン化バナジウム(II)とを備える負半電池液を含む負の半電池とを備え、
(バナジウム(V)およびポリハロゲン化物錯体のモル濃度):(ハロゲン化バナジウム(II)のモル濃度)は略化学量論的に平衡化される、
完全に充電されたハロゲン化バナジウム・レドックス電池が提供される。
ハロゲン化物電解液と、ポリハロゲン化物錯体と、ハロゲン化バナジウム(IV)と、ハロゲン化バナジウム(V)とを備える正半電池液を含む正の半電池と、
ハロゲン化物電解液と、ハロゲン化バナジウム(II)と、ハロゲン化バナジウム(III)とを備える負半電池液を含む負の半電池とを備え、
(ポリハロゲン化物錯体およびバナジウム(V)のモル数):(ハロゲン化バナジウム(II)のモル数)は略化学量論的に平衡化される、
部分的に充電されたハロゲン化バナジウム・レドックス電池が提供される。
HBr、LiBr、NaBr、KBrもしくはそれらの混合物の溶液に約3:1のモル比でV(III)化合物およびV(V)化合物を溶解させて該溶液中にV(III)およびV(IV)イオンの約50:50混合物を生成する段階を備えて成る、ハロゲン化バナジウム・レドックス電池に対する電解液を作製する方法が提供される。上記V(III)化合物はV2O3であり得ると共に、上記V(V)化合物はV2O5であり得る。
負極の初期充電反応:
V3++VO2++2H++3e────→2V2++H2O
一方、正の半電池において、初期充電反応は:
正極の初期充電反応:
V3++VO2++H2O────→2VO2++2H++e
続いて、以下の反応が追随する:
3Br-───→Br3 -+2e
または、臭化物/塩化物を混合した支持電解液の存在下で:
2Br-+Cl-───→BrCl2 -+2e
もしくは、
2Br-+Cl-───→ClBr2 -+2e
故に、引き続く充電/放電の循環は以下の反応を含む:
負極においては:
放電
───────→
2V2+ 2V3++2e
←───────
充電
正極においては:
放電
───────→
Br3 -+2e 3Br-
←───────
充電
または、臭化物/塩化物を混合した支持電解液の存在下で:
放電
─────→
BrCl2 -+2e 2Br-+Cl-
←─────
充電
もしくは、
放電
─────→
ClBr2 -+2e 2Br-+Cl-
←─────
充電
故に上記ハロゲン化バナジウム・レドックスフロー電池およびハロゲン化バナジウム・レドックス電池は、両方の半電池において0.1〜5Mの(臭化バナジウム(III)/(IV)または臭化/塩化バナジウム(III)/(IV)などの)ハロゲン化バナジウム(III)/(IV)の溶液を採用する。両方の半電池におけるハロゲン化バナジウム(III)/(IV)の濃度は、0.1〜4.5M、0.1〜4M、0.1〜3.5M、0.1〜3M、0.1〜2.5M、0.1〜2M、0.1〜l.9M、0.1〜1.75M、0.1〜1.5M、0.1〜1.25M、0.1〜1M、0.5〜5M、1〜5M、1.5〜5M、1.75〜5M、1.9〜5M、2〜5M、2.25〜5M、2.5〜5M、2.75〜5M、3〜5M、3.5〜5M、4〜5M、4.5〜5M、1.75〜4.5M、1.75〜4M、1.75〜3.5M、1.75〜3.25M、1〜3M、1.5〜3M、1.75〜3M、1〜2.75M、1.5〜2.75M、1.75〜2.75M、1.5〜2.5M、1.75〜2.5M、1.75〜2.25M、1.75〜2M、1.9〜3M、1.9〜2.75M、1.9〜2.5M、1.9〜2.25Mまたは2〜3Mの範囲とされ得る。両方の半電池におけるハロゲン化バナジウム(III)/(IV)の濃度はたとえば、約0.1、0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3、3.25、3.5、3.75、4、4.25、4.5、4.75または5Mとされ得る。正および負の半電池内には最初に、支持電解液中に約50%のV(III)および50%のV(IV)イオンから成る0.1〜5M臭化バナジウムもしくは臭化/塩化バナジウム溶液が載置され得る。上記ハロゲン化バナジウム・レドックス電池の両方の半電池内に最初に載置された電解質溶液は、たとえば0.5〜10M・HBrもしくは0.5〜5M・HBrの支持電解液中における0.5〜5M臭化V(III)/(IV)もしくは臭化/塩化V(III)/(IV)を備え得る。上記電解質溶液は、0.5〜10M・HBr、LiBr、NaBr、KBrもしくはそれらの混合物中に0.1〜5Mもしくは0.5〜2Mの濃度で塩化物イオンも含有し得る。塩化物イオンの濃度は臭化物イオンの電解液濃度未満もしくはそれに等しくされ得る(すなわち、もし電解液が5Mの濃度の水性HBrなら、Cl-イオンの濃度は5M(たとえば、0.1〜2Mもしくは0.2〜2Mもしくは0.5〜2Mもしくは0.75〜2Mもしくは1〜2Mもしくは1.5〜2Mもしくは1.75〜2Mもしくは0.15〜2.5Mもしくは0.15〜3Mもしくは0.15〜3.5Mなどの0.05M〜5Mの範囲)とされ得る。この理由は、過剰なハロゲン化物の存在下で、電池の充電もしくは放電の間に形成される臭素は臭素ガスとして相当に放出されるのではなく電解液内でClBr2 -もしくはBr3 -などの臭化物錯体を形成するが、(電解液内の塩化物イオンの濃度が臭化物イオンの濃度より高いときに形成される)塩素は錯体を形成する傾向ではなく、(塩素を塩化物イオンへと還元することによる)収容もしくはリサイクルを行うための(溶液中の臭化物錯体とは異なる)便利な形態ではないガスとして放出されるからである。塩化物イオンが存在する場合、塩化、臭化、および、塩化/臭化バナジウム(III)および(IV)の混合物が電解液中に存在する。
負極の初期充電反応:
2V3++VO2++2H++4e────→3V2++H2O
一方、正の半電池において、初期充電反応は:
正極の初期充電反応:
2V3++VO2++2H2O────→3VO2++4H++2e
続いて、以下の反応が追随する:
3Br-───→Br3 -+2e
または、臭化物/塩化物を混合した支持電解液の存在下で:
2Br-+Cl-───→BrCl2 -+2e
もしくは、
2Br-+Cl-───→ClBr2 -+2e
故に、引き続く充電/放電の循環は以下の反応を含む:
負極においては:
放電
───────→
3V2+ 2V3++V2++2e
←───────
充電
正極においては:
放電
───────→
Br3 -+2e 3Br-
←───────
充電
これは、負の半電池におけるバナジウム・イオンの1/3が未反応のままであることを示している。但し、正側においてV(3.33+)溶液の体積の半分のみを使用する場合、負の半電池の電解液中の全てのバナジウム・イオンは充電/放電の循環の間に反応することから、正の半電池においては更に多くの臭化物イオンが利用され得る。
図6は、各半電池において、“6M・Br-+2M・Cl-中の2M・V(3.5+)溶液”を60mlずつ含むハロゲン化バナジウム・レドックスフロー電池に対する初期充電および放電曲線を示している。該電池は、Gore Select P-03430膜を採用した。該電池は最初に1.25Vの電圧まで充電され、且つ、1.0アンペアの定電流にて0.25Vの下側電圧限界まで放電された。上記放電時間に対する上記初期充電時間の比率は約1.5であることが理解されることから、初期充電の間においては、負の半電池にてV(3.5+)溶液をV2+へと変換する上で1モルのバナジウム当たり1.5個の電子が使用される一方、正の半電池においてはV(III)イオンが先ずV(IV)へと酸化されてからBr-イオンがBr3 -へと酸化されることが分かる。引き続く充電/放電サイクルによれば、95〜91%のクーロン効率に対応する1.05〜1.1の平均充電/放電時間比率が与えられた。
両方の半電池における活物質として3M臭化バナジウム(III)/(IV)の溶液を採用した電池が設定され、以下の如く評価された:
必要な量の三酸化および五酸化バナジウム粉末を8M臭化水素酸に溶解することで、(3M・V(3.5+)と称される)50:50臭化バナジウム(III)/バナジウム(IV)混合物が調製された。塩酸も加えられ、最終的な溶液の塩化物濃度が1.5Mとされた。
以下の如く3:1のモル比のV2O3:V2O5粉末を組み合わせることで3M・V(3.5+)溶液が調製された:
使用されたV2O3の質量:168.64g
使用されたV2O5の質量:62.21g
また、1000mlの8M・HBrが150mlの10M・HClに混合され、攪拌され且つ約80℃に加熱された。上記V2O3粉末が上記HBr/HCl混合物に対して徐々に加えられてから、上記V2O5粉末が徐々に加えられた。上記溶液は次に約1時間に亙り略150℃まで沸騰された。最終的な体積は約1010mlであった。酸化バナジウムの溶解の間、検出された臭素は極めて僅かであった。但し、上記三酸化バナジウムおよび五酸化バナジウム粉末を上記HBr/HCl混合物に対して同時に加えることで同一のプロセスが反復された場合には、五酸化バナジウムが臭化物イオンを臭素へと酸化することで臭素ガスが形成されることが観察された。
レドックスフロー電池において使用される4M臭化バナジウム溶液が以下の方法により調製された:
1. 0.5モルのV2O5および1.5モルのV2O3の各粉末が2つの別体の容器内へと計量された。
以下の如く3:1のモル比のV2O3:V2O5粉末を反応させることで4M・V(3.5+)溶液が調製された:
使用されたV2O3の質量:169.00g
使用されたV2O5の質量:68.50g
また、1000mlの8M・HBrが150mlの10M・HClに混合され、攪拌され且つ約80℃に加熱された。上記V2O3粉末は25分に亙り徐々に加えられてから、上記V2O5が15分に亙り加えられて上記粉末が溶解された。上記溶液は次に約2時間に亙り750mlの最終体積まで沸騰された。溶解および沸騰の間において臭素は検出されなかった。
以下の如く3:1のモル比のV2O3:V2O5粉末を混合することで2M・V(3.5+)溶液が調製された:
使用されたV2O3の質量:112.50g
使用されたV2O5の質量:45.55g
800mlの8M・HBrおよび200mlの10M・HClが60℃にて還流により相互に攪拌された。V2O3粉末が35分に亙り徐々に加えられ、V2O5が追随した。上記粉末を加えて溶解するために約20分が必要とされた。検出された臭素ガスは極めて僅かであった。全ての粉末が溶解してから5分後、加熱および攪拌が停止された。次に、冷めた溶液は1000mlのフラスコ内に入れられ、該溶液を1000mlのマークまで上昇させるために63mlの蒸留水が必要とされた。
4.5:1のモル比の三酸化バナジウムおよび五酸化バナジウム粉末を8M・HBr中に化学的に溶解することで、体積が250mlである2M・V(3.33+)溶液が調製された。これは、8M・HBr溶液を還流し乍ら約60℃まで加熱し、30.75gのV2O3粉末を殆どが溶解するまで徐々に加える段階を含んでいた。これに続き、8.2gのV2O5粉末が徐々に加えられると共に、完全に溶解するまで還流し乍ら約1時間に亙り混合された。最終的な溶液は冷却され、濾過されてから、実施例6におけるのと同一のハロゲン化バナジウム・レドックスフロー電池の両側に加えられた。但しこの場合には、負の半電池において110mlの2M・V(3.3+)溶液が加えられる一方、正側に対しては同一の溶液が55mlだけ加えられた。
静的電池においてゲル化された臭化バナジウム電解液が試験され、その性能が非ゲル化溶液と比較された。ゲル化された臭化バナジウム溶液を調製すべく以下の手順が使用された。
充電の間に正の半電池において生成された臭素に対する錯化剤としてのポリエチレングリコール(PEG)の有効性が評価された。ガラス状カーボン基材に対して圧着されたL-01854膜およびFMI(USA)グラファイト・フェルト電極と、銅製集電体とを用いて電池が組立てられた。この電池の充電/放電の循環は、以下の電解液により実施された:
1)8M・HBr中の2Mバナジウム(3.5+)
2)50mLのPEGと、50mLの“8M・HBr中の2Mバナジウム(3.5+)”とを含む溶液
3)25mLのPEGと、75mLの“8M・HBr中の2Mバナジウム(3.5+)”とを含む溶液
電池の始動に先立ち、試験されるべき40mLの上記溶液が2つのリザーバの各々に注入された。各ポンプがON投入され、1時間に亙り上記溶液の循環が許容された。
Claims (19)
- 充電又は部分充電されたハロゲン化バナジウム・レドックス電池であって、
ハロゲン化物電解液と、ポリハロゲン化物錯体と、ハロゲン化バナジウム(IV)と、ハロゲン化バナジウム(V)とを含んだ正半電池液を含む正の半電池と、
ハロゲン化物電解液と、ハロゲン化バナジウム(II)と、ハロゲン化バナジウム(III)とを含んだ負半電池液を含む負の半電池と、
を含んで成り、
前記ポリハロゲン化物錯体のモル数と前記ハロゲン化バナジウム(II)のモル数との比は化学量論的平衡状態であり、該ポリハロゲン化物錯体のモル数と該ハロゲン化バナジウム(II)のモル数との比は0.7:2から1.3:2の範囲であることを特徴とするハロゲン化バナジウム・レドックス電池。 - ハロゲン化物は臭化物および臭化物と塩化物の組み合わせで成る群から選択され、
臭化物イオンの濃度は塩化物イオンの濃度よりも高く、全ハロゲン化物イオン濃度は全バナジウムイオン濃度の少なくとも3倍であることを特徴とする請求項1記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。 - ハロゲン化物は臭化物を含んでおり、ハロゲン化物電解液は臭素のための錯化剤も含有することを特徴とする請求項1または2記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液は固定化またはゲル化されていることを特徴とする請求項3記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- 正半電池液および負半電池液の全バナジウムイオン濃度はそれぞれ0.5Mから5Mの範囲であることを特徴とする請求項1記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液はHBr、LiBr、NaBr、KBrおよびそれらの任意の組み合わせで成る群から選択されることを特徴とする請求項5記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- 正の半電池と負の半電池に使用されている当初供給液体は1.8:1から2.2:1の範囲のモル比であるV(III)イオンとV(IV)イオンとを含んでおり、負の半電池液体の量と正の半電池液体の量との比は1.8:1から2.2:1の範囲であることを特徴とする請求項6記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液は、V(III)化合物とV(V)化合物を3:1のモル比でHBr、LiBr、NaBr、KBr、またはそれらの任意の組み合わせの液体内にて溶解させ、50:50の割合のV(III)イオンとV(IV)イオンの混合物を該液体内に生成することで生成されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液は、V 2 O 3 粉末とV 2 O 5 粉末を2.8:1から3.2:1の比でHBr、LiBr、NaBr、KBr、またはそれらの任意の組み合わせの液体内にて溶解させ、V(III)イオンとV(IV)イオンの混合物を該液体内に生成することで生成されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液は、等モル量のV(III)化合物とV(IV)化合物とをHBr、LiBr、NaBr、KBr、またはそれらの任意の組み合わせの液体内にて溶解させ、50:50の割合のV(III)イオンとV(IV)イオンの混合物を生成することで生成されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液の生成に使用されるV(III)化合物はV 2 O 3 であり、V(IV)化合物はV 2 O 4 であることを特徴とする請求項10記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- 生成されたハロゲン化物電解液は塩化物イオンも含んでいることを特徴とする請求項8または10に記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液はV(III)化合物とV(V)化合物を4.5:1のモル比でHBr、LiBr、NaBr、KBr、またはそれらの任意の組み合わせの液体内にて溶解させ、2:1の割合のV(III)イオンとV(IV)イオンの混合物を生成することで生成されることを特徴とする請求項7記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液は、V 2 O 3 粉末とV 2 O 5 粉末を4:1から4.9:1のモル比でHBr、LiBr、NaBr、KBr、またはそれらの任意の組み合わせの液体内にて溶解させ、2:1の割合のV(III)イオンとV(IV)イオンの混合物を該液体内に生成することで生成されることを特徴とする請求項7記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液はV(III)化合物とV(IV)化合物を2:1のモル比でHBr、LiBr、NaBr、KBr、またはそれらの任意の組み合わせの液体内にて溶解させ、2:1の割合のV(III)イオンとV(IV)イオンの混合物を生成することで生成されることを特徴とする請求項7記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液の生成に使用されるV(III)化合物はV 2 O 3 であり、V(IV)化合物はV 2 O 4 であることを特徴とする請求項15記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液は0.5Mから5Mの範囲で全バナジウムイオン濃度を有しており、全臭化物イオン濃度は2Mから12Mの範囲であることを特徴とする請求項1、2、3または7のいずれかに記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液は0.5Mから3Mの範囲の塩化物イオンも含んでいることを特徴とする請求項17記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
- ハロゲン化物電解液は、正半電池液を負半電池液と定期的に再混合し、両方の半電池内にてオリジナルのV(3.5+)電解液またはV(3.33+)電解液を生成することで再平衡化されることを特徴とする請求項1、5または7のいずれかに記載のハロゲン化バナジウム・レドックス電池。
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