JP5488281B2 - 溶融塩電池及び溶融塩組電池 - Google Patents

Description

本発明は、正極及び負極の夫々から導線にて電流を取り出す溶融塩電池、並びに該溶融塩電池を複数備える溶融塩組電池に関する。

近年、二酸化炭素の排出を伴わずに電力を発生させる手段として、太陽光、風力等の自然エネルギーを利用した発電が促進されている。自然エネルギーによる発電では、発電量が気候、天候等の自然条件に左右されることが多いのに加えて、電力需要に合わせた発電量の調整が難しいため、負荷に対する電力供給の平準化が不可欠となる。発電された電気エネルギーを充電及び放電させて平準化するには、高エネルギー密度・高効率で大容量の蓄電池が必要とされ、このような条件を満たす蓄電池として、電解質に溶融塩を用いた溶融塩電池が着目されている。

溶融塩電池は、例えば、ナトリウムの化合物からなる活物質を集電体に含ませてなる正極と、錫等の金属を集電体にメッキしてなる負極との間に、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属のカチオンとフッ素を含むアニオンとからなる溶融塩を含浸させたセパレータを介装させた発電要素を備える。発電要素に対する充放電は、正極及び負極夫々のアルミニウムからなる集電体に接合された導線を介して行われる。

導線の材質としては、安価で電気伝導度が高い銅が用いられることが多いが、溶融塩のような電解質に接する部位にイオン化傾向が異なる金属を置いた場合は、一方の金属から他方の金属に電流が流れることによって電蝕が発生することが知られている。これに対し、例えば特許文献１では、異種金属の接合部を樹脂で被覆することにより、電蝕を防止する技術が開示されている。

特開平０９−２９８０８４号公報

しかしながら、形状が異なる集電体と導線との接合部分を樹脂で被覆するには煩雑な工程が必要であり、コストアップにつながる問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、正極及び負極の夫々と各導線が、溶融塩による電蝕の影響を受け難い溶融塩電池、並びに該溶融塩電池を複数備える溶融塩組電池を提供することにある。

本発明に係る溶融塩電池は、正極及び負極の夫々から電流を取り出すための導線を備える溶融塩電池において、各導線は、前記正極及び負極の夫々と同種の金属材料を含むことを特徴とする。

本発明にあっては、正極の導線が正極と同種の金属材料を含み、負極の導線が負極と同種の金属材料を含む。
これにより、正極と導線、及び負極と導線が溶融塩に接することによって起こり得る電蝕が抑制される。

本発明に係る溶融塩電池は、各導線は、夫々の導線と同種の金属材料にて前記正極及び負極に接合してあることを特徴とする。

本発明にあっては、正極の導線と正極とを接合する金属材料が、正極の導線に含まれる金属材料と同種であり、負極の導線と正極とを接合する金属材料が、負極の導線に含まれる金属材料と同種である。
これにより、例えば正極と導線、及び負極と導線が、溶接棒を用いて夫々相互に接合される場合であっても、接合された部分の電蝕が抑制される。

本発明に係る溶融塩電池は、前記金属材料は、アルミニウム合金であることを特徴とする。

本発明にあっては、化学的には正極及び負極の材料に適しており、且つ溶融塩に対して耐腐食性を有するアルミニウムの合金によって、正極及び負極の金属材料と、これらの電極に夫々接合される部材の金属材料とが統一される。
これにより、溶融塩電池が安価に構成され、充放電電流の導電路における電気抵抗が低減される。

本発明に係る溶融塩電池は、前記正極に導線を複数備えることを特徴とする。

本発明にあっては、正極に複数の導線を接合して充放電電流を正極の複数箇所から流出入させる。
これにより、正極の活物質の電気伝導度が低いために、正極全体としての電気抵抗が大きくなる場合、導線が接合された正極の複数箇所から、充放電電流が正極全体に平準化されて行き渡るようになる。

本発明に係る溶融塩電池は、前記正極及び負極を横方向に並設してあり、前記正極を収容してある袋状のセパレータを備え、前記セパレータ、正極及び負極を溶融塩に浸漬させてあることを特徴とする。

本発明にあっては、負極と、袋状のセパレータに収容された正極とを、対向方向を横にして並設し、例えば電池容器に満たされた溶融塩に浸漬させる。
これにより、厚さが薄いセパレータを用いた場合であっても、正極及び負極間に溶融塩が密に介在することとなる。また、セパレータが袋状であるため、正極から脱落した活物質が、電池容器内に散逸することが防止される。

本発明に係る溶融塩電池は、正極及び負極を夫々複数備え、複数の負極、及び袋状の前記セパレータに各別に収容された複数の正極を交互に横方向に並設してあり、正極同士及び負極同士を並列的に接続してあることを特徴とする。

本発明にあっては、複数の負極と、袋状のセパレータに各別に収容された正極とを、横方向に交互に並設し、正極同士及び負極同士を各別に並列接続する。
これにより。複数の発電要素が並列に接続されて１つの溶融塩電池が構成されるため、電池電圧が一定に保たれて溶融塩電池の容量が増大する。

本発明に係る溶融塩組電池は、前述の溶融塩電池を複数備え、各溶融塩電池を直列的に接続してあることを特徴とする。

本発明にあっては、前述の溶融塩電池を複数個準備して、各溶融塩電池を直列接続する。
これにより、定格容量（Ａｈ単位）が一定に保持されて溶融塩電池の電池電圧が増大する。

本発明によれば、正極及び負極と夫々の導線とが、同種の金属材料を含む。
これにより、正極と導線、及び負極と導線が溶融塩に接することによって起こり得る電蝕が抑制される。
従って、正極及び負極の夫々と各導線が、溶融塩による電蝕の影響を受け難い溶融塩電池を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る溶融塩電池の要部構成例を模式的に示す斜視図である。 発電要素の構成例を模式的に示す横断面図である。 Ａは、本発明の実施の形態２に係る溶融塩電池の構成例を模式的に示す上面図であり、Ｂは、溶融塩電池の模式的な正面視の透視図である。 溶融塩組電池の模式的な正面視の透視図である。 溶融塩組電池の部分拡大断面図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る溶融塩電池の要部構成例を模式的に示す斜視図であり、図２は、発電要素の構成例を模式的に示す横断面図である。図中２１，２１，・・・２１は、電池容器（図示せず）内に収容されるべき矩形平板状の負極であり、６つの負極２１，２１，・・・２１と、袋状のセパレータ３１，３１，・・３１に各別に収容された矩形平板状の５つの正極１１，１１，・・１１とが、交互に横方向（図では前後方法）に並設されている。尚、正極１１、セパレータ３１及び負極２１が、１つの発電要素を構成する。つまり、本実施の形態１では、５つの発電要素が積層されている。

負極２１，２１，・・・２１の上端部の中央部には、電流を取り出すための矩形のタブ（導線）２２，２２，・・・２２の下端部が接合されている。タブ２２，２２，・・・２２の上端部は、矩形平板状のタブリード２３の下面に接合されている。正極１１，１１，・・１１の上端部の両側部には、電流を取り出すための矩形のタブ１２，１２，・・１２及びタブ１２，１２，・・１２の下端部が各別に接合されている。タブ１２，１２，・・１２及びタブ１２，１２，・・１２の上端部は、夫々矩形平板状のタブリード１３，１３の下面に各別に接合されている。これにより、上述した５つの発電要素が、電気的に並列接続される。

負極２１，２１，・・・２１は、負極活物質である錫がメッキされたアルミニウム（以下、単にアルミという）の合金板からなる。アルミは、正／負各電極の集電体に適した材料であり、且つ溶融塩に対して耐腐食性を有する。本実施の形態では、負極２１，２１，・・・２１の板厚が約１ｍｍであり、縦方向及び横方向夫々の寸法が、１００ｍｍ及び５００ｍｍである。負極２１，２１，・・・２１の縦方向及び横方向夫々の寸法は、正極１１，１１，・・１１の縦方向及び横方向の寸法の略１．２倍としてあり、正極１１，１１，・・１１の外縁が、セパレータ３１，３１，・・３１を介して負極２１，２１，・・・２１の周縁部に対向するようになっている。尚、上記倍率は１．２倍に限定されない。
正極１１，１１，・・１１は、アルミ合金の多孔質体に、バインダと導電助剤と正極活物質であるＮａＣｒＯ₂ とを含む合剤を充填して、約１ｍｍの板厚に形成してある。

正極１１，１１，・・１１では、活物質が金属より大きい抵抗率を有することから、充電時の負極２１，２１，・・・２１に対する正極１１，１１，・・１１の電位が、タブ１２，１２，・・１２に近い位置ほど高くなり、正極１１，１１，・・１１及び負極２１，２１，・・・２１の対向方向に流れる充電電流の密度が、タブ１２，１２，・・１２に近い位置ほど相対的に増大する傾向がある。このような充電電流の偏りを緩和する目的から、正極１１，１１，・・１１にはタブ１２，１２，・・１２を２つずつ設けてある。

セパレータ３１，３１，・・３１は、溶融塩電池が動作する温度で溶融塩に対する耐性を有するフッ素樹脂の膜からなり、多孔質に且つ袋状をなすように形成されている。セパレータ３１，３１，・・３１は、負極２１，２１，・・・２１及び正極１１，１１，・・１１と共に、略直方体状の電池容器内に満たされた溶融塩７の液面下約１０ｍｍの位置から下側に浸漬されている。これにより、多少の液面低下が許容される。タブリード１３，１３、２３は、積層された発電要素全体と外部の電気回路とを接続するための外部電極の役割を果たすものであり、溶融塩７の液面より上側に位置するようにしてある。溶融塩７は、ＦＳＩ（ビスフルオロスルフォニルイミド）又はＴＦＳＩ（ビストリフルオロメチルスルフォニルイミド）系アニオンと、ナトリウム及び／又はカリウムのカチオンとからなるが、これに限定されるものではない。

上述した構成において、図示しない外部の加熱手段により、電池容器全体が８５℃〜９５℃に加熱されることにより、溶融塩７が融解して充電及び放電が可能となる。溶融塩電池が充電される場合、ターミナルエフェクトによって負極２１，２１，・・・２１の周縁部に充電電流が集中し、デンドライトが析出し易くなる。本実施の形態１では、上述したように、負極２１，２１，・・・２１の寸法を正極１１，１１，・・１１の寸法より大きくしてあるため、正極１１，１１，・・１１の外縁部から負極２１，２１，・・・２１の周縁部に流入する充電電流の密度が部分的に高まることが防止される。その結果、正極１１，１１，・・１１の活物質に含まれる金属イオンが充電電流に応じて負極２１，２１，・・・２１に移動する際に、正極１１，１１，・・１１の外縁部に対応する負極２１，２１，・・・２１の位置周辺に金属イオンが集中することが防止され、デンドライトの生成が抑制される。

次に、溶融塩７に浸漬される負極２１，２１，・・・２１及び正極１１，１１，・・１１の夫々と、タブ２２，２２，・・・２２及びタブ１２，１２，・・１２との接合について説明する。
溶融塩７のような電解質に接する部位にイオン化傾向が異なる金属を置いた場合は、一方の金属から他の金属に電流が流れることによって電蝕が発生する。このため、本実施の形態１では、負極２１，２１，・・・２１とタブ２２，２２，・・・２２、及び正極１１，１１，・・１１とタブ１２，１２，・・１２とは、同種のアルミ合金を含むようにしてあり、電蝕の発生が防止される。負極２１，２１，・・・２１とタブ２２，２２，・・・２２とを接合する場合、又は正極１１，１１，・・１１とタブ１２，１２，・・１２とを接合する場合、例えば溶接棒のような他の接合材料を用いて接合するときは、接合する金属材料もアルミ合金を含むようにして電蝕の発生防止を確実なものとする。

以上のように本実施の形態１によれば、正極のタブが正極と同種の金属材料を含み、負極のタブが負極と同種の金属材料を含む。
これにより、正極とタブ、及び負極とタブが溶融塩に接することによって起こり得る電蝕が抑制される。
従って、正極及び負極の夫々と各導線（タブ）が、溶融塩による電蝕の影響を受け難い溶融塩電池を提供することが可能となる。

また、正極（又は負極）とタブとを、溶接棒のような他の金属材料を用いて接合する場合、接合する金属材料が、正極（又は負極）及びタブに含まれる金属材料と同種である。
従って、他の金属材料を用いて正極（又は負極）と導線（タブ）とを接合する場合であっても、接合された部分の電蝕を抑制することが可能となる。

更にまた、化学的には正極及び負極の材料に適しており、且つ溶融塩に対して耐腐食性を有するアルミの合金によって、正極及び負極の金属材料と、各電極に夫々接合されるタブ等の部材の金属材料とが統一される。
従って、溶融塩電池が安価に構成でき、充放電電流の導電路における電気抵抗を低減することが可能となる。

更にまた、各正極に２つのタブを接合して充放電電流を正極の上端部の２箇所から流出入させる。
これにより、正極の活物質の電気伝導度が低いために、正極全体としての電気抵抗が大きくなる場合、導線（タブ）が接合された正極の複数箇所から、充放電電流を正極全体に平準化させて行き渡らせることが可能となる。

更にまた、負極と、袋状のセパレータに収容された正極とを、横方向（前後方向）に並設して、電池容器に満たされた溶融塩に浸漬させる。
従って、膜状のセパレータを用いた場合であっても、正極及び負極間に溶融塩を密に介在させることができ、加えて、正極から脱落した活物質の電池容器内への散逸を防止することが可能となる。

更にまた、６つの負極と、袋状のセパレータに各別に収容された５つの正極とを、横方向（前後方向）に交互に並設し、正極同士及び負極同士を電気的に各別に並列接続する。
従って、５つの発電要素が並列に接続されて１つの溶融塩電池が構成されるため、電池電圧を一定に保って溶融塩電池の容量を増大させることが可能となる。

（実施の形態２）
実施の形態１が、複数の発電要素を電気的に並列接続して電池容量が大きい１つの溶融塩電池とする形態であるのに対し、実施の形態２は、複数の溶融塩電池を電気的に直列接続して電池電圧が高い溶融塩組電池とする形態である。

図３Ａは、本発明の実施の形態２に係る溶融塩電池の構成例を模式的に示す上面図であり、図３Ｂは、溶融塩電池の模式的な正面視の透視図である。図中６は、アルミ合金からなる電池容器であり、電池容器６は、中空で有底の略直方体形状をなしている。電池容器６の内側は、フッ素コートによって絶縁処理が施されている。電池容器６内には、実施の形態１と同様に、６つの負極２１，２１，・・・２１と、袋状のセパレータ３１，３１，・・３１に各別に収容された５つの正極１１，１１，・・１１とが、横方向（図では前後方向）に並設されている。負極２１，２１，・・・２１、セパレータ３１，３１，・・３１、及び正極１１，１１，・・１１は、構成が実施の形態１と同様であり、共に溶融塩７に浸漬されている。

負極２１，２１，・・・２１の上端部には、電池容器６の一方の側壁６１に近い側に、電流を取り出すための矩形のタブ（導線）２２，２２，・・・２２の下端部が接合されている。タブ２２，２２，・・・２２の上端部は、矩形平板状のタブリード２３の下面に接合されている。正極１１，１１，・・１１の上端部には、電池容器６の他方の側壁６２に近い側に、電流を取り出すための矩形のタブ１２，１２，・・１２の下端部が各別に接合されている。タブ１２，１２，・・１２の上端部は、矩形平板状のタブリード１３の下面に接合されている。これにより、負極２１、セパレータ３１及び正極１１からなる発電要素が、５つ並列に接続される。

次に、溶融塩電池を組み合わせた溶融塩組電池について説明する。
図４は、溶融塩組電池の模式的な正面視の透視図であり、図５は、溶融塩組電池の部分拡大断面図である。図５は、図４のＡ部分に対応する部分を拡大図示するものである。溶融塩組電池は、電池容器６，６，６，６に各別に収容された４つの溶融塩電池の側壁６１，６２同士を突き合わせて構成されている。互いに対向する側壁６１，６２の両側に位置するタブリード１３，２３同士は、電気的に接続されている。
以下では、Ａ部分について説明する。

図５において、側壁６１，６２の上側の中央部には、横方向に貫通する貫通孔が設けられており、この貫通孔の側壁６１側からは、テフロン（登録商標）からなる絶縁性のブッシング（軸受筒）４１が嵌入されている。更に、前記貫通孔の側壁６２側からは、その外径がブッシング４１の内径と略一致しており、テフロンからなるブッシング４２が嵌入されている。ブッシング４２には、その外径がブッシング４２の内径と略一致しており、アルミ合金からなるボルト５１が、側壁６１側からワッシャ５３を介して挿通されている。ボルト５１は、側壁６２側において、アルミ合金からなるナット５２に、ワッシャ５３を介して螺嵌されている。

以上の構成により、側壁６１，６２が、絶縁性のブッシング４１，４２を介してボルト５１及びナット５２により締結されると共に、ワッシャ５３，５３が、ボルト５１を介して電気的に接続される。この場合、ワッシャ５３，５３は、側壁６１，６２から電気的に絶縁されている。
一方、側壁６１，６２側の夫々のワッシャ５３，５３には、アルミ合金からなるリード線２４，１４が各別に接合されており、該リード線２４，１４の夫々は、タブリード２３，１３に接合されている。これにより、隣り合う溶融塩電池同士が電気的に直列接続される。

その他、実施の形態１に対応する箇所には同様の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

以上のように本実施の形態２によれば、４つの溶融塩電池が電気的に直列接続される。
従って、定格容量（Ａｈ単位）を保持しつつ溶融塩電池の電池電圧を複数倍に増大させることが可能となる。

尚、実施の形態１及び２にあっては、電極数で言えば、６つの負極２１，２１，・・・２１と、５つの正極１１，１１，・・１１とで５つの発電要素を構成したが、これに限定されるものではなく、各電極の個数を上記より同じ数だけ増減させてもよい。また、負極２１，２１，・・・２１と正極１１，１１，・・１１の個数を同一にしてもよいし、負極２１，２１，・・・２１の個数より正極１１，１１，・・１１の個数を１つ多くしてもよい。更にまた、負極２１及び正極１１を１つずつ備えるものであってもよい。

また、袋状のセパレータ３１，３１，・・３１が正極１１，１１，・・１１を各別に収容する例を示したが、負極２１，２１，・・・２１を各別に収容するようにしてもよい。但し、寸法が小さい正極１１，１１，・・１１を収容する方が、セパレータ３１，３１，・・３１の寸法が小さくて済む。また、正極１１，１１，・・１１から脱落した活物質を袋内に止める意義が大きいことから、セパレータ３１，３１，・・３１が正極１１，１１，・・１１を収容することが好ましい。

更にまた、負極２１，２１，・・・２１及び正極１１，１１，・・１１の夫々に、矩形のタブ１２，１２，・・１２が接合されている例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、同種の金属材料を含むリード線を接合するようにしてもよい。そして、正極１１，１１，・・１１に接合されるタブ２２，２２，・・・２２の数は、１又は２に限定されるものではなく、３以上であってもよい。

更にまた、負極２１，２１，・・・２１及び正極１１，１１，・・１１の夫々が、金属材料としてアルミの合金を含む例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば負極２１，２１，・・・２１の集電体としてのアルミ合金板に替えてステンレス鋼板を用いてもよい。但し、この場合は、電蝕を防止するためにタブ２２，２２，・・・２２の金属材料もステンレス鋼を含むようにすることになるが、電気抵抗を小さくするためには、これらの金属材料をアルミ合金に統一することが好ましい。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１１，１１，・・１１ 正極
１２，１２，・・１２ タブ（導線）
１３、１３ タブリード
１４ リード線
２１，２１，・・・２１ 負極
２２，２２，・・・２２ タブ（導線）
２３ タブリード
２４ リード線
３１，３１，・・３１ セパレータ
６ 電池容器
７ 溶融塩

Claims (7)

1. 正極及び負極の夫々から電流を取り出すための導線を備える溶融塩電池において、
   各導線は、前記正極及び負極の夫々と同種の金属材料を含むことを特徴とする溶融塩電池。
2. 各導線は、夫々の導線と同種の金属材料にて前記正極及び負極に接合してあることを特徴とする請求項１に記載の溶融塩電池。
3. 前記金属材料は、アルミニウム合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融塩電池。
4. 前記正極に導線を複数備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の溶融塩電池。
5. 前記正極及び負極を横方向に並設してあり、
   前記正極を収容してある袋状のセパレータを備え、
   前記セパレータ、正極及び負極を溶融塩に浸漬させてあること
   を特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の溶融塩電池。
6. 正極及び負極を夫々複数備え、複数の負極、及び袋状の前記セパレータに各別に収容された複数の正極を交互に横方向に並設してあり、
   正極同士及び負極同士を並列的に接続してあること
   を特徴とする請求項５に記載の溶融塩電池。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の溶融塩電池を複数備え、
   各溶融塩電池を直列的に接続してあること
   を特徴とする溶融塩組電池。

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