JP6176761B2 - Vanadium solid salt battery - Google Patents
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Description
本発明は、バナジウムを活物質として含む電解質を用いたバナジウム電池に関する。特に、正極及び負極に、バナジウム固体塩を含むバナジウム固体塩電池(以下、「VSSB(Vanadium Solid-Salt Battery)」ともいう。)に関する。 The present invention relates to a vanadium battery using an electrolyte containing vanadium as an active material. In particular, the present invention relates to a vanadium solid salt battery containing a vanadium solid salt in a positive electrode and a negative electrode (hereinafter also referred to as “VSB (Vanadium Solid-Salt Battery)”).
二次電池は、デジタル家電製品のみならず、モーター動力を用いた電気自動車、ハイブリッド自動車にも広く使用される。このような二次電池の中で、バナジウム固体塩電池が提案されている(特許文献1)。特許文献1のバナジウム固体塩電池は、バナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンを含有する析出物を、炭素フェルト等の電極材に担持した正極及び負極を備える。
Secondary batteries are widely used not only in digital home appliances but also in electric vehicles and hybrid vehicles using motor power. Among such secondary batteries, a vanadium solid salt battery has been proposed (Patent Document 1). The vanadium solid salt battery of
特許文献1のバナジウム固体塩電池は、更なる電池性能の向上が望まれている。ここで、電池性能とは、容量維持率、クーロン効率、及び、エネルギー効率が挙げられる。従来、電解液流通型のレドックスフロー電池については、電池性能を高めるための研究は進められていたが、バナジウム固体塩電池について、電池性能を上げることはできなかった。
The vanadium solid salt battery of
本発明は、容量維持率、クーロン効率、及び、エネルギー効率を向上したバナジウム固体塩電池を提供することを課題とする。 This invention makes it a subject to provide the vanadium solid salt battery which improved the capacity | capacitance maintenance factor, the coulomb efficiency, and energy efficiency.
本発明1は、バナジウムイオン及び/又はバナジウムを含むイオンと、電解液と、炭素材料とを含むバナジウム固体塩を、正極及び負極に含み、前記正極の前記炭素材料は、ラマン分光法により求めたR値が1.10以下であるか又は、X線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)が0.33〜0.36nmである炭素材料粉末であり、前記正極の前記バナジウム固体塩は、炭素材料の含有量が1〜42質量%であることを特徴とするバナジウム固体塩電池に関する。
本発明2は、前記電解液に硫酸を含み、正極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸の体積モル濃度が0.34〜0.80mol/Lであり、負極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸の体積モル濃度が1.83〜2.24mol/Lである、本発明1記載のバナジウム固体塩電池に関する。
本発明3は、前記電解液にリン酸又はリン酸塩を含み、正極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中のリン酸又はリン酸塩の体積モル濃度が0.20〜0.66mol/Lであり、負極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中のリン酸又はリン酸塩の体積モル濃度が0.18〜0.60mol/Lである、本発明1又は2記載のバナジウム固体塩電池に関する。
本発明4は、正極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比は1:0.25〜1:1.94であり、負極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比は1:0.082〜1:0.333である、本発明3記載のバナジウム固体塩電池に関する。
本発明5は、正極用バナジウム固体塩及び負極用バナジウム固体塩の少なくとも一方に、さらにバインダーを含む、本発明1〜4のいずれかに記載のバナジウム固体塩電池に関する。
本発明6は、バナジウム固体塩電池に用いるバナジウム固体塩を形成するためのバナジウム固体塩用組成物であって、正極用のバナジウム固体塩用組成物は、酸化硫酸バナジウム(IV)と、電解液と、ラマン分光法により求めたR値が1.10以下であるか又はX線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)が0.33〜0.36nmである炭素材料粉末とを含み、前記組成物100質量%に対して、酸化硫酸バナジウム(IV)の含有量が57.0〜85.0質量%である、バナジウム固体塩用組成物に関する。
本発明7は、バナジウム固体塩電池に用いるバナジウム固体塩を形成するためのバナジウム固体塩用組成物であって、負極用のバナジウム固体塩用組成物は、硫酸バナジウム(III)と、電解液と、ラマン分光法により求めたR値が1.10以下であるか又はX線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)が0.33〜0.36nmである炭素材料粉末とを含み、前記組成物100質量%に対して、硫酸バナジウム(III)の含有量が56.0〜83.0質量%である、バナジウム固体塩用組成物に関する。
The
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The present invention 7 is a vanadium solid salt composition for forming a vanadium solid salt used in a vanadium solid salt battery, wherein the vanadium solid salt composition for a negative electrode comprises vanadium (III) sulfate, an electrolytic solution, Carbon material powder having an R value determined by Raman spectroscopy of 1.10 or less or a lattice spacing d (d002) measured by X-ray powder method of 0.33 to 0.36 nm, It is related with the composition for vanadium solid salt whose content of vanadium (III) sulfate is 56.0-83.0 mass% with respect to 100 mass% of compositions.
本発明は、バナジウム固体塩にラマン分光法により求めたR値が1.10以下であるか又はX線粉末法によって測定された格子間隔(d002)が0.33〜0.36nmである炭素材料粉末を特定量含むことによって、正極及び負極におけるバナジウムイオン又はバナジウムを含むイオンの酸化還元状態の均衡を維持することができる。本発明は、正極及び負極におけるバナジウムイオン又はバナジウムを含むイオンの酸化還元状態の均衡を維持することによって、バナジウム固体塩電池の容量維持率、クーロン効率、及び、エネルギー効率を向上することができる。 The present invention relates to a carbon material having an R value obtained by Raman spectroscopy of vanadium solid salt of 1.10 or less or a lattice spacing (d002) measured by X-ray powder method of 0.33 to 0.36 nm. By including a specific amount of powder, it is possible to maintain the balance of the redox state of vanadium ions or ions containing vanadium in the positive electrode and the negative electrode. The present invention can improve the capacity maintenance rate, coulomb efficiency, and energy efficiency of a vanadium solid salt battery by maintaining the balance of the redox state of vanadium ions or vanadium-containing ions in the positive electrode and the negative electrode.
〔バナジウム固体塩電池〕
バナジウム固体塩電池は、バナジウムイオン及び/又はバナジウムを含む陽イオンと、電解液と、炭素材料とを含むバナジウム固体塩を、正極及び負極に備える。バナジウム固体塩電池は、正極と負極の間を区画する隔膜を備える。また、正極及び負極のそれぞれに引出し電極を備える。
[Vanadium solid salt battery]
The vanadium solid salt battery includes vanadium solid salts containing vanadium ions and / or cations containing vanadium, an electrolytic solution, and a carbon material in the positive electrode and the negative electrode. The vanadium solid salt battery includes a diaphragm that partitions the positive electrode and the negative electrode. In addition, an extraction electrode is provided for each of the positive electrode and the negative electrode.
図1は、バナジウム固体塩電池の概略構成を示す図である。バナジウム固体塩電池は、図1に示す例に限定されない。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a vanadium solid salt battery. The vanadium solid salt battery is not limited to the example shown in FIG.
図1に示すように、バナジウム固体塩電池1は、正極用のバナジウム固体塩2を含む正極7と、負極用のバナジウム固体塩3を含む負極8と、正極用バナジウム固体塩2と負極用バナジウム固体塩3とを区画する隔膜4とを含む。バナジウム固体塩電池は、次のように製造することができる。
As shown in FIG. 1, a vanadium
まずバナジウム固体塩電池1の正極7は、次のように製造することができる。バナジウム固体塩電池1の正極7は、セルを構成する第1のセル板11a上に第1の集電体5を設置する。次に、第1の集電体5上に第1の型枠12aを設置する。さらに、第1の型枠12a内に、正極用バナジウム固体塩2を構成するペースト状のバナジウム固体塩用組成物を充填し、正極用バナジウム固体塩2とする。
First, the positive electrode 7 of the vanadium
正極7は、第1の集電体5と第1のセル板11aの間に、第1の引出し電極9を備える。
The positive electrode 7 includes a first extraction electrode 9 between the first
バナジウム固体塩電池1の負極8は、正極7と同様に製造することができる。まず、セルを構成する第2のセル板11b上に第2の集電体6を設置する。次に、第2の集電体6上に、第2の型枠12bを設置する。さらに、第2の型枠12b内に、負極用バナジウム固体塩3を構成するペースト状のバナジウム固体塩用組成物を充填し、負極用バナジウム固体塩3とする。
The negative electrode 8 of the vanadium
負極8は、第2の集電体6と第2のセル板11bの間に、第2の引出し電極10を備える。
The negative electrode 8 includes a
図1に示すバナジウム固体塩電池1は、正極用バナジウム固体塩2と負極用バナジウム固体塩3との間に隔膜4とを挟み、第1のセル板11a及び第2のセル板11bの周囲を複数のネジ13で固定する。
A vanadium
バナジウム固体塩電池は、正極及び負極において、次のような反応を生じる。 In the vanadium solid salt battery, the following reaction occurs in the positive electrode and the negative electrode.
正極:VOX2・nH2O(s)⇔VO2X・nH2O(s)+HX+H++e− (3) Positive electrode: VOX 2 · nH 2 O (s) ⇔VO 2 X · nH 2 O (s) + HX + H + + e − (3)
負極:VX3・nH2O(s)+e−⇔2VX2・nH2O(s)+X− (4) Negative electrode: VX 3 · nH 2 O (s) + e − ⇔2VX 2 · nH 2 O (s) + X − (4)
正極及び負極において生じる反応式において、Xは1価の陰イオンを表す。ただし、Xがm価の陰イオンであっても、結合係数(1/m)が考慮されるものとして理解しても良い。またここでは、「⇔」は平衡を意味するが、前記式において平衡とは可逆反応の生成物の変化量と出発物質の変化量が合致した状態を意味する。また、反応式において、nは様々な値をとり得ることを示す。 In the reaction formula generated in the positive electrode and the negative electrode, X represents a monovalent anion. However, even if X is an m-valent anion, it may be understood that the coupling coefficient (1 / m) is considered. Here, “⇔” means equilibrium, but in the above formula, equilibrium means a state where the amount of change in the product of the reversible reaction matches the amount of change in the starting material. In the reaction formula, n indicates that various values can be taken.
バナジウム固体塩電池の一実施形態として、正極における反応を以下に示す。 As one embodiment of the vanadium solid salt battery, the reaction at the positive electrode is shown below.
VOSO4・nH2O(s)⇔VOSO4・nH2O(aq)⇔VOSO4(aq)
+nH2O(aq) (5)
VOSO 4 · nH 2 O (s) ⇔VOSO 4 · nH 2 O (aq) ⇔VOSO 4 (aq)
+ NH 2 O (aq) (5)
(VO2)2・SO4・nH2O(s)⇔(VO2)2・SO4・nH2O(aq)⇔
(VO2)2SO4(aq)+nH2O(aq) (6)
(VO 2 ) 2 · SO 4 · nH 2 O (s) ⇔ (VO 2 ) 2 · SO 4 · nH 2 O (aq) ⇔
(VO 2 ) 2 SO 4 (aq) + nH 2 O (aq) (6)
VO2+(aq)+VO2 +(aq)⇔V2O3 3+(aq) (7)
VO 2+ (aq) + VO 2 + (aq) ⇔V 2
VO2+(aq)+SO4 2−(aq)⇔VOSO4(aq) (8) VO 2+ (aq) + SO 4 2− (aq) ⇔VOSO 4 (aq) (8)
2VO2+(aq)+SO4 2−(aq)⇔(VO2)2SO4(aq) (9) 2VO 2+ (aq) + SO 4 2- (aq) ⇔ (VO 2) 2 SO 4 (aq) (9)
本発明のバナジウム固体塩電池の一実施形態として、負極における反応を以下に示す。 As an embodiment of the vanadium solid salt battery of the present invention, the reaction in the negative electrode is shown below.
V2(SO4)3・nH2O(s)⇔V2(SO4)3・nH2O(aq)⇔
V2(SO4)3+nH2O(aq) (10)
V 2 (SO 4 ) 3 · nH 2 O (s) ⇔ V 2 (SO 4 ) 3 · nH 2 O (aq) ⇔
V 2 (SO 4 ) 3 + nH 2 O (aq) (10)
VSO4・nH2O(s)⇔VSO4・nH2O(aq)⇔VSO4(aq)
+nH2O(aq) (11)
VSO 4 · nH 2 O (s) ⇔VSO 4 · nH 2 O (aq) ⇔VSO 4 (aq)
+ NH 2 O (aq) (11)
2V3+(aq)+3SO4 2−⇔V2(SO4)3(aq) (12) 2V 3+ (aq) + 3SO 4 2− ⇔V 2 (SO 4 ) 3 (aq) (12)
〔バナジウム固体塩〕
正極又は負極を構成するバナジウム固体塩は、バナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンと、炭素材料と、電解液とを含む。本明細書において、バナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンを含有する化合物と、炭素材料と、電解液とを含み、固体状となったものをバナジウム固体塩という。また、本明細書において、バナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンを含有する化合物と、炭素材料と、電解液とを含み、固体状となる以前の状態をバナジウム固体塩用組成物という。ここで、固体状となる以前の状態とは、例えば、バナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンを含有する化合物と、炭素材料と、電解液とを混合する前の状態、混合してペースト状等となった状態等の、固体状となる以前の状態を含む。
[Vanadium solid salt]
The vanadium solid salt constituting the positive electrode or the negative electrode includes vanadium ions or cations containing vanadium, a carbon material, and an electrolytic solution. In this specification, vanadium ion or a compound containing a cation containing vanadium, a carbon material, and an electrolyte solution, which is in a solid state, is referred to as vanadium solid salt. Further, in this specification, a state before vanadium ion or a compound containing a cation containing vanadium, a carbon material, and an electrolytic solution and before becoming solid is referred to as a composition for vanadium solid salt. Here, the state before becoming solid is, for example, a state before mixing a vanadium ion or a compound containing a cation containing vanadium, a carbon material, and an electrolytic solution, mixing and pasting, etc. Including the previous state of solid state, such as the state of becoming.
炭素材料は、ラマン分光法により求めたR値が1.10以下であるか又は、X線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)が0.33〜0.36nmである炭素材料粉末である。 The carbon material is a carbon material powder having an R value obtained by Raman spectroscopy of 1.10 or less, or a lattice distance d (d002) measured by an X-ray powder method of 0.33 to 0.36 nm. is there.
炭素材料の黒鉛化度は、一般的にラマン分光法により求められたラマンスペクトルにおけるDバンド(1350cm−1付近に表れるピーク)とGバンド(1580cm−1付近に表れるピーク)の強度比であるR値(R=ID/IG)によって表される。Gバンドは、炭素材料のsp2結合炭素の平面構造(三次元規則構造)を反映する。また、Dバンドは、結晶の乱れを反映する。さらに、炭素材料のラマンスペクトルには、2Dバンド(2685cm−1付近に表れるピーク)も存在する場合がある。2Dバンドも、結晶の乱れを反映する。R値が小さいと黒鉛化度が高い、すなわち、炭素材料の結晶化度が高いことを表す。 Degree of graphitization of the carbon material, the intensity ratio of D band in general Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy (1350 cm peak appearing in the vicinity of -1) and G band (peak appearing around 1580 cm -1) R It is represented by the value (R = I D / I G ). The G band reflects the planar structure (three-dimensional ordered structure) of sp 2 bonded carbon of the carbon material. The D band reflects the disorder of the crystal. Further, a 2D band (a peak appearing in the vicinity of 2585 cm −1 ) may also exist in the Raman spectrum of the carbon material. The 2D band also reflects crystal turbulence. When the R value is small, the graphitization degree is high, that is, the crystallinity of the carbon material is high.
ラマン分光法により求めたR値が1.10以下であり、結晶化度の比較的高い炭素材料は、炭素同士の結合が十分形成されており、炭素の積層構造におけるエッジ面に対する基底面の割合も多い。そのため、炭素と結合可能な官能基や吸着可能な酸素の量が少なく、例えば正極において、充電状態である5価の酸化バナジウムイオン(VO2+)が4価の酸化バナジウムイオン(VO2 +)に還元(放電)されてしまうことを抑制することができる。また、例えば負極において、充電状態である2価のバナジウムイオン(V2+)が3価のバナジウムイオン(V3+)に酸化(放電)されてしまうことを抑制することができる。ラマン分光法により求めたR値が1.10を超えると、炭素同士の結合が解かれ、官能基と結合可能な炭素や酸素を吸着可能な炭素の割合が増える。酸化や還元に関与する官能基や酸素の割合が増えることにより活物質が酸化や還元される。このため、正極における充電状態の5価の酸化バナジウムイオンの還元、及び/又は、負極における充電状態の2価のバナジウムイオンの酸化を抑制することができず、電池における酸化還元状態の均衡が崩れる。酸化還元状態の均衡が崩れた電池は、電池容量が低下する。
A carbon material having an R value determined by Raman spectroscopy of 1.10 or less and a relatively high degree of crystallinity has a sufficient bond between carbon atoms, and the ratio of the basal plane to the edge plane in the carbon laminate structure There are also many. Therefore, small amount of binding functional groups and capable of adsorbing oxygen and carbon, for example, in the positive electrode, the pentavalent vanadium oxide ion (VO 2+) tetravalent vanadium oxide ion is charge state (
炭素材料は、結晶化度が高いものであることが好ましい。炭素材料は、ラマン分光法により求めたR値が、好ましくは1.05以下であり、より好ましくは1.00以下であり、さらに好ましくは0.80以下であり、特に好ましくは0.50以下である。また、炭素材料のラマン分光法により求めたR値の下限値は、測定可能な範囲であれば特に制限されないが、通常は0.10以上である。 The carbon material preferably has a high crystallinity. The carbon material has an R value determined by Raman spectroscopy of preferably 1.05 or less, more preferably 1.00 or less, still more preferably 0.80 or less, and particularly preferably 0.50 or less. It is. The lower limit of the R value obtained by Raman spectroscopy of the carbon material is not particularly limited as long as it is a measurable range, but is usually 0.10 or more.
炭素材料は、X線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)が0.33〜0.36nmである炭素材料粉末である。
X線粉末法によって測定される格子間隔d(d002)は、X線粉末法によって得られる回折スペクトルのc軸(002)由来のピークからブラッグの式(I)に基づいて求めることができる。
d=λ/(2×SinθB) ・・・(I)
(式中、dは格子間隔d(d002)であり、λは波長0.154nmであり、θBはブラッグ角である。)
X線粉末法によって測定された格子間隔dが0.33〜0.36nmである炭素材料粉末は、sp2結合炭素の平面構造を有し、三次元規則構造を示す天然黒鉛の構造に近く、結晶化度が高いことを示す。理想的な天然グラファイト粉末のc軸(002)面格子間隔d(d002)は、0.3354nmであり、この値に近づくほど、結晶性の高い炭素材料粉末であるといえる。
The carbon material is a carbon material powder having a lattice interval d (d002) measured by the X-ray powder method of 0.33 to 0.36 nm.
The lattice spacing d (d002) measured by the X-ray powder method can be obtained from the peak derived from the c-axis (002) of the diffraction spectrum obtained by the X-ray powder method based on the Bragg equation (I).
d = λ / (2 × Sinθ B ) (I)
(Where d is the lattice spacing d (d002), λ is the wavelength of 0.154 nm, and θ B is the Bragg angle.)
A carbon material powder having a lattice spacing d measured by the X-ray powder method of 0.33 to 0.36 nm has a planar structure of sp 2 -bonded carbon and is close to the structure of natural graphite showing a three-dimensional ordered structure, It indicates that the degree of crystallinity is high. An ideal natural graphite powder has a c-axis (002) plane lattice spacing d (d002) of 0.3354 nm, and the closer to this value, the higher the crystallinity of the carbon material powder.
X線粉末法によって測定された格子間隔dが0.33〜0.36nmであると、炭素材料粉末の結晶構造が、三次元規則構造に近い構造となり、非常に安定な構造となるため、正極又は負極におけるバナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンの酸化還元状態の均衡を保つことができる。X線粉末法によって測定された格子間隔dが0.33未満又は0.36を超えると、炭素材料粉末の結晶構造が乱れ、結晶構造の乱れに伴い、正極又は負極におけるバナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンの酸化還元状態の均衡が崩れ、電池容量が低下する。
結晶化度の比較的高い炭素材料は、炭素同士の結合が十分形成されており、炭素の積層構造におけるエッジ面に対する基底面の割合も多い。そのため、炭素と結合可能な官能基や吸着可能な酸素の量は少ない。格子間隔d(d002)が0.33nm未満又は0.36nmを超えると炭素同士の結合が解かれ、官能基と結合可能な炭素や酸素を吸着可能な炭素の割合が増える。酸化や還元に関与する官能基や酸素の割合が増えることにより活物質が酸化や還元される。
When the lattice spacing d measured by the X-ray powder method is 0.33 to 0.36 nm, the crystal structure of the carbon material powder becomes a structure close to a three-dimensional regular structure and becomes a very stable structure. Alternatively, the redox state of vanadium ions or cations containing vanadium in the negative electrode can be balanced. When the lattice spacing d measured by the X-ray powder method is less than 0.33 or exceeds 0.36, the crystal structure of the carbon material powder is disturbed, and the vanadium ions or vanadium in the positive electrode or the negative electrode are included along with the disorder of the crystal structure. The balance of the cation redox state is lost, and the battery capacity is reduced.
A carbon material having a relatively high degree of crystallinity has a sufficient bond between carbon atoms, and the ratio of the basal plane to the edge surface in the carbon laminate structure is large. Therefore, the amount of functional groups that can be bonded to carbon and adsorbable oxygen is small. When the lattice spacing d (d002) is less than 0.33 nm or exceeds 0.36 nm, the bonds between carbons are released, and the proportion of carbon that can be bonded to a functional group and carbon that can adsorb oxygen increases. The active material is oxidized and reduced by increasing the proportion of functional groups and oxygen involved in oxidation and reduction.
ラマン分光法により求めたR値及びX線粉末法によって測定された格子間隔dは、両者ともに炭素材料粉末の結晶化度を示す指標である。ラマン分光法により求めたR値は、炭素材料粉末の表面における結晶の状態を示す。また、X線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)は、炭素材料粉末内部の結晶の状態を示す。これらの測定方法の違いにより、炭素材料粉末は、ラマン分光法により求めたR値が1.10以下であるか又は、X線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)が0.33〜0.36nmを満たす炭素材料粉末を使用する。 The R value obtained by Raman spectroscopy and the lattice spacing d measured by the X-ray powder method are both indices indicating the crystallinity of the carbon material powder. The R value obtained by Raman spectroscopy indicates the state of crystals on the surface of the carbon material powder. The lattice spacing d (d002) measured by the X-ray powder method indicates the state of crystals inside the carbon material powder. Due to the difference in these measurement methods, the carbon material powder has an R value obtained by Raman spectroscopy of 1.10 or less, or a lattice spacing d (d002) measured by the X-ray powder method is 0.33 to 0.33. A carbon material powder satisfying 0.36 nm is used.
炭素材料は、ラマン分光法により求めたR値が1.10以下であるか又は、X線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)が0.33〜0.36nmである炭素材料粉末であれば、特に種類等は限定されない。炭素材料粉末としては、例えば天然グラファイト、黒鉛化カーボンブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。市販の黒鉛化カーボンブラックとしては、例えば、トーカブラック#3855、トーカブラック#3845、トーカブラック#3800(東海カーボン社製)等が挙げられる。
The carbon material is a carbon material powder having an R value obtained by Raman spectroscopy of 1.10 or less, or a lattice distance d (d002) measured by an X-ray powder method of 0.33 to 0.36 nm. If there are any, the type and the like are not particularly limited. Examples of the carbon material powder include natural graphite, graphitized carbon black, and acetylene black. Examples of commercially available graphitized carbon black include Talker Black # 3855,
炭素材料は、バナジウム固体塩100質量%又はバナジウム固体塩用組成物100質量%に対して、1〜42質量%である。炭素材料は、バナジウム固体塩100質量%又はバナジウム固体塩用組成物100質量%に対して、好ましくは2〜41質量%、より好ましくは3〜40質量%、さらに好ましくは4〜38質量%、最も好ましくは5〜35質量%である。バナジウム固体塩又はバナジウム固体塩用組成物中の炭素材料の含有量が1質量%未満であると、電子(e−)を伝達することができず、容量維持率、クーロン効率、及び、エネルギー効率が低下する。一方、バナジウム固体塩中の炭素材料の含有量が42質量%を超えると、バナジウム固体塩中に含まれるバナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンが少なくなり、電池容量が低下する。 A carbon material is 1-42 mass% with respect to 100 mass% of vanadium solid salt, or 100 mass% of compositions for vanadium solid salt. The carbon material is preferably 2 to 41% by mass, more preferably 3 to 40% by mass, and further preferably 4 to 38% by mass with respect to 100% by mass of the vanadium solid salt or 100% by mass of the composition for vanadium solid salt. Most preferably, it is 5-35 mass%. When the content of the carbon material in the vanadium solid salt or the vanadium solid salt composition is less than 1% by mass, electrons (e − ) cannot be transmitted, and the capacity retention rate, the coulomb efficiency, and the energy efficiency Decreases. On the other hand, when the content of the carbon material in the vanadium solid salt exceeds 42% by mass, vanadium ions or cations containing vanadium contained in the vanadium solid salt decrease, and the battery capacity decreases.
正極用バナジウム固体塩又は正極用のバナジウム固体塩用組成物は、好ましくは4価及び5価の間で酸化数が変化するバナジウムを含む陽イオンを含有する化合物を使用する。4価及び5価の間で酸化数が変化するバナジウムを含む陽イオンとしては、VO2+(IV)、VO2 +(V)が例示できる。正極用のバナジウム固体塩に使用する化合物としては、酸化硫酸バナジウム(IV)(VOSO4・nH2O)、酸化硫酸バナジウム(V)((VO2)2SO4・nH2O)が例示できる。nは、0又は1〜6の整数を示す。 The vanadium solid salt for positive electrode or the composition for vanadium solid salt for positive electrode preferably uses a compound containing a cation containing vanadium whose oxidation number changes between tetravalent and pentavalent. The cation containing tetravalent and pentavalent vanadium oxidation number changes between, VO 2+ (IV), VO 2 + (V) can be exemplified. Examples of the compound used for the positive electrode vanadium solid salt include vanadium oxide (IV) sulfate (VOSO 4 .nH 2 O) and vanadium oxide sulfate (V) ((VO 2 ) 2 SO 4 .nH 2 O). . n shows 0 or the integer of 1-6.
酸化硫酸バナジウム(IV)は、正極用バナジウム固体塩100質量%又は正極用のバナジウム固体塩用組成物100質量%に対して、57.0〜85.0質量%である。酸化硫酸バナジウム(IV)の含有量は、正極用バナジウム固体塩100質量%又は正極用のバナジウム固体塩用組成物100質量%に対して、好ましくは58.0〜84.0質量%、より好ましくは60.0〜83.0質量%、さらに好ましくは62.0〜82.0質量%である。酸化硫酸バナジウム(IV)の含有量が57.0〜85.0質量%であると、要求される電池容量を満たすことができる。 Vanadium oxide sulfate (IV) is 57.0-85.0 mass% with respect to 100 mass% of vanadium solid salts for positive electrodes, or 100 mass% of vanadium solid salt compositions for positive electrodes. The content of vanadium oxide (IV) oxide is preferably 58.0 to 84.0% by mass, more preferably 100% by mass of the vanadium solid salt for positive electrode or 100% by mass of the composition for vanadium solid salt for positive electrode. Is 60.0-83.0 mass%, more preferably 62.0-82.0 mass%. When the content of vanadium oxide (IV) oxide is 57.0 to 85.0% by mass, the required battery capacity can be satisfied.
負極用バナジウム固体塩又は負極用のバナジウム固体塩用組成物は、好ましくは2価及び3価の間で酸化数が変化するバナジウムイオンを含む化合物を使用する。2価及び3価の間で酸化数が変化するバナジウムイオンとしては、V2+(II)、V3+(III)が例示できる。負極用バナジウム固体塩に使用するバナジウム化合物としては、硫酸バナジウム(II)(VSO4・nH2O)、硫酸バナジウム(III)(V2(SO4)3・nH2O)が例示できる。nは、0又は1〜6の整数を示す。 The vanadium solid salt for negative electrode or the composition for vanadium solid salt for negative electrode preferably uses a compound containing vanadium ions whose oxidation number varies between divalent and trivalent. Examples of the vanadium ion whose oxidation number changes between divalent and trivalent include V 2+ (II) and V 3+ (III). Examples of the vanadium compound used for the vanadium solid salt for the negative electrode include vanadium sulfate (II) (VSO 4 · nH 2 O) and vanadium sulfate (III) (V 2 (SO 4 ) 3 · nH 2 O). n shows 0 or the integer of 1-6.
硫酸バナジウム(III)は、負極用バナジウム固体塩100質量%又は負極用のバナジウム固体塩用組成物100質量%に対して、56.0〜83.0質量%である。硫酸バナジウム(III)の含有量は、負極用バナジウム固体塩100質量%又は負極用のバナジウム固体塩用組成物100質量%に対して、好ましくは57.0〜82.0質量%、より好ましくは60.0〜81.0質量%、さらに好ましくは62.0〜80.5質量%である。硫酸バナジウム(III)の含有量が56.0〜83.0質量%であると、要求される電池容量を満たすことができる。 Vanadium sulfate (III) is 56.0-83.0 mass% with respect to 100 mass% of vanadium solid salt for negative electrodes, or 100 mass% of compositions for vanadium solid salts for negative electrodes. The content of vanadium sulfate (III) is preferably 57.0 to 82.0% by mass, more preferably 100% by mass of the vanadium solid salt for negative electrode or 100% by mass of the composition for vanadium solid salt for negative electrode, more preferably It is 60.0-81.0 mass%, More preferably, it is 62.0-80.5 mass%. When the content of vanadium sulfate (III) is 56.0 to 83.0% by mass, the required battery capacity can be satisfied.
バナジウム固体塩は、電解液を含む。電解液は、バナジウム固体塩100質量%又はバナジウム固体塩用組成物100質量%に対して、好ましくは1〜30質量%、より好ましくは2〜25質量%、さらに好ましくは3〜20質量%である。バナジウム固体塩中の電解液の含有量が1〜30質量%であると、要求される電池容量を満たすとともに電池のサイクル特性を長くすることができる。 Vanadium solid salt contains electrolyte solution. The electrolytic solution is preferably 1 to 30% by mass, more preferably 2 to 25% by mass, and further preferably 3 to 20% by mass with respect to 100% by mass of the vanadium solid salt or 100% by mass of the composition for vanadium solid salt. is there. When the content of the electrolytic solution in the vanadium solid salt is 1 to 30% by mass, the required battery capacity can be satisfied and the cycle characteristics of the battery can be lengthened.
電解液は、硫酸を含む。硫酸は、希硫酸水溶液及び/又は濃硫酸水溶液を使用することができる。濃硫酸は、質量パーセント濃度が96〜98質量%の市販の濃硫酸を使用することができる。市販の濃硫酸は、通常、モル濃度18mol/Lである。 The electrolytic solution contains sulfuric acid. As sulfuric acid, dilute sulfuric acid aqueous solution and / or concentrated sulfuric acid aqueous solution can be used. As the concentrated sulfuric acid, commercially available concentrated sulfuric acid having a mass percent concentration of 96 to 98% by mass can be used. Commercially available concentrated sulfuric acid usually has a molar concentration of 18 mol / L.
正極用バナジウム固体塩又は正極用のバナジウム固体塩組成物に含まれる電解液中の硫酸の体積モル濃度は、好ましくは0.34〜0.80mol/L、より好ましくは0.4〜0.78mol/L、さらに好ましくは0.45〜0.76mol/L、特に好ましくは0.50〜0.75mol/Lである。
負極用バナジウム固体塩又は負極用のバナジウム固体塩組成物に含まれる電解液中の硫酸の体積モル濃度は、好ましくは1.83〜2.24mol/L、より好ましくは1.80〜2.23mol/L、さらに好ましくは1.90〜2.22mol/L、特に好ましくは1.97〜2.20mol/Lである。
正極における電解液中の硫酸の体積モル濃度が0.34〜0.80mol/Lであり、負極における電解液中の硫酸の体積モル濃度が1.83〜2.24mol/Lであると、要求される電池容量を満たすとともに、サイクル特性を長くすることができる。
The volume molar concentration of sulfuric acid in the electrolyte contained in the positive electrode vanadium solid salt or the positive electrode vanadium solid salt composition is preferably 0.34 to 0.80 mol / L, more preferably 0.4 to 0.78 mol. / L, more preferably 0.45 to 0.76 mol / L, particularly preferably 0.50 to 0.75 mol / L.
The volume molar concentration of sulfuric acid in the electrolyte contained in the vanadium solid salt for negative electrode or the vanadium solid salt composition for negative electrode is preferably 1.83 to 2.24 mol / L, more preferably 1.80 to 2.23 mol. / L, more preferably 1.90 to 2.22 mol / L, and particularly preferably 1.97 to 2.20 mol / L.
The volume molar concentration of sulfuric acid in the electrolytic solution in the positive electrode is 0.34 to 0.80 mol / L, and the volume molar concentration of sulfuric acid in the electrolytic solution in the negative electrode is 1.83 to 2.24 mol / L. In addition to satisfying the battery capacity, the cycle characteristics can be lengthened.
正極用バナジウム固体塩又は正極用のバナジウム固体塩組成物と、負極用バナジウム固体塩又は負極用のバナジウム固体塩組成物とで、電解液中に含まれる硫酸の体積モル濃度が異なるのは、充電時に負極から正極への水の移動を抑制するためである。
正極では、式(13)に示すとおり、4価の酸化バナジウムイオンから5価のバナジウムイオンに酸化(充電)する反応において水を使用する。
The volume molar concentration of sulfuric acid contained in the electrolyte is different between the vanadium solid salt for positive electrode or the vanadium solid salt composition for positive electrode and the vanadium solid salt for negative electrode or the vanadium solid salt composition for negative electrode. This is because sometimes the movement of water from the negative electrode to the positive electrode is suppressed.
In the positive electrode, as shown in the formula (13), water is used in a reaction of oxidizing (charging) from tetravalent vanadium oxide ions to pentavalent vanadium ions.
VO2+(4価)+H2O⇔VO2 +(5価)+2H++e− (13)
初期状態において、正極と負極が同じ酸濃度であると、充電時には正極は負極に比べて相対的に酸濃度が高くなる。酸濃度が高くなると均衡を保つために、負極から正極への水の移動が生じる。正極における電解液中の硫酸の体積モル濃度と、負極における電解液中の硫酸の体積モル濃度が異なるのは、充電時においても正極と負極の酸濃度の均衡を保ち、負極から正極への水の移動を抑制するためである。 When the positive electrode and the negative electrode have the same acid concentration in the initial state, the acid concentration of the positive electrode is relatively higher than that of the negative electrode during charging. As the acid concentration increases, water moves from the negative electrode to the positive electrode to maintain balance. The volume molar concentration of sulfuric acid in the electrolyte solution in the positive electrode and the volume molar concentration of sulfuric acid in the electrolyte solution in the negative electrode are different from each other in that the acid concentration of the positive electrode and the negative electrode is kept balanced even during charging. This is to suppress the movement of.
電解液は、さらにリン酸又はリン酸塩を含む。リン酸は、オルトリン酸(H3PO4)を使用することができる。リン酸は、オルトリン酸に限定されず、直鎖状のポリリン酸や環状のメタリン酸等の縮合リン酸を使用してもよい。又は、リン酸塩を使用してもよい。リン酸塩は、ポリリン酸塩、メタリン酸塩及びウルトラリン酸塩のいずれを使用してもよい。電解液に硫酸とともにリン酸又はリン酸塩を含有させると、硫酸のみを含有させた場合と比べて、バナジウム固体塩の結晶形態が変化する。例えば、正極用バナジウム固体塩に硫酸とリン酸又はリン酸塩とを含有する電解液を使用すると、バナジウム固体塩の水和物の数が変化する。このことから結晶形態が変化していることが予測される。また、負極用バナジウム固体塩に硫酸とリン酸とを含有する電解液を使用すると、図2に示すように、電解液中のリン酸の含有量の増加とともに、X線回折法で測定された硫酸バナジウム(III)(V2(SO4)3・nH2O)のスペクトルがブロードな状態となり、結晶形態が変化していることが予測される。バナジウム固体塩に、リン酸又はリン酸塩を含む電解液を含有させることによって、バナジウム固体塩が安定な結晶の形態となることが妨げられ、アモルファスの形態となることによって、バナジウム固体塩の電気化学的な反応が持続する。また、バナジウム固体塩の電気化学的な反応の持続によってサイクル特性が向上する。 The electrolytic solution further contains phosphoric acid or phosphate. As phosphoric acid, orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) can be used. The phosphoric acid is not limited to orthophosphoric acid, and condensed phosphoric acid such as linear polyphosphoric acid or cyclic metaphosphoric acid may be used. Alternatively, phosphate may be used. As the phosphate, any of polyphosphate, metaphosphate and ultraphosphate may be used. When phosphoric acid or phosphate is contained in the electrolytic solution together with sulfuric acid, the crystal form of the vanadium solid salt is changed as compared with the case where only sulfuric acid is contained. For example, when an electrolytic solution containing sulfuric acid and phosphoric acid or phosphate is used as the positive electrode vanadium solid salt, the number of vanadium solid salt hydrates changes. From this, it is predicted that the crystal form has changed. Further, when an electrolytic solution containing sulfuric acid and phosphoric acid was used for the vanadium solid salt for the negative electrode, as shown in FIG. 2, it was measured by an X-ray diffraction method with an increase in the content of phosphoric acid in the electrolytic solution. It is predicted that the spectrum of vanadium sulfate (III) (V 2 (SO 4 ) 3 .nH 2 O) is in a broad state and the crystal form is changed. By including an electrolyte containing phosphoric acid or phosphate in the vanadium solid salt, the vanadium solid salt is prevented from becoming a stable crystalline form, and by being in an amorphous form, the electric power of the vanadium solid salt is prevented. The chemical reaction persists. In addition, the cycle characteristics are improved by maintaining the electrochemical reaction of the vanadium solid salt.
正極用バナジウム固体塩又は正極用のバナジウム固体塩組成物に含まれる電解液中のリン酸又はリン酸塩の体積モル濃度は、好ましくは0.20〜0.66mol/L、より好ましくは0.22〜0.6mol/L、さらに好ましくは0.24〜0.55mol/L、特に好ましくは0.25〜0.46mol/Lである。
負極用バナジウム固体塩又は負極用のバナジウム固体塩組成物に含まれる電解液中のリン酸又はリン酸塩の体積モル濃度は、好ましくは0.18〜0.60mol/L、より好ましくは0.20〜0.55mol/L、さらに好ましくは0.22〜0.50mol/L、特に好ましくは0.23〜0.46mol/Lである。
The volume molar concentration of phosphoric acid or phosphate in the electrolyte contained in the positive electrode vanadium solid salt or the positive electrode vanadium solid salt composition is preferably 0.20 to 0.66 mol / L, more preferably 0.8. It is 22-0.6 mol / L, More preferably, it is 0.24-0.55 mol / L, Most preferably, it is 0.25-0.46 mol / L.
The volume molar concentration of phosphoric acid or phosphate in the electrolyte contained in the vanadium solid salt for negative electrode or the vanadium solid salt composition for negative electrode is preferably 0.18 to 0.60 mol / L, more preferably 0.8. It is 20-0.55 mol / L, More preferably, it is 0.22-0.50 mol / L, Most preferably, it is 0.23-0.46 mol / L.
正極における電解液中のリン酸又はリン酸塩の体積モル濃度が0.20〜0.66mol/Lであり、負極における電解液中のリン酸又はリン酸塩の体積モル濃度が0.18〜0.60mol/Lであると、正負極の固体塩が安定な結晶の形態となることが妨げられ、アモルファスの形態となることによって、バナジウム固体塩の電気化学的な反応が持続する。また、バナジウム固体塩の電気化学的な反応の持続によってサイクル特性が向上する。 The volume molar concentration of phosphoric acid or phosphate in the electrolytic solution in the positive electrode is 0.20 to 0.66 mol / L, and the volume molar concentration of phosphoric acid or phosphate in the electrolytic solution in the negative electrode is 0.18 to When it is 0.60 mol / L, the solid salt of the positive and negative electrodes is prevented from becoming a stable crystalline form, and the amorphous form is maintained, thereby continuing the electrochemical reaction of the vanadium solid salt. In addition, the cycle characteristics are improved by maintaining the electrochemical reaction of the vanadium solid salt.
正極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比(硫酸:リン酸又はリン酸塩)は、好ましくは1:0.25〜1:1.94であり、より好ましくは1:0.29〜1:1.50である。さらに好ましくは1:0.3〜1:1.2であり、特に好ましくは1:0.33〜1:1.02である。正極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中に含まれる硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比が1:0.25〜1:1.94の範囲内であると、バナジウム固体塩における電気化学的な反応を持続できる良好なアモルファスの形態を形成することが可能である。正極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比が1:0.25未満であると、バナジウム固体塩が安定な結晶形態となることを抑制することができず、電気化学的な反応を持続することが困難となる。正極用バナジウム固体塩に含まれる硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比が1:1.94を超えると、リン酸の存在比率が高くなり、電池の初期容量が低下する。 The molar ratio of phosphoric acid or phosphate (sulfuric acid: phosphoric acid or phosphate) to sulfuric acid in the electrolyte contained in the vanadium solid salt for positive electrode is preferably 1: 0.25 to 1: 1.94. More preferably, it is 1: 0.29 to 1: 1.50. More preferably, it is 1: 0.3-1: 1.2, Most preferably, it is 1: 0.33-1: 1.02. Electrochemistry in vanadium solid salt when molar ratio of phosphoric acid or phosphate to sulfuric acid contained in electrolyte contained in vanadium solid salt for positive electrode is in the range of 1: 0.25 to 1: 1.94 It is possible to form a good amorphous form that can sustain a typical reaction. When the molar ratio of phosphoric acid or phosphate to sulfuric acid in the electrolyte contained in the positive electrode vanadium solid salt is less than 1: 0.25, the vanadium solid salt can be prevented from becoming a stable crystal form. It is impossible to maintain the electrochemical reaction. If the molar ratio of phosphoric acid or phosphate to sulfuric acid contained in the positive electrode vanadium solid salt exceeds 1: 1.94, the abundance ratio of phosphoric acid increases and the initial capacity of the battery decreases.
負極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比(硫酸:リン酸又はリン酸塩)は、好ましくは1:0.082〜1:0.333であり、より好ましくは1:0.1〜1:0.234である。負極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比が1:0.082〜1:0.333の範囲内であると、バナジウム固体塩における電気化学的な反応を持続できる良好なアモルファスの形態を形成することが可能である。負極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比が1:0.082未満であると、バナジウム固体塩が安定な結晶形態となることを抑制することができず、電気化学的な反応を持続することが困難となる。負極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比が1:0.333を超えると、リン酸又はリン酸塩の存在比率が高くなり、電池の初期容量が低下する。 The molar ratio of phosphoric acid or phosphate to sulfuric acid (sulfuric acid: phosphoric acid or phosphate) in the electrolyte contained in the vanadium solid salt for negative electrode is preferably 1: 0.082 to 1: 0.333. More preferably, it is 1: 0.1 to 1: 0.234. When the molar ratio of phosphoric acid or phosphate to sulfuric acid in the electrolyte contained in the vanadium solid salt for negative electrode is in the range of 1: 0.082 to 1: 0.333, the electrochemical property in the vanadium solid salt It is possible to form a good amorphous form that can sustain the reaction. If the molar ratio of phosphoric acid or phosphate to sulfuric acid in the electrolyte contained in the negative electrode vanadium solid salt is less than 1: 0.082, the vanadium solid salt can be prevented from becoming a stable crystal form. It is impossible to maintain the electrochemical reaction. When the molar ratio of phosphoric acid or phosphate to sulfuric acid in the electrolyte contained in the vanadium solid salt for the negative electrode exceeds 1: 0.333, the abundance ratio of phosphoric acid or phosphate increases, and the initial capacity of the battery is increased. Decreases.
バナジウム固体塩若しくはバナジウム固体塩用組成物は、さらにバインダーを含んでいてもよい。バインダーとしては、フッ素系バインダーやゴム系バインダー等を使用することができる。フッ素系バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(EFP)、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン/テトラフルオロエチレン(ETFE)、エチレンクロロトリフルオロ−エチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ポリビニリデン(PVDF)、フッ化ポリビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンのコポリマー(PVdF−HFP)等が挙げられる。ゴム系バインダーとしては、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、エチレン−プロピレンゴム(EPM)等が挙げられる。中でも、バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ化ポリビニリデン(PVDF)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)が好ましい。バインダーは、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。 The vanadium solid salt or the composition for vanadium solid salt may further contain a binder. As the binder, a fluorine-based binder, a rubber-based binder, or the like can be used. Fluorine binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (EFP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE). , Ethylene chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), and the like. Examples of the rubber binder include styrene-butadiene rubber (SBR) and ethylene-propylene rubber (EPM). Among these, as the binder, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and styrene-butadiene rubber (SBR) are preferable. A binder may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together.
バインダーは、バナジウム固体塩又はバナジウム固体塩用組成物において、バナジウム固体塩100質量%に対して、好ましくは0.1〜20質量%、より好ましくは0.1〜18質量%、さらに好ましくは0.1〜15質量%、最も好ましくは0.1〜10質量%である。バナジウム固体塩用組成物において、バインダーの含有量が0.1〜20質量%であると、バナジウム固体塩の安定性を向上することができる。 In the vanadium solid salt or vanadium solid salt composition, the binder is preferably 0.1 to 20% by mass, more preferably 0.1 to 18% by mass, and still more preferably 0 to 100% by mass of the vanadium solid salt. 0.1 to 15% by mass, most preferably 0.1 to 10% by mass. In the vanadium solid salt composition, when the binder content is 0.1 to 20% by mass, the stability of the vanadium solid salt can be improved.
〔バナジウム固体塩用組成物及びバナジウム固体塩の製造方法〕
バナジウム固体塩用組成物及びバナジウム固体塩の製造方法は、特に限定されない。バナジウム固体塩用組成物及びバナジウム固体塩の製造方法として、例えば、まず、炭素材料粉末と、バナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンを含有する化合物を混合し、必要に応じて粉砕して、粉末状の混合物を得る。次に、粉末状の混合物に、電解液を入れて混合し、ペースト状のバナジウム固体塩用組成物を得る。さらに必要に応じて、ペースト状のバナジウム固体塩用組成物に、バインダー、その他添加剤等を入れて混合する。その後、ペースト状のバナジウム固体塩用組成物を乾燥し、バナジウム固体塩を得ることができる。ペースト状のバナジウム固体塩用組成物は、大気圧(約1.01×105Pa)下で常温(約20℃)〜180°で乾燥する。常温以上に加熱する場合には、例えばホットプレート等を使用して加熱してもよい。また、ペースト状のバナジウム固体塩用組成物は、真空の状態で乾燥してもよい。真空の状態とは、大気圧下よりも低い圧力下にあることをいい、真空度1×105Pa以下であることが好ましい。アスピレータや真空ポンプ等の汎用の手段によって、乾燥時の圧力が1×102Pa〜1×105Pa程度の真空の状態で乾燥することができる。
[Composition for vanadium solid salt and method for producing vanadium solid salt]
The composition for vanadium solid salt and the method for producing the vanadium solid salt are not particularly limited. As a vanadium solid salt composition and a method for producing a vanadium solid salt, for example, first, a carbon material powder and a compound containing vanadium ions or a cation containing vanadium are mixed, pulverized as necessary, and powdered. To obtain a mixture of Next, an electrolytic solution is put into the powdery mixture and mixed to obtain a paste-like composition for vanadium solid salt. Furthermore, a binder, other additives, and the like are added to and mixed with the paste-like vanadium solid salt composition as necessary. Thereafter, the paste-like composition for vanadium solid salt can be dried to obtain a vanadium solid salt. The paste-like composition for vanadium solid salt is dried at room temperature (about 20 ° C.) to 180 ° under atmospheric pressure (about 1.01 × 10 5 Pa). When heating to room temperature or higher, for example, a hot plate or the like may be used. Further, the paste-like composition for vanadium solid salt may be dried in a vacuum state. The vacuum state means that the pressure is lower than the atmospheric pressure, and the degree of vacuum is preferably 1 × 10 5 Pa or less. By a general-purpose means such as an aspirator or a vacuum pump, the pressure during drying can be dried in a vacuum state of about 1 × 10 2 Pa to 1 × 10 5 Pa.
〔隔膜〕
バナジウム固体塩電池は、正極と負極とを区画する、水素イオン(プロトン)を通過させることができる隔膜とを含む。この隔膜は、水素イオン(プロトン)を通過させることができるものであれば、どのようなものを用いることも可能である。隔膜は、多孔膜、不織布、又は水素イオンの選択的な透過が可能なイオン交換膜を用いることができる。多孔膜は、例えばポリエチレン微多孔膜(旭化成社製)等が例示できる。また、不織布は、例えばNanoBase(三菱製紙社製)等が例示できる。また、イオン交換膜は、例えばSELEMION(登録商標)APS(旭硝子社製)、ネオセプタ(登録商標)CMX(アストム社製)等が例示できる。
〔diaphragm〕
The vanadium solid salt battery includes a diaphragm that partitions a positive electrode and a negative electrode and that allows hydrogen ions (protons) to pass therethrough. Any membrane can be used as long as it can pass hydrogen ions (protons). As the diaphragm, a porous membrane, a nonwoven fabric, or an ion exchange membrane capable of selectively permeating hydrogen ions can be used. Examples of the porous membrane include a polyethylene microporous membrane (manufactured by Asahi Kasei Corporation). Moreover, NanoBase (made by Mitsubishi Paper Industries) etc. can be illustrated as a nonwoven fabric, for example. Examples of the ion exchange membrane include SELEMION (registered trademark) APS (manufactured by Asahi Glass), Neoceptor (registered trademark) CMX (manufactured by Astom).
〔集電体〕
集電体には、導電性ゴム、グラファイトシート等を用いることができる。導電性ゴムはシート状であることが好ましい。導電性ゴムの厚さ又はグラファイトシートの厚さは特に限定されないが、好ましくは10〜150μm、より好ましくは20〜120μm、さらに好ましくは30〜100μmである。
[Current collector]
For the current collector, conductive rubber, graphite sheet, or the like can be used. The conductive rubber is preferably in the form of a sheet. Although the thickness of conductive rubber or the thickness of a graphite sheet is not specifically limited, Preferably it is 10-150 micrometers, More preferably, it is 20-120 micrometers, More preferably, it is 30-100 micrometers.
〔引出し電極〕
引出し電極には金属箔を用いることができる。金属箔を構成する金属としては、抵抗の小さい銅、アルミ、銀、金、ニッケル、又はステンレス等が挙げられる。中でも金属箔には安価な銅箔やアルミニウム箔であることが好ましい。また、金属箔の厚さは好ましくは10〜150μm、より好ましくは20〜120μm、さらに好ましくは30〜100μmである。
[Drawer electrode]
A metal foil can be used for the extraction electrode. Examples of the metal constituting the metal foil include copper, aluminum, silver, gold, nickel, and stainless steel having a low resistance. Among them, the metal foil is preferably an inexpensive copper foil or aluminum foil. Moreover, the thickness of metal foil becomes like this. Preferably it is 10-150 micrometers, More preferably, it is 20-120 micrometers, More preferably, it is 30-100 micrometers.
バナジウム固体塩電池は、集電体と引出し電極を組み合わせたものも使用できる。例えば、導電性ゴムと金属箔を組み合わせたもの、又は、グラファイトシートと金属箔を組み合わせたもの等を用いることができる。導電性ゴムと金属箔を組み合わせたもの、又は、グラファイトシートと金属箔を組み合わせたものは抵抗を低減できるという理由により、好適に用いることができる。セルを構成する板に金属を用いた場合は、引出し電極を省略することができる。 As the vanadium solid salt battery, a combination of a current collector and an extraction electrode can be used. For example, a combination of conductive rubber and metal foil or a combination of graphite sheet and metal foil can be used. A combination of a conductive rubber and a metal foil or a combination of a graphite sheet and a metal foil can be suitably used because the resistance can be reduced. When metal is used for the plate constituting the cell, the extraction electrode can be omitted.
〔セル〕
セルを構成する板は導電性、絶縁性のいずれの材質でも使用できる。導電性の材質としては金属板が好ましい。金属板を構成する金属としては銅、アルミニウム、銀、金、ニッケル又はステンレス(SUS303、SUS314、SUS316L等)等が挙げられる。
絶縁性の材質としてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、エンジニアリングプラスチック等が挙げられる。
セルを構成する型枠は、絶縁性の材質が使用できる。絶縁性の材質としてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、エンジニアリングプラスチック等が挙げられる。
〔cell〕
The plate constituting the cell can be made of either conductive or insulating material. A metal plate is preferable as the conductive material. Examples of the metal constituting the metal plate include copper, aluminum, silver, gold, nickel, and stainless steel (SUS303, SUS314, SUS316L, etc.).
Examples of the insulating material include polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, and engineering plastic.
An insulating material can be used for the mold forming the cell. Examples of the insulating material include polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, and engineering plastic.
本発明のバナジウム固体塩電池は、バナジウム固体塩にラマン分光法により求めたR値又はX線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)が特定の値である炭素材料粉末を特定量含むことによって、正極及び負極におけるバナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンの酸化還元状態の均衡を維持することができる。正極及び負極におけるバナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンの酸化還元状態の均衡を維持することによって、バナジウム固体塩電池の容量維持率、クーロン効率、及び、エネルギー効率を向上することができる。 The vanadium solid salt battery of the present invention contains a specific amount of carbon material powder in which the R value obtained by Raman spectroscopy or the lattice spacing d (d002) measured by the X-ray powder method is a specific value in the vanadium solid salt. Thus, the balance of the redox state of vanadium ions or cations containing vanadium in the positive electrode and the negative electrode can be maintained. By maintaining the balance of the redox state of vanadium ions or cations containing vanadium in the positive electrode and the negative electrode, the capacity retention rate, coulomb efficiency, and energy efficiency of the vanadium solid salt battery can be improved.
次に実施例により本発明の具体的態様を説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。 Next, specific embodiments of the present invention will be described by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.
(炭素材料粉末)
以下の炭素材料粉末について、ラマン分光法によりR値及びX線粉末法による格子間隔dを測定した。図3〜5は、それぞれNo.1〜3の各炭素材料粉末のラマン分光法によるラマンスペクトルを示す。図6〜8は、No.1〜3の各炭素材料粉末のX線粉末法による(a)XRDスペクトルを示し、(b)半値幅(FWHM)を示す。No.1〜3の各材料粉末のラマン分光法によるR値及びX線粉末法によって測定された格子間隔dは、表3に示した。
No.1:黒鉛化カーボンブラック(トーカブラック#3845、東海カーボン社製、算術平均粒径(レーザー回折散乱法で求めた体積累積平均粒径)40μm)
No.2:アセチレンブラック(デンカブラックHS−100、電気化学工業社製、平均粒径0.048μm)
No.3:ケッチェンブラック(ケッチェンブラックEC300J、ライオン社製、平均粒径0.0395μm)
(Carbon material powder)
With respect to the following carbon material powder, the R value and the lattice spacing d by the X-ray powder method were measured by Raman spectroscopy. 3 to 5 are No. 3 respectively. The Raman spectrum by the Raman spectroscopy of each carbon material powder of 1-3 is shown. FIGS. The (a) XRD spectrum by the X-ray powder method of each carbon material powder of 1-3 is shown, (b) A half value width (FWHM) is shown. No. Table 3 shows the R value of each of the material powders 1 to 3 by Raman spectroscopy and the lattice spacing d measured by the X-ray powder method.
No. 1: Graphitized carbon black (
No. 2: Acetylene black (Denka Black HS-100, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., average particle size 0.048 μm)
No. 3: Ketjen Black (Ketjen Black EC300J, manufactured by Lion Corporation, average particle size of 0.0395 μm)
〔ラマン分光法〕
ラマン分光法による測定は、以下の装置及び条件で行った。
[装置]
・レーザーラマン分光光度計NSR−3100(日本分光社製)
・レーザー2本搭載(532nm、785nm)
・ノッチフィルタ2枚
・波長分解能1cm−1、深さ方向分解能1μm
・対物レンズ:×5、×20、×100
・自動XYZステージ(step:0.1μm)
・偏光測定アタッチメント付
[測定方法]
測定対象粒子を測定セル内へ自然落下させることで試料充填し、測定セル内にアルゴンイオンレーザー光を照射しながら、測定セルをこのレーザー光と垂直な面内で回転させながら測定を行なう。測定条件は以下の通りである。
アルゴンイオンレーザー光の波長 :532nm、785nm
測定範囲 :180cm−1〜3800cm−1
ピーク強度測定、ピーク半値幅測定:バックグラウンド処理、スムージング処理
[Raman spectroscopy]
Measurement by Raman spectroscopy was performed with the following apparatus and conditions.
[apparatus]
・ Laser Raman spectrophotometer NSR-3100 (manufactured by JASCO)
・ Two lasers (532nm, 785nm)
・ Two notch filters ・ Wavelength resolution 1cm −1 , depth resolution 1μm
Objective lens: x5, x20, x100
・ Automatic XYZ stage (step: 0.1 μm)
・ With polarization measurement attachment [Measurement method]
The sample is filled by letting the particles to be measured naturally fall into the measurement cell, and measurement is performed while rotating the measurement cell in a plane perpendicular to the laser light while irradiating the measurement cell with argon ion laser light. The measurement conditions are as follows.
Wavelength of argon ion laser light: 532 nm, 785 nm
Measurement range: 180 cm −1 to 3800 cm −1
Peak intensity measurement, peak half-width measurement: background processing, smoothing processing
〔ラマンR値〕
ラマンR値の定義は、ラマン分光法によって得られたラマンスペクトルにおいて、1580cm−1付近の最大ピークの強度IGと、1360cm−1付近の最大ピークの強度IDの強度比ID/IGをラマンR値と定義する。
[Raman R value]
Definition of the Raman R value in Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy, the intensity I G of the maximum peak in the vicinity of 1580 cm -1, 1360 cm intensity ratio of the maximum peak intensity I D of around -1 I D / I G Is defined as a Raman R value.
〔X線粉末法〕
X線粉末法による測定は、以下の装置及び条件で行った。
[装置]
・X線回折装置 MiniFlexII(リガク社製)
・X線源:CuKα線(λ=0.15148nm)
・2θ法にて、走査速度2θについて4°/min、3〜90°まで0.02°ごとに回折強度を測定。
[測定方法]
各炭素材料粉末を底面1辺20mmの四角形状、深さ0.1mmの石英ガラス製のサンプルカップに、No.1〜No.3の試料粉末を適量盛り、ヘラを用いて石英ガラス面と高さが一致するように充填した。この試料をX線回折装置にて測定した。
X線粉末法によって測定される格子間隔d(d002)は、X線粉末法によって得られる回折スペクトルのc軸(002)由来のピークからブラッグの式(I)に基づいて求めた。
d=λ/(2×SinθB) ・・・(I)
(式中、dは格子間隔d(d002)であり、λは波長0.154nmであり、θBはブラッグ角である。)
[X-ray powder method]
Measurement by the X-ray powder method was performed with the following apparatus and conditions.
[apparatus]
・ X-ray diffractometer MiniFlex II (Rigaku)
X-ray source: CuKα ray (λ = 0.15148 nm)
-The diffraction intensity is measured every 0.02 [deg.] From 4 [deg.] / Min and 3 [deg.] To 90 [deg.] With the 2 [theta] method.
[Measuring method]
Each carbon material powder is placed in a square glass sample with a side of 20 mm on the bottom and a quartz glass sample cup with a depth of 0.1 mm. 1-No. An appropriate amount of the
The lattice spacing d (d002) measured by the X-ray powder method was determined based on the Bragg equation (I) from the peak derived from the c-axis (002) of the diffraction spectrum obtained by the X-ray powder method.
d = λ / (2 × Sinθ B ) (I)
(Where d is the lattice spacing d (d002), λ is the wavelength of 0.154 nm, and θ B is the Bragg angle.)
表1は、黒鉛(グラファイト)、No.1(黒鉛化カーボンブラック(トーカブラック))、No.2(アセチレンブラック)、No.3(ケッチェンブラック)の黒鉛化温度、ブラック角、ブラック(Bragg)の式(I)に基づき求めた格子間隔d(d002)を記載した。 Table 1 shows graphite, no. 1 (graphitized carbon black (talker black)), No. 1 2 (acetylene black), No. 2 3 (Ketjen black) graphitization temperature, black angle, and lattice spacing d (d002) determined based on the formula (I) of black (Bragg).
また、表2は、黒鉛(グラファイト)、No.1(黒鉛化カーボンブラック(トーカブラック))、No.2(アセチレンブラック)、No.3(ケッチェンブラック)の黒鉛化温度、ブラック角、シェラー(Scherr)の式(II)より求めた結晶子サイズt(nm)を記載した。
t=(K×λ)/(B×cosθB) ・・・(II)
(式中、tは結晶サイズ(nm)であり、Kは定数(黒鉛の場合、Kは0.9である)であり、λは波長0.154nmであり、θBはブラック角である。)
Table 2 shows graphite (No.), No. 1 (graphitized carbon black (talker black)), No. 1 2 (acetylene black), No. 2 The graphitization temperature of 3 (Ketjen Black), the black angle, and the crystallite size t (nm) obtained from Scherr's formula (II) are shown.
t = (K × λ) / (B × cos θ B ) (II)
(Where t is the crystal size (nm), K is a constant (in the case of graphite, K is 0.9), λ is the wavelength of 0.154 nm, and θ B is the black angle. )
表1に示す結果から、No.1のトーカブラックとNo.2のアセチレンブラックは、ラマン分光法により求めたR値が1.10以下であり、X線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)が0.33〜0.36nmである炭素材料粉末であることが確認できた。
一方、No.3のケッチェンブラックは、ラマン分光法により求めたR値が1.10以下、X線粉末法によって測定された格子間隔dが0.33〜0.36nmの数値を満たしていないことが確認できた。
From the results shown in Table 1, no. 1 talker black and No. 1 The acetylene black of 2 is a carbon material powder having an R value obtained by Raman spectroscopy of 1.10 or less and a lattice spacing d (d002) measured by the X-ray powder method of 0.33 to 0.36 nm. It was confirmed that there was.
On the other hand, no. It can be confirmed that the ketjen black of No. 3 does not satisfy the numerical values of the R value obtained by Raman spectroscopy of 1.10 or less and the lattice spacing d measured by the X-ray powder method of 0.33 to 0.36 nm. It was.
(実施例)
〔正極用のペースト状バナジウム固体塩用組成物〕
正極用のバナジウム固体塩電池用組成物の配合を表4に示す。
正極には、バナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンを含有する化合物(以下「バナジウム化合物」という。)として、酸化硫酸バナジウム(IV)(VOSO4・nH2O)0.736g(3.13mmol)を用いた。メノウ製の乳鉢に、表4に示す配合で炭素材料である黒鉛化カーボンブラック(トーカブラック#3845、東海カーボン社製)を入れ、さらに酸化硫酸バナジウム(IV)(VOSO4・nH2O)を投入した。乳鉢中で、酸化硫酸バナジウム(IV)(VOSO4・nH2O)と黒鉛化カーボンブラックとを混合、粉砕し、粉末状の混合物を得た。乳鉢中の粉末状の混合物に、1M硫酸、1Mリン酸を表4に示す配合で添加し、乳鉢中で混練し、正極用のペースト状のバナジウム固体塩用組成物を得た。
正極用バナジウム固体塩に含まれる硫酸に対するリン酸のモル比(硫酸:リン酸)について、表4に示す硫酸のモル数を1として換算すると、硫酸に対するリン酸のモル比(硫酸:リン酸)は、1:1.02(0.43:0.44)であった。
表4に示した正極用バナジウム固体塩又は正極用のバナジウム固体塩電池用組成物に含まれる電解液中の硫酸の体積モル濃度は0.5mol/Lである。
表4に示した正極用バナジウム固体塩又は正極用のバナジウム固体塩電池用組成物に含まれる電解液中のリン酸の体積モル濃度は0.5mol/Lである。
(Example)
[Composition for paste-like vanadium solid salt for positive electrode]
Table 4 shows the composition of the vanadium solid salt battery composition for the positive electrode.
For the positive electrode, vanadium oxide (IV) (VOSO 4 · nH 2 O) 0.736 g (3.13 mmol) was used as a compound containing vanadium ion or a cation containing vanadium (hereinafter referred to as “vanadium compound”). Using. A mortar made of agate, graphitized carbon black is a carbon material in the formulation shown in Table 4 (
The molar ratio of phosphoric acid to sulfuric acid contained in the solid salt for positive electrode (sulfuric acid: phosphoric acid) is converted to the molar ratio of sulfuric acid shown in Table 4 as 1. The molar ratio of phosphoric acid to sulfuric acid (sulfuric acid: phosphoric acid) Was 1: 1.02 (0.43: 0.44).
The volume molar concentration of sulfuric acid in the electrolyte contained in the positive electrode vanadium solid salt or the positive electrode vanadium solid salt battery composition shown in Table 4 is 0.5 mol / L.
The volume molar concentration of phosphoric acid in the electrolyte contained in the positive electrode vanadium solid salt or the positive electrode vanadium solid salt battery composition shown in Table 4 is 0.5 mol / L.
〔負極用のペースト状のバナジウム固体塩用組成物〕
負極用のバナジウム固体塩電池用組成物の配合を表4に示す。
負極には、バナジウム化合物として、硫酸バナジウム(III)(V2(SO4)3・nH2O)0.723g(3.13mmol)を用いた。硫酸バナジウム(III)は、次のようにして製造した。
酸化硫酸バナジウムを硫酸に溶解した後、電解還元を行って3価の硫酸バナジウム溶液を得る。この溶液を200℃で減圧乾燥し、硫酸バナジウム(III)(V2(SO4)3・nH2O)を得た。
得られた硫酸バナジウム(III)(V2(SO4)3・nH2O)と表4に示す配合の黒鉛化カーボンブラック(トーカブラック#3845、東海カーボン社製)とを、一緒に粉砕機(市販のコーヒーミル)にて粉砕した。メノウ製の乳鉢に、黒鉛化カーボンブラックと硫酸バナジウム(III)とを入れ、さらに1M硫酸、1Mリン酸を表4に示す配合で添加し、乳鉢中で混練し、負極用のペースト状のバナジウム固体塩用組成物を得た。
負極用バナジウム固体塩に含まれる硫酸に対するリン酸のモル比(硫酸:リン酸)について、表4に示す硫酸のモル数を1として換算すると、硫酸に対するリン酸のモル比(硫酸:リン酸)は、1:0.23(0.042+0.137:0.042)であった。
表4に示した負極用バナジウム固体塩又は負極用のバナジウム固体塩電池用組成物に含まれる電解液中の硫酸の体積モル濃度は1.99mol/Lである。
表4に示した負極用バナジウム固体塩又は負極用のバナジウム固体塩電池用組成物に含まれる電解液中のリン酸の体積モル濃度は0.46mol/Lである。
[Paste composition for vanadium solid salt for negative electrode]
Table 4 shows the composition of the vanadium solid salt battery composition for the negative electrode.
As the vanadium compound, 0.723 g (3.13 mmol) of vanadium sulfate (III) (V 2 (SO 4 ) 3 .nH 2 O) was used for the negative electrode. Vanadium (III) sulfate was produced as follows.
After vanadium oxide sulfate is dissolved in sulfuric acid, electrolytic reduction is performed to obtain a trivalent vanadium sulfate solution. This solution was dried under reduced pressure at 200 ° C. to obtain vanadium sulfate (III) (V 2 (SO 4 ) 3 .nH 2 O).
The obtained vanadium sulfate (III) (V 2 (SO 4 ) 3 · nH 2 O) and graphitized carbon black (
When the molar ratio of phosphoric acid to sulfuric acid (sulfuric acid: phosphoric acid) contained in the vanadium solid salt for negative electrode is converted to 1 as the molar number of sulfuric acid shown in Table 4, the molar ratio of phosphoric acid to sulfuric acid (sulfuric acid: phosphoric acid) Was 1: 0.23 (0.042 + 0.137: 0.042).
The volume molar concentration of sulfuric acid in the electrolytic solution contained in the negative electrode vanadium solid salt or the negative electrode vanadium solid salt battery composition shown in Table 4 is 1.99 mol / L.
The volume molar concentration of phosphoric acid in the electrolytic solution contained in the negative electrode vanadium solid salt or the negative electrode vanadium solid salt battery composition shown in Table 4 is 0.46 mol / L.
(比較例)
〔正極用のペースト状バナジウム固体塩用組成物〕
炭素材料粉末として、No.3:ケッチェンブラック(ケッチェンブラックEC300J、ライオン社製、平均粒径0.0395μm)を使用し、酸化硫酸バナジウム(IV)(VOSO4・nH2O)0.807g(3.43mmol)を使用したことを以外は実施例と同様にして、比較例の正極用のバナジウム固体塩用組成物を製造した。比較例の正極用のバナジウム固体塩用組成物の配合を表5に記載した。
正極用バナジウム固体塩に含まれる硫酸に対するリン酸のモル比(硫酸:リン酸)について、表5に示す硫酸のモル数を1として換算すると、硫酸に対するリン酸のモル比(硫酸:リン酸)は、1:1.02(0.43:0.44)であった。
表5に示した正極用バナジウム固体塩又は正極用のバナジウム固体塩電池用組成物に含まれる電解液中の硫酸の体積モル濃度は0.5mol/Lである。
表5に示した正極用バナジウム固体塩又は正極用のバナジウム固体塩電池用組成物に含まれる電解液中のリン酸の体積モル濃度は0.5mol/Lである。
〔負極用のペースト状バナジウム固体塩用組成物〕
炭素材料粉末として、No.3:ケッチェンブラック(ケッチェンブラックEC300J、ライオン社製、平均粒径0.0395μm)を使用し、硫酸バナジウム(III)(V2(SO4)3・nH2O)0.792g(1.57mmol)を使用したこと以外は実施例と同様にして、比較例の負極用のバナジウム固体塩用組成物を製造した。比較例の負極用のバナジウム固体塩用組成物の配合を表5に記載した。
負極用バナジウム固体塩に含まれる硫酸に対するリン酸のモル比(硫酸:リン酸)について、表5に示す硫酸のモル数を1として換算すると、硫酸に対するリン酸のモル比(硫酸:リン酸)は、1:0.23(0.042+0.137:0.042)であった。
表5に示した負極用バナジウム固体塩又は負極用のバナジウム固体塩電池用組成物に含まれる電解液中の硫酸の体積モル濃度は1.97mol/Lである。
表5に示した負極用バナジウム固体塩又は負極用のバナジウム固体塩電池用組成物に含まれる電解液中のリン酸の体積モル濃度は0.46mol/Lである。
(Comparative example)
[Composition for paste-like vanadium solid salt for positive electrode]
As the carbon material powder, no. 3: Using ketjen black (Ketjen black EC300J, manufactured by Lion Corporation, average particle size 0.0395 μm), using 0.807 g (3.43 mmol) of vanadium oxide (IV) sulfate (VOSO 4 · nH 2 O) A vanadium solid salt composition for a positive electrode of a comparative example was produced in the same manner as in the example except that this was done. Table 5 shows the composition of the composition for vanadium solid salt for the positive electrode of the comparative example.
Regarding the molar ratio of phosphoric acid to sulfuric acid contained in the solid salt for positive electrode (sulfuric acid: phosphoric acid), when the molar number of sulfuric acid shown in Table 5 is converted to 1, the molar ratio of phosphoric acid to sulfuric acid (sulfuric acid: phosphoric acid) Was 1: 1.02 (0.43: 0.44).
The volume molar concentration of sulfuric acid in the electrolytic solution contained in the positive electrode vanadium solid salt or the positive electrode vanadium solid salt battery composition shown in Table 5 is 0.5 mol / L.
The volume molar concentration of phosphoric acid in the electrolyte contained in the positive electrode vanadium solid salt or the positive electrode vanadium solid salt battery composition shown in Table 5 is 0.5 mol / L.
[Paste-like vanadium solid salt composition for negative electrode]
As the carbon material powder, no. 3: Ketjen Black (Ketjen Black EC300J, manufactured by Lion, average particle size 0.0395 μm) was used, and vanadium sulfate (III) (V 2 (SO 4 ) 3 .nH 2 O) 0.792 g (1. A composition for a vanadium solid salt for a negative electrode of a comparative example was produced in the same manner as in the example except that 57 mmol) was used. Table 5 shows the composition of the vanadium solid salt composition for the negative electrode of the comparative example.
When the molar ratio of phosphoric acid to sulfuric acid contained in the vanadium solid salt for negative electrode (sulfuric acid: phosphoric acid) is converted to the number of moles of sulfuric acid shown in Table 5 as 1, the molar ratio of phosphoric acid to sulfuric acid (sulfuric acid: phosphoric acid) Was 1: 0.23 (0.042 + 0.137: 0.042).
The volume molar concentration of sulfuric acid in the electrolytic solution contained in the negative electrode vanadium solid salt or the negative electrode vanadium solid salt battery composition shown in Table 5 is 1.97 mol / L.
The volume molar concentration of phosphoric acid in the electrolytic solution contained in the negative electrode vanadium solid salt or the negative electrode vanadium solid salt battery composition shown in Table 5 is 0.46 mol / L.
正極の理論容量と負極の理論容量を以下のように算出し、さらに電池の理論容量を算出した。
正極の理論容量 :正極の活物質モル数×ファラデー定数(c/mol)/(60×60)…(i)
(正極用のバナジウム固体塩電池用組成物のバナジウムのモル濃度(Vモル数):実施例3.13mmol 比較例3.43mmol)
負極の理論容量 :負極の活物質モル数×ファラデー定数(c/mol)/(60×60)…(ii)
(負極用のバナジウム固体塩電池用組成物のバナジウムのモル濃度(Vモル数):実施例3.13mmol 比較例3.43mmol)
電池の理論容量 :正極の理論容量と負極の理論容量の少ない方の数値 …(iii)
実施例のバナジウム固体塩電池の理論容量は84mAhであり、比較例のバナジウム固体塩電池の理論容量は92mAhであった。
The theoretical capacity of the positive electrode and the theoretical capacity of the negative electrode were calculated as follows, and the theoretical capacity of the battery was further calculated.
Theoretical capacity of the positive electrode: Number of moles of active material of the positive electrode × Faraday constant (c / mol) / (60 × 60) (i)
(Molar concentration of vanadium (number of moles of V) in vanadium solid salt battery composition for positive electrode: Example 3.13 mmol, Comparative example 3.43 mmol)
Theoretical capacity of the negative electrode: Number of moles of active material of the negative electrode × Faraday constant (c / mol) / (60 × 60) (ii)
(Molar concentration of vanadium (number of moles V) of vanadium solid salt battery composition for negative electrode: Example 3.13 mmol Comparative example 3.43 mmol)
The theoretical capacity of the battery: The numerical value of the smaller theoretical capacity of the positive electrode and theoretical capacity of the negative electrode (iii)
The theoretical capacity of the vanadium solid salt battery of the example was 84 mAh, and the theoretical capacity of the vanadium solid salt battery of the comparative example was 92 mAh.
〔バナジウム固体塩電池〕
実施例のバナジウム固体塩電池は、次のように製造した。
図1に示すように、正極7は、セルを構成する第1のセル板11a上に第1の引出し電極9、その上に第1の集電体5を設置した。次に、第1の集電体5上に第1の型枠12aを設置した。さらに、第1の型枠12a内に、ペースト状の正極用のバナジウム固体塩用組成物を充填し、正極用バナジウム固体塩2とした。
[Vanadium solid salt battery]
The vanadium solid salt battery of the example was manufactured as follows.
As shown in FIG. 1, in the positive electrode 7, a first extraction electrode 9 was placed on a
バナジウム固体塩電池1の負極8は、まず、セルを構成する第2のセル板11b上に第2の引出し電極10、その上に第2の集電体6を設置した。次に、第2の集電体6上に、第2の型枠12bを設置した。さらに、第2の型枠12b内に、負極用バナジウム固体塩3を構成するペースト状のバナジウム固体塩用組成物を充填し、負極用バナジウム固体塩3とした。
In the negative electrode 8 of the vanadium
バナジウム固体塩電池1は、正極用バナジウム固体塩2と負極用バナジウム固体塩3との間に隔膜4とを挟み、第1のセル板11a及び第2のセル板11bの周囲を6本のネジ13で均等に締め付けて固定した。
The vanadium
バナジウム固体塩電池1を構成する材料は以下の通りである。
セル板:厚さ3mm、直径50mmの円形状のSUS(314)板
型枠:厚さ1mm、直径30mmの円形状の中心部に直径20mmの孔をあけた型枠
集電体:厚さ40μmグラファイトシート(カネカ社製)
引出し電極:厚さ50μmの銅箔を用いた。
隔膜:イオン交換膜 ネオセプタCMX(アストム社製)
The material which comprises the vanadium
Cell plate: circular SUS (314) plate mold having a thickness of 3 mm and a diameter of 50 mm: Formwork current collector having a hole having a diameter of 20 mm in the center of a circular shape having a thickness of 1 mm and a diameter of 30 mm: thickness of 40 μm Graphite sheet (manufactured by Kaneka)
Extraction electrode: A copper foil having a thickness of 50 μm was used.
Diaphragm: Ion exchange membrane Neoceptor CMX (made by Astom)
〔クーロン効率〕
実施例及び比較例のバナジウム固体塩電池について、充放電測定装置(TOSCAT−3500(充放電評価装置)、東洋システム社製、電池セル常温下)を用いて、充放電容量を測定した。
サイクル数1及び2
充電条件:定電流(CC)充電10mA(上限1.6V)
放電条件:定電流(CC)放電10mA(下限0.8V)
サイクル数3
充電条件:定電流(CC)充電10mA(上限1.65V)
放電条件:定電流(CC)放電10mA(下限0.8V)
サイクル数4
充電条件:定電流(CC)充電10mA(上限1.7V)
放電条件:定電流(CC)放電10mA(下限0.8V)
まず、定電流(10mA)にて充電を開始し、電圧が上限値になった時点で充電完了(カットオフ)とした。その後、定電流(10mA)にて放電を開始し、電圧が0.8Vになった時点を放電完了(カットオフ)とした。
各サイクルにおける充放電容量(mAh)からエネルギー効率を以下のように算出した。クーロン効率は以下のように算出した。
クーロン効率(%)=各サイクルにおける放電容量(mAh)/充電容量(mAh)×100
[Coulomb efficiency]
About the vanadium solid salt battery of an Example and a comparative example, charging / discharging capacity | capacitance was measured using the charging / discharging measuring apparatus (TOSCAT-3500 (charge / discharge evaluation apparatus), the Toyo System Co., Ltd. make, battery cell normal temperature).
Number of
Charging conditions: constant current (CC) charge 10mA (upper limit 1.6V)
Discharge condition: constant current (CC) discharge 10 mA (lower limit 0.8 V)
Number of
Charging conditions: constant current (CC) charge 10mA (upper limit 1.65V)
Discharge condition: constant current (CC) discharge 10 mA (lower limit 0.8 V)
Number of
Charging conditions: constant current (CC) charge 10mA (upper limit 1.7V)
Discharge condition: constant current (CC) discharge 10 mA (lower limit 0.8 V)
First, charging was started at a constant current (10 mA), and charging was completed (cut off) when the voltage reached the upper limit. Thereafter, discharge was started at a constant current (10 mA), and the time when the voltage reached 0.8 V was regarded as the completion of discharge (cut-off).
The energy efficiency was calculated from the charge / discharge capacity (mAh) in each cycle as follows. Coulomb efficiency was calculated as follows.
Coulomb efficiency (%) = discharge capacity (mAh) / charge capacity (mAh) in each cycle × 100
図9及び図10は、各サイクルにおける充電容量及び放電容量の測定結果を示す。また、表6は、実施例の各サイクルにおける放電容量(mAh)、充電容量(mAh)、並びに放電容量(mAh)及び充電容量(mAh)から算出されるクーロン効率(%)を記載した。表7は、比較例の各サイクルにおける放電容量(mAh)、充電容量(mAh)、並びに放電容量(mAh)及び充電容量(mAh)から算出されるクーロン効率(%)を記載した。 9 and 10 show measurement results of charge capacity and discharge capacity in each cycle. Table 6 shows the discharge capacity (mAh), the charge capacity (mAh), and the Coulomb efficiency (%) calculated from the discharge capacity (mAh) and the charge capacity (mAh) in each cycle of the example. Table 7 lists the discharge capacity (mAh), the charge capacity (mAh), and the Coulomb efficiency (%) calculated from the discharge capacity (mAh) and the charge capacity (mAh) in each cycle of the comparative example.
図9及び表6に示す結果から、実施例(黒鉛化カーボンブラック使用)のバナジウム固体塩電池は、充電カット電位を1.7V(サイクル数4)まで上げてもクーロン効率が100%近く得られている。一方、図10及び表7に示す結果から、比較例(ケッチェンブラック使用)のバナジウム固体塩電池は、クーロン効率が低かった。また、比較例(ケッチェンブラック使用)のバナジウム固体塩電池は、充電カット電位、1.6V、1.65Vまでは、サイクル数と共に容量の劣化が見られた。しかし、充電カット電位1.7V(サイクル数4)まで充電すると、放電容量が急激に上昇し、クーロン効率が100%を超えた。 From the results shown in FIG. 9 and Table 6, the vanadium solid salt battery of the example (using graphitized carbon black) can obtain a Coulomb efficiency of nearly 100% even when the charge cut potential is increased to 1.7 V (number of cycles 4). ing. On the other hand, from the results shown in FIG. 10 and Table 7, the vanadium solid salt battery of the comparative example (using ketjen black) had low Coulomb efficiency. In addition, the vanadium solid salt battery of the comparative example (using ketjen black) exhibited capacity deterioration with the number of cycles up to the charge cut potential, 1.6 V, and 1.65 V. However, when the battery was charged to a charge cut potential of 1.7 V (number of cycles: 4), the discharge capacity increased rapidly, and the coulomb efficiency exceeded 100%.
〔容量維持率〕
実施例及び比較例のバナジウム固体塩電池について、充放電測定装置(型番・名称:TOSCAT−3500(充放電評価装置)、東洋システム株式会社製、電池セル常温下)を用いて、初期放電容量を測定した。次いで、同じ条件で5サイクル充放電を繰り返し、初期放電容量100%に対する、5サイクル目の放電容量を容量維持率とした。
充電条件:定電流(CC)充電10mA(上限1.7V)
放電条件:定電流(CC)放電10mA(下限0.8V)
図11に、実施例のバナジウム固体塩電池の初期放電容量から5サイクルまでの充放電容量(容量/mAh−電圧/Vの関係)の結果を示す。実施例のバナジウム固体塩電池の5サイクル後の容量維持率は91%であった。
図12に、比較例のバナジウム固体塩電池の初期放電容量から5サイクルまでの充放電容量(容量/mAh−電圧/Vの関係)の結果を示す。比較例のバナジウム固体塩電池の5サイクル後の容量維持率は60%であった。
[Capacity maintenance rate]
For the vanadium solid salt batteries of Examples and Comparative Examples, the initial discharge capacity was determined using a charge / discharge measuring device (model number / name: TOSCAT-3500 (charge / discharge evaluation device), manufactured by Toyo System Co., Ltd., battery cell at room temperature). It was measured. Subsequently, charge / discharge of 5 cycles was repeated on the same conditions, and the discharge capacity of the 5th cycle with respect to 100% of initial discharge capacity was made into the capacity maintenance rate.
Charging conditions: constant current (CC) charge 10mA (upper limit 1.7V)
Discharge condition: constant current (CC) discharge 10 mA (lower limit 0.8 V)
In FIG. 11, the result of the charge / discharge capacity | capacitance (capacity / mAh-voltage / V relationship) from the initial discharge capacity to 5 cycles of the vanadium solid salt battery of an Example is shown. The capacity retention rate after 5 cycles of the vanadium solid salt battery of the example was 91%.
FIG. 12 shows the results of charge / discharge capacity (capacity / mAh−voltage / V relationship) from the initial discharge capacity to 5 cycles of the vanadium solid salt battery of the comparative example. The capacity retention rate after 5 cycles of the vanadium solid salt battery of the comparative example was 60%.
〔エネルギー効率(%)〕
実施例及び比較例のバナジウム固体塩電池について、充放電測定装置(型番・名称:TOSCAT−3500(充放電評価装置)、東洋システム株式会社製、電池セル常温下)を用いて、クーロン効率を測定した条件と同様の条件で、充放電電力量(mWh)を測定した。各サイクルにおける充放電電力量(mWh)からエネルギー効率を以下のように算出した。
エネルギー効率(%)=各サイクルにおける放電電力量(mWh)/充電電力量(mWh)×100
[Energy efficiency (%)]
About the vanadium solid salt battery of an Example and a comparative example, Coulomb efficiency is measured using a charging / discharging measuring device (model number and name: TOSCAT-3500 (charging / discharging evaluation device), manufactured by Toyo System Co., Ltd., battery cell at room temperature). The amount of charge / discharge power (mWh) was measured under the same conditions as described above. The energy efficiency was calculated from the charge / discharge power amount (mWh) in each cycle as follows.
Energy efficiency (%) = discharge power amount (mWh) / charge power amount (mWh) × 100 in each cycle
表8は、実施例の各サイクルにおける充電電力量(mWh)、放電電力量(mWh)、並びに充電電力量(mWh)及び放電電力量(mWh)から算出されるエネルギー効率(%)を記載した。表7は、比較例の各サイクルにおける充電電力量(mWh)、放電電力量(mWh)、並びに充電電力量(mWh)及び放電電力量(mWh)から算出されるエネルギー効率(%)を記載した。 Table 8 describes the charging power amount (mWh), the discharging power amount (mWh), and the energy efficiency (%) calculated from the charging power amount (mWh) and the discharging power amount (mWh) in each cycle of the example. . Table 7 describes the amount of charge power (mWh), the amount of discharge power (mWh), and the energy efficiency (%) calculated from the amount of charge power (mWh) and the amount of discharge power (mWh) in each cycle of the comparative example. .
図11に示すように、実施例のバナジウム固体塩電池の5サイクル後の容量維持率は91%であるのに対し、図12に示すように、比較例のバナジウム固体塩電池の5サイクル後の容量維持率は60%であった。この結果から、本発明のバナジウム固体塩電池は、容量維持率が向上していることが分かった。 As shown in FIG. 11, the capacity retention rate after 5 cycles of the vanadium solid salt battery of the example is 91%, whereas, as shown in FIG. 12, the vanadium solid salt battery of the comparative example after 5 cycles. The capacity retention rate was 60%. From this result, it was found that the capacity retention rate of the vanadium solid salt battery of the present invention was improved.
表8に示す結果から、実施例(黒鉛化カーボンブラック使用)のバナジウム固体塩電池は、充電カット電位1.6V(サイクル数1及び2)、1.65V(サイクル数3)、1.7V(サイクル数4)まで充電しても、エネルギー効率が75%を上回っており、高いエネルギー効率を維持していた。一方、表9に示す結果から、比較例(ケッチェンブラック使用)のバナジウム固体塩電池は、充電カット電位1.6V(サイクル数1及び2)、1.65V(サイクル数)では、エネルギー効率が60%を下回っていた。
From the results shown in Table 8, the vanadium solid salt batteries of Examples (using graphitized carbon black) have a charge cut potential of 1.6 V (
実施例(黒鉛化カーボンブラック使用)のバナジウム固体塩電池は、高電圧の充放電に耐えられると思われるが、これは炭素処理温度に起因した黒鉛化度の差によるものである。黒鉛カーボンブラックとケッチェンブラックとでは、黒鉛カーボンブラックの方が黒鉛化度(結晶化度)が高いため、水の電気分解の過電圧が上昇した。 The vanadium solid salt battery of the example (using graphitized carbon black) seems to be able to withstand high voltage charge / discharge, which is due to the difference in the degree of graphitization due to the carbon treatment temperature. Among graphite carbon black and ketjen black, the graphite carbon black has a higher degree of graphitization (crystallinity), so the overvoltage of water electrolysis increased.
本発明は、バナジウム固体塩にラマン分光法により求めたR値及びX線粉末法によって測定された格子間隔dが特定の値である炭素材料粉末を特定量含むことによって、正極及び負極におけるバナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンの酸化還元状態の均衡を維持することができる。本発明は、正極及び負極におけるバナジウムイオン又はバナジウムを含む陽イオンの酸化還元状態の均衡を維持することによって、バナジウム固体塩電池の容量維持率、クーロン効率、及び、エネルギー効率を向上することができる。バナジウム固体塩電池は、大型電力貯蔵分野のみならず、パーソナルコンピュータ、個人用携帯情報端末(PDA)、デジタルカメラ、デジタルメディアプレーヤー、デジタルレコーダ、ゲーム、電化製品、車両、無線装置、携帯電話等に広く用いることができ、産業上有用である。 The present invention includes a vanadium ion in a positive electrode and a negative electrode by containing a specific amount of carbon material powder having a specific value in the lattice spacing d measured by the R value and X-ray powder method determined by Raman spectroscopy in the vanadium solid salt. Alternatively, the balance of the redox state of the cation containing vanadium can be maintained. The present invention can improve the capacity retention rate, coulomb efficiency, and energy efficiency of a vanadium solid salt battery by maintaining the balance of the redox state of vanadium ions or cations containing vanadium in the positive electrode and the negative electrode. . Vanadium solid salt batteries are used not only in the large power storage field, but also in personal computers, personal digital assistants (PDAs), digital cameras, digital media players, digital recorders, games, electrical appliances, vehicles, wireless devices, mobile phones, etc. It can be widely used and is industrially useful.
1 バナジウム固体塩電池
2 正極用のバナジウム固体塩
3 負極用のバナジウム固体塩
4 隔膜
5 第1の集電体
6 第2の集電体
7 正極
8 負極
9 第1の引出し電極
10 第2の引出し電極
11a 第1のセル板
11b 第2のセル板
12a 第1の型枠
12b 第2の型枠
13 ネジ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記正極の前記炭素材料は、ラマン分光法により求めたR値が1.10以下であるか又は、X線粉末法によって測定された格子間隔d(d002)が0.33〜0.36nmである炭素材料粉末であり、
前記正極の前記バナジウム固体塩は、炭素材料の含有量が1〜42質量%であることを特徴とするバナジウム固体塩電池 Vanadium ions and / or vanadium containing ions, an electrolyte, and a vanadium solid salt containing a carbon material are included in the positive electrode and the negative electrode,
The carbon material of the positive electrode has an R value obtained by Raman spectroscopy of 1.10 or less, or a lattice spacing d (d002) measured by an X-ray powder method of 0.33 to 0.36 nm. Carbon material powder,
The vanadium solid salt battery of the positive electrode has a carbon material content of 1 to 42% by mass.
負極用バナジウム固体塩に含まれる電解液中の硫酸に対するリン酸又はリン酸塩のモル比は1:0.082〜1:0.333である、請求項3記載のバナジウム固体塩電池。 The molar ratio of phosphoric acid or phosphate to sulfuric acid in the electrolyte contained in the positive electrode vanadium solid salt is 1: 0.25 to 1: 1.94,
The vanadium solid salt battery according to claim 3, wherein the molar ratio of phosphoric acid or phosphate to sulfuric acid in the electrolyte contained in the negative electrode vanadium solid salt is 1: 0.082 to 1: 0.333.
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