JP6434192B2 - レドックスフロー電池 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態に係るレドックスフロー電池の構成の一例を示す構成図である。本実施形態に係るレドックスフロー電池1は、電池セル2を最小単位として、これを単独、又は複数枚積層した電池セルスタックと称される形態で使用され、電池セル2にバナジウムを活物質として含む電解液を循環させて充放電を行う。例えば、このレドックスフロー電池1は、交流/直流変換器3を介して発電所等の交流電源4からの電力を充電し、充電した電力を、交流/直流変換器3を介して負荷電源5に放電する。
正極セル
充電:VO2+(V4+)+H2O→VO2 +(V5+)+2H++e−
放電:VO2 +(V5+)+2H++e−→VO2+(V4+)+H2O
負極セル
充電:V3++e−→V2+
放電:V2+→V3++e−
正極電極10及び負極電極20の少なくとも一方は、例えば、平均径1μm以上の炭素繊維からなる電極材料中に、平均径150nm以下のカーボンナノチューブを含む。150nm以下のカーボンナノチューブを含むことにより、カーボンナノチューブが炭素繊維間に導入され、カーボンナノチューブが炭素繊維間に跨った構造となるため、導電性が向上し、高い充放電容量が得られる。後述するように、高い充放電容量を維持しつつ、電極の空隙率を調整する点では、正極電極10及び負極電極20の両電極(以下、単に「電極」という場合がある)が、電極材料として、平均径150nm以下のカーボンナノチューブを含むことが好ましい。
空隙率(%)=100−(電極のシート密度/電極材料の見かけ密度)×100
正極電解液タンク12は、正極電解液を収容し、正極往路配管13及び正極復路配管14を介して正極セル11と連通している。
負極電解液タンク22は、負極電解液を収容し、負極往路配管23及び負極復路配管24を介して負極セル21と連通している。
隔膜30としては、公知の隔膜を用いることができ、特に限定されないが、例えば有機高分子からなるイオン交換膜が好ましく、カチオン交換膜及びアニオン交換膜のいずれも用いることができる。
正極電極には、平均径1μmの炭素繊維と平均径30nmのカーボンナノチューブからなる電極材料(面積25cm2)を用いた。負極電極には、平均径1μmの炭素繊維と平均径100nmのカーボンナノチューブとからなる電極材料を用いた。これにより、表1に示すように、正極電極の空隙率が61%、負極電極の空隙率が91%、正極電極と負極電極との空隙率比(負極空隙率/正極空隙率)が1.5、正極電極と負極電極のカーボンナノチューブの含有量(質量)比(負極含有量/正極含有量)が0.5、正極電極と負極電極の対向面積比(負極対向面積/正極対向面積)が1.2である実験用電池セルを作製した。正極電解液としては、4価のバナジウムイオン濃度が1.5mol/Lである3.0mol/L−H2SO4水溶液、負極電解液としては、3価のバナジウムイオン濃度が1.5mol/Lである3.0mol/L−H2SO4水溶液を用いた。
A:90%以上
B:85%以上90%未満
C:80%以上85%未満
D:80%未満
正極電極及び負極電極に用いるカーボンナノチューブの平均径、正極電極に対する負極電極の、空隙率比、含有量比及び対向面積比を、表1に示すように変更し、それ以外は、実施例1と同様の充放電サイクルを繰り返し、100サイクル目の電池容量維持率を評価した。その結果を表1に示す。
正極電極には、平均径30nmのカーボンナノチューブ50質量%と、平均径150nmのカーボンナノチューブ50質量%とからなる電極材料(面積25cm2)を用いた。負極電極には、平均径30nmのカーボンナノチューブ10質量%と、平均径150nmのカーボンナノチューブ90質量%とからなる電極材料を用いた。そして、正極電極及び負極電極の空隙率比、含有量比、対向面積比を、表1に示すように変更した。それ以外は、実施例1と同様の充放電サイクルを繰り返し、100サイクル目の電池容量維持率を評価した。その結果を表1に示す。
正極電極及び負極電極に用いるカーボンナノチューブの平均径、正極電極及び負極電極の空隙率比、含有量比、対向面積比を、表1に示すように変更し、それ以外は、実施例1と同様の充放電サイクルを繰り返し、100サイクル目の電池容量維持率を評価した。その結果を表1に示す。
正極電極と負極電極の空隙率が同一である比較例1のレドックスフロー電池に対して、負極電極の空隙率が正極電極の空隙率より大きい実施例1〜10のレドックスフロー電池では、長期に亘って電池容量維持率が80%以上と高かった。特に、正極電極と負極電極の空隙率比が1.1〜2.0、含有量比が0.1〜0.95、面積比が1.05〜1.7となる実施例1〜7および10では、電池容量維持率が85%以上と高かった。
2 電池セル
3 交流/直流変換器
4 交流電源
5 負荷電源
10 正極電極
11 正極セル
12 正極電解液タンク
13 正極往路配管
14 正極復路配管
15 ポンプ
20 負極電極
21 負極セル
22 負極電解液タンク
23 負極往路配管
24 負極復路配管
25 ポンプ
30 隔膜
Claims (7)
- 正極電極と、負極電極と、これら両電極間に介在される隔膜とを備える電池セルに、バナジウムを活物質として含む電解液を循環させて充放電を行うレドックスフロー電池であって、前記正極電極及び前記負極電極の少なくとも一方は、平均径150nm以下のカーボンナノチューブを含み、前記負極電極の空隙率は、前記正極電極の空隙率よりも大きい、レドックスフロー電池。
- 前記正極電極に対する前記負極電極の空隙率比(負極空隙率/正極空隙率)が1.1以上2.0以下である、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記負極電極の空隙率は、65%以上99%以下である、請求項1又は2に記載のレドックスフロー電池。
- 前記正極電極及び前記負極電極は、前記カーボンナノチューブを含み、前記負極電極に含まれる前記カーボンナノチューブの平均径は、前記正極電極に含まれる前記カーボンナノチューブの平均径よりも大きい、請求項1〜3のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池。
- 前記正極電極に含まれる前記カーボンナノチューブの含有量に対する、前記負極電極に含まれる前記カーボンナノチューブの含有量の比(負極含有量/正極含有量)は、0超0.95以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池。
- 前記正極電極及び前記負極電極の少なくとも一方は、平均径1μm以上の炭素繊維をさらに含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池。
- 前記正極電極に対する前記負極電極の対向面積比(負極対向面積/正極対向面積)が1.05以上1.7以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池。
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