JP6813016B2 - Alkaline batteries and electrolytes for alkaline batteries - Google Patents
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Description
本発明は、アルカリ蓄電池及びアルカリ蓄電池用電解液に関する。 The present invention relates to an alkaline storage battery and an electrolytic solution for an alkaline storage battery.
近年、情報通信インフラはライフラインの一種と考えられるようになり、安定した情報通信技術は現代社会の根幹を支えている。このため、情報通信機器は停電時にも動作することが求められ、特に、昨今の地震、大雨、落雷等の自然災害による停電のリスクに対する危機感が高まっている。このような背景のもと、停電時のバックアップ電源となる蓄電装置への需要が高まっており、特に、取扱いに優れた蓄電装置への需要が高まっている。さらには、情報通信機器を多く備えるデータセンタ等の施設では、大量の電力が消費される。そのため、バックアップ電源として、取扱いに優れるとともに高出力での放電が可能な蓄電装置が求められている。 In recent years, information and communication infrastructure has come to be considered as a kind of lifeline, and stable information and communication technology supports the foundation of modern society. For this reason, information and communication equipment is required to operate even during a power outage, and in particular, there is a growing sense of crisis about the risk of a power outage due to a natural disaster such as a recent earthquake, heavy rain, or lightning strike. Against this background, the demand for power storage devices that serve as backup power sources in the event of a power outage is increasing, and in particular, the demand for power storage devices that are excellent in handling is increasing. Furthermore, a large amount of electric power is consumed in facilities such as data centers equipped with many information and communication devices. Therefore, as a backup power source, there is a demand for a power storage device that is easy to handle and can discharge at high output.
蓄電装置として、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、アルカリ蓄電池(アルカリ水溶液系二次電池)等が知られている。鉛蓄電池は、100年以上の歴史に裏打ちされた高い信頼性があり、単位蓄電容量当たりのコストが低いため、バックアップ用に限らず移動体用等の幅広い用途に用いられている。リチウムイオン電池は高エネルギ密度、高出力密度であるため、モバイル機器、移動体等の電源に広く用いられている。アルカリ蓄電池は、アルカリ水溶液を電解液として用いるため、出力特性に優れるとともに取扱いに優れる。そのため、アルカリ蓄電池は、モバイル機器、移動体等の電源として用いられている。 As a power storage device, a lead storage battery, a lithium ion secondary battery, an alkaline storage battery (alkaline aqueous solution type secondary battery) and the like are known. Lead-acid batteries have high reliability backed by a history of more than 100 years and have a low cost per unit storage capacity, so they are used in a wide range of applications such as for mobiles as well as for backup. Since lithium-ion batteries have high energy density and high output density, they are widely used as power sources for mobile devices, mobile devices, and the like. Since the alkaline storage battery uses an alkaline aqueous solution as an electrolytic solution, it is excellent in output characteristics and handling. Therefore, alkaline storage batteries are used as a power source for mobile devices, mobile objects, and the like.
一方で、鉛蓄電池については、体積エネルギ密度が低いため、鉛蓄電池の設置面積が大きくなる。さらには、RoHS指令に代表されるように、鉛が世界的に規制の対象となっていることから、鉛蓄電池自体が将来的に規制対象となることも考えられる。また、リチウムイオン二次電池については、比較的出力密度が小さいため、出力密度を大きくするために電池セルの数が増える。そのため、鉛蓄電池と同様に、設置面積が大きくなる。さらには、リチウムイオン二次電池では、有機電解液が使用されるため、取扱いが煩雑である。 On the other hand, since the volumetric energy density of the lead-acid battery is low, the installation area of the lead-acid battery becomes large. Furthermore, as represented by the RoHS Directive, lead is subject to regulation worldwide, so it is possible that the lead-acid battery itself will be subject to regulation in the future. Further, since the output density of the lithium ion secondary battery is relatively small, the number of battery cells is increased in order to increase the output density. Therefore, as with the lead storage battery, the installation area becomes large. Furthermore, since an organic electrolytic solution is used in the lithium ion secondary battery, handling is complicated.
そこで、アルカリ蓄電池が注目されている。アルカリ蓄電池に関する技術として、特許文献1に記載の技術が知られている。特許文献1には、電気化学的に活性なアノード物質を含むアノードと、電気化学的に活性なカソード物質を含むカソードと、前記アノードと前記カソードとの間のセパレータ6と、水に溶解したイオン伝導性の成分を含んでいる電解質とを備えており、前記セパレータ6と前記電解質との組み合わせの面積抵抗が1電子放電前に100mΩ−cm2〜220mΩ−cm2の間であり、1電子放電前の面積抵抗に対する1電子放電の完了の時点における面積抵抗の比が1.9未満であるアルカリ蓄電池が記載されている。
Therefore, alkaline storage batteries are attracting attention. As a technique relating to an alkaline storage battery, the technique described in
ところで、アルカリ蓄電池では、例えば満充電状態が維持されると、高温下(例えば40℃程度以上)において電解液の電気分解が促進される。この結果、電池寿命が低下する。特にアルカリ蓄電池を例えばバックアップ用蓄電装置として使用する場合、アルカリ蓄電池の満充電状態が維持されることから、電池寿命低下の傾向が大きくなる。しかしながら、特許文献1には、高温条件下における電池寿命の低下抑制については記載されていない。
By the way, in an alkaline storage battery, for example, when a fully charged state is maintained, electrolysis of an electrolytic solution is promoted at a high temperature (for example, about 40 ° C. or higher). As a result, battery life is reduced. In particular, when an alkaline storage battery is used as a backup power storage device, for example, the alkaline storage battery is maintained in a fully charged state, so that the battery life tends to decrease. However,
本発明は、高温下においても長寿命なアルカリ蓄電池及びアルカリ蓄電池用電解液を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an alkaline storage battery and an electrolytic solution for an alkaline storage battery having a long life even at a high temperature.
本発明は、ハロゲン酸塩を含むとともにアルカリ性である電解液を備え、前記電解液に対する前記ハロゲン酸塩の含有量が5質量%以上であることを特徴とする、アルカリ蓄電池に関する。その他の解決手段は、発明を実施するための形態において後記する。 The present invention relates to an alkaline storage battery, which comprises an electrolytic solution containing a halogen salt and being alkaline, and the content of the halogen salt with respect to the electrolytic solution is 5% by mass or more. Other solutions will be described later in the form for carrying out the invention.
本発明によれば、高温下においても長寿命なアルカリ蓄電池及びアルカリ蓄電池用電解液を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an alkaline storage battery and an electrolytic solution for an alkaline storage battery having a long life even at a high temperature.
以下、図面を参照しながら本発明を説明するが、本発明は以下の内容に何ら制限されるものではなく、本発明はその要旨を著しく損なわない範囲で任意に変更して実施できる。各実施形態において、同じ部材は同じ符号を付して説明するものとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following contents, and the present invention can be carried out with arbitrary modifications without significantly impairing the gist thereof. In each embodiment, the same members will be described with the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
図1は、第1実施形態に係るアルカリ蓄電池10の構造を示す図である。ただし、図1には、説明の便宜上、アルカリ蓄電池10に接続される電源4と、外部負荷5と、スイッチ8とが示される。アルカリ蓄電池10と電源4と外部負荷5とスイッチ8とは、図1において実線で示す電気信号線により接続される。アルカリ蓄電池10は二次電池であり、図1に示す例では、アルカリ蓄電池10は外部負荷5のバックアップ用蓄電装置として使用される。
FIG. 1 is a diagram showing the structure of the
アルカリ蓄電池10は正極1及び負極2を備える。また、アルカリ蓄電池10は、正極1及び負極2と接触するとともに、アルカリ性の電解液3を備える。電解液3は通常は水溶液である。アルカリ蓄電池10は、正極1及び負極2とアルカリ性の電解液3との間でのイオンの授受により充放電される。
The
正極1は、負極2の酸化還元電位よりも貴な金属を含んで構成される。例えば、正極1は、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、ニッケル金属(ニッケル単体)、ニッケル合金、酸化ニッケル、酸化マンガン、二酸化マンガン、酸化銀及び酸化銅からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を含むことで構成される。正極1は、電気信号線により、電源4の正極に接続される。
The
負極2は、正極1の酸化還元電位よりも卑な金属を含んで構成される。例えば、負極2は、水酸化亜鉛、酸化亜鉛、亜鉛金属(亜鉛単体)、亜鉛合金、水酸化カドミウム、カドミウム金属(カドミウム単体)、カドミウム合金及び金属水素化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を含むことで構成される。負極2は、電気信号線及びスイッチ8を介して、電源4の負極に接続される。
The
電解液3(アルカリ蓄電池用電解液)は、ハロゲン酸塩を含むとともにアルカリ性であるものである。ハロゲン酸塩は、アルカリ性の水溶液である電解液3において、少なくとも一種のカチオン(A+)と、少なくとも一種のハロゲン酸イオン(X−)とに電離する。電解液3がハロゲン酸を含むことで、電解液3においてハロゲン酸イオンが水分子と配位することで水の耐還元性を向上させるとともに、水のクラスターを減少させるように作用して、水の電気分解を抑制し、電解液3の高温での長寿命化を図ることができる。
The electrolytic solution 3 (electrolyzable solution for an alkaline storage battery) contains a halogenate and is alkaline. The halogenate is ionized into at least one kind of cation (A + ) and at least one kind of halogenate ion (X − ) in the
ハロゲン酸塩は、アルカリ性の水溶液への溶解度が高く、アルカリ性の水溶液中で安定な化合物を含むことが好ましい。例えば、ハロゲン酸塩は、アルカリ金属塩、アンモニウム塩及び遷移金属塩からなる群より選ばれる少なくとも一種の塩を含むことが好ましい。ハロゲン酸塩がこれらの少なくとも一種の塩を含むことで、アルカリ性の水溶液である電解液3への溶解度を高めることができる。これとともに、電解液3中でハロゲン酸塩の安定性を高めることができる。これらにより、電解液3へのハロゲン酸塩含有効果が特に大きくなり、かつ、その効果を長時間維持できる。
The halogenate preferably contains a compound that has high solubility in an alkaline aqueous solution and is stable in an alkaline aqueous solution. For example, the halogenate preferably contains at least one salt selected from the group consisting of alkali metal salts, ammonium salts and transition metal salts. When the halogenate contains at least one of these salts, the solubility in the
また、ハロゲン酸塩は、過塩素酸塩、塩素酸塩、過ヨウ素酸塩、ヨウ素酸塩及び臭素酸塩からなる群より選ばれる少なくとも一種の塩を含むことが好ましい。ハロゲン酸塩がこれらの少なくとも一種の塩を含むことで、アルカリ性の水溶液である電解液3への溶解度を高めることができる。これとともに、電解液3中でハロゲン酸塩の安定性を高めることができる。これらにより、電解液3へのハロゲン酸塩の含有効果が特に大きくなり、かつ、その効果を長時間維持できる。
Further, the halogenated salt preferably contains at least one salt selected from the group consisting of perchlorate, chlorate, periodate, iodate and bromate. When the halogenate contains at least one of these salts, the solubility in the
ハロゲン酸塩は、例えば、過塩素酸ナトリウム、過塩素酸亜鉛、過塩素酸バリウム、過塩素酸リチウム、過塩素酸アンモニウム、塩素酸ナトリウム、塩素酸亜鉛、塩素酸バリウム、塩素酸リチウム、塩素酸アンモニウム、過ヨウ素酸ナトリウム、ヨウ素酸ナトリウム、ヨウ素酸カリウム、臭素酸ナトリウム、臭素酸カリウム及び臭素酸リチウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の塩を含むことができる。 The halides include, for example, sodium perchlorate, zinc perchlorate, barium perchlorate, lithium perchlorate, ammonium perchlorate, sodium bromate, zinc chlorate, barium chlorate, lithium chlorate, chlorate. It can contain at least one salt selected from the group consisting of ammonium, sodium perchlorate, sodium iodate, potassium iodate, sodium bromate, potassium bromate and lithium bromate.
ハロゲン酸塩の含有量は、電解液3に対する含有量として、5質量%以上であり、好ましくは10質量%以上である。ハロゲン酸塩の含有量をこの範囲にすることで、高温での電解液3の電気分解を十分に抑制でき、アルカリ蓄電池10を高温下においても長寿命にすることができる。
The content of the halogen salt is 5% by mass or more, preferably 10% by mass or more, as the content with respect to the
特に、ハロゲン酸塩の含有量が5質量%以上であることで、ハロゲン酸塩により奏される含有効果を大きくできる。即ち、ハロゲン酸塩の含有量が5質量%未満である場合、詳細は後記する図4に示すグラフにおいて、水素発生領域及び酸素発生領域での電流密度がほとんど変化せず、水素及び酸素が発生し易い。即ち、電解液3が電気分解し易く、アルカリ蓄電池10の寿命が短くなり易い。しかし、ハロゲン酸塩を5質量%以上の割合で含有することで、5質量%未満の含有量での電流密度と比較して、水素発生領域及び酸素発生領域での電流密度を大きく変化させることができる。具体的には、水素発生領域及び酸素発生領域の双方において、電流密度の絶対値を小さくできる。これにより、電解液3の電気分解が抑制され、大きな電位窓を確保できる。これにより、電解液3の安定性を高め、高温下であってもアルカリ蓄電池10の長寿命化を図ることができる。
In particular, when the content of the halogenate is 5% by mass or more, the content effect exerted by the halogenate can be increased. That is, when the content of the halide is less than 5% by mass, the current densities in the hydrogen generation region and the oxygen generation region hardly change in the graph shown in FIG. 4 described later, and hydrogen and oxygen are generated. Easy to do. That is, the
また、ハロゲン酸塩の含有量は、電解液3に対する含有量として、好ましくは40質量%以下、より好ましくは30質量%以下である。ハロゲン酸塩の含有量をこの範囲にすることで、電解液3の導電性を高めることができ、アルカリ蓄電池10の電池出力を高めることができる。従って、アルカリ蓄電池10の高温下での長寿命化と、高い電池出力とを両立させる観点からは、ハロゲン酸塩の含有量は、電解液3に対する含有量として、10質量%以上30質量%以下であることが好ましい。
The content of the halogenate is preferably 40% by mass or less, more preferably 30% by mass or less, as the content with respect to the
また、電解液3は、電解液3をアルカリ性にするためのアルカリ剤を含む。アルカリ剤は、電解液3において、少なくとも一種のカチオン(A+)と、水酸化物イオン(OH−)とに電離する。
Further, the
アルカリ剤は、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化セシウム及び水酸化アンモニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種のアルカリ剤を使用することができる。中でも、アルカリ剤は水酸化ナトリウムを含むことが好ましい。水酸化ナトリウムは水に対する溶解度が高いため、アルカリ剤が水酸化ナトリウムを含むことにより、電解液3中の水酸化物イオン濃度を十分に高めることができる。
As the alkaline agent, for example, at least one alkaline agent selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, cesium hydroxide and ammonium hydroxide can be used. .. Above all, the alkaline agent preferably contains sodium hydroxide. Since sodium hydroxide has high solubility in water, the hydroxide ion concentration in the
アルカリ剤の含有量は、電解液3に含まれる水分子の電気化学的分極を大きくすることで電解液3の電気分解反応速度を十分に遅くできる程度の含有量にすることが好ましい。具体的には例えば、アルカリ剤の含有量は、電解液3に対する含有量として、例えば10質量%以上、好ましくは15質量%以上である。アルカリ剤の含有量をこの範囲にすることで、充放電に使用される水酸化物イオンを十分に確保できる。また、アルカリ剤の含有量の上限は、例えば40質量%以下、好ましくは30質量%以下である。アルカリ剤の含有量をこの範囲にすることで、過剰の水酸化物イオンに起因する正極1での酸素発生を十分に抑制できる。
The content of the alkaline agent is preferably such that the electrolysis reaction rate of the
アルカリ剤の含有量と、ハロゲン酸塩の含有量との相対的関係は特に制限されない。従って、所望の含有量になるように、アルカリ剤の含有量とハロゲン酸塩の含有量とが決定されればよい。ただし、電解液3に含まれる溶媒は通常は水であり、水にアルカリ剤とハロゲン酸塩とが溶解される。従って、電解液3には、電解液3の使用温度においてアルカリ剤及びハロゲン酸塩の双方を完全に溶解できる量の水が含まれる。このため、例えば100質量部の電解液3においては、例えば、アルカリ剤の含有量を40質量部以下、ハロゲン酸塩の含有量を40質量部以下とし、残部(20質量部以上)を水にすることができる。
The relative relationship between the content of the alkaline agent and the content of the halogenate is not particularly limited. Therefore, the content of the alkaline agent and the content of the halogenate may be determined so as to obtain the desired content. However, the solvent contained in the
なお、電解液3は、ハロゲン酸塩及びアルカリ剤のほか、本発明の効果を著しく損なわない範囲で任意の単体又は化合物を含むことができる。
In addition to the halogenated salt and the alkaline agent, the
セパレータ6は、正極1と負極2との短絡を抑制するためのものであり、正極1と負極2との間に配置される。また、セパレータ6は、図1に示す例では、後記する保液部材7を挟むように、保液部材7の両側に1つずつ配置される。セパレータ6は、例えば、アニオンを選択的に透過させるアニオン交換膜により構成することができる。アニオン交換膜によりセパレータ6を構成することで、負極2から溶出したカチオンのセパレータ6内への浸透を抑制でき、負極2から溶出したカチオンを負極近傍に留めることができる。これにより、溶出したカチオンの再析出物が正極1に到達することが抑制され、正極1と負極2との短絡を抑制できる。
The
また、セパレータ6は、イオン及び分子を自由に透過させる多孔膜により構成することもできる。多孔膜によりセパレータ6を構成することで、溶出したカチオンの再析出物が正極1に到達することが抑制され、正極1と負極2との短絡を抑制できる。また、多孔膜を水分子が透過できるため、アルカリ蓄電池10の充放電に伴う正極1側の電解液3の液量と、負極2側の電解液3の液量との極端な不均一を抑制できる。
Further, the
なお、セパレータ6は、単一種類のものを1枚又は複数枚重ねて構成することができる。また、セパレータ6は、二種以上のものをそれぞれ1枚又は複数枚重ねて構成することもできる。セパレータ6の使用枚数を少なくすることで、セパレータ6による内部抵抗の上昇を抑制できる。一方で、セパレータ6の使用枚数を多くすることで、正極1と負極2との短絡をより十分に抑制できる。従って、セパレータ6の枚数は、例えば内部抵抗及び短絡可能性を考慮して決定すればよい。
The
保液部材7は、電解液を浸透させることにより電解液3(具体的には水)の揮発を抑制するものであり、正極1と負極2との間に配置される。具体的には、保液部材7は、2つのセパレータ6の間に配置される。保液部材7により、電解液3の揮発に起因する、正極1及び負極2と電解液3との接触面積減少を抑制できる。また、保液部材7により、負極2から溶出したカチオンの負極2下方への沈降を抑制できる。これにより、溶出したカチオンの再析出を抑制でき、負極2の所謂シェイプチェンジを抑制できる。
The liquid-retaining
保液部材7は、電解液3を浸透可能な任意の材料により構成できる。例えば、保液部材7は、不織布、紙、フェルト及び編物からなる群より選ばれる少なくとも一種の材料を含んで構成できる。
The
なお、保液部材7は、図示の例ではセパレータ6との間に隙間を設け、かつ、正極1及び負極2との間にも隙間を設けて配置される。しかし、保液部材7は、正極1及び負極2のうちの少なくとも一方に接触させてもよい。特に、保液部材7を負極2に接触させることで、負極2から溶出したカチオンの沈降をより十分に抑制できる。
In the illustrated example, the
また、保液部材7は、セパレータ6に接触されてもよい。保液部材7がセパレータ6に接触する場合、セパレータ6は、さらに、正極1及び負極2のうちの少なくとも一方に接触させてもよい。即ち、保液部材7と正極1及び負極2のうちの少なくとも一方とは、セパレータ6を介して接触させてもよい。保液部材7がセパレータ6を介して正極1及び負極2のうちの少なくとも一方と接触させることで、正極1と負極2との間での電解液3の枯渇を抑制できる。
Further, the
図1に示す例では、アルカリ蓄電池10は直流の電源4に接続される。また、外部負荷5(例えば直流交流変換装置(図示しない)を備える)は、アルカリ蓄電池10と並列になるように、電源4に接続される。電源4とアルカリ蓄電池10との間には、スイッチ8が接続される。
In the example shown in FIG. 1, the
電源4が正常に動作している場合にはスイッチ8は閉じており、電源4から、アルカリ蓄電池10と、アルカリ蓄電池10に対して並列に接続された外部負荷5とに電力が供給される。これにより、アルカリ蓄電池10への蓄電と、外部負荷5への電力供給とが行われる。一方で、電源4が予期せず断たれた場合にはスイッチが開き、アルカリ蓄電池10に蓄電された電力が、外部負荷5に供給される。このようにすることで、電源4が意図せず断たれた場合であっても、アルカリ蓄電池10を外部負荷5のバックアップ用蓄電装置として使用できる。
When the
特に、アルカリ蓄電池10は、例えば、電源4等の駆動制御を行うための駆動制御機器(図示しない)の近くに設置される。そのため、アルカリ蓄電池10は駆動制御機器の排熱に晒される環境に設置され、アルカリ蓄電池10は高温下に晒され易い。この結果、アルカリ蓄電池10の寿命が短くなり易い。しかし、アルカリ蓄電池10は、高温下においても長寿命である。従って、例えば駆動制御機器の近く等の高温下においてもアルカリ蓄電池10の長寿命化を図ることができる。
In particular, the
また、アルカリ蓄電池10は、詳細は実施例を参照しながら説明するが、高温下で満充電状態が長期間保持されても、劣化の程度が緩やかである。従って、アルカリ蓄電池10は、満充電状態で保持される例えばバックアップ用蓄電装置としても好適である。
The
図2は、第2実施形態に係るアルカリ蓄電池20の構造を示す図である。アルカリ蓄電池20では、上記のアルカリ蓄電池10(図1参照)とは異なり、セパレータ6及び保液部材7が備えられていない。しかし、セパレータ6及び保液部材7を備えないアルカリ蓄電池20においても、電解液3によって、アルカリ蓄電池20の長寿命化を図ることができる。また、アルカリ蓄電池20は、例えばバックアップ用蓄電装置としても好適である。
FIG. 2 is a diagram showing the structure of the
図3は、第3実施形態に係るアルカリ蓄電池30の構造を示す図である。アルカリ蓄電池30では、上記のアルカリ蓄電池10(図1参照)とは異なり、保液部材7が備えられていない。しかし、保液部材7を備えないアルカリ蓄電池30においても、電解液3によって、アルカリ蓄電池30の長寿命化を図ることができる。また、アルカリ蓄電池30は、例えばバックアップ用蓄電装置としても好適である。
FIG. 3 is a diagram showing the structure of the
以下、具体的な実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.
電解液3におけるハロゲン酸塩の含有効果を評価するため、以下に示す方法により電解液3(アルカリ蓄電池用電解液)を作製した。まず、実施例1の電解液3として、水酸化ナトリウム(アルカリ剤)と過塩素酸ナトリウム(ハロゲン酸塩)とを含み、溶媒を水とした電解液3を作製した。実施例1の電解液3では、水酸化ナトリウムの含有量は電解液3に対して20質量%、過塩素酸ナトリウムの含有量は電解液3に対して40質量%とした。
In order to evaluate the effect of containing a halogen salt in the
また、過塩素酸ナトリウムの含有量を20質量%にしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の電解液3を作製した。さらに、過塩素酸ナトリウムの含有量を5質量%にしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例3の電解液3を作製した。そして、過塩素酸ナトリウムを含まないこと以外は実施例1と同様にして、比較例の電解液3を作製した。
Further, the
作成した4つの電解液3(実施例1〜3及び比較例の電解液)に電極を浸し、電位を掃引したときの電流密度評価を行った。電流密度評価は、55℃に保温した電解液3について行った。作用極にはグラッシーカーボン電極、対極には白金線電極、参照極には水酸化ニッケルを塗布したニッケル板電極を用いた。そして、作用極の電位を100mV/秒の速さで掃引しながら電流密度を測定した。この結果を図4に示す。
The electrodes were immersed in the four prepared electrolytic solutions 3 (electrolyte solutions of Examples 1 to 3 and Comparative Examples), and the current density was evaluated when the potential was swept. The current density evaluation was performed on the
図4は、作製した4つの電解液に対する電流密度評価結果を示すグラフである。横軸は、ニッケル−水酸化ニッケル(Ni/Ni(OH)2)を基準とする電位(V)、縦軸は電流密度(mA/cm2)を表す。また、図4において、実施例1は白抜きのひし形、実施例2は白抜きの正方形、実施例3は白抜きの三角、比較例は白抜きの丸の各プロットで示す。横軸において低電位側の水素発生領域では、電解液3が電気分解して主に水素が発生する。一方で、高電位側の酸素発生領域では、電解液3が電気分解して主に酸素が発生する。従って、電解液3を用いたアルカリ蓄電池は、水酸素発生領域及び酸素発生領域を除いた使用可能領域、即ち「電位窓」での電位にて使用される。
FIG. 4 is a graph showing the current density evaluation results for the four prepared electrolytic solutions. The horizontal axis represents the potential (V) based on nickel-nickel hydroxide (Ni / Ni (OH) 2 ), and the vertical axis represents the current density (mA / cm 2 ). Further, in FIG. 4, Example 1 is shown as a white diamond, Example 2 is shown as a white square, Example 3 is shown as a white triangle, and Comparative Example is shown as a white circle. In the hydrogen generation region on the low potential side on the horizontal axis, the
このグラフに示すように、ハロゲン酸塩を5質量%以上の割合で含む実施例1〜3は、ハロゲン酸塩を含まない比較例と比べて、特に水素発生領域及び酸素発生領域の電位での電流密度に変化がみられた。 As shown in this graph, Examples 1 to 3 containing a halogenate in a proportion of 5% by mass or more have potentials in the hydrogen generation region and the oxygen generation region, as compared with the comparative examples not containing the halide. There was a change in the current density.
例えば水素発生領域での電流密度(水素発生電流密度、還元電流密度)に関して、ハロゲン酸塩を5質量%以上の割合で含む実施例1〜3での電流密度は、ハロゲン酸塩を含まない比較例の電流密度よりも大きくなった(なお、臨界電流密度の絶対値は小さくなった)。従って、水素発生領域では、ハロゲン酸塩を5質量%以上含む実施例1〜3では、ハロゲン酸塩を含まない比較例と比べて、電流密度減少の程度が緩やかになったといえる。特に、ハロゲン酸塩を含む実施例1〜3では、ハロゲン酸塩を40質量%以上の割合で含む実施例1の電流密度が最も大きく、次いで、ハロゲン酸塩を20質量%以上の割合で含む実施例2、ハロゲン酸塩を5質量%以上の割合で含む実施例3の順で大きくなった。従って、水素発生領域において電流密度を大きく(絶対値を小さく)する観点からは、ハロゲン酸塩の含有量は多いことが好ましいことがわかった。 For example, with respect to the current densities in the hydrogen generation region (hydrogen generation current density, reduction current density), the current densities in Examples 1 to 3 containing the halide in a proportion of 5% by mass or more are compared without the halide. It became larger than the example current density (note that the absolute value of the critical current density became smaller). Therefore, in the hydrogen generation region, it can be said that in Examples 1 to 3 containing 5% by mass or more of the halogenate, the degree of decrease in the current density was slower than that in the comparative example not containing the halogenate. In particular, in Examples 1 to 3 containing a halogenate, the current density of Example 1 containing the halogenate in a proportion of 40% by mass or more is the largest, followed by the halogenate in a proportion of 20% by mass or more. The size increased in the order of Example 2 and Example 3 in which the halogenate was contained in a proportion of 5% by mass or more. Therefore, from the viewpoint of increasing the current density (decreasing the absolute value) in the hydrogen generation region, it was found that a large halogenate content is preferable.
一方で、酸素発生領域での電流密度(酸素発生電流密度、酸化電流密度)では、ハロゲン酸塩を5質量%以上の割合で含む実施例1〜3の電流密度は、ハロゲン酸塩を含まない比較例の電流密度よりも小さくなった。(なお、臨界電流密度の絶対値も小さくなった)。従って、酸素発生領域では、ハロゲン酸塩を5質量%以上含む実施例1〜3では、ハロゲン酸塩を含まない比較例と比べて、電流密度増加の程度が緩やかになったといえる。特に、ハロゲン酸塩を含む実施例1〜3においても、ハロゲン酸塩を40質量%以上の割合で含む実施例1の電流密度が最も小さく、次いで、ハロゲン酸塩を20質量%以上の割合で含む実施例2、ハロゲン酸塩を5質量%以上の割合で含む実施例3の順で小さくなった。従って、酸素発生領域において電流密度を小さく(絶対値を小さく)する観点からは、ハロゲン酸塩の含有量は多いことが好ましいことがわかった。 On the other hand, in the current densities in the oxygen generation region (oxygen generation current density, oxidation current density), the current densities of Examples 1 to 3 containing the halide in a proportion of 5% by mass or more do not contain the halide. It became smaller than the current density of the comparative example. (The absolute value of the critical current density has also become smaller). Therefore, in the oxygen generation region, it can be said that in Examples 1 to 3 containing 5% by mass or more of the halide, the degree of increase in the current density was slower than that in the comparative example not containing the halide. In particular, also in Examples 1 to 3 containing a halide, the current density of Example 1 containing a halogenate in a proportion of 40% by mass or more is the smallest, followed by a halide in a proportion of 20% by mass or more. It became smaller in the order of Example 2 containing the halide and Example 3 containing the halide in an proportion of 5% by mass or more. Therefore, from the viewpoint of reducing the current density (decreasing the absolute value) in the oxygen evolution region, it was found that a large halogenate content is preferable.
水素発生領域での下限電位(−2.0V)及び酸素発生領域での上限電位(2.5V)における電流密度の大きさ(絶対値。以下、表1の説明においては、特に断らない限り絶対値を表す)を以下の表1に示す。 The magnitude of the current density at the lower limit potential (-2.0V) in the hydrogen generation region and the upper limit potential (2.5V) in the oxygen generation region (absolute value. Hereinafter, in the explanation of Table 1, it is absolute unless otherwise specified. The values are shown in Table 1 below.
ハロゲン酸塩を5質量%以上の割合で含む実施例1〜3では、水素発生領域及び酸素発生領域のいずれにおいても、ハロゲン酸塩を含まない比較例と比べて、電流密度が大きく減少していた。具体的には、水素発生領域での実施例1では、電流密度は、比較例に対して29%に減少していた。また、水素発生領域での実施例2では、電流密度は、比較例に対して66%に減少していた。水素発生領域での実施例3では、電流密度は、比較例に対して84%に減少していた。 In Examples 1 to 3 containing a halogen salt at a ratio of 5% by mass or more, the current density was significantly reduced in both the hydrogen generation region and the oxygen generation region as compared with the comparative example not containing the halogen salt. It was. Specifically, in Example 1 in the hydrogen generation region, the current density was reduced to 29% as compared with Comparative Example. Further, in Example 2 in the hydrogen generation region, the current density was reduced to 66% as compared with Comparative Example. In Example 3 in the hydrogen generating region, the current density was reduced to 84% as compared with Comparative Example.
水素発生領域において電流密度が減少すれば、水素イオンが受け取る電子の数が減少するため、水素発生量が減少する。即ち、例えば実施例1と比較例との各電解液を用いたアルカリ蓄電池において、同じ電流密度で通電した場合、電流密度の減少に対応する量の水素発生量が減少する。従って、実施例1の電解液では、電流密度が比較例の29%に減少したことから、水素発生量が比較例よりも71%(=100%−29%)も減少したといえる。同様に、実施例2では水素発生量は34%減少、実施例3では水素発生量は16%減少したといえる。 When the current density decreases in the hydrogen generation region, the number of electrons received by the hydrogen ions decreases, so that the amount of hydrogen generated decreases. That is, for example, in the alkaline storage batteries using the electrolytic solutions of Example 1 and Comparative Example, when energized at the same current density, the amount of hydrogen generated corresponding to the decrease in the current density decreases. Therefore, in the electrolytic solution of Example 1, since the current density was reduced to 29% of that of Comparative Example, it can be said that the amount of hydrogen generated was reduced by 71% (= 100% -29%) as compared with that of Comparative Example. Similarly, it can be said that the amount of hydrogen generated decreased by 34% in Example 2 and the amount of hydrogen generated decreased by 16% in Example 3.
また、酸素発生領域においても、電流密度が減少すれば、生成する電子の数が減少するため、酸素発生量が減少する。そして、酸素発生領域では、実施例1では、電流密度は、比較例に対して53%に減少していた。また、酸素発生領域での実施例2では、電流密度は、比較例に対して81%に減少していた。酸素発生領域での実施例3では、電流密度は、比較例に対して90%に減少していた。従って、実施例1の電解液では、上記の水素発生領域と同様に、酸素発生量が比較例よりも47%(=100%−53%)も減少したといえる。同様に、実施例2では酸素発生量は19%減少、実施例3では酸素発生量は10%減少したといえる。 Further, also in the oxygen generation region, if the current density decreases, the number of generated electrons decreases, so that the amount of oxygen generated decreases. Then, in the oxygen evolution region, in Example 1, the current density was reduced to 53% as compared with Comparative Example. Further, in Example 2 in the oxygen evolution region, the current density was reduced to 81% as compared with Comparative Example. In Example 3 in the oxygen evolution region, the current density was reduced to 90% as compared with Comparative Example. Therefore, it can be said that in the electrolytic solution of Example 1, the amount of oxygen generated was reduced by 47% (= 100% -53%) as compared with the comparative example, as in the hydrogen generation region described above. Similarly, it can be said that the amount of oxygen generated decreased by 19% in Example 2 and the amount of oxygen generated decreased by 10% in Example 3.
これらの結果から、実施例1〜3の電解液3を備えるアルカリ蓄電池10では、例えば55℃のような高温下においても、充放電時の水素発生量及び酸素発生量の双方が抑制、即ち、充放電時に電解液3の電気分解が抑制されることがわかった。従って、本発明のアルカリ蓄電池によれば、高温下においても長寿命のアルカリ蓄電池を提供できる。
From these results, in the
なお、上記の実施例では、ハロゲン酸塩として過塩素酸ナトリウムを使用した。しかし、例えば、過塩素酸ナトリウム以外のアルカリ金属塩のほか、アンモニウム塩及び遷移金属塩からなる群より選ばれる少なくとも一種の塩であっても、上記の実施例と同様の結果が得られると考えられる。この理由は、過塩素酸ナトリウムもこれらの塩も、電離により、水分子と配位し易いカチオンを生成し、水分子と配位するといった同じ作用効果を奏するためと考えられるからである。 In the above example, sodium perchlorate was used as the halogenate. However, for example, in addition to alkali metal salts other than sodium perchlorate, at least one salt selected from the group consisting of ammonium salts and transition metal salts is considered to give the same results as in the above examples. Be done. The reason for this is that both sodium perchlorate and these salts are considered to have the same effect of coordinating with water molecules by producing cations that are easily coordinated with water molecules by ionization.
同様に、上記の実施例では、ハロゲン酸塩として過塩素酸塩を使用した。しかし、例えば、過塩素酸ナトリウム以外の過塩素酸塩のほか、塩素酸塩、過ヨウ素酸塩、ヨウ素酸塩及び臭素酸塩からなる群より選ばれる少なくとも一種の塩であっても、上記の実施例と同様の結果が得られると考えられる。この理由は、過塩素酸ナトリウムもこれらの塩も、電離してハロゲン酸イオンを生成し、水分子と配位するといった同じ作用効果を奏するためと考えられるからである。 Similarly, in the above examples, perchlorate was used as the halogenate. However, for example, in addition to perchlorate other than sodium perchlorate, at least one salt selected from the group consisting of chlorate, periodate, iodate and bromate may be described above. It is considered that the same result as in the examples can be obtained. The reason for this is that both sodium perchlorate and these salts are considered to have the same effect of ionizing to generate halogenate ions and coordinating with water molecules.
次に、高温で長期間保持した後のアルカリ蓄電池の放電容量変化について評価した。 Next, the change in the discharge capacity of the alkaline storage battery after being held at a high temperature for a long period of time was evaluated.
正極1として水酸化ニッケルの金属板、負極2として水酸化亜鉛の金属板、電解液3として上記実施例1の電解液3を用いて、上記図1に示すアルカリ蓄電池10(実施例1のアルカリ蓄電池10)を作製した。また、電解液として上記比較例の電解液を用いたこと以外は実施例1のアルカリ蓄電池10と同様にして、比較例のアルカリ蓄電池を作製した。
Using a nickel hydroxide metal plate as the
作製した2つのアルカリ蓄電池(実施例1のアルカリ蓄電池10及び比較例のアルカリ蓄電池)のそれぞれを1.8Vに満充電し、放電容量(初回の放電容量)を測定した。次いで、作製した2つのアルカリ蓄電池(実施例1及び比較例)のそれぞれを別個の充電回路(図示しない)に接続し、それぞれ一定電圧(1.8V)になるように微弱な電流を流した。そして、アルカリ蓄電池の充電電圧が一定電圧になるように微弱な電流を流した状態で、2つのアルカリ蓄電池を55℃環境下で15日間保持した。15日間保持の2つのアルカリ蓄電池について、初回の放電容量測定時と同じ条件で放電容量(15日間保持後の放電容量)を測定した。
Each of the two produced alkaline storage batteries (the
ここで、比較例のアルカリ蓄電池において、15日間保持後の放電容量を初回の放電容量で除することで得られた維持率(基準値)を1とする。そうすると、実施例1のアルカリ蓄電池において、15日間保持後の放電容量を初回の放電容量で除することで得られた維持率は、上記基準値の1.13倍であった。この結果を以下の表2に示す。 Here, in the alkaline storage battery of the comparative example, the maintenance rate (reference value) obtained by dividing the discharge capacity after holding for 15 days by the initial discharge capacity is set to 1. Then, in the alkaline storage battery of Example 1, the maintenance rate obtained by dividing the discharge capacity after holding for 15 days by the initial discharge capacity was 1.13 times the above reference value. The results are shown in Table 2 below.
表2に示す結果から、実施例1の電解液3を備える実施例1のアルカリ蓄電池10は、比較例の電解液を備える比較例のアルカリ蓄電池と比べて、高温に起因する劣化の程度が1.13倍緩やかになったといえる。この結果は、上記の表1を参照しながら説明したように、実施例1の電解液3では高温下における電解液3の電気分解が抑制されたことに起因すると考えられる。特に、実施例1のアルカリ蓄電池10では、満充電状態を維持しながら高温(55℃)で15日間保持されても、比較例のアルカリ蓄電池よりも劣化の程度が緩やかになった。
From the results shown in Table 2, the
従って、本発明のアルカリ蓄電池によれば、満充電状態を維持しながら高温下においても長寿命のアルカリ蓄電池を提供できる。このため、例えば駆動制御機器の近く等の高温下に設置され、例えばバックアップ用蓄電装置として好適なアルカリ蓄電池を提供できる。また、満充電状態を維持した状態での高温下においても長寿命であることから、例えば通常の充放電サイクルを高温下で行う場合であっても長寿命なアルカリ蓄電池を提供できると考えられる。 Therefore, according to the alkaline storage battery of the present invention, it is possible to provide an alkaline storage battery having a long life even at a high temperature while maintaining a fully charged state. Therefore, it is possible to provide an alkaline storage battery which is installed at a high temperature such as near a drive control device and is suitable as a backup power storage device, for example. Further, since it has a long life even at a high temperature while maintaining a fully charged state, it is considered that a long-life alkaline storage battery can be provided even when a normal charge / discharge cycle is performed at a high temperature, for example.
1 正極
2 負極
3 電解液(アルカリ蓄電池用電解液)
4 電源
5 外部負荷
6 セパレータ
7 保液部材
8 スイッチ
10 アルカリ蓄電池
20 アルカリ蓄電池
30 アルカリ蓄電池
1
4 Power supply 5
Claims (10)
前記電解液に対する前記ハロゲン酸塩の含有量が5質量%以上であることを特徴とする、アルカリ蓄電池。 Equipped with an electrolytic solution containing a halogenate and being alkaline
An alkaline storage battery characterized in that the content of the halogenated salt with respect to the electrolytic solution is 5% by mass or more.
前記電解液に対する前記アルカリ剤の含有量が10質量%以上40質量%以下であることを特徴とする、請求項1〜6の何れか1項に記載のアルカリ蓄電池。 The electrolytic solution contains an alkaline agent and contains
The alkaline storage battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the content of the alkaline agent with respect to the electrolytic solution is 10% by mass or more and 40% by mass or less.
前記正極は、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、ニッケル金属、ニッケル合金、酸化ニッケル、酸化マンガン、二酸化マンガン、酸化銀及び酸化銅からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を含み、
前記負極は、水酸化亜鉛、酸化亜鉛、亜鉛金属、亜鉛合金、水酸化カドミウム、カドミウム金属、カドミウム合金及び金属水素化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を含むことを特徴とする、請求項1〜8の何れか1項に記載のアルカリ蓄電池。 Equipped with positive and negative electrodes
The positive electrode contains at least one compound selected from the group consisting of nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide, nickel metal, nickel alloy, nickel oxide, manganese oxide, manganese dioxide, silver oxide and copper oxide.
The negative electrode comprises at least one compound selected from the group consisting of zinc hydroxide, zinc oxide, zinc metal, zinc alloy, cadmium hydroxide, cadmium metal, cadmium alloy and metal hydride. The alkaline storage battery according to any one of 1 to 8.
前記電解液に対する前記ハロゲン酸塩の含有量が5質量%以上であることを特徴とする、アルカリ蓄電池用電解液。 Equipped with an electrolytic solution containing a halogenate and being alkaline
An electrolytic solution for an alkaline storage battery, characterized in that the content of the halogenated salt with respect to the electrolytic solution is 5% by mass or more.
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