JP7854259B2 - アミン-臭素二電子型レドックスフロー電池用電解液、その使用、及びレドックスフロー電池 - Google Patents
アミン-臭素二電子型レドックスフロー電池用電解液、その使用、及びレドックスフロー電池Info
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Description
任意選択で、前記電解液は、臭素イオンと、アミノのオルト位が電子吸引性基であるアミン系化合物と、支持電解質とからなり、前記アミノのオルト位が電子吸引性基であるアミン系化合物が、それ自体に電子伝導性基を有する場合、前記電解液は支持電解質を含まない。
負極電解液活物質は、硫酸チタン、ヘキサフルオロチタン酸、臭化チタン、硫酸カドミウム、臭化カドミウム、塩化カドミウム、塩化鉛、塩化第一スズ、臭化亜鉛、及び酢酸亜鉛のうちの1種又は2種以上である、レドックスフロー電池が提供される。
1)本願によるレドックスフロー電池用電解液は、オルト位に電子吸引性基を有するアミノ化合物が水素イオンをイオン化して負に帯電する特性を利用して、臭素単体がさらに電子を失った正価の臭素中間生成物を安定化させ、もともと臭素イオンと臭素単体との間にあった一電子移動反応を、臭素イオンからアミン臭素化合物への二電子移動反応に拡大したものである。これにより、電池の理論容量と理論エネルギー密度を倍増することができる。4mol L-1臭素塩で換算すると、電子の濃度は8mol L-1に達し、電池の容量は214 Ah L-1に達し、亜鉛を負極とすると、放電電圧は1.6V、理論エネルギー密度は342 Wh L-1に達する。
2)本願によるレドックスフロー電池用電解液を用いて組み立てられたレドックスフロー電池は、より低い電池分極とより高い電圧効率を達成することができる。臭素系レドックスフロー電池に比べ、アミノ化合物を添加すると電解液の電気抵抗は著しく増加せず、従来の臭素系レドックスフロー電池と同様の電圧効率が得られた。
3)本願では、アミノ化合物と正価の臭素とで形成されるアミン臭素化合物は、共役構造の存在により臭素の正価性を低下させることができ、その安定性を向上させることができる。したがって、本願によるレドックスフロー電池用電解液を利用して組み立てられたレドックスフロー電池は、より高いクーロン効率を実現することができ、錯化剤を添加しない場合のクーロン効率は、錯化剤を添加した従来の臭素系レドックスフロー電池と同等であり、98%~99%に達することができる。また、いくつかのアミン臭素化合物については、分子体積が比較的大きいため、膜に対する要求も比較的低い。
4)本願に採用されたアミノ化合物は、広範な調整性及び適用性を有する。理論上、アミノのオルト位がカルボニルやアシルなどの電子吸引性基であれば、正価の臭素と結合する能力があるが、その他の位置での基の連結は制限されないので、選択できる範囲は広い。さらに、アミノ化合物の種類によって、溶解度が異なり、異なる電極電位を示すことができ、酸性、中性及び弱アルカリ性の環境に適用することができるので、様々な負極に対応することができる。
5)本願に採用された、いくつかのアミノ化合物は、安価で入手しやすいという特徴があり、そのために、調製された電解液は、価格が低いという利点がある。例えば、スルファミン酸は無機固体酸であり、他の分野に広く応用されており、よく見られる化学工業原料である。
6)本願に採用された電解液は、臭素単体の発生を減少させることができ、それによってその腐食性、拡散性及び揮発性を低下させることができ、電解液中に臭素錯化剤を添加する必要がなく、電池の封口及び材料に対する要求はそれほど厳しいものではない。臭素とアミノ化合物との反応は2電子反応であるため、同じ電子濃度で従来の臭素系レドックスフロー電池に使用される臭素の量を半分に抑えることができ、それによって、材料への腐食や環境への有害性を低減することができる。さらに、弱アルカリ性環境では、臭素イオンから臭素単体への変換は臭素の不均化の影響を受けて困難であるが、代わりに臭素イオンからアミン臭素化合物への一段階の二電子移動反応が起こり、臭素単体の生成を直接回避することができる。
正極と負極の電解液の組成は、同じであり、両方ともに1mol L-1の臭化亜鉛、2mol L-1のスルファミン酸ナトリウム、2mol L-1の酢酸カリウムからなる。臭化亜鉛は、負極で使用される亜鉛イオンと正極で使用される臭素イオンの両方を提供する。
単電池の構成は、端板、集電体として黒鉛板、正極及び負極として6×8cm炭素フェルト、パーフルオロスルホン酸セパレータとしてNafion膜を用い、液流枠、シリカゲルガスケット、端板、正極電解液及び負極電解液貯蔵タンクとポンプ、配管から構成される。
定電流充放電モードが採用され、電解液の流速は60 mL min-1であり、充放電電流は40 mA cm-2であり、充電終止電圧は2.0Vであり、放電終止電圧は0.1Vである。充放電サイクルの最初の100サイクルにおけるクーロン効率CE、電圧効率VE、エネルギー効率EEの平均値を検出する。
Claims (9)
- レドックスフロー電池用電解液であって、
臭素イオンと、アミノのオルト位が電子吸引性基であるアミン系化合物と、支持電解質とを含み、
前記アミン系化合物は、スルファミン酸、スルファミン酸ナトリウム、スルファミン酸カリウム、スルファミン酸アンモニウム、スルホンアミド、スクシンイミド、アセトアミド、フタルイミド、サッカリン、ピロリドンカルボン酸ナトリウム、バルビツール酸、ジシアノジアミン、メチルスルホンアミド、シアヌル酸、トリフルオロメタンスルホンアミド、及び2-アミノピリミジンのうちの1種又は2種以上を含み、
前記アミン系化合物が、スルファミン酸、スルファミン酸ナトリウム、スルファミン酸カリウム、スルファミン酸アンモニウム、及びピロリドンカルボン酸ナトリウムのうちの1種又は2種以上を有する場合、前記電解液は支持電解質を含まない、ことを特徴とするレドックスフロー電池用電解液。 - 前記臭素イオン、アミノのオルト位が電子吸引性基であるアミン系化合物を正極の活物質とし、前記臭素イオン、アミノのオルト位が電子吸引性基であるアミン系化合物は、レドックスフロー電池のサイクル中に酸化及び/又は還元反応を起こす、ことを特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー電池用電解液。
- 前記臭素イオンは、臭化水素酸、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化亜鉛、臭化アンモニウム、臭化亜鉛、及びその他の臭素イオン含有塩のうちの1種又は2種以上を含む、ことを特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー電池用電解液。
- 前記支持電解質は、硫酸、酢酸、ヒドロキシ酢酸、ブロモ酢酸、塩化カリウム、酢酸カリウム、塩化ナトリウム、酢酸ナトリウム、及び硫酸ナトリウムのうちの1種又は2種以上を含む、ことを特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー電池用電解液。
- 前記電解液は、臭素イオンと、アミノのオルト位が電子吸引性基であるアミン系化合物と、支持電解質とを含む水溶液であり、
臭素イオンの濃度は0~5mol L-1であり、アミン系化合物の濃度は0~5mol L-1であり、支持電解質の濃度は0~4mol L-1である、ことを特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー電池用電解液。 - 臭素イオンの濃度は1~2mol L-1であり、アミン系化合物の濃度は1~2mol L-1であり、支持電解質の濃度は1~2mol L-1である、ことを特徴とする請求項5に記載のレドックスフロー電池用電解液。
- 請求項1~6のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池用電解液の正極電解液としてのレドックスフロー電池における使用。
- 前記レドックスフロー電池の負極電解液の活物質は、硫酸チタン、ヘキサフルオロチタン酸、臭化チタン、硫酸カドミウム、臭化カドミウム、塩化カドミウム、塩化鉛、塩化第一スズ、臭化亜鉛、及び酢酸亜鉛のうちの1種又は2種以上を含む、ことを特徴とする請求項7に記載の使用。
- 正極と、負極と、前記正極と前記負極とを仕切るためのセパレータと、を含み、前記正極側のキャビティ内には正極電解液が充填され、前記負極側のキャビティ内には負極電解液が充填され、前記正極電解液は、請求項1~6のいずれか1項に記載の電解液の少なくとも1種を含み、
負極電解液活物質は、硫酸チタン、ヘキサフルオロチタン酸、臭化チタン、硫酸カドミウム、臭化カドミウム、塩化カドミウム、塩化鉛、塩化第一スズ、臭化亜鉛、及び酢酸亜鉛のうちの1種又は2種以上である、ことを特徴とするレドックスフロー電池。
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