JPH0438104B2 - - Google Patents

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JPH0438104B2
JPH0438104B2 JP60151218A JP15121885A JPH0438104B2 JP H0438104 B2 JPH0438104 B2 JP H0438104B2 JP 60151218 A JP60151218 A JP 60151218A JP 15121885 A JP15121885 A JP 15121885A JP H0438104 B2 JPH0438104 B2 JP H0438104B2
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battery
organic solvent
positive
redox
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Yoshiharu Matsuda
Yoshio Takasu
Takeko Matsumura
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YAMAGUCHI DAIGAKUCHO
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YAMAGUCHI DAIGAKUCHO
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
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Description

【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野) 本発明は電力貯蔵用の二次電池に関するもので
あり、特にレドツクス対の酸化、還元反応を利用
するレドツクス二次電池に関するものである。 (従来の技術と問題点) 二次電池のうち、レドツクス対の酸化・還元反
応を利用する電池には現在までのところレドツク
スフロー電池がある。この種の電池は、主として
電力貯蔵用を目的としている。従来のレドツクス
フロー電池では、例えば正極にFe3+/Fe2+系、
負極にCr3+/Cr2+系などのレドツクス対を使用し
ているが、電解液が水溶液であり水の分解電圧が
1.23Vと低いために単電池の作動電圧は0.7V程度
である。また高い充放電効率を維持するために
は、電解液を構成するイオン種の元素が正極室と
負極室と異るため両極液を効率よく分離する必要
があり、そのためには高性能のイオン交換膜を開
発する必要がある。そのために電池構造が簡単で
高い作動電圧が得られる電池の実用化が要求され
ている。 本発明は、従来の水溶液電解質を用いるレドツ
クス電池における低い作動電圧、ならびに正、負
両極レドツクス種の混合による不可逆的な性能劣
化等の問題を解決しようとするものである。 (問題点を解決するための手段) 本発明は、上記問題点を解決するために、正極
および負極の電解液が、電気化学的に安定で非プ
ロトン性であり、且つ極性を有する溶媒を少なく
とも1種含有する有機溶媒と、該有機溶媒に溶解
された支持電解質と、前記有機溶媒中で価数が連
続的に可逆的に変化する電極活物質であるレドツ
クス対として、2,2′−ビピリジン、エチレンジ
アミン、アンモニア、1,10−フエナントロリン
から成る群から選ばれるいずれか1種を配位子と
する遷移金属錯体とを、含有するレドツクス二次
電池を提供する。 本発明に用いる非プロトン性であり、且つ極性
を有する溶媒を少なくとも1種含有する有機溶媒
は、広い電位範囲にわたつて電気化学的に安定
で、且つ支持電解質を溶解し、高出力電圧が得ら
れる有機溶媒であり、具体的にはアセトニトリ
ル、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジ
メチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ニ
トロメタン、プロピレンカーボネートなどを単独
でまたはこれらを混合して、あるいはこれらのう
ちの一つにアセトン、テトラヒドロフラン、1,
2−ジメトキシエタンなどの溶媒を混合したもの
が挙げられる。 例えば有機溶媒としてアセトニトリルを用に、
支持電解質としてテトラエチルアンモニウムのテ
トラフルオロホウ酸塩を用いると、1.8Vから−
2.5V(対Ag/Ag+)の電位範囲で安定に使用
できる。 電極活物質であるレドツクス対には、本発明に
かかる有機溶媒中で価数が連続的に且つ可逆的に
変化する遷移金属錯体、具体的には、鉄、コバル
ト、ルテニウムおよびオスミウムなどの遷移金属
を中心金属にもち、配位子として2,2′−ビピリ
ジン、エチレンジアミン、アンモニア、1,10−
フエナントロリンなどを有する錯イオン(MLz+
,M=遷移金属、L=配位子、n=配位子の数、
zは電荷の数)の過塩素酸塩、テトラフルオロホ
ウ酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩または硫酸塩を
用いる。 なお、電解液の電気伝導度を高める目的で、前
記遷移金属錯体に加えて、支持電解質としてテト
ラエチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウ
ムなどのテトラアルキルアンモニウムの過塩素酸
塩、テトラフルオロホウ酸塩、ヘキサフルオロリ
ン酸塩または硫酸塩を電解液に溶解させる。 第
1表は支持電解質を電解液に溶解しない場合と溶
解した場合との電解液の導電率を示す(有機溶媒
はアセトニトリル)。
【表】 また、電解液は静止型でもフロー型でも使用で
きる。 正、負両極液の分離膜にはガラス焼結板、ポリ
エーテル系樹脂製隔膜、テフロン微孔性隔膜など
の単純な構造の隔膜を用いることができる。 電極集電体としては、炭素質、金属または金属
化合物の繊維、またはこれに代わる金属または金
属化合物の多孔質体などの構造体を使用すること
ができる。 第1図は本発明に用いる電池の断面図であり、
1は電池の外箱、2は負極、3は正極、4は隔
膜、5は負極液、6は正極液、7は窒素ガス入
口、8は窒素ガス出口である。 (作用) 本発明によれば、電解液は価数が連続に且つ可
逆的に変化する遷移金属錯体を含む。従つて上記
電池系は、充電すなわち電力貯蔵時には正極では
MLn+zが電気化学的に酸化されてMLn+(z+1)にな
り、負極ではMLn+zが電気化学的に還元されて
MLn+(z+1)となる。放電すなわち電力消費時には
それぞれの極で充電時とは逆向きの反応が起こ
り、もとのMLn+zを生成する。 例えば鉄のビピリジン錯体の場合には正極と負
極で以下の反応が進む。 正極で[Fe(bpy)32+充電 ――→ ←―― ←―― 放電[Fe(bpy)33++e-負極で[Fe(bpy)32+e-
充電 ――→ ←―― 放電[Fe(bpy)3+ これらの化学種は非プロトン性でありかつ極性
を有する溶媒中で錯体イオンとして安定に存在す
る。 以下、実施例に基づき本発明を説明する。 (実施例) 実施例 1 中央を焼結ガラス隔膜で仕切つたビーカー型セ
ルを用い、正極室および負極室の両室に0.02モル
dm-3のトリス(ビピリジン)ルテニウム()
過塩素酸塩(Ru(bpy)3(ClO42と0.5モルdm-3
過塩素酸塩テトラエチルアンモニウムを含むアセ
トニトリル溶液を満たした電池を構成した。電極
集電体には表面積10cm2の白金板を用いた。 この電池では以下の反応が進む。 正極で[Ru(bpy)32+充電 ――→ ←―― ←―― 放電[Ru(bpy)33++e-負極で[Ru(bpy)32++e-
充電 ――→ ←―― 放電[Ru(bpy)3+ これらの化学種は非プロトン性であり、且つ極
性を有する溶媒中で錯イオンとして安定に存在す
る。 この電池を1.5×10-2Adm-2の電流密度で両極
室のRu()錯体の2分の1量が正極室でRu
()に、負極室でRu()にそれぞれ変換され
るに相当する電気量まで充電した。充電後の開路
電圧は2.6Vであつた。 第2図に、このときの両極の分極曲線を示す。
1×10-2Adm-2の電流密度の放電で約2.5Vの電
圧が、5×10-2Adm-2の電流密度の放電で約
1.5Vの電圧が得られた。 実施例 2 実施例1と同じセルを用い、正極室および負極
室の両室に0.02モルdm-3のトリス(ビピリジン)
鉄()テトラフルオロホウ酸塩(Fe(bpy)3
(BF42)と0.5モルdm-3の過塩素酸テトラエチル
アンモニウムを含むアセトニトリル溶液を満たし
た電池を構成した。電極集電体には実施例1と同
じ白金板を用いた。 この電池を実施例1と同じ電流密度で、両極室
のFe()錯体の2分の1量が正極室でFe()
に、負極室でFe()にそれぞれ変換されるに相
当する電気量まで充電した。充電後の開路電圧は
2.4Vであつた。 第3図に、このときの両極の分極曲線を示す。
1×10-2Adm-2の電流密度の放電で約2.3Vの電
圧が、5×10-2Adm-2の電流密度の放電で約
1.4Vの電圧が得られた。 実施例 3 中央に焼結ガラス隔膜を有し、かつ電解液の流
通攪拌が可能であるH型セルを用い、その正極お
よび負極の両極室に0.02モルdm-3のトリス(ビ
ピリジン)ルテニウム()テトラフルオロホウ
酸塩(Ru(bpy)3(BF42)と0.5モルdm-3の過塩
素酸テトラエチルアンモニウムを含むアセトニト
リル溶液を満たした電池を構成した。電極集電体
には炭素繊維製フエルト(見かけの面積10cm2)を
使用した。この電池の模式構造は第1図に示した
ものである。 この電池を両極室のRu()錯体の2分の1量
が正極室でRu()に、負極室でRu()にそれ
ぞれ変換されるに相当する電気量まで3.0Vの定
電圧で充電したところ、充電終了後には約2.0V
の開路電圧が得られた。 第4図の曲線1(実線)は、この電池を1mAの
定電圧で放電したときの電圧−放電率曲線であ
る。0.2Vの終止電圧で充電電気量の約55%の放
電容量が得られた。 実施例 4 実施例3と同じセルの正極および負極の両極室
に0.005モルdm-3のトリス(ビピリジン)ルテニ
ウム()テトラフルオロホウ酸塩(Ru(bpy)3
(BF42)と0.5モルdm-3の過塩素酸テトラエチル
アンモニウムを含むアセトニトリル溶液を満たし
た電池を構成した。電極集電体には実施例3と同
様の炭素繊維製フエルトを使用した。 この電池
を、実施例3と同様、両極室のRu()錯体の2
分の1量が正極室でRu()に、負極室でRu
()にそれぞれ変換されるに相当する電気量ま
で、3.0Vの定電圧で充電したところ、充電終了
後には約2.6Vの開路電圧が得られた。 第4図の曲線2(点線)は、この電池を2mAの
定電流で放電したときの電圧−放電率曲線であ
る。0.2Vの終止電圧で、充電電気量の約50%の
放電容量が得られた。 (発明の効果) 従来の水溶液系レドツクス電池では、電池電圧
を水の理論分解電圧である1.23V(25℃)より大
きくすることは原理的にも不可能であつたが、本
発明における電池では電解液に有機溶媒を用いる
ために、単電池の電圧は水溶液系電池のそれと比
べて大きくでき、高出力電圧を得ることができ
る。 また、正極液と負極液が同種のイオンでただそ
の酸化数が異なるというレドツクス系を選ぶこと
ができるので、隔膜を通して正極液と負極液が多
少混合しても電解液を再分離する必要がなく、従
来の水溶液系電池と比較して問題が少ない。 従つて、本発明によれば電池構造が簡単で高い
作動電圧が得られる電池を実用化することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明実施例に使用する電池の断面概
略図、第2図および第3図は本発明実施例におけ
る正負両極の分極曲線を示すグラフで、縦軸は電
流密度Adm-2、横軸は電極電位Vを示す。第4
図は本発明実施例における電圧−放電率曲線を示
すグラフで、縦軸は電池電圧V、横軸は利用率%
を示す。 1……電池の外箱、2……負極、3……正極、
4……隔膜、5……負極液、6……正極液、7…
…窒素ガス入口、8……窒素ガス出口。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 正極および負極の電解液が、電気化学的に安
    定で非プロトン性であり、且つ極性を有する溶媒
    を少なくとも1種含有する有機溶媒と、 該有機溶媒に溶解された支持電解質と、 前記有機溶媒中で価数が連続的に可逆的に変化
    する電極活物質であるレドツクス対として、2,
    2′−ビピリジン、エチレンジアミン、アンモニ
    ア、1,10−フエナントロリンから成る群から選
    ばれるいずれか1種を配位子とする遷移金属錯体
    とを、 含有するレドツクス二次電池。
JP60151218A 1985-07-11 1985-07-11 レドックス二次電池 Granted JPS6215770A (ja)

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