JPH05144426A - 電気化学電池 - Google Patents

電気化学電池

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JPH05144426A
JPH05144426A JP3109355A JP10935591A JPH05144426A JP H05144426 A JPH05144426 A JP H05144426A JP 3109355 A JP3109355 A JP 3109355A JP 10935591 A JP10935591 A JP 10935591A JP H05144426 A JPH05144426 A JP H05144426A
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layers
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porous
separator
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JP3109355A
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English (en)
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Roger J Bones
ロジヤー・ジヨン・ボーンズ
Ivor E Denton
アイバー・エデイソン・デントン
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Programme 3 Patent Holdings
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PUROGURAMU 3 PATENT HOLDINGS
Programme 3 Patent Holdings
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、電気化学電池の2つの電極を互いに分離する
ための固体電解質隔離板に係る。当該構造体は、複合積
層構造を有し内部で互いに接続し合い且つ表面に連通す
る複数のチャネルもしくは孔をもつ固体電解質材料から
なる少なくとも1つの多孔質層と、非多孔質固体電解質
材料からなる稠密層とを含み、これらの層が面と面を合
わせて一体的に結合されており、各多孔質層が該隔離板
の外側層を構成している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、電気化学電池の固体電解質隔離
板に係わる。本発明は、電気化学電池の固体電解質隔離
板の製造方法にも係わる。
【0002】電気化学電池の2つの電極を互いに分離す
るための本発明の固体電解質隔離板は複合積層構造を有
し、内部で互いに接続し合い且つ表面に連通する複数の
チャネルもしくは孔をもつ固体電解質材料からなる少な
くとも1つの多孔質層と、非多孔質固体電解質材料から
なる稠密層とを含み、これらの層が面と面を合わせて一
体的に結合されており、各多孔質層が隔離板の外側層を
構成している。
【0003】この隔離板は通常は高温電気化学電池で溶
融アルカリ金属アノードをカソードと溶融塩電解質とか
ら分離するのに使用されるが、原則として、例えば隔離
板がヒドロニウムイオン伝導体の場合には燃料電池で使
用することもできる。
【0004】前記孔又はチャネルは10〜400μmの
大きさを有し得、各多孔質層の厚みは200〜2000
μm、稠密層の厚みは100〜2000μmであり、各
多孔質層の後述の開放空孔率(open porosi
ty)は20〜80%である。電解質は通常ナトリウム
イオン伝導体であり、隔離板は溶融ナトリウムによる湿
潤性を向上させるべく開放孔が湿潤剤で処理された多孔
質層を有する。
【0005】各多孔質層は外側層でなければならないた
め、該隔離板は通常2つの層即ち稠密層と多孔質層を含
むか、又は3つの層即ち稠密中央層とその外側の2つの
多孔質層を含む。
【0006】本発明は、高温電気化学電池で溶融アルカ
リ金属アノードを溶融塩電解質から分離する固体電解質
隔離板の製造方法も提供する。この方法は下記のステッ
プを含む。
【0007】1.固体電解質材料又はその前駆体からな
り互いの面を合わせて配置された少なくとも2つの層を
含む複合積層体を形成するステップ。但し、前記層のう
ち少なくとも1つは焼結後に稠密非多孔質層を構成する
ことができ、少なくとも1つは焼結後に複数の連通し合
うチャネルもしくは孔をもつ多孔質焼結層を構成するこ
とができる外側層であり、且つこれらの層において隣接
し合う2つの層毎に少なくとも一方が焼結層を形成すべ
く焼結できる生素地層(greenlayer)であ
る。
【0008】2.前記複合体を、各生素地層が焼結層に
なり且つ各隣接層に合体するような温度で加熱して、一
体的な焼結体を形成するステップ。
【0009】従って、この複合積層体は、例えば1つも
しくは2つの焼結層と1つもしくは2つの生素地層、又
は2つもしくは3つの生素地層で構成し得る。1つ又は
2つの焼結層を使用する場合は、これらの層が焼結後も
多孔率を保持する予め加工(形成)された(prefa
bricated)多孔質層か、又は予め加工された稠
密層であってよい。このように層の組合わせは、焼結後
に少なくとも1つの稠密層が存在しなければならないと
いう条件、焼結後に少なくとも1つの外側多孔質層が存
在しなければならないという条件、並びに、隣接し合う
層が焼結により面と面を合わせて結合するように、隣接
し合う2つの層毎に少なくとも一方が生素地層でなけれ
ばならないという条件を順守しながら幾通りも考えるこ
とができる。但し好ましくは、前記複合体の各層を、所
定材料(即ち、加熱により該層から除去されて前述のご
とき複数の連通し合うチャネル又は孔を残す空孔形成材
料)を含むため焼結後に多孔質焼結層を構成することが
できる生素地層にする。このようにすれば、1つ以上の
予め加工された焼結層を使用する場合と比べて、後述の
加圧操作による層の面同士の密着が促進され且つ焼結ス
テップも1つですむ。 空孔形成材料は顆粒状粒子、繊
維状粒子、フェルト及び編織布から選択し得る。この空
孔形成材料はより特定的には、炭素及び「加熱時に燃焼
する前に炭化する物質」から選択し得る。この加熱は酸
素含有雰囲気下で行われ、空孔形成材料を燃焼によって
除去する機能を果たす。
【0010】本発明の方法は、実施態様の1つとして、
複合積層体を形成する前に、各生素地層の材料を、粒子
形態の前記固体電解質材料又はその前駆体と熱可塑性及
び熱硬化性の両方を有する1種類以上の結合剤とを含む
塑性混合物からなるように調製するステップを含み得
る。複合積層体の形成は、各生素地層が塑性変形して各
隣接層に面と面を合わせて密着するように、全部の層を
圧縮することによって行う。
【0011】この実施態様の方法は、より特定的には下
記のステップを含む。
【0012】粒子形態の固体電解質材料又はその前駆体
と熱可塑性及び熱硬化性の両方を有する1種類以上の結
合剤との混合物を一バッチ分調製し、前記混合物に少な
くとも1種類の空孔形成材料を組合わせた第2の材料を
一バッチ分調製し、前記2種類のバッチを用いて、各バ
ッチの材料からなる層を少なくとも1つずつ含む生素地
層だけの複合体を、これらの層が面同士を合わせて互い
に接触し且つ空孔形成材料を含む各層が外側層を構成す
るように形成し、前記生素地複合体を、酸素含有雰囲気
下で、該複合体が一体的焼結体になるような温度で加熱
する。使用する空孔形成材料及びその割合は、加熱中に
この材料が燃焼によって気体生成物に変換され、その結
果該空孔形成材料を含むバッチの材料からなる各層に複
数の連通し合うチャネルもしくは孔が形成されように選
択する。このようにすれば、焼結後の複合体が、空孔形
成材料を含むバッチの材料からなる少なくとも1つの多
孔質外側層と、もう一方のバッチの材料からなる稠密層
とを有することになる。
【0013】空孔形成材料を含むバッチは、稠密層に使
用する混合物のバッチに粒状空孔形成材料をドープし形
成するのが一般的である。通常加熱は空気中で行う。粒
状固体電解質材料又はその前駆体は、最大粒度が100
μmであり且つ平均粒度が70μm以下、好ましくは1
0〜50μmであるのが望ましい。
【0014】本発明の隔離板は、アルカリ金属アノード
が溶融ナトリウムである電池で使用する場合には通常β
−アルミナ、好ましくはβ”−アルミナを用いて形成さ
れる。そこで以下の説明はβ”−アルミナを例にとって
行うが、本発明はβ−アルミナ隔離板、並びにβ−アル
ミナもしくはβ”−アルミナ以外の固体電解質材料もし
くはその前駆体の粒子からなる生素地品を焼結すること
によって形成した隔離板、例えばβ”−アルミナもしく
はβ−アルミナの類似体、ガラス、これらの組合わせ等
を用いて形成した隔離板にも適用される。
【0015】結合剤は、液体又は溶液、例えば適当な有
機溶媒に溶解した形態で使用されるため加熱の初期段階
で蒸発するが、この段階では生素地体が塑性を有するた
め孔は形成されない。これに対し、空孔形成ドーパント
は固体物質であって溶融せずに燃焼して生素地体から除
去され、その段階では生素地体が塑性を失っているため
焼結製品に孔が残る。従って、空孔形成ドーパントとし
ては炭素、例えば黒鉛、又は有機物、例えば燃焼する前
に炭化される熱硬化性物質を使用し得る。
【0016】生素地複合体の形成は加圧、ローリング、
押出等によって実施し得る。例えば、一方のバッチの材
料で形成した層を、結合剤に使用される溶媒のような適
当な接着剤を任意に用いて、もう一方のバッチの材料で
形成した層に結合し、次いで、例えばテープの形態を有
するこれらの層を例えばローリングにより一緒に加圧し
てシート状にし、これを焼結すれば、偏平な焼結固体電
解質シートの形態の焼結製品を形成することができる。
このシートは通常、2つの層即ち稠密材料層と多孔質材
料層とを含むか、又は3つの層、即ち1つの稠密層とこ
れを挟む2つの多孔質層とを含む。所望であれば、これ
らの層は、例えば正弦波状の波形を有する複合生素地品
が得られるように、生素地状態でローリング処理するこ
ともできる。
【0017】これらの層はローリングで加圧する前に互
いを接着して固定させてもよく、また接着固定する前に
波形を与えるべくローリングにかけてもよい。加熱及び
焼結は、波面を外側に向けてこれらの層を接着した後で
行う。
【0018】あるいは、環状ダイを用いて生素地材料の
プラグ(充填体)を押出すことにより、管状の生素地複
合体を形成することもできる。その場合は、2種類の材
料からなる同心層を含む円筒形生素地複合体が得られる
ように、前記プラグが一方のバッチの材料からなる外側
円筒層の中にもう一方のバッチの材料からなるコアを有
するか又はその逆の構造を有するようにし得る。
【0019】前述のように、ドーパントの粒度は多孔質
表面層に孔径400μm以下の孔が形成されるように選
択する。このドーパントは、単一サイズの孔を形成すべ
く比較的単一な大きさを有するか、又は種々の大きさの
孔を所望の孔径分布で形成すべく選択された粒度分布を
有し得る。
【0020】このドーパントは、前述のごとく、炭素又
は黒鉛の粉末又は粗粒であり得るが、黒鉛、炭素又は他
の適当な燃焼性有機材料、例えばセルロースのボール又
は繊維であってもよい。実際、そのためには、黒鉛のフ
ェルト又は編織布に生素地混合物を含浸させるか、又は
粒子もしくは繊維を含むドープしたバッチ材料でスラリ
ーを形成し、これをもう一方のバッチ材料からなる生素
地体に塗布し得る。従って、本発明の第2実施態様で
は、複合積層体を形成する前に、少なくとも1つの生素
地層の材料を、前記固体電解質材料もしくはその前駆体
を粒子形態で含む塗布可能な混合物からなるように調製
し、この塗布可能混合物を隣接層に塗布して該隣接層上
に塗布されたコーティング形態の生素地層を形成するこ
とにより複合体を形成する。所望であれば、塗布物には
空孔形成材料を含ませなくてもよい。その場合はこの塗
布物を稠密層の形成に使用し、これを塗布する層又は構
造体が多孔質層を構成するようにし得る。但し、通常は
塗料に空孔形成材料を含ませる。
【0021】一般に見られるように多孔質層が電池のア
ルカリ金属(例えばナトリウム)アノードと接触するこ
とになる場合は、前記アルカリ金属による湿潤性を増進
すべく、この層の孔の内部に湿潤剤、例えば酢酸鉛又は
硝酸マンガンを充填し得る。ナトリウムによる湿潤を促
進する処理の適当な方法は本出願人の米国特許第479
7 332号に記述されている。
【0022】本発明の目的で使用される適当な熱可塑性
及び熱硬化性結合剤は公知であり、例えば英国特許第1
274 211号に開示されている。この英国特許に
記述されているように、必要な熱可塑性及び熱硬化性を
示すものであれば1種類の結合剤を使用するだけでよ
い。
【0023】例えば、ポリビニルブチラールは熱可塑性
及び熱硬化性の両方を示す結合剤として、ジブチルフタ
レートのような可塑剤及びメチルエチルケトンのような
溶媒と一緒に使用することができる。これらの溶媒及び
可塑剤は、結合剤とβ−アルミナ粉末との混合を促進し
て均質混合物を得るのに役立つ。バンバリーミキサーの
ような高エネルギー混合手段を用いる場合は、原則とし
て可塑剤及び溶媒を省略し得る。
【0024】この混合物を、例えばカレンダーでの圧
延、ローリング又はドクターブレード法によってシート
材料の形態に成形する方法も前出の英国特許第1 27
4 211号に開示されている。このシート材料も、英
国特許第1 274211号に記載のように、例えばロ
ール圧縮もしくは加圧によって稠密化し得、またシート
又は他の製品に波形を与えるべく波面をもつローラでロ
ーリングし得る。
【0025】本発明では、所望のイオン伝導性、吸上作
用(wicking)及び機械的特性をもつ構造体が得
られるように、稠密層及び多孔質層の厚みを一定の範囲
内で変化させることができる。多孔質層は、特に湿潤剤
で処理してあると、電池内で溶融ナトリウムと接触した
時に該溶融ナトリウムを比較的容易に内部に吸収する。
稠密層はナトリウムイオンが該層を介して移動し易いよ
うに、比較的薄くし得る。例えば、十分な機械的強度を
得るためには、厚み0.7〜0.9mmの生素地層から
なる稠密層と厚み0.4mmの生素地層からなる多孔質
層とを含む複合体を形成し得る。あるいは、イオン伝導
率を高めるためには、例えば厚み0.3mmの生素地層
からなる稠密層と厚み1mmの生素地層からなる多孔質
層とを含む複合体を形成し得る。これらの値は非限定的
なものであり、本発明の方法では前記パラメータ(厚
み)、孔径及び空孔率(孔の総数及び総体積)を変える
ことによってかなり自在な設計が可能である。
【0026】本出願人が行った試験では、粒状の空孔形
成材料を含む、粒状固体電解質材料と結合剤との粒状混
合物のバッチを調製した。試験したのは下記の2つの実
施例である。
【0027】
【実施例】実施例1 500gのβ−アルミナ粉末と、熱可塑性且つ熱硬化性
の結合剤としてのポリビニルブチラール粉末112g
と、可塑剤としてのジブチルフタレート56gと、溶媒
としてのメチルエチルケトン150mlとの混合物を調
製した。メチルエチルケトンが蒸発するまでこれらの成
分を十分に混合し、その後100gの黒鉛粉末を加え、
ボールミルで混合し、この混合物をカレンダーで圧延し
て所望の厚さのテープの形態にした。
【0028】このテープを焼結し、収縮率及び空孔率を
測定した。厚さ0.3mmのテープの場合は互いに直交
し合う方向の収縮率が夫々23.5%及び19.7%で
あり、厚さ0.6mmのテープの場合は収縮率が両方向
とも20.8%であった。これらのテープはどちらも開
放空孔率即ち開放した孔の割合が25.49%であり、
閉鎖空孔率即ち閉鎖した孔の割合が0.71%であっ
た。また、どちらのテープでも理論的には完全に稠密な
β−アルミナ密度の73.9%であった。
【0029】比較のために、同様の方法で形成した、但
し黒鉛粉末を含まない厚さ0.8mmのテープは、互い
に直交し合う方向での収縮率が夫々18.0%及び1
6.2%であった。収縮率の差が観察された場合はいず
れも、テープの長手方向即ちカレンダーで圧延する時の
移動方向の収縮率の方が常に大きかった。
【0030】実施例2 この実施例では、1000gのβ”−アルミナと160
gのポリビニルブチラールと80gのジブチルフタレー
トと900mlのメチルエチルケトンとを混合してスラ
リーを調製した。これに直径が0.4mmよりやや小さ
い炭素のボール(球)を544g混入した。次いで、ク
リーム状のスラリーが得られるまでメチルエチルケトン
を更に加えた。このスラリーを、黒鉛粉末を省略して実
施例1と同様に調製した混合物で形成したテープ、即ち
実施例1で比較用に用いたテープに塗布し、乾燥し焼結
した。この場合は、焼結後のテープからなる稠密焼結材
料の上にスラリーから誘導された表面層が得られた。こ
の表面層は開放空孔率が58%であり、閉鎖空孔率はゼ
ロであった。
【0031】これらの実施例は本発明の固体電解質隔離
板が本発明の方法で製造できることを立証している。
尚、実施例1でも実施例2でも、多孔質表面層は対応稠
密層に一体的に密着した。
【0032】開放空孔率又は閉鎖空孔率の測定は、各試
料の重量をまず空気中で乾燥重量として測定し、更に真
空含浸により開放孔に水を満たして水中で測定し、次い
で開放孔に水が満たされまま空気中で湿潤重量として測
定し、その結果を基に下記の計算を行うことによって実
施した: 開放空孔率%=100(1−(Wa/(Wc−Wb))
x((Wa−Wb)/(Wa x D))) 閉鎖空孔率%=100(1−(Wa/(Wc−Wb)δ
t) 前記式中、Waは空気中の乾燥重量(g)、Wbは前述
の水中重量(g)、Wcは前述の空気中湿潤重量
(g)、Dは水の密度(1g/cm3)、δtは完全に
稠密なβ”−アルミナの計算上の密度(3.26g/c
3)である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気化学電池の2つの電極を互いに分離す
    るための固体電解質隔離板であって複合積層構造を有
    し、内部で互いに接続し合い且つ表面に連通する複数の
    チャネルもしくは孔をもつ固体電解質材料からなる少な
    くとも1つの多孔質層と、非多孔質固体電解質材料から
    なる稠密層とを含み、これらの層が面と面を合わせて一
    体的に結合されており、各多孔質層が該隔離板の外側層
    を構成している固体電解質隔離板。
  2. 【請求項2】孔又はチャネルが10〜400μmの大き
    さを有し、各多孔質層の厚みが200〜2000μm、
    稠密層の厚みが100〜2000μmであり、各多孔質
    層の開放空孔率が20〜80%である請求項1に記載の
    隔離板。
  3. 【請求項3】固体電解質がナトリウムイオン伝導体であ
    り、隔離板が、溶融ナトリウムによる湿潤性を向上させ
    るべく、開放孔を湿潤剤で処理した多孔質層を有する請
    求項1に記載の隔離板。
  4. 【請求項4】高温電気化学電池で溶融アルカリ金属アノ
    ードを溶融塩電解質から分離する固体電解質隔離板の製
    造方法であって、 固体電解質材料又はその前駆体からなり互いの面を合わ
    せて配置された少なくとも2つの層を含み、これらの層
    のうち少なくとも1つが焼結後に稠密非多孔質層を構成
    することができ、少なくとも1つが焼結後に複数の連通
    し合うチャネルもしくは孔をもつ多孔質焼結層を構成す
    ることができる外側層であり、且つこれらの層において
    隣接し合う2つの層毎に少なくとも一方が焼結層を形成
    すべく焼結できる生素地層である複合積層体を形成し、 この複合体を、各生素地層が焼結層になり且つ各隣接層
    に合体するような温度で加熱して、一体的な焼結複合体
    を形成するステップを含む製造方法。
  5. 【請求項5】複合体の各層を生素地層にし、焼結後に多
    孔質焼結層を構成することのできる各層が、加熱により
    該層から除去されて複数の連通し合うチャネル又は孔を
    残す空孔形成材料を含むようにする請求項4に記載の方
    法。
  6. 【請求項6】空孔形成材料を顆粒状粒子、繊維状粒子、
    フェルト及び編織布から選択する請求項5に記載の方
    法。
  7. 【請求項7】空孔形成材料を、炭素及び加熱時に燃焼す
    る前に炭化する物質から選択し、この加熱を酸素含有雰
    囲気下で行い、空孔形成材料を燃焼によって除去する請
    求項5又は6に記載の方法。
  8. 【請求項8】複合積層体を形成する前に、各生素地層の
    材料を、粒子形態の前記固体電解質材料又はその前駆体
    と熱可塑性及び熱硬化性の両方を有する1種類以上の結
    合剤とを含む塑性混合物からなるように調製し、次い
    で、各生素地層が変形して各隣接層に面と面を合わせて
    密着するように全部の層を圧縮することによって複合積
    層体を形成する請求項4から7のいずれか一項に記載の
    方法。
  9. 【請求項9】複合積層体を形成する前に、少なくとも1
    つの生素地層の材料を、前記固体電解質材料もしくはそ
    の前駆体を粒子形態で含む塗布可能な混合物からなるよ
    うに調製し、この塗布可能混合物を隣接層に塗布して該
    隣接層上に塗布されたコーティング形態の生素地層を形
    成することにより複合体を形成する請求項4から7のい
    ずれか一項に記載の方法。
  10. 【請求項10】請求項4から9のいずれか一項に記載の
    方法で製造した高温電気化学電池で溶融アルカリ金属ア
    ノードを溶融塩電解質から分離する固体電解質隔離板。
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