JPH0624153B2 - ナトリウム―硫黄電池の製造法 - Google Patents

ナトリウム―硫黄電池の製造法

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JPH0624153B2
JPH0624153B2 JP60188430A JP18843085A JPH0624153B2 JP H0624153 B2 JPH0624153 B2 JP H0624153B2 JP 60188430 A JP60188430 A JP 60188430A JP 18843085 A JP18843085 A JP 18843085A JP H0624153 B2 JPH0624153 B2 JP H0624153B2
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    • HELECTRICITY
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電力貯蔵用二次電池に係り、特にナトリウム−
硫黄電池の長寿命化を図るに好適な構造のナトリウム−
硫黄電池の製造法に関する。
〔発明の背景〕
ナトリウム−硫黄電池は陰極活物質に金属ナトリウム、
陽極活物質に硫黄又は多硫化ナトリウムあるいはその双
方、電解質なナトリウムイオンのみ通すことのできるセ
ラミツクスからなる固体電解質から構成され、両活物質
が溶融状態にある300℃前後で作動する高温2次電池
である。典型的な従来電池の構造を第2図に示す。固定
電解膜としてβ″−アルミナ(Na2O・6Al233
膜を袋管状にして用い、その内側にナトリウム1を外周
には硫黄2を補助導電材8に含浸して用いる。補助導電
材は硫黄が絶縁物であるため充放電時に電子の受けわた
しを助ける目的で挿入するものである。第2図の場合、
陽極容器4(電池容器)は陽極活物質である硫黄や多硫
化ナトリウムが非常に活性で、金属性の電池容器材料に
対して腐食性が強い物質であるため、耐食性に優れた材
料が使用される。
耐食性の優れた材料として、これまで、モリブデン,ク
ロム,チタン等が挙げられており、第2図の例ではモリ
ブデンの内張り11が設けられている。なお、これらの
耐食材料は希少資源で高価であるため、鉄などの安価な
金属を基体として、これらの金属を表面コーテイングす
る方法が特公昭48−275131 号,特公昭48−27533 号,
特公昭54−293 号,特開昭54−152125号および特開昭57
−65676 号に提案されている。
しかし上記した耐食材を用いて電池を構成しても、第3
図に示すごとく、充放電サイクルを繰返すと、顕著な容
量低下がみられる。この容量低下の原因は明らかに陽極
容器の腐食によるものである。
一方、ナトリウム−硫黄電池に使われるナトリウムや硫
黄は、電池作動温度である300〜350℃で、空気中の
酸素と激しく反応するため、電池容器は気密容器でなけ
ればならない。第2図に示した電池では、陽極4は陽極
蓋12で、陰極6は陰極蓋13で気密に保たれている。
なお14は陽極部と陰極部を電気絶縁するためのα−ア
ルミナ(Al23)からなる絶縁リングである。従つて
電池作製時には、固体電解質であるβ″−アルミナとα
−アルミナを接合し、かつα−アルミナと金属とを接合
する必要がある。現在β″−アルミナとα−アルミナの
接合には、ガラス半田を用い熱処理して両者を接合して
いる。またα−アルミナと金属との間は、ガラス半田ま
たは熱圧接によつて接合する。いずれの方法とも800
℃前後の温度が接合箇所に加えられている。
この接合方法では電池構成部材に熱歪が残されたり、接
合材と素材の熱膨張率の相違などから、電池の昇温や降
温などのヒートサイクルによつて、しばしば電池の破損
が生じている。またこれらの接合には、高度の技術と時
間を要する。
さらに陽極活物質である硫黄は電池内では補助導電材に
含浸さている必要がある。補助導電材は陽極容器と電子
の交換をするため、陽極容器と充分な電気的接触が望ま
れる。そこで一般に補助導電材として使用されるグラフ
アイトフエルトは電池組立前に、厚さ方向に圧縮した上
で硫黄を含浸し、冷却固化して成形体とする。このよう
な成形体を用いると、陽極容器とグラフアイトフエルト
の電気的接触が良好となるばかりでなく、電池組立が容
易となる。しかし成形工程は、不活性ガス雰囲気で温度
を上げる必要があり、かなりの時間と労力をし作業性に
問題があつた。
上記のような事情のため、これらの問題点を解決して、
充放電サイクルによる容量低下が少なく、電池破損を生
じない長寿命のナトリウム−硫黄電池の開発が望まれて
いる。
〔発明の目的〕
本発明の目的はナトリウム,硫黄及び放電反応により生
成する多硫化ナトリウムに対して優れた腐食性を有する
材料を具備することによつて電池の充放電サイクル寿命
を向上せしめること、及び加工組立ての容易なナトリウ
ム−硫黄電池を提供することにある。
〔発明の概要〕
ナトリウム,硫黄及び多硫化ナトリウムと共存性の良い
材料にセラミツクスがあり、このセラミツクスの中には
加工が容易で、しかも温度と塑性変形条件を整えれば形
状記憶性を有するものがある。そこで、本発明は電気容
器を金属性容器からセラミツク性の容器に変えたナトリ
ウム−硫黄電池であり、セラミツクの形状記憶性すなわ
ち変形前の形にもどる時の回復力を利用して、従来の熱
圧接やガラス半田によるシール接合及び補助導電材への
硫黄含浸工程を削減し、加工組立てを容易に行えるよう
にしたナトリウム−硫黄電池の製造法である。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を実施例にもとづき更に詳述する。第1図
は本発明に係わるナトリウム−硫黄電池の構造を示す図
である。電池は陽極容器4の内部に陰極活物質であるナ
トリウム1、陽極活物質である硫黄及び多硫化ナトリウ
ム2、両活物質の隔壁となる固体電解質膜3、これら内
部構造物を外気と遮断するための封止板5とから成る。
陽極容器4には陽極活物質2を注入するための注入口兼
陽極7が設けられてあり、該封止板5には陰極活物質1
を注入するための注入管兼陰極6が設けられている。さ
らに該ナトリウムの注入管兼陰極6の上部には注入後に
封じ切るためのキヤツプ9が設けられてある。なお、陽
極部にはグラフアイトフエルトから成る補助導電材8と
集電体10も組込んである。
本電池の組立て工程を第4図及び第5図を用いて説明す
る。第4図に示す封止板5及び陽極容器4は形状記憶機
能を有するセラミックスで形成されている。このセラミ
ツクスは実線で示すような形状に室温で切削加工し、次
に高温にして一点鎖線で示すように塑性変形され、変形
力を負荷したまま室温に冷却する。この変形状態は、除
荷しても一点鎖線の形状を維持する。次に、一点鎖線の
ごとく塑性変形させたセラミツクスを高温にして焼なま
すと再び実線で示すよなう形状に復元する。このような
形態変化を示すセラミツクスは形状記憶セラミツクスと
呼ばれている。形状記憶セラミツクスの代表例に雲母を
含んだガラス・セラミツクスがある。
雲母を含むセラミツクスは雲母結晶が亀裂の進展を防止
するために切削加工を容易にする。封止板5の中央に穴
20、下面に円筒状の溝21、陽極容器4の底板に穴2
2を室温で実線で示すように切削加工(形状記憶)す
る、次に高温(約500 ℃)に加熱し、穴20,22を一
点鎖線で示すように拡管、溝21を押し広げ、封止板5
の円板径を押し縮める。一方、陽極容器4の内径を内圧
を加える等の手段を用い拡管する。変形に要する応力は
約15MPa程度であり、この変形力を負荷したまま室
温まで冷却し、除荷することによつて封止板5と陽極容
器4は一点鎖線で示す形状(塑性変形)となる。次に第
5図に示すように固定電解質3を封止板5に設けた溝2
1に、ナトリウム注入管兼陰極6を穴20に取付け、他
方、陽極容器4の内部には円周状に分割したグラフアイ
ト製集電材10、その内側に補助導電材8を挿入し、陽
極容器の底板に設けた穴22に硫黄注入口兼陽極7をを
取付ける。次に陽極容器4に上部から封止板5を挿入
し、再加熱(約400〜500℃)し、焼なます(形状
回復)ことによりほぼ100%の形状回復が得られ、第
1図で示した電池構造が形成される。このときの形状回
復力は7MPaであり、気密シール圧として充分な圧力
である。電池活物質であるナトリウムと硫黄は第1図に
示したようにそれぞれナトリウム注入口兼陰極6及び硫
黄注入口兼陽極7から液状で規定量注入し、キヤツプ
9,7をして封じ込む。陰極及び陽極に負荷及び充電装
置(図示せず)を接続して、ナトリウム−硫黄2次電池
を形成する。
本発明による一実施例によれば、従来問題となつていた
陽極構造材の腐食による電池容量の低下を、活物質であ
る硫黄及び多硫化ナトリウムと共存性の良いセラミツク
スを用いることで解消し、固体電解質であるβ″−アル
ミナとα−アルミナあるいはα−アルミナと金属との接
合に用いていたガラス半田や熱圧接を形状記憶セラミツ
クスを用い、形状回復力によつて封止すことで削減し
た。さらに、電池容量とβ″−アルミナの電気的接触を
良好にするために行つていた補助導電材への硫黄含浸工
程は、封止と同様に陽極容器の形状回復力によつて補助
導電材が圧縮されるために不用となる。なお、本発明の
一実施例である第1図では集電材10を挿入し、陽極7
に接合させているが、電池性能がわずかに低下するもの
の補助導電材8と陽極7とを接合させれば集電材10を
撤去することも可能である。
次に、本発明をボタン型のナトリウム−硫黄電池に適用
した本発明の実施例を第6図及びそのA部拡大図である
第7図により説明する。ボタン型電池も基本的には第1
図に示したナトリウム−硫黄電池と同じ構成要件であ
る。ナトリウムイオンのみを透過させる円板状の固体電
解質膜20を隔壁として一方に陰極活物質としてのナト
リウム21、他方に陽極活物質としての硫黄及び多硫化
ナトリウム22を配し、これら構成材を保持するための
陰極容器26、及び陽極容器25、及び該陰極容器26
にナトリウム注入兼陰極23を設け、該陽極容器25に
硫黄注入口兼陽極24を設けた構造のナトリウム−硫黄
電池である。なお、陽極部には補助導電材27が充填さ
れている。陰極容器26及び陽極容器25は形状記憶セ
ラミツクスまたは一方を活物質と共存性の良く、形状記
憶セラミツクスと線膨張係数がほぼ等しい金属材料を用
いても良い。形状記憶セラミツクスを用いた容器側は第
4図及び第図を用いた成形手段をそのまま適用できる。
第6図の例は陰極容器26に金属材料、陽極容器25に
形状記憶セラミツクスを用いている。陰極容器26と陽
極容器25の封止部Aを拡大した図を第7図に示す。陰
極容器26の凸部内側に固体電解質20、外側に形状記
憶セラミツクスの陽極容器259を具備する。陽極容器
25には陽極容器25の凸部外径よりもわずかに小さい
径を記憶させて、変形処理で大きい径にする。内部構造
材を組込んだ後、形状記憶セラミツクスの回復処理を行
う。反対に陰極容器を金属材料、陽極容器を形状記憶セ
ラミツクスで構成することもできる。次にナトリウム注
入口兼陰極23、硫黄注入口兼陽極24からそれぞれの
活物質を規定量充填し、ボタン型ナトリウム−硫黄電池
を形成する。
なお、本発明はナトリウムと硫黄を電池容器内に密閉し
た電池のみならず、ナトリウム及び硫黄の補給排出機構
を備えた流動型ナトリウム−硫黄電池にも適用可能であ
る。
〔発明の効果〕
本発明によれば、電池容器として硫黄や多硫化ナトリウ
ムに対して優れた耐食性を有する形状記憶セラミツクス
を使用したことにより、腐食による電池容量の低下を防
止できる。また固定電解質膜とほぼ同等の線膨張係数で
あることから熱膨張差により生ずる歪の防止、及びガラ
ス半田や熱圧接工程を削除できるので熱歪が残らないこ
とから電池性能を長時間維持でき、寿命が大幅に向上す
る。さらに、補助導電材への硫黄含浸工程をも削除でき
ることから、専門技術を駆使せず容易にナトリウム−硫
黄電池を製作できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるナトリウム−硫黄電池の一実施例
の断面図である。第2図は従来のナトリウム−硫黄電池
の断面図である。第3図はその寿命特性である。第4図
は本発明の電池容器の形状記憶性を示す図である。第5
図は本発明電池の組立模様を示す図である。第6図及び
第7図は本発明の他の実施例の断面図である。 1,21……陰極活物質(ナトリウム)、2,22……
陽極活物質(硫黄,多硫化ナトリウム)、3,20……
固体電解質(β″−アルミナ)、4,25……陽極容
器、5……封止板、6,23……ナトリウム注入管及び
陰極、7,24……硫黄注入口および陽極、8,27…
…補助導電材(グラフアイトフエルト)、9……ギヤツ
プ、10……集電材(グラフアイト)、11……モリブ
デン内貼り、12……陽極蓋、13……陰極蓋、14…
…絶縁リング(α−アルミナ)、26……陰極容器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相馬 尚志 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献 特公 昭58−8552(JP,B2)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ナトリウムイオンが通過可能な固体電解質
    から成る膜と、上記固体電解質膜の一方の側に設けられ
    たナトリウムから成る陰極活物質と、他の側に設けられ
    た硫黄または多硫化ナトリウムあるいはその双方から成
    る陽極活物質と、上記固体電解質膜、陰極活物質及び陽
    極活物質を包含する容器とから成るナトリウム−硫黄電
    池に於いて、上記容器を形状記憶機能を有するセラミッ
    クスで構成し、かつ、該セラミックスを所望の電池容器
    形状に切削加工後、高温で変形後冷却して内部構造物を
    挿入しやすい形状に変形した状態を保持した容器を形成
    し、しかる後ナトリウムから成る陰極活物質、固体電解
    質膜及び硫黄又は多硫化ナトリウム又はその双方から成
    る陽極活物質を上記容器の所定位置に挿入し、上記容器
    を所定の温度に加熱して上記変形状態を元の加工形状に
    回復させることを特徴とするナトリウム−硫黄電池の製
    造法。
JP60188430A 1985-08-29 1985-08-29 ナトリウム―硫黄電池の製造法 Expired - Lifetime JPH0624153B2 (ja)

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