JPH0685332B2 - 電池性能を改良する電解液添加剤 - Google Patents

電池性能を改良する電解液添加剤

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JPH0685332B2
JPH0685332B2 JP61260524A JP26052486A JPH0685332B2 JP H0685332 B2 JPH0685332 B2 JP H0685332B2 JP 61260524 A JP61260524 A JP 61260524A JP 26052486 A JP26052486 A JP 26052486A JP H0685332 B2 JPH0685332 B2 JP H0685332B2
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    • H01M12/085Zinc-halogen cells or batteries
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は微孔性セパレーターを使用し、カソード臭素と
水不混和性錯体を形成できる錯化成分を含む金属臭化物
水溶液を電解液として有する二次電池に関する。
〔従来の技術〕
該技術によく知られているように、高い正の酸化電位を
有する1つの電極および強い負または還元電位を有する
他の電極を有する電気化学的電池が提案された。典型的
なそのような電池はアノード材料が典型的には亜鉛また
はカドミウムであり、カソードハロゲンが典型的には臭
素である金属−ハロゲン電池である。そのような金属−
ハロゲン電池の利点の1つはその非常に高い理論エネル
ギー密度である。例えば、亜鉛−臭素電池は200Wh/1b
(ワット・時毎ポンド)の理論エネルギー密度および約
1.8ボルト毎セルの電位を有する。
前記の型の電気化学的電池が多くの不利益を経験するこ
とが知られている。これらの不利益の多くはそのような
電池中で起こることができる副反応に関連する。例えば
充電過程中に遊離臭素が電池内に発生する。この遊離臭
素は亜鉛アノードとの電気化学反応に利用でき、それに
より電池の自己放電を生ずる。
米国特許第4,105,829号には電池の充電中に電解液から
カソードハロゲンを有効に除去するために錯化剤を含む
循環電解液系を用いる金属−ハロゲン電池が開示されて
いる。基本的には、錯化成分または錯化剤はハロゲンの
存在下に水不混和性ハロゲン錯体を形成するものであ
る。この錯体は充電中に電池外に分離されて貯えられ、
放電中電池に戻される。
前記特許に開示された金属−ハロゲン電池の他の典型的
な特徴は微孔性セパレーターを用いることである。とり
わけ、微孔性セパレーターは金属アノードと対向電極と
の電池中の接触を防ぐのに役立ち、またそれは電池の充
電中金属アノードとカソードハロゲンとの接触を低下さ
せる。
前記特許に開示された水性亜鉛臭素電池で達成される有
意な改良にもかゝわらず、電池から回収されるエネルギ
ーの量が電池の充電中に挿入されるものより少ないの
で、クーロンの非効率がなおそのような電池の機能に生
ずる。
〔発明の構成〕
今回、電池中の微孔性膜セパレーターの水不混和性ハロ
ゲン錯体に対する湿潤性を低下できる添加剤を電解液に
添加すればそのような電池のクーロン効率を増加できる
ことが見出された。従って、本発明の1態様において、
金属−臭素電対(couple)を有する電気化学的電池が提
供される。電池には電対の金属を析出させる電極構造物
および臭素を発生させる対向電極が含まれる。微孔性膜
は電極と対向電極とを分離する。水性電解液が、臭素と
水不混和性錯体を形成できる水溶性臭素錯化剤を含む金
属臭化物水溶液およびそのような電池中に用いる微孔性
セパレーターのそのような水不混和性臭素錯体に対する
湿潤性を低下できる添加剤を含むことが重要である。
以下の記載において、便宜上金属−ハロゲン電対の金属
をアノードとして、またハロゲンをカソードとして示
す。しかし、金属−ハロゲン電池は二次電池であり、従
ってハロゲンが放電においてカソードとして、充電にお
いてアノードとして作用することが理解されよう。同様
に電対の金属は電池の放電においてアノードとして、充
電においてカソードとして作用する。
次に図面を参照すると、典型的な循環式双極金属−臭素
電気化学的電池10の略線図が示される。亜鉛−臭素電気
化学的電池には2つの電解液(アノード液およびカソー
ド液)が含まれ、それらはそれぞれ別の室8および9を
通して循環される。電池10中、アノード液は貯槽11に貯
蔵され、ポンプ12により室8および一般にアノード液ル
ープとして示されるループ13を通して循環される。カソ
ード液は一般に貯槽14に貯蔵され、ポンプ15により室9
およびループ16を通して循環され、それは一般にカソー
ド液ループとして示される。
微孔性セパレーター18はアノード室およびカソード室、
それぞれ8および9、間の境界を輪郭し、規定する。セ
パレーター18は陰イオン例えば臭化物イオン、並びにト
リブロミド、ペンタブロミドおよびヘプタブロミドイオ
ンを含むポリブロミドイオンのカソード室9からアノー
ド室8への移動を防ぎまたは妨げる膜である。そのよう
な膜はよく知られ、市販されている。典型的な膜にはダ
ブリユ・アール・グレース社(W.R.Grace and Co.,Balt
imore,Md.)により名称ダラミック(Daramic)のもとで
販売されるセパレーター材料、エバンズ・プロダクツ社
(Bvans Products Co.,New York,N.Y.)により販売され
るサブミクロ(Submicro)およびアサヒ・ケミカルズ
(Asahi Chemicals,Tokyo,Japan)により販売されるハ
イポール(Hipore)が含まれる。
双極電池設計において、電対の金属例えば亜鉛を析出さ
せる電極構造物19、および臭素を発生させる電極構造物
17は同じ電極構造の両側にある。
本発明の電解液は金属臭化物の水溶液であり、金属臭化
物の金属はアノードと同じ金属である。実際には金属は
カドミウムおよび亜鉛から選ばれるが、便宜上以下亜鉛
のみに言及する。一般に、電解液は約1〜6モル、好ま
しくは約3モルの臭化亜鉛を含む。本発明の電解液はま
た元素臭素の存在下に水不混和性錯体を形成できる錯化
成分を含む。
本発明の電解液に用いる適当な錯化成分は米国特許第4,
105,829号に示され、該特許は参照によりこゝに加入さ
れる。本発明の実施に好ましい錯化成分の1つはN−メ
チル,N−エチルモルホリニウムブロミド,N−メチル,N−
エチルピロリジニウムブロミドおよびN−メチル,N−エ
チルピペリジニウムブロミド並びにそれらの混合物であ
る。
電解液が、電池の充電中に形成される水不混和性臭素錯
体に対する微孔性セパレーターの湿潤性を低下できる添
加剤を含むことは本発明の有意な特徴である。一般に、
添加剤は界面活性剤であるが、しかしすべての界面活性
剤が所望の結果を生ずるとは限らない。適当な添加剤の
スクリーニングは非常に簡単に、試験添加剤および使用
条件下に電池中に形成される型の水不混和性臭素錯体を
含む水性電解液を収容した透明容器中にセパレーターを
垂直に吊すことにより行なわれる。試験添加剤がセパレ
ーターの濡れを抑制すれば臭素錯体はセパレーターに吸
上げられないで容器中に事実上同一レベルで保持され
る。水不混和性臭素錯体に対する微孔性電池セパレータ
ーの湿潤性を低下できる適当な界面活性剤の1つはドデ
シル硫酸ナトリウムおよびドデシルベンゼンスルホン酸
ナトリウムである。
また、そのような添加剤の使用は比較的少量でもそのよ
うな添加剤を用いる電池のクーロン効率を高めるが、そ
のような添加剤が使用されないでセパレーターが臭素錯
体に対して濡れるときには電池のクーロン非効率が増加
する。一般に、用いる界面活性剤の量は電池のクーロン
効率の測定できる増加を与える十分な量であるべきであ
り、好ましくは約0.01重量%〜約0.3重量%である。
再び図面を参照すると、運転中、アノード液およびカソ
ード液はそれぞれポンプ12または15により電池10を通し
て循環される。少くともカソード液は本発明により記載
された組成を有するが、しかし便宜上、アノード液およ
びカソード液はともに電池に充電する前に同一組成を有
する。電極電位を電池に印加すると、電極19上に層20と
して示される亜鉛の析出を生ずる。臭素もまた生ずる。
化学的に不活性な電極構造物17で発生する臭素は電解液
中の錯化剤と反応して実質的に水不混和性錯体14aを形
成する。臭素リッチ錯体14aは水より重いのでそれはタ
ンク14の底部に沈降する傾向があり、従って、少くとも
実質量が充電中電池を通って再循環されない。事実、保
持タンク14中のじゃま板21は臭素含有水溶性錯体の分離
を助ける。従って、実質的に水相のみが充電期中セルを
通って再循環される。しかし放電において、錯体はまず
それを水相中に乳化し分散させることによりカソードに
戻される。これは混合装置(図示せず)により達成でき
る。例えば高せん断または超音波混合装置を重力分離タ
ンク内に組合せることができる。その場合に混合機構の
活性化は電池の放電前に開始される。場合により、パイ
プ装置22を、図示されるように分離タンクの底部から水
不混和性錯体14aを実質的に抜出すために用いることが
できる。とにかく、臭素相は水相中に乳濁液として分布
され、電池放電中、電解液室を通して循環される。
本発明により得られる改良されたクーロン効率を例示す
るために次の実施例が示される。
実施例 8セル双極電池を1200cm2の双極電極およびダラミック
〔Daramic(登録商標)〕セパレーターで組立てた。電
池に電解液8lを加え、電池系をサイクル試験操作手順に
ゆだねた。操作手順は3時間の24A充電および8V(1V/セ
ル)停止までの24A放電から構成した。放電時間と充電
時間との比がクーロン効率の尺度であった。この試験手
順を電解液AおよびBの両方で行ない、その組成は表I
に示される。
表1 電解液 組成 A 3M Zn Br2 0.5M N−メチル,N−エチルモルホリニウムブロ
リド 0.5M N−メチル,N−エチルピロリジニウムブロ
リド B 2M ZnBr2 1M ZnCl2 0.5M N−メチル,N−エチルモルホリニウムブロ
ミド 0.5M N−メチル,N−エチルピロリジニウムブロ
ミド また、各電解液で電池のクーロン効率を決定した後ドデ
シル硫酸ナトリウムを、電池を放電させたときに電解液
(アノード液およびカソード液)に加えた。ドデシル硫
酸ナトリウムはその存在が電池の充電中に生ずる臭素錯
体に対する微孔性セパレーターの湿潤性を低下したので
選ばれた。電解液は2〜16時間循環してドデシル硫酸ナ
トリウムを一様に分布させた。次いで充電/放電規制を
繰返した。結果は表IIに示される。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の添加剤の使用から利益を得ることができ
る典型的な循環式亜鉛−臭素電気化学的電池の略線図で
ある。 8……アノード室、 9……カソード室、 10……電池、 11……アノード液貯槽、 14……カソード液貯槽、 17,19……電極構造物、 18……セパレーター、 21……じゃま板。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属−臭素電対を有する電気化学的電池で
    あって、 電池の充電中に電対の金属をその上で析出させる電極構
    造物、 電池の充電中にカソード臭素をそこで発生させる対向電
    極構造物、 前記電極構造物と対向電極構造物との間の微孔性セパレ
    ーター、 金属臭化物の、臭化物の金属が電対の金属と同一であ
    り、臭素と水不混和性錯体を形成できる水溶性錯化剤を
    含む水性電解液、および、 電池の充電中に形成される不混和性臭素錯体に対する微
    孔性セパレーターの湿潤性を低下できる添加剤であっ
    て、前記電池のクローン効率に測定可能な増加を生ずる
    十分な量で存在する添加剤、 を含む電池。
  2. 【請求項2】金属臭化物が臭化亜鉛および臭化カドミウ
    ムから選ばれる、特許請求の範囲第(1)項記載の電
    池。
  3. 【請求項3】金属が亜鉛である、特許請求の範囲第
    (2)項記載の電池。
  4. 【請求項4】添加剤がドデシル硫酸ナトリウムおよびド
    デシルベンゼンスルホン酸ナトリウムから選ばれる、特
    許請求の範囲第(2)項記載の電池。
  5. 【請求項5】添加剤が約0.01重量%〜約0.3重量%で存
    在する、特許請求の範囲第(4)項記載の電池。
  6. 【請求項6】添加剤がドデシル硫酸ナトリウムである、
    特許請求の範囲第(5)項記載の電池。
  7. 【請求項7】添加剤がドデシルベンゼンスルホン酸ナト
    リウムである、特許請求の範囲第(5)項記載の電池。
  8. 【請求項8】微孔性セパレーターを有し、臭化亜鉛また
    は臭化カドミウム水性電解液および臭素と水不混和性錯
    体を形成できる水溶性錯化剤を用いる亜鉛またはカドミ
    ウム−臭素電池のクーロン効率を高める方法であって、
    前記微孔性セパレーターの水不混和性臭素錯体に対する
    湿潤性を低下できる添加剤を前記電解液に添加すること
    を含む前記電池のクーロン効率を高める方法。
  9. 【請求項9】添加剤がドデシル硫酸ナトリウムおよびド
    デシルベンゼンスルホン酸ナトリウムから選ばれる、特
    許請求の範囲第(8)項記載の方法。
  10. 【請求項10】添加剤が約0.01重量%〜約0.1重量%の
    範囲内の量で存在する、特許請求の範囲第(9)項記載
    の方法。
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JPS62208570A JPS62208570A (ja) 1987-09-12
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DE (1) DE3684300D1 (ja)

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