JPH10134843A - ナトリウム二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロードレベリングの電力貯蔵用電池及び電気
自動車用に適用される充放電が可能な二次電池を提供す
る。 【解決手段】 内部に正極活物質１４を注入してなり、
ナトリウムイオンが選択的に通過可能な固体電解質１１
とからなる単セル１０１を複数個集合させてモジュール
２１５を構成する際に、各々のセルの負極活物質２０を
充填する負極室を共有してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ナトリウム二次電
池に関し、特にロードレベリングの電力貯蔵用電池及び
電気自動車用に適用される充放電が可能な二次電池を提
供する。

【０００２】

【従来の技術】図９に、従来技術に係る電池構造の概略
を示す。図１０は、従来技術のセル製造工程図を示す。
また、図１１は、従来技術のモジュール構造の概略を示
す。

【０００３】図９を参照して従来技術に係る電池構造の
概略を説明する。図９に示すように、有底のチューブ形
状のβ''アルミナからなる固体電解質１１を用い、該固
体電解質の内部にカーボン電極１２と該カーボン電極１
２にカーボン接着剤により接合されているタングステン
集電棒１３が設置しており、正極活物質（遷移金属等の
塩化物）１４が含浸されている。固体電解質１１の上部
には、αアルミナ製の蓋１５が設けられており、該蓋１
５に設けられた正極活物質注入口１６と固体電解質１１
と集電棒１３とは、ガラス半田１７により接合されてい
る。

【０００４】また、固体電解質１１の外側には、単セル
容器１８が配されており、単セル容器１８と固体電解質
との間が負極室となり、ウィック１９が配設されている
と共に、負極活物質であるナトリウム２０が負極活物質
注入口２１から注入されている。

【０００５】なお、正極活物質注入口１６及び負極活物
質注入口２１は共に、ガラス半田１７によりその入口が
封止されている。

【０００６】次に、図１０を参照して従来技術に係る電
池製造工程を概説する。 ＜第１工程＞電極１２に集電体１３が挿入する孔１２ａ
を明ける加工を行う。 ＜第２工程＞電極１２と集電棒１３とをカーボン接着剤
で接着する。 ＜第３工程＞蓋１５に固体電解質１１と電極１２に接合
されている集電棒１３及び正極活物質注入口１６を接合
するため、それぞれの接触部にガラス半田１７を塗布し
た状態でそのまま電気炉２２に入れ、９８０℃程度まで
加熱し、ガラス半田溶接をする。 ＜第４工程＞半田溶接した後に、その回りに円筒形状の
ウッィック１９を取付け、単セル容器１８を外側に被せ
る。単セル容器１８と蓋１５の接合部にガラス半田１７
を塗布した状態でそのまま電気炉に入れ、７５０℃程度
まで加熱して、半田溶接をする。 ＜第５工程＞正極活物質１４及び負極活物質２０を液状
にて注入後に、それぞれの注入口１６，２１をガラス半
田１７で封止して、単セル２３を形成する。

【０００７】次に、図１１を参照して従来技術に係る電
池製造工程を概説する。 上記工程により作成した複数個の単セル２３をモジ
ュール容器３１内にセル支持部材３２を介して設置す
る。 負極であるセル容器１８同士を負極端子バンド３３
を介して結ぶ。 正極である集電棒１３同士を正極端子バンド３４を
介して結ぶ。 モジュール容器３１のフランジ部分３１ａに、シー
ル部材３５を介して締結手段により上蓋３６を取付け、
ナトリウム二次電池を製造する。 なお、モジュール容器の形状は矩形状の他に円形状或い
は球状の形状とすることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図１１に示すように、
従来技術の単電池の状態とした単セル２３をモジュール
容器３１に設置する場合、セル以外のモジュール容器内
の空間がデッドスペースとなり、モジュール化した場
合、体積エネルギー密度がセルベースの体積エネルギー
密度に比べて約３分の１程度となり、コンパクト化にな
らない、という問題がある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明のナトリウム二次電池は、内部に活物質を有しナトリ
ウムイオンが選択的に通過可能な固体電解質からなる単
セルを、複数個集合させてモジュールを構成する際に、
各々の単セルの正極室或いは負極室を共有してなること
を特徴とする。

【００１０】上記ナトリウム二次電池において、上記固
体電解質によって仕切られた一方の部屋にナトリウムを
必須成分とする負極活物質を充填し、他方の部屋に多硫
化ナトリウム又は金属塩化物等の混合塩とカルコゲン属
又は遷移金属等の塩化物を必須成分とする正極活物質を
充填してなることを特徴とする。

【００１１】本発明では、内部に正極（又は負極）活物
質を注入し、、ナトリウムイオンが選択的に通過可能な
固体電解質からなる単セルを複数個集合させてモジュー
ルを構成する際に、各々のセルの負極（正極）活物質を
充填する負極（正極）室を共有してなるものである。す
なわち、本発明によれば、正極室又は負極室のどちらか
一方を連結することによって、モジュール内部のデッド
スペースを削減することが可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照にして説明する。

【００１３】〔第１の実施の形態〕本実施の形態では、
各々のセルの負極室を連結したナトリウム二次電池の一
例を示す。図１乃至４に本発明の実施の形態を示す。図
１に、本実施の形態に係る電池構造の概略を示す。図２
は、その単セルの製造工程図を示す。また、図３は、モ
ジュール容器の概略を、図４はモジュール構造の概略を
示す。

【００１４】図１に示すように、有底のチューブ形状の
β''アルミナからなる固体電解質１１を用い、該固体電
解質の内部にカーボン電極１２と該カーボン電極１２に
カーボン接着剤により接合されているタングステン集電
棒１３が設置されており、正極活物質（遷移金属等の塩
化物）１４が含浸されている。

【００１５】固体電解質１１の上部には、αアルミナ製
の蓋１５が設けられており、該蓋１５に設けられた正極
活物質注入口１６と固体電解質１１と集電棒１３とは、
ガラス半田１７により接合されて、正極単セル１０１を
形成している。なお、正極活物質注入口１６は、ガラス
半田１７によりその入口が封止されている。

【００１６】また、上記蓋１５の側面には、形成された
単セル１０１をモジュール容器内に固定するためのモジ
ュール設置取付け座金１０２がガラス半田１７を介して
取付けられている。

【００１７】次に、単セル１０１の製造工程の概略を図
２を参照して説明する。 ＜第１工程＞電極１２に集電棒１３が挿入する孔明け加
工を行い、集電棒１３を挿入し、電気炉２２内で加熱接
着する。

【００１８】＜第２工程＞上記第１の工程で作成した電
極１２が取付けられた集電棒１３の一端部に、正極活物
質注入口１６を有する蓋１５をガラス半田１７により溶
接する。蓋１５を溶接した集電棒１３の他端部である図
中上方側から固体電解質１１を被せ、接合部分にガラス
半田１７を塗布した状態でそのまま電気炉２２に入れ、
加熱してガラス半田１７の溶接を施す。

【００１９】＜第３工程＞半田溶接した後に、蓋１５の
側面にモジュール設置取付け座金１０２をガラス半田１
７を塗布して溶接し、ガラス接合して単セル容器１０３
を形成する。このときのガラス溶接のガラス半田の溶融
温度は、上記第２の工程で使用したガラスの溶融温度よ
りも低いものを用いる。

【００２０】＜第４工程＞上記第３の工程で形成した単
セル容器１０３内に、正極活物質注入口１６を介して正
極活物質１４を液状にて注入後、その注入口１６をガラ
ス半田１７で封止して、正極単セル１０１を形成する。

【００２１】次に、モジュール容器の概略を図３を参照
して説明する。図３はモジュール容器の概略を示し、
（ａ）はモジュール容器の平面図、（ｂ）はその断面図
である。 矩形状のモジュール容器本体１１１に円筒状のウィ
ック１９を設置する。該モジュール容器１１１の内部に
は、溶融ナトリウム２０が注入されている。なお、上記
ウィック１９とモジュール容器１１１との間には、隙間
１１２が形成されている。ここで、上記ウィック１９は
その材質を炭素鋼、ステンレス等としており、本実施の
形態では、板厚0.３ｍｍ程度の平板を円筒形状に形成し
たものを用いた。 モジュール容器１１１のフランジ部分１１１ａに、
シール部材１１３を介して締結手段により上蓋１１４を
取付け、モジュール容器１１５を形成する。なお、上記
モジュール容器上蓋１１４には正極セル１０１を挿入す
るための容器挿入口１１６が形成されている。

【００２２】次に、モジュール構造の概略を図４を参照
して説明する。図４はモジュール構造の概略を示し、
（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図である。 上記工程により作成した正極単セル１０１を複数個
モジュール容器１１５の容器挿入口１１６から挿入す
る。 正極セル１０１のモジュール容器設置取付け座金１
０２を用いてモジュール容器上蓋１１４と締結手段を介
して締結する。この締結の際にシール材を用いてシール
性を保つようにしている。 正極である集電棒１３同士は、モジュール容器１１
１の外部において、正極端子バンド（図示せず）を介し
て結ぶようにしている。なお、セル容器は電極を兼ねる
こととなり、導電性が必要である。 また、モジュール容器１１１内に正極単セル１０１
を入れた後には、上記ウィック１９と該単セル１０１の
固体電解質１１との間に、狭い隙間が形成されるため、
ウィック効果により、溶融ナトリウム２０が吸い上げら
れ、固体電解質１１の外表面は常に該ナトリウム２０に
より濡れた状態が保たれる。上述した工程によりセルの
負極室を連結したナトリウム二次電池が完成する。

【００２３】なお、モジュール容器１１５の形状は本実
施の形態では矩形状のものを例にして説明したが、この
形状は矩形状のものに限定されるものではなく、他に円
形状或いは球状の形状とすることができる。

【００２４】〔第２の実施の形態〕本実施の形態では、
各々のセルの正極室を連結したナトリウム二次電池の一
例を示す。図５乃至８に本発明の実施の形態を示す。図
５に、本実施の形態に係る電池構造の概略を示す。図６
は、その単セルの製造工程図を示す。また、図７は、モ
ジュール容器の概略を、図８はモジュール構造の概略を
示す。

【００２５】図５に示すように、有底のチューブ形状の
β''アルミナからなる固体電解質１１を用い、該固体電
解質１１の内部には、安全管を兼ね備えたウィック１９
と負極活物質である溶融ナトリウム２０が設けられてい
る。上記ウィック１９は、セルの蓋を兼ねた負極端子２
０１と溶接によって接合されている。上記固体電解質１
１の上端にはαアルミナ製のリング２０２が設けられて
おり、固体電解質１１とガラス半田１７により接合され
ている。また、リング２０２の上部には、熱圧接合材２
０３を接合剤としてセルの蓋を兼ねた負極端子２０１と
接合しており、負極単セル２０４を形成している。

【００２６】さらに上記リング２０２の下部には、形成
された単セル２０４をモジュール容器内に固定するため
のモジュール容器設置取付け座金２０５が熱圧接合材２
０３を介して取付けられている。

【００２７】次に、単セル２０１の製造工程の概略を図
６を参照して説明する。 ＜第１工程＞セルの蓋を兼ねた負極端子２０１と安全管
を兼ね備えたウィック１９とを溶接によって接合する。

【００２８】＜第２工程＞電気炉２２内において、固体
電解質１１とリング２０２とをガラス半田１７により接
合する。

【００２９】＜第３工程＞ 第２工程において得られたリング２０２を設けた固
体電解質１１の内部に、第１工程で得られた負極端子２
０１を溶接したウィック１９を組み込む。これらの溶接
においては、熱圧接合材２０３によって接合する。次
に、上記リング２０２の下部に、モジュール容器設置取
付け座金２０４を熱圧接合材２０３を介して取付ける。

【００３０】＜第４工程＞セルの蓋を兼ねた負極端子２
０１の負極活物質注入口２０６を介して負極活物質２０
を液状にて注入後、その注入口２０６をガラス半田１７
で封止して、負極単セル２０４を形成する。

【００３１】次に、モジュール容器の概略を図７を参照
して説明する。図７はモジュール容器の概略を示し、
（ａ）はモジュール容器の平面図、（ｂ）はその断面図
である。 矩形状のモジュール容器本体２１１に内部には、正
極活物質である多硫化ナトリウム１４を含浸させたカー
ボン電極１２が設置されている。また、容器内部には、
各セルを独立させる隔壁２１２が配設されている。 モジュール容器２１１のフランジ部分２１１ａに、
シール部材２１３を介して締結手段により上蓋２１４を
取付け、モジュール容器２１５を形成する。なお、上記
モジュール容器上蓋２１４には負極セル２０４を挿入す
るための容器挿入口２１６が形成されている。

【００３２】次に、モジュール構造の概略を図８を参照
して説明する。図８はモジュール構造の概略を示し、
（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図である。 上記工程により作成した負極単セル２０４を複数個
モジュール容器２１５の容器挿入口２１６から挿入す
る。 負極単セル２０４のモジュール容器設置取付け座金
２０５を用いてモジュール容器上蓋２１４と締結手段を
介して締結する。この締結の際にシール材を用いてシー
ル性を保つようにしている。 負極端子２０１同士は、モジュール容器２１５の外
部において、負極端子バンド（図示せず）を介して結ぶ
ようにしている。なお、セル容器は電極を兼ねることと
なり、導電性が必要である。上述した工程によりセルの
正極室を連結したナトリウム二次電池が完成する。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、従
来の二次電池と比べて以下のような効果を奏する。 （１）モジュール内部のデッドスペースが削減され、体
積エネルギー密度が大きくなり、モジュールのコンパク
ト化を図ることができる。 （２）各セルの外筒容器を不要としたので、軽量化を図
ることができ、重量エネルギー密度が大きくなる。 （３）さらに、各セルの外筒容器を不要としたので、部
品点数の削減を図ると共に、製造工程の簡素化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施の形態に係る正極セルの構造
図である。

【図２】本発明の第一実施の形態に係る正極セルの製造
工程図である。

【図３】本発明の第一実施の形態に係るモジュール容器
の構造図である。

【図４】本発明の第一実施の形態に係るモジュール構造
図である。

【図５】本発明の第二実施の形態に係る負極セルの構造
図である。

【図６】本発明の第二実施の形態に係る負極セルの製造
工程図である。

【図７】本発明の第二実施の形態に係るモジュール容器
の構造図である。

【図８】本発明の第二実施の形態に係るモジュール構造
図である。

【図９】従来のセル構造図である。

【図１０】従来のセルの製造工程図である。

【図１１】従来のモジュール構造図である。

【符号の説明】

１１ β''アルミナ製の固体電解質 １２ カーボン電極 １３ 集電棒 １４ 正極活物質 １５ αアルミナ製の蓋 １６ 正極活物質注入口 １７ ガラス半田 １０１ 正極単セル １０２ モジュール設置取付け座金 １０３ 単セル容器 １１１ モジュール容器本体 １１２ 隙間 １１３ シール部材 １１４ 上蓋 １１５ モジュール容器 １１６ 容器挿入口 ２０１ 単セル ２０２ αアルミナ製のリング ２０３ 熱圧接合材 ２０４ 負極単セル ２０５ モジュール容器設置取付け座金 ２０６ 注入口 ２１１ モジュール容器本体 ２１２ 隔壁 ２１３ シール部材 ２１４ 上蓋 ２１５ モジュール容器 ２１６ 容器挿入口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大嶋 一晃 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に活物質を有しナトリウムイオンが
   選択的に通過可能な固体電解質からなる単セルを、複数
   個集合させてモジュールを構成する際に、各々の単セル
   の正極室或いは負極室を共有してなることを特徴とする
   ナトリウム二次電池。
2. 【請求項２】 請求項１記載のナトリウム二次電池にお
   いて、 上記固体電解質によって仕切られた一方の部屋にナトリ
   ウムを必須成分とする負極活物質を充填し、他方の部屋
   に多硫化ナトリウム又は金属塩化物等の混合塩とカルコ
   ゲン属又は遷移金属等の塩化物を必須成分とする正極活
   物質を充填してなることを特徴とするナトリウム二次電
   池。