JPS58106770A - 電池 - Google Patents

電池

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JPS58106770A
JPS58106770A JP57215358A JP21535882A JPS58106770A JP S58106770 A JPS58106770 A JP S58106770A JP 57215358 A JP57215358 A JP 57215358A JP 21535882 A JP21535882 A JP 21535882A JP S58106770 A JPS58106770 A JP S58106770A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気化学電池に係る。特に、二次使用に適し
た再充電可能な電気化学電池に係る。
本発明の電気化学電池は、電池Ｏ作動温度では溶融して
いるナトリウム陽極と、同様に電池の作動温度では溶融
しているハロゲン化アルミニウムナ）　ＩＪウムの溶融
塩電解質と、電解質を含浸した陰極、および陽極と電解
質の間にあり電解質から陽極を隔離（ｉｓｏＪａｔｉｎ
ｇ　）する収着ナトリウムを含有しているナトリウムイ
オンの固型伝導体あるいは電クロモレキニラーシープか
らなり、該陰極は電池の電気化学的に活性な陰極物質と
して遷移金属塩化物を含有し、該塩化物は電気伝導性の
電解質浸透性マトリックス中に分散しているＦ・０６゜
Ｎ１ＣＪｓ　＊　Ｃ０ＣＪ鵞ｅ　Ｃｒ側雪からなるグル
ープから選択されており、電解質中のナトリウムイオン
とアルミニウムイオンの比率は選択されて、溶融し要覧
解質中の活性陰極物質の溶解度は最少値もしくは最少値
に近い値である。
陽極から電解質へあるいは逆に動くイオン状ナトリウム
もしく紘金属状ナトリウムが、固型伝導体の内部結晶構
造あるいは担体Ｏ微小孔内部を通り抜けなければならな
いことを、１隔離する（ｌｓｏ＆ｔｉｎｇ）”と表わす
。
電解質は、塩化アルミニウムナトリウムの溶融塩電解質
が便利であシ、該電解質は、ナ）　ＩＪウムとアル１＝
ウムとの比率に依存して１５０℃のオーダーあるいはそ
れ以下の融点を有し、又蚊電解質の組成に依存して活性
陰極物質は実質上不溶性である。上記電解質が塩化ナト
リウム以外のアルカリ金属ハロゲン化物の如きドー／Ｑ
ン）　（ｄｏｐａｎｔ　）を少量で例えば１０重量−ま
での比率で、通常はそれ以下の比率で含有し得ることに
より、咳電解質の融点は降下する。このようにドー／看
ントはアルカリ金属のフッ化物からなり得るが、電解質
の構成比は、電解質中で活性陰極物質の溶解度が最少値
を保つように選択すべきである。
本発明者は、塩化アルミニウムナトリウム電解質（前記
の如くドープされ得る）中に於ける活性陰極物質の最少
溶解度が、アルカリ金属ハロゲン化物とハロゲン化アル
ミニウムのモル比が約１：１のときに得られることを知
見した。換言すれば：寵 アルカリ金属イオン、アルミニウムイオン、ハロゲンイ
オンの相対量は、次式で表わされる化学量論的な物質（
化学量論的に生成される物質）と実質的に一致すべきで
あり； ＡＪＸａ 式中、Ｍはアルカリ金属陽イオンを示し、Ｘはハロゲン
陰イオンを示す。これらの電解質は、出願人の米国特許
第４２８７２７１号明細書に記載されている。
このように、構成比は選択されて、大気圧下に於ける電
解質の融点は１４０℃より低くなる。該電解質中に、小
さな比率のドー／臂ント例えば溶融した電解質中でイオ
ン化して電解質の寥解作用に影響を与えるイオンを供給
する物質又は前記の如き融点を降下させる物質は許容さ
れ得るが、該ドー／Ｑントの性質と量は、ＭＡＪＸ４物
質で保たれている塩化アルミニウムナトリウム電解質の
如き電解質の本質的な性質を変えるには不充分であるべ
き１′ である。
電池がナトリウムイオンの固型導体を含むとき、該固型
導体はベータアルＺすもしくはナシコン（ｎａｓｉｃｏ
ｎ　）であ抄得る。
上記固型導体の伏動として、電池がミクロモレキエラー
シープを含むとき、この担体は、ナトリウムがこの担体
により輸送される機構に応じて、ナトリウム金属および
／又はナトリウムイオンの導体とみなされ得る。
ミクロモレキエラーシープの内部に相互に連結している
空洞および／又は溝を有し且つその表面に上記の空洞と
溝に通じている廖および／又は細穴（ｐｏｒｅ　）　を
有し、且つ窓、細大、空洞および／又は溝のサイズは５
ｏｆｔ越えず好ましくは２０Ｘ以下であるモレ中エラー
シープを、ミクｐモレキュラーシーブと表わす。
適轟なきクロそレキュラーシープは無機性のミクロモレ
キエラーシープ即ち、テクト珪酸塩の如き無機の格子あ
るいは骨格構造であり、例えばゼオライト１３Ｘ、３Ａ
、４ムもしくは類似なものがあるが、ある場合に於いて
はクラスレート化合物（ａｌａｔｈｒａｔ＠ｓ　）の如
きある種の実質的に有機Ｚクロモレキエラーシープが適
轟である。
活性陰極物質は、好ましくはマｌツクスに均一に分散し
ている；又、該陰極物質は細分された粒子状形態であっ
てもよく、及び／又は微粒子もしくは薄層としてマトリ
ックスに付着していてもよい。活性陰極物質の大きな粒
子もしくは厚い層が存在しない仁とが好ましい。又、例
えばマ）　ＩＪラックス大きな空洞中で、活性陰極物質
が、集電器として作用するマトリックス物質から物理的
にある過剰間隔だけ間隔をとっていないことが好ましい
。換言すると、活性陰極物質はマトリックス物質に近接
もしくは付着して、又可能な限や薄く広がっていること
が好ましいが、勿論マトリックスの多孔度および存在す
べき所望の陰極物質の量を満足している。活性陰極物質
の大きな粒子もしくは厚い層は電池の作動を妨げないが
活性物質として作用せず、陰極（マ）　ＩＪラックス物
質から離れ九活性陰極物質の比率は単に死重となるだけ
である。
電気化学的に活性な陰極物質としては、有用性と価格の
点から、又、塩化す）　ＩＪウムと塩化アルミニウムの
モル比が１：１である塩化アルζニウムナトリウム電解
質中に実質上不溶性であるので、・ＦｅＣ４（塩化第一
鉄）が魅力的である。
陰極のマトリックスｉしては、電解質のナトリウムイオ
ンが陰極物質に近づくのを可能ならしめる適当な電気伝
導性物質であり得る。グラファイトの形態の炭素が使用
され、あるいは遷移金属自体の多孔性マトリックスが使
用される。陰極として使用するための適ｉｎ固型加工品
は、陰極で使用する九めに、グラファイトもしくは金属
から下記の如く作られている。
本発明の陰極の遷移金属塩化物は、所望の塩化物例えば
遷移金属の耐火性化合物あるいは他の塩化物を産するた
めの処理をし得る該金属もしくは該金属の化合物から得
られ得る。各々の場合、陰極に於ける金属塩化物中の金
属の酸化状ｎは、可能な限シ低くずべきであシ、又、金
属のよシ塩仕度の高い塩化物の存在はさけるべきであり
、讐のようにして溶融電解質中の陰極物質の溶解度を実
行出来る限９避ける。
このように、焼結した加工品は、多孔性鉄電極の構成に
使用した方法と同じ方法によシ、該遷移金属から作られ
る。次に、電気化学的あるいは塩素ガスもしくは適当な
希釈剤によシ希釈した塩素ガスとの反応によシ化学的に
塩素化する。
電気化学的塩素化を使用するとき、調製した陰極を使用
すべき電池内に移し得、又は該陰極をその場で（ｌｎ　
ｍ１ｔｕ　）塩素化すると、電解質の亀との組成は選択
され、あるいは電解質は塩素化の後に変更される。その
ようｋして電気化学的に活性な陰極物質は、実質的には
上記電解質には不溶性である。
化学的塩素化を使用するとｓ　Ｆ　ｅ　Ｃ１＠／　Ｆｅ
陰極加工品を作るときに得られるＰ　ｅ　Ｃｊｓの如き
不要な揮発物を昇華によｐ除去するために、暉圧下で連
続加熱を使用し得る。この製造方法によると、得られる
陰極は、所望の咳遷移金属塩化物であり、遷移金属の多
孔性マトリックスに細かく分散しておシ、電気伝導体で
あシ、電池の環境に応じて電気化学的に活性てあプ得、
又電池の容量を高め得る。
その代シとして、カーバイドの如き該遷移金属の耐火性
化合物は、少量の炭素−成形結合剤（ｃａｒｂｏｎ−ｆ
ｏｒｍｌｎｇ　ｂｉｎｄｅｒ　）例えばフェノールホル
ムアルデヒド樹脂と混合し得る。
得られた混合物を次に゛電極型に圧縮成形し、上記樹脂
を６００Ｃ以上の温度で減圧にて分解（クラック）する
、蚊温度は、結合剤を伝導性炭素に熱分解し、又カーバ
イドを金属とグラファイトに分解する温度として選択さ
れた。このように鉄の場合、Ｆｅ１Ｃはアルファ鉄とグ
ラファイトに分解し得る。
得られた電極では、前記方法によシ塩素化され得るアル
ファ鉄と炭素が細く分散してお夛、塩素化の後にも残存
する伝導性の鉄もしくはグラファイトからマトリックス
はなる。
さらに又、塩化物自体は、細かく分割され得。
グラファイトの如きマトリックス用の適当な伝導性メデ
ィウムと混合し得、陰極は該混合物から加工品として圧
縮成形される。
各々の場合、電池を組み立てる前に、陰極は使用する電
解質で充填しなければならず、これＫは加工品中への電
解質の完全な浸透を促進する九め減圧含浸次いで与圧を
かけるのが有効である。
テストした電池は、本発明に従ってアルゴン雰囲気下で
組み立てて作った。各々の場合、ベータアルミナでナト
リウム陽極を電解質から隔て、又ベータアルミナの使用
の際に溶融したナトリウムにより良いぬれの状態を確実
にするために、ベータアルミナとナトリウムは４００Ｃ
にあらかじめ加熱し、アルシン雰囲気下で冷却する０次
に陰極を適当な場所に置き、塩化ナトリウムと塩化アル
ミニウムの等モル混合物からなる充分に溶融し走電解質
をアルノン雰囲気下で加える。陽極と陰極を適当な集電
器と接続するように配置し、又、Ｒ−タアルミナを配置
して電解質とナトリウムの間に連続したバリアーを形成
させる。
次Ｏ実施例に於いて、このテスト用電池を使用した。
実施例　ｌ 直径３Ｑｍ、厚さ３噛、５Ｎのディスク型の焼結した鉄
電極を、塩素ガスとの反応によシ化学的に塩素化し、揮
発性のＦｅＣＡが昇華によシ除去されるように真空にし
て加熱した。
塩素の吸収によシ、放電容量は約０．６　Ａ−ｈｒと計
算された。実験によ〕求めた容量は計算により求めた容
量と良く一致していることに注意すべきである。
充電−放電過ｉは、次式の如く表わすことができる： （Ｆｅ）伝導性マトリックス＋２Ｎａ”Ｃｊ−電解質中
の溶融しｆｔ、　Ｎａ＋が、電荷運搬体である。
、Ｐの還元および酸化は、鉄が電気的に接触する伝導性
−Ｖトリックスで起ζる。電荷移動は速く、陰極は、わ
ずかな電池の分極を伴ない１５０　ｍＡ　−ｃｍ−”以
上の高電流密度に耐えられることがわかった。
第１図に、放電開始時の電池の電圧と対数で表示した電
流を、ターフエル式に従いプロン）（Ｔａｆ＠ＩＰｌｏ
ｔ）した結果を示す（曲線１）。オームの内部抵抗のな
いプロットに於いて、１ｓｏｃの温度では、電流密度（
第１図中横軸の括弧内は電流密度を示す）が１５０ｍＡ
−♂を越えるまでは分極は生じないことが示されている
（曲１１１２）。
第２図に、１２の充電−放電サイクルを示す；充電：５
時間当シ　２６３８〜２．６０Ｖ放電！５時間当プ　２
．２８〜１．９６Ｖ容量：　７４０　Ｊ−１１″″１（
電解質を除く）クーロン効率＝１００饅 温度：　２３０Ｃ 電流密度：５０ｍＡ・３′ 開路電圧（０，Ｃ，Ｖ、　）　：　２．３５ｖ（第２図
参照）実施例２ Ｓ　Ｉ　ＯＦ＠ｓＣ（平均粒子サイズが３２５メツシユ
でありｓ　ｃｅｒａｅ社から入手）と結合剤として０．
５１のフェノールホルムアルデヒ）’１１脂（Ｐｏ１ｙ
ｒ＠５ｉｎＰｒｏｄｕ鶴舊（ＰｔＦ）社から入手）とを
よく混合し、次いで単軸圧縮器（約３４５００ｋＰａ）
でペレットに圧縮成形し、得られたペレットを、Ｆ＠Ｉ
Ｃが分解してアルファ鉄とグラファイトになるのく充分
、シ な温度と時間をかけて（例えば、１０００ｔｌｌ’で３
時間）、アルジン雰囲気下で加熱した。得られた結晶状
生成物で同定でｔ１九ものは、実にアルファ鉄とメツフ
ァイトだけであった。次に、生成物を。
実施例１と同様に塩素化し、そして塩素の吸収量から、
存在する塩化鉄の計算量に基づく容量は０．５Ａ・ｈｒ
であると計算された。実施例１と同様、実験によシ求め
九容量は計算によシ求めた容量と良く一致していた。
第３図に、この電池Ｃ＠１１の充電−放電サイクルを示
す： 充電：５時間当シ　２．６４〜Ｌ９０Ｖ放電＝５時間轟
６　２．０５〜”Ｌ７０Ｖ容量！　５４０Ｊ−Ｊ”’（
電解質を除く）クーｐン効率：１００饅 温度：２３０Ｇ 電流密度：　５０　ｍＡ　−ｃｒｙ−”開路電圧（０，
Ｃ，Ｖ、　）　：　２．３５Ｖ（第３図参照）電気化学
的に活性な陰極物質が電解質に溶解する同様な電池と本
発明を比較すると１本発明の顕著な効果、特に電流密度
に関する利点および高電流密度のときの分極により生じ
るなんらかの大きな内部抵抗の欠如に関する利点が明ら
かとなつ九、従来品の場合、濃淡分極が起き、そして大
きな内部抵抗に轟面し、低い電流密度にしか耐えられな
いため、これらの電池を自動車の推進力の如き大きな／
ｑクワ−必要とするものに応用することは適当ではない
。
【図面の簡単な説明】
第１図は実施例ＩＫ於ける放電開始時の電池と電流の関
係を示す説明図、 第２図は実施例ＩＫ於ける放電−充電サイクルを示す説
明図。 第３図はｌＩ施何例２於ける放電−充電ナイフ１（堰〜
％”ｔＪｌｌ　　ＩＪ　　義　雄（Ｖ） 第１頁の続き ０発　明　者　ロジャー・ジョン・ボーンズイギリス国
オックスフォードシ ャー・アビンドン・ザ・モット ２ ０発　明　者　デイヴイット・アシュリイ・ティーグル イギリス国ウィルシャー・スウ イントン・ストラットン・セイ ント・マーガレット・コールプ ルック・ロード９８ ０発　明９者　パトリック・ティモジ−・モウズリイ イギリス国オックスフォードシ ャー・ディトコツト・チルトン ・サウス・ロウ・アイヴイー・ コテイッジ（番地なし）

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）電池の作動温度では溶融しているす）　ＩＪウム
    陽極と、同様に電池の作動温度では溶融しているハロゲ
    ン化アルミニウムナトリウムの溶融塩電解質と、電解質
    を含浸し、電池の電気化学的に活性な陰極物質として電
    気伝導性の電解質浸透性マトリックス中に分散している
    Ｆ　＠　ＣＪ２　＋　Ｎ　Ｉ　Ｃ４ｇ　ＣＯα６！　＋
    　ＣｒＣＪｓからなるグループから選択される遷移金属
    塩化物を含有している陰極と、陽極と電解質の間にあり
    、電解質から陽極を隔離する収着ナトリウムを含有して
    いるナトリウムイオンの固型伝導体あるいはｔクロモレ
    キュラーシープとからなり、電解質中のナトリウムイオ
    ンとアルミニウムイオンの比率は選択されて溶融した電
    解質中の活性陰極物質の溶解度は最少値もしくは最少値
    に近い値であることを特徴とする電気化学電池。
  2. （２）電解質が塩化アルミニウムナトリウムの溶融塩電
    解質であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
    載の電池。
  3. （３）電解質が１０重量−より少ないアルカリ金属ドー
    ノ璧ントを含有し、これにより鉄電解質の融点は降下し
    ており、電解質が１５０’Ｃもしくはそれ以下の融点を
    有するようにアルカリ金属イオンとアルミニウムイオン
    とめ比率およびドーパントの比率と性質が選択されるこ
    とを特徴とする特許請求Ｏ範囲第２項に記載の電池。
  4. （４）電解質中に於いてハロゲン化アルミニウムに対す
    るアルカリ金属へｐゲン化物のモル比が実質的に１：ｌ
    であり、アルカリ金属イオン、アルミニウムイオン、ハ
    ロゲンイオンｏ相対量は実質的に化学量論的な物質： ＭＡＪＸ４ 〔式中、Ｍはアルカリ金属陽イオンを示し、Ｘはハロゲ
    ン陰イオンを示す〕 に一致していることを特徴とする特許請求の範囲第２項
    又は第３項に記載の電池。
  5. （５）陽極が、ベータアルミナもしくはナシコンかうす
    るグループから選択されるナトリウムイオンの固型伝導
    体により電解質から隔離されることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載の電池。
  6. （６）陽極が、ゼオライ）　１３Ｘ、ゼオライ）３Ａ。 ゼオライ）４Ａからなるグループから選択されるミクロ
    モレキュラーシープにょ）電解質から隔離されることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか
    に記載の電池。
  7. （７）活性陰極物質が、塩化第一鉄（Ｆ＠ＣＪ＊　）で
    あることｔ％黴とする特許請求の範囲第１ｍ乃至第６項
    のいずれかに記載の電池。
  8. （８）活性陰極物質が、細分された粒子状形態あるイハ
    マトリックス物質に付着し九薄屡の形態でマトリックス
    に均一に分散していることを特徴とする特許請求の範囲
    第１項乃至第７ＪＪＩのいずれかに記載の電池。
  9. （９）　　陰極のマ）　ＩＪソックス炭素あるいは活性
    陰極物質の遷移金属からなることを４ＩｇＬとする特許
    請求の範囲第１項乃至第８項のいずれかに記載の電池。 α・　陰極が活性陰極物質である遷移金属あるいは咳遷
    移金属の耐火性化合物から形成された加工品からなり、
    諌遷移金属又は鉄化合物が活性陰極物質に変換されるよ
    うに化学的もしくは電気化学的に処理されることを特徴
    とする特許請求の範囲第１項乃至第９１ｉのいずれかに
    記載の電池。 αＤ　遷移金属の耐火性化合物をそれが分解して金属に
    なるまで加熱し、次いで化学的もしくは電気化学的に塩
    素化することを特徴とする特許請求の範囲第１０項に記
    載の電池。 （Ｉ７Ｊ　　陰極が、活性陰極物質およびマトリックス
    を形成する適幽な伝導性メディウムの、均一に分散し細
    分され１１合物から形成された加工品からなるヒとを特
    徴とする特許請求の範囲第１項乃至第９項のいずれかに
    記載の電池。 ０３　　明細書中に実質的に記載され、説明されている
    新規の電気化学電池。
JP57215358A 1981-12-10 1982-12-08 電池 Granted JPS58106770A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB8137343 1981-12-10
GB8137343 1981-12-10

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JPH0250588B2 JPH0250588B2 (ja) 1990-11-02

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FR (1) FR2518320B1 (ja)
GB (1) GB2114803B (ja)
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