JPS59151778A - ナトリウム―イオウ電池装置 - Google Patents

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】 本発明はナトリウム−イオウ電池に係シ、特に、ナトリ
ウムとイオウとの反応事故を未然に防ぐに好適な安全設
備を備えた、安全性の高いナトリウム−イオウ電池に関
する。

電力貯蔵用二次・電池の開１発は、近年注目を集めてい
るが、なかでもナトリウムイオウ電導性電池、経済面か
ら優れている等によル重要視されている。従来のナトリ
ウム−イオウ電池の具体的な構造は、第１図にその断面
図を示す如くである。

即ち、第４図において、単電池１０は、陽極活性物質４
としては溶融ナト１、リウム、陽極活性物質６としては
溶融イオウを使用し、電解質としではナトリウムイオウ
電導性を有する固体電解質５を用いるものである。この
同体電解質５はガラスまたは、セラミックによ多構成さ
れているが、特にβ系アルミナ（β−アルミナ：Ｎａ、
０９〜ＩＩＡ／。

Ａ４０ｓ　　、ｌ”＝７ｙ　　ｆ　：　Ｎａ２Ｏ５〜７
Ａ４０ｇ　）はナトリウムイオンの伝導性が大きく有利
であるので、現在開発中のナトリウム−イオウ電池の大
部分がこれを電□解質として使用している。また、固体
電解質のβ系アルミナは電子伝導性を持たないため、陽
極と陰極とを分離するセパレータとしての役目も合わせ
て果している。なお第１図において、１は陰極端子、２
は陽極端子、３はアルミナシール、７はモリブデン、８
は容器を各々示す。

この’ａｔ池の充放電反応は、 であシ、電池全体としては、 となる。

この電池は電解質が固体であシ、両極活性物質が容融液
体であるため、特性面に以下のような特長がある。

ｌ）　充放電時、副反応がないので自己放電がなく、充
電された容量全部を放電することができる。

２）　高率放電時の容量減少が極めて少ない。

３）　理論エネルギー密度が高く、従来の鉛蓄電池に対
して数倍の値が可能である。

４）　活性物質のナトリウムとイオウは電気化学当量当
量が極めて小さく、かつ資源的にも豊富で安価であるた
め、省資源、省エネルギーに役立つ。

このようにナトリウム−イオウ電池は多くの特長を有し
ているため、将来の電力貯蔵システムとして有望視され
ている。

しかしながら、従来のナトリウム−イオウ電池には、金
属構造材に比べ、破損しゃすいセラミック材の固体電解
質部があるため、破損した場合、同情性物質のナトリウ
ムとイオウとが反応−する危険がある。例えば両物質の
化学反応熱から到達温度を試算してみると、１０Ａｈ程
度の単電池の場合でも約８５０Ｃにもナシ、時にはナト
リウムの勝点温度の８′８３Ｃにも達する危険性が考え
られる。

固体電解質のβ−アルミナの破損する原因としては、電
池の起動、停止時の温度差による割れと、電池寿命末期
に生ずるといわれている、β−アルミナ内部の金属ナト
リウムの結晶の発生による割れが挙げられる。

従来技術では、この故障を未然に防ぐ機構は特別考えら
れておらず、安全装置として第３図に回路図を示す如く
、単電池毎にフユーズを設けであるのみである。しかし
て故障単電池１０ａ内部で両活性物質が短絡すると、外
部に接続されている外の電池ｉｏｂの電流で故障単電池
ｉｏａの７ユーズ２３ａが溶断し、故障単電池ｉｏａを
電気的にシステムから＠離するようになっているが、こ
のような安全設備では単電池の定格以上の電流になった
時に溶断するため、単電池内部では短絡事故が相当拡大
した後でなければ動作！、しない欠点がある。さらに、
自己保護機能がないため、この安全設備は単電池の組合
せで用いる電池システム以外は無効であるという問題点
もあった。なお、第３図中、２３ｂは単電池ｉｏｂのフ
ユーズ、２１は配線、２２は負荷を各々示す。

本発明者は、上述の如き実情に鑑み、従来技術の問題点
を解消すべく鋭意検討を重ねた結果、β−アルミナであ
るセラミックは金属材料に比べ機械的強度が低いという
事実はさけられないことから、破損によって引き起こさ
れる両活性物質の反応による事故の拡大を防ぎ、万一破
損した場合でも、その反応速度を緩和させること、また
、もとよシ反応を未然に防ぐために、破損が微少クラン
クである時期にそれを検知することが有効な解決策であ
るとして、このために固体電解質部に補助電極を設ける
新規な電池構造を見い出し、本発明に到達した。

即ち、本発明は、従来電池の欠点である固体電解質の破
損が万二起きた場合においても、破損によって引き起こ
される両活性物質の反応速度を緩和させる機能を有し、
また、この反応を未然に防ぐため、固体電解質の微少ク
ラックの検出手段を備える、安全性の高いナトリウム−
イオウ電池を提供することを目的とし、この目的は、固
体電解質を境にして、ナトリウム系陰極活性物質とイオ
ウ系陽極活性物質とを充填したすｌ−１ｊウムーイオウ
電池に幹いて、該固体電解質の内壁及び外部の各々の表
面近傍に補助電極を設けたことを特徴とするナトリウム
−イオウ電池、により容易に達成される。

以下に本発明を１本発明の実施の一態様を示す第２図及
び第４図ないし第６図を参照して、詳細に説明する。

第２図は、本発明の電池の一実施例を示す固体電解質部
分の断面図である。即ち、第２図は従来技術の、第１図
に示す如きナトリウム−イオウ電池の固体電解質部（β
−アルミナ部）を取出し図示したものであって、その他
の部分は従来技術の構造と同じと考えてよい。

第２図は、β−アルミナを固体電解質５とし、内部に陰
極活性物質４として溶融ナトリウムを、外部に陽極活性
物質６として溶融イオウを充填した、ナトリウム−イオ
ウ単電池を示す。

本実施例では、β−アルミナの内外壁面に近接して、金
属製のメンシュ１１及び１２を補助電極として配置する
。さらにメツシュ１１．１２を引き出し、電圧検出器１
３に接続する。

本実施例では、ナトリウム４側のメンシュ１１の材質は
ステンレス鋼製とし、イオウ６側のメンシュ１２の材質
はモリブデン製とした。これは、ナトリウム及びイオウ
に対するメツシュの耐食性を考慮した材料の選択である
。

このように構成された本発明のナトリウム−イオウ電池
では、正常稼動時に両メツシュｉ　ｉ、　１２間には、
電池の起電圧と同電位の電圧が発生し、この電圧は検出
器１３で検出されている。何らかの原因でβ−アルミナ
の一部に微少クランクが発生し、両活性物質の一方がク
ランクにしみ込み、両メツシュ１１．１２間に短絡が生
じた場合には、補助電極の電圧降下として現われる。従
って、検出器１３でこの電圧降下現象を検出することに
よシ、β−アルミナ部にクランクが生じたことを知るこ
とができる。

第４図は電力貯蔵システムの安全設備に本発明の補助電
極付単電池２０ａ、２０ｂ等を適用した場合の一実施例
を示す回路図である。各単電池２０ａ、２０ｂの出力側
にはそれぞれ遮断器２４ａ。

２４ｂを設け、配線２１によって負荷２２に接続されて
いる。

もし、稼動中のネジステムで単電池の一個２０ａに故障
が発生しｆｃ場合、検出器１３．ａが異常電圧を検出し
、直ちに故障電池の遮断器２４ａを遮断し、故障部分は
システムから切シ離される。従って、本発明の電池を第
４図の如き回路に接続し−て使用するならば、重大な事
故を未然に防ぐことができ、極めて有利である。

一方本発明によれば、万一、β−アルミナ等の固体電解
質にグロチン破断の様な瞬間破損があった場合でも、補
助電極のメツシュの流動抵抗のため、両活性物質の反応
速度を緩和させる効果が生まれる。従って、この反応速
度を緩和させる効果のためには、補助電極のメンシュが
細かく、流動抵抗値が大きい程効果的である。しかも、
声述した固体電解質のクランク検出効果にはメツシュの
粗さは無関係であることから、本発明の２つの効果を十
分発揮させるためには、メツシュは細かくする程有利で
ある。

本発明の電池の補助電極の応用例を第５図及び第６図に
示す。即ち、第５図及び第６図は、本発明の他の実施例
を示す部分断面図であシ、補助゛電極の構造が異なシ、
第５図ではナトリウム側を側線を編み成形した繊維状ウ
ールｌｌａとしたもので６Ｊｌ、また第６図ではナトリ
ウム側を焼結フィルターとしたものである。これらは、
いずれも、一枚の金銅メツシュを用いた場合に比べ流動
抵抗が増加するため、事故時の両活性物質の反応速度を
緩和させるのに有効である。また、固体電解質の微少ク
ランク検出感度には変りなく、電池の安全性はさらに高
められることとなる。

なお、第２図に示す如き本発明の電池でｌ０Ａｔ程度の
ものを実際に安全性試験を行なってみた結果、次の様な
結果を得た。即ち、ナトリウム側にステンレス製メツシ
ュの濾過精度１μｍ、厚さ２、３　ｍ　ｍのものを使い
、両活性物質に最大１　ｋ　ｆ／ｃｍ”Ｑの差圧状態で
β−アルミナが瞬時に破断した場合でも、両活性物質の
接触速度は瞬時接触から０．１ｔ／ｍｉｎ程度に緩和さ
れ急激な反応は起こらなかった。

本発明によれば、β−アルミナ等の固体電解質の微少ク
ランクに対して、敏感に電圧変動として検出できるため
、ナトリウム−イオウ反応事故を未然に防ぐことかでき
る。また、万一、固体電解質の破断事故が発生した場合
においても、補助電極の流動抵抗のために、両活性物質
の反応速度を緩和することができる。従って、本発明に
よれば、極めて安全性及び信頼性の高いナトリウム−イ
オウ電池が提供されることとなシ、工業的に益するとこ
ろ多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のナトリウム−イオウ電池の構造を示す断
面図、第２図は本発明のナトリウム−イオウ電池の固体
電解質部近傍を示す部分断面図である。第３図は、従来
のナトリウム−イオウ電池を使用する場合の回路図を示
し、第４図は本発明のナトリウム−イオウ電池を使用す
る場合の回路図の一例を示す。第５図及び第６図は本発
明のナトリウム−イオウ電池の補助電極の応用例を示す
部分断面図である。 ｌ・・・陰極端子、２・・・陽極端子、３・・・α−ア
ルミナシール、４・・・ナトリウム、５・・・固体電解
質、６・・・イオウ−１７・・・モリブデン、８・・・
容器、１０　＋　１０　ａ　Ｔ１０　ｂ−・・従来の単
電池、１１．ｌｌａ、ｌｌｂ・・・陰極側補助電極、１
２・・・陽極ｉＩＩ補助電極、１３゜１３ａ、１３ｂ・
−・検出器、２０ａ、２０ｂ・・・本発明の単電池、２
１・・・配線、２２・・・負荷、２３ａ。 ２３ｂ・・・ヒユーズ、２４ａ、２４ｂ・・・遮断器。 ＄２図 ％５図 第を品

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固体電解質を境にして、ナトリウム系陰極活性物質
   とイオウ系陽極活性物質とを充填したナトリウム−イオ
   ウ電池において、該固体電解質の内壁及び外壁の各々の
   表面近傍に補助電極を設けたことを特徴とするナトリウ
   ム−イオウ電池。 ２、特許請求の範囲第１項に記載のナトリウム−イエラ
   ミ池において、該ナトリウム系陰極活性物質は溶融ナト
   リウムであることを特徴とする電池。 ３、％特許請求の範囲第１項又は第２項に記載のナトリ
   ウム−イオウ電池において、該イオウ系陰極活性物質は
   溶融イオウであることを特徴とする電池。 ４、％許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１つ
   に記載のナトリウム−イオウ電池において、該固体電解
   質はセラミック製であることを特徴とする電池。 ５、特許請求の範囲第４項に記載のナトリウム−イオウ
   電池において、該固体電解質はβ系アルζす製であるこ
   とを特徴とする電池。 ６、％許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１つ
   に記載のナトリウム−イオウ電池において、該補助電極
   は、該固体電解質が該陰極活性物質又は該陽極活性物質
   と接する、該固体物質の内外壁表面の全域の近傍にわた
   って設けることを特徴とする電池。 ７、特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか１つ
   に記載のナトリウム−イオウ電池において、該補助電極
   は流動圧力損失の大きい構造を有することを特徴とする
   電池。 ８、特許請求の範囲第７項に記載のナトリウム−イオウ
   電池において、該補助電極はメンシュ構造を有すること
   を特徴とする電池。 ９、特許請求の範囲第７項に記載のナトリウム−イオウ
   電池において、該補助電極は繊維構造を有することを特
   徴とする電池。 １０、％許請求の範囲第７項に記載のナトリウム−イオ
   ウ電池において、該補助電極は焼結フィルタ−構造を有
   することを特徴とする電池。 １１．特許請求の範囲第８項に記載のナトリウム−イオ
   ウ電池において、該陰極活性物質側の補助電極はステン
   レス鋼製であシ、該陽極活性物質側の補助電極はモリブ
   デン製であることを特徴とする電池。 １２、特許請求の範囲第１項ないし第１１項のいずれか
   １つに記載のナトリウム−イオウ電池において、該陰極
   活性物質側の補助電極と該陽極活性物質側の補助電極と
   の間の電圧変化検知手段を有することを特徴とする電池
   。 １３、特許請求の範囲第１２項に記載のナトリウム−イ
   オウ電池において、該電圧変化検知手段は回路電源スイ
   ツチ制御手段に連結されることを特徴とする電池。