JPS61502850A - 電気化学電池及び方法 - 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】 発明の名称　電気化学電池及び方法 発明の背景 発明の分野 本発明は、一般的には、電気化学電池に関し、より詳しく云うと、本発明は、電 解液の濃度を安定にする手段を備えた反応性金属／水性電解液（ａｑｕｅｏｕｓ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　）電気化学電池に関する。

先行技術の記載 陽極（ａｎｏｄｅ）材料として、リチウム及び、いわゆる「軽金属」のごときそ の他の著しく反応性の高い金属を使用することは、周知である。例えば、ロウリ ー（Ｒｏｗｌｅｙ）の米国特許第３，７９１，８７１号（１９７４年２月２４日 ）を参照されたい。電気エネルギーは、陽極金属と水性電解液との電気化学反応 により得られる。

しばしば、過酸化水素のごとき酸化剤が電池に存在し、リチウム陽極の場合には 、反応全体は次のようになる。

２Ｌｉ＋ＨＯ→２ＬｉＯＨ（水性） 空気陰極が使用される場合には、反応は下記のようになる。

２Ｌｉ＋ＨＯ＋１／２０　（大気） →２ＬｉＯＨ（水性） 上記式に示すように、リチウム／水性電解液電池における陽極反応生成物は、水 酸化リチウムである。最適の場合（代表的な操作温度の場合）には、電解液の水 酸化リチウムの濃度は、約４，２モル（ｍｏｌａｒ　）に保持される。水酸化リ チウムの濃度が上昇するにつれて、出力（ｐｏｗｅｒ　）は次第に低下し、電解 液が水酸化リチウムで飽和すると、陽極の不動態化（ｐａｓｓｉマａ−ｔｉｏｎ ）が起こる。

従って、電解液中の水酸化リチウム濃度を、有用な電流が得られるレベルに保持 するような処置を講じなければならない。

例えば、電解液を希釈するのに水を加えることかできる。この方法は、水が豊富 にあ゛る海洋環境においては、得に有利である。非海洋環境においては、希釈の 水は、電池とともに運ばなければならない、この付加重量は、電池の単位重量当 りのエネルギー出力を低下させることになる。冷却により、あるいは沈Ｖ剤の使 用により、水酸化物を沈澱させることができるが、これは、一般的に、ＬｉＯＨ ＨＯを形成させることになる。水酸化リチウム１分子につき、水１分子が系から 取除かれるので、余分な水を与えることが必要となり、電池の重量を増加させる ことになる。

発明の概要 本発明は、上記した問題点の１つ以上を克服しようとするものである。

本発明によれば、電気化学電池は、リチウムまたはその他の反応性金属陽極と、 陽極から離隔された陰極と、陽極金属の水酸化物の水溶液からなる電解液とを備 えている。電解液は、陽極と陰極とにより画定される電気化学反応ゾーンからス クラバー（ｓｃｒｕｂｂｅｒ）のよは、好ましくは、大気によって提供される二 酸化炭素と接触される。二酸化炭素は、金属水酸化物と反応して金属の沈降性炭 酸塩を形成する。電解液は、次に、適宜のセパレータに流れ、ここで、炭酸塩は 除去される。かくして、電解液の水酸化物は減少し、電解液は、陽極と陰極との 間に画定される電池反応ゾーンに再循環され、連続的なかつ効率のよい電池作動 に供される。

他の目的と利点は、添付図面に関してなされている以下の詳細な説明及び請求の 範囲から当業者には明らかになるものである。

図面の簡単な説明 図は、本発明に係る有用なスクラバーの好ましい実施例の斜視図である。

発明の詳細な説明 本発明は、リチウムまたはその他の反応性金属陽極を備えた電気化学電池に関す る０本発明におし＼では。

水性電解液において陽極金属の水酸化物を生成するように作動する電池は、いか なる形状であってもよい。

一般的に云うと、電気化学電池は、軽金属の陽極と、゛空気化学反応ゾーンを画 定するように陽極から＃隔された陰極と、水性電解液（添加剤は含んでいてもい なくてもよい）と、電解液を循環させる手段とを備えている。

リチウムは、エネルギー富度が高いので、好ましい陽極材料である。例えば、他 のアルカリ金属のような別の軽金属も使用することができる。陽極の金属は、所 望により、単体、化合物、合金またはアマルガムの形態を取ることができる。以 下においては、好ましいリチウムについてのみ、例として述べるが１本発明にお いては、その他の反応性金属も使用することができるものである。

電気化学反応は、周知のように、陽極で起こり、陽極金属のカチオンと電子とを 生じる。陽極のカチオンは電解液中の負に帯電したイオン種（多くの場合、水醇 化物イオン）と反応して、陽極反応生成物、リチウム陽極の場合には、多くはＬ ｉＯＨを形成する。

木技術分野において周知のように、アルカリ金属の陽極は、陽極金属の水和水酸 化物からなる。水溶性かつ金属イオン透過性の絶縁コーティングで被覆されてい る。このコーティングは、本来、陽極を湿った空気に曝すと形成され、電気化学 反応を調整するものである。

陽極の金属水酸化物のコーティングは、多くの場合、陽極と陰極とをｇ！閲させ るような作用を発揮する。

これは物理的なものと考えられるが、これらの電極を互いに直接電気的に接触さ せることはしない。溶解した水酸化リチウム反応生成物を含有する電解液は、（ 陽極と陰極とにより画定される）電池の反応ゾーンからスクラバーのような気体 ／液体接触手段へ循環される。図は、湿潤壁（ｗｅｔｔｅｄ−ｗａｌｌ）スクラ バ−ｉｏを示す。スクラバー１０は、離隔配置された複数の平行なプレート１２ と、これらのプレートとベースプレート１５との協働によりプレート１２間に画 定されるチャンネル１４とを備えている。好ましくは、プレート１２は、上下方 向に延びており、電解液をプレート１２に添って下方向に流すようにしている。

空気または他の二酸化炭素源は、プレート１２と平行に、従って、電解液の流れ る方向と直交するようにチャンネル１４に導入される。好ましくは、羽根１８ま たは他の適宜の手段をチャンネル１４に配置し、好ましくはプレート１２に取付 けて空気の乱流（ｔｕｒｂｕ−１ｅｎｃｅ）を高めることにより、空気と電解液 との接触を容易にする。

空気中の二酸化炭素は、次式に示すように、電解液中の水酸化リチウムと反応し て、炭酸リチウムを生成する。

２ＬｉＯＨ＋ＣＯ−Ｌｉ　Ｃｏ　＋Ｈ０′＃、ｌ！Ｉｅリチウムは、水に対する 溶解度が極く限られており、しかも溶解度は温間の上昇とともに減少する。

炭酸塩を含有する電解液は、フィルタのような適宜の液体／固体分離手段（図示 せず）を介して流れ、炭酸塩を除去する。このようにして除去された炭酸リチウ ムは、電池から取出して不必要な重量を取除くか、後でリチウム金属を回収する ために貯蔵しておくことができる。電解液は、ｒＡ極／陽極反応望城へ再循環さ れてから再使用することができる。

スクラバーの構成は、電池の意図する用途に応じて変えることができる。スペー ス、ドラグ（ｄｒａｇ）、出力要求、空気流量、二酸化炭素含有量などの因子は 、電池が使用される車両（マｅｈｉｃｌｅ）または装置に従って変えられるこに なる。

プレートの数及びプレートの高さと長さは、空気からの二酸化炭素のスクラビン グ（ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ）を所望の程度行なうことができるように選定される。

プレート間の距離は、約１乃至１０ｃｍの範囲にあるのが好ましい、この距離は 、空気の流量及びドラグの効果を考慮して選定される。電池を、多量の出力を必 要とする車両に使用する場合には、電池の作動中に水酸化リチウムの濃度を制御 するために、大気中の二酸化炭素を貯蔵された二酸化炭素で補充することが必要 となる場合がある。

可能な場合には、プレートの長手方向の軸線を車両の運動方向と平行にしてプレ ートを配置するのが望ましい。これにより、車両に対するドラグの影響を最小に することがで、きる。

空気と水との接触により生ずる蒸発冷却効果を使用には、図示の実施例において は、プレート１２は、充　。

分に高い熱伝導率を有する金属その他の材料から形成すべきである。

ＬｉＯＨ溶液における水の蒸気圧は低下しているので、蒸発による水の損失は多 くない、蒸発した水の幾分かは、スクラバーの出口に設けたスクリーントララフ （ｓｃｒｅｅｎ　ｔｒａｐ）によって回収することができる。

例示した湿潤壁反応器以外の手段を使用し、本発明の精神に従って、電解液を二 酸化炭素と接触させることができる。別のタイプのスクラバーも当業者には周知 である。

スクラバーを通る空気流が速すぎる場合には、電解液は吹き飛ばされ、スクラバ ーは正しく機能しない。

従って、空気の流速が大きい用途において気体と液体とを正しく接触させるため に、膜構造体を利用するのが望ましい場合がある。

スクラバーを出る空気流は、空気陰極用の空気供給源として使用することができ る。この場合、出口の気・ｊ転流から二酸化炭素を充分にスクラブ即ち洗浄除去 できないときには、気体流を別のスクラバーを介して循１５させて、二酸化炭素 を一層完全に除去するようにしてもよい。

本発明の電池によれば、過剰な量の余分な水を使用することなく、電解液の金属 水酸化物の濃度を制御することができる。炭酸基形成反応により水酸化リチウム １分子につき水１分子が発生し、必要とされる余分な水の量を最小にすることが できるので、電池の単位［を当りのエネルギー出力を所望の状態に保持すること ができる。

上記した説明は、単に理解を容易にするためのものであり、本発明の範囲内にお いて種々の変更を行なうことができるので、何ら限定的な意味に解されるべきで はない。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．反応性金属の陽極と、 電気化学反応ゾーンを画定するように前記陽極から離隔配置された陰極と、 前記反応性金属の水酸化物の水溶液からなる電解液と、 前記金属水酸化物と前記二酸化炭素との反応生成物を形成するように前記電解液 を二酸化炭素と接触させる手段と、 前記反応生成物を前記電解液から分離する手段と、前記電解液を前記接触手段か ら前記反応ゾーンへ再循環させる手段とを備えてなる電気化学電池。
2. ２．前記接触手段は流路を画定する離隔した平行なプレートからなるスクラバー であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電池。
3. ３．前記上下方向に延びるプレートは前記電池の動く方向と略平行な方向に整合 されていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の電池。
4. ４．前記分離手段はフィルタからなることを特徴とする請求の範囲第２項に記載 の電池。
5. ５．前記スクラバーを通る空気流の乱れを高める手段を更に備えることを特徴と する請求の範囲第２項に記載の電池。
6. ６．前記空気流の乱れを高める手段は、前記流路に配設した羽根であることを特 徴とする請求の範囲第５項に記載の電池。
7. ７．前記プレートは約１乃至１０ｃｍの距離互いに対して離隔して配置されてい ることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の電池。
8. ８．前記陽極はリチウムからなり、前記電解液は水酸化リチウムの水溶液である ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電池。
9. ９．ａ）電気化学電池の陰極と反応性金属陽極との間に画定される電気化学反応 ゾーンに前記反応性金属の水酸化物の水溶液からなる電解液を供給する工程と、 ｂ）二酸化炭素と反応させて前記金属水酸化物と前記二酸化炭素との反応生成物 を形成するように前記電解液を気体／液体接触手段に導く工程と、ｃ）前記反応 生成物を前記電解液から分離する工程と、 ｄ）前記電解液を前記反応ゾーンへ再循環させる工程とを備えてなる電気化学電 池から出力を得る方法。
10. １０．前記接触手段は相互間に流路を画定する離隔された平行なプレートからな ることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。
11. １１．前記電解液は前記プレートの表面を横切って流れ、空気は前記電解液の流 れの方向と略直交しかつ前記プレートと略平行な方向へ前記流路を流れることを 特徴とする請求の範囲第１０項に記載の方法。
12. １２．前記プレートは前記電解液から熱を運ぶのに充分高い熱伝導率を有する材 料から構成されていることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。
13. １３．前記プレートは前記電池の動きの方向と平行な方向に整合されていること を特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。
14. １４．前記陽極はリチウムであり、前記電解液は水酸化リチウムの水溶液である ことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。