JPWO2019220683A1 - フロー電池 - Google Patents
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Abstract
【化1】
(n1およびn2は、それぞれ独立して、1以上の自然数である)
または
【化2】
(m1、m2、n1、およびn2は、それぞれ独立して、1以上の自然数である)
により表される。リチウムイオン伝導膜は、可とう性を有し、かつ非水性溶液に接触したときに膨潤しにくい。
Description
第1非水性液体、
前記第1非水性液体に接している第1電極、
前記第1電極の対極として機能する第2電極、および
前記第1電極および前記第2電極を互いに隔離するリチウムイオン伝導膜、
を備え、
ここで、
前記リチウムイオン伝導膜は、イオン性高分子を含有する高分子基材から形成されており、
前記高分子基材は、外部と連通する空隙を有し、
前記高分子基材は、熱硬化性樹脂および摂氏150度以上の融点を有する熱可塑性樹脂からなる群より選ばれる1種以上の樹脂から形成され、
前記イオン性高分子は、前記高分子基材の前記空隙の内部に含有されており、かつ
前記イオン性高分子は、
(n1およびn2は、それぞれ独立して、1以上の自然数である)
または
(m1、m2、n1、およびn2は、それぞれ独立して、1以上の自然数である)
により表される。
非水性フロー電池の隔膜として用いられる金属イオン伝導性無機固体電解質膜は、可とう性を有さない。そのため、当該電解質膜にはクラックが発生しやすい。その結果、電解質膜の面積を増加すること、及び電解質膜の厚みを低減することが困難である。非水性フロー電池の隔膜として用いられる可とう性の高分子固体電解質膜は、非水性フロー電池の電解液中で溶解ないし膨潤する。そのため、隔膜として用いられる当該電解質膜は、機械的強度に乏しい。その結果、当該非水性フロー電池の充放電特性は著しく低い。本開示は、可とう性を有し、かつ非水性溶液に接触したときに膨潤しにくいリチウムイオン伝導膜を具備するフロー電池を提供する。
図1は、第1実施形態におけるフロー電池1000のブロック図を示す。
(n1およびn2は、それぞれ独立して、1以上の自然数である)
(m1、m2、n1、およびn2は、それぞれ独立して、1以上の自然数である)
(a)架橋構造を有さず、かつスルホン酸基を有する芳香環を主鎖に含むイオン性高分子の非プロトン性極性溶液を、外部と連通する空隙を有する高分子基材に含浸させて前駆体を得る工程、および
(b)前駆体を加熱する工程
を具備する。
(i) バナジウムイオン、鉄イオン、またはクロムイオンのような多価金属イオン、
(ii) 金属錯体イオン、
(iii)テトラチアフルバレン誘導体、ビピリジル誘導体、チオフェン誘導体、チアントレン誘導体、カルバゾール誘導体、またはフェナントロリンのような複素環化合物、
(iv) オキソカーボン、
(v) ベンゾフェノンまたはアセトフェノンのような芳香族ケトン、
(vi) ビフェニル、フェナントレン、スチルベン、トリフェニレン、o−ターフェニル、m−ターフェニル、またはp−ターフェニルのような芳香族化合物、または
(vii) フェロセンのようなメタロセン化合物である。
以下、第1実施形態におけるフロー電池1000の充放電プロセスの動作の一例が説明される。
まず、充電反応が説明される。
第1電極210および第2電極220の間に電圧が印加されることにより、フロー電池1000は充電される。
電圧の印加により、負極として機能する第2電極220にフロー電池1000の外部から電子が供給される。その結果、負極として機能する第2電極220上で還元反応が起こる。
Li+ + e- → Li
電圧の印加により、正極として機能する第1電極210上で第1酸化還元物質111の酸化反応が起こる。すなわち、第1電極210の表面上で第1酸化還元物質111が酸化される。これにより、第1電極210からフロー電池1000の外部に電子が放出される。
BP・Li → BP + Li+ + e-
以上の充電反応は、すべての第1酸化還元物質111が酸化されるまで、または、すべてのリチウムイオンが金属リチウムに変換されるまで、進行し得る。
次に、放電反応が説明される。
放電反応では、第1電極210および第2電極220から電力が取り出される。
負極として機能する第2電極220上では酸化反応が起こる。これにより、第2電極220からフロー電池1000の外部に電子が放出される。
Li → Li+ + e-
フロー電池1000の放電により、正極として機能する第1電極210にフロー電池1000の外部から電子が供給される。これにより、第1電極210の表面上で第1酸化還元物質111が還元される。
BP + Li+ + e- → BP・Li
以下、本開示の第2実施形態が説明される。第1実施形態において既に説明した事項は、適宜、省略される。
以下、第3実施形態が説明される。第1実施形態および第2実施形態において既に説明した事項は、適宜、省略される。
以下、実施例を参照しながら、本開示をさらに具体的に説明する。
以下に列記された試薬をN−メチル−2−ピロリドン(45ミリリットル、以下、「NMP」という)に添加して、NMP溶液を調製した。
スルホン化ジクロロジフェニルスルホン(5.10グラム,10.4mmol)、
4,4’−ビフェノール(1.94グラム,10.4mmol)、および
炭酸カリウム(2.61g,18.9mmol)
芳香族系高分子SPES50(1.5グラム)を硫酸(濃度:98%、50ミリリットル)に添加して、硫酸溶液を得た。
ジメチルスルホキシド(0.66g、比重、1.1グラム/cm3、以下、「DMSO」という)に、芳香族高分子SPES100(0.066g)を加え、混合溶液を得た。
(n1およびn2は、それぞれ独立して、1以上の自然数である)
実施例2では、以下の事項を除き、実施例1と同様に、リチウムイオン伝導膜400を得た。
(i)不織布に代えて、高分子基材として、ピロメリット酸二無水物/4,4’−オキシジアニリンポリイミド多孔質膜(20mm×20mm×40μm)が用いられたこと、
(ii) 摂氏200度に維持したホットプレート上で不織布を8時間加熱することに代えて、真空下でポリイミド多孔質膜を摂氏80度から摂氏200度に加熱してイオン性高分子複合体を得たこと(昇温速度:摂氏0.5度/分、摂氏200度での保持:40時間)
SPES100塗布溶液をガラス基板上に塗布して、次いで、SPES100塗布溶液を乾燥して溶媒(すなわち、DMSO)を除去した。このようにして、無色透明の高分子膜SPES100を得た。次いで、無色透明の高分子膜SPES100をガラス基板から剥離した。比較例1によるリチウムイオン伝導膜は、トリグライムおよび2−メチルテトラヒドロフランの混合物と接すると、膨潤した。さらに、右側のチャンバー901Rに、溶媒の漏れが観察された。
111 第1酸化還元物質
120 第2液体
121 第2酸化還元物質
210 第1電極
211 正極端子
220 第2電極
221 負極端子
310 第1活物質
320 第2活物質
400 リチウムイオン伝導膜
510 第1循環機構
511 第1収容部
512 第1透過抑制部
513、514、523、524 配管
515、525 ポンプ
520 第2循環機構
521 第2収容部
522 第2透過抑制部
600 電気化学反応部
610 正極室
620 負極室
1000、3000、4000 フロー電池
111 第1酸化還元物質
120 第2液体
121 第2酸化還元物質
210 第1電極
211 正極端子
220 第2電極
221 負極端子
310 第1活物質
320 第2活物質
400 リチウムイオン伝導膜
510 第1循環機構
511 第1収容部
512 第1フィルタ
513、514、523、524 配管
515、525 ポンプ
520 第2循環機構
521 第2収容部
522 第2フィルタ
600 電気化学反応部
610 正極室
620 負極室
1000、3000、4000 フロー電池
Claims (9)
- フロー電池であって、
第1非水性液体、
前記第1非水性液体に接している第1電極、
前記第1電極の対極として機能する第2電極、および
前記第1電極および前記第2電極を互いに隔離するリチウムイオン伝導膜、
を備え、
ここで、
前記リチウムイオン伝導膜は、イオン性高分子を含有する高分子基材から形成されており、
前記高分子基材は、外部と連通する空隙を有し、
前記高分子基材は、熱硬化性樹脂および摂氏150度以上の融点を有する熱可塑性樹脂からなる群より選ばれる1種以上の樹脂から形成され、
前記イオン性高分子は、前記高分子基材の前記空隙の内部に含有されており、かつ
前記イオン性高分子は、
(n1およびn2は、それぞれ独立して、1以上の自然数である)
または
(m1、m2、n1、およびn2は、それぞれ独立して、1以上の自然数である)
により表される、
フロー電池。 - 請求項1に記載のフロー電池であって、
前記摂氏150度以上の融点を有する熱可塑性樹脂が、ポリフェニレンスルフィドおよび液晶ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも1つである、
フロー電池。 - 請求項1に記載のフロー電池であって、
前記熱硬化性樹脂が、フッ素原子を有しない芳香族ポリイミドである、
フロー電池。 - 請求項1から3のいずれかに記載のフロー電池であって、
前記高分子基材が、多孔質膜、不織布、およびメッシュからなる群より選ばれる少なくとも1種の基材である、
フロー電池。 - 請求項1から4のいずれかに記載のフロー電池であって、
前記第1非水性液体は、カーボネート基およびエーテル結合からなる群から選択される少なくとも1つを有する化合物を溶媒として含有する、
フロー電池。 - 請求項1から4のいずれかに記載のフロー電池であって、
前記第1非水性液体は、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、およびジエチルカーボネートからなる群より選ばれる少なくとも1つを溶媒として含有する、
フロー電池。 - 請求項1から4のいずれかに記載のフロー電池であって、
前記第1非水性液体は、ジメトキシエタン、ジブトキシエタン、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、2,5−ジメチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、および4−メチル−1,3−ジオキソランからなる群より選ばれる少なくとも1つを溶媒として含有する、
フロー電池。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載のフロー電池であって、
第1酸化還元物質、
第1活物質、
前記第1電極および前記第1活物質の間で前記第1液体を循環させる第1循環機構、
をさらに備え、
ここで、
前記第1非水性液体は、前記第1酸化還元物質を含有し、
前記第1活物質は、前記第1液体に不溶であり、
前記第1酸化還元物質は、前記第1電極上で酸化または還元され、かつ
前記第1酸化還元物質は、前記第1活物質により酸化または還元される、
フロー電池。 - 請求項8に記載のフロー電池であって、
第2液体、
第2酸化還元物質、
第2活物質、および
前記第2電極および前記第2活物質の間で前記第2液体を循環させる第2循環機構、をさらに備え、
ここで、
前記第2液体は、前記第2酸化還元物質を含有し、
前記第2活物質は、前記第2液体に不溶であり、
前記第2電極は、前記第2液体に接しており、
前記第2酸化還元物質は、前記第2電極上で酸化または還元され、
前記第2酸化還元物質は、前記第2活物質により酸化または還元される、
フロー電池。
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