KR20050008654A - 전지 - Google Patents

전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20050008654A
KR20050008654A KR10-2004-7014167A KR20047014167A KR20050008654A KR 20050008654 A KR20050008654 A KR 20050008654A KR 20047014167 A KR20047014167 A KR 20047014167A KR 20050008654 A KR20050008654 A KR 20050008654A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active material
battery
current collector
cell
electronic conductivity
Prior art date
Application number
KR10-2004-7014167A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100658254B1 (ko
Inventor
카즈오 쯔쯔미
키카노리 쿠마가이
아쯔시 쯔쯔미
유키오 쿠보
Original Assignee
카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 카와사키 주코교 카부시키 카이샤 filed Critical 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority claimed from PCT/JP2002/004191 external-priority patent/WO2003092113A1/ja
Publication of KR20050008654A publication Critical patent/KR20050008654A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100658254B1 publication Critical patent/KR100658254B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/24—Alkaline accumulators
    • H01M10/30—Nickel accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/34—Gastight accumulators
    • H01M10/345—Gastight metal hydride accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4214—Arrangements for moving electrodes or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4242—Regeneration of electrolyte or reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/24—Electrodes for alkaline accumulators
    • H01M4/242—Hydrogen storage electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/24—Electrodes for alkaline accumulators
    • H01M4/32—Nickel oxide or hydroxide electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/383—Hydrogen absorbing alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/654—Means for temperature control structurally associated with the cells located inside the innermost case of the cells, e.g. mandrels, electrodes or electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6556—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange
    • H01M10/6557—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange arranged between the cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6561—Gases
    • H01M10/6563—Gases with forced flow, e.g. by blowers
    • H01M10/6565—Gases with forced flow, e.g. by blowers with recirculation or U-turn in the flow path, i.e. back and forth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/66—Heat-exchange relationships between the cells and other systems, e.g. central heating systems or fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0002—Aqueous electrolytes
    • H01M2300/0014—Alkaline electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

이온이 통과하는 분리기(10)를 사이에 두고 접속된 2개의 용기의 일방에 있는 음극 셀(12)에 음극의 분립체 활물질 및 전해질 용액(16)이 장전되고, 타방의 용기에 있는 양극 셀(14)에 양극의 분립체 활물질 및 전해질 용액(18)이 장전되고, 2개의 용기내에 활물질인 분립체와 접촉하는 도전체의 집전기(20, 22)가 설치된다. 분립체 활물질은 고정층을 형성한다.

Description

전지{BATTERY}
종래, 전지는 활물질을 판상(板狀) 또는 시트상으로 하여 전해질 용액에 침지한 구조로 하여 왔다. 그리고 캐소도와 애노드와의 사이에 판상의 분리기(separator)를 끼워 전지 구조로 하고 있다.
또한, 예를 들어, 일본 특개평 제7-169513호 공보에는 화석 연료의 연소열을 이용하는 것에 의하여, 방전 후의 전지 물질을 열적 또는 화학적으로 재생하여 연속적으로 방전을 하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 제3051401호 공보에는 유동층식의 3차원 전지가 기재되어 있지만, 이 공보 기재의 전지에서는 고출력을 얻을 수 있는 것의 설비가 복잡하게 된다.
또한, 종래, 니켈수소전지는, 도 23에 도시된 바와 같이, 집전체(201), 양극(202), 분리기(203), 음극(204), 집전체(205)의 순서대로 밀착시키는 것에 의하여 행해지고 있다. 이 예는, 예를 들어, 일본 특개평 제9-298067호 공보에 기재되어 있다. 그 공보에 기재된 전지는, 수산화니켈을 주체(主體)로 하는 양극과 수소흡장합금(水素吸藏合金)을 주체로 하는 음극과 고분자 부직포로 이루어지는 분리기와 알카리 수용액으로 이루어지는 전해액을 가지는 소전지(素電池)(단전지)를 복수개 직렬로 접속하여 금속제의 각형(角形) 용기에 수납(收納)하고, 개구부를 가역성 밴드를 가지는 봉구판(封口板)으로 밀폐한 구조의 전지이다. 상기한 구조를 포함하는 종래의 전지(200)는 막구조(이차원)로 되어 있고, 전지(200)를 대용량화하는 경우에는, 얇게 하기 위하여 도 24와 같이 연장하여 감아 담거나(卷裝), 도 25와 같이 단전지(200)를 병렬로 접속하거나, 또는 도 26과 같이 다수의 단전지(200)내에 복수의 전극판(206)을 사이에 담고(介裝), 각 전극판(206)에 접속한 배선(207)을 전지의 밖으로 뽑아내고, 이들의 전극을 다른 단전지의 극성이 상이한 전극판(208)과 연결하여 적층구조로 하는 것이 일반적이다. 또한, 일본 특허 제3051401호 공보에는 유동층식의 3차원 전지가 기재되어 있지만, 이 공보 기재의 전지에서는 고출력을 얻을 수 있는 것의 설비가 복잡하게 된다.
그러나, 상술한 종래의 전지는 하기와 같은 문제점이 있다.
(1) 스케일 업(scale-up)에 한계가 있거나 또는 스케일 업이 불가능하다.
즉, 종래의 전지는 막구조(이차원)로 되고, 전지를 흐르는 전류는 막의 면적에 비례하기 때문에, 예를 들어, 1m2의 면적에 1W의 전력이 생긴다고 하면, 10kW의전력을 발생시키기 위하여는 (100×100)m2의 면적이 필요하게 된다. 그래서, 막의 매수(枚數)를 증가시키거나, 막을 확대하여 감거나 하는 것이 고려되지만, 어느 경우에도 팽대(膨大)한 크기로 되어 실용화가 곤란하다. 따라서, 결과적으로 전지를 병렬로 접속시켜야만 하므로 전체의 구조가 복잡하게 된다.
더욱이, 막의 면적이 1m2에서 1W인 전지가 있다고 하면, 이 것을 100만kW로 하는 것에는 10억m2의 면적이 필요하다. 이 것은 정방형으로 하면 사방이 약 32km로 되어 플랜지 등을 만드는 것은 현실적으로 불가능하다. 또한, 막의 매수를 증가시키는 것에 대응하여도 동일하게 스케일업은 불가능하다.
(2) 활물질·촉매의 열화에 대응할 수 없다.
종래의 전지에서는, 활물질·촉매 등을 전지의 구조재로 겸용하여 판상이나 원주(円柱)상 등으로 고정화되어 있고, 열화한 경우에는 바꿀 수 밖에 없지만, 현실적으로 바꾸는 것은 불가능하므로, 열화한 전지는 폐기되고 전지 전체를 교환할 필요가 있다.
(3) 충방전에 따른 발열·흡열에 대응하는 전열면이 설치될 수 없다.
전지의 충방전에 따라서 발열, 흡열이 있고, 온도가 높아지게 되면 자기 방전이 증가하고, 역으로 온도가 낮아지게 되면 반응속도가 느려지게 된다는 전지 특성으로부터 전지 중에 전열면을 설치할 필요가 있다. 그러나, 종래의 전지는 구조가 복잡하므로 전열면은 설치되어 있지 않다. 또한, 전지가 작아서 출력에 대한 전지 표면적이 작으므로 자연 방치에 의하여 냉각하거나 흡열하는 방식이 있다. 또한, 온도 퓨즈 등을 사용하여 상한 온도를 설정하고 있지만 전지내에 온도 제어 장비(裝遷)는 설치되어 있지 않다.
(4) 에너지 밀도가 작다.
종래의 전지는 전류가 막의 표면적에 비례한다. 따라서, 예를 들어, 막의 면적이 1m2에서 1W인 전지에는, 1000kW의 전지를 만드는 경우, 막의 면적이 1m2에서 폭 0.1m의 막상(膜狀) 전지 100만개가 필요하게 되고, 100000m3의 크기로 되어, 에너지 밀도를 크게 할 수 없다.
(5) 대용량화에 따른 제조 비용이 극히 높다.
즉, 대용량화를 도모하려면, 막구조의 전지에서는 막의 면적을 비례적으로 증대시킬 필요가 있는데, 제조 비용이 전지 용량의 증대에 따라 비례하여 상승한다. 이 때문에, 스케일 업하는 것에 의하여 제조 비용상의 장점이 없어지게 된다.
(6) 전지를 직렬로 접속한 경우에 장치 비용이나 접속부의 저항 에너지 손실이 커진다.
즉, 예를 들어, 1개당 1.6V~2.0V의 전지를 복수개 접속하여 10V 등의 높은 전압을 얻는 경우, 전선 등으로 전지 사이를 접속시키지 않으면 안되므로, 그에 따른 작업비가 높아질 뿐만 아니라, 접속부를 통과하는 전류에 의한 발열 손실이 발생하여 에너지 손실이 생긴다.
본 발명은 상기의 여러 점에 귀감을 보이는 것으로서, 본 발명의 목적은, 활물질을 분립체로 하여 용기 중에 분립체를 넣은 고정층식의 전지를 구성하는 것에의하여, 설비가 간단하게 되고, 스케일 업이 가능하며, 열화한 활물질·촉매의 재생이나 바꿈 등에 대응할 수 있고, 전지내에 전열면을 설치하는 것이 가능하고, 더욱이, 에너지 밀도를 크게 하는 것이 가능한 전지를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 전지의 구조를 분립체의 고정층으로서 삼차원화하는 것에 의하여, 전지 용량을 증대하는 경우에 전지의 용적(셀)을 증대하는 것에 의해 대응할 수 있고, 스케일 업에 수반하는 여러가지 장점이 생기는 적층형의 구성이 간단한 삼차원 구조의 전지를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 활물질(活物質)을 분립체(粉粒體)로 하여 구성한 대전력 저장이 가능하고, 또한 구조의 간소화를 도모하는 것이 가능한 고정층식 전지에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전자를 방출하기도 하고 흡수하기도 하는 활물질의 분립체를 최소 전극으로서 셀(용기)에 저장한 전해질 용액중에 투입하여 고정층을 형성시켜 구성되어, 구조가 간단하고, 대용량의 전력 축전(蓄電)이 가능한 삼차원 구조의 전지에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 전지의 제 1 실시 형태를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 전지의 제 2 실시 형태의 일예를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 전지의 제 2 실시 형태의 다른예를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 전지의 제 3 실시 형태의 일예를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 전지의 제 3 실시 형태의 다른예를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 전지의 제 4 실시 형태를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 전지의 제 5 실시 형태의 일예를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 8은 본 발명의 전지의 제 5 실시 형태의 다른예를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 9는 본 발명의 전지의 제 6 실시 형태의 일예를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 10은 본 발명의 전지의 제 6 실시 형태의 다른예를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 11은 본 발명의 전지의 제 7 실시 형태를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 12는 본 발명의 전지의 제 8 실시 형태를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 13은 본 발명의 전지의 제 9 실시 형태를 나타내는 개략 단면 구성도이다.
도 14(a)는 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 1 실시 형태에 의한 실증 시험기의 일예를 나타내는 사시도, 도 14(b)는 같은 삼차원 전지를 개념적으로 나타내는 중앙 종 단면도이다.
도 15는 도 14의 적층형 삼차원 전지의 실증 시험기의 조립전(분해상태)의 주요 부품의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 16은 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 2 실시 형태를 개념적으로 나타내는 중앙 종 단면도이다.
도 17은 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 3 실시 형태를 개념적으로 나타내는 중앙 종 단면도이다.
도 18은 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 4 실시 형태를 개념적으로 나타내는 중앙 종 단면도이다.
도 19는 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 5 실시 형태의 요부를 나타내는 단면 구성 설명도이다.
도 20은 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 6 실시 형태의 요부를 나타내는 단면 구성 설명도이다.
도 21(a)~(h)는 본 발명의 활물질의 분립체의 개념을 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 활물질의 분립체를 장전한 고정층의 일예의 일부를 확대하여 나타내는 도면이다.
도 23은 종래의 일반적인 막구조의 전지를 개념적으로 나타내는 중앙 종 단면도이다.
도 24는 종래의 일반적인 막구조의 긴 타입의 전지를 개념적으로 표시하는 중앙 종 단면도이다.
도 25는 종래의 일반적인 막구조의 건지를 병렬로 접속한 상태를 개념적으로 나타내는 중앙 종 단면도이다.
도 26은 종래의 일반적인 막구조의 전지를 직렬로 접속한 상태를 개념적으로 나타내는 중앙 종 단면도이다.
*주요 도면 부호의 간단한 설명*
10, 10a : 이온 투과성 필터(분리기)
12 : 음극 셀 14 : 양극 셀
16 : 음극의 분립체 활물질 및 전해질 용액
18 : 양극의 분립체 활물질 및 전해질 용액
20, 82 : 음극 집전기(음극 집전체) 22, 84 : 양극 집전기(양극 집전체)
30 : 판상 음극 집전기 32 : 핀상 양극 집전기
34 : 관상 음극 집전기 36 : 관상 양극 집전기
38 : 음극 집전기 40 : 양극 집전기
42 : 음극 집전기 겸 교반기 44 : 양극 집전기 겸 교반기
48 : 수소흡장합금 및 전해질 용액 50 : 수산화니켈 및 전해질 용액
52 : 음극 집전기 겸 전열관 54 : 양극 집전기 겸 전열관
56 : 음극 집전기 겸 전열판 58 : 양극 집전기겸 전열판
60 : 분리기 62 : 재생기
64 : 혼합기 66 : 메이커 업용 분립체 호퍼
68 : 반응기 70 : 연료 공급관
72 : 기체 공급관 74 : 용기
76 : 전해질 용액
78, 80 : 다공체로 이루어지는 자루(袋)
101. 101-1 ~ 101-3 : 적층형 삼차원 전지
102 : 단전지(이차전지) 103 : 양극 셀
104 : 음극 셀
105, 105a : 이온 투과성 필터(분리기)
106 : 양극 집전체 107 : 집전부재
108 : 음극집전체 109 : 패킹
121 : 셀부재 123 : 볼트
132, 133, 136 : 교반 수단 160 : 셀
162, 164 : 다공체로 이루어지는 자루
166 : 음극 집전체 168 : 양극 집전체
n, h, A, B : 분립체(활물질) k, r : 전해질 용액
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 전지는, 이온이 통과하는 부재를 사이에 두고 접속된 2개의 용기(셀)의 일방의 용기내의 전해질 용액중에 전자를 방출하는 활물질의 분립체가 고정층으로서 장전되고, 타방의 용기내의 전해질 용액중에 전자를 흡수하는 활물질의 분립체가 고정층으로서 장전되며, 2개의 용기내에 활물질인 분립체와 접촉하는 도전체의 집전 장치가 설치되어 구성되어 있다(도 11 ~ 도 12 참조).
또한, 본 발명의 전지는, 용기(셀)내에 전해질 용액을 가득 채우고, 이 전해질 용액 중에 전자를 방출하는 활물질의 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체, 및 전자를 흡수하는 활물질의 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체를 설치하고, 이들의 다공체에 활물질의 분립체와 접촉하는 도전체의 집전 장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다(도 13 참조).
본 명세서에 있어서, 활물질의 분립체 및 고정층은 다음에 설명하는 의도로서 사용된다.
일반적으로 고체를 미세화하고, 표면적/체적의 비가 크게 되어 표면의 여러 성질이 무시될 수 있게 되는 크기의 입자를 미립자로 호칭하고, 본 명세서에 있어서는, 그 고체 미립자의 집합체를 분립체라고 한다.
본 발명의 활물질의 분립체의 바람직한 예는, 도 21(a)~(h)에 나타나 있다.
(1) 혼합에 의하여 얻어지는 분립체
도 21(a)에 나타나 있는 것과 같이, 전자 전도성이 낮은 물질(LC)에 전자 전도성이 높은 물질(HC)을 혼합하여 얻어지는 것이다. 도 21(a)~(h) 및 도 22에 있어서, 탈색된 것이 LC이고, 얇게 착색된 것이 HC를 나타낸다.
(2) 혼합·조립(造粒)에 의하여 얻어지는 분립체
도 21(b), (c)에 나타나 있는 것과 같이, LC에 HC를 혼합한 것에 바인더(조립제)를 첨가하여 조립하는 것에 의하여 얻어지는 것이다. 도 21(c)의 HC는 섬유상이다.
(3) 코팅에 의하여 얻어지는 분립체
도 21(d)에 나타나 있는 것과 같이, LC에 HC를 코팅하는 것에 의하여 얻어지는 것이다. 이 코팅 수단에 대하여는, 메끼, 진공증착 등 표면피복수단으로서 공지의 것을 채용하는 것이 가능하다.
(4) 코팅에 의하여 얻어지는 것을 조립하여 얻는 분립체
도 21(e)에 나타나 있는 것과 같이, LC에 메키 등의 코팅수단에 의하여 HC를 코팅한 것(도 21(d) 참조)에 바인더(조립제)를 첨가하여 조립한 것에 의하여 얻어지는 것이다.
(5) 조립하여 얻어지는 것에 코팅하는 것에 의하여 얻는 분립체
도 21(f) (g) (h)에 나타나 있는 것과 같이, 조립하여 얻어지는 것(도 21(b), (c), (e) 참조)에 HC를 코팅하는 것에 의하여 얻어지는 것이다.
본 발명에 있어서, 활물질의 분립체의 고정층은 도 21(a)~(h)에 예시된 것과 같은 분립체를 장전한 층이고, 그 장전물인 분립체가 정지하여 있는 것이 좋고, 도 22에는 분립체의 고정층의 일예의 일부를 확대하여 나타낸다. 도 22는 조립물(도 21(b) 참조)의 간극(間隙)에 혼합물(도 21(a) 참조)이 존재하는 경우를 나타낸다.
이와 같은 활물질의 분립체를 장전한 고정층을 형성하는 것에 의하여, 고정층의 전자 전도성이 양호하게 되고, 고출력으로 방전시키는 것이 가능하다.
전자 전도성이 낮은 물질로서는, 예를 들어, 수산화니켈 또는 수소흡장합금 등을 들 수 있다.
전자 전도성이 높은 물질로서는, 예를 들어, 탄소입자, 니켈입자, 니켈박, 탄소섬유 또는 섬유상 니켈 등을 들 수 있다.
바인더로서는, 예를 들어, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌초산비닐코폴리머(EVA), 폴리스티렌 등을 사용하는 것이 가능하다.
분립체의 크기는, 도 21(b) (c) (e)에 나타난 바와 같이, 조립에 의하여 얻어지는 것인 경우, 약 10㎛ ~ 약 10mm의 직경의 것이 바람직하다.
상기의 본 발명의 전지에 있어서, 활물질인 분립체와 접촉하는 집전장치를 봉상(棒狀), 판상 및 관상(管狀)중 어느 것으로 하는 것도 가능하다(도 1 ~ 도 3참조).
또한, 이들 본 발명의 전지에 있어서, 용기내에, 전지내의 반응 온도를 일정하게 하기 위한 전열면을 설치하는 것이 바람직하다. 전열면으로서는, 활물질인 분립체와 접촉하는 관상의 집전체 및 판상의 집전체의 어느 것을 사용하는 것도 가능하다(도 7, 도 8 참조).
또한, 이들 본 발명의 전지에 있어서, 용기에 각각, 열화한 활물질인 분립체를 용기로부터 뽑아내기 위한 발출(拔出)수단 및 활물질인 분립체를 용기에 공급하기 위한 공급수단을 접속하는 것이 바람직하다(도 9, 도 10 참조).
이 경우, 발출수단에, 뽑아낸 활물질인 분립체를 재생하는 재생수단 및 활물질인 분립체를 보충하는 메이크 업(make-up) 수단의 적어도 어느 것을 접속하여, 재생되거나 또는 새롭게 바꾸어진 활물질로 이루어지는 분립체가 공급수단으로부터 용기내에 공급되도록 하는 것이 가능하다(도 9 참조).
또한, 발출수단에, 뽑아낸 활물질인 분립체를 열화학반응 또는 전기화학반응에 의하여 충전상태의 분립체로 변화시키는 반응수단을 접속하고, 충전상태로 된 활물질의 분립체가 공급수단으로부터 용기내로 공급되도록 하는 것이 가능하다(도 10 참조).
또한, 이들 본 발명의 전지에 있어서, 음극측의 활물질인 분립체를 수소흡장합금으로 이루어지는 분립체로 하고, 양극측의 활물질인 분립체를 수산화니켈로 이루어지는 분립체로 하는 것이 가능하다(도 6 참조).
또한, 이들 본 발명의 전지에 있어서, 음극측의 활물질인 분립체를 수소흡장합금으로 이루어지는 분립체로 하고, 음극측에 도입되는 기체를 수소로 하며, 양극측의 활물질인 분립체를 수산화니켈로 이루어지는 분립체로 하고, 양극측에 도입되는 기체를 산소 또는 공기로 하는 것이 가능하다(도 11 참조).
본 발명의 전지에 관한 개량점의 포인트는 하기에 기재된 바와 같다.
(1) 스케일 업이 가능하다.
전지를 흐르는 전류는 반응물질의 표면적에 비례한다. 그래서, 활물질을 분립체로 하여 전지를 만들면, 용기 중에 분립체를 넣은 전지가 구성된다. 즉, 활물질을 분립체로 하여 전지를 만들면, 전지구조는 3차원적으로 되고, 예를 들어, 1 리터에 1W의 전지라면, 1m 입방으로 하면 1kW, 10m 입방으로 하면 1000kW, 100m 입방으로 하면 100만kW의 전지로 되어, 스케일 업이 가능하게 된다.
또한, 활물질을 분립체로 하여 전지를 만들면, 스케일 장점이 발휘된다.
예를 들어, 종래의 전지가 1kW에 10만엔이라면, 100만kW로 하는 것에는 100만개가 필요하게 되어 100억엔으로 되지만, 본 발명의 전지에서는, 스케일 장점, 즉, 스케일이 커지게 되면 제작 단가가 감소하는 효과가 발휘되어, 1억엔 정도로 만드는 것이 가능하다.
(2) 열화한 활물질·촉매의 재생이나 바꿈 등이 가능하다.
활물질·촉매는 분립체로 하여 전해질 용액(전해액) 중에 고정층으로서 장전한다. 그리고, 활물질·촉매의 분립체가 열화한 경우는 발출하고, 재생하거나, 새로운 활물질·촉매로 바꾸거나, 또는 열화학반응이나 전기화학반응으로 충전상태로 되돌리고, 다시 공급하는 구조로 한다. 예를 들어, 활물질·촉매의 분립체를 용기로부터 관에 의하여 전해액과 함께 슬러리로서 발출하고, 분립체를 전해액과 분리하여서, 재생 또는 새로운 제품으로 추가 등을 하여 다시 전해액으로 혼합하고, 슬러리로 하여 슬러리 펌프로 전지에 공급한다.
예를 들어, 종래의 전지는, 소형의 것에서 약 500회의 방충전이 가능하고, 대형의 것에서 연속 8000시간 정도로 작동하지만, 활물질·촉매의 순환 재생이나 메이커 업 등에 의하여, 통상 활물질·촉매가 최고의 상태로 유지되므로, 전지의 수명은 전지설비의 수명으로 되어, 전지의 수명을 약 50배에서 약 100배로 연장하는 효과가 있다.
(3) 전지내에 전열면이 설치될 수 있다.
활물질·촉매는 분립체로 하여 고정층으로 하고 이 중에 전열면을 설치한다. 전지내에 설치한 전열면의 전열은 분립체와 3차원적으로 행해지므로, 전열 면적이 작아도 좋다. 전지내에 설치한 전열면에 의하여 전지내의 반응 온도를 일정하게 하는 것이 가능하도록 되어, 온도가 높아지게 되면 자기 방전율이 증가하고, 역으로 온도가 낮아지게 되면 반응 속도가 늦어지게 된다는 전지특성에 대응할 수 있게 된다. 또한, 회수한 열 및 냉열을 냉난방이나 발전에 이용하는 것이 가능하게 되어 에너지 발전 효율, 에너지 이용율이 증가하는 효과가 있다.
(4) 에너지 밀도를 크게하는 것이 가능하다.
전지를 흐르는 전류는 반응 물질의 표면적에 비례한다. 그래서, 활물질을 분립체로 하여 전지를 만든다. 활물질을 분립체로 하여 전지를 만들면 표면적이 증가하는데, 예를 들어, 1m3의 분립체에 약 300000m2의 표면적으로 되어 에너지 밀도가 높아지게 된다. 또한, 예를 들어, 종래의 전지가 막의 면적 1m2에 1W이라면, 3000kW의 전지를 만드는 경우, 면적 1m2에 폭 0.1m의 막상전지 300만개가 필요하게 되고, 300000m3의 크기로 된다. 본 발명의 전지에는, 이와 같은 출력의 전지가, 예를 들어, 입자경 1㎛의 분체를 사용한다면, 약 10m3의 크기로 되고, 에너지밀도가 30000배로 되어, 에너지 밀도를 크게하는 효과가 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 관한 삼차원 구조의 전지는, 이온은 통과하지만 전기를 통과시키지 않는 부재를 사이에 두고 접속시킨 한 벌의 셀(용기)상에, 일방의 셀(용기)에 전해질 용액을 충전시킨 것과 함께 해당 전해질 용액중에 전자를 방출하는 활물질로 이루어지는 분립체를 투입하여 고정층을 형성시키고, 타방의 셀(용기)에 전해질 용액을 충전하는 것과 함께 해당 전해질 용액중에 전자를 흡수하는 활물질로 이루어지는 분립체를 투입하여 고정층을 형성시켜 이루어지는 단전지의 복수조를, 상기 셀간의 격벽을 겸용하고 또한 상기 분립체에 접촉하는 도전성의 집전부재를 사이에 두어 직렬로 일체로 연결하고, 양단의 셀에 분립체와 접촉하고 또한 양극 전극 또는 음극 전극을 겸용한 집전체를 설치하여 적층형 삼차원 전지를 구성한 것을 특징으로 하고 있다(도 14 ~ 도 19 참조).
또한, 본 발명의 삼차원 전지는, 셀내에 전해질 용액을 가득 채우고, 이 전해질 용액 중에 전자를 방출하는 활물질로 이루어지는 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체, 및 전자를 흡수하는 활물질로 이루어지는 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체를 설치하여 이루어지는 단전지의 복수조를, 상기 셀간의 격벽을 겸용하고 또한 상기 분립체에 접촉하는 도전성의 집전부재를 사이에 두고 직렬로 일체로 연결하고, 양단의 셀에 분립체와 접촉하고 또한 양극 전극 및 음극 전극을 겸용한 집전체를 설치하여 적층형 삼차원 전지를 구성한 것을 특징으로 하고 있다(도 20 참조).
이들의 전지에 있어서, 활물질의 분립체에 대하여는, 도 21(a)~(h)에 도시되어 있는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 분립체를 이용하는 것에 의하여, 활물질의 분립체를 장전한 고정층의 전자전도성이 양호하게 되고, 높은 출력으로 방전시키는 것이 가능하다. 상기의 구성을 가지는 본 발명의 삼차원 전지에 의하면, 전지의 용량(전력량)의 증대는 각 셀의 용적을 증가시키는 것에 의하여 대응 가능하다. 즉, 1리터의 용적에 1W의 전력을 발생하도록 한다면, 용적을 1m3로 증가시켜서 1kW의 전력이 얻어지고, 10m3으로 증가시켜서 10kW의 전력이 얻어진다. 이를 위하여, 스케일 업에 의한 제조 비용상의 장점이 발휘된다. 즉, 종래의 전지가 10W에 1만엔으로 한다면, 10kW에는 1000만엔으로 되지만, 본 발명의 전지는 스케일 업을 하면 할 수록 제조 단가가 감소하므로, 100만엔의 약 1/100 정도로 제조할 수 있도록 된다.
한편, 전압은 셀에 장전되는 활물질의 분립체(종래의 일반적인 전극에 상당)의 종류(재료)에 의하여 결정되고, 예를 들어 금속납(鉛)과 이산화납을 이용하는경우에는 2.4V 이후의 전압으로 되므로, 12V 이상의 전압이 필요한 경우에는 단전지를 5개~6개 직렬로 연결할 필요가 있다. 그러나, 본 발명에 의하면, 중간에 위치하는(양단을 제거함) 단전지는 양(兩)극과도 집전부재의 재질을 공통으로 할 수 있고, 게다가 종래의 전지와는 달리 양극과 음극의 전극을 설치할 필요가 없으므로, 셀(단전지) 간의 격벽을 도전성의 집전부재로 구성하는 것에 의하여 전기적으로 또한 구조적으로 직렬로 연결하는 것이 가능하다. 또한, 격벽의 두깨를 꽤 얇게(예를 들어, 0.5mm로)하고, 면적은 넓게(예를 들어 127mm×127mm로)하는 것이 가능하고, 게다가 전류는 격벽의 두께 방향으로 흐르므로, 대용량이 거의 저항없이 흐르고, 전력 손실이 극히 작아진다.
더욱이, 2조의 단전지를 격벽을 사이에 두고 직접 연결(직결)할 수 있으므로, 복수조의 단전지를 직렬로 또한 적층상으로 연결하고, 전지 전체의 용적을 최소한으로 억제하여 소형화를 도모하는 것이 가능하다.
더욱이, 본 발명의 삼차원 전지에서는, 활물질의 분립체가 막구조의 종래의 전지의 막(전지본체)의 작용을 하고, 전지를 흐르는 전류는 활물질의 표면적에 비례하도록 되지만, 이들의 분립체는 전해질 용액중에 고정층을 형성하고 있고, 모든 분립체의 총표면적은 종래의 막구조의 전지에 비하여 수천배에서 수만배로 되므로, 에너지 밀도가 수천배에서 수만배로 된다. 또한, 활물질의 분립체는 전해질 용액(납전지에서는 희유산(希硫酸))에 투입하여 고정층으로서 사용하고 있기 때문에, 열화한 경우에는 전해질 용액과 분리 또는 전해질 용액과 함께 분립체를 교환하는 것에 의하여 재생화를 도모하는 것이 가능하고, 전지의 수명이 큰 폭으로(거의 50배에서 100배로) 늘어난다.
또한, 이들 삼차원 전지에 있어서, 집전부재 또는 집전체로부터 셀내로 향하여 도전성의 스터드(stud)를 일체로 돌설(突設)하는 것이 가능하다. 이에 의하여 구성되는 삼차원 전지에 의하면, 집전부재 또는 집전체와 분립체와의 사이의 접촉면적이 큰 폭으로 증대하고, 접촉 저항이 저감하므로, 각 셀 간의 거리(직렬 방향의 간격)를 확대할 수 있고, 전지의 용량을 큰 폭으로 증대할 수 있다.
본 발명의 전지는 상기와 같이 구성되어 있으므로, 다음과 같은 효과를 준다.
(1) 활물질을 분립체로 하여 용기 중에 분립체를 넣은 고정층식의 전지를 구성하는 것에 의하여, 간단한 구성으로 전지 구조는 3차원적으로 되고, 스케일 업이 가능하게 된다. 또한, 활물질을 분립체로 하여 전지를 구성하는 것에 의하여, 스케일 업이 커지게 되면 제작 단가가 감소하는 것에 의하여 스케일 장점이 발휘된다.
(2) 활물질·촉매로 이루어지는 분립체가 열화한 경우는 뽑아내고, 재생하거나, 새로운 활물질·촉매로 바꾸거나, 또는 열화학반응이나 전기화학반응으로 충전상태로 되돌려서 다시 공급하는 구성으로 하는 것에 의하여, 보통의 활물질·촉매가 최고의 상태로 유지되는 것이므로, 전지의 수명은 전지 설비의 수명으로 되고, 전지 수명을 대폭 연장하는 것이 가능하다.
(3) 전지내에 전열면을 설치하는 것이 가능하고, 전지내에 설치한 전열면에 의하여 전지내의 반응 온도를 일정하게 하는 것이 가능하게 되고, 온도가 높아지면 자기 방전율이 증가하고, 역으로 온도가 낮아지면 반응 속도가 느리게 된다는 전지특성에 대응할 수 있게 된다. 또한, 회수한 열 및 냉열을 냉난방이나 발전에 이용하는 것이 가능하게 되어 에너지 발전 효율, 에너지 이용율이 증가한다.
(4) 활물질을 분립체로 하여 전지를 구성하는 것에 의하여, 반응물질의 표면적이 증가하여 에너지 밀도가 커지게 된다.
또한, 이상 설명한 것으로부터 명확한 것처럼, 본 발명에 관한 적층형 삼차원 구조의 전지에는 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
(1) 본 발명의 삼차원 전지에는, 전지의 용량(전력량)의 증대가 각 셀의 용적을 증가하는 것에 의해 대응할 수 있기 때문에, 스케일 업에 의한 제조 비용상의 장점이 발휘된다. 또한, 고정층식이므로, 구성을 간략화하는 것이 가능하다.
(2) 또한, 전압은 셀에 분립상으로 장전되는 활물질의 종류(재료)에 의하여 결정되고, 큰 전압이 필요한 경우에는 단전지를 복수개 직렬로 연결할 필요가 있지만, 단전지의 양(兩)극과도 집전부재의 재질은 공통으로 할 수 있고, 게다가 종래의 전지와는 달리 양극이나 음극의 전극을 구성하지 않으므로, 셀(단전지)간의 간격을 전도성의 집전부재로 구성하는 것에 의하여, 전기적으로 또한 구조적으로 직렬로 접속하는 것이 가능하고, 두께를 얇게 할 수 있으므로, 전지 전체가 콤팩트하게 완성되어 소형화가 가능하도록 되며, 전류는 두께 방향으로 흐르므로, 대전류가 거의 저항없이 흐른다.
(3) 더욱이, 활물질의 분립체는, 막구조의 종래의 전지의 막(전지본체)의 작용을 하고, 전지를 흐르는 전류는 활물질의 표면적에 비례하는 것으로 되지만, 분립체는 전해질 용액중에 고정층을 형성하고 있어서, 모든 분립체의 총 면적은 종래의 막구조의 전지에 비하여 수천배에서 수만배로 되므로, 파워 밀도가 수천배에서 수만배로 되는 것과 함께, 활물질의 분립체는 전해질 용액(납전지에서는 희유산)에 투입하여 혼합하여 사용하고 있기 때문에, 열화한 경우에는 전해질 용액과 함께 분립체를 교환하는 것에 의하여 재생을 도모하는 것이 가능하고, 전지의 수명을 대폭 연장할 수 있다.
(4) 집전부재 또는 집전체로부터 셀내로 향하여 도전성의 스터드를 설치하는 경우는, 집전부재 또는 집전체와 분립체와의 사이의 접촉면적이 대폭으로 증대하고, 접촉 저항이 저감하므로, 각 셀간의 거리(직렬 방향의 간격)를 확대할 수 있고, 전지의 용량을 대폭 증대할 수 있다.
이하, 본 발명의 전지의 실시의 형태에 대하여 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시의 형태에 어떻게든 한정되는 것은 아니며, 적정하게 변경하여 실시하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태를 나타내고 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 이온 투과성 필터(분리기)(10)를 사이에 두고 음극 셀(12), 양극 셀(14)이 설치되고, 음극 셀(12)에는 음극의 분립체 활물질 및 전해질 용액(16)이 장전되고, 양극 셀(14)에는 양극의 분립체 활물질 및 전해질 용액(18)이 장전되어 있다. 분립체 활물질은 전해질 용액중에 고정층으로서 존재하고 있다. 도 1 및 이후에 설명하는 도 2 내지 도 20에 있어서는, 편의상, 각 분립체 활물질의 크기는 같도록 하고있지만, 실제로 각 분립체 활물질의 크기가 다른 것은 당연하다.
음극과 양극의 분립체 활물질의 조합에 대하여는, 예를 들어, 수소흡장합금과 수산화니켈, 카드늄과 수산화니켈 등을 이용하는 것이 가능하다. 수소흡장합금의 구체예로서는, 일예로서, La0.3(Ce, Nd)0.15Zr0.05Ni3.8Co0.8Al0.5등을 들 수 있다. 또한, 전해질 용액으로서는, 예를 들어, KOH 수용액 등이 이용된다. 또한, 분리기(10)는 이온을 통하기 위한 필터이고, 분립체는 통과하지 않는 막이며, 예를 들어, 소소(素燒), 이온 교환수지막, 고분자 섬유 등이 이용된다.
또한, 음극 셀(12), 양극 셀(14) 중에는, 각각 도전체로 이루어지는 음극 집전기(체)(20), 양극 집전기(체)(22)가 설치되어 있고, 집전기(20, 22)가 부하수단(방전의 경우) 또는 발전수단(충전의 경우)(26)과 접속된다. 또한, 28은 전해액 계면이다.
다음으로, 본 실시 형태의 전지에 대하여 충전 및 방전을 상세히 설명한다.
(충전)
전지에 전압을 걸고, 음극 집전기(20)에 의하여 전자를 공급한다. 전자는 음극 집전기(20)에 의하여 음극의 분립체 활물질에 직접 또는 분립체를 사이에 두고 이동하여 반응한다. 반응에 의하여 발생하는 이온은 분리기(10)를 통과하여 양극 셀(14)로 들어가고, 여기서 양극의 분립체 활물질과 반응하여 전자를 방출한다. 이 전자는 분립체를 사이에 두고, 또는 직접 양극 집전기(22)로 이동하여 발전수단(26)으로 보내진다.
(방전)
전지에 부하를 걸고, 음극 집전기(20)에 의하여 전자가 공급된다. 전자는 음극 셀(12)내에서 양이온화한 활물질이 방출하고, 음극 집전기(20)에 직접 또는 분립체를 사이에 두고 이동한다. 반응에 의하여 발생하는 이온은 분리기(10)를 통과하여 양극 셀(14)로 들어가고, 여기서 양극 분립체 활물질 및 전자와 반응한다. 전자는 분립체를 사이에 두고, 또는 직접 양극 집전기(22)로 이동하여 부하수단(26)에 공급된다.
도 2, 도 3은 본 발명의 전지의 제 2 실시 형태를 나타내고 있다. 도 2는 집전기와 활물질의 분립체와의 접촉 효율을 양호하게 하기 위하여, 음극 집전기 및 양극 집전기를, 각각, 판상 음극 집전기(30), 판상 양극 집전기(32)로 하여 접촉면적을 크게 한 것이다. 또한, 도 3은 집전기와 활물질의 분립체와의 접촉 효율을 좋게 하기 위하여, 음극 집전기 및 양극 집전기를, 각각, 관상 음극 집전기(34), 관상 양극 집전기(36)로 하여 접촉면적을 크게 한 것이다. 또한, 집전기의 표면적이 크게 되는 구성이라면 판상 및 관상 이외의 형상을 채용하는 것도 가능하다.
다른 구성 및 작용은 제 1 실시 형태의 경우와 같다. 도 4, 도 5는 본 발명의 제 3 실시 형태를 나타내고 있다. 도 4는 음극 접전기(38) 및 양극 집전기(40)를 고정층내에 설치한 것이다. 또한, 도 5는 음극 집전기(42) 및 양극 집전기(44)를, 각각, 모터 등(도시 생략)에 의하여 운전구동되는 교반기로 한 것이다.
도 4에 있어서, 각 셀(12, 14)내에는 우상(羽狀)의 교반기 등의 교반수단을 설치하는 것이 가능하다.
또한, 도 5에 표시되어 있는 것처럼, 음극 집전기 겸 교반기(42), 양극 집전기 겸 교반기(44)는, 활물질의 분립체를 교반하는 것과 함께 분립체와 직류적으로 접촉하는 기능을 겸하고 있다. 음극 집전기 겸 교반기(42), 양극 집전기 겸 교반기(44)로서는 모터 등(도시 생략)에 의하여 회전구동되는 우상의 교반기 등이 이용되지만 교반수단의 구성은 한정되는 것이 아니다.
다른 구성 및 작용은 제 1 실시 형태의 경우와 같다.
도 6은 본 발명의 전지의 제 4 실시 형태를 나타내고 있다. 본 실시의 형태는 활물질인 분립체로서, 음극측에 수소흡장합금, 양극측에 수산화니켈을 이용한 것이다.
도 6에 나타나 있는 것처럼, 음극 셀(12)에 수소흡장합금으로 이루어지는 분립체 및 전해질 용액(48)이 장전되고, 양극 셀(14)에 수산화니켈로 이루어지는 분립체 및 전해질 용액(50)이 장전되어 있다. 수소흡장합금으로는, 예를 들어, La0.3(Ce, Nd)0.15Zr0.05Ni3.8Co0.8Al0.5등이 이용된다. 또한, 전해질 용액으로는, 예를 들어, KOH 수용액 등이 이용된다.
본 실시 형태의 전지에 관한여 충전 및 방전을 상세히 설명한다.
(충전)
전지에 전압을 가하고, 음극 집전기(20)에 의하여 전자를 공급한다. 전자는 음극 집전기(20)에 의하여 음극의 분립체상의 수소흡장합금에 직접 또는 분립체를 사이에 두고 이동하여 다음의 반응을 일으킨다. M은 수소흡장합금이다.
M + xH2O + xe-→ MHX+ xOH-
반응에 의하여 발생한 수산기이온은 분리기(10)를 통과하여 양극 셀(14)로 들어가고, 여기서 수산화니켈과 반응하여 다음의 반응이 일어나고 전자를 방출한다.
Ni(OH)2+ OH-→ NiOOH + H2O + e-
발생한 전자는 분립체를 사이에 두고, 또는 직접 양극 집전기(22)로 이동하여 발전수단(26)으로 보내진다.
(방전)
전지에 부하를 걸고, 음극 집전기(20)에 의하여 전자가 공급된다. 전자는 음극 셀(12)내에 수소흡장합금과 수산기가 반응하여 방출되고, 음극 집전기(20)에 직접 또는 수소흡장합금을 사이에 두고 이동한다. 전자는 양극 집전기(22)로부터 옥시수산화니켈로 이동하고, 옥시수산화니켈을 사이에 두고 또는 직접 이동하여 물과 반응하여, 수산화니켈과 수산기가 생성된다. 수산기는 분리기(10)를 통과하여 음극 셀(12)에 도입되고 수소흡장합금과 반응한다.
다른 구성 및 작용은 제 1 실시 형태의 경우와 같다. 또한, 본 실시 형태의 전지는 제 2 실시, 제 3 실시 형태 및 후술하는 제 5 실시, 제 6 실시 형태의 구성으로 실시하는 것도 물론 가능하다.
도 7, 도 8은 본 발명의 전지의 제 5 실시 형태를 나타내고 있다. 본 실시형태는 전지내에 전열면을 설치하는 것과 함께, 전열면이 집전기의 기능을 겸비하도록 한 것이다. 또한, 전열면과 집전기를 별개로 설치하여 구성하는 것도 가능하다. 도 7에 도시된 것과 같이, 음극 셀(12)내에는 음극 집전기 겸 전열관(52)이 설치되고, 양극 셀(14)내에는 양극 집전기 겸 전열관(54)이 설치된다. 또한, 도 8에 나타나 있는 것처럼, 음극 셀(12)내에는 음극 집전기 겸 전열판(56)이 설치되고, 양극 셀(14)내에는 양극 집전기 겸 전열판(58)이 설치된다.
도 7을 참조하여, 본 실시 형태의 전지에 대하여 충전 및 방전을 상세히 설명한다.
(충전)
전지에 전압을 걸고, 음극 집전기(겸 전열관)(52)에 의하여 전자를 공급한다. 전자는 음극 집전기(52)에 의하여 음극의 분립체 활물질에 의하여 직접 또는 분립체를 사이에 두고 이동하여 반응한다. 반응에 의하여 발생하는 이온은 분리기(10)를 통과하여 양극 셀(14)로 들어가고, 여기서 양극의 분립체 활물질과 반응하여 전자를 방출한다. 이 전자는 분립체를 사이에 두고, 또는 직접 양극 집전기(겸 전열관)(54)로 이동하여 발전수단(26)으로 보내진다.
상술한 것처럼, 집전기는 음극, 양극과도 전열관과 겸용이고, 분립체의 접촉에 의하여 전자와 열을 동시에 전달한다. 음극 집전기 겸 전열관(52), 양극 집전기겸 전열관(54)에는 물이나 공기 등의 열매체가 흐르고, 열회수, 열공급이 행해진다.
(방전)
전지에 부하를 걸고, 음극 집전기(52)에 의하여 전자가 공급된다. 전자는 셀(12)내에서 양이온화한 활물질이 방출하고, 음극 집전기(52)에 직접 또는 분립체를 사이에 두고 이동한다. 반응에 의하여 발생한 이온은 분리기(10)를 통과하여 양극 셀(14)로 들어가고, 여기서, 양극의 분립체 활물질 및 전자와 반응한다. 전자는 분립체를 사이에 두고, 또는 직접 양극 집전기(54)로 이동하여 부하수단(26)으로 공급된다.
도 8의 경우는, 집전기가 음극, 양극과도 중앙이 공동(空洞)으로 된 전열판과 겸용이고, 분립체의 접촉에 의하여 전자와 열을 동시에 전달한다. 음극 집전기 겸 전열판(56), 양극 집전기 겸 전열판(58)에는 물이나 공기 등의 열매체가 흐르고, 열회수, 열공급이 행해진다. 충전 및 방전의 상세는 도 7과 같다. 또한, 전열면의 형상은 관상 및 판상에 한정되는 것이 아니며 다른 형상을 채용하여도 좋다.
다른 구성 및 작용은 제 1 실시 형태의 경우와 같다. 또한, 본 실시 형태의 구성은 제 2 실시, 제 3 실시 형태 및 후술하는 제 6 실시 형태의 구성과 조합하는 것도 가능하다.
도 9, 도 10은 본 발명의 전지의 제 6 실시 형태를 나타내고 있다. 본 실시의 형태는 활물질로 이루어지는 분립체를 용기로부터 뽑아내는 발출장치 및 활물질로 이루어지는 분립체를 용기에 공급하는 공급장치를 설치하고, 더욱이, 뽑아낸 분립체를 재생하는 장치, 분립체의 메이크 업(보충)을 행하는 장치, 뽑아낸 분립체 활물질을 열화학반응 또는 전기화학반응에 의하여 충전상태의 분립체 활물질로 변화시키는 장치 등을 설치한 것이 있다.
우선, 본 실시 형태의 전지에 대하여 충전 및 방전을 상세히 설명한다.
(충전)
전지에 전압을 걸고, 음극 집전기(20)에 의하여 전자를 공급한다. 전자는 음극 집전기(20)에 의하여 음극의 분립체 활물질로 직접 또는 분립체를 사이에 두고 이동하여 반응한다. 반응에 의하여 발생하는 이온은 분리기(10)를 통과하여 양극 셀(14)로 들어가고, 여기서 양극의 분립체 활물질과 반응하여 전자를 방출한다. 이 전자는 분립체를 사이에 두고, 또는 직접 양극 집전기(22)로 이동하여 방전수단(22)으로 보내진다.
(방전)
전지에 부하를 걸고, 음극 집전기(20)에 의하여 전자가 공급된다. 전자는 음극 셀(12)내에 양이온화한 활물질이 방출하고, 음극 집전기(20)에 직접 또는 분립체를 사이에 두고 이동한다. 반응에 의하여 발생한 이온은 분리기(10)를 통과하고 양극 셀(14)로 들어가고, 여기서 양극의 분립체 활물질 및 전자와 반응한다. 전자는 분립체를 사이에 두고, 또는 직접 양극 집전기(22)로 이동하여 부하수단(26)으로 공급된다.
다른 구성 및 작용은 제 1 실시 형태의 경우와 같다.
다음으로, 도 9를 참조하여, 본 실시 형태의 전지에 대하여 활물질(촉매)의 재생, 메이크 업을 상세히 설명한다. 또한, 도 9에는 음극측의 구성만을 도시하고 있지만, 같은 장치 등이 양극측에도 설치되어 있다.
도 9에 도시되어 있는 것처럼, 충방전에 의하여 열화한 활물질로 이루어지는분립체는 전해질 용액(전해액)과 함께 슬러리로서 음극 셀(12)로부터 뽑아지고, 분리기(60)에서, 필요한 경우, 일부 또는 전부가 폐기된다. 전해액이 분리되고, 분리기(60)로부터 재생기(62)로 공급된 분립체는 재생기(62)에서 염산에 의한 세정 등의 산처리 등이 행해진다. 재생기(62)에서 재생 처리된 분립체는 혼합기(64)로 공급되고, 여기서 분리기(60)로부터 폐기된 분립체분에 상당하는 양의 새로운 분립체가 메이크 업용 분립체 호퍼(66)로부터 공급된다. 재생 및 메이크 업되는 분립체는 혼합기(64)에서 다시 전해액과 혼합되고, 슬러리로서 슬러리 펌프(도시 생략)로부터 음극 셀(12)로 공급된다. 또한, 전해액을 분리·혼합하는 구성은 도시를 생략하고 있다.
또한, 도 10을 참조하여, 본 실시 형태의 전지에 대하여 반응에 의한 재생, 메이크 업을 상세히 설명한다. 또한, 도 10에서는 음극측의 구성만을 도시하고 있지만, 같은 장치 등이 양극측에도 설치되어 있다.
도 10에 나타나 있는 것처럼, 충방전에 의하여 생성되는 분립체는 전해액과 함께 술러리로서 음극 셀(12)로부터 뽑아지고, 분리기(60)에서 필요한 경우는 일부 또는 전부가 폐기된다. 전해액이 분리되고, 분리기(60)로부터 반응기(68)로 공급된분립체는 반응기(68)에서 연료 공급관(70)으로부터 공급된 연료와 반응하고, 다시 방전할 수 있는 활물질로 된다. 반응기(68)에서 충전 상태로 된 분립체는 혼합기(64)로 공급되고, 여기서 분리기(60)로부터 폐기되는 분립체분에 상당하는 양의 새로운 분립체가 메이크 업용 분립체 호퍼(66)로부터 공급된다. 재생 및 메이크 업된 분립체는 혼합기(64)에서 다시 전해액과 혼합되고, 슬러리로서 슬러리 펌프(도시생략)로부터 음극 셀(12)로 공급된다. 또한, 전해액을 분리·혼합하는 구성은 도시를 생략하고 있다.
반응기(68)에서는, 예를 들어, 니켈수소전지의 경우, 다음의 반응이 행해진다.
M + x/ 2H2→ MHxM : 수소흡장합금
이에 의하여 충전시에 행하여지는 이하의 반응에서 생성되는 MHX와 함께 활물질이 생성된다.
M + xH20 + xe-→ MHx+ xOH-
양극의 반응기에는, 니켈수소전지의 경우, 산소 또는 공기에 의하여 다음의 반응이 행하여 진다.
Ni(OH)2+ 1/4O2→ NiOOH + 1/2H20
이에 의하여 충전시에 행해지는 이하의 반응에서 생성되는 NiOOH 와 같이 활물질이 생성된다.
Ni(OH)2+ OH-→ NiOOH + H20 + e-
또한, 본 실시 형태의 구성은 제 2 실시, 제 3 실시, 제 5 실시 형태의 구성과 적정하게 조합시키는 것도 가능하다.
도 11은 본 발명의 전지의 제 7 실시 형태를 나타내고 있다. 본 실시 형태는 음극의 활물질로 이루어지는 분립체를 수소흡장합금으로 하고, 음극의 교반용 기체를 수소로 하고, 양극의 활물질로 이루어지는 분립체를 수산화니켈로 하고, 양극의 교반용 기체를 산소 또는 공기로 한 것이다. 도 11에 나타나 있는 것처럼, 음극 셀(12)에는 수소흡장합금 및 전해질 용액(48)이 장전되고, 양극 셀(14)에는 수산화 니켈 및 전해질 용액(50)이 장전되어 있다. 72는 기체 공급관이다. 이 기체 공급관(72)에 의하여, 음극 셀(12)에는 수소가 공급되고, 양극 셀(14)에는 산소 또는 공기가 공급되어 있다. 또한, 수소흡장합금으로서는, 예를 들어, La0.3(Ce, Nd)0.15Zr0.05Ni3.8Co0.8Al0.5등이 이용된다. 또한, 전해질 용액으로서는, 예를 들어, KOH 수용액 등이 이용된다.
음극 셀(12)에서는 수소흡장합금(M) 및 전해질 용액(48) 중에 수소가 공급되는 다음의 반응이 일어난다.
M + x/ 2H2→ MHx
부하수단(26)의 부하를 걸어주면, 수소흡장합금에 흡장되어 있는 수소는 전해질 용액중의 수산기와 반응하여 전자와 물을 방출한다.
MHx+ x0H-→ M + xH2O + xe-
방출되는 전자는 음극 집전기(20)에 직접 또는 수소 흡장 합금을 사이에 두고 이동한다. 전자는 음극 집전기(20)에 의하여 부하수단(26)을 통하고, 양극 집전기(22)로 이동한다. 전자는 양극집전기(22)로부터 옥시수산화니켈로 이동하고, 옥시수산화니켈을 사이에 두고, 또는 직접 이동하여 물과 반응하여, 수산화니켈과 수산기가 생성된다. 수산기는 분리기(10)를 통과하여 음극 셀(12)에 도입되고, 수소흡장합금과 반응한다.
NiOOH + H20 + e-→ Ni(OH)2+ OH-
양극 셀(14)에는 니켈수소전지의 경우, 산소 또는 공기에 의하여 다음의 반응이 행해진다.
Ni(OH)2+ 1/4O2→ NiOOH + 1/2H2O
이에 의하여 충전시에 행하여지는 이하의 반응에서 생성되는 NiOOH와 같이 활물질이 생성된다.
Ni(OH)2+ OH-→ NiOOH + H2O + e-
다른 구성 및 작용은 제 1 실시 형태의 경우와 같다. 또한, 본 실시 형태의 전지는 제 2 실시, 제 3 실시, 제 5 실시, 제 6 실시 형태의 구성으로 실시하는 것도 물론 가능하다.
도 12는 본 발명의 전지의 제 8 실시 형태를 나타내고 있다. 본 실시 형태는 용기를 이온 투과성 분리기로 완전히 구분하지 않고, 용기내의 상부에 있는 상태의 이온 투과성 분리기(10a)로 구분하여 구성되는 것이다. 다른 구성 및 작용은 제 1 실시 ~ 제 7 실시 형태의 경우와 같다.
도 13은 본 발명의 전지의 제 9 실시 형태를 나타내고 있다. 본 실시 형태는 용기(74)를 구분하지 않고, 용기내에 전해질 용액(76)을 가득채우고, 이 전해질 용액(76) 중에 전자를 방출하는 활물질의 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체로 이루어지는 자루(78), 및 전자를 흡수하는 활물질의 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체로 이루어지는 자루(80)를 설치하고, 이들 자루(78. 80)에 활물질의 분립체와 접촉하는 도전체의 집전장치, 즉, 음극 집전기(82), 양극 집전기(84)가 설치되는 것이다. 자루 대신에 용기상의 것 등을 이용하는 것이 가능하며, 그 형상은 묻지 않는다. 다공체로서는 발포니켈시트를 들 수 있다. 다른 구성 및 작용은 제 1 실시 ~ 제 7 실시 형태의 경우와 같다.
이하, 본 발명에 관한 삼차원 구조의 전지의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 14는 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 1 실시 형태에 의한 실증 시험기의 일예를 나타내는 사시도와 개략 단면도, 도 15는 그 조립전(분해상태)의 주요 부품의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 14에 나타나 있는 것처럼, 본 예의 적층형 삼차원 전지(101)는 니켈수소전지이고, 도 15와 같은 정방형상의 중앙 개구부(121a)를 두께 방향으로 관통하여 설치한 셀(용기) 부재(121) 2개를 한 벌로 하여, 본 예에서는 두 벌(합계 4개)의 셀 부재(121b)를 구비하고 있다. 각 셀 부재(121)의 일방의 면의 개구부(121a)의 주위에는, 얕은 (본 예에서는 깊이가 0.5mm의) 요상부(凹狀部)(121b)가 환상으로 형성되고, 셀부재(121·121)간에 대략 정방형의 내알칼리성 이온 투과성 분리기(본 예에서는 테플론성 분리기)(105)가 요상부(121b)내에 끼워 담아져(嵌裝) 있다. 셀 분리기(105)는 이온만을 통과시키지만, 활물질(n, h)이나 전기는 통과시키지 않는막상체이고, 상기 이외에도 소소 판, 이온교환수지막, 유리 등이 이용된다.
또한, 각 셀부재(121)의 상면에는, 개구부(121a)로 향하게 하고 상하로 관통하여 2개의 주액구(注液口)(121c)가 폭방향으로 간격을 두어 형성되고, 각 주액구(121c)에는 고무마개(122)가 착탈이 자유롭게 장착된다.
각 조의 셀내부재(121, 121)간의 요상부(121b)에는 대략 정방형으로 내알칼리성 및 도전성의 판상의 집전부재(본 예에서는 니켈판)(107)가 끼워 담아져 있다. 또한, 2조의 셀부재(121)의 양단에는, 내알칼리성에서 도전성의, 셀부재(121)와 동일한 폭으로 셀부재(121)보다도 높이가 높은 판상의 집전체(본 예에서는 니켈판)(106과 108)를 구비하고 있다. 개구부(121a)와 동일 형상의 개구부(109a)를 중앙부에 가지는 외형이 셀부재(121)와 공통인 고무제 패킹(109)이, 셀부재(121과 121)간 및 샐부재(121)와 집전체(106 또는 108)간에서 사이에 담아져 있다. 셀부재(121), 패킹(109) 및 집전체(106과 108)에는 두께 방향으로 관통하는 복수의 삽통공(121d, 109d, 106d, 108d)이 개구부(121a와 109a)의 주위에 주(周)방향으로 간격을 가지고 일체로 천설(穿設)되어 있다. 그리고, 복수의 삽통공(121d, 109d, 106d, 108d)에 비도전성의 볼트(123)가 일련하여 삽통되고, 볼트(123)의 선단 나사부(123a)에 너트(도시하지 않음)를 채워서 결합(螺合)하여 단단히 조여 있다. 또한, 좌단(양극)과 우단(음극)의 집전체(106과 108e) 상단부에는, 폭방향으로 간격을 두어 소공(小孔)(106e와 108e)이 천설되며, 본 예에서는 좌단과 우단의 집전체(106과 108)의 양단의 소공(106e와 108e)에 각각 양극 단자(124)와 음극 단자(125)가 장착되고, 배선(126과 127)의 일단이 접속되어 있다.
각 셀부재(121)내에는 주액구(121c)에 의하여 전해질 용액으로서의 수산화칼륨수용액(k)이 주입되고, 도 14(b)의 좌단측 셀내부재(121)로부터 순서대로 양극의 분립체 활물질로서의 수산화니켈(n), 음극의 분립체 활물질로서의 수소흡장합금(h), 양극의 분립체 활물질로서의 수산화니켈(n), 음극의 분립체 활물질로서의 수소흡장합금(h)이 수산화칼륨수용액(k)에 투입되어 있다. 이 결과, 도면의 좌단으로부터 우단에 걸쳐서 양극 셀(103), 음극 셀(104), 양극 셀(103), 음극 셀(104)이 순서대로 형성된다.
상기와 같이 하여 적층형 삼차원 전지(101)가 구성되지만, 본 예의 전지(101)는 니켈 수소의 단전지(이차 전지)가 2개 직렬로 접속된 구조로 되어, 약 2.4V의 전압의 전지로 된다. 그래서, 전지(101)의 양극 단자(124)와 음극 단자(125)간에 2.4V 용 전구 등의 부하수단(130)을 배선(126과 127)에 의하여 접속한다. 충전상태에 있어서, 양극 단자(124)를 구비한 좌단의 양극 집전체9106)에 접촉하고 있는 양극 셀(103)내의 옥시수산화니켈(n)은 양극 집전체(106)로 전자(e-)를 받아들이고, 일련하여 접촉하고 있는 옥시수산화니켈(n)에 전자(e-)가 수소이온과 함께 공급되어 수산화니켈로 된다. 그리고, 음극 셀(104)내에는 수소흡장합금(h)이 전자(e-)와 수소이온(H+)을 방출하고, 이 수소이온이 이온 투과성 분리기(105)를 통하여 양극 셀(103)로 간다. 즉, NiOOH + H++ e-→Ni(OH)2로 된다.
MHX→M + xH++ xe-M : 수소흡장합금
이어서, 전자(e-)는 수소흡장합금(h)의 접촉부를 통하여 제2단전지의 양극 셀(103)과의 격벽을 구성하는 집전부재(107)로 모아지고(집전됨), 제2단전지의 양극 셀(103)내의 옥시수산화니켈(n)은 전지부재(107)로부터 전자(e-)를 받아들여, 일련하여 접촉하고 있는 옥시수산화니켈(n)에 전자(e-)가 공급되어 수산화니켈로 된다. 그리고, 음극 셀(104)내로는 수소흡장합금(h)이 전자(e-)를 방출하여 수소이온(H+)이 생성된다. 음극 셀(104)내로 방출된 전자(e-)가 음극 집전체(108)에 집전되고, 음극 단자(125)로부터 배선(127)을 통하여 부하수단(130)으로 이동하고, 배선(126)에 의하여 양극 집전체(106)로 이동한다. 이에 의하여, 양극 집전체(106)의 양극 단자(124)에 의한 전류가 부하수단(130)으로 공급되고, 음극 집전체(108)의 음극 단자(125)로 흐른다. 이와 같이 하여서 1.2V×2(2.4V)의 전압이 발생한다.
한편, 삼차원 전지(101)로의 충전은 다음과 같은 태양으로 행해진다. 전지(101)에 충전기(131)에 의하여 소정의 전압을 가하고, 음극 집전체(108)(음극 단자(125))에 의하여 음극 셀(104)에 전자(e-)를 공급한다. 전자(e-)는 수소흡장합금(h)으로 이동하고, 이에 의하여 다음의 반응이 생기고 수산기이온이 발생한다.
M + xH2O + xe-→ MHx+ x0H-M : 수소흡장합금
음극 셀(104)내에 발생한 수산기이온(OH-)은, 이온 투과성 분리기(105)를 통하여 좌측의 양극 셀(103)내로 이동하고, 수산화니켈(n)과 다음과 같이 반응하여 전자(e-)를 방출한다.
Ni(OH)·2+ OH-→NiOOH + H2O + e-
양극 셀(103)내에는 방출된 전자(e-)가 집전부재(107)로 집전되고, 왼쪽 근처의 음극 셀(104)내의 수소흡장합금(h)으로 이동되어, 이에 의하여 상기식에 나타난 반응이 생기며, 수산기이온이 발생한다. 음극 셀(104)내에 발생한 수산기이온(OH-)은 이온 투과성 분리기(105)를 통하여 좌단의 양극 셀(103)내로 이동하고, 수산화니켈(n)과 상기 식과 같이 반응하여 전자(e-)를 방출한다. 전자(e-)는 양극 집전체(106)(양극 단자(124))에 집전되고 충전기(131)로 보내진다.
도 16은 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 2 실시 형태를 개념적으로 나타내는 중앙 종 단면도이다.
도 16에 나타난 바와 같이, 본 예의 삼차원 전지(101-1)는 납전지이고, 납단전지(102)를 6조 직렬로 연결한 구조로 이루어진다. 납단전지(102)는 중간부를 내산성의 이온 투과성 분리기(105)로 구분한 양극 셀(103)과 음극 셀(104)을 구비하고 있다. 좌단(제1조)의 단전지(102)의 양극 셀(103)의 좌단벽 및 우단(제6조)의 단전지(102)의 음극 셀(104)의 우단벽은, 각각 집전체(106, 108)로서의 내산성 도전체(백금판 혹은 납판)의 측벽으로 이루어지고, 제1조의 단전지(102)의 음극 셀(104)의 우단벽 및 제6조의 단전지(102)의 양극 셀(103)의 좌단벽은 집전부재(107)로서의 내산성 도전체의 측벽(백금판 혹은 납판)으로 이루어진다. 또한 중간에 위치하는 4조의 단전지(102)는 각 조의 단전지(102)의 사이에 격벽을 겸한 집전부재(107)로서의 내산성 도전체(백금판 또는 납판)를 사이에 두고 직렬로 접속되는 것과 함께, 좌단(제1조) 및 우단(제6조)의 단전지(102)와도 집전부재(107)로서의 내산성 도전체의 측벽(백금판 혹은 납판)을 사이에 두고 직렬로 접속되어 있다.
각 셀(103, 104)내에는 공통의 전해질 용액으로서 본 예에서는 희유산 용액(황산 수용액)(r)이 충전되어 있다. 그리고, 양극 셀(103)내의 희유산 용액에는 이산화납(PbO2)의 분립체(A)가 투입되어 고정층이 형성되어 있다. 한편, 음극 셀(104)내의 희유산 용액에는 금속납(Pb)의 분립체(B)가 투입되어 고정층이 형성되어 있다.
상기의 구성으로 이루어지는 제 2 실시 형태에 관한 삼차원 전지(101-1)는 다음과 같이 방전한다. 즉, 좌단의 양극 집전체(106)에 접촉하고 있는 양극 셀(103)은 집전체(106)로부터 전자를 받아들여서 이산화납(A)으로 전자가 공급되고, 반응하여 황산납(PbSO4)으로 되고, 이온이 발생한다...
PbO2+ H2SO4+ 2H++ 2e-→ PbSO4+ 2H20
다음으로, 양극 셀(103)내의 이온이 이온 투과성 분리기(105)에 의하여 음극 셀(104)내로 이동하고, 금속납(B)과 반응하여 전자를 방출하고, 산화되어 황산납으로 된다.
Pb + H2SO4→ PbSO4+ 2H++ 2e-
음극 셀(104)내의 전자는 집전부재(107)로 집전되고, 왼쪽 근처의 양극 셀(103)내로 이동하여, 이산화납(A)으로 전자가 공급되고, 반응하여 황산납(PbSO4)으로 되어, 이온이 발생한다. 양극 셀(103)내의 이온이 이온 투과성 분리기(105)에 의하여 음극 셀(104)내로 이동하고, 금속박(B)과 반응하여 전자를 방출하고, 산화되어 황산납으로 된다. 이 반응이 각 단전지(102)에서 순차로 반복되고, 우단의 음극 집전체(108)로부터 전자가 부하수단(도시하지 않음)을 사이에 두고 좌단의 양극 집전체(106)로 이동하고, 역으로 양극 집전체(106)로부터 전류가 부하수단(130)(도 14)을 사이에 두고 우단의 음극 집전체(108)로 흐른다. 본 예의 경우에는, 약 13.6V의 전압이 생긴다. 또한, 집전체나 전극에는 내산성의 도전체라면 어떠한 것도 사용할 수 있고, 예를 들어 탄소나 도전성 폴리머이어도 좋다.
도 17은 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 3 실시 형태를 개념적으로 나타내는 중앙 종 단면도이다.
도 17에 나타난 바와 같이, 본 예의 삼차원 전지(101-2)는 도 16의 제 2 실시 형태와 같고, 납전지이지만, 전지(101-2)를 축방향으로 관통하는 회전축(132)을 회전이 자유롭게 배치하고, 수동 혹은 회전구동장치(도시하지 않음)에 의하여 회전시킨다. 회전축(132)상의 각 셀(103, 104)내에 대응하는 위치에는 복수매의 교반 우근(羽根)(132a)을 직교하는 방향으로 돌설하고, 회전축(132)의 회전에 의하여 각셀(103, 104)내의 희유산 용액(r)을 이산화납(A) 또는 금속납(B)과 함께 교반할수 있도록 구성하고 있지만, 제 2 실시 형태의 전지(101-1)와 상이하다.
따라서, 본 예의 삼차원 전지(101-2)에 의하면, 전극 분립체로서의 이산화납(A) 및 금속박(B)을 교반하는 것에 의하여, 각 전극 분립체(A, B)와 집전체(106, 108) 또는 집전부재(107)와의 접촉이 양호하게 되므로, 각 셀(103, 104)(셀부재(121), 도 14 참조)의 용량을 크게하는 것이 가능하고, 전력량의 증대가 도모된다. 또한, 황산납 입자의 부착을 방지할 수 있으므로, 집전체(106, 108) 및 집전부재(107)로 납판을 사용할 수 있다. 또한, 교반수단(132)을 구비하는 점을 제거하고, 제 2 실시 형태에 관한 전지(101-1)와 공통되므로, 제 2 실시 형태와 공통되는 부재와 동일한 부호를 사용하여 나타내고 설명을 생략한다.
도 18은 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 4 실시 형태를 개념적으로 나타내는 중앙 종 단면도이다.
도 18에 나타나 있는 바와 같이, 본 예의 삼차원 전지(101-3)는 도 14의 제 1 실시 형태와 같이 니켈수소이차전지로 이루어지지만, 양극 셀(103) 및 음극 셀(104)의 용량을 꽤 크게 한 것이다. 그 대신에, 집전체(106, 108) 및 집전부재(107)로부터 양극 셀(103) 혹은 음극 셀(104)내로 향하게 다수의 스터드(106a, 107a, 108a)를 각각 간격을 두고 길게 내어(張出) 설치하고 있다. 본예의 경우, 집전체(106, 108) 및 집전부재(107)에는 니켈판을 이용하므로, 스터드(106a, 107a, 108a)도 니켈판으로 일체로 형성하고 있다. 본 예의 전지(101-3)에 있어서는, 각 셀(103, 104)의 용적을 대폭으로 확대하지만, 전극 분립체(n, h)는 상기 스터드를사이에 두어 집전체(106, 108) 및 집전부재(107)에 대하여 확실히 접촉하므로, 전기(전자/전류)를 충분히 전달하는 것이 가능하다. 또한, 본 예의 전지(101-3)에 제 3 실시 형태의 교반수단(132)을 조합시켜 사용하는 것이 가능하다.
도 19는 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 5 실시 형태를 나타내고 있다. 본 실시 형태는 셀(용기)을 이온 투과성 분리기로 완전히 구분하지 않고, 셀내의 상부를 연 상태의 이온 투과성 분리기(105a)로 구분하여 구성된 것이다. 다른 구성 및 작용은 제 1 실시 ~ 제 4 실시의 형태의 경우와 같다.
도 20은 본 발명의 적층형 삼차원 전지의 제 6 실시 형태를 나타내고 있다. 본 실시 형태는 셀(160)을 구분하지 않고, 셀내에 전해질 용액(r)을 가득 채우고, 이 전해질 용액(r)중에 전자를 흡수하는 활물질의 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체로 이루어지는 자루(162) 및 전자를 방출하는 활물질의 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체로 이루어지는 자루(164)를 설치하고, 이들 자루(162, 164)에 활물질의 분립체와 접촉하는 도전체의 집전장치, 즉, 양극 집전체(166), 음극 집전체(168)가 설치된 것이다. 자루의 대신으로 용기상의 것 등을 이용하는 것이 가능하고, 그 형상은 묻지 않는다. 다공체로서는 발포니켈시트를 들 수 있다. 다른 구성 및 작용은 제 1 실시 ~ 제 4 실시의 경우와 같다.
이상에서 본 발명의 삼차원 전지의 실시 형태를 설명하였지만, 더욱이 하기와 같이 실시하는 것도 가능하다.
① 양극과 음극의 활물질 분립체를 조합시킨 것으로서는 상기 이외에도, 예를 들어 수산화니켈과 카드늄을 조합시키거나 수산화니켈과 철, 수산화니켈과 철카바이드(Fe3C), 코발트(또는 망간)와 리튬 또는 수산화니켈과 아연을 조합시켜 사용하는 것이 가능하다.
② 상기 실시 형태에는 단전지(102)를 도전성(내산성 또는 내알칼리성)의 도전부재(107)를 사이에 두고 2개 ~ 6개 직렬로 연결한 구조를 나타내지만, 요구되는 전압에 대응하여 어떠한 갯수로도 직렬로 연결하는 것이 가능하다.
③ 전지의 용량에 대하여도 요구되는 전압 용량에 대응하여 셀부재(121)의 용적을 증대하고, 필요에 따라서 교반수단이나 스터드를 설치하는 것에 의하여 대응하는 것이 가능하다.
본 발명은 이상 설명한 것과 같이 구성되어 있으므로, 활물질을 분립체로 하여 용기 중에 분립체를 넣은 고정층식의 전지 및 스케일 업에 따른 여러가지 장점이 생기는 적층형 삼차원 전지에 적합하다.

Claims (15)

  1. 이온이 통과하는 부재를 사이에 두고 접속된 2개의 용기의 일방의 용기내의 전해질 용액 중에 전자를 방출하는 활물질의 분립체가 고정층으로서 장전되고, 타방의 용기내의 전해질 용액 중에 전자를 흡수하는 활물질의 분립체가 고정층으로서 장전되고, 2개의 용기내에 활물질인 분립체와 접촉하는 도전체의 집전장치가 설치된 것을 특징으로 하는 전지.
  2. 용기내에 전해질 용액을 가득 채우고, 이 전해질 용액 중에 전자를 방출하는 활물질의 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체, 및 전자를 흡수하는 활물질의 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체를 설치하고, 이들의 다공체에 활물질의 분립체와 접촉하는 도전체의 집전장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    활물질의 분립체가, 전자 전도성이 낮은 물질에 전자 전도성이 높은 물질을 혼합하거나, 전자 전도성이 낮은 물질에 전자 전도성이 높은 물질을 혼합하여 조립하거나, 전자 전도성이 낮은 물질에 전자 전도성이 높은 물질을 코팅하거나, 전자 전도성이 낮은 물질에 전자 전도성이 높은 물질을 코팅한 것을 혼합하여 조립하거나, 또는 상기 조립물에 전자 전도성이 높은 물질을 코팅하는 것에 의하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    활물질인 분립체와 접촉하는 집전장치가, 봉상, 판상 및 관상의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    용기내에 전지내의 반응 온도를 일정하게 하기 위한 전열면을 설치한 것을 특징으로 하는 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    전열면이 활물질인 분립체와 접촉하는 관상의 집전체 및 판상의 집전체의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    용기에 각각, 열화한 활물질인 분립체를 용기로부터 뽑아내기 위한 발출수단 및 활물질인 분립체를 용기에 공급하기 위한 공급수단을 접속한 것을 특징으로 하는 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    발출수단에, 뽑아낸 활물질인 분립체를 재생하는 재생수단 및 활물질인 분립체의 보충을 행하는 메이크 업 수단의 적어도 어느 하나를 접속하여, 재생되거나, 또는 새롭게 바꾸어진 활물질의 분립체가 공급수단으로부터 용기내에 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    발출수단에, 뽑아낸 활물질인 분립체를 열화학반응 또는 전기화학반응에 의하여 충전 상태의 분립체로 변화시키는 반응 수단을 접속하여, 충전 상태로 된 활물질의 분립체가 공급수단으로부터 용기내로 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 전지.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    음극측의 활물질인 분립체가 수소흡장합금의 분립체이고, 양극측의 활물질인 분립체가 수산화니켈의 분립체인 것을 특징으로 하는 전지.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    음극측의 활물질인 분립체가 수소흡장합금의 분립체이고, 음극측에 도입되는 기체가 수소이며, 양극측의 활물질인 분립체가 수산화니켈의 분립체이고, 양극측에 도입되는 기체가 산소 또는 공기인 것을 특징으로 하는 전지.
  12. 이온은 통과하지만 전기를 통과시키지 않는 부재를 사이에 두고 접속된 한벌의 셀상에, 일방의 셀에는 전해질 용액을 충전하는 것과 함께 해당 전해질 용액중에 전자를 방출하는 활물질의 분립체를 투입하여 고정층을 형성시키고, 타방의 셀에 전해질 용액을 충전하는 것과 함께 해당 전해질 용액중에 전자를 흡수하는 활물질의 분립체를 투입하여 고정층을 형성시켜 이루어지는 단전지의 복수조를, 상기 셀간의 격벽을 겸용하고 또한 상기 분립체에 접촉하는 도전성의 집전부재를 사이에 두고 직렬로 일체로 연결하고, 양단의 셀에 분립체와 접촉하고 또한 양극전극 및 음극전극을 겸용한 집전체를 설치하여 적층형 삼차원 전지를 구성한 것을 특징으로 하는 전지.
  13. 셀내에 전해질 용액을 가득 채우고, 이 전해질 용액 중에 전자를 방출하는 활물질의 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체, 및 전자를 흡수하는 활물질의 분립체를 고정층으로서 수납한 다공체를 설치하여 이루어지는 단전지의 복수조를, 상기 셀간의 격벽을 겸용하고 또한 상기 분립체에 접촉하는 도전성의 집전부재를 사이에 두어 직렬로 일체로 연결하고, 양단의 셀에 분립체와 접촉하고 또한 양극전극 및 음극전극을 겸용한 집전체를 설치하여 적층형 삼차원 전지를 구성한 것을 특징으로 하는 전지.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    활물질의 분립체가, 전자 전도성이 낮은 활물질에 전자 전도성이 높은 활물질을 혼합하거나, 전자 전도성이 낮은 활물질에 전자 전도성이 높은 활물질을 혼합하여 조립하거나, 전자 전도성이 낮은 활물질에 전자 전도성이 높은 활물질을 코팅하거나, 전자 전도성이 낮은 활물질에 전자 전도성이 높은 활물질을 코팅한 것을 혼합하여 조립하거나, 또는 상기 조립물에 전자 전도성이 높은 물질을 코팅하는 것에 의하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 전지.
  15. 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    집전부재 또는 집전체로부터 셀내로 향하여 도전성의 스터드를 일체로 돌설한 것을 특징으로 하는 전지.
KR1020047014167A 2002-04-26 2002-04-26 전지 KR100658254B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2002/004191 WO2003092113A1 (fr) 2000-10-31 2002-04-26 Batterie

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050008654A true KR20050008654A (ko) 2005-01-21
KR100658254B1 KR100658254B1 (ko) 2006-12-14

Family

ID=50277394

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020047014167A KR100658254B1 (ko) 2002-04-26 2002-04-26 전지

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2003092113A1 (ko)
KR (1) KR100658254B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100987257B1 (ko) * 2008-01-25 2010-10-12 주식회사 이엠따블유에너지 전지용 발열장치 및 이를 포함하는 전지 어셈블리

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2003092113A1 (ja) 2005-09-02
KR100658254B1 (ko) 2006-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20050175890A1 (en) Battery
KR100658255B1 (ko) 고출력형 삼차원 전지
KR100417595B1 (ko) 전지, 및 그 전지를 구조의 일부로서 가지는 기기 또는장치, 및 지역 분산형 발전 방법, 및 그 발전 장치
US5712054A (en) Rechargeable hydrogen battery
TWI466372B (zh) 可逆燃料電池，可逆燃料電池系統，可逆燃料電池模組及可逆燃料電池組
KR20040047856A (ko) 재충전 및 재보급 가능한 금속 에어 전기화학 전지
US20140255812A1 (en) Taylor vortex flow electrochemical cells utilizing particulate electrolyte suspensions
JP6056936B2 (ja) 水素製造装置および水素製造方法
CN110112439B (zh) 一种金属空气电池电解液动态循环过滤装置
JP3051401B1 (ja) 電 池
EP1501150A1 (en) Battery
CN110120542B (zh) 一种高能量密度锂浆料电池及其工作方法
KR100658254B1 (ko) 전지
KR100609445B1 (ko) 복합 전지
JPWO2021095243A1 (ja) リバーシブル燃料電池
CN109088083B (zh) 浆料储能方法
CN109065916B (zh) 浆料储能系统
JP3510581B2 (ja) 電 池
JP2024510932A (ja) 充電式セル構造
CN115642218A (zh) 一种电池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee