JPH0624121B2 - 金属―ハロゲン二次電池 - Google Patents

金属―ハロゲン二次電池

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JPH0624121B2
JPH0624121B2 JP58038684A JP3868483A JPH0624121B2 JP H0624121 B2 JPH0624121 B2 JP H0624121B2 JP 58038684 A JP58038684 A JP 58038684A JP 3868483 A JP3868483 A JP 3868483A JP H0624121 B2 JPH0624121 B2 JP H0624121B2
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halogen
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将慶 島田
康広 飯塚
鉄夫 深津
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Toyobo Co Ltd
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Toyobo Co Ltd
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    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96Carbon-based electrodes
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属−ハロゲン2次電池に関するものであり、
さらに詳しくは特定の多孔質炭素繊維紙状物を正極に適
用した2次電池に関するものである。
1973年のエネルギー危機以来エネルギー問題が広く
各層で認識される様になつて来た。新しいエネルギー源
の開発と同時に発生したエネルギーを有効に利用するエ
ネルギーの変換、貯蔵、輸送、利用を含めたシステムの
開発も重要となつて来ている。貯蔵を例にとれば、将来
電源構成で大きな比重を占めると予想されている原子
力、石炭火力等の大型発電では一定の出力を保つて定常
発電することが高い効率を保つ上で必要であり、夜間の
余剰電力を適切に貯蔵して昼間の需要増大時にこれを放
出し、需要の変動に対応させる(ロードレベリング)こ
とのできる電力貯蔵技術への要求が強くなつて来てい
る。現在でも主要発電設備の年間稼動率は60%を切つ
ており低下が続いている。電力貯蔵の方法には、実用化
されてはいるが送電によるロスがあり、立地に制約の加
わつて来ている揚水発電の他に、新型2次電池、フライ
ホイール、圧縮空気、超電導等の各種の方法が検討され
ている。
就中、新型電池による電気化学操作が有力であり、ここ
当分の間輸送を含めた解決システムとして揚水発電に替
る最も実現性の高い方式と考えられている。又新型2次
電池は、太陽光、風力、波力等の自然エネルギーを利用
した発電のバツクアツプ装置、或いは電気自動車電池と
しても期待が寄せられている。上記目的に適用できる2
次電池として、鉛蓄電池、ナトリウム−硫黄電池、リチ
ウム−硫化鉄電池、金属−ハロゲン電池、レドツクスフ
ロ−形電池等が開発されている。この中でも亜鉛−ハロ
ゲン電池は、液循環型であり、電池出力を調整しやすい
こと、低温作動水溶液系電池で保守管理が容易なこと、
電池容量を液槽容量にて簡単に調整できること、両極活
物質は資源的に豊富であり、かつ安価であること、理論
エネルギー密度が高いこと、電池反応が簡単なため電池
構成が単純で安価な材料を用いて作れること等の秀れた
特徴をもつため近年急速に開発が進められている。しか
し金属−ハロゲン電池を実用化するためには、いくつか
の解決しなければならない問題点を存在し、その中でも
放電時正極におけるハロゲンの還元反応をいかにして、
じん速かつ有効に反応させるかが、直接電池のエネルギ
ー効率に影響するため、重要な技術的課題となつてい
る。従来正極電極として用いられているPt板にかわる
安価な例としては、導電性粉末カーボンと粉末樹脂との
混合物を加熱プレス成形した薄板状カーボンプラスチツ
ク電極板や炭素焼結板があるが、これらの電極では放電
が進み正極活物質の濃度が下つてくると、電位の落ち込
みが著るしく、充放電のエネルギー効率は低い値にとど
まつていた。特に高電流密度放電で著しい電位の低下が
認められた。
本発明者等はかかる在来のカーボンプラスチツク電極や
炭素焼結板に付随する種々の欠点を改善すべく鋭意研究
の結果本発明に到達した。
即ち、本発明は正極として直径30〜1000Åの範囲の細
孔容積を0.1c.c./g以上有する多孔質炭素繊維を含み、
繊維密度が0.1g/c.c.以上の紙状物を前記のカーボン
プラスチツク電極板や炭素焼結板等の如き電極基材の表
面に接合したものを用いることを特徴とする金属−ハロ
ゲン2次電池である。
前記カーボンプラスチツク電極や炭素焼結板におけるハ
ロゲンの還元反応が進まないのは、電極表面が平滑で実
反応表面積が小さいためハロゲン濃度が低下するとハロ
ゲンの電極表面への拡散量、吸着量が減少し、いわゆる
分極が生じるためと考えられる。そこで本発明者らは、
例えば各種方法でカーボンプラスチツク電極の表面をエ
ツチングして表面積を上げたり、粉状カーボンに替えて
粉末活性炭を用いた電極を試作したが効果は少なかつ
た。ところが本発明の様に、多孔質炭素繊維より成る紙
状物を例えば前記粉末カーボンプラスチツク板あるいは
炭素焼結板よりなる電極基材の表面に接合した電極を作
製し、金属−ハロゲン2次電池に使用し充放電を行つた
ところ、ハロゲン濃度が低下しても正極電位は極めて高
く、又充放電エネルギー効率も著しく向上した。しかも
細孔直径30〜1000Åの細孔容積を0.1c.c./g以上有
する多孔質又は活性炭素繊維からなり、かつ繊維密度
0.1g/c.c.以上の紙状物を用いたとき、電圧、電流効
率とも秀れた値が得られ、高価な白金板に劣らない電極
性能を示すことが分かつた。即ち、直径30Åに満たな
いいわゆるミクロポアの分布が主体となると細孔径が小
さいのでハロゲン化金属塩の水溶液に溶解しているハロ
ゲンの細孔内拡散係数が小さく、電極反応に有効に働か
ない。又細孔径が1000Åを越す分布が主体となると、多
孔質炭素繊維全体の表面積が小さくなつてしまうので好
ましくない。さらに直径30〜1000Åの範囲の細孔容積
が0.1c.c./gに満たない多孔質炭素繊維からなる紙状
物特に不織布の場合は、さらに単位体積当りの表面積が
小さくなり本発明の効果が得られない。又繊維密度が
0.1g/c.c.に満たない場合は繊維間の接触が少なく、
電気抵抗が増し、電池の内部抵抗の増加につながり、電
圧効率が低下するので好ましくない。さらに繊維密度が
0.1g/c.c.に満たない場合には、電極作製時に繊維の
脱落が生じ易く加工上も問題が生じる。紙状物は、織
布、編地にくらべて繊維の密度を上げやすく、従つて単
位体積当りの反応表面積が最も高い。
本発明で使用する原料繊維としては、炭化可能なもので
あればよいが、炭化のし易さ、多孔性の発達のさせ易
い、多孔質炭素繊維の強伸度等の点からセルロース系、
アクリル系、フエノール系、石油及び石炭ピツチ系の繊
維が有利に使用できる。
多孔質炭素繊維から成る紙状物とは、繊維密度0.1g/
c.c.以上のペーパー状あるいは不織布状物をいい、多孔
質炭素繊維を用い、次の方法によつて作製することがで
きる。つまり多孔質炭素繊維と他の有機、無機繊維とを
必要なら結合剤を用いて混合抄紙したもの、又この紙状
物をさらに炭化或いは賦活したものでもよい。あるいは
有機、無機繊維からなる紙状物をまず作製し、これを炭
化、賦活したものでもよい。いずれにせよ得られる紙状
物は多孔質炭素繊維に富み、紙状物の繊維密度が0.1
g/c.c.以上の化学的/物理的に安定なものである。尚、
賦活法としては水蒸気、炭酸ガス、酸素による400〜110
0℃の賦活条件が採用される。
又必要とあれば導電性及び正極での臭素の酸化還元反応
速度を上げることを目的として1100℃以上3000℃以下の
高温処理を行つた後、多孔質化を行つてもよいし、逆に
多孔質化を行つた後高温処理を行つてもよい。
本発明における多孔質炭素繊維の細孔直径及び細孔容積
は、直径30〜300Åの範囲は常圧下の液体窒素の沸点
における吸着側の窒素ガス吸着等温線を用いてクランス
トン−インクルー(Cranston-Inkley)の計算法により
求め、直径300〜1000Åの範囲は水銀圧入ポロシメータ
ーによつて測定したものを用い、30〜1000Åの細孔容
積(以下 と略す)は両者の和によつて算出したものである。なお
窒素吸着における多分子吸着層厚(t)と相対圧(P/P
s)との関係は t(Å)=4.3〔5/ln(Ps/P)〕1/3 なるフレンケルーハルキー(Frenkel-Halsey)の式を採
用した。
以下実施例について本発明をさらに詳しく説明するが、
本発明は実施例に限定されるものではない。
比較例 1. 導電性カーボン粉末を30重量%となる様に、ポリオレ
フイン系樹脂粉末と均一に混合したものを、樹脂の軟化
点より10℃高めに設定した金型の底に一定厚みになる
様にしいた後、熱プレスして厚さ1.0mm大きさ10cm
角のカーボンプラスチツクプレートを作製した。このプ
レートを陽イオン交換樹脂膜をセパレーターとする流通
型電解槽の一室に設置し正極とし、一方他室には99.99
%圧延亜鉛板を設置して負極とした。この電解槽負極室
に臭化亜鉛濃度3.0mol/、塩化カリウム濃度4.
0mol/の一定量の電解液を循環し、一方正極室には
臭化亜鉛と塩化カリウムは負極液と同濃度だが、臭素
3.0mol/を含む電解液を循環させ、40mA/cm2
電流密度で定電流放電を常温にて行ない、正極電解液中
の臭素濃度と、ルギン毛管を有する銀/塩化銀参照電極
にて正極の単極電位を観測した。結果を第1表に示す。
正極に白金板を使用したときの結果も合せて載せる。
臭素濃度が2.0〜3.0M/の値は放電初、中期に相
当し、0.4〜0.8M/は放電末期に相当する。カー
ボンプラスチツク電極は放電末期における電位の落ち込
みが大きいことが分かる。
実施例 単繊維デニール2.0、長さ3mmの再生セルロース短繊
維を、第二リン酸アンモンの水溶液に浸漬後、遠心脱
水、乾燥することによつて、第二リン酸アンモンを繊維
重量に対して9.5重量%添着含浸させた後、270℃
の不活性ガス気流中で30分加熱し、続いて270℃か
ら850℃まで約90分を要して昇温し、さらに水蒸気を
40容量%含む窒素ガス流中で、30分及び60分の処
理を行ない夫々多孔質炭素繊維A、Bを得た。多孔質炭
素繊維Aの一部を酢酸マグネシウム水溶液に浸漬し、マ
グネシウムとして対繊維2.1重量%に相当する酢酸マ
グネシウムを含浸させた後、90℃で乾燥し、水蒸気を
40容量%含む窒素ガス気流中で100℃より850℃
までもたらし、25分保持後、不活性ガス流中で冷却
し、0.1NHCl液で洗浄し、水洗乾燥して多孔質炭素繊
維Cを得た。以上得られた多孔質炭素繊維A、B、Cを
夫々単独で70重量部、ポリプロピレン単繊維30重量
部と少量の増粘剤、結合剤を混合した抄紙原液を作り、
乾燥後熱プレスして目付50g/m2の繊維A、B、Cを夫
々単独に含む混抄紙AP、BP、CPを製作した。
以上得られた3種の多孔質炭素繊維混抄紙を、前記比較
例1で述べた金型の底に敷き、この上に同じく比較例1
で使用したカーボンプラスチツク粉末混合品を均一厚み
にしてのせ、熱プレスして厚さ1mm、大きさ10cm角の
カーボンプラスチツク板の表面に多孔質炭素繊維混抄紙
が接合された複合電極(正極)を作製した。
これら本発明になる電極を正極として用いた亜鉛−臭素
電池の放電実験を比較例1と同様に行ない第2表の如き
結果を得た。
第2表より本発明に係る正極を用いた場合、放電初期
(Br2 2.0〜3.0Mol/濃度)はいうに及ばず放電
末期(Br2 0.4〜0.8Mol/濃度)においても正極
電位の落ち込みがなくエネルギー効率が安定に維持され
ていることがわかる。
比較例 4. 実施例1で用いたと同種の単繊維太さ2.0d、長さ7
6mmの再生セルロース繊維を原料とし130g/m2の目付の
不織布をニードルパンチ法で製造し、実施例1と同じ方
法で耐炎剤処理及び耐炎化処理を行つた後、850℃で
水蒸気賦活を時間を変えて行つて、目付60g/m2、43
g/m2の二種の活性炭素繊維不織布S、Tを得た。不織布
Sについて酢酸マグネシウムの溶液に浸漬し、絞り後乾
燥してマグネシウムとして3.2重量%に相当する酢酸
マグネシウムを添着させ、水蒸気を40容量%含む窒素
ガス中で100℃より850℃までもたらし、10分間
保持した後窒素気流中で冷却して、酸洗浄、水洗を行つ
て活性炭素繊維不織布Uを得た。活性炭素繊維不織布
T、Uについて、実施例1と同じ方法で電極板を作製
し、放電実験を行つた。
第3表に結果を載せる。カーボンプラスチツク電極に比
べて性能は改良されてはいるが電位は低い。又電極作製
時に繊維の脱落が特に多かつた。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直径30〜1000Åの範囲の細孔容積を0.1
    c.c./g以上有する多孔質炭素繊維を含み、繊維密度が0.
    1g/c.c.以上の紙状物を電極基材表面に接合したものを
    正極に用いることを特徴とする金属−ハロゲン二次電
    池。
JP58038684A 1983-03-08 1983-03-08 金属―ハロゲン二次電池 Expired - Lifetime JPH0624121B2 (ja)

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JPS59163765A JPS59163765A (ja) 1984-09-14
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS59134565A (ja) * 1983-01-24 1984-08-02 Meidensha Electric Mfg Co Ltd 亜鉛−臭素電池のプラスチツク電極

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JPS59163765A (ja) 1984-09-14

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