JPH11506863A - 電極の活性度を回復させる方法 - Google Patents

電極の活性度を回復させる方法

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JPH11506863A
JPH11506863A JP9500641A JP50064197A JPH11506863A JP H11506863 A JPH11506863 A JP H11506863A JP 9500641 A JP9500641 A JP 9500641A JP 50064197 A JP50064197 A JP 50064197A JP H11506863 A JPH11506863 A JP H11506863A
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Abstract

(57)【要約】 バッテリーの電極の電気化学活性度を回復させる方法に関する。電気化学流体バッテリーである双極バッテリーは、所定数の電気化学セルと電解液からなる。活性度を回復させるための方法は、バッテリーを流れる通常の電流方向を反転させることである。そして、その方法は、バッテリー内の電解液のpH値を下げることを含むこともできる。

Description

【発明の詳細な説明】 電極の活性度を回復させる方法 発明の背景 1.発明が属する技術分野 本発明は亜鉛−臭素バッテリーに関する。より詳しくは、本発明は、亜鉛−臭 素バッテリー内の電極の活性度を回復させるための方法に関する。 2.従来技術の説明 亜鉛−臭素バッテリーはバイポーラタイプ(双極型)の電気化学流体バッテリ ーである。全てのバッテリーがそうであるように、亜鉛−臭素バッテリーも電荷 の集合及び放出を行うことができる。亜鉛−臭素バッテリーは、典型的には、直 列に接続された又は積み重ねられた複数のボルタセルと、セルを通して電解液を 循環させるポンプと、積み重ねられたセルに電気的に結合されたターミナル電極 と、該ターミナル電極に電気的に結合されると共にそれを介して電荷がバッテリ ーの内外に流れる植込電極とを有するものである。 バッテリーセルは、直列に交互に接続された電極板と隔離板とから成る。電極 板は、その一方側で陽極反応が起こると共にその反対側では陰極反応が起こるの で、“バイポーラ(双極)”であると言える。従って、一つのセルは、陽極半セ ルと陰極半セルを具備するものと考えられる。イオン透過性隔離板は、陽極半セ ルを陰極半セルから分離するものである。電解液は各半セル通して循環する。即 ち、陽極液は陽極半セルを通して、また陰極液は陰極半セルを通してポンプ作用 により循環する。 亜鉛−臭素バッテリーの電解液は、亜鉛−臭素と第四級アンモニウム塩の水溶 液であって、例えば、NH4Clのような任意の支持塩を有するメチルエチルピ ロィヂニウム臭素であって、外部タンクから個々のセルを通して循環する。バッ テリーは放電状態及び充電状態を含む幾つかの状態になると理解されればよい。 充電状態においては、陽極液は化学的に陰極液に実質的に同一である。電荷を 収集する過程においては次の化学反応が起こる。 Zn++ + 2e- → Zn 2Br- → Br2 +2e- 亜鉛は陽極にメッキされ、臭素は陰極において生成される。臭素は電解液の中 で直ちに第四級アンモニウムイオンに複合され、濃い第二の相を形成し、その相 は流れる電解液と共にバッテリーの積み重ねから後に除かれる。さらに、またバ ッテリーが充電されるときは、亜鉛は各電極の一つの側に蓄積され複合臭素は陰 極液タンクに蓄積される。 充電の過程においては次の化学反応が起こる。 Br2 +2e- → 2Br- Zn →Zn++ + 2e- この反応においては、亜鉛は酸化し、開放された電子は電極を通過し、そこで 開放された電子は分子臭素と結合して臭素イオンを生成する。さらに、正に荷電 された亜鉛は隔離板を通して移動し溶液中に留まり、同時に臭素イオンは隔離板 を反対方向に通過して溶液中に留まる。 亜鉛−臭素バッテリーは他のバッテリーに比較して幾つかの利点を有する。特 に、その利点の一つは、亜鉛−臭素バッテリーが比較的に高エネルギー蓄積能力 を有することである。亜鉛−臭素バッテリーは多くの面において他のバッテリー よりも優れてはいても、完全に満足なものではない。現在の亜鉛−臭素バッテリ ーにおける一つの問題は、亜鉛−亜鉛イオン化反応及び臭素−臭化反応がバッテ リー内の電極それぞれ異なる速度で生じることである。臭素−臭素反応は比較的 遅い。バッテリー内での反応速度の間に差があることは分極の起因となり、さら に最終的にはバッテリー不良を起こすこととなる。分極はバッテリーの放電と充 電との間に起こる内部電圧のロスの尺度である。 臭素−臭化反応の速度を早める一つの方法は、各亜鉛−臭素バッテリーの陰極 側に高表面積炭素被覆を施すことである。しかし、時間が経つにつれて炭素被覆 電極の上での臭素−臭化反応の速度が遅くなる。特に、時間が経つにつれて炭素 被覆の活性表面が減少する。それに加え、炭素被覆の酸化も起こるであろう。従 って、現在の炭素被覆技術は、亜鉛−臭素バッテリーにおいて臭素−臭化反応の 速度に関連する問題に対しては単に限られた解決を提供しているだけである。 従って、求められている解決方法は、亜鉛−臭素バッテリーの電極に活性度を 回復させることである。さらに、求められている方法としたは、亜鉛−臭素バッ テリーの電極に活性度を回復させる方法であって、それが亜鉛−臭素バッテリー の性能と寿命とを向上するものであることである。より具体的には、求められて いる方法は、亜鉛−臭素バッテリーの臭素電極の、即ちバイポーラ電極の陰極側 の活性度を回復することである。 発明の目的及び要旨 従って、本発明の目的は亜鉛−臭素バッテリーの電極に活性度を回復させる方 法を提供することである。 本発明の他の目的は、バッテリーの性能及び寿命を向上するために、亜鉛−臭 素バッテリーの電極に活性度を回復させる方法を提供することである。 これらの目的及び利点は、バッテリーの通常循環電流の向きを、一回の短い循 環期間だけ反転させる過程を含む本願発明の方法によって達成される。本願発明 の方法はまた、バッテリーの電解液のpH値を下げる過程を含むことができる。 バッテリーの電極の電気化学活性度を回復させるための本願発明の方法は、所 定数の電気化学セルと、電解液と、前記電気化学セルに電気的に結合された第1 ターミナル電極と、前記電気化学セルに電気的に結合された第2ターミナル電極 とを含むバッテリーに対して実行すると有益である。そのようなバッテリーは、 所定の極性となるように充電され、そして充放電が繰り返して行われる。バッテ リーの通常循環期間中の電荷の流れは所定の方向に起こるので、そのようなバッ テリーは、所定の方向を持った循環電流を有するものであると言うことができる 。 具体的には、本願発明による方法は、前記バッテリーから殆ど全てのエネルギ ーを除去する過程と、バッテリー内の電解液のpH値を低下させる過程と、両タ ーミナル電極間に、バッテリーが通常循環期間のときの極性と反対の極性となる ように充電されるように電圧を印加する過程と、次にバッテリーを放電する過程 とを含むものである。 本願発明の目的と利点は、添付図面を参照しながら行う以下の説明でより明確 なものとなるであろう。 図面の簡単な説明 図1は、電解液タンクと協働して動作する交互に設けられた亜鉛−臭素バッテ リー構成要素を示す例示的実施例の概略図である。 図2は、交互に設けられた亜鉛−臭素バッテリー構成要素の分解斜視図である 。 図3は、タンクを出入りしバッテリー内を流れる電解液の流れを示した亜鉛− 臭素バッテリーの概略図である。 図4は、バッテリーが通常循環により充電されているときのバッテリーの極性 を示す回路図である。 図5は、回復処理が行われているときのバッテリーの極性を示す回路図である 。 図6は、1KWhバッテリーの時間に対する出力電圧を示した電圧プロット図 である。 図7は、使用回数に対するバッテリーの効率を示した1KWhバッテリーの基 線サイクル効率を示したプロット図である。 図8は、使用回数に対するバッテリーの効率を示した、他の1KWhバッテリ ーの基線サイクル効率を示したプロット図である。 図9は、使用回数に対するバッテリーの効率を示した、他の1KWhバッテリ ーの基線サイクル効率を示したプロット図である。 図10は、使用回数に対するバッテリーの効率を示した、他の1KWhバッテ リーの基線サイクル効率を示したプロット図である。 好適実施例の説明 以下、添付図面を参照しながら本発明を詳しく説明する。図1には、亜鉛−臭 素バッテリーが参照符号10によって分解図として示されている。亜鉛−臭素バ ッテリー10は、直列に接続された電極板11と隔離板12とを有し、これらは 、電気化学セルであるスタック13を形成するように溶着される。各バッテリー は所定数の電極板11と隔離板12とを有し、したがって、所定数の電気化学セ ルを有することとなる。図2に最も良く示されている通り、バッテリー10の両 端にはそれぞれ端部ブロック14が設けられる。端部ブロック14にはそれぞれ 一対の開口15が設けられており、ここに植込ターミナル16が設けられる。植 込ターミナル16は、端部ブロック14の直ぐ隣に装着されるバッテリーターミ ナル電極17に電気的に結合される。植込ターミナルは、電流がバッテリーに入 ったり、バッテリーから出たりするのに都合が良いような装置である。各ターミ ナル電極は、バッテリーの電気化学セルから電流を集めること、及び電気化学セ ルに電流を分配することができる電流コレクタである。図示はされていないが、 ターミナル電極は、各端部ブロック上に、又はその隣に設けられている。 図1に戻り説明すると、陰極液タンク20には陰極液が貯められている。陰極 液ポンプ22は陰極液を、共通陰極液マニフォールド24を介して、図1内に矢 印Aで示すように、各陰極半セルに圧送し、そして、陰極液戻りマニフォールド 26を介して元の陰極液タンク20に戻す。 同様に、陽極液は陽極液タンク30に貯められ、陽極液注入マニフォールド3 2を介して、陽極液ポンプによって圧送される。陽極液は、その一つが各陰極半 セルの間にある各陽極半セルを通して流れ、そして、図1中に矢印Bで示すよう に、陽極液戻りファニフォールド36を通って元の陽極液タンク30に戻る。し たがって、バッテリー10の複数の電気化学セルは、マニファールド24,26 ,32,35を介して、タンク20及び30と液体が流れる関係で結合されるこ とになる。 各電極板及び隔離板は、電極材料及び隔離材料の薄いシートをそれぞれ有する 。 これらのシートは、非導電性流体フレーム内に収容される。非導電性流体フレー ムは、ポリエチレン等の重合体材料から成ることが好ましい。長く且つ曲がった 電解液注入及び出力チャンネルパターンが、少なくとも隔離板フレーム又は電極 板フレームの何れか一方の片側面又は両面が取り入れられる。チャンネルのこの 幾何学的構成が、セルの電力ロスとなる短絡電流を減らすために要求される電気 抵抗をもたらすことに貢献する。漏れの無い内部シールが、チャンネルに沿って 、及び隣り合った隔離板と電極板の共通周囲辺のまわりに施される。 図3の概略図を参照するとより分かり易いように、電荷がバッテリー10を流 れると、陽極半セル110内にある陽極である亜鉛電極板100上に亜鉛がメッ キされることになる。この時同時に、陰極半セル130内にある陰極である臭素 電極板120には臭素が発生する。臭素が発生すると、直ぐに第4級塩と複合し 、バッテリーから陰極液タンク30に除去される。複合臭素である濃い第二の相 は、タンク内で臭素から重力により分離される。通常、放電時、複合臭素である 第二の相はバッテリースタック内に戻され、ここで、臭素は臭素イオンに還元さ れ、亜鉛金属は亜鉛イオンに酸化される。 バッテリーが通常の動作を行っている間(図4参照)は、所定の極性を有して おり、そして、一方の端部ブロック内の植込ターミナルは正電極として動作する と共に、他方の端部ブロック内の植込ターミナルは負電極として動作する。放電 の間は、電荷は、一方の端部ブロックから外部負荷を通って他方の端部ブロック に、即ち正電極から負電極に流れる。バッテリーを充電するには、植込ターミナ ル間に、即ち端部ブロッックから端部ブロックに、電圧が印加される。高電位が 正の植込ターミナルに、そして低電位が負の植込ターミナルに印加されるように 各植込ターミナルに電圧が加えられる。バッテリーの充電はいくつかの要素に依 存するものであると理解すべきである。典型的な亜鉛−臭素バッテリーでは、各 セルは、開放電圧が1.8ボルトとなるように設計されており、そのようなバッ テリーの充電装置は、充電電圧がセル一つにつき約2.1ボルトで制限されるよ うに設計されている。充電は、代表的には交流コンバータを介して得られる直流 電源を用いて行われる。充電中に加えられる、通常は約10〜25アンペアの充 電電流の大小にもよるが、典型的なバッテリーを完全に充電するには約2時間か ら5時間を要する。かなり少ない電流で、且つかなり長い時間を掛けて充電を行 うことが好ましい。充電中は、放電中の電荷の流れとは反対、即ち逆方向に電荷 が流れる。バッテリーの充電及び放電中、電荷が逆方向に流れる間、バッテリー は、所定方向に流れる循環電流を有するものと特徴づけることができる。 陰極板120の表面には炭素被覆が施されるものと理解すべきである。前述し た通り、バッテリー10を含む全てのバッテリーは、反復動作、即ち、充放電が 繰り返されるものである。時間が経過し、数回の使用後は、臭素−臭化物反応が 起こる速度を早めるために陰極板120に施された炭素被覆122は劣化してく る。特に、炭素被覆の活性面が劣化し、炭素被覆は酸化していく。 電極板のpH値を下げ、そしてバッテリー内の電荷の流れ、即ち循環電流の方 向を一回だけ反転させることにより、亜鉛−臭素バッテリーの性能を高めること ができることが分かった。 電極板のpH値は、亜鉛−臭素バッテリーの電極に向かって流れる電解液に臭 化水素酸を加えることによって低くすることができる。電極板のpH値は、約3 .0から約3.5である電極板の通常のpH値を約1.0に下げることが好まし い。好ましくは、臭化水素酸は、pH値が1以下で、濃度が1.49g/mlで ある。バッテリー内の電解液1リットル当たり、2ミリリットルの臭化水素酸を 加えればよい。例えば、電解液の全容量が約100から150リットルである3 3kWhのバッテリーの場合、pH値を適当な値に下げるには、約200から3 00ミリリットルの臭化水素酸が必要である。 バッテリー内を流れる電荷の方向は、バッテリーを反対極性で、即ち通常の極 性を反転させて動作させることにより逆転させることができる。特に、本願発明 による方法は、亜鉛−臭素バッテリーの充放電が多数回行われた後、その極性を 反転させることである。300回も使用したら、亜鉛−臭素バッテリーはそれを “ストリップ”することによる回復処理を必要とする時期になっている。ストリ ップとは、バッテリーの電圧、即ちその中に蓄積されていたエネルギーを取り除 く作業である。通常、亜鉛−臭素バッテリーは1セル当たり1.0ボルトまで放 電される。バッテリーからは次に、その中に残っている全てのエネルギーが除去 される。ストリップは、バッテリーのターミナルに抵抗を電気的に接続すること によって行われる。 バッテリーから全てのエネルギーが除去されると、そのバッテリーは、臭素電 極板120の上、即ち炭素被覆上に亜鉛がメッキされると共に、亜鉛電極板10 0のところに臭素が発生するように充電される。バッテリーは、図5に示すよう な極性となるように充電される。バッテリーは、臭素電極板120上に約45m Ah/cm2の亜鉛負荷が行われるように、約135分間充電が行われる。そし て、バッテリーは適当な負荷に結合され放電される。このとき、バッテリーはス トリップによって全てのエネルギーが除去されても、されなくてもよい。これに より、回復処理は完了する。次に、バッテリーは、亜鉛を亜鉛電極板上にメッキ すると共に臭素電極板上に臭素を放出することにより、再充電が行われ、そして 、次の回復作業が行われるまで使用されることになる。 本願発明は、亜鉛−臭素バッテリーの安全性を試験している間に見い出された 。従来、通常の極性に対して反対の極性でバッテリーを充電することは、バッテ リーに損傷を与えるものと信じられていた。しかしながら、バッテリーの性能が 実際に向上することが分かった。最初の試験は、バッテリーのpH値を下げずに 行われた。したがって、バッテリーの回復は、電解液のpH値を下げないで行っ ても良い。バッテリーの回復は、臭素電極板120上に約5mAh/cm2の亜 鉛負荷が行われるように約20分から30分間バッテリーを反転充電し、そして 次にバッテリーを放電することにより行ってもよいと考えられる。 pH値を下げる過程を含んだ、四つの8セルバッテリーに対して回復処理を行 ったときの結果を表1に示す。 上記表1から分かる通り、バッテリーの放電直後、電流の方向を逆転して短時 間動作させることで、性能の低下したバッテリーのエネルギー効率が向上するこ とが判明した。回復処理をエネルギー効率が最高値から約10%低下する前に実 施することがより効果的であることが分かった。図6から図10は、回復処理が 亜鉛−臭素バッテリーの効率及び寿命をいかに向上させるかを示すものである。 図6は、回復処理の前後における1KWhバッテリーの電圧特性図である。特 に、回復処理の後では、回復処理の前よりも、より高い電圧をより長い時間発生 させることができることが分かる。 勿論、たとえ回復処理が行われても、バッテリーには使用可能な寿命があり、 最終的には適切に動作しなくなる。亜鉛−臭素バッテリーの故障は、通常、分極 が急速に増加することに関係して起こる。亜鉛−臭素バッテリーの分極は、次式 により決まる。 分極=OCV−Vload−I×R 上記式において、Vloadは放電中のバッテリー電圧を、Iは放電電流を、OC Vはバッテリーの開放電圧を、Rはバッテリーの内部抵抗値をそれぞれ表す。 亜鉛−臭素バッテリーの放電中、Vload,I,OCV及びRの測定が約20分 から30分間行われ、上記式を用いて分極が計算される。回復処理により、分極 が大幅に低減すると共に効率が大幅に向上することが分かった。 図7は、1kWhバッテリーのボルタ効率,クーロン効率及びエネルギー効率 のプロット図である。図から、各効率が徐々に低下することが分かる。回復処理 を数回行うことにより、各効率は増加していく。図7は、バッテリーの効率が1 0%以上低下した後に回復処理を行ったときの結果である。図8及び図9を参照 すれば分かる通り、バッテリー効率が10%低下する前に回復処理を行うと、バ ッテリーの性能がより良く改善される。 バッテリーの性能を回復させる本願発明の回復処理の正確なメカニズムが完全 に分かったとは言えないが、回復処理を行うことにより、電極板の表面上の炭素 被覆の有効活性表面領域が増加するか、又は被覆表面から酸素の一部が取り除か れるか、又はその両方が生じているものと考えられる。 回復処理が行われた後、バッテリーは通常の使用に戻される。通常の使用に戻 されたとき、バッテリーのpH値は、たとえそれが回復処理のために下げられた ものであっても、調整はされない。pH値は、通常使用期間の放電中に起こる水 素の発生により通常のレベル値に復帰する。 分極を低減させることに加えて、本願発明に従って行われる電極回復処理は、 亜鉛−臭素バッテリーをストリップすることに代えて使用することもできる。 バッテリーの放電直後に、短い周期で電流の流れる方向を反転して動作させる ことは、バッテリーをストリップすることの必要性を無くすものであることが分 かった。さらに、回復処理がなされたバッテリーのエネルギー効率は、それに続 いて充電され実際に使用されると、約5%向上することが分かった。 最も好ましいと思われる実施例に関して図示し且つ説明してきたが、本願発明 は、その実施例に限定されるものではなく、当業者によって様々な変更又は改変 が可能であると理解すべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,HU,I S,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN, MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,S D,SE,SG,SI,SK,TJ,TM,TR,TT ,UA,UG,UZ,VN (72)発明者 マシューズ,ジョセフ,エフ. アメリカ合衆国,ウィスコンシン州 53211,ショアーウッド,イースト キャ ピタル ドライブ 2121 アパートメント 408 (72)発明者 エイドラー,フィリップス,エイ. アメリカ合衆国,ウィスコンシン州 53150,マスケゴ,コートランド レイン エス74 ダブル13800

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.所定数の電気化学セルと電解液とを含み、所定方向の通常循環電流を有する バッテリーの電気化学活性度を回復するための方法であって、該方法は、 バッテリー内を流れる電流の向きを、バッテリーの通常循環期間に電荷が流 れる方向と反対方向に電荷が流れるように、バッテリー内を流れる電流の向きを 反転させる過程を含むことを特徴とする方法。 2.請求項1記載のバッテリーの電気化学活性度を回復するための方法において 、該方法は更に、バッテリー内を流れる電流の向きを反転させる前に、電解液の pH値を低下させる過程を含むことを特徴とする方法。 3.請求項2記載のバッテリーの電気化学活性度を回復するための方法において 、電解液のpH値が約1.0まで低下させられることを特徴とする方法。 4.所定数の電気化学セルと、電解液を内部に貯めると共に少なくとも一つの前 記電気化学セルに対して液体循環可能関係で結合された少なくとも一つのタンク とを含み、所定方向の通常循環電流を有するバッテリーの電気化学活性度を回復 するための方法であって、該方法は、 電解液のpH値を下げる過程と、 バッテリー内を流れる電流の向きを、バッテリーの通常循環期間に電荷が流 れる方向と反対方向に電荷が流れるように、バッテリー内を流れる電流の向きを 反転させる過程と、を含むことを特徴とする方法。 5.請求項4記載のバッテリーの電気化学活性度を回復するための方法において 、前記タンク内の電解液のpH値が約1.0まで低下させられることを特徴とす る方法。 6.所定数の電気化学セルと、電解液と、前記電気化学セルに電気的に結合され た第1ターミナル電極と、前記電気化学セルに電気的に結合された第2ターミナ ル電極とを含み、所定の極性を持つように充電され、通常循環期間中は電荷が所 定方向に流れるバッテリーの電気化学活性度を回復するための方法であって、該 方法は、 前記バッテリーから殆ど全てのエネルギーを除去する過程と、 前記両ターミナル電極間に、バッテリーが前記循環期間の極性と反対の極性 となるように充電されるように電圧を印加する過程と、を含むことを特徴とする 方法。 7.請求項6記載のバッテリーの電気化学活性度を回復するための方法において 、前記両ターミナル電極間に印加される電圧は、セル一個当たり約2ボルトであ ることを特徴とする方法。 8.請求項7記載のバッテリーの電気化学活性度を回復するための方法において 、前記両ターミナル電極間に印加される電圧は少なくとも約20分であることを 特徴とする方法。 9.所定数の電気化学セルと、電解液と、前記電気化学セルに電気的に結合され た第1ターミナル電極と、前記電気化学セルに電気的に結合された第2ターミナ ル電極とを含み、所定の極性を持つように充電され、通常循環期間中は電荷が所 定方向に流れるバッテリーの電気化学活性度を回復するための方法であって、該 方法は、 前記バッテリーから殆ど全てのエネルギーを除去する過程と、 前記バッテリー内の電解液のpH値を下げる過程と、 前記両ターミナル電極間に、バッテリーが前記循環期間の極性と反対の極性 となるように充電されるように電圧を印加する過程と、 前記バッテリーを放電する過程と、を含むことを特徴とする方法。 10.請求項9記載のバッテリーの電気化学活性度を回復するための方法におい て、前記バッテリー内の電解液のpH値が約1.0まで低下させられることを特 徴とする方法。 11.請求項9記載のバッテリーの電気化学活性度を回復するための方法におい て、前記両ターミナル電極間に印加される電圧は、セル一個当たり約2ボルトで あることを特徴とする方法。 12.請求項11記載のバッテリーの電気化学活性度を回復するための方法にお いて、前記両ターミナル電極間に印加される電圧は、約135分の間印加される ことを特徴とする方法。
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