JPS6155871A - ナトリウム−硫黄電池 - Google Patents

ナトリウム−硫黄電池

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JPS6155871A
JPS6155871A JP59178763A JP17876384A JPS6155871A JP S6155871 A JPS6155871 A JP S6155871A JP 59178763 A JP59178763 A JP 59178763A JP 17876384 A JP17876384 A JP 17876384A JP S6155871 A JPS6155871 A JP S6155871A
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JP
Japan
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anode
active material
sodium
container
battery
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Pending
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JP59178763A
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English (en)
Inventor
Hajime Wada
元 和田
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Hitachi Ltd
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Original Assignee
Tokyo Electric Power Co Inc
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6155871A publication Critical patent/JPS6155871A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H01M10/39Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34 working at high temperature
    • H01M10/3909Sodium-sulfur cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は陽極活物質として硫黄、陰極活物質としてナト
リウム、また電解体としてナトリウムイオンの伝導性を
有する固体電解質を用いるす) IJウムー硫黄電池に
係り、特に小さな固体電解質表面で大きな容量を持つ電
池構造に関する。
〔発明の背景〕
ナトリウム−硫黄電池は、ナトリウムイオンのみを透過
させる固体電解質を介して、一方に陰極活物質である溶
融ナトリウム、他方に陽極活物質である溶融硫黄を配し
、300〜350℃程度の温度で充放電を行なう高温作
Dfb型の二次電池である0充放電に伴う電池反応は、 充電 である。すなわち、放電時にはナトリウムが電子を放出
してナトリウムイオンとなシ、固体電解質隔壁を透過し
て硫黄と反応し、多硫化ナトリウムNJL 2 SXな
る放電生成物を生成する。また充電時には電池開路電圧
よシ大きな逆電圧を印加することにより、前記放電時と
逆の過程をとる。
第3図はす) IJウムー硫黄電池の従来例を示す(E
PRI EM−1341,Development o
f AdvancedBattery for Uti
lity Application (1980)  
よシ引用)。
第3図に於て、袋管状の固体電解質(成る種のセラミッ
クス又はガラス)1の内部にはナトリウム2が満されて
お)、外部には硫黄3が充填されている。硫黄には電子
伝導性がないので、電池反応により生成された多硫化ナ
トリウムイオンに電子を与えて中性化するために陽極領
域内は電子伝導性を持った多孔質物質(例えば炭素繊維
マ) IJワックス4により満たされている。クロマイ
ズド9鋼等よシなる陽極容器5および陰極容器6は活物
質を密封保持し、且つ外部回路と接続する為の電極とし
ても機能している。7および13は、陰極容器および陽
極容器を夫々密封する陰極キャップおよび陽極キャップ
である。ナトリウムリザーバ8は、固体電解質管1が破
壊した際にナトリウムが硫黄と急激に反応する事を抑制
する為の金属細管であシ、その端蓋9の細孔10で固体
電解質管1と連絡し、ナトリウムはリザーバ8と固体電
解質管1との間のクイックを通じて、徐々に固体電解質
管1の表面に供給される。ナ) IJウム注入管11は
電池を組み立てた後にナトリウムを電池内部に注入する
為のものであシ、電池容器の密閉はナトリウムの注入と
、多孔質導電材4に硫黄3を含浸した陽極体の組み入れ
後に溶接やプレスにより行なわれる。αアルミナリング
12は陰極容器6と陽極容器5の絶縁と、固体電解質管
1の保持の為のものである。
このナトリウム−硫黄電池はエネルギー密度が高く、固
体電解質以外の材料が安価であるので低コストの大量生
産が期待できる等の利点があシ、電気自動車用、電力貯
蔵用への応用が可能である。
しかし固体電解質は安価でなく、不純物、特に水を吸収
する事により劣化する為に取シ扱いが難しく、更に機械
的な強度を大きくできる程の厚みを取れない等の問題を
有する。特に、大きな固体電解質の製造は高度の技術を
必要とし、大容量のナトリウム−硫黄電池の製作におい
てのコスト増加につながる。
他方、固体電解質管1の大きさが小さいままで陽極活物
質の量を増やしても、電池反応が固体電解質1表面に集
中し、この部分の多孔質導電物質4の表面が充電時に硫
黄原子を多く含む層で被われる。多孔質導電材4表面の
硫黄濃度がNa2S5,5以上になると、多孔質導電材
と多硫化ナトリウムの間にこの硫黄原子層に起因した大
きな分極抵抗が生ずるようになシ、逆電池反応を抑制し
て充電ができなくなる。すなわち、陽極容器内に再充電
の行なえるNa 2 S xが残っていても、固体電解
質管の表面積が小さい場合には、局部的な充電反応の為
にある程度以上の充電が不可能となる。それ故、陽極活
物質の容器を単に大きくして陽極活物質の量を増やして
も電池の実質容量の増大にならない。
更に、陽極反応部の電気伝導率は低いので、陽極活物質
の量を増やすべくこの部分の厚みを増す事は電池の内部
抵抗の増加につながシ、この部分での抵抗損失が増して
電池全体の実容量の損失となる。以上の理由により、固
体電解質管の大きさを増す事なく陽極活物質の量と増や
しても電池の実容量を増加させる事は困難である。
小さな固体電解質管を用いて、内部抵抗による損失を増
加させる事なくナトリウム硫黄電池の実容量の増大を実
現する為には、充電時に反応生成した硫黄濃度の高い陽
極活物質を取シ除いてやる必要がある。これを行うよう
にした装置に関するものに特開昭52−25229があ
るが、この装置では、硫黄をガス化するので電池容積が
大きくなること、構造が複雑になること等の欠点がある
〔発明の目的〕
本発明の目的は、固体電解質管の大きさを74%さく保
ったt−iで、しかも電池容積を大き、くする事なく、
単純な構造で電池反応領域内の陽極活物質中の硫黄と多
硫化ナトリウムの濃度を適正に保ち、以て電池の実効容
量の大きいナトリウム−硫黄電池を提供するにある。
〔発明の概要〕
本発明によるナトリウム−硫黄電池は、溶融硫黄および
溶融多硫化ナトリウムよシなる陽極活物質が、それを収
容した陽極容器内に形成された循環流路中を熱対流によ
って循環するようにしたことを特徴とするものである。
好ましくは上記循環流路は陽極容器内部に設けられた電
極を兼ねる導電体で形成し、該導電体と固体電解質との
対向する領域に多孔質導電材を充填し、該領域が上記循
環流路の一部をなし、該領域での電池反応に伴う抵抗損
による発熱を陽極活物質を循環させるエネルギーとする
上記発熱のみでは陽極活物質の循環を充分行わ環流路の
一部に内部ヒータを設けるのがよい。
〔発明の実施例〕
第1図は本発明の実施例の断面を図式的に示したもので
ある。各部の詳細構造は第3図と同様であるが、本実施
例のナトリウム−硫黄電池の陽極容器5の内部には第1
図に示すように筒形の内部陽極と、その内部に挿入され
た内部ヒータ15とが付加されている。内部陽極電極1
4は4電体製であって、外部回路に接続する為の電極と
して用いられると共に、陽極容器内の陽極活物質の循環
路を定める為の流路形成体としても併用される。
内部陽極電極14の上下端には図示の如く開放間隙があ
る。
電池反応領域は、固体電解質管1と内部陽極電極14と
の間の図中打点図示した領域Aでちり、この領域Aは炭
素繊維マトリックス等の多孔質導電材4で満たされてお
シ、電池反応はこの領域Aのみで起る。第1図中の円1
6内はこの領域の部分拡大図である。この領域Aは、機
能上、第3図に示した通常のナトリウム−硫黄電池の陽
極容器5内の領域に相当する。
上記の電池反応領域Aにおいては充電時と放電時の双方
で電気抵抗損による発熱が起シ、その部分の陽極活物質
は温度が上昇し、熱膨張して比重が小さくなる。特に放
電時においては硫黄から多硫化ナトリウムに移行する反
応において多硫化ナトリウムのモル当シの体積が硫黄の
それに比して大きい事から電池反応による陽極活物質(
硫黄と多硫化すI−1jウム)の比重の減少が大きい。
電池反応領域A内で以上の如く比重の小さくなりた反応
生成後の多硫化ナトリウムを多く含んだvi極活物質は
、該領域A外の未反応陽極活物質を貯えた領域と内部陽
極電極14内部の領域との間に起る連通管効果により陽
極容器5の上部に移動する。この様に上部に溜った膨張
した陽極活物質は外側冷却気体の自然対流、若しくは強
制対流により冷却されている陽極容器5の壁面にて冷却
される。冷却により体積の収縮した陽極活物質は陽極容
器5と内部陽極電極14との間の空間を重力の方向に下
シ、容器5の底の部分で内部陽極電極14の内側の空間
に入る。この空間では電池反応による発熱により温度が
外側に比して高くなるので該空間内の陽極活物質は熱膨
張にょシ上昇し、再び電池反応領域Aに戻る。第2図は
以上のサイクルを概念的に図示したものである。
以上のサイクルの説明では電池反応領域の発熱のみで対
流を起させる場合と説明したが、陽極反応が進んで電池
の内部抵抗が下った場合には反応領域の発熱量が減少し
、その結果として対流による内部流動が減少する。また
、充電時における多硫化ナトリウムから硫黄へ還元され
る反応の場合には陽極活物質の体積が減少して密度が上
が9、電池の運転電流が小さい場合は発熱による体積の
、膨張が不充分となる。以上のような場合においては対
流力が不足することがら9得るので、第1図中に示され
るような内部ヒータ15が対流循環を助けるために用い
られる。また、よシミ池反応と速めるべくよシ多くの量
の陽極活物質を循環させるために、第1図中の17に示
されるような冷却フィンを陽極容器5の外部に取付けて
もよく、これにより温度勾配をよシ太きくし、循環量を
増やす事ができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば小型の固体電解質を用いた場合でも、電
池反応領域内の陽極活物質中の硫黄と多硫化すl−IJ
ウムの濃度を適正に保って大容量のナトリウム−硫黄電
池を得る事ができる。本発明によるナトリウム−硫黄電
池は固体電解質を小さくできる為に機械的に丈夫であシ
、製造コストも低くなる。寸だ、陽極容器内の電池反応
領域が小さいため、多孔質導電材の占有する体積が小さ
くなシ、実効的な陽極活物質の容積が大きくなるので電
池のエネルギー密度を大きくする事ができる。
さらに、本発明のナトリウム−硫黄電池においては、陽
極活物質の循環は全て液相の状態で行なわれ、先記の特
開昭52−25229の如き気相の硫黄の通路を設ける
必要がないので、電池容積の大盤化を招かずに、簡単な
構造で実容量を大きく取る事ができる。更に電池反応領
域内部の電極活な促進も押えられ、しかも大きな同体電
解質を用いる必要もない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に係るす) IJウムー硫黄電
池を1図式的に示す断面図、第2図は第1図における陽
極容器内部の陽極活物質の流れを概念的に示した図、第
3図は従来技術によるナトリウム−硫黄電池の断面図で
ちる。 1・・・固体電解質管   2・・・ナトリウム3・・
・硫黄       4・・・多孔質導電材5・・・陽
極容器     6・・・陰極容器7・・・陰極キャッ
プ   8・・・ナトリウムリゾ−/−?9・・・端蓋
      10・・・細孔11・・・ナトリウム注入
管 12・・・αアルミナリング13・・・陽極キャッ
プ  14・・・内部陽極電極15・・・ヒータ   
   17・・・放熱フィンA・・・電池反応領域 第1図 第2図 第3図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、陰極活物質として溶融ナトリウム、陽極活物質とし
    て多孔質導電材を浸した溶融硫黄および溶融多硫化ナト
    リウムを用い、これらの間に固体電解質を介在させたナ
    トリウム−硫黄電池において、陽極活物質を収容した陽
    極容器内に形成された循環流路中を陽極活物質が熱対流
    により循環せしめられることを特徴とするナトリウム−
    硫黄電池。 2、上記の循環流路は陽極容器内に配置され且つ外部回
    路と接続された電極を兼ねる導電体により形成され、該
    導電体と前記固体電解質との対向領域が前記循環流路の
    一部をなし、該対向領域に前記多孔質導電材が充填され
    、該対向領域における電池反応に伴う抵抗損による発熱
    を陽極活性物質の前記熱対流のためのエネルギーとした
    特許請求の範囲第1項記載のナトリウム−硫黄電池。 3、上記発熱の他に、更に前記循環流路の一部に設けた
    内部ヒータによる発熱を陽極活性物質の熱対流のための
    エネルギーとした特許請求の範囲第2項記載のナトリウ
    ム−硫黄電池。 4、陽極活物質の循環を促進させるための放熱フィンを
    陽極容器の外側に取付けた特許請求の範囲第1項ないし
    第3項のいずれかに記載のナトリウム−硫黄電池。
JP59178763A 1984-08-28 1984-08-28 ナトリウム−硫黄電池 Pending JPS6155871A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01146462U (ja) * 1988-03-31 1989-10-09
JPH01161562U (ja) * 1988-04-30 1989-11-09
JPH055291U (ja) * 1991-07-10 1993-01-26 株式会社アマダ 竪型自動溶接機のワーククランプ装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH01146462U (ja) * 1988-03-31 1989-10-09
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