JP7207130B2 - flow battery - Google Patents
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Description
本開示は、フロー電池に関する。 The present disclosure relates to flow batteries.
電解液を循環させて充放電を行うフロー電池が知られている。フロー電池は、低コスト、安全、長寿命といった多くのメリットがある。例えば特許文献1、2には、メディエータとして、ポリオキソメタレートを用いたフロー電池が開示されている。
A flow battery that charges and discharges by circulating an electrolytic solution is known. Flow batteries have many advantages such as low cost, safety, and long life. For example,
例えば、正極側のメディエータとしてポリオキソメタレートを用いた場合、正極固体活物質の酸化還元電位が高いと、充放電できない場合がある。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、正極固体活物質の酸化還元電位が高い場合であっても、充放電可能なフロー電池を提供することを主目的とする。 For example, when polyoxometalate is used as a mediator on the positive electrode side, charging and discharging may not be possible if the redox potential of the positive electrode solid active material is high. The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and a main object thereof is to provide a flow battery that can be charged and discharged even when the oxidation-reduction potential of the positive electrode solid active material is high.
上記課題を解決するために、本開示においては、正極と、負極と、セパレータと、を有するフロー電池であって、上記正極が、Na元素を含有する正極固体活物質と、正極メディエータを含有する電解液と、を有し、上記正極固体活物質の酸化還元電位が、0.35V(vs. Ag/AgCl)以上であり、上記電解液が、上記正極メディエータとして、上記正極固体活物質の酸化還元電位よりも高い酸化還元電位を有する第一のメディエータと、上記正極固体活物質の酸化還元電位よりも低い酸化還元電位を有する第二のメディエータと、を含有する、フロー電池を提供する。 In order to solve the above problems, the present disclosure provides a flow battery having a positive electrode, a negative electrode, and a separator, wherein the positive electrode contains a positive electrode solid active material containing Na element and a positive electrode mediator. and an electrolyte, wherein the positive electrode solid active material has an oxidation-reduction potential of 0.35 V (vs. Ag/AgCl) or more, and the electrolyte acts as the positive electrode mediator to oxidize the positive electrode solid active material. A flow battery containing a first mediator having a redox potential higher than the redox potential and a second mediator having a redox potential lower than the redox potential of the positive electrode solid active material is provided.
本開示によれば、正極メディエータとして、第一のメディエータおよび第二のメディエータを組み合わせて用いることにより、正極固体活物質の酸化還元電位が高い場合であっても、充放電可能なフロー電池とすることができる。 According to the present disclosure, by using a combination of a first mediator and a second mediator as positive mediators, a flow battery that can be charged and discharged even when the positive electrode solid active material has a high oxidation-reduction potential is provided. be able to.
本開示においては、正極固体活物質の酸化還元電位が高い場合であっても、充放電可能なフロー電池とすることができるという効果を奏する。 In the present disclosure, even when the oxidation-reduction potential of the positive electrode solid active material is high, there is an effect that a chargeable/dischargeable flow battery can be provided.
以下、本開示におけるフロー電池について、詳細に説明する。 The flow battery in the present disclosure will be described in detail below.
図1は、本開示におけるフロー電池を例示する模式図である。図1に示されるフロー電池100は、ケース40と、ケース40の内部を正極室11と負極室21とに分離するセパレータ30と、を有する。正極室11には、正極集電体12および正極拡散層13が配置されている。また、負極室21には、負極集電体22および負極拡散層23が配置されている。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a flow battery in the present disclosure. The
また、正極室11と正極リザーバ容器14との間には循環経路18が備えられ、この循環経路18の途中に循環ポンプ19が取り付けられている。一方、負極室21と負極リザーバ容器24との間には循環経路28が備えられ、この循環経路28の途中に循環ポンプ29が取り付けられている。
A
また、正極リザーバ容器14の内部に、Na元素を含有する正極固体活物質15と、正極メディエータを含有する電解液16とが貯留しており、フィルタ17によって正極固体活物質15の流出を防止している。一方、負極リザーバ容器24の内部に、負極固体活物質25と、負極メディエータを含有する電解液26とが貯留しており、フィルタ27によって負極固体活物質25の流出を防止している。
In addition, a positive electrode solid
本開示においては、正極固体活物質15の酸化還元電位が高いことを特徴とする。また、電解液16が、正極メディエータとして、正極固体活物質15の酸化還元電位よりも高い酸化還元電位を有する第一のメディエータと、正極固体活物質15の酸化還元電位よりも低い酸化還元電位を有する第二のメディエータと、を含有することを特徴とする。
The present disclosure is characterized in that the positive electrode solid
本開示によれば、正極メディエータとして、第一のメディエータおよび第二のメディエータを組み合わせて用いることにより、正極固体活物質の酸化還元電位が高い場合であっても、充放電可能なフロー電池とすることができる。 According to the present disclosure, by using a combination of a first mediator and a second mediator as positive mediators, a flow battery that can be charged and discharged even when the positive electrode solid active material has a high oxidation-reduction potential is provided. be able to.
従来、フロー電池(レドックスフロー電池)の正極固体活物質として、リン酸鉄リチウム等の比較的低電位な材料(例えば、0.30V vs. Ag/AgCl以下の材料)が用いられてきた。これに対して、エネルギー密度向上の観点では、リン酸バナジウム酸ナトリウム、プルシアンブルー類似体等の比較的高電位な材料(例えば、0.35V vs. Ag/AgCl以上)の材料が好ましい。ここで、特許文献1には、正極メディエータとして、ポリオキソメタレートが開示されている。しかしながら、ポリオキソメタレートと、比較的高電位な材料とを組み合せて用いると、充電時にポリオキソメタレートの電位を、正極固体活物質の電位よりも高くすることができないため、充電が困難になる。
Conventionally, a relatively low-potential material such as lithium iron phosphate (for example, a material of 0.30 V vs. Ag/AgCl or less) has been used as a positive electrode solid active material for a flow battery (redox flow battery). On the other hand, from the viewpoint of improving the energy density, materials with relatively high potential (for example, 0.35 V vs. Ag/AgCl or higher) such as sodium vanadate phosphate and Prussian blue analogues are preferable. Here,
より具体的には、充電時において、正極メディエータの電位が正極固体活物質の電位よりも高いと、正極メディエータから正極固体活物質へ電子が流れ始める。逆に、放電時において、正極メディエータの電位が正極固体活物質の電位よりも低いと、正極固体活物質から正極メディエータへ電子が流れ始める。特許文献1に記載されたポリオキソメタレート(例えば、ケイバナドモリブデン酸、リンバナドモリブデン酸、ケイタングステン酸等)は、0.35V以上に酸化還元電位を有しないため、酸化還元電位が0.35V以上である正極固体活物質と組み合せて用いると、充電が困難になる。これに対して、本開示においては、正極固体活物質の酸化還元電位よりも高い酸化還元電位を有する第一のメディエータを用いることにより、正極固体活物質の酸化還元電位が高い場合であっても、充電が可能となる。さらに、正極固体活物質の酸化還元電位よりも低い酸化還元電位を有する第二のメディエータを用いることにより、放電が可能となる。
More specifically, when the potential of the positive electrode mediator is higher than the potential of the positive electrode solid active material during charging, electrons start to flow from the positive electrode mediator to the positive electrode solid active material. Conversely, when the potential of the positive electrode mediator is lower than the potential of the positive electrode solid active material during discharge, electrons start to flow from the positive electrode solid active material to the positive electrode mediator. The polyoxometalates (for example, silvanadomolybdic acid, phosphovanadomolybdic acid, silicotungstic acid, etc.) described in
1.正極
本開示における正極は、Na元素を含有する正極固体活物質と、正極メディエータを含有する電解液と、を有する。また、正極は、通常、正極集電体を有する。正極の構造は、電解液が循環可能であり、かつ、セパレータを介して負極とイオンの受授が可能な構造であれば特に限定されない。
1. Positive Electrode The positive electrode in the present disclosure has a positive electrode solid active material containing Na element and an electrolytic solution containing a positive electrode mediator. Also, the positive electrode usually has a positive electrode current collector. The structure of the positive electrode is not particularly limited as long as the electrolyte can be circulated and ions can be exchanged with the negative electrode through the separator.
(1)正極固体活物質
本開示における正極固体活物質は、Na元素を含有する。Naイオンは、セパレータを介して正極および負極の間を移動する。
(1) Positive electrode solid active material The positive electrode solid active material in the present disclosure contains Na element. Na ions migrate between the positive and negative electrodes through the separator.
正極固体活物質の酸化還元電位は、通常、0.35V(vs. Ag/AgCl)以上であり、0.37V(vs. Ag/AgCl)以上であってもよく、0.39V(vs. Ag/AgCl)以上であってもよく、0.41V(vs. Ag/AgCl)以上であってもよい。正極固体活物質の酸化還元電位は、例えば、サイクリックボルタンメトリ(CV)法による測定で求めることができる。 The redox potential of the positive electrode solid active material is usually 0.35 V (vs. Ag/AgCl) or higher, may be 0.37 V (vs. Ag/AgCl) or higher, and may be 0.39 V (vs. Ag /AgCl) or more, or 0.41 V (vs. Ag/AgCl) or more. The oxidation-reduction potential of the positive electrode solid active material can be obtained, for example, by measurement by a cyclic voltammetry (CV) method.
正極固体活物質の一例としては、リン酸バナジウム酸ナトリウム(Na3V2(PO4)3)が挙げられる。また、正極固体活物質の他の例としては、一般式Na2[M(CN)6]で表されるプルシアンブルー類似体が挙げられる。Mは、Fe、Ni、Cu、Co、Mnの少なくとも一種の元素であることが好ましい。中でも、Mは、少なくともFeを含有することが好ましい。また、Mは、価数の異なる同一元素(例えばFe)を含有していてもよい。 An example of the positive electrode solid active material is sodium vanadate phosphate (Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 ). Another example of the positive electrode solid active material is a Prussian blue analog represented by the general formula Na 2 [M(CN) 6 ]. M is preferably at least one element selected from Fe, Ni, Cu, Co, and Mn. Among them, M preferably contains at least Fe. Moreover, M may contain the same element (for example, Fe) having different valences.
正極固体活物質の形状としては、例えば、粒子状、繊維状、シート状、多孔質状が挙げられる。正極固体活物質の形状が粒子状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば100μm以上10mm以下である。また、正極固体活物質の表面は、カーボン被覆されていてもよい。カーボン被覆によって、正極固体活物質の成分が電解液に溶解することを防止できる。カーボン被覆の形成方法としては、例えば、正極固体活物質の表面を炭素源となる物質で被覆し、その後、不活性雰囲気下で焼成する方法が挙げられる。 Examples of the shape of the positive electrode solid active material include particulate, fibrous, sheet, and porous. When the shape of the positive electrode solid active material is particulate, the average particle diameter (D 50 ) is, for example, 100 μm or more and 10 mm or less. Moreover, the surface of the positive electrode solid active material may be coated with carbon. The carbon coating can prevent the components of the positive electrode solid active material from dissolving in the electrolytic solution. As a method for forming the carbon coating, for example, there is a method of coating the surface of the positive electrode solid active material with a substance that serves as a carbon source and then firing it in an inert atmosphere.
正極は、正極固体活物質と接触する導電材を有していてもよい。導電材としては、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)、人造黒鉛等の黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(例えば銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金)が挙げられる。 The positive electrode may have a conductive material in contact with the positive electrode solid active material. Conductive materials include, for example, natural graphite (flaky graphite, flake graphite), graphite such as artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whiskers, needle coke, carbon fiber, metals (e.g., copper, nickel, aluminum, silver, and gold).
正極固体活物質および導電材は常に接触していてもよく、常に接触していなくてもよい。前者の場合、正極固体活物質および導電材は、バインダーにより結着していることが好ましい。バインダーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)が挙げられる。一方、後者の場合、電解液が循環するときに、正極固体活物質および導電材が接触してもよい。また、正極は導電材を有していなくてもよい。 The positive electrode solid active material and the conductive material may or may not always be in contact. In the former case, the positive electrode solid active material and the conductive material are preferably bound by a binder. Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resins such as fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), and sulfonated EPDM. , natural butyl rubber (NBR), styrene-butadiene rubber (SBR), and polyacrylonitrile (PAN). On the other hand, in the latter case, the positive electrode solid active material and the conductive material may come into contact when the electrolyte is circulated. Moreover, the positive electrode does not have to have a conductive material.
(2)電解液
正極における電解液は、正極メディエータを含有する。また、電解液は、通常、溶媒を含有し、さらに支持塩を含有していてもよい。
(2) Electrolyte The electrolyte in the positive electrode contains a positive mediator. Moreover, the electrolytic solution usually contains a solvent and may further contain a supporting electrolyte.
電解液は、正極メディエータとして、正極固体活物質の酸化還元電位よりも高い酸化還元電位を有する第一のメディエータを有する。第一のメディエータの酸化還元電位と、正極固体活物質の酸化還元電位との差は、例えば0.05V(vs. Ag/AgCl)以上であり、0.1V(vs. Ag/AgCl)以上であってもよく、0.3V(vs. Ag/AgCl)以上であってもよい。 The electrolytic solution has, as a positive electrode mediator, a first mediator having an oxidation-reduction potential higher than that of the positive electrode solid active material. The difference between the oxidation-reduction potential of the first mediator and the oxidation-reduction potential of the positive electrode solid active material is, for example, 0.05 V (vs. Ag/AgCl) or more, and 0.1 V (vs. Ag/AgCl) or more. It may be 0.3 V (vs. Ag/AgCl) or more.
第一のメディエータとしては、例えば、ヒドロキノンスルホン酸塩が挙げられる。ヒドロキノンスルホン酸塩としては、例えば、ヒドロキノンスルホン酸ナトリウム、ヒドロキノンスルホン酸カリウム、ヒドロキノンスルホン酸リチウムが挙げられ、中でも、ヒドロキノンスルホン酸ナトリウムが好ましい。 First mediators include, for example, hydroquinone sulfonate. Examples of hydroquinonesulfonates include sodium hydroquinonesulfonate, potassium hydroquinonesulfonate, and lithium hydroquinonesulfonate, with sodium hydroquinonesulfonate being preferred.
電解液における第一のメディエータの濃度は、例えば0.1重量%以上であり、1重量%以上であってもよく、3重量%以上であってもよい。一方、電解液における第一のメディエータの濃度は、例えば15重量%以下であり、10重量%以下であってもよく、7重量%以下であってもよい。 The concentration of the first mediator in the electrolytic solution is, for example, 0.1% by weight or more, may be 1% by weight or more, or may be 3% by weight or more. On the other hand, the concentration of the first mediator in the electrolytic solution is, for example, 15% by weight or less, may be 10% by weight or less, or may be 7% by weight or less.
電解液は、正極メディエータとして、正極固体活物質の酸化還元電位よりも低い酸化還元電位を有する第二のメディエータを有する。正極固体活物質の酸化還元電位と、第二のメディエータの酸化還元電位との差は、例えば0.05V(vs. Ag/AgCl)以上であり、0.1V(vs. Ag/AgCl)以上であってもよく、0.3V(vs. Ag/AgCl)以上であってもよい。 The electrolytic solution has, as a positive electrode mediator, a second mediator having a redox potential lower than that of the positive electrode solid active material. The difference between the oxidation-reduction potential of the positive electrode solid active material and the oxidation-reduction potential of the second mediator is, for example, 0.05 V (vs. Ag/AgCl) or more, and 0.1 V (vs. Ag/AgCl) or more. It may be 0.3 V (vs. Ag/AgCl) or more.
第二のメディエータは、分子量が大きいことが好ましい。第二のメディエータの分子量は、例えば1000以上である。また、第二のメディエータは、ポリオキソメタレート(ポリ酸)であることが好ましい。ポリオキソメタレートは、イソポリ酸であってもよく、ヘテロポリ酸であってもよいが、後者が好ましい。ヘテロポリ酸としては、例えば、ケイバナドモリブデン酸(H4+x[SiVxMo12-xO40](0≦x≦4))、リンバナドモリブデン酸(H3+x[PVxMo12-xO40](0≦x≦4))、ケイタングステン酸(H4[SiW12O40])が挙げられる。ケイバナドモリブデン酸およびリンバナドモリブデン酸における上記xは、1.5以上3.5以下であることが好ましい。 The second mediator preferably has a high molecular weight. The molecular weight of the second mediator is, for example, 1000 or more. Also, the second mediator is preferably a polyoxometalate (polyacid). Polyoxometalates may be isopolyacids or heteropolyacids, the latter being preferred. Heteropolyacids include silvanadomolybdic acid (H 4+x [SiV x Mo 12-x O 40 ] (0≦x≦4)) and phosphovanadomolybdic acid (H 3+x [PV x Mo 12-x O 40 ]). (0≦x≦4)) and silicotungstic acid (H 4 [SiW 12 O 40 ]). The above x in silvanadomolybdic acid and phosphovanadomolybdic acid is preferably 1.5 or more and 3.5 or less.
電解液における第二のメディエータの濃度は、例えば0.1重量%以上であり、1重量%以上であってもよく、3重量%以上であってもよい。一方、電解液における第二のメディエータの濃度は、例えば15重量%以下であり、10重量%以下であってもよく、7重量%以下であってもよい。 The concentration of the second mediator in the electrolytic solution is, for example, 0.1% by weight or more, may be 1% by weight or more, or may be 3% by weight or more. On the other hand, the concentration of the second mediator in the electrolytic solution is, for example, 15% by weight or less, may be 10% by weight or less, or may be 7% by weight or less.
電解液に含まれる溶媒は、水であってもよく、非水溶媒であってもよい。また、支持塩は、通常、Na塩である。Na塩は、有機塩であってもよく、無機塩であってもよい。Na塩の具体例としては、硫酸ナトリウムが挙げられる。 The solvent contained in the electrolytic solution may be water or a non-aqueous solvent. Also, the supporting salt is usually a Na salt. The Na salt may be an organic salt or an inorganic salt. Specific examples of Na salts include sodium sulfate.
(3)正極集電体
正極集電体としては、例えば、カーボンペーパー、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、白金、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスが挙げられる。正極集電体の形状として、例えば、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチまたはエキスパンドされた形状、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体が挙げられる。正極集電体の形状は、例えば500μm以上1cm以下である。なお、フロー電池の分野において、集電体は電極と称されることがある。
(3) Positive Electrode Current Collector Examples of the positive electrode current collector include carbon paper, aluminum, copper, titanium, stainless steel, nickel, iron, platinum, baked carbon, conductive polymer, and conductive glass. Examples of the shape of the positive electrode current collector include foil-like, film-like, sheet-like, net-like, punched or expanded shapes, laths, porous bodies, foams, and fibers formed. The shape of the positive electrode current collector is, for example, 500 μm or more and 1 cm or less. In the field of flow batteries, current collectors are sometimes referred to as electrodes.
また、正極集電体およびセパレータの間に、正極拡散層が配置されていてもよい。正極拡散層を設けることで、電池反応がスムーズに進行する。正極拡散層としては、例えばカーボンフェルトが挙げられる。 A positive electrode diffusion layer may be arranged between the positive electrode current collector and the separator. By providing the positive electrode diffusion layer, the battery reaction proceeds smoothly. Examples of the positive electrode diffusion layer include carbon felt.
(4)正極
正極においては、正極メディエータを含有する電解液を循環させる。例えば図1に示すように、正極固体活物質を循環させずに電解液を循環させることで、反応場と、エネルギー貯蔵場とを分離することができる。これにより、発電要素の小型化と、高容量化とを両立することができる。一方、図示しないが、電解液とともに、正極固体活物質を循環させてもよい。
(4) Positive Electrode In the positive electrode, an electrolytic solution containing a positive mediator is circulated. For example, as shown in FIG. 1, the reaction field and the energy storage field can be separated by circulating the electrolytic solution without circulating the positive electrode solid active material. As a result, it is possible to achieve both miniaturization and high capacity of the power generation element. On the other hand, although not shown, the positive electrode solid active material may be circulated together with the electrolyte.
2.負極
本開示における負極は、特に限定されないが、負極固体活物質と、負極メディエータを含有する電解液と、を有することが好ましい。また、負極は、通常、負極集電体を有する。負極の構造は、電解液が循環可能であり、かつ、セパレータを介して正極とイオンの受授が可能な構造であれば特に限定されない。
2. Negative Electrode The negative electrode in the present disclosure is not particularly limited, but preferably has a negative electrode solid active material and an electrolytic solution containing a negative electrode mediator. Moreover, the negative electrode usually has a negative electrode current collector. The structure of the negative electrode is not particularly limited as long as the electrolyte can be circulated and ions can be exchanged with the positive electrode through the separator.
負極固体活物質は、正極固体活物質よりも酸化還元電位が低い材料である。負極固体活物質は、Na元素を含有していてもよく、含有していなくてもよい。負極固体活物質としては、例えば、リン酸チタンナトリウム(NaTi2(PO4)3)、ピロリン酸チタン(TiP2O7)が挙げられる。また、負極固体活物質および導電材は常に接触していてもよく、常に接触していなくてもよい。前者の場合、負極固体活物質および導電材は、バインダーにより結着していることが好ましい。 The negative electrode solid active material is a material having a lower oxidation-reduction potential than the positive electrode solid active material. The negative electrode solid active material may or may not contain Na element. Examples of negative electrode solid active materials include sodium titanium phosphate (NaTi 2 (PO 4 ) 3 ) and titanium pyrophosphate (TiP 2 O 7 ). Also, the negative electrode solid active material and the conductive material may or may not always be in contact. In the former case, the negative electrode solid active material and the conductive material are preferably bound together by a binder.
負極における電解液は、負極メディエータを含有する。また、電解液は、通常、溶媒を含有し、さらに支持塩を含有していてもよい。負極メディエータとしては、公知のメディエータを用いることができる。負極メディエータとして、上述した第二のメディエータを用いてもよい。また、溶媒および支持塩については、上述した負極における溶媒および支持塩と同様である。また、負極集電体および負極拡散層についても、上述した正極集電体および正極拡散層と同様であるので、ここでの説明は省略する。 The electrolyte in the negative electrode contains a negative mediator. Moreover, the electrolytic solution usually contains a solvent and may further contain a supporting salt. A known mediator can be used as the negative mediator. The second mediator described above may be used as the negative mediator. Further, the solvent and the supporting salt are the same as the solvent and the supporting salt for the negative electrode described above. Also, the negative electrode current collector and the negative electrode diffusion layer are the same as the positive electrode current collector and the positive electrode diffusion layer described above, so descriptions thereof will be omitted here.
負極においては、電解液を循環させる。例えば図1に示すように、負極固体活物質を循環させずに電解液を循環させることで、反応場と、エネルギー貯蔵場とを分離することができる。これにより、発電要素の小型化と、高容量化とを両立することができる。一方、図示しないが、電解液とともに、負極固体活物質を循環させてもよい。 At the negative electrode, the electrolytic solution is circulated. For example, as shown in FIG. 1, the reaction field and the energy storage field can be separated by circulating the electrolytic solution without circulating the negative electrode solid active material. As a result, it is possible to achieve both miniaturization and high capacity of the power generation element. On the other hand, although not shown, the negative electrode solid active material may be circulated together with the electrolyte.
3.セパレータ
本開示におけるセパレータは、イオン透過能を有し、かつ、正極成分および負極成分が混じり合うことを防止する機能を有する。セパレータとしては、例えば、イオンを伝導可能なイオン伝導性高分子膜(イオン交換膜)、イオン伝導性固体電解質膜、ゲル膜、微多孔膜が挙げられる。イオン伝導性高分子膜としては、例えば、疎水性テトラフルオロエチレン骨格とスルホン酸基とを有するパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボン材料(テトラフルオロエチレン-パーフルオロビニル共重合体)が挙げられる。また、イオン伝導性固体電解質膜としては、例えば、カチオン伝導性ガラス(酸化物系ガラス)が挙げられる。
3. Separator The separator in the present disclosure has ion permeability and has the function of preventing mixing of the positive electrode component and the negative electrode component. Examples of separators include ion conductive polymer membranes (ion exchange membranes) capable of conducting ions, ion conductive solid electrolyte membranes, gel membranes, and microporous membranes. Examples of ion conductive polymer membranes include perfluorocarbon materials (tetrafluoroethylene-perfluorovinyl copolymers) composed of perfluoro side chains having a hydrophobic tetrafluoroethylene skeleton and sulfonic acid groups. . Examples of the ion conductive solid electrolyte membrane include cation conductive glass (oxide glass).
4.フロー電池
本開示におけるフロー電池は、上述した正極、負極およびセパレータを有する。フロー電池は、さらに、電流測定部、電圧測定部、抵抗測定部、温度測定部、放電制御部、充電制御部等の機能部をさらに有していてもよい。また、フロー電池の用途は、特に限定されないが、例えば、蓄電池の充電用途が挙げられる。フロー電池に蓄電池を接続することで、容易に蓄電池を充電することができる。また、蓄電池としては、例えば、車載用蓄電池が挙げられる。
4. Flow Battery A flow battery in the present disclosure has a positive electrode, a negative electrode and a separator as described above. The flow battery may further have functional units such as a current measuring unit, a voltage measuring unit, a resistance measuring unit, a temperature measuring unit, a discharge control unit, and a charge control unit. In addition, although the use of the flow battery is not particularly limited, for example, it can be used for charging a storage battery. By connecting the storage battery to the flow battery, the storage battery can be easily charged. Moreover, as a storage battery, a vehicle-mounted storage battery is mentioned, for example.
本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。 The present disclosure is not limited to the above embodiments. The above embodiment is an example, and any device that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present disclosure and produces the same effect is the present invention. It is included in the technical scope of the disclosure.
[実施例1]
(正極材料の作製)
硫酸ナトリウム(Na2SO4、WAKO製)を水に溶解させ、濃度0.5Mの水溶液を得た。次に、正極メディエータとして、ヒドロキノンスルホン酸ナトリウム(WAKO製)、および、ケイバナドモリブデン酸(H6SiV2Mo10O40、日本無機化学製)を準備し、これらを、それぞれ4重量%および6重量%の割合で上記水溶液に溶解させた。これにより、正極メディエータを含有する電解液を得た。
[Example 1]
(Preparation of positive electrode material)
Sodium sulfate (Na 2 SO 4 , manufactured by WAKO) was dissolved in water to obtain an aqueous solution with a concentration of 0.5M. Next, sodium hydroquinone sulfonate (manufactured by WAKO) and silicovanadomolybdic acid (H 6 SiV 2 Mo 10 O 40 , manufactured by Nippon Inorganic Chemical Co., Ltd.) were prepared as positive electrode mediators at 4% by weight and 6% by weight, respectively. It was dissolved in the above aqueous solution at a weight percent ratio. As a result, an electrolytic solution containing a positive mediator was obtained.
また、正極固体活物質としてプルシアンブルー類似体(Na2[(Ni、Fe)(CN)6])、導電材としてケッチェンブラック(ECP600JD、ライオンスペシャリティケミカル製)、バインダーとしてPTFE(ポリフロンPTFE-F、F-104、ダイキン工業製)を準備した。正極固体活物質:導電材:バインダー=85:10:5の重量比で秤量し、乳鉢で混合し、成形することで、正極合材を得た。 In addition, a Prussian blue analog (Na 2 [(Ni, Fe) (CN) 6 ]) as a positive electrode solid active material, Ketjen Black (ECP600JD, manufactured by Lion Specialty Chemical) as a conductive material, PTFE (Polyflon PTFE-F) as a binder , F-104, manufactured by Daikin Industries) was prepared. A positive electrode mixture was obtained by weighing at a weight ratio of positive electrode solid active material:conductive material:binder=85:10:5, mixing in a mortar, and molding.
(負極材料の作製)
硫酸ナトリウム(Na2SO4、WAKO製)を水に溶解させ、濃度0.5Mの水溶液を得た。次に、負極メディエータとして、1,3-ジアミノ-2-ヒドロキシプロパン-N,N,N’,N’四酢酸(アルドリッチ製)、および、カテコール-3,5-ジスルホン酸二ナトリウム(タイロン、東京化成製)を準備し、これらを、それぞれ1Mおよび1Mの割合で上記水溶液に溶解させた。これにより、負極メディエータを含有する電解液を得た。
(Preparation of negative electrode material)
Sodium sulfate (Na 2 SO 4 , manufactured by WAKO) was dissolved in water to obtain an aqueous solution with a concentration of 0.5M. Next, as negative mediators, 1,3-diamino-2-hydroxypropane-N,N,N',N'tetraacetic acid (manufactured by Aldrich) and disodium catechol-3,5-disulfonate (Tyrone, Tokyo Kasei Co., Ltd.) were prepared and dissolved in the above aqueous solution at a ratio of 1M and 1M, respectively. As a result, an electrolytic solution containing a negative electrode mediator was obtained.
また、負極固体活物質としてNaTi2(PO4)3、導電材としてケッチェンブラック(ECP600JD、ライオンスペシャリティケミカル製)、バインダーとしてPTFE(ポリフロンPTFE-F、F-104、ダイキン工業製)を準備した。負極固体活物質:導電材:バインダー=85:10:5の重量比で秤量し、乳鉢で混合し、成形することで、負極合材を得た。 Also prepared were NaTi 2 (PO 4 ) 3 as a negative electrode solid active material, Ketjenblack (ECP600JD, manufactured by Lion Specialty Chemical) as a conductive material, and PTFE (Polyflon PTFE-F, F-104, manufactured by Daikin Industries) as a binder. . A negative electrode mixture was obtained by weighing at a weight ratio of negative electrode solid active material: conductive material: binder = 85:10:5, mixing in a mortar, and molding.
(フロー電池の作製)
図1に示すフロー電池を作製した。セパレータには、Nafion324(アルドリッチ製)を用いた。また、正極拡散層および負極拡散層として、カーボンフェルト(日本カーボン製)を用いた。また、正極集電体および負極集電体として、Ti金属(ニイガタ製)を用いた。また、正極固体活物質および負極固体活物質を貯蔵するリザーバ容器として、ルアーチップシリンジ(大阪ケミカル製)を用いた。また、固体活物質を補足するフィルタとして、Quartz Wool(東ソー製)を用いた。また、循環経路には、シリコンチューブを用い、送液ポンプには、マスターフレックス(ヤマト科学製)を用いた。これらを用いて、フロー電池を作製した。
(Preparation of flow battery)
A flow battery shown in FIG. 1 was fabricated. Nafion 324 (manufactured by Aldrich) was used as a separator. Carbon felt (manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.) was used as the positive electrode diffusion layer and the negative electrode diffusion layer. Ti metal (manufactured by Niigata) was used as the positive electrode current collector and the negative electrode current collector. Luer tip syringes (manufactured by Osaka Chemical Co., Ltd.) were used as reservoir containers for storing the positive electrode solid active material and the negative electrode solid active material. Quartz Wool (manufactured by Tosoh Corporation) was used as a filter for supplementing the solid active material. A silicon tube was used for the circulation path, and Masterflex (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) was used for the liquid feed pump. Using these, a flow battery was produced.
[実施例2]
正極メディエータとして、ヒドロキノンスルホン酸ナトリウムの代わりに、ヒドロキノンスルホン酸カリウムを用いたこと以外は、実施例1と同様にしてフロー電池を作製した。
[Example 2]
A flow battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that potassium hydroquinonesulfonate was used as the positive mediator instead of sodium hydroquinonesulfonate.
[実施例3]
正極メディエータとして、ヒドロキノンスルホン酸ナトリウムの代わりに、ヒドロキノンスルホン酸リチウムを用いたこと以外は、実施例1と同様にしてフロー電池を作製した。
[Example 3]
A flow battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that lithium hydroquinone sulfonate was used as the positive mediator instead of sodium hydroquinone sulfonate.
[比較例1]
正極メディエータとしてヒドロキノンスルホン酸ナトリウムを用いず、ケイバナドモリブデン酸(H6SiV2Mo10O40、日本無機化学製)の割合を10重量%に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフロー電池を作製した。
[Comparative Example 1]
In the same manner as in Example 1, except that sodium hydroquinone sulfonate was not used as the positive mediator and the proportion of silicovanadomolybdic acid (H 6 SiV 2 Mo 10 O 40 , manufactured by Nippon Inorganic Chemical Co., Ltd.) was changed to 10% by weight. A flow battery was fabricated.
[評価]
(酸化還元電位測定)
実施例1における正極固体活物質および正極メディエータに対して酸化還元電位測定を行った。測定は、サイクリックボルタンメトリ(CV)により行った。正極固体活物質の測定では、Ti電極の先端に正極固体活物質を0.1g押し固めて付けて作用極とし、Ti電極の先端に負極固体活物質を0.1g押し固めて付けて対極とし、飽和KClのAg/AgCl電極を参照極とし、Na2SO4水溶液中、窒素雰囲気下、掃引速度5mV/secの条件で測定を行った。一方、正極メディエータの測定では、正極メディエータをNa2SO4水溶液中に溶解させ、グラッシーカーボン電極を作用極とし、白金ワイヤを対極とし、飽和KClのAg/AgCl電極を参照極とし、窒素雰囲気下、掃引速度20mV/secの条件で測定を行った。酸化還元電位は、酸化側ピークカーブから還元側ピークカーブに変わる、傾きがゼロになった点とした。
[evaluation]
(Oxidation-reduction potential measurement)
The positive electrode solid active material and the positive electrode mediator in Example 1 were subjected to oxidation-reduction potential measurement. Measurements were made by cyclic voltammetry (CV). In the measurement of the positive electrode solid active material, 0.1 g of the positive electrode solid active material was pressed and hardened to the tip of the Ti electrode as a working electrode, and 0.1 g of the negative electrode solid active material was pressed and hardened to the tip of the Ti electrode to serve as the counter electrode. , and a saturated KCl Ag/ AgCl electrode as a reference electrode. On the other hand, in the measurement of the positive mediator, the positive mediator was dissolved in an aqueous Na 2 SO 4 solution, a glassy carbon electrode was used as the working electrode, a platinum wire was used as the counter electrode, and a saturated KCl Ag/AgCl electrode was used as the reference electrode. , and a sweep rate of 20 mV/sec. The oxidation-reduction potential was defined as the point at which the slope of the peak curve on the oxidation side changed to the peak curve on the reduction side and became zero.
その結果を図2に示す。図2に示すように、正極固体活物質(Na2[(Ni、Fe)(CN)6])の酸化還元電位は、0.48V(vs.Ag/AgCl)であった。さらに、ヒドロキノンスルホン酸ナトリウムの酸化還元電位は、正極固体活物質の酸化還元電位よりも高く、ケイバナドモリブデン酸の酸化還元電位は、正極固体活物質の酸化還元電位よりも低かった。 The results are shown in FIG. As shown in FIG. 2, the redox potential of the positive electrode solid active material (Na 2 [(Ni, Fe)(CN) 6 ]) was 0.48 V (vs. Ag/AgCl). Furthermore, the redox potential of sodium hydroquinone sulfonate was higher than that of the positive electrode solid active material, and the redox potential of silicovanadomolybdic acid was lower than that of the positive electrode solid active material.
(充放電試験)
実施例1~3および比較例1で得られたフロー電池に対して充放電試験を行った。充放電試験には、マルチ電気化学計測システム(HZ-Pro、北斗電工製)を用いた。充電時には+20mA/cm2の定電流モードで+1.6Vまで充電し、放電時には-20mA/cm2の定電流モードで+1.3Vまで放電した。また、フロー電池の流速は10mL/sとした。
(Charging and discharging test)
A charge/discharge test was performed on the flow batteries obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. A multi-electrochemical measurement system (HZ-Pro, manufactured by Hokuto Denko) was used for the charge/discharge test. The battery was charged to +1.6 V in a constant current mode of +20 mA/cm 2 during charging, and discharged to +1.3 V in a constant current mode of −20 mA/cm 2 during discharging. Also, the flow rate of the flow battery was set to 10 mL/s.
図3に示すように、実施例1で得られたフロー電池は、充放電可能であることが確認された。また、図4に示すように、実施例1~3では、所定の放電容量を有することが確認された。特に、実施例1(ヒドロキノンスルホン酸ナトリウム)は、実施例2(ヒドロキノンスルホン酸カリウム)および実施例3(ヒドロキノンスルホン酸リチウム)よりも高い容量が得られた。この結果から、セパレータを通過する陽イオンの種類が多すぎると、放電容量が低下することが示唆された。一方、図5に示すように、比較例1では、充放電ができかなった。その理由は、正極固体活物質の酸化還元電位が高すぎて、正常な充電ができなかったためであると推測される。 As shown in FIG. 3, it was confirmed that the flow battery obtained in Example 1 was chargeable and dischargeable. Moreover, as shown in FIG. 4, it was confirmed that Examples 1 to 3 had a predetermined discharge capacity. In particular, Example 1 (sodium hydroquinone sulfonate) provided a higher capacity than Example 2 (potassium hydroquinone sulfonate) and Example 3 (lithium hydroquinone sulfonate). This result suggested that too many types of cations passing through the separator reduced the discharge capacity. On the other hand, as shown in FIG. 5, in Comparative Example 1, charging and discharging could not be performed. It is presumed that the reason for this is that the oxidation-reduction potential of the positive electrode solid active material was too high, and normal charging was not possible.
11 … 正極室
12 … 正極集電体
13 … 正極拡散層
14 … 正極リザーバ容器
15 … 正極固体活物質
16 … 電解液
21 … 負極室
22 … 負極集電体
23 … 負極拡散層
24 … 負極リザーバ容器
25 … 負極固体活物質
26 … 電解液
30 … セパレータ
100 … フロー電池
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記正極が、Na元素を含有する正極固体活物質と、正極メディエータを含有する電解液と、を有し、
前記正極固体活物質の酸化還元電位が、0.35V(vs. Ag/AgCl)以上であり、かつ一般式Na 2 [M(CN) 6 ]で表され、Mは少なくともFeを含有する、プルシアンブルー類似体であり、
前記電解液が、前記正極メディエータとして、前記正極固体活物質の酸化還元電位よりも高い酸化還元電位を有するヒドロキノンスルホン酸塩である第一のメディエータと、前記正極固体活物質の酸化還元電位よりも低い酸化還元電位を有するヘテロポリ酸である第二のメディエータと、を含有し、
前記電解液における前記第一のメディエータ及び前記第二のメディエータの濃度が、それぞれ1重量%以上10重量%以下である、フロー電池。 A flow battery having a positive electrode, a negative electrode, and a separator,
The positive electrode has a positive electrode solid active material containing Na element and an electrolytic solution containing a positive electrode mediator,
Prussian, wherein the positive electrode solid active material has an oxidation-reduction potential of 0.35 V (vs. Ag/AgCl) or more and is represented by the general formula Na 2 [M(CN) 6 ], where M contains at least Fe is a blue analogue,
The electrolytic solution contains, as the positive electrode mediator, a first mediator that is hydroquinone sulfonate having an oxidation-reduction potential higher than the oxidation-reduction potential of the positive electrode solid active material, and a second mediator that is a heteropolyacid with a low redox potential ;
The flow battery , wherein the concentrations of the first mediator and the second mediator in the electrolytic solution are 1% by weight or more and 10% by weight or less, respectively .
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