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JPH0472357B2 - - Google Patents
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JPH0472357B2 - - Google Patents

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JPH0472357B2
JPH0472357B2 JP61203823A JP20382386A JPH0472357B2 JP H0472357 B2 JPH0472357 B2 JP H0472357B2 JP 61203823 A JP61203823 A JP 61203823A JP 20382386 A JP20382386 A JP 20382386A JP H0472357 B2 JPH0472357 B2 JP H0472357B2
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sulfur
vacuum
manufacturing
conductive material
porous
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Hiroyuki Kawamoto
Hajime Wada
Koji Kusakabe
Hitoshi Sugawara
Sadao Mori
Masao Ogino
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Hitachi Ltd
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
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Tokyo Electric Power Co Inc
Hitachi Ltd
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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
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ナトリウム−硫黄電池の硫黄極成形
体の製造法に係り、特に、充放電サイクルの経過
に伴なうナトリウム−硫黄電池の内部抵抗の上昇
をおさえ、高性能、長寿命化を達成するに好適
な、ナトリウム−硫黄電池の硫黄極成形体の製造
法に関する。
〔従来の技術〕
従来のナトリウム−硫黄電池の硫黄極成形体の
製造方法に関しては、特開昭第55−133775号に記
載のように、多孔質電子伝導材(一般には比抵抗
が低く、硫黄、多硫化ナトリウムに対する耐蝕
性、固体電解質と硫黄極容器との接触性等を考慮
し、PAN、ピツチ系の繊維を焼成して得られる
炭素、黒鉛繊維物質のシート、フエルト、ウエブ
等が用いられる)を、型の中に圧縮収納し、型を
100〜400℃に加熱し、真空とした後、あらかじめ
硫黄供給貯蔵器に収納した硫黄を溶融させ、不活
性ガスにより加圧し、型との圧力差により、硫黄
を多孔質電子伝導材の中に含浸させるとなつてい
た。しかし硫黄供給貯蔵器に収納された硫黄に含
まれる、あるいは吸着される不純物、また多孔質
電子伝導材に吸着される不純物(特開昭第55−
133775号において、多孔質電子伝導材を加熱真空
引するとの記載があるが、これは硫黄の含浸にあ
たり圧力差をつけるための作業であり、不純物の
除去を目的とした真空焼成ではない)のナトリウ
ム−硫黄電池に与える悪影響については考慮され
ていなかつた。
固体電解質における不純物がナトリウム−硫黄
電池に与える悪影響については化学工業1980年、
8月号、P69「β−アルミナ(2)」に記載されてい
る。すなわち、固体電解質は、K、Ca、水分等
の不純物の混入により劣化及び抵抗値が増加す
る。また、大気中に放置しておくと大気中の水分
を吸湿し風化する等、記載されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術は、硫黄極成形体中に含有される
不純物の固体電解質に与える悪影響について配慮
がされておらず、ナトリウム−硫黄電池の固体電
解質の劣化による抵抗上昇による出力低下、寿命
低下の問題があつた。
本発明の目的は、硫黄極成形体の製作に当り、
多孔質電子伝導材の酸素雰囲気焼成および真空焼
成、硫黄の真空溶融、硫黄の多孔質電子伝導材へ
の含浸を一連の作業で行ない、硫黄極成形体中に
含有される不純物を除去することにより、ナトリ
ウム−硫黄電池のサイクルの経過に伴なう抵抗の
上昇をおさえ、高性能、長寿命化を達成すること
にある。
〔問題を解決するための手段〕
上記目的は、ナトリウム−硫黄電池の硫黄極成
形体の製作に当り、下記3点を実施することによ
り達成される。
1 多孔質電子伝導材の焼成 1−1 多孔質電子伝導材は、比表面積が大きく
多孔質であることが必要条件であるが、逆
に、このことにより高い吸着性があることが
わかる。従つて吸着された不純物(特に有機
物に注目して)を除去するために、酸素雰囲
気中で焼成することが必要である。
この焼成温度は、電池の作動温度300〜350
℃より高く、かつ多孔質電子伝導材が焼成し
ない範囲で選定され、400℃程度が望ましい。
1−2 上記焼成の終了した多孔質電子伝導材を
温度を維持した状態で、真空引きし完全脱水
する。
2 硫黄の真空中での溶融 硫黄を気密容器の中に収納し、真空状態とし
て加熱溶融させ、脱水する。あるいはさらに蒸
留による硫黄の精製を行なつてもよい。
3 多孔質電子伝導材への硫黄の含浸 上記1、2を気密ループの中で行ない、処理
を施した多孔質電子伝導材、硫黄を大気にふれ
ることなくして多孔質電子伝導材への硫黄の含
浸を行ない、冷却してから硫黄極成形体を取り
出す。
本発明で用いる多孔質電子伝導材としては、
炭素、黒鉛繊維物質のシート、フエルト、ウエ
ブ等がある。
〔作用〕
ナトリウム−硫黄電池の基本動作について記載
する。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溶
融ナトリウム、他方に溶融硫黄が設けられ、約
300〜350℃で充放電が行なわれる高温二次電池で
ある。このときの充放電反応は 2Na+xS放電 ――― ――― 充電Na2Sx となり放電時にはナトリウムは電子を遊離してナ
トリウムイオンとなり、固体電解質を透過して硫
黄と反応し、多硫化ナトリウム(Na2Sx)を生
成する。そして充電時には電池の開路電圧より大
きな負電圧を付加することにより、多硫化ナトリ
ウム(Na2Sx)はナトリウムイオンと硫黄に分
離する。
ナトリウム−硫黄電池の劣化機構については以
下のように考えられる。
1 充電時に生じたNa金属が固体電解質である
β−アルミナに存在するクラツクから流出する
ときに、その粘性によつて応力を発生させクラ
ツクを進展させる。
2 Na金属がβ−アルミナを腐蝕する。とくに
応力がかかつている部分では腐蝕速度が大き
い。
3 β−アルミナのポア部分にNa金属が生成し
NaAlO2を作り、クラツクを発生させる。
4 大電流が集中する部分では結晶粒界が破壊す
る。
5 K+がNa+に置換することによつて応力が発
生し破壊する。
6 Ca2+がβ−アルミナ焼結体の粒界部分に入
り粒界抵抗を増大させ、かつ粒界での劣化を加
速する。
7 水分の存在によりNaOHを生成し、劣化す
る。
上記の劣化機構の1〜3は、固体電解質の性状
により決まる。5〜7は、電池中に含有される不
純物により決まる。4は電池内の応力の不均一に
より決まる。
これらのことより、硫黄極成形体中に含有され
る不純物を極力除去することにより、固体電解質
の劣化をおさえ寿命を向上させることが出来る。
本発明の製造法において多孔質電子伝導材の酵
素雰囲気での焼成を行うと、不純物である高分子
系の有機物が分解し炭化することにより除去され
る。次いで多孔質電子伝導材を真空焼成すると脱
水が行なわれる。この2段階の焼成処理により、
多孔質電子伝導材の表面及び空孔間より高分子系
の有機物、水分が除去されて表面が活性化され
る。
硫黄の溶融を真空中で行なうと、硫黄中に含ま
れる水分が除去され、こうして得られた硫黄を、
大気に触れることのないようにして、上記多孔質
電子伝導材に含浸させると不純物を含まない硫黄
極成形体を製造することができる。
〔実施例〕
硫黄極成形体の製作方法と硫黄極成形体製作装
置の構成を第1,2図により説明する。第2図に
示す装置において、規定の寸法に切断した多孔質
電子伝導材1を圧縮し硫黄極成形型3にセツトす
る。硫黄極成形型3は、芯金3a、外管3b、金
属パツキン3c、上下ふた3d、ボルト3eにて
構成されている。ここで芯金は、硫黄極の組立を
考慮し、β−アルミナの外径より0.5〜1.0mm大き
めに製作されている。また、硫黄極成形体の取出
しの便宜上、鏡面に仕上げられている。外管は同
様の理由で硫黄極容器の内径より0.5〜1.0mm小さ
めに製作され鏡面に仕上げられている。金属パツ
キンは、耐蝕性の関係からアルミパツキンを用い
る。
硫黄2は、規定量計量し、硫黄貯蔵槽に収納さ
れる。硫黄貯蔵槽は、容器4a、金属パツキン4
b、ふた4cにて構成される。上記の方法により
準備された硫黄極成形型、硫黄貯蔵槽は、真空、
不活性ガス配管8,10、硫黄注入配管9、コー
ルドトラツプ5、真空ポンプ7、不活性ガスボン
ベ11と連結され、第2図に示す系統に組立てら
れる。又、加熱部は、加熱範囲7の部分に相当す
る。上記のごとく構成された硫黄極成形装置を昇
温する。昇温後、多孔質電子伝導材を酸素雰囲気
(大気中)で400℃において30分〜60分焼成する。
この焼成過程により、高分子系の有機物は分解し
炭化する。但し水分は、蒸発はするものの系が閉
ループとなつているため系内にとどまり除去され
ない。
次に脱水の為、真空焼成を温度300〜450℃、真
空度10-3torr以下、時間は長い程良いがおおむね
2時間程度熱処理を施す。上記2段階の熱処理に
より、多孔質電子伝導材の表面及び空孔間より高
分子系の有機物、水分は除去される。
次に、硫黄貯蔵槽の硫黄を融点以上の温度130
〜160℃程度、真空度10-3torr以下の条件で溶融
させる。時間は長い程よいが、真空配管10の管
径6〜12mm程度を選定すれば、おおむね2時間程
度でよい。真空配管と真空ポンプの間に、コール
ドトラツプ5を設置し、硫黄の蒸気による影響を
少なくする。以上の作業により、硫黄中に含まれ
ている水分は除去される。又、更に不純物を除去
する為には、減圧下の圧力に相当する沸点以上の
温度で硫黄を気化させ、蒸留精製を行なう方法も
考えられる。但し硫黄は腐蝕性が高いため系の防
蝕等を考慮に入れる必要がある。
上記の作業により得られる表面を活性化させた
多孔質電子伝導材に、脱水した硫黄を含浸させ
る。この多孔質電子伝導材に硫黄を含浸するに
は、多孔質電子伝導材のコンダクタンスと含浸温
度における硫黄の粘性を考慮し、硫黄極成形型と
硫黄貯蔵槽の圧力差および含浸時の温度を決定す
る必要がある。なお、硫黄注入配管の圧損も考慮
する必要があるが、多孔質電子伝導材のコンダク
タンスの影響が大きいので、配管サイズ6〜12mm
程度を用いれば無視出来る。又、多孔質電子伝導
材のコンダクタンスは、多孔質電子伝導材の圧縮
率(ポロシテイ)により決まる。本発明において
は、多孔質電子伝導材の圧縮率を54%とし、含浸
条件を温度130〜160度、圧力差1.0〜1.2気圧、時
間5時間とした。この条件により、多孔質電子伝
導材に硫黄を含浸して製作された硫黄極成形体
は、炉冷(160℃→50℃→6hr)された後、系内を
不活性ガスで置換した後、硫黄成形型より取り出
される。
上記方法により得られる硫黄極成形体を用いた
ナトリウム−硫黄電池と従来の方式、すなわち不
純物を除去する工程なしで製作された硫黄極成形
体の特性比較について記載する。第3図は、サイ
クルの経過に伴なう電池の抵抗変化を示したもの
である。従来の方法による硫黄極成形体を用いた
ナトリウム−硫黄電池は、初期においては、設計
値である20〜30mΩの抵抗であるが、サイクルの
経過に伴ない(第3図においては50∞目の抵抗値
を示す)著しく抵抗が上昇している。この様に抵
抗が上昇すると、 1 電池の容量が低下する。
2 抵抗ロスにより発熱し、サイクル毎に熱サイ
クルがかかる。
3 反応の不均一が発生し、電流密度の集中がお
こる。
などの問題が生じ、寿命上好ましくない。
本発明により製造された硫黄極成形体を用いた
ナトリウム−硫黄電池においては、サイクルが経
過しても初期の抵抗値と、ほとんど変わらないこ
とがわかる。すなわち、前記従来型の問題が発生
せず、寿命向上に大きく貢献することがわかる。
第3図において、50∞経過後の抵抗値を比較的対
象としたのは、抵抗値の増大は30サイクル程度で
起こり、それ以後は安定微増するためである。
本発明によつて製造された硫黄極成形体を用い
ることにより、高性能、長寿命のナトリウム−硫
黄電池が得られる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、硫黄極成形体中の不純物を除
去できるので、このような硫黄極成形体を用いた
ナトリウム−硫黄電池においては、不純物による
固体電解質の劣化を防止でき、サイクルの経過に
伴なう抵抗値の上昇を抑え、電池の寿命を向上さ
せる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、硫黄極成形体製作流れ図、第2図
は、本発明を実施するための硫黄極成形体製作装
置の一実施例、第3図は、従来方法による硫黄極
成形体と本発明方法による硫黄極成形体を用いた
ナトリウム−硫黄電池の抵抗比較。 1……多孔質電子伝導材、2……硫黄、3……
硫黄極成形型、4……硫黄貯蔵槽、5……コール
ドトラツプ、6……真空ポンプ、7……加熱範
囲、8……真空ライン、9……硫黄注入ライン、
10……真空ライン、11……不活性ガスボン
ベ、3a……芯金、3b……外管、3c……金属
パツキン、3d……ふた、3e……ボルト、4a
……容器、4b……金属パツキン、4c……ふ
た。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 ナトリウム−硫黄電池の硫黄極成形体の製造
    法において、多孔質電子伝導材を酸素雰囲気で焼
    成後さらに真空焼成し、その表面を活性化させた
    後、真空中で溶融した硫黄を、大気にふれさせる
    ことなく多孔質電子伝導材に含浸させることを特
    徴とするナトリウム−硫黄電池の硫黄極成形体の
    製造法。 2 多孔質電子伝導材の酸素雰囲気での焼成を、
    温度400℃、時間30分〜60分の条件で行うことを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の製造法。 3 多孔質電子伝導材の真空焼成を、温度300℃
    〜450℃、真空度10-3torr以下、時間2時間以上
    の条件で行うことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載の製造法。 4 硫黄の真空中での溶融を、温度130〜160度、
    真空度10-3torr以下、時間2時間以上の条件で行
    うことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    製造法。 5 真空中で溶融した硫黄を、さらに減圧下の圧
    力に相当する沸点以上の温度で気化させ蒸留精製
    を行なうことを特徴とする特許請求の範囲第1項
    記載の製造法。
JP61203823A 1986-09-01 1986-09-01 ナトリウム−硫黄電池の硫黄極成形体の製造法 Granted JPS6362164A (ja)

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US8361659B2 (en) 2008-06-20 2013-01-29 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Lithium-alloying-material/carbon composite
TWI782162B (zh) * 2018-01-16 2022-11-01 德商巴斯夫歐洲公司 以多硫化物浸漬的多孔材料製造的鑄模的生產方法

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