JP2013026142A - Lithium semi-redox flow battery renewable both by electrical charge and by chemical oxidation using oxidant - Google Patents
Lithium semi-redox flow battery renewable both by electrical charge and by chemical oxidation using oxidant Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013026142A JP2013026142A JP2011162212A JP2011162212A JP2013026142A JP 2013026142 A JP2013026142 A JP 2013026142A JP 2011162212 A JP2011162212 A JP 2011162212A JP 2011162212 A JP2011162212 A JP 2011162212A JP 2013026142 A JP2013026142 A JP 2013026142A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- lithium
- redox flow
- electrolyte
- flow battery
- active material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
Description
本発明は、リチウム電池の負極とレドックスフロー電池の正極とを組み合わせた、電気的充電と正極活物質への酸化剤の添加による化学的酸化の双方により再生可能なリチウムセミレドックスフロー電池に関する。 The present invention relates to a lithium semi-redox flow battery that combines a negative electrode of a lithium battery and a positive electrode of a redox flow battery and can be regenerated by both electrical charging and chemical oxidation by adding an oxidizing agent to the positive electrode active material.
再生することのできないエネルギー源の枯渇並びに化石燃料の燃焼により発せられるCO2によって引きおこされた世界的な温暖化の憂慮すべき結果は、全世界の注目を環境に対し無害な代替エネルギー源の開発へと急転回させている。
Li−イオン電池は、酸−鉛、Ni−CdあるいはNi−MH型の電池と比べて、本質的により高い容量および重量エネルギー密度を有するため、小型の携帯機器からハイブリッド電気自動車のような大型のシステムにわたる広範な適用に対する電力源の選択肢と考えられている(非特許文献1〜3)。しかしながら、リチウムイオン電池は、将来の自動車などへの適用のニーズを満たすためにスケールアップするためには、充放電時のリチウムイオンの正極への入出が正極物質の構造により制約されるという課題を有している(非特許文献2〜5)。
このようなことを背景に、リチウム電池の技術における更なる発展を達成するために、代替的な化学を含む新たなリチウム電池の概念の展開や、様々な電極対の組み合わせ、新たな電解質などを利用する新たな電池の原型の設計等の各種の研究がなされている。
最近、高容量へのひときわ目立つ探求は、開放された電池構造を有し、空気からの酸素を正極活物質として使用するリチウム空気電池へと向けられてきた(非特許文献1、3)。PolyplusCo.によるリチウム金属に対する保護ガラスセラミック層の導入(LISICON、LiM2(PO4)3)(特許文献1)は、新規なタイプのリチウム電池を構築するもうひとつの途を開いた。LISICON層は水中でも非プロトン性電解質中でも安定である一方、選択的にLi+を伝導するので、2つの一見組み合わせることが不可能な電解質を組み合わせることができる可能性を作り出した。この可能性に注目し、我々は、LISICONをセパレーターとして使用するハイブリッド電解質系の概念をはじめ、Li−金属、Li−空気、Li−NiOOH、Li−AgOなどの一群の電池の原型を明らかにした(非特許文献6〜11)。
一方で、高容量の電池の形態の一つとして、レドックスフロー電池が挙げられる。レドックスフロー電池は、その高容量を利用して、主に発電所における余剰電力の貯蔵用に使用されている。しかしながら、レドックスフロー電池は、電解液に水溶性電解液のみを使っており、電池電圧が低いという欠点を有し、また、放電後の再生は比較的時間のかかる充電のみにより行われており、現状では電気自動車など将来の広範な適用に適したものとはいえない。
The detrimental consequences of global warming caused by the depletion of non-renewable energy sources and the CO 2 generated by the burning of fossil fuels have led to worldwide attention attracting alternative energy sources that are harmless to the environment. It is turning rapidly to development.
Li-ion batteries have inherently higher capacity and weight energy density compared to acid-lead, Ni-Cd or Ni-MH type batteries, so they can be used in small portable devices to large electric vehicles such as hybrid electric vehicles. It is considered a power source option for a wide range of applications across the system (Non-Patent Documents 1-3). However, in order for lithium-ion batteries to be scaled up to meet future application needs for automobiles, there is a problem that the input / output of lithium ions during charging / discharging is restricted by the structure of the positive electrode material. (Non-Patent
Against this background, in order to achieve further developments in lithium battery technology, the development of new lithium battery concepts including alternative chemistry, combinations of various electrode pairs, new electrolytes, etc. Various researches such as the design of a new battery prototype to be used have been made.
Recently, a prominent search for high capacity has been directed to lithium-air batteries that have an open battery structure and use oxygen from the air as the positive electrode active material (Non-Patent
On the other hand, a redox flow battery is mentioned as one of the forms of a high capacity battery. The redox flow battery is mainly used for storing surplus power in a power plant by utilizing its high capacity. However, the redox flow battery uses only a water-soluble electrolyte as the electrolyte, and has the disadvantage that the battery voltage is low, and regeneration after discharge is performed only by relatively time-consuming charging, At present, it is not suitable for a wide range of future applications such as electric vehicles.
本発明は、リチウムを負極活物質とする電池において、スケールアップが可能な大容量の電池を得ることを目的とし、また、放電後、速やかに再生可能な電池を得ることを目的とする。 An object of the present invention is to obtain a large capacity battery capable of being scaled up in a battery using lithium as a negative electrode active material, and to obtain a battery that can be quickly regenerated after discharging.
本発明者らは、リチウムを負極活物質とする電池において、従来の電池のように固体の正極と液体の電解質を使用することに代えて、Mn+/M(n-1)+のレドックスカップルを含む水溶液を正極活物質と電解質の両方として用いる新しい型の電池を提供することにより、上記課題を解決した。 In the battery using lithium as a negative electrode active material, instead of using a solid positive electrode and a liquid electrolyte as in a conventional battery, the present inventors have used a redox couple of M n + / M (n-1) + . The above-mentioned problems have been solved by providing a new type of battery that uses an aqueous solution containing as both a positive electrode active material and an electrolyte.
以下、本発明によるリチウムレドックスフロー電池の代表的な一例を、図2を参照しながら、説明する。図2に示されるように、本発明によるリチウムレドックスフロー電池は、リチウム負極(1)/有機電解液を収容する負極側電解液室(2)/固体電解質分離膜(3)/イオン性活物質(Mn+/M(n-1)+)を含む水溶性電解液を収容する正極側電解液室(4)/正極集電体(5)から構成される電池本体と、当該水溶性電解液を収容する貯蔵タンク(6)と、電池本体の正極側電解液室と貯蔵タンクとを開閉自在のバルブを介して連結する循環路(7)とを有する。 Hereinafter, a typical example of the lithium redox flow battery according to the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the lithium redox flow battery according to the present invention comprises a lithium negative electrode (1) / a negative electrode side electrolyte chamber (2) containing an organic electrolyte, a solid electrolyte separation membrane (3), and an ionic active material. A battery body composed of a positive electrode side electrolyte chamber (4) / positive electrode current collector (5) containing a water soluble electrolyte containing (M n + / M (n-1) + ), and the water soluble electrolyte And a circulation path (7) for connecting the positive electrode side electrolyte chamber of the battery body and the storage tank via an openable / closable valve.
本発明の電池に用いられる上記リチウム負極の負極活物質としては、例えば、金属リチウムなど、リチウムイオン電池の負極に使用できる負極活物質を使用することができる。
本発明の電池に用いられる上記有機電解液としては、リチウムイオン電池の負極側電解液に使用できる有機電解液を使用することができる。
本発明の電池に用いられる上記固体電解質分離膜としては、例えばLISICONなどの、リチウムイオンを選択的に伝導する固体電解質からなるものが使用される。
本発明の電池に用いられる上記イオン性活物質(Mn+/M(n-1)+)としては、例えば、Cr3+/Cr2+,Fe3+/Fe2+,V3+/V2+,VO2 +/VO2+などのイオン対、或いはFe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-などの、その錯体イオン対が挙げられる。図2では、(Mn+/M(n-1)+)としてFe3+/Fe2+を用いた例を記載している。
As the negative electrode active material of the lithium negative electrode used in the battery of the present invention, for example, a negative electrode active material that can be used for the negative electrode of a lithium ion battery, such as metallic lithium, can be used.
As said organic electrolyte solution used for the battery of this invention, the organic electrolyte solution which can be used for the negative electrode side electrolyte solution of a lithium ion battery can be used.
As the solid electrolyte separation membrane used in the battery of the present invention, a membrane made of a solid electrolyte that selectively conducts lithium ions, such as LISICON, is used.
Examples of the ionic active material (M n + / M (n-1) + ) used in the battery of the present invention include Cr 3+ / Cr 2+ , Fe 3+ / Fe 2+ , V 3+ / V Examples thereof include ion pairs such as 2+ and VO 2 + / VO 2+, and complex ion pairs such as Fe (CN) 6 3− / Fe (CN) 6 4− . FIG. 2 shows an example in which Fe 3+ / Fe 2+ is used as (M n + / M (n−1) + ).
当該電池においては、放電時には、負極側では:Li→Li++e-のLi+の溶出反応が、また、正極側では、:Mn+→M(n-1)++e-というイオン性活物質の還元反応が進行する。
放電後に、正極側電解液室、および、循環路のバルブを開放して正極側電解液室と貯蔵タンクの間で正極側電解液の循環を行っている場合には、貯蔵タンク内の正極側電解液中のイオン性活物質(Mn+)は還元されて、M(n-1)+になっている。
In the battery, during discharge, the elution reaction of Li + of Li → Li + + e − is performed on the negative electrode side, and the ionicity of M n + → M (n−1) + + e − is performed on the positive electrode side. The reduction reaction of the active material proceeds.
After discharging, if the positive electrode side electrolyte chamber and the circulation path valve are opened to circulate the positive side electrolyte solution between the positive electrode side electrolyte chamber and the storage tank, the positive electrode side in the storage tank The ionic active material (M n + ) in the electrolyte is reduced to M (n−1) + .
放電時に生成したM(n-1)+をMn+に戻すには、電池を電気的に充電し、負極においてLi++e-→Liの反応を進行させるとともに、正極においてM(n-1)++e-→Mn+の反応を進行させれば良い。しかしながら、この充電による再生方法は、充電過程に時間がかかる。 In order to return M (n-1) + generated at the time of discharge to M n + , the battery is electrically charged, the reaction of Li + + e − → Li proceeds at the negative electrode, and M (n−1) at the positive electrode. ) ++ e- → M n + However, this charging method takes time in the charging process.
この点を解消するため、本発明者らは、より簡単で迅速な、酸化剤を用いる再生方法を開発した。この方法は、放電時に生成したM(n-1)+を含む水溶性電解液に酸化剤を添加して、短い時間でM(n-1)+を化学的に酸化し、Mn+に再生するものである。
酸化剤としては、例えば、固体粉状の(NH4)2S2O8或いは液状のH2O2を使用することができる。(NH4)2S2O8は、安価で強力な酸化剤であり、2Fe2++S2O8 2−→2Fe3++2SO4 2-の化学反応を介して、きわめて速く(10秒以内)、Fe2+を酸化してFe3+に戻すことができる。
電気的な充電によるMn+の再生は、電池の放電をいったん止めて行う必要があるが、化学的酸化によるMn+の再生は、電池の放電と併行して行うことができる。そのため、この方法を用いた場合は、本発明の電池は、負極の金属リチウムが残存する限り、連続してずっと放電することが可能である。
In order to solve this problem, the present inventors have developed a simpler and faster regeneration method using an oxidizing agent. In this method, an oxidizing agent is added to a water-soluble electrolyte containing M (n-1) + generated during discharge, and M (n-1) + is chemically oxidized in a short time and regenerated to Mn + . To do.
As the oxidizing agent, for example, solid powder (NH 4 ) 2 S 2 O 8 or liquid H 2 O 2 can be used. (NH 4 ) 2 S 2 O 8 is an inexpensive and powerful oxidant and is extremely fast (within 10 seconds) through the chemical reaction of 2Fe 2+ + S 2 O 8 2− → 2Fe 3+ + 2SO 4 2- , Fe 2+ can be oxidized back to Fe 3+ .
The regeneration of M n + by electrical charging needs to be performed after stopping the discharge of the battery, but the regeneration of M n + by chemical oxidation can be performed concurrently with the discharge of the battery. Therefore, when this method is used, the battery of the present invention can be continuously discharged as long as the metallic lithium of the negative electrode remains.
本出願は、すなわち、以下の発明を提供するものである。
〈1〉リチウム負極/有機電解液を収容する負極側電解液室/固体電解質分離膜/イオン性活物質(Mn+/M(n-1)+)を含む水溶性電解液を収容する正極側電解液室/正極集電体から構成される電池本体と、当該水溶性電解液を収容する貯蔵タンクと、電池本体の正極側電解液室と貯蔵タンクとを開閉自在のバルブを介して連結する循環路とを有することを特徴とする、リチウムセミレドックスフロー電池。
〈2〉水溶性電解液を貯蔵するタンクに酸化剤を添加するための弁が設けられていることを特徴とする、〈1〉に記載のリチウムセミレドックスフロー電池。
〈3〉リチウム負極の活物質として、リチウムイオン電池の負極に使用できる負極活物質を使用することを特徴とする、〈1〉または〈2〉に記載のリチウムセミレドックスフロー電池。
〈4〉リチウムイオン電池の負極に使用できる負極活物質が金属リチウムであることを特徴とする、〈3〉に記載のリチウムセミレドックスフロー電池。
〈5〉イオン性活物質(Mn+/M(n-1)+)として、Cr3+/Cr2+,Fe3+/Fe2+,V3+/V2+,VO2 +/VO2+のうちの1種類のイオン対、或いはその錯体イオン対を使用することを特徴とする、〈1〉〜〈4〉に記載のリチウムセミレドックスフロー電池。
〈6〉放電時に還元され、M(n-1)+になっているイオン性活物質を、Li++e-→Li,M(n-1)++e-→Mn+という電池の充電過程を用いて、Mn+に再生することを特徴とする、〈1〉〜〈5〉に記載のリチウムセミレドックスフロー電池。
〈7〉放電時に還元され、M(n-1)+になっているイオン性活物質を、水溶性電解液に酸化剤を添加し、酸化することにより、Mn+に再生することを特徴とする、〈1〉〜〈5〉に記載のリチウムセミレドックスフロー電池。
〈8〉放電時に還元され、M(n-1)+になっているイオン性活物質を、Li++e-→Li,M(n-1)++e-→Mn+という電池の充電過程を用いて、Mn+に再生する電気的充電方法と、水溶性電解液に酸化剤を添加し、酸化することにより、Mn+に再生する化学的酸化方法を組み合わせて、Mn+に再生することを特徴とする、〈1〉〜〈5〉に記載のリチウムセミレドックスフロー電池。
〈9〉酸化剤として、固体粉状の(NH4)2S2O8或いは液状のH2O2を使用することを特徴とする、〈7〉または〈8〉に記載のリチウムセミレドックスフロー電池。
The present application provides the following inventions.
<1> Lithium negative electrode / negative electrode side electrolyte chamber containing organic electrolyte / solid electrolyte separation membrane / positive electrode side containing water-soluble electrolyte containing ionic active material (M n + / M (n-1) + ) A battery body composed of an electrolyte chamber / positive electrode current collector, a storage tank for storing the water-soluble electrolyte, and a positive electrode side electrolyte chamber of the battery body and the storage tank are connected via an openable / closable valve. A lithium semi-redox flow battery comprising a circulation path.
<2> The lithium semi-redox flow battery according to <1>, wherein a valve for adding an oxidizing agent is provided in a tank that stores the water-soluble electrolyte.
<3> The lithium semi-redox flow battery according to <1> or <2>, wherein a negative electrode active material that can be used for a negative electrode of a lithium ion battery is used as the active material of the lithium negative electrode.
<4> The lithium semi-redox flow battery according to <3>, wherein the negative electrode active material usable for the negative electrode of the lithium ion battery is metallic lithium.
<5> Cr 3+ / Cr 2+ , Fe 3+ / Fe 2+ , V 3+ / V 2+ , VO 2 + / VO as ionic active materials (M n + / M (n-1) + ) The lithium semi-redox flow battery according to <1> to <4>, wherein one kind of ion pair of 2+ or a complex ion pair thereof is used.
<6> Charging the battery of Li + + e − → Li, M (n−1) + + e − → M n + with the ionic active material reduced to M (n−1) + during discharge The lithium semi-redox flow battery according to <1> to <5>, wherein the battery is regenerated to M n + using a process.
<7> An ionic active material that has been reduced to M (n-1) + during discharge is regenerated to M n + by adding an oxidizing agent to a water-soluble electrolyte and oxidizing it. The lithium semi-redox flow battery according to <1> to <5>.
<8> The ionic active material that has been reduced to M (n-1) + during discharge is charged to the battery as Li + + e − → Li, M (n−1) + + e− → M n + using process, added with an electrical charging method for reproducing the M n +, the oxidizing agent in a water-soluble electrolyte, by oxidation, a combination of chemical oxidation method of reproducing the M n +, to play M n + The lithium semi-redox flow battery according to <1> to <5>.
<9> The lithium semi-redox flow according to <7> or <8>, wherein (NH 4 ) 2 S 2 O 8 or liquid H 2 O 2 is used as the oxidizing agent. battery.
本発明のリチウムセミレドックスフロー電池は、正極活物質としてレドックスカップル水溶液を用いることにより、従来のリチウムイオン電池におけるLiイオンの電極への層間挿入の際の遅い拡散過程を回避することができる。また、当該レドックスカップル水溶液を収容する貯蔵タンクを設け、ここから当該水溶液を電池本体の正極電解液室へ循環供給させることにより、電池容量を大きくすることができる。
本発明のレドックスカップル水溶液からなる液体正極は、放電後、比較的時間のかかる電気的充電によってのみならず、迅速な化学的酸化によっても再生することができる。
本発明の電池においては、これらの電気的充電と化学的酸化を組み合わせて、比較的少量の放電や間欠的な放電は充電により、また、大量の放電や連続的な放電の際は化学的酸化により液体正極を再生することもできる。
また、本発明のリチウムセミレドックスフロー電池は、目的とする用途によって、循環路の弁を閉鎖することにより、他のあらゆる閉鎖系電池と同様に静止モードで機能するばかりではなく、従来のレドックスフロー電池と同様にフローモードででも機能するように、容易に切り替えることができる。
The lithium semi-redox flow battery of the present invention can avoid a slow diffusion process at the time of intercalation of Li ions into an electrode in a conventional lithium ion battery by using a redox couple aqueous solution as a positive electrode active material. Further, by providing a storage tank for storing the redox couple aqueous solution and circulatingly supplying the aqueous solution from here to the positive electrode electrolyte chamber of the battery body, the battery capacity can be increased.
The liquid positive electrode comprising the redox couple aqueous solution of the present invention can be regenerated not only by electrical charging which takes a relatively long time after discharge but also by rapid chemical oxidation.
In the battery of the present invention, these electrical charging and chemical oxidation are combined, and a relatively small amount of discharge or intermittent discharge is caused by charging, and a large amount of discharge or continuous discharge is chemically oxidized. Thus, the liquid positive electrode can be regenerated.
In addition, the lithium semi-redox flow battery of the present invention not only functions in a stationary mode like any other closed battery by closing a circuit valve depending on the intended use, but also a conventional redox flow battery. It can be easily switched to function in the flow mode as well as the battery.
本発明を以下の実施例により更に詳細に説明する。
図3に、実験に用いた本発明の電池の構成を示す。負極室(2)と正極室(4)は、Li+の移動を選択的に許容する0.15mm厚のLISICON板(3)により隔てられている。負極室は、非プロトン性電解質(エチレンカーボネート/ジメチルカーボネート中1MのLiClO4)により満たされており、負極(1)としてLi金属が取り付けられている。正極室は、電解質と正極活物質の両者の役割を果たすFeCl3の水溶液を収容しており、集電体(5)としてTiメッシュが挿入されている。正極室には、バルブ1及び2とポンプを介して貯蔵タンク(6)が取り付けられており、ポンプによりFeCl3の水溶液を正極室と貯蔵タンク間で循環供給することができるようにされている。
この電池は、バルブ1、2を閉じて静止モードで操作すると、閉鎖系の電池となり、一方、バルブ1、2を開き、ポンプを稼働させてフローモードで操作すると、開放系の電池となる。
以下の実験においては、静止モード、フローモードの両方を行った。いずれのモードでも操作可能であった。フローモードでは、使用した流速は、1mLmin-1であった。
Fe3+水溶液は、FeCl3・6H2Oを蒸留水中に溶解することにより調製された。
The invention is illustrated in more detail by the following examples.
FIG. 3 shows the configuration of the battery of the present invention used in the experiment. The negative electrode chamber (2) and the positive electrode chamber (4) are separated by a LISICON plate (3) having a thickness of 0.15 mm that selectively allows the movement of Li + . The negative electrode chamber is filled with an aprotic electrolyte (1M LiClO 4 in ethylene carbonate / dimethyl carbonate), and Li metal is attached as the negative electrode (1). The positive electrode chamber contains an aqueous solution of FeCl 3 serving as both an electrolyte and a positive electrode active material, and a Ti mesh is inserted as a current collector (5). A storage tank (6) is attached to the positive electrode chamber via
This battery becomes a closed battery when it is operated in the stationary mode with the
In the following experiment, both stationary mode and flow mode were performed. Operation was possible in any mode. In flow mode, the flow rate used was 1 mL min −1 .
The Fe 3+ aqueous solution was prepared by dissolving FeCl 3 .6H 2 O in distilled water.
実施例1
図3に示される装置において、正極用の電解液として、0.1MのFeCl3水溶液7mlを正極室に収容し、静止モードで0.5mAcm-2の電流密度で放電試験を行った。
放電の間、Li負極はLi+として溶出し、非プロトン電解質からLISCON板を介して正極室の水性電解液中へ拡散し、この間、Fe3+はFe2+に還元される。放電過程に含まれる化学反応は単純であり、以下のように記載される。
(1) 正極反応:Fe3++e-→Fe2+
(2) 負極反応:Li→Li++e-
(3) 電池全体:Fe3++Li→Fe2++Li+
図4に、得られた放電曲線を示す。長い放電期間の間に、電池電圧の漸次的な減少が観察された。
Example 1
In the apparatus shown in FIG. 3, 7 ml of a 0.1 M FeCl 3 aqueous solution was accommodated in the positive electrode chamber as an electrolyte for the positive electrode, and a discharge test was performed at a current density of 0.5 mAcm −2 in the static mode.
During discharge, the Li negative electrode elutes as Li + and diffuses from the aprotic electrolyte through the LISCON plate into the aqueous electrolyte in the positive electrode chamber, during which Fe 3+ is reduced to Fe 2+ . The chemical reaction involved in the discharge process is simple and is described as follows.
(1) Positive electrode reaction: Fe 3+ + e- → Fe 2+
(2) Negative electrode reaction: Li → Li + + e-
(3) Overall battery: Fe 3+ + Li → Fe 2+ + Li +
FIG. 4 shows the obtained discharge curve. A gradual decrease in battery voltage was observed during the long discharge period.
実施例2
図3に示される装置において、正極用の電解液として、0.1MのFeCl3水溶液12mLを、1mLmin-1の流速で正極室と貯蔵タンクの間で循環させ、フローモードで、充放電試験を行った。
充電の際、図5に示すように、Fe2+は酸化されFe3+に戻され、Li+はLi金属として負極表面に再沈着する。このことは、先に述べた放電反応(1)-(3)の逆反応により表すことができる。
図6に、FeCl3水溶液(0.1M、12mL)をフローモードで操作したときの第1、第3、第5、第10および第20サイクル目における放電−充電曲線を示す。放電および充電の両過程は、それぞれ0.2mAcm-2の電流密度で1サイクルにつき2時間行われた。放電−充電曲線は、放電時3.31から3.4V、充電時3.93から4.18Vの範囲の、ほとんど平坦な電圧を示し、このことは、この系が比較的安定したサイクル特性を有することを示している。
Example 2
In the apparatus shown in FIG. 3, 12 mL of 0.1 M FeCl 3 aqueous solution is circulated between the positive electrode chamber and the storage tank at a flow rate of 1 mL min −1 as the electrolyte for the positive electrode, and the charge / discharge test is performed in the flow mode. It was.
At the time of charging, as shown in FIG. 5, Fe 2+ is oxidized and returned to Fe 3+ , and Li + is re-deposited on the negative electrode surface as Li metal. This can be expressed by the reverse reaction of the discharge reactions (1)-(3) described above.
FIG. 6 shows discharge-charge curves in the first, third, fifth, tenth and twentieth cycles when an FeCl 3 aqueous solution (0.1 M, 12 mL) is operated in the flow mode. Both the discharging and charging processes were performed for 2 hours per cycle at a current density of 0.2 mAcm −2 respectively. The discharge-charge curve shows an almost flat voltage in the range of 3.31 to 3.4V on discharge and 3.93 to 4.18V on charge, indicating that the system has relatively stable cycling characteristics. .
実施例3
図3に示される装置において、正極用の電解液として、0.1MのFeCl3水溶液20mLを、1mLmin-1の流速で正極室と貯蔵タンクの間で循環させ、フローモードで放電を行い、適時に酸化剤によるFeCl3の再生を行う試験を行った。
上記フローモードにより完全放電し、Fe3+がほとんどFe2+になった時点で、図7に示すように貯蔵タンクに酸化剤(NH4)2S2O8の粉を加えることにより、Fe2+を全部酸化し、Fe3+に戻すことができる(0.1MのFeCl320mLなら、完全放電後に、全部酸化されるために、228.2mgの(NH4)2S2O8を添加することが必要となる)。その後も、完全放電の度毎に、酸化剤(NH4)2S2O8の粉を加えることを繰り返すことにより、初期とほぼ同じ状態にFe3+を再生することが可能である。
図8に、FeCl3水溶液(0.1M、20mL)をフローモードで操作したときの放電曲線を示す。放電の間、正極溶液は、ペリスタポンプを介して系中を循環し、その酸性度は、貯蔵溶液にHCl溶液を滴下して加えることによりpH1.7に調節された。酸化剤は、Fe3+が十分にFe2+に転化された時点で、貯蔵タンクに(NH4)2S2O8をバッチ供給することにより、系に導入された。
図8に示された放電サイクルは、Fe3+がほとんど完全にFe2+に転化され、放電電圧が急速に下落し始めた時点で貯蔵タンクに(NH4)2S2O8の粉末をバッチ供給することにより得られたものである。
もしも当該電池が0.5mAcm-2の一定電流密度で放電したとすると、正極溶液中のFe3+の加水分解がHCLの添加により完全に抑制されたならば、正極溶液中のFe3+は、107.2時間で完全にFe2+に転化されるであろう。また、FeCl3水溶液(0.1M、20mL)から還元されたFe2+を完全に酸化するためには、228.2mgの(NH4)2S2O8粉末が必要であろう。図8において放電電圧が急落し始め、酸化剤を添加した時点の放電時間からみて、正極溶液中のFe3+は、各サイクルにおいてFe2+に完全に転化され、放電サイクルは、化学量論量の(NH4)2S2O8をバッチ供給することにより、ほとんど一定な状態で進行し続けさせることができることがわかる。なお、放電曲線上の小さな突起は、温度の変動によるものである。
この形態のレドックスフロー電池においては、実際は、FeCl3よりもむしろ(NH4)2S2O8が正極において燃料として消費されることに留意すべきである。
Example 3
In the apparatus shown in FIG. 3, 20 mL of 0.1 M FeCl 3 aqueous solution is circulated between the positive electrode chamber and the storage tank at a flow rate of 1 mL min −1 as the electrolyte for the positive electrode, and discharged in the flow mode. A test was conducted to regenerate FeCl 3 with an oxidizing agent.
When complete discharge occurs in the above flow mode and Fe 3+ almost becomes Fe 2+ , as shown in FIG. 7, by adding powder of oxidizing agent (NH 4 ) 2 S 2 O 8 to the storage tank, Fe Can fully oxidize 2+ back to Fe 3+ (if 20 mL of 0.1M FeCl 3 add 228.2 mg (NH 4 ) 2 S 2 O 8 to fully oxidize after complete discharge Is necessary). Thereafter, it is possible to regenerate Fe 3+ in almost the same state as in the initial stage by repeating the addition of the oxidant (NH 4 ) 2 S 2 O 8 powder every time of complete discharge.
FIG. 8 shows a discharge curve when an FeCl 3 aqueous solution (0.1 M, 20 mL) is operated in the flow mode. During the discharge, the positive electrode solution circulated through the system via a peristaltic pump and its acidity was adjusted to pH 1.7 by adding the HCl solution dropwise to the stock solution. The oxidant was introduced into the system by batch feeding (NH 4 ) 2 S 2 O 8 to the storage tank when Fe 3+ was fully converted to Fe 2+ .
The discharge cycle shown in FIG. 8 batches (NH 4 ) 2 S 2 O 8 powder into the storage tank when Fe 3+ is almost completely converted to Fe 2+ and the discharge voltage starts to drop rapidly. It was obtained by supplying.
If the battery is discharged at a constant current density of 0.5 mAcm −2 , if the hydrolysis of Fe 3+ in the cathode solution is completely suppressed by the addition of HCL, Fe 3+ in the cathode solution is It will be completely converted to Fe 2+ in 107.2 hours. Also, 228.2 mg of (NH 4 ) 2 S 2 O 8 powder will be required to fully oxidize the reduced Fe 2+ from an aqueous FeCl 3 solution (0.1 M, 20 mL). In FIG. 8, the discharge voltage starts to drop sharply, and from the discharge time when the oxidizing agent is added, Fe 3+ in the positive electrode solution is completely converted to Fe 2+ in each cycle, and the discharge cycle is determined by stoichiometry. It can be seen that by proceeding batch feeding of an amount of (NH 4 ) 2 S 2 O 8 , it is possible to continue to proceed in an almost constant state. Note that small protrusions on the discharge curve are due to temperature fluctuations.
It should be noted that in this form of redox flow battery, (NH 4 ) 2 S 2 O 8 is actually consumed as fuel at the positive electrode rather than FeCl 3 .
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011162212A JP5674040B2 (en) | 2011-07-25 | 2011-07-25 | A lithium semi-redox flow battery that can be regenerated by both electrical charging and chemical oxidation with an oxidizing agent. |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011162212A JP5674040B2 (en) | 2011-07-25 | 2011-07-25 | A lithium semi-redox flow battery that can be regenerated by both electrical charging and chemical oxidation with an oxidizing agent. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013026142A true JP2013026142A (en) | 2013-02-04 |
JP5674040B2 JP5674040B2 (en) | 2015-02-18 |
Family
ID=47784233
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011162212A Expired - Fee Related JP5674040B2 (en) | 2011-07-25 | 2011-07-25 | A lithium semi-redox flow battery that can be regenerated by both electrical charging and chemical oxidation with an oxidizing agent. |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5674040B2 (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014145451A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | The Paper Battery Company, Inc. | Energy storage structures and fabrication methods thereof |
WO2015079689A1 (en) * | 2013-11-27 | 2015-06-04 | Sharp Kabushiki Kaisha | High capacity alkali/oxidant battery |
KR101609907B1 (en) * | 2013-07-11 | 2016-04-07 | 오씨아이 주식회사 | Redox flow battery system and Control method for the same |
JP2017079172A (en) * | 2015-10-21 | 2017-04-27 | トヨタ自動車株式会社 | Flow battery |
CN106953109A (en) * | 2017-05-18 | 2017-07-14 | 电子科技大学中山学院 | Redox battery with active substance in circulating flow liquid state |
JP2019083208A (en) * | 2015-05-26 | 2019-05-30 | ユニスト(ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー) | Coin-shaped secondary battery charge and discharge device |
JP2019186076A (en) * | 2018-04-12 | 2019-10-24 | 三菱自動車工業株式会社 | Battery system |
CN112909301A (en) * | 2021-03-26 | 2021-06-04 | 苏州辉美汽车科技有限公司 | Flow battery and charging regeneration circulating system thereof |
US11309554B2 (en) | 2017-02-10 | 2022-04-19 | Lg Chem, Ltd. | Method and device for recycling electrolyte of flow battery |
US11600853B1 (en) | 2019-05-14 | 2023-03-07 | Ampcera Inc. | Systems and methods for storing, transporting, and handling of solid-state electrolytes |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11819806B1 (en) | 2018-10-15 | 2023-11-21 | Ampcera Inc. | Methods for manufacturing a solid state ionic conductive membrane on a macro porous support scaffold |
US11177498B1 (en) | 2018-10-15 | 2021-11-16 | Ampcera Inc. | Redox flow batteries, components for redox flow batteries and methods for manufacture thereof |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05290872A (en) * | 1992-04-15 | 1993-11-05 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Operation method for electrolyte flow-through type battery |
JP2007524204A (en) * | 2004-02-06 | 2007-08-23 | ポリプラス バッテリー カンパニー | Protected active metal electrode and battery cell with non-aqueous interlayer structure |
JP2008544444A (en) * | 2005-06-20 | 2008-12-04 | ヴィ−フューエル ピーティワイ リミテッド | Improved perfluoromembrane and improved electrolyte for redox cells and batteries |
WO2009151639A1 (en) * | 2008-06-12 | 2009-12-17 | Massachusetts Institute Of Technology | High energy density redox flow device |
WO2010143634A1 (en) * | 2009-06-09 | 2010-12-16 | シャープ株式会社 | Redox flow battery |
WO2011084649A2 (en) * | 2009-12-16 | 2011-07-14 | Massachusetts Institute Of Technology | High energy density redox flow device |
-
2011
- 2011-07-25 JP JP2011162212A patent/JP5674040B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05290872A (en) * | 1992-04-15 | 1993-11-05 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Operation method for electrolyte flow-through type battery |
JP2007524204A (en) * | 2004-02-06 | 2007-08-23 | ポリプラス バッテリー カンパニー | Protected active metal electrode and battery cell with non-aqueous interlayer structure |
JP2008544444A (en) * | 2005-06-20 | 2008-12-04 | ヴィ−フューエル ピーティワイ リミテッド | Improved perfluoromembrane and improved electrolyte for redox cells and batteries |
WO2009151639A1 (en) * | 2008-06-12 | 2009-12-17 | Massachusetts Institute Of Technology | High energy density redox flow device |
JP2011524074A (en) * | 2008-06-12 | 2011-08-25 | マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー | High energy density redox flow equipment |
WO2010143634A1 (en) * | 2009-06-09 | 2010-12-16 | シャープ株式会社 | Redox flow battery |
WO2011084649A2 (en) * | 2009-12-16 | 2011-07-14 | Massachusetts Institute Of Technology | High energy density redox flow device |
JP2013515335A (en) * | 2009-12-16 | 2013-05-02 | マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー | High energy density redox flow equipment |
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9831533B2 (en) | 2013-03-15 | 2017-11-28 | The Paper Battery Co. | Energy storage structures and fabrication methods thereof |
WO2014145451A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | The Paper Battery Company, Inc. | Energy storage structures and fabrication methods thereof |
KR101609907B1 (en) * | 2013-07-11 | 2016-04-07 | 오씨아이 주식회사 | Redox flow battery system and Control method for the same |
WO2015079689A1 (en) * | 2013-11-27 | 2015-06-04 | Sharp Kabushiki Kaisha | High capacity alkali/oxidant battery |
JP2016539473A (en) * | 2013-11-27 | 2016-12-15 | シャープ株式会社 | High capacity alkaline / oxidant battery |
JP2019083208A (en) * | 2015-05-26 | 2019-05-30 | ユニスト(ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー) | Coin-shaped secondary battery charge and discharge device |
US10014547B2 (en) | 2015-10-21 | 2018-07-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Flow battery |
CN106611867A (en) * | 2015-10-21 | 2017-05-03 | 丰田自动车株式会社 | Flow battery |
JP2017079172A (en) * | 2015-10-21 | 2017-04-27 | トヨタ自動車株式会社 | Flow battery |
CN106611867B (en) * | 2015-10-21 | 2019-06-21 | 丰田自动车株式会社 | Flow battery |
US11309554B2 (en) | 2017-02-10 | 2022-04-19 | Lg Chem, Ltd. | Method and device for recycling electrolyte of flow battery |
CN106953109A (en) * | 2017-05-18 | 2017-07-14 | 电子科技大学中山学院 | Redox battery with active substance in circulating flow liquid state |
CN106953109B (en) * | 2017-05-18 | 2023-04-18 | 电子科技大学中山学院 | Redox battery with active substance in circulating flow liquid state |
JP2019186076A (en) * | 2018-04-12 | 2019-10-24 | 三菱自動車工業株式会社 | Battery system |
US11600853B1 (en) | 2019-05-14 | 2023-03-07 | Ampcera Inc. | Systems and methods for storing, transporting, and handling of solid-state electrolytes |
CN112909301A (en) * | 2021-03-26 | 2021-06-04 | 苏州辉美汽车科技有限公司 | Flow battery and charging regeneration circulating system thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5674040B2 (en) | 2015-02-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5674040B2 (en) | A lithium semi-redox flow battery that can be regenerated by both electrical charging and chemical oxidation with an oxidizing agent. | |
Shin et al. | Opportunities and reality of aqueous rechargeable batteries | |
Wang et al. | Parametric study and optimization of a low-cost paper-based Al-air battery with corrosion inhibition ability | |
Leong et al. | Rechargeable Zn-air batteries: Recent trends and future perspectives | |
Wang et al. | Li‐redox flow batteries based on hybrid electrolytes: at the cross road between Li‐ion and redox flow batteries | |
Zhou et al. | The development of a new type of rechargeable batteries based on hybrid electrolytes | |
Abraham | Prospects and limits of energy storage in batteries | |
Yu et al. | Recent advances in lithium–carbon dioxide batteries | |
US9178207B2 (en) | Electrochemical cell system with a progressive oxygen evolving electrode / fuel electrode | |
US9595730B2 (en) | Flow battery and usage thereof | |
US20160268622A1 (en) | Alkali/Oxidant Battery | |
US9325036B2 (en) | Molten salt-containing metal electrode for rechargeable oxide-ion battery cells operating below 800°C | |
Perez-Antolin et al. | Semi-flowable Zn semi-solid electrodes as renewable energy carrier for refillable Zn–Air batteries | |
Mu et al. | Fe2O3 nanoparticle interfacial reaction redistributing Li-ion flux in flexible hierarchically porous membrane electrodes for dendrite-free lithium metal batteries | |
WO2015079689A1 (en) | High capacity alkali/oxidant battery | |
US9214707B2 (en) | Metal/oxygen battery with precipitation zone | |
Thamizhselvan et al. | Redox flow batteries: Pushing the cell voltage limits for sustainable energy storage | |
Meyerson et al. | A mediated Li–S flow battery for grid-scale energy storage | |
Huang et al. | Redox-assisted Li+-storage in lithium-ion batteries | |
Arai | Metal Storage/Metal Air (Zn, Fe, Al, Mg) | |
KR101835403B1 (en) | Cell combined metal-air cell and fuel cell and long-period driving battery system using the same | |
Mondal et al. | Emerging nanomaterials in energy storage | |
CN104934634B (en) | Battery | |
US9537192B2 (en) | Battery with low temperature molten salt (LTMS) cathode | |
CN103117424A (en) | Dual-phase electrolyte and lithium-silver battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140312 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20141024 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20141104 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20141127 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20141216 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20141217 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5674040 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |