[發(fā)明專利]碳電極材料和氧化還原電池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202080019622.2
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN113574707A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 西佳奈;巖原良平;小林真申;松村貴弘
• 申請（專利權(quán)）人: 東洋紡株式會社
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M8/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 薛海蛟

本發(fā)明的碳電極材料包含碳質(zhì)纖維(A)、石墨粒子以外的碳粒子(B)和將它們粘合的碳質(zhì)材料(C)，滿足下述要件：(1)石墨粒子以外的碳粒子(B)的粒徑為1μm以下，(2)將石墨粒子以外的碳粒子(B)中的、通過X射線衍射求出的c軸方向的微晶尺寸設(shè)為Lc(B)時，Lc(B)為10nm以下，(3)將碳質(zhì)纖維(A)和碳質(zhì)材料(C)中的、通過X射線衍射求出的c軸方向的微晶尺寸分別設(shè)為Lc(A)、Lc(C)時，Lc(C)/Lc(A)為1.0～5，(4)由氮氣吸附法求出的介孔比表面積小于30m²/g，(5)碳電極材料表面的鍵合氧原子數(shù)為碳電極材料表面的碳原子總數(shù)的1％以上。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及在氧化還原電池的負極中使用的碳電極材料，進一步詳細地涉及在上述氧化還原電池整體的能量效率方面優(yōu)異的碳電極材料。

背景技術(shù)

氧化還原電池是利用了在氧化還原離子的水溶液中的氧化還原的電池，由于是僅在液相中的溫和反應(yīng)，因此是安全性非常高的大容量蓄電池。

如圖1所示，氧化還原電池的主要結(jié)構(gòu)包括儲存電解液(正極電解液、負極電解液)的外部罐6、7和電解槽EC。在電解槽EC中，在相對的集電板1、1之間配置有離子交換膜3。在氧化還原電池中，將含有活性物質(zhì)的電解液通過泵8、9從外部罐6、7輸送到電解槽EC的同時，在電解槽EC中內(nèi)置的電極5上進行電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換，即進行充放電。作為電極5的材料，使用具有耐化學(xué)藥品性、具有導(dǎo)電性且具有通液性的碳材料。

作為在氧化還原電池中使用的電解液，代表性地使用含有因氧化還原而價數(shù)變化的金屬離子的水溶液。關(guān)于電解液，由在正極使用鐵的鹽酸水溶液、在負極使用鉻的鹽酸水溶液的類型，替換為在兩極使用電動勢高的釩的硫酸水溶液的類型，實現(xiàn)了高能量密度化。

在正極電解液中使用硫酸氧釩、負極電解液中使用硫酸釩的各種硫酸酸性水溶液的氧化還原電池的情況下，放電時，含有V²⁺的電解液供給到負極側(cè)的液體流路，含有V⁵⁺(實際上含有氧的離子)的電解液供給到正極側(cè)的液體流路。在負極側(cè)的液體流路中，在三維電極內(nèi)V²⁺放出電子并被氧化成V³⁺。被放出的電子通過外部電路在正極側(cè)的三維電極內(nèi)將V⁵⁺還原成V⁴⁺(實際上含有氧的離子)。隨著該氧化還原反應(yīng)，負極電解液中的SO₄^2-不足，正極電解液中SO₄^2-過剩，因此透過離子交換膜，SO₄^2-從正極側(cè)移動到負極側(cè)，電荷平衡得以保持。或者，也可以通過H⁺透過離子交換膜從負極側(cè)移動到正極側(cè)，電荷平衡得以保持。充電時進行與放電相反的反應(yīng)。

作為氧化還原電池用電極材料，特別要求以下所示性能。

1)不引起作為目的的反應(yīng)以外的副反應(yīng)(反應(yīng)選擇性高)，具體而言電流效率(η_I)高。

2)電極反應(yīng)活性高，具體而言電池電阻(R)小。即電壓效率(η_V)高。

3)與上述1)、2)相關(guān)的電池能量效率(η_E)高。

η_E＝η_I×η_V

4)對于反復(fù)使用的劣化小(長壽命)，具體而言電池能量效率(η_E)的降低量小。

在氧化還原電池中使用的電解液的開發(fā)正在積極推進中，作為具有比釩系電解液更高的電動勢、穩(wěn)定且能夠廉價地供給的電解液，例如專利文獻1中提出了在正極使用錳，在負極使用鉻、釩、鈦的電解液(例如錳-鈦系電解液)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻