(57)【要約】      （修正有）【課題】自動車用等に使用できる経済的で高効率の蓄電池を提供する。【解決手段】正電極１が鉛を含み、負電極２が亜鉛を含み、電解液がアルカリ金属の硫酸塩の水溶液である、再充電可能な電池を提供する。放電の際、二酸化鉛は、還元されて鉛になり、亜鉛は酸化されて二酸化亜鉛になる。この反応は、電池が充電されるときは逆反応である。なお電解質のカチオンとしてはリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びセシウムの少なくとも何れかであるか、テトラメチルアンモニウムでもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池であって、
鉛よりなる正電極と、
亜鉛よりなる負電極と、
アルカリ金属の硫酸塩の群から選択された塩の水溶液を含む電解液と、
を含む蓄電池。
【請求項２】
請求項１の蓄電池において、前記アルカリ金属は、リチウムである蓄電池。
【請求項３】
請求項１の蓄電池において、前記アルカリ金属は、ナトリウムである蓄電池。
【請求項４】
請求項１の蓄電池において、前記アルカリ金属は、カリウムである蓄電池。
【請求項５】
請求項１の蓄電池において、前記アルカリ金属は、ルビジウムである蓄電池。
【請求項６】
請求項１の蓄電池において、前記アルカリ金属は、セシウムである蓄電池。
【請求項７】
請求項１の蓄電池において、前記アルカリ金属は、テトラメチルアンモニウムである蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００５年１０月１３日に出願され、現在継続中の米国出願第１１／２４９，２２３号の一部継続出願であり、この出願は、２００４年１月１３日に出願され、放棄された米国出願第１０／７５６，０１５号の継続出願である。また、本願は、２００５年６月２７日に出願され、現在ペンディング中の米国出願第１１／１６７，５３５号の一部継続出願であり、この出願は、２００４年１月１３日に出願され、放棄された米国出願第１０／７５６，０１５号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、その独特の電気化学によって特徴付けられる新規な型の蓄電池に関する。正電極は二酸化鉛からなり、負電極は亜鉛からなる。電解液はアルカリ金属の硫酸塩の水溶液からなる。炭酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、およびリン酸塩を含む種々の緩衝剤を電解液に添加することができる。放電の際、二酸化鉛は還元されて２価の鉛化合物になり、亜鉛は酸化されて酸化鉛になる。
【背景技術】
【０００３】
殆ど全ての自動車に見られる最も共通の蓄電池は、鉛電池である。この電池は、二酸化鉛の正電極と、鉛金属の負電極と、電解液用の硫酸とを含む。その主な利点は低価格であることである。にもかかわらず、この電池は、限定されたエネルギー密度を有し、その電解液は、極めて腐食性がある。さらに、放電の際、電極と反応するために十分な酸が必要とされる。保守不要（メンテナンスフリー）の型は特許文献１に開示されているように、発生したガスの損失を回避するが、それらのサイクル寿命は依然として限られている。
【０００４】
鉛蓄電池の代替の研究は継続して行われている。１９３４年まで遡ると、Ｄｒｕｍｍは、酸化ニッケル−鉛の電池と酸化銀−鉛の電池とを開示した（特許文献２）。これらの電池は共に、負電極として亜鉛を用い、電解液として苛性カリを用いている。酸化ニッケルまたは酸化銀は、正電極として働く。これらの電池は、改善されたエネルギー密度を有し、多数の用途に良好に適合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３，８６２，８６１号
【特許文献２】米国特許第１，９５５，１１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
理想的な蓄電池は、欠点のない既存の電池の最善の特徴を組み合わせることである。このような電池の必要性は、バックアップ電力システムに対して、および自動車の応用において明らかである。従って、本発明の目的は、経済的でかつ高効率の改善された蓄電池を提供することにある。本発明のこれらのおよび他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明と添付された図面によって分かるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
蓄電池は、鉛の正電極と、亜鉛の負電極から製造される。充電の際、多少の鉛が、二酸化鉛に変換される。放電の際、二酸化鉛は還元されて、二価の鉛化合物、特に硫酸鉛になる。亜鉛は酸化されて二酸化亜鉛になる。これらの反応は可逆的で、電池は、第二の電池の両方の機能、すなわち、要求に応じて電力を供給すること、および余った電力を保存または蓄積することを実現する。
【０００８】
セルの電解液は、アルカリ金属の硫酸塩の群から選択された塩の水溶液である。アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、およびセシウムを含む。これらの金属のあらゆる組み合わせを用いることができる。
ある添加剤は、電解液に有効な緩衝材であることが分かっている。これらの添加剤は、重炭酸塩、炭酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、およびリン酸塩を含む。
【０００９】
本発明の実用的な具体例である電極は、薄板、繊維、または粒子として構成され、これにより、電極の表面積を最大にすることができる。炭素質材料の散在粒子は、電気伝導度を改善するために用いることができる。ゲル化剤は、電解液を固定化するために添加される。必要ならば、短絡を防ぐために正電極と負電極との間に分離板を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による鉛亜鉛電池の原型の描写であり、セルの主な構成部品を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
鉛亜鉛電池の化学作用は、その働きの理解を得るために重要である。正電極は二酸化鉛からなり、この二酸化鉛は、放電の際、還元されて２価の硫酸鉛になる。負電極は亜鉛からなり、この亜鉛は、セルが放電される際、酸化されて酸化鉛になる。電解液は、アルカリ金属の硫酸塩の水溶液である。アルカリ金属がカリウムであるという特定の場合、充電の際の電極の反応は、以下の反応式によって表わすことができる。
正電極
（１）ＰｂＯ２＋Ｋ２ＳＯ４＋Ｈ２Ｏ→ＰｂＳＯ４＋ＫＯＨ＋２ＯＨ
負電極
（２）Ｚｎ＋２ＯＨ→ＺｎＯ＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ
これらの反応式を組み合わせると、セルの全体の反応は、以下のようになる。
（３）ＰｂＯ２＋Ｚｎ＋Ｋ２ＳＯ４→ＰｂＳＯ４＋ＺｎＯ＋２ＫＯＨ
【００１２】
セルの充電の際、反応は逆反応である。従って、硫酸鉛は、酸化されて二酸化鉛となり、酸化亜鉛は還元されて、亜鉛金属になる。充電に必要な起電力は、外部の電源によって供給される。放電−充電のサイクルは、延々と繰り返すことができる。従って、蓄電池の機能を果たしている。
新しい電池を設計する上で特に困難な課題は、電気化学的反応を受け、さらに電解液による腐食に耐える電極材料を特定することである。この点に関して理論は助けにはなるが、実験データは、電極および電解液の両方の材料の有効性を実証することが要求される。セルの相対的性能を測定する１つの方法は、開回路電圧である。
【００１３】
電解液の材料の選択においては、本発明は、決定的な利点を有する。水酸化カリウムのような強アルカリ、または硫酸のような強酸からなる電解液を用いる代わりに、本発明は、塩の水溶液を用いる。このような電極は、良好なイオン導電体であるが、動作条件の下では相対的には弱性である。従って、既存の電池を悩ます電極の腐食という問題を回避する。
本発明の電解液の優れた性能にも拘わらず、溶液のピーエッチ（ＰＨ）を良好に制御する必要性がある。この場合、緩衝剤を電極に添加することができる。この適用においては、炭酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、およびリン酸塩のような化合物が有効である。これらの塩は、鉛と銅との不溶性の化合物を形成するという追加の利点を有する。
【００１４】
電解液に使用するためにアルカリ金属の硫酸塩を選択することは、幾つかの利点がある。リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、およびセシウムを含む、アルカリ金属のいずれか１つの硫酸塩を用いることができる。この列のうち、リチウムからセシウムへ進むにつれて、電気陰性度は小さくなる。この現象は、塩のイオン性質に影響を与え、従って、電池の性能に影響を及ぼすことが期待される。電解液として用いられるこの硫酸塩はまた、硫酸テトラメチルアンモニウムとすることができる。
【００１５】
アルカリ金属の選択を検討する他の要因は、その硫酸塩の溶解度である。例えば、０℃における硫酸カリウムの溶解度は、１００ｍｌの水に対して７．３５グラムである。一方、同じ温度における硫酸リチウムの溶解度は、３５．３４グラムである。溶解度が大きくなれば電池の小型化の助けとなるという利点を有する。
【００１６】
本発明の鉛亜鉛セルの構成は、限定されることはない。しかしながら、その顕著な特徴は、図１に示すフォトタイプの図面により理解できる。この切欠き透視図は、平坦な平行板として配列された電極を示す。鉛の正電極１および亜鉛の負電極２は、分離板３によって隔離されている。これらの部品は、ケーシング５に含まれる電解液４内に浸漬されている。この断面図はまた、電極に取り付けられた導線も示している。
【００１７】
［実施例］
（１）セルは、径２．５インチ、高さ４インチのガラスジャーから作製された。プラスチックの仕切板が、電極を隔離している。正電極は、幅１．５インチ、高さ４インチの鉛の細片とした。負電極は、幅１．５インチ、高さ４インチの亜鉛の細片とした。電解液は、９９，０％の硫酸ナトリウムの４４．１グラムを最小限２００ｍｌの水に溶解して作製された。３．０Ｖで２５分間セルを充電後、２．７５Ｖの開回路の電位が観察された。セルは、９５ｍＡの電流を生成する懐中電灯の電球を含むループを通って放電された。
【００１８】
（２）実施例（１）で用いられた同じセルが用いられた。この実験では、電解液は、９９．０％の硫酸リチウム水和物の４５．１グラムを最小限２００ｍｌの水に溶解することによって作製された。３．０Ｖで２５分間セルを充電した後、２．７２Ｖの開回路の電位が得られた。セルは、実施例（１）に用いられた同じ回路を通って９２ｍＡの電流を生成した。
【００１９】
（３）この実験で用いられたセルは、１．７５インチの径で４インチの高さのガラスジャーから組み立てられ、プラスチックの分離板によって電極を分離した。電極は、実施例（１）および（２）に用いられた電極と同じものとした。電解液は、１００ｍｌの水に溶解された９９．９％の硫酸セシウムの１５．６グラムから構成した。３．２Ｖで１１分間セルを充電した後、２．５５Ｖの開回路の電位が得られた。セルによって生成された最大電流は、前述したのと同じループによって８０ｍＡであった。実施例（１）、（２）、および（３）で説明した３つの実験の最後に、電極は優良な状態になり、腐食の兆候はなかった。
【００２０】
本発明を、所定の具体例に関連して説明してきたが、本発明は、開示された具体例に限定されることはなく、むしろ添付された請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる種々の改良および均等な構成を含むことを意図し、この範囲は、法の下で認容されるこのような改良および均等な構造の全てを含むように、最も幅広く解釈されるべきであることが分かる。
【図１】
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