(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学エネルギー貯蔵装置であって、電気化学エネルギー貯蔵デバイスを含み、該デバイスは、正極と、負極と、セパレーターと、水系電解液及び前記正極、負極、セパレーターと水系電解液とを収納するためのハウジングを含み、前記正極の活物質材料は、水系電解液中にイオン挿入・脱離反応が可能な少なくとも一つの材料を含むことと、前記ハウジングに前記ハウジングから流出させて循環させるための給液口及び排液口を有する、電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
前記電気化学エネルギー貯蔵デバイスに流体を流入させ、及び前記エネルギー貯蔵デバイスから流体を流出させるために、前記ハウジングの給液口及び排液口が外付けの流体循環装置に連結され、前記流体循環装置が循環ポンプと、貯液タンク及び流体通路とする連結用管路を含み、前記貯液タンクが上流貯液タンク及び下流貯液タンクを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
前記ハウジングの給液口及び排液口に、その開閉を制御するための制御弁が設けられることを特徴とする、請求項２に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項４】
前記制御弁は予定周期で給液口と排液口の開け閉め、前記流体循環装置の稼働は予定周期での起動と停止することを特徴とする、請求項３に記載された電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項５】
更にセンサーが設けられ、その信号を利用して前記制御弁に対してインテリジェント制御を行うことで、前記ハウジングの給液口及び排液口の開閉と、前記外付けの流体循環装置の稼働を自動作動させることを特徴とする、請求項３に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項６】
前記インテリジェント制御システムは前記センサーで検出された電気化学エネルギー貯蔵装置の状態により行うことを特徴とする、請求項５に記載された電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項７】
前記負極の活性物質材料が、遷移金属を含む酸化物、リン酸塩、硫酸塩、金属、合金及び様々な黒鉛化度と比表面積及びナノ形状・構造を有する炭素材料から選ばれる一つ又は複数であることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項８】
前記正極の活物質材料が、遷移金属を含む酸化物、リン酸塩、硫酸塩及び様々な黒鉛化度と比表面積及びナノ構造を有する炭素材料から選ばれる一つ又は複数であることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項９】
前記負極及び／又は正極の活物質材料は可逆酸化還元反応を行う材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項１０】
ファラデー過程による擬似容量又は非ファラデー過程による電気二重層容量によってエネルギー貯蔵を行うことが可能な材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項１１】
前記イオン挿入・脱離反応におけるイオンが、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、亜鉛イオン、アルミニウムイオン、又は金属イオンと配位子で形成される錯イオンのうちの一つ又は複数を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項１２】
前記水系電解液が、水溶性のリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、亜鉛塩、又はアルミニウム塩のうちの一つ又は複数の電解質を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項１３】
前記水系電解液のｐＨ値が、次の４〜１０、５〜９、又は６〜８の範囲から選ばれることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項１４】
前記水系電解液が、ｐＨ値を安定させるための緩衝液を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー貯蔵装置。
【請求項１５】
電気化学エネルギー貯蔵装置であって、少なくとも一つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスを含み、前記少なくとも一つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスは、正極と、負極と、セパレーターと、水系電解液及び前記正極、負極、セパレーターと水系電解液とを収納するためのハウジングを含み、前記正極の活物質材料が、水系電解液中にイオン挿入・脱離反応が可能な少なくとも一つの材料を含むことと、前記ハウジングが、流体を前記ハウジングに流入させ、及び前記ハウジングから流出させて循環させるための給液口及び排液口を有することと、前記少なくとも一つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスの給液口及び排液口が、前記電気化学エネルギー貯蔵装置において、流体通路を形成できるように設けられることとを特徴とする、電気化学エネルギー貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【請求に関する交差引用】
【０００１】
本出願は申請番号が２０１５１０２５４３５５．８の２０１５年５月１８日に提出する中国特許申請の権益と優先権を要求する。上記中国特許の申請の内容全部は引用内容として本文を構成するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、水系の電気化学エネルギー貯蔵装置に関し、特に性能の改善又は修復が可能な電気化学的エネルギー貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
人類社会のエネルギー資源に対する需要が益々増えていることや、化石エネルギーの不足及びその環境へのダメージなどの要因が生じることに連れて、世界の各産業大国では風力や、太陽光エネルギーなどの新エネルギーの普及を大いに推進しており、それと共に既存エネルギー系の合理化及び効率化を求めることは必然的な傾向となっている。地域や時の違いによるエネルギー生産と需要のアンバランスに対処し、新エネルギーを普及・推進し、エネルギーの利用効率を高めるなど、これら一連のエネルギー利用の持続的発展を実現するための大きな傾向において、エネルギー貯蔵技術は極めて重要な位置付けにある。
【０００４】
既存のエネルギー貯蔵技術において、電気化学を利用したエネルギー貯蔵、つまり充電電池を利用したエネルギー貯蔵の形態は、高い効率でのエネルギー貯蔵（高いエネルギー変換効率）という優れた特徴を有し、それはエネルギー貯蔵のための理想的な手段としての選択肢である。しかし、このような家庭内、商業、産業での利用から電力網などまでの、エネルギー貯蔵に対する大きな（１ｋＷｈ−１００ＭＷｈ）需要は、これまでの電池技術の発展からまったく予測できず、つまり、このように突如に表れた莫大な市場ニーズの、理想的なエネルギー貯蔵手段に対して求めている、安全、環境保全、高効率、長寿命化、低コストという要件を満たせる既存電池技術が一切ないという現状にある。
【０００５】
水系リチウムイオン電池（ＣＮ１３２８８１８Ｃ）及び水系ナトリウムイオン電池（ＣＮ１０２０２７６２５Ａ）の技術を含む、近年に現れた水系イオン電池の技術は、エネルギー貯蔵技術の現状におけるボトルネックへの解消が期待され、更に上記市場要件を満たすことを兼ね備える技術的解決手段である。水系イオン電池はリチウムイオン電池のようなイオン挿入／脱離反応を利用し、既存のリチウムイオン電池における非水系（有機）電解液を、水系電解液で代替し、燃焼や爆発が生じやすい性質を有するリチウムイオン電池の安全上のリスクを解消すると共に、電解液のコスト及び電池の生産コストを大幅に削減する。この他、水系イオン電池は、属酸化物と炭素材料とを正極材料として用い、中性に近い水溶液を電解液としており、使用される材料は、いずれも無害・無毒性で、環境負荷の少ない材料であり、エネルギー貯蔵の大規模利用と幅広く普及させることに適する。しかし、エネルギー貯蔵技術に対する大規模利用と普及の原動力は、エネルギー貯蔵にかかるコスト、即ち均等化発電原価の低減により、電気エネルギーの貯蔵を通して使用者に経済的利益をもたらすということに由来するものである。例えば、段階制電気料金が実施される地域において、安価な時間帯に電力網の電気をエネルギー貯蔵製品（電池）に貯蔵し、電気料金のピーク時間帯に電池に貯蔵した電気を使用し、更に電気料金の差額から経済的利益を獲得する。このためには、エネルギー貯蔵製品が十分に低い均等化発電原価（ＬＣＯＥ）を有するということが求められる。均等化発電原価を低減する最も効果的な方法は、エネルギー貯蔵製品、即ち電池のサイクル寿命を延長することである。
【０００６】
充電電池（二次電池）は、いずれも限られたサイクル寿命を有し、充放電サイクルの繰り返しに連れて、電池の容量は徐々に低減し、二次電池は、その種類の違いに応じて、電池容量の減衰メカニズムが異なる。本発明は水系イオン電池の容量減衰メカニズムに対する鋭意研究によって、水系イオン電池の容量減衰をもたらす原因は、主に、１）微量の水素発生及び水素発生反応に起因する電解液ｐＨ値がかけ離れた値になることと、２）電解液中の水が徐々に分解されることに起因する電極表面の電解液の減少及び微量の気体が溜まることと、３）電極の活物質材料として用いられる金属酸化物が、化学的又は電気化学的副反応を発生させて生成される副生成物が、例えば生成される微量の遷移金属イオンが電解液に溶解することと、４）集電体又はバスバーにおける金属が徐々に腐食されて遷移金属イオンを生成し、更に遷移金属イオンが電解液に溶解すること、などの複数の要因からなるということを見出した。
【０００７】
以上に記載のとおり、水系イオン電池の容量減衰をもたらす副反応の起因及びメカニズムは様々であるが、しかしその共通点は、その副反応の生成物によって電解液が汚染されることであり、一方、汚染された電解液によって、電池容量の減衰が加速される可能性がある。
【発明の概要】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、電解液を交換することで、修復可能な電気化学エネルギー貯蔵装置の実現及び該電気化学的エネルギー貯蔵装置の機能の改善又は修復を可能とする方法を提供する。
【０００９】
本発明の実施形態の一態様では、電気化学的エネルギー貯蔵装置を提供しており、該装置は、電気化学的エネルギー貯蔵デバイスを含み、該デバイスは、正極と、負極と、セパレーターと、水系電解液及び前記正極、負極、セパレーターと水系電解液とを収納するためのハウジングを含み、ここで、前記正極の活物質材料が、水系電解液中にイオン挿入・脱離反応を発生させることが可能な少なくとも一つの材料を含み、前記ハウジングが、流体を前記ハウジングに流入させ、及び前記ハウジングから流出させて循環させるための給液口及び排液口を有する。
【００１０】
本発明のさらなる実施形態は、前記電気化学エネルギー貯蔵デバイスに流体を流入させ、及び前記エネルギー貯蔵デバイスから流体を流出させるために、前記ハウジングの給液口及び排液口が外付けの流体循環装置に連結され、前記流体循環装置は循環ポンプと、貯液タンク及び流体通路とする連結用管路を含み、前記貯液タンクは上流貯液タンク及び下流貯液タンクを含む。ハウジングの給液口及び排液口に、更にその開閉を制御するための制御弁が設けられており、制御弁でハウジングの給液口及び排液口を適時に開けて、流体循環装置における循環ポンプの駆動力を利用することで、新しい電解液を上流貯液タンク（即ち新しい電解液が入った貯液タンク）からエネルギー貯蔵デバイスへ流し込み、エネルギー貯蔵デバイス内の電解液（微量のガスが含まれる）をエネルギー貯蔵デバイスから流出させて、下流貯液タンク（即ち廃液タンク）へ流入させる。制御弁は予定される周期で給液口と排液口の開け閉めと流体循環装置の稼働の起動と停止が可能である。
【００１１】
本発明のさらなる実施形態は、電気化学的エネルギー貯蔵装置にセンサーが更に設けられ、その信号を利用して前記制御弁に対してインテジェント制御を行うことで、前記ハウジングの給液口及び排液口の開閉と、前記外付けの流体循環装置の稼働を自動作動させる。インテジェント制御はセンサーで検出された電気化学エネルギー貯蔵デバイスの状態で行うことが可能である。
【００１２】
上記とおり、エネルギー貯蔵デバイスの内部と外部の間の、電解液の補充及び交換を含む電解液（微量のガスが含まれる）の流動を利用して、該電気化学エネルギー貯蔵デバイスの内部の物理的、化学的、及び電気化学的環境要因に対する監視、調整及び制御、又は最適化を行うことが可能である。
【００１３】
本発明の電気化学的エネルギー貯蔵装置における電気化学的エネルギー貯蔵デバイスに用いられる負極の活性物質材料は、遷移金属を含む酸化物、リン酸塩、炭酸塩、硫酸塩、珪酸塩、金属、合金及び様々な黒鉛化度、比表面積及びナイ形状・構造を有する炭素材料から選ばれる一つ又は複数である。所記炭素材料は、グラファイト、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維、カーボンナノチューブ及びグラフェンから選ばれる一つ又は複数を含む。
【００１４】
本発明の電気化学的エネルギー貯蔵装置における電気化学的エネルギー貯蔵デバイスに用いられる正極の活性物質材料は、遷移金属を含む酸化物、リン酸塩、硫酸塩、炭酸塩、珪酸塩及び様々な黒鉛化度、比表面積及びナイ形状・構造を有する炭素材料から選ばれる一つ又は複数である。所記炭素材料は、グラファイト、カーボンブラック、ソフトカーボン、ハードカーボン、活性炭、炭素繊維、カーボンナノチューブ及びグラフェンから選ばれる一つ又は複数を含む。
【００１５】
正極及び／又は負極の活性物質材料は、水系電解液中でイオン挿入・脱離反応が少なくとも一つの可能な材料を含み、前記イオンは、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、亜鉛イオン、アルミニウムイオン、又は金属イオンと配位子で形成される錯イオンのうちの一つ又は複数を含むが、これらに限定されない。
【００１６】
選択できる実施形態の中で、正極及び／又は負極の活物質の材料を遷移金属を含む酸化物、リン酸塩、硫酸塩にしてもよい。
【００１７】
選択できる実施形態の中で、正極及び／又は負極の活物質の材料に可逆酸化還元反応を行う材料を含む。
【００１８】
選択できる実施形態の中で、正極及び／又は負極の材料にはファラデー過程による擬似キャパシティ又は非ファラデー過程による電気二重層容量によってエネルギー貯蔵を行うことが可能な材料（例えば酸化物と炭材料）を含む。
【００１９】
本発明の電気化学的エネルギー貯蔵装置における電気化学エネルギー貯蔵デバイスに用いられる水系電解液は、水溶性のリチウム塩、アンモニウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、亜鉛塩、アルミニウム塩又は錯塩のうちの一つ又は複数を電解質として含む。電解液のｐＨ値の範囲を４〜１０に制御し、好ましくは５〜９に制御し、更に好ましくは６〜８に制御する。該水系電解液はｐＨ値を安定させるための緩衝液を含む。
【００２０】
該電解液は通常の場合、中性電解液の特性を有し、電解液が中性からずれて、酸性又はアルカリ性に偏る場合、いずれも水素の析出又は酸素の析出反応を加速する可能性があり、また、正極又は負極の活性物質材料と非可逆的な副反応を発生させ、従ってエネルギー貯蔵デバイスの容量減衰をもたらす可能性がある。
【００２１】
本発明の実施形態のもう一方の態様は、上記電気化学的エネルギー貯蔵装置の機能の改善又は修復に用いられる方法を提供しており、該方法は、電気化学エネルギー貯蔵デバイスのハウジングにある給液口及び排液口の開閉を制御弁で制御することと、更に外付けの流体循環装置を利用して流体を前記ハウジングへ流入させ及び前記ハウジングから流出させることとを含み、前記流体循環装置は、循環ポンプと、貯液タンク及び流体通路とする連結用管路を含み、前記貯液タンクは、上流貯液タンク及び下流貯液タンクを含んでもよい。制御弁は予定される周期で給液口と排液口の開け閉めと流体循環装置の稼働の起動と停止が可能である。
【００２２】
さらなる実施形態は、流体をハウジングに流入させることと、ハウジングから流出させることを利用して、電気化学エネルギー貯蔵デバイスの内部の物理的、化学的又は電気化学的環境要因に対する監視、調整及び制御、最適化を行うことを実現する。その中、電気化学エネルギー貯蔵デバイスの内部の化学的環境要因に対する監視・調整及び最適化は水相電解液のｐＨ値の範囲を４〜１０、又は５〜９、又は６〜８に制御することにしてもよい。
【００２３】
ここで、ハウジングからウジングから流出する流体は、前記水系電解液と混合された、又は水系電解液に溶解された、電気化学反応又は化学反応の副反応から生成される副生成物を含み、該副生成物は、気体、溶解物質、固形顆粒及び予定の構成要素から離れる電解液（正常なｐＨ値からかけ離れた値を有する電解液）を含み、前記電気化学エネルギー貯蔵デバイスから流出する流体が前記下流貯液タンクへ流入する。電気化学エネルギー貯蔵デバイスに流入する流体は予定の構成要素を有する電解液、補給に用いられる脱イン水、及び電気化学的エネルギー貯蔵デバイスの特定の物理化学的特性を改善又は修復するための添加剤を含み、電気化学エネルギー貯蔵デバイスへ流入する流体は上流貯液タンクからの流体である。さらなる実施形態は、上記電気化学エネルギー貯蔵装置の機能を改善又は修復するための方法は、インテリジェント制御システムを利用して、ハウジングの給液口及び排液口の開閉と、流体循環装置の稼働に対して調整・制御を行う。ハウジングの給液口及び排液口を開けること及び流体循環装置の稼働によって発生する該電気化学エネルギー貯蔵デバイスの内部の物理的、化学的又は電気化学的環境要因の変更は、該電気化学エネルギー貯蔵デバイスの製造過程における初回充電時又は実際の使用現場で、該電気化学エネルギー貯蔵デバイスから構成されるエネルギー貯蔵モジュール（例えば、複数の電気化学エネルギー貯蔵デバイスから構成されるバッテリ・スタックなど）又はエネルギー貯蔵システムに対する使用現場でのメンテナンス、機能の修復又は性能のアップグレードを行う際に行うことが可能である。インテリジェント制御システムはセンサーで検出された電気化学エネルギー貯蔵デバイスの状態いよりコントロールすることが可能である。
【００２４】
本発明の実施形態のもう一方の態様は、電気化学エネルギー貯蔵装置を提供しており、該装置は少なくとも一つの電気化学的エネルギー貯蔵デバイスを含み、該少なくとも一つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスは、正極と、負極と、セパレーターと、水系電解液及び前記正極、負極、セパレーターと水系電解液とを格納するためのハウジングを含む。前記正極の活物質材料が、水系電解液中にイオン挿入・脱離反応を発生させることが可能な少なくとも一つの材料を含むことと、前記ハウジングが、流体を前記ハウジングに流入させ、及び前記ハウジングから流出させて循環させるための給液口及び排液口を有することと、少なくとも一つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスの給液口及び排液口を利用して、前記気化学的エネルギー貯蔵装置において流体通路を形成することとを特徴とする。
【００２５】
本発明の電気化学エネルギー貯蔵装置における電気化学的エネルギー貯蔵デバイスが、流体をハウジングへ流入させ、及びハウジングから流出させて循環させるための給液口及び排液口を有するため、本発明の電気化学エネルギー貯蔵デバイスは電解液を交換でき、したがって、電気化学的エネルギー貯蔵デバイスの内部の物理的、化学的、及び電気化学的環境要因に対するモニタリング、制御又は最適化、修復を実現し、それにより各項目の指標を向上させ、更にその耐用年数を大幅に延長する。また、電解液の交換によって、容量のさらなる減衰を抑制し、そして電解液へ特定の添加剤を添加することで、特定の副反応の発生を抑制し、更に電気化学エネルギー貯蔵デバイスにおける材料（活性物質材料及び非活性物質材料を含む）を修復可能であり、また電解液の成分に対する測定によって副反応の種類や進行などを予測可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一つの実施形態に係る電気化学エネルギー貯蔵装置の概略構成図である。
【図２】本発明のもう一つの実施形態に係る修復可能な電気化学エネルギー貯蔵装置の概略構成図である。
【図３】本発明の更にもう一つの実施形態に係る電気化学的エネルギー貯蔵装置の概略構成図である。
【図４】図１〜図３の電気化学的エネルギー貯蔵デバイスの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の目的、技術的解決手段及び利点を更に明確にするために、以下に添付図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。留意すべきことは、本発明は添付図に示される部材の構造及び／又は配置に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、本発明の各実施形態に対して様々な組み合わせを行うことが可能である。
【００２８】
図１は本発明の実施形態に係る修復可能な電気化学エネルギー貯蔵装置の概略構成図である。図１に示すとおり、本実施形態における電気化学エネルギー貯蔵装置は電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１（例えば、水系のイオン電池であってもよい）を含み、該デバイスは、正極と、負極と、セパレーターと、水系電解液及び前記正極、負極、セパレーターと水系電解液とを格納するためのハウジング１１を含み、ハウジング１１は、流体をハウジング１１に流入させ、及びハウジング１１から流出させて循環させるための給液口１２及び排液口１３を有する。好ましくは、流体を化学的エネルギー貯蔵デバイス１へ流入させ、及び電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１から流出させるために、ハウジング１１の給液口１２及び排液口１３は、外付けの流体循環装置と連結される。該流体循環装置は、循環ポンプ（例えば、ポンプ１（３１）及びポンプ２（３２）を含んでもよい）、貯液タンク及び流体通路として用いられる連結管路を含み、貯液タンクは上流貯液タンク（バージン電解液タンク４２）及び下流貯液タンク（廃液タンク４１）を含む。電気化学的エネルギー貯蔵装置は、給液口１２及び排液口１３の開閉を制御するために、ハウジング１１の給液口１２及び排液口１３の箇所に設けられる制御弁（例えば、制御弁１（２１）及び制御弁２（２２））を更に含んでもよい。図１において、ハウジング１１にある排液口１３は、制御弁１（２１）及びポンプ１（３１）を通して廃液タンク４１と連結され、ハウジング１１にある給液口１２は、制御弁２（２２）及びポンプ２（３２）を通してバージン電解液タンク４２と連結される。電気化学エネルギー貯蔵デバイス１が一定期間稼働（例えば連側的に１００日間稼働）すると、まず廃液タンク４１連結する制御弁１（２１）とポンプ１（３１）をオンにして、電気化学エネルギー貯蔵デバイス１における電解液を吸引してデバイスから排出する。次にバージン電解液タンク４２と連結する制御弁２（２２）とポンプ２（３２）をオンにして、新しい電解液で電気化学エネルギー貯蔵デバイス１の内部を１〜３回洗浄した後、電気化学エネルギー貯蔵デバイス１を充満するように電解液を注入する。これにより、修復可能な電気化学エネルギー貯蔵装置に対する最も簡易な修復が完了する。電解液交換前に比べ、交換後の電気化学エネルギー貯蔵デバイスの容量はある程度向上される。
【００２９】
電気化学エネルギー貯蔵デバイスが、充放電サイクルの過程で、化学的及び電気化学的な副反応を含む非可逆的な副反応が発生するという望ましくないことが生じる可能性があり、電気化学エネルギー貯蔵デバイスの容量が減衰する可能性がある。これらの副反応から生成される副生成物は、気体、溶解物質又は固形顆粒を含み、これらは電解液中に浮遊することになる。これらの副生成物が生じること、及びエネルギー貯蔵デバイス内での副生成物の蓄積に起因して、エネルギー貯蔵デバイスの容量及びほかの機能の減衰が加速されることになる。本発明では、流体をハウジングに流入させ、及びハウジングから流出させることで、電気化学的エネルギー貯蔵装置内の物理的、化学的又は電気化学的環境要因に対する監視、調整・制御又は最適化を行うことが可能である。前記物理的環境要因は、圧力、温度を含むが、これに限定されない。前記化学的環境要因は、電解液のｐＨ値、電解液中に溶解している酸素濃度、電解液中の電解質の成分を含み、またアニオンとカチオンの濃度、及び様々な金属カチオンの濃度の比率などを含むが、これらに限定されない。前記電気化学的環境要因は、電解液の電気伝導率、電解液の酸化還元電位窓、金属集電体の電気化学的腐食及び防食状態を含むが、これらに限定されない。
【００３０】
例えば、本実施形態において、定期的又は非定期的にデバイス１の給液口１２及び排液口１３を開けて、更に液体循環装置を起動させることで、気体、溶解物質及び正常な範囲のｐＨ値からかけ離れた値を有する電解液を含む、副反応の生成物によって汚染された電解液を、エネルギー貯蔵デバイス１から排出して、廃液タンク４１に流入させる。また、添加剤などを含む新しく調合した電解液を、バージン電解液タンク４２から電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１に流入させることで、エネルギー貯蔵デバイス内の物理的、化学的及び電気化学的環境要因に対する改善と、エネルギー貯蔵デバイスの電気化学的特性に対する最適化及び修復を行う。
【００３１】
本実施形態の中の流体循環装置はずっと起動状態であるではなく、予定の周期でデバイス１の給液口１２と排液口の開け閉めができ、流体循環装置を起動させることができる。即ち、制御弁は予定の周期で給液口と排液口の開け閉めができ、流体循環装置の稼働は予定の周期で起動と停止することができる。エネルギー貯蔵デバイスの充放電サイクルスを一定時間に設定することができる。例えば、３００サイクルスを予定の周期にしてもよい、ほかのサイクルスを予定の周期にしてもよい。エネルギー貯蔵デバイスはサイクル充放電をするたびにハウジングの給液口と排液口につける制御弁で給液口と排液口の開け閉めを制御する。それと同時に流体循環装置を起動し、副反応の生成物によって汚染された電解液を、エネルギー貯蔵デバイス１から排出して、廃液タンク４１に流入させる。また、添加剤などを含む新しく調合した電解液を、バージン電解液タンク４２から電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１に流入させる。その後、制御弁で給液口と排液口を閉め、流体循環装置を停止する。
【００３２】
例えば、ハウジング１１から流出する流体は、水系電解液に混合され、又は溶解している電気化学的又は化学的副反応から生成された副生成物を含み、該副生成物は、気体、溶解物質、固形顆粒及び予定構成要素から離れる電解液（予定ｐＨ値を離れる電解液）、電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１から流出させる流体を、廃液タンク４１に流入させる。電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１に流入させる流体は、予定の構成要素を有する電解液、電解液補給用の脱イオン水及び電気化学的エネルギー貯蔵装置の特定の物理化学的特性を改善又は修復するための添加剤を含み、電気化学的エネルギー貯蔵デバイスへ流入させる流体は、バージン電解液タンク４２からの流体である。
【００３３】
例えば、予定構成要素は電解液の正常に動かせる状態を保つ構成要素である。例えば、電解液のｐＨ値、電解液中に溶解している酸素濃度、電解液中の電解質の成分を含み、またアニオンとカチオンの濃度、及び様々な金属カチオンの濃度の比率及び電解液の電気伝導率、電解液の酸化還元電位窓等を含むが、これらに限定されない。
【００３４】
図２は、本発明のもう一つの実施形態に係る修復可能な電気化学的エネルギー貯蔵装置の概略構成図である。図２に示すとおり、前の実施形態における電気化学的エネルギー貯蔵装置の構造に比べ、本実施形態における電気化学的エネルギー貯蔵装置は、センサー及びインテリジェントシステムを更に含み、センサーの信号を利用して制御弁に対してインテリジェント制御を行い、インテリジェント制御システムを用いて、ハウジング１１の給液口１２及び排液口１３の開閉と、外付けの流体循環装置の稼働とを制御し、それにより電気化学エネルギー貯蔵装置に対する自動修復を行うという相違点を有する。
【００３５】
本実施形態の中、流体循環装置はずっと起動状態であるではなく、インテジェント化制御はセンサーで検出された電気化学的エネルギー貯蔵装置の状態により制御を行うことである。
【００３６】
所記センサーは、電気化学エネルギー貯蔵デバイスの状態検出のために用いられ、例えば、電気化学エネルギー貯蔵デバイスの内部の物理的、化学的又は電気化学的環境要因の検出が行われる。好ましくは、センサーは、（ｉ）電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１に設けられる圧力センサー５１（リアルタイム監視）と、（ｉｉ）電気化学エネルギー貯蔵デバイス１に設けられる温度センサー５５（リアルタイム監視）と、（ｉｉｉ）電気化学エネルギー貯蔵デバイス１に設けられる水位センサー１（５２）及び電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１に設けられる水位センサー２（５３）（リアルタイム監視）と、（ｉｖ）電解液用の電気化学分析機器５４（定期的に電解液を吸引して化学分析を行うために用いられ、制御ユニット（未表示）からポンプ１（３１）へ指令を出し、ポンプ１（３１）は所定量の電解液を吸引して、電気化学的分析機器に送り、従って検出が行われるという動作フローを有する）を含む。
【００３７】
好ましくは、インテリジェント制御システムは、データ収集装置６１及びマネージメントユニット６２を含む。データ収集装置６１はセンサーからのデータ情報を読み取り、分析を行い、更に分析結果を情報フローの形でマネージメントユニット６２に伝送する。マネージメントユニット６２は受信した分析結果に基づき、流体循環装置へ動作指令（制御信号）を発信する。ここで、分析結果は、例えば、電解液が劣化しているため、電解液交換が必要であること、又は電気化学エネルギー貯蔵デバイス内の温度と圧力が異常であり、電解液の活性が低く、電気化学エネルギー貯蔵デバイスの活性を高めるために、電解液全体の循環が必要とされることと、電解液の液面の水位が低く、電解液の補充が必要であるなどのこととを含む。
【００３８】
好ましくは、電気化学的エネルギー貯蔵は、モニタリングや遠隔管理の機能を可能にするために、無線モジュールセット６３を更に含んでもよい。例えば、ＡＰＰＬＥシステム（例えばＩｐｈｏｎｅ又はＩｐａｄ）及びＡｎｄｒｏｉｄシステムのようなインテリジェントモバイルシステムのオンライン監視をサポートする、無線モジュールセット６３を設置してもよい。また、ＴＣＰ／ＩＰ  プロトコルを利用してシステム６４のインターネット経由での遠隔監視及び管理などを行うことが可能である。
【００３９】
図２に示すとおり、該電気化学エネルギー貯蔵装置の動作フローは以下のステップを含む。
ステップ１：データ収集装置６１が電気化学的エネルギー貯蔵デバイスの状態検出センサーからのデータを読み取り、分析を行い、更に分析結果をマネージメントユニット６２に送信する。
ステップ２：マネージメントユニット６２が分析結果を受信する。
ステップ３：マネージメントユニット６２が動作指令（制御信号）を出し、実行フローは以下に示すとおりである：
電解液が劣化している場合、まずポンプ１（３１）がマネージメントユニット６２からの指令を受信し、電解液を抽出し、電磁弁１が指令を受けてポジション２に移り、電解液を廃液タンク４１へ吸引し、マネージメントユニット６２が水位センサー１（２１）の信号に基づき、ポンプ１（３１）に動作停止の指令を出す。そしてポンプ２（３２）が指令を受けて起動され、バージン電解液タンク４２から新しい電解液（即ち、予定の構成要素を有する電解液）を吸引し、それと共に電磁弁２（２２）が指令を受けてポジション２へ移り、最後にポンプ２（３２）で吸引した新しい電解液を電気化学エネルギー貯蔵デバイス１へ補充し、マネージメントユニット６２が水位センサー１（５２）の信号に基づき、ポンプ２（３２）へ動作停止の指令を出す。
電解液全体を循環させて活性を高める場合、まずポンプ１（３１）がマネージメントユニットの指令を受信して起動され、電磁弁１（２１）が指令を受けてポジション３へ移り、電磁弁２（２２）がデフォルトポジション１にあり、電解液が電解液循環処理タンク４３を経由して、電気化学エネルギー貯蔵デバイス１へ戻り、マネージメントユニットから動作停止の指令を受信するまでこの動作を続ける。
電解液の液面の水位が低く、電解液の補充が必要な場合、ポンプ２（３２）が指令を受けて起動され、新しい電解液を吸引して、それと共に電磁弁２（２２）が指令を受けてポジション２へ移り、ポンプ２（３２）で吸引した新しい電解液を電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１へ補充し、マネージメントユニット６２が水位センサー２（５３）の信号に基づき、ポンプ２（３２）に動作停止の指令を出す。
【００４０】
上記のとおり、本実施形態において、センサーを利用してエネルギー貯蔵デバイスに対する監視を行うことが可能であり、更に監視結果に応じて、給液口と排液口を開けて、流体循環装置を起動させ、副反応の生成物で汚染された電解液、気体、溶解物質及び予定の構成要素を離れた（例えば予定のＰＨ値）電解液をエネルギー貯蔵デバイス１から流出させて、廃液タンク４１は流入させる。それと共に、予定の構成要素を有する電解液、添加剤等をバージン電解液タンク４２から電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１へ流入させ、したがってエネルギー貯蔵デバイス内の物理的、化学的及び電気化学的環境要因に対する改善と、エネルギー貯蔵デバイスの電気化学的特性に対する最適化及び修復とを行うことを可能にする。
【００４１】
その他の選択可能な実施形態において、ハウジングの給液口１２及び排液口１３を開けることと、流体循環装置の稼働に起因して発生する該電気化学エネルギー貯蔵デバイス１の内部の物理的、化学的又は電気化学的環境要因の変更は、該電気化学エネルギー貯蔵デバイス１の製造過程における初回充電時、又は該電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１から構成されるエネルギー貯蔵モジュール（例えば、複数の電気化学エネルギー貯蔵デバイスから構成されるバッテリ・スタックなど）又はエネルギー貯蔵システムに対する使用現場でのメンテナンス、機能の修復又は機能のアップグレードを行う際に行うことが可能である。
【００４２】
図３は本発明のもう一つの実施形態に係る電気化学エネルギー貯蔵装置の概略構成図である。図３に示すとおり、該電気化学的エネルギー貯蔵装置の構造は実施形態１の電気化学的エネルギー貯蔵装置の構造に比べ、その主な相違点は、本実施形態における電気化学的エネルギー貯蔵装置が少なくとも一つの電気化学的エネルギー貯蔵デバイスを含むということである。
【００４３】
図３に示すとおり、電気化学エネルギー貯蔵装置は、少なくとも一つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスを含み、該少なくとも一つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスは、正極と、負極と、セパレーターと、水系電解液及び前記正極、負極、セパレーターと水系電解液とを格納するためのハウジングを含み、ハウジングには、流体を前記ハウジングに流入させ、及び前記ハウジングから流出させて循環させるための給液口及び排液口が備えられることと、少なくとも一つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスの給液口及び排液口を電気化学エネルギー貯蔵装置に設けることで流体通路が形成されることを含む。該少なくとも一つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスは、直列接続又は並列接続されてバッテリ・スタックを構成することで、容量及び電圧を向上させることが可能であり、例えば、本実施形態において、４つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスを用いており、つまり電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ（例えばいずれも水系イオン電池であってもよい）である。電気化学エネルギー貯蔵デバイス１ａと電気化学エネルギー貯蔵デバイス１ｂが並列接続されて並列接続電池パック１となり、電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１ｃと電気化学エネルギー貯蔵デバイス１ｄが並列接続されて並列接続電池パック２となり、並列接続電池パック１と並列接続電池パック２が直列接続され、ポンプ、弁、廃液タンク及びバージン電解液タンクの一式からなる液体循環装置を共用する。その電解液交換への制御の仕方は、単一の電気化学エネルギー貯蔵デバイスに対する電解液交換の制御の仕方と同様である。
【００４４】
しかし、当業者であれば分かるように、一つの電気化学エネルギー貯蔵デバイスからなるバッテリ・スタックは、上記構造に限定されず、下記直列・並列接続の原則に従い、様々な数の電気学エネルギー貯蔵デバイスで任意の構造のバッテリ・スタックを構成できる。電気学的エネルギー貯蔵デバイスに対して、まず並列接続して、次に直列接続するという方式でバッテリ・スタックを構成する。二つ以上の並列接続される電気学的エネルギー貯蔵デバイスは１セットのポンプ、弁、廃液タンク及びバージン電解液タンクを共用することが可能である。任意の直列接続される電気化学的エネルギー貯蔵デバイスの間では、１セットのポンプ、弁、廃液タンク及びバージン電解液タンクを共用不可である。
【００４５】
上記実施形態において、本発明の電気化学エネルギー貯蔵装置に係るいくつかの実施形態について記載しており、以下にこれらの実施形態のおける電気化学エネルギー貯蔵デバイスの構造、材料及び電解液交換による効果について具体的に説明する。
【００４６】
図４は、図１〜図３の電気化学エネルギー貯蔵装置における電気化学エネルギー貯蔵デバイスの概略構成図である。図４に示すとおり、電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１（例えば水系イオン電池であってもよい）は、正極、負極、セパレーター１８、水系電解液１７及び上記正極、負極、セパレーター、水系電解液及び水系電解液を収納するためのハウジング１１を含み、ハウジング１１に、該電気化学エネルギー貯蔵デバイス１へ流入させ及び流体を該電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１から流出させるための、給液口１２及び排液口１３（例えば、給液口１２がハウジング１１の上部に設けられ、排液口１３ハウジング１１の下部に設けられる）が備えられる。図４において、電気化学的エネルギー貯蔵デバイス１は、安全弁１４を更に含んでもよい。正極は、例えば、正極集電体１５３と、正極の活性物質材料１５４と、正極バスバー１５２及び正極端子１５１で構成され、負極は、例えば負極集電体１６３と、負極の活性物質材料１６４と、負極バスバー１６２と、負極端子１６１で構成される。所記正極の活性物質材料は、少なくとも一つの、水系電解液中にイオン挿入・脱離反応が可能な材料を含む。電解液１７は、ハウジング１１の内部と外部の間を自由に流動可能である。しかし、当業者であれば分かるように、電気化学エネルギー貯蔵デバイスは、上記水系イオン電池の構造に限定されず、本分野のその他の異なる構造に基づいて、正極と負極を配置することも可能である。
【００４７】
例えば、負極の活性物質材料は、遷移金属を含む酸化物、リン酸塩、硫酸塩、炭酸塩、珪酸塩、金属、合金及び様々な黒鉛化度と比表面積及びナノ形状・構造を有する炭素材料から選ばれる一つ又は複数を含む。所記炭素材料は、グラファイト、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維、カーボンナノチューブ及びグラフェンから選ばれる一つ又は複数を含む。負極の活性物質材料として、水系電解液中でイオン挿入・脱離反応が可能な材料（例えば、遷移金属を含む、リン酸塩、硫酸塩、炭酸塩、珪酸塩、改質グラファイト材料など）を含む。負極の活性物質材料は可逆的に酸化還元反応を発生させることが可能な有機又は無機材料を含む。負極の活性物質はファラデー過程による擬似容量又は非ファラデー過程による電気二重層容量によってエネルギー貯蔵を行うことが可能な材料（例えば酸化物や炭素材料など）とを含む。
【００４８】
正極の活性物質材料は、遷移金属を含む酸化物、リン酸塩、硫酸塩、炭酸塩、珪酸塩及び様々な黒鉛化度、比表面積及びナイ形状・構造を有する炭素材料から選ばれる一つ又は複数である。所記炭素材料は、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維、カーボンナノチューブ及びグラフェンから選ばれる一つ又は複数を含んでもよい。該正極の活性物質材料は、少なくとも水系電解液中でイオン挿入・脱離反応が可能な少なくとも一つの材料を含み、前記イオンは、リチウムイオン、アンモニウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、亜鉛イオン、アルミニウムイオン、又は金属イオンと配位子で形成される錯イオンのうちの一つ又は複数を含むが、これらに限定されない。正極の活性物質材料は、水系電解液中にイオン挿入・脱離反応が可能な材料（例えば遷移金属を含む酸化物、リン酸塩、硫酸塩、炭酸塩、珪酸塩、改質グラファイト材料）。正極の活性物質の材料は可逆的酸化還元反応が可能な無機又は有機材料と、ファラデー過程による擬似容量又は非ファラデー過程による電気二重層容量によってエネルギー貯蔵を行うことが可能な材料（例えば酸化物及び炭素材料）とを含んでもよい。
【００４９】
電気化学エネルギー貯蔵デバイス１に用いられる水系電解液は、水溶性のリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、亜鉛塩、アルミニウム塩、又は錯塩のうちの一つ又は複数を電解質として含んでもよい。電解液のｐＨ値の範囲は、通常４〜１０に制御され、好ましくは５〜９とし、更に好ましくは６〜８とする。該水系電解液はｐＨ値を安定させるための緩衝液を含んでもよい。
【実施例１】
【００５０】
例えば、正極の活物質材料１５４には、市販のＬｉＭｎ２Ｏ４を使用できる。正極材料を、ＬｉＭｎ２Ｏ４：アセチレンブラック：ＰＴＦＥバインダー＝８０：１０：１０の質量比で均一に混合し、高温乾燥させて混合物に対して、ロールプレス又は圧延を行うことで、耐腐食性金属からなる正極集電体１５３に付着させ、正極シートとする。負極の活物質材料には、ＬｉＴｉ２（ＰＯ４）３が用いられる。ＬｉＴｉ２（ＰＯ４）３：導電性カーボンブラック：ＰＴＦＥバインダー＝８０：１０：１０の質量比で均一に混合し、高温乾燥させて混合物に対して、ロールプレス又は圧延を行うことで、耐腐食性金属からなる負極集電体１６３に付着させ、そして負極シートとする。分析試薬グレードの原料を用い、１ＭのＬｉ２ＳＯ４の電解液を調合し、ＬｉＯＨで電解液のｐＨ値を７．１０に調整する。仕様に応じて正極と負極をカットし、親水化処理されたＰＰ系セパレーター１８及び上記調合された電解液１７を用い、組み合わせて電気化学的エネルギー貯蔵デバイス（例えば、電池）として組み立てる。１．０〜１．８Ｖの動作電圧の間と、１Ｃの電流強度で充放電サイクルの試験を行った結果、初回の充放電容量が２８Ａｈであり、初回の充放電効率が７９．４％であり、平均放電電圧が１．５１Ｖである。１００サイクルと３００サイクルの後、電池容量がそれぞれ５％と１２％減衰する。ＩＣＰで電解液中のＦｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｎなどの金属イオンの濃度に対する測定を行った結果、初期状態でＮｉの濃度は０．１ｍｇ／Ｌであり、その他の三種類の元素濃度は０．０１ｍｇ／Ｌである。１００サイクル後に、金属イオンの濃度がいずれも増加しており、Ｆｅ濃度が約４０倍増加し、最大値が０．４２ｍｇ／Ｌに達し、Ｍｎ濃度が１１倍増加し、最小値が０．１１ｍｇ／Ｌである。３００サイクル後に、Ｎｉ濃度が５．８０ｍｇ／Ｌまで増加し、Ｍｎ濃度が０．３２ｍｇ／Ｌまで増加し、Ｆｅ及びＺｎの濃度がそれぞれ０．９７ｍｇ／Ｌ及び０．４７ｍｇ／Ｌまで増加する。一方、電解液のｐＨ値は、１００サイクルの後に、初期状態の７．１０から８．３７まで増え、３００サイクル後に８．８０まで増えており、これは、電池負極に水素発生反応が生じ、電解液の分解で気体が生成されることに起因して、１００サイクル及び３００サイクル後の電池の質量がそれぞれ０．１０％及び０．２５％低減するということを示す。データの詳細を表１に示す。
【実施例２】
【００５１】
実施例１で３００サイクル循環させた電池に対して、外付けの電解液循環装置を用いて新しい電解液を交換し、ＩＣＰを用いて、電解液交換を行った後の電解液中の金属イオン濃度を測定した結果、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｎなどの金属イオンの濃度は０．０１〜０．１０ｍｇ／Ｌの範囲にあり、初期状態に戻ることが分かる。電解液のｐＨ値は７．３６であり、初期状態の値に近い値を示す。１．０〜１．８Ｖの動作電圧の間と、１Ｃの電流強度で充放電サイクルの試験を行った結果、電池容量が、電解液交換前の２４．６Ａｈから２６．８まで増加し、初回充放電容量に比べ、僅か４％減衰する。データの詳細を表１に示す。
【表１】
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【００５２】
当業者であれば分かるように、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、本発明に対する種々の変形が可能であり、更に同等他方式による代替も可能である。従って、本発明において、保護を求めようとする主旨は、上記内容で開示された具体的な実施形態に限定されず、更に請求項の保護範囲に含まれるすべての技術的解決手段及びそれと同等な技術的解決手段を含む。また、請求項において、特別に説明があるものを除き、すべての文言に対して最も広い合理的な意味を付与しなければならない。
【符号の説明】
【００５３】
１／１ａ／１ｂ／１ｃ／１ｄ…電気化学的エネルギー貯蔵デバイス、１１…ハウジング、１２…給液口、１３…排液口、１４…安全弁、１５１…正極端子、１５２…正極バスバー、１５３…正極集電体、１５４…正極の活性物質材料、１６１…負極端子、１６２…負極バスバー、１６３…負極集電体、１６４…負極の活性物質材料、１７…電解液、１８…セパレーターフィルム／板状セパレーター、２１…制御弁１／電磁弁１、２２…制御弁２／電磁弁２、２３…絞り弁、３１…ポンプ１、３２…ポンプ２、４１…廃液タンク、４２…バージン電解液タンク、４３…電解液循環処理タンク、５１…圧力センサー、５２…水位センサー１、５３…水位センサー２、５４…電解液用の電気化学分析機器、５５…温度センサー、６１…データ収集装置、６２…マネージメントユニット、６３…無線モジュールセット、６４…システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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