(57)【要約】【課題】改良型蓄電池、すなわち経済的かつ高効率な蓄電池を提供する。【解決手段】蓄電池は、ａ）二酸化鉛の陽極１と、（ｂ）亜鉛の陰極２と、（ｃ）アルカリ電解質４とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）二酸化鉛の陽極と、
（ｂ）亜鉛の陰極と、
（ｃ）アルカリ電解質と
を備えたことを特徴とする蓄電池。
【請求項２】
前記アルカリ電解質は、リチウム、ナトリウム、カリウムおよびセシウムよりなる群から選択されるアルカリ金属の水酸化物の水溶液であることを特徴とする請求項１記載の蓄電池。
【請求項３】
前記アルカリ電解質は、水酸化テトラメチルアンモニウムの水溶液であることを特徴とする請求項１記載の蓄電池。
【請求項４】
前記アルカリ電解質は、炭酸塩、ホウ酸塩、珪酸塩およびリン酸塩よりなる群から選択される緩衝剤を含有することを特徴とする請求項１記載の蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その独自の電気化学特性によって特徴づけられる新規のタイプの蓄電池に関する。正極は二酸化鉛を含み、陰極は亜鉛を含む。電解質は、炭酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩およびリン酸塩を含む様々な緩衝剤をそれに対して加えることができるアルカリ金属水酸化物または水酸化テトラメチルアンモニウムのアルカリ水溶液からなる。放電すると、二酸化鉛は還元されて酸化鉛になり、亜鉛は酸化されて酸化亜鉛になる。
【背景技術】
【０００２】
ほぼすべての車両に見られる最も一般的な蓄電池は、鉛電池である。この電池は、二酸化鉛正極と、鉛金属陰極と、電解質用硫酸とを含む。その主な利点は低コストなことである。しかし、エネルギー密度が限定され、電解質は極めて腐食性が強い。また、放電時の電極との反応に十分な酸が必要とされる。特許文献１に開示されているように、保守不要型は、発生気体の損失を回避するが、それでもサイクル寿命は制限される。
【０００３】
鉛電池の代替の探求が続けられてきた。１９３４年には、Ｄｒｕｍｍが、酸化ニッケル亜鉛電池および酸化銀亜鉛電池を開示している（特許文献２参照）。これらの電池はどちらも、陰極として亜鉛を採用し、電解質として苛性カリを採用する。酸化ニッケルまたは酸化銀は、陽極として機能する。これらの電池は、エネルギー密度が向上し、多くの用途に対して良好な妥協策を与える。
【０００４】
理想的な蓄電池とは、既存の電池の最良の特徴を備えながら、それらの欠点を有さないものであろう。バックアップシステムおよびモバイルアプリケーションで当該電池が必要であることは明らかである。
【特許文献１】米国特許第３，８６２，８６１号明細書
【特許文献２】米国特許第１，９５５，１１５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、改良型蓄電池、すなわち経済的かつ高効率な蓄電池を提供することである。本発明のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、以下の説明および添付の図面より認識されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のうち請求項１に係る蓄電池は、（ａ）二酸化鉛の陽極と、（ｂ）亜鉛の陰極と、（ｃ）アルカリ電解質とを備えたことを特徴としている。
また、本発明のうち請求項２に係る蓄電池は、請求項１記載の発明において、前記アルカリ電解質は、リチウム、ナトリウム、カリウムおよびセシウムよりなる群から選択されるアルカリ金属の水酸化物の水溶液であることを特徴としている。
【０００７】
更に、本発明のうち請求項３に係る蓄電池は、請求項１記載の発明において、前記アルカリ電解質は、水酸化テトラメチルアンモニウムの水溶液であることを特徴としている。
加えて、本発明のうち請求項４に係る蓄電池は、請求項１記載の発明において、前記アルカリ電解質は、炭酸塩、ホウ酸塩、珪酸塩およびリン酸塩よりなる群から選択される緩衝剤を含有することを特徴としている。
【０００８】
即ち、本発明者は、陽極が二酸化鉛を含み、陰極が亜鉛を含む充電式電池を開発した。放電すると、二酸化鉛が還元されて、酸化鉛になり、亜鉛は酸化されて、酸化亜鉛になる。電池を充電するときは、これらの反応は逆になる。
電池の電解質はアルカリである。塩基の水溶液がアルカリ性を与える。これらの塩基としては、アンモニア、ならびにアルカリ金属、すなわちリチウム、ナトリウム、カリウムおよびセシウムの水酸化物が挙げられる。加えて、水酸化テトラメチルアンモニウムを採用することもできる。
【０００９】
特定の添加剤が、電解質における効果的な緩衝剤になることが確認されている。これらの添加剤としては、炭酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩およびリン酸塩が挙げられる。それらは、対応する酸またはそれぞれの塩により導入できる。
本発明の実用的な実施形態の電極をシート、繊維または粒子として構成することによって、電極表面積を最大にすることができる。炭質物の点在粒子を使用して、導電性を高めることができる。ゲル化剤を添加して、電解質を固定化することができる。
必要に応じて、陽極と陰極の間にセパレータを採用して、短絡を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る蓄電池を構成する鉛亜鉛電池の動作を理解するためには、鉛亜鉛電池の化学が重要になる。陽極は、放電時に還元されて酸化鉛になる二酸化鉛を含む。陰極は、電池が放電すると、酸化されて酸化亜鉛になる亜鉛を含む。電解質は、溶液が過剰のヒドロキシルイオンを含むアルカリである。放電時の電極反応を以下の式で表すことができる。
陽極
（１）  ＰｂＯ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  →  ＰｂＯ＋２ＯＨ-
陰極
（２）  Ｚｎ＋２ＯＨ-  →  ＺｎＯ＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-
上記反応において、水酸化亜鉛は、酸化亜鉛の形成の中間体であるといえる。これらの式を併せると、電池についての反応は以下のようになる。
（３）  ＰｂＯ2＋Ｚｎ  →  ＰｂＯ＋ＺｎＯ
全体的な反応において、放電時に電解質の平均組成は変化しないが、濃度勾配が生じうる。
【００１１】
電池の充電時は、それらの反応が逆になる。したがって、酸化鉛は、酸化されて二酸化鉛になり、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−充電サイクルを無限に繰り返すことができるため、蓄電池の機能が満たされる。
新規の電池を設計する上で特に困難な課題は、電気化学反応しても、電解質による腐食に耐える電極物質を識別することである。この点において理論が役立つが、電極と電解質の双方に対する物質の効果を証明するための経験的データが必要である。電池の相対的性能の１つの尺度は、その開路電圧である。
【００１２】
＋２の酸化状態の鉛は、一般には、正の二価イオンＰｂ++を含む鉛塩を形成するため、アルカリ電池に鉛を使用することには疑問がある。しかし、鉛化合物に水酸化物を作用させることによって、水溶液に可溶な負イオンＨＰｂＯ2-を形成することが可能になる。よって、Ｐｂ（ＯＨ）2は、両性水酸化物と見なされる。同様に、水酸化アルカリの濃縮溶液はＰｂＯ2に作用して、同様に可溶な鉛酸イオン、すなわちＰｂＯ4-4およびＰｂＯ3-2を形成する。
これらのことに鑑み、新規の電池に関する研究の１つの目標は、電解質における濃縮水酸化物を制御することであった。このような結果は、以下のように反応する炭酸ナトリウムの溶液を採用することによって可能になった。
【００１３】
（４）  Ｎａ2ＣＯ3＋Ｈ2Ｏ  ⇔  ＮａＯＨ＋ＮａＨＣＯ3
この式から、当該溶液は強アルカリであることがわかる。加水分解で遊離した炭酸は、塩基が強いときに脱離せず、重炭酸を形成する。しかし、炭酸ナトリウムの濃度を高めることによって加水分解を低減させることができるため、水酸化物の形成をある程度制御することが可能になる。
炭酸塩の代わりに、ホウ酸塩を採用しても同様の利点を得ることができる。ホウ酸は弱酸で、炭酸よりはるかに穏和である。したがって、その塩は、溶液中で加水分解する。以下の式は、水酸化カリウムおよび四ホウ酸カリウムを形成する溶液中のメタホウ酸カリウムの反応である。
【００１４】
（５）  ２Ｋ2Ｂ2Ｏ4＋Ｈ2Ｏ  ⇔  ２ＫＯＨ＋Ｋ2Ｂ4Ｏ7
ここでも、ホウ酸カリウムの濃度を調整することによってヒドロキシル濃度を制御することができる。
炭酸塩およびホウ酸塩は、電解質のアルカリ性の制御に効果的であるとともに、鉛および亜鉛と不溶性の塩を形成する。このようにして、当該電極の腐食を最小限にすることができる。この点において有用なのは炭酸塩およびホウ酸塩ばかりでなく、他の塩も同様に効果的である。ケイ酸塩およびリン酸塩も鉛および亜鉛と不溶性の塩を形成する。
【００１５】
リチウム、ナトリウム、カリウムおよびセシウムを含むアルカリ金属の化合物によってアルカリ性を与えることができる。リチウムは、その炭酸塩およびリン酸塩が水にほとんど溶解しないため、一定の限界がある。セシウムは非常に強い塩基であるが、この物質のコストにより、潜在的な用途が制限される。水酸化アンモニウムは、溶液中で塩基性であるが、その揮発性によってその用途が制限される。最後に、水酸化テトラメチルアンモニウムは、強アルカリで、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウムのレベルに近い。
【００１６】
本発明は、電解質の水溶液の使用を包括する。これらの溶液は、導電性が優れるという利点を有する。アルコールおよびグリコールを含む有機溶剤を使用することは可能であるが、その性能は劣る。
鉛亜鉛電池の構成には制限がない。電極および電解質の様々な組合せを試験する目的で、ガラスジャー、および必要に応じて分離された金属片からポリプロピレンシートによって単純な電池を組み立てた。実用的な電池は、必ず、電極の表面積を最大にし、電解質の体積を最小にして設計されることになる。平坦または螺旋状に巻かれた平行板としての当該幾何形状設計が適している。あるいは、単一または黒鉛を点在させた鉛および亜鉛の粒子を採用することができる。このようにして、電池の容量を増やし、その内部抵抗を最小にすることができる。
【００１７】
図１は、本発明をより深く理解するために、特異的な特徴を示す本発明に係る蓄電池を構成する鉛亜鉛電池の説明図である。図１は、その電極が平坦な平行板として配置された単一の電池を含む鉛亜鉛電池を示している。二酸化鉛陽極１および亜鉛陰極２は、セパレータ３によって分離される。これらの部品は、ケース５に収容されたアルカリ電解質４に浸漬される。この断面図は、電極に取りつけられた電線をも示している。この設計の利点は、陽極および陰極を互いに近接させて配置することによって、電解質の量を節減することである。
【００１８】
本発明が提供する二次電池の用途はほぼ無限である。最大の用途は、新規のハイブリッドモータによって動力が与えられる自動車を含む車両にある。他の用途としては、携帯電話およびラップトップコンピュータの如き携帯式電子デバイスが挙げられる。
【実施例】
【００１９】
１．本実施例における電解質は、炭酸ナトリウムを含んでいた。９６．８ｇの重曹（重炭酸ナトリウム）を２６０℃（５００°Ｆ）に加熱し、生成物を１８５ｍｌの水に溶解させることによって炭酸ナトリウム溶液を調製した。鉛製造企業から入手した３８．１ｍｍ（１．５インチ）幅の鉛片から陽極を形成した。陰極は、ルクランシェ型の閃光電池から取り除かれた３８．１ｍｍ（１．５インチ）の鉛片とした。電池は、直径が約６９．８５ｍｍ（２．７５インチ）、高さが６３．５ｍｍ（２．５インチ）のガラスジャーを備えていた。２．５０ｖで２３分間にわたって電池を充電した後に、電池に２．３２ｖの開路電圧が確認された。実験の過程を通じて電池を繰り返し放電させ、充電した。実験の終了時は、電極は完璧な状態で、電解質は無色透明になっていた。
【００２０】
２．この実験では、電解質はホウ酸カリウムの溶液とした。実施例１と同じ電極および容器を使用した。電解質を調製するために、４０．０ｇの水酸化カリウムおよび４４．５ｇのホウ酸を１７５ｍｌの水に溶解させた。２．５０ｖで３９分間にわたって電池を充電した後の開路電圧は２．１ｖであった。実験の終了時は、いずれの電極にも腐食が認められなかった。
【００２１】
３．電解質にホウ酸テトラメチルアンモニウムを採用した。先の実験と同じ電極を使用したが、直径が５０．８ｍｍ（２インチ）、高さが９５．２５ｍｍ（３．７５インチ）のより小さいガラスジャーを代用した。５０．０ｇの水酸化テトラメチルアンモニウム五水和物および１９．９ｇのホウ酸を１００ｍｌの水に溶解させることによって、電解質を調製した。２．５０ｖで３２分間にわたって電池を充電した後に、２．１８ｖの開路電圧が得られた。実験の終了時は、いずれの電極も優れた状態にあった。
【００２２】
４．この場合、電解質は、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウムおよびリン酸ナトリウムを含んでいた。電極および電池は、先の実験の電極および電池と同一であった。５０．１ｇの家庭用食器洗剤を１６０ｍｌの水に添加することによって、電解質を調製した。洗剤は、炭酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、酵素、およびリン酸塩の形の７．４％のリンを含有していた。その溶液に活性炭素を添加してから、４枚のコーヒーフィルタでそれを濾過した。１２５ｍｌの濾液を得た。次に、５．０ｇの水酸化ナトリウムを濾液に添加して、電極を製造した。２．５ｖで長時間にわたって充電を行った後に、２．１ｖの開路電圧が実現された。電池容量は、他の実験のいずれの結果と比べても同等、またはそれ以上であった。実験の終了時は、電極は完璧な状態にあった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る蓄電池を構成する鉛亜鉛電池の説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  二酸化鉛陽極
２  亜鉛陰極
３  セパレータ
４  アルカリ電解質
５  ケース
【図１】
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