(57)【要約】【課題】正極と負極との位置ずれを防止し、電池のサイクル特性低下を防止することができる溶融塩電池を提供する。【解決手段】シート状のセパレータと、前記セパレータを介して相対向するシート状の正極および負極とを備え、溶融塩を電解質として用いた溶融塩電池であって、負極は、正極および負極の対向方向と交差する方向の形状が、セパレータの前記方向の形状と、略同一であり、正極の前記方向の形状が、セパレータの前記方向の形状と略相似形であり、正極の前記方向の断面積が、セパレータの前記方向の断面積よりも小さく、正極の両面には、セパレータが備えられ、正極の両面に対向するセパレータ同士の、周縁部に沿った所定の幅の面が融着していることにより、正極の前記方向の位置が固定されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状のセパレータと、前記セパレータを介して相対向するシート状の正極および負極とを備え、溶融塩を電解質として用いた溶融塩電池であって、
前記負極は、前記正極および負極の対向方向と交差する方向の形状が、前記セパレータの前記方向の形状と、略同一であり、
前記正極の前記方向の形状が、前記セパレータの前記方向の形状と略相似形であり、
前記正極の前記方向の断面積が、前記セパレータの前記方向の断面積よりも小さく、
前記正極の両面には、前記セパレータが備えられ、
前記正極の両面に対向する前記セパレータ同士の、周縁部に沿った所定の幅の面が融着していることにより、前記正極の前記方向の位置が固定されていることを特徴とする溶融塩電池。
【請求項２】
前記セパレータの周縁部に沿って融着された部分の幅が、０．２ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶融塩電池。
【請求項３】
前記正極の角部が、前記正極の両面に対面する前記セパレータの周縁部と共に、融着していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の溶融塩電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融塩を電解質として用いた溶融塩電池に関し、より詳しくは、セパレータを正極および負極間に介装させた溶融塩電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やモバイルパソコン、デジタルカメラなどの電子機器が急速に普及し、小型の二次電池の需要が急速に増加している。一方、電力・エネルギーの世界では、太陽光や風力などの自然エネルギーを利用した発電が盛んに行われており、気候や天候に左右される不安定な電力供給を平準化させるためには電力貯蔵用の二次電池が不可欠である。
【０００３】
電力貯蔵用の二次電池として、ナトリウム硫黄電池が実用化されている。ナトリウム硫黄電池は、固体電解質（β−アルミナ）を用い、ナトリウムが高温で溶融した状態で運用されるため、構造上の制約が多い上に取り扱いに難点がある。
【０００４】
これに対して、１３０℃以下といった比較的低温で融解する溶融塩を電解質に用いる試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。中でも、融点が室温より高い溶融塩を電解質とする溶融塩電池においては、稼動時に電池容器を加熱して溶融塩を融解させ、休止時に加熱を停止して溶融塩を凝固させる。このような液体の溶融塩を電解質に用いる溶融塩電池では、溶融塩を含む電解質をセパレータと正極および負極とに含浸させ、正極および負極でセパレータを挟持する構成が一般的である（例えば、特許文献２参照）。セパレータは、正極と負極とが対向する面に沿う方向の位置ずれが許容されるように、正極および負極の縦横サイズよりも大きめのサイズを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６７６４４号公報
【特許文献２】特開２００７−２７３３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、溶融塩電池を組み立てる際、正極、セパレータおよび負極を精度よく重ね合わせることは難しく、位置ずれによって正極と負極とが短絡する虞がある。また組み立て時には正極と負極とが正常な位置であったとしても、溶融塩電池の稼動および休止に伴って溶融塩の融解および凝固が繰り返されるため、溶融塩の体積変化によって、正極や負極の位置がずれて短絡する虞がある。一方で、このような短絡を防止するためにセパレータのサイズを必要以上に大きくすると、溶融塩電池全体の体積が大きくなり、エネルギー密度が低下してしまう。
【０００７】
さらに、セパレータのサイズが正極や負極のサイズに比べて十分大きく、正極と負極とが直接接触することが無くても、正極と負極との位置がずれることによって、電池のサイクル特性が低下する場合がある。この理由は以下の通りである。一般的に、負極エッジ部のデントライトの発生を防止するために、正極のサイズを負極のサイズよりも小さくし、正極の外縁が負極の外縁よりも内側に位置するようにしている。しかし、位置ずれによって正極の外縁が負極の外縁を部分的にはみ出した場合、負極エッジからデントライトが発生する。このデントライトが成長して、負極表面から脱落すると、不可逆容量となるためサイクル特性が低下する。
【０００８】
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、正極と負極との位置ずれを防止し、電池のサイクル特性低下を防止することができる溶融塩電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る溶融塩電池は、シート状のセパレータと、前記セパレータを介して相対向するシート状の正極および負極とを備え、溶融塩を電解質として用いた溶融塩電池であって、前記負極は、前記正極および負極の対向方向と交差する方向の形状が、前記セパレータの前記方向の形状と、略同一であり、前記正極の前記方向の形状が、前記セパレータの前記方向の形状と略相似形であり、前記正極の前記方向の断面積が、前記セパレータの前記方向の断面積よりも小さく、前記正極の両面には、前記セパレータが備えられ、前記正極の両面に対向する前記セパレータ同士の、周縁部に沿った所定の幅の面が融着していることにより、前記正極の前記方向の位置が固定されている（請求項１）。
【００１０】
正極の両面に対向し、かつ正極のサイズよりも大きいセパレータ同士が、周縁部に沿って融着していることにより、正極の外縁がセパレータの外縁よりも内側に固定される。さらに負極の形状がセパレータの形状と略同一であるため、負極とセパレータとを容易に重ね合わせることができ、位置ずれが生じにくい。負極とセパレータとの位置を合わせることで、必然的に正極の外縁が負極の外縁の内側に位置することになり、負極エッジからのデントライト成長が抑制されるため、電池のサイクル特性の低下を防止できる。
【００１１】
また前記セパレータの周縁部に沿って融着された部分の幅が、０．２ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい（請求項２）。
【００１２】
当該幅が０．２ｍｍ未満の場合は、正極の外縁と負極の外縁との距離が近いために、正極の外縁が負極の外縁よりも内側であっても、負極エッジに電流が集中してデントライトが生じる虞がある。また当該幅が５ｍｍを超える場合は、正極のサイズがセパレータのサイズよりも極めて小さくなるため、溶融塩電池全体の体積の割に、流すことができる電流の大きさが小さくなり、エネルギー密度が低下してしまう。
【００１３】
また前記正極の角部が、前記正極の両面に対面する前記セパレータの周縁部と共に、融着していることが好ましい（請求項３）。
【００１４】
一般的に、正極の角部も電流が集中して、電池のサイクル特性を低下させる要因となり得る。これを防止するためには、電極の角部を丸く（または鈍角に）すれば良いが、通常そのような加工を施すには、電極の角部を金型で打ち抜くなど、手間や時間がかかってしまう。そこで、本発明のように、セパレータの周縁部を融着する際に、電極の角部も併せて融着すれば、融着された電極の角部は圧縮されて電極として機能しなくなるため、比較的容易に、電極の角部を丸く（または鈍角に）することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、正極と負極との位置ずれを防止することができ、電池のサイクル特性低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】溶融塩電池の構成例を模式的に示す上面図である。
【図２】溶融塩電池の模式的な正面視の透視図である。
【図３】実施の形態１に係る正極およびセパレータの模式的な正面視の透視図である。
【図４】実施の形態２に係る正極およびセパレータの模式的な正面視の透視図である。
【図５】実施の形態３に係る正極およびセパレータの模式的な正面視の透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００１８】
図１は溶融塩電池の構成例を模式的に示す上面図であり、図２は溶融塩電池の模式的な正面視の透視図である。図中の６は、アルミニウム合金からなる電池容器であり、電池容器６は、中空で有底の略直方体形状をなしている。電池容器６の内側は、フッ素コートやアルマイト処理によって絶縁処理が施されている。図１では、電池容器６内に、６つのシート状の負極２１と、５つのシート状の正極１１とが、横方向（図では前後方向）に並設されており、負極２１と正極１１との間には、シート状のセパレータ３１が介在している。そして、正極１１を挟んで２つのセパレータ３１の端部同士が融着されている。正極１１、セパレータ３１および負極２１が、１つの発電要素を構成しており、図１では、５つの発電要素が積層されている。なお本発明の特徴である正極１１、負極２１およびのセパレータ３１構成については、後述の各実施の形態で詳細を説明する。
【００１９】
負極２１の上端部には、電池容器６の一方の側壁６１に近い側に、電流を取り出すための矩形のタブ（導線）２２の下端部が接合されている。タブ２２の上端部は、矩形平板状のタブリード２３の下面に接合されている。正極１１の上端部には、電池容器６の他方の側壁６２に近い側に、電流を取り出すための矩形のタブ１２の下端部が各別に接合されている。タブ１２の上端部は、矩形平板状のタブリード１３の下面に接合されている。これにより、負極２１、セパレータ３１および正極１１からなる発電要素が、５つ並列に接続される。
【００２０】
タブリード１３、２３は、積層された正極１１および負極２１を含む発電要素全体と外部の電気回路とを接続するための外部電極の役割を果たすものであり、溶融塩７の液面より上側に位置するようにしてある。
【００２１】
正極１１は、Ａｌからなる矩形板状の正極集電体上に、ＮａＣｒＯ２などの正極活物質とバインダとを含む正極材を塗布して形成してある。なお、正極活物質はＮａＣｒＯ２に限定されるものではない。
【００２２】
負極２１は、Ａｌからなる矩形板状の負極集電体上に、Ｓｎなどの負極活物質を含む負極材をメッキによって形成してある。負極集電体上に負極材をメッキする際には、ジンケート処理として下地に亜鉛をメッキした後にＳｎメッキを施すようにしてある。負極活物質はＳｎに限定されず、例えば、Ｓｎを金属ナトリウム、炭素、珪素またはインジウムに置き換えても良い。負極材は、例えば負極活物質の粉末に結着剤を含ませて負極集電体上に塗布することによって形成しても良い。負極集電体の材料はＡｌに限定されず、ステンレス鋼などの他の導電材であっても良い。
【００２３】
セパレータ３１は、溶融塩電池が動作する温度で溶融塩に対する耐性を有するケイ酸ガラスまたは樹脂などの絶縁性の材料で、内部に電解質を保持でき、また電荷のキャリアとなるイオンが通過できるような多孔質に形成されている。セパレータ３１は、例えばガラスクロスまたは多孔質の樹脂シートである。セパレータ３１は、負極２１および正極１１と共に、略直方体状の電池容器内に満たされた溶融塩７の液面下約１０ｍｍの位置から下側に浸漬されている。これにより多少の液面低下が許容される。
【００２４】
溶融塩７は、溶融状態で導電性液体となる電解質である。溶融塩の融点以上の温度で、溶融塩は溶融して電解液となり、溶融塩電池は二次電池として動作する。融点を低下させるために、電解質は、複数種類の溶融塩が混合していることが望ましい。例えば、電解質は、ナトリウムイオンをカチオンとしＦＳＡ（ビスフルオロスルフォニルアミド；ＦＳＯ２）２Ｎ−）をアニオンとしたＮａＦＳＡと、カリウムイオンをカチオンとしＦＳＡをアニオンとしたＫＦＳＡとの混合塩である。なお、電解質である溶融塩は、ＴＦＳＡ（ビストリフルオロメチルスルフォニルアミド；（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−）またはＦＴＡ（フルオロトリフルオロメチルスルフォニルアミド；（ＦＳＯ２）（ＣＦ３ＳＯ２）Ｎ−）などの他のアニオンを含んでいても良く、有機イオンなどの他のカチオンを含んでいても良い。また溶融塩として、室温で溶融しているイオン液体を含んでいても良い。
【００２５】
上述した構成において、図示しない外部の加熱手段により、電池容器全体が所定の温度（例えば、８５℃〜９５℃）に加熱されることにより、溶融塩７が融解して充電および放電が可能となる。
【００２６】
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。
【００２７】
（実施の形態１）
図３は実施の形態１に係る正極１１およびセパレータ３１の模式的な正面視の透視図である。略四角形のシート状の形状をなした正極１１の図面左上にはタブ１２が接合されている。正極１１の両面に対向して略四角形のシート状の形状をなしたセパレータ３１が配置されている。なお図３では手前のセパレータのみ図示している。正極１１の図面方向の面積は、セパレータ３１の図面方向の面積よりも小さく、正極１１の外縁がセパレータ３１の外縁よりも内側に位置している。
【００２８】
セパレータ３１の周縁部をなす略四角形の四辺のうち、タブ１２と交わる辺以外の三辺の部分において、正極１１の両面に対向しているセパレータ３１同士が融着されている（融着部３５）。正極１１の両面に対向するセパレータ３１同士の周縁部が融着されていることによって、正極１１はセパレータ３１に対して図面方向の位置が固定される。
【００２９】
図３には負極２１を示していないが、負極２１は図面方向の形状がセパレータ３１と略同一であり、図１や図２に示すとおり、正極１１やセパレータ３１と共に併設されている。負極２１とセパレータ３１とが略同一の形状であることから、負極２１とセパレータ３１とを容易に重ね合わせることができ、位置ずれが生じにくい。さらに負極２１とセパレータ３１との位置を合わせることで、必然的に正極１１の外縁が負極２１の外縁の内側に位置することになり、負極２１のエッジからのデントライト成長が抑制されるため、電池のサイクル特性の低下を防止できる。
【００３０】
ここで融着される箇所は必ずしも三辺全てである必要は無く、正極１１の位置がセパレータ３１に対して固定されれば、例えば四角形の角に位置する箇所のみ融着するとか、また三辺を間欠的に融着することでも良い。ただし、正極１１から脱落した活物質が、正極１１と負極２１とを、あるいは正極１１と電池容器６とを、短絡させる虞があるため、この短絡を防止するために、少なくともセパレータ３１の下側の辺（図３ではタブ１２と交わる辺に対向する辺）の全ては融着した方が好ましい。一方、タブ１２と交わる辺についても、タブ１２と交わる箇所を除いて融着しても構わない。
【００３１】
また融着部３５の幅は、０．２ｍｍ以上、５ｍｍ以下が好ましく、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下がより好ましい。当該幅が小さすぎる場合は、正極１１の外縁と負極２１の外縁との距離が近いために、正極１１の外縁が負極２１の外縁よりも内側であっても、負極２１のエッジに電流が集中してデントライトが生じる虞がある。また当該幅が大きすぎる場合は、正極２１のサイズがセパレータ３１のサイズよりも極めて小さくなるため、溶融塩電池全体の体積の割に、流すことができる電流の大きさが小さくなり、エネルギー密度が低下してしまう。なお融着部３５の幅は、セパレータ３１の周縁部に沿って特に均一である必要は無い。
【００３２】
（実施の形態２）
図４は実施の形態２に係る正極１１およびセパレータ３１の模式的な正面視の透視図であり、図３（実施の形態１）との違いは融着部３５の形状のみである。他の要素については、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００３３】
図４の融着部３５の範囲は、セパレータ３１の周縁部をなす略四角形の４辺のうち３辺の他、正極１１の角部にもおよんでいる。融着された正極１１の電極の角部は圧縮されて電極として機能しなくなるため、実質的に正極１１の角部を鈍角にすることができる。これにより、正極１１の角部に電流が集中することを抑制して、電池のサイクル特性の低下を防止することができる。
【００３４】
なお図４では正極１１の４つの角のうち下側の２つのみ融着されているが、融着する正極１１の角の数はこれに限られたものではなく、例えば４つ全て融着しても良い。
【００３５】
（実施の形態３）
図５は実施の形態３に係る正極１１およびセパレータ３１の模式的な正面視の透視図であり、図３（実施の形態１）および図４（実施の形態２）との違いは融着部３５の形状のみである。他の要素については、実施の形態１および実施の形態２と同様であるため説明を省略する。
【００３６】
図５も、図４と同様に、融着部３５の範囲は、セパレータ３１の周縁部をなす略四角形の４辺のうち３辺の他、正極１１の角部にもおよんでいる。ただし、正極１１の角部の融着部３５の形状が、図４は斜め方向の直線的であるのに対して、図５は略円弧状になっている。融着された正極１１の電極の角部は圧縮されて電極として機能しなくなるため、実質的に正極１１の角部を略円弧状にすることができる。これにより、正極１１の角部に電流が集中することをより抑制することができ、電池のサイクル特性低下を防止することができる。
【００３７】
なお図５では正極１１の４つの角のうち下側の２つのみ融着されているが、融着する正極１１の角の数はこれに限られたものではなく、例えば４つ全て融着しても良い。
【符号の説明】
【００３８】
１０  溶融塩電池
１１  正極
１２、２２  タブ
１３、２３  タブリード
２１  負極
３１  セパレータ
３５  融着部
６    電池容器
６１、６２  側壁
７    溶融塩
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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