WO2024180791A1 - 安全なｎａｓ電池 - Google Patents

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WO2024180791A1
WO2024180791A1 PCT/JP2023/030665 JP2023030665W WO2024180791A1 WO 2024180791 A1 WO2024180791 A1 WO 2024180791A1 JP 2023030665 W JP2023030665 W JP 2023030665W WO 2024180791 A1 WO2024180791 A1 WO 2024180791A1
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electrolyte
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H01M10/39—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34 working at high temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a rechargeable sodium-sulfur battery (abbreviated as NAS battery) that is operated by melting the active material at high temperatures.
  • NAS battery rechargeable sodium-sulfur battery
  • NAS batteries are already in practical use for storing power.
  • NAS batteries Although NAS batteries have high performance, they are not used in electric vehicles due to safety concerns. They are also not used in portable devices due to restrictions on the mounting direction.
  • the cathode can of the NAS battery is placed on top of the anode can, the cathode plate and electrolyte are stacked and the anode can is covered, the cathode can is covered with the cathode plate, and the cathode can is fastened at the connection between the anode can and cathode can with rivets or the like.
  • the anode can and cathode can of the NAS battery are placed facing each other, the anode can and cathode can are separated by an electrolyte, and two of the three components - the anode can, cathode can, and electrolyte or the cathode plate supporting the electrolyte - are given an expandable structure, making the battery expandable.
  • the electrolyte for NAS batteries is made by sintering electrolyte particles into a high-strength mesh.
  • Conductive and insulating fibers are used as the filler for the anode of the NAS battery, and the filler is created by three-dimensional knitting.
  • the container that houses the NAS battery is a double-sealed container consisting of an insulated container and a pressure container, with the insulating material and pressure container housed in the insulated container, and the battery and pressurized liquid with an appropriate vapor pressure housed in the pressure container.
  • the pressure vessel housing the NAS battery is equipped with a heat sink that expands and contracts due to the vapor pressure of the pressurized liquid contained in the vessel.
  • a water container containing water or other liquid is attached to an insulated container that houses a NAS battery, and when it boils, steam sounds an alarm.
  • the internal resistance of the NAS battery is measured, and charging and discharging are stopped when the internal resistance increases.
  • Conventional NAS batteries have a strong structure to withstand impacts.
  • flexibility is prioritized to increase impact resistance
  • safety is prioritized in the structure so that even in the event of an accident in which the battery is crushed, the can will not explode and the active materials will not mix or leak.
  • the internal resistance and thermal resistance of the battery have been reduced, achieving high current capacity and safety.
  • the cathode can is placed on top of the anode can, the connection between the two cans is fastened with rivets or the like, and the battery is double-seamed around the circumference to assemble the battery.
  • the cathode can is on top, and the sodium in the cathode accumulates under the cathode can due to gravity, and is naturally guided to the electrolyte, where it can move between the anode can and the cathode can.
  • the can is shallower, giving it a flatter structure, and the current capacity can be increased as desired.
  • the NAS battery with this structure remains firmly fastened, the joints of the can do not easily separate, and the can remains airtight. Even if the battery is crushed, the active materials of the battery do not rapidly mix inside or leak to the outside, resulting in a highly safe NAS battery.
  • NAS batteries including the battery mentioned above, have a cavity inside, and if the cavity moves and the electrolyte and active material are not in contact, their operation becomes unstable. For this reason, they could not be used in portable devices, etc., where the cavity can move in any direction.
  • Another structure of the NAS battery of this invention is that the battery is expandable and expandable, and the pressure vessel housing the battery is filled with a liquid with a higher vapor pressure than the battery's active material, allowing the battery to function by eliminating any cavities within the battery using the vapor pressure of the pressurized liquid.
  • An expandable NAS battery has no internal cavity and is not restricted in its installation direction, making it suitable for use in airplanes, satellites, portable devices, etc.
  • the vapor pressure of the active material in a NAS battery is lower than atmospheric pressure, making it possible to omit the pressure vessel and adopt a structure where the battery is pushed by atmospheric pressure.
  • the anode and cathode cans are arranged facing each other, with the center separated by an electrolyte. This means that the cans expand in opposite directions during charging and discharging, resulting in a stretchable NAS battery with less dimensional change across the entire battery.
  • the electrolyte In a stretchable NAS battery, the electrolyte is backed by the negative plate, so even if the electrolyte is severely damaged in an accident, the negative plate is likely to remain in place. If tiny holes are drilled into the negative plate to create a flow path for sodium, the pressure inside the battery is balanced, preventing the battery's active materials from mixing rapidly and on a large scale, causing the battery to overheat.
  • An electrolyte reinforced with a mesh is less likely to break even in environments with severe vibration and impact, and the electrolyte can be made thinner than before.
  • the leaked sulfur reacts with sodium to form Na2S, which has a high melting point and becomes solid.
  • Na2S has a high melting point and becomes solid.
  • the electrolyte is reinforced with a mesh, and the structure of the battery is carried out by the cathode plate, allowing the electrolyte to be as thin as possible. It is also possible to use sulfur or phosphorus-based electrolytes, which have higher conductivity than beta-alumina, which reduces the electrical resistance of the electrolyte, reduces heat generation, and improves the thermal stability of the battery.
  • the electrolyte becomes thinner as it is eroded by the battery's active material, and the erosion rate differs between the anode and cathode sides.
  • anode filler instead of conventional carbon fibers, a mixture of conductive and insulating fibers is used as the anode filler.
  • the fibers stretch evenly from the electrolyte to the anode can, aligning with the flow of current and heat, allowing for efficient heat and electron transport and reducing the amount of filler required.
  • the three-dimensionally woven filler is highly elastic, so when the battery is made expandable, the filler can also expand and contract to accommodate the expansion and contraction of the anode can.
  • the conductive fibers have a high affinity for sulfur, and act as a flow path for sulfur.
  • the electrolyte and insulating fibers have a high affinity for sodium sulfide, and act as a flow path for sodium sulfide.
  • the three-dimensionally woven insulating fibers distribute the sodium sulfide throughout the anode can, and function adequately with a volume of less than 10% of the conductive fibers. Sulfur flows along the conductive fibers, and the layer-separated sulfur and sodium sulfide are always mixed near the electrolyte, helping to reduce the internal resistance of the battery.
  • nichrome wires such as nichrome or stainless steel can be used for the conductive fibers in the filler. Even if nichrome wire, which has low electrical conductivity, is used, it has a higher electrical conductivity than carbon fiber, and a filler material that is 1% of the anode volume can sufficiently reduce the anode's electrical resistance. It is also possible to use iron, aluminum, or copper for the conductive fibers and apply chrome or carbon plating to the surface to make them corrosion-resistant.
  • Heat-resistant and insulating glass or ceramic fibers can be used as the insulating fibers in the filler.
  • the insulating fibers can maintain insulation between the conductive fibers and the electrolyte.
  • the insulating fibers in contact with the electrolyte attract the sodium sulfide on the electrolyte surface, and in reaction, the sulfur travels through the conductive fibers to the vicinity of the electrolyte, facilitating the diffusion of sodium and reducing the internal resistance of the anode.
  • the sodium sulfide comes into contact with the conductive fibers and current flows. Increasing the density of the intersections shortens the current flow path within the sodium sulfide, reducing the internal resistance of the anode.
  • the current flows through the electrolyte, sodium sulfide, conductive fibers, and anode can.
  • the filler has been reduced in volume compared to conventional methods, and is loose and aligned, reducing flow resistance and allowing the positive electrode active material to flow more easily. Improvements to the electrolyte and filler have reduced the battery's internal resistance, reducing power loss, improving current capacity and thermal stability, resulting in a more reliable battery.
  • NAS batteries are housed in a double sealed container consisting of an insulated container and a pressure container, and the high-performance insulation material housed in the insulated container allows the battery temperature to be maintained for long periods of time.
  • the battery is warmed by the heat lost during charging and discharging, making it highly likely that the battery temperature can be maintained.
  • the temperature drops below the specified temperature the battery can be warmed using the battery or external power, allowing the battery temperature to be maintained with very little power.
  • the pressure in the anode can and the pressure vessel can be nearly balanced.
  • the pressure difference on the anode can be reduced, and thin materials can be used within the possible limits.
  • a pressurized liquid with a higher vapor pressure than the active material is selected, so the pressure inside and outside the battery is always balanced, allowing thinner plate materials to be used.
  • the anode canister can be filled with nitrogen gas or similar to prevent the pressure from dropping.
  • the pressure is always in equilibrium with the outside, and pressurized gas is no longer necessary.
  • the pressurized liquid sealed in the pressure vessel can flow easily along the surface if the surface of the battery, pressure vessel, paint, or insulator is given a capillary structure that causes capillary action by providing grooves, particles, or a mesh. If the battery can is given many protrusions and grooves and the gaps on the electrode surface of the battery are given a capillary structure, the pressurized liquid can circulate easily near the electrolyte, which is effective in increasing thermal conduction around the battery.
  • the pressurized liquid sealed inside the pressure vessel moves and circulates as vapor or liquid inside the vessel due to temperature differences, functioning as a heat transfer medium with extremely low thermal resistance, helping to maintain a uniform temperature in the battery and pressure vessel, improving the thermal stability of the battery and its reliability.
  • the expandable radiator installed in the pressure vessel expands and comes into contact with the insulated vessel, and heat is transferred from the pressure vessel to the insulated vessel via the radiator.
  • the pressure of the pressurized liquid changes exponentially with the temperature, so even a radiator with relatively low precision can function.
  • the radiator can be made with a simple structure such as a bellows structure, and can be easily created by bending a plate, etc. The radiator suppresses the temperature rise in the pressure vessel, contributing to the stable operation of the battery.
  • the inside of the insulated container can be evacuated to a vacuum, eliminating the effects of temperature fluctuations in the insulated container. If the inside of the insulated container is evacuated, it may be possible to omit the insulation material. If the insulation material is omitted from the insulated container, it is necessary to support the pressure vessel with pillars or the like.
  • the active material that has leaked out of the broken battery will mix with the vapor from the pressurized liquid and float inside the pressure vessel. Detecting the vapor from the active material will identify any abnormalities in the battery and allow for rapid response. Being able to detect even minute amounts of vapor from the active material will allow for the detection of signs of battery failure, enabling repairs to be made before an accident occurs, increasing reliability and convenience.
  • both the anode and cathode cans of a battery break at the same time, there is a high risk of it escalating into a fire.
  • the frequency of this type of accident has been greatly reduced, but it is difficult to completely eradicate it.
  • the thickness, material, and structure of the can, plate, and electrolyte are selected with consideration given to vibration resistance and impact resistance.
  • the quality of the surface treatment of each part of the battery is also an important factor, and stable production and reliable elimination of defective products are required.
  • the double sealed container ensures that the active material remains inside the pressure vessel, even if the battery is severely damaged and becomes overheated.
  • the heat sink transfers the heat to the outside, but the insulation of the insulated container is maintained, preventing the high temperature from immediately spreading to the outside, allowing time for evacuation or fire extinguishing.
  • the insulating container With a double sealed container, even if the insulating container breaks, it does not directly affect the pressure container, and the battery temperature can be maintained for a short time, allowing the battery to function normally. In electric vehicles, this avoids sudden stops while driving, providing more time to stop safely. If the insulating container is evacuated to a vacuum, monitoring the degree of vacuum allows appropriate action to be taken, increasing safety.
  • the double-sealed container prevents active material from leaking to the outside, and is highly likely to prevent the accident from worsening.
  • the weight of a single battery for an electric vehicle is around 1 kg, and its light weight also improves its impact resistance.
  • the battery can is made from materials such as aluminum, which is strong and resistant to breakage. It is required that the battery does not explode, but from an economic perspective, the battery itself is made as light and flexible as possible without breaking, reducing weight as much as possible while maintaining reliability.
  • Batteries used in electric vehicles and other vehicles are heavy, using hundreds of individual cells, and the external container that houses the batteries must be strong enough to withstand the impact of a collision.
  • the battery of this invention can meet this requirement by increasing the strength of the insulating container.
  • the battery mounted under the floor will often avoid deformation, and there is a high possibility that the safety of the battery will be ensured. Furthermore, even if the battery pressure container is also crushed and the battery is deformed, the battery of this invention maintains the sealing of the battery can and does not develop into a fire, etc., and there is a high possibility that safety will be ensured.
  • the frame material ensures the rigidity of the vehicle, so by strengthening the battery insulating container and sharing it with the frame material and exterior panels, it is possible to save on structural materials and reduce the vehicle's weight.
  • the battery would consist of just the lid of the insulated container and the pressure container, and the battery storage space would be standardized so that batteries of different sizes and types with different electrical capacities could be handled in the same way. Alternatively, any number of small capacity batteries could be connected and stored, making the capacity variable.
  • a water container is attached to the insulated container and water is stored in the water container, even if the battery is severely damaged and becomes hot, the temperature of the insulated container can be kept down by boiling water, preventing accidents such as the immediate spread of fire to the outside.
  • the steam from the hot water sounds an alarm, the sound of the alarm will alert people to the occurrence of an accident and become a trigger for action such as extinguishing the fire or evacuating.
  • This NAS battery contains large amounts of sulfur and sodium, which are dangerous at high temperatures, but its safety has been significantly improved by using a triple container, including a water container, and a battery can that is resistant to deformation.
  • the battery of this invention is unlikely to develop into a fire in the event of an accident, and even if a fire does develop inside the battery, the risk of the fire spreading to the outside is reduced.
  • This NAS battery reduces internal resistance with a thin electrolyte and a highly conductive filler, and achieves low thermal resistance with the pressurized liquid sealed in the storage vessel, ensuring thermal stability. This increases the current capacity and allows for quick charging, resulting in a battery that can be used in electric vehicles, etc.
  • the expandable NAS battery can be used in portable devices while ensuring safety, has a longer life, can be charged in a short time, and is more convenient than conventional batteries.
  • Cross-sectional view of a NAS battery (Example 1). Partial cross-sectional view of a NAS battery (Example 2). Cross-sectional view of a battery pack (Example 3). Partial cross-sectional view of an electric vehicle (Example 4). Cross-sectional view of a NAS battery for portable devices (Example 5) Charge/discharge characteristic diagram of a NAS battery (Example 6)
  • Figure 1 is a cross-sectional view of a flat NAS battery.
  • the battery 1 in Figure 1 has a cathode can 6 on top of an anode can 2, and they are arranged side by side with the bottoms facing left to form the container for the battery 1.
  • the opening of the anode can 2 is sealed with an electrolyte 9 and a cathode plate 10, and the opening of the cathode can 6 is sealed with a cathode plate 10.
  • the battery 1 in Figure 1 is assembled by double seaming around the anode can 2, cathode can 6, and cathode plate 10.
  • the joints of the cans where the cathode can 6, anode can 2, electrolyte 9, and cathode plate 10 overlap are joined by overlapping reinforcing material 19 on the left and right and fastened with rivets 13.
  • the rivets 13 must be leak-free and insulated from the anode can 2.
  • the sealant 12 of the battery 1 in Figure 1 maintains the sealing of the anode can 2 and cathode can 6 and insulates the anode can 2 from the surroundings.
  • the sealant 12 must be able to withstand high temperatures and has insulating properties, and low-melting-point glass or heat-resistant fluororesin can be used.
  • the sealant 12 is applied around the anode can 2 and cathode can 6, and the battery 1 is heated after assembly to ensure a tight seal.
  • the battery 1 in FIG. 1 contains active materials sulfur 4, sodium sulfide 16, filler 5, and pressurized gas 14 in the anode can 2.
  • the active material sodium 8 and pressurized gas 14 are contained in the cathode can 6.
  • Nitrogen gas can be used as the pressurized gas 14 in the anode can 2 in Figure 1.
  • the pressurized gas 14 determines the lower limit of the anode pressure.
  • Argon gas can be used as the pressurized gas 14 in the cathode can 6. In this battery, sodium 8 reaches the electrolyte 9 without pressurization, so the pressurized gas 14 in the cathode can 6 can be omitted.
  • the anode can 2, cathode can 6, and cathode plate 10 in Figure 1 can be made of thin metal sheets. Aluminum meets the requirements for the can and plate, is lightweight, and is widely used. Although different from Figure 1, if the anode can 2 and cathode can 6 are made as a single unit and an insulating paint is applied to the inside of the cathode can 6 to insulate it from the sodium 8, a battery 1 with similar functionality and appearance can be created.
  • the inner surface of the anode can 2 of the battery 1 in Figure 1 is plated with a thick layer of chrome or carbon, taking into account the battery's lifespan, to withstand corrosive sulfur 4 and sodium sulfide 16.
  • the outer surface of the anode can 2 and the cathode plate 10 act as electrodes and need to be conductive, so a thin layer of chrome or carbon is plated on the surface to prevent oxidation.
  • a layer of chrome or carbon can also be applied to the surface by vapor deposition or sputtering.
  • the plating on the inside of the anode can 2 must be of high quality, with even the smallest defects not permitted. If there is a hole in the plating, the anode can 2 will corrode, causing leakage and leading to an accident. Inspecting and repairing the plating increases the yield of anode cans and enables the provision of high-quality batteries 1, so inspection technology is as important as manufacturing technology. The same can be said for the electrolyte 9, where detection and repair of defects is required.
  • a pressure test is performed by blowing compressed air into each can to check for leaks.
  • An electrical insulation test is also performed between the anode can 2, the cathode can 6, and the cathode plate 10.
  • heated liquid sulfur 4 and pressurized gas 14 are injected into the anode can 2 through the injection port 17, and heated liquid sodium 8 and pressurized gas 14 are injected into the cathode can 6 through the injection port 18.
  • the pressure inside the battery 1 is reduced to the appropriate pressure for injecting the pressurized gas 14, and the injection ports 17 and 18 are sealed.
  • the sulfur 4 and sodium 8 melt and function as a battery.
  • the initial state is fully charged, and the battery 1 is discharged to check the voltage and current characteristics and eliminate defective products.
  • the cathode can 6 in Figure 1 is on top, so even if the sodium 8 decreases, it will surely reach the electrolyte 9.
  • the sodium 8 contained in the cathode can 6 moves through the gap between the electrolyte 9 and the cathode plate 10. It is also effective to provide fine grooves or irregularities on the surfaces of the electrolyte 9 and the cathode plate 10 to facilitate the movement of the sodium 8.
  • the electrolyte 9 is backed by the cathode plate 10 and does not need to support the battery structure, so it can be as thin as possible.
  • the cathode plate 10 in FIG. 1 has many projections 3, which are arranged so that they come into contact with the anode cans 2 and terminal plates of the stacked batteries 1, enabling connection with low electrical resistance.
  • applying an insulating paint to all surfaces other than the electrode surfaces of the batteries 1 will prevent current leakage and short circuit accidents, enhancing safety.
  • the protrusions 3 in Figure 1 create spaces when the batteries 1 are stacked, and the spaces are surface-treated to form a capillary structure, allowing the area around the protrusions 3 to function as a flow path for the pressurized liquid 15 in Example 3, which helps to reduce the thermal resistance around the battery 1.
  • the internal pressure is low at room temperature, and it is necessary to take into consideration their strength and flexibility so that they do not become crushed and deformed by atmospheric pressure.
  • the battery 1 in Figure 1 can be made of thin aluminum or iron plates, which are used in food cans, etc., and with many years of accumulated manufacturing experience, we can expect high reliability for the cans and plates.
  • the filler 5 and electrolyte 9 in FIG. 1 are the same as those in Example 2, achieving a high current capacity for the battery 1.
  • the battery 1 in Figure 1 is placed with the cathode can 6 on top, and the batteries 1 are stacked sideways, making it easy to install under the floor of an electric vehicle.
  • the depth of the anode can 2 and cathode can 6 shallower and increasing the width, and increasing the area of the battery 1, a battery 1 with a larger current capacity can be obtained for the same electrical capacity.
  • connection parts of the battery 1 are held in place by rivets 13 and do not open, maintaining a sealed state. Combined with the double seaming around the battery 1, this prevents the liquid active material from suddenly leaking out or mixing, thereby ensuring the safety of the battery 1.
  • Figure 2 is a partial cross-sectional view of a NAS battery.
  • Figure 2 illustrates a portion of the battery 1 in Figure 1 between the cathode plate 10 and the anode can 2.
  • the electrolyte 9 On top of the cathode plate 10 is the electrolyte 9, on top of which is the filler 5, and on top is the anode can 2.
  • Figure 2 illustrates the detailed structure of the electrolyte 9 and the filler 5.
  • the mesh 28 in the electrolyte 9 in Figure 2 is made by weaving the latitudes 20 and longitudes 21 vertically and horizontally, and reinforces the electrolyte 9. Fibers such as carbon and ceramic that can withstand high-temperature sintering can be used for the mesh 28.
  • the position of the mesh 28 is such that the thickness of the top and bottom are proportional to the wear rate of the anode and cathode sides, and the thickness is biased.
  • the electrolyte 9 in FIG. 2 is manufactured by mixing fine particles such as ⁇ -alumina with a solvent, applying the mixture to a mesh 28, and sintering the mixture.
  • fine particles such as ⁇ -alumina
  • a solvent such as ethanol
  • NATP Na-Al-Ti-P3O5
  • the rate of wear is fast, and a separate protective film may be required.
  • the electrolyte 9 in FIG. 2 is less likely to be damaged by vibration or impact due to the mesh 28, improving the reliability of the battery 1. Because the mesh 28 is functionally an obstacle, it is woven loosely using the thinnest possible fibers within a useful range. Even if the electrolyte 9 wears down to near the position of the mesh 28, it can still function as an electrolyte and can be made to the minimum thickness appropriate for its lifespan.
  • the mesh 28 will keep it small, and the damaged area will likely be sealed with solid Na2S, which will enable self-repair.
  • the mesh 28 will reduce the chances that damage to the electrolyte 9 will develop into a major accident as it will be repaired.
  • the filler 5 in FIG. 2 is composed of latitude lines 22, longitude lines 23, upper latitude lines 27, and insulating longitude lines 24.
  • the filler 5 compensates for the low electrical and thermal conductivity of the sulfur 4 and sodium sulfide 16, and serves to reduce the internal resistance and temperature difference of the battery 1.
  • the filler 5 in Figure 2 is made by mixing conductive and insulating fibers and weaving them three-dimensionally to give it thickness and flexibility.
  • the operation of the battery 1 is more stable if the filler 5 has a certain level of electrical resistance, and nichrome wire, which has a relatively high electrical resistance and is corrosion-resistant, is useful.
  • the fiber composition and weaving method of the fibers of the filler 5 are determined taking into account the resistance value of the filler 5.
  • the latitude line 22 and the upper latitude line 27 are separated, and the meridians 23 are alternately entangled and woven with the latitude line 22 and the upper latitude line 27, resulting in a thick filling material 5.
  • the same result can be obtained by weaving the meridians 23 in a loop shape without the upper latitude line 27, but the position of the meridians 23 is fixed by the upper latitude line 27, which has the effect of maintaining the uniformity of the filling material 5.
  • the number of latitude lines 22 in the filler 5 in FIG. 2 is twice the required number, and half of the latitude lines 22 are woven into the filler 5 with insulating meridians 24.
  • the insulating meridians 24 maintain the distance between the electrolyte 9 and the latitude lines 22 and meridians 23, providing insulation. Thin fibers are used for the insulating meridians 24 to narrow the distance between the electrolyte 9 and the latitude lines 22 and meridians 23.
  • the insulating meridians 24 are woven by jumping the latitude lines 22 once in four times, increasing the contact area with the electrolyte 9, and the sodium sulfide 16 can be more effectively attracted from the electrolyte 9 with fewer insulating meridians 24.
  • the electrolyte 9 and insulating meridians 24 in Figure 2 have a high affinity with sodium sulfide 16, and sodium sulfide 16 is held around the electrolyte 9 and insulating meridians 24.
  • Sulfur 4 flows through the conductive fibers into the remaining space and approaches the electrolyte 9.
  • Sodium sulfide 16 flows into the anode through the insulating fibers of the latitude line 22 and meridians 23, which are in contact with the insulating meridians 24.
  • the electrolyte 9 operates stably even if the amount of sulfur 4 fluctuates greatly.
  • the voltage of the battery is maintained at the interface between sodium 8 on the surface of the electrolyte 9 and sodium sulfide 16.
  • Sodium 8 moves across the interface between the electrolyte 9 and sodium sulfide 16, causing a current to flow.
  • sodium 8 diffuses and moves across the interface between sodium sulfide 16 and sulfur 4, causing a change in the ratio of sodium sulfide 16 to sulfur 4.
  • sulfur 4 is an insulator and no current flows, so even if an interface voltage exists, it is not reflected in the battery 1.
  • sodium 8 diffuses and moves within the sodium sulfide 16 according to the concentration gradient.
  • the filler 5 in Fig. 2 is made somewhat thicker than the depth of the anode can 2, and the filler 5 is made to press the electrolyte 9 and the anode can 2 from the inside, so that the filler 5 is stably accommodated in the anode can 2.
  • This can also be adopted in the stretchable battery 1 in Fig. 5, in which the depth of the anode can 2 in Fig. 5 increases by a maximum of about 50%, and the filler 5 in Fig. 5 is made to stretch accordingly.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of a battery pack using multiple batteries 1 of Example 1.
  • the battery pack 30 in FIG. 3 is composed of a double sealed container, an insulated container 31 and a pressure container 32.
  • the insulated container 31 houses the pressure container 32 wrapped in a thermal insulation material 42, and the pressure container 32 houses 32 batteries 1 as shown in FIG. 1 and pressurized liquid 15.
  • the insulated container 31 and pressure container 32 in Figure 3 are each structured so that they can be separated into upper and lower halves, and the flanges 36 and packings 37 of both containers are fastened with multiple bolts 38 and nuts 39 to maintain airtightness, allowing them to be easily disassembled and reassembled for repairs and maintenance.
  • the insulating material 42 is also divided into upper and lower halves.
  • a valve 43 is attached to each of the insulated container 31 and the pressure container 32 in FIG. 3, penetrating them.
  • a vacuum pump is connected to the valve 43, and the inside of the insulated container 31 and the pressure container 32 is evacuated to a vacuum, and the valve 43 is closed.
  • the valve 43 is opened to introduce air or the like into the insulated container 31 and the pressure container 32, and the vacuum is released.
  • the anode terminal 40 is connected to the battery 1 on the left side, and the cathode terminal 41 is connected to the battery 1 on the right side.
  • the anode terminal 40 and the cathode terminal 41 are exposed to the outside of the battery pack 30 by penetrating the pressure vessel 32 and the insulating vessel 31 with a penetrator 69 while maintaining insulation and sealing, allowing the 32 series-connected batteries 1 housed in the battery pack 30 to be connected to the outside.
  • the 32 batteries 1 of the battery pack 30 in FIG. 3 are electrically insulated from the pressure vessel 32 by insulating plates 34.
  • the same effect can be obtained by applying an insulating paint to the inner surface of the pressure vessel 32 instead of the insulating plates 34.
  • the battery 1 is placed inside, the pressurized liquid 15 is poured in, the lid is closed, and the inside of the pressure vessel 32 is evacuated to a vacuum.
  • the pressurized liquid 15 an inactive silicone oil or the like, whose vapor pressure is lower than the pressure of the pressurized gas 14 in the anode can 2, can be used.
  • a heater 47 is attached to the bottom of the pressure vessel 32 in FIG. 3.
  • an electric current is passed from the outside to the heater 47 to heat it, thereby raising the temperature of the battery 1 and making it usable.
  • an electric current is passed from the outside or the battery pack 30 to the heater 47 to heat it and maintain the temperature of the battery 1.
  • radiators 49 that expand and contract according to pressure are attached to the holes in the insulation 42 while maintaining the pressure vessel 32 sealed.
  • the radiators 49 expand and come into contact with the insulation vessel 31, releasing the heat of the pressure vessel 32 to the insulation vessel 31 and autonomously controlling the pressure vessel 32 and the battery 1 to the upper limit temperature.
  • the steam and water 65 of the pressurized liquid 15 in Figure 3 flow and carry heat, so even a relatively small radiator 49 can efficiently carry heat. It is also possible to provide annular folds or the like in part of the pressure vessel 32 to make it expandable and contractible, and use it as a radiator 49.
  • Safety can be improved by applying an insulating coating to the outer periphery and terminal surfaces of battery 1 in Figure 3 to prevent short circuit accidents caused by leakage from battery 1.
  • Battery 1 has low internal pressure and is contracted at low temperatures, making it easy to assemble and disassemble. During operation, battery 1 expands at high temperatures and is held in place by the pressure vessel 32. In environments with high vibrations, such as in automobiles, the number of series in battery 1 in Figure 3 is too high, so adding a dividing plate or the like to divide the number of series into smaller numbers improves stability.
  • a capillary structure is provided on the surface of the battery 1 and insulating plate 34 in Figure 3 so that the pressurized liquid 15 can flow over the surface.
  • the pressurized liquid 15 evaporates at high temperature locations and condenses at low temperature locations, circulating, functioning as a heat medium with low thermal resistance and equalizing the temperature inside the pressure vessel 32.
  • the pressurized liquid 15 flows around the protrusions 3 in Figure 1, carrying away heat from the electrolyte 9 with a slight temperature difference and improving the thermal stability of the battery 1.
  • a thin and lightweight insulation material with a thickness of about 1 mm can be used to achieve high insulation.
  • the inside of the insulated container 31 is evacuated to a vacuum. By creating a vacuum inside the insulated container 31, it is also expected that the operation of the radiator 49 will become more stable.
  • the water container 64 fits over the top of the insulating container 31 in Figure 3, and water 65 is stored in the cavity between the insulating container 31 and the water container 64.
  • the insulating container 31 also serves as part of the water container 64.
  • the battery 1 has a maximum power loss of around 10%, and its temperature rises when used continuously. In that case, thermal design is required to lower the temperature, such as by attaching heat dissipation fins or a fan to the outer periphery of the battery pack 30, so that the water 65 does not boil.
  • the specific heat and heat of vaporization of the water 65 prevent the temperature of the insulated vessel 31 from rising above the boiling point of water for a certain period of time, suppressing the spread of the damage to the outside and likely preventing the accident from spreading.
  • the insulated vessel 31 and pressure vessel 32 prevent the active material of the battery 1 from leaking out to the outside world and enable cooling using water, making it highly likely that the battery 1 can be cooled and extinguished safely.
  • the battery pack 30 in FIG. 3 employs a water container 64 and an external container with a double sealed structure, and as explained in the above examples and effects of the invention, it can cope with various malfunctions of the housed batteries 1 and damage to the insulating container 31 and pressure container 32, resulting in a safe and reliable battery pack 30.
  • the battery pack 30 in FIG. 3 is equipped with various measuring devices and is connected to a battery control and monitoring device for use.
  • Figure 4 is a partial cross-sectional view of an electric vehicle.
  • the lower right front section of the vehicle body 62 is cut away, and only the relevant basic components are shown, with the rest omitted.
  • the bottom plate 60 of the vehicle body in FIG. 4 has a protruding battery housing section 61 in the center, which houses the pressure vessel 32 inside. As shown in FIG. 3, the pressure vessel 32 houses a number of batteries 1 and pressurized liquid 15.
  • the battery storage section 61 is covered from below with an insulated container lid 63.
  • the vehicle body bottom plate 60 is structured to double as part of the insulated container 31 in FIG. 3. Insulating material 42 is applied to the inner surfaces of the battery storage section 61 and the insulated container lid 63 to insulate them from the pressure vessel 32.
  • a water container 64 is placed over the battery housing 61 in FIG. 4, and water 65 is stored in the cavity between the battery housing 61 and the water container 64.
  • a steam pipe 66 is connected to the water container 64, and boiling steam is released outside the vehicle via a horn 67.
  • the battery storage section 61 is generally strongly reinforced so that it does not collapse, and the pressure vessel 32 is likely to be protected. If the pressure vessel 32 is intact, there is a high probability that the safety of the stored battery 1 will be ensured.
  • the battery 1 will not easily burst and will remain sealed, making it unlikely that the active materials will mix together and cause a fire, etc., and there is a high possibility that the safety of the vehicle body 62 will be maintained.
  • the water 65 absorbs the heat and prevents the fire from spreading to the outside, and the alarm 67 alerts the fire, allowing for timely evacuation, rescue, and extinguishing of the fire.
  • the NAS battery housed in the battery housing section 61 in Fig. 4 can achieve a performance exceeding 300 W/kg even when an external container and water 65 are added.
  • This battery is easy to manufacture, uses many inexpensive resources, and can be inexpensively manufactured, making it easy to install a 100 kWh battery in a passenger vehicle, and a 1,000 kWh class battery for trucks can also be provided inexpensively.
  • Figure 5 is a cross-sectional view of a NAS battery for portable devices.
  • the portable battery 70 contains a battery 1 with an expandable structure in a triple sealed container consisting of a water container 64, a heat insulating container 31, and a pressure container 32.
  • a sealed container is expandable, and the portable battery 70 also expands and contracts, and is used by holding it down in the vertical direction with sponges, springs, etc. It is intended for use in portable devices such as mobile phones, notebook computers, and power tools.
  • the battery 1 in Figure 5 has a structure in which the anode can 2 and cathode can 6 are separated by an electrolyte 9 and a cathode plate 10.
  • the bellows portion 7 that is multiply folded is provided around both the anode can 2 and the cathode can 6, making the battery 1 structured to be expandable in the vertical direction.
  • the bellows portion 7 in Figure 5 is curved vertically, a bellows portion 7 that is curved left and right and has curved portions stacked on top and bottom can also be used.
  • the battery 1 in Figure 5 contains sulfur 4, sodium sulfide 16, and filler 5 in the anode can 2.
  • the cathode can 6 contains sodium 8.
  • the anode can 2 and cathode can 6 are separated by an electrolyte 9 supported by a cathode plate 10, and the battery is operated.
  • the cathode plate 10 in FIG. 5 has multiple holes 11 through which the sodium 8 passes.
  • the electrolyte 9 is backed by the cathode plate 10, does not need to support the battery structure, and the pressure is balanced, so it can be as thin as possible. If the holes 11 are made thinner, the number of holes 11 can be increased to accommodate. If the holes 11 are made thinner, when the battery 1 is crushed, the flow resistance increases and the sodium 8 becomes less likely to move in response to a sudden increase in pressure, improving the safety of the battery 1.
  • the periphery of the anode can 2 is insulated with a sealant 12, and the periphery of the anode can 2, cathode can 6, and cathode plate 10 are double-sealed.
  • the double-sealing prevents the battery 1 from opening easily even if it is crushed, and prevents the active materials from mixing or leaking, resulting in a highly safe battery 1.
  • the filler 5 in FIG. 2 is highly elastic, making it a filler 5 that can be used in the battery 1 in FIG. 5.
  • the inner surface of the anode can 2 in FIG. 5 is plated with a thick layer of chrome or carbon to prevent corrosion by sulfur 4 and sodium sulfide 16.
  • the other surfaces of the anode can 2 and the surfaces of the cathode plate 10 and cathode can 6 are plated with a thin layer of chrome or carbon to prevent oxidation.
  • the pressure vessel 32 in FIG. 5 contains a small amount of pressurized liquid 15 and the battery 1, and operates by generating a vapor pressure in the pressurized liquid 15 higher than that of sulfur 4, preventing the formation of cavities inside the battery 1.
  • the pressurized liquid 15 circulates due to the temperature difference, functioning as a heat medium with low thermal resistance and keeping the temperature of the battery 1 uniform.
  • the pressurized liquid 15 can circulate more easily, further reducing the thermal resistance.
  • the pressure vessel 32 and the anode can 2 are insulated by an insulating plate 34. If the pressure vessel 32 is an insulator, the insulating plate 34 can be omitted.
  • the pressure vessel 32 in Figure 5 is wrapped with insulation material 42 and housed in an insulated vessel 31.
  • the insulation material 42 insulates the pressure vessel 32 and the battery 1 from the outside world, maintaining the high temperature of the battery 1.
  • the insulation material 42 can be a laminate of aluminum foil and glass wool, etc., and is expected to provide high insulation even though it is thin.
  • the inside of the insulated vessel 31 is evacuated to a vacuum before use.
  • a radiator 49 is attached to the location where a hole was made in the insulation 42 while keeping the pressure vessel 32 sealed.
  • the radiator 49 expands and comes into contact with the insulation vessel 31, releasing the heat of the battery 1 to the outside.
  • a structure in which part of the pressure vessel 32 expands and contracts can also be used.
  • the pressurized liquid 15 an inactive silicone oil or the like can be used, which has a vapor pressure of the pressurized liquid 15 > vapor pressure of sulfur 4 at the operating temperature of the battery 1.
  • a heater 47 is attached to the pressure vessel 32 in Figure 5, and when the battery 1 temperature drops or when it is started up, an electric current is passed through the heater 47 to heat it and maintain the temperature of the battery 1.
  • the outer periphery of the insulated container 31 is covered with a water container 64, and water 65 is stored in between. Even if the insulated container 31 becomes hot, the heat is absorbed by the water 65, and the insulated container 31 can maintain a temperature close to the boiling point of the water 65 for a short period of time.
  • the radiator 49 activates, and the water 65 boils, the steam valve 68 opens and the steam is released through the steam pipe 66 and the alarm 67 outside the water container 64.
  • the alarm 67 sounds with the steam, alerting the user to the accident, attracting the attention of those around and requesting a rapid response.
  • the battery 1 in FIG. 5 is connected to the anode can 2 with the anode terminal 40 and to the cathode can 6 with the cathode terminal 41.
  • the anode terminal 40 and the cathode terminal 41 pierce the water container 64, the insulating container 31, and the pressure container 32 with the penetrator 69 while maintaining insulation and airtightness, allowing the battery 1 to be connected to the outside.
  • the battery 1 in Figure 5 is pressed by atmospheric pressure, and no cavities are created inside.
  • the battery 1 allows the device in which it is installed to function normally in any orientation, making it suitable for use in a variety of portable devices.
  • the internal and external pressures of the battery 1 are in balance and no high pressure difference occurs, so the plates and electrolyte 9 used in the battery 1 can be as thin as possible.
  • the depth of the anode can 2 and cathode can 6 of battery 1 is 2 mm each when fully charged, when battery 1 is fully discharged, the depth of the anode can 2 changes to 3 mm and the depth of the cathode can 6 changes to 0 mm, and the thickness of portable battery 70 decreases by 1 mm.
  • a single battery 1 is housed in the portable battery 70, but it is also possible to connect multiple batteries 1 in series to form a battery pack.
  • batteries with a voltage of about 4 V are preferred, while for power tools and notebook computers, 10 V is preferred.
  • the battery 1 is equipped with various measuring devices and a control circuit that monitors charging and discharging and shuts off the battery, etc., for use.
  • the expandable battery 1 in FIG. 5 can be used in the battery pack 30 in FIG. 3. In this case, one side of the battery 1 in FIG. 5 is pressed by a spring or the like. If the batteries 1 in FIG. 5 are folded back and lined up in the same number, a flat, movable connection plate can be used to connect adjacent batteries, resulting in a simple battery 1 storage structure.
  • the portable battery 70 in FIG. 5 is housed in a double sealed container and a water container 64, and as explained in the embodiments and effects of the invention, it can withstand various types of accidents and ensure a long life, high reliability, and safety.
  • Figure 6 shows the charge and discharge characteristics of a NAS battery.
  • the curves show the battery voltage and remaining capacity when the NAS battery of this invention is charged and discharged at a constant current of half the current capacity.
  • the battery maintains a constant voltage until the anode component ratio becomes Na2S5, and as it is further discharged, the sodium content increases and the voltage decreases at a constant rate, until it is fully discharged at Na2S2.78.
  • the voltage difference during charging and discharging is caused by the internal resistance of the battery.
  • the sulfur is consumed and only sodium sulfide remains.
  • the amount of sodium in the sodium sulfide increases or decreases with charging and discharging, the composition ratio between Na2S2 and Na2S5 gradually changes, and the battery voltage also changes. When current flows, sodium diffuses and moves through the sodium sulfide.
  • the sodium sulfide When charging, the sodium sulfide is depleted and the voltage rises as the battery approaches full charge. When discharging, the sodium is depleted and the voltage drops as the battery approaches full discharge. Before depletion, the reaction area of the electrolyte narrows, causing the battery's internal resistance to gradually increase and the slope of the curve to become increasingly steep.
  • a device In a battery pack, batteries that deteriorate early reach full charge or discharge and cease charging or discharging, reducing the effective capacity of the battery. When inspecting and repairing a battery pack, batteries that deteriorate quickly are replaced, and the shift is reset by recharging all batteries to full charge. In the gradient region, a device can be used to accommodate power using the voltage difference between batteries and level out the capacity.
  • NAS batteries are used because they can be charged and discharged over long periods of time, have a low current capacity, and are safe.
  • the NAS battery of this invention uses a thin electrolyte and flattens the battery to increase the electrolyte surface area, reducing the electrolyte's internal resistance.
  • the anode filler also uses a three-dimensional woven metal wire to reduce electrical resistance.
  • the battery is placed in a pressure vessel and pressurized liquid with an appropriate vapor pressure is injected into it, allowing the pressurized liquid to circulate naturally, reducing the thermal resistance around the battery and achieving high thermal stability.
  • the NAS battery is housed in a double sealed container consisting of an insulated container and a pressure container, and water is added to the water container to protect against fires, etc.
  • the battery can is flexible to make it less likely to burst, and the electrolyte is reinforced with a mesh, improving the safety of the battery.
  • NAS batteries operate at high temperatures of 300°C to 360°C, and by providing a high degree of insulation from their surroundings, they can maintain high temperatures with little electricity. NAS batteries can operate without problems in temperatures between -70°C and 60°C, making them usable anywhere on Earth. Although high battery temperatures can be dangerous, as long as safety is ensured, this is not a problem, and the advantage of not being affected by temperature comes into play.
  • the NAS battery of this invention for power storage has a capacity of 100 kWh, dimensions of 1 m/2.55 m/54 mm, a weight of 156 kg, and a performance of 641 Wh/kg.
  • One hundred of these batteries are placed in an insulated container and a pressure vessel to form a battery pack; 100 battery packs can store 1 GWh of electricity at 20 kV, and fit into a volume of 50 m/50 m/10 m.
  • a city's electricity is supplied by a standard 1GW nuclear power plant, a 1GW transmission line would be used and a 3GWh reserve battery would be installed on the city side.
  • Daily demand would vary between 650MW and 1,300MW, and the battery would be used to compensate for the demand fluctuations, allowing the power plant to operate at a constant output of roughly 1GW.
  • solar and wind power are used for generation, and the output of nuclear power plants is reduced to make up for the shortage with natural energy, with any shortfall being made up by thermal power generation.
  • Reserve batteries can be used to increase the operating rate of nuclear power plants and reduce thermal power generation.
  • the NAS battery of this invention for electric vehicles has a capacity of 500Wh, dimensions of 100mm x 850mm x 9mm, volume of 765cc, weight of 1010g, voltage of 2V, current capacity of 4C1kA, and performance of 495Wh/kg, and can be charged in 15 minutes.
  • a flatter battery shape would result in a battery that could be charged in 6 minutes at a current capacity of 10C, but would be heavier and have a reduced performance of 355Wh/kg.
  • 200 500Wh 4C NAS batteries are connected in series to create a 400V battery pack, which is then placed in an insulated container and pressure vessel, and a water container is added to create a battery pack that can be installed under the floor of an electric vehicle.
  • This battery pack has external dimensions of 1708mm/1006mm/112mm, a capacity of 100KWh, a weight of 300kg, and a performance of 333Wh/kg. It can travel 600km on a full charge during the summer and winter seasons when power consumption is high. It has higher performance than the average lithium-ion battery, and can achieve the same performance as a high-performance battery.
  • This 100kWh battery pack can maintain the battery temperature with 50W of power, and can maintain that temperature for 80 days with the power of a fully charged battery.
  • the battery When the battery is discharged and cold, it can be heated in 3 minutes and charged in 15 minutes using a 400kW charger, making it ready for use.
  • the expandable NAS battery When the formula atmospheric pressure > vapor pressure of the pressurized liquid > vapor pressure of the active material is satisfied, the expandable NAS battery is pushed by atmospheric pressure, eliminating any cavities, and operates.
  • the vapor pressure of sulfur is 15 kPa at 358°C, so it can be used without problems even on Mount Everest. With some clever design for the sealed container, it can also be used for aerospace applications.
  • an expandable NAS battery housed in three sealed containers - a water container, an insulated container, and a pressure container - has dimensions of 75mm/150mm/10mm, a capacity of 40Wh, a weight of 152g, and a performance of 263Wh/kg.
  • the voltage becomes 4V the current capacity is 100Ah10C or more
  • the internal resistance is extremely low, and it can be charged in a few minutes. It is also possible to create a NAS battery that is flatter and thinner.
  • the battery temperature can be maintained for 10 days on a full charge. If the computer is on standby, it can be maintained for several days. From a discharged and cold state, the battery can be warmed up in 5 minutes and charged in 12 minutes using a 200W charger.
  • NAS batteries Smaller NAS batteries for mobile phones run out of power in a few days. Even if the battery runs out and cools down, it can be heated and charged in a short time, and the mobile phone can be used again immediately. NAS batteries have a long lifespan, which reduces the chances of the battery causing the mobile phone to run out of power.
  • NAS batteries are extremely dangerous if they are overcharged or over-discharged.
  • the overall voltage of a stacked battery is high, and if the battery is overcharged or over-discharged, the battery voltage will rise or fall suddenly, and if the current is not cut off, the battery will become hot and be destroyed. It is possible to detect the sudden increase in the battery's internal resistance due to overcharging or over-discharging, and cut off the current to ensure safety.
  • the NAS battery fire at the power storage facility is believed to have been caused by active material leaking, which led to battery deterioration, resulting in unexpected overcharging or over-discharging. It is believed that active material ejected from the top of the battery, causing a chain reaction of short circuits with nearby batteries, which led to high temperatures and caused many batteries to catch fire. It is essential to monitor batteries, detect battery deterioration, avoid overcharging and over-discharging, and operate them appropriately while making repairs.
  • the battery of this invention provides various safety measures to deal with a wide variety of failures, eliminating many of the risks in the event of an accident, ensuring high reliability and safety. In the event of a battery failure, this is often an isolated event, and the failure can be detected and repaired before it develops into a major accident, making it possible to replace or reuse the battery, providing high usefulness and convenience.
  • NAS batteries have achieved an average lifespan of more than 10 years, and the battery of this invention has a similar basic structure, making it possible to ensure a lifespan of more than 10 years.
  • One of the factors that shortens the lifespan is the accumulation of impurities in the active material, and in large batteries, if the active material is regularly replaced and refined to remove impurities, a lifespan of 100 years is not impossible.
  • NAS batteries already in practical use for power storage have a stationary life of nearly 100 years and a lifespan of 2,500 charge/discharge cycles.
  • the 100 kWh battery of this invention for electric vehicles can travel 1.5 million km with the same lifespan.
  • a battery life of 2,500 charge/discharge cycles is expected to last more than 10 years when used in commercial vehicles such as taxis with an average daily driving distance of more than 300 km. For vehicles with higher operating rates such as trucks, the battery life is around 5 years. For taxis and other vehicles, if the battery capacity is reduced to 50 kWh, the weight is reduced by more than 100 kg, and the number of charging times is increased, the battery life will be halved, but the driving distance per kW will increase by about 10%, reducing electricity costs.
  • An electric vehicle battery pack using 200 batteries is required to have an MTBF of 3.5 million hours, assuming an average repair frequency of once every two years. This will be achieved by refining manufacturing technology and eliminating defects.
  • NAS batteries have only a dozen or so components and a simple structure, so the cause can be quickly identified and it is thought to be easy to implement.
  • the sulfur and sodium used in NAS batteries are inexpensive and abundant, and can be used simply by refining the raw materials. This allows for a significant reduction in battery material costs compared to lithium-ion batteries.
  • the NAS battery of this invention has a simple structure in which sulfur and sodium are injected into two cans, and can be assembled by reusing the can manufacturing process. Raw materials can be procured cheaply, and the manufacturing cost of the battery can be significantly reduced compared to lithium-ion batteries. Although an external container to house the NAS battery is required, the number of parts is small, inexpensive materials can be used, and the external container can be manufactured inexpensively.
  • Discarded NAS batteries are mainly composed of the can and liquid active material, which can be easily reused by disassembling, separating and refining the battery.
  • the electrolyte is a robust compound that is used in small quantities and is difficult to reuse, but if collected in large quantities, it may be possible to reuse it.
  • Components such as the can and electrolyte that have dissolved in the battery's active material can be separated as impurities during the active material refining process. The separated impurities can be further separated into their individual elements and reused.
  • the NAS battery of the present invention generates little waste that cannot be reused, and many of the components of the discarded battery can be recycled.
  • the battery of the present invention has a significantly lower environmental impact than lithium-ion batteries.

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Abstract

安全性の高いＮＡＳ電池とする。　ＮＡＳ電池の缶をより強固に接合して、事故時に缶が開放しにくい構造とする。ＮＡＳ電池を伸縮可能な構造とする。　ＮＡＳ電池に、強靭な繊維の網で補強して、厚さを薄くした電解質を採用する。陽極内に導電性と絶縁性の繊維を立体編みし、従来より空疎で抵抗値の低い充填材を使用する。　断熱容器と圧力容器の、二重密閉容器にＮＡＳ電池を収容する。圧力容器に、適切な蒸気圧の加圧液を封入する。　断熱容器の周囲に水を保持る。　ＮＡＳ電池の内部抵抗を測定し、抵抗増大で充放電を停止させる。

Description

安全なＮＡＳ電池
当発明は、活物質を高温で熔解させて運用し、充電可能なナトリウム硫黄電池（ＮＡＳ電池と略す）に関するものである。
電力備蓄用に、ＮＡＳ電池が既に実用化されている。
特開２００１ー２４３９７７号公報 特開２００２－２９８９０８号公報
ＮＡＳ電池は高性能であるが、電気自動車には、安全性に不安があるとして採用されていない。携帯機器には、搭載方向に制約があり採用されていない。
ＮＡＳ電池の陰極缶を陽極缶の上に配置し、陰極板と電解質を重ねて陽極缶に蓋をし、陰極板で陰極缶に蓋をし、陽極缶と陰極缶の連結部で、陰極板と電解質と陽極缶と陰極缶をリベット等で締結する。
ＮＡＳ電池の陽極缶と陰極缶を向い合わせて配置し、陽極缶と陰極缶の間を電解質で仕切り、陽極缶と陰極缶と電解質もしくは電解質を支える陰極板の、三者の内の二者に、伸縮自在な構造を持たせ、電池を伸縮可能とする。
ＮＡＳ電池の電解質を、強度の高い網に電解質粒子を焼結して作成する。
ＮＡＳ電池の陽極の充填材に、導電性と絶縁性の繊維を使用し、立体編みして充填材を作成する。
ＮＡＳ電池を収容する容器に、断熱容器と圧力容器の二重密封容器を採用し、断熱容器に断熱材と圧力容器を収容し、圧力容器に電池と適切な蒸気圧の加圧液を収容する。
ＮＡＳ電池を収容した圧力容器に、圧力容器に収容した加圧液の蒸気圧で伸縮する放熱器を装備する。
ＮＡＳ電池を収容した断熱容器に、水等を収容した水容器を装着し、沸騰した際の蒸気で警笛を鳴らす。
ＮＡＳ電池の内部抵抗を測定し、内部抵抗の増大で充電放電を停止させる。
従来のＮＡＳ電池は、構造を強固にして、衝撃に耐える様にしている。当発明では、寧ろ柔軟性を優先して耐衝撃性を高め、電池が潰れるよな事故でも、缶が破裂せず、活物質が混合したり漏れたりしないように、安全性を優先した構造としている。又、電池の内部抵抗と熱抵抗を削減して、高い電流容量と安全性を実現している。
当発明のＮＡＳ電池では、陰極缶を陽極缶の上に配置し、二つの缶の連結部を、リベット等で締結し、電池の周囲を二重巻締して、電池を組み立てると。陰極缶が上にあり、陰極のナトリウムが、重力で陰極缶の下に溜まり、自然に電解質に導かれ、陽極缶との間で移動できる。缶の深さを浅くして、より扁平な構造とし、電流容量を任意に増やせる構造をしている。
陽極缶と陰極缶の周囲には、事前に絶縁性の封止材を塗っておき、密封と絶縁を維持させ、陰極板と電解質の間には封止材を塗らずに置くと、ナトリウムは陰極板と電解質との隙間を通って流れる事ができる。
この構造のＮＡＳ電池は、事故等で電池が大きく変形した場合でも、強固に締結され、缶の接合部が容易には分離せず、缶の気密が維持される。電池が潰されても、電池の活物質が内部で急速に混合したり外部に漏洩せず、安全性の高いＮＡＳ電池が得られる。
前記の電池を含め、従来のＮＡＳ電池は、中に空洞があり、空洞が移動して電解質と活物質が接触しない状態では、動作が不安定に成る。その為に、方向が任意で、空洞が移動してしまう、携帯機器等には使用できなかった。
当発明の別の構造のＮＡＳ電池は、電池を伸縮可能とし、電池を収容した圧力容器に、電池活物質より蒸気圧の高い液体を封入し、加圧液の蒸気圧で電池内の空洞を無くして稼働させる。
伸縮可能としたＮＡＳ電池は、内部に空洞が無く、設置方向の制約がなくなり、飛行機や衛星や携帯用機器等に使用できる電池となる。ＮＡＳ電池の、活物質の蒸気圧は大気圧より低く、圧力容器を省略して大気圧で押す構造も採用できる。
伸縮可能にしたＮＡＳ電池は、陽極缶と陰極缶を向い合せに配置し、中央を電解質で区切った構造にすると、充放電時に両缶の伸びる方向が相反していて、電池全体の寸法変化がより少ない、伸縮するＮＡＳ電池になる。
伸縮可能にしたＮＡＳ電池は、電解質を陰極板で裏打ちすることで、事故時に電解質が大きく破損しても、陰極板は維持される可能性が高い。陰極板は、微小な穴を開けてナトリウムの流路とすると、電池内の圧力は均衡していて、電池活物質が急速に大規模に混合し電池が高温になることを防げる。
伸縮可能にしたＮＡＳ電池は、電池の缶の周囲を二重巻締し、密封性を維持させると、電池が変形しても缶が破裂せず、電池活物質の流失や混合が避けられる可能性が高く、安全性の高いＮＡＳ電池が得られる。
網で補強した電解質は、振動や衝撃の激しい環境でも破損しにくく、従来より電解質を薄くできる。
網で補強した電解質は、破損した部分が網で繋がって脱落せず、亀裂も網の繊維で止まる可能性が高く、電解質に大きな欠落部が生じ難くくなる。その結果、電解質が大規模に破損し、活物質が急速に混合して、高温になって電池が破損する事故が防げ、安全性の高い電池が得られる。
電解質の破損個所では、漏れた硫黄とナトリウムの反応が進んでＮａ２Ｓになり、Ｎａ２Ｓは熔解温度が高く固体になる。破損個所が網で微細に止まる事と相まって、破損個所が自然に塞がる可能性が高く、電解質の寿命や信頼性が向上する。
当発明のＮＡＳ電池は、網で電解質を補強し、電池の構造は陰極板が担い、電解質を可能な限り薄くできる。Βアルミナより導電率の高い、硫黄や燐系の電解質の採用も可能であり、電解質の電気抵抗を削減し発熱を減少させ、電池の熱的安定性が改善できる。
充放電に伴い、電解質は電池活物質に浸食されて薄くなり、浸食速度は陽極側と陰極側で異なる。浸食速度に比例して、網からの電解質の厚さを増やし、電解質内の網の位置を最適に設定でき、電解質の寿命を最長にできる。
陽極の充填材に、従来の炭素繊維の代わりに、導電繊維と絶縁繊維を混ぜて使用する。立体編みして伸縮性の充填材を作成すると、繊維は、電解質から陽極缶に向かって均一に伸び、電流と熱の流れに沿っていて、効率的に熱と電子を運べ、充填材の量を減らせる。
立体編みした充填材は伸縮性に富み、電池を伸縮可能とした際に、陽極缶の伸縮に対して、充填材も伸縮して対応できる。
導電繊維は硫黄と親和性が高く、硫黄の流路になる。電解質と絶縁繊維は、硫化ナトリウムとの親和性が高く、硫化ナトリウムの流路になる。立体編みした絶縁繊維は、陽極缶内に硫化ナトリウムを行き渡らせ、導電繊維の１割以下の容積で十分機能する。硫黄は導電繊維に沿って流れ、層分離した硫黄と硫化ナトリウムが、常に電解質近辺に混在し、電池の内部抵抗の削減に寄与する。
充填材の導電繊維に、ニクロムやステンレス等の耐蝕性の高い金属線が採用できる。電気伝導率の低いニクロム線を採用した場合でも、炭素繊維よりも電気伝導率が高く、陽極容積の１％の充填材で、陽極の電気抵抗を十分に下げられる。導電繊維に鉄やアルミニウムや銅を採用し、表面にクロムや炭素メッキ等を施して、耐蝕性を持たせて使用することも可能である。
充填材の絶縁繊維に、耐熱性と絶縁性のガラスやセラミック繊維が採用できる。絶縁繊維で、導電繊維と電解質間の絶縁を維持させる事ができる。電解質に接触している絶縁繊維が、電解質表面の硫化ナトリウムを吸引し、反動で導電繊維を伝って硫黄を電解質近辺に引き寄せて、ナトリウムの拡散を容易にし、陽極の内部抵抗を減らせる。
電解質近辺の、充填材の絶縁繊維と導電繊維が交差した箇所で、硫化ナトリウムが導電繊維に接触して電流が流れる。交差箇所の密度を増やすと、硫化ナトリウム内の電流流路が短縮され、陽極の内部抵抗を削減できる。電流は、電解質，硫化ナトリウム、導電繊維、陽極缶の経路で流れる。編み方や密度や繊維の太さや構成や比率を調整して、各種要請に応じた多様な充填材とする事ができる。
充填材が、従来よりも削減され、空疎になり整列していて、流動抵抗が削減されて陽極活物質が流動し易くなる。電解質と充填材の改良で、電池の内部抵抗が減少して電力損失が減少し、電流容量と熱安定性が改善され、信頼性の高い電池が得られる。
断熱容器と圧力容器の、二重密封容器に収容したＮＡＳ電池は、断熱容器に収容した高性能な断熱材により、電池の温度を長時間維持できる。電池を利用している期間には、充放電の熱損失で電池が温められ、電池の温度を維持できる可能性が高い。規定温度より温度が低下した際には、電池や外部の電力で電池を温め、僅かな電力で電池の温度を維持できる。
電池を収容する圧力容器に、活物質と蒸気圧が近い液体を、加圧液として封入する事で、陽極缶と圧力容器の圧力を、ほぼ均衡させられる。その結果、陽極缶に掛かる圧力差を低減でき、可能な範囲内で厚さの薄い素材を採用できる。伸縮可能とした電池では、活物質より蒸気圧の高い加圧液を選び、電池内外の圧力は常に均衡し、より薄い板材を採用できる。
電池の放電が進んで硫黄が消失すると、残った硫化ナトリウムの沸点温度は高く、蒸気圧は急減して圧力差が広がる。陽極缶に窒素ガス等を充填し、圧力の低下を防ぐことができる。伸縮可能とした電池では、電池内に空洞はなく、圧力は外部と常に均衡していて、加圧ガスも不要にできる。
圧力容器に封入した加圧液は、電池や圧力容器や塗装や絶縁体の表面に、溝や粒子や網を付ける等の毛細管現象の起きる毛細管構造にすると、表面を伝って加圧液が流動し易くなる。電池の缶に突起や溝を多数設け、電池の電極面の隙間を毛細管構造にすると、電解質近くを加圧液が循環しやすくなり、電池周辺の熱伝導を高めるのに効果的である。
圧力容器に封入した加圧液が、温度差で圧力容器内を、蒸気や液体として移動循環し、極めて低い熱抵抗の熱媒体として機能し、電池や圧力容器の温度を均一に保つのに役立ち、電池の熱安定性が高くなり、電池の信頼性も向上する。
圧力容器に装備した伸縮する放熱器は、圧力容器の温度が上昇して加圧液の蒸気圧が高まると、放熱器が伸びて断熱容器に接触し、圧力容器から断熱容器に、放熱器を経由して熱が伝わる。加圧液の圧力は温度で累乗的に変化し、比較的精度の低い放熱器でも機能する。放熱器は、蛇腹構造等の簡便な構造にして、板等を曲げて容易に作成できる。放熱器が、圧力容器の温度上昇を抑え、電池の安定動作に寄与する。
伸縮する放熱器の動作を確実にするために、断熱容器内は真空に排気して、断熱容器の温度変動の影響を無くす事ができる。断熱容器内を真空にした場合、断熱材を省略できる場合もある。断熱容器の断熱材を省略した場合には、支柱等で圧力容器を支える必要がある。
圧力容器に、不活性な加圧液を封入すると、電池からの一方だけの活物質の流出であれば、火災になる可能性を排除でき、安全性が高まる。加圧液に硫黄との蒸気圧の近い、各種のシリコンオイル等が利用でき、適切な蒸気圧を選択できる。
電池の缶が破れて、活物質の流出量が多い場合には、電池は即利用できなくなる。活物質の流出量が少ない場合、電池は動くが、何れにせよ危険で利用は勧められない。
電池の缶の破損事故では、圧力容器内に、破損した電池から流出した活物質が、加圧液の蒸気に混ざって漂う。活物質の蒸気を検出して、電池の異常を知り、迅速な対応が可能になる。活物質の極微量な蒸気を検出できると、電池の故障の前兆を検出でき、事故に発展する前に、修理補修が可能になり、信頼性と利便性が高まる。
電池の陽極缶と陰極缶が同時に破れると、火災に発展する危険性が高い。この種の事故は、発生頻度が大幅に下がるが、完全に根絶することは難しい。内部要因でこの種の事故が極力起きないように、耐振動性や衝撃性を考慮して、缶や板や電解質の厚さや材質や構造を選ぶことになる。電池の各部の表面処理の良しあしも重要な要素であり、安定した製造と確実な不良品の排除が求められる。
二重密封容器により、例え電池が大規模に破損し高温になっても、活物質は圧力容器内に留まる。放熱器が熱を外部に伝えるが、断熱容器の断熱は保たれ、外部に高温が直ちに広がる事が遮られ、避難や消火等の時間的余裕が生まれる。
二重密封容器では、断熱容器が破れても、圧力容器には直に影響せず、短時間は電池の温度を維持でき、電池は正常に作動する。電気自動車等では走行時の急な停車は避けられ、安全に停車する等の時間的余裕が生まれる。断熱容器を真空に排気した場合には、真空度を監視すると、適切な対応が可能になり、安全性が高まる。
二重密封容器では、圧力容器が破れた場合、断熱容器の破れよりも早く温度が下がる。短時間であれば電池は正常に機能し、その間に退避する等の時間的余裕が存在する。
その他の、各種の破損パターンが考えられるが、二重密封容器で、外部への活物質の流失が抑えられ、事故の拡大を防げる可能性が高い。
自動車等の、利用時の事故が避けられない用途では、事故に伴って電池が破裂すると、事故が一層拡大してしまう。事故時に極力電池が破裂しない事が要請され、前記の破裂しにくい電池の缶の構造が、その要請に沿っている。
電気自動車用の単電池の重量は、１ｋｇ前後であり、軽い分耐衝撃性も向上する。また、電池の缶はアルミニウム等で作成し、強度が高く破損しにくい。電池が破裂しない事が要請されるが、経済性を勘案して、電池自体は、破損しない範囲内でより軽量に柔軟に作り、信頼性を維持しつつ、可能な限り重量を削減することになる。
電気自動車等に利用する組電池は、単電池を数百個使用して重量も重く、電池を収容した外部容器には、衝突の衝撃に耐えられる高い強度が要請される。当発明の電池は、断熱容器の強度を上げることで対応可能である。
断熱容器の剛性を高めてあれば、電気自動車の前後が潰れるような事故でも、床下に搭載した電池は多くの場合に変形を免れ、電池の安全性が確保される可能性が高い。更に、電池の圧力容器も潰れ、電池が変形した場合ても、当発明の電池は、電池の缶の密封が維持されて火災等に発展せず、安全性が確保される可能性が高い。
更に、電池が破裂するような事故も起きえる。組電池は、多数の電池を使用し、多くの缶に活物質が小分けされていて、それらが一斉に混合し、高温になって一挙に爆発する事態は起きにくい。硫黄は沸点近くで使用していて、事故で温度が上がり硫黄の圧力が高まり、まだ破裂していない電池の缶が、次々と破裂する事故が起きると考えられ、圧力が高くなる前に硫黄を逃がす、防爆弁が有効になる。
自動車では、フレーム材で自動車の剛性を担保している例が多く、電池の断熱容器を、強靭化してフレーム材や外板と共用にする事で、自動車の構造材を節約し、自動車の重量を軽減する事が可能である。
その場合、電池は断熱容器の蓋と圧力容器までの構成となり、電池の収容空間を規格化して、異なる電気容量でサイズや種類が異なる電池を、同一に取り扱うようにできる。もしくは、小容量の電池を任意数接続して収容可能とし、容量を可変とすることも可能になる。
断熱容器に水容器を装着し、水容器に水を収容しておくと、電池が大規模に破損して高温に成っても、断熱容器の温度を水の沸騰で抑える事ができ、直ちに外部に延焼する等の事故が防げる。また、高温に成った水の蒸気で警笛を鳴らすと、警笛の音が事故の発生を知らせ、消火や避難等の行動の切っ掛けになる。
ＮＡＳ電池は、過充電や過放電に陥ると、急激に内部抵抗が増大する。電池の内部抵抗を測定し、内部抵抗が規定値を超えたら充電放電を打ち切ることで、過放電過充電を避けられる。
当ＮＡＳ電池は、高温で危険な硫黄とナトリウムを大量に搭載しているが、水容器を含めた３重の容器と、変形に強い電池の缶の採用により、安全性は格段に強化されている。当発明の電池は、事故時に火災等に発展する可能性が少なく、例え内部が火災に発展しても、外部への延焼の危険性が抑えられる。
既存のＮＡＳ電池は、１０年以上の寿命があり、当電池でも同様な寿命が得られる。逆に、寿命を短く設定して、より高性能を狙うという選択肢もあり得る。
当ＮＡＳ電池は、薄い電解質と高い導電率の充填材で内部抵抗を削減し、収容容器に封入した加圧液で低い熱抵抗を実現し、熱的な安定性を確保してあり、電流容量が増大して短時間で充電でき、電気自動車等に採用可能な電池が得られる。
伸縮可能にしたＮＡＳ電池は、安全性を確保して、携帯機器に利用でき、寿命も長くなり、短時間で充電でき、従来より利便性の高い電池が得られる。
ＮＡＳ電池の断面図。　　　　　　　　　　　　　　（実施例１） ＮＡＳ電池の部分断面図。　　　　　　　　　　　　（実施例２） 組電池の断面図。　　　　　　　　　　　　　　　　（実施例３） 電動自動車の部分断面図。　　　　　　　　　　　　（実施例４） 携帯機器向けＮＡＳ電池の断面図。　　　　　　　　（実施例５） ＮＡＳ電池の充放電特性図。　　　　　　　　　　　（実施例６）
当発明のＮＡＳ電池の構造や構成や有効性を実施例とともに説明する。
図１は、平板な形状のＮＡＳ電池の断面図である。
図１の電池１は、陽極缶２の上に陰極缶６があり、缶底を左に向けて並置し、電池１の容器としている。陽極缶２の開口部を電解質９と陰極板１０で塞ぎ、陰極缶６の開口部を陰極板１０で塞いだ構造をしている。
図１の電池１は、陽極缶２と陰極缶６と陰極板１０の周囲を二重巻締して組立てている。陰極缶６と陽極缶２と電解質９と陰極板１０が重なる缶の連結部は、補強材１９を左右に重ね、リベット１３を通して締結している。リベット１３は、漏洩が無く、陽極缶２と絶縁されている必要がある。
図１の電池１の封止材１２で、陽極缶２と陰極缶６の密封を維持し、陽極缶２を周囲から絶縁する。高温に耐え且つ絶縁性が要求され、封止材１２に低融点のガラスや耐熱性のフッ素樹脂等が利用できる。封止材１２を、陽極缶２と陰極缶６の周囲に塗って置き、電池１を組立後に加熱し、密封を確実にする。
図１の電池１は、陽極缶２の中に、活物質の硫黄４と硫化ナトリウム１６と充填材５と加圧ガス１４を収容している。陰極缶６の中に、活物質のナトリウム８と加圧ガス１４を収容している。
図１の陽極缶２の加圧ガス１４として、窒素ガスが利用できる。加圧ガス１４で陽極圧力の下限を規定する。陰極缶６の加圧ガス１４には、アルゴンガスが利用できる。当電池は、加圧しなくても電解質９にナトリウム８が届き、陰極缶６の加圧ガス１４を省略することが可能である。
図１の陽極缶２と陰極缶６と陰極板１０は、金属の薄板が使用可能である。アルミニウム材が，缶や板の要求を満たし、軽量でもあり多く採用される。図１とは異なるが、陽極缶２と陰極缶６を一体で作成し、陰極缶６の内面に絶縁塗装を施してナトリウム８と絶縁すると、同様な機能外観の電池１とすることができる。
図１の電池１の、陽極缶２の内面は、腐食性の硫黄４や硫化ナトリウム１６に耐えるために、寿命を勘案して厚めのクロム又は炭素メッキを表面に施す。陽極缶２の外面と陰極板１０には、電極となり導電性が必要であり、酸化しないように、薄めのクロム又は炭素のメッキを表面に施す。メッキ以外に、蒸着やスパッタリングでもクロムや炭素の層を表面に付けられる。
陽極缶２の内面のメッキは、微細な欠陥も許されず、高い品質が要請される。メッキに穴があると、陽極缶２が腐食して漏れが生じる原因になり、事故に結びつく。メッキを検査して補修すると、陽極缶の歩留まりを上げ、品質の高い電池１を提供できるので、製造技術と共に検査技術が重要になる。電解質９に付いても、欠陥の発見と補修が要請され、同様の事がいえる。
図１の電池１の組立後に、各々の缶に圧縮空気を吹き込んで、漏れがないか耐圧試験を行う。陽極缶２と陰極缶６及び陰極板１０間の、電気の絶縁試験も行う。
次に、陽極缶２に、注入口１７から加熱して液体の硫黄４と加圧ガス１４を注入し、陰極缶６に、注入口１８から加熱して液体のナトリウム８と加圧ガス１４を注入する。次に、電池１の内部を、加圧ガス１４の注入時の適正圧力に減圧し、注入口１７と１８を封じる。
図１の注入口１７と１８を使用せず、事前に成形した、充填材５を内蔵した硫黄４とナトリウム８を缶に入れ、加圧ガス１４の減圧雰囲気下で巻締し、連結部をリベット１３で締結する手法も可能である。
組み上がった電池１を３００℃に加熱すると、硫黄４とナトリウム８が熔解し、電池として機能する。初期状態は満充電であり、電池１を放電して電圧と電流の特性を検査し、不良品を排除する。
図１の陰極缶６が上にあり、ナトリウム８が減少しても確実に電解質９に届く。陰極缶６に収容したナトリウム８は、電解質９と陰極板１０との間隙を通って移動する。電解質９や陰極板１０の表面に、細かな溝や凹凸を設けて、ナトリウム８の移動を容易にする事も有効である。電解質９は陰極板１０に裏打ちされ、電池の構造を支える必要がないので、可能な範囲で薄くできる。
図１の陰極板１０には多数の突起３があり、突起３が積層した電池１の陽極缶２や端子板と接触して、低い電気抵抗値で接続可能な様に、突起３を配置する。電池１を積み重ねて使用する際には、電池１の電極面以外は絶縁塗装して使用すると、電流の漏洩や短絡事故を防いで安全性が高まる。
図１の突起３により、電池１を積み重ねた際に空間が空き、空間を毛細管構造に表面処理し、実施例３の加圧液１５の流路として突起３の周囲が機能し、電池１周辺の熱抵抗を下げるのに役立つ。
図１の陽極缶２と陰極缶６は、組立修理の際には常温で内部が低圧になり、大気圧で潰されて変形しないように、強度や柔軟性を考慮する必要がある。
図１の電池１は、食品缶等に採用されている、アルミニウムや鉄の薄板を採用でき、長年の製造経験の蓄積もあり、缶や板に高い信頼性が期待できる。
図１の充填材５と電解質９は、実施例２の充填材５と電解質９を採用して、電池１の高い電流容量を実現する。
図１の電池１は、陰極缶６を上にして配置し、横に電池１を積層して使用し、電気自動車の床下に搭載しやすい形状をしている。電池１は電流が図１の左右方向に、陽極缶２と充填材５と電解質９と陰極板１０を経由して流れ、低い内部抵抗を実現しやすい形状をしている。陽極缶２と陰極缶６の深さを浅くし、横幅を伸ばして、電池１の面積を増やすと、同一電気容量でより電流容量の大きな電池１が得られる。
図１の電池１は、事故等で電池１が大きく変形しても、電池１の連結部をリベット１３で保持されて開かず密封状態を維持し、周囲の二重巻締と相まって、液体である活物質の急激な流出や混合を阻み、電池１の安全性を確保できる。
図２は、ＮＡＳ電池の部分断面図である。
図２は、図１の電池１の、陰極板１０から陽極缶２間の一部を図示している。陰極板１０の上に電解質９があり、その上に充填材５があり、最上部に陽極缶２がある。図２は、電解質９と充填材５の詳細構造を図示している。
図２の電解質９内の網２８は、緯線２０と経線２１を縦横に織って作られ、電解質９を補強する。高温での焼結に耐えられる、炭素やセラミック等の繊維が網２８に利用できる。網２８の位置は、上下の厚さを陽極側と陰極側の損耗速度に比例させ、厚さが偏っている。
図２の電解質９は、βアルミナ等の微粒子を溶剤と混ぜて網２８に塗布し、焼結して電解質９を製造する。βアルミナ以外に、ＮＡＴＰ（Ｎａ－Ａｌ－Ｔｉ－Ｐ３Ｏ５）等のより導電率の高い材料があり、採用すると更に電解質９の内部抵抗を下げられる。損耗速度が速く、別途保護膜を必要とする場合もある。
図２の電解質９は、網２８により振動や衝撃で破損しにくくなり、電池１の信頼性を高められる。網２８は機能的には障害物なので、有用な範囲で、可能な限り細い繊維を使用し疎に編む。網２８の位置近くまで、電解質９が損耗しても、電解質としての機能を果たせ、寿命に応じた最小な厚さの電解質９にできる。
電解質９の破損が起きても、網２８により小規模に収まり、破損個所が固体のＮａ２Ｓで塞がる可能性が高く、自己修復性が期待できる。網２８により、電解質９の損傷が起きても、修復されて大事故に発展する可能性が低くなる。
図２の充填材５は、緯線２２と経線２３と上緯線２７と絶縁経線２４で構成されている。充填材５は、硫黄４と硫化ナトリウム１６の低い電気と熱の伝導率を補って、電池１の内部抵抗と温度差を低減する役目を担っている。
図２の充填材５は、導電繊維と絶縁繊維を混ぜて使用し、立体編みして厚さと柔軟性を持たせる。充填材５に、ある程度の電気抵抗を持たせた方が、電池１の動作が安定し、電気抵抗がある程度高く耐蝕性のニクロム線が有用である。充填材５の繊維は、充填材５の抵抗値を勘案して、繊維の構成や編み方を決定する。
図２の充填材５の、緯線２２と上緯線２７は離れて居て、経線２３が交互に緯線２２と上緯線２７に絡んで編まれ、厚みのある充填材５としている。上緯線２７無しで、経線２３をループ状に編んでも同じ結果になるが、上緯線２７で経線２３の位置が固定され、充填材５の均一性を維持させる効果がある。
図２の充填材５の、緯線２２は必要数の倍あり、半数の緯線２２は絶縁経線２４で充填材５に編み込まれている。絶縁経線２４が、電解質９と緯線２２や経線２３との間隔を維持させ絶縁させる。絶縁経線２４に細い繊維を使用して、電解質９と緯線２２や経線２３との間隔を狭めている。絶縁経線２４は、緯線２２を四回の内一回跳躍して編み、電解質９との接触面積を増やし、少ない絶縁経線２４で、より効果的に電解質９から硫化ナトリウム１６を引き寄せられる。
図２の電解質９と絶縁経線２４は、硫化ナトリウム１６と親和性が高く、硫化ナトリウム１６が、電解質９と絶縁経線２４の周囲に保持される。残された空間に、導電繊維を伝って硫黄４が流動して電解質９に接近する。絶縁経線２４に接触している、緯線２２や経線２３の絶縁繊維を伝って、陽極内に硫化ナトリウム１６が流動していく。
充填材５に、導電繊維と絶縁繊維を混ぜて使用することで、硫黄４の量が大きく変動しても、電解質９は安定的に動作する。
電解質９の表面のナトリウム８と硫化ナトリウム１６の界面で、電池としての電圧が維持される。電解質９と硫化ナトリウム１６の界面を、ナトリウム８が移動して電流が流れる。更に硫化ナトリウム１６と硫黄４の界面でナトリウム８が拡散移動し、硫化ナトリウム１６と硫黄４の比率が変化する。この界面は、硫黄４が絶縁体で電流が流れず、界面電圧が存在したとしても、電池１に反映されない。硫黄４が消費尽くされると、硫化ナトリウム１６内を、ナトリウム８が濃度勾配に応じて拡散移動する。
図２の充填材５を、陽極缶２の深さよりも幾分か厚くし、充填材５で内部から電解質９と陽極缶２を押させ、充填材５を安定して陽極缶２に収容する。図５の伸縮性の電池１にも採用可能で、図５の陽極缶２の深さは最大約５０％増え、それに応じて伸びるように図５の充填材５を作成する。
図３は、実施例１の電池１を複数使用した、組電池の断面図である。
図３の組電池３０は、断熱容器３１と圧力容器３２の、二重密封容器で構成されている。断熱容器３１に断熱材４２で包んだ圧力容器３２を収容し、圧力容器３２に図１の電池１を３２個と加圧液１５を収容している。
図３の断熱容器３１と圧力容器３２は、各々が上下に分割可能な構造で、双方の容器の各フランジ部３６と各パッキン３７を、複数のボルト３８とナット３９で締結して気密を維持し、修理補修時には容易に分解組立可能としている。断熱材４２も上下に分割しておく。
図３の断熱容器３１と圧力容器３２を貫通して、バルブ４３が各々に取り付けられている。バルブ４３に真空ポンプを接続して、断熱容器３１と圧力容器３２内を真空に排気しバルブ４３を閉じる。組電池３０を修理する際には、バルブ４３を開いて断熱容器３１と圧力容器３２内に空気等を導入し、真空を解除する。
図３の組電池３０は、左側の電池１に陽極端子４０が接続され、右側の電池１には、陰極端子４１が接続されている。陽極端子４０と陰極端子４１は、圧力容器３２と断熱容器３１を貫通子６９で、絶縁と密封性を維持しながら貫いて、組電池３０の外部に出ていて、組電池３０に収容された３２個の直列に接続された電池１と外部とを接続可能にしている。
図３の組電池３０の３２個の電池１は、絶縁板３４により圧力容器３２との間を電気的に絶縁している。絶縁板３４の代わりに圧力容器３２の内面に、絶縁塗装を施しても同様の効果が得られる。
図３の圧力容器３２の組立は、内部に電池１を収容し加圧液１５を注入した後で蓋を閉じ、圧力容器３２の内部を真空に排気する。加圧液１５として、陽極缶２内の加圧ガス１４の圧力より蒸気圧が低い、不活性なシリコンオイル等が利用できる。
図３の圧力容器３２の下部には、加熱器４７が張り付けられている。組電池３０の起動時に、加熱器４７に外部から電流を流して加熱し、電池１の温度を上げて使用可能にする。電池１が下限温度より冷えてきたら、外部又は組電池３０から加熱器４７に電流を流して加熱し、電池１の温度を維持させる。
図３の圧力容器３２には、断熱材４２に穴をあけた箇所に、圧力に応じて伸縮する放熱器４９を、圧力容器３２の密封を維持しながら複数装着している。放熱器４９は、圧力容器３２の温度が高くなると、伸びて断熱容器３１に接触し、圧力容器３２の熱を断熱容器３１に逃がし、圧力容器３２と電池１を上限温度に自律的に制御する。
図３の加圧液１５の蒸気と水６５が流動して熱を運び、比較的小型な放熱器４９でも、効率よく熱を運ぶことができる。圧力容器３２の一部に、環状の襞等を設け伸縮可能にし、放熱器４９とすることも可能である。
図３の電池１の外周部や端子の表面を絶縁塗装して、電池１の流出物での短絡事故を避けると安全性が高まる。電池１は、低温では内部圧力が低く縮んでいて組立解体は容易であり、稼働時には高温で、電池１が膨らみ圧力容器３２で押さえられて位置が固定される。自動車等の振動の激しい環境では、図３の電池１の直列数は多すぎ、分割板等を追加し、直列数を小分けして安定性を向上させる。
図３の電池１と絶縁板３４の表面を、加圧液１５が流動する様に、表面に毛細管構造を装備する。加圧液１５が、高温な箇所で蒸発し低温な箇所で凝縮して循環し、熱抵抗の低い熱媒体として機能し、圧力容器３２内の温度を均一化する。同様の目的で、図１の突起３周囲を加圧液１５が流れ、僅かな温度差で電解質９の熱を運び去り、電池１の熱安定性を向上させる。
図３の断熱容器３１の断熱材４２に、アルミ箔とガラスウール等を多層に重ねた断熱材を使用すると、１ｍｍ程度の厚さの薄く軽量な断熱材で、高い断熱性を実現できる。断熱容器３１に、より高い断熱性を求めて、断熱容器３１内を真空に排気する。断熱容器３１内を真空にすることで、放熱器４９の動作が安定する効果も期待できる。
図３の断熱容器３１の上部には、水容器６４が被さり、断熱容器３１と水容器６４間の空洞に水６５を収容する。水容器６４の一部を断熱容器３１が兼ねている。電池１は、最大で１割前後の電力損失があり、連続的に使用すると温度が上がる。その場合にも水６５が沸騰しないように、組電池３０の外周に放熱フィンやファンを付けるなど、温度を下げる様に熱設計する必要がある。
図３の電池１の多くが破損する等の、事故で高温になると、加圧液１５の蒸気圧が上がり、放熱器４９が熱を水６５に伝え、水６５はやがて沸騰する。沸騰した蒸気を蒸気弁６８が蒸気管６６に逃し、蒸気管６６は水容器６４を貫通し警笛６７を経由して外に蒸気を逃がす。沸騰した蒸気で警笛６７が鳴って事故を知らせ、避難や消火活動に繋げられる。
図３の圧力容器３２に収容した電池１が破損したり、断熱容器３１の断熱が破れた際に、水６５の比熱と気化熱で、断熱容器３１の温度は一定時間は水の沸点を限度に上昇せず、外部への波及を抑えられ、事故の拡大を防げる可能性が高い。また、断熱容器３１と圧力容器３２が、電池１の活物質の外界への流出を妨げ、水を使っての冷却を可能にし、安全に冷却や鎮火できる可能性が高い。
図３の組電池３０は、水容器６４と二重密閉構造の外部容器を採用していて、上記の例や発明の効果で説明した様に、収容した電池１の各種故障や、断熱容器３１や圧力容器３２の破損に対応でき、安全性と信頼性の高い組電池３０が得られる。
図３の組電池３０には、各種計測装置を装着し、電池制御監視装置を接続して利用に供する。
図４は電動自動車の部分断面図である。
車体６２の下部の前部右側を切取って図示してあり、関連する基本的な部材のみを図示し他は省略してある。
図４の車体底板６０には、中央に凸型の電池収容部６１があり、内部に圧力容器３２を収容している。圧力容器３２内には、図３にある様に、多数の電池１と加圧液１５を収容している。
電池収容部６１の下から、断熱容器蓋６３で蓋をして使用する。車体底板６０が図３の断熱容器３１の一部を兼ねた構造をしている。電池収容部６１と断熱容器蓋６３の内面に、断熱材４２を張って圧力容器３２と断熱する。
図４の電池収容部６１の上部に、水容器６４が被さり、電池収容部６１と水容器６４の空洞に水６５を収容する。水容器６４には蒸気管６６が接続され、警笛６７を経由して車外に沸騰した蒸気を逃がす。
電池１が大規模に破損し、圧力容器３２が高温に成っても、水６５が沸騰している間は周囲への延焼を免れ、事故が起きた事を警笛６７が鳴って知らせる。
図４の水容器６４と、車体６２の図示していない床板とは空間を開け、床板に断熱材を貼っておくと、熱が遮られて安全性が一層高まる。
図４の車体６２が、衝突事故等により周囲が潰れた場合でも、電池収容部６１が潰れないように、電池収容部６１を強固に補強するのが一般的で、圧力容器３２は守られる可能性が高い。圧力容器３２が無事なら、収容した電池１の安全が確保される確率が高い。
更に、事故で圧力容器３２が変形しても、電池１は容易には破裂せずに密封を維持し、活物質が混合して火災等に発展する可能性は低く、車体６２の安全が保たれる可能性が高い。
更に、電池１が破裂して火災に発展しても、水６５が熱を吸収して、外部への延焼を避けられ、警笛６７が火災を知らせ、避難や救助や消火の時間的溶融が生まれる。
図４の電池収容部６１に収容されたＮＡＳ電池は、外部容器と水６５を加えても、３００Ｗ／ｋｇを超える性能が得られる。当電池は製造も容易で、安価な資源を多用していて価格も安くでき、乗用車に１００ｋＷｈの電池の搭載を実現しやすい、トラック用の千ｋＷｈクラスの電池も安価に提供できる。
図５は携帯機器向けＮＡＳ電池の断面図である。
図５は携帯用電池７０は、水容器６４と断熱容器３１と圧力容器３２の三重の密封容器に、伸縮構造の電池１を収容している。各密封容器も伸縮可能にして、携帯用電池７０も伸縮し、上下方向をスポンジやバネ等で押さえて使用する。携帯電話やノート型計算機や電動工具等の携帯機器での使用を目的としている。
図５の電池１は、陽極缶２と陰極缶６との間を、電解質９と陰極板１０で区切った構造をしている。陽極缶２と陰極缶６の双方の周囲に、多重に褶曲した蛇腹部７を持たせ、電池１を上下方向に伸縮可能な構造としている。図５では上下に湾曲した蛇腹部７としているが、左右に湾曲させ上下に湾曲部を積層した蛇腹部７も採用できる。
図５の電池１は陽極缶２内に、硫黄４と硫化ナトリウム１６と充填材５を収容している。陰極缶６にはナトリウム８を収容している。陽極缶２と陰極缶６の間を、陰極板１０に支えられた電解質９で仕切って、電池として動作させる。
図５の陰極板１０には、ナトリウム８が通過する穴１１が複数開けられている。電解質９は、陰極板１０に裏打ちされ、電池の構造を支える必要がなく、圧力も均衡しているので、可能な範囲で薄くできる。穴１１を細くすると、穴１１の数を増やして対応できる。穴１１を細くすると、電池１が潰れた際に、急激な圧力上昇に対して、流動抵抗が増してナトリウム８が移動しにくくなり、電池１の安全性が高まる。
図５の電池１の、陽極缶２の周囲を封止材１２で絶縁し、陽極缶２と陰極缶６と陰極板１０の周囲を二重巻締して密封している。二重巻締により、電池１が潰れても容易には開放せず、活物質の混合や流失が避けられ、安全性の高い電池１とすることができる。図２の充填材５は伸縮性に富み、図５の電池１に採用可能な充填材５になる。
図５の陽極缶２の内面は、硫黄４や硫化ナトリウム１６に浸食されないように、厚目のクロムや炭素メッキ等を施す。陽極缶２のその他の面と陰極板１０と陰極缶６の表面には、酸化されないように、薄めのクロムや炭素メッキ等を施す。
図５の圧力容器３２には、少量の加圧液１５と電池１を収容し、硫黄４より高い蒸気圧を加圧液１５で発生させて、電池１内部に空洞が生じない様にして動作させる。加圧液１５は、温度差で循環して、低い熱抵抗の熱媒体として機能し、電池１の温度を均一に保つ。
図５の圧力容器３２の内面や電池１の周囲を、毛細管構造とすると、加圧液１５が循環しやすくなり、熱抵抗を一層下げられる。圧力容器３２と陽極缶２の間を、絶縁板３４で絶縁している。圧力容器３２が絶縁体なら絶縁板３４は省略できる。
図５の圧力容器３２の外周に、断熱材４２を巻き、断熱容器３１に収容している。断熱材４２で、圧力容器３２と電池１を外界から断熱して、電池１の高温を維持する。断熱材４２には、アルミ箔とグラスウール等を積層した断熱材が利用可能で、薄くても高い断熱性が期待できる。断熱性を高め、放熱器４９の動作を確実にするために、断熱容器３１内は真空に排気して使用する。
図５の圧力容器３２には、断熱材４２に穴をあけた箇所に、放熱器４９が、圧力容器３２の密封を維持しながら取り付けられていて、圧力容器３２が過熱した際に、放熱器４９が伸びて断熱容器３１に接触し、電池１の熱を外部に逃がす。放熱器４９の代わりに、圧力容器３２の一部が、伸縮する構造も採用できる。加圧液１５として、電池１の稼働温度で、加圧液１５蒸気圧＞硫黄４蒸気圧の、不活性なシリコンオイル等が利用できる。
電力損失が少ない携帯用電池７０の利用形態では、充電時に上限温度を越えない様に制御して、圧力容器３２と加圧液１５と放熱器４９を省略できる場合もある。
図５の圧力容器３２には、加熱器４７が張り付けられ、起動時や電池１の温度が低下した際に、加熱器４７に電流を流して加熱し、電池１の温度を維持させる。
図５では断熱容器３１の外周を水容器６４で覆い、間に水６５を収容している。断熱容器３１が高温になっても、水６５に熱が吸収され、断熱容器３１は水６５の沸点近辺の温度を短時間は維持できる。
図５の電池１が過熱し、放熱器４９が作動し、水６５が沸騰すると、蒸気弁６８が開き、蒸気管６６で水容器６４の外に警笛６７経由で蒸気を逃がす。蒸気で警笛６７が鳴って事故を知らせ、周囲の注意を引き付け、迅速な対応を要請する。
図５の電池１は、陽極端子４０で陽極缶２に接続し、陰極端子４１で陰極缶６に接続している。陽極端子４０と陰極端子４１は、絶縁性と気密を維持しながら、水容器６４と断熱容器３１と圧力容器３２を貫通子６９で貫通し、電池１と外部とを接続可能にしている。
図５の電池１は、大気圧で押され、内部に空洞が生じない。電池１は、搭載した機器が、いずれの方向でも正常に動作し、各種の携帯機器の利用に合致する。
電池１の内圧と外圧は均衡していて、高い差圧が発生しないので、電池１に使用する板と電解質９は、可能な範囲で薄くできる。
電池１は、満充電で陽極缶２と陰極缶６の深さを各２ｍｍと仮定すると、完放電で陽極缶２は３ｍｍに、陰極缶６は０ｍｍに深さが変化し、携帯用電池７０は厚さが１ｍｍ縮む。
図５では、単一の電池１を携帯用電池７０に収容しているが、複数の電池１を直列に接続した組電池とすることも可能である。携帯電話は４Ｖ程度の電圧の電池が好まれ、電動工具やノート型計算機では１０Ｖが好まれる。電池１に、各種計測装置と、充放電の監視や電池の遮断等を行う制御回路を付加して利用に供する。
図５の伸縮可能な電池１を、図３の組電池３０に採用可能である。その際に、図５の電池１の片側をバネ等で押して使用する。図５の電池１を折り返して同数並べると、隣接電池間の接続に、平で可動な接続板を採用でき、簡便な電池１の収容構造にできる。
図５の携帯用電池７０は、二重密封容器と水容器６４に収容され、実施例と発明の効果で説明したように、各種の事故に対応していて、長い寿命と高い信頼性と安全性が確保できる。
図６はＮＡＳ電池の充放電特性図である。
当発明のＮＡＳ電池を、電流容量の半分の定電流で充放電した際の、電池の電圧と残容量を曲線で示してある。
電池は、陽極の成分比がＮａ２Ｓ５までは一定の電圧を保ち、更に放電してナトリウム成分が増えて、一定傾斜で電圧が低下していき、Ｎａ２Ｓ２．７８で完放電となる。充放電の電圧差は、電池の内部抵抗で発生している。
満充電から４０％の残容量までは、陽極内に硫黄とＮａ２Ｓ５が層分離して併存している。放電して、陽極内にナトリウムが追加され、Ｎａ２Ｓ５が硫黄を取り込みＮａ２Ｓ５が増える。充電して、陽極内のナトリウムが削減され、Ｎａ２Ｓ５が硫黄を吐き出しＮａ２Ｓ５が減る。硫黄は絶縁体であり電流が流れず、電解質のナトリウムとＮａ２Ｓ５の界面電圧が反映され、電池は一定電圧を維持する。
４０％から０％の残容量では、硫黄は消費尽くされて硫化ナトリウムしか存在せず、充放電で硫化ナトリウム中のナトリウムが増減し、Ｎａ２Ｓ２とＮａ２Ｓ５間で構成比が徐々に変化し、電池電圧も変化していく。電流が流れると、硫化ナトリウム中をナトリウムが拡散移動する。
充電して満充電に近づくと、硫化ナトリウムが枯渇して電圧が上昇する。放電して完放電に近づくと、ナトリウムが枯渇して電圧が下降する。枯渇する前に、電解質の反応領域が狭まって、電池の内部抵抗が徐々に上がり、曲線の傾斜が次第に急になる。
枯渇したら、電圧に制限はなく、電池が破壊される。電池の内部抵抗の増大で、充放電を停止すると、過放電過充電を避けられる。通常は、曲線が傾斜する前までを、利用可能範囲として電池を利用する。電池が劣化すると、利用可能範囲が次第に狭まっていく。
電池が劣化すると、図６の実線から点線の様に特性が変化し、定期的に特性を記憶しておくと、正確に劣化の度合いと傾向を判定できる。電池内で漏電してる場合には、一点鎖線で示すように徐々に右に特性がシフトし、シフト量は積算漏電量に応じて増える。電池間の漏電等で、左に特性がシフトする状況もあり得る。
組電池では、早期に劣化した電池が、満充電や完放電に達して充電や放電を終了させ、電池の実効容量が減少してしまう。組電池の点検修理時に、劣化の早い電池は交換し、シフトは、全電池を満充電に充電し直してリセットする。傾斜領域で、電池間の電圧差で電力を融通して、容量を平準化する装置が使える。
活物質の外部への漏洩を除くと、電池の劣化は、固体化したＮａ２Ｓが生成されたり、活物質への電池の缶や電解質の溶解で起き、次第に蓄積して電池の容量が減少していく。組電池を利用して、一律に点線の様に劣化して使用を終了するのが理想であり、費用対効果も最大化が見込める。
フォード社が、１９６０年代にＮＡＳ電池を発明したが、電気自動車としては成功していない。その後の各社のＮＡＳ電池も、同様である。
その理由は、ＮＡＳ電池の熱安定性が低く、電流を流せない事にあり、自動車での運用を諦めたと考えられる。当時は石油も安く、環境問題も今ほど深刻ではなく、自動車で使う為の工夫もなされていない。その後リチウム系の電池が成功して、今はＮＡＳ電池は忘却されている。
電力備蓄向けの用途では、長時間で充放電を行い低い電流容量で使用し、安全性が確保できるので、ＮＡＳ電池が利用されている。
当発明のＮＡＳ電池は、電解質を薄くし電池を扁平にして電解質の面積を広げ、電解質の内部抵抗を削減している。また、陽極の充填材は、立体編みの金属線を採用して、電気抵抗を下げている。更に、電池を圧力容器に収め適切な蒸気圧の加圧液を注入し、加圧液が自然循環して電池周囲の熱抵抗を下げて、高い熱安定性を実現している。
ＮＡＳ電池を、断熱容器と圧力容器の二重密封容器に収容し、更に水容器に水を入れて火災等に備え、電池の缶も柔軟性を確保して破裂しにくくし、電解質を網で補強し、電池の安全性を高めている。
その結果、電気自動車で要請される、２Ｃ～４Ｃの電流容量が得られ、信頼性も確保できる。更に電流容量を増やし、数分で充電可能な電池も作れる。
ＮＡＳ電池は３００℃から３６０℃と高温で稼働し、周囲を高度に断熱して、少ない電力で高温を維持できる。ＮＡＳ電池は、ー７０℃から６０℃の気温で問題なく動作し、地球上のあらゆる地点で利用できる。電池が高温であることは危険でもあるが、安全性を確保すれば問題はなく、寧ろ気温に左右されない利点が生きてくる。
電力の備蓄用の当発明のＮＡＳ電池は、容量１００ｋＷｈ、寸法１ｍ／２．５５ｍ／５４ｍｍ、重量１５６ｋｇ、６４１Ｗｈ／ｋｇの性能が得られる。
この電池１００個を、断熱容器と圧力容器に収めて組電池とし、組電池を１００組使用して、２０ｋＶで１ＧＷｈの電力を蓄えられ、５０ｍ／５０ｍ／１０ｍの容積に収まる。
自然エネルギーの発電所や大都市に、電力備蓄設備を設けて電力を平準化して、過剰発電や過剰需要に備えられる。送電網に利用すると、変動する送電電力が平準化でき、送電網の実効送電電力を引き上げられる。
１ＧＷの標準的な原子力発電所から、都市の電力を賄うと、１ＧＷの送電線を使用し、３ＧＷｈの備蓄電池を都市側に設置して、一日の需要は６５０ＭＷ～１３００ＭＷの間で変化し、需要変動を電池で補って、発電所を概ね１ＧＷの定出力で運用できる。一般には、太陽光や風力の発電があり、原子力発電所の出力を落として、自然エネルギーで補い、更に不足分を火力発電で補っている。備蓄電池で、原子力発電所の稼働率を上げ、火力発電を削減できる。
電気自動車向けの、当発明のＮＡＳ電池は、容量５００Ｗｈ、寸法１００ｍｍ×８５０ｍｍ×９ｍｍ、容積７６５ｃｃ、重さ１０１０ｇ、電圧２Ｖ、電流容量４Ｃ１ｋＡ、４９５Ｗｈ／ｋｇの性能が得られ、１５分で充電できる。
より扁平な形状の電池とすると、電流容量が１０Ｃで６分で充電できる電池が得られ、重量が増えて性能が３５５Ｗｈ／ｋｇに低下する。
５００Ｗｈ４ＣのＮＡＳ電池を２００個使い、直列に接続して４００Ｖの組電池とし、断熱容器と圧力容器に入れ水容器を付加して、電気自動車の床下に装備可能な組電池とする。
この組電池は、外形１７０８ｍｍ／１００６ｍｍ／１１２ｍｍ、容量１００ＫＷｈ、重量３００ｋｇ、３３３Ｗｈ／ｋｇの性能が得られる。夏冬の消費電力の多い時期に、満充電で６００ｋｍ走れる。平均的なリチュームイオン電池より高性能で、高い性能の電池と同等な性能が得られる。
この１００ｋＷｈの組電池は、５０Ｗの電力で電池の温度を維持でき、満充電の電池の電力で、８０日温度を維持できる。放電して電池が冷えた状態から、４００ｋＷの充電器を使用して、３分で加熱し１５分で充電して運用可能になる。
伸縮するＮＡＳ電池は、大気圧＞加圧液蒸気圧＞活物質蒸気圧の式を満たすと、大気圧で押され空洞をなくして動作する。硫黄の蒸気圧は３５８℃で１５ｋＰａであり、エベレスト山でも支障なく利用できる。密封容器を工夫すれば、航空宇宙向けにも利用可能である。
ノート型計算機向けに、水容器と断熱容器と圧力容器と三つの密封容器に収容した、伸縮可能なＮＡＳ電池は、外形７５ｍｍ／１５０ｍｍ／１０ｍｍ、容量４０Ｗｈ、重さ１５２ｇ、２６３Ｗｈ／ｋｇの性能が得られる。ＮＡＳ電池を２個重ね、電圧４Ｖになり、電流容量１００Ａｈ１０Ｃ以上あり、内部抵抗は極めて低く数分で充電できる。より扁平にして厚さを薄くしたＮＡＳ電池の作成も可能である。
現状のノート型計算機用のリチウムイオン電池と同等な性能があり、寿命は長く計算機の寿命を超えて使える。計算機停止なら、満充電で１０日電池の温度を維持できる。計算機をスタンバイさせると、数日維持できる。放電し冷えた状態から、２００Ｗの充電器を使用して、５分で電池を温め１２分で充電できる。
携帯電話向けの、より小型のＮＡＳ電池では、数日で電池が空になる。電池が空になって冷えても、短時間で加熱し充電して、携帯電話として直ぐに利用できる。ＮＡＳ電池の寿命は長く、電池が要因で携帯電話の寿命が尽きる可能性を低くできる。
ＮＡＳ電池は、過充電や過放電に陥ると極めて危険である。積層電池では全体の電圧も高く、過充電や過放電に陥ると、電池の電圧が急激に上昇又は下降し、電流を遮断しないと、電池が高温に成って破壊されてしまう。過充電過放電で電池の内部抵抗が急増するのを検出し、電流を遮断して安全を図る事ができる。
電力備蓄施設で起きたＮＡＳ電池の火災は、活物質が漏洩して電池が劣化した結果、想定外の過充電又は過放電が起きたと推察できる。電池の上部から活物質が噴出して、近接電池と連鎖的に短絡して高温になり、多くの電池が発火したと考えられる。電池を監視して、電池の劣化を検出し、過充電過放電を避け、適切に運用して修理補修する事が必要不可欠になる。
当発明の電池では、各種安全策を用意して多様な故障に対応し、事故時の危険性の多くを排除して、高い信頼性と安全性が確保できる。電池が故障した場合に、多くは単独事象であり、大事故に発展する前に故障を検出し、修理して電池の交換や再利用が可能になり、高い有用性と利便性を提供できる。
従来のＮＡＳ電池では、１０年以上の平均寿命を達成できていて、当発明の電池も基本構造は類似であり、１０年以上の寿命確保が可能である。寿命要因の一つは、活物質への不純物の蓄積であり、大型の電池では活物質を定期的に交換精製して不純物を除くと、１００年の寿命も不可能ではない。
既に実用化されている電力備蓄用のＮＡＳ電池では、静止時の寿命は１００年近くあり、２５００回の充放電寿命がある。当発明の１００ｋＷｈ容量の電気自動車向け電池は、同じ寿命なら１５０万ｋｍを走行できる。
２５００回の充放電寿命は、一日の平均走行距離が３００ｋｍを超えるタクシー等の営業車に使用して、１０年を超える寿命が見込める。トラック等のより稼働率の高い車両では、５年程度の寿命になる。タクシー等では、電池の容量を５０ｋＷｈに減らして重量を１００ｋｇ以上削減し、充電回数を増やして利用すると、電池の寿命は半減するが、ｋＷ当たりの走行距離が一割程度伸びて電力費を削減できる。
電池を２００個使用した、電気自動車向けの組電池は、２年に１度の平均修理回数を見込むと、３５０万時間のＭＴＢＦが電池に要請される。製造技術を磨き、欠陥を排除して実現を図る事になる。ＮＡＳ電池の構成要素は、十数点と少なく構造も単純であり、原因の究明も迅速にでき、実現が容易と考えられる。
ＮＡＳ電池は、使用量の多い硫黄とナトリウムは、安価であり資源量も多く、原料を精製するだけで利用できる。リチウムイオン電池と比較して、電池の材料費を大幅に削減できる。
当発明のＮＡＳ電池は、二つの缶に硫黄とナトリウムを各々注入した単純な構造で、製缶工程を流用して組立られ、原材料も安く調達でき、リチウムイオン電池と比較して、電池の製造費を大幅に下げられる。ＮＡＳ電池を収容する外部容器が必須になるが、部品点数は少なく、安価な素材を使用でき、外部容器を安価に作れる。
廃棄されたＮＡＳ電池は、缶と液体の活物質が主要構成要素であり、電池を分解分離精製して、容易に再利用可能である。電解質は、堅牢な化合物で使用量が少なく、再利用が難しいが、大量に集めれば再利用の可能性も出てくる。電池の活物質に溶解した缶や電解質等の部材は、活物質の精製過程で不純物として分離できる。分離された不純物から、更に各元素に分離して、再利用が可能である。
当発明のＮＡＳ電池は、再利用が不可能な廃棄物は少なく、廃棄電池の多くの部材が循環再利用できる。当発明の電池は、リチウムイオン電池と比較して、環境への負担を大幅に低く抑えられる。
　　１　電池
　　２　陽極缶
　　３　突起
　　４　硫黄
　　５　充填材
　　６　陰極缶
　　７　蛇腹部
　　８　ナトリウム
　　９　電解質
　１０　陰極板
　１１　穴
　１２　封止材
　１３　リベット
　１４　加圧ガス
　１５　加圧液
　１６　硫化ナトリウム
　１７　注入口
　１８　注入口
　１９　補強材
　２０　緯線
　２１　経線
　２２　緯線
　２３　経線
　２４　絶縁経線
　２５　絶縁膜
　２７　上緯線
　２８　網
　３０　組電池
　３１　断熱容器
　３２　圧力容器
　３４　絶縁板
　３６　フランジ部
　３７　パッキン
　３８　ボルト
　３９　ナット
　４０　陽極端子
　４１　陰極端子
　４２　断熱材
　４３　バルブ
　４７　加熱器
　４９　放熱器
　６０　車体底板
　６１　電池収容部
　６２　車体
　６３　断熱容器蓋
　６４　水容器
　６５　水
　６６　蒸気管
　６７　警笛
　６８　蒸気弁
　６９　貫通子
　７０　携帯用電池

Claims (8)

  1. ＮＡＳ電池の陰極缶を陽極缶の上に配置し、陰極板と電解質を重ねて陽極缶に蓋をし、陰極板で陰極缶に蓋をし、陽極缶と陰極缶の連結部で、陰極板と電解質と陽極缶と陰極缶をリベット等で締結する。
  2. ＮＡＳ電池の陽極缶と陰極缶を向い合わせて配置し、陽極缶と陰極缶の間を電解質で仕切り、陽極缶と陰極缶と電解質もしくは電解質を支える陰極板の、三者の内の二者に、伸縮自在な構造を持たせ、電池を伸縮可能とする。
  3. ＮＡＳ電池の電解質を、強度の高い網に電解質粒子を焼結して作成する。
  4. ＮＡＳ電池の陽極の充填材に、導電性と絶縁性の繊維を使用し、立体編みして充填材を作成する。
  5. ＮＡＳ電池を収容する容器に、断熱容器と圧力容器の二重密封容器を採用し、断熱容器に断熱材と圧力容器を収容し、圧力容器に電池と適切な蒸気圧の加圧液を収容する。
  6. ＮＡＳ電池を収容した圧力容器に、圧力容器に収容した加圧液の蒸気圧で伸縮する放熱器を装備する。
  7. ＮＡＳ電池を収容した断熱容器に、水等を収容した水容器を装着し、沸騰した際の蒸気で警笛を鳴らす。
  8. ＮＡＳ電池の内部抵抗を測定し、内部抵抗の増大で充電放電を停止させる。
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