JP2013527567A5

JP2013527567A5 -

Info

Publication number: JP2013527567A5
Application number: JP2013506357A
Authority: JP
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2014-10-02

Claims

ａ）活性金属イオンを取り込み、放出することが可能な負電極と、
ｂ）電気活性材料として酸素を使用する、多孔質正電極と、
ｃ）前記負電極と正電極との間でイオンを伝導するように構成され、かつ１つ以上の相を含む、電解質と、
を備え、少なくとも１つの相は、液体を含み、少なくとも部分的に前記正電極の孔を満たし、
前記液体は、酸素発生触媒を備える、
充電式金属空気電池。
前記酸素発生触媒は、無機アニオンを含む、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、ハロゲン化物を含む、請求項１に記載の電池。
前記ハロゲン化物は、Ｉ⁻である、請求項３に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、擬ハロゲン化物を含む、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、ポリオキソメタレートを含む、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、１つ以上のリガンドに結合される１つ以上の遷移金属中心を含む、遷移金属錯体を備える、請求項１に記載の電池。
前記１つ以上の遷移金属中心は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項７に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、

およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、遷移金属錯体であり、
式中、Ｍは独立して、Ｌｉ、Ｎａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、またはＡｕから選択され、
Ｒ^１〜Ｒ^１６は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、キノンまたはキノイドを含む、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、

およびそれらの組み合わせから成る群から選択され、
式中、Ｒ^１〜Ｒ^４は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１０に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、窒素、酸素、リン、硫黄、セレン、及びテルルからなる群より選択される１つ又は２つ以上のヘテロ原子を含んだ芳香族化合物を備えている、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、以下の構造を有する置換されたトリアリールアミンを含み、

式中、Ｒ^１〜Ｒ^５は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１２に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、

およびそれらの組み合わせから成る群から選択され、
式中、Ｒ^１〜Ｒ^１２は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１２に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、

およびそれらの組み合わせから成る群から選択され、
式中、Ｒ^１〜Ｒ^１２は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１２に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、以下の構造を有する置換されたフェノチアジンを含み、

式中、Ｒ^１〜Ｒ^９は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、前記ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、任意のハロゲン、または短分子から選択される、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、以下の構造を有する置換された１，２−ビス（３−アルキル−２，３−ジヒドロ−１，３−ベンゾチアゾール−２−イリデン）ヒドラジンを含み、

式中、Ｘ^１およびＸ^２は独立して、ＳまたはＯから選択され、
Ｒ^１〜Ｒ^１０は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、以下の構造を有する置換されたカルバゾールを含み、

式中、Ｘは、ＮＲ、ＣＲ_２、Ｃ＝ＣＲ_２、Ｃ＝Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、またはＯであり、
Ｒ^１〜Ｒ^８は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、

およびそれらの組み合わせから成る群から選択され、
式中、Ｘ^１〜Ｘ^４は独立して、Ｓ、Ｓｅ、Ｏ、またはＴｅから選択され、
Ｒ^１〜Ｒ^８は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、

およびそれらの組み合わせから成る群から選択され、
式中、Ｘ^１〜Ｘ^３は独立して、Ｓ、Ｓｅ、Ｏ、Ｃ＝ＣＲ_２、Ｃ＝Ｏ、またはＴｅから選択され、
Ｒ^１〜Ｒ^８は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択され、
ｎは、０〜１００の範囲である、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、以下の構造を有する置換されたチアントレンを含み、

式中、Ｘ^１およびＸ^２は独立して、Ｓ、Ｓｅ、Ｏ、Ｃ＝ＣＲ_２、Ｃ＝Ｏ、またはＴｅから選択され、
Ｒ^１〜Ｒ^８は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、

およびそれらの組み合わせから成る群から選択され、
式中、Ｒ^１〜Ｒ^６は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、

およびそれらの組み合わせから成る群から選択され、
式中、Ｒ^１〜Ｒ^１４は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、前記ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択され、
ｎは、１〜１００の範囲である、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、

およびそれらの組み合わせから成る群から選択され、
式中、Ｘ^１〜Ｘ^３は、Ｓ、Ｓｅ、Ｏ、Ｃ＝ＣＲ_２、Ｃ＝Ｏ、ＮＲ、またはＴｅから独立して選択され、
Ｒ^１〜Ｒ^１０は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、前記ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択され、
ｎは、１〜１００の範囲である、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、

およびそれらの組み合わせから成る群から選択され、
式中、Ｒ^１〜Ｒ^４は独立して、置換された又は非置換の、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、アリール基、Ｃ_４−Ｃ_８炭素環式基、Ｃ_４−Ｃ_８複素環式基から選択され、ヘテロ原子は独立して、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、もしくはＴｅ、ハロゲン、または短分子から選択される、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、ポリマー構造に取り付けられる、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、平衡セル電圧より１．５Ｖ未満高い平衡電位を有するか、又は、前記平衡セル電圧より１Ｖ未満高い平衡電位を有するか、又は、前記平衡セル電圧より０．５Ｖ未満高い平衡電位を有するか、又は、前記平衡セル電圧より０．４Ｖ未満高い平衡電位を有するか、又は、前記平衡セル電圧より０．３Ｖ未満高い平衡電位を有するか、又は、前記平衡セル電圧より０．２Ｖ未満高い平衡電位を有するか、又は、前記平衡セル電圧より０．１Ｖ未満高い平衡電位を有する、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、１００以上のターンオーバー数を有するか、又は、５００以上のターンオーバー数を有するか、又は、１０００以上のターンオーバー数を有するか、又は、５０００以上のターンオーバー数を有する、又は、１０，０００以上のターンオーバー数を有する、請求項１に記載の電池。
前記酸素発生触媒は、０．０５Ｍ以上の前記液体への溶解性を有するか、又は、０．１Ｍ以上の前記液体への溶解性を有するか、又は、０．５Ｍ以上の前記液体への溶解性を有するか、又は、１．０Ｍ以上の前記液体への溶解性を有するか、又は、２．０Ｍ以上の前記液体への溶解性を有する、請求項１に記載の電池。
前記液体は、エーテル、グリム、炭酸塩、ニトリル、アミド、アミン、有機硫黄溶媒、有機リン溶媒、有機ケイ素溶媒、フッ素化溶媒、およびイオン液体から成る群から選択される、１つ以上の極性非プロトン溶媒溶媒を含む、請求項１に記載の電池。
前記電解質は、前記正電極と負電極との間に間置される第２の電解質相を含み、前記酸素発生触媒に対して半透過性および実質的に不透過性であり、前記第２の電解質相は、ポリマー、ガラスセラミック、又は固体電解質中間相を含む、請求項１に記載の電池。
前記電解質は、アニオン受容体、カチオン受容体、および固体電解質中間相形成剤から成る群から選択される、１つ以上の添加剤を含有する、請求項１に記載の電池。
前記負電極は、活性Ｌｉイオンを取り込み、放出することが可能であり、前記正電極は、Ｌｉ _２Ｏ _２またはＬｉ _２Ｏをさらに含む、請求項１に記載の電池。
前記負電極は、活性Ｎａイオンを取り込み、放出することが可能であり、前記正電極は、Ｎａ _２Ｏ _２またはＮａ _２Ｏをさらに含む、請求項１に記載の電池。
前記負電極は、活性Ｍｇイオンを取り込み、放出することが可能であり、前記正電極は、ＭｇＯまたはＭｇＯ _２をさらに含む、請求項１に記載の電池。
前記負電極は、活性Ｃａイオンを取り込み、放出することが可能であり、前記正電極は、ＣａＯまたはＣａＯ _２をさらに含む、請求項１に記載の電池。
前記負電極は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｌ、Ｍｇ、およびＢｉから成る群から選択される、１つ以上の合金材料をさらに含む、請求項１に記載の電池。
前記負電極は、金属酸化物、金属水素化物、金属窒化物、金属フッ化物、金属硫化物、金属アンチモン化物、および金属リン化物から成る群から選択される、転換反応材料をさらに含む、請求項１に記載の電池。
酸素発生触媒を備える、第１の構成要素を提供することと、
金属酸化物放電生成物を含む、第２の構成要素を提供することと、
前記第１の構成要素および前記第２の構成要素を備える、空気電極を形成することと、
活性金属イオンを取り込み、放出することが可能な負電極を提供することと、
電解質を使用して前記負電極と前記空気電極の間の接続を形成することと、
を含む、請求項１に記載の充電式金属空気電池を製造する方法。
請求項１乃至３８の何れかに記載の充電式金属空気電池で使用するための空気電極であって、
ａ）電子伝導性成分と、
ｂ）金属酸化物と、
ｃ）酸素発生触媒と、
を備える、空気電極。
前記金属酸化物は、２０質量％を超える量で前記空気電極中に含有されるか、又は、４０質量％を超える量で前記空気電極中に含有されるか、又は、６０質量％を超える量で前記空気電極中に含有されるか、又は、８０質量％を超える量で前記空気電極中に含有される、請求項４０に記載の空気電極。
前記金属酸化物は、Ｌｉ _２Ｏ _２、Ｌｉ _２Ｏ、Ｎａ _２Ｏ _２、Ｎａ _２Ｏ、ＭｇＯ、ＭｇＯ _２、ＣａＯ、及びＣａＯ _２からなる群より選択される、請求項４０に記載の空気電極。
前記空気電極は、９０％を超える前記金属酸化物が酸化されるように、０．２ｍＡ／ｃｍ^２を超える電流密度で、電池のＯＣＶより１Ｖ以下高い電圧まで前記電池に充電することが可能である、請求項４０に記載の空気電極。
充電式金属空気電池で使用するための材料であって、
ａ）前記電池に用いられる液体に可溶であり、
ｂ）前記平衡セル電圧を超える電位で電気化学的に活性化され、
ｃ）前記充電式金属空気電池の放電中に生成される金属酸化物放電生成物を酸化させることによって、酸素ガスを発生させることが可能である、
材料。