JP2014222658A - 非水性中間層構造体を備えた被保護活性金属電極および電池セル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】非水性電解質(アノード材)を含浸させた多孔質のセパレータによって電極(アノード)から分離されたリチウム伝導性の不浸透性層を備えるイオン伝導性の保護構造体を有する電極構造体および電池セルであり、この保護構造体は、不浸透性層の反対側(カソード側)の水との反応から活性金属を保護し、カソード材は、水性電解質および、液体、固体、並びに気体などの電気化学的活性材料を含む。
【選択図】図1
Description
活性金属は、周囲条件において高い反応性を有し、電極として用いる場合には、障壁層を形成することが望ましい。活性金属には、アルカリ金属(例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム)、アルカリ土類金属(例えば、カルシウム、マグネシウム)、ある種の遷移金属(例えば、亜鉛)、および/または、これら金属の2種類以上の合金が含まれる。利用可能な活性金属の例としては、アルカリ金属(例えば、Li、Na、K)、アルカリ土類金属(例えば、Ca、Mg、Ba)、Ca、Mg、Sn、Ag、Zn、Bi、Al、Cd、Ga、Inを用いた二元あるいは三元アルカリ金属合金が挙げられる。望ましい合金としては、リチウムアルミニウム合金、リチウムケイ素合金、リチウム錫合金、リチウム銀合金、ナトリウム鉛合金(例えば、Na4Pb)である。活性金属電極の材料としては、リチウムを使うことが好ましい。
本発明の非水性中間層構造体は、電気化学セル構造体中に設けられる。その構造体は、活性金属、活性金属イオン、活性金属合金、活性金属合金化材料、および、活性金属挿入材料、からなる群から選択された材料で形成されたアノードと、アノードの第1の表面上のイオン伝導性保護構造体とを有する。その構造体は、非水性アノード材を有する活性金属イオン伝導性セパレータ層と、実質的に不浸透性のイオン伝導層とを備えており、セパレータ層は、活性金属に対する化学的適合性を有すると共にアノードと接触し、イオン伝導層は、セパレータ層および水性環境に対する化学的適合性を有すると共にセパレータ層と接触している。セパレータ層は、有機アノード材を含浸させた微多孔ポリマなどの半透膜を備えてよく、かかるポリマは、ノースカロライナ州シャーロットのCelgard社から入手可能である。
その材料は、Li1+x(M,Al,Ga)x(Ge1-yTiy)2-x(PO4)3(ここで、X≦0.8および0≦Y≦1.0であり、Mは、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ybからなる群から選択される元素である)および/またはLi1+x+yQxTi2-xSiyP3-yO12(ここで、0<X≦0.4 および0<Y≦0.6であり、Qは、AlまたはGaである)からなる主要結晶相を含む。ガラスセラミックは、原料を溶融して、溶融した原料をガラスに成型し、ガラスに熱処理を施すことにより得られる。かかる材料は、例えば、日本のOHARA社から入手可能であり、詳しくは、本発明に参照文献として組み込まれる米国特許第5,702,995号、6,030,909号、6,315,881号、6,485,622号に記載されている。
非水性中間層構造体は、電池セルに導入すると効果的である。例えば、図1の電気化学構造体100は、図2に示すように、カソード系120と組み合わせてセル200を形成することができる。カソード系120は、電子伝導性構成要素と、イオン伝導性構成要素と、電気化学的活性構成要素とを備える。カソード系120は、任意の所望の組成を有してよく、保護構造体によって実現される分離により、アノードやアノード材の組成によって制限されることはない。特に、カソード系は、水性材料(水、水性カソード材および空気など)、金属水素化物電極、および金属酸化物電極など、保護構造体がなければアノード活性金属に対して高い反応性を有する組成を含んでよい。
上述のように、本発明の電池セルのカソード系120は、任意の所望の組成を有してよく、保護構造体によって実現される分離により、アノードやアノード材の組成によって制限されることはない。特に、カソード系は、水性材料(水、水性溶媒および空気など)、金属水素化物電極、および金属酸化物電極など、保護構造体がなければアノード活性金属に対して高い反応性を有する組成を含んでよい。
Li+H2O=LiOH+1/2H2
アノードとカソードでは、以下の半電池反応が生じると考えられる。
アノード: Li=Li++e-
カソード: e-+H2O=OH-+1/2H2
安全手段として、非水性中間層構造体は、反応性の高い電解質(例えば、水)と接触した場合に、アノード(例えば、リチウム)の表面上で不浸透性のポリマの形成を引き起こすゲル化/重合剤を含んでよい。この安全手段は、保護構造体(例えば、ガラスまたはガラスセラミック膜)の実質的に不浸透性の層に亀裂やその他の損傷が生じることで、反応性の高いカソード材が浸入してリチウム電極に近づき、Liアノードと水性カソード材との間で激しい反応が起きる可能性が高くなった場合に用いられる。
本発明は、上述のように、活性金属からなるアノードを有する電池およびその他の電気化学構造体に関する。好ましい活性金属電極は、リチウム(Li)からなる。これらの構造体およびセルに適したアノード材は上述した。
本発明の電気化学構造体および電池セルは、任意の適切な形状を有してよい。例えば、本明細書に提供された構造体またはセルの記載を考慮して本発明に容易に適応可能な周知の電池セル加工技術に従って、構造体またはセルの様々な構成要素(アノード、中間層、カソードなど)の平面層を積層することにより、平面的な形状にすることができる。これらの積層された層は、角柱形の構造体またはセルとして構成されてもよい。
以下、本発明のリチウム金属およびリチウムイオン水性電池セルの有利な特性を、実施例に基づいて詳細に説明する。ただし、これらの実施例は本発明の態様を例示し詳細に説明するためのものであり、本発明をなんら限定するものではない。
OHARA社から市販されているイオン伝導性ガラスセラミックを、水性カソード材と非水性アノード材とを分離する膜として用いて、一連の実験を行った。セル構造体は、Li/非水性電解質/ガラスセラミック/水性電解質/Ptとした。Chemetall Foote社の125ミクロン厚のリチウム箔をアノードとして用いた。ガラスセラミック板は、厚さ0.3から0.48mmの範囲のものを用いた。ガラスセラミック板が、一方の側から水性環境にさらされて、他方の側から非水性環境にさらされるように、2つのOリングを用いてガラスセラミック板を電気化学セルに取り付けた。この例では、水性電解質は、Aquarium Systems社の35pptの「Instant Ocean」を用いて人工海水を準備した。海水の伝導度は、4.5×10-2S/cmであった。ガラスセラミックの他方の側に配置された微多孔のCelgardセパレータを、プロピレンカーボネートに溶解した1M LiPF6からなる非水性電解質で満たした。非水性電解質の充填体積は、Li電極の表面積1cm2当たり0.25mlであった。完成した電池回路では、海水カソード材内に完全に浸漬されたプラチナ対極を用いて、水素還元を促進した。Ag/AgCl参照電極を用いて、セル内のLiアノードの電位を制御した。測定値を標準水素電極(SHE)基準の電位に換算した。水中のLi/Li+とH2/H+との熱力学的電位差と密接に関係する開路電位(OCP)の測定値は、3.05ボルトであった(図4参照)。回路を閉じると、Pt電極側で直ちに水素発生が観察された。これは、セル内で2Li=2Li++2e-および2H++2e-=H2というアノードおよびカソードでの電極反応を示唆するものである。0.3mA/cm2の放電率でのLiのアノード溶解に対する電位−時間曲線を、図2に示す。この結果から、作製されたセルが、安定した放電電圧を有することがわかる。直接的に海水と接触させてLiアノードを用いた実験では、Liの利用効率は大変低く、この実施例と同様の低レベルから中程度レベルの電流密度では、海水中のLi腐食率が非常に高い(19A/cm2以上)ため電池の使用が不可能であった。
この実験用セル構造体は、電解質に完全に浸漬されたPt電極の代わりに、市販のZn/空気電池用に製造された空気極を有する以外は、実施例1と同様の構成である。水性電解質には、1M LiOHを用いた。Liアノードと非水性電解質は、実施例1と同じものを用いた。
これらの実験では、OHARA社から市販されているイオン伝導性ガラスセラミックを、水性カソード材と非水性アノード材とを分離する膜として用いた。セル構造体は、カーボン/非水性電解質/ガラスセラミック板/水性電解質/Ptとした。リチウムイオン電池で一般的に用いられているカーボン電極と同様の合成グラファイトを含む銅基板上の市販のカーボン電極を、アノードとして用いた。ガラスセラミック板の厚さは0.3mmであった。ガラスセラミック板が、一方の側から水性環境にさらされて、他方の側から非水性環境にさらされるように、2つのOリングを用いてガラスセラミック板を電気化学セルに取り付けた。水性電解質は、2M LiClと1M HClとで構成した。ガラスセラミックの他方の側に配置された2層の微多孔のCelgardセパレータを、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合物(1:1の体積で混合)に溶解した1M LiPF6からなる非水性電解質で満たした。2層のCelgardセパレータの間には、サイクル中のカーボンアノードの電位を制御するために、リチウムワイヤの参照電極を配置した。2M LiClおよび1M HClの溶液に完全に浸漬されたプラチナメッシュを、セルのカソードとして用いた。サイクル中に、カーボン電極の電位と、ガラスセラミック板による電圧降下と、Ptカソードの電位とを制御するために、水性電解質内に配置されたAg/AgCl参照電極を用いた。このセルについては、約1ボルトの開路電位(OCV)が観察された。熱力学的な値と密接に関係するLi参照電極とAg/AgCl参照電極との間の電圧差は、3.2ボルトであった。セルは、カーボン電極電位がLi参照電極に対して5mVに達するまでは、0.1mA/cm2で充電し、その後は、同じカットオフ電位を用いて0.05mA/cm2で充電した。放電率は0.1mA/cm2であり、炭素アノードの放電カットオフ電位はLi参照電極に対して1.8Vであった。図6のデータは、挿入炭素カソードとLiイオンを含む水性電解質とを備えたセルが可逆的に働くことが可能であることを示している。これは、炭素アノードの充電のためのLiイオン源として、固体リチウム酸化物カソードの代わりに、Liイオンセル内で水溶液を用いたことでは、知られる限りで最初の例である。
水性電解質内の様々な厚さのLi箔を試験するための実験用Li/水セルを設計した。そのセルは、図8に示すように、Cu基板上に配置された2.0cm2の活性領域を有する保護されたLi箔を備えたアノード区画を含む。約3.3から3.5mmの厚さを有するLi電極を、Li金属棒から加工した。加工処理は、Li棒の押し出し成形および圧延と、その結果形成された箔をNi網の集電体の表面上に油圧プレスで静的プレスすることを含む。リチウム箔との化学反応を避けるために、プレス動作には、ポリプロピレン本体を有する型を用いた。約50ミクロンの厚さのガラスセラミック膜が、一方の側から水性環境(カソード材)にさらされて、他方の側から非水性環境(アノード材)にさらされるように、2つのOリングを用いてガラスセラミック膜を電気化学セルに取り付けた。アノード材は、アノードとガラスセラミック膜の表面との間の液体中間層として機能した。
本発明に従って、活性金属電極上に保護構造体を設けることにより、上述のように、ごく少量の腐食電流を生じる活性金属/水電池を構成することが可能になる。Li/水電池は、8450Wh/kgという非常に高い理論エネルギ密度を有する。電池反応は、Li+H2O=LiOH+1/2H2である。電池反応により生じた水素は通常無駄になるが、本発明のこの実施形態では、室温燃料電池用の燃料として用いられる。生成された水素は、燃料電池に直接供給されてもよいし、後から燃料電池で利用するために、金属水素化物合金に貯蔵することも可能である。少なくともMILLENIUM CELL社(http://www.milleniumcell.com/news/tech.html)では、水と水素化ホウ素ナトリウムとの反応を用いて水素を生成している。しかしながら、この反応には触媒が必要であり、NaBH4と水との化学反応で生じたエネルギは熱として消失してしまう。
NaBH4+2H2O→4H2+NaBO2
この反応を燃料電池反応H2+O2=H2Oと組み合わせると、燃料電池反応は、以下のようになると考えられる。
NaBH4+2O2→2H2O+NaBO2
この系のエネルギ密度は、反応物質であるNaBH4の当量から算出できる(38/4=9.5グラム当量)。セル電圧は約1であり、この系の比エネルギは2820Wh/kgであるため、NaBH4の重量容量は2820mAh/gになる。最終生成物NaBO2に基づいて計算されるエネルギ密度はさらに低く、約1620Wh/kgである。
Li+H2O=LiOH+1/2H2
この場合、この化学反応のエネルギは、セル当たり3ボルトの電気エネルギに変換され、燃料電池内で水素が水に変換される。すなわち、セル全体では以下の反応が起こっていると考えられる。
Li+1/2H2O+1/4O2=LiOH
ここで、理論的には、すべての化学エネルギが電気エネルギに変換される。11,500Wh/kg(NaBH4の4倍)に対応する約3ボルトのセル電位では、リチウムアノードに基づくエネルギ密度は3830mAh/gになる。反応に必要な水の重量を含めると、エネルギ密度は5030Wh/kgになる。放電生成物であるLiOHの重量に基づくエネルギ密度は3500Wh/kgであり、NaBO2系のエネルギ密度の2倍である。これは、水素を生成するための水とリチウム金属との反応も考慮した以前の概念と比較することができる。Li/H2O反応におけるエネルギの大部分は熱として失われ、(Li/H2Oの3に対して)実際には1未満であるH2/O2系のセル電位にエネルギ密度が基づくため、エネルギ密度は1/3に減少する。図10に示す本発明の実施形態では、Li/水電池にかかる負荷によって、水素の生成を慎重に制御する。保護膜の存在によりLi/水電池は貯蔵寿命が長く、また、セルから放出される水素は既に加湿された状態でH2/空気型燃料電池に供給される。
以上、本発明の理解を深める目的で、詳細に本発明を説明したが、本発明の範囲内で様々に変更、変形可能である。特に、リチウム金属、リチウム合金または挿入アノードに主に言及しながら本発明を説明したが、アノードは、ナトリウムなどの他のアルカリ金属を初めとする任意の活性金属で形成されてもよい。本発明の処理や組成についても、別の形で実施可能である。したがって、上記の実施例は単に例示に過ぎず、何ら発明を限定するものではなく、本発明はこれらの詳細事項に限定されるものではない。
本発明は、たとえば、以下のような態様で実現することもできる。
適用例1:
電気化学セル構造体であって、
活性金属と、活性金属イオンと、活性金属合金化金属と、活性金属挿入材料と、からなる群から選択された材料を含むアノードと、
前記アノードの第1の表面上のイオン伝導性保護構造体と、
を備え、
前記イオン伝導性保護構造体は、
非水性アノード材を含み、前記活性金属に対して化学的適合性を有し、前記アノードと接触する活性金属イオン伝導性のセパレータ層と、
前記セパレータ層および水性環境に対して化学的適合性を有し、前記セパレータ層と接触する実質的に不浸透性のイオン伝導層と、
を備える、構造体。
適用例2:
適用例1に記載の構造体であって、
前記セパレータ層は、非水性アノード材が含浸された半透膜を備える、構造体。
適用例3:
適用例2に記載の構造体であって、
前記半透膜は、微多孔質のポリマである、構造体。
適用例4:
適用例3に記載の構造体であって、
前記アノード材は、液相である、構造体。
適用例5:
適用例4に記載の構造体であって、
前記アノード材は、有機カーボネート、エーテル、エステル、蟻酸エステル、ラクトン、スルホン、スルホラン、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択された溶媒を含む、構造体。
適用例6:
適用例5に記載の構造体であって、
前記アノード材は、
エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)または高級グライム、スルホラン、蟻酸メチル、酢酸メチル、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択された溶媒と、
LiPF 6 、LiBF 4 、LiAsF 6 、LiClO 4 、LiSO 3 CF 3 、LiN(CF 3 SO 2 ) 2 、および、LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 、からなる群から選択された支持塩と、
を含む、構造体。
適用例7:
適用例6に記載の構造体であって、
前記アノード材は、さらに、1,3−ジオキソランを含む、構造体。
適用例8:
適用例3に記載の構造体であって、
前記アノード材は、ゲル相である、構造体。
適用例9:
適用例8に記載の構造体であって、
前記アノード材は、
ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン(PVdF−HFP)コポリマ、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキシド(PEO)、および、それらの混合物、からなる群から選択されたゲル化剤と、
エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、および、それらの混合物、からなる群から選択された可塑剤と、
LiPF 6 、LiBF 4 、LiAsF 6 、LiClO 4 、LiSO 3 CF 3 、LiN(CF 3 SO 2 ) 2 、および、LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 、からなる群から選択されたLi塩と、
を含む、構造体。
適用例10:
前記いずれかの適用例に記載の構造体であって、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、ガラス質あるいは非晶質の活性金属イオン伝導体、セラミック活性金属イオン伝導体、および、ガラスセラミック活性金属イオン伝導体、からなる群から選択される材料を含む、構造体。
適用例11:
前記いずれかの適用例に記載の構造体であって、
前記活性金属は、リチウムである、構造体。
適用例12:
前記いずれかの適用例に記載の構造体であって、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、以下の表に示す組成を有するイオン伝導性ガラスセラミックであり、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、Li 1+x (M,Al,Ga) x (Ge 1-y Ti y ) 2-x (PO 4 ) 3 (ここで、X≦0.8および0≦Y≦1.0であり、Mは、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、および、Yb、からなる群から選択される元素である)、および/または、Li 1+x+y Q x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (ここで、0<X≦0.4および0<Y≦0.6であり、Qは、AlまたはGaである)、からなる主要結晶相を含む、
構造体。
適用例13:
前記いずれかの適用例に記載の構造体であって、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、少なくとも10 -5 S/cmのイオン伝導度を有する、構造体。
適用例14:
前記いずれかの適用例に記載の構造体であって、
非水性電解質セパレータ層は、少なくとも10 -5 S/cmのイオン伝導度を有する、構造体。
適用例15:
前記いずれかの適用例に記載の構造体であって、
前記アノードは、活性金属を含む、構造体。
適用例16:
前記いずれかの適用例に記載の構造体であって、
前記アノードは、活性金属イオンを含む、構造体。
適用例17:
前記いずれかの適用例に記載の構造体であって、
前記アノードは、活性金属合金化金属を含む、構造体。
適用例18:
適用例17記載の構造体であって、
前記活性金属合金化金属は、Ca、Mg、Sn、Ag、Zn、Bi、Al、Cd、Ga、In、および、Sb、からなる群から選択される、構造体。
適用例19:
前記いずれかの適用例に記載の構造体であって、
前記アノードは、活性金属挿入材料を含む、構造体。
適用例20:
適用例19に記載の構造体であって、
前記活性金属挿入材料は、炭素を含む、構造体。
適用例21:
電池セルであって、
活性金属アノードと、
カソード構造体と、
前記アノードの第1の表面上のイオン伝導性保護構造体と、を備え、
前記イオン伝導性保護構造体は、
非水性アノード材を含み、前記活性金属に対して化学的適合性を有し、前記アノードと接触する活性金属イオン伝導性のセパレータ層と、
前記セパレータ層および前記カソード構造体に対して化学的適合性を有し、前記カソード構造体と接触する実質的に不浸透性のイオン伝導層と、
を備える、構造体。
適用例22:
適用例21に記載のセルであって、
前記セパレータ層は、非水性アノード材が含浸された半透膜を備える、セル。
適用例23:
適用例22に記載のセルであって、
前記半透膜は、微多孔質のポリマである、セル。
適用例24:
適用例23に記載のセルであって、
前記アノード材は、液相である、セル。
適用例25:
適用例24に記載のセルであって、
前記アノード材は、有機カーボネート、エーテル、エステル、蟻酸エステル、ラクトン、スルホン、スルホラン、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択された溶媒を含む、セル。
適用例26:
適用例25に記載のセルであって、
前記アノード材は、
エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)または高級グライム、スルホラン、蟻酸メチル、酢酸メチル、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択された溶媒と、
LiPF 6 、LiBF 4 、LiAsF 6 、LiClO 4 、LiSO 3 CF 3 、LiN(CF 3 SO 2 ) 2 、および、LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 、からなる群から選択された支持塩と、
を含む、セル。
適用例27:
適用例26に記載のセルであって、
前記アノード材は、さらに、1,3−ジオキソランを含む、セル。
適用例28:
適用例23に記載のセルであって、
前記アノード材は、ゲル相である、セル。
適用例29:
適用例28に記載のセルであって、
前記アノード材は、
ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン(PVdF−HFP)コポリマ、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキシド(PEO)、および、それらの混合物、からなる群から選択されたゲル化剤と、
エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、および、それらの混合物、からなる群から選択された可塑剤と、
LiPF 6 、LiBF 4 、LiAsF 6 、LiClO 4 、LiSO 3 CF 3 、LiN(CF 3 SO 2 ) 2 、および、LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 、からなる群から選択されたLi塩と、
を含む、セル。
適用例30:
適用例21に記載のセルであって、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、ガラス質あるいは非晶質の活性金属イオン伝導体、セラミック活性金属イオン伝導体、および、ガラスセラミック活性金属イオン伝導体、からなる群から選択される材料を含む、セル。
適用例31:
適用例30に記載のセルであって、
前記活性金属は、リチウムである、セル。
適用例32:
適用例31に記載のセルであって、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、以下の表に示す組成を有するイオン伝導性ガラスセラミックであり、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、
Li 1+x (M,Al,Ga) x (Ge 1-y Ti y ) 2-x (PO 4 ) 3 (ここで、X≦0.8および0≦Y≦1.0であり、Mは、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、および、Yb、からなる群から選択される元素である)、および/または、Li 1+x+y Q x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (ここで、0<X≦0.4および0<Y≦0.6であり、Qは、AlまたはGaである)からなる主要結晶相を含む、
セル。
適用例33:
適用例21に記載のセルであって、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、少なくとも10 -5 S/cmのイオン伝導度を有する、セル。
適用例34:
適用例21に記載のセルであって、
非水性電解質セパレータ層は、少なくとも10 -5 S/cmのイオン伝導度を有する、セル。
適用例35:
適用例21に記載のセルであって、
前記アノードは、活性金属を含む、セル。
適用例36:
適用例21に記載のセルであって、
前記アノードは、活性金属イオンを含む、セル。
適用例37:
適用例21に記載のセルであって、
前記アノードは、活性金属合金化金属を含む、セル。
適用例38:
適用例37記載のセルであって、
前記活性金属合金化金属は、Ca、Mg、Sn、Ag、Zn、Bi、Al、Cd、Ga、In、および、Sb、からなる群から選択される、セル。
適用例39:
適用例21に記載のセルであって、
前記アノードは、活性金属挿入材料を含む、セル。
適用例40:
適用例39に記載のセルであって、
前記活性金属挿入材料は、炭素を含む、セル。
適用例41:
適用例21に記載のセルであって、
前記カソード構造体は、電子伝導性構成要素と、イオン伝導性構成要素と、電気化学的活性構成要素と、を備え、
少なくとも1つのカソード構造体構成要素は、水性成分を含む、セル。
適用例42:
適用例41記載のセルであって、
前記カソード構造体は、水性電気化学的活性構成要素を含む、セル。
適用例43:
適用例42に記載のセルであって、
前記水性電気化学的活性構成要素は、水である、セル。
適用例44:
適用例42に記載のセルであって、
前記水性電気化学的活性構成要素は、気体酸化剤、液体酸化剤、固体酸化剤、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択される水溶性酸化剤を含む、セル。
適用例45:
適用例44に記載のセルであって、
前記水溶性気体酸化剤は、O 2 、SO 2 、および、NO 2 、からなる群から選択され、
前記水溶性固体酸化剤は、NaNO 2 、KNO 2 、Na 2 SO 3 、および、K 2 SO 3 、からなる群から選択される、セル。
適用例46:
適用例44に記載のセルであって、
前記水溶性酸化剤は、過酸化物である、セル。
適用例47:
適用例46に記載のセルであって、
前記水溶性酸化剤は、過酸化水素である、セル。
適用例48:
適用例41に記載のセルであって、
前記イオン伝導性構成要素と前記電気化学的活性構成要素とは、水性電解質からなる、セル。
適用例49:
適用例48に記載のセルであって、
前記水性電解質は、強酸溶液、弱酸溶液、塩基性溶液、中性溶液、両性溶液、過酸化物溶液、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択される、セル。
適用例50:
適用例48に記載のセルであって、
前記水性電解質は、HCl、H 2 SO 4 、H 3 PO 4 、酢酸/酢酸Li、LiOH、海水、LiCl、LiBr、LiI、NH 4 Cl、NH 4 Br、過酸化水素、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択される成分を含む、セル。
適用例51:
適用例50に記載のセルであって、
前記水性電解質は、海水である、セル。
適用例52:
適用例10に記載のセルであって、
前記水性電解質は、海水と過酸化水素とを含む、セル。
適用例53:
適用例50に記載のセルであって、
前記水性電解質は、酸性過酸化物溶液を含む、セル。
適用例54:
適用例50に記載のセルであって、
水性電解質に溶解した過酸化水素が前記セル内を流れる、セル。
適用例55:
適用例41に記載のセルであって、
前記カソード構造体の電子伝導性構成要素は、多孔質触媒支持体である、セル。
適用例56:
適用例55に記載のセルであって、
前記多孔質電子伝導性触媒支持体は、ニッケルを含む、セル。
適用例57:
適用例55に記載のセルであって、
前記多孔質電子伝導性触媒支持体は、アイオノマで処理されている、セル。
適用例58:
適用例42に記載のセルであって、
前記カソード構造体の電気化学的活性材料は、空気を含む、セル。
適用例59:
適用例58に記載のセルであって、
前記空気は、水分を含む、セル。
適用例60:
適用例59に記載のセルであって、
前記イオン伝導性材料は、水性成分を含む、セル。
適用例61:
適用例60に記載のセルであって、
前記イオン伝導性材料は、さらに、アイオノマを含む、セル。
適用例62:
適用例61に記載のセルであって、
前記イオン伝導性材料は、中性または酸性の水性電解質を含む、セル。
適用例63:
適用例62に記載のセルであって、
前記水性電解質はLiClを含む、セル。
適用例64:
適用例62に記載のセルであって、
前記水性電解質は、NH 4 ClおよびHClのいずれかを含む、セル。
適用例65:
適用例41に記載のセルであって、
前記カソード構造体は、空気拡散膜と、疎水性ポリマ層と、酸素還元触媒と、電解質と、電子伝導性構成要素/集電体と、を備える、セル。
適用例66:
適用例65に記載のセルであって、
前記電子伝導性構成要素/集電体は、多孔質ニッケル材料を含む、セル。
適用例67:
適用例65に記載のセルであって、さらに、
前記保護膜と前記カソード構造体との間に配置されたセパレータを備える、セル。
適用例68:
適用例41に記載のセルであって、
前記カソード構造体の電気化学的活性構成要素は、金属水素化物合金を含む、セル。
適用例69:
適用例68に記載のセルであって、
前記カソード構造体のイオン伝導性構成要素は、水性電解質を含む、セル。
適用例70:
適用例69に記載のセルであって、
前記水性電解質は、酸性である、セル。
適用例71:
適用例70に記載のセルであって、
前記水性電解質は、ハロゲン化物酸またはハロゲン化物酸塩である、セル。
適用例72:
適用例71に記載のセルであって、
前記水性電解質は、塩化物酸、臭化物酸、塩化物酸塩、または、臭化物酸塩を含む、セル。
適用例73:
適用例72に記載のセルであって、
前記水性電解質は、HCl、HBr、NH 4 Cl、および、NH 4 Brのいずれか1つを含む、セル。
適用例74:
適用例73に記載のセルであって、
前記金属水素化物合金は、AB 5 合金およびAB 2 合金のいずれかを含む、セル。
適用例75:
適用例21に記載のセルであって、
前記セルは、一次電池である、セル。
適用例76:
適用例21に記載のセルであって、
前記セルは、二次電池である、セル。
適用例77:
適用例21に記載のセルであって、
前記セルは、平面構造を有する、セル。
適用例78:
適用例21に記載のセルであって、
前記セルは、管状構造を有する、セル。
適用例79:
適用例41に記載のセルであって、
前記活性金属は、リチウムであり、
前記カソード構造体は、イオン伝導性を有する水性構成要素と、電気化学的活性を有する遷移金属酸化物構成要素とを含む、セル。
適用例80:
適用例79に記載のセルであって、
前記遷移金属酸化物は、NiOOH、AgO、酸化鉄、酸化鉛、および、酸化マンガン、からなる群から選択される、セル。
適用例81:
適用例21に記載のセルであって、
前記アノード材は、さらに、非水溶性または低水溶性のポリマのためのモノマを含み、
前記カソード材は、前記モノマ用の重合開始剤を含む、セル。
適用例82:
適用例81に記載のセルであって、
前記モノマは、1,3−ジオキソランである、セル。
適用例83:
適用例82に記載のセルであって、
前記重合開始剤は、プロトン酸および水溶性ルイス酸の少なくとも一方を前記カソード材に溶解したものを含む、セル。
適用例84:
適用例83に記載のセルであって、
前記重合開始剤は、ベンゾイルイオンを含む、セル。
適用例85:
適用例21に記載のセルの構造破損時に停止させるための方法であって、
前記アノード材内に、非水溶性または低水溶性のポリマのためのモノマを準備する工程と、
前記カソード材内に、前記モノマ用の重合開始剤を準備する工程と、
を備える、方法。
適用例86:
適用例21に記載のセルであって、
前記カソード構造体は、イオン伝導性構成要素を含む、セル。
適用例87:
適用例86に記載のセルであって、
前記イオン伝導性構成要素は、非水性カソード材を含む、セル。
適用例88:
適用例87に記載のセルであって、
前記カソード材は、有機液体およびイオン液体、からなる群から選択される材料を含む、セル。
適用例89:
適用例88に記載のセルであって、
前記カソード材は、有機カーボネート、エーテル、ラクトン、スルホンエステル、蟻酸エステル、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択された非プロトン性溶媒にLi塩を溶解した溶液である、セル。
適用例90:
適用例89に記載のセルであって、
前記カソード材は、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)および高級グライム、1,3−ジオキソラン、スルホラン、蟻酸メチル、酢酸メチル、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択され、
支持塩は、LiPF 6 、LiBF 4 、LiAsF 6 、LiClO 4 、LiSO 3 CF 3 、LiN(CF 3 SO 2 ) 2 、LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択される、セル。
適用例91:
適用例90に記載のセルであって、さらに、
多硫化リチウム、NO 2 、SO 2 、SOCl 2 、からなる群から選択された固体、液体、または、気体の酸化剤の溶解物を含む、セル。
適用例92:
適用例87に記載のセルであって、
前記カソード材は、イミダゾリウム誘導体、ピリジニウム誘導体、ホスホニウム化合物、テトラアルキルアンモニウム化合物、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択されたイオン液体を含む、セル。
適用例93:
適用例92に記載のセルであって、
前記イオン液体は、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトシレート(EMIM−Ts)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム硫酸オクチル(BMIM−OctSO4)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロリン酸、および、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸、からなる群から選択される、セル。
適用例94:
適用例21の電池セルを製造する方法であって、
活性金属アノードと、
カソード構造体と、
前記アノードの第1の表面上のイオン伝導性保護構造体と、を準備する工程を備え、
前記イオン伝導性保護構造体は、
非水性アノード材を含み、前記活性金属に対して化学的適合性を有し、前記アノードと接触する活性金属イオン伝導性のセパレータ層と、
前記セパレータ層および前記カソード構造体に対して化学的適合性を有し、前記カソード構造体と接触する実質的に不浸透性のイオン伝導層とを備え、
前記方法は、さらに、前記構成要素を組み立てる工程を備える、方法。
適用例95:
適用例94に記載の方法であって、
前記前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、管状である、方法。
適用例96:
適用例21に記載のセルであって、
10mAh/cm 2 より大きい放電能力を有する、セル。
適用例97:
適用例96に記載のセルであって、
100mAh/cm 2 より大きい放電能力を有する、セル。
適用例98:
適用例97に記載のセルであって、
500mAh/cm 2 より大きい放電能力を有する、セル。
適用例99:
適用例50に記載のセルであって、
前記アノードは、約3.35mmの厚さのLiであり、
前記セルは、NH 4 Clからなる水性電解質で満たされ、
前記セルは、約650mAh/cm 2 の放電能力を有する、セル。
適用例100:
適用例58に記載のセルであって、
3.3mmの厚さのLiアノードと、
45cm 2 の面積と、
約3400Wh/l(4100Wh/kg)の未包装時の比エネルギと、
を有する、セル。
適用例101:
適用例100に記載のセルであって、
70%の包装による加重と、
約1000Wh/l(1200Wh/kg)の包装時の比エネルギと、
を有する、セル。
適用例102:
適用例43に記載のセルであって、さらに、
電池セル酸化還元反応において前記カソード構造体から放出される水素を集めるPEM型H 2 /O 2 燃料電池を備える、セル。
Claims (102)
- 電気化学セル構造体であって、
活性金属と、活性金属イオンと、活性金属合金化金属と、活性金属挿入材料と、からなる群から選択された材料を含むアノードと、
前記アノードの第1の表面上のイオン伝導性保護構造体と、
を備え、
前記イオン伝導性保護構造体は、
非水性アノード材を含み、前記活性金属に対して化学的適合性を有し、前記アノードと接触する活性金属イオン伝導性のセパレータ層と、
前記セパレータ層および水性環境に対して化学的適合性を有し、前記セパレータ層と接触する実質的に不浸透性のイオン伝導層と、
を備える、構造体。 - 請求項1に記載の構造体であって、
前記セパレータ層は、非水性アノード材が含浸された半透膜を備える、構造体。 - 請求項2に記載の構造体であって、
前記半透膜は、微多孔質のポリマである、構造体。 - 請求項3に記載の構造体であって、
前記アノード材は、液相である、構造体。 - 請求項4に記載の構造体であって、
前記アノード材は、有機カーボネート、エーテル、エステル、蟻酸エステル、ラクトン、スルホン、スルホラン、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択された溶媒を含む、構造体。 - 請求項5に記載の構造体であって、
前記アノード材は、
エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)または高級グライム、スルホラン、蟻酸メチル、酢酸メチル、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択された溶媒と、
LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiSO3CF3、LiN(CF3SO2)2、および、LiN(SO2C2F5)2、からなる群から選択された支持塩と、
を含む、構造体。 - 請求項6に記載の構造体であって、
前記アノード材は、さらに、1,3−ジオキソランを含む、構造体。 - 請求項3に記載の構造体であって、
前記アノード材は、ゲル相である、構造体。 - 請求項8に記載の構造体であって、
前記アノード材は、
ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン(PVdF−HFP)コポリマ、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキシド(PEO)、および、それらの混合物、からなる群から選択されたゲル化剤と、
エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、および、それらの混合物、からなる群から選択された可塑剤と、
LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiSO3CF3、LiN(CF3SO2)2、および、LiN(SO2C2F5)2、からなる群から選択されたLi塩と、
を含む、構造体。 - 前記いずれかの請求項に記載の構造体であって、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、ガラス質あるいは非晶質の活性金属イオン伝導体、セラミック活性金属イオン伝導体、および、ガラスセラミック活性金属イオン伝導体、からなる群から選択される材料を含む、構造体。 - 前記いずれかの請求項に記載の構造体であって、
前記活性金属は、リチウムである、構造体。 - 前記いずれかの請求項に記載の構造体であって、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、少なくとも10-5S/cmのイオン伝導度を有する、構造体。 - 前記いずれかの請求項に記載の構造体であって、
非水性電解質セパレータ層は、少なくとも10-5S/cmのイオン伝導度を有する、構造体。 - 前記いずれかの請求項に記載の構造体であって、
前記アノードは、活性金属を含む、構造体。 - 前記いずれかの請求項に記載の構造体であって、
前記アノードは、活性金属イオンを含む、構造体。 - 前記いずれかの請求項に記載の構造体であって、
前記アノードは、活性金属合金化金属を含む、構造体。 - 請求項17記載の構造体であって、
前記活性金属合金化金属は、Ca、Mg、Sn、Ag、Zn、Bi、Al、Cd、Ga、In、および、Sb、からなる群から選択される、構造体。 - 前記いずれかの請求項に記載の構造体であって、
前記アノードは、活性金属挿入材料を含む、構造体。 - 請求項19に記載の構造体であって、
前記活性金属挿入材料は、炭素を含む、構造体。 - 電池セルであって、
活性金属アノードと、
カソード構造体と、
前記アノードの第1の表面上のイオン伝導性保護構造体と、を備え、
前記イオン伝導性保護構造体は、
非水性アノード材を含み、前記活性金属に対して化学的適合性を有し、前記アノードと接触する活性金属イオン伝導性のセパレータ層と、
前記セパレータ層および前記カソード構造体に対して化学的適合性を有し、前記カソード構造体と接触する実質的に不浸透性のイオン伝導層と、
を備える、構造体。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記セパレータ層は、非水性アノード材が含浸された半透膜を備える、セル。 - 請求項22に記載のセルであって、
前記半透膜は、微多孔質のポリマである、セル。 - 請求項23に記載のセルであって、
前記アノード材は、液相である、セル。 - 請求項24に記載のセルであって、
前記アノード材は、有機カーボネート、エーテル、エステル、蟻酸エステル、ラクトン、スルホン、スルホラン、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択された溶媒を含む、セル。 - 請求項25に記載のセルであって、
前記アノード材は、
エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)または高級グライム、スルホラン、蟻酸メチル、酢酸メチル、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択された溶媒と、
LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiSO3CF3、LiN(CF3SO2)2、および、LiN(SO2C2F5)2、からなる群から選択された支持塩と、
を含む、セル。 - 請求項26に記載のセルであって、
前記アノード材は、さらに、1,3−ジオキソランを含む、セル。 - 請求項23に記載のセルであって、
前記アノード材は、ゲル相である、セル。 - 請求項28に記載のセルであって、
前記アノード材は、
ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン(PVdF−HFP)コポリマ、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキシド(PEO)、および、それらの混合物、からなる群から選択されたゲル化剤と、
エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、および、それらの混合物、からなる群から選択された可塑剤と、
LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiSO3CF3、LiN(CF3SO2)2、および、LiN(SO2C2F5)2、からなる群から選択されたLi塩と、
を含む、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、ガラス質あるいは非晶質の活性金属イオン伝導体、セラミック活性金属イオン伝導体、および、ガラスセラミック活性金属イオン伝導体、からなる群から選択される材料を含む、セル。 - 請求項30に記載のセルであって、
前記活性金属は、リチウムである、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、少なくとも10-5S/cmのイオン伝導度を有する、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
非水性電解質セパレータ層は、少なくとも10-5S/cmのイオン伝導度を有する、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記アノードは、活性金属を含む、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記アノードは、活性金属イオンを含む、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記アノードは、活性金属合金化金属を含む、セル。 - 請求項37記載のセルであって、
前記活性金属合金化金属は、Ca、Mg、Sn、Ag、Zn、Bi、Al、Cd、Ga、In、および、Sb、からなる群から選択される、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記アノードは、活性金属挿入材料を含む、セル。 - 請求項39に記載のセルであって、
前記活性金属挿入材料は、炭素を含む、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記カソード構造体は、電子伝導性構成要素と、イオン伝導性構成要素と、電気化学的活性構成要素と、を備え、
少なくとも1つのカソード構造体構成要素は、水性成分を含む、セル。 - 請求項41記載のセルであって、
前記カソード構造体は、水性電気化学的活性構成要素を含む、セル。 - 請求項42に記載のセルであって、
前記水性電気化学的活性構成要素は、水である、セル。 - 請求項42に記載のセルであって、
前記水性電気化学的活性構成要素は、気体酸化剤、液体酸化剤、固体酸化剤、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択される水溶性酸化剤を含む、セル。 - 請求項44に記載のセルであって、
前記水溶性気体酸化剤は、O2、SO2、および、NO2、からなる群から選択され、
前記水溶性固体酸化剤は、NaNO2、KNO2、Na2SO3、および、K2SO3、からなる群から選択される、セル。 - 請求項44に記載のセルであって、
前記水溶性酸化剤は、過酸化物である、セル。 - 請求項46に記載のセルであって、
前記水溶性酸化剤は、過酸化水素である、セル。 - 請求項41に記載のセルであって、
前記イオン伝導性構成要素と前記電気化学的活性構成要素とは、水性電解質からなる、セル。 - 請求項48に記載のセルであって、
前記水性電解質は、強酸溶液、弱酸溶液、塩基性溶液、中性溶液、両性溶液、過酸化物溶液、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択される、セル。 - 請求項48に記載のセルであって、
前記水性電解質は、HCl、H2SO4、H3PO4、酢酸/酢酸Li、LiOH、海水、LiCl、LiBr、LiI、NH4Cl、NH4Br、過酸化水素、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択される成分を含む、セル。 - 請求項50に記載のセルであって、
前記水性電解質は、海水である、セル。 - 請求項10に記載のセルであって、
前記水性電解質は、海水と過酸化水素とを含む、セル。 - 請求項50に記載のセルであって、
前記水性電解質は、酸性過酸化物溶液を含む、セル。 - 請求項50に記載のセルであって、
水性電解質に溶解した過酸化水素が前記セル内を流れる、セル。 - 請求項41に記載のセルであって、
前記カソード構造体の電子伝導性構成要素は、多孔質触媒支持体である、セル。 - 請求項55に記載のセルであって、
前記多孔質電子伝導性触媒支持体は、ニッケルを含む、セル。 - 請求項55に記載のセルであって、
前記多孔質電子伝導性触媒支持体は、アイオノマで処理されている、セル。 - 請求項42に記載のセルであって、
前記カソード構造体の電気化学的活性材料は、空気を含む、セル。 - 請求項58に記載のセルであって、
前記空気は、水分を含む、セル。 - 請求項59に記載のセルであって、
前記イオン伝導性材料は、水性成分を含む、セル。 - 請求項60に記載のセルであって、
前記イオン伝導性材料は、さらに、アイオノマを含む、セル。 - 請求項61に記載のセルであって、
前記イオン伝導性材料は、中性または酸性の水性電解質を含む、セル。 - 請求項62に記載のセルであって、
前記水性電解質はLiClを含む、セル。 - 請求項62に記載のセルであって、
前記水性電解質は、NH4ClおよびHClのいずれかを含む、セル。 - 請求項41に記載のセルであって、
前記カソード構造体は、空気拡散膜と、疎水性ポリマ層と、酸素還元触媒と、電解質と、電子伝導性構成要素/集電体と、を備える、セル。 - 請求項65に記載のセルであって、
前記電子伝導性構成要素/集電体は、多孔質ニッケル材料を含む、セル。 - 請求項65に記載のセルであって、さらに、
前記保護膜と前記カソード構造体との間に配置されたセパレータを備える、セル。 - 請求項41に記載のセルであって、
前記カソード構造体の電気化学的活性構成要素は、金属水素化物合金を含む、セル。 - 請求項68に記載のセルであって、
前記カソード構造体のイオン伝導性構成要素は、水性電解質を含む、セル。 - 請求項69に記載のセルであって、
前記水性電解質は、酸性である、セル。 - 請求項70に記載のセルであって、
前記水性電解質は、ハロゲン化物酸またはハロゲン化物酸塩である、セル。 - 請求項71に記載のセルであって、
前記水性電解質は、塩化物酸、臭化物酸、塩化物酸塩、または、臭化物酸塩を含む、セル。 - 請求項72に記載のセルであって、
前記水性電解質は、HCl、HBr、NH4Cl、および、NH4Brのいずれか1つを含む、セル。 - 請求項73に記載のセルであって、
前記金属水素化物合金は、AB5合金およびAB2合金のいずれかを含む、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記セルは、一次電池である、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記セルは、二次電池である、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記セルは、平面構造を有する、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記セルは、管状構造を有する、セル。 - 請求項41に記載のセルであって、
前記活性金属は、リチウムであり、
前記カソード構造体は、イオン伝導性を有する水性構成要素と、電気化学的活性を有する遷移金属酸化物構成要素とを含む、セル。 - 請求項79に記載のセルであって、
前記遷移金属酸化物は、NiOOH、AgO、酸化鉄、酸化鉛、および、酸化マンガン、からなる群から選択される、セル。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記アノード材は、さらに、非水溶性または低水溶性のポリマのためのモノマを含み、
前記カソード材は、前記モノマ用の重合開始剤を含む、セル。 - 請求項81に記載のセルであって、
前記モノマは、1,3−ジオキソランである、セル。 - 請求項82に記載のセルであって、
前記重合開始剤は、プロトン酸および水溶性ルイス酸の少なくとも一方を前記カソード材に溶解したものを含む、セル。 - 請求項83に記載のセルであって、
前記重合開始剤は、ベンゾイルイオンを含む、セル。 - 請求項21に記載のセルの構造破損時に停止させるための方法であって、
前記アノード材内に、非水溶性または低水溶性のポリマのためのモノマを準備する工程と、
前記カソード材内に、前記モノマ用の重合開始剤を準備する工程と、
を備える、方法。 - 請求項21に記載のセルであって、
前記カソード構造体は、イオン伝導性構成要素を含む、セル。 - 請求項86に記載のセルであって、
前記イオン伝導性構成要素は、非水性カソード材を含む、セル。 - 請求項87に記載のセルであって、
前記カソード材は、有機液体およびイオン液体、からなる群から選択される材料を含む、セル。 - 請求項88に記載のセルであって、
前記カソード材は、有機カーボネート、エーテル、ラクトン、スルホンエステル、蟻酸エステル、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択された非プロトン性溶媒にLi塩を溶解した溶液である、セル。 - 請求項89に記載のセルであって、
前記カソード材は、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)および高級グライム、1,3−ジオキソラン、スルホラン、蟻酸メチル、酢酸メチル、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択され、
支持塩は、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiSO3CF3、LiN(CF3SO2)2、LiN(SO2C2F5)2、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択される、セル。 - 請求項90に記載のセルであって、さらに、
多硫化リチウム、NO2、SO2、SOCl2、からなる群から選択された固体、液体、または、気体の酸化剤の溶解物を含む、セル。 - 請求項87に記載のセルであって、
前記カソード材は、イミダゾリウム誘導体、ピリジニウム誘導体、ホスホニウム化合物、テトラアルキルアンモニウム化合物、および、それらの組み合わせ、からなる群から選択されたイオン液体を含む、セル。 - 請求項92に記載のセルであって、
前記イオン液体は、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトシレート(EMIM−Ts)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム硫酸オクチル(BMIM−OctSO4)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロリン酸、および、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸、からなる群から選択される、セル。 - 請求項21の電池セルを製造する方法であって、
活性金属アノードと、
カソード構造体と、
前記アノードの第1の表面上のイオン伝導性保護構造体と、を準備する工程を備え、
前記イオン伝導性保護構造体は、
非水性アノード材を含み、前記活性金属に対して化学的適合性を有し、前記アノードと接触する活性金属イオン伝導性のセパレータ層と、
前記セパレータ層および前記カソード構造体に対して化学的適合性を有し、前記カソード構造体と接触する実質的に不浸透性のイオン伝導層とを備え、
前記方法は、さらに、前記構成要素を組み立てる工程を備える、方法。 - 請求項94に記載の方法であって、
前記前記実質的に不浸透性のイオン伝導層は、管状である、方法。 - 請求項21に記載のセルであって、
10mAh/cm2より大きい放電能力を有する、セル。 - 請求項96に記載のセルであって、
100mAh/cm2より大きい放電能力を有する、セル。 - 請求項97に記載のセルであって、
500mAh/cm2より大きい放電能力を有する、セル。 - 請求項50に記載のセルであって、
前記アノードは、約3.35mmの厚さのLiであり、
前記セルは、NH4Clからなる水性電解質で満たされ、
前記セルは、約650mAh/cm2の放電能力を有する、セル。 - 請求項58に記載のセルであって、
3.3mmの厚さのLiアノードと、
45cm2の面積と、
約3400Wh/l(4100Wh/kg)の未包装時の比エネルギと、
を有する、セル。 - 請求項100に記載のセルであって、
70%の包装による加重と、
約1000Wh/l(1200Wh/kg)の包装時の比エネルギと、
を有する、セル。 - 請求項43に記載のセルであって、さらに、
電池セル酸化還元反応において前記カソード構造体から放出される水素を集めるPEM型H2/O2燃料電池を備える、セル。
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