JP2014510368A - 組成物、エネルギー貯蔵デバイスおよび関連する工程 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
実施例
以下の例は、本発明による方法と実施形態を例示しており、したがって請求項に対して制限を課すものと解釈すべきではない。特に指定がなければ、全ての構成要素は、以下の表1で示されるように一般的な化学物質の調達先から商業的に入手可能である。
電解質塩の準備:テトラクロロアルミン酸ナトリウム
塩化ナトリウムと塩化アルミニウムが混合され、一緒に溶融され、テトラクロロアルミン酸ナトリウム(NaAlCl4)を生成した。溶解する際、塩化アルミニウムが揮発したため、電気化学セルを作製する前に電解質塩の混合および溶解作業が分離ステップとして行なわれた。
電気化学セルの準備
電気化学セル100が以下のようにして組み立てられた。セパレータ管116が、円筒形またはクローバー型の形状で既知の方法に従って形成された、あるいは商業的に入手された。各々の管116は、セラミックナトリウム伝導ベータ”−アルミナであった。円筒の寸法は、長さが228ミリメートルで、内径が36ミリメートル、外径が38ミリメートルであった。これらは、クローバーの形のセパレータ管が利用される場合、葉の先端から葉の先端までの寸法であった。各々のセラミックセパレータ管が、アルファアルミナ鍔に対してガラスシールされることで1つの組立体が形成された。各々の組立体が、ステンレス鋼の筐体112内に配置され、この筐体が筐体として機能することで電気化学セルを形成した。筐体のサイズは、およそ38ミリメートル×38ミリメートル×230ミリメートルであった。
セルテストプロトコル
セルのテストが、100A、10Vで、マルチチャンネルのDigatron BTS600電池テストシステムによって行なわれた。セルは、4本のケーブルで接続されており、すなわち正と負の電位センスならびに正と負の電流供給源である。正の電圧と電流ケーブルは、正のタブに接続された。負の電圧と電流ケーブルは、負のタブに接続された。
1.80mAで開始して経時的に5.5Aまで勾配をつけ、2.67Vまで充電し、その後2.67Vで500mAの電流まで充電し、その間330℃である。
2.温度を300℃まで下げ、−16Aで1.8Vまたは32Ahまで放電する。
3.10Aで2.67Vまで充電し、その後2.67Vで500mAまで下げる
4.16Aで1.8Vまたは32Ahまで放電する。
5.ステップ3および4を全部で10サイクル繰り返す。
6.15Aで2.67Vまで充電し、その後2.67Vで500Aの電流まで充電する。
7.−60Wで22Ahまたは1.8Vまで放電する。
8.15Aで2.67Vまで充電し、その後2.67Vで500mAの電流まで充電する。
9.−120Wで1.8まで放電する。
10.15Aで2.67Vまで充電し、その後2.67Vで500mAの電流まで充電する。
11.−130Wで22Ahまたは1.8Vまで放電する。
12.15Aで2.67Vまで充電し、その後2.67Vで500mAの電流まで充電する。
13.−140Wで22Ahまたは1.8Vまで放電する。
14.15Aで2.67Vまで充電し、その後2.67Vで500mAの電流まで充電する。
15.−155Wで22Ahまたは1.8Vまで放電する。
16.15Aで2.67Vまで充電し、その後2.67Vで500mAの電流まで充電する。
17.−110Wで1.8Vまたは15分間放電し、その後1.8Vで15分まで放電する。
18.ステップ16および17を100回繰り返す。
19.ステップ6に進み、ステップ6−18を一度繰り返すことで全部で225サイクルを行う。
同様の組成物を有するセルが組み立てられ、テストプロトコルに従ってテストされた。正極組成物が表2に提示され、セルのテスト結果は、図2に提供されている。
110 前方断面図
112 筐体
114 内側面
116 セパレータ
118 第1の面
120 第1の小室
122 第2の面
124 第2の小室
126 陽極集電器
128 正極集電器
130 正極組成物
132 垂直軸
200 グラフ
210 Y軸
212 X軸
214、216、218、220、222 曲線
Claims (21)
- チタン、バナジウム、ニオビウム、モリブデン、ニッケル、コバルト、クロム、マンガン、銀、アンチモン、カドミウム、スズ、鉛、鉄および亜鉛からなる群から選択された少なくとも1つの電気活性金属と、
正極組成物の重量に基づいて、およそ0.1重量パーセントからおよそ0.9重量パーセントの範囲内の量で存在するヨウ化ナトリウムと、
第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、
第2のアルカリ金属ハロゲン化物とハロゲン化アルミニウムの反応生成物を含み、およそ摂氏300℃未満の融点を有する電解質塩とを含む正極組成物であって、
前記第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、前記第2のアルカリ金属ハロゲン化物が別々に、塩素、臭素およびフッ素から選択されたハロゲン化物を含む正極組成物。 - 前記電気活性金属がニッケルである、請求項1記載の正極組成物。
- 前記第1および第2のアルカリ金属が、ナトリウム、カリウムおよびリチウムからなる群から別々に選択される、請求項1記載の正極組成物。
- 前記電気活性金属が、前記正極組成物の容量に基づいて、およそ11容量パーセントからおよそ19容量パーセントの範囲内で存在する、請求項1記載の正極組成物。
- 前記正極組成物に実質的に硫黄が存在しない、請求項1記載の正極組成物。
- 分子の硫黄または硫黄を含有する化合物の形態で硫黄をさらに含む、請求項1記載の正極組成物。
- 硫黄が、前記正極組成物の全重量に基づいて、およそ0.1重量パーセントからおよそ3重量パーセントの範囲内の量で存在する、請求項6記載の正極組成物。
- 前記ハロゲン化アルミニウム以外の形態で追加のアルミニウムをさらに含む、請求項1記載の正極組成物。
- 前記追加のアルミニウムが、前記正極組成物の容量に基づいて、およそ0.2容量パーセントからおよそ0.5容量パーセントの範囲内で存在する、請求項8記載の正極組成物。
- それ自体が、
チタン、バナジウム、ニオビウム、モリブデン、ニッケル、コバルト、クロム、マンガン、銀、アンチモン、カドミウム、スズ、鉛、鉄および亜鉛からなる群から選択された少なくとも1つの電気活性金属と、
正極組成物の重量に基づいて、およそ0.1重量パーセントからおよそ0.9重量パーセントの範囲内の量で存在するヨウ化ナトリウムと、
第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、
第2のアルカリ金属ハロゲン化物とハロゲン化アルミニウムの反応生成物を含み、およそ摂氏300℃未満の融点を有する電解質塩とを含む正極を備える製品であって、
前記第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、前記第2のアルカリ金属ハロゲン化物が別々に、塩素、臭素およびフッ素から選択されたハロゲン化物を含む製品。 - エネルギー貯蔵デバイスの形態の、請求項10記載の製品。
- 無停電電力供給デバイスの形態の、請求項10記載の製品。
- (a)アルカリ金属を含む第1の小室と、
(b)陽極集電器と、
(c)正極集電器と、
(d)正極組成物を含む第2の小室であって、前記正極組成物が、
チタン、バナジウム、ニオビウム、モリブデン、ニッケル、コバルト、クロム、マンガン、銀、アンチモン、カドミウム、スズ、鉛、鉄および亜鉛からなる群から選択された少なくとも1つの電気活性金属と、
前記正極組成物の重量に基づいて、およそ0.1重量パーセントからおよそ0.9重量パーセントの範囲内の量で存在するヨウ化ナトリウムと、
第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、
第2のアルカリ金属ハロゲン化物とハロゲン化アルミニウムの反応生成物を含み、およそ摂氏300℃未満の融点を有する電解質塩であって、前記第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、前記第2のアルカリ金属ハロゲン化物が別々に、塩素、臭素およびフッ素から選択されたハロゲン化物を含む電解質塩とを含む第2の小室と、
(e)前記第1の小室と、前記第2の小室の間でアルカリ金属イオンの輸送を行うことができる固体セパレータとを備えるエネルギー貯蔵デバイス。 - 前記デバイスが、複数のサイクルにわたって充電可能である、請求項13記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記固体セパレータが、ベータ−アルミナ、ベータ”−アルミナ、ガンマアルミナ、マイクロモレキュラシーブ、窒化ケイ素またはケイリン酸塩を含む、請求項13記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記固体セパレータが、平坦な、起伏が付けられた、ドーム状またはへこみが作られた形状を有する、あるいは楕円形、三角形、十字型、星型、円形、クローバー型、矩形、正方形または多葉断面である断面外形を有する形状を有する、請求項13記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 請求項13に記載の複数の充電式エネルギー貯蔵デバイスを備えるエネルギー蓄電池。
- それ自体が、
チタン、バナジウム、ニオビウム、モリブデン、ニッケル、コバルト、クロム、マンガン、銀、アンチモン、カドミウム、スズ、鉛、鉄および亜鉛からなる群から選択された少なくとも1つの電気活性金属と、
正極組成物の重量に基づいて、およそ0.1重量パーセントからおよそ0.9重量パーセントの範囲内の量で存在するヨウ化ナトリウムと、
第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、
第2のアルカリ金属ハロゲン化物とハロゲン化アルミニウムの反応生成物を含み、およそ摂氏300℃未満の融点を有する電解質塩とを含む正極を備える無停電電力供給デバイスであって、
前記第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、前記第2のアルカリ金属ハロゲン化物が別々に塩素、臭素およびフッ素から選択されたハロゲン化物を含む無停電電力供給デバイス。 - エネルギー貯蔵デバイスを形成するための方法であって、
ある容積を画定する内側面を有する筐体を設けるステップと、
前記筐体の中にセパレータを配置するステップであって、前記セパレータが、第1の小室の少なくとも一部を画定する第1の面と、第2の小室を画定する第2の面とを有し、前記第1の小室が、前記セパレータを介して前記第2の小室とイオン連通するステップと、
前記第2の小室の中に正極組成物を配置するステップとを含み、
前記正極組成物が、
チタン、バナジウム、ニオビウム、モリブデン、ニッケル、コバルト、クロム、マンガン、銀、アンチモン、カドミウム、スズ、鉛、鉄および亜鉛からなる群から選択された少なくとも1つの電気活性金属と、
前記正極組成物の重量に基づいて、およそ0.1重量パーセントからおよそ0.9重量パーセントの範囲内の量で存在するヨウ化ナトリウムと、
第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、
第2のアルカリ金属ハロゲン化物とハロゲン化アルミニウムの反応生成物を含み、およそ摂氏300℃未満の融点を有する電解質塩とを含んでおり、
前記第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、前記第2のアルカリ金属ハロゲン化物が別々に塩素、臭素およびフッ素から選択されたハロゲン化物を含む方法。 - 前記電気活性金属が、前記正極組成物の容量に基づいて、およそ11容量パーセントからおよそ19容量パーセントの範囲内で存在する、請求項19記載の方法。
- 前記正極組成物の容量に基づいて、およそ10容量パーセントからおよそ20容量パーセントの範囲内の量のニッケルと、
前記正極組成物の重量に基づいて、およそ0.1重量パーセントからおよそ0.9重量パーセントの範囲内の量で存在するヨウ化ナトリウムと、
塩化ナトリウム、フッ化ナトリウム、臭化ナトリウムおよびその組み合わせから選択された第1のアルカリ金属ハロゲン化物と、
(a)塩化ナトリウム、フッ化ナトリウム、臭化ナトリウムおよびその組み合わせから選択された第2のアルカリ金属ハロゲン化物と、
(b)ハロゲン化アルミニウムの反応生成物を含み、およそ摂氏300℃未満の融点を有する電解質塩とを含む正極組成物。
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