JP2014512638A - Metal-free aqueous electrolyte energy storage device - Google Patents

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Abstract

ハウジングとハウジング中の電気化学セルの積層体とを備える電気化学装置を提供する。各電気化学セルは、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置するセパレータと、電解質とを含む。電気化学装置は、隣接電気化学セル間に位置する集電子と、積層体中の電気化学セルのアノードに作用可能に接続されたアノードバスと、積層体中の電気化学セルのカソードに作用可能に接続されたカソードバスも備える。ハウジング、アノード電極、カソード電極、セパレータ、アノードバスおよびカソードバスは非金属である。  An electrochemical device comprising a housing and a stack of electrochemical cells in the housing is provided. Each electrochemical cell includes an anode electrode, a cathode electrode, a separator positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and an electrolyte. The electrochemical device can operate on a current collector located between adjacent electrochemical cells, an anode bus operatively connected to the anode of the electrochemical cell in the stack, and a cathode of the electrochemical cell in the stack. It also has a connected cathode bus. The housing, anode electrode, cathode electrode, separator, anode bus and cathode bus are non-metallic.

Description

本発明は、水系電池およびハイブリッドエネルギー貯蔵装置、特に水系電解質に接触した金属部品を含まない電気化学的貯蔵装置を対象とする。   The present invention is directed to aqueous batteries and hybrid energy storage devices, particularly electrochemical storage devices that do not include metal parts in contact with an aqueous electrolyte.

関連出願
本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、2011年3月9日に出願された米国特許出願第61/450,774号(特許文献1)および2011年3月9日に出願された米国特許出願第13/043,787号(特許文献2)の優先権の利益を主張するものである。
This application is related to US patent application Ser. No. 61 / 450,774 filed Mar. 9, 2011 and March 9, 2011, which is incorporated by reference herein in its entirety. It claims the benefit of the priority of US Patent Application No. 13 / 043,787 (Patent Document 2) filed on the day.

小規模再生可能エネルギーハーベスティングおよび発電技術(太陽電池パネル、風力タービン、マイクロスターリングエンジン、固体酸化物形燃料電池など)が普及し、それに比例して中規模二次(充電式)エネルギー貯蔵能力の必要性が高まっている。これらの定置用途向けの電池は、典型的には、(用途に応じて)1〜50kWhのエネルギーを貯蔵し、歴史的には鉛−酸(Pb酸)化学反応に基づく。複数列のディープサイクル鉛酸電池は、分散発電地点で組み立てられ、典型的な負荷サイクルに応じて1年〜10年持続することが知られている。これらの電池は、本願を支持するのに十分機能するが、環境を汚染する鉛および酸の乱用(Pb酸技術は米国単独で毎年100,000トンを超えるPbを環境中に放出する原因であると推定される)、中間充電状態で保持された場合、または常法に従って深い放電レベルにサイクルされた場合の重大な性能劣化、性能を維持するのに日常的な整備が必要なこと、および必要な再利用プログラムの実施を含めて、その使用に付随した幾つかの問題がある。自動車産業によって使用されるPb酸化学反応を切り替えようとする強い要望がある。残念ながら、代替の電池化学反応の経済性のために、これは現在極めて魅力に欠ける選択肢となっている。   Small-scale renewable energy harvesting and power generation technologies (solar panels, wind turbines, micro Stirling engines, solid oxide fuel cells, etc.) are prevalent, and in proportion to the medium-scale secondary (rechargeable) energy storage capacity There is a growing need. Batteries for these stationary applications typically store 1-50 kWh of energy (depending on the application) and are historically based on lead-acid (Pb acid) chemistry. Multi-row deep cycle lead acid batteries are known to be assembled at distributed power generation points and last for 1 to 10 years depending on typical duty cycles. These batteries work well to support this application, but lead and acid abuse that pollutes the environment (Pb acid technology is responsible for releasing more than 100,000 tons of Pb into the environment each year in the United States alone. Critical performance degradation when held in an intermediate charge state or cycled to deep discharge levels in accordance with conventional methods, routine maintenance is necessary and necessary to maintain performance There are several problems associated with its use, including the implementation of various reuse programs. There is a strong desire to switch the Pb acid chemical reaction used by the automotive industry. Unfortunately, this is currently a very unattractive option because of the economics of alternative battery chemistry.

電池技術における最近のあらゆる進歩にもかかわらず、Pb酸化学反応の安価でクリーンな代替物はまだない。これは、主に、Pb酸電池が他の化学反応よりも著しく安価であり($200/kWh)、現在は(Pb酸電池よりも本質的にかなり高価である)輸送用途向けの高エネルギーシステムの開発に焦点が絞られているためである。   Despite all recent advances in battery technology, there is still no cheap and clean alternative to Pb acid chemistry. This is primarily due to the fact that Pb acid batteries are significantly cheaper than other chemical reactions ($ 200 / kWh) and are now high energy systems for transportation applications (which are inherently much more expensive than Pb acid batteries). The focus is on the development of

米国特許出願第61/450,774号US Patent Application No. 61 / 450,774 米国特許出願第13/043,787号US Patent Application No. 13 / 043,787 米国特許出願第12/385,277号US patent application Ser. No. 12 / 385,277

一実施形態は、ハウジングと、ハウジング中の電気化学セルの積層体とを備える電気化学装置に関する。各電気化学セルは、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置するセパレータと、電解質とを含む。この装置は、隣接電気化学セル間に位置する集電子と、積層体中の電気化学セルのアノードに作用可能に接続されたアノードバスと、積層体中の電気化学セルのカソードに作用可能に接続されたカソードバスも含む。ハウジング、アノード電極、カソード電極、セパレータ、アノードバスおよびカソードバスは非金属である。本願明細書の文脈における「非金属」とは、純粋な金属や金属アロイでできていない導電性材料を意味する。非金属材料の例として、導電性金属酸化物または炭素が挙げられるが、それだけに限定されない。   One embodiment relates to an electrochemical device comprising a housing and a stack of electrochemical cells in the housing. Each electrochemical cell includes an anode electrode, a cathode electrode, a separator positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and an electrolyte. The device is operatively connected to a current collector located between adjacent electrochemical cells, an anode bus operatively connected to the anode of the electrochemical cell in the stack, and a cathode of the electrochemical cell in the stack. The cathode bus is also included. The housing, anode electrode, cathode electrode, separator, anode bus and cathode bus are non-metallic. “Nonmetallic” in the context of this application means a conductive material that is not made of pure metal or metal alloy. Examples of non-metallic materials include, but are not limited to, conductive metal oxides or carbon.

別の一実施形態は、電気化学装置を製造する方法に関する。この方法は、第1の非金属アノード電極を積み重ねること、第1の非金属セパレータを第1の非金属アノード電極上に積み重ねること、および第1の非金属カソード電極をセパレータ上に積み重ねることを含む。この方法は、第1の非金属アノード電極を非金属アノードバスに作用可能に接続することと、第1の非金属カソード電極を非金属カソードバスに作用可能に接続することも含む。   Another embodiment relates to a method of manufacturing an electrochemical device. The method includes stacking a first non-metallic anode electrode, stacking a first non-metallic separator on the first non-metallic anode electrode, and stacking a first non-metallic cathode electrode on the separator. . The method also includes operably connecting the first non-metallic anode electrode to the non-metallic anode bus and operably connecting the first non-metallic cathode electrode to the non-metallic cathode bus.

一実施形態は、ハウジングと、ハウジング中の電気化学セルの積層体とを備える電気化学装置に関する。各電気化学セルは、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置するセパレータと、電解質とを含む。この装置は、隣接電気化学セル間に交互に位置する複数の炭素カソードおよびアノード集電子と、複数の炭素カソードおよびアノード集電子に作用可能に接続された複数のタブも含み、複数のタブは電気バスに接続するように構成される。第1の電気化学セルのカソード電極は、第1のカソード集電子に電気的に接触する。第2の電気化学セルのカソード電極は、第1のカソード集電子に電気的に接触する。第2の電気化学セルは、積層体中の第1の電気化学セルの第1の側に隣接する。第1の電気化学セルのアノード電極は、第2のアノード集電子に電気的に接触する。第3の電気化学セルのアノード電極は、第2のアノード集電子に電気的に接触する。第3の電気化学セルは、積層体中の第1の電気化学セルの第2の側に隣接する。   One embodiment relates to an electrochemical device comprising a housing and a stack of electrochemical cells in the housing. Each electrochemical cell includes an anode electrode, a cathode electrode, a separator positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and an electrolyte. The apparatus also includes a plurality of carbon cathode and anode current collectors alternating between adjacent electrochemical cells and a plurality of tabs operatively connected to the plurality of carbon cathodes and anode current collectors, wherein the plurality of tabs are electrically Configured to connect to the bus. The cathode electrode of the first electrochemical cell is in electrical contact with the first cathode current collector. The cathode electrode of the second electrochemical cell is in electrical contact with the first cathode current collector. The second electrochemical cell is adjacent to the first side of the first electrochemical cell in the stack. The anode electrode of the first electrochemical cell is in electrical contact with the second anode current collector. The anode electrode of the third electrochemical cell is in electrical contact with the second anode current collector. The third electrochemical cell is adjacent to the second side of the first electrochemical cell in the stack.

別の一実施形態は、ハウジングと、ハウジング中の電気化学セルの積層体とを備える電気化学装置に関する。各電気化学セルは、圧縮粒状アノード電極と、圧縮粒状カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置するセパレータと、電解質とを含む。この装置は、隣接電気化学セル間に交互に位置する複数のカソード集電子とアノード集電子も備える。第1の電気化学セルのカソード電極は、第1のカソード集電子に電気的に接触する。第2の電気化学セルのカソード電極は、第1のカソード集電子に電気的に接触する。第2の電気化学セルは、積層体中の第1の電気化学セルの第1の側に隣接する。第1の電気化学セルのアノード電極は、第2のアノード集電子に電気的に接触する。第3の電気化学セルのアノード電極は、第2のアノード集電子に電気的に接触する。第3の電気化学セルは、積層体中の第1の電気化学セルの第2の側に隣接する。   Another embodiment relates to an electrochemical device comprising a housing and a stack of electrochemical cells in the housing. Each electrochemical cell includes a compressed granular anode electrode, a compressed granular cathode electrode, a separator positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and an electrolyte. The apparatus also includes a plurality of cathode current collectors and anode current collectors that are alternately positioned between adjacent electrochemical cells. The cathode electrode of the first electrochemical cell is in electrical contact with the first cathode current collector. The cathode electrode of the second electrochemical cell is in electrical contact with the first cathode current collector. The second electrochemical cell is adjacent to the first side of the first electrochemical cell in the stack. The anode electrode of the first electrochemical cell is in electrical contact with the second anode current collector. The anode electrode of the third electrochemical cell is in electrical contact with the second anode current collector. The third electrochemical cell is adjacent to the second side of the first electrochemical cell in the stack.

別の一実施形態は、ハウジングと、ハウジング中の並列された電気化学セルの複数の積層体とを備える電気化学装置に関する。各電気化学セルは、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置するセパレータと、電解質とを含む。この装置は、複数の積層体の各々において隣接電気化学セル間に位置する集電子も備える。少なくとも1個のセルのセパレータは、複数の積層体の少なくとも2個の間に連続的に延在するセパレータシートを含む。   Another embodiment relates to an electrochemical device comprising a housing and a plurality of stacks of side-by-side electrochemical cells in the housing. Each electrochemical cell includes an anode electrode, a cathode electrode, a separator positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and an electrolyte. The apparatus also includes a current collector located between adjacent electrochemical cells in each of the plurality of stacks. The separator of at least one cell includes a separator sheet that extends continuously between at least two of the plurality of laminates.

一実施形態は、ハウジングと、ハウジング中の電気化学セルの積層体とを備える電気化学装置に関する。各電気化学セルは、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置するセパレータと、電解質とを含む。この装置は、積層体中の隣接電気化学セル間に位置する黒鉛シートも備える。黒鉛シートは、隣接電気化学セルの集電子である。   One embodiment relates to an electrochemical device comprising a housing and a stack of electrochemical cells in the housing. Each electrochemical cell includes an anode electrode, a cathode electrode, a separator positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and an electrolyte. The apparatus also includes a graphite sheet located between adjacent electrochemical cells in the laminate. The graphite sheet is a current collector for adjacent electrochemical cells.

別の一実施形態は、アノード境界域によって分離された複数の別個のアノード電極部材を有するアノード電極と、カソード境界域によって分離された複数の別個のカソード電極部材を有するカソード電極とを備える電気化学セルに関する。この電気化学セルは、アノード電極とカソード電極との間に位置するセパレータと、電解質も含む。電解質は、セパレータ中並びにアノード電極およびカソード電極境界域に存在する。さらに、セパレータ全体にわたってアノード境界域の少なくとも50%は、それぞれのカソード境界域と列を成さない。   Another embodiment is an electrochemical comprising an anode electrode having a plurality of separate anode electrode members separated by an anode boundary region and a cathode electrode having a plurality of separate cathode electrode members separated by a cathode boundary region Regarding cells. The electrochemical cell also includes a separator positioned between the anode and cathode electrodes and an electrolyte. The electrolyte is present in the separator as well as in the boundary area of the anode and cathode electrodes. Furthermore, at least 50% of the anode boundary area across the separator does not line up with the respective cathode boundary area.

別の一実施形態は、電気化学セルの積層体を有する電気化学装置を製造する方法に関する。この方法は、積層電気化学セルを形成することと、電気化学セルの積層体の周囲に電気絶縁ポリマーを注ぎ、ポリマーを凝固させて固体絶縁シェルを形成するか、または前もって形成された固体絶縁シェルを電気化学セルの積層体の周囲に施すことを含む。   Another embodiment relates to a method of manufacturing an electrochemical device having a stack of electrochemical cells. This method consists of forming a stacked electrochemical cell and pouring an electrically insulating polymer around the stack of electrochemical cells and solidifying the polymer to form a solid insulating shell, or a previously formed solid insulating shell To the periphery of the stack of electrochemical cells.

別の一実施形態は、電気化学装置を製造する方法に関する。この方法は、アノード境界域によって分離された複数の別個のアノード電極部材を含むアノード電極を積み重ねることと、セパレータをアノード電極の上に積み重ねることと、カソード境界域によって分離された複数の別個のカソード電極部材を含むカソード電極をセパレータの上に積み重ねることとを含む。セパレータ全体にわたってアノード境界域の少なくとも50%は、それぞれのカソード境界域と列を成さず、複数のアノード電極部材および複数のカソード電極部材は行と列の配列で配置される。   Another embodiment relates to a method of manufacturing an electrochemical device. The method includes stacking an anode electrode including a plurality of separate anode electrode members separated by an anode boundary region, stacking a separator over the anode electrode, and a plurality of separate cathodes separated by a cathode boundary region. And stacking a cathode electrode including an electrode member on the separator. At least 50% of the anode boundary area throughout the separator does not form a column with each cathode boundary area, and the plurality of anode electrode members and the plurality of cathode electrode members are arranged in a row and column arrangement.

別の一実施形態は、二次ハイブリッド水系エネルギー貯蔵装置に関する。この装置は、ハウジングと、ハウジング中の電気化学セルの積層体とを備える。各電気化学セルは、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置するセパレータと、電解質とを含む。この装置は、隣接電気化学セル間に位置する黒鉛シートも備える。アノードおよびカソード電極は、0.05〜1cmの厚さである。   Another embodiment relates to a secondary hybrid aqueous energy storage device. The apparatus includes a housing and a stack of electrochemical cells in the housing. Each electrochemical cell includes an anode electrode, a cathode electrode, a separator positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and an electrolyte. The apparatus also includes a graphite sheet located between adjacent electrochemical cells. The anode and cathode electrodes are 0.05-1 cm thick.

一実施形態による電気化学セルの柱状積層体の略図である。1 is a schematic view of a columnar laminate of an electrochemical cell according to one embodiment. 一実施形態による挟まれた集電子の詳細の略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of the details of a sandwiched current collector according to one embodiment. 一実施形態による電気化学セルの複数の柱状積層体を有する電気化学装置の斜視図である。It is a perspective view of the electrochemical apparatus which has several columnar laminated bodies of the electrochemical cell by one Embodiment. 図3に示した実施形態の別の斜視図である。FIG. 4 is another perspective view of the embodiment shown in FIG. 3. 一実施形態による電気化学セルの単一柱状積層体を有する電気化学装置の斜視図である。It is a perspective view of the electrochemical apparatus which has the single columnar laminated body of the electrochemical cell by one Embodiment. 理解しやすいように電気化学セルが除去された図5の実施形態の斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of the embodiment of FIG. 5 with the electrochemical cell removed for ease of understanding. 図5に示した実施形態の一部の詳細を示す模式的側断面図である。It is a typical sectional side view which shows the detail of one part of embodiment shown in FIG. 一実施形態のセル電位対セル容量のプロットである。2 is a plot of cell potential versus cell capacity for one embodiment. 本発明の一実施形態による1個の電気化学セルの略図である。(電気化学セルは二極式または柱状積層配置で積み重ねることができる。)1 is a schematic representation of one electrochemical cell according to one embodiment of the present invention. (The electrochemical cells can be stacked in a bipolar or columnar stacked arrangement.) 一実施形態によるアノード電極が別個のアノード電極部材で構成され、カソード電極が別個のカソード電極部材で構成された、電気化学セルの断面図である。(電気化学セルは、二極式または柱状積層配置で積み重ねることができる。)1 is a cross-sectional view of an electrochemical cell in which an anode electrode according to an embodiment is configured with a separate anode electrode member and a cathode electrode is configured with a separate cathode electrode member. (The electrochemical cells can be stacked in a bipolar or columnar stacked arrangement.) 本発明の一実施形態による電気化学セルの二極式積層体を含む電気化学装置の略図である。1 is a schematic diagram of an electrochemical device including a bipolar stack of electrochemical cells according to one embodiment of the present invention. 30サイクルを超える充放電条件下でのセル電位対蓄積容量のプロットである。It is a plot of cell potential versus storage capacity under charge / discharge conditions over 30 cycles. サイクルの関数としてのセル充放電容量および効率のプロットである。Figure 2 is a plot of cell charge / discharge capacity and efficiency as a function of cycle.

本発明の実施形態は、後述する一次および二次電池、ハイブリッドエネルギー貯蔵システムなどの電気化学エネルギー貯蔵システムに関する。後述する二次ハイブリッド水系エネルギー貯蔵システムは本発明の好ましい実施形態ではあるが、本発明は、(例えば、Liイオン電池などを含めて、電解質からイオンをインターカレートするアノードおよびカソードを有する)水系および非水系電解質を含む電池、(例えば、アルカリイオンのインターカレーションではなく、電極(二重層)表面の陽イオンの可逆的非ファラデ反応および/または擬似容量によって電荷を貯蔵するキャパシタまたは擬似キャパシタアノードおよびカソード電極を有する、スーパーキャパシタおよびウルトラキャパシタとしても知られる)電解コンデンサなどの任意の適切な電気化学エネルギー貯蔵システムに適用することもできる。   Embodiments of the present invention relate to electrochemical energy storage systems such as primary and secondary batteries and hybrid energy storage systems described below. Although the secondary hybrid aqueous energy storage system described below is a preferred embodiment of the present invention, the present invention provides an aqueous system (eg, having an anode and a cathode that intercalates ions from an electrolyte, including Li-ion batteries, etc.). And a battery comprising a non-aqueous electrolyte (eg, a capacitor or pseudo-capacitor anode that stores charge by reversible non-Farade reaction of cations on the electrode (double layer) surface and / or pseudo-capacitance rather than alkali ion intercalation And any suitable electrochemical energy storage system, such as electrolytic capacitors (also known as supercapacitors and ultracapacitors) having a cathode electrode.

本発明の実施形態のハイブリッド電気化学エネルギー貯蔵システムは、二重層コンデンサ、または活性電極(例えば、カソード)に連結された擬似キャパシタ電極(例えば、アノード)を含む。これらのシステムにおいて、キャパシタまたは擬似キャパシタ電極は、電極(二重層)の表面のアルカリ陽イオンの可逆的非ファラデ反応および/または擬似容量によって電荷を貯蔵するが、活性電極は、遷移金属酸化物において電池に類似したアルカリ陽イオンをインターカレートおよびデインターカレートする可逆的ファラデ反応を起こす。   The hybrid electrochemical energy storage system of embodiments of the present invention includes a double layer capacitor, or a pseudo-capacitor electrode (eg, anode) coupled to an active electrode (eg, cathode). In these systems, the capacitor or pseudocapacitor electrode stores charge by the reversible non-Farade reaction and / or pseudocapacitance of alkali cations on the surface of the electrode (double layer), while the active electrode is in the transition metal oxide It causes a reversible Faraday reaction to intercalate and deintercalate alkaline cations similar to batteries.

Naを用いたシステムの一例は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、2009年4月3日に出願された米国特許出願第12/385,277号(特許文献3)に記載されている。このシステムは、スピネル構造LiMn24 電池電極、活性炭キャパシタ電極、および水系Na2 SO4 電解質を利用する。このシステムにおいて、負のアノード電極は、活性炭電極表面のNaイオンの可逆的非ファラデ反応によって電荷を貯蔵する。正のカソード電極は、スピネルラムダMnO2 におけるNaイオンインターカレーション/デインターカレーションの可逆的ファラデ反応を利用する。 An example of a system using Na is described in US patent application Ser. No. 12 / 385,277 filed Apr. 3, 2009, which is incorporated herein by reference in its entirety. Has been. This system utilizes a spinel structure LiMn 2 O 4 battery electrode, an activated carbon capacitor electrode, and an aqueous Na 2 SO 4 electrolyte. In this system, the negative anode electrode stores charge by a reversible non-Farade reaction of Na ions on the activated carbon electrode surface. The positive cathode electrode utilizes a reversible Faraday reaction of Na ion intercalation / deintercalation in spinel lambda MnO 2 .

別の一システムにおいて、カソード電極は、非インターカレーション(例えば、非アルカリイオンインターカレーション)MnO2 相を含むことができる。二酸化マンガンの非インターカレーション相の例として、電解二酸化マンガン(EMD)、アルファ相およびガンマ相が挙げられる。 In another system, the cathode electrode can include a non-intercalation (eg, non-alkali ion intercalation) MnO 2 phase. Examples of non-intercalation phases of manganese dioxide include electrolytic manganese dioxide (EMD), alpha phase and gamma phase.

図1は、一実施形態による電気化学セル102の柱状積層体100Pを示す。この実施形態において、柱状積層体100P中の電気化学セル102の各々は、アノード電極104、カソード電極106、およびアノード電極104とカソード電極106との間に位置するセパレータ108を含む。電気化学セル102は、アノード電極104とカソード電極106との間にある電解質(すなわち、セパレータおよび/または電極に浸透した電解質)も含む。柱状積層体100Pの電気化学セル102の各々は、枠112内に取り付けることができる(図9〜10参照)。さらに、柱状積層体100Pは、その代わり、またはそれに加えて、ハウジング116で包むことができる(図3〜6参照)。ハウジング116のさらなる特徴については、図3〜6に示した実施形態に関連してより詳細に後述する。電気化学セル102のさらなる実施形態を図9および10に示し、より詳細に以下に考察する。柱状積層体100Pは、隣接電気化学セル102間に交互に位置する複数の炭素カソードおよびアノード集電子110a、110cも含む。集電子は、膨張黒鉛、炭素繊維紙、または炭素材料で被覆された不活性基体などの任意の適切な形態の導電性炭素を含むことができる。好ましくは、集電子は、0.6g/cm3を超える密度の黒鉛を含む。 FIG. 1 shows a columnar laminate 100P of an electrochemical cell 102 according to one embodiment. In this embodiment, each of the electrochemical cells 102 in the columnar laminate 100P includes an anode electrode 104, a cathode electrode 106, and a separator 108 positioned between the anode electrode 104 and the cathode electrode 106. The electrochemical cell 102 also includes an electrolyte between the anode electrode 104 and the cathode electrode 106 (ie, an electrolyte that has penetrated the separator and / or electrode). Each of the electrochemical cells 102 of the columnar laminate 100P can be mounted in the frame 112 (see FIGS. 9 to 10). Furthermore, the columnar laminated body 100P can be enclosed in the housing 116 instead or in addition (see FIGS. 3 to 6). Additional features of the housing 116 are described in more detail below in connection with the embodiment shown in FIGS. Further embodiments of the electrochemical cell 102 are shown in FIGS. 9 and 10 and are discussed in more detail below. The columnar stacked body 100 </ b> P also includes a plurality of carbon cathodes and anode current collectors 110 a and 110 c that are alternately disposed between adjacent electrochemical cells 102. The current collector can include any suitable form of conductive carbon such as expanded graphite, carbon fiber paper, or an inert substrate coated with a carbon material. Preferably, the current collector comprises graphite having a density greater than 0.6 g / cm 3 .

一実施形態において、柱状積層体100Pは、複数の炭素カソードおよびアノード集電子110a、110cに作用可能に接続された複数の導電性接触部(例えば、タブ)120を含む。導電性接触部120は、炭素カソードおよびアノード集電子110a、110cの片側に取り付けることができる。あるいは、図2に示すように、導電性接触部120を2個の炭素集電子110aまたは110cの間に配置してサンドイッチ構造110sとすることができる。好ましくは、柱状積層体100Pは、2個の電気バス122a、122cも含む。1個の電気バス122aは柱状積層体100P中のアノード集電子110aに電気的に接続され、1個の電気バス122cは柱状積層体100P中のカソード集電子110cに接続される。一実施形態において、アノードおよびカソード集電子110a、110cから電気バス122a、122cまでの電気接続は、導電性接触部120を介する。このようにして、積層体100P中の電気化学セル102を電気的に並列接続することができる。   In one embodiment, the columnar laminate 100P includes a plurality of conductive contacts (eg, tabs) 120 operatively connected to a plurality of carbon cathode and anode current collectors 110a, 110c. The conductive contact 120 can be attached to one side of the carbon cathode and anode current collectors 110a, 110c. Alternatively, as shown in FIG. 2, the conductive contact portion 120 can be disposed between two carbon current collectors 110a or 110c to form a sandwich structure 110s. Preferably, the columnar stacked body 100P also includes two electric buses 122a and 122c. One electric bus 122a is electrically connected to the anode current collector 110a in the columnar stacked body 100P, and one electric bus 122c is connected to the cathode current collector 110c in the columnar stacked body 100P. In one embodiment, the electrical connection from the anode and cathode current collectors 110a, 110c to the electrical buses 122a, 122c is via the conductive contacts 120. In this way, the electrochemical cells 102 in the stacked body 100P can be electrically connected in parallel.

一実施形態において、正のカソードバス122cは、積層体100P中の電気化学セル102のカソード電極106を積層体の正の電気出力に電気的に並列接続し、負のアノードバス122aは、積層体100P中の電気化学セル102のアノード電極104を積層体100Pの負の電気出力に電気的に並列接続する。   In one embodiment, positive cathode bus 122c electrically connects cathode electrode 106 of electrochemical cell 102 in stack 100P to the positive electrical output of the stack, and negative anode bus 122a is stacked. The anode electrode 104 of the electrochemical cell 102 in 100P is electrically connected in parallel to the negative electrical output of the laminate 100P.

柱状積層体100Pにおいて、カソード集電子110cは、隣接電気化学セル102間に位置することができる。すなわち、電気化学セル102の複数のペアは「表と表(front-to-front)」および「裏と裏(back-to-back)」の構成である。一例として、第1の電気化学セル102が積層体100Pの中央にある柱状積層体100Pを考える。第1のペアのセル102において、第1のカソード集電子110cは、第1の電気化学セル102のカソード電極106が第1のカソード集電子110cに電気的に接触し、第2の電気化学セル102のカソード電極106も第1のカソード集電子110cに電気的に接触するように位置する。第2の電気化学セル102は、柱状積層体100P中の第1の電気化学セルの第1の(カソード)側に隣接する。   In the columnar stacked body 100 </ b> P, the cathode current collector 110 c can be positioned between adjacent electrochemical cells 102. That is, the plurality of pairs of electrochemical cells 102 are “front-to-front” and “back-to-back” configurations. As an example, consider a columnar laminate 100P in which the first electrochemical cell 102 is in the center of the laminate 100P. In the first pair of cells 102, the first cathode current collector 110c has a second electrochemical cell in which the cathode electrode 106 of the first electrochemical cell 102 is in electrical contact with the first cathode current collector 110c. The cathode electrode 106 of 102 is also positioned so as to be in electrical contact with the first cathode current collector 110c. The second electrochemical cell 102 is adjacent to the first (cathode) side of the first electrochemical cell in the columnar stacked body 100P.

第3の電気化学セル102は、柱状積層体100P中の第1の電気化学セル102の第2の(アノード)側に隣接する。第1の電気化学セル102のアノード電極104は、第1のアノード集電子110aに電気的に接触し、第3の電気化学セル102のアノード電極104も第1のアノード集電子110aに電気的に接触する。積み重ねは、このようにして連続することができる。したがって、生成した柱状積層体100Pは、隣接アノード電極104と隣接カソード電極106が交互に表と表および裏と裏のペアで積み重ねられた複数の電気化学セル102を含むことができる。   The third electrochemical cell 102 is adjacent to the second (anode) side of the first electrochemical cell 102 in the columnar stacked body 100P. The anode electrode 104 of the first electrochemical cell 102 is in electrical contact with the first anode current collector 110a, and the anode electrode 104 of the third electrochemical cell 102 is also electrically connected to the first anode current collector 110a. Contact. The stack can be continued in this way. Therefore, the produced columnar laminate 100P can include a plurality of electrochemical cells 102 in which adjacent anode electrodes 104 and adjacent cathode electrodes 106 are alternately stacked in a front-and-front and back-and-back pair.

柱状積層体100Pは、軸方向に記述することができる。図1に示した積層体100Pの場合、軸方向はバス122a、122cに平行である。積層体100P中の電気化学セル102は、積層体100Pの軸に沿って軸方向に積み重ねられる。積層体中の奇数または偶数番の電気化学セル102の各々は、積層体100Pの軸の第1の端部に面したカソード電極106、および積層体100Pの軸の反対側の第2の端部に面したアノード電極104を有する。積層体100P中の偶数または奇数番の電気化学セル102の他方の各々は、積層体100Pの軸の第2の端部に面したカソード電極106、および積層体100Pの軸の反対側の第1の端部に面したアノード電極104を有する。   The columnar stacked body 100P can be described in the axial direction. In the case of the stacked body 100P shown in FIG. 1, the axial direction is parallel to the buses 122a and 122c. The electrochemical cells 102 in the stacked body 100P are stacked in the axial direction along the axis of the stacked body 100P. Each of the odd or even numbered electrochemical cells 102 in the stack includes a cathode electrode 106 facing the first end of the axis of the stack 100P and a second end opposite the axis of the stack 100P. An anode electrode 104 facing the surface. The other of the even-numbered or odd-numbered electrochemical cells 102 in the stacked body 100P includes a cathode electrode 106 facing the second end of the axis of the stacked body 100P, and a first electrode on the opposite side of the axis of the stacked body 100P. And an anode electrode 104 facing the end portion.

一実施形態において、柱状積層体100Pは、アノード電極104および/またはカソード電極106が圧縮粒状ペレットでできた電気化学セル102を含む。アノード電極104およびカソード電極106は、0.05〜1cmの厚さとすることができる。あるいは、アノード電極104およびカソード電極106は0.05〜0.15cmの厚さである。圧縮粒状ペレット間の境界域は、より詳細に後述するように、電解質の貯蔵部とすることができる。   In one embodiment, the columnar laminate 100P includes an electrochemical cell 102 in which the anode electrode 104 and / or the cathode electrode 106 are made of compressed granular pellets. The anode electrode 104 and the cathode electrode 106 can be 0.05-1 cm thick. Alternatively, the anode electrode 104 and the cathode electrode 106 are 0.05 to 0.15 cm thick. The boundary area between the compressed granular pellets can be an electrolyte reservoir, as described in more detail below.

一実施形態において、電気化学セル102は二次ハイブリッド水系エネルギー貯蔵装置である。一実施形態において、作動中のカソード電極106はアルカリ金属陽イオンを可逆的にインターカレートする。アノード電極104は、アノード電極104表面のアルカリ金属陽イオンの可逆的非ファラデ反応によって電荷を貯蔵する容量性電極、またはアノード電極104表面のアルカリ金属陽イオンと部分的電荷移動表面相互作用を起こす擬似容量性電極を含むことができる。一実施形態において、アノードは、標準水素電極(NHE)に対して−1.3V未満の電気化学的に安定な擬似容量性または電気化学二重層容量性材料である。一実施形態において、カソード電極106は、ドープもしくは非ドープ立方晶スピネルλMnO2 形材料またはNaMn918トンネル構造斜方晶材料を含むことができ、アノード電極104は活性炭を含むことができる。あるいは、カソード電極は、電解二酸化マンガン(EMD)、アルファまたはガンマ相などの非インターカレーションMnO2 相を含むことができる。 In one embodiment, electrochemical cell 102 is a secondary hybrid aqueous energy storage device. In one embodiment, the active cathode electrode 106 reversibly intercalates alkali metal cations. The anode electrode 104 is a capacitive electrode that stores charge by a reversible non-Farade reaction of alkali metal cations on the surface of the anode electrode 104, or a pseudo-charge that causes partial charge transfer surface interaction with the alkali metal cation on the surface of the anode electrode 104. Capacitive electrodes can be included. In one embodiment, the anode is an electrochemically stable pseudocapacitive or electrochemical double layer capacitive material of less than -1.3 V relative to a standard hydrogen electrode (NHE). In one embodiment, the cathode electrode 106 can comprise a doped or undoped cubic spinel λ MnO 2 type material or a NaMn 9 O 18 tunnel orthorhombic material and the anode electrode 104 can comprise activated carbon. Alternatively, the cathode electrode can include a non-intercalated MnO 2 phase such as electrolytic manganese dioxide (EMD), alpha or gamma phase.

本発明の別の一実施形態を図3および4に示す。この実施形態において、電気化学装置300は、2×4配列の電気化学セル102の8個の積層体100Pを含む。しかし、任意の数の積層体100Pを含むことができる。例えば、電気化学装置300は、1×2配列の2個の積層体100P、1×3配列の3個の積層体100P、3×4配列の12個の積層体100P、または5×5配列の25個の積層体100Pを含むことができる。積層体100Pの正確な数は、最終使用者の要望または電力需要に従って選択することができる。   Another embodiment of the present invention is shown in FIGS. In this embodiment, the electrochemical device 300 includes eight stacks 100P of electrochemical cells 102 in a 2 × 4 array. However, any number of stacked bodies 100P can be included. For example, the electrochemical device 300 includes two stacks 100P in a 1 × 2 array, three stacks 100P in a 1 × 3 array, twelve stacks 100P in a 3 × 4 array, or a 5 × 5 array. Twenty-five stacked bodies 100P can be included. The exact number of stacks 100P can be selected according to the end user's desire or power demand.

電気化学装置300は、好ましくは、ハウジング116を含む。この実施形態において、ハウジング116は、基部116bおよび複数の側壁部材116aを含む。一実施形態において、複数の積層体100Pの各々における電気化学セル102のアノード電極104およびカソード電極106は、その縁部に沿って露出するが、ハウジング116によって拘束される。好ましくは、ハウジング116は、各積層体100P全体を加圧し、それによって電気化学装置300の積層体100Pを安定させる。別の一実施形態において、複数の積層体100Pの各々における電気化学セル102のアノード電極104およびカソード電極106は、部分的または完全に覆われ、その縁部に沿って拘束される。これは、例えば、図9に示すように、各セル102のアノード電極104およびカソード電極106を枠112に取り付けることによって成すことができる。別のハウジング構造を使用することもできる。例えば、ハウジング116は、基部116b、およびガラス鐘に類似した単一の一体型側壁部材116aを含むことができる。   Electrochemical device 300 preferably includes a housing 116. In this embodiment, the housing 116 includes a base 116b and a plurality of sidewall members 116a. In one embodiment, the anode electrode 104 and cathode electrode 106 of the electrochemical cell 102 in each of the plurality of stacks 100P are exposed along their edges but are constrained by the housing 116. Preferably, the housing 116 pressurizes the entire laminate 100P, thereby stabilizing the laminate 100P of the electrochemical device 300. In another embodiment, the anode electrode 104 and the cathode electrode 106 of the electrochemical cell 102 in each of the plurality of stacks 100P are partially or completely covered and constrained along their edges. This can be achieved, for example, by attaching the anode electrode 104 and the cathode electrode 106 of each cell 102 to a frame 112 as shown in FIG. Other housing structures can be used. For example, the housing 116 can include a base 116b and a single integral sidewall member 116a similar to a glass bell.

この実施形態において、少なくとも1個の電気化学セル102のセパレータ108および/またはアノード集電子110aおよび/またはカソード集電子110cは、複数の積層体100Pの少なくとも2個の間に連続的に延在する。好ましくは、セパレータ108、アノード集電子110aおよびカソード集電子110cは、電気化学装置300中の積層体100Pのすべての間に連続的に延在する。このようにして、電気化学装置300を容易かつ安価に製作することができる。しかし、セルの積層体100P中の各セル102のカソード電極106およびアノード電極104は、積層体100Pの別の1個の中の別のセル102に連続的に延在しないことが好ましい。一実施形態において、隣接積層体100Pの電極104、106間の空間は、電解質貯蔵部を含む。   In this embodiment, the separator 108 and / or the anode current collector 110a and / or the cathode current collector 110c of the at least one electrochemical cell 102 continuously extend between at least two of the plurality of stacked bodies 100P. . Preferably, the separator 108, the anode current collector 110a, and the cathode current collector 110c extend continuously between all the stacked bodies 100P in the electrochemical device 300. In this way, the electrochemical device 300 can be manufactured easily and inexpensively. However, the cathode electrode 106 and the anode electrode 104 of each cell 102 in the cell stack 100P preferably do not extend continuously to another cell 102 in another one of the stack 100P. In one embodiment, the space between the electrodes 104, 106 of the adjacent stack 100P includes an electrolyte storage part.

一実施形態において、電気化学装置300は、さらに、複数の積層体のすべての正の出力に電気的に接続する複合化された正のバスと第1の端板122c、および複数の積層体100Pのすべての負の出力に電気的に接続する複合化された負のバスと第2の端板122aを含む。さらに、基部116bは、電気化学装置300を負荷装置に素早く容易に取り付けることができる外部電気接触部124を備えることができる。   In one embodiment, electrochemical device 300 further includes a composite positive bus and first end plate 122c that electrically connects to all positive outputs of the plurality of stacks, and a plurality of stacks 100P. A composite negative bus and a second end plate 122a that are electrically connected to all of the negative outputs. Further, the base 116b can include an external electrical contact 124 that can quickly and easily attach the electrochemical device 300 to the load device.

一実施形態において、電気化学装置300は、前述したハイブリッド電気化学装置である。好ましくは、この実施形態において、電気化学セル102の積層体100Pの電気化学セル102すべてがハイブリッド電気化学セルである。前に考察した実施形態と同様に、ハイブリッド電気化学セル102は、ドープもしくは非ドープ立方晶スピネルλMnO2 形材料またはNaMn918トンネル構造斜方晶材料を含むカソード電極106、および活性炭を含むアノード電極104を含むことができ、電解質は、ナトリウムイオンを含む水系電解質を含む。以下で考察するように、別のカソードおよびアノード材料を使用することができる。この装置は、別の一実施形態において、LiイオンまたはNaイオン電池などの二次電池を含むことができる。 In one embodiment, the electrochemical device 300 is the hybrid electrochemical device described above. Preferably, in this embodiment, all the electrochemical cells 102 of the stack 100P of the electrochemical cells 102 are hybrid electrochemical cells. Similar to the previously discussed embodiment, the hybrid electrochemical cell 102 comprises a cathode electrode 106 comprising doped or undoped cubic spinel λ MnO 2 type material or NaMn 9 O 18 tunnel structure orthorhombic material, and an anode comprising activated carbon. The electrode 104 can be included, and the electrolyte includes an aqueous electrolyte including sodium ions. As discussed below, alternative cathode and anode materials can be used. In another embodiment, the device can include a secondary battery such as a Li-ion or Na-ion battery.

本発明の別の一実施形態を図5および6に示す。この実施形態において、示した電気化学装置500は、電気化学セル102の単一柱状積層体100Pを含む。1個を超える積層体を使用することができる。電気化学セル102の単一柱状積層体100Pはハウジング116内にある。電気化学装置500は、アノードバス122aおよびカソードバス122cを含む。柱状積層体100P中の電気化学セル102中のアノード104の各々は、アノード集電子110aを介してアノードバス122aに電気的に接続される。この実施形態において、アノード104は並列接続される。同様に、柱状積層体100P中の電気化学セル102中のカソード106の各々は、カソードバス122cにカソード集電子110cを介して電気的に接続される。この実施形態において、カソード106は並列接続される。好ましくは、アノード集電子110aおよびカソード集電子110cは、それぞれのアノードバス122aおよびカソードバス122cに導電性タブ120によって接続される。集電子110a、110cは、加圧/摩擦フィッティング、導電性の電気化学的に不活性な硬化塗料、または導電性の電気化学的に不活性な硬化エポキシによってそれぞれのタブ120および/またはアノードおよびカソードバス122a、122cに作用可能に接続することができる。電気化学装置500は、電気化学装置500から外部装置または回路に電気を供給するために外部電気接触部124も備える。一実施形態において、外部電気接触部124は、アノードバス122aおよびカソードバス122cの上に位置する。あるいは、接触部は、バスの底部または側部に位置することができる。接触部は、装置の同じ側に位置することも異なる側に位置することもできる。   Another embodiment of the present invention is shown in FIGS. In this embodiment, the illustrated electrochemical device 500 includes a single columnar stack 100P of electrochemical cells 102. More than one laminate can be used. A single columnar stack 100 </ b> P of the electrochemical cell 102 is in the housing 116. The electrochemical device 500 includes an anode bus 122a and a cathode bus 122c. Each of the anodes 104 in the electrochemical cell 102 in the columnar stacked body 100P is electrically connected to the anode bus 122a via the anode current collector 110a. In this embodiment, the anodes 104 are connected in parallel. Similarly, each of the cathodes 106 in the electrochemical cell 102 in the columnar stacked body 100P is electrically connected to the cathode bus 122c via the cathode current collector 110c. In this embodiment, the cathodes 106 are connected in parallel. Preferably, anode current collector 110a and cathode current collector 110c are connected to respective anode bus 122a and cathode bus 122c by conductive tab 120. Current collectors 110a, 110c may be connected to respective tabs 120 and / or anodes and cathodes by pressure / friction fittings, conductive electrochemically inert cured coatings, or conductive electrochemically inert cured epoxies. It can be operatively connected to the buses 122a, 122c. The electrochemical device 500 also includes an external electrical contact 124 for supplying electricity from the electrochemical device 500 to an external device or circuit. In one embodiment, the external electrical contact 124 is located on the anode bus 122a and the cathode bus 122c. Alternatively, the contact can be located at the bottom or side of the bus. The contacts can be located on the same side of the device or on different sides.

一実施形態において、典型的には電解質と接触する電気化学装置500の部品のすべて(すなわち、アノード104、カソード106、セパレータ108、集電子110、バス122、タブ120およびハウジング116)が非金属材料でできている。一実施形態において、集電子110、バス122およびタブ120を任意の適切な導電性形態の炭素で作製することができる。バスおよびタブを黒鉛、炭素繊維または炭素系導電性複合体(例えば、炭素繊維または充填剤材料を含むポリマーマトリックス)で作製することができる。ハウジング116は、それだけに限定されないが、電気化学的に不活性な電気絶縁ポリマーで作製することができる。このようにして、電気化学装置500は耐腐食性である。バス122が電解質に接触しない場合には(すなわち、タブが封止材料を通って外部バスに延在する場合には)、バスを金属で作製することができる。外部電気接触部124は、金属材料で作製することができる。図7に示す実施形態において、バス122は、バス122の上部、電気化学セル102の柱状積層体100Pの上部および接触部124の間に位置する気密封止材114で包囲される。封止材は、ポリベース(poly-based)のエポキシ、接着剤、充填材(calk)または溶融封止(melt sealed) ポリマーなどの電解質および酸素を通さないポリマーまたはエポキシ材料を含むことができる。バス122は、ハンダ付け、ボルト、クランプ、および/または封止材料によってもたらされる圧力によって、接触部124に接続することができる。このようにして、外部電気接触部124を電解質から絶縁し、それによって外部電気接触部124を銅などの金属材料で作製することができる。このように、金属接触部または相互接続部124のみがハウジング116の封止材114領域から突出する。   In one embodiment, all of the components of electrochemical device 500 that typically contact the electrolyte (ie, anode 104, cathode 106, separator 108, current collector 110, bus 122, tab 120, and housing 116) are non-metallic materials. Made of. In one embodiment, current collector 110, bus 122, and tab 120 can be made of any suitable conductive form of carbon. Buses and tabs can be made of graphite, carbon fiber, or carbon-based conductive composites (eg, a polymer matrix containing carbon fiber or filler material). The housing 116 can be made of, but not limited to, an electrochemically inert electrically insulating polymer. In this way, the electrochemical device 500 is corrosion resistant. If the bus 122 does not contact the electrolyte (ie, if the tab extends through the sealing material to the external bus), the bus can be made of metal. The external electrical contact portion 124 can be made of a metal material. In the embodiment shown in FIG. 7, the bus 122 is surrounded by an airtight sealant 114 located between the upper portion of the bus 122, the upper portion of the columnar stacked body 100 </ b> P of the electrochemical cell 102, and the contact portion 124. The encapsulant can include an electrolyte and an oxygen impermeable polymer or epoxy material, such as a poly-based epoxy, an adhesive, a calk or a melt sealed polymer. The bus 122 can be connected to the contact 124 by pressure provided by soldering, bolts, clamps, and / or sealing materials. In this way, the external electrical contact 124 can be insulated from the electrolyte, thereby making the external electrical contact 124 of a metal material such as copper. Thus, only the metal contact or interconnect 124 protrudes from the sealant 114 region of the housing 116.

図8は、電気化学装置500の一実施形態のセル電位対セル容量のプロットである。プロットに見られるように、0.5V以下の電圧で1,200mAh超などの高セル容量を得ることができる。   FIG. 8 is a plot of cell potential versus cell capacity for one embodiment of an electrochemical device 500. As can be seen in the plot, a high cell capacity such as over 1,200 mAh can be obtained at a voltage of 0.5 V or less.

図9は、電気化学セル102の一実施形態を示す。電気化学セル102は、アノード電極104、カソード電極106、およびアノード電極104とカソード電極106との間のセパレータ108を含む。電気化学セル102は、アノード電極104とカソード電極106との間にある電解質も含む。一実施形態において、セパレータ108は、電解質が細孔中に存在する多孔質とすることができる。電解質は水系でも非水系でもよい。電気化学セル102は、電気化学セル102の集電子として働く黒鉛シート110を含むこともできる。好ましくは、黒鉛シート110は高密度化されている。一実施形態において、黒鉛シート110の密度は0.6g/cm3 を超える。黒鉛シート110は、例えば、膨張黒鉛で作製することができる。一実施形態において、黒鉛シート110は、1層以上の箔層を含むことができる。アノード電極104、カソード電極106、セパレータ108および電解質の適切な材料を以下でより詳細に考察する。 FIG. 9 illustrates one embodiment of the electrochemical cell 102. The electrochemical cell 102 includes an anode electrode 104, a cathode electrode 106, and a separator 108 between the anode electrode 104 and the cathode electrode 106. The electrochemical cell 102 also includes an electrolyte between the anode electrode 104 and the cathode electrode 106. In one embodiment, separator 108 can be porous with electrolyte present in the pores. The electrolyte may be aqueous or non-aqueous. The electrochemical cell 102 can also include a graphite sheet 110 that serves as a current collector for the electrochemical cell 102. Preferably, the graphite sheet 110 is densified. In one embodiment, the density of the graphite sheet 110 is greater than 0.6 g / cm 3 . The graphite sheet 110 can be made of expanded graphite, for example. In one embodiment, the graphite sheet 110 can include one or more foil layers. Suitable materials for the anode electrode 104, cathode electrode 106, separator 108, and electrolyte are discussed in more detail below.

アノード電極104、カソード電極106、セパレータ108および黒鉛シート集電子110は、個々のセルを封止する枠112内に取り付けることができる。枠112は、好ましくは、電気絶縁材料、例えば、電気絶縁プラスチックまたはエポキシでできている。枠112は、前もって形成された輪、注入エポキシ、またはその2つの組み合わせで作製することができる。一実施形態において、枠112は、別個のアノード枠とカソード枠を含むことができる。一実施形態において、黒鉛シート集電子110は、枠112と一緒に封止材114として働くように構成することができる。すなわち、黒鉛シート集電子110は、枠112内の凹所に延在して、封止材114として働くことができる。この実施形態において、封止材114は、電解質が1個の電気化学セル102から隣接電気化学セル102に流れるのを防止する。別の実施形態において、黒鉛シート集電子が封止材として機能しないように、ワッシャ、ガスケットなどの別の封止材114を提供することができる。   The anode electrode 104, the cathode electrode 106, the separator 108, and the graphite sheet current collector 110 can be mounted in a frame 112 that seals individual cells. The frame 112 is preferably made of an electrically insulating material, such as an electrically insulating plastic or epoxy. The frame 112 can be made of a preformed ring, an injection epoxy, or a combination of the two. In one embodiment, the frame 112 can include separate anode and cathode frames. In one embodiment, the graphite sheet current collector 110 can be configured to act as a sealant 114 along with the frame 112. That is, the graphite sheet current collector 110 can extend as a recess in the frame 112 and serve as the sealing material 114. In this embodiment, the sealant 114 prevents electrolyte from flowing from one electrochemical cell 102 to the adjacent electrochemical cell 102. In another embodiment, another encapsulant 114 such as a washer, gasket, etc. can be provided to prevent the graphite sheet current collector from functioning as an encapsulant.

一実施形態において、電気化学セルはハイブリッド電気化学セルである。すなわち、作動中のカソード電極106は、アルカリ金属陽イオンを可逆的にインターカレートし、アノード電極104は、(1)アノード電極表面のアルカリ金属陽イオンの可逆的非ファラデ反応、または(2)アノード電極表面のアルカリ金属陽イオンと部分的電荷移動表面相互作用を起こす擬似容量性電極によって、電荷を貯蔵する容量性電極を含む。   In one embodiment, the electrochemical cell is a hybrid electrochemical cell. That is, the cathode electrode 106 in operation reversibly intercalates alkali metal cations, and the anode electrode 104 (1) reversible non-Farade reaction of alkali metal cations on the anode electrode surface, or (2) It includes a capacitive electrode that stores charge by a pseudocapacitive electrode that undergoes partial charge transfer surface interaction with the alkali metal cation on the surface of the anode electrode.

図11は、別の一実施形態による電気化学セル102の二極式積層体100Bを示す。別個のアノード側およびカソード側集電子を含む従来の電気化学セル積層体とは対照的に、二極式積層体100Bは、単一の黒鉛シート集電子110が1個の電気化学セル102のカソード電極106と隣接電気化学セル102のアノード電極104との間に位置した状態で作動する。したがって、二極式積層体100Bは、従来の電気化学セル積層体の半数の集電子しか使用しない。   FIG. 11 shows a bipolar stack 100B of an electrochemical cell 102 according to another embodiment. In contrast to conventional electrochemical cell stacks that include separate anode-side and cathode-side current collectors, the bipolar stack 100B has a single graphite sheet current collector 110 cathode of one electrochemical cell 102. It operates in a state where it is located between the electrode 106 and the anode electrode 104 of the adjacent electrochemical cell 102. Therefore, the bipolar laminate 100B uses only half the current collector of the conventional electrochemical cell laminate.

一実施形態において、二極式積層体100Bは、外部ハウジング116に包まれ、二極式積層体100Bの上部および下部に導電性ヘッダ118を備える。ヘッダ118は、好ましくは、アルミニウム、ニッケル、チタンおよびステンレス鋼を含むが、それだけに限定されない耐食性集電子金属を含む。好ましくは、二極式積層体100Bを組み立てるときには圧力がかけられる。圧力は、電解質の漏出を防止する良好な封止をもたらすのに役立つ。   In one embodiment, the bipolar laminate 100B is encased in an outer housing 116 and includes conductive headers 118 on the top and bottom of the bipolar laminate 100B. The header 118 preferably includes a corrosion-resistant current collecting metal including but not limited to aluminum, nickel, titanium and stainless steel. Preferably, pressure is applied when assembling the bipolar laminate 100B. The pressure helps to provide a good seal that prevents electrolyte leakage.

一実施形態において、電気化学セル102は二次ハイブリッド水系エネルギー貯蔵装置である。この実施形態において、アノード電極104およびカソード電極106は、0.05〜0.15cmの厚さなどの0.05〜1cmの厚さとすることができる。   In one embodiment, electrochemical cell 102 is a secondary hybrid aqueous energy storage device. In this embodiment, the anode electrode 104 and the cathode electrode 106 can be 0.05-1 cm thick, such as 0.05-0.15 cm thick.

図10は、本発明の別の一実施形態を示す。この実施形態において、アノード電極104は、アノード境界域104bによって分離された別個のアノード電極部材104aを含むことができる。さらに、カソード電極106は、カソード境界域106bによって分離された別個のカソード電極部材106aを含むことができる。示したように、アノード電極104は2個の別個のアノード電極部材104aを含み、カソード電極106は3個の別個のカソード電極部材106aを含む。しかし、これは単なる例示にすぎない。アノード電極104およびカソード電極106は、それぞれ任意の数の別個のアノード電極部材104aおよび別個のカソード電極部材106aを含むことができる。さらに、一実施形態において、アノード境界域104bおよびカソード境界域106bは、電解質で満たされた空隙を含むことができる。   FIG. 10 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, the anode electrode 104 can include separate anode electrode members 104a separated by an anode boundary region 104b. Further, the cathode electrode 106 can include separate cathode electrode members 106a separated by a cathode boundary region 106b. As shown, the anode electrode 104 includes two separate anode electrode members 104a and the cathode electrode 106 includes three separate cathode electrode members 106a. However, this is merely an example. The anode electrode 104 and the cathode electrode 106 can each include any number of separate anode electrode members 104a and separate cathode electrode members 106a. Further, in one embodiment, the anode boundary region 104b and the cathode boundary region 106b can include voids filled with electrolyte.

さらに、図10は、一次元の断面を示すにすぎない。直交方向の断面図にも、別個のアノード電極部材104aおよび別個のカソード電極部材106aを有するアノード電極104およびカソード電極106を示すことができる。すなわち、アノード電極104およびカソード電極106は、2次元市松模様を構成することができる。換言すれば、別個のアノード電極部材104aと別個のカソード電極部材106aを行と列の配列で配置することができる。個々のアノード電極部材104aおよび個々のカソード電極部材106aは、例えば、正方形または矩形とすることができる。一実施形態において、本願の発明者は、アノード電極104およびカソード電極106に異なる数の別個のアノード電極部材104aと別個のカソード電極部材106aを設けると、電気化学セル102の構造上の完全性が改善することを見いだした。この実施形態において、アノードの行と列は、カソードの行と列からずれている。一実施形態において、セパレータ108全体にわたって、アノード境界域104bの75〜95%を含めて、50〜100%など少なくとも50%は、それぞれのカソード境界域106bと列を成さない。あるいは、アノード電極104およびカソード電極106は、別個のカソード電極部材106aと同数の別個のアノード電極部材104aを含むことができる。別の一実施形態において、アノード電極104またはカソード電極106は単一の一体型シートを含むことができ、他方の電極は市松模様の別個の部材を含む。   Furthermore, FIG. 10 only shows a one-dimensional cross section. The cross-sectional view in the orthogonal direction can also show the anode electrode 104 and the cathode electrode 106 having a separate anode electrode member 104a and a separate cathode electrode member 106a. That is, the anode electrode 104 and the cathode electrode 106 can constitute a two-dimensional checkered pattern. In other words, separate anode electrode members 104a and separate cathode electrode members 106a can be arranged in a row and column arrangement. The individual anode electrode members 104a and the individual cathode electrode members 106a can be, for example, square or rectangular. In one embodiment, the inventor of the present application provides structural integrity of the electrochemical cell 102 when the anode electrode 104 and the cathode electrode 106 are provided with a different number of separate anode electrode members 104a and cathode electrode members 106a. I found it to improve. In this embodiment, the anode rows and columns are offset from the cathode rows and columns. In one embodiment, at least 50%, such as 50-100%, including 75-95% of the anode boundary area 104b throughout the separator 108 does not line up with the respective cathode boundary area 106b. Alternatively, the anode electrode 104 and the cathode electrode 106 can include as many separate anode electrode members 104a as there are separate cathode electrode members 106a. In another embodiment, the anode electrode 104 or the cathode electrode 106 can comprise a single unitary sheet and the other electrode comprises a checkered discrete member.

一実施形態において、アノード電極部材104aおよびカソード電極部材106aは、それぞれ活性炭および酸化マンガンの圧延シートまたはプレス加工ペレットから作製される。別の一実施形態は、図10の電気化学装置を製造する方法に関する。この方法は、(1)アノード境界域104bによって分離された複数の別個のアノード電極部材104aを含むアノード電極104を積み重ねるステップ、(2)セパレータ108をアノード電極104の上に積み重ねるステップ、および(3)カソード境界域106bによって分離された複数の別個のカソード電極部材106aを含むカソード電極106をセパレータ108の上に積み重ねるステップを含む。一態様において、セパレータ108全体にわたって、アノード境界域104bの少なくとも50%は、それぞれのカソード境界域106bと列を成さない。この方法は、黒鉛シート集電子110をカソード電極106の上に積み重ねるステップを含むこともできる。アノード電極部材104aおよび/またはカソード電極部材106bは、部材104a、106aをアノードもしくはカソード材料の圧延シートから切断することによって、またはアノードもしくはカソード材料のペレットをプレス加工することによって、形成することができる。   In one embodiment, the anode electrode member 104a and the cathode electrode member 106a are made from rolled sheets or pressed pellets of activated carbon and manganese oxide, respectively. Another embodiment relates to a method of manufacturing the electrochemical device of FIG. The method includes (1) stacking anode electrodes 104 including a plurality of separate anode electrode members 104a separated by an anode boundary region 104b, (2) stacking separators 108 on the anode electrode 104, and (3 ) Stacking a cathode electrode 106 including a plurality of separate cathode electrode members 106a separated by a cathode boundary region 106b on a separator 108; In one aspect, at least 50% of the anode boundary region 104b does not line up with the respective cathode boundary region 106b throughout the separator 108. The method can also include stacking the graphite sheet current collector 110 on the cathode electrode 106. The anode electrode member 104a and / or the cathode electrode member 106b can be formed by cutting the members 104a, 106a from a rolled sheet of anode or cathode material or by pressing a pellet of anode or cathode material. .

本発明の別の一実施形態は、電気化学セル102の積層体100B、100Pを製造する方法に関する。この方法は、積層電気化学セルを形成するステップおよび電気化学セル102の積層体100B、Pの周囲に電気絶縁ポリマーを注ぐステップを含むことができる。この方法は、ポリマーを凝固させて固体絶縁シェルまたは枠112を形成するステップを含むこともできる。あるいは、方法は、前もって形成された固体絶縁シェル112を電気化学セル102の積層体の周囲に施すステップを含むことができる。ポリマーは、それだけに限定されないが、エポキシまたはアクリルとすることができる。   Another embodiment of the present invention relates to a method of manufacturing a stack 100B, 100P of an electrochemical cell 102. The method can include forming a stacked electrochemical cell and pouring an electrically insulating polymer around the stack 100B, P of the electrochemical cell 102. The method can also include solidifying the polymer to form a solid insulating shell or frame 112. Alternatively, the method can include applying a pre-formed solid insulating shell 112 around the stack of electrochemical cells 102. The polymer can be, but is not limited to, epoxy or acrylic.

この方法は、図11に示す導電性端板ヘッダ118を積層体110の上部および下部に取り付けることを含むこともできる。次いで、積層体110および固体絶縁シェルまたは枠112を中空円柱状シェルまたは外部ハウジング116内に配置することができる。この方法は、電気化学セル102の積層体100B、P中の隣接電気化学セル102間に黒鉛シート集電子110を配置することも含む。一実施形態において、電気化学セル102の積層体100B、P中の各電気化学セル102は、活性アノード域を有するアノード電極104および活性カソード域を有するカソード電極106を含む。黒鉛シート集電子110は、図9に示すように、封止材として作用する、活性アノード域および活性カソード域よりも大きい領域を有することができる。   The method may also include attaching the conductive end plate header 118 shown in FIG. 11 to the top and bottom of the laminate 110. The laminate 110 and solid insulating shell or frame 112 can then be placed in a hollow cylindrical shell or outer housing 116. The method also includes placing a graphite sheet current collector 110 between adjacent electrochemical cells 102 in the stack 100B, P of electrochemical cells 102. In one embodiment, each electrochemical cell 102 in the stack 100B, P of electrochemical cells 102 includes an anode electrode 104 having an active anode region and a cathode electrode 106 having an active cathode region. As shown in FIG. 9, the graphite sheet current collector 110 can have a region larger than the active anode region and the active cathode region, which acts as a sealing material.

(装置部品)
カソード
遷移金属酸化物、スルフィド、ホスファートまたはフルオリドを含む幾つかの材料は、可逆的Naイオンインターカレーション/デインターカレーションの可能な活性カソード材料として使用することができる。本発明の実施形態において、活性カソード材料としての使用に適切な材料は、好ましくは、活性カソード材料としての使用前にナトリウム、リチウム、その両方などのアルカリ原子を含む。活性カソード材料は、形成時の状態で(すなわち、エネルギー貯蔵装置における使用前に)Naおよび/またはLiを含む必要はない。しかし、電解質由来のNa陽イオンは、エネルギー貯蔵装置の作動中のインターカレーションによって活性カソード材料に取り込まれることができなければならない。したがって、本発明においてカソードとして使用することができる材料は、形成時の状態で必ずしもNaを含む必要はないが、エネルギー貯蔵装置の放電/充電サイクル中に大きい過電圧損失なしにNaイオンの可逆的インターカレーション/デインターカレーションが可能である材料を含む。
(Equipment parts)
Several materials including cathode transition metal oxides, sulfides, phosphates or fluorides can be used as active cathode materials capable of reversible Na ion intercalation / deintercalation. In embodiments of the present invention, materials suitable for use as the active cathode material preferably include alkali atoms such as sodium, lithium, or both prior to use as the active cathode material. The active cathode material need not include Na and / or Li as it is formed (ie, prior to use in an energy storage device). However, electrolyte-derived Na cations must be able to be incorporated into the active cathode material by intercalation during operation of the energy storage device. Thus, the material that can be used as the cathode in the present invention need not necessarily contain Na as formed, but reversible interfacing of Na ions without significant overvoltage loss during the energy storage device discharge / charge cycle. Includes materials that are capable of calation / deintercalation.

活性カソード材料が使用前にアルカリ原子(好ましくはNaまたはLi)を含む実施形態において、これらの原子の一部またはすべてが最初のセル充電サイクル中にデインターカレートする。電解質由来のアルカリ陽イオン(圧倒的にNa陽イオン)は、セル放電中に再インターカレートする。これは、活性炭の向かい側にインターカレーション電極を要求するほぼすべてのハイブリッドキャパシタシステムとは異なる。ほとんどのシステムにおいて、電解質由来の陽イオンは、充電サイクル中にアノードに吸着する。同時に、電解質中の水素イオンなどの対陰イオンは、活性カソード材料中にインターカレートし、したがって電解質溶液の電荷バランスを維持するが、イオン濃度を激減させる。放電中、陽イオンがアノードから遊離し、陰イオンがカソードから遊離して、電解質溶液の電荷バランスを維持するが、イオン濃度を増加させる。これは、水素イオンまたは別の陰イオンが好ましくはカソード活性材料中にインターカレートしない本発明の実施形態における装置とは異なる動作モードである。   In embodiments where the active cathode material contains alkali atoms (preferably Na or Li) prior to use, some or all of these atoms will deintercalate during the first cell charge cycle. Electrolyte-derived alkali cations (overwhelmingly Na cations) re-intercalate during cell discharge. This is different from almost all hybrid capacitor systems that require an intercalation electrode opposite the activated carbon. In most systems, electrolyte-derived cations adsorb to the anode during the charge cycle. At the same time, counter anions such as hydrogen ions in the electrolyte intercalate into the active cathode material, thus maintaining the charge balance of the electrolyte solution, but drastically reducing the ion concentration. During discharge, cations are liberated from the anode and anions are liberated from the cathode, maintaining the charge balance of the electrolyte solution, but increasing the ion concentration. This is a different mode of operation than the device in the embodiments of the present invention in which hydrogen ions or other anions are preferably not intercalated into the cathode active material.

適切な活性カソード材料は、使用中、一般式Axyz を有することができる。式中、AはNaまたはNaとLi、K、Be、MgおよびCaの1種類以上の混合物であり、xは使用前には0〜1の範囲(0と1を含む)、使用中には0〜10の範囲(0と10を含む)であり、Mは任意の1種類以上の遷移金属を含み、yは1〜3の範囲(1と3を含む)、好ましくは1.5〜2.5の範囲(1.5と2.5を含む)であり、Oは酸素であり、zは2〜7の範囲(2と7を含む)、好ましくは3.5〜4.5の範囲(3.5と4.5を含む)である。 Suitable active cathode material may have during use, the general formula A x M y O z. Where A is Na or a mixture of Na and one or more of Li, K, Be, Mg and Ca, x is in the range of 0 to 1 (including 0 and 1) before use, and during use. Is in the range of 0-10 (including 0 and 10), M includes any one or more transition metals, y is in the range of 1-3 (including 1 and 3), preferably 1.5-2 .5 (including 1.5 and 2.5), O is oxygen, z is in the range 2-7 (including 2 and 7), preferably in the range 3.5-4.5. (Including 3.5 and 4.5).

一般式Axyz の一部の活性カソード材料において、Naイオンは、エネルギー貯蔵装置の放電/充電サイクル中に可逆的にインターカレート/デインターカレートする。したがって、活性カソード材料式中の量xは、装置使用中に変化する。 In the general formula A x M y O part of the active cathode material of z, Na ions reversibly intercalates / deintercalating during the discharge / charge cycle of the energy storage device. Thus, the amount x in the active cathode material formula varies during device use.

一般式Axyz の一部の活性カソード材料において、Aは、場合によってはLiと組み合わせて、Na、K、Be、MgまたはCaの少なくとも1種類以上の少なくとも50at%を含み、Mは任意の1種類以上の遷移金属を含み、Oは酸素であり、xは使用前には3.5〜4.5、使用中には1〜10の範囲であり、yは8.5〜9.5の範囲であり、zは17.5〜18.5の範囲である。これらの実施形態において、Aは、好ましくは、少なくとも75at%のNaなどの少なくとも51at%のNa、および0〜25at%などの0〜49at%のLi、K、Be、MgまたはCaを含み、Mは、Mn、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、VまたはScの1種類以上を含み、xは使用前には約4、使用中には0〜10の範囲であり、yは約9であり、zは約18である。 In the general formula A x M y O part of the active cathode material of z, A includes optionally in combination with Li, Na, K, Be, at least 50at% of at least one or more of Mg or Ca, M Includes any one or more transition metals, O is oxygen, x is in the range of 3.5 to 4.5 before use, 1 to 10 in use, y is 8.5 to 8.5 The range is 9.5, and z is in the range of 17.5 to 18.5. In these embodiments, A preferably comprises at least 51 at% Na, such as at least 75 at% Na, and 0-49 at% Li, K, Be, Mg or Ca, such as 0-25 at%, M Includes one or more of Mn, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, V or Sc, x is about 4 before use, 0 to 10 during use, and y is about 9. And z is about 18.

一般式Axyz の一部の活性カソード材料において、Aは、Naまたは少なくとも80原子パーセントのNaとLi、K、Be、MgおよびCaの1種類以上の混合物を含む。これらの実施形態において、xは、使用前には好ましくは約1であり、使用中には0〜約1.5の範囲である。一部の好ましい活性カソード材料において、Mは、Mn、Ti、Fe、Co、Ni、CuおよびVの1種類以上を含み、Al、Mg、Ga、In、Cu、ZnおよびNiの1種類以上をドープすることができる(0.1〜10at%などの20at%未満、例えば3〜6at%)。 In the general formula A x M y O part of the active cathode material of z, A comprises Na or at least 80 atomic percent of Na and Li, K, Be, and mixtures of one or more of Mg and Ca. In these embodiments, x is preferably about 1 before use and ranges from 0 to about 1.5 during use. In some preferred active cathode materials, M includes one or more of Mn, Ti, Fe, Co, Ni, Cu and V, and includes one or more of Al, Mg, Ga, In, Cu, Zn and Ni. It can be doped (less than 20 at%, such as 0.1-10 at%, for example 3-6 at%).

一般的なクラスの適切な活性カソード材料として、(それだけに限定されないが)層状/斜方晶NaMO2 (バーネサイト)、立方晶スピネル系マンガナート(例えば、λMnO2 系材料(MがMnである場合)などのMO2 、例えば、使用前にはLix24 (1≦x<1.1)、使用中にはNay Mn24 )、Na237 系、NaMPO4 系、NaM2 (PO43 系、Na2 MPO4 F系、およびトンネル構造Na0.44MO2 が挙げられる。すべての式においてMは少なくとも1種類の遷移金属を含む。典型的な遷移金属は(コストおよび環境の理由により)MnまたはFeとすることができるが、(とりわけ)Co、Ni、Cr、V、Ti、Cu、Zr、Nb、W、Moまたはその組み合わせを使用して、Mn、Feまたはその組み合わせを全体的または部分的に置換することができる。本発明の実施形態において、Mnは好ましい遷移金属である。一部の実施形態において、カソード電極は、均質もしくはほぼ均質な混合物の、またはカソード電極内で積層された、複数の活性カソード材料を含むことができる。 Common classes of suitable active cathode materials include (but are not limited to) layered / orthorhombic NaMO 2 (bannesite), cubic spinel manganate (eg, λMnO 2 -based material (where M is Mn)) MO 2 such as Li x M 2 O 4 (1 ≦ x <1.1) before use, Na y Mn 2 O 4 during use, Na 2 M 3 O 7 system, NaMPO 4 system , NaM 2 (PO 4 ) 3 series, Na 2 MPO 4 F series, and tunnel structure Na 0.44 MO 2 . In all formulas, M contains at least one transition metal. Typical transition metals can be Mn or Fe (for cost and environmental reasons), but (among others) Co, Ni, Cr, V, Ti, Cu, Zr, Nb, W, Mo or combinations thereof. It can be used to replace Mn, Fe or combinations thereof in whole or in part. In embodiments of the present invention, Mn is a preferred transition metal. In some embodiments, the cathode electrode can include a plurality of active cathode materials in a homogeneous or near-homogeneous mixture or laminated within the cathode electrode.

一部の実施形態において、最初の活性カソード材料は、場合によってはLi、Alなどの1種類以上の金属がドープされた、NaMnO2 (バーネサイト構造)を含む。
一部の実施形態において、最初の活性カソード材料は、場合によってはLi、Alなどの1種類以上の金属がドープされた、λMnO2 (すなわち、酸化マンガンの立方晶同形体)系材料を含む。
In some embodiments, the initial active cathode material comprises NaMnO 2 (Bernite structure), optionally doped with one or more metals such as Li, Al.
In some embodiments, the first active cathode material comprises a λMnO 2 (ie, a cubic isomorph of manganese oxide) based material, optionally doped with one or more metals such as Li, Al, and the like.

これらの実施形態において、立方晶スピネルλMnO2 は、マンガン酸リチウムなどのリチウム含有酸化マンガン(例えば、立方晶スピネルLiMn24 またはその非化学量論的変種)をまず形成することによって形成することができる。立方晶スピネルλMnO2 活性カソード材料を利用する実施形態において、Liの大部分またはすべてを立方晶スピネルLiMn24 から電気化学的または化学的に引き抜いて、立方晶スピネルλMnO2 形材料(すなわち、Mn:O比1:2の材料、および/またはMnが別の金属で置換されていてもよい材料、および/またはアルカリ金属も含む材料、および/またはMn:O比が必ずしも1:2ではない材料)を形成することができる。この引き抜きは、初期の装置充電サイクルの一部として起こり得る。そのような場合、Liイオンは、形成時の立方晶スピネルLiMn24 から最初の充電サイクル中にデインターカレートされる。放電により電解質由来のNaイオンは立方晶スピネルλMnO2 中にインターカレートする。したがって、作動中の活性カソード材料の式は(場合によっては前述したように1種類以上の追加の金属、好ましくはAlがドープされた)Nay Lix Mn24 である。ここで、0<x<1、0<y<1、およびx+y≦1.1である。好ましくは、量x+yは充電/放電サイクルによって約0(完全充電)〜約1(完全放電)まで変化する。しかし、完全放電中の1を超える値を使用することができる。さらに、任意の他の適切な形成方法を使用することができる。2個のMnおよび4個のO原子ごとに1個を超えるLiを有する非化学量論的Lix Mn24 材料を最初の材料として使用することができ、それから立方晶スピネルλMnO2 を形成することができる(例えば、1≦x<1.1)。したがって、立方晶スピネルλマンガナートは、使用前には式Alz Lix Mn2-z4 (1≦x<1.1および0≦z<0.1)、および使用中にはAlz Lix Nay Mn24 (0≦x<1.1、0≦x<1、0≦x+y<1.1、および0≦z<0.1、Alは別のドーパントで置換することができる)を有することができる。 In these embodiments, the cubic spinel λMnO 2 is formed by first forming a lithium-containing manganese oxide such as lithium manganate (eg, cubic spinel LiMn 2 O 4 or a nonstoichiometric variant thereof). Can do. In embodiments utilizing a cubic spinel λMnO 2 active cathode material, most or all of Li is electrochemically or chemically extracted from the cubic spinel LiMn 2 O 4 to form a cubic spinel λMnO 2 type material (ie, A material with a Mn: O ratio of 1: 2 and / or a material in which Mn may be replaced with another metal and / or a material that also contains an alkali metal and / or a Mn: O ratio is not necessarily 1: 2. Material) can be formed. This withdrawal can occur as part of an initial device charge cycle. In such cases, Li ions are deintercalated during the first charge cycle from the cubic spinel LiMn 2 O 4 as formed. By discharge, Na ions derived from the electrolyte are intercalated into cubic spinel λMnO 2 . Thus, the formula of the active cathode material in operation is Na y Li x Mn 2 O 4 (possibly doped with one or more additional metals, preferably Al as described above). Here, 0 <x <1, 0 <y <1, and x + y ≦ 1.1. Preferably, the quantity x + y varies from about 0 (full charge) to about 1 (full discharge) with a charge / discharge cycle. However, values greater than 1 during full discharge can be used. In addition, any other suitable forming method can be used. A non-stoichiometric Li x Mn 2 O 4 material with more than 1 Li for every 2 Mn and 4 O atoms can be used as the initial material, from which the cubic spinel λMnO 2 is formed. (For example, 1 ≦ x <1.1). Thus, the cubic spinel λ manganate has the formula Al z Li x Mn 2−z O 4 (1 ≦ x <1.1 and 0 ≦ z <0.1) before use, and Al z during use. Li x Na y Mn 2 O 4 (0 ≦ x <1.1, 0 ≦ x <1, 0 ≦ x + y <1.1, and 0 ≦ z <0.1, Al may be replaced with another dopant. Can have).

一部の実施形態において、最初のカソード材料は、場合によってはLi、Alなどの1種類以上の金属がドープされた、Na2 Mn37 を含む。
一部の実施形態において、最初のカソード材料は、場合によってはLi、Alなどの1種類以上の金属がドープされた、Na2 FePO4 Fを含む。
In some embodiments, the initial cathode material comprises Na 2 Mn 3 O 7 , optionally doped with one or more metals such as Li, Al.
In some embodiments, the initial cathode material comprises Na 2 FePO 4 F, optionally doped with one or more metals such as Li, Al.

一部の実施形態において、カソード材料は、場合によってはLi、Alなどの1種類以上の金属がドープされた、Na0.44MnO2 を含む。この活性カソード材料は、Na2 CO3 とMn23 を適切なモル比に十分に混合し、例えば約800℃で焼成することによって作製することができる。焼成中にこの材料に組み込まれるNa含有量の程度によって、Mnの酸化状態、およびそれがO2 と局所的に結合する仕方が決まる。この材料は、非水系電解質中のNax MnO2 の場合、0.33<x<0.66の間で循環することが示された。 In some embodiments, the cathode material comprises Na 0.44 MnO 2 , optionally doped with one or more metals such as Li, Al. This active cathode material can be produced by thoroughly mixing Na 2 CO 3 and Mn 2 O 3 in an appropriate molar ratio and firing at, for example, about 800 ° C. The degree of Na content incorporated into this material during firing determines the oxidation state of Mn and how it locally binds O 2 . This material was shown to circulate between 0.33 <x <0.66 for Na x MnO 2 in non-aqueous electrolytes.

場合によっては、カソード電極は、斜方晶トンネル構造材料などの1種類以上の活性カソード材料(例えば、微量成分2〜10重量%などの1〜49%)、高表面積導電性希釈剤(導電性グレード黒鉛、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、非反応性金属、および/または導電性ポリマーなど)、結合剤、可塑剤、および/または充填剤を含む複合カソードの形とすることができる。例示的な結合剤は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、(PVC−SiO2 複合体を含めた)ポリ塩化ビニル(PVC)系複合体、セルロース系材料、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、水和バーネサイト(活性カソード材料が別の材料を含むとき)、別の非反応性非腐食性ポリマー材料、またはその組み合わせを含むことができる。複合カソードは、1種類以上の好ましい活性カソード材料の一部を導電性希釈剤、および/またはポリマー結合剤と混合し、混合物をペレットにプレス加工することによって形成することができる。一部の実施形態において、複合カソード電極を活性カソード材料約50〜90wt%の混合物から形成することができる。混合物の残りは、希釈剤、結合剤、可塑剤および/または充填剤の1種類以上の組み合わせを含む。例えば、一部の実施形態において、複合カソード電極を活性カソード材料約80wt%、カーボンブラックなどの希釈剤約10〜15wt%、およびPTFEなどの結合剤約5〜10wt%から形成することができる。 In some cases, the cathode electrode comprises one or more active cathode materials such as orthorhombic tunnel structure materials (eg 1 to 49% such as 2 to 10% by weight of minor components), high surface area conductive diluents (conductive Grade graphite, carbon black such as acetylene black, non-reactive metals, and / or conductive polymers, etc.), binders, plasticizers, and / or fillers. Exemplary binders are polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl chloride (PVC) based composites (including PVC-SiO 2 composites), cellulosic materials, polyvinylidene fluoride (PVDF), hydrated banesite (When the active cathode material includes another material), may include another non-reactive non-corrosive polymeric material, or a combination thereof. Composite cathodes can be formed by mixing a portion of one or more preferred active cathode materials with a conductive diluent and / or a polymer binder and pressing the mixture into pellets. In some embodiments, the composite cathode electrode can be formed from a mixture of about 50-90 wt% active cathode material. The balance of the mixture includes one or more combinations of diluents, binders, plasticizers and / or fillers. For example, in some embodiments, a composite cathode electrode can be formed from about 80 wt% active cathode material, about 10-15 wt% diluent such as carbon black, and about 5-10 wt% binder such as PTFE.

1種類以上の追加の機能材料を場合によっては複合カソードに添加して、容量を増加させ、ポリマー結合剤を置換することができる。これらの任意に選択される材料として、Zn、Pb、水和NaMnO2 (バーネサイト)、および水和Na0.44MnO2 (斜方晶トンネル構造)が挙げられるが、それだけに限定されない。水和NaMnO2 (バーネサイト)および/または水和Na0.44MnO2 (斜方晶トンネル構造)を複合カソードに添加する場合、生成する装置は二重機能材料複合カソードを有する。
カソード電極は、一般に、約40〜800μmの厚さを有する。
One or more additional functional materials can optionally be added to the composite cathode to increase capacity and replace the polymer binder. These arbitrarily selected materials include, but are not limited to, Zn, Pb, hydrated NaMnO 2 (bernesite), and hydrated Na 0.44 MnO 2 (orthorhombic tunnel structure). When hydrated NaMnO 2 (bernite) and / or hydrated Na 0.44 MnO 2 (orthorhombic tunnel structure) is added to the composite cathode, the resulting device has a dual function material composite cathode.
The cathode electrode generally has a thickness of about 40-800 μm.

アノード
アノードは、表面吸着/脱着(電気化学二重層反応および/または擬似容量性反応(すなわち、部分的電荷移動表面相互作用))によりNaイオンを可逆的に貯蔵可能な任意の材料を含むことができ、所望の電圧範囲で十分な容量を有することができる。これらの要件を満たす例示的材料として、多孔質活性炭、黒鉛、メソポーラス炭素、カーボンナノチューブ、不規則炭素、(チタニアなどの)Ti酸化物材料、V酸化物材料、ホスホ−オリビン材料、他の適切なメソポーラスセラミック材料、およびその組み合わせが挙げられる。好ましい実施形態において、活性炭をアノード材料として使用することができる。
The anode anode may comprise any material capable of reversibly storing Na ions by surface adsorption / desorption (electrochemical double layer reaction and / or pseudocapacitive reaction (ie, partial charge transfer surface interaction)). And a sufficient capacity in a desired voltage range. Exemplary materials that meet these requirements include porous activated carbon, graphite, mesoporous carbon, carbon nanotubes, disordered carbon, Ti oxide materials (such as titania), V oxide materials, phospho-olivine materials, and other suitable materials Mesoporous ceramic materials, and combinations thereof. In a preferred embodiment, activated carbon can be used as the anode material.

場合によっては、アノード電極は、1種類以上のアノード材料、高表面積導電性希釈剤(導電性グレード黒鉛、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、非反応性金属、および/または導電性ポリマーなど)、PTFE、(PVC−SiO2 複合体を含めた)PVC系複合体、セルロース系材料、PVDF、別の非反応性非腐食性ポリマー材料、その組み合わせなどの結合剤、可塑剤、および/または充填剤を含む複合アノードの形とすることができる。複合アノードは、1種類以上の好ましいアノード材料の一部を導電性希釈剤、および/またはポリマー結合剤と混合し、混合物をペレットにプレス加工することによって形成することができる。一部の実施形態において、複合アノード電極をアノード材料約50〜90wt%の混合物から形成することができる。混合物の残りは、希釈剤、結合剤、可塑剤および/または充填剤の1種類以上の組み合わせを含む。例えば、一部の実施形態において、複合アノード電極を活性炭約80wt%、カーボンブラックなどの希釈剤約10〜15wt%、およびPTFEなどの結合剤約5〜10wt%から形成することができる。 In some cases, the anode electrode may include one or more anode materials, high surface area conductive diluents (such as conductive grade graphite, carbon black such as acetylene black, non-reactive metals, and / or conductive polymers), PTFE, Includes binders, plasticizers, and / or fillers, such as PVC-based composites (including PVC-SiO 2 composites), cellulosic materials, PVDF, other non-reactive non-corrosive polymer materials, combinations thereof It can be in the form of a composite anode. A composite anode can be formed by mixing a portion of one or more preferred anode materials with a conductive diluent and / or a polymer binder and pressing the mixture into pellets. In some embodiments, the composite anode electrode can be formed from a mixture of about 50-90 wt% anode material. The balance of the mixture includes one or more combinations of diluents, binders, plasticizers and / or fillers. For example, in some embodiments, the composite anode electrode can be formed from about 80 wt% activated carbon, about 10-15 wt% diluent such as carbon black, and about 5-10 wt% binder such as PTFE.

1種類以上の追加の機能材料を場合によっては複合アノードに添加して、容量を増加させ、ポリマー結合剤を置換することができる。これらの任意に選択される材料として、Zn、Pb、水和NaMnO2 (バーネサイト)、および水和Na0.44MnO2 (斜方晶トンネル構造)が挙げられるが、それだけに限定されない。
アノード電極は、一般に、約80〜1600μmの厚さを有する。
One or more additional functional materials can optionally be added to the composite anode to increase capacity and replace the polymer binder. These arbitrarily selected materials include, but are not limited to, Zn, Pb, hydrated NaMnO 2 (bernesite), and hydrated Na 0.44 MnO 2 (orthorhombic tunnel structure).
The anode electrode generally has a thickness of about 80-1600 μm.

電解質
本発明の実施形態において有用である電解質は、水に十分に溶解した塩を含む。例えば、電解質は、SO4 2- 、NO3 - 、ClO4 - 、PO4 3- 、CO3 2- 、Cl- および/またはOH- からなる群から選択される少なくとも1種類の陰イオンの0.1M〜10M溶液を含むことができる。したがって、Na陽イオン含有塩として、Na2 SO4 、NaNO3 、NaClO4 、Na3 PO4 、Na2 CO3 、NaClおよびNaOHまたはその組み合わせが挙げられる(が、それだけに限定されない)。
一部の実施形態において、電解質溶液はNaを実質的に含まなくともよい。これらの例において、陰イオンの塩における陽イオンは、Na以外のアルカリ(Kなど)またはアルカリ土類(Ca、Mgなど)陽イオンとすることができる。したがって、Na以外のアルカリ陽イオンを含む塩として、K2 SO4 、KNO3 、KClO4 、K3 PO4 、K2 CO3 、KClおよびKOHが挙げられる(が、それだけに限定されない)。例示的なアルカリ土類陽イオン含有塩として、CaSO4 、Ca(NO32 、Ca(ClO42 、CaCO3 およびCa(OH)2 、MgSO4 、Mg(NO32 、Mg(ClO42 、MgCO3 およびMg(OH)2 が挙げられる。Naを実質的に含まない電解質溶液は、かかる塩の任意の組み合わせから調製することができる。別の実施形態において、電解質溶液は、Na陽イオン含有塩および1種類以上の非Na陽イオン含有塩の溶液を含むことができる。
Electrolytes Electrolytes that are useful in embodiments of the present invention include salts that are sufficiently dissolved in water. For example, the electrolyte is zero of at least one anion selected from the group consisting of SO 4 2− , NO 3 , ClO 4 , PO 4 3− , CO 3 2− , Cl and / or OH −. 1M-10M solution can be included. Thus, Na cation-containing salts include (but are not limited to) Na 2 SO 4 , NaNO 3 , NaClO 4 , Na 3 PO 4 , Na 2 CO 3 , NaCl and NaOH or combinations thereof.
In some embodiments, the electrolyte solution may be substantially free of Na. In these examples, the cation in the anion salt can be an alkali (such as K) or alkaline earth (such as Ca or Mg) cation other than Na. Accordingly, salts containing alkali cations other than Na include (but are not limited to) K 2 SO 4 , KNO 3 , KClO 4 , K 3 PO 4 , K 2 CO 3 , KCl and KOH. Exemplary alkaline earth cation-containing salts include CaSO 4 , Ca (NO 3 ) 2 , Ca (ClO 4 ) 2 , CaCO 3 and Ca (OH) 2 , MgSO 4 , Mg (NO 3 ) 2 , Mg ( CIO 4 ) 2 , MgCO 3 and Mg (OH) 2 . Electrolyte solutions substantially free of Na can be prepared from any combination of such salts. In another embodiment, the electrolyte solution can include a solution of a Na cation-containing salt and one or more non-Na cation-containing salts.

モル濃度は、好ましくは、エネルギー貯蔵装置の所望の性能特性、およびより高い塩濃度に関連した劣化/性能制限機序 (degradation/performance limiting mechanisms)に応じて、Na2 SO4 水溶液の場合100℃で約0.1〜1Mなどの約0.05M〜3Mの範囲である。他の塩の場合も類似の範囲が好ましい。 The molarity is preferably 100 ° C. for aqueous Na 2 SO 4 solutions, depending on the desired performance characteristics of the energy storage device and the degradation / performance limiting mechanisms associated with higher salt concentrations. In the range of about 0.05M to 3M, such as about 0.1 to 1M. Similar ranges are preferred for other salts.

異なる塩のブレンド(ナトリウム含有塩とアルカリ、アルカリ土類、ランタニド、アルミニウムおよび亜鉛塩の1種類以上のブレンドなど)は、最適化された系をもたらし得る。かかるブレンドは、ナトリウム陽イオンとアルカリ(Kなど)、アルカリ土類(Mg、Caなど)、ランタニド、アルミニウムおよび亜鉛陽イオンからなる群から選択される1種類以上の陽イオンを含む電解質を提供することができる。   Blends of different salts (such as sodium-containing salts and one or more blends of alkali, alkaline earth, lanthanide, aluminum and zinc salts) can result in an optimized system. Such a blend provides an electrolyte comprising a sodium cation and one or more cations selected from the group consisting of alkali (such as K), alkaline earth (such as Mg, Ca), lanthanide, aluminum and zinc cations. be able to.

場合によっては、電解質のpHは、ある追加のOH- イオン種を添加して電解質溶液をより塩基性にすることによって、例えば、NaOH別のOH含有塩を添加することによって、またはOH濃度に影響を及ぼすある別の化合物(電解質溶液をより酸性にするH2SO4 など)を添加することによって、変えることができる。電解質のpHは、セルの(基準電極に対する)電圧安定性ウィンドウの範囲に影響を及ぼし、活性カソード材料の安定性および劣化にも影響を及ぼすことがあり、プロトン(H+ )インターカレーションを阻害し得る。プロトン(H+ )インターカレーションは、活性カソード材料容量損失およびセル劣化にある役割を果たし得る。ある場合には、pHを11〜13に増加させて、異なる活性カソード材料を(中性pH7で安定であるよりも)安定にすることができる。一部の実施形態において、pHを約3〜6、約8〜13などの約3〜13の範囲とすることができる。 In some cases, the pH of the electrolyte can affect the OH concentration by adding some additional OH ionic species to make the electrolyte solution more basic, for example, by adding another OH-containing salt with NaOH. Can be changed by adding certain other compounds that affect the pH, such as H 2 SO 4 which makes the electrolyte solution more acidic. The pH of the electrolyte affects the range of the cell voltage stability window (relative to the reference electrode) and may also affect the stability and degradation of the active cathode material, inhibiting proton (H + ) intercalation. Can do. Proton (H + ) intercalation can play a role in active cathode material capacity loss and cell degradation. In some cases, the pH can be increased to 11-13 to make different active cathode materials stable (rather than being stable at neutral pH 7). In some embodiments, the pH can be in the range of about 3-13, such as about 3-6, about 8-13, etc.

場合によっては、電解質溶液は、バーネサイト材料などの活性カソード材料の劣化を軽減する添加剤を含む。例示的な添加剤は、それだけに限定されないが、濃度0.1mM〜100mMを得るのに十分な量のNa2 HPO4 とすることができる。 In some cases, the electrolyte solution includes an additive that mitigates the degradation of the active cathode material, such as a birnessite material. Exemplary additives include, but are not limited to, it may be a Na 2 HPO 4 in an amount sufficient to obtain a concentration 0.1 mm to 100 mm.

セパレータ
本発明の実施形態において使用されるセパレータは、綿シート、PVC(ポリ塩化ビニル)、PE(ポリエチレン)、ガラス繊維または任意の他の適切な材料を含むことができる。
Separator The separator used in embodiments of the present invention can comprise a cotton sheet, PVC (polyvinyl chloride), PE (polyethylene), glass fiber or any other suitable material.

操作特性
前述したように、活性カソード材料が使用前にアルカリ原子(好ましくはNaまたはLi)を含む実施形態において、これらの原子の一部またはすべてが最初のセル充電サイクル中にデインターカレートする。電解質由来のアルカリ陽イオン(圧倒的にNa陽イオン)は、セル放電中に再インターカレートする。これは、活性炭の向かい側にインターカレーション電極を要求するほぼすべてのハイブリッドキャパシタシステムとは異なる。ほとんどのシステムにおいて、電解質由来の陽イオンは、充電サイクル中にアノードに吸着する。同時に、電解質中の対陰イオンは、活性カソード材料中にインターカレートし、したがって電解質溶液の電荷バランスを維持するが、イオン濃度を激減させる。放電中、陽イオンがアノードから遊離し、陰イオンがカソードから遊離して、電解質溶液の電荷バランスを維持するが、イオン濃度を増加させる。これは、本発明の実施形態における装置とは異なる動作モードである。
Operational Characteristics As described above, in embodiments where the active cathode material contains alkali atoms (preferably Na or Li) prior to use, some or all of these atoms will deintercalate during the first cell charge cycle. . Electrolyte-derived alkali cations (overwhelmingly Na cations) re-intercalate during cell discharge. This is different from almost all hybrid capacitor systems that require an intercalation electrode opposite the activated carbon. In most systems, electrolyte-derived cations adsorb to the anode during the charge cycle. At the same time, counter anions in the electrolyte intercalate into the active cathode material, thus maintaining the charge balance of the electrolyte solution, but drastically reducing the ion concentration. During discharge, cations are liberated from the anode and anions are liberated from the cathode, maintaining the charge balance of the electrolyte solution, but increasing the ion concentration. This is a different mode of operation from the device in the embodiment of the present invention.

図1Aに示した柱状/並列電気接続および図5〜7に示した物理構造を有するハイブリッドエネルギー貯蔵装置を組み立てた。装置は、図5に示したように、膨張黒鉛シート集電子110a、110c構造体(500ミクロン厚)および不織繊維セパレータ材料108を有する3レベルの(各々2個の)アノード104/カソード106セットを含んでいた。カソードは、前述したようにλMnO2 相活性材料を含み、活性材料、カーボンブラック、黒鉛末およびPTFEの圧縮顆粒から作製された。アノードは、カーボンブラックおよびPTFEと混合された活性炭を含んだ。圧力をかけて、各黒鉛アノードおよびカソード集電子110a、110cを装置の正および負の母線として働くそれぞれのアノードおよびカソード黒鉛母線122a、122cに接触させた。ポリプロピレン筐体116を使用して装置を収容し、黒鉛母線122a、122cをポリプロピレン筐体の適切なサイズの穴に通し、次いでシリコーン接着材料でポリプロピレンを封止した。次いで、銅線を筐体から出ている外部(非電解質接触)母線124と圧力下で接続し、外部母線全体を注封用エポキシで被覆した。 A hybrid energy storage device having the columnar / parallel electrical connection shown in FIG. 1A and the physical structure shown in FIGS. The apparatus comprises a three level (two each) anode 104 / cathode 106 set having expanded graphite sheet current collectors 110a, 110c structure (500 micron thick) and nonwoven fiber separator material 108 as shown in FIG. Was included. The cathode contained a λMnO 2 phase active material as described above and was made from compressed granules of active material, carbon black, graphite powder and PTFE. The anode contained activated carbon mixed with carbon black and PTFE. Pressure was applied to bring each graphite anode and cathode current collector 110a, 110c into contact with a respective anode and cathode graphite bus 122a, 122c that served as the positive and negative buses of the device. A polypropylene housing 116 was used to house the device and the graphite bus bars 122a, 122c were threaded through appropriately sized holes in the polypropylene housing and then the polypropylene was sealed with a silicone adhesive material. Next, the copper wire was connected to the external (non-electrolyte contact) bus bar 124 coming out of the housing under pressure, and the entire external bus wire was covered with potting epoxy.

次いで、装置を15形成サイクルに供し、次いで多数のサイクルを通してエネルギー貯蔵容量および安定性を試験した。図12にこの試験の結果を示す。図12(a)は、30サイクルを超える充放電条件下での装置電位対蓄積容量を示す。サイクリングをC/6電流定格で実施した。装置の容量は約1.1Ahであった。データによれば、サイクルごとの電圧プロファイルがほぼ完全に重複し、システムが極めて安定し、容量損失がなく、内部腐食を有していないことを示している。図12(b)は、サイクルの関数としてのセル充放電容量のプロットである。少なくとも60サイクルを通してサイクルの関数としての容量損失はない。別のセルのデータは、これが数千サイクルを通して維持されるべきであることを示している。さらに、クーロン効率は、これらのサイクルでは98〜100%であることが判明した。   The apparatus was then subjected to 15 formation cycles and then tested for energy storage capacity and stability through multiple cycles. FIG. 12 shows the results of this test. FIG. 12 (a) shows device potential versus storage capacity under charge / discharge conditions exceeding 30 cycles. Cycling was performed at the C / 6 current rating. The capacity of the device was about 1.1 Ah. The data show that the cycle-by-cycle voltage profiles overlap almost completely, indicating that the system is extremely stable, has no capacity loss, and has no internal corrosion. FIG. 12 (b) is a plot of cell charge / discharge capacity as a function of cycle. There is no capacity loss as a function of cycle through at least 60 cycles. Another cell's data indicates that this should be maintained through thousands of cycles. Furthermore, the coulombic efficiency was found to be 98-100% in these cycles.

この実施例によれば、高度に安定な水系電解質ハイブリッドエネルギー貯蔵装置が、電池ケーシング内で金属を使用せずに作製される。この装置は、優れた安定性を示し、種々のエネルギー貯蔵用途における長期使用が大いに期待される。   According to this embodiment, a highly stable aqueous electrolyte hybrid energy storage device is made without using metal in the battery casing. This device exhibits excellent stability and is highly expected for long-term use in various energy storage applications.

前述した記載は特定の好ましい実施形態に言及したが、本発明はそのように限定されないことが理解されるはずである。当業者であれば、開示された実施形態に種々の改変を成すことができ、かかる改変が本発明の範囲内であることが意図されることに気付くはずである。本願明細書で引用する刊行物、特許出願および特許のすべては、その全体が本願明細書において参照により援用されている。   Although the foregoing description refers to certain preferred embodiments, it should be understood that the invention is not so limited. Those skilled in the art will recognize that various modifications can be made to the disclosed embodiments and that such modifications are intended to be within the scope of the present invention. All publications, patent applications and patents cited herein are hereby incorporated by reference in their entirety.

Claims (29)

電気化学装置であって、
ハウジングと、
前記ハウジング中の電気化学セルの積層体であって、各電気化学セルは、
アノード電極と、
カソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置するセパレータと、
電解質と、を含む積層体と、
隣接電気化学セル間に位置する集電子と、
前記積層体中の電気化学セルのアノードに作用可能に接続されたアノードバスと、
前記積層体中の電気化学セルのカソードに作用可能に接続されたカソードバスと、を備え、
前記ハウジング、前記アノード電極、前記カソード電極、前記セパレータ、前記アノードバスおよび前記カソードバスは、非金属である電気化学装置。
An electrochemical device,
A housing;
A stack of electrochemical cells in the housing, each electrochemical cell comprising:
An anode electrode;
A cathode electrode;
A separator located between the anode electrode and the cathode electrode;
An electrolyte, and a laminate including:
Current collectors located between adjacent electrochemical cells;
An anode bath operatively connected to an anode of an electrochemical cell in the laminate;
A cathode bath operatively connected to a cathode of an electrochemical cell in the laminate,
The electrochemical device, wherein the housing, the anode electrode, the cathode electrode, the separator, the anode bus, and the cathode bus are non-metallic.
請求項1記載の電気化学装置において、
前記集電子が、膨張黒鉛、炭素繊維紙、または炭素材料で被覆された不活性基体を含む電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 1.
An electrochemical device, wherein the current collector comprises an inert substrate coated with expanded graphite, carbon fiber paper, or a carbon material.
請求項2記載の電気化学装置において、
前記黒鉛の密度が、0.6g/cm3 を超える電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 2.
An electrochemical device in which the density of the graphite exceeds 0.6 g / cm 3 .
請求項1記載の電気化学装置において、
前記電気化学装置がハイブリッド水系電解質エネルギー貯蔵装置であり、前記電解質が金属材料に接触していない電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 1.
An electrochemical device in which the electrochemical device is a hybrid aqueous electrolyte energy storage device and the electrolyte is not in contact with a metal material.
請求項4記載の電気化学装置において、
前記カソードがアルカリイオンインターカレーション材料を含み、前記アノードがNHEに対して−1.3V未満の電気化学的に安定な擬似容量性または電気化学二重層容量性材料である電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 4.
An electrochemical device wherein the cathode comprises an alkali ion intercalation material and the anode is an electrochemically stable pseudocapacitive or electrochemical double layer capacitive material of less than -1.3 V relative to NHE.
請求項5記載の電気化学装置において、
前記カソード電極がドープもしくは非ドープ立方晶スピネルλMnO2 形材料またはNaMn918トンネル構造斜方晶材料を含み、前記アノード電極が活性炭を含み、前記電解質がナトリウムイオンを含む電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 5.
An electrochemical device in which the cathode electrode includes a doped or undoped cubic spinel λ MnO 2 type material or a NaMn 9 O 18 tunnel structure orthorhombic material, the anode electrode includes activated carbon, and the electrolyte includes sodium ions.
請求項1記載の電気化学装置において、
前記カソード電極が、電解二酸化マンガン(EMD)、アルファまたはガンマ相から選択される非インターカレーションMnO2 相を含む電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 1.
An electrochemical device wherein the cathode electrode comprises a non-intercalated MnO 2 phase selected from electrolytic manganese dioxide (EMD), alpha or gamma phase.
請求項5記載の電気化学装置において、
前記アノード電極が、多孔質活性炭、メソポーラス炭素、カーボンナノチューブ、擬似容量性金属酸化物材料またはその複合体の1種類以上を含む電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 5.
An electrochemical device in which the anode electrode includes one or more of porous activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, pseudocapacitive metal oxide material, or a composite thereof.
請求項4記載の電気化学装置において、
電荷を、前記カソード電極におけるインターカレーションを介して、さらに、前記アノード電極における擬似容量性非ファラデ表面反応によって、貯蔵することができるように、前記電解質がアノードとカソードの両方と相互作用し得る溶解アルカリイオンを含有する水溶液である電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 4.
The electrolyte can interact with both the anode and the cathode so that charge can be stored via intercalation at the cathode electrode and further by a pseudo-capacitive non-Farade surface reaction at the anode electrode. An electrochemical device that is an aqueous solution containing dissolved alkali ions.
請求項1記載の電気化学装置において、
前記アノードバスおよび前記カソードバスが、黒鉛、炭素繊維または炭素系導電性複合体を含む電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 1.
An electrochemical device in which the anode bus and the cathode bus include graphite, carbon fiber, or a carbon-based conductive composite.
請求項1記載の電気化学装置において、
前記ハウジングが、電気化学的に不活性なポリマーを含む電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 1.
An electrochemical device wherein the housing comprises an electrochemically inert polymer.
請求項1記載の電気化学装置において、
前記電気化学セルの積層体中の電気化学セルが、柱状配置で積み重ねられた電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 1.
An electrochemical device in which electrochemical cells in the stack of electrochemical cells are stacked in a columnar arrangement.
請求項12記載の電気化学装置において、
前記カソード集電子がカソード側炭素タブによって前記カソードバスに作用可能かつ電気的に接続され、前記アノード集電子がアノード側炭素タブによって前記アノードバスに作用可能かつ電気的に接続される電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 12,
An electrochemical device wherein the cathode current collector is operable and electrically connected to the cathode bus by a cathode side carbon tab, and the anode current collector is operable and electrically connected to the anode bus by an anode side carbon tab.
請求項13記載の電気化学装置において、
前記集電子が加圧/摩擦フィッティング、導電性の電気化学的に不活性な硬化塗料、または導電性の電気化学的に不活性な硬化エポキシによって前記アノードバスおよび前記カソードバスに作用可能に接続された電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 13.
The current collector is operatively connected to the anode bus and the cathode bus by a pressure / friction fitting, a conductive electrochemically inert cured coating, or a conductive electrochemically inert cured epoxy. Electrochemical device.
請求項1記載の電気化学装置において、
前記ハウジングが、機密密封された電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 1.
An electrochemical device wherein the housing is hermetically sealed.
請求項1記載の電気化学装置において、
前記ハウジングの外側に突出し前記アノードバスおよび前記カソードバスに電気的に接続された金属接触部をさらに備える電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 1.
An electrochemical device further comprising a metal contact portion protruding outside the housing and electrically connected to the anode bus and the cathode bus.
請求項16記載の電気化学装置において、
前記母線の連結部をそれぞれの接触部で被覆する気密封止材をさらに備える電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 16, wherein
An electrochemical device further comprising an airtight sealing material that covers the connecting portion of the bus bar with each contact portion.
請求項1記載の電気化学装置において、
前記アノード電極が、アノード境界域によって分離された複数の別個のアノード電極部材を含み、
前記カソード電極が、カソード境界域によって分離された複数の別個のカソード電極部材を含む電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 1.
The anode electrode includes a plurality of separate anode electrode members separated by an anode boundary region;
An electrochemical device, wherein the cathode electrode comprises a plurality of separate cathode electrode members separated by a cathode boundary region.
電気化学装置を製造する方法であって、
第1の非金属アノード電極を積み重ねるステップと、
第1の非金属セパレータを前記第1の非金属アノード電極の上に積み重ねるステップと、
第1の非金属カソード電極を前記第1の非金属セパレータの上に積み重ねるステップと、
前記第1の非金属アノード電極を非金属アノードバスに作用可能に接続するステップと、
前記第1の非金属カソード電極を非金属カソードバスに作用可能に接続するステップと、
を含む方法。
A method of manufacturing an electrochemical device comprising:
Stacking a first non-metallic anode electrode;
Stacking a first non-metallic separator on the first non-metallic anode electrode;
Stacking a first non-metallic cathode electrode on the first non-metallic separator;
Operably connecting the first non-metallic anode electrode to a non-metallic anode bus;
Operably connecting the first non-metallic cathode electrode to a non-metallic cathode bus;
Including methods.
請求項19記載の方法において、
非金属集電子を前記第1の非金属カソード電極の上に積み重ねるステップを含む方法。
The method of claim 19, wherein
Stacking a non-metallic current collector on the first non-metallic cathode electrode.
請求項20記載の方法において、
第2の非金属カソード電極を前記非金属集電子の上に積み重ねるステップと、
第2の非金属セパレータを前記第2の非金属カソード電極の上に積み重ねるステップと、
第2の非金属アノード電極を前記第2の非金属セパレータの上に積み重ねるステップと、
をさらに含む方法。
The method of claim 20, wherein
Stacking a second non-metallic cathode electrode on the non-metallic current collector;
Stacking a second non-metallic separator on the second non-metallic cathode electrode;
Stacking a second non-metallic anode electrode on the second non-metallic separator;
A method further comprising:
電気化学装置であって、
ハウジングと、
前記ハウジング中の電気化学セルの積層体であって、各電気化学セルは、
アノード電極と、
カソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置するセパレータと、
電解質と、を含む積層体と、
隣接電気化学セル間に交互に位置する複数の炭素カソードおよびアノード集電子と、
前記複数の炭素カソードおよびアノード集電子に作用可能に接続された複数のタブであって、電気バスに接続するように構成される複数のタブと、を備え、
第1の電気化学セルのカソード電極が、第1のカソード集電子に電気的に接触し、
第2の電気化学セルのカソード電極が前記第1のカソード集電子に電気的に接触し、前記第2の電気化学セルが前記積層体中の第1の電気化学セルの第1の側に隣接し、
前記第1の電気化学セルのアノード電極が、第2のアノード集電子に電気的に接触し、
第3の電気化学セルのアノード電極が前記第2のアノード集電子に電気的に接触し、前記第3の電気化学セルが前記積層体中の第1の電気化学セルの第2の側に隣接する電気化学装置。
An electrochemical device,
A housing;
A stack of electrochemical cells in the housing, each electrochemical cell comprising:
An anode electrode;
A cathode electrode;
A separator located between the anode electrode and the cathode electrode;
An electrolyte, and a laminate including:
A plurality of carbon cathode and anode current collectors alternately located between adjacent electrochemical cells;
A plurality of tabs operably connected to the plurality of carbon cathodes and anode current collectors, the plurality of tabs configured to connect to an electrical bus; and
The cathode electrode of the first electrochemical cell is in electrical contact with the first cathode current collector;
A cathode electrode of a second electrochemical cell is in electrical contact with the first cathode current collector, and the second electrochemical cell is adjacent to a first side of the first electrochemical cell in the stack. And
An anode electrode of the first electrochemical cell is in electrical contact with a second anode current collector;
An anode electrode of a third electrochemical cell is in electrical contact with the second anode current collector, and the third electrochemical cell is adjacent to a second side of the first electrochemical cell in the stack. Electrochemical device to do.
電気化学装置であって、
ハウジングと、
前記ハウジング中の電気化学セルの積層体であって、各電気化学セルは、
圧縮粒状アノード電極と、
圧縮粒状カソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置するセパレータと、
電解質と、を含む積層体と、
隣接電気化学セル間に交互に位置する複数のカソードおよびアノード集電子と、を備え、
第1の電気化学セルのカソード電極が、第1のカソード集電子に電気的に接触し、
第2の電気化学セルのカソード電極が前記第1のカソード集電子に電気的に接触し、前記第2の電気化学セルが前記積層体中の第1の電気化学セルの第1の側に隣接し、
前記第1の電気化学セルのアノード電極が、第2のアノード集電子に電気的に接触し、
第3の電気化学セルのアノード電極が前記第2のアノード集電子に電気的に接触し、前記第3の電気化学セルが前記積層体中の第1の電気化学セルの第2の側に隣接する電気化学装置。
An electrochemical device,
A housing;
A stack of electrochemical cells in the housing, each electrochemical cell comprising:
A compressed granular anode electrode;
A compressed granular cathode electrode;
A separator located between the anode electrode and the cathode electrode;
An electrolyte, and a laminate including:
A plurality of cathode and anode current collectors alternately located between adjacent electrochemical cells,
The cathode electrode of the first electrochemical cell is in electrical contact with the first cathode current collector;
A cathode electrode of a second electrochemical cell is in electrical contact with the first cathode current collector, and the second electrochemical cell is adjacent to a first side of the first electrochemical cell in the stack. And
An anode electrode of the first electrochemical cell is in electrical contact with a second anode current collector;
An anode electrode of a third electrochemical cell is in electrical contact with the second anode current collector, and the third electrochemical cell is adjacent to a second side of the first electrochemical cell in the stack. Electrochemical device to do.
電気化学装置であって、
ハウジングと、
前記ハウジング中の並列された電気化学セルの複数の積層体であって、各電気化学セルは、
アノード電極と、
カソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置するセパレータと、
電解質と、を含む複数の積層体と、
前記複数の積層体の各々において隣接電気化学セル間に位置する集電子と、を備え、
少なくとも1個のセルの前記セパレータが、前記複数の積層体の少なくとも2個の間に連続的に延在するセパレータシートを含む電気化学装置。
An electrochemical device,
A housing;
A plurality of stacked electrochemical cells in the housing, each electrochemical cell comprising:
An anode electrode;
A cathode electrode;
A separator located between the anode electrode and the cathode electrode;
A plurality of laminates including an electrolyte; and
A current collector located between adjacent electrochemical cells in each of the plurality of laminates,
An electrochemical device, wherein the separator of at least one cell includes a separator sheet that extends continuously between at least two of the plurality of laminates.
電気化学装置であって、
ハウジングと、
前記ハウジング中の電気化学セルの積層体であって、各電気化学セルは、
アノード電極と、
カソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置するセパレータと、
電解質と、を含む積層体と、
隣接電気化学セル間に位置する黒鉛シートと、を備え、
前記黒鉛シートが、前記隣接電気化学セルの集電子である電気化学装置。
An electrochemical device,
A housing;
A stack of electrochemical cells in the housing, each electrochemical cell comprising:
An anode electrode;
A cathode electrode;
A separator located between the anode electrode and the cathode electrode;
An electrolyte, and a laminate including:
A graphite sheet located between adjacent electrochemical cells,
An electrochemical device in which the graphite sheet is a current collector of the adjacent electrochemical cell.
電気化学セルであって、
アノード境界域によって分離された複数の別個のアノード電極部材を含むアノード電極と、
カソード境界域によって分離された複数の別個のカソード電極部材を含むカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置するセパレータと、
電解質と、を備え、
前記電解質が、前記セパレータ中並びにアノード電極およびカソード電極境界域に存在し、
前記セパレータ全体にわたって前記アノード境界域の少なくとも50%がそれぞれのカソード境界域と列を成さない電気化学セル。
An electrochemical cell,
An anode electrode comprising a plurality of separate anode electrode members separated by an anode boundary region;
A cathode electrode comprising a plurality of separate cathode electrode members separated by a cathode boundary region;
A separator located between the anode electrode and the cathode electrode;
An electrolyte, and
The electrolyte is present in the separator and in the boundary region of the anode and cathode,
An electrochemical cell in which at least 50% of the anode boundary area does not line up with the respective cathode boundary area throughout the separator.
電気化学セルの積層体を備える電気化学装置を製造する方法であって、
積層電気化学セルを形成するステップと、
前記電気化学セルの積層体の周囲に電気絶縁ポリマーを注ぎ、前記ポリマーを凝固させて固体絶縁シェルを形成するか、または前もって形成された固体絶縁シェルを前記電気化学セルの積層体の周囲に施すステップと、
を含む方法。
A method for producing an electrochemical device comprising a stack of electrochemical cells, comprising:
Forming a stacked electrochemical cell;
Pour an electrically insulating polymer around the electrochemical cell stack and solidify the polymer to form a solid insulating shell, or apply a preformed solid insulating shell around the electrochemical cell stack Steps,
Including methods.
電気化学装置を製造する方法であって、
アノード境界域によって分離された複数の別個のアノード電極部材を含むアノード電極を積み重ねるステップと、
セパレータを前記アノード電極の上に積み重ねるステップと、
カソード境界域によって分離された複数の別個のカソード電極部材を含むカソード電極を前記セパレータの上に積み重ねるステップと、を含み、
前記セパレータ全体にわたって前記アノード境界域の少なくとも50%がそれぞれのカソード境界域と列を成さず、前記複数のアノード電極部材および前記複数のカソード電極部材が行と列の配列で配置される方法。
A method of manufacturing an electrochemical device comprising:
Stacking anode electrodes comprising a plurality of separate anode electrode members separated by an anode boundary region;
Stacking a separator on the anode electrode;
Stacking a cathode electrode comprising a plurality of separate cathode electrode members separated by a cathode boundary region on the separator;
A method in which at least 50% of the anode boundary region does not form a column with each cathode boundary region throughout the separator, and the plurality of anode electrode members and the plurality of cathode electrode members are arranged in a row and column arrangement.
二次ハイブリッド水系エネルギー貯蔵装置であって、
ハウジングと、
前記ハウジング中の電気化学セルの積層体であって、各電気化学セルは、
アノード電極と、
カソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置するセパレータと、
電解質と、を含む積層体と、
隣接電気化学セル間に位置する黒鉛シートと、を備え、
前記アノード電極および前記カソード電極が、0.05〜1cmの厚さである二次ハイブリッド水系エネルギー貯蔵装置。
A secondary hybrid water-based energy storage device,
A housing;
A stack of electrochemical cells in the housing, each electrochemical cell comprising:
An anode electrode;
A cathode electrode;
A separator located between the anode electrode and the cathode electrode;
An electrolyte, and a laminate including:
A graphite sheet located between adjacent electrochemical cells,
A secondary hybrid aqueous energy storage device in which the anode electrode and the cathode electrode have a thickness of 0.05 to 1 cm.
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