JP2015513179A - フラーレンとイオン性液体との懸濁液を有する電気化学半電池を有するガルバニ電池を備えた電気化学エネルギー貯蔵装置又はエネルギー変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)半電池を少なくとも1種の電子伝導体及び少なくとも1種のイオン伝導体に接続した後に電池が充電され、放電を一度だけできることで特徴付けられる、バッテリとも呼ばれる一次電池。放電の基礎となるレドックス反応が不可逆的であるため、一次電池を再度電気的に充電することはできない。
(b)少なくとも1種の電子伝導体及び少なくとも1種のイオン伝導体に接続された半電池からガルバニ電池を形成し、繰り返し充放電をすることができることで特徴づけられる、蓄電池とも呼ばれる二次電池。放電の基礎となるレドックス反応が可逆的であるため、二次電池は電気的に充電可能である。従って、二次電池の寿命は特定の充放電プロセス数で制限される。
(c)化学エネルギー担体が電池内に貯蔵されるのではなく、連続的に外部から供給されることで特徴付けられる、三次電池とも呼ばれる燃料電池。したがって、燃料電池は連続的に供給される燃料及び連続的に供給される酸化剤の化学エネルギーを利用し、これらを電気エネルギーに変換する。
Egrav[Wh/kg]=U[V]・I[A]・t[h]/m[kg] (i)
Evol[Wh/cm3]=U[V]・I[A]・t[h]/V[cm3] (ii)
式中、Uは電圧をボルト[V]で表し、Iは電流をアンペア[A]で表し、tは時間を時間[h]で表し、mは質量をキログラム[kg]で表し、Vは体積を立方センチメートル[cm3]で表す。
本発明は、少なくとも1種のフラーレンを有する活性アノード及び/又はカソード物質を有する電気化学半電池、並びに少なくとも1種のフラーレン及び少なくとも1種のイオン性液体を有する懸濁液を有する電気化学半電池に関する。
活性アノード物質は、少なくとも1つの電子を、好ましくは少なくとも2つの電子を、より好ましくは少なくとも3つの電子を、より好ましくは少なくとも4つの電子を、より好ましくは少なくとも5つの電子を、より好ましくは少なくとも6つの電子を、より好ましくは2つの電子まで、より好ましくは3つの電子まで、より好ましくは4の電子まで、より好ましくは5つの電子まで、より好ましくは6つの電子までを吸収及び/又は放出できる、電気化学的に活性な化合物を有する。この場合、活性カソード物質は、少なくとも1つの電子を、好ましくは少なくとも2つの電子を、より好ましくは少なくとも3つの電子を、より好ましくは少なくとも4つの電子を、より好ましくは少なくとも5つの電子を、より好ましくは少なくとも6つの電子を、より好ましくは2つの電子まで、より好ましくは3つの電子まで、より好ましくは4つの電子まで、より好ましくは5つの電子まで、より好ましくは6つの電子までを吸収及び/又は放出することができる、電気化学的に活性な化合物を有する。活性アノード及び/又はカソード物質による電子の吸収又は放出は、還元又は酸化プロセスによって起こる。
別の特定の実施形態では、本発明の電気化学半電池は、少なくとも1種のフラーレン及び少なくとも1種のイオン性液体を有する懸濁液を有する。懸濁液は、懸濁液の全重量に対して、0.1〜99.9重量%、好ましくは1〜50重量%、より好ましくは1〜25重量%、より好ましくは5〜20重量%、特に10重量%のフラーレンを有してもよい。懸濁液は、懸濁液の全重量に対して、99.9〜0.1重量%、好ましくは99〜50重量%、より好ましくは99〜75重量%、より好ましくは95〜80重量%、特に90重量%のイオン性液体を有してもよい。フラーレン及びイオン性液体に加えてさらなる成分を有する懸濁液を有する実施形態も本発明に含まれる。
本発明はさらに、本発明の電気化学半電池を少なくとも2つ有する電気化学エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置を含む。
(i)第1電気化学半電池は、
(a)活性アノード物質と、
(b)第1電解質と、
(c)第1電極とを備え、
(ii)第2電気化学半電池は、
(a)活性カソード物質と、
(b)第2電解質と、
(c)第2電極とを備え、
(iii)第1電気化学半電池の電解質と第2電気化学半電池の電解質はセパレータ、特に細孔セパレータを介して接触し、
(iv)第1電気化学半電池及び/又は第2電気化学半電池は、それぞれ独立に、少なくとも1種のフラーレンを有する活性アノード及び/又はカソード物質を備える。
活性アノード及び/又はカソード物質自体が第1及び/又は第2電極の一部でなくても、活性アノード及び/又はカソード物質の還元及び酸化プロセスが第1及び/又は第2電極上で起こり得る。
(i)電極を提供する工程、
(ii)少なくとも1種のフラーレンを特に懸濁液の形態で有する活性アノード及び/又はカソード物質を提供する工程、
(iii)電解質、特に少なくとも1種のイオン性液体を有する電解質を提供する工程。
容量=I.t (iii)
式中、Iは電流をアンペア[A]で表し、tは時間を時間[h]で表す。
Q=n.z.F (iv)
式中、Qは充電量を表し、nは物質の変換量をモル[mol]で表し、zは電子数を表し、Fはファラデー定数をクーロン[C]で表す(96487C)。
W=Q.U (v)
式中、Wはエネルギー密度を表し、Qは電荷量を表し、Uは電圧を表す。
3.5V・26.8Ah/mol+2.5V・26.8Ah/mol+1.5V・26.8Ah/mol=201Wh/mol
エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置を、1−メチル−l−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(99%、Iolitec GmbH、ドイツ)中の10%[5,6]−フラーレン−C60の懸濁液から構成した。エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置を、細孔セパレータ(Celgard Inc.、米国)を用いて2つの電気化学半電池に分離した。電極としては、グラファイト板(FU4036、Schunk Kohlenstofftechnik GmbH、ドイツ)及びグラファイトフェルト(GFA5、SGL Carbon、ドイツ)を使用した。グラファイト板を、4つの相互に略平行なセグメントからなり、5×33×30mmのキャビティを有するPVCフレームの片側に、特に液密に圧入し、載置した。続いて、1方の側が解放されたこの構造物内にグラファイトフェルトを載置し、l−メチル−l−プロピル−ピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド中の10%[5,6]−フラーレン−C60の懸濁液を、完全に懸濁液で飽和されてそれ以上の懸濁液を取り込めなくなるまでグラファイトフェルトに塗布した。次いで、上記一方が解放された構造物のキャビティを、1−メチル−l−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドで充填した。l−メチル−l−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドは電解質として作用する。この一方が解放された構造物が、電気化学エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置の本発明の電気化学半電池の実施形態である。次に、上記一方が解放された構造物をセパレータの圧入、特に液密コーティングによって閉じた。次いで、第2のグラファイト板を、4つの相互に略平行なセグメントからなり、5×33×30mmのキャビティを有する第2のPVCフレームの片側に、特に液密に圧入し、載置した。続いて、第2のグラファイトフェルトを、一方の側が解放された第2の構造物内に載置し、l−メチル−l−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド中の10%の[5,6]−フラーレン−C60の懸濁液を、完全に懸濁液で飽和されてそれ以上の懸濁液を取り込めなくなるまで第2グラファイトフェルトに塗布した。続いて、上記一方が解放された第2の構造物のキャビティを、l−メチル−l−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドで充填した。l−メチル−l−プロピル−ピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドは電解質として作用する。上記一方が解放された第2の構造物が、本発明の電気化学エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置の電気化学半電池の実施形態である。続いて、上記一方が解放された第2の構造物を、第1半電池のセパレータに、境界を区切るPVCフレームの開放側を介して、特に液密に圧入し取り付けた。第1及び第2電気化学半電池の電気的接触は、第1グラファイト板の第1銅板及び第2グラファイト板の第2銅板によって行われた。2つの電気化学半電池は続いて第1銅板及び第2銅板を介して、0.3mA/cm2の電流密度を有する導電体と電気的に接続された。
Claims (13)
- 少なくとも1種のフラーレンを有する活性アノード及び/又はカソード物質を有する、電気化学半電池。
- 前記フラーレンが、[5,6]−フラーレン−C60、[5,6]−フラーレン−C70、フラーレン−C76、フラーレン−C78、フラーレン−C80、フラーレン−C82、フラーレン−C84、フラーレン−C86、フラーレン−C90又はその混合物からなる群より選択され、好ましくは[5,6]−フラーレン−C60及び/又は[5,6]−フラーレン−C70であり、特に[5,6]−フラーレン−C60である、請求項1に記載の電気化学半電池。
- 前記フラーレンが懸濁液の形態で、特にイオン性液体を有する懸濁液の形態で存在する、請求項1に記載の電気化学半電池。
- 前記イオン性液体が、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホナート、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、ブチルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、りん酸二水素コリン、エチルアンモニウムニトラート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムブロミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムエチルスルファート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムメタンスルホナート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムクロリド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムヨージド、1−メチル−1−プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、トリエチルスルホニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド又はその混合物からなる群より選択され、好ましくは1−メチル−1−プロピルピロリジニウムビス(トリスフルオロメチルスルホニル)イミドである、請求項3に記載の電気化学半電池。
- 懸濁液の全重量に対して、0.1〜99.9重量%、好ましくは1〜50重量%、より好ましくは1〜25重量%、より好ましくは5〜20重量%、特に10重量%フラーレンを有する懸濁液を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気化学半電池。
- 電子を6つまで吸収及び/又は放出できる活性アノード及び/又はカソード物質を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気化学半電池。
- 前記電気化学半電池を少なくとも2つ備える電気化学エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置であって、
(i)第1電気化学半電池は、
(a)活性アノード物質と、
(b)第1電解質と、
(c)第1電極とを備え、
(ii)第2電気化学半電池は、
(a)活性カソード物質と、
(b)第2電解質と、
(c)第2電極とを備え、
(iii)前記第1電気化学半電池の前記電解質及び前記第2電気化学半電池の前記電解質は、セパレータ、特に細孔セパレータを介して接触し、
(iv)前記第1電気化学半電池及び/又は前記第2電気化学半電池は、それぞれ独立に、少なくとも1種のフラーレンを有する活性アノード及び/又はカソード物質を有する、電気化学エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置。 - 前記第1及び/又は前記第2電気化学半電池の前記活性アノード及び/又はカソード物質が、少なくとも1種のフラーレンを有する懸濁液、特に少なくとも1種のフラーレン及び少なくとも1種のイオン性液体を有する懸濁液を有する、請求項7に記載の電気化学エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置。
- 前記第1及び第2電極が、少なくとも1種の炭素質材料を、特に2種の炭素質材料を有する、請求項7又は8に記載の電気化学エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置。
- 前記炭素質材料が、シートを、好ましくは炭素繊維及び/又は炭素粒子及び/又は炭素板及び/又は炭素ナノチューブを有する、請求項9に記載の電気化学エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置。
- 前記シートが、炭素繊維を含有する織布又は不織布シート、好ましくは炭素フェルト及び/又は炭素布を有する、請求項10に記載の電気化学エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置。
- 少なくとも1種のフラーレンを有する懸濁液を提供する工程を有する、電気化学半電池の製造方法。
- 請求項7〜12のいずれか1項に記載の電気化学エネルギー貯蔵及び/又はエネルギー変換装置を製造するための、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気化学半電池の使用。
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