JP2015515723A - Batteries having non-polar alkali metal ion conducting honeycomb structure separator - Google Patents
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Abstract
本発明は再充電可能電池を提供する。電池は、実質的に非極性な薄く非極性なアルカリイオン伝導セラミック膜のセル壁(30)によって、隣り合うセルが分離された複数のセルを規定するハニカムセパレーター(20)を含む。電池は複数の正極(55)を含み、それぞれの正極(55)は、ハニカムセパレーター(20)のそれぞれ正極セル(65)内に配置される。それぞれの正極セル(65)は、電池が放電中に電気化学的還元が起こり、電池が充電中に電気化学的酸化が起こるような正極電気化学的材料を含む。負極(50)は、それぞれのハニカムセパレーター(20)の負極セル(60)内に配置される。それぞれの負極セル(60)、電池が放電中に電気化学的酸化が起こり、電池が充電中に電気化学的還元が起こるような負極電気化学的材料を含む。正極(55)及び負極(50)は、ハニカムセパレーター(20)のセル内に、格子縞模様に配置される。【選択図】図3The present invention provides a rechargeable battery. The battery includes a honeycomb separator (20) that defines a plurality of cells separated from each other by cell walls (30) of a substantially non-polar thin non-polar alkaline ion conducting ceramic membrane. The battery includes a plurality of positive electrodes (55), and each positive electrode (55) is disposed in a respective positive electrode cell (65) of the honeycomb separator (20). Each positive electrode cell (65) includes a positive electrode electrochemical material that undergoes electrochemical reduction while the battery is discharging and electrochemical oxidation while the battery is charging. The negative electrode (50) is disposed in the negative electrode cell (60) of each honeycomb separator (20). Each negative electrode cell (60) includes a negative electrode electrochemical material such that electrochemical oxidation occurs during discharge of the battery and electrochemical reduction occurs during charge of the battery. The positive electrode (55) and the negative electrode (50) are arranged in a checkered pattern in the cells of the honeycomb separator (20). [Selection] Figure 3
Description
本出願は、2012年4月2日出願の米国仮特許出願第61/619,170号(発明の名称:ハニカムセパレーターを有する高出力で低い総エネルギー貯蔵量電池の優先権を享受する。本出願は、更に、2010年3月16日出願の米国一部継続特許出願第12/725,319号(発明の名称:実質的に非極性な膜および利用効率の高められたカソードを有するナトリウム−硫黄電池)に対応し、米国一部継続特許出願第12/725,319号は、2009年3月16日出願の米国仮特許出願第61/160,621号(発明の名称:実質的に非極性な膜および利用効率の高められたカソードを有するナトリウム−硫黄電池)の優先権を享受し、米国一部継続特許出願第12/725,319号は、2007年9月5日出願の米国仮特許出願第60/970,178号(発明の名称:非極性セラミックセパレーターを有する高率リチウム−硫黄電池)の優先権を享受する2008年9月5日出願の米国特許出願第12/205,759号(発明の名称:実質的に非極性な膜および利用効率の高められたカソードを有するリチウム−硫黄電池)の継続出願である。
This application enjoys the priority of US Provisional Patent Application No. 61 / 619,170 filed Apr. 2, 2012 (Title of Invention: High Power, Low Total Energy Storage Battery with Honeycomb Separator. In addition to US Ser. No. 12 / 725,319, filed Mar. 16, 2010 (Title of Invention: Sodium-Sulfur having a substantially non-polar membrane and a cathode with enhanced utilization efficiency). No. 12 / 725,319, US provisional patent application No. 61 / 160,621 filed Mar. 16, 2009 (Title of Invention: substantially non-polar) US Patent No. 12 / 725,319 is a US provisional patent application filed on September 5, 2007. US patent application Ser. No. 12 / 205,759, filed Sep. 5, 2008, which enjoys the priority of
本発明は、電池に関する。詳しくは、本発明は、非極性のアルカリ金属イオン伝導ハニカム構造セパレーターを有する電池を提供するものである。 The present invention relates to a battery. Specifically, the present invention provides a battery having a nonpolar alkali metal ion conductive honeycomb structure separator.
電池は、種々の利用のために、電気エネルギーの貯蔵および放出するために使用される装置として知られている。私たちの社会は、コンピューター、携帯電話、携帯音楽プレーヤー、照明器具、その他の電子部品などの数多くの装置に電力を供給するのに電池に頼っている。電気エネルギーを生み出すために、電池は、代表的には化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。通常、単電池は1つ以上のガルバニ電池を含み、それぞれの電池(セル)は、外部回路を通じる以外に電気的に絶縁された2つの半電池から成る。放電中は、電池の正極において電気化学的還元が生じ、一方電池の負極において電気化学的酸化が生じる。電池の正極および負極は物理的に互いに接触していないが、一般に、それらは、固体または液体状あるいはそれらを組合せた1つ以上のイオン伝導性および電気絶縁性電解質によって化学的に接続されている。外部回路または負荷が、負極に接続される端子に接続され、正極に接続される端子に接続されると、電池は外部回路を通じて電子を動かし、イオンが電解質を通じて移動する。 Batteries are known as devices used to store and release electrical energy for various uses. Our society relies on batteries to power many devices such as computers, cell phones, portable music players, lighting fixtures, and other electronic components. In order to generate electrical energy, batteries typically convert chemical energy directly into electrical energy. Usually, a single cell includes one or more galvanic cells, and each battery (cell) consists of two half-cells that are electrically isolated other than through an external circuit. During discharge, electrochemical reduction occurs at the positive electrode of the battery, while electrochemical oxidation occurs at the negative electrode of the battery. The positive and negative electrodes of a battery are not physically in contact with each other, but generally they are chemically connected by one or more ionic conductive and electrically insulating electrolytes in solid or liquid form or a combination thereof. . When an external circuit or load is connected to a terminal connected to the negative electrode and connected to a terminal connected to the positive electrode, the battery moves electrons through the external circuit and ions move through the electrolyte.
電池は様々な種類に分類することが出来る。例えば、一次電池または一次セルとして一度だけ完全に放電できる電池がある。これに対して、二次電池または二次セルとして放電と充電を1回以上行うことが出来る電池がある。セル又は電池が複数回充放電できる可能性は、それぞれの充放電サイクルのファラデー効果による。 Batteries can be classified into various types. For example, there are batteries that can be fully discharged only once as primary batteries or primary cells. On the other hand, there are batteries that can be discharged and charged once or more as secondary batteries or secondary cells. The possibility that a cell or battery can be charged and discharged multiple times depends on the Faraday effect of each charge and discharge cycle.
ハニカム構造セパレーターから成る電池は知られている。例えば、Berkeyらによる特許文献1及び特許文献2には、セパレーター壁が多孔質であり、ハニカムパターンに配列されたセルが開示されている。Lymanによる特許文献3には、電解質溶液で濡らされているセパレーター壁が開示されている。Stempinらによる特許文献4には、薄く多孔質であるセラミック壁を有するハニカム構造が開示されている。Kummerによる特許文献5には、電解質のイオンが透過出来るような範囲の空隙率を有する材料から成るハニカムセパレーターを開示している。 Batteries comprising honeycomb structure separators are known. For example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 by Berkey et al. Disclose cells in which separator walls are porous and arranged in a honeycomb pattern. U.S. Pat. No. 6,053,836 to Lyman discloses a separator wall that is wetted with an electrolyte solution. US Pat. No. 6,053,097 to Stempin et al. Discloses a honeycomb structure having thin and porous ceramic walls. Patent Document 5 by Kummer discloses a honeycomb separator made of a material having a porosity in a range in which electrolyte ions can permeate.
ハニカム構造セパレーターは多くの利点を提供する。1つの利点は、薄い部材から頑丈な構造体を提供できることである。別の利点は、低コストで組立可能な大きなセパレーター表面積を有する効率の良い構造体であることである。更に、この構造体は、セパレーター面積対電極体積の高い比率を提供できる。 Honeycomb separators offer many advantages. One advantage is that a sturdy structure can be provided from a thin member. Another advantage is an efficient structure with a large separator surface area that can be assembled at low cost. Furthermore, this structure can provide a high ratio of separator area to electrode volume.
上記の従来技術はハニカムセパレーター構造を認識してはいるもの、それぞれの場合において、細孔中に含まれる非セラミック電解質を通じてイオンが伝導するために多孔質壁構造が要求される。 Although the above prior art recognizes honeycomb separator structures, in each case, a porous wall structure is required for ions to conduct through the non-ceramic electrolyte contained in the pores.
電池技術において更なる向上が必要とされている。非極性アルカリ金属イオン伝導性ハニカム構造セパレーターを有する電池を提供することが、本分野での改良であると考えられる。 There is a need for further improvements in battery technology. It would be an improvement in this field to provide a battery having a non-polar alkali metal ion conductive honeycomb structured separator.
本発明の目的は、非極性のアルカリ金属イオン伝導ハニカム構造セパレーターを有する電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide a battery having a non-polar alkali metal ion conductive honeycomb structure separator.
本発明は再充電可能電池を提供する。電池は、ハニカムセパレーターの薄く非極性なセル壁によって近傍のセルを分割された複数のセルを規定しているハニカムセパレーターから成る。セルは、平行に、長手方向に延びている。ハニカムセパレーターのセル壁は、実質的に非極性なアルカリイオン伝導セラミック膜材料から成る。実質的に非極性なアルカリイオン伝導セラミック膜材料は、NASICON(Na Super Ion CONducting(ナトリウム超イオン伝導))型膜材料から成る。この実質的に非極性なアルカリイオン伝導セラミック膜材料は、LISICON(Li Super Ion CONducting(リチウム超イオン伝導))型材料からも成る。固体アルカリイオン伝導電解質膜の他の例としては、βアルミナ、ナトリウム伝導ガラス等が挙げられる。ハニカムセパレーターは押出セラミック材料でもよい。 The present invention provides a rechargeable battery. The battery comprises a honeycomb separator that defines a plurality of cells divided by neighboring cells by thin, non-polar cell walls of the honeycomb separator. The cells extend in parallel and in the longitudinal direction. The cell walls of the honeycomb separator are made of a substantially nonpolar alkali ion conducting ceramic membrane material. The substantially non-polar alkaline ion conducting ceramic membrane material comprises a NASICON (Na Super Ion Conducting) type membrane material. This substantially non-polar alkaline ion conducting ceramic membrane material is also composed of a LISICON (Li Super Ion Conducting) type material. Other examples of the solid alkali ion conductive electrolyte membrane include β alumina and sodium conductive glass. The honeycomb separator may be an extruded ceramic material.
電池は複数の正極を有し、それぞれの正極は、ハニカムセパレーターのそれぞれの正極セル内に配置されている。正極は、正極グリッド内で電気的に結合されている。それぞれの正極セルは、電池の放電時に電気化学的還元が起こり、電池の充電時に電気化学的酸化が起こるような正極電気化学的材料を含む。 The battery has a plurality of positive electrodes, and each positive electrode is disposed in each positive electrode cell of the honeycomb separator. The positive electrode is electrically coupled within the positive grid. Each positive electrode cell contains a positive electrode electrochemical material that undergoes electrochemical reduction when the battery is discharged and electrochemical oxidation occurs when the battery is charged.
電池は、更に、複数の負極を有し、それぞれの負極は、ハニカムセパレーターのそれぞれの負極セル内に配置されている。負極は、負極グリッドで電気的に結合されている。それぞれの負極セルは、電池の放電時に電気化学的酸化が起こり、電池の充電時に電気化学的還元が起こるような負極電気化学的材料を含む。 The battery further has a plurality of negative electrodes, and each negative electrode is disposed in each negative electrode cell of the honeycomb separator. The negative electrode is electrically coupled with a negative grid. Each negative electrode cell includes a negative electrode electrochemical material that undergoes electrochemical oxidation during battery discharge and electrochemical reduction during battery charge.
正極と負極は、正極を有するセルが負極を有するセルに隣り合って格子縞模様(チェッカーボードパターン、市松模様)のようになるようにハニカムセパレーターのセル内に配置される。 The positive electrode and the negative electrode are arranged in the cells of the honeycomb separator such that the cell having the positive electrode is adjacent to the cell having the negative electrode and has a checkered pattern (checkerboard pattern, checkered pattern).
作動時において、負極電気化学的材料はアルカリ金属から成る。アルカリ金属の例としては、特にこれに限定されないが、ナトリウム、リチウム及びこれらのアロイが挙げられる。ある実施態様において、負極電気化学的材料は溶融アルカリ金属から成る。 In operation, the negative electrode electrochemical material consists of an alkali metal. Examples of alkali metals include, but are not limited to, sodium, lithium, and alloys thereof. In certain embodiments, the negative electrode electrochemical material comprises a molten alkali metal.
作動時において、負極電気化学的材料はアルカリ金属挿入材料から成っていてもよい。ある実施態様において、特にこれに限定されないが、負極中の挿入材料が、アルカリ金属挿入炭素(炭素としては、グラファイト、メソ多孔性炭素、ホウ素がドープされたダイアモンド、炭素および/またはグラフェンが挙げられる)。 In operation, the negative electrode electrochemical material may consist of an alkali metal insertion material. In certain embodiments, the insertion material in the negative electrode may be, but is not limited to, an alkali metal insertion carbon (carbon includes graphite, mesoporous carbon, boron doped diamond, carbon and / or graphene). ).
作動中、正極電気化学的材料は、元素状硫黄と元素状硫黄およびM2Sx(Mはアルカリ金属)を少なくとも部分的に溶解できる溶媒少なくとも1つの溶媒とから成る。ある実施態様において、その溶媒は、元素状硫黄を溶解する非極性溶媒とM2Sxを溶解する極性溶媒とを含む。ある実施態様において、その溶媒は、元素状硫黄とM2Sxとを少なくとも部分的に溶解する少なくとも1つの極性溶媒から成る。 In operation, the positive electrode electrochemical material consists of elemental sulfur and elemental sulfur and at least one solvent capable of at least partially dissolving M 2 S x (M is an alkali metal). In certain embodiments, the solvent includes a nonpolar solvent that dissolves elemental sulfur and a polar solvent that dissolves M 2 S x . In certain embodiments, the solvent comprises at least one polar solvent that at least partially dissolves elemental sulfur and M 2 S x .
他の実施態様において、正極電気化学的材料は、アルカリ金属ハロゲン化物と対応するハロゲンとから成る。これに限定されないが、アルカリ金属塩化物とハロゲンとしては、NaI、LiI等のアルカリ金属ヨウ化物とヨウ素(I2)、NaBr、LiBr等のアルカリ金属臭化物と臭素(Br2)等が挙げられる。 In another embodiment, the positive electrode electrochemical material consists of an alkali metal halide and the corresponding halogen. Although not limited thereto, examples of the alkali metal chloride and halogen include alkali metal iodides such as NaI and LiI, alkali metal bromides such as iodine (I 2 ), NaBr and LiBr, bromine (Br 2 ), and the like.
本発明のこれらの要旨および技術効果は、以下の記載および請求の範囲から、更に十分に明確になるであろう。また、以下に記載される本発明の実施によっても習得できるであろう。 These aspects and technical advantages of the present invention will become more fully apparent from the following description and appended claims. It may also be learned by practice of the invention described below.
本発明の上述のまたは他の要旨および利点を得、容易に理解するために、上述の簡単な本発明の記載より更に詳しい記載を、添付の図面において示される特定の実施態様を参照によって示す。図面はスケールを表しておらず、本発明のいくつかの代表例を示しているに過ぎず、本発明の要旨を限定すると考えるべきではなく、更なる具体例や詳細が添付の図面を利用して記載され、詳細されるということを理解すべきである。 In order to obtain and readily understand the above and other aspects and advantages of the present invention, a more detailed description than the foregoing brief description of the invention will be given by way of reference to specific embodiments shown in the accompanying drawings. The drawings are not to scale and merely show some representative examples of the present invention, and should not be considered as limiting the gist of the present invention. Should be understood and described in detail.
本発明によれば、非極性のアルカリ金属イオン伝導ハニカム構造セパレーターを有する電池を提供できる。 According to the present invention, a battery having a nonpolar alkali metal ion conductive honeycomb structure separator can be provided.
本発明を通じて参照される「ある実施態様」、「一つの実施態様」または同様の語は、実施態様と関連して記載される特定の要旨、構成、性質が、本発明の少なくとも1つの実施態様に含まれるという意味である。それゆえ、本発明を通じて参照される「ある実施態様において」、「一つの実施態様において」または同様の語がある場合、これに限定されず、同じ実施態様全てを参照する。更に、以下の記載は、記載される発明の種々の構成要素および要旨の種々の実施態様および実施例を参照するが、記載される全ての実施態様および実施例が考慮されるものであり、全ての点においてこれらは例示であって、いかなる方法において限定されるものではない。 An “embodiment”, “an embodiment” or similar word referred to throughout the present invention is intended to describe at least one embodiment of the present invention in the specific gist, configuration, or nature described in connection with the embodiment. It means that it is included. Thus, where there are “in one embodiment”, “in one embodiment” or similar terms referred to throughout this invention, they are not limited to this, but refer to all the same embodiments. Furthermore, the following description refers to various embodiments and examples of the various components and gist of the described invention, but all described embodiments and examples are contemplated, all These are examples and are not limited in any way.
更に、記載される本発明の要旨、構成または性質は、1つ以上の実施態様において適切な方法で組合せてもよい。以下の記載において、アルカリ金属負極、正極物質、液体正極溶液、非極性アルカリ金属イオン伝導性膜などの好適な数多くの具体例は、本発明の実施態様の理解を通じて提供されるものである。当業者ならば、本発明が、1つ以上の特定の詳細な説明無しに、または他の方法、構成要素、材料その他いろいろを伴って実施できるであろうことを理解するであろう。他の例では、周知の構造、材料または操作は、本発明の要旨を曖昧にすることを避けるために示さず、記載しないこともある。 Furthermore, the described subject matter, structure, or nature of the invention may be combined in any suitable manner in one or more embodiments. In the following description, numerous specific examples such as alkali metal negative electrode, positive electrode material, liquid positive electrode solution, nonpolar alkali metal ion conductive membrane are provided through an understanding of embodiments of the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention may be practiced without one or more specific details or with other methods, components, materials, and the like. In other instances, well-known structures, materials, or operations have not been shown or described to avoid obscuring the subject matter of the invention.
上述のように、二次電池は放電および再充電が可能であり、この明細書において、両方の状態のセル配置および方法を記載する。種々の形態における用語「再充電」は、2回目の充電を暗示するが、当業者ならば、再充電に関する記載は、第1回または初期充電、そしてその逆にも有効で適応可能であることは理解できるであろう。それゆえ、この明細書の目的として、「再充電」、「再充電された」及び「再充電可能」の用語は、「充電」、「充電された」及び「充電可能」の用語にそれぞれ置き換えることが可能である。 As mentioned above, secondary batteries can be discharged and recharged, and this specification describes cell arrangements and methods for both states. The term “recharge” in various forms implies a second charge, but for those skilled in the art, the recharge description should be valid and adaptable to the first or initial charge and vice versa. Will understand. Therefore, for the purposes of this specification, the terms “recharge”, “recharged” and “rechargeable” are replaced with the terms “charge”, “charged” and “chargeable”, respectively. It is possible.
本発明は、ハニカム構造セパレーター内の非極性膜壁を利用した再充電可能電池を提供する。非極性膜壁の例(これに限定されないが)としては、NASICON型材料、LiSICON型材料およびイオン伝導性を有するガーネット構造の材料などのアルカリイオン伝導性セラミック材料が挙げられる。上述のBerkey(特許文献1及び2)、Lyman(特許文献3)、Stempin(特許文献4)及びKummer(特許文献5)、非極性膜について何ら示唆していない。これらの先行技術に開示されたシステムは、過充電がガス及び膜の一方から他方へのガスの通路の形成を引起し、再結合させることが望ましいアルカリ化学物質の場合において、多孔質ハニカムセパレーターを必要とする。そうしないと、この反応で発生したガスが、セルを破裂させたり破壊したりする。更に、再充電中の樹枝形成が膜の孔を通じて浸透し、セルの短絡や多孔セパレーターを通じて構成成分の好ましくない染み出しがセルの不可逆的な容量損失を招くような系を含む多くの再充電可能電池システムにおいて、多孔質膜は、好ましくない。 The present invention provides a rechargeable battery utilizing a nonpolar membrane wall in a honeycomb structured separator. Examples of non-polar membrane walls include (but are not limited to) alkaline ion conductive ceramic materials such as NASICON type materials, LiSICON type materials and garnet structure materials having ion conductivity. The above-mentioned Berkey (patent documents 1 and 2), Lyman (patent document 3), Stempin (patent document 4) and Kummer (patent document 5) do not suggest any nonpolar film. These prior art systems disclose porous honeycomb separators in the case of alkaline chemicals where it is desirable to overcharge due to the formation of gas and gas passages from one of the membranes to the other and recombine. I need. Otherwise, the gas generated by this reaction will rupture or destroy the cell. In addition, many rechargeables are included, including systems where dendrite formation during recharging penetrates through the pores of the membrane and undesired exudation of components through the cell short circuit or porous separator leads to irreversible capacity loss of the cell. In battery systems, porous membranes are not preferred.
特定の再充電可能電池の構成物質で使用されるために非極性ハニカムセパレーター膜を提供することは、この分野で大きな進歩といえる。例えば、もし、2電極系の構成物質が、一方の電極が溶融アルカリ金属で、他方の電極が水性電解質のような金属と反応する物質のように非相溶の場合、多孔質膜の使用では、片方の電極材料を分解してしまう。 Providing non-polar honeycomb separator membranes for use with certain rechargeable battery components is a significant advance in this field. For example, if the constituent material of a two-electrode system is incompatible, such as a substance in which one electrode is a molten alkali metal and the other electrode reacts with a metal such as an aqueous electrolyte, the use of a porous membrane One electrode material is decomposed.
本発明では、非極性膜セパレーターを使用することの利点およびセパレーターの形状をハニカム構造にする利点をとらえたものである。すなわち、(1)膜面積当たりの部品への労力と操作を低減できるので、ハニカム構造は個別電池と比較して、電池の単価を低くすることが出来る。(2)総ハニカム構造は強固であり、薄い膜に応力のかかる取り扱いが可能で、個別チューブでは出来ないであろう。 In the present invention, the advantage of using a nonpolar membrane separator and the advantage of making the shape of the separator into a honeycomb structure are captured. That is, (1) labor and operation on parts per membrane area can be reduced, and the honeycomb structure can lower the unit price of the battery as compared with the individual battery. (2) The total honeycomb structure is strong, can handle thin films with stress, and cannot be done with individual tubes.
ハニカム構造セパレーターを有する再充電可能電池の形成は、十分な低コストにおいて高エネルギー密度を有する再充電可能電池の製造方法に有効である。 Formation of a rechargeable battery having a honeycomb structure separator is effective for a method of manufacturing a rechargeable battery having a high energy density at a sufficiently low cost.
図1は、これに限定されないが、ハニカム構造セパレーター20の1例を示す。ハニカムセパレーター20は、ハニカムセパレーター20の薄く非極性なセル壁30によって分離される複数のセル25を規定する。セルは平行に長手方向35に伸びている。ハニカムセパレーター20のセル壁30は、実質的に非極性なアルカリイオン伝導セラミック膜材料から成る。ハニカムセパレーターは、公知の押出法により形成される。
Although FIG. 1 is not limited to this, an example of the
ハニカムセパレーター20は、実質的に非極性でアルカリ金属イオン伝導性である材料から成る。ハニカム部材は、電池を形成している部材による衝突に耐えるものである。実際には、ある実施態様(これに限定されないが)において、ハニカム部材は、NASICON型膜(例えば、NaSELECT(登録商標)膜、Ceramatec,Inc.(ソルトレークシティー、ユタ州)社製)から成る。他の実施態様において、ハニカム部材はLiSICON型材料(例えば、LiSICON型材料、Ceramatec,Inc.社製)から成る。ハニカムセパレーターは、電池で使用される水および他の電解質材料は実質的に非透過であり、アルカリイオンを選択的に輸送する。ハニカムセパレーター構造は、公知のセラミック押出し法により形成される。
The
図2に示すように、ハニカム構造セパレーター20は、電気的に絶縁性の平面基材40に取り付け、マルチセル電池の構築を容易にし、セル構成部材および電極は上部から入れる。基材のための好適な材料は、ガラス又はエポキシ接着剤を使用して押出膜部材に接着できる非極性アルミナである。
As shown in FIG. 2, the
集電体は、図3に示す交互の負極50及び正極55に効果的に取り付けられている。負極50負極セル60中に配置される。正極55正極セル65中に配置される。負極セル60は、図4に示す格子縞模様中の負極セル65の隣に配置されることが好ましい。負極50を有するそれぞれのセルは、負極グリッド70中で電気的に接続されていてもよい。正極55を有するそれぞれのセルは、正極グリッド75中で電気的に接続されていてもよい。図5Aは、図4に示されるハニカム構造セパレーターの平面図であり、矢印80は、電池が放電状態でのセル壁を透過するNa+又はLi+等のアルカリ金属カチオンの流れを示す。カチオンは、負極セル60からセル壁30を透過して正極セル65に流れ込む。図5Bは、図4に示されるハニカム構造セパレーターの平面図であり、矢印85は、電池が充電状態でのセル壁を透過するアルカリ金属カチオンの流れを示す。カチオンは、正極65からセル壁30を透過して負極セル60に流れ込む。
The current collector is effectively attached to the alternating
電池は、負極セル60及び正極セル65の開放端を閉鎖するためのシールを有してもよく、これにより液を密閉する。電池は、更に、そこで発生したガスを放出させるためのベント(図示せず)を有してもよい。ある実施態様において、電池は、正極から負極を絶縁するための電気的に絶縁性の材料を有してもよい。
The battery may have a seal for closing the open ends of the
正極セルは、電池の放電中に電気化学的還元が行われ、電池の充電中に電気化学的酸化が行われるような正極電気化学的材料を含む。負極セルは、電池の放電中電気化学的酸化が行われ、電池の充電中に電気化学的還元が行われるような負極電気化学的材料を含む。ハウジングは、ハニカムセパレーター、負極、正極、シール、ガスベント、電気的に絶縁性の材料、正極および負極電気化学的材料を集合組立状態で収納する。 The positive electrode cell includes a positive electrode electrochemical material that undergoes electrochemical reduction during battery discharge and electrochemical oxidation during battery charge. The negative electrode cell includes a negative electrode electrochemical material that undergoes electrochemical oxidation during battery discharge and undergoes electrochemical reduction during battery charge. The housing accommodates the honeycomb separator, the negative electrode, the positive electrode, the seal, the gas vent, the electrically insulating material, the positive electrode and the negative electrode electrochemical material in an assembled state.
負極50に関し、負極セル60は、目的通りに電池を機能させる(例えば、放電したり再充電したり)ような、ある好適なアルカリ金属負極50及び/又は関連する集電体とから成る。ある実施態様(これに限定されないが)において、負極は、電池の放電中に電気化学的酸化が行われ、電池の充電中に電気化学的還元が行われるような負極電気化学的材料から成る。ある実施態様(これに限定されないが)において、好適な負極材料は、例えば、実質的に純粋なナトリウム又はリチウム、ナトリウム又はリチウムを含有する他の好適な負極材料から成るナトリウムアロイ又リチウムアロイから成る。ある実施態様において、負極は、実質的に純粋な所定量のナトリウム又は実質的に純粋な所定量のリチウムの何れかから成る。
With respect to the
ある実施態様において、負極50は、電池が放電中に負極内のアルカリ金属が酸化されてアルカリ金属イオンを形成でき、電池が再充電中にアルカリ金属イオンが還元されて挿入材料を挿入できるようなアルカリ金属挿入材料(インターカレーション)から成る。ある実施態様において、挿入材料はまた、アルカリ金属伝導性膜材料に抵抗を増加させない材料から成る。すなわち、ある実施態様において、挿入材料は容易にアルカリ金属イオン透過させ、負極セルから正極セルに(そしてその逆も同じく)アルカリ金属イオンが透過する速度に影響を及ぼさない。ある実施態様において、負極中の挿入材料は、アルカリ金属が挿入された炭素(例えば、グラファイト、メソ多孔性炭素、ホウ素がドープされたダイアモンド、炭素および/またはグラフェンが挙げられる)。
In one embodiment, the
低温での電池の動作のため、負極セル60は非水負極電解質溶液(又は第2電解質)を含んでいてもよい。非水負極電解質溶液は、アルカリ金属イオンを輸送することが出来、負極およびアルカリ金属イオン伝導性膜の材料と化学的に相溶性を有し、目的通りに電池を機能させることが出来る好適な電解質から成る。これに限定されないが、好適な負極電解質溶液の例としては、有機電解質およびイオン性液体から成る。しかしながら、ある種のイオン性液体は、ナトリウムイオン伝導性膜より高いイオン伝導性を有する理由および/またはある種のイオン性液体は、界面活性剤として機能するという理由から、負極上の樹枝形成を遅らせることがある種の有機電解質よりも優れていると理論付けられる。従って、ある実施態様(これに限定されないが)において、負極電解質溶液はイオン性液体から成る。
In order to operate the battery at a low temperature, the
正極55に関し、正極セル65は、目的通りに電池を放電させたり再充電させたりできるような、ある好適な正極55及び/又は関連する集電体とから成る。例えば、正極は、ナトリウム又はリチウム系再充電可能電池システムに好適に使用される実際の正極材料から成る。ある実施態様において、正極は、1つ以上のワイヤー(線)、ワイヤーのストランド(より線)、フェルト片、プレート、チューブ、メッシュ、泡片および/または1つ以上の好適な正極形態を有する。更に、正極は、電池の放電−充電中の酸化−還元反応を行える好適な材料から成るが、ある実施態様(これに限定されないが)において、正極は元素状硫黄(代表的には固体形状のS8分子)から成る。正極セルは、元素状硫黄およびM2Sx(アルカリ金属モノスルフィド(硫化物)および/またはポリスルフィド(硫化物)、Mはナトリウム又はリチウム等のアルカリ金属である)を少なくとも部分的に溶解する少なくとも1つの溶媒を含む。
With respect to the
他の実施態様において、正極55は、ニッケルフォーム(発泡体)、水酸化ニッケル(Ni(OH)2)、オキシ水酸化ニッケル(NiOOH)、硫黄混合物、ハロゲン化硫黄(SCl2)、炭素、銅、ヨウ化銅、白金および/または他の好適な材料から成る。更に、これらの材料は、組合せて存在または共存在させてもよい。実際に、ある実施態様において、正極は、銅、白金またはヨウ化銅から成る。
In other embodiments, the
正極セル65は、液体電解溶液などの正極材料と相溶性のある液体正極溶液を含む。正極溶液がアルカリ金属化合物から成る場合、その化合物は、金属錯体(以下に説明する)の溶解を補助し、アルカリ金属イオン伝導性電解質膜を溶解による劣化から防ぐ等の好適な機能(これらに限定されないが)を遂行できる。アルカリ金属錯体がある好適な化学成分から成る場合、ある実施態様において、それはアルカリイオン、1つ以上のハロゲン化物イオン及び/又は疑似ハロゲン化物イオンから成る。
The
ある実施態様において、1つ以上の溶媒は、元素状硫黄および/またはM2Sxを少なくとも部分的に溶解する溶媒から選択される。溶媒はまた、理想的には比較的高沸点を有する。M2Sxは極性であるため、ある実施態様において、極性溶媒はM2Sxを少なくとも部分的に溶解する溶媒から選択される。同様に元素状硫黄が非極性であるため、非極性溶媒は元素状硫黄を少なくとも一部溶解する溶媒から選択される。それにもかかわらず、一般に、溶媒は単溶媒または混合溶媒を含み、元素状硫黄およびまたはM2Sxを少なくとも部分的に溶解するのに有効である。 In certain embodiments, the one or more solvents are selected from solvents that at least partially dissolve elemental sulfur and / or M 2 S x . The solvent also ideally has a relatively high boiling point. Since M 2 S x is polar, in some embodiments the polar solvent is selected from solvents that at least partially dissolve M 2 S x . Similarly, since elemental sulfur is nonpolar, the nonpolar solvent is selected from solvents that at least partially dissolve elemental sulfur. Nevertheless, in general, the solvent comprises a single solvent or a mixed solvent and is effective to at least partially dissolve elemental sulfur and / or M 2 S x .
テトラグリム(TG)はM2Sxを溶解するために有効な極性溶媒であり、更に、かなりの部分の硫黄を溶解する。それゆえ、テトラグリムそれ自身、または他の極性溶媒との組合せのみが、正極セル内の溶媒として使用されてもよい。このテトラグリム(及び使用可能な他の極性溶媒)の性質は、従来技術では考えられないことである。更に、テトラグリムは、1気圧中30℃〜275℃という幅広い温度で液体である。テトラグリムの溶解特性は、特にハニカムセパレーターの実質的に非極性な膜壁で使用する場合に有利である。正極セル内で使用される他の溶媒は、テトラヒドロフラン(THF)及び/又はジメチルアニリン(DMA)である。DMAは非極性であり、元素状硫黄を溶解するのに特に効果的であることが見出され、更に比較的高沸点を有する。 Tetraglyme (TG) is an effective polar solvent for dissolving M 2 S x and further dissolves a significant portion of sulfur. Therefore, tetraglyme itself or only in combination with other polar solvents may be used as the solvent in the positive electrode cell. The nature of this tetraglyme (and other polar solvents that can be used) is unthinkable in the prior art. Furthermore, tetraglyme is a liquid at a wide temperature range of 30 ° C. to 275 ° C. at 1 atmosphere. The solubility properties of tetraglyme are particularly advantageous when used on a substantially non-polar membrane wall of a honeycomb separator. Another solvent used in the positive electrode cell is tetrahydrofuran (THF) and / or dimethylaniline (DMA). DMA is non-polar, has been found to be particularly effective in dissolving elemental sulfur, and has a relatively high boiling point.
本発明の特定の実施態様および実施例を図示し説明したが、本発明の要旨を超えない範囲で数多くの変更が想到でき、本発明の要旨は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。 While particular embodiments and examples of the invention have been illustrated and described, many modifications can be made without departing from the spirit of the invention, which is limited only by the scope of the appended claims. It is.
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