JP2016096141A - 金属空気電池、リチウム空気電池、および車両 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高容量でリサイクル効率が高い金属空気電池の電解質系に関する。
2H2O(l)+2e− → H2(g)+2OH−(aq)
酸化
2H2O(l) → O2(g)+4H+(aq)+4e−
このようにして、水系電解質がさらに電池から失われる。加えて、水素の還元において消費される電子は酸素の還元には利用できない。このため、水系電解質の寄生的な電解により、二次電池の長期サイクル効率が低下する。
本発明は上記およびその他の目的に取組んでおり、本発明の第1の実施形態は金属空気電池を含み、この金属空気電池は、アノード区画と、O2源が供給されるカソード区画と、アノード区画をカソード区画から分離する金属イオン伝導膜とを備え、アノード区画は、活性成分として遷移金属、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属を有するアノードと、アノード活性成分の電解質塩とを含み、カソード区画は、空気電極と、イオン性液体中の水相の乳濁または分散とを含む。
この明細書全体を通して、記載されているすべての範囲は、特に指定しない限り、各範囲に含まれるすべての値および下位範囲を含む。加えて、不定冠詞「a」、「an」は、特に指定しない限り「1つ以上」という意味を有する。
実施例(図2および図4参照)で説明するように、乳化または分散した水系/イオン性液体系を用いて調製されたリチウム空気電池は、イオン性液体中の溶解度のレベルの溶解水分のみを有するイオン性液体電解質を含む電池よりも、作用能力が高く、したがって、エネルギ密度がより高い電池を生み出す能力を有する。
超音波処理された二相電解質溶液であり、イオン性液体部分(最下層)のみが、相対湿度41%の周囲空気に露出させた体積比1:1のN‐メチル‐N‐プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PP13TFSI)と蒸留水との混合物の超音波槽超音波処理後に、抽出される。
二相電解質溶液であり、イオン性液体部分(最下層)のみが、相対湿度21%の周囲空気に露出させた体積比1:1のPP13TFSIと蒸留水との混合後に、抽出される。
露出させた電解質溶液であり、PP13TFSIを相対湿度47%の周囲空気に露出させる。
作用電極:ガラス状炭素
対向電極:Ptワイヤ
参照電極:0.01MのAgNO3と0.1Mの過塩素酸テトラブチルアンモニウム(TBAP)をアセトニトリル(ACN)に溶かした参照溶液中のAgワイヤ
図2は、実施例1ならびに比較例1および2の電解質を用いてガラス状炭素上で得られたサイクリックボルタモグラムを示す。スキャンレートは50mV/秒であった。適用された温度は常温であった。
超音波処理された二相電解質溶液であり、イオン性液体部分(最下層)のみが、相対湿度41%の周囲空気に露出させた体積比1:1のN,N‐ジエチル‐N‐メチル‐N‐(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(DEMETFSI)と蒸留水との混合物の超音波槽超音波処理後に、抽出される。
露出させた電解質溶液であり、DEMETFSIを相対湿度41%の周囲空気に露出させる。
テスト条件
アノード:Li金属
アノードの電解質(アノード液):1MのLiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)/PC(プロピレンカーボネート)
セパレータ:Liイオン伝導セラミック膜(OHARA製、LIC−GC)
カソードの電解質(カソード液):テストされた試料(実施例2および比較例3)
カソード:カーボン紙(Toray製、TGP‐H‐20)
ガス:周囲空気(相対湿度41%)
図4は、カソード電解質としての実施例2および比較例3を用いて得られるLi空気電池の放電プロファイルを示す。示されているように、実施例2は、比較例3よりも高い作用能力を示し、結果として電池としてのエネルギ密度が高かった。
Claims (22)
- 金属空気電池であって、
アノード区画と、
O2源が供給されるカソード区画と、
前記アノード区画を前記カソード区画から分離する金属イオン伝導膜とを備え、
前記アノード区画は、活性成分として遷移金属、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属を有するアノードを含み、
前記カソード区画は、空気電極と、イオン性液体中の水相の乳濁または分散とを含む、金属空気電池。 - 前記イオン性液体の相は、イミダゾリウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、アンモニウムカチオン、およびホスホニウムカチオンからなる群より選択されたカチオンと、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、テトラフルオロホウ酸塩アニオン、ヘキサフルオロリン酸塩アニオン、ジシアナミドアニオン、塩化物アニオン、臭化物アニオン、およびヨウ化物アニオンからなる群より選択されたアニオンとを有するイオン性液体を含む、請求項1に記載の金属空気電池。
- 前記イオン性液体はさらに、テトラアキルアンモニウム塩、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、ピロリジニウム塩、およびピペリジニウム塩からなる群より選択された塩を含む、請求項1に記載の金属空気電池。
- 前記アノード区画をカソード区画から分離する金属イオン伝導膜は、ポリマー、セラミック材料、またはその複合物である、請求項1に記載の金属空気電池。
- 前記イオン性液体中の水相の乳濁または分散は、水とイオン性液体とを含む二相系の超音波処理によって得られ、水の量は、前記イオン性液体の水溶解度を上回る、請求項1に記載の金属空気電池。
- 前記カソード区画に直に接しているか、または、超音波処理された乳濁液または分散液を前記カソード区画に供給する補助装置として前記金属空気電池に接している、超音波発生装置をさらに備える、請求項5に記載の金属空気電池。
- リチウム空気電池であって、
アノード区画と、
O2源が供給されるカソード区画と、
前記アノード区画を前記カソード区画から分離するリチウムイオン伝導膜とを備え、
前記アノード区画は、活性成分としてリチウム金属またはリチウム合金を有するアノードと、リチウム電解質塩とを含み、
前記カソード区画は、空気電極と、イオン性液体中の水相の乳濁または分散とを含む、リチウム空気電池。 - 前記イオン性液体中の水相の乳濁または分散は、水とイオン性液体とを含む二相系の超音波処理によって得られ、水の量は、前記イオン性液体の水溶解度を上回る、請求項7に記載のリチウム空気電池。
- 前記カソード区画に直に接しているか、または、超音波処理された乳濁液または分散液を前記カソード区画に供給する補助装置としてリチウム空気電池に接している、超音波発生装置をさらに備える、請求項8に記載のリチウム空気電池。
- 前記アノード区画をカソード区画から分離するリチウムイオン伝導膜は、ポリマー、セラミック材料、またはその複合物である、請求項7に記載のリチウム空気電池。
- 前記リチウムイオン伝導膜はセラミック材料を含み、前記セラミック材料は高密度セラミック膜である、請求項10に記載のリチウム空気電池。
- 前記高密度セラミック膜は、Li‐La‐Ti‐O系ペロブスカイト、Li‐Al‐Ti‐P‐O系NASICON、Li‐La‐Zr‐O系ガーネット、Li‐P‐S系固体電解質、およびLi‐Ge‐P‐S系固体電解質からなる群より選択されたものを含む、請求項11に記載のリチウム空気電池。
- 前記アノード区画は、環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル、ニトリル、スルホキシド、およびイオン性液体からなる群より選択された少なくとも1つの非水系溶媒をさらに含む、請求項7に記載のリチウム空気電池。
- 前記アノード区画は、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2、Li(CF3SO3)、LiN(C2F5SO2)2、およびLiC4BO8からなる群より選択された塩をさらに含む、請求項7に記載のリチウム空気電池。
- 前記イオン性液体の相は、N‐メチル‐N‐プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PP13TFSI)またはN,N‐ジエチル‐N‐メチル‐N‐(2‐メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(DEMETFSI)を含む、請求項7に記載のリチウム空気電池。
- 前記空気電極は、酸化還元触媒および導電材料のうち少なくとも一方を含む、請求項7に記載のリチウム空気電池。
- 前記空気電極は酸化還元触媒を含み、前記酸化還元触媒は、遷移金属酸化物、ペロブスカイト、およびパイロクロールからなる群より選択された少なくとも1つの酸化還元触媒である、請求項7に記載のリチウム空気電池。
- 前記空気電極は貴金属触媒をさらに含む、請求項7に記載のリチウム空気電池。
- 前記空気電極は、フタロシアニン、ポルフィリン、金属有機骨格、ニトロキシラジカル、およびチアフルバレンからなる群より選択された有機分子をさらに含む、請求項7に記載のリチウム空気電池。
- 前記空気電極は導電材料を含み、前記導電材料は、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、気相成長カーボン繊維、グラフェン、天然黒鉛、人造黒鉛、活性炭、金属繊維、金属粉、および有機導電材料からなる群より選択される、請求項7に記載のリチウム空気電池。
- 請求項1に記載の金属空気電池を備えた車両。
- 請求項7に記載のリチウム空気電池を備えた車両。
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