JP2017022096A - Electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Description
[0001]本発明は電池に関し、より詳細にはリチウム(Li)系電池に関する。 [0001] The present invention relates to batteries, and more particularly to lithium (Li) based batteries.
[0002]通常のLiイオンセルは、負極すなわちアノード、正極すなわちカソード、ならびに、負極と正極との間の隔離体領域を包含する。電極の一方または両方は、可逆的にリチウムと反応する活物質を包含する。一部の場合では負極は、可逆的に電気化学的に溶解かつ析出され得るリチウム金属を含み得る。隔離体および正極は、リチウム塩を含む電解質を包含する。 [0002] A typical Li ion cell includes a negative electrode or anode, a positive electrode or cathode, and a separator region between the negative and positive electrodes. One or both of the electrodes includes an active material that reacts reversibly with lithium. In some cases, the negative electrode can include lithium metal that can be reversibly electrochemically dissolved and deposited. The separator and the positive electrode include an electrolyte containing a lithium salt.
[0003]Liイオンセルの充電は一般に、正極での電子の生成、および、電子が外部回路を介して移送されることによる負極での等量の電子の消費を伴う。セルの理想的な充電ではこれらの電子は、正極の活物質からのリチウムイオンの酸化による脱離が存在するので、正極で生成され、電子は、負極の活物質へのリチウムイオンの還元が存在するので、負極で消費される。放電中は、反対の反応が起こる。 [0003] Charging a Li-ion cell generally involves the generation of electrons at the positive electrode and the consumption of an equal amount of electrons at the negative electrode as the electrons are transported through an external circuit. In an ideal charging of the cell, these electrons are generated at the positive electrode because there is desorption due to oxidation of lithium ions from the active material of the positive electrode, and electrons are present at the reduction of lithium ions to the active material of the negative electrode Therefore, it is consumed at the negative electrode. During the discharge, the opposite reaction occurs.
[0004]Li金属アノードを用いるLiイオンセルは、従来の炭素質の負極を用いる電池と比較して、より高い(Wh/kg単位の)比エネルギおよび(Wh/L単位の)エネルギ密度を有し得る。この高い比エネルギおよびエネルギ密度によって、エネルギ貯蔵システムにLi金属アノードを用いる再充電可能Liイオンセルを組み込むことが、携帯型電子機器ならびに電気車両およびハイブリッド電気車両を含む広範囲の用途に対する魅力的な選択肢となる。 [0004] Li ion cells using Li metal anodes have higher specific energy (in Wh / kg) and energy density (in Wh / L) compared to batteries using conventional carbonaceous negative electrodes. obtain. With this high specific energy and energy density, incorporating a rechargeable Li-ion cell with a Li metal anode into the energy storage system is an attractive option for a wide range of applications, including portable electronics and electric and hybrid electric vehicles. Become.
[0005]従来のリチウムイオンセルの正極では、リチウム層間酸化物が通常使用される。リチウム層間酸化物(例えばLiCoO2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、Li1.1Ni0.3Co0.3Mn0.3O2)は、通常、(リチウム化酸化物の質量に基づく)約280mAh/gの理論容量、および180から250mAh/gの実用容量に制限されるが、この値は、リチウム金属の比容量(3863mAh/g)と比較してかなり低い。 [0005] Lithium interlayer oxides are commonly used in the positive electrodes of conventional lithium ion cells. Lithium interlayer oxides (eg LiCoO 2 , LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , Li 1.1 Ni 0.3 Co 0.3 Mn 0.3 O 2 ) are usually (lithiated) Limited to a theoretical capacity of about 280 mAh / g (based on the mass of the oxide) and a practical capacity of 180 to 250 mAh / g, this value is considerably lower compared to the specific capacity of lithium metal (3863 mAh / g) .
[0006]さらに従来のLiイオンセルの低く実現された容量では、Liイオンセルを車両システムに組み込む有効性が低減する。具体的には電気車両に対する目標は、現代の車両の航続距離(>482.8km(300マイル))に匹敵する航続距離に到達することである。言うまでもなく電池の大きさは、容量を増大させるために増大され得る。しかしながら車両上の電池の実用的な大きさは、電池の関連する重量により制限される。その結果として米国エネルギ省(DOE)は、USABC Goals for Advanced Batteries for EVsにおいて、電気車両電池パックの最大重量が200kg(この値は収納容器を含む)となる長期目標を設定している。必要な容量を達成するには、DOEの目標を考慮すると、600Wh/kgを超過する比エネルギを必要とする。 [0006] Further, the low realized capacity of conventional Li ion cells reduces the effectiveness of incorporating Li ion cells into vehicle systems. Specifically, the goal for electric vehicles is to reach a cruising range comparable to that of modern vehicles (> 482.8 km (300 miles)). Needless to say, the size of the battery can be increased to increase capacity. However, the practical size of a battery on a vehicle is limited by the associated weight of the battery. As a result, the US Department of Energy (DOE) has set a long-term target for a maximum weight of electric vehicle battery packs of 200 kg (this value includes the storage container) in USABC Goals for Advanced Batteries for EVs. Achieving the required capacity requires a specific energy exceeding 600 Wh / kg, considering the DOE target.
[0007]Li系セル用のより高い理論容量の保証を提供するための、様々な材料が知られている。例えば(リチウム化材料の質量に基づく)1168mAh/gの高い理論比容量がLi2SおよびLi2O2により分担され、これらはカソード材料として使用され得る。他の高い容量の材料には、Amatucci,G.G.およびN.Pereira、「Fluoride based electrode materials for advanced energy storage devices」、Journal
of Fluorine Chemistry、2007.128(4)、243〜262ページにより報告されたような、BiF3(303mAh/g、リチウム化)およびFeF3(712mAh/g、リチウム化)がある。残念ながらこれらの材料のすべては、従来の酸化物の正極と比較して、より低い電圧でリチウムと反応する。それでも理論比エネルギは、(リチウムの負極および従来の酸化物の正極を用いるセルに対する約500Wh/kgの最大値と比較して、>800Wh/kgと)なお非常に高い。
[0007] Various materials are known to provide a higher theoretical capacity guarantee for Li-based cells. For example, a high theoretical specific capacity of 1168 mAh / g (based on the mass of the lithiated material) is shared by Li 2 S and Li 2 O 2 and these can be used as cathode materials. Other high capacity materials include Amatocci, G. et al. G. And N.A. Pereira, "Fluoride based electrode materials for advanced energy storage devices", Journal
of Fluorine Chemistry, 2007.128 (4) , as reported by 243-262 pages, there is BiF 3 (303mAh / g, lithiated) and FeF 3 (712mAh / g, lithiated). Unfortunately, all of these materials react with lithium at lower voltages compared to conventional oxide positive electrodes. Nevertheless, the theoretical specific energy is still very high (> 800 Wh / kg compared to a maximum of about 500 Wh / kg for a cell using a lithium negative electrode and a conventional oxide positive electrode).
[0008]482.8km(300マイル)を超える運転航続距離を提供する潜在力を有する1つのLi系セルは、リチウム金属の負極、および周囲から得られる酸素と反応する正極を組み込む。この型のシステムの重量は、正極活物質が車両に搭載されて搬送されないので低減される。このリチウム/空気セルの実用的な実施形態は、600Wh/kgの実用比エネルギを達成可能である、その理由は、理論比エネルギが、Li金属に対して11,430Wh/kgであり、Li2O2に対して3,460Wh/kgであるからである。 [0008] One Li-based cell with the potential to provide a driving range in excess of 482.8 km (300 miles) incorporates a lithium metal negative electrode and a positive electrode that reacts with ambient oxygen. The weight of this type of system is reduced because the positive electrode active material is not carried on the vehicle. This practical embodiment of the lithium / air cell can achieve a practical specific energy of 600 Wh / kg because the theoretical specific energy is 11,430 Wh / kg for Li metal and Li 2 It is because it is 3,460 Wh / kg with respect to O 2 .
[0009]リチウム/空気セルの放電中、Li金属が負極から溶解し、一方で正極では、電解質中のリチウムイオン(Li+イオン)が酸素および電子と反応して固体放電生成物を形成し、その生成物は、理想的には過酸化リチウム(Li2O2)または酸化リチウム(Li2O)であり、そのLi2O2またはLi2Oは、正極の伝導性マトリックスを被覆し、かつ/または電極の細孔に充塞することが可能である。炭酸塩溶媒を使用する電解質では、放電生成物は、Li2CO3、Liアルコキシド、およびLiアルキルカーボネートを含み得る。CH3CNおよびジメチルエーテルなどの非炭酸塩溶媒では、放電生成物は溶媒と反応する可能性が低い。Li2O2およびLi2Oの純粋な結晶形態は電気絶縁性であり、その結果これらの材料を介しての電子的伝導は、適切な電極構築物によって得られる空孔、細粒、またはドーパント、または短い伝導路を伴うことを必要とすることになる。 [0009] During discharge of a lithium / air cell, Li metal dissolves from the negative electrode, while at the positive electrode, lithium ions (Li + ions) in the electrolyte react with oxygen and electrons to form a solid discharge product; The product is ideally lithium peroxide (Li 2 O 2 ) or lithium oxide (Li 2 O), the Li 2 O 2 or Li 2 O covering the conductive matrix of the positive electrode, and It is possible to fill the pores of the electrode. In an electrolyte using a carbonate solvent, the discharge product can include Li 2 CO 3 , Li alkoxide, and Li alkyl carbonate. In non-carbonate solvents such as CH 3 CN and dimethyl ether, the discharge product is unlikely to react with the solvent. The pure crystalline forms of Li 2 O 2 and Li 2 O are electrically insulative, so that electronic conduction through these materials is the vacancies, granules, or dopants obtained by appropriate electrode constructions, Or it will need to be accompanied by a short conduction path.
[0010]AbrahamおよびJiangが、「リチウム/空気」システムに関する最も早期の論文のうちの1つを公開している。Abraham,K.M.およびZ.Jiang、「A polymer electrolyte−based rechargeable lithium/oxygen battery」、Journal of the Electrochemical Society、1996.143(1)、1〜5ページを参照されたい。AbrahamおよびJiangは、有機電解質、ならびに、還元および酸化の反応の助力となるための触媒を包含する導電性炭素マトリックスを用いる正極を使用している。水性電解質を使用する、以前のリチウム/空気システムもまた考察されているが、Li金属アノードの保護がないと、急速な水素放出が起こる。Zheng,J.ら、「Theoretical Energy Density of Li−Air Batteries」、Journal of the Electrochemical Society、2008.155、A432ページを参照されたい。 [0010] Abraham and Jiang have published one of the earliest papers on "lithium / air" systems. Abraham, K .; M.M. And Z. See Jiang, “A polymer electrical-based rechargeable lithium / oxygen battery”, Journal of the Electrochemical Society, 1996.143 (1), pages 1-5. Abraham and Jiang use a positive electrode with an organic electrolyte and a conductive carbon matrix that includes a catalyst to aid the reduction and oxidation reactions. Previous lithium / air systems using aqueous electrolytes are also considered, but without the protection of the Li metal anode, rapid hydrogen evolution occurs. Zheng, J. et al. Et al., “Theoretic Energy Density of Li-Air Batteries”, Journal of the Electronic Society, 2008.155, page A432.
[0011]電気化学セル10が、図1に図示される。セル10は、負極12、正極14、多孔性隔離体16、および集電体18を含む。負極12は、通常、金属リチウムである。正極14は、粒子20などの炭素粒子を含み、粒子20は場合によっては、(AuまたはPtなどの)触媒材料で被覆され、多孔性の導電性マトリックス22内に浮遊される。ジメチルエーテルまたはCH3CNなどの有機溶媒に溶解されたLiPF6などの塩を包含する電解質溶液24が、多孔性隔離体16と正極14の両方を透過する。LiPF6は、セル10の内部電気抵抗を低減して高電力を可能にする、充分な伝導性を伴う電解質をもたらす。
[0011] An
[0012]正極12は、障壁26により取り囲まれる。図1での障壁26は、外部源28か
らの酸素が正極14に進入することを可能にするように構成されるアルミニウム網で形成される。正極14の濡れ性が、電解質24が正極14から漏出することを防止する。セル10が放電する間は、外部源28からの酸素が障壁26を通って正極14に進入し、セル10が充電される際は、酸素が障壁26を通って正極14から流出する。動作中、セル10が放電する際は、酸素およびリチウムイオンが結び付いて、Li2O2またはLi2Oなどの放電生成物を形成する。
The
[0013]Li/空気セルに関連する問題のいくつかの調査が、例えばBeattie,S.、D.Manolescu、およびS.Blair、「High−Capacity Lithium−Air Cathodes」、Journal of the Electrochemical Society、2009.156、A44ページ、Kumar,B.ら、「A Solid−State, Rechargeable, Long Cycle Life Lithium−Air Battery」、Journal of the Electrochemical Society、2010.157、A50ページ、Read,J.、「Characterization of the lithium/oxygen organic electrolyte battery」、Journal of the Electrochemical Society、2002.149、A1190ページ、Read,J.ら、「Oxygen transport properties of organic electrolytes and performance of lithium/oxygen battery」、Journal of the Electrochemical Society、2003.150、A1351ページ、Yang,X.およびY.Xia、「The effect of oxygen pressures on the electrochemical profile of lithium/oxygen battery」、Journal of Solid State Electrochemistry、1〜6ページ、ならびにOgasawara,T.ら、「Rechargeable Li2O2 Electrode for Lithium Batteries」、Journal of the American Chemical Society、2006.128(4)、1390〜1393ページにより報告されたように行われてきた。それにもかかわらずいくつかの難題が、リチウム/空気セルに関してまだ対処されていない。これらの難題には、リチウム金属表面での樹枝状結晶形成を制限すること、リチウム金属(および場合によっては他の材料)を空気の水分および他の潜在的に有害な成分から保護すること、容認可能な比エネルギおよび比出力の水準を達成するシステムを設計すること、(往復エネルギ効率を制限する)充電電圧と放電電圧との間のヒステリシスを低減すること、ならびに、その間にシステムが可逆的に循環され得るサイクルの数を向上させることがある。 [0013] Several investigations of problems associated with Li / air cells are described in, for example, Beattie, S .; , D. Monolescu, and S.M. Blair, “High-Capacity Lithium-Air Methods”, Journal of the Electrochemical Society, 2009.156, page A44, Kumar, B. et al. "A Solid-State, Rechargeable, Long Cycle Life Lithium-Air Battery", Journal of the Electrochemical Society, 2010.157, page A50, Read, J. et al. , “Characterization of the lithium / oxygen organic electrical battery”, Journal of the Electrochemical Society, 2002.149, A1190, Read, J. et al. “Oxygen transport properties of organic electrities and performance of lithium / oxygen battery”, Journal of the Electrochemical. And Y. Xia, “The effect of oxygen pressures on the electrochemical profile of lithium / oxygen battery”, Journal of Solid State Electro, 1 to 6 Et al., “Rechargeable Li 2 O 2 Electrode for Lithium Batteries”, Journal of the American Chemical Society, 2006.128 (4), pages 1390-1393. Nevertheless, some challenges have not yet been addressed for lithium / air cells. These challenges include limiting dendrite formation on lithium metal surfaces, protecting lithium metal (and possibly other materials) from air moisture and other potentially harmful components, Design a system that achieves the level of specific energy and power that is possible, reduce hysteresis between the charge and discharge voltages (which limit round-trip energy efficiency), and make the system reversible during that time May improve the number of cycles that can be cycled.
[0014]往復効率の制限は、図2に示されるような明白な電圧ヒステリシスに起因して起こる。図2では放電電圧40(Li/Li+に対してほぼ2.5Vから3V)は、充電電圧42(Li/Li+に対してほぼ4Vから4.5V)よりはるかに低い。リチウム/空気システムの平衡電圧44(または開路電位)は、ほぼ3Vである。したがって電圧ヒステリシスは、大きいだけでなく非常に非対称である。
[0014] The round trip efficiency limitation occurs due to the obvious voltage hysteresis as shown in FIG. (3V approximately 2.5V relative to Li / Li +) 2 in the
[0015]充電中の大きな過電位は、いくつかの原因に起因し得る。例えばLi2O2と伝導マトリックス22との間の反応が、2つの材料間に絶縁膜を形成する場合がある。加えて、固体放電生成物Li2O2またはLi2Oと正極14の電子的伝導マトリックス22との間に不十分な接触が存在する場合がある。不十分な接触は、固体放電生成物とマトリックス22との間に隙間を残しながらの、充電中の伝導マトリックス22に直接隣り合う放電生成物の酸化の結果として生じる場合がある。
[0015] The large overpotential during charging may be due to several causes. For example, the reaction between Li 2 O 2 and the
[0016]固体放電生成物とマトリックス22との間の不十分な接触をもたらす別の機構は、伝導マトリックス22からの固体放電生成物の完全な分離である。伝導マトリックス22からの固体放電生成物の完全な分離は、セルの充電/放電中に生成される機械的応力に起因する固体放電生成物粒子の断裂運動、剥離、または移動の結果として生じる場合がある。完全な分離は、大部分のリチウム/空気セルに対して観察される容量減衰の一因となる場合がある。例として図3は、充電/放電サイクルの期間にわたる通常のLi/空気セルの放電容量を示す。
[0016] Another mechanism that provides inadequate contact between the solid discharge product and the
[0017]したがって必要とされるのは、分離された、およびまたは不十分に接続された放電粒子を電気化学的に回復可能なエネルギ貯蔵システムである。充電動作中にセルの低減された過電位を呈するリチウム系エネルギ貯蔵システムに対して、さらなる必要性が存在する。 Accordingly, what is needed is an energy storage system that can electrochemically recover isolated and / or poorly connected discharge particles. There is a further need for a lithium-based energy storage system that exhibits a reduced overpotential of the cell during charging operations.
[0018]一実施形態によれば、電気化学セルは、リチウムの形態を含む負極、負極との間に間隔を介し電子伝導マトリックスを含む正極、負極と正極との間に配置される隔離体、塩を含む電解質、および正極内部に位置する充電酸化還元対を含み、電気化学セルは、充電サイクル中の充電酸化還元対による、正極に位置する放電生成物から電子伝導マトリックスへの電子の移送を特徴とする。 [0018] According to one embodiment, the electrochemical cell comprises a negative electrode comprising a form of lithium, a positive electrode comprising an electron conducting matrix with a gap between the negative electrode, a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, The electrolyte cell includes a salt-containing electrolyte and a charge redox couple located inside the positive electrode, and the electrochemical cell transfers electrons from the discharge product located at the positive electrode to the electron conducting matrix by the charge redox couple during the charge cycle. Features.
[0019]さらなる実施形態では、電気化学セルは、負極、負極との間に間隔を介し電子伝導マトリックスを含む正極、負極と正極との間に配置される隔離体、塩を含む電解質、および正極内部に位置する充電酸化還元対を含み、電気化学セルは、充電サイクル中の充電酸化還元対による、正極に位置する電気絶縁性放電生成物から電子伝導マトリックスへの電子の移送を特徴とする。 [0019] In a further embodiment, the electrochemical cell comprises a negative electrode, a positive electrode including an electron conducting matrix with a gap between the negative electrode, a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, an electrolyte including a salt, and a positive electrode Including an internal charge redox couple, the electrochemical cell is characterized by the transfer of electrons from the electrically insulating discharge product located at the positive electrode to the electron conducting matrix by the charge redox couple during the charge cycle.
[0026]電気化学セル100の概略図が、図4に示される。電気化学セル100は、多孔性隔離体106により正極104から隔離される負極102を含む。負極102は、リチウム金属またはリチウム挿入化合物(例えば黒鉛、ケイ素、スズ、LiAl、LiMg、Li4Ti5O12)で形成され得るが、Li金属が、他の候補の負極と比較してセル水準で最も高い比エネルギをもたらす。
[0026] A schematic diagram of the
[0027]本実施形態での正極104は、集電体108および炭素粒子110を含み、炭素粒子110は随意には、触媒材料で覆われ、多孔性マトリックス112内に浮遊される。多孔性マトリックス112は、伝導性炭素またはニッケル発泡体などの伝導性材料で形成される導電性マトリックスであるが、様々な代替のマトリックスの構造および材料が使用され得る。隔離体106は、負極102が正極104に電気的に接続することを防止する。
[0027] The
[0028]電気化学セル100は、正極104内に、および一部の実施形態では隔離体106内に存在する電解質溶液114を含む。図4の例示的な実施形態では、電解質溶液114は、有機溶媒混合物に溶解された塩、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を含む。有機溶媒混合物は、任意の所望の溶媒であり得る。ある実施形態では溶媒は、ジメチルエーテル(DME)、アセトニトリル(MeCN)、炭酸エチレン、または炭酸ジエチルであり得る。
[0028] The
[0029]障壁116は、正極104を貯留体118から隔離する。貯留体118は、大気であり得る、または、正極104に供給される、および正極104から放出される、酸素および他の気体を保持するのに適した任意の容器であり得る。貯留体118は正極104に取り付けられた電気化学セル100の一体部材として示されるが、代替実施形態では、貯留体118を正極104と流体連通して配置するために蛇管または他の導管を用いる場合がある。貯留体118の様々な実施形態が、硬質の貯槽、膨張式貯気槽等を含めて想像される。図4では障壁116は網であり、この網は、酸素および他の気体が正極104と貯留体118との間を流れることを可能にし、一方でさらに、電解質114が正極104を離れることを防止する。
[0029] The
[0030]電気化学セル100は、負極102内のリチウム金属が自由電子e−とともにLi+イオンにイオン化する状態で放電可能である。Li+イオンは、矢印120により指示される方向で隔離体106を通り、正極104に向けて進行する。酸素は、矢印122により指示されるように障壁116を通って貯留体118から供給される。自由電子e−は、矢印124により指示されるように集電体108を通って正極104に流入する。
[0030] The
[0031]図5を参照すると、正極102内部の酸素原子およびLi+イオンが、炭素粒子110上の随意の触媒材料により助力されて、正極104の内側に放電生成物130を形成する。以下の反応式でわかるように、放電過程中は金属リチウムがイオン化され、酸素および自由電子と結び付いて、Li2O2またはLi2Oの放電生成物を形成し、その放電生成物は炭素粒子110の表面を被覆可能である。
Referring to FIG. 5, oxygen atoms and Li + ions inside the
[0032]放電が継続する際、放電生成物130の一部は、剥げ落ちる場合があり、または一部の他の推移では、分離された放電生成物132により図示されるように炭素粒子110から除去された状態となる場合がある。
[0032] As the discharge continues, some of the
[0033]所望のときに電気化学セル100は、放電された状態から充電され得る。電気化学セル100は、Li2OおよびLi2O2の放電生成物をリチウムおよび酸素に酸化する外部電流を導入することにより充電され得る。内部電流は、Li+イオンが金属リチウムに還元される負極102に向けてリチウムイオンを動かし、障壁116を通って拡散する酸素を生成する。充電過程は、以下の反応式で示されるように放電過程の化学反応を逆にしたものである。
[0033] The
[0034]Li2OおよびLi2O2の形態での放電生成物130は、前述の反応式にしたがって、導電性マトリックス112により集電体108に運搬される電子を供与する。この反応は、図6に示されるように、粒子110にじかに隣り合う放電生成物130が隙間134を結果として生じる状態で非常に急速に起こり得る。一部の実例では隙間134は、放電生成物130を導電性マトリックス112から電気的に絶縁する場合がある。他の実例では隙間134によって、放電生成物130の一部分が剥げ落ちることが可能になり、分離された放電生成物132が増大する結果になる。
[0034] The
[0035]隙間134は、セルを充電する結果としてさらに形を成す場合がある。例として、電子的伝導マトリックスに隣り合うLi2O2が、Li2O2の低い電子的伝導性に起因して最初に反応し、そのことによりO2、Li+および電子を遊離させ、伝導マトリックスと残りのLi2O2との間に隙間を残す場合がある。
[0035] The
[0036]分離された放電生成物132または不十分に接続された放電生成物130が形成される機構に関係なく、電気化学セル100内の分離された放電生成物132および不十分に接続された放電生成物130の還元が、電解質溶液114により可能にされる。具体的には、電解質溶液114は充電酸化還元対を含み、充電酸化還元対は、以下の反応式で示されるように、放電生成物132および放電生成物130からの電子を捕捉し、電子を導電性マトリックス112に運搬し、導電性マトリックス112では充電酸化還元対が酸化される。
[0036] Regardless of the mechanism by which isolated
[0037]充電酸化還元対が酸化された後、追加的な放電生成物132および放電生成物130からの追加的な電子を運搬することが利用可能である。それでも充電酸化還元対の最
適な性能を提供するために、放電生成物132、放電生成物130、および導電性マトリックス112間の急速な酸化還元シャトルとして機能するように、充電酸化還元対の十分な濃縮物が電解質溶液114に存在することを確実にするように、選択される充電酸化還元対は、電解質溶液114において高い溶解性を呈し得る。電解質溶液114内の添加物として与えられるとき、充電酸化還元対は典型的には、充電酸化還元対が電解質、結着剤、隔離体、負極、または集電体と反応しないように選択される。一実施形態では、充電酸化還元対は電解質の微量成分であり、そのことによって充電酸化還元対は、電解質の運搬特性に悪影響を与えない。
[0037] After the charge redox couple has been oxidized, it is possible to carry
[0038]電気化学セル100の性能は、充電酸化還元対の平衡電圧の適正な選択によりさらに最適化される。例えばLi2O2およびLi2Oに対する平衡電圧は、それぞれ2.96Vおよび2.91Vである。したがって、3Vと3.1Vとの間などの2.96Vよりわずかに高い、充電酸化還元対に対する平衡電圧を選択することが、セル充電中の過電位を制限する。
[0038] The performance of the
[0039]電気化学セル100内の充電酸化還元対として使用され得る化合物の例示的な部類には、メタロセン(例えばフェロセン)、ハロゲン(例えばI−/I3−)、および芳香族分子(例えばテトラメチルフェニレンジアミン)があるが、それらに限定されない。平衡電圧が2.9Vと4.5Vとの間であるLi/空気セルでの使用に適している、前述の部類の範囲内のいくつかの具体的な材料としては、平衡電圧が3.05Vから3.38Vの間であるフェロセン、平衡電圧が3.18Vから3.5Vの間であるn−ブチルフェロセン、平衡電圧が3.13Vから3.68Vの間であるN,N−ジメチルアミノメチルフェロセン、平衡電圧が3.06Vから3.34Vの間である1,1−ジメチルフェロセン、平衡電圧が3.1Vである1,2,4−トリアゾールナトリウム塩(NaTAZ)、および平衡電圧が約3.1Vであるリチウムスクアラートがある。
[0039] Exemplary classes of compounds that can be used as charge redox couples in
[0040]所与の実施形態に対しては、充電酸化還元対は、100%のクーロン効率に匹敵する高い可逆性をもたらすように選択され得る。高度に可逆的な充電酸化還元対が、充電酸化還元対が単一セル充電段階中に多数回循環されることを可能にするために望ましい。高速の動特性を呈する(すなわちその交換電流密度が高い)充電酸化還元対もまた望ましい。高速の動特性によって、充電酸化還元対の充電電圧と放電電圧との間の差が小さくなる結果となり、充電がより効率的になる結果となる。 [0040] For a given embodiment, the charge redox couple may be selected to provide a high reversibility comparable to 100% coulomb efficiency. A highly reversible charge redox couple is desirable to allow the charge redox couple to be cycled many times during a single cell charge phase. Charged redox couples that exhibit fast dynamics (ie, high exchange current density) are also desirable. The high speed dynamics result in a smaller difference between the charge and discharge voltages of the charge redox couple, resulting in more efficient charging.
[0041]上記で説明されたように、充電酸化還元対の活動は正極に局限される。したがって、過電圧保護を提供するために使用され、正極と負極との間を進行するために高い移動性を必要とする過電圧酸化還元対とは違い、高い移動性は充電酸化還元対に対して必要ではない。例えば数10μm程度の移動が過電圧保護を提供する際に必要とされる一方で、電解質溶液114内の充電酸化還元対は、約1μm以下を進行する場合がある。
[0041] As explained above, the activity of the charge redox couple is localized to the positive electrode. Thus, unlike overvoltage redox couples that are used to provide overvoltage protection and require high mobility to travel between the positive and negative electrodes, high mobility is required for charged redox couples is not. For example, movements on the order of tens of micrometers may be required when providing overvoltage protection, while the charged redox couple in the
[0042]所望であれば、高い移動性を伴う充電酸化還元対が、放電生成物132、放電生成物130、および導電性マトリックス112間の急速な酸化還元シャトルとして機能するように使用され得る。高い移動性の充電酸化還元対は、制約がないならば、負極でもまた還元され得るので、負極への酸化種の運搬は、負極上に保護層を付与することにより阻止され得る。したがって充電酸化還元対は、正極および隔離体に局限される。保護層として使用され得る1つの材料は、Rancho Santa Margarita、CaliforniaのOhara Corporationから市販で入手可能なリチウムイオン伝導ガラスセラミック材料である、Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3である。
[0042] If desired, a charge redox couple with high mobility can be used to act as a rapid redox shuttle between the
[0043]最適に選択された充電酸化還元対を組み込むことにより、充電中の電気化学セル
100の過電位が低下される。例として、Li2O2またはLi2Oの、放電生成物130および分離された放電生成物134を有する例示的な電気化学セル100に対しては、放電生成物130および分離された放電生成物134の平衡電圧は約2.9Vから3Vである。種R−が、平衡電圧が3.1Vである種R)の還元形態である、充電酸化還元対(R/R−)を選択することにより、充電酸化還元対のすべては、放電中、セル電圧が放電生成物の平衡電圧より低いときに、還元形態(種R−)であることになる。
[0043] By incorporating an optimally selected charging redox couple, the overpotential of the
[0044]例示的な電気化学セル100の充電中は、Li/Li+に対する正極の電位が3.1Vより高く上昇するので、還元種R−は、伝導マトリックス112の表面で酸化されて種Rを形成することになる。種Rは次いで、(化学的に、または腐食反応によって)放電生成物Li2O2またはLi2Oと反応して種R−、Li+、およびO2を形成することができる、その理由は、放電生成物130および分離された放電生成物134は、充電酸化還元対の平衡電圧より低い平衡電圧を有するからである。新たに形成された種R−はその後、その電荷を伝導マトリックス112に与えることができ、一方で遊離されたLi+は、それがLi金属として鍍着される負極102に向けて遊走することができる。
[0044] During charging of the exemplary
[0045]したがって不十分に接続された放電生成物130または分離された放電生成物134さえも、充電酸化還元対の電圧よりわずかに高いだけの電圧での充電中に電気化学的に消費され得る。2.8Vの放電電圧を想定すると、充電電圧を約4Vから約3.2Vに低減することが、70%から87%を超えるまでのエネルギ効率の向上をもたらし得る。
[0045] Thus, a poorly connected
[0046]本発明は図面および前述の説明において詳細に例示かつ説明されたが、それらは、特徴に合うように例示的であり、かつ制限的ではないとみなされるべきである。好適な実施形態のみが提示されたものであり、本発明の趣旨の範囲内にあるすべての変更形態、修正形態、およびさらなる適用形態が保護されることが所望される。 [0046] Although the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and foregoing description, they are to be considered as illustrative and not restrictive in character. Only preferred embodiments have been presented and it is desired that all changes, modifications, and further applications within the spirit of the invention be protected.
[0046]本発明は図面および前述の説明において詳細に例示かつ説明されたが、それらは、特徴に合うように例示的であり、かつ制限的ではないとみなされるべきである。好適な実施形態のみが提示されたものであり、本発明の趣旨の範囲内にあるすべての変更形態、修正形態、およびさらなる適用形態が保護されることが所望される。
(参考発明1)
リチウムの形態を含む負極、
前記負極との間に間隔を介し電子伝導マトリックスを含む正極、
前記負極と前記正極との間に配置された隔離体、
塩を含む電解質、および
前記正極内部に位置する充電酸化還元対
を備えた電気化学セルであって、充電サイクル中の前記充電酸化還元対によって、前記正極に位置する放電生成物から前記電子伝導マトリックスへ電子を移送することを特徴とする、電気化学セル。
(参考発明2)
前記充電酸化還元対は、前記電解質に少なくとも部分的に溶解される、参考発明1に記載の電気化学セル。
(参考発明3)
前記放電生成物は、前記電子伝導マトリックスに付着された第1の部分を含む、参考発明2に記載の電気化学セル。
(参考発明4)
前記放電生成物は、前記電子伝導マトリックスから物理的に分離された第2の部分を含む、参考発明3に記載の電気化学セル。
(参考発明5)
前記放電生成物は、酸素の形態を含む、参考発明2に記載の電気化学セル。
(参考発明6)
前記電子伝導マトリックスは、多孔性であり、触媒で覆われた複数の炭素粒子を含む、参考発明5に記載の電気化学セル。
(参考発明7)
前記充電酸化還元対は、メタロセン、ハロゲン、および芳香族分子のうちの、1つまたは複数を含む、参考発明2に記載の電気化学セル。
(参考発明8)
前記負極への前記充電酸化還元対の酸化種の運搬を阻止するように構成された、前記負極と前記正極との間の保護層
をさらに備えた、参考発明2に記載の電気化学セル。
(参考発明9)
負極、
前記負極との間に間隔を介し電子伝導マトリックスを含む正極、
前記負極と前記正極との間に配置された隔離体、
塩を含む電解質、および
前記正極内部に位置する充電酸化還元対
を備えた電気化学セルであって、充電サイクル中の前記充電酸化還元対によって、前記正極に位置する電気絶縁性放電生成物から前記電子伝導マトリックスへ電子を移送することを特徴とする、電気化学セル。
(参考発明10)
前記負極は、リチウムの形態を含む、参考発明9に記載の電気化学セル。
(参考発明11)
前記充電酸化還元対は、前記電解質に少なくとも部分的に溶解された、参考発明9に記載の電気化学セル。
(参考発明12)
前記電気絶縁性放電生成物は、前記電子伝導マトリックスに付着された第1の部分を含む、参考発明11に記載の電気化学セル。
(参考発明13)
前記電気絶縁性放電生成物は、前記電子伝導マトリックスから物理的に分離された第2の部分を含む、参考発明12に記載の電気化学セル。
(参考発明14)
前記電気絶縁性放電生成物は、酸素の形態を含む、参考発明12に記載の電気化学セル。
(参考発明15)
前記電子伝導マトリックスは、多孔性であり、触媒で覆われた複数の炭素粒子を含む、参考発明9に記載の電気化学セル。
(参考発明16)
前記充電酸化還元対は、メタロセン、ハロゲン、および芳香族分子のうちの、1つまたは複数を含む、参考発明9に記載の電気化学セル。
(参考発明17)
前記負極への前記充電酸化還元対の酸化種の運搬を阻止するように構成された、前記負極と前記正極との間の保護層
をさらに備えた、参考発明9に記載の電気化学セル。
[0046] Although the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and foregoing description, they are to be considered as illustrative and not restrictive in character. Only preferred embodiments have been presented and it is desired that all changes, modifications, and further applications within the spirit of the invention be protected.
(Reference invention 1)
A negative electrode comprising a lithium form,
A positive electrode including an electron conductive matrix with a gap between the negative electrode,
A separator disposed between the negative electrode and the positive electrode;
An electrolyte comprising a salt, and
Charging redox couple located inside the positive electrode
An electrochemical cell comprising: an electron transferred from a discharge product located at the positive electrode to the electron conduction matrix by the charge redox couple during a charge cycle.
(Reference invention 2)
The electrochemical cell according to Reference Invention 1, wherein the charged redox couple is at least partially dissolved in the electrolyte.
(Reference invention 3)
The electrochemical cell according to Reference Invention 2, wherein the discharge product includes a first portion attached to the electron conducting matrix.
(Reference invention 4)
4. The electrochemical cell according to Reference Invention 3, wherein the discharge product includes a second portion physically separated from the electron conducting matrix.
(Reference invention 5)
The electrochemical cell according to Reference Invention 2, wherein the discharge product includes a form of oxygen.
(Reference invention 6)
The electrochemical cell according to Reference Invention 5, wherein the electron conductive matrix is porous and includes a plurality of carbon particles covered with a catalyst.
(Reference invention 7)
The electrochemical cell according to Reference Invention 2, wherein the charged redox couple includes one or more of a metallocene, a halogen, and an aromatic molecule.
(Reference Invention 8)
A protective layer between the negative electrode and the positive electrode configured to prevent transport of oxidized species of the charge redox couple to the negative electrode
The electrochemical cell according to Reference Invention 2, further comprising:
(Reference invention 9)
Negative electrode,
A positive electrode including an electron conductive matrix with a gap between the negative electrode,
A separator disposed between the negative electrode and the positive electrode;
An electrolyte comprising a salt, and
Charging redox couple located inside the positive electrode
An electrochemical cell comprising: an electrochemical cell, wherein electrons are transferred from the electrically insulating discharge product located at the positive electrode to the electron conducting matrix by the charge redox couple during a charge cycle. cell.
(Reference Invention 10)
The electrochemical cell according to Reference Invention 9, wherein the negative electrode includes a lithium form.
(Reference Invention 11)
The electrochemical cell according to Reference Invention 9, wherein the charged redox couple is at least partially dissolved in the electrolyte.
(Reference Invention 12)
The electrochemical cell according to Reference Invention 11, wherein the electrically insulating discharge product includes a first portion attached to the electron conducting matrix.
(Reference Invention 13)
13. The electrochemical cell according to
(Reference Invention 14)
The electrochemical cell according to
(Reference Invention 15)
The electrochemical cell according to Reference Invention 9, wherein the electron conductive matrix is porous and includes a plurality of carbon particles covered with a catalyst.
(Reference Invention 16)
The electrochemical cell according to Reference Invention 9, wherein the charged redox couple includes one or more of a metallocene, a halogen, and an aromatic molecule.
(Reference Invention 17)
A protective layer between the negative electrode and the positive electrode configured to prevent transport of oxidized species of the charge redox couple to the negative electrode
The electrochemical cell according to Reference Invention 9, further comprising:
Claims (17)
前記負極との間に間隔を介し電子伝導マトリックスを含む正極、
前記負極と前記正極との間に配置された隔離体、
塩を含む電解質、および
前記正極内部に位置する充電酸化還元対
を備えた電気化学セルであって、充電サイクル中の前記充電酸化還元対によって、前記正極に位置する放電生成物から前記電子伝導マトリックスへ電子を移送することを特徴とする、電気化学セル。 A negative electrode comprising a lithium form,
A positive electrode including an electron conductive matrix with a gap between the negative electrode,
A separator disposed between the negative electrode and the positive electrode;
An electrochemical cell comprising a salt-containing electrolyte, and a charge redox couple located inside the positive electrode, wherein the electron conduction matrix from a discharge product located at the positive electrode by the charge redox couple during a charge cycle Electrochemical cell characterized by transporting electrons to
をさらに備えた、請求項2に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 2, further comprising a protective layer between the negative electrode and the positive electrode configured to prevent transport of oxidizing species of the charged redox couple to the negative electrode.
前記負極との間に間隔を介し電子伝導マトリックスを含む正極、
前記負極と前記正極との間に配置された隔離体、
塩を含む電解質、および
前記正極内部に位置する充電酸化還元対
を備えた電気化学セルであって、充電サイクル中の前記充電酸化還元対によって、前記正極に位置する電気絶縁性放電生成物から前記電子伝導マトリックスへ電子を移送することを特徴とする、電気化学セル。 Negative electrode,
A positive electrode including an electron conductive matrix with a gap between the negative electrode,
A separator disposed between the negative electrode and the positive electrode;
An electrolyte cell comprising a salt-containing electrolyte and a charge redox couple located inside the positive electrode, wherein the charge redox couple in a charge cycle causes the electric insulating discharge product located at the positive electrode to Electrochemical cell characterized in that it transports electrons to an electron conducting matrix.
の部分を含む、請求項12に記載の電気化学セル。 The electrically insulating discharge product is a second physically separated from the electron conducting matrix.
The electrochemical cell of claim 12, comprising:
をさらに備えた、請求項9に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 9, further comprising a protective layer between the negative electrode and the positive electrode configured to prevent transport of oxidizing species of the charge redox couple to the negative electrode.
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