JP2018501607A - 非水電解液を用いた電気エネルギー貯蔵装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2014年11月12日に提出された米国特許出願第14/539,448号の一部継続出願である、2015年1月28日に提出された米国特許出願第14/607,429号の利益を主張し、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
1.本発明の分野
この発明は、アルミニウムのアノードおよびアルミニウムのイオンを包含する電解液を有する電気エネルギー貯蔵装置に関する。
アルミニウムの層を備えるアノードを有する電池を構成することが一般的に知られる。これらのアルミニウム電池は、通常、米国特許第4,925,744号に開示された種類などの一次の、または再充電不可能なアルミニウム空気電池の形態を取る。薄膜電池電極を作製するためのインジウムの重量.1〜.5%を有するアルミニウム合金の使用は、米国特許出願公報第2002/0,148,539号に開示される。米国特許出願第2012/0,082,904号は、アルミニウム金属を備えるアノードおよびアルミニウムを包含するイオンを含有する電解液を含有する電池を開示する。
本発明は、アルミニウムを包含するアノード、ならびに、アルミニウムを包含するドーパントと結合される非局在化π電子を備える共役系を有するホスト格子を含有するカソード、ならびに、グリセロールに分散されるアルミニウムの正イオンおよび負イオンを備える電解液を備える、電気エネルギー貯蔵装置を提供する。本発明は、グリセロースにアルミニウム過塩素酸塩粉末を溶解させることによって電解液を作製するステップを含む、このような電気エネルギー貯蔵装置を構成する方法も提供する。
それの最も広い観点における本発明は、アルミニウムのアノードと、グリセロールに分散されるアルミニウムを包含するイオンを含有する新規の電解液とを含有する、電気エネルギー貯蔵装置を提供する。
図面を参照して、いくつかの図面を通して数字が対応する部分を示すように、電気エネルギー貯蔵装置20は、アルミニウムを包含するイオン26,27を含有する非水電解液24を用いる二次電池装置22として開示される。用語「二次電池」は、再充電されることを可能にする電気化学的なエネルギー貯蔵装置を意味する。用語「非水」は、水の実質的な量を含まない物質を意味する。電気エネルギー貯蔵装置20の他の種類は、本発明により構成され得る。このような電気エネルギー貯蔵装置20は、たとえば、一次電池または再充電不可能な電池、および電解キャパシタを含む。
当該方法は、純度99.95%のアルミニウムと、0.1〜0.6重量%のインジウムとのプレートを450℃の温度まで加熱することによって箔56を作製することと、毎分10℃よりも大きい速度で冷却しながら、プレートの厚さを低減するためにプレート圧延して低減された厚さにすることと、低減された厚さのプレートを再加熱することと、低減された厚さのプレートを、酸化アルミニウムおよび表面汚染物質でコーティングされ、0.05〜0.1mmの間の厚さを有する箔56に再び圧延することとを含む。
Claims (22)
- 電気エネルギー貯蔵装置(20)であって、
アルミニウムの層を備えるアノード(28)と、
前記アノード(28)で挟まれる膜(34)と、
アルミニウムを包含し正電荷を有する第一イオン(26)を含有し、アルミニウムを包含し負電荷を有する第二イオン(27)を含有する電解液(24)とを備え、前記電解液(24)は、前記膜(34)を含浸し、前記膜(34)を通ってイオン電流を運び、前記電気エネルギー貯蔵装置(20)はさらに、
前記膜(34)で挟まれ、前記アノード(28)と離間しかつ前記アノード(28)と平行な関係で配置されるカソード(38)を備え、
前記電解液(24)は、グリセロールと、アルミニウムを包含する前記第一イオン(26)と、アルミニウムを包含する前記第二イオン(27)とから基本的に成り、前記第一イオン(26)および前記第二イオン(27)は、電気エネルギー貯蔵装置(20)を充電および放電するために、アルミニウムの前記アノード(28)と前記カソード(38)との間を移動し、前記アノード(28)および前記カソード(38)と反応するための、前記グリセロールに分散されることを特徴とする、電気エネルギー貯蔵装置(20)。 - アルミニウムを包含する前記第一イオン(26)は、[Al(ClO4)2・{C3H5(OH)3}2]+を含有し、アルミニウムを包含する前記第二イオン(27)は、[Al(ClO4)4]-を含有する、請求項1に記載の電気エネルギー貯蔵装置(20)。
- アルミニウムの層を備えるアノード(28)と、
前記アノード(28)で挟まれる膜(34)と、
前記膜(34)で挟まれ、前記アノード(28)と離間しかつ前記アノード(28)と平行な関係で配置されるカソード(38)とを備え、
前記カソード(38)は、非局在化π電子を備える共役系を有するホスト格子(44)と、前記ホスト格子(44)と結合されるアルミニウムグリセラートを包含するドーパント(48)とを、前記カソード(38)の前記ホスト格子(44)の電気化学的な特性を変化させるために包含することを特徴とする、電気エネルギー貯蔵装置(20)。 - 前記ドーパント(48)はアルミニウムアルコラートを包含する、請求項3に記載の電気エネルギー貯蔵装置(20)。
- 二次電池装置(22)であって、
純度99.95%の固体アルミニウムの99.4〜99.9重量%と、0.1〜0.6重量%のインジウムとの層から成り、1.2cmの第一長さおよび1.7cmの第一幅および0.1mmの第一厚さを備える矩形形状を有する、アノード(28)と、
前記アノード(28)に電気的に接触する、外部回路に電流を伝導するための、電気導電性材料の負極リード(30)と、
前記アノード(28)と前記負極リード(30)との間に配置され、前記アノード(28)と前記負極リード(30)とを結合する金属の粒子を含有する、その間の電流を伝導するための、セメント(32)と、
0.08mmの第三厚さを有し、複数の孔(36)を規定し、前記アノード(28)で挟まれる、その間の電気絶縁性を提供するための、セルロースの膜(34)と、
アルミニウムを包含し正電荷を有する第一イオン(26)を含有し、アルミニウムを包含し負電荷を有する第二イオン(27)を含有する電解液(24)とを備え、前記電解液(24)は、前記膜(34)の前記孔(36)を含浸させ、前記膜(34)を通ってイオン電流を運び、前記二次電池(22)はさらに、
前記膜(34)に隣接しかつ前記膜(34)に平行に配置される、1.4cmの第二長さおよび1.9cmの第二幅および0.1mmの第二厚さを備える矩形形状を有するカソード(38)を備え、前記膜(34)は、前記カソード(38)と前記アノード(28)との間に挟まれ、
前記カソード(38)は、セルロースのキャリアシート(40)と、前記アノード(28)に対向する前記キャリアシート(40)と統合されかつ前記キャリアシート(40)上の電気活性層(42)とを含有し、前記二次電池装置(22)はさらに、
前記カソード(38)の前記電気活性層(42)に電気的に接触するグラファイトを包含する、外部回路に電流を伝導するための、正極リード(50)と、
前記電気活性層(42)と前記正極リード(50)との間に配置され、前記電気活性層(42)と前記正極リード(50)とを結合するグラファイトを包含する、前記電気活性層(42)と前記正極リード(50)との間の電流を伝導するための、接着剤(52)とを備え、
前記電解液(24)は、グリセロールと、[Al(ClO4)2・{C3H5(OH)3}2]+を含有する前記第一イオン(26)と、[Al(ClO4)4]-を含有する前記第二イオン(27)とから実質的に成り、前記第一イオン(26)および前記第二イオン(27)は、電気エネルギー貯蔵装置(20)を充電および放電するために、前記アノード(28)と前記カソード(38)との間を移動し、前記アノード(28)および前記カソード(38)と反応し、
前記カソード(38)の前記電気活性層(42)は、前記二次電池(22)を充電および放電させるために、非局在化π電子を備える共役系を有するホスト格子(44)を包含し、空間およびドーパント(48)を規定し、前記ドーパントは、前記カソード(38)の前記電気活性層(42)の電気化学的な特性を変化させ、前記第一イオン(26)および前記第二イオン(27)との反応速度を上げるために、前記ホスト格子(44)の前記共役系と結合され、前記空間にインターカレートされるアルミニウムアルコラートおよびアルミニウムグリセラートを包含することを特徴とする、二次電池装置(22)。 - 前記電気活性層(42)の前記ホスト格子(44)は、200〜300μmの粒径を有するグラファイトの薄片(54)と、グリセロールによって濡らすことが可能なバインダー材料とを備える、請求項5に記載の二次電池装置(22)。
- 前記バインダー材料はアルキル接着剤を含む、請求項6に記載の二次電池装置(22)。
- 前記バインダー材料はアクリル接着剤を含む、請求項6に記載の二次電池装置(22)。
- 前記電気活性層(42)の前記ホスト格子(44)は、非晶質の熱膨張可能なグラファイトの粒子と、二酸化マンガンと、活性二酸化マンガンと、アセチレンブラックと、グリセロールによって濡らされることが可能なバインダー材料と、グラファイトを含有する電気伝導性塗料とを備える、請求項5に記載の二次電池装置(22)。
- 前記バインダー材料はアルキル接着剤である、請求項9に記載の二次電池装置(22)。
- 前記バインダー材料はアクリル接着剤である、請求項9に記載の二次電池装置(22)。
- 前記バインダー材料はグラファイトを含有する電気伝導性塗料である、請求項9に記載の二次電池装置(22)。
- 前記電気活性層(42)の前記ホスト格子(44)は、多共役直鎖炭化水素ポリマーを含有する、請求項5に記載の二次電池装置(22)。
- 前記電気活性層(42)の前記ホスト格子(44)は、ポリアニリンの環状多共役鎖ポリマーを含有する、請求項5に記載の二次電池装置(22)。
- アノード(28)と膜(34)と電解液(24)とカソード(38)とを有する電気エネルギー貯蔵装置(20)を構成する方法であって、前記方法は、
電解液(24)で前記膜(34)を濡らすことと、
前記アノード(28)上かつ前記アノード(28)に平行な前記膜(34)を積み重ねることと、
前記膜(34)上かつ前記膜(34)に平行なカソード(38)を積み重ねることとを備え、前記膜(34)は前記アノード(28)と前記カソード(38)との間に配置され、前記方法はさらに、
前記電解液(24)を作製するために、グリセロールにアルミニウム過塩素酸塩粉末を飽和状態まで溶解させることを備えることを特徴とする、方法。 - アルミニウムを包含するやすり屑(70)を用いて、電気エネルギー貯蔵装置(20)の電極(28,38)にアルミニウムを包含するドーパント(48)を運ぶためのドーピング液(62)を作製するためのステップを備え、前記方法は、
エタノールにAlCl3粉末を溶解させてバックグラウンド溶液(66)を生成することを備え、前記方法は、
前記バックグラウンド溶液(66)をグリセロールと混合して二成分溶液(68)を製造することと、
アルミニウムを包含する前記やすり屑(70)が溶解するまで、前記二成分溶液(68)にアルミニウムを包含する前記やすり屑(70)を含浸させて前記ドーピング液(62)を製造することを備えることを特徴とする、請求項15に記載の方法。 - アノード(28)と負極リード(30)と膜(34)と電解液(24)とカソード混合物(60)を用いるセルロースのキャリアシート(40)を有するカソード(38)とを有する二次電池装置(22)を構成する方法であって、前記方法は、
純度99.95%のアルミニウムおよび0.1〜0.6重量%のインジウムのプレートを450℃の温度まで加熱することと、
毎分10℃よりも大きな速度で冷却しながら、前記プレートの前記厚さを低減するために前記プレートを圧延して低減された厚さにすることと、
前記プレートの前記低減された厚さを再加熱し、前記プレートの前記低減された厚さを再圧延して、アルミニウム酸化物および表面汚染物質でコーティングされ、0.05mmと0.1mmとの間の厚さを有する箔(56)にすることと、
前記箔(56)を、前記箔(56)から表面汚染物を除去するためにエタノールで洗うことと、
前記箔(56)の前記表面からアルミニウム酸化物を除去するために、1分間、水および4モルの濃度を有する水酸化物の溶液中に前記箔(56)を沈めることと、
前記箔(56)を、前記箔(56)から水酸化物を除去するために水で洗うことと、
前記箔(56)を、前記箔(56)から水滴を蒸発させるために30分間70℃に曝すことと、
前記箔(56)を無水環境で囲むことと、
1.2cmの第一長さと1.7cmの第一幅とを有する前記アノード(28)を規定するために、前記箔(56)を矩形状に分割することと、
銀の粒子を含有するセメント(32)で、負極リード(30)をアノード(28)に取り付けることと、
前記電解液(24)で前記膜(34)を濡らすことと、
前記アノード(28)上かつ前記アノード(28)に平行な膜(34)を積み重ねることと、
前記キャリアシート(40)に浸すために、セルロースの前記キャリアシート(40)の片側に、薄膜層の前記カソード混合物(60)を塗布することと、
前記カソード混合物(60)を前記キャリアシート(40)上かつ前記キャリアシート(40)内に配置されるホスト格子(44)の中へ固化するために、前記カソード混合物(60)を50〜60℃の温度に曝すことと、
ドーパント(48)を前記ホスト格子(44)と結合し前記ホスト格子(44)の中へインターカレーションすることを可能にして電気活性層(42)を作製するために、前記ドーパント(48)を包含するドーピング液(62)で、前記ホスト格子(44)を濡らすことと、
グラファイトを包含する接着剤(52)で、前記カソード(38)の電気活性層(42)と電気的に接触する正極リード(50)を取り付けることと、
前記膜(34)上かつ前記膜に(34)に平行なカソード(38)を積み重ねることとを備え、前記膜(34)は、前記アノード(28)と前記カソード(38)との間に配置され、前記方法は、
アルミニウム過塩素酸塩粉末をグリセロールに飽和状態まで溶解させて前記電解液(24)を製造することと、
AlCl3粉末をエタノールに溶解させてバックグラウンド溶液(66)を製造することと、
40重量%の前記バックグラウンド溶液(66)を60重量%のグリセロールと混合して二成分溶液(68)を製造することと、
純度99.95%の99.4〜99.9重量%のアルミニウムおよび0.1〜0.6重量%のインジウムをすりおろして20〜30cm2の等価表面積を有するやすり屑(70)を作製することと、
前記やすり屑(70)が溶解するまで150〜200mlの前記二成分溶液(68)に前記やすり屑(70)を含浸させて前記ドーピング液(62)を製造することとを備えることを特徴とする、方法。 - 前記カソード混合物(60)を作製するためのステップをさらに備え、5重量%のアルキル接着剤と60重量%のエタノールと35重量%のグラファイトの薄片(54)とを混ぜて前記カソード混合物(60)を作製することを特徴とする、請求項17に記載の方法。
- 前記カソード混合物(60)を作製するためのステップをさらに備え、非晶質で熱膨張可能なグラファイト粉末と1〜5重量%MnO2と1〜5重量%活性MnO2と1〜5重量%のアセチレンブラックとを混ぜて中間混合物を作製することを特徴とする、請求項17に記載の方法。
- 前記中間混合物にアルキル接着剤のバインダーおよびエタノールを加えて厚く広げることが可能なペーストの稠度を有する前記カソード混合物(60)を作製するステップをさらに備える、請求項19に記載の方法。
- 前記中間混合物にアクリル接着剤のバインダーを加えて厚く広げることが可能なペーストの稠度を有する前記カソード混合物(60)を作製するステップをさらに備える、請求項19に記載の方法。
- 前記中間混合物にグラファイト塗料のバインダーを加えて厚く広げることが可能なペースト稠度を有する前記カソード混合物(60)を作製するステップをさらに備える、請求項19に記載の方法。
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