JP2018503219A - レドックスフロー電池のためのポリマー電解質膜 - Google Patents
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Abstract
Description
[0001] レドックスフロー電池のためのポリマー電解質膜を開示する。
[0002] レドックスフロー電池(RFB)は、価数の異なる元素の還元/酸化に基づいて、電気エネルギーの貯蔵、化学エネルギーへの変換及び化学エネルギーから電気エネルギーへの再変換を必要に応じて繰り返し行うことができる、特殊な電気化学システムである。
[0007] 機械的及び化学的な耐久性を有すると同時に、自己放電の要因となるアノライトとカソライトとの間のイオン透過を阻止及び/又は最小化する、レドックスフロー電池のためのポリマー膜の特定が待たれている。有利なことに、本ポリマー電解質膜は、寸法安定性と同時に、イオン伝導性とイオン選択性とを共に備えており、その結果、レドックスフロー電池は、より高いエネルギー効率及び/又はより優れたコスト効率を有することになる。
(a)アノライト及びカソライトと、
(b)(i)ポリマー、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基、及び(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基を含む、ポリマー電解質膜と、を備える、レドックスフロー電池システムが説明される。
[0012] 本明細書で使用する場合、
「a」、「an」、及び「the」という用語は、互換的に使用され、1つ以上を意味する。
「及び/又は」という用語は、述べたケースの一方又は両方が起こり得ることを示すために使用され、例えば、A及び/又はBは、(A及びB)並びに(A又はB)を含む。
ポリマーの「当量」(EW)という用語は、1当量の塩基を中和するポリマーの重量を意味する。ポリマーは、スルホン酸基、スルホンアミド基などを含むすべてのプロトン供与性の基を含む。
「電解質膜」という用語は、イオン含有ポリマーを含む膜(イオン交換膜としても知られる)を意味する。イオン含有ポリマーは、一般的に、結合カチオン又は結合アニオンのいずれかを主として含有する。ポリマーの結合イオンの対イオンは、特に電界又は濃度勾配の影響下で、膜のポリマーマトリクスを通って移動できる。
「ポリマー」という用語は、少なくとも10,000ダルトンの数平均分子量(Mn)、少なくとも25,000ダルトンの数平均分子量(Mn)、少なくとも50,000ダルトンの数平均分子量(Mn)、少なくとも100,000ダルトンの数平均分子量(Mn)、少なくとも300,000ダルトンの数平均分子量(Mn)、少なくとも500,000ダルトンの数平均分子量(Mn)、少なくとも750,000ダルトンの数平均分子量(Mn)、少なくとも1,000,000ダルトンの数平均分子量(Mn)又は少なくとも1,500,000ダルトンの数平均分子量(Mn)を有する、かつ加工性を損なうほどには高い分子量ではない、マクロ構造を指す。
「ポリマー主鎖」という用語は、このポリマーの主な連続鎖を指す。
本明細書ではまた、端点による範囲の列挙は、その範囲内に含まれるすべての数を含む(例えば、1〜10は、1.4、1.9、2.33、5.75、9.98などを含む)。
電解質膜は、当技術分野で知られる技法を用いて作ることができ、例えば、ポリマーを含む液体組成物をキャスティングし、乾燥及び場合によりアニールして、膜を形成することによって、又は溶融ポリマーを押出成形することによって、作ることができる。
(a)アノライト及びカソライトと、
(b)(i)ポリマー、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基、及び(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基を含む、ポリマー電解質膜と、を備える、レドックスフロー電池システム。
ポリマーが、スルホン酸を含む複数のペンダント基と、スルホンアミドを含む複数のペンダント基と、を有する、実施形態1に記載のレドックスフロー電池システム。
ポリマー電解質膜が、(i)スルホン酸を含む複数のペンダント基を有する第1のポリマーと、(ii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基を有する第2のポリマーと、を含む、実施形態1に記載のレドックスフロー電池システム。
アノライト導管と、カソライト導管と、を更に含む、実施形態1から3のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
スルホンアミドを含む複数のペンダント基に対する、スルホン酸を含む複数のペンダント基の比率が、20:1〜1:2である、実施形態1から4のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
スルホン酸を含む複数のペンダント基及びスルホンアミドを含む複数のペンダント基の当量が、1200未満である、実施形態1から5のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
ポリマーが、部分的にフッ素化又は過フッ素化される、実施形態1から6のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
ポリマー電解質膜が、(i)ポリマーと、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基と、(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基と、を含む液体組成物の、キャスト製膜により形成される、実施形態1から7のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
スルホンアミドを含む複数のペンダント基が、ポリマー電解質膜の断面全体に実質的に一様に分布する、実施形態1から8のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
ポリマー電解質膜が、充填剤を更に含む、実施形態1から9のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
充填剤が、シリカ、二酸化チタン、酸化バナジウム及びフッ化ポリビニリデンのうちの少なくとも1つから選択される、実施形態10に記載のレドックスフロー電池システム。
ポリマー電解質膜が、支持体を含む、実施形態1から11のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
ポリマー電解質膜の厚さが、25〜50マイクロメートルである、実施形態1から12のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
アノライトが、液体電解質である、実施形態1から13のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
ポリマー電解質膜が、第2のポリマー層と密着して、多層膜を形成する、実施形態1から14のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池システム。
(i)ポリマーと、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基と、(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基と、を含む液体組成物の、キャスト製膜により形成される、固体ポリマー電解質膜。
(i)ポリマーと、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基と、(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基と、を含む、固体ポリマー電解質膜であって、スルホンアミドを含む複数のペンダント基が、固体ポリマー電解質膜の断面全体に実質的に一様に分布する、固体ポリマー電解質膜。
ポリマーが、(i)スルホン酸を含む複数のペンダント基と、(ii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基と、を含む、実施形態16又は17に記載の固体ポリマー電解質膜。
液体組成物が、(i)スルホン酸を含む複数のペンダント基を含む第1のポリマーと、(ii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基を含む第2のポリマーと、を含む、実施形態16に記載の固体ポリマー電解質膜。
固体ポリマー電解質膜が、(i)スルホン酸を含む複数のペンダント基を含む第1のポリマーと、(ii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基を含む第2のポリマーと、を含む、実施形態17に記載の固体ポリマー電解質膜。
スルホンアミドを含む複数のペンダント基に対する、スルホン酸を含む複数のペンダント基の比率が、20:1〜1:2である、実施形態16から20のいずれか1つに記載の固体ポリマー電解質膜。
スルホン酸を含む複数のペンダント基及びスルホンアミドを含む複数のペンダント基の総当量が、1200未満である、実施形態16から21のいずれか1つに記載の固体ポリマー電解質膜。
ポリマーが、部分的にフッ素化又は過フッ素化される、実施形態16から22のいずれか1つに記載の固体ポリマー電解質膜。
固体ポリマー電解質膜が、充填剤を更に含む、実施形態16から23のいずれか1つに記載の固体ポリマー電解質膜。
充填剤が、シリカ、二酸化チタン、酸化バナジウム及びフッ化ポリビニリデンのうちの少なくとも1つから選択される、実施形態24に記載の固体ポリマー電解質膜。
固体ポリマー電解質膜を備える電気化学デバイスを提供すること、ここで、固体ポリマー電解質膜は、(i)ポリマーと、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基と、(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基と、を含み、且つ、第1及び第2の主面を有する、と、
固体ポリマー電解質膜の第1の主面にカソライトを接触させることと、
固体ポリマー電解質膜の第2の主面にアノライトを接触させることと、
固体ポリマー電解質膜を介してカソライトとアノライトとの間に電圧を印加することと、を含む、レドックスフロー電池の使用方法。
Claims (10)
- (a)アノライト及びカソライトと、
(b)(i)ポリマー、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基、及び(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基を含む、ポリマー電解質膜と、
を備える、レドックスフロー電池システム。 - 前記ポリマーが、スルホン酸を含む前記複数のペンダント基と、スルホンアミドを含む前記複数のペンダント基と、を有する、請求項1に記載のレドックスフロー電池システム。
- 前記ポリマー電解質膜が、(i)スルホン酸を含む前記複数のペンダント基を有する第1のポリマーと、(ii)スルホンアミドを含む前記複数のペンダント基を有する第2のポリマーと、を含む、請求項1に記載のレドックスフロー電池システム。
- スルホン酸を含む前記複数のペンダント基及びスルホンアミドを含む前記複数のペンダント基の当量が、1200未満である、請求項1に記載のレドックスフロー電池システム。
- 前記ポリマー電解質膜が、(i)ポリマーと、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基と、(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基と、を含む液体組成物の、キャスト製膜により形成される、請求項1に記載のレドックスフロー電池システム。
- スルホンアミドを含む前記複数のペンダント基が、前記ポリマー電解質膜の断面全体に実質的に一様に分布する、請求項1に記載のレドックスフロー電池システム。
- 前記ポリマー電解質膜の厚さが、25〜50マイクロメートルである、請求項1に記載のレドックスフロー電池システム。
- (i)ポリマーと、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基と、(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基と、を含む液体組成物の、キャスト製膜により形成される、固体ポリマー電解質膜。
- (i)ポリマーと、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基と、(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基と、を含む、固体ポリマー電解質膜であって、スルホンアミドを含む前記複数のペンダント基が、前記固体ポリマー電解質膜の断面全体に実質的に一様に分布する、固体ポリマー電解質膜。
- 固体ポリマー電解質膜を備える電気化学デバイスを提供すること、ここで、前記固体ポリマー電解質膜は、(i)ポリマーと、(ii)スルホン酸を含む複数のペンダント基と、(iii)スルホンアミドを含む複数のペンダント基と、を含み、且つ、第1及び第2の主面を有する、と、
前記固体ポリマー電解質膜の前記第1の主面にカソライトを接触させることと、
前記固体ポリマー電解質膜の前記第2の主面にアノライトを接触させることと、
前記固体ポリマー電解質膜を介して前記カソライトと前記アノライトとの間に電圧を印加することと、を含む、レドックスフロー電池の使用方法。
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