JP2018517260A - 多価金属負極を有するバッテリー - Google Patents
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Abstract
Description
記載する装置は一般に、電気化学的に活性な多価金属電極および多価金属をイオン伝導する固体イオン伝導性ポリマー材料を含む電気化学的システムに関する。
多価イオンはそれらがより高いエネルギー密度に寄与することができるので電気化学的システムでは望ましい。セルの容量は電気化学的に活性な負極材料および正極材料の関数なので、電気化学的な化学量論的反応に関与する電子数は、バッテリーまたは他の電気化学的システムの容量に直接関係する。
2007)は、アルカリ土類(例えばAl,Mg2+)のような多電子の酸化還元対(multi−electron redox couple)を使用することにより電荷密度を急激に上昇させる可能性を挙げている。表1について、この報告から様々なバッテリー化学の幾つかの計算された理論的特性を示す。
ない。複雑な液体−電解質組成を使用したMg/Sバッテリーも、良くないクーロン効率および最初の2サイクルで有意な容量の損失を示した。
本発明の一態様によれば、固体イオン伝導性ポリマー材料および多価金属を含んでなる電極を有するバッテリーが提供され、ここで多価金属のイオンが該固体イオン伝導性ポリマーにより伝導され、そしてバッテリーの電極に入り、そして出るように可逆的に輸送される。
多価金属が上記の固体イオン伝導性ポリマー材料に分散され、多価金属が該固体イオン伝導性ポリマー材料にカプセル化されるか、あるいは多価金属が粒状化され、そして粒子が該固体イオン伝導性ポリマー材料によりカプセル化されるバッテリー。
少なくとも1つのアニオン性拡散イオンが存在するバッテリー。
本出願は、引用により本明細書に編入する2015年6月8日に出願した米国特許仮出願第62/172,467号明細書の利益を主張し;そしてまた引用により2015年5月8日に出願された米国特許仮出願第62/158,841号明細書;2014年12月3日に出願された米国特許出願第14/559,430号明細書;2013年12月3日に出願された米国特許仮出願第61/911,049号明細書;2013年4月11日に出願された米国特許出願第13/861,170号明細書;および2012年4月11日に出願された米国特許仮出願第61/622,705号明細書を編入する。
減極剤は、電気化学的活性物質、すなわち、電気化学反応の電荷移動段階中に、および、電気化学的活性材料中で、酸化状態を変化させるか、または、化学結合の形成もしくは破壊に参加する物質と同義である。電極が1より多くの電気活性物質を有する場合、それらを共減極剤(codepolarizer)と呼ぶことができる。
を含む。
を測定する因子となり得る。移動度は、少なくとも1×10-14m2/s、そして好ましくは少なくとも1×10-13m2/sのイオン拡散率と考えることができ、これらは両方ともイオンが材料中で可動性であると伝えている。
また合成法も、特定の成分および所望する最終材料の形態(例えばフィルム、粒子等)により変動することができる。しかし方法には少なくとも2つの成分を最初に混合し、第三成分を任意の第二混合工程で加え、そして加熱工程で成分/反応物を加熱して固体イオン伝導性ポリマー材料を合成する基本工程を含む。本発明の1つの態様では、生じた混合物は任意に所望のサイズのフィルムに形成することができる。ドーパントが第一工程で生成された混合物に存在しなければ、ドーパントは引き続き混合物に加熱そして場合により圧をかけながら(陽圧または真空)加えることができる。全ての3成分が存在し、そして混合され、そして加熱されて、単回工程で固体イオン伝導性ポリマー材料の合成を完了することができる。しかしこの加熱工程は、いかなる混合からも分かれた工程の時に行われることができ、あるいは混合が行われている間に完了することができる。加熱工程は混合物の形態(例えばフィルムまたは粒子等)にかかわらず行うことができる。合成法の態様では、全ての3成分が混合され、そして次にフィルムに押し出される。フィルムは加熱されて合成が完了する。
cm-1の電導性を有する。非電導性ポリマーが適切な反応物ポリマーである。
ノン(C8Cl2N2O2)、およびクロラニルとしても知られているテトラクロロ−1,4−ベンゾキノン(C6Cl4O2)、TCNEとしても知られているテトラシアノエチレン(C6N4)、三酸化硫黄(“SO3”)、オゾン(三酸素すなわちO3)、酸素(O2、空気を含む)、二酸化マンガン(“MnO2”)を含む遷移金属酸化物、あるいは適切な電子受容体等、およびそれらの組み合わせである。ドーパントは、合成の加熱工程の温度で温度安定性のものが有用であり、そして温度安定性で、しかも強力な酸化剤キノンの両方であるキノン類および他のドーパントが大変有用である。表3はドーパントの非限定的一覧をそれらの化学的図解と共に提供する。
非限定的例には、Li2O、LiOH,ZnO、TiO2,Al3O2,NaOH,KOH,LiNO3,Na2O,MgO,CaCl2,MgCl2,AlCl3,LiTFSI(リチウムビス−トリフルオロメタンスルホンイミド)、LiFSI(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド)、リチウムビス(オキサレート)ボラート(LiB(C2O4)2“LiBOB”)、ならびに他のリチウム塩およびそれらの組み合わせがある。一態様では、イオン化合物は多価金属を含み、そして拡散する多価金属イオンを含む固体イオン伝導性ポリマー材料を生成するために使用される。これら化合物の水和形(例えば一水素化物)を使用して化合物を取扱い易くすることができる。無機酸化物、塩化物および水酸化物は、それらが合成中に解離して少なくとも1つのアニオン性拡散イオンおよびカチオン性拡散イオンを生じる点で適切なイオン化合物である。解離して少なくとも1つのアニオン性拡散イオンおよびカチオン性拡散イオンを生じる任意のそのようなイオン化合物も同様に適切である。好適となり得る多くのアニオン性拡散イオンおよびカチオン性拡散イオンを生じる多数のイオン化合物も有用となり得る。合成に含まれる特定のイオン化合物は、材料の所望する用途に依存する。
あろう。多価正極および拡散アニオンの両方を合成中に放出する任意の多価イオン化合物もそうであろう。さらに示すように、所望するカチオン性およびアニオン性拡散種の両方を生成することができる形態のアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、およびポスト遷移金属を含むイオン化合物が合成の反応物であるイオン化合物として適切である。
豊富な原材料により主導され、Li−イオンの代替と見られている。カルシウム、マグネシウムおよびアルミニウムのイオン伝導性は、Li−イオンのバッテリーの能力を越えてエネルギー密度を上げることができる多価インターカレーション系に必要である。
Claims (58)
- 固体イオン伝導性ポリマー材料および多価金属を含んでなる電極を有するバッテリーであって、多価金属のイオンが該イオン伝導性ポリマーによりイオン伝導され、そして多価金属が可逆的にバッテリーの電極に入り、そして出るように輸送されることができる上記バッテリー。
- 多価金属が上記の固体イオン伝導性ポリマー材料に分散される請求項1に記載のバッテリー。
- 多価金属が上記固体イオン伝導性ポリマー材料にカプセル化される請求項1に記載のバッテリー。
- 多価金属が粒状化され、そして粒子が固体イオン伝導性ポリマー材料と混合される請求項1に記載のバッテリー。
- 多価金属粒子がそれぞれ100ミクロン未満である請求項4に記載のバッテリー。
- バッテリーの電極が押し出される請求項1に記載のバッテリー。
- さらに電導性材料を含んでなる請求項1に記載のバッテリー。
- a.固体イオン伝導性ポリマーおよび多価金属を含んでなり、多価金属のイオンが該固体イオン伝導性ポリマーにより伝導される第一のバッテリー電極;
b.第二のバッテリー電極;および
c.第一および第二のバッテリー電極の間に配置され、第一と第二のバッテリー電極間のイオン輸送を可能にする、誘電性、イオン伝導性、電気化学的に非活性な電解質層;
を含んでなるバッテリー。 - 上記第二のバッテリー電極が固体イオン伝導性ポリマー材料およびインターカレーション化合物を含んでなる請求項8に記載のバッテリー。
- 上記第二のバッテリー電極が上記固体イオン伝導性ポリマー、および、上記多価イオンと反応する電気化学的に活性な化合物を含んでなる請求項8に記載のバッテリー。
- 上記電気化学的に活性な化合物が硫黄である請求項10に記載のバッテリー。
- 上記電気化学的に活性な化合物が二酸化マンガンである請求項10に記載のバッテリー。
- 上記電解質層が上記固体イオン伝導性ポリマーを含んでなる請求項8に記載のバッテリー。
- 電解質層が押し出される請求項13に記載のバッテリー。
- 電解質層が熱形成される請求項13に記載のバッテリー。
- 第一のバッテリー電極が熱形成される請求項8に記載のバッテリー。
- 多価金属がアルミニウム、マグネシウム、またはカルシウムである請求項8に記載のバ
ッテリー。 - 上記多価金属が、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛、鉄、スカンジウム、クロム、銅およびそれらの組み合わせを含んでなる群から選択される請求項8に記載のバッテリー。
- 電解質層が固体イオン伝導性ポリマー材料を含んでなり、そして上記第二のバッテリー電極が、上記の固体イオン伝導性ポリマー材料、および、多価イオンと電気化学的に反応する電気化学的に活性な化合物を含んでなる、請求項18に記載のバッテリー。
- 固体イオン伝導性ポリマー材料が、30%より高い結晶化度、融解温度、ガラス状態、および、少なくとも1つのカチオン性拡散イオンおよびアニオン性拡散イオンの両方であって、ここで、少なくとも1つの拡散イオンはガラス状態で可動性である、を含んでなる請求項1または8に記載のバッテリー。
- 材料がさらに複数の電荷移動錯体を含んでなる請求項20に記載のバッテリー。
- 材料が複数のモノマーを含んでなり、そして各電荷移動錯体がモノマー上に位置する請求項21に記載のバッテリー。
- 固体イオン伝導性ポリマー材料の電導率が室温で1×10-8S/cm未満である請求項20に記載のバッテリー。
- 固体イオン伝導性ポリマー材料が半結晶であり、そして、複数のモノマー、複数の電荷移動錯体であって各々がモノマー上に位置する電荷移動錯体を含んでなり、ここで、固体イオン伝導性ポリマー材料の電導率が室温で1×10-8S/cm未満である請求項1または8に記載のバッテリー。
- 材料の結晶化度が30%より高い請求項24に記載のバッテリー。
- 材料がさらにカチオン性拡散イオンおよびアニオン性拡散イオンの両方を含んでなり、これにより各拡散イオンがガラス状態で可動性であり、そして材料の結晶化度が30%より高い請求項24に記載のバッテリー。
- 電荷移動錯体が、ポリマーおよび電子受容体の反応により形成される請求項24に記載のバッテリー。
- 材料がガラス状態、および少なくとも1つのカチオン性拡散イオンおよび少なくとも1つのアニオン性拡散イオンを有し、各拡散イオンがガラス状態で可動性である請求項24に記載のバッテリー。
- 材料の融解温度が250℃より高い請求項1または8に記載のバッテリー。
- 材料のイオン伝導度が室温で1.0×10-5S/cmより大きい請求項1または8に記載のバッテリー。
- 材料が単一のカチオン性拡散イオンを含んでなり、カチオン性拡散イオンの拡散率が室温で1.0×10-12m2/sより大きい請求項1または8に記載のバッテリー。
- 材料が単一のアニオン性拡散イオンを含んでなり、アニオン性拡散イオンの拡散率が室
温で1.0×10-12m2/sより大きい請求項1または8に記載のバッテリー。 - 固体イオン伝導性ポリマー材料が複数のモノマーを含んでなり、そしてモノマーあたり少なくとも1つのアニオン性拡散イオンが存在する請求項1または8に記載のバッテリー。
- 固体イオン伝導性ポリマー材料が複数のモノマーを含んでなり、そしてモノマーあたり少なくとも1つのカチオン性拡散イオンが存在する請求項1または8に記載のバッテリー。
- 1リットルの材料あたり少なくとも1モルのカチオン性拡散イオンが存在する請求項1または8に記載のバッテリー。
- 電荷移動錯体が、ポリマー、電子受容体およびイオン化合物の反応から形成され、各カチオン性拡散イオンおよびアニオン性拡散イオンがイオン化合物の反応生成物である請求項21に記載のバッテリー。
- 材料が少なくとも1つのイオン化合物から形成され、イオン化合物が多価金属を含んでなる請求項1または8に記載のバッテリー。
- 材料が熱可塑性である請求項1または8に記載のバッテリー。
- 少なくともカチオン性拡散イオンの1つが1.0×10-12m2/sより大きい拡散率を有する請求項20に記載のバッテリー。
- 少なくとも1つのアニオン性拡散イオンの1つが1.0×10-12m2/sより大きい拡散率を有する請求項20に記載のバッテリー。
- 少なくとも1つのアニオン性拡散イオンおよび少なくともカチオン性拡散イオンの両方の1つが1.0×10-12m2/sより大きい拡散率を有する請求項20に記載のバッテリー。
- 固体イオン伝導性ポリマー材料が複数のモノマーを含んでなり、そして各モノマーがモノマーの骨格に位置する芳香族または複素環構造を含んでなる請求項1または8に記載のバッテリー。
- 材料がさらに、環構造に包含されるかまたは環構造に隣接する骨格上に位置するヘテロ原子を含む請求項42に記載のバッテリー。
- ヘテロ原子が硫黄、酸素または窒素からなる群から選択される請求項43に記載のバッテリー。
- ヘテロ原子が環構造に隣接するモノマーの骨格上に位置する請求項44に記載のバッテリー。
- ヘテロ原子が硫黄である請求項45に記載のバッテリー。
- 材料がパイ共役である請求項1または8に記載のバッテリー。
- ポリマーが複数のモノマーを含んでなり、モノマーの分子量が100グラム/モルより
大きい請求項1または8に記載のバッテリー。 - 材料のイオン伝導性が等方性である請求項1または8に記載のバッテリー。
- 室温で1×10-4S/cmより大きいイオン伝導度を有する請求項1または8に記載のバッテリー。
- 80℃で1×10-3S/cmより大きいイオン伝導度を有する請求項1または8に記載のバッテリー。
- −40℃で1×10-5S/cmより大きいイオン伝導度を有する請求項1または8に記載のバッテリーに記載のバッテリー。
- 材料が不燃性である請求項1または8に記載のバッテリー。
- 材料のヤング率が3.0MPa以上である請求項1または8に記載のバッテリー。
- 材料が基材ポリマー、電子受容体およびイオン化合物の反応生成物である請求項1または8に記載のバッテリー。
- 基材ポリマーが液晶ポリマー、非ドープ共役ポリマーまたはPPSである請求項55に記載のバッテリー。
- イオン化合物が多価金属を含んでなる請求項55に記載のバッテリー。
- 電子受容体がキノンである請求項55に記載のバッテリー。
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