JP2019145512A - 金属燃料を含む電気化学電池のヘテロ原子イオン芳香族添加物 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2013年3月13日に出願された米国特許出願第61/780,662号からの優先権を主張するものであり、この出願の全内容は参照により本明細書に組み入れられる。
電気化学電池は、一次電池(例えば、一次金属−空気電池、アルカリ亜鉛−酸化マンガン電池、銀−鉛電池、等)と、二次電池(例えば、再充電可能金属−空気電池、ニッケルーカドミウム電池、ニッケル金属水素化物電池等)とに分けられる。本発明の原理を使用することができる電気化学電池の非制限的な例としては、米国特許第8,168,337号、第8,309,259号、並びに、米国特許出願第11/962,803号、第12/385,217号、第12/549,617号、第12/631,484号、第12/776,962号、第12/885,268号、第12/901,410号、第13/019,923号、第13/028,496号、第13/083,929号、第13/085,714号、第13/096,851号、第13/105,794号、第13/167,930号、第13/185,658号、第13/220,349号、第13/229,444号、第13/230,549号、第13/277,031号、第13/299,167号、第13/362,775号、第13/448,923号、第13/526,342号、第13/526,432号、第13/531,962号、第13/532,374号、第13/553,269号、第13/566,948号、第13/653,830号、第13/666,864号、第13/668,180号、第13/668,185号、第61/557,490号及び第61/726,134号に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。
、水溶液である。好適な電解質には、例えば、硫酸、燐酸、トリフリン酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、塩化ナトリウム、硝酸カリウム又は塩化リチウムを含む水溶液が含まれる。電解質は、非水溶媒、イオン液体及び/又はイオン交換材料を含んでもよく、この例については、米国特許出願第12/776,962号、第13/448,923号、第13/526,058号、第13/526,432号、第13/526,342号、第61/557,490号及び第61/726,134号に開示されており、これら文献の内容は参照により本明細書に組み込まれる。任意のイオン伝導性媒質を使用することができる。本明細書に記載する非制限的な実施形態では、電解質は、水性水酸化カリウム溶液である。
する詳細については、米国特許出願第12/885,268号、第13/083,929号、第13/230,549号、第13/277,031号及び第13/299,167号、並びに、米国特許第8,309,259号に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。
は酸性であってもよい。また、電流生成工程の副産物として還元可能金属燃料イオンが提供されたが、必ずしもこれに限定されず、ある実施形態では、可逆でない副産物が生成される燃料を使用してもよく、この場合も本発明の範囲に含まれる。したがって、還元及び電着に適した形態の燃料イオンを伴う別個の燃料源から、充電に使用される電解質22が供給される場合も本発明の範囲に含まれており、電流生成時に使用される電解質22と燃料源とは別であり、電着物は副産物として堆積する。同様に、同じ電解質22を両方の工程で使用することができるが、燃料は、充電時のソースとは別のソースから供給することができる。
率が高い従来の一次電池において特に有用である。添加物の物理化学的特性は、芳香性、官能基、電気密度、立体効果等に基づいて選択されてもよい。特定の理論に限定されないが、非局在化されたπ電子を提供する芳香族官能基が、金属電極表面のd軌道との相互作用によって効果的な腐食防止効果を提供できると考えられる。別の例として、窒素原子に関連する不対電子を含む異種イオン性化合物は、金属電極表面との望ましい総合作用を提供する。
Rは、(C1−C20)直鎖アルキル、分岐アルキル、アリール、アルキルアミノ、ピリジ
ル、ピロリル、イミノ、ピリジニル・ピラジニル、ピリミジニル、チエニル、チアゾリル及びこれらの誘導体からなる群から選択される有機的結合を表す。
Bは、ベンゼン、アジリン、ジアジリン、アゼト、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、トリアゾール、ピリジン、ピラジン、ジアジン、トリアジン、アゼピン、ジアゼピン、アゾシン、ホスホール、ホスフィニン、オキサゾール、チオフェン及びこれらの誘導体からなる群から選択される芳香族基を表す。
開裂を防ぐことは明らかである。例えば、β‐プロトンを含むベンジルトリメチル・アンモニウムは、β‐プロトンを含まない塩基安定性結合を含むトリメチル−2−フェニル−2−プロパンアミニウムよりも、電気化学還元開裂に対して不安定である。ある実施形態において、芳香族基の近位の結合は、複数の炭素原子を伴うようにすることにより、芳香環に関連する共鳴を抑制することができ、更なる安定性をもたらすことができる。
R1は、電荷中心Aに対してβ炭素原子を提供する分岐結合を表し、アルキル、アリー
ル、ネオペンチル、tert−ブチルアルコール及びこれらの誘導体からなる群から選択される。
R2は、(C1−C20)直鎖アルキル、分岐アルキル、アリール、アルキルアミノ、ピリジル、ピロリル、イミノ、ピリジニル・ピラジニル、ピリミジニル、チエニル、チアゾリル及びこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも2つの炭素原子を含む有機的結合を表す。
る場合があることは明らかである。
本発明の一実施例では、8.0MのKOH及び1.25MのZnOの電解質溶液中の第1電極20に、50mA/cm2の電流密度を印加した。図3には、透過電極体の積層体
において、電極と電解質との界面における電着を示す様々な拡大倍率の画像が示されており、ここで、電解質は、2.0mMの1−ベンジル−4−アザ−1−アゾニアビシクロ[2,2,2]オクタン水酸化物、及び、0.25mMの塩化インジウムInCl3である。電着物の滑らかな部分から、燃料極の表面全体の上に、概して滑らかであって微小な粗さを有する層として、電着金属が堆積してる様子が示されている。無視できるほどに小さいデンドライトが形成されており、それにより、一の充電‐放電サイクルから次の充電‐放電サイクルへと電極表面形態が保存されている。
Claims (25)
- 金属燃料を含む燃料極と、
第2電極と、
芳香族官能基を有するヘテロ原子化合物の添加物を含み、前記燃料極と前記第2電極とを連絡させるイオン伝導性媒質と、を備え、
前記燃料極及び前記第2電極は、アノードとして機能する前記燃料極において前記金属燃料が酸化される放電モードで動作し、それにより負荷を介して前記燃料極から前記第2電極へと電気伝導する電子が生成され、
前記イオン伝導性媒質は、水溶液である、電気化学電池。 - 前記電気化学電池が一次電池である、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記電気化学電池が二次電池である、請求項1に記載の電気化学電池。
- 充電極と、
前記イオン伝導性媒質内の還元可能金属燃料イオンと、を更に備え、
前記燃料極と前記充電極は、充電モードで動作可能であり、
前記充電極と前記燃料極との間に電流が印加されると、前記還元可能金属燃料イオンは還元されて、カソードとして機能する前記燃料極上に、酸化可能な態様で金属燃料として電着する、請求項3に記載の電気化学電池。 - 前記燃料極は、電着による金属燃料を受容する間隔を空けて設けられた複数の透過電極体を有し、
電着した前記金属燃料により前記複数の透過電極体の間の電気接続が確立されるように、前記複数の透過電極体間に電着した前記金属燃料が成長する、請求項3に記載の電気化学電池。 - 前記イオン伝導性媒質は、アルカリ性である請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記水性電解質溶液は、水酸化カリウムを含む請求項6に記載の電気化学電池。
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、前記水性電解質溶液に添加されて、
に従う構造を有し、
ここでAは、第4級アンモニウム、環状アンモニウム、多環アンモニウム、第4級ホスホニウム、環状ホスホニウム、多環ホスホニウム、ホスファジン、環状ホスファジン、多環ホスファジン、及び、これらの誘導体からなる群から選択される電荷中心を表し、
Rは、(C1−C20)直鎖アルキル、分岐アルキル、アリール、アルキルアミノ、ピリジル、ピロリル、イミノ、ピリジニル・ピラジニル、ピリミジニル、チエニル、チアゾリル及びこれらの誘導体からなる群から選択される有機的結合を表し、
Bは、ベンゼン、アジリン、ジアジリン、アゼト、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、トリアゾール、ピリジン、ピラジン、ジアジン、トリアジン、アゼピン、ジアゼピン、アゾシン、ホスホール、ホスフィニン、オキサゾール、チオフェン及びこれらの誘導体からなる群から選択される芳香族基を表す、請求項1に記載の電気化学電池。 - 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、
ここでAは、第4級アンモニウム、環状アンモニウム、多環アンモニウム、第4級ホスホニウム、環状ホスホニウム、多環ホスホニウム、ホスファジン、環状ホスファジン、多環ホスファジン、及び、これらの誘導体からなる群から選択される電荷中心を表し、
R1は、βプロトンを含まず電荷中心Aに対してβ炭素原子を提供する分岐結合を表し、分岐アルキル、アリール、ネオペンチル、tert−ブチルアルコール及びこれらの誘導体からなる群から選択され、
R2は、(C1−C20)直鎖アルキル、分岐アルキル、アリール、アルキルアミノ、ピリジル、ピロリル、イミノ、ピリジニル・ピラジニル、ピリミジニル、チエニル、チアゾリル及びこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも2つの炭素原子を含む有機的
結合を表し、
Bは、ベンゼン、アジリン、ジアジリン、アゼト、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、トリアゾール、ピリジン、ピラジン、ジアジン、トリアジン、アゼピン、ジアゼピン、アゾシン、ホスホール、ホスフィニン、オキサゾール、チオフェン及びこれらの誘導体からなる群から選択される芳香族基を表す、請求項1に記載の電気化学電池。 - 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物の濃度は、0.0001mol/Lから0.4mol/Lの範囲である、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記金属燃料は、亜鉛である、請求項1記載の電気化学電池。
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、前記金属燃料を含む前記燃料極において吸着する、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、前記金属燃料の腐食を防ぐ、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、前記金属燃料電着物の形態を制御する、請求項3に記載の電気化学電池。
- 前記ヘテロ原子化合物の添加物は、前記金属燃料の堆積物による縁部及び角部における選択的なめっきを低減させる、請求項3に記載の電気化学電池。
- 電気化学電池を動作させる方法であって、
前記電気化学電池は、
金属燃料を含む燃料極と、
第2電極と、
芳香族官能基を有するヘテロ原子化合物の添加物を含み、前記燃料極と前記第2電極とを連絡させるイオン伝導性媒質と、を備え、
前記方法は、
前記電気化学電池を放電する工程を備え、
前記放電する工程は、
アノードとして機能する前記燃料極における前記金属燃料を酸化し、負荷を介して前記燃料極から前記第2電極へと伝導する電子を生成する工程と、
放電を停止させるべく前記燃料極と前記第2電極とを前記負荷から非接続とする工程と、を含み、
前記イオン伝導性媒質は、水溶液である、方法。 - 前記電気化学電池は更に、
充電極と、
前記イオン伝導性媒質内の還元可能金属燃料イオンと、を備え、
前記方法は更に、
前記電気化学電池を充電する工程を備え、
前記充電する工程は、
前記充電極とカソードとして機能する前記燃料極との間に電流を印加して還元可能金属燃料イオンを還元させて、酸化可能な形態の金属燃料として前記燃料極に電着させる工程と、
前記充電を停止するべく前記電流を取り除く工程と、を含む、請求項23に記載の方法。 - 前記燃料極は、互いに離間して配置された複数の透過可能電極体を有し、前記電気化学電池を充電する間に、
電気化学電流が、前記アノードとして機能する充電極と前記複数の透過可能電極体のうちの少なくとも一つとの間に印加され、前記少なくとも一つの透過可能電極体はカソードとして機能し、還元可能金属燃料イオンが還元されて酸化可能な形態の金属燃料として前記少なくとも一つの透過可能電極体に電着し、
前記複数の透過可能電極体の間での電着による成長により、電着した前記金属燃料が前記複数の透過可能電極体の間の電気接続を確立する、請求項23に記載の電気化学電池。
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