JP2020507902A - ナノ硫黄充填カソードを含むアルカリ金属−硫黄二次電池及び製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、参照により本明細書に援用する、どちらも2017年2月13日に出願された米国特許出願第15/431,231号明細書に対する優先権を主張する。
(1)従来のリチウム金属セルは、デンドライト形成及び関連の内部短絡の問題を依然として有する。
(2)硫黄又は硫黄含有有機化合物は、電気的にもイオン的にも高い絶縁性を有する。高い電流密度又は充放電レートで可逆電気化学反応を可能にするために、硫黄は、導電性添加剤との密接な接触を維持しなければならない。この目的のために様々な炭素−硫黄複合体が利用されているが、接触面積のスケールが限られているため、限られた成功しか収めていなかった。報告されている典型的な容量は、中程度のレートで、(カソード炭素−硫黄複合体重量に基づいて)300〜550mAh/gである。
(3)このセルは、放電−充電サイクル中に大幅な容量減衰を示す傾向がある。これは主に、電解質に使用される極性有機溶媒中での放電プロセスと充電プロセスの両方において反応中間体として形成されるポリ硫化リチウムアニオンの高い可溶性によるものである。サイクリング中、ポリ硫化リチウムアニオンは、セパレータを通ってLi負極に移動することがあり、そこで還元されて固体の沈殿物(Li2S2及び/又はLi2S)となり、活性質量損失を引き起こす。さらに、放電中に正極の表面に析出する固体生成物が電気化学的に不可逆的になり、これも活性質量損失の一因となる。
(4)より一般的に言えば、元素硫黄、有機硫黄、及び炭素−硫黄材料を含むカソードを含むセルの大きな欠点は、カソードからセルの残りの部分への、可溶性硫化物、ポリ硫化物、オルガノスルフィド、硫化炭素、及び/又はポリ硫化炭素(本明細書では以後、アニオン性還元生成物と呼ぶ)の溶解及び過剰な外方拡散に関する。この現象は一般的にシャトル効果と呼ばれる。このプロセスは、以下のようないくつかの問題を生じる:高い自己放電率、カソード容量の損失、活性セル構成要素への電気的接触の喪失をもたらす集電体及び電気的リードの腐食、アノードの機能不全をもたらすアノード表面の汚れ、並びに、イオン輸送の喪失及びセル内の内部抵抗の大きな増加をもたらすセル膜セパレータの細孔の目詰まり。
(a)Li、Na、K、又はこれらの組み合わせから選択されるアルカリ金属を提供する工程と、
(b)0.43nm〜2.0nmの膨張面間隔d002、及び膨張面間隔に存在する硫黄又は金属ポリスルフィドを有する炭素又は黒鉛材料を含むカソードを提供する工程と、
(c)アルカリ金属イオンを輸送できる電解質を提供する工程と、
を含む。
(a)0.43nm〜2.0nmの膨張面間隔d002を有する炭素又は黒鉛材料を含む電気化学カソード層を調製する工程と、
(b)非水性溶媒と、この溶媒に溶解又は分散した硫黄源を含む電解質を調製する工程と、
(c)アノードを調製する工程と、
(d)電気化学カソード層とアノードを電解質とイオン接触させ、膨張した間隔に硫黄を電気化学的に含浸させるのに十分な時間の間十分な電流密度でアノードと電気化学カソード層の間に電流を流してカソード活物質層を形成する工程と、を含む。
Li−Sセル(又はNa−S、又はK−Sセル)の比容量及び比エネルギーは、カソード活性層に実装できる硫黄の実際の量(他の非活性成分と比較して、バインダー樹脂及び導電性フィラーなど)、並びにこの硫黄量の利用効率(即ち、カソード活物質の利用効率又はリチウムイオンの貯蔵と放出に積極的に関与するSの実際の比率)によって決まる。Li−Sセルを例示的な例として使用すると、高容量及び高エネルギーのLi−Sセルは、カソード活性層における大量のS(即ち、バインダー樹脂、導電性添加剤、及びその他の改質又は支持材料などの非活性材料の量に対して)並びに高いS利用効率を必要とする。本発明は、このようなカソード活性層、及びプレ硫化された活性カソード層であるこのようなカソード活性層の作製方法を提供する。
図1(A)の上部に概略的に示されているように、バルク天然黒鉛は、各黒鉛粒子が複数の結晶粒(黒鉛単結晶又は微結晶である結晶粒)からなる3−D黒鉛材料であり、粒界(非晶質又は欠陥ゾーン)が隣接する黒鉛単結晶を画定している。結晶粒はそれぞれ、互いに平行に配向された複数のグラフェン面からなる。黒鉛微結晶のグラフェン面又は六角形の炭素原子面は、二次元の六角形格子を占める炭素原子からなる。所与の結晶粒又は単結晶では、グラフェン面が、結晶学的c方向(グラフェン面又は底面に垂直)にファンデルワールス力によって積層され結合される。天然黒鉛材料のグラフェン間面間隔は約0.3354nmである。
膨張d間隔を有する黒鉛/炭素材料の層(例えば、多孔質シート、紙、ウェブ、フィルム、布、不織布、マット、凝集体、又は発泡体の形態で)が調製されたら、この層を、溶媒と溶媒に溶解又は分散した硫黄源を含む、電解質(好ましくは液体電解質)に浸漬することができる。この層は、基本的に、外部電気化学堆積チャンバーのカソード又は目的のアルカリ金属−硫黄セルのカソードとして機能する(電池の包装又は筐体内に収容される)。
(A)従来のアノード構成を有するリチウム金属−硫黄:セルは、任意選択のカソード集電体、本発明のカソード層、セパレータ/電解質、及びアノード集電体を含む。潜在的なデンドライトの形成は、アノードで高濃度電解質を使用することにより克服できる。
(B)ナノ構造アノード構成を有するリチウム金属−硫黄電池:セルは、任意選択のカソード集電体、本発明のカソード、セパレータ/電解質、任意選択のアノード集電体、及び充電又は再充電動作中にアノードに堆積されるリチウム金属を収容するナノ構造を含む。ナノフィラメントのこのナノ構造(ウェブ、マット、又は紙)は、均一なリチウム金属の堆積を可能にする均一な電界を提供し、デンドライトを形成する傾向を低減する。この構成は、長く安全なサイクル挙動のためのデンドライトのないセルを提供できる。
(C)従来のアノードを有するリチウムイオン−硫黄セル:例えば、セルは、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)又はスチレンブタジエンゴム(SBR)などのバインダーで結合されたアノード活性黒鉛粒子からなるアノードを含む。又、セルは、カソード集電体、本発明のカソード、セパレータ/電解質、及びアノード集電体を含む。
(D)ナノ構造アノードを有するリチウムイオン−硫黄セル:例えば、セルは、Siコーティングでコーティングされた、又はSiナノ粒子で結合されたナノファイバーのウェブを含む。又、セルは、任意選択のカソード集電体、本発明のカソード、セパレータ/電解質、及びアノード集電体を含む。この構成は、超高容量、高エネルギー密度、及び安全で長いサイクル寿命を提供する。
Asbury Carbons(405 Old Main St.、Asbury、N.J.08802、USA)が提供する公称サイズ45μmの天然フレーク黒鉛を粉砕して、サイズを約14μmに縮小した(試料1a)。発煙硝酸(>90%)、硫酸(95〜98%)、塩素酸カリウム(98%)、及び塩酸(37%)などの本検討で使用した化学物質は、Sigma−Aldrichから購入し受け取ったまま使用した。以下の手順に従って酸化黒鉛(GO)試料を調製した。
試料2A、2B、2C、及び2Dは、試料1Bと同じ手順に従って調製したが、出発となる黒鉛材料は、それぞれ、高配向熱分解黒鉛(HOPG)、黒鉛繊維、黒鉛カーボンナノファイバー、及び球状黒鉛の片である。これらの最終的な面間隔は、それぞれ6.6Å、7.3Å、7.3Å、及び6.6Åである。これらの未処理の対応物は、それぞれ試料2a、2b、2c、及び2dと呼ばれる。
酸化黒鉛(試料3A)を、ハマー法[米国特許第2,798,878号明細書、1957年7月9日]に従って、天然黒鉛フレーク(Huadong Graphite Co.,Pingdu,Chinaの、約15μmに粉砕された、元のサイズ200メッシュ、試料3aと呼ばれる)並びにニードルコークスの硫酸、硝酸ナトリウム、及び過マンガン酸カリウムでの酸化により調製した。異方性ニードルコークスは、完全に開発された光学異方性のニードル形テクスチャーを有する。原料のままのコークスの揮発性種は、約5重量%と推定された。
酸化黒鉛(試料4A)を、実施例3で使用した同じ手順に従って、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)の酸化により調製した。MCMBマイクロビーズ(試料4a)は、China Steel Chemical Co.Taiwanにより供給された。この材料は、約2.24g/cm3の密度、37ミクロンの粒子の少なくとも95重量%の最大粒子サイズ、約22.5ミクロンの中央サイズ、及び約0.336nmの面間距離を有する。深度酸化処理後、得られた黒鉛酸化物マイクロビーズの面間隔は約0.76nmである。
面間隔3.37Å(0.337nm)及び繊維径10μmを有する、黒鉛化炭素繊維(試料5a)を、最初に75℃から115℃の範囲の温度で臭素とヨウ素を組み合わせてハロゲン化し、中間生成物として黒鉛の臭素−ヨウ素インターカレーション化合物を形成した。次いで、中間生成物を、275℃〜450℃の範囲の温度でフッ素ガスと反応させCFyを形成した。CFy試料のyの値は、約0.6〜0.9であった。典型的には、X線回折曲線は、それぞれ0.59nmと0.88nmに対応する2つのピークの共存を示している。試料5Aは、実質的に0.59nmのピークのみを示し、試料5Bは、実質的に0.88nmのピークのみを示す。
実施例5で得られたCF0.68試料を、250℃及び1気圧で1,4−ジブロモ−2−ブテン(BrH2C−CH=.CH−−CH2Br)の蒸気に3時間暴露した。フッ化黒鉛試料からフッ素の3分の2が失われていることがわかった。1,4−ジブロモ−2−ブテンは、フッ化黒鉛と活発に反応し、フッ化黒鉛からフッ素を除去し、黒鉛格子内の炭素原子への結合を形成すると推測される。得られた生成物(試料6A)は、混合されたフッ化黒鉛であり、フッ化黒鉛と臭化黒鉛の組み合わせと思われる。d間隔は0.65nm〜1.22nmであった。
天然黒鉛フレーク、ふるいサイズ200〜250メッシュを、真空中(10−2mmHg未満)で約2時間加熱して、天然黒鉛フレークに含まれる残留水分を除去した。フッ素ガスを反応器に導入し、フッ素圧を200mmHgに維持しながら、375℃で120時間反応を進行させた。これは、米国特許第4,139,474号明細書で開示される、Watanabeらによって提案された手順に基づいた。得られた粉末生成物は、黒色であった。生成物のフッ素含有量は以下のように測定した。酸素フラスコ燃焼法に従って生成物を燃焼させ、フッ素をフッ化水素として水に吸収させた。フッ素の量は、フッ素イオン電極を使用して決定した。結果から、実験式(CF0.75)nを有するGF(試料7A)を得た。X線回折は、6.25Åの面間隔に対応する2θ=13.5度の主要な(002)ピークを示した。
それぞれの場合に、GO粒子(それぞれ実施例3及び実施例4で調製)をフェノール樹脂と混合して、20体積%のフェノール樹脂を含む混合物を得ることにより、2つのポリマー炭素コーティングされたGO試料(試料8−A及び8−B)を調製した。この混合物を200℃で1時間硬化させ、次いで一定体積の条件で、500℃の温度でアルゴン雰囲気中で炭化させた。次いで、炭化した生成物を潰し粉砕して、平均直径が約13μmの1〜23μmの粒子を得た。面間隔は、制約膨張処理の前に、それぞれ約0.73nmと0.76nmであると決定された。この制約膨張処理の後、GO粒子のd間隔は、それぞれ1.27nm及び1.48nmに増加した(試料8−C及び8−D)。
約14ミクロンの平均サイズに粉砕された天然フレーク黒鉛を、実施例7に記載されているのと同じフッ素化処理に供し、(CF0.75)n(試料7B)であると決定された。得られた粉末を、Tanakaらの米国特許第5,344,726号明細書により示唆された手順に従って、非晶質炭素の化学蒸着(CVD)に供した。50mgの(CF0.75)n試料粉末を、石英管反応器に入れ、次いでアルゴンガスとプロパンガスをそれぞれアルゴン供給ラインとプロパン供給ラインから供給した。次いで、ニードルバルブを操作して、原料ガスのプロパン濃度を10モル%に設定した。原料ガスの流速を12.7cm/分に設定し、プロパンの供給量を0.05モル/時間に設定した。プロパン以外の炭化水素又はその誘導体を原料として使用できることに留意されたい。より具体的には、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂環式炭化水素などを使用することができる。更に具体的には、メタン、エタン、ブタン、ベンゼン、トルエン、ナフタレン、アセチレン、ビフェニル及びこれらの置換生成物を使用することができる。この粉末を一定体積条件で約750℃の炉で加熱し、これにより、パイレックスチューブから供給されたプロパンが熱分解され、フッ化黒鉛粉末の表面に熱分解炭素が堆積した。得られた材料を粉砕して、約16.5ミクロンの微粒子にし、これは、本質的に非晶質の炭素コーティングされたGF粒子である(試料9B)。
1つの試料では、5グラムの酸化黒鉛を、15:85の比でアルコールと蒸留水からなる2,000mlのアルコール溶液と混合してスラリーの塊を得た。次いで、混合物スラリーを、様々な長さの時間、200Wの電力で超音波照射に供した。超音波処理の20分後、GO繊維は効果的に剥離され、酸素含有量が約23重量%〜31重量%の薄い酸化グラフェンシートに分離された。得られた懸濁液は、水中に懸濁されたGOシートを含んだ。化学発泡剤(ヒドラゾジカルボンアミド)を、キャストの直前に懸濁液に加えた。
ピッチパウダー、顆粒、又はペレットを、発泡体の所望の最終形状を有するアルミニウム鋳型に入れる。Mitsubishi ARA−24メソフェーズピッチを利用した。試料を1トール未満に排気し、次いで約300℃の温度に加熱する。この時点で、真空を解放して窒素ブランケットとし、次いで1,000psiまでの圧力を加えた。次いで、系の温度を800℃に上昇させた。これは2℃/分の速度で行った。温度を少なくとも15分間保って浸漬を実現し、次いで炉の電力を切って約1.5℃/分の速度で室温まで冷却し、それと共に約2psi/分の速度で圧力を解放した。最終的な発泡体の温度は、630℃及び800℃であった。冷却サイクル中、圧力は大気条件まで徐々に解放される。次いで、発泡体を窒素ブランケット下で1050℃まで熱処理(炭化)し、次いで、黒鉛るつぼ内で、アルゴン中で2500℃及び2800℃(黒鉛化)まで別々に熱処理した。
電気化学的堆積は、カソード活性層がアルカリ金属−硫黄電池セル(Li−S、Na−S又はK−Sセル)に組み込まれる前に行ってもよい。この手法では、アノードと、電解質と、膨張d間隔を有する黒鉛/炭素又は(カソード層として機能する)グラフェン発泡体の層とは、リチウム−硫黄セルの外の外部容器内に位置決めされる。必要とされる装置は、当技術分野でよく知られている電気めっきキシステムに類似している。
本明細書では、化学的含浸法を利用して、実施例6で調製した膨張面間隔を有するS含浸炭素繊維を調製する。この手順は、25mlの蒸留水で満たされたフラスコに0.58gのNa2Sを加えてNa2S溶液を生成することから始めた。次いで、S元素0.72gをNa2S溶液中に懸濁させ、室温で約2時間、マグネチックスターラで撹拌した。硫黄が溶解するにつれて、溶液の色はゆっくりとオレンジ−黄色に変化した。硫黄の溶解後、ポリ硫化ナトリウム(Na2Sx)溶液が得られた(x=4〜10)。
この化学反応に基づく堆積プロセスでは、硫黄源としてチオ硫酸ナトリウム(Na2S2O3)を、反応物として塩酸を使用した。酸化MCMB−水又は酸化ニードルコークス−水懸濁液を調製し、次いで2つの反応物(塩酸及びNa2S2O3)をこの懸濁液に注いだ。反応を25〜75℃で1〜3時間進行させ、Sを膨張間隔に含浸させ、粒子表面にいくつかのS粒子を沈殿させた。この反応は、以下の反応で表すことができる。
2HCl+Na2S2O3→2NaCl+S↓+SO2↑+H2O
外部電気化学的堆積の代替として又、膨張間隔での電解質由来硫黄源からの内部電気化学的変換とSの堆積を、黒鉛/炭素材料構造の幅広い配列を使用して行った。典型的な手順として、アノード、電解質、及び膨張処理された構造は、アルカリ金属−硫黄セルを形成するために筐体内に収容される。このような構成では、電池セル自体が、カソードの硫化のための電気化学的含浸システムであり、電池セルの最初の充電サイクル中に電池セルが作製及び実施された後に、硫黄を電気化学的含浸又はインターカレーションする工程が生じる。
導電性CNFシートの予備作製されたウェブに硫黄又はリチウムポリスルフィド粒子を組み込む1つの方法は、浸漬コーティングプロセスを使用することである。典型的な手順では、CNF系ウェブを、例えば、後にポリマーゲル相の一部になる可能性がある低分子量ポリエチレンオキシド(PEO)などの液体に分散したリチウムポリスルフィド粒子を含む懸濁液に浸漬した(漬けた)。このPEOは、60℃より低い融点を有し、90℃で比較的低粘度の流体が得られた。ポリ硫化リチウム粒子の濃度(典型的には5体積%〜40体積%)及び浸漬時間(典型的には1〜10秒)を調整して、個々のCNF間の細孔に埋め込まれたポリ硫化リチウム粒子の望ましい量を達成した。しかしながら、ポリ硫化リチウムは、膨張間隔を有するCNFの面間隔に浸透しない。
この工程は、例えば、昇華に基づく物理蒸着による炭素/黒鉛構造への元素硫黄の含浸を伴う。固体硫黄の昇華は40℃を超える温度で起こるが、温度が100℃を超えるまで(典型的には117〜160℃を使用した)、重要であり実用的で有用な昇華速度は、典型的には生じない。典型的な手順では、膨張面間隔を有する炭素/黒鉛構造又はナノフィラメントウェブは、チューブの一端に固体硫黄が配置され、他端の近くにウェブが配置されたガラスチューブに密封される。硫黄蒸気の暴露時間は、典型的には数分から数時間であった。
硫黄粒子及び軟質炭素又は天然黒鉛粒子(得られた複合体中の0重量%〜49重量%のS)を物理的にブレンドし、次いで2〜24時間ボールミル粉砕にかけ、S−SC複合粒子(典型的にはボール又はジャガイモの形状)を得た。次いで、様々なS含有量を含む粒子をカソードの層に作製した。
広範囲のリチウム塩は、個々に又は混合物の形態で、幅広い溶媒に溶解することができる。以下は、選択した溶媒に高濃度でよく溶解するリチウム塩の適切な選択である:ホウフッ化リチウム(LiBF4)、リチウムトリフルオロ−メタスルホネート(LiCF3SO3)、リチウムビス−トリフルオロメチルスルホニルイミド(LiN(CF3SO2)2又はLITFSI)、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF2C2O4)、及びリチウムビスペルフルオロエチ−スルホニルイミド(LiBETI)。これらの選択された溶媒は、DME/DOL混合物、TEGDME/DOL、PEGDME/DOL、及びTEGDMEである。Li金属の安定化に役立つ良好な電解質添加剤はLiNO3である。有用なナトリウム塩及びカリウム塩としては、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸カリウム(KClO4)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF6)、ヘキサフルオロリン酸カリウム(KPF6)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF4)、ホウフッ化カリウム(KBF4)、ヘキサフルオロヒ化ナトリウム、ヘキサフルオロヒ化カリウム、トリフルオロメタスルホン酸ナトリウム(NaCF3SO3)、カリウムトリフルオロメタスルホネート(KCF3SO3)、ビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CF3SO2)2)、ナトリウムトリフルオロメタンスルホンイミド(NaTFSI)、及びビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドカリウム(KN(CF3SO2)2)が挙げられる。良好な溶媒は、DME/DOL混合物、TEGDME/DOL、PEGDME/DOL、及びTEGDMEである。
本調製されたカソード層を使用して、いくつかの一連のLi金属及びLiイオンセルを調製した。第1のシリーズは、アノード集電体として銅箔を含むLi金属セルであり、又、第2のシリーズは、導電性フィラメントのナノ構造アノード(エレクトロスピニング炭素繊維又はCNFに基づく)を含むLi金属セルである。第3のシリーズは、導電性フィラメントのナノ構造アノード(CVDを使用してSiの薄層でコーティングされたエレクトロスピニング炭素繊維に基づく)と銅箔集電体を有するLiイオンセルである。第4のシリーズは、より一般的なアノードの例として、プレリチウム化された黒鉛に基づくアノード活物質を有するLiイオンセルである。多数の充電/放電サイクルの後、ナノ構造アノードを含むセルは本質的にデンドライトを含まないことがわかった。
1)その中に硫黄を収容するために膨張面間隔を有する全ての炭素/黒鉛材料は、高レベルの硫黄利用効率を与える。試料NG−1を例にとると、1.22nmのd間隔は、膨張間隔における硫黄(S)の比率が高く(91重量%)、1410mAh/gの高いカソード比容量になる(カソード活性層の総重量に基づく)。このことは、S材料の重量のみに基づいて、比容量は1,549mAh/gであり、これはSの理論容量(1,675mAh/g)からの1,549/1,675=92.5%に等しいことを意味する。このことは、膨張間隔に存在するSの92.5%までが、Liの貯蔵に関与すること、又は全てのSがLi貯蔵能力の92.5%をカソードに寄与すること、又はこれら2つのメカニズムのいくつかの組み合わせを意味する。全ての本発明の炭素/黒鉛材料は、88%〜94%の範囲のS利用効率を与える。対照的に、従来のグラフェン発泡体は、77.8%のS利用効率しか与えず、天然黒鉛粒子(ボールミル粉砕を使用してSと混合した場合)はS利用効率<30%を示す。
5)又、同様の有利な特徴は、Na−Sセル及びK−Sセルで観察される。これは図6によって証明され、4つのアルカリ金属−硫黄セルのラゴーンプロット(セル出力密度対セルエネルギー密度)を示す:電気化学的に含浸された硫黄粒子(d=1.77nm)を含むニードルコークス系カソードを備えたNa−Sセル、電気化学的に含浸された硫黄粒子(d=0.65nm)を含むニードルコークス系カソードを備えたNa−Sセル、電気化学的に含浸された硫黄粒子(d=1.77nm)を含むニードルコークス系カソードを備えたK−Sセル、並びに電気化学的に含浸された硫黄粒子(d=0.65nm)を含むニードルコークス系カソードを備えたK−Sセル。本発明のセルは、優れたエネルギー密度及び出力密度を実現する。
Claims (46)
- アノード活物質層と、前記アノード活物質層を支持する任意選択のアノード集電体と、カソード活物質層と、前記アノード活物質層及び前記カソード活物質層とイオン接触する任意選択の多孔質セパレータ層を有する電解質と、前記カソード活物質層を支持する任意選択のカソード集電体とを含み、前記カソード活物質層は、X線回折で測定される、0.43nm〜2.0nmの面間隔d002を有する膨張グラフェン間面間隔と、前記膨張グラフェン間面間隔に存在する1重量%〜95重量%の硫黄又は金属ポリスルフィドを有する黒鉛又は炭素材料を含むことを特徴とする、リチウム−硫黄セル、ナトリウム−硫黄セル、又はカリウム−硫黄セルから選択される充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記金属ポリスルフィドはMxSyを含み、xは1〜3の整数であり、yは1〜10の整数であり、Mは、アルカリ金属、Mg又はCaから選択されるアルカリ金属、遷移金属、周期表の13〜17族の金属、或いはこれらの組み合わせから選択される金属元素であることを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項2に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記金属元素Mは、Li、Na、K、Mg、Zn、Cu、Ti、Ni、Co、Fe、又はAlから選択されることを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記金属ポリスルフィドは、Li2S6、Li2S7、Li2S8、Li2S9、Li2S10、Na2S6、Na2S7、Na2S8、Na2S9、Na2S10、K2S6、K2S7、K2S8、K2S9、又はK2S10を含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記カソード活物質層の前記炭素又は黒鉛材料は、メソフェーズピッチ、メソフェーズカーボン、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス粒子、膨張黒鉛フレーク、人工黒鉛粒子、天然黒鉛粒子、高配向熱分解黒鉛、軟質炭素粒子、硬質炭素粒子、多壁カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、炭素繊維、黒鉛ナノファイバー、黒鉛繊維、炭化ポリマーファイバー、カーボンエアロゲル、カーボンキセロゲル、又はこれらの組み合わせから選択され、前記炭素又は黒鉛材料は、化学的又は物理的膨張処理前の0.27nm〜0.42nmの面間隔d002を有し、前記膨張処理後に、前記面間隔d002は0.43nmから2.0nmに増加することを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記炭素又は黒鉛材料は、細孔及び細孔壁を有する黒鉛発泡体又はグラフェン発泡体から選択され、前記細孔壁は、0.45nm〜1.5nmの膨張面間隔d002を有する結合グラフェン面のスタックを含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項6に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記スタックは2〜100のグラフェン面を含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記面間隔d002は0.5nm〜1.2nmであることを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記面間隔d002は1.2nm〜2.0nmであることを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項5に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記膨張処理は、前記黒鉛又は炭素材料の、酸化、フッ素化、臭素化、塩素化、窒素化、インターカレーション、複合酸化インターカレーション、複合フッ素化インターカレーション、複合臭素化インターカレーション、複合塩素化インターカレーション、又は複合窒素化インターカレーションを含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項10に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、制約熱膨張処理を更に含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記炭素又は黒鉛材料は、酸素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、窒素、水素、又はホウ素から選択される非炭素元素を含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記セルは、85%を超える硫黄利用効率を有することを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 充電式アルカリ金属−硫黄セルにおけるカソード活物質層において、前記カソード活物質層は、X線回折で測定される、0.43nm〜2.0nmの面間隔d002を有する膨張グラフェン間面間隔と、前記膨張グラフェン間面間隔に存在する1重量%〜95重量%の硫黄又は金属ポリスルフィドを有する黒鉛又は炭素材料を含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セルにおけるカソード活物質層。
- 請求項14に記載のカソード活物質層において、前記金属ポリスルフィドはMxSyを含み、xは1〜3の整数であり、yは1〜10の整数であり、Mは、アルカリ金属、Mg又はCaから選択されるアルカリ金属、遷移金属、周期表の13〜17族の金属、及びこれらの組み合わせから選択される金属元素であることを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項15に記載のカソード活物質層において、前記金属元素Mは、Li、Na、K、Mg、Zn、Cu、Ti、Ni、Co、Fe、又はAlから選択されることを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項14に記載のカソード活物質層において、前記金属ポリスルフィドは、Li2S6、Li2S7、Li2S8、Li2S9、Li2S10、Na2S6、Na2S7、Na2S8、Na2S9、Na2S10、K2S6、K2S7、K2S8、K2S9、又はK2S10を含むことを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項14に記載のカソード活物質層において、前記カソード活物質層の前記炭素又は黒鉛材料は、メソフェーズピッチ、メソフェーズカーボン、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス粒子、膨張黒鉛フレーク、人工黒鉛粒子、天然黒鉛粒子、高配向熱分解黒鉛、軟質炭素粒子、硬質炭素粒子、多壁カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、炭素繊維、黒鉛ナノファイバー、黒鉛繊維、炭化ポリマーファイバー、カーボンエアロゲル、カーボンキセロゲル、又はこれらの組み合わせから選択され、前記炭素又は黒鉛材料は、化学的又は物理的膨張処理前の0.27nm〜0.42nmの面間隔d002を有し、前記膨張処理後に、前記面間隔d002は、0.43nmから2.0nmに増加することを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項14に記載のカソード活物質層において、前記炭素又は黒鉛材料は、細孔及び細孔壁を有する黒鉛発泡体又はグラフェン発泡体から選択され、前記細孔壁は、0.45nm〜1.5nmの膨張面間隔d002を有する結合グラフェン面のスタックを含むことを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項19に記載のカソード活物質層において、前記スタックは2〜100のグラフェン面を含むことを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項14に記載のカソード活物質層において、前記面間隔d002は0.5nm〜1.2nmであることを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項14に記載のカソード活物質層において、前記面間隔d002は1.2nm〜2.0nmであることを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項18に記載のカソード活物質層において、前記膨張処理は、前記黒鉛又は炭素材料の、酸化、フッ素化、臭素化、塩素化、窒素化、インターカレーション、複合酸化インターカレーション、複合フッ素化インターカレーション、複合臭素化インターカレーション、複合塩素化インターカレーション、又は複合窒素化インターカレーションを含むことを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項23に記載のカソード活物質層において、制約熱膨張処理を更に含むことを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項14に記載のカソード活物質層において、前記炭素又は黒鉛材料は、酸素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、窒素、水素、又はホウ素から選択される非炭素元素を含むことを特徴とするカソード活物質層。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記電解質は、ポリマー電解質、ポリマーゲル電解質、複合電解質、イオン液体電解質、非水性液体電解質、ソフトマター相電解質、固体電解質、又はこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記電解質は、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化ヒ化リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(CF3SO2)2)、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF2C2O4)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF2C2O4)、硝酸リチウム(LiNO3)、Li−フルオロアルキル−リン酸(LiPF3(CF2CF3)3)、リチウムビスペルフルオロエチルスルホニルイミド(LiBETI)、イオン液体塩、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸カリウム(KClO4)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF6)、ヘキサフルオロリン酸カリウム(KPF6)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF4)、ホウフッ化カリウム(KBF4)、ヘキサフルオロヒ化ナトリウム、ヘキサフルオロヒ化カリウム、トリフルオロメタスルホン酸ナトリウム(NaCF3SO3)、トリフルオロメタスルホン酸カリウム(KCF3SO3)、ビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CF3SO2)2)、トリフルオロメタンスルホンイミドナトリウム(NaTFSI)、及びビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドカリウム(KN(CF3SO2)2)、又はこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項27に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記溶媒は、炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸ジエチル(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、炭酸プロピレン(PC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、ギ酸プロピル(PF)、ギ酸メチル(MF)、トルエン、キシレン又は酢酸メチル(MA)、炭酸フルオロエチレン(FEC)、炭酸ビニレン(VC)、炭酸アリルエチル(AEC)、1,3−ジオキソラン(DOL)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、ポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(PEGDME)、ジエチレングリコールジブチルエーテル(DEGDBE)、2−エトキシエチルエーテル(EEE)、スルホン、スルホラン、室温イオン液体、又はこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記アノード活物質層は、リチウム金属、ナトリウム金属、カリウム金属、リチウム金属合金、ナトリウム金属合金、カリウム金属合金、リチウムインターカレーション化合物、ナトリウムインターカレーション化合物、カリウムインターカレーション化合物、リチウム化化合物、ナトリウム化化合物、カリウムドープト化合物、リチウム化二酸化チタン、チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム、リチウム遷移金属酸化物、Li4Ti5O12、又はこれらの組み合わせから選択されるアノード活物質を含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記セルは、リチウムイオン−硫黄セルであり、前記アノード活物質層は、
(a)シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、及びカドミウム(Cd)、並びにこれらのリチウム化バージョン、
(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、又はCdの他の元素との合金又は金属間化合物、並びにこれらのリチウム化バージョン、前記合金又は化合物は化学量論的又は非化学量論的である、
(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、又はCdの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにこれらの混合物又は複合体、並びにこれらのリチウム化バージョン、
(d)Snの塩及び水酸化物、並びにこれらのリチウム化バージョン、
(e)炭素又は黒鉛材料及びこれらのプレリチウム化バージョン、並びに
これらの組み合わせからなる群から選択されるアノード活物質を含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。 - 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記セルは、ナトリウムイオン−硫黄セル又はカリウムイオン−硫黄セルであり、前記アノード活物質層は、
(a)ナトリウム又はカリウムをドープしたシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)、及びこれらの混合物、
(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びこれらの混合物のナトリウム又はカリウム含有合金又は金属間化合物、
(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、sd、及びこれらの混合物又は複合体のナトリウム又はカリウム含有酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物、又はアンチモン化物、
(d)ナトリウム又はカリウム塩、
(e)黒鉛の粒子、硬質炭素、軟質炭素又は炭素粒子、及びこれらのプレナトリウム化バージョン、並びに
これらの組み合わせからなる群から選択されるアノード活物質を含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。 - 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記カソード活物質層は80%以上の活物質利用効率を有することを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記カソード活物質層は90%以上の活物質利用効率を有することを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記カソード活物質層は、前記炭素又は黒鉛材料と前記硫黄又は金属ポリスルフィドを合わせた総重量に基づいて、少なくとも80重量%の硫黄又は金属ポリスルフィドを含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記カソード活物質層は、前記炭素又は黒鉛材料と前記硫黄又は金属ポリスルフィドを合わせた総重量に基づいて、少なくとも90%の硫黄又は金属ポリスルフィドを含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セル。
- 請求項1に記載の充電式アルカリ金属−硫黄セルを製造する方法において、
(a)Li、Na、K、又はこれらの組み合わせから選択されるアルカリ金属を提供する工程と、
(b)0.43nm〜2.0nmの膨張面間隔d002、及び前記膨張面間隔に存在する硫黄又は金属ポリスルフィドを有する炭素又は黒鉛材料を含むカソードを提供する工程と、
(c)アルカリ金属イオンを輸送できる電解質を提供する工程と、
を含むことを特徴とする充電式アルカリ金属−硫黄セルを製造する方法。 - 請求項36に記載の製造方法において、カソードを提供する前記工程は、気相浸透手順、液体溶液浸透手順、電気化学的手順、化学的浸透及び堆積手順、液体浸漬手順、又はこれらの組み合わせを使用して、前記膨張面間隔を前記硫黄又は金属ポリスルフィドで含浸する工程を含むことを特徴とする製造方法。
- 請求項37に記載の製造方法において、前記電気化学的手順は、
(a)0.43nm〜2.0nmの膨張面間隔d002を有する炭素又は黒鉛材料を含む電気化学カソード層を調製する工程と、
(b)非水性溶媒と、前記溶媒に溶解又は分散した硫黄源とを含む電解質を調製する工程と、
(c)アノードを調製する工程と、
(d)前記電気化学カソード層と前記アノードを前記電解質とイオン接触させ、前記膨張間隔に硫黄を電気化学的に含浸させて前記カソード活物質層を形成するのに十分な時間の間十分な電流密度で、前記アノードと前記電気化学カソード層の間に電流を流す工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。 - 請求項38に記載の製造方法において、前記硫黄源はMxSyから選択され、xは1〜3の整数であり、yは1〜10の整数であり、Mは、アルカリ金属、Mg又はCaから選択されるアルカリ金属、遷移金属、周期表の13〜17族の金属、或いはこれらの組み合わせから選択される金属元素であることを特徴とする製造方法。
- 請求項38に記載の製造方法において、前記アノードは、アルカリ金属、アルカリ金属、遷移金属、周期表の13〜17族の金属、及びこれらの組み合わせから選択されるアノード活物質を含むことを特徴とする製造方法。
- 請求項39に記載の製造方法において、前記金属元素Mは、Li、Na、K、Mg、Zn、Cu、Ti、Ni、Co、Fe、Al、及びこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする製造方法。
- 請求項39に記載の製造方法において、前記MxSyは、Li2S6、Li2S7、Li2S8、Li2S9、Li2S10、Na2S6、Na2S7、Na2S8、Na2S9、Na2S10、K2S6、K2S7、K2S8、K2S9、K2S10、及びこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする製造方法。
- 請求項38に記載の製造方法において、前記電解質は、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化ヒ化リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(CF3SO2)2)、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF2C2O4)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF2C2O4)、硝酸リチウム(LiNO3)、Li−フルオロアルキル−リン酸(LiPF3CF2(CF3)3)、リチウムビスペルフルオロエチルスルホニルイミド(LiBETI)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミド(LiTFSI)、イオン液体系リチウム塩、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸カリウム(KClO4)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF6)、ヘキサフルオロリン酸カリウム(KPF6)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF4)、ホウフッ化カリウム(KBF4)、ヘキサフルオロヒ化ナトリウム、ヘキサフルオロヒ化カリウム、トリフルオロメタスルホン酸ナトリウム(NaCF3SO3)、トリフルオロメタスルホン酸カリウム(KCF3SO3)、ビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CF3SO2)2)、ナトリウムトリフルオロメタンスルホンイミド(NaTFSI)、ビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドカリウム(KN(CF3SO2)2)、又はこれらの組み合わせから選択される金属塩を更に含むことを特徴とする製造方法。
- 請求項43に記載の製造方法において、前記溶媒は、1,3−ジオキソラン(DOL)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、ポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(PEGDME)、ジエチレングリコールジブチルエーテル(DEGDBE)、2−エトキシエチルエーテル(EEE)、スルホン、スルホラン、炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸ジエチル(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、炭酸プロピレン(PC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、ギ酸プロピル(PF)、ギ酸メチル(MF)、トルエン、キシレン、酢酸メチル(MA)、炭酸フルオロエチレン(FEC)、炭酸ビニレン(VC)、炭酸アリルエチル(AEC)、ハイドロフルオロエーテル、室温イオン液体溶媒、又はこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする製造方法。
- 請求項38に記載の製造方法において、前記アノード、前記電解質、及び前記電気化学カソード層層は、アルカリ金属−硫黄セルの外側の外部容器に配置され、硫黄を前記膨張間隔に電気化学的に含浸させる前記工程は、前記アルカリ金属−硫黄セルの外側で実施されることを特徴とする製造方法。
- 請求項38に記載の製造方法において、前記アノード、前記電解質、及び前記電気化学カソード層は、アルカリ金属−硫黄セル内に配置され、前記アルカリ金属−硫黄セルが作製された後に、前記膨張間隔に硫黄を電気化学的に含浸する前記工程が実施されることを特徴とする製造方法。
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