JP2020516041A - 高電圧カソードを有する電気化学セル - Google Patents

高電圧カソードを有する電気化学セル Download PDF

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Abstract

本開示は、電解質側と、カソード側と、ポリマー／可塑剤とを含む再充電可能電気化学セルを提供する。電解質側は、電解質移動性カチオンおよび電気双極子を含む固体ガラス電解質と、電解質移動性カチオンの金属を含み、アノード：固体ガラス電解質界面において固体ガラス電解質に接触するアノードとを含む。カソード側は、その中にカソードゲストカチオンが可逆的に抽出／挿入されるカソード活性材料を含むカソードを含む。カソード活性材料は、リチウム（Ｌｉ）金属に対して３Ｖ〜１５Ｖの電圧を有する。ポリマー／可塑剤は、電気化学セルの充電および放電中、カソードゲストカチオンが、カソード側に閉じ込められ、電解質移動性カチオンが、アノード側に閉じ込められるように、固体ガラス電解質：ポリマー／可塑剤界面において固体ガラス電解質に、ポリマー／可塑剤：カソード界面においてカソードに接触する。

Description

（優先権の主張）
本願は、米国仮特許出願第６２，４８１，０１５号（２０１７年４月３日出願、名称「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ Ａ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃａｔｈｏｄｅ」）に対する米国特許法§１１９（ｅ）に基づく優先権を主張し、上記出願は、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。
（技術分野）
本開示は、再充電可能電気化学セルに関し、再充電可能電気化学セルにおいて、電解質は、２つの誘電電子絶縁体を直列に含み、カソードは、高電圧カソードであり得る。本開示は、これらの電気化学セルを使用する再充電可能バッテリおよびスーパーコンデンサ等のデバイスにさらに関する。
電気化学セルは、電解質によって分離される２つの電極、すなわち、アノードとカソードとを有する。電気化学セルは、バッテリセル、コンデンサセル、または燃料電池として等、種々の機能を有することができる。電気化学セルは、典型的には、２つの電極、すなわち、アノードとカソードとを有し、それらは、良好な電子導体であり、バッテリセルにおいて化学エネルギーとして、コンデンサセルにおいて表面静電エネルギーとして電力を貯蔵する。触媒電極は、燃料の化学エネルギーを燃料電池における電力に変換する。電気化学セルは、電解質も含み、それは、アノードとカソードとの間に直列に位置する。
電気化学セルの充電または放電中、２つの電極間の反応は、電解質を介した電気化学セルの内側の２つの電極の間の正の電荷の輸送を伴う。負の電荷は、充電または放電中、電子電流として、外部回路内で輸送される。電解質は、電子絶縁体であり、したがって、負の電荷は、外部回路を介して強制的に輸送される。すなわち、それは、電解質を介して内部で輸送されることができない。
従来の再充電可能電気化学バッテリセルでは、両電極は、電解質の移動性カチオン（多くの場合、作用イオンと称される）のソースおよびシンクである。充電中、一方の電極は、作用イオンのソースとしての機能を果たし、他方は、シンクとしての機能を果たす。これらの機能は、放電中、逆転される。
従来の電気化学コンデンサセルでは、静電電力は、２つの電極：電解質界面において２つの電気二重層コンデンサ内に電力として貯蔵される。
本開示は、電解質側と、カソード側と、ポリマー／可塑剤とを含む再充電可能電気化学セルを提供する。電解質側は、電解質移動性カチオンおよび電気双極子を含む固体ガラス電解質と、電解質移動性カチオンの金属を含み、アノード：固体ガラス電解質界面において固体ガラス電解質に接触するアノードとを含む。カソード側は、その中にカソードゲストカチオンが可逆的に抽出／挿入されるカソード活性材料を含むカソードを含む。カソード活性材料は、リチウム（Ｌｉ）金属に対して３Ｖ〜１５Ｖの電圧を有する。ポリマー／可塑剤は、カソードゲストカチオンが、カソード側に閉じ込められ、電解質移動性カチオンが、アノード側に閉じ込められるように、電気化学セルの充電および放電中、固体ガラス電解質：ポリマー／可塑剤界面において固体ガラス電解質に、ポリマー／可塑剤：カソード界面においてカソードに接触する。
上記の電気化学セルは、以下の追加の特徴のいずれかも有し得、それらは、明確に互いに排他的でない限り、任意および全ての可能な組み合わせにおいて、互いに組み合わせられ得る。
ｉ−ｉ）電解質移動性カチオンとカソードゲストカチオンとは、同一タイプのカチオンであり得る。
ｉ−ｉｉ）電解質移動性カチオンとカソードゲストカチオンとは、異なるタイプのカチオンであり得る。
ｉｉ）ポリマー／可塑剤は、移動性カチオンを含み得る。
ｉｉ−ａ）ポリマー／可塑剤内の移動性カチオンは、電解質移動性カチオン、カソードゲストカチオン、または両方と同一タイプのカチオンであり得る。
ｉｉ−ｂ）ポリマー／可塑剤内の移動性カチオンは、電解質移動性カチオン、カソードゲストカチオン、または両方と異なるタイプのカチオンであり得る。
ｉｉ−ｃ）ポリマー／ポリマー可塑剤は、ポリマーまたは可塑剤を含み得、ポリマーまたは可塑剤と移動性カチオンとのモル比は、１０：１〜５０：１であり得る。
ｉｉ−ｄ）移動性カチオンは、ポリマー／可塑剤内のＬｉＣｌＯ４によって供給され得る。
ｉｉｉ）ポリマー／可塑剤は、５０〜２４，０００の誘電定数を有する材料を含み得る。
ｉｖ）ポリマー／可塑剤は、−Ｃ≡Ｎ末端基を含み得る。
ｉｖ−ａ）ポリマー／可塑剤は、スクシノニトリルを含み得る。
ｖ）ポリマー／可塑剤は、電気双極子を含み得る。
ｖｉ）電気化学セルは、カソード：カソード電流コレクタ界面においてカソードに接触するカソード電流コレクタを含み得る。
ｖｉ−ａ）電解質移動性カチオン、カソードゲストカチオン、または両方は、電気化学セルの充電／放電サイクル中、アノードまたはカソード電流コレクタの方向において、アノード：固体ガラス電解質界面とカソード：カソード電流コレクタ界面との間の距離の平均で１／１０，０００以下を移動し得る。
ｖｉｉ）アノード内の金属は、Ｌｉ金属、ナトリウム（Ｎａ）金属、カリウム（Ｋ）金属、アルミニウム金属（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）金属、またはそれらの合金を含み得る。
ｖｉｉｉ）電解質移動性カチオンは、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、アルミニウムイオン（Ａｌ３＋）、またはマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）を含み得る。
ｉｘ）カソード活性材料は、層状酸化物、スピネル、またはかんらん石を含み得る。
ｘ）カソードゲストカチオンは、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、アルミニウムイオン（Ａｌ３＋）、またはマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）を含み得る。
ｘｉ）カソードは、元素炭素（Ｃ）を含み得る。
ｘｉｉ）固体ガラス電解質の電気双極子は、一般式Ａ２ＸまたはＡＸ−、または、ＭｇＸまたはＡｌ２Ｘ３の材料を含み得、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、またはＫであり、Ｘは、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、またはそれらの組み合わせである。
ｘｉｉｉ）固体ガラス電解質は、双極子添加剤を含み得る。
ｘｉｖ）固体ガラス電解質は、１０２〜１０５の相対誘電率（εｒ）を有し得る。
ｘｖ）固体ガラス電解質は、１０−２Ｓ／ｃｍ〜１０−３Ｓ／ｃｍの２５℃でイオン伝導率（σｉ）を有し得る。
ｘｖｉ）再充電可能電気化学セルは、２，５００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料〜５，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料の２５℃における比容量を有し得る。
ｘｖｉｉ）再充電可能電気化学セルは、１〜２０，０００充電／放電サイクルの間で持続的に増加する比容量を有し得る。
本開示は、上で説明されるような少なくとも１つの電気化学セルまたは上で説明されるような少なくとも２つの電気化学セルを含むバッテリも提供する。これらのバッテリは、完全電気またはハイブリッド乗り物に給電することにおける使用のためのもの、ハンドヘルドツールまたは電子デバイスに給電することにおける使用のためのもの、船舶または潜水艦に給電することにおける使用のためのもの、ドローン、または飛行機、もしくは他の飛行玩具または乗り物に給電することにおける使用のためのもの、自宅、企業、病院、および／または送電網のための固定貯蔵装置に電力を貯蔵することにおける使用のためのもの、または太陽放射、風、波、水力、および／または核エネルギーによって発生させられた電力を貯蔵することにおける使用のためのものであり得る。
上記の電気化学セルおよびバッテリは、本明細書または図に説明される任意の他の特徴とも組み合わせられ得、そのような特徴は、明確に互いに排他的でない限り、互いに組み合わせられ得る。
本開示ならびにその特徴および利点のより完全な理解のために、ここで、本開示の実施例を図示し、明確に互いに排他的でない限り、互いにおよび本開示の全ての他の記載および図示される部分と組み合わせられ得る付随の図面と関連して検討される以下の説明を参照する。
図１は、放電されている間の本開示の電気化学セルの概略断面略図である。
図２は、放電されている間の本開示の電気化学セルの固体ガラス電解質、ポリマー／可塑剤、カソード活性材料粒子、炭素粒子、および電流コレクタの概略断面略図である。
図３は、セルロースを含む固体ガラス電解質の概略図である。
図４は、本開示の固体ガラス電解質を含むコイン電池の概略分解略図である。
図５は、３つの電気化学セルの組み合わせられたナイキストプロットを提示するグラフである。１つの電気化学セルは、本開示による固体ガラス電解質およびポリマー／可塑剤を含んだ（「ガラス電解質および可塑剤あり」と標識される）。１つの電気化学セルは、液体電解質およびポリマー／可塑剤を含んだ（「可塑剤１ＭＬｉＰＦ６（ｖ／ｖ比ＥＣ／ＤＥＣ１：１）あり」と標識される）。残りの電気化学セルは、液体電解質を含み、ポリマー／可塑剤を含まなかった（「１ＭＬｉＰＦ６（ｖ／ｖ比ＥＣ／ＤＥＣ１：１）あり」と標識される）。
図６Ａは、液体電解質を伴うが、ポリマー／可塑剤を伴わない電気化学セル内における示される数のサイクルに対する電気化学セル容量の関数としての充電／放電電圧のグラフである。
図６Ｂは、液体電解質を伴うが、ポリマー／可塑剤を伴わない電気化学セル内におけるサイクル数の関数としての充電および放電容量のグラフである。
図６Ｃは、液体電解質およびポリマー／可塑剤を伴う電気化学セル内における、示される数のサイクルに対する電気化学セル容量の関数としての充電／放電電圧のグラフである。
図７Ａは、固体ガラス電解質およびポリマー／可塑剤を伴う電気化学セル内における示される数のサイクルに対する電気化学セル容量の関数としての充電／放電電圧のグラフである。
図７Ｂは、固体ガラス電解質およびポリマー／可塑剤を伴う電気化学セル内における示される数のサイクルに対する電気化学セル容量の関数としての充電／放電電圧の別のグラフである。
図７Ｃは、固体ガラス電解質およびポリマー／可塑剤を伴う電気化学セル内における第１のサイクルおよび第３１６のサイクルに対する電気化学セル容量の関数としての充電／放電電圧のグラフである。
図７Ｄは、固体ガラス電解質およびポリマー／可塑剤を伴う電気化学セル内におけるサイクル数の関数としての充電および放電容量のグラフである。
図７Ｅは、固体ガラス電解質およびポリマー／可塑剤を伴う電気化学セル内におけるサイクル数の関数としての充電および放電容量のグラフである。
本開示は、再充電可能バッテリセルまたはスーパーコンデンサセル等の電気化学セルに関し、それらは、２つの誘電絶縁体、固体ガラス電解質、およびポリマー／可塑剤を含む構成を介して、化学エネルギーおよび静電エネルギーの両方として電力を貯蔵する。これらの電気化学セルは、放電中、ある期間にわたって、電圧Ｖにおいて、電子電流として電力を送達する。電気化学セルが電力を送達する期間は、貯蔵される電力の量および放電率に依存する。
本明細書に開示されるような電気化学セルは、再充電可能、安全、低コストであり、長サイクル寿命および低内部抵抗を伴って、高エネルギー密度を有し得る。
本開示は、図１−３に図示されるような２つの誘電構成要素、固体ガラス電解質、およびポリマー／可塑剤を含む電気化学セルに関する。
ここで図１および図２を参照すると、電気化学セル１０は、アノード２０を含み得、それは、Ｌｉ金属、Ｎａ金属、Ｋ金属、アルミニウム（Ａｌ）金属、マグネシウム（Ｍｇ）金属等の金属、またはそれらの合金を含み得る。金属は、特に、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、またはカリウム（Ｋ）等のアルカリ金属、またはそれらの合金であり得る。アノード２０内の金属は、電解質移動性カチオン２１０として、固体ガラス電解質３０内に存在する。アノード２０はまた、炭素、Ａｌ金属、またはＭｇ金属（図示せず）等の電流コレクタ材料を含み得る。アノード２０内の金属は、電気化学セル１０内で電気化学的に活性である少なくとも１つの金属を含み、アノード２０は、異なる電圧で動作する能力等のより複雑な電気化学プロファイルが提供される場合、電気化学セル１０内で電気化学的に活性である２つ以上の金属を含み得る。金属は、金属の薄片等の薄いシートの形態であり得る。
アノード２０は、片側で、アノード電流コレクタ（図示せず）に隣接し、それと界面を形成し、他の側で、固体ガラス電解質３０に隣接し、それと界面を形成し得る。アノード電流コレクタも、ステンレス鋼（ＳＳ）または銅（Ｃｕ）等の金属であり得、特に、図４に示されるケーシング１１０等のケーシングであり得る。アノード２０は、存在する場合、アノード電流コレクタと電気接触する。いくつかの電気化学セル１０では、アノード２０は、例えば、特に、アノード２０がＡｌを含む場合、アノード電流コレクタを伴わずに使用され得る。
電気化学セル１０は、カソード５０も含む。カソード５０は、ホストフレームワークを有する任意のカソード活性材料２３０を含み得、ホストフレームワークの中に／ホストフレームワークから移動性カソードゲストカチオン２５０が可逆的に抽出／挿入され得る。好適なカソードゲストカチオン２５０は、Ｌｉ＋イオン、Ｎａ＋イオン、およびＫ＋イオン、Ａｌ＋イオンおよびＭｇ＋イオン等の他の金属カチオン、または２個以上の原子から形成されるより大きいカチオン等のアルカリ金属カチオンを含む。
カソード５０は、それが電気化学セルの放電に応じて高電圧電流を生産するという点で、高電圧カソードであり得る。例えば、高電圧カソードは、少なくとも３Ｖ、少なくとも４Ｖ、少なくとも５Ｖ、３Ｖ〜１５Ｖ、３Ｖ〜１０Ｖ、３Ｖ〜８Ｖ、４Ｖ〜１５Ｖ、４Ｖ〜１０Ｖ、４Ｖ〜８Ｖ、５Ｖ〜１５Ｖ、５Ｖ〜１０Ｖ、または、５Ｖ〜８ＶのＬｉ金属に対する電圧を伴うカソード活性材料を有し得る。電気化学セルは、上記の範囲のいずれかにおける放電電圧を有し得る。高電圧は、高電流でも生産され得る。カソード活性材料２３０は、Ｌｉ＋イオンまたは別のカソードゲストカチオン２５０を受け取る、結晶性金属酸化物であり得る。例えば、それは、一般式ＡＭＯ２を有する金属酸化物等の層状酸化物であり得、Ａは、カソードゲストカチオンであり、Ｍは、金属または金属の組み合わせであり、特に、リチウム酸化コバルトのそれのような結晶構造を有する少なくとも１つの遷移金属を含み得る。カソード活性材料２３０は、一般式ＡＭ２Ｏ４を有する金属酸化物等のスピネルであり得、Ａは、カソードゲストカチオンであり、Ｍは、金属または金属の組み合わせであり、特に、リチウム酸化マンガンのそれのような結晶構造を有する少なくとも１つの遷移金属を含み得る。カソード活性材料２３０は、一般式ＡＭＸＯ４を有する金属リン酸塩、ケイ酸塩、硫酸塩、またはバナジン酸塩等のかんらん石であり得、Ａは、カソードゲストカチオンであり、Ｍは、金属または金属の組み合わせであり、特に、少なくとも１つの遷移金属を含み得、Ｘは、リン、シリコン、硫黄、またはバナジウムである。カソード活性材料２３０のための上記の一般式は、可変量の金属または他の成分を含み得、それによって、カソードゲストカチオン２５０が完全に挿入されると、それらの全体的化合物は、電荷中性を有する。カソード活性材料２３０は、カソードゲストカチオン２５０の可逆的挿入／抽出を可能にする任意の他のホスト化合物でもあり得る。図１および図２に図示される例では、カソード活性材料２３０は、Ｌｉ＋イオンの可逆的抽出／挿入を可能にし、リチウム化状態（２３０ａ）および脱リチウム化状態（２３０ｂ）で存在し、それらの両方は、カソード５０内に同時に存在し得る。カソード活性材料２３０は、図示されるように、粒子の形態であり得る。カソード５０は、例えば、図示されるように、粒子の形態の元素炭素（Ｃ）２２０も含み得る。元素炭素は、カーボンブラック、炭素ナノ粒子、炭素ファイバ、黒鉛、または他の形態の炭素の形態であり得る。カソード５０は、カソード電流コレクタ６０をさらに含む。カソード電流コレクタは、アルミニウム（Ａｌ）等の任意の金属を含み得る。
ポリマー／可塑剤４０は、一方の界面において固体ガラス電解質３０に接触し、他方の界面においてカソード５０に接触し得る。ポリマー／可塑剤４０は、固体ガラス電解質３０とカソード５０との間のシートであり得、それは、カソード５０をコーティングし得るか、または、それは、カソードゲストカチオン２５０をカソード５０の近傍に閉じ込めるために好適な任意の他の形態であり得、ポリマー／可塑剤４０は、電気化学セル１０の循環中、カソードゲストカチオン２５０がカソード５０からアノード２０または固体ガラス電解質３０に供給されることを防止する。
固体ガラス電解質３０は、Ｘ線回折のもとで結晶性材料のピーク特性の不在を通して確認され得るように、それが非晶質であるので、ガラスと称される。
特に、本開示の固体ガラス電解質３０は、アルカリ金属カチオン、Ｌｉ＋、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、またはアルミニウムイオン（Ａｌ３＋）またはマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）等の別の金属カチオン等の移動性金属カチオンを含むガラスであり得る。この金属カチオンは、電解質移動性カチオン２１０と称され、それは、アノード２０内で電気化学的に活性の金属のカチオンであり得、それによって、電解質移動性カチオンは、アノード２０上に鍍着され得、アノード２０内で電気化学的に活性の金属が、電解質移動性カチオン２１０を形成し得る。固体ガラス電解質３０は、Ａ２ＸまたはＡＸ−もしくはＭｇＸまたはＡｌ２Ｘ３等の電気双極子２４０も含み、Ａ＝Ｌｉ、Ｎａ、またはＫであり、Ｘ＝酸素（Ｏ）または硫黄（Ｓ）もしくはそれらの組み合わせ、または別の要素もしくは電気双極子分子である。好適な固体ガラス電解質およびそれらを作製する方法は、これまで、第ＷＯ２０１５１２８８３４号（Ｗａｔｅｒ−Ｓｏｌｖａｔｅｄ Ｇｌａｓｓ／Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｏｌｉｄ Ｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）、第Ｗ０２０１６２０５０６４号（Ｗａｔｅｒ−Ｓｏｌｖａｔｅｄ Ｇｌａｓｓ／Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｏｌｉｄ Ｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）、および第ＷＯ２０１８０１３４８５号（Ｓｅｌｆ−Ｃｈａｒｇｉｎｇ ａｎｄ／ｏｒ Ｓｅｌｆ−Ｃｙｃｌｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌｓ）に説明されており、それらの開示の固体ガラス電解質組成物、それを作製する方法、およびそれを電気化学セルの中に組み込む方法は、本明細書に参照することによって組み込まれる。
固体ガラス電解質３０は、双極子添加剤を含み、双極子添加剤は、一般式ＱｙＸｚまたはＱｙ−１Ｘｚ −ｑ、または、両一般式によって表される合体した双極子の組み合わせである極鎖であり、Ｑは、Ｌｉ、Ｎａ、およびＫ、Ｍｇ、またはＡｌ、もしくはそれらの組み合わせ等のアルカリ金属であり、Ｘは、Ｓ、Ｏ、シリコン（Ｓｉ）、または水酸化物（ＯＨ−）、もしくはそれらの組み合わせを含むアニオンまたはアニオン形成元素もしくは化合物であり、０＜ｚ≦３であり（より具体的には、ｚは、１であり、ｚは、２であり、および／またはｚは、３であり）、ｙは、一般式ＡｙＸｚの双極子または一般式Ａｙ−１Ｘｚ −ｑの双極子の−ｑの電荷の電荷中性を確実にするために十分であり（より具体的には、０＜ｙ≦３である、またはｙは、１である、ｙは、２である、またはｙは、３である、もしくはそれらの組み合わせである）、および１≦ｑ≦３である（より具体的には、ｑは、１である、ｑは、２である、またはｑは、３である、もしくはそれらの組み合わせである。
一般式ＱｙＸｚまたはＱｙ−１Ｘｚ −ｑを伴う双極子添加剤の混合物は、電気化学セル１０の初期充電または初期サイクル後も存在する可能性が高くあり得る。何故なら、添加剤が１つ以上の金属カチオンを喪失し得るが、依然として、少なくとも１つの金属カチオンがアニオンに結合されたままに保持し、したがって、依然として、その双極子性質を保持するからである。
具体的双極子添加剤は、式Ｑ２ＳまたはＱＳ−もしくは両一般式によって表される添加剤の組み合わせを有し得、Ｑは、Ｌｉ２ＳまたはＬｉ２ＳおよびＬｉＳ−の混合物等のＬｉ、Ｎａ、および／またはＫである。
他の具体的双極子添加剤は、式Ｑ２ＯまたはＱＯ−もしくは両一般式によって表される添加剤の組み合わせを有し得、Ｑは、Ｌｉ２ＯまたはＬｉ２ＯおよびＬｉＯ−の混合物等のＬｉ、Ｎａ、および／またはＫである。
他の具体的双極子添加剤は、上記の双極子の強誘電凝縮分子であり得、Ｑは、Ｌｉ、Ｎａ、またはＫであり、Ｘは、Ｏ、Ｓ、またはそれらの組み合わせである。
さらに他の具体的双極子添加剤は、ヒドロキシル基またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の負の基を伴う紙または他のセルロース等のポリマーのより大きい双極子分子または組成物であり得る。図３は、セルロースを含む固体ガラス電解質３０を図示する。
他の添加剤は、固体ガラス電解質３０の誘電定数を増加させ得る。例えば、他の添加剤は、高誘電定数、特に、少なくとも５，０００、少なくとも７，０００、または５，０００〜１０，０００、７，０００〜１０，０００、５，０００〜１５，０００、または７，０００〜１５，０００等の誘電定数を伴う結晶性材料を含み得る。好適な結晶性材料は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２、ＳｉＯ２、および／またはＴｉＯ２を含む。
電気双極子の存在は、固体ガラス電解質３０に少なくとも５，０００、少なくとも７，０００、または５，０００〜１０，０００、７，０００〜１０，０００、５，０００〜１５，０００、または７，０００〜１５，０００等の高誘電定数を与える。
加えて、固体ガラス電解質３０は、アノード２０内の電気化学的に活性の金属との接触において還元されない。したがって、不動態化固体−電解質間期（ＳＥＩ）の形成は、固体ガラス電解質３０とアノード２０の界面に認められない。
固体ガラス電解質３０の表面は、アノード２０のアルカリ金属等の電気化学的に活性の金属によって湿潤され、それは、固体ガラス電解質３０の電解質移動性カチオン２１０からアノード２０への金属のデンドライトを生じない鍍着を可能にする。これは、少なくとも１，０００サイクル、少なくとも２，０００サイクル、少なくとも５，０００サイクル、２００〜３００サイクル、２００〜１，０００サイクル、２００〜５，０００サイクル、２００〜１０，０００サイクル、２００〜１５，０００サイクル、２００〜２０，０００サイクル、１，０００〜５，０００サイクル、１，０００〜１０，０００サイクル、１，０００〜１５，０００サイクル、または１，０００〜２０，０００サイクルにわたって、アノード：固体ガラス電解質界面を横断した金属カチオンの輸送に対して低抵抗を提供する。
固体ガラス電解質３０は、相対誘電率（εｒ）少なくとも１０２、１０２〜１０３、１０２〜１０４、または１０２〜１０５等の大誘電定数を有し得る。固体ガラス電解質２０は、２５℃で少なくとも１０−２Ｓ／ｃｍまたは２５℃で１０−２Ｓ／ｃｍ〜１０−３Ｓ／ｃｍの電解質移動性カチオン２１０のためのイオン伝導率（σｉ）を有し得る。この伝導性は、Ｌｉイオンバッテリにおいて使用される可燃性の従来の有機−液体電解質のイオン伝導率に匹敵する。固体電解質内のカチオン移送に対する抵抗は、厚さ／［σｉｘ面積］であり、σｉは、電解質のカチオン伝導性であり、厚さ／面積は、その面積に対する電解質厚の比率である。典型的には、固体ガラス電解質３０は、１未満、０．５未満、０．２５未満、０．１未満、０．０５未満、０．０１〜０．０５、０．０１〜０．１、０．１〜０．２５、０．０１〜０．５、０．０１〜１、０．０５〜０．１、０．０５〜０．２５、０．０５〜０．５、０．０５〜１、０．１〜０．２５、０．１〜０．５、または０１〜１の厚さ／面積を有するであろう。電気化学セル１０のσｉは、例えば、アルカリ金属作用イオンの２つの電極を伴う対称セルを使用して電気インピーダンス分光法測定または充電／放電測定を行うことによって抵抗が測定されると、厚さ／面積から決定されることができる。
固体ガラス電解質３０は、十分に大エネルギー状態間隙に起因して、電気的に絶縁性であり、非可燃性であり得る。
固体ガラス電解質３０は、電解質移動性カチオン２１０またはその成分前駆体（典型的には、Ｏ、ＯＨ−、および／またはハロゲン化合物に結合された作用イオンを含む）を含む結晶性電子絶縁体をカチオン伝導性ガラス／非晶質固体に変換することによって形成され得る。このプロセスは、双極子添加剤の存在のもとでも同様に生じることができる。
固体ガラス電解質２３は、膜の形態であり得、それは、典型的には、機械的に堅牢である。
電気化学セル１０の各構成要素は、表面積と垂直方向に測定される厚さを有し得る。各構成要素の厚さは、２５％未満、１０％未満、５％未満、１％未満、または０．５％未満、０．０１％〜０．５％、０．０１％〜１％、０．０１％〜５％、０．０１％〜１０％、０．０１％〜２５％、０．５％〜１％、０．０５％〜５％、０．５％〜１％、０．５％〜５％、０．５％〜１０％、０．５％〜２５％、１％〜５％、１％〜１０％、１％〜２５％、５％〜１０％、５％〜２５％、または１０％〜２５％変動し得る。固体ガラス電解質は、少なくとも１０μｍ、少なくとも２５μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも７５μｍ、少なくとも１００μｍ、１０μｍ〜１００μｍ、２５μｍ〜１００μｍ、５０μｍ〜１００μｍ、７５μｍ〜１００μｍ、１０μｍ〜２０００μｍ、２５μｍ〜２０００μｍ、５０μｍ〜２０００μｍ、７５μｍ〜２０００μｍ、１００μｍ〜２０００μｍ、１０μｍ〜５，０００μｍ、２５μｍ〜５，０００μｍ、５０μｍ〜５，０００μｍ、７５μｍ〜５，０００μｍ、または１００μｍ〜５，０００μｍの厚さを有し得る。
ポリマー／可塑剤４０は、ポリマー、可塑剤、またはそれらの組み合わせから形成される任意の誘電材料であり得、それは、電気化学セル１０の循環中、カソードゲストカチオン２５０が、カソード５０からアノード２０または固体ガラス電解質３０に供給されないように、カソードゲストカチオン２５０をカソード５０の近傍に閉じ込めることが可能である。特に、ポリマー／可塑剤４０は、電気化学セル１０の循環中、カソード活性材料２３０と接触するとき、酸化されない材料でもあり得る。ポリマー／可塑剤４０は、誘電定数少なくとも５０、５０〜５，０００、５０〜１０，０００、５０〜１５，０００、５０〜２０，０００、または５０〜２４，０００を有し得る。
ポリマー／可塑剤４０は、カソードゲストカチオン２３０と異なり、ポリマー／可塑剤に閉じ込められる塩のそれら等の移動性カチオンを含み得る。例えば、ポリマー／可塑剤４０は、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）を含み得る。ポリマー／可塑剤４０は、アノード２０または固体ガラス電解質３０へのカソードゲストカチオン２３０の輸送を伴わずに、カチオンをカソード５０から受け取り得る。ポリマー／可塑剤が、移動性カチオンを含む場合、ポリマーまたは可塑剤と移動性カチオンとのモル比は、１０：１〜５０：１、１０：１〜４０：１、１０：１〜３０：１、１０：１〜２０：１、１０：１〜１５：１、１５：１〜５０：１、１５：１〜４０：１、１５：１〜３０：１、１５：１〜２０：１、２０：１〜５０：１、２０：１〜４０：１、２０：１〜３０：１、１５：１〜２５：１、１８：１〜２２：１、または２０：１であり得る。
具体的実施例では、ポリマー／可塑剤４０は、Ｎ≡Ｃ−ＣＨ２−ＣＨ２−Ｃ≡Ｎにおけるそれらに類似するものを含む−Ｃ≡Ｎ末端基を含むポリマーまたは可塑剤を含み得る。
ポリマー／可塑剤４０は、電気双極子２７０を含み得、それは、双極子−双極子相互作用によって結合されるか、自由に回転するか、または両方であり得る。
ポリマー／可塑剤４０の表面積は、ポリマー／可塑剤４０が、電気化学セル１０の電解質側を電気化学セル１０のカソード側から分離し得るように、カソード５０の表面積と同一、またはそれより大きくあり得る。存在する場合、アノード電流コレクタ、アノード２０、カソード５０、およびカソード電流コレクタ６０を含む電気化学セル１０の他の構成要素のうちの１つ以上のものの表面積は、ポリマー／可塑剤４０の表面積と等しいか、またはそれより小さくあり得る。電気化学セル１０は、ケーシング内にあるか、または他の構成要素を含むことにより、電気化学セル１０をシールし、ポリマー／可塑剤４０が電気化学セル１０の電解質側を電気化学セルのカソード側から分離することを可能にし得る。
ポリマー／可塑剤４０がカチオンの輸送を遮断する能力は、電気化学セル１０の電解質側をカソード側から物理的に分離する構成とともに、電解質移動性カチオン２１０がカソードゲストカチオン２５０と異なることを可能にする。
従来の電気化学セルの循環中、カソードは、放電時、膨張し、充電時、収縮する。これは、特に、カソードがカソード活性材料の粒子の形態である場合に当てはまる。これは、多くの場合、カソード活性材料が固体電解質等の他の構成要素との接触を喪失するので、従来の電気化学セルの故障をもたらす。液体電解質は、典型的には、カソード活性材料の体積変化に適応するために、従来の電気化学セルにおいて使用されるが、液体電解質は、多くのそのようなカソードを用いて取得可能な最高電圧を可能にせず、したがって、カソード５０と接触するポリマー／可塑剤４０が、長サイクル寿命を伴う安全かつ高電圧の固体バッテリを確実にするために、本開示の電気化学セル１０において使用される。電気化学セル１０では、カソード活性材料２３０のこれらの３次元（３Ｄ）体積変化は、ポリマー／可塑剤４０によって適応され、それは、電気化学セル循環中、カソード５０とのそれらの界面における接触を維持する。
特に、本明細書に開示される電気化学セルの高電圧カソードは、大きい固体−溶液範囲にわたって、カソードゲストカチオン２５０を内外に循環させることにおいて、最大でも、歪変化のみを伴い、それらのカソード活性材料２３０の粒子構造または他のカソード活性材料２３０の物理的構造を保持し得る。循環中のカソード活性材料２３０の体積変化は、カソード５０が軟質またはプラスチック材料であるポリマー／可塑剤４０と接触するので、長サイクル寿命にわたって適応される。
図１の例証では、カソード活性材料２３０は、片側でポリマー／可塑剤４０に接触し、他の側でカソード電流コレクタ６０に接触する粒子の形態である。図２の例証では、カソード活性材料２３０は、炭素２００の粒子を通してカソード電流コレクタ６０に接触する粒子の形態である。より厚いカソードを使用する他のカソード構成も可能であり、その場合、個々のカソード活性材料粒子２３０は、ポリマー／可塑剤４０またはカソード電流コレクタ６０の一方のみに接触するか、またはいずれにも接触しない。
電気化学セル１０の内部抵抗は、室温で高充電／放電率を提供するように最小化または低減させられ得る。電極間のカチオン輸送に対するインピーダンスは、従来の電解質における低カチオン伝導性により、問題であり得る。本開示は、電解質移動性カチオン２１０およびカソードゲストカチオン２５０を小変位に制限することによって、この問題を解決する。特に、電解質移動性カチオン２１０、カソードゲストカチオン２５０、または両方は、充電／放電サイクル中、平均して、アノード：固体ガラス電解質界面と、カソード：カソード電流コレクタ界面との間の距離の１／１０，０００未満、１／１，０００未満、１／１００未満、１／５０未満、１／５０〜１／１０，０００、１／５０〜１／１０００、１／５０〜１／１００、１／１００〜１／１０，０００、１／１００〜１／１，０００、または１／１，０００〜１／１０，０００をアノードまたはカソード電流コレクタの方向に移動し得る。
図１および図２に示されるように、電気二重層コンデンサが、固体ガラス電解質３０とアノード２０との界面、固体ガラス電解質３０とポリマー／可塑剤４０との界面、およびポリマー／可塑剤４０とカソード５０との界面に生じ得る。ポリマー／可塑剤４０と固体ガラス電解質３０の追加の界面は、ポリマー／可塑剤を欠いている電気化学セルと比較して、追加の二重層コンデンサの形成を通して、電力の追加の静電貯蔵を提供する。
放電状態から充電された電気化学セル１０の放電中、正の充電は、電解質移動性カチオン２１０をアノード２０から奪取し、固体ガラス電解質３０に戻すことによって、電気双極子２４０の再配向を含む電解質内の電解質移動性カチオン２１０および電気双極子２４０の小変位によって、ポリマー／可塑剤：カソード界面におけるポリマー／可塑剤４０移動性カチオンの移動または他の寄与によって、および、カソード活性材料２３０ｂを用いた充電中に抽出されるカソードゲストカチオン２５０の挿入によって、電気化学セルの内側で移送される。負の電荷は、従来の電気化学セルにおけるように、外部回路（図示せず）における電流として電子２００によって移送される。放電は、ポリマー／可塑剤：固体ガラス電解質界面に形成されるコンデンサ内に貯蔵される静電エネルギーの放電を含む。このコンデンサの放電は、ポリマー／可塑剤：固体ガラス電解質界面コンデンサが電子構成要素を有していないので、従来のコンデンサの放電より低速である。
一般に、固体ガラス電解質３０を含む電気化学セル１０は、外部回路（図示せず）を使用して電子電荷を電極（アノード２０およびカソード５０）間で移送することによって、動作する。移動性カチオン（２１０および２５０）変位は、主として、電極界面における小変位によって、イオン電荷を電極間で移送し、鍍着および奪取が、アノードで生じる。これらの小変位が生じると、固体ガラス電解質３０内の電解質移動性カチオン２１０およびより低速で移動する電気双極子２４０の両方の存在に起因して、小さい電気双極子２４０変位が、固体ガラス電解質３０内で生じる。これらの電気双極子変位は、液体電解質内で典型的に生じるものと異なり、主として、固体ガラス電解質３０を横断したカチオン移送に取って代わる。これは、電気化学セル１０の非常に高速の充電および放電のみならず、長サイクル寿命も可能にする。
図１は、放電プロセスの詳細を提供する。特に、図１は、アノード：固体ガラス電解質界面における電気二重層コンデンサと、固体ガラス電解質：ポリマー／可塑剤界面における別の電気二重層コンデンサと、ポリマー／可塑剤：カソード界面におけるさらに別の電気二重層コンデンサとを示す。電気化学セル１０のアノード側では、アノード２０は、充電中、固体ガラス電解質３０から奪取された電解質移動性カチオン２１０を戻すが、アノード：固体ガラス電解質界面における電気二重層コンデンサは、開回路時の未循環電気化学セルにおけるようなもののままであり、２つの電極の化学電位を平衡化する。
電気化学セル１０は、少なくとも２，５００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料、少なくとも２，７５０ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料、または少なくとも３，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料、２，５００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料〜３，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料、２，５００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料〜４，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料、２，５００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料〜５，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料、２，７５０ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料〜３，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料、２，７５０ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料〜４，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料、２，７５０ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料〜５，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料、３，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料〜４，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料、または３０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料〜５，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料の２５℃における比容量を有し得る。
電気化学セルは、１〜３００、１〜５００、１〜１，０００、１〜５，０００、１〜１０，０００、または１〜２０，０００充電／放電サイクルの間で持続的に増加する比容量を有し得る。
図４は、本開示の電気化学セル１０を含む例示的コイン電池１００の概略図である。コイン電池１００は、ケーシング１１０を含み、それは、ステンレス鋼または別の電気的に伝導性材料、または電気的に伝導性の接点を伴う電気的に絶縁性の材料であり得る。ケーシング１１０は、アノード電流コレクタとしての役割を果たし得る。コイン電池１００は、アノードシート１２０も含み、それは、アノード２０と、随意に、アノード電流コレクタとを含み得る。コイン電池１００は、固体ガラス電解質シート１３０を含み、それは、固体ガラス電解質３０を含み得る。固体ガラス電解質シート１３０は、組立を容易にするために、図３に示されるように、紙マトリクスにおける固体ガラス電解質２０を含み得る。コイン電池１００は、ポリマー／可塑剤シート１４０をさらに含み、それは、ポリマー／可塑剤４０を含む。示されるように、ポリマー／可塑剤シート４０は、固体ガラス電解質シート１３０より大きい表面積を有し得る。コイン電池１００は、加えて、カソードシート１５０を含み、それは、カソード５０を含み、カソード電流コレクタ６０も含み得る。最後に、コイン電池１００は、シートの界面を維持することに役立つようにばね１６０を含む。コイン電池１００は、シート１２０、１３０、１４０、および１５０の複数の反復を含み得、電気的に絶縁性のセパレータをそれらの間に伴う（図示せず）。コイン電池が試験セルとして頻繁に構築されており、他のバッテリも、コイン電池における発見を他のタイプのバッテリに適合させるために、当技術分野において公知の方法を使用して構築され得ることを当業者は理解するであろう。
概して、図１、図２、および図４に説明および図示され、または実施例に説明されるものを含む本開示の電気化学セルは、単一セルおよびマルチセルバッテリの両方を含むバッテリにおいて使用され得る。そのようなバッテリセルは、ケーシングまたは他の単純機械的特徴等の電気化学セル以外の構成要素を含み得る。マルチセルバッテリは、多くの場合、複数の類似バッテリセルを含む。バッテリセルは、コイン電池（図４のものを含む）、パウチ電池、ジェリーロール電池、または角形電池等の標準的フォーマットで製作され得る。それらは、非均一幾何学形状を伴う目的に合わせられた角形電池等のより目的に合わせられたフォーマットでもあり得る。
本開示の電気化学セルは、複雑な回路ならびにプロセッサおよびメモリコンピュータ実装監視および調整を含むバッテリ等のより複雑なバッテリにおいて使用され得る。
簡略化、複雑性、またはフォーマットにかかわらず、本開示の電気化学セルを使用する全てのバッテリは、改良された安全性を示し得、特に、液体電解質を伴うバッテリと比較して、損傷または急速に充電されるとき、発火する傾向が低い。
加えて、本開示によるバッテリは、少なくとも１０、少なくとも１００、少なくとも５００、１０〜１０，０００、１００〜１０，０００、１，０００〜１０，０００、１０〜１，０００、１００〜１，０００、または５００〜１，０００個の本開示の電気化学セルを含むマルチセルバッテリであり得る。マルチセルバッテリ内のセルは、並列または直列に配列され得る。
本開示の電気化学セルを含むバッテリは、少なくとも５００充電／放電サイクル、少なくとも１，０００充電／放電サイクル、少なくとも５，０００充電／放電サイクル、少なくとも１０，０００充電／放電サイクル、少なくとも２０，０００充電／放電サイクル、少なくとも３０，０００充電／放電サイクル、５００〜５０，０００充電／放電サイクル、１，０００〜５０，０００充電／放電サイクル、５，０００〜５０，０００充電を放電させるサイクル、５００〜３０，０００充電／放電サイクル、１，０００〜３０，０００充電／放電サイクル、５，０００〜３０，０００充電を放電させるサイクル、５００〜２０，０００充電／放電サイクル、１，０００〜２０，０００充電／放電サイクル、または５，０００〜２０，０００充電／放電サイクルの寿命サイクルを伴って、再充電可能であり得る。
一例として、本開示の電気化学セルは、電話、腕時計、またはラップトップコンピュータ等のハンドヘルドおよび／または装着可能電子デバイス、デスクトップまたはメインフレームコンピュータ等の固定電子デバイス、電動ドリル等の電気ツール、船舶、潜水艦、バス、電車、トラック、車、オートバイ、エンジン付き電動自転車、飛行機、ドローン、他の飛行乗り物、またはその玩具バージョン等の電気またはハイブリッド地上、水上、または空中ベースの乗り物、他の玩具、風、太陽、波、水力、または核エネルギーからの電力を貯蔵することにおける等のエネルギー貯蔵、および／または送電網貯蔵装置、もしくは自宅、企業、または病院等の小規模使用のための固定電力貯蔵装置におけるものを含むポータブルバッテリ内で使用され得る。
スーパーコンデンサセルも、本開示の電気化学セルを含み得、特に、電気ツールおよび電気またはハイブリッド乗り物等の急速放電および／または高電力を要求する用途において使用され得る。
（実施例）
以下の実施例は、本開示の原理および具体的側面をさらに例証するために提供される。それらは、本開示の全ての側面の範疇全体を包含することを意図するものではなく、そのように解釈されるべきではない。以下の実施例の特徴は、独立して、上でより概略的に説明される本開示の電気化学セルの任意の特徴と組み合わせられ得る。
（実施例１：電気化学セル）
Ｌｉ＋液体電解質を伴ういくつかの比較電気化学セルと、本開示による固体ガラス電解質を伴ういくつかの電気化学セルとが、調製され、試験された。結果は、図５、図６、および図７に提示される。
セル内のカソード活性材料は、ｘ＝ｙ＋ｚ≒０．３６を伴うＦ−ドープされたＮｉ／ＭｎスピネルＬｉ［ＬｉｘＭｎ１．５−ｙＮｉ０．５−ｚ］Ｏ４−ｘ−δＦｘであった。炭素も、カソード内に存在した。カソード電流コレクタは、Ａｌ金属であった。アノードは、Ｌｉ金属であった。固体ガラス電解質は、Ｌｉ＋電解質移動性カチオン（Ｌｉ＋−ガラス）を含み、一般式Ｌｉ３−２ｘＢａｘＣｌ１−２ｙＯｙを有していた。固体ガラス電解質は、不織布セルロース紙マトリクス内にあった。液体電解質は、１：１ｖ／ｖ比における炭酸エチレン（ＥＣ）および炭酸ジエチル（ＤＥＣ）の混合物中の１ＭＬｉＰＦ６であった。ポリマー／可塑剤は、存在する場合、モル比２０：１においてＬｉＣｌＯ４と混合されるスクシノニトリルであった。
Ｌｉ＋−ガラスセルと称される１つのタイプのセルは、Ｌｉ＋−ガラスと、ポリマー／可塑剤とを含んだ。液体電解質−ポリマー／可塑剤セルと称される１つの比較タイプのセルは、液体電解質と、ポリマー／可塑剤とを含んだ。液体電解質セルと称される別の比較タイプのセルは、ポリマー／可塑剤を伴わずに、液体電解質を含んだ。
（実施例２：ＬＥＤを照明するための電気化学セルの使用）
Ｌｉ＋−ガラスセルが、赤色および白色発光ダイオード（ＬＥＤ）を照明するために使用された。放電電圧Ｖｄｉｓ＞３．０Ｖにおける放電電子電流０．１≦Ｉｄｉｓ

１ｍＡが、観察された。
（実施例３：ナイキストプロット）
図５は、試験された３つのタイプの電気化学セルの室温（２０℃〜２５℃）におけるａｃ Ｌｉ＋イオン伝導率のナイキストプロットである。正方形は、ａｃ Ｌｉ＋−ガラスセルからのデータを提示する。黒円は、組み立てられた液体電解質−ポリマー／可塑剤セルからのデータを提示する。三角形は、組み立てられた液体電解質セルからのデータを提示する。
高頻度でグラフの左側に見られる小半円形は、全３つの電気化学セルに対して類似し、それらは、液体電解質中のバルクＬｉ＋イオン伝導率を示し、Ｌｉ＋−ガラスは、類似するが、ポリマー／可塑剤内の抵抗率は、室温で非常に大きく、検出は、ポリマー／可塑剤がカソードとの準遮断電極を形成したので、液体電解質−ポリマー／可塑剤セル内で損なわれた。
グラフの中心で見られる大半円形は、Ｌｉ＋−ガラス電解質およびポリマー／Ｌｉ＋−ガラスセルを伴う電気化学セル内におけるＬｉ＋−ガラス電解質：アノード界面およびＬｉ＋−ガラス電解質：ポリマー／可塑剤界面における電気二重層コンデンサに近接するＬｉ＋−ガラス電解質内のＬｉ＋イオンのイオン伝導率のより大きい実部インピーダンス（Ｚ’）である。
（実施例４：種々の電解質を伴う電圧および容量）
図６は、液体電解質−ポリマー／可塑剤セルまたは液体電解質セルを使用して取得される比較データを提示する。図７は、Ｌｉ＋−ガラスセルを使用して取得されるデータを提示する。
図６Ａおよび図６Ｂは、液体電解質セルからのデータを提示する。セルの初期放電電圧は、約４．７Ｖであったが、容量は、液体電解質の充電における酸化により、循環時に急速に減衰した。
図６Ｃは、液体電解質−ポリマー／可塑剤セルからのデータを提示する。セルは、充電電圧の高速低減を示し、第２のサイクルまでに、放電電流はなくなり、金属リチウムが液体電解質内の移動性カチオンからアノード上に鍍着されなかったことを示す。
対照的に、図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃは、Ｌｉ＋−ガラスセルでは、放電電圧は、少なくとも３００サイクルにわたって安定したままであったことを示す。図７Ｄは、比容量（カソード活性材料のｇあたり）が、実際に、循環に伴って最大少なくとも３００サイクルまで増加したことを示す。これは、通常、電気化学セルに見られるものと反対である（例えば、図６Ｂ参照）。特に、Ｌｉ＋−ガラスセルは、７５ｍＡｈ／ｇカソード活性材料から５８５ｍＡｈ／ｇカソード活性材料まで、２．５〜４．８Ｖのその容量の増加を示した（図７Ｄ）。図７Ｅは、異なるＬｉ＋−ガラスセルを用いて取得されたデータを提示し、セルにわたって性能の一貫性を示す。
上で開示される主題は、例証であると見なされるものであり、制限ではなく、添付の請求項は、本開示の真の精神および範囲内にある、全てのそのような修正、向上、および他の実施形態を網羅するように意図される。したがって、法律によって許可される最大範囲に限り、本開示の範囲は、以下の請求項およびその均等物の最も広範な許容可能解釈によって決定されるべきであり、前述の発明を実施するための形態によって制限または限定されないものとする。

Claims (33)

  1. 再充電可能電気化学セルであって、前記再充電可能電気化学セルは、
    電解質側であって、前記電解質側は、
    電解質移動性カチオンおよび電気双極子を備えている固体ガラス電解質と、
    前記電解質移動性カチオンの金属を備え、アノード：固体ガラス電解質界面において前記固体ガラス電解質に接触するアノードと
    を備えている、電解質側と、
    カソードを備えているカソード側であって、前記カソードは、カソード活性材料を備え、
    前記カソード活性材料の中に、カソードゲストカチオンが可逆的に抽出／挿入され、前記カソード活性材料は、リチウム（Ｌｉ）金属に対して３Ｖ〜１５Ｖの電圧を有する、カソード側と、
    ポリマー／可塑剤と
    を備え、
    前記ポリマー／可塑剤は、固体ガラス電解質：ポリマー／可塑剤界面において前記固体ガラス電解質に接触し、ポリマー／可塑剤：カソード界面において前記カソードに接触し、それによって、前記電気化学セルの充電および放電中、前記カソードゲストカチオンは、前記カソード側に閉じ込められ、前記電解質移動性カチオンは、前記アノード側に閉じ込められる、再充電可能電気化学セル。
  2. 前記電解質移動性カチオンと前記カソードゲストカチオンとは、同一タイプのカチオンである、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  3. 前記電解質移動性カチオンと前記カソードゲストカチオンとは、異なるタイプのカチオンである、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  4. 前記ポリマー／可塑剤は、移動性カチオンを備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  5. 前記ポリマー／可塑剤内の移動性カチオンは、前記電解質移動性カチオン、前記カソードゲストカチオン、または両方と同一タイプのカチオンである、請求項４に記載の再充電可能電気化学セル。
  6. 前記ポリマー／可塑剤内の移動性カチオンは、前記電解質移動性カチオン、前記カソードゲストカチオン、または両方と異なるタイプのカチオンである、請求項４に記載の再充電可能電気化学セル。
  7. 前記ポリマー／可塑剤は、５０〜２４，０００の誘電定数を有する材料を備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  8. 前記ポリマー／ポリマー可塑剤は、ポリマーまたは可塑剤を備え、ポリマーまたは可塑剤と移動性カチオンとのモル比は、１０：１〜５０：１である、請求項４に記載の再充電可能電気化学セル。
  9. 前記移動性カチオンは、前記ポリマー／可塑剤内のＬｉＣｌＯ４によって供給される、請求項４に記載の再充電可能電気化学セル。
  10. 前記ポリマー／可塑剤は、−Ｃ≡Ｎ末端基を備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  11. 前記ポリマー／可塑剤は、スクシノニトリルを備えている、請求項１０に記載の再充電可能電気化学セル。
  12. 前記ポリマー／可塑剤は、電気双極子を備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  13. カソード：カソード電流コレクタ界面において前記カソードに接触するカソード電流コレクタをさらに備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  14. 前記電解質移動性カチオン、前記カソードゲストカチオン、または両方は、前記電気化学セルの充電／放電サイクル中、前記アノード：固体ガラス電解質界面と前記カソード：カソード電流コレクタ界面との間の距離の平均で１／１０，０００以下を前記アノードまたは前記カソード電流コレクタの方向に移動する、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  15. 前記アノード内の金属は、Ｌｉ金属、ナトリウム（Ｎａ）金属、カリウム（Ｋ）金属、アルミニウム金属（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）金属、またはそれらの合金を備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  16. 前記電解質移動性カチオンは、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、アルミニウムイオン（Ａｌ３＋）、またはマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）を備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  17. 前記カソード活性材料は、層状酸化物、スピネル、またはかんらん石を備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  18. 前記カソードゲストカチオンは、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、アルミニウムイオン（Ａｌ３＋）、またはマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）を備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  19. 前記カソードは、元素炭素（Ｃ）をさらに備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  20. 前記固体ガラス電解質の前記電気双極子は、一般式Ａ２ＸまたはＡＸ−、または、ＭｇＸまたはＡｌ２Ｘ３の材料を備え、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、またはＫであり、Ｘは、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）またはそれらの組み合わせである、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  21. 前記固体ガラス電解質は、双極子添加剤をさらに備えている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  22. 前記固体ガラス電解質は、１０２〜１０５の相対誘電率（εｒ）を有する、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  23. 前記固体ガラス電解質は、２５℃で１０−２Ｓ／ｃｍ〜１０−３Ｓ／ｃｍのイオン伝導率（σｉ）を有する、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  24. 前記再充電可能電気化学セルは、２，５００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料〜５，０００ｍＡｈ／ｇのカソード活性材料の２５℃における比容量を有する、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  25. 前記再充電可能電気化学セルは、１〜２０，０００充電／放電サイクルの間で持続的に増加する比容量を有する、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
  26. 請求項１−２５のうちのいずれか１項に記載の少なくとも１つの電気化学セルを備えているバッテリ。
  27. 請求項１−２５のうちのいずれか１項に記載の少なくとも２つの電気化学セルを備えている、請求項２６に記載のバッテリ。
  28. 完全電気またはハイブリッド乗り物に給電することにおける使用のための請求項２６または請求項２７に記載のバッテリ。
  29. ハンドヘルドツールまたは電子デバイスに給電することにおける使用のための請求項２６または請求項２７に記載のバッテリ。
  30. 船舶または潜水艦に給電することにおける使用のための請求項２６または請求項２７に記載のバッテリ。
  31. ドローン、飛行機、他の飛行玩具、または乗り物に給電することにおける使用のための請求項２６または請求項２７に記載のバッテリ。
  32. 自宅、企業、病院、および／または送電網のための固定貯蔵装置に電力を貯蔵することにおける使用のための請求項２６または請求項２７に記載のバッテリ。
  33. 太陽放射、風、波、水力、および／または核エネルギーによって発生させられた電力を貯蔵することにおける使用のための請求項２６または請求項２７に記載のバッテリ。
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