JP2023523554A - メタルフリー高電圧バッテリ - Google Patents

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Abstract

高電圧メタルフリーバッテリは、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むカソード電気活性材料を含むカソードと、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むアノード電気活性材料を含むアノードと、アノードと接触せず、カソードと接触している陰極液と、カソードと接触せず、アノードと接触している陽極液と、を含む。陰極液のｐＨは４未満であり、陽極液のｐＨは１０を超える。バッテリは、イオン選択特性を有するセパレータを含む。【選択図】 図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
[0001] 本出願は、「Metal-Free High Voltage Battery」と題する、２０２０年４月１３日出願の米国仮出願第６３／００９，２７８号の利益を主張するものであり、全ての目的でその開示全体を本明細書に参照として援用する。
政府による資金提供を受けた研究開発の記載
[0002] なし。
[0003] バッテリのようなエネルギー貯蔵システムは、現代社会においてますます重要になっている。各国がよりグリーンな経済に移行するにつれて、再生可能エネルギー源とエネルギー貯蔵システムを組み合わせることが標準になりつつある。バッテリは、グリッドストレージの用途に使用されるだけでなく、多くのパーソナル電子機器及び電気自動車でますます使用されている。用途及び市場（例えば、グリッド、電気自動車など）によってバッテリのサイズ（物理的及び容量的（Ａｈ））が変化するため、バッテリと消費者（例えば、パーソナル電子機器、電気自動車など）の密接な関係によって、より安全、無毒、及び不燃性であるバッテリの必要性も変化している。
[0004] 金属含有バッテリは至る所にあり、１世紀以上の間、いくつかの用途に役立って長い間バッテリ分野で優位を占めていた。注目すべきいくつかの例は、亜鉛、鉛、及びリチウムアノードバッテリである。銀がカソードとして使用されている。アルミニウム及びマグネシウムは、将来のバッテリのアノード材料として勢いを増しているが、現在、これらのバッテリは非常に不安定であり、非常に低い性能に悩まされている。金属は、電子を失いやすい性質のため、バッテリのアノードとして通常使用されてきた。しかしながら、バッテリにおける金属電極の使用は、安全性、コスト、性能、再充電性、及び長期的な実行可能性の面で課題を含む。亜鉛や鉛のようないくつかの金属は、水性電解質中で比較的安定である。しかし、いくつかの金属電極に対する水性電解質は、それらの電気化学的活性が電解質の安定範囲を超えているため、実行可能ではない。例えば、リチウム、アルミニウム、及びマグネシウムのような金属は、反応性が高く、水性電解質中で不安定であるため、バッテリの有機電解質が開発をもたらしたが、このような有機電解質は、可燃性であり湿気に敏感であるため、これらのタイプのバッテリは製造コストが高くなる。亜鉛や鉛のような金属アノードの問題は、水を分離し、水を分解して水素と酸素を生成させることによって気体を形成する傾向であり、安全上の課題を含み得る。同様の問題は、リチウム、アルミニウム、及びマグネシウムのバッテリにも見られ、リチウム、アルミニウム、及びマグネシウムは、高価で可燃性の有機電解質が必要であり、それらを安全に取り扱うための制御された環境が必要である。
[0005] 再充電性に関して、金属電極は、繰り返しサイクル中にデンドライトを形成する傾向があり、セパレータの貫通及びバッテリの短絡に至り得る。これは、バッテリの充電中に適用される電流密度に依存するが、それにもかかわらず、可燃性と爆発の可能性を高める全ての金属アノードシステムの問題である。金属電極は、サイクル中に酸化物又は抵抗コーティングを形成することによって不動態化する傾向もあり、容量の低下や最終的なバッテリの故障に至り得る。他の問題に金属の腐食及び孔食があり、長期的な再充電性を妨げる。比較的広い作動電位窓を示しながら、安全、不燃性、且つ非毒性であるバッテリが引き続き必要とされている。
[0006] いくつかの実施形態において、高電圧メタルフリーバッテリは、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むカソード電気活性材料を含むカソードと、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むアノード電気活性材料を含むアノードと、アノードと接触せず、カソードと接触している陰極液と、カソードと接触せず、アノードと接触している陽極液と、陽極液と陰極液の間に配置されたセパレータと、を含む。陰極液のｐＨは４未満であり、陽極液のｐＨは１０を超える。セパレータはイオン選択特性を持つ。
[0007] いくつかの実施形態において、高電圧メタルフリーバッテリを形成する方法は、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むカソード電気活性材料を含むカソードと接触して陰極液を配置することと、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むアノード電気活性材料を含むアノードと接触して陽極液を配置することと、カソードに接触していない陽極液とアノードと接触していない陰極液の間にセパレータを配置することと、を含む。陰極液のｐＨは４未満であり、陽極液のｐＨは１０を超える。セパレータはイオン選択特性を持つ。
[0008] それら及び他の特徴は、付随する特許請求の範囲と併せて行われる以下の詳細な説明から、より明確に理解されよう。
[0009] 本開示及びその利点をより完全に理解するために、次に、類似の参照番号は類似の部品を示し、添付の図面及び詳細な説明に関連して行われる、以下の簡単な説明を参照する。
[0010]いくつかの実施形態による高電圧メタルフリーバッテリの概略図を示している。 [0010]いくつかの実施形態による高電圧メタルフリーバッテリの概略図を示している。 [0010]いくつかの実施形態による高電圧メタルフリーバッテリの概略図を示している。 [0010]いくつかの実施形態による高電圧メタルフリーバッテリの概略図を示している。 [0011]高電圧メタルフリーバッテリの経時的な電圧のグラフを示している。 [0012]ＭｎＯ２｜Ｚｎバッテリと比較した高電圧メタルフリーバッテリの放電曲線を示している。 [0013]高電圧メタルフリーバッテリの放電容量曲線を示している。 [0014]高電圧メタルフリーバッテリの放電容量曲線を示している。
[0015] 本開示において、「負極」及び「アノード」という用語は、両方とも「負極」を意味するために使用される。同様に、「正極」及び「カソード」という用語は、両方とも「正極」を意味するために使用される。「電極」のみの言及は、アノード、カソード、又はその両方を指し得る。「一次バッテリ」（例えば、「一次バッテリ」、「一次電気化学セル」、又は「一次セル」）という用語の言及は、１回の放電後に処分及び交換されるセル又はバッテリのことをいう。「二次バッテリ」（例えば、「二次バッテリ」、「二次電気化学セル」、又は「二次セル」）という用語は、１回以上再充電して再利用され得るセル又はバッテリのことをいう。本明細書で使用される場合、「陰極液」は、アノードと直接接触せずにカソードと接触する電解液のことをいい、「陽極液」は、カソードと直接接触せずにアノードと接触する電解液のことをいう。単に電解質という用語は、陰極液、陽極液、又はアノード及びカソードの両方に直接接触する電解質のことをいうことができる。
[0016] 本明細書で使用される場合、「メタルフリーバッテリ」は、金属電気活性材料又は金属電極（すなわち、元素金属電極又は合金金属電極）を使用せずに形成されるバッテリのことをいい、メタルフリー電極を含む（例えば、メタルフリー電極は、酸化物、水酸化物、硫化物、及び他の金属の塩を含み得る）。メタルフリーバッテリは、メタルフリー電極バッテリともいい、集電体などの別の非電気活性構成要素（電流を生成する反応の一部）が、元素金属又は合金金属を含んでいても、電極の電気活性構成要素は、元素金属又は合金金属を含まない。さらに、本明細書で使用される場合、用語「メタルフリー電極」は、酸化状態が０の金属以外の材料から形成され、それを含む電極をいう。例えば、Ｚｎ０（酸化状態が０であるＺｎ）は、本明細書に開示されるメタルフリーバッテリにおいて電極を形成するための適切な材料ではない可能性がある。しかしながら、０以外の酸化状態である金属は、本明細書に開示されるメタルフリー電極及びメタルフリーバッテリの一部であり得るが、いくつかの実施形態において、メタルフリー電極は金属電極と対であってよい。別の例として、Ｍｎ４＋（酸化状態が＋４であるＭｎ）は、本明細書に開示されるメタルフリーバッテリにおいて電極を形成するのに適した材料であり、例えば、ＭｎＯ２はカソード材料として使用されてよい。
[0017] バッテリのようなエネルギー貯蔵システムは、グリッドベース、電気自動車、ソーラー蓄電池、無停電電源などのような様々な用途に有用である。金属含有バッテリは至る所にあり、長い間バッテリ分野で優位を占めていた。しかしながら、バッテリにおける金属電極の使用は、安全性、コスト、性能、再充電性、及び長期的な実行可能性の面で課題を含む。
[0018] メタルフリーバッテリの開発は、金属系バッテリに存在するいくつかの問題を解決するだろう。しかしながら、バッテリの電圧又は電位は、カソード及びアノードの両方、並びに金属系電極が適している電子を失うアノードの能力に依存する。単一の電解質系において、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、ハウスマナイト（Ｍｎ３Ｏ４）、水酸化ニッケル［Ｎｉ（ＯＨ）２］、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）などのような異なる金属酸化物又は硫化物は、電子を受容し、むしろカソードのように振る舞う傾向があるため、対になり得ない。さらに、これらの有望な電極活物質間で生成する電圧はごくわずかである。
[0019] この開示において、比較的高い電圧、比較的高い容量、及び必要に応じて再充電可能な特性を有する、メタルフリー二重電解質バッテリが開示される。メタルフリーバッテリにおける本開示での使用に適したバッテリケミストリの非限定的な例としては、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）｜二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、ＭｎＯ２｜ビクスバイト（Ｍｎ２Ｏ３）、ＭｎＯ２｜ハウスマナイト（Ｍｎ３Ｏ４）、ＭｎＯ２｜酸化マンガン（ＭｎＯ）、ＭｎＯ２｜パイロクロアイト［Ｍｎ（ＯＨ）２］、ＭｎＯ２｜オキシ水酸化マンガン（ＭｎＯＯＨ）、ＭｎＯ２｜オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）、ＭｎＯ２｜水酸化ニッケル［Ｎｉ（ＯＨ）２］、ＭｎＯ２｜酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、ＭｎＯ２｜酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）、ＭｎＯ２｜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ）、ＭｎＯ２｜水酸化銅［Ｃｕ（ＯＨ）２］、ＭｎＯ２｜酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、ＮｉＯＯＨ｜ＮｉＯＯＨ、ＮｉＯＯＨ｜Ｎｉ（ＯＨ）２、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）｜ＮｉＯＯＨ、Ｎｉ２Ｏ３｜Ｎｉ（ＯＨ）２、酸化ニッケル（ＮｉＯ）｜ＮｉＯＯＨ、ＮｉＯ｜Ｎｉ（ＯＨ）２、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３、ＮｉＯ）｜酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。これらのシステムのアノード及びカソードは入れ替え可能である。酸のようなプロトン活性の高い電解質と、塩基のようなヒドロキシル活性の高い電解質との二重電解質の使用により、これらのシステムが作動電圧を生成可能になり得る。例えば、ＭｎＯ２｜ＭｎＯ２と濃酸（陰極液）及び塩基（陽極液）で作成されたバッテリは、約２Ｖを超える電位を生成し得る。一例として、本明細書に開示されるのは、エネルギー（電圧ｘ容量）及び再充電性の点で従来のアルカリＭｎＯ２／亜鉛（Ｚｎ）バッテリよりも性能が優れ得る高電圧水性バッテリにおいてその酸化物が対になっている、単一のレドックス活性元素（Ｍｎ）のケミストリである。
[0020] この開示において、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）｜二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、ＭｎＯ２｜ビクスバイト（Ｍｎ２Ｏ３）、ＭｎＯ２｜ハウスマナイト（Ｍｎ３Ｏ４）、ＭｎＯ２｜パイロクロアイト［Ｍｎ（ＯＨ）２］、ＭｎＯ２｜オキシ水酸化マンガン（ＭｎＯＯＨ）、ＭｎＯ２｜オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）、ＭｎＯ２｜水酸化ニッケル［Ｎｉ（ＯＨ）２］、ＭｎＯ２｜酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、ＭｎＯ２｜酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）、ＭｎＯ２｜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ）、ＭｎＯ２｜水酸化銅［Ｃｕ（ＯＨ）２］、ＭｎＯ２｜酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、ＮｉＯＯＨ｜ＮｉＯＯＨ、ＮｉＯＯＨ｜Ｎｉ（ＯＨ）２、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）｜ＮｉＯＯＨ、Ｎｉ２Ｏ３｜Ｎｉ（ＯＨ）２、酸化ニッケル（ＮｉＯ）｜ＮｉＯＯＨ、ＮｉＯ｜Ｎｉ（ＯＨ）２、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３、ＮｉＯ）｜酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ））、又はそれらの任意の組み合わせを含んでよい新しいバッテリケミストリと、二重電解質とを採用することによって、二重電解質を含み、電極の一方がプロトン活性の高い電解質（例えば、酸）中にあり、他方の電極がヒドロキシル活性の高い電解質（例えば、塩基）中にあるメタルフリーバッテリを作成する方法が開示される。例えば、バッテリがＭｎＯ２｜ＮｉＯＯＨなどのケミストリに基づいている場合、電極のいずれかが酸又は塩基中にあり得るため、上記の全てのケミストリシステム（例えば、新しいバッテリケミストリ）は、それぞれの媒体における標準的な電気化学反応（例えば、酸性媒体における標準的な電気化学反応、塩基性媒体での標準的な電気化学反応）に応じた正電圧を有する、カソード及びアノードのように機能し得る。異なる活性の電解質のこの分割又は切り離し、バッテリにおいて以前は実際の使用に適していなかったいくつかの新規のバッテリケミストリは、本明細書に開示されている。本明細書に開示される新規のバッテリケミストリは、二重電解質システムにおける変換反応を通じて作動する単一のレドックス活性元素であるバッテリの製造を有利に開発する。本明細書に開示される電極対（例えば、新しいバッテリケミストリ）は、特許又は学術文献においてこれまで試されたり報告されたりしたことがない。
[0021] この開示において、メタルフリーバッテリは、単一のレドックス活性元素（マンガン）に基づいてよく、その酸化物は、高電圧水性バッテリを生成するためにカソード及びアノードとして一緒に対になり得る。いくつかの態様において、本明細書に開示されるこのメタルフリーバッテリは、電圧、容量及び再充電性の点で、従来のアルカリＭｎＯ２｜Ｚｎバッテリよりも性能が優れ得る。本開示における使用に適した単一のレドックス活性マンガン元素及びその酸化物の電極系の非限定的な例としては、ＭｎＯ２｜ＭｎＯ２及び／又はＭｎＯ２｜Ｍｎ３Ｏ４が挙げられる。本開示における使用に適した電極システムのさらなる非限定的な例としては、Ｍｎ以外の単一レドックス活性元素（例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇなど）及び／又はそれらの有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、及び／又は硫化物に基づく、本明細書に開示される新しいバッテリケミストリが挙げられる。
[0022] いくつかの実施形態において、本明細書に開示される高電圧メタルフリーバッテリの電極における使用に適した電極電気活性材料（例えば、アノード電気活性材料、カソード電気活性材料）は、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）を含んでよく、ＭｎＯ２は、自然界に存在する、又は実験室で作ったものであり得る任意の多形であり得る。本明細書に開示されるメタルフリー電極における使用に適したＭｎＯ２の非限定的な例としては、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、α－ＭｎＯ２、β－ＭｎＯ２、γ－ＭｎＯ２、δ－ＭｎＯ２、ε－ＭｎＯ２、λ－ＭｎＯ２、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。本明細書に開示されるメタルフリー電極中には、パイロルーサイト、バーネサイト、ビスマス－バーネサイト、銅インタカレートビスマスバーネサイト、銅インタカレートバーネサイト、ラムスデライト、ホランダイト、ロマネカイト、トドロカイト、リチオフォライト、カルコファナイト、ナトリウムもしくはカリウムが豊富なバーネサイト、クリプトメレン、ブセライト、部分的もしくは完全にプロトン化された二酸化マンガン、リチウム化された二酸化マンガンなど、又はそれらの任意の組み合わせなどの他の形のＭｎＯ２も存在し得る。本明細書で開示されるように、「二酸化マンガン（ＭｎＯ２）」は、自然界に存在する、又は実験室で作ったものであり得る任意の適切な多形体、並びにＥＭＤ、α－ＭｎＯ２、β－ＭｎＯ２、γ－ＭｎＯ２、δ－ＭｎＯ２、ε－ＭｎＯ２、λ－ＭｎＯ２、パイロルーサイト、バーネサイト、ビスマス－バーネサイト、銅インタカレートビスマスバーネサイト、銅インタカレートバーネサイト、ラムスデライト、ホランダイト、ロマネカイト、トドロカイト、リチオフォライト、カルコファナイト、ナトリウムもしくはカリウムが豊富なバーネサイト、クリプトメレン、ブセライト、部分的もしくは完全にプロトン化された二酸化マンガン、リチウム化された二酸化マンガンなど、又はそれらの任意の組み合わせなどの二酸化マンガンを含む任意の混合酸化物及び／又は鉱物を包含すると理解される。理論に拘束されることを望むものではないが、ＭｎＯ２｜ＭｎＯ２のようなバッテリが作動するメカニズムは、酸電解質及び塩基電解質の両方における固体プロトン挿入及び溶解－沈殿反応によるものである。酸性媒体中のＭｎＯ２は、その１つ又は２つの電子反応を通じて充電時に電解二酸化マンガン又はγ－ＭｎＯ２を形成する傾向があるが、塩基電解質中のＭｎＯ２は、連続する１つ又は２つの電子反応の後、充電時にそれ自体をδ－ＭｎＯ２に変換する。γ－ＭｎＯ２は、両方の媒体において、その第１の電子反応に対する固体プロトン挿入を、第２の電子反応に対する溶解－沈殿反応を受けるが、塩基電解質のγ－ＭｎＯ２は、最終的にδ－ＭｎＯ２に変換される。酸性媒体中のγ－ＭｎＯ２は、使用する酸の強さに応じて、直接溶解－沈殿反応を受け得る。したがって、γ－ＭｎＯ２｜γ－ＭｎＯ２及びγ－ＭｎＯ２｜δ－ＭｎＯ２のバッテリを作成することで、幅広い化学反応を通じて作動し得る。γ－ＭｎＯ２｜Ｍｎ３Ｏ４バッテリは、Ｍｎ３Ｏ４がアルカリ電解質中で作動しているが、酸性電解質中で作動するγ－ＭｎＯ２を有し得、このバッテリの作動は、電解質を、例えば、塩基中のγ－ＭｎＯ２と酸中のＭｎ３Ｏ４とを交換させ得る。酸中のγ－ＭｎＯ２の場合、酸の強さに応じて、プロトン挿入及び溶解沈殿、又は溶解沈殿に続くが、Ｍｎ３Ｏ４は直接、溶解沈殿反応に続く。
[0023] 本明細書に開示されるメタルフリーバッテリの再充電可能な特性は、電極及び／又は電解質にドーパント又は添加剤を添加することによって得られ得る。いくつかの実施形態において、電極添加剤は、本明細書で開示されるメタルフリーバッテリの再充電性を高めるのに役立ち得る。メタルフリーバッテリで使用される電気活性レドックス元素（例えば、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｇなど）及びその化合物（例えば、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、有機化合物）に関係なく、本明細書に開示される電極添加剤は、カソード材料及びアノード材料の両方に使用され得る。本開示のメタルフリー電極における使用に適した電極添加剤の非限定的な例としては、酸化ビスマス、酸化インジウム、水酸化インジウム、酸化銅、酸化アルミニウム、酸化鉛、硫化鉛、硫化ビスマス、酸化銀、酸化ニッケル、水酸化ニッケル、酸化コバルト、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。
[0024] 様々なｐＨで電解質を分離することは、中和反応が起こるのを防止するため重要であり得る。いくつかの実施形態において、電解質の分離は、電解質の混合を物理的に防止する、電解質のゲル化によって達成され得る。ゲル化プロセスにおける架橋剤及びアイオノマの使用は、セロファンのようなセルロース系のセパレータや、ポリビニルアルコール又は架橋ポリビニルアルコールのようなポリマ系のセパレータの使用を見込み、イオンのクロスオーバも防止し得る。電解質ゲル化プロセスは、フリーラジカル重合プロセスを使用して行われ得る。アクリルアミド及びアクリル酸は、プロトン活性が高い、又はヒドロキシル活性が高い電解質と混合することにより、長いポリマ鎖になり得る。Ｎ，Ｎ’－メチレンビスアクリルアミド（ＭＢＡ）などの架橋剤は、ポリマの強度を高め、粘性を高め、自己修復特性を付与するために使用され得る。電解質のゲル化又は重合は、過硫酸カリウム又は過硫酸ナトリウム又は過硫酸アンモニウムのような開始剤を使用して行われ得る。いくつかの実施形態において、電解質の混合を防止することは、ＬｉＳｉＣＯＮ、ＮａＳｉＣＯＮ、ナフィオン膜、陰イオン交換膜、バイポーラ膜、又はそれらの任意の組み合わせのようなイオン選択セラミックセパレータ又は膜を使用することによって達成され得る。
[0025] カソード側の陰極液でプロトン活性が比較的高く、アノード側の陽極液でヒドロキシル活性が比較的高い二重電解質セルを有する利点は、セル電位の上昇である。カソード側の比較的高いプロトン活性、及びアノード側の比較的高いヒドロキシル活性は、セル電位を上昇させ得、次により高い平均放電電圧、そしてセルからのより高いエネルギーに至り得る。
[0026] カソード及びアノードに使用される電解質を切り離すことの別の利点は、本明細書に開示される新規のバッテリケミストリの正電圧及びサイクル性を生成することである。一般に、カソードには酸が好まれ、アノードには塩基が好まれる。電解質は、カソードとアノードとを交換し得る。本開示のメタルフリーバッテリにおける使用に適した酸の非限定的な例としては、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。本開示のメタルフリーバッテリにおける使用に適した塩基の非限定的な例としては、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。
[0027] いくつかの実施形態において、電解質添加剤は、バッテリの性能の向上に役立ち得る。本開示のメタルフリーバッテリにおける使用に適した電解質添加剤の非限定的な例としては、硫酸マンガン、硫酸ニッケル、過マンガン酸カリウム、塩化マンガン、酢酸マンガン、トリフル酸マンガン、塩化ビスマス、硝酸ビスマス、硝酸マンガン、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸亜鉛、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、トリフル酸亜鉛、塩化インジウム、硫酸銅、塩化銅、硫酸鉛、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、バニリン、次リン酸ナトリウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。
[0028] いくつかの実施形態において、電解質は、電解質を物理的に分離し、電解質の中和を防ぐのに役立つ、対応する添加剤でゲル化され得る。電解質のゲル化又は重合は、フリーラジカル重合を介してなどの様々な技術によって行われ得る。アクリルアミド及びアクリル酸は、プロトン活性が比較的高い、又はヒドロキシル活性が比較的高い電解質と混合することにより、長いポリマ鎖になり得る。ＭＢＡのような架橋剤は、ポリマの強度を高める、ポリマをより粘性にする、及び、ポリマに自己修復特性を付与するために使用され得る。ゲル化又は重合は、過硫酸カリウム又は過硫酸ナトリウム又は過硫酸アンモニウムのような開始剤を使用して行われ得る。
[0029] 電解質の分離は、任意の適切な方法論を使用することによって達成され得る。例えば、イオン選択特性を有するアイオノマが埋め込まれたゲル層は、中和イオンのクロスオーバを防止するバリア層として機能し得る。ゲル化手順は、本明細書に開示されるフリーラジカル重合を介して行われ得る。硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、重炭酸カリウム、重炭酸ナトリウムなど、又はそれらの任意の組み合わせを含んでよい緩衝添加剤は、ゲル化アイオノマに添加され得る。ＬｉＳｉＣＯＮ、ＮａＳｉＣＯＮ、ナフィオン膜、陰イオン交換膜、バイポーラ膜などのようなイオン選択セラミックセパレータ又は膜は、電解質分離を達成するためにも使用され得る。
[0030] 本明細書に開示されるのは、二重電解質を利用して対応する電極の高電圧及び容量を生成する高電圧メタルフリーバッテリである。初めて、新規の電極対が提示され、このような電極対は、安全性、非毒性、及び不燃性という追加のバッテリの利点を有利に示す。特許及び学術文献において初めて、単一のレドックス活性元素の対が開示され、この新規の電極ケミストリの対は、バッテリのエネルギー密度を有利に増加させる二重電解質の変換特性を示す。
[0031] 本明細書に開示されるのは、単回使用特性及び再充電可能な特性の両方を有する、１．６Ｖ超と５Ｖの間の平均放電容量を０Ｖと５Ｖの間の動作範囲で送達し得る高電圧メタルフリーバッテリである。
[0032] この開示において、メタルフリー高電圧水性バッテリが開示される。この開示において、高電圧メタルフリーバッテリは、１．６Ｖ超～５Ｖの間の平均放電電位を特徴としてよい。従来のアルカリＭｎＯ２｜Ｚｎバッテリの平均放電電位は１．６Ｖである。本明細書に開示される高電圧メタルフリーバッテリは、電極又は電解質中のドーパント又は添加剤の使用に応じて、１回放電し得る、又は再充電可能な特性を有し得る。本明細書に開示される高電圧メタルフリーバッテリは、単回使用であり得る、又は再充電可能になり得る。この系の電極対は、単一のレドックス活性元素の酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、有機化合物、又はそれらの任意の組み合わせのもの、及び／又は充電中及び放電中にそれぞれ、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、有機化合物、又はそれらの任意の組み合わせの構造を保持する、様々な酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、又はそれらの任意の組み合わせの対であり得る。理論に拘束されることを望むものではないが、得られる容量は、イオンの挿入又はインタカレーション及び／又は溶解－沈殿反応のメカニズムによるものであり得る。比較的高い放電電位は、水素（又はプロトン）活性及びヒドロキシル活性に関する様々な強度を有する電解質の切り離しによって達成され得る。いくつかの実施形態において、高電圧メタルフリーバッテリの長期再充電性は、添加剤及び／又はドーパントの使用によって得られ得る。陽極液と陰極液の分離は、イオン選択性セラミック及び／又はポリマ膜の使用によっても得られ得る。場合によっては、イオン移動による中和を防ぐためにイオン選択性アイオノマを埋め込んだ電解質のゲル化の使用によって分離が達成され得る。さらに、イオン選択性アイオノマ及び緩衝剤を含有する緩衝層として機能するゲル化セパレータは、陽極液を陰極液から分離するために採用されてよい。本開示の緩衝層における使用に適した緩衝剤の非限定的な例としては、炭酸カリウム、重炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。
[0033] この開示において、高電圧メタルフリーバッテリは、必要に応じて、任意の幾何学的な形状因子からなり得る。当業者にとって、高電圧水性Ｚｎアノードバッテリは、円筒状又は角柱状であり得る。さらに、高電圧メタルフリーバッテリは、電解質及び電極のゲル化によって、又は柔軟性を可能にする電極内の結合剤を使用することによって、必要に応じて、柔軟にもなり得る。
[0034] 図１Ａから図１Ｄを参照すると、バッテリ１０は、ハウジング７と、カソード集電体１及びカソード材料２を含み得るカソード１２と、アノード１３を有し得る。いくつかの実施形態において、アノード１３は、アノード集電体４及びアノード材料５を含み得る。図１Ａから図１Ｄの構成要素のスケールは、アノード１３及びカソード１２の周りの電解質を明確に示すために特徴が表されているので、正確ではない場合があることに留意されたい。図１Ａから図１Ｃは、単一のアノード１３及びカソード１２を有する角柱状のバッテリ構成を示す。別の実施形態において、バッテリは、同心円状に配置された電極を有する、又はアノードとカソードが層状にされた後、圧延されてゼリーロール構成を形成する圧延構成での、円筒形バッテリ（例えば、図１Ｄに示されるような）であり得る。カソード集電体１及びカソード材料２は、図１Ｄに示されるように、カソード１２又は正極１２と一括して呼ばれる。同様に、任意選択のアノード集電体４を有するアノード材料５は、アノード１３又は負極１３と一括して呼ばれ得る。電解質は、カソード１２及びアノード１３と接触し得る。本明細書でより詳細に記載されるように、カソード１２及びアノード１３の両方と接触する電解質は、異なる濃度のプロトン及びヒドロキシルイオンを有して実質的に同じであり得る、あるいは、異なる電解質組成物は、アノード１３及びカソード１２と共に使用されて、いくつかの実施形態におけるバッテリ１０の特性を改変する。
[0035] いくつかの実施形態において、バッテリ１０は、任意の構成又は形状因子で存在し得る、１つ以上のカソード１２及び１つ以上のアノード１３を含み得る。複数のアノード１３及び／又は複数のカソード１２が存在する場合、電極は、電極が交互になるように（例えば、アノード、カソード、アノードなど）、層状構成で構成され得る。任意の数のアノード１３及び／又はカソード１２は、所望の容量及び／又は出力電圧を提供するために存在し得る。ゼリーロール構成（例えば、図１Ｄに示されるような）において、複数のカソード１２及びアノード１３は、層状構成で使用され得る、又は、圧延されて交互の層を有する圧延構成を形成し得るが、バッテリ１０は、バッテリ１０の断面が交互電極の層状構成を含むように、１つのカソード１２及び１つのアノード１３のみを圧延構成で有してよい。
[0036] 一実施形態において、ハウジング７は、電解質を含む、バッテリ１０内の電解質溶液に対して一般に非反応性である成形ボックス又は容器を含む。一実施形態において、ハウジング７は、ポリマ（例えば、ポリプロピレン成形ボックス、アクリルポリマ成形ボックスなど）、被覆金属などを含む。
[0037] カソード１２は、電気化学的活物質（例えば、カソード電気活性材料）を含む構成要素の混合物を含み得る。アノード１３は、電気化学的活物質（例えば、アノード電気活性材料）を含む構成要素の混合物を含み得る。本明細書に開示されるように、メタルフリーバッテリは、メタルフリーカソード電気活性材料、及びメタルフリーアノード電気活性材料を有してよいが、金属はバッテリの他の部分に存在してよい。メタルフリー電極（例えば、カソード１２、アノード１３）の寿命、再充電性、及び電気化学的特性を改善するのに役立ち得る、結合剤、導電性材料、及び／又は１つ以上の追加成分などの追加成分は、任意選択で含まれ得る。カソード１２は、カソード材料２（例えば、電気活性材料、添加剤など）を含み得る。カソード１２は、約１重量％と約９５重量％の間で活物質を含み得る。アノード１３は、アノード材料５（例えば、電気活性材料、添加剤など）を含み得る。アノード１３は、約１重量％と約９５重量％の間で活物質を含み得る。
[0038] 本明細書に開示される高電圧メタルフリーバッテリは、メタルフリーカソード１２及びメタルフリーアノード１３などのメタルフリー電極を含む。いくつかの態様において、電極又はバッテリの他の部分に金属が存在する場合でも、各電極の電気活性材料は金属を含まなくてもよい。カソード１２及びアノード１３の対は、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、及び／又は硫化物として存在してよい、本明細書に開示される電極材料のいずれかの組み合わせであり得る。
[0039] 適切な電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、二酸化マンガン、銅マンガン酸化物、ハウスマナイト、酸化マンガン、銅インタカレートビスマスバーネサイト、バーネサイト、トドロカイト、ラムスデライト、パイロルーサイト、パイロクロアイト、銀化合物、酸化銀、二酸化銀、ニッケル化合物、ニッケル有機化合物、オキシ水酸化ニッケル、水酸化ニッケル、酸化鉛、酸化銅、二酸化銅、鉛化合物、二酸化鉛（α及びβ）、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム、過マンガン酸カリウム、過マンガン酸カルシウム、過マンガン酸バリウム、過マンガン酸銀、過マンガン酸アンモニウム、過酸化物、金化合物、過塩素酸塩、酸化コバルト（ＣｏＯ、ＣｏＯ２、Ｃｏ３Ｏ４）、リチウムコバルト酸化物、ナトリウムコバルト酸化物、過塩素酸塩、ニッケル酸化物、Ｍｎ３Ｏ４、ヘテロライト（ＺｎＭｎ２Ｏ４）、水酸化バリウム、水酸化アルミニウム、臭素、水銀化合物、酸化バナジウム、ビスマスバナジウム酸化物、ヒドロキノン、カリックス［４］キノン、テトラクロロベンゾキノン、１，４－ナフトキノン、９，１０－アントラキノン、１，２－ナフタキノン、９，１０－フェナントレンキノン、２，２，６，６－テトラメチルピペリジン－１－イル）オキシル（ＴＥＭＰＯ）のようなニトロキシド－オキソアンモニウムカチオン酸化還元対、炭素、２，３－ジシアノ－５，６－ジクロロジシアノキノン、テトラシアノエチレン、三酸化硫黄、オゾン、酸素、空気、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、硫黄、リン酸鉄リチウム、リチウム銅酸化物、オキシリン酸銅リチウム、又はそれらの任意の組み合わせを含むが、それらに限定されない。いくつかの実施形態において、カソードは、空気極を含み得る。
[0040] いくつかの実施形態において、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、α－ＭｎＯ２、β－ＭｎＯ２、γ－ＭｎＯ２、δ－ＭｎＯ２、ε－ＭｎＯ２、又はλ－ＭｎＯ２を含む、１つ又は多くの多形ＭｎＯ２に基づき得る。水和ＭｎＯ２、パイロルーサイト、バーネサイト、ラムスデライト、ホランダイト、ロマネカイト、トドロカイト、リチオフォライト、カルコファナイト、ナトリウムもしくはカリウムが豊富なバーネサイト、クリプトメレン、ブセライト、オキシ水酸化マンガン（ＭｎＯＯＨ）、α－ＭｎＯＯＨ、γ－ＭｎＯＯＨ、β－ＭｎＯＯＨ、水酸化マンガン［Ｍｎ（ＯＨ）２］、部分的又は完全にプロトン化された二酸化マンガン、Ｍｎ３Ｏ４、Ｍｎ２Ｏ３、ビクスバイト、ＭｎＯ、リチウム化された二酸化マンガン（ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３）、ＣｕＭｎ２Ｏ４、アルミニウムマンガン酸化物、亜鉛マンガン二酸化物、ビスマスマンガン酸化物、銅インタカレートバーネサイト、銅インタカレートビスマスバーネサイト、スズドープマンガン酸化物、マグネシウムマンガン酸化物、又はそれらの任意の組み合わせなどの他の形のＭｎＯ２も存在し得る。一般に、電極中の二酸化マンガンの循環形態は、いくつかの実施形態において、バーネサイトとほとんど同じ意味で称されるδ－ＭｎＯ２を含み得る層状構成を有し得る。二酸化マンガンの非バーネサイト多形形態が使用される場合、それらは、以下でより詳細に記載される１つ以上の状態調節サイクルによってインサイチュ(in-situ)でバーネサイトに変換され得る。例えば、ＭｎＯ２の第２の電子段階の終了までの完全又は部分的な放電（例えば、カソードの第２の電子容量の約２０％～約１００％の間）が行われ、続いてそのＭｎ４＋状態まで再充電し、結果としてバーネサイト相の二酸化マンガンとなる。
[0041] いくつかの実施形態において、本明細書に開示された高電圧メタルフリーバッテリにおける使用に適した電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、α－ＭｎＯ２、β－ＭｎＯ２、γ－ＭｎＯ２、δ－ＭｎＯ２、ε－ＭｎＯ２、λ－ＭｎＯ２、又はそれらの任意の組み合わせを含んでよい。パイロルーサイト、バーネサイト、ラムスデライト、ホランダイト、ロマネカイト、トドロカイト、リチオフォライト、カルコファナイト、ナトリウム又はカリウムが豊富なバーネサイト、クリプトメレン、ブセライト、オキシ水酸化マンガン（ＭｎＯＯＨ）、α－ＭｎＯＯＨ、γ－ＭｎＯＯＨ、β－ＭｎＯＯＨ、水酸化マンガン［Ｍｎ（ＯＨ）２］、部分的又は完全にプロトン化された二酸化マンガン、Ｍｎ３Ｏ４、Ｍｎ２Ｏ３、ビクスバイト、ＭｎＯ、リチウム化された二酸化マンガン（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ＣｕＭｎ２Ｏ４、亜鉛マンガン二酸化物、又はそれらの任意の組み合わせなどの他の形のＭｎＯ２も電極材料に存在し得る。本明細書に開示された高電圧メタルフリーバッテリにおける使用に適した電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の非限定的な例としては、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、α－ＭｎＯ２、β－ＭｎＯ２、γ－ＭｎＯ２、δ－ＭｎＯ２、ε－ＭｎＯ２、λ－ＭｎＯ２、パイロルーサイト、バーネサイト、ラムスデライト、ホランダイト、ロマネカイト、トドロカイト、リチオフォライト、カルコファナイト、ナトリウムもしくはカリウムが豊富なバーネサイト、クリプトメレン、ブセライト、オキシ水酸化マンガン（ＭｎＯＯＨ）、α－ＭｎＯＯＨ、γ－ＭｎＯＯＨ、β－ＭｎＯＯＨ、水酸化マンガン［Ｍｎ（ＯＨ）２］、部分的又は完全にプロトン化された二酸化マンガン、Ｍｎ３Ｏ４、Ｍｎ２Ｏ３、ビクスバイト、ＭｎＯ、リチウム化された二酸化マンガン（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ＣｕＭｎ２Ｏ４、亜鉛マンガン二酸化物、酸化鉛、二酸化鉛、酸化銅、水酸化銅、酸化銀、酸化ニッケル、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、酸化コバルト、水酸化コバルト、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リン酸鉄リチウム、酸化鉄カリウム、酸化鉄バリウム、ヘキサシアノ鉄酸銅、脱リチウム酸化マンガン、脱リチウム酸化ニッケル、脱リチウムニッケルマンガン酸化物、脱リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、酸化鉄、水酸化鉄、酸化スズ、硫化スズ、硫化マンガン、硫化ニッケル、硫化銅、酸化タングステン、二硫化タングステン、カリックス［４］キノン、１，４－ナフトキノン、９，１０－アントラキノン、酸化バナジウム、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。
[0042] 本明細書に記載のセルは、本明細書に記載のカソード材料のいずれかと、上記の材料が適切な電解質（例えば、適切な陽極液及び陰極液など）の存在下で電圧を生成し得るという範囲で記載のアノード材料のいずれかと、を対にすることによって形成され得る。
[0043] いくつかの実施形態において、本明細書に開示される高電圧メタルフリーバッテリにおいて使用されるカソード１２は、金属酸化物、金属水酸化物、金属オキシ水酸化物、金属塩（例えば、金属硫化物）、有機化合物などのような、陰極液３中などプロトン活性の高い電解液中において電気化学的活性を有する電気活性材料を含み得る。
[0044] いくつかの実施形態において、本明細書に開示される高電圧メタルフリーバッテリにおいて使用されるアノード１３は、金属酸化物、金属水酸化物、金属オキシ水酸化物、金属塩（例えば、金属硫化物）、有機化合物などのような、陽極液６中などヒドロキシル活性の高い電解液中において電気化学的活性を有する電気活性材料を含み得る。
[0045] プロトン活性が高い又はヒドロキシル活性が高い電解質中で電気化学的活性を有する電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の非限定的な例としては、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、α－ＭｎＯ２、β－ＭｎＯ２、γ－ＭｎＯ２、δ－ＭｎＯ２、ε－ＭｎＯ２、λ－ＭｎＯ２、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。他の形のＭｎＯ２は、パイロルーサイト、バーネサイト、ラムスデライト、ホランダイト、ロマネカイト、トドロカイト、リチオフォライト、カルコファナイト、ナトリウムが豊富なバーネサイト、カリウムが豊富なバーネサイト、クリプトメレン、ブセライト、オキシ水酸化マンガン（ＭｎＯＯＨ）、α－ＭｎＯＯＨ、γ－ＭｎＯＯＨ、β－ＭｎＯＯＨ、水酸化マンガン［Ｍｎ（ＯＨ）２］、部分的又は完全にプロトン化された二酸化マンガン、Ｍｎ３Ｏ４、Ｍｎ２Ｏ３、ビクスバイト、ＭｎＯ、リチウム化された二酸化マンガン（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ＣｕＭｎ２Ｏ４、亜鉛マンガン二酸化物、酸化鉛、鉛、二酸化鉛、銅化合物、酸化銅、水酸化銅、銀化合物、酸化銀、ニッケル化合物、酸化ニッケル、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、酸化コバルト、コバルト化合物、水酸化コバルト、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リン酸鉄リチウム、酸化鉄カリウム、酸化鉄バリウム、ヘキサシアノ鉄酸銅、脱リチウム酸化マンガン、脱リチウム酸化ニッケル、脱リチウムニッケルマンガン酸化物、脱リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、カリックス［４］キノンのようなキノン化合物、１，４－ナフトキノン、９，１０－アントラキノン、又はそれらの任意の組み合わせなど、電極（例えば、カソード１２，アノード１３）中にも存在し得る。電気活性材料の組み合わせも、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）に採用され得る。電気活性電極材料（例えば、電気活性カソード材料２、電気活性アノード材料５）は、様々な粒径（ナノメートル～マイクロメートル）の粉末の形であり得る。
[0046] 本明細書に開示された高電圧メタルフリーバッテリにおける使用に適したバッテリシステムの例としては、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）｜二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、ＭｎＯ２｜ビクスバイト（Ｍｎ２Ｏ３）、ＭｎＯ２｜ハウスマナイト（Ｍｎ３Ｏ４）、ＭｎＯ２｜パイロクロアイト［Ｍｎ（ＯＨ）２］、ＭｎＯ２｜オキシ水酸化マンガン（ＭｎＯＯＨ）、ＭｎＯ２｜酸化マンガン（ＭｎＯ）、ＭｎＯ２｜オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）、ＭｎＯ２｜水酸化ニッケル［Ｎｉ（ＯＨ）２］、ＭｎＯ２｜酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、ＭｎＯ２｜酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）、ＭｎＯ２｜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ）、ＭｎＯ２｜水酸化銅［Ｃｕ（ＯＨ）２］、ＭｎＯ２｜酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、ＮｉＯＯＨ｜ＮｉＯＯＨ、ＮｉＯＯＨ｜Ｎｉ（ＯＨ）２、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）｜ＮｉＯＯＨ、Ｎｉ２Ｏ３｜Ｎｉ（ＯＨ）２、酸化ニッケル（ＮｉＯ）｜ＮｉＯＯＨ、ＮｉＯ｜Ｎｉ（ＯＨ）２、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３、ＮｉＯ）｜酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられ得る。ＭｎＯ２、ＮｉＯＯＨなどは、これらのバッテリシステムにおいて対になった場合、様々な多形の形に存在し得る。
[0047] カソード電気活性材料及び／又はアノード電気活性材料は、炭素などの導電性添加剤と混合される必要があり得る。導電性炭素などの導電性添加剤を加えることで、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）中の電気活性材料を高充填にすることが可能となり、結果として体積及び重量エネルギー密度が高くなる。いくつかの実施形態において、導電性添加剤は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）中に、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の総重量に基づいて、約１～３０重量％の量で存在し得る。いくつかの実施形態において、導電性添加剤は、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンブラック、アセチレンブラック、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブの分散液、多層カーボンナノチューブの分散液、グラフェン、グラフィン、酸化グラフェン、又はそれらの組み合わせを含み得る。電極（例えば、カソード１２、アノード１３）の電気活性材料がより高充填であることは、いくつかの実施形態において、エネルギー密度を増加させるために望ましい。導電性炭素の他の例として、ＴＩＭＲＥＸ一次合成グラファイト（全タイプ）、ＴＩＭＲＥＸ天然フレークグラファイト（全タイプ）、ＴＩＭＲＥＸ ＭＢ、ＭＫ、ＭＸ、ＫＣ、Ｂ、ＬＢグレード（例として、ＫＳ１５、ＫＳ４４、ＫＣ４４、ＭＢ１５、ＭＢ２５、ＭＫ１５、ＭＫ２５、ＭＫ４４、ＭＸ１５、ＭＸ２５、ＢＮＢ９０、ＬＢファミリー）、ＴＩＭＲＥＸ分散液；ＥＮＡＳＣＯ １５０Ｇ、２１０Ｇ、２５０Ｇ、２６０Ｇ、３５０Ｇ、１５０Ｐ、２５０Ｐ；ＳＵＰＥＲ Ｐ、ＳＵＰＥＲ Ｐ Ｌｉ、カーボンブラック（例として、ケッチェンブラックＥＣ－３００Ｊ、ケッチェンブラックＥＣ－６００ＪＤ、ケッチェンブラックＥＣ－６００ＪＤの粉末）、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ（単層又は多層）、Ｚｅｎｙａｔｔａグラファイト、及び／又はそれらの組み合わせが挙げられる。
[0048] いくつかの実施形態において、導電性添加剤の粒径範囲は、約１～約５０ミクロン、又は約２ミクロンと約３０ミクロンの間、又は約５ミクロンと約１５ミクロンの間であり得る。一実施形態において、導電性添加剤は、粒径範囲が約１０～約５０ミクロン、又は約２０～約３０ミクロンである膨張グラファイトを含み得る。カーボンファイバとナノチューブは、それらの直径が数十から数百ナノメートルになる、様々なアスペクト比を有し得る。いくつかの実施形態において、導電性添加剤に対するグラファイトの質量比は、約５：１～約５０：１、又は約７：１～約２８：１の範囲であり得る。電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）中の導電性添加剤の総質量割合（例えば、炭素の総質量割合）は、約５％～約９９％、又は約１０％～約８０％の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）中の電気活性構成要素は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の重量の１重量％と９９重量％の間であり得、導電性添加剤は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の重量の１重量％と９９重量％の間であり得る。
[0049] いくつかの実施形態において、ドーパント又は添加剤は、再充電性及び性能を向上させるために電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）に添加され得る。添加剤は、電気活性材料と混合された粉末の形、又は電気活性及び導電性炭素が貼付され得る基板の形であり得る。本開示の電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）における使用に適した添加剤の非限定的な例としては、ビスマス化合物、酸化ビスマス、酸化銅、銅化合物、インジウム化合物、水酸化インジウム、酸化インジウム、アルミニウム化合物、酸化アルミニウム、ニッケル化合物、水酸化ニッケル、酸化ニッケル、銀化合物、酸化銀、コバルト化合物、酸化コバルト、水酸化コバルト、鉛化合物、酸化鉛、二酸化鉛、キノン、それらの塩、それらの誘導体、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。いくつかの実施形態において、ドーパント又は添加剤は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）中に、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の総重量に基づいて、０～３０重量％の間の量で存在し得る。
[0050] いくつかの実施形態において、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）も導電性構成要素を含み得る。電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）への導電性構成要素の添加は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）への導電性構成要素の粉末の添加によって達成されてよい。導電性構成要素は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）中に約０～３０重量％の濃度で存在し得る。導電性構成要素は、例えば、ニッケル、銅、銀、金、スズ、コバルト、アンチモン、真鍮、青銅、アルミニウム、カルシウム、鉄、白金、及びそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される１つ以上の金属の酸化物、塩、及び／又は水酸化物であってよい。一実施形態において、導電性構成要素は粉末である。いくつかの実施形態において、導電性構成要素は、酸化物粉末、塩粉末、水酸化物粉末、又はそれらの組み合わせとして添加され得る。いくつかの実施形態において、導電性構成要素は、コバルト酸化物、水酸化コバルト、酸化鉛、水酸化鉛、又はそれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態において、第２の導電性構成要素は、第１及び第２の電子反応が起こる支持導電性骨格として機能するために添加され得る。第２の電子反応は、Ｍｎ３＋イオンが電解質に溶解し、グラファイトなどの材料に沈殿する溶解－沈殿反応を有し、結果として電気化学反応、及び非導電性の水酸化マンガン［Ｍｎ（ＯＨ）２］の形成をもたらす。これにより、最終的には後続のサイクルにおいて容量低下をもたらす。マンガンイオンの溶解度を低下させるのに役立ち得る適切な導電性構成要素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉなどの遷移金属の酸化物、塩、及び／又は水酸化物、及び／又は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃａなどの金属の酸化物、塩、及び／又は水酸化物が含まれる。Ｃｏのような遷移金属の酸化物、塩、及び／又は水酸化物も、Ｍｎ３＋イオンの溶解度を低下させるのに役立ち得る。このような導電性構成要素は、化学的手段又は物理的手段（例えば、ボールミル、乳鉢／乳棒、スペックスミクスチャ）によって電極（例えば、カソード１２、アノード１３）に組み込まれてよい。このような電極（例えば、カソード１２、アノード１３）の例は、５～９５％のバーネサイト、５～９５％の導電性炭素、０～５０％の導電性構成要素、及び１～１０％の結合剤を含む。
[0051] いくつかの実施形態において、結合剤は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）と共に使用され得る。結合剤は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の重量の約０～１０重量％の間、あるいは約１～５重量％の間の濃度で存在し得る。いくつかの実施形態において、結合剤は、増粘剤及び強力な結合剤として使用され得、良好な機械的強度で導電性ポリマと架橋された、水溶性セルロース系ヒドロゲルを含む。結合剤は、セロファンとして販売されるセルロースフィルムであってもよい。結合剤は、冷却と解凍のサイクルを繰り返すことにより水溶性セルロース系ヒドロゲルをポリマと物理的に架橋することによって作成され得る。いくつかの実施形態において、結合剤は、等しい体積に基づく０～１０重量％のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）で架橋された０～１０重量％のカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）溶液を含み得る。結合剤は、従来使用されていたＴＥＦＬＯＮ（登録商標）又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）と比較して、優れた性能を示す。ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）又はＰＴＦＥは、高抵抗材料であるが、その優れた圧延性のため、業界で広く使用されている。しかしながら、これは結合剤としてのＴＥＦＬＯＮ（登録商標）又はＰＴＦＥの使用を除外するものではない。ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）又はＰＴＦＥと、水性結合剤及びいくつかの導電性炭素との混合物は、圧延可能な結合剤の作成に使用され得る。水性系結合剤の使用は、多くのサイクルに亘って容量の損失を最小限にして２電子容量のかなりの部分の達成に役立ち得る。いくつかの実施形態において、結合剤は水系であり得、優れた保水性、接着特性を有し、代わりにＰＴＦＥ結合剤を使用する同一のカソードと比較して導電性の維持の助けとなる。適切な水系ヒドロゲルの例として、メチルセルロース（ＭＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＨ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、ヒドロキシエチルメチルセルロース（ＨＥＭＣ）、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、それらに限定されない。架橋ポリマの例としては、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリアニリン、ポリビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデン、ポリピロール、及びそれらの組み合わせが挙げられる。いくつかの実施形態において、水系セルロース水素の０～１０重量％溶液は、例えば、繰り返される凍結／解凍サイクル、放射線処理、及び／又は化学薬品（例えば、エピクロロヒドリン）によって、架橋ポリマの０～１０重量％溶液と架橋され得る。水性結合剤は、製造性を改善するために０～５％のＰＴＦＥと混合されてよい。
[0052] 電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、追加の元素も含み得る。追加元素は、ビスマス化合物及び／又は銅化合物を含む電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）に含まれ得、それらは一緒になって、カソードの定電流バッテリサイクルの改善を可能にする。バーネサイトとして存在する場合、銅化合物及び／又はビスマス化合物は、バーネサイトの層状ナノ構造に組み込まれ得る。結果として得られるバーネサイト電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、バーネサイトの結晶及びナノ構造に組み込まれた銅化合物及び／又はビスマス化合物により、サイクル及び長期性能の改善を示し得る。
[0053] ビスマス化合物は、ビスマス（酸化状態が５、４、３、２、又は１）の無機又は有機塩として、又は酸化ビスマスとしてカソード１２に組み込まれ得る。ビスマス化合物は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）中に、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の重量の約１～２０重量％の間の濃度で存在し得る。ビスマス化合物としては、塩化ビスマス、臭化ビスマス、フッ化ビスマス、ヨウ化ビスマス、硫酸ビスマス、硝酸ビスマス、三塩化ビスマス、クエン酸ビスマス、テルル化ビスマス、セレン化ビスマス、次サリチル酸ビスマス、ネオデカン酸ビスマス、炭酸ビスマス、次没食子酸ビスマス、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物、酢酸ビスマス、トリフルオロメタンスルホン酸ビスマス、硝酸ビスマス酸化物、没食子酸ビスマス水和物、リン酸ビスマス、ビスマスコバルト酸化亜鉛、亜硫酸ビスマス寒天、オキシ塩化ビスマス、アルミン酸ビスマス水和物、ビスマスタングステン酸化物、ビスマス鉛ストロンチウムカルシウム銅酸化物、アンチモン化ビスマス、テルル化ビスマスアンチモン、イットリア安定化ビスマス酸化物（例えば、イットリアドープビスマス酸化物）、ビスマス－鉛合金、クエン酸ビスマスアンモニウム、２－ナプトールビスマス塩、ジクロロ（トリ－ｏ－トリル）ビスマス、ジクロロジフェニル（ｐ－トリル）ビスマス、トリフェニルビスマス、及び／又はそれらの組み合わせが挙げられる。
[0054] 銅化合物は、銅（酸化状態が１、２、３、又は４）の有機又は無機塩として、又は酸化銅として電極（例えば、カソード１２、アノード１３）に組み込まれ得る。銅化合物は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の重量の約１～７０重量％の間の濃度で存在し得る。いくつかの実施形態において、銅化合物は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の重量の約５～５０重量％の間の濃度で存在する。他の実施形態において、銅化合物は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の重量の約１０～５０重量％の間の濃度で存在する。さらに他の実施形態において、銅化合物は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）の重量の約５～２０重量％の間の濃度で存在する。銅化合物の例としては、銅、並びに銅アルミニウム酸化物、酸化銅（Ｉ）、酸化銅（ＩＩ）、及び／又は、硝酸銅、硫酸銅、塩化銅などを含むがそれらに限定されない酸化状態が＋１、＋２、＋３、又は＋４の銅塩などの銅塩が挙げられる。銅化合物の効果は、ビスマス化合物の酸化及び還元電圧を変化させることである。これは、定電流サイクルにも耐え得ないビスマス改変ＭｎＯ２と比較して、定電流サイクル中における完全な可逆性を有する電極（例えば、カソード１２、アノード１３）をもたらす。
[0055] 電極（例えば、カソード１２、アノード１３）は、大規模製造で実施可能な方法を使用して製造され得る。いくつかの実施形態において、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、２～３０重量％の導電性炭素、０～３０重量％の導電性添加剤、１～７０重量％の銅化合物、１～２０重量％のビスマス化合物、０～１０重量％の結合剤、及びバーネサイト又はＥＭＤを含み得る。別の実施形態において、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、２～３０重量％の導電性炭素、０～３０重量％の導電性添加剤、１～２０重量％のビスマス化合物、０～１０重量％の結合剤、及びバーネサイト又はＥＭＤを含む。一実施形態において、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、２～３０重量％の導電性炭素、０～３０重量％の導電性添加剤、１～７０重量％の銅化合物、１～２０重量％のビスマス化合物、０～１０重量％の結合剤を主成分とし、残りはバーネサイト又はＥＭＤである。別の実施形態において、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、２～３０重量％の導電性炭素、０～３０重量％の導電性添加剤、１～２０重量％のビスマス化合物、０～１０重量％の結合剤を主成分とし、残りはバーネサイト又はＥＭＤである。
[0056] 結果として得られる電極（例えば、カソード１２、アノード１３）は、水銀侵入ポロシメトリーによって測定される２０％～８５％の範囲の多孔性を有してよい。多孔性は、ＡＳＴＭ Ｄ４２８４－１２「水銀圧入ポロシメトリーによって触媒及び触媒担体の細孔容積分布を測定するための標準試験方法」に従って、本出願の出願日現在のバージョンを使用して測定され得る。
[0057] 電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）と外部電気接続との間の電気接続として役立つ導電性材料から形成された電極集電体（例えば、カソード集電体１、アノード集電体４）上に形成され得る。本明細書で述べたように、集電体は、いくつかの態様において金属であってよい。集電体は電気活性材料ではないので、バッテリは、集電体が金属を含む場合でもメタルフリーバッテリということができる。いくつかの実施形態において、電極集電体（例えば、カソード集電体１、アノード集電体４）は、例えば、炭素、鉛、ニッケル、鋼（例えば、ステンレス鋼など）、ニッケル被覆鋼、ニッケルメッキ銅、スズ被覆鋼、銅メッキニッケル、銀被覆銅、銅、マグネシウム、アルミニウム、スズ、鉄、白金、銀、金、チタン、ビスマス、半分ニッケルと半分銅、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。いくつかの実施形態において、電極集電体（例えば、カソード集電体１、アノード集電体４）は、カーボンフェルト、炭素発泡体、導電性ポリマメッシュ、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。電極集電体（例えば、カソード集電体１、アノード集電体４）は、メッシュ（例えば、膨張メッシュ、織メッシュなど）、有孔金属、発泡体、ホイル、フェルト、繊維構造、多孔質ブロック構造、有孔ホイル、ワイヤースクリーン、包装アセンブリ、又はそれらの任意の組み合わせに形成されてよい。いくつかの実施形態において、電極集電体（例えば、カソード集電体１、アノード集電体４）は、ポケットが、電極集電体（例えば、それぞれ、カソード集電体１、アノード集電体４）内の電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）を保持し得る、ポケットアセンブリに形成される、又はその一部を形成し得る。タブは、外部電源と集電体の間の電気接続を提供するために集電体に結合され得る。図１Ｂの電極（例えば、カソード１２、アノード１３）の上部に示されるように、タブは、電極材料（例えば、それぞれ、カソード材料２、アノード材料５）の外側に延在する電極集電体（例えば、カソード集電体１、アノード集電体４）の一部であり得る。
[0058] 電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、電極（例えば、それぞれカソード１２、アノード１３）を形成するために、電極集電体（例えば、カソード集電体１、アノード集電体４）に押し付けられ得る。例えば、電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、例えば、１，０００ｐｓｉと２０，０００ｐｓｉの間（６．９×１０６と１．４×１０８パスカルの間）の圧力で押し付けることによって、電極集電体（例えば、それぞれ、カソード集電体１、アノード集電体４）に付着され得る。電極材料（例えば、カソード材料２、アノード材料５）は、ペーストとして、電極集電体（例えば、それぞれ、カソード集電体１、アノード集電体４）に付着されてよい。結果として得られる電極（例えば、カソード１２、アノード１３）は、約０．１ｍｍ～約５ｍｍの間の厚さを有し得る。
[0059] いくつかの実施形態において、対応する電気活性材料を有するカソード材料及びアノード材料はまた、対応する電解質（例えば、それぞれ、陰極液及び陽極液）中の溶解塩から形成され得る。対応する電解質中の溶解塩からカソード材料及びアノード材料を形成するプロセスは、活性イオンを含む溶解塩が、外部回路から流れ込む電子によって集電体上にメッキされる、充電ステップ又は形成ステップが含まれる。例えば、プロトン活性が高い電解質中の、硫酸マンガン、トリフル酸マンガンなどのようなマンガン塩は、充電又は形成ステップ中にＭｎＯ２を電気メッキする。
[0060] 図１Ｂに示されるように、バッテリ１０は、セパレータを備えていなくてよい。セパレータなしでバッテリ１０を形成する能力は、セパレータ付きのバッテリと同じ又は同様の性能を有しながら、バッテリの全体的なコストの削減を可能にし得る。陰極液及び陽極液に対する高分子ゲル電解質（ＰＧＥ）の使用は、アノード１３とカソード１２の間に物理的障壁を形成して短絡を防止することにより、セパレータの機能を果たし得る。
[0061] いくつかの実施形態において、セパレータ９（例えば、図１Ａ及び１Ｃに示す）及び／又はバッファ層は、電極がバッテリに構成されている場合、アノード１３とカソード１２の間に配置され得る。アノード１３とカソード１２の間に配置されているように示されるが、セパレータ９は、アノード１３及び／又はカソード１２のうちの１つ以上、あるいは、複数のアノード１３及びカソード１２が存在するときの１つ以上のアノード１３及び／又はカソード１２を包むために使用され得る。
[0062] セパレータ９は、１つ以上の層を含んでよい。例えば、セパレータが使用される場合、１～５層のセパレータは、隣接する電極間に適用され得る。セパレータは、ナイロン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）、ポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール、セルロース、又はそれらの任意の組み合わせなどの適切な材料から形成され得る。適切な層及びセパレータの形としては、焼結ポリマフィルム膜、ポリオレフィン膜、ポリオレフィン不織布膜、セルロース膜、セロファン、バッテリグレードのセロファン、親水性改変ポリオレフィン膜など、又はそれらの組み合わせのポリマセパレータ層が挙げられ得るが、それらに限定されない。本明細書で使用される場合、「親水性に改変された」という句は、水との接触角が４５°未満である材料をいう。別の実施形態において、セパレータに使用される材料の水との接触角は３０°未満である。さらに別の実施形態において、セパレータに使用される材料の水との接触角は２０°未満である。ポリオレフィンは、例えば、ＴＲＩＴＯＮ Ｘ－１００（商標）の添加、又は酸素プラズマ処理によって改変されてよい。いくつかの実施形態において、セパレータ９は、ＣＥＬＧＡＲＤ（登録商標）ブランドの微多孔性セパレータを含み得る。一実施形態において、セパレータ９は、ドイツのフロイデンベルクから市販されているポリオレフィン不織布膜であるＦＳ ２１９２ ＳＧ膜を含み得る。いくつかの実施形態において、セパレータは、リチウム超イオン伝導体（ＬＩＳＩＣＯＮ（登録商標））、ナトリウム超イオン伝導体（ＮＡＳＩＣＯＮ）、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）、バイポーラ膜、水電解膜、ポリビニルアルコールと酸化グラフェンとの複合体、ポリビニルアルコール、架橋ポリビニルアルコール、又はそれらの組み合わせを含み得る。
[0063] セパレータ９は様々な材料を含み得るが、１つ以上のセパレータが存在する場合、電解質に対するＰＧＥの使用は、比較的安価なセパレータ９の使用を可能にし得る。例えば、セパレータ９は、ＣＥＬＬＯＰＨＡＮＥ（登録商標）、ポリビニルアルコール、ＣＥＬＧＡＲＤ（登録商標）、ポリビニルアルコールと酸化グラフェンとの複合体、架橋ポリビニルアルコール、ＰＥＬＬＯＮ（登録商標）、及び／又は炭素－ポリビニルアルコールの複合体を含み得る。セパレータ９の使用は、バッテリ２０のサイクル寿命の改善に役立ち得るが、全ての実施形態において必須ではない。
[0064] バッファ層が使用される場合、バッファ層は、単独で、又はセパレータ９と組み合わせて使用され得る。バッファ層は、陽極液及び／又は陰極液と同じ電解質配合を有し得るゲル化された溶液を含み得る。例えば、バッファ層は、本明細書に記載のＰＧＥであり得る。水酸化カルシウム、ヒドロタルサイト類のような層状複水酸化物、クインティナイト、フォーゲライト、水酸化マグネシウム、又はそれらの組み合わせなどの、１つ以上の添加剤も、バッファ層中に存在し得る。例えば、陽極液と陰極液が実質的に同じ配合であり、プロトン及びヒドロキシルアニオンの組成、及び／又は粘度が異なるだけの場合、バッファ層の電解質の濃度は、陽極液又は陰極液と同じであり得る、又は陽極液の濃度と陰極液の濃度の間であり得る。バッファ層は、陽極液と陰極液の間のイオンの移動の制限はもちろん、陽極液と陰極液の間の混合を防止するのに役立つように、陽極液又は陰極液のいずれよりも高い粘度を有し得る。
[0065] 図１Ａから図１Ｄに示されるように、陰極液３は、カソード１２と接触し得、陽極液６は、アノード１３と接触し得る。本明細書でより詳細に記載されるように、陰極液３及び／又は陽極液６の一方又は両方は、２つの電解質溶液間の混合を防ぐために、重合又はゲル化されて、別個のゲル電解質を形成し得る。陰極液３は、カソード材料２と接触してハウジング１０内に配置され得る。いくつかの実施形態において、陽極液６は重合又はゲル化され得、陰極液３は液体であり得る。別の実施形態において、陰極液３は重合又はゲル化され得、陽極液６は液体であり得る。陽極液６の重合は、陰極液３が液体である場合でさえ、陰極液３と陽極液６の間の混合を防止し得る。陰極液３の重合は、陽極液６が液体である場合でさえ、陰極液３と陽極液６の間の混合を防止し得る。いくつかの実施形態において、陰極液３及び陽極液６の両方がゲル化される。
[0066] 本明細書に開示されるように、カソード側及びアノード側の電解質は分離されるであろう。カソード電解質（例えば、陰極液３）には、通常、酸が好ましく、アノード電解質（例えば、陽極液６）には、通常、塩基が好ましい。しかしながら、電解質は、必要に応じて２つの電極間で簡単に交換できる。本明細書に開示された電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）における使用に適した酸の非限定的な例としては、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。トリフル酸はプロトン活性が高い超酸であり、これらの酸の使用は、大幅な能力の向上に役立つ。本明細書に開示された電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）における使用に適した塩基の非限定的な例としては、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。
[0067] 酸性電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）は、バッテリの電位を規定するプロトン活性が比較的高い。電解質中のプロトンの活性が高いほど、バッテリの電位が高くなる。酸解離定数（Ｋａ）は、プロトンの活性を判断するための比較的良い指標である。電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）における使用に適した酸性電解質又はイオンの、Ｋａが低いものから非常に大きなものまでの非限定的な例としては、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。いくつかの実施形態において、陰極液３は酸性電解質を含む。
[0068] 電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）は、そのｐＨが、約４未満、あるいは約３未満、あるいは約２未満、あるいは約１未満、あるいは－１．２と４の間、あるいは－１．２と３の間、あるいは－１．２と２の間、あるいは－１．２と１の間であり得る酸性溶液であり得る。電解液（例えば、陰極液３、陽極液６）は、０℃と２００℃の間の範囲の温度条件において使用され得る。いくつかの実施形態において、電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）は、鉱酸（例えば、塩酸、硝酸、硫酸など）などの酸を含み得る。酸性電解質組成物の場合、酸濃度（例えば、酸性電解質の濃度）は、約０．０００１Ｍと約１６Ｍの間、あるいは約０．００１Ｍ～約１６Ｍ、あるいは約０．０１Ｍ～約１６Ｍ、あるいは約０．１Ｍ～約１６Ｍ、あるいは約１Ｍ～約１６Ｍであり得る。
[0069] いくつかの実施形態において、酸性電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）の水素活性は、異なる強度の酸を使用することによって変更され得る。Ｋａは、酸の強さを判断するための比較的良い指標である。電解質溶液には、Ｋａが低いものから非常に大きなものまで、以下の電解質又はイオンが使用され得る：リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、又はそれらの任意の組み合わせ。酸性電解質のこれらの例は、水素（又はプロトン）活性の変更に役立ち得るが、酸性電解質と他の電解質の任意の組み合わせがプロトン活性を変更するために使用され得ることは、化学又は電気化学の当業者には明らかであるだろう。
[0070] アルカリ電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）は、バッテリの電位を規定するヒドロキシル活性が比較的高い。電解質中のヒドロキシルの活性が高いほど、バッテリの電位が高くなる。電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）における使用に適した、ヒドロキシル活性が比較的高いアルカリ電解質又はイオンの非限定的な例としては、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。いくつかの実施形態において、陽極液６は、塩基性電解質（例えば、アルカリ電解質）を含む。
[0071] いくつかの実施形態において、陽極液はアルカリ電解質（例えば、アルカリ性が比較的高い電解液）であり得るが、陰極液は酸性溶液（例えば、酸性が比較的高い溶液）であり得る。
[0072] アルカリ電解質は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウム、水酸化セシウム、又はそれらの任意の組み合わせなどの水酸化物であり得る。結果として得られる電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）は、１０以上、あるいは１１以上、あるいは１２以上、あるいは１３以上のｐＨを有することができる。いくつかの実施形態において、アルカリ電解液（例えば、陰極液３、陽極液６）のｐＨは、約１０以上且つ約１５．１３以下、あるいは約１１以上且つ約１５．１３以下、あるいは約１２以上且つ約１５．１３以下、あるいは約１３以上且つ約１５．１３以下であり得る。本明細書に記載されるように、電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）は、重合又はゲル化され得る。結果として得られる電解質は、バッテリ内の流れに抵抗する半固体状態であり得る。これは、陽極液と陰極液の混合の制限又は防止に役立ち得る。電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）は、本明細書に記載された技術のいずれかを含む、任意の適切な技術を使用して重合され得る。いくつかの実施形態において、アルカリ電解質は、陽極液６及び／又は陰極液３の総重量に基づいて、１～７０重量％、あるいは１～２５重量％、あるいは２５～７０重量％、あるいは２０～６０重量％、あるいは２０～５５重量％、あるいは３０～５５重量％、あるいは１～６０重量％、あるいは１～５５重量％、あるいは５～６０重量％、あるいは１０～６０重量％、あるいは２０～６０重量％の量で、それぞれ、陽極液６及び／又は陰極液３中に存在し得る。通常、電解質中のゲル化状態の金属イオンの溶解度を高めるために、より高濃度のアルカリ電解液が使用される。例えば、アルカリ電解質のより高い濃度は、陽極液６及び／又は陰極液３の２５～７０重量％の間であり得る。
[0073] いくつかの実施形態において、電解質（例えば、陰極液３、陽極液６）のヒドロキシル活性は、異なる強度の塩基を使用することによって変更され得、以下の低強度のものから高強度のものまで使用され得る：アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、又はそれらの任意の組み合わせ。アルカリ電解質のこれらの例は、ヒドロキシル活性の変更に役立ち得るが、アルカリ電解質と他の電解質の任意の組み合わせがヒドロキシル活性を変更するために使用され得ることは、化学又は電気化学の当業者には明らかであるだろう。
[0074] 電解質添加剤は、カソード材料及びアノード材料の性能の向上に役立ち得る。本明細書に開示される酸性電解質（例えば、酸性カソード電解質、陰極液３）における使用に適した電解質添加剤の非限定的な例としては、硫酸マンガン、硫酸ニッケル、過マンガン酸カリウム、塩化マンガン、酢酸マンガン、トリフル酸マンガン、塩化ビスマス、硝酸ビスマス、硝酸マンガン、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸亜鉛、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、トリフル酸亜鉛、塩化インジウム、硫酸銅、塩化銅、硫酸鉛、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、バニリン、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硝酸リチウム、塩化リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、トリフル酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸アンモニウム、重炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、又はそれらの任意の組み合わせを含む。電解質中の電解質添加剤の濃度は、０Ｍと５Ｍの間であり得る。本明細書に開示される塩基性電解質（例えば、アルカリアノード電解質、陽極液６）における使用に適した電解質添加剤の非限定的な例としては、バニリン、水酸化インジウム、酢酸亜鉛、酸化亜鉛、酢酸マンガン、臭化セチルトリメチルアンモニウム、ドデシル硫酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリエチレングリコール、エタノール、メタノール、グルコン酸亜鉛、グルコン酸マンガン、酢酸マンガン、グルコース、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。
[0075] 酸性電解質（例えば、陰極液３）添加剤は、電極材料（例えば、カソード材料）の性能の向上に役立ち得る。本開示における使用に適した酸性電解質添加剤（例えば、陰極液添加剤）の非限定的な例としては、硫酸マンガン、硫酸ニッケル、過マンガン酸カリウム、塩化マンガン、酢酸マンガン、トリフル酸マンガン、塩化ビスマス、硝酸ビスマス、硝酸マンガン、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸亜鉛、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、トリフル酸亜鉛、塩化インジウム、硫酸銅、塩化銅、硫酸鉛、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、バニリン、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硝酸リチウム、塩化リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、トリフル酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸アンモニウム、又はそれらの任意の組み合わせを含む。陰極液添加剤の濃度は、０Ｍと５Ｍの間であり得る。
[0076] いくつかの実施形態において、酸性電解質溶液（例えば、陰極溶液）は、過マンガン酸カリウム、過マンガン酸ナトリウム、過マンガン酸リチウム、過マンガン酸カルシウム、硫酸マンガン、塩化マンガン、硝酸マンガン、過塩素酸マンガン、酢酸マンガン、ビス（トリフルオロメタンスルホン酸）マンガン、トリフル酸マンガン、炭酸マンガン、シュウ酸マンガン、フルオロケイ酸マンガン、フェロシアン化マンガン、臭化マンガン、硫酸マグネシウム、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、硫酸亜鉛、トリフル酸亜鉛、酢酸亜鉛、硝酸亜鉛、塩化ビスマス、硝酸ビスマス、硝酸、硫酸、塩酸、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸コバルト、硫酸鉛、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、硫酸チタン、塩化チタン、硝酸リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、重炭酸リチウム、酢酸リチウム、硫酸リチウム、硝酸リチウム、亜硝酸リチウム、水酸化リチウム、過塩素酸リチウム、シュウ酸リチウム、フッ化リチウム、炭酸リチウム、硫酸リチウム、臭素酸リチウム、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、キサンタンガム、カラギーナン、アクリルアミド、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム、Ｎ，Ｎ’－メチレンビスアクリルアミド、又はそれらの任意の組み合わせを含む溶液を含み得る。例えば、陰極溶液は、硫酸と混合された硫酸マンガン、又は硫酸と混合された過マンガン酸カリウムを含み得る。この溶液に対する他のドーパントは、硫酸亜鉛、硫酸鉛、二硫化チタン、硫酸チタン水和物、硫酸銀、硫酸コバルト、及び硫酸ニッケルであり得る。いくつかの実施形態において、陰極溶液は、硫酸マンガン、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、酢酸マンガン、過マンガン酸カリウム、及び／又は過マンガン酸塩の塩を含み得、添加剤の濃度は、０Ｍと１０Ｍの間であり得る。使用されるマンガン塩の種類によって、バッテリシステムの電圧は異なり得る。例えば、硫酸マンガン電解質において、ＳＳ－ＨｉＶＡＢの電圧は約２．４５～２．５Ｖであるが、過マンガン酸カリウム電解質において、ＳＳ－ＨｉＶＡＢの電圧は約２．８～２．９Ｖである。
[0077] いくつかの実施形態において、酸性電解質（例えば、陰極液３）は過マンガン酸塩を含み得る。過マンガン酸塩は高い正の電位を有する。これにより、バッテリ１０内で全体的なセル電位の増加が可能となり得る。存在する場合、過マンガン酸塩は、正確な量がバッテリ１０の予想される作動条件に基づいて変化し得るが、約５：１～約１：５、又は約１：１～約１：６、又は約１：２～約１：４の間、又は約１：３の過マンガン酸塩に対する酸（例えば、塩酸、硫酸などの鉱酸）のモル比で存在し得る。過マンガン酸塩（例えば、過マンガン酸カリウム又は過マンガン酸塩の塩など）の濃度は、０超且つ５Ｍ以下であり得る。いくつかの実施形態において、酸性電解質溶液（例えば、陰極溶液）は、０．０００１Ｍ超且つ１６Ｍ以下の濃度で、硫酸、塩酸、又は硝酸を含む。過マンガン酸塩の使用は、高電圧バッテリの作成に有利であり得る。陰極液が過マンガン酸塩を含む場合、適切な過マンガン酸塩は、過マンガン酸カリウム、過マンガン酸ナトリウム、過マンガン酸リチウム、過マンガン酸カルシウム、及びそれらの組み合わせが含まれ得るが、それらに限定されない。
[0078] 水酸化物に加えて、アルカリ電解質（例えば、陽極液６）は追加の構成要素を含み得る。いくつかの実施形態において、アルカリ電解質は、添加剤として、酸化亜鉛、炭酸カリウム、ヨウ化カリウム、及びフッ化カリウムを有し得る。亜鉛化合物が陽極液中に存在する場合、陽極液は、硫酸亜鉛、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、炭酸亜鉛、塩素酸亜鉛、フッ化亜鉛、ギ酸亜鉛、硝酸亜鉛、シュウ酸亜鉛、亜硫酸亜鉛、酒石酸亜鉛、シアン化亜鉛、酸化亜鉛、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、フッ化カリウム、硝酸リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、重炭酸リチウム、酢酸リチウム、硫酸リチウム、過マンガン酸リチウム、硝酸リチウム、亜硝酸リチウム、過塩素酸リチウム、シュウ酸リチウム、フッ化リチウム、炭酸リチウム、臭素酸リチウム、アクリル酸、Ｎ，Ｎ’－メチレンビスアクリルアミド、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、又はそれらの組み合わせを含み得る。
[0079] いくつかの実施形態において、アルカリ電解質（例えば、陽極液６）は、バニリン、水酸化インジウム、酢酸亜鉛、酸化亜鉛、臭化セチルトリメチルアンモニウム、ドデシル硫酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリエチレングリコール、エタノール、メタノール、グルコン酸亜鉛、グルコン酸マンガン、酢酸マンガン、グルコース、又はそれらの任意の組み合わせなどの電解質添加剤（例えば、陽極液添加剤）を含み得る。
[0080] いくつかの実施形態において、適切な塩を含む有機溶媒が、電解質として使用され得る。適切な有機溶媒の例としては、環状炭酸塩、鎖状炭酸塩、ジアルキル炭酸塩、脂肪族カルボン酸エステル、γ－ラクトン、鎖状エーテル、環状エーテル、非プロトン性有機溶媒、フッ素化カルボン酸エステル、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、それらに限定されない。本明細書に記載の塩を含む任意の適切な添加剤は、陽極液及び／又は陰極液用の有機電解質を形成するために、有機溶媒と共に使用され得る。
[0081] いくつかの実施形態において、イオン性液体は、ゲル電解質（例えば、ゲル化した陽極液、ゲル化した陰極液など）を形成するために使用され得る。イオン性液体は、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム塩化物（ＥＭＩｍＣｌ）、１－アリル－３－メチルイミダゾリウム臭化物、１－アリル－３－メチルイミダゾリウム塩化物、１－ブチル－２，３－ジメチルイミダゾリウム塩化物、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム酢酸塩、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム臭化物、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムテトラクロロアルミン酸塩、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、過塩素酸リチウム、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（オキサラト）ホウ酸リチウム、及びそれらの組み合わせを含み得る。他のイオン性液体が知られており、また、使用され得る。いくつかの実施形態において、ＥＭＩｍＣｌは、イオン性液体として使用され得、アルミニウム塩と混合されてアルミニウムイオン伝導性電解質を形成する前に精製され得る。アルミニウム塩は、塩化アルミニウム、酢酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、臭化アルミニウムなどであり得る。ＥＭＩｍＣｌと塩化アルミニウムの混合物は、不活性雰囲気中で正確な量の塩化アルミニウムをゆっくりと添加することによって作成され得る。ＥＭＩｍＣｌに対する塩化アルミニウムの混合比は、５：１～１：１の間、又は約１．５：１であり得る。
[0082] いくつかの実施形態において、塩中水型電解質はゲル化され、陰極液及び／又は陽極液として使用され得る。塩中水型電解質は、塩濃度が飽和点を超える電解質を含み得る。塩中水型電解質を形成するために、飽和点を超えて塩濃度を増加させることにより、水性電解質中の水の活性はさらに低下され得る。このような電解質のイオン伝導率は、通常の水性電解質のイオン伝導率よりも高くなり得る。塩中水型電解質は、水性陽極液及び／又は水性陰極液に対して本明細書に記載の塩及び添加剤のいずれかを含む、その飽和点を超える適切な塩と共に水を含み得る。
[0083] 中和が起こらないように、陽極液及び陰極液は、分離しておく、又は切り離しておく必要がある。このような分離は、電解質のゲル化又は重合、及びそれらの任意の組み合わせを通じて、セパレータを使用することによって達成され得る。
[0084] 陽極液及び陰極液の一方又は両方は、バッテリ内でゲル化され得る。重合プロセスは、本明細書に記載されたもの（例えば、有機、水性、イオン性液体、塩中水など）のいずれかを含む任意の電解質で行われ得る。例えば、ステップ成長、連鎖成長、乳化重合、溶液重合、懸濁重合、沈殿重合、光重合などの、いくつかの重合技術は、ゲル／固体電解質を形成するために使用され得る。ゲル／固体電解質が重合ステップを通して形成されると、それらは、本明細書に記載される単一のバッテリハウジングに組み合わされ得る。バッテリはセパレータを使用し得る、又はメンブレンレスもしくはセパレータレスであり得る。
[0085] 本明細書に記載されるように、電解質は、重合又はゲル化されて、陰極液及び／又は陽極液用の高分子ゲル電解質（ＰＧＥ）を形成し得る。結果として得られるＰＧＥは、バッテリ内の流れに抵抗する半固体状態であり得る。例えば、ＰＧＥは、水性電解質を含浸させた不活性親水性ポリママトリクスを含み得る。電解質は、任意の適切な技術を使用して重合され得る。一実施形態において、ＰＧＥを形成する方法は、ＰＧＥ用のモノマ材料の選択で始まり得る。モノマは、アクリル酸、酢酸ビニル、アクリル酸エステル、イソシアン酸ビニル、アクリロニトリル、又はそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される極性ビニルモノマであり得る。その後、水性電解質の構成要素が選択され得、電解質に対して上記の構成要素のいずれかを含み得る。重合プロセスを開始するため、開始剤は添加され得る。いくつかの実施形態において、架橋剤は、ＰＧＥを形成するために、ポリママトリクスをさらに架橋するように電解質組成物において使用され得る。組成物中のモノマ（例えば、極性ビニルモノマ）は、約５重量％～約５０重量％の間の量で存在し得、開始剤は、約０．００１重量％～約０．１重量％の間の量で存在し得、架橋剤は、０～５重量％の間の量で存在し得る。
[0086] いくつかの実施形態において、ＰＧＥはインサイチュで形成され得るが、これは、電解質を液体としてハウジングに導入し、続いて重合してハウジング内にＰＧＥを形成することをいう。この方法は、完全に重合してＰＧＥを形成する前に、電解質組成物が、空隙、アノード、及び／又はカソードに浸漬することを可能にし得る。いくつかの実施形態において、対応する区画への電解質の導入にあたり、ハウジング７内に真空（例えば、大気圧よりも低い圧力）が作り出され得る。真空は、空気を除去し、電解質が、アノード１３に、カソード１２に、及び／又は、バッテリ１０内の様々な空隙に浸透するのを可能にするために役立ち得る。いくつかの実施形態において、真空は、水銀柱約１０インチと２９．９インチの間、又は真空水銀柱約２０インチと約２９．９インチの間であり得る。真空の使用は、電解質の完全な重合の前に、バッテリ１０内のエアポケットの存在を回避するのに役立ち得る。いくつかの実施形態において、電極は、電解質が電極に含浸されることを可能にするために、電解質の完全な重合の前に０℃～３０℃の間の温度で１～１２０分の間、電解液に浸漬され得る。電解質が重合されると、使用前にバッテリの休止が可能となり得る。いくつかの実施形態において、バッテリは、５分と２４時間の間で休止が可能であり得る。
[0087] 電極に電解質を含浸させるのを役立てるために、電極は、電解質を重合する前に、選択された電解液に事前に浸漬され得る。これは、バッテリ又はハウジングの外側の電解質に（例えば、陰極液又は陽極液に別々に）電極を浸漬した後、事前に浸した電極をハウジングに入れてバッテリを構築することにより行われ得る。いくつかの実施形態において、ポリマ又はゲル化剤を含まない電解質は、電極をインサイチュで浸漬するためにバッテリに導入され得る。これは、電極の含浸を補助する真空の使用を含み得る。電極は約１分と２４時間の間で浸漬され得る。いくつかの実施形態において、バッテリが電解質で満たされ、浸漬可能にされ、排出され、再充填され、そして浸漬可能にされて、所望の回数を排出する、複数のサイクルにわたって浸漬は行われ得る。電極が電解質に浸漬されて含浸されると、ポリマ及び重合剤（例えば、開始剤、架橋剤など）を含む電解質は、最終バッテリを形成するため、ハウジングに導入され、重合可能にされ得る。
[0088] 電解質の組成、モノマ材料、開始剤、及び形成の条件（例えば、温度など）は、電解質組成物がバッテリの構成要素を適切に浸漬して電極に吸収させ浸透させることを可能にするような所望の重合時間を提供するために選択され得る。温度は、重合プロセスを制御するために制御され得て、温度が比較的低いと重合が抑制又は遅くなり得、温度が比較的高いと重合時間を短縮する、又は重合プロセスを促進させ得る。また、アルカリ電解質成分（例えば、水酸化物）の増加は、重合時間を短縮し得、開始剤濃度の増加は、重合時間を短縮することになる。適切な重合時間は、電解質溶液の組成、及び反応の温度に基づいて、１分と２４時間の間であり得る。
[0089] いくつかの実施形態において、陽極液及び／又は陰極液は、例えば、アクリル酸がモノマとして使用され得る、フリーラジカル重合技術などのゲル化プロセスを介して形成され得る。アクリル酸は、実質的に溶解するまで、陽極液又は陰極液と混合され得る。Ｎ，Ｎ’－メチレンビスアクリルアミド（ＭＢＡ）のような架橋剤は、ポリマの強度を高めるために使用され得る。酸性電解質（例えば、陽極液）の場合、アクリル酸とＭＢＡを混合するプロセスは、通常、反応において発生する熱のために比較的低温で行われ得る。しかしながら、アルカリ電解液（例えば、陰極液）の場合、アクリル酸とＭＢＡの混合物は、５０～２００℃に加熱され得る。重合は、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム、又はそれらの任意の組み合わせなどの過硫酸塩の塩のような開始剤の添加を通して開始され得る。本明細書に開示された電解質添加剤（例えば、陽極液添加剤、陰極液添加剤）は、ゲル化プロセス中に含められ得る。ゲル化プロセス中にアイオノマも添加され得る。ゲル化プロセス中に電解質に添加され得るアイオノマの非限定的な例としては、酸の形のパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）／ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）コポリマ、又はポリ芳香族ポリマを有する陰イオン交換アイオノマから作成されるナフィオン溶液が挙げられる。
[0090] 重合プロセスの例として、アクリル酸、Ｎ，Ｎ’－メチレンビスアクリルアミド、及びアルカリ溶液の混合物は、約０℃の温度で生成され得る。その後、任意の添加剤は、溶液に添加され得る（例えば、気体発生抑制剤、本明細書に記載の追加の添加剤など）。例えば、電解質添加剤は、電解質に使用される場合、前駆体構成要素を混合した後にアルカリ溶液に溶解され得、電解質添加剤は、電極の電気化学サイクル中に有益であり得る。結果として得られる混合物を重合するために、過硫酸カリウムなどの開始剤は、重合プロセスを開始し、固体又は半固体の重合電解質（例えば、ＰＧＥ）を形成するために添加され得る。結果として得られる重合電解質は、重合プロセスが発生すると、経時的に安定であり得る。
[0091] 一例として、本明細書に記載されたＰＧＥは、フリーラジカル重合プロセスを通して作成され得る。ある実施形態において、架橋剤としてのＮ、Ｎ’－メチレンビスアクリルアミド（ＭＢＡ）、及び開始剤としての過硫酸カリウム（Ｋ２Ｓ２Ｏ８）と共に、アクリル酸（ＡＡ）は、モノマとして使用され得る。陽極液を調製するとき、ＫＯＨなどのアルカリ電解質は、このプロセスに追加され得、陽極液ゲル／ポリマフレームワークに埋め込まれ得る。ＡＡへのアルカリ電解質の添加は、高分子ゲル中のアルカリ電解質の濃度を減少させる、中和をもたらす。アルカリ電解質の濃度が異なると、ゲル化時間が変化し得る。アルカリ電解質の濃度が高いと、通常、ゲル化がより速くなり、一方で、アルカリ電解質の濃度が低いと、より長い時間がかかる。また、開始剤濃度は、ゲル化プロセスに影響を与え得る。さらに、ゲルの粘度は、モノマ及びＭＢＡの濃度を変化させることで調整され得、イオン伝導率にも影響を与え得る。同様に、陰極液を調製するとき、硫酸などの酸性電解質は、このプロセスに加えられ得、陰極液ゲル／ポリマフレームワークに埋め込まれ得る。
[0092] いくつかの実施形態において、アイオノマゲル化層も作成され得、アイオノマゲル化層は、陰極溶液及び陽極溶液、又はそれらのゲルを分離し得る。アイオノマゲル化層を形成するためのゲル化プロセスは、本明細書に記載の陽極液ゲル及び／又は陰極液ゲルを形成するゲル化プロセスと実質的に同様であり、ゲル化プロセス中にアイオノマは電解質に添加される。アイオノマゲル（例えば、アイオノマゲル化層）は、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸アンモニウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、又はそれらの任意の組み合わせなどの添加剤も含み得る。アイオノマ樹脂はまた、アイオノマゲル化層を生成するためのゲル化プロセスにおいて使用され得る。
[0093] 重合プロセスは、バッテリ１０の構築前、又はセルが構築された後に発生し得る。いくつかの実施形態において、電解質は、重合されてトレイに入れられてシートを形成し得る。重合されると、シートは適切なサイズ及び形状に切断され得、１つ以上の層は、電極と接触する電解質を形成するために使用され得る。事前に形成されたＰＧＥを使用する場合、追加の液体電解質はバッテリに導入され得る、及び／又は、電極はバッテリを構築する前に電解質に事前に浸漬され得る。
[0094] いくつかの実施形態において、ＰＧＥは、水性電解質、有機電解質、イオン性液体、塩中水型電解質などを使用して形成され得る。いくつかの実施形態において、水性電解質は、陰極液及び／又は陽極液に使用され得、ゲル化されて、ＰＧＥとして水性ヒドロゲルを形成し得る。いくつかの実施形態において、水性ヒドロゲルは、フリーラジカル重合プロセスを通して作成され得る。例えば、陽極液を調製するとき、架橋剤としてのＮ，Ｎ’－メチレンビスアクリルアミド（ＭＢＡ）、及び開始剤としての過硫酸カリウムと共に、アクリル酸（ＡＡ）は、モノマとして選択され得る。水性アルカリ陽極液において、適切な水酸化物（例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなど）が使用されて電解質を形成できる。水酸化物をＡＡで中和することによって、水酸化物は、ヒドロゲルネットワークに内包され得る。ヒドロゲルを作成するために、モノマは、架橋剤が溶解されるまで、任意の架橋剤と組み合わされ得る。これとは別に、ある量の水酸化物は、冷却されて反応を遅らせ得る。陽極液が水性電解質であるいくつかの実施形態において、水酸化物は、約１０℃未満、約５℃未満、又は約０℃未満の温度に冷却され得る。そして、モノマと任意の架橋剤の混合溶液は、中和反応が熱を放出するので、水酸化物の冷却溶液に滴下され得る。結果として得られる水酸化物、モノマ、及び架橋剤の混合物をゲル化するために、過硫酸カリウムなどの開始剤は添加され得る。その後、混合物は、ＰＧＥの形成が可能になり得る。ヒドロゲルの様々な機械的強度を得るために、成分の量と濃度は変更され得る。同様に、陰極液を調製するとき、硫酸などの酸性電解質は、ヒドロゲルネットワークに内包され得る。
[0095] イオン性液体を含む電解質は、本明細書に記載されたイオン性液体のいずれかを含むＰＧＥを形成するためにも使用され得る。イオン性液体を使用してＰＧＥを形成するために、適切な溶媒に含まれ得る、任意の添加剤の溶液は調製され得、モノマは添加され得る。モノマは、任意の適切なモノマであり得る。例えば、アクリルアミドはイオン性液体の重合剤として使用され得る。この溶液に対して、添加剤溶液と一緒にイオン性液体は、開始剤と一緒に混合され得る。重合剤と共に使用するための任意の適切な開始剤は、使用され得る。例えば、アゾビスイソブチロニトリルはアクリルアミドと一緒に使用され得る。開始剤は、重合剤の約１重量％などの適切な量で添加され得る。その後、この最終溶液は加熱され、重合ゲルを形成し得る。
[0096] 有機溶媒に溶解した塩を含む有機電解質はまた、陽極液及び／又は陰極液を形成するためにゲル化され得る。一例として、リチウムイオン伝導性電解質は、開環重合、光開始ラジカル重合、ＵＶ開始ラジカル重合、熱開始重合、インサイチュ重合、ＵＶ照射、エレクトロスピニングなどのいくつかの重合技術を使用してゲル化され得る。リチウム電解質は、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸プロピレン、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、及びそれらの組み合わせなどの有機溶媒中に、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、過塩素酸リチウム、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（オキサラト）ホウ酸リチウム、及びそれらの組み合わせを含み得る。例示的な混合物としては、炭酸エチレン及び炭酸ジメチルの溶媒混合物に混合された１Ｍ ＬｉＰＦ６が挙げられ得る。有機電解質の可燃性を低減するための混合物として使用され得る他の溶媒も、存在する。
[0097] 有機電解質は、選択された塩を有機溶媒と混合することによってゲル化され得る。その後、ゲル化剤は、開始剤と一緒に添加され得る。ゲル化剤は、混合物の約０．１～約５重量％の間の量で添加され得、開始剤は、混合物の約０．０１～約１重量％の間の量で添加され得る。いくつかの実施形態において、有機電解質のための適切なゲル化剤は、テトラアクリル酸ペンタエリスリトールを含み得、開始剤は、アゾジイソブチロニトリルを含み得る。結果として得られる混合物は、混合物を約５０～９０℃、又は約７０℃に加熱し、１～２４時間保持することによって、ゲル化（例えば、重合）され得る。
[0098] 陰極液などの本質的に酸性である水性電解質の場合、重合は、多くのプロセスを使用して行われ得る。ある実施形態において、酸性の固体状ゲル化水性電解質を作成する方法は、硫酸マンガン、Ｈ２ＳＯ４、硫酸アンモニウム、過マンガン酸カリウム、及び／又は硫酸を含む溶液へのアクリルアミドの添加を含み得る。アクリルアミドを含むゲル化剤は、溶液に添加され、約７０～９０℃の間の温度で少なくとも１時間、溶液が均質になるまで混合され得る。溶液が十分に混合された後、架橋剤及び開始剤は、溶液に添加され、溶液がゲル化するまで２～４８時間の間、混合され得る。
[0099] いくつかの実施形態において、セパレータはイオン選択性ゲルを含み、イオン選択性ゲルは、アイオノマ、バイポーラ膜、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、イオン選択特性をグラフトしたセロファン、イオン選択特性をグラフトしたポリビニルアルコール、セラミックセパレータ、ＮａＳｉＣＯＮ、ＬｉＳｉＣＯＮ、又はそれらの任意の組み合わせを含む。
[00100] 陽極液ＰＧＥ及び陰極液ＰＧＥは、セパレータなしで使用され得るが、陰極液と陽極液の分離も、イオン選択セラミックセパレータ及び／又はポリマ膜を通して行われ得る。セロファンのようなセルロース系の膜も、陰極液と陽極液を分離するために使用され得る。例えば、ＬｉＳｉＣＯＮ及び／又はＮａＳｉＣＯＮのようなセラミックセパレータは、陰極液と陽極液を分離するために使用され得る。別の例として、ナフィオンのような陽イオン交換特性を有するポリマ膜、及び／又は陰イオン交換膜は、陰極液と陽極液を分離するために使用され得る。ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）及び／又は架橋ポリビニルアルコール（Ｃ－ＰＶＡ）も、陰極液と陽極液を分離するためにポリマセパレータとして使用され得る。セルロース系の膜、ＰＶＡ、及びＣ－ＰＶＡは、陽イオン及び／又は陰イオン交換特性を付与し得るアイオノマによってグラフトされ得る。バイポーラ膜も、陰極液と陽極液の間のセパレータとして使用され得る。
[00101] ＬｉＳｉＣＯＮ及びＮａＳｉＣＯＮを含有するゲル又はポリマ膜は、セラミックセパレータの作成に使用される原料を使用することにより、ＰＧＥ及び／又はアイオノマゲル化層の形成について本明細書に記載された手順を使用して作成され得る。
[00102] 本明細書に開示される高電圧メタルフリーバッテリにおいて使用されるカソード及びアノードは、広範囲の電流密度及び材料負荷で、理論容量の５～１００％、あるいは５０～１００％に有利に接近し得る。
[00103] 本明細書に開示される高電圧メタルフリーバッテリは、金属電極が存在しないため、ディスプレイのデンドライト又は短絡の問題を有していない。
[00104] 最終的なセル又はバッテリの設計には、２つのＰＧＥの混合を防止するセパレータ又は緩衝層を有する、酸性ＰＧＥ陰極液を含むカソードと、アルカリ性ＰＧＥ陽極液を含むアノードが使用され得る。二重電解質を有するバッテリは、電極の高い可逆性、及び改善又は最大の利用、ひいてはより高いエネルギー密度を可能にする。陽極液及び陰極液における大きく異なるアルカリ度及び酸性度の使用は、バッテリの平均放電を約１．６Ｖ超に増加させることをさらに可能にする。
[00105] いくつかの実施形態において、本明細書に開示される高電圧メタルフリーバッテリは、エネルギーを生成するために使用され得る。例えば、エネルギーを生成する方法は、（ｉ）本明細書に開示される高電圧メタルフリーバッテリを放電電圧まで放電してエネルギーを生成し、放電中にアノード電気活性材料の少なくとも一部が酸化されて、酸化アノード材料を形成することと、（ｉｉ）高電圧メタルフリーバッテリを充電電圧まで充電し、充電中に酸化アノード材料の少なくとも一部がアノード電気活性材料に還元されることと、を含んでよい。放電電圧は、１．６Ｖ超、あるいは約２Ｖ以上、あるいは約３Ｖ以上、あるいは約３．５Ｖ以上、あるいは約１．６Ｖ超～約５Ｖ、あるいは約２Ｖ～約５Ｖ、あるいは約３Ｖ～約５Ｖ、あるいは約３．５Ｖ～約５Ｖであり得る。
実施例
[00106] 主題を一般的に説明したが、以下の実施例は、本開示の特定の態様として与えられ、その実施及び利点、並びに本発明の好ましい態様及び特徴を実証するために含まれる。以下の実施例に開示される技術は、本発明の実施において十分に機能することが本発明者らによって発見された技術を表し、したがって、その実施のための好ましいモードを構成するとみなすことができることを当業者は理解すべきである。しかしながら、当業者は、本開示に照らして、開示された特定の態様において多くの変更を行うことができ、この開示の発明の範囲から逸脱することなく同様又は類似の結果を得ることができることを理解すべきである。実施例は実例として与えられ、何らかの方法で、追従する特許請求の範囲の明細書を限定することを意図するものではないことを理解されたい。
実施例１
[00107] 角柱状の幾何学を有するバッテリの概略図を図１Ａに示している。バッテリは、任意の幾何学的な形状因子のものであり得、柔軟でもあり得る。提供する用途に応じて、任意のサイズ（物理的及び容量（Ａｈ））にスケールアップされ得る。図１Ａは、高電圧メタルフリーバッテリの概略図を示している。
[00108] 二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、より具体的には電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）を例示的なカソードシステムとして選択した。従来の又は慣習的なアルカリＭｎＯ２｜ＺｎバッテリのＯＣＶは、約１．６Ｖである。高電圧メタルフリーＭｎＯ２｜ハウスマナイト（Ｍｎ３Ｏ４）水性バッテリにおいて、ＯＣＶは使用される陰極液及び陽極液の濃度によって規定される。再充電可能なバッテリの場合、使用された陰極液は、添加剤として０．５Ｍの硫酸マンガンを含む３Ｍの硫酸であり、使用された陽極液は２５重量％水酸化カリウムであった。カソード組成は、チタン集電体上に貼付された８０重量％のＭｎＯ２、１５重量％の膨張グラファイト、及び５重量％のテフロンであり、アノード組成は、ニッケル集電体上に貼付された添加剤としての酸化ビスマスと同様であった。イオン選択膜セパレータとしてナフィオン１１５を使用した。このバッテリのＯＣＶは約１．６Ｖであった。カソード及びアノードは参照電極に対して監視され、その電位は、バッテリ電圧と共に図２に示されている。図２は、再充電可能な電解二酸化マンガン（ＭｎＯ２）｜ハウスマナイト（Ｍｎ３Ｏ４）バッテリの性能を、Ｍｎ３Ｏ４に対するバッテリ電圧、水銀｜酸化水銀（Ｈｇ｜ＨｇＯ）に対するカソード（ＭｎＯ２）、及びＨｇ｜ＨｇＯ参照電極に対するアノード（Ｍｎ３Ｏ４）で示しており、使用された陰極液は、３Ｍの硫酸及び０．５Ｍの硫酸マンガンであり、使用された陽極液は、２５重量％水酸化カリウムであった。ＭｎＯ２は、１電子（３０８ｍＡｈ／ｇ）及び２電子（６１７ｍＡｈ／ｇ）の容量でサイクル可能であった。このバッテリは、図２に示すように、電圧及び容量の損失なしに定格容量で何回もサイクル可能であった。
実施例２
[00109] 別の高電圧メタルフリーＭｎＯ２｜Ｍｎ３Ｏ４水性バッテリは、本明細書で別段の指示がない限り、実施例１の記載と同様のカソード及びアノード混合組成で組み立てられた。実施例１の記載と同様の実験の詳細を有するＭｎＯ２｜Ｍｎ３Ｏ４を一次放電試験のために組み立て、慣習的な又は従来のアルカリＭｎＯ２｜Ｚｎバッテリと比較した。使用した陰極液は１６Ｍの硫酸であり、一方、使用した陽極液は４５重量％の水酸化カリウムであった。このバッテリのＯＣＶは約２．２Ｖで、従来のアルカリバッテリよりも０．６Ｖ高かった。放電性能に関しては、図３に示すように、新しいメタルフリーバッテリは、従来のアルカリバッテリによって送達されるエネルギーと比較して、より高いエネルギーを送達し得た。図３は、新しいメタルフリー電解二酸化マンガン（ＭｎＯ２）｜ハウスマナイト（Ｍｎ３Ｏ４）バッテリと従来の電解二酸化マンガン（ＭｎＯ２）｜亜鉛（Ｚｎ）バッテリの放電曲線との比較を示しており、新しいメタルフリーＭｎＯ２｜Ｍｎ３Ｏ４バッテリで使用された電解質は、陰極液として１６Ｍの硫酸、陽極液として４５重量％水酸化カリウムであった。図３に示すように、新しいＭｎＯ２｜Ｍｎ３Ｏ４バッテリは、エネルギーと容量の点で従来のＭｎＯ２｜Ｚｎバッテリよりも性能が優れ得る。従来のＭｎＯ２｜Ｚｎバッテリで使用されていた電解質は、２５重量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）であった。
実施例３
[00110] 別の高電圧メタルフリーＭｎＯ２｜Ｍｎ３Ｏ４水性バッテリの特性を調査した。カソードは、実施例１及び２に記載のカソードと同様であった。実施例３のアノードは、約７５０ｍＡｈ／ｇの理論容量を有する酸化マンガン（ＭｎＯ）であった。このアノード（ＭｎＯ）は、実施例１のアノードについての記載と同様の組成を有していたが、電極添加剤として酸化ビスマスを有した。このアノード材料（ＭｎＯ系のアノード）は、裏材として銅を有するニッケルメッシュに貼付された。この新しいバッテリケミストリＭｎＯ２｜ＭｎＯの放電性能を、それぞれのカソード及びアノードの電圧を個別に測定して試験し、データを図４に表示している。図４は、電解二酸化マンガン（ＭｎＯ２）｜酸化マンガン（ＭｎＯ）バッテリの放電容量を示し、使用した陰極液は、添加剤として５Ｍの硫酸及び３．２Ｍの硫酸マンガンであり、使用した陽極液は、２５重量％の水酸化カリウムであった。このバッテリの平均放電電圧は約１．７Ｖで、慣習的な又は従来のアルカリバッテリの平均放電電圧よりも高かった。ＭｎＯ２カソードは、理論上の第２の電子容量で試験され、達成され得た。より高い濃度の酸性電解質において、カソード曲線の平坦性からわかるように、カソードは直接溶解－沈殿反応を経るようである。ＭｎＯは、直接溶解－沈殿反応を経ることが知られている。
実施例４
[00111] 別の高電圧メタルフリーバッテリの特性を調査した。使用したカソードは、γ－ＭｎＯ２であった。このカソードは、電解二酸化マンガンの変換によってインサイチュで作成された。カソード配合は、実施例１に記載のカソードと同様であった。実施例４のアノードは、バーネサイト（δ－ＭｎＯ２）であった。この新しいシステム（γ－ＭｎＯ２｜δ－ＭｎＯ２）は、カソードとアノードの両方がＭｎＯ２である完全な単一のレドックス活性Ｍｎ元素系バッテリの特許又は学術文献において、初めて実証される。δ－ＭｎＯ２は、エクスサイチュ又はインサイチュで合成され得る。δ－ＭｎＯ２は、酸化ビスマス及び銅と混合した電解二酸化マンガンから始まる形成プロセスを通してインサイチュで作成された。形成後、カソードは銅インタカレートビスマスバーネサイトになる。実施例４で使用されたアノードは、実施例１に記載されたアノードと同様の組成を有し、ニッケルメッシュ上に貼付された。この新しいバッテリケミストリγ－ＭｎＯ２｜δ－ＭｎＯ２の放電性能は、それぞれのカソードとアノードの電圧を個別に測定して試験された。これを、図５に示している。図５は、ガンマ－二酸化マンガン（γ－ＭｎＯ２）｜バーネサイト（δ－ＭｎＯ２）バッテリの放電容量を表示し、使用した陰極液は、３．２Ｍの硫酸マンガンを含む３．５Ｍの硫酸であり、使用した陽極液は、２５重量％水酸化カリウムであった。このバッテリの平均放電電圧は約１．７Ｖで、慣習的な又は従来のアルカリバッテリよりも高かった。プロトン挿入を示すシグモイド形状の曲線とγ－ＭｎＯ２の溶解－沈殿を示す平坦な形状の曲線が図５において見られた。カソードは、理論的には６１７ｍＡｈ／ｇまで可能であるが、異なるメカニズムを示すために容量は制限された。カソードとアノードの両方は、理論上６１７ｍＡｈ／ｇを送達するべきである。これは、特許又は学術文献における、この新規のγ－ＭｎＯ２｜δ－ＭｎＯ２バッテリケミストリの最初の実証である。
追加の開示
[00112] 以下は、本開示の主題の特徴及び態様の組み合わせに対する追加の開示として提供される。
[00113] 第１の態様は、高電圧メタルフリーバッテリであって、有機化合物、酸化物、水酸化物、及び硫化物の形のカソード電気活性材料を含むカソードと、有機化合物、酸化物、水酸化物、及び硫化物の形のアノード電気活性材料を含むアノードと、陰極液がアノードと接触しておらず、カソードと接触している、プロトン活性が高い陰極溶液と、陽極液がカソードと接触しておらず、アノードと接触している、ヒドロキシル活性が高い陽極溶液と、イオン選択特性を有するセパレータと、を含む。
[00114] 第２の態様は、第１の態様のバッテリであって、カソード電気活性材料は、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化マンガン（Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＭｎＯ）、水酸化マンガン（ＭｎＯＯＨ、Ｍｎ（ＯＨ）２）、酸化銀（ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ、Ｎｉ２Ｏ３）、水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ、Ｎｉ（ＯＨ）２）、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４、ＣｏＯ）、水酸化コバルト、酸化鉛（ＰｂＯ、ＰｂＯ２）、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）、水酸化銅、酸化鉄カリウム（Ｋ２ＦｅＯ４）、酸化鉄バリウム（ＢａＦｅＯ４）、ヘキサシアノ鉄酸銅、リン酸鉄リチウム、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３）、カリックス［４］キノン、１，４－ナフトキノン、９，１０－アントラキノン、硫化銅、硫化ニッケル、硫化マンガン、酸化タングステン、酸化スズ、硫化スズ、二硫化タングステン、酸化バナジウム、又はそれらの組み合わせを含む。
[00115] 第３の態様は、第１の態様のバッテリであって、アノード材料は、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化マンガン（Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＭｎＯ）、水酸化マンガン（ＭｎＯＯＨ、Ｍｎ（ＯＨ）２）、酸化銀（ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ、Ｎｉ２Ｏ３）、水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ、Ｎｉ（ＯＨ）２）、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４、ＣｏＯ）、水酸化コバルト、酸化鉛（ＰｂＯ、ＰｂＯ２）、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）、水酸化銅、酸化鉄カリウム（Ｋ２ＦｅＯ４）、酸化鉄バリウム（ＢａＦｅＯ４）、ヘキサシアノ鉄酸銅、リン酸鉄リチウム、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３）、カリックス［４］キノン、１，４－ナフトキノン、９，１０－アントラキノン、硫化銅、硫化ニッケル、硫化マンガン、酸化タングステン、酸化スズ、硫化スズ、二硫化タングステン、酸化バナジウム、又はそれらの組み合わせを含む。
[00116] 第４の態様は、第１の態様のバッテリであって、カソード及びアノードは、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンブラック、アセチレンブラック、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、ニッケル又は銅被覆カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブの分散液、多層カーボンナノチューブの分散液、グラフェン、グラフィン、酸化グラフェン、又はそれらの組み合わせを含むカソード及びアノード活物質を有する導電性炭素を含む。
[00117] 第５の態様は、第１の態様のバッテリであって、カソード及びアノードは、酸化ビスマス、酸化銅、水酸化インジウム、酸化インジウム、酸化アルミニウム、水酸化ニッケル、酸化ニッケル、酸化銀、酸化コバルト、水酸化コバルト、酸化鉛、二酸化鉛、キノン、もしくはそれらの組み合わせを含む添加剤又はドーパントを含む。
[00118] 第６の態様は、第１の態様のバッテリであって、カソード及びアノードは、メチルセルロース（ＭＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＨ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、ヒドロキシエチルメチルセルロース（ＨＥＭＣ）、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、ポリビニルアルコール、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）、又はそれらの組み合わせを含んだ結合剤を含む。
[00119] 第７の態様は、第１、第２、第３、第４、第５、及び第６の態様のいずれかのバッテリであって、カソード及びアノードは、炭素、鉛、ニッケル、鋼（例えば、ステンレス鋼など）、ニッケル被覆鋼、ニッケルメッキ銅、スズ被覆鋼、銅メッキニッケル、銀被覆銅、銅、マグネシウム、アルミニウム、スズ、鉄、白金、銀、金、チタン、ビスマス、チタン、冷間圧延鋼、半分ニッケルと半分銅、炭素発泡体、カーボンフェルト、ポリプロピレンメッシュ、又はそれらの任意の組み合わせを含む集電体上に押し付けられる。
[00120] 第８の態様は、第７の態様のバッテリであって、集電体は、ホイル、メッシュ、有孔ホイル、発泡体、ハニカムメッシュ、スポンジ形状、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。
[00121] 第９の態様は、第１、第２、第３、第４、第５、及び第６の態様のいずれかのバッテリであって、カソード及びアノードは、１～９９重量％の電気活性材料、１～９９重量％の導電性炭素、０～３０重量％の添加剤、及び０～１０重量％の結合剤を含む。
[00122] 第１０の態様は、第１の態様のいずれかのバッテリであって、プロトン活性の高い陰極液は、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、又はそれらの組み合わせを含む。
[00123] 第１１の態様は、第１及び第１０の態様のいずれかのバッテリであって、陰極液への電解質添加剤は、硫酸マンガン、硫酸ニッケル、過マンガン酸カリウム、塩化マンガン、酢酸マンガン、トリフル酸マンガン、塩化ビスマス、硝酸ビスマス、硝酸マンガン、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸亜鉛、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、トリフル酸亜鉛、塩化インジウム、硫酸銅、塩化銅、硫酸鉛、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、バニリン、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硝酸リチウム、塩化リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、トリフル酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、又はそれらの組み合わせを含む。
[00124] 第１２の態様は、第１の態様のいずれかのバッテリであって、ヒドロキシル活性の高い陽極液は、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、又はそれらの組み合わせを含む。
[00125] 第１３の態様は、第１及び第１２の態様のいずれかのバッテリであって、陽極液への電解質添加剤は、バニリン、水酸化インジウム、酢酸亜鉛、酸化亜鉛、臭化セチルトリメチルアンモニウム、ドデシル硫酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリエチレングリコール、エタノール、メタノール、グルコン酸亜鉛、グルコン酸マンガン、酢酸マンガン、グルコース、又はそれらの組み合わせを含む。
[00126] 第１４の態様は、第１、第１０、第１１、第１２、及び第１３の態様のいずれかのバッテリであって、陰極液及び陽極液がゲル化又は重合され得る。
[00127] 第１５の態様は、第１の態様のバッテリであって、セパレータは、アイオノマからなるイオン選択性ゲル、バイポーラ膜、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、イオン選択特性をグラフトしたセロファン、イオン選択特性をグラフトしたポリビニルアルコール、ＮａＳｉＣＯＮのようなセラミックセパレータ、ＬｉＳｉＣＯＮ、又はそれらの組み合わせを含む。
[00128] 第１６の態様は、第１及び第１５の態様のいずれかのバッテリであって、セパレータは、イオン選択性アイオノマと、炭酸カリウム、重炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウムなどの緩衝剤とからなるゲル化層であり得、アイオノマが、酸の形のパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）／ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）コポリマ、又はポリ芳香族ポリマを有する陰イオン交換アイオノマであり得る。
[00129] 第１７の態様は、高電圧メタルフリーバッテリであって、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだカソード電気活性材料を含むカソードと、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだアノード電気活性材料を含むアノードと、アノードと接触しておらず、ｐＨが４未満である、カソードと接触している陰極液と、カソードと接触しておらず、ｐＨが１０を超える、アノードと接触している陽極液と、を含む。
[00130] 第１８の態様は、第１７の態様のバッテリであって、陽極液と陰極液の間に配置されたセパレータをさらに含み、セパレータはイオン選択特性を有する。
[00131] 第１９の態様は、第１７及び第１８の態様のいずれかのバッテリであって、陽極液は第１のゲル電解質溶液を含み、陰極液は第２のゲル電解質溶液を含む。
[00132] 第２０の態様は、第１７～第１９の態様のいずれかのバッテリであって、カソード電気活性材料は、酸化マンガン、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＭｎＯ；水酸化マンガン、ＭｎＯＯＨ、Ｍｎ（ＯＨ）２；酸化銀、ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ；ニッケル酸化物、ＮｉＯ、Ｎｉ２Ｏ３；水酸化ニッケル、ＮｉＯＯＨ、Ｎｉ（ＯＨ）２；コバルト酸化物、Ｃｏ３Ｏ４、ＣｏＯ；水酸化コバルト；酸化鉛、ＰｂＯ、ＰｂＯ２；酸化銅、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ；水酸化銅；酸化鉄カリウム（Ｋ２ＦｅＯ４）；酸化鉄バリウム（ＢａＦｅＯ４）；ヘキサシアノ鉄酸銅；リン酸鉄リチウム；リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物；リチウムマンガン酸化物、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３；カリックス［４］キノン；１，４－ナフトキノン；９，１０－アントラキノン；硫化銅；硫化ニッケル；硫化マンガン；酸化タングステン；酸化スズ；硫化スズ；二硫化タングステン；酸化バナジウム；及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む。
[00133] 第２１の態様は、第１７～第２０の態様のいずれかのバッテリであって、アノード電気活性材料は、酸化マンガン、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＭｎＯ；水酸化マンガン、ＭｎＯＯＨ、Ｍｎ（ＯＨ）２；酸化銀、ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ；ニッケル酸化物、ＮｉＯ、Ｎｉ２Ｏ３；水酸化ニッケル、ＮｉＯＯＨ、Ｎｉ（ＯＨ）２；コバルト酸化物、Ｃｏ３Ｏ４、ＣｏＯ；水酸化コバルト；酸化鉛、ＰｂＯ、ＰｂＯ２；酸化銅、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ；水酸化銅；酸化鉄カリウム（Ｋ２ＦｅＯ４）；酸化鉄バリウム（ＢａＦｅＯ４）；ヘキサシアノ鉄酸銅；リン酸鉄リチウム；リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物；リチウムマンガン酸化物、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３；カリックス［４］キノン；１，４－ナフトキノン；９，１０－アントラキノン；硫化銅；硫化ニッケル；硫化マンガン；酸化タングステン；酸化スズ；硫化スズ；二硫化タングステン；酸化バナジウム；及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む。
[00134] 第２２の態様は、第１７～第２１の態様のいずれかのバッテリであって、カソード、アノード、又はその両方は導電性炭素を含み、導電性炭素は、カソード電気活性材料、アノード電気活性材料、又はその両方とそれぞれ混合され、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンブラック、アセチレンブラック、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、ニッケル被覆カーボンナノチューブ、銅被覆カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブの分散液、多層カーボンナノチューブの分散液、グラフェン、グラフェン、酸化グラフェン、及びそれらの組み合わせを含む。
[00135] 第２３の態様は、第１７～第２２の態様のいずれかのバッテリであって、カソード、アノード、又はその両方は、添加剤及び／又はドーパントを含み、添加剤及び／又はドーパントは、酸化ビスマス、酸化銅、水酸化インジウム、酸化インジウム、酸化アルミニウム、水酸化ニッケル、酸化ニッケル、酸化銀、酸化コバルト、水酸化コバルト、酸化鉛、二酸化鉛、キノン、又はそれらの組み合わせを含む。
[00136] 第２４の態様は、第１７～第２３の態様のいずれかのバッテリであって、カソード、アノード、又はその両方は結合剤を含み、結合剤は、メチルセルロース（ＭＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＨ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、ヒドロキシエチルメチルセルロース（ＨＥＭＣ）、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、ポリビニルアルコール、ＴＥＦＬＯＮ、又はそれらの組み合わせを含む。
[00137] 第２５の態様は、第１７から第２４の態様のいずれかのバッテリであって、カソード、アノード、又はその両方が、集電体上にプレスされたカソード材料を含み、集電体は、炭素、鉛、ニッケル、鋼、ステンレス鋼、ニッケル被覆鋼、ニッケルメッキ銅、スズ被覆鋼、銅メッキニッケル、銀被覆銅、銅、マグネシウム、アルミニウム、スズ、鉄、白金、銀、金、ビスマス、チタン、冷間圧延鋼、半分ニッケルと半分銅、ポリプロピレン、又はそれらの任意の組み合わせを含む。
[00138] 第２６の態様は、第２５の態様のバッテリであって、集電体は、ホイル、メッシュ、有孔ホイル、発泡体、フェルト、繊維、多孔質ブロック構造、ハニカムメッシュ、スポンジ形状、又はそれらの任意の組み合わせである。
[00139] 第２７の態様は、第１７～第２６の態様のいずれかのバッテリであって、カソードは、カソードの総重量に基づいて、１～９９重量％のカソード電気活性材料、１～９９重量％の導電性炭素、０～３０重量％の添加剤及び／又はドーパント、及び０～１０重量％の結合剤を含む。
[00140] 第２８の態様は、第１７～第２７の態様のいずれかのバッテリであって、アノードは、アノードの総重量に基づいて、１～９９重量％のアノード電気活性材料、１～９９重量％の導電性炭素、０～３０重量％の添加剤及び／又はドーパント、及び０～１０重量％の結合剤を含む。
[00141] 第２９の態様は、第１７～第２８の態様のいずれかのバッテリであって、陰極液は酸性電解質を含み、酸性電解質は、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む。
[00142] 第３０の態様は、第１７～第２９の態様のいずれかのバッテリであって、酸性電解質は、約０．１Ｍと約１６Ｍの間の濃度で陰極液中に存在する。
[00143] 第３１の態様は、第１７～第３０の態様のいずれかのバッテリであって、陰極液は陰極液添加剤を含み、陰極液添加剤は、硫酸マンガン、硫酸ニッケル、過マンガン酸カリウム、塩化マンガン、酢酸マンガン、トリフル酸マンガン、塩化ビスマス、硝酸ビスマス、硝酸マンガン、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸亜鉛、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、トリフル酸亜鉛、塩化インジウム、硫酸銅、塩化銅、硫酸鉛、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、バニリン、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硝酸リチウム、塩化リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、トリフル酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む。
[00144] 第３２の態様は、第１７～第３１の態様のいずれかのバッテリであって、陽極液はアルカリ電解質を含み、アルカリ電解質は、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む。
[00145] 第３３の態様は、第３２の態様のバッテリであって、アルカリ電解質が、陽極液の総重量に基づいて、１０～６０重量％の量で陽極液中に存在する。
[00146] 第３４の態様は、第１７～第３３の態様のいずれかのバッテリであって、陽極液は陽極液添加剤を含み、陽極液添加剤は、バニリン、水酸化インジウム、酢酸亜鉛、酸化亜鉛、臭化セチルトリメチルアンモニウム、ドデシル硫酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリエチレングリコール、エタノール、メタノール、グルコン酸亜鉛、グルコン酸マンガン、酢酸マンガン、グルコース、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む。
[00147] 第３５の態様は、第１７～第３４の態様のいずれかのバッテリであって、陰極液、陽極液、又はその両方は、ゲル化又は重合されている。
[00148] 第３６の態様は、第２の態様のいずれかのバッテリであって、セパレータはイオン選択性ゲルを含み、イオン選択性ゲルは、アイオノマ、バイポーラ膜、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、イオン選択性をグラフトしたセロファン、イオン選択性をグラフトしたポリビニルアルコール、セラミックセパレータ、ＮａＳｉＣＯＮ、ＬｉＳｉＣＯＮ、又はそれらの任意の組み合わせを含む。
[00149] 第３７の態様は、第２の態様のバッテリであって、セパレータが、イオン選択性アイオノマと緩衝剤とからなるゲル化層であり、緩衝剤は、炭酸カリウム、重炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、又はそれらの任意の組み合わせを含み；アイオノマは、酸の形のパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）／ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）コポリマ、ポリ芳香族ポリマを有する陰イオン交換アイオノマ、又はそれらの組み合わせを含む。
[00150] 第３８の態様は、第１７～第３７の態様のいずれかのバッテリであって、約１．６Ｖ超～約５Ｖの平均放電電位を特徴とする。
[00151] 第３９の態様は、第１７～第３８の態様のいずれかのバッテリであって、約２Ｖ以上～約５Ｖの平均放電電位を特徴とする。
[00152] 第４０の態様は、高電圧メタルフリーバッテリであって、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだカソード電気活性材料を含むカソードと、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだアノード電気活性材料を含むアノードと、アノードと接触しておらず、ｐＨが２未満である、カソードと接触している陰極液と、カソードと接触しておらず、ｐＨが１２を超える、アノードと接触している陽極液と、陽極液と陰極液の間に配置され、イオン選択特性を有するセパレータと、を含む。
[00153] 第４１の態様は、第４０の態様のバッテリであって、陰極液は酸性電解質を含み、酸性電解質は、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、及び任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、陰極液中に約１Ｍと約１６Ｍの間の濃度で存在する。
[00154] 第４２の態様は、第４０及び第４１の態様のいずれかのバッテリであって、陽極液はアルカリ電解質を含み、アルカリ電解質は、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、陽極液の総重量に基づいて、２０～６０重量％の量で陽極液中に存在する。
[00155] 第４３の態様は、第４０～第４２の態様のいずれかのバッテリであって、約２Ｖ～約５Ｖの平均放電電位を特徴とする。
[00156] 第４４の態様は、高電圧メタルフリーバッテリを形成する方法であって、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだカソード電気活性材料を含むカソードと接触させて、ｐＨが４未満である陰極液を配置することと、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだアノード電気活性材料を含むアノードと接触させて、ｐＨが１０を超える陽極液を配置することと、カソードと接触していない陽極液とアノードと接触していない陰極液の間にセパレータ又はバッファ層の少なくとも１つを配置することと、を含む方法である。
[00157] 第４５の態様は、第４４の態様の方法であって、陰極液、陽極液、アノード、カソード、及びセパレータ又はバッファ層をハウジング内に配置して、高電圧メタルフリーバッテリを形成することをさらに含む。
[00158] 第４６の態様は、第４４及び第４５の態様のいずれかの方法であって、セパレータ又はバッファ層がイオン選択特性を有する。
[00159] 第４７の態様は、第４４～第４６の態様のいずれかの方法であって、陰極液は酸性電解質を含み、酸性電解質は、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、及び任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、約１Ｍと約１６Ｍの間の濃度で陰極液中に存在する。
[00160] 第４８の態様は、第４４～第４７の態様のいずれかの方法であって、陽極液はアルカリ電解質を含み、アルカリ電解質は、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、陽極液の総重量に基づいて、２０～６０重量％の量で陽極液中に存在する。
[00161] 第４９の態様は、エネルギーを生成する方法であって、高電圧メタルフリーバッテリは、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだカソード電気活性材料を含むカソードと、有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み、少なくとも一部が放電中に酸化されて酸化アノード材料を形成するアノード電気活性材料を含むアノードと、アノードと接触しておらず、ｐＨが４未満である、カソードと接触している陰極液と、カソードと接触しておらず、ｐＨが１０を超える、アノードと接触している陽極液と、を含んだ高電圧メタルフリーバッテリを放電電圧まで放電してエネルギーを生成すること、及び、高電圧メタルフリーバッテリを充電電圧まで充電して、充電中に酸化アノード材料の少なくとも一部をアノード電気活性材料に還元すること、を含む。
[00162] 第５０の態様は、第４９の態様の方法であって、放電電圧が約２Ｖ以上である。
[00163] 第５１の態様は、第４９及び第５０の態様のいずれかの方法であって、陰極液は酸性電解質を含み、酸性電解質は、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、及び任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、約１Ｍと約１６Ｍの間の濃度で陰極液中に存在する。
[00164] 第５２の態様は、第４９～第５１の態様のいずれかの方法であって、陽極液はアルカリ電解質を含み、アルカリ電解質は、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、陽極液の総重量に基づいて、２０～６０重量％の量で陽極液中に存在する。
[00165] 本明細書では、図を参照して実施形態を説明する。しかしながら、システム及び方法がそれらの限定された実施形態を超えているため、それらの図に関して本明細書で与えられる詳細な記載が説明目的のためであることは、当業者に明らかであろう。例えば、当然のことながら、当業者は、本明細書に記載の教示に照らし、特定の用途の必要性に応じて、多数の代替且つ適切なアプローチを認識し、記載され示される以下の実施形態における特定の実装の選択を超えて、本明細書に記載されたいかなる所与の詳細の機能をも実施する。すなわち、リスト表示するには多すぎるが、全てが本明細書の記載の範囲内に収まる、多数の修正及び変形が存在する。また、単数形は複数形を含むと解釈されるべきであり、その逆も同様であり、男性形は女性形を含むと解釈されるべきであり、その逆も同様であり、適切な、且つ代替の実施形態は、必ずしも、その２つが相互に排他的であることを意味しない。
[00166] 本明細書に記載された特定の方法論、化合物、材料、製造技術、使用、及び用途は変化してもよく、本明細書の記載は、それらに限定されないことをさらに理解されたい。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を記載する目的でのみ使用され、本システム及び方法の範囲の限定を意図するものではないことも理解されたい。本明細書及び添付の特許請求の範囲（本出願又はその派生出願）で使用される場合、文脈により明確に別段に規定されない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は複数形の言及を含むことに留意されたい。したがって、例えば、「ａｎ ｅｌｅｍｅｎｔ（要素）」の言及は、１つ以上の要素の言及であり、当業者に知られるその同等物を含む。使用される全ての接続詞は、可能な限り最も包括的な意味で理解されるべきである。したがって、「又は」という単語は、文脈により明確に別段に必要とされない限り、「排他的論理和」ではなく、「論理和」の定義を有すると理解されるべきである。本明細書に記載の構造は、そのような構造の機能的同等物を言及することも理解されるべきである。近似を表すと解釈され得る言語は、文脈により明確に別段に規定されない限り、そのように理解されるべきである。
[00167] 別段の定義がない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、この記載が属する技術分野において通常の知識を有するものによって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されているものと類似又は同等のいかなる方法、技術、デバイス、又は材料が、本システム及び方法の実施又は試験に使用され得るが、好ましい方法、技術、デバイス、及び材料が記載されている。本明細書に記載の構造は、そのような構造の機能的同等物を言及することも理解されるべきである。本システム及び方法が、添付の図面に示されるように、その実施形態を参照して詳細に記載される。
[00168] 本開示の解釈から、他の変形及び修正が当業者には明らかであろう。このような変形及び修正は、当技術分野で既に知られ、本明細書で既に記載された特徴の代わりに又はそれに加えて使用され得る、同等の及び他の特徴を含んでよい。
[00169] 特許請求の範囲は、本出願又はそれから派生する任意のさらなる出願において、特徴の特定の組み合わせに対して定式化され得るが、本開示の範囲はまた、それがいずれかの請求項において現在請求されているのと同じシステム又は方法に関連するかどうか、及びそれが本システム及び方法と同じ技術課題の一部又は全部を軽減するかどうかに関わらず、本明細書に明示的もしくは暗黙的に開示される任意の新規の特徴もしくは任意の新規の特徴の組み合わせ、又はその任意の一般化も含むことを理解すべきである。
[00170] 別々の実施形態の文脈で記載される特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよい。逆に、簡潔さのため、単一の実施形態の文脈で記載される様々な特徴は、別々に又は任意の適切な副組み合わせで提供されてもよい。出願人は、本出願又はそれから派生したさらなる任意の出願の審査中に、このような特徴及び／又はこのような特徴の組み合わせに対して新たな請求項が定式化され得ることをここに通知する。

Claims (37)

  1. 有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだカソード電気活性材料を含むカソードと、
    有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだアノード電気活性材料を含むアノードと、
    前記アノードと接触しておらず、ｐＨが４未満であり、前記カソードと接触している陰極液と、
    前記カソードと接触しておらず、ｐＨが１０を超え、前記アノードと接触している陽極液と、
    を含む、高電圧メタルフリーバッテリ。
  2. 前記カソード電気活性材料又は前記アノード電気活性材料のうちの少なくとも１つは、酸化状態が０の金属を有さない、請求項１に記載のバッテリ。
  3. 前記陽極液と前記陰極液の間に配置されたセパレータをさらに含み、前記セパレータはイオン選択特性を有する、請求項１に記載のバッテリ。
  4. 前記セパレータはイオン選択性ゲルを含み、前記イオン選択性ゲルは、アイオノマ、バイポーラ膜、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、イオン選択特性をグラフトしたセロファン、イオン選択特性をグラフトしたポリビニルアルコール、セラミックセパレータ、ＮａＳｉＣＯＮ、ＬｉＳｉＣＯＮ、又はそれらの任意の組み合わせを含む、請求項３に記載のバッテリ。
  5. 前記セパレータは、イオン選択性アイオノマ及び緩衝剤からなるゲル化層であり、前記緩衝剤は、炭酸カリウム、重炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、又はそれらの任意の組み合わせを含み、前記アイオノマは、酸の形のパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）／ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）コポリマ、ポリ芳香族ポリマを有する陰イオン交換アイオノマ、又はそれらの組み合わせを含む、請求項３に記載のバッテリ。
  6. 前記陽極液が第１のゲル電解質溶液を含み、前記陰極液が第２のゲル電解質溶液を含む、請求項１に記載のバッテリ。
  7. 前記カソード電気活性材料は、酸化マンガン、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＭｎＯ；水酸化マンガン、ＭｎＯＯＨ、Ｍｎ（ＯＨ）２；酸化銀、ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ；ニッケル酸化物、ＮｉＯ、Ｎｉ２Ｏ３；水酸化ニッケル、ＮｉＯＯＨ、Ｎｉ（ＯＨ）２；コバルト酸化物、Ｃｏ３Ｏ４、ＣｏＯ；水酸化コバルト；酸化鉛、ＰｂＯ、ＰｂＯ２；酸化銅、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ；水酸化銅；酸化鉄カリウム（Ｋ２ＦｅＯ４）；酸化鉄バリウム（ＢａＦｅＯ４）；ヘキサシアノ鉄酸銅；リン酸鉄リチウム；リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物；リチウムマンガン酸化物、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３；カリックス［４］キノン；１，４－ナフトキノン；９，１０－アントラキノン；硫化銅；硫化ニッケル；硫化マンガン；酸化タングステン；酸化スズ；硫化スズ；二硫化タングステン；酸化バナジウム；及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のバッテリ。
  8. 前記アノード電気活性材料は、酸化マンガン、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＭｎＯ；水酸化マンガン、ＭｎＯＯＨ、Ｍｎ（ＯＨ）２；酸化銀、ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ；ニッケル酸化物、ＮｉＯ、Ｎｉ２Ｏ３；水酸化ニッケル、ＮｉＯＯＨ、Ｎｉ（ＯＨ）２；コバルト酸化物、Ｃｏ３Ｏ４、ＣｏＯ；水酸化コバルト；酸化鉛、ＰｂＯ、ＰｂＯ２；酸化銅、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ；水酸化銅；酸化鉄カリウム（Ｋ２ＦｅＯ４）；酸化鉄バリウム（ＢａＦｅＯ４）；ヘキサシアノ鉄酸銅；リン酸鉄リチウム；リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物；リチウムマンガン酸化物、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３；カリックス［４］キノン；１，４－ナフトキノン；９，１０－アントラキノン；硫化銅；硫化ニッケル；硫化マンガン；酸化タングステン；酸化スズ；硫化スズ；二硫化タングステン；酸化バナジウム；及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のバッテリ。
  9. 前記カソード、前記アノード、又はその両方は、導電性炭素を含み、前記導電性炭素は、前記カソード電気活性材料、前記アノード電気活性材料、又はその両方とそれぞれ混合され、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンブラック、アセチレンブラック、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、ニッケル被覆カーボンナノチューブ、銅被覆カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブの分散液、多層カーボンナノチューブの分散液、グラフェン、グラフィン、酸化グラフェン、及びそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のバッテリ。
  10. 前記カソード、前記アノード、又はその両方は、添加剤及び／又はドーパントを含み、前記添加剤及び／又はドーパントは、酸化ビスマス、酸化銅、水酸化インジウム、酸化インジウム、酸化アルミニウム、水酸化ニッケル、酸化ニッケル、酸化銀、酸化コバルト、水酸化コバルト、酸化鉛、二酸化鉛、キノン、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のバッテリ。
  11. 前記カソード、前記アノード、又は両方は、結合剤を含み、前記結合剤は、メチルセルロース（ＭＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＨ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、ヒドロキシエチルメチルセルロース（ＨＥＭＣ）、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、ポリビニルアルコール、ＴＥＦＬＯＮ、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のバッテリ。
  12. 前記カソード、前記アノード、又はその両方が、集電体上にプレスされたカソード材料を含み、前記集電体は、炭素、鉛、ニッケル、鋼、ステンレス鋼、ニッケル被覆鋼、ニッケルメッキ銅、スズ被覆鋼、銅メッキニッケル、銀被覆銅、銅、マグネシウム、アルミニウム、スズ、鉄、白金、銀、金、ビスマス、チタン、冷間圧延鋼、半分ニッケルと半分銅、ポリプロピレン、又はそれらの任意の組み合わせを含む、請求項１に記載のバッテリ。
  13. 前記集電体は、ホイル、メッシュ、有孔ホイル、発泡体、フェルト、繊維、多孔質ブロック構造、ハニカムメッシュ、スポンジ形状、又はそれらの任意の組み合わせである、請求項１０に記載のバッテリ。
  14. 前記カソードは、前記カソードの総重量に基づいて、１～９９重量％のカソード電気活性材料、１～９９重量％の導電性炭素、０～３０重量％の添加剤及び／又はドーパント、及び０～１０重量％の結合剤を含む、請求項１に記載のバッテリ。
  15. 前記アノードは、前記アノードの総重量に基づいて、１～９９重量％のアノード電気活性材料、１～９９重量％の導電性炭素、０～３０重量％の添加剤及び／又はドーパント、及び０～１０重量％の結合剤を含む、請求項１に記載のバッテリ。
  16. 前記陰極液は酸性電解質を含み、前記酸性電解質は、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のバッテリ。
  17. 前記酸性電解質が、約０．１Ｍと約１６Ｍの間の濃度で前記陰極液中に存在する、請求項１６に記載のバッテリ。
  18. 前記陰極液は陰極液添加剤を含み、前記陰極液添加剤は、硫酸マンガン、硫酸ニッケル、過マンガン酸カリウム、塩化マンガン、酢酸マンガン、トリフル酸マンガン、塩化ビスマス、硝酸ビスマス、硝酸マンガン、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸亜鉛、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、トリフル酸亜鉛、塩化インジウム、硫酸銅、塩化銅、硫酸鉛、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、バニリン、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硝酸リチウム、塩化リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、トリフル酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のバッテリ。
  19. 前記陽極液はアルカリ電解質を含み、前記アルカリ電解質は、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のバッテリ。
  20. 前記アルカリ電解質が、前記陽極液の総重量に基づいて、１０～６０重量％の量で前記陽極液中に存在する、請求項１９に記載のバッテリ。
  21. 前記陽極液は陽極液添加剤を含み、前記陽極液添加剤は、バニリン、水酸化インジウム、酢酸亜鉛、酸化亜鉛、臭化セチルトリメチルアンモニウム、ドデシル硫酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリエチレングリコール、エタノール、メタノール、グルコン酸亜鉛、グルコン酸マンガン、酢酸マンガン、グルコース、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のバッテリ。
  22. 前記陰極液、前記陽極液、又はその両方はゲル化又は重合されている、請求項１に記載のバッテリ。
  23. 前記バッテリが、約１．６Ｖ超～約５Ｖの平均放電電位を特徴とする、請求項１に記載のバッテリ。
  24. 前記バッテリが、約２Ｖ以上～約５Ｖの平均放電電位を特徴とする、請求項１に記載のバッテリ。
  25. 有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだカソード電気活性材料を含むカソードと、
    有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだアノード電気活性材料を含むアノードと、
    前記アノードと接触しておらず、ｐＨが２未満である、前記カソードと接触している陰極液と、
    前記カソードと接触しておらず、ｐＨが１２を超え、前記アノードと接触している陽極液と、
    イオン選択特性を有し、前記陽極液と前記陰極液の間に配置されたセパレータと、
    を含む、高電圧メタルフリーバッテリ。
  26. 前記陰極液は酸性電解質を含み、前記酸性電解質は、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、及び任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、前記陰極液中に約１Ｍと約１６Ｍの間の濃度で存在する、請求項２５に記載のバッテリ。
  27. 前記陽極液はアルカリ電解質を含み、前記アルカリ電解質は、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、前記陽極液の総重量に基づいて、２０～６０重量％の量で前記陽極液中に存在する、請求項２５に記載のバッテリ。
  28. 前記バッテリが、約２Ｖ～約５Ｖの平均放電電位を特徴とする、請求項２５に記載のバッテリ。
  29. 高電圧メタルフリーバッテリを形成する方法であって、
    有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだカソード電気活性材料を含むカソードと接触させて、ｐＨが４未満の陰極液を配置することと、
    有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだアノード電気活性材料を含むアノードと接触させて、ｐＨが１０超の陽極液を配置することと、
    カソードと接触していない陽極液とアノードと接触していない陰極液の間にセパレータ又はバッファ層の少なくとも１つを配置することと、
    を含む、方法。
  30. 前記陰極液、前記陽極液、前記アノード、前記カソード、及び前記セパレータ又はバッファ層をハウジング内に配置して、高電圧メタルフリーバッテリを形成することさらに含む、請求項２９に記載の方法。
  31. 前記セパレータ又はバッファ層がイオン選択特性を有する、請求項２９に記載の方法。
  32. 前記陰極液は酸性電解質を含み、前記酸性電解質は、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、及び任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、前記陰極液中に約１Ｍと約１６Ｍの間の濃度で存在する、請求項２９に記載の方法。
  33. 前記陽極液はアルカリ電解質を含み、前記アルカリ電解質は、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、前記陽極液の総重量に基づいて、２０～６０重量％の量で前記陽極液中に存在する、請求項２９に記載の方法。
  34. 高電圧メタルフリーバッテリを放電電圧まで放電してエネルギーを生成することと、
    前記高電圧メタルフリーバッテリを充電電圧まで充電し、充電中に酸化アノード材料の少なくとも一部を前記アノード電気活性材料に還元することと、
    を含み、
    前記高電圧メタルフリーバッテリが、
    有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んだカソード電気活性材料を含むカソードと、
    有機化合物、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硫化物、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み、少なくとも一部が放電中に酸化されて酸化アノード材料を形成するアノード電気活性材料を含むアノードと、
    前記アノードと接触しておらず、ｐＨが４未満であり、前記カソードと接触している陰極液と、
    前記カソードと接触しておらず、ｐＨが１０を超え、前記アノードと接触している陽極液と、
    を含む、エネルギーを生成する方法。
  35. 前記放電電圧が約２Ｖ以上である、請求項３４に記載の方法。
  36. 前記陰極液は酸性電解質を含み、前記酸性電解質は、リン酸水素、重炭酸塩、アンモニウムカチオン、硫化水素、酢酸、フッ化水素、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素酸、トリフル酸、及び任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、前記陰極液中に約１Ｍと約１６Ｍの間の濃度で存在する、請求項３４に記載の方法。
  37. 前記陽極液はアルカリ電解質を含み、前記アルカリ電解質は、アンモニア、メチルアミン、グリシン、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、及びそれらの任意の混合物のうちの少なくとも１つを含み、前記陽極液の総重量に基づいて、２０～６０重量％の量で前記陽極液中に存在する、請求項３４に記載の方法。
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