JP2024524278A - Electrode for metal hydride battery and method for producing same - Google Patents
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Abstract
金属-水素電池用の電極について説明する。電極は1つ以上の多孔質層を含み、多孔質層の各々は多孔質基板と、多孔質基板を覆う触媒層とを含み、触媒層は遷移金属を含み、少なくとも1つの多孔質層のうちの少なくとも1つは、水素ガス輸送を容易にする特徴を有する表面を含む。いくつかの実施形態においてアノード電極は、第1表面を有する第1多孔質層と、第2表面を有する第1多孔質層に隣接する第2多孔質層とを含み、第1多孔質層の第1表面および第2多孔質層の第2表面は水素ガス輸送チャネルを形成する。An electrode for a metal-hydrogen battery is described. The electrode includes one or more porous layers, each of the porous layers including a porous substrate and a catalytic layer overlying the porous substrate, the catalytic layer including a transition metal, and at least one of the at least one porous layer including a surface having characteristics that facilitate hydrogen gas transport. In some embodiments, the anode electrode includes a first porous layer having a first surface and a second porous layer adjacent to the first porous layer having a second surface, the first surface of the first porous layer and the second surface of the second porous layer forming hydrogen gas transport channels.
Description
<関連出願>
本出願は、2022年6月23日に出願された米国特許出願第17/847,591号の優先権および利益を主張し、同願は2021年6月24日に出願された米国特許仮出願第63/214,514号の優先権および利益を主張し、これらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
Related Applications
This application claims priority to and the benefit of U.S. Patent Application No. 17/847,591, filed June 23, 2022, which claims priority to and the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 63/214,514, filed June 24, 2021, both of which are incorporated by reference in their entireties herein.
本開示は一般に、金属水素電池およびそれらの電池を製造するための方法に関し、より詳細には、金属水素電池において使用されるアノード電極およびそのアノード電極を製造するための方法に関する。 The present disclosure relates generally to metal hydrogen batteries and methods for manufacturing those batteries, and more particularly to anode electrodes used in metal hydrogen batteries and methods for manufacturing the anode electrodes.
風力や太陽光などの再生可能エネルギー資源が伝統的な化石燃料と競合するためには、その本質的な断続性を緩和するために大規模なエネルギー貯蔵システムが必要である。大規模なエネルギー貯蔵器を構築するためには、コストおよび長期の寿命が最大の考慮事項である。現在、揚水式水力発電は長期間(約50年)にわたって大量のエネルギーを貯蔵するための安価な方法であるので、グリッドエネルギー貯蔵市場を支配しているが、適切な場所および環境フットプリントを欠くことによって、制約がある。圧縮空気およびフライホイールエネルギー貯蔵などの他の技術はいくつかの異なる利点を示すが、それらの比較的低い効率および高いコストは、グリッド貯蔵のために大幅に改善すべきである。再充電可能な電池は、大規模なエネルギー貯蔵のための低コスト、高容量、および高信頼性のシステムを目標とする大きな機会を提供する。 For renewable energy resources such as wind and solar to compete with traditional fossil fuels, large-scale energy storage systems are needed to mitigate their inherent intermittency. To build large-scale energy storage, cost and long lifespan are the biggest considerations. Currently, pumped hydropower dominates the grid energy storage market as it is a cheap way to store large amounts of energy for long periods of time (approximately 50 years), but is constrained by lacking suitable locations and environmental footprint. Other technologies such as compressed air and flywheel energy storage exhibit some distinct advantages, but their relatively low efficiency and high cost should be significantly improved for grid storage. Rechargeable batteries offer a great opportunity to target low-cost, high-capacity, and high-reliability systems for large-scale energy storage.
本明細書では、金属-水素電池のための電極、ならびに電極と電池を作製するための方法が記載される。いくつかの実施形態において、金属水素電池用の電極は1つ以上の多孔質層を含み、多孔質層の各々は、多孔質基板と、多孔質基板を覆う触媒層とを含み、触媒層は遷移金属を含み、多孔質層のうちの少なくとも1つは水素ガス輸送を容易にする特徴を有する表面を含む。いくつかの実施形態において、アノード電極は、第1表面を有する第1多孔質層と、第2表面を有する第1多孔質層に隣接する第2多孔質層とを含み、第1多孔質層の第1表面および第2多孔質層の第2表面は輸送チャネルを形成する。 Described herein are electrodes for metal-hydrogen batteries, as well as methods for making the electrodes and batteries. In some embodiments, an electrode for a metal-hydrogen battery includes one or more porous layers, each of which includes a porous substrate and a catalyst layer overlying the porous substrate, the catalyst layer including a transition metal, and at least one of the porous layers includes a surface having characteristics that facilitate hydrogen gas transport. In some embodiments, an anode electrode includes a first porous layer having a first surface and a second porous layer adjacent to the first porous layer having a second surface, the first surface of the first porous layer and the second surface of the second porous layer forming a transport channel.
いくつかの実施形態において、アノード電極は、第1表面を有する第1多孔質層と、第2表面を有する第1多孔質層に隣接する第2多孔質層とを含み、第1多孔質層の第1表面および第2多孔質層の第2表面は輸送チャネルを形成する。 In some embodiments, the anode electrode includes a first porous layer having a first surface and a second porous layer adjacent to the first porous layer having a second surface, the first surface of the first porous layer and the second surface of the second porous layer forming a transport channel.
いくつかの実施形態において、電池が提示される。電池は、圧力容器と、圧力容器内に配置された電極積層とを含み、電極積層は電解質膜を保持し、電極積層はセパレータによって分離された交互に積層されたカソード電極およびアノード電極を含み、アノード電極は1つまたは複数の多孔質層を含み、多孔質層の各々は、多孔質基板と、多孔質基板を覆う触媒層とを含み、触媒層は遷移金属を含み、多孔質層のうちの少なくとも1つは、水素ガス輸送を容易にする特徴を有する表面を含む。 In some embodiments, a battery is presented. The battery includes a pressure vessel and an electrode stack disposed within the pressure vessel, the electrode stack holding an electrolyte membrane, the electrode stack including alternating cathode and anode electrodes separated by a separator, the anode electrodes including one or more porous layers, each of the porous layers including a porous substrate and a catalyst layer overlying the porous substrate, the catalyst layer including a transition metal, and at least one of the porous layers including a surface having characteristics that facilitate hydrogen gas transport.
いくつかの実施形態において、金属水素電池用の電極を形成するための方法は、1つ以上の多孔質基板を得ることと、少なくとも1つの多孔質基板の少なくとも1つの表面に表面特徴を形成することと、1つ以上の多孔質基板を触媒層でコーティングして多孔質層を形成することと、多孔質層を接続して電極を形成することとを含む方法。 In some embodiments, a method for forming an electrode for a metal-hydrogen battery includes obtaining one or more porous substrates, forming surface features on at least one surface of at least one of the porous substrates, coating the one or more porous substrates with a catalyst layer to form a porous layer, and connecting the porous layers to form an electrode.
他の実施形態を考慮することができ、本明細書で以下に説明される。 Other embodiments are contemplated and are described herein below.
本技術の様々な実施形態の特定の特徴は、添付の特許請求の範囲に詳細に記載されている。本技術の特徴および利点のより良い理解は、本開示の原理が利用される例示的な実施形態を示す以下の詳細な説明および添付の図面を参照することによって得られるであろう: Particular features of various embodiments of the present technology are set forth in detail in the appended claims. A better understanding of the features and advantages of the present technology will be obtained by reference to the following detailed description that sets forth illustrative embodiments in which the principles of the present disclosure are utilized and the accompanying drawings, in which:
以下の説明では、本開示の様々な実施形態の完全な理解を提供するために、特定の具体的な詳細が記載される。しかしながら、当業者は、本開示がこれらの詳細なしに実施され得ることを理解するであろう。さらに、本開示の様々な実施形態が本明細書に開示されているが、当業者の共通の一般知識に従って、本開示の範囲内で多くの適応および変形例をなすことができる。そのような変形例は実質的に同じ方法で同じ結果を達成するために、本開示の任意の態様に対する既知の等価物の置換を含む。 In the following description, certain specific details are set forth to provide a thorough understanding of various embodiments of the present disclosure. However, those skilled in the art will understand that the present disclosure may be practiced without these details. Moreover, while various embodiments of the present disclosure are disclosed herein, many adaptations and modifications can be made within the scope of the present disclosure in accordance with the common general knowledge of those skilled in the art. Such modifications include the substitution of known equivalents for any aspect of the present disclosure to achieve the same result in substantially the same way.
文脈上別異の解釈を要する場合を除き、本明細書および特許請求の範囲を通して、「含む」という語およびその変形例、例えば「備える」および「備えている」という語は、「含む」という開放的、包括的な意味で解釈されるべきであり、それは「含むが、限定されない」として解釈されるべきである。明細書全体にわたる数値範囲の記載は、範囲を規定する値を含む範囲内に入る各個別の値を参照するための短縮表記として機能することを意図しており、各個別の値は本明細書中に個別に記載されているように、明細書中に組み込まれる。加えて、単数形「1つ」、「1つの」、および「前記」は文脈が明らかに別段の指示をしない限り、複数の指示対象を含む。 Unless the context otherwise requires, throughout this specification and the claims, the word "comprises" and variations thereof, such as "comprises" and "comprising," are to be interpreted in their open, inclusive sense as "including," which is to be interpreted as "including, but not limited to." The recitation of numerical ranges throughout the specification is intended to serve as a shorthand notation for referencing each separate value falling within the range, including the values defining the range, and each separate value is incorporated in the specification as if it were individually set forth herein. In addition, the singular forms "a," "an," and "said" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.
本明細書を通して、「1実施形態」または「実施形態」という言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造または特徴が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたる様々な場所における「1実施形態において」または「実施形態において」という語句の出現は、必ずしもすべて同じ実施形態を指すわけではなく、何らかの実施例であり得る。さらに、特別な特徴、構造または特徴は1以上の実施形態において任意の適当な方法で組み合わせられ得る。 Throughout this specification, a reference to "one embodiment" or "an embodiment" means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the invention. Thus, the appearances of the phrases "in one embodiment" or "in an embodiment" in various places throughout this specification do not necessarily all refer to the same embodiment, but may be any example. Furthermore, particular features, structures, or characteristics may be combined in any suitable manner in one or more embodiments.
本開示の実施形態は、1つ以上の多孔質層から形成された金属-水素電池用の電極を記載する。多孔質層の各々は、多孔質基板と、多孔質基板を覆う触媒層とを含み、触媒層は遷移金属を含む。1つ以上の多孔質層のうちの少なくとも1つは、水素ガス輸送を容易にする特徴を有する表面を含む。いくつかの実施形態において、アノード電極は、第1表面を有する第1多孔質層と、第2表面を有する第1多孔質層に隣接する第2多孔質層とを含み、第1多孔質層の第1表面および第2多孔質層の第2表面は水素ガス輸送チャネルを形成する。 Embodiments of the present disclosure describe electrodes for metal-hydrogen batteries formed from one or more porous layers. Each of the porous layers includes a porous substrate and a catalyst layer overlying the porous substrate, the catalyst layer including a transition metal. At least one of the one or more porous layers includes a surface having characteristics that facilitate hydrogen gas transport. In some embodiments, the anode electrode includes a first porous layer having a first surface and a second porous layer adjacent to the first porous layer having a second surface, the first surface of the first porous layer and the second surface of the second porous layer forming hydrogen gas transport channels.
図1Aは、本開示の実施形態を使用することができる個々の圧力容器(IPV)金属-水素電池100の概略図を示す。金属水素電池100は、セパレータ106によって分離されたスタック電極を含む電極スタックアセンブリ130を有する。電極スタックアセンブリ130は図1Aに示すように、交互に積層されたカソード電極102およびアノード電極104を有する。カソード電極102およびアノード電極104は、それらの間に配置されたセパレータ106によって分離されている。セパレータ106は、電解質膜108で飽和させることができる。いくつかの実施形態において、セパレータ106は、カソード電極102をアノード電極104から電気的に分離することに加えて、電池100の動作中の乾燥またはフラッディングのいずれかから電極を緩衝する電解質膜108のリザーバを提供する。
FIG. 1A shows a schematic diagram of an individual pressure vessel (IPV) metal-
図1Aに示すように、電極スタックアセンブリ130は、圧力容器109内に収容することができる。図示されるように、電解質膜108は、スタック130が電解質膜108で飽和されるように、圧力容器109内に配置される。カソード電極102、アノード電極104、およびセパレータ106は多孔質であり、これにより、電解質膜108を保持し、電解質膜108中のイオンがカソード電極102とアノード電極104との間で移動することを可能にする。いくつかの実施形態において、セパレータ106は、カソード電極102およびアノード電極104が互いに電気的に絶縁され、十分な電解質膜108が電極スタック130内に保持される限り、省略することができる。例えば、セパレータ106が占める空間は、電解質膜108で満たされてもよい。
1A, the
図1Aに示される金属-水素電池100は、電解質またはガス(例えば、水素)を圧力容器109に対して導入するように構成された充填管122をさらに有することができる。充填管122は、圧力容器109のエンクロージャへの流入およびエンクロージャからの流出を制御するための1つまたは複数の弁(図示せず)を含むことができ、または充填管122は、電解質膜108および水素ガスを圧力容器109に充填した後、別の方法で密封可能であってもよい。
The metal-
図1Aに示され、上で論じられたように、電極スタックアセンブリ130は、セパレータ106によって分離された交互のカソード電極102およびアノード電極104のいくつかの積層を有する。電極スタックアセンブリ130内の電極は平行なにまたは直列に結合され得るが、図1Aに示されるバッテリ100の例では電極が平行に結合されている。特に、カソード電極102の各々は導体118に対して結合され、アノード電極104の各々は導体116に対して結合されている。図1Aは充填管122が導体118の側に配置されていることを示しているが、充填管122は代替的に、導体116の側に配置されてもよく、あるいは、圧力容器102のどこかに配置されてもよい。
As shown in FIG. 1A and discussed above, the
図1Aにさらに示されるように、アノード電極104に対して結合される導体116は、バッテリ100の1つの端子を提供するフィードスルー端子120に対して電気的に結合される。端子120は、端子120が圧力容器102の外側に延びることを可能にするフィードスルーを有することができ、または、特に端子120がアノード電極104に対して結合されるので、導体116は圧力容器109に対して直接接続され得る。同様に、カソード電極102に対して結合された導体118は、電池100の反対側の(正の)端子を表すフィードスルー端子124に対して結合することができる。端子124がカソード電極104に対して結合されているので、端子124は、絶縁されたフィードスルーを通過して、端子124が圧力容器109の外側に延在することを可能にする。
As further shown in FIG. 1A, the
図1Aに示すように、電極スタック104は、フレーム132内に固定することができる。図1Aにおいて、電極スタックアセンブリ130は、フレーム132からカソード電極102を隔離するために、フレーム132に隣接する両側にアノード電極104を有するように構成することができる。いくつかの実施形態において、特にカソード電極102がアノード電極104ではなくフレーム132に隣接するように電極スタックアセンブリ130が配置される場合、さらなる分離のためにフレーム132に隣接してセパレータ106を有することができる。
As shown in FIG. 1A, the
上述のように、電極スタック130は、セパレータ106によって分離されたカソード電極102とアノード電極104との交互の層を有する。電極スタックアセンブリ130は圧力容器109内に配置され、電解質膜108を含み、電解質膜108内のイオンは、カソード電極102とアノード電極104との間を移動することができる。セパレータ106は、多孔質絶縁体とすることができる。いくつかの実施形態において、電解質膜108は、アルカリ性(pHが7を超える)の水性電解質膜である。
As described above, the
図1Bは、カソード電極102のいくつかの実施形態を示す。カソード電極102は1つ以上のカソード多孔質層140を有することができ、多孔質層140の各々は、コーティング116で覆われた導電性基板114から形成される。コーティング116は、以下でさらに論じられるように、遷移金属を含む酸化還元反応性材料であってもよい。同様に、図1Cに示されるように、アノード電極104は1つ以上のアノード多孔質層142を有することができ、アノード多孔質層142の各々は、触媒層112で被覆された多孔質導電性基板110を含む。したがって、図1Bに示すように、カソード電極102は、1つ以上のカソード多孔質層140から形成することができる。図1Cに示すように、アノード電極104は、1つ以上のアノード多孔質層142から形成することができる。
1B shows some embodiments of the
いくつかの実施形態において、アノード電極104は、触媒水素電極である。図1Cに示すように、いくつかの実施形態において、アノード電極104は多孔質層142の積層を有し、各多孔質層142は、多孔質導電性基板110と、多孔質導電性基板110を覆う触媒層112とを含む。触媒層112は、アノード電極104において水素発生反応(HER)および水素酸化反応(HOR)の両方を触媒するための2元機能触媒を含むことができる。いくつかの実施形態において、多孔質導電性基板110は、少なくとも約10%、少なくとも約20%、少なくとも約30%、少なくとも約40%、または少なくとも約50%、最大約80%、最大約90%、95%、またはそれ以上の空隙率を有する。いくつかの実施形態において、多孔質導電性基板110は、ニッケル発泡体、鉄発泡体、銅発泡体、鋼発泡体などの金属発泡体とすることができる。いくつかの実施形態において、多孔質導電性基板110は、ニッケル-モリブデン発泡体、ニッケル-鉄発泡体、ニッケル-銅発泡体、ニッケル-コバルト発泡体、ニッケル-タングステン発泡体、ニッケル-銀発泡体、ニッケル-モリブデン-コバルト発泡体などの金属合金発泡体である。多孔質導電性基板110は、他の導電性基板、例えば、金属箔、金属メッシュ、繊維状導電性基板から形成することができる。いくつかの実施形態において、導電性基板110は、炭素繊維紙、炭素布、炭素フェルト、炭素マット、炭素ナノチューブフィルム、グラファイト箔、グラファイト発泡体、グラファイトマット、グラフェン箔、グラフェン繊維、グラフェンフィルム、グラフェン発泡体などの炭素系材料から形成することができる。
In some embodiments, the
いくつかの実施形態において、触媒層112の2元機能触媒は、ニッケル-モリブデン-コバルト(NiMoCo)合金であってもよい。他の遷移金属または金属合金は、2元機能触媒、例えば、ニッケル、ニッケル-モリブデン、ニッケル-タングステン、ニッケル-タングステン-コバルト、ニッケル-タングステン-銅、ニッケル-炭素、ニッケル-クロム、ベースの複合材料であってもよい。いくつかの実施形態において、触媒層112の2元機能触媒は、Ni、Co、Cr、Mo、Fe、Mn、Cu、Zn、Sn、Wのうちの2つ以上を含む遷移金属合金を有することができる。他の貴金属およびそれらの合金、例えば、白金、パラジウム、イリジウム、金、ロジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウム、銀、およびこれらの合金と非貴金属遷移金属、例えば白金、パラジウム、イリジウム、金、ロジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウム、銀、ニッケル、コバルト、マンガン、鉄、モリブデン、タングステン、クロムなどを含むことができる。いくつかの実施形態において、触媒層112の2元機能触媒は、HER触媒とHOR触媒との組み合わせであり得る。いくつかの実施形態において、触媒層112の2元機能触媒は、全体として水素発生および酸化反応に寄与する遷移金属およびそれらの酸化物/水酸化物などの異なる材料の混合物を含むことができる。いくつかの実施形態において、触媒層112は例えば、約1nm~約100nm、約1nm~約80nm、または約1nm~約50nmの範囲のサイズ(または平均サイズ)を有する2元機能触媒のナノ構造を含む。いくつかの実施形態において、触媒層112は例えば、約100nm~約500nm、約500nm~約1000nmの範囲のサイズ(または平均サイズ)を有する2元機能触媒の微細構造を含む。
In some embodiments, the bifunctional catalyst of the
いくつかの実施形態において、アノード電極104は、図1Cで上述したように、単層構造または多層構造であってもよい。いくつかの実施形態において、アノード電極104は平坦または不均一な表面で形成することができ、あるいは平坦および不均一な周辺表面の組み合わせで複数の層を形成することができる。本開示の実施形態は、不均一な表面をもたらす特徴を有する表面を有する少なくとも1つの多孔質層142を含む。
In some embodiments, the
図2は、単層多孔質層302を有するアノード電極104の1実施形態の断面図を示す。単層多孔質層302は、凹凸上面302aと、下面302bとを含む。上側表面302aおよび下側表面302bは、異なる特徴を有するように形成することができる。凹凸面302aおよび302bは、HERおよびHORのための表面反応部位を増加させ、アノード電極104の表面へのおよび表面からの水素ガス輸送を容易にし、アノード電極104の性能を改善することができる。凹凸面302a、302bは、対称であっても非対称であってもよい。いくつかの実施形態において、単層構造302の凹凸表面302aおよび302bは、電極多孔質基板110に対して直方体基板をプレスまたはスタンピングして、所望の表面輪郭を作り出すことによって形成することができる。いくつかの実施形態において、表面302aの特徴は例えば、波形表面を含んでもよい。いくつかの実施形態において、表面302bの特徴が平滑または平坦であってもよく、または波形であってもよい。表面302aおよび302b上の特徴の形成は、触媒コーティング112の適用前に達成されてもよく、またはいくつかの実施形態において触媒コーティング112の後に達成されてもよい。図2に示されるように、1例示的実施形態によれば、凹凸面302aおよび302bの特徴は波形面であってもよい。他の表面輪郭特徴も形成され得る。例えば、表面302aおよび302bは、丸みを帯びた丘および/または谷、ノッチ、波形、または他の特徴を含んでもよい。いくつかの実施形態において、表面302aおよび302bのうちの1つは、平坦または滑らかであるように構成され得る。図2に関して以下で説明するように、単層構造302は、金属または金属合金発泡体で形成された多孔質基板110を含むことができる。図2の単層構造302の表面輪郭(例えば、波形表面または他の特徴的な表面)は、巨視図に示されている。微視図において、単層構造302の表面は複数のマイクロ孔および/またはナノ孔を含む。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of one embodiment of an
いくつかの実施形態によるアノード電極104の実施形態は、任意の数の(1つまたは複数の)多孔質層142を含み、少なくとも1つの多孔質層142は不均一な特徴を有する表面を含む。これらの不均一な特徴は、その多孔質層142の多孔質導体110をプレスまたはスタンピングすることによって形成することができる。不均一な表面は、表面トポロジーを不均一にする波形、丸みを帯びた丘、ノッチ、溝、または他の形状などの特徴を含むことができる。図3A~図3Cは、アノード電極104のいくつかの実施形態を示す。しかしながら、水素ガスの流れを容易にするチャネルを形成する多孔質層142の任意の積層を使用できることを理解されたい。例えば、図2は例えば、波形表面を有する単層アノード電極104を示す。図3Aは2つの多孔質層142を有するアノード電極104の実施形態を示し、図3Bは2つの多孔質層142を有するアノード電極104の別の実施形態を示し、図3Cは3つの多孔質層142を有するアノード電極104の実施形態を示す。しかしながら、アノード電極層104の実施形態は、3つ以上の層も含むことができる。
Some embodiments of the
図3Aはいくつかの実施形態による、2重層構造304(すなわち、2つの多孔質層142)を有するアノード電極104の断面図を示す。アノード電極104の2重層構造304は、互いに隣接して積層された第1多孔質層306および第2多孔質層308を含む。図示の実施形態において、第1多孔質層306は図2に示す単層構造302と同様であり、不均一に特徴付けられた上面306aおよび下面306bを含む。第2多孔質層308は、滑らかで平坦な表面を有するように構成される(例えば、下面308aは滑らか/平坦である)。第2層308に隣接する第1多孔質層306の構成は、多孔質層306の表面306aに形成される特徴に応じて、表面306aと表面308aとの間に複数のチャネル310を形成する。例えば、波形多孔質層306は、チャネル310を形成する。チャネル310は上述したのと同様に、他の特徴を有するように形成することができる。上述のように、チャネル310は、HORおよびHER中の水素ガスの移動を容易にすることができる。いくつかの実施形態において、第1多孔質層306および第2多孔質層308の多孔度も異なっていてもよい。図4に関して以下で説明するように、第1層306および第2層308の各々は、触媒層112で被覆された多孔質基板110(例えば、金属または合金発泡体)を含むことができる。図3Aの第1層306および第2層308の平坦または不均一な表面が、巨視図に示されている。微視図において、表面は複数のマイクロ孔および/またはナノ孔を含む。
3A shows a cross-sectional view of an
いくつかの実施形態において、チャネルはまた、2つの多孔質層142を積み重ねることによって生成されてもよく、各々が異なる層の間に不均一な表面特徴を有する。この実施形態を示すアノード電極104の実施形態を図3Bに示す。図3Bは、いくつかの実施形態による、2重層構造311(2つの多孔質層142)を有するアノード電極104の断面図を示す。2重層構造311は、互いに隣接して積層された第1多孔質層312および第2多孔質層314を含む。図3Bに示されるように、アノード電極104の第1多孔質層312および第2多孔質層314の両方は、図2に示される単層構造302と同様である。第1多孔質層312は、上面312aと、不均一な下面312bとを含む。第2多孔質層304は、凹凸上面314aと、下面314bとを含む。上側表面312aおよび下側表面314bは、それ自体、不均一な特徴を含んでもよく、または平坦もしくは滑らかであってもよい。第1多孔質層312および第2多孔質層314の構成は、第1多孔質層312の表面312bと第2多孔質層314の表面314aとの間に複数のチャネル310を形成する。これらのチャネル310は、HORおよびHER中の水素ガスの移動を容易にすることができる。第1多孔質層312および第2多孔質層314の他の構成も、第1多孔質層312および第2多孔質層314が積層されたときにチャネルがそれらの界面に形成され得る限り、可能である。いくつかの実施形態において、第1多孔質層312および第2多孔質層314の多孔率は異なっていてもよい。図4に関して以下で説明するように、第1多孔質層312および第2多孔質層314の各々は、多孔質基板110(例えば、金属または金属合金発泡体)と、多孔質基板110を覆う触媒層112とを含むことができる。図3Bに示す第1多孔質層312および第2多孔質層314の凹凸面は、巨視的に示している。微視図において、表面は複数のマイクロ孔および/またはナノ孔を含む。
In some embodiments, the channels may also be created by stacking two
図3Cはいくつかの実施形態による、3層構造320(すなわち、3つの多孔質層142)を有するアノード電極104の断面図を示す。3層構造320は、第1多孔質層322と、第2多孔質層324と、第1多孔質層322と第2多孔質層324との間に介在する第3多孔質層326とを含む。第1多孔質層322、第2多孔質層324、および第3多孔質層326はそれぞれ、第1空隙率、第2空隙率、および第3空隙率を有し、第3空隙率は第1空隙率および第2空隙率と同じ、より小さい、またはより大きくてもよい。
Figure 3C shows a cross-sectional view of an
いくつかの実施形態において、第1多孔質層322、第2多孔質層324、および第3多孔質層326の表面輪郭は、それらが一緒に積み重ねられるとき、複数のチャネル310が第1多孔質層322と第3多孔質層326(例えば、第1チャネル)との間、および第2多孔質層324と第3多孔質層326(例えば、第2チャネル)との間の界面に生成されるように構成される。これらのチャネル310は、HORおよびHER中の水素ガスの移動を容易にすることができる。図3Cに示される図示される実施形態において、第3多孔質層326に面する第1多孔質層322の表面322aは平滑かつ平坦であるように構成することができ、一方、表面322aに面する第3多孔質層326の表面326aは、それらの間に少なくとも1つのチャネル310が形成されるように、不均一(例えば、波形、ノッチ付き、丸みを帯びた丘および/または谷、溝、または他の特徴)であるように構成される。さらに、第3多孔質層326に面する第2多孔質層324の表面324aは平滑かつ平坦であるように構成することができ、一方、表面324aに面する第3多孔質層326の表面326bは、それらの間に少なくとも1つのチャネル310が形成されるように、不均一(たとえば、波形、ノッチ付き、または他のそのような特徴を含む)であるように構成される。
In some embodiments, the surface contours of the first
図2および図3A~図3Cに示される実施形態は単なる例示であり、限定するものではないことを理解されたい。他の構成も考えられる。例えば、図2および図3A~図3Cに示される実施形態のそれぞれは、追加の多孔質層142を含んでもよい。さらに、表面326aおよび326bは波形として示されているが、表面輪郭が界面におけるガスチャネルの生成を容易にすることができる場合、他の表面輪郭を使用することができる。いくつかの実施形態において、表面322aおよび326aのうちの少なくとも1つはそれらの間に少なくとも1つのガスチャネルが生成され得るように不均一であり、および/または、表面324aおよび326bのうちの少なくとも1つはそれらの間に少なくとも1つのガスチャネルが生成され得るように不均一である。いくつかの実施形態において、表面322aおよび326aの輪郭は、それらの間に少なくとも1つのガスチャネルを作り出すことができるように、互いに異なるように構成され、および/または、表面324aおよび326bの輪郭は、それらの間に少なくとも1つのガスチャネルを作り出すことができるように、互いに異なるように構成される。また、アノード電極104は3つの多孔質層を有するように図示されているが、本開示はこの構造に限定されるものではない。例えば、アノード電極104は、2つの第1多孔質層322の上部積層、2つの第2多孔質層324の底部積層、および、上部積層と底部積層との間に介在する1つ以上の第3多孔質層326を含むことができる。いくつかの実施形態において、ガス拡散層は、第1多孔質層322と第3多孔質層326との間、および/または、第2多孔質層324と第3多孔質層326との間に配置することができる。例えば、ガス拡散層は多孔質であってもよい。
It should be understood that the embodiments shown in FIG. 2 and FIG. 3A-3C are merely exemplary and not limiting. Other configurations are contemplated. For example, each of the embodiments shown in FIG. 2 and FIG. 3A-3C may include an additional
いくつかの実施形態において、第1多孔質層322および第2多孔質層324は、第3多孔質層326の表面326aおよび326bと同様の不均一な(たとえば、波形の、ノッチの付いた、または他の特徴を含む)表面を有するように構成され得る。2つの隣接する層の波形表面は、互いに対向するように配置され、これによりチャネル310を形成する。いくつかの実施形態において、アノード電極104は、第1多孔質層322、第2多孔質層324、および第3多孔質層326のうちの任意の1つまたは任意の2つから形成することができる。
In some embodiments, the first
いくつかの実施形態において、多孔質層142中の電解質(例えば、電解質108)に対して異なる親和性を作り出すために、アノード電極104中の触媒層のうちの少なくとも1つは、表面親和性改質材料で部分的に被覆することができる。例えば、図3Cに示される構造体320においては、多孔質層322、324、および326のうちの少なくとも1つが、表面親和性改質材料でコーティングされる。多孔質基板142上の触媒層が電解質に対して親水性である場合、触媒層112は、電解質108に対して疎水性である材料で部分的にコーティングされてもよい。逆に、多孔質基板上の触媒層112が電解質に対して疎水性である場合、触媒層は、電解質に対して親水性である材料で部分的に被覆されてもよい。この構造体は電極の細孔内の水素ガスの移動を容易にし、放電中のHORを改善することができる。
In some embodiments, at least one of the catalytic layers in the
図4を参照すると、いくつかの実施形態において、第1多孔質層142(または図2、3A、および3Bに示される層構造)の各々は、多孔質基板410と、多孔質基板410上にコーティングされた触媒層412とを含み、触媒層412は遷移金属合金を含む。多孔質基板410は図1Cの多孔質導電性基板110と同様であり、上述のように、金属発泡体または金属合金発泡体を含むことができる。触媒層412は、図1Cの触媒層112と同様である。したがって、図2および図3A~図3Cの表面輪郭は、巨視的な図で示されている。これらの表面の各々は図4に示されるように、複数のマイクロ孔および/またはナノ孔414を含む。
Referring to FIG. 4, in some embodiments, each of the first porous layers 142 (or layer structures shown in FIGS. 2, 3A, and 3B) includes a porous substrate 410 and a catalyst layer 412 coated on the porous substrate 410, the catalyst layer 412 including a transition metal alloy. The porous substrate 410 is similar to the porous
上述のように、触媒層112は、遷移金属または金属合金触媒を含むことができる。さらに、陽極内の細孔が電解質膜で充填される陽極フラッディングを回避するために、ポリマー材料を触媒層上にコーティングして、ウェットプルーフィング効果を提供することができる。いくつかの実施形態において、高分子材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、および他のフッ素化高分子などの部分的または完全フッ素化高分子を含み、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素化エチレンプロピレン(FEP)、ポリエチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、む。金属-水素電池用の電極は表面親和性改質材料で被覆されていてもよいが、表面親和性改質材料は触媒層の表面全体を覆うように構成されていない。例えば、表面親和性改質材料は、触媒層の全表面の1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、または70%までを覆うことができる。
As mentioned above, the
図1Bに戻って参照すると、カソード電極102は、導電性基板114と、導電性基板114を覆うコーティング116とを含むことができる。コーティング116は、遷移金属を含む酸化還元反応性材料を含む。いくつかの実施形態において、導電性基板114が多孔性であり、例えば少なくとも約10%、少なくとも約20%、少なくとも約30%、少なくとも約40%、または少なくとも約50%、および最大約80%、最大約90%、またはそれ以上の空隙率を有する。いくつかの実施形態において、導電性基板114は、ニッケル発泡体などの金属発泡体、または金属合金発泡体から形成することができる。金属箔、金属メッシュ、および繊維状導電性基板などの他の導電性基板も本開示に包含される。いくつかの実施形態において、酸化還元反応性材料に含まれる遷移金属はニッケルである。いくつかの実施形態において、ニッケルは例えば、水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルとして含まれる。いくつかの実施形態において、酸化還元反応性材料に含まれる遷移金属はコバルトであってもよい。いくつかの実施形態において、コバルトは酸化コバルトまたは酸化亜鉛コバルトとして含まれる。いくつかの実施形態において、酸化還元反応性材料に含まれる遷移金属はマンガンであってもよい。いくつかの実施形態において、マンガンは、酸化マンガンまたはドープされた酸化マンガン(例えば、ニッケル、銅、ビスマス、イットリウム、コバルト、または他の遷移金属もしくは後遷移金属でドープされた)として含まれ得る。銀などの他の遷移金属も本開示に包含される。いくつかの実施形態において、酸化還元反応性材料のコーティング微細構造は例えば、約1μm~約100μm、約1μm~約50μm、または約1μm~約10μmの範囲のサイズ(または平均サイズ)を有し得る。
1B, the
いくつかの実施形態において、電解質膜108は水性電解質である。水性電解質はアルカリ性であり、7を超える、例えば約7.5以上、約8以上、約8.5以上、約9以上、約11以上、または約13以上のpHを有する。非限定的な例として、電解質膜108は、KOHまたはNaOHまたはLiOH、またはLiOH、NaOHおよび/またはKOHの混合物を含んでもよい。
In some embodiments, the
図5は、アノード電極104の実施形態を形成する方法500の実施形態を示す。ステップ502において、1つ以上の多孔質基板110が得られる。処理される多孔質基板110の数は、アノード電極104内の多孔質層142の数を決定する。多孔質基板110は上述したように、導電性であってもよい。いくつかの実施形態において、多孔質基板110を形成するために、ニッケル発泡体、銅発泡体、鉄発泡体、鋼発泡体、アルミニウム発泡体などの金属発泡体を採用することができる。いくつかの実施形態において、多孔質基板110は、ニッケル-鉄発泡体、ニッケル-モリブデン発泡体、ニッケル-銅発泡体、ニッケル-コバルト発泡体、ニッケル-タングステン発泡体、ニッケル-銀発泡体、ニッケル-モリブデン-コバルト発泡体、などのニッケルを含む金属合金発泡体である。上述のように、多孔質基板110は、多孔質金属箔、金属メッシュ、および繊維状導電性基板などの他の材料から形成することもできる。さらに、いくつかの実施形態において、多孔質基板110は、炭素繊維紙、炭素布、カーボンフェルト、カーボンマット、カーボンナノチューブフィルム、グラファイトフォイル、グラファイトフォーム、グラファイトマット、グラフェンフォイル、グラフェンファイバ、グラフェンフィルム、およびグラフェンフォームなどの炭素系材料から形成することができる。多孔質基板110は、少なくとも約10%、少なくとも約20%、少なくとも約30%、少なくとも約40%、または少なくとも約50%、および最大約80%、最大約90%、またはそれ以上の空隙率を有してもよい。異なる気孔率を有する多孔質基板110を利用することができる。
Figure 5 illustrates an embodiment of a
ステップ504において、多孔質基板110を改質することができる。多孔質基板110の改質は、多孔質基板110の表面形態を調整すること、多孔質基板110の多孔度を調整すること、その他のプロセス、およびこれらのプロセスの様々な組み合わせを含む、多くの方法で実施することができる。改質ステップ504において実行され得る工程のうちのいくつかは、以下でさらに説明される。また、処理中の多孔質基板110が複数存在する場合、改質工程504において個々の多孔質基板110ごとに実施される処理は、互いに異なっていてもよい。
In
ステップ506において、改質ステップ504で調製された多孔質基板のそれぞれが、例えば電解めっきによって触媒層112で被覆される。触媒層112はNi、Co、Cr、Mo、Fe、Zn、Sn、およびWなどの2つ以上の遷移金属を含むことができる。いくつかの実施形態において、触媒層112は、ニッケル-モリブデン-コバルト(NiMoCo)合金または上述のような別の合金を含む。いくつかの実施形態において、多孔質基板の表面全体が触媒層112で被覆される。いくつかの実装形態において、触媒層112は多孔質基板110の表面全体を覆わなくてもよい。電解めっきプロセスにおいて、遷移金属を含む槽内で電解めっきを実施して、触媒層を形成することができる。いくつかの実施形態において、めっき槽は、0.1~100g/リットル(グラム/リットル)の範囲の濃度を有するニッケル、モリブデン、コバルトなどの塩の溶液であり得る。めっき槽の溶液はまた、1~100g/リットルの範囲の濃度を有する炭酸水素ナトリウムのようなpH緩衝塩、および場合によっては、1~100g/リットルの濃度を有するピロリン酸ナトリウムのような他の塩を有することができ、これにより、めっき槽の溶液の安定化を助ける。
In
ステップ506における触媒層112の堆積は、スパッタリング、電子ビーム堆積、または化学気相堆積(CVD)、原子層堆積(ALD)、または他の方法などの化学還元法または物理気相堆積(PVD)法を介して実施することもできる。さらに、上述のように、触媒は、上述のような2元機能触媒であってもよい。
Deposition of the
ステップ508において、ステップ506で製造された多孔質層142がさらに処理される。そのような処理は例えば、浸出処理、アニーリング処理、表面親和性コーティング(ウェットプルーフィング)、その他の処理、およびこれらの処理の任意の組み合わせを含むことができる。加えて、処理されている複数の多孔質層142がある場合、各個々の多孔質層142に対して実行される処理は、互いに異なっていてもよい。
In
ステップ510において、各々がステップ508から得られた触媒層で被覆された1つ以上の多孔質層142は、互いに接続/結合されて、金属-水素電池100のためのアノード電極104を形成する。結果として得られるアノード電極104は、図2および図3A~図3Cに関して上述したものとすることができる。図3A~図3Cに示されるように、ステップ508において接続される多孔質層104の各々は、方法508において異なる処理を受けていてもよい。
In
動作502~510は図5において特定のシーケンスで示されているが、本開示はそのように限定されないことをさらに理解されたい。動作502~510は同じまたは同様の電極を形成するために、異なる順序で実行され得る。図5は説明のためのものであり、動作の順序に関して限定することを意図するものではない。 It should be further understood that although operations 502-510 are shown in a particular sequence in FIG. 5, the disclosure is not so limited. Operations 502-510 may be performed in different orders to form the same or similar electrodes. FIG. 5 is for illustrative purposes and is not intended to be limiting with respect to the order of operations.
図6~図9は、方法500の様々な実施形態を示す。図6~図9は様々な個々のプロセスを例示するが、アノード電極104の特定の実施形態を製造するために使用される方法500は、本明細書で論じられるプロセスの任意の組み合わせ、またはすべてを含むことができることを理解されたい。
FIGS. 6-9 show various embodiments of the
図6は、金属-水素電池100のためのアノード電極104を形成するための方法500の1例である方法600を示す。上述のように、ステップ502において、1つ以上の多孔質基板110が得られる。ステップ504において、多孔質基板110のそれぞれを改質することができる。ステップ506において、改質多孔質基板110は、例えば電解めっきによって触媒層112で被覆され、多孔質層142を形成する。ステップ508において、多孔質層142は、さらなる処理を受ける。この実施形態の方法600において、処理ステップ508は、多孔質層142の触媒層112からいくつかの金属を除去するための金属浸出プロセス602を含むことができる。いくつかの実施形態において、処理ステップ508の間、金属浸出プロセス602の後に、アニーリングステップ604を実施することができる。ステップ510において、各々が触媒層112で被覆された多孔質基板110で形成された1つ以上の多孔質層142は、互いに接続/結合されて、金属-水素電池100のためのアノード電極104を形成する。
FIG. 6 shows a
ステップ504の浸出ステップ602において、触媒層112で被覆された多孔質基板110から形成された多孔質層142をアルカリ溶液(例えば、KOH溶液)に浸漬して、触媒層112からいくつかの金属を選択的に浸出することができる。この手順は、単位面積当たり高密度の活性HOR/HER部位を有する高表面積をもたらす。いくつかの実施形態において、浸出は、室温を超える温度で、例えば、約30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、または100℃で、または上記の数値のいずれか2つの間で実施されて、浸出工程を加速してもよい。いくつかの実施形態において、触媒層112の触媒がNiMoCo合金である場合、浸出操作はNiMoCo合金からMoの一部(全てではない)を除去することができる。金属の浸出は、高pHめっき液に限定されず、標的金属の溶解度に従って、pH範囲(0~14)全体にわたってめっき液を用いて実施することができる。例えば、Niを酸性溶液(pH <7)中で浸出させて、表面積を増加させることができる。浸出槽はまた、純金属または合金からの金属溶解を促進するための酸化剤または還元剤を含むことができる。図6にさらに示すように、いくつかの実施形態において、浸出工程602の後にアニーリング工程604を実施することができ、ここで多孔質層をオーブンに送り、希釈水素雰囲気下でアニーリングして表面を脱酸化する。アニーリングは浸出工程と同様の温度で(例えば、100 ℃以上の温度で)実施することができる。いくつかの実施形態において、アニーリング工程604は100℃~500℃、例えば400 ℃の希釈雰囲気下で実施することができる。
In the
図7は、金属-水素電池100のためのアノード電極104を形成する方法500の別の実施形態である方法700を示す。上述のように、ステップ502において、1つ以上の多孔質基板110が得られる。ステップ504において、多孔質基板110のそれぞれを改質することができる。図7に示される例示的な実施形態では、多孔質基板110の少なくともいくつかの空隙率がステップ702において変更される。ステップ506において、多孔質基板110は例えば、上述の電気めっきによって、触媒層112で被覆される。ステップ508において、触媒層112でコーティングされた多孔質基板110から形成された多孔質層142は、さらなる処理に供することができる。上述のように、ステップ510において、触媒層112内にコーティングされた多孔質基板110からそれぞれ形成された1つ以上の多孔質層142のうちの1つ以上が互いに接続/結合されて、上述のような金属-水素電池100のためのアノード電極104を形成する。
Figure 7 shows a
処理工程504の工程702は、いくつかの実施形態において、多孔質基板110のうちの1つまたは複数の多孔質基板の空隙率を例えば、多孔質支持体110の圧縮によって低減することができる。例えば、ステップ510においてアノード電極104を形成するためにステップ502において得られる1つ以上の多孔質基板110は、それらの多孔度を調整するために圧縮プロセスを受けることができる。圧縮はまた、アノード電極104を形成するためのより剛性の多孔質基板110を提供することができる。いくつかの実施形態において、多孔質基板110は、得られるアノード電極104の実施形態に応じて、異なる空隙率に圧縮されてもよい。多孔質基板に対して適用される圧縮が高いほど、空隙率が低くなる。例えば、アノード電極104の最も外側で終端する多孔質基板110は、アノード電極104の最も外側の多孔質基板110内に位置する多孔質基板110よりも大きい程度に圧縮されてもよい。いくつかの実施形態において、内部多孔質基板110は、ステップ702において圧縮プロセスを受けても受けなくてもよい。この構成は、内側多孔質層よりも外側多孔質層142において高い圧縮を伴い、アノード電極104の外側に剛性を生じさせ、アノード電極104の内側に高い多孔質部分を提供して、HERおよびHORのための流体またはガスの流れを容易にすることができる。
Step 702 of the
図8は、金属-水素電池100のためのアノード電極104を形成する方法500の別の実施形態である方法800を示す。上述のように、ステップ502において、1つ以上の多孔質基板110が得られる。ステップ504において、多孔質基板110のそれぞれを変更することができる。図8に示される例示的な実施形態は、多孔質基板110の少なくともいくつかの表面形態がステップ802において改質され、上述のように表面特徴を形成する。ステップ506において、多孔質基板110は触媒層112によって、例えば、上述の電気めっきによって被覆されて、多孔質層142を形成する。ステップ508において、触媒層112でコーティングされた多孔質基板110から形成された多孔質層142は、さらなる処理に供することができる。上述のように、ステップ510において、触媒層112内にコーティングされた多孔質基板110からそれぞれ形成された1つ以上の多孔質層142が、互いに接続/結合されて、上述のような金属-水素電池100のためのアノード電極104を形成する。
Figure 8 shows a
表面改質工程802において、1つ以上の多孔質基板110の表面輪郭は、1つ以上のチャネル(例えば、図3A~図3Cのチャネル310)が2つの隣接する多孔質層142の界面に形成されるように改質することができる。例えば、1つ以上の多孔質基板110は、それらの表面上に打ち抜かれて、例えば2つの隣接する多孔質基板110の2つの隣接する表面について、異なる表面形態を生成してもよい。例えば、隣接する2つの表面のうちの1つは粗い/不均一であるように構成され、一方、隣接する2つの表面のうちの別の1つは滑らか/平坦であるように構成される。多孔質基板110の表面は例えば、波形、交互凹凸、スパイク状、溝付き、ノッチ付き、丸み付き、または他の形状などの様々な形状のいずれかであってもよい。異なる表面形態を形成するために使用することができる他の方法は、エッチング、切断、引っ掻きき、または表面形態を形成するための他の方法を含む。いくつかの実施形態において、形態工程802および空隙率工程702を組み合わせて、表面形態の形成ならびに多孔性基板110の空隙率の調整をもたらす単一のプレスまたはスタンピング工程にすることができる。
In the
図9は、金属-水素電池100のためのアノード電極104を形成する方法500の別の実施形態である方法900を示す。上述のように、ステップ502において、1つ以上の多孔質基板110が得られる。ステップ504において、多孔質基板110のそれぞれを改質することができる。ステップ506において、多孔質基板110は触媒層112によって、例えば、上述の電気めっきにより被覆されて、多孔質層142を形成する。ステップ508において、触媒層112でコーティングされた多孔質基板110から形成された多孔質層142は、さらなる処理に供することができる。図9に示すように、ステップ508は以下でさらに説明するように、表面親和性コーティングステップ902を含むことができる。上述のように、ステップ510において、触媒層112内にコーティングされた多孔質基板110からそれぞれ形成された1つ以上の多孔質層142が、互いに接続/結合されて、上述のような金属-水素電池100のためのアノード電極104を形成する。ステップ508のステップ902において、表面親和性改質材料が触媒層上にコーティングされる。
9 shows a
ステップ902は、いくつかの実施形態において、多孔質基板111上の触媒層112が電解質に対して親水性であるとき、触媒層112を電解質108に対して疎水性である材料で部分的にコーティングしてもよい。いくつかの実施形態において、多孔質基板110上の触媒層112が電解質に対して疎水性であるとき、触媒層112は電解質108に対して親水性である材料で部分的にコーティングされてもよい。結果として得られる構造体は、アノード電極104の多孔質層142の細孔内の水素ガスの移動を容易にし、アノードフラッディングを回避することができる。いくつかの実施形態において、ステップ902でコーティングされる表面親和性修飾材料は、1つまたは複数のポリマーであってもよい。非限定的な例として、表面親和性修飾材料は上述のように、PTFEなどの疎水性ポリマーを含むことができる。
Step 902 may, in some embodiments, partially coat the
本明細書に開示される方法は、電極を金属-水素電池での使用に適したものにするために、部分的または全体的に修正または組み合わせることができることを理解されたい。具体的には、方法500は、図6~図9の各々において論じられるようなプロセスの任意の組合せを含み得る。金属-水素電池100のためのアノード電極104を形成するさらなる方法を例示するために、具体例を以下に示す。
It should be understood that the methods disclosed herein may be modified or combined, in part or in whole, to render an electrode suitable for use in a metal-hydrogen battery. Specifically, the
実施例I:電極の表面上の活性HOR/HER部位の増加
いくつかの実施形態において、ステップ506において、多孔質電極110上へのNiMoCo合金の電着を使用して、触媒層112を形成することができる。これらの実施形態において、得られた多孔質層142は、多孔質基板110および触媒層112と共に、濃縮KOH溶液に浸漬して、図6に示すようにステップ602でMoの一部を選択的に浸出することができる。このプロセスは、単位面積当たり高密度の活性HOR/HER部位を有する高表面積をもたらすことができる。ロバストな電気化学インピーダンス工程を開発し、電子顕微鏡を用いてさらに評価できる2重層キャパシタンス(Cdl)から表面積を推定した。図10A~図10Dは、より高いCdlを有する表面がより粗い表面を有することを示す走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。CdlはHOR/HERの電荷移動抵抗(Rct)と非常に強く相関し、多孔質層のバッチの質を迅速にスクリーニングするために使用することができる。
Example I: Increasing Active HOR/HER Sites on the Surface of the Electrode In some embodiments, the
実施例II:電気めっき槽組成物
ステップ506において触媒を電気めっきするために使用することができる槽組成は、金属イオン濃度を2~5倍に増加させることによって変更することができる。そのような金属イオン濃度の増加は、触媒の負荷および性能を増加させる。より高い金属濃度の金属イオンは、槽が補充される必要がある前に実行される多くのめっきランにおいて使用することができる。図11Aはmg/cm2対バッチ番号での質量負荷を示し、浴槽を頻繁に補充する必要なしに増大した金属濃度によって達成される一貫した触媒負荷を示す。この再設計槽を用いて作製した電池セルも強い性能を示した。図11Bは、本開示の実施形態に従って形成された1対のカソード電極102およびアノード電極104でそれぞれ形成されたいくつかのセル(セル1、2、および3)の電圧対容量のグラフを示す。図11Cは、図11Bに示される3つのセルの効率および容量対サイクル数を示す。図11Bおよび図11Cは、提案された槽組成物を用いた強力な性能を示す。
Example II: Electroplating Bath Composition The bath composition that can be used to electroplate the catalyst in
実施例III:NiMoCo触媒からのMo浸出
上述のMo浸出プロセスステップ602を、NiMoCo触媒層112の多孔質層の電解めっき後の多孔質層上の濃縮KOH中で多孔質基板110上へ実施して、表面積上の活性反応部位を増加させることができる。浸出プロセスステップ602は、高温で実施する場合よりも室温においてより長い時間を要する。あるいは、ステップ602はエッチングプロセスを利用してもよい。濃縮KOHで達成されるのと同じ触媒表面積および性能は、高温で短時間、例えば30分程度の短時間でエッチングすることによって達成することができる。
Example III: Mo leaching from NiMoCo catalyst The Mo
実施例IV:3層電極構造
上記の図3Cに示されるような3層アノード構造は、ガススクリーンを必要とせずに、高密度の触媒サイトおよび容易な水素ガス輸送を可能にする。上述のように、アノード電極104は、互いに積層された3つの多孔質層(層322、324、および326)を含む。水素フローチャネルは、3つの多孔質基板の中間層326を波形にすることによって形成される。図12Aは、波形中間層、層326の1例を示す画像である。図12Bは、図7の空隙率改質工程702における圧縮前の多孔質基板を示すSEM画像である;図12Cは、図7の空隙率改質工程702における圧縮後の多孔質基板110を示すSEM画像である。図12Cはまた、圧縮された多孔質基板が低い空隙率を有することを示す。図12Dは、図3Cに示されるような3層アノード電極104を使用する10Ah電池の電圧-容量曲線を示す図であり、3層アノード電極104を使用するときの強い性能を実証する。
Example IV: Three-Layer Electrode Structure The three-layer anode structure, as shown in FIG. 3C above, allows for high density of catalytic sites and easy hydrogen gas transport without the need for a gas screen. As described above, the
例V:PTFEを使用したウェットプルーフ陽極
図9に示されるような処理ステップ508の親和性コーティングステップ902を、浸漬および焼結プロセスを用いて実行することにより、アノード多孔質層142上の疎水性部位を誘起して、アノードフラッディングを引き起こすことなく電解質透過と水素ガス輸送との間の最適なバランスを作り出すことができる。図13Aは、湿式防水(親和性)コーティングを施さない電池セルが陽極フラッディングのために放電し難いことを示す、電圧対容量の図である。結果として生じる電池は、電解質膜108によるアノードフラッディングのために放電し難く、これは、電極表面への水素ガスアクセスを遮断することによってHOR反応を抑制する。図13Bは電圧対容量の図であり、陽極多孔質層142が耐湿性コーティング(例えば、フルオロポリマー)を含む電池セルが、図13Aに示される電池セルの放電特性よりも著しく改善された放電特性を示すことを示す。
Example V: Wet-Proof Anode Using PTFE By performing
実施例VI:高温での安定した電池性能
図14は、3つのセルのうちの1つを有する例示的な電池を示す。各セルは、図2に示されるような単層構造を有するアノード電極104を含む。図14に示すように、各セルは、45℃で0.5Cの充電率で3000サイクルを超えて安定した性能で安定してサイクルすることができる。
Example VI: Stable Battery Performance at High Temperature Figure 14 shows an exemplary battery having one of three cells. Each cell includes an
実施例VII:高いCレート性能
図15は、図3Cに示されるような3層構造のアノード電極104を有する16Ahセルを示す。図15は、上述のようなアノード電極104を使用する電池100の実施形態が容量損失なしに、5Cまでの充電および放電速度で容易に確実に動作できることを示す。
Example VII: High C-rate capability Figure 15 shows a 16 Ah cell having a three-layered
実施例VIII:室温での安定した2Cサイクル性能
図16は図3Aに示されるような2重層構造アノード電極104を有する20Ahセルを示し、これは、安定したセル性能で1000サイクルを超える間、2C以上の充電速度でサイクルすることができる。
Example VIII: Stable 2C cycling performance at room temperature FIG. 16 shows a 20 Ah cell having a bi-layer
開示の態様
本開示の態様は、金属水素電池が組み込まれた電極およびその形成について記載する。本開示の多数の態様の選択は、以下の態様を含むことができる:
Aspects of the Disclosure Aspects of the disclosure describe electrodes incorporating metal hydride batteries and the formation thereof. A selection of numerous aspects of the disclosure can include the following aspects:
態様1:金属水素電池用の電極であって、前記電極は1つ以上の多孔質層を含み、前記多孔質層の各々は、多孔質基板と、前記多孔質基板を覆う触媒層とを含み、前記触媒層は遷移金属を含み、前記少なくとも1つの多孔質層のうちの少なくとも1つは、水素ガス輸送を容易にする特徴を有する表面を含む、電極。 Aspect 1: An electrode for a metal-hydrogen battery, the electrode comprising one or more porous layers, each of the porous layers comprising a porous substrate and a catalyst layer overlying the porous substrate, the catalyst layer comprising a transition metal, and at least one of the at least one porous layer comprising a surface having characteristics that facilitate hydrogen gas transport.
態様2:少なくとも1つの多孔質層が複数の多孔質層を含み、第1多孔質層の第1表面および第2多孔質層の特徴を有する第2表面が、水素ガス輸送チャネルを形成する輪郭を有する、態様1の電極。
Aspect 2: The electrode of
態様3:少なくとも1つの多孔質層のそれぞれの多孔質基板が、金属または金属合金発泡体、金属箔、金属メッシュ、繊維状導電性基板、炭素繊維紙、炭素布、カーボンフェルト、カーボンマット、カーボンナノチューブフィルム、グラファイト箔、グラファイト発泡体、グラファイトマット、グラフェン箔、グラフェン繊維、グラフェンフィルム、およびグラフェン発泡体のうちの1つまたは複数を含む、態様1~2の電極。 Aspect 3: The electrode of aspects 1-2, wherein the porous substrate of each of the at least one porous layer comprises one or more of a metal or metal alloy foam, a metal foil, a metal mesh, a fibrous conductive substrate, a carbon fiber paper, a carbon cloth, a carbon felt, a carbon mat, a carbon nanotube film, a graphite foil, a graphite foam, a graphite mat, a graphene foil, a graphene fiber, a graphene film, and a graphene foam.
態様4:金属または金属合金発泡体が、ニッケル発泡体、ニッケル-モリブデン発泡体、ニッケル-鉄発泡体、ニッケル-銅発泡体、ニッケル-コバルト発泡体、ニッケルタングステン発泡体、ニッケル-銀発泡体、およびニッケル-モリブデン-コバルト発泡体のうちの1つである、態様1~3の電極。 Aspect 4: The electrode of aspects 1-3, wherein the metal or metal alloy foam is one of nickel foam, nickel-molybdenum foam, nickel-iron foam, nickel-copper foam, nickel-cobalt foam, nickel-tungsten foam, nickel-silver foam, and nickel-molybdenum-cobalt foam.
態様5:少なくとも1つの多孔質層のそれぞれの多孔質基板が、金属発泡体または金属合金発泡体を含む、態様1~4の電極。 Aspect 5: The electrode of aspects 1-4, wherein the porous substrate of each of at least one of the porous layers comprises a metal foam or a metal alloy foam.
態様6:触媒層が、水素発生反応(HER)および水素酸化反応(HOR)の両方に寄与する2元機能触媒である、態様1~5の電極。
Aspect 6: An electrode according to
態様7:前記2元機能触媒が、ニッケル-モリブデン-コバルト(NiMoCo)、ニッケル、ニッケル-モリブデン、ニッケル-タングステン、ニッケル-タングステン-コバルト、ニッケル-タングステン-銅、ニッケル-炭素、およびニッケル-クロムのうちの1つ以上である、態様1~6の電極。
Aspect 7: The electrode of
態様8:2元機能触媒の遷移金属が、Ni、Co、Cr、Mo、Fe、Zn、Sn、およびWのうちの2つ以上を含む、態様1~7の電極。
Aspect 8: An electrode according to
態様9:2元機能触媒が、白金、パラジウム、イリジウム、金、ロジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウム、銀、ニッケル、コバルト、マンガン、鉄、モリブデン、タングステン、およびクロムのうちの1つまたは複数を含む、態様1~8の電極。 Aspect 9: The electrode of aspects 1-8, wherein the bifunctional catalyst comprises one or more of platinum, palladium, iridium, gold, rhodium, ruthenium, rhenium, osmium, silver, nickel, cobalt, manganese, iron, molybdenum, tungsten, and chromium.
態様10:遷移金属合金がNiMoCo合金またはNiMo合金である態様1~9の電極。
Aspect 10: The electrode of
態様11:少なくとも1つの多孔質層は、第1多孔質層と、第2多孔質層と、第1多孔質層と第2層との間に配置された第3多孔質層とを含み、第3多孔質層が、第1多孔質層または第2多孔質層の第2表面輪郭とは異なる第1表面輪郭を有する、態様1~10の電極。 Aspect 11: The electrode of aspects 1-10, wherein at least one porous layer includes a first porous layer, a second porous layer, and a third porous layer disposed between the first and second porous layers, and the third porous layer has a first surface contour that is different from the second surface contour of the first or second porous layers.
態様12:特徴が、波形、ノッチ、丸みを帯びた丘および/または谷、ならびに溝のうちの1つまたは複数を含む、態様1~11の電極。 Aspect 12: The electrode of aspects 1-11, wherein the features include one or more of corrugations, notches, rounded hills and/or valleys, and grooves.
態様13:第1多孔質層、第2多孔質層、および第3多孔質層の触媒層のうちの少なくとも1つが、少なくとも部分的に防湿材料で被覆されている、態様1~12の電極。
Aspect 13: The electrode of
態様14:前記ウェットプルーフィング材料が、ポリエチレンテ、ポリプロピレン、部分または完全フッ素化ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素化エチレンプロピレン(FEB)、ポリエチレンテレフタレートテトラフルオロエチレン(ETFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)、およびポリフッ化ビニリデン(PVDF)のうちの1つを含む、態様1~13の電極。 Aspect 14: The electrode of aspects 1-13, wherein the wet proofing material comprises one of polyethylene terephthalate, polypropylene, a partially or fully fluorinated polymer, polytetrafluoroethylene (PTFE), fluorinated ethylene propylene (FEB), polyethylene terephthalate tetrafluoroethylene (ETFE), polyvinyl fluoride (PVF), and polyvinylidene fluoride (PVDF).
態様15:第1表面を有する第1多孔質層と、第2表面を有する第1多孔質層に隣接する第2多孔質層とを含むアノード電極であって、第1多孔質層の第1表面および第2多孔質層の第2表面が水素ガス輸送チャネルを形成する、アノード電極。 Aspect 15: An anode electrode comprising a first porous layer having a first surface and a second porous layer adjacent to the first porous layer having a second surface, wherein the first surface of the first porous layer and the second surface of the second porous layer form a hydrogen gas transport channel.
態様16:第1表面が平坦または平滑であり、第2表面が不均一な特徴を含む、態様15のアノード電極。 Aspect 16: The anode electrode of aspect 15, wherein the first surface is flat or smooth and the second surface includes uneven features.
態様17:第1表面および第2表面の一方または両方が、凹凸形状を含む、態様15~16のアノード電極。 Aspect 17: The anode electrode of aspects 15-16, wherein one or both of the first surface and the second surface include an uneven shape.
態様18:第1表面または第2表面の凹凸形状が、波形、ノッチ、丸みを帯びた丘および/または谷、および溝のうちの1つまたは複数を含む、態様15~17のアノード電極。 Aspect 18: An anode electrode according to aspects 15 to 17, wherein the contours of the first surface or the second surface include one or more of corrugations, notches, rounded hills and/or valleys, and grooves.
態様19:第2多孔質層が第2表面の反対側の第3表面を有し、第4表面を有する第3多孔質層をさらに含み、第3多孔質層の第4表面および第2多孔質層の第3表面が、第2輸送チャネルを形成する、態様15~18のアノード電極。 Aspect 19: The anode electrode of aspects 15-18, wherein the second porous layer has a third surface opposite the second surface, and further comprises a third porous layer having a fourth surface, the fourth surface of the third porous layer and the third surface of the second porous layer forming a second transport channel.
態様20:圧力容器と、前記圧力容器内に配置された電極積層とを備え、前記電極積層は電解質膜を保持し、前記電極積層はセパレータによって分離された交互に積層されたカソード電極とアノード電極とを含み、前記アノード電極は1つ以上の多孔質層を含み、前記多孔質層の各々は、多孔質基板と、前記多孔質基板を覆う触媒層とを含み、前記触媒層は遷移金属を含み、前記少なくとも1つの多孔質層の少なくとも1つは、水素ガス輸送を容易にする特徴を有する表面を含む、電池。 Aspect 20: A battery comprising a pressure vessel and an electrode stack disposed within the pressure vessel, the electrode stack holding an electrolyte membrane, the electrode stack including alternating cathode and anode electrodes separated by a separator, the anode electrode including one or more porous layers, each of the porous layers including a porous substrate and a catalyst layer overlying the porous substrate, the catalyst layer including a transition metal, and at least one of the at least one porous layer including a surface having characteristics that facilitate hydrogen gas transport.
態様21:金属水素電池用の電極を形成するための方法であって、 1つ以上の多孔質基板を得ることと、 前記多孔質基板の少なくとも1つの少なくとも1つの表面に表面特徴を形成することと、 前記1つ以上の多孔質基板を触媒層でコーティングして多孔質層を形成することと、 前記多孔質層を接続して前記電極を形成することと、を含む方法。 Aspect 21: A method for forming an electrode for a metal-hydrogen battery, comprising: obtaining one or more porous substrates; forming surface features on at least one surface of at least one of the porous substrates; coating the one or more porous substrates with a catalyst layer to form a porous layer; and connecting the porous layers to form the electrode.
態様22:1つ以上の多孔質基板を触媒層でコーティングすることが、多孔質基板を触媒層で電気めっきすることを含み、触媒層が遷移金属合金を含む、態様21の方法。 Aspect 22: The method of aspect 21, wherein coating the one or more porous substrates with a catalytic layer comprises electroplating the porous substrate with the catalytic layer, the catalytic layer comprising a transition metal alloy.
態様23:多孔質基板を触媒層で電気めっきすることが、Ni、Co、Cr、Mo、Fe、Zn、S、およびWのうちの2つ以上を含有する槽中で行われる、態様21~22の方法。 Aspect 23: The method of aspects 21-22, wherein electroplating the porous substrate with a catalytic layer is performed in a bath containing two or more of Ni, Co, Cr, Mo, Fe, Zn, S, and W.
態様24:多孔質層を浸出して、触媒層からいくつかの金属を除去することをさらに含む、態様21~23の方法。 Aspect 24: The method of aspects 21-23, further comprising leaching the porous layer to remove some of the metal from the catalyst layer.
態様25:遷移金属合金がMoを含み、浸出は多孔質層からMoを除去することを含む、態様21~24の方法。 Aspect 25: The method of aspects 21-24, wherein the transition metal alloy comprises Mo, and leaching comprises removing Mo from the porous layer.
態様26:浸出が、KOHを含むアルカリ溶液中への多孔質層の浸漬を含む、態様21~25の方法。 Aspect 26: The method of aspects 21-25, wherein leaching comprises immersing the porous layer in an alkaline solution comprising KOH.
態様27:浸出が室温より高い温度で行われる、態様21~26の方法。 Aspect 27: The method of aspects 21-26, wherein the leaching is performed at a temperature greater than room temperature.
態様28:前記温度が、約40℃~約80 ℃である、態様21~27のいずれかに記載の方法。 Aspect 28: The method of any one of aspects 21 to 27, wherein the temperature is from about 40°C to about 80°C.
態様29:浸出工程に続くアニーリング工程をさらに含む、態様21~28の方法。 Aspect 29: The method of aspects 21-28, further comprising an annealing step following the leaching step.
態様30:アニール工程が、100℃~500℃の希釈水素雰囲気下で炉内でアニールすることを含む、態様21~29のいずれか一項に記載の方法。 Aspect 30: The method of any one of aspects 21 to 29, wherein the annealing step includes annealing in a furnace under a diluted hydrogen atmosphere at 100°C to 500°C.
態様31:表面特徴を形成することが、波形、ノッチ、丸みを帯びた丘および/または谷、ならびに溝のうちの1つを形成することを含む、態様21~30の方法。 Aspect 31: The method of aspects 21-30, wherein forming the surface features includes forming one of corrugations, notches, rounded hills and/or valleys, and grooves.
態様32:態様21~31の方法であって、多孔性基板の少なくとも1つの多孔性を改質することをさらに含む、方法。 Aspect 32: The method of aspects 21-31, further comprising modifying at least one porosity of the porous substrate.
態様33:ウェットプルーフィングを提供するために、多孔質層の少なくとも1つを表面親和性改質材料でコーティングすることをさらに含む、態様21~32の方法。 Aspect 33: The method of aspects 21-32, further comprising coating at least one of the porous layers with a surface affinity modifying material to provide wet proofing.
態様34:多孔質層を接続して電極を形成することは、表面特徴が水素ガスの輸送のために第1多孔質層と第2多孔質層との間に第1輸送チャネルを形成するように、第1多孔質層と第2多孔質層とを積層することを含む、態様21~33の方法。 Aspect 34: The method of aspects 21-33, wherein connecting the porous layers to form an electrode includes laminating the first and second porous layers such that the surface features form a first transport channel between the first and second porous layers for transport of hydrogen gas.
態様35:第2多孔質層と第3多孔質層との間に第2輸送チャネルを形成するために、第3多孔質層を第2多孔質層とさらに積層することをさらに含む、態様21~34の方法。 Aspect 35: The method of aspects 21-34, further comprising further laminating a third porous layer with the second porous layer to form a second transport channel between the second porous layer and the third porous layer.
本開示の前述の説明は、例示および説明の目的のために提供されている。それは、網羅的であること、または開示された正確な形態に開示を限定することを意図するものではない。本開示の幅および範囲は、上述の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではない。当業者には、多くの修正および変形例が明らかであろう。修正および変形は、開示された特徴の任意の関連する組み合わせを含む。実施形態は、本開示の原理およびその実用的な適用を最もよく説明するために選択され、説明され、それによって、他の当業者が様々な実施形態のための本開示を、企図される特定の使用に適した様々な修正を伴って理解することを可能にする。本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの同等物によって定義されることが意図される。 The foregoing description of the disclosure has been provided for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the disclosure to the precise form disclosed. The breadth and scope of the disclosure should not be limited by any of the exemplary embodiments described above. Many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. Modifications and variations include any relevant combination of the disclosed features. The embodiments have been selected and described in order to best explain the principles of the disclosure and its practical application, thereby enabling others skilled in the art to understand the disclosure for various embodiments, with various modifications suited to the particular use contemplated. It is intended that the scope of the disclosure be defined by the following claims and their equivalents.
Claims (35)
1つ以上の多孔質層であって、各前記多孔質層は、多孔質基板と、前記多孔質基板を覆う触媒層とを含み、前記触媒層が遷移金属を含む、多孔質層を備え、
前記少なくとも1つの多孔質層のうち少なくとも1つは、水素ガス輸送を容易にする特徴を有する表面を含む、
電極。 1. An electrode for a metal hydride battery, comprising:
one or more porous layers, each of the porous layers including a porous substrate and a catalytic layer overlying the porous substrate, the catalytic layer including a transition metal;
at least one of the at least one porous layers comprises a surface having characteristics that facilitate hydrogen gas transport;
electrode.
第2表面を有し前記第1多孔質層に隣接する第2多孔質層;
を備え、
前記第1多孔質層の前記第1表面と前記第2多孔質層の前記第2表面とが水素ガス輸送チャネルを形成する、
アノード電極、。 a first porous layer having a first surface;
a second porous layer adjacent to the first porous layer and having a second surface;
Equipped with
the first surface of the first porous layer and the second surface of the second porous layer form hydrogen gas transport channels;
Anode electrode,
前記アノード電極はさらに、第4表面を有する第3多孔質層を備え、
前記第3多孔質層の前記第4表面および前記第2多孔質層の前記第3表面は、第2輸送チャネルを形成する、
請求項15記載のアノード電極。 the second porous layer has a third surface opposite the second surface;
the anode electrode further comprising a third porous layer having a fourth surface;
the fourth surface of the third porous layer and the third surface of the second porous layer form a second transport channel.
The anode electrode according to claim 15.
前記圧力容器内に配置され電解質を保持する電極積層;
を備え、
前記電極積層は、セパレータによって分離され交互に積み重ねられたカソード電極とアノード電極とを含み、
前記アノード電極は、1つ以上の多孔質層を含み、 各前記多孔質層は、多孔質基板と、前記多孔質基板を覆う触媒層とを含み、 前記触媒層は遷移金属を含み、
前記少なくとも1つの多孔質層のうち少なくとも1つは、水素ガス輸送を容易にする特徴を有する表面を含む、
電池。 Pressure vessels;
an electrode stack disposed within said pressure vessel for holding an electrolyte;
Equipped with
the electrode stack includes alternating stacked cathode and anode electrodes separated by a separator;
The anode electrode includes one or more porous layers, each of the porous layers including a porous substrate and a catalyst layer overlying the porous substrate, the catalyst layer including a transition metal,
at least one of the at least one porous layers comprises a surface having characteristics that facilitate hydrogen gas transport;
battery.
1つ以上の多孔質基板を取得するステップ;
前記多孔質基板のうち少なくとも1つの表面において表面特徴を形成するステップ;
前記1つ以上の多孔質基板を触媒層でコーティングして多孔質層を形成するステップ;
前記多孔質層を接続して電極を形成するステップ;
を有する方法。 1. A method of forming an electrode for a metal hydride battery, comprising the steps of:
Obtaining one or more porous substrates;
forming surface features on at least one surface of the porous substrate;
coating the one or more porous substrates with a catalyst layer to form a porous layer;
connecting the porous layers to form electrodes;
The method according to claim 1,
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