JP4557544B2 - 自己形成型のセパレーターを伴う薄層電気化学的電池 - Google Patents
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Description
本発明は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換することによるバッテリー電源として使用される、好適には開放構造の薄層液体電気化学的電池に関するものであり、より詳細には、負電極層と正電極層との間に液体電解質と自己形成型の多孔質セパレーター層を伴うそのような電池に関するものである。
バッテリーは、広く分類すると、以下の2つのクラスに分けられる:液体バッテリー、即ち、液体または湿性の電解質を伴うバッテリー、及び、固体バッテリー、即ち、固体の電解質を伴うバッテリー。固体バッテリーは、液体バッテリーに比べ、本質的に、乾燥せず且つ漏れがないという利点を有している。しかし、固体バッテリーは、固体を通じる電荷の拡散速度が限られているため、それらの作動が液体バッテリーよりも大きく温度に依存し、多くのものは高温下においてのみ良好に作動するという、液体バッテリーと比較すると重大な欠点を抱えている。また、拡散速度が限られているため、固体バッテリーは、発生する電気エネルギーとそれらが有する潜在的な化学エネルギーとの比が低い。
本発明は、一つの態様によれば、米国特許第5652043号及び第5897522号に開示されている可撓性の薄層開放型液体電気化学的電池に改善をもたらすことを目的としたものである。従来技術と比較した場合、本発明では、それらの電極層の間に介在させるべきセパレーター層を製造するステップを必要としない。もっと正確に言えば、電気的に活性な可溶性材料と、場合によっては、且つ、好適には、潮解性材料、及び水溶性ポリマーとを含む成分溶液は、負電極層と正電極層における選定された成分の間で生じる相互作用により、あるいは、場合によっては、両電極層と随意的な中間層との間で生じる相互作用により、それらの電極層の間に多孔質セパレーターの界面層が自己形成されるように選択される。このようにして形成される電池は、望ましいことに、それらの電極層を常に実質的に湿った状態に保つのに充分な潮解性を有しており、且つ、それらの電極層の間でイオン伝導度を得るのに充分な電気的な活性を有している。
本発明を単なる例として添付図面を参照しながら説明する。ここで、詳細に添付図面への特定の参照が為されるが、示されている個々の項目は、例として本発明の好適な実施態様を例証的に検討するためにのみ与えられたものであって、本発明の原理及び概念的な様相を記述するのに最も有用で且つ容易に理解できると確信されるものを提供するために提示されていることを強調しておく。この点を考慮し、本発明を基本的に理解する上で必要な程度以上に詳しく本発明の構造的な詳細を示そうという試みは為されていないが、当業者であれば、添付図面に関して行われている説明により、本発明の種々の形態を如何にして実際に具体化できるかは明らかであろう。
図1は、従来技術による薄層開放型電気化学的電池の基本構造の単純化された概略図である。
図2は、本発明の好適な実施態様により構成され、且つ、作動する薄層開放型電気化学的電池の単純化された概略図である。
図3は、本発明の好適な実施態様による電気化学的電池を形成する方法の単純化されたブロック図である。
本発明は、自己形成型のセパレーターを含む薄層液体電気化学的電池、及び、それらの製造方法に関するものである。
Claims (96)
- 電気化学的電池を形成する方法であって、前記方法は、負電極層と正電極層を相互に接触させるステップを含み、そして、前記接触は前記負電極層における電解質溶液中の成分と前記正電極層における電解質溶液中の成分とを相互作用させ及び/又は相互に反応させかつ前記負電極と正電極の間の電解質層内に界面セパレーター層を自己形成させる電気化学的電池を形成する方法。
- 前記負電極層における電解質溶液と前記正電極層における電解質溶液は、前記電気化学的電池が前記電極層を総じて湿った状態に保つのに充分な潮解性を有していて、且つ、前記電極層の間でイオン伝導度を得るのに充分な電気的な活性を有するように選択される請求項1に記載の方法。
- 前記界面セパレーター層は、ポリマー沈殿物またはゲルを含む請求項1に記載の方法。
- 前記界面セパレーター層は、物理的な相互作用を介して自己形成される請求項1に記載の方法。
- 前記物理的な相互作用が前記電極層の間にポリマー沈殿物またはゲルの形成をもたらす請求項4に記載の方法。
- 前記界面セパレーター層は、化学的な反応を介して自己形成される請求項1に記載の方法。
- 前記化学的な反応が前記電極層の間にポリマー沈殿物またはゲルの形成をもたらす請求項6に記載の方法。
- 前記界面セパレーター層は、少なくとも1つのポリマーと少なくとも1つのポリマー沈殿剤との間で生じる物理的な相互作用を介して自己形成される請求項1に記載の方法。
- 前記界面セパレーター層は、少なくとも1つのポリマーと少なくとも1つの静電的な架橋剤との間で生じる物理的な相互作用を介して自己形成される請求項1に記載の方法。
- 前記界面セパレーター層は、少なくとも2つのポリマーの間で生じる物理的な相互作用を介して自己形成される請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも2つのポリマーの間で生じる前記物理的な相互作用は、静電的な相互作用及び非静電的な相互作用からなるグループから選択される請求項10に記載の方法。
- 前記非静電的な相互作用は、水素結合相互作用及びファンデルワールス相互作用からなるグループから選択される請求項11に記載の方法。
- 前記界面セパレーター層は、少なくとも2つのポリマーと少なくとも1つの活性化剤との間で生じる物理的な相互作用を介して自己形成される請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの活性化剤は、塩化亜鉛及びH3O+イオンからなるグループから選択される請求項13に記載の方法。
- 前記界面セパレーター層は、少なくとも1つの重合可能な単位と少なくとも1つの重合活性化剤との間で生じる化学的な反応を介して自己形成される請求項1に記載の方法。
- 前記電極層のうちの少なくとも1つは、潮解性であると共に電気的に活性でもある材料を含む請求項1に記載の方法。
- 前記材料は塩化亜鉛を含む請求項16に記載の方法。
- 前記正電極層は二酸化マンガン粉末を含み、そして、前記負電極層は亜鉛粉末を含む請求項1に記載の方法。
- 前記負電極層は炭素粉末を更に含む請求項18に記載の方法。
- 前記正電極層は炭素粉末を更に含む請求項18に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのポリマーはポリ(ビニルピロリドン)(PVP)を含む請求項8に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのポリマー沈殿剤は塩化亜鉛を含む請求項8に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのポリマー沈殿剤は塩化亜鉛を含む請求項21に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのポリマーは少なくとも1つの多糖を含む請求項8に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのポリマー沈殿剤は塩化亜鉛を含む請求項24に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの多糖はキトサンを含む請求項24に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのポリマーは少なくとも1つの多糖を含む請求項9に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの多糖は少なくとも1つのカルボキシル化多糖を含む請求項27に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの多糖はアルギン酸ナトリウムを含む請求項27に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの多糖はペクチンを含む請求項27に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの静電的な架橋剤は塩化亜鉛を含む請求項9に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの静電的な架橋剤は塩化亜鉛を含む請求項27に記載の方法。
- 前記少なくとも2つのポリマーのうちの少なくとも1つはポリ(アクリル酸)である請求項10に記載の方法。
- 前記少なくとも2つのポリマーのうちの少なくとも1つは、PVP、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(エチレンオキシド)、及びポリ(エチルオキサゾリン)(PEOx)からなるグループから選択されるポリマーである請求項33に記載の方法。
- 前記少なくとも2つのポリマーのうちの少なくとも1つはポリ(アクリル酸)及び部分的に中和されたポリ(アクリル酸)からなるグループから選択されるポリマーである請求項13に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの活性化剤は、塩化亜鉛及びH3O+イオンからなるグループから選択される請求項35に記載の方法。
- 前記電極層のうち少なくとも1つと電気的に接触した状態で少なくとも1つの端子を供給することを更に含む請求項1に記載の方法。
- 印刷技術を介して少なくとも1つの端子を少なくとも1つの電極層に付与することを更に含み、前記端子が前記電極層と電気的に接触する請求項1に記載の方法。
- 負電極層、正電極層、及び電解質層内で前記電極層の間に介在する界面セパレーター層であって一体的にかつその場で形成された界面セパレーター層を含む電気化学的電池であって、前記一体的にかつその場で形成された界面セパレーター層は負電極層における電解質溶液中の成分と正電極層における電解質溶液中の成分との相互作用及び/又は反応生成物からなり、別個の追加のセパレーターが存在しない電気化学的電池。
- 少なくとも前記負電極層における電解質溶液と前記正電極層における電解質溶液は、前記電気化学的電池が前記層を総じて湿った状態に保つのに充分な潮解性を有していて、且つ、前記電極層の間でイオン伝導度を得るのに充分な電気的な活性を有するように選択される請求項39に記載の電池。
- 前記界面セパレーター層は、ポリマー沈殿物またはゲルを含む請求項39に記載の電池。
- 前記界面セパレーター層は、物理的な相互作用を介して自己形成される請求項39に記載の電池。
- 前記物理的な相互作用が前記電極層の間にポリマー沈殿物またはゲルの形成をもたらす請求項42に記載の電池。
- 前記界面セパレーター層は、化学的な反応を介して自己形成される請求項39に記載の電池。
- 前記化学的な反応が前記電極層の間にポリマー沈殿物またはゲルの形成をもたらす請求項44に記載の電池。
- 前記界面セパレーター層は、少なくとも1つのポリマーと少なくとも1つのポリマー沈殿剤との間で生じる物理的な相互作用を介して自己形成される請求項39に記載の電池。
- 前記界面セパレーター層は、少なくとも1つのポリマーと少なくとも1つの静電的な架橋剤との間で生じる物理的な相互作用を介して自己形成される請求項39に記載の電池。
- 前記界面セパレーター層は、少なくとも2つのポリマーの間で生じる物理的な相互作用を介して自己形成される請求項39に記載の電池。
- 前記少なくとも2つのポリマーの間で生じる前記物理的な相互作用は、静電的な相互作用及び非静電的な相互作用からなるグループから選択される請求項48に記載の電池。
- 前記非静電的な相互作用は、水素結合相互作用及びファンデルワールス相互作用からなるグループから選択される請求項49に記載の電池。
- 前記界面セパレーター層は、少なくとも2つのポリマーと少なくとも1つの活性化剤との間で生じる物理的な相互作用を介して自己形成される請求項39に記載の電池。
- 前記少なくとも1つの活性化剤は、塩化亜鉛及びH3O+イオンからなるグループから選択される請求項51に記載の電池。
- 前記界面セパレーター層は、少なくとも1つの重合可能な単位と少なくとも1つの重合活性化剤との間で生じる化学的な反応を介して自己形成される請求項39に記載の電池。
- 前記電極層のうちの少なくとも1つは、潮解性であると共に電気的に活性でもある材料を含む請求項39に記載の電池。
- 前記材料は塩化亜鉛を含む請求項54に記載の電池。
- 前記正電極層は二酸化マンガン粉末を含み、そして、前記負電極層は亜鉛粉末を含む請求項39に記載の電池。
- 前記負電極層は炭素粉末を更に含む請求項56に記載の電池。
- 前記正電極層は炭素粉末を更に含む請求項56に記載の電池。
- 前記少なくとも1つのポリマーはポリ(ビニルピロリドン)(PVP)を含む請求項46に記載の電池。
- 前記少なくとも1つのポリマー沈殿剤は塩化亜鉛を含む請求項46に記載の電池。
- 前記少なくとも1つのポリマー沈殿剤は塩化亜鉛を含む請求項59に記載の電池。
- 前記少なくとも1つのポリマーは少なくとも1つの多糖を含む請求項46に記載の電池。
- 前記少なくとも1つのポリマー沈殿剤は塩化亜鉛を含む請求項62に記載の電池。
- 前記少なくとも1つの多糖はキトサンを含む請求項62に記載の電池。
- 前記少なくとも1つのポリマーは少なくとも1つの多糖を含む請求項47に記載の電池。
- 前記少なくとも1つの多糖は少なくとも1つのカルボキシル化多糖を含む請求項65に記載の電池。
- 前記少なくとも1つの多糖はアルギン酸ナトリウムを含む請求項65に記載の電池。
- 前記少なくとも1つの多糖はペクチンを含む請求項65に記載の電池。
- 前記少なくとも1つの静電的な架橋剤は塩化亜鉛を含む請求項47に記載の電池。
- 前記少なくとも1つの静電的な架橋剤は塩化亜鉛を含む請求項65に記載の電池。
- 前記少なくとも2つのポリマーのうちの少なくとも1つはポリ(アクリル酸)である請求項48に記載の電池。
- 前記少なくとも2つのポリマーのうちの少なくとも1つは、PVP、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(エチレンオキシド)、及びポリ(エチルオキサゾリン)(PEOx)からなるグループから選択されるポリマーである請求項71に記載の電池。
- 前記少なくとも2つのポリマーのうちの少なくとも1つはポリ(アクリル酸)及び部分的に中和されたポリ(アクリル酸)からなるグループから選択されるポリマーである請求項51に記載の電池。
- 前記少なくとも1つの活性化剤は、塩化亜鉛及びH3O+イオンからなるグループから選択される請求項73に記載の電池。
- 前記電極層のうち少なくとも1つと電気的に接触した状態で少なくとも1つの端子を更に含む請求項39に記載の電池。
- 負電極層における前記電解質溶液と正電極層における前記電解質溶液が水性電解質からなる請求項1に記載の方法。
- 別個の追加のセパレーターが存在しない請求項1に記載の方法。
- 前記負電極層の前記電解質溶液が前記正電極層の前記電解質溶液と異なる請求項1に記載の方法。
- 前記負電極層の前記電解質溶液と前記正電極層の前記電解質溶液が接触前に第一の物理的状態にありかつ接触後に第二の物理的状態にあり、前記第一及び第二の物理的状態が同一ではないか、又は前記第二の状態が物理的状態の混合を含む請求項1に記載の方法。
- 前記界面セパレーター層がゲルとして又はポリマー沈殿物として自己形成する請求項1に記載の方法。
- 負電極における前記電解質溶液と正電極における前記電解質溶液が電解質水溶液からなる請求項39に記載の電池。
- 前記負電極層の前記電解質溶液が前記正電極層の前記電解質溶液と異なる請求項39に記載の電池。
- 前記負電極層の前記電解質溶液と前記正電極層の前記電解質溶液が接触前に第一の状態にあり、接触後に第二の状態にあり、前記第一及び第二の状態が同一ではないか、又は前記第二の状態が少なくとも前記第一の状態と前記第二の状態の混合である請求項39に記載の電池。
- 前記界面セパレーター層がゲルとして又はポリマー沈殿物としてその場で形成された請求項39に記載の電池。
- 電気化学的電池を形成する方法であって、前記方法は、負電極層を薄層の第1面に接触させるステップ及び正電極層を薄層の第2面に接触させるステップを含み、薄層は第1面及びそれに対向する第2面を有し、そして、前記接触は負電極層における電解質溶液、正電極層における電解質溶液、及び薄層における電解質溶液に前記負電極と前記薄層の前記第1面との間の電解質層内に第1の界面セパレーター層を自己形成させかつ前記正電極と前記薄層の前記第2面との間の電解質層内に第2の界面セパレーター層を自己形成させる電気化学的電池を形成する方法。
- 第1及び第2界面セパレーターが薄層の第1及び第2面の両方で自己形成し、負電極層と正電極層の間に配置された単一の自己形成された界面セパレーター層へと一体化する請求項85に記載の方法。
- 第1電解質溶液を含む負電極層;
第2電解質溶液を含む正電極層;
第1面およびそれに対向する第2面を有する薄層であって、前記薄層は前記負電極層と前記正電極層の間に差し挟まれ、前記薄層の前記第1面は前記負電極層に隣接し、前記薄層の前記第2面は前記正電極層に隣接する薄層;
前記負電極と前記薄層の前記第1面との間の電解質層内の一体化された第1界面セパレーター層;及び
前記正電極と前記薄層の前記第2面との間の電解質層内の一体化された第2界面セパレーター層;
を含む電気化学的電池であって、前記第1及び第2界面セパレーター層がその場で形成された電気化学的電池。 - 前記第1及び第2界面セパレーターが、負電極層と正電極層の間に配置された連続する界面セパレーター層を形成するように合併されている請求項87に記載の電池。
- 電気化学的電池を形成する方法であって、前記方法は、負電極層と正電極層の間に薄層溶液を挿入するステップを含み、これにより薄層中の成分と、負電極層における電解質溶液中の成分と、正電極層における電解質溶液中の成分との間の相互作用及び/又は反応が界面セパレーター層を自己形成する電気化学電池を形成する方法。
- 界面セパレーター層がゲル又は沈殿物として自己形成する請求項89に記載の方法。
- 前記薄層が水溶液である請求項89に記載の方法。
- 一体化された第1界面セパレーター層が、負電極層に存在する成分と薄層に存在する成分との間の相互作用生成物を含み、一体化された第2界面セパレーター層が、正電極層に存在する成分と薄層に存在する成分との間の相互作用生成物を含む請求項87に記載の電池。
- 界面セパレーター層が電解質を染み込まされている請求項87に記載の電池。
- 界面セパレーター層が、負電極層からの電解質及び正電極層からの電解質を染み込まされている請求項1に記載の方法。
- 界面セパレーター層が、負電極層からの電解質及び正電極層からの電解質を染み込まされている請求項39に記載の電池。
- 界面セパレーター層が、負電極層からの電解質及び正電極層からの電解質を染み込まされている請求項89に記載の方法。
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