JP6035345B2 - アルミニウム系金属空気電池 - Google Patents
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Description
本出願は、2011年12月19日に出願された米国特許出願第61/577,490号からの優先権を主張するものであり、この出願の全内容は参照ににより本明細書に組み入れられる。
本明細書で挙げられた全ての公開及び特許又は特許出願は、その全体が引用により本願に組み込まれる。
政府の財源支援
本発明は、合衆国エネルギー省により授与された契約番号第DB−AR−00000038による政府の支援でなされた。合衆国政府は本発明において一定の権利を有することができる。合衆国政府は本発明において一定の権利を有することができる。
アルミニウムの化学的性質(aluminum chemistry)並びに空気中及び水中で安定な電解質媒体。
開路状態においてアルミニウム界面にほぼ完全な不動態皮膜(nearly perfect passivating film)を形成する(すなわち、アルミニウム電極において自己放電が起こらないようにする)電解質媒体。
分極状態又は放電状態において低過電圧で不動態皮膜を「ライトオフ(lite off)」(すなわち、電気化学的作用で除去)し、持続的なファラデーアルミニウム酸化(faradaic aluminum oxidation)を可能にする(すなわち、高電力密度、高容量の電池構成を可能にする)電解質媒体。
アノード酸化皮膜を形成するのではなくファラデー酸化によってアルミニウム界面をエッチングするようにアルミニウムイオンを溶媒和又は錯体化させる(すなわち、均一な放電及び高容量を実現できる)電解質媒体。
アノード分極状態から開路状態へ移行したときに、不動態皮膜を急速に再形成して自己放電を防止する(すなわち、多くの部分放電イベント及び最初の放電イベント後の長い有効期間を可能とする)電解質媒体。
広範な気候スペクトラムにおいて効率的に動作できるように高い沸点と低い融点を有する電解質媒体。
寄生反応を最小化し、電流効率を最大化することができるシステム。
本明細書において説明する電気化学電池は任意の種類の電池とすることができる。例えば、当該電池は、一次電池、二次電池、又はこれらを組み合わせたものであってもよい。「一次」電池は、電気化学(酸化還元)反応が可逆ではない電池を意味することができる。他方、「二次」電池は、電気化学反応が可逆的である電池を意味することができる。電気化学電池は大気等の空気に曝されてもよい。本明細書で説明される電池は様々な温度で動作できる。例えば、一実施形態における電池は室温(20℃)で運転される。
本明細書の電気化学電池はイオン伝導性媒体を含むものであってもよい。イオン伝導性媒体は、一部の例において、「電解液」又は「電解質溶液」と言い換えられてもよい。このイオン伝導性媒体は、電極が放電モードとなるように燃料電極及び空気電極の少なくとも一部に接触してもよく、これにより、気体酸素が前記空気電極で還元され前記金属燃料が前記燃料電極で酸化される。
既存のシステムとの比較
まず始めに対比のために説明すると、既存の金属空気電池は不可逆的な不動態化(又は、実際的な目的にとっては不可逆的とされるほどの高いエネルギーが除去のために必要となる不動態化)の困難性にしばしば直面する。図1a及び図1bは、ブチルメチルピロリジニウム・トリフラート内のアルミニウム電極の電位窓の継続的増加によって、アルミニウムが完全に不動態化していることを示している。不動態化は可逆ではなく、電極を元の状態に回復及び復帰させるには、電極表面から不動態層(すなわち酸化物層)を物理的に除去(例えば、スクラッチング(scratching))することになる。
γ−ブチロラクトン及びアルミニウムトリフラートに対応するCV(図3a)は、連続するサイクルにおいて急速に消える酸化波を示している。同様の挙動がナトリウムトリフラート溶液によっても示される(図3b)。アルミニウム電極の不動態化は電解液中の水の存在によるものである可能性が高い。ブチロラクトン及び塩化アルミニウムの場合(図3c)には、CV実験の間、酸化波は不動態化を示していない。
Claims (59)
- (1)アルミニウムを含む燃料電極と気体酸素を吸収する空気電極とを含み、放電モードで動作可能な複数の電極と、
(2)有機溶媒を含むイオン伝導性媒体と、
を備えた電気化学電池であって、
前記アルミニウムは前記燃料電極において酸化され、酸素は前記空気電極において還元され、
前記有機溶媒は、前記電池の不使用時に、前記燃料電極の前記アルミニウムと前記イオン伝導性媒体との間に燃料電極の表面が酸化されないようにする保護層の形成を促進し、
前記放電モードの開始時に前記燃料電極と前記空気電極との間の電位差内で前記保護層の少なくとも一部が前記アルミニウムから除去され、前記放電モードのそれ以後の時点では前記アルミニウムの酸化を継続できるようにした、電気化学電池。 - 前記電池は一次電池である、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記電池は大気に露出される、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記燃料電極は本質的にアルミニウムから成る、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記空気電極は多孔性である、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体はさらに水を含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は10wt%以下の水を含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は少なくとも3.5wt%の水を含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記有機溶媒は少なくとも1つのラクトンを含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記有機溶媒は、ブチロラクトン、ペンタノラクトン、オクタノラクトン、デカノラク
トン、又はこれらの組み合わせを含む、請求項1に記載の電気化学電池。 - 前記有機溶媒はペンタノラクトンを含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は金属トリフラートを含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は、アルミニウムトリフラート、ナトリウムトリフラート、銅トリフラート、又はこれらの組み合わせを含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は、1M以下の濃度で前記有機溶媒に溶解した金属トリフラートを含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体はイオン液体を含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は、前記有機溶媒系のイオン液体を含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は、ラクトン系のイオン液体を含み、前記ラクトンは、ブチロラクトン、ペンタノラクトン、ヘキサノラクトン、オクタノラクトン、及びデカノラクトンから成る群より選択される、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は、ラクトン系のイオン液体を含み、当該ラクトンはペンタノラクトンである、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は疎水性のイオン液体を含む、請求項16に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は非プロトン性のイオン液体を含む、請求項17に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は、塩化物イオンを実質的に含まない、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は吸湿性の添加剤を含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は、前記保護層の形成に、形成速度、前記保護層の形態、又はその両方の点で、前記保護層の形成に影響を与える少なくとも1つの種を含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は、前記放電モードにおいて、水、気体酸素、又はその両方の存在下で、前記アルミニウムの酸化を開始するとともに当該酸化を継続的に支持するために必要な電気化学的過電圧を減少させる種を少なくとも1つ含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記保護層は、前記電池の不使用時に、前記イオン伝導性媒体中に存在するアニオンによって前記アルミニウムの酸化を抑制する、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記イオン伝導性媒体は水酸化物イオンを含む、請求項1に記載の電気化学電池。
- 前記形成は、化学吸着、物理吸着、錯体形成、水素結合、イオン反応、又はこれらの組
み合わせによるものである、請求項1に記載の電気化学電池。 - 前記電池は室温で動作可能である、請求項1に記載の電気化学電池。
- アルミニウムを含む燃料電極と気体酸素を吸収する空気電極とを含み、放電モードで動作可能な複数の電極と、有機溶媒を含むイオン伝導性媒体と、を備える電気化学電池を運転する方法であって、
当該方法は、前記アルミニウムが前記燃料電極において酸化され、酸素が前記空気電極において還元される放電モードで前記電池を運転する工程を備え、
前記有機溶媒は、前記電池の不使用時に、前記燃料電極の前記アルミニウムと前記イオン伝導性媒体との間に燃料電極の表面が酸化されないようにする保護層の形成を促進し、
前記放電モードの開始時に前記保護層の少なくとも一部が前記アルミニウムから除去され、前記放電モードのそれ以後の時点では前記アルミニウムの酸化を可能にした、方法。 - アルミニウムを含む燃料電極及び気体酸素を吸収する空気電極と、有機溶媒を含むイオン伝導性媒体と、を備える電気化学電池を製造する方法であって、
前記燃料電極及び前記空気電極は放電モードで動作可能であり、
当該方法は、前記イオン伝導性媒体に有機溶媒を添加する工程を備え、これにより、前記有機溶媒は、前記電池の不使用時に前記燃料電極の前記アルミニウムと前記イオン伝導性媒体との間に燃料電極の表面が酸化されないようにする保護層の形成を促進し、前記放電モードの開始時に前記保護層の少なくとも一部が前記アルミニウムから除去され、前記放電モードのそれ以後の時点では前記アルミニウムの酸化を可能にした、方法。 - α‐ヒドロキシ‐γ‐ブチロラクトンと水酸化コリンとを反応させることにより前記イオン伝導性媒体を生成する工程をさらに備える、請求項29に記載の方法。
- 前記燃料電極の表面を磨く工程をさらに備える、請求項29に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、塩化物イオンを実質的に含まない、請求項29又は請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、リチウムイオンを実質的に含まない、請求項29に記載の方法。
- 前記有機溶媒はラクトンを含む、請求項29又は請求項30に記載の方法。
- 前記有機溶媒は、ブチロラクトン、ペンタノラクトン、ヘキサノラクトン、オクタノラクトン、デカノラクトン、又はこれらの組み合わせを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は金属トリフラートをさらに含む、請求項29又は請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、アルミニウムトリフラート、ナトリウムトリフラート、銅トリフラート、又はこれらの組み合わせを含む、請求項29又は請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、1M以下の濃度で前記有機溶媒に溶解した金属トリフラートを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体はイオン液体を含む、請求項29又は請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、前記有機溶媒系のイオン液体を含む、請求項29に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、ラクトン系のイオン液体を含み、前記ラクトンは、ブチロラクトン、ペンタノラクトン、オクタノラクトン、及びデカノラクトンから成る群より選択される、請求項29又は請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、ラクトン系のイオン液体を含み、当該ラクトンはペンタノラクトンである、請求項29又は請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は疎水性のイオン液体を含む、請求項29又は請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は非プロトン性のイオン液体を含む、請求項29又は請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は10wt%以下の水を含む、請求項29に記載の方法。
- 前記方法は室温で実行される、請求項29に記載の方法。
- 前記保護層の実質的に全部は前記放電モードの開始時に除去される、請求項29に記載の方法。
- 前記空気電極は大気に露出される、請求項31に記載の方法。
- 前記有機溶媒は環状構造を有する分子を含む、請求項30に記載の方法。
- 前記有機溶媒は、ブチロラクトン、ペンタノラクトン、オクタノラクトン、及びデカノラクトンから成る群より選択されるラクトンを含む、請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、1M以下の濃度のラクトンを含む前記有機溶媒に溶解した金属トリフラートを含む、請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、ラクトン系のイオン液体を含む、請求項30に記載の方法。
- 前記電池は大気に露出される、請求項30に記載の方法。
- 前記保護層は室温で形成される、請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、前記保護層の形成に、形成速度、前記保護層の形態、又はその両方の点で、前記保護層の形成に影響を与える少なくとも1つの種を含む、請求項30に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒体は、前記放電モードにおいて、水、前記気体酸素、又はその両方の存在下で、前記アルミニウムの酸化を開始するとともに当該酸化を継続的に支持するために必要な電気化学的過電圧を減少させる種を少なくとも1つ含む、請求項30に記載の方法。
- 前記保護層は、前記電池の不使用時に、前記イオン伝導性媒体中に存在するアニオンによって前記アルミニウムの酸化を抑制する、請求項30に記載の方法。
- 放電モード時に前記燃料電極と前記空気電極との間の電位差が実質的に一定である、請求項30に記載の方法。
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