JP6549569B2 - 電気化学デバイスのための安定性強化添加剤 - Google Patents
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Description
[0001] 本出願は、「Stability Enhancing Additive for Electrochemical Devices」という名称の、2013年7月12日出願の米国仮特許出願第61/845404号の優先権及び利益を主張し、開示の全体は参照により本明細書に組み込まれる。
統合された非晶質炭素、カーボン・エアロゲル、グラフェン、カーボン・ナノチューブ、任意の他の好適な材料、又はそれらの組み合わせから形成可能である。正電流コレクタは、エッチングされたアルミホイル又は任意の好適な材料から形成可能であり、正電流コレクタ110又は本明細書で説明する任意の他の正電流コレクタを含むことができる。204で、アノードが負電流コレクタ上に配設される。アノードは、活性炭、グラファイト、
統合された非晶質炭素、カーボン・エアロゲル、グラフェン、カーボン・ナノチューブ、任意の他の好適な材料、又はそれらの組み合わせから形成可能である。負電流コレクタは、負電流コレクタ120又は本明細書で説明する任意の他の負電流コレクタを含むことができる。206で、EDLCセルを形成するために、カソードとアノードの間にセパレータが配設される。セパレータは、セパレータ150又は本明細書で説明する任意の他のセパレータを含むことができる。EDLCセルは、円筒EDLCを形成するために例えばジェリー・ロール内にカレンダリングするか、又は角柱EDLCを形成するために巻き付けることができる。208で、EDLCセルは、容器内に配設される。容器は、円筒容器、角柱容器(例えばポーチ)、又は任意の他の好適な容器を含むことができる。最終的に、EDLCセルは、210で、化学式Iの化合物を含むイオン種、溶媒、及び安定剤を有する電解質調合物で浸潤され、容器は密閉される。いくつかの実施形態において、電解質調合物に含まれるイオン種は、例えばスピロビピロリジニウム・テトラフルオロボラート(SBP BF4)、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボラート(TEA TFB)、NエチルNメチルピロリジニウム・テトラフルオロボラート、トリエチル(メチル)アンモニウム・テトラフルオロボラート、任意の他の好適なイオン種、又はそれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態において、溶媒は、例えばニトリル化合物(例えばアセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、又はそれらの組み合わせ)、カーボネート化合物(例えばプロピレン・カーボネート、ジエチル・カーボネート、エチレン・カーボネート、エチル・メチル・カーボネート、ジエチル・カーボネート)、スルホン化合物(例えばスルホラン、ジメチル・スルホン(DMSO)など)、それらの任意の組み合わせ、又は任意の他の好適な非水性溶媒などの、非水性溶媒を含むことができる。いくつかの実施形態において、安定剤はベンゾニトリルを含むことができる。いくつかの実施形態において、本明細書で説明する方法を使用して形成されるEDLCは、少なくとも約100Fのキャパシタンスを有することができる。いくつかの実施形態において、本明細書で説明する電解質調合物を含むEDLCは、約2.5ボルトを超える動作電圧及び摂氏約75度を超える動作温度で動作可能である。いくつかの実施形態において、本明細書で説明する電解質調合物を含むEDLCは、約3.0ボルトを超える動作電圧及び摂氏約50度を超える動作温度で動作可能である。
[0044] 活性炭カソード及び活性炭アノードから、第1の比較EDLC(「Comp. EDLC1」とも呼ぶ)が準備された。アノード及びカソードの各々は、重量で約86%の活性炭装荷を含んだ。カソード及びアノードの各々の寸法は、約40mm掛ける40mmであった。正電流コレクタ及び負電流コレクタは、エッチングされたアルミホイルから形成された。セパレータがカソードとアノードの間に配設され、Comp. EDLC1がアルミニウム積層ポーチ・セルにパッケージングされた。Comp. EDLC1電極には、アセトニトリル溶媒及びイオン種として1リットル当たり1モルのSBP BF4を含んだ電解質調合物が注入された。電解質の総水分含有量は約50ppm未満であり、約1mlの電解質調合物が使用された。Comp. EDLC1セルは、摂氏約−50度未満の露点を有する乾燥室内で組み立てられた。電極は、セル組み立ての前に、真空下、摂氏約140度で一晩乾燥された。
[0046] 活性炭カソード及び活性炭アノードから、第2の比較EDLCセル(「Comp. EDLC2」とも呼ぶ)が準備された。アノード及びカソードの各々は、重量で約86%の活性炭装荷を含んだ。正電流コレクタ及び負電流コレクタは、エッチングされたアルミホイルから形成された。セパレータがカソードとアノードの間に配設された。Comp. EDLC2はジェリー・ロールに巻き付けられ、円筒缶にパッケージングされた。Comp. EDLC2電極には、アセトニトリル溶媒及びイオン種として1リットル当たり1モルのSBP BF4を含んだ電解質調合物が注入された。電解質の総水分含有量は約50ppm未満であり、約10mlの電解質調合物が使用された。Comp. EDLC2セルは、摂氏約−50度未満の露点を有する乾燥室内で組み立てられた。ジェリー・ロールは、セル組み立ての前に、窒素下、摂氏約140度で一晩乾燥された。
[0048] 活性炭カソード及び活性炭アノードから、第3の比較EDLCセル(「Comp. EDLC3」とも呼ぶ)が準備された。アノード及びカソードの各々は、重量で約86%の活性炭装荷を含んだ。正電流コレクタ及び負電流コレクタは、エッチングされたアルミホイルから形成された。セルロース・セパレータがカソードとアノードの間に配設された。Comp. EDLC3は、摂氏140度で真空下、12時間乾燥されたジェリー・ロールに巻き付けられた後、円筒缶にパッケージングされた。Comp. EDLC3セルは、摂氏約−50度未満の露点を有する乾燥室内で組み立てられた。円筒缶及びエンド・キャップはアルミニウム合金から形成された。Comp. EDLC3セルの寸法は、長さ約144mm及び直径約60mmの缶の寸法によって画定された。Comp. EDLC3電極には、アセトニトリル溶媒及びイオン種として1リットル当たり1モルのSBP BF4を含んだ電解質調合物が注入された。電解質の総水分含有量は約50ppm未満であり、約10mlの電解質調合物が使用された。
[0050] 第1のEDLC(「EDLC1」とも呼ぶ)がEDLC1と同様に準備されたが、ここではアセトニトリルの容積で約1%の量のベンゾニトリルが電解質調合物に含まれた。EDLC1の2つの複製(「EDLC1−1」及び「EDLC1−2」と呼ぶ)が準備され、個々に耐久試験を受けた。
[0051] 第2のEDLC(「EDLC2」とも呼ぶ)がComp. EDLC2と同様に準備されたが、ここではアセトニトリルの容積で約1%の量のベンゾニトリルが電解質調合物に含められた。EDLC2の4つの複製(「EDLC2−1」、「EDLC2−2」、「EDLC2−3」、及び「EDLC2−4」と呼ぶ)が準備され、個々に、耐久試験条件でガス発生によるEDLC2の円筒セルの各々の高さの増加について試験された。
[0052] 第3のEDLC(「EDLC3」とも呼ぶ)がComp. EDLC2と同様に準備されたが、ここではアセトニトリルの容積で約2%の量のベンゾニトリルが電解質調合物に含められた。EDLC3の4つの複製(「EDLC3−1」、「EDLC3−2」、「EDLC3−3」、及び「EDLC3−4」と呼ぶ)が準備され、個々に、耐久試験条件でガス発生によるEDLC3の円筒セルの各々の高さの増加について試験された。
[0053] 第4のEDLC(「EDLC4」とも呼ぶ)がComp. EDLC2と同様に準備されたが、ここではアセトニトリルの容積で約5%の量のベンゾニトリルが電解質調合物に含められた。EDLC4の3つの複製(「EDLC4−1」、「EDLC4−2」、及び「EDLC4−3」と呼ぶ)が準備され、個々に、耐久試験条件でガス発生によるEDLC4の円筒セルの各々の高さの増加について試験された。
[0054] 第5のEDLC(「EDLC5」とも呼ぶ)がComp. EDLC3と同様に準備されたが、ここではアセトニトリルの容積で約5%の量のベンゾニトリルが電解質調合物に含められた。例えば、こうした電解質は、約0.2リットルのベンゾニトリルを約4.0リットルの1リットル当たり1モルのSBP BF4に追加することによって準備可能である。無水ベンゾニトリルが使用される場合、電解質の水分含有量はベンゾニトリルによってそれほど影響されない。ベンゾニトリルの追加は希釈効果を有し、結果としてSBP BF4の最終濃度は1リットル当たり1モルよりわずかに低くなる。EDLC5の2つの複製(「EDLC5−1」及び「EDLC5−2」と呼ぶ)が準備され、耐久試験を受けた。EDLC5セルの各々のキャパシタンスは約3000Fであった。
Claims (39)
- エネルギー蓄積デバイスでの使用に適した電解質調合物であって、前記電解質調合物は、イオン種、
溶媒、及び
化学式Iの化合物を含む安定剤を含み、
RはSO 2 CF 3 であり、
nは1である、
電解質調合物。 - 前記溶媒はニトリル化合物を含む、請求項1に記載の調合物。
- 前記ニトリル化合物は、アセトニトリル、プロピオニトリル、及びブチロニトリルのうちの少なくとも1つを含む、請求項2に記載の調合物。
- 前記ニトリル化合物はアセトニトリルである、請求項3に記載の調合物。
- 前記溶媒はカーボネート化合物を含む、請求項1に記載の調合物。
- 前記カーボネート化合物は、プロピレン・カーボネート、エチレン・カーボネート、ジメチル・カーボネート、エチル・メチル・カーボネート、及びジエチル・カーボネートのうちの少なくとも1つを含む、請求項5に記載の調合物。
- 前記カーボネート化合物はプロピレン・カーボネートである、請求項6に記載の調合物。
- 前記溶媒はスルホン化合物を含む、請求項1に記載の調合物。
- 前記エネルギー蓄積デバイスは電気二重層コンデンサである、請求項1に記載の調合物。
- 前記エネルギー蓄積デバイスは3ボルトを超える動作電圧を有する、請求項9に記載の調合物。
- 前記エネルギー蓄積デバイスは摂氏50度を超える動作温度を有する、請求項9に記載の調合物。
- 前記エネルギー蓄積デバイスは2.5ボルトを超える動作電圧、及び摂氏75度を超える動作温度を有する、請求項8に記載の調合物。
- 前記電気二重層コンデンサは少なくとも100Fのキャパシタンスを有する、請求項9に記載の調合物。
- 前記イオン種は第4級アンモニウム塩である、請求項1に記載の調合物。
- 前記第4級アンモニウム塩は、スピロビピロリジニウム・テトラフルオロボラート(SBP BF4)、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボラート(TEA TFB)、NエチルNメチルピロリジニウム・テトラフルオロボラート、及びトリエチル(メチル)アンモニウム・テトラフルオロボラートのうちの、少なくとも1つを含む、請求項14に記載の調合物。
- 前記第4級アンモニウム塩はスピロビピロリジニウム・テトラフルオロボラート(SBP BF4)である、請求項15に記載の調合物。
- 電気二重層コンデンサであって、
イオン種、
ニトリル化合物である溶媒、及び
化学式Iの化合物を含む安定剤、を含む電解質調合物を含み、
RはSO 2 CF 3 であり、
nは1である、
電気二重層コンデンサ。 - 前記ニトリル化合物は、アセトニトリル、プロピオニトリル、及びブチロニトリルのうちの少なくとも1つを含む、請求項17に記載の電気二重層コンデンサ。
- 前記ニトリル化合物はアセトニトリルである、請求項18に記載の電気二重層コンデンサ。
- 前記イオン種は、スピロビピロリジニウム・テトラフルオロボラート(SBP BF4)、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボラート(TEA TFB)、NエチルNメチルピロリジニウム・テトラフルオロボラート、及びトリエチル(メチル)アンモニウム・テトラフルオロボラートのうちの、少なくとも1つを含む、請求項17に記載の電気二重層コンデンサ。
- 前記イオン種はスピロビピロリジニウム・テトラフルオロボラート(SBP BF4)である、請求項20に記載の電気二重層コンデンサ。
- 少なくとも100Fのキャパシタンスを有する、請求項17に記載の電気二重層コンデンサ。
- 少なくとも300Fのキャパシタンスを有する、請求項22に記載の電気二重層コンデンサ。
- 少なくとも1200Fのキャパシタンスを有する、請求項23に記載の電気二重層コンデンサ。
- 少なくとも2000Fのキャパシタンスを有する、請求項24に記載の電気二重層コンデンサ。
- 少なくとも3000Fのキャパシタンスを有する、請求項25に記載の電気二重層コンデンサ。
- 2.7ボルトを超える動作電圧を有する、請求項17に記載の電気二重層コンデンサ。
- 3ボルトを超える動作電圧を有する、請求項27に記載の電気二重層コンデンサ。
- 摂氏50度を超える動作温度を有する、請求項17に記載の電気二重層コンデンサ。
- 2.5ボルトを超える動作電圧、及び摂氏75度を超える動作温度を有する、請求項17に記載の電気二重層コンデンサ。
- EDLCセルを製造する方法であって、
正電流コレクタ上にカソードを配設すること、
負電流コレクタ上にアノードを配設すること、
前記EDLCセルを形成するために、前記正電流コレクタと前記負電流コレクタとの間にセパレータを配設すること、
前記EDLCセルを容器内に配設すること、及び、
前記EDLCセルを電解質調合物で浸潤することであって、前記電解質調合物は、
イオン種、
溶媒、及び
化学式Iの化合物を含む安定剤を含み、
RはSO 2 CF 3 、
nは1である、
浸潤すること、
を含む、方法。 - 前記溶媒は、アセトニトリル、プロピオニトリル、及びブチロニトリルのうちの少なくとも1つを含む、請求項31に記載の方法。
- 前記溶媒はアセトニトリルである、請求項32に記載の方法。
- 前記イオン種は、スピロビピロリジニウム・テトラフルオロボラート(SBP BF4)、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボラート(TEA TFB)、NエチルNメチルピロリジニウム・テトラフルオロボラート、及びトリエチル(メチル)アンモニウム・テトラフルオロボラートのうちの、少なくとも1つである、請求項31に記載の方法。
- 前記イオン種はスピロビピロリジニウム・テトラフルオロボラート(SBP BF4)である、請求項34に記載の方法。
- 前記EDLCセルは少なくとも100Fのキャパシタンスを有する、請求項31に記載の方法。
- 前記EDLCセルは3ボルトを超える動作電圧を有する、請求項31に記載の方法。
- 前記EDLCセルは摂氏50度を超える動作温度を有する、請求項31に記載の方法。
- 前記EDLCセルは2.5ボルトを超える動作電圧、及び摂氏75度を超える動作温度を有する、請求項31に記載の方法。
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