JP6713926B2 - 超高速再充電可能金属イオンバッテリ - Google Patents
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Description
本願は、2014年2月28日に出願された米国仮出願第61/946,618号、2014年11月6日に出願された米国仮出願第62/076,420号、および2015年2月13日に出願された米国特許出願第14/622,692号の利益を主張するものであり、それらの開示の全体は、参照により本明細書中に援用される。
本明細書は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
金属イオンバッテリであって、
アルミニウムを含む、アノードと、
層状活性材料を含む、カソードと、
上記アノードにおいてアルミニウムの可逆的な堆積および分解を、上記カソードにおいてアニオンの可逆的なインターカレーションおよびデインターカレーションを支援するように、上記アノードと上記カソードとの間に配置される、電解質と、
を備える、金属イオンバッテリ。
(項目2)
上記層状活性材料は、黒鉛である、項目1に記載のバッテリ。
(項目3)
上記黒鉛は、熱分解黒鉛である、項目2に記載のバッテリ。
(項目4)
上記層状活性材料は、層状複水酸化物、層状酸化物、または層状カルコゲナイドである、項目1に記載のバッテリ。
(項目5)
上記層状活性材料は、0.05〜0.95の範囲内の多孔率を有する、項目1に記載のバッテリ。
(項目6)
上記電解質は、ハロゲン化アルミニウムおよびイオン液体の混合物に対応し、上記ハロゲン化アルミニウムとイオン液体のモル比は、1.1を上回る、項目1に記載のバッテリ。
(項目7)
上記ハロゲン化アルミニウムは、AlCl 3 であり、上記イオン液体は、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリドである、項目6に記載のバッテリ。
(項目8)
上記AlCl 3 と1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリドのモル比は、1.2を上回る、項目7に記載のバッテリ。
(項目9)
上記電解質の含水量は、1,000ppm以下である、項目1に記載のバッテリ。
(項目10)
金属イオンバッテリであって、
アルミニウムアノードと、
多孔質黒鉛カソードと、
上記アルミニウムアノードと上記多孔質黒鉛カソードとの間に配置される、イオン液体電解質と、
を備える、金属イオンバッテリ。
(項目11)
上記多孔質黒鉛カソードは、0.05〜0.95の範囲内の多孔率を有する、項目10に記載のバッテリ。
(項目12)
上記多孔率は、0.3〜0.9の範囲内である、項目11に記載のバッテリ。
(項目13)
上記イオン液体電解質は、ハロゲン化アルミニウムおよびイオン液体の混合物に対応し、上記ハロゲン化アルミニウムとイオン液体のモル比は、1.1を上回る、項目10に記載のバッテリ。
(項目14)
上記イオン液体電解質の含水量は、1,000ppm以下である、項目10に記載のバッテリ。
(項目15)
上記含水量は、400ppm以下である、項目14に記載のバッテリ。
(項目16)
金属イオンバッテリを製造する方法であって、
アルミニウムを含むアノードを提供するステップと、
充電中にイオンをインターカレートし、放電中に上記イオンをデインターカレートすることが可能である、活性材料を含むカソードを提供するステップであって、上記活性材料は、炭素含有材料、シリコン含有材料、およびゲルマニウム含有材料のうちの少なくとも1つから選択される、ステップと、
上記アノードにおいてアルミニウムの可逆的な堆積および分解を、上記カソードにおいて上記イオンの可逆的なインターカレーションおよびデインターカレーションを支援することが可能である、電解質を提供するステップと、
を含む、方法。
(項目17)
上記カソードを提供するステップは、多孔質黒鉛材料を提供するステップを含む、項目16に記載の方法。
(項目18)
上記多孔質黒鉛材料を提供するステップは、多孔質犠牲型板上の堆積を通して黒鉛発泡体を形成するステップを含む、項目17に記載の方法。
(項目19)
上記多孔質黒鉛材料を提供するステップは、電気化学的水素放出を通して黒鉛材料を膨張させるステップを含む、項目17に記載の方法。
(項目20)
上記電解質を提供するステップは、上記電解質の含水量が400ppm以下であるように、上記電解質を電気化学的に乾燥させるステップを含む、項目16に記載の方法。
以下の実施例は、当業者のための説明を例証および提供するために、本開示のいくつかの実施形態の具体的側面を説明する。本実施例は、本開示のいくつかの実施形態を理解および実践する際に有用な具体的方法論を提供しているにすぎないので、本実施例は、本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。
Alバッテリ(図2aの概略プロット)が、Swagelokまたはパウチセル内に構築され、アルミニウムフォイル(約15〜250μmの厚さ)アノードと、熱分解黒鉛(PG)フォイル(約17μm)または3D黒鉛発泡体から形成される黒鉛カソードとを、AlCl3/1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド([EMIm]Cl)イオン液体(IL)電解質において使用する[材料および方法参照]。PGフォイルと3D黒鉛発泡体の両方の材料が、2θにおいて約26.55°の急峻な(002)X線回折(XRD)黒鉛ピーク(d空間=約3.35Å)を伴う、典型的な黒鉛構造を呈した(図6)。セルは、最初に、PGフォイルカソードを使用して約25℃において動作するSwagelokセルにおいて最適化された。AlCl3/[EMIm]Clの最適比率は、約1.3〜約1.5であることが見出され(図7)、約95〜98%のクーロン効率とともに、約60〜66mAhg-1(黒鉛の質量に基づく)の比放電容量をもたらした。ラマン分光法が実施され、約1.3のAlCl3/[EMIm]Cl比を伴うイオン液体電解質において、AlCl4 −とAl2Cl7 −の両方のアニオンが約2.33の豊富な[AlCl4 −]/[Al2Cl7 −]を伴う(図7)ことを示した。カソード比放電容量(容量/質量)が、実質的に黒鉛質量から独立していることが見出され(図8a、b)、黒鉛フォイルの厚さ全体がカソード反応に関与することを示した。
超高速カソードのための膨張された熱分解黒鉛。Alバッテリが、パウチセル内で構築され、アルミニウムフォイル(約15〜250μmの厚さ)アノードと、熱分解黒鉛(PG)フォイル(約17μm)カソードとを、AlCl3/1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド([EMIm]Cl)イオン液体電解質(約400ppmの残留水)において使用した。Al/PGセルは、次いで、約2.5Vにおける一定の電圧下で約24時間充電された。カソードPGは、充電後にパウチから取り出され、残留イオン液体電解質を除去するために、エタノールおよび水によって洗浄された。PGフォイルは、Alイオンセル内のインターカレーション/充電後の急速な熱的加熱、次いで、塩基溶液(飽和酢酸ナトリウム(NaAC)を伴う約10MのNaOH)内での電気化学的水素放出反応によって膨張された(図17)。放出された水素ガスはさらに、電気接続性を維持しながら材料を高多孔質構造に膨張させた(約17μm〜約1cm)。二次的に膨張されたPGは、残留および凍結乾燥したNaOHまたはNaAcを除去するために、脱イオン水を用いて繰り返し洗浄された。膨張されたPGは、高多孔質であり、Alバッテリのための超高速カソードを作製するために使用されることができる。
一定の電圧充電下で動作する膨張されたPGを伴うパウチセル。パウチセルが、短絡を防止するために2つの層のガラス濾紙によって分離される、PG(約57mg)カソードおよびAlフォイルアノードを使用して、グローブボックス内で組み立てられた。炭素繊維紙(CFP)が、カソードのための電流コレクタとして、Niバーを伴うPGの背面接触として使用され、Niバーは、アノードのための電流コレクタとして使用された。(AlCl3/[EMIm]Cl=モル比約1.3を使用して調製された約2.8gの)電解質が、注入され、セルは、加熱に応じて密閉された。Al/PGセルは、次いで、約66mAg−1の電流密度において、約2.45Vにおける一定の電圧下で約1時間充電され、(約0.5Vまで)放電され、良好な容量および高安定性を示した(図18)。
バッテリからの水の電気化学的乾燥。パウチセルが、2つの層のガラス濾紙によって分離される、アルミニウムフォイル(約15〜250μmの厚さ)アノードおよび熱分解黒鉛(PG)フォイルカソードを使用して、グローブボックス内で組み立てられた。事前乾燥された電解質(AlCl3/[EMIm]Cl=モル比約1.3を使用して調製された約400ppmの残留水)が、注入され、セルは、ヒートシーラを使用して閉鎖された。Al/PGセルは、次いで、約66mAg−1の電流密度において、(約2.45Vまで)充電され、(約0.5Vまで)放電された。残留水の水素放出反応からのH2ガスが、いくつかのサイクル後にパウチを充填した。パウチは、次いで、ガスを解放するために針によって穿通され、再密閉された。これは、パウチセルが3回のガス解放後にもはや膨らまなくなるまで繰り返された。電解質内の残留水は、バッテリ充電中にH2ガスへの分解によって電気化学的に消費され、バッテリ電解質を大いに電気化学的に分解する方法を提供することが示唆される。
本実施例は、最適な組成物を伴うAlCl3−[EMIm]Clの非燃焼性イオン液体電解質において、可撓性アルミニウムアノードと組み合わせられる、カソードとしての可撓性黒鉛フォイルを使用して、改良されたAlイオンバッテリシステムを説明する。Al/黒鉛バッテリ(Al/GFバッテリ)は、黒鉛フォイルカソードの質量に基づいて、約2.25V〜約1.5Vの範囲の放電プラトーを示し、最大約127mAhg−1またはそれを上回る比容量をもたらす。黒鉛カソードにおけるイオン液体のアニオンのインターカレーションおよびデインターカレーションプロセスが調査され、AlxCly −アニオンの電気化学的インターカレーションに起因する、黒鉛層間空間の大きな膨張を示した。Al/GFバッテリの充電−放電サイクル安定性は、約98〜100%のクーロン効率とともに、少なくとも300サイクルにわたる約100%の容量保持率を示す。高いコスト効果、安全性、および高電圧を伴うAl/黒鉛バッテリは、改良されたエネルギー貯蔵システムを表す。
Claims (4)
- 金属イオンバッテリであって、
アルミニウムを含むアノードと、
層状活性材料を含むカソードであって、前記層状活性材料は、隣接するグラフェンシート間の共有結合を含む熱分解黒鉛である、カソードと、
前記アノードにおいてアルミニウムの可逆的な堆積および分解を支援し、かつ、前記カソードにおいてアニオンの可逆的なインターカレーションおよびデインターカレーションを支援するように、前記アノードと前記カソードとの間に配置されている電解質であって、前記電解質は、ハロゲン化アルミニウムおよびイオン液体の混合物であり、前記電解質は、前記ハロゲン化アルミニウムの前記イオン液体に対するモル比として1.3〜1.5を有し、前記電解質の含水量は、7,500ppm以下である、電解質と
を備える、金属イオンバッテリ。 - 前記層状活性材料は、0.05〜0.95の範囲内の多孔率を有する、請求項1に記載のバッテリ。
- 前記ハロゲン化アルミニウムは、AlCl3であり、前記イオン液体は、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリドである、請求項1に記載のバッテリ。
- 前記電解質の含水量は、1,000ppm以下である、請求項1に記載のバッテリ。
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