JP7013114B2 - 充電式銅－亜鉛電池 - Google Patents

Description

本発明は、電子及びプロトン伝導性であるが金属イオン非伝導性及び不透過性である膜セパレータとして有用なポリマー膜セパレータを備える、充電式銅－亜鉛電池に関する。

近年、アルカリ電解質、及び陰極材料として使用される亜鉛化合物を有する充電式バッテリーを開発するために、多くの実験が行われているが、これは、そのような組合せが、高いエネルギー密度、高い作動電圧、合理的な材料費、優れた高ドレイン負荷性能（heavy drain duty performance）及び低温負荷特性（low temperature duty characteristics）等の多くの優れた特性を有するためである。多くの技術的研究の結果、充電－放電サイクル動作の長い寿命を得るための改善が見出されてきた。例えば、電極は、酸化亜鉛及び／又は亜鉛粉末ならびに水銀又は酸化水銀の混合物を電流コレクタ上にコーティングすることにより作製され、酸化亜鉛及び／又は亜鉛粉末は、混合物の８０重量％から９０重量％を構成し、水銀及び酸化水銀は、５重量％から２０重量％を構成していた。しかしながら、２ｍＡ／ｃｍ^２から３ｍＡ／ｃｍ^２の低い電流密度下であっても、バッテリーが反復的充電－放電動作に供されると、この電極を有するバッテリーの放電容量は徐々に減少する。そのような動作においては、容量が初期容量の半分まで減少するため、５０サイクルを超えることは困難であった。商業的用途における充電式バッテリーは、２００回目の充電処理後であっても、初期容量の半分超を維持しなければならない。そのようなバッテリーを製造するためには、亜鉛電極、陽極、セパレータ及び電解質の新たな改善が必要である。

バッテリーの亜鉛電極の放電生成物が放電中に電解質に溶解しなければ、バッテリーの良好な充電可能性が期待され得る。溶解を防止するために試験された１つの電極は、１９５８年３月７日に出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｒ． Ａｕｔｈｏｒ’ｓ Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ Ｎｏ．１１６８１２においてＮ．Ａ．Ｚｈｕｌｉｄｏｖにより報告されたように、電極上で放電生成物をＣａＺｎ（ＯＨ）_４として固定するための水酸化カルシウムを含有するシート状亜鉛電極であった。しかしながら、この電極は、不動態化現象と呼ばれる亜鉛粉末上での不動態膜の形成のため、高ドレイン放電動作に耐えることができない。また、反応性生成物の電解質への溶解を防止するために電解質の量が制限されている半乾燥型陰極が試験されたが、これもまた不十分であることが明らかとなった。

米国特許第６８４，２０４号は、充電式銅／亜鉛バッテリーを開示している。しかしながら、このバッテリーは膜を備えていなかったため、適切に機能しなかった。

米国特許第４，０３７，０３３号は、多くの充電－放電サイクルを受けることができる充電式ニッケル－亜鉛バッテリーを開示している。

したがって、高ドレイン放電速度で多くの充電－放電サイクルが可能である銅－亜鉛充電式電池が必要とされている。

従来のカチオン及びプロトン伝導性膜は、典型的には、均質なポリマーのシート、同様のポリマーのラミネートシート、又はポリマーのブレンドを含む。

様々なポリマーが、カチオン伝導体であることが実証されている。

そのようなポリマーの一例は、固体有機超酸であるパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）のファミリーであり、膜は均質なシートとして生成される。

それらのポリマー材料は全て、一般に一価である移動性カチオン（Ｈ．＋、Ｌｉ．＋、Ｎａ＋等）の静止対電荷としてのスルホン酸官能基（Ｒ－ＳＯ_３－）に依存する。

ポリマープロトン伝導体の代替物は、酸化物プロトン伝導体を含む。一般に水和物又は水和形態の広範な金属酸化物がプロトン伝導体である。これらの酸化物は、ＲｕＯｘ（Ｈ_２Ｏ）_ｎ及び（Ｒｕ－Ｔｉ）Ｏ_ｘ（Ｈ_２Ｏ）等の水和貴金属含有酸化物、酸性酸化アンチモン及び酸化スズ等の重いポスト遷移元素（post transition element）の酸性酸化物、ならびにＭｏ、Ｗ、及びＺｒ等のより重い早期遷移金属（early transition metal）の酸化物を含む。これらの材料の多くは、混合酸化物としても有用である。シリカ（ＳｉＯ_２）及びアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等、この説明に適合しないいくつかの酸化物もまた有用となり得るが、これらは一般に、改質剤として、又はそれと共に使用される。

プロトン伝導体として機能する可能性を有する金属酸化物の数は、ここで詳細に十分議論するにはあまりにも多い。塩基性ではない不溶性水和酸化物を形成する元素として要約され得るこの群は、既知のプロトン伝導体だけでなく、水性媒体の存在下で多数の遊離プロトンを提供する酸化物超酸も含む。

リン酸ジルコニウム、特にアルファリン酸ジルコニウムは、周囲温度において粉末として試験された場合、優れたプロトン伝導体であることが知られている。これらの条件下において、化合物は水和しており（Ｚｒ（ＨＰＯ_４）．_２（Ｈ_２Ｏ）、伝導性のほとんどは、個々の結晶子の表面上を移動するプロトンの結果である。１２０℃を超えると、水和水は失われ、伝導性は、固体のバルク伝導性を表す値まで実質的に降下し、これは、２００℃における１．４２μＳから、３００℃における２．８５μＳまで増加する。この特性の組合せにより、アルファリン酸ジルコニウムは、低温（＜１００℃）の燃料電池、又はより高温（＞１５０℃）の燃料電池における使用に好適である。

この構造は、アルファリン酸ジルコニウム固有のものではない。ハフニウム、チタン、鉛及びスズは全て、この構造で結晶化するリン酸塩を有する。これらの化合物は、その構造内にジルコニウム化合物よりも実質的に少ない自由体積を有し、より低いプロトン移動度を示すことが予測される。

タングステン及びモリブデンは、プロトン伝導体の２つの群を提供する。これらの群の第１の群は、三酸化タングステン（ＷＯ_３）により例示されるような、単純な完全酸化金属である。この化合物は、そのエレクトロクロミック特性に起因して大きな関心の対象となっている。この酸化物は、固体状態において、淡黄色から青色への色のシフトと共に繰り返し電気化学的に還元され、再び淡黄色の形態に酸化され得る。この特性は、所望により明るく、及び暗くされ得るエレクトロクロミックウィンドウを生成するために使用されている。この反応は、結晶格子のいかなる顕著な再配列もなしに生じる。その結果、電荷的中性を維持するには、カチオン（プロトン）が構造内に拡散し、格子間位置に存在することが必要である。酸化物フィルムにわたり適切なバイアスを維持することにより、プロトン流束が維持され得る。

高いプロトン伝導性を有することが実証されたタングステン及びモリブデン化合物の第２のファミリーは、ヘテロ及びホモポリモリブデン酸塩及びポリタングステン酸塩である。この説明は、幅広く変動する組成を有する広範な化合物を包含し、それらは全て、辺又は頂点の共有によるＭＯ_６（Ｍ＝Ｍｏ、Ｗ）八面体の群の融合に基づく。これらのイオン（それらは全てアニオンである）は、（Ｘ^ｋ＋Ｍ_ｎＯ_{（３ｎ＋ｍ）}）^{（２ｍ－ｋ）－}の一般式を有し、式中、ｋは、存在する場合はヘテロ原子の正電荷であり、ｍは、構造内の非共有八面体頂点の数である。

このカテゴリー内の様々な化合物は拡大し続けており、新たな化合物が定期的に合成され、特性決定されている。それらのいくつか、例えば（Ｍｏ_１６Ｖ_１４Ｏ_８４）^１４－イオンは、非常に複雑な構造を有する。

このファミリー内の化合物は、Ｈ_３Ｗ_１２ＰＯ_４０ ^＊２９Ｈ_２Ｏにおいて０．１７Ｓ．ｃｍ^－１、Ｈ_３Ｍｏ_１２ＰＯ_４０ ^＊２９Ｈ_２Ｏにおいて０．１８Ｓ ｃｍ^－１（これは、同じ条件下で測定されたＮａｆｉｏｎ（登録商標）の伝導率よりも１桁以上高い）という高い室温プロトン伝導率を有することが実証されている。これらの化合物は、伝導率は低減されるものの、２００℃超でプロトンを伝導し続ける熱的安定性を有する。これらの化合物がそれ自体プロトン伝導体であるだけでなく、シリカゲルがゾル－ゲル反応によりテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）から形成されている間にＨ_３Ｗ_１ＰＯ_４０ ^＊２９Ｈ_２Ｏでドープされた場合、生成物は、約５０重量％まで存在し得るタングステン酸塩の濃度により変動する伝導性を有する非晶質プロトン伝導体である。

高いプロトン伝導性を有することが実証されている化合物の別のファミリーは、アンチモンのオキソ酸である。これらの化合物は、辺又は頂点が共有されたＳｂＯ_６八面体からなる構造を有する。非共有酸素はプロトン化されており（すなわちヒドロキシル基）、電荷的中性は、交換可能な外側カチオンにより維持される。これらの酸において、アンチモンは、合成条件及びその後の処理に依存して、＋３もしくは＋５酸化状態、又はこの２つの混合となり得る。合成における重要なステップは、一般に０℃で行われる、過酸化水素を用いた、又は用いないＳｂＣｌ_５の加水分解である。加水分解条件がより酸化的である程、最終生成物中の＋５酸化状態のアンチモンの割合が高く、十分に酸化的な加水分解溶液により、アンチモンの全てが＋５状態である酸を得ることができる。酸は、（立方対称性に基づいて）パイロクロア型骨格構造を有する不溶性白色粉末として沈殿する。粉末は、さらなる使用の前に、十分に洗浄され、室温で乾燥される。

アンチモン酸は、乾燥空気中で加熱により脱水され、水のほとんどは約１４０℃で失われる。材料が２００℃超に加熱されない限り、アンチモン酸は、通常の室内条件下でも空気から水を再吸収し、元の重量まで回復する。３００℃超の温度への加熱は、脱酸素をもたらし、存在するＳｂ^＋５はＳｂ^＋３へと戻る。

アンチモン酸の薄いフィルムは、アセトン中の水酸化アンモニウムの溶液中に懸濁された微粒子を電気泳動的に堆積させることにより、伝導性表面上に生成されている。得られる層は、ＳＥＭにより平滑であることが示されたが、本出願の要件である、それらが多孔質不含であるかどうかに関する情報は得られなかった。

タングステン及びモリブデンと同様に、タンタル及びニオブは、高電荷錯体ポリアニオンを形成する。これらの材料はまた、プロトン伝導が可能な容易なカチオン交換体であり、１００℃超に加熱された場合、不可逆的脱水に供される。

無機イオン交換体のこれらのファミリーは、顕著な差を有するが、それらを燃料電池中のプロトン伝導性電解質としての使用の候補とする３つの共通した特徴も有する。第１に、それらは全て、容易に交換可能なプロトンを有する。第２に、それらは全て、移動性プロトンが移動するための低抵抗経路を提供するチャネルを有する開いた骨格構造を有する。第３に、それらは全て、２００℃を超える温度、及びほとんどの場合において３００℃を超える温度でそのプロトン伝導性を維持する。この最後の特性によって、これらの化合物を、若干高い温度、及び従来のＰＥＭ（プロトン交換膜）燃料電池が使用される同じ低温（＜１００℃）で動作する燃料電池において使用することが可能となると思われる。残念ながら、これらの酸化物プロトン伝導体は全て、薄いピンホール不含フィルムとして製造することが困難なセラミック材料である。

同じく高度のプロトン移動度を提供する、顕著に異なる構造を有する他の無機化合物が存在する。これらの無機化合物は、固体超酸及び高度に水和した表面を有する酸化物を含む。プロトン伝導性は、個々の結晶子、又は、非晶質材料の場合には粒子の表面上にわたり拡散するプロトンに起因する。この効果は、完全水和アルファリン酸ジルコニウムに関してすでに説明されている。

水和酸化ルテニウムは、上述の表面プロトンホッピング機構を介して顕著なイオン電流を補助することができることが知られた材料の１つである。しかしながら、純ＲｕＯｘ（Ｈ_２Ｏ）_ｎは金属導体であるため、この化合物は電解質膜における使用には許容されない。したがって、この化合物は、それが使用されるいかなる電池も電気的に短絡させる。

酸化ルテニウム「充填」Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜は、直接メタノール型燃料電池における電解質膜として試験されており、メタノールクロスオーバーを低減することが実証された。残念ながら、この形態（incarnation）において、それらはまた、プロトン伝導性を顕著に低減することが判明した。

最近報告されたエアロゲル合成は、プロトン伝導性材料の生成において特に効果的であることが実証されており、これは主に、この反応の生成物が、高度のヒドロキシル終端及び局所的ＲｕＯｘドメインの良好な電気的分離を伴って、非常に高い表面積を有するためである。（Ｒｕ_０．３２Ｔｉ_０．６８）Ｏ_２は、電子及びプロトンの両方が電荷担体として作用し、反対方向に流れる混合伝導体である。バルク材料として普通に合成された場合、電流の大部分は電子により担持される。表面積が大きく増加したエアロゲルとして材料が合成された場合、電荷の大部分はプロトンにより担持される。これは、ＲｕＯの表面プロトン伝導性を明確に実証するものであり、それを利用する手法への明確なルートである。エアロゲルプロセスの鍵は、溶媒が除去される際に分離される、比較的希薄な金属アルコキシドの溶液の加水分解により生成される広範に分散したゾル－ゲルネットワークを維持することである。本開示の後のセクションにおいて説明されるように、膜の生成においても同様の効果を利用することができる。

硫酸化ジルコニアは、主に炭化水素変換における使用のための酸触媒、及び他の触媒の酸担体として最近著しく注目されている非晶質固体超酸である。酸化チタン及び酸化チタン－アルミニウムも同様の特性を有することが示されているが、本議論は、より良く知られているジルコニア化合物に焦点を置く。

これらの材料は、一般に、その表面に硫酸基が結合した非晶質金属酸化物とみなされる。それらは、様々な経路により生成される。古典的な方法は、ジルコニウム塩の水溶液を塩基で処理し、続いて硫酸又は硫酸アンモニウムによるゲルのスルホン化を行うことによる、非晶質Ｚｒ（ＯＨ）_４の沈殿である。非晶質Ｚｒ（ＯＨ）_４はまた、ゾル－ゲル法により生成され、同じ手法で硫酸化されてもよい。これらの方法は両方とも、本質的に二段階合成である。より高い表面積の材料は、硫酸とアルコキシド前駆体との直接的反応により生成され得る。触媒は、４００℃から６５０℃の間の温度での焼成により、使用前に活性化される。これらの材料は、ＰＦＳＡ材料と同様に、強ブレンステッド酸であるが、遊離プロトンの形成に水を必要とする。

また、同様の特性を有する固体が、ジルコニアの代替として機能するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いて生成され得る。これらの材料は、Ｌｉ_２ＳＯ_４又はＲｂＮＯ_３等の塩を、対応するアルミニウム塩と組み合わせ、混合物を焼結してアルミニウム塩をアルミナマトリックスに変換することにより生成される。微量の塩（guest salt）が、比較的不変の状態を維持する。これらの材料は、圧密されて約１～２ｍｍ厚の錠を形成してもよく、これは、燃料電池電解質として試験された。４００℃で操作された場合、それらは、有望な結果をもたらすことが判明し、０．７５Ｖという高い単一電池電位が、２００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度において観察された。伝導性は、リチウム含有電解質中のＨ－ＳＯ_４配位のＩＲの証拠に基づき、アルミナマトリックス内の塩により形成された位置に沿って移動するプロトンに起因した。しかしながら、伝導性に必要な高温により、これらの材料は、ポリマー結合システムにおける使用に有望であるとはみなされない。

上述の酸化物は全て、伝導性が従来のポリマー膜と同様である十分に薄いシートに製造できれば、プロトン伝導体として潜在的に有用である。薄いシートを製造することができないことは、Ｎａｋａｍｏｒａら（米国特許第４，０２４，０３６号）により使用されたアプローチ又は方法により生成された材料の主要な弱点である。

無機カチオン伝導体に加えて、無機－有機複合膜が、電気化学的用途に潜在的に有用である。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）等のＰＦＳＡ膜は、無機プロトン伝導体である１２－リンタングステン酸（Ｈ_３Ｗ_１２ＰＯ_４０）で充填されている。これらの膜は、より良好な水分保持を有し、結果として、非充填形態の同じ膜よりも、１００℃を超える温度において良好な伝導性を有することが実証されている。目標は、アノード電極触媒のＣＯ被毒の問題を改善するために、高温において動作し得るＰＥＭ燃料電池用の膜を開発することであった。ポリマー電解質への１２－リンタングステン酸の添加により、１２０℃までの温度での動作が可能となったが、改善されたＣＯ耐性の証拠は示されなかった。

米国特許第５，５２３，１８１号において、Ｓｔｏｎｅｈａｒｔらは、マトリックスとしての溶液とカチオン交換可能な様々なポリマーを使用した充填剤としての、好ましくは繊維の形態の高表面積シリカからなるＰＥＭ燃料電池に有用な複合膜を説明している。これらの膜は、ポリマーの溶解に適した溶媒中に無機相を懸濁させ、懸濁液を同じ溶媒中のポリマーの溶液とブレンドすることにより生成される。膜は、制御された様式で溶媒を蒸発させ、複合材の薄いフィルムを生成することにより形成される。シリカは、その水に対する親和性及び水分を保持する能力を最大化するために選択される。それらは、低加湿の条件下で動作する燃料電池において低減された電気抵抗を実証する。改善された性能は、シリカによる改善された水分保持、及びシリカ繊維に沿ったカソードからアノードへの改善された水の逆拡散に起因し、逆拡散する水は、電気浸透輸送により除去された水を置き換える。彼らは、全体的プロトン伝導性に対するいかなる寄与も、シリカによるものとはしなかった。

米国特許第５，５１２，２６３号において、Ｍｃｌｎｔｙｒｅは、電気伝導性充填相と共にイオン伝導性ポリマーを使用して生成された複合膜を説明している。この膜により、内部短絡燃料電池の構築が可能となるが、これは、過酸化水素の合成に有用であると説明されている。電流の全ては膜内で内部的に流れるため、反応の外部電気制御又は監視はない。この制御の欠落は、そのプロセスの比較的低い効率に寄与し得る。

米国特許第５，６８２，２６１号において、Ｔａｋａｄａらは、複合膜を生成するための三相システムを開示している。ブレンステッド酸、典型的には強鉱酸が、微粉化されたシリカの表面上に吸着し、この混合物が熱可塑性結合剤と組み合わされて、プロトン伝導性膜を生成する。この膜において、主要な伝導性は、酸中の遊離プロトンに起因する。この膜は、エレクトロクロミックウィンドウ用及び燃料電池用のイオン伝導体として有用であることが判明している。

米国特許第５，３３４，２９２号において、Ｒａｊｅｓｈｗａｒらは、電子伝導性ポリマー（イオン伝導性電解質とは対照的に）及び触媒活性金属粒子からなる複合材を説明している。彼らが使用しているポリマーは、伝導性表面上で電気化学的に重合するポリピロール及びポリアナリンである。この複合材は、担持電極触媒として有用であると説明されており、貴金属（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｕ等）電極触媒活性粒子を、使用される貴金属の量を最小限化するように安価な伝導性マトリックス中に懸濁させることが望ましい。

無機－有機複合膜もまた、様々な他の用途に有用となり得る。これらの複合材は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）マトリックス及び半導体充填剤を含んでもよく、一般に選択される半導体は、光触媒反応を行うための活性を示すことが知られているもの、例えばＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＦｅＳ_２、ＺｎＳ、ＴｉＯ_２、及びＦｅ_２Ｏ_３である。生成される複合材は、光触媒分解及び有機化合物の酸化、さらには窒素の固定等の反応を行うのに有用である。

「Nafion/ORMOSIL Hybrids via in Situ Sol-Gel Reactions. 3. Pyrene Fluorescence Probe Investigations of Nanoscale Environment」という表題の記事（Chemistry of Materials, 9, 36-44, (1997)）において、Ｍａｕｒｉｔｚらは、ポリマーマトリックス内のテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）の加水分解によるＰＦＳＡ－シリカ複合材を説明している。無機－有機比は、無機相の特性が変動し得るのと同様に広い範囲にわたり変動し得、最終複合材の特性を特定用途に合わせて調整することが可能となる。これらの複合材料は、非充填ポリマーと比較して、ガス分離の改善された選択性を有することが実証されている。Ｍａｕｒｉｔｚらはまた、ＴｉＯ_２、チタニアシリケート、及びアルミナシリケート無機相とのナノ相複合材を生成する能力を実証している。

したがって、高い水分、電子及びプロトン伝導性を示すと同時に、金属イオンに対しては伝導性ではない膜セパレータ材料が必要とされている。

したがって、本発明の目的は、長いサイクル寿命の充電式銅－亜鉛双極電池を提供することである。

また、本発明の目的は、さらに、電子及びプロトン伝導性膜として有用な電気化学的ポリマー膜セパレータを備える充電式銅－亜鉛双極電池を提供することである。ポリマー電気化学的膜セパレータは、金属イオン伝導性ではない。

これらの目的は、双極電極、亜鉛電解質、銅電解質及び金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータの組合せにより達成される。亜鉛電解質及び銅電解質は、一方側で双極電極により、他方側で膜セパレータにより互いから分離されている。放電は、双極電極の陰極側に銅電解質から銅を電着させる一方で、双極電極の陽極側から亜鉛電解質中に亜鉛を腐食させることを含む。システムの充電は、このプロセスの逆、すなわち双極電極の陽極側に亜鉛電解質から亜鉛を電着させる一方で、双極電極の陰極側から銅電解質中に銅を腐食させることを含む。

金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータの主要な機能は、銅イオン及び亜鉛イオンがそれぞれの半電池内に留まるが、プロトン及び電子を通過させるように、銅半電池を亜鉛半電池から分離することである。

双極電極は、好適な伝導性、耐腐食性、機械的強度及び電気めっき材料接着を提供するために、単一の伝導性材料、又は２種以上の伝導性材料の組合せ、又は材料の層から成るものであってもよい。

本発明の第１の態様によれば、第１のポリマー、第２のポリマー及び官能基を含む、金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータが提供される。

好ましくは、金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータは、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート及び官能基を有する化合物を含む。膜セパレータは、１μモル／日未満の透過率で、膜セパレータの各側の銅及び亜鉛を分離する。官能基を有する化合物は、ポリスチレン及びポリエチレンテレフタレートに化学結合し、ＭｅＰＯ３及びＥｔＣＯ（ＯＨ）を含み得る化合物の混合物を含む。

本発明の別の態様によれば、充電式銅－亜鉛双極電池は、ＨＶＤＣグリッドに対応するように、１０００Ｖ、３２０ＫＶ、５００ＫＶ、８００ＫＶの電圧を有する電解採取システム内のバッテリー、に組み合わされる。１０００Ｖの電圧により、エネルギー貯蔵部を電気ネットワークの低電圧部分に接続することができる。バッテリーは、少なくとも１つの電池を備える。

本明細書に記載の実施形態は、変圧器及びＡＣ／ＤＣの変換が排除されるという利点を有し得る。

本明細書に記載の実施形態は、閉鎖セル型電解浴構成と比較して、「槽」型構成により電池のメンテナンスが比較的容易であるという別の利点を有し得る。

本明細書に記載の実施形態は、電池構成によりポンピングが排除され、その結果ポンピングによる寄生損失が排除されるという別の利点を有し得る。

本明細書に記載の実施形態は、バイパス電流及び多岐管が排除されるという別の利点を有し得る。

本明細書に記載の実施形態は、電池が長寿命電池であるという別の利点を有し得る。

本明細書に記載の実施形態は、全体的なバッテリー動作に影響することなく、個々の電池が取り外され、メンテナンスされ、必要に応じて交換され得るという別の利点を有し得る。したがって、バッテリーの寿命は、２０～３０年の範囲である。

本明細書に記載の実施形態は、膜セパレータが選択的透過性（金属イオンに対しては透過性ではない）を有し、極めて伝導性であるという別の利点を有し得る。

他の態様は、本明細書における特許請求の範囲に記載される通りである。

ここで、本発明をより良く理解するため、及びどのようにして本発明を実行に移すことができるかを示すために、本発明による具体的な実施形態、方法及びプロセスを、例示のみを目的として添付の図面を参照しながら説明する。

充電式銅－亜鉛電池の断面図である。 充電式銅－亜鉛電池の側面図である。 金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータを有する充電式銅－亜鉛電池の詳細図である。 充電式銅－亜鉛電池用の取り外しデバイスの図である。

ここで、本発明者により企図される特定の様式を例として説明する。以下の説明において、多くの特定の詳細は、完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明は、これらの特定の詳細に限定されることなく実践され得ることが、当業者には明らかである。他の場合において、説明を不必要に不明確化しないように、周知の方法及び構造は詳細には説明されていない。

ここで、充電式銅－亜鉛電池のいくつかの異なる実施形態及び変形例を説明する。

図１は、本発明の具体的実施形態による充電式銅－亜鉛電池の概略的断面図である。電池は、封止表面（２）及び槽底部（１ａ）を有する槽（１）、カセット（３）、金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータ（４）、ならびにカセット（３）のポリマーフレーム（５）を備える。

図２は、本発明の具体的実施形態による充電式銅－亜鉛電池の概略的断面図である。電池は、槽底部（１ａ）及び複数のカセット（３）を備える。各カセット（３）は、ポリマーフレーム（５）、金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータ（４）、双極電極（６）、亜鉛電解質空間（７）、及び、１つのカセット（３）のセパレータ（４）と隣接するカセット（３）の電極（６）との間に位置する銅電解質空間（８）を備える。

図３は、本発明の具体的実施形態による充電式銅－亜鉛電池の詳細図である。電池は、双極電極（６）、金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータ（４）、槽底部（１ａ）、フレーム（５）に対する双極電極（６）のポリマー接合部又は他の係止部（９）、フレーム（５）に対する金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータ（４）の係止部（１０）、及び双極電極（６）と膜セパレータ（４）との間の亜鉛電解質空間（７）を備える。図３に示されるように、例えば、フレーム（５）は、舌及び溝接続部（１２）を介して槽底部（１ａ）と連結されてもよい。

図４は、１つ又は複数のカセット（３）を槽（１）に挿入する、及びそこから引き出すための取り外しデバイスの具体的実施形態を示す図である。バッテリーは、槽（１）内に装着された１つ又は複数のカセット（３）を備える（図１及び２参照）。各カセット（３）は、双極電極（６）、亜鉛電解質空間（７）、金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータ（４）及びポリマーフレーム（５）を備える。充電式電池は、双極電極（６）、亜鉛電解質空間（７）内の亜鉛電解質、銅電解質空間（８）内の銅電解質（図２参照）、及び金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータ（４）を組み合わせて備える。バッテリーは、少なくとも１つの充電式電池を備える。取り外しデバイスは、上から槽（１）内に挿入され、次いでカセット（３）の両側にクランプされる機械的支持構造（１１ａ）、（１１ｂ）を備える。機械的支持構造（１１ａ）、（１１ｂ）は、カセット（３）の槽（１）への挿入及びそこからの取り外しの間、カセット（３）のフレーム（５）を保持し、双極電極（６）及び金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータ（４）の歪みを防止する。

１ 槽
１ａ 槽底部
２ 封止表面
３ カセット
４ 金属イオン不透過性ポリマー電気化学的膜セパレータ
５ ポリマーフレーム
６ 双極電極
７ 亜鉛電解質空間
８ 銅電解質空間
９ ポリマー接合部又は他の係止部
１０ 係止部
１１ａ 機械的支持構造
１１ｂ 機械的支持構造

Claims (20)

1. 双極電極と、
   亜鉛電解質と、
   銅電解質と、
   水分及び電子伝導性を示すと同時に、金属イオンに対しては伝導性ではない膜セパレータとを備え、
   前記亜鉛電解質及び前記銅電解質は、一方側で前記双極電極により、他方側で前記膜セパレータにより互いから分離されている、充電式電池。
2. 前記双極電極が、導電性材料から成る、請求項１に記載の充電式電池。
3. 前記膜セパレータがポリマー材料を備える、請求項１に記載の充電式電池。
4. 前記双極電極が層状に重ねられる、請求項１に記載の充電式電池。
5. 前記膜セパレータが、第１のポリマー、第２のポリマー及び官能基を有する化合物を含む、請求項１に記載の充電式電池。
6. 前記第１のポリマーがポリスチレンであり、前記第２のポリマーがポリエチレンテレフタレートである、請求項５に記載の充電式電池。
7. 前記官能基を有する化合物は、ＭｅＰＯ_３及びＥｔＣＯ（ＯＨ）を含む、請求項５に記載の充電式電池。
8. 複数の充電式電池を備えるバッテリーであって、前記充電式電池は、
   双極電極と、
   亜鉛電解質と、
   銅電解質と、
   水分及び電子伝導性を示すと同時に、金属イオンに対しては伝導性ではない膜セパレータとを備え、
   前記亜鉛電解質及び前記銅電解質は、一方側で前記双極電極により、他方側で前記膜セパレータにより互いから分離されている、バッテリー。
9. 前記双極電極が、導電性材料から成る、請求項８に記載のバッテリー。
10. 前記膜セパレータは、１μモル／日未満の前記膜セパレータを介した透過率で、前記膜セパレータの各側の銅電解質及び亜鉛電解質を分離する、請求項８に記載のバッテリー。
11. 前記膜セパレータは、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタラート、及び官能基を有する化合物を備える、請求項８に記載のバッテリー。
12. 前記官能基を有する化合物はポリスチレン及びポリエチレンテレフタラートに結合される、請求項１１に記載のバッテリー。
13. 前記官能基を有する化合物は、ＭｅＰＯ_３及びＥｔＣＯ（ＯＨ）を含む、請求項１１に記載のバッテリー。
14. 前記双極電極は陽極と陰極とを備え、前記バッテリーは、前記双極電極の陰極上の前記銅電解質から銅を電着させ、かつ前記双極電極の陽極から前記亜鉛電解質に亜鉛を腐食させることにより放電される、請求項８に記載のバッテリー。
15. 前記双極電極は陽極と陰極とを備え、前記バッテリーは、前記双極電極の陽極上の前記亜鉛電解質から亜鉛を電着させ、かつ前記双極電極の陰極から前記銅電解質に銅を腐食させることにより充電される、請求項８に記載のバッテリー。
16. 前記バッテリーが約１０００Ｖから約８００ＫＶの電圧で動作する、請求項８に記載のバッテリー。
17. 前記複数の電池が槽の中に収容される、請求項８に記載のバッテリー。
18. 前記バッテリーがポンプを有さない、請求項８に記載のバッテリー。
19. 各電池が、前記双極電極及び前記膜セパレータに接続されるフレームをさらに備え、前記亜鉛電解質は、前記双極電極と前記フレームの前記膜セパレータとの間に位置する、請求項８に記載のバッテリー。
20. 各電池が、前記双極電極を前記フレームに接続する第１の係止部と、前記膜セパレータを前記フレームに接続する第２の係止部とをさらに備える、請求項１９に記載のバッテリー。

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