JP7122309B2 - Flexible and Conformable Cable Alkaline Metal Battery - Google Patents

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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2016年12月20日に出願された米国特許出願第15/384,749号明細書、および2016年12月20日に出願された米国特許出願第15/384,781号明細書(これら両方が参照により本明細書に組み入れられる)の優先権を主張する。
CROSS REFERENCES TO RELATED APPLICATIONS This application is part of U.S. Patent Application Serial No. 15/384,749, filed December 20, 2016, and U.S. Patent Application Serial No. 15/384, filed December 20, 2016. , 781, both of which are incorporated herein by reference.

本発明は、一般に、可撓性で、適合性で、および難燃性であるケーブル型の一次(再充電できない)および二次(再充電可能)アルカリ金属電池およびアルカリイオン電池を含むリチウム電池、ナトリウム電池、およびカリウム電池の分野に関する。 Lithium batteries, including primary (non-rechargeable) and secondary (rechargeable) alkaline metal and alkaline ion batteries of cable type, which are flexible, compatible and flame retardant. It relates to the field of sodium batteries and potassium batteries.

従来の電池(例えば18650型円筒形セルおよび長方形パウチまたは角形セル)は機械的に硬質であり、この非可撓性の特徴のために、限定された空間内での実装、またはウェアラブルデバイス中での使用の場合に、その適合性または実現可能性が大きく制約される。これらの設計上の制限を克服するために、可撓性および形状適合性の電源を使用することができる。この新しい電源によって、スマートモバイルガジェット、巻き取り式ディスプレイ、ウェアラブルデバイス、および生物医学センサーなどの次世代電子デバイスの開発が可能となる。可撓性で適合性の電源によって、電気自動車中の重量および空間も節約される。 Conventional batteries (e.g., 18650-type cylindrical cells and rectangular pouch or prismatic cells) are mechanically rigid, and this inflexible feature allows them to be implemented in confined spaces or in wearable devices. is severely constrained in its suitability or feasibility. Flexible and conformable power sources can be used to overcome these design limitations. This new power source will enable the development of next-generation electronic devices such as smart mobile gadgets, rollable displays, wearable devices, and biomedical sensors. A flexible and adaptable power supply also saves weight and space in an electric vehicle.

リチウムイオン電池は、電気自動車(EV)およびモバイルデバイス用途のための第一候補のエネルギー貯蔵デバイスである。過去20年間で、リチウムイオン電池ではエネルギー密度、レート特性、および安全性の面での継続的な改良が見られたが、どういうわけか、かなり高いエネルギー密度を有するLi金属電池にはほとんど目が向けられていなかった。しかし、Liイオン電池における黒鉛ベースのアノードの使用は、以下のような幾つかの大きな欠点を有する。低い比容量(Li金属に関する3,860mAh/gとは対照的に372mAh/gの理論的な容量);長い再充電時間(例えば、電気自動車の電池では7時間)を必要とする長いLiインターカレーション時間(例えば、黒鉛および無機酸化物粒子の内外へのLiの低い固体拡散効率);高いパルス出力(電力密度<<1kW/kg)を送給することができないこと;および、プレリチウム化されたカソード(例えば、コバルト酸リチウム)を使用する必要があり、それにより利用可能なカソード材料の選択が制限されること。さらに、これらの一般的に使用されるカソードは、比較的低い比容量(典型的には<200mAh/g)を有する。これらの因子は、今日のLiイオン電池の2つの主要な欠点、すなわち、低い重量および体積エネルギー密度(典型的には150~220Wh/kgおよび450~600Wh/L)、および低い電力密度(典型的には<0.5kW/kgおよび<1.0kW/L)の原因となっている(上記値は全て、総電池セル重量または体積に基づく)。 Lithium-ion batteries are the primary candidate energy storage devices for electric vehicle (EV) and mobile device applications. The last two decades have seen continuous improvements in energy density, rate performance, and safety in lithium-ion batteries, but somehow little attention has been paid to Li-metal batteries with significantly higher energy densities. it wasn't directed. However, the use of graphite-based anodes in Li-ion batteries has some major drawbacks, such as: Low specific capacity (372 mAh/g theoretical capacity as opposed to 3,860 mAh/g for Li metal); long Li intercalation requiring long recharge times (e.g. 7 hours for electric vehicle batteries) (e.g., low solid-state diffusion efficiency of Li into and out of graphite and inorganic oxide particles); inability to deliver high pulse power (power density <<1 kW/kg); 2. the need to use a high-quality cathode (eg, lithium cobaltate), which limits the choice of available cathode materials; Additionally, these commonly used cathodes have relatively low specific capacities (typically <200 mAh/g). These factors contribute to the two major drawbacks of today's Li-ion batteries: low gravimetric and volumetric energy densities (typically 150-220 Wh/kg and 450-600 Wh/L), and low power densities (typically (all above values are based on total battery cell weight or volume).

新興のEVおよび再生可能エネルギー業界では、現在のLiイオン電池技術が提供できるものに比べてかなり高い重量エネルギー密度(例えば、>>250Wh/kg、および好ましくは>>300Wh/kgを要求する)および高い電力密度(より短い再充電時間)を有する充電式電池の利用可能性が要求される。さらに、マイクロエレクトロニクス業界およびパワーツール業界では、より多くのエネルギーを貯蔵するより小さい体積のよりコンパクトなポータブルデバイス(例えば、スマートフォンおよびタブレット)を消費者が求めているので、かなり大きな体積エネルギー密度(>650Wh/L、好ましくは>750Wh/L)を有する電池が必要とされている。これらの要件のために、より高い比容量、優れたレート特性、および良好なサイクル安定性を有するリチウムイオン電池用の電極材料の開発に向けた多大な研究努力が成されている。 The emerging EV and renewable energy industries require significantly higher gravimetric energy densities (e.g., >>250 Wh/kg, and preferably >>300 Wh/kg) than what current Li-ion battery technology can offer, and Availability of rechargeable batteries with high power density (shorter recharge time) is required. Furthermore, in the microelectronics and power tool industries, consumers are demanding smaller volume, more compact portable devices (e.g., smartphones and tablets) that store more energy, resulting in significantly higher volumetric energy densities (> A battery with 650 Wh/L, preferably >750 Wh/L) is needed. These requirements have led to a great deal of research effort towards developing electrode materials for lithium-ion batteries with higher specific capacity, excellent rate performance, and good cycling stability.

周期表の第III族、第IV族、および第V族からの幾つかの元素は、特定の所望の電圧でLiと共に合金を形成することができる。したがって、リチウムイオン電池には、そのような元素に基づく様々なアノード材料および幾つかの金属酸化物が提案されている。それらの中で、シリコンは、高エネルギーリチウムイオン電池のための次世代アノード材料の1つと認識されている。なぜなら、シリコンは、黒鉛に比べて理論的な重量容量が約10倍であり(LiCに関する372mAh/gに対して、Li3.75Siに基づくと3,590mAh/g)、体積容量が約3倍であるからである。しかし、リチウムイオン合金化および脱合金化(セルの充電および放電)中のSiの急激な体積変化(最大380%)は、しばしば激しい急速な電池性能劣化を招いた。性能の低下は、主に、Siが体積変化により粉末化すること、および粉末化されたSi粒子と集電体との電気的接触を粘結剤/導電性添加剤が維持できないことに起因する。さらに、シリコンの固有の低い導電率が、対処する必要がある別の課題である。 Several elements from groups III, IV, and V of the periodic table can form alloys with Li at certain desired voltages. Therefore, various anode materials and some metal oxides based on such elements have been proposed for lithium-ion batteries. Among them, silicon is recognized as one of the next generation anode materials for high energy lithium ion batteries. Because silicon has about ten times the theoretical gravimetric capacity (3,590 mAh/g based on Li 3.75 Si vs. 372 mAh/g for LiC 6 ) compared to graphite, and a volumetric capacity of about This is because it is three times. However, the rapid volume change of Si (up to 380%) during lithium-ion alloying and dealloying (cell charge and discharge) often led to severe and rapid battery performance degradation. The performance degradation is mainly due to Si powdering due to volume change and the inability of the binder/conductive additive to maintain electrical contact between the powdered Si particles and the current collector. . Additionally, the inherently low electrical conductivity of silicon is another issue that needs to be addressed.

幾つかの高容量アノード活性材料(例えば、Si)が見付かったが、それに対応する利用できる高容量カソード材料はない。Liイオン電池で一般的に使用されている現在のカソード活性材料には、以下のような重大な欠点がある。
(1)現在のカソード材料(例えば、リン酸鉄リチウムおよびリチウム遷移金属酸化物)で実現可能な実用上の容量は、150~250mAh/gの範囲、大抵の場合には200mAh/g未満に制限されている。
(2)これらの一般的に使用されているカソードへのリチウムの挿入およびそこからの取出しは、非常に低い拡散係数(典型的には10-8~10-14cm/s)を有する固体粒子中での非常に遅いLiの固体拡散に依拠し、これは、非常に低い電力密度(今日のリチウムイオン電池の別の積年の問題)をもたらす。
(3)現在のカソード材料は、電気絶縁性および断熱性であり、効果的かつ効率的に電子および熱を輸送することができない。低い導電率は、高い内部抵抗、および大量の導電性添加剤を加える必要性を意味し、既に容量が低いカソード内の電気化学的活性材料の割合を実質的に減少させる。また、低い熱伝導率は、熱暴走を受ける傾向がより高いことを意味し、これは、リチウム電池業界における主要な安全性の問題である。
Although some high capacity anode active materials (eg Si) have been found, there is no corresponding high capacity cathode material available. Current cathode active materials commonly used in Li-ion batteries have significant drawbacks:
(1) practical capacities achievable with current cathode materials (e.g., lithium iron phosphate and lithium transition metal oxides) are limited to the range of 150-250 mAh/g, often less than 200 mAh/g; It is
( 2 ) insertion and extraction of lithium into and out of these commonly used cathodes requires solid-state It relies on the very slow solid-state diffusion of Li in the particles, which leads to very low power densities, another long-standing problem of today's lithium-ion batteries.
(3) Current cathode materials are electrically and thermally insulating, unable to effectively and efficiently transport electrons and heat. Low conductivity means high internal resistance and the need to add large amounts of conductive additives, substantially reducing the proportion of electrochemically active material in the already low capacity cathode. Low thermal conductivity also means a higher tendency to undergo thermal runaway, which is a major safety issue in the lithium battery industry.

ナトリウムは豊富に存在し、ナトリウムの製造はリチウムの製造よりもはるかに環境に優しいので、完全に別個の種類のエネルギー貯蔵デバイスとして、ナトリウム電池はリチウム電池に対する魅力的な代替品と見なされている。さらに、リチウムが高コストであることは主要な問題となっており、Na電池は、場合によっては、はるかに低コストとなりうる。 As a completely separate class of energy storage device, sodium batteries are viewed as an attractive alternative to lithium batteries because sodium is abundant and its production is much more environmentally friendly than that of lithium. . Furthermore, the high cost of lithium is a major concern, and Na batteries can be much cheaper in some cases.

アノード活性材料としてNa金属または合金を有するナトリウム金属電池と、アノード活性材料としてNaインターカレーション化合物を有するナトリウムイオン電池との、アノードとカソードとの間でナトリウムイオン(Na)を往復させる少なくとも2種類の電池が存在する。ハードカーボン系アノード活性材料(Naインターカレーション化合物)と、カソードとしてのナトリウム遷移金属リン酸塩とを使用するナトリウムイオン電池は、幾つかの研究グループによって記載されており、例えばJ.Barker,et al.“Sodium Ion Batteries”、米国特許第7,759,008号明細書(2010年7月20日)に記載されている。 At least two sodium ions (Na + ) are shuttled between the anode and cathode of a sodium metal battery having Na metal or alloy as the anode active material and a sodium ion battery having Na intercalation compound as the anode active material. There are types of batteries. Sodium-ion batteries using a hard carbon-based anode active material (Na intercalation compound) and sodium transition metal phosphate as the cathode have been described by several research groups, eg, J. Am. Barker, et al. "Sodium Ion Batteries", US Pat. No. 7,759,008 (July 20, 2010).

しかしながら、これらのナトリウム系デバイスは、Liイオン電池よりもさらに低い比エネルギーおよびレート特性を示す。Naインターカレーションのためのアノード活性材料およびNaインターカレーションのためのカソード活性材料は、それらのLi貯蔵容量よりも低いNa貯蔵容量を有する。例えば、ハードカーボン粒子は、最大300~360mAh/gのLiイオンを貯蔵可能であるが、同じ材料は最大150~250mAh/gのNaイオンを貯蔵することができ、Kイオンの貯蔵の場合100mAh/g未満となりうる。 However, these sodium-based devices exhibit much lower specific energy and rate characteristics than Li-ion batteries. The anode active material for Na intercalation and the cathode active material for Na intercalation have lower Na storage capacities than their Li storage capacities. For example, hard carbon particles can store up to 300-360 mAh/g of Li ions, whereas the same material can store up to 150-250 mAh/g of Na ions and 100 mAh/g for storage of K ions. can be less than g.

ハードカーボンまたは別の炭質インターカレーション化合物の代わりに、ナトリウム金属をナトリウム金属セル中のアノード活性材料として使用することができる。しかしながら、アノード活性材料としての金属ナトリウムの使用は、デンドライト形成、界面のエージング、および電解質の不適合性の問題のために、望ましくなく危険であると通常は考えられている。 Instead of hard carbon or another carbonaceous intercalation compound, sodium metal can be used as the anode active material in sodium metal cells. However, the use of metallic sodium as an anode active material is generally considered undesirable and dangerous due to problems with dendrite formation, interfacial aging, and electrolyte incompatibility.

低容量のアノードまたはカソード活性材料は、アルカリ金属イオン電池業界が直面している唯一の問題ではない。リチウムイオン電池業界が認識していないと思われる、またはほとんど無視している重大な設計上および製造上の問題がある。例えば、公開されている文献および特許文献で頻繁に主張されているように(アノードまたはカソード活性材料の重量のみに基づく)電極レベルでの重量容量が高いにもかかわらず、これらの電極は、残念ながら、(総電池セル重量またはパック重量に基づく)電池セルまたはパックレベルでの高い容量を電池に提供することができない。これは、これらの報告では電極の実際の活性材料質量負荷が低すぎるという見解によるものである。ほとんどの場合、アノードの活性材料質量負荷(面密度)は、15mg/cmよりもかなり低く、大抵は<8mg/cmである(面密度=電極の厚さ方向に沿った電極断面積あたりの活性材料の量)。カソード活性材料の量は、典型的にはアノード活性材料の1.5~2.5倍である。その結果、リチウムイオン電池におけるアノード活性材料(例えば、黒鉛または炭素)の重量比は、典型的には12%~17%であり、カソード活性材料(例えば、LiMn)の重量比は、17%~35%(大抵は<30%)である。カソード活性材料およびアノード活性材料の複合の重量分率は、典型的には、セル重量の30%~45%である。 Low capacity anode or cathode active materials are not the only problem facing the alkali metal ion battery industry. There are significant design and manufacturing issues that the lithium-ion battery industry seems to be unaware of or largely ignores. For example, despite the high gravimetric capacity at the electrode level (based solely on the weight of the anode or cathode active material) as frequently claimed in the published literature and patent literature, these electrodes are disappointingly However, batteries cannot be provided with high capacity at the battery cell or pack level (based on total battery cell weight or pack weight). This is due to the observation that the actual active material mass loading of the electrodes is too low in these reports. In most cases, the active material mass loading (area density) of the anode is much lower than 15 mg/cm 2 and is often <8 mg/cm 2 (area density = per electrode cross-sectional area along the thickness of the electrode). amount of active material). The amount of cathode active material is typically 1.5 to 2.5 times the amount of anode active material. As a result, the weight ratio of anode active material (eg, graphite or carbon) in lithium ion batteries is typically 12% to 17%, and the weight ratio of cathode active material (eg, LiMn 2 O 4 ) is: 17% to 35% (mostly <30%). The combined weight fraction of cathode active material and anode active material is typically 30% to 45% of the cell weight.

低い活性材料質量負荷は、主として、従来のスラリコーティング手順を使用して比較的厚い電極(100~200μmよりも厚い)を得ることができないことが原因である。これは、思うほど簡単な作業ではなく、現実には、電極の厚さは、セル性能を最適化するために任意にかつ自由に変えることができる設計パラメータではない。これが製造限界となる。さらに、より厚い試料は、非常に脆くなりやすく、または構造的完全性が低くなりやすく、また大量の粘結剤樹脂の使用を必要とする。低い面密度および低い体積密度(薄い電極および低い充填密度に関連する)により、電池セルの体積容量は比較的低く、体積エネルギー密度は低い。ナトリウムイオン電池およびカリウムイオン電池は同様の問題を有する。 The low active material mass loading is primarily due to the inability to obtain relatively thick electrodes (greater than 100-200 μm) using conventional slurry coating procedures. This is not as easy a task as one might think, and in reality, electrode thickness is not a design parameter that can be arbitrarily and freely varied to optimize cell performance. This is the manufacturing limit. In addition, thicker samples tend to be very brittle or have poor structural integrity and require the use of large amounts of binder resin. Due to the low areal density and low volumetric density (associated with thin electrodes and low packing density), the battery cell has a relatively low volumetric capacity and a low volumetric energy density. Sodium-ion and potassium-ion batteries have similar problems.

さらに、厚い電極は、機械的に剛性でもあり、可撓性ではなく、曲げることができず、所望の形状に適合しない。したがって、従来のアルカリ金属電池の場合、高い体積/重力エネルギー密度、および機械的柔軟性は、互いに排他的であると思われる。 In addition, thick electrodes are also mechanically rigid, not flexible, cannot be bent, and do not conform to desired shapes. Therefore, for conventional alkali metal batteries, high volumetric/gravitational energy density and mechanical flexibility appear to be mutually exclusive.

よりコンパクトでポータブルなエネルギー貯蔵システムに対する需要の高まりと共に、電池の体積の利用率を高めることに強い関心が持たれている。アルカリ金属電池のセルの体積容量およびエネルギー密度の改良を実現するために、高い体積容量および高い質量負荷を可能にする新規の電極材料および設計が不可欠である。 With the growing demand for more compact and portable energy storage systems, there is a strong interest in increasing battery volume utilization. To achieve improved cell volumetric capacity and energy density in alkali metal batteries, new electrode materials and designs that enable high volumetric capacity and high mass loading are essential.

したがって、高い見掛けの密度(高いタップ密度)、電子およびイオン輸送速度を大幅に低下させることのない(例えば、高い電子輸送抵抗または長いリチウムイオンまたはナトリウムイオン拡散経路のない)高い電極厚さ、高い体積容量、および高い体積エネルギー密度を有する、高い活性材料質量負荷(高い面密度)の活性材料を有するアルカリ金属電池の必要性は明白であり、急を要する。 Therefore, high apparent density (high tap density), high electrode thickness without significantly reducing electron and ion transport rates (e.g. high electron transport resistance or long lithium-ion or sodium-ion diffusion paths), high The need for alkali metal batteries with high active material mass loading (high areal density) active materials with volumetric capacity and high volumetric energy density is clear and urgent.

結果として得られる電池の可撓性、形状適合性、および安全性と共に、これらの特性の実現が必要である。 Accomplishment of these properties along with flexibility, conformability, and safety of the resulting battery is necessary.

本発明は、ケーブル型アルカリ金属電池において、アルカリ金属がLi、Na、K、またはそれらの組合せから選択される電池を提供する。言い換えると、この電池は、Li金属電池、Liイオン電池、ナトリウム金属電池、Naイオン電池、カリウム金属電池、カリウムイオン電池、ハイブリッドLi/Na、Li/K、Na/K、およびLi/Na/K電池であってよい。 The present invention provides a cable type alkali metal battery in which the alkali metal is selected from Li, Na, K, or combinations thereof. In other words, the battery is a Li metal battery, Li ion battery, sodium metal battery, Na ion battery, potassium metal battery, potassium ion battery, hybrid Li/Na, Li/K, Na/K, and Li/Na/K It can be a battery.

この電池は:(a)細孔を有する電気伝導性多孔質ロッドと、第1の電極活性材料(伝導性添加剤またはバインダーは、任意選択であり、必要ではなく、望ましくはない)および第1の電解質の第1の混合物とを含む第1の電極において、第1の混合物が多孔質ロッドの細孔中に存在する第1の電極と;(b)第1の電極を包み込む多孔質セパレータと;(c)多孔質セパレータを包み込むまたは覆う電気伝導性多孔質層を含む第2の電極において、伝導性多孔質層が、細孔と、第2の電極活性材料(伝導性添加剤またはバインダーは任意選択であり、必要ではない)および第2の電解質の第2の混合物を含み、第2の混合物が多孔質層の細孔中に存在する第2の電極と;(d)第2の電極を包み込むまたは覆う保護ケーシングまたはパッキングチューブ(ケーブルシース)とを含む。第1の電解質は、第2の電解質と同じ場合も異なる場合もある。 The battery comprises: (a) an electrically conductive porous rod having pores, a first electrode active material (a conductive additive or binder is optional, not required or desired) and a first (b) a porous separator encasing the first electrode; (c) a second electrode comprising an electrically conductive porous layer enveloping or covering a porous separator, wherein the conductive porous layer comprises pores and a second electrode active material (a conductive additive or binder is (optional and not required) and a second electrolyte, wherein the second mixture resides in the pores of the porous layer; (d) a second electrode; a protective casing or packing tube (cable sheath) that encloses or covers the The first electrolyte can be the same or different than the second electrolyte.

このアルカリ金属電池において、第1の電極は負極(またはアノード)であり、第2の電極は正極(またはカソード)である。幾つかの別の実施形態では、第2の電極は負極またはアノードであり、第1の電極は正極またはカソードである。 In this alkali metal battery, the first electrode is the negative electrode (or anode) and the second electrode is the positive electrode (or cathode). In some other embodiments, the second electrode is the negative electrode or anode and the first electrode is the positive electrode or cathode.

ある実施形態では、第1の電極は、Li、Na、および/またはK金属(インターカレーション化合物ではない)をアノード活性材料として含む。したがって、ケーブル型アルカリ金属電池は:(A)細孔を有する電気伝導性多孔質ロッドと、第1の電極活性材料および任意選択の第1の電解質(望ましいが必ずしも必要ではない)の第1の混合物とを含む第1の電極(この場合はアノード)において、第1の電極活性材料が、リチウム、ナトリウム、またはそれらの組合せであり、第1の混合物が多孔質ロッドの細孔中に存在する第1の電極と;(B)第1の電極を包み込む多孔質セパレータと;(C)多孔質セパレータを包み込むまたは覆う電気伝導性多孔質層を含む第2の電極において、伝導性多孔質層が、細孔と、第2の電極活性材料および第2の電解質の第2の混合物とを含み、第2の混合物が多孔質層の細孔中に存在する第2の電極と;(D)第2の電極を包み込むまたは覆う保護ケーシングまたはパッキングチューブとを含む。あるいは、(A)において、第1の電極は伝導性ロッド(多孔質発泡体ではない)を含み、この伝導性ロッドの表面上に第1の混合物のコーティングまたは堆積が行われる。このロッドは、金属ワイヤ、伝導性ポリマー繊維もしくはヤーン、炭素もしくは黒鉛の繊維もしくはヤーン、または複数のワイヤ、繊維、もしくはヤーンのように単純であってよい。 In some embodiments, the first electrode comprises Li, Na, and/or K metals (not intercalation compounds) as anode active materials. Thus, a cable-type alkali metal battery comprises: (A) an electrically conductive porous rod having pores and a first electrode active material and an optional first electrolyte (preferred but not necessary); wherein the first electrode active material is lithium, sodium, or a combination thereof, and the first mixture resides in the pores of the porous rod (B) a porous separator enveloping the first electrode; and (C) an electrically conductive porous layer enclosing or covering the porous separator, wherein the electrically conductive porous layer is , pores, and a second mixture of a second electrode active material and a second electrolyte, the second mixture being present in the pores of the porous layer; (D) a second electrode; and a protective casing or packing tube enclosing or covering the two electrodes. Alternatively, in (A) the first electrode comprises a conductive rod (not porous foam) and the first mixture is coated or deposited on the surface of the conductive rod. The rod can be as simple as a metal wire, a conductive polymer fiber or yarn, a carbon or graphite fiber or yarn, or a plurality of wires, fibers, or yarns.

ある実施形態では、第2の電極は、Li、Na、および/またはK金属をアノード活性材料として含む。そのため、ケーブル型アルカリ金属電池は:(a)細孔を有する電気伝導性多孔質ロッドと、第1の電極活性材料および第1の電解質の第1の混合物とを含む第1の電極において、第1の混合物が多孔質ロッドの細孔中に存在する第1の電極と;(b)第1の電極を包み込む多孔質セパレータと;(c)多孔質セパレータを包み込むまたは覆う電気伝導性多孔質層を含む第2の電極において、伝導性多孔質層が、細孔と、第2の電極活性材料および任意選択の第2の電解質の第2の混合物とを含み、第2の電極活性材料が、リチウム、ナトリウム、またはそれらの組合せであり、第2の混合物が多孔質層の細孔中に存在する第2の電極と;(d)第2の電極を包み込むまたは覆う保護ケーシングまたはパッキングチューブとを含む。あるいは、(c)において、第2の電極は、セパレータ層と、ケーブルシースとの間に配置されるLi、Na、および/またはK金属の層、またはLi、Na、および/またはK金属が堆積された集電体(例えばCu箔、Ni箔、ステンレス鋼箔などの金属箔、または炭素布)の層を含む。 In some embodiments, the second electrode comprises Li, Na, and/or K metals as anode active materials. Thus, a cable-type alkali metal battery includes: (a) a first electrode comprising an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte; (b) a porous separator enclosing the first electrode; and (c) an electrically conductive porous layer enclosing or covering the porous separator. wherein the conductive porous layer comprises pores and a second mixture of a second electrode active material and an optional second electrolyte, the second electrode active material comprising: (d) a protective casing or packing tube enclosing or covering the second electrode; include. Alternatively, in (c) the second electrode is a layer of Li, Na, and/or K metal disposed between the separator layer and the cable sheath, or deposited with Li, Na, and/or K metal. a layer of coated current collector (eg, Cu foil, Ni foil, metal foil such as stainless steel foil, or carbon cloth).

ある実施形態では、ケーブル型電池は、第1の末端および第2の末端を有し、第1の電極は、第1の電極中に埋め込まれる、第1の電極に接続される、または第1の電極と一体となる、少なくとも1つの金属ワイヤ、伝導性炭素/黒鉛繊維、または伝導性ポリマー繊維を含む第1の端子コネクタを含む。ある好ましい実施形態では、少なくとも1つの金属ワイヤ、伝導性炭素/黒鉛繊維、または伝導性ポリマー繊維は、ほぼ第1の末端から第2の末端まで及ぶ。このワイヤまたは繊維は、好ましくは、電子デバイスまたは外部回路または負荷に接続するための端子タブとなるために第1の末端または第2の末端から突出している。 In some embodiments, the cable-type battery has a first end and a second end, and the first electrode is embedded in, connected to, or connected to the first electrode. a first terminal connector comprising at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber integral with the electrode of the . In certain preferred embodiments, at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber extends approximately from the first end to the second end. The wire or fiber preferably protrudes from a first end or a second end to provide terminal tabs for connection to an electronic device or external circuit or load.

これとは別に、またはこれに加えて、ケーブル型電池は、第1の末端および第2の末端を有し、第2の電極は、第2の電極中に埋め込まれる、第2の電極に接続される、または第2の電極と一体となる、少なくとも1つの金属ワイヤ、伝導性炭素/黒鉛繊維、または伝導性ポリマー繊維を含む第2の端子コネクタを含む。ある実施形態では、少なくとも1つの金属ワイヤ、伝導性炭素/黒鉛繊維、または伝導性ポリマー繊維は、ほぼ第1の末端から第2の末端まで及ぶ。このワイヤまたは繊維は、好ましくは、電子デバイスまたは外部回路または負荷に接続するための端子タブとなるために第1の末端または第2の末端から突出している。 Alternatively or additionally, the cable type battery has a first end and a second end, the second electrode being connected to the second electrode embedded in the second electrode. a second terminal connector including at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber attached to or integral with the second electrode. In some embodiments, at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber extends approximately from the first end to the second end. The wire or fiber preferably protrudes from a first end or a second end to provide terminal tabs for connection to an electronic device or external circuit or load.

第1の電極中の電気伝導性多孔質ロッド、または第2の電極中の電気伝導性多孔質層は、金属発泡体、金属ウェブ、金属繊維マット、金属ナノワイヤマット、伝導性ポリマー繊維マット、伝導性ポリマー発泡体、伝導性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、グラフェンエアロゲル、炭素キセロゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される多孔質発泡体を含むことができる。これらの発泡体から、高度な変形性および適合性の構造を得ることができる。 The electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive porous layer in the second electrode may be metal foam, metal web, metal fiber mat, metal nanowire mat, conductive polymer fiber mat, conductive conductive polymer foam, conductive polymer coated fiber foam, carbon foam, graphite foam, carbon aerogel, graphene aerogel, carbon xerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, A porous foam selected from graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or combinations thereof may be included. Highly deformable and conformable structures can be obtained from these foams.

これらの発泡体構造は、容易に、>70%、より典型的には、好ましくは>80%、さらにより典型的で好ましくは>90%、最も好ましくは>95%の多孔率レベルにすることができる(グラフェンエアロゲルは99%の多孔率レベルを超えることができる)。これらの発泡体中の骨格構造(細孔壁)は電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、同時に、細孔は、伝導性添加剤およびバインダー樹脂を全く使用せずに大きな比率の電極活性材料(アノード中のアノード活性材料、またはカソード中のカソード活性材料)の大きな比率に適合させることができる。 These foam structures are easily brought to porosity levels of >70%, more typically preferably >80%, even more typically preferably >90%, and most preferably >95%. (graphene airgel can exceed 99% porosity level). The skeletal structure (pore walls) in these foams forms a 3D network of electronic conducting pathways, while the pores provide a large proportion of the electrode active material ( large proportions of anode active material in the anode, or cathode active material in the cathode).

発泡体は、円形、楕円形、長方形、正方形、六角形、中空、または不規則な形状の断面を有することができる。発泡体構造の断面形状に対して特に制限はない。電池は、ある長さおよび直径または厚さ、ならびに10を超え、好ましくは15を超え、より好ましくは20を超え、さらに好ましくは30を超え、さらにより好ましくは50または100を超えるアスペクト比(長さ/厚さまたは長さ/直径の比)を有するケーブル形状を有する。ケーブル電池の長さまたは直径(または厚さ)に対して特に制限はない。厚さまたは直径は典型的で好ましくは100nm~10cm、より好ましく典型的には1μm~1cm、最も典型的には10μm~1mmである。長さは、1μm~数十メートル、またはさらには数百メートル(そのように望む場合)に及ぶことができる。 Foams can have circular, oval, rectangular, square, hexagonal, hollow, or irregularly shaped cross-sections. There are no particular restrictions on the cross-sectional shape of the foam structure. The battery has a certain length and diameter or thickness and an aspect ratio (long It has a cable shape with a thickness/thickness or length/diameter ratio). There is no particular limit to the length or diameter (or thickness) of the cable cell. The thickness or diameter is typically and preferably between 100 nm and 10 cm, more preferably between 1 μm and 1 cm, most typically between 10 μm and 1 mm. Lengths can range from 1 μm to tens of meters, or even hundreds of meters (if so desired).

幾つかの実施形態では、第1の電極または第2の電極は、Li、Na、K、またはそれらの組合せの粒子、箔、またはコーティングを電極活性材料として含む。 In some embodiments, the first electrode or the second electrode includes particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as electrode active materials.

本発明のある実施形態では、アルカリ金属電池はリチウムイオン電池であり、第1または第2の電極活性材料は:(a)天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、および炭素の粒子;(b)ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、およびカドミウム(Cd);(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、またはCdと別の元素との合金または金属間化合物において、化学量論的または非化学量論的である合金または化合物;(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、またはCdの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、およびテルル化物、ならびにそれらの混合物または複合物;(e)それらのプレリチウム化されたバージョン;(f)プレリチウム化グラフェンシート;ならびにそれらの組合せからなる群から選択される。 In some embodiments of the invention, the alkali metal battery is a lithium ion battery and the first or second electrode active materials are: (a) natural graphite, synthetic graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and particles of carbon. (b) Silicon (Si), Germanium (Ge), Tin (Sn), Lead (Pb), Antimony (Sb), Bismuth (Bi), Zinc (Zn), Aluminum (Al), Nickel (Ni), Cobalt (Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd); (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd and another element (d) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenides, and tellurides, and mixtures or composites thereof; ) prelithiated graphene sheets; and combinations thereof.

プレリチウム化グラフェンシートは、純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ホウ素がドープされたグラフェン、窒素がドープされたグラフェン、化学官能化グラフェン、それらの物理的もしくは化学的に活性化もしくはエッチングされたバージョン、またはそれらの組合せのプレリチウム化されたバージョンから選択することができる。 Prelithiated graphene sheets include pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, graphene doped with boron, and graphene doped with nitrogen. One can choose from doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched versions thereof, or prelithiated versions of combinations thereof.

幾つかの実施形態では、アルカリ金属電池はナトリウムイオン電池であり、第1または第2の電極活性材料は、石油コークス、カーボンブラック、非晶質炭素、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン、鋳型炭素、中空カーボンナノワイヤ、中空炭素球、チタネート、NaTi(PO、NaTi、Na、NaTP、NaTiO(x=0.2~1.0)、Na、カルボキシレート系材料、CNa、C、CNaO、CNa、C10Na、C14、C14Na、またはそれらの組合せから選択されるアルカリインターカレーション化合物を含有する。 In some embodiments, the alkali metal battery is a sodium ion battery and the first or second electrode active material is petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon, templated carbon, Hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, titanates, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O 4 , Na 2 TP, Na x TiO 2 (x=0.2-1 .0 ) , Na2C8H4O4 , carboxylate - based materials , C8H4Na2O4 , C8H6O4 , C8H5NaO4 , C8Na2F4O4 , Contains an alkaline intercalation compound selected from C10H2Na4O8 , C14H4O6 , C14H4Na4O8 , or combinations thereof .

幾つかの実施形態では、アルカリ金属電池はナトリウムイオン電池であり、第1または第2の電極活性材料は:(a)ナトリウムまたはカリウムがドープされたケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)、およびそれらの混合物;(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、およびそれらの混合物のナトリウムまたはカリウムを含有する合金または金属間化合物;(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、およびそれらの混合物または複合物の、ナトリウムまたはカリウムを含有する酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物、またはアンチモン化物;(d)ナトリウム塩またはカリウム塩;ならびに(e)ナトリウムまたはカリウム;およびそれらの組合せがあらかじめ充填されたグラフェンシート、の材料の群から選択されるアルカリインターカレーション化合物を含有する。 In some embodiments, the alkali metal battery is a sodium ion battery and the first or second electrode active material is: (a) sodium or potassium doped silicon (Si), germanium (Ge), tin ( Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), cadmium ( Cd), and mixtures thereof; (b) alloys containing sodium or potassium of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof, or (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or composites thereof containing sodium or potassium (d) sodium or potassium salts; and (e) sodium or potassium; and combinations thereof. containing an alkaline intercalation compound selected from the group of materials: graphene sheets;

幾つかの好ましい実施形態では、第1または第2の電極活性材料は、コバルト酸リチウム、ドープされたコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ドープされたニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、ドープされたマンガン酸リチウム、バナジウム酸リチウム、ドープされた酸リチウム、リチウム混合金属酸化物、リン酸鉄リチウム、リン酸バナジウムリチウム、リン酸マンガンリチウム、リチウム混合金属リン酸塩、金属硫化物、リチウムセレニド、リチウムポリスルフィド、およびそれらの組合せからなる群から選択されるリチウムインターカレーション化合物またはリチウム吸収性化合物を含有する。 In some preferred embodiments, the first or second electrode active material is lithium cobaltate, doped lithium cobaltate, lithium nickelate, doped lithium nickelate, lithium manganate, doped manganate Lithium, lithium vanadate, doped lithium oxide, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium manganese phosphate, lithium mixed metal phosphate, metal sulfide, lithium selenide, lithium polysulfide and combinations thereof.

幾つかの実施形態では、第1または第2の電極活性材料は、NaFePO、Na(1-x)PO、KFePO、Na0.7FePO、Na1.5VOPO0.5、Na(PO、Na(PO、NaFePOF、NaFeF、NaVPOF、KVPOF、Na(PO、Na1.5VOPO0.5、Na(PO、NaV15、NaVO、Na0.33、NaCoO、Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O、Na(Fe1/2Mn1/2)O、NaMnO、λ-MnO、Na(1-x)MnO、Na0.44MnO、Na44MnO/C、NaMn18、NaFeMn(PO、NaTi、Ni1/3Mn1/3Co1/3、Cu0.56Ni44HCF、NiHCF、NaMnO、NaCrO、KCrO、NaTi(PO、NiCo、Ni/FeS、Sb、NaFe(CN)/C、NaV1-xCrPOF、Se、y/z=0.01~100、Se、ナトリウムポリスルフィド、硫黄、アルオード石、またはそれらの組合せ(式中、xは0.1~1.0である)から選択されるナトリウムインターカレーション化合物またはカリウムインターカレーション化合物を含有する。 In some embodiments, the first or second electrode active material is NaFePO4 , Na ( 1-x) KxPO4 , KFePO4 , Na0.7FePO4 , Na1.5VOPO4F0 .5 , Na3V2 ( PO4) 3 , Na3V2 ( PO4 ) 2F3 , Na2FePO4F , NaFeF3 , NaVPO4F , KVPO4F , Na3V2 ( PO4 ) 2F3 , Na1.5VOPO4F0.5 , Na3V2 ( PO4 ) 3 , NaV6O15 , NaxVO2 , Na0.33V2O5 , NaxCoO2 , Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ]O 2 , Na x (Fe 1/2 Mn 1/2 )O 2 , Na x MnO 2 , λ-MnO 2 , Na x K (1-x) MnO 2 , Na 0.44 MnO 2 , Na 0 . 44MnO2 / C , Na4Mn9O18 , NaFe2Mn ( PO4 ) 3 , Na2Ti3O7 , Ni1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3O2 , Cu0.56Ni0 . 44HCF , NiHCF , NaxMnO2 , NaCrO2, KCrO2, Na3Ti2(PO4)3 , NiCo2O4 , Ni3S2 / FeS2 , Sb2O4 , Na4Fe ( CN ) 6 /C, NaV 1−x Cr x PO 4 F, S z S y , y/z=0.01-100, Se, sodium polysulfide, sulfur, aluordite, or combinations thereof (where x is 0 .1 to 1.0).

第1の電解質および/または第2の電解質は、液体溶媒中に溶解したリチウム塩またはナトリウム塩を含むことができ、この液体溶媒は、水、有機溶媒、イオン液体、または有機溶媒とイオン液体との混合物である。液体溶媒をポリマーと混合してポリマーゲルを形成することができる。 The first electrolyte and/or the second electrolyte can comprise a lithium salt or sodium salt dissolved in a liquid solvent, the liquid solvent being water, an organic solvent, an ionic liquid, or an organic solvent and an ionic liquid. is a mixture of A liquid solvent can be mixed with the polymer to form a polymer gel.

第1の電解質および/または第2の電解質は、好ましくは、液体溶媒中に溶解し2.5Mを超える(好ましくは>3.0M、さらに好ましくは>3.5M、さらにより好ましくは>5.0M、さらにより好ましくは>7.0M、最も好ましくは>10Mの)塩濃度を有するリチウム塩またはナトリウム塩を含む。 The first electrolyte and/or the second electrolyte are preferably dissolved in the liquid solvent to greater than 2.5M (preferably >3.0M, more preferably >3.5M, even more preferably >5.5M). 0M, even more preferably >7.0M, most preferably >10M).

アルカリ金属電池において、第1の電極中の電気伝導性多孔質ロッドまたは第2の電極中の電気伝導性多孔質層は、少なくとも90体積%の細孔を有し、第1または第2の電極は、200μm以上の直径もしくは厚さを有する、または電池セル全体の少なくとも30重量%もしくは体積%を占める活性質量負荷を有する、または第1および第2の電極活性材料の合計は、電池セル全体の少なくとも50重量%もしくは体積%を占める。 In an alkali metal battery, the electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive porous layer in the second electrode has at least 90 vol. has a diameter or thickness of 200 μm or greater, or has an active mass loading that accounts for at least 30% by weight or volume of the entire battery cell, or the sum of the first and second electrode active materials is Occupying at least 50% by weight or volume.

幾つかの好ましい実施形態では、第1の電極中の電気伝導性多孔質ロッドまたは第2の電極中の電気伝導性多孔質層は、少なくとも95体積%の細孔を有し、第1または第2の電極は、300μm以上の直径もしくは厚さを有する、または電池セル全体の少なくとも35重量%または質量%を占める活性質量負荷を有する、または第1および第2の電極活性材料の合計は、電池セル全体の少なくとも60重量%または体積%を占める。 In some preferred embodiments, the electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive porous layer in the second electrode has at least 95 vol. The two electrodes have a diameter or thickness of 300 μm or greater, or have an active mass loading that accounts for at least 35% by weight or mass of the entire battery cell, or the sum of the first and second electrode active materials is Occupying at least 60% by weight or volume of the entire cell.

幾つかの好ましい実施形態では、第1または第2の電極活性材料は、無機材料、有機もしくはポリマー材料、金属酸化物/リン酸塩/硫化物、またはそれらの組合せから選択されるアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収性化合物を含有する。 In some preferred embodiments, the first or second electrode active material is an alkali metal intercalate selected from inorganic materials, organic or polymeric materials, metal oxides/phosphates/sulfides, or combinations thereof. containing an ion compound or an alkali metal absorbing compound.

好ましくは、金属酸化物/リン酸塩/硫化物は、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、バナジウム酸リチウム、リチウム混合金属酸化物、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、リン酸バナジウムリチウム、リン酸リチウム混合金属、遷移金属硫化物、およびそれらの組合せから選択される。 Preferably, the metal oxide/phosphate/sulfide is lithium cobaltate, lithium nickelate, lithium manganate, lithium vanadate, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, vanadium phosphate selected from lithium, lithium mixed metal phosphates, transition metal sulfides, and combinations thereof.

無機材料は、硫黄、硫黄化合物、ポリ硫化リチウム、遷移金属ダイカルコゲナイド、遷移金属トリカルコゲナイド、またはそれらの組合せから選択され得る。好ましくは、無機材料は、TiS、TaS、MoS、NbSe、MnO、CoO、酸化鉄、酸化バナジウム、またはそれらの組合せから選択される。 The inorganic material may be selected from sulfur, sulfur compounds, lithium polysulfide, transition metal dichalcogenides, transition metal trichalcogenides, or combinations thereof. Preferably, the inorganic material is selected from TiS2 , TaS2 , MoS2, NbSe3 , MnO2 , CoO2 , iron oxide, vanadium oxide, or combinations thereof.

好ましくは、金属酸化物/リン酸塩/硫化物は、VO、LiVO、V、Li、V、Li、Li、V、Li、V13、Li13、それらのドープされたバージョン、それらの誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択される酸化バナジウムを含み、式中、0.1<x<5である。 Preferably , the metal oxide/ phosphate / sulfide is VO2 , LixVO2 , V2O5 , LixV2O5 , V3O8 , LixV3O8 , LixV 3O7 , V4O9 , LixV4O9 , V6O13 , LixV6O13 , doped versions thereof , derivatives thereof , and combinations thereof Including vanadium oxide, where 0.1<x<5.

好ましくは、金属酸化物/リン酸塩/硫化物は、層状化合物LiMO、スピネル化合物LiM、オリビン化合物LiMPO、ケイ酸塩化合物LiMSiO、タボライト化合物LiMPOF、ホウ酸塩化合物LiMBO、またはそれらの組合せから選択され、式中、Mは遷移金属または複数の遷移金属の混合物である。 Preferably, the metal oxides/phosphates/sulfides are layered compounds LiMO2 , spinel compounds LiM2O4 , olivine compounds LiMPO4 , silicate compounds Li2MSiO4 , taborite compounds LiMPO4F , borates compound LiMBO 3 , or combinations thereof, wherein M is a transition metal or a mixture of transition metals.

幾つかの好ましい実施形態では、無機材料は:(a)セレン化ビスマスもしくはテルル化ビスマス、(b)遷移金属ダイカルコゲナイドもしくはトリカルコゲナイド、(c)ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、もしくは遷移金属の硫化物、セレン化物、もしくはテルル化物;(d)窒化ホウ素、または(e)それらの組合せから選択される。 In some preferred embodiments, the inorganic material is: (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenides or trichalcogenides, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium. , cobalt, manganese, iron, nickel, or transition metal sulfides, selenides, or tellurides; (d) boron nitride, or (e) combinations thereof.

ある実施形態では、第1または第2の電極は、ポリ(アントラキノニルスルフィド)(PAQS)、リチウムオキソカーボン、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物(PTCDA)、ポリ(アントラキノニルスルフィド)、ピレン-4,5,9,10-テトラオン(PYT)、ポリマー結合PYT、キノ(トリアゼン)、酸化還元活性有機材料、テトラシアノキノジメタン(TCNQ)、テトラシアノエチレン(TCNE)、2,3,6,7,10,11-ヘキサメトキシトリフェニレン(HMTP)、ポリ(5-アミノ-1,4-ジヒドロキシ(dyhydroxy)アントラキノン)(PADAQ)、ホスファゼンジスルフィドポリマー([(NPS]n)、リチウム化された1,4,5,8-ナフタレンテトラオールホルムアルデヒドポリマー、ヘキサアザトリナフチレン(HATN)、ヘキサアザトリフェニレンヘキサカルボニトリル(HAT(CN))、5-ベンジリデンヒダントイン、イサチンリチウム塩、ピロメリット酸ジイミドリチウム塩、テトラヒドロキシ-p-ベンゾキノン誘導体(THQLi)、N,N’-ジフェニル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(PHP)、N,N’-ジアリル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(AP)、N,N’-ジプロピル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(PRP)、チオエーテルポリマー、キノン化合物、1,4-ベンゾキノン、5,7,12,14-ペンタセンテトロン(PT)、5-アミノ-2,3-ジヒドロ-1,4-ジヒドロキシ(dyhydroxy)アントラキノン(ADDAQ)、5-アミノ-1,4-ジヒドロキシ(dyhydroxy)アントラキノン(ADAQ)、カリックスキノン、Li、Li、Li、またはそれらの組合せから選択される有機材料またはポリマー材料を含むカソードである。 In some embodiments, the first or second electrode is poly(anthraquinonyl sulfide) (PAQS), lithium oxocarbon, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), poly( anthraquinonyl sulfide), pyrene-4,5,9,10-tetraone (PYT), polymer-bound PYT, quino (triazene), redox-active organic material, tetracyanoquinodimethane (TCNQ), tetracyanoethylene (TCNE) ), 2,3,6,7,10,11-hexamethoxytriphenylene (HMTP), poly(5-amino-1,4-dihydroxyanthraquinone) (PDAQ), phosphazene disulfide polymer ([(NPS 2 ) 3 ]n), lithiated 1,4,5,8-naphthalenetetraol formaldehyde polymer, hexaazatrinaphthylene (HATN), hexaazatriphenylene hexacarbonitrile (HAT(CN) 6 ), 5-benzylidene hydantoin , isatin lithium salt, pyromellitic acid diimide lithium salt, tetrahydroxy-p-benzoquinone derivative (THQLi 4 ), N,N′-diphenyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (PHP), N,N '-diallyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (AP), N,N'-dipropyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (PRP), thioether polymer, quinone compound, 1,4 -benzoquinone, 5,7,12,14-pentacentetrone (PT), 5-amino-2,3-dihydro-1,4-dihydroxy anthraquinone (ADDAQ), 5-amino-1,4-dihydroxy ( dyhydroxy ) anthraquinone ( ADAQ ), calixquinone , Li4C6O6 , Li2C6O6 , Li6C6O6 , or a combination thereof .

チオエーテルポリマーは、ポリ[メタンテトリル-テトラ(チオメチレン)](PMTTM)、ポリ(2,4-ジチオペンタニレン)(PDTP)、主鎖チオエーテルポリマーとしてポリ(エテン-1,1,2,2-テトラチオール)(PETT)を含むポリマー、共役芳香族成分からなる主鎖を有し、ペンダントとしてチオエーテル側鎖を有する側鎖チオエーテルポリマー、ポリ(2-フェニル-1,3-ジチオラン)(PPDT)、ポリ(1,4-ジ(1,3-ジチオラン-2-イル)ベンゼン)(PDDTB)、ポリ(テトラヒドロベンゾジチオフェン)(PTHBDT)、ポリ[1,2,4,5-テトラキス(プロピルチオ)ベンゼン](PTKPTB、またはポリ[3,4(エチレンジチオ)チオフェン](PEDTT)から選択される。 Thioether polymers include poly[methantetriyl-tetra(thiomethylene)] (PMTTM), poly(2,4-dithiopentanylene) (PDTP), poly(ethene-1,1,2,2-tetrathiol as backbone thioether polymer ) (PETT), a side-chain thioether polymer with a backbone composed of conjugated aromatic moieties and pendant thioether side chains, poly(2-phenyl-1,3-dithiolane) (PPDT), poly( 1,4-di(1,3-dithiolan-2-yl)benzene) (PDDTB), poly(tetrahydrobenzodithiophene) (PTHBDT), poly[1,2,4,5-tetrakis(propylthio)benzene] ( PTKPTB, or poly[3,4(ethylenedithio)thiophene] (PEDTT).

幾つかの代替的実施形態では、有機材料は、銅フタロシアニン、亜鉛フタロシアニン、スズフタロシアニン、鉄フタロシアニン、鉛フタロシアニン、ニッケルフタロシアニン、バナジルフタロシアニン、フルオロクロムフタロシアニン、マグネシウムフタロシアニン、マンガンフタロシアニン、ジリチウムフタロシアニン、フタロシアニンクロロアルミニウム、カドミウムフタロシアニン、クロロガリウムフタロシアニン、コバルトフタロシアニン、銀フタロシアニン、無金属フタロシアニン、それらの化学的誘導体、またはそれらの組合せから選択されるフタロシアニン化合物を含む。 In some alternative embodiments, the organic material is copper phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tin phthalocyanine, iron phthalocyanine, lead phthalocyanine, nickel phthalocyanine, vanadyl phthalocyanine, fluorochrome phthalocyanine, magnesium phthalocyanine, manganese phthalocyanine, dilithium phthalocyanine, phthalocyanine chloro A phthalocyanine compound selected from aluminum, cadmium phthalocyanine, chlorogallium phthalocyanine, cobalt phthalocyanine, silver phthalocyanine, metal-free phthalocyanine, chemical derivatives thereof, or combinations thereof.

好ましくは、カソードは、金属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属ダイカルコゲナイド、またはそれらの組合せから選択されるアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収性化合物を含む。さらに好ましくは、カソードは、ナノワイヤ、ナノディスク、ナノリボン、またはナノプレートレットの形態の、ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、バナジウム、クロム、コバルト、マンガン、鉄、またはニッケルの酸化物、ダイカルコゲナイド、トリカルコゲナイド、硫化物、セレン化物、またはテルル化物から選択されるアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収性化合物を含む。 Preferably, the cathode comprises an alkali metal intercalation compound or an alkali metal absorbing compound selected from metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, or combinations thereof. More preferably, the cathode is an oxide of niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt, manganese, iron, or nickel in the form of nanowires, nanodiscs, nanoribbons, or nanoplatelets. an alkali metal intercalating compound or an alkali metal absorbing compound selected from monochalcogenides, dichalcogenides, trichalcogenides, sulfides, selenides, or tellurides.

幾つかの実施形態では、カソード活性材料は:(a)セレン化ビスマスまたはテルル化ビスマス、(b)遷移金属ダイカルコゲナイドまたはトリカルコゲナイド、(c)ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、または遷移金属の硫化物、セレン化物、またはテルル化物;(d)窒化ホウ素、または(e)それらの組合せ、から選択される無機材料のナノディスク、ナノプレートレット、ナノコーティング、またはナノシートを含み;上記ディスク、プレートレット、またはシートは100nm未満の厚さを有する。 In some embodiments, the cathode active material is: (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenides or trichalcogenides, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium. , cobalt, manganese, iron, nickel, or transition metal sulfides, selenides, or tellurides; (d) boron nitride, or (e) combinations thereof. , nanocoatings, or nanosheets; said discs, platelets, or sheets having a thickness of less than 100 nm.

図1(A)は、アノード集電体、アノード電極(例えば、薄いSiコーティング層)、多孔質セパレータ、カソード電極(例えば、硫黄層)、およびカソード集電体から構成された、従来技術のリチウムイオン電池セル(アルカリ金属電池の例として)の概略図である。FIG. 1(A) shows a prior art lithium battery composed of an anode current collector, an anode electrode (e.g. a thin Si coating layer), a porous separator, a cathode electrode (e.g. a sulfur layer), and a cathode current collector. 1 is a schematic diagram of an ion battery cell (as an example of an alkali metal battery); FIG. 図1(B)は、電極層が活性材料(例えば、アノード層内の黒鉛または酸化スズ粒子またはカソード層内のLiCoO)の離散粒子から構成された、従来技術のリチウムイオン電池の概略図である。FIG. 1(B) is a schematic diagram of a prior art lithium-ion battery in which the electrode layers are composed of discrete particles of active material (eg, graphite or tin oxide particles in the anode layer or LiCoO 2 in the cathode layer). be. 図1(C)は、ケーブル型で可撓性および形状適合性のアルカリ金属電池の製造方法の概略図である。FIG. 1(C) is a schematic illustration of a method for fabricating a cable-type, flexible and conformable alkali metal battery. 図1(D)は、電極(アノードまたはカソード)を連続的で自動化された方法で製造するための手順の4つの例である。FIG. 1(D) shows four examples of procedures for manufacturing electrodes (anode or cathode) in a continuous and automated manner. 図1(E)は、アルカリ金属イオン電池電極を連続的に製造するための本発明の方法の概略図である。FIG. 1(E) is a schematic diagram of the method of the present invention for continuously producing an alkali metal ion battery electrode. 図2は、単離されたグラフェンシートの電子顕微鏡画像である。FIG. 2 is an electron microscope image of an isolated graphene sheet. 図3(A)は、導電性多孔質層の例の金属グリッド/メッシュおよびカーボンナノファイバマットである。FIG. 3(A) is a metal grid/mesh and a carbon nanofiber mat as examples of conductive porous layers. 図3(B)は、導電性多孔質層の例のグラフェン発泡体および炭素発泡体である。FIG. 3B is graphene foam and carbon foam as examples of conductive porous layers. 図3(C)は、導電性多孔質層の例の黒鉛発泡体およびNi発泡体である。FIG. 3C is graphite foam and Ni foam as examples of conductive porous layers. 図3(D)は、導電性多孔質層の例のCu発泡体およびステンレス鋼発泡体である。FIG. 3(D) is Cu foam and stainless steel foam as examples of conductive porous layers. 図4(A)は、剥離黒鉛、膨張黒鉛フレーク(厚さ>100nm)、およびグラフェンシート(厚さ<100nm、より典型的には<10nmであり、0.34nmの薄さでもよい)を製造するための一般に使用されている方法の概略図である。FIG. 4(A) produces exfoliated graphite, expanded graphite flakes (thickness >100 nm), and graphene sheets (thickness <100 nm, more typically <10 nm, and can be as thin as 0.34 nm). 1 is a schematic diagram of a commonly used method for doing; 図4(B)は、剥離黒鉛、膨張黒鉛フレーク、および単離されたグラフェンシートを製造するための方法を示す概略図である。FIG. 4(B) is a schematic diagram showing a method for producing exfoliated graphite, expanded graphite flakes, and isolated graphene sheets. 図5は、アノード活性材料として黒鉛粒子を含み、カソード活性材料として炭素被覆LFP粒子を含むリチウムイオン電池セルのRagoneプロット(重量および体積電力密度対エネルギー密度)を示す図である。4つのデータ曲線のうちの2つは、本発明の実施形態に従って用意されたケーブル型セルに関するものであり、他の2つは、電極の従来のスラリコーティング(ロールコーティング)によるものである。FIG. 5 is a Ragone plot (weight and volumetric power density versus energy density) of a lithium-ion battery cell containing graphite particles as the anode active material and carbon-coated LFP particles as the cathode active material. Two of the four data curves are for cabled cells prepared according to embodiments of the present invention and the other two are from conventional slurry coating (roll coating) of the electrodes. 図6は、アノード活性材料としてグラフェン包有Siナノ粒子を含み、カソード活性材料としてLiCoOナノ粒子を含む2つのセルのRagoneプロット(重量および体積エネルギー密度に対する重量および体積電力密度)を示す図である。実験データは、本発明による方法によって用意されたケーブル型Liイオン電池セルと、電極の従来のスラリコーティングによって用意されたケーブル型Liイオン電池セルとから得られた。FIG. 6 shows Ragone plots (weight and volumetric power density versus weight and volumetric energy density) of two cells containing graphene-encapsulated Si nanoparticles as anode active materials and LiCoO2 nanoparticles as cathode active materials. be. Experimental data were obtained from cable-type Li-ion battery cells prepared by the method according to the present invention and cable-type Li-ion battery cells prepared by conventional slurry coating of electrodes. 図7は、アノード活性材料としてリチウム箔、カソード活性材料としてロジゾン酸二リチウム(Li)、および有機液体電解質としてリチウム塩(LiPF)-PC/DECを含むリチウム金属電池のRagoneプロットを示す図である。データは、本発明による方法によって用意されたケーブル型リチウム金属セルと、電極の従来のスラリコーティングによって用意されたケーブル型リチウム金属セルとの両方に関するものである。FIG. 7 is a Ragone lithium metal battery containing lithium foil as the anode active material, dilithium rhodizonate (Li 2 C 6 O 6 ) as the cathode active material, and lithium salt (LiPF 6 )-PC/DEC as the organic liquid electrolyte. FIG. 10 shows a plot; The data relate both to cable-type lithium metal cells prepared by the method according to the invention and to cable-type lithium metal cells prepared by conventional slurry coating of electrodes. 図8は、層間剥離および亀裂を生じさせずに従来方法によって作製されるMnO/RGOカソードの実現可能なカソード厚さ範囲にわたってプロットしたリチウム金属セル、および本発明による方法によるケーブル型セルのセルレベルの重量(Wh/kg)および体積エネルギー密度(Wh/L)である。FIG. 8 is a lithium metal cell plotted over the achievable cathode thickness range for MnO 2 /RGO cathodes made by conventional methods without delamination and cracking, and a cable cell cell by the method according to the present invention. Weight (Wh/kg) and volumetric energy density (Wh/L) of the level. 図9は、本発明による方法によって用意されたケーブル型黒鉛/NMCセルと、従来のロールコーティング法によって用意されたセルとのセルレベルの重量および体積エネルギー密度を示す図である。FIG. 9 shows the cell-level gravimetric and volumetric energy densities of a cable-type graphite/NMC cell prepared by the method according to the invention and a cell prepared by a conventional roll-coating method. 図10は、アノード活性材料としてのハードカーボン粒子と、カソード活性材料としての炭素被覆Na(PO粒子とを含有するNaイオン電池セルのRagoneプロット(重量および体積電力密度対エネルギー密度)である。4つのデータ曲線のうちの2つは、本発明の一実施形態により作製されたケーブルセルの場合であり、他の2つは従来の電極のスラリコーティング(ロールコーティング)による場合である。FIG. 10 is a Ragone plot (weight and volumetric power density) of a Na-ion battery cell containing hard carbon particles as anode active material and carbon-coated Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 particles as cathode active material. versus energy density). Two of the four data curves are for cable cells made according to one embodiment of the present invention and the other two are for conventional slurry coating (roll coating) of electrodes. 図11は、アノード活性材料としてのグラフェン包有Snナノ粒子と、カソード活性材料としてのNaFePOナノ粒子とをどちらも含有する2つのセルのRagoneプロット(重量および体積電力密度対重量および体積エネルギー密度の両方)である。データは、本発明による方法によって作製されたケーブル型ナトリウムイオンセルの場合と、従来の電極のスラリコーティングによって作製されたナトリウムイオンセルの場合との両方のものである。FIG. 11 shows Ragone plots of two cells containing both graphene-encapsulated Sn nanoparticles as anode active material and NaFePO4 nanoparticles as cathode active material (weight and volumetric power density vs. weight and volumetric energy density). both). The data are for both cable type sodium ion cells made by the method according to the invention and for sodium ion cells made by conventional slurry coating of electrodes. 図12は、アノード活性材料としてのグラフェン担持ナトリウム箔と、カソード活性材料としてのロジゾン酸二ナトリウム(Na)と、有機液体電解質としてのナトリウム塩(NaPF)-PC/DECとを含有するナトリウム金属電池のRagoneプロットである。データは、本発明による方法によって作製されたケーブル型ナトリウム金属セルの場合と、従来の電極のスラリコーティングによって作製されたケーブル型ナトリウム金属セルの場合との両方のものである。FIG. 12 shows graphene-supported sodium foil as anode active material, disodium rhodizonate (Na 2 C 6 O 6 ) as cathode active material, and sodium salt (NaPF 6 )-PC/DEC as organic liquid electrolyte. 1 is a Ragone plot of a sodium metal battery containing The data are for both cabled sodium metal cells made by the method according to the invention and for cabled sodium metal cells made by conventional slurry coating of electrodes. 図13は、従来のスラリコーティング方法によって作製した一連のKイオンセルのRagoneプロット、および本発明による方法によって作製した対応するケーブルKイオンセルのRagoneプロットである。FIG. 13 is a Ragone plot of a series of K-ion cells made by a conventional slurry coating method and a corresponding Ragone plot of a cable K-ion cell made by a method according to the invention.

本発明は、本開示の一部を成す添付図面に関連してなされる本発明の以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解することができる。本発明は、本明細書に記載および/または図示される特定のデバイス、方法、条件、またはパラメータに限定されず、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を単に例として説明するためのものであり、特許請求される発明の限定を意図するものではない。 The present invention can be more readily understood by reference to the following detailed description of the invention taken in conjunction with the accompanying drawings which form a part of this disclosure. The present invention is not limited to the particular devices, methods, conditions or parameters described and/or illustrated herein, and the terminology used herein describes particular embodiments by way of example only. is intended as a limitation of the claimed invention.

本発明は、非常に高い体積エネルギー密度および重量エネルギー密度を示す可撓性で形状適合性のケーブル状アルカリ金属電池を対象とする。このアルカリ金属電池は、一次電池であってよいが、好ましくは、リチウムイオン電池もしくは(例えばアノード活性材料としてリチウム金属を使用する)リチウム金属二次電池、ナトリウムイオン電池、ナトリウム金属電池、カリウムイオン電池、またはカリウム金属電池から選択される二次電池である。この電池は、水性電解質、非水性もしくは有機電解質、ゲル電解質、イオン液体電解質、または有機およびイオン液体の混合物に基づく。 The present invention is directed to flexible, conformable, cable-like alkali metal batteries that exhibit very high volumetric and gravimetric energy densities. The alkali metal battery may be a primary battery, but is preferably a lithium ion battery or a lithium metal secondary battery (e.g. using lithium metal as the anode active material), a sodium ion battery, a sodium metal battery, a potassium ion battery. , or potassium metal batteries. The batteries are based on aqueous electrolytes, non-aqueous or organic electrolytes, gel electrolytes, ionic liquid electrolytes, or mixtures of organic and ionic liquids.

便宜上、本発明者らは、カソード活性材料の説明的な例としてリン酸鉄リチウム(LFP)、酸化バナジウム(V)、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(NMC)、ロジゾン酸二リチウム(Li)、および銅フタロシアニン(CuPc)、ならびにアノード活性材料の例として黒鉛、SnO、Co、およびSi粒子などの選択された材料を使用する。ナトリウム電池の場合、本発明者らは、カソード活性材料の説明的な例としてNaFePOおよびλ-MnO粒子、ならびにNaイオンセルのアノード活性材料の例としてハードカーボンおよびNaTi(PO粒子などの選択された材料を使用する。同様の方法をKイオン電池にも適用できる。意図される集電体としての導電性多孔質層の例として、ニッケル発泡体、黒鉛発泡体、グラフェン発泡体、およびステンレス鋼繊維ウェブが使用される。これらは、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。 For convenience, we use lithium iron phosphate (LFP), vanadium oxide (V x O y ), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), dilithium rhodizonate (Li 2 C 6 O 6 ), and copper phthalocyanine (CuPc), and selected materials such as graphite, SnO, Co 3 O 4 , and Si particles as examples of anode active materials. For sodium batteries, we use NaFePO4 and λ- MnO2 particles as illustrative examples of cathode active materials, and hard carbon and NaTi2 (PO4)3 particles as examples of anode active materials for Na-ion cells. Using selected materials such as A similar method can be applied to K-ion batteries. Nickel foam, graphite foam, graphene foam, and stainless steel fiber webs are used as examples of conductive porous layers as contemplated current collectors. They should not be construed as limiting the scope of the invention.

図1(A)および図1(B)に示されるように、リチウムイオン電池セルは、典型的には、アノード集電体(例えば、Cu箔)、アノード電極(アノード活性材料層)、多孔質セパレータおよび/または電解質構成要素、カソード電極(カソード活性材料層)、ならびにカソード集電体(例えば、Al箔)から構成される。より一般的に使用されるセル構成(図1(B))において、アノード層は、アノード活性材料(例えば、黒鉛またはSi)、導電性添加剤(例えば、カーボンブラック粒子)、および樹脂粘結剤(例えば、SBRまたはPVDF)の粒子から構成される。カソード層は、カソード活性材料(例えば、LFP粒子)、導電性添加剤(例えば、カーボンブラック粒子)、および樹脂粘結剤(例えば、PVDF)の粒子から構成される。アノード層およびカソード層はどちらも典型的には100~200μmまでの厚さであり、単位電極面積当たりでおそらく十分な量の電流を生じさせる。この厚さ範囲は、電池設計者が通常的に作業を行う、業界で受け入れられている制約と考えられる。この厚さの制約は、以下のような幾つかの理由によるものである:(a)既存の電池電極コーティング機は、非常に薄いまたは非常に厚い電極層をコーティングするようには装備されていない;(b)リチウムイオン拡散経路長の短縮を考慮すると、より薄い層が好ましい;しかし、層が薄すぎると(例えば、<100μm)、十分な量の活性リチウム貯蔵材料を含まない(したがって、不十分な電流出力となる);(c)より厚い電極は、ロールコーティング後の乾燥または取扱い時に層間剥離または亀裂が生じやすく、厚い電極の製造には>100メートルの長さに及ぶコーティングラインが必要である(費用がかかり実際的ではない);および(d)最小オーバーヘッド重量および最大リチウム貯蔵容量、したがって最大エネルギー密度(セルのWk/kgまたはWh/L)を得るために、電池セル内の全ての非活性材料層(例えば、集電体およびセパレータ)を最小に保たなければならない。 As shown in FIGS. 1(A) and 1(B), a lithium-ion battery cell typically consists of an anode current collector (e.g., Cu foil), an anode electrode (anode active material layer), a porous It consists of a separator and/or electrolyte component, a cathode electrode (cathode active material layer), and a cathode current collector (eg, Al foil). In the more commonly used cell configuration (FIG. 1(B)), the anode layer consists of an anode active material (e.g. graphite or Si), a conductive additive (e.g. carbon black particles), and a resin binder. (eg SBR or PVDF) particles. The cathode layer is composed of particles of cathode active material (eg, LFP particles), conductive additive (eg, carbon black particles), and resin binder (eg, PVDF). Both the anode and cathode layers are typically up to 100-200 μm thick and are likely to produce a sufficient amount of current per unit electrode area. This thickness range is considered an industry accepted constraint with which battery designers routinely work. This thickness limitation is due to several reasons: (a) existing battery electrode coating machines are not equipped to coat very thin or very thick electrode layers; (b) thinner layers are preferred given the reduced lithium-ion diffusion path length; (c) thicker electrodes are prone to delamination or cracking during drying or handling after roll coating, requiring coating lines of >100 meters in length to produce thicker electrodes. (expensive and impractical); and (d) to obtain minimum overhead weight and maximum lithium storage capacity and thus maximum energy density (Wk/kg or Wh/L of cell), all in the battery cell of non-active material layers (eg, current collectors and separators) should be kept to a minimum.

また顕著なことには、従来のリチウムイオン電池の形状および寸法では、それらが剛性(非可撓性)となり、曲げたりねじったりすることができない。これらの従来の電池を電気自動車(例えばeバイクおよび電池式自動車)の車体内に組み込むことも困難である。例えば、車のドア構造の内側の一部の閉じ込められた空間は、適合する剛性の長方形または円筒形の電池に対して伝導性ではない。 Also notably, the shape and dimensions of conventional lithium-ion batteries render them rigid (inflexible) and incapable of being bent or twisted. It is also difficult to integrate these conventional batteries into the bodywork of electric vehicles (eg, e-bikes and battery powered vehicles). For example, some confined spaces inside a car door structure are not conductive to a suitable rigid rectangular or cylindrical battery.

あまり一般的に使用されていないセル構成では、図1(A)に示されるように、アノード活性材料(例えば、Si)またはカソード活性材料(例えば、リチウム遷移金属酸化物)が、銅箔またはAl箔などの集電体上に直接、薄膜の形態で堆積される。しかし、厚さ方向の寸法が非常に小さい(典型的には500nmよりもはるかに小さく、しばしば必要であれば100nmよりも薄い)そのような薄膜構造は、(電極または集電体の表面積を同じと仮定して)電極に少量の活性材料しか組み込むことができないことを示唆し、総リチウム貯蔵容量を低減し、単位電極表面積当たりのリチウム貯蔵容量を低減する。そのような薄膜は、(アノードに関する)サイクリングにより誘発される割れに対する耐性をより高くするため、またはカソード活性材料の完全な利用を容易にするために、厚さを100nm未満にしなければならない。そのような制約は、総リチウム貯蔵容量、および単位電極表面積当たりのリチウム貯蔵容量をさらに減少させる。そのような薄膜電池は、適用範囲が非常に限られている。 In a less commonly used cell configuration, the anode active material (e.g. Si) or cathode active material (e.g. lithium transition metal oxide) is a copper foil or Al It is deposited in thin film form directly onto a current collector such as a foil. However, such thin film structures with very small thickness dimensions (typically much less than 500 nm, and often less than 100 nm if desired) do not allow for the same electrode or current collector surface area. (assuming ) that only a small amount of active material can be incorporated into the electrode, reducing the total lithium storage capacity and reducing the lithium storage capacity per unit electrode surface area. Such thin films should be less than 100 nm thick in order to be more resistant to cycling-induced cracking (for the anode) or to facilitate full utilization of the cathode active material. Such constraints further reduce the total lithium storage capacity and the lithium storage capacity per unit electrode surface area. Such thin film batteries have a very limited range of applications.

アノード側では、100nmよりも厚いSi層は、電池の充放電サイクル中に割れ抵抗性が低いことが判明している。わずか数サイクルで破砕されてしまう。カソード側では、100nmよりも厚いリチウム金属酸化物のスパッタ層は、リチウムイオンが完全に浸透してカソード層全体に達することを可能にせず、カソード活性材料利用率が低くなる。望ましい電極厚さは少なくとも100μmであり、個々の活性材料コーティングまたは粒子は、望ましくは100nm未満の寸法を有する。したがって、集電体上に直接堆積されたこれらの薄膜電極(<100nmの厚さを有する)は、必要な厚さに3桁足りない。さらなる問題として、カソード活性材料は全て、電子とリチウムイオンの両方に対して伝導性ではない。大きな層厚さは、非常に高い内部抵抗、および低い活性材料利用率を示唆する。 On the anode side, Si layers thicker than 100 nm have been found to be less crack resistant during charge-discharge cycling of the battery. It will be crushed in just a few cycles. On the cathode side, a sputtered layer of lithium metal oxide thicker than 100 nm does not allow the lithium ions to fully penetrate and reach the entire cathode layer, resulting in low cathode active material utilization. Desirable electrode thickness is at least 100 μm, and individual active material coatings or particles desirably have dimensions less than 100 nm. Therefore, these thin film electrodes (with thickness <100 nm) deposited directly on the current collector are three orders of magnitude short of the required thickness. As a further problem, not all cathode active materials are conductive to both electrons and lithium ions. A large layer thickness implies a very high internal resistance and a low active material utilization.

すなわち、材料のタイプ、サイズ、電極層の厚さ、および活性材料の質量負荷の面、ならびに電極もしくはセルの形状および寸法の面で、カソードまたはアノード活性材料の設計および選択に際して同時に考慮しなければならない幾つかの相反する因子がある。これまでのところ、これらのしばしば相反する問題に対して任意の先行技術の教示によって提供されている有効な解決策は存在していない。本明細書に開示されるように、本発明者らは、リチウム電池を製造する新規の方法を開発することによって、電池設計者およびまた電気化学者を30年超にわたって悩ませてきたこれらの難題を解決した。 That is, material type, size, electrode layer thickness, and active material mass loading, as well as electrode or cell geometry and dimensions, must be considered simultaneously in the design and selection of cathode or anode active materials. There are several conflicting factors that do not. So far, there have been no effective solutions provided by any prior art teachings to these often-conflicting problems. As disclosed herein, the inventors have addressed these challenges that have plagued battery designers and also electrochemists for over 30 years by developing a novel method of manufacturing lithium batteries. resolved.

従来技術のリチウム電池セルは、典型的には、以下のステップを含む方法によって製造される:(a)第1のステップは、アノード活性材料(例えば、Siナノ粒子またはメソカーボンマイクロビーズ、MCMB)、導電性フィラー(例えば、黒鉛フレーク)、および樹脂粘結剤(例えば、PVDF)の粒子を溶媒(例えば、NMP)中で混合して、アノードスラリを形成することを含む。それとは別に、カソード活性材料(例えば、LFP粒子)、導電性フィラー(例えば、アセチレンブラック)、および樹脂粘結剤(例えば、PVDF)の粒子を溶媒(例えば、NMP)中で混合して分散させて、カソードスラリを形成する。(b)第2のステップは、アノード集電体(例えば、Cu箔)の一方または両方の主面にアノードスラリをコーティングし、溶媒(例えば、NMP)を蒸発させることによってコーティングされた層を乾燥させて、Cu箔上にコーティングされた乾燥アノード電極を形成することである。同様に、カソードスラリをコーティングして乾燥させて、Al箔上にコーティングされた乾燥カソード電極を形成する。実際の製造状況では、スラリコーティングは通常、ロールツーロール方式で行われる;(c)第3のステップは、アノード/Cu箔シート、多孔質セパレータ層、およびカソード/Al箔シートを積層し合わせて、3層または5層アセンブリを形成し、これを所望のサイズに切断してまたは細く裂いて積層し、(形状の一例として)矩形の構造を形成するか、または巻いて円筒形のセル構造にすることを含む。(d)次いで、矩形または円筒形の積層構造を、アルミニウムプラスチック積層エンベロープまたはスチールケーシングに収容する。(e)次いで、液体電解質を積層構造に注入して、リチウム電池セルを製造する。 Prior art lithium battery cells are typically manufactured by a method that includes the following steps: (a) the first step is to prepare an anode active material (e.g., Si nanoparticles or mesocarbon microbeads, MCMB); , a conductive filler (eg, graphite flakes), and particles of a resin binder (eg, PVDF) in a solvent (eg, NMP) to form an anode slurry. Separately, particles of cathode active material (e.g., LFP particles), conductive filler (e.g., acetylene black), and resin binder (e.g., PVDF) are mixed and dispersed in a solvent (e.g., NMP). to form a cathode slurry. (b) the second step is to coat one or both major surfaces of the anode current collector (e.g. Cu foil) with the anode slurry and dry the coated layer by evaporating the solvent (e.g. NMP); to form a dry anode electrode coated on Cu foil. Similarly, the cathode slurry is coated and dried to form a dry cathode electrode coated on Al foil. In practical manufacturing situations, slurry coating is usually done in a roll-to-roll manner; (c) the third step is to laminate the anode/Cu foil sheet, porous separator layer and cathode/Al foil sheet together to , to form a 3- or 5-layer assembly, which is cut or slit to the desired size and laminated to form a rectangular structure (as an example shape) or rolled into a cylindrical cellular structure. including doing (d) The rectangular or cylindrical laminated structure is then encased in an aluminum plastic laminated envelope or steel casing. (e) then injecting a liquid electrolyte into the laminate structure to fabricate a lithium battery cell;

従来方法および結果として得られるリチウムイオン電池セルまたはナトリウムイオンセルに関連する幾つかの重大な問題がある。
1)200μm(Al箔などの固体集電体のそれぞれの側で100μm)よりも厚い電極層(アノード層またはカソード層)を製造することは非常に難しい。その理由は幾つかある。厚さ100~200μmの電極は、典型的には、スラリコーティング施設において長さ30~50メートルの加熱区域を必要とし、これは、時間がかかりすぎ、エネルギーを消費しすぎ、費用対効果が良くない。金属酸化物粒子など幾つかの電極活性材料に関しては、100μmよりも厚い良好な構造的完全性を備える電極を実際の製造環境で連続的に製造することはできていない。得られる電極は、非常に壊れやすくて脆い。より厚い電極は、層間剥離および割れが生じる傾向が高い。
2)図1(A)に示されるような従来の方法では、電極の実際の質量負荷、および活性材料に関する見掛けの密度は、200Wh/kgを超える重量エネルギー密度を実現するには低すぎる。大抵は、比較的大きい黒鉛粒子に関してさえ、電極のアノード活性材料質量負荷(面密度)は25mg/cmよりもかなり低く、活性材料の見掛けの体積密度またはタップ密度は典型的には1.2g/cm未満である。電極のカソード活性材料質量負荷(面密度)は、リチウム金属酸化物系の無機材料に関しては45mg/cmよりも実質的に低く、有機またはポリマー材料に関しては15mg/cmよりも実質的に低い。さらに、電池容量に寄与せずに電極に追加の重量および体積を加える非常に多くの他の非活性材料(例えば、導電性添加剤および樹脂粘結剤)が存在する。これらの低い面密度および低い体積密度は、比較的低い重量エネルギー密度および低い体積エネルギー密度をもたらす。
3)従来の方法は、電極活性材料(アノード活性材料またはカソード活性材料)を液体溶媒(例えば、NMP)中で分散させてスラリにする必要があり、集電体表面にコーティングした後に液体溶媒を除去して電極層を乾燥させなければならない。アノードおよびカソード層をセパレータ層と共に積層し合わせて、ハウジング内にパッケージングして電池セルを形成した後、セル内に液体電解質を注入する。実際には、2つの電極を濡らし、次いで電極を乾燥させ、最後に再び濡らす。そのような湿潤-乾燥-湿潤プロセスは、良好なプロセスとは思えない。
4)現在のリチウムイオン電池は、重量エネルギー密度が比較的低く、体積エネルギー密度が低いという欠点が依然としてある。市販のリチウムイオン電池は、約150~220Wh/kgの重量エネルギー密度および450~600Wh/Lの体積エネルギー密度を示す。
There are several significant problems associated with conventional methods and the resulting lithium-ion or sodium-ion battery cells.
1) It is very difficult to manufacture electrode layers (anode or cathode layers) thicker than 200 μm (100 μm on each side of a solid current collector such as Al foil). There are several reasons. Electrodes with a thickness of 100-200 μm typically require heating zones of 30-50 meters in length in slurry coating facilities, which are too time consuming, too energy consuming and cost effective. do not have. For some electrode active materials, such as metal oxide particles, it has not been possible to continuously produce electrodes thicker than 100 μm with good structural integrity in a practical manufacturing environment. The resulting electrodes are very fragile and brittle. Thicker electrodes are more prone to delamination and cracking.
2) In the conventional method as shown in FIG. 1(A), the actual mass loading of the electrodes and the apparent density for the active material are too low to achieve gravimetric energy densities above 200 Wh/kg. Most of the time, even for relatively large graphite particles, the anode active material mass loading (area density) of the electrode is well below 25 mg/cm 2 and the apparent volume or tap density of the active material is typically 1.2 g. / cm3 . The cathode active material mass loading (area density) of the electrode is substantially lower than 45 mg/cm 2 for inorganic materials based on lithium metal oxides and substantially lower than 15 mg/cm 2 for organic or polymeric materials. . In addition, there are numerous other non-active materials (eg, conductive additives and resin binders) that add additional weight and volume to the electrodes without contributing to battery capacity. These low areal densities and low volumetric densities result in relatively low gravimetric and low volumetric energy densities.
3) The conventional method requires the electrode active material (anode active material or cathodic active material) to be dispersed and slurried in a liquid solvent (e.g., NMP), and the liquid solvent is applied after coating the current collector surface. After removal, the electrode layer must be dried. After the anode and cathode layers are laminated together with a separator layer and packaged in a housing to form a battery cell, a liquid electrolyte is injected into the cell. In practice, the two electrodes are wetted, then the electrodes are dried and finally wetted again. Such a wet-dry-wet process does not appear to be a good process.
4) Current lithium-ion batteries still suffer from relatively low gravimetric energy densities and low volumetric energy densities. Commercially available lithium-ion batteries exhibit gravimetric energy densities of about 150-220 Wh/kg and volumetric energy densities of 450-600 Wh/L.

文献では、活性材料重量のみまたは電極重量に基づいて報告されたエネルギー密度データから、実用的な電池セルまたはデバイスのエネルギー密度を直接導くことはできない。「オーバーヘッド重量」、すなわち他のデバイス構成要素(粘結剤、導電性添加剤、集電体、セパレータ、電解質、およびパッケージング)の重量も考慮に入れる必要がある。従来の製造法では、リチウムイオン電池中のアノード活性材料(例えば、黒鉛またはカーボン)の重量比は典型的には12%~17%であり、カソード活性材料(例えば、LiMn)の重量比は20%~35%である。 Energy densities for practical battery cells or devices cannot be directly derived from energy density data reported in the literature based on active material weight alone or electrode weight. "Overhead weight", ie the weight of other device components (binders, conductive additives, current collectors, separators, electrolytes, and packaging) must also be taken into account. In conventional manufacturing methods, the weight ratio of anode active material (eg, graphite or carbon) in lithium-ion batteries is typically 12%-17%, and the weight ratio of cathode active material (eg, LiMn 2 O 4 ) is typically 12%-17%. The ratio is between 20% and 35%.

本発明は、ケーブル形状、高活性材料質量負荷、低オーバーヘッド重量および体積、高重量エネルギー密度、ならびに高体積エネルギー密度を有する、可撓性、形状適合性、および難燃性のアルカリ金属電池セルの製造方法を提供する。さらに、本発明による方法によって製造されるアルカリ金属電池の製造コストは、従来方法によるコストよりもはるかに低い。 The present invention provides flexible, conformable, and flame-retardant alkali metal battery cells with cable geometry, high active material mass loading, low overhead weight and volume, high gravimetric energy density, and high volumetric energy density. A manufacturing method is provided. Moreover, the production cost of alkali metal batteries produced by the method according to the invention is much lower than the cost of conventional methods.

図1(C)中に示されるような本発明の一実施形態では、本発明のケーブル型アルカリ金属電池は、第1の電極活性材料および第1の電解質の混合物が部分的または完全に充填される細孔を有する電気伝導性多孔質ロッドから構成される第1の電極11を供給する第1のステップを含む方法によって製造される。伝導性添加剤または樹脂バインダーを場合によりこの混合物中に加えることができるが、これは必要ではないか、またはさらには望ましくない。この第1の電極11は、外部負荷に接続するための端子タブとして機能できる、活性材料を含まず電解質を含まない末端部分13を場合により含むことができる。この第1の電極は、あらゆる形状;例えば円形11a、長方形11b、楕円形、正方形、六角形、中空、または不規則な形状の断面を仮定することができる。 In one embodiment of the invention, as shown in FIG. 1(C), the cable alkali metal battery of the invention is partially or completely filled with a mixture of a first electrode active material and a first electrolyte. It is manufactured by a method comprising a first step of providing a first electrode 11 consisting of an electrically conductive porous rod with pores. Conductive additives or resin binders can optionally be added into this mixture, but this is not necessary or even desirable. This first electrode 11 can optionally include an active material-free, electrolyte-free end portion 13 that can serve as a terminal tab for connection to an external load. This first electrode can assume a cross section of any shape; for example circular 11a, rectangular 11b, oval, square, hexagonal, hollow or irregularly shaped.

あるいは、第1のステップでは、第1の電極は、伝導性ロッド(多孔質発泡体ではない)を含み、この伝導性ロッドの表面上に第1の混合物のコーティングまたは堆積が行われる。このロッドは、金属ワイヤ、伝導性ポリマー繊維もしくはヤーン、炭素もしくは黒鉛の繊維もしくはヤーン、または複数の細いワイヤ、繊維、もしくはヤーンのように単純なものであってよい。しかし、この状況では、第2の電極は、多孔質発泡体構造を含まなければならない。 Alternatively, in a first step, the first electrode comprises a conductive rod (not porous foam) and the first mixture is coated or deposited on the surface of the conductive rod. The rod can be as simple as a metal wire, a conductive polymer fiber or yarn, a carbon or graphite fiber or yarn, or a plurality of thin wires, fibers or yarns. However, in this situation the second electrode must comprise a porous foam structure.

第2のステップは、Li、Na、またはKイオンが透過性の多孔質セパレータ15(例えば多孔質プラスチックフィルム、紙、繊維マット、不織布、ガラス繊維布など)の薄い層で第1の電極11を包み込むまたは覆うステップを含む。ここで構造の断面領域は15a、15bなどで概略的に示されるような領域に見える。このステップは、第1の電極に薄い多孔質プラスチックテープを1周もしくはわずかに1周を超えて、またはらせん状に巻き付けるステップなどの単純なものであってよい。この主な目的は、内部短絡を防止するためにアノードとカソードとを電子的に分離することである。多孔質層は、噴霧、印刷、コーティング、ディップキャスティングなどによって第1の電極の周囲全体に単に堆積することができる。 The second step is to cover the first with a thin layer of a porous separator 15 permeable to Li + , Na + , or K + ions (e.g. porous plastic film, paper, fiber mat, non-woven fabric, glass fiber cloth, etc.). Enveloping or covering the electrode 11 is included. Here the cross-sectional areas of the structure appear to be areas as schematically indicated at 15a, 15b, etc. FIG. This step may be as simple as wrapping a thin porous plastic tape around the first electrode for one or slightly more than one turn, or in a spiral. Its main purpose is to electronically isolate the anode and cathode to prevent internal short circuits. The porous layer can simply be deposited around the first electrode by spraying, printing, coating, dip casting, or the like.

このセパレータで覆うまたは包むステップに続いて、セパレータで保護された構造を第2の電極17の層で包み込むまたは覆うことを含む第3のステップが行われる。第2の電極17は、第2の活性材料および第2の電解質、ならびに場合により伝導性添加剤または樹脂バインダー(しかし、必要ではなく、望ましくもない)の混合物を含む。この第2の電極17は、外部負荷に接続するための端子タブとして機能できる、活性材料を含まずおよび電解質を含まない末端部分21を場合により含むことができる。ここで構造の断面領域は17a、17bなどで概略的に示されるような領域に見える。 This separator covering or wrapping step is followed by a third step involving wrapping or covering the separator protected structure with a layer of second electrode 17 . The second electrode 17 comprises a mixture of a second active material and a second electrolyte, and optionally a conductive additive or resin binder (but neither necessary nor desirable). This second electrode 17 can optionally include an active material-free and electrolyte-free end portion 21 that can serve as a terminal tab for connection to an external load. Here the cross-sectional areas of the structure appear to be areas as schematically indicated at 17a, 17b, etc. FIG.

第4のステップとして、次にこの構造は、電気絶縁性であるケーブルシース19(例えばプラスチックシースまたはゴム状シェル)によって包まれる、または保護される。外部負荷(例えば電球、LED光、電子デバイス)に接続される前に、結果として得られるケーブル電池構造の断面領域は19a、19bなどで概略的に示されるような領域に見える。 As a fourth step, the structure is then wrapped or protected by an electrically insulating cable sheath 19 (eg a plastic sheath or rubbery shell). Before being connected to an external load (e.g. light bulb, LED light, electronic device), the cross-sectional area of the resulting cable cell structure looks like the area schematically indicated at 19a, 19b, etc. FIG.

あるいは、第2の電極は、セパレータ層とケーブルシースとの間に配置されるLi、Na、および/またはK金属の層、またはLi、Na、および/またはK金属が堆積された集電体(例えば、Cu箔、Ni箔、ステンレス鋼箔、または炭素布などの金属箔)の層を含む。しかし、この場合、第1の電極は、伝導性多孔質の発泡体構造を含まなければならない。 Alternatively, the second electrode is a layer of Li, Na, and/or K metal placed between the separator layer and the cable sheath, or a current collector deposited with Li, Na, and/or K metal ( For example, Cu foil, Ni foil, stainless steel foil, or metal foil such as carbon cloth). However, in this case the first electrode must comprise a conductive porous foam structure.

第1の電極または第2の電極の数種類の製造手段が存在する。図1(D)中に、一例として正方形または長方形の発泡体層断面を用いて概略的に示されるように、好ましい方法の1つは、1つまたは複数の電気伝導性多孔質発泡体層(例えば304、310、322、または330;ただ1つの発泡体層が示されているが、それぞれの場合で複数の層が存在することができる)をフィーダーローラー(図示せず)から、活性材料/電解質含浸区域中に連続的に供給するステップを含み、ここで電極活性材料、電解質、および任意選択の伝導性添加剤の湿潤活性材料混合物(例えばスラリ、懸濁液、またはゲル状塊、例えば306a、306b、312a、312b)が、少なくとも多孔質層の多孔質表面(例えば図1(D)のそれぞれ概略図Aおよび概略図B中の304または310)に送給される。一例として概略図Aを用いると、1組または2組のローラー(302a、302b、302c、および302d)を用いて両側から多孔質層中に湿潤活性材料/電解質混合物(306a、306b)を含浸させることで、含浸させた活性電極308(アノードまたはカソード)が形成される。伝導性多孔質発泡体層は、電子伝導経路の相互接続されたネットワークと、少なくとも70体積%(好ましくは>80%、より好ましくは>90%、さらにより好ましくは>95%)の細孔とを含む。 There are several means of manufacturing the first electrode or the second electrode. One preferred method is to use one or more electrically conductive porous foam layers ( 304, 310, 322, or 330; only one foam layer is shown, but there can be multiple layers in each case) from a feeder roller (not shown) to the active material/ continuously feeding into an electrolyte impregnation zone, wherein a wet active material mixture (e.g., slurry, suspension, or gel mass, e.g., 306a) of electrode active material, electrolyte, and optional conductive additive; , 306b, 312a, 312b) are delivered to at least the porous surface of the porous layer (eg, 304 or 310 in schematics A and B, respectively, of FIG. 1(D)). Using schematic A as an example, one or two sets of rollers (302a, 302b, 302c, and 302d) are used to impregnate the wet active material/electrolyte mixture (306a, 306b) into the porous layer from both sides. This forms an impregnated active electrode 308 (anode or cathode). The conductive porous foam layer has an interconnected network of electronically conducting pathways and at least 70% (preferably >80%, more preferably >90%, even more preferably >95%) pores by volume. including.

概略図Bでは、湿潤活性材料/電解質混合物層312a、312bを支持する2つの保護フィルム314a、314bを連続的に繰り出すために2つのフィーダーローラー316a、316bが使用される。これらの、湿潤活性材料/電解質混合物層312a、312bは、多岐にわたる手順(例えば、当技術分野においてよく知られている印刷、噴霧、キャスティング、コーティングなど)を用いて、保護(支持)フィルム314a、314bに送給することができる。導電性多孔質発泡体層110が2組のローラー(318a、318b、318c、318d)の間の間隙を通って移動するときに、湿潤活性混合物材料/電解質が多孔質層310の細孔中に含浸して、2つの保護フィルム314a、314bで覆われた活性材料電極320(アノードまたはカソード電極層)が形成される。これらの保護フィルムは後に除去することができる。 In schematic B, two feeder rollers 316a, 316b are used to continuously unwind two protective films 314a, 314b supporting wet active material/electrolyte mixture layers 312a, 312b. These wet active material/electrolyte mixture layers 312a, 312b are coated with protective (support) films 314a, 314a, 314b using a wide variety of procedures (e.g., printing, spraying, casting, coating, etc., well known in the art). 314b. As the conductive porous foam layer 110 moves through the gap between the two sets of rollers (318a, 318b, 318c, 318d), the wet active mixture material/electrolyte enters the pores of the porous layer 310. Impregnation forms an active material electrode 320 (anode or cathode electrode layer) covered with two protective films 314a, 314b. These protective films can be removed later.

別の例として概略図Cを用いると、導電性多孔質層322の2つの反対側の多孔質表面に湿潤活性材料/電解質混合物(325a、325b)を供給するために、2つの噴霧装置324a、324bを使用した。1組または2組のローラーを用いて両側から多孔質層中に湿潤活性材料混合物を含浸させることで、含浸させた活性電極326(アノードまたはカソード)が形成される。同様に、概略図Dでは、導電性多孔質層330の2つの反対側の多孔質発泡体層表面に湿潤活性材料混合物(333a、333b)を供給するために、2つの噴霧装置332a、332bを使用した。1組または2組のローラーを用いて両側から多孔質層中に湿潤活性材料-電解質混合物を含浸させることで、含浸させた活性電極338(アノードまたはカソード)が形成される。 Using schematic C as another example, two atomizers 324a, 324b was used. Impregnated active electrode 326 (anode or cathode) is formed by impregnating the wet active material mixture into the porous layer from both sides using one or two sets of rollers. Similarly, in Schematic D, two spray devices 332a, 332b are provided for supplying wet active material mixtures (333a, 333b) to two opposite porous foam layer surfaces of the electrically conductive porous layer 330. used. Impregnated active electrode 338 (anode or cathode) is formed by impregnating the wet active material-electrolyte mixture into the porous layer from both sides using one or two sets of rollers.

図1(E)の概略図E中に示されるような別の例では、電極製造プロセスは、フィーダーローラー340から任意の断面形状の導電性多孔質発泡体層356を連続的に供給するステップによって開始する。ローラー342によって、多孔質層356を容器344中の湿潤活性材料混合物346(スラリ、懸濁液、ゲルなど)中に浸漬させる。ローラー342bに向かって移動するときに、活性材料混合物は多孔質層356の細孔中に含浸され始め、容器から出て2つのローラー348a、348bの間の間隙中に供給される。2つの保護フィルム350a、350bが2つのそれぞれのローラー352a、352bから同時に供給されて、含浸させた多孔質層354を覆い、これは回転ドラム(巻き取りローラー355)上に連続的に収集することができる。このプロセスは、アノードおよびカソード電極の両方に適用可能である。 In another example, as shown in schematic view E of FIG. Start. Roller 342 immerses porous layer 356 into wet active material mixture 346 (slurry, suspension, gel, etc.) in container 344 . As it moves toward roller 342b, the active material mixture begins to impregnate into the pores of porous layer 356 and exits the container into the gap between the two rollers 348a, 348b. Two protective films 350a, 350b are simultaneously fed from two respective rollers 352a, 352b to cover the impregnated porous layer 354, which is continuously collected on a rotating drum (take-up roller 355). can be done. This process is applicable to both anode and cathode electrodes.

結果として得られる電極層(アノードまたはカソード電極)は、固化の後、100nm~数センチメートルの(または希望するなら、より大きい)厚さまたは直径を有することができる。マイクロケーブルの場合(例えばマイクロ電子デバイスの可撓性電源として)、電極の厚さまたは直径は、100nm~100μm、より典型的には1μm~50μm、最も典型的には10μm~30μmである。目に見える大きさの可撓性で適合性のケーブル電池の場合(例えば電気自動車EV中の閉じ込められた空間中に使用する場合)、電極は、典型的で望ましくは、100μm以上の厚さを有する(好ましくは>200μm、さらに好ましくは>300μm、より好ましくは>400μm;さらにより好ましくは>500μm、600μm、またはさらには>1,000μm;電極の厚さに理論的な制限はない。 The resulting electrode layer (anode or cathode electrode) can have a thickness or diameter of 100 nm to several centimeters (or larger if desired) after solidification. In the case of microcables (eg, as flexible power sources for microelectronic devices), the thickness or diameter of the electrodes is between 100 nm and 100 μm, more typically between 1 μm and 50 μm, most typically between 10 μm and 30 μm. For flexible and conformable cable cells of visible size (e.g. for use in confined spaces in electric vehicle EVs), the electrodes typically and desirably have a thickness of 100 μm or more. (preferably >200 μm, more preferably >300 μm, more preferably >400 μm; even more preferably >500 μm, 600 μm, or even >1,000 μm; there is no theoretical limit to electrode thickness.

以上は、本発明による可撓性で形状適合性のケーブル状アルカリ金属電池をどのようにして製造できるかを示す単なる数個の例である。これらの例は、本発明の範囲を限定するために用いるべきではない。 These are just a few examples of how a flexible, conformable, cable-like alkaline metal battery according to the present invention can be manufactured. These examples should not be used to limit the scope of the invention.

導電性多孔質層は、金属発泡体、金属ウェブもしくはスクリーン、穴あき金属シートに基づく構造、金属繊維マット、金属ナノワイヤマット、導電性ポリマーナノファイバマット、導電性ポリマー発泡体、導電性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、炭素ゼロックスゲル、グラフェンエアロゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択することができる。多孔質層は、高多孔質のマット、スクリーン/グリッド、不織布、発泡体などの形態の、炭素、黒鉛、金属、金属被覆繊維、導電性ポリマー、または導電性ポリマー被覆繊維などの導電性材料でできている必要がある。導電性多孔質層の例を図3(A)、図3(B)、図3(C)、および図3(D)に示している。多孔率レベルは、少なくとも70体積%、好ましくは80体積%を超え、さらに好ましくは90体積%を超え、最も好ましくは95体積%を超える必要がある。主鎖または発泡体壁は電子伝導経路のネットワークを形成する。 The conductive porous layer can be a metal foam, a metal web or screen, a structure based on a perforated metal sheet, a metal fiber mat, a metal nanowire mat, a conductive polymer nanofiber mat, a conductive polymer foam, a conductive polymer coated fiber. foam, carbon foam, graphite foam, carbon aerogel, carbon xerox gel, graphene aerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam , or combinations thereof. The porous layer may be a conductive material such as carbon, graphite, metal, metal-coated fiber, conductive polymer, or conductive polymer-coated fiber in the form of highly porous mats, screens/grids, nonwovens, foams, and the like. It must be done. Examples of conductive porous layers are shown in FIGS. 3(A), 3(B), 3(C) and 3(D). The porosity level should be at least 70% by volume, preferably above 80% by volume, more preferably above 90% by volume and most preferably above 95% by volume. The backbone or foam wall forms a network of electronically conducting pathways.

これらの発泡体構造は、容易にあらゆる断面形状にすることができる。これらは非常に可撓性でもあり;典型的には、非金属発泡体は金属発泡体よりも高い可撓性である。電解質は液体またはゲル状態のいずれかであるので、結果として得られるケーブル電池は、非常に可撓性となることができ、実質的にあらゆる特殊な形状に対して適合性にすることができる。液体溶媒中の塩濃度が高い(例えば2.5M~12M)場合でさえも、細孔中に電解質を含む発泡体は、依然として、変形可能であり、曲げることができ、ねじることができ、特殊な形状にさえも適合可能なままである。 These foam structures can be easily made into any cross-sectional shape. They are also very flexible; typically non-metallic foams are more flexible than metallic foams. Because the electrolyte is either in a liquid or gel state, the resulting cable battery can be very flexible and conformable to virtually any special shape. Even at high salt concentrations in the liquid solvent (eg, 2.5M to 12M), foams containing electrolyte in the pores are still deformable, bendable, twistable, and special. It remains adaptable even to tight shapes.

好ましくは、元の伝導性多孔質層中の実質的にすべての細孔には、電極活性材料(アノードまたはカソード)、電解質、および任意選択の伝導性添加剤(バインダー樹脂は不要である)が充填される。細孔壁または伝導性経路(1~30%)に対して多量の細孔(70~99%)が存在するので、無駄になる空間は非常に少なく(「無駄になる」は、電極活性材料および電解質によって占有されないことを意味する)、結果として電極活性材料-電解質混合物の比率が高くなる(高い活性材料負荷質量)。 Preferably, substantially all pores in the original conductive porous layer contain the electrode active material (anode or cathode), electrolyte, and optional conductive additives (no binder resin required). be filled. Since there is a large amount of pores (70-99%) to pore walls or conductive pathways (1-30%), there is very little wasted space (“wasted” refers to the electrode active material and electrolyte), resulting in a high electrode active material-electrolyte mixture ratio (high active material loading mass).

このような電池電極の構成では(例えば図1(C))、細孔壁が電極構造全体(伝導性発泡体が集電体として機能する)のあらゆるところに存在するので、電子は、細孔壁によって収集される前に、短い距離(平均で細孔径の半分;例えば数ナノメートルまたは数マイクロメートル)しか移動する必要がない。これらの細孔壁は、最小限の抵抗を有する相互接続された電子輸送経路の3Dネットワークを形成する。さらに、それぞれのアノード電極またはカソード電極において、すべての電極活性材料粒子は液体電解質中にあらかじめ分散し(ぬれ性の問題がない)、湿式コーティング、乾燥、パッキング、および電解質注入の従来方法によって作製される電極中に一般に存在する乾燥ポケットが存在しなくなる。したがって、本発明による方法は、従来の電池セル製造法に勝る全く予想外の利点を生み出す。 In such a battery electrode configuration (e.g., FIG. 1(C)), pore walls are everywhere throughout the electrode structure (the conductive foam acts as a current collector), so electrons It only needs to travel a short distance (on average half the pore size; eg a few nanometers or micrometers) before being collected by the wall. These pore walls form a 3D network of interconnected electron transport pathways with minimal resistance. Furthermore, in each anode or cathode electrode, all electrode active material particles are pre-dispersed in liquid electrolyte (no wetting problems) and prepared by conventional methods of wet coating, drying, packing, and electrolyte infusion. There are no dry pockets that are commonly present in the electrode. Thus, the method according to the invention yields completely unexpected advantages over conventional battery cell manufacturing methods.

好ましい実施形態では、アノード活性材料は、純粋なグラフェン(例えば図2)、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン、またはそれらの組合せから選択されるプレリチウム化されたまたはプレナトリウム化されたバージョンのグラフェンシートである。上記のグラフェン材料の任意の1つを製造するための出発グラフェン材料は、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズカーボン、メソフェーズピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、ソフトカーボン、ハードカーボン、コークス、炭素繊維、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、またはそれらの組合せから選択することができる。グラフェン材料は、アルカリ金属電池のアノード活性材料とカソード活性材料の両方のための良好な導電性添加剤でもある。 In preferred embodiments, the anode active material is pure graphene (eg, FIG. 2), graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitrogen, chemical Prelithiated or presodiumated versions of graphene sheets selected from functionalized graphene, or combinations thereof. Starting graphene materials for making any one of the above graphene materials include natural graphite, synthetic graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, mesocarbon microbeads, soft carbon, hard carbon, coke, carbon fiber, carbon nanofiber , carbon nanotubes, or combinations thereof. Graphene materials are also good conductive additives for both anode and cathode active materials in alkali metal batteries.

面間ファンデルワールス力を克服することができると仮定して、天然または人造黒鉛粒子中の黒鉛結晶の構成グラフェン面を剥離し、抽出または単離して、六角形を成す炭素原子の個々のグラフェンシートを得ることができ、これらのシートは単原子厚である。炭素原子の単離された個々のグラフェン面は、一般に、単層グラフェンと呼ばれる。厚さ方向で約0.3354nmのグラフェン面間隔でファンデルワールス力によって結合された複数のグラフェン面の積層は、一般に多層グラフェンと呼ばれる。多層グラフェンプレートレットは、最大300層のグラフェン面(100nm未満の厚さ)、しかしより典型的には最大30層のグラフェン面(10nm未満の厚さ)、さらにより典型的には最大20層のグラフェン面(7nm未満の厚さ)、および最も典型的には最大10層のグラフェン面(科学界では一般に数層グラフェンと呼ばれる)を有する。単層グラフェンおよび多層グラフェンシートは、総称して「ナノグラフェンプレートレット」(NGP)と呼ばれる。グラフェンシート/プレートレット(総称してNGP)は、0Dフラーレン、1D CNTまたはCNF、および3D黒鉛とは異なる新しいクラスのカーボンナノ材料(2Dナノカーボン)である。特許請求の範囲を定義する目的で、また当技術分野で一般に理解されるように、グラフェン材料(単離されたグラフェンシート)は、カーボンナノチューブ(CNT)またはカーボンナノファイバ(CNF)ではない(それらを含まない)。 Assuming that interplanar van der Waals forces can be overcome, the constituent graphene planes of graphite crystals in natural or artificial graphite particles can be exfoliated and extracted or isolated to form individual graphenes of hexagonal carbon atoms. Sheets can be obtained and these sheets are a single atom thick. An isolated individual graphene plane of carbon atoms is commonly referred to as monolayer graphene. A stack of multiple graphene planes joined by van der Waals forces with a graphene plane spacing of about 0.3354 nm in the thickness direction is commonly referred to as multi-layer graphene. Multilayer graphene platelets have up to 300 graphene planes (thickness less than 100 nm), but more typically up to 30 graphene planes (thickness less than 10 nm), even more typically up to 20 layers. It has graphene planes (thickness less than 7 nm), and most typically up to 10 layers of graphene planes (commonly referred to in the scientific community as few-layer graphene). Single-layer graphene and multi-layer graphene sheets are collectively referred to as “nanographene platelets” (NGP). Graphene sheets/platelets (collectively NGPs) are a new class of carbon nanomaterials (2D nanocarbons) distinct from 0D fullerenes, 1D CNTs or CNFs, and 3D graphite. For the purposes of defining the claims, and as commonly understood in the art, graphene materials (isolated graphene sheets) are not carbon nanotubes (CNT) or carbon nanofibers (CNF). ).

1つの方法では、図4(A)および図4(B)(概略図)に示されるように、グラフェン材料は、天然黒鉛粒子を強酸および/または酸化剤でインターカレーションして黒鉛インターカレーション化合物(GIC)または酸化黒鉛(GO)を得ることによって得られる。GICまたはGO中のグラフェン面間の間隙空間に化学種または官能基が存在することが、グラフェン間隔(d002;X線回折によって決定される)を増加させる働きをし、それにより、通常であればc軸方向に沿ってグラフェン面を一体に保持するファンデルワールス力を大幅に減少させる。GICまたはGOは、硫酸、硝酸(酸化剤)、および別の酸化剤(例えば、過マンガン酸カリウムまたは過塩素酸ナトリウム)の混合物中に天然黒鉛粉末(図4(B)での参照番号100)を浸漬することによって生成されることが最も多い。インターカレーション手順中に酸化剤が存在する場合、得られるGIC(102)は、実際には、ある種の酸化黒鉛(GO)粒子である。次いで、このGICまたはGOを繰り返し洗浄し、水中ですすいで余剰の酸を除去すると、酸化黒鉛懸濁液または分散液が得られ、これは、水中に分散された、離散した視覚的に区別可能な酸化黒鉛粒子を含む。グラフェン材料を製造するために、このすすぎステップ後に2つの処理ルートの一方をたどることができ、以下に簡単に説明する。 In one method, as shown in FIGS. 4(A) and 4(B) (schematic diagrams), graphene materials are prepared by intercalating natural graphite particles with strong acids and/or oxidizing agents to produce graphite intercalation. Obtained by obtaining a compound (GIC) or graphite oxide (GO). The presence of chemical species or functional groups in the interstitial space between graphene planes in GIC or GO serves to increase the graphene spacing ( d002 ; determined by X-ray diffraction), thereby This greatly reduces the van der Waals forces that hold the graphene planes together along the c-axis direction. GIC or GO is prepared by adding natural graphite powder (reference number 100 in FIG. 4(B)) in a mixture of sulfuric acid, nitric acid (an oxidizing agent), and another oxidizing agent (e.g., potassium permanganate or sodium perchlorate). is most often produced by soaking When an oxidizing agent is present during the intercalation procedure, the resulting GIC (102) is actually a type of graphite oxide (GO) particles. The GIC or GO is then repeatedly washed and rinsed in water to remove excess acid, resulting in a graphite oxide suspension or dispersion that is dispersed in water in discrete, visually distinguishable containing graphite oxide particles. To produce graphene material, one of two processing routes can be followed after this rinsing step, briefly described below.

ルート1は、本質的に乾燥GICまたは乾燥酸化黒鉛粒子の塊である「膨張黒鉛」を得るために懸濁液から水を除去することを含む。膨張黒鉛を典型的には800~1,050℃の範囲内の温度に約30秒~2分間曝すと、GICは、30~300倍に急速に体積膨張して、「黒鉛ワーム」(104)を形成する。黒鉛ワーム(104)はそれぞれ、剥離されてはいるがほとんど分離されておらず、相互接続されたままの黒鉛フレークの集合である。 Route 1 involves removing water from the suspension to obtain "expanded graphite" which is essentially a mass of dry GIC or dry graphite oxide particles. When exfoliated graphite is exposed to temperatures typically in the range of 800-1,050° C. for about 30 seconds to 2 minutes, the GIC undergoes a rapid volume expansion of 30-300 times to form a “graphite worm” (104). to form Each graphite worm (104) is a collection of flakes of graphite that have been exfoliated, but are largely unseparated and remain interconnected.

ルート1Aでは、これらの黒鉛ワーム(剥離された黒鉛または「相互接続された/分離されていない黒鉛フレークのネットワーク」)を再び圧縮して、典型的には0.1mm(100μm)~0.5mm(500μm)の範囲内の厚さを有する可撓性黒鉛シートまたは箔(106)を得ることができる。代替として、100nmよりも厚い(したがって定義によりナノ材料ではない)黒鉛フレークまたはプレートレットを主として含むいわゆる「膨張黒鉛フレーク」(108)を製造する目的で、低強度エアミルまたはせん断機を使用して黒鉛ワームを単に破砕することを選択することもできる。 In Route 1A, these graphite worms (exfoliated graphite or "network of interconnected/unseparated graphite flakes") are recompressed to typically 0.1 mm (100 μm) to 0.5 mm A flexible graphite sheet or foil (106) with a thickness in the range of (500 μm) can be obtained. Alternatively, low intensity air mills or shears are used to produce so-called "expanded graphite flakes" (108) which mainly contain graphite flakes or platelets thicker than 100 nm (thus not nanomaterials by definition). You can also choose to simply crush the worms.

ルート1Bでは、同一出願人の米国特許出願第10/858,814号明細書(2004年3月6日)に開示されているように、剥離された黒鉛は、(例えば、超音波装置、高せん断ミキサ、高強度エアジェットミル、または高エネルギーボールミルを使用した)高強度の機械的せん断を受けて、分離された単層および多層グラフェンシート(総称してNGP112と呼ぶ)を形成する。単層グラフェンが0.34nmの薄さであり得る一方、多層グラフェンは、最大100nm、しかしより典型的には10nm未満の厚さを有することがある(一般に数層グラフェンと呼ばれる)。複数のグラフェンシートまたはプレートレットが、製紙法を使用して1枚のNGP紙として形成されることがある。このNGP紙は、本発明による方法で利用される多孔質グラフェン構造層の一例である。 In Route 1B, exfoliated graphite is treated with (e.g., ultrasonic equipment, high subjected to high-intensity mechanical shearing (using a shear mixer, high-intensity air-jet mill, or high-energy ball mill) to form separated monolayer and multi-layer graphene sheets (collectively referred to as NGP112). Single-layer graphene can be as thin as 0.34 nm, while multi-layer graphene can have a thickness of up to 100 nm, but more typically less than 10 nm (commonly referred to as few-layer graphene). Multiple graphene sheets or platelets may be formed as a sheet of NGP paper using a papermaking process. This NGP paper is an example of a porous graphene structured layer utilized in the method according to the present invention.

ルート2は、個々の酸化グラフェンシートを酸化黒鉛粒子から分離/単離する目的で、酸化黒鉛懸濁液(例えば、水中に分散された酸化黒鉛粒子)を超音波処理することを含む。これは、グラフェン面の離間距離が天然黒鉛での0.3354nmから高度に酸化された酸化黒鉛での0.6~1.1nmに増加されており、隣接する面を一体に保持するファンデルワールス力を大幅に弱めるという見解に基づいている。超音波出力は、完全に分離された、単離された、または離散した酸化グラフェン(GO)シートを形成するために、グラフェン面シートをさらに分離するのに十分なものでよい。次いで、これらの酸化グラフェンシートを化学的または熱的に還元して、「還元酸化グラフェン」(RGO)を得ることができ、これは、典型的には、0.001重量%~10重量%、より典型的には0.01重量%~5重量%の酸素含有量を有し、最も典型的にはかつ好ましくは2重量%未満の酸素を含む。 Route 2 involves sonicating a graphite oxide suspension (eg, graphite oxide particles dispersed in water) for the purpose of separating/isolating individual graphene oxide sheets from the graphite oxide particles. This shows that the separation of the graphene planes has been increased from 0.3354 nm in natural graphite to 0.6-1.1 nm in highly oxidized graphite oxide, a van der Waals separation that holds adjacent planes together. It is based on the view that it greatly weakens power. The ultrasonic power may be sufficient to further separate the graphene plane sheets to form fully separated, isolated, or discrete graphene oxide (GO) sheets. These graphene oxide sheets can then be chemically or thermally reduced to yield “reduced graphene oxide” (RGO), which typically contains 0.001 wt % to 10 wt %, More typically it has an oxygen content of 0.01% to 5% by weight, and most typically and preferably contains less than 2% by weight oxygen.

本出願の特許請求の範囲を定義する目的で、NGPまたはグラフェン材料は、単層および多層(典型的には10層未満)の純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン(RGO)、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン、ドープされた(例えば、BまたはNをドープされた)グラフェンの離散シート/プレートレットを含む。純粋なグラフェンは、本質的に0%の酸素を有する。RGOは、典型的には0.001重量%~5重量%の酸素含有量を有する。酸化グラフェン(RGOを含む)は、0.001重量%~50重量%の酸素を有することができる。純粋なグラフェンを除き、全てのグラフェン材料が、非炭素元素(例えば、O、H、N、B、F、Cl、Br、Iなど)を0.001重量%~50重量%含む。本明細書では、これらの材料を不純グラフェン材料と呼ぶ。 For the purposes of defining the claims of this application, NGP or graphene materials include single and multilayer (typically less than 10 layers) pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO), graphene fluoride , graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitrogen, chemically functionalized graphene, discrete sheets/platelets of doped (eg, B or N doped) graphene. Pure graphene has essentially 0% oxygen. RGO typically has an oxygen content of 0.001% to 5% by weight. Graphene oxide (including RGO) can have between 0.001% and 50% oxygen by weight. Except for pure graphene, all graphene materials contain 0.001% to 50% by weight of non-carbon elements (eg, O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.). These materials are referred to herein as impure graphene materials.

純粋なグラフェンは、より小さい離散グラフェンシート(典型的には0.3μm~10μm)として、黒鉛粒子の直接超音波処理(液相剥離または生成としても知られている)または超臨界流体剥離によって製造することができる。これらの方法は、当技術分野でよく知られている。 Pure graphene is produced as smaller, discrete graphene sheets (typically 0.3 μm to 10 μm) by direct sonication (also known as liquid phase exfoliation or generation) or supercritical fluid exfoliation of graphite particles. can do. These methods are well known in the art.

酸化グラフェン(GO)は、反応容器内で、ある期間(出発材料の性質および使用される酸化剤のタイプに応じて典型的には0.5~96時間)にわたって所望の温度で、出発黒鉛材料の粉末またはフィラメント(例えば、天然黒鉛粉末)を酸化性液体媒体(例えば、硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物)中に浸漬することによって得ることができる。上述したように、次いで、得られた酸化黒鉛粒子に熱剥離または超音波誘発剥離を施して、単離GOシートを生成することができる。次いで、これらのGOシートは、OH基を他の化学基(例えば、BrやNHなど)で置換することによって様々なグラフェン材料に変換することができる。 Graphene oxide (GO) is added to the starting graphite material in a reaction vessel at a desired temperature for a period of time (typically 0.5-96 hours depending on the nature of the starting material and the type of oxidant used). can be obtained by immersing a powder or filament of (eg, natural graphite powder) in an oxidizing liquid medium (eg, a mixture of sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate). As described above, the resulting graphite oxide particles can then be subjected to thermal exfoliation or ultrasonically induced exfoliation to produce isolated GO sheets. These GO sheets can then be transformed into various graphene materials by replacing the OH groups with other chemical groups (such as Br and NH2 ).

本明細書では、ハロゲン化グラフェン材料群の一例として、フッ素化グラフェンまたはフッ化グラフェンが使用される。フッ素化グラフェンを生成するために採用されている2つの異なる手法がある。(1)あらかじめ合成されたグラフェンのフッ素化:この手法は、機械的剥離またはCVD成長によって用意されたグラフェンをXeFまたはFベースのプラズマなどのフッ素化剤で処理することを必要とする。(2)多層フッ化黒鉛の剥離:フッ化黒鉛の機械的剥離と液相剥離の両方を容易に達成することができる。 Fluorinated graphene or graphene fluoride is used herein as an example of a group of halogenated graphene materials. There are two different approaches that have been taken to produce fluorinated graphene. (1) Fluorination of pre-synthesized graphene: This approach requires treating graphene prepared by mechanical exfoliation or CVD growth with a fluorinating agent such as XeF2 or F - based plasma. (2) Exfoliation of multilayer graphite fluoride: Both mechanical exfoliation and liquid phase exfoliation of graphite fluoride can be easily achieved.

低温で黒鉛インターカレーション化合物(GIC)CF(2≦x≦24)が生成されるのに対し、高温でのFと黒鉛との相互作用は、共有結合性フッ化黒鉛(CF)または(CF)をもたらす。(CF)では、炭素原子はsp3混成であり、したがって、フルオロカーボン層は波形であり、トランスリンクされたシクロヘキサンのいす型立体配座からなる。(CF)では、C原子の半分のみがフッ素化され、隣接する炭素シートの対はどれもC-C共有結合により結合される。フッ素化反応に関する系統的研究から、得られたF/C比が、フッ素化温度、フッ素化ガス中のフッ素の分圧、ならびに黒鉛前駆体の物理的特性、例えば黒鉛化度、粒度、および比表面積に大きく依存することが示された。フッ素(F)に加え、他のフッ素化剤も使用することができるが、入手できる文献のほとんどは、時としてフッ化物の存在下で、Fガスによるフッ素化を含む。 Graphite intercalation compound (GIC) CxF ( 2x ≤ 24) is produced at low temperature, whereas the interaction of F2 with graphite at high temperature is covalent graphite fluoride (CF) n or ( C2F)n . In (CF) n , the carbon atoms are sp3-hybridized, so the fluorocarbon layers are corrugated and consist of trans-linked cyclohexane chair conformations. In (C 2 F) n , only half of the C atoms are fluorinated and any pair of adjacent carbon sheets are linked by C—C covalent bonds. Systematic studies on fluorination reactions show that the obtained F/C ratio depends on the fluorination temperature, the partial pressure of fluorine in the fluorination gas, and the physical properties of the graphite precursor, such as the degree of graphitization, grain size, and ratio. It was shown to strongly depend on the surface area. In addition to fluorine ( F2), other fluorinating agents can be used, but most of the available literature involves fluorination with F2 gas, sometimes in the presence of fluoride.

層状の前駆体材料を個々の層または数層の状態に剥離するためには、隣接する層間の引力を克服すること、および層をさらに安定させることが必要である。これは、官能基によるグラフェン表面の共有結合修飾によって、または特定の溶媒、界面活性剤、ポリマー、もしくはドナー-アクセプタ芳香族分子を使用する非共有結合修飾によって実現されることがある。液相剥離のプロセスは、液体媒体中のフッ化黒鉛の超音波処理を含む。 In order to exfoliate the layered precursor material into individual layers or several layers, it is necessary to overcome the attractive forces between adjacent layers and further stabilize the layers. This may be achieved by covalent modification of the graphene surface with functional groups or by non-covalent modification using specific solvents, surfactants, polymers, or donor-acceptor aromatic molecules. The process of liquid phase exfoliation involves sonication of graphite fluoride in a liquid medium.

グラフェンの窒素化は、酸化グラフェンなどのグラフェン材料を高温(200~400℃)でアンモニアに曝すことによって行うことができる。窒素化グラフェンは、水熱法によって、より低温で生成することもできる。これは、例えば、オートクレーブ内にGOおよびアンモニアを封止し、次いで温度を150~250℃に上昇させることによって行われる。窒素ドープされたグラフェンを合成する他の方法は、グラフェンに対する窒素プラズマ処理、アンモニアの存在下での黒鉛電極間のアーク放電、CVD条件下での酸化グラフェンのアンモノリシス、および様々な温度での酸化グラフェンおよび尿素の水熱処理を含む。 Nitridation of graphene can be performed by exposing graphene materials, such as graphene oxide, to ammonia at elevated temperatures (200-400° C.). Nitrogenated graphene can also be produced at lower temperatures by hydrothermal methods. This is done, for example, by sealing the GO and ammonia in an autoclave and then increasing the temperature to 150-250°C. Other methods to synthesize nitrogen-doped graphene include nitrogen plasma treatment on graphene, arc discharge between graphite electrodes in the presence of ammonia, ammonolysis of graphene oxide under CVD conditions, and graphene oxide at various temperatures. and hydrothermal treatment of urea.

上記の特徴は、以下のようにさらに詳細に記述および説明される。図4(B)に示されるように、黒鉛粒子(例えば、100)は、典型的には、複数の黒鉛結晶または微粒子からなる。黒鉛結晶は、炭素原子の六方晶ネットワークの層面から構成されている。六角形状に配列された炭素原子のこれらの層平面は実質的に平坦であり、特定の結晶において互いに実質的に平行かつ等距離になるように配向または秩序化されている。一般にグラフェン層または基底面と呼ばれる六方晶構造の炭素原子のこれらの層は、弱いファンデルワールス力によってそれらの厚さ方向(結晶学的c軸方向)で弱く結合され、これらのグラフェン層の群は結晶として配列される。黒鉛結晶構造は通常、2つの軸または方向に関して特徴付けられる。すなわち、c軸方向およびa軸(またはb軸)方向である。c軸は、基底面に垂直な方向である。a軸またはb軸は、基底面に平行(c軸方向に垂直)な方向である。 The above features are described and explained in more detail as follows. As shown in FIG. 4B, graphite particles (eg, 100) are typically composed of a plurality of graphite crystals or microparticles. Graphite crystals are composed of layered planes of a hexagonal network of carbon atoms. These layer planes of hexagonally arranged carbon atoms are substantially flat and are oriented or ordered to be substantially parallel and equidistant from each other in a particular crystal. These layers of carbon atoms in a hexagonal structure, commonly called graphene layers or basal planes, are weakly bonded in their thickness direction (crystallographic c-axis direction) by weak van der Waals forces, and the group of these graphene layers are arranged as crystals. Graphite crystal structure is usually characterized with respect to two axes or directions. That is, the c-axis direction and the a-axis (or b-axis) direction. The c-axis is the direction perpendicular to the basal plane. The a-axis or b-axis is a direction parallel to the basal plane (perpendicular to the c-axis direction).

平行なグラフェン層を保持する弱いファンデルワールス力により、天然黒鉛を処理してグラフェン層間の間隔をかなり開き、それにより、c軸方向での顕著な膨張を可能にし、したがって炭素層の層状特性が実質的に保持された膨張黒鉛構造を形成することができる。可撓性黒鉛を製造するための方法は、当技術分野でよく知られている。一般に、天然黒鉛のフレーク(例えば、図4(B)での参照番号100)を酸溶液中にインターカレーションして、黒鉛インターカレーション化合物(GIC、102)を生成する。GICを洗浄し、乾燥させ、次いで、高温に短時間曝すことによって剥離させる。これにより、フレークは、それらの元の寸法の80~300倍まで黒鉛のc軸方向で膨張または剥離する。剥離された黒鉛フレークは、見た目が虫のようであり、したがって一般に黒鉛ワーム104と呼ばれる。大きく膨張されている黒鉛フレークのこれらのワームは、ほとんどの用途に関して、粘結剤を使用せずに、約0.04~2.0g/cmの典型的な密度を有する膨張黒鉛の粘着性または一体型のシート、例えばウェブ、紙、ストリップ、テープ、箔、マットなど(典型的には「可撓性黒鉛」106と呼ばれる)として形成することができる。 Weak van der Waals forces that hold parallel graphene layers treat natural graphite to significantly open the spacing between the graphene layers, thereby allowing significant expansion in the c-axis direction and thus enhancing the layered character of the carbon layers. A substantially retained expanded graphite structure can be formed. Methods for making flexible graphite are well known in the art. Generally, flakes of natural graphite (eg, reference number 100 in FIG. 4B) are intercalated in an acid solution to produce a graphite intercalation compound (GIC, 102). The GIC is washed, dried and then exfoliated by brief exposure to elevated temperature. This causes the flakes to expand or exfoliate along the c-axis of the graphite to 80-300 times their original dimensions. The exfoliated graphite flakes are worm-like in appearance and are therefore commonly referred to as graphite worms 104 . These worms of highly expanded graphite flakes are cohesive of expanded graphite with typical densities of about 0.04-2.0 g/cm 3 without the use of binders for most applications. Or it can be formed as a monolithic sheet, such as a web, paper, strip, tape, foil, mat, etc. (typically referred to as "flexible graphite" 106).

硫酸などの酸は、GICを得るためにグラフェン面間の空間に浸透する唯一のタイプのインターカレーション剤(インターカラント)というわけではない。黒鉛をステージ1、ステージ2、ステージ3などにインターカレーションするために、アルカリ金属(Li、K、Na、Cs、およびそれらの合金または共晶)など多くの他のタイプのインターカレート剤を使用することができる。ステージnは、n個のグラフェン面ごとに1つのインターカラント層があることを示唆する。例えば、ステージ1のカリウムインターカレーションされたGICは、グラフェン面ごとに1つのK層があることを意味する。すなわち、G/K/G/K/G/KG…の順列で2つの隣接するグラフェン面間に挿入された1つのK原子層を見つけることができる。ここで、Gはグラフェン面であり、Kはカリウム原子面である。ステージ2のGICは、GG/K/GG/K/GG/K/GG…の順列を有する。ステージ3のGICは、GGG/K/GGG/K/GGG…の順列を有する。以下同様である。次いで、これらのGICを水または水-アルコール混合物と接触させて、剥離された黒鉛および/または分離/単離されたグラフェンシートを生成することができる。 Acids such as sulfuric acid are not the only type of intercalant that penetrates the space between graphene planes to obtain GIC. Many other types of intercalating agents such as alkali metals (Li, K, Na, Cs, and their alloys or eutectics) are used to intercalate graphite into stage 1, stage 2, stage 3, etc. can be used. Stage n implies one intercalant layer for every n graphene planes. For example, a stage 1 potassium-intercalated GIC implies one K layer per graphene plane. That is, we can find one K atomic layer inserted between two adjacent graphene planes in the order G/K/G/K/G/KG . . . Here, G is the graphene plane and K is the potassium atom plane. A stage 2 GIC has the permutation GG/K/GG/K/GG/K/GG . . . A stage 3 GIC has the permutation GGG/K/GGG/K/GGG . . . The same applies hereinafter. These GICs can then be contacted with water or water-alcohol mixtures to produce exfoliated graphite and/or separated/isolated graphene sheets.

剥離された黒鉛ワームに、高強度エアジェットミル、高強度ボールミル、または超音波デバイスを使用した高強度の機械的せん断/分離処理を施して、分離されたナノグラフェンプレートレット(NGP)を生成することができ、グラフェンプレートレットは全て、100nmよりも薄く、大抵は10nmよりも薄く、多くの場合には単層グラフェンである(図4(B)では参照番号112としても示されている)。NGPは、グラフェンシートまたは複数のグラフェンシートから構成され、各シートは、炭素原子の2次元の六角形構造である。フィルム形成法を使用して、単層および/または数層のグラフェンまたは酸化グラフェンの離散シート/プレートレットを含む複数のNGPの塊を多孔性グラフェンフィルム(図4(B)の参照番号114)に形成することができる。代替として、低強度せん断では、黒鉛ワームは、厚さ100nm超のいわゆる膨張黒鉛フレーク(図4(B)での参照番号108)に分離される傾向がある。これらのフレークから、樹脂粘結剤を使用して、または使用せずに、マット製造プロセスを使用して、黒鉛マットまたは不織布106を形成し、膨張黒鉛発泡体を形成することができる。黒鉛発泡体は、炭素発泡体の黒鉛化によって製造することもできる。 Subjecting exfoliated graphite worms to high intensity mechanical shearing/separation treatment using high intensity air jet mill, high intensity ball mill, or ultrasonic device to produce separated nanographene platelets (NGP). , and the graphene platelets are all thinner than 100 nm, mostly thinner than 10 nm, and often monolayer graphene (also shown as reference number 112 in FIG. 4(B)). NGP is composed of a graphene sheet or multiple graphene sheets, each sheet being a two-dimensional hexagonal structure of carbon atoms. A film-forming method was used to form a plurality of NGP clumps containing discrete sheets/platelets of single-layer and/or few-layer graphene or graphene oxide into a porous graphene film (reference numeral 114 in FIG. 4(B)). can be formed. Alternatively, at low intensity shear, graphite worms tend to separate into so-called expanded graphite flakes (reference number 108 in FIG. 4B) with a thickness greater than 100 nm. From these flakes, a mat manufacturing process can be used with or without a resin binder to form a graphite mat or nonwoven 106 to form an expanded graphite foam. Graphite foam can also be produced by graphitization of carbon foam.

本発明の実施に使用できるアノード活性材料またはカソード活性材料の種類に対する制限は存在しない。好ましくは、本発明による方法では、電池が充電される場合、Li/Li(すなわち標準電位としてのLi→Li+eを基準として)Na/Na基準よりも、1.0ボルト未満(好ましくは0.7ボルト未満)高い電気化学ポテンシャルにおいて、アノード活性材料はアルカリイオン(例えばリチウムイオン)を吸収する。好ましい一実施形態では、アノード活性材料は:(a)天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、および炭素(ソフトカーボン、ハードカーボン、カーボンナノファイバ、およびカーボンナノチューブを含む)の粒子;(b)ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、およびカドミウム(Cd)(Si、Ge、Al、およびSnは、それらの高い比容量のために最も望ましい);(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、またはCdと別の元素との合金または金属間化合物であって、化学量論的または非化学量論的である合金または金属間化合物(例えばSiAl、SiSn);(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、またはCd、ならびにそれらの混合物または複合物の酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、およびテルル化物(例えばSnO、TiO、Coなど);(e)それらのプレリチウム化されたバージョン(例えばチタン酸リチウムであるプレリチウム化TiO);(f)プレリチウム化グラフェンシート;ならびにそれらの組合せからなる群から選択される。 There is no limit to the type of anode active material or cathode active material that can be used in the practice of the invention. Preferably , in the method according to the invention, when the battery is charged, it is less than 1.0 Volt ( At high electrochemical potentials (preferably less than 0.7 volts), the anode active material absorbs alkali ions (eg, lithium ions). In one preferred embodiment, the anode active material is: (a) particles of natural graphite, synthetic graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon (including soft carbon, hard carbon, carbon nanofibers, and carbon nanotubes); (b) silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd) (Si, Ge, Al, and Sn are most desirable due to their high specific capacities); (c) Si , Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with another element, stoichiometric or non-stoichiometric. SiAl, SiSn); (d) oxides, carbides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd, and mixtures or composites thereof , nitrides, sulfides, phosphides, selenides, and tellurides ( e.g. SnO, TiO2 , Co3O4 , etc.); (f) prelithiated graphene sheets; and combinations thereof.

幾つかの実施形態では、第1の電極または第2の電極は、Li、Na、K、またはそれらの組合せの粒子、箔、またはコーティングを電極活性材料として含む。 In some embodiments, the first electrode or the second electrode includes particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as electrode active materials.

別の好ましい実施形態では、アノード活性材料は、純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン、またはそれらの組合せから選択されるグラフェンシートのプレナトリウム化またはプレカリウム化されたバージョンである。上記グラフェン材料の任意の1つを製造するための出発黒鉛材料は、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズカーボン、メソフェーズピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、ソフトカーボン、ハードカーボン、コークス、炭素繊維、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、またはそれらの組合せから選択することができる。グラフェン材料は、アルカリ金属電池のアノード活性材料およびカソード活性材料の両方のための良好な導電性添加剤でもある。 In another preferred embodiment, the anode active material is pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, graphene chemically functionalized , or combinations thereof. Starting graphite materials for making any one of the above graphene materials include natural graphite, synthetic graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, mesocarbon microbeads, soft carbon, hard carbon, coke, carbon fiber, carbon nanofiber, It can be selected from carbon nanotubes, or combinations thereof. Graphene materials are also good conductive additives for both anode and cathode active materials in alkali metal batteries.

充電式アルカリ金属電池では、アノードは、アルカリ金属、アルカリ金属合金、アルカリ金属またはアルカリ金属合金とアルカリインターカレーション化合物との混合物、アルカリ元素含有化合物、またはそれらの組合せから選択されるアルカリイオン源を含有することができる。石油コークス、カーボンブラック、非晶質炭素、ハードカーボン、鋳型炭素、中空カーボンナノワイヤ、中空炭素球、チタネート、NaTi(PO、NaTi(チタン酸ナトリウム)、Na(テレフタル酸二ナトリウム)、NaTP(テレフタル酸ナトリウム)、TiO、NaTiO(x=0.2~1.0)、カルボキシレート系材料、CNa、C、CNaO、CNa、C10Na、C14、C14Na、またはそれらの組合せから選択されるアルカリインターカレーション化合物を含有するアノード活性材料が特に望ましい。 In rechargeable alkali metal batteries, the anode comprises an alkali ion source selected from alkali metals, alkali metal alloys, mixtures of alkali metals or alkali metal alloys with alkali intercalation compounds, compounds containing alkali elements, or combinations thereof. can contain. Petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, hard carbon, template carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, titanate, NaTi2 ( PO4) 3 , Na2Ti3O7 ( sodium titanate), Na2C 8 H 4 O 4 (disodium terephthalate), Na 2 TP (sodium terephthalate), TiO 2 , Na x TiO 2 (x=0.2-1.0), carboxylate-based material, C 8 H 4 Na 2O4 , C8H6O4 , C8H5NaO4 , C8Na2F4O4 , C10H2Na4O8 , C14H4O6 , C14H4Na4O _ _ _ _ _ _ _ _ _ Particularly desirable are anode active materials containing alkali intercalation compounds selected from 8 , or combinations thereof.

一実施形態では、アノードは2または3種類のアノード活性材料の混合物(例えば活性炭+NaTi(POの混合粒子)を含有することができ、カソードは、ナトリウムインターカレーション化合物単独(例えばNaMnO)、電気二重層コンデンサ型カソード活性材料単独(例えば活性炭)、擬似容量のためのλ-MnO/活性炭の酸化還元対であってよい。 In one embodiment, the anode can contain a mixture of two or three anode active materials (eg mixed particles of activated carbon + NaTi 2 (PO 4 ) 3 ) and the cathode is a sodium intercalation compound alone (eg Na x MnO 2 ), an electric double layer capacitive cathode active material alone (eg, activated carbon), or a redox couple of λ-MnO 2 /activated carbon for pseudocapacitance.

多様なカソード活性材料を使用して、本発明による方法を実施することができる。カソード活性材料は、典型的には、電池が放電されたときにはアルカリ金属イオンを貯蔵し、再充電されたときにはアルカリ金属イオンを電解質に解放することが可能なアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収化合物である。カソード活性材料は、無機材料、有機もしくはポリマー材料、金属酸化物/リン酸塩/硫化物(最も望ましいタイプの無機カソード材料)、または以下のようなそれらの組合せから選択することができる。 A wide variety of cathode active materials can be used to carry out the method according to the invention. Cathode active materials are typically alkali metal intercalation compounds or alkali metal absorbers capable of storing alkali metal ions when the battery is discharged and releasing the alkali metal ions to the electrolyte when the battery is recharged. is a compound. Cathode active materials can be selected from inorganic materials, organic or polymeric materials, metal oxides/phosphates/sulfides (the most desirable type of inorganic cathode materials), or combinations thereof such as:

コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、バナジウム酸リチウム、リチウム遷移金属酸化物、リチウム混合金属酸化物、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、リン酸バナジウムリチウム、リチウム混合金属リン酸塩、遷移金属硫化物、およびそれらの組合せからなる金属酸化物、金属リン酸塩、および金属硫化物の群。特に、バナジウム酸リチウムは、VO、LiVO、V、Li、V、Li、Li、V、Li、V13、Li13、それらのドープされたバージョン、それらの誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択されることがある(ここで、0.1<x<5)。リチウム遷移金属酸化物は、層状化合物LiMO、スピネル化合物LiM、オリビン化合物LiMPO、ケイ酸塩化合物LiMSiO、タボライト化合物LiMPOF、ホウ酸塩化合物LiMBO、またはそれらの組合せから選択されることがある(ここで、Mは、遷移金属、または複数の遷移金属の混合物である)。 lithium cobaltate, lithium nickelate, lithium manganate, lithium vanadate, lithium transition metal oxide, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium mixed metal phosphate, The group of metal oxides, metal phosphates and metal sulfides consisting of transition metal sulfides and combinations thereof. In particular , lithium vanadate is VO2 , LixVO2 , V2O5 , LixV2O5 , V3O8 , LixV3O8 , LixV3O7 , V4O9 , Li x V 4 O 9 , V 6 O 13 , Li x V 6 O 13 , doped versions thereof, derivatives thereof, and combinations thereof, where 0 .1<x<5). The lithium transition metal oxide is a layered compound LiMO2 , a spinel compound LiM2O4 , an olivine compound LiMPO4 , a silicate compound Li2MSiO4 , a taborite compound LiMPO4F , a borate compound LiMBO3 , or combinations thereof. where M is a transition metal or a mixture of transition metals.

アルカリ金属セルまたはアルカリ金属イオンセルでは、カソード活性材料は、NaFePO(リン酸鉄ナトリウム)、Na0.7FePO、Na1.5VOPO0.5、Na(PO、NaV2(PO、NaFePOF、NaFeF、NaVPOF、Na(PO、Na1.5VOPO0.5、Na(PO、NaV15、NaVO、Na0.33、NaCoO(コバルト酸ナトリウム)、Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O、Na(Fe1/2Mn1/2)O、NaMnO(ナトリウムマンガンブロンズ)、λ-MnO、Na0.44MnO、Na44MnO/C、NaMn18、NaFeMn(PO、NaTi、Ni1/3Mn1/3Co1/3、Cu0.56Ni44HCF(銅およびニッケルのヘキサシアノ鉄酸塩)、NiHCF(ヘキサシアノ鉄酸ニッケル)、NaCoO、NaCrO、NaTi(PO、NiCo、Ni/FeS、Sb、NaFe(CN)/C、NaV1-xCrPOF、Se(セレンおよびセレン/硫黄、z/yは0.01~100)、Se(Sを含有せず)、アルオード石、またはそれらの組合せから選択されるナトリウムインターカレーション化合物(またはそれらのカリウムに対応するもの)を含有することができる。 In alkali metal or alkali metal ion cells, the cathode active materials are NaFePO4 ( sodium iron phosphate) , Na0.7FePO4 , Na1.5VOPO4F0.5 , Na3V2 ( PO4 ) 3 . , Na3V2 ( PO4 ) 2F3 , Na2FePO4F , NaFeF3 , NaVPO4F , Na3V2 ( PO4 ) 2F3 , Na1.5VOPO4F0.5 , Na3 V2 ( PO4) 3 , NaV6O15 , NaxVO2 , Na0.33V2O5 , NaxCoO2 ( sodium cobaltate), Na2 /3 [ Ni1 / 3Mn2 / 3 ]O 2 , Na x (Fe 1/2 Mn 1/2 )O 2 , Na x MnO 2 (sodium manganese bronze), λ-MnO 2 , Na 0.44 MnO 2 , Na 0 . 44MnO2 / C , Na4Mn9O18 , NaFe2Mn ( PO4 ) 3 , Na2Ti3O7 , Ni1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3O2 , Cu0.56Ni0 . 44 HCF (copper and nickel hexacyanoferrate), NiHCF (nickel hexacyanoferrate), NaxCoO2 , NaCrO2 , Na3Ti2 ( PO4) 3 , NiCo2O4 , Ni3S2 /FeS 2 , Sb 2 O 4 , Na 4 Fe(CN) 6 /C, NaV 1-x Cr x PO 4 F, Se y S z (selenium and selenium/sulphur, z/y is 0.01-100), Se (no S), aluordite, or a combination thereof (or their potassium counterparts) selected from sodium intercalation compounds.

カソード活性材料として使用するための他の無機材料は、硫黄、硫黄化合物、ポリ硫化リチウム、遷移金属ダイカルコゲナイド、遷移金属トリカルコゲナイド、またはそれらの組合せから選択されることがある。特に、無機材料は、TiS、TaS、MoS、NbSe、MnO、CoO、酸化鉄、酸化バナジウム、またはそれらの組合せから選択される。これらについては、後でさらに論じる。 Other inorganic materials for use as cathode active materials may be selected from sulfur, sulfur compounds, lithium polysulfides, transition metal dichalcogenides, transition metal trichalcogenides, or combinations thereof. In particular, the inorganic material is selected from TiS2 , TaS2 , MoS2, NbSe3 , MnO2 , CoO2 , iron oxide, vanadium oxide, or combinations thereof. These are discussed further below.

特に、無機材料は、(a)セレン化ビスマスもしくはテルル化ビスマス、(b)遷移金属ダイカルコゲナイドもしくはトリカルコゲナイド、(c)ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、もしくは遷移金属の硫化物、セレン化物、もしくはテルル化物、(d)窒化ホウ素、または(e)それらの組合せから選択されることがある。 In particular, the inorganic materials are (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenides or trichalcogenides, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron , nickel, or transition metal sulfides, selenides, or tellurides, (d) boron nitride, or (e) combinations thereof.

あるいは、カソード活性材料は、電解質と直接接触するアルカリ金属イオン捕捉官能基またはアルカリ金属イオン貯蔵表面を有する機能性材料またはナノ構造材料から選択することができる。好ましくは、この官能基は、アルカリ金属イオンと可逆的に反応する、アルカリ金属イオンと酸化還元対を形成する、またはアルカリ金属イオンと化学複合体を形成する。機能性材料またはナノ構造材料は、(a)ソフトカーボン、ハードカーボン、ポリマー炭素もしくは炭化樹脂、メソフェーズカーボン、コークス、炭化ピッチ、カーボンブラック、活性炭、ナノセルラー炭素発泡体、または部分黒鉛化炭素から選択されるナノ構造または多孔質の不規則炭素材料;(b)単層グラフェンシートまたは多層グラフェンプレートレットから選択されるナノグラフェンプレートレット;(c)単層カーボンナノチューブまたは多層カーボンナノチューブから選択されるカーボンナノチューブ;(d)カーボンナノファイバ、ナノワイヤ、金属酸化物ナノワイヤもしくは繊維、導電性ポリマーナノファイバ、またはそれらの組合せ;(e)カルボニル含有有機またはポリマー分子;(f)カルボニル基、カルボキシル基、またはアミン基を含有する機能性材料;ならびにそれらの組合せからなる群から選択することができる。 Alternatively, the cathode active material can be selected from functional or nanostructured materials having alkali metal ion trapping functional groups or alkali metal ion storage surfaces in direct contact with the electrolyte. Preferably, the functional group reacts reversibly with alkali metal ions, forms redox pairs with alkali metal ions, or forms chemical complexes with alkali metal ions. The functional or nanostructured material is selected from (a) soft carbon, hard carbon, polymeric carbon or carbonized resin, mesophase carbon, coke, carbonized pitch, carbon black, activated carbon, nanocellular carbon foam, or partially graphitized carbon. (b) nanographene platelets selected from single-walled graphene sheets or multi-walled graphene platelets; (c) carbon nanotubes selected from single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes. (d) carbon nanofibers, nanowires, metal oxide nanowires or fibers, conductive polymer nanofibers, or combinations thereof; (e) carbonyl-containing organic or polymeric molecules; (f) carbonyl, carboxyl, or amine groups. and combinations thereof.

機能性材料またはナノ構造材料は、ポリ(2,5-ジヒドロキシ-1,4-ベンゾキノン-3,6-メチレン)、Na(x=1~3)、Na(C)、Na(テレフタル酸Na)、Na(trans-trans-ムコン酸Li)、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物(PTCDA)スルフィドポリマー、PTCDA、1,4,5,8-ナフタレン-テトラカルボン酸二無水物(NTCDA)、ベンゼン-1,2,4,5-テトラカルボン酸二無水物、1,4,5,8-テトラヒドロキシアントラキノン(anthraquinon)、テトラヒドロキシ-p-ベンゾキノン、およびそれらの組合せからなる群から選択することができる。望ましくは機能性材料またはナノ構造材料は、-COOH、=O、-NH、-OR、または-COORから選択される官能基を有し、ここでRは炭化水素基である。 Functional or nanostructured materials include poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-methylene), Na x C 6 O 6 (x=1-3), Na 2 (C 6 H 2 O 4 ), Na 2 C 8 H 4 O 4 (sodium terephthalate), Na 2 C 6 H 4 O 4 (trans-trans-muconic acid Li), 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid di anhydride (PTCDA) sulfide polymer, PTCDA, 1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride (NTCDA), benzene-1,2,4,5-tetracarboxylic dianhydride, 1,4 , 5,8-tetrahydroxyanthraquinones, tetrahydroxy-p-benzoquinones, and combinations thereof. Desirably the functional or nanostructured material has functional groups selected from -COOH, =O, -NH2 , -OR, or -COOR, where R is a hydrocarbon group.

有機材料またはポリマー材料は、ポリ(アントラキノニルスルフィド)(PAQS)、リチウムオキソカーボン、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物(PTCDA)、ポリ(アントラキノニルスルフィド)、ピレン-4,5,9,10-テトラオン(PYT)、ポリマー結合PYT、キノ(トリアゼン)、酸化還元活性有機材料、テトラシアノキノジメタン(TCNQ)、テトラシアノエチレン(TCNE)、2,3,6,7,10,11-ヘキサメトキシトリフェニレン(HMTP)、ポリ(5-アミノ-1,4-ジヒドロキシアントラキノン)(PADAQ)、ホスファゼンジスルフィドポリマー([(NPS]n)、リチウム化された1,4,5,8-ナフタレンテトラオールホルムアルデヒドポリマー、ヘキサアザトリナフチレン(HATN)、ヘキサアザトリフェニレンヘキサカルボニトリル(HAT(CN))、5-ベンジリデンヒダントイン、イサチンリチウム塩、ピロメリットジイミドリチウム塩、テトラヒドロキシ-p-ベンゾキノン誘導体(THQLi)、N,N’-ジフェニル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(PHP)、N,N’-ジアリル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(AP)、N,N’-ジプロピル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(PRP)、チオエーテルポリマー、キノン化合物、1,4-ベンゾキノン、5,7,12,14-ペンタセンテトロン(PT)、5-アミノ-2,3-ジヒドロ-1,4-ジヒドロキシアントラキノン(ADDAQ)、5-アミノ-1,4-ジヒドロキシアントラキノン(ADAQ)、カリックスキノン、Li、Li、Li、またはこれらの組合せから選択されることがある。 Organic or polymeric materials include poly(anthraquinonyl sulfide) (PAQS), lithium oxocarbons, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), poly(anthraquinonyl sulfide), pyrene -4,5,9,10-tetraone (PYT), polymer-bound PYT, quino (triazene), redox-active organic material, tetracyanoquinodimethane (TCNQ), tetracyanoethylene (TCNE), 2,3,6 ,7,10,11-hexamethoxytriphenylene (HMTP), poly(5-amino-1,4-dihydroxyanthraquinone) (PDAQ), phosphazene disulfide polymer ([(NPS 2 ) 3 ]n), lithiated 1 , 4,5,8-naphthalene tetraol formaldehyde polymer, hexaazatrinaphthylene (HATN), hexaazatriphenylene hexacarbonitrile (HAT(CN) 6 ), 5-benzylidenehydantoin, isatin lithium salt, pyromellitic diimide lithium salt, tetrahydroxy-p-benzoquinone derivative (THQLi 4 ), N,N'-diphenyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (PHP), N,N'-diallyl-2,3,5,6 - tetraketopiperazine (AP), N,N'-dipropyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (PRP), thioether polymer, quinone compound, 1,4-benzoquinone, 5,7,12,14- pentcentetron (PT), 5-amino-2,3-dihydro-1,4-dihydroxyanthraquinone (ADDQ), 5-amino-1,4-dihydroxyanthraquinone (ADAQ), calixquinone, Li 4 C 6 O 6 , It may be selected from Li2C6O6 , Li6C6O6 , or combinations thereof .

チオエーテルポリマーは、ポリ[メタンテトリル-テトラ(チオメチレン)](PMTTM)、ポリ(2,4-ジチオペンタニレン)(PDTP)、主鎖チオエーテルポリマーとしてポリ(エテン-1,1,2,2-テトラチオール)(PETT)を含むポリマー、共役芳香族成分からなる主鎖を有し、ペンダントとしてチオエーテル側鎖を有する側鎖チオエーテルポリマー、ポリ(2-フェニル-1,3-ジチオラン)(PPDT)、ポリ(1,4-ジ(1,3-ジチオラン-2-イル)ベンゼン)(PDDTB)、ポリ(テトラヒドロベンゾジチオフェン)(PTHBDT)、ポリ[1,2,4,5-テトラキス(プロピルチオ)ベンゼン](PTKPTB、またはポリ[3,4(エチレンジチオ)チオフェン](PEDTT)から選択される。 Thioether polymers include poly[methantetriyl-tetra(thiomethylene)] (PMTTM), poly(2,4-dithiopentanylene) (PDTP), poly(ethene-1,1,2,2-tetrathiol as backbone thioether polymer ) (PETT), a side-chain thioether polymer with a backbone composed of conjugated aromatic moieties and pendant thioether side chains, poly(2-phenyl-1,3-dithiolane) (PPDT), poly( 1,4-di(1,3-dithiolan-2-yl)benzene) (PDDTB), poly(tetrahydrobenzodithiophene) (PTHBDT), poly[1,2,4,5-tetrakis(propylthio)benzene] ( PTKPTB, or poly[3,4(ethylenedithio)thiophene] (PEDTT).

有機材料は、銅フタロシアニン、亜鉛フタロシアニン、スズフタロシアニン、鉄フタロシアニン、鉛フタロシアニン、ニッケルフタロシアニン、バナジルフタロシアニン、フルオロクロムフタロシアニン、マグネシウムフタロシアニン、マンガンフタロシアニン、ジリチウムフタロシアニン、フタロシアニンクロロアルミニウム、カドミウムフタロシアニン、クロロガリウムフタロシアニン、コバルトフタロシアニン、銀フタロシアニン、無金属フタロシアニン、それらの化学的誘導体、またはそれらの組合せから選択されるフタロシアニン化合物から選択されることがある。 Organic materials include copper phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tin phthalocyanine, iron phthalocyanine, lead phthalocyanine, nickel phthalocyanine, vanadyl phthalocyanine, fluorochrome phthalocyanine, magnesium phthalocyanine, manganese phthalocyanine, dilithium phthalocyanine, phthalocyanine chloroaluminum, cadmium phthalocyanine, chlorogallium phthalocyanine, Phthalocyanine compounds selected from cobalt phthalocyanines, silver phthalocyanines, metal-free phthalocyanines, chemical derivatives thereof, or combinations thereof.

リチウムインターカレーション化合物またはリチウム吸収化合物は、金属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属ダイカルコゲナイド、またはそれらの組合せから選択されることがある。好ましくは、リチウムインターカレーション化合物またはリチウム吸収化合物は、ナノワイヤ、ナノディスク、ナノリボン、またはナノプレートレットの形態での、ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、バナジウム、クロム、コバルト、マンガン、鉄、またはニッケルの酸化物、ダイカルコゲナイド、トリカルコゲナイド、硫化物、セレン化物、またはテルル化物から選択される。 The lithium intercalating compound or lithium absorbing compound may be selected from metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, or combinations thereof. Preferably, the lithium intercalating compound or lithium absorbing compound comprises niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt, in the form of nanowires, nanodiscs, nanoribbons, or nanoplatelets. It is selected from manganese, iron or nickel oxides, dichalcogenides, trichalcogenides, sulfides, selenides or tellurides.

本発明者らは、本発明による直接活性材料-電解質注入法によって用意された本発明によるリチウム電池におけるカソード活性材料として、多様な2次元(2D)無機材料を使用することができることを発見した。層状材料は、予想外の電子的特性、およびリチウムイオンに対する良好な親和性を示すことができる2D系の種々の提供源となる。黒鉛は最もよく知られている層状材料であるが、遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)、遷移金属酸化物(TMO)、ならびにBN、BiTe、およびBiSeなどの広範な他の化合物も、2D材料の供給源となり得る。 The inventors have discovered that a wide variety of two-dimensional (2D) inorganic materials can be used as cathode active materials in lithium batteries according to the invention prepared by the direct active material-electrolyte injection method according to the invention. Layered materials provide a variety of sources for 2D systems that can exhibit unexpected electronic properties and good affinity for lithium ions. Graphite is the best-known layered material, but transition metal dichalcogenides (TMDs), transition metal oxides (TMOs), and a wide range of other compounds such as BN , Bi2Te3 , and Bi2Se3 can also be a source of 2D material.

好ましくは、リチウムインターカレーション化合物またはリチウム吸収化合物は、(a)セレン化ビスマスもしくはテルル化ビスマス、(b)遷移金属ダイカルコゲナイドもしくはトリカルコゲナイド、(c)ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、もしくは遷移金属の硫化物、セレン化物、もしくはテルル化物、(d)窒化ホウ素、または(e)それらの組合せ、から選択される無機材料のナノディスク、ナノプレートレット、ナノコーティング、またはナノシートから選択され、ここで、ディスク、プレートレット、またはシートは100nm未満の厚さを有する。リチウムインターカレーション化合物またはリチウム吸収化合物は、(i)セレン化ビスマスもしくはテルル化ビスマス、(ii)遷移金属ダイカルコゲナイドもしくはトリカルコゲナイド、(iii)ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、もしくは遷移金属の硫化物、セレン化物、もしくはテルル化物、(iv)窒化ホウ素、または(v)それらの組合せ、から選択される化合物のナノディスク、ナノプレートレット、ナノコーティング、またはナノシートを含むことがあり、ここで、ディスク、プレートレット、コーティング、またはシートは100nm未満の厚さを有する。 Preferably, the lithium intercalating compound or lithium absorbing compound is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) a transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten , titanium, cobalt, manganese, iron, nickel, or transition metal sulfides, selenides, or tellurides; (d) boron nitride; or (e) combinations thereof. Selected from platelets, nanocoatings or nanosheets, wherein the discs, platelets or sheets have a thickness of less than 100 nm. Lithium intercalating compounds or lithium absorbing compounds include (i) bismuth selenide or bismuth telluride, (ii) transition metal dichalcogenides or trichalcogenides, (iii) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, nanodiscs, nanoplatelets, nanodiscs of compounds selected from sulfides, selenides, or tellurides of cobalt, manganese, iron, nickel, or transition metals, (iv) boron nitride, or (v) combinations thereof Coatings, or nanosheets, may be included, where the discs, platelets, coatings, or sheets have a thickness of less than 100 nm.

単層または数層(最大20層)の非グラフェン2Dナノ材料は、以下のような幾つかの方法によって製造することができる。機械的切断、レーザーアブレーション(例えば、レーザパルスを使用してTMDを単一層までアブレーションする)、液相剥離、および薄膜技法の合成、例えば、PVD(例えば、スパッタリング)、蒸着、気相エピタキシ、液相エピタキシ、化学蒸着エピタキシ、分子線エピタキシ(MBE)、原子層エピタキシ(ALE)、およびそれらのプラズマ型。 Single-layer or few-layer (up to 20 layers) non-graphene 2D nanomaterials can be fabricated by several methods as follows. Mechanical ablation, laser ablation (e.g., using laser pulses to ablate the TMD to a monolayer), liquid phase exfoliation, and synthesis of thin film techniques, e.g., PVD (e.g., sputtering), vapor deposition, vapor phase epitaxy, liquid phase epitaxy, chemical vapor deposition epitaxy, molecular beam epitaxy (MBE), atomic layer epitaxy (ALE), and plasma versions thereof.

広範な電解質を本発明の実施に使用することができる。非水性有機および/またはイオン液体電解質が最も好ましい。本明細書で採用される非水電解質は、電解質塩を非水溶媒に溶解することによって生成されることがある。リチウム二次電池の溶媒として採用されている任意の既知の非水溶媒を採用することができる。主として、炭酸エチレン(EC)と、上記炭酸エチレンよりも融点が低く、ドナー数が18以下の非水溶媒の少なくとも1種とを含む混合溶媒からなる非水溶媒(本明細書では以後、第2の溶媒と呼ぶ)を好ましくは採用することができる。この非水溶媒は、(a)黒鉛構造で良好に生じた炭質物を含む負電極に対して安定であり、(b)電解質の還元または酸化分解を抑制するのに効果的であり、かつ(c)導電率が高いという利点がある。炭酸エチレン(EC)のみから構成される非水電解質は、黒鉛化炭質物による還元により、分解に対して比較的安定であるという利点がある。しかし、ECの融点は39~40℃と比較的高く、ECの粘度も比較的高く、そのためECの導電率は低く、したがって、EC単独では、室温以下で動作させる二次電池用電解質として使用するには不適切である。ECとの混合物中で使用される第2の溶媒は、溶媒混合物の粘度をEC単独の粘度よりも低くし、それにより混合溶媒のイオン導電率を高める働きをする。さらに、ドナー数が18以下(炭酸エチレンのドナー数は16.4)の第2の溶媒を用いると、上記炭酸エチレンを容易にかつ選択的にリチウムイオンで溶媒和することができ、したがって、十分に黒鉛化して生成された炭質物との第2の溶媒の還元反応は抑制されると仮定される。さらに、第2の溶媒のドナー数が18以下に制御されるとき、リチウム電極への酸化分解電位を4V以上に容易に上昇させることができ、それにより高電圧のリチウム二次電池を製造することが可能になる。 A wide variety of electrolytes can be used in the practice of the invention. Non-aqueous organic and/or ionic liquid electrolytes are most preferred. Non-aqueous electrolytes employed herein may be produced by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent. Any known nonaqueous solvent that is employed as a solvent for lithium secondary batteries can be employed. A non-aqueous solvent (hereinafter referred to as a second (referred to as the solvent of ) can preferably be employed. The non-aqueous solvent is (a) stable to negative electrodes containing well-formed carbonaceous materials in a graphite structure, (b) effective in inhibiting reduction or oxidative decomposition of the electrolyte, and ( c) It has the advantage of high electrical conductivity. A non-aqueous electrolyte composed only of ethylene carbonate (EC) has the advantage of being relatively stable against decomposition due to reduction by a graphitized carbonaceous material. However, the melting point of EC is relatively high at 39 to 40° C., and the viscosity of EC is relatively high, so the conductivity of EC is low. Therefore, EC alone is used as an electrolyte for secondary batteries that operate below room temperature is inappropriate for The second solvent used in the mixture with EC serves to make the solvent mixture less viscous than EC alone, thereby increasing the ionic conductivity of the mixed solvent. Furthermore, the use of a second solvent having a donor number of 18 or less (ethylene carbonate has a donor number of 16.4) allows the ethylene carbonate to be easily and selectively solvated with lithium ions, thus sufficiently It is hypothesized that the reduction reaction of the second solvent with the carbonaceous material produced by graphitization of 1 is inhibited. Furthermore, when the number of donors in the second solvent is controlled to 18 or less, the oxidative decomposition potential to the lithium electrode can be easily increased to 4 V or more, thereby producing a high voltage lithium secondary battery. becomes possible.

好ましい第2の溶媒は、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸ジエチル(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、炭酸プロピレン(PC)、γ-ブチロラクトン(γ-BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、蟻酸プロピル(PF)、蟻酸メチル(MF)、トルエン、キシレン、および酢酸メチル(MA)である。これらの第2の溶媒は、単独で採用されても、2種以上の組合せで採用されてもよい。より望ましくは、この第2の溶媒は、16.5以下のドナー数を有するものから選択されるべきである。この第2の溶媒の粘度は、好ましくは、25℃で28cps以下にすべきである。 Preferred second solvents are dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), ethyl propionate, methyl propionate, propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γ-BL), acetonitrile (AN), ethyl acetate (EA), propyl formate (PF), methyl formate (MF), toluene, xylene, and methyl acetate (MA). These second solvents may be employed alone or in combination of two or more. More desirably, this second solvent should be selected from those having a donor number of 16.5 or less. The viscosity of this second solvent should preferably be no greater than 28 cps at 25°C.

混合溶媒中の上記炭酸エチレンの混合比は、好ましくは、10~80体積%にすべきである。炭酸エチレンの混合比がこの範囲外になる場合、溶媒の導電率が低下されることがあり、または溶媒がより分解しやすくなる傾向があり、それにより充放電効率が悪化する。炭酸エチレンのより好ましい混合比は、20~75体積%である。非水溶媒中の炭酸エチレンの混合比が20体積%以上に増加されるとき、リチウムイオンに対する炭酸エチレンの溶媒和効果が促進され、溶媒分解抑制効果を向上させることができる。 The mixing ratio of the ethylene carbonate in the mixed solvent should preferably be 10-80% by volume. If the mixing ratio of ethylene carbonate is out of this range, the conductivity of the solvent may be lowered, or the solvent tends to decompose more easily, thereby deteriorating the charge-discharge efficiency. A more preferable mixing ratio of ethylene carbonate is 20 to 75% by volume. When the mixing ratio of ethylene carbonate in the non-aqueous solvent is increased to 20% by volume or more, the solvation effect of ethylene carbonate on lithium ions is promoted, and the effect of inhibiting solvent decomposition can be improved.

好ましい混合溶媒の例は、ECおよびMECを含む組成物;EC、PC、およびMECを含む組成物;EC、MEC、およびDECを含む組成物;EC、MEC、およびDMCを含む組成物;ならびにEC、MEC、PC、およびDECを含む組成物であり、MECの体積比は30~80%の範囲内で制御される。MECの体積比を30~80%、より好ましくは40~70%の範囲から選択することによって、溶媒の導電率を向上させることができる。溶媒の分解反応を抑制する目的で、二酸化炭素を溶解した電解質を採用し、それにより電池の容量とサイクル寿命の両方を効果的に改良することができる。非水電解質中に取り込まれる電解質塩は、過塩素酸リチウム(LiClO)、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)、ホウフッ化リチウム(LiBF)、ヘキサフルオロヒ酸リチウム(LiAsF)、トリフルオロ-メタスルホン酸リチウム(LiCFSO)、およびビス-トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CFSO]などのリチウム塩から選択されることがある。それらの中でも、LiPF、LiBF、およびLiN(CFSOが好ましい。 Examples of preferred mixed solvents are compositions comprising EC and MEC; compositions comprising EC, PC and MEC; compositions comprising EC, MEC and DEC; compositions comprising EC, MEC and DMC; , MEC, PC and DEC, and the volume ratio of MEC is controlled within the range of 30-80%. By selecting the volume ratio of MEC from the range of 30-80%, more preferably 40-70%, the conductivity of the solvent can be improved. For the purpose of suppressing the decomposition reaction of the solvent, the electrolyte with dissolved carbon dioxide can be employed, thereby effectively improving both the capacity and the cycle life of the battery. Electrolyte salts incorporated into the non-aqueous electrolyte include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), trifluoro -lithium metasulfonate (LiCF 3 SO 3 ), and lithium salts such as lithium bis-trifluoromethylsulfonylimide [LiN(CF 3 SO 2 ) 2 ]. Among them, LiPF 6 , LiBF 4 and LiN(CF 3 SO 2 ) 2 are preferred.

非水性溶媒中の前述の電解質塩の含有量は、好ましくは2.5M(mol/l)を超え、より好ましくは>3.0M、さらにより好ましくは>5.0M、さらにより好ましくは>7.0M、および最も好ましくは>10Mである。アルカリ金属塩をより高い濃度で含有する電解質によって、製造中、またはケーブル電池が曲がったりねじれたりする間に、漏れの傾向が生じないケーブル型電池の形成がより容易になる。さらに驚くべきことに、本発明者らは、塩濃度が3.5Mを超えると、大部分の電解質が難燃性になることを確認した。一部は3.0Mを超える、またはわずか>2.5Mの塩濃度で難燃性となる。電池科学者および技術者は、より高い濃度は、より高い粘度およびより低いイオン移動度を意味し、したがってより低いアルカリイオン伝導率を意味するものと予想するであろう。本発明者らは、この傾向は一般に0.01M~2.0Mの塩濃度範囲の場合に当てはまることを見出した。しかし、非常に予期せぬことに、濃度が閾値レベル(典型的には2.1~3.0Mの間)を超えるまで増加した後に、アルカリイオン伝導率(Li、Na、およびKイオン)が増加し始める。 The content of said electrolyte salt in the non-aqueous solvent is preferably above 2.5M (mol/l), more preferably >3.0M, even more preferably >5.0M, even more preferably >7 .0M, and most preferably >10M. Electrolytes containing higher concentrations of alkali metal salts make it easier to form cable cells that are not prone to leakage during manufacture or while the cable cells are flexed or twisted. Even more surprisingly, the inventors have determined that most electrolytes become flame retardant when the salt concentration exceeds 3.5M. Some become flame retardant at salt concentrations above 3.0M or only >2.5M. Battery scientists and engineers would expect higher concentrations to mean higher viscosities and lower ionic mobilities, and thus lower alkali ion conductivity. We have found that this trend is generally true for the salt concentration range of 0.01M to 2.0M. However, quite unexpectedly, alkali ion conductivity (Li + , Na + , and K + ions) begin to increase.

イオン液体はイオンのみから構成されている。イオン液体は、所望の温度を超えたときには融解状態または液体状態になる低融解温度の塩である。例えば、塩は、その融点が100℃未満である場合にイオン液体とみなされる。融解温度が室温(25℃)以下である場合、塩は室温イオン液体(RTIL)と呼ばれる。IL塩は、大きなカチオンと電荷非局在化アニオンとの組合せによる弱い相互作用によって特徴付けられる。これは、可撓性(アニオン)および非対称性(カチオン)による結晶化の傾向を低減する。 Ionic liquids are composed only of ions. Ionic liquids are salts with low melting temperatures that become molten or liquid when a desired temperature is exceeded. For example, a salt is considered an ionic liquid if its melting point is below 100°C. If the melting temperature is below room temperature (25° C.), the salt is called a room temperature ionic liquid (RTIL). IL salts are characterized by weak interactions in combination with large cations and charge-delocalized anions. This reduces the propensity for crystallization due to flexibility (anions) and asymmetry (cations).

典型的なよく知られているイオン液体は、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム(EMI)カチオンと、N,N-ビス(トリフルオロメタン)スルホンアミド(TFSI)アニオンとの組合せによって形成される。この組合せにより、最大約300~400℃で、多くの有機電解質溶液と同等のイオン導電率、ならびに低い分解性および低い蒸気圧を有する流体が得られる。これは、一般に低い揮発性および非引火性、したがって電池に関してはるかに安全な電解質を示唆する。 A typical well-known ionic liquid is formed by combining the 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMI) cation with the N,N-bis(trifluoromethane)sulfonamide (TFSI) anion. This combination results in a fluid with ionic conductivity comparable to many organic electrolyte solutions up to about 300-400° C., as well as low degradability and low vapor pressure. This suggests electrolytes with generally lower volatility and non-flammability, and thus much safer for batteries.

イオン液体は、基本的には、多様な成分の調製が容易であることにより、本質的に無制限の数の構造変化を生じる有機イオンから構成される。したがって、様々な種類の塩を使用して、所与の用途に合わせて所望の特性を有するイオン液体を設計することができる。これらは、とりわけ、カチオンとしてのイミダゾリウム、ピロリジニウム、および第四級アンモニウム塩と、アニオンとしてのビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、およびヘキサフルオロホスフェートとを含む。それらの組成に基づいて、イオン液体は、基本的には非プロトン性型、プロトン性型、および双性イオン型を含む異なるクラスに入り、それぞれが特定の用途に適している。 Ionic liquids are basically composed of organic ions that undergo an essentially unlimited number of structural changes due to the ease of preparing a wide variety of components. Therefore, different types of salts can be used to design ionic liquids with desired properties for a given application. These include, inter alia, imidazolium, pyrrolidinium and quaternary ammonium salts as cations and bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, bis(fluorosulfonyl)imide and hexafluorophosphate as anions. Based on their composition, ionic liquids basically fall into different classes, including aprotic, protic, and zwitterionic forms, each suitable for specific applications.

室温イオン液体(RTIL)の一般的なカチオンとしては、限定はしないが、テトラアルキルアンモニウム、ジ-、トリ-、およびテトラ-アルキルイミダゾリウム、アルキルピリジニウム、ジアルキルピロリジニウム、ジアルキルピペリジニウム、テトラアルキルホスホニウム、ならびにトリアルキルスルホニウムが挙げられる。RTILの一般的なアニオンとしては、限定はしないが、BF 、B(CN) 、CHBF 、CH2CHBF 、CFBF 、CBF 、n-CBF 、n-CBF 、PF 、CFCO 、CFSO 、N(SOCF 、N(COCF)(SOCF、N(SOF) 、N(CN) 、C(CN) 、SCN、SeCN、CuCl 、AlCl 、F(HF)2.3 などが挙げられる。相対的に言えば、イミダゾリウムまたはスルホニウムベースのカチオンと、AlCl 、BF 、CFCO 、CFSO 、NTf 、N(SOF) 、またはF(HF)2.3 などの錯体ハロゲン化物アニオンとの組合せが、良好な動作伝導率を有するRTILをもたらす。 Common cations of room temperature ionic liquids (RTILs) include, but are not limited to, tetraalkylammonium, di-, tri-, and tetra-alkylimidazolium, alkylpyridinium, dialkylpyrrolidinium, dialkylpiperidinium, tetra Alkylphosphoniums, as well as trialkylsulfoniums are mentioned. Common anions of RTIL include, but are not limited to, BF 4 , B(CN) 4 , CH 3 BF 3 , CH2CHBF 3 , CF 3 BF 3 , C 2 F 5 BF 3 , n -C3F7BF3- , n - C4F9BF3- , PF6- , CF3CO2- , CF3SO3- , N ( SO2CF3 ) 2- , N ( COCF3 ) (SO 2 CF 3 ) , N(SO 2 F) 2 , N(CN) 2 , C(CN) 3 , SCN , SeCN , CuCl 2 , AlCl 4 , F(HF) 2 .3 - and the like. Relatively speaking, imidazolium or sulfonium-based cations and AlCl 4 , BF 4 , CF 3 CO 2 , CF 3 SO 3 , NTf 2 , N(SO 2 F) 2 , or F Combinations with complex halide anions such as (HF) 2.3 - lead to RTILs with good operational conductivity.

RTILは、高い固有のイオン導電率、高い熱安定性、低い揮発性、低い(実質的にゼロの)蒸気圧、非引火性、室温よりも上および下の広い温度範囲で液体を維持する機能、高い極性、高い粘度、および広い電気化学的窓など、典型的な特性を有することができる。高い粘度を除いて、これらの特性は、スーパーキャパシタにおける電解質成分(塩および/または溶媒)としてRTILを使用する際に望ましい特性である。 RTILs have high intrinsic ionic conductivity, high thermal stability, low volatility, low (substantially zero) vapor pressure, non-flammability, and the ability to remain liquid over a wide temperature range above and below room temperature. , high polarity, high viscosity, and a wide electrochemical window. These properties, with the exception of high viscosity, are desirable properties when using RTILs as electrolyte components (salts and/or solvents) in supercapacitors.

本発明によるケーブル型電池は多くの独特の特徴を有し、いくつかのこれらの特徴および利点は以下のようにまとめられる:
定義によると、ケーブル形状は、アスペクト比(長さ対直径または長さ対厚さの比)が少なくとも10、好ましくは少なくとも20である長さおよび直径もしくは厚さを有する形状を意味する。ケーブル型アルカリ金属電池は1mを超え、またはさらには100mを超える長さを有することができる。この長さは1μmの短さであってよいが、典型的には10μm~10m、より典型的には数マイクロメートル~数メートルであってよい。実際に、この種類のケーブル電池の長さに対する理論的制限はない。
A cable-type battery according to the present invention has many unique features, some of these features and advantages are summarized below:
By definition, cable geometry means a geometry having a length and diameter or thickness with an aspect ratio (ratio of length to diameter or length to thickness) of at least 10, preferably at least 20. A cabled alkali metal battery can have a length of over 1 m, or even over 100 m. This length can be as short as 1 μm, but typically between 10 μm and 10 m, more typically between a few micrometers and a few meters. In fact, there is no theoretical limit to the length of this type of cable battery.

本発明によるケーブル型アルカリ金属電池は可撓性であるので、この電池は、10cmを超える曲率半径を有するように容易に曲げることができる。この電池は、乗り物内の間隙または内部区画の形状に実質的に適合するように曲げることができる。この間隙または内部区画は、トランク、ドア、ハッチ、スペアタイヤ区画、シート下の領域、またはダッシュボード下の領域であってよい。電池は、乗り物から取り外し可能であり、異なる間隙または内部区画の形状に適合するように曲げることができる。 Because the cabled alkali metal battery according to the invention is flexible, the battery can be easily bent to have a radius of curvature greater than 10 cm. The battery can be bent to substantially conform to the shape of a void or interior compartment within the vehicle. This gap or interior compartment may be the trunk, door, hatch, spare tire compartment, area under the seat, or area under the dashboard. The battery is removable from the vehicle and can be bent to fit different gap or interior compartment shapes.

本発明のケーブル型電池の1つ以上のユニットを衣類、ベルト、かばんのストラップ、兵器のストラップ、楽器のストラップ、ヘルメット、帽子、ブーツ、フットカバー、手袋、リストカバー、時計のバンド、宝石類、動物用カラー、または動物用ハーネスの中に組み込むことができる。 One or more units of the cable type battery of the present invention may be used in clothing, belts, luggage straps, weapon straps, musical instrument straps, helmets, hats, boots, foot covers, gloves, wrist covers, watch bands, jewelry, It can be incorporated into an animal collar or animal harness.

本発明のケーブル型電池の1つ以上のユニットは、取り外し可能に組み込まれた衣類、ベルト、かばんのストラップ、兵器のストラップ、楽器のストラップ、ヘルメット、帽子、ブーツ、フットカバー、手袋、リストカバー、時計のバンド、宝石類、動物用カラー、または動物用ハーネスであってよい。 One or more units of the cable type battery of the present invention may be used in removably incorporated clothing, belts, luggage straps, weapon straps, musical instrument straps, helmets, hats, boots, foot covers, gloves, wrist covers, It may be a watch band, jewelry, animal collar, or animal harness.

さらに、本発明による電池は、中空の自転車フレームの内半径に適合する。 Furthermore, the battery according to the invention fits the inner radius of the hollow bicycle frame.

以下では、本発明を実施する最良の形態を示すために、多数の異なるタイプのアノード活性材料、カソード活性材料、および導電性多孔質層(例えば、黒鉛発泡体、グラフェン発泡体、および金属発泡体)の例を提供する。これらの例示的な実施例、ならびに本明細書および図面の他の箇所は、個別にまたは組合せて、当業者が本発明を実施できるようにするのに十分すぎるものである。しかし、これらの実施例は、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。 A number of different types of anode active materials, cathode active materials, and electrically conductive porous layers (e.g., graphite foams, graphene foams, and metal foams) are described below to illustrate the best mode of practicing the invention. ). These illustrative examples, as well as the rest of the specification and drawings, individually or in combination, are more than sufficient to enable those skilled in the art to practice the invention. However, these examples should not be construed as limiting the scope of the invention.

実施例1:集電体としての電子伝導性多孔質ロッドまたは層の説明的な例
様々な種類の金属発泡体、炭素発泡体および微細金属ウェブ/スクリーンは、アノードまたはカソード中の導電性多孔質ロッドまたは層(集電体として機能する)として使用するために市販されており;例えばNi発泡体、Cu発泡体、Al発泡体、Ti発泡体、Niメッシュ/ウェブ、ステンレス鋼繊維メッシュなどである。金属被覆ポリマー発泡体および炭素発泡体も集電体として使用される。目に見える大きさのケーブル型の可撓性で形状適合性の電池を製造する場合、これらの伝導性多孔質層の最も望ましい厚さは50~1000μmであり、好ましくは100~800μmであり、より好ましくは200~600μmである。微細なケーブル型電池(例えば100nm~100μmの直径を有する)を製造する場合、グラフェン発泡体、グラフェンエアロゲル発泡体、多孔質炭素繊維(例えば、ポリマー繊維のエレクトロスピニング、そのポリマー繊維の炭化、および得られた炭素繊維の活性化によって製造される)、および多孔質黒鉛繊維を用いて、電極活性材料および電解質の混合物を収容することができる。
Example 1: Illustrative Examples of Electronically Conducting Porous Rods or Layers as Current Collectors Various types of metal foams, carbon foams and fine metal webs/screens can be used as conductive porous rods in anodes or cathodes. Commercially available for use as rods or layers (to act as current collectors); e.g. Ni foam, Cu foam, Al foam, Ti foam, Ni mesh/web, stainless steel fiber mesh, etc. . Metal-coated polymer foams and carbon foams are also used as current collectors. The most desirable thickness of these conductive porous layers is between 50 and 1000 μm, preferably between 100 and 800 μm, for the production of cable-type, flexible, conformable batteries of visible size, More preferably 200 to 600 μm. For the fabrication of microscopic cable cells (eg, with diameters of 100 nm to 100 μm), graphene foams, graphene airgel foams, porous carbon fibers (eg, electrospinning of polymer fibers, carbonization of the polymer fibers, and (manufactured by the activation of sintered carbon fibers), and porous graphite fibers can be used to accommodate mixtures of electrode active materials and electrolytes.

実施例2:Ni発泡体テンプレート上に支持されたNi発泡体およびCVDグラフェン発泡体ベースの多孔質層
CVDグラフェン発泡体を製造するための手順は、以下の公開されている文献で開示されるものから適合した:Chen,Z.et al.“Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition,” Nature Materials,10,424-428(2011)。ニッケル発泡体、ニッケルの相互接続された3D足場を有する多孔質構造を、グラフェン発泡体の成長のためのテンプレートとして選択した。簡潔には、周囲圧力下にて1000℃でCHを分解することによって炭素をニッケル発泡体に導入し、次いでニッケル発泡体の表面にグラフェンフィルムを堆積させた。ニッケルとグラフェンの熱膨張係数の相違により、グラフェンフィルムに波形や皺が生じた。この実施例で形成された4つのタイプの発泡体、すなわちNi発泡体、CVDグラフェン被覆Ni発泡体、CVDグラフェン発泡体(Niはエッチング除去される)、および導電性ポリマー結合CVDグラフェン発泡体を、本発明によるリチウム電池での集電体として使用した。
Example 2: Ni-foam supported on Ni-foam template and porous layer based on CVD graphene foam Procedures for making CVD graphene foam are disclosed in the following published literature Adapted from: Chen, Z.; et al. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition," Nature Materials, 10, 424-428 (2011). Nickel foam, a porous structure with interconnected 3D scaffolds of nickel, was selected as a template for the growth of graphene foam. Briefly, carbon was introduced into the nickel foam by decomposing CH4 at 1000 °C under ambient pressure, and then a graphene film was deposited on the surface of the nickel foam. Due to the difference in thermal expansion coefficient between nickel and graphene, the graphene film was wavy and wrinkled. The four types of foams formed in this example: Ni foams, CVD graphene-coated Ni foams, CVD graphene foams (where the Ni is etched away), and conductive polymer-bonded CVD graphene foams. It was used as a current collector in a lithium battery according to the present invention.

支持Ni発泡体からグラフェン発泡体を回収(分離)するために、Niフレームをエッチング除去した。Chenらによって提案された手順では、高温HCl(またはFeCl3)溶液によってニッケル骨格をエッチング除去する前に、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)の薄層を支持体としてグラフェンフィルムの表面に堆積して、ニッケルエッチング中にグラフェンネットワークが崩壊するのを防止した。高温のアセトンによってPMMA層を注意深く除去した後、脆弱なグラフェン発泡体試料が得られた。PMMA支持層の使用は、グラフェン発泡体の自立フィルムの作製に重要であると考えられていた。その代わりに、粘結剤樹脂として導電性ポリマーを使用して、グラフェンを一体に保持するとともに、Niをエッチングで除去した。グラフェン発泡体またはNi発泡体の厚さ範囲は35μm~600μmであった。 The Ni frame was etched away to recover (separate) the graphene foam from the supporting Ni foam. In the procedure proposed by Chen et al., a thin layer of poly(methyl methacrylate) (PMMA) is deposited on the surface of the graphene film as a support before etching away the nickel framework by hot HCl (or FeCl) solution, It prevented the graphene network from collapsing during nickel etching. After careful removal of the PMMA layer with hot acetone, brittle graphene foam samples were obtained. The use of PMMA support layers was thought to be important for making free-standing films of graphene foam. Instead, a conductive polymer was used as the binder resin to hold the graphene together while etching away the Ni. The thickness range of graphene foam or Ni foam was 35 μm to 600 μm.

本発明において使用されるNi発泡体またはCVDグラフェン発泡体の層は、アノードまたはカソードまたはその両方の構成要素(アノードまたはカソードの活性材料+任意選択の導電性添加剤+液体電解質)を収容するための導電性多孔質層(CPL)として意図される。例えば、有機液体電解質(例えばPC-EC中に溶解させた1~5.5MのLiPF)中に分散させたSiナノ粒子からゲル状材料を形成し、これをフィーダーローラーから連続的に供給されるNi発泡体の多孔質表面に送給して、アノード電極ローラーを形成した(図1(C)の概略図A中に示される)。 The layer of Ni foam or CVD graphene foam used in the present invention is used to house the anode and/or cathode components (active material of anode or cathode + optional conductive additive + liquid electrolyte). is intended as a conductive porous layer (CPL) of. For example, a gel-like material is formed from Si nanoparticles dispersed in an organic liquid electrolyte (eg, 1-5.5 M LiPF 6 dissolved in PC-EC), which is continuously fed from a feeder roller. was delivered to the porous surface of the Ni foam to form an anode electrode roller (shown in schematic A of FIG. 1(C)).

同じ液体電解質中に分散させたグラフェン担持LFPナノ粒子からカソードスラリを形成し、これを連続Ni発泡体層の2つの多孔質表面上に噴霧して、カソード電極を形成した。発泡体細孔中に含浸させたSiナノ粒子電解質混合物を含有する多孔質の発泡体ロッド(第1の電極)を多孔質セパレータ層(多孔質PE-PPコポリマー)で包み込み、次にこれをLFP系カソード層で包み込んだ。次にこの円筒形構造を薄いポリマーシース中に入れることで、ケーブル型リチウムイオン電池が得られる。 A cathode slurry was formed from graphene-supported LFP nanoparticles dispersed in the same liquid electrolyte and sprayed onto the two porous surfaces of the continuous Ni foam layer to form the cathode electrode. A porous foam rod (first electrode) containing a Si nanoparticle electrolyte mixture impregnated in the foam pores was wrapped with a porous separator layer (porous PE-PP copolymer), which was then subjected to LFP wrapped with a system cathode layer. This cylindrical structure is then encased in a thin polymer sheath, resulting in a cable-style lithium-ion battery.

実施例3:ピッチベースの炭素発泡体からの黒鉛発泡体ベースの導電性多孔質層
ピッチパウダー、顆粒、またはペレットを、発泡体の所望の最終形状を有するアルミニウム鋳型に入れる。Mitsubishi ARA-24メソフェーズピッチを利用した。試料を1トール未満に排気し、次いで約300℃の温度に加熱する。この時点で、真空を解放して窒素ブランケットとし、次いで1,000psiまでの圧力を加えた。次いで、系の温度を800℃に上昇させた。これは2℃/分の速度で行った。温度を少なくとも15分間保って浸漬を実現し、次いで炉の電力を切って約1.5℃/分の速度で室温まで冷却し、それと共に約2psi/分の速度で圧力を解放した。最終的な発泡体の温度は、630℃および800℃であった。冷却サイクル中、圧力は大気条件まで徐々に解放される。次いで、発泡体を窒素ブランケット下で1050℃まで熱処理(炭化)し、次いで、黒鉛るつぼ内で、アルゴン中で2500℃および2800℃(黒鉛化)まで別々に熱処理した。黒鉛発泡体層は75~500μmの厚さ範囲で利用可能である。
Example 3: Graphite Foam-Based Conductive Porous Layer from Pitch-Based Carbon Foam Pitch powder, granules, or pellets are placed in an aluminum mold having the desired final shape of the foam. Mitsubishi ARA-24 mesophase pitch was utilized. The sample is evacuated to less than 1 Torr and then heated to a temperature of approximately 300°C. At this point the vacuum was released to a nitrogen blanket and then pressure was applied to 1,000 psi. The temperature of the system was then raised to 800°C. This was done at a rate of 2°C/min. The temperature was held for at least 15 minutes to achieve immersion, then the furnace power was turned off and allowed to cool to room temperature at a rate of about 1.5° C./min while releasing pressure at a rate of about 2 psi/min. The final foam temperatures were 630°C and 800°C. During the cooling cycle the pressure is gradually released to atmospheric conditions. The foam was then heat treated under a nitrogen blanket to 1050° C. (carbonization) and then separately heat treated in argon to 2500° C. and 2800° C. (graphitization) in graphite crucibles. Graphite foam layers are available in a thickness range of 75-500 μm.

実施例4:天然黒鉛粉末からの酸化グラフェン(GO)および還元酸化グラフェン(RGO)ナノシートの調製
Huadong Graphite Co.(中国、青島)製の天然黒鉛を出発材料として使用した。よく知られているmodified Hummers法に従うことによってGOが得られた。この方法は、2つの酸化段階を含んでいた。典型的な手順において、以下の条件で第1の酸化を実現した。1100mgの黒鉛を1000mLの沸騰フラスコに入れた。次いで、K、20gのP、および400mLの濃縮HSO水溶液(96%)をフラスコに加えた。混合物を還流下で6時間加熱し、次いで室温で20時間安置した。酸化黒鉛を濾過し、中性pHになるまで多量の蒸留水ですすいだ。この最初の酸化の終わりに、ウェットケーキ状物質が回収された。
Example 4: Preparation of Graphene Oxide (GO) and Reduced Graphene Oxide (RGO) Nanosheets from Natural Graphite Powder Huadong Graphite Co.; (Qingdao, China) was used as the starting material. GO was obtained by following the well-known modified Hummers method. This method involved two oxidation stages. In a typical procedure, the first oxidation was achieved under the following conditions. 1100 mg of graphite was placed in a 1000 mL boiling flask. K 2 S 2 O 8 , 20 g of P 2 O 5 and 400 mL of concentrated aqueous H 2 SO 4 (96%) were then added to the flask. The mixture was heated under reflux for 6 hours and then left at room temperature for 20 hours. The graphite oxide was filtered and rinsed with copious amounts of distilled water to neutral pH. At the end of this first oxidation, a wet cake material was collected.

第2の酸化プロセスでは、前に収集されたウェットケーキを、69mLの濃縮HSO水溶液(96%)を含む沸騰フラスコに入れた。9gのKMnOをゆっくりと加えながら、フラスコを氷浴内で保った。過熱を避けるように注意した。得られた混合物を35℃で2時間撹拌し(試料の色が暗い緑色に変わった)、続いて140mLの水を加えた。15分後、420mLの水および15mLの30wt%H水溶液を加えることによって反応を停止させた。この段階での試料の色は、明るい黄色に変わった。金属イオンを除去するために、混合物を濾過し、1:10HCl水溶液ですすいだ。収集した物質を2700gで穏やかに遠心分離し、脱イオン水ですすいだ。最終生成物は、乾燥抽出物から推定されるように、1.4wt%のGOを含むウェットケーキであった。その後、脱イオン水で希釈したウェットケーキ物質を軽く超音波処理することによって、GOプレートレットの液体分散液を得た。 In the second oxidation process, the previously collected wet cake was placed in a boiling flask containing 69 mL of concentrated aqueous H2SO4 ( 96%). The flask was kept in an ice bath while 9 g of KMnO 4 was added slowly. Care was taken to avoid overheating. The resulting mixture was stirred at 35° C. for 2 hours (sample color turned dark green) followed by the addition of 140 mL of water. After 15 minutes, the reaction was quenched by adding 420 mL of water and 15 mL of 30 wt % H 2 O 2 aqueous solution. The color of the sample at this stage turned bright yellow. The mixture was filtered and rinsed with 1:10 aqueous HCl to remove metal ions. Collected material was gently centrifuged at 2700 g and rinsed with deionized water. The final product was a wet cake containing 1.4 wt% GO as estimated from the dry extract. A liquid dispersion of GO platelets was then obtained by lightly sonicating the wet cake material diluted with deionized water.

純水の代わりに界面活性剤水溶液でウェットケーキを希釈することによって、界面活性剤で安定化されたRGO(RGO-BS)を得た。Sigma Aldrichによって提供されているコール酸ナトリウム(50wt%)とデオキシコール酸ナトリウム(50wt%)の塩の市販の混合物を使用した。界面活性剤の重量画分は、0.5wt%であった。全ての試料に関してこの画分を一定に保った。13mmステップディストラクタホーンと、3mmテーパ付きマイクロチップとを備え、20kHzの周波数で動作するBranson Sonifier S-250Aを使用して超音波処理を行った。例えば、0.1wt%のGOを含む水溶液10mLを10分間超音波処理し、その後、2700gで30分間遠心分離して、溶解していない大きな粒子、凝集物、および不純物を除去した。0.1wt%のGO水溶液10mLを50mL沸騰フラスコに入れることを含む方法に従うことによって、RGOを生成するために、上記のようにして得られたGOの化学的還元を行った。次いで、界面活性剤によって安定化させた混合物に、35wt%のN(ヒドラジン)水溶液10μLおよび28wt%のNHOH(アンモニア)水溶液70mLを加えた。溶液を90℃に加熱し、1時間還流させた。反応後に測定されたpH値は約9だった。還元反応中、試料の色は暗黒色に変わった。 Surfactant-stabilized RGO (RGO-BS) was obtained by diluting the wet cake with an aqueous surfactant solution instead of pure water. A commercial mixture of salts of sodium cholate (50 wt%) and sodium deoxycholate (50 wt%) provided by Sigma Aldrich was used. The weight fraction of surfactant was 0.5 wt%. This fraction was kept constant for all samples. Sonication was performed using a Branson Sonifier S-250A equipped with a 13 mm step distractor horn and a 3 mm tapered microtip operating at a frequency of 20 kHz. For example, 10 mL of an aqueous solution containing 0.1 wt % GO was sonicated for 10 minutes and then centrifuged at 2700 g for 30 minutes to remove undissolved large particles, aggregates, and impurities. Chemical reduction of GO obtained as described above was carried out to produce RGO by following a method comprising placing 10 mL of 0.1 wt % GO aqueous solution in a 50 mL boiling flask. To the surfactant-stabilized mixture was then added 10 μL of 35 wt % aqueous N 2 H 4 (hydrazine) and 70 mL of 28 wt % aqueous NH 4 OH (ammonia). The solution was heated to 90° C. and refluxed for 1 hour. The pH value measured after the reaction was about 9. The color of the sample turned dark black during the reduction reaction.

本発明による幾つかのリチウム電池では、アノード活性材料およびカソード活性材料のいずれかまたは両方での導電性添加剤としてRGOを使用した。プレリチウム化RGO(例えばRGO+リチウム粒子、またはリチウムコーティングをあらかじめ堆積したRGO)も、液体電解質と混合して選択されたリチウムイオンセルに使用する湿潤アノード活性材料混合物を形成するアノード活性材料として使用した。選択されたカソード活性材料(それぞれTiSナノ粒子およびLiCoO粒子)および非リチウム化RGOシートを液体電解質中に分散させて、湿潤カソード活性材料混合物を調製した。それぞれアノード層およびカソード層を形成するために、湿潤アノード活性混合物および湿潤カソード活性混合物を黒鉛発泡体の表面に個別に送給した。次にケーブル型電池を製造し、ここでコア構造(第1の電極)はアノードまたはカソードのいずれかであり、第2の電極は対応する対極(カソードまたはアノードのいずれか)であった。 Some lithium batteries according to the present invention used RGO as a conductive additive in either or both of the anode and cathode active materials. Prelithiated RGO (e.g., RGO + lithium particles, or RGO pre-deposited with a lithium coating) was also used as an anode active material mixed with a liquid electrolyte to form a wet anode active material mixture for use in selected lithium ion cells. . Selected cathode active materials (TiS 2 nanoparticles and LiCoO 2 particles, respectively) and non-lithiated RGO sheets were dispersed in liquid electrolyte to prepare wet cathode active material mixtures. A wet anode active mixture and a wet cathode active mixture were separately delivered to the surface of the graphite foam to form the anode layer and the cathode layer, respectively. Cable type cells were then fabricated where the core structure (first electrode) was either the anode or cathode and the second electrode was the corresponding counter electrode (either cathode or anode).

比較のために、従来の電極を製造するためにスラリコーティングおよび乾燥手順を行った。次いで、電極と、2つの乾燥した電極間に配設されたセパレータとを組み立てて、Al-プラスチック積層パッケージングエンベロープ内に入れ、続いて液体電解質を注入して、従来のリチウム電池セルを形成した。 For comparison, a slurry coating and drying procedure was performed to produce a conventional electrode. The electrodes and a separator disposed between two dry electrodes were then assembled into an Al-plastic laminated packaging envelope followed by injection of a liquid electrolyte to form a conventional lithium battery cell. .

実施例5:純粋なグラフェンのシート(酸素0%)の調製
GOシート中の高欠陥集団が個々のグラフェン面の導電率を低下させるように作用する可能性を認識して、本発明者らは、純粋なグラフェンのシート(例えば、酸化されておらず、酸素を含まない、ハロゲン化されておらず、ハロゲンを含まない)を使用することで、高い導電率および熱伝導率を有する導電性添加剤を得ることができるかどうか研究することにした。プレリチウム化された純粋なグラフェンおよびプレナトリウム化された純粋なグラフェンも、それぞれリチウムイオン電池およびナトリウムイオン電池のアノード活性材料として使用した。直接超音波処理または液相製造法を使用することによって、純粋なグラフェンのシートを製造した。
Example 5 Preparation of Sheets of Pure Graphene (0% Oxygen) Recognizing the possibility that high defect populations in GO sheets act to reduce the conductivity of individual graphene planes, we , by using sheets of pure graphene (e.g., non-oxidized, oxygen-free, non-halogenated, halogen-free) conductive additive with high electrical and thermal conductivity I decided to research if I could get the drug. Prelithiated pure graphene and presodiumated pure graphene were also used as anode active materials for lithium-ion and sodium-ion batteries, respectively. Sheets of pure graphene were fabricated by using direct sonication or liquid-phase fabrication methods.

典型的な手順では、約20μm以下のサイズに粉砕した5グラムの黒鉛フレークを1,000mLの脱イオン水(0.1重量%の分散剤を含む。DuPont社製のZonyl(登録商標)FSO)中に分散させて、懸濁液を得た。グラフェンシートの剥離、分離、およびサイズ減少のために、85Wの超音波エネルギーレベル(Branson S450 Ultrasonicator)を15分~2時間の期間にわたって使用した。得られたグラフェンシートは、一度も酸化されておらず、酸素を含まず、比較的欠陥のない純粋なグラフェンである。純粋なグラフェンは、非炭素元素を本質的に含まない。 In a typical procedure, 5 grams of graphite flakes, ground to a size of about 20 μm or less, were mixed with 1,000 mL of deionized water (containing 0.1 wt % dispersant, Zonyl® FSO from DuPont). to obtain a suspension. An ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 Ultrasonicator) was used for exfoliation, separation, and size reduction of graphene sheets over a period of 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheets are pure graphene that has never been oxidized, does not contain oxygen, and is relatively defect-free. Pure graphene is essentially free of non-carbon elements.

次いで、本発明による手順と、従来のスラリコーティング、乾燥、および積層の手順との両方を使用して、純粋なグラフェンのシートを、導電性添加剤として、アノード活性材料(またはカソードではカソード活性材料)と共に電池に組み込んだ。リチウムイオン電池とリチウム金属電池(カソードのみへの含浸)の両方を調べた。ナトリウムイオンセルについても準備され調べられた。 Sheets of pure graphene are then used as the conductive additive to form the anode active material (or cathode active material for the cathode) using both procedures according to the present invention and conventional slurry coating, drying and lamination procedures. ) in the battery. Both lithium ion and lithium metal batteries (impregnation on cathode only) were investigated. A sodium ion cell was also prepared and investigated.

実施例6:リチウム金属電池のリン酸鉄リチウム(LFP)カソード
無被覆のまたは炭素被覆されたLFP粉末が、幾つかの供給元から市販されている。LFP粉末を圧密して焼結することによって、スパッタリング用のLFPターゲットを調製した。グラフェンフィルム上、およびそれとは別にカーボンナノファイバ(CNF)マット上で、LFPのスパッタリングを行った。次いで、LFP被覆グラフェンフィルムを破砕して粉末化して、LFP被覆グラフェンシートを形成した。
Example 6 Lithium Iron Phosphate (LFP) Cathodes for Lithium Metal Batteries Uncoated or carbon-coated LFP powders are commercially available from several sources. LFP targets for sputtering were prepared by compacting and sintering LFP powder. Sputtering of LFPs was carried out on graphene films and separately on carbon nanofiber (CNF) mats. The LFP-coated graphene films were then crushed and pulverized to form LFP-coated graphene sheets.

次いで、本発明によるケーブル型構造の作成手順と、従来のスラリコーティング、乾燥、および積層の手順との両方を使用して、炭素被覆LFP粉末およびグラフェン担持LFPの両方を、別々に、液体電解質と共に、電池に組み込んだ。 Both carbon-coated LFP powders and graphene-supported LFPs were then separately coated with a liquid electrolyte using both the cable-type structure fabrication procedure according to the present invention and conventional slurry coating, drying, and lamination procedures. , built into the battery.

実施例7:ナトリウムイオン電池のアノード活性材料としてのテレフタル酸二ナトリウム(Na)の調製
再結晶方法によって、純粋なテレフタル酸二ナトリウムを得た。テレフタル酸をNaOH水溶液に加えて水溶液を調製し、次にその混合物にエタノール(EtOH)を加えて、テレフタル酸二ナトリウムを水/EtOH混合物中に沈殿させた。共鳴安定化のため、テレフタル酸(terephtalic acid)は比較的低いpKa値を有し、そのためNaOHによって容易に脱プロトンして、酸塩基化学によってテレフタル酸二ナトリウム(NaTP)を得ることができる。典型的な手順において、テレフタル酸(3.00g、18.06mmol)を、室温においてEtOH(60mL)中の水酸化ナトリウム(1.517g、37.93mmol)で処理した。24時間後、懸濁した反応混合物を遠心分離し、上澄み溶液をデカンテーションした。得られた沈殿物をEtOH中に再分散させ、次に再び遠心分離した。この手順を2回繰り返して、白色固体を得た。生成物を真空中150℃で1時間乾燥させた。別の試料において、GOをNaOH水溶液に加えて(5重量%のGOシート)、類似の反応条件下でグラフェン担持テレフタル酸二ナトリウムのシートを作製した。
Example 7: Preparation of disodium terephthalate (Na 2 C 8 H 4 O 4 ) as anode active material for sodium ion batteries Pure disodium terephthalate was obtained by recrystallization method. Terephthalic acid was added to aqueous NaOH to prepare an aqueous solution, then ethanol (EtOH) was added to the mixture to precipitate disodium terephthalate into the water/EtOH mixture. Due to resonance stabilization, terephthalic acid has a relatively low pKa value, so it can be easily deprotonated by NaOH to give disodium terephthalate (Na 2 TP) by acid-base chemistry. . In a typical procedure, terephthalic acid (3.00 g, 18.06 mmol) was treated with sodium hydroxide (1.517 g, 37.93 mmol) in EtOH (60 mL) at room temperature. After 24 hours, the suspended reaction mixture was centrifuged and the supernatant solution was decanted. The resulting precipitate was re-dispersed in EtOH and then centrifuged again. This procedure was repeated twice to give a white solid. The product was dried in vacuum at 150° C. for 1 hour. In another sample, GO was added to an aqueous NaOH solution (5 wt% GO sheets) to produce graphene-supported disodium terephthalate sheets under similar reaction conditions.

次いで、本発明による手順と、従来のスラリコーティング、乾燥、および積層の手順との両方を使用して、炭素-テレフタル酸二ナトリウム混合粉末およびグラフェン担持テレフタル酸二ナトリウムの両方を、別々に、それぞれ液体電解質と共に、電池に組み込んだ。 Both the carbon-disodium terephthalate mixed powder and the graphene-supported disodium terephthalate were then separately, respectively, using both the procedure according to the invention and the conventional slurry coating, drying, and lamination procedure. It was incorporated into a battery together with a liquid electrolyte.

実施例8:リチウム電池の遷移金属酸化物カソード活性材料の一例としてのV
粉末が単独で市販されている。典型的な実験において、グラフェン担持V粉末試料の調製のために、LiCl水溶液にVを混合することによって五酸化バナジウムゲルを得た。LiCl溶液(Li:Vのモル比を1:1に保った)との相互作用によって得られたLi交換ゲルをGO懸濁液と混合し、次いでテフロンライニングされたステンレス鋼35mlオートクレーブに入れて封止し、12時間180℃に加熱した。そのような水熱処理後、未処理の固体を収集し、十分に洗浄し、2分間超音波処理し、70℃で12時間乾燥させ、その後、水中でさらなる0.1%GOと混合し、超音波処理してナノベルトサイズを破砕し、次いで200℃で噴霧乾燥させて、グラフェン包有複合粒子を得た。
Example 8 : V2O5 as an example of a transition metal oxide cathode active material for lithium batteries
V 2 O 5 powder is commercially available separately. In a typical experiment, for the preparation of graphene-supported V 2 O 5 powder samples, vanadium pentoxide gels were obtained by mixing V 2 O 5 into LiCl aqueous solutions. The Li + exchanged gel obtained by interaction with a LiCl solution (li:V molar ratio was kept at 1:1) was mixed with the GO suspension and then placed in a Teflon-lined stainless steel 35 ml autoclave. Sealed and heated to 180° C. for 12 hours. After such hydrothermal treatment, the raw solids were collected, washed thoroughly, sonicated for 2 minutes, dried at 70° C. for 12 hours, then mixed with additional 0.1% GO in water, The nanobelt size was crushed by sonication and then spray-dried at 200° C. to obtain graphene-encapsulated composite particles.

次いで、本発明による手順と、従来のスラリコーティング、乾燥、および積層の手順との両方を使用して、V粉末(導電性添加剤としてカーボンブラック粉末を含む)とグラフェン担持V粉末とを別々に、液体電解質と共に電池に組み込んだ。 V 2 O 5 powder (including carbon black powder as a conductive additive) and graphene-supported V 2 O were then coated using both the procedure according to the invention and the conventional slurry coating, drying and lamination procedure. 5 powders were separately incorporated into the battery together with the liquid electrolyte.

実施例9:リチウムイオン電池用のリチウム遷移金属酸化物カソード活性材料の一例としてのLiCoO
市販のLiCoO粉末およびカーボンブラック粉末を液体電解質中に分散させてカソード活性材料混合物を生成し、これをNi発泡体ベースのカソード集電体層中に含浸させてカソード電極を形成した。黒鉛粒子-液体電解質(すなわちアノード活性混合物)をCu発泡体層の細孔中に含浸させてアノード電極を形成した。さらに、グラフェン包有Siナノ粒子と液体電解質との混合物をCu発泡体の細孔中に含浸させてアノード電極を得た。アノード電極、多孔質セパレータ層、およびカソード電極を組み立て、圧縮し、プラスチックAlエンベロープに収容して電池セルを作製した。次いでこのセルを気密封止した。
Example 9 : LiCoO2 as an example of a lithium transition metal oxide cathode active material for lithium ion batteries
Commercially available LiCoO 2 powder and carbon black powder were dispersed in the liquid electrolyte to form a cathode active material mixture, which was impregnated into the Ni foam-based cathode current collector layer to form the cathode electrode. A graphite particle-liquid electrolyte (ie, anode active mixture) was impregnated into the pores of the Cu foam layer to form the anode electrode. Furthermore, a mixture of graphene-encapsulated Si nanoparticles and a liquid electrolyte was impregnated into the pores of the Cu foam to obtain an anode electrode. The anode electrode, porous separator layer, and cathode electrode were assembled, compressed and encased in a plastic Al envelope to make a battery cell. The cell was then hermetically sealed.

LiCoO粉末、カーボンブラック粉末、およびPVDF樹脂粘結剤を別々にNMP溶媒中に分散させてスラリを生成し、これをAL箔集電体の両面に塗布し、次いで真空乾燥させてカソード層を形成した。黒鉛粒子およびPVDF樹脂粘結剤をNMP溶媒中に分散させてスラリを生成し、これをCu箔集電体の両面にコーティングし、次いで真空乾燥させてアノード層を形成した。次いで、アノード層、セパレータ、カソード層を積層し、Al-プラスチックハウジング内に収容し、そこに液体電解質を注入して従来のリチウムイオン電池を形成した。 LiCoO2 powder, carbon black powder, and PVDF resin binder were separately dispersed in NMP solvent to form a slurry, which was applied to both sides of the AL foil current collector, and then vacuum dried to form the cathode layer. formed. Graphite particles and PVDF resin binder were dispersed in NMP solvent to form a slurry, which was coated on both sides of a Cu foil current collector and then vacuum dried to form an anode layer. The anode layer, separator and cathode layers were then laminated and encased in an Al-plastic housing into which a liquid electrolyte was injected to form a conventional lithium ion battery.

実施例10:混合遷移金属酸化物ベースのカソード活性材料
例として、Na1.0Li0.2Ni0.25Mn0.75δ、Ni0.25Mn0.75CO、またはNi0.25Mn0.75(OH)のカソード活性材料の合成のために、NaCO、およびLiCOを出発化合物として使用した。適切なモル比の材料を互いに粉砕し、最初に空気中500℃で8時間、次いで最終的に空気中800℃で8時間の熱処理を行い、炉中冷却した。
Example 10: Mixed Transition Metal Oxide Based Cathode Active Materials Examples include Na1.0Li0.2Ni0.25Mn0.75O [ delta ] , Ni0.25Mn0.75CO3 , or Ni0 For the synthesis of the cathode active material of .25Mn0.75 ( OH) 2 , Na2CO3 and Li2CO3 were used as starting compounds. Appropriate molar ratios of materials were ground together and heat treated first at 500° C. for 8 hours in air and then finally at 800° C. for 8 hours in air and cooled in a furnace.

従来の手順を用いた電極作製のために、アルミニウム箔のシートにカソード混合物のN-メチルピロリジノン(NMP)スラリをコーティングした。電極混合物は、82重量%の活性酸化物材料、8重量%の導電性カーボンブラック(Timcal Super-P)、および10重量%のPVDF粘結剤(Kynar)から構成される。キャスティング後、電極は、最初に70℃で2時間乾燥させ、続いて80℃で少なくとも6時間の動的真空乾燥を行った。ヘキサンを用いて油を除去し、次いで圧延し、打ち抜いたナトリウムチャンク(Aldrich、99%)からナトリウム金属箔を切り取った。本発明によるスラリの調製のために、NMPを液体電解質(1MのNaClOを有するプロピレンカーボネート)で置換した。このようなスラリをカソード集電体の細孔中に直接含浸させた。 Sheets of aluminum foil were coated with an N-methylpyrrolidinone (NMP) slurry of the cathode mixture for electrode fabrication using conventional procedures. The electrode mixture consisted of 82 wt% active oxide material, 8 wt% conductive carbon black (Timcal Super-P), and 10 wt% PVDF binder (Kynar). After casting, the electrodes were first dried at 70° C. for 2 hours followed by dynamic vacuum drying at 80° C. for at least 6 hours. Hexane was used to remove the oil and then the sodium metal foil was cut from a rolled and stamped sodium chunk (Aldrich, 99%). For the preparation of the slurry according to the invention, NMP was replaced by liquid electrolyte (propylene carbonate with 1 M NaClO 4 ). Such slurry was impregnated directly into the pores of the cathode current collector.

次いで、本発明による手順と、従来のスラリコーティング、乾燥、および積層の手順との両方を使用して、Na1.0Li0.2Ni0.25Mn0.75δ粉末(導電性添加剤としてカーボンブラック粉末を有する)およびグラフェン担持Na1.0Li0.2Ni0.25Mn0.75δ粉末との両方を、別々に、液体電解質と共に、電池に組み込んだ。 Na1.0Li0.2Ni0.25Mn0.75O [ delta ] powder ( conductive additive Both the graphene-supported Na 1.0 Li 0.2 Ni 0.25 Mn 0.75 O δ powders, with carbon black powder as the agent, were separately incorporated into the battery together with the liquid electrolyte.

電解質は、1MのNaClO電解質塩(Aldrich、99%)を有するプロピレンカーボネートであった。パウチセルについて、Na/Naに対して4.2Vのカットオフまで定電流条件でサイクルを行い(15mA/g)、次いで種々の電流レートで2.0Vのカットオフ電圧まで放電させた。 The electrolyte was propylene carbonate with 1M NaClO4 electrolyte salt (Aldrich, 99%). The pouch cells were cycled under galvanostatic conditions (15 mA/g) to a cutoff of 4.2V vs. Na/Na + and then discharged at various current rates to a cutoff voltage of 2.0V.

作製したすべての電池セルで、充電貯蔵容量を定期的に測定し、サイクル数の関数として記録した。本明細書に言及される比放電容量は、複合カソードの単位質量(カソード活性材料、導電性添加剤または支持体、粘結剤、およびあらゆる任意選択の添加剤を合わせた重量が考慮されるが、集電体は除かれる)当たりの放電中にカソード中に挿入される全電荷である。比充電容量は、複合カソードの単位質量当たりの充電量を意味する。この項で示される比エネルギーおよび比出力の値は、すべてのパウチセルで全セル重量を基準としている。所望の数だけ繰り返した充電および再充電のサイクル後の選択された試料の形態的または微細構造的変化を透過型電子顕微鏡法(TEM)および走査型電子顕微鏡法(SEM)の両方を用いて観察した。 Charge storage capacity was measured periodically and recorded as a function of cycle number for all fabricated battery cells. The specific discharge capacities referred to herein take into account the unit mass of the composite cathode (the combined weight of cathode active material, conductive additive or support, binding agent, and any optional additives). , excluding the current collector) is the total charge inserted into the cathode during discharge. Specific charge capacity means the amount of charge per unit mass of the composite cathode. The specific energy and specific power values given in this section are based on total cell weight for all pouch cells. Morphological or microstructural changes in selected samples after a desired number of repeated charging and recharging cycles are observed using both transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). did.

実施例11:Na(PO/CおよびNa(PO/グラフェンのカソード
以下の手順による固相反応によってNa(PO/C試料を合成した:NaHPO・2HO(99.9%、Alpha)およびV(99.9%、Alpha)粉末の化学量論量の混合物を前駆体としてメノウジャーに入れ、次いでその前駆体をステンレス鋼容器中の遊星ボールミル中400rpmで8時間ボールミル粉砕した。ボールミル粉砕中、炭素被覆試料用に、糖(99.9%、Alpha)も炭素前駆体、およびV3+の酸化を防止する還元剤として加えた。ボールミル粉砕後、混合物をペレットにプレス成形し、次いでAr雰囲気中900℃で24時間加熱した。これとは別に、Na(PO/グラフェンカソードを同様の手順で、糖の代わりに酸化グラフェンを使用して作製した。
Example 11 : Cathode of Na3V2 ( PO4) 3 /C and Na3V2 ( PO4) 3 /graphene A sample of Na3V2 ( PO4)3 / C was prepared by a solid state reaction according to the following procedure. Synthesized: A stoichiometric mixture of NaH2PO4.2H2O ( 99.9%, Alpha) and V2O3 ( 99.9% , Alpha) powders was put into an agate jar as a precursor, and then The precursor was ball milled for 8 hours at 400 rpm in a planetary ball mill in a stainless steel vessel. During ball milling, sugar (99.9%, Alpha) was also added as a carbon precursor and reducing agent to prevent oxidation of V3+ for the carbon-coated samples. After ball milling, the mixture was pressed into pellets and then heated at 900° C. for 24 hours in an Ar atmosphere. Separately, a Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 /graphene cathode was made with a similar procedure using graphene oxide instead of sugar.

電解質としてPC+DOL中に1-7.5MのNaPF塩を含有する数個のNa金属セル中にこれらのカソード活性材料を使用した。従来のNMPスラリコーティングプロセスと、本発明による手順との両方を行って、Na金属セルを作製した。 These cathode active materials were used in several Na metal cells containing 1-7.5 M NaPF 6 salt in PC+DOL as electrolyte. Na metal cells were fabricated using both a conventional NMP slurry coating process and the procedure according to the present invention.

実施例12:リチウム金属電池のカソード活性材料としての有機材料(Li
ロジゾン酸二リチウム(Li)を合成するために、ロジゾン酸二水和物(以下の式では種1)を前駆体として使用した。両方のエネジオール酸機能を中和するために、塩基性リチウム塩LiCOを水性媒体中で使用することができる。厳密な化学量論量の両方の反応物、すなわちロジゾン酸と炭酸リチウムを10時間反応させて90%の収率を実現した。ロジゾン酸二リチウム(種2)は少量の水にさえ容易に溶解可能であり、水分子が種2に存在することを示唆する。水を真空中において180℃で3時間除去し、無水形(種3)を得た。

Figure 0007122309000001
カソード活性材料(Li)と導電性添加剤(カーボンブラック、15%)との混合物を10分間ボールミル加工し、得られたブレンドを研磨して複合物粒子を製造した。電解質は、PC-EC中で1Mのヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)であった。 Example 12 : Organic Material ( Li2C6O6 ) as Cathode Active Material in Lithium Metal Batteries
To synthesize dilithium rhodizonate (Li 2 C 6 O 6 ), rhodizonate dihydrate (species 1 in the formula below) was used as a precursor. A basic lithium salt Li 2 CO 3 can be used in aqueous media to neutralize both enediolic acid functions. Strict stoichiometric amounts of both reactants, rhodizonic acid and lithium carbonate, were reacted for 10 hours to achieve a yield of 90%. Dilithium rhodizonate (species 2) is readily soluble in even small amounts of water, suggesting that water molecules are present in species 2. Water was removed in vacuo at 180° C. for 3 hours to give the anhydrous form (species 3).
Figure 0007122309000001
A mixture of cathode active material (Li 2 C 6 O 6 ) and conductive additive (carbon black, 15%) was ball milled for 10 minutes and the resulting blend was ground to produce composite particles. The electrolyte was 1 M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in PC-EC.

式Li中の2つのLi原子は固定構造の一部であり、可逆的なリチウムイオンの貯蔵および解放に関与しないことに留意されたい。これは、リチウムイオンがアノード側から来なければならないことを示唆する。したがって、アノードにはリチウム源(例えば、リチウム金属またはリチウム金属合金)が存在しなければならない。アノード集電体(グラフェンエアロゲル発泡体ロッド)には、(例えば、スパッタリングまたは電気化学めっきによって)リチウムの層が堆積される。これはリチウム被覆層(または単にリチウムロッド)、多孔質セパレータ、および含浸させたカソード層を組み立ててケーシングに収容する前に行うことができる。比較のため、対応する従来のLi金属セルを、従来のスラリコーティング、乾燥、積層、パッケージング、および電解質注入の手順によっても作製した。 Note that the two Li atoms in the formula Li 2 C 6 O 6 are part of a fixed structure and do not participate in the reversible storage and release of lithium ions. This suggests that lithium ions must come from the anode side. Therefore, a lithium source (eg, lithium metal or lithium metal alloy) must be present at the anode. A layer of lithium is deposited (eg, by sputtering or electrochemical plating) on the anode current collector (graphene airgel foam rod). This can be done prior to assembling the lithium coating layer (or simply lithium rod), porous separator, and impregnated cathode layer into a casing. For comparison, a corresponding conventional Li metal cell was also fabricated by conventional slurry coating, drying, lamination, packaging, and electrolyte injection procedures.

実施例13:ナトリウム金属電池のカソード活性材料としての有機材料(Na
ロジゾン酸二ナトリウム(Na)を合成するために、ロジゾン酸二水和物(以下の式中の種1)を前駆体として使用した。両方のエンジオール酸官能基を中和するために、塩基性ナトリウム塩のNaCOを水性媒体中で使用することができる。厳密な化学量論量のロジゾン酸および炭酸ナトリウムの両方の反応物を10時間反応させて80%の収率を実現できた。ロジゾン酸二ナトリウム(種2)は、少量の水にさえも容易に溶解可能であり、水分子が種2に存在することを示唆している。水を真空中180℃で3時間除去し、無水型(種3)を得た。

Figure 0007122309000002
カソード活性材料(Na)と導電性添加剤(カーボンブラック、15%)との混合物を10分間ボールミル粉砕し、得られたブレンドを粉砕して複合粒子を形成した。電解質は、PC-EC中の1Mのヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF)であった。 Example 13 : Organic Material ( Na2C6O6 ) as Cathode Active Material in Sodium Metal Batteries
To synthesize disodium rhodizonate (Na 2 C 6 O 6 ), rhodizonate dihydrate (species 1 in the formula below) was used as a precursor. The basic sodium salt Na 2 CO 3 can be used in aqueous media to neutralize both enediolic acid functional groups. Strict stoichiometric amounts of both rhodizonic acid and sodium carbonate reactants could be reacted for 10 hours to achieve an 80% yield. Disodium rhodizonate (species 2) is readily soluble in even small amounts of water, suggesting that water molecules are present in species 2. Water was removed in vacuo at 180° C. for 3 hours to give the anhydrous form (species 3).
Figure 0007122309000002
A mixture of cathode active material (Na 2 C 6 O 6 ) and conductive additive (carbon black, 15%) was ball milled for 10 minutes and the resulting blend was ground to form composite particles. The electrolyte was 1M sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ) in PC-EC.

式Na中の2つのNa原子は固定された構造の一部であり、これらは可逆的なリチウムイオンの貯蔵および放出には関与しない。ナトリウムイオンは、アノード側から得られる必要がある。したがって、ナトリウム源(例えばナトリウム金属またはナトリウム金属合金)がアノードに存在する必要がある。アノード集電体(炭素発泡体ロッドまたは細いCuワイヤ)にはナトリウムの層(例えば電気化学めっきによって)が堆積される。これはナトリウムでコーティングされた層または単にナトリウムロッドと、多孔質セパレータと、カソード活性材料/電解質を含浸させた発泡体とからケーブルを組み立てる前に行うことができる。カソード集電体の細孔には、液体電解質中に分散されたカソード活性材料と導電性添加剤(Na/C複合粒子)の懸濁液が予め浸潤している。比較のために、従来のスラリコーティング、乾燥、積層、パッケージング、および電解質注入の手順によって、対応する従来のNa金属セルも製造した。 The two Na atoms in the formula Na 2 C 6 O 6 are part of a fixed structure and they do not participate in reversible lithium ion storage and release. Sodium ions must be obtained from the anode side. Therefore, a sodium source (eg, sodium metal or sodium metal alloy) must be present at the anode. A layer of sodium (eg, by electrochemical plating) is deposited on the anode current collector (carbon foam rod or thin Cu wire). This can be done prior to assembling the cable from the sodium coated layer or simply sodium rods, the porous separator and the foam impregnated with the cathode active material/electrolyte. The pores of the cathode current collector are pre-infiltrated with a suspension of cathode active material and conductive additive (Na 2 C 6 O 6 /C composite particles) dispersed in a liquid electrolyte. For comparison, a corresponding conventional Na metal cell was also fabricated by conventional slurry coating, drying, lamination, packaging, and electrolyte injection procedures.

実施例14:リチウム金属電池の金属ナフタロシアニン-RGOハイブリッドカソード
RGO-水懸濁液のスピンコーティングから調製されたグラフェンフィルム(5nm)と共にチャンバ内でCuPcを気化させることによって、CuPc被覆グラフェンシートを得た。得られた被覆されたフィルムを切断して粉砕してCuPc被覆グラフェンシートを製造し、これを、アノード活性材料としてリチウム金属ロッドを有し、電解質として炭酸プロピレン(PC)溶液中の1-3.7MのLiClOを有するリチウム金属電池でのカソード活性材料として使用した。
Example 14 Metal Naphthalocyanine-RGO Hybrid Cathodes for Lithium Metal Batteries CuPc-coated graphene sheets were obtained by vaporizing CuPc in a chamber with graphene films (5 nm) prepared from spin-coating of RGO-water suspensions. rice field. The resulting coated film was cut and pulverized to produce CuPc-coated graphene sheets, which had lithium metal rods as anode active material and were subjected to 1-3. in propylene carbonate (PC) solution as electrolyte. It was used as a cathode active material in a lithium metal battery with 7M LiClO4 .

実施例15:リチウム金属電池のカソード活性材料としてのMoS/RGOハイブリッド材料の調製
この実施例では、多様な無機材料を調べた。例えば、200℃で、酸化された酸化グラフェン(GO)のN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)溶液中での(NHMoSとヒドラジンとの1段階のソルボサーマル反応により、超薄MoS/RGOハイブリッドを合成した。典型的な手順では、10mlのDMF中に分散された10mgのDMFに22mgの(NHMoSを加えた。混合物を、室温で約10分間、透明で均質な溶液が得られるまで超音波処理した。その後、0.1mlのN・HOを加えた。反応溶液をさらに30分間超音波処理した後、テフロンライニングされた40mLのオートクレーブに移した。オーブン内で、系を200℃で10時間加熱した。生成物を8000rpmで5分間の遠心分離によって収集し、DI水で洗浄し、遠心分離により再収集した。ほとんどのDMFが確実に除去されるように、洗浄ステップを少なくとも5回繰り返した。最後に、生成物を乾燥させ、液体電解質と混合して、活性カソード含浸用の混合物スラリを形成した。
Example 15 Preparation of MoS2/RGO Hybrid Materials as Cathode Active Materials for Lithium Metal Batteries In this example, a variety of inorganic materials were investigated. For example, the one-step solvothermal reaction of (NH ) 2 MoS 4 with hydrazine in N,N-dimethylformamide (DMF) solution of oxidized graphene oxide (GO) at 200 °C yields ultrathin MoS 2 /RGO hybrids were synthesized. In a typical procedure, 22 mg (NH 4 ) 2 MoS 4 was added to 10 mg DMF dispersed in 10 ml DMF. The mixture was sonicated at room temperature for about 10 minutes until a clear, homogeneous solution was obtained. Then 0.1 ml of N2H4.H2O was added. The reaction solution was sonicated for an additional 30 minutes before being transferred to a Teflon-lined 40 mL autoclave. The system was heated at 200° C. for 10 hours in an oven. The product was collected by centrifugation at 8000 rpm for 5 minutes, washed with DI water and recollected by centrifugation. The washing step was repeated at least 5 times to ensure most of the DMF was removed. Finally, the product was dried and mixed with liquid electrolyte to form a mixture slurry for active cathode impregnation.

実施例16:2次元(2D)層状のBiSeカルコゲナイドナノリボンの調製
(2D)層状のBiSeカルコゲナイドナノリボンの調製は、当技術分野でよく知られている。例えば、蒸気-液体-固体(VLS)法を用いてBiSeナノリボンを成長させた。本明細書で製造されるナノリボンは、平均で厚さが30~55nmであり、幅および長さが数百ナノメートル~数マイクロメートルの範囲である。比較的大きいナノリボンにはボールミル加工を施し、横方向寸法(長さおよび幅)を200nm未満に減少させた。リチウム金属電池のカソード活性材料として、(グラフェンシートまたは剥離された黒鉛フレーク有りまたは無しの)これらの手順によって調製されたナノリボンを使用した。
Example 16 Preparation of Two-Dimensional (2D) Layered Bi 2 Se 3 Chalcogenide Nanoribbons The preparation of (2D) layered Bi 2 Se 3 chalcogenide nanoribbons is well known in the art. For example, a vapor-liquid-solid (VLS) method was used to grow Bi 2 Se 3 nanoribbons. The nanoribbons produced herein have an average thickness of 30-55 nm and range in width and length from hundreds of nanometers to several micrometers. Larger nanoribbons were ball milled to reduce lateral dimensions (length and width) to less than 200 nm. Nanoribbons prepared by these procedures (with or without graphene sheets or exfoliated graphite flakes) were used as cathode active materials in lithium metal batteries.

実施例17:グラフェン担持MnOカソード活性材料の調製
MnO粉末を2つの方法(それぞれグラフェンシート有りまたは無し)によって合成した。1つの方法では、過マンガン酸カリウムを脱イオン水中に溶解することによって、0.1mol/LのKMnO水溶液を調製した。一方、高純度のビス(2-エチルヘキシル)スルホこはく酸ナトリウムの界面活性剤13.32gを300mLのイソオクタン(油)中に加え、よく撹拌して、光学的に透明な溶液を得た。次いで、その溶液中に、0.1mol/LのKMnO溶液32.4mLと、選択された量のGO溶液とを加え、それを30分間超音波処理して、暗褐色の沈殿物を調製した。生成物を分離し、蒸留水およびエタノールで数回洗浄し、80℃で12時間乾燥させた。試料は、粉末形態のグラフェン担持MnOであり、これを液体電解質中で混合してカソード活性材料混合物スラリを形成した。
Example 17: Preparation of graphene-supported MnO2 cathode active materials MnO2 powders were synthesized by two methods (with or without graphene sheets, respectively). In one method, a 0.1 mol/L KMnO 4 aqueous solution was prepared by dissolving potassium permanganate in deionized water. Meanwhile, 13.32 g of high purity sodium bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate surfactant was added to 300 mL of isooctane (oil) and stirred well to obtain an optically clear solution. Then, 32.4 mL of 0.1 mol/L KMnO 4 solution and selected amount of GO solution were added into the solution, which was sonicated for 30 min to prepare a dark brown precipitate. . The product was isolated, washed several times with distilled water and ethanol, and dried at 80° C. for 12 hours. The sample was graphene-supported MnO2 in powder form, which was mixed in the liquid electrolyte to form a cathode active material mixture slurry.

実施例18:リチウムイオン電池のアノード活性材料としてTEOSから製造されたグラフェン強化ナノシリコン
実験の1つにおいて、1重量%のN002-PS(GO-水懸濁液)をDI水で0.2重量%のN002-PSまで希釈した。この希釈したPS溶液を超音波浴中に入れ、30分間超音波処理した。これに続いて、PS溶液を撹拌しながら、TEOS(0.2重量%のN002-PS:TEOS=5:2)を溶液中に徐々に加えた。次に、TEOSを完全に加水分解させるために撹拌を24時間維持した。続いて、本明細書でTPゲルと呼ぶゲル状態に到達するまで、溶液に10%のNH・HOを滴下した。このTPゲルを小さな粒子になるまで粉砕し、120℃で2時間および150℃で4時間オーブン乾燥した。乾燥させたTP粒子をMgと10:7の比率で混合した。20倍もの量の7mmのSSボールを粉砕チャンバ中に加え、アルゴン保護下で試料をボールミル粉砕した。回転速度を徐々に250rpmまで上昇させた。TPM粉末の試料をニッケルるつぼ中に入れ、680℃で熱処理した。ある量の2MのHCl溶液も調製した。次に、この酸溶液に熱処理したTPM粉末を徐々に加えた。反応を2~24時間維持し、続いてその濁った液体を超音波浴に入れ、1時間超音波処理した。この懸濁液を濾過システムに注ぎ、底部の大きな粒子は廃棄した。この試料をDI水で3回洗浄した。得られた黄色ペーストを乾燥させ、ブレンダーを用いて粉末に粉砕した。調製されたときのナノ粒子試料は、異なるグラフェン含有量のために、30m/g~200m/gの範囲内の比表面積(SSA)値を示した。
Example 18: Graphene Reinforced Nanosilicon Fabricated from TEOS as Anode Active Material for Lithium Ion Batteries In one of the experiments, 1 wt% N002-PS (GO-water suspension) was added to 0.2 wt% in DI water. % N002-PS. This diluted PS solution was placed in an ultrasonic bath and sonicated for 30 minutes. Following this, TEOS (0.2 wt% N002-PS:TEOS=5:2) was slowly added into the solution while stirring the PS solution. Stirring was then maintained for 24 hours in order to fully hydrolyze the TEOS. Subsequently, 10 % NH3.H2O was added dropwise to the solution until it reached a gel state, referred to herein as TP gel. The TP gel was ground to small particles and oven dried at 120° C. for 2 hours and 150° C. for 4 hours. The dried TP particles were mixed with Mg at a ratio of 10:7. Twenty times as many 7 mm SS balls were added into the grinding chamber and the samples were ball milled under argon protection. The rotation speed was gradually increased to 250 rpm. A sample of TPM powder was placed in a nickel crucible and heat treated at 680°C. A volume of 2M HCl solution was also prepared. The heat treated TPM powder was then slowly added to the acid solution. The reaction was maintained for 2-24 hours, then the cloudy liquid was placed in an ultrasonic bath and sonicated for 1 hour. The suspension was poured through a filtration system and large particles at the bottom were discarded. The sample was washed three times with DI water. The resulting yellow paste was dried and ground into powder using a blender. Nanoparticle samples as prepared exhibited specific surface area (SSA) values in the range of 30 m 2 /g to 200 m 2 /g for different graphene contents.

乾燥したTPM粒子のサンプルをマッフル炉に入れ、空気パージ下で400℃~600℃で2時間焼成して、ナノコンポジットから炭素含有分を除去し、グラフェンを含まない黄色のシリコンナノ粉末を生成する。Siナノ粉末と、グラフェンで包まれたSiナノ粒子との両方を高容量アノード活性材料として使用した。 A sample of the dried TPM particles is placed in a muffle furnace and calcined at 400° C.-600° C. for 2 hours under an air purge to remove the carbon content from the nanocomposite and produce graphene-free yellow silicon nanopowder. . Both Si nanopowder and graphene-wrapped Si nanoparticles were used as high-capacity anode active materials.

実施例19:アノード活性材料としての酸化コバルト(Co)微粒子
LiCoOはリチウムイオン電池のカソード活性材料であるが、Coはアノード活性材料である。なぜなら、LiCoOは、Li/Liに対して約+4.0ボルトの電気化学ポテンシャルであり、Coは、Li/Liに対して約+0.8ボルトの電気化学ポテンシャルであるからである。
Example 19 Cobalt Oxide ( Co3O4) Fine Particles as Anode Active Material LiCoO2 is the cathode active material in lithium - ion batteries , while Co3O4 is the anode active material. Because LiCoO 2 has an electrochemical potential of about +4.0 volts vs. Li/Li + and Co 3 O 4 has an electrochemical potential of about +0.8 volts vs. Li/Li + . is.

適切な量の無機塩Co(NO・6HO、続いてアンモニア溶液(NH・HO、25wt%)をGO懸濁液にゆっくり加えた。完全な反応が確実に生じるように、得られた前駆体懸濁液をアルゴン流下で数時間撹拌した。得られたCo(OH)/グラフェン前駆体懸濁液を2つの部分に分けた。1つの部分を濾過し、70℃で真空乾燥して、Co(OH)/グラフェン複合前駆体を得た。この前駆体を空気中にて450℃で2時間焼成して、層状Co/グラフェン複合体を形成した。これは、互いに重なり合うCo被覆グラフェンシートを有することを特徴とする。これらのCo被覆グラフェンシートは別の高容量アノード活性材料である。 Appropriate amount of inorganic salt Co(NO 3 ) 2.6H 2 O followed by ammonia solution (NH 3.H 2 O , 25 wt %) was slowly added to the GO suspension. The resulting precursor suspension was stirred under a stream of argon for several hours to ensure complete reaction. The resulting Co(OH) 2 /graphene precursor suspension was divided into two portions. One portion was filtered and vacuum dried at 70° C. to obtain a Co(OH) 2 /graphene composite precursor. The precursor was calcined in air at 450° C. for 2 hours to form a layered Co 3 O 4 /graphene composite. It is characterized by having Co 3 O 4 -coated graphene sheets on top of each other. These Co3O4 coated graphene sheets are another high capacity anode active material.

実施例20:アノード活性材料としてのグラフェン強化酸化スズ微粒子
以下の手順を使用して、制御下でのSnCl・5HOとNaOHの加水分解によって酸化スズ(SnO)ナノ粒子、アノード活性材料を得た:SnCl・5HO(0.95g、2.7m-mol)とNaOH(0.212g、5.3m-mol)をそれぞれ50mLの蒸留水中に溶解した。激しく撹拌しながら塩化スズ溶液にNaOH溶液を1mL/分の速度で滴下して加えた。この溶液を、超音波処理により5分間均質化した。その後、得られたヒドロゾルをGO分散液と3時間反応させた。この混合溶液に0.1MのHSOを数滴加えて生成物を凝集させた。沈殿した固体を遠心分離によって収集し、水およびエタノールで洗浄し、真空乾燥させた。この乾燥した生成物を、Ar雰囲気下において400℃で2時間熱処理した。
Example 20: Graphene Reinforced Tin Oxide Microparticles as Anode Active Materials Tin oxide ( SnO2) nanoparticles, an anode active material, were prepared by controlled hydrolysis of SnCl4.5H2O and NaOH using the following procedure. Obtained: SnCl 4 .5H 2 O (0.95 g, 2.7 m-mol) and NaOH (0.212 g, 5.3 m-mol) were each dissolved in 50 mL of distilled water. The NaOH solution was added dropwise at a rate of 1 mL/min to the tin chloride solution with vigorous stirring. The solution was homogenized by sonication for 5 minutes. The resulting hydrosol was then reacted with the GO dispersion for 3 hours. A few drops of 0.1 M H 2 SO 4 were added to the mixed solution to aggregate the product. The precipitated solid was collected by centrifugation, washed with water and ethanol and dried in vacuum. The dried product was heat treated at 400° C. for 2 hours under Ar atmosphere.

実施例21:グラフェン担持MnOおよびNaMnOのカソード活性材料の調製
MnO粉末を2つの方法(それぞれグラフェンシート有りまたは無し)で合成した。一方の方法では、過マンガン酸カリウムを脱イオン水中に溶解させることによって0.1mol/LのKMnO水溶液を調製した。一方、13.32gの界面活性剤の高純度ビス(2-エチルヘキシル)スルホコハク酸ナトリウムを300mLのイソオクタン(油)中に加え、十分に撹拌して、光学的に透明な溶液を得た。次いで、その溶液中に、0.1mol/LのKMnO溶液32.4mLと、選択された量のGO溶液とを加え、それを30分間超音波処理して、暗褐色の沈殿物を調製した。生成物を分離し、蒸留水およびエタノールで数回洗浄し、80℃で12時間乾燥させた。試料を、粉末状のグラフェン担持MnOとして、これを液体電解質中に分散させてスラリを生成し、発泡集電体の細孔中に含浸させた。
Example 21: Preparation of graphene-supported MnO2 and NaMnO2 cathodic active materials MnO2 powders were synthesized in two ways (with or without graphene sheets, respectively). In one method, a 0.1 mol/L KMnO 4 aqueous solution was prepared by dissolving potassium permanganate in deionized water. Meanwhile, 13.32 g of surfactant high purity sodium bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinate was added in 300 mL of isooctane (oil) and stirred well to obtain an optically clear solution. Then, 32.4 mL of 0.1 mol/L KMnO 4 solution and selected amount of GO solution were added into the solution, which was sonicated for 30 min to prepare a dark brown precipitate. . The product was isolated, washed several times with distilled water and ethanol, and dried at 80° C. for 12 hours. The sample was graphene-supported MnO 2 in powder form, which was dispersed in a liquid electrolyte to form a slurry and impregnated into the pores of the foamed current collector.

さらに、グラフェンシートを使用し、または使用せずに、NaCOおよびMnO(1:2のモル比)の混合物を12時間ボールミル粉砕し、続いて870℃で10時間加熱することによって、NaMnOおよびNaMnO/グラフェン複合物を合成した。 Furthermore, by ball milling a mixture of Na 2 CO 3 and MnO 2 (1:2 molar ratio) with or without graphene sheets for 12 hours followed by heating at 870° C. for 10 hours, NaMnO 2 and NaMnO 2 /graphene composites were synthesized.

実施例22:カリウム金属セル用電極の作製
カリウム被覆グラフェンフィルムのシートをアノード活性材料として使用し、一方、Angstron Materials,Inc.(Dayton,Ohio)より供給されるPVDFが結合した還元酸化グラフェン(RGO)シートをカソード活性材料として使用した。使用した電解質は、プロピレンカーボネートとDOLとの混合物(1/1の比率)中に溶解させた1MのKClO塩であった。異なるCレートに対応する数種類の電流密度(50mA/g~50A/g)を充電-放電曲線を求め、得られるエネルギー密度および電力密度のデータを測定し計算した。
Example 22 Preparation of Electrodes for Potassium Metal Cells Sheets of potassium-coated graphene films were used as the anode active material, while Angstron Materials, Inc. PVDF-bonded reduced graphene oxide (RGO) sheets supplied by (Dayton, Ohio) were used as the cathode active material. The electrolyte used was 1 M KClO 4 salt dissolved in a mixture of propylene carbonate and DOL (1/1 ratio). Charge-discharge curves were determined for several current densities (50 mA/g to 50 A/g) corresponding to different C-rates, and the resulting energy density and power density data were measured and calculated.

実施例23:様々なアルカリ金属電池セルの用意と電気化学的試験
調べたアノードおよびカソード活性材料のほとんどについて、本発明による方法と従来の方法との両方を使用して、アルカリ金属イオンセルまたはアルカリ金属セルを用意した。
Example 23 Preparation and Electrochemical Testing of Various Alkali Metal Battery Cells For most of the anode and cathode active materials investigated, using both the method according to the invention and conventional methods, alkali metal ion cells or alkali metal prepared the cell.

従来の方法では、典型的なアノード組成物は、N-メチル-2-ピロリジノン(NMP)中に溶解された、85wt%の活性材料(例えば、SiまたはCo被覆グラフェンシート)と、7wt%アセチレンブラック(Super-P)と、8wt%ポリフッ化ビニリデン粘結剤(PVDF、5wt%固形分)とを含む。Cu箔上にスラリをコーティングした後、電極を120℃で2時間真空乾燥させて溶媒を除去した。この方法により、典型的には、粘結剤樹脂が必要とされず、または使用されず、8重量%節約する(非活性材料の量が減少する)。カソード層も、従来のスラリコーティングおよび乾燥手順を使用して、(カソード集電体としてAl箔を使用して)同様に形成される。次いで、アノード層、セパレータ層(例えば、Celgard 2400膜)、およびカソード層を積層し合わせて、プラスチックAlエンベロープ内に収容する。次いで、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との混合物(EC-DEC、1:1v/v)中に溶解された1M LiPF電解質溶液をセルに注入する。幾つかのセルでは、液体電解質としてイオン液体を使用した。アルゴン充填グローブボックス内にセルアセンブリを形成した。 In conventional methods, a typical anode composition comprises 85 wt % active material (eg, Si or Co 3 O 4 coated graphene sheets) dissolved in N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) and 7 wt % acetylene black (Super-P) and 8 wt % polyvinylidene fluoride binder (PVDF, 5 wt % solids). After coating the slurry on the Cu foil, the electrode was vacuum dried at 120° C. for 2 hours to remove the solvent. By this method, typically no binder resin is required or used, saving 8% by weight (reducing the amount of non-active materials). The cathode layer is similarly formed (using Al foil as the cathode current collector) using conventional slurry coating and drying procedures. The anode layer, separator layer (eg Celgard 2400 membrane), and cathode layer are then laminated together and housed within a plastic Al envelope. A 1 M LiPF 6 electrolyte solution dissolved in a mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (EC-DEC, 1:1 v/v) is then injected into the cell. Some cells used ionic liquids as liquid electrolytes. A cell assembly was formed in an argon-filled glove box.

Arbin電気化学ワークステーションを使用して、1mV/sの典型的な走査速度でサイクリックボルタンメトリ(CV)測定を行った。さらにまた、定電流充電/放電サイクルによって、様々なセルの電気化学的性能を50mA/g~10A/gの電流密度で評価した。長期のサイクル試験には、LAND製のマルチチャネル電池テスタを使用した。 Cyclic voltammetry (CV) measurements were performed using an Arbin electrochemical workstation with a typical scan rate of 1 mV/s. Furthermore, the electrochemical performance of various cells was evaluated at current densities from 50 mA/g to 10 A/g by galvanostatic charge/discharge cycling. A LAND multi-channel battery tester was used for long-term cycling tests.

リチウムイオン電池業界では、電池のサイクル寿命を、所要の電気化学的形成後に測定された初期容量に基づいて電池が20%の容量減衰を受ける充放電サイクル数と定義するのが一般的な慣例である。 In the lithium-ion battery industry, it is common practice to define the cycle life of a battery as the number of charge-discharge cycles at which the battery undergoes a 20% capacity fade based on the initial capacity measured after the required electrochemical formation. be.

実施例24:リチウムセルの典型的な試験結果
各試料ごとに、電気化学的応答を決定するために幾つかの電流密度(充電/放電速度を表す)を課し、Ragoneプロット(電力密度対エネルギー密度)の構築に必要なエネルギー密度および電力密度値の計算を可能にした。図5に、アノード活性材料として黒鉛粒子を含み、カソード活性材料として炭素被覆LFP粒子を含むリチウムイオン電池セルのRagoneプロット(重量および体積電力密度対エネルギー密度)が示されている。4つのデータ曲線のうちの2つは、本発明の実施形態に従って用意されたケーブル型セルに関するものであり、他の2つは、電極の従来のスラリコーティング(ロールコーティング)によって用意された従来のセルである。これらのデータから以下のような幾つかの重要な観察を行うことができる。
Example 24: Typical Test Results for Lithium Cells For each sample, several current densities (representing charge/discharge rates) were imposed to determine the electrochemical response and Ragone plots (power density versus energy It enabled the calculation of the energy density and power density values required to build the density). Shown in FIG. 5 is a Ragone plot (weight and volumetric power density versus energy density) of a lithium-ion battery cell containing graphite particles as the anode active material and carbon-coated LFP particles as the cathode active material. Two of the four data curves are for cable-type cells prepared according to embodiments of the present invention, and the other two are for conventional slurry coating (roll coating) of the electrodes. cell. Several important observations can be made from these data:

本発明による方法(図の凡例では「本発明」と表される)によって用意されたリチウムイオン電池セルの重量および体積エネルギー密度および電力密度は、従来のロールコーティング法(「従来の」と表される)によって用意された相当物のものよりもかなり高い。160μmのアノード厚さ(平坦な固体Cu箔上にコーティングされた)から直径160μmの発泡体ロッド(85%の多孔率を有するNi発泡体の細孔内に全て収容される)への変化、およびバランスの取れた容量比を維持するためのカソードの対応する変化は、165Wh/kgから282Wh/kgへの重量エネルギー密度の増加をもたらす。さらに意外なことに、体積エネルギー密度は412.5Wh/Lから733Wh/Lに増加される。この後者の値733Wh/Lは、黒鉛アノードとリン酸鉄リチウムカソードとを使用するリチウムイオン電池では従来達成されていなかった。 The gravimetric and volumetric energy densities and power densities of the lithium-ion battery cells prepared by the method according to the invention (denoted as "invention" in the figure legend) were compared with the conventional roll coating method (denoted as "conventional"). significantly higher than those of the counterparts provided by 160 μm anode thickness (coated on flat solid Cu foil) to 160 μm diameter foam rods (all contained within the pores of Ni foam with 85% porosity), and A corresponding change in the cathode to maintain a balanced capacity ratio results in an increase in gravimetric energy density from 165 Wh/kg to 282 Wh/kg. More surprisingly, the volumetric energy density is increased from 412.5 Wh/L to 733 Wh/L. This latter value of 733 Wh/L has not previously been achieved in a lithium-ion battery using a graphite anode and a lithium iron phosphate cathode.

これらの大きな相違は、単に電極の厚さおよび質量負荷の増加に起因するだけではない。この相違は、おそらくは、本発明によるケーブルセルに関連する非常に高い活性材料質量負荷(単なる質量負荷ではない)、活性材料の重量/体積に対するオーバーヘッド(非活性)構成要素の割合の減少、粘結剤樹脂の欠如、電極活性材料の驚くべき良好な利用率(全てではないにしてもほとんどの黒鉛粒子およびLFP粒子がリチウムイオン貯蔵容量に寄与し;特に高い充電/放電率の条件下で、電極中に乾燥ポケットまたは非効果的なスポットがない)、および多孔質導電性層(発泡集電体)の細孔中に活性材料粒子をより効率的に充填するための本発明による方法の驚くべき能力のためである。これらは、リチウムイオン電池の分野で、教示も、示唆も、さらにはわずかな暗示も行われていない。さらに、最大電力密度は、621W/kgから1356W/kgまで増加する。これは、電子の輸送およびリチウムイオンの輸送に対する内部抵抗が非常に低いためと思われる。 These large differences are not solely due to increased electrode thickness and mass loading. This difference is probably due to the much higher active material mass loading (not just mass loading) associated with cable cells according to the invention, the reduced ratio of overhead (inactive) components to active material weight/volume, caking Lack of agent resin, surprisingly good utilization of electrode active materials (most, if not all, graphite particles and LFP particles contribute to lithium ion storage capacity; especially under high charge/discharge rate conditions, electrode no dry pockets or ineffective spots inside) and the surprising results of the method according to the present invention for more efficient packing of the active material particles into the pores of the porous conductive layer (foamed current collector). because of ability. They are not taught, suggested or even implied in the slightest in the field of lithium ion batteries. Furthermore, the maximum power density increases from 621 W/kg to 1356 W/kg. This is likely due to the very low internal resistance to electron transport and lithium ion transport.

図6は、アノード活性材料としてグラフェン包有Siナノ粒子を含み、カソード活性材料としてLiCoOナノ粒子を含む2つのセルのRagoneプロット(重量および体積エネルギー密度に対する重量および体積電力密度)を示す。実験データは、本発明による方法によって用意された(ケーブル型)Liイオン電池セルと、電極の従来のスラリコーティングによって用意されたLiイオン電池セルとから得られた。 Figure 6 shows Ragone plots (weight and volumetric power density versus weight and volumetric energy density) of two cells containing graphene-encapsulated Si nanoparticles as anode active materials and LiCoO2 nanoparticles as cathode active materials. Experimental data were obtained from a (cable type) Li-ion battery cell prepared by the method according to the invention and a Li-ion battery cell prepared by conventional slurry coating of electrodes.

これらのデータは、本発明による方法によって用意された電池セルの重量および体積エネルギー密度および電力密度が、従来の方法によって用意された相当物よりもかなり高いことを示している。ここでも相違は大きい。従来のやり方で形成されたセルは、265Wh/kgの重量エネルギー密度および689Wh/Lの体積エネルギー密度を示すが、本発明によるセルは、それぞれ423Wh/kgおよび1,227Wh/Lを送給する。セルレベルのエネルギー密度1,227Wh/Lは、充電式リチウム電池では従来達成されていない。2213W/kgおよび6,417W/Lの高い電力密度も、リチウムイオン電池で前例のないものである。本発明による方法によって作製したセルの電力密度は、従来方法によって作製した対応するセルの電力密度よりも常にはるかに高い。 These data show that the gravimetric and volumetric energy densities and power densities of battery cells prepared by the method according to the invention are significantly higher than their counterparts prepared by conventional methods. The difference is big here too. A conventionally formed cell exhibits a gravimetric energy density of 265 Wh/kg and a volumetric energy density of 689 Wh/L, while a cell according to the invention delivers 423 Wh/kg and 1,227 Wh/L respectively. A cell-level energy density of 1,227 Wh/L has not previously been achieved in a rechargeable lithium battery. The high power densities of 2213 W/kg and 6,417 W/L are also unprecedented for lithium-ion batteries. The power density of cells made by the method according to the invention is always much higher than that of corresponding cells made by conventional methods.

これらのエネルギー密度および電力密度の相違は、主として以下のことによる。本発明によるセルに関連する高い活性材料質量負荷(アノードでは>25mg/cm、およびカソードでは>45mg/cm);活性材料重量/体積に対するオーバーヘッド(非活性)構成要素の割合の減少;粘結剤樹脂を有する必要がないこと;活性材料粒子をより良く利用することができ(全ての粒子が液体電解質に接近可能であり、高速のイオンおよび電子運動速度)、発泡性集電体の細孔内に活性材料粒子をより効果的に充填することができる本発明による方法の機能。 These energy density and power density differences are primarily due to the following. High active material mass loading (>25 mg/cm 2 for anode and >45 mg/cm 2 for cathode) associated with cells according to the present invention; reduced ratio of overhead (non-active) components to active material weight/volume; No need to have a binder resin; better utilization of the active material particles (all particles are accessible to the liquid electrolyte, high ionic and The ability of the method according to the invention to allow more effective filling of the active material particles in the pores.

図7に、アノード活性材料としてリチウム箔、カソード活性材料としてロジゾン酸二リチウム(Li)、および有機液体電解質としてリチウム塩(LiPF)-PC/DECを含むリチウム金属電池のRagoneプロットが示されている。データは、本発明による方法によって用意されたリチウム金属セルと、電極の従来のスラリコーティングによって用意されたリチウム金属セルとの両方に関するものである。これらのデータは、本発明による方法によって用意されたリチウム金属セルの重量および体積エネルギー密度および電力密度が、従来の方法によって用意された相当物よりもかなり高いことを示している。ここでも、相違は大きく、おそらく以下のことに起因する。本発明によるセルに関連するかなり高い活性材料質量負荷(単なる質量負荷ではなく);活性材料の重量/体積に対するオーバーヘッド(非活性)構成要素の割合の減少;粘結剤樹脂を有する必要がないこと;電極活性材料の驚くほど良い利用率(全てではないにせよほとんどの活性材料がリチウムイオン貯蔵容量に寄与する。特に高い充電/放電率の条件下で、電極中に乾燥ポケットまたは非効果的なスポットがない);および、発泡性集電体の細孔内に活性材料粒子をより効果的に充填することができる本発明による方法の意外な機能。 FIG. 7 shows the Ragone lithium metal battery comprising lithium foil as the anode active material, dilithium rhodizonate (Li 2 C 6 O 6 ) as the cathode active material, and lithium salt (LiPF 6 )-PC/DEC as the organic liquid electrolyte. A plot is shown. The data relate both to lithium metal cells prepared by the method according to the invention and to lithium metal cells prepared by conventional slurry coating of electrodes. These data show that the gravimetric and volumetric energy densities and power densities of lithium metal cells prepared by the method according to the invention are significantly higher than their counterparts prepared by conventional methods. Again, the differences are large, probably due to the following. Significantly higher active material mass loading (rather than just mass loading) associated with cells according to the present invention; reduced ratio of overhead (non-active) components to active material weight/volume; no need to have binder resins surprisingly good utilization of electrode active materials (most, if not all, active materials contribute to lithium-ion storage capacity; especially under conditions of high charge/discharge rates, no dry pockets or ineffective spots); and the surprising ability of the method according to the present invention to more effectively pack the active material particles into the pores of the foamable current collector.

本発明によるリチウム金属有機カソードセルの重量エネルギー密度は503Wh/kgと高く、これまでに報告されている全ての充電式リチウム金属またはリチウムイオン電池の重量エネルギー密度(現在のリチウムイオン電池は、総セル重量に基づいて150~220Wh/kgを貯蔵することを想起されたい)よりも高いという観察結果は、かなり注目に値し、意外である。そのような有機カソードベースの電池の体積エネルギー密度は、1006Wh/Lと高く、今までに報告された全てのリチウムイオンおよびリチウム金属電池の体積エネルギー密度を上回るこれまでにない高い値であるという観察結果もまた非常に意外なものである。さらに、有機カソード活性材料ベースのリチウム電池では、1,753W/kgの重量電力密度、および5,080W/Lの最大体積電力密度は考えられなかった。 The gravimetric energy density of the lithium metal-organic cathode cell according to the present invention is as high as 503 Wh/kg, which is the gravimetric energy density of all rechargeable lithium metal or lithium ion batteries reported so far (current lithium ion batteries have a total cell The observation of higher than 150-220 Wh/kg based on weight) is quite remarkable and surprising. The observation that the volumetric energy density of such an organic cathode-based battery is as high as 1006 Wh/L, an unprecedentedly high value that exceeds the volumetric energy densities of all lithium-ion and lithium-metal batteries reported to date. The results are also very surprising. Furthermore, a gravimetric power density of 1,753 W/kg and a maximum volumetric power density of 5,080 W/L were unthinkable for lithium batteries based on organic cathode active materials.

多くの研究者が行っているようなRagoneプロット上での活性材料のみの重量当たりのエネルギーおよび電力密度の報告は、組み立てられたスーパーキャパシタセルの性能の現実的な状況を示さないことがあることを指摘しておくことは重要であろう。他のデバイス構成要素の重量も考慮に入れなければならない。集電体、電解質、セパレータ、粘結剤、コネクタ、およびパッケージングを含むこれらのオーバーヘッド構成要素は、非活性材料であり、電荷蓄積量に寄与しない。これらの構成要素は、デバイスに重量および体積を追加するだけである。したがって、オーバーヘッド構成要素の重量の相対比を減少し、活性材料の割合を増加させることが望ましい。しかしながら、従来の電池製造法を使用してこの目的を達成することは可能でなかった。本発明は、リチウム電池の技術分野におけるこの長年にわたる最も重大な問題を克服する。 Reporting energy and power densities per weight of the active material alone on Ragone plots, as many researchers do, may not give a realistic picture of the performance of the assembled supercapacitor cells. It would be important to point out The weight of other device components must also be taken into account. These overhead components, including current collectors, electrolytes, separators, binders, connectors, and packaging, are inactive materials and do not contribute to charge storage mass. These components only add weight and volume to the device. Therefore, it is desirable to reduce the relative proportions of weight of overhead components and increase the percentage of active material. However, it has not been possible to achieve this goal using conventional battery manufacturing methods. The present invention overcomes this longstanding and most serious problem in the lithium battery art.

100~200μmの電極厚さを有する市販のリチウムイオン電池では、リチウムイオン電池におけるアノード活性材料(例えば、黒鉛や炭素)の重量比は、典型的には12~17%であり、カソード活性材料の重量比(LiMnなど無機材料に関して)は22%~41%であり、または有機またはポリマー材料に関しては10%~15%である。したがって、活性材料重量のみに基づく特性から、デバイス(セル)のエネルギーまたは電力密度を外挿するために、係数3~4が頻繁に使用される。大抵の科学論文では、報告されている特性は、典型的には活性材料重量のみに基づいており、電極は典型的には非常に薄い(<<100μm、および大抵は<<50μm)。活性材料重量は、典型的には総デバイス重量の5%~10%であり、これは、対応する活性材料重量ベース値を係数10~20で割ることによって実際のセル(デバイス)エネルギーまたは電力密度を得ることができることを示唆する。この係数が考慮された後では、これらの論文で報告されている特性は、商用電池の特性よりも良いものとは思えない。したがって、科学論文および特許出願で報告されている電池の性能データを読んで解釈するに当たっては非常に慎重でなければならない。 In commercial lithium-ion batteries with an electrode thickness of 100-200 μm, the weight ratio of anode active material (e.g., graphite or carbon) in lithium-ion batteries is typically 12-17%, and that of the cathode active material. The weight ratio (for inorganic materials such as LiMn 2 O 4 ) is 22%-41%, or 10%-15% for organic or polymeric materials. Therefore, a factor of 3-4 is frequently used to extrapolate the energy or power density of a device (cell) from properties based on active material weight alone. In most scientific papers, reported properties are typically based on active material weight only, and electrodes are typically very thin (<<100 μm, and often <<50 μm). The active material weight is typically 5%-10% of the total device weight, which is the actual cell (device) energy or power density by dividing the corresponding active material weight base value by a factor of 10-20. suggests that we can obtain After this factor is taken into account, the properties reported in these papers are unlikely to be better than those of commercial batteries. Therefore, great caution must be exercised in reading and interpreting battery performance data reported in scientific papers and patent applications.

実施例25:実現可能な電極の直径または厚さと、リチウム電池セルの電気化学的性能に対するその影響
リチウム電池の電極厚さは、デバイス性能の最適化のために自由に調整できる設計パラメータであると考えられがちである。実際には、この認識とは対照的に、リチウム電池電極の厚さは製造上の制限を受け、現実の工業的製造環境(例えば、ロールツーロールスラリコーティング施設)では、特定の厚さレベルを超える良好な構造的完全性を有する電極を製造することができない。従来の電池電極設計は、平坦な金属集電体上への電極層のコーティングに基づき、これは、以下のような幾つかの主な問題を有する。(a)Cu箔またはAl箔上の厚いコーティングは、長い乾燥時間を必要とする(長さ30~100メートルの加熱区域を必要とする)。(b)厚い電極は、乾燥およびその後の取扱いの際に層間剥離または割れを生じやすく、電極の完全性を改良すると期待される15~20%の樹脂粘結剤比率でさえ、この問題は大きな制限因子のままである。したがって、固体平坦集電体上にスラリをロールコーティングするそのような業界の慣行は、高い活性物質質量負荷を可能にしない。(c)コーティング、乾燥、および圧縮によって用意された厚い電極は、電解質(セルが形成された後にセルに注入される)が電極を通って浸透するのを難しくし、したがって、厚い電極は、電解質によって濡らされない多くの乾燥ポケットまたはスポットを意味する。これは、活性材料の利用率が低いことを示唆する。本発明は、リチウム電池に関連するこれらの長年にわたる非常に重要な問題を解決する。
Example 25: Feasible Electrode Diameter or Thickness and its Impact on Electrochemical Performance of Lithium Battery Cells Electrode thickness in lithium batteries is believed to be a design parameter that can be adjusted at will for optimization of device performance. It is easy to think. In practice, contrary to this perception, the thickness of lithium battery electrodes is subject to manufacturing limitations, and in a real-world industrial manufacturing environment (e.g., a roll-to-roll slurry coating facility), a specific thickness level is required. It is not possible to fabricate electrodes with good structural integrity beyond that. Conventional battery electrode designs are based on the coating of electrode layers onto flat metal current collectors, which have several major problems as follows. (a) Thick coatings on Cu or Al foils require long drying times (requiring heating zones of 30-100 meters in length). (b) Thick electrodes are prone to delamination or cracking during drying and subsequent handling, and even at 15-20% resin binder ratios, which are expected to improve electrode integrity, this problem is significant. remains a limiting factor. Therefore, such industry practice of roll coating slurries onto solid flat current collectors does not allow for high active mass loadings. (c) thick electrodes prepared by coating, drying, and pressing make it difficult for the electrolyte (which is injected into the cell after it is formed) to penetrate through the electrode; means many dry pockets or spots that are not wetted by This suggests a low utilization of active material. The present invention solves these long-standing and very important problems associated with lithium batteries.

図8に、層間剥離および割れのない従来の方法によって用意されたMnO/RGOカソードと、本発明による方法によって用意されたカソードとの実現可能なカソード厚さ範囲にわたってプロットされた、リチウム金属セルのセルレベルの重量エネルギー密度(Wh/kg)および体積エネルギー密度(Wh/L)が示されている。 In FIG. 8, a lithium metal cell plotted over the feasible cathode thickness range for MnO 2 /RGO cathodes prepared by conventional methods without delamination and cracking and cathodes prepared by methods according to the present invention. cell-level gravimetric energy density (Wh/kg) and volumetric energy density (Wh/L) are shown.

電極は、従来のスラリコーティング法を使用して最大100~200μmの厚さで製造することができる。しかし、対照的に、本発明による方法で実現することができる電極の厚さまたは直径には理論上の制限はない。典型的には、実用上の電極の厚さは1μm~1000μm、より典型的には10μm~800μm、および最も典型的には100μm~600μmである。 Electrodes can be manufactured in thicknesses up to 100-200 μm using conventional slurry coating methods. However, in contrast, there is no theoretical limit to the electrode thickness or diameter that can be achieved with the method according to the invention. Typically, practical electrode thicknesses range from 1 μm to 1000 μm, more typically from 10 μm to 800 μm, and most typically from 100 μm to 600 μm.

これらのデータは、従来実現できなかった超厚リチウム電池電極を製造する際の本発明による方法の意外な有効性をさらに確認している。リチウム金属電池でのこれら超厚電極は、無機カソード活性材料に関して、典型的には実質的に、>25mg/cm(より典型的には>30mg/cm、さらに典型的には>40mg/cm、しばしば>50mg/cm、およびさらには>60mg/cm)の非常に高いカソード活性材料質量負荷をもたらす。これらの高い活性物質質量負荷は、スラリコーティング法によって形成される従来のリチウム電池で得ることは可能でなかった。これらの高い活性物質質量負荷は、電池システムを同じものと仮定して、従来実現されなかった非常に高い重量および体積エネルギー密度(例えば、本発明によるリチウム金属電池の503Wh/kgおよび956Wh/L)をもたらした。 These data further confirm the surprising effectiveness of the method according to the present invention in fabricating ultra-thick lithium battery electrodes, which has heretofore been unfeasible. These ultra-thick electrodes in lithium metal batteries are typically substantially >25 mg/cm 2 (more typically >30 mg/cm 2 , still more typically >40 mg/cm 2 with respect to the inorganic cathode active material). cm 2 , often >50 mg/cm 2 and even >60 mg/cm 2 ). These high active mass loadings have not been possible with conventional lithium batteries formed by slurry coating methods. These high active mass loadings lead to very high gravimetric and volumetric energy densities hitherto unachievable, given the same battery system (e.g. 503 Wh/kg and 956 Wh/L for lithium metal batteries according to the present invention). brought

実施例26:セル中で実現可能な活性材料重量百分率と、リチウム電池セルの電気化学的性能へのその影響
アノードおよびカソードの活性材料を合わせた重量が、パッケージングされた商用リチウム電池の総質量の最大約30%~50%を占めるので、活性材料単独の性能データからデバイスのエネルギーまたは電力密度を外挿するために係数30%~50%を使用しなければならない。したがって、黒鉛とNMC(リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物)との合計重量の500Wh/kgのエネルギー密度は、パッケージングされたセルの約150~250Wh/kgに換算される。しかし、この外挿は、市販の電極(黒鉛アノードの150μmまたは約15mg/cm、およびNMCカソードの30mg/cm)のものと同様の厚さおよび密度を有する電極に対してのみ有効である。より薄いまたはより軽い同じ活性材料の電極は、セル重量に基づいてさらに低いエネルギーまたは電力密度を意味する。したがって、高い活性材料比率を有するリチウムイオン電池セルを製造することが望ましい。残念ながら、大半の商用リチウムイオン電池では、45重量%を超える総活性材料比率を実現することは従来可能でなかった。
Example 26: Active Material Weight Percentages Realizable in Cells and Their Impact on Electrochemical Performance of Lithium Battery Cells The combined weight of anode and cathode active materials is the total mass of a packaged commercial lithium battery. , a factor of 30% to 50% must be used to extrapolate device energy or power density from performance data for the active materials alone. Therefore, an energy density of 500 Wh/kg of the combined weight of graphite and NMC (lithium nickel manganese cobalt oxide) translates to about 150-250 Wh/kg of the packaged cell. However, this extrapolation is valid only for electrodes with thicknesses and densities similar to those of commercial electrodes (150 μm or about 15 mg/cm 2 for graphite anodes and 30 mg/cm 2 for NMC cathodes). . A thinner or lighter electrode of the same active material means lower energy or power density based on cell weight. Therefore, it is desirable to produce lithium-ion battery cells with high active material ratios. Unfortunately, in most commercial lithium-ion batteries, it has not previously been possible to achieve total active material percentages greater than 45% by weight.

本発明による方法は、調べられた全ての活性材料に関してリチウム電池がこれらの限界を十分に上回ることを可能にする。事実、本発明は、望みであれば活性材料比率を85%超に高めることを可能にする。しかし、典型的には45%~80%、より典型的には40%~70%、最も典型的には40%~65%である。 The method according to the invention enables lithium batteries to well exceed these limits for all investigated active materials. In fact, the present invention makes it possible to increase the active material proportion above 85% if desired. However, it is typically 45% to 80%, more typically 40% to 70%, most typically 40% to 65%.

図9には、本発明による方法および従来のロールコーティング法によって用意された黒鉛/NMCセルのセルレベルの重量および体積エネルギー密度が示されている。これらのデータは、50%超の総活性材料質量を得ることができることをさらに示唆しており、リチウム電池システムを同じものと仮定して、以前には可能でなかった予想外に高い重量および体積エネルギー密度を実現できるようにする(例えば、189Wh/kgから305Wh/kgに、および510Wh/Lから793Wh/Lに上昇される)。 FIG. 9 shows the cell-level gravimetric and volumetric energy densities of graphite/NMC cells prepared by the method according to the invention and by the conventional roll coating method. These data further suggest that greater than 50% total active material mass can be obtained, an unexpectedly high weight and volume that was not previously possible given the same lithium battery system. Enable energy densities to be achieved (eg increased from 189 Wh/kg to 305 Wh/kg and from 510 Wh/L to 793 Wh/L).

実施例26:ナトリウム金属セルおよびカリウム金属セルの代表的な試験結果
ハードカーボン粒子をアノード活性材料として、炭素被覆Na(PO粒子をカソード活性材料として含有するNaイオン電池セルのRagoneプロット(重量および体積電力密度対エネルギー密度)を図10に示している。4つのデータ曲線のうちの2つは、本発明の一実施形態により作製されたセルの場合であり、他の2つは従来の電極のスラリコーティング(ロールコーティング)による場合である。これらのデータから以下のような幾つかの重要な観察を行うことができる。
Example 26: Representative Test Results for Sodium and Potassium Metal Cells Na - Ion Battery Containing Hard Carbon Particles as Anode Active Material and Carbon - Coated Na3V2 ( PO4) 2F3 Particles as Cathode Active Material A Ragone plot (weight and volume power density versus energy density) of the cell is shown in FIG. Two of the four data curves are for cells made according to one embodiment of the present invention and the other two are for conventional slurry coating (roll coating) of electrodes. Several important observations can be made from these data:

本発明による方法(図の凡例では「本発明」と表される)によって作製したナトリウムイオン電池セルの重量および体積エネルギー密度および電力密度の両方は、従来のロールコーティング法(「従来」と表される)によって作製した相当物のものよりもかなり高い。150μmのアノード厚さ(平坦な固体Cu箔上にコーティングされた)から直径200μm(85%の多孔率を有する炭素発泡体の細孔内に全て収容される)への変化、およびバランスの取れた容量比を維持するためのカソードの対応する変化によって、重量エネルギー密度が115Wh/kgから157Wh/kgに増加する。さらにより驚くべきことに、体積エネルギー密度は241Wh/Lから502Wh/Lに増加する。この後者の502Wh/Lの値は、ハードカーボンアノードおよびナトリウム遷移金属リン酸塩型カソードを用いたナトリウムイオン電池の場合には例外的な値である。 Both the weight and volumetric energy densities and power densities of the sodium ion battery cells made by the method according to the invention (denoted as "invention" in the figure legend) were compared with the conventional roll coating method (denoted as "conventional"). are considerably higher than those of counterparts made by The change from 150 μm anode thickness (coated on flat solid Cu foil) to 200 μm diameter (all contained within the pores of carbon foam with 85% porosity) and balanced A corresponding change in the cathode to maintain the capacity ratio increases the gravimetric energy density from 115 Wh/kg to 157 Wh/kg. Even more surprisingly, the volumetric energy density increases from 241 Wh/L to 502 Wh/L. This latter value of 502 Wh/L is exceptional for a sodium ion battery with a hard carbon anode and a sodium transition metal phosphate type cathode.

これらの大きな相違は、おそらくは、本発明によるセルに関連する非常に高い活性材料質量負荷(他の材料に対して)、活性材料の重量/体積に対するオーバーヘッド(非活性)構成要素の割合の減少、粘結剤樹脂を有する必要がないこと、電極活性材料の驚くべき良好な利用率(全てではないにしてもほとんどのハードカーボン粒子およびNa(PO粒子がナトリウムイオン貯蔵容量に寄与し;特に高い充電/放電率の条件下で、電極中に乾燥ポケットまたは非効果的なスポットがない)、および多孔質導電性層(発泡集電体)の細孔中に活性材料粒子をより効率的に充填するための本発明による方法の驚くべき能力のためである。 These major differences are probably due to the much higher active material mass loading (relative to other materials) associated with cells according to the invention, the reduced ratio of overhead (inactive) components to active material weight/volume, No need to have a binder resin, surprisingly good utilization of the electrode active material ( most if not all hard carbon particles and Na3V2 ( PO4) 2F3 particles are sodium ion storage contributes to capacity; no dry pockets or ineffective spots in the electrode, especially under conditions of high charge/discharge rate), and active material in the pores of the porous conductive layer (foamed current collector) This is due to the surprising ability of the method according to the invention to pack particles more efficiently.

本発明によるナトリウムイオンセルは、従来のセルよりもはるかに高いエネルギー密度をも送給する。これも予期せぬことである。 The sodium ion cell according to the invention also delivers much higher energy densities than conventional cells. This is also unexpected.

図11は、アノード活性材料としてのグラフェン包有Snナノ粒子と、カソード活性材料としてのNaFePOナノ粒子とをどちらも含有する2つのセルのRagoneプロット(重量および体積電力密度対重量および体積エネルギー密度の両方)を示している。本発明による方法によって作製したNaイオン電池セルおよび従来の電極のスラリコーティングによって作製したNaイオン電池セルから、実験データを得た。 FIG. 11 shows Ragone plots of two cells containing both graphene-encapsulated Sn nanoparticles as anode active material and NaFePO4 nanoparticles as cathode active material (weight and volumetric power density vs. weight and volumetric energy density). ) are shown. Experimental data was obtained from Na-ion battery cells made by the method according to the present invention and Na-ion battery cells made by slurry coating of conventional electrodes.

これらのデータは、本発明による方法によって作製したナトリウム電池セルの重量および体積エネルギー密度および電力密度の両方が、従来方法によって作製したそれらの相当物よりもはるかに高いことを示している。ここでも相違は大きい。従来通り作製したセルは、185Wh/kgの重量エネルギー密度および388Wh/Lの体積エネルギー密度を示すが、本発明によるケーブル型セルはそれぞれ311Wh/kgおよび777Wh/Lを送給する。777Wh/Lのセルレベルの体積エネルギー密度は、あらゆる充電式ナトリウム電池で従来達成されていなかった。実際、最高水準のリチウムイオン電池でさえも、750Wh/Lを超える体積エネルギー密度を示すことはまれである。1236W/kgおよび3,585W/Lの高い電力密度は、ナトリウムイオン電池の場合は言うまでもなく、典型的な高エネルギーリチウムイオン電池の場合でも前例がない。 These data show that both the gravimetric and volumetric energy densities and power densities of sodium battery cells made by the method according to the invention are much higher than their counterparts made by conventional methods. The difference is big here too. Conventionally fabricated cells exhibit gravimetric energy densities of 185 Wh/kg and volumetric energy densities of 388 Wh/L, while cabled cells according to the invention deliver 311 Wh/kg and 777 Wh/L, respectively. A cell-level volumetric energy density of 777 Wh/L has not previously been achieved in any rechargeable sodium battery. In fact, even state-of-the-art lithium-ion batteries rarely exhibit volumetric energy densities above 750 Wh/L. The high power densities of 1236 W/kg and 3,585 W/L are unprecedented for typical high energy lithium ion batteries, let alone for sodium ion batteries.

これらのエネルギー密度および電力密度の相違は、主として、高い活性材料質量負荷、活性材料の重量/体積に対するオーバーヘッド(非活性)構成要素の割合の減少、粘結剤樹脂の欠如、活性材料粒子をより十分に利用する本発明の方法の能力(すべての粒子が液体電解質に到達可能であり、速いイオンおよび電子の運動速度)、および発泡集電体の細孔中への活性材料粒子のより効率的な充填のためである。 These energy and power density differences are primarily due to high active material mass loading, reduced ratio of overhead (non-active) components to active material weight/volume, lack of binder resin, and more active material particles. The ability of the method of the present invention to take full advantage (all particles are accessible to the liquid electrolyte, fast ion and electron velocity), and the more efficient delivery of the active material particles into the pores of the foamed current collector. for proper filling.

アノード活性材料としてのナトリウム箔と、カソード活性材料としてのロジゾン酸二ナトリウム(Na)と、有機液体電解質としてのリチウム塩(NaPF)-PC/DECとを含有するナトリウム金属電池のRagoneプロットを図12に示している。これらのデータは、本発明による方法によって作製したナトリウム金属セルの場合と、従来の電極のスラリコーティングによって作製したナトリウム金属セルの場合との両方のものである。これらのデータは、本発明による方法によって作製したナトリウム金属セルの重量および体積エネルギー密度および電力密度の両方が、従来方法によって作製したそれらの相当物よりもはるかに高いことを示している。ここでも相違は大きく、これはおそらくは、本発明によるセルに関連する非常に高い活性材料質量負荷、活性材料の重量/体積に対するオーバーヘッド(非活性)構成要素の割合の減少、粘結剤樹脂を有する必要がないこと、電極活性材料の驚くべき良好な利用率(全てではないにしてもほとんどの活性材料がナトリウムイオン貯蔵容量に寄与し;特に高い充電/放電率の条件下で、電極中に乾燥ポケットまたは非効果的なスポットがない)、および発泡集電体の細孔中に活性材料粒子をより効率的に充填するための本発明による方法の驚くべき能力のためである。 A sodium metal battery containing sodium foil as anode active material, disodium rhodizonate (Na 2 C 6 O 6 ) as cathode active material, and lithium salt (NaPF 6 )-PC/DEC as organic liquid electrolyte. A Ragone plot of is shown in FIG. These data are for both sodium metal cells made by the method according to the invention and for sodium metal cells made by conventional slurry coating of electrodes. These data show that both the gravimetric and volumetric energy densities and power densities of sodium metal cells made by the method according to the invention are much higher than their counterparts made by conventional methods. Again the differences are significant, probably due to the much higher active material mass loading associated with the cells according to the invention, the reduced ratio of overhead (non-active) components to the weight/volume of active material, and the binder resin. Surprisingly good utilization of the electrode active materials (most, if not all, of the active materials contribute to the sodium ion storage capacity; especially under conditions of high charge/discharge rate, no drying in the electrode) no pockets or ineffective spots) and the surprising ability of the method according to the invention to more efficiently pack the active material particles into the pores of the foamed current collector.

本発明によるナトリウム金属有機カソードセルの重量エネルギー密度は325Wh/kgと高く、これまでに報告されている全ての充電式ナトリウム金属電池またはナトリウムイオン電池の重量エネルギー密度(現在のNaイオン電池は、総セル重量に基づいて100~150Wh/kgを貯蔵することを想起されたい)よりも高いという観察結果は、かなり注目に値し、予想外である。さらに、有機カソード活性材料ベースのナトリウム電池の場合(さらには対応するリチウム電池の場合)、1,289W/kgの重量電力密度および3,738W/Lの体積電力密度は考えられなかった。 The gravimetric energy density of the sodium metal-organic cathode cell according to the present invention is as high as 325 Wh/kg, which is higher than that of all rechargeable sodium metal or sodium-ion batteries reported so far (current Na-ion batteries are The observation of higher than 100-150 Wh/kg based on cell weight) is quite remarkable and unexpected. Furthermore, for organic cathode active material-based sodium batteries (and for corresponding lithium batteries), a gravimetric power density of 1,289 W/kg and a volumetric power density of 3,738 W/L were unthinkable.

多くの研究者が行っているようなRagoneプロット上での活性材料のみの重量当たりのエネルギーおよび電力密度の報告は、組み立てられた電池セルの性能の現実的な状況を示さないことがあることを指摘しておくことは重要であろう。他のデバイス構成要素の重量も考慮に入れなければならない。集電体、電解質、セパレータ、粘結剤、コネクタ、およびパッケージングを含むこれらのオーバーヘッド構成要素は、非活性材料であり、電荷蓄積量に寄与しない。これらは、デバイスの重量および体積を増加させるだけである。したがって、オーバーヘッド構成要素の重量の相対比を減少させ、活性材料の割合を増加させることが望ましい。しかしながら、従来の電池製造法を使用してこの目的を達成することはできなかった。本発明は、リチウム電池の技術分野におけるこの長年にわたる最も重大な問題を克服する。 We note that reporting energy and power densities per weight of active materials alone on Ragone plots, as many researchers do, may not give a realistic picture of the performance of the assembled battery cells. It is important to point out The weight of other device components must also be taken into account. These overhead components, including current collectors, electrolytes, separators, binders, connectors, and packaging, are inactive materials and do not contribute to charge storage mass. These only add weight and volume to the device. Therefore, it is desirable to reduce the relative proportions of weight of overhead components and increase the percentage of active material. However, this goal could not be achieved using conventional battery manufacturing methods. The present invention overcomes this longstanding and most serious problem in the lithium battery art.

150μmの電極厚さを有する市販のリチウムイオン電池では、リチウムイオン電池中のアノード活性材料(例えば、黒鉛または炭素)の重量比は、典型的には12%~17%であり、カソード活性材料の重量比(LiMnなどの無機材料の場合)は22%~41%であり、有機またはポリマー材料の場合は10%~15%である。アノード活性材料およびカソード活性材料の両方が、2種類の電池の間で物理的密度が類似しており、カソード比容量のアノード比容量に対する比率も類似しているので、Naイオン電池中の対応する重量分率は非常に類似すると予想される。したがって、活性材料重量のみに基づく特性から、ナトリウムセルのエネルギーまたは電力密度を外挿するために、係数3~4を使用することができる。大抵の科学論文では、報告されている特性は、典型的には活性材料重量のみに基づいており、電極は典型的には非常に薄い(<<100μm、および大抵は<<50μm)。活性材料重量は、典型的には総デバイス重量の5%~10%であり、これは、対応する活性材料重量ベースの値を係数10~20で割ることによって実際のセル(デバイス)エネルギーまたは電力密度を得ることができることを示唆している。この係数が考慮された後では、これらの論文で報告されている特性は、市販の電池の特性よりも良いものとは思えない。したがって、科学論文および特許出願で報告されている電池の性能データを読んで解釈するに当たっては非常に慎重でなければならない。 In commercial lithium-ion batteries with an electrode thickness of 150 μm, the weight ratio of anode active material (eg, graphite or carbon) in the lithium-ion battery is typically 12% to 17%, and that of cathode active material. The weight ratio (for inorganic materials such as LiMn 2 O 4 ) is between 22% and 41% and for organic or polymeric materials between 10% and 15%. Since both the anode and cathode active materials have similar physical densities between the two types of batteries, and the ratio of cathode specific capacity to anode specific capacity is also similar, the corresponding Weight fractions are expected to be very similar. Therefore, a factor of 3-4 can be used to extrapolate the energy or power density of a sodium cell from properties based on active material weight alone. In most scientific papers, reported properties are typically based on active material weight only, and electrodes are typically very thin (<<100 μm, and often <<50 μm). The active material weight is typically 5% to 10% of the total device weight, which is the actual cell (device) energy or power by dividing the corresponding active material weight-based value by a factor of 10-20. It suggests that the density can be obtained. After this factor is taken into account, the properties reported in these papers are unlikely to be better than those of commercial batteries. Therefore, great caution must be exercised in reading and interpreting battery performance data reported in scientific papers and patent applications.

従来のスラリコーティング方法によって作製した一連のKイオンセルのRagoneプロット、および本発明による方法によって作製した対応するケーブル型KイオンセルのRagoneプロットを図13中にまとめ、対比させている。これらのデータも、本発明による方法が、超高エネルギー密度および電力密度を有するNaおよびK金属電池の両方の製造に有効であることを裏付けている。 Ragone plots of a series of K-ion cells made by the conventional slurry coating method and Ragone plots of corresponding cable K-ion cells made by the method according to the invention are summarized and contrasted in FIG. These data also confirm that the method according to the invention is effective in producing both Na and K metal batteries with ultra-high energy and power densities.

Claims (82)

ケーブル型アルカリ金属電池において、前記アルカリ金属がLi、Na、K、またはそれらの組合せから選択され、前記ケーブルの形状が、長さ対直径または長さ対厚さのアスペクト比が少なくとも10となる長さおよび直径もしくは厚さを有し;前記電池が:
(a)細孔を有する電気伝導性多孔質ロッドと、第1の電極活性材料および第1の電解質の第1の混合物とを含む第1の電極において、前記第1の混合物が前記多孔質ロッドの前記細孔中に存在する第1の電極と;
(b)前記第1の電極を包み込む多孔質セパレータと;
(c)前記多孔質セパレータを包み込むまたは覆う電気伝導性多孔質層を含む第2の電極において、前記伝導性多孔質層が、細孔と、第2の電極活性材料および第2の電解質の第2の混合物とを含み、前記第2の混合物が前記多孔質層の前記細孔中に存在する第2の電極と;
(d)前記第2の電極を包み込むまたは覆う保護ケーシングまたはシースと、
を含み、
前記第1の電極中の前記電気伝導性多孔質ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性多孔質層が、伝導性ポリマー繊維マット、伝導性ポリマー発泡体、伝導性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、炭素キセロゲル、グラフェンエアロゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される多孔質発泡体を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。
A cable type alkali metal battery, wherein the alkali metal is selected from Li, Na, K, or a combination thereof, and the cable geometry is such that the length-to-diameter or length-to-thickness aspect ratio is at least 10. having a thickness and a diameter or thickness; the battery:
(a) a first electrode comprising an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, wherein said first mixture comprises said porous rod; a first electrode present in said pores of
(b) a porous separator encasing the first electrode;
(c) a second electrode comprising an electrically conductive porous layer enveloping or covering said porous separator, said conductive porous layer comprising pores and a second electrode active material and a second electrolyte; 2, wherein said second mixture resides in said pores of said porous layer;
(d) a protective casing or sheath enclosing or covering said second electrode;
including
The electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive porous layer in the second electrode comprises a conductive polymer fiber mat, a conductive polymer foam, a conductive polymer coated fiber foam. body, carbon foam, graphite foam, carbon aerogel, carbon xerogel, graphene aerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or An alkali metal battery comprising a porous foam selected from combinations thereof .
請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電極が負極またはアノードであり、前記第2の電極が正極またはカソードであることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. An alkali metal battery according to claim 1, wherein said first electrode is a negative electrode or anode and said second electrode is a positive electrode or cathode. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第2の電極負極またはアノードであり、前記第1の電極が正極またはカソードであることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. An alkali metal battery according to claim 1, wherein said second electrode is a negative electrode or anode and said first electrode is a positive electrode or cathode. ケーブル型アルカリ金属電池において、前記アルカリ金属がLi、Na、K、またはそれらの組合せから選択され;前記電池が:
(a)電気伝導性ロッドと、前記伝導性ロッドの表面上にコーティングされた第1の電極活性材料および任意選択の第1の電解質の第1の混合物とを含む第1の電極と;
(b)前記第1の電極を包み込む多孔質セパレータと;
(c)前記多孔質セパレータを包み込むまたは覆う電気伝導性多孔質層を含む第2の電極において、前記伝導性多孔質層が、細孔と、第2の電極活性材料および第2の電解質の第2の混合物とを含み、前記第2の混合物が前記多孔質層の前記細孔中に存在する第2の電極と;
(d)前記第2の電極を包み込むまたは覆う保護ケーシングまたはシースと、
を含み、
前記第1の電極中の前記電気伝導性ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性多孔質層が、伝導性ポリマー繊維マット、伝導性ポリマー発泡体、伝導性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、炭素キセロゲル、グラフェンエアロゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される多孔質発泡体を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。
A cable type alkali metal battery, wherein said alkali metal is selected from Li, Na, K, or combinations thereof; said battery:
(a) a first electrode comprising an electrically conductive rod and a first mixture of a first electrode active material and an optional first electrolyte coated on the surface of said conductive rod;
(b) a porous separator encasing the first electrode;
(c) a second electrode comprising an electrically conductive porous layer enveloping or covering said porous separator, wherein said conductive porous layer comprises pores and a second electrode active material and a second electrolyte; 2, wherein said second mixture resides in said pores of said porous layer;
(d) a protective casing or sheath enclosing or covering said second electrode;
including
wherein said electrically conductive rod in said first electrode or said electrically conductive porous layer in said second electrode comprises a conductive polymer fiber mat, a conductive polymer foam, a conductive polymer-coated fiber foam; carbon foam, graphite foam, carbon aerogel, carbon xerogel, graphene aerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or An alkali metal battery comprising a porous foam selected from combinations .
ケーブル型アルカリ金属電池において、前記アルカリ金属がLi、Na、K、またはそれらの組合せから選択され;前記電池が:
(a)細孔を有する電気伝導性多孔質ロッドと、第1の電極活性材料および第1の電解質の第1の混合物とを含む第1の電極において、前記第1の混合物が前記多孔質ロッドの前記細孔中に存在する第1の電極と;
(b)前記第1の電極を包み込む多孔質セパレータと;
(c)前記多孔質セパレータを包み込むまたは覆う電気伝導性層を含む第2の電極において、前記伝導性層が、第2の電極活性材料および任意選択の第2の電解質の第2の混合物を含む第2の電極と;
(d)前記第2の電極を包み込むまたは覆う保護ケーシングまたはシースと、
を含み、
前記第1の電極中の前記電気伝導性多孔質ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性層が、伝導性ポリマー繊維マット、伝導性ポリマー発泡体、伝導性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、炭素キセロゲル、グラフェンエアロゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される多孔質発泡体を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。
A cable type alkali metal battery, wherein said alkali metal is selected from Li, Na, K, or combinations thereof; said battery:
(a) a first electrode comprising an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, wherein said first mixture comprises said porous rod; a first electrode present in said pores of
(b) a porous separator encasing the first electrode;
(c) a second electrode comprising an electrically conductive layer enveloping or covering said porous separator, said conductive layer comprising a second mixture of a second electrode active material and an optional second electrolyte; a second electrode;
(d) a protective casing or sheath enclosing or covering said second electrode;
including
wherein the electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive layer in the second electrode comprises a conductive polymer fiber mat, a conductive polymer foam, a conductive polymer coated fiber foam; carbon foam, graphite foam, carbon aerogel, carbon xerogel, graphene aerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or An alkali metal battery comprising a porous foam selected from combinations .
請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記ケーブル型電池が第1の末端および第2の末端を有し、前記第1の電極が、前記第1の電極中に埋め込まれる、前記第1の電極に接続される、または前記第1の電極と一体となる、少なくとも1つの金属ワイヤ、伝導性炭素/黒鉛繊維、または伝導性ポリマー繊維を含む第1の端子コネクタを含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein said cable-type cell has a first end and a second end, and said first electrode is embedded within said first electrode. An alkali comprising a first terminal connector connected to or integral with an electrode and comprising at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber. metal battery. 請求項に記載のアルカリ金属電池において、前記少なくとも1つの金属ワイヤ、伝導性炭素/黒鉛繊維、または伝導性ポリマー繊維が、前記第1の末端から前記第2の末端まで及ぶことを特徴とするアルカリ金属電池。 7. The alkali metal battery of claim 6 , wherein said at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber extends from said first end to said second end. alkaline metal battery. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記ケーブル型電池が第1の末端および第2の末端を有し、前記第2の電極が、前記第2の電極中に埋め込まれる、前記第2の電極に接続される、または前記第2の電極と一体となる、少なくとも1つの金属ワイヤ、伝導性炭素/黒鉛繊維、または伝導性ポリマー繊維を含む第2の端子コネクタを含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein said cable-type cell has a first end and a second end, and wherein said second electrode is embedded in said second electrode. An alkali comprising a second terminal connector connected to or integral with an electrode and comprising at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber. metal battery. 請求項6に記載のアルカリ金属電池において、前記少なくとも1つの金属ワイヤ、伝導性炭素/黒鉛繊維、または伝導性ポリマー繊維が、ほぼ前記第1の末端から前記第2の末端まで及ぶことを特徴とするアルカリ金属電池。 7. The alkali metal battery of claim 6, wherein said at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber extends approximately from said first end to said second end. alkaline metal batteries. 請求項に記載のアルカリ金属電池において、前記多孔質発泡体が、円形、楕円形の、長方形、正方形、六角形、中空、または不規則な形状の断面を有することを特徴とするアルカリ金属電池。 The alkali metal battery of claim 1 , wherein said porous foam has a circular, elliptical, rectangular, square, hexagonal, hollow, or irregularly shaped cross-section. . 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記電池が、ある長さおよびある直径もしくは厚さと、長さ/厚さまたは長さ/直径の比であるアスペクト比とを有するケーブル形状を有しており、当該アスペクト比が10を超えることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein the battery has a cable shape having a length and a diameter or thickness and an aspect ratio that is the ratio of length/thickness or length/diameter. and wherein said aspect ratio is greater than 10. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電極または第2の電極が、Li、Na、K、またはそれらの組合せの粒子、箔、またはコーティングを電極活性材料として含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein said first electrode or second electrode comprises particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as electrode active material. alkaline metal batteries. 請求項4に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電極または第2の電極が、Li、Na、K、またはそれらの組合せの粒子、箔、またはコーティングを電極活性材料として含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 5. The alkali metal battery of claim 4, wherein said first electrode or second electrode comprises particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as electrode active material. alkaline metal batteries. 請求項5に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電極または第2の電極が、Li、Na、K、またはそれらの組合せの粒子、箔、またはコーティングを電極活性材料として含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 6. The alkali metal battery of claim 5, wherein the first or second electrode comprises Li, Na, K, or combinations thereof particles, foils, or coatings as electrode active materials. alkaline metal batteries. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記アルカリ金属電池がリチウムイオン電池であり、前記第1または第2の電極活性材料が:
(a)天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、および炭素の粒子;
(b)ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、およびカドミウム(Cd);
(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、またはCdと別の元素との合金または金属間化合物において、化学量論的または非化学量論的である合金または化合物;
(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、またはCdの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、およびテルル化物、ならびにそれらの混合物または複合物;
(e)それらのプレリチウム化されたバージョン;
(f)プレリチウム化されたグラフェンシート;
ならびにそれらの組合せ
からなる群から選択されることを特徴とするアルカリ金属電池。
2. The alkali metal battery of claim 1, wherein said alkali metal battery is a lithium ion battery and said first or second electrode active material comprises:
(a) natural graphite, synthetic graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and particles of carbon;
(b) silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd);
(c) stoichiometric or non-stoichiometric alloys or compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with another element or intermetallic compound;
(d) oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd, and tellurides, and mixtures or composites thereof;
(e) prelithiated versions thereof;
(f) prelithiated graphene sheets;
and combinations thereof.
請求項15に記載のアルカリ金属電池において、前記プレリチウム化されたグラフェンシートが、純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ホウ素がドープされたグラフェン、窒素がドープされたグラフェン、化学官能化グラフェン、それらの物理的もしくは化学的に活性化もしくはエッチングされたバージョン、およびそれらの組合せのプレリチウム化されたバージョンからなる群から選択されることを特徴とするアルカリ金属電池。 16. The alkali metal battery of claim 15, wherein the prelithiated graphene sheets are pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride. , nitrided graphene, boron-doped graphene, nitrogen-doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched versions thereof, and combinations thereof. An alkali metal battery, characterized in that it is selected from the group consisting of versions. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記アルカリ金属電池がナトリウムイオン電池であり、前記第1または第2の電極活性材料が、石油コークス、カーボンブラック、非晶質炭素、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン、鋳型炭素、中空炭素ナノワイヤ、中空炭素球、チタネート、NaTi(PO、NaTi、Na、NaTP、NaTiO(x=0.2~1.0)、Na、カルボキシレート系材料、CNa、C、CNaO、CNa、C10Na、C14、C14Na、およびそれらの組合せからなる群から選択されるアルカリインターカレーション化合物を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein the alkali metal battery is a sodium ion battery and the first or second electrode active material is petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, Soft carbon, templating carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, titanates , NaTi2 ( PO4 ) 3 , Na2Ti3O7 , Na2C8H4O4 , Na2TP , NaxTiO2 ( x = 0.2-1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4 , carboxylate-based materials, C 8 H 4 Na 2 O 4 , C 8 H 6 O 4 , C 8 H 5 NaO 4 , C 8 Na 2F4O4 , C10H2Na4O8 , C14H4O6 , C14H4Na4O8 , and combinations thereof . _ _ An alkali metal battery characterized by: 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記アルカリ金属電池がナトリウムイオン電池であり、前記第1または第2の電極活性材料が:
(a)ナトリウムまたはカリウムがドープされたケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)、およびそれらの混合物;
(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、およびそれらの混合物のナトリウムもしくはカリウムを含有する合金または金属間化合物;
(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、およびそれらの混合物もしくは複合物の、ナトリウムもしくはカリウムを含有する酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物、またはアンチモン化物;
(d)ナトリウム塩またはカリウム塩;
(e)ナトリウムまたはカリウムがあらかじめ充填されたグラフェンシート;ならびに
(f)それらの組合せ
からなる群から選択されるアルカリインターカレーション化合物を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。
2. The alkali metal battery of claim 1, wherein said alkali metal battery is a sodium ion battery and said first or second electrode active material comprises:
(a) sodium or potassium doped silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al); Titanium (Ti), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Manganese (Mn), Cadmium (Cd), and mixtures thereof;
(b) alloys or intermetallic compounds containing sodium or potassium of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof;
(c) oxides and carbides containing sodium or potassium of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or composites thereof; , nitrides, sulfides, phosphides, selenides, tellurides, or antimonides;
(d) sodium or potassium salts;
(e) sodium or potassium prefilled graphene sheets; and (f) an alkali intercalation compound selected from the group consisting of combinations thereof.
請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第2または第1の電極活性材料が、コバルト酸リチウム、ドープされたコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ドープされたニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、ドープされたマンガン酸リチウム、バナジウム酸リチウム、ドープされたバナジウム酸リチウム、リチウム混合金属酸化物、リン酸鉄リチウム、リン酸バナジウムリチウム、リン酸マンガンリチウム、リチウム混合金属リン酸塩、非リチウム金属硫化物、セレン化リチウム、およびそれらの組合せからなる群から選択されるリチウムインターカレーション化合物またはリチウム吸収性化合物を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein the second or first electrode active material is lithium cobaltate, doped lithium cobaltate, lithium nickelate, doped lithium nickelate, lithium manganate, doped doped lithium manganate, lithium vanadate, doped lithium vanadate, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium manganese phosphate, lithium mixed metal phosphate, non-lithium metal sulfide , lithium selenide, and combinations thereof. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第2または第1の電極活性材料が、NaFePO、Na(1-x)PO、KFePO、Na0.7FePO、Na1.5VOPO0.5、Na(PO、Na(PO、NaFePOF、NaFeF、NaVPOF、KVPOF、Na(PO、Na1.5VOPO0.5、Na(PO、NaV15、NaVO、Na0.33、NaCoO、Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O、Na(Fe1/2Mn1/2)O、NaMnO、λ-MnO、Na(1-x)MnO、Na0.44MnO、Na44MnO/C、NaMn18、NaFeMn(PO、NaTi、Ni1/3Mn1/3Co1/3、Cu0.56Ni44HCF、NiHCF、NaMnO、NaCrO、KCrO、NaTi(PO、NiCo、Ni/FeS、Sb、NaFe(CN)/C、NaV1-xCrPOF、Se(y/z=0.01~100)、Se、アルオード石、およびそれらの組合せからなる群から選択されるナトリウムインターカレーション化合物またはカリウムインターカレーション化合物を含み、式中のxは0.1~1.0であることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein the second or first electrode active material is NaFePO4 , Na (1-x) KxPO4 , KFePO4 , Na0.7FePO4 , Na1 . 5VOPO4F0.5 , Na3V2 ( PO4 ) 3 , Na3V2 ( PO4 ) 2F3 , Na2FePO4F , NaFeF3 , NaVPO4F , KVPO4F , Na3V 2 ( PO4 ) 2F3 , Na1.5VOPO4F0.5 , Na3V2 ( PO4 ) 3 , NaV6O15 , NaxVO2 , Na0.33V2O5 , Na x CoO 2 , Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ]O 2 , Na x (Fe 1/2 Mn 1/2 )O 2 , Na x MnO 2 , λ-MnO 2 , Na x K ( 1-x) MnO 2 , Na 0.44 MnO 2 , Na 0 . 44MnO2 / C , Na4Mn9O18 , NaFe2Mn ( PO4 ) 3 , Na2Ti3O7 , Ni1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3O2 , Cu0.56Ni0 . 44HCF , NiHCF , NaxMnO2 , NaCrO2, KCrO2, Na3Ti2(PO4)3 , NiCo2O4 , Ni3S2 / FeS2 , Sb2O4 , Na4Fe ( CN ) 6 /C, NaV 1-x Cr x PO 4 F, Se zS y (y/ z =0.01-100), Se, alodite, and combinations thereof. An alkali metal battery comprising a compound or a potassium intercalation compound, wherein x is between 0.1 and 1.0. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電解質および/または前記第2の電解質が、液体溶媒中に溶解したリチウム塩またはナトリウム塩を含み、前記液体溶媒が、水、有機溶媒、イオン液体、有機溶媒とイオン液体との混合物、または液体溶媒ポリマーゲルであることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein said first electrolyte and/or said second electrolyte comprises a lithium or sodium salt dissolved in a liquid solvent, said liquid solvent being water, an organic solvent, An alkali metal battery characterized by being an ionic liquid, a mixture of an organic solvent and an ionic liquid, or a liquid solvent polymer gel. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電解質および/または前記第2の電解質が、2.5Mを超える塩濃度を有する液体溶媒中に溶解したリチウム塩またはナトリウム塩を含有することを特徴とするアルカリ金属電池。 The alkali metal battery of claim 1, wherein said first electrolyte and/or said second electrolyte contains a lithium or sodium salt dissolved in a liquid solvent having a salt concentration greater than 2.5M. An alkali metal battery characterized by: 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電解質および/または前記第2の電解質が、5.0Mを超える塩濃度を有する液体溶媒中に溶解したリチウム塩またはナトリウム塩を含有することを特徴とするアルカリ金属電池。 The alkali metal battery of claim 1, wherein said first electrolyte and/or said second electrolyte contains a lithium or sodium salt dissolved in a liquid solvent having a salt concentration greater than 5.0M. An alkali metal battery characterized by: 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電解質および/または前記第2の電解質が、7.0Mを超える塩濃度を有する液体溶媒中に溶解したリチウム塩またはナトリウム塩を含有することを特徴とするアルカリ金属電池。 The alkali metal battery of claim 1, wherein said first electrolyte and/or said second electrolyte contains a lithium or sodium salt dissolved in a liquid solvent having a salt concentration greater than 7.0M. An alkali metal battery characterized by: 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電極中の前記電気伝導性多孔質ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性多孔質層が、少なくとも85体積%の細孔を有し、前記第1または第2の電極が、100μm以上の直径または厚さを有する、または電池セル全体の少なくとも25重量%もしくは体積%を占める活性質量負荷を有する、または前記第1および第2の電極活性材料を合わせたものが、電池セル全体の少なくとも40重量%もしくは体積%を占めることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein the electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive porous layer in the second electrode comprises at least 85 vol. and wherein said first or second electrode has a diameter or thickness of 100 μm or greater, or has an active mass loading that accounts for at least 25% by weight or volume of the total battery cell, or said first and second electrodes An alkali metal battery characterized in that the two electrode active materials together constitute at least 40% by weight or volume of the total battery cell. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電極中の前記電気伝導性多孔質ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性多孔質層が、少なくとも90体積%の細孔を有し、前記第1または第2の電極が、200μm以上の直径または厚さを有する、または電池セル全体の少なくとも30重量%もしくは体積%を占める活性質量負荷を有する、または前記第1および第2の電極活性材料を合わせたものが、電池セル全体の少なくとも50重量%もしくは体積%を占めることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein the electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive porous layer in the second electrode comprises at least 90 vol. and wherein said first or second electrode has a diameter or thickness of 200 μm or greater, or has an active mass loading that accounts for at least 30% by weight or volume of the entire battery cell, or said first and second electrodes An alkali metal battery characterized in that the two electrode active materials together comprise at least 50% by weight or volume of the total battery cell. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第1の電極中の前記電気伝導性多孔質ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性多孔質層が、少なくとも95体積%の細孔を有し、前記第1または第2の電極が、300μm以上の直径または厚さを有する、または電池セル全体の少なくとも35重量%もしくは体積%を占める活性質量負荷を有する、または前記第1および第2の電極活性材料を合わせたものが、電池セル全体の少なくとも60重量%もしくは体積%を占めることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein the electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive porous layer in the second electrode comprises at least 95 vol. and said first or second electrode has a diameter or thickness of 300 μm or greater, or has an active mass loading that accounts for at least 35% by weight or volume of the total battery cell, or said first and second electrodes An alkali metal battery characterized in that the two electrode active materials together constitute at least 60% by weight or volume of the total battery cell. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記第1または第2の電極活性材料が、無機材料、有機もしくはポリマー材料、金属酸化物/リン酸塩/硫化物、またはそれらの組合せから選択されるアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収性化合物を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein said first or second electrode active material is selected from inorganic materials, organic or polymeric materials, metal oxides/phosphates/sulfides, or combinations thereof. An alkali metal battery comprising an alkali metal intercalation compound or an alkali metal absorbing compound. 請求項28に記載のアルカリ金属電池において、前記金属酸化物/リン酸塩/硫化物が、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、バナジウム酸リチウム、リチウム混合金属酸化物、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、リン酸バナジウムリチウム、リチウム混合金属リン酸塩、遷移金属硫化物、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とするアルカリ金属電池。 29. The alkali metal battery of claim 28, wherein the metal oxide/phosphate/sulfide is lithium cobaltate, lithium nickelate, lithium manganate, lithium vanadate, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate , lithium manganese phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium mixed metal phosphates, transition metal sulfides, and combinations thereof. 請求項28に記載のアルカリ金属電池において、前記無機材料が、遷移金属ダイカルコゲナイド、遷移金属トリカルコゲナイド、またはそれらの組合せから選択されることを特徴とするアルカリ金属電池。 29. The alkali metal battery of claim 28, wherein the inorganic material is selected from transition metal dichalcogenides, transition metal trichalcogenides, or combinations thereof. 請求項28に記載のアルカリ金属電池において、前記無機材料が、TiS、TaS、MoS、NbSe、MnO、CoO、酸化鉄、酸化バナジウム、またはそれらの組合せから選択されることを特徴とするアルカリ金属電池。 29. The alkali metal battery of claim 28, wherein said inorganic material is selected from TiS2 , TaS2 , MoS2, NbSe3 , MnO2 , CoO2 , iron oxide, vanadium oxide, or combinations thereof. An alkaline metal battery characterized by: 請求項28に記載のアルカリ金属電池において、前記金属酸化物/リン酸塩/硫化物が、VO、LiVO、V、Li、V、Li、Li、V、Li、V13、Li13、それらのドープされたバージョン、それらの誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択される酸化バナジウムを含み、式中、0.1<x<5であることを特徴とするアルカリ金属電池。 29. The alkali metal battery of claim 28 , wherein said metal oxides/phosphates/ sulfides are VO2 , LixVO2 , V2O5 , LixV2O5 , V3O8 , Li xV3O8 , LixV3O7 , V4O9 , LixV4O9 , V6O13 , LixV6O13 , doped versions thereof , derivatives thereof , and their An alkali metal battery comprising vanadium oxide selected from the group consisting of combinations of: wherein 0.1<x<5. 請求項28に記載のアルカリ金属電池において、前記金属酸化物/リン酸塩/硫化物が、層状化合物LiMO、スピネル化合物LiM、オリビン化合物LiMPO、ケイ酸塩化合物LiMSiO、タボライト化合物LiMPOF、ホウ酸塩化合物LiMBO、およびそれらの組合せからなる群から選択され、式中、Mは遷移金属または複数の遷移金属の混合物であることを特徴とするアルカリ金属電池。 29. The alkali metal battery of claim 28, wherein said metal oxide/phosphate/sulfide is layered compound LiMO2 , spinel compound LiM2O4 , olivine compound LiMPO4 , silicate compound Li2MSiO4 , An alkali metal battery selected from the group consisting of taborite compound LiMPO4F , borate compound LiMBO3 , and combinations thereof, wherein M is a transition metal or a mixture of transition metals. 請求項28に記載のアルカリ金属電池において、前記無機材料が、(a)セレン化ビスマスまたはテルル化ビスマス、(b)遷移金属ダイカルコゲナイドまたはトリカルコゲナイド、(c)ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、または遷移金属の硫化物、セレン化物、またはテルル化物;(d)窒化ホウ素、ならびに(e)それらの組合せからなる群から選択されることを特徴とするアルカリ金属電池。 29. The alkali metal battery of claim 28, wherein the inorganic material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum. , tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron, nickel, or transition metal sulfides, selenides, or tellurides; (d) boron nitride, and (e) combinations thereof. and alkaline metal batteries. 請求項28に記載のアルカリ金属電池において、前記有機材料またはポリマー材料が、ポリ(アントラキノニルスルフィド)(PAQS)、リチウムオキソカーボン、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物(PTCDA)、ポリ(アントラキノニルスルフィド)、ピレン-4,5,9,10-テトラオン(PYT)、ポリマー結合PYT、キノ(トリアゼン)、酸化還元活性有機材料、テトラシアノキノジメタン(TCNQ)、テトラシアノエチレン(TCNE)、2,3,6,7,10,11-ヘキサメトキシトリフェニレン(HMTP)、ポリ(5-アミノ-1,4-ジヒドロキシ(dyhydroxy)アントラキノン)(PADAQ)、ホスファゼンジスルフィドポリマー([(NPS]n)、リチウム化された1,4,5,8-ナフタレンテトラオールホルムアルデヒドポリマー、ヘキサアザトリナフチレン(HATN)、ヘキサアザトリフェニレンヘキサカルボニトリル(HAT(CN))、5-ベンジリデンヒダントイン、イサチンリチウム塩、ピロメリット酸ジイミドリチウム塩、テトラヒドロキシ-p-ベンゾキノン誘導体(THQLi)、N,N’-ジフェニル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(PHP)、N,N’-ジアリル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(AP)、N,N’-ジプロピル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(PRP)、チオエーテルポリマー、キノン化合物、1,4-ベンゾキノン、5,7,12,14-ペンタセンテトロン(PT)、5-アミノ-2,3-ジヒドロ-1,4-ジヒドロキシ(dyhydroxy)アントラキノン(ADDAQ)、5-アミノ-1,4-ジヒドロキシ(dyhydroxy)アントラキノン(ADAQ)、カリックスキノン、Li、Li、Li、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とするアルカリ金属電池。 29. The alkali metal battery of claim 28, wherein the organic or polymeric material is poly(anthraquinonyl sulfide) (PAQS), lithium oxocarbon, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride ( PTCDA), poly(anthraquinonyl sulfide), pyrene-4,5,9,10-tetraone (PYT), polymer-bound PYT, quino (triazene), redox-active organic material, tetracyanoquinodimethane (TCNQ), Tetracyanoethylene (TCNE), 2,3,6,7,10,11-hexamethoxytriphenylene (HMTP), poly(5-amino-1,4-dihydroxyanthraquinone) (PADAQ), phosphazene disulfide polymer ( [(NPS 2 ) 3 ]n), lithiated 1,4,5,8-naphthalenetetraol formaldehyde polymer, hexaazatrinaphthylene (HATN), hexaazatriphenylene hexacarbonitrile (HAT(CN) 6 ) , 5-benzylidenehydantoin, isatin lithium salt, pyromellitic acid diimide lithium salt, tetrahydroxy-p-benzoquinone derivative (THQLi 4 ), N,N′-diphenyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (PHP ), N,N'-diallyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (AP), N,N'-dipropyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (PRP), thioether polymers, quinones Compounds 1,4-benzoquinone, 5,7,12,14-pentacentetrone (PT), 5-amino-2,3-dihydro-1,4-dihydroxyanthraquinone (ADDAQ), 5-amino-1 ,4-dihydroxyanthraquinone (ADAQ), calixquinone, Li 4 C 6 O 6 , Li 2 C 6 O 6 , Li 6 C 6 O 6 , and combinations thereof. and alkaline metal batteries. 請求項35に記載のアルカリ金属電池において、前記チオエーテルポリマーが、ポリ[メタンテトリル-テトラ(チオメチレン)](PMTTM)、ポリ(2,4-ジチオペンタニレン)(PDTP)、ポリ(エテン-1,1,2,2-テトラチオール)(PETT)を主鎖チオエーテルポリマーとして含み、共役芳香族部分からなる主鎖を有しペンダントとしてチオエーテル側鎖を有する側鎖チオエーテルポリマーを含むポリマー、ポリ(2-フェニル-1,3-ジチオラン)(PPDT)、ポリ(1,4-ジ(1,3-ジチオラン-2-イル)ベンゼン)(PDDTB)、ポリ(テトラヒドロベンゾジチオフェン)(PTHBDT)、ポリ[1,2,4,5-テトラキス(プロピルチオ)ベンゼン](PTKPTB、ポリ[3,4(エチレンジチオ)チオフェン](PEDTT)、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とするアルカリ金属電池。 36. The alkali metal battery of claim 35, wherein the thioether polymer is poly[methanetetriyl-tetra(thiomethylene)] (PMTTM), poly(2,4-dithiopentanylene) (PDTP), poly(ethene-1,1 Poly(2-phenyl -1,3-dithiolane) (PPDT), poly(1,4-di(1,3-dithiolan-2-yl)benzene) (PDDTB), poly(tetrahydrobenzodithiophene) (PTHBDT), poly[1, 2,4,5-tetrakis(propylthio)benzene](PTKPTB ) , poly[3,4(ethylenedithio)thiophene](PEDTT), and combinations thereof. . 請求項28に記載のアルカリ金属電池において、前記有機材料が、銅フタロシアニン、亜鉛フタロシアニン、スズフタロシアニン、鉄フタロシアニン、鉛フタロシアニン、ニッケルフタロシアニン、バナジルフタロシアニン、フルオロクロムフタロシアニン、マグネシウムフタロシアニン、マンガンフタロシアニン、二リチウムフタロシアニン、フタロシアニンクロロアルミニウム、カドミウムフタロシアニン、クロロガリウムフタロシアニン、コバルトフタロシアニン、銀フタロシアニン、無金属フタロシアニン、それらの化学的誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択されるフタロシアニン化合物を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 29. The alkali metal battery of claim 28, wherein the organic material is copper phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tin phthalocyanine, iron phthalocyanine, lead phthalocyanine, nickel phthalocyanine, vanadyl phthalocyanine, fluorochrome phthalocyanine, magnesium phthalocyanine, manganese phthalocyanine, dilithium phthalocyanine , phthalocyanine chloroaluminum, cadmium phthalocyanine, chlorogallium phthalocyanine, cobalt phthalocyanine, silver phthalocyanine, metal-free phthalocyanine, chemical derivatives thereof, and combinations thereof. battery. 請求項2に記載のアルカリ金属電池において、前記カソードが、金属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属ダイカルコゲナイド、およびそれらの組合せからなる群から選択されるアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収性化合物を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 3. The alkali metal battery of claim 2, wherein the cathode is an alkali metal intercalation compound or alkali metal selected from the group consisting of metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, and combinations thereof. An alkali metal battery comprising an absorbing compound. 請求項3に記載のアルカリ金属電池において、前記カソードが、ナノワイヤ、ナノディスク、ナノリボン、またはナノプレートレットの形態の、ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、バナジウム、クロム、コバルト、マンガン、鉄、およびニッケルの酸化物、ダイカルコゲナイド、トリカルコゲナイド、硫化物、セレン化物、またはテルル化物からなる群から選択されるアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収性化合物を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 4. The alkali metal battery of claim 3, wherein the cathode comprises niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt, in the form of nanowires, nanodiscs, nanoribbons, or nanoplatelets. characterized by comprising an alkali metal intercalation compound or an alkali metal absorbing compound selected from the group consisting of manganese, iron and nickel oxides, dichalcogenides, trichalcogenides, sulfides, selenides, or tellurides. alkaline metal batteries. 請求項2に記載のアルカリ金属電池において、前記カソード活性材料が、(a)セレン化ビスマスまたはテルル化ビスマス、(b)遷移金属ダイカルコゲナイドまたはトリカルコゲナイド、(c)ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、または遷移金属の硫化物、セレン化物、またはテルル化物;(d)窒化ホウ素、ならびに(e)それらの組合せからなる群から選択される無機材料のナノディスク、ナノプレートレット、ナノコーティング、またはナノシートを含み;前記ディスク、プレートレット、またはシートが100nm未満の厚さを有することを特徴とするアルカリ金属電池。 3. The alkali metal battery of claim 2, wherein the cathode active material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) a transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, sulfides, selenides, or tellurides of tantalum, tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron, nickel, or transition metals; (d) boron nitride, and (e) combinations thereof. wherein said discs, platelets or sheets have a thickness of less than 100 nm. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記電池の長さが1mを超えることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. An alkali metal battery according to claim 1, characterized in that the length of the battery is greater than 1 m. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記電池が10cmを超える曲率半径で曲げられることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein said battery is bendable with a radius of curvature greater than 10 cm. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記電池が、乗り物内の間隙または内部区画の形状に実質的に適合するように曲げることができ、前記間隙または内部区画が、トランク、ドア、ハッチ、スペアタイヤ区画、シート内部の領域、シート背もたれ内部の領域、シート下の領域、またはダッシュボード下の領域を含むことを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein the battery is bendable to substantially conform to the shape of a void or interior compartment within a vehicle, wherein the void or interior compartment includes a trunk, door, hatch, An alkali metal battery comprising a spare tire compartment, an area inside the seat, an area inside the seat back, an area under the seat, or an area under the dashboard. 請求項43に記載のアルカリ金属電池において、前記電池が、乗り物から取り外し可能であり、異なる間隙または内部区画の形状に適合させるために曲げることができることを特徴とするアルカリ金属電池。 44. The alkali metal battery of claim 43, wherein the battery is removable from the vehicle and can be bent to conform to different gap or internal compartment shapes. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記電池の1つ以上のユニットが、衣類、ベルト、支持ストラップ、運搬用ストラップ、かばんのストラップ、兵器のストラップ、楽器のストラップ、ヘルメット、帽子、ブーツ、フットカバー、手袋、リストカバー、時計のバンド、宝石類、動物用カラーまたは動物用ハーネスの中に組み込まれることを特徴とするアルカリ金属電池。 2. The alkali metal battery of claim 1, wherein one or more units of the battery include clothing, belts, support straps, carrying straps, luggage straps, weapon straps, musical instrument straps, helmets, hats, boots, Alkaline metal batteries characterized by being incorporated into foot covers, gloves, wrist covers, watch bands, jewelry, animal collars or animal harnesses. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記電池の1つ以上のユニットが、取り外し可能に組み込まれた衣類、ベルト、支持ストラップ、運搬用ストラップ、かばんのストラップ、兵器のストラップ、楽器のストラップ、ヘルメット、帽子、ブーツ、フットカバー、手袋、リストカバー、時計のバンド、宝石類、動物用カラーまたは動物用ハーネスであることを特徴とするアルカリ金属電池。 The alkali metal battery of claim 1, wherein one or more units of the battery are removably incorporated into clothing, belts, support straps, carrying straps, luggage straps, weapon straps, musical instrument straps, Alkaline metal batteries characterized in that they are helmets, hats, boots, foot covers, gloves, wrist covers, watch bands, jewelry, animal collars or animal harnesses. 請求項1に記載のアルカリ金属電池において、前記電池が中空の自転車フレームの内部空隙に適合することを特徴とするアルカリ金属電池。 2. An alkali metal battery according to claim 1, wherein said battery fits into the internal cavity of a hollow bicycle frame. ケーブル型アルカリ金属電池の製造方法において、前記アルカリ金属がLi、Na、K、またはそれらの組合せから選択され、前記ケーブルの形状が、10以上の長さ対厚さまたは長さ対直径比を有し;前記方法が:
(a)細孔を有する電気伝導性多孔質ロッドと、第1の電極活性材料および第1の電解質の第1の混合物とを含む第1の電極を提供するステップにおいて、前記第1の混合物が前記多孔質ロッドの前記細孔中に存在するステップと;
(b)前記第1の電極を多孔質セパレータで包み込むまたは覆うことで、多孔質セパレータで保護された構造を形成するステップと;
(c)前記多孔質セパレータで保護された構造を、電気伝導性多孔質層を含む第2の電極で包み込むまたは覆うステップにおいて、前記伝導性多孔質層が、細孔と、第2の電極活性材料および第2の電解質の第2の混合物とを含み、前記第2の混合物が前記多孔質層の前記細孔中に存在するステップと;
(d)前記第2の電極を保護ケーシングまたはシースで包み込むまたは覆うことで前記電池を形成するステップと、
を含み、
前記第1の電極中の前記電気伝導性多孔質ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性多孔質層が、伝導性ポリマー繊維マット、伝導性ポリマー発泡体、伝導性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、炭素キセロゲル、グラフェンエアロゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される多孔質発泡体を含むことを特徴とする方法。
A method for manufacturing a cable-type alkali metal battery, wherein the alkali metal is selected from Li, Na, K, or combinations thereof, and the shape of the cable has a length-to-thickness or length-to-diameter ratio of 10 or more. and wherein said method:
(a) providing a first electrode comprising an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, wherein the first mixture comprises residing in said pores of said porous rod;
(b) wrapping or covering the first electrode with a porous separator to form a porous separator protected structure;
(c) wrapping or covering the porous separator-protected structure with a second electrode comprising an electrically conductive porous layer, wherein the conductive porous layer comprises pores and a second electrode active layer; a second mixture of a material and a second electrolyte, said second mixture being present in said pores of said porous layer;
(d) enclosing or covering the second electrode with a protective casing or sheath to form the battery;
including
The electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive porous layer in the second electrode comprises a conductive polymer fiber mat, a conductive polymer foam, a conductive polymer coated fiber foam. body, carbon foam, graphite foam, carbon aerogel, carbon xerogel, graphene aerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or A method comprising a porous foam selected from combinations thereof .
ケーブル型アルカリ金属電池の製造方法において、前記アルカリ金属がLi、Na、K、またはそれらの組合せから選択され;前記方法が:
(a)電気伝導性ロッドと、前記伝導性ロッドの表面上にコーティングされた第1の電極活性材料および任意選択の第1の電解質の第1の混合物とを含む第1の電極を提供するステップと;
(b)前記第1の電極を多孔質セパレータで包み込むまたは覆うことで、多孔質セパレータで保護された構造を形成するステップと;
(c)前記多孔質セパレータで保護された構造を、電気伝導性多孔質層を含む第2の電極で包み込むまたは覆うステップにおいて、前記伝導性多孔質層が、細孔と、第2の電極活性材料および第2の電解質の第2の混合物とを含み、前記第2の混合物が前記多孔質層の前記細孔中に存在するステップと;
(d)前記第2の電極を保護ケーシングまたはシースで包み込むまたは覆うことで前記電池を形成するステップと、
を含み、
前記第1の電極中の前記電気伝導性ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性多孔質層が、伝導性ポリマー繊維マット、伝導性ポリマー発泡体、伝導性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、炭素キセロゲル、グラフェンエアロゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される多孔質発泡体を含むことを特徴とする方法。
A method of making a cabled alkali metal battery, wherein said alkali metal is selected from Li, Na, K, or combinations thereof; said method comprising:
(a) providing a first electrode comprising an electrically conductive rod and a first mixture of a first electrode active material and an optional first electrolyte coated on the surface of said conductive rod; When;
(b) wrapping or covering the first electrode with a porous separator to form a porous separator protected structure;
(c) wrapping or covering the porous separator-protected structure with a second electrode comprising an electrically conductive porous layer, wherein the conductive porous layer comprises pores and a second electrode active layer; a second mixture of a material and a second electrolyte, said second mixture being present in said pores of said porous layer;
(d) enclosing or covering the second electrode with a protective casing or sheath to form the battery;
including
wherein said electrically conductive rod in said first electrode or said electrically conductive porous layer in said second electrode comprises a conductive polymer fiber mat, a conductive polymer foam, a conductive polymer-coated fiber foam; carbon foam, graphite foam, carbon aerogel, carbon xerogel, graphene aerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or A method comprising a porous foam selected from a combination .
ケーブル型アルカリ金属電池の製造方法において、前記アルカリ金属がLi、Na、K、またはそれらの組合せから選択され;前記方法が:
(a)細孔を有する電気伝導性多孔質ロッドと、第1の電極活性材料および第1の電解質の第1の混合物とを含む第1の電極を提供するステップにおいて、前記第1の混合物が前記多孔質ロッドの前記細孔中に存在するステップと;
(b)前記第1の電極を多孔質セパレータで包み込むまたは覆うことで、多孔質セパレータで保護された構造を形成するステップと;
(c)前記多孔質セパレータで保護された構造を、電気伝導性層を含む第2の電極で包み込むまたは覆うステップにおいて、前記伝導性質層が、第2の電極活性材料および任意選択の第2の電解質の第2の混合物を含むステップと;
(d)前記第2の電極を保護ケーシングまたはシースで包み込むまたは覆うことで前記電池を形成するステップと、
を含み、
前記第1の電極中の前記電気伝導性多孔質ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性層が、伝導性ポリマー繊維マット、伝導性ポリマー発泡体、伝導性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、炭素キセロゲル、グラフェンエアロゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される多孔質発泡体を含むことを特徴とする方法。
A method of making a cabled alkali metal battery, wherein said alkali metal is selected from Li, Na, K, or combinations thereof; said method comprising:
(a) providing a first electrode comprising an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, wherein the first mixture comprises residing in said pores of said porous rod;
(b) wrapping or covering the first electrode with a porous separator to form a porous separator protected structure;
(c) wrapping or covering the porous separator-protected structure with a second electrode comprising an electrically conductive layer, wherein the electrically conductive layer comprises a second electrode active material and an optional second electrode active material; comprising a second mixture of electrolytes;
(d) enclosing or covering the second electrode with a protective casing or sheath to form the battery;
including
wherein the electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive layer in the second electrode comprises a conductive polymer fiber mat, a conductive polymer foam, a conductive polymer coated fiber foam; carbon foam, graphite foam, carbon aerogel, carbon xerogel, graphene aerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or A method comprising a porous foam selected from a combination .
請求項48に記載の方法において、ステップ(a)が、少なくとも1つの金属ワイヤ、伝導性炭素/黒鉛繊維、または伝導性ポリマー繊維を前記伝導性多孔質ロッドの中に導入するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein step (a) further comprises introducing at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber into the conductive porous rod. A method characterized by 請求項48に記載の方法において、前記第1の電極中の前記電気伝導性多孔質ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性多孔質層が、金属発泡体、金属ウェブ、金属繊維マット、金属ナノワイヤマット、伝導性ポリマー繊維マット、伝導性ポリマー発泡体、伝導性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、炭素キセロゲル、グラフェンエアロゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される多孔質発泡体を含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein the electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive porous layer in the second electrode is a metal foam, metal web, metal fiber mat, metal nanowire mat, conductive polymer fiber mat, conductive polymer foam, conductive polymer coated fiber foam, carbon foam, graphite foam, carbon airgel, carbon xerogel, graphene aerogel, graphene foam, graphene oxide foam a porous foam selected from a body, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or combinations thereof. 請求項52に記載の方法において、前記多孔質発泡体が、円形、楕円形、長方形、正方形、六角形、中空、または不規則な形状の断面を有することを特徴とする方法。 53. The method of claim 52 , wherein the porous foam has a circular, oval, rectangular, square, hexagonal, hollow, or irregularly shaped cross-section. 請求項48に記載の方法において、前記ステップ(a)またはステップ(c)が、Li、Na、K、またはそれらの組合せの粒子、箔、またはコーティングを電極活性材料として前記第1の電極または前記第2の電極の中に導入する手順を含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein step (a) or step (c) comprises using particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as an electrode active material in the first electrode or the A method comprising introducing into a second electrode. 請求項49に記載の方法において、前記ステップ(a)またはステップ(c)が、Li、Na、K、またはそれらの組合せの粒子、箔、またはコーティングを電極活性材料として前記第1の電極または前記第2の電極の中に導入する手順を含むことを特徴とする方法。 50. The method of claim 49, wherein step (a) or step (c) comprises using particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as an electrode active material in the first electrode or the A method comprising introducing into a second electrode. 請求項49に記載の方法において、前記ステップ(a)またはステップ(c)が、Li、Na、K、またはそれらの組合せの粒子、箔、またはコーティングを電極活性材料として前記第1の電極または前記第2の電極の中に導入する手順を含むことを特徴とする方法。 50. The method of claim 49, wherein step (a) or step (c) comprises using particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as an electrode active material in the first electrode or the A method comprising introducing into a second electrode. 請求項48に記載の方法において、前記ステップ(a)が、(i)前記電気伝導性多孔質ロッドを第1の電極活性材料含浸区域内に連続的に供給する作業において、前記伝導性多孔質ロッドが、相互接続された電子伝導経路を含み、少なくとも1つの多孔質表面を有する作業と;(ii)前記少なくとも1つの多孔質表面から前記電気伝導性多孔質ロッドの中に前記第1の混合物を含浸させて前記第1の電極を形成する作業とを含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein in step (a), in the operation of (i) continuously feeding the electrically conductive porous rod into the first electrode active material impregnation zone, the electrically conductive porous (ii) said first mixture from said at least one porous surface into said electrically conductive porous rod; to form the first electrode. 請求項57に記載の方法において、前記ステップ(a)が、噴霧、印刷、コーティング、キャスティング、コンベヤフィルム送給、および/またはローラー表面送給によって、前記第1の混合物を前記少なくとも1つの多孔質表面に、要求に応じて連続的または断続的に送給するステップを含むことを特徴とする方法。 58. The method of claim 57, wherein step (a) applies the first mixture to the at least one porous substrate by spraying, printing, coating, casting, conveyor film feeding, and/or roller surface feeding. A method comprising the step of continuously or intermittently delivering on demand to a surface. 請求項48に記載の方法において、前記ステップ(c)が、(i)前記電気伝導性多孔質層を前記第2の電極活性材料の含浸区域まで連続的に供給する作業において、前記伝導性多孔質層が、相互接続された電子伝導経路を含み、少なくとも1つの多孔質表面を有する作業と;(ii)前記少なくとも1つの多孔質表面から前記電気伝導性多孔質層の中に前記第2の混合物を含浸させて前記第2の電極を形成する作業とを含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein step (c) comprises: (i) continuously feeding the electrically conductive porous layer to the impregnation zone of the second electrode active material, wherein the conductive porous layer (ii) said second porous layer from said at least one porous surface into said electrically conductive porous layer; and impregnating the mixture to form the second electrode. 請求項59に記載の方法において、前記ステップ(c)が、噴霧、印刷、コーティング、キャスティング、コンベヤフィルム送給、および/またはローラー表面送給によって、前記第2の混合物を前記少なくとも1つの多孔質表面に、要求に応じて連続的または断続的に送給するステップを含むことを特徴とする方法。 60. The method of claim 59, wherein step (c) applies the second mixture to the at least one porous substrate by spraying, printing, coating, casting, conveyor film feeding, and/or roller surface feeding. A method comprising the step of continuously or intermittently delivering on demand to a surface. 請求項48に記載の方法において、前記ステップ(b)が、前記第1の電極を多孔質セパレータのバンドでコイル状またはらせん状に包み込んで、前記多孔質セパレータで保護された構造を形成するステップを含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein step (b) comprises coiling or spirally wrapping the first electrode with a band of porous separator to form a structure protected by the porous separator. A method comprising: 請求項48に記載の方法において、前記ステップ(b)が、電気絶縁性材料を噴霧して前記第1の電極を覆い、前記第1の電極を覆う多孔質シェル構造を形成して、前記多孔質セパレータで保護された構造を形成するステップを含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein said step (b) includes spraying an electrically insulating material to cover said first electrode to form a porous shell structure covering said first electrode, said porous forming a structure protected with a quality separator. 請求項48に記載の方法において、前記ステップ(c)が、前記多孔質セパレータで保護された構造を前記第2の電極で直線状またはらせん状に包み込むまたは覆うステップを含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein step (c) comprises linearly or spirally wrapping or covering the porous separator protected structure with the second electrode. . 請求項48に記載の方法において、前記アルカリ金属電池がリチウムイオン電池であり、前記第1または第2の電極活性材料が:
(g)天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、および炭素の粒子;
(h)ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、およびカドミウム(Cd);
(i)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、またはCdと別の元素との合金または金属間化合物において、化学量論的または非化学量論的である合金または化合物;
(j)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、またはCdの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、およびテルル化物、ならびにそれらの混合物または複合物;
(k)それらのプレリチウム化されたバージョン;
(l)プレリチウム化されたグラフェンシート;
ならびにそれらの組合せ
からなる群から選択されることを特徴とする方法。
49. The method of claim 48, wherein said alkali metal battery is a lithium ion battery and said first or second electrode active material comprises:
(g) natural graphite, synthetic graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and particles of carbon;
(h) Silicon (Si), Germanium (Ge), Tin (Sn), Lead (Pb), Antimony (Sb), Bismuth (Bi), Zinc (Zn), Aluminum (Al), Nickel (Ni), Cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd);
(i) stoichiometric or non-stoichiometric alloys or compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with another element or intermetallic;
(j) oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd, and tellurides, and mixtures or composites thereof;
(k) prelithiated versions thereof;
(l) prelithiated graphene sheets;
and combinations thereof.
請求項48に記載の方法において、前記アルカリ金属電池がナトリウムイオン電池であり、前記第1または第2の電極活性材料が、石油コークス、カーボンブラック、非晶質炭素、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン、鋳型炭素、中空炭素ナノワイヤ、中空炭素球、チタネート、NaTi(PO、NaTi、Na、NaTP、NaTiO(x=0.2~1.0)、Na、カルボキシレート系材料、CNa、C、CNaO、CNa、C10Na、C14、C14Na、およびそれらの組合せからなる群から選択されるアルカリインターカレーション化合物を含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein said alkali metal battery is a sodium ion battery and said first or second electrode active material is petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon. , template carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, titanates, NaTi2 ( PO4 ) 3 , Na2Ti3O7 , Na2C8H4O4 , Na2TP , NaxTiO2 ( x = 0 .2-1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4 , carboxylate-based materials, C 8 H 4 Na 2 O 4 , C 8 H 6 O 4 , C 8 H 5 NaO 4 , C 8 Na 2 F 4O4 , C10H2Na4O8 , C14H4O6 , C14H4Na4O8 , and combinations thereof . _ and how to. 請求項48に記載の方法において、前記アルカリ金属電池がナトリウムイオン電池であり、前記第1または第2の電極活性材料が:
(g)ナトリウムまたはカリウムがドープされたケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)、およびそれらの混合物;
(h)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、およびそれらの混合物のナトリウムもしくはカリウムを含有する合金または金属間化合物;
(i)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、およびそれらの混合物もしくは複合物の、ナトリウムもしくはカリウムを含有する酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物、またはアンチモン化物;
(j)ナトリウム塩またはカリウム塩;
(k)ナトリウムまたはカリウムがあらかじめ充填されたグラフェンシート;ならびに
(l)それらの組合せ
からなる群から選択されるアルカリインターカレーション化合物を含むことを特徴とする方法。
49. The method of claim 48, wherein said alkali metal battery is a sodium ion battery and said first or second electrode active material comprises:
(g) sodium or potassium doped silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al); Titanium (Ti), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Manganese (Mn), Cadmium (Cd), and mixtures thereof;
(h) sodium or potassium containing alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof;
(i) oxides and carbides containing sodium or potassium of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or composites thereof; , nitrides, sulfides, phosphides, selenides, tellurides, or antimonides;
(j) sodium or potassium salts;
(k) sodium or potassium prefilled graphene sheets; and (l) an alkaline intercalation compound selected from the group consisting of combinations thereof.
請求項48に記載の方法において、前記第2または第1の電極活性材料が、コバルト酸リチウム、ドープされたコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ドープされたニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、ドープされたマンガン酸リチウム、バナジウム酸リチウム、ドープされたバナジウム酸リチウム、リチウム混合金属酸化物、リン酸鉄リチウム、リン酸バナジウムリチウム、リン酸マンガンリチウム、リチウム混合金属リン酸塩、金属硫化物、セレン化リチウム、およびそれらの組合せからなる群から選択されるリチウムインターカレーション化合物またはリチウム吸収性化合物を含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein the second or first electrode active material is lithium cobaltate, doped lithium cobaltate, lithium nickelate, doped lithium nickelate, lithium manganate, doped lithium manganate, lithium vanadate, doped lithium vanadate, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium manganese phosphate, lithium mixed metal phosphate, metal sulfide, lithium selenide and combinations thereof. 請求項48に記載の方法において、前記第2または第1の電極活性材料が、NaFePO、Na(1-x)PO、KFePO、Na0.7FePO、Na1.5VOPO0.5、Na(PO、Na(PO、NaFePOF、NaFeF、NaVPOF、KVPOF、Na(PO、Na1.5VOPO0.5、Na(PO、NaV15、NaVO、Na0.33、NaCoO、Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O、Na(Fe1/2Mn1/2)O、NaMnO、λ-MnO、Na(1-x)MnO、Na0.44MnO、Na44MnO/C、NaMn18、NaFeMn(PO、NaTi、Ni1/3Mn1/3Co1/3、Cu0.56Ni44HCF、NiHCF、NaMnO、NaCrO、KCrO、NaTi(PO、NiCo、Ni/FeS、Sb、NaFe(CN)/C、NaV1-xCrPOF、Se(y/z=0.01~100)、Se、アルオード石、およびそれらの組合せからなる群から選択されるナトリウムインターカレーション化合物またはカリウムインターカレーション化合物を含み、xが0.1~1.0であることを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein the second or first electrode active material is NaFePO4 , Na (1-x) KxPO4 , KFePO4 , Na0.7FePO4 , Na1.5VOPO 4F0.5 , Na3V2 ( PO4 ) 3 , Na3V2 ( PO4 ) 2F3 , Na2FePO4F , NaFeF3 , NaVPO4F , KVPO4F , Na3V2 ( PO4 ) 2F3 , Na1.5VOPO4F0.5 , Na3V2 ( PO4 ) 3 , NaV6O15 , NaxVO2 , Na0.33V2O5 , NaxCoO 2 , Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ]O 2 , Na x (Fe 1/2 Mn 1/2 )O 2 , Na x MnO 2 , λ-MnO 2 , Na x K (1- x) MnO2 , Na0.44 MnO2 , Na0 . 44MnO2 / C , Na4Mn9O18 , NaFe2Mn ( PO4 ) 3 , Na2Ti3O7 , Ni1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3O2 , Cu0.56Ni0 . 44HCF , NiHCF , NaxMnO2 , NaCrO2, KCrO2, Na3Ti2(PO4)3 , NiCo2O4 , Ni3S2 / FeS2 , Sb2O4 , Na4Fe ( CN ) 6 /C, NaV 1-x Cr x PO 4 F, Se zS y (y/ z =0.01-100), Se, alodite, and combinations thereof. compound or potassium intercalation compound, wherein x is between 0.1 and 1.0. 請求項48に記載の方法において、前記第1の電解質および/または前記第2の電解質が、液体溶媒中に溶解したリチウム塩またはナトリウム塩を含み、前記液体溶媒が、水、有機溶媒、イオン液体、有機溶媒とイオン液体との混合物、または液体溶媒ポリマーゲルであることを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein the first electrolyte and/or the second electrolyte comprise lithium or sodium salts dissolved in a liquid solvent, the liquid solvent being water, organic solvents, ionic liquids. , a mixture of an organic solvent and an ionic liquid, or a liquid solvent polymer gel. 請求項48に記載の方法において、前記第1の電解質および/または前記第2の電解質が、2.5M~14Mの塩濃度を有する液体溶媒中に溶解したリチウム塩またはナトリウム塩を含有することを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein said first electrolyte and/or said second electrolyte contains a lithium or sodium salt dissolved in a liquid solvent having a salt concentration of 2.5M to 14M. A method characterized. 請求項48に記載の方法において、前記第1の電極中の前記電気伝導性多孔質ロッド、または前記第2の電極中の前記電気伝導性多孔質層が、70体積%~99体積%の細孔を有することを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein the electrically conductive porous rod in the first electrode or the electrically conductive porous layer in the second electrode is between 70% and 99% by volume fine particles. A method characterized by having a hole. 請求項48に記載の方法において、前記第1または第2の電極活性材料が、無機材料、有機もしくはポリマー材料、金属酸化物/リン酸塩/硫化物、またはそれらの組合せから選択されるアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収性化合物を含むことを特徴とする方法。 49. The method of claim 48, wherein the first or second electrode active material is an alkali metal selected from inorganic materials, organic or polymeric materials, metal oxides/phosphates/sulfides, or combinations thereof. A method comprising an intercalation compound or an alkali metal absorbing compound. 請求項72に記載の方法において、前記金属酸化物/リン酸塩/硫化物が、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、バナジウム酸リチウム、リチウム混合金属酸化物、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、リン酸バナジウムリチウム、リチウム混合金属リン酸塩、遷移金属硫化物、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする方法。 73. The method of claim 72, wherein the metal oxide/phosphate/sulfide is lithium cobaltate, lithium nickelate, lithium manganate, lithium vanadate, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, phosphorus selected from the group consisting of lithium manganese oxide, lithium vanadium phosphate, lithium mixed metal phosphates, transition metal sulfides, and combinations thereof. 請求項72に記載の方法において、前記無機材料が、TiS、TaS、MoS、NbSe、MnO、CoO、酸化鉄、酸化バナジウム、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする方法。 73. The method of claim 72, wherein the inorganic material is selected from the group consisting of TiS2 , TaS2 , MoS2, NbSe3 , MnO2 , CoO2 , iron oxide, vanadium oxide, and combinations thereof. A method characterized by 請求項72に記載の方法において、前記金属酸化物/リン酸塩/硫化物が、VO、LiVO、V、Li、V、Li、Li、V、Li、V13、Li13、それらのドープされたバージョン、それらの誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択される酸化バナジウムを含み、式中、0.1<x<5であることを特徴とする方法。 73. The method of claim 72 , wherein the metal oxide/phosphate/ sulfide is VO2 , LixVO2 , V2O5 , LixV2O5 , V3O8 , LixV 3O8 , LixV3O7 , V4O9 , LixV4O9 , V6O13 , LixV6O13 , doped versions thereof , derivatives thereof , and combinations thereof A method comprising vanadium oxide selected from the group consisting of: wherein 0.1<x<5. 請求項72に記載の方法において、前記金属酸化物/リン酸塩/硫化物が、層状化合物LiMO、スピネル化合物LiM、オリビン化合物LiMPO、ケイ酸塩化合物LiMSiO、タボライト化合物LiMPOF、ホウ酸塩化合物LiMBO、およびそれらの組合せからなる群から選択され、式中、Mは遷移金属または複数の遷移金属の混合物であることを特徴とする方法。 73. The method of claim 72, wherein the metal oxides/phosphates/sulfides are layered compounds LiMO2 , spinel compounds LiM2O4 , olivine compounds LiMPO4 , silicate compounds Li2MSiO4 , taborite compounds. A method selected from the group consisting of LiMPO 4 F, borate compound LiMBO 3 , and combinations thereof, wherein M is a transition metal or mixture of transition metals. 請求項72に記載の方法において、前記無機材料が、(a)セレン化ビスマスまたはテルル化ビスマス、(b)遷移金属ダイカルコゲナイドまたはトリカルコゲナイド、(c)ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、または遷移金属の硫化物、セレン化物、またはテルル化物;(d)窒化ホウ素、ならびに(e)それらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする方法。 73. The method of claim 72, wherein the inorganic material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenides or trichalcogenides, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten. , titanium, cobalt, manganese, iron, nickel, or transition metal sulfides, selenides, or tellurides; (d) boron nitride, and (e) combinations thereof. Method. 請求項72に記載の方法において、前記有機材料またはポリマー材料が、ポリ(アントラキノニルスルフィド)(PAQS)、リチウムオキソカーボン、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物(PTCDA)、ポリ(アントラキノニルスルフィド)、ピレン-4,5,9,10-テトラオン(PYT)、ポリマー結合PYT、キノ(トリアゼン)、酸化還元活性有機材料、テトラシアノキノジメタン(TCNQ)、テトラシアノエチレン(TCNE)、2,3,6,7,10,11-ヘキサメトキシトリフェニレン(HMTP)、ポリ(5-アミノ-1,4-ジヒドロキシ(dyhydroxy)アントラキノン)(PADAQ)、ホスファゼンジスルフィドポリマー([(NPS]n)、リチウム化された1,4,5,8-ナフタレンテトラオールホルムアルデヒドポリマー、ヘキサアザトリナフチレン(HATN)、ヘキサアザトリフェニレンヘキサカルボニトリル(HAT(CN))、5-ベンジリデンヒダントイン、イサチンリチウム塩、ピロメリット酸ジイミドリチウム塩、テトラヒドロキシ-p-ベンゾキノン誘導体(THQLi)、N,N’-ジフェニル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(PHP)、N,N’-ジアリル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(AP)、N,N’-ジプロピル-2,3,5,6-テトラケトピペラジン(PRP)、チオエーテルポリマー、キノン化合物、1,4-ベンゾキノン、5,7,12,14-ペンタセンテトロン(PT)、5-アミノ-2,3-ジヒドロ-1,4-ジヒドロキシ(dyhydroxy)アントラキノン(ADDAQ)、5-アミノ-1,4-ジヒドロキシ(dyhydroxy)アントラキノン(ADAQ)、カリックスキノン、Li、Li、Li、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする方法。 73. The method of claim 72, wherein the organic or polymeric material is poly(anthraquinonyl sulfide) (PAQS), lithium oxocarbon, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA). , poly(anthraquinonyl sulfide), pyrene-4,5,9,10-tetraone (PYT), polymer-bound PYT, quino (triazene), redox-active organic material, tetracyanoquinodimethane (TCNQ), tetracyano Ethylene (TCNE), 2,3,6,7,10,11-hexamethoxytriphenylene (HMTP), poly(5-amino-1,4-dihydroxyanthraquinone) (PADAQ), phosphazene disulfide polymer ([( NPS 2 ) 3 ]n), lithiated 1,4,5,8-naphthalenetetraol formaldehyde polymer, hexaazatrinaphthylene (HATN), hexaazatriphenylene hexacarbonitrile (HAT(CN) 6 ), 5 - benzylidene hydantoin, isatin lithium salt, pyromellitic acid diimide lithium salt, tetrahydroxy-p-benzoquinone derivative (THQLi 4 ), N,N'-diphenyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (PHP), N,N'-diallyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (AP), N,N'-dipropyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (PRP), thioether polymers, quinone compounds, 1,4-benzoquinone, 5,7,12,14-pentacenetetrone (PT), 5-amino-2,3-dihydro-1,4-dihydroxyanthraquinone (ADDAQ), 5-amino-1,4 - dihydroxy anthraquinone (ADAQ), calixquinone, Li 4 C 6 O 6 , Li 2 C 6 O 6 , Li 6 C 6 O 6 , and combinations thereof; Method. 請求項72に記載の方法において、前記有機材料が、銅フタロシアニン、亜鉛フタロシアニン、スズフタロシアニン、鉄フタロシアニン、鉛フタロシアニン、ニッケルフタロシアニン、バナジルフタロシアニン、フルオロクロムフタロシアニン、マグネシウムフタロシアニン、マンガンフタロシアニン、二リチウムフタロシアニン、フタロシアニンクロロアルミニウム、カドミウムフタロシアニン、クロロガリウムフタロシアニン、コバルトフタロシアニン、銀フタロシアニン、無金属フタロシアニン、それらの化学的誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択されるフタロシアニン化合物を含むことを特徴とする方法。 73. The method of claim 72, wherein the organic material is copper phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tin phthalocyanine, iron phthalocyanine, lead phthalocyanine, nickel phthalocyanine, vanadyl phthalocyanine, fluorochrome phthalocyanine, magnesium phthalocyanine, manganese phthalocyanine, dilithium phthalocyanine, phthalocyanine a phthalocyanine compound selected from the group consisting of chloroaluminum, cadmium phthalocyanine, chlorogallium phthalocyanine, cobalt phthalocyanine, silver phthalocyanine, metal-free phthalocyanine, chemical derivatives thereof, and combinations thereof. 請求項49に記載の方法において、前記第2の電極が、金属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属ダイカルコゲナイド、およびそれらの組合せからなる群から選択されるアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収性化合物を含むことを特徴とする方法。 50. The method of claim 49, wherein the second electrode comprises an alkali metal intercalation compound or an alkali intercalation compound selected from the group consisting of metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, and combinations thereof. A method comprising a metal-absorbing compound. 請求項50に記載の方法において、前記第2の電極が、ナノワイヤ、ナノディスク、ナノリボン、またはナノプレートレットの形態の、ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、バナジウム、クロム、コバルト、マンガン、鉄、およびニッケルの酸化物、ダイカルコゲナイド、トリカルコゲナイド、硫化物、セレン化物、およびテルル化物からなる群から選択されるアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収性化合物を含むことを特徴とする方法。 51. The method of claim 50, wherein the second electrode is niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt in the form of nanowires, nanodiscs, nanoribbons, or nanoplatelets. , manganese, iron, and nickel oxides, dichalcogenides, trichalcogenides, sulfides, selenides, and tellurides. and how. 請求項49に記載の方法において、前記第2の電極活性材料が、(a)セレン化ビスマスまたはテルル化ビスマス、(b)遷移金属ダイカルコゲナイドまたはトリカルコゲナイド、(c)ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、または遷移金属の硫化物、セレン化物、またはテルル化物;(d)窒化ホウ素、ならびに(e)それらの組合せからなる群から選択される無機材料のナノディスク、ナノプレートレット、ナノコーティング、またはナノシートを含み;前記ディスク、プレートレット、またはシートが100nm未満の厚さを有することを特徴とする方法。 50. The method of claim 49, wherein the second electrode active material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenides or trichalcogenides, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium. , tantalum, tungsten, titanium, cobalt, manganese, iron, nickel, or transition metal sulfides, selenides, or tellurides; (d) boron nitride, and (e) combinations thereof. A method comprising nanodiscs, nanoplatelets, nanocoatings, or nanosheets of material; wherein said discs, platelets, or sheets have a thickness of less than 100 nm.
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