JP7160534B2 - 多価金属負極を有するバッテリー - Google Patents
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Description
記載する装置は一般に、電気化学的に活性な多価金属電極および多価金属をイオン伝導する固体イオン伝導性ポリマー材料を含む電気化学的システムに関する。
多価イオンはそれらがより高いエネルギー密度に寄与することができるので電気化学的システムでは望ましい。セルの容量は電気化学的に活性な負極材料および正極材料の関数なので、電気化学的な化学量論的反応に関与する電子数は、バッテリーまたは他の電気化学的システムの容量に直接関係する。
2007)は、アルカリ土類(例えばAl,Mg2+)のような多電子の酸化還元対(multi-electron redox couple)を使用することにより電荷密度を急激に上昇させる可能性を挙げている。表1について、この報告から様々なバッテリー化学の幾つかの計算された理論的特性を示す。
ない。複雑な液体-電解質組成を使用したMg/Sバッテリーも、良くないクーロン効率および最初の2サイクルで有意な容量の損失を示した。
本発明の一態様によれば、固体イオン伝導性ポリマー材料および多価金属を含んでなる電極を有するバッテリーが提供され、ここで多価金属のイオンが該固体イオン伝導性ポリマーにより伝導され、そしてバッテリーの電極に入り、そして出るように可逆的に輸送される。
多価金属が上記の固体イオン伝導性ポリマー材料に分散され、多価金属が該固体イオン伝導性ポリマー材料にカプセル化されるか、あるいは多価金属が粒状化され、そして粒子が該固体イオン伝導性ポリマー材料によりカプセル化されるバッテリー。
少なくとも1つのアニオン性拡散イオンが存在するバッテリー。
本出願は、引用により本明細書に編入する2015年6月8日に出願した米国特許仮出願第62/172,467号明細書の利益を主張し;そしてまた引用により2015年5月8日に出願された米国特許仮出願第62/158,841号明細書;2014年12月3日に出願された米国特許出願第14/559,430号明細書;2013年12月3日に出願された米国特許仮出願第61/911,049号明細書;2013年4月11日に出願された米国特許出願第13/861,170号明細書;および2012年4月11日に出願された米国特許仮出願第61/622,705号明細書を編入する。
減極剤は、電気化学的活性物質、すなわち、電気化学反応の電荷移動段階中に、および、電気化学的活性材料中で、酸化状態を変化させるか、または、化学結合の形成もしくは破壊に参加する物質と同義である。電極が1より多くの電気活性物質を有する場合、それらを共減極剤(codepolarizer)と呼ぶことができる。
を含む。
を測定する因子となり得る。移動度は、少なくとも1×10-14m2/s、そして好ましくは少なくとも1×10-13m2/sのイオン拡散率と考えることができ、これらは両方ともイオンが材料中で可動性であると伝えている。
また合成法も、特定の成分および所望する最終材料の形態(例えばフィルム、粒子等)により変動することができる。しかし方法には少なくとも2つの成分を最初に混合し、第三成分を任意の第二混合工程で加え、そして加熱工程で成分/反応物を加熱して固体イオン伝導性ポリマー材料を合成する基本工程を含む。本発明の1つの態様では、生じた混合物は任意に所望のサイズのフィルムに形成することができる。ドーパントが第一工程で生成された混合物に存在しなければ、ドーパントは引き続き混合物に加熱そして場合により圧をかけながら(陽圧または真空)加えることができる。全ての3成分が存在し、そして混合され、そして加熱されて、単回工程で固体イオン伝導性ポリマー材料の合成を完了することができる。しかしこの加熱工程は、いかなる混合からも分かれた工程の時に行われることができ、あるいは混合が行われている間に完了することができる。加熱工程は混合物の形態(例えばフィルムまたは粒子等)にかかわらず行うことができる。合成法の態様では、全ての3成分が混合され、そして次にフィルムに押し出される。フィルムは加熱されて合成が完了する。
cm-1の電導性を有する。非電導性ポリマーが適切な反応物ポリマーである。
ノン(C8Cl2N2O2)、およびクロラニルとしても知られているテトラクロロ-1,4-ベンゾキノン(C6Cl4O2)、TCNEとしても知られているテトラシアノエチレン(C6N4)、三酸化硫黄(“SO3”)、オゾン(三酸素すなわちO3)、酸素(O2、空気を含む)、二酸化マンガン(“MnO2”)を含む遷移金属酸化物、あるいは適切な電子受容体等、およびそれらの組み合わせである。ドーパントは、合成の加熱工程の温度で温度安定性のものが有用であり、そして温度安定性で、しかも強力な酸化剤キノンの両方であるキノン類および他のドーパントが大変有用である。表3はドーパントの非限定的一覧をそれらの化学的図解と共に提供する。
非限定的例には、Li2O、LiOH,ZnO、TiO2,Al3O2,NaOH,KOH,LiNO3,Na2O,MgO,CaCl2,MgCl2,AlCl3,LiTFSI(リチウムビス-トリフルオロメタンスルホンイミド)、LiFSI(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド)、リチウムビス(オキサレート)ボラート(LiB(C2O4)2“LiBOB”)、ならびに他のリチウム塩およびそれらの組み合わせがある。一態様では、イオン化合物は多価金属を含み、そして拡散する多価金属イオンを含む固体イオン伝導性ポリマー材料を生成するために使用される。これら化合物の水和形(例えば一水素化物)を使用して化合物を取扱い易くすることができる。無機酸化物、塩化物および水酸化物は、それらが合成中に解離して少なくとも1つのアニオン性拡散イオンおよびカチオン性拡散イオンを生じる点で適切なイオン化合物である。解離して少なくとも1つのアニオン性拡散イオンおよびカチオン性拡散イオンを生じる任意のそのようなイオン化合物も同様に適切である。好適となり得る多くのアニオン性拡散イオンおよびカチオン性拡散イオンを生じる多数のイオン化合物も有用となり得る。合成に含まれる特定のイオン化合物は、材料の所望する用途に依存する。
あろう。多価正極および拡散アニオンの両方を合成中に放出する任意の多価イオン化合物もそうであろう。さらに示すように、所望するカチオン性およびアニオン性拡散種の両方を生成することができる形態のアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、およびポスト遷移金属を含むイオン化合物が合成の反応物であるイオン化合物として適切である。
豊富な原材料により主導され、Li-イオンの代替と見られている。カルシウム、マグネシウムおよびアルミニウムのイオン伝導性は、Li-イオンのバッテリーの能力を越えてエネルギー密度を上げることができる多価インターカレーション系に必要である。
Claims (20)
- 固体イオン伝導性ポリマー材料および多価金属を含んでなる第一のバッテリー電極を有するバッテリーであって、
該多価金属のイオンが該固体イオン伝導性ポリマー材料によりイオン伝導され、
該多価金属のイオンが可逆的に該第一のバッテリーの電極に入り、そして出るように輸送されることができ、かつ、
該多価金属が、Mg 2+ イオン源からのマグネシウムであり、
該バッテリーが、該固体イオン伝導性ポリマー材料および電気化学的に活性な化合物を含む第二のバッテリー電極をさらに備えており、
該多価金属のイオンが可逆的に該第二のバッテリーの電極に入り、そして出るように輸送されることができ、
該多価金属のイオンは、該第二のバッテリーの電極に入った時に該電気化学的に活性な化合物と反応し、
該電気化学的に活性な化合物が硫黄であり、
該バッテリーが、該第一のバッテリーの電極と該第二のバッテリーの電極との間に配置された誘電性のイオン伝導性、非電気化学的に活性な電解質層をさらに備えており、
該電解質層が、該第一のバッテリーの電極と該第二のバッテリーの電極との間のイオンの輸送を可能にし、そして該固体イオン伝導性ポリマー材料を含み、および、
該第一のバッテリー電極、該第二のバッテリー電極及び該電解質層の該固体イオン伝導性ポリマー材料が、いかなる溶媒、ゲルまたは液相を通ってでもなく、固体イオン伝導性ポリマー材料を通ってイオン電導性となり、
該固体イオン伝導性ポリマー材料が、反応性ポリマーをMg 2+ イオン源及びドーパントと混合することにより合成され、
該反応性ポリマーが、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリ(p-フェニレンオキシド)(PPO)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフタルアミド(PPA)、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニルアミン、ポリスルフォン、サイダー(LCP)、ベクトラン、ポリパラフェニレン テレフタルアミド、ポリビニリデン フルオリド(PVDF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン(PE)及びそれらの混合物から成る群から選択され、そして、
該ドーパントが、2,3-ジクロロ-5,6-ジシアノ-1,4-ベンゾキノン(DDQ)、テトラクロロ-1,4-ベンゾキノン(クロラニル)、テットラシアノエチレン(TCNE)、三酸化硫黄(SO 3 )、オゾン(O 3 )、酸素(O 2 )、空気、金属酸化物及びそれらの混合物から成る群から選択される、
上記バッテリー。 - 多価金属が上記の固体イオン伝導性ポリマー材料に分散される、請求項1に記載のバッテリー。
- 多価金属が上記固体イオン伝導性ポリマー材料にカプセル化される、請求項1に記載のバッテリー。
- 多価金属が粒状化された粒子を含み、そして該粒子が固体イオン伝導性ポリマー材料と混合される、請求項1に記載のバッテリー。
- 該粒状化された粒子がそれぞれ100ミクロン未満である、請求項4に記載のバッテリー。
- さらに電導性材料を含んでなる、請求項1に記載のバッテリー。
- 上記多価金属が、アルミニウム、カルシウム、亜鉛、鉄、スカンジウム、クロム、銅およびそれらの組み合わせをからなる群から選択される第二の高金属を含む、請求項1に記載のバッテリー。
- 上記固体イオン伝導性ポリマー材料が30%より高い結晶化度を有する、請求項1に記載のバッテリー。
- 上記固体イオン伝導性ポリマー材料の電導率が室温で1×10-8S/cm未満である、請求項1に記載のバッテリー。
- 上記固体イオン伝導性ポリマー材料がさらにカチオン性拡散イオンおよびアニオン性拡散イオンの両方を含んでなり、これにより各拡散イオンが室温で可動性であり、そして固体イオン伝導性ポリマー材料の結晶化度が30%より高い、請求項1に記載のバッテリー。
- 上記固体イオン伝導性ポリマー材料の融解温度が250℃より高い、請求項1に記載
のバッテリー。 - 固体イオン伝導性ポリマー材料のイオン伝導度が室温で1.0×10-5S/cmより大きい、請求項1に記載のバッテリー。
- 上記固体イオン伝導性ポリマー材料1リットルあたり少なくとも1モルのカチオン性拡散イオンが存在する、請求項1に記載のバッテリー。
- 上記固体イオン伝導性ポリマー材料が少なくとも1つのイオン化合物から形成され、少なくとも1つのイオン化合物が多価金属を含んでなる請求項1に記載のバッテリー。
- 上記固体イオン伝導性ポリマー材料が熱可塑性である、請求項1に記載のバッテリー。
- 上記固体イオン伝導性ポリマー材料のイオン伝導性が等方性である、請求項1に記載のバッテリー。
- 室温で1×10-4S/cmより大きいイオン伝導度を有する、請求項1に記載のバッテリー。
- 80℃で1×10-3S/cmより大きいイオン伝導度を有する、請求項1に記載のバッテリー。
- -40℃で1×10-5S/cmより大きいイオン伝導度を有する、請求項1に記載のバッテリー。
- 上記固体イオン伝導性ポリマー材料のヤング率が3.0MPa以上である、請求項1に記載のバッテリー。
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