JP7252691B2 - Conformable Alkali-Sulfur Batteries with Deformable and Conductive Quasi-Solid Electrodes - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に援用される2017年6月30日に出願された米国特許出願第15/638,811号明細書、及び2017年6月30日に出願された米国特許出願第15/638,854号明細書の優先権を主張する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is filed on June 30, 2017 and U.S. Patent Application Serial No. 15/638,811, filed June 30, 2017, which is hereby incorporated by reference. No. 15/638,854, filed herein.

本発明は、一般に、充電式リチウム金属-硫黄電池、ナトリウム金属-硫黄電池、リチウムイオン-硫黄電池、及びナトリウムイオン-硫黄電池などのアルカリ金属-硫黄電池の分野に関する。 The present invention relates generally to the field of alkali metal-sulfur batteries, such as rechargeable lithium metal-sulfur batteries, sodium metal-sulfur batteries, lithium ion-sulfur batteries, and sodium ion-sulfur batteries.

充電式リチウムイオン(Liイオン)及びリチウム金属電池(Li-硫黄電池及びLi金属-空気電池など)は、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、並びに携帯用電子デバイス、例えばラップトップコンピュータ及び携帯電話の将来性のある電源と考えられている。金属元素としてのリチウムは、アノード活性材料としてあらゆる他の金属又は金属がインターカレートされた化合物と比較すると最も高い容量(3,861mAh/g)を有する(比容量が4,200mAh/gであるLi4.4Siは除く)。したがって、一般に、Li金属電池は、リチウムイオン電池よりもはるかに高いエネルギー密度を有する。 Rechargeable lithium-ion (Li-ion) and lithium-metal batteries (such as Li-sulphur and Li-metal-air batteries) are widely used in electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and portable electronic devices such as laptop computers. and is considered a potential power source for mobile phones. Lithium as a metallic element has the highest capacity (3,861 mAh/g) when compared with any other metal or metal-intercalated compound as an anode active material (specific capacity is 4,200 mAh/g except for Li4.4Si ). Li metal batteries therefore generally have a much higher energy density than lithium ion batteries.

歴史的には、充電式リチウム金属電池は、TiS、MoS、MnO、CoO、及びVなどの比較的高い比容量を有する非リチウム化化合物がカソード活性材料として使用され、これらをリチウム金属アノードと組み合わせることで製造された。電池が放電すると、リチウムイオンはリチウム金属アノードから電解質を介してカソードまで移動し、カソードはリチウム化される。残念ながら、充電/放電を繰り返すと、リチウム金属はアノードにおいてデンドライトを形成し、これは最終的には成長してセパレータを貫通し、内部短絡及び爆発を引き起こす。この問題に関連する一連の事故の結果、1990年代の初期にこれらの種類の二次電池の製造は停止され、リチウムイオン電池に取って代わられた。 Historically, rechargeable lithium metal batteries have used non-lithiated compounds with relatively high specific capacities as cathode active materials, such as TiS2 , MoS2 , MnO2 , CoO2 , and V2O5 , These were produced by combining them with a lithium metal anode. As the battery discharges, lithium ions migrate from the lithium metal anode through the electrolyte to the cathode, where the cathode becomes lithiated. Unfortunately, upon repeated charge/discharge, lithium metal forms dendrites at the anode, which eventually grow and penetrate the separator, causing internal short circuits and explosions. As a result of a series of accidents related to this problem, production of these types of secondary batteries was discontinued in the early 1990's and replaced by lithium ion batteries.

リチウムイオン電池中では、純リチウム金属のシート又はフィルムの代わりに、アノードとして炭質物が使用された。リチウムイオン電池の動作の再充電及び放電の段階中にそれぞれ、炭質物は、(例えばグラフェン面間のリチウムのイオン又は原子のインターカレーションによって)リチウムを吸収し、リチウムイオンを脱着する。炭質物は、リチウムがインターカレートすることができる黒鉛を主として含むことができ、結果として得られる黒鉛インターカレーション化合物はLiで表すことができ、ここでxは典型的には1未満である。 In lithium-ion batteries, carbonaceous materials have been used as anodes instead of sheets or films of pure lithium metal. During the recharge and discharge phases of lithium-ion battery operation, respectively, the carbonaceous material absorbs lithium (eg, by intercalation of lithium ions or atoms between graphene planes) and desorbs lithium ions. The carbonaceous material can contain primarily graphite in which lithium can be intercalated, and the resulting graphite intercalation compound can be represented by Li x C 6 , where x is typically 1. is less than

リチウムイオン(Liイオン)電池は、電気駆動自動車の将来性のあるエネルギー貯蔵装置であるが、最先端技術のLiイオン電池は、コスト及び性能の目標にまだ適合していない。Liイオンセルでは、典型的には、炭素負極(アノード)に対して高い電位でLiがデインターカレート/再インターカレートする正極(カソード)としてリチウム遷移金属酸化物又はリン酸塩が使用される。リチウム遷移金属酸化物又はリン酸塩をベースとするカソード活性材料の比容量は、典型的には140~170mAh/gの範囲内である。結果として、市販のLiイオンセルの比エネルギーは、典型的には120~250Wh/kgの範囲内、最も典型的には150~220Wh/kgの範囲内である。これらの比エネルギー値は、電池式電気自動車が広く許容されるために必要となる値の1/2~1/3である。 Lithium-ion (Li-ion) batteries are a promising energy storage device for electric powered vehicles, but state-of-the-art Li-ion batteries have not yet met cost and performance goals. Li-ion cells typically use a lithium transition metal oxide or phosphate as the positive electrode (cathode) where Li + deintercalates/reintercalates at high potentials against a carbon negative electrode (anode). be. The specific capacity of cathode active materials based on lithium transition metal oxides or phosphates is typically in the range of 140-170 mAh/g. As a result, the specific energy of commercial Li-ion cells is typically in the range of 120-250 Wh/kg, most typically in the range of 150-220 Wh/kg. These specific energy values are 1/2 to 1/3 of the values required for widespread acceptance of battery electric vehicles.

ハイブリッド(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(HEV)、及び全電池電気自動車(EV)の急速な開発とともに、はるかに高い比エネルギー、高いエネルギー密度、高いレート能力、長いサイクル寿命、及び安定性を有する蓄電池が得られるアノード材料及びカソード材料が緊急に必要とされている。最も期待できるエネルギー貯蔵装置の1つはリチウム-硫黄(Li-S)セルであり、その理由はLiの理論容量が3,861mAh/gであり、Sの理論容量が1,675mAh/gであるためである。最も単純な形態では、Li-Sセルは、正極としての元素硫黄と、負極としてのリチウムとからなる。このリチウム-硫黄セルは、Li/Liを基準としてほぼ2.2Vの反応S+16Li←→8LiSで表される酸化還元対で動作する。この電気化学ポテンシャルは、従来のリチウムイオン電池中の従来の正極(例えばLiMnO)が示す電気化学ポテンシャルの約2/3である。しかし、この欠点は、Li及びSの両方の非常に高い理論容量によって相殺される。したがって、従来のインターカレーションベースのLiイオン電池と比較すると、Li-Sセルは、はるかに高いエネルギー密度(容量と電圧との積)が得られる可能性がある。LiSへの完全な反応を仮定すると、エネルギー密度値は、Li及びSの合計の重量又は体積を基準としてそれぞれ2,500Wh/kg及び2,800Wh/Lに近づくことができる。全セル重量又は体積に基づく場合は、エネルギー密度は、それぞれ1,000Wh/kg及び1,100Wh/Lに近づくことができる。しかし、硫黄カソード技術の業界の先導者によって報告される現在のLi-硫黄セルは、最大セル比エネルギーが250~400Wh/kg及び500~650Wh/L(全セル重量又は体積を基準としている)であり、これらは実現可能な値よりもはるかに低い。 With the rapid development of hybrid (HEV), plug-in hybrid electric vehicles (HEV), and all-battery electric vehicles (EV), much higher specific energy, higher energy density, higher rate capability, longer cycle life, and stability. There is an urgent need for anodic and cathodic materials from which rechargeable batteries can be obtained. One of the most promising energy storage devices is the lithium-sulphur (Li—S) cell because Li has a theoretical capacity of 3,861 mAh/g and S has a theoretical capacity of 1,675 mAh/g. Because. In its simplest form, a Li—S cell consists of elemental sulfur as the positive electrode and lithium as the negative electrode. This lithium-sulphur cell operates with a redox couple represented by the reaction S 8 +16Li←→8Li 2 S at approximately 2.2 V relative to Li + /Li o . This electrochemical potential is approximately two-thirds that of the conventional positive electrode (eg, LiMnO 4 ) in conventional lithium-ion batteries. However, this drawback is offset by the very high theoretical capacities of both Li and S. Therefore, compared to conventional intercalation-based Li-ion batteries, Li—S cells have the potential for much higher energy densities (the product of capacity and voltage). Assuming complete reaction to Li 2 S, energy density values can approach 2,500 Wh/kg and 2,800 Wh/L based on the combined weight or volume of Li and S, respectively. Based on total cell weight or volume, the energy densities can approach 1,000 Wh/kg and 1,100 Wh/L, respectively. However, current Li-sulfur cells reported by industry leaders in sulfur cathode technology have maximum cell specific energies of 250-400 Wh/kg and 500-650 Wh/L (based on total cell weight or volume). , and these are much lower than achievable values.

要約すると、その大きな利点にもかかわらず、Li-Sセルには幾つかの大きな技術的問題があり、そのためその広範な商業化が大きく妨げられている:
(1)従来のリチウム金属セルには、デンドライトの形成及び関連する内部短絡の問題が依然として存在する。
(2)硫黄又は硫黄含有有機化合物は、電気的及びイオン的の両方で高い絶縁性である。高い電流密度又は充電/放電率における可逆的電気化学反応を可能にするためには、硫黄と電気伝導性添加剤との密接な接触を維持する必要がある。種々の炭素-硫黄複合物がこの目的で使用されているが、接触面積の規模が限定されるために限定的にのみ成功している。報告される典型的な容量は、中程度のレートにおいて300~550mAh/gの間である(カソード炭素-硫黄複合物の重量を基準としている)。
(3)セルは、放電-充電サイクル中に大きな容量の低下を示す傾向にある。これは主として、放電及び充電の両方のプロセス中に反応中間体として形成されるリチウムポリスルフィドアニオンの、電解質中に使用される極性有機溶媒に対する高い溶解性のためである。サイクル中、リチウムポリスルフィドアニオンは、セパレータを通過してLi負極まで移動することができ、そこでそれらは還元されて固体析出物(Li及び/又はLiS)となり、それによって活性質量が減少する。さらに、放電中に正極表面上に析出する固体生成物は、電気化学的に不可逆的となり、これも活性質量の減少の一因となる。
(4)より一般的に言うと、元素硫黄、有機硫黄、及び炭素-硫黄材料を含むカソードを含むセルの大きな欠点は、可溶性の硫化物、ポリスルフィド、有機硫化物、炭素-硫化物、及び/又は炭素-ポリスルフィド(以降ではアニオン還元生成物と呼ぶ)の溶解、及びカソードからセルの残りの部分への過剰な外方拡散と関連している。この減少は一般にシャトル効果と呼ばれる。この方法では、幾つかの問題が生じ、高い自己放電率、カソード容量の減少、活性セル成分への電気的接触の減少につながる集電体及び電気リードの腐食、アノードの故障を引き起こすアノード表面の付着物、並びにイオン移動の減少及びセル中の内部抵抗の大幅な増加につながるセル膜セパレータ中の細孔の詰まりが生じる。
In summary, despite its great advantages, Li—S cells suffer from some major technical problems that have greatly hampered their widespread commercialization:
(1) Conventional lithium metal cells still have dendrite formation and related internal short circuit problems.
(2) Sulfur or sulfur-containing organic compounds are highly insulating, both electrically and ionic. To enable reversible electrochemical reactions at high current densities or charge/discharge rates, it is necessary to maintain intimate contact between the sulfur and the electrically conductive additive. Various carbon-sulfur composites have been used for this purpose with only limited success due to the limited size of the contact area. Typical capacities reported are between 300-550 mAh/g at moderate rates (based on the weight of the cathode carbon-sulfur composite).
(3) Cells tend to exhibit large capacity losses during discharge-charge cycles. This is mainly due to the high solubility of the lithium polysulfide anions, which are formed as reaction intermediates during both the discharge and charge processes, in the polar organic solvents used in the electrolyte. During cycling, the lithium polysulfide anions can migrate through the separator to the Li negative electrode, where they are reduced to solid deposits (Li 2 S 2 and/or Li 2 S), thereby reducing the active mass to Decrease. Furthermore, solid products that deposit on the cathode surface during discharge become electrochemically irreversible, which also contributes to the reduction of active mass.
(4) More generally, a major drawback of cells containing cathodes containing elemental sulfur, organic sulfur, and carbon-sulfur materials is that soluble sulfides, polysulfides, organic sulfides, carbon-sulfides, and/or or associated with dissolution of carbon-polysulfides (hereafter referred to as anion reduction products) and excessive outdiffusion from the cathode to the rest of the cell. This reduction is commonly referred to as the shuttle effect. Several problems arise with this method, including high self-discharge rates, reduced cathode capacity, corrosion of the current collectors and electrical leads leading to reduced electrical contact to the active cell components, and corrosion of the anode surface leading to failure of the anode. Fouling and clogging of pores in the cell membrane separators leads to reduced ion transport and a large increase in internal resistance in the cell.

これらの課題に対して、新しい電解質、リチウムアノード用保護フィルム、及び固体電解質が開発されている。リチウムポリスルフィドを含む幾つかの興味深いカソードの開発が最近報告されているが、それらの性能は実際の用途に必要な性能には依然として到達していない。 To meet these challenges, new electrolytes, protective films for lithium anodes, and solid electrolytes have been developed. Although the development of some interesting cathodes containing lithium polysulfides has recently been reported, their performance still falls short of that required for practical applications.

例えば、Jiらは、ナノ構造化硫黄/メソポーラス炭素材料をベースとするカソードによって、これらの課題をかなりの程度克服でき、安定で高い可逆容量を良好なレート特性及びサイクル効率とともに示すことを報告している[Xiulei Ji,Kyu Tae Lee,& Linda F.Nazar,“A highly ordered nanostructured carbon-sulfur cathode for lithium-sulfur Batteries,” Nature Materials 8,500-506(2009)]。しかし、提案されている高度に配向したメソポーラス炭素構造の製造には、時間と費用がかかるテンプレートを用いた方法が必要となる。物理蒸着又は溶液沈殿法を用いて大きな比率の硫黄をこれらのメソスケールの細孔中に充填することも困難である。 For example, Ji et al. reported that cathodes based on nanostructured sulfur/mesoporous carbon materials can overcome these challenges to a large extent, exhibiting stable and high reversible capacities with good rate characteristics and cycling efficiencies. [Xiulei Ji, Kyu Tae Lee, & Linda F.; Nazar, "A highly ordered nanostructured carbon-sulfur cathode for lithium-sulfur batteries," Nature Materials 8, 500-506 (2009)]. However, the proposed fabrication of highly oriented mesoporous carbon structures requires template-based methods that are slow and expensive. It is also difficult to load large proportions of sulfur into these mesoscale pores using physical vapor deposition or solution precipitation.

Zhangら(米国特許出願公開第2014/0234702号明細書;08/21/2014)は、単離された酸化グラフェン(GO)シートの表面上にS粒子を堆積する化学反応方法を使用している。しかし、この方法では、大きな比率のS粒子をGO表面上に形成することができない(すなわち、典型的にはGO-Sナノコンポジット組成物中<66%のS)。結果として得られるLi-Sセルも低いレート能力を示し;例えば0.02Cのレートにおいて1,100mAh/g(S重量を基準とする)の比容量が、1.0Cのレートにおいて<450mAh/gまで減少する。実現可能な最大比容量の1,100mAh/gは、このような低い充電/放電率においてさえもわずか1,100/1,675=65.7%の硫黄利用効率であることに留意されたい(0.02Cは、充電又は放電プロセスが1/0.02=50時間で完了することを意味し;1C=1時間、2C=1/2時間、及び3C=1/3時間などとなる)。さらに、このようなS-GOナノコンポジットカソードベースのLi-Sセルは、非常に低いサイクル寿命を示し、典型的には容量は、40未満の充電/放電サイクルでその元の容量の60%未満まで低下する。このような短いサイクル寿命のため、このLi-Sセルはあらゆる実際的な用途で有用とならない。酸化グラフェン表面上にS粒子を堆積する別の化学反応方法がWangらによって開示されている(米国特許出願公開第2013/0171339号明細書;07/04/2013)。このLi-Sセルには依然として同じ問題がある。 Zhang et al. (U.S. Patent Application Publication No. 2014/0234702; 08/21/2014) used a chemical reaction method to deposit S particles on the surface of isolated graphene oxide (GO) sheets. . However, this method fails to form a large proportion of S particles on the GO surface (ie, typically <66% S in GO—S nanocomposite compositions). The resulting Li—S cell also exhibits low rate capability; to Note that the maximum achievable specific capacity of 1,100 mAh/g is only 1,100/1,675 = 65.7% sulfur utilization efficiency even at such a low charge/discharge rate ( 0.02C means that the charging or discharging process is completed in 1/0.02=50 hours; 1C=1 hour, 2C=1/2 hour, and 3C=1/3 hour, etc.). In addition, such S-GO nanocomposite cathode-based Li-S cells exhibit very low cycle life, typically less than 60% of their original capacity for less than 40 charge/discharge cycles. down to Such short cycle life does not render this Li--S cell useful in any practical application. Another chemical reaction method to deposit S particles on graphene oxide surfaces has been disclosed by Wang et al. This Li--S cell still has the same problem.

Li-Sセル中のカソード材料として使用するためのグラフェン-硫黄ナノコンポジット(GO表面上に吸着させた硫黄粒子を有する)を製造するための溶液沈殿法が、Liuらによって開示されている(米国特許出願公開第2012/0088154号明細書;04/12/2012)。この方法は、GOシートとSとを溶媒(CS)中で混合して懸濁液を形成することを伴う。次に溶媒を蒸発させることで固体ナノコンポジットが得られ、次にこれを粉砕することで、約50nm未満の平均直径を有する一次硫黄粒子を有するナノコンポジット粉末が得られる。残念ながら、この方法では40nm未満のS粒子を製造できるとは思われない。結果として得られるLi-Sセルは、非常に低いサイクル寿命を示す(わずか50サイクル後に容量が50%低下する)。これらのナノコンポジット粒子がポリマー中に封入される場合でさえも、Li-Sセルは、100サイクル後にその元の容量の80%未満を維持する。このセルは低いレート能力も示す(0.1Cのレートにおける1,050mAh/g(S重量)の比容量が、1.0Cのレートにおける<580mAh/gまで低下する)。この場合もこれは、大きな比率のSがリチウム貯蔵に寄与していないことを示しており、その結果S利用効率が低くなっている。 A solution precipitation method for producing graphene-sulfur nanocomposites (with sulfur particles adsorbed on the GO surface) for use as cathode materials in Li-S cells has been disclosed by Liu et al. Patent Application Publication No. 2012/0088154; 04/12/2012). This method involves mixing GO sheets and S in a solvent ( CS2 ) to form a suspension. Evaporation of the solvent then yields a solid nanocomposite, which is then milled to yield a nanocomposite powder having primary sulfur particles with an average diameter of less than about 50 nm. Unfortunately, this method does not appear to be capable of producing S-particles smaller than 40 nm. The resulting Li-S cells exhibit very poor cycle life (50% capacity drop after only 50 cycles). Even when these nanocomposite particles are encapsulated in polymers, Li—S cells retain less than 80% of their original capacity after 100 cycles. The cell also exhibits low rate capability (1,050 mAh/g (S weight) specific capacity at 0.1 C rate drops to <580 mAh/g at 1.0 C rate). Again, this indicates that a large proportion of S is not contributing to lithium storage, resulting in low S utilization efficiency.

高エネルギー密度のLi-Sセルを製造するために種々の方法が提案されているにもかかわらず、電気活性カソード材料の利用(S利用効率)が改善され、大きなサイクル数にわたって高容量の充電式Li-Sセルが得られるカソード材料及び製造方法が依然として必要とされている。 Although various methods have been proposed to fabricate Li-S cells with high energy densities, the utilization of electroactive cathode materials (S utilization efficiency) has been improved, leading to high-capacity rechargeable batteries over large number of cycles. There remains a need for cathode materials and manufacturing methods that yield Li—S cells.

最も顕著なことには、リチウム金属(純リチウム、他の金属元素との高リチウム含有量のリチウム合金、又は高リチウム含有量のリチウム含有化合物を含む;例えば>80重量%、若しくは好ましくは>90重量%のLi)によって、実質的に全ての他のアノード活性材料と比較して最も高いアノード比容量が依然として得られる(純ケイ素を除くが、ケイ素には粉砕の問題がある)。デンドライトに関連する問題に対処できるのであれば、リチウム金属はリチウム-硫黄二次電池における理想的なアノード材料である。 Most notably, lithium metal (including pure lithium, high lithium content lithium alloys with other metallic elements, or high lithium content lithium containing compounds; e.g. >80% by weight, or preferably >90% wt % Li) still gives the highest anode specific capacity compared to virtually all other anode active materials (except pure silicon, which has grinding problems). Lithium metal is an ideal anode material in lithium-sulphur secondary batteries if it can address the problems associated with dendrites.

ナトリウム金属(Na)及びカリウム金属(K)は、Liと同様の化学的特性を有し、室温ナトリウム-硫黄セル(RTNa-S電池)又はカリウム硫黄-セル(K-S)における硫黄カソードも、(i)低い活性材料利用率、(ii)短いサイクル寿命、及び(iii)低いクーロン効率などのLi-S電池において観察されるものと同じ問題に直面している。この場合も、これらの欠点は、主として、Sの絶縁性、SとNa又はKポリスルフィド中間体との液体電解質中への溶解(及び関連するシャトル効果)、及び充電/放電中の大きな体積変化によって生じる。 Sodium metal (Na) and potassium metal (K) have chemical properties similar to Li, and sulfur cathodes in room temperature sodium-sulfur cells (RTNa-S cells) or potassium sulfur-cells (KS) also They face the same problems observed in Li—S batteries such as (i) low active material utilization, (ii) short cycle life, and (iii) low coulombic efficiency. Again, these drawbacks are primarily due to the insulating properties of S, the dissolution of S with Na or K polysulfide intermediates in the liquid electrolyte (and the associated shuttle effect), and large volume changes during charge/discharge. occur.

公開文献報告(学術論文)及び特許文献の大部分では、科学者又は発明者らは、硫黄又はリチウムポリスルフィドの重量のみ(全カソード複合物の重量ではなく)を基準としてカソード比容量を表すことを選択しているが、残念ながら大きな比率の非活性材料(伝導性添加剤及びバインダーなどのリチウムを貯蔵できないもの)が典型的にはそれらのLi-Sセル中に使用されていることに留意されたい。実際的な使用目的では、カソード複合物重量を基準とした容量値を使用することがより有意義となる。 In most of the published literature reports (scholarly articles) and patent literature, scientists or inventors prefer to express cathode specific capacity based on the weight of sulfur or lithium polysulfide only (rather than the weight of the total cathode composite). Although selected, it is unfortunately noted that a large proportion of inactive materials (those incapable of storing lithium, such as conductive additives and binders) are typically used in those Li—S cells. sea bream. For practical purposes, it makes more sense to use capacitance values based on cathode composite weight.

低容量のアノード又はカソード活性材料は、リチウム-硫黄電池、又はナトリウム-硫黄電池に関連する唯一の問題ではない。電池業界が認識していないと思われる、又はほとんど無視している重大な設計上及び製造上の問題がある。例えば、公開されている文献及び特許文献で頻繁に主張されているように(アノード又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一見すると高いにもかかわらず、これらの電極は、残念ながら、(総電池セル重量又はパック重量に基づく)電池セル又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、典型的にはセル内のアノード活性材料の量の1.5~2.5倍である。その結果、Naイオン-硫黄電池セル、又はLiイオン-硫黄電池セルにおけるアノード活性材料(例えば、炭素)の重量比は、典型的には15%~20%であり、カソード活性材料の重量比は、20%~35%(大抵は<30%)である。カソード活性材料及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35%~50%である。 Low capacity anode or cathode active materials are not the only problem associated with lithium-sulfur or sodium-sulfur batteries. There are significant design and manufacturing issues that the battery industry seems to be unaware of or largely ignores. For example, despite the seemingly 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 and patent literature, these electrodes Unfortunately, it is not possible to provide batteries 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 in the cell. As a result, the weight ratio of anode active material (e.g., carbon) in a Na ion-sulfur battery cell or Li ion-sulfur battery cell is typically between 15% and 20%, and the weight ratio of cathode active material is , 20% to 35% (mostly <30%). The combined weight fraction of cathode active material and anode active material is typically 35% to 50% of the cell weight.

低い活性材料質量負荷は、主として、従来のスラリー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且つ自由に変えることができる設計パラメータではない。これに反して、より厚い試料は、非常に脆くなりやすく、又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。硫黄の低融点で軟らかい特性のため、100μmを超える厚さの硫黄カソードの製造は事実上不可能であった。さらに、実際の電池製造設備において、150μmを超える厚さの被覆電極には、被覆されたスラリーを完全に乾燥させるために100メートルの長さの加熱ゾーンが必要となる。このため設備費が大幅に増加し、製造処理量が減少する。低い面密度及び低い体積密度(薄い電極及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。 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. Thicker samples, on the other hand, tend to be very brittle or have poor structural integrity and require the use of large amounts of binder resin. Due to the low melting and soft properties of sulfur, the fabrication of sulfur cathodes with a thickness greater than 100 μm was virtually impossible. Furthermore, in a practical battery manufacturing facility, a coated electrode thickness greater than 150 μm would require a 100 meter long heating zone to completely dry the coated slurry. This significantly increases equipment costs and reduces manufacturing throughput. Due to the low areal density and low volumetric density (related to thin electrodes and low packing density), the battery cell has a relatively low volumetric capacity and a low volumetric energy density.

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。セルの体積容量及びエネルギー密度の改良を実現するために、高い体積容量及び高い質量負荷を可能にする新規の電極材料及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 improvements in cell volumetric capacity and energy density, new electrode materials and designs that allow high volumetric capacity and high mass loading are essential.

したがって、本発明の目的の1つは、従来のLi-Sセル及びNa-Sセルに一般に関連する以下の問題の:(a)デンドライトの形成(内部短絡)と;(b)硫黄の非常に低い電気伝導性及びイオン伝導性のために、大きな比率(典型的には30~55%)の不活性伝導性フィラーが必要となり、顕著な比率の利用できない又は再充電できない硫黄又はアルカリ金属ポリスルフィドを有することと);(c)S及びアルカリ金属ポリスルフィドの電解質中への溶解、並びにポリスルフィドのカソードからアノードへの移動(これはアノードのLi又はNa金属と不可逆的に反応する)によって、活性材料の減少及び容量の低下(シャトル効果)が生じることと;(d)短いサイクル寿命と;(e)アノード及びカソードの両方における低い活性質量負荷と、を克服又は顕著に軽減する合理的な材料及び電池設計に基づいた充電式アルカリ金属-硫黄セルを提供することである。 Accordingly, one of the objects of the present invention is to solve the following problems commonly associated with conventional Li-S and Na-S cells: (a) dendrite formation (internal short circuit); Low electrical and ionic conductivity requires a large proportion (typically 30-55%) of inert conductive fillers and a significant proportion of unavailable or non-rechargeable sulfur or alkali metal polysulfides. (c) the dissolution of S and alkali metal polysulfides into the electrolyte and the migration of the polysulfides from the cathode to the anode (which react irreversibly with the Li or Na metal of the anode) to form the active material. (d) short cycle life; (e) low active mass loading at both the anode and cathode. To provide a rechargeable alkali metal-sulfur cell based on the design.

本発明の具体的な目的の1つは、非常に高い比エネルギー又は高いエネルギー密度を示す充電式アルカリ金属-硫黄電池(例えば主としてLi-S電池及び室温Na-S電池)を提供することである。本発明の特定の技術目標の1つは、セルの比エネルギーが400Wh/kgを超え、好ましくは500Wh/kgを超え、より好ましくは600Wh/kgを超え、最も好ましくは700Wh/kgを超える(全て全セル重量を基準としている)アルカリ金属-硫黄セル又はアルカリイオン-硫黄セルを提供することである。好ましくは、体積エネルギー密度は600Wh/Lを超え、さらに好ましくは800Wh/Lを超え、最も好ましくは1,000Wh/Lを超える。 One of the specific objectives of the present invention is to provide rechargeable alkali metal-sulphur batteries (eg primarily Li-S batteries and room temperature Na-S batteries) that exhibit very high specific energy or high energy density. . One of the specific technical goals of the present invention is that the specific energy of the cell exceeds 400 Wh/kg, preferably exceeds 500 Wh/kg, more preferably exceeds 600 Wh/kg, and most preferably exceeds 700 Wh/kg (all To provide an alkali metal-sulfur cell or an alkali ion-sulfur cell (based on total cell weight). Preferably, the volumetric energy density is above 600 Wh/L, more preferably above 800 Wh/L, most preferably above 1,000 Wh/L.

本発明の別の目的の1つは、硫黄重量を基準として1,200mAh/gを超え、又はカソード複合物重量(硫黄、伝導性添加剤、又は基材を含み、バインダー重量が加えられるが、カソード集電体の重量は除外される)を基準として1,000mAh/gを超える高いカソード比容量を示すアルカリ金属-硫黄セルを提供することである。比容量は好ましくは、硫黄重量のみを基準として1,400mAh/gを超え、又はカソード複合物重量を基準として1,200mAh/gを超える。これは、高い比エネルギー、デンドライト形成に対する良好な抵抗性、及び長く安定なサイクル寿命を伴うことが必要である。 Another object of the present invention is to exceed 1,200 mAh/g based on sulfur weight, or cathode composite weight (including sulfur, conductive additive, or substrate, with binder weight added, but To provide an alkali metal-sulfur cell exhibiting a high cathode specific capacity exceeding 1,000 mAh/g based on the weight of the cathode current collector). The specific capacity is preferably greater than 1,400 mAh/g based on sulfur weight alone, or greater than 1,200 mAh/g based on cathode composite weight. This should be accompanied by high specific energy, good resistance to dendrite formation, and long and stable cycle life.

電子デバイスがより小型化され、電気自動車(EV)がより軽量になることで、デバイス又は乗物の中の一部の特殊な形状又は限定された空間に適合できるように形状適合性である高エネルギー密度の電池が緊急に必要とされている。他の場合には空いたままの(使用されない又は「無駄になる」)空間(例えば車のドア又はルーフトップの一部)となる空間内に電池を組み込むことによって、デバイスをより小型にすることができ、又はEVがより多くの電力を貯蔵できるようにすることができる。電池を形状適合性にするために、電極は変形可能で、可撓性で、形状適合性である必要がある。 As electronic devices become smaller and electric vehicles (EVs) become lighter, high energy that is form-conformable so that it can fit into some special shapes or confined spaces in the device or vehicle High density batteries are urgently needed. Making the device smaller by incorporating the battery into a space that would otherwise remain empty (unused or "wasted") space (e.g., part of a car door or rooftop). or allow EVs to store more power. To make the battery conformable, the electrodes need to be deformable, flexible and conformable.

したがって、伝導率、高レート能力、高い電力密度、及び高いエネルギー密度を損なうことなく高い活性材料質量負荷(高い面密度)、大きな電極厚さ又は体積を有するリチウム電池及びナトリウム電池が明らかに緊急に必要とされている。これらの電池は、環境に優しい方法で製造される必要がある。さらに電池は形状適合性である必要がある。 Lithium and sodium batteries with high active material mass loading (high areal density), large electrode thickness or volume without compromising conductivity, high rate capability, high power density, and high energy density are therefore clearly urgent. is necessary. These batteries need to be manufactured in an environmentally friendly manner. Additionally, the battery must be conformable.

本発明は、高い活性材料質量負荷、非常に少ないオーバーヘッド重量及び体積(活性材料の質量及び体積を基準とする)、高容量、並びに前例のない高いエネルギー密度及び電力密度を有する、リチウム-硫黄電池、ナトリウム-硫黄電池、又はカリウム-硫黄電池の製造方法を提供する。このLi-S電池、Na-S電池、又はK-S電池は、一次電池(非充電式)又は二次電池(充電式)、例えば充電式リチウム金属-硫黄電池又はナトリウム金属-硫黄電池(リチウム又はナトリウム金属のアノードを有する)、並びにリチウムイオン硫黄電池又はナトリウムイオン硫黄電池(例えば第1のリチウムインターカレーション化合物をアノード活性材料として有する)であってよい。この電池はカリウム-硫黄電池も含む。 The present invention is a lithium-sulphur battery with high active material mass loading, very low overhead weight and volume (based on active material mass and volume), high capacity, and unprecedented high energy and power densities. , a sodium-sulfur battery, or a potassium-sulfur battery. The Li—S, Na—S, or KS batteries may be primary (non-rechargeable) or secondary (rechargeable) batteries, such as rechargeable lithium metal-sulfur batteries or sodium metal-sulfur batteries (lithium or sodium metal anode), and a lithium ion sulfur battery or a sodium ion sulfur battery (eg, having a first lithium intercalation compound as the anode active material). This battery also includes a potassium-sulfur battery.

ある実施形態では、本発明は:(a)約30体積%~約95体積%の硫黄含有カソード活性材料(好ましくは硫黄、金属-硫黄化合物、硫黄-炭素複合物、硫黄-グラフェン複合物、硫黄-黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄-ポリマー複合物、又はそれらの組合せから選択される)と、溶媒中に溶解したアルカリ塩を含む(しかし、この溶媒中に溶解した、この溶媒中に分散した、及びこの溶媒が含浸したイオン伝導性ポリマーは含まない)約5体積%~約40体積%の第1の電解質と、約0.01体積%~約30体積%の伝導性添加剤とを含む擬固体カソードにおいて、擬固体電極が約10-6S/cm~約300S/cmの電気伝導率を有するように、伝導性フィラメントを含む伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成する、擬固体カソードと;(b)アノードと;(c)アノードと擬固体カソードとの間に配置されたイオン伝導膜又は多孔質のセパレータと、を含むアルカリ-硫黄セルにおいて;上記擬固体カソードが200μm以上の厚さを有するアルカリ-硫黄セルを提供する。擬固体カソードは、好ましくは10mg/cm以上、好ましくは15mg/cm以上、さらに好ましくは25mg/cm以上、より好ましくは35mg/cm以上、さらにより好ましくは45mg/cm以上、最も好ましくは65mg/cmを超えるカソード活性材料質量負荷を有する。 In certain embodiments, the present invention provides: (a) about 30% to about 95% by volume sulfur-containing cathode active material (preferably sulfur, metal-sulfur compounds, sulfur-carbon composites, sulfur-graphene composites, sulfur - selected from graphite composites, organic sulfur compounds, sulfur-polymer composites, or combinations thereof) and an alkali salt dissolved in a solvent (but dissolved in this solvent, dispersed in this solvent) from about 5% to about 40% by volume of a first electrolyte and from about 0.01% to about 30% by volume of a conductive additive; In a quasi-solid cathode comprising a conductive additive comprising conductive filaments forms a 3D network of electronic conduction paths such that the quasi-solid electrode has an electrical conductivity of about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm , a quasi-solid cathode; (b) an anode; and (c) an ion-conducting membrane or porous separator disposed between the anode and the quasi-solid cathode; An alkali-sulfur cell is provided having a thickness of 200 μm or more. The quasi-solid cathode is preferably 10 mg/cm 2 or more, preferably 15 mg/cm 2 or more, more preferably 25 mg/cm 2 or more, more preferably 35 mg/cm 2 or more, even more preferably 45 mg/cm 2 or more, and most preferably 10 mg/cm 2 or more. It preferably has a cathode active material mass loading greater than 65 mg/cm 2 .

このセル中、アノードは、約1.0体積%~約95体積%のアノード活性材料と、溶媒中に溶解したアルカリ塩を含む(この溶媒中に溶解した、この溶媒中に分散した、又はこの溶媒が含浸したある程度のイオン伝導性ポリマーを含む、又はイオン伝導性ポリマーは全く含まない)約5体積%~約40体積%の第2の電解質と、約0.01体積%~約30体積%の伝導性添加剤とを含む擬固体アノードを含むことができ、擬固体電極が約10-6S/cm~約300S/cmの電気伝導率を有するように、伝導性フィラメントを含む上記伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成し;上記擬固体アノードは200μm以上の厚さを有する。擬固体アノードは、好ましくは10mg/cm以上、好ましくは15mg/cm以上、さらに好ましくは25mg/cm以上、より好ましくは35mg/cm以上、さらにより好ましくは45mg/cm以上、最も好ましくは65mg/cmを超えるアノード活性材料質量負荷を有する。第1の電解質は第2の電解質と組成及び構造が同じ場合も異なる場合もあり得る。 In the cell, the anode comprises from about 1.0% to about 95% by volume of the anode active material and an alkali salt dissolved in a solvent (dissolved in the solvent, dispersed in the solvent, or from about 5% to about 40% by volume of a second electrolyte, including some solvent-impregnated ion-conducting polymer, or no ion-conducting polymer, and from about 0.01% to about 30% by volume. and a conductive additive comprising a conductive filament, such that the quasi-solid electrode has an electrical conductivity of from about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm. Additives form a 3D network of electron-conducting pathways; the quasi-solid anode has a thickness of 200 μm or more. The quasi-solid anode is preferably 10 mg/cm 2 or more, preferably 15 mg/cm 2 or more, more preferably 25 mg/cm 2 or more, more preferably 35 mg/cm 2 or more, even more preferably 45 mg/cm 2 or more, and most preferably 10 mg/cm 2 or more. It preferably has an anode active material mass loading greater than 65 mg/cm 2 . The first electrolyte can be the same or different in composition and structure from the second electrolyte.

ある実施形態では、本発明は:(A)約1.0体積%~約95体積%のアノード活性材料と、溶媒中に溶解したアルカリ塩を含む(この溶媒中に溶解した、この溶媒中に分散した、及びこの溶媒が含浸したイオン伝導性ポリマーは含まない)約5体積%~約40体積%の電解質と、約0.01体積%~約30体積%の伝導性添加剤とを含む擬固体アノードにおいて、擬固体電極が約10-6S/cm~約300S/cmの電気伝導率を有するように、伝導性フィラメントを含む伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成する、擬固体アノードと;(B)硫黄、金属-硫黄化合物、硫黄-炭素複合物、硫黄-グラフェン複合物、硫黄-黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄-ポリマー複合物、又はそれらの組合せから選択される硫黄含有カソード活性材料を含むカソードと;(C)擬固体アノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導膜又は多孔質のセパレータと、を含むアルカリ-硫黄セルにおいて;上記擬固体アノード及びカソードが好ましくはそれぞれ200μm以上の厚さを有する、アルカリ-硫黄セルを提供する。 In some embodiments, the present invention comprises: (A) from about 1.0% to about 95% by volume of an anode active material and an alkali salt dissolved in a solvent (dissolved in the solvent; about 5 to about 40 vol. In a solid anode, a quasi-solid electrode in which a conductive additive comprising conductive filaments forms a 3D network of electronic conduction paths such that the quasi-solid electrode has an electrical conductivity of about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm. a solid anode; and (B) selected from sulfur, metal-sulfur compounds, sulfur-carbon composites, sulfur-graphene composites, sulfur-graphite composites, organic sulfur compounds, sulfur-polymer composites, or combinations thereof. (C) an ion-conducting membrane or porous separator disposed between the quasi-solid anode and the cathode; wherein the quasi-solid anode and cathode are Alkali-sulphur cells are provided, each preferably having a thickness of 200 μm or more.

本発明による擬固体電極は、変形可能で、可撓性で、形状適合性であり、これによって形状適合性の電池が可能となる。 The quasi-solid electrodes according to the present invention are deformable, flexible and conformable, thereby enabling conformable batteries.

本発明は、擬固体電極を有するアルカリ-硫黄セルの製造方法において:(a)ある量の活性材料(アノード活性材料又はカソード活性材料)と、溶媒中に溶解したアルカリ塩を含むある量の電解質と、伝導性添加剤とを組み合わせて、変形可能で電気伝導性の電極材料を形成するステップにおいて、伝導性フィラメントを含む伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成するステップと;(b)上記電極材料から擬固体電極(第1の電極)を形成するステップにおいて、この形成するステップが、電極が10-6S/cm以上(好ましくは10-5S/cm以上、より好ましくは10-3S/cm以上、さらに好ましくは10-2S/cm以上、さらにより好ましく典型的には10-1S/cm以上、さらにより典型的で好ましくは1S/cm以上、さらにより典型的で好ましくは10S/cm以上で、最大300S/cm)の電気伝導率を維持するように、電子伝導経路の3Dネットワークを中断することなく電極材料を電極形状に変形させることを含むステップと;(c)第2の電極(第2の電極も同様に擬固体電極であってよい)を形成するステップと;(d)2つの電極の間にイオン伝導性セパレータが配置されるように、擬固体電極と第2の電極とを組み合わせることによってアルカリ-硫黄セルを形成するステップとを含む、方法も提供する。 The present invention provides a method for manufacturing an alkali-sulphur cell with quasi-solid electrodes: (a) a quantity of active material (anode active material or cathode active material) and a quantity of electrolyte comprising an alkali salt dissolved in a solvent. and a conductive additive to form a deformable and electrically conductive electrode material, wherein the conductive additive comprising conductive filaments forms a 3D network of electron conducting pathways; (b ) In the step of forming a quasi-solid electrode (first electrode) from the above electrode material, the step of forming is performed so that the electrode has a viscosity of 10 −6 S/cm or more (preferably 10 −5 S/cm or more, more preferably 10 −3 S/cm or more, more preferably 10 −2 S/cm or more, even more preferably typically 10 −1 S/cm or more, still more typically preferably 1 S/cm or more, still more typically (c ) forming a second electrode (which may also be a quasi-solid electrode); and forming an alkali-sulfur cell by combining with a second electrode.

「フィラメント」は、ある最大寸法(例えば長さ)及びある最小寸法(例えば直径又は厚さ)を有する固体材料の物体であり、最大寸法対最小寸法の比は3を超え、好ましくは10を超え、さらに好ましくは100を超える。典型的には、これは、幾つかの例を挙げると、ワイヤ状、繊維状、針状、棒状、プレートレット状、シート状、リボン状、又は円板状の物体である。ある実施形態では、伝導性フィラメントは、炭素繊維、黒鉛繊維、カーボンナノファイバ、黒鉛ナノファイバ、カーボンナノチューブ、ニードルコークス、炭素ウィスカ、伝導性ポリマー繊維、伝導性材料被覆繊維、金属ナノワイヤ、金属繊維、金属ワイヤ、グラフェンシート、膨張黒鉛プレートレット、それらの組合せ、又はそれらと非フィラメント状伝導性粒子との組合せから選択される。 A "filament" is an object of solid material having some largest dimension (e.g. length) and some smallest dimension (e.g. diameter or thickness), wherein the ratio of largest dimension to smallest dimension is greater than 3, preferably greater than 10. , more preferably greater than 100. Typically, this is a wire-like, fibrous, needle-like, rod-like, platelet-like, sheet-like, ribbon-like, or disc-like object, to name a few. In some embodiments, the conductive filaments are carbon fibers, graphite fibers, carbon nanofibers, graphite nanofibers, carbon nanotubes, needle coke, carbon whiskers, conductive polymer fibers, conductive material-coated fibers, metal nanowires, metal fibers, Selected from metal wires, graphene sheets, expanded graphite platelets, combinations thereof, or combinations thereof with non-filamentary conductive particles.

ある実施形態では、電極は10-5S/cm~約100S/cmの電気伝導率を維持する。 In some embodiments, the electrode maintains an electrical conductivity of 10 −5 S/cm to about 100 S/cm.

ある実施形態では、変形可能な電極材料は、1,000s-1の見かけの剪断速度において測定して約10,000Pa-s以上の見かけの粘度を有する。ある実施形態では、変形可能な電極材料は、1,000s-1の見かけの剪断速度において約100,000Pa-s以上の見かけの粘度を有する。 In some embodiments, the deformable electrode material has an apparent viscosity of greater than or equal to about 10,000 Pa-s measured at an apparent shear rate of 1,000 s -1 . In some embodiments, the deformable electrode material has an apparent viscosity of greater than or equal to about 100,000 Pa-s at an apparent shear rate of 1,000 s -1 .

この方法では、活性材料の量は、典型的には約20体積%~約95体積%の電極材料、より典型的には約35体積%~約85体積%の電極材料、最も典型的には約50体積%~約75体積%の電極材料である。 In this method, the amount of active material is typically about 20% to about 95% by volume electrode material, more typically about 35% to about 85% by volume electrode material, most typically about 50% to about 75% by volume of the electrode material.

好ましくは、活性材料、伝導性添加剤、及び電解質(リチウム塩又はナトリウム塩を液体溶媒中に溶解させるステップを含む)を組み合わせるステップは、特定の順序に従う。このステップは、最初に伝導性フィラメントを液体溶媒中に分散させて均一な懸濁液を形成するステップと、続いてこの懸濁液中に活性材料を加え、リチウム塩又はナトリウム塩を液体溶媒中に溶解させるステップとを含む。言い換えると、活性材料などの別の成分を加える前、及びリチウム塩若しくはナトリウム塩を溶媒中に溶解させる前に、最初に伝導性フィラメントを液体溶媒中に均一に分散させる必要がある。この順序は、より低い伝導性フィラメント体積分率(より低い閾値体積分率)において電子伝導経路の3Dネットワークを形成するために、伝導性フィラメントの浸透を実現することが重要である。このような順序に従わない場合、伝導性フィラメントの浸透が起こらない場合があり、又は過度に大きな比率の伝導性フィラメント(例えば>10体積%)が加えられる場合にのみ起こる場合があり、これによって活性材料の分率が減少し、したがってセルのエネルギー密度が低下する。 Preferably, the steps of combining the active material, the conductive additive, and the electrolyte (including dissolving the lithium or sodium salt in the liquid solvent) follow a specific order. This step comprises first dispersing the conductive filaments in a liquid solvent to form a uniform suspension; and dissolving in. In other words, before adding another component such as an active material and before dissolving the lithium salt or sodium salt in the solvent, the conductive filaments must first be uniformly dispersed in the liquid solvent. This order is important to achieve permeation of the conductive filaments to form a 3D network of electronic conduction pathways at lower conductive filament volume fractions (lower threshold volume fraction). If such an order is not followed, penetration of the conductive filaments may not occur, or may occur only when an excessively large proportion of conductive filaments (e.g., >10% by volume) is added, thereby The fraction of active material is reduced, thus lowering the energy density of the cell.

ある実施形態では、組み合わせるステップ及び電極材料から擬固体電極を形成するステップは、リチウム塩(又はナトリウム塩)を液体溶媒中に溶解させて、第1の塩濃度を有する電解質を形成するステップと、続いて液体溶媒の一部を除去して塩濃度を増加させて、第1の濃度よりも高く、好ましくは塩が2.5Mを超える(より好ましくは3.0M~14Mの)第2の塩濃度を有する擬固体電解質を得るステップとを含む。結果として得られる電解質は、電解質からの塩の沈殿も、結晶化も起こらない飽和又は過飽和の状態である。 In some embodiments, the step of combining and forming a quasi-solid electrode from the electrode material includes dissolving a lithium salt (or sodium salt) in a liquid solvent to form an electrolyte having a first salt concentration; Subsequently removing a portion of the liquid solvent to increase the salt concentration to a second salt higher than the first concentration, preferably greater than 2.5M salt (more preferably between 3.0M and 14M) and obtaining a quasi-solid electrolyte having a concentration. The resulting electrolyte is saturated or supersaturated in that neither precipitation nor crystallization of salts from the electrolyte occurs.

溶媒の一部を除去するステップは、塩の沈殿も、結晶化も引き起こさず、電解質が飽和又は過飽和の状態となるような方法で行うことができる。ある好ましい実施形態では、液体溶媒は、少なくとも第1の液体溶媒と第2の液体溶媒との混合物を含み、第1の液体溶媒は第2の液体溶媒よりも揮発性が高く、液体溶媒の一部を除去するステップは、第1の液体溶媒を部分的又は完全に除去することを含む。結果として得られる電解質は、電解質からの塩の沈殿も、結晶化も起こらない飽和又は過飽和の状態である。 Removing a portion of the solvent can be done in such a way that the electrolyte is saturated or supersaturated without causing salt precipitation or crystallization. In certain preferred embodiments, the liquid solvent comprises a mixture of at least a first liquid solvent and a second liquid solvent, wherein the first liquid solvent is more volatile than the second liquid solvent and one of the liquid solvents is Removing the portion includes partially or completely removing the first liquid solvent. The resulting electrolyte is saturated or supersaturated in that neither precipitation nor crystallization of salts from the electrolyte occurs.

本発明の実施に使用できるアノード活性材料の種類に対する制限はない。ある好ましい実施形態では、アルカリ金属セルは、リチウム金属電池、リチウムイオン電池、又はリチウムイオンキャパシタであり、アノード活性材料は:(a)リチウム金属又はリチウム金属合金の粒子;(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子(ソフトカーボン及びハードカーボンなど)、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維、及び黒鉛繊維;(c)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)、及びカドミウム(Cd);(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、又はCdと別の元素との合金又は金属間化合物において、化学量論的又は非化学量論的である上記合金又は化合物;(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、又はCdの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにそれらの混合物又は複合物;(f)それらのプレリチウム化されたバージョン;(g)プレリチウム化されたグラフェンシート;並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 types of anode active materials that can be used in the practice of the invention. In one preferred embodiment, the alkali metal cell is a lithium metal battery, a lithium ion battery, or a lithium ion capacitor, and the anode active material is: (a) particles of lithium metal or lithium metal alloy; (b) particles of natural graphite; Artificial graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles (such as soft carbon and hard carbon), needle coke, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers, and graphite fibers; (c) 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); (d) in alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with another element, in stoichiometric amounts (e) oxides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd; (f) prelithiated versions thereof; (g) prelithiated graphene sheets; and selected from the group consisting of combinations thereof;

ある実施形態では、アルカリ金属セルは、ナトリウム金属-硫黄セル又はナトリウムイオン硫黄セルであり、活性材料は、石油コークス、非晶質炭素、活性炭、ハードカーボン(黒鉛化が困難な炭素)、ソフトカーボン(容易に黒鉛化可能な炭素)、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、又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を含むアノード活性材料である。 In some embodiments, the alkali metal cell is a sodium metal-sulfur cell or a sodium ion sulfur cell and the active material is petroleum coke, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon (difficult to graphitize carbon), soft carbon. (readily graphitizable carbon ) , template carbon, hollow carbon nanowires , hollow carbon spheres , titanates, NaTi2 ( PO4 ) 3 , Na2Ti3O7 , Na2C8H4O4 , Na2TP , Na x TiO 2 (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 sodium intercalation selected from 5NaO4 , C8Na2F4O4 , C10H2Na4O8 , C14H4O6 , C14H4Na4O8 , or combinations thereof An anode active material comprising a compound.

ある実施形態では、アルカリ金属セルは、ナトリウム金属-硫黄セル又はナトリウムイオン硫黄セルであり、活性材料は:(a)ナトリウム金属又はナトリウム金属合金の粒子;(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維、及び黒鉛繊維;(c)ナト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)、及びそれらの混合物;(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びそれらの混合物のナトリウムを含有する合金又は金属間化合物;(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びそれらの混合物若しくは複合物のナト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、又はアンチモン化物;(f)ナトリウム塩;並びに(g)ナトリウムイオンがあらかじめ充填されたグラフェンシート;並びにそれらの組合せからなる群から選択されるアノード活性材料である。 In some embodiments, the alkali metal cell is a sodium metal-sulfur cell or a sodium ion sulfur cell and the active material is: (a) particles of sodium metal or sodium metal alloy; (b) particles of natural graphite, particles of artificial graphite; mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle coke, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers, and graphite fibers; (c) sodium-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) (d) sodium-containing alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof; (e) sodium-containing oxides, carbides, nitrides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or composites thereof; , sulfides, phosphides, selenides, tellurides, or antimonides; (f) sodium salts; and (g) graphene sheets preloaded with sodium ions; and combinations thereof. material.

電解質は、水、有機液体、イオン液体(100℃未満、好ましくは室温25℃未満の溶融温度を有するイオン性塩)、又は1/100~100/1の比率のイオン液体と有機液体との混合物を含むことができる。有機液体が望ましいが、イオン液体が好ましい。電解質は、典型的で好ましくは、結果として得られる電極(アノード又はカソード)中で溶質が飽和又は過飽和の状態となる高溶質濃度(リチウム/ナトリウム塩の濃度)を有する。このような電解質は、変形可能又は適合性の固体のように挙動する実質的に擬固体の電解質である。この新しい種類の電解質は、液体電解質、ポリマーゲル電解質、又は固体電解質とは本質的に異なる。 The electrolyte is water, an organic liquid, an ionic liquid (ionic salts with a melting temperature below 100° C., preferably below 25° C. at room temperature), or a mixture of an ionic liquid and an organic liquid in a ratio of 1/100 to 100/1. can include Organic liquids are preferred, but ionic liquids are preferred. The electrolyte typically and preferably has a high solute concentration (concentration of lithium/sodium salts) such that the solute becomes saturated or supersaturated in the resulting electrode (anode or cathode). Such electrolytes are substantially quasi-solid electrolytes that behave like deformable or conformable solids. This new class of electrolytes is fundamentally different from liquid electrolytes, polymer gel electrolytes, or solid electrolytes.

好ましい一実施形態では、擬固体電極の厚さは200μm~1cm、好ましくは300μm~0.5cm(5mm)、さらに好ましくは400μm~3mm、最も好ましくは500μm~2.5mm(2,500μm)である。活性材料がアノード活性材料の場合、アノード活性材料は、25mg/cm以上(好ましくは30mg/cm以上、より好ましくは35mg/cm以上)の質量負荷を有し、及び/又は電池セル全体の重量若しくは体積を基準として少なくとも25%(好ましくは少なくとも30%、より好ましくは少なくとも35%)を占める。活性材料がカソード活性材料の場合、カソード活性材料は、好ましくは20mg/cm以上(好ましくは25mg/cm以上、より好ましくは30mg/cm以上、最も好ましくは40mg/cm以上)の質量負荷をカソード中に有し、及び/又は電池セル全体の重量若しくは体積を基準として少なくとも45%(好ましくは少なくとも50%、より好ましくは少なくとも55%)を占める。 In one preferred embodiment, the thickness of the quasi-solid electrode is between 200 μm and 1 cm, preferably between 300 μm and 0.5 cm (5 mm), more preferably between 400 μm and 3 mm, most preferably between 500 μm and 2.5 mm (2,500 μm). . When the active material is an anode active material, the anode active material has a mass loading of 25 mg/cm 2 or more (preferably 30 mg/cm 2 or more, more preferably 35 mg/cm 2 or more) and/or the entire battery cell accounts for at least 25% (preferably at least 30%, more preferably at least 35%) by weight or volume of When the active material is a cathode active material, the cathode active material preferably has a mass of 20 mg/cm 2 or more (preferably 25 mg/cm 2 or more, more preferably 30 mg/cm 2 or more, most preferably 40 mg/cm 2 or more). Have the load in the cathode and/or occupy at least 45% (preferably at least 50%, more preferably at least 55%) of the weight or volume of the entire battery cell.

電極厚さ、アノード活性材料の面積質量負荷若しくは電池セル全体を基準とした質量分率、又はカソード活性材料の面積質量負荷若しくは電池セル全体を基準とした質量分率に対する上記の要求は、従来のスラリーコーティング及び乾燥のプロセスを用いた従来のリチウム電池又はナトリウム電池では実現できなかった。 The above requirements for electrode thickness, area mass loading of anode active material or mass fraction based on the entire battery cell, or area mass loading of cathode active material or mass fraction based on the entire battery cell, are conventional. This has not been possible with conventional lithium or sodium batteries using a slurry coating and drying process.

幾つかの実施形態では、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、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、それらの物理的若しくは化学的に活性化若しくはエッチングされたバージョン、又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リチウム化されたバージョンである。驚くべきことに、プレリチウム化されないと、得られるリチウム電池セルは、十分なサイクル寿命を示さない(すなわち容量が急速に低下する)。 In some embodiments, the anode active material is pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, boron doped. a prelithiated version of a graphene sheet selected from graphene, nitrogen-doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched versions thereof, or combinations thereof . Surprisingly, without prelithiation, the resulting lithium battery cells do not exhibit adequate cycle life (ie, capacity declines rapidly).

リチウム金属電池中、カソード活性材料は15mg/cmを超える(好ましくは25mg/cmを超える、より好ましくは35mg/cmを超える、最も好ましくは50mg/cmを超える)電極活性材料負荷を構成し、及び/又は電極は300μm以上の厚さを有する(好ましくは400μm以上、より好ましくは500μm以上であり、100cm以上が可能である)。本発明によるアルカリ金属電池の電極厚さに対する理論的制限はない。 In lithium metal batteries, the cathode active material has an electrode active material loading greater than 15 mg/cm 2 (preferably greater than 25 mg/cm 2 , more preferably greater than 35 mg/cm 2 , most preferably greater than 50 mg/cm 2 ). The structure and/or the electrodes have a thickness of 300 μm or more (preferably 400 μm or more, more preferably 500 μm or more, possibly 100 cm or more). There is no theoretical limit to the electrode thickness of the alkali metal battery according to the invention.

図1(A)は、アノード集電体と、アノード集電体の2つの主面上にコーティングされた1つ又は2つのアノード活性材料層(例えば薄いSiコーティング層)と、多孔質セパレータ及び電解質と、1つ又は2つのカソード電極層(例えば硫黄層)と、カソード集電体とから構成される従来技術のリチウムイオン電池セルの概略図である。FIG. 1(A) shows an anode current collector, one or two anode active material layers (e.g. thin Si coating layers) coated on two major surfaces of the anode current collector, a porous separator and an electrolyte. 1 is a schematic diagram of a prior art lithium-ion battery cell consisting of , one or two cathode electrode layers (eg, sulfur layers), and a cathode current collector; FIG. 図1(B)は、電極層が、活性材料のばらばらの粒子(例えばアノード層中の黒鉛又は酸化スズの粒子、又はカソード層中の硫黄/炭素)と、伝導性添加剤(図示せず)と、樹脂バインダー(図示せず)とから構成される、従来技術のリチウムイオン電池の概略図である。FIG. 1B shows that the electrode layer consists of discrete particles of active material (e.g. graphite or tin oxide particles in the anode layer, or sulfur/carbon in the cathode layer) and a conductive additive (not shown). and a resin binder (not shown). 図1(C)は、擬固体アノード(電解質中に直接混合又は分散されたアノード活性材料粒子及び伝導性フィラメントからなる)と、多孔質セパレータと、擬固体カソード(電解質中に直接混合又は分散されたS含有カソード活性材料粒子及び伝導性フィラメントからなる)とを含む本発明によるリチウム硫黄電池セルの概略図である。この実施形態では、樹脂バインダーは不要である。FIG. 1(C) shows a quasi-solid anode (consisting of anode active material particles and conductive filaments directly mixed or dispersed in the electrolyte), a porous separator, and a quasi-solid cathode (mixed or dispersed directly in the electrolyte). 1 is a schematic diagram of a lithium-sulphur battery cell according to the present invention, comprising S-containing cathode active material particles and conductive filaments; FIG. In this embodiment, no resin binder is required. 図1(D)は、アノード(Cu箔表面上に堆積されたリチウム金属層を含む)と、多孔質セパレータと、擬固体カソード(電解質中に直接混合又は分散されたS含有カソード活性材料粒子及び伝導性フィラメントからなる)とを含む本発明によるリチウム金属-硫黄電池セルの概略図である。この実施形態では、樹脂バインダーは不要である。FIG. 1(D) shows an anode (comprising a lithium metal layer deposited on a Cu foil surface), a porous separator, a quasi-solid cathode (S-containing cathode active material particles mixed or dispersed directly in the electrolyte, and 1 is a schematic diagram of a lithium metal-sulphur battery cell according to the present invention comprising a conductive filament); FIG. In this embodiment, no resin binder is required. 図2(A)は、固体電解質の密接に充填された高秩序構造の概略図である。FIG. 2(A) is a schematic representation of a closely packed, highly ordered structure of a solid electrolyte. 図2(B)は、カチオン(例えばLi又はNa)が容易に通過できる自由体積を大きな比率で有する全体的に非晶質の液体電解質の概略図である。FIG. 2(B) is a schematic diagram of a totally amorphous liquid electrolyte having a large proportion of free volume through which cations (eg, Li + or Na + ) can readily pass. 図2(C)は、遊離の(クラスター化していない)カチオンが容易に移動する非晶質ゾーンを形成するために塩種を分離する溶媒分子を有する擬固体電解質の不規則又は非晶質の構造の概略図である。リチウム塩又はナトリウム塩は、実質的に非晶質のままで飽和又は過飽和の状態になる。Figure 2(C) shows the disordered or amorphous phase of a quasi-solid electrolyte with solvent molecules separating salt species to form amorphous zones where free (unclustered) cations readily migrate. 1 is a schematic diagram of a structure; FIG. The lithium or sodium salts become saturated or supersaturated while remaining substantially amorphous. 図3(A)は、ナトリウム塩の分子比xに対する電解質(例えば(DOL+DME)溶媒中の(NaTFSI塩))のNaイオン輸率である。FIG. 3(A) is the Na + ion transference number of an electrolyte (eg, (NaTFSI salt) in (DOL+DME) solvent) versus the sodium salt molar ratio x. 図3(B)は、ナトリウム塩の分子比xに対する電解質(例えば(EMImTFSI+DOL)溶媒中の(NaTFSI塩))のNaイオン輸率である。FIG. 3(B) is the Na + ion transference number of an electrolyte (eg, (NaTFSI salt) in (EMImTFSI+DOL) solvent) versus the sodium salt molar ratio x. 図4は、剥離黒鉛、膨張黒鉛フレーク(厚さ>100nm)、及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 shows the results for producing exfoliated graphite, expanded graphite flakes (>100 nm thick), 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; FIG. 図5(A)は、伝導性フィラメント(カーボンナノファイバ)の体積分率の関数としてプロットした擬固体電極中の伝導性フィラメントの電気伝導率(浸透挙動)である。FIG. 5(A) is the electrical conductivity (penetration behavior) of the conductive filaments in the quasi-solid electrode plotted as a function of the volume fraction of the conductive filaments (carbon nanofibers). 図5(B)は、伝導性フィラメント(還元酸化グラフェンシート)の体積分率の関数としてプロットした擬固体電極中の伝導性フィラメントの電気伝導率(浸透挙動)である。FIG. 5(B) is the electrical conductivity (penetration behavior) of the conductive filaments in the quasi-solid electrode plotted as a function of the volume fraction of the conductive filaments (reduced graphene oxide sheets). 図6(A)は、カソード活性材料としてのS/CB複合粒子と伝導性フィラメントとしてのカーボンナノファイバとを含むLi-SセルのRagoneプロット(重量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3つは本発明の一実施形態により作製したセルのものであり、残りの1つは従来の電極のスラリーコーティング(ロールコーティング)によって作製したセルのものである。FIG. 6(A) is a Ragone plot (weight power density versus energy density) of a Li—S cell containing S/CB composite particles as cathode active materials and carbon nanofibers as conductive filaments. Three of the four data curves are for cells made according to one embodiment of the present invention and the remaining one is for cells made by conventional slurry coating (roll coating) of electrodes. 図6(B)は、従来のLi-Sセル及び擬固体電解質と擬固体カソードとを含むLi-Sセルのサイクル挙動である。FIG. 6(B) is the cycling behavior of a conventional Li—S cell and a Li—S cell containing a quasi-solid electrolyte and a quasi-solid cathode. 図7(A)は、カソード活性材料としてのグラフェン担持S粒子(グラフェン表面上に電気化学的に堆積されたS)と伝導性フィラメントとしてのRGOとを含むLi-SセルのRagoneプロット(重量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3つは本発明の一実施形態により作製したセルのものであり、残りの1つは従来の電極のスラリーコーティング(ロールコーティング)によって作製したセルのものである。FIG. 7(A) is a Ragone plot (weight power density versus energy density). Three of the four data curves are for cells made according to one embodiment of the present invention, and the remaining one is for cells made by conventional slurry coating (roll coating) of electrodes. 図7(B)は、従来のLi-Sセル及び擬固体電解質と擬固体カソードとを含むLi-Sセルのサイクル挙動である。FIG. 7(B) is the cycling behavior of a conventional Li—S cell and a Li—S cell containing a quasi-solid electrolyte and a quasi-solid cathode. 図8は、従来の電解質と比較される、Siナノ粒子アノードと、コバルト酸リチウム(LiCoO)カソードと、擬固体電解質(S1、S3)とを有するセルのRagoneプロットである。FIG. 8 is a Ragone plot of a cell with a Si nanoparticle anode, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) cathode, and quasi-solid electrolytes (S1, S3) compared to conventional electrolytes. 図9は、従来の電解質を有するSICと比較される、擬固体電解質を有するナトリウムイオンキャパシタ(SIC)のRagoneプロットである。FIG. 9 is a Ragone plot of a sodium ion capacitor (SIC) with a quasi-solid electrolyte compared to a SIC with a conventional electrolyte.

本発明は、これまで達成されていない非常に高いエネルギー密度を示すリチウム-硫黄電池又はナトリウム-硫黄電池を対象とする。この電池は、一次電池であってよいが、好ましくは、リチウムイオン硫黄電池、リチウム金属-硫黄二次電池(例えばアノード活性材料としてリチウム金属が使用される)、ナトリウムイオン硫黄電池、又はナトリウム金属-硫黄電池(例えばアノード活性材料としてナトリウム金属、カソード活性材料として炭素担持硫黄が使用される)から選択される二次電池である。この電池は、水、有機溶媒、イオン液体、又は有機及びイオン液体の混合物中に溶解したリチウム塩又はナトリウム塩を含む擬固体電解質をベースとする。好ましくは、電解質は、所望の量の伝導性フィラメント及び活性材料が電解質中に加えられる場合でさえも固体と同様に挙動するが変形可能のままである程度まで溶媒中に高濃度の溶質(リチウム塩又はナトリウム塩)を含む「擬固体電解質」である(したがって、「変形可能な擬固体電極」と呼ばれる)。電解質は、液体電解質ではなく、固体電解質でもない。リチウム電池の形状は、円筒形、正方形、ボタン状などであってよく、特殊な形状又は不規則な形状であってよい。本発明は、なんらかの電池形状及び構成に限定されるものではない。 The present invention is directed to lithium-sulphur or sodium-sulphur batteries exhibiting very high energy densities heretofore unachieved. The battery may be a primary battery, but is preferably a lithium ion sulfur battery, a lithium metal-sulfur secondary battery (for example lithium metal is used as the anode active material), a sodium ion sulfur battery or a sodium metal-sulfur battery. A secondary battery selected from sulfur batteries (eg, using sodium metal as the anode active material and carbon-supported sulfur as the cathode active material). This battery is based on a quasi-solid electrolyte comprising a lithium or sodium salt dissolved in water, an organic solvent, an ionic liquid, or a mixture of organic and ionic liquids. Preferably, the electrolyte contains a high concentration of solute (lithium salt or sodium salt) (hence the term "deformable quasi-solid electrode"). The electrolyte is neither a liquid electrolyte nor a solid electrolyte. The shape of the lithium battery can be cylindrical, square, button-like, etc., and can be special or irregular. The present invention is not limited to any battery shape and configuration.

図1(A)中に示されるように、Li-Sセル又は室温Na-Sセルなどの従来技術のリチウム電池セル又はナトリウム電池セルは、典型的には、アノード集電体(例えばCu箔)、アノード電極又はアノード活性材料層(例えばLi金属箔、ナトリウム箔、又はCu箔の一方若しくは両方の側に堆積されたプレリチウム化されたSiコーティング)、多孔質セパレータ及び/又は電解質成分、カソード電極又はカソード活性材料層(又はAl箔の両側にコーティングされた2つのカソード活性材料層)、並びにカソード集電体(例えばAl箔)から構成される。 As shown in FIG. 1(A), prior art lithium or sodium battery cells, such as Li—S cells or room temperature Na—S cells, typically include an anode current collector (eg, Cu foil) , an anode electrode or anode active material layer (e.g., a prelithiated Si coating deposited on one or both sides of a Li metal foil, sodium foil, or Cu foil), a porous separator and/or electrolyte component, a cathode electrode or consists of a cathode active material layer (or two cathode active material layers coated on both sides of an Al foil), as well as a cathode current collector (eg Al foil).

より一般的に使用される従来技術のセル構成(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、ハードカーボン、又はSi)、導電性添加剤(例えば、カーボンブラック粒子)、及び樹脂粘結剤(例えば、SBR又はPVDF)の粒子から構成される。カソード層は、カソード活性材料の粒子(例えばLiイオンセル中のLFP粒子、及びLi-Sセル中のリチウムポリスルフィド/炭素複合粒子)、伝導性添加剤(例えばカーボンブラック粒子)、及び樹脂バインダー(例えばPVDF)から構成される。アノード層及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、非常に薄い又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又は取扱い時に層間剥離又は亀裂が生じやすい;及び(d)最小オーバーヘッド重量及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又は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、集電体及びセパレータ)を最小に保たなければならない。 In the more commonly used prior art cell construction (FIG. 1(B)), the anode layer consists of anode active material (e.g. graphite, hard carbon, or Si), conductive additive (e.g. carbon black particles), ), and particles of a resin binder (eg SBR or PVDF). The cathode layer comprises particles of cathode active material (e.g. LFP particles in Li-ion cells, and lithium polysulfide/carbon composite particles in Li-S cells), conductive additives (e.g. carbon black particles), and resin binders (e.g. 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; and (d) minimum overhead weight and maximum lithium storage capacity, and therefore maximum energy density ( In order to obtain the Wk/kg or Wh/L of the cell, all non-active material layers (eg, current collectors and separators) within the battery cell must be kept to a minimum.

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コーティング)又はカソード活性材料が、銅箔又は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、(電極又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、又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、及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 coating) or cathode active material is deposited on a current collector such as copper or Al foil, as shown in FIG. It is deposited directly in the form of a thin film. 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。Si層は、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又は粒子は、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、及び低い活性材料利用率を示唆する。ナトリウム電池は同様の問題を有する。 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. The Si layer is fractured 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. Sodium batteries have similar problems.

すなわち、材料のタイプ、サイズ、電極層の厚さ、及び活性材料の質量負荷の面で、カソード又はアノード活性材料の設計及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、リチウム電池又はナトリ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、電池設計者及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, there are several conflicting factors that must be considered simultaneously in the design and selection of cathode or anode active materials in terms of material type, size, electrode layer thickness, and active material mass loading. 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 puzzled battery designers and also electrochemists for over 30 years by developing novel methods of manufacturing lithium or sodium batteries. solved these problems.

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ナノ粒子又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)、及び樹脂粘結剤(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である。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)、及び樹脂粘結剤(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)の一方又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、スラリー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、及びカソード/Al箔シートを積層し合わせて、3層又は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又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、又は巻いて円筒形のセル構造にすることを含む。(d)次いで、矩形又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又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 comprising the following steps: (a) the first step is to prepare an anode active material (e.g. Si nanoparticles or mesocarbon microbeads, MCMB); , conductive filler (eg graphite flakes), and resin binder (eg PVDF) particles 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 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;

方法及び結果として得られるリチウム電池セルに関連する幾つかの重大な問題がある。
1)200μmよりも厚い電極層(アノード層又はカソード層)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、スラリー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、層間剥離及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、及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又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、有機又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及び体積を加える非常に多くの他の非活性材料(例えば、導電性添加剤及び樹脂粘結剤)が存在する。これらの低い面密度及び低い体積密度は、比較的低い重量エネルギー密度及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(アノード活性材料及びカソード活性材料)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。アノード及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。そのような乾燥-湿潤-乾燥-湿潤プロセスは、全く良好なプロセスではない。
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及び450~600Wh/Lの体積エネルギー密度を示す。
There are several significant problems associated with the method and resulting lithium battery cells.
1) It is very difficult to manufacture electrode layers (anode or cathode layers) thicker than 200 μm. There are several reasons. A 100-200 μm thick electrode typically requires a heating zone of 30-50 meters in length in a slurry coating facility, which is 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 with good structural integrity thicker than 100 μm 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. Mostly, 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 volume densities result in relatively low gravimetric and low volumetric energy densities.
3) The conventional method requires the electrode active materials (anode active material and cathode 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 dry-wet-dry-wet process is not a good process at all.
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、活性材料重量のみ又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、実用的な電池セル又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、及びパッケージング)の重量も考慮に入れる必要がある。従来の製造方法では、リチウムイオン電池中のアノード活性材料(例えば黒鉛又は炭素)の重量比は典型的には12%~17%となり、カソード活性材料の重量比は20%~35%(LiMnなどの無機の場合)又は7~15%(有機又はポリマーカソード材料の場合)となる。 In the literature, energy densities for practical battery cells or devices cannot be directly derived from energy density data reported 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 (e.g. graphite or carbon) in lithium ion batteries is typically 12%-17% and the weight ratio of cathode active material is 20%-35% ( LiMn2 for inorganics such as O 4 ) or 7-15% (for organic or polymeric cathode materials).

本発明は、大きな電極厚さ、高い活性材料質量負荷、低いオーバーヘッド重量及び体積、高い容量、並びに高いエネルギー密度を有するリチウム硫黄電池又は室温ナトリウム-硫黄電池セルを提供する。ある実施形態では、本発明は:(a)約30体積%~約95体積%のカソード活性材料(硫黄、金属-硫黄化合物、硫黄-炭素複合物、硫黄-グラフェン複合物、硫黄-黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄-ポリマー複合物、又はそれらの組合せから選択される硫黄含有カソード活性材料を含む)と、溶媒中に溶解したアルカリ塩を含む約5体積%~約40体積%の第1の電解質と、約0.01体積%~約30体積%の伝導性添加剤とを含む擬固体ポリマーカソードにおいて、擬固体電極が約10-6S/cm~約300S/cm(より高くなり得る)の電気伝導率を有するように、伝導性フィラメントを含む伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成する擬固体ポリマーカソードと;(b)アノード(従来のアノード又は擬固体電極であってよい)と;(c)アノードと擬固体カソードとの間に配置されたイオン伝導膜又は多孔質のセパレータと、を含むアルカリ金属セルにおいて;上記擬固体カソードが200μm以上の厚さを有するアルカリ金属セルを提供する。擬固体カソードは、好ましくは10mg/cm以上、好ましくは15mg/cm以上、さらに好ましくは25mg/cm以上、より好ましくは35mg/cm以上、さらにより好ましくは45mg/cm以上、最も好ましくは65mg/cmを超えるカソード活性材料質量負荷を有する。 The present invention provides lithium-sulfur or room-temperature sodium-sulfur battery cells with large electrode thickness, high active material mass loading, low overhead weight and volume, high capacity, and high energy density. In some embodiments, the present invention provides: (a) about 30% to about 95% by volume of a cathode active material (sulfur, metal-sulfur compounds, sulfur-carbon composites, sulfur-graphene composites, sulfur-graphite composites; , an organic sulfur compound, a sulfur-polymer composite, or a combination thereof); and about 5% to about 40% by volume of a first and about 0.01 vol . (b) an anode (either a conventional anode or a (c) an ion-conducting membrane or porous separator disposed between an anode and a quasi-solid cathode; the quasi-solid cathode having a thickness of 200 μm or more. provide cells. The quasi-solid cathode is preferably 10 mg/cm 2 or more, preferably 15 mg/cm 2 or more, more preferably 25 mg/cm 2 or more, more preferably 35 mg/cm 2 or more, even more preferably 45 mg/cm 2 or more, and most preferably 10 mg/cm 2 or more. It preferably has a cathode active material mass loading greater than 65 mg/cm 2 .

このセル中、アノードはまた、約30体積%~約95体積%のアノード活性材料と、溶媒中に溶解したアルカリ塩を含む約5体積%~約40体積%の第2の電解質と、約0.01体積%~約30体積%の伝導性添加剤とを含み、擬固体ポリマーを含まないアノードを含むことができ、擬固体電極が約10-6S/cm~約300S/cmの電気伝導率を有するように、伝導性フィラメントを含む上記伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成し;上記擬固体アノードは200μm以上の厚さを有する。擬固体アノードは、好ましくは10mg/cm以上、好ましくは15mg/cm以上、さらに好ましくは25mg/cm以上、より好ましくは35mg/cm以上、さらにより好ましくは45mg/cm以上、最も好ましくは65mg/cmを超えるアノード活性材料質量負荷を有する。第1の電解質は第2の電解質と組成及び構造が同じ場合も異なる場合もあり得る。 In this cell, the anode also comprises from about 30% to about 95% by volume of anode active material, from about 5% to about 40% by volume of a second electrolyte comprising an alkali salt dissolved in a solvent, and from about 0% by volume. .01% to about 30% by volume of a conductive additive and no quasi-solid polymer, wherein the quasi-solid electrode has an electrical conductivity of about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm. The conductive additives, including conductive filaments, form a 3D network of electron-conducting pathways, such that the quasi-solid anode has a thickness of 200 μm or more. The quasi-solid anode is preferably 10 mg/cm 2 or more, preferably 15 mg/cm 2 or more, more preferably 25 mg/cm 2 or more, more preferably 35 mg/cm 2 or more, still more preferably 45 mg/cm 2 or more, and most preferably 10 mg/cm 2 or more. It preferably has an anode active material mass loading greater than 65 mg/cm 2 . The first electrolyte can be the same or different in composition and structure from the second electrolyte.

幾つかの実施形態では、アルカリ金属電池は、擬固体アノードを含むが、従来のカソードを含む。しかし、好ましくは、カソードも擬固体電極である。 In some embodiments, the alkali metal battery includes a quasi-solid anode, but a conventional cathode. Preferably, however, the cathode is also a quasi-solid electrode.

本発明は、アルカリ金属電池の製造方法も提供する。ある実施形態では、この方法は:
(a)ある量の活性材料(アノード活性材料又はカソード活性材料)と、ある量の擬固体電解質(好ましくは2.5M~14Mの塩濃度を有する、溶媒中に溶解したアルカリ金属塩を含む)と、伝導性添加剤とを組み合わせて、変形可能で及び電気伝導性の電極材料を形成するステップにおいて、伝導性フィラメントを含む伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成するステップと;(活性材料の粒子及び電解質と混合される前は、カーボンナノチューブ及びグラフェンシートなどのこれらの伝導性フィラメントは、不規則に凝集したフィラメントの集合体である。混合手順は、活性材料の粒子を含む高粘稠性電解質中にこれらの伝導性フィラメントを分散させることを伴う。これについては後の項でさらに議論される)
(b)上記電極材料から擬固体電極を形成するステップにおいて、この形成ステップが、電極が10-6S/cm以上(好ましくは10-5S/cm以上、より好ましくは10-4S/cm以上、さらに好ましくは10-3S/cm以上、さらにより好ましく典型的には10-2S/cm以上、さらにより典型的で好ましくは10-1S/cm以上、さらにより典型的で好ましくは1S/cm以上であり;最大300S/cmが観察された)の電気伝導率を維持するように、電子伝導経路の3Dネットワークを中断することなく電極材料を電極形状に変形させることを含むステップと;
(c)第2の電極(第2の電極は、擬固体電極又は従来の電極であってよい)を形成するステップと;
(d)2つの電極の間にイオン伝導性セパレータが配置されるように、擬固体電極と第2の電極とを組み合わせることによってアルカリ金属セルを形成するステップと、
を含む。
The present invention also provides a method of manufacturing an alkali metal battery. In one embodiment, the method:
(a) an amount of active material (anode active material or cathode active material) and an amount of quasi-solid electrolyte (preferably comprising an alkali metal salt dissolved in a solvent having a salt concentration of 2.5M to 14M); and a conductive additive to form a deformable and electrically conductive electrode material, wherein the conductive additive comprising conductive filaments forms a 3D network of electron conducting pathways; These conductive filaments, such as carbon nanotubes and graphene sheets, are irregularly aggregated filament assemblies before being mixed with particles of active material and electrolyte. It involves dispersing these conductive filaments in a viscous electrolyte, which is discussed further in a later section.)
(b) in the step of forming a quasi-solid electrode from the above electrode material, the forming step is such that the electrode is 10 −6 S/cm or more (preferably 10 −5 S/cm or more, more preferably 10 −4 S/cm above, more preferably 10 −3 S/cm or more, still more preferably typically 10 −2 S/cm or more, still more typically preferably 10 −1 S/cm or more, still more typically preferably deforming the electrode material into the electrode shape without disrupting the 3D network of electronic conduction pathways so as to maintain an electrical conductivity of greater than or equal to 1 S/cm; up to 300 S/cm was observed; ;
(c) forming a second electrode (the second electrode may be a quasi-solid electrode or a conventional electrode);
(d) forming an alkali metal cell by combining the quasi-solid electrode and a second electrode such that an ion-conducting separator is disposed between the two electrodes;
including.

図1(C)中に示されるように、本発明の好ましい一実施形態は、伝導性擬固体アノード236と、伝導性擬固体カソード238(硫黄含有カソード活性材料を含む)と、アノードとカソードとを電子的に分離する多孔質セパレータ240(又はイオン透過膜)とを有するアルカリイオン硫黄セルである。これら3つの構成要素は、典型的には保護ハウジング(図示せず)中に入れられ、この保護ハウジングは、典型的にはアノードに接続されたアノードタブ(端子)、及びカソードに接続されたカソードタブ(端子)を有する。これらのタブは、外部負荷(例えば電池によって電力が供給される電子デバイス)に接続するためのものである。この特定の実施形態では、擬固体ポリマーアノード236は、アノード活性材料(例えばLi、Si、又はハードカーボンの粒子、図1(C)中には示されていない)と、電解質相(典型的には溶媒中に溶解したリチウム塩又はナトリウム塩を含む);これも図1(C)中には示されていない)と、電子伝導経路の3Dネットワーク244を形成する伝導性添加剤(伝導性フィラメントを含む)とを含む。同様に、擬固体カソードは、硫黄含有カソード活性材料と、電解質と、電子伝導経路の3Dネットワーク242を形成する伝導性添加剤(伝導性フィラメントを含む)とを含む。 As shown in FIG. 1(C), one preferred embodiment of the present invention comprises a conductive quasi-solid anode 236, a conductive quasi-solid cathode 238 (including a sulfur-containing cathode active material), and an anode and a cathode. is an alkali ion sulfur cell with a porous separator 240 (or ion permeable membrane) that electronically separates the . These three components are typically encased in a protective housing (not shown) which typically includes an anode tab (terminal) connected to the anode, and a cathode tab (terminal) connected to the cathode. It has tabs (terminals). These tabs are for connecting to an external load (eg an electronic device powered by a battery). In this particular embodiment, the quasi-solid polymer anode 236 comprises an anode active material (e.g. particles of Li, Si, or hard carbon, not shown in FIG. 1(C)) and an electrolyte phase (typically contains a lithium or sodium salt dissolved in a solvent); also not shown in FIG. including) and including. Similarly, a quasi-solid cathode includes a sulfur-containing cathode active material, an electrolyte, and conductive additives (including conductive filaments) that form a 3D network 242 of electron-conducting pathways.

本発明の別の好ましい一実施形態は、図1(D)中に示されるように、集電体280(例えばCu箔)に堆積され/取り付けられたリチウム又はナトリウム金属被覆/箔282から構成されるアノードと、擬固体カソード284と、セパレータ又はイオン伝導膜282とを有するアルカリ金属-硫黄セルである。擬固体カソード284は、カソード活性材料272(例えば、S又はリチウムポリスルフィドを含浸させた多孔質炭素粒子、又はグラフェンシート上に担持されたSを含む複合粒子)と、電解質相274(典型的には溶媒中に溶解したリチウム塩又はナトリウム塩を含む)と、電子伝導経路の3Dネットワーク270を形成する伝導性添加剤相(伝導性フィラメントを含む)とを含む。 Another preferred embodiment of the present invention consists of a lithium or sodium metallization/foil 282 deposited/attached to a current collector 280 (e.g. Cu foil), as shown in Figure 1(D). A quasi-solid cathode 284 and a separator or ion-conducting membrane 282. The quasi-solid cathode 284 comprises a cathode active material 272 (e.g. porous carbon particles impregnated with S or lithium polysulfide, or composite particles comprising S supported on graphene sheets) and an electrolyte phase 274 (typically a lithium or sodium salt dissolved in a solvent) and a conductive additive phase (including conductive filaments) that forms a 3D network 270 of electronic conduction pathways.

電解質は好ましくは、1.5M以上、好ましくは2.5Mを超え、より好ましくは3.5Mを超え、さらに好ましくは5Mを超え、さらにより好ましくは7Mを超え、さらにより好ましくは10Mを超える塩濃度で溶媒中に溶解したリチウム塩又はナトリウム塩を含む擬固体電解質である。ある実施形態では、電解質は、3.0M~14Mの塩濃度で液体溶媒中に溶解したリチウム塩又はナトリウム塩を含む擬固体電解質である。リチウム塩若しくはナトリウム塩及び溶媒の選択は、以下の項で詳細に議論される。 The electrolyte is preferably a salt of 1.5M or greater, preferably greater than 2.5M, more preferably greater than 3.5M, even more preferably greater than 5M, even more preferably greater than 7M, even more preferably greater than 10M. It is a quasi-solid electrolyte containing a lithium or sodium salt dissolved in a solvent at a concentration. In some embodiments, the electrolyte is a quasi-solid electrolyte comprising a lithium or sodium salt dissolved in a liquid solvent at a salt concentration of 3.0M to 14M. The choice of lithium or sodium salt and solvent are discussed in detail in the following sections.

擬固体アノード及び擬固体カソードの両方は、厚さが好ましくは200μmを超える(好ましくは300μmを超え、より好ましくは400μmを超え、さらに好ましくは500μmを超え、さらにより好ましくは800μmを超え、さらに好ましくは1mmを超え、5mmを超えることができ、1cmを超えることができ、又はより厚くなることができる。本発明による電極厚さに対する理論的制限はない。本発明によるセルでは、アノード活性材料は、典型的にはアノード中で10mg/cm以上(より典型的で好ましくは20mg/cm以上、より好ましくは30mg/cm以上)の電極活性材料負荷を構成する。カソード活性材料は、カソード活性材料としての無機材料の場合45mg/cm以上(典型的で好ましくは50mg/cmを超え、より好ましくは60mg/cmを超える)(有機又はポリマーのカソード活性材料の場合25mg/cm以上)の電極活性材料質量負荷を構成する。 Both the quasi-solid anode and the quasi-solid cathode preferably have a thickness greater than 200 μm (preferably greater than 300 μm, more preferably greater than 400 μm, even more preferably greater than 500 μm, even more preferably greater than 800 μm, more preferably is greater than 1 mm, can be greater than 5 mm, can be greater than 1 cm, or can be thicker.There is no theoretical limit to the electrode thickness according to the present invention.In the cell according to the present invention, the anode active material is , typically comprising an electrode active material loading of 10 mg/cm 2 or more (more typically preferably 20 mg/cm 2 or more, more preferably 30 mg/cm 2 or more) in the anode. 45 mg/cm 2 or more (typically preferably greater than 50 mg/cm 2 , more preferably greater than 60 mg/cm 2 ) for inorganic materials as active materials (25 mg/cm 2 for organic or polymeric cathode active materials). above) constitute the electrode active material mass load.

このような構成(図1(C)~図1(D))においては、電子は、電子伝導経路の3Dネットワークを構成し、擬固体電極(アノード又はカソード)全体にわたってあらゆるところに存在する伝導性フィラメントによって集められる前に、短距離(例えば数マイクロメートル以下)のみの移動が必要となる。さらに、全ての電極活性材料粒子は電解質溶媒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、及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、本発明によるプロセス又は方法は、従来の電池セル製造法に勝る全く予想外の利点を有する。 In such a configuration (FIGS. 1(C)-1(D)), the electrons constitute a 3D network of electron conduction pathways, with the ubiquitous conductivity across the quasi-solid electrode (anode or cathode). Only a short distance (eg, a few micrometers or less) movement is required before being collected by the filament. Additionally, all electrode active material particles are pre-dispersed in the electrolyte solvent (no wetting issues) and dry pockets commonly present in electrodes fabricated by conventional methods of wet coating, drying, packing, and electrolyte infusion. ceases to exist. Thus, the process or method according to the invention has a completely unexpected advantage over conventional battery cell manufacturing methods.

活性材料の粒子及び電解質と混合される前、これらの伝導性フィラメント(カーボンナノチューブ及びグラフェンシートなど)は、供給された状態では、本来は不規則に凝集したフィラメントの集合体である。混合手順は、活性材料の粒子を含む高粘稠性固体状電解質中にこれらの伝導性フィラメントを分散させることを伴うことができる。これは考えられるようなありふれた作業ではない。ナノ材料(特に、ナノフィラメント材料、例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、及びグラフェンシート)の高流動性(非粘稠)液体中の分散は困難であることがよく知られており、高負荷の活性材料(例えば固体粒子、例えば、アノードのSiナノ粒子、及びカソードのコバルト酸リチウム)を含有する電解質などの高粘稠性擬固体中ではなおさらである。この問題は、幾つかの好ましい実施形態では、電解質自体が、溶媒中に高濃度のリチウム塩若しくはナトリウム塩及びポリマーを含む擬固体電解質であるという考えによってさらに悪化する。 Prior to being mixed with the particles of active material and electrolyte, these conductive filaments (such as carbon nanotubes and graphene sheets), as supplied, are essentially aggregates of randomly aggregated filaments. A mixing procedure can involve dispersing these conductive filaments in a highly viscous solid electrolyte containing particles of the active material. This is not as mundane a task as you might think. Dispersion of nanomaterials (particularly nanofilament materials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphene sheets) in highly fluid (non-viscous) liquids is well known to be difficult, leading to high load activity. This is even more so in highly viscous quasi-solids such as electrolytes containing materials such as solid particles such as Si nanoparticles for the anode and lithium cobaltate for the cathode. This problem is exacerbated in some preferred embodiments by the idea that the electrolyte itself is a quasi-solid electrolyte comprising a high concentration of lithium or sodium salts and a polymer in a solvent.

本発明のある実施形態では、以下のステップの順序を用いることによって、電極層の形成を実現することができる:
順序1(S1):最初に、リチウム塩又はナトリウム塩(例えばLiBF)とイオン伝導性ポリマー(例えばPEO)とをPC及びDOLの混合物中に溶解させて、所望の全塩/ポリマー濃度を有する電解質を形成することができる。次に、伝導性フィラメント(例えばカーボンナノファイバ、還元酸化グラフェンシート、又はCNT)をこの電解質中に分散させることで、フィラメント-電解質懸濁液が形成される。均一な分散体の形成を促進するために機械的剪断を使用することができる。(このフィラメント-電解質懸濁液は1.0Mの低い塩濃度でさえも非常に粘稠性である)。次に、カソード活性材料の粒子(例えばS/炭素複合粒子)をフィラメント-電解質懸濁液中に分散させることで、擬固体電極材料が形成される。
In some embodiments of the invention, the formation of the electrode layer can be achieved by using the following sequence of steps:
Sequence 1 (S1): First, a lithium or sodium salt (e.g. LiBF4 ) and an ion-conducting polymer (e.g. PEO) are dissolved in a mixture of PC and DOL to have the desired total salt/polymer concentration. An electrolyte can be formed. Conductive filaments (eg, carbon nanofibers, reduced graphene oxide sheets, or CNTs) are then dispersed in this electrolyte to form a filament-electrolyte suspension. Mechanical shear can be used to facilitate the formation of uniform dispersions. (This filament-electrolyte suspension is very viscous even at salt concentrations as low as 1.0 M). Particles of cathode active material (eg, S/carbon composite particles) are then dispersed in the filament-electrolyte suspension to form a quasi-solid electrode material.

順序2(S2):最初に、リチウム塩又はナトリウム塩をPC及びDOLの混合物中に溶解させることで、所望の塩濃度を有する電解質が形成される。次に、カソード活性材料の粒子をこの電解質中に分散させることで、活性粒子-電解質懸濁液が形成される。均一な分散体の形成を促進するために機械的剪断を使用することができる。次に伝導性フィラメントを活性粒子-電解質懸濁液中に分散させることで、擬固体電極材料が形成される。 Sequence 2 (S2): First, a lithium or sodium salt is dissolved in a mixture of PC and DOL to form an electrolyte with the desired salt concentration. Particles of cathode active material are then dispersed in the electrolyte to form an active particle-electrolyte suspension. Mechanical shear can be used to facilitate the formation of uniform dispersions. A quasi-solid electrode material is then formed by dispersing the conductive filaments in the active particle-electrolyte suspension.

順序3(S3):これは好ましい順序の1つである。最初に、所望の量の伝導性フィラメントを、リチウム塩が溶解していない液体溶媒混合物(例えばPC+DOL)中に分散させる。溶媒中の伝導性フィラメントの均一な懸濁液の形成を促進するために機械的剪断を使用することができる。次に、リチウム塩又はナトリウム塩をこの懸濁液中に加え、懸濁液の溶媒混合物中に塩を溶解させることで、所望の全塩/ポリマー濃度を有する電解質が形成される。同時に、又はこれに続いて、活性材料粒子を上記電解質中に分散させることで、変形可能な擬固体電極材料が形成され、これは擬固体電解質(液体電解質ではなく固体電解質でもない)中に分散した活性材料粒子及び伝導性フィラメントから構成される。この擬固体電極材料中で、伝導性フィラメントが浸透して電子伝導経路の3Dネットワークが形成される。電極材料が電池の電極に成形されるときに、この3D伝導性ネットワークは維持される。 Order 3 (S3): This is one of the preferred orders. First, the desired amount of conductive filaments is dispersed in a liquid solvent mixture (eg PC+DOL) in which the lithium salt is not dissolved. Mechanical shear can be used to promote the formation of a uniform suspension of conductive filaments in the solvent. A lithium or sodium salt is then added to this suspension and dissolved in the solvent mixture of the suspension to form an electrolyte with the desired total salt/polymer concentration. Simultaneously or subsequently, the active material particles are dispersed in the electrolyte to form a deformable quasi-solid electrode material, which is dispersed in a quasi-solid electrolyte (neither a liquid electrolyte nor a solid electrolyte). It consists of active material particles and conductive filaments. In this quasi-solid electrode material, conductive filaments permeate to form a 3D network of electronic conduction pathways. This 3D conductive network is maintained when the electrode material is molded into a battery electrode.

幾つかの好ましい実施形態では、電解質が、0.01kPa未満又は溶媒単独の蒸気圧の0.6(60%)未満の蒸気圧を示し(20℃で測定される場合)、第1の有機液体溶媒単独(リチウム塩が存在しない場合)の引火点よりも少なくとも20℃高い引火点を示す、150℃を超える引火点を示す、又は検出可能な引火点を全く示さないために十分高いアルカリ金属塩濃度で有機又はイオン液体溶媒中に溶解したアルカリ金属塩(リチウム塩及び/又はナトリウム塩)を電解質が含む。 In some preferred embodiments, the electrolyte exhibits a vapor pressure of less than 0.01 kPa or less than 0.6 (60%) of the vapor pressure of the solvent alone (when measured at 20° C.) and the first organic liquid Alkali metal salts high enough to exhibit a flash point at least 20° C. above the flash point of the solvent alone (in the absence of lithium salt), exhibit a flash point above 150° C., or exhibit no detectable flash point at all The electrolyte comprises an alkali metal salt (lithium salt and/or sodium salt) dissolved in an organic or ionic liquid solvent at a concentration.

最も驚くべきことで大きな科学的及び技術的重要性は、揮発性有機溶媒の引火性は、十分多い量のアルカリ金属塩をこの有機溶媒中に加えて溶解させて固体状又は擬固体の電解質を形成するのであれば、効果的に抑制できるという本発明者らの発見である。一般に、このような擬固体電解質は、0.01kPa未満、多くの場合0.001kPa未満(20℃で測定した場合)、及び0.1kPa未満、多くの場合0.01kPa未満(100℃で測定した場合)の蒸気圧を示す(アルカリ金属塩が溶解していない対応するニートの溶媒の蒸気圧は、典型的にははるかに高くなる)。擬固体電解質を特徴とする多くの場合、気体分子は実際には少なすぎて検出されない。 Of most surprising and great scientific and technical importance is the fact that the flammability of volatile organic solvents is such that a sufficiently large amount of an alkali metal salt is added into this organic solvent and dissolved to form a solid or quasi-solid electrolyte. It is the discovery of the present inventors that if they are formed, they can be effectively suppressed. In general, such quasi-solid electrolytes are less than 0.01 kPa, often less than 0.001 kPa (when measured at 20°C), and less than 0.1 kPa, often less than 0.01 kPa (when measured at 100°C). (The vapor pressure of the corresponding neat solvent, in which no alkali metal salt is dissolved, is typically much higher). In many cases featuring quasi-solid electrolytes, gas molecules are actually too few to be detected.

非常に重要な観察の1つは、他の場合には高い揮発性の溶媒に対するアルカリ金属塩の高い溶解性(アルカリ金属塩の大きな分子比又はモル分率、典型的には>0.2、より典型的には>0.3、多くの場合>0.4、又はさらには>0.5)によって、熱力学的平衡条件の気相中に逃れることができる揮発性溶媒分子の量を大幅に減少可能なことである。多くの場合、これによって、非常に高い温度(例えばトーチの使用)においてさえも引火性溶媒の気体分子が火炎を生じるのが効果的に防止される。擬固体ポリマー電解質の引火点は、ニートの有機溶媒単独の引火点よりも、典型的には少なくとも20度(多くの場合>50度又は>100度)高い。ほとんどの場合、引火点が150℃を超えるか、引火点を検出できないかのいずれかである。この電解質は全く火がつかない。さらに、偶発的に発生したあらゆる火炎は数秒を超えて持続することがない。火災及び爆発の問題が電池式の電気自動車の広範な受け入れに対する主要な障害となっていたことを考慮すると、これは非常に大きな発見である。この新しい技術は、活気のあるEV産業の出現を促進するのに非常に役立ち得る。 One very important observation is the high solubility of alkali metal salts in otherwise highly volatile solvents (large molecular ratios or mole fractions of alkali metal salts, typically >0.2, (more typically >0.3, often >0.4, or even >0.5) significantly increases the amount of volatile solvent molecules that can escape into the gas phase at thermodynamic equilibrium conditions. can be reduced to In many cases, this effectively prevents the gas molecules of flammable solvents from flaming even at very high temperatures (eg using a torch). The flash point of the quasi-solid polymer electrolyte is typically at least 20 degrees (often >50 degrees or >100 degrees) higher than the flash point of the neat organic solvent alone. In most cases, either the flash point is above 150° C. or the flash point cannot be detected. This electrolyte is completely non-flammable. Furthermore, any accidental flames do not last more than a few seconds. Considering that fire and explosion problems have been major obstacles to widespread acceptance of battery-powered electric vehicles, this is a very significant finding. This new technology could go a long way in facilitating the emergence of a vibrant EV industry.

安全性を考慮するための超高濃度電池電解質(高い分子分率、例えば>0.2又は>0.3のアルカリ金属塩、又はおおよそ>2.5M又は3.5Mの塩濃度を有する)の蒸気圧に関して報告されている従来の研究は存在しない。これはまさに予期せぬことであり、最も技術的及び科学的に重要なことである。 ultra-high concentration battery electrolytes (having high molecular fractions, e.g., >0.2 or >0.3 alkali metal salts, or approximately >2.5M or 3.5M salt concentrations) for safety considerations; There are no previous studies reported on vapor pressure. This is just unexpected and of most technical and scientific importance.

本発明者らは、伝導性ナノフィラメントによって構成される電子伝導経路の3Dネットワークの存在が、臨界蒸気圧の抑制を実現するために必要なアルカリ金属塩の閾値濃度をさらに低下させる働きをするというさらに予期せぬ発見をした。 The inventors propose that the presence of a 3D network of electron-conducting pathways constituted by conducting nanofilaments serves to further reduce the threshold concentration of alkali metal salts required to achieve critical vapor pressure suppression. I made another unexpected discovery.

本発明の別の驚くべき要素の1つは、本発明者らは、充電式アルカリ金属電池中での使用に適切な擬固体電解質を形成するために、高濃度のアルカリ金属塩をほぼあらゆる種類の一般に使用される電池グレードの有機溶媒中に溶解させることができると考えていることである。より容易に理解できる用語で表現すると、この濃度は、典型的には2.5M(モル/リットル)を超え、より典型的で好ましくは3.5Mを超え、さらにより典型的で好ましくは5Mを超え、さらにより好ましくは7Mを超え、最も好ましくは10Mを超える。2.5M以上の塩濃度では、電解質はもはや液体電解質ではなく、むしろこれは擬固体電解質である。リチウム電池又はナトリウム電池の分野では、溶媒中のこのような高濃度のアルカリ金属塩は、一般に不可能又は望ましくないと考えられてきた。しかし本発明者らは、顕著に改善された安全性(不燃性)、改善されたエネルギー密度、及び改善された電力密度から、これらの擬固体電解質がリチウム電池及びナトリウム電池の両方で驚くほど良好な電解質となることを見出した。 One of the other surprising elements of the invention is that the inventors have used almost any kind of high concentration alkali metal salt to form a quasi-solid electrolyte suitable for use in rechargeable alkali metal batteries. of commonly used battery grade organic solvents. Expressed in more readily understandable terms, this concentration typically exceeds 2.5M (moles/liter), more typically preferably greater than 3.5M, and even more typically preferably greater than 5M. greater than, even more preferably greater than 7M and most preferably greater than 10M. At salt concentrations above 2.5 M, the electrolyte is no longer a liquid electrolyte, rather it is a quasi-solid electrolyte. In the field of lithium or sodium batteries, such high concentrations of alkali metal salts in the solvent have generally been considered impossible or undesirable. However, the inventors have found that these quasi-solid electrolytes are surprisingly good in both lithium and sodium batteries due to their markedly improved safety (nonflammability), improved energy density, and improved power density. It was found that it was a good electrolyte.

前述の議論のような不燃性及び高いアルカリ金属イオン輸率に加えて、本発明による擬固体電解質の使用に関連する幾つかのさらなる利点が存在する。一例として、擬固体電解質は、少なくともアノード中に使用される場合は、おそらくは以下の理由でデンドライトの成長が効果的に抑制されることによって充電式アルカリ金属-硫黄電池のサイクル性能及び安全性能を顕著に向上させることができる:
1)めっきが起こる電極の近傍でアニオンが欠乏すると、非水性液体電解質中でデンドライトが成長し始めることが一般に認められている。超高濃度電解質中では、カチオン(Li又はNa)と、金属リチウム又はナトリウムのアノードの近くのアニオンとのバランスを維持するための大量のアニオンが存在する。
2)さらに、アニオンの欠乏によって生じる空間電荷が最小限となり、これはデンドライトの成長の原因とはならない。
3)伝導性フィラメントによって構成される電子伝導経路の3Dネットワークの存在によって、より均一な電界がアノード中に形成されて、より均一なリチウム又はナトリウムの堆積が促進される。
4)さらに、超高Li又はNa塩濃度と高Liイオン又はNaイオン輸率との両方のために、擬固体電解質によって、多量の利用可能なリチウムイオン又はナトリウムイオン流束が供給され、電解質とリチウム電極又はナトリウム電極との間のリチウムイオン又はナトリウムイオンの物質移動速度が上昇し、それによって充電/放電プロセス中のリチウム又はナトリウムの堆積均一性と溶解とが向上する。
5)さらに、高濃度によって生じる局所的な高粘度によって、電解質からの圧力が上昇してデンドライトの成長が阻害され、場合によりアノード表面上により均一な堆積が行われる。高粘度であることによって、堆積領域付近のアニオンの対流も制限することができ、ナトリウムイオンのより均一な堆積を促進することができる。同じ推論がリチウム金属電池にも適用可能である。
In addition to non-flammability and high alkali metal ion transference numbers as discussed above, there are several additional advantages associated with the use of quasi-solid electrolytes according to the present invention. As an example, quasi-solid electrolytes, at least when used in the anode, significantly enhance the cyclability and safety performance of rechargeable alkali metal-sulfur batteries by effectively suppressing dendrite growth, presumably for the following reasons: can be improved to:
1) It is generally accepted that dendrites begin to grow in non-aqueous liquid electrolytes when anions are depleted in the vicinity of the electrode where plating occurs. In ultra-high concentration electrolytes, there is a large amount of anions to maintain a balance between cations (Li + or Na + ) and anions near the metallic lithium or sodium anode.
2) In addition, the space charge caused by the depletion of anions is minimal and does not contribute to dendrite growth.
3) The presence of a 3D network of electron-conducting pathways constituted by conductive filaments creates a more uniform electric field in the anode, promoting more uniform deposition of lithium or sodium.
4) Furthermore, due to both the ultra-high Li or Na salt concentration and the high Li-ion or Na-ion transference numbers, the quasi-solid-state electrolyte provides a large amount of available lithium-ion or sodium-ion flux, The mass transfer rate of lithium or sodium ions to and from the lithium or sodium electrode is increased, thereby improving the deposition uniformity and dissolution of lithium or sodium during charge/discharge processes.
5) In addition, the high local viscosity caused by the high concentration increases the pressure from the electrolyte and inhibits dendrite growth, possibly resulting in a more uniform deposition on the anode surface. The high viscosity can also limit the convection of anions near the deposition area, promoting more uniform deposition of sodium ions. The same reasoning is applicable to lithium metal batteries.

これらの理由は、別々に又は組合せで、本発明者らがこれまで研究してきた多数の充電式アルカリ金属-硫黄セルのいずれにおいてもデンドライト状の特徴が観察されていないことと関与していると考えられる。 These reasons, individually or in combination, are believed to be responsible for the lack of dendritic features observed in any of the many rechargeable alkali-metal-sulfur cells we have previously studied. Conceivable.

さらに、化学又は材料科学の分野の当業者は、このような高い塩濃度では、電解質は非常に高い粘度で固体のように挙動するはずであり、したがって、この電解質は内部でのアルカリ金属イオンの迅速な拡散には適していないはずであると予想していた。その結果、当業者は、このような固体状電解質を含むアルカリ金属電池は、高い充電-放電率において、又は高電流密度条件下で高い容量を示さず、示すことができない(すなわち電池は不十分なレート能力を有するはずである)と予想していた。当技術分野において通常の技能又はさらには非常に高い技能を有する人によるこれらの予想とは逆に、このような擬固体電解質を含む全てのアルカリ金属-硫黄セルでは、長いサイクル寿命で高いエネルギー密度及び高い電力密度が得られる。本発明による本明細書に開示される擬固体電解質では、アルカリ金属イオンの移動が容易になると思われる。この驚くべき観察は2つの主要な要因によるものと思われ:一方は電解質の内部構造に関連し、他方は高いNa又はLiイオン輸率(TN)に関連する。 Furthermore, those skilled in the field of chemistry or materials science know that at such a high salt concentration the electrolyte should behave like a solid with very high viscosity, thus the electrolyte will have a high concentration of alkali metal ions inside. It was expected that it would not be suitable for rapid diffusion. As a result, those skilled in the art know that alkali metal batteries containing such solid electrolytes do not and cannot exhibit high capacities at high charge-discharge rates or under high current density conditions (i.e., batteries should have a high rate capability). Contrary to these expectations by those of ordinary or even very high skill in the art, all alkali metal-sulfur cells containing such quasi-solid electrolytes show high energy densities with long cycle lives. and high power density are obtained. It is believed that the quasi-solid electrolyte disclosed herein according to the present invention facilitates the migration of alkali metal ions. This surprising observation is likely due to two main factors: one related to the internal structure of the electrolyte and the other related to the high Na + or Li + ion transference number (TN).

理論によって束縛しようと望むものではないが、図2(A)~図3(C)を参照することによって、3つの本質的に異なる種類の電解質の内部構造を視覚化することができる。図2(A)は、典型的な固体電解質の密接に充填された高秩序構造を概略的に示しており、アルカリ金属イオンの拡散のための自由体積がわずかに存在する。このような結晶構造中の任意のイオンの移動は非常に困難であり、非常に低い拡散係数(10-16~10-12cm/秒)及び非常に低いイオン伝導率(典型的には10-7S/cm~10-4S/cm)が得られる。対照的に、図2(B)中に概略的に示されるように、液体電解質の内部構造は、全体的に非晶質であり、高い比率の自由体積を有し、それを通ってカチオン(例えば又はLi又はNa)が容易に移動することができ、それによって高い拡散係数(10-8~10-6cm/秒)及び高いイオン伝導率(典型的には10-3S/cm~10-2S/cm)を得ることができる。しかし、低濃度のアルカリ金属塩を含む液体電解質は、引火性であり、デンドライトが形成されやすく、火災及び爆発の危険性が生じる。図2(C)には、遊離の(クラスター化していない)カチオンが容易に移動する非晶質ゾーンを形成するために塩種を分離する溶媒分子を有する擬固体電解質の不規則又は非晶質の構造が概略的に示されている。このような構造は、高いイオン伝導率値の実現に適しており(典型的には10-4S/cm~8×10-3S/cm)、さらに依然として不燃性が維持される。比較的少ない溶媒分子が存在し、これらの分子は、圧倒的多数の塩種、ポリマー鎖セグメント、及び伝導性フィラメントのネットワークによって保持される(蒸発が防止される)。 Without wishing to be bound by theory, the internal structure of three disparate types of electrolytes can be visualized by referring to FIGS. 2(A)-3(C). FIG. 2(A) schematically shows the closely packed and highly ordered structure of a typical solid electrolyte, with little free volume for alkali metal ion diffusion. Movement of any ion in such a crystal structure is very difficult, resulting in very low diffusion coefficients (10 −16 to 10 −12 cm 2 /s) and very low ionic conductivities (typically 10 −7 S/cm to 10 −4 S/cm) are obtained. In contrast, as shown schematically in FIG. 2(B), the internal structure of the liquid electrolyte is totally amorphous with a high proportion of free volume through which cations ( or Li + or Na + ) can easily migrate, resulting in high diffusion coefficients (10 −8 to 10 −6 cm 2 /sec) and high ionic conductivities (typically 10 −3 S/ cm to 10 −2 S/cm) can be obtained. However, liquid electrolytes containing low concentrations of alkali metal salts are flammable and susceptible to dendrite formation, creating fire and explosion hazards. FIG. 2(C) shows a disordered or amorphous quasi-solid electrolyte with solvent molecules separating salt species to form amorphous zones where free (unclustered) cations readily migrate. is shown schematically. Such structures are suitable for achieving high ionic conductivity values (typically 10 −4 S/cm to 8×10 −3 S/cm) and still remain non-flammable. Relatively few solvent molecules are present, and these molecules are retained (prevented from evaporating) by the preponderance of salt species, polymer chain segments, and a network of conductive filaments.

本発明によるLi-Sセル又はNa-Sセルでは、アノードは典型的には、集電体(例えばCu箔又は3Dグラフェンナノ構造)の上に堆積された金属箔、薄膜、又は薄いコーティング(<50μmの厚さ)の形態のLi金属又はNa金属を含む。 In Li—S or Na—S cells according to the present invention, the anode is typically a metal foil, thin film, or thin coating (< 50 μm thickness) in the form of Li metal or Na metal.

幾つかの実施形態では、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、又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又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、又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、リチウム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 some embodiments, 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 a combination 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 lithium 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、天然又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、抽出又は単離して、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)、及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。単層グラフェン及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又はCNF、及び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)又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 called few-layer graphene in the scientific community). Single-layer graphene and multi-layer graphene sheets are collectively referred to as “nanographene platelets” (NGP). Graphene sheets/platelets (collectively NGP) 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5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及び/又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)又は酸化黒鉛(GO)を得ることによって得られる。GIC又はGO中のグラフェン面間の間隙空間に化学種又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又はGOは、硫酸、硝酸(酸化剤)、及び別の酸化剤(例えば、過マンガン酸カリウム又は過塩素酸ナトリウム)の混合物中に天然黒鉛粉末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又は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、酸化黒鉛懸濁液又は分散液が得られ、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, graphene material is obtained by intercalating natural graphite particles with strong acids and/or oxidizing agents to obtain graphite intercalation compound (GIC) or graphite oxide (GO), as shown in FIG. obtained by 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 (d 002 ; 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 most often produced by soaking natural graphite powder in a mixture of sulfuric acid, nitric acid (an oxidizing agent), and another oxidizing agent such as potassium permanganate or sodium perchlorate. . When an oxidizing agent is present during the intercalation procedure, the resulting GIC 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又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」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 "graphite worms." . 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(剥離された黒鉛又は「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又は箔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)黒鉛フレーク又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」を製造する目的で、低強度エアミル又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 Flexible graphite sheets or foils with thicknesses in the range (500 μm) can be obtained. Alternatively, graphite worms are simply extruded using a low-intensity air mill or shears for the purpose of producing so-called "expanded graphite flakes", which mainly contain graphite flakes or platelets thicker than 100 nm (thus not nanomaterials by definition). You can also choose to shred.

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)(米国特許出願公開第2005/0271574号明細書)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、又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、分離された単層及び多層グラフェンシート(総称してNGP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又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, exfoliation, as disclosed in commonly-owned US patent application Ser. The resulting graphite is subjected to high-intensity mechanical shear (e.g., using an ultrasonic device, high-shear mixer, high-intensity air jet mill, or high-energy ball mill) to separate single- and multi-layer graphene sheets ( collectively referred to as NGP). 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、又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又は熱的に還元して、「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、最も典型的には且つ好ましくは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又はグラフェン材料は、単層及び多層(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又は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 nitride, graphene chemically functionalized, 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(液相剥離又は生成としても知られている)又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(出発材料の性質及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又はフィラメント(例えば、天然黒鉛粉末)を酸化性液体媒体(例えば、硫酸、硝酸、及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又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又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、機械的剥離又はCVD成長によって用意されたグラフェンをXeF又は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)又は(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、並びに黒鉛前駆体の物理的特性、例えば黒鉛化度、粒度、及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 compounds (GICs) CxF (2 ≤ x ≤ 24) are produced at low temperatures, whereas the interaction of F2 with graphite at high temperatures leads to covalent graphite fluoride (CF) n or ( C2F ) n . In (CF) n , the carbon atoms are sp3-hybridized and thus 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 also 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又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、及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、又は特定の溶媒、界面活性剤、ポリマー、若しくはドナー-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及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、及び様々な温度での酸化グラフェン及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.

本発明の実施に使用できるアノ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、本発明によるリチウム-硫黄セルでは、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)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リチウムイオンを吸収する。好ましい一実施形態では、リチウム電池のアノード活性材料は:(a)リチウム金属又はリチウム金属合金の粒子;(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子(ソフトカーボン及びハードカーボンなど)、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維、及び黒鉛繊維;(c)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)、及びカドミウム(Cd);(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、又はCdと別の元素との合金又は金属間化合物において、化学量論的又は非化学量論的である上記合金又は化合物;(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、又はCdの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにそれらの混合物又は複合物;(f)それらのプレリチウム化されたバージョン;(g)プレリチウム化されたグラフェンシート;並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 types of anode active materials that can be used in the practice of the invention. Preferably , in a lithium-sulphur cell according to the invention, when the battery is charged, less than 1.0 volts ( preferably At high electrochemical potentials (below 0.7 volts), the anode active material absorbs lithium ions. In one preferred embodiment, the anode active material for a lithium battery is: (a) particles of lithium metal or lithium metal alloy; (b) natural graphite particles, synthetic graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles (soft carbon and hard carbon, etc.), needle coke, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers, and graphite fibers; (c) 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); (d) (e ) oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenides, and tellurides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd and mixtures or composites thereof; (f) prelithiated versions thereof; (g) prelithiated graphene sheets; and combinations thereof.

ある実施形態では、アルカリ金属-硫黄セルはナトリウムイオン硫黄セルであり、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(黒鉛化が困難な炭素)、ソフトカーボン(容易に黒鉛化可能な炭素)、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、又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を含むアノード活性材料である。 In some embodiments, the alkali metal-sulfur cell is a sodium ion sulfur cell and the active materials include petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon (difficult to graphitize carbon), soft carbon (easily graphitizable carbon ), template carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres , titanates, NaTi2 ( PO4 ) 3 , Na2Ti3O7 , Na2C8H4O4 , Na2TP , Na x TiO 2 (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 , C8Na2F4O4 , C10H2Na4O8 , C14H4O6 , C14H4Na4O8 , or combinations thereof . _ _ an anode active material comprising:

ある実施形態では、アルカリ金属-硫黄セルはナトリウム金属-硫黄セル又はナトリウムイオン硫黄セルであり、活性材料は:(a)ナトリウム金属又はナトリウム金属合金の粒子;(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維、及び黒鉛繊維;(c)ナト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)、及びそれらの混合物;(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びそれらの混合物のナトリウムを含有する合金又は金属間化合物;(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びそれらの混合物若しくは複合物のナト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、又はアンチモン化物;(f)ナトリウム塩;並びに(g)ナトリウムイオンがあらかじめ充填されたグラフェンシート;並びにそれらの組合せからなる群から選択されるアノード活性材料である。 In some embodiments, the alkali metal-sulfur cell is a sodium metal-sulfur cell or a sodium ion sulfur cell, and the active material is: (a) particles of sodium metal or sodium metal alloys; (b) natural graphite particles, artificial graphite particles. , mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle coke, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers, and graphite fibers; (c) sodium-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; (d) sodium-containing alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof; (e) sodium-containing oxides, carbides, nitrides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or composites thereof; (f) sodium salts; and (g) graphene sheets preloaded with sodium ions; and combinations thereof. Active material.

本発明によるリチウム硫黄セル又はナトリウム-硫黄セルを実施するために、多種多様の硫黄ベースのカソード活性材料を使用することができる。このような硫黄含有カソード活性材料は、硫黄、金属-硫黄化合物(例えばリチウムポリスルフィド)、硫黄-炭素複合物(例えばボールミル粉砕によって作製したカーボンブラック-S複合物、又はSを含浸させた多孔質炭素粒子)、硫黄-グラフェン複合物、硫黄-黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄-ポリマー複合物、又はそれらの組合せから選択することができる。 A wide variety of sulfur-based cathode active materials can be used to implement a lithium-sulfur or sodium-sulfur cell according to the present invention. Such sulfur-containing cathode active materials include sulfur, metal-sulfur compounds (such as lithium polysulfide), sulfur-carbon composites (such as carbon black-S composites made by ball milling, or porous carbon impregnated with S). particles), sulfur-graphene composites, sulfur-graphite composites, organic sulfur compounds, sulfur-polymer composites, or combinations thereof.

幾つかの実施形態では、カソード活性材料は、官能性材料又はナノ構造化材料によって担持された、又はそれらに結合した硫黄又は硫黄化合物から選択することができる。官能性材料又はナノ構造化材料は、(a)ソフトカーボン、ハードカーボン、ポリマー炭素若しくは炭化樹脂、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、ナノ発泡(nanocellular)炭素発泡体、又は部分黒鉛化炭素から選択されるナノ構造化された又は多孔質の不規則な炭素材料;(b)単層グラフェンシート又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又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若しくは繊維、伝導性ポリマーナノファイバ、又はそれらの組合せ;(e)カルボニル含有有機又はポリマー分子;(f)カルボニル基、カルボン酸基、又はアミン基を含む官能性材料;並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。 In some embodiments, the cathode active material can be selected from sulfur or sulfur compounds supported by or bound to functionalized or nanostructured materials. The functional or nanostructured material is (a) soft carbon, hard carbon, polymeric carbon or carbonized resin, mesophase carbon, coke, carbonized pitch, carbon black, activated carbon, nanocellular carbon foam, or partial graphite. (b) nanographene platelets selected from single-walled graphene sheets or multi-walled graphene platelets; (c) single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes; carbon nanotubes selected from carbon nanotubes; (d) carbon nanofibers, nanowires, metal oxide nanowires or fibers, conducting polymer nanofibers, or combinations thereof; (e) carbonyl-containing organic or polymeric molecules; (f) carbonyls functional materials containing groups, carboxylic acid groups, or amine groups; and combinations thereof.

機能性材料又はナノ構造材料は、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Na)、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、及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又はナノ構造材料は、-COOH、=O、-NH、-OR、又は-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 (Na terephthalate), Na 2 C 6 H 4 O 4 (trans-trans-muconate Na), 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.

単層又は数層(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、及び薄膜技法の合成、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)、及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 such as 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。非水性有機及び/又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)電解質の還元又は酸化分解を抑制するのに効果的であり、且つ(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且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 suppressing 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 39-40°C, and the viscosity of EC is relatively high, so the electrical conductivity of EC is low. Therefore, EC alone is used as an electrolyte for secondary batteries that operate below room temperature is inappropriate for A second solvent used in a 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 (the donor number of ethylene carbonate is 16.4) enables 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、及び酢酸メチル(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、又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及びMECを含む組成物;EC、PC、及びMECを含む組成物;EC、MEC、及びDECを含む組成物;EC、MEC、及びDMCを含む組成物;並びにEC、MEC、PC、及び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)、及びビス-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、及びLiN(CFSOが好ましい。非水性溶媒中の上記電解質塩の含有量は、好ましくは0.5~2.0mol/lである。 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 methosulfonate (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. The content of the electrolyte salt in the non-aqueous solvent is preferably 0.5-2.0 mol/l.

ナトリウムセルの場合、電解質(不燃性擬固体電解質を含む)は、好ましくは過塩素酸ナトリウム(NaClO)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF)、ヘキサフルオロヒ化ナトリウム、トリフルオロメタスルホン酸ナトリウム(sodium trifluoro-metasulfonate)(NaCFSO)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CFSO)、イオン液体塩、又はそれらの組合せから選択されるナトリウム塩を含むことができる。 For sodium cells, the electrolyte (including non-flammable pseudo-solid electrolytes) is preferably sodium perchlorate ( NaClO4 ), sodium hexafluorophosphate ( NaPF6 ), sodium borofluoride ( NaBF4 ), hexafluoroarsenide selected from sodium, sodium trifluoro-metasulfonate (NaCF 3 SO 3 ), sodium bistrifluoromethylsulfonylimide (NaN(CF 3 SO 2 ) 2 ), ionic liquid salts, or combinations thereof It can contain sodium salts.

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又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)及び非対称性(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 tendency to crystallize 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、並びに低い分解性及び低い蒸気圧を有する流体が得られる。これは、一般に低い揮発性及び非引火性、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 that are generally less volatile and non-flammable 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、及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、及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、及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-、及びテトラ-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、並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、イミダゾリウム又はスルホニウムベースのカチオンと、AlCl 、BF 、CFCO 、CFSO 、NTf 、N(SOF) 、又は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 Alkylphosphonium, as well as trialkylsulfonium 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、室温よりも上及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、及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(塩及び/又は溶媒)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.

以下では、本発明を実施する最良の形態を示すために、幾つかの異なるタイプのアノード活性材料、硫黄ベースのカソード活性材料、及びイオン伝導性ポリマーの幾つかの例を提供する。これらの例示的な実施例、並びに本明細書及び図面の他の箇所は、個別に又は組合せて、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。 Below are provided several examples of several different types of anode active materials, sulfur-based cathode active materials, and ion-conducting polymers 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4:天然黒鉛粉末からの酸化グラフェン(GO)及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、及び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 recovered.

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の水及び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、及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及び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-硫黄電池では、アノード活性材料及びカソード活性材料のいずれか又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、又はリチウムコーティングをあらかじめ堆積したRGO)も、選択されたリチウム-硫黄セルにおいてアノード活性材料として使用した。 Some lithium-sulphur cells according to the invention used RGO as a conductive additive in either or both the anode and cathode active materials. Prelithiated RGO (eg, RGO + lithium particles, or RGO pre-deposited with a lithium coating) was also used as the anode active material in selected lithium-sulfur cells.

比較のために、従来の電極を製造するためにスラリーコーティング及び乾燥手順を行った。次いで、1つのアノード及び1つのカソードと、2つの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、従来技術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. One anode and one cathode and a separator disposed between the two electrodes are then assembled into an Al-plastic laminated packaging envelope followed by injection of a liquid electrolyte to produce a conventional lithium A battery cell was formed.

実施例2:純粋なグラフェンのシート(本質的に、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、高い導電率及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も、アノード活性材料として使用した。直接超音波処理又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 2 Preparation of Sheets of Pure Graphene (Essentially 0% Oxygen) The inventors have demonstrated high electrical and thermal conductivity by using sheets of pure graphene (e.g., non-oxidized, oxygen-free, non-halogenated, and halogen-free). We decided to investigate whether we could obtain a conductive additive with Prelithiated pure graphene was also used as the anode active material. 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、及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 the 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.

次に、発泡体の細孔中にスラリーを注入する本発明による手順と、従来のスラリーコーティング、乾燥、及び積層の手順との両方を用いて電池中に、伝導性添加剤としての純粋なグラフェンシートをアノード活性材料(又はカソード中のカソード活性材料)とともに組み込んだ。リチウムイオン硫黄電池とリチウム金属-硫黄電池との両方について調べた。 Pure graphene as a conductive additive is then added into the battery using both the procedure according to the invention of injecting the slurry into the pores of the foam and the conventional slurry coating, drying and lamination procedure. The sheet was assembled with the anode active material (or cathode active material in the cathode). Both lithium ion sulfur batteries and lithium metal-sulfur batteries were investigated.

実施例3:リチウムイオン電池のアノード活性材料としてのプレリチウム化フッ化グラフェンシートの調製
GFを製造するために本発明者らは数種類の方法を使用してきたが、例としてただ1つの方法を本明細書に記載する。典型的な手順の一つでは、インターカレート化合物СF・xClFから、大きく剥離された黒鉛(HEG)を調製した。HEGを三フッ化塩素の蒸気によってさらにフッ素化して、フッ素化された大きく剥離された黒鉛(FHEG)を得た。あらかじめ冷却したTeflon反応器に20~30mLの液体のあらかじめ冷却したClFを入れ、反応器を閉じ、液体窒素温度まで冷却した。次に、ClFガスが通るための穴を有する容器中に1g以下のHEGを入れ、反応器内に配置した。7~10日間で、概略的な式がCFである灰色-ベージュ色の生成物が形成された。
Example 3 Preparation of Prelithiated Graphene Fluoride Sheets as Anode Active Materials for Lithium Ion Batteries Although we have used several methods to produce GFs, only one method is presented here as an example. Described in the specification. In one typical procedure, heavily exfoliated graphite (HEG) was prepared from the intercalate compound С 2 F.xClF 3 . HEG was further fluorinated by chlorine trifluoride vapor to obtain fluorinated heavily exfoliated graphite (FHEG). A pre-chilled Teflon reactor was charged with 20-30 mL of liquid pre-chilled ClF 3 , the reactor was closed and cooled to liquid nitrogen temperature. Next, 1 g or less of HEG was placed in a container with holes for ClF 3 gas to pass through and placed in the reactor. A grey-beige product with the general formula C 2 F was formed in 7-10 days.

続いて、少量のFHEG(約0.5mg)を20~30mLの有機溶媒(別々に、メタノール及びエタノール)と混合し、超音波処理(280W)を30分間行って、均一な黄色がかった分散体を形成した。溶媒を除去すると、分散体は茶色がかった粉末になった。このフッ化グラフェン粉末を表面安定化されたリチウム粉末と液体電解質中で混合して、プレリチウム化を行った。 Subsequently, a small amount of FHEG (approximately 0.5 mg) was mixed with 20-30 mL of organic solvent (methanol and ethanol separately) and sonicated (280 W) for 30 min to form a homogeneous yellowish dispersion. formed. Upon removal of solvent, the dispersion became a brownish powder. Prelithiation was performed by mixing the graphene fluoride powder with surface-stabilized lithium powder in a liquid electrolyte.

実施例4:擬固体ポリマー電解質を形成するための好ましい塩、溶媒、及びポリマーの幾つかの例
好ましいナトリウム金属塩としては:過塩素酸ナトリウム(NaClO)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF)、ヘキサフルオロヒ化ナトリウム、ヘキサフルオロヒ化カリウム、トリフルオロメタスルホン酸ナトリウム(sodium trifluoro-metasulfonate)(NaCFSO)、及びビストリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CFSO)が挙げられる。選択された有機又はイオン液体溶媒中で十分に溶解する傾向があるリチウム塩の良好な選択は以下のものである:ホウフッ化リチウム(LiBF)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(lithium trifluoro-metasulfonate)(LiCFSO)、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又はLITFSI)、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF)、及びビスパーフルオロエチスルホニルイミドリチウム(lithium bisperfluoroethy-sulfonylimide)(LiBETI)。Li金属の安定化を促進するための良好な電解質添加剤の1つはLiNOである。特に有用なイオン液体系リチウム塩としては、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiTFSI)が挙げられる。
Example 4: Some Examples of Preferred Salts, Solvents, and Polymers for Forming Pseudo-Solid Polymer Electrolytes Preferred sodium metal salts include: sodium perchlorate ( NaClO4 ), sodium hexafluorophosphate ( NaPF6 ) , sodium borofluoride (NaBF 4 ), sodium hexafluoroarsenide, potassium hexafluoroarsenide, sodium trifluoro-metasulfonate (NaCF 3 SO 3 ), and sodium bistrifluoromethylsulfonylimide (NaN( CF 3 SO 2 ) 2 ). A good selection of lithium salts that tend to dissolve well in the organic or ionic liquid solvent of choice are: lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium trifluoro-metasulfonate. ( LiCF3SO3 ), lithium bistrifluoromethylsulfonylimide (LiN ( CF3SO2 ) 2 or LITFSI ), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium oxalyldifluoroborate ( LiBF2C2O4 ) , and lithium bisperfluoroethy-sulfonylimide (LiBETI). One of the good electrolyte additives to promote stabilization of Li metal is LiNO3 . A particularly useful ionic liquid-based lithium salt includes lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI).

水性電解質の場合、ナトリウム塩又はカリウム塩は、好ましくはNaSO、KSO、それらの混合物、NaOH、KOH、NaCl、KCl、NaF、KF、NaBr、KBr、NaI、KI、又はそれらの混合物から選択される。この研究に使用される塩濃度は、0.3M~3.0M(ほとんどの場合0.5M~2.0M)であった。 In the case of aqueous electrolytes, the sodium or potassium salts are preferably Na2SO4 , K2SO4 , mixtures thereof, NaOH, KOH, NaCl, KCl, NaF, KF, NaBr, KBr, NaI , KI, or is selected from a mixture of Salt concentrations used in this study ranged from 0.3 M to 3.0 M (0.5 M to 2.0 M in most cases).

好ましい有機液体溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、アセトニトリル(AN)、ビニレンカーボネート(VC)、アリルエチルカーボネート(AEC)、1,3-ジオキソラン(DOL)、1,2-ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、ポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(PEGDME)、ジエチレングリコールジブチルエーテル(DEGDBE)、2-エトキシエチルエーテル(EEE)、ハイドロフロロエーテル(hydrofloroether)(例えばTPTP)、スルホン、及びスルホランが挙げられる。 Preferred organic liquid solvents include ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), acetonitrile (AN), vinylene carbonate (VC), allyl ethyl carbonate (AEC), 1,3-dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDME), diethylene glycol dibutyl ether (DEGDBE), 2-ethoxyethyl ether (EEE), hydrofluoroethers (eg TPTP), sulfones, and sulfolane.

好ましいイオン液体溶媒は、テトラアルキルアンモニウム、ジ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、又はジアルキルピペリジニウムから選択されるカチオンを有する室温イオン液体(RTIL)から選択することができる。対アニオンは、好ましくはBF 、B(CN) 、CFCO 、CFSO 、N(SOCF 、N(COCF)(SOCF、又はN(SOF) から選択される。特に有用なイオン液体ベースの溶媒としては、N-n-ブチル-N-エチルピロリジニウム=ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(BEPyTFSI)、N-メチル-N-プロピルピペリジニウム=ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(PP13TFSI)、及びN,N-ジエチル-N-メチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウム=ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドが挙げられる。 Preferred ionic liquid solvents can be selected from room temperature ionic liquids (RTIL) with cations selected from tetraalkylammonium, dialkylimidazolium, alkylpyridinium, dialkylpyrrolidinium, or dialkylpiperidinium. The counter anions are preferably BF 4 , B(CN) 4 , CF 3 CO 2 , CF 3 SO 3 , N(SO 2 CF 3 ) 2 , N(COCF 3 )(SO 2 CF 3 ) - , or N(SO 2 F) 2 - . Particularly useful ionic liquid-based solvents include Nn-butyl-N-ethylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (BEPyTFSI), N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoro methylsulfonyl)imide (PP 13 TFSI), and N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide.

実施例5:種々のナトリウム塩分子比を有する幾つかの溶媒及び対応する擬固体電解質の蒸気圧
ホウフッ化ナトリウム(NaBF)、過塩素酸ナトリウム(NaClO)、又はビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドナトリウム(NaTFSIなどのナトリウム塩を広い分子比範囲で加える前及び加えた後の、数種類の溶媒(イオン液体系共溶媒PP13TFSIを有する又は有しないDOL、DME、PC、AN)の蒸気圧を測定した。塩濃度が2.3Mを超える場合は、非常に早い速度で蒸気圧が低下し、塩濃度が3.0Mを超える場合は急速に最小限又は実質的にゼロに近づく。非常に低い蒸気圧では、電解質の気相は、発火できないか、発火した後に3秒を超えて火炎を持続することができないかのいずれかとなる。
Example 5: Vapor Pressures of Several Solvents with Different Sodium Salt Molecular Ratios and Corresponding Pseudo-Solid Electrolytes Sodium Borofluoride ( NaBF4 ), Sodium Perchlorate ( NaClO4 ), or Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Vapor pressure of several solvents (DOL, DME, PC, AN with or without ionic liquid co-solvent PP 13 TFSI) before and after addition of sodium (sodium salt such as NaTFSI in a wide molecular ratio range) Vapor pressure drops at a very rapid rate for salinity above 2.3M and rapidly approaches a minimum or virtually zero for salinity above 3.0M. At vapor pressure, the gas phase of the electrolyte either cannot ignite or sustain a flame for more than 3 seconds after igniting.

実施例6:幾つかの溶媒と、3.0Mのナトリウム又はリチウム塩濃度を有する対応する擬固体電解質との引火点及び蒸気圧
幾つかの溶媒と、3MのNa又はLi塩濃度を有するそれらの電解質との引火点及び蒸気圧を以下の表1に示している。OSHA(労働安全衛生局(Occupational Safety & Health Administration))の分類に準拠すると、引火点が38.7℃未満のあらゆる液体は引火性であることに留意されたい。しかし、安全性を保証するために、本発明者らは、38.7℃よりもはるかに高い(大きな余裕をもって、例えば少なくとも50°だけ高く、好ましくは150℃を超える)引火点を示すように本発明者らの擬固体ポリマー電解質を設計した。表1中のデータは、3.0Mのアルカリ金属塩濃度の添加が、通常はこれらの基準を満たすために十分であることを示している(多くの場合、2.3Mで十分である)。本発明者らの全ての擬固体電解質が引火性ではない。

Figure 0007252691000001
Example 6 Flash Point and Vapor Pressure of Several Solvents and Corresponding Pseudo-Solid Electrolytes with 3.0 M Sodium or Lithium Salt Concentrations Flash points and vapor pressures with electrolytes are shown in Table 1 below. Note that according to OSHA (Occupational Safety & Health Administration) classification, any liquid with a flash point less than 38.7°C is flammable. However, in order to ensure safety, the inventors have determined that the We have designed a quasi-solid polymer electrolyte. The data in Table 1 show that addition of an alkali metal salt concentration of 3.0M is usually sufficient to meet these criteria (2.3M is sufficient in many cases). All of our quasi-solid electrolytes are not flammable.
Figure 0007252691000001

実施例7:数種類の電解質中のアルカリ金属イオン輸率
リチウム塩分子比に対する数種類の電解質(例えば(EMImTFSI+DME)溶媒中の(PEO+NaTFSI塩))のNaイオン輸率を調べ、代表的な結果を図3(A)~図3(B)中にまとめている。一般に、x=0からx=0.2~0.30まで濃度が増加するにつれて、低塩濃度電解質中のNaイオン輸率は低下する。しかし、x=0.2~0.30の分子比を超えると、塩濃度の増加とともに輸率が増加し、これはNaイオン移動機構の根本的な変化を示している。リチウムイオンの場合も同様の傾向が観察された。
Example 7: Alkali Metal Ion Transference Numbers in Several Electrolytes The Na + ion transference numbers of several electrolytes (e.g., (PEO+NaTFSI salt) in (EMImTFSI+DME) solvent) to lithium salt molecular ratios were investigated and representative results are shown in the figure. They are summarized in 3(A) to 3(B). In general, the Na + ion transference number in low salt electrolytes decreases as the concentration increases from x=0 to x=0.2-0.30. However, beyond a molecular ratio of x=0.2-0.30, the transference number increased with increasing salt concentration, indicating a fundamental change in the Na + ion transfer mechanism. A similar trend was observed for lithium ions.

Naイオンが低塩濃度電解質(例えばx<0.2)中を移動する場合、Naイオンは複数の溶媒和分子をそれと一緒に引っ張ることができる。このような荷電種のクラスターの協調した移動は、溶媒中により多くの塩が溶解することで流体粘度が増加する場合には、さらに妨害され得る。対照的に、x>0.2の超高濃度のナトリウム塩が存在する場合は、他の場合にはナトリウムイオンとクラスターを形成して多重イオン錯体種を形成し、それらの拡散プロセスが遅くなる利用可能な溶媒和分子よりも、Naイオンの数がはるかに多くなることができる。この高いNaイオン濃度によって、より多くの「遊離のNaイオン」(クラスター化していない)を有することが可能となり、それによって、より高いNa輸率(したがって容易なNa移動)が得られる。ナトリウムイオン移動機構は、多重イオン錯体が支配的な機構(全体的により大きな流体力学半径を有する)から、多数の利用可能な遊離のNaイオンを有する単一イオンが支配的な機構(より小さな流体力学半径を有する)に変化する。この観察は、十分な数のNaイオンの迅速な擬固体電解質の通過又は擬固体電解質からの移動によって、それらがカソード(放電中)又はアノード(充電中)との相互作用又は反応に容易に利用されることができ、それによってナトリウム二次セルの良好なレート能力が保証されることをさらに示している。最も顕著なことには、これらの非常に高濃度の電解質は不燃性であり安全である。安全性、容易なナトリウムイオンの移動、及び電気化学的性能特性を併せ持つことは、あらゆる種類のナトリウム二次電池及びリチウム二次電池でこれまで困難であった。 When a Na + ion moves in a low-salt electrolyte (eg, x<0.2), the Na + ion can pull multiple solvate molecules with it. Coordinated movement of such clusters of charged species can be further hindered if fluid viscosity increases due to more salt dissolved in the solvent. In contrast, when very high concentrations of sodium salts with x > 0.2 are present, they otherwise cluster with sodium ions to form multi-ionic complex species, slowing their diffusion processes. The number of Na + ions can be much higher than the available solvate molecules. This high Na + ion concentration makes it possible to have more “free Na + ions” (unclustered), which gives a higher Na + transference number (and hence easier Na + migration). be done. The sodium ion transfer mechanism varies from a multi-ion complex dominated mechanism (with an overall larger hydrodynamic radius) to a single ion dominated mechanism with a large number of available free Na ions (smaller with hydrodynamic radius). This observation suggests that rapid migration of a sufficient number of Na + ions through or out of the quasi-solid electrolyte will facilitate their interaction or reaction with the cathode (during discharging) or the anode (during charging). It further shows that it can be utilized, thereby ensuring good rate capability of sodium secondary cells. Most notably, these very concentrated electrolytes are non-flammable and safe. Combining safety, easy sodium ion transport, and electrochemical performance characteristics has been a challenge in all types of sodium and lithium secondary batteries.

実施例8:リチウム硫黄電池のカソード用の硫黄/カーボンブラック(S/CB)複合粒子の調製
硫黄粉末及びCB粒子を混合し(70/30の比率)、2時間ボールミル粉砕して、S/CB粒子を得た。この実施例では、カソード活性材料としてのS/CB粒子と電解質(有機溶媒中に溶解したリチウム塩を含む)とを含む電極中の伝導性フィラメントとして、グラフェンシート(RGO)及びカーボンナノファイバ(CNF)を別々に含めた。この実施例で使用したリチウム塩はホウフッ化リチウム(LiBF)を含み、有機溶媒はPC、DOL、DEC、及びそれらの混合物である。この研究では0.1%~30%の広範囲の伝導性フィラメント体積分率を含んだ。以下のステップの順序を用いて電極層の形成を行った:
Example 8 Preparation of Sulfur/Carbon Black (S/CB) Composite Particles for Lithium Sulfur Battery Cathodes Sulfur powder and CB particles were mixed (70/30 ratio), ball milled for 2 hours, and S/CB Particles were obtained. In this example, graphene sheets (RGO) and carbon nanofibers (CNF) were used as conductive filaments in an electrode containing S/CB particles as the cathode active material and an electrolyte (comprising a lithium salt dissolved in an organic solvent). ) were included separately. The lithium salts used in this example included lithium borofluoride ( LiBF4 ) and the organic solvents were PC, DOL, DEC, and mixtures thereof. This study included a wide range of conductive filament volume fractions from 0.1% to 30%. The following sequence of steps was used to form the electrode layers:

順序1(S1):最初にLiBF塩及びPEOをPC及びDOLの混合物中に溶解させて、それぞれ1.0M、2.5M、及び3.5Mの全塩/ポリマー濃度を有する電解質を形成した。(2.3M以上の濃度では、得られる電解質はもはや液体電解質ではなかった。これは実際に固体のように挙動し、したがって「擬固体」と呼ばれる。)次に、RGO又はCNTフィラメントを電解質中に分散させてフィラメント-電解質懸濁液を形成した。均一な分散体の形成を促進するために機械的剪断を使用した。(このフィラメント-電解質懸濁液も1.0Mの低い塩濃度でさえ非常に粘稠性であった)。次にカソード活性材料のS/CB粒子をフィラメント-電解質懸濁液中に分散させて擬固体電極材料を形成した。 Sequence 1 (S1): LiBF4 salt and PEO were first dissolved in a mixture of PC and DOL to form electrolytes with total salt/polymer concentrations of 1.0 M, 2.5 M, and 3.5 M, respectively. . (At concentrations above 2.3 M, the resulting electrolyte was no longer a liquid electrolyte. It actually behaved like a solid and is therefore called a ``pseudo-solid''.) Next, RGO or CNT filaments were placed in the electrolyte. to form a filament-electrolyte suspension. Mechanical shear was used to facilitate the formation of uniform dispersions. (This filament-electrolyte suspension was also very viscous even at a low salt concentration of 1.0M). The S/CB particles of the cathode active material were then dispersed in the filament-electrolyte suspension to form a quasi-solid electrode material.

順序2(S2):最初にLiBF塩をPC及びDOLの混合物中に溶解させて、それぞれ1.0M、2.5M、及び3.5Mの塩濃度を有する電解質を形成した。次に、カソード活性材料のS/CB粒子を電解質中に分散させて活性粒子-電解質懸濁液を形成した。均一な分散体の形成を促進するために機械的剪断を使用した。(この活性粒子-電解質懸濁液も1.0Mの低い塩濃度でさえ非常に粘稠性であった)。次にRGO又はCNTフィラメントを活性粒子-電解質懸濁液中に分散させて擬固体電極材料を形成した。 Sequence 2 (S2): LiBF4 salt was first dissolved in a mixture of PC and DOL to form electrolytes with salt concentrations of 1.0 M, 2.5 M, and 3.5 M, respectively. The S/CB particles of the cathode active material were then dispersed in the electrolyte to form an active particle-electrolyte suspension. Mechanical shear was used to facilitate the formation of uniform dispersions. (This active particle-electrolyte suspension was also very viscous even at a low salt concentration of 1.0M). RGO or CNT filaments were then dispersed in the active particle-electrolyte suspension to form a quasi-solid electrode material.

順序3(S3):最初に、所望の量のRGO又はCNTフィラメントを、リチウム塩が溶解していない液体溶媒混合物(PC+DOL)中に分散させた。溶媒中の伝導性フィラメントの均一な懸濁液の形成を促進するために機械的剪断を使用した。次にLiBF塩、PEO、及びS/CB粒子を懸濁液中に加え、LiBF塩を懸濁液の溶媒混合物中に溶解させて、それぞれ1.0M、2.5M、及び3.5Mの塩濃度を有する電解質を形成した。同時に、又はこれに続いて、S/CB粒子を電解質中に分散させて、擬固体電解質(液体電解質ではなく固体電解質でもない)中に分散した活性材料粒子及び伝導性フィラメントから構成される変形可能な擬固体電極材料を形成した。この擬固体電極材料中で、伝導性フィラメントが浸透して、電子伝導経路の3Dネットワークが形成される。電極材料が電池の電極に成形されるときに、この3D伝導性ネットワークは維持される。 Sequence 3 (S3): First, the desired amount of RGO or CNT filaments was dispersed in a liquid solvent mixture (PC+DOL) in which no lithium salt was dissolved. Mechanical shear was used to promote the formation of a uniform suspension of conductive filaments in the solvent. LiBF 4 salt, PEO, and S/CB particles were then added into the suspension, and the LiBF 4 salt was dissolved in the solvent mixture of the suspension to obtain 1.0 M, 2.5 M, and 3.5 M, respectively. formed an electrolyte having a salt concentration of Simultaneously, or subsequently, by dispersing S/CB particles in the electrolyte, a deformable material composed of dispersed active material particles and conductive filaments in a quasi-solid electrolyte (neither a liquid electrolyte nor a solid electrolyte) A quasi-solid electrode material was formed. In this quasi-solid electrode material, conductive filaments permeate to form a 3D network of electron-conducting pathways. This 3D conductive network is maintained when the electrode material is molded into a battery electrode.

4点プローブ法を用いて電極の電気伝導率を測定した。結果を図5(A)及び図5(B)中にまとめている。これらのデータは、典型的には、順序3(S3)に従って作製した電極を除けば、伝導性フィラメント(CNF又はRGO)の浸透による電子伝導経路の3Dネットワークの形成は、伝導性フィラメントの体積分率が10~12%を超えるまで起こらないことを示している。言い換えると、リチウム塩、ナトリウム塩、又はイオン伝導性ポリマーが液体溶媒中に溶解する前、及び活性材料粒子が溶媒中に分散される前に、伝導性フィラメントを液体溶媒中に分散させるステップ行う必要がある。このような順序によって、浸透閾値が0.3%~2.0%まで低くなることもでき、最小量の伝導性添加剤、したがってより高い比率の活性材料(及びより高いエネルギー密度)を使用することによって伝導性電極を製造することが可能となる。これらの観察は、これまで調べてきた活性材料粒子、伝導性フィラメント、及び電解質を含むあらゆる種類の電極に対して言えることも分かった。これは、高いエネルギー密度及び高い電力密度の両方を有する高性能アルカリ金属電池を製造するための非常に重要で予期せぬプロセス要求である。 The electrical conductivity of the electrodes was measured using a four-point probe method. The results are summarized in FIGS. 5(A) and 5(B). These data indicate that, except for electrodes fabricated according to sequence 3 (S3), typically the formation of a 3D network of electron conduction pathways by penetration of conductive filaments (CNF or RGO) is less than the volume fraction of the conductive filaments. It shows that it does not occur until the rate exceeds 10-12%. In other words, before the lithium salt, sodium salt, or ion-conducting polymer is dissolved in the liquid solvent, and before the active material particles are dispersed in the solvent, the step of dispersing the conductive filaments in the liquid solvent should be performed. There is Such a sequence also allows penetration thresholds as low as 0.3% to 2.0%, using minimal amounts of conductive additives and thus a higher proportion of active material (and higher energy density). This makes it possible to produce conductive electrodes. It has also been found that these observations hold true for all types of electrodes examined thus far, including active material particles, conductive filaments, and electrolytes. This is a very important and unexpected process requirement for producing high performance alkali metal batteries with both high energy density and high power density.

次に擬固体カソード、多孔質セパレータ、及び擬固体アノード(同様の方法で作製されるが、アノード活性材料として人造黒鉛粒子を有する)を互いに組み合わせて単位セルを形成し、次にこれを外部に突出する2つの端子を有する保護ハウジング(積層アルミニウム-プラスチックパウチ)中に入れて電池を作製した。液体若しくはポリマーゲルの電解質(1M)及び擬固体電解質(2.5M及び3.5M)を含む電池を製造して試験を行った。 A quasi-solid cathode, a porous separator, and a quasi-solid anode (made in a similar manner but with artificial graphite particles as the anode active material) are then combined together to form a unit cell, which is then externally The battery was constructed in a protective housing (laminated aluminum-plastic pouch) with two protruding terminals. Batteries containing liquid or polymer gel electrolytes (1M) and quasi-solid electrolytes (2.5M and 3.5M) were fabricated and tested.

比較の目的で、スラリーコーティング及び乾燥の手順を行って従来の電極を製造した。1つのアノード及び1つのカソード、並びに2つの電極の間に配置されたセパレータを次に組み合わせて、Al-プラスチック積層パッケージングエンベロープ中に入れ、続いて液体電解質を注入して、従来技術のリチウム電池セルを形成した。電池試験結果は実施例18にまとめている。 For comparison purposes, a slurry coating and drying procedure was performed to produce a conventional electrode. One anode and one cathode, and a separator positioned between the two electrodes are then combined and placed in an Al-plastic laminated packaging envelope followed by injection of liquid electrolyte to form a prior art lithium battery. formed a cell. Battery test results are summarized in Example 18.

実施例9:Li-S電池及びNa-S電池用の種々のウェブ又は紙の構造上のSの電気化学的堆積
カソード活性材料をアルカリ金属-硫黄電池セル(Li-Sセル又はNa-Sセル)中に組み込む前に、電気化学的堆積を行うことができる。この方法では、アノード、電解質、及び互いに凝集したグラフェンシートの層(カソード層として機能する)を電気化学的堆積チャンバー中に配置する。必要な装置は、当技術分野において周知の電気めっきシステムと同様である。
Example 9: Electrochemical deposition of S on various web or paper structures for Li-S and Na-S batteries. ) can be electrochemically deposited. In this method, an anode, an electrolyte, and a layer of graphene sheets agglomerated together (functioning as a cathode layer) are placed in an electrochemical deposition chamber. The equipment required is similar to electroplating systems known in the art.

典型的な手順の1つでは、金属ポリスルフィド(M)を溶媒(例えば1:3~3:1の体積比のDOL/DMEの混合物)中に溶解させて電解質溶液を形成する。ある量のリチウム塩を場合により加えることができるが、これは外部の電気化学的堆積では不要である。多種多様の溶媒をこの目的に使用することができ、どの種類の溶媒を使用できるかに関して理論的制限はなく、この所望の溶媒中で金属ポリスルフィドがある程度の溶解性を有するのであれば、あらゆる溶媒を使用することができる。より高い溶解性は、より多くの量の硫黄が電解質溶液に由来し得ることを意味する。 In one typical procedure, a metal polysulfide (M x S y ) is dissolved in a solvent (eg, a mixture of DOL/DME in a volume ratio of 1:3 to 3:1) to form an electrolyte solution. A certain amount of lithium salt can optionally be added, but this is not necessary for external electrochemical deposition. A wide variety of solvents can be used for this purpose, and there is no theoretical limit as to which type of solvent can be used, and any solvent can be used as long as the metal polysulfide has some degree of solubility in this desired solvent. can be used. Higher solubility means that higher amounts of sulfur can come from the electrolyte solution.

次に、乾燥し制御された雰囲気条件(例えばHe又は窒素ガス)下で、この電解質溶液をチャンバー又は反応器中に注ぐ。アノードとして金属箔を使用し、多孔質グラフェン構造の層をカソードとして使用することができ;両方が電解質溶液中に浸漬される。この構造が、電気化学的堆積システムを構成する。ナノスケールの硫黄粒子又はコーティングをグラフェンシート表面上に電気化学的に堆積するステップは、多孔質グラフェン構造の層の重量を基準として、好ましくは1mA/g~10A/gの範囲内の電流密度で行われる。 This electrolyte solution is then poured into a chamber or reactor under dry and controlled atmospheric conditions (eg He or nitrogen gas). A metal foil can be used as the anode and a layer of porous graphene structure can be used as the cathode; both are immersed in the electrolyte solution. This structure constitutes an electrochemical deposition system. The step of electrochemically depositing nanoscale sulfur particles or a coating on the graphene sheet surface preferably at a current density in the range of 1 mA/g to 10 A/g, based on the weight of the layer of porous graphene structure. done.

この反応器中で生じる化学反応は:M→My-z+zS(典型的にはz=1~4)の式で表すことができる。非常に驚くべきことに、析出したSは、大きなグラフェン表面上で優先的に核を形成し成長して、ナノスケールのコーティング又はナノ粒子を形成する。コーティングの厚さ又は粒径、並びにSコーティング/粒子の量は、比表面積、電気化学反応の電流密度、温度、及び時間によって制御することができる。一般に、より低い電流密度及びより低い反応温度では、Sのより均一な分布が得られ、反応の制御がより容易になる。より長い反応時間では、グラフェン表面上に堆積されるSの量がより多くなり、硫黄源が消費されたとき、又は所望の量のSが堆積したときに、反応を停止させる。これらのSがコーティングされた紙又はウェブの構造は、次に、Li-Sセル又はNa-Sセルのカソード活性材料として使用するために、粉砕して微粒子にした。 The chemical reaction occurring in this reactor can be represented by the formula: M x S y →M x S y−z +zS (typically z=1-4). Quite surprisingly, the precipitated S nucleates and grows preferentially on large graphene surfaces to form nanoscale coatings or nanoparticles. The coating thickness or particle size, as well as the amount of S-coating/particle, can be controlled by the specific surface area, current density, temperature, and time of the electrochemical reaction. In general, lower current densities and lower reaction temperatures result in a more uniform distribution of S and easier control of the reaction. Longer reaction times result in higher amounts of S being deposited on the graphene surface, and the reaction stops when the sulfur source is consumed or the desired amount of S is deposited. These S-coated paper or web structures are then ground into fine particles for use as cathode active materials in Li--S cells or Na--S cells.

実施例10:カソード層を形成する前の、単離グラフェンシート上の化学反応によって誘発される硫黄粒子の堆積
単離酸化グラフェンシートからS-グラフェン複合物を形成するために、従来技術の化学的堆積方法がここで使用される(すなわち、GOシートの表面上にSを化学的に堆積する前には、これらのGOシートは、多孔質グラフェンの一体構造に密集していない)。この手順は、25mlの蒸留水が入ったフラスコ中に0.58gのNaSを加えてNaS溶液を形成することから始めた。次に、NaS溶液中に0.72gの元素Sを懸濁させ、マグネチックスターラーを用いて室温で約2時間撹拌した。硫黄が溶解するにつれて、溶液の色がオレンジ色-黄色にゆっくりと変化した。硫黄が溶解した後、ナトリウムポリスルフィド(Na)溶液が得られた(x=4~10)。
Example 10 Chemical Reaction Induced Deposition of Sulfur Particles on Isolated Graphene Sheets Prior to Forming a Cathode Layer A deposition method is used here (ie, before chemically depositing S on the surface of the GO sheets, these GO sheets are not compacted into a monolithic structure of porous graphene). The procedure started by adding 0.58 g of Na 2 S into a flask containing 25 ml of distilled water to form a Na 2 S solution. Next, 0.72 g of elemental S was suspended in the Na 2 S solution and stirred with a magnetic stirrer at room temperature for about 2 hours. The color of the solution slowly changed to orange-yellow as the sulfur dissolved. After the sulfur dissolved, a sodium polysulfide (Na 2 S x ) solution was obtained (x=4-10).

続いて、水溶液中の化学的堆積方法によって酸化グラフェン-硫黄(GO-S)複合物を作製した。最初に、180mgの酸化黒鉛を180mlの超純水中に懸濁させ、次に50℃で5時間の音波処理を行って、安定な酸化グラフェン(GO)分散体を調製した。続いて、5重量%の界面活性剤の臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB)の存在下で、上記のように調製したGO分散体にNa溶液を加え、調製されたGO/Na混合溶液をさらに2時間音波処理し、続いて30~40滴/分の速度で2mol/LのHCOOH溶液100ml中に滴定し、2時間撹拌した。最後に、沈殿物を濾過し、アセトン及び蒸留水で数回洗浄して、塩及び不純物を除去した。濾過後、沈殿物を乾燥オーブン中50℃で48時間乾燥させた。この反応は:S 2-+2H→(x-1)S+HSの反応で表すことができる。 Graphene oxide-sulfur (GO-S) composites were subsequently fabricated by a chemical deposition method in aqueous solution. First, 180 mg of graphite oxide was suspended in 180 ml of ultrapure water, followed by sonication at 50° C. for 5 hours to prepare a stable graphene oxide (GO) dispersion. Subsequently, Na 2 S x solution was added to the GO dispersion prepared above in the presence of 5 wt. The x mixed solution was sonicated for another 2 hours, then titrated into 100 ml of 2 mol/L HCOOH solution at a rate of 30-40 drops/min and stirred for 2 hours. Finally, the precipitate was filtered and washed several times with acetone and distilled water to remove salts and impurities. After filtration, the precipitate was dried in a drying oven at 50° C. for 48 hours. This reaction can be represented by the reaction: S x 2− +2H + →(x−1)S+H 2 S.

実施例11:カソード層を形成する前の、単離グラフェンシート及び活性炭(AC)粒子の上の酸化還元化学反応によって誘発される硫黄粒子の堆積
この化学反応に基づく堆積方法では、チオ硫酸ナトリウム(Na)を硫黄源として使用し、HClを反応物として使用した。GO-水又は活性炭-水の懸濁液を調製し、次に、この懸濁液中に2つの反応物(HCl及びNa)を注いだ。反応を25~75℃で1~3時間進行させると、GOシートの表面上、又はAC粒子の細孔内に堆積したS粒子の沈殿が得られた。この反応は:2HCl+Na→2NaCl+S↓+SO↑+HOの反応で表すことができる。
Example 11: Deposition of Sulfur Particles Induced by a Redox Chemical Reaction on Isolated Graphene Sheets and Activated Carbon (AC) Particles Prior to Forming the Cathode Layer In this chemical reaction-based deposition method, sodium thiosulfate ( Na 2 S 2 O 3 ) was used as the sulfur source and HCl was used as the reactant. A GO-water or activated carbon-water suspension was prepared and then the two reactants (HCl and Na 2 S 2 O 3 ) were poured into this suspension. The reaction was allowed to proceed at 25-75° C. for 1-3 hours, resulting in precipitation of S particles deposited on the surface of the GO sheets or within the pores of the AC particles. This reaction can be expressed as: 2HCl + Na2S2O3 →2NaCl+S↓+ SO2 + H2O .

実施例12:溶液堆積によるS/GOナノコンポジットの調製
GOシート及びSを溶媒(CS)中で混合し分散させて懸濁液を形成した。十分撹拌した後、溶媒を蒸発させると固体ナノコンポジットが得られ、次にこれを粉砕してナノコンポジット粉末を得た。これらのナノコンポジット粒子中の一次硫黄粒子は約40~50nmの平均直径を有する。
Example 12 Preparation of S/GO Nanocomposites by Solution Deposition GO sheets and S were mixed and dispersed in a solvent ( CS2 ) to form a suspension. After sufficient stirring, the solvent was evaporated to obtain a solid nanocomposite, which was then ground to obtain a nanocomposite powder. The primary sulfur particles in these nanocomposite particles have an average diameter of about 40-50 nm.

実施例13:アノード用支持層としての静電紡糸PAAフィブリルからのフィラメントの伝導性ウェブ
テトラヒドロフラン/メタノール(THF/MeOH、重量基準で8/2)の混合溶媒中でピロメリット酸二無水物(Aldrich)と4,4’-オキシジアニリン(Aldrich)とを共重合させることによって、紡糸用のポリ(アミド酸)(PAA)前駆体を調製した。静電紡糸装置を用いてこのPAA溶液を紡糸して繊維ウェブを得た。この装置は、ポリマー溶液が押し出される正に帯電したキャピラリーと、繊維を収集するための負に帯電したドラムとを備えた15kVの直流電源からなった。空気流下、40℃で12時間、100℃で1時間、250℃で2時間、及び350℃で1時間の段階的な熱処理によって、溶媒の除去とPAAからのイミド化とを同時に行った。熱硬化したポリイミド(PI)ウェブ試料を1,000℃で炭化させて、平均フィブリル直径が67nmの炭化ナノファイバを得た。このようなウェブは、アノード活性材料の伝導性基材として使用することができる。本発明者らは、Li-Sセルのアノードにおいて伝導性ナノフィラメントのネットワークを使用することで、他の場合には内部短絡の原因となり得るリチウムデンドライトの開始及び成長を効果的に抑制できることを確認している。
Example 13: Conductive web of filaments from electrospun PAA fibrils as support layer for anode Pyromellitic dianhydride (Aldrich ) and 4,4′-oxydianiline (Aldrich) to prepare a poly(amic acid) (PAA) precursor for spinning. The PAA solution was spun using an electrostatic spinning device to obtain a fibrous web. The apparatus consisted of a 15 kV DC power supply with a positively charged capillary through which the polymer solution was extruded and a negatively charged drum to collect the fibers. Simultaneous solvent removal and imidization from PAA was achieved by stepwise heat treatment under air flow at 40° C. for 12 hours, 100° C. for 1 hour, 250° C. for 2 hours, and 350° C. for 1 hour. A thermoset polyimide (PI) web sample was carbonized at 1,000° C. to yield carbonized nanofibers with an average fibril diameter of 67 nm. Such webs can be used as a conductive substrate for anode active materials. We have determined that the use of a network of conductive nanofilaments in the anode of Li—S cells can effectively suppress the initiation and growth of lithium dendrites that could otherwise cause internal short circuits. are doing.

実施例14:ナトリウム-硫黄電池のアノード活性材料としてのプレナトリウム化フッ化グラフェンシートの調製
フッ化グラフェン(GF)を製造するために本発明者らは数種類の方法を使用してきたが、例としてただ1つの方法を本明細書に記載する。典型的な手順の1つでは、インターカレート化合物СF・xClFから、大きく剥離された黒鉛(HEG)を調製した。HEGを三フッ化塩素の蒸気によってさらにフッ素化して、フッ素化された大きく剥離された黒鉛(FHEG)を得た。あらかじめ冷却したTeflon反応器に20~30mLの液体のあらかじめ冷却したClFを入れ、反応器を閉じ、液体窒素温度まで冷却した。次に、ClFガスが通るための穴を有する容器中に1g以下のHEGを入れ、反応器内に配置した。7~10日間で、概略的な式がCFである灰色-ベージュ色の生成物が形成された。
Example 14: Preparation of pre-sodiumated graphene fluoride sheets as anode active materials for sodium-sulfur batteries. Only one method is described here. In one typical procedure, heavily exfoliated graphite (HEG) was prepared from the intercalate compound С 2 F.xClF 3 . HEG was further fluorinated by chlorine trifluoride vapor to obtain fluorinated heavily exfoliated graphite (FHEG). A pre-chilled Teflon reactor was charged with 20-30 mL of liquid pre-chilled ClF 3 , the reactor was closed and cooled to liquid nitrogen temperature. Next, 1 g or less of HEG was placed in a container with holes for ClF 3 gas to pass through and placed in the reactor. A grey-beige product with the general formula C 2 F was formed in 7-10 days.

続いて、少量のFHEG(約0.5mg)を20~30mLの有機溶媒(別々に、メタノール及びエタノール)と混合し、超音波処理(280W)を30分間行って、均一な黄色がかった分散体を形成した。溶媒を除去すると、分散体は茶色がかった粉末になった。アノード集電体の細孔内に注入する前又は後に、このフッ化グラフェン粉末をナトリウムチップと液体電解質中で混合してプレナトリウム化することができる。 Subsequently, a small amount of FHEG (approximately 0.5 mg) was mixed with 20-30 mL of organic solvent (methanol and ethanol separately) and sonicated (280 W) for 30 min to form a homogeneous yellowish dispersion. formed. Upon removal of solvent, the dispersion became a brownish powder. The graphene fluoride powder can be pre-sodiumized by mixing with sodium chips in a liquid electrolyte before or after injection into the pores of the anode current collector.

実施例15:リチウムイオン硫黄電池のアノード活性材料としてのグラフェン強化ナノシリコン
Angstron Energy Co.,Dayton,Ohio)より、グラフェンで包まれたSi粒子が入手可能であった。純粋なグラフェンシート(伝導性フィラメントとして)をPC-DOL(50/50の比率)混合物中に分散させ、続いてグラフェンで包まれたSi粒子(アノード活性材料)を分散させ、3.5Mのヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)を混合物溶媒中に60℃で溶解させることによって、擬固体アノード電極を作製した。次に、DOLを除去して、PC中に約5.0MのLiPFを含む擬固体電解質を得た。PC中のLiPFの最大溶解度は室温において3.0M未満であることが知られているので、これによってLiPFは過飽和状態となる。
Example 15: Graphene Enhanced Nanosilicon as Anode Active Material for Lithium Ion Sulfur Batteries Angstron Energy Co.; Graphene-wrapped Si particles were available from Physics, Inc., Dayton, Ohio. Pure graphene sheets (as conductive filaments) were dispersed in a PC-DOL (50/50 ratio) mixture, followed by graphene-wrapped Si particles (anode active material) and 3.5 M hexagonal A quasi-solid anode electrode was fabricated by dissolving lithium fluorophosphate (LiPF 6 ) in the mixture solvent at 60°C. Then the DOL was removed to obtain a quasi-solid electrolyte containing about 5.0 M LiPF6 in PC. Since the maximum solubility of LiPF 6 in PC is known to be less than 3.0 M at room temperature, this makes LiPF 6 supersaturated.

実施例16: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、水及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、アノード活性材料として利用した。
Example 16: Graphene Reinforced Tin Oxide Microparticles as Anode Active Materials Tin oxide ( SnO2 ) nanoparticles were obtained by controlled hydrolysis of SnCl4.5H2O and NaOH using the following procedure: 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 and used as an anode active material.

実施例17:様々な電池セルの用意と電気化学的試験
調べたアノード及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、リチウムイオンセル又はリチウム金属セルを用意した。
Example 17 Preparation and Electrochemical Testing of Various Battery Cells For most of the anode and cathode active materials investigated, lithium ion or lithium metal cells were prepared using both the method according to the invention and conventional methods. prepared.

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箔上にスラリー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、又は使用されず、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、従来のスラリーコーティング及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)、及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。一例として、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-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 encased in a plastic Al envelope. As an example, the cell is then injected with 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). Some cells used ionic liquids as liquid electrolytes. A cell assembly was formed in an argon-filled glove box.

本発明による方法では、好ましくは擬固体ポリマーアノード、多孔質セパレータ、及び擬固体ポリマーカソードは保護ハウジング中で組み立てられる。次にパウチを封止した。 In the method according to the invention, preferably the quasi-solid polymer anode, porous separator and quasi-solid polymer cathode are assembled in a protective housing. The pouch was then sealed.

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.

実施例18: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及び電力密度値の計算を可能にした。図6(A)中には、アノード活性材料としてのLi箔と、カソード活性材料としてのカーボンブラック-硫黄複合粒子とを含むリチウム硫黄セルのRagoneプロット(重量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3つは本発明の一実施形態により作製したセルのものであり(それぞれ順序S1、S2、及びS3を使用)、残りの1つは従来の電極のスラリーコーティング(ロールコーティング)によって作製したセルのものである。これらのデータから幾つかの重要な所見を得ることができる。
Example 18: Typical Test Results For each sample, several current densities (representing charge/discharge rates) were imposed to determine the electrochemical response and the Ragone plot (power density versus energy density) It enabled the calculation of the energy density and power density values required for construction. In FIG. 6(A), a Ragone plot (weight power density versus energy density) of a lithium-sulfur cell containing Li foil as the anode active material and carbon black-sulfur composite particles as the cathode active material is shown. there is Three of the four data curves are for cells made according to one embodiment of the present invention (using the order S1, S2, and S3, respectively), and the remaining one is for a conventional electrode slurry coating (roll coating). Several important observations can be made from these data.

本発明による方法によって用意されたリチウムイオン電池セルの重量エネルギー密度及び電力密度は、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。150μmのカソード厚さ(平坦な固体Al箔上にコーティングした)から、擬固体ポリマー電解質を有する525μmの厚さへの変化の結果として、重量エネルギー密度は325Wh/kgから415Wh/kg(S1)、430Wh/kg(S2)、及び530Wh/kg(S3)までそれぞれ増加する。また驚くべきことに、電子伝導経路の3Dネットワーク(伝導性フィラメントの浸透による)を有する本発明による擬固体電極を含む電池では、はるかに高いエネルギー密度(図6(A))及びより安定なサイクル挙動(図6(B))が得られる。 The gravimetric energy densities and power densities of lithium-ion battery cells prepared by the method according to the invention are considerably higher than those of counterparts prepared by conventional roll coating methods (denoted as "conventional"). Gravimetric energy density from 325 Wh/kg to 415 Wh/kg (S1) as a result of changing from a cathode thickness of 150 μm (coated on a flat solid Al foil) to a thickness of 525 μm with a quasi-solid polymer electrolyte, It increases to 430 Wh/kg (S2) and 530 Wh/kg (S3) respectively. Also surprisingly, batteries containing a quasi-solid electrode according to the present invention, which has a 3D network of electronically conducting pathways (due to penetration of conductive filaments), have much higher energy densities (FIG. 6(A)) and more stable cycling. The behavior (FIG. 6(B)) is obtained.

これらの大きな相違は、単に電極の厚さ及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)及び高い導電率、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、並びに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、高い導電率のため、ほとんどのSがリチウムイオン貯蔵容量に寄与し、並びに特に高い充電/放電率の条件下で、電極中に乾燥ポケット又は非効果的なスポットがない)。 These large differences are not solely due to increased electrode thickness and mass loading. This difference is probably due to the very high active material mass loading (not just mass loading) and high electrical conductivity associated with the cell according to the invention, the reduced ratio of overhead (inactive) components to active material weight/volume. , as well as the surprisingly good utilization of the electrode active materials (most if not all S contributes to the lithium ion storage capacity due to the high conductivity, and especially under high charge/discharge rate conditions, no dry pockets or ineffective spots in the electrode).

図7(A)は、カソード活性材料としてグラフェン担持S粒子を含む2つのセルのRagoneプロット(重量エネルギー密度に対する重量電力密度)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Li-S電池セルと、電極の従来のスラリーコーティングによって用意されたLi-S電池セルとから得られた。 FIG. 7(A) shows Ragone plots (gravimetric energy density versus gravimetric power density) of two cells containing graphene-supported S particles as the cathode active material. Experimental data were obtained from Li--S battery cells prepared by the method according to the present invention and Li--S battery cells 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エネルギー密度及び電力密度が、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。従来通りに製造されたセルは、433Wh/kgの重量エネルギー密度を示すが、本発明によるセルでは605Wh/kgのエネルギー密度(S3)がそれぞれ得られる。2,021W/kgの高さの電力密度も、リチウム硫黄電池に関しては前例がない。本発明によるセルでは、図7(B))中に示されるように、はるかに安定な充電/放電サイクル挙動も得られる。 These data show that the gravimetric energy density and power density 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. Conventionally produced cells exhibit a gravimetric energy density of 433 Wh/kg, whereas cells according to the invention yield energy densities (S3) of 605 Wh/kg respectively. Power densities as high as 2,021 W/kg are also unprecedented for lithium-sulphur batteries. Cells according to the invention also yield much more stable charge/discharge cycling behavior, as shown in FIG. 7(B)).

これらのエネルギー密度及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、及びカソードでは>45mg/cm)及び高い電極導電率;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;並びに活性材料をより良く利用することができる(全ての粒子が液体電解質に接近可能であり、高速のイオン及び電子運動速度)本発明による方法の機能。 The difference in these energy densities and power densities is mainly due to the following. High active material mass loading (>25 mg/cm 2 for anode and >45 mg/cm 2 for cathode) and high electrode conductivity associated with cells according to the invention; and a better utilization of the active material (all particles accessible to the liquid electrolyte, high ion and electron kinetic velocities) function of the method according to the invention.

図8は、従来の電解質のセルと比較した、Siナノ粒子アノード及びコバルト酸リチウム(LiCoO)カソードを有し擬固体電解質(S1、S3)を有するセルのRagoneプロット(重量電力密度対重量エネルギー密度)を示している。図9は、従来の電解質を有する及びSICと比較した、擬固体電解質を有するナトリウムイオンキャパシタ(SIC)のRagoneプロット(重量電力密度対重量エネルギー密度)を示している。 FIG. 8 shows Ragone plots (gravimetric power density vs. gravimetric energy) of cells with quasi-solid electrolytes (S1, S3) with Si nanoparticle anodes and lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) cathodes compared to cells with conventional electrolytes. density). FIG. 9 shows Ragone plots (gravimetric power density versus gravimetric energy density) of a sodium ion capacitor (SIC) with a quasi-solid electrolyte with a conventional electrolyte and compared to a SIC.

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及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、及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、デバイスに重量及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 non-active 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、又は有機又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)のエネルギー又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、及び大抵は<<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)エネルギー又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、科学論文及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 between 22% and 41%, or between 10% and 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.

Claims (47)

アルカリ金属-硫黄セルにおいて:
(a)30体積%~95体積%の硫黄含有カソード活性材料と、溶媒中に溶解したアルカリ塩を含み前記溶媒中に溶解又は分散したイオン伝導性ポリマーは含まない5体積%~40体積%の第1の電解質と、0.01体積%~30体積%の伝導性添加剤とを含む擬固体カソードにおいて、前記硫黄含有カソード活性材料が、硫黄、金属-硫黄化合物、硫黄-炭素複合物、硫黄-グラフェン複合物、硫黄-黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄-ポリマー複合物、又はそれらの組合せを含み、前記擬固体カソードが10-6S/cm~300S/cmの電気伝導率を有するように、伝導性フィラメントを含む前記伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成する、擬固体カソードと;
(b)アノードと;
(c)前記アノードと前記擬固体カソードとの間に配置されたイオン伝導膜又は多孔質のセパレータと、
を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。
In an alkali metal-sulfur cell:
(a) from 30% to 95% by volume of a sulfur-containing cathode active material and from 5% to 40% by volume of an alkali salt dissolved in a solvent and excluding an ionically conductive polymer dissolved or dispersed in said solvent; A quasi-solid cathode comprising a first electrolyte and 0.01% to 30% by volume of a conductive additive, wherein the sulfur-containing cathode active material comprises sulfur, metal-sulfur compounds, sulfur-carbon composites, sulfur - graphene composites, sulfur-graphite composites, organic sulfur compounds, sulfur-polymer composites, or combinations thereof, such that the quasi-solid cathode has an electrical conductivity of 10 -6 S/cm to 300 S/cm. a quasi-solid cathode, wherein said conductive additives comprising conductive filaments form a 3D network of electron conducting pathways;
(b) an anode;
(c) an ion-conducting membrane or porous separator disposed between the anode and the quasi-solid cathode;
An alkali metal-sulfur cell comprising:
請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記アノードが、1.0体積%~95体積%のアノード活性材料と、溶媒中に溶解したアルカリ塩を含む5体積%~40体積%の第2の電解質と、0.01体積%~30体積%の伝導性添加剤とを含む擬固体アノードを含み、擬固体電極が10-6S/cm~300S/cmの電気伝導率を有するように、伝導性フィラメントを含む前記伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成することを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 2. The alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the anode comprises 1.0% to 95% by volume anode active material and 5% to 40% by volume of an alkali salt dissolved in a solvent. 2 and a conductive additive of 0.01% to 30% by volume, such that the quasi-solid electrode has an electrical conductivity of 10 −6 S/cm to 300 S/cm. , an alkali metal-sulfur cell characterized in that said conductive additive comprising conductive filaments forms a 3D network of electron conducting pathways. アルカリ金属-硫黄セルにおいて:
A)1.0体積%~95体積%のアノード活性材料と、溶媒中に溶解したアルカリ塩を含み前記溶媒中に溶解又は分散したイオン伝導性ポリマーは含まない5体積%~40体積%の電解質と、0.01体積%~30体積%の伝導性添加剤とを含む擬固体アノードにおいて、前記擬固体アノードが10-6S/cm~300S/cmの電気伝導率を有するように、伝導性フィラメントを含む前記伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成する、擬固体アノードと;
B)硫黄、金属-硫黄化合物、硫黄-炭素複合物、硫黄-グラフェン複合物、硫黄-黒鉛複合物、有機硫黄化合物、又は硫黄-ポリマー複合物から選択されるカソード活性材料を含むカソードと;
C)前記擬固体アノードと前記カソードとの間に配置されたイオン伝導膜又は多孔質セパレータと、
を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。
In an alkali metal-sulfur cell:
A) 1.0% to 95% by volume of anode active material and 5% to 40% by volume of electrolyte comprising an alkali salt dissolved in a solvent and excluding an ion-conducting polymer dissolved or dispersed in said solvent. and 0.01% to 30% by volume of a conductive additive, the conductive additive such that the pseudosolid anode has an electrical conductivity of 10 −6 S/cm to 300 S/cm a quasi-solid anode, wherein said conductive additive comprising filaments forms a 3D network of electron-conducting pathways;
B) a cathode comprising a cathode active material selected from sulfur, metal-sulfur compounds, sulfur-carbon composites, sulfur-graphene composites, sulfur-graphite composites, organic sulfur compounds, or sulfur-polymer composites;
C) an ion-conducting membrane or porous separator disposed between said quasi-solid anode and said cathode;
An alkali metal-sulfur cell comprising:
請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記伝導性フィラメントが、炭素繊維、黒鉛繊維、カーボンナノファイバ、黒鉛ナノファイバ、カーボンナノチューブ、ニードルコークス、炭素ウィスカ、伝導性ポリマー繊維、伝導性材料被覆繊維、金属ナノワイヤ、金属繊維、金属ワイヤ、グラフェンシート、膨張黒鉛プレートレット、それらの組合せ、又はそれらと非フィラメント状伝導性粒子と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-硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the conductive filaments are carbon fibers, graphite fibers, carbon nanofibers, graphite nanofibers, carbon nanotubes, needle coke, carbon whiskers, conductive polymer fibers, conductive materials. An alkali metal-sulfur cell characterized by being selected from coated fibers, metal nanowires, metal fibers, metal wires, graphene sheets, expanded graphite platelets, combinations thereof, or combinations thereof with non-filamentary conductive particles. . 請求項3に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記伝導性フィラメントが、炭素繊維、黒鉛繊維、カーボンナノファイバ、黒鉛ナノファイバ、カーボンナノチューブ、ニードルコークス、炭素ウィスカ、伝導性ポリマー繊維、伝導性材料被覆繊維、金属ナノワイヤ、金属繊維、金属ワイヤ、グラフェンシート、膨張黒鉛プレートレット、それらの組合せ、又はそれらと非フィラメント状伝導性粒子と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-硫黄セル。 4. The alkali metal-sulfur cell of claim 3, wherein the conductive filaments are carbon fibers, graphite fibers, carbon nanofibers, graphite nanofibers, carbon nanotubes, needle coke, carbon whiskers, conductive polymer fibers, conductive materials. An alkali metal-sulfur cell characterized by being selected from coated fibers, metal nanowires, metal fibers, metal wires, graphene sheets, expanded graphite platelets, combinations thereof, or combinations thereof with non-filamentary conductive particles. . 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記擬固体カソードが10-3S/cm~10S/cmの電気伝導率を有することを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 An alkali metal-sulphur cell according to claim 1, characterized in that said quasi-solid cathode has an electrical conductivity between 10 -3 S/cm and 10 S/cm. 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記擬固体カソードが0.1体積%~20体積%の伝導性添加剤を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 An alkali metal-sulfur cell according to claim 1, characterized in that the quasi-solid cathode comprises 0.1% to 20% by volume of a conductive additive. 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記擬固体カソードが1体積%~10体積%の伝導性添加剤を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 An alkali metal-sulfur cell according to claim 1, characterized in that the quasi-solid cathode comprises 1% to 10% by volume of a conductive additive. 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記硫黄含有カソード活性材料の量が前記擬固体カソードの40体積%~90体積%であることを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 An alkali metal-sulfur cell according to claim 1, characterized in that the amount of sulfur-containing cathode active material is between 40% and 90% by volume of the quasi-solid cathode. 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記硫黄含有カソード活性材料の量が前記擬固体カソードの50体積%~85体積%であることを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 An alkali metal-sulfur cell according to claim 1, characterized in that the amount of said sulfur-containing cathode active material is between 50% and 85% by volume of said quasi-solid cathode. 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記第1の電解質が過飽和状態であることを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein said first electrolyte is supersaturated. 請求項2に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記第1の電解質又は第2の電解質が過飽和状態であることを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 3. An alkali metal-sulfur cell as claimed in claim 2, characterized in that the first electrolyte or the second electrolyte is supersaturated. 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記溶媒が、水、有機溶媒、イオン液体、又は有機溶媒とイオン液体との混合物から選択されることを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 An alkali metal-sulfur cell according to claim 1, characterized in that the solvent is selected from water, organic solvents, ionic liquids, or mixtures of organic solvents and ionic liquids. 請求項2に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記第1の電解質又は第2の電解質が、水、有機溶媒、イオン液体、又は有機溶媒とイオン液体との混合物から選択される溶媒を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 3. The alkali metal-sulfur cell of claim 2, wherein said first electrolyte or second electrolyte comprises a solvent selected from water, organic solvents, ionic liquids, or mixtures of organic solvents and ionic liquids. An alkali metal-sulfur cell characterized by: 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記アノードが:
(a)リチウム金属又はリチウム金属合金の粒子、薄膜、又は箔;
(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維、及び黒鉛繊維;
(c)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)、及びカドミウム(Cd);
(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、又はCdと別の元素との合金又は金属間化合物において、化学量論的又は非化学量論的である合金又は化合物;
(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、又はCdの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにそれらの混合物又は複合物;
(f)プレリチウム化Si;
(g)プレリチウム化されたグラフェンシート;並びに
それらの組合せ、
からなる群から選択されるアノード活性材料を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。
The alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the anode comprises:
(a) particles, films, or foils of lithium metal or lithium metal alloy;
(b) natural graphite particles, synthetic graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle coke, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers, and graphite fibers;
(c) 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);
(d) stoichiometric or non-stoichiometric alloys or compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with another element or intermetallic compound;
(e) 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;
(f) prelithiated Si;
(g) prelithiated graphene sheets; and combinations thereof;
An alkali metal-sulfur cell comprising an anode active material selected from the group consisting of:
請求項15に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、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、それらの物理的若しくは化学的に活性化若しくはエッチングされたバージョン、又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されることを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 16. The alkali metal-sulfur cell of claim 15, wherein the prelithiated graphene sheets are composed of pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogen prelithiation of graphene nitride, graphene nitrogen, boron doped graphene, nitrogen doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched versions thereof, or combinations thereof Alkali metal-sulphur cell, characterized in that it is selected from the selected versions. 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記アルカリ金属-硫黄セルが、ナトリウム金属-硫黄セル又はナトリウムイオン硫黄セルであり、前記アノードが、ナトリウム金属を含む、又は石油コークス、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、若しく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むアノード活性材料を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the alkali metal-sulfur cell is a sodium metal-sulfur cell or a sodium ion sulfur cell, and the anode comprises sodium metal or petroleum coke, amorphous Carbon, activated carbon, hard carbon , soft carbon , template carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres , titanates, NaTi2 ( PO4 ) 3 , Na2Ti3O7 , Na2C8H4O4 , Na2TP , Na x TiO 2 (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 alkali intercalation selected from 5NaO4 , C8Na2F4O4 , C10H2Na4O8 , C14H4O6 , C14H4Na4O8 , or combinations thereof An alkali metal-sulfur cell comprising an anode active material comprising a compound. 請求項2に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記アルカリ金属-硫黄セルがナトリウム-硫黄セル又はナトリウムイオン硫黄セルであり、前記アノードが:
a)ナトリウム金属又はナトリウム金属合金の粒子、箔、又は薄膜;
b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維、及び黒鉛繊維;
c)ナト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)、及びそれらの混合物;
d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びそれらの混合物のナトリウムを含有する合金又は金属間化合物;
e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びそれらの混合物若しくは複合物のナト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、又はアンチモン化物;
f)ナトリウム塩;
g)ナトリウムイオンがあらかじめ充填されたグラフェンシート;並びにそれらの組合せ、
からなる群から選択されるアノード活性材料を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。
3. The alkali metal-sulfur cell of claim 2, wherein the alkali metal-sulfur cell is a sodium-sulfur cell or a sodium ion sulfur cell, and the anode comprises:
a) particles, foils or films of sodium metal or sodium metal alloys;
b) natural graphite particles, synthetic graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle coke, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers and graphite fibers;
c) Sodium-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;
d) sodium-containing alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof;
e) sodium-containing oxides, carbides, nitrides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or composites thereof; sulfides, phosphides, selenides, tellurides, or antimonides;
f) sodium salts;
g) graphene sheets preloaded with sodium ions; and combinations thereof,
An alkali metal-sulfur cell comprising an anode active material selected from the group consisting of:
請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記硫黄含有カソード活性材料が:
A)ソフトカーボン、ハードカーボン、ポリマー炭素若しくは炭化樹脂、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、ナノ発泡(nanocellular)炭素発泡体、又は部分黒鉛化炭素の粒子から選択されるナノ構造化された又は多孔質の不規則な炭素材料;
B)単層グラフェンシート又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又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若しくは繊維、伝導性ポリマーナノファイバ、又はそれらの組合せ;
E)カルボニル含有有機又はポリマー分子;
F)硫黄を可逆的に捕捉するためのカルボニル基、カルボン酸基、又はアミン基を含む官能性材料;
並びにそれらの組合せ、
からなる群から選択される官能性材料又はナノ構造化材料によって担持されることを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。
The alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the sulfur-containing cathode active material is:
A) Nanostructured selected from soft carbon, hard carbon, polymeric carbon or carbonized resin, mesophase carbon, coke, carbonized pitch, carbon black, activated carbon, nanocellular carbon foam, or particles of partially graphitized carbon. textured or porous irregular carbon materials;
B) nanographene platelets selected from monolayer graphene sheets or multilayer graphene platelets;
C) carbon nanotubes selected from single-wall carbon nanotubes or multi-wall carbon nanotubes;
D) carbon nanofibers, nanowires, metal oxide nanowires or fibers, conducting polymer nanofibers, or combinations thereof;
E) carbonyl-containing organic or polymeric molecules;
F) functional materials containing carbonyl, carboxylic acid, or amine groups to reversibly trap sulfur;
and combinations thereof,
An alkali metal-sulfur cell characterized in that it is supported by a functional or nanostructured material selected from the group consisting of:
請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記第1の電解質が、1,3-ジオキソラン(DOL)、1,2-ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、ポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(PEGDME)、ジエチレングリコールジブチルエーテル(DEGDBE)、2-エトキシエチルエーテル(EEE)、スルホン、スルホラン、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピレンカーボネート(PC)、ガンマ-ブチロラクトン(γ-BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、ギ酸プロピル(PF)、ギ酸メチル(MF)、トルエン、キシレン、酢酸メチル(MA)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ビニレンカーボネート(VC)、アリルエチルカーボネート(AEC)、ハイドロフロロエーテル(hydrofloroether)、及びそれらの組合せからなる群から選択される有機溶媒を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セルThe alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the first electrolyte is 1,3-dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDME), diethylene glycol dibutyl ether (DEGDBE), 2-ethoxyethyl ether (EEE), sulfone, sulfolane, ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC ), ethyl propionate, methyl propionate, propylene carbonate (PC), gamma-butyrolactone (γ-BL), acetonitrile (AN), ethyl acetate (EA), propyl formate (PF), methyl formate (MF), toluene, an organic solvent selected from the group consisting of xylene, methyl acetate (MA), fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC), allyl ethyl carbonate (AEC), hydrofluoroethers, and combinations thereof An alkali metal-sulfur cell characterized by: 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記第1の電解質が、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)、ヘキサフルオロヒ化リチウム(LiAsF)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(lithium trifluoro-metasulfonate)(LiCFSO)、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 、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF)、硝酸リチウム(LiNO)、Li-フルオロアルキル-ホスフェート(LiPF3(CFCF)、ビスパーフルオロエチスルホニルイミドリチウム(lithium bisperfluoroethysulfonylimide)(LiBETI)、過塩素酸ナトリウム(NaClO)、過塩素酸カリウム(KClO)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF)、ヘキサフルオロリン酸カリウム(KPF)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF)、ホウフッ化カリウム(KBF)、ヘキサフルオロヒ化ナトリウム、ヘキサフルオロヒ化カリウム、トリフルオロメタスルホン酸ナトリウム(sodium trifluoro-metasulfonate)(NaCFSO)、トリフルオロメタスルホン酸カリウム(potassium trifluoro-metasulfonate)(KCFSO)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CFSO)、トリフルオロメタンスルホンイミドナトリウム(NaTFSI)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドカリウム(KN(CFSO)、又はそれらの組合せから選択されるアルカリ金属塩を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セルThe alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the first electrolyte is lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium trifluoro-metasulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bistrifluoromethylsulfonylimide (LiN(CF 3 SO 2 ) 2 ) , lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium oxalyl difluoroborate (LiBF 2 C 2 O 4 ), lithium oxalyl difluoroborate (LiBF 2 C 2 O 4 ), lithium nitrate (LiNO 3 ), Li-fluoroalkyl-phosphate (LiPF3(CF 2 CF 3 ) 3 ), lithium bisperfluoroethysulfonylimide (LiBETI), sodium perchlorate (NaClO 4 ), potassium perchlorate (KClO 4 ), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), hexafluorophosphate (NaPF 6 ), Potassium fluorophosphate (KPF 6 ), sodium borofluoride (NaBF 4 ), potassium fluoroborate (KBF 4 ), sodium hexafluoroarsenide, potassium hexafluoroarsenide, sodium trifluoro-metasulfonate ( NaCF 3 SO 3 ), potassium trifluoro-metasulfonate (KCF 3 SO 3 ), sodium bistrifluoromethylsulfonylimide (NaN(CF 3 SO 2 ) 2 ), sodium trifluoromethanesulfonimide (NaTFSI) , potassium bistrifluoromethylsulfonylimide (KN(CF 3 SO 2 ) 2 ), or combinations thereof. 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記第1の電解質が、テトラアルキルアンモニウム、ジ、トリ、若しくは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、トリアルキルスルホニウム、又はそれらの組合せから選択されるカチオンを有する室温イオン液体から選択されるイオン液体溶媒を含むことを特徴とするアルカリ金属-硫黄セルThe alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the first electrolyte is tetraalkylammonium, di-, tri-, or tetraalkylimidazolium, alkylpyridinium, dialkylpyrrolidinium, dialkylpiperidinium, tetraalkylphosphonium , trialkylsulfonium, or combinations thereof . 請求項22に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記イオン液体溶媒が、BF 、B(CN) 、CHBF 、CHCHBF 、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 、又はそれらの組合せから選択されるアニオンを有する室温イオン液体から選択されることを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル23. The alkali metal-sulfur cell of claim 22, wherein the ionic liquid solvent is BF 4 , B(CN) 4 , CH 3 BF 3 , CH 2 CHBF 3 , CF 3 BF 3 , C 2 F 5 BF 3 , nC 3 F 7 BF 3 , nC 4 F 9 BF 3 , PF 6 , CF 3 CO 2 , CF 3 SO 3 , N(SO 2 CF 3 ) 2 , N(COCF 3 )(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 - , or a combination thereof. 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記硫黄含有カソード活性材料が15mg/cmを超える電極活性材料質量負荷を構成することを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 An alkali metal-sulfur cell according to claim 1, characterized in that the sulfur-containing cathode active material constitutes an electrode active material mass loading of greater than 15 mg/cm 2 . 請求項2に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記アノード活性材料が20mg/cmを超える電極活性材料質量負荷を構成することを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 3. The alkali metal-sulfur cell of claim 2, wherein said anode active material constitutes an electrode active material mass loading of greater than 20 mg/ cm2 . 請求項1に記載のアルカリ金属-硫黄セルにおいて、前記硫黄含有カソード活性材料が30mg/cmを超える電極活性材料質量負荷を構成することを特徴とするアルカリ金属-硫黄セル。 An alkali metal-sulfur cell according to claim 1, characterized in that the sulfur-containing cathode active material constitutes an electrode active material mass loading of greater than 30 mg/cm 2 . 擬固体電極を有するアルカリ金属-硫黄セルの製造方法において:
(a)ある量のカソード活性材料と、ある量の電解質と、伝導性添加剤とを組み合わせて、変形可能で電気伝導性のカソード材料を形成するステップにおいて、前記カソード活性材料が、硫黄、金属-硫黄化合物、硫黄-炭素複合物、硫黄-グラフェン複合物、硫黄-黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄-ポリマー複合物、又はそれらの組合せから選択される硫黄含有材料を含み、伝導性フィラメントを含む前記伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、前記電解質が、溶媒中に溶解したアルカリ塩を含み、前記溶媒中に溶解又は分散したイオン伝導性ポリマーは含まないステップと;
(b)前記カソード材料から擬固体カソードを形成するステップにおいて、前記形成するステップが、前記擬固体カソードが10-6S/cm以上の電気伝導率を維持するように前記電子伝導経路の3Dネットワークを中断することなく前記カソード材料を電極形状に変形させることを含むステップと;
(c)アノードを形成するステップと;
(d)前記擬固体カソードと前記アノードとを組み合わせることによってアルカリ金属-硫黄セルを形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
In a method for manufacturing an alkali metal-sulfur cell with quasi-solid electrodes:
(a) combining an amount of cathode active material, an amount of electrolyte, and a conductive additive to form a deformable, electrically conductive cathode material, wherein said cathode active material comprises sulfur, a metal - a conductive filament comprising a sulfur-containing material selected from sulfur compounds, sulfur-carbon composites, sulfur-graphene composites, sulfur-graphite composites, organic sulfur compounds, sulfur-polymer composites, or combinations thereof; said conductive additives comprising forming a 3D network of electronically conducting pathways, said electrolyte comprising an alkali salt dissolved in a solvent and no ion-conducting polymer dissolved or dispersed in said solvent;
(b) forming a quasi-solid cathode from said cathode material, said forming step forming a 3D network of said electron conducting pathways such that said quasi-solid cathode maintains an electrical conductivity of 10 −6 S/cm or greater; deforming the cathode material into an electrode shape without interrupting;
(c) forming an anode;
(d) forming an alkali metal-sulfur cell by combining said quasi-solid cathode and said anode;
A method comprising:
請求項27に記載の方法において、前記擬固体カソードが、30体積%~95体積%の前記カソード活性材料と、5体積%~40体積%の前記電解質と、0.01体積%~30体積%の前記伝導性添加剤とを含むことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the quasi-solid cathode comprises 30% to 95% by volume of the cathode active material, 5% to 40% by volume of the electrolyte, and 0.01% to 30% by volume. and the conductive additive of 請求項27に記載の方法において、前記伝導性フィラメントが、炭素繊維、黒鉛繊維、カーボンナノファイバ、黒鉛ナノファイバ、カーボンナノチューブ、ニードルコークス、炭素ウィスカ、伝導性ポリマー繊維、伝導性材料被覆繊維、金属ナノワイヤ、金属繊維、金属ワイヤ、グラフェンシート、膨張黒鉛プレートレット、それらの組合せ、又はそれらと非フィラメント状伝導性粒子との組合せから選択されることを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the conductive filaments are carbon fibers, graphite fibers, carbon nanofibers, graphite nanofibers, carbon nanotubes, needle coke, carbon whiskers, conductive polymer fibers, conductive material coated fibers, metal selected from nanowires, metal fibers, metal wires, graphene sheets, expanded graphite platelets, combinations thereof, or combinations thereof with non-filamentary conductive particles. 請求項27に記載の方法において、前記擬固体電極が10-3S/cm~10S/cmの電気伝導率を維持することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the quasi-solid electrode maintains an electrical conductivity between 10-3 S/cm and 10 S/cm. 請求項27に記載の方法において、前記擬固体カソードが0.1体積%~20体積%の伝導性添加剤を含むことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the quasi-solid cathode comprises 0.1% to 20% by volume conductive additive. 請求項27に記載の方法において、前記擬固体カソードが1体積%~10体積%の伝導性添加剤を含むことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the quasi-solid cathode comprises 1% to 10% by volume of a conductive additive. 請求項27に記載の方法において、前記カソード活性材料の量が、前記カソード材料の40体積%~90体積%であることを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the amount of cathode active material is between 40% and 90% by volume of the cathode material. 請求項27に記載の方法において、前記カソード活性材料の量が、前記カソード材料の50体積%~85体積%であることを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the amount of cathode active material is between 50% and 85% by volume of the cathode material. 請求項27に記載の方法において、前記組み合わせるステップが、前記伝導性フィラメントを液体溶媒中に分散させて均一懸濁液を形成することを、前記カソード活性材料を前記均一懸濁液に加える前、及び前記アルカリ金属塩を前記均一懸濁液の前記液体溶媒中に溶解させる前に行うステップを含むことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein said combining step comprises dispersing said conductive filaments in a liquid solvent to form a uniform suspension before adding said cathode active material to said uniform suspension. and prior to dissolving said alkali metal salt in said liquid solvent of said homogeneous suspension. 請求項27に記載の方法において、前記組み合わせるステップ及び前記カソード材料から擬固体カソードを形成するステップが、リチウム塩又はナトリウム塩を液体溶媒中に溶解させて、第1の塩濃度を有する電解質を形成するステップと、続いて前記液体溶媒の一部を除去して前記第1の塩濃度を増加させて、前記第1の濃度よりも高く2.5Mを超える第2の塩濃度を有する擬固体電解質を得るステップとを含むことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein combining and forming a quasi-solid cathode from the cathode material comprises dissolving a lithium or sodium salt in a liquid solvent to form an electrolyte having a first salt concentration. followed by removing a portion of said liquid solvent to increase said first salt concentration to form a pseudo-solid having a second salt concentration higher than said first salt concentration and greater than 2.5M. obtaining an electrolyte. 請求項36に記載の方法において、前記除去するステップによって、前記塩の沈殿も、結晶化も起こらず、前記電解質は過飽和状態にあることを特徴とする方法。 37. The method of claim 36, wherein the removing step neither precipitates nor crystallizes the salt and the electrolyte is supersaturated. 請求項36に記載の方法において、前記液体溶媒が、少なくとも第1の液体溶媒及び第2の液体溶媒の混合物を含み、前記第1の液体溶媒が前記第2の液体溶媒よりも揮発性が高く、前記液体溶媒の一部を前記除去するステップが、前記第1の液体溶媒を除去するステップを含むことを特徴とする方法。 37. The method of claim 36, wherein said liquid solvent comprises a mixture of at least a first liquid solvent and a second liquid solvent, wherein said first liquid solvent is more volatile than said second liquid solvent. , wherein said removing a portion of said liquid solvent comprises removing said first liquid solvent. 請求項27に記載の方法において、前記アノードを形成する前記ステップが、(A)ある量のアノード活性材料と、ある量の電解質と、伝導性添加剤とを組み合わせて、変形可能で電気伝導性のアノード材料を形成するステップにおいて、伝導性フィラメントを含む前記伝導性添加剤が電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、前記電解質が、溶媒中に溶解又は分散したアルカリ塩を含むステップと;(B)前記変形可能で伝導性のアノード材料から擬固体アノードを形成するステップにおいて、前記形成するステップが、前記アノードが10-6S/cm以上の電気伝導率を維持するように前記電子伝導経路の3Dネットワークを中断することなく前記変形可能で伝導性のアノード材料を電極形状に変形させることを含むステップと、
を含むことを特徴とする方法。
28. The method of claim 27, wherein the step of forming the anode comprises: (A) combining an amount of anode active material, an amount of electrolyte, and a conductive additive to form a deformable, electrically conductive (B ) forming a quasi-solid anode from said deformable and conductive anode material, said forming step reducing said electronic conduction path such that said anode maintains an electrical conductivity of 10 −6 S/cm or greater; deforming the deformable and conductive anode material into an electrode shape without disrupting the 3D network;
A method comprising:
請求項27に記載の方法において、前記溶媒が、水、有機溶媒、イオン液体、又は有機溶媒とイオン液体との混合物から選択されることを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the solvent is selected from water, organic solvents, ionic liquids, or mixtures of organic solvents and ionic liquids. 請求項27に記載の方法において、前記アルカリ金属-硫黄セルがリチウムイオン硫黄セルであり、前記アノードが:
(h)リチウム金属又はリチウム金属合金の粒子;
(i)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維、及び黒鉛繊維;
(j)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)、及びカドミウム(Cd);
(k)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、又はCdと別の元素との合金又は金属間化合物において、化学量論的又は非化学量論的である合金又は金属間化合物;
(l)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、又はCdの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにそれらの混合物又は複合物;
(m)それらのプレリチウム化されたバージョン;
(n)プレリチウム化されたグラフェンシート;並びに
それらの組合せ、
からなる群から選択されるアノード活性材料を含むことを特徴とする方法。
28. The method of claim 27, wherein the alkali metal-sulfur cell is a lithium ion sulfur cell and the anode comprises:
(h) particles of lithium metal or lithium metal alloy;
(i) natural graphite particles, synthetic graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle coke, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers, and graphite fibers;
(j) 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);
(k) alloys or intermetallics of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with another element, which are stoichiometric or non-stoichiometric; Compound;
(l) 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;
(m) prelithiated versions thereof;
(n) prelithiated graphene sheets; and combinations thereof;
A method comprising an anode active material selected from the group consisting of:
請求項41に記載の方法において、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、それらの物理的若しくは化学的に活性化若しくはエッチングされたバージョン、又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されることを特徴とする方法。 42. The method of claim 41, wherein the prelithiated graphene sheets are pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, nitrogen. from prelithiated versions of graphene, boron-doped graphene, nitrogen-doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched versions thereof, or combinations thereof A method characterized by being selected. 請求項27に記載の方法において、前記アルカリ金属-硫黄セルがナトリウムイオン硫黄セルであり、前記アノードが、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、又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むアノード活性材料を含むことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the alkali metal-sulfur cell is a sodium ion sulfur cell and the anode is petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon, template 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 , C A method comprising an anode active material comprising an alkaline intercalation compound selected from 10H2Na4O8 , C14H4O6 , C14H4Na4O8 , or combinations thereof . . 請求項27に記載の方法において、前記アルカリ金属-硫黄セルがナトリウムイオン硫黄セルであり、前記アノードが:
a)ナトリウム金属又はナトリウム金属合金の粒子;
b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維、及び黒鉛繊維;
c)ナト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)、及びそれらの混合物;
d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びそれらの混合物のナトリウムを含有する合金又は金属間化合物;
e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びそれらの混合物若しくは複合物のナト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、又はアンチモン化物;
f)ナトリウム塩;
g)ナトリウムイオンがあらかじめ充填されたグラフェンシート;並びにそれらの組合せ、
からなる群から選択されるアノード活性材料を含むことを特徴とする方法。
28. The method of claim 27, wherein the alkali metal-sulfur cell is a sodium ion sulfur cell and the anode comprises:
a) particles of sodium metal or sodium metal alloy;
b) natural graphite particles, synthetic graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle coke, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers and graphite fibers;
c) Sodium-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;
d) Sodium-containing alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof;
e) sodium-containing oxides, carbides, nitrides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or composites thereof; sulfides, phosphides, selenides, tellurides, or antimonides;
f) sodium salts;
g) graphene sheets preloaded with sodium ions; and combinations thereof,
A method comprising an anode active material selected from the group consisting of:
請求項27に記載の方法において、前記カソード活性材料が15mg/cmを超える電極活性材料質量負荷を構成することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the cathode active material constitutes an electrode active material mass loading greater than 15 mg/cm <2> . 請求項27に記載の方法において、前記カソード活性材料が25mg/cmを超える電極活性材料質量負荷を構成することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the cathode active material constitutes an electrode active material mass loading greater than 25 mg/cm <2> . 請求項27に記載の方法において、前記カソード活性材料が45mg/cmを超える電極活性材料質量負荷を構成することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the cathode active material constitutes an electrode active material mass loading greater than 45 mg/cm <2> .
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