JP7309619B2 - 酸性化カソードおよびリチウムアノードを有する電池 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年5月17日出願の「酸性化カソードおよびリチウムアノードを有する電池」と題する米国仮特許出願第62/507,659号の利益を主張し、そのような仮出願を、この時点でそれらが本開示に完全に記載されているかのように参照により本開示に組み込む。
(式中、Rは、置換または非置換C1~C20炭化水素、例えば、置換または非置換アルキル基、置換または非置換アルケニル基、置換または非置換芳香族または複素芳香族、置換または非置換アミンである)を有するものが挙げられる。有機酸の例としては、
(式中、Lは、置換または非置換アルキレン基、置換または非置換アリーレン基、置換または非置換ヘテロアリーレン基、置換または非置換アミンなどの置換または非置換C1~C20二価炭化水素である)を有するものも挙げられる。有機酸としては、有機酸無水物、例えば
(式中、R1およびR2は、独立して、置換または非置換C1~C20炭化水素、例えば、置換または非置換アルキル基、置換または非置換アルケニル基、置換または非置換芳香族基または複素芳香族基、置換または非置換アミンである)を有するものを挙げることができる。任意に、R1およびR2は環を形成することができる。有機酸無水物の例には、上述の有機酸のいずれかの無水物が含まれる。特定の有機酸無水物としては、グルタル酸無水物、無水コハク酸、メチルコハク酸無水物、無水マレイン酸、およびイタコン酸無水物が挙げられるが、これらに限定されない。
本開示の目的のために、以下の用語は以下の意味を有する。
この方法によって、塩素で表面官能化されたスズのAMOが得られ、そのpHは、5重量%で水溶液中に室温にて再懸濁して測定すると、約2である。定義により、そのハメット関数は、H0>-12である。ここではフラスコなどの開放系について記述しているが、オートクレーブなどの閉鎖系を用いてもよい。
MmOx/G
(式中、
MmOxは金属酸化物であり、mは1以上5以下であり、xは1以上21以下であり;
Gは水酸化物ではない少なくとも1つのEWGであり、
/は金属酸化物とEWGとの間に単に区別をつけ、2つの間の決まった数的な関係または比率を示していない)
を有すると考えることができる。
Gは、単一の種類のEWGを表してもよく、または2つ以上の種類のEWGを表してもよい。
MmNnOx/GおよびMmNnRrOx/G
(式中、
Mは金属であり、mは1以上5以下であり;
Nは金属であり、nはゼロよりも大きく5以下であり;
Rは金属であり、rはゼロよりも大きく5以下であり;
Oはすべての金属に会合した合計の酸素であり、xは1以上21以下であり;
/は金属酸化物と電子求引性表面基との間に単に区別をつけ、2つの間の決まった数的な関係または比率を示していない;
Gは水酸化物ではない少なくとも1つのEWGである)
を有すると考えることができる。
Gは、単一の種類のEWGを表してもよく、または2つ以上の種類のEWGを表してもよい。
アセテート/クロリドによって官能化された酸化スズのAMO
酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)をエタノール/水溶液に溶解させて、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、柔らかい灰色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図16は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
アセテート/サルフェートによって官能化された酸化スズのAMO
酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)をエタノール/水溶液に溶解させて、硫酸(H2SO4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、灰色の薄片状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図17は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
アセテート/ニトレートによって官能化された酸化スズのAMO
酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)をエタノール/水溶液に溶解させて、硝酸(HNO3)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、灰色の薄片状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図18は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
アセテート/ホスフェートによって官能化された酸化スズのAMO
酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)をエタノール/水溶液に溶解させて、リン酸(H3PO4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、茶色の柔らかい薄片状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図19は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
アセテート/シトレートによって官能化された酸化スズのAMO
酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)をエタノール/水溶液に溶解させて、クエン酸(C6H8O7)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、茶色の薄片状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図20は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
アセテート/シトレートによって官能化された酸化スズのAMO
酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)をエタノール/水溶液に溶解させて、シュウ酸(C2H2O4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、トープ色の薄片状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図21は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化鉄でドープされ、アセテート/クロリドによって官能化された酸化スズのAMO
ドープされた酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)を、少量の酢酸鉄を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、柔らかい薄片状の乳灰色(creamy grey)の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図22は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化鉄でドープされ、アセテート/サルフェートによって官能化された酸化スズのAMO
ドープされた酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)を、少量の酢酸鉄を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、硫酸(H2SO4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、淡いトープ色の柔らかい薄片状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図23は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化鉄でドープされ、アセテート/ニトレートによって官能化された酸化スズのAMO
2つのドープされた酸化スズAMOサンプルは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)を、少量の酢酸鉄(Fe(CH3COO)3)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、硝酸(HNO3)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、柔らかい白色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図24は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化鉄でドープされ、アセテート/オキサレートによって官能化された酸化スズのAMO
ドープされた酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)を、少量の酢酸鉄(Fe(CH3COO)3)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、シュウ酸(C2H2O4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、柔らかい白色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図25は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化鉄でドープされ、アセテート/ホスフェートによって官能化された酸化スズのAMO
ドープされた酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)を、少量の酢酸鉄(Fe(CH3COO)3)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、リン酸(H3PO4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、白色の薄片状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図26は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化鉄でドープされ、アセテート/シトレートによって官能化された酸化スズのAMO
ドープされた酸化スズは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)を、少量の酢酸鉄(Fe(CH3COO)3)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、クエン酸(C6H8O7)の添加により酸性化した。得られた材料は粒子を形成せず、黄色のガラス質の硬質材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図27は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
アセテート/ブロミドによって官能化された酸化スズのAMO
酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)をエタノール/水溶液に溶解させて、臭化水素酸(HBr)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、灰色の柔らかい粉末状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図2628は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
アセテート/ボレートによって官能化された酸化スズのAMO
酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸スズ(Sn(CH3COO)2)をエタノール/水溶液に溶解させて、ホウ酸(H3BO3)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、灰色の薄片状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図29は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化マンガンでドープされて、サルフェート/クロリドによって官能化された酸化スズのAMO
ドープされた酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、硫酸スズ(SnSO4)を、少量の塩化マンガン(MnCl2)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、硫酸(H2SO4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、非常に柔らかい黄褐色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図30は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化マンガンでドープされて、クロリドによって官能化された酸化スズのAMO
ドープされた酸化スズAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、塩化スズ(SnCl2)を、少量の塩化マンガン(MnCl2)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、柔らかい灰褐色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図31は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化鉄および酸化アルミニウムでドープされて、クロリドによって官能化された酸化スズのAMO
2つのドープされた酸化スズAMOサンプルは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、塩化スズ(SnCl2)を、少量の塩化鉄(FeCl3)と塩化アルミニウム(AlCl3)の両方を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られた第1のサンプルのAMOナノ材料は、薄い黄褐色の薄片状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図32は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。得られた第2のサンプルのAMOナノ材料は、薄灰色の薄片状の材料であった。
酸化スズでドープされて、クロリドによって官能化された酸化鉄のAMO
ドープされた酸化鉄AMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、塩化鉄(FeCl3)を、少量の塩化スズ(SnCl2)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。鉄対スズの比は95:5であった。この溶液を、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、柔らかい赤色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図33は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化スズでドープされて、クロリドによって官能化された酸化鉄のAMO
ドープされた酸化鉄AMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、塩化鉄(FeCl3)を、少量の塩化スズ(SnCl2)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。鉄対スズの比は95:5であった。この溶液を、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、黒色のガラス質の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図34は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
ニトレートによって官能化された酸化鉄のAMO
酸化鉄AMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、硝酸鉄Fe(NO3)3をエタノール/水溶液に溶解させて、硝酸(HNO3)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、黒色のガラス質の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図35は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
クロリドによって官能化された酸化ビスマスのAMO
酸化ビスマスAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、塩化ビスマス(BiCl3)をエタノール/水溶液に溶解させて、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、柔らかい白色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図36は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
サルフェートによって官能化された酸化ジルコニウムのAMO
酸化ジルコニウムAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、硫酸ジルコニウム(Zr(SO4)2)をエタノール/水溶液に溶解させて、硫酸(H2SO4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、薄片状の、白色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図37は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
サルフェートによって官能化された酸化チタンのAMO
酸化チタンAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、硫酸チタニル(TiOSO4)をエタノール/水溶液に溶解させて、硫酸(H2SO4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、白色の薄片状の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図38は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
サルフェートによって官能化された酸化アンチモンのAMO
酸化アンチモンAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、硫酸アンチモン(Sb2(SO4)3)をエタノール/水溶液に溶解させて、硫酸(H2SO4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、非常に柔らかい白色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図39は、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
クロリドによって官能化された酸化インジウムのAMO
酸化インジウムAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、塩化インジウム(InCl3)をエタノール/水溶液に溶解させて、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、白色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図40は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
サルフェートによって官能化された酸化インジウムのAMO
酸化インジウムAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、硫酸インジウム(In2(SO4)3)をエタノール/水溶液に溶解させて、硫酸(H2SO4)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、白色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図41は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
ブロミドによって官能化された酸化インジウムのAMO
酸化インジウムAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、臭化インジウム(InBr3)をエタノール/水溶液に溶解させて、臭化水素酸(HBr)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、青白色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図42は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
クロリドによって官能化された酸化インジウムのAMO
酸化インジウムAMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、塩化インジウム(InCl3)をエタノール/水溶液に溶解させて、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、黄色の環がかかった灰色であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図43は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化スズでドープされて、クロリド/アセテートによって官能化された酸化リチウムと酸化鉄との混合AMO
ドープされた混合酸化リチウムおよび酸化鉄AMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸リチウム(Li(CH3COO))と塩化鉄(FeCl3)とを、少量の塩化スズ(SnCl2)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。合成中に、フラスコに緑色の環がかかった黄褐色のピンクを帯びた色が発現した。しかし、最終的なAMOナノ材料は灰色で、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図44は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化スズでドープされて、クロリド/アセテートによって官能化された酸化リチウムと酸化鉄との混合AMO
ドープされた混合酸化リチウムおよび酸化鉄AMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸リチウム(Li(CH3COO))と塩化鉄(FeCl3)とを、少量の塩化スズ(SnCl2)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、淡い金色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図45は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
酸化スズでドープされて、クロリド/アセテートによって官能化された酸化リチウムと酸化鉄との混合AMO
ドープされた混合酸化リチウムおよび酸化鉄AMOは、シングルポット水熱合成法を使用して合成した。要約すると、酢酸リチウム(Li(CH3COO))と塩化鉄(FeCl3)とを、少量の塩化スズ(SnCl2)を含むエタノール/水溶液に溶解させた。この溶液を、塩酸(HCl)の添加により酸性化した。得られたAMOナノ材料は、薄い乳白色の材料であり、電極に形成された。電極は、リチウム金属に対して電池セル内に組み込み、ゼロボルトまで放電し、続いて1.5ボルトまで充電することによりサイクルした。図46は、AMOナノ材料の電子顕微鏡画像、測定された容量対サイクル数のプロット、およびサイクル中の時間の関数としての電圧のプロットを示す。
[発明の態様]
[1]
アノード、電解質、およびカソードを含む電池セルであって、前記アノードまたは前記カソードの一方が、酸性であるが超酸性ではない表面を含む少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料を含み、前記表面は、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有し、前記アノードの少なくとも一部が金属リチウムからなる、電池セル。
[2]
前記固体金属酸化物ナノ材料が、100nm未満のサイズの少なくとも1つの粒子寸法を有する、1に記載の電池セル。
[3]
前記固体金属酸化物ナノ材料が、20nm未満のサイズの少なくとも1つの粒子寸法を有する、1に記載の電池セル。
[4]
前記固体金属酸化物ナノ材料が、10nm未満のサイズの少なくとも1つの粒子寸法を有する、1に記載の電池セル。
[5]
前記固体金属酸化物ナノ材料が、実質的に単分散のナノ粒子形態を含む、1に記載の電池セル。
[6]
前記表面が、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに4未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、1に記載の電池セル。
[7]
前記表面が、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに3未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、1に記載の電池セル。
[8]
少なくとも1つの固体金属酸化物材料を含む電極であって、前記金属酸化物が、実質的に単分散であり、200未満の分子量を有する酸性電子吸引基を提供する材料で表面官能化されている電極と、前記電池セルが構築されるとき、少なくとも50%の金属リチウムを含む対向電極とを有する、電池セル。
[9]
前記金属酸化物の前記表面を表面官能化する前記材料が、酸性であるが超酸性ではなく、水溶液中に5重量%で懸濁させたときに7未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、8に記載の電池セル。
[10]
前記金属酸化物の前記表面を表面官能化する前記材料が、酸性であるが超酸性ではなく、水溶液中に5重量%で懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、9に記載の電池セル。
[11]
前記電池セルが構築されるとき、前記対向電極が95%以上の金属リチウムである、9に記載の電池セル。
[12]
前記電池セルが構築されるとき、前記対向電極の表面が純金属を含む、9に記載の電池セル。
[13]
前記電池セルが構築されるとき、前記対向電極の少なくとも幾何学的部分が金属リチウムからなる、9に記載の電池セル。
[14]
MmOxG形態の固体金属酸化物ナノ材料を含むカソードを有する電池セルであって、Mmは金属であり、Oxは全酸素であり、MmOxは金属酸化物であり、Gは少なくとも1つの電子吸引性表面基であり、「/」は、前記金属酸化物と前記電子吸引性表面基との間に区別をつけ、前記電池電極固体金属酸化物ナノ材料は、少なくともその表面上で、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有し、前記電池のアノードが、前記電池セルの構築時に他の元素と反応しない少なくとも50%の金属リチウムを含む、電池セル。
[15]
前記カソードを構成する前記固体金属酸化物ナノ材料が、nがゼロより大きく5以下である第2の異なる金属「Nn」を含む、14に記載の電池セル。
[16]
前記カソードを構成する前記固体金属酸化物ナノ材料が、rがゼロより大きく5以下である第3の異なる金属「Rr」を含む、15に記載の電池セル。
[17]
非酸性材料のアノードをさらに含む、14に記載の電池セル。
[18]
前記アノードが少なくとも95%の金属リチウムを含む、14に記載の電池セル。
[19]
電池セルに金属リチウムアノードを設ける工程と、
前記電池セルに、酸性であるが超酸性ではない表面を含む少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料を含むカソードを設ける工程であって、前記表面が、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、工程と
を含む方法。
[20]
電池セルにおける金属リチウムアノードを不動態化する方法であって、前記電池セルに、酸性であるが超酸性ではない表面を含む少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料を含むカソードを設ける工程であって、前記表面が、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、工程を含む方法。
[21]
アノード、電解質、およびカソードを含む電池セルであって、前記カソードの一方が、酸性であるが超酸性ではない表面を含む少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料を含み、前記表面は、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有し、前記アノードの少なくとも一部が本質的に金属リチウムからなる、電池セル。
Claims (20)
- 少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料を含む電極を有する電池セルであって、前記固体金属酸化物ナノ材料が、200未満の分子量を有する酸性電子吸引基を提供する材料で表面官能化されており、前記電池セルが、前記電池セルが構築されるとき、少なくとも50%の金属リチウムを含む対向電極を有し、
前記酸性電子吸引基が、Cl、Br、BO 3 、SO 4 、PO 4 、CH 3 COO、C 2 O 4 およびC 6 H 5 O 7 よりなる群から選択され、
前記固体金属酸化物ナノ材料が、100nm未満のサイズの範囲にあり、かつ単分散のナノ粒子形態である、
上記の電池セル。 - 前記固体金属酸化物ナノ材料が、20nm未満のサイズの範囲にある、請求項1に記載の電池セル。
- 前記固体金属酸化物ナノ材料が、10nm未満のサイズの範囲にある、請求項1に記載の電池セル。
- 前記表面が、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに4未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、請求項1に記載の電池セル。
- 前記表面が、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに3未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、請求項1に記載の電池セル。
- 前記固体金属酸化物材料が、酸性であるが超酸性ではなく、水溶液中に5重量%で懸濁させたときに7未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、請求項1に記載の電池セル。
- 前記固体金属酸化物材料が、酸性であるが超酸性ではなく、水溶液中に5重量%で懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、請求項6に記載の電池セル。
- 前記電池セルが構築されるとき、前記対向電極が95%以上の金属リチウムである、請求項6に記載の電池セル。
- 前記電池セルが構築されるとき、前記対向電極の表面が純金属を含む、請求項6に記載の電池セル。
- 前記電池セルが構築されるとき、前記対向電極の少なくとも幾何学的部分が金属リチウムからなる、請求項6に記載の電池セル。
- MmOx/G形態の固体金属酸化物ナノ材料を含むカソードを有する電池セルであって、Mmは金属であり、Oxは全酸素であり、MmOxは金属酸化物であり、Gは少なくとも1つの電子吸引性表面基であり、「/」は、前記金属酸化物と前記電子吸引性表面基との間に区別をつけ、前記固体金属酸化物ナノ材料は、少なくともその表面上で、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有し、前記電池セルのアノードが、前記電池セルの構築時に他の元素と反応しない少なくとも50%の金属リチウムを含み、
前記電子吸引性表面基が、Cl、Br、BO3、SO4、PO4、CH3COO、C2O4およびC6H5O7よりなる群から選択され、
前記固体金属酸化物ナノ材料が、100nm未満のサイズの範囲にあり、かつ単分散のナノ粒子形態である、
上記の電池セル。 - 前記カソードを構成する前記固体金属酸化物ナノ材料が、nがゼロより大きく5以下である第2の異なる金属Nnを含む、請求項11に記載の電池セル。
- 前記カソードを構成する前記固体金属酸化物ナノ材料が、rがゼロより大きく5以下である第3の異なる金属Rrを含む、請求項12に記載の電池セル。
- 非酸性材料のアノードをさらに含む、請求項11に記載の電池セル。
- 前記アノードが少なくとも95%の金属リチウムを含む、請求項11に記載の電池セル。
- 電池セルに金属リチウムアノードを設ける工程と、
前記電池セルに、酸性であるが超酸性ではない表面を含む少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料を含むカソードを設ける工程であって、前記表面が、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、工程と
を含み、
前記少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料が、Cl、Br、BO 3 、SO 4 、PO 4 、CH 3 COO、C 2 O 4 およびC 6 H 5 O 7 よりなる群から選択される少なくとも1つの材料で表面官能化されており、
前記固体金属酸化物ナノ材料がスズ酸化物であり、100nm未満のサイズの範囲にあり、かつ単分散のナノ粒子形態である、
方法。 - 電池セルにおける金属リチウムアノードを不動態化する方法であって、前記電池セルに、酸性であるが超酸性ではない表面を含む少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料を含むカソードを設ける工程であって、前記表面が、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有する、工程を含み、
前記少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料が、Cl、Br、BO 3 、SO 4 、PO 4 、CH 3 COO、C 2 O 4 およびC 6 H 5 O 7 よりなる群から選択される少なくとも1つの材料で表面官能化されており、
前記固体金属酸化物ナノ材料がスズ酸化物であり、100nm未満のサイズの範囲にあり、かつ単分散のナノ粒子形態である、
方法。 - アノード、電解質、およびカソードを含む電池セルであって、前記カソードが、酸性であるが超酸性ではない表面を含む少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料を含み、前記表面は、乾燥後、水に5重量%で再懸濁させたときに5未満のpH、および-12より大きいハメット関数H0を有し、前記アノードの少なくとも一部が本質的に金属リチウムからなり、
前記少なくとも1つの固体金属酸化物ナノ材料が、Cl、Br、BO 3 、SO 4 、PO 4 、CH 3 COO、C 2 O 4 およびC 6 H 5 O 7 よりなる群から選択される少なくとも1つの材料で表面官能化されており、
前記固体金属酸化物ナノ材料がスズ酸化物を含み、100nm未満のサイズの範囲にあり、かつ単分散のナノ粒子形態である、
上記の電池セル。 - 前記固体金属酸化物ナノ材料がスズ酸化物である、請求項1に記載の電池セル。
- 前記固体金属酸化物ナノ材料がスズ酸化物である、請求項11に記載の電池セル。
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