JPH0831449A - 二次電池用高容量電池 - Google Patents
二次電池用高容量電池Info
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- JPH0831449A JPH0831449A JP6184109A JP18410994A JPH0831449A JP H0831449 A JPH0831449 A JP H0831449A JP 6184109 A JP6184109 A JP 6184109A JP 18410994 A JP18410994 A JP 18410994A JP H0831449 A JPH0831449 A JP H0831449A
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- poly
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- cathode
- polymer
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 新規な複合陰極材料を有する電池を提供す
る。 【構成】 陽極と、陽極と陰極とに対して化学的に不活
性な重合体電解質と、陰極活性材料として有機−硫黄化
合物、電子移動用の共役重合体、及びイオン移動用の重
合体電解質とを有する複合陰極を含む電流発生用の電
池。
る。 【構成】 陽極と、陽極と陰極とに対して化学的に不活
性な重合体電解質と、陰極活性材料として有機−硫黄化
合物、電子移動用の共役重合体、及びイオン移動用の重
合体電解質とを有する複合陰極を含む電流発生用の電
池。
Description
【0001】本発明は薄いフィルム状をしたソリッドス
テートの電気化学電池に関する。さらに詳述すれば、本
発明は有機硫黄化合物、p−ドープ共役重合体、及び重
合体の電解質の複合体からなる新規な陽極に関する。
テートの電気化学電池に関する。さらに詳述すれば、本
発明は有機硫黄化合物、p−ドープ共役重合体、及び重
合体の電解質の複合体からなる新規な陽極に関する。
【0002】ここ数年、重合体電解質と、挿入材料の陰
極をベースにした薄いフィルム状のリチウム二次電池に
ついて、少なからぬ興味が示されてきた。そして携帯式
通信機、消費者用電子機器、携帯式コンピュータ、およ
び電気自動車の高性能バッテリーにたいする新しい需要
に支えられて、激しい研究努力が払われてきた。有機硫
黄化合物をベースにした陰極を用いる薄いフィルム状の
ソリッドステート電池は、エネルギー対重量比が高いた
めに特に好適である。
極をベースにした薄いフィルム状のリチウム二次電池に
ついて、少なからぬ興味が示されてきた。そして携帯式
通信機、消費者用電子機器、携帯式コンピュータ、およ
び電気自動車の高性能バッテリーにたいする新しい需要
に支えられて、激しい研究努力が払われてきた。有機硫
黄化合物をベースにした陰極を用いる薄いフィルム状の
ソリッドステート電池は、エネルギー対重量比が高いた
めに特に好適である。
【0003】リチウムとナトリウムの薄いフィルム状の
バッテリーを作るのに使用する、主たる二つのタイプの
陰極材料が当業界では周知である。第一の材料には、陽
極としてアルカリ金属を用いた二硫化チタンのような遷
移金属のカルコゲン化物が含まれている。例えば陰極活
性カルコゲン化物のうちに、US−4049879は遷
移金属リンのカルコゲン化物をあげている。これ以外の
US−4143214、4152491、及び4664
991の特許では、陰極が、一般式CX S(xの代表値
が10、又はこれ以上である)の炭素/硫黄をベースに
した材料である電池について記載している。
バッテリーを作るのに使用する、主たる二つのタイプの
陰極材料が当業界では周知である。第一の材料には、陽
極としてアルカリ金属を用いた二硫化チタンのような遷
移金属のカルコゲン化物が含まれている。例えば陰極活
性カルコゲン化物のうちに、US−4049879は遷
移金属リンのカルコゲン化物をあげている。これ以外の
US−4143214、4152491、及び4664
991の特許では、陰極が、一般式CX S(xの代表値
が10、又はこれ以上である)の炭素/硫黄をベースに
した材料である電池について記載している。
【0004】チャング等のUS−4142294は、陰
極が式Cx S(xの数値が約4から約50である)を含
む電池について記載している。またチャング等のUS−
4152491は、陰極活性材料が複数個の一硫化炭素
の構成単位をもつ一つ、またはそれ以上の重合体を含
む、電流発生電池について記載している。一硫化炭素の
構成単位は一般に(CS)x で示され、ここにxは少な
くとも5の整数で、少なくとも50にとることも可能で
あり、少なくとも100にとるのが好ましいとしてい
る。チャング等が開発した二つの電池では、硫黄−硫黄
結合の密度が低いためにエネルギー貯蔵能力が制限され
ている。
極が式Cx S(xの数値が約4から約50である)を含
む電池について記載している。またチャング等のUS−
4152491は、陰極活性材料が複数個の一硫化炭素
の構成単位をもつ一つ、またはそれ以上の重合体を含
む、電流発生電池について記載している。一硫化炭素の
構成単位は一般に(CS)x で示され、ここにxは少な
くとも5の整数で、少なくとも50にとることも可能で
あり、少なくとも100にとるのが好ましいとしてい
る。チャング等が開発した二つの電池では、硫黄−硫黄
結合の密度が低いためにエネルギー貯蔵能力が制限され
ている。
【0005】ペリコウド等のUS−4664991には
一方向に電導性をもつ重合体と、重合体と錯体を形成す
る少なくとも一つの多硫化鎖とを含む材料が記載されて
いる。ペリコウド等は二つの成分を持つ材料を使用して
いる。その一つはポリアセチレン、ポリパラフェニレ
ン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、及
びこれらの置換誘導体からなる群から選択した電導性重
合体である。他の一つは電導性重合体に対して電荷移動
可能な関係にある多硫化鎖である。多硫化鎖は、硫黄を
高温に加熱して形成し、長ったらしい....S−S−S−
S....組成の鎖を作る。この材料を用いる結果として、
ぺリコウド等の電池はリチウムに対して僅かに2.0V
とかなり低い電圧を示す。
一方向に電導性をもつ重合体と、重合体と錯体を形成す
る少なくとも一つの多硫化鎖とを含む材料が記載されて
いる。ペリコウド等は二つの成分を持つ材料を使用して
いる。その一つはポリアセチレン、ポリパラフェニレ
ン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、及
びこれらの置換誘導体からなる群から選択した電導性重
合体である。他の一つは電導性重合体に対して電荷移動
可能な関係にある多硫化鎖である。多硫化鎖は、硫黄を
高温に加熱して形成し、長ったらしい....S−S−S−
S....組成の鎖を作る。この材料を用いる結果として、
ぺリコウド等の電池はリチウムに対して僅かに2.0V
とかなり低い電圧を示す。
【0006】これと関連して、ドジョンゲ等のUS−4
833048には、式〔R(S)y〕n(y=1〜6;
n=2〜20、およびRが1個から20個の炭素原子を
もつ、一つ又はそれ以上の異なる脂肪族、又は芳香族の
有機部分である)の有機−硫黄化合物から作った陰極が
記載されている。Rが脂肪族鎖のときは、鎖と関連させ
て1個、またはそれ以上の酸素、硫黄、窒素、または弗
素原子を含めることができる。脂肪族鎖は線状か分枝し
た飽和または不飽和であることができる。脂肪族鎖、ま
たは芳香族環は置換基を有してもかまわない。好ましい
陰極材料の形は簡単なダイマーであるか、または(R
S)2 である。有機部分Rが直鎖、または分枝した脂肪
族鎖の時は、アルキル、アルケニル、アルキニル、アル
コキシアルキル、アルキルチオアルキル、またはアミノ
アルキル基、及びこれらの弗素誘導体のような部分も含
めることができる。有機部分が芳香族基を含むときは、
この基はアリール、アラルキル、又はアルキルアリール
と、これらの弗素置換誘導体を含むことができ、環は一
つ、又はそれ以上の窒素、硫黄、又は酸素異種原子を環
中に含むこともできる。
833048には、式〔R(S)y〕n(y=1〜6;
n=2〜20、およびRが1個から20個の炭素原子を
もつ、一つ又はそれ以上の異なる脂肪族、又は芳香族の
有機部分である)の有機−硫黄化合物から作った陰極が
記載されている。Rが脂肪族鎖のときは、鎖と関連させ
て1個、またはそれ以上の酸素、硫黄、窒素、または弗
素原子を含めることができる。脂肪族鎖は線状か分枝し
た飽和または不飽和であることができる。脂肪族鎖、ま
たは芳香族環は置換基を有してもかまわない。好ましい
陰極材料の形は簡単なダイマーであるか、または(R
S)2 である。有機部分Rが直鎖、または分枝した脂肪
族鎖の時は、アルキル、アルケニル、アルキニル、アル
コキシアルキル、アルキルチオアルキル、またはアミノ
アルキル基、及びこれらの弗素誘導体のような部分も含
めることができる。有機部分が芳香族基を含むときは、
この基はアリール、アラルキル、又はアルキルアリール
と、これらの弗素置換誘導体を含むことができ、環は一
つ、又はそれ以上の窒素、硫黄、又は酸素異種原子を環
中に含むこともできる。
【0007】ドジョンゲ等が開発した電池では、電池の
放電と再充電の間の陰極における主反応は、硫黄−硫黄
結合の破壊と再形成である。硫黄−硫黄結合の破壊は、
硫黄−金属イオン錯体の形成と関連している。ドジョン
ゲ等が研究した有機−硫黄材料は、硫黄−硫黄結合の形
成と破壊がおこると、重合と解重合と受ける。電池の放
電中に進行する解重合は、電解質に可溶な低重量の単量
体種を生成する。その結果放電−充電サイクルが最高が
約200回の不満足なサイクルライフを生ぜしめる。
放電と再充電の間の陰極における主反応は、硫黄−硫黄
結合の破壊と再形成である。硫黄−硫黄結合の破壊は、
硫黄−金属イオン錯体の形成と関連している。ドジョン
ゲ等が研究した有機−硫黄材料は、硫黄−硫黄結合の形
成と破壊がおこると、重合と解重合と受ける。電池の放
電中に進行する解重合は、電解質に可溶な低重量の単量
体種を生成する。その結果放電−充電サイクルが最高が
約200回の不満足なサイクルライフを生ぜしめる。
【0008】ソトムラ等〔Elektrochimica Acta 37,p
p.1851 −1854,(1992)〕は、ドジョンゲ等が記載して
いる如き重合−解重合反応をうけることができる電導性
のポリアニリンと、ゲル重合体電解質と、2,5−ジメ
ルカプト−1,3,4−チアジアゾール化合物をベース
にした、リチウム電池用の複合陰極材料の形成について
論じている。ポリアニリンを含む複合体は、リチウム陽
極に対して、有機−硫黄化合物単独で得られるよりも、
より高い電圧を提供する。しかしドジョンゲ等が記載し
た化合物から分かる通り、鍵となる問題は、電池の放電
時に有機−硫黄化合物が解重合して単量体種をつくり、
これが大量の電解質中へ拡散して、電池のサイクル寿命
を著しく制限することにかわりはない。
p.1851 −1854,(1992)〕は、ドジョンゲ等が記載して
いる如き重合−解重合反応をうけることができる電導性
のポリアニリンと、ゲル重合体電解質と、2,5−ジメ
ルカプト−1,3,4−チアジアゾール化合物をベース
にした、リチウム電池用の複合陰極材料の形成について
論じている。ポリアニリンを含む複合体は、リチウム陽
極に対して、有機−硫黄化合物単独で得られるよりも、
より高い電圧を提供する。しかしドジョンゲ等が記載し
た化合物から分かる通り、鍵となる問題は、電池の放電
時に有機−硫黄化合物が解重合して単量体種をつくり、
これが大量の電解質中へ拡散して、電池のサイクル寿命
を著しく制限することにかわりはない。
【0009】陰極用の有機−硫黄材料に対して各種の取
り組み方が提案されているが、高い蓄電容量と、高い放
電速度と、周囲温度のもとでの長いサイクル寿命とをも
つ、安価な陰極材料への要求はそのまま残っている。
り組み方が提案されているが、高い蓄電容量と、高い放
電速度と、周囲温度のもとでの長いサイクル寿命とをも
つ、安価な陰極材料への要求はそのまま残っている。
【0010】ドジョンゲ等とソトムラ等が記載した有機
−硫黄材料は、電池の放電時に単量体種の形成をもたら
し、その結果陰極の単量体材料が大量の電解質中へ拡散
するために、サイクル寿命が極度に制限されるので、従
来技術に存在した制限を排除する一方、周知材料の性能
特性より遥に高い性能特性を持つとともに、実際の比エ
ネルギーが1000wh/kg 以上にも達する、新複合陰極
材料を提供するのが本発明の主たる目的である。
−硫黄材料は、電池の放電時に単量体種の形成をもたら
し、その結果陰極の単量体材料が大量の電解質中へ拡散
するために、サイクル寿命が極度に制限されるので、従
来技術に存在した制限を排除する一方、周知材料の性能
特性より遥に高い性能特性を持つとともに、実際の比エ
ネルギーが1000wh/kg 以上にも達する、新複合陰極
材料を提供するのが本発明の主たる目的である。
【0011】また活性材料として有機−硫黄化合物と、
電子伝導性成分としてのp−ドープ共役重合体とを含
み、その際有機−硫黄化合物が、還元されたとき解重合
を受けて可溶性の分子種を生成しないような高分子量の
化合物である、新しい複合陰極を提供するのが本発明の
別の目的である。
電子伝導性成分としてのp−ドープ共役重合体とを含
み、その際有機−硫黄化合物が、還元されたとき解重合
を受けて可溶性の分子種を生成しないような高分子量の
化合物である、新しい複合陰極を提供するのが本発明の
別の目的である。
【0012】活性陰極材料として式(CSx )n (xは
約1.7から約2.3、nは2より大、好ましくは20
より大で、最も好ましいのは50より大)のポリ(二硫
化炭素)と;電子伝導成分としてp−ドープポリアニリ
ン(ポリアニリン)とを含む新しい複合陰極を提供する
のが本発明の更に別の目的である。
約1.7から約2.3、nは2より大、好ましくは20
より大で、最も好ましいのは50より大)のポリ(二硫
化炭素)と;電子伝導成分としてp−ドープポリアニリ
ン(ポリアニリン)とを含む新しい複合陰極を提供する
のが本発明の更に別の目的である。
【0013】本発明の新規な複合陰極を含むソリッドス
テートの、再充電可能な電池の製造方法を提供するのも
又本発明の目的である。
テートの、再充電可能な電池の製造方法を提供するのも
又本発明の目的である。
【0014】1992年12月17日出願のUS−07
/991948には、陰極活性材料としてポリ(二硫化
炭素)の使用についての記載がある。これは引用してこ
こに組入れる。
/991948には、陰極活性材料としてポリ(二硫化
炭素)の使用についての記載がある。これは引用してこ
こに組入れる。
【0015】本発明は(a)一種以上のアルカリ、又は
アルカリ土類金属、およびこれらの混合物;アルカリ金
属と共役重合体との複合体、または挿入炭素である陽
極、(b)陰極活性材料として一種以上の炭素−硫黄化
合物と;一種以上の好ましくはp−ドープした共役重合
体、および重合体電解質とを含み、その際p−ドープ共
役重合体が電池電圧を高める新規な複合陰極、及び
(c)陽極と陰極に対して化学的に不活性であって、陽
極と陰極間のイオン移動を可能にする電解質、を含有す
る再充電が可能なソリッドステート電流発生装置を提供
する。
アルカリ土類金属、およびこれらの混合物;アルカリ金
属と共役重合体との複合体、または挿入炭素である陽
極、(b)陰極活性材料として一種以上の炭素−硫黄化
合物と;一種以上の好ましくはp−ドープした共役重合
体、および重合体電解質とを含み、その際p−ドープ共
役重合体が電池電圧を高める新規な複合陰極、及び
(c)陽極と陰極に対して化学的に不活性であって、陽
極と陰極間のイオン移動を可能にする電解質、を含有す
る再充電が可能なソリッドステート電流発生装置を提供
する。
【0016】陽極材料は金属元素;または金属元素と、
周期表の第IA族と第IIA族の金属から選択した元素か
ら作った一つ又はそれ以上の合金との混合物を含む合金
でもかまわない。リチウムとナトリウムは、本発明の電
池の陽極材料として有用なものである。また陽極をLi
CX (xは6に等しいか、またはそれ以上である)の如
き挿入炭素であることもできる。また陽極を、リチウム
またはナトリウムのようなアルカリ金属と、ポリ(p−
フェニレン)、ポリ(p−フェニレンビニレン)、また
はポリアセチレンのようなn−ドープ共役重合体から作
った複合体であってもよい。陽極を2層、またはそれ以
上の層にして、ポリ(p−フェニレン)、ポリ(p−フ
ェニレンビニレン)、またはポリアセチレンのようなn
−ドープ共役重合体を、電解質とアルカリ金属、または
アルカリ金属複合体間に介在させることもできる。
周期表の第IA族と第IIA族の金属から選択した元素か
ら作った一つ又はそれ以上の合金との混合物を含む合金
でもかまわない。リチウムとナトリウムは、本発明の電
池の陽極材料として有用なものである。また陽極をLi
CX (xは6に等しいか、またはそれ以上である)の如
き挿入炭素であることもできる。また陽極を、リチウム
またはナトリウムのようなアルカリ金属と、ポリ(p−
フェニレン)、ポリ(p−フェニレンビニレン)、また
はポリアセチレンのようなn−ドープ共役重合体から作
った複合体であってもよい。陽極を2層、またはそれ以
上の層にして、ポリ(p−フェニレン)、ポリ(p−フ
ェニレンビニレン)、またはポリアセチレンのようなn
−ドープ共役重合体を、電解質とアルカリ金属、または
アルカリ金属複合体間に介在させることもできる。
【0017】本発明の電池に使用する陰極は、陰極活性
材料としてポリ(二硫化炭素)のような有機−硫黄化合
物と、イオン移動用の重合体電解質と、電子移動用のポ
リアニリン、ポリ(p−フェニレン)、またはポリ(p
−フェニレンビニレン)のようなp−ドープ共役重合体
とからなる複合材料である。陽極にたいして有機−硫黄
化合物より共役重合体が高電圧になるように選択して、
電池電圧が高まるようにする。ポリ(二硫化炭素)とポ
リアニリンから作った複合陰極は、本発明の電池用の陰
極材料として直接使用される。
材料としてポリ(二硫化炭素)のような有機−硫黄化合
物と、イオン移動用の重合体電解質と、電子移動用のポ
リアニリン、ポリ(p−フェニレン)、またはポリ(p
−フェニレンビニレン)のようなp−ドープ共役重合体
とからなる複合材料である。陽極にたいして有機−硫黄
化合物より共役重合体が高電圧になるように選択して、
電池電圧が高まるようにする。ポリ(二硫化炭素)とポ
リアニリンから作った複合陰極は、本発明の電池用の陰
極材料として直接使用される。
【0018】本発明の電池を製作するのに、二種類の重
合体電解質が成功裡に使用された。一つのシステムは、
LiSO2 CF3 のような溶解したリチウム塩の存在下
に、紫外放射線によって架橋を達成するためのメタクリ
レート部分と酸化エチレン側鎖をもつ分枝したポリシロ
キサンをベースにしている。別のシステムは周囲温度の
もとで無定形状態を維持するように、化学的に変性した
ポリエーテルである。
合体電解質が成功裡に使用された。一つのシステムは、
LiSO2 CF3 のような溶解したリチウム塩の存在下
に、紫外放射線によって架橋を達成するためのメタクリ
レート部分と酸化エチレン側鎖をもつ分枝したポリシロ
キサンをベースにしている。別のシステムは周囲温度の
もとで無定形状態を維持するように、化学的に変性した
ポリエーテルである。
【0019】本発明のソリッドステート電池を薄い多層
フィルムの積層品として製造する方法もここに提供す
る。本発明の電池の製法は、特に長期にわたってエネル
ギーを貯蔵する必要がある用途と、予備の電源用として
適している。
フィルムの積層品として製造する方法もここに提供す
る。本発明の電池の製法は、特に長期にわたってエネル
ギーを貯蔵する必要がある用途と、予備の電源用として
適している。
【0020】本発明の結果、従来有機−硫黄陰極材料で
達成できたのより高電圧、高エネルギー密度をもつ再充
電が可能なソリッドステートバッテリーが提供できるこ
とになる。その上これらの電池はまた貯蔵期間が長く、
自己放電速度が遅いうえにサイクル寿命が長い特性を持
っている。
達成できたのより高電圧、高エネルギー密度をもつ再充
電が可能なソリッドステートバッテリーが提供できるこ
とになる。その上これらの電池はまた貯蔵期間が長く、
自己放電速度が遅いうえにサイクル寿命が長い特性を持
っている。
【0021】本発明をさらによく理解するためには次の
説明と、添付した図面とを参照されたい。本発明の範囲
は添付した請求の範囲に示す通りである。
説明と、添付した図面とを参照されたい。本発明の範囲
は添付した請求の範囲に示す通りである。
【0022】本発明の新規な電池は、特殊な陽極と電解
質;および重合体の電解質、有機−硫黄化合物、共役重
合体または無機酸化物、および有効量の電導性炭素の複
合体である陰極を含有する。本発明の電池に使用する陽
極は、周期表第IA族,および第IIA族の金属からなる
群から選択した一種以上の金属を含んでいる。陽極は本
発明の新規な陰極複合材料と組あわせたとき、陰極とし
て機能できる金属を含有できる。しかし陽極は一種以上
のアルカリ金属、一種以上のアルカリ土類金属、または
共役重合体とアルカリ金属の複合体、あるいは黒鉛性炭
素を含むのが好ましい。最も好ましいのは陽極が厚みが
約10μm から約200μm の薄いリチウムのフィルム
又は箔、あるいはリチウムとポリ(p−フェニレン)の
薄いフィルム複合体を含む。
質;および重合体の電解質、有機−硫黄化合物、共役重
合体または無機酸化物、および有効量の電導性炭素の複
合体である陰極を含有する。本発明の電池に使用する陽
極は、周期表第IA族,および第IIA族の金属からなる
群から選択した一種以上の金属を含んでいる。陽極は本
発明の新規な陰極複合材料と組あわせたとき、陰極とし
て機能できる金属を含有できる。しかし陽極は一種以上
のアルカリ金属、一種以上のアルカリ土類金属、または
共役重合体とアルカリ金属の複合体、あるいは黒鉛性炭
素を含むのが好ましい。最も好ましいのは陽極が厚みが
約10μm から約200μm の薄いリチウムのフィルム
又は箔、あるいはリチウムとポリ(p−フェニレン)の
薄いフィルム複合体を含む。
【0023】共役重合体−リチウムの複合体陽極は、適
切なアルカリ金属を多孔質重合体中に分散させて含む共
役重合体の多孔質フィルムの形であることができる。共
役重合体フィルムをUS−4695521に記載する通
り、好適な有機溶媒中での電着によって、アルカリ金属
を充填した重合体の圧縮粉末から作ることもできる。
切なアルカリ金属を多孔質重合体中に分散させて含む共
役重合体の多孔質フィルムの形であることができる。共
役重合体フィルムをUS−4695521に記載する通
り、好適な有機溶媒中での電着によって、アルカリ金属
を充填した重合体の圧縮粉末から作ることもできる。
【0024】また共役重合体フィルムは、重合体、また
はポリ(p−フェニレン)の場合にはセクシフェニルの
ような重合体のオリゴマーを真空下に熱蒸発させて作る
こともできる。共役重合体とアルカリ金属の複合体を、
このようにして共蒸発によって作ることもできる。
はポリ(p−フェニレン)の場合にはセクシフェニルの
ような重合体のオリゴマーを真空下に熱蒸発させて作る
こともできる。共役重合体とアルカリ金属の複合体を、
このようにして共蒸発によって作ることもできる。
【0025】電解質は、無定形ポリエーテル、酸化エチ
レンの側鎖をもつ分枝したポリシロキサン、または酸化
エチレンの側鎖をもつ分枝したポリホスファゼンのよう
な固体の重合体電解質の薄いフィルムであることもでき
る。重合体電解質の電導度は、プロピレンカーボネー
ト、エチレンカーボネート、N−メチルアセトアミド、
スルホネート、スルホラン、1,2−ジメトキシエタ
ン、ポリ(エチレングリコール)、1,3−ジオキソラ
ン、およびグリムのような低分子量の可塑剤を添加する
ことで高めることができる。可塑化した重合体電解質
は、ゲル重合体電解質としても周知である。重合体電解
質は、専ら陽イオン伝導性の重合体電解質、陰イオン電
荷が重合体の主鎖に共有的に結合した、いわゆる単一イ
オン伝導体であることもできる。単一イオン伝導性重合
体電解質の電導度は、可塑化化合物の添加によって高め
ることができる。重合体電解質の好ましい厚みは10μ
mから100μmの範囲にある。
レンの側鎖をもつ分枝したポリシロキサン、または酸化
エチレンの側鎖をもつ分枝したポリホスファゼンのよう
な固体の重合体電解質の薄いフィルムであることもでき
る。重合体電解質の電導度は、プロピレンカーボネー
ト、エチレンカーボネート、N−メチルアセトアミド、
スルホネート、スルホラン、1,2−ジメトキシエタ
ン、ポリ(エチレングリコール)、1,3−ジオキソラ
ン、およびグリムのような低分子量の可塑剤を添加する
ことで高めることができる。可塑化した重合体電解質
は、ゲル重合体電解質としても周知である。重合体電解
質は、専ら陽イオン伝導性の重合体電解質、陰イオン電
荷が重合体の主鎖に共有的に結合した、いわゆる単一イ
オン伝導体であることもできる。単一イオン伝導性重合
体電解質の電導度は、可塑化化合物の添加によって高め
ることができる。重合体電解質の好ましい厚みは10μ
mから100μmの範囲にある。
【0026】本発明の電池に用いられる陰極は、その陰
極活性材料として、有機−硫黄化合物と、イオン移動用
の重合体電解質、及びp−ドープ共役重合体とを含んで
いる。電子伝導性を付与すること以外に、有機−硫黄化
合物よりも陽極に対して高い電圧を有するようp−ドー
プ共役重合体を選択して、電池により高電圧に与えるよ
うにする。最も好ましいのは、陰極が、陰極活性材料と
してのポリ(二硫化炭素)を、電子伝導性共役重合体と
してのp−ドープポリアニリンを含む。ポリ(二硫化炭
素)は、ジメチルスルホキサイドのような適切な溶媒中
で、二硫化炭素と金属ナトリウムを反応させて作ること
ができる。陰極の好ましい厚みは約25μmから約20
0μmである。ポリ(二硫化炭素)は式(CSX )
n (xは約1.7から約2.3であり、nは2より大、
好ましくは20より大、最も好ましくは50より大であ
る)を有する。分子量が大きくなるほど、陰極活性材料
が酸化状態、または帯電状態で電解質中へ溶解すること
を防止できる。
極活性材料として、有機−硫黄化合物と、イオン移動用
の重合体電解質、及びp−ドープ共役重合体とを含んで
いる。電子伝導性を付与すること以外に、有機−硫黄化
合物よりも陽極に対して高い電圧を有するようp−ドー
プ共役重合体を選択して、電池により高電圧に与えるよ
うにする。最も好ましいのは、陰極が、陰極活性材料と
してのポリ(二硫化炭素)を、電子伝導性共役重合体と
してのp−ドープポリアニリンを含む。ポリ(二硫化炭
素)は、ジメチルスルホキサイドのような適切な溶媒中
で、二硫化炭素と金属ナトリウムを反応させて作ること
ができる。陰極の好ましい厚みは約25μmから約20
0μmである。ポリ(二硫化炭素)は式(CSX )
n (xは約1.7から約2.3であり、nは2より大、
好ましくは20より大、最も好ましくは50より大であ
る)を有する。分子量が大きくなるほど、陰極活性材料
が酸化状態、または帯電状態で電解質中へ溶解すること
を防止できる。
【0027】リチウム又はナトリウム電池の何れにおい
て、設計の主たる関心は、硫黄ー硫黄結合の生成と切断
の力学と、利用可能な硫黄原子密度と、陽極に対する電
圧、及び重合体電解質と有機−硫黄化合物の混和性であ
る。
て、設計の主たる関心は、硫黄ー硫黄結合の生成と切断
の力学と、利用可能な硫黄原子密度と、陽極に対する電
圧、及び重合体電解質と有機−硫黄化合物の混和性であ
る。
【0028】ソリッドステート電池の陰極活性材料とし
てポリ(二硫化炭素)を使用する主たる利点は、酸化−
還元に利用できる硫黄−硫黄結合の高密度にある。本発
明の陰極に使用する全てのポリ(二硫化炭素)化合物で
は、硫黄濃度が炭素濃度より常に高い。ポリ(二硫化炭
素)を使用すると、リチウムイオン貯蔵能力が少なくと
も680mAh /g ,即ちMn O2 ,Mn2 O4 ,NiO
2 ,CoO2 またはTiS2 のような無機挿入化合物の
能力の約2倍に相当する陰極活性材料を提供する。
てポリ(二硫化炭素)を使用する主たる利点は、酸化−
還元に利用できる硫黄−硫黄結合の高密度にある。本発
明の陰極に使用する全てのポリ(二硫化炭素)化合物で
は、硫黄濃度が炭素濃度より常に高い。ポリ(二硫化炭
素)を使用すると、リチウムイオン貯蔵能力が少なくと
も680mAh /g ,即ちMn O2 ,Mn2 O4 ,NiO
2 ,CoO2 またはTiS2 のような無機挿入化合物の
能力の約2倍に相当する陰極活性材料を提供する。
【0029】ソリッドステート電池の陰極活性材料とし
てポリ(二硫化炭素)を使用するこれ以外の利点をあげ
れば、酸化と還元中に発生して、特にゲル重合体電解質
を含む重合体電解質相へ拡散しうる低分子量部分が実際
に存在しないことと、周囲温度下での硫黄−硫黄結合の
生成と切断速度が迅速なことである。ポリ(二硫化炭
素)の可能な構造を図1に示す。合成したままのポリ
(二硫化炭素)の実際の構造は、図1に示した少なくと
も二つの形態の共重合体のようにみえるが、完全には決
定されていない。ポリ(二硫化炭素)が通常の溶媒へ溶
解しないことが高分子量を示すもので、これがドジョン
ゲ等が記載している有機−硫黄材料よりポリ(二硫化炭
素)が勝る重要な利点である。その結果バッテリー電池
の保存期間が著しく長くなり、サイクル寿命が大きく延
びることになる。ドジョンゲ等が記載している有機−硫
黄材料を、リチウム陽極のバッテリー電池に用いると約
200回以上のサイクルは不可能なのに対し、ポリ(二
硫化炭素)をベースにした陰極では4000回以上もの
サイクルが可能である。
てポリ(二硫化炭素)を使用するこれ以外の利点をあげ
れば、酸化と還元中に発生して、特にゲル重合体電解質
を含む重合体電解質相へ拡散しうる低分子量部分が実際
に存在しないことと、周囲温度下での硫黄−硫黄結合の
生成と切断速度が迅速なことである。ポリ(二硫化炭
素)の可能な構造を図1に示す。合成したままのポリ
(二硫化炭素)の実際の構造は、図1に示した少なくと
も二つの形態の共重合体のようにみえるが、完全には決
定されていない。ポリ(二硫化炭素)が通常の溶媒へ溶
解しないことが高分子量を示すもので、これがドジョン
ゲ等が記載している有機−硫黄材料よりポリ(二硫化炭
素)が勝る重要な利点である。その結果バッテリー電池
の保存期間が著しく長くなり、サイクル寿命が大きく延
びることになる。ドジョンゲ等が記載している有機−硫
黄材料を、リチウム陽極のバッテリー電池に用いると約
200回以上のサイクルは不可能なのに対し、ポリ(二
硫化炭素)をベースにした陰極では4000回以上もの
サイクルが可能である。
【0030】高分子量のポリ(二硫化炭素)の二番目の
顕著な利点は、周囲温度又はそれ以下の温度での硫黄−
硫黄結合の生成と切断速度が迅速なことで、その結果室
温でも高い陰極の利用度のもとにバッテリー電池の作動
が可能になる。これに対しドジョンゲ等が記載している
有機−硫黄材料は80℃、またはそれ以上の高温でのみ
硫黄−硫黄結合の生成と切断を有効に受ける。周囲温度
のもとでのポリ(二硫化炭素)の硫黄−硫黄結合の生成
と切断の異常とも言える速さの速度論はまだ充分には理
解されていないが、この重合体の高分子量と、その非局
在化した電子構造をもつ、一種の共役形態の結果である
と信じられる。高度に可逆的な速度論は、還元されても
ポリ(二硫化炭素)が解重合されずに高分子量を維持
し、従って高度に非局在化した電子構造を持つことを示
す一つの兆候である。
顕著な利点は、周囲温度又はそれ以下の温度での硫黄−
硫黄結合の生成と切断速度が迅速なことで、その結果室
温でも高い陰極の利用度のもとにバッテリー電池の作動
が可能になる。これに対しドジョンゲ等が記載している
有機−硫黄材料は80℃、またはそれ以上の高温でのみ
硫黄−硫黄結合の生成と切断を有効に受ける。周囲温度
のもとでのポリ(二硫化炭素)の硫黄−硫黄結合の生成
と切断の異常とも言える速さの速度論はまだ充分には理
解されていないが、この重合体の高分子量と、その非局
在化した電子構造をもつ、一種の共役形態の結果である
と信じられる。高度に可逆的な速度論は、還元されても
ポリ(二硫化炭素)が解重合されずに高分子量を維持
し、従って高度に非局在化した電子構造を持つことを示
す一つの兆候である。
【0031】複合陰極の電子伝導成分にp−ドープ共役
重合体を使用する主要な利点は、電導性炭素を使用する
ことによって得られるよりも、アルカリ金属陽極に対す
るより高い電池電圧が供給することである。Li/重合
体電解質/ポリ(二硫化炭素)−炭素電池の開路電圧は
2.85Vなのに対し、Li/重合体電解質/ポリ(二
硫化炭素)−ポリアニリン電池の開路電圧は3.23V
である。Allied−Signal, Inc.の製品であるVersicon
(商標)ポリアニリンのような、加工性のある共役重合
体の形態が特に好ましい。
重合体を使用する主要な利点は、電導性炭素を使用する
ことによって得られるよりも、アルカリ金属陽極に対す
るより高い電池電圧が供給することである。Li/重合
体電解質/ポリ(二硫化炭素)−炭素電池の開路電圧は
2.85Vなのに対し、Li/重合体電解質/ポリ(二
硫化炭素)−ポリアニリン電池の開路電圧は3.23V
である。Allied−Signal, Inc.の製品であるVersicon
(商標)ポリアニリンのような、加工性のある共役重合
体の形態が特に好ましい。
【0032】複合陰極中の電子伝導成分として共役重合
体を使用する第二の利点は、重合体電解質と陰極のポリ
(二硫化炭素)陰極活性材料との良好な混和性にあり、
高電子伝導性をもたらし、その結果電池内の抵抗ロスが
低下することである。ポリ(二硫化炭素)、重合体電解
質、及び10%電導性炭素を含む複合陰極の電導度は約
10-4S/cmであるのに対し、ポリ(二硫化炭素)、
重合体電解質、及び10%ポリアニリンを含む複合陰極
の電導度は少なくとも10-3S/cm,またはこれの1
0倍高い。図2はポリアミンの通常の形態を示す概略図
である。複合陰極のポリアニリンの好ましい形態はエメ
ラルジン塩の形である。
体を使用する第二の利点は、重合体電解質と陰極のポリ
(二硫化炭素)陰極活性材料との良好な混和性にあり、
高電子伝導性をもたらし、その結果電池内の抵抗ロスが
低下することである。ポリ(二硫化炭素)、重合体電解
質、及び10%電導性炭素を含む複合陰極の電導度は約
10-4S/cmであるのに対し、ポリ(二硫化炭素)、
重合体電解質、及び10%ポリアニリンを含む複合陰極
の電導度は少なくとも10-3S/cm,またはこれの1
0倍高い。図2はポリアミンの通常の形態を示す概略図
である。複合陰極のポリアニリンの好ましい形態はエメ
ラルジン塩の形である。
【0033】本発明の好ましい例の詳細を、以下に示す
実施例で説明する。
実施例で説明する。
【0034】
【実施例】 実施例 1 ポリ(二硫化炭素)−ポリアニリン複合陰極の製造;ポ
リ(二硫化炭素)粉末48重量%、Allied-Signal,Inc.
製のVersicon形態のポリアニリン粉末12重量%、アセ
チレンブラック20重量%、及び重合体電解質20重量
%を物理的混合物から複合陰極を作った。複合陰極を作
るのに使用した重合体電解質は、ポリ(酸化エチレン)
と、酸化エチレンを側鎖にもつ分枝したポリシロキサン
〔ポリシロキサン−g−(酸化エチレン)7 〕、および
リチウム当たりの酸化エチレン24単位の比のLiCl
O4 との混合物からなっていた。重合体電解質を先ずア
セトニトリルに溶解し、ポリ(二硫化炭素)、ポリアニ
リン、及びアセチレンブラックの混合物に添加して、粘
性のあるスラリーにした。厚みが約100μmの複合陰
極をNi箔の基体上にキャストし、溶剤を蒸発させた。
複合陰極と分枝したポリシロキサン電解質、及びリチウ
ム箔陽極を含む電池を組み立てた。本電池の開路電圧は
3.23Vであった。複合陰極にポリアニリンを入れな
い電池の対応する開路電圧は2.85Vであった。
リ(二硫化炭素)粉末48重量%、Allied-Signal,Inc.
製のVersicon形態のポリアニリン粉末12重量%、アセ
チレンブラック20重量%、及び重合体電解質20重量
%を物理的混合物から複合陰極を作った。複合陰極を作
るのに使用した重合体電解質は、ポリ(酸化エチレン)
と、酸化エチレンを側鎖にもつ分枝したポリシロキサン
〔ポリシロキサン−g−(酸化エチレン)7 〕、および
リチウム当たりの酸化エチレン24単位の比のLiCl
O4 との混合物からなっていた。重合体電解質を先ずア
セトニトリルに溶解し、ポリ(二硫化炭素)、ポリアニ
リン、及びアセチレンブラックの混合物に添加して、粘
性のあるスラリーにした。厚みが約100μmの複合陰
極をNi箔の基体上にキャストし、溶剤を蒸発させた。
複合陰極と分枝したポリシロキサン電解質、及びリチウ
ム箔陽極を含む電池を組み立てた。本電池の開路電圧は
3.23Vであった。複合陰極にポリアニリンを入れな
い電池の対応する開路電圧は2.85Vであった。
【図1】ポリ(二硫化炭素)の可能な構造を示す概略図
である。
である。
【図2】通常の形態のポリアニリンの構造を示す概略図
である。
である。
【図3】共役重合体のポリアセチレン、ポリ(p−フェ
ニレン)、ポリ(p−フェニレンビニレン)、及びポリ
−(2,5−チエニレンビニレン)の構造を示す概略図
である。
ニレン)、ポリ(p−フェニレンビニレン)、及びポリ
−(2,5−チエニレンビニレン)の構造を示す概略図
である。
【図4】陽極が単層である電池の、薄いフィルム積層体
構造を示す概略図である。
構造を示す概略図である。
【図5】電解質とアルカリ金属陽極の間に挿入した共役
重合体の薄いフィルムを有する電池の、薄いフィルム積
層体構造を示す概略図である。
重合体の薄いフィルムを有する電池の、薄いフィルム積
層体構造を示す概略図である。
【手続補正書】
【提出日】平成6年10月14日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
Claims (14)
- 【請求項1】 (a)陽極; (b)陰極活性材料としてのポリ(二硫化炭素)、陽極
に対する電池電圧を増強し、電子の移動を与えるp−ド
ープ共役重合体、及びイオンの移動のための電解質を含
有する複合陰極;及び (c)前記陽極及び前記陰極に対して化学的に不活性で
あり、前記陽極及び前記陰極の間にイオンを移動させる
電解質を含有することを特徴とする電流発生電池。 - 【請求項2】 前記共役重合体をポリアニリン、ポリア
セチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ(p−
フェニレン)、ポリ(p−フェニレンビニレン)、及び
ポリ(2,5−チエニレンビニレン)及びそれらの誘導
体からなる群から選択することを特徴とする請求項1の
電池。 - 【請求項3】 前記陽極が、一種以上のアルカリ金属、
一種以上のアルカリ金属の混合物、一種以上のアルカリ
土類金属、アルカリ金属挿入炭素、n−ドープ共役重合
体とアルカリ金属の複合体、n−ドープ共役重合体とア
ルカリ金属合金の複合体、及び前記アルカリ金属と電解
質の間に挿入したn−ドープ共役重合体のフィルムを有
するアルカリ金属からなる群から選択した材料を含むこ
とを特徴とする請求項1の電池。 - 【請求項4】 前記共役重合体を、ポリ(p−フェニレ
ン)、ポリ(p−フェニレンビニレン)、及びポリアセ
チレン及びそれらの誘導体からなる群から選択すること
を特徴とする請求項3の電池。 - 【請求項5】 前記アルカリ金属合金を、リチウム−ア
ルミニウム、リチウム−珪素、リチウム−アンチモナイ
ド、リチウム−錫、リチウム−鉛、及びナトリウム−鉛
からなる群から選択することを特徴とする請求項3の電
池。 - 【請求項6】 前記陰極活性材料が、式(CSX )
n (式中xは約1.7〜約2.3であり、nは2より大
なる整数である)を有するポリ(二硫化炭素)であるこ
とを特徴とする請求項1の電池。 - 【請求項7】 前記陰極活性材料が、式(CSx )
n (式中xは約1.7〜約2.3であり、nは20より
大なる整数である)を有するポリ(二硫化炭素)である
ことを特徴とする請求項1の電池。 - 【請求項8】 前記陰極活性材料が、式(CSx )
n (式中xは約1.7〜約2.3であり、nは50より
大なる整数である)を有するポリ(二硫化炭素)である
ことを特徴とする請求項1の電池。 - 【請求項9】 前記電解質を、固体重合体電解質、アニ
オン部分が重合体主鎖に共役結合している単一イオンカ
チオン伝導性重合体電解質、及びゲル重合体電解質から
なる群から選択することを特徴とする請求項1の電池。 - 【請求項10】 前記単一イオン伝導性重合体電解質
が、ポリシロキサン主鎖を有する単一リチウム又はナト
リウムイオン伝導性重合体であることを特徴とする請求
項9の電池。 - 【請求項11】 ゲル重合体電解質が、プロピレンカー
ボネート、エチレンカーボネート、N−メチルアセタミ
ド、スルホネート、スルホラン、ポリ(エチレングリコ
ール)、1,2−ジメトキシエタン、グリム及び1,3
−ジオキソランから選択した低分子量化合物で可塑化さ
れた単一イオン伝導性重合体電解質であることを特徴と
する請求項9の電池。 - 【請求項12】 前記電解質が、MClO4 ,MSO3
CF3 ,MBF4 ,MAsF6 ,MPF6 ,M(CF3
SO2 )2 N,MSO2 (CF2 )4 SO2N及びM
(CF3 SO2 )3 C(式中MはLi又はNaである)
からなる群から選択したアルカリ金属塩であることを特
徴とする請求項1の電池。 - 【請求項13】 電気伝導性陰極基体を、有効量のポリ
(二硫化炭素)、有効量のp−ドープ共役重合体、及び
有効量の重合体電解質を含む混合物で被覆することを特
徴とする複合陰極の形成方法。 - 【請求項14】 (a)一種以上のアルカリ金属、一種
以上のアルカリ土類金属、アルカリ金属挿入炭素、n−
ドープ共役重合体とアルカリ金属の複合体、n−ドープ
共役重合体とアルカリ金属合金の複合体、及び前記アル
カリ金属と電解質の間に挿入したn−ドープ共役重合体
のフィルムを有するアルカリ金属からなる群から選択し
た材料から形成した固体陽極を準備し、 (b)集電陰極基体を、有効量のポリ(二硫化炭素)、
有効量のp−ドープ共役重合体、及び有効量の重合体電
解質を含む混合物で被覆することによって形成した複合
陰極を準備し、 (c)前記陽極及び前記陰極の間に、固体重合体電解
質、単一イオン伝導性重合体電解質、及びゲル重合体電
解質からなる群から選択した電解質を内封することを特
徴とする再充電可能ソリッドステートバッテリーの形成
方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6184109A JPH0831449A (ja) | 1994-07-12 | 1994-07-12 | 二次電池用高容量電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6184109A JPH0831449A (ja) | 1994-07-12 | 1994-07-12 | 二次電池用高容量電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0831449A true JPH0831449A (ja) | 1996-02-02 |
Family
ID=16147552
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6184109A Pending JPH0831449A (ja) | 1994-07-12 | 1994-07-12 | 二次電池用高容量電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0831449A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001332306A (ja) * | 1999-11-22 | 2001-11-30 | Hitachi Maxell Ltd | ポリマー電解質および二次電池 |
JP2002532854A (ja) * | 1998-12-17 | 2002-10-02 | モルテック コーポレイション | カソード活性層中に高容量密度の電気活性硫黄含有物質を有する電気化学電池 |
US10355332B2 (en) | 2015-08-19 | 2019-07-16 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Electrolyte, lithium air battery including the electrolyte, and method of preparing the electrolyte |
-
1994
- 1994-07-12 JP JP6184109A patent/JPH0831449A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002532854A (ja) * | 1998-12-17 | 2002-10-02 | モルテック コーポレイション | カソード活性層中に高容量密度の電気活性硫黄含有物質を有する電気化学電池 |
JP2001332306A (ja) * | 1999-11-22 | 2001-11-30 | Hitachi Maxell Ltd | ポリマー電解質および二次電池 |
JP4562896B2 (ja) * | 1999-11-22 | 2010-10-13 | 日立マクセル株式会社 | ゲルポリマー電解質および二次電池 |
US10355332B2 (en) | 2015-08-19 | 2019-07-16 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Electrolyte, lithium air battery including the electrolyte, and method of preparing the electrolyte |
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