KR0137006B1 - Cell for making secondary batteries - Google Patents

Cell for making secondary batteries

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KR0137006B1
KR0137006B1 KR1019920700853A KR920700853A KR0137006B1 KR 0137006 B1 KR0137006 B1 KR 0137006B1 KR 1019920700853 A KR1019920700853 A KR 1019920700853A KR 920700853 A KR920700853 A KR 920700853A KR 0137006 B1 KR0137006 B1 KR 0137006B1
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sulfur
cell
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organosulfur
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KR1019920700853A
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Korean (ko)
Inventor
스티븐 제이 비스코
메이린 리우
루트가드 씨. 드종헤
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포올 알. 마르틴
더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

본 발명은 최신 기술의 고-온 전지 시스템보다 과량의 에너지와 전력밀도를 갖는 주변온도 내지 145℃ 의 대략적 온도범위(용융점 또는 전극/전해물에 의해 제한됨)에서 조작되는 전체 고체-상태 리튬 및 나트륨 전지에 관한 것이다. 이 바람직한 전지는 고체 리튬 또는 나트륨 전극, 리튬 트리플레이트(PEO8LiCF3SO3)로 도핑된 폴리에틸렌 옥시드와 같은 중합체 전해물(15), 및 중합체 유기 황 전극,(SRS)m, 및 중합체 전해물내에 분산되어 있는 카본블랙을 포함하는 고체-상태 합성 양극(14)으로 이루어진다.The present invention is a full solid-state lithium and sodium battery operated in an approximate temperature range (limited by melting point or electrode / electrolyte) from ambient temperature to 145 ° C. with excess energy and power density over state-of-the-art high-temperature cell systems. It is about. This preferred cell comprises a solid lithium or sodium electrode, a polymer electrolyte 15 such as polyethylene oxide doped with lithium triflate (PEO 8 LiCF 3 SO 3 ), and a polymer organic sulfur electrode, (SRS) m, and a polymer electrolyte. It consists of a solid-state synthetic anode 14 comprising dispersed carbon black.

Description

[발명의 명칭][Name of invention]

2차 전지 제조용 셀Secondary Battery Manufacturing Cell

[본 발명의 분야]FIELD OF THE INVENTION

본 발명은 2차 전지 제조용 금속-황 타입의 셀(cell) 및 특히 모든 성분을 고체 상태로 하여 작동하는 셀에 관한 것이다.The present invention relates to a metal-sulfur type cell for the manufacture of secondary batteries and in particular to a cell which operates in the solid state of all components.

2차 전지는 현대 사회에서 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 많은 양의 에너지가 필요하지 않는 적용 분야에서 사용되고 있다. 그러나, 상당한 전력을 필요로 하는 적용 분야에서 전지를 사용하는 것이 바람직하며, 전기 차량과 같은 고전력 적용에 적절한 전지를 개발하기 위해 많은 노력을 기울여 왔다. 물론, 그러한 전지는 또한 카메라 또는 휴대용 레코딩 장치와 같은 저전력 적용에 사용하기에도 적절하다.Secondary batteries are widely used in modern society, especially in applications where large amounts of energy are not needed. However, it is desirable to use batteries in applications that require significant power, and much effort has been made to develop batteries suitable for high power applications such as electric vehicles. Of course, such batteries are also suitable for use in low power applications such as cameras or portable recording devices.

현재, 가장 통상적인 2차 전지는 바람직하게는 자동차에서 사용되는 납-산 전지이다. 이 전지는 성능의 현저한 손실없이 많은 충전 주기 동안 작동될 수 있는 장점을 갖는다. 그러나, 이 전지는 전력 대 중량비가 낮다.At present, the most common secondary batteries are preferably lead-acid batteries used in automobiles. This cell has the advantage that it can be operated for many charge cycles without significant loss of performance. However, this battery has a low power to weight ratio.

중량비를 항상시키기 위해 리튬 전지가 면밀히 연구되어 왔다. 향상은 되었지만, 더욱 광범위한 용도로 사용될 수 있는 것이 바람직할 것이다.Lithium batteries have been studied closely to always keep the weight ratio. Although improved, it would be desirable to be able to use it for a wider range of applications.

전형적으로, 리튬 폴리에틸렌 옥사이드 셀은 최소 감소(FOM)가 향상 되었는데, 이는 평균 주기 용량과 주기의 수를 곱하고 그리고 과잉 설비 리튬 용량으로 나누어 계산하는데 약 50이다. 그러한 셀의 전형적인 예는 전기 활성 재료가 내위첨가 화합물인 리튬/폴리에틸렌 전지 시스템을 기술하고 있는 미국 특허 제 4,589,197 호에 기재되어 있다. 또한, 이 타입의 전지는 성능의 손실이 별로 없이 큰 크기로 비례적으로 증가시킬 수 있는 것으로 알러져 있다.Typically, lithium polyethylene oxide cells have improved minimum reduction (FOM), which is about 50 to multiply the average cycle capacity by the number of cycles and divide by the excess plant lithium capacity. Typical examples of such cells are described in US Pat. No. 4,589,197, which describes lithium / polyethylene battery systems in which the electroactive material is an internal addition compound. It is also known that this type of battery can be proportionally increased in large sizes with little loss of performance.

또 다른 리튬 타입의 셀은 충전된 상태에서 황-황 결합을 가지며 방전된 상태에서는 분해되어 유기 금속염을 형성하는, 유기황 양극을 사용하는 미국 특허 제 4,833,048 호에 기술되어 있다. 이 특허에는 셀이 뛰어난 중량비를 갖지만, 기재된 전극이 액체 상태로 사용되고 그리고 의도하는 전류 운반을 제공하기 위해 용매가 필요한 것으로 기술되어 있다. 본 발명은 이들 특허된 시스템 보다 향상된 성능을 제공한다. 특히 본 발명은 실온 또는 줍변 온도에서의 작동 능력과 함께 120 정도의 최소 감도를 갖는 셀을 제공한다.Another lithium type cell is described in US Pat. No. 4,833,048 which uses an organic sulfur anode, which has a sulfur-sulfur bond in the charged state and decomposes in the discharged state to form an organometallic salt. This patent states that although the cells have an excellent weight ratio, the described electrodes are used in the liquid state and solvents are needed to provide the intended current transport. The present invention provides improved performance over these patented systems. In particular, the present invention provides a cell having a minimum sensitivity of about 120 with the ability to operate at room or skirmish temperatures.

[본 발명의 요약]Summary of the Invention

이에 따라, 본 발명의 목적은 최소 감도가 높고, 주변 온도에서 작동되는 금속-황 타입의 셀을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a metal-sulfur type cell which has a high minimum sensitivity and operates at ambient temperature.

본 발명의 또 다른 목적은, 모든 성분이 고체 상태이며 재현가능한 성능값을 갖는 단위로 확실하게 제조될 수도 있는 셀을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a cell in which all components are solid and may be reliably produced in units with reproducible performance values.

본명의 추가의 목적은 부하 균분 및/또는 전기 차량 적용에서 요구되는 수준을 휠씬 초과하는 중량비를 갖는 전지를 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a battery having a weight ratio far exceeding the level required for load balancing and / or electric vehicle applications.

이들 및 다른 목적은 명세서를 계속 지켜보면 명백하게 알 것이다.These and other objects will become apparent upon observing the specification.

본 발명에 따라, 복합 양극과 복합 양극 시스템으로 구성되는 전지 시스템이 제공된다. 완전히 충전된 상태에서 이 양극은 1-차원, 2-차원, 또는 3-차원적 중합체 전기 활성 성분을 포함한다. 이 1-차원적 선형 형태에 있어서, 이 성분은 (SRS)n으로 규정될 수 있는데, 여기서 R은 이후에 정의하는 유기 부분이고, n은 2보다 크고, 바람직하게는 충전된 상태에서는 20보다 크다. 반쪽-셀 반응은 다음과 같이 기술될 수 있다 :According to the present invention, a battery system composed of a composite positive electrode and a composite positive electrode system is provided. In the fully charged state, the anode comprises a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional polymer electroactive component. In this one-dimensional linear form, this component can be defined as (SRS) n, where R is the organic moiety defined later, n is greater than 2, preferably greater than 20 in the charged state. . The half-cell reaction can be described as follows:

(SRS)n + 2n e-= n ­ SRS­ (SRS) n + 2n e - = n SRS

그리고 전체 셀 반응은 다음과 같이 기술될 수 있다 :And the whole cell reaction can be described as follows:

(SRS)n + 2nLi = nLi2SRS(SRS) n + 2nLi = nLi 2 SRS

가장 일반적인 의미에서, 고체-상태 유기황 전극의 전기 활성 성분은 충전된 상태에서 (RSy)n으로 나타낼 수 있고, 여기서 y는 2 내지 6이고, n은 2 보다 크고, 바람직하게는 20 보다 크고, R은 R이 하나 이상의 방향족 고리를 포함할 때는 하나 이상의 산소, 인, 실리콘, 황 또는 질소 헤테로 원자를 포함할 수 있고, 또는 R이 지방족 사슬로 이루어질 때는 사슬과 결합되는 하나 이상의 산소, 인, 실리콘, 황, 질소 또는 플루오르 원자를 포함할 수도 있는 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 다른 지방족 또는 방향족 부분이고, 이 지방족 그룹은 선형 또는 분지되고 포화되거나 또는 불포화될 수도 있고, 지방족 사슬 또는 방향족 고리는 치환된 그룹을 가질 수도 있고, 또한, 상기 유기황 양극은 충전된 상태로 있을 때는 다수의 황-황 결합이 특징이며, 셀이 방전될 때는 분해되어 이 셀 중에서 금속 이온과의 유기 금속염을 형성한다.In the most general sense, the electroactive component of the solid-state organosulfur electrode can be represented as (RSy) n in the charged state, where y is 2 to 6, n is greater than 2, preferably greater than 20, R may include one or more oxygen, phosphorus, silicon, sulfur or nitrogen heteroatoms when R comprises one or more aromatic rings, or one or more oxygen, phosphorus, silicon bonded to the chain when R consists of aliphatic chains , One or more other aliphatic or aromatic moieties having 1 to 20 carbon atoms, which may include sulfur, nitrogen or fluorine atoms, which aliphatic groups may be linear or branched, saturated or unsaturated, and may be aliphatic chains or aromatic rings May have a substituted group, and the organosulfur anode is characterized by a number of sulfur-sulfur bonds when in a charged state, It is decomposed when it is discharged to form an organic metal salt and metal ions in the cell.

양극에서의 이 충전/방전 과정은 가역적 산화 환원 중합 반응(또는 단량체적 RSSR 화합물의 경우에는 산화 환원 이량체화 반응/분해)으로 볼 수 있다. 2-차원적(가교 중합체) 전극의 실례로는 다음과 같은 폴리에틸렌인 디술파이드를 들 수 있다 :This charge / discharge process at the anode can be seen as a reversible redox polymerization reaction (or redox dimerization reaction / decomposition in the case of monomeric RSSR compounds). An example of a two-dimensional (crosslinked polymer) electrode is the following disulfide, which is polyethylene as follows:

이들 중합체 전극 재료가 알칼리 금속 이온을 운반하지만, 대부분의 경우에는 내위첨가에 기초하는 전극의 경우에 행하여지는 것과 같이, 이 전극내에 빠른 이온 운반을 위한 폴리에틸렌 옥사이드와 같은 적합한 중합체 전해질을 포함하는 것이 필요하거나 바람직할 것이다. 더 나아가, 이 유기황 전극은 전기 전도성이 아니기 때문에, 복합 전극 내에는 소량의 카본 블랙(전형적으로 7중량%), 또는 동량의 전도체 입자가 분산되어 있는 것이 중요하다. 중합체 양극 중에 재료의 범위는 약 30 내지 80중량%의 활성 유기황, 약 20 내지 중량70%의 중합체 전해질, 및 약 1 내지 20중량%의 전도체 입자이다.While these polymer electrode materials carry alkali metal ions, in most cases it is necessary to include a suitable polymer electrolyte such as polyethylene oxide for rapid ion transport, as is done for electrodes based on internal addition. Or would be desirable. Furthermore, since this organosulfur electrode is not electrically conductive, it is important that a small amount of carbon black (typically 7% by weight), or the same amount of conductor particles, is dispersed in the composite electrode. The range of materials in the polymer anode is about 30-80% by weight of active organic sulfur, about 20-70% by weight polymer electrolyte, and about 1-20% by weight of conductor particles.

이 바람직한 혼합물은 아세토니트릴 중에 (SRS)n 중합체, 폴리에틸렌 옥사이드 및 카본 블랙 분말을 용해시키거나 분산시키고, 계속해서 용매를 증발시켜 고체 복합 전극의 얇은(즉, 10 내지 20미크론) 필름을 캐스팅함으로써 달성된다. 바람직한 경우로는, 이 양극은 유기황 산화 환원 중합체, 폴리에틸렌 옥사이드 및 카본 블랙으로 이루어진 복합 전극이다.This preferred mixture is achieved by dissolving or dispersing (SRS) n polymer, polyethylene oxide and carbon black powder in acetonitrile and then evaporating the solvent to cast a thin (ie, 10-20 micron) film of the solid composite electrode. do. In a preferred case, this anode is a composite electrode consisting of an organosulfur redox polymer, polyethylene oxide and carbon black.

충분하게 충전된 상태에서 유기황 양극은 일반식이 (SRS)n이고, 이의 중요한 특징은 알칼리 금속 티오염의 산화 반응시 황-황 결합이 형성된다는 것이다. 바람직한 전극은 중합체성 디술파이드이지만, 미국 특허 제 4,833,048 호에 기술된 바와 같은 단량체성 디술파이드(RSSR)도 고체 상태 전지에서 작동될 것으로 여겨진다. 충분하게 방전된 상태에서는, 유기황 전극은 중합체 전해질 매트릭스태에 분산되는 폴리티오 및/또는 디티오 음이온(-SRS-)을 포함한다. 최종 방전 생성물은 물론 중합체 사슬내의 R 그룹의 유형에 따라 그리고 충분하게 산화된 중합체 양극의 차원성에 좌우된다.In a sufficiently charged state, the organosulfur anode is of formula (SRS) n, an important characteristic of which is that sulfur-sulfur bonds are formed during the oxidation reaction of alkali metal thio salts. Preferred electrodes are polymeric disulfides, but monomeric disulfides (RSSR) as described in US Pat. No. 4,833,048 are also believed to operate in solid state cells. In a sufficiently discharged state, the organosulfur electrode contains polythio and / or dithio anions (-SRS-) dispersed in a polymer electrolyte matrix. The final discharge product, of course, depends on the type of R group in the polymer chain and on the dimensionality of the polymer anode sufficiently oxidized.

본 발명의 또 다른 장점은 다양한 금속으로 가역될 수 있는 고체 상태 전극의 능력에 있다. 리튬은 가장 낮은 당량과 상응하는 중량 장점을 갖지만, 나트륨보다 고가이다. 또한, 폴리에틸렌 옥사이드와 같은 바람직한 폴리에테르 전해질의 전도성은 리튬 운반의 경우보다 나트륨 운반의 경우에 더 높다. 이에 따라, 내위첨가형 셀은 실용적인 물질로서 리튬을 필요로 하지만, 본 전극의 음극은 많은 다른 금속으로 이루어질 수도 있다. 따라서, 임의의 알칼리 또는 알칼리토 금속 또는 전이 금속(폴리에테르 전해질은 Zn++과 같은 2가 양이온을 운반하는 것으로 알려져 있다), 특히 리튬 및/또는 나트륨을 포함하는 혼합물은 본 발명의 범위내에 있다.Another advantage of the present invention lies in the ability of the solid state electrode to be reversible with various metals. Lithium has the lowest equivalent weight and corresponding weight advantage, but is more expensive than sodium. In addition, the conductivity of preferred polyether electrolytes such as polyethylene oxide is higher for sodium transport than for lithium transport. Accordingly, the internal addition type cell requires lithium as a practical material, but the cathode of the present electrode may be made of many different metals. Accordingly, mixtures comprising any alkali or alkaline earth metal or transition metal (polyether electrolytes are known to carry divalent cations such as Zn ++ ), in particular lithium and / or sodium, are within the scope of the present invention. .

본 발명의 셀내에서 사용되는 전해질은 전극용 격리판으로서, 그리고 금속 이온용 운반 매체로서 작용한다. 따라서, 금속 이온을 운반할 수 있는 모든 고체 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 나트륨 베타 알루미나가 사용가능한 것으로 알려져 있다. 그러나, 바람직하게는 이 고체 전해질 격리판은 폴리에테르, 폴리이민, 폴리티오에테르, 폴리포스파젠, 중합체 혼합물 및 적합한 전해질 염이 첨가되어 있는 것과 같은 적합한 중합체성 전해질이다.The electrolytes used in the cells of the present invention serve as separators for electrodes and as carrier media for metal ions. Thus, any solid material capable of carrying metal ions can be used. For example, sodium beta alumina is known to be usable. However, preferably this solid electrolyte separator is a suitable polymeric electrolyte such as polyether, polyimine, polythioether, polyphosphazene, polymer mixture and suitable electrolyte salts are added.

[도면의 간단한 설명][Brief Description of Drawings]

제 1도는 본 발명에 따라 구성된 셀의 주요 부품의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of the main parts of a cell constructed in accordance with the present invention.

제 2도는 본 발명의 한 양태의 작동을 예시하고 종래 기술의 양태의 데이터와 비교한 그래픽 형태의 데이터를 나타냈다.Figure 2 illustrates the operation of one aspect of the present invention and shows data in graphical form compared to the data of aspects of the prior art.

[본 발명의 상세한 설명]Detailed Description of the Invention

제 1도에 나타낸 금속-황 타입 셀은 음극(12)과 나란히 놓인 집전기(11), 양극(14)과 나란히 놓인 집전기(13), 및 음극(12)과 양극(14) 사이에 삽입된 전해질(15)을 포함한다. 전형적인 셀에서, 모든 이들 부품은 플라스틱 또는 이와 유사한 물질(도시되지 않았음)의 적합한 케이스에 봉입될 것이고, 이때 집전기만이 봉입물 밖으로 연장된다. 이런 방법으로 음극내의 나트륨 또는 리튬과 같은 반응성 금속을 보호한다. 셀의 다른 부분도 유사하게 보호할 수 있다.The metal-sulfur type cell shown in FIG. 1 is inserted between the current collector 11 in parallel with the negative electrode 12, the current collector 13 in parallel with the positive electrode 14, and between the negative electrode 12 and the positive electrode 14. Electrolyte 15 is included. In a typical cell, all these parts would be enclosed in a suitable case of plastic or similar material (not shown), with only the current collector extending out of the enclosure. In this way, reactive metals such as sodium or lithium in the cathode are protected. Other parts of the cell can be similarly protected.

적합한 전지 구조물은 원하는대로 셀 부품 및 셀들을 조립하는 공지된 기술에 따라 제조할 수 있으며, 본 발명을 사용하여 임의의 공지된 형태를 제조할 수 있다. 정확한 구조는 주로 전지 단위에 대한 의도한 용도에 좌우될 것이다. 그러나, 이 셀 단위는 모두 주변 온도에서 그리고 작동시에 사실상 고체 상태로 존재함을 알고 있어야 한다.Suitable battery structures can be prepared according to known techniques for assembling cell components and cells as desired, and any known form can be made using the present invention. The exact structure will depend primarily on the intended use for the cell unit. However, it should be understood that these cell units all exist in a virtually solid state at ambient temperature and during operation.

제 1도를 다시 참조하면, 집전기(11과 13)는 셀을 방전 및 충전하는 동안 사실상 변하지 않으며, 셀의 캐소우드와 아노드에 전류 연결을 제공하는 스테인레스강과 같은 전도성 재료의 시이트이다. 음극(12)은 리튬 또는 나트륨과 같은 알칼리 금속이 바람직하며, 나트륨이 리튬보다 바람직하다. 유기황 캐소우드 또는 양극(14)은 상기한 바와 같이 집전기(13)위에 입히고, 전체 단위는 나타낸 바와 같은 전극들 사이에 삽입된 전해질(15)과 함께 압착된다.Referring back to FIG. 1, current collectors 11 and 13 are virtually unchanged during discharge and charging of the cell and are sheets of conductive material such as stainless steel that provide current connections to the cathode and anode of the cell. The cathode 12 is preferably an alkali metal such as lithium or sodium, with sodium being more preferred than lithium. The organosulfur cathode or anode 14 is coated on the current collector 13 as described above, and the whole unit is pressed together with the electrolyte 15 inserted between the electrodes as shown.

도면에서 모든 셀 부품의 두께는 예시 목적상 과장되어 있으며, 모든 이들 부품은 전형적으로는 다수 얇은 시이트이다. 예를 들어, 전형적인 리튬 또는 나트륨 고체 아노드(12)는 두께가 약 10 내지 50미크론이며, 전형적인 고체 복합 중합체성 캐소우드(14)는 두께가 약 50 내지 100미크론이고, 전형적인 PEO 전해질(15)은 두께가 약 10 내지 100미크론이다.The thickness of all cell parts in the figures is exaggerated for illustrative purposes, and all these parts are typically many thin sheets. For example, a typical lithium or sodium solid anode 12 is about 10 to 50 microns thick, a typical solid composite polymeric cathode 14 is about 50 to 100 microns thick, and a typical PEO electrolyte 15 Silver is about 10 to 100 microns thick.

바람직한 전해질은 LiN(CF3SO2)2와 같은 가소화 전해질 염이 첨가되어 있는 폴리에틸렌 옥사이드와 같은 폴리알킬렌 옥사이드이다. 가소화 전해질 염의 효과는 낮은 온도에서 폴리에테르를 무정형(전도성) 상태로 유지함으로써 셀이 낮은 온도에서 작동되게 한다.Preferred electrolytes are polyalkylene oxides such as polyethylene oxide to which a plasticizing electrolyte salt such as LiN (CF 3 SO 2 ) 2 is added. The effect of plasticizing electrolyte salts allows the cell to operate at low temperatures by keeping the polyethers amorphous (conductive) at low temperatures.

본 발명에 따라, 본 발명의 신규한 양극을 포함하는 유기황 화합물은 유기 부분과 제 1 결합을 형성하고, 재료가 충전된 상태로 있을 때는 역시 유기 부분에 결합되어 있는 또 다른 황 원자와의 제 2 결합을 형성하는 황 원자를 하나 이상 갖는 유기황 재료가 특징이다. 화합물이 방전된 상태로 있을 때는 황-황 결합을 분해되고, 나트륨과 같은 금속 이온은 각각의 형성된 유기황 음이온과 염을 형성한다.According to the present invention, the organosulfur compound comprising the novel anode of the present invention forms a first bond with the organic moiety and, when the material is in a charged state, with the other sulfur atoms which are also bonded to the organic moiety. It is characterized by an organosulfur material having at least one sulfur atom forming a double bond. When the compound is in the discharged state, the sulfur-sulfur bond is broken down, and metal ions such as sodium form salts with the respective formed organic sulfur anions.

이와 같이, 양극 재료는 기초 또는 중추적인 일반식 R-S-를 포함하는 유기황 재료로 이루어진다. 충전된 상태에서, 이 황 원자(또는 다음에 설명될 바와 같은 원자)는 또 다른 R-S- 그룹의 황 원자와 -S-S- 결합을 형성하여 R-S-S-R을 형성된다. 방전시 S-S 결합은 분해되고, 각각의 R-S- 그룹은 예를 들어 나트륨과 같은 금속 이온과의 염, 즉, R-S-Na을 형성한다.As such, the anode material consists of an organosulfur material comprising a basic or pivotal general formula R-S-. In the charged state, this sulfur atom (or an atom as described below) forms -S-S-R with another R-S- group of sulfur atoms to form R-S-S-R. Upon discharge, the S-S bonds decompose, and each R-S- group forms a salt with a metal ion, for example sodium, that is, R-S-Na.

하기 설명한 유기 부분을 나타내는 R 그룹을 또한 방금 기술한 황 원자 뿐만 아니라 이중 결합, 즉, R=S에 의해 그것에 결합되는 황 원자를 가질 수도 있다. 또한, R 그룹은 단일 결합에 의해 그것에 결합되는 하나 이상의 황 원자를 가짐으로써, 예를 들어 -S-R-S-의 경우 중합 반응을 가능하게 한다. 이 R 그룹이 그것에 단일 결합되는 황 원자를 3개 이상 가질 때 분지가 일어날 수도 있다.The R group representing the organic moiety described below may also have sulfur atoms bonded to it by double bonds, ie R = S, as well as the sulfur atoms just described. In addition, the R group has one or more sulfur atoms bonded to it by a single bond, thereby enabling a polymerization reaction, for example in the case of -S-R-S-. Branching may occur when this R group has three or more sulfur atoms single bonded to it.

따라서, 본 발명의 신규한 양극을 포함하는 유기황 재료에 대한 일반식을 충전된 상태에서는 (R(S)y)n로 나타낼 수 있는데, 여기서 y는 2 내지 6이고, n은 20 보다 크고; R은 R이 하나 이상의 방향족 고리를 포함할 때는 하나 이상의 산소, 황, 인, 규소 또는 질소 헤테로 원자를 포함할 수 있고, R이 지방족 사슬을 포함할 때는 사슬과 결합되는 하나 이상의 산소, 인, 규소, 황, 질소 또는 불소 원자를 포함할 수 있는 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 동일하거나 다른 지방족 또는 방향족 유기 부분이고, 여기서 지방족 그룹은 선형 또는 분지되거나, 포화 또는 불포화될 수 있고, 지방족 사슬 또는 방향족 고리는 치환된 그룹을 가질 수 있다.Thus, the general formula for the organosulfur material comprising the novel anode of the present invention can be represented by (R (S) y) n in the charged state, where y is 2 to 6 and n is greater than 20; R may include one or more oxygen, sulfur, phosphorus, silicon or nitrogen heteroatoms when R comprises one or more aromatic rings, and one or more oxygen, phosphorus, silicon bonded to the chain when R comprises an aliphatic chain , At least one identical or different aliphatic or aromatic organic moiety having 1 to 20 carbon atoms, which may include sulfur, nitrogen or fluorine atoms, wherein the aliphatic groups may be linear or branched, saturated or unsaturated, and aliphatic chains Or the aromatic ring may have a substituted group.

일반식(R(S)y)n에서의 n이 2 보다 클 때는, 적어도 몇몇 유기황 양극 재료는 동일한 유기 부분에 결합되고, 또 다른 유기 부분에 결합되는 황과 황-황 결합을 형성할 수 있는 하나 이상의 황 원자를 갖는 유기 부분을 포함한다. 따라서, 충전된 상태에서 중합체의 길이가 불순물 또는 중합 반응을 종결시키기 위한, 예컨대 모노 술파이드 유기 부분, 즉, CH3-CH2-S-Na와 같은 사슬 정지제의 존재에 좌우되는 중합체 유사 재료가 형성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 중합체는 그 사슬의 각 말단에서 이러한 황 원자를 갖는 선형의 지방족 사슬, 예를 들면 -S-CH2CH2-S를 포함할 수 있어서, 일반식 (R(S)2)3에 상응하는 -S-CH2-CH2-S-S-CH2-CH2-S-S-CH2-CH2-S와 같은 이량체, 올리고머 등이 형성될 수 있도록 한다.When n in formula (R (S) y) n is greater than 2, at least some organic sulfur anode materials may form sulfur and sulfur-sulfur bonds bonded to the same organic moiety and bonded to another organic moiety. Organic portions having one or more sulfur atoms present. Thus, the polymer-like material in which the length of the polymer in the charged state depends on the presence of an impurity or a chain stopper, such as a mono sulfide organic moiety, ie CH 3 -CH 2 -S-Na, to terminate the polymerization reaction Can be formed. For example, such a polymer may comprise a linear aliphatic chain having such a sulfur atom at each end of its chain, for example -S-CH 2 CH 2 -S, so that general formula (R (S) 2 ) such as dimers, oligomers, such as -S-CH 2 -CH 2 -SS- CH 2 -CH 2 -SS-CH 2 -CH 2 -S corresponding to 3 so that they can be formed.

유사하게, 이 유기황 화합물은 다른 유기황 재료의 인접한 황 원자와의 황-황 결합을 형성할 수 있는 2개를 초과하는 황을 갖는 분지된 폴리술파이드 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 R 그룹이 황-황 결합을 형성할 수 있는 3개의 황 원자를 포함할 때, 이 일반식은 (R(S)3)n으로 나타낼 수 있다.Similarly, this organosulfur compound may comprise a branched polysulfide material having more than two sulfur capable of forming sulfur-sulfur bonds with adjacent sulfur atoms of other organosulfur materials. For example, when each R group contains three sulfur atoms capable of forming a sulfur-sulfur bond, this general formula can be represented by (R (S) 3 ) n.

따라서, y는 다른 분자상의 유사한 황 원자와의 황-황 결합을 형성할 수 있는 하나 이상의 황 원자의 존재 뿐만 아니라 R 그룹상의 이중 결합된 황 원자의 존재 가능성을 인정하여 일반식에서 2 내지 6의 값으로 주어져 있다. 이 일반식에서 n의 값은 20 보다 큰 것이 바람직하지만, 예를 들면 고리 형성과 같은 중합 반응의 더 낮은 단계의 가능성을 인정하고, 고체 상태의 전지는 유기황 화합물이 중합되지 않는 장점을 갖기 때문에 2 내지 20의 범위로 주어져 있다. 중합도가 사용되는 유기황 화합물의 특성에 의해 충전 조건하게 제한되기 때문에 n에 대한 상한은 없다.Thus, y recognizes the presence of one or more sulfur atoms capable of forming sulfur-sulfur bonds with similar sulfur atoms on other molecules, as well as the possibility of the presence of double bonded sulfur atoms on the R group, giving a value of 2 to 6 in the general formula. Given by In this general formula, the value of n is preferably greater than 20, but since the possibility of a lower stage of the polymerization reaction, for example, ring formation, is acknowledged, and the solid state battery has the advantage that the organosulfur compound does not polymerize. It is given in the range of 20 to 20. There is no upper limit for n because the degree of polymerization is limited to the charging conditions by the properties of the organosulfur compound used.

이 유기황 전극의 산화-환원 화학 반응은 미국 특허 제 4,833,048 호에 상세히 설명되어 있으며, 그 안의 적합한 부분을 참고로 인용한다. 본 발명은 유사한 유기황 전극을 사용하지만, 고체 상태에서 더 저온에서 작동된다는 것이 다르다. 따라서, 본 발명에서의 단량체 단위가 20개, 바람직하게는 50개를 초과하는 유기황 중합체가 바람직하다. 또한, 본 발명의 양극은 특정한 전류 운반 첨가제를 사용하는 점이 인용된 특허의 양극과 다르다.The oxidation-reduction chemistry of this organosulfur electrode is described in detail in US Pat. No. 4,833,048, which is incorporated by reference as appropriate. The invention uses similar organosulfur electrodes, but differs in that they operate at lower temperatures in the solid state. Therefore, organosulfur polymers having 20, preferably more than 50 monomer units in the present invention are preferred. In addition, the anode of the invention differs from the anode of the cited patent in that it uses a specific current carrying additive.

이 고체 상태 셀의 작동 온도는 -40 내지 145℃로서, 상한 온도는 전극 또는 전해질의 융점에 의해 제한된다. 바람직한 온도 범위는 주위 온도 내지 100℃이다. 나트륨 음극은 98℃ 미만의 온도로 제한되지만, Na4Pb와 같은 나트륨 합금 전극은 100℃를 휠씬 넘는 온도에서 고체 형태로 사용될 수 있다.The operating temperature of this solid state cell is from -40 to 145 ° C, with the upper limit being limited by the melting point of the electrode or electrolyte. Preferred temperature ranges are from ambient temperature to 100 ° C. Sodium cathodes are limited to temperatures below 98 ° C, but sodium alloy electrodes such as Na 4 Pb can be used in solid form at temperatures well above 100 ° C.

고체 중합체성 전해질과 고체 산화 환원 중합 캐소우드의 사용으로 고상 전해질 또는 액체 전해질의 사용과 관련된 어려움 없이 완전 고체 상태를 제조할 수 있다. 고체 중합체성 전해질과 고체 산화 환원 중합 캐소우드의 점착성과 탄성력은 셀 순환 동안 고체 전해질과 전극 사이의 전기적 접촉의 손실 또는 심한 감소를 방지한다. 그 밖에, 본 발명은 특정의 액체 및 부식성 재료를 고체 및 보다 안전한 조성물로 대체함으로써 향상된 기술을 제공한다. 이렇게 대체함으로써 본 발명을 이용하는 전지는 고도로 자동화된 공정으로 더욱 용이하게 제조 및 포장할 수 있고, 봉입 재료에 대해 부식성이 없는 셀을 제공한다.The use of solid polymeric electrolytes and solid redox polymerization cathodes allows the production of a fully solid state without the difficulties associated with the use of solid or liquid electrolytes. The adhesion and elasticity of the solid polymeric electrolyte and the solid redox polymerization cathode prevent the loss or severe reduction of electrical contact between the solid electrolyte and the electrode during cell circulation. In addition, the present invention provides improved techniques by replacing certain liquid and corrosive materials with solid and safer compositions. By doing so, the cells using the present invention can be more easily manufactured and packaged in a highly automated process and provide a cell that is not corrosive to the encapsulation material.

실험실에서 시험한 다음의 실례로 본 발명의 추가로 설명한다.The following examples tested in the laboratory further illustrate the present invention.

실험용 전지는 나트륨 음극, 나트륨 베타 알루미나 전해질, 및 (SRS)n, 폴리에틸렌 옥사이드와 탄소 입자로 만들어진 양극으로 조립하였다. 사용된 (SRS)n 중합체는 2,5 디머캅토 1,3,4 티오디아졸의 중합체였고, 중합체의 3개의 단위는 다음 구조를 나타내는 것이다 :The experimental cell was assembled from a sodium anode, sodium beta alumina electrolyte, and a positive electrode made of (SRS) n, polyethylene oxide and carbon particles. The (SRS) n polymer used was a polymer of 2,5 dimercapto 1,3,4 thiadiazole, with three units of the polymer exhibiting the following structure:

복합 양극은 대략 100미크론의 두께, 즉, 약 0.015g /㎠ 의 전극 표면적으로 캐스팅하였다. 100미크론 중합체 필림의 이용가능한 용량은 약 6.4쿨롱/㎠ 또는 1.8mAh/㎠이다. 조립된 셀은 6쿨롱의 종점에서 순환시켰다(용량의 100%로 규정됨). 이들 셀은 성능 저하로 판단할 수 있는 증거가 전혀 없이 전체 80 주기에 대해 다양한 온도와 전류 밀도에서 충전 및 방전하였다. 130℃의 작동온도에서, 이 셀은 4mA/㎠의 전류 밀도에서 이용가능한 용량의 100%로 방전시킬 수 있고, 3mA/㎠의 전류 밀도에서 연쇄적 순환에 역작용 없이 완전하게 재충전할 수 있다. 나아가, 이 셀은 10mA/㎠의 높은 비율에서 이용가능한 용량의 50%로 방전시킬 수 있고, 이용가능한 용량의 65%에 대해서는 60mA/㎠의 높은 비율로 충전된다. 또한, 극히 높은 충전/방전 전류 밀도는 고체 중합체 전극의 일체성에 해를 미치지 않는다. 이 연구결과, 바람직하지 않은 전기 화학적 조건에서도 고체 산화 환원 중합 전극의 가역성 및 신뢰성이 입증되었다.The composite anode was cast to an electrode surface area of approximately 100 microns thick, that is, about 0.015 g / cm 2. The available capacity of the 100 micron polymer film is about 6.4 coulombs / cm 2 or 1.8 mAh / cm 2. The assembled cell was cycled at the end of 6 coulombs (defined at 100% of capacity). These cells were charged and discharged at various temperatures and current densities over the entire 80 cycles with no evidence of any performance degradation. At an operating temperature of 130 ° C., the cell can discharge at 100% of the available capacity at a current density of 4 mA / cm 2 and fully recharge without adversely affecting the chain circulation at a current density of 3 mA / cm 2. Furthermore, the cell can discharge at 50% of the available capacity at a high rate of 10 mA / cm 2, and charge at a high rate of 60 mA / cm 2 for 65% of the available capacity. In addition, extremely high charge / discharge current densities do not harm the integrity of the solid polymer electrode. This study demonstrated the reversibility and reliability of solid redox polymerization electrodes even under undesirable electrochemical conditions.

리튬 음극, 폴리에틸렌 옥사이드 전해질, 및 (SRS)n 중합체, 폴리에틸렌 옥사이드 및 탄소 입자로 만들어진 양극으로 이루어진 셀을 제작하여 본 발명에 따라 제작되는 박막 전지의 실제 성능을 시험하였다. 이 셀에 사용되는 고체 전해질은 리튬 트리플레이트(triflate)(LiCF3SO3) 리튬 퍼클로레이트(LiClO4), 또는 다른 적합한 전해질 염으로 도핑된 폴리에틸렌 옥사이드였다. 전해질 염의 농도는 염의 분자당 8PEO 모노머 단위(CH2CH2O)(X가 염 음이 온인 경우 PEO8LiX로서 약칭됨)이다. 사용된 유기황 중합체는 나트륨 셀에 대해 상기에 기술한 것과 동일하다.A cell composed of a lithium anode, a polyethylene oxide electrolyte, and a cathode made of (SRS) n polymer, polyethylene oxide and carbon particles was fabricated to test the actual performance of the thin film battery fabricated according to the present invention. The solid electrolyte used in this cell was polyethylene trioxide doped with lithium triflate (LiCF 3 SO 3 ) lithium perchlorate (LiClO 4 ), or other suitable electrolyte salt. The concentration of the electrolyte salt is 8 PEO monomer units (CH 2 CH 2 O) per molecule of salt (abbreviated as PEO 8 LiX when X is salt negative). The organosulfur polymers used are the same as described above for sodium cells.

복합 양극은 전극의 두께 2가지, 즉, 고용량 6쿨롱/㎠ 필름(100미크론), 및 고전력 밀도 전지의 경우 저용량 3쿨롱/㎠ 필름(50미크론)으로 캐스팅하는 것을 제외하고는 나트륨을 기재로 하는 셀에 대해 상기에 기술한 바와 같이 제조하였다. 이 Li/PEO/[(SRS)n/PEO/C] 셀은 이론적 에너지 밀도가 1000Wh/㎏이고, 조립된 셀은 실제 전극, PEO 필름 및 4:1의 리튬(실제 셀은 더욱 과량의 리튬을 갖는다)의 중량을 기준으로 하여, 실용 에너지 밀도가 고용량 필름의 경우에는 338Wh/㎏(제로 전류 드레인), 및 저용량 필름의 경우에는 304Wh/㎏이다. 이들 셀은 총 350 주기에 대해 2개의 다른 방전 수준에서 충전 및 방전시켰다. 처음 100 주기는 용량의 80%까지 방전시켰고, 나머지 250 주기는 용량의 50%까지 방전시켰다. 하기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 나타낸 전력 밀도와 에너지 밀도는 극히 높아 모든 공지된 고체상태 내위첨가 화합물을 기재로 하는 전지를 능가한다. 또한, 이들 셀은 Na/베타-알루미나/S 셀(350℃), Li/LiCㅣ/KCㅣ/FeS2셀(450℃) 등과 같은 더욱 고온에서 작동되는 셀보다 성능이 우수하다.The composite anode is based on sodium, except for casting two thicknesses of the electrode, a high capacity 6 coulomb / cm 2 film (100 microns) and a low capacity 3 coulomb / cm 2 film (50 microns) for high power density cells. Prepared as described above for the cell. This Li / PEO / [(SRS) n / PEO / C] cell has a theoretical energy density of 1000 Wh / kg, and the assembled cell contains a real electrode, a PEO film, and a 4: 1 lithium (actual cell contains more excess lithium). The practical energy density is 338 Wh / kg (zero current drain) for high capacity films, and 304 Wh / kg for low capacity films. These cells were charged and discharged at two different discharge levels for a total of 350 cycles. The first 100 cycles discharged to 80% of capacity and the remaining 250 cycles discharged to 50% of capacity. As can be seen from the table below, the power and energy densities shown are extremely high, surpassing the cells based on all known solid state internal additives. In addition, these cells perform better than cells operating at higher temperatures, such as Na / beta-alumina / S cells (350 ° C.), Li / LiCs / KCs / FeS 2 cells (450 ° C.).

제 2도에서 Li/PEO/X와 Li/PEO/TiS2사이의 비교 데이터를 그래픽적으로 나타내었다. 이 그래픽에서 Jc는 충전하에서의 셀을 나타내고, JD는 방전하에서의 셀을 나타낸다. 이 시험은 컴퓨터 제어하고, 그리고 피이크는 단기 오프-타임 동안 프린트하였다. 따라서, 진정한 자료선을 이들 피이크를 제거하여 수득된다. 그래프에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 셀은 방전 기간을 통해 전압을 잘 유지한데 비해 비교 셀은 급격하게 떨어졌다. 그 밖에, 본 발명의 셀은 캐소우드를 100% 사용할 수 있는 수준에 근접하게 재충전 시킬 수 있다.In FIG. 2 the comparative data between Li / PEO / X and Li / PEO / TiS 2 is shown graphically. In this graphic, Jc represents a cell under charge and JD represents a cell under discharge. This test was computer controlled, and peaks were printed for a short off-time. Thus, true data lines are obtained by removing these peaks. As shown in the graph, the cell of the present invention maintained the voltage well through the discharge period, while the comparison cell dropped sharply. In addition, the cell of the present invention can be recharged close to the level at which the cathode can be used 100%.

상기 설명에서, 본 발명은 지금까지 공지되어 있고 사용되는 고도로 향상된 시스템을 능가하는 고도의 특정 에너지와 전력 셀을 제공한다. 동시에 이러한 높은 에너지와 전력은 실온 또는 주변 작동으로 이용가능하다.In the above description, the present invention provides highly specific energy and power cells that go beyond the highly advanced systems known and used so far. At the same time, this high energy and power is available for room temperature or ambient operation.

Claims (20)

a) 고체 금속 아노드; b) 충전된 상태에서, 일반식 (SRSy)n의 중합체(여기서 y는 2내지 6이고, n은 20 보다 크고, R은 하나 이상의 방향족 고리를 포함할 때는 하나 이상의 산소, 황 또는 질소 헤테로 원자를 포함할 수 있고, R이 지방족 사슬로 이루어질 때는 사슬과 결합하는 하나 이상의 산소, 황, 질소, 또는 플루오르 원자를 포함할 수 있는, 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 동일하거나 또는 다른 지방족 또는 방향족 부분이며, 여기서 지방족 그룹은 선형 또는 분지되고, 포화 또는 불포화될 수 있고, 지방족 사슬 또는 방향족 고리는 치환된 그룹을 가질 수 있고, 유기황 양극 재료는 충전된 상태로 있을 때는 황-황 결합을 특징으로 하여, 셀이 방전되는 경우에는 황-황 결합은 분해되어 셀 내에 금속 이온과의 유기황 금속 염을 형성한다)를 포함하는 고체 유기-황 캐소우드 ; 및 (c) 유기 중합체와 전해질 염을 포함하며 캐소우드와 아노드 사이에 이온 운반을 할 수 있는, 캐소우드와 아노드 사이에 위치하고 전해질 격리판을 포함하는 고체 상태의 금속-황 셀.a) solid metal anode; b) in the charged state, a polymer of the general formula (SRSy) n wherein y is 2 to 6, n is greater than 20, and R is at least one oxygen, sulfur or nitrogen hetero atom when it comprises at least one aromatic ring One or more identical or different aliphatic or aromatic groups having from 1 to 20 carbon atoms, which may include one or more oxygen, sulfur, nitrogen, or fluorine atoms bonded to the chain when R consists of an aliphatic chain Where the aliphatic group is linear or branched, saturated or unsaturated, the aliphatic chain or aromatic ring may have substituted groups, and the organosulfur anode material features sulfur-sulfur bonds when in the charged state So that when the cell is discharged, the sulfur-sulfur bond decomposes to form an organosulfur metal salt with metal ions in the cell). DE; And (c) a solid-state metal-sulfur cell comprising an electrolyte separator and positioned between the cathode and the anode, the organic polymer and the electrolyte salt being capable of ion transport between the cathode and the anode. 제 1항에 있어서, 상기 고체 금속 아노드가 알칼리 금속과 알칼리토 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함하는 셀.The cell of claim 1, wherein the solid metal anode comprises a metal selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals. 제 1항에 있어서, 고체 금속 아노드가 리튬 및 나트륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함하는 셀.The cell of claim 1, wherein the solid metal anode comprises a metal selected from the group consisting of lithium and sodium. 제 1항에서, 고체 금속 아노드가 리튬을 포함하는 셀.The cell of claim 1, wherein the solid metal anode comprises lithium. 제 1항에서, 고체 금속 아노드가 나트륨을 포함하는 셀.The cell of claim 1, wherein the solid metal anode comprises sodium. 제 1항에 있어서, 고체 유기황 캐소우드가 0 내지 20중량%의 전도체 입자를 추가로 포함하는 셀.The cell of claim 1, wherein the solid organosulfur cathode further comprises 0 to 20% by weight of conductor particles. 제 6항에 있어서, 고체 유기황 캐소우드가 0 내지 10중량%의 탄소 입자를 포함하는 셀.The cell of claim 6, wherein the solid organosulfur cathode comprises 0 to 10% by weight of carbon particles. 제 6항에 있어서, 고체 유기황 캐소우드가 0 내지 70중량%의 중합체 전해질을 포함하는 셀.The cell of claim 6, wherein the solid organosulfur cathode comprises 0-70 wt% polymer electrolyte. 제 8항에 있어서, 고체 유기황 캐소우드가 0 내지 70중량%의 폴리알킬렌 옥사이드 중합체를 포함하는 셀.9. A cell according to claim 8, wherein the solid organosulfur cathode comprises 0 to 70 weight percent polyalkylene oxide polymer. 제 1항에 있어서, 고체 유기황 캐소우드가 a) 1 내지 20중량%의 전도체 입자 ; b) 20 내지 70중량%의 중합체 전해질 ; 및 (c) 충전된 상태에서 필수적으로 일반식 (R(S)y)n의 유기황 중합체로 이루어지는 나머지를 포함하는 셀.The method of claim 1, wherein the solid organic sulfur cathode comprises: a) 1 to 20% by weight of conductor particles; b) 20 to 70% by weight of a polymer electrolyte; And (c) a remainder consisting essentially of an organosulfur polymer of the general formula (R (S) y) n in the charged state. 제 1항에 있어서, 아노드와 캐소우드 사이의 전해질 격리판 중의 유기 중합체가 폴리에테르, 폴리이민, 폴리티오에테르, 폴리 포스파젠 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 셀.The cell of claim 1, wherein the organic polymer in the electrolyte separator between the anode and the cathode is selected from the group consisting of polyethers, polyimines, polythioethers, poly phosphazenes, and mixtures thereof. 제 1항에 있어서, 아노드와 캐소우드 사이의 전해질 격리판 중의 유기 중합체가 폴리알킬렌 옥사이드를 포함하는 셀.The cell of claim 1, wherein the organic polymer in the electrolyte separator between the anode and the cathode comprises polyalkylene oxide. 제 12항에 있어서, 유기 중합체가 폴리에틸렌 옥사이드를 포함하는 셀.The cell of claim 12, wherein the organic polymer comprises polyethylene oxide. 제 1항에 있어서, 아노드와 캐소우드 사이의 전해질 격리판 중의 전해질 염이 리튬 트리플레이트를 포함하는 셀.The cell of claim 1, wherein the electrolyte salt in the electrolyte separator between the anode and the cathode comprises lithium triflate. a) 고체리튬 아노드 ; b) 충전된 상태에서, 일반식 (SRSy)n의 중합체(여기서 y는 2내지 6이고, n은 20 보다 크고, R은 하나 이상의 방향족 고리를 포함할 때는 하나 이상의 산소, 황 또는 질소 헤테로 원자를 포함할 수 있고, R이 지방족 사슬로 이루어질 때는 사슬과 결합하는 하나 이상의 산소, 황, 질소, 또는 플루오르 원자를 포함할 수 있는, 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 동일하거나 또는 다른 지방족 또는 방향족 부분이며, 여기서 지방족 그룹은 선형 또는 분지되고, 포화 또는 불포화될 수 있고, 지방족 사슬 또는 방향족 고리는 치환된 그룹을 가질 수 있고, 유기황 양극 재료는 충전된 상태로 있을 때는 황-황 결합을 특징으로 하며, 셀이 방전되는 경우에는 황-황 결합은 분해되어 셀 내에 금속 이온과의 유기황 금속 염을 형성한다)를 포함하는 고체 유기-황 캐소우드 ; 및 (c) 유기 중합체와 전해질 염을 포함하며 캐소우드와 아노드 사이에 이온 운반을 할 수 있는, 캐소우드와 아노드 사이에 위치하는 전해질 격리판을 포함하는 고체 금속-황 셀.a) solid lithium anode; b) in the charged state, a polymer of the general formula (SRSy) n wherein y is 2 to 6, n is greater than 20, and R is at least one oxygen, sulfur or nitrogen hetero atom when it comprises at least one aromatic ring One or more identical or different aliphatic or aromatic groups having from 1 to 20 carbon atoms, which may include one or more oxygen, sulfur, nitrogen, or fluorine atoms bonded to the chain when R consists of an aliphatic chain Where the aliphatic group is linear or branched, saturated or unsaturated, the aliphatic chain or aromatic ring may have substituted groups, and the organosulfur anode material features sulfur-sulfur bonds when in the charged state A solid organo-sulfur casso comprising a sulfur-sulfur bond decomposing to form an organosulfur metal salt with a metal ion in the cell when the cell is discharged. DE; And (c) an electrolyte separator located between the cathode and the anode, the electrolyte separator comprising an organic polymer and an electrolyte salt and capable of ion transport between the cathode and the anode. a) 고체 금속 아노드 ; (b) 충전된 상태에서, 일반식 (SRSy)n의 중합체(여기서 y는 2 내지 6이고, n은 20 보다 크고, R은 하나 이상의 방향족 고리를 포함할 때는 하나 이상의 산소, 황 또는 질소 헤테로 원자를 포함할 수 있고, R이 지방족 사슬로 이루어질 때는 사슬과 결합하는 하나 이사의 산소, 황, 질소, 또는 플루오르 원자를 포함할 수 있는, 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 동일하거나 또는 다른 지방족 또는 방향족 부분이며, 여기서 지방족 그룹은 선형 또는 분지되고, 포화 또는 분포화될 수 있고, 지방족 사슬 또는 방향족 고리는 치환된 그룹을 가질 수 있고, 유기황 양극 재료는 충전된 상태로 있을 때는 황-황 결합을 특징으로 하며, 셀이 방전되는 경우에는 황-황 결합은 분해되어 셀 내에 금속 이온과의 유기황 금속 염을 형성된다)를 포함하는 고체 유기-황 캐소우드 ; 및 (c) 전해질 염 및 폴리에테르, 폴리이민, 폴리티오에테르, 폴리포스파젠 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 유기 중합체를 포함하며 아노드와 캐소우드 사이에 운반을 할 수 있는, 아노드와 캐소우드 사이에 위치하는 전해질 격리판을 포함하는 고체 상태의 금속 황 셀.a) solid metal anode; (b) in the charged state, a polymer of the general formula (SRSy) n wherein y is 2 to 6, n is greater than 20 and R is at least one oxygen, sulfur or nitrogen hetero atom when containing at least one aromatic ring At least one same or different aliphatic having from 1 to 20 carbon atoms, which may include, when R is composed of an aliphatic chain, which may include one or more oxygen, sulfur, nitrogen, or fluorine atoms bonded to the chain; Or an aromatic moiety wherein the aliphatic group is linear or branched, can be saturated or distributed, the aliphatic chain or aromatic ring can have a substituted group, and the organosulfur anode material is sulfur-sulfur when in the charged state A solid organo-sulfur casso comprising a bond, wherein when the cell is discharged the sulfur-sulfur bond decomposes to form an organosulfur metal salt with metal ions in the cell). wood ; And (c) an organic salt selected from the group consisting of electrolyte salts and polyethers, polyimines, polythioethers, polyphosphazenes and mixtures thereof and capable of transporting between the anode and the cathode; A solid metal sulfur cell comprising an electrolyte separator positioned between the cathodes. a) 고체 리튬 아노드 ; (b) 충전된 상태에서, 일반식 (SRSy)n의 중합체(여기서 y는 2 내지 6이고, n은 20 보다 크고, R은 하나 이상의 방향족 고리를 포함할 때는 하나 이상의 산소, 황 또는 질소 헤테로 원자를 포함할 수 있고, R이 지방족 사슬로 이루어질 때는 사슬과 결합하는 하나 이상의 산소, 황, 질소, 또는 플루오르 원자를 포함할 수 있는, 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 동일하거나 또는 다른 지방족 또는 방향족 부분이며, 여기서 지방족 그룹은 선형 또는 분지되고, 포화 또는 불포화될 수 있고, 지방족 사슬 또는 방향족 고리는 치환된 그룹을 가질 수 있고, 유기황 양극 재료는 충전된 상태로 있을 때는 황-황 결합을 특징으로 하며, 셀이 방전되는 경우에는 황-황 결합은 분해되어 셀 내에 금속 이온과의 유기황 금속 염을 형성한다)를 포함하는 고체 유기-황 캐소우드 ; 및 (c) 하나 이상의 폴리에테르 중합체와 전해질 염을 포함하며 아노드와 캐소우드 사이에 이온 운반을 할 수 있는, 아노드와 캐소우드 사이에 위치하는 전해질 격리판을 포함하는 고체 상태의 금속-황 셀.a) solid lithium anode; (b) in the charged state, a polymer of the general formula (SRSy) n wherein y is 2 to 6, n is greater than 20 and R is at least one oxygen, sulfur or nitrogen hetero atom when containing at least one aromatic ring At least one same or different aliphatic having 1 to 20 carbon atoms, which may include and when R is composed of an aliphatic chain, which may include one or more oxygen, sulfur, nitrogen, or fluorine atoms bonded to the chain; Aromatic moiety wherein the aliphatic group is linear or branched, may be saturated or unsaturated, the aliphatic chain or aromatic ring may have a substituted group, and the organosulfur anode material may be sulphur-sulfur bond when in a charged state. A solid organo-sulfur casso comprising a sulfur-sulfur bond that breaks down to form an organosulfur metal salt with metal ions in the cell when the cell is discharged. wood ; And (c) one or more polyether polymers and an electrolyte salt and comprising an electrolyte separator positioned between the anode and the cathode, capable of ion transport between the anode and the cathode. Cell. 제 17항에 있어서, 아노드와 캐소우드 사이의 전해질 격리판 중의 폴리에테르 중합체가 폴리에틸렌 옥사이드를 포함하는 셀.18. The cell of claim 17, wherein the polyether polymer in the electrolyte separator between the anode and the cathode comprises polyethylene oxide. 제 17항에 있어서, 아노드와 캐소우드 사이의 전해질 격리판 중의 전해질 염이 리튬 트리플레이트를 포함하는 셀.18. The cell of claim 17 wherein the electrolyte salt in the electrolyte separator between the anode and the cathode comprises lithium triflate. 제 17항에 있어서, 고체 유기황 캐소우드가 a) 1내지 20중량%의 전도체 입자 ; b) 20내지 70중량%의 중합체 전해질; 및 c) 충전된 상태에서 필수적으로 일반식(R(S)y)n의 유기황 중합체로 이루어지는 나머지를 포함하는 셀.18. The method of claim 17, wherein the solid organosulfur cathode comprises: a) 1 to 20% conductive particles; b) 20 to 70 weight percent polymer electrolyte; And c) a remainder consisting essentially of an organosulfur polymer of the general formula (R (S) y) n in the charged state.
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