KR102654722B1 - Cathode of Alkali Metal-Air Battery - Google Patents
Cathode of Alkali Metal-Air Battery Download PDFInfo
- Publication number
- KR102654722B1 KR102654722B1 KR1020177034885A KR20177034885A KR102654722B1 KR 102654722 B1 KR102654722 B1 KR 102654722B1 KR 1020177034885 A KR1020177034885 A KR 1020177034885A KR 20177034885 A KR20177034885 A KR 20177034885A KR 102654722 B1 KR102654722 B1 KR 102654722B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- delete delete
- air
- metal
- conducting polymer
- polymer material
- Prior art date
Links
- 239000003513 alkali Substances 0.000 title 1
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 138
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 134
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims abstract description 128
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 claims abstract description 110
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 52
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical group O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 48
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 44
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 44
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 42
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 150000008040 ionic compounds Chemical class 0.000 claims description 29
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 claims description 25
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 22
- 239000011262 electrochemically active material Substances 0.000 claims description 22
- -1 hydroxide ions Chemical class 0.000 claims description 22
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 21
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 claims description 20
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 11
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 11
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 8
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 6
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 claims description 6
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 5
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910001848 post-transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 3
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 85
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 41
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 34
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 25
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 24
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 24
- 239000010408 film Substances 0.000 description 23
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M lithium hydroxide Inorganic materials [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 23
- HZNVUJQVZSTENZ-UHFFFAOYSA-N 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone Chemical compound ClC1=C(Cl)C(=O)C(C#N)=C(C#N)C1=O HZNVUJQVZSTENZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 20
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 19
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 19
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 17
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 17
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 17
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 17
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 15
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 14
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 14
- 229920005601 base polymer Polymers 0.000 description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 12
- 229920000106 Liquid crystal polymer Polymers 0.000 description 11
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 8
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 8
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 8
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 8
- 239000004977 Liquid-crystal polymers (LCPs) Substances 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 7
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 7
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 7
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 6
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 6
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- AKEJUJNQAAGONA-UHFFFAOYSA-N sulfur trioxide Chemical compound O=S(=O)=O AKEJUJNQAAGONA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 5
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 5
- 210000004379 membrane Anatomy 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 5
- NLDYACGHTUPAQU-UHFFFAOYSA-N tetracyanoethylene Chemical compound N#CC(C#N)=C(C#N)C#N NLDYACGHTUPAQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 4
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 description 4
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 4
- 229920006375 polyphtalamide Polymers 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 229920013730 reactive polymer Polymers 0.000 description 4
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 4
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 4
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 3
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 125000000623 heterocyclic group Chemical group 0.000 description 3
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 150000002978 peroxides Chemical group 0.000 description 3
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 229940058401 polytetrafluoroethylene Drugs 0.000 description 3
- 239000012286 potassium permanganate Substances 0.000 description 3
- 150000004053 quinones Chemical class 0.000 description 3
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 3
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 3
- UGNWTBMOAKPKBL-UHFFFAOYSA-N tetrachloro-1,4-benzoquinone Chemical compound ClC1=C(Cl)C(=O)C(Cl)=C(Cl)C1=O UGNWTBMOAKPKBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 3
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzoquinone Chemical compound O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FJKROLUGYXJWQN-UHFFFAOYSA-N 4-hydroxybenzoic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC=C(O)C=C1 FJKROLUGYXJWQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 239000004954 Polyphthalamide Substances 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 2
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 2
- 239000006256 anode slurry Substances 0.000 description 2
- JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N benzene-1,4-diol;bis(4-fluorophenyl)methanone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1.C1=CC(F)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(F)C=C1 JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 2
- UBAZGMLMVVQSCD-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide;molecular oxygen Chemical compound O=O.O=C=O UBAZGMLMVVQSCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 239000006182 cathode active material Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000002144 chemical decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 229910000428 cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- XEUFSQHGFWJHAP-UHFFFAOYSA-N cobalt(2+) manganese(2+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[O--].[Mn++].[Co++] XEUFSQHGFWJHAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N cobalt(ii) oxide Chemical compound [Co]=O IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000547 conjugated polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 2
- 230000002999 depolarising effect Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 2
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 2
- 238000010902 jet-milling Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- IIPYXGDZVMZOAP-UHFFFAOYSA-N lithium nitrate Chemical compound [Li+].[O-][N+]([O-])=O IIPYXGDZVMZOAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(fluorosulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FS(=O)(=O)[N-]S(F)(=O)=O VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 229920002863 poly(1,4-phenylene oxide) polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 2
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 2
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 229940005561 1,4-benzoquinone Drugs 0.000 description 1
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 229940090248 4-hydroxybenzoic acid Drugs 0.000 description 1
- PAYRUJLWNCNPSJ-UHFFFAOYSA-N Aniline Chemical compound NC1=CC=CC=C1 PAYRUJLWNCNPSJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N Borate Chemical compound [O-]B([O-])[O-] BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical group [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000004128 D cell Anatomy 0.000 description 1
- 241000221931 Hypomyces rosellus Species 0.000 description 1
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 description 1
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N Li2O Inorganic materials [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910013188 LiBOB Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010941 LiFSI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013553 LiNO Inorganic materials 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003174 MnOOH Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000508 Vectran Polymers 0.000 description 1
- 239000004979 Vectran Substances 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000004480 active ingredient Substances 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000006183 anode active material Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 1
- 150000001805 chlorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000000748 compression moulding Methods 0.000 description 1
- 239000002482 conductive additive Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- HNCXPJFPCAYUGJ-UHFFFAOYSA-N dilithium bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].[Li+].FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F.FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F HNCXPJFPCAYUGJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000011263 electroactive material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- PQVSTLUFSYVLTO-UHFFFAOYSA-N ethyl n-ethoxycarbonylcarbamate Chemical compound CCOC(=O)NC(=O)OCC PQVSTLUFSYVLTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 1
- 239000003349 gelling agent Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- IGUXCTSQIGAGSV-UHFFFAOYSA-K indium(iii) hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[In+3] IGUXCTSQIGAGSV-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 229910001504 inorganic chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001853 inorganic hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052809 inorganic oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 1
- 229920000831 ionic polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910003473 lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Inorganic materials 0.000 description 1
- GLXDVVHUTZTUQK-UHFFFAOYSA-M lithium hydroxide monohydrate Substances [Li+].O.[OH-] GLXDVVHUTZTUQK-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229940040692 lithium hydroxide monohydrate Drugs 0.000 description 1
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 1
- QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000096 monohydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 229920002959 polymer blend Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000000240 pulsed field-gradient spin echo nuclear magnetic resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000012260 resinous material Substances 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229920006126 semicrystalline polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000013526 supercooled liquid Substances 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000010189 synthetic method Methods 0.000 description 1
- MHSKRLJMQQNJNC-UHFFFAOYSA-N terephthalamide Chemical compound NC(=O)C1=CC=C(C(N)=O)C=C1 MHSKRLJMQQNJNC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- SZKTYYIADWRVSA-UHFFFAOYSA-N zinc manganese(2+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[O--].[Mn++].[Zn++] SZKTYYIADWRVSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
- H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
- H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
- H01M4/8652—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites as mixture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/8673—Electrically conductive fillers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8875—Methods for shaping the electrode into free-standing bodies, like sheets, films or grids, e.g. moulding, hot-pressing, casting without support, extrusion without support
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/9008—Organic or organo-metallic compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/96—Carbon-based electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0002—Aqueous electrolytes
- H01M2300/0005—Acid electrolytes
- H01M2300/0011—Sulfuric acid-based
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
Abstract
금속-공기 배터리 및 구성요소인 공기 캐소드는 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함한다.Metal-air batteries and component air cathodes include solid ion-conducting polymer materials.
Description
본 발명은 일반적으로 전기화학 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속-공기 배터리 및 그 구성요소인 캐소드에 관한 것이다.The present invention relates generally to electrochemical batteries, and more particularly to metal-air batteries and their component cathodes.
금속-공기 전지는 금속 애노드로 이루어진 애노드와 공기로부터의 산소를 캐소드 감극제(연료)로 사용하는 전기화학 전지이다. 산소가 전지에 저장되지 않기 때문에, 금속-공기 전지들의 용량과 에너지 밀도는 매우 높아질 수 있다. 아연-공기 시스템 및 다른 금속 공기 배터리 시스템들에 대한 비 에너지는 표 1에 도시된다. 아연-공기 전지들의 비 에너지는 큰 차이로 리튬 이온을 능가한다.A metal-air cell is an electrochemical cell that uses an anode made of a metal anode and oxygen from air as a cathode depolarizer (fuel). Because oxygen is not stored in the battery, the capacity and energy density of metal-air batteries can be very high. Specific energies for the zinc-air system and other metal-air battery systems are shown in Table 1. The specific energy of zinc-air batteries exceeds that of lithium ion by a large margin.
Wh/kg(산소 포함)theoretical specific energy
Wh/kg (including oxygen)
Wh/kg(산소 배제)theoretical specific energy
Wh/kg (oxygen excluded)
전압, Vopen-circuit
Voltage, V
방전 동안, 금속-공기 전지의 애노드는 특정 금속에 대해 전형적인 산화 반응들을 겪는다. 반응 메커니즘은 일반적으로 다단계이고, 중간물들은 전해질에 의존한다. 알칼리 아연-공기 전지에 대한 전형적인 애노드 방전 반응들은 식들(1-4)로 표현된다.During discharge, the anode of a metal-air cell undergoes oxidation reactions typical for that particular metal. The reaction mechanism is generally multistep and the intermediates depend on the electrolyte. Typical anode discharge reactions for alkaline zinc-air cells are expressed in equations (1-4).
Zn + 4OH- → Zn(OH)4 2 - + 2e- (1)Zn + 4OH - → Zn(OH) 4 2 - + 2e - (1)
Zn + 2OH- → Zn(OH)2 + 2e- (2)Zn + 2OH - → Zn(OH) 2 + 2e - (2)
Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e- (3)Zn + 2OH - → ZnO + H 2 O + 2e - (3)
Zn(OH)2 → ZnO + H2O (4)Zn(OH) 2 → ZnO + H 2 O (4)
모든 금속-공기 전지들의 핵심 구성 요소는 공기 전극이다. 전통적인 배터리 캐소드들과는 달리, 산소가 주로 대기의 공기인 배터리 외부의 공기로부터 공급되는 동안, 공기 전극은 주로 산소 환원을 위한 촉매 행렬로서 기능할 수 있고, 또한 캐소드 전류 컬렉터로서 작용한다. 알칼리 수성 전해질들에 대한 캐소드 반응 시퀀스는 다음 식들로 설명된다:The key component of all metal-air batteries is the air electrode. Unlike traditional battery cathodes, the air electrode can function primarily as a catalytic matrix for oxygen reduction, while oxygen is supplied from the air outside the battery, which is mainly atmospheric air, and also acts as a cathode current collector. The cathode reaction sequence for alkaline aqueous electrolytes is described by the following equations:
02 + 2e- + H2O → 02H- + OH- (5)0 2 + 2e - + H 2 O → 0 2 H - + OH - (5)
02H- → OH- + 1/2 02 (6)0 2 H - → OH - + 1/2 0 2 (6)
산소가 외부 공기로부터 공급되기 때문에, 양 전극 자체는 오로지 전자를 전도시키고 산소를 히드록실 반응에 촉매 작용시키는데 필요하기 때문에 매우 얇을 수 있다. 다양한 탄소들, 과망간산 칼륨, 이산화 망간, 코발트 테트라피라지노포르피라진 유도체, 페로브스카이츠(perovskites), 티타늄 도핑된 이산화 망간, 코발트 산화물, 그라핀, 케첸(Ketjen) 블랙, 도핑된 케첸 블랙, 탄소 나노튜브, 탄소 섬유, 코발트 망간 산화물, 전도성 중합체들 및 본질적으로 전도성 중합체들, 이들의 조합 및 다른 화합물들은 반응(6)을 통해 과산화물의 화학적 분해를 촉진시키는 것으로 보고되었다.Because the oxygen is supplied from the outside air, the positive electrode itself can be very thin as it is needed only to conduct electrons and catalyze the oxygen to the hydroxyl reaction. Various carbons, potassium permanganate, manganese dioxide, cobalt tetrapyrazinoporphyrazine derivatives, perovskites, titanium doped manganese dioxide, cobalt oxide, graphene, Ketjen black, doped Ketjen black, carbon Nanotubes, carbon fibers, cobalt manganese oxide, conducting polymers and intrinsically conducting polymers, combinations thereof, and other compounds have been reported to promote the chemical decomposition of peroxides through reaction (6).
일반적인 공기 전극 캐소드 구조들은 일반적으로 공기 확산층, 소수성 PTFE 층, 탄소가 과산화물 분해를 개선하기 위해 활성인 촉매와 혼합된 촉매 층을 포함하는 다중 층들을 포함한다. 캐소드는 분리막 및 배리어 층에 의해 애노드로부터 분리되고, 전해질에 대해 습윤성이고, 금속 애노드가 캐소드와 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다.Typical air electrode cathode structures typically include multiple layers including an air diffusion layer, a hydrophobic PTFE layer, and a catalyst layer in which carbon is mixed with an active catalyst to improve peroxide decomposition. The cathode is separated from the anode by a separator and barrier layer, is wettable with respect to the electrolyte, and can prevent the metal anode from direct contact with the cathode.
캐소드를 향한 공기 구멍들은 적절한 공기 공급을 제공하기 위해 사용된다. 금속-공기 전지가 사용을 위해 필요로 하기 전에, 외부 환경으로부터 보호되어야 한다. 배출 구멍들을 덮는 접착제 및 기체 구별 탭이 대부분의 산소가 자유롭게 전지에 들어가는 것을 방지한다. 탭은 사용하기 전에 제거되어, 캐소드가 자유롭게 공기를 공급받을 수 있게 한다.Air holes facing the cathode are used to provide adequate air supply. Before a metal-air cell is required for use, it must be protected from the external environment. The adhesive and gas separator tabs covering the vent holes prevent most oxygen from freely entering the cell. The tab is removed before use, allowing the cathode to receive a free supply of air.
아연-공기 전지들은 가장 일반적으로 사용되는 금속-공기 시스템들 중 하나이다. 전지는 알칼리 전지들에 비해 높은 에너지 밀도를 나타낸다. 이 시스템의 단점들은 상대적으로 낮은 속도의 성능과 환경 조건들에 대한 취약성을 포함한다. 아연-공기 전지들은 일반적으로 낮은 연속 전류 배출들에 대해 양호하게 수행하지 만, 간헐적이고 고속의 테스트들에 대해 불충분한 서비스를 제공할 수 있다.Zinc-air cells are one of the most commonly used metal-air systems. The battery exhibits higher energy density compared to alkaline batteries. Disadvantages of this system include relatively low speed performance and vulnerability to environmental conditions. Zinc-air cells generally perform well for low continuous current draws, but may provide inadequate service for intermittent and high-speed tests.
아연-공기 전지 구성은 전형적으로 코인 전지 설계이고, 이러한 설계는 공기 구멍들을 갖는 바닥 캔, 소수성 및 장벽 층들 및 그 위에 분리막을 포함하는 캐소드 구조를 포함한다. 공기 전극이 얇기 때문에, 대부분의 전지 체적은 아연 애노드에 의해 점유된다. 일반적으로 프리즘 형식인 더 큰 전지들은 적절한 성능을 유지하기 위해 복잡한 공기 전달 시스템을 필요로 한다. 원통형(예: AA 또는 LR6 크기)의 아연-공기 설계들은 일반적으로 알칼리 카테고리에 대해 너무 높은 전지 비용을 초래하고, 복잡한 캐소드 설계들 및 제조 공정들, 공기 전달 경로들, 및 양의 단자 조립체에 캐소드 전류 컬렉터의 용접을 필요로 한다.The zinc-air cell configuration is typically a coin cell design, which includes a bottom can with air pores, a cathode structure comprising hydrophobic and barrier layers and a separator thereon. Because the air electrode is thin, most of the cell volume is occupied by the zinc anode. Larger cells, typically prismatic, require complex air delivery systems to maintain proper performance. Cylindrical (e.g. AA or LR6 size) zinc-air designs generally result in cell costs that are too high for the alkaline category, complex cathode designs and manufacturing processes, air transfer paths, and cathode to positive terminal assemblies. Requires welding of the current collector.
일반적인 1 차 아연, 이산화 망간("Zn/Mn02") 또는 알칼리 배터리들은 낮은 물질 및 제조 비용으로 간헐적인 테스트를 포함한 다양한 테스트들에 대해 양호한 성능을 제공한다. 그러나 배터리 용량 및 그에 따른 수명은 전지에 채워질 수 있는 MnO2 및 아연과 같은 전기화학적 활성 성분들의 양에 의해 제한된다.Common primary zinc, manganese dioxide ("Zn/Mn0 2 ") or alkaline batteries provide good performance for a variety of tests, including intermittent testing, at low material and manufacturing costs. However, battery capacity and therefore lifespan is limited by the amount of electrochemically active ingredients such as MnO 2 and zinc that can be filled into the cell.
아연-공기 및 공기-보조 아연-MnO2 전지들에서 애노드 물질 및 관련 전기화학 반응들은 Zn/Mn02에 대해서와 본질적으로 동일하다. 그러나 공기 회복 또는 공기 복구 배터리들로도 알려진 공기-보조 배터리들에서, 캐소드는 공기에 의해 재충전되거나 복구될 수 있다. 전지가 사용중이 아닐 때, 또는 방전 속도가 충분히 낮을 때, 대기의 산소는 공기 구멍들을 통해 전지에 들어가고, 공기 캐소드와 반응하여, 망간 옥시하이드레이트를 다시 이산화물로 재충전할 수 있다:The anode material and associated electrochemical reactions in zinc-air and air-assisted zinc-MnO 2 cells are essentially the same as for Zn/MnO 2 . However, in air-assisted batteries, also known as air recovery or air recovery batteries, the cathode can be recharged or restored by air. When the cell is not in use, or when the discharge rate is sufficiently low, atmospheric oxygen can enter the cell through the air pores, react with the air cathode, and recharge the manganese oxyhydrate back to dioxide:
1/2 02 + MnOOH → Mn02 + OH- (7)1/2 0 2 + MnOOH → Mn0 2 + OH - (7)
높은 방전 속도들에서, 공기-보조 배터리는 기존의 알칼리 전지처럼 작동하여 새로운 이산화망간을 환원시킬 수 있다. 캐소드는, MnO2 환원이 발생하도록 전해질로 적셔질 수 있다. 동시에 전형적인 캐소드는 산소가 KOH 용액들에서 낮은 용해도를 갖기 때문에 산소가 진입할 수 있게 해야 한다.At high discharge rates, the air-assisted battery can act like a conventional alkaline cell and reduce new manganese dioxide. The cathode can be wetted with electrolyte so that MnO 2 reduction occurs. At the same time, a typical cathode must allow oxygen to enter since oxygen has low solubility in KOH solutions.
공기-보조 배터리들은 간헐적인 사용 애플리케이션들에 특히 유용하며 전통적인 알칼리 배터리들에 비해 상당한 성능 향상을 제공할 수 있다. 그러나 공기-보조 배터리들의 설계는 아연-공기 전지들의 설계만큼 복잡하여, 제조하기 어렵게 하고 비용이 많이 들게 한다. 이러한 한계들로 인해, 어떠한 실질적인 원통형 공기-보조 배터리도 지금까지 대량 생산되지 못했다. 따라서, 소비자 애플리케이션들에서 저 비용 및 개선된 실행 시간을 갖는 배터리의 제작의 용이성에 대한 필요성이 여전히 충족되지 않았고, 간헐적이고 고속 사용 애플리케이션들에서 작동할 수 있는 금속-공기 배터리에 대한 필요성이 존재한다.Air-assisted batteries are particularly useful in intermittent use applications and can provide significant performance improvements over traditional alkaline batteries. However, the design of air-assisted batteries is as complex as that of zinc-air cells, making them difficult and expensive to manufacture. Because of these limitations, no practical cylindrical air-assisted battery has been mass produced to date. Therefore, the need for ease of fabrication of batteries with low cost and improved run time in consumer applications remains unmet, and a need exists for metal-air batteries that can operate in intermittent and high-speed usage applications. .
일 양상에 따르면, 전기화학 금속-공기 배터리는 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하는 공기 전극 구성요소를 갖고, 고체 이온 전도성 중합체 물질은 공기 전극에서 사용되고, 본 출원에서 고체 이온 전도성 중합체 물질로 지칭된다.According to one aspect, an electrochemical metal-air battery has an air electrode component comprising a solid ion-conducting polymer material, the solid ion-conducting polymer material being used in the air electrode and referred to in this application as a solid ion-conducting polymer material.
일 양상에서, 금속-공기 배터리는: 전기 전도성 물질 및 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하는 공기 전극; 제 1 전기화학적 활성 금속을 포함하는 음의 전극; 및 공기 전극과 음의 전극 사이에 개재되고, 공기 전극과 접하는 이온 전도성의 유전성 비-전기화학적 활성 물질을 포함하고, 공기 전극은 공기 전극이 산소 기체 소스에 노출될 때 및 배터리가 부하하에 있을 때, 산소를 환원시키도록 작용한다.In one aspect, a metal-air battery includes: an air electrode comprising an electrically conductive material and a solid ion-conducting polymer material; a negative electrode comprising a first electrochemically active metal; and an ion-conducting, dielectric, non-electrochemically active material interposed between the air electrode and the negative electrode and in contact with the air electrode, wherein the air electrode is exposed to the oxygen gas source and when the battery is under load. , acts to reduce oxygen.
금속-공기 배터리의 다른 양상들은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다:Other aspects of a metal-air battery may include one or more of the following:
고체 이온 전도성 중합체 물질은 30% 초과의 결정도를 가지며;The solid ion-conducting polymer material has a crystallinity greater than 30%;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 용융 온도를 가지며;The solid ion-conducting polymer material has a melting temperature;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 유리 상태를 가지며;The solid ion-conducting polymer material has a glassy state;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 적어도 하나의 양이온성 및 음이온성 확산 이온을 가지며, 적어도 하나의 확산 이온은 유리 상태 내에서 이동 가능하며;The solid ion-conducting polymer material has at least one cationic and anionic diffusing ion, and at least one diffusing ion is capable of moving within the glassy state;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 복수의 전하 전달 착물들을 가지며;The solid ion-conducting polymer material has a plurality of charge transfer complexes;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 복수의 단량체들을 포함하고, 각각의 전하 전달 착물은 단량체 상에 위치하며;The solid ion-conducting polymer material includes a plurality of monomers, each charge transfer complex located on a monomer;
고체 이온 전도성 중합체 물질의 전자 전도도는 실온에서 1×10-8S/cm 미만이고;The electronic conductivity of the solid ion-conducting polymer material is less than 1×10 -8 S/cm at room temperature;
유리 상태는 고체 이온 전도성 중합체 물질의 용융 온도 미만의 온도에서 존재하며; 적어도 하나의 양이온성 확산 이온은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속 또는 전이후 금속을 포함하며;The glassy state exists at temperatures below the melting temperature of the solid ion-conducting polymer material; The at least one cationic diffusing ion comprises an alkali metal, alkaline earth metal, transition metal, or post-transition metal;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 복수의 단량체들을 포함하고, 단량체 당 적어도 하나의 음이온성 확산 이온이 존재한다.The solid ion-conducting polymer material includes a plurality of monomers, with at least one anionic diffusing ion present per monomer.
고체 이온 전도성 중합체 물질은 복수의 단량체들을 포함하고, 단량체 당 적어도 하나의 양이온성 확산 이온이 존재하며;The solid ion-conducting polymer material includes a plurality of monomers, and there is at least one cationic diffusing ion per monomer;
고체 이온 전도성 중합체 물질 1리터당 적어도 1몰의 양이온성 확산 이온이 존재하며;There is at least 1 mole of cationic diffusing ions per liter of solid ion-conducting polymer material;
전하 전달 착물은 중합체, 전자 수용체 및 이온 화합물의 반응에 의해 형성되고, 각 양이온성 및 음이온성 확산 이온은 이온성 화합물의 반응 생성물이며;A charge transfer complex is formed by the reaction of a polymer, an electron acceptor, and an ionic compound, and each cationic and anionic diffusing ion is a reaction product of an ionic compound;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 적어도 하나의 이온성 화합물로부터 형성되고, 이온성 화합물은 각각의 적어도 하나의 양이온성 및 음이온성 확산 이온을 포함하며;The solid ion-conducting polymer material is formed from at least one ionic compound, the ionic compound each comprising at least one cationic and anionic diffusing ion;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 열가소성이다.The solid ion-conducting polymer material is thermoplastic.
전하 전달 착물은 중합체와 전자 수용체의 반응에 의해 형성되며;Charge transfer complexes are formed by the reaction of a polymer with an electron acceptor;
고체 이온 전도성 중합체 물질의 용융 온도는 250℃보다 높고;The melting temperature of the solid ion-conducting polymer material is higher than 250°C;
각각의 적어도 하나의 양이온성 및 음이온성 확산 이온은 확산율을 갖고, 양이온성 확산율은 음이온성 확산율보다 크며;Each at least one cationic and anionic diffusing ion has a diffusivity, the cationic diffusivity being greater than the anionic diffusivity;
고체 이온 전도성 중합체 물질의 양이온 전달 상수는 0.5보다 크고;The cation transfer constant of the solid ion-conducting polymer material is greater than 0.5;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 리튬을 포함하고, 리튬의 농도는 고체 이온 전도성 중합체 물질 1리터당 리튬 3몰보다 크며;The solid ion-conducting polymer material contains lithium, and the concentration of lithium is greater than 3 moles of lithium per liter of the solid ion-conducting polymer material;
양이온성 확산 이온은 리튬을 포함하고;Cationic diffusing ions include lithium;
확산 양이온은 1가이고; Diffusing cations are monovalent;
확산 양이온의 원자가는 1보다 크다;The valence of a diffusing cation is greater than 1;
공기 캐소드는 산소를 환원시킬 때 수산화 이온을 생성하고, 고체 이온 전도성 고분자 물질은 수산화 이온을 이온 전도시키고;The air cathode generates hydroxide ions when reducing oxygen, and the solid ion-conducting polymer material conducts hydroxide ions;
확산 음이온은 수산화 이온이고;The diffusing anion is the hydroxide ion;
확산 음이온은 1가이고;The diffusing anion is monovalent;
확산 음이온과 확산 양이온은 모두 1가이고;Both the diffusible anion and the diffusible cation are monovalent;
적어도 하나의 양이온성 및 음이온성 확산 이온은 확산율을 가지며, 음이온성 확산율은 양이온성 확산율보다 크며;At least one of the cationic and anionic diffusing ions has a diffusivity, the anionic diffusivity being greater than the cationic diffusivity;
고체 이온 전도성 중합체 물질의 양이온 전달 상수는 0.5 이하이고, 0보다 크며;The cation transfer constant of the solid ion-conducting polymer material is less than or equal to 0.5 and greater than zero;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 복수의 단량체들을 포함하며, 여기서 각 단량체는 단량체의 주쇄에 위치한 방향족 또는 이종고리의 고리 구조를 포함한다;The solid ion-conducting polymer material includes a plurality of monomers, wherein each monomer includes an aromatic or heterocyclic ring structure located in the main chain of the monomer;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 고리 구조에 통합되거나, 고리 구조에 인접한 주쇄 상에 위치한 이종원자를 포함하고, 이종원자는 황, 산소 또는 질소로 이루어진 그룹으로부터 선택되고;The solid ion-conducting polymer material includes heteroatoms incorporated into a ring structure or located on the main chain adjacent to the ring structure, wherein the heteroatoms are selected from the group consisting of sulfur, oxygen or nitrogen;
이종원자는 고체 이온 전도성 중합체 물질의 고리 구조에 인접한 단량체의 주쇄 상에 위치하고;The heteroatoms are located on the main chain of the monomer adjacent to the ring structure of the solid ion-conducting polymer material;
이종원자는 고체 이온 전도성 중합체 물질의 고리 구조에 인접한 단량체의 골격 상에 위치하며, 이종원자는 황이고;The heteroatom is located on the backbone of the monomer adjacent to the ring structure of the solid ion-conducting polymer material, and the heteroatom is sulfur;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 파이(pi)-공액결합되며;The solid ion-conducting polymer material is pi-conjugated;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 복수의 단량체들을 포함하고, 각 단량체의 분자량은 100 그램/몰보다 크며;The solid ion-conducting polymer material includes a plurality of monomers, each monomer having a molecular weight greater than 100 grams/mole;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 친수성이며;The solid ion-conducting polymer material is hydrophilic;
고체 이온 전도성 중합체 물질의 이온 전도도는 등방성이고;The ionic conductivity of the solid ion-conducting polymer material is isotropic;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 불연성이고;The solid ion-conducting polymer material is non-flammable;
고체 이온 전도성 중합체 물질의 영률은 3.0 MPa 이상이고;The Young's modulus of the solid ion-conducting polymer material is at least 3.0 MPa;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 양이온 및 음이온 확산 이온 모두를 함유하거나 전자 수용체에 의한 산화를 통해 양이온 및 음이온 확산 이온으로 전환될 수 있는 이온성 화합물의 존재하에 전자 수용체에 의해 도핑된 후에 이온 전도성이 되고;A solid ionically conductive polymer material becomes ionically conductive after being doped by an electron acceptor in the presence of an ionic compound that contains both cationic and anionic diffusing ions or can be converted to cationic and anionic diffusing ions through oxidation by the electron acceptor;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 베이스 중합체, 전자 수용체 및 이온성 화합물의 반응 생성물로부터 형성되고, 베이스 중합체는 공액 중합체, PPS 또는 액정 중합체일 수 있고;The solid ion-conducting polymer material is formed from the reaction product of a base polymer, an electron acceptor and an ionic compound, and the base polymer may be a conjugated polymer, PPS or liquid crystal polymer;
공기 전극은 제 2 전기화학적 활성 물질을 추가로 포함하며, 이러한 활성 물질은 이산화망간 일 수 있는 금속 산화물을 포함할 수 있고;The air electrode further comprises a second electrochemically active material, which active material may comprise a metal oxide, which may be manganese dioxide;
제 1 전기화학적 활성 물질은 아연을 포함하고;The first electrochemically active material includes zinc;
제 1 전기화학적 활성 물질은 아연, 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨 또는 리튬을 포함하고;The first electrochemically active material comprises zinc, aluminum, calcium, magnesium, potassium, sodium or lithium;
공기 전극은 제 2 전기화학적 활성 물질을 추가로 포함하고, 제 2 전기화학적 활성 물질은 전기 전도성 물질 및 고체 이온 전도성 중합체 물질과 혼합되고;The air electrode further comprises a second electrochemically active material, the second electrochemically active material being mixed with the electrically conductive material and the solid ion-conducting polymer material;
이온 전도성의 유전성 비-전기화학적 활성 물질은 공기 전극에 인접하게 배치된 부직포 분리막 및 수성 전해질 모두를 포함하고;The ionically conductive, dielectric, non-electrochemically active material includes both an aqueous electrolyte and a nonwoven separator disposed adjacent to the air electrode;
전기 전도성 물질은 탄소를 포함하고;The electrically conductive material includes carbon;
배터리는 비-수성 및 이온 전도성이고, 유전성 비-전기화학적 활성 물질은 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하고;The battery is non-aqueous and ionically conductive, and the dielectric non-electrochemically active material includes a solid ionically conductive polymer material;
이온 전도성의 유전성 비-전기화학적 활성 물질은 공기 전극에 인접하게 배치된 부직포 분리막 및 수성 전해질 모두를 포함하고;The ionically conductive, dielectric, non-electrochemically active material includes both an aqueous electrolyte and a nonwoven separator disposed adjacent to the air electrode;
전기 전도성 물질은 고체 이온 전도성 중합체 물질과 혼합되고, 공기 전극은 열가소성이고;The electrically conductive material is mixed with a solid ion-conducting polymer material, and the air electrode is thermoplastic;
산소 기체 소스는 공기 소스이고, 공기 소스는 제 1 농도의 산소, 이산화탄소 및 수증기 기체를 포함하고, 배터리는 공기 전극과 공기 소스 사이에 유동적으로 개재된 공기 구별 시스템을 더 포함하고, 공기 구별 시스템은 공기 전극에 제 2 농도의 산소, 이산화탄소 및 수증기 기체를 공급하고, 공기 구별 시스템은 배터리가 부하하에 있을 때 공기 전극에 도달하는 산소 농도에 영향을 미치고, 산소의 제 2 농도는 산소의 제 1 농도보다 높고, 공기 구별 시스템은 이산화탄소의 농도에 영향을 미치고, 이산화탄소의 제 2 농도는 이산화탄소의 제 1 농도보다 낮고, 공기 구별 시스템은 물의 농도에 영향을 미치고, 물의 제 2 농도는 물의 제 1 농도보다 낮고, 공기 구별 시스템은 고체 이온 전도성 고분자 물질을 포함하거나, 또는 공기 소스는 대기 공기이고, 배터리는 공기 공급 포트를 갖는 밀봉부 내에 배치되고, 공기 공급 포트는 대기 공기가 공기 전극으로 흐르게 한다.The oxygen gas source is an air source, the air source includes a first concentration of oxygen, carbon dioxide and water vapor gas, and the battery further includes an air differentiation system fluidly interposed between the air electrode and the air source, the air differentiation system comprising: Supplying a second concentration of oxygen, carbon dioxide and water vapor gases to the air electrode, the air discrimination system affects the oxygen concentration reaching the air electrode when the battery is under load, and the second concentration of oxygen is equal to the first concentration of oxygen. higher, the air discrimination system affects the concentration of carbon dioxide, the second concentration of carbon dioxide is lower than the first concentration of carbon dioxide, the air discrimination system affects the concentration of water, the second concentration of water is lower than the first concentration of water Low, the air discrimination system includes a solid ion-conducting polymer material, or the air source is atmospheric air, and the battery is disposed in a seal with an air supply port, and the air supply port allows atmospheric air to flow to the air electrode.
배터리의 양상 및 목적은 고체 이온 전도성 중합체 물질에 의해 제공되는 이온 이동도이고, 구체적으로:An aspect and purpose of a battery is the ion mobility provided by solid ion-conducting polymer materials, specifically:
고체 이온 전도성 중합체 물질의 이온 전도도는 실온에서 1.0×10-5S/cm보다 크고;The ionic conductivity of the solid ion-conducting polymer material is greater than 1.0×10 -5 S/cm at room temperature;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 단일 양이온성 확산 이온을 포함하고, 양이온성 확산 이온의 확산율은 실온에서 1.0×10-12m2/s보다 크고;The solid ion-conducting polymer material contains a single cationic diffusing ion, and the diffusion rate of the cationic diffusing ion is greater than 1.0×10 -12 m 2 /s at room temperature;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 단일 음이온성 확산 이온을 포함하며, 음이온성 확산 이온의 확산율은 실온에서 1.0×10-12m2/s보다 크고;The solid ion-conducting polymer material contains a single anionic diffusing ion, and the diffusion rate of the anionic diffusing ion is greater than 1.0×10 -12 m 2 /s at room temperature;
고체 이온 전도성 중합체 물질의 적어도 양이온성 확산 이온 중 하나는 1.0×10-12m2/s보다 큰 확산율를 갖고;At least one of the cationic diffusing ions of the solid ion-conducting polymer material has a diffusion rate greater than 1.0×10 -12 m 2 /s;
고체 이온 전도성 중합체 물질의 적어도 음이온성 확산 이온 중 하나는 1.0×10-12m2/s보다 큰 확산율를 갖고;At least one of the anionic diffusing ions of the solid ion-conducting polymer material has a diffusion rate greater than 1.0×10 -12 m 2 /s;
고체 이온 전도성 중합체 물질의 적어도 하나의 음이온성 확산 이온 및 적어도 하나의 양이온성 확산 이온 중 하나는 1.0×10-12m2/s보다 큰 확산율를 갖고;one of the at least one anionic diffusing ion and the at least one cationic diffusing ion of the solid ion-conducting polymer material has a diffusion rate greater than 1.0×10 -12 m 2 /s;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 실온에서 1×10-4S/cm보다 큰 이온 전도도를 갖고;The solid ion-conducting polymer material has an ionic conductivity greater than 1×10 -4 S/cm at room temperature;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 80℃에서 1×10-3S/cm보다 큰 이온 전도도를 갖고;The solid ion-conducting polymer material has an ionic conductivity greater than 1×10 -3 S/cm at 80°C;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 -40℃에서 1×10-5S/cm보다 큰 이온 전도도를 갖고;The solid ion-conducting polymer material has an ionic conductivity greater than 1×10 -5 S/cm at -40°C;
양이온성 확산 이온은 리튬을 포함하고, 리튬 이온 및 수산화 이온의 확산율은 모두 실온에서 1.0×10-13m2/s보다 크다. Cationic diffusing ions include lithium, and the diffusion rates of lithium ions and hydroxide ions are both greater than 1.0×10 -13 m 2 /s at room temperature.
일 양상에서, 배터리는 다음 특성들 중 하나 이상으로 이루어질 수 있다:In one aspect, the battery may consist of one or more of the following characteristics:
전기 전도성 물질은 공기 전극의 10 내지 30 중량%를 포함하며;The electrically conductive material comprises 10 to 30% by weight of the air electrode;
고체 이온 전도성 중합체 물질은 공기 전극의 5 내지 50 중량%를 포함하며;The solid ion-conducting polymer material comprises 5 to 50 weight percent of the air electrode;
제 2 전기화학적 활성 물질은 공기 전극의 10 내지 70 중량%를 포함하며;The second electrochemically active material comprises 10 to 70% by weight of the air electrode;
공기 캐소드는, 탄소, 과망간산 칼륨, 이산화망간, 코발트 테트라피라지노포르피라진 유도체, 페로브스카이츠, 티타늄 도핑된 이산화망간, 코발트 산화물, 그라핀, 케첸 블랙, 도핑된 케첸 블랙, 탄소 나노튜브, 탄소 섬유, 코발트 망간 산화물, 전기 전도성 중합체들 및 본질적으로 전도성 중합체들 및 이들의 조합들로부터 선택될 수 있는 산소 환원 촉매를 포함하고;The air cathode is composed of carbon, potassium permanganate, manganese dioxide, cobalt tetrapyrazinoporphyrazine derivative, perovskites, titanium doped manganese dioxide, cobalt oxide, graphene, Ketjen black, doped Ketjen black, carbon nanotubes, carbon fiber, an oxygen reduction catalyst that may be selected from cobalt manganese oxide, electrically conductive polymers and essentially conductive polymers and combinations thereof;
공기 전극은 이산화망간을 포함하고, 이산화 망간은 β-Mn02(파이롤루사이트), 램스델라이트, γ-Mn02, ε-Mn02, λ-Mn02, EMD, CMD 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.The air electrode includes manganese dioxide, and the manganese dioxide includes β-Mn0 2 (pyrolusite), ramsdelite, γ-Mn0 2 , ε-Mn0 2 , λ-Mn0 2 , EMD, CMD, and combinations thereof. is selected from the group.
전기 전도성 물질은 탄소를 포함하고, 이산화 망간의 중량 대 탄소의 중량의 비는 2:1보다 크고;The electrically conductive material includes carbon, and the ratio of the weight of manganese dioxide to the weight of carbon is greater than 2:1;
제 1 전기화학적 활성 물질은 아연을 포함하고, 아연의 중량 대 이산화망간의 중량의 비는 1:1보다 크고;The first electrochemically active material includes zinc, and the ratio of the weight of zinc to the weight of manganese dioxide is greater than 1:1;
공기 전극에서 이산화망간의 중량에 대한 이온 전도성 중합체 물질의 중량의 비는 1:1보다 크고;The ratio of the weight of the ion-conducting polymer material to the weight of manganese dioxide in the air electrode is greater than 1:1;
금속-공기 배터리는 양의 전류 컬렉터로서 작용하는 금속 캔을 더 포함하며, 공기 전극은 캔과 전기적으로 연결되고;The metal-air battery further includes a metal can that acts as a positive current collector, and the air electrode is electrically connected to the can;
캔은 원통형이고, 공기 캐소드는 환형 모양이고;The can is cylindrical, and the air cathode is annular;
캔은 AA(LR6) 크기이고;Cans are size AA (LR6);
고체 이온 전도성 중합체 물질의 산소 기체 투과도는 물 투과도보다 크며; The oxygen gas permeability of solid ion-conducting polymer materials is greater than the water permeability;
고체 이온 전도성 중합체 물질을 함유하는 공기 전극을 포함하는 AA 크기의 전지는 다음의 방전들 도중에 3 Ah 용량보다 큰 용량을 나타냈다: 0.8V 전압 차단으로 150mA와 300mA 사이의 전류에서 연속 정전류 방전; 1시간 동안 인가된 150mA 내지 300mA 차단 사이의 전류에서 간헐 방전, 이후 1시간의 휴지 기간(0.8V 전압 차단); 50mA에서 1.0V 전압 차단까지의 연속 정전류 방전; 1시간 동안 인가된 50mA에서의 간헐 방전, 이후 1시간의 휴지 기간(1.0 전압 차단); 3.9옴에서 0.8V 전압 차단까지의 연속 정저항 방전; 3.9옴 저항이 1시간 동안 인가될 때 간헐적인 정저항 방전, 이후 1시간의 휴지 기간(0.8V 전압 차단); 42옴에서 1.0 전압 차단까지의 연속 정저항 방전; 및 42옴 저항이 15초 동안 인가될 때 간헐적인 정저항 방전, 이후 45초의 휴지 기간(1.0V 전압 차단).AA-sized cells containing air electrodes containing solid ion-conducting polymer materials exhibited capacities greater than 3 Ah capacity during the following discharges: continuous galvanostatic discharge at currents between 150 mA and 300 mA with 0.8 V voltage cutoff; Intermittent discharge at currents between 150 and 300 mA applied for 1 hour, followed by a 1 hour rest period (0.8 V voltage cut); Continuous galvanostatic discharge from 50mA to 1.0V voltage cut-off; Intermittent discharge at 50 mA applied for 1 hour, followed by a rest period of 1 hour (1.0 voltage cut); Continuous constant resistive discharge from 3.9 ohms to 0.8V cutoff; Intermittent constant resistive discharge when a 3.9 ohm resistance is applied for 1 hour, followed by a 1 hour rest period (0.8 V voltage cut); Continuous constant resistive discharge from 42 ohms to 1.0 voltage cutoff; and intermittent constant resistive discharge when a 42 ohm resistance is applied for 15 seconds, followed by a rest period of 45 seconds (1.0 V voltage cut).
일 양상에서, 공기 전극을 제조하는 방법은 다음 단계들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:In one aspect, a method of manufacturing an air electrode may include one or more of the following steps:
제 1 혼합물을 생성시키기 위하여 중합체를 이온성 화합물 및 전자 수용체와 혼합하는 단계;mixing the polymer with an ionic compound and an electron acceptor to produce a first mixture;
제 1 혼합물을 고체 이온 전도성 중합체 물질로 형성하기 위하여, 제 1 혼합물을 가열하는 단계;heating the first mixture to form the first mixture into a solid ionically conductive polymer material;
산소를 환원시키고 히드록실 이온을 이온 전도시키도록 반응하는 제 2 혼합물을 제조하기 위하여, 고체 이온 전도성 중합체 물질을 전기 전도성 물질과 혼합하는 단계.Mixing a solid ionically conductive polymer material with an electrically conductive material to produce a second mixture that reacts to reduce oxygen and ionically conduction hydroxyl ions.
일 양상에서, 공기 전극을 제조하는 방법은 이전 양상과 조합하여 다음 단계들 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다:In one aspect, a method of manufacturing an air electrode may further include one or more of the following steps in combination with the previous aspect:
제 2 혼합물 혼합 단계에서, 공동-감극제가 제 2 혼합물에 첨가되고;In the second mixture mixing step, a co-depolarizing agent is added to the second mixture;
공동-감극제는 이산화 망간이다.The co-depolarizing agent is manganese dioxide.
제 1 혼합 단계에서, 공동-감극제가 제 1 혼합물에 첨가된다.In the first mixing step, a co-depolarizing agent is added to the first mixture.
전기 전도성 물질은 탄소를 포함한다.Electrically conductive materials include carbon.
제 2 혼합물이 공기 캐소드로 형성되는 형성 단계가 사용된다.A forming step is used in which the second mixture is formed with an air cathode.
형성 단계에서, 제 2 혼합물을 공기 캐소드로 열성형하기 위하여 제 2 혼합물에 압력이 인가되고, 공기 캐소드는 필름으로 형성되거나, 또는 공기 캐소드는 환형으로 형성되고;In the forming step, pressure is applied to the second mixture to thermoform the second mixture into an air cathode, the air cathode is formed into a film, or the air cathode is formed into an annular shape;
베이스 중합체는 PPS, PEEK, LCP, PPy 또는 이들의 조합이고;The base polymer is PPS, PEEK, LCP, PPy or a combination thereof;
도펀트는 DDQ, TCNE, 클로라닐, SO3, 오존, 전이 금속 산화물, MnO2, 산소 및 공기로부터 선택되고;The dopants are selected from DDQ, TCNE, chloranyl, SO3, ozone, transition metal oxides, MnO2, oxygen and air;
이온성 화합물은 염, 수산화물, 산화물 또는 수산화물 이온들을 함유하거나 수산화물로 전환될 수 있는 다른 물질이고;An ionic compound is a salt, hydroxide, oxide or other substance that contains hydroxide ions or can be converted to a hydroxide;
이온성 화합물은 LiOH, NaOH, KOH, Li20 또는 LiNO3을 포함하고;Ionic compounds include LiOH, NaOH, KOH, Li20 or LiNO3;
가열 단계에서, 제 1 혼합물은 250 내지 450 ℃의 온도로 가열되고;In the heating step, the first mixture is heated to a temperature of 250 to 450 °C;
가열 단계에서, 제 1 혼합물이 가열되는 동안 제 1 혼합물에 압력이 인가되며, 압력은 300 내지 500 psi일 수 있고;In the heating step, pressure is applied to the first mixture while the first mixture is heated, and the pressure may be 300 to 500 psi;
제 2 혼합물 단계에서, 이산화망간은 고체 이온 전도성 중합체 물질에 의해 밀봉되고;In the second mixing step, the manganese dioxide is sealed by a solid ion-conducting polymer material;
형성 단계에서, 공기 전극은 압출되고;In the forming step, the air electrode is extruded;
제 2 혼합물 혼합 단계에서, 촉매가 혼합물에 첨가되고;In the second mixture mixing step, catalyst is added to the mixture;
제 2 혼합물 혼합 단계에서 소수성 화합물이 혼합물에 첨가되고;In the second mixture mixing step, a hydrophobic compound is added to the mixture;
제 2 혼합물 혼합 단계에서, 이산화탄소 흡착 화합물이 혼합물에 첨가되고; In the second mixture mixing step, a carbon dioxide adsorption compound is added to the mixture;
위치결정 단계는 캔 내에 그리고 캔의 내부 표면에 인접하여 공기 캐소드를 위치지정하기 위하여 사용되며, 공기 캐소드는 환형으로 성형될 수 있고, 제 2 환형 모양의 캐소드 부분은 캔의 내부 표면 및 공기 캐소드 모두에 인접하여 위치될 수 있고, 제 2 캐소드 부분은 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다.The positioning step is used to position the air cathode within the can and adjacent the interior surface of the can, wherein the air cathode can be shaped into an annulus, and the second annular-shaped cathode portion is adjacent to both the interior surface of the can and the air cathode. and the second cathode portion may or may not include a solid ion-conducting polymer material.
이들 및 다른 특징들, 이점들 및 목적들은 다음의 상세한 설명들, 청구 범위들 및 첨부 도면들을 참조하여 당업자에 의해 더 잘 이해되고 인식될 것이다.These and other features, advantages and objects will be better understood and appreciated by those skilled in the art by reference to the following detailed description, claims and accompanying drawings.
도 1은 4개의 상이한 전기 전도성 탄소들을 사용하여 전지 성능을 나타내는 방전 곡선.
도 2a는 캐소드 섹션들을 제조하기 위한 도구의 단면 설명도.
도 2b는 도구에 의해 형성되는 공기 캐소드 환형 섹션들의 단면 설명도.
도 3은 전기화학 배터리 전지의 단면도.
도 4는 연속 150mA 방전 하에서의 전지 및 비교 전지들의 방전 곡선.
도 5는 예 7에 기술된 방전 곡선으로, 예 7의 전지 및 비교 상용 전지들의 간헐적인 방전 전압을 테스트 시간의 함수로 도시하는, 방전 곡선.
도 6은 테스트 시간의 함수로서 간헐적인 방전을 도시하는 예 8에 기술된 방전 곡선.
도 7은, 다양한 기술들에 대한 체적 당 체적 용량 비율 프로파일들의 비교를 도시하는, 예 9에 기술된 체적 정규화 곡선.
도 8은 박막 배터리를 도시하는 본 발명의 양상의 단면 대표도.1 is a discharge curve showing cell performance using four different electrically conductive carbons.
Figure 2a is a cross-sectional view of a tool for manufacturing cathode sections.
Figure 2b is a cross-sectional illustration of air cathode annular sections formed by a tool.
Figure 3 is a cross-sectional view of an electrochemical battery cell.
Figure 4 shows discharge curves of the cell and comparison cells under continuous 150 mA discharge.
FIG. 5 is a discharge curve described in Example 7 showing the intermittent discharge voltage of the cell of Example 7 and comparative commercial cells as a function of test time.
6 is a discharge curve described in Example 8 showing intermittent discharge as a function of test time.
Figure 7 is a volume normalization curve described in Example 9, showing a comparison of volume per volume capacity ratio profiles for various techniques.
Figure 8 is a representative cross-sectional view of an aspect of the invention showing a thin film battery.
본 특허 출원은 2015년 6월 2일자로 출원된 미국 가출원 제62/169,812호를 우선권으로 주장하며; 2016년 5월 6일자로 출원된 미국 특허출원 제15/148,085호의 부분 연속출원이고, 상기 특허출원 제15/148,085호는(a) 2015년 5월 8일자로 출원된 미국 가출원 제 62/158,841호를 우선권으로 주장하고,(i) 2013년 12월 3일자로 출원된 미국 가출원 제 61/911,049호를 우선권으로 주장하고, 2014년 12월 3일자로 출원된 미국 특허출원 제14/559,430 호, 및(ii) 2012년 4월 11일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/622,705호를 우선권으로 주장하고, 2013년 4월 11일자로 출원된 미국 특허출원 제13/861,170호의 부분 연속출원이고, 이들 개시사항들은 그 전체가 본 명세서에 참조로 통합된다.This patent application claims priority from U.S. Provisional Application No. 62/169,812, filed June 2, 2015; It is a partial continuation of U.S. Patent Application No. 15/148,085 filed on May 6, 2016, and said Patent Application No. 15/148,085 is (a) U.S. Provisional Application No. 62/158,841 filed on May 8, 2015. Claiming priority to (i) U.S. Provisional Application No. 61/911,049, filed on December 3, 2013, and U.S. Patent Application No. 14/559,430, filed on December 3, 2014; and (ii) claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 61/622,705, filed April 11, 2012, and is a partial continuation of U.S. Provisional Patent Application No. 13/861,170, filed April 11, 2013; The disclosures are incorporated herein by reference in their entirety.
용어들의 다음의 설명은, 본 섹션에서 설명될 양상들, 실시예들 및 목적들의 설명을 더 양호하게 자세히 설명하기 위해 제공된다. 달리 설명되거나 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어들은 본 개시사항이 속하는 기술 분야의 당업자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 개시의 다양한 실시예들의 검토를 용이하게 하기 위해, 특정 용어들의 다음의 설명들이 제공된다:The following description of terms is provided to better detail the description of the aspects, embodiments and purposes to be described in this section. Unless otherwise explained or defined, all technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which this disclosure pertains. To facilitate review of various embodiments of the present disclosure, the following explanations of specific terms are provided:
감극제는 전기화학적 활성 물질, 즉 전기화학 반응 및 전기화학적 활성 물질의 전하-전달 단계에서 그의 산화 상태를 변화시키거나 화학 결합들의 형성 또는 파괴에 참여하는 물질과 동의어이다. 전극이 하나 이상의 전자활성 물질들을 갖는 경우, 이들은 공동-감극제들(codepolarizers)이라고 할 수 있다.A depolarizing agent is synonymous with an electrochemically active substance, i.e. a substance that changes its oxidation state or participates in the formation or destruction of chemical bonds in the electrochemical reaction and charge-transfer stage of the electrochemically active substance. When the electrode has more than one electroactive material, these can be referred to as co-polarizers.
열가소성은 종종 용융점 부근의 특정 온도 위에서 또는 용융점 온도에서 유연하거나 성형될 수 있게 되고, 냉각시 고형화되는 수지 물질 또는 중합체의 특성이다.Thermoplasticity is the property of a resinous material or polymer to become flexible or moldable above or at a certain temperature, often near its melting point, and to solidify upon cooling.
고체 전해질들은 비-용매 중합체들 및 세라믹 화합물들(결정성 및 유리질)을 포함한다.Solid electrolytes include non-solvent polymers and ceramic compounds (crystalline and glassy).
"고체"는 무한히 긴 기간에 걸쳐 형상을 유지하는 능력을 특징으로 하며, 액상의 물질과는 구별되고 이와 상이하다. 고체들의 원자 구조는 결정성 또는 비결정성일 수 있다. 고체들은 혼합되거나 조성 구조들 내에서 구성요소들이 될 수 있다.A “solid” is characterized by the ability to maintain its shape over an infinitely long period of time, and is distinct from and different from liquid substances. The atomic structure of solids may be crystalline or amorphous. Solids can be mixed or incorporated into compositional structures.
본 출원 및 그 청구항들의 목적들을 위해, 고체 이온 전도성 중합체 물질은 다르게 기술되지 않는 한, 물질이 임의의 용매, 겔 또는 액상을 통하지 않고, 고체를 통해 이온 전도성인 것을 필요로 한다. 본 출원 및 그 청구항들의 목적들을 위해, 이온 전도성을 위해 액체들에 의존하는 겔화된(또는 습윤) 중합체들 및 다른 물질들은, 이들이 이온 전도성을 위해 액상에 의존한다는 점에서 고체 전해질(고체 이온 전도성 중합체 물질)이 아닌 것으로 정의된다.For the purposes of this application and its claims, a solid ionically conductive polymer material requires that the material be ionically conductive through a solid and not through any solvent, gel or liquid phase, unless otherwise stated. For the purposes of this application and its claims, gelled (or wet) polymers and other materials that rely on liquids for ionic conductivity are referred to as solid electrolytes (solid ionic conductive polymers) in that they rely on a liquid phase for ionic conductivity. It is defined as something that is not a substance.
중합체는 전형적으로 유기이며, 탄소 기반 고분자들로 이루어지고, 각각은 하나 이상의 유형의 반복 단위들 또는 단량체들을 갖는다. 중합체들은 가볍고, 연성이고, 보통 비-전도성이며, 상대적으로 낮은 온도들에서 용융된다. 중합체들은 사출, 블로잉(blow) 및 다른 성형 공정들, 압출, 프레싱, 스탬핑, 3차원 인쇄, 기계가공 및 기타 플라스틱 공정들을 통해 제품들로 제조될 수 있다. 중합체들은 전형적으로 유리 전이 온도 Tg 미만의 온도들에서 유리 상태를 갖는다. 이 유리 온도는 사슬의 유연성의 함수이며, 중합체 고분자의 세그먼트들의 배열들이 하나의 유닛으로 함께 움직일 수 있도록 충분한 자유-체적을 생성하기 위해, 시스템에 충분한 진동(열) 에너지가 존재할 때 발생한다. 그러나 중합체의 유리 상태에서, 중합체의 어떠한 분절 운동도 존재하지 않는다.Polymers are typically organic and consist of carbon-based polymers, each having one or more types of repeating units or monomers. Polymers are light, soft, usually non-conductive, and melt at relatively low temperatures. Polymers can be manufactured into products through injection, blowing and other molding processes, extrusion, pressing, stamping, three-dimensional printing, machining and other plastics processes. Polymers typically have a glassy state at temperatures below the glass transition temperature Tg. This glass temperature is a function of the flexibility of the chain and occurs when there is sufficient vibrational (thermal) energy in the system to create sufficient free-volume to allow the arrays of segments of the polymer polymer to move together as a unit. However, in the free state of the polymer, there is no segmental movement of the polymer.
중합체들은 무기 비금속 물질들로 정의되는 세라믹들과 구별되고; 일반적으로 산소, 질소 또는 탄소에 공유 결합 된 금속들로 이루어지고, 부서지기 쉽고, 강성이며, 비-전도성인 금속들로 구성된 화합물이다.Polymers are distinct from ceramics, which are defined as inorganic non-metallic materials; It is generally a compound composed of metals covalently bonded to oxygen, nitrogen, or carbon, and is brittle, rigid, and non-conductive.
일부 중합체들에서 발생하는 유리 전이는 중합체 물질이 냉각될 때 과냉각된 액체 상태와 유리 상태 사이의 중간 온도이다. 유리 전이의 열역학적 측정은 중합체의 물리적 특성, 예컨대 온도의 함수로서의 체적, 엔탈피 또는 엔트로피 및 다른 유도체 특성들을 측정함으로써 수행된다. 유리 전이 온도는 전이 온도에서 선택된 특성(엔탈피의 체적) 내의 단절과 같은 플롯 상에서 또는 기울기(열 용량 또는 열 팽창 계수)의 변화로부터 관찰된다. Tg 초과에서 Tg 미만으로 중합체를 냉각시킬 때, 중합체 분자 이동도는 중합체가 유리 상태에 도달할 때까지 느려진다.The glass transition that occurs in some polymers is an intermediate temperature between the supercooled liquid state and the glassy state when the polymer material is cooled. Thermodynamic measurements of the glass transition are performed by measuring the physical properties of the polymer, such as volume, enthalpy or entropy and other derivative properties as a function of temperature. The glass transition temperature is observed on the plot as a break in the selected property (volume of enthalpy) at the transition temperature or from a change in the slope (heat capacity or coefficient of thermal expansion). When cooling a polymer from above Tg to below Tg, polymer molecular mobility slows until the polymer reaches a glassy state.
중합체가 비정질 및 결정성 상태 모두를 포함할 수 있기 때문에, 중합체 결정도는 중합체의 양에 대한 이러한 결정성 상태의 양이며, 백분율로서 표현된다. 결정도의 백분율은 비정질 및 결정성 상태들의 상대적 영역들의 분석에 의한 중합체의 x-선 회절을 통해 계산될 수 있다.Because polymers can contain both amorphous and crystalline states, polymer crystallinity is the amount of these crystalline states relative to the amount of polymer, expressed as a percentage. The percentage of crystallinity can be calculated through x-ray diffraction of the polymer by analysis of the relative areas of amorphous and crystalline states.
중합체 필름은 일반적으로 중합체의 얇은 부분으로 기술되지만, 300마이크로미터 이하의 두께로 이해되어야 한다.Polymer films are generally described as thin sections of polymer, but should be understood as being less than 300 micrometers thick.
이온 전도도가 전기 전도도와 다른 점을 주목하는 것이 중요하다. 이온 전도도는 이온 확산율에 의존하며, 특성은 네른스트-아인슈타인(Nernst-Einstein) 방정식에 의해 관련된다. 이온 전도도 및 이온 확산율은 모두 이온 이동도의 측정값들이다. 이온은, 물질에서의 확산율이 양(0보다 큰)이거나, 양의 전도도에 기여할 경우, 물질 내에서 이동할 수 있다. 이러한 모든 이온 이동도 측정들은 달리 명시되지 않는 한 실온(약 21℃)에서 이루어진다. 이온 이동도는 온도에 의해 영향을 받기 때문에, 낮은 온도들서 검출하기가 어려울 수 있다. 장비 검출 한계들은 작은 이동도의 양들을 결정하는데 인자가 될 수 있다. 이동도는, 모두 이온을 전달하는 적어도 1×10-14m2/s 및 바람직하게는 1×10-12m2/s의 이온 확산율이 물질 내에서 이동할 수 있는 것으로, 이해될 수 있다.It is important to note that ionic conductivity is different from electrical conductivity. Ionic conductivity depends on the ionic diffusion rate, and the properties are related by the Nernst-Einstein equation. Ionic conductivity and ionic diffusion rate are both measures of ionic mobility. Ions can move within a material if the diffusion rate in the material is positive (greater than zero) or contributes to positive conductivity. All these ion mobility measurements are made at room temperature (approximately 21°C) unless otherwise specified. Because ion mobility is affected by temperature, it can be difficult to detect at low temperatures. Instrument detection limits can be a factor in determining small mobility quantities. Mobility can be understood as the ionic diffusion rate of at least 1×10 -14 m 2 /s and preferably 1×10 -12 m 2 /s, all of which transport ions can move within the material.
고체 중합체 이온 전도성 물질은 중합체를 포함하고 추가로 기술되는 바와 같이 이온을 전도시키는 고체이다.Solid polymer ionically conductive materials are solids that contain polymers and conduct ions as further described.
일 양상은 적어도 3개의 별개의 구성요소들: 중합체, 도펀트 및 이온성 화합물로부터 고체 이온 전도성 중합체 물질을 합성하는 방법을 포함한다. 구성요소들 및 합성 방법은 물질의 특정 애플리케이션을 위해 선택된다. 중합체, 도펀트 및 이온성 화합물의 선택은 또한 물질의 원하는 성능에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들어, 원하는 구성요소들 및 합성 방법은 원하는 물리적 특성(예: 이온 전도도)의 최적화에 의해 결정될 수 있다.One aspect includes a method of synthesizing a solid ion-conducting polymer material from at least three separate components: a polymer, a dopant, and an ionic compound. The components and synthesis method are selected for the specific application of the material. The selection of polymers, dopants and ionic compounds can also vary based on the desired performance of the material. For example, desired components and synthesis methods may be determined by optimization of desired physical properties (e.g., ionic conductivity).
합성:synthesis:
합성 방법은 또한 최종 물질(예, 필름, 입자, 등)의 특정 구성요소들 및 원하는 형태에 따라 달라질 수 있다. 그러나 이 방법은 초기에 적어도 2개의 구성요소들을 혼합하는 단계, 선택적인 제 2 혼합 단계에서 제 3 구성요소을 첨가하는 단계, 및 가열 단계에서 고체 이온 전도성 중합체 물질을 합성하기 위해 구성요소들/반응물들을 가열하는 단계의 기본 단계들을 포함한다. 본 발명의 일 양상에서, 최종 혼합물은 원하는 크기의 필름으로 선택적으로 형성될 수 있다. 도펀트가 제 1 단계에서 생성된 혼합물에 존재하지 않으면, 열 및 선택적으로 압력(양의 압력 또는 진공)이 가해지는 동안 혼합물에 후속적으로 첨가될 수 있다. 3가지 구성요소들 모두가 제공될 수 있고, 혼합 및 가열되어 단일 단계에서 고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성을 완료할 수 있다. 그러나 이러한 가열 단계는 임의의 혼합 단계와는 별도의 단계에서 이루어질 수 있거나, 또는 혼합이 이루어지는 동안 완료될 수도 있다. 가열 단계는 혼합물의 형태(예를 들어, 필름, 입자, 등)에 관계없이 수행될 수 있다. 합성 방법의 일 양상에서, 3가지 구성요소들 모두가 혼합되고, 이후 필름으로 압출된다. 필름은 합성을 완료하기 위하여 가열된다.Synthetic methods may also vary depending on the specific components and desired form of the final material (e.g., film, particle, etc.). However, this method initially involves mixing at least two components, adding a third component in an optional second mixing step, and heating the components/reactants to synthesize the solid ion-conducting polymer material. It includes the basic steps of heating. In one aspect of the invention, the final mixture can optionally be formed into a film of desired size. If the dopant is not present in the mixture produced in the first step, it can be subsequently added to the mixture while heat and, optionally, pressure (positive pressure or vacuum) are applied. All three components can be provided, mixed and heated to complete the synthesis of the solid ion-conducting polymer material in a single step. However, this heating step may occur in a separate step from any mixing step, or may be completed while mixing is taking place. The heating step can be performed regardless of the form of the mixture (e.g., film, particle, etc.). In one aspect of the synthesis method, all three components are mixed and then extruded into a film. The film is heated to complete the synthesis.
고체 이온 전도성 중합체 물질이 합성될 때, 색 변화가 발생하고, 이러한 색 변화는 반응물 색이 비교적 옅은 색이고 고체 이온 전도성 중합체 물질은 비교적 어둡거나 검은색이기 때문에 시각적으로 관찰될 수 있다. 이러한 색 변화는 전하 전달 착물들이 형성될 때 발생하며, 합성 방법에 따라 점진적으로 또는 신속하게 발생할 수 있다고 믿어진다.When the solid ion-conducting polymer material is synthesized, a color change occurs, and this color change can be visually observed because the reactant color is relatively light and the solid ion-conducting polymer material is relatively dark or black. It is believed that this color change occurs when the charge transfer complexes are formed and can occur gradually or rapidly depending on the synthesis method.
합성 방법의 일 양상은 베이스 중합체, 이온성 화합물 및 도펀트를 함께 혼합하고 혼합물을 제 2 단계에서 가열하는 것이다. 도펀트가 기체 상태일 수 있으므로, 가열 단계는 도펀트의 존재하에 수행될 수 있다. 혼합 단계는 압출기, 블렌더, 밀 또는 플라스틱 처리의 전형적인 다른 장비에서 수행될 수 있다. 가열 단계는 수 시간(예, 24시간) 지속될 수 있고, 색 변화는 합성이 완료되거나 부분적으로 완료되었다는 확실한 표시이다.One aspect of the synthesis method is to mix the base polymer, ionic compound and dopant together and heat the mixture in a second step. Since the dopant may be in a gaseous state, the heating step may be performed in the presence of the dopant. The mixing step can be performed in an extruder, blender, mill or other equipment typical of plastics processing. The heating step may last several hours (e.g., 24 hours), and the color change is a clear indication that the synthesis is complete or partially complete.
합성 방법의 일 양상에서, 베이스 중합체 및 이온성 화합물은 먼저 혼합될 수 있다. 그 후, 도펀트는 중합체-이온 화합물 혼합물과 혼합되고 가열된다. 가열은 제 2 혼합 단계 동안 또는 혼합 단계에 후속하여 혼합물에 가해질 수 있다.In one aspect of the synthesis method, the base polymer and ionic compound may first be mixed. The dopant is then mixed with the polymer-ion compound mixture and heated. Heating may be applied to the mixture during or subsequent to the second mixing step.
합성 방법의 또 다른 양상에서, 베이스 중합체 및 도펀트는 먼저 혼합되고, 이후 가열된다. 이러한 가열 단계는 혼합 후 또는 도중에 인가될 수 있고, 전하 전달 착물들의 형성 및 도펀트와 베이스 중합체 사이의 반응을 나타내는 색 변화를 생성한다. 이후 이온성 화합물은 반응된 중합체 도펀트 물질에 혼합되어 고체 이온 전도성 중합체 물질의 형성을 완료한다.In another aspect of the synthesis method, the base polymer and dopant are first mixed and then heated. This heating step may be applied after or during mixing and produces a color change indicative of the formation of charge transfer complexes and the reaction between the dopant and the base polymer. The ionic compound is then mixed into the reacted polymer dopant material to complete the formation of the solid ion-conducting polymer material.
도펀트를 첨가하는 전형적인 방법은 당업자들에게 알려졌고, 베이스 중합체 및 이온성 화합물을 함유하는 필름의 증기 도핑 방법 및 당업자에게 알려진 다른 도핑 방법을 포함할 수 있다. 도핑시 고체 중합체 물질은 이온 전도성이 되고, 도핑은 고체 중합체 물질의 이온 구성요소들을 활성화시키도록 작용하여 이들이 이온을 확산시키는 것으로 여겨진다.Typical methods of adding dopants are known to those skilled in the art and may include vapor doping of films containing base polymers and ionic compounds and other doping methods known to those skilled in the art. Upon doping, the solid polymer material becomes ionic, and it is believed that doping acts to activate the ionic components of the solid polymer material, causing them to diffuse ions.
다른 비-반응성 구성요소들은 초기 혼합 단계들, 2차 혼합 단계들 또는 가열에 후속한 혼합 단계들 도중에 상술한 혼합물들에 첨가될 수 있다. 이러한 다른 구성요소들은 감극제, 또는 애노드 또는 캐노드 활성 물질들과 같은 전기화학적 활성 물질들, 탄소들과 같은 전기 전도성 물질들, 결합제들 또는 압출 보조제들(예: 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체 "EPDM")과 같은 유동학적 제제, 촉매, 및 혼합물의 원하는 물리적 특성을 달성하는데 유용한 다른 구성요소들을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.Other non-reactive components may be added to the mixtures described above during the initial mixing steps, secondary mixing steps, or mixing steps following heating. These other components include depolarizers, or electrochemically active materials such as anode or cathode active materials, electrically conductive materials such as carbons, binders or extrusion aids (e.g. ethylene propylene diene monomer "EPDM"). These include, but are not limited to, rheological agents, catalysts, and other components useful in achieving the desired physical properties of the mixture.
고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성에서 반응물로서 유용한 중합체들는 전자 수용체들에 의해 산화될 수 있는 전자 공여체들 또는 중합체들이다. 30% 초과 및 50% 초과인 결정도 지수를 갖는 반-결정성 중합체들은 적합한 반응 중합체들이다. 액정 중합체("LCP")와 같은 완전 결정성인 중합체 물질들 또한 반응 중합체들로서 유용하다. LCP들은 완전 결정성이며, 따라서 이들의 결정도 지수는 본 명세서에서 100%로 정의된다. 도핑되지 않은 공액결합 중합체들 및 폴리페닐렌 설파이드( "PPS")와 같은 중합체들도 또한 적합한 중합체 반응물들이다.Polymers useful as reactants in the synthesis of solid ion-conducting polymer materials are electron donors or polymers that can be oxidized by electron acceptors. Semi-crystalline polymers with crystallinity indices greater than 30% and greater than 50% are suitable reactive polymers. Fully crystalline polymeric materials, such as liquid crystal polymers (“LCPs”), are also useful as reactive polymers. LCPs are fully crystalline and therefore their crystallinity index is defined herein as 100%. Undoped conjugated polymers and polymers such as polyphenylene sulfide (“PPS”) are also suitable polymer reactants.
중합체들은 일반적으로 전기 전도성이 아니다. 예를 들어, 순수 PPS는 10-20 Scm-1의 전기 전도도를 갖는다. 비-전기 전도성 중합체들은 적합한 반응 중합체들이다.Polymers are generally not electrically conductive. For example, pure PPS has an electrical conductivity of 10 -20 Scm -1 . Non-electrically conducting polymers are suitable reactive polymers.
일 양상에서, 반응물들로서 유용한 중합체들은 각 반복 단량체 군의 주쇄에 방향족 또는 이종고리 구성요소, 및 이종고리에 통합되거나 방향족 고리에 인접한 위치 내에서 주쇄를 따라 위치한 이종원자를 가질 수 있다. 이종원자는 주쇄에 직접 위치하거나, 주쇄에 직접 위치한 탄소 원자에 결합될 수 있다. 이종원자가 주쇄에 위치하거나 주쇄에 위치한 탄소 원자에 결합된 두 경우 모두, 주쇄 원자는 방향족 고리에 인접한 주쇄 상에 위치한다. 본 발명의 이러한 양상에서 사용되는 중합체들의 비-제한적인 예들은 PPS, 폴리(p-페닐렌 옥사이드)("PPO"), LCPs, 폴리에테르 에테르 케톤("PEEK"), 폴리프탈아미드("PPA"), 폴리피롤, 폴리아닐린 및 폴리설폰을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 나열된 중합체들의 단량체들 및 이들 중합체들의 혼합물들을 포함하는 공-중합체들이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, p-하이드록시벤조산의 공-중합체들은 적합한 액정 중합체 베이스 중합체들일 수 있다.In one aspect, polymers useful as reactants can have aromatic or heterocyclic components in the main chain of each repeating monomer group, and heteroatoms incorporated into the heterocycle or located along the main chain within positions adjacent to the aromatic ring. The heteroatom may be located directly on the main chain or may be bonded to a carbon atom located directly on the main chain. In both cases where the heteroatom is located in the main chain or is bonded to a carbon atom located in the main chain, the main chain atom is located on the main chain adjacent to the aromatic ring. Non-limiting examples of polymers used in this aspect of the invention include PPS, poly(p-phenylene oxide) (“PPO”), LCPs, polyether ether ketone (“PEEK”), polyphthalamide (“PPA”) "), polypyrrole, polyaniline, and polysulfone. Co-polymers containing monomers of the listed polymers and mixtures of these polymers can also be used. For example, co-polymers of p-hydroxybenzoic acid may be suitable liquid crystal polymer base polymers.
표 2는 고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성에 유용한 반응 중합체들의 비-제한적인 예들을, 단량체 구조와 일부 물리적인 특성 정보와 함께 상세하게 설명하며, 물리적인 특성 정보는 중합체들이 물리적 특성들에 영향을 미칠 수 있는 다수의 형태들을 취할 수 있기 때문에 비-제한적인 것으로 또한 고려되어야 한다.Table 2 details non-limiting examples of reactive polymers useful in the synthesis of solid ion-conducting polymer materials, along with monomer structure and some physical property information, which explains how the polymers influence the physical properties. It should also be considered non-limiting as it can take on a number of possible forms.
(C)melting point
(C)
고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성에서 반응물들로서 유용한 도펀트들은 전자 수용체들 또는 산화제들이다. 도펀트는 이온 수송 및 이동도를 위해 이온들을 방출하도록 작용하는 것으로 여겨지며, 이온 전도도를 허용하기 위해 전하 전달 착물과 유사한 부위 즉 중합체 내의 부위를 생성하는 것으로 여겨진다. 유용한 도펀트들의 비-제한적인 예는 "DDQ"로도 알려진 2,3-디시아노-5,6-디클로로디시아노퀴논(C8Cl2N2O2) 및 클로라닐(chloranil)으로 알려진 테트라클로로-1,4-벤조퀴논(C6Cl4O2)과 같은 퀴논들, TCNE로 알려진 테트라시아노에틸렌(C6N4), 삼산화황("SO3"), 오존(트리옥시젠 또는 O3), 산소(O2, 공기포함), 이산화망간(MnO2)을 포함하는 전이 금속 산화물들, 또는 임의의 적합한 전자 수용체 등, 및 이들의 임의의 조합들이다. 합성 가열 단계의 온도들에서 온도 안정적인 도펀트들이 유용하며, 모두 온도 안정적인 퀴논들 및 다른 도펀트들 및 강한 산화제들인 퀴논들이 매우 유용하다. 표 3은 도펀트들의 비-제한적인 목록과 함께 그들의 화학 구조식들을 제공한다.Dopants useful as reactants in the synthesis of solid ion-conducting polymer materials are electron acceptors or oxidizing agents. Dopants are believed to act to release ions for ion transport and mobility, and to create charge transfer complex-like sites, i.e. sites within the polymer, to allow ionic conduction. Non-limiting examples of useful dopants include 2,3-dicyano-5,6-dichlorodicyanoquinone (
고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성에서 반응물들로서 유용한 이온성 화합물들은 고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성 동안 원하는 이온들을 방출하는 화합물들이다. 이온 화합물은 이온 화합물 및 도펀트가 모두 요구된다는 점에서 도펀트와 구별된다. 비-제한적인 예들은 Li2O, LiOH, NaOH, KOH, LiNO3, Na20, MgO, CaCl2, MgCl2, AlCl3, LiTFSI(리튬 비스-트리플루오로메탄설폰이미드), LiFSI(리튬 비스(플루오로설포닐)이미드), 리튬 비스(옥살라토)보레이트(LiB(C204)2 "LiBOB") 및 다른 리튬염들 및 이들의 조합들을 포함한다. 이들 화합물들의 수화된 형태들(예: 모노하이드라이드)은 화합물들의 취급을 단순화시키는데 사용될 수 있다. 무기 산화물들, 염화물들 및 수산화물들은 적어도 하나의 음이온성 및 양이온성 확산 이온을 생성하기 위한 합성 동안 해리된다는 점에서 적합한 이온성 화합물들이다. 적어도 하나의 음이온성 및 양이온성 확산 이온을 생성하도록 해리되는 임의의 이러한 이온성 화합물은 유사하게 적합할 것이다. 다수의 음이온성 및 양이온성 확산 이온들의 결과가 바람직할 수 있다는 점에서 다수의 이온성 화합물들이 또한 유용할 수 있다. 합성에 포함된 특정 이온성 화합물은 물질에 대해 요구되는 유용성에 의존한다. 예를 들어, 수산화 음이온을 갖는 것이 바람직한 애플리케이션에서, 수산화 리튬 또는 수산화 이온으로 전환 가능한 산화물이 적합할 것이다. 이것은 합성 중에 확산 음이온을 방출하는 것이 수산화물을 함유한 화합물일 수 있기 때문이다. 이러한 수산화 이온 화합물의 비-제한적인 그룹은 금속들을 포함한다. 수산화 이온 화합물들은 알칼리 금속들, 알칼리 토금속들, 전이 금속들을 포함할 수 있고, 원하는 양이온성 및 음이온성 확산 종들을 생성할 수 있는 형태의 전이후 금속들은 합성 반응성 이온 화합물들로서 적합하다.Ionic compounds useful as reactants in the synthesis of solid ion-conducting polymer materials are compounds that release the desired ions during the synthesis of the solid ion-conducting polymer material. Ionic compounds are distinct from dopants in that they require both an ionic compound and a dopant. Non-limiting examples include Li 2 O, LiOH, NaOH, KOH, LiNO 3 ,
물질들의 순도는 의도하지 않은 부반응들을 방지하고 합성 반응의 효과를 극대화하여 높은 전도성의 물질을 생산하기 위해 잠재적으로 중요하다. 일반적으로 높은 순도들의 도펀트, 베이스 중합체 및 이온성 화합물을 갖는 실질적으로 순수한 반응물들이 유용하고, 98% 초과의 순도들이 더 유용하고, 심지어 더 높은 순도들, 예를 들면, LiOH: 99.6%, DDQ: > 98% 및 클로라닐: > 99% 또한 유용하다.The purity of materials is potentially important to prevent unintended side reactions and maximize the effectiveness of synthetic reactions to produce highly conductive materials. In general, substantially pure reactants with high purities of dopant, base polymer and ionic compound are useful, purities exceeding 98% are more useful, and even higher purities such as LiOH: 99.6%, DDQ: > 98% and Chloranil: > 99% are also useful.
고체 이온 전도성 중합체 물질의 유용성 및 고체 이온 전도성 중합체 물질의 상술한 합성 방법의 융통성을 추가로 기술하기 위해, 다수의 전기화학적 애플리케이션에 유용하고 그들의 애플리케이션에 의해 구별되는 수 가지 등급들의 고체 이온 전도성 중합체 물질이 기술된다:To further describe the utility of solid ion-conducting polymer materials and the versatility of the above-described methods of synthesizing solid ion-conducting polymer materials, several classes of solid ion-conducting polymer materials are useful in a number of electrochemical applications and distinguished by their applications. This is described:
예 1Example 1
PPS 중합체는 이온성 화합물 LiOH 모노하이드레이트와 각각 67% 내지 33%(중량비)의 비율로 혼합되었고, 제트 밀링을 사용하여 혼합되었다. 이러한 도핑되지 않은 혼합물은 도핑 전에 필름 또는 다른 형태로 압출될 수 있다. 일부분은 (PPS 및 LiOH의) 도핑되지 않은 필름을 생성하기 위하여 필름으로 압출된다. DDQ 도펀트는 고체 이온 전도성 고분자 물질(PPS/LiOH/DDQ)을 합성하기 위하여, 적절한 압력(500-1000PSI)하에서 250 내지 325℃의 온도로 30분 동안 증기 도핑을 통해 최종혼합물에 첨가되었다. 일 양상에서, 고체 이온 전도성 중합체 물질 PPS/LiOH/DDQ는 먼저 DDQ 도펀트 및 베이스 중합체 PPS 단량체를 혼합함으로써 입자 형태로 합성된다. 이온 화합물 LiOH가 첨가되고, 세 가지 구성요소 혼합물들은 250 내지 325℃로 가열되어, 입자 형태를 생성한다.The PPS polymer was mixed with the ionic compound LiOH monohydrate at a ratio of 67% to 33% (by weight), respectively, and mixed using jet milling. This undoped mixture can be extruded into a film or other form prior to doping. A portion is extruded into the film to produce an undoped film (of PPS and LiOH). The DDQ dopant was added to the final mixture through steam doping at a temperature of 250 to 325°C for 30 minutes under appropriate pressure (500-1000PSI) to synthesize a solid ion-conducting polymer material (PPS/LiOH/DDQ). In one aspect, the solid ion-conducting polymer material PPS/LiOH/DDQ is synthesized in particle form by first mixing the DDQ dopant and the base polymer PPS monomer. The ionic compound LiOH is added and the three-component mixture is heated to 250 to 325° C. to produce particle shapes.
전자 전도도는 차단 전극들 사이의 정전위적 방법을 사용하여 측정되었고, 약 6.5×10-9S/cm(1×10-8S/cm 미만)인 것으로 결정되었다.Electronic conductivity was measured using the electrostatic method between blocking electrodes and determined to be approximately 6.5×10 -9 S/cm (less than 1×10 -8 S/cm).
이온 확산 측정들은 기본 NMR 기술들을 사용하여 PPS/LiOH/DDQ 물질의 압축 성형된 입자 형태에 대해 수행되었다. 구체적으로, 리튬 및 수산화물 이온들의 확산율은 펄스형 기울기 스핀 에코("PGSE") 리튬 NMR 방법에 의해 평가되었다. PGSE-NMR 측정들은 Varian-S Direct Drive 300(7.1 T) 분광기를 사용하여 수행되었다. 고체 중합체 이온 전도성 물질은 실온에서 5.7×10-11m2/s의 Li+ 확산율을 가지며, OH- 이온의 확산율은 실온에서 4.11×10-11m2/s이었다. 이러한 확산율 값들은 음이온 및 양이온 전달 상수를 계산하는 데 사용할 수 있다. 관련되지만, 음이온 전달 상수는 알칼리 배터리들에서 수산화물의 확산율이 중요하다는 점에서 더 적절하다.Ion diffusion measurements were performed on compression molded particle forms of PPS/LiOH/DDQ material using basic NMR techniques. Specifically, the diffusion rates of lithium and hydroxide ions were evaluated by the pulsed gradient spin echo (“PGSE”) lithium NMR method. PGSE-NMR measurements were performed using a Varian-S Direct Drive 300 (7.1 T) spectrometer. The solid polymer ion-conducting material had a diffusion rate of Li + of 5.7 × 10 -11 m 2 /s at room temperature, and the diffusion rate of OH - ions was 4.11 × 10 -11 m 2 /s at room temperature. These diffusion rate values can be used to calculate anion and cation transfer constants. Although related, the anion transfer constant is more relevant given that the diffusion rate of hydroxide is important in alkaline batteries.
합성 후, 20미크론 두께의 고체 이온 전도성 중합체 물질 필름이 실온에서 공기 구성요소(즉, 산소, 물 및 이산화탄소)의 투과도에 대해 테스트되었다. 고체 이온 전도성 고분자 물질 필름 및 도핑되지 않은 필름(두께 20 미크론)의 투과도가 Saint-Gobain(100 미크론 두께)의 Zitex G-104 필름과 비교되었고, 그 결과는 몰 기체/cm2-sec의 단위로 투과도의 결과를 상술하는 표 4에 상세하게 기술되었다.After synthesis, a 20-micron thick film of solid ion-conducting polymer material was tested for permeability to air components (i.e., oxygen, water, and carbon dioxide) at room temperature. The permeability of a solid ion-conducting polymeric material film and an undoped film (20 microns thick) was compared with Zitex G-104 film from Saint-Gobain (100 microns thick), and the results are expressed in units of mole gas/cm 2 -sec. The transmittance results are detailed in Table 4 detailing them.
도핑은 중합체 필름의 투과도 특성에 큰 변화를 초래한다. 합성된 고체 중합체 필름은 일부 기체 구별 특성들을 나타내며, 산소 투과도가 중요하며, 상대적으로 낮은 이산화탄소 투과도와 대조될 수 있다. 도핑되지 않은 중합체 필름은 물과 이산화탄소에 대해 불투과성이다. 일 양상에서, 도핑된 및 도핑되지 않은 고체 중합체 필름의 조합은 기체 구별 시스템에서 물 및 이산화탄소 불투과성을 제공할 수 있다.Doping causes significant changes in the transmittance properties of polymer films. The synthesized solid polymer films exhibit some gas discriminating properties, and oxygen permeability is significant, which can be contrasted with the relatively low carbon dioxide permeability. Undoped polymer films are impermeable to water and carbon dioxide. In one aspect, a combination of doped and undoped solid polymer films can provide water and carbon dioxide impermeability in a gas differential system.
아연-공기 배터리:Zinc-Air Battery:
대량 생산 공정들을 이용하여 제조될 수 있는 고체 이온 전도성 고분자 물질은 금속-공기 전지들에 적용 가능하다. 일 양상은 고체 이온 전도성 중합체 물질에 기초한 공기 캐소드 및 공기 캐소드를 포함하는 금속-공기 전지이다.Solid ion-conducting polymer materials that can be manufactured using mass production processes are applicable to metal-air batteries. One aspect is a metal-air cell comprising an air cathode and an air cathode based on a solid ion-conducting polymer material.
공기 캐소드는 고체 이온 전도성 중합체 물질과 혼합된 전기 전도성 탄소 분말을 포함하는 단일 층을 사용함으로써 종래 기술의 금속-공기 캐소드를 단순화시킨다. 전기 전도성 탄소는 흑연, 카본 블랙, 그래핀들, 전기 전도성 중합체들, 또는 이들의 혼합물의 형태일 수 있다.The air cathode simplifies the prior art metal-air cathode by using a single layer comprising electrically conductive carbon powder mixed with a solid ion-conducting polymer material. Electrically conductive carbon may be in the form of graphite, carbon black, graphenes, electrically conductive polymers, or mixtures thereof.
일 양상에서, 추가 촉매가 공기 전극에 첨가된다. 비록 고체 이온 전도성 중합체 물질과 전기 전도성 탄소 분말의 조합이 충분한 촉매 속도 성능을 제공한다 할지라도, 칼륨 과망간산염, 이산화 망간, 코발트 테트라피라지노포르피라진 유도체들, 페로브스카이츠 및 다른 화합물이 과산화물의 화학적 분해를 추가로 촉매작용 시키는데 유용하고, 따라서 선택적으로 첨가될 수 있다.In one aspect, additional catalyst is added to the air electrode. Although the combination of solid ion-conducting polymer materials and electrically conductive carbon powders provides sufficient catalytic rate performance, potassium permanganate, manganese dioxide, cobalt tetrapyrazinoporphyrazine derivatives, perovskites and other compounds are effective in reducing the oxidation of peroxides. It is useful for further catalyzing chemical decomposition and can therefore be added selectively.
예 2Example 2
공기 전극은 예 1에서 제조된 고체 이온 전도성 고분자 물질을 원하는 비율로 전기 전도성 탄소 분말과 혼합하고, 전지의 양의 단자에 전기적으로 연결된 전기 전도성(예: 금속) 전류 컬렉터 상에 압축-성형함으로써 제조된다.The air electrode is prepared by mixing the solid ion-conducting polymer material prepared in Example 1 with electrically conductive carbon powder in the desired ratio and compression-molding onto an electrically conductive (e.g., metal) current collector electrically connected to the positive terminal of the cell. do.
공기 전극들은 고체 이온전도성 중합체 물질을 다양한 카본들: TIMCAL SUPER C45 전도성 카본 블랙(C45), Timcal SFG6(합성 흑연), Ashbury의 A5303 카본 블랙 및 Ashbury의 천연 인상 흑연 나노99(N99)를 혼합하여 제조되었다. 탄소 함량은 15 내지 25 중량%로 변하였다. 캐소드들은 2032 코인 전지에 맞게 천공되었다. 아연 포일이 애노드로 사용되었다. 부직포 분리막은 40% KOH 수용액으로 침지되었다. 캐소드를 향한 코인 상부에는 두 개의 구멍이 천공되었다. 전지들은 실온에서 MTI 코인 전지 테스터를 사용하여 0.5 mA의 정전류로 방전되었다.Air electrodes are manufactured by blending a solid electrolyte polymer material with various carbons: TIMCAL SUPER C45 conductive carbon black (C45), Timcal SFG6 (synthetic graphite), Ashbury's A5303 carbon black and Ashbury's natural impression graphite Nano99 (N99). It has been done. The carbon content varied from 15 to 25% by weight. The cathodes were drilled to fit the 2032 coin cell. Zinc foil was used as anode. The nonwoven separator was soaked in 40% KOH aqueous solution. Two holes were drilled in the top of the coin facing the cathode. Cells were discharged at room temperature with a constant current of 0.5 mA using an MTI coin cell tester.
캐소드 파라미터들 및 테스트 결과들은 표 5에 요약되었다. 방전 곡선들은 도 1에 도시되었다. 공기 캐소드를 갖는 전지들은 혼합물에 첨가된 임의의 종래 촉매(예: 전이 금속에 기반) 없이 전형적으로 Zn-공기 전지들의 방전 거동에 대해 나타내었다.Cathode parameters and test results are summarized in Table 5. Discharge curves are shown in Figure 1. Cells with air cathodes typically exhibited the discharge behavior of Zn-air cells without any conventional catalysts (e.g. based on transition metals) added to the mixture.
공기-보조 아연-Mn02 배터리:Air-Assisted Zinc-Mn02 Battery:
공기-보조 아연-이산화망간 배터리에서, 제 2 감극제 또는 전기화학적으로 활성인 캐소드 물질은 EMD 및 CMD를 포함하지만 이에 한정되지 않는, β-Mn02(피롤루사이트), 램스델라이트, γ-Mn02, ε-MnO2, λ-Mn02 및 다른 MnO2 상들, 또는 이들의 혼합물들의 형태로 첨가될 수 있다. 본 예가 공기-보조 아연-Mn02 시스템에 국한되지만, 다른 감극제 물질들이 다른 금속-공기 시스템에 첨가될 수 있다. 이러한 제 2 감극제들은 30 내지 70 중량%의 범위로 첨가된다.In air-assisted zinc-manganese dioxide batteries, the second depolarizer or electrochemically active cathode material includes, but is not limited to, EMD and CMD, β-Mn0 2 (pyrroleucite), ramsdelite, γ-Mn0 2 , ε-MnO 2 , λ-MnO 2 and other MnO 2 phases, or mixtures thereof. Although this example is limited to an air-assisted zinc-MnO 2 system, other depolarizer materials can be added to other metal-air systems. These secondary depolarizers are added in the range of 30 to 70% by weight.
예 2에 열거된 탄소들과 같은 전기 전도성 탄소들은, 케첸블랙 EC-600 JD와 같은 다른 전기 전도성 탄소들 및 배터리 분야에서 전형적이고 알려진 다른 전도성 첨가제들과 같이 유용하다. 이러한 전기 전도성 탄소들은 10 내지 60 중량%의 범위로 첨가된다.Electrically conductive carbons, such as those listed in Example 2, are useful, as are other electrically conductive carbons, such as Ketjenblack EC-600 JD, and other conductive additives typical and known in the battery field. These electrically conductive carbons are added in the range of 10 to 60% by weight.
고체 이온성 중합체 물질은 독립적으로 제조되거나 공기 캐소드의 제조 중에 제조될 수 있다. 일 양상에서, 반응 중합체 및 이온성 화합물은 공기와 혼합되고, 이후 가열되어 고체 이온 전도성 중합체 물질을 생성한다. 또 다른 양상에서, 반응 중합체 및 이온성 화합물은 EMD 또는 다른 감극제와 혼합되고, 이후 가열되어 고체 이온 전도성 중합체 물질을 생성한다. 가열 동안, 혼합물은 이온 전도성 물질로의 반응 및 전이를 나타내는 색 변화를 겪는다. 가열 단계 후에, KOH 용액 및 선택된 전기 전도성 물질이 제 2 혼합 단계에서 첨가된다. EMD가 아직 추가되지 않았다면 EMD는 두 번째 혼합 단계에 포함될 수 있다. EMD가 첫 번째 혼합 단계에 포함된 경우, 추가 EMD가 개방 회로 전압("OCV") 유지관리를 위해 선택적으로 추가할 수 있는데, 이는 가열 단계가 공기 전극 OCV에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 물질은 부서지기 쉬운 상태로 가열 단계를 빠져나가, 제 2 단계에서 쉽게 혼합 및 과립화되고, 따라서 임의의 재-분쇄를 필요로 하지 않는다. 제 2 혼합 단계는 환경적으로 안정되고 원하는 공기 캐소드 형상으로 성형할 준비가 된 과립들을 제조할 수 있다.The solid ionic polymer material can be prepared independently or during the fabrication of the air cathode. In one aspect, the reacted polymer and ionic compound are mixed with air and then heated to produce a solid ion-conducting polymer material. In another aspect, the reacted polymer and ionic compound are mixed with EMD or other depolarizing agent and then heated to produce a solid ion-conducting polymer material. During heating, the mixture undergoes a color change indicating reaction and transition to an ionically conductive material. After the heating step, the KOH solution and the selected electrically conductive material are added in a second mixing step. EMD can be included in the second mixing step if it has not already been added. If EMD is included in the first mixing step, additional EMD can optionally be added for open circuit voltage (“OCV”) maintenance, as the heating step may affect the air electrode OCV. The material exits the heating stage in a friable state and is easily mixed and granulated in the second stage, thus not requiring any re-grinding. The second mixing step can produce granules that are environmentally stable and ready to be molded into the desired air cathode shape.
일 양상에서, 캐소드는 환형 내부 공간을 생성하도록 배열된 원통형 외측 튜브(15), 중심 핀(20), 및 종단 부싱들(25, 26)을 포함하는, 도 2a에 도시된 도구(10)를 사용하여 제조될 수 있다. 원하는 양의 캐소드 물질 분말(30)은 센터 핀(20)이 삽입된 도구(10) 내로 로딩된다. 상부 단부 부싱(26)이 삽입되고, 도구는 프레스 아래에 위치된다.In one aspect, the cathode uses the
도 2b를 참조하면, 외부 압력이 인가되어(화살표로 도시됨), 단부 부싱들을 미리 결정된 깊이까지 구동시킨다. 이후, 최종 중공 캐소드 링(35)은 캔 내로 전달될 수 있다.Referring to Figure 2b, external pressure is applied (shown by arrow) to drive the end bushings to a predetermined depth. The final
도 3을 참조하면, 표준 ANSI 크기의 원통형 캔(100)이 도시되고, 이는 공기-보조 배터리를 구성하는데 유용하다.3, a standard ANSI sized cylindrical can 100 is shown, which is useful for constructing an air-assisted battery.
이 양상에서, 3개의 캐소드 링들(121, 122, 123)이 전지를 구성하는데 사용된다. 모든 캐소드 섹션들이 캔 내로 이동된 후에, 캔 벽에 대해 캐소드를 가압하도록 추가적인 압력이 인가될 수 있어서, 공기 캐소드(120)와 캔(100) 사이의 밀접한 접촉을 보장한다.In this aspect, three
분리막 조립체(130)는 캐소드가 제 위치에 있고 공기 캐소드(120)에 인접하게 위치 지정된 후 캔(100) 안에 배치된다. 분리막 조립체는 알칼리 전지들에 대해 전형적인 방식이다. 분리막 물질은 예를 들어 부직포 물질들과 같이 산업계에서 전통적으로 사용되는 분리막들로부터 선택될 수 있다. 40% KOH 용액과 같은 알칼리 전지들에서 사용되는 전형적인 전해질의 측정된 양은, 분리막을 습윤화하고 이온 전도성을 가능하게 하기 위해 분리막에 첨가될 수 있다. 전해질이 흡수된 후, 내부 체적은 애노드(140)를 형성하기 위하여 측정된 양의 아연 물질로 채워진다. 전도성 못(150), 음의 단자(160) 및 밀봉 조립체(도시되지 않음)는 그 후 전지 안에 배치되어 제 위치에 고정된다.The
또 다른 양상에서 캐소드는, 캐소드 물질 분말의 원하는 양을 캔 바닥에 직접 로딩하고, 이후 중심 핀을 캐소드 물질을 통해 구동시켜 캐소드를 형성함으로써, 제조될 수 있다. 이러한 캐소드 제조 방법은 상업용 알칼리 배터리 캐소드 제작의 전형적인 방법으로, 캐소드를 형성하는데 사용되는 충격력으로 인해 충격 성형으로 불린다. 캔 본래 모습을 유지하기 위하여, 중앙 핀 충격이 환형으로 성형된 캐소드를 생성하기 전에, 캔은 먼저 강화 원통 내에 놓인다.In another aspect the cathode may be manufactured by loading the desired amount of cathode material powder directly into the bottom of a can and then driving a central pin through the cathode material to form the cathode. This cathode fabrication method is typical of commercial alkaline battery cathode fabrication and is called impact forming due to the impact forces used to form the cathode. To maintain the can's original appearance, the can is first placed into a reinforced cylinder before a central pin impact creates an annularly shaped cathode.
애노드 물질은 아연 산화물, 수산화 인듐, 유기 계면 활성제, 등과 같은 합금 아연 분말, KOH, 겔화제 및 안정화 첨가제들을 포함하는 슬러리의 형태일 수 있다. 애노드 슬러리는 상업용 알칼리 배터리들의 전형적인 방식으로 제조되고 취급된다.The anode material may be in the form of a slurry containing alloy zinc powder, KOH, gelling agents and stabilizing additives such as zinc oxide, indium hydroxide, organic surfactants, etc. The anode slurry is prepared and handled in a manner typical of commercial alkaline batteries.
캐소드 물질 분말 제조를 제외하고, 모든 물질들 및 공정들은 알칼리 산업에 대해 전형적 일 수 있고, 당업자들에게 친숙할 수 있다. 따라서, 많은 기존 공정들 및 장비가 이러한 배터리 제작에 활용될 수 있다.Except for the cathode material powder preparation, all materials and processes may be typical for the alkaline industry and familiar to those skilled in the art. Accordingly, many existing processes and equipment can be utilized to fabricate these batteries.
고체 이온 전도성 중합체 물질은 그의 베이스 중합체의 열가소성 물리적 특성들을 유지한다. 예를 들어, 거미집들, 환형들, 분말들, 망들, 회선들, 코팅들, 필름들 및 다른 유용한 형태들의 많은 형태들로 열 성형될 수 있거나, 압출 성형될 수 있거나, 또는 달리 성형될 수 있다. 캐소드 물질이 고체 이온 전도성 중합체 물질에 의해 밀봉되기 때문에, 공기 캐소드는 이러한 밀봉을 유지하면서 성형될 수 있기 때문에 그 자체가 열가소성이다. 이러한 성질의 이온 전도성 중합체 물질은, 공기 전극이 이제는 복수의 형태들의 단일 층으로 제조될 수 있다는 점에서, 금속-공기 또는 공기-보조 배터리에 특히 유용하다.The solid ionically conductive polymer material retains the thermoplastic physical properties of its base polymer. For example, it can be thermoformed, extruded, or otherwise molded into many shapes, such as cobwebs, rings, powders, meshes, convolutions, coatings, films, and other useful shapes. . Because the cathode material is sealed by a solid ion-conducting polymer material, the air cathode is itself thermoplastic because it can be molded while maintaining this seal. Ion-conducting polymer materials of this nature are particularly useful for metal-air or air-assisted batteries, in that air electrodes can now be manufactured from a single layer of multiple shapes.
대부분의 중합체들과 마찬가지로 고체 이온 전도성 중합체 물질은 물리적 특성들을 변화시키기 위한 물질들과 혼합될 수 있다. 금속-공기 또는 공기-보조 배터리의 경우, 산소, 물 및 이산화탄소의 차별화된 유입이 바람직하다. 소수성은 테플론(Teflon®), 액정 중합체들 또는 알려진 다른 물 장벽들과 같은 소수성 물질의 첨가에 의해 금속-공기 또는 공기-보조 배터리 공기 전극 내에 가공될 수 있다. 이산화탄소는 적절한 필름을 사용하여 불침투성으로 만들거나, 가공되거나 또는 자연적으로 발생하는 흡착 부분들을 갖는 지올라이트와 같은 적절한 화합물에 의해 흡착될 수 있다. Like most polymers, solid ionically conductive polymer materials can be mixed with substances to change their physical properties. In the case of metal-air or air-auxiliary batteries, differentiated inputs of oxygen, water and carbon dioxide are desirable. Hydrophobicity can be engineered into the metal-air or air-assisted battery air electrode by the addition of hydrophobic materials such as Teflon®, liquid crystal polymers or other known water barriers. Carbon dioxide can be made impermeable using suitable films, engineered, or adsorbed by suitable compounds such as zeolites with naturally occurring adsorbent moieties.
이러한 이산화탄소 제올라이트는, 기체 구별 시스템을 생성하기 위하여 고체 이온 전도성 중합체 물질과 혼합되거나, 캐소드와 임의의 공기 접근 구멍 사이의 막 내에 위치될 수 있고, 이러한 기체 구별 시스템은, 이산화탄소 및 물 투과성을 선택적으로 방지하면서, 원하는 전기화학적 배출 속도들을 가능하게 하는데 필요한 속도로 산소가 전지로 들어가는 것을 가능하게 한다.These carbon dioxide zeolites can be mixed with a solid ion-conducting polymer material or placed within a membrane between the cathode and any air access orifice to create a gas discrimination system that selectively provides carbon dioxide and water permeability. while preventing oxygen from entering the cell at the rate necessary to enable the desired electrochemical discharge rates.
공기는 밀봉 조립체 및/또는 캔 벽들에 위치한 공기 구멍들(도시되지 않음)을 통해 도 3에 도시된 전지로 공급된다. 기체 구별 시스템은 전지를 누출로부터 보호하기 위해 사용될 수 있으며, 그러한 멤브레인은 공기 구멍과 같은 임의의 공기 진입 입구 및 공기 전극의 중간에 위치하여 대기 기체 투과도를 조절할 수 있고 물이 전지를 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. 이러한 기체 구별 시스템은 테플론 필름, 고체 이온 전도성 중합체 물질, Zitex®와 같은 다른 기체 구별 멤브레인들, 또는 예 1에 상술된 도핑되지 않은 물질과 같은 소수성 보호 멤브레인을 포함할 수 있다. 제올라이트들 및 다른 흡착 첨가제들은 또한 필름 안에 통합에 의해, 또는 다른 방식에 의해 기체 구별 시스템 내에 놓임으로써 포함될 수 있다.Air is supplied to the cell shown in Figure 3 through air holes (not shown) located in the seal assembly and/or can walls. A gas differentiation system can be used to protect the cell from leakage, such a membrane can be placed in the middle of the air electrode and any air entry inlet, such as an air hole, to regulate atmospheric gas permeability and prevent water from escaping the cell. can do. This gas discrimination system may include a Teflon film, a solid ion-conducting polymer material, other gas discrimination membranes such as Zitex®, or a hydrophobic protective membrane such as the undoped material detailed in Example 1. Zeolites and other adsorption additives may also be included by incorporation into a film or by placing them within the gas differentiation system in another manner.
일 양상에서, 공기 캐소드는 혼합된 캐소드 구조를 갖는 배터리에서 사용될 수 있다. 이러한 혼합된 구조는 전형적인 알칼리 캐소드 구조와 조합하여 설명한 공기 캐소드를 사용한다. 예를 들어, 도 3과 관련하여 설명된 구성에서, 3개의 캐소드 링들(121-123)이 도시되었다. 이 양상에서, 링들 중 적어도 하나는, 이산화망간, 전도성 탄소, KOH 전해질, 및 알칼리 배터리 캐소드들의 전형적인 다른 첨가제들을 갖는 하나 이상의 링을 포함하지만, 어떠한 고체 이온 전도성 중합체 물질도 포함하지 않는 이종 캐소드를 제공하기 위해 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하지 않을 것이다. 또한, 적어도 하나의 링은 고체 이온 전도성 중합체 물질 및 적어도 탄소와 같은 전기 전도성 물질을 포함할 것이다. 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하는 이러한 링은 또한 이산화망간 또는 다른 공동-감극제, 촉매 및 다른 언급된 첨가제들을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 양상의 구성은 고체 이온 전도성 중합체 물질 없이 링의 낮아진 상대 임피던스 때문에 높은 방출 속도들을 가능하게 한다.In one aspect, air cathodes can be used in batteries with mixed cathode structures. This hybrid structure uses the air cathode described in combination with a typical alkaline cathode structure. For example, in the configuration described in relation to Figure 3, three cathode rings 121-123 are shown. In this aspect, at least one of the rings includes manganese dioxide, conductive carbon, KOH electrolyte, and other additives typical of alkaline battery cathodes, but does not include any solid ion-conducting polymer material. It shall not contain solid ion-conducting polymeric materials. Additionally, at least one ring will comprise a solid ionically conductive polymer material and at least an electrically conductive material such as carbon. These rings comprising solid ion-conducting polymer materials may also further comprise manganese dioxide or other co-depolarizers, catalysts and other mentioned additives. This aspect of construction allows for high release rates due to the lowered relative impedance of the ring without the solid ion-conducting polymer material.
그러나, 이러한 구조는 또한 수성 전해질을 통해 수산화 이온들을 전도시키는 능력 때문에, 고리가 고체 이온 전도성 중합체 물질 없이 재충전될 수 있게 한다. 따라서, 이러한 이종 구성은 추가로 고체 이온 전도성 중합체 물질의 유용성 및 그러한 시스템에 사용될 때 전형적인 시스템들의 성능을 향상시키는 능력을 나타낸다.However, this structure also allows the ring to be recharged without a solid ion-conducting polymer material, due to its ability to conduct hydroxide ions through the aqueous electrolyte. Accordingly, this heterogeneous configuration further demonstrates the utility of solid ion-conducting polymer materials and their ability to enhance the performance of typical systems when used in such systems.
따라서, 고체 이온 전도성 중합체는 원하는 형상, 표면적, 다공성 및 기체 구별 특성들을 갖는 공기 전극에 포함될 수 있다.Accordingly, solid ion-conducting polymers can be incorporated into air electrodes having desired shapes, surface areas, porosity, and gas distinguishing properties.
예 3Example 3
분쇄된 폴리(페닐렌 설파이드) 중합체 및 수산화 리튬 모노하이드레이트는 각각 67 내지 33중량%의 비율로 함께 첨가되고, 제트 밀링을 사용하여 혼합되었다. 최종 이온 함유 화합물-중합체 혼합물, 이산화 망간 분말(Erachem의 EMD) 및 C45 카본 블랙이 각각 30%, 50% 및 20%의 비율로 함께 첨가되었고, V-블렌더를 사용하여 완전히 혼합되었다.The ground poly(phenylene sulfide) polymer and lithium hydroxide monohydrate were added together at a ratio of 67 to 33% by weight, respectively, and mixed using jet milling. The final ionic compound-polymer mixture, manganese dioxide powder (EMD from Erachem) and C45 carbon black were added together in proportions of 30%, 50% and 20% respectively and mixed thoroughly using a V-blender.
V-블렌딩된 혼합물은 가열 용기에 위치하여, 원하는 열처리 온도(305 내지 345℃, 또는 300℃ 초과, 및 250 내지 450℃)로 지정 시간(10-50분) 동안 가열되었다. 냉각 후, 최종 물질은 탄소와 혼합되었다. 일 양상에서, 조성은 50% 이산화망간, 20% 케첸블랙 EC-600JD 및 30% 중합체/LiOH 혼합물(중량 기준)이다. 또 다른 양상에서, 탄소는 10-30 중량% 및 이산화 망간 40-70 중량%를 포함할 수 있고, 나머지는 중합체, 이온성 화합물 및 다른 첨가제들이다.The V-blended mixture was placed in a heating vessel and heated to the desired heat treatment temperature (305 to 345° C., or greater than 300° C., and 250 to 450° C.) for a specified period of time (10-50 minutes). After cooling, the final material was mixed with carbon. In one aspect, the composition is 50% manganese dioxide, 20% Ketjenblack EC-600JD, and 30% polymer/LiOH mixture by weight. In another aspect, it may include 10-30% by weight carbon and 40-70% by weight manganese dioxide, with the remainder being polymers, ionic compounds and other additives.
캐소드를 초래하는 분말은 다시 분쇄되었고, 약 6 중량%의 40% KOH 용액과 혼합되어, 공기 캐소드 혼합물을 생성하였다.The powder resulting in the cathode was ground again and mixed with about 6% by weight of a 40% KOH solution to create an air cathode mixture.
예 4Example 4
예 3의 공기 캐소드 혼합물은 원통형 외측 튜브, 중심 핀 및 단부 부싱들을 포함하는 도구에 로딩되었다. 원하는 양의 캐소드 물질 분말이 하부 부싱 및 중심 핀이 삽입된 상태에서 도구에 로딩된다. 그런 다음 상부 부싱이 삽입되고, 도구는 압력하에 놓인다. 유압이 가해져, 구동 단부 부싱을 미리-한정된 깊이까지 구동하여 중공 고리들로 성형된 캐소드 섹션들을 형성한다(도 2a).The air cathode mixture of Example 3 was loaded into a tool containing a cylindrical outer tube, center pin and end bushings. The desired amount of cathode material powder is loaded into the tool with the lower bushing and center pin inserted. The upper bushing is then inserted and the tool is placed under pressure. Hydraulic pressure is applied to drive the drive end bushing to a pre-defined depth to form cathode sections molded into hollow rings (Figure 2a).
부싱이 추출된 후, 캐소드 섹션은 캔 안으로 전달될 수 있다. 전형적으로 3개의 캐소드 섹션들이 전지을 구성하기 위하여 사용된다. 캐소드 섹션들이 제 위치에 놓여진 후, 중심 핀이 다시 삽입되고, 압력이 인가되어, 캐소드 섹션들을 확장시켜 이들을 제자리에 고정시킨다(도 2b).After the bushing is extracted, the cathode section can be transferred into the can. Typically three cathode sections are used to construct the cell. After the cathode sections are in place, the center pin is reinserted and pressure is applied to expand the cathode sections and secure them in place (Figure 2b).
상용 부직포 분리막(NKK)으로 만들어진 종래의 분리막 조립체가 전지에 삽입 되었다. 그 후, 0.6cc의 40% KOH 용액이 첨가되었다. 상업용 알칼리성 전지들로부터 추출된 Zn 애노드 슬러리가 분리막 내에 첨가되었다. 못 및 실링 조립체가 삽입되어, 전지 벽들을 가볍게 압축함으로써 고정되었다(도 2c).A conventional separator assembly made of commercial non-woven separator (NKK) was inserted into the battery. Afterwards, 0.6 cc of 40% KOH solution was added. Zn anode slurry extracted from commercial alkaline cells was added into the separator. The nail and seal assembly was inserted and secured by lightly compressing the cell walls (Figure 2C).
공기 접근을 제공하기 위하여 공기 접근 구멍들이 전지 캔 내에 천공되었다.Air access holes were drilled into the battery can to provide air access.
예 5Example 5
공기 캐소드 및 전지 디자인을 포함하고 예 4에 기술된 AA 전지 구성이 아래의 표 6에서 비교 상업용 AA 전지( "Coppertop®")와 비교되었다:The AA cell configuration described in Example 4, including the air cathode and cell design, was compared to a comparative commercial AA cell (“Coppertop®”) in Table 6 below:
공기 캐소드 에너지 밀도는 비교적 높고, 따라서 전형적인 알칼리 배터리들의 캐소드들처럼 두꺼울 필요가 없고, 감소된 체적은 공기 캐소드의 원료 물질 요구사항들을 낮춘다. 더 얇은 캐소드에 의해 제공된 더 큰 내부 공극은 금속 공기 배터리를 위한 더 큰 애노드를 허용한다. 애노드와 캐소드 사이의 더 큰 계면 영역은 또한 더 높은 배출 속도들을 가능하게 하는 전극들 사이의 더 높은 질량 전달 영역을 허용한다. 아연 슬러리의 양은 상업용 전지에 비해 거의 두 배가 될 수 있고, 상응하는 아연 대 EMD 비율은 1:1보다 훨씬 크다. 즉, 애노드 대 캐소드 전기화학적 활성 중량 비율은 1(1:1)보다 크다. 애노드 공동-감극제 EMD 대 탄소 중량 비율은 2:1보다 크고, 공동감극제 EMD 대 중합체 전해질 중량 비율은 1:1보다 크다. The air cathode energy density is relatively high and therefore does not need to be as thick as the cathodes of typical alkaline batteries, and the reduced volume lowers the raw material requirements of the air cathode. The larger internal void provided by the thinner cathode allows for a larger anode for metal-air batteries. The larger interfacial area between the anode and cathode also allows for a higher mass transfer area between the electrodes enabling higher discharge rates. The amount of zinc slurry can be almost double that of a commercial cell, and the corresponding zinc to EMD ratio is much greater than 1:1. That is, the anode to cathode electrochemical activity weight ratio is greater than 1 (1:1). The anode co-depolarizer EMD to carbon weight ratio is greater than 2:1 and the co-depolarator EMD to polymer electrolyte weight ratio is greater than 1:1.
예 6Example 6
개방 회로 전압 및 임피던스를 확인한 후, 예 4의 조립된 전지들이 전지 홀더들 내에 위치되어, Maccor 4600A 기기를 사용하여 테스트되었다.After checking the open circuit voltage and impedance, the assembled cells of Example 4 were placed into cell holders and tested using a Maccor 4600A instrument.
도 4는 연속 150mA 방전 하에서 예 4에서 생성된 AA 전지 및 비교 Duracell Coppertop®(블랙)의 방전 곡선을 도시한다. 전지는 0.8V 전압 차단까지 4.2Ah를 전달하였다. 비교해 보면, 동일한 조건들 하에서의 상업용 전지 용량은 약 2.6Ah로 제한되었다.Figure 4 shows the discharge curves of the AA cell produced in Example 4 and the comparative Duracell Coppertop® (black) under continuous 150 mA discharge. The battery delivered 4.2Ah until the voltage cut off at 0.8V. In comparison, commercial battery capacity under the same conditions was limited to about 2.6 Ah.
예 7Example 7
개방 회로 전압 및 임피던스를 확인한 후, 예 4에서 조립된 전지들이 전지 홀더들 내에 위치되어, Maccor 4600A 기기를 사용하여 테스트되었다.After checking the open circuit voltage and impedance, the cells assembled in Example 4 were placed into cell holders and tested using a Maccor 4600A instrument.
각 전지는 24옴 저항 부하에서 15초 동안의 간헐적인 방전 및 이후 45초 휴지를 거쳤다. 전지 전압이 1.0V로 떨어질 때까지 테스트가 계속되었다. 이러한 방전 프로토콜은 표준 원격 제어 테스트의 가속 버전으로 간주될 수 있는데, 이는 표준 테스트가 하루에 8시간만 부하를 인가하기 때문이다.Each cell was subjected to intermittent discharge for 15 seconds at a 24 ohm resistive load followed by a 45 second rest. Testing continued until the cell voltage dropped to 1.0V. This discharge protocol can be considered an accelerated version of the standard remote control test because the standard test applies load for only 8 hours per day.
도 5를 참조하면, 예 4의 전지는 상업적으로 판매된 Duracell Coppertop® 및 Energizer Max® 전지들과 비교되었다. 이러한 방전 조건들하에서, 예 4의 전지는 상용 AA 전지보다 20% 이상 더 지속되었다.Referring to Figure 5, the cell of Example 4 was compared to commercially available Duracell Coppertop® and Energizer Max® cells. Under these discharge conditions, the cell in Example 4 lasted more than 20% longer than a commercial AA cell.
예 8Example 8
개방 회로 전압 및 임피던스를 확인한 후, 예 4의 전지들이 전지 홀더들 내에 위치되어, Maccor 4600A 기기를 사용하여 테스트되었다.After checking the open circuit voltage and impedance, the cells of Example 4 were placed into cell holders and tested using a Maccor 4600A instrument.
전지들은 3.9옴 저항 부하에서 1시간 동안의 간헐적인 방전 및 이후 1시간의 휴지를 거쳤다. 전지 전압이 0.8V로 떨어질 때까지 테스트가 계속되었다. 이러한 방전 프로토콜은 표준 장난감 테스트(1시간 대 23시간)와 비교하여 짧아진 휴지 기간을 사용하므로 가속된 장난감 테스트로 간주될 수 있다.The cells underwent intermittent discharge for 1 hour at a 3.9 ohm resistive load followed by 1 hour of rest. Testing continued until the cell voltage dropped to 0.8V. This discharge protocol can be considered an accelerated toy test because it uses a shorter rest period compared to the standard toy test (1 hour vs. 23 hours).
도 6은 방전을 시간의 함수로서 도시한다. 이러한 방전 조건들하에서, 예 4의 전지는 상용 전지보다 거의 200%만큼 더 지속되었다.Figure 6 shows discharge as a function of time. Under these discharge conditions, the cell of Example 4 lasted nearly 200% longer than a commercial cell.
또한 AA 전지는, 다음의 방전들 도중에 3 Ah보다 큰 용량을 나타냈다: 0.8V 전압 차단으로 150mA와 300mA 사이의 전류에서 연속 정전류 방전; 1시간 동안 인가된 150mA 내지 300mA 차단 사이의 전류에서 간헐 방전, 이후 1시간의 휴지 기간(0.8V 전압 차단); 50mA에서 1.0V 전압 차단까지의 연속 정전류 방전; 1시간 동안 인가된 50mA에서의 간헐 방전, 이후 1시간의 휴지 기간(1.0V 전압 차단); 3.9옴에서 0.8V 전압 차단까지의 연속 정저항 방전; 3.9옴 저항이 1시간 동안 인가될 때 간헐적인 정저항 방전, 이후 1시간의 휴지 기간(0.8V 전압 차단); 42옴에서 1.0V 전압 차단까지의 연속 정저항 방전; 및 42옴 저항이 15초 동안 인가될 때 간헐적인 정저항 방전, 이후 45초의 휴지 기간(1.0V 전압 차단).AA cells also exhibited capacities greater than 3 Ah during the following discharges: continuous galvanostatic discharge at currents between 150 mA and 300 mA with a 0.8 V voltage cutoff; Intermittent discharge at currents between 150 and 300 mA applied for 1 hour, followed by a 1 hour rest period (0.8 V voltage cut); Continuous galvanostatic discharge from 50mA to 1.0V voltage cut-off; Intermittent discharge at 50 mA applied for 1 hour, followed by a rest period of 1 hour (1.0 V voltage cut); Continuous constant resistive discharge from 3.9 ohms to 0.8V cutoff; Intermittent constant resistive discharge when a 3.9 ohm resistance is applied for 1 hour, followed by a 1 hour rest period (0.8 V voltage cut); Continuous constant resistive discharge from 42 ohms to 1.0V cut-off; and intermittent constant resistive discharge when a 42 ohm resistance is applied for 15 seconds, followed by a rest period of 45 seconds (1.0 V voltage cut).
예 9Example 9
본 애플리케이션에 따라 만들어진 전지들의 성능을 전형적으로 상이한 폼-팩터들로 구현되는 비교 경쟁 기술들과 비교하기 위하여, 전지 용량 및 방전 속도가 전지 체적별로 정규화되었다. 예 4에서 조립된 전지들과 Druacell Coppertop 알칼리 전지들은 모두 150 및 250mA의 정전류로 방전되었다. 방전 동안 전달된 용량은 표준 AA 전지의 체적으로 나누어져 Ah/L을 생성하였다. 방전 전류는 전지 부피에 의해 유사하게 정규화되어 A/L을 산출하였다.To compare the performance of cells made according to this application to comparable competing technologies typically implemented in different form-factors, cell capacity and discharge rate were normalized by cell volume. Both the cells assembled in Example 4 and the Druacell Coppertop alkaline cells were discharged at constant currents of 150 and 250 mA. The capacity delivered during discharge was divided by the volume of a standard AA cell to produce Ah/L. Discharge current was similarly normalized by cell volume to yield A/L.
Panasonic PR2330 코인 전지들은 10 및 15 mA 정전류로 방전되었다. 용량 및 방전 속도는 전술한 바와 같이 전지 체적 당 정규화되었다. 원통형 설계의 가장 작은 전지인 Cegasa ALR40/100 전지의 성능 파라미터들은 데이터 시트로부터 취해져, 전지 체적에 대해 정규화되었다. 공기-보조 Eveready D 전지의 성능은 미국특허 제 5,079,106호에 개시된 결과들에 기초하여 계산되었다. 공기-보조 Duracell AA 전지의 성능은 미국특허 제7,238,448호 및 미국특허 제7,615,508호에 보고된 결과들에 기초하여 계산되었다. 간헐 방전시의 방전 속도는 보고된 듀티 사이클에 걸쳐 인출된 전류를 평균하여 연속 방전 등가로 변환되었다. 예를 들어, 2초 동안의 600mA 부하, 이후 28초 휴지는 40mA 연속 방전(600*2/30=40)과 등가이다. 데이터는 상기한 바와 같이 전지 체적 당 정규화되었다. Panasonic PR2330 coin cells were discharged at 10 and 15 mA constant current. Capacity and discharge rate were normalized per cell volume as described above. Performance parameters for the Cegasa ALR40/100 cell, the smallest cell of the cylindrical design, were taken from the data sheet and normalized to cell volume. The performance of the air-assisted Eveready D cell was calculated based on the results disclosed in U.S. Patent No. 5,079,106. The performance of air-assisted Duracell AA cells was calculated based on results reported in US Patent No. 7,238,448 and US Patent No. 7,615,508. The discharge rate during intermittent discharge was converted to continuous discharge equivalent by averaging the current drawn over the reported duty cycle. For example, a 600mA load for 2 seconds followed by a 28 second pause is equivalent to a 40mA continuous discharge (600*2/30=40). Data were normalized per cell volume as described above.
도 8을 참조하면, 위에 열거된 전지들에 대한 체적 용량 대 속도 프로파일의 비교가 도시되어있다. 공기-보조 전지들은 알칼리 전지들에 전형적인 방전 속도들로 수행되며, 훨씬 더 큰 전지 용량을 나타낸다.Referring to Figure 8, a comparison of volumetric capacity versus velocity profiles for the cells listed above is shown. Air-assisted cells perform at discharge rates typical of alkaline cells and exhibit much larger cell capacities.
고체 이온 전도성 중합체 물질이 전기화학적 반응(산소 환원)에 참여하고, 산소 환원을 촉진하고, 캐소드의 소수성 특성들을 향상시킴으로써 성능을 향상시키는 것이 이론화된다.It is theorized that solid ion-conducting polymer materials improve performance by participating in electrochemical reactions (oxygen reduction), promoting oxygen reduction, and improving the hydrophobic properties of the cathode.
박막 공기 캐소드thin film air cathode
본 발명의 한 양상에서, 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하는 기술된 공기 캐소드는 박막 구조의 형태를 취할 수 있다. 고체 이온 전도성 중합체 물질은 공기 캐소드가 캔과 같은 구조에 통합될 수 있는 하나 이상의 필름 층을 포함할 수 있게 하거나, 가요성 하우징을 갖거나, 또는 임의의 용기 또는 하우징 없이 작동하는 가요성 박막 배터리로서 작동할 수 있게 한다. 도 7을 참조하면, 이 양상의 박막 배터리(200)의 그래픽 표현이 도시되었다. 이 양상은 박막 배터리를 특징으로 하지만, 기술될 배터리 구성 요소들의 상대적 두께로 제한되지는 않는다.In one aspect of the invention, the described air cathode comprising a solid ion-conducting polymer material may take the form of a thin film structure. The solid ion-conducting polymer material allows the air cathode to include one or more film layers that can be incorporated into a can-like structure, have a flexible housing, or as a flexible thin-film battery that operates without any container or housing. make it work. Referring to Figure 7, a graphical representation of
캐소드(210)는 3개의 구성요소 층들을 포함하는 것으로 도시되었고, 공기 전극(220)은 대기 또는 다른 산소 소스로부터 산소를 수용하는 제 1 표면(221)과 제 2 표면(222) 모두를 갖는다. 공기 캐소드는 공기 캐소드와 접촉하여 공기 캐소드(220)로부터 부하(226)로 전기 전도성을 제공하는 캐소드 컬렉터(225)에 전기적으로 연결된다. 공기 캐소드는 물질, 및 전도성 물질로서의 캐소드들 내에서 일반적으로 사용되는 탄소, 흑연 또는 다른 물질들과 같은 전기 전도성 물질을 포함한다.The
공기 캐소드는 기체 구별 층(230)으로부터 제 2 표면(222)을 통해 산소를 수용할 수 있다. 기체 구별 층은 선택적이고, 본 발명의 일 양상에서 공기 캐소드에 통합될 수 있다. 기체 구별 층은, 공기에서와 같이 배터리에서 이용 가능한 것보다 더 큰 부분 농도들의 산소를 수용하는 것으로부터; 배터리에서 달리 사용 가능한 것보다 낮은 농도의 물과 이산화탄소로부터 배터리가 유익할 때; 및 배터리가 공기 전극으로부터 수분 손실 흐름에 대한 장벽으로부터 유익할 때, 공기 전극이 유익할 환경들에서 유용할 수 있고 요구될 수 있다. 산소, 물 및 이산화탄소의 차별적인 수송은, 이러한 차별적인 수송을 가능하게 하고 기체 구별 층에 포함될 수 있는 물질들을 포함시킴으로써 기체 구별 층 안으로 가공될 수 있다. 이러한 물질은, 테프론(Teflon)과 같은 소수성 물질들, 액정 중합체("LCP") 또는 다른 알려진 물 장벽들, 가공되거나 자연적으로 발생하는 흡착 부분을 갖는 이산화탄소 흡착 제올라이트들을 포함한다. 이러한 물질들은 고체 이온 전도성 중합체 물질 또는 다른 멤브레인과 혼합되어 기체 구별 시스템을 생성할 수 있고, 이러한 시스템은 이산화탄소 및 수분 투과도를 선택적으로 지연 및 방지하면서, 산소가 전지에 진입하여 원하는 전기화학적 배출 속도들을 가능하게 하는데 필요한 속도로 공기 전극에 도달할 수 있게 한다.The air cathode can receive oxygen from the
부하하에서, 그리고 산소가 공기 전극(220)으로 수송되는 상태에서, 공기 전극은 산소를 수산화 이온으로 전기화학적으로 환원시키도록 작용하고, 수산화 이온은 산소와 함께 공기 전극으로부터 그것의 구성요소인 고체 이온 전도성 중합체 물질을 통해 제 1 표면(221)으로 이온 전도된다. 제 1 표면은 선택적인 공동-감극제를 함유하는 공기 캐소드의 제 2 부분(240)과 이온적으로 연결될 수 있다. 공기 캐소드의 제 2 부분은, 고체 이온 전도성 중합체 물질, 탄소와 같은 전기 전도성 물질, 및 EMD 또는 다른 적당한 캐소드 감극제와 같은 공동-감극제를 포함한다. 일 양상에서, 캐소드의 제 2 부분은 수산화 칼륨 용액을 포함할 수 있고, 이 용액을 제 1 표면(221)으로 및 수성 금속-공기 전지 내의 캐소드(210)를 통과하여 수송하도록 작용할 수 있다. EMD 또는 다른 공동-감극제는 전기화학적으로 반응하고, 그 환원된 형태에서, 과산화물 이온들 및 캐소드의 제 2 부분 또는 조합 공기 캐소드로 수송된 산소에 의해 재산화될 수 있다. 이 층 또는 제 2 부분이 별도의 필름으로 설명되지만, 일 양상에서, 공기 캐소드에 통합될 수 있거나, 그에 따라 대체될 수 있다. 이 층은 또한 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하기 때문에, 이온 전도성이고, 탄소 또는 다른 적합한 전기 전도성 물질로 인해 전기 전도성이고, 수산화 이온을 분리막 층(250)을 가로질러 애노드에 이온 전도시키는 작용을 한다.Under load, and with oxygen being transported to the
분리막 층(250)은 고체 이온 전도성 중합체 물질로 이루어지며, 캐소드(210)와 애노드(260) 사이의 유전성 장벽으로서 작용할 때 전기 전도성이 아니다. 이러한 분리막 층은 별개의 층일 수 있거나 또는 애노드(260)에 통합될 수 있다. 이와 같이, 분리막 층(250)은 이온 전도성, 유전성 및 비-전기화학적 활성이고, 캐소드(210)의 공기 전극(250) 또는 제 2 부분(240)이 포함될 때 제 2 부분(240) 사이에 삽입된다. 수성 배터리에서, 분리막 층은 또한 애노드와 캐소드 사이의 유체 수송 층으로서 작용한다. 분리막 층은 애노드과 캐소드 사이에 삽입되고, 캐소드가 공기 캐소드 및/또는 제 2 캐소드 층을 포함하든 간에 캐소드에 인접한다.
애노드(260)는 애노드 전류 컬렉터(265)를 포함하고, 애노드가 금속 포일 또는 금속 구조인 것처럼 물리적으로 전류 컬렉터에 연결되거나, 애노드가 겔과 같은 물질 내에 배치된 전기화학적 활성 물질을 포함하는 경우 전류 컬렉터에 전기적으로 연결된다. 일 양상에서, 애노드(260)는 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함할 수 있고, 그러한 경우, 고체 이온 전도성 중합체 물질이 전기화학적으로 활성 물질과 임의의 전기 전도성 물질을 캐소드(210)로부터의 전기적으로 절연시키도록 작용할 수 있다는 점에서 분리막 층(250)은 필요하지 않다. 전기화학적 활성 물질이 고체 이온 전도성 중합체 물질에 의해 밀봉되면, 애노드는 임의의 추가적인 환경 보호를 필요로 하지 않을 수 있다. 그러나 그러한 보호는 애노드 및 배터리를 파우치, 캔, 하우징 또는 다른 전형적인 배터리 밀봉물에 포함시킴으로써 제공될 수 있다.
본 발명의 이러한 설명된 양상은 설계 유연성을 제공하고 고 에너지 밀도의가요성 배터리를 가능하게 한다. 배터리(200) 및 그 구성 요소들은 애플리케이션을 위해 크기가 정해질 수 있고, 밀봉되거나 밀봉되지 않을 수 있다. 고체 이온 전도성 중합체 물질이 열가소성이기 때문에, 배터리(200)의 기술된 구성요소들은 단일 합착 필름으로 열 밀봉되거나, 동시 압출되거나 또는 달리 통합될 수 있다.This described aspect of the invention provides design flexibility and enables high energy density flexible batteries.
본 발명이 특정의 바람직한 실시예들에 따라 본 명세서에서 상세히 설명되었지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 당업자에 의해 본 발명에 많은 수정들 및 변경들이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 명세서에 도시된 실시예들을 설명하는 세부사항들 및 수단들에 의해 제한되는 것이 아니라 첨부된 청구 범위의 범주에 의해서만 제한되도록 의도된다. 설명된 양상들의 개념들로부터 벗어나지 않고 전술한 구조에 변동들 및 수정들이 이루어질 수 있음을 이해해야 하고, 또한 그러한 개념들은, 첨부된 청구항들의 언어가 달리 명시적으로 언급하지 않는 한, 첨부된 청구항들에 의해 커버되는 것으로 의도된다는 것을 이해해야 한다.Although the invention has been described in detail herein in accordance with certain preferred embodiments, many modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. Accordingly, it is not intended to be limited by the details and instrumentalities described in the embodiments shown herein, but only by the scope of the appended claims. It should be understood that variations and modifications may be made to the above-described structure without departing from the concepts of the aspects described, and that such concepts are not defined in the appended claims unless the language of the appended claims explicitly states otherwise. It should be understood that it is intended to be covered by.
Claims (120)
전기 전도성 물질 및 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하는 공기 전극;
제 1 전기화학적 활성 물질을 포함하는 음 전극; 및
상기 공기 전극과 상기 음 전극 사이에 개재되어 상기 공기 전극과 접촉하는 이온 전도성의 유전성 비-전기화학적 활성 물질을 포함하고,
상기 공기 전극은 상기 공기 전극이 산소 기체 소스에 노출될 때 및 상기 배터리가 부하하에 있을 때, 산소를 환원시키도록 작용하며,
상기 공기 전극은 산소를 환원시킬 때 수산화 이온을 생성하고, 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은 수산화 이온을 이온 전도시키며,
상기 제1 전기화학적 활성 물질은 아연, 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨 또는 리튬을 포함하는 그룹으로부터 선택되는,
금속-공기 배터리.In a metal-air battery,
an air electrode comprising an electrically conductive material and a solid ion-conducting polymer material;
a negative electrode comprising a first electrochemically active material; and
comprising an ionically conductive, dielectric, non-electrochemically active material interposed between the air electrode and the negative electrode and in contact with the air electrode,
the air electrode acts to reduce oxygen when the air electrode is exposed to an oxygen gas source and when the battery is under load,
the air electrode generates hydroxide ions when reducing oxygen, and the solid ion-conducting polymer material conducts hydroxide ions,
The first electrochemically active material is selected from the group comprising zinc, aluminum, calcium, magnesium, potassium, sodium or lithium,
Metal-air battery.
상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은:
30% 초과의 결정도; 용융 온도; 및 적어도 하나의 양이온성 및 음이온성 확산 이온 모두를 포함하며,
상기 고체 이온 전도성 중합체 물질의 이온 전도도는 실온에서 1.0×10-5 S/cm보다 크며,
적어도 하나의 확산 이온은 실온에서 이동 가능한,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
The solid ion-conducting polymer material:
crystallinity greater than 30%; melt temperature; and at least one both cationic and anionic diffusing ion,
The ionic conductivity of the solid ion-conducting polymer material is greater than 1.0×10 -5 S/cm at room temperature,
At least one diffusing ion is mobile at room temperature,
Metal-air battery.
상기 고체 이온 전도성 중합체 물질의 전자 전도도는 실온에서 1×10-8 S/cm보다 작은,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
The electronic conductivity of the solid ion-conducting polymer material is less than 1×10 -8 S/cm at room temperature,
Metal-air battery.
적어도 하나의 상기 양이온성 확산 이온은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속 또는 전이후 금속을 포함하는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 2,
wherein the at least one cationic diffusing ion comprises an alkali metal, an alkaline earth metal, a transition metal, or a post-transition metal.
Metal-air battery.
상기 고체 이온 전도성 중합체 물질의 리터 당 상기 양이온성 확산 이온의 적어도 하나의 몰이 있는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 2,
wherein there is at least one mole of the cationic diffusing ion per liter of the solid ion-conducting polymer material,
Metal-air battery.
상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은 중합체, 전자 수용체 및 이온 화합물의 반응에 의해 형성되는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
The solid ion-conducting polymer material is formed by the reaction of a polymer, an electron acceptor, and an ionic compound,
Metal-air battery.
상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은 열가소성인,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
wherein the solid ion-conducting polymer material is thermoplastic,
Metal-air battery.
상기 음이온성 확산 이온은 수산화 이온인,
금속-공기 배터리.According to paragraph 2,
The anionic diffusing ion is a hydroxide ion,
Metal-air battery.
상기 고체 이온 전도성 중합체 물질의 이온 전도도는 등방성인,
금속-공기 배터리.According to paragraph 2,
wherein the ionic conductivity of the solid ion-conducting polymer material is isotropic,
Metal-air battery.
상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은 실온에서 1×10-4 S/cm보다 큰 이온 전도도를 갖는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
The solid ion-conducting polymer material has an ionic conductivity greater than 1×10 -4 S/cm at room temperature,
Metal-air battery.
상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은 80℃에서 1×10-3 S/cm보다 큰 이온 전도도를 갖는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
The solid ion-conducting polymer material has an ionic conductivity greater than 1×10 −3 S/cm at 80° C.
Metal-air battery.
상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은 -40℃에서 1×10-5 S/cm보다 큰 이온 전도도를 갖는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
The solid ion-conducting polymer material has an ionic conductivity greater than 1×10 -5 S/cm at -40°C,
Metal-air battery.
상기 공기 전극은 제2 전기화학적 활성 물질을 더 포함하며, 상기 제2 전기화학적 활성 물질은 금속 산화물을 포함하는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
The air electrode further includes a second electrochemically active material, wherein the second electrochemically active material includes a metal oxide.
Metal-air battery.
상기 금속 산화물은 이산화 망간인,
금속-공기 배터리.According to clause 13,
The metal oxide is manganese dioxide,
Metal-air battery.
상기 배터리는 비-수성이고, 상기 이온 전도성의 유전성 비-전기화학적 활성 물질은 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
wherein the battery is non-aqueous, and the ion-conducting, dielectric, non-electrochemically active material comprises a solid ion-conducting polymer material.
Metal-air battery.
상기 전기 전도성 물질은 탄소를 포함하는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
The electrically conductive material includes carbon,
Metal-air battery.
상기 이온 전도성의 유전성 비-전기화학적 활성 물질은 상기 공기 전극에 인접하여 배치된 부직포 분리막 및 수성 전해질 모두를 포함하는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
wherein the ionically conductive, dielectric, non-electrochemically active material includes both an aqueous electrolyte and a nonwoven separator disposed adjacent to the air electrode.
Metal-air battery.
상기 공기 전극은 산소 환원 촉매를 더 포함하는,
금속-공기 배터리.According to paragraph 1,
The air electrode further includes an oxygen reduction catalyst,
Metal-air battery.
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201562169812P | 2015-06-02 | 2015-06-02 | |
US62/169,812 | 2015-06-02 | ||
US15/148,085 | 2016-05-06 | ||
US15/148,085 US11251455B2 (en) | 2012-04-11 | 2016-05-06 | Solid ionically conducting polymer material |
PCT/US2016/035040 WO2016196477A1 (en) | 2015-06-02 | 2016-05-31 | Alkaline metal-air battery cathode |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20180033125A KR20180033125A (en) | 2018-04-02 |
KR102654722B1 true KR102654722B1 (en) | 2024-04-03 |
Family
ID=57441829
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020177034885A KR102654722B1 (en) | 2015-06-02 | 2016-05-31 | Cathode of Alkali Metal-Air Battery |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3304626A4 (en) |
JP (1) | JP7007198B2 (en) |
KR (1) | KR102654722B1 (en) |
CN (1) | CN107980185B (en) |
SG (1) | SG10201911693QA (en) |
WO (1) | WO2016196477A1 (en) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9819053B1 (en) | 2012-04-11 | 2017-11-14 | Ionic Materials, Inc. | Solid electrolyte high energy battery |
US11251455B2 (en) | 2012-04-11 | 2022-02-15 | Ionic Materials, Inc. | Solid ionically conducting polymer material |
WO2016197098A1 (en) | 2015-06-04 | 2016-12-08 | Ionic Materials, Inc. | Solid state bipolar battery |
US11319411B2 (en) | 2012-04-11 | 2022-05-03 | Ionic Materials, Inc. | Solid ionically conducting polymer material |
US10559827B2 (en) | 2013-12-03 | 2020-02-11 | Ionic Materials, Inc. | Electrochemical cell having solid ionically conducting polymer material |
KR20210059795A (en) * | 2016-05-27 | 2021-05-25 | 아이오닉 머터리얼스, 인코퍼레이션 | Electrochemical cell having solid ionically conducting polymer material |
EP3574542A4 (en) * | 2017-01-26 | 2020-09-02 | Ionic Materials, Inc. | Alkaline battery cathode with solid polymer electrolyte |
KR102575413B1 (en) | 2018-04-24 | 2023-09-05 | 현대자동차주식회사 | Battery Module |
CN112467149A (en) * | 2020-11-26 | 2021-03-09 | 洪华军 | Macroporous C/Ti prepared based on Ti/Mn-MOFxMnyO2Preparation method of positive electrode material |
CN113413486B (en) * | 2021-06-01 | 2022-05-10 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Surface-modified polyether-ether-ketone material and preparation method and application thereof |
CN115084553A (en) * | 2022-06-16 | 2022-09-20 | 广东工业大学 | Preparation method and application of electrode catalyst for zinc-air battery |
Family Cites Families (26)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3336279A (en) * | 1964-04-08 | 1967-08-15 | Franklin Institute | Polymerization of vinyl amino compounds with pi complex-forming electron acceptor compounds |
US4465744A (en) * | 1982-11-30 | 1984-08-14 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Super ionic conductive glass |
US5160880A (en) * | 1989-05-10 | 1992-11-03 | Allied-Signal Inc. | Method and apparatus for charging and testing batteries |
US5340368A (en) * | 1993-08-04 | 1994-08-23 | Valence Technology, Inc. | Method for in situ preparation of an electrode composition |
US6074773A (en) * | 1998-03-06 | 2000-06-13 | Ballard Power Systems Inc. | Impregnation of microporous electrocatalyst particles for improving performance in an electrochemical fuel cell |
US6358651B1 (en) | 1999-02-26 | 2002-03-19 | Reveo, Inc. | Solid gel membrane separator in rechargeable electrochemical cells |
US6461724B1 (en) * | 1999-08-30 | 2002-10-08 | 3M Innovative Properties Company | Microporous material resistant to capillary collapse |
WO2001026175A1 (en) | 1999-10-06 | 2001-04-12 | Sarnoff Corporation | Metal-air battery device |
US20040076881A1 (en) * | 2002-10-17 | 2004-04-22 | Bowden William L. | Method of making a battery |
US20040157101A1 (en) | 2003-02-11 | 2004-08-12 | Smedley Stuart I. | Fuel cell electrode assembly |
US20050287441A1 (en) * | 2004-06-23 | 2005-12-29 | Stefano Passerini | Lithium polymer electrolyte batteries and methods of making |
US20130084507A1 (en) * | 2005-02-17 | 2013-04-04 | Johnson Ip Holding, Llc | Non-volatile cathodes for lithium oxygen batteries and method of producing same |
US20080199755A1 (en) * | 2005-09-17 | 2008-08-21 | Ian David Brotherston | Conductive polymers |
US8268488B2 (en) * | 2007-12-21 | 2012-09-18 | Infinite Power Solutions, Inc. | Thin film electrolyte for thin film batteries |
WO2010061452A1 (en) * | 2008-11-27 | 2010-06-03 | トヨタ自動車株式会社 | Air secondary battery |
US10115972B2 (en) * | 2009-04-30 | 2018-10-30 | University Of Florida Research Foundation, Incorporated | Single wall carbon nanotube based air cathodes |
PL2450985T3 (en) * | 2009-07-01 | 2018-03-30 | Zeon Corporation | Electrode for secondary battery, slurry for secondary battery electrode, and secondary battery |
EP2467412A2 (en) * | 2009-09-04 | 2012-06-27 | Plextronics, Inc. | Organic electronic devices and polymers, including photovoltaic cells and diketone-based and diketopyrrolopyrrole-based polymers |
GB201006327D0 (en) * | 2010-04-15 | 2010-06-02 | Linde Ag | Gas treatment methods |
EP2450907B1 (en) * | 2010-11-05 | 2014-02-12 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Alkaline single ion conductors with high conductivity and transference number and methods for preparing the same |
US20130189589A1 (en) * | 2012-01-23 | 2013-07-25 | Masdar Institute Of Science And Technology | Fabrication of cellulose polymer composites and their application as solid electrolytes |
GB201213832D0 (en) * | 2012-08-03 | 2012-09-19 | Johnson Matthey Plc | Cathode |
US8936878B2 (en) * | 2012-11-20 | 2015-01-20 | Dreamweaver International, Inc. | Methods of making single-layer lithium ion battery separators having nanofiber and microfiber components |
KR102038621B1 (en) * | 2013-02-14 | 2019-10-30 | 삼성전자주식회사 | Solid ion conductor, solid electrolyte comprising the conductor, lithium battery comprising the electrolyte, and preparation method thereof |
US9812736B2 (en) * | 2013-09-03 | 2017-11-07 | Nanotek Instruments, Inc. | Lithium-selenium secondary batteries having non-flammable electrolyte |
EP3813157A1 (en) * | 2013-12-03 | 2021-04-28 | Ionic Materials, Inc. | Solid, ionically conducting polymer material, and applications |
-
2016
- 2016-05-31 CN CN201680032340.XA patent/CN107980185B/en active Active
- 2016-05-31 WO PCT/US2016/035040 patent/WO2016196477A1/en active Application Filing
- 2016-05-31 EP EP16804233.1A patent/EP3304626A4/en active Pending
- 2016-05-31 KR KR1020177034885A patent/KR102654722B1/en active IP Right Grant
- 2016-05-31 SG SG10201911693QA patent/SG10201911693QA/en unknown
- 2016-05-31 JP JP2017562741A patent/JP7007198B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN107980185A (en) | 2018-05-01 |
EP3304626A4 (en) | 2018-11-07 |
JP7007198B2 (en) | 2022-02-10 |
WO2016196477A1 (en) | 2016-12-08 |
KR20180033125A (en) | 2018-04-02 |
JP2018521462A (en) | 2018-08-02 |
CN107980185B (en) | 2021-11-09 |
EP3304626A1 (en) | 2018-04-11 |
SG10201911693QA (en) | 2020-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102654722B1 (en) | Cathode of Alkali Metal-Air Battery | |
US10199657B2 (en) | Alkaline metal-air battery cathode | |
US11152657B2 (en) | Alkaline metal-air battery cathode | |
JP7139264B2 (en) | Solid ion-conducting polymer materials and applications | |
US11949105B2 (en) | Electrochemical cell having solid ionically conducting polymer material | |
KR102607433B1 (en) | Battery with aluminum anode and solid polymer | |
KR20170092327A (en) | Solid electrolyte, lithium battery comprising solid electrolyte | |
KR102255457B1 (en) | Electrochemical cell with ion conductive solid polymer material | |
KR20160032933A (en) | Composite electrode, electrochemical cell comprising composite electrode and electrode preparation method | |
KR20170009696A (en) | Electrolytes for secondary battery, and secondary battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |