KR20190032417A - Self-charging and / or self-circulating electrochemical cells - Google Patents

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존 비. 굿이너프
마리아 헬레나 소사 소아레스 데 올리베이라 브라가
조세 호르헤 두 아마랄 페레이라
조아나 카실다 로드리게스 이스페인 데 올리베이라
앤드류 머치슨
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보드 오브 리전츠 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템
유니베르시다데 도 포르토
엘엔이지 - 라보라토리오 나시오날 드 에네르지아 에 게오로지아
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Abstract

본 개시내용은 전해질에 의해 전도되는 알칼리 금속 작동 이온 및 쌍극자를 포함하는 고체 유리 전해질, 유효 애노드 화학 포텐셜 μA를 갖는 애노드, 및 유효 캐소드 화학 포텐셜 μC를 갖는 캐소드를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. 캐소드 및 애노드 중 하나 또는 둘 모두는 전기화학 전지의 초기 충전 또는 방전 이전에 작동 이온이 실질적으로 결여되어 있다. 초기 충전 또는 방전 이전에 개방 회로에서, 전기 이중-층 커패시터는 μA 및 μC 사이의 차이로 인해 고체 유리 전해질과 애노드 사이의 계면 및 고체 유리 전해질과 캐소드 사이의 계면 중 하나 또는 둘 모두에 형성된다. The present disclosure provides an electrochemical cell comprising a solid glass electrolyte comprising an alkali metal working ion and a dipole conducted by an electrolyte, an anode with an effective anode chemical potential A A , and a cathode with an effective cathode chemical potential μ C do. One or both of the cathode and the anode are substantially free of working ions prior to the initial charge or discharge of the electrochemical cell. In an open circuit prior to the initial charge or discharge, the electrical double-layer capacitor is formed on one or both of the interface between the solid glass electrolyte and the anode and the interface between the solid glass electrolyte and the cathode due to the difference between μ A and μ C do.

Figure P1020197003915
Figure P1020197003915

Description

자가-충전 및/또는 자가-순환 전기화학 전지Self-charging and / or self-circulating electrochemical cells

기술 분야Technical field

본 개시내용은 고체 유리 전해질을 함유하는 자가-충전 및/또는 자가-순환 전기화학 전지에 관한 것이다.This disclosure relates to self-charging and / or self-circulating electrochemical cells containing solid glass electrolytes.

배경background

전기화학 전지는 전해질에 의해 분리된 애노드와 캐소드의 2개의 전극을 갖는다. 전통적인 전기화학 전지에서, 이들 전극의 물질은 전기적 및 화학적 둘 모두로 활성이다. 애노드는 화학적 환원제이고 캐소드는 화학적 산화제이다. 애노드 및 캐소드 둘 모두는 배터리의 작동 이온으로 지칭되는 이온, 통상적으로 동일한 이온을 얻거나 잃을 수 있다. 전해질은 작동 이온의 도체이지만, 일반적으로 이것은 이온을 얻거나 잃을 수 없다. 전해질은 전자 절연체이므로, 배터리 내부에서 전자의 이동을 허용하지 않는다. 전통적인 전기화학 전지에서, 애노드 및 캐소드의 둘 모두 또는 이 중 적어도 하나는 전기화학 전지의 순환 이전에 작동 이온을 함유한다.An electrochemical cell has two electrodes, an anode and a cathode, separated by an electrolyte. In conventional electrochemical cells, the materials of these electrodes are both electrically and chemically active. The anode is a chemical reductant and the cathode is a chemical oxidant. Both the anode and the cathode can either gain or lose ions, typically the same ion, referred to as the working ions of the battery. The electrolyte is the conductor of the working ion, but generally it can not gain or lose ions. Since the electrolyte is an electronic insulator, it does not allow electrons to move inside the battery. In conventional electrochemical cells, both or both of the anode and cathode contain working ions prior to circulation of the electrochemical cell.

전기화학 전지는 전자 및 이온 성분을 갖는 두 전극 사이의 반응을 통해 동작한다. 전해질은 전지 내부에서 작동 이온을 전도하고, 또한 반응에 참여하는 전자가 외부 회로를 통과하도록 강제한다. An electrochemical cell operates through a reaction between two electrodes with electronic and ionic components. The electrolyte conducts the working ions inside the cell and also forces the electrons participating in the reaction to pass through the external circuit.

배터리는 단순한 전기화학 전지일 수 있거나, 다수의 전기화학 전지들의 조합일 수 있다.The battery can be a simple electrochemical cell or a combination of multiple electrochemical cells.

개요summary

본 개시내용은 전해질에 의해 전도되는 알칼리 금속 작동 이온 및 쌍극자를 포함하는 고체 유리 전해질, 유효 애노드 화학 포텐셜 μA를 갖는 애노드, 및 유효 캐소드 화학 포텐셜 μC를 갖는 캐소드를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. 캐소드 및 애노드 중 하나 또는 둘 모두는 전기화학 전지의 초기 충전 또는 방전 이전에 작동 이온이 실질적으로 결여되어 있다. 초기 충전 또는 방전 이전에 개방 회로에서, 전기 이중-층 커패시터는 μA 및 μC 사이의 차이로 인해 고체 유리 전해질과 애노드 사이의 계면 및 고체 유리 전해질과 캐소드 사이의 계면 중 하나 또는 둘 모두에 형성된다. The present disclosure provides an electrochemical cell comprising a solid glass electrolyte comprising an alkali metal working ion and a dipole conducted by an electrolyte, an anode with an effective anode chemical potential A A , and a cathode with an effective cathode chemical potential μ C do. One or both of the cathode and the anode are substantially free of working ions prior to the initial charge or discharge of the electrochemical cell. In an open circuit prior to the initial charge or discharge, the electrical double-layer capacitor is formed on one or both of the interface between the solid glass electrolyte and the anode and the interface between the solid glass electrolyte and the cathode due to the difference between μ A and μ C do.

전기화학 전지는 다음의 추가 특징이 명확하게 상호 배타적이지 않다면, 그러한 특징의 임의의 또는 모든 조합을 가질 수 있다: a) 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나 또는 둘 모두는 금속을 포함할 수 있다; b) 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나 또는 둘 모두는 본질적으로 금속으로 구성되거나 금속으로 구성될 수 있다; c) 캐소드 및 애노드 둘 모두는 전기화학 전지의 초기 충전 또는 방전 이전에 작동 이온이 실질적으로 결여되어 있다; d) 캐소드 및 애노드 중 하나는 금속을 포함하거나, 본질적으로 금속으로 구성되거나, 금속으로 구성될 수 있고, 다른 하나는 반도체를 포함할 수 있다; e) 캐소드 및 애노드 중 하나 또는 둘 모두는 이의 유효 화학 포텐셜을 결정하는 촉매 분자 또는 입자 릴레이를 포함할 수 있다; f) 작동 이온은 리튬 이온(Li+), 소듐 이온(Na+), 포타슘 이온(K+), 마그네슘 이온(Mg2+), 알루미늄(Al3+), 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다; g) 쌍극자는 일반식 AyXz 또는 일반식 Ay-1Xz -q를 가질 수 있고, 상기 식에서, A는 Li, Na, K, Mg, 및/또는 Al이고, X는 S 및/또는 O이고, 0<z≤3이고, y는 일반식 AyXz의 쌍극자의 전하 중성, 또는 일반식 Ay-1Xz -q의 쌍극자의 -q의 전하를 보장하기에 충분하고, 1≤q≤3이다; h) 쌍극자는 50 중량% 이하의 쌍극자 첨가제를 포함할 수 있다; i) 쌍극자 첨가제는 일반식 AyXz 또는 일반식 Ay-1Xz -q를 갖는 화합물 중 하나 또는 이의 조합물을 포함할 수 있고, 상기 식에서, A는 Li, Na, K, Mg, 및/또는 Al이고, X는 S, O, Si, 및/또는 OH이고, 0<z≤3이고, y는 일반식 AyXz의 쌍극자 첨가제의 전하 중성, 또는 일반식 Ay-1Xz -q의 쌍극자 첨가제의 -q의 전하를 보장하기에 충분하고, 1≤q≤3이다; j) 전기화학 전지는 적어도 천 회 사이클의 주기 수명을 가질 수 있다; k) 전지는 이의 개방-회로의 폐쇄시에, 외부 공급원으로부터 에너지를 받지 못해도 방전 전류를 나타낼 수 있다; l) 전기화학 전지는 외부 포텐시오스탯(potentiostat)에 의해 부과된 고정된 제어 전류에서 충전 또는 방전 전류 및/또는 전압의 자체-순환 성분을 나타낼 수 있다; m) 전기화학 전지는 충전 중에 작동 이온을 애노드 상에 가역적으로 그리고 수지상-없이 도금할 수 있다; n) 전기화학 전지는 제어 충전 전류 없이 자가-충전을 나타낼 수 있다; o) 전기화학 전지는 제어 충전 전류 성분을 갖는 자가-충전 전류 성분을 나타낼 수 있다; p) 전기화학 전지는 제어 방전 전류 없이 자가-충전 성분을 나타낼 수 있다; q) 전기화학 전지는 제어 방전 전류 없이 자가-충전을 나타낼 수 있다; r) 전기화학 전지는 100% 초과의 충전/방전 쿨롱 효율을 가질 수 있다; s) 전기화학 전지는 제어 전류보다 작은 측정된 충전 또는 방전 전류를 나타낼 수 있다; t) 전기화학 전지는 충전시에 제어 전류보다 큰 충전 전류를 가질 수 있다; u) 전기화학 전지는 제어 전류의 반대 방향으로 측정된 전류를 가질 수 있다; v) 전기화학 전지는 방전시 제어 전류보다 큰 측정된 방전 전류를 가질 수 있고 측정된 방전 전류 및 전압 둘 모두의 자가-순환을 나타낼 수 있다; w) 전기화학 전지는 적어도 1분의 기간을 갖는 교류를 나타낼 수 있다; x) 전기화학 전지는 적어도 1일의 기간을 갖는 교류를 나타낼 수 있다.An electrochemical cell may have any or all of such characteristics, unless the following additional features are clearly mutually exclusive: a) at least one or both of the cathode and the anode may comprise a metal; b) at least one or both of the cathode and the anode may consist essentially of or consist of metal; c) both the cathode and the anode are substantially free of working ions prior to the initial charge or discharge of the electrochemical cell; d) one of the cathode and the anode may comprise a metal, consist essentially of a metal, or consist of a metal, and the other may comprise a semiconductor; e) one or both of the cathode and the anode may comprise a catalytic molecule or a particle relay which determines its effective chemical potential; f) Working ions may include lithium ions (Li + ), sodium ions (Na + ), potassium ions (K + ), magnesium ions (Mg 2+ ), aluminum (Al 3+ ) have; g) the dipole can have the general formula A y X z or the general formula A y-1 X z -q wherein A is Li, Na, K, Mg, and / or Al, X is S and / Or O, 0 < z? 3, y is sufficient to ensure the charge neutral of the dipole of the general formula A y X z , or -q of the dipole of the general formula A y-1 X z -q , 1? Q? 3; h) the dipole may comprise up to 50% by weight dipole additive; i) the dipole additive may comprise one of the compounds having the general formula A y X z or a compound having the general formula A y-1 X z -q or a combination thereof, wherein A is Li, Na, K, Mg, and and / or Al, X is S, O, Si, and / or OH, 0 <z≤3, y is the dipole charge neutrality of the additive of the general formula a y X z, or the formula a y-1 X q-q of the dipole additive of z- q , and 1? q? 3; j) an electrochemical cell may have a cycle life of at least a thousand cycles; k) the battery may exhibit a discharge current even when it is not receiving energy from an external source at the time of its closing-circuit; l) an electrochemical cell may represent a self-circulating component of charge or discharge current and / or voltage at a fixed control current imposed by an external potentiostat; m) The electrochemical cell can be reversibly and dendritically plated with working ions on the anode during charging; n) an electrochemical cell can exhibit self-charging without controlled charge current; o) the electrochemical cell may exhibit a self-charging current component having a controlled charge current component; p) An electrochemical cell can exhibit a self-charging component without controlled discharge current; q) An electrochemical cell can exhibit self-charging without controlled discharge current; r) electrochemical cells may have a charge / discharge Coulomb efficiency of greater than 100%; s) The electrochemical cell may exhibit a measured charge or discharge current that is less than the control current; t) an electrochemical cell may have a charge current greater than the control current upon charging; u) The electrochemical cell may have a current measured in the opposite direction of the control current; v) the electrochemical cell may have a measured discharge current greater than the control current at discharge and may exhibit self-cycling of both the measured discharge current and voltage; w) the electrochemical cell may exhibit an alternating current having a duration of at least one minute; x) An electrochemical cell may exhibit an alternating current having a duration of at least one day.

본 개시내용은 상기 설명된 하나의 전기화학 전지, 또는 직렬 또는 병렬로 있을 수 있는 적어도 2개의 그러한 전지를 포함하는 배터리를 추가로 포함한다.The present disclosure further includes a battery comprising one of the electrochemical cells described above, or at least two such cells that may be in series or in parallel.

상기 및 본원에 달리 설명된 전기화학 전지 및 배터리는 재충전될 수 있다.The electrochemical cells and batteries described above and elsewhere herein can be recharged.

도면의 간단한 설명
본 발명 및 이의 특징과 이점에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 함께 취해진 다음 설명을 참조한다.
도 1a는 개방 회로에서 첫 번째 충전 이전에 본 개시내용에 따른 전기화학 전지의 개략적인 단면도이다.
도 1b는 자가-충전 동안 도 1a의 전기화학 전지의 개략적인 단면도이다.
도 1c는 방전 동안 도 1a 및 도 1b의 전기화학 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1a의 전기화학 전지의 개방 회로에서 측정된 전압의 전개의 시간 의존성을 계산하는데 사용될 수 있는 등가 회로의 개략도이다.
도 3a-3d는 Al-C 애노드, S-C-Cu 캐소드 및 10% Li2S를 함유하는 Li+ 고체 유리 전해질을 갖는 전기화학 전지에 대한 시험 결과의 일련의 그래프이다. 측정된 전압은 Vme(t)로 표시된다. 측정된 전류는 Ime(t)로 표시된다. 제어 전류는 Icon(t)로 표시되고 단시간 충전 후 -1 μA 대 시간(t)이다(도 3a에서 좌측의 수직선). 도 3a는 41시간 동안 순환 없이 자가-충전에 이어 약 8분의 순환 기간으로 27시간 동안 자가-순환될 수 있는 전기화학 전지에 대한 결과를 나타낸다. 도 3b는 도 3a의 그래프의 기간 중 40 내지 42시간의 확대된 시간-규모 그래프를 나타낸다. 도 3c는 전기화학 전지가 20.5시간에 시작하여 12℃에서 22℃까지 2시간 기간 동안 가열되고, 이후 서서히 냉각되는 동안 두 번째 단시간 충전 후 도 3a 및 3b의 전기화학 전지의 두 번째 사이클로부터의 결과를 나타낸다. 도 3d는 전기화학 전기가 가열되는 동안 도 3c의 그래프의 기간 중 확대된 시간-규모 그래프를 나타낸다.
도 4는 Li 애노드, C-Ni 메쉬 캐소드, 및 Li+ 고체 유리 전해질을 갖는 전기화학 전지의 회로를 폐쇄한 후 측정된 방전 전압 대 시간의 그래프이다. 자체-순환의 순환 기간은 24시간이다.
도 5a는 Al-C 애노드, S-C-Cu 캐소드 및 10% Li2S를 함유하는 Li+ 고체 유리 전해질을 갖는 전기화학 전지에 대한 시험 결과의 그래프이다. 측정된 전압은 Vme(t)로 표시된다. 측정된 전류는 Ime(t)로 표시된다. 제어 전류는 Icon(t)로 표시되고, 충전 중 0.2 mA 및 자가-충전 중 -1 μA이다. 도 5b는 도 5a의 그래프의 일부에 대한 확대된 전류 축을 나타낸다.
도 6은 Al-C 애노드, Cu 캐소드, 및 Li+ 고체 유리 전해질을 갖는 젤리 롤 전기화학 전지의 회로를 폐쇄한 후 측정된 제1 방전 전류 대 시간의 그래프이다. 방전은 낮은 부하 저항으로 발생하였다.
도 7은 Li 애노드, γMnO2-C-Li 유리-Cu 캐소드, 및 Li+ 고체 유리 전해질을 갖는 전기화학 전지에 대한 5시간 충전/5시간 방전 사이클 동안 측정된 전압 대 시간의 그래프이다. 전기화학 전지는 190일 동안 순환되었다. 피크 전압은 화살표로 표시된다.
Brief Description of Drawings
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS For a more complete understanding of the invention and the features and advantages thereof, reference is now made to the following description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG.
1A is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to the present disclosure prior to a first charge in an open circuit.
1B is a schematic cross-sectional view of the electrochemical cell of FIG. 1A during self-charging.
1C is a schematic cross-sectional view of the electrochemical cell of Figs. 1A and 1B during discharge.
Figure 2 is a schematic diagram of an equivalent circuit that can be used to calculate the time dependence of the evolution of the voltage measured in the open circuit of the electrochemical cell of Figure la.
Figure 3a-3d are a series of graphs of test results for the Al-C anode, Li + electrochemical cell having a solid electrolyte containing glass SC-Cu cathode and 10% Li 2 S. The measured voltage is denoted Vme (t). The measured current is indicated by Ime (t). Control current is represented by I con (t) is a -1 μ A versus time (t) after a short-time charge (vertical line on the left side in Fig. 3a). Figure 3a shows the results for an electrochemical cell that can self-circulate without circulation for 41 hours and self-circulate for 27 hours with a circulation period of about 8 minutes following self-charging. Figure 3b shows an enlarged time-scale graph of 40 to 42 hours during the period of the graph of Figure 3a. Figure 3c shows the results from the second cycle of the electrochemical cell of Figures 3a and 3b after the second short-time charge, while the electrochemical cell starts at 20.5 hours and is heated from 12 占 to 22 占 for a 2 hour period, . Figure 3d shows an expanded time-scale graph during the period of the graph of Figure 3c while electrochemical electricity is being heated.
4 is a graph of discharge voltage versus time measured after closing the circuit of an electrochemical cell with a Li anode, a C-Ni mesh cathode, and a Li + solid glass electrolyte. The self-circulation cycle is 24 hours.
Figure 5a is a graph of test results for the Al-C anode, Li + electrochemical cell having a solid electrolyte containing glass SC-Cu cathode and 10% Li 2 S. The measured voltage is denoted Vme (t). The measured current is indicated by Ime (t). The control current is denoted I con (t) and is 0.2 mA during charging and -1 A during self-charging. Figure 5b shows the magnified current axis for a portion of the graph of Figure 5a.
Figure 6 is a graph of the first discharge current versus time measured after closing the circuit of a jelly roll electrochemical cell with Al-C anode, Cu cathode, and Li + solid glass electrolyte. The discharge occurred with low load resistance.
7 is a Li anode, γMnO 2 -C-Li glass -Cu cathode, and Li + is a graph of the voltage versus time measured for 5 hours, charge / discharge cycle 5 times for an electrochemical cell having a solid electrolyte glass. The electrochemical cell was cycled for 190 days. The peak voltage is indicated by an arrow.

상세한 설명details

본 개시내용은 전기 쌍극자 뿐만 아니라 작동 이온을 함유하고 다른 전극에 의해 재공급되지 않으면서 어느 한 전극 상에 작동 이온을 가역적으로 도금할 수 있는 고체 유리 전해질을 포함하는 전기화학 전지에 관한 것이고, 이는 자가-충전 및 자가-순환 거동을 나타내는 전기화학 전지를 초래한다. 전지는 전형적으로 금속 집전 장치 상에 수지상 없이 도금될 수 있는 이동식 알칼리 금속 작동 양이온 뿐만 아니라 보다 느리게 이동하는 분자 전기 쌍극자를 함유하는 고체 전해질을 갖는다. 두 전극의 전기화학 포텐셜의 차이는, 개방 회로에서, 보통의 전기화학 전지에서처럼 각 전극/전해질 계면에서 전기-이중-층 커패시터를 생성하는 추진력이다. 그러나, 작동 양이온의 병진 이동도와 전기 쌍극자의 배향 및 병진 이동도의 차이는 계면의 전해질에서 임의의 과도한 전하 형성을 더 느리게 한다. 계면 전하에 대한 쌍극자 기여도는 애노드 상에 알칼리 금속-층으로서 작동 양이온의 도금을 유도하기에 충분히 클 수 있고, 이는 자가-충전을 나타낸다. 상대 전극이 이러한 자가-도금 또는 인가된 충전 전력을 통해 전해질로부터 마지막 작동 양이온을 재공급할 수 없는 경우, 전해질은 도금과 박리 사이의 평평에 도달할 때까지 음으로 충전된다. 전해질의 전하는 커패시터와 병렬인 인덕터로서의 등가 회로로 표현되고, 이는 외부 포텐시오스탯에 의해 부과된 고정된 제어 전류에서 충전 또는 방전 전류 및/또는 전압의 자가-순환 성분을 생성할 수 있다.The present disclosure is directed to an electrochemical cell comprising a solid glass electrolyte capable of reversibly plating working ions on an electrode containing an operating ion as well as an electrical dipole and not re-supplied by another electrode, Resulting in an electrochemical cell exhibiting self-charging and self-circulating behavior. The cell typically has a solid electrolyte containing a mobile alkali metal working cation that can be plated without a dendrite on the metal current collector as well as a molecular electrical dipole that moves more slowly. The difference in electrochemical potentials of the two electrodes is the driving force to create an electric-double-layer capacitor at each electrode / electrolyte interface, as in an ordinary electrochemical cell, in an open circuit. However, the translational mobility of the working cation and the difference in orientation and translational mobility of the electric dipole slows any excess charge formation in the electrolyte at the interface. The dipole contribution to interfacial charge can be large enough to induce plating of the working cation as an alkali metal-layer on the anode, which represents self-charging . If the counter electrode can not re-supply the last working cation from the electrolyte via such self-plating or applied charge power, the electrolyte is negatively charged until it reaches the plane between plating and peeling. The charge of the electrolyte is represented by an equivalent circuit as an inductor in parallel with the capacitor, which can produce a self-circulating component of charge or discharge current and / or voltage at a fixed control current imposed by the external potentiostat.

전해질은 X-선 회절을 통해 확인될 수 있듯이 무정형이기 때문에 유리로서 지칭된다. 작동 이온은 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리-금속 양이온, 또는 Mg2+ 및/또는 Al3+와 같은 금속 양이온일 수 있다.The electrolyte is referred to as glass because it is amorphous as can be confirmed by X-ray diffraction. The working ion may be an alkali-metal cation such as Li + , Na + , K + , or a metal cation such as Mg 2+ and / or Al 3+ .

자가-충전은 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이, 전기화학 전지가 제조시에 전지의 작동 이온을 함유하지 않지만 외부 회로 폐쇄시 외부 공급원으로부터 충전 전류를 받지 않아도 방전 전류를 전달하는 전극을 포함하는 현상을 지칭한다. 이 현상은 쌍극자-쌍극자 상호작용 및 내부 전기장의 결과로서 전지 조립 후 전해질 내에 전기 쌍극자가 정렬되고 변위된 결과이다. 쌍극자 정렬에 의해 제공되는 내부 전기장은 전해질로부터의 금속으로서 작동 이온을 다른 전극으로부터 전해질로의 재공급 없이 전극 중 하나에 도금할 만큼 충분히 커서, 전해질을 음성으로 하전시킨다. 외부 회로 폐쇄시, 작동 이온은 전해질로 되돌아가고, 전자는 방전 전류를 제공하는 외부 회로로 보내진다.Self-charging is a phenomenon in which an electrochemical cell contains an electrode that does not contain the working ions of the cell at the time of manufacture but delivers a discharging current even when the charging current is not received from an external source when the external circuit is closed Quot; This phenomenon is the result of the electric dipoles being aligned and displaced in the electrolyte after cell assembly as a result of dipole-dipole interaction and internal electric field. The internal electric field provided by the dipole alignment is large enough to galvanize the electrolyte negatively by plating the working ion as one of the metals from the electrolyte into one of the electrodes without re-supplying the working ions from the other electrode to the electrolyte. When the external circuit is closed, the working ions return to the electrolyte, and the electrons are sent to an external circuit that provides the discharging current.

자가 순환은 전해질의 작동 이온이 전극에 도금될 때 발생하고, 이는 전해질을 음성으로 하전시킨다. 전해질의 음 전하는, 충분히 커지면, 도금된 금속을 양이온으로서 전해질로 다시 박리시키고, 전자를 외부 회로로 방출한다. 외부 회로에 대한 전해질의 쌍극자 및 이온 및 전자의 상이한 반응 속도는 외부 회로 및/또는 전지 전압에서 전류의 순환을 발생시킨다.Self-circulation occurs when the working ions of the electrolyte are plated onto the electrode, which negatively charges the electrolyte. When the negative charge of the electrolyte is large enough, the plated metal is peeled back into the electrolyte as a cation and the electrons are released to the external circuit. The different reaction rates of the dipole and the ions and electrons of the electrolyte to the external circuit cause the circulation of current in the external circuit and / or the cell voltage.

외부 에너지 입력 없이 자가-충전 및 자가-순환 거동 둘 모두가 발생할 수 있지만, 둘 모두의 현상은 또한 외부 충전/방전 입력을 통해 전지 충전/방전 성능의 성분으로서 발생할 수 있다. 예를 들어, 자가-충전 전기화학 전지에 외부 에너지 입력으로서 충전 전류가 제공될 수 있고, 이 경우 100% 초과의 쿨롱 효율을 제공하기 위해 충전 전류에 의해 지시되는 것보다 더 큰 충전을 나타낼 것이다. 다른 예로서, 방전 전류 및/또는 전압은 충전/방전 순환 주파수와 상이한 주파수의 자가-순환 성분을 가질 수 있다.Both self-charging and self-circulating behavior can occur without external energy input, but both phenomena can also occur as a component of battery charge / discharge performance through external charge / discharge inputs. For example, a self-charging electrochemical cell may be provided with a charging current as an external energy input, which in this case will represent a greater charge than indicated by the charging current to provide a coulombic efficiency of greater than 100%. As another example, the discharge current and / or voltage may have a self-cycling component at a frequency that is different from the charge / discharge cycle frequency.

본 개시내용의 고체 유리 전해질은 불연성이고, 전극 집전 장치 및/또는 자신 위에 수지상-없는 알칼리 금속을 도금할 수 있으며; 도금된 금속의 원자는 전해질의 작동 이온으로부터 온 것이고; 도금된 작동 이온은 다른 전극으로부터 전해질로 재공급되거나 재공급되지 않을 수 있다. 특히, 본 개시내용의 고체 전해질은 작동 이온으로서 알칼리-금속 양이온, 예를 들어, Li+, Na+, K+, 금속 양이온, 예를 드렁, Mg2+, Al3+ 뿐만 아니라 전기 쌍극자, 예를 들어, A2X 또는 AX-, 또는 MgX 또는 Al2X3(여기서, A는 Li, Na, 또는 K이고, X는 O 또는 S 또는 다른 원소 또는 쌍극자 분자이다)을 함유하는 유리일 수 있다. 적합한 A+-유리 전해질 및 이들의 제조 방법은 WO2015 128834호(A Solid Electrolyte Glass for Lithium or Sodium Ion Conduction) 및 W02016205064(Water-Solvated Glass/Amorphous Solid Ionic Conductors)에 이미 기재되었고, 둘 모두의 알칼리-금속-이온 설명은 그 안에 참조로서 포함되어 있다.The solid glass electrolyte of the present disclosure is nonflammable and is capable of plating a dendritic-free alkali metal on the electrode collector and / or itself; The atoms of the plated metal come from the working ions of the electrolyte; The plated working ions may or may not be re-supplied to the electrolyte from the other electrode. In particular, the solid electrolytes of the present disclosure may include, as working ions, alkali metal cations such as Li + , Na + , K + , metal cations such as Mg 2+ , Al 3+ as well as electric dipoles, For example, A 2 X or AX - , or MgX or Al 2 X 3 , where A is Li, Na, or K, and X is O or S or another element or dipole molecule . Suitable A &lt; + & gt ; -type glass electrolytes and methods for their preparation have already been described in WO2015 128834 (Water Solvated Glass for Lithium or Sodium Ion Conduction) and W02016205064, Metal-ion descriptions are incorporated by reference therein.

일반적으로, 본 개시내용의 전기화학 전지에 사용되는 고체 유리 전해질 중의 금속 작동 이온은 알칼리-금속 이온, 예를 들어, Li+, Na+, K+, 또는 Mg2+ 또는 Al3+일 수 있고; 이러한 이동 가능한 작동 이온의 일부는 또한 음이온에 부착되어 A2X, AX-와 같은 이동성이 적은 전기 쌍극자, 또는 이들의 더 큰 강유전성 분자로의 축합물을 형성할 수 있다(상기 식에서, A는 Li, Na, K, Mg, Al이고, x는 O, S, 또는 다른 음이온 원자이다). 유리는 또한 쌍극자 첨가제 없이 유리 합성에 사용된 전구체로부터 형성된 것들보다 50 중량% 이하의 다른 전기-쌍극자 분자를 첨가제로서 함유할 수 있다. 전기 쌍극자의 존재는 유리에 높은 유전 상수를 제공한다; 쌍극자는 또한 자가-충전 및 자가-순환 현상을 촉진하는데 적극적이다. 또한, 고체 유리 전해질은 금속성 리튬, 소듐, 또는 포타슘과 접촉시 환원되지 않고, 스피넬 Li[Ni0.5Mn1.5]O4 또는 올리빈 LiCo(PO4) 및 LiNi(PO4)와 같은 고전압 캐소드와 접촉시 산화되지 않는다. 따라서, 부동태화 고체-전해질 중간상(SEI)이 형성되지 않는다. 또한, 고체-유리 전해질의 표면은 알칼리 금속에 의해 습윤되는데, 이는 적어도 1,000회, 적어도 2,000회, 또는 적어도 5,000회 충전/방전 사이클 동안 전극/전해질 계면을 가로지르는 이온의 전달에 낮은 저항성을 제공하는 유리 전해질 수지상-없는 알칼리 금속으로부터의 도금을 가능하게 한다.Generally, the metal working ion in the solid glass electrolyte used in the electrochemical cell of this disclosure may be an alkali-metal ion, such as Li + , Na + , K + , or Mg 2+ or Al 3+ ; Some of these transferable working ions may also be attached to anions to form electric dipoles with less mobility, such as A 2 X, AX - , or condensates thereof with larger ferroelectric molecules where A is Li , Na, K, Mg, Al, and x is O, S, or other anion atoms. The glass may also contain up to 50 weight percent of other electro-dipole molecules as additives than those formed from precursors used in glass synthesis without dipole additives. The presence of electrical dipoles provides a high dielectric constant to the glass; Dipoles are also active in promoting self-charging and self-circulation phenomena. In addition, the solid glass electrolyte is not reduced upon contact with metallic lithium, sodium, or potassium and is contacted with a high voltage cathode such as spinel Li [Ni 0.5 Mn 1.5 ] O 4 or olivine LiCo (PO 4 ) and LiNi (PO 4 ) . Thus, a passivated solid-electrolyte intermediate phase (SEI) is not formed. In addition, the surface of the solid-glass electrolyte is wetted by alkali metal, which provides low resistance to the transfer of ions across the electrode / electrolyte interface for at least 1,000, at least 2,000, or at least 5,000 charge / discharge cycles Allows plating from glass-electrolyte dendrite-free alkali metals.

고체 유리 전해질은 큰 표면적에 걸쳐 슬러리로서 도포될 수 있고; 슬러리는 또한 종이 또는 다른 가요성 셀룰로스 또는 중합체 막에 혼입될 수 있다; 건조시, 슬러리는 유리를 형성한다. 막 프레임워크는 부착된 전기 쌍극자를 가질 수 있거나, 유리와 접촉시, 회전 이동성만을 갖는 전기 쌍극자를 형성한다. 유리 내의 전기 쌍극자는 25℃에서 병진 이동성 뿐만 아니라 회전 이동성을 가질 수 있다. 병진 이동성을 갖는 쌍극자 간의 반응은 강유전성 분자로의 일부 쌍극자 축합과 함께 유리 전해질 내에 쌍극자-풍부 영역을 형성할 수 있다; 전해질의 에이징으로서 지칭되는 쌍극자의 유착은 25℃에서 며칠이 걸릴 수 있지만, 100℃에서 수 분내에 완수될 수 있다.The solid glass electrolyte can be applied as a slurry over a large surface area; The slurry may also be incorporated into paper or other flexible cellulosic or polymeric membranes; Upon drying, the slurry forms a glass. The membrane framework may have attached electrical dipoles or, upon contact with the glass, form electrical dipoles with only rotational mobility. Electric dipoles in glass can have rotational mobility as well as translational mobility at 25 캜. The reaction between dipoles with translational mobility can form a dipole-rich region in the glass electrolyte with some dipole condensation into the ferroelectric molecule; Adhesion of the dipoles, referred to as aging of the electrolyte, can take several days at 25 占 폚, but can be accomplished within a few minutes at 100 占 폚.

쌍극자 중 하나 이상은 25℃에서도 약간의 이동성을 가질 수 있다. 전극은 집전 장치 및/또는 활성 산화환원 반응을 갖는 물질로 구성된다. 전극 집전 장치는 Al 또는 Cu와 같은 우수한 금속이고; 이것은 또한 탄소, 합금, 또는 TiN 또는 전이-금속 산화물과 같은 화합물의 형태일 수 있다. 집전 장치는 그 위에 활성 물질이 없는 전극일 수 있거나 이것은 그 위의 활성 물질로/물질로부터 전자를 수송할 수 있다; 활성 물질은 알칼리 금속, 알칼리 금속의 합금, 또는 전해질의 작동 이온의 원자를 함유하는 화합물일 수 있다. 집전 장치는 외부 회로로 또는 외부 회로로부터 그리고 전극의 활성 물질로 또는 활성 물질로부터 전자를 수송하고, 집전 장치와의 전자 접촉 및 전해질과의 이온 접촉을 통해 전해질의 작동 이온과 반응한다. 전해질과의 이온 접촉은 전기-이중-층 커패시터(EDLC)를 생성하는, 전극/전해질 계면에서 과도하거나 불충분한 작동-이온 농도만을 포함할 수 있거나, 이것은 또한 전극 표면에서 화학적 상의 형성을 수반할 수 있다. 재충전 가능한 전지에서, 전극 표면 상의 임의의 화학적 형성 뿐만 아니라 전극/전해질 계면을 가로지르는 EDLC는 가역적이다.One or more of the dipoles may have some mobility even at 25 占 폚. The electrode comprises a current collector and / or a material having an active redox reaction. The electrode collector is an excellent metal such as Al or Cu; It can also be in the form of carbon, alloys, or compounds such as TiN or transition metal oxides. The current collector may be an electrode on which there is no active material or it may transport electrons from / to the active material on it; The active material may be an alkali metal, an alloy of an alkali metal, or a compound containing atoms of the working ions of the electrolyte. The current collector transports electrons to and from the external circuit or from the active material of the electrode or from the active material and reacts with the working ions of the electrolyte through electronic contact with the current collector and ionic contact with the electrolyte. Ionic contact with the electrolyte may only include an excessive or insufficient working-ion concentration at the electrode / electrolyte interface, which produces an electro-double-layer capacitor (EDLC), or it may also involve chemical formation at the electrode surface have. In a rechargeable battery, any chemical formation on the electrode surface as well as the EDLC across the electrode / electrolyte interface is reversible.

본 발명에 따르면, 전기화학 전지의 하나 또는 둘 모두의 전극은, 제조시에, 예를 들어, 원자 흡수 분광학에 의해 전해질의 작동 이온의 검출 가능한 원자를 7000 ppm 아래로 함유하지 않는 유일한 집전 장치이다. 그러나, 전지 조립 후에, 전해질의 작동 이온의 원자는 원자 흡수 분광학 또는 다른 수단에 의해 전극 상에서 검출될 수 있다.According to the present invention, one or both electrodes of an electrochemical cell is the only current collector that does not contain, at the time of manufacture, less than 7000 ppm of detectable atoms of the working ions of the electrolyte, for example, by atomic absorption spectroscopy . However, after battery assembly, the atoms of the working ions of the electrolyte can be detected on the electrodes by atomic absorption spectroscopy or other means.

또한, 전지의 하나 또는 둘 모두의 전극은 복합 집전 장치의 유효 페르미 레벨을 유의하게 변화시키지 않으며 집전 장치 상에 작동 양이온의 도금을 돕는 탄소와 같은 추가의 전자 전도성 물질을 함유할 수 있다.In addition, one or both electrodes of the cell may contain additional electron conductive material such as carbon that does not significantly alter the effective Fermi level of the composite current collector and that helps to coat the working cation on the current collector.

고체 유리 전해질은 102 이상의 비유전율(σR)과 같은 큰 유전 상수를 가질 수 있다. 고체 유리 전해질은 불연성이고 작동 이온 A+에 대해 25℃에서 적어도 10-2 S/cm의 이온 전도도 σA를 가질 수 있다. 이 전도도는 전지를 안전하게 만드는, Li-이온 배터리에 사용되는 통상적인 불연성 유기-액체 전해질의 이온 전도도와 유사하다.The solid glass electrolyte may have a large dielectric constant such as a relative dielectric constant ( R ) of 10 2 or more. The solid glass electrolyte is nonflammable and can have an ionic conductivity, A , of at least 10 &lt; -2 & gt ; S / cm at 25 DEG C for the working ion A + . This conductivity is similar to the ionic conductivity of a conventional non-flammable organic-liquid electrolyte used in Li-ion batteries to make the cell safe.

고체 유리 전해질은 작동 이온 또는 이의 구성 전구체(전형적으로 O, OH 및/또는 할라이드에 결합된 작동 이온을 함유함)를 함유하는 결정질 전자 절연체를 작동-이온-전도 유리/무정형 고체로 변형시킴에 의해 형성될 수 있다. 이 공정은 또한 쌍극자 첨가제의 존재 하에 일어날 수 있다. 작동 이온-함유 결정질, 전자 절연체 또는 이의 구성 전구체는 일반식 A3-xHxOX를 갖는 물질일 수 있고, 상기 식에서, 0≤x≤1이고, A는 적어도 하나의 알칼리 금속이고, X는 적어도 하나의 할라이드이다. 물은 이의 형성 중에 고체 유리 전해질을 빠져 나갈 수 있다.The solid glass electrolyte is produced by transforming a crystalline electronic insulator containing an actinic ion or its constituent precursor (typically containing an actinic ion bound to O, OH and / or halide) into an actinic-ion-conducting glass / amorphous solid . This process can also take place in the presence of dipole additives. The working ion-containing crystalline, electronic insulator or composition precursor thereof can be a material having the general formula A 3-x H x OX, wherein 0? X? 1, A is at least one alkali metal, X is At least one halide. Water can escape the solid glass electrolyte during its formation.

본원에 개시된 고체 유리 전해질을 함유하는 전기화학 전지는 큰 에너지 갭 Eg를 가질 수 있고, 여기서 Eg = Ee - Ev이다. Ec는 전도대의 바닥이고 Ec > μA이며, 여기서 μA는 애노드 화학 포텐셜이다. Ev는 가전자대의 상부이고 Ev < μC이며, 여기서 μC는 캐소드 화학 포텐셜이다. 에너지 차이 μAC는 자가-충전 및 자가-순환 거동을 유도할 수 있다. 또한, 쌍극자의 기여는 전기화학 전지로 하여금 개방 또는 폐쇄 회로에서 본원에 개시된 고체 유리 전해질 이외의 전해질을 갖는 달리 동일한 전기화학 전지에서보다 높은 커패시턴스를 갖게 한다.An electrochemical cell containing the solid glass electrolyte disclosed herein can have a large energy gap E g , where E g = E e - E v . E c is the bottom of the conduction band and E c > μ A , where μ A is the anode chemical potential. E v is the top of the valence band and E vC , where μ C is the cathode chemical potential. The energy difference μ AC can lead to self-charging and self-circulating behavior. In addition, the contribution of the dipole causes the electrochemical cell to have higher capacitance in otherwise identical electrochemical cells having electrolytes other than the solid glass electrolytes disclosed herein in an open or closed circuit.

본원에 개시된 고체 유리 전해질을 함유하는 전기화학 전지는 또한 하나 또는 둘 모두의 전극으로부터 작동 이온을 도금 및 박리시킬 수 있어서, 전해질과 적어도 하나의 전극 사이의 전해질-전극 결합이 순환 동안 전해질 부피 변화가 전해질과 전극 사이의 계면에 실질적으로 수직이 될 정도로 충분히 강하게 한다. 전형적으로, 전해질 부피 변화가 전해질과 양 전극 사이의 두 계면 모두에 실질적으로 수직이 될 정도로 전해질과 양 전극 사이의 결합은 충분히 강할 것이다.The electrochemical cell containing the solid glass electrolyte disclosed herein may also be capable of plating and stripping working ions from one or both electrodes such that the electrolyte-electrode bond between the electrolyte and the at least one electrode is changed Strong enough to be substantially perpendicular to the interface between the electrolyte and the electrode. Typically, the bond between the electrolyte and both electrodes will be strong enough so that the electrolyte volume change is substantially perpendicular to both the electrolyte and both interfaces between the electrodes.

다음에서, 제어 전류 I con 은 포텐시오스탯의 부하에 의해 제어되는 두 전극 사이의 포텐셜 차이에 의해 지정된 전류인 반면, 측정된 전류 I mc 는 포텐시오스탯에 의해 지정된 전류 및 자가-충전으로부터 생성된 전류를 포함하는 실제 측정된 전류이다. 자가-충전으로 인한 전류는 방전시 I con 과 동일하거나 반대 방향일 수 있다. 아래 첨자 disch는 본 발명자들이 방전 또는 충전 전류 및 전압을 나타내는지 여부를 지정하기 위해 추가된다.In the following, the control current I con is the current specified by the potential difference between the two electrodes controlled by the load of the potentiostat, whereas the measured current I mc is the current specified by the potentiostat and the current Is the actual measured current including the current. The current due to self-charging may be the same or opposite to I con at discharge. The subscripts dis and ch are added to specify whether the inventors represent discharge or charge current and voltage.

본원에 개시된 전기화학 전지는 제어 전류 I con 보다 작은 측정된 방전 전류 I me-dis 및/또는 측정된 충전 전류 I me-ch 를 가질 수 있다. The electrochemical cell disclosed herein may have a measured discharge current I me-dis less than the control current I con and / or a measured charge current I me-ch .

충전 동안, 본원에 개시된 전기화학 전지는 제어 전류 I con 보다 큰 충전 전류 I ch 를 가질 수 있다. 방전 동안, 본원에 개시된 전기화학 전지는 방전 제어 전류 I dis-con 보다 큰 측정된 방전 전류 I me-dis 를 가질 수 있다. 그러한 전기화학 전지는, 정상 방전에 추가하여, 측정된 방전 전류 I me-dis 및 전압 V me-dis 둘 모두의 자가-순환을 나타낼 수 있다. During charging, the electrochemical cell disclosed herein may have a charge current I ch that is greater than the control current I con . During discharging, the electrochemical cell disclosed herein may have a measured discharge current I me-dis greater than the discharge control current I dis-con . Such an electrochemical cell may exhibit self-circulation of both the measured discharge current I me-dis and the voltage V me-dis in addition to the steady discharge.

본원에 개시된 전기화학 전지는, 개방-회로에서, 전극 전기화학 포텐셜의 차이의 결과로서 이론적 전압보다 낮거나 같은 전압을 발생시킬 수 있다.The electrochemical cell disclosed herein can generate a voltage that is less than or equal to the theoretical voltage as a result of the difference in electrode electrochemical potential, in an open-circuit.

본원에 개시된 전기화학 전지는 전해질 내의 작동 이온이 개방-회로에서 애노드 상에 도금되도록 하기에 충분히 큰 자가-전압을 가질 수 있다. 더욱이, 자가-충전에 의해 전달되는 전력은 적색 LED를 1년 이상 동안 켜기에 충분할 수 있다.The electrochemical cell disclosed herein may have a self-voltage large enough to allow the working ions in the electrolyte to be plated on the anode in an open-circuit. Moreover, the power delivered by self-charging may be sufficient to turn on the red LED for more than one year.

본원에 개시된 전기화학 전지는 일정한 I con 또는 V con 에 적용될 때 어느 전극 집전 장치 상에 이온의 도금을 나타낼 수 있다. 상대 전극에 의해 재공급되지 않으면서 전해질로부터 작동 양이온의 도금은 측정된 전류 I me 및 측정된 전압 V me 의 자가-순환 성분을 발생시킬 수 있다.The electrochemical cell disclosed herein may exhibit plating of ions on any electrode collector when applied to a constant I con or V con . Plating of the working cation from the electrolyte without re-feeding by the counter electrode can generate the self-circulating component of the measured current I me and the measured voltage V me .

다음에서, 제어 전류 I cm 은 포텐시오스탯의 부하에 의해 제어되는 두 전극 사이의 포텐셜 차이에 의해 지정된 전류인 반면, 측정된 전류 I me 는 포텐시오스탯에 의해 지정된 전류 및 자가-충전으로부터 생성된 전류를 포함하는 실제 측정된 전류이다. 자가-충전으로 인한 전류는 방전시 I con 과 동일하거나 반대 방향일 수 있다. 아래 첨자 disch는 본 발명자들이 방전 또는 충전 전류 및 전압을 나타내는지 여부를 지정하기 위해 추가된다.In the following, the control current I cm is the current specified by the potential difference between the two electrodes controlled by the load of the potentiostat, while the measured current I me is the current specified by the potentiostat and the current Is the actual measured current including the current. The current due to self-charging may be the same or opposite to I con at discharge. The subscripts dis and ch are added to specify whether the inventors represent discharge or charge current and voltage.

본원에 개시된 전기화학 전지는 주어진 사이클 기간에서 자가-순환을 나타낼 수 있다. 자가-충전으로 인해, 자가-순환의 기간은 충전/방전 기간과 무관하다.The electrochemical cell disclosed herein can exhibit self-cycling in a given cycle time. Due to self-charging, the period of self-circulation is independent of the charge / discharge period.

본원에 기재된 전기화학 전지의 측정된 전류 I me 는 직류 및 교류 성분 둘 모두를 포함한다. 일부 적용에서, 교류 부분만이, 예를 들어, 시그널링에서 사용될 수 있다. 교류 기간은 수 분 내지 수 일의 기간을 가질 수 있는 자가-순환 기간이다.The measured current of the electrochemical cells described herein me I includes both DC and AC components. In some applications, only the AC portion can be used, for example, in signaling. The exchange period is a self-circulation period that can have a period of several minutes to several days.

본원에 개시된 전기화학 전지가 동작할 수 있는 원리는 도 1을 참조하여 더 잘 이해되며, 도 1은 순환 전의 전기화학 전지(100)를 예시하는 도 1a, 자가-충전 동안 전기화학 전지(100)를 예시하는 도 1b, 및 방전 동안 전기화학 전지(100)를 예시하는 도 1c를 포함한다.1, which illustrates an electrochemical cell 100 prior to circulation; FIG. 1 a is a cross-sectional view of an electrochemical cell 100 during self-charging; FIG. And FIG. 1C illustrating electrochemical cell 100 during discharge.

도 1a, 도 1b, 및 도 1c에서, 전기화학 전지(100)는 접촉부(15)를 갖는 애노드(10), 접촉부(25)를 갖는 캐소드(20), 및 고체 알칼리-금속-이온 유리 전해질(30)을 포함한다. 전해질(30)에서 과량의 작동 이온은 + 원으로 표시된다. 전해질(30)에서 작동 이온의 고갈은 - 원으로 표시된다. 전해질(30)의 전기 쌍극자는 +/- 타원으로 표시된다. 전극의 전자 전하는 + 및 - 원으로 표시된다. 도 1b 및 도 1c에서, 원에 붙은 화살표는 전해질에서 과량의 이동성 양이온 또는 이동성 양이온의 결핍과 관련된 전하, 전극 내의 전자의 이동 방향을 나타낸다.1A, 1B and 1C, an electrochemical cell 100 includes an anode 10 having a contact portion 15, a cathode 20 having a contact portion 25, and a solid alkali-metal-ionic glass electrolyte 30). Excessive working ions in the electrolyte 30 are indicated by a + circle. The depletion of working ions in the electrolyte 30 is indicated by a circle. The electric dipole of electrolyte 30 is denoted +/- oval. The electron charge of the electrode is represented by the + and - circles. In Figures 1B and 1C, the arrows in the circles indicate the charge associated with the excess of mobile cations or lack of mobile cations in the electrolyte, the direction of movement of electrons in the electrode.

도 1a는 개방-회로에서 전기화학 전지(100)를 개략적으로 도시한다. 애노드(10)의 화학 포텐셜(μA)은 캐소드(20)의 화학 포텐셜(μC)보다 높다. 애노드 및 캐소드 화학 포텐셜 사이의 에너지 균형을 맞추기 위해, 전극과 전해질 사이의 계면에는 전기 이중-층 커패시터(40a 및 40b)가 형성된다. 이러한 전기 이중-층 커패시터(40a 및 40b)의 형성을 위한 에너지는 애노드(10) 및 캐소드(20)의 화학 포텐셜의 차이에 의해 공급된다.FIG. 1A schematically illustrates an electrochemical cell 100 in an open-circuit. The chemical potential ( A ) of the anode (10) is higher than the chemical potential ( C ) of the cathode (20). Electrical double-layer capacitors 40a and 40b are formed at the interface between the electrode and the electrolyte to balance the energy between the anode and cathode chemical potentials. The energy for forming these electrical double-layer capacitors 40a and 40b is supplied by the difference in the chemical potentials of the anode 10 and the cathode 20. [

하나의 그러한 전기화학 전지(100)는 고체 유리 전해질(30)에 알칼리-금속 작동 이온(A+)을 지니며, 알칼리 금속 애노드(10) 및 Cu 캐소드(20)를 가질 수 있다.One such electrochemical cell 100 has an alkali-metal working ion (A + ) in the solid glass electrolyte 30 and may have an alkali metal anode 10 and a Cu cathode 20.

고체 유리 전해질(30)에서 작동 이온(A+) 및 전기 쌍극자의 변위는 전기 이중-층 커패시터(40a 및 40b)를 형성할 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 개방-회로에서, 애노드(10)(전기화학 전지(100)의 음극 단자임)과 전해질(30)의 계면에서 전기 이중-층 커패시터(40a)는 전해질(30)의 작동 이온이 이의 애노드 측으로 이동함에 따라 초래된 과량의 작동 이온을 전해질(30) 내에 갖는다(+로 표시됨). 계면의 애노드(10)의 부분은 과량의 음성 전자 전하를 가질 것이고, (-로 표시됨), 서로 분리된 애노드(1) 및 전해질(30) 사이의 계면의 전해질 쪽에는 보상적인 과량의 양성 양이온 전하를 갖는다.The displacement of the working ion (A + ) and electric dipole in the solid glass electrolyte 30 can form electrical double-layer capacitors 40a and 40b. The electric double-layer capacitor 40a at the interface of the anode 10 (which is the negative terminal of the electrochemical cell 100) and the electrolyte 30, in the open circuit, (Indicated by +) within the electrolyte 30 as a result of the working ion of the working electrode moving toward its anode side. The portion of the anode 10 at the interface will have an excess negative negative electron charge (denoted by -) and an excess positive positive cation charge on the electrolyte side of the interface between the anode 1 and the electrolyte 30, .

캐소드(20)(전기화학 전지(100)의 양극 단자임)와 전해질(30)의 계면에서의 전기 이중-층 커패시터(40b)는 전해질(30)의 작동 이온이 이의 애노드를 향해 그리고 이의 캐소드 측으로부터 멀리 이동함에 따라 초래된 작동 양이온의 고갈을 전해질(30) 내에 갖는다(-로 표시됨). 계면의 캐소드(20)의 부분은 전해질(30)과의 계면으로부터 먼 캐소드(20)에서, 보상적인 과량의 양성 전자 전하를 가질 것이다(+로 표시됨). The electric double-layer capacitor 40b at the interface of the cathode 20 (which is the positive terminal of the electrochemical cell 100) and the electrolyte 30 is electrically connected to the working electrode of the electrolyte 30 toward its anode and its cathode side (Indicated by -) in the electrolyte 30 as it moves away from the electrolyte 30. A portion of the cathode 20 at the interface will have a compensating excess of positive electron charge at the cathode 20 remote from the interface with the electrolyte 30 (marked +).

전하가 상기와 같이 달라지는 전극과의 계면 이외에, 전해질(30)은 중성 순 전하를 가질 것이다.In addition to the interface with the electrode whose charge changes as described above, the electrolyte 30 will have neutral net charge.

전기화학 전지(100)가 일단 조립되면, 전해질(30)의 작동 이온의 이동 및 결과적인 전기 이중-층 커패시터(40a 및 40b)의 형성은 상당히 빠르게 발생한다.Once the electrochemical cell 100 is assembled, the movement of the working ions of the electrolyte 30 and the formation of the resulting electrical double-layer capacitors 40a and 40b occurs quite rapidly.

전해질(30) 내의 작동 이온의 이동 및 2개 전극의 전기화학적 포텐셜의 차이를 평형화시키는 방향으로의 결과적인 전기장으로 인해, 고체 유리 전해질 내의 전기 쌍극자는, 도 1a에 + 및 -의 지표로 도시된 바와 같이, 이들의 음성 단부가 전해질(30)과 애노드(10) 사이의 계면을 향하고 이들의 양성 단부가 전해질(30)과 캐소드(20) 사이의 계면을 향하도록 자신을 배향시키는 경향이 있을 것이다.Due to the resulting electric field in the direction of balancing the movement of the working ions within the electrolyte 30 and the difference in the electrochemical potentials of the two electrodes, the electric dipole in the solid glass electrolyte is shown as an indicator of + and - There will tend to orient themselves such that their negative ends point at the interface between the electrolyte 30 and the anode 10 and their positive ends face the interface between the electrolyte 30 and the cathode 20 .

이러한 전기 쌍극자의 정렬 및 이들의 병진 운동은 순간적으로 일어나지 않으며, 전기 이중-층 커패시터(40a 및 40b)의 형성보다 상당히 느린 과정이다. 결과적으로, 시간에 따라 측정된 개방 회로 전압(Voc(t))은 정렬 및 쌍극자 병진이 발생함에 따라 발달한다. 이러한 Voc(t)의 발달은 도 2의 개략도에 도시된 바와 같이 등가 회로를 사용하여 모델링될 수 있다. 도 1a의 개략도는 고체 유리 전해질(30) 내의 쌍극자가 모두 정렬되고 변위된 가상의 전기화학 전지(100)를 나타낸다. 실제로, 완전한 정렬 및 변위는 달성되지 않을 것이고 Voc(t)가 발달함에 따라 쌍극자 병진 및 정렬은 증가할 것이다. 증가된 쌍극자 정렬은 또한 전해질(30)을 가로지르는 전기장을 강화시키고 쌍극자 정렬 및 이동을 추가로 유도한다. 주어진 전기화학 전지(100)에서의 최대 정렬 및 운동은 V oc 가 시간 경과에 따라, 또는 주어진 시간의 기간 동안, 예를 들어, 정렬을 위해 적어도 1분 또는 적어도 5분 동안 그리고 온도에 따라 며칠 또는 몇 분 동안, 일관된 방향으로 변하는 것을 멈출 때 발생했다고 가정될 수 있다.The alignment of these electrical dipoles and their translational motion do not occur instantaneously and are a significantly slower process than the formation of electrical double-layer capacitors 40a and 40b. As a result, the open circuit voltage (Voc (t)) measured over time evolves as alignment and dipole translations occur. The development of this Voc (t) can be modeled using an equivalent circuit as shown in the schematic diagram of Fig. The schematic diagram of FIG. 1A shows a hypothetical electrochemical cell 100 in which the dipoles within the solid glass electrolyte 30 are all aligned and displaced. In practice, complete alignment and displacement will not be achieved and dipole translational and alignment will increase as Voc (t) develops. The increased dipole alignment also enhances the electric field across the electrolyte 30 and further induces dipole alignment and movement. The maximum alignment and movement in a given electrochemical cell 100 may be achieved by varying V oc over time, or for a given period of time, e.g., for at least 1 minute or at least 5 minutes for alignment, It can be assumed that it occurred for a few minutes when it stopped changing in a consistent direction.

일부 경우에, 전해질(30)에서 쌍극자 정렬 및 운동에 의해 생성된 추가적인 전기장은 전기화학 전지(100)가 개방-회로에 있을 때 심지어 애노드(10) 상에 작동 이온의 도금을 유도하기에 충분할 수 있다. 결국, 이 도금 공정의 결과로서 전해질(30)이 발생하는 순 음 전하는 전기장이 극복할 수 없을 정도로 충분히 높고 애노드(10) 상의 도금은 중단될 것이다.In some cases, the additional electric field generated by dipole alignment and movement in the electrolyte 30 may be sufficient to induce plating of the working ions on the anode 10 even when the electrochemical cell 100 is in an open-circuit have. As a result, the net negative charge generated by the electrolyte 30 as a result of this plating process will be sufficiently high that the electric field can not be overcome and plating on the anode 10 will stop.

도 1b는, 예를 들어, 외부 회로를 접촉부(15 및 25)에 연결함에 의해, 회로가 처음 폐쇄될 때의 전기화학 전지(100)를 도시한다. 외부 회로는 일부 임계 전류 I c 보다 작을 수 있는 충전 제어 전류 I con 를 부과하는 포텐시오스탯을 포함한다. 임계 전류는 도 1b에 도시된 바와 같이 자가-충전 현상이 여전히 존재하는 최대 I con-dis 이다. 회로가 폐쇄될 때, 전기 이중-층 커패시터(40a 및 40b)에 전해질(30)의 정렬된 쌍극자에 의해 저장된 에너지는 충전 전류 I ch 를 도입한다. 이러한 현상은 전기화학 전지(100)를 자가-충전한다.1B shows the electrochemical cell 100 when the circuit is first closed, for example by connecting an external circuit to the contacts 15 and 25. The external circuit includes a potentiostat that imposes a charge control current, I con , which may be less than some critical current I c . The threshold current is the maximum I con-dis at which the self-charging phenomenon still exists as shown in FIG. 1B. When the circuit is closed, the energy stored by the aligned dipoles of the electrolyte 30 in the electric double-layer capacitors 40a and 40b introduces the charging current I ch . This phenomenon self-charges the electrochemical cell 100.

자가-충전 동안, 방전 제어 전류 I con 가 인가되는 동안, 일부 전자는 캐소드(20)부터 애노드(10)로 수송되고, 여기서 이들은 애노드(10)와의 계면 근처에서 전해질(30) 내의 과량의 작동 이온을 환원시킨 다음, 애노드(10)를 도금시켜 도금된 금속(50)을 형성한다.During self-charging, some electrons are transported from the cathode 20 to the anode 10, while the discharge control current I con is applied, where they are transported to the anode 10 by an excess of working ions in the electrolyte 30 And then the anode 10 is plated to form a plated metal 50.

캐소드(20)는 작동 이온이 부족하므로, 작동 이온이 도금된 금속(50)을 형성하기 위해 전해질(30)로부터 고갈될 때 이들을 재공급할 수 없다. 따라서, 애노드(10)와의 계면의 전해질(30)은 점점 음으로 하전되고, 결국 작동 이온이 도금된 금속(50)으로서 애노드(10) 상에 더 이상 도금되지 않고 작동 이온이 전해질로 다시 박리되기 시작하는 시점에 도달한다.The cathode 20 lacks working ions and can not re-supply working ions as they become depleted from the electrolyte 30 to form the plated metal 50. Thus, the electrolyte 30 at the interface with the anode 10 is increasingly negatively charged, and eventually the working ions are no longer plated on the anode 10 as the plated metal 50 and the working ions are stripped back to the electrolyte It reaches the point of starting.

대안적으로, 도금된 금속은 전극 화학 포텐셜이 집전 장치, 10보다 오히려 도금된 금속의 포텐셜이 되도록 두꺼워질 수 있는데, 이는 작동 양이온이 금속(50)으로서 전해질로부터 도금되는 것을 더욱 어렵게 하여, 도금 공정을 종료한다. 어느 경우에서도, 애노드(10)로의 작용 이온의 도금이 감소함에 따라, 측정된 충전 전류 I me-ch 는 감소한다.Alternatively, the plated metal may be thickened so that the electrode chemical potential becomes the potential of the plated metal rather than the current collector, 10, which makes it more difficult for the working cation to be plated from the electrolyte as metal 50, Lt; / RTI &gt; In any case, as the plating of the working ions to the anode 10 decreases, the measured charging current I me-ch decreases.

또한, 충전 전류 I ch 에 의해 캐소드로부터 제거된 초기 전자는 전기 이중-층 커패시터(40b)를 보유하여, 캐소드(20)를 향한 방향(70)으로 쌍극자를 이동시킨다. 그러나, 전해질(30) 내의 작동 이온은 캐소드(20)로 이동하지 않는다. Further, the initial former is removed from the cathode by the electric double charging current I ch - to move the dipole orientation of a layer 70 which may have a capacitor (40b), towards the cathode (20). However, the working ions in the electrolyte 30 do not move to the cathode 20.

결과적으로, 애노드(10) 근처의 전해질(30)로부터의 작동 이온의 고갈은 방전 단계에서 다시 도금된 금속(50)으로부터 전해질(30)로의 이의 박리를 유도하고, I me-ch 는 추가로 감소하고, 전기 이중-층 커패시터(40a 및 40b)는 회복된다(도시되지 않음). 결국, 전기 이중-층 커패시터에 저장된 에너지는 충분히 높아서 도금된 금속(50)으로부터 작동 이온의 추가 박리는 충분한 추가 에너지가 여전히 발생하도록 기여할 수 없고, 도금된 금속(50)으로서 애노드(10) 상의 작동 이온의 도금은 재개되어, I me-ch 를 증가시킨다. As a result, depletion of working ions from the electrolyte 30 near the anode 10 induces its dissociation from the plated metal 50 back to the electrolyte 30 in the discharging step, and I me-ch is further reduced And electrical double-layer capacitors 40a and 40b are recovered (not shown). As a result, the energy stored in the electrical double-layer capacitors is sufficiently high that further depletion of the working ions from the plated metal 50 can not contribute enough still further energy to occur and the operation on the anode 10 as plated metal 50 Plating of ions resumes, increasing I me-ch .

상기 설명은 단순한 방식으로 도금 및 박리를 나타내고, 이는 언제든지 일어나지만, 실제 전기화학 전지(100)에서, 전형적으로 도금 및 박리 둘 모두는 각 사이클의 적어도 일부 동안 동시에 발생하지만, 한 공정이 우세하여 순 도금 또는 순 박리가 존재한다.Although the above description refers to plating and delamination in a simple manner, which occurs at any time, in an actual electrochemical cell 100, both plating and delamination occur simultaneously during at least a portion of each cycle, but one process predominates There is plating or pure delamination.

애노드(10) 상의 도금된 금속(50)으로부터 작동 이온의 순 도금 및 순 박리 사이의 이러한 변경은 전압(V)의 동시 순환과 함께 전기화학 전지(100)의 자가-순환을 발생시킨다. 이러한 자가-순환은 주어진 사이클 기간 동안 발생하고, 순환이 계속되는 한 일정하게 유지되는 경향이 있다. 사이클 기간은 전자 대 양이온 및 쌍극자 병진 운동의 속도의 차이에 따라 다르다.This change between the pure plating and the pure separation of the working ions from the plated metal 50 on the anode 10 causes the self-circulation of the electrochemical cell 100 with the simultaneous circulation of the voltage V. Such self-cycling occurs during a given cycle period and tends to remain constant as long as the cycle continues. The cycle duration depends on the difference in the rate of electron-to-cation and dipole translational motion.

도 1b의 전기화학 전지와 같은 전기화학 전지(100)에서, I con I c 미만인 경우, 사이클 기간은 1분 내지 10분 사이의 몇 분 단위일 수 있다.In an electrochemical cell 100 such as the electrochemical cell of FIG. 1B, where I con is less than I c , the cycle duration may be in units of several minutes between one and ten minutes.

도 1c는, 예를 들어, 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있는 저-부하 외부 회로에서와 같이, 임계 전류 I c 보다 큰 제어 전류 I con 을 부과하는 포텐시오스탯을 포함하는 외부 회로를 통한 방전 동안의 전기화학 전지(100)를 도시한다. 도 1b의 전기화학 전지에서와 같이, 일단 회로가 폐쇄되면, 에너지는 전기 이중-층 커패시터(40a 및 40b)에 전해질(30)의 정렬된 쌍극자에 의해 저장된다.Fig. 1C shows a circuit diagram of an embodiment of the present invention through an external circuit comprising a potentiostat which imposes a control current I con greater than the threshold current I c , such as, for example, in a low-load external circuit that may include a light emitting diode An electrochemical cell 100 during discharge. As with the electrochemical cell of Figure Ib, once the circuit is closed, energy is stored by the aligned dipoles of electrolyte 30 in electrical double-layer capacitors 40a and 40b.

방전 동안, 전류 I dis 생성되고 I con 에 의해 제어될 수 있다. 외부 회로의 부하는 전자가 애노드(10)로부터 캐소드(20)로 흐를 정도로 충분히 낮아서 작동 이온을 전해질(30)로부터 캐소드(20)로 끌어 당기고, 여기서 이들은 전자와 결합하여 캐소드(20) 상에 도금된 금속(60)을 형성한다. 애노드(10)로부터 캐소드(20)로의 전자의 전달은 전기 이중-층 커패시터(40a 및 40b) 둘 모두를 환원시키지만, 전해질-캐소드 계면에서, 전기 이중-층 커패시터(40b)를 주로 환원시킨다. 이는 전해질(30) 전체의 전기장을 낮추어, 작동 이온이 캐소드(20) 상에 도금되게 한다. 전기 이중-층 커패시터(40b)는 고갈되지만, 전해질(30)의 쌍극자의 대부분이 전기화학 전지(100)가 개방 회로에 있을 때와 같은 방식으로 여전히 배향되어 있는 한 이것은 전형적으로 파괴되지 않는다. 그러나, 전해질(30)의 쌍극자는 방향(80)으로 압축된다.During discharging, current I dis is generated and can be controlled by I con . The load of the external circuit is sufficiently low to allow electrons to flow from the anode 10 to the cathode 20 so that the working ions are drawn from the electrolyte 30 to the cathode 20 where they are combined with electrons, To form a metal (60). The transfer of electrons from the anode 10 to the cathode 20 reduces both the electrical double-layer capacitors 40a and 40b, but mainly at the electrolyte-cathode interface, the electrical double-layer capacitor 40b. This lowers the electric field across the electrolyte 30, causing the working ions to be plated on the cathode 20. The electrical double-layer capacitor 40b is exhausted, but this is typically not destroyed so long as most of the dipoles of the electrolyte 30 are still oriented in the same manner as when the electrochemical cell 100 is in the open circuit. However, the dipole of the electrolyte 30 is compressed in the direction 80.

애노드(10)는 실질적으로 작동 이온이 부족하므로, 작동 이온이 도금된 금속(60)을 형성하기 위해 전해질(30)로부터 고갈될 때 이들을 재공급할 수 없다. 또한, 작동 이온 및 전기 쌍극자보다 훨씬 빠르게 발생하는 전자 전달에 의해 생성된 전해질(30)의 내부 전기장의 변화는 이들을 수용하기 위해 재분배 및 정렬될 수 있다. 따라서, 캐소드(20)와의 계면에서의 전해질(30)은 점점 음으로 하전되고, 결국 작동 이온이 또한 도금된 금속(60)으로부터 박리되어 전해질(30)로 되돌아가는 시점에 도달하여, 도금 및 박리가 평형을 이룰 때까지 이것이 I me 최소값에 도달할 때까지 점점 더 낮아지는 측정된 방전 전류 I me 를 발생시킨다.The anode 10 is substantially free of working ions and can not re-supply them when the working ions are depleted from the electrolyte 30 to form the plated metal 60. In addition, changes in the internal electric field of the electrolyte 30 produced by electron transfer that occur much faster than working ions and electric dipoles can be redistributed and aligned to accommodate them. Thus, the electrolyte 30 at the interface with the cathode 20 is gradually and negatively charged, and eventually reaches the point at which the working ion also peels from the plated metal 60 and returns to the electrolyte 30, the equilibrium until achieve generates a gradually lower the measured discharge current I that is me until it reaches a minimum value I me.

대안적으로, 일부 전기화학 전지(100)에서, 도금된 금속(60)은 최종적으로 매우 두꺼워질 수 있고, 전해질(30)은 캐소드(20)로부터 효과적으로 스크리닝되며 전해질(30) 내의 작동 이온은 애노드(10)와 비교하여 화학 포텐셜의 충분한 차이를 갖지 않는 도금된 금속(60)에 실질적으로 모두 노출되어 화학 포텐셜의 차이만으로 또는 전해질(30)의 임의의 잔류 전기장과의 결합에 기반하여 추가의 도금을 야기시킨다. 그러한 경우에, 작동 이온은 더 이상 도금된 금속(60)으로서 캐소드(20)에 도금되지 않을 수 있다.Alternatively, in some electrochemical cells 100, the plated metal 60 may ultimately become very thick, the electrolyte 30 is effectively screened from the cathode 20, and the working ions in the electrolyte 30, Substantially all of the plated metal 60 does not have a sufficient difference in chemical potential compared to the electrode 10 so that only the difference in chemical potential or the additional plating of the electrolyte 30, &Lt; / RTI &gt; In such a case, the working ions may no longer be plated on the cathode 20 as the plated metal 60.

I me 는 작동 이온이 도금된 금속(60)이므로 증가한다. I me 가 최대에 도달하면, 공정은 역전되고 작동 이온은 금속판(60)으로서 캐소드(20) 상에 다시 한번 도금된다. I me is increased because the ion plating operation metal 60. When Ime reaches a maximum, the process is reversed and working ions are again plated on the cathode 20 as a metal plate 60.

캐소드(20) 상의 금속(60) 위에 도금된 작동 이온의 도금 및 박리 사이의 이러한 변경은 전압 및 I me 의 동시 순환과 함께, 전기화학 전지(100)의 자가-순환을 발생시킨다. 이러한 자가-순환은 순환이 계속되는 한 일정하게 유지되는 경향이 있는 주어진 사이클 기간 동안 발생한다. 사이클 기간은 방전 동안 전해질(30) 내의 쌍극자의 방향(80)에서의 압축 속도 및 충전 동안 이들의 팽창에 의존적이다. 전형적으로 I me 를 최대로 증가시키는 것이 이를 최소로 감소시키는 것보다 빠르다.These changes between the metal 60 is plated, and the separation of the ion plating operation on on the cathode 20 with the simultaneous circulation of the voltage and I me, characters of the electrochemical cell (100) to generate a circulation. This self-cycling occurs during a given cycle period, which tends to remain constant as long as the cycle continues. Cycle periods are dependent on the compression rate in the direction 80 of the dipole in the electrolyte 30 during discharge and their expansion during charging. Typically, maximizing I me is faster than minimizing it.

도 1c의 전기화학 전지와 같은 전기화학 전지(100)에서, I con I c 초과인 경우, 기간은 1 내지 7일 사이의 며칠 단위일 수 있다.In an electrochemical cell 100 such as the electrochemical cell of FIG. 1C, if I con is greater than I c , the duration may be in days or days between one and seven days.

전자는 LED를 통해 한 방향으로만 통과할 수 있다. 따라서, 전기화학 전지(100)의 실제 사용에서, 전해질(30)을 가로지르는 전기장이 전기 쌍극자의 배향을 역전시킬 때까지 애노드(10)는 점점 양으로 하전되고 캐소드(20)는 점점 음으로 하전된 다음, 부하를 통해 흐르는 전류를 차단한다. 작은 I me 를 가진 전기화학 전지의 경우, 이러한 현상이 일어나는데 필요한 시간은 길어질 수 있고, 심지어 1년이 더 걸릴 수도 있다. 따라서, 전기 장치는 외부 에너지 입력 없이 그 시간의 길이 동안 전기화학 전지(100)에 의해 전력이 공급될 수 있다.The electrons can only pass in one direction through the LED. Thus, in practical use of the electrochemical cell 100, the anode 10 is increasingly positively charged and the cathode 20 is increasingly negatively charged until the electric field across the electrolyte 30 reverses the orientation of the electric dipole. And then cut off the current flowing through the load. For electrochemical cells with small I me , the time required for this phenomenon to take place can be long and may even take another year. Thus, the electrical device can be powered by the electrochemical cell 100 for the length of time without external energy input.

전지 조립 전에 양 전극에 실질적으로 작동 이온이 부족한 전기화학 전지(100)에서, 외부 충전 전류 I ch 는 큰 전기 이중 층 커패시터(40a 및 40b)를 생성할 수 있고, 이는 작동 이온이 전해질(30)로부터 애노드(10) 상에 도금되도록 할 수 있는데, 그러한 도금은 종래의 재충전 가능한 전기화학 전지의 충전 중에 발생하는 것과 같다. 그러나, 그러한 재공급이 일어나는 종래의 재충전 가능한 전기화학 전지와 달리, 캐소드(20)로부터의 재공급 없이 전해질(30)로부터 작동 이온의 고갈은 애노드(10) 근처의 전해질(30)의 음 전하가 증가함에 따라 애노드(10) 상에 추가의 도금에 대한 증가된 저항을 초래한다. 또한, 집전 장치에서의 전자 운동보다 느려진 전해질 내의 분자 및 원자 수용에 의한 전해질(30) 전체의 전기장의 변화는 자가-충전 및 자가-순환의 속도를 변화시킨다. 따라서, 상기 도 1b의 전기화학 전지의 경우에서와 같이, 애노드(10)로부터 작동 이온의 박리가 또한 발생한다. 결국, 일정한 제어 외부 충전 전류 I con-ch 에서, 애노드(10)에서 작동 이온의 도금 및 박리 간에 평형이 달성된다. In an electrochemical cell 100 that is substantially free of working ions on both electrodes before assembling the cell, the external charging current I ch can produce large electrical double layer capacitors 40a and 40b, Such as occurs during charging of a conventional rechargeable electrochemical cell. Unlike conventional rechargeable electrochemical cells where such recharging occurs, however, depletion of working ions from the electrolyte 30 without re-feeding from the cathode 20 results in negative charge of the electrolyte 30 near the anode 10 Resulting in increased resistance to further plating on the anode 10. Further, the change in the electric field of the entire electrolyte 30 due to the acceptance of molecules and atoms in the electrolyte that is slower than the electron movement in the current collector changes the rate of self-charging and self-circulation. Therefore, as in the case of the electrochemical cell shown in Fig. 1B, the separation of the working ions from the anode 10 also occurs. As a result, in a constant control external charge current I con-ch , an equilibrium is achieved between plating and exfoliation of working ions in the anode 10.

그러한 전기화학 전지에서, 측정된 충전 전류 I me-ch 는 일정한 제어 외부 충전 전류 I con-ch 보다 큰데, 그 이유는 작동 이온이 도금되고 박리되는 것 이외에 전기 이중-층 커패시터(40a 및 40b)가 충전되기 때문이다. 또한, 측정된 충전 전압 V me-ch 및 측정된 충전 전류 I me-ch 의 크기는 도금 및 박리가 번갈아 진행됨에 따라 시간에 따라 주기적으로 변화한다.In such an electrochemical cell, the measured charge current I me-ch is greater than a constant controlled external charge current I con-ch because the electrical double-layer capacitors 40a and 40b, in addition to being plated and stripped, Because it is charged. Also, the measured charging voltage V me-ch and the measured charging current I me-ch vary periodically with time as plating and peeling progress.

그러한 전지에서, 작동 이온이 애노드(10)로부터 박리되고 애노드(10)로 도금되는 동안 평균 I me-ch I con-ch 보다 크거나 동일할 수 있다. 애노드(10)에서의 도금/및 박리가 계속되면, 애노드(10) 근처의 전기 이중-층 커패시터(40a)도 충전된다. 결과적으로, 전기 이중-층 커패시터(40a)는 애노드 측 상에서 음 전하에 대해 충분히 하전되어 애노드(10)로의 전자의 복귀를 차단하고, 이에 의해 애노드(10)로부터 작동 이온의 추가 박리를 방지한다. 이 때, 계속된 충전은 전기 이중-층 커패시터(40a)만을 충전할 수 있다. 결과적으로, 전압의 자가-순환은 멈추고, 전압은 I con-ch 에 의존하는 속도로 시간에 따라 선형적으로 증가한다.In such a cell, the average I me-ch may be greater than or equal to I con-ch while the working ions are stripped from the anode 10 and plated with the anode 10. When plating / peeling in the anode 10 is continued, the electric double-layer capacitor 40a near the anode 10 is also charged. As a result, the electric double-layer capacitor 40a is sufficiently charged with negative charges on the anode side to block the return of electrons to the anode 10, thereby preventing additional detachment of working ions from the anode 10. [ At this time, the subsequent charge can only charge the electrical double-layer capacitor 40a. As a result, the self-circulation of the voltage stops and the voltage increases linearly with time at a rate dependent on I con-ch .

변형예에서, 작동 이온이 외부 충전 전류가 인가되기 전에 캐소드(20) 상에 도금되면, 측정된 방전 전류 I me-dis 는 작동 이온이 캐소드(20)로부터 실질적으로 박리될 때까지 자가-순환된다. 그러나, 측정된 방전 전압 V me 은 순환하지 않는다. In a variant, if the working ions are plated on the cathode 20 before the external charging current is applied, the measured discharge current I me-dis is self-circulated until the working ions are substantially separated from the cathode 20 . However, the measured discharge voltage V me does not circulate.

도 2에서, 인덕턴스가 등가 회로에 도입되어 반대-양이온으로부터 전해질로의 재공급 없이 전해질로부터의 작동 양이온의 도금에 의해 전해질(30)에 도입된 음 전하의 역할을 나타낸다. 도 2에서, C는 일련의 40a 및 40b EDLC의 결합 용량을 나타내고, RL은 도금 저항을 나타내고,

Figure pct00001
추진력이다.In Fig. 2, the inductance is introduced into the equivalent circuit and represents the role of negative charge introduced into the electrolyte 30 by plating the working cations from the electrolyte without re-supplying from the counter-positive to the electrolyte. In Figure 2, C represents the combined capacity of a series of 40a and 40b EDLC, R L represents the plating resistance,
Figure pct00001
It is propulsion.

본 개시내용의 전기화학 전지는 배터리에 사용될 수 있다. 그러한 배터리는 전기화학 전지 및 케이싱 또는 다른 특징 이외의 구성 요소를 거의 포함하지 않는 단순한 배터리일 수 있다. 그러한 배터리는 동전 전지, 표준 젤리 롤, 파우치, 또는 프리즘 전지 형식과 같은 표준 배터리 형식일 수 있다. 이들은 맞춤형 프리즘 전지와 같이, 보다 맞춤형 형식일 수도 있다.The electrochemical cell of the present disclosure can be used in a battery. Such a battery may be a simple battery that contains fewer components than electrochemical cells and casings or other features. Such a battery may be a standard battery type such as a coin cell, a standard jelly roll, a pouch, or a prismatic cell type. These may be more customized types, such as custom prism cells.

본 개시내용의 전기화학 전지는 복잡한 회로 및 프로세서 및 메모리 컴퓨터-구현된 모니터링 및 조절을 포함하는 배터리와 같이, 보다 복잡한 배터리에도 사용될 수 있다. The electrochemical cells of this disclosure may be used in more complex batteries, such as batteries that include complex circuits and processors and memory computer-implemented monitoring and regulation.

단순성, 복잡성, 또는 형식에 관계없이, 본 개시내용의 전기화학 전지를 사용하는 모든 배터리는 유기-액체 전해질을 갖는 전지와 비교하여, 개선된 안전성을 나타낼 수 있고, 특히 파손시 불이 붙는 경향이 더 적을 수 있다.Regardless of simplicity, complexity, or type, all batteries using the electrochemical cells of this disclosure can exhibit improved safety, especially when touched, as compared to cells having an organic-liquid electrolyte Can be less.

배터리는 본원에 개시된 바와 같은 단일 전기화학 전지, 또는 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있는 2개 이상의 그러한 전지를 포함할 수 있다.The battery may comprise a single electrochemical cell as disclosed herein, or two or more such cells that may be connected in series or in parallel.

본원에 개시된 전기화학 전지 및 이들을 포함하는 배터리는 재충전 가능할 수 있다.The electrochemical cells and batteries containing them disclosed herein may be rechargeable.

본 개시내용의 전기화학 전지는 커패시터에서와 같이, 전기 이중-층 커패시터를 이용하는 장치에도 사용될 수 있다. 이들은 또한 사이클 기간, 특히 시그널링 장치와 같은 AC 기간을 이용하는 장치에도 사용될 수 있다.The electrochemical cell of the present disclosure can be used in devices that use electrical double-layer capacitors, such as in capacitors. They can also be used in devices that use cycle periods, especially AC periods such as signaling devices.

예로서, 본 개시내용의 전기화학 전지는 전계-효과 트랜지스터의 유전체 게이트로서; 전화, 시계, 및 랩탑 컴퓨터와 같은 휴대용, 소형 및/또는 착용 가능한 전자 장치에서; 데스크탑 또는 메인프레임 컴퓨터와 같은 고정식 전자 장치에서; 파워 드릴(power drill)과 같은 전기 공구에서; 보트, 잠수함, 버스, 기차, 트럭, 자동차, 오토바이, 모페드, 동력 자전거, 항공기, 드론, 다른 비행 운송 수단, 및 이의 장난감 형태와 같은 전기 또는 하이브리드 항공, 육상 또는 수상 운송 수단에서; 다른 장난감용으로; 예를 들어, 풍력, 태양력, 수력, 파력, 또는 원자력으로부터 전력 저장 및/또는 그리드 저장 장치 또는 가정, 사업장, 또는 병원의 경우와 같이, 소규모 사용을 위한 고정된 전력 저장소로서, 에너지 저장을 위해; 휴대용 의료 또는 환경 센서와 같은 센서용으로; 수중 통신과 같은 저주파 전자기파를 발생시키기 위해; 커패시터로서, 예를 들어, 수퍼커패시터 또는 동축 케이블에서; 또는 변환기로서 사용될 수 있다.By way of example, the electrochemical cell of the present disclosure is a dielectric gate of a field-effect transistor; In portable, compact and / or wearable electronic devices such as telephones, watches, and laptop computers; In fixed electronic devices such as desktop or mainframe computers; In an electric tool such as a power drill; On electric or hybrid aviation, land or water transport means such as boats, submarines, buses, trains, trucks, cars, motorcycles, mopeds, powered bicycles, aircraft, drone, other flying vehicles, and toy forms thereof; For other toys; For energy storage, for example, as a fixed power store for small-scale use, such as power storage and / or grid storage from wind, solar, hydropower, or nuclear power, or in the case of a home, workplace, or hospital; For sensors such as portable medical or environmental sensors; To generate low frequency electromagnetic waves such as underwater communications; As a capacitor, for example, in a supercapacitor or a coaxial cable; Or as a transducer.

실시예Example

하기 실시예는 본 발명의 원리 및 특정 양태를 추가로 설명하기 위해 제공된다. 이들은 본 발명의 모든 양태의 전체 분야를 포함하도록 의도된 것이 아니고 그렇게 해석되어서는 안 된다.The following examples are provided to further illustrate the principles and specific embodiments of the invention. They are not intended to and should not be construed as encompassing the full scope of all aspects of the present invention.

실시예 1 - 전기화학 전지에서 IExample 1 - In an electrochemical cell I concon < I <I cc

도 3은 Al-C 애노드, S-C-Cu 캐소드 및 10 중량% Li2S를 함유하는 Li+ 고체 유리 전해질을 갖는 전기화학 전지의 자가-충전 및 자가-순환을 나타내는 실험의 결과를 나타낸다(Al-C/Li+-유리/S-C-Cu 전지).Figure 3 shows the results of an experiment demonstrating self-charging and self-circulation of an electrochemical cell with an Al-C anode, a SC-Cu cathode and a Li + solid glass electrolyte containing 10 wt% Li 2 S (Al- C / Li + - glass / SC-Cu battery).

Al 애노드는 Li-유리 전해질과 접촉하는 탄소 층(Al-C)을 가졌다. 캐소드는 Li-유리 전해질과 접촉하는 황 릴레이를 함유하는 탄소 층을 갖는 Cu 집전 장치였다. The Al anode had a carbon layer (Al-C) in contact with the Li-glass electrolyte. The cathode was a Cu current collector having a carbon layer containing a sulfur relay in contact with the Li-glass electrolyte.

도 3a에서, 시간에 대한 전기화학 전지의 측정된 전압은 6시간 26분 후, 25분 동안 0.5 mA의 충전을 나타내었고, 이후 전기 이중-층 커패시터의 갑작스러운 방전이 뒤따랐다. 전기 이중-층 커패시터가 재충전됨에 따라 일정한 I con 의 전압은 다음 8시간 22분 동안 거의 증가하지 않았고, 이후 다음 35시간 29분 동안 작은-진폭 노이즈로 2.4 V로 증가하였다. 2.4 V의 측정된 전압, V me 는 애노드 상의 리튬 금속 Li0의 자가-충전 도금을 위한 최대 전압이었다. 진동이 시작되기 전에 V me 가 2.2 V일 때 전압 증가율의 짧은 휴식이 발생하였다. (μAC)/e에 대한 이론적 V me 는 2.2 V였다. Al-C 애노드 상에 도금된 Li0의 두께가 임계 두께에 도달하면, Li0의 도금/박리는 μA(Li)-μC(Cu) 및 μA(Al)-μC(Cu)에서의 도금 사이에서 진동하였다.In Figure 3a, the measured voltage of the electrochemical cell over time showed a charge of 0.5 mA for 25 minutes after 6 hours and 26 minutes, followed by a sudden discharge of electrical double-layer capacitors. Electrical double-voltage of the constant I con As layer capacitor is then recharged did not substantially increase for 8 hours 22 minutes, then after less for 35 hours 29 minutes was increased to 2.4 V to the amplitude noise. The measured voltage of 2.4 V, V me , was the maximum voltage for the self-charging plating of the lithium metal Li 0 on the anode. Before the start of the vibration, a short break of the voltage increase rate occurred when V me was 2.2 V. The theoretical V me for (μ AC ) / e was 2.2 V. If the thickness of the plating on the Al-Li 0 C anode reaches a critical thickness, the plating / stripping of Li 0 is in μ A (Li) -μ C ( Cu) and μ A (Al) -μ C ( Cu) Of the plating.

도 3b는 도 3a의 측정에서 [μA(Li)-μC(Cu)]/e 및 [μA(Al)-μC(Cu)]/e 사이의 자가-순환의 개시에 대한 확대된 이미지를 도시하며, 진동을 보다 명확하게 볼 수 있다.Figure 3b between the characters is also measured at the 3a [μ A (Li) -μ C (Cu)] / e and [μ A (Al) -μC ( Cu)] / e - A magnified image of the start of cycle And the vibration can be seen more clearly.

도 3c는 25분 동안 Co2 mA의 초기 충전 후 일정한 I con 에서 두 번째 사이클의도 3a의 전지의 V me 를 도시한다. 자가-충전 동안, 전기 이중-층 커패시터의 충전 후 유리 전해질로부터의 Li+는 Al 애노드 상에 도금되었고, Li+ 작동 이온은 Cu 캐소드로부터 전해질로 재공급되지 않았다. 1.65 V의 V me 에 도달시, 확대된 도 3d에서 추가로 볼 수 있듯이, 약 1.7 V의 평균 V me 으로 자가-순환이 시작되었다. Figure 3c is a second cycle at a constant I con after the initial charge of Co 2 mA for 25 min shows a V me of the cell of Figure 3a. During self-charging, Li + from the glass electrolyte after charging of the electrical double-layer capacitor was plated on the Al anode, and Li + working ions were not re-supplied from the Cu cathode to the electrolyte. As can be seen in the 1.65 V to add when, in the enlarged 3d reaches V me, who in V me average of about 1.7 V - it was circulated to start.

12℃에서 26℃로 가열시킴에 의해 전기화학 전지의 온도가 증가했을 때 V me 의 급격한 저하가 일어났다. 이후 전기화학 전지를 히터로부터 제거하여 천천히 12˚로 복귀시켰다. 냉각 동안, V me 는 Al과 Cu의 화학 포텐셜의 차이인 2.1 V로 증가하였다. 그 전압에서, 전기화학 전지는 작은 방전이 발생할 때까지, 작동 이온을 다시 도금하기 시작하였으나, 주기적인 순환은 없었고, 이후 장기간 순환이 뒤따랐다; 약 1.4 V의 V me 로의 전기 이중-층 커패시터의 방전이 일어났다. 그 시점에, 도금이 재개되었다. 이러한 전압 변화를 통틀어, 측정된 충전 전류 I me 는 거의 일정하게 유지되었고, 최종 기록된 방전시에 갑자기 종료된 최종 도금 동안 작은 감소만이 있었다. 온도에 따른 변화는 전해질의 이온 및 분자 운동을 반영한다.By heating at 12 ℃ to 26 ℃ Sikkim occurred a rapid deterioration of the V me when increasing the temperature of the electrochemical cell. Thereafter, the electrochemical cell was removed from the heater and slowly returned to 12 deg. During cooling, V me was increased to the 2.1 V difference in the chemical potential of Al and Cu. At that voltage, the electrochemical cell began to re-coat the working ions until a small discharge occurred, but there was no periodic circulation followed by long-term circulation; The discharge of the capacitor layer took place - electric double to approximately 1.4 V of V me. At that point, plating was resumed. Throughout this voltage change, the measured charging current I me was kept substantially constant, there was a small reduction for only a sudden shut down the final coating at the time of the last write discharge. Temperature-dependent changes reflect ionic and molecular motion of the electrolyte.

실시예 2 - LED-함유 외부 회로에서 IExample 2 - In an LED-containing external circuit, I concon > I > I cc

Al 애노드, Cu 캐소드 및 Li+ 고체 유리 전해질을 갖는 전기화학 전지(Al/Li+-유리/Cu 전지)를 갖는 전기화학 전지를 구성한 다음 외부 회로에서 적색 LED를 점등시키기 위해 직렬로 연결하였다. 이들 전지는 임계 전류 I c 보다 큰 방전 전류 I dis 로의 자가-충전을 나타내었다. 전기화학 전지는 이전에 순환되었지만, 충전되거나 외부 에너지 입력이 달리 공급되지 않았다. 전지는 약 2년 동안 LED에 전력을 공급하였다. 첫 해의 전지 당 데이터는 표 1에 제시된다. 첫 해에 전달된 총 에너지 밀도는 373.8 Wh/g이었다.An electrochemical cell having an Al anode, a Cu cathode, and an electrochemical cell (Al / Li + - glass / Cu battery) having a Li + solid glass electrolyte was then connected in series to turn on the red LED in an external circuit. These cells exhibited self-charging to a discharge current I dis greater than the critical current I c . The electrochemical cell was previously circulated, but was not charged or otherwise supplied with external energy input. The battery powered the LEDs for about two years. Data per cell for the first year are presented in Table 1. The total energy density delivered in the first year was 373.8 Wh / g.

표 1 - LED-함유 외부 회로에 의한 한 해 동안 Al/LiTable 1 - Al / Li for one year by LED-containing external circuit ++ -유리/Cu 전지- Glass / Cu battery

Figure pct00002
Figure pct00002

실시예 3 - Li 애노드를 갖는 전기화학 전지에서 IExample 3 - In an electrochemical cell having a Li anode, I concon > I > I cc

도 4는 Ni 메쉬에 위치한 탄소와 함께, Li 금속 애노드, Li+ 유리 전해질 및 C-Ni 캐소드를 갖는 방전 전기화학 전지의 측정된 전압 Vme(t)를 나타낸다(Li-금속/Li+-유리/C-Ni 전지). 부하 저항은 1 메가 오옴(mega ohm)이고 방전 전류는 약 2.5 μA이다. 전압에서 주기적인 힐록은 전지 방전 화합물에서 자가-충전 성분의 주기적인 자가순환의 결과였다. 캐소드 상의 도금은 (도 3b에 도시된 바와 같이) 애노드 상의 도금보다 더 긴 기간을 가졌다. 자가-충전에 의해 공급된 과도한 에너지로 인해, 전기화학 전지는 순환시 100% 초과의 충전/방전 쿨론 효율을 나타내었다.Figure 4 shows the measured voltage V me (t) of a discharge electrochemical cell with Li metal anode, Li + glass electrolyte and C-Ni cathode with carbon located in the Ni mesh (Li-metal / Li + / C-Ni battery). Load resistance is 1 megohms (mega ohm) and the discharge current is about 2.5 μ A. Periodic hillock at the voltage was the result of cyclic self - cycling of the self - charged components in the battery discharge compound. Plating on the cathode had a longer period of time than plating on the anode (as shown in Figure 3B). Due to the excess energy supplied by the self-charging, the electrochemical cell showed a charge / discharge coulombic efficiency of more than 100% in circulation.

실시예 4 - 일정하게 인가된 충전 전류 (IExample 4 - Constantly Applied Charge Current (I con-chcon-ch ) > I)> I cc

도 5a는 두 번째 충전/방전 사이클에 대한 실시예 1에서 사용된 것과 같은 Al-C/Li+-유리/S-C-Cu 전지에서 일정한 충전 제어 전류 I con-ch 로 측정된 충전 전류 I me-ch 의 자가-순환을 보여주는 데이터를 나타낸다. 전지는 첫 번째 방전 후에 외부 전원에 의해 재충전되었다. 측정된 전압(Vme)은 [μA(Al)-μC(Cu)]/e에 상응하는 2.1 V였다. I con 보다 큰 I me-ch 는 도 5b에 도시된 대로, I me-ch I con 보다 크게 유지되도록 하는 진폭을 갖는 자가-순환을 나타내었다. Figure 5a is a second charge / Al-C, as the discharge is used in the practice of the cycle Example 1 / Li + - glass / in SC-Cu cell constant charging control current (I), in which a charging current measurement to the con-ch I me-ch Circulating &lt; / RTI &gt; The battery was recharged by an external power source after the first discharge. The measured voltage (V me) was 2.1 V, which corresponds to [μ A (Al) -μ C (Cu)] / e. I con as larger me I-ch is shown in Figure 5b, I-ch me the self having an amplitude such that significant maintenance than I con - shows the circulation.

I me-ch I con-ch 보다 크게 유지되는데, 이는 애노드로부터 Li+의 임의의 가능한 재공급이 짧은 자가-순환 기간보다 더 길 것이므로, 전해질과 캐소드의 계면 부근에 국한된 전해질 하전으로 인해 야기되는 도금/박리 사이클에 의해, 캐소드로부터 리튬 금속의 박리가 I me-ch 에 기여하였음을 나타낸다. 리튬 금속의 전부는 아니지만 대부분이 캐소드로부터 박리되고 캐소드 전기 이중-층 커패시터의 충전이 시작될 때까지 평균 I me-ch 는 일정하게 유지되었다. 순환 현상이 캐소드/전해질 계면에 국한되었기 때문에 V me 의 상응하는 순환은 존재하지 않았다. I me-ch is there is significant maintenance than I con-ch, which short, any possible re-supply of Li + party from the anode because it is longer than the cycle time, which is caused due to the electrolyte charged limited to interface between the electrolyte and the cathode The plating / peeling cycle indicates that the separation of lithium metal from the cathode contributed to the I me-ch . The average I me-ch was maintained constant until most, if not all, of the lithium metal was stripped from the cathode and charging of the cathode electrical double-layer capacitor started. Corresponding to the cycle V me did not exist since the circulation phenomenon has been limited to the cathode / electrolyte interface.

실시예 5 - 젤리-롤 전기화학 전지에서 IExample 5 - Jelly-roll electrochemical cell I disdis > I > I cc

도 6은 0.1 Ω의 작은 부하 저항 RL을 갖는, 실시예 2와 달리 유사한 젤리-롤 Al-C/Li+유리/Cu 전지의 측정된 방전 전류 I me 를 나타낸다. 개방-회로에서, 캐소드 전기 이중-층 커패시터는 전해질과 캐소드와의 계면에서 전해질의 Li+를 고갈시켰다. 회로가 폐쇄될 때, 애노드로부터의 전자는 Cu 캐소드에 음 전하를 전달하고, 이는 Li+를 다시 캐소드 계면으로 끌어 당겼다. 그러나, 이온 이동은 전자 이동보다 느리기 때문에, I me 는 캐소드/전해질 계면으로 다시 Li+의 이동 속도를 증가시켰다. 임계 전해질/캐소드 전기 이중-층 커패시터 전압에서, 전해질로부터의 Li+는 리튬 금속으로서 캐소드 상에 도금되었고, I me 는 갑자기 떨어졌다. 캐소드/전해질 전기 이중-층 커패시터의 후속적인 재구성은, 음성 전해질 전하가 다시 한번 도금이 발생하는 캐소드/전해질 계면으로의 Li+ 이동을 지연시킴에 따라 더 많은 시간이 걸렸다.It shows a roll-C Al / Li + the measured discharge current I me of glass / Cu cell - Figure 6 is similar to jelly, unlike Example 2, with R L small load resistance of 0.1 Ω. In the open-circuit, the cathode electrical double-layer capacitor depleted Li + of the electrolyte at the interface between the electrolyte and the cathode. When the circuit is closed, the electrons from the anode carry negative charges to the Cu cathode, which pulls Li + back to the cathode interface. However, because the ion mobility is slower than the electron mobility, had I me again increasing the moving speed of the Li + to the cathode / electrolyte interface. Threshold electrolyte / cathode electric double-layer capacitor in the voltage, Li + from the electrolyte is a lithium metal was plated onto the cathode, I me was abruptly dropped. Subsequent reconstitution of the cathode / electrolyte electrical double-layer capacitor took more time as the negative electrolyte charge again delayed Li + migration to the cathode / electrolyte interface where plating occurs.

실시예 6 - 모두-고체-상태 리튬 전기화학 전지의 충전/방전 순환Example 6 - Charge / discharge cycle of an all-solid-state lithium electrochemical cell

도 7은 Li 애노드, Li+ 유리 전해질, 및 Cu 집전 장치와 접촉하는 탄소 층 상에 γMnO2 촉매 릴레이를 갖는 MnO2-C-Li-유리-Cu 캐소드를 갖는 전기화학 전지를 순환시킬 때 충전 및 방전 전압의 시간에 따른 변화를 도시한다(Li/Li+-유리/MnO2-C-Cu 전지). 각 사이클은 70 μA의 제어 전류 I con 및 53 μA의 측정된 방전 전류 I me 에서 444회 사이클 동안 10시간 30분이었다.7 is a time to circulate an electrochemical cell having an anode Li, Li + glass electrolyte, and MnO 2 -C-Li- glass -Cu cathode having a catalyst γMnO 2 relay on the carbon layer contacting the Cu current collector and charge It shows a change with time of the discharge voltage (Li / Li + - glass / MnO 2 -C-Cu cell). Each cycle was 10 hours and 30 minutes for 444 cycles at a control current I con of 70 A and a measured discharge current I me at 53 A.

I con 보다 작은 I me 는 방전 I con 에 반대되는 지기-충전 전류의 존재를 나타낸다. V me 의 프로파일은 캐소드로부터 박리를 통해 전해질에 재공급된 과량의 Li+로 애노드 상의 도금을 통해 자가-충전의 전형적인 순환을 보여주었다. 방전 전압 프로파일은 또한 34일의 긴 사이클 기간을 나타내었다.Less than I me I con is being opposed to the discharge I con - indicates the presence of the charging current. V me the profile of a large excess over the peeled from the cathode material in the electrolyte supplied to the plating on the anode Li + through the self-I showed the typical cycle of the filling. The discharge voltage profile also showed a long cycle period of 34 days.

상기 개시된 내용은 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적인 것이 아니고, 첨부된 청구범위는 모든 그러한 변경, 개선, 및 본 개시내용의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 다른 구체예를 포함하도록 의도된다. 따라서, 법률에 의해 허용되는 최대 범위까지, 본 개시내용의 범위는 이하의 청구범위 및 이들의 등가물에 대한 가장 넓은 허용 가능한 해석에 의해 결정되어야 하고 상기 상세한 설명에 의해 제한되거나 국한되지 않아야 한다. It is intended that the disclosure be considered as illustrative and not restrictive, and that the appended claims are intended to cover all such modifications, enhancements, and other embodiments that fall within the true spirit and scope of the disclosure. Accordingly, to the maximum extent permitted by law, the scope of this disclosure should be determined by the broadest permissible interpretation of the following claims and their equivalents, and should not be limited or limited by the foregoing description.

Claims (24)

전해질에 의해 전도되는 알칼리 금속 작동 이온 및 쌍극자를 포함하는 고체 유리 전해질;
유효 애노드 화학 포텐셜 μA를 갖는 애노드; 및
유효 캐소드 화학 포텐셜 μC를 갖는 캐소드를 포함하는 전기화학 전지로서,
상기 캐소드 및 애노드 중 하나 또는 둘 모두는 상기 전기화학 전지의 초기 충전 또는 방전 이전에 상기 작동 이온이 실질적으로 결여되어 있고,
초기 충전 또는 방전 이전에 개방 회로에서, 전기 이중-층 커패시터가 μA 및 μC 사이의 차이로 인해 상기 고체 유리 전해질과 상기 애노드 사이의 계면 및 상기 고체 유리 전해질과 상기 캐소드 사이의 계면 중 하나 또는 둘 모두에 형성되는, 전기화학 전지.
A solid glass electrolyte comprising an alkali metal working ion and a dipole conducted by an electrolyte;
An anode having an effective anode chemical potential A A ; And
An electrochemical cell comprising a cathode having an effective cathode chemical potential, 占C ,
One or both of the cathode and the anode being substantially free of the working ions prior to the initial charge or discharge of the electrochemical cell,
In the open-circuit prior to initial charging or discharging, an electric double-layer capacitor, one of the interface between the surfactant and the solid glass electrolyte and the cathode between the solid glass electrolyte and the anode due to the difference between μ A and μ C or Lt; RTI ID = 0.0 &gt; electrochemical &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서, 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나 또는 둘 모두가 금속을 포함하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein at least one or both of the cathode and the anode comprises a metal. 제1항에 있어서, 캐소드 및 애노드 둘 모두가 전기화학 전지의 초기 충전 또는 방전 이전에 작동 이온이 실질적으로 결여되어 있는 전기화학 전지. The electrochemical cell of claim 1 wherein both the cathode and the anode are substantially free of working ions prior to an initial charge or discharge of the electrochemical cell. 제1항에 있어서, 캐소드 및 애노드 중 하나가 금속이고, 다른 하나가 반도체를 포함하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein one of the cathode and the anode is a metal and the other comprises a semiconductor. 제1항에 있어서, 캐소드 및 애노드 중 하나 또는 둘 모두가 이의 유효 화학 포텐셜을 결정하는 촉매 분자 또는 입자 릴레이를 포함하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein one or both of the cathode and the anode comprises a catalytic molecule or a particle relay for determining its effective chemical potential. 제1항에 있어서, 작동 이온이 리튬 이온(Li+), 소듐 이온(Na+), 포타슘 이온(K+), 마그네슘 이온(Mg2+), 알루미늄(Al3+), 또는 이의 임의의 조합물인 전기화학 전지.The method of claim 1, wherein the working ion is selected from the group consisting of lithium ion (Li + ), sodium ion (Na + ), potassium ion (K + ), magnesium ion (Mg 2+ ), aluminum (Al 3+ ) Electrochemical cell. 제1항에 있어서, 쌍극자가 일반식 AyXz 또는 일반식 Ay-1Xz -q를 갖고, 상기 식에서, A가 Li, Na, K, Mg, 및/또는 Al이고, X가 S 및/또는 O이고, 0<z≤3이고, y가 일반식 AyXz의 쌍극자의 전하 중성, 또는 일반식 Ay-1Xz -q의 쌍극자의 -q의 전하를 보장하기에 충분하고, 1≤q≤3인 전기화학 전지.The method of claim 1, wherein the dipole has the formula A y X z, or having the general formula A y X z-1 -q, wherein, A is Li, Na, K, Mg, and / or Al, X is S And / or O, 0 < z # 3 , y is sufficient to ensure the charge neutral of the dipole of the general formula A y X z , or -q of the dipole of the general formula A y-1 X z -q And 1 &lt; / = q &lt; / = 3. 제1항에 있어서, 쌍극자가 50 중량% 이하의 쌍극자 첨가제를 포함하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the dipole comprises 50% by weight or less of the dipole additive. 제8항에 있어서, 쌍극자 첨가제가 일반식 AyXz 또는 일반식 Ay-1Xz -q를 갖는 화합물 중 하나 또는 이들의 조합물을 포함하고, 상기 식에서, A가 Li, Na, K, Mg, 및/또는 Al이고, X가 S, O, Si, 및/또는 OH이고, 0<z≤3이고, y가 일반식 AyXz의 쌍극자 첨가제의 전하 중성, 또는 일반식 Ay-1Xz -q의 쌍극자 첨가제의 -q의 전하를 보장하기에 충분하고, 1≤q≤3인 전기화학 전지.9. The composition of claim 8, wherein the dipole additive comprises one of the compounds having the general formula A y X z or a compound having the general formula A y-1 X z -q , or a combination thereof wherein A is Li, Na, K , Mg, and / or Al, and, X is S, O, Si, and / or OH, 0 <z≤3 and, y is the dipole charge neutrality of additives of the formula a y X z, or the formula a y z -q -1 X of sufficient to ensure -q charge of the dipole and additives, 1≤q≤3 the electrochemical cell. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 적어도 천 회 사이클의 주기 수명을 갖는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell has a cyclic lifetime of at least a thousand cycles. 제1항에 있어서, 전기화학전지가, 이의 개방-회로의 차단시에, 외부 공급원으로부터 에너지를 받지 못해도 방전 전류를 나타내는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell exhibits a discharge current even when it does not receive energy from an external source at the time of its shutdown. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 외부 포텐시오스탯에 의해 부과된 고정된 제어 전류에서 충전 또는 방전 전류 및/또는 전압의 자가-순환 성분을 나타내는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell exhibits a self-circulating component of charge or discharge current and / or voltage at a fixed control current imposed by an external potentiostat. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 충전 중에 작동 이온을 애노드 상에 가역적으로 및 수지상-없이 도금하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell is reversibly and dendritically plated with working ions on the anode during charging. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 제어 충전 전류 없이 자가-충전을 나타내는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell exhibits self-charging without controlled charge current. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 제어 충전 전류 성분을 갖는 자가-충전 전류 성분을 나타내는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell exhibits a self-charging current component having a controlled charge current component. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 제어 방전 전류 없이 자가-충전 성분을 나타내는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell exhibits a self-charging component without controlled discharge current. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 제어 방전 전류 없이 자가-충전을 나타내는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell exhibits self-charging without controlled discharge current. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 100% 초과의 충전/방전 쿨롱 효율을 갖는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell has a charge / discharge Coulomb efficiency of greater than 100%. 제1항에 있어서, 전지가 제어 전류보다 작은 측정된 충전 또는 방전 전류를 나타내는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1 wherein the cell exhibits a measured charge or discharge current that is less than the control current. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가, 충전시, 제어 전류보다 큰 충전 전류를 갖는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell has a charge current greater than the control current upon charging. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 제어 전류의 반대 방향으로 측정된 전류를 갖는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell has a current measured in the opposite direction of the control current. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가, 방전시, 제어 전류보다 큰 측정된 방전 전류를 갖고, 측정된 방전 전류 및 전압 둘 모두의 자가-순환을 나타내는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell has a measured discharge current greater than the control current at the time of discharge and exhibits self-circulation of both the measured discharge current and voltage. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 적어도 1분의 기간을 갖는 교류를 나타내는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell exhibits an alternating current having a duration of at least one minute. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 적어도 1일의 기간을 갖는 교류를 나타내는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrochemical cell exhibits an alternating current having a duration of at least one day.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019191054A1 (en) * 2018-03-27 2019-10-03 Board Of Regents, The University Of Texas System Electrochemical cell with insulator relay layer
CN109851006A (en) * 2019-03-19 2019-06-07 苏州墨华高科信息技术有限公司 A kind of condenser type ion screening plant

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6214061B1 (en) * 1998-05-01 2001-04-10 Polyplus Battery Company, Inc. Method for forming encapsulated lithium electrodes having glass protective layers
US20060063051A1 (en) * 2004-09-20 2006-03-23 Jang Bor Z Metal-air battery with ion-conducting inorganic glass electrolyte
JP4759256B2 (en) * 2004-11-29 2011-08-31 公立大学法人大阪府立大学 Novel high ion conductive ion glass composition and method for producing the same
JP2007157413A (en) * 2005-12-02 2007-06-21 Forestry & Forest Products Research Institute Electronic component material having high dielectricity, good pyroelectricity and piezoelectricity
CN101763944B (en) * 2009-12-09 2011-07-20 中南大学 Method for preparing composite carbon cathode material for super-capacitor battery
US10008736B2 (en) * 2012-10-23 2018-06-26 Quantumscape Corporation Method for forming and processing antiperovskite material doped with aluminum material
CN103050290B (en) * 2012-12-20 2016-03-23 上海奥威科技开发有限公司 Combining super capacitor device in a kind of
US9786905B2 (en) * 2013-03-13 2017-10-10 Quantumscape Corporation Iron, fluorine, sulfur compounds for battery cell cathodes
CN106663550B (en) 2014-02-26 2019-03-01 波尔图大学 For lithium or the solid electrolyte glass of sodium ion conduction
EP3311442A1 (en) 2015-06-18 2018-04-25 Board of Regents, The University of Texas System Water solvated glass/amorphous solid ionic conductors

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