JP2019522369A - Self-charging and / or self-cycling electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
本開示は、電解質によって伝導されるアルカリ金属作動イオンおよび双極分子を含む固体ガラス電解質と、有効アノード化学ポテンシャルμAを有するアノードと、有効カソード化学ポテンシャルμCを有するカソードとを含む電気化学セルを提供する。カソードおよびアノードの一方または両方は、電気化学セルの初充電または放電より前には、作動イオンを実質的に欠く。初充電または放電より前の開回路において、固体ガラス電解質とアノードとの間の界面、および固体ガラス電解質とカソードとの間の界面の一方または両方において、μAとμCとの間の差異に起因して、電気二重層キャパシタが形成される。The present disclosure provides an electrochemical cell comprising a solid glass electrolyte comprising alkali metal working ions and bipolar molecules conducted by an electrolyte, an anode having an effective anode chemical potential μA, and a cathode having an effective cathode chemical potential μC. . One or both of the cathode and anode are substantially devoid of working ions prior to the initial charge or discharge of the electrochemical cell. In open circuit prior to initial charge or discharge, due to the difference between μA and μC at 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. Thus, an electric double layer capacitor is formed.
Description
技術分野
本開示は、固体ガラス電解質を含んでいる、自己充電および/または自己サイクリング電気化学セルに関する。
TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to self-charging and / or self-cycling electrochemical cells that include solid glass electrolytes.
背景
電気化学セルは、電解質によって分離されている2つの電極、アノードおよびカソードを有する。従来の電気化学セルでは、これらの電極の物質は、電子的にも化学的にも活性である。アノードは、化学的還元体であり、カソードは、化学的酸化体である。アノードおよびカソードは両方とも、電池の作動イオンと称されるイオン、典型的には同じイオンを得ることおよび失うことができる。電解質は、作動イオンの伝導体であるが、通常、電解質はイオンを得ることおよび失うことはできない。電解質は、電子絶縁体であり、電池内で電子を移動させない。従来の電気化学セルでは、アノードおよびカソードの両方または少なくとも一方が、電気化学セルのサイクリングより前に、作動イオンを含んでいる。
BACKGROUND An electrochemical cell has two electrodes, an anode and a cathode, separated by an electrolyte. In conventional electrochemical cells, these electrode materials are both electronically and chemically active. The anode is a chemical reductant and the cathode is a chemical oxidant. Both the anode and the cathode can obtain and lose ions referred to as battery working ions, typically the same ions. The electrolyte is a conductor of working ions, but normally the electrolyte cannot gain and lose ions. The electrolyte is an electronic insulator and does not move electrons within the battery. In conventional electrochemical cells, both or at least one of the anode and cathode contain working ions prior to cycling of the electrochemical cell.
電気化学セルは、電子およびイオン性構成要素を有する2つの電極の間での反応を介して動作する。電解質は、セルの内側で作動イオンを伝導し、電子(これもまた反応に関与する)に、外部回路を通過させる。 An electrochemical cell operates through a reaction between two electrodes having electronic and ionic components. The electrolyte conducts working ions inside the cell and allows electrons (which are also involved in the reaction) to pass through an external circuit.
電池は、単一の電気化学セルであってもよく、また、電池は、複数の電気化学セルの組合せであってもよい。 The battery may be a single electrochemical cell, and the battery may be a combination of multiple electrochemical cells.
概要
本開示は、電解質によって伝導されるアルカリ金属作動イオンおよび双極分子(a dipole)を含む、固体ガラス電解質と、有効アノード化学ポテンシャルμAを有するアノードと、有効カソード化学ポテンシャルμCを有するカソードとを含む電気化学セルを提供する。カソードおよびアノードの一方または両方は、電気化学セルの初充電または放電より前には、作動イオンを実質的に欠く。初充電または放電より前の開回路において、固体ガラス電解質とアノードとの間の界面、および固体ガラス電解質とカソードとの間の界面の一方または両方において、μAとμCとの間の差異に起因して、電気二重層キャパシタが形成される。
SUMMARY The present disclosure includes an alkali metal working ions and dipoles are conducted by an electrolyte (a dipole), a solid glass electrolyte, an anode having an effective anode chemical potential mu A, a cathode having an effective cathode chemical potential mu C An electrochemical cell is provided. One or both of the cathode and anode are substantially devoid of working ions prior to the initial charge or discharge of the electrochemical cell. In an open circuit prior to initial charge or discharge, the difference between μ A and μ C at 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 As a result, an electric double layer capacitor is formed.
電気化学セルは、下記の追加の特色のうちのいずれかまたはすべての組合せを、そのような特色が明確に相互排他的でない限り、有してもよい:a)カソードおよびアノードの少なくとも一方または両方が、金属を含んでもよい;b)カソードおよびアノードの少なくとも一方または両方が、金属から本質的になってもよく、また、金属からなってもよい;c)カソードおよびアノードの両方が、電気化学セルの初充電または放電より前には、作動イオンを実質的に欠いてもよい;d)カソードおよびアノードの一方が、金属を含んでもよく、金属から本質的になってもよく、また、金属からなってもよく、他方が、半導体を含んでもよい;e)カソードおよびアノードの一方または両方が、その有効化学ポテンシャルを決定する触媒的分子または粒子リレーを含んでもよい;f)作動イオンが、リチウムイオン(Li+)、ナトリウムイオン(Na+)、カリウムイオン(K+)、マグネシウムイオン(Mg2+)、アルミニウム(Al3+)、またはそれらの任意の組合せを含んでもよい;g)双極分子が、一般式AyXzまたは一般式Ay−1Xz −q(式中、AはLi、Na、K、Mg、および/またはAlであり、XはSおよび/またはOであり、0<z≦3であり、yは一般式AyXzの双極分子の電荷的中性または一般式Ay−1Xz −qの双極分子の−qの電荷を確保するのに十分であり、1≦q≦3である)を有してもよい;h)双極分子が、最大50重量%までの双極分子添加剤(dipole additive)を含んでもよい;i)双極分子添加剤が、一般式AyXzまたは一般式Ay−1Xz −q(式中、AはLi、Na、K、Mg、および/またはAlであり、XはS、O、Si、および/またはOHであり、0<z≦3であり、yは一般式AyXzの双極分子添加剤の電荷的中性または一般式Ay−1Xz −qの双極分子添加剤の−qの電荷を確保するのに十分であり、1≦q≦3である)を有する、1つの化合物または化合物の組合せを含んでもよい;j)電気化学セルが、少なくとも1000サイクルのサイクル寿命を有してもよい;k)セルが、その開回路を閉鎖する際、外部源からエネルギーを受け取ったことがなくとも、放電電流を呈してもよい;l)電気化学セルが、外部ポテンショスタットによって課される一定の制御電流において、充電もしくは放電電流および/または電圧の自己サイクリング構成要素を呈してもよい;m)電気化学セルが、充電中、アノード上に、可逆的にかつデンドライトを含まずに作動イオンをめっきしてもよい;n)電気化学セルが、制御充電電流を伴わずに、自己充電を呈してもよい;o)電気化学セルが、制御充電電流構成要素を伴う、自己充電電流構成要素を呈してもよい;p)電気化学セルが、制御放電電流を伴わずに、自己充電構成要素を呈してもよい;q)電気化学セルが、制御放電電流を伴わずに、自己充電を呈してもよい;r)電気化学セルが、100%を超える充電/放電クーロン効率を有してもよい;s)電気化学セルが、制御電流よりも小さい、測定充電または放電電流を呈してもよい;t)電気化学セルが、充電の際、制御電流を超える充電電流を有してもよい;u)電気化学セルが、制御電流の反対方向の測定電流を有してもよい;v)電気化学セルが、放電の際に、制御電流よりも大きい測定放電電流を有してもよく、測定放電電流および電圧の両方の自己サイクリングを呈してもよい;w)電気化学セルが、少なくとも1分間の期間を有する交流電流を呈してもよい;x)電気化学セルが、少なくとも1日間の期間を有する交流電流を呈してもよい。 The electrochemical cell may have a combination of any or all of the following additional features unless such features are clearly mutually exclusive: a) at least one or both of the cathode and anode B) at least one or both of the cathode and anode may consist essentially of metal or may consist of metal; c) both the cathode and anode are electrochemical Prior to the initial charge or discharge of the cell, the working ions may be substantially absent; d) one of the cathode and anode may comprise metal, may consist essentially of metal, And the other may comprise a semiconductor; e) a catalytic molecule in which one or both of the cathode and anode determine its effective chemical potential Others may include particles relay; f) actuating ions, lithium ion (Li +), sodium ion (Na +), potassium ion (K +), magnesium ions (Mg 2+), aluminum (Al 3+), or Any combination thereof may be included; g) the bipolar molecule may be represented by the general formula A y Xz or the general formula A y-1 X z -q , where A is Li, Na, K, Mg, and / or Al, X is S and / or O, 0 <z ≦ 3, y is a charge neutral of a bipolar molecule of the general formula A y X z or of the general formula A y-1 X z -q H) sufficient to ensure the charge of the -q of the bipolar molecule, and 1 ≦ q ≦ 3); h) up to 50% by weight of the dipole additive I) Dipolar molecular additives are generally During A y X z or the formula A y-1 X z -q (wherein, A is Li, Na, K, Mg, and / or Al, X is an S, O, Si, and / or OH , 0 <z ≦ 3, and y secures the charge neutrality of the bipolar molecular additive of the general formula A y X z or the charge of −q of the bipolar molecular additive of the general formula A y-1 X z -q A compound or a combination of compounds having a), and an electrochemical cell may have a cycle life of at least 1000 cycles; k) When a cell closes its open circuit, it may exhibit a discharge current even though it has not received energy from an external source; l) the electrochemical cell is subject to certain controls imposed by an external potentiostat In current, charge or discharge current and Or may exhibit a self-cycling component of voltage; m) the electrochemical cell may reversibly and ionize working ions on the anode during charging; n) electrochemical cell May exhibit self-charging without a controlled charging current; o) the electrochemical cell may exhibit a self-charging current component with a controlled charging current component; p) the electrochemical cell Q) the electrochemical cell may exhibit self-charge without a controlled discharge current; r) the electrochemical cell may have 100 May have a charge / discharge coulombic efficiency greater than%; s) the electrochemical cell may exhibit a measured charge or discharge current that is less than the control current; t) the electrochemical cell upon charging Has charging current exceeding control current U) the electrochemical cell may have a measured current in the opposite direction of the control current; v) the electrochemical cell has a measured discharge current greater than the control current upon discharge. And may exhibit both measured discharge current and voltage self-cycling; w) the electrochemical cell may exhibit an alternating current having a period of at least 1 minute; x) the electrochemical cell at least An alternating current having a period of one day may be presented.
本開示は、上に記載されているような電気化学セルを1つ、またはそのようなセルを少なくとも2つ(直列であっても、並列であってもよい)含んでいる電池をさらに含む。 The present disclosure further includes a battery comprising one electrochemical cell as described above, or at least two such cells, which may be in series or in parallel.
上および本明細書の他の場所に開示されている、電気化学セルおよび電池は、再充電可能であってもよい。 The electrochemical cells and batteries disclosed above and elsewhere herein may be rechargeable.
本発明、ならびにその特色および利点のより完全な理解のために、これより、添付の図面と併せて以下の説明が参照される。 For a more complete understanding of the present invention and its features and advantages, reference is now made to the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings.
詳細な説明
本開示は、電気双極子(electric dipoles)および作動イオンを含んでおり、かつどちらの電極上にも作動イオンを、他方の電極により再供給されることなく可逆的にめっきすることができ、そのことによって電気化学セルが自己充電および自己サイクリング挙動を呈する、固体ガラス電解質を含む電気化学セルに関する。セルは、金属製集電体上にデンドライトを含まずにめっきされ得る可動性アルカリ金属作動カチオンだけでなく、よりゆっくりと移動する分子的電気双極子(molecular electric dipoles)も典型的には含有している、固体電解質を有する。2つの電極の電気化学ポテンシャルにおける差異が、開回路において、通常の電気化学セルの場合と同様に、それぞれの電極/電解質界面における電気二重層キャパシタを作り出す駆動力である。しかしながら、作動カチオンの並進移動性と、前記電気双極子の配向および並進移動性との差異は、界面での電解質中の任意の過剰電荷のより緩徐な形成を引き起こす。界面電荷に対する双極分子の寄与は、アノード上へのアルカリ金属層としての作動カチオンのめっきを誘導するのに十分なほど大きい可能性があり、これが自己充電を表す。対電極が、この自己めっきを介してまたは印加される充電電力において、電解質に残った最後の作動カチオンを再供給することができない場合、電解質は、めっきと剥離との間の平衡に到達するまで負に帯電することになる。電解質中の電荷は、等価回路において、キャパシタと並列のインダクターとして表され、これにより、外部ポテンショスタットによって課される一定の制御電流において、充電もしくは放電電流および/または電圧の自己サイクリング構成要素が作り出され得る。
DETAILED DESCRIPTION The present disclosure includes electric dipoles and working ions, and is capable of reversibly plating working ions on either electrode without being resupplied by the other electrode. To an electrochemical cell comprising a solid glass electrolyte, whereby the electrochemical cell exhibits self-charging and self-cycling behavior. The cell typically contains not only mobile alkali metal-operated cations that can be plated without dendrite on a metal current collector, but also more slowly moving molecular electric dipoles. Having a solid electrolyte. The difference in the electrochemical potential of the two electrodes is the driving force that creates an electric double layer capacitor at each electrode / electrolyte interface in an open circuit, as in a normal electrochemical cell. However, the difference between the translational mobility of the working cation and the orientation and translational mobility of the electric dipole causes a slower formation of any excess charge in the electrolyte at the interface. The contribution of bipolar molecules to the interfacial charge can be large enough to induce plating of working cations as an alkali metal layer on the anode, which represents self-charging. If the counter electrode is unable to resupply the last working cation remaining in the electrolyte via this self-plating or at the applied charging power, the electrolyte will reach an equilibrium between plating and stripping It will be negatively charged. The charge in the electrolyte is represented in the equivalent circuit as an inductor in parallel with the capacitor, which creates a self-cycling component of charge or discharge current and / or voltage at a constant control current imposed by an external potentiostat. Can be.
電解質は、X線回折を通じて確認することができるように非晶質であるため、ガラスと呼ばれる。作動イオンは、Li+、Na+、K+などのアルカリ金属カチオン、またはMg2+および/もしくはAl3+などの金属カチオンであってもよい。 The electrolyte is called glass because it is amorphous so that it can be confirmed through 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+ .
自己充電とは、本明細書においてさらに説明されるように、電気化学セルが、製作のときにはセルの作動イオンを含んでいない電極を含んでいるにもかかわらず、外部源から充電電流を受け取ったことがなくとも、外部回路を閉鎖したときに放電電流を送達する現象を指す。この現象は、双極子間相互作用および内部電場の結果としての、セルの組み立て後の電解質内の電気双極子の整列および転置の結果である。双極子の整列によってもたらされる内部電場は、電極のうちの一方の上に、他方の電極からの電解質への再供給を伴わずに、電解質から作動イオンを金属としてめっきするのに十分なほど大きく、それによって、電解質を負に帯電させる。外部回路を閉鎖すると、作動イオンは電解質に戻り、電子が外部回路へと送られ、そこでそれらが放電電流を提供する。 Self-charging, as described further herein, receives a charging current from an external source, even though the electrochemical cell includes an electrode that does not contain the cell's working ions at the time of fabrication. This refers to the phenomenon of delivering a discharge current when the external circuit is closed. This phenomenon is the result of alignment and transposition of the electric dipoles in the electrolyte after assembly of the cell as a result of the interaction between the dipoles and the internal electric field. The internal electric field produced by the alignment of the dipoles is large enough to plate working ions from the electrolyte as metal on one of the electrodes without resupplying the electrolyte from the other electrode. , Thereby negatively charging the electrolyte. When the external circuit is closed, the working ions return to the electrolyte and electrons are sent to the external circuit where they provide a discharge current.
自己サイクリングは、電解質の作動イオンが電極上にめっきされ、これにより電解質が負に帯電する場合に起こる。電解質における負の電荷は、十分に大きい場合、めっきされた金属を剥がしてカチオンとして電解質に戻し、外部回路に電子を放出する。外部回路に対する、電解質中の双極分子およびイオンならびに電子の異なる応答速度によって、外部回路における電流および/またはセル電圧のサイクリングがもたらされる。 Self-cycling occurs when electrolyte working ions are plated on the electrode, which causes the electrolyte to become negatively charged. If the negative charge in the electrolyte is large enough, it strips the plated metal back to the electrolyte as a cation, releasing electrons into the external circuit. The different response speeds of bipolar molecules and ions and electrons in the electrolyte to the external circuit result in cycling of current and / or cell voltage in the external circuit.
自己充電挙動および自己サイクリング挙動の両方が、外部エネルギーの入力を伴わずに起こり得るが、両方の現象は、外部充電/放電入力による、セル充電/放電性能の構成要素として起こってもよい。例えば、自己充電電気化学セルは、外部エネルギー入力としての充電電流とともに提供されてもよく、この場合、このセルは、100%を超えるクーロン効率を与える充電電流によって規定されるものよりも大きい充電を呈することになる。別の例としては、放電電流および/または電圧が、充電/放電サイクリング頻度とは異なる頻度の自己サイクリング構成要素を有してもよい。 Both self-charging behavior and self-cycling behavior can occur without external energy input, but both phenomena may occur as a component of cell charge / discharge performance with external charge / discharge input. For example, a self-charging electrochemical cell may be provided with a charging current as an external energy input, in which case the cell has a charge greater than that defined by the charging current that gives a Coulomb efficiency greater than 100%. Will be presented. As another example, the discharge current and / or voltage may have a self-cycling component with a frequency different from the charge / discharge cycling frequency.
本開示の固体ガラス電解質は、不燃性であり、電極集電体上および/またはそれ自体の上にデンドライトを含まずにアルカリ金属をめっきすることができる。めっきされた金属の原子は、電解質の作動イオンに由来する。めっきされた作動イオンは、他方の電極から電解質へと再供給されてもよく、また、再供給されなくてもよい。具体的には、本開示の固体電解質は、作動イオンとして、Li+、Na+、K+などのアルカリ金属カチオン、Mg2+、Al3+などの金属カチオン、ならびに、A2XもしくはAX−、またはMgXもしくはAl2X3(式中、A=Li、NaまたはKであり、X=OもしくはSまたは別の元素もしくは双極分子である)などの電気双極子を含んでいる、ガラスであってもよい。好適なA+ガラス電解質およびそれらを作製する方法については、既に、WO2015128834(A Solid Electrolyte Glass for Lithium or Sodium Ion Conduction)およびWO2016205064(Water-Solvated Glass/Amorphous Solid Ionic Conductors)に記載されており、これらの両方のアルカリ金属イオンについての開示は、参照により本明細書に組み込まれる。 The solid glass electrolytes of the present disclosure are non-flammable and can be alkali metal plated without dendrite on the electrode current collector and / or on itself. The plated metal atoms are derived from the working ions of the electrolyte. The plated working ions may or may not be resupplied from the other electrode to the electrolyte. Specifically, the solid electrolyte of the present disclosure includes, as working ions, alkali metal cations such as Li + , Na + and K + , metal cations such as Mg 2+ and Al 3+ , and A 2 X or AX − , or Even a glass containing an electric dipole such as MgX or Al 2 X 3 , where A = Li, Na or K, and X═O or S or another element or dipolar molecule Good. Suitable A + glass electrolytes and methods for making them have already been described in WO2015128834 (A Solid Electrolyte Glass for Lithium or Sodium Ion Conduction) and WO2016205064 (Water-Solvated Glass / Amorphous Solid Ionic Conductors). The disclosures for both alkali metal ions are incorporated herein by reference.
概して、本開示の電気化学セルにおいて使用される固体ガラス電解質中の金属作動イオンは、Li+、Na+、K+などのアルカリ金属イオン、またはMg2+もしくはAl3+であってもよく、これらの可動性作動イオンのうちの一部はまた、アニオンに結合して、可動性がより低い電気双極子(例えば、A2X、AX−など)、またはこれらがより大きい強誘電性分子となった凝縮物を形成してもよい(式中、A=Li、Na、K、Mg、Alであり、x=O、S、または別のアニオン原子である)。ガラスはまた、添加剤として、双極分子添加剤を伴わないガラス合成において使用された前駆体から形成されたもの以外の電気双極分子を、最大50重量%まで含んでいてもよい。電気双極子の存在によって、ガラスの誘電率が高くなる。前記双極子はまた、自己充電および自己サイクリング現象の促進において活性である。加えて、固体ガラス電解質は、金属リチウム、ナトリウム、またはカリウムとの接触の際に還元されず、それらは、スピネルLi[Ni0.5Mn1.5]O4またはかんらん石LiCo(PO4)およびLiNi(PO4)などの高電圧カソードとの接触の際に酸化されない。したがって、不動態化した固体電解質中間相(SEI)は形成されない。また、固体ガラス電解質の表面は、アルカリ金属によって湿潤しており、これによって、ガラス電解質からデンドライトを含まずにアルカリ金属をめっきすることが可能となり、このアルカリ金属は、少なくとも1000回、少なくとも2000回、または少なくとも5000回の充電/放電サイクルにわたって電極/電解質界面を超えるイオンの伝達に対する低い抵抗を提供する。 In general, the metal working ions in the solid glass electrolyte used in the electrochemical cells of the present disclosure may be alkali metal ions such as Li + , Na + , K + , or Mg 2+ or Al 3+ , also some of the mobile operating ion binds to the anion, mobility is lower electric dipole (e.g., a 2 X, AX - etc.), or they become larger ferroelectric molecule A condensate may be formed (where A = Li, Na, K, Mg, Al and x = O, S, or another anion atom). The glass may also contain up to 50% by weight of electric dipolar molecules other than those formed from precursors used in glass synthesis without bipolar molecular additives as additives. The presence of the electric dipole increases the dielectric constant of the glass. The dipole is also active in promoting self-charging and self-cycling phenomena. In addition, solid glass electrolytes are not reduced upon contact with metallic lithium, sodium, or potassium, they are spinel Li [Ni 0.5 Mn 1.5 ] O 4 or olivine LiCo (PO 4 ) And on contact with high voltage cathodes such as LiNi (PO 4 ). Thus, no passivated solid electrolyte intermediate phase (SEI) is formed. Further, the surface of the solid glass electrolyte is wetted with an alkali metal, which makes it possible to plate the alkali metal without including dendrites from the glass electrolyte, and the alkali metal is at least 1000 times and at least 2000 times. Or provide a low resistance to ion transfer across the electrode / electrolyte interface over at least 5000 charge / discharge cycles.
固体ガラス電解質は、広い表面領域にわたってスラリーとして塗布されてもよい。このスラリーはまた、紙、または他の可撓性セルロースもしくは高分子膜に組み込まれてもよく、乾燥すると、スラリーはガラスを形成する。膜構造は、付着した電気双極子を有してもよく、またはガラスと接触すると、回転移動性のみを有する電気双極子を形成する。ガラス内の電気双極子は、25℃において、並進移動性だけでなく、回転移動性も有し得る。並進移動性を有する前記双極子間の反応は、ガラス電解質内に、双極分子が豊富な領域を形成して、強誘電性分子へのある双極分子凝縮を伴う場合がある。前記双極子の合体は、電解質のエージングと呼ばれ、25℃では数日間掛かる場合があるが、100℃では数分間で達成され得る。 The solid glass electrolyte may be applied as a slurry over a large surface area. The slurry may also be incorporated into paper, or other flexible cellulose or polymer membrane, and when dried, the slurry forms a glass. The membrane structure may have an attached electric dipole or, when in contact with glass, forms an electric dipole that has only rotational mobility. Electric dipoles in glass can have not only translational mobility but also rotational mobility at 25 ° C. The reaction between the dipoles having translational mobility may be accompanied by some dipolar molecular condensation into ferroelectric molecules, forming a region rich in dipolar molecules in the glass electrolyte. The dipole coalescence is called electrolyte aging, which may take several days at 25 ° C, but can be accomplished in minutes at 100 ° C.
前記双極子のうちの1つまたは複数は、25℃においても、ある移動性を有してもよい。電極は、集電体および/または活発なレドックス反応を有する物質からなる。電極集電体は、AlまたはCuなどの良好な金属である。集電体はまた、炭素、合金、またはTiNもしくは遷移金属酸化物などの化合物の形態であってもよい。集電体は、その上に活物質を伴わない電極であってもよく、また、集電体は、その上の活物質へ/活物質から電子を輸送してもよい。活物質は、アルカリ金属、アルカリ金属の合金、または電解質の作動イオンの原子を含有する化合物であってもよい。集電体は、外部回路へまたは外部回路から、および電極の自身の活物質へまたは活物質から電子を輸送し、集電体との電子的接触および電解質とのイオン性接触を有することによって、電解質の作動イオンと反応する。電解質とのイオン性接触は、電極/電解質界面における過剰または不十分な作動イオン濃度のみを伴ってもよく(これによって、電気二重層キャパシタ(EDLC)が作り出される)、また、それは、電極表面において化学相形成を伴ってもよい。再充電可能なセルでは、電極表面上でのあらゆる化学的形成、および電極/電解質界面を超えるEDLCは、可逆的である。 One or more of the dipoles may have some mobility even at 25 ° C. The electrode is made of a current collector and / or a material having an active redox reaction. The electrode current collector is a good metal such as Al or Cu. The current collector may also be in the form of carbon, an alloy, or a compound such as TiN or a transition metal oxide. The current collector may be an electrode without an active material thereon, and the current collector may transport electrons to / from the active material thereon. The active material may be an alkali metal, an alkali metal alloy, or a compound containing atoms of working ions of an electrolyte. The current collector transports electrons to or from the external circuit and to the electrode's own active material, by having electronic contact with the current collector and ionic contact with the electrolyte, Reacts with electrolyte working ions. The ionic contact with the electrolyte may be accompanied only by excessive or insufficient working ion concentration at the electrode / electrolyte interface (this creates an electric double layer capacitor (EDLC)) and it is at the electrode surface It may be accompanied by chemical phase formation. In rechargeable cells, any chemical formation on the electrode surface and EDLC beyond the electrode / electrolyte interface is reversible.
本発明によれば、電気化学セル中の一方または両方の電極は、製作の際には、例えば原子吸光分光法によって、7000ppmに至るまで、電解質の作動イオンの検出可能な原子を含有しない、単なる集電体にすぎない。しかしながら、セルの組み立て後には、電解質の作動イオンの原子を、原子吸光分光法または他の手段によって、電極上で検出することができる。 In accordance with the present invention, one or both electrodes in an electrochemical cell do not contain any detectable atoms of electrolyte working ions, up to 7000 ppm, for example by atomic absorption spectroscopy, during fabrication. It is just a current collector. However, after assembly of the cell, the atoms of the electrolyte working ions can be detected on the electrode by atomic absorption spectroscopy or other means.
加えて、セルの一方または両方の電極は、複合集電体の有効フェルミ準位を有意に変更することなく、集電体上への作動カチオンのめっきを補助する、炭素などの追加的な電子伝導性物質を含有してもよい。 In addition, one or both electrodes of the cell may contain additional electrons, such as carbon, that assist in plating working cations on the current collector without significantly changing the effective Fermi level of the composite current collector. A conductive substance may be contained.
固体ガラス電解質は、大きい誘電率、例えば102またはそれよりも高い比誘電率(σR)を有してもよい。固体ガラス電解質は、不燃性であり、25℃において、少なくとも10−2S/cmの、作動イオンA+についてのイオン伝導性σAを有してもよい。この伝導性は、Liイオン電池において使用されている従来の可燃性の有機液体電解質のイオン伝導性に匹敵し、これにより、セルは安全なものとなる。 Solid glass electrolyte, dielectric constant greater, for example may have 10 2 or higher relative dielectric constant and (σ R). The solid glass electrolyte is non-flammable and may have an ionic conductivity σ A for working ions A + of at least 10 −2 S / cm at 25 ° C. This conductivity is comparable to the ionic conductivity of conventional flammable organic liquid electrolytes used in Li-ion batteries, thereby making the cell safe.
固体ガラス電解質は、作動イオンを含有する結晶性の電子絶縁体またはその構成前駆体(典型的には、O、OH、および/またはハライドに結合している作動イオンを含有する)を、作動イオン伝導性のガラス/非晶質固体へと変換することによって形成され得る。このプロセスは、双極分子添加剤の存在下でも同様に行うことができる。作動イオンを含有する結晶性の電子絶縁体またはその構成前駆体は、一般式A3−xHxOX(式中、0≦x≦1であり、Aは少なくとも1種のアルカリ金属であり、Xは少なくとも1種のハライドである)を有する物質であってもよい。水は、固体ガラス電解質の形成中に、それから出てもよい。 Solid glass electrolytes contain crystalline electronic insulators containing working ions or constituent precursors thereof (typically containing working ions bound to O, OH, and / or halides). It can be formed by conversion to a conductive glass / amorphous solid. This process can be performed similarly in the presence of bipolar molecular additives. A crystalline electronic insulator containing working ions or a constituent precursor thereof has the general formula A 3-x H x OX (where 0 ≦ x ≦ 1 and A is at least one alkali metal; X may be a substance having at least one halide. Water may exit from the solid glass electrolyte during formation.
本明細書に開示されているような固体ガラス電解質を含んでいる電気化学セルは、大きいエネルギーギャップEgを有してもよく、ここで、Eg=Ee−Evである。Ecは伝導帯の底部であり、Ec>μAであり、ここでμAは、アノード化学ポテンシャルである。Evは価電子帯の頂部であり、Ev<μCであり、ここでμCは、カソード化学ポテンシャルである。エネルギー差μA−μCによって、自己充電および自己サイクリング挙動が促進されてもよい。加えて、上記双極子の寄与によって、電気化学セルは、本明細書に開示されているような固体ガラス電解質以外の電解質を有する、他の点では同一の電気化学セルにおける静電容量よりも高い、開回路または閉回路における静電容量を有する。 An electrochemical cell containing a solid glass electrolyte as disclosed herein may have a large energy gap E g , where E g = E e −E v . E c is the bottom of the conduction band, E c > μ A , where μ A is the anode chemical potential. E v is the top of the valence band, E v <μ C , where μ C is the cathode chemical potential. The energy difference μ A −μ C may promote self-charging and self-cycling behavior. In addition, due to the dipole contribution, the electrochemical cell has an electrolyte other than the solid glass electrolyte as disclosed herein, otherwise higher than the capacitance in the same electrochemical cell. , Having capacitance in open circuit or closed circuit.
本明細書に開示されているような固体ガラス電解質を含んでいる電気化学セルはまた、作動イオンをめっきし、一方または両方の電極から剥がすことができてもよく、その結果、電解質と少なくとも一方の電極との間の電解質−電極結合は、電解質と電極との間の界面に対して実質的に垂直である、サイクリング中の電解質の体積変化にとって十分に強力である。典型的には、この結合は、電解質と両方の電極との間の両方の界面に対して実質的に垂直である、電解質の体積変化にとって、電解質と両方の電極との間で十分に強力である。 Electrochemical cells containing solid glass electrolytes as disclosed herein may also be capable of plating working ions and stripping from one or both electrodes, so that the electrolyte and / or at least one is The electrolyte-electrode coupling between the two electrodes is sufficiently strong for electrolyte volume changes during cycling that are substantially perpendicular to the interface between the electrolyte and the electrode. Typically, this bond is strong enough between the electrolyte and both electrodes for electrolyte volume changes that are substantially perpendicular to both interfaces between the electrolyte and both electrodes. is there.
以下では、制御電流Iconが、ポテンショスタットにおける負荷によって制御される、2つの電極間での電位差によって特定される電流である一方で、測定電流Imcは、ポテンショスタットによって特定された電流および自己充電の結果として生じる電流を含む、実際に測定された電流である。自己充電の結果として生じる電流は、放電の際のIconと同方向であっても、反対方向であってもよい。本発明者らが放電電流および電圧、または充電電流および電圧のどちらを指しているかを特定するために、下付きのdisおよびchを添える。 In the following, the control current I con is the current specified by the potential difference between the two electrodes controlled by the load in the potentiostat, while the measured current I mc is the current specified by the potentiostat and the self Actual measured current, including current resulting from charging. The current generated as a result of self-charging may be in the same direction as I con during discharge or in the opposite direction. In order to specify whether the present inventors indicate discharge current and voltage or charging current and voltage, subscripts “dis” and “ch” are attached.
本明細書に開示されているような電気化学セルは、制御電流Iconよりも少ない測定放電電流Ime−disおよび/または測定充電電流Ime−chを有してもよい。 An electrochemical cell as disclosed herein may have a measured discharge current I me-dis and / or a measured charge current I me-ch that is less than the control current I con .
充電中、本明細書に開示されているような電気化学セルは、制御電流Iconを超える充電電流Ichを有してもよい。放電中、本明細書に開示されているような電気化学セルは、放電制御電流Idis−conよりも大きい測定放電電流Ime−disを有してもよい。このような電気化学セルは、通常の放電に加えて、測定放電電流Ime−disおよび電圧Vme−disの両方の自己サイクリングを呈し得る。 During charging, an electrochemical cell as disclosed herein may have a charging current I ch that exceeds the control current I con . During discharge, an electrochemical cell as disclosed herein may have a measured discharge current I me-dis that is greater than the discharge control current I dis-con . Such electrochemical cells may exhibit self-cycling of both measured discharge current I me-dis and voltage V me-dis in addition to normal discharge.
本明細書に開示されているような電気化学セルは、開回路において、電極の電気化学ポテンシャルにおける差異の結果としての理論的電圧に等しいかまたはそれより低い電圧を発生させてもよい。 An electrochemical cell as disclosed herein may generate a voltage in open circuit equal to or lower than the theoretical voltage as a result of differences in the electrochemical potential of the electrodes.
本明細書に開示されているような電気化学セルは、電解質中の作動イオンを、開回路においてアノード上にめっきさせるのに十分なほど大きい自己電圧を有してもよい。さらに、この自己充電によって送達される電力は、赤色LEDを1年超にわたって点灯させるのに十分であり得る。 An electrochemical cell as disclosed herein may have a self-voltage that is large enough to cause working ions in the electrolyte to be plated on the anode in an open circuit. Furthermore, the power delivered by this self-charging may be sufficient to light the red LED for over a year.
本明細書に開示されているような電気化学セルは、一定のIconまたはVconに供された場合、いずれかの電極集電体上へのイオンのめっきを呈してもよい。対電極により再供給されることのない、電解質からの作動カチオンのめっきは、測定電流Imeおよび測定電圧Vmeの自己サイクリング構成要素をもたらし得る。 An electrochemical cell as disclosed herein may exhibit ion plating on either electrode current collector when subjected to a constant I con or V con . Plating of working cations from the electrolyte without being resupplied by the counter electrode can result in a self-cycling component of the measured current I me and measured voltage V me .
以下では、制御電流Icmが、ポテンショスタットにおける負荷によって制御される、2つの電極間での電位差によって特定される電流である一方で、測定電流Imeは、ポテンショスタットによって特定された電流および自己充電の結果として生じる電流を含む、実際に測定された電流である。自己充電の結果として生じる電流は、放電の際のIconと同方向であっても、反対方向であってもよい。本発明者らが放電電流および電圧、または充電電流および電圧のどちらを指しているかを特定するために、下付きのdisおよびchを添える。 In the following, the control current I cm is the current specified by the potential difference between the two electrodes controlled by the load in the potentiostat, while the measured current I me is the current specified by the potentiostat and the self Actual measured current, including current resulting from charging. The current generated as a result of self-charging may be in the same direction as I con during discharge or in the opposite direction. In order to specify whether the present inventors indicate discharge current and voltage or charging current and voltage, subscripts “dis” and “ch” are attached.
本明細書に開示されているような電気化学セルは、所与のサイクル期間において、自己サイクリングを呈してもよい。自己充電に起因して、自己サイクリングの期間は、充電/放電期間から独立している。 An electrochemical cell as disclosed herein may exhibit self-cycling during a given cycle period. Due to self-charging, the period of self-cycling is independent of the charge / discharge period.
本明細書に記載されているような電気化学セルの測定電流Imeは、直流構成要素および交流構成要素の両方を含んでいる。一部の用途では、交流部分のみが、例えば信号伝達において使用され得る。交流期間は、数分から数日の間の期間を有し得る、自己サイクリング期間である。 The measured current I me of an electrochemical cell as described herein includes both a direct current component and an alternating current component. In some applications, only the AC portion can be used, for example, in signal transmission. The AC period is a self-cycling period that can have a period between minutes and days.
本明細書に開示されているような電気化学セルが動作し得る原理は、図1を参照することによって、よりよく理解され、図1には、サイクリング前の電気化学セル100を例示する図1A、自己充電中の電気化学セル100を例示する図1B、および放電中の電気化学セル100を例示する図1Cが含まれる。 The principles by which an electrochemical cell as disclosed herein may operate will be better understood by referring to FIG. 1, which illustrates FIG. 1A illustrating an electrochemical cell 100 prior to cycling. 1B illustrating the electrochemical cell 100 during self-charging and FIG. 1C illustrating the electrochemical cell 100 during discharging.
図1A、図1B、および図1Cでは、電気化学セル100は、接点15を有するアノード10、接点25を有するカソード20、および固体アルカリ金属イオンガラス電解質30を含んでいる。電解質30中の過剰な作動イオンは、+丸によって表される。電解質30中の作動イオンの枯渇は、−丸によって表される。電解質30中の電気双極子は、+/−の楕円によって表される。電極内の電子電荷は、+丸および−丸によって表される。図1Bおよび図1Cでは、丸に付けられた矢印は、電解質中の過剰な可動性カチオンまたは可動性カチオンの不足、電極中の電子と関連付けられる、電荷の運動の方向を表している。 In FIGS. 1A, 1B, and 1C, the electrochemical cell 100 includes an anode 10 having a contact 15, a cathode 20 having a contact 25, and a solid alkali metal ion glass electrolyte 30. Excess working ions in the electrolyte 30 are represented by + circles. The depletion of working ions in the electrolyte 30 is represented by -circles. Electric dipoles in the electrolyte 30 are represented by +/− ellipses. The electronic charge in the electrode is represented by + and − circles. In FIGS. 1B and 1C, the circled arrows represent the direction of charge movement associated with excess mobile cations or lack of mobile cations in the electrolyte, electrons in the electrode.
図1Aは、開回路における電気化学セル100を概略的に例示している。アノード10の化学ポテンシャル(μA)は、カソード20の化学ポテンシャル(μC)よりも高い。アノード化学ポテンシャルとカソード化学ポテンシャルとの間のエネルギーの釣り合いをとるために、電極と電解質との間の界面において、電気二重層キャパシタ40aおよび40bが形成される。これらの電気二重層キャパシタ40aおよび40bを形成するためのエネルギーは、アノード10およびカソード20の化学ポテンシャルにおける差異によって供給される。 FIG. 1A schematically illustrates an electrochemical cell 100 in an open circuit. The chemical potential (μ A ) of the anode 10 is higher than the chemical potential (μ C ) of the cathode 20. In order to balance the energy between the anode chemical potential and the cathode chemical potential, electric double layer capacitors 40a and 40b are formed at the interface between the electrode and the electrolyte. The energy for forming these electric double layer capacitors 40a and 40b is supplied by the difference in the chemical potential of anode 10 and cathode 20.
1つのこのような電気化学セル100は、アルカリ金属アノード10およびCuカソード20を、固体ガラス電解質30中のアルカリ金属作動イオン(A+)とともに有してもよい。 One such electrochemical cell 100 may have an alkali metal anode 10 and a Cu cathode 20 with alkali metal working ions (A + ) in the solid glass electrolyte 30.
固体ガラス電解質30中の作動イオン(A+)および電気双極子の転置によって、電気二重層キャパシタ40aおよび40bの形成が可能となる。図1Aに例示されているように、開回路では、アノード10(これは電気化学セル100の負端子である)および電解質30の界面における電気二重層キャパシタ40aは、電解質30中に過剰な作動イオン(+として表される)を有し、これは、電解質30中の該作動イオンの、そのアノード側へと向かう移動に起因する。アノード10の界面における部分は、過剰な負の電子電荷(−として表される)を有することになり、互いから分離されているアノード(1)と電解質30との間の界面の電解質側に、補償的である過剰な正のカチオン電荷を伴う。 The transposition of working ions (A + ) and electric dipoles in the solid glass electrolyte 30 allows the formation of electric double layer capacitors 40a and 40b. As illustrated in FIG. 1A, in an open circuit, the electric double layer capacitor 40 a at the interface of the anode 10 (which is the negative terminal of the electrochemical cell 100) and the electrolyte 30 causes excess working ions in the electrolyte 30. (Represented as +) due to the movement of the working ions in the electrolyte 30 towards its anode side. The portion at the interface of the anode 10 will have an excessive negative electronic charge (denoted as-) and on the electrolyte side of the interface between the anode (1) and the electrolyte 30 separated from each other, With an excess of positive cationic charge that is compensatory.
カソード20(これは電気化学セル100の正端子である)および電解質30の界面における電気二重層キャパシタ40bは、電解質30中の作動カチオンの枯渇(−として表される)を有し、これは、電解質30中の作動イオンの、そのアノード側へと向かい、かつそのカソード側から離れる移動に起因する。カソード20の界面における部分は、電解質30との界面から離れたカソード20において、補償的である過剰な正の電子電荷(+として表される)を有する。 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 has a depletion of working cations in the electrolyte 30 (represented as −), This is due to the movement of working ions in the electrolyte 30 toward the anode side and away from the cathode side. The portion at the cathode 20 interface has an excess of positive electronic charge (denoted as +) that is compensatory at the cathode 20 away from the interface with the electrolyte 30.
電解質30は、上に記載されているように電荷が異なる電極との界面において以外では、中性の正味電荷を有する。 The electrolyte 30 has a neutral net charge except at the interface with the electrodes having different charges as described above.
電解質30中の作動イオンの移動ならびに結果として起こる、電気二重層キャパシタ40aおよび40bの形成は、電気化学セル100が一旦組み立てられると、かなり迅速に起こる。 The movement of working ions in the electrolyte 30 and the resulting formation of the electric double layer capacitors 40a and 40b occurs fairly quickly once the electrochemical cell 100 is assembled.
電解質30中の作動イオンおよび結果として起こる電場の、2つの電極の電気化学ポテンシャルにおける差異を平衡化する方向への移動に起因して、固体ガラス電解質中の電気双極子は、図1Aにおいて+および−の表示によって例示されているように、それら自体を、それらの負端を電解質30とアノード10との間の界面に向け、かつそれらの正端を電解質30とカソード20との間の界面に向けて配向させる傾向にある。 Due to the movement of the working ions in the electrolyte 30 and the resulting electric field in a direction that balances the difference in the electrochemical potential of the two electrodes, the electric dipole in the solid glass electrolyte becomes + and in FIG. As illustrated by the-sign, they themselves face their negative ends towards the interface between the electrolyte 30 and the anode 10 and their positive ends towards the interface between the electrolyte 30 and the cathode 20. It tends to be oriented.
この電気双極子の整列およびそれらの並進運動は、瞬時に起こるものではなく、電気二重層キャパシタ40aおよび40bの形成よりも相当に緩徐なプロセスである。結果として、経時的に測定した開回路電圧(Voc(t))は、整列および双極子の並進が起こるにつれて進展する。このVoc(t)の進展は、図2の概略図に示されているような等価回路を使用することでモデル化することができる。図1Aの概略図は、固体ガラス電解質30中の前記双極子aがすべて整列および転置されている、仮定上の電気化学セル100を表している。実際には、完全な整列および転置が達成される可能性は低く、双極子の並進および整列は、Voc(t)が進展するにつれて増加する。双極子の整列の増大はまた、電解質30を横断する電場も強化し、さらなる双極子の整列および移動を促進する。所与の電気化学セル100における最大限の整列および運動は、Vocが経時的な一貫した方向への変化をやめた場合に、または、例えば温度に依存して、整列のための少なくとも1分間もしくは少なくとも5分間、および移動のための数日間もしくは数分間など、所与の期間の間に起こっていたと推測することができる。 The alignment of the electric dipoles and their translational movements are not instantaneous and are a much slower process than the formation of the electric double layer capacitors 40a and 40b. As a result, the open circuit voltage (Voc (t)) measured over time progresses as alignment and dipole translation occur. This evolution of Voc (t) can be modeled by using an equivalent circuit as shown in the schematic diagram of FIG. The schematic of FIG. 1A represents a hypothetical electrochemical cell 100 in which all the dipoles a in the solid glass electrolyte 30 are aligned and transposed. In practice, complete alignment and transposition is unlikely to be achieved, and dipole translation and alignment increase as Voc (t) progresses. Increasing dipole alignment also enhances the electric field across electrolyte 30 and facilitates further dipole alignment and movement. Maximum alignment and movement in a given electrochemical cell 100 is at least 1 minute for alignment when V oc ceases to change in a consistent direction over time or, for example, depending on temperature or It can be inferred that it occurred during a given period, such as at least 5 minutes and several days or minutes for the transfer.
一部の事例では、電解質30における双極子の整列および運動によって作り出される追加的な電場は、電気化学セル100が開回路である場合、アノード10上への作動イオンのめっきを促進するのにさえ十分であり得る。最終的には、電解質30がこのめっきプロセスの結果として発生させる正味負電荷は、電場によって克服され得ないほどに十分に高くなり、アノード10上へのめっきは終わることになる。 In some cases, the additional electric field created by the alignment and movement of the dipoles in the electrolyte 30 even promotes plating of working ions on the anode 10 when the electrochemical cell 100 is open circuit. May be sufficient. Eventually, the net negative charge that electrolyte 30 generates as a result of this plating process will be high enough that it cannot be overcome by an electric field, and plating on anode 10 will end.
図1Bは、例えば外部回路を接点15および25に接続することによって、電気化学セルの回路が最初に閉鎖された場合の電気化学セル100を例示している。外部回路は、ある臨界電流Ic未満であってもよい充電制御電流Iconを課すポテンショスタットを含む。臨界電流は、図1Bに示されているような自己充電現象が依然として存在している場合の最大のIcon−disである。回路が閉鎖された場合、電気二重層キャパシタ40aおよび40bに、ならびに電解質30中の整列した双極子によって貯蔵されていたエネルギーが、充電電流Ichを導く。この現象が、電気化学セル100を自己充電する。 FIG. 1B illustrates the electrochemical cell 100 when the circuit of the electrochemical cell is first closed, for example by connecting external circuitry to the contacts 15 and 25. The external circuit includes a potentiostat that imposes a charge control current I con that may be less than some critical current I c . The critical current is the maximum I con-dis when the self-charging phenomenon still exists as shown in FIG. 1B. When the circuit is closed, the energy stored in the electric double layer capacitors 40a and 40b and by the aligned dipoles in the electrolyte 30 leads to the charging current Ich . This phenomenon causes the electrochemical cell 100 to self-charge.
自己充電中、放電制御電流Iconが印加されている間、一部の電子はカソード20からアノード10へと輸送され、そこで、その電子が、還元されたアノード10との界面付近の、電解質30中の過剰な作動イオンを還元して、次いでアノード10上にめっきして、めっきされた金属50を形成する。 During self-charging, while the discharge control current I con is applied, some electrons are transported from the cathode 20 to the anode 10 where they are near the interface with the reduced anode 10. Excess working ions therein are reduced and then plated onto anode 10 to form plated metal 50.
カソード20は作動イオンを欠いており、それゆえに、電解質30から作動イオンを枯渇させて、めっきされた金属50を形成するので、カソード20は、作動イオンを再供給することができない。したがって、アノード10との界面における電解質30はますます負に帯電し、最終的に、作動イオンがもはや、めっきされた金属50としてアノード10上にめっきされなくなり、作動イオンが剥がされて電解質へと戻り始めるポイントに到達する。 Cathode 20 is devoid of working ions and, therefore, depletes working ions from electrolyte 30 to form plated metal 50 so that cathode 20 cannot resupply working ions. Thus, the electrolyte 30 at the interface with the anode 10 becomes more and more 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 into the electrolyte. Reach the starting point.
あるいは、めっきされた金属が非常に厚くなるため、電極の化学ポテンシャルが、集電体10の化学ポテンシャルではなく、めっきされた金属の化学ポテンシャルとなり、これによって、電解質から作動カチオンを金属50としてめっきすることがより困難となり、その結果、めっきプロセスを終結させる場合もある。どちらの場合でも、作動イオンのアノード10へのめっきが減少するにつれ、測定充電電流Ime−chは減少する。 Alternatively, because the plated metal is very thick, the electrode chemical potential is not the chemical potential of the current collector 10 but the plated metal chemical potential, thereby plating the working cation as metal 50 from the electrolyte. It may be more difficult to do so and may terminate the plating process. In either case, the measured charging current I me-ch decreases as the working ion plating on the anode 10 decreases.
加えて、充電電流Ichによってカソードから除去された初期電子が、電気二重層キャパシタ40bを保持し、結果として、カソード20へと向かう方向70に前記双極子を移動させる。しかしながら、電解質30中の作動イオンは、カソード20へと向かって移動しない。 In addition, the initial electrons that are removed from the cathode by the charging current I ch, holds the electric double layer capacitor 40b, as a result, moving the dipoles in the direction 70 towards the cathode 20. However, the working ions in the electrolyte 30 do not move toward the cathode 20.
最終的に、アノード10付近における電解質30からの作動イオンの枯渇は、放電相において、めっきされた金属50から電解質30へと戻るそれの剥離を誘導し、Ime−chはさらに減少し、電気二重層キャパシタ40aおよび40bが復元される(図示せず)。最終的に、電気二重層キャパシタに貯蔵されるエネルギーが十分に高いので、めっきされた金属50からの作動イオンのさらなる剥離が、十分な追加的なエネルギーをなおも発生させるのに寄与することができず、作動イオンのアノード10上へのめっきされた金属50としてのめっきが再び始まり、Ime−chを増加させる。 Finally, depletion of working ions from the electrolyte 30 near the anode 10 induces its delamination back from the plated metal 50 back to the electrolyte 30 in the discharge phase, further reducing I me-ch and Double layer capacitors 40a and 40b are restored (not shown). Finally, since the energy stored in the electric double layer capacitor is sufficiently high, further delamination of working ions from the plated metal 50 can still contribute to generating sufficient additional energy. Otherwise, plating of working ions onto the anode 10 as plated metal 50 begins again, increasing I me-ch .
上記説明はめっきおよび剥離について、常に一方が起きている簡易化した様式で提示したが、実際の電気化学セル100においては、典型的には、各サイクルの少なくとも一部の間に、めっきおよび剥離の両方が同時に起こるが、一方のプロセスが優勢であり、その結果、最終的なめっきまたは最終的な剥離が存在する。 Although the above description has been presented in a simplified manner where plating and stripping always occur, in an actual electrochemical cell 100, plating and stripping typically occurs during at least a portion of each cycle. Both occur at the same time, but one process is dominant, so that there is final plating or final stripping.
アノード10上のめっきされた金属50に由来する、作動イオンの最終的なめっきと最終的な剥離との間でのこの変化は、電圧(V)の同時のサイクリングを伴う、電気化学セル100の自己サイクリングをもたらす。この自己サイクリングは、所与のサイクル期間で起こり、これは、サイクリングが継続する限り、一定のままである傾向にある。サイクル期間は、電子の速度対カチオンおよび双極子の並進運動速度における差異に依存する。 This change between the final plating and final stripping of the working ions, derived from the plated metal 50 on the anode 10, of the electrochemical cell 100 with simultaneous cycling of voltage (V). Bring self cycling. This self-cycling occurs in a given cycle period, which tends to remain constant as long as cycling continues. The cycle duration depends on the difference in electron velocity versus the translational velocity of the cation and dipole.
IconがIc未満である、図1Bの電気化学セルなどの電気化学セル100では、サイクル期間は、1分間から10分間の間のおよそ数分間であり得る。 In an electrochemical cell 100, such as the electrochemical cell of FIG. 1B, where I con is less than I c , the cycle period can be approximately a few minutes between 1 minute and 10 minutes.
図1Cは、発光ダイオード(LED)を含んでもよいような、低負荷外部回路の場合と同様の、臨界電流Icを超える制御電流Iconを課すポテンショスタットを含む外部回路を通じた放電中の電気化学セル100を例示している。図1Bの電気化学セルの場合と同様に、回路が一旦閉鎖されると、エネルギーが、電気二重層キャパシタ40aおよび40bに、ならびに電解質30中の整列した双極子によって貯蔵される。 FIG. 1C shows the electricity during discharge through an external circuit including a potentiostat that imposes a control current I con that exceeds the critical current I c , as in a low load external circuit, which may include a light emitting diode (LED). A chemical cell 100 is illustrated. As with the electrochemical cell of FIG. 1B, once the circuit is closed, energy is stored in the electric double layer capacitors 40a and 40b and by the aligned dipoles in the electrolyte 30.
放電中、電流Idisは、Iconによって作り出されており、またそれによって制御され得る。外部回路の負荷は、電子がアノード10からカソード20へと流れて、電解質30からカソード20へと作動イオンを引き寄せるのに十分なほど低く、ここで、それらは電子と合わさり、カソード20上にめっきされた金属60を形成する。アノード10からカソード20への電子の伝達は、電気二重層キャパシタ40aおよび40bの両方を低減するが、それは主として、電解質−カソード界面において、電気二重層キャパシタ40bを低減する。これにより、電解質30を横断する電場が低下し、作動イオンがカソード20上にめっきされることを可能にする。電気二重層キャパシタ40bを枯渇させるが、典型的には、電解質30中の上記双極子の大部分が、電気化学セル100が開回路である場合と同じように配向されたままである限り、それが破壊されることはない。しかしながら、電解質30中の上記双極子は、方向80に圧縮される。 During discharge, the current I dis is produced by I con and can be controlled thereby. The load on the external circuit is low enough that electrons flow from the anode 10 to the cathode 20 and attract working ions from the electrolyte 30 to the cathode 20, where they combine with the electrons and are plated onto the cathode 20. The formed metal 60 is formed. The transfer of electrons from the anode 10 to the cathode 20 reduces both the electric double layer capacitors 40a and 40b, but it reduces the electric double layer capacitor 40b primarily at the electrolyte-cathode interface. This reduces the electric field across the electrolyte 30 and allows working ions to be plated on the cathode 20. Although the electric double layer capacitor 40b is depleted, typically, as long as most of the dipoles in the electrolyte 30 remain oriented as if the electrochemical cell 100 was open circuit, It will not be destroyed. However, the dipole in the electrolyte 30 is compressed in the direction 80.
アノード10は作動イオンを実質的に欠いており、それゆえに、電解質30から作動イオンを枯渇させて、めっきされた金属60を形成するので、アノード10は、作動イオンを再供給することができない。加えて、作動イオンおよび電気双極子よりも遥かに速く起こる電子伝達によって作り出される、電解質30の内部電場における変化は、それらを再分配し、整列させて収容することができる。したがって、カソード20との界面における電解質30は、ますます負に帯電することになり、最終的には、作動イオンがまためっきされた金属60から剥がされ、電解質30へと戻るポイントに到達し、結果として測定放電電流Imeがもたらされ、この測定放電電流は、めっきおよび剥離が平衡となるまでにそれがImeの最小値に到達するまで、ますますより低くなる。 Since anode 10 is substantially devoid of working ions and therefore depletes working ions from electrolyte 30 to form plated metal 60, anode 10 cannot resupply working ions. In addition, changes in the internal electric field of the electrolyte 30 created by electron transfer that occurs much faster than working ions and electric dipoles can redistribute them and accommodate them in alignment. Thus, the electrolyte 30 at the interface with the cathode 20 will become increasingly negatively charged, eventually reaching a point where the working ions will also be stripped from the plated metal 60 and back to the electrolyte 30; The result is a measured discharge current I me , which is increasingly lower until it reaches the minimum value of I me before the plating and stripping are in equilibrium.
あるいは、一部の電気化学セル100では、めっきされた金属60が最終的に非常に厚くなる場合があり、電解質30がカソード20から効果的に遮られ、電解質30中の作動イオンが実質的にすべて、アノード10と比較して、化学ポテンシャルにおける差異のみに基づいてまたは電解質30中の任意の残っている電場と組み合わされた化学ポテンシャルにおける差異に基づいて追加のめっきを引き起こすのに十分な化学ポテンシャルにおける差異を有していないめっきされた金属60に曝露される。そのような場合、もはや作動イオンを、めっきされた金属60としてカソード20にめっきすることができない。 Alternatively, in some electrochemical cells 100, the plated metal 60 may eventually become very thick, effectively blocking the electrolyte 30 from the cathode 20 and substantially reducing the working ions in the electrolyte 30. All, compared to the anode 10, sufficient chemical potential to cause additional plating based solely on the difference in chemical potential or based on the difference in chemical potential combined with any remaining electric field in the electrolyte 30. Exposed to plated metal 60 that has no difference in. In such cases, working ions can no longer be plated onto the cathode 20 as the plated metal 60.
Imeは、作動イオンがめっきされた金属60となるにつれて増加する。Imeが最大に達すると、プロセスは逆転し、作動イオンは再びカソード20上に金属板60としてめっきされる。 I me increases as the working ions become plated metal 60. When I me reaches a maximum, the process is reversed and the working ions are again plated onto the cathode 20 as a metal plate 60.
カソード20上のめっきされた金属60に由来する、作動イオンのめっきと剥離との間でのこの変化は、電圧およびImeの同時のサイクリングを伴う、電気化学セル100の自己サイクリングをもたらす。この自己サイクリングは、所与のサイクル期間で起こり、これは、サイクリングが継続する限り、一定のままである傾向にある。サイクル期間は、放電中の、電解質30中の上記双極子の方向80への圧縮速度、および充電中のそれらの拡張に左右される。典型的には、最大に向かうImeの増加は、最小に向うそれの減少よりも速い。 This change between working ion plating and stripping from the plated metal 60 on the cathode 20 results in self-cycling of the electrochemical cell 100 with simultaneous cycling of voltage and I me . This self-cycling occurs in a given cycle period, which tends to remain constant as long as cycling continues. The cycle period depends on the rate of compression of the dipole in the electrolyte 30 in the direction 80 during discharge and their expansion during charging. Typically, an increase in I me toward the maximum is faster than a decrease in it toward the minimum.
IconがIcを超える、図1Cの電気化学セルなどの電気化学セル100では、期間はおよそ数日間、例えば1日および7日間であり得る。 In an electrochemical cell 100, such as the electrochemical cell of FIG. 1C, where I con exceeds I c , the duration can be approximately several days, such as 1 day and 7 days.
電子は、LEDを通って一方向にしか通過することができない。したがって、電気化学セル100を実際に使用する場合、電解質30を横断する電場が電気双極子の配向を逆転させ、次いでこれが負荷を通って流れる電流のスイッチを切るまで、アノード10はますます正に帯電し、カソード20はますます負に帯電する。Imeが小さい電気化学セルの場合、これが起こるのに必要とされる時間は非常に長い場合があり、1年を超える場合すらある。したがって、電気デバイスは、その長さの時間にわたって、外部エネルギーの入力を伴わずに電気化学セル100によって動力を供給され得る。 Electrons can only pass through the LED in one direction. Thus, in actual use of the electrochemical cell 100, the anode 10 becomes increasingly positive until the electric field across the electrolyte 30 reverses the orientation of the electric dipole and then switches off the current flowing through the load. Charged, the cathode 20 becomes increasingly negatively charged. For electrochemical cells with low I me, the time required for this to occur can be very long, even over a year. Thus, the electrical device can be powered by the electrochemical cell 100 for that length of time without the input of external energy.
両方の電極がセルの組み立てより前には作動イオンを実質的に欠いている電気化学セル100では、外部充電電流Ichが、大きい電気二重層キャパシタ40aおよび40bを作り出してもよく、これによって、電解質30からアノード10上に作動イオンをめっきすることができる。これは、そのようなめっきが、従来の再充電可能な電気化学セルの充電中に起こるためである。しかしながら、カソード20からの再供給を伴わない、電解質30からの作動イオンの枯渇は、そのような再供給が起こる従来の再充電可能な電気化学セルとは対照的に、アノード10付近での電解質30中の負電荷が増加するので、アノード10上へのさらなるめっきに対する抵抗の増加を引き起こす。加えて、集電体における電子の運動よりも緩徐である、電解質中の分子および原子の収容による、電解質30を横断する電場における変化が、自己充電および自己サイクリングの速度を変化させる。したがって、上の図1Bの電気化学セルの場合と同様に、アノード10からの作動イオンの剥離がまた起こる。最終的に、ある一定の制御外部充電電流Icon−chにおいて、アノード10における作動イオンのめっきと剥離との間の平衡に達する。 In the electrochemical cell 100 both electrodes before the assembly of the cell lacks actuating ions substantially external charging current I ch is, it may produce a large electric double layer capacitor 40a and 40b, thereby, Working ions can be plated from the electrolyte 30 onto the anode 10. This is because such plating occurs during charging of conventional rechargeable electrochemical cells. However, depletion of working ions from the electrolyte 30 without resupply from the cathode 20, in contrast to conventional rechargeable electrochemical cells where such resupply occurs, electrolyte near the anode 10. As the negative charge in 30 increases, it causes an increase in resistance to further plating on the anode 10. In addition, changes in the electric field across the electrolyte 30 due to the inclusion of molecules and atoms in the electrolyte, which is slower than the movement of electrons in the current collector, changes the rate of self-charging and self-cycling. Thus, as with the electrochemical cell of FIG. 1B above, delamination of working ions from the anode 10 also occurs. Eventually, an equilibrium between working ion plating and stripping at the anode 10 is reached at a certain controlled external charging current I con-ch .
このような電気化学セルでは、測定充電電流Ime−chは、上記一定の制御外部充電電流Icon−chよりも大きい。これは、作動イオンがめっきされるおよび剥がされるのに加えて、電気二重層キャパシタ40aおよび40bが充電されるためである。加えて、測定充電電圧Vme−chおよび測定充電電流Ime−chの大きさは、めっきおよび剥離が交互に起こることにより、経時的に周期的に変化する。 In such an electrochemical cell, the measured charging current I me-ch is larger than the constant control external charging current I con-ch . This is because the electric double layer capacitors 40a and 40b are charged in addition to the working ions being plated and stripped. In addition, the magnitudes of the measured charging voltage V me-ch and the measured charging current I me-ch change periodically with time due to alternating plating and peeling.
このようなセルでは、作動イオンがアノード10から剥がされ、そしてアノード10にめっきされている間、Ime−chの平均は、Icon−chに等しいまたはそれより大きい場合がある。アノード10におけるめっき/および剥離が継続している場合、アノード10付近の電気二重層キャパシタ40aもまた充電されている。最終的に、電気二重層キャパシタ40aは、アノード側の負電荷が、アノード10に電子が戻るのを遮断するのに十分なほど充電され、それによって、アノード10からの作動イオンのさらなる剥離を防止する。この点で、継続的な充電は、電気二重層キャパシタ40aのみを充電することができる。結果として、電圧の自己サイクリングが停止し、電圧は、Icon−chに依存する速度で、時間とともに直線的に増加する。 In such a cell, the average of I me-ch may be equal to or greater than I con-ch while working ions are stripped from the anode 10 and plated onto the anode 10. When plating / and peeling at the anode 10 continues, the electric double layer capacitor 40a near the anode 10 is also charged. Eventually, the electric double layer capacitor 40a is charged enough that the negative charge on the anode side blocks electrons from returning to the anode 10, thereby preventing further detachment of the working ions from the anode 10. To do. In this respect, continuous charging can charge only the electric double layer capacitor 40a. As a result, voltage self-cycling stops and the voltage increases linearly with time at a rate that depends on I con-ch .
ある変形形態では、外部充電電流が印加される前に、カソード20上に作動イオンがめっきされていた場合、測定放電電流Ime−disは、作動イオンがカソード20から実質的に剥がされるまで、自己サイクルを繰り返す。しかしながら、測定放電電圧Vmeはサイクルを繰り返さない。 In one variation, if the working ions were plated on the cathode 20 before the external charging current was applied, the measured discharge current I me-dis is determined until the working ions are substantially stripped from the cathode 20. Repeat self cycle. However, the measured discharge voltage V me does not repeat the cycle.
図2では、対カチオンからの電解質への再供給を伴わない、電解質からの作動カチオンのめっきによって電解質30中に導入された負電荷の役割を表すために、インダクタンスが等価回路に導入されている。図2では、Cは、40aおよび40bのEDLCの直列の集合の静電容量を表し、RLは、めっき抵抗を表し、
本開示の電気化学セルは、電池において使用することができる。そのような電池は、電気化学セル以外のわずかな構成要素、およびケーシングまたは他の特色を含んでいる、単純な電池であってもよい。そのような電池は、コインセル、標準的ジェリーロール、パウチ、または角柱セルフォーマットなどの標準的電池フォーマットであってもよい。それらはまた、適合した角柱セルなどの、より適合したフォーマットであってもよい。 The electrochemical cells of the present disclosure can be used in batteries. Such a battery may be a simple battery that includes few components other than electrochemical cells, and a casing or other features. Such batteries may be standard battery formats such as coin cell, standard jelly roll, pouch, or prismatic cell formats. They may also be in a more adapted format, such as a fitted prismatic cell.
本開示の電気化学セルはまた、複雑な回路を含んでいる電池などのより複雑な電池、ならびにプロセッサおよびメモリコンピュータ実装モニタリングおよび規制において使用することもできる。 The electrochemical cells of the present disclosure can also be used in more complex batteries, such as batteries containing complex circuits, and in processor and memory computer-implemented monitoring and regulation.
単純さ、複雑さ、またはフォーマットにかかわらず、本開示の電気化学セルを使用するすべての電池は、改善された安全性、特に、有機液体電解質を有する電池と比較すると、損傷を受けた場合に火が付く傾向がより低いことを呈し得る。 Regardless of simplicity, complexity, or format, all batteries that use the electrochemical cells of the present disclosure have improved safety, especially when damaged when compared to batteries with organic liquid electrolytes. It may present a lower tendency to catch fire.
電池は、本明細書に開示されているような単一の電気化学セルを含んでいてもよく、また、2つもしくはそれより多数のそのようなセル(これらは直列で接続されていてもよく、並列で接続されていてもよい)を含んでいてもよい。 A battery may include a single electrochemical cell as disclosed herein, and two or more such cells (these may be connected in series). , May be connected in parallel).
本明細書に開示されているような電気化学セルおよびそれらを含んでいる電池は、再充電可能であってもよい。 Electrochemical cells as disclosed herein and batteries containing them may be rechargeable.
本開示の電気化学セルはまた、電気二重層キャパシタを利用するデバイス、例えばキャパシタなどにおいて使用することもできる。本開示の電気化学セルはまた、サイクル期間、特にAC期間を利用するデバイス、例えば信号デバイスなどにおいて使用することもできる。 The electrochemical cells of the present disclosure can also be used in devices that utilize electric double layer capacitors, such as capacitors. The electrochemical cells of the present disclosure can also be used in devices that utilize cycle periods, particularly AC periods, such as signaling devices.
例として、本開示の電気化学セルは、電場効果トランジスタの強誘電体ゲートとして;携帯式の手持ち型および/または着用可能な電子デバイス、例えば電話、時計、またはラップトップコンピュータなどにおいて;設置型電子デバイス、例えばデスクトップまたはメインフレームコンピュータなどにおいて;電動工具、例えばパワードリルなどにおいて;電気またはハイブリッドの航空機、陸上車両または水の乗り物、例えばボート、潜水艦、バス、電車、トラック、車、オートバイ、エンジン付き自転車、動力付き自転車、飛行機、ドローン、他の飛行する乗り物、およびそれらの玩具バージョンにおいて;他の玩具のために;エネルギー貯蔵のために、例えば風、太陽、水力、波、もしくは核エネルギーに由来する電気の貯蔵において、および/または家庭、ビジネス、もしくは病院のためなどの小規模の使用のための、グリッド貯蔵においてもしくは設置型電力貯蔵として;センサ、例えば携帯式医療用または環境センサのために;低周波電磁波を生成するため、例えば水中通信などのために;スーパーキャパシタまたは同軸ケーブルなどにおけるキャパシタとして;あるいはトランスデューサとして、使用することができる。 By way of example, the electrochemical cell of the present disclosure can be used as a ferroelectric gate of a field effect transistor; in a portable handheld and / or wearable electronic device, such as a phone, watch, or laptop computer; In devices such as desktop or mainframe computers; in power tools such as power drills; electric or hybrid aircraft, land vehicles or water vehicles such as boats, submarines, buses, trains, trucks, cars, motorcycles, engines In bicycles, powered bicycles, airplanes, drones, other flying vehicles, and their toy versions; for other toys; for energy storage, eg derived from wind, sun, hydropower, waves, or nuclear energy In the storage of electricity And / or for small-scale use, such as for homes, businesses, or hospitals, in grid storage or as stationary power storage; for sensors, eg portable medical or environmental sensors; For example, for underwater communication; as a capacitor in a supercapacitor or coaxial cable; or as a transducer.
以下の実施例は、本発明の原理および具体的な態様をさらに例示するために提供されるものである。それらは、本発明のすべての態様の範囲全体を包括することを意図するものではなく、そのように解釈されるべきではない。 The following examples are provided to further illustrate the principles and specific embodiments of the present invention. They are not intended to be exhaustive of the full scope of all embodiments of the invention and should not be construed as such.
(実施例1)
電気化学セルにおけるIcon<Ic
Example 1
I con <I c in electrochemical cell
図3は、Al−Cアノード、S−C−Cuカソード、および10重量%Li2Sを含有しているLi+固体ガラス電解質を有する電気化学セル(Al−C/Li+ガラス/S−C−Cuセル)の自己充電および自己サイクリングを実証する実験の結果を提示している。 FIG. 3 shows an electrochemical cell (Al—C / Li + glass / S—C— with an Al—C anode, an S—C—Cu cathode, and a Li + solid glass electrolyte containing 10 wt% Li 2 S. The results of experiments demonstrating self-charging and self-cycling of Cu cells) are presented.
Alアノードは、Liガラス電解質と接触する炭素層(Al−C)を有した。カソードは、Liガラス電解質と接触する、硫黄リレーを含有している炭素層を伴うCu集電体であった。 The Al anode had a carbon layer (Al-C) in contact with the Li glass electrolyte. The cathode was a Cu current collector with a carbon layer containing a sulfur relay in contact with the Li glass electrolyte.
図3Aでは、電気化学セルの測定電圧対時間によって、6時間26分後の、25分間の0.5mAの充電、その後の電気二重層キャパシタの急激な放電が示された。一定のIconでの電圧は、電気二重層キャパシタが再充電されていたため、次の8時間22分の間ほとんど増加せず、その後、次の35時間29分にわたって小振幅ノイズを伴いながら2.4Vに増加した。2.4Vの測定電圧Vmeが、アノード上へのリチウム金属Li0の自己充電めっきの最大電圧であった。電圧増加速度における小休止が、Vmeが2.2Vとなったとき、振動が始まる前に起こった。(μA−μC)/eに対する理論的Vmeは、2.2Vであった。Al−Cアノード上のめっきされたLi0の厚さが一旦臨界厚さに到達すると、Li0のめっき/剥離は、μA(Li)−μC(Cu)におけるめっきと、μA(Al)−μC(Cu)におけるめっきとの間で振動した。 In FIG. 3A, the measured voltage versus time of the electrochemical cell showed a 0.5 mA charge for 25 minutes after 6 hours and 26 minutes, followed by a rapid discharge of the electric double layer capacitor. The voltage at a constant I con hardly increased during the next 8 hours 22 minutes because the electric double layer capacitor had been recharged, and then with a small amplitude noise over the next 35 hours 29 minutes. Increased to 4V. The measured voltage V me of 2.4 V was the maximum voltage for self-charging plating of lithium metal Li 0 onto the anode. A brief pause at the rate of voltage increase occurred before the oscillation began when V me was 2.2V. The theoretical V me for (μ A −μ C ) / e was 2.2V. Once the plated Li 0 thickness on the Al—C anode reaches a critical thickness, Li 0 plating / peeling is performed by plating in μ A (Li) -μ C (Cu) and μ A (Al Oscillated between plating in) -μ C (Cu).
図3Bは、図3Aの測定における[μA(Li)−μC(Cu)]/eと[μA(Al)−μC(Cu)]/eとの間の自己サイクリングの開始の拡大画像を示しており、振動をよりはっきりと見ることができる。 FIG. 3B shows the onset of self-cycling between [μ A (Li) −μ C (Cu)] / e and [μ A (Al) −μ C (Cu)] / e in the measurement of FIG. 3A. The image is shown and the vibration can be seen more clearly.
図3Cは、25分間のCo2mAの初充電後の、一定のIconでの第2のサイクルにおける図3AのセルのVmeを示している。自己充電中、電気二重層キャパシタの充電後に、ガラス電解質からのLi+がAlアノード上にめっきされ、Li+作動イオンは、Cuカソードから電解質に再供給されなかった。Vmeが1.65Vに到達すると、拡大された図3Dにおいてさらに視認されるように、Vmeの平均がおよそ1.7Vである自己サイクリングが始まった。 FIG. 3C shows the V me of the cell of FIG. 3A in a second cycle at constant I con after the initial charge of Co 2 mA for 25 minutes. During self-charging, after charging the electric double layer capacitor, Li + from the glass electrolyte was plated on the Al anode, and Li + working ions were not re-supplied from the Cu cathode to the electrolyte. When V me reached 1.65 V, self-cycling began with an average of V me of approximately 1.7 V, as further seen in the enlarged FIG. 3D.
電気化学セルの温度を12℃から26℃に加熱することによって上昇させると、Vmeの急激な低下が起こった。次いで、電気化学セルを加熱器から取り外し、ゆっくりと12°に戻るまで放置した。冷却中、Vmeは、AlおよびCuの化学ポテンシャル間の差異である2.1Vまで上昇した。この電圧において、電気化学セルは再び作動イオンをめっきし始めたが、小さい放電が起こるまでは周期的なサイクリングは伴わず、その後、より長期間のサイクリングを伴った。およそ1.4VのVmeまでの、電気二重層キャパシタの放電が起こった。その時点で、めっきが再び始まった。これらの電圧変化全体を通じて、測定充電電流Imeは、記録していた最後の放電時に突然終結された最後のめっき中に少し減少しただけで、ほぼ一定のままであった。温度による変化は、電解質中のイオンおよび分子の運動を反映するものである。 When the temperature of the electrochemical cell was increased by heating from 12 ° C. to 26 ° C., a sharp drop in V me occurred. The electrochemical cell was then removed from the heater and left to slowly return to 12 °. During cooling, V me rose to 2.1 V, which is the difference between the chemical potential of Al and Cu. At this voltage, the electrochemical cell began to plate working ions again, but with no periodic cycling until a small discharge occurred, followed by a longer period of cycling. Discharge of the electric double layer capacitor occurred to V me of approximately 1.4V. At that point, plating began again. Throughout these voltage changes, the measured charging current I me remained almost constant with only a small decrease during the last plating that was abruptly terminated during the last discharge recorded. Changes with temperature reflect the movement of ions and molecules in the electrolyte.
(実施例2)
LEDを含む外部回路におけるIcon>Ic
(Example 2)
I con > I c in the external circuit including the LED
Alアノード、Cuカソード、およびLi+固体ガラス電解質を有する電気化学セルを伴う電気化学セル(Al/Li+ガラス/Cuセル)を構築し、次いで、外部回路における赤色LEDを点灯させるように直列に接続した。これらのセルは、臨界電流Icを超える放電電流Idisによる自己充電を呈した。電気化学セルはあらかじめサイクルを繰り返していたが、充電はされておらず、そうでなくとも外部エネルギーの入力によって供給されてもいなかった。セルは、およそ2年間にわたってLEDに電力を供給した。1年目のセル1つ当たりのデータを表1に提示する。1年目に送達されたエネルギーの総密度は、373.8Wh/gであった。
(実施例3)
Liアノードを有する電気化学セルにおけるIcon>Ic
Example 3
I con > I c in an electrochemical cell having a Li anode
図4は、Li金属アノード、Li+ガラス電解質、およびC−Niカソード(炭素はNiメッシュ中に配置されている)を有する放電電気化学セル(Li金属/Li+ガラス/C−Niセル)の測定電圧Vme(t)を提示している。負荷抵抗は1メガオームであり、放電電流はおよそ2.5μAであった。電圧における周期的な小丘は、セル放電化合物における自己充電構成要素の周期的な自己サイクリングの結果であった。カソード上へのめっきは、アノード上へのめっきよりも長い期間を有した(図3Bに示されるとおり)。自己充電によって供給された過剰なエネルギーに起因して、電気化学セルは、サイクリングの際に、100%を超える充電/放電クーロン効率を呈した。 FIG. 4 shows the measurement of a discharge electrochemical cell (Li metal / Li + glass / C-Ni cell) with a Li metal anode, Li + glass electrolyte, and a C—Ni cathode (carbon is placed in a Ni mesh). The voltage V me (t) is presented. The load resistance was 1 megohm and the discharge current was approximately 2.5 μA. Periodic hills in voltage were the result of periodic self-cycling of self-charging components in cell discharge compounds. The plating on the cathode had a longer duration than the plating on the anode (as shown in FIG. 3B). Due to the excess energy delivered by self-charging, the electrochemical cell exhibited a charge / discharge coulombic efficiency of over 100% during cycling.
(実施例4)
一定の印加充電電流(Icon−ch)>Ic
Example 4
Constant applied charging current (I con-ch )> I c
図5Aは、第2の充電/放電サイクルでの、実施例1において使用したセルなどのAl−C/Li+ガラス/S−C−Cuセルにおける一定の充電制御電流Icon−chによる測定充電電流Ime−chの自己サイクリングを示すデータを提示している。最初の放電後、セルを外部電源によって再充電した。測定電圧(Vme)は2.1Vであり、[μA(Al)−μC(Cu)]/eに相当した。Iconを超えるIme−chは、図5Bにおいて見られるように、Ime−chがIconを上回ったままであるように、ある振幅を有する自己サイクリングを呈した。 FIG. 5A shows a measured charge with a constant charge control current I con-ch in an Al—C / Li + glass / S—C—Cu cell such as the cell used in Example 1 in the second charge / discharge cycle. Data showing self-cycling of current I me-ch is presented. After the first discharge, the cell was recharged with an external power source. The measurement voltage (V me ) was 2.1 V, corresponding to [μ A (Al) −μ C (Cu)] / e. More than I con I me-ch, as seen in FIG. 5B, I me-ch is to remain above the I con, exhibited self cycling having a certain amplitude.
Ime−chはIcon−chを上回ったままであり、これは、カソードからのリチウム金属の剥離がIme−chに寄与しており、電解質およびカソードの界面付近に局在化する電解質の電荷に起因するものに違いない、めっき/剥離のサイクリングを伴うことを示していた。これは、アノードからのLi+のあらゆる可能性のある再供給が、短い自己サイクリング期間よりも長い時間が掛かるからである。Ime−chの平均は、リチウム金属のすべてでなければ大部分がカソードから剥がされ、カソード電気二重層キャパシタの充電が始まるまで一定のままであった。サイクリング現象は、カソード/電解質界面に局在化されていたため、Vmeの対応するサイクリングは存在しなかった。 I me-ch remains above I con-ch , because the lithium metal delamination from the cathode contributes to I me-ch and the electrolyte charge localized near the electrolyte and cathode interface. It was shown to be accompanied by plating / peeling cycling, which must be due to This is because any possible resupply of Li + from the anode takes longer than a short self-cycling period. The average of I me-ch remained constant until most of the lithium metal, if not all, was stripped from the cathode and the cathode electric double layer capacitor began charging. Since the cycling phenomenon was localized at the cathode / electrolyte interface, there was no corresponding cycling of V me .
(実施例5)
ジェリーロール電気化学セルにおけるIdis>Ic
(Example 5)
I dis > I c in a jellyroll electrochemical cell
図6は、0.1Ωの低負荷抵抗RLを伴うが他の点では実施例2のものと同様である、ジェリーロールAl−C/Li+ガラス/Cuセルの測定放電電流Imeを提示している。開回路では、カソード電気二重層キャパシタは、電解質のカソードとの界面において、電解質中のLi+を枯渇させていた。回路が閉鎖されると、アノードからの電子がCuカソードに対して負電荷を付与し、これによって、Li+がカソード界面に引き戻された。しかしながら、イオンの移動は電子の移動よりも緩徐であり、したがって、Imeは、Li+がカソード/電解質界面へ戻る移動速度で上昇した。電解質/カソード電気二重層キャパシタの臨界電圧で、電解質からのLi+がカソード上にリチウム金属としてめっきされ、Imeが突然低下した。その後のカソード/電解質電気二重層キャパシタの再構築は、電解質の負電荷が、めっきが再度発生するカソード/電解質界面へのLi+の移動を妨害したため、より時間が掛かった。 FIG. 6 presents the measured discharge current I me of a jellyroll Al—C / Li + glass / Cu cell with a low load resistance R L of 0.1Ω but otherwise similar to that of Example 2. doing. In the open circuit, the cathode electric double layer capacitor was depleted of Li + in the electrolyte at the interface of the electrolyte with the cathode. When the circuit was closed, electrons from the anode imparted a negative charge to the Cu cathode, which pulled Li + back to the cathode interface. However, ion movement was slower than electron movement, and thus I me increased with the rate of movement of Li + back to the cathode / electrolyte interface. At the critical voltage of the electrolyte / cathode electric double layer capacitor, Li + from the electrolyte was plated on the cathode as lithium metal and I me suddenly dropped. Subsequent reconstruction of the cathode / electrolyte electric double layer capacitor was more time consuming because the negative charge of the electrolyte hindered Li + migration to the cathode / electrolyte interface where plating occurred again.
(実施例6)
全固体状態リチウム電気化学セルの充電/放電サイクリング
(Example 6)
Charge / discharge cycling of all-solid-state lithium electrochemical cells
図7は、Liアノード、Li+ガラス電解質、およびCu集電体と接触している炭素層におけるγMnO2触媒リレーを伴うMnO2−C−Li−ガラス−Cuカソードを有する電気化学セル(Li/Li+ガラス/MnO2−C−Cuセル)のサイクリングにおける、充電および放電電圧の経時的変動を示している。各サイクルは、70μAの制御電流Iconおよび53μAの測定放電電流Imeでの444サイクルについて10時間30分であった。 FIG. 7 shows an electrochemical cell having a MnO 2 —C—Li—glass—Cu cathode with a γMnO 2 catalytic relay in a carbon layer in contact with a Li anode, a Li + glass electrolyte, and a Cu current collector (Li / FIG. 5 shows the charge and discharge voltage variation over time during cycling of Li + glass / MnO 2 —C—Cu cells. Each cycle was 10 hours 30 minutes for 444 cycles with a control current I con of 70 μA and a measured discharge current I me of 53 μA.
Icon未満であるImeは、放電Iconに対抗する自己充電電流の存在を示している。Vmeのプロファイルは、カソードからの剥離によって電解質へ再供給されたLi+を上回ってアノード上へめっきされたことによる、自己充電に典型的なサイクリングを示した。放電電圧プロファイルはまた、34日間の長いサイクル期間も示した。 I me that is less than I con indicates the presence of a self-charging current that opposes the discharge I con . The V me profile showed a typical cycling for self-charging due to plating onto the anode over Li + re-supplied to the electrolyte by delamination from the cathode. The discharge voltage profile also showed a long cycle period of 34 days.
上に開示されている主題は、例示であって、制限的であるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の趣旨および範囲内に入るすべてのそのような修正形態、強化形態、および他の実施形態を網羅することを意図するものである。したがって、法律によって許される最大限度まで、本開示の範囲は、以下の請求項およびそれらの均等物の、許容される最も広い解釈によって決定されるべきであり、前述の詳細な説明によって制限または限定されるべきものではない。 The subject matter disclosed above is exemplary and should not be considered limiting, and the appended claims are intended to cover all such modifications as fall within the true spirit and scope of this disclosure. It is intended to cover forms, enhancements, and other embodiments. Accordingly, to the maximum extent permitted by law, the scope of the present disclosure should be determined by the broadest allowable interpretation of the following claims and their equivalents, and is limited or limited by the foregoing detailed description. Should not be done.
Claims (24)
有効アノード化学ポテンシャルμAを有するアノードと、
有効カソード化学ポテンシャルμCを有するカソードと
を含む電気化学セルであって、
前記カソードおよびアノードの一方または両方が、前記電気化学セルの初充電または放電より前には、前記作動イオンを実質的に欠き、
初充電または放電より前の開回路において、前記固体ガラス電解質と前記アノードとの間の界面、および前記固体ガラス電解質と前記カソードとの間の界面の一方または両方において、μAとμCとの間の差異に起因して、電気二重層キャパシタが形成される、電気化学セル。 A solid glass electrolyte comprising alkali metal working ions and bipolar molecules conducted by said electrolyte; and
An anode having an active anode chemical potential mu A,
An electrochemical cell comprising a cathode having an effective cathode chemical potential μ C ,
One or both of the cathode and anode substantially lacks the working ions prior to initial charge or discharge of the electrochemical cell;
In an open circuit prior to initial charge or discharge, μ A and μ C at 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. An electrochemical cell in which an electric double layer capacitor is formed due to the difference between.
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