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JP2020501314A - Battery based on organic sulfur species - Google Patents

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Abstract

リチウム−イオウ電池などの金属−イオウ電池が、有機ポリスルフィドおよび有機ポリチオラートなどの1種または複数種の有機イオウ化学種を、液体またはゲル電解質溶液の一部として、カソードの一部として、アノードの一部として(もしくはアノードを処理するために用いられる)かつ/または中間セパレータ要素を提供する官能化多孔質ポリマーの一部として使用して調製される。Metal-sulfur batteries, such as lithium-sulfur batteries, convert one or more organic sulfur species, such as organic polysulfides and organic polythiolates, as part of a liquid or gel electrolyte solution, as part of a cathode, It is prepared as part (or used to treat the anode) and / or as part of a functionalized porous polymer that provides an intermediate separator element.

Description

本発明は、ナトリウム、リチウム、カリウム、マグネシウム若しくはこれらの混合物、又はナトリウム、リチウム、カリウム及び/若しくはマグネシウムと1種若しくは複数種の他の金属の合金若しくは複合体から作られるアノードと、元素状イオウ、セレン、又は元素状カルコゲンの混合物から作られるカソードとを有し、そのアノード及びカソードがセパレータ要素によって仕切られ、非水性の極性非プロトン性溶媒又はポリマー中の導電性塩の液体又はゲル電解質溶液がそれら電極と接している電池に関する。   The invention relates to an anode made from sodium, lithium, potassium, magnesium or mixtures thereof, or an alloy or composite of sodium, lithium, potassium and / or magnesium and one or more other metals, and an elemental sulfur. A liquid or gel electrolyte solution of a conductive salt in a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer having a cathode made of a mixture of selenium, selenium, or elemental chalcogen, the anode and cathode separated by a separator element Relate to batteries in contact with these electrodes.

電気化学電池は、電気エネルギーを貯蔵し供給するための主要な手段である。電子機器、輸送機関、及びグリッドストレージ用途のエネルギーの需要増加によって、より大きな電力の貯蔵及び供給能力を有する電池に対する必要性は、将来にわたって長く続くことになる。   Electrochemical cells are the primary means for storing and supplying electrical energy. With the increasing demand for energy in electronics, transportation, and grid storage applications, the need for batteries with greater power storage and supply capabilities will continue for a long time into the future.

リチウムイオン電池は、他の種類の電池と比べてそれらの軽量かつ高エネルギー貯蔵能力のために、携帯型電子機器用途に1990年代前半以来広く使用されてきた。しかしながら、現在のLiイオン電池技術は、内燃エンジンによって動力を与えられる乗り物に対して競争力のある駆動範囲を有するグリッドストレージ又は電気自動車などの大型用途のための高電力及びエネルギーのニーズを満たしていない。したがって科学及び技術共同体における広範囲に及ぶ取り組みにより、より高いエネルギー密度及び容量を有する電池を依然として求め続けている。   Lithium-ion batteries have been widely used in portable electronic device applications since the early 1990s due to their light weight and high energy storage capacity compared to other types of batteries. However, current Li-ion battery technology meets high power and energy needs for large applications such as grid storage or electric vehicles that have a competitive driving range for vehicles powered by internal combustion engines. Absent. Therefore, due to the extensive efforts of the scientific and technical communities, batteries with higher energy densities and capacities continue to be sought.

ナトリウム−イオウ及びリチウム−イオウ電気化学セルは、Liイオンセルよりもはるかに高い理論的エネルギー容量を与え、したがって「次世代」電池システムとして関心を引き続けてきた。元素状イオウの単量体硫化物への電気化学的転化(S2-)は、Liイオンセルの場合の300mAh/g未満と比べて1675mAh/gの理論容量を与える。 Sodium-sulfur and lithium-sulfur electrochemical cells offer much higher theoretical energy capacities than Li-ion cells and have therefore continued to be of interest as "next generation" battery systems. Electrochemical conversion of elemental sulfur to monomeric sulfide (S 2− ) gives a theoretical capacity of 1675 mAh / g compared to less than 300 mAh / g for a Li ion cell.

ナトリウム−イオウ電池は、商用システムとして開発され発売されている。残念なことにナトリウム−イオウセルは、機能するには一般に高温(300℃を超える)を必要とし、したがって大型の固定用途にのみ適している。   Sodium-sulfur batteries have been developed and sold as commercial systems. Unfortunately, sodium-sulfur cells generally require high temperatures (above 300 ° C.) to function and are therefore only suitable for large stationary applications.

1950年代後半及び1960年代に初めて提案されたリチウム−イオウ電気化学セルは、今はじめて商用電池システムとして開発されている。これらのセルは、リチウムイオンの624Wh/gに対比して、2500Wh/kg(2800Wh/L)を超える理論的比エネルギー密度を与える。Li−Sセルの実証された比エネルギー密度は、Liイオンセルの100Wh/gと比較すると250〜350Wh/kgの範囲にあり、このより低い値は、充電及び放電の間のこれらの系の電気化学的過程の特殊機構の結果である。リチウム電池の実用上の比エネルギーが、一般に理論値の25〜35%であることを考えれば、Li−S系の最適な実用上の比エネルギーは、約780Wh/g(理論値の30%)であるはずである(V.S.Kolosnitsyn及びE.Karasevaの米国特許出願公開第2008/0100624A1号明細書)。   Lithium-sulfur electrochemical cells first proposed in the late 1950's and 1960's are now being developed for the first time as commercial battery systems. These cells provide a theoretical specific energy density of more than 2500 Wh / kg (2800 Wh / L) compared to 624 Wh / g of lithium ions. The demonstrated specific energy densities of Li-S cells are in the range of 250-350 Wh / kg when compared to 100 Wh / g of Li-ion cells, and the lower values indicate the electrochemical of these systems during charge and discharge. It is the result of a special mechanism of the strategic process. Considering that the practical specific energy of a lithium battery is generally 25 to 35% of the theoretical value, the optimum practical specific energy of the Li-S system is about 780 Wh / g (30% of the theoretical value). (VS Kolosnitsyn and E. Karaseva US 2008/0100624 A1).

リチウム−イオウ化学反応は、これらの電気化学的セルの開発を妨げてきた複数の技術的課題、具体的には不十分な放電−充電のサイクル性を提示する。それにもかかわらず、リチウム−イオウセルの固有の軽量、低コスト、高電力容量のため、リチウム−イオウ系の性能の向上には大きな関心が存在し、最近の20年間、これらの課題に対処するために全世界にわたって多くの研究者による広範囲に及ぶ研究が行われている。[C.Liang,et al.,Handbook of Battery Materials 2nd Ed.,Chapter 14,pp.811〜840(2011)中、及びV.S.Kolosnitsyn,et al.,J.Power Sources 2011,196,1478〜82、及びこれらの中の参考文献。]   Lithium-sulfur chemistry presents several technical challenges that have impeded the development of these electrochemical cells, specifically poor discharge-charge cyclability. Nevertheless, there is great interest in improving the performance of lithium-sulfur systems due to the inherent light weight, low cost, and high power capacity of lithium-sulfur cells, and to address these challenges in the last two decades. Extensive research is being conducted by many researchers worldwide. [C. Liang, et al. , Handbook of Battery Materials 2nd Ed. , Chapter 14, pp. 811 to 840 (2011); S. Kolosnitsyn, et al. , J. et al. Power Sources 2011, 196, 1478-82, and references therein. ]

リチウム−イオウ系のセルの設計には一般に下記が含まれる。
・リチウム金属、リチウム合金、又はリチウム含有複合材料からなるアノード。
・アノードとカソードの間の非反応性だが多孔質のセパレータ(多くの場合、ポリプロピレン又は α−アルミナ)。このセパレータの存在の結果、分かれたアノード液及びカソード液の区画が生ずる。
・バインダー(多くの場合、ポリ二フッ化ビニリデン)と導電性増強物質(多くの場合、グラファイト、メソ多孔質グラファイト、多層カーボンナノチューブ、グラフェン)とを組み込んだイオウを担持する多孔質のカソード。
・極性の非プロトン性溶媒と、1種又は複数種の導電性Li塩((CF3SO22-、CF3SO3 -、CH3SO3 -、ClO4 -、PF6 -、AsF6 -、ハロゲンなど)とからなる電解液。これらのセルに使用される溶媒には、塩基性(カチオン錯化)非プロトン性の極性溶媒、例えばスルホラン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、N−メチルピロリジノン、テトラエチルスルファミド、テトラヒドロフラン、メチル−THF、1,3−ジオキソラン、ダイグライム、及びテトラグライムが挙げられる。より低極性の溶媒は、導電性が劣り、かつLi+化学種を溶媒和化する能力が劣るせいで適切でなく、またプロトン性溶媒は、Li金属と反応する恐れがある。リチウム−イオウセルの固体バージョンでは、液体溶媒がポリエチレンオキシドなどの高分子材料と置き換えられる。
・集電装置及び適切なケーシング材料。
Lithium-sulfur based cell designs generally include:
An anode made of lithium metal, a lithium alloy, or a lithium-containing composite material;
A non-reactive but porous separator between the anode and the cathode (often polypropylene or α-alumina). The presence of this separator results in separate anolyte and catholyte compartments.
A porous cathode carrying sulfur incorporating a binder (often polyvinylidene difluoride) and a conductivity enhancing substance (often graphite, mesoporous graphite, multi-walled carbon nanotubes, graphene).
A polar aprotic solvent and one or more conductive Li salts ((CF 3 SO 2 ) 2 N , CF 3 SO 3 , CH 3 SO 3 , ClO 4 , PF 6 , AsF 6 , halogen, etc.). Solvents used in these cells include basic (cation complexed) aprotic polar solvents such as sulfolane, dimethylsulfoxide, dimethylacetamide, tetramethylurea, N-methylpyrrolidinone, tetraethylsulfamide, tetrahydrofuran, Methyl-THF, 1,3-dioxolan, diglyme, and tetraglyme. Less polar solvents are unsuitable due to poor conductivity and poor ability to solvate Li + species, and protic solvents can react with Li metal. In the solid version of the lithium-sulfur cell, the liquid solvent is replaced with a polymeric material such as polyethylene oxide.
Current collectors and appropriate casing materials.

米国特許出願公開第2008/0100624A1号明細書US Patent Application Publication No. 2008 / 0100624A1

C. Liang, et al. in Handbook of Battery Materials 2nd Ed., Chapter 14, pp. 811-840 (2011)C. Liang, et al. In Handbook of Battery Materials 2nd Ed., Chapter 14, pp. 811-840 (2011) V.S. Kolosnitsyn, et al., J. Power Sources 2011, 196, 1478-82V.S.Kolosnitsyn, et al., J. Power Sources 2011, 196, 1478-82

本発明は、金属−イオウ電池、具体的にはリチウム−イオウ電池に用いるための有機ポリスルフィド、有機チオラート及び有機ポリチオラートの組成物及び使用を提供する。この有機ポリスルフィド、有機チオラート及び有機ポリチオラート化学種(以下においては時として「有機イオウ化学種」と称する)は、繰返し放電及び充電サイクルの間のこのような電気化学セルの性能を向上させるように働く。   The present invention provides compositions and uses of organic polysulfides, organic thiolates and organic polythiolates for use in metal-sulfur batteries, specifically lithium-sulfur batteries. The organic polysulfide, organic thiolate, and organic polythiolate species (hereinafter sometimes referred to as "organic sulfur species") may enhance the performance of such electrochemical cells during repeated discharge and charge cycles. work.

したがって本発明は、1つ又は複数の正極(カソード)、1つ又は複数の負極(アノード)、及び電解液媒体を有するセル又は電池を含むエネルギーの化学的供給源に関する。その有効化学反応は、イオウ又はポリスルフィド化学種の還元及び反応性金属化学種の酸化を伴う。負極は、反応性金属、例えばリチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム又はこれらの金属と他の物質との合金/複合体を含む;ある実施形態においては、負極は、追加的に少なくとも1種の有機イオウ化学種を含みかつ/又は少なくとも1種の有機イオウ化学種で処理されている。正極は、元素状イオウ及び/又はセレン、並びに本発明のある実施形態においては有機ポリスルフィド化学種、及び/又は金属有機ポリスルフィド塩等の有機イオウ化学種、並びにこれらの化学種を含有するマトリックスを含む。ある実施形態においては、電解液マトリックスは、有機溶媒又はポリマーと、無機又は有機ポリスルフィド化学種と、イオン形態の活性金属の担体と、電気化学的性能を最適化するための他の成分との混合物を含む。   Accordingly, the present invention relates to a chemical source of energy including a cell or battery having one or more positive electrodes (cathodes), one or more negative electrodes (anodes), and an electrolyte medium. The effective chemical reaction involves the reduction of sulfur or polysulfide species and the oxidation of reactive metal species. The negative electrode comprises a reactive metal such as lithium, sodium, potassium, magnesium or alloys / composites of these metals with other materials; in certain embodiments, the negative electrode additionally comprises at least one organic sulfur. It contains a chemical species and / or has been treated with at least one organic sulfur species. The positive electrode comprises elemental sulfur and / or selenium, and in some embodiments of the present invention, organic polysulfide species and / or organic sulfur species, such as metal organic polysulfide salts, and a matrix containing these species. . In certain embodiments, the electrolyte matrix comprises a mixture of an organic solvent or polymer, an inorganic or organic polysulfide species, a carrier of the active metal in ionic form, and other components for optimizing electrochemical performance. including.

具体的には本発明は、カソード及び電解液マトリックスの成分としての有機スルフィド及びポリスルフィド、並びにそれらの有機チオール酸リチウム(又はナトリウム、カリウム、マグネシウム、第四級アンモニウム若しくは第四級ホスホニウム)又は有機ポリチオラート類似体の使用法に関する。上記有機イオウ化学種は、イオウ及びアニオン性モノ又はポリスルフィド化学種と化学的に結合して有機ポリチオラート化学種を形成する。これは、非極性イオウ成分への陽カソード及びカソード液相の高い親和性を有する。有機イオウ化学種はまた、反応性金属又は負極中に存在する金属と反応して負極表面上に有機イオウ化学種の金属塩を形成することもでき、これはかかる有機イオウ化学種処理された負極を含有する電気化学セルの性能を高める助けをする。理論に拘束されることを望むものではないが、有機イオウ化学種はアノードの反応性金属と化学的に結合して、金属イオウ電池中に用いられる電解質溶液中にしばしば存在する溶解したLi2n(n≧1)化学種の間の反応の結果としてアノード上にLiS2が蓄積するのを防止するものと思われる。従って、有機イオウ化学種の存在又は有機イオウ化学種によるアノードの処理は、金属カチオンを伝導することができるアノード表面上の保護層の形成によって、カソードからアノードへのイオウ原子又はアニオンの並進流を防止するのを助けることができる。金属ポリスルフィド化学種中に電解質が飽和状態になり、その結果、カソードからのイオウの損失が少なくなり、電池容量が大きくなり、電池の全サイクル寿命が延びる。 Specifically, the present invention relates to organic sulfides and polysulfides as components of cathode and electrolyte matrices, and their organic lithium thiolates (or sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium or quaternary phosphonium) or organic polysulfides. It relates to the use of thiolate analogs. The organic sulfur species chemically combines with the sulfur and anionic mono- or polysulfide species to form an organic polythiolate species. It has a high affinity of the positive and catholyte phases for non-polar sulfur components. The organosulfur species can also react with a reactive metal or a metal present in the anode to form a metal salt of the organosulfur species on the anode surface, which can be a negative electrode treated with such organosulfur species. Helps increase the performance of electrochemical cells containing. Without wishing to be bound by theory, the organosulfur species chemically binds to the reactive metal of the anode to form dissolved Li 2 S that is often present in the electrolyte solutions used in metal-sulfur batteries. It is believed to prevent LiS 2 from accumulating on the anode as a result of reactions between n (n ≧ 1) species. Thus, the presence of or treatment of the anode with the organic sulfur species causes the translational flow of sulfur atoms or anions from the cathode to the anode by forming a protective layer on the anode surface that can conduct metal cations. Can help prevent. The electrolyte becomes saturated in the metal polysulfide species, resulting in less sulfur loss from the cathode, increasing battery capacity, and extending the overall cycle life of the battery.

本発明の一局面は電池を提供し、その電池は、
a)ナトリウム、リチウム、カリウム、マグネシウム、又はナトリウム、リチウム、カリウム若しくはマグネシウムのうちの少なくとも1種とイオンを提供するための少なくとも1種の別の金属との合金若しくは複合体を含むアノード活性物質を含むアノード、
b)元素状イオウ、元素状セレン、又は元素状カルコゲンの混合物を含むカソード活性物質を含むカソード、及び
c)アノードとカソードの間に位置し、そのアノード及びカソードと接している液体又はゲル電解質溶液を分離するように作用する中間セパレータ要素(これを通って金属イオン及びそれらの対イオンが、電池の充電及び放電サイクルの間にアノードとカソードの間を移動する)
を含み、
この液体又はゲル電解質溶液が、非水性の極性非プロトン性溶媒又はポリマーと、導電性の塩とを含み、かつ条件(i)、(ii)、(iii)又は(iv):
(i)液体又はゲル電解質溶液の少なくとも1つが、さらに少なくとも1種の有機イオウ化学種を含む、
(ii)カソードが、さらに少なくとも1種の有機イオウ化学種から構成される、
(iii)中間セパレータ要素が、少なくとも1種の有機イオウ化学種を含有する官能化多孔質ポリマーを含む、
(iv)前記アノードが、さらに少なくとも1種の有機イオウ化学種から構成されるか、又は少なくとも1種の有機イオウ化学種で処理されている、
の少なくとも1つを満たし、
この有機イオウ化学種が、少なくとも1つの有機部分と少なくとも1つの−S−Sn−結合(nは0又は1以上の整数である)とを含む。
One aspect of the present invention provides a battery, wherein the battery comprises:
a) an anode active material comprising sodium, lithium, potassium, magnesium or an alloy or complex of at least one of sodium, lithium, potassium or magnesium with at least one other metal to provide ions; Including anode,
b) a cathode comprising a cathode active material comprising a mixture of elemental sulfur, elemental selenium, or elemental chalcogen; and c) a liquid or gel electrolyte solution located between and in contact with the anode and the cathode. An intermediate separator element that acts to separate the metal ions and their counter-ions from moving between the anode and cathode during battery charge and discharge cycles.
Including
The liquid or gel electrolyte solution comprises a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer and a conductive salt, and conditions (i), (ii), (iii) or (iv):
(I) at least one of the liquid or gel electrolyte solutions further comprises at least one organic sulfur species;
(Ii) the cathode is further comprised of at least one organic sulfur species;
(Iii) the intermediate separator element comprises a functionalized porous polymer containing at least one organic sulfur species;
(Iv) the anode is further comprised of or treated with at least one organic sulfur species;
Satisfy at least one of
The organic sulfur species, at least one and at least one organic moiety -S-S n - and a bond (n is 0 or an integer of 1 or more).

一実施形態では、条件(i)、(ii)、(iii)又は(iv)のただ1つを満たす。別の実施形態では、4つのすべての条件を満たす。さらに別の実施形態では、これら条件の2つ又は3つのみ、例えば(i)と(ii)、(i)と(iii)、(ii)と(iii)、(i)と(ii)と(iii)、(ii)と(iii)と(iv)、(i)と(iii)と(iv)、又は(i)と(ii)と(iv)を満たす。   In one embodiment, only one of conditions (i), (ii), (iii) or (iv) is satisfied. In another embodiment, all four conditions are satisfied. In yet another embodiment, only two or three of these conditions, such as (i) and (ii), (i) and (iii), (ii) and (iii), (i) and (ii) (Iii), (ii) and (iii) and (iv), (i) and (iii) and (iv), or (i) and (ii) and (iv) are satisfied.

別の局面において本発明は、少なくとも1種の非水性の極性非プロトン性溶媒又はポリマーと、少なくとも1種の導電性の塩と、少なくとも1つの有機部分及び少なくとも1つの−S−Sn−結合(ここで、nは1以上の整数である)から構成される少なくとも1種の有機イオウ化学種とを含む電解液を提供する。 The present invention in another aspect, at least one polar aprotic solvent or polymer non-aqueous, and at least one conductive salt, at least one organic moiety and at least one -S-S n - bond (Where n is an integer of 1 or more) and at least one organic sulfur chemical species.

本発明の別の局面は、a)元素状イオウ、元素状セレン、又は元素状カルコゲンの混合物と、b)少なくとも1種の導電性添加剤と、c)少なくとも1つの有機部分及び少なくとも1つの−S−Sn−結合(ここで、nは0又は1以上の整数である)を含む少なくとも1種の有機イオウ化学種とを含むカソードを提供する。 Another aspect of the invention is that a) a mixture of elemental sulfur, elemental selenium, or elemental chalcogen; b) at least one conductive additive; c) at least one organic moiety and at least one-. S-S n - bond (wherein, n is 0 or an integer of 1 or more) to provide a cathode comprising at least one organic sulfur species including.

本発明のさらなる局面は、ナトリウム、リチウム、カリウム、マグネシウム、又はナトリウム、リチウム、カリウム若しくはマグネシウムのうちの少なくとも1種とイオンを提供するための少なくとも1種の別の金属との合金若しくは複合体を含むアノード活性物質を含むアノードであって、少なくとも1つの有機部分と少なくとも1つの−S−Sn−結合(nは0又は1以上の整数である)とを含む少なくとも1種の有機イオウ化学種をさらに含むか又は該有機イオウ化学種で処理されているものを提供する。かかる処理は、電池寿命の増加及びその後のサイクルでの容量低下の減少をもたらす。 A further aspect of the present invention provides an alloy or composite of sodium, lithium, potassium, magnesium, or at least one of sodium, lithium, potassium or magnesium and at least one other metal to provide ions. an anode including an anode active material comprising, at least one and at least one organic moiety -S-S n - bond (n is 0 or an integer of 1 or more) at least one organic sulfur-containing chemical species Or has been treated with the organic sulfur species. Such treatment results in increased battery life and reduced capacity loss in subsequent cycles.

例えば有機イオウ化学種は、有機ポリスルフィド、有機チオラート{n=0、例えば一般式R−S−M(ここで、Rは有機部分であり、MはLi、Na、K、Mg、第四級アンモニウム若しくは第四級ホスホニウム等のカチオンである)に相当}及び/又は金属有機ポリチオラートより成る群から選択することができる。本発明の幾つかの実施形態では有機イオウ化学種は、ジチオアセタール、ジチオケタール、トリチオ−オルトカーボネート、チオスルホネート[−S(O)2−S−]、チオスルフィネート[−S(O)−S−]、チオカルボキシレート[−C(O)−S−]、ジチオカルボキシレート[−C(S)−S−]、チオホスフェート、チオホスホネート、モノチオカーボネート、ジチオカーボネート、及びトリチオカーボネートより成る群から選択される1つ又は複数のイオウ含有官能基を含有する。他の実施形態では有機イオウ化学種は、芳香族ポリスルフィド、ポリエーテル−ポリスルフィド、ポリスルフィド−酸の塩、及びこれらの混合物より成る群から選択することもできる。 For example, organic sulfur species are organic polysulfides, organic thiolates {n = 0, for example, the general formula RSM (where R is an organic moiety, M is Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium Or cations such as quaternary phosphoniums) and / or metal organic polythiolates. In some embodiments of the present invention, the organosulfur species is dithioacetal, dithioketal, trithio-orthocarbonate, thiosulfonate [-S (O) 2 -S-], thiosulfinate [-S (O)-. S-], thiocarboxylate [-C (O) -S-], dithiocarboxylate [-C (S) -S-], thiophosphate, thiophosphonate, monothiocarbonate, dithiocarbonate and trithiocarbonate. It contains one or more sulfur-containing functional groups selected from the group consisting of: In other embodiments, the organosulfur species can be selected from the group consisting of aromatic polysulfides, polyether-polysulfides, polysulfide-acid salts, and mixtures thereof.

図1は、n−C1225SLiをカソードに加えたリチウム−イオウ電池の3回〜63回の繰返し充電/放電サイクルに対する放電プロフィールを示す図である。1, n-C 12 lithium H 25 SLi was added to the cathode - a diagram showing the discharge profile for 3 times to 63 times of repeated charge / discharge cycles of sulfur batteries. 図2は、アノードを3,6−ジオキサオクタン−1,8−ジチオール二リチウム塩(LiS−C24−O−C24−O−C24−SLi)で処理して又は処理しないで調製したセルのサイクル性能の比較を示す図である。FIG. 2 shows that the anode was treated with 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol dilithium salt (LiS—C 2 H 4 —O—C 2 H 4 —O—C 2 H 4 —SLi). FIG. 3 shows a comparison of the cycle performance of cells prepared without treatment.

電池に使用される構造物に加工された電気活性物質を電極と呼ぶ。電気エネルギーの化学的供給源として働く電池中で使用される一対の電極について、高い方の電気化学ポテンシャルを有する側の電極を正極又はカソードと呼び、一方、低い方の電気化学ポテンシャルを有する側の電極を負極又はアノードと呼ぶ。本明細書中では電池についての従来の命名が使用され、用語「カソード」又は「正極」と、「アノード」又は「負極」は、電気エネルギーを供給するためのセルの放電の間の電極の電気化学的機能を指す。サイクルの充電部分の間、電極の実際の電気化学的機能は放電の間に起こるものに対して逆転するが、それぞれの電極の表示は、放電の場合と同一のままである。   An electroactive substance processed into a structure used for a battery is called an electrode. For a pair of electrodes used in a battery that acts as a chemical source of electrical energy, the electrode with the higher electrochemical potential is called the positive electrode or cathode, while the electrode with the lower electrochemical potential is called the positive electrode or cathode. The electrode is called a negative electrode or an anode. Conventional nomenclature for batteries is used herein, and the terms "cathode" or "positive electrode" and "anode" or "negative electrode" refer to the electrical potential of the electrodes during discharge of the cell to provide electrical energy. Refers to chemical function. During the charging portion of the cycle, the actual electrochemical function of the electrodes is reversed with respect to what occurs during discharging, but the indication of each electrode remains the same as for discharging.

電気化学セルは一般に直列に組み合わされ、そのようなセルの集合体が電池と呼ばれる。そのセルの有効化学反応に基づき、一次電池は外部装置に対して電力を供給する単純放電用に設計される。二次電池は、外部供給源からの電気エネルギーを使用して再充電可能であり、したがって多数回の放電及び充電サイクルによって長期使用を実現する。   Electrochemical cells are generally combined in series, and the collection of such cells is called a battery. Based on the effective chemical reaction of the cell, the primary battery is designed for simple discharge, which supplies power to external devices. Secondary batteries are rechargeable using electrical energy from an external source, thus achieving long-term use with multiple discharge and charge cycles.

カソードすなわち正極に使用される電気化学的活性物質を、以後カソード活性物質と呼ぶ。アノードすなわち負極に使用される電気化学的活性物質を、以後アノード活性物質と呼ぶ。電気化学的活性を有し、かつ電気化学的活性物質と、任意選択の導電性添加剤及びバインダーと、他の任意選択の添加剤とを含む多成分組成物を、以後電極組成物と呼ぶ。酸化状態のカソード活性物質を有するカソードと、還元状態のアノード活性物質を有するアノードとを含む電池は充電された状態にあると呼ばれる。したがって還元状態のカソード活性物質を有するカソードと、酸化状態のアノード活性物質を有するアノードとを含む電池は、放電された状態にあると呼ばれる。   The electrochemically active material used for the cathode, ie, the positive electrode, is hereinafter referred to as the cathode active material. The electrochemically active material used for the anode or negative electrode is hereinafter referred to as the anode active material. A multi-component composition having electrochemical activity and comprising an electrochemically active material, optional conductive additives and binders, and other optional additives is hereinafter referred to as an electrode composition. A battery comprising a cathode having a cathode active material in an oxidized state and an anode having an anode active material in a reduced state is said to be in a charged state. Thus, a battery comprising a cathode having a cathode active material in a reduced state and an anode having an anode active material in an oxidized state is said to be in a discharged state.

理論に拘束されることを望むものではないが、下記は本発明の幾つかの考えられる利点又は特徴である。有機イオウ化学種を、イオウに富むカソード液相に分配することができる。ポリスルフィド及びポリチオラートに共通するイオウの押出/再挿入化学作用に加えて、二価アニオン性スルフィド又はポリスルフィド(例えば、Li2x、x=1、2、3...)と有機ポリスルフィド、有機チオラート又は有機ポリチオラート(例えば、R−Sx−R’又はR−Sx−Li、R及びR’=有機部分、xは0又は1以上の整数である)の間の化学交換反応は、カソード液中の二価アニオン性ポリスルフィドの量をできるだけ少なくするのに有利に働き、またカソードにおけるイオウ及びイオウ含有化学種の再析出に有利に働く。二価アニオン性ポリスルフィドの正味の除去は、電解液の粘度を低減させる、したがって高粘度が電解液の導電性に及ぼす有害な影響をできるだけ少なくすることになる。有機イオウ化学種はまた、カソード液相及びアノード液相の両方における不溶性の低ランク硫化リチウム化学種(具体的にはLi2S及びLi22)の溶解を増大させ、またしたがってその排出を増大させ、こうして繰返し充電/放電サイクル時の反応性リチウム化学種の損失をできるだけ少なくすることができる。有機イオウ化学種の性能は、その有機官能基の選択により「調節」することができる。例えば、短鎖アルキル基又はより極性の大きい官能性を有するアルキル基は、アノード液相により多く分配されることになり、一方、より長鎖又はより極性の小さい同族体は、カソード液相により多く分配されることになる。長い/非極性鎖の有機化学種と短い/極性鎖の有機化学種の相対比率を調整することは、カソード/カソード液へのイオウ含有化学種の分配を制御する手段を提供することになる。さらに、アノード液中に若干量のポリスルフィド又はポリチオラートが存在することは、充電中のアノード上のリチウムのデンドライト成長を制御する手段として好都合であるので、適切な有機部分及びそれらの相対比率の選択はデンドライト成長のより大きな制御を提供することになる。 Without wishing to be bound by theory, the following are some possible advantages or features of the present invention. Organic sulfur species can be partitioned into a sulfur-rich catholyte phase. In addition to the sulfur extrusion / reinsertion chemistry common to polysulfides and polythiolates, divalent anionic sulfides or polysulfides (eg, Li 2 S x , x = 1, 2, 3,...) And organic polysulfides, organic The chemical exchange reaction between a thiolate or an organic polythiolate (eg, R—S x —R ′ or R—S x —Li, R and R ′ = organic moiety, x is 0 or an integer greater than or equal to 1) Advantageously, it minimizes the amount of divalent anionic polysulfide in the catholyte and also favors redeposition of sulfur and sulfur-containing species at the cathode. The net removal of the divalent anionic polysulfide will reduce the viscosity of the electrolyte, thus minimizing the detrimental effect of the high viscosity on the conductivity of the electrolyte. Organic sulfur species also increase the dissolution of insoluble low-rank lithium sulfide species (specifically, Li 2 S and Li 2 S 2 ) in both the catholyte and anolyte phases, and thus reduce their emissions. And thus minimize the loss of reactive lithium species during repeated charge / discharge cycles. The performance of an organic sulfur species can be "tuned" by the choice of its organic functionality. For example, short-chain alkyl groups or alkyl groups with more polar functionality will partition more into the anolyte phase, while longer-chain or less polar homologs will distribute more into the catholyte phase. Will be distributed. Adjusting the relative ratio of long / non-polar organic species to short / polar organic species will provide a means to control the distribution of sulfur-containing species to the cathode / catholyte. In addition, the presence of some amount of polysulfide or polythiolate in the anolyte is a convenient means of controlling lithium dendrite growth on the anode during charging, so the selection of appropriate organic moieties and their relative proportions Will provide greater control of dendrite growth.

本発明に役立つ有機イオウ化学種は、少なくとも1つの有機部分と少なくとも1つの−S−Sn−結合(ここで、nは0又は少なくとも1の整数である)を含む。一実施形態では有機イオウ化学種は、−S−Sn−(ポリスルフィド)結合(ここで、nは1以上の整数である)によって結合された1分子当たり2つの有機部分(これらは互いに同一でもよく、また異なってもよい)を含む。この−S−Sn−結合は、より大きな連結基、例えば−Y1−C(Y23)−S−Sn−結合又は−Y1−C(=Y4)−S−Sn−結合(ここで、Y1はO又はSであり、Y2及びY3は独立して有機部分又は−S−So−Z(ここで、oは1以上であり、Zは有機部分又はLi、Na、K、Mg、第四級アンモニウム若しくは第四級ホスホニウムから選択される化学種である)であり、またY4はO又はSである)の一部を形成することができる。別の実施形態では有機イオウ化学種は、一価有機部分と、Na、Li、K、Mg、第四級アンモニウム、及び第四級ホスホニウムから選択される化学種とを含有し、それらは−S−Sn−結合(これには、例えば−Y1−C(Y23)−S−Sn−結合又は−Y1−C(=Y4)−S−Sn−結合(ここで、nは0又は1以上の整数である)が含まれる)によって連結される。さらに別の実施形態では−S−Sn−結合は、有機部分の両側に現れることもできる。例えばこの有機部分は、二価の、任意選択で置換された芳香族部分、C(R32(ここで、各R3は独立してH又は有機部分、例えばC1〜C20有機部分である)、カルボニル(C=O)、又はチオカルボニル(C=S)であってもよい。 Organic sulfur species useful in the present invention, at least one and at least one organic moiety -S-S n - comprises a binding (here, n is 0 or integer of at least 1). Organic sulfur species in one embodiment, -S-S n - (wherein, n represents an integer of 1 or more and is) (polysulfide) coupled with two organic portions (these mutually identical per molecule bound by also And may be different). The -S-S n - bond, a larger linking group, for example, -Y 1 -C (Y 2 Y 3 ) -S-S n - bond or -Y 1 -C (= Y 4) -S-S n A bond (where Y 1 is O or S, Y 2 and Y 3 are independently an organic moiety or —S—S o —Z (where o is 1 or more, and Z is an organic moiety or Li, Na, K, Mg, a quaternary ammonium or a quaternary phosphonium), and Y 4 is O or S). In another embodiment, the organosulfur species comprises a monovalent organic moiety and a species selected from Na, Li, K, Mg, quaternary ammonium, and quaternary phosphonium, wherein the -S -S n - bond (in which, for example, -Y 1 -C (Y 2 Y 3 ) -S-S n - bond or -Y 1 -C (= Y 4) -S-S n - bond (wherein , N is 0 or an integer of 1 or more). In yet another embodiment -S-S n - bond may also appear on both sides of the organic portion. For example, the organic moiety can be a divalent, optionally substituted aromatic moiety, C (R 3 ) 2, wherein each R 3 is independently H or an organic moiety, such as a C 1 -C 20 organic moiety. ), Carbonyl (C = O), or thiocarbonyl (C = S).

例えば有機イオウ化学種は、有機ポリスルフィド、有機チオラート、有機ポリチオラート、例えばイオウ含有官能基を有するもの、例えばジチオアセタール、ジチオケタール、トリチオ−オルトカーボネート、芳香族ポリスルフィド、ポリエーテル−ポリスルフィド、ポリスルフィド−酸の塩、チオスルホネート[−S(O)2−S−]、チオスルフィネート[−S(O)−S−]、チオカルボキシレート[−C(O)−S−]、ジチオカルボキシレート[−RC(S)−S−]、チオホスフェート若しくはチオホスホネート官能基、又はモノ−、ジ−若しくはトリチオカーボネート官能基を有するもの;これらの官能基若しくは類似の官能基を含有する有機金属ポリスルフィド;並びにそれらの混合物よりなる群から選択される。 For example, organic sulfur species include organic polysulfides, organic thiolates, organic polythiolates, such as those having sulfur-containing functional groups, such as dithioacetals, dithioketals, trithio-orthocarbonates, aromatic polysulfides, polyether-polysulfides, polysulfide-acids. Salt, thiosulfonate [-S (O) 2 -S-], thiosulfinate [-S (O) -S-], thiocarboxylate [-C (O) -S-], dithiocarboxylate [- RC (S) -S-], thiophosphate or thiophosphonate functional groups, or mono-, di- or trithiocarbonate functional groups; organometallic polysulfides containing these or similar functional groups; Selected from the group consisting of mixtures thereof.

好適な有機部分には、例えば一価、二価、及び多価有機部分が挙げられ、これらは分岐、線状、及び/又は環状ヒドロカルビル基を含むことができる。本明細書中で使用される用語「有機部分」には、炭素及び水素に加えて1種又は複数種のヘテロ原子、例えば酸素、窒素、イオウ、ハロゲン、リン、セレン、ケイ素、金属、例えばスズなどを含むことができる部分が含まれる。ヘテロ原子は、有機部分中に官能基の形態で存在することができる。したがってヒドロカルビル基及び官能化ヒドロカルビル基が、本発明の文脈内では有機部分と見なされる。一実施形態では有機部分はC1〜C20有機部分である。別の実施形態では有機部分は、2個以上の炭素原子を含有する。したがって有機部分はC2〜C20有機部分であってもよい。 Suitable organic moieties include, for example, monovalent, divalent, and multivalent organic moieties, which can include branched, linear, and / or cyclic hydrocarbyl groups. As used herein, the term "organic moiety" includes one or more heteroatoms such as oxygen, nitrogen, sulfur, halogen, phosphorus, selenium, silicon, metal, such as tin, in addition to carbon and hydrogen. And the like that can include the like. Heteroatoms can be present in the form of functional groups in the organic moiety. Thus, hydrocarbyl groups and functionalized hydrocarbyl groups are considered organic moieties within the context of the present invention. The organic moiety in one embodiment is a C 1 -C 20 organic moiety. In another embodiment, the organic moiety contains two or more carbon atoms. Thus the organic moiety may be a C 2 -C 20 organic moiety.

有機イオウ化学種は、性質がモノマー、オリゴマー、又はポリマーであってもよい。例えば−S−Sn−官能基は、その主鎖中に2つ以上のモノマーの反復単位を含有するオリゴマー又はポリマー化学種の主鎖に垂下していることができる。オリゴマー又はポリマーの主鎖が複数の−S−Sn−結合を含有するように、−S−Sn−官能基をこのようなオリゴマー又はポリマーの主鎖中に組み込むことができる。 The organic sulfur species may be monomeric, oligomeric, or polymeric in nature. For example -S-S n - functional groups can have hanging on two or more of the main chain of the oligomer or polymer species containing repeating units of a monomer in its main chain. Oligomer or polymer backbone of the plurality -S-S n - to contain binding, -S-S n - functional groups can be incorporated into the backbone of such oligomers or polymers.

有機イオウ化学種は、例えば、式R1−S−Sn−R2(ここで、R1及びR2は独立してC1〜C20有機部分を表し、nは1以上の整数である)の有機ポリスルフィド又は有機ポリスルフィドの混合物であってもよい。このC1〜C20有機部分は、一価の分岐、線状、又は環状ヒドロカルビル基であってもよい。R1及びR2がそれぞれ独立してC9〜C14ヒドロカルビル基であり、n=1であってもよい(tert−ドデシルジスルフィドなどのジスルフィドが得られる)。別の実施形態では、R1及びR2がそれぞれ独立してC9〜C14ヒドロカルビル基であり、n=2〜5である(ポリスルフィドが得られる)。このような化合物の例には、Arkemaによって販売されているTPS−32及びTPS−20が挙げられる。別の実施形態では、R1及びR2がそれぞれ独立してC7〜C11ヒドロカルビル基であり、n=2〜5である。Arkemaによって販売されているTPS−37LSは、この型の好適なポリスルフィドの例である。別の型の好適なポリスルフィドは、R1及びR2が両方ともtert−ブチルであり、かつn=2〜5のポリスルフィド又はそれらポリスルフィドの混合物であろう。このような有機イオウ化合物の例には、Arkemaによって販売されているTPS−44及びTPS−54が挙げられる。 Organic sulfur species are, for example, of the formula R 1 —S—S n —R 2, where R 1 and R 2 independently represent a C 1 -C 20 organic moiety, and n is an integer of 1 or greater. )) Or a mixture of organic polysulfides. The C 1 -C 20 organic moiety is a monovalent branched, may be linear or cyclic hydrocarbyl group. R 1 and R 2 are each independently a C 9 -C 14 hydrocarbyl group, and n may be 1 (a disulfide such as tert-dodecyl disulfide is obtained). In another embodiment, R 1 and R 2 are each independently a C 9 -C 14 hydrocarbyl group and n = 2-5 (giving a polysulfide). Examples of such compounds include TPS-32 and TPS-20 sold by Arkema. In another embodiment, R 1 and R 2 are each independently a C 7 -C 11 hydrocarbyl group, and n = 2-5. TPS-37LS sold by Arkema is an example of a suitable polysulfide of this type. Another type of suitable polysulfide would be a polysulfide wherein R 1 and R 2 are both tert-butyl and n = 2-5, or a mixture of those polysulfides. Examples of such organic sulfur compounds include TPS-44 and TPS-54 sold by Arkema.

有機イオウ化学種はまた、式R1−S−Sn−M(ここで、R1はC1〜C20有機部分であり、Mは、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、第四級アンモニウム又は第四級ホスホニウムであり、nは1以上の整数である)の有機ポリチオラート、又は式R2−S−M(ここで、R2はC1〜C20有機部分であり、Mはリチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、第四級アンモニウム又は第四級ホスホニウムである)の有機チオラートであってもよい。 The organosulfur species can also be of the formula R 1 —S—S n —M, where R 1 is a C 1 -C 20 organic moiety and M is lithium, sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium or a quaternary phosphonium, n represents organic Porichiorato of 1 or more is an integer), or formula R 2 -S-M (wherein, R 2 is C 1 -C 20 organic moiety, M is lithium, Organic thiolates that are sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium or quaternary phosphonium).

別の実施形態では有機イオウ化学種は、式(I)及び(II)に対応するものなどのジチオアセタール若しくはジチオケタール、又は式(III)のトリチオ−オルトカルボキシレートであってもよい。
ここで、各R3は独立してH又はC1〜C20有機部分であり、o、p、及びqは、それぞれ独立して1以上の整数であり、各Zは独立してC1〜C20有機部分、Li、Na、K、Mg、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムである。このような有機イオウ化学種の例には、1,2,4,5−テトラチアン(式I、R3=H、o=p=1)、テトラメチル−1,2,4,5−テトラチアン(式I、R3=CH3、o=p=1)、及びこれらのオリゴマー又はポリマー化学種が挙げられる。
In another embodiment, the organosulfur species may be a dithioacetal or dithioketal, such as those corresponding to formulas (I) and (II), or a trithio-orthocarboxylate of formula (III).
Wherein each R 3 is H or C 1 -C 20 organic moiety independently, o, p, and q are each an integer of 1 or more independently, each Z is independently C 1 ~ C 20 organic moiety, Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium or a quaternary phosphonium. Examples of such organosulfur species include 1,2,4,5-tetrathiane (Formula I, R 3 = H, o = p = 1), tetramethyl-1,2,4,5-tetrathiane ( formula I, R 3 = CH 3, o = p = 1), and their oligomers or polymers chemical species.

本発明の別の実施形態は、式(IV)の芳香族ポリスルフィド、式(V)のポリエーテル−ポリスルフィド、式(VI)のポリスルフィド−酸の塩、又は式(VII)のポリスルフィド−酸の塩である有機イオウ化学種を利用する。
ここで、式(IV)におけるR4は独立してtert−ブチル又はtert−アミルであり、R5は独立してOH、OLi、又はONaであり、またrは0以上(例えば0〜10)であり、その芳香族環は、任意選択で1つ又は複数の他の位置で水素以外の置換基により置換され、式(VI)におけるR6は二価の有機部分であり、式(VII)におけるR7は二価の有機部分であり、各Zは独立してC1〜C20有機部分、Li、Na、K、Mg、第四級アンモニウム又は第四級ホスホニウムであり、各Mは独立してLi、Na、K、Mg、第四級アンモニウム又は第四級ホスホニウムであり、o及びpはそれぞれ独立して1以上の整数である。このような有機イオウ化学種の例には、商標名Vultac(登録商標)でArkemaによって販売されている芳香族ポリスルフィド(式IV、R4=tert−ブチル又はtert−アミル、R5=OH)と、メルカプト酸、例えばメルカプト酢酸、メルカプトプロピオン酸、メルカプトエタンスルホン酸、メルカプトプロパンスルホン酸から誘導される、又はオレフィン含有酸、例えばビニルスルホン酸若しくは2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸から誘導される式VI及びVIIに対応するポリスルフィド−酸の塩とが挙げられる。
Another embodiment of the invention is an aromatic polysulfide of formula (IV), a polyether-polysulfide of formula (V), a salt of a polysulfide-acid of formula (VI), or a salt of a polysulfide-acid of formula (VII) Utilizing organic sulfur species.
Here, R 4 in the formula (IV) is independently tert-butyl or tert-amyl, R 5 is independently OH, OLi, or ONa, and r is 0 or more (eg, 0 to 10). Wherein the aromatic ring is optionally substituted at one or more other positions with a substituent other than hydrogen; R 6 in formula (VI) is a divalent organic moiety; R 7 is a divalent organic moiety, each Z is independently a C 1 -C 20 organic moiety, Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium or quaternary phosphonium, and each M is independently And Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium or quaternary phosphonium, and o and p are each independently an integer of 1 or more. Examples of such organosulfur species are the aromatic polysulfides sold by Arkema under the trade name Vultac® (Formula IV, R 4 = tert-butyl or tert-amyl, R 5 = OH). Derived from a mercapto acid, such as mercaptoacetic acid, mercaptopropionic acid, mercaptoethanesulfonic acid, mercaptopropanesulfonic acid, or from an olefin-containing acid, such as vinylsulfonic acid or 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid. And the salts of polysulfide-acids corresponding to Formulas VI and VII.

さらに別の実施形態では有機イオウ化学種は、式(IX)のトリチオカーボネート官能基を含有する有機ポリスルフィド若しくは有機金属ポリスルフィド、式(X)のジチオカーボネート官能基を含有する有機ポリスルフィド若しくは有機金属ポリスルフィド又は式(XI)のモノチオカーボネート官能基を含有する有機ポリスルフィド若しくは有機金属ポリスルフィド
(ここで、Zは、C1〜C20有機部分、Na、Li、K、Mg、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムであり、o及びpは独立して1以上の整数である)
である。
In yet another embodiment, the organosulfur species is an organic polysulfide or organometallic polysulfide containing a trithiocarbonate functionality of formula (IX), an organic polysulfide or organometallic polysulfide containing a dithiocarbonate functionality of formula (X) Or an organic polysulfide or organometallic polysulfide containing a monothiocarbonate functional group of formula (XI)
(Where Z is a C 1 -C 20 organic moiety, Na, Li, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and o and p are independently integers of 1 or more)
It is.

液体又はゲル電解質溶液は、さらに、式M−S−Sn−M(ここで、各Mは独立してLi、Na、K、Mg、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムであり、nは、1以上の整数である)のポリチオール酸二金属塩化学種から構成されてもよい。したがって、このような化学種は、上記有機イオウ化学種とは異なり、有機部分を含有しない。 The liquid or gel electrolyte solution may further comprise a compound of the formula MS—S n —M, wherein each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium; Is an integer of 1 or more). Thus, such species, unlike the organic sulfur species described above, do not contain an organic moiety.

中間セパレータ要素は、電気化学セル中のコンパートメント間の仕切板として働くことができる。或るコンパートメントは、カソードと接している電解液を含んでもよい(このようなコンパートメント中の電解液をカソード液と呼ぶこともある)。別のコンパートメントは、アノードと接している電解液を含んでもよい(このようなコンパートメント中の電解液をアノード液と呼ぶこともある)。アノード液及びカソード液は、互いに同一でもよく、また異なっていてもよい。アノード液及びカソード液の一方又は両方が、本発明による1種又は複数種の有機イオウ化学種を含有することができる。中間セパレータ要素は、アノード液からのイオンが中間セパレータ要素を通過してカソード液中に入る(逆の場合も同様であり、これは電気化学セルが充電モードで動作しているか、放電モードで動作しているかによって決まる)ことを可能にするように、このようなコンパートメント間に位置決めすることができる。   The intermediate separator element can serve as a divider between compartments in the electrochemical cell. Certain compartments may include an electrolyte in contact with the cathode (the electrolyte in such a compartment may be referred to as a catholyte). Another compartment may include an electrolyte in contact with the anode (the electrolyte in such a compartment may be referred to as an anolyte). The anolyte and catholyte may be the same or different. One or both of the anolyte and catholyte can contain one or more organic sulfur species according to the present invention. The intermediate separator element allows ions from the anolyte to pass through the intermediate separator element and into the catholyte (and vice versa, whether the electrochemical cell is operating in charge mode or in discharge mode). (Depending on what is being done) can be positioned between such compartments.

本発明の更なる実施形態では、中間セパレータ要素は多孔質ポリマーから構成される。多孔質ポリマーは、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、又はフッ素化ポリマーから構成されてもよい。多孔質ポリマーは、本明細書中で述べた種類の有機イオウ化学種で官能性をもたせることができる。有機イオウ化学種は、多孔質ポリマーの主鎖に垂下していることもでき、かつ/又は個々のポリマー鎖の主鎖間に架橋の状態で存在することもでき、かつ/又はその多孔質主鎖の主鎖中に組み込むこともできる。したがって多孔質ポリマーの主鎖は1つ又は複数の−S−Sn−結合を含有することができ、かつ/又は−S−Sn−結合はポリマーの主鎖に垂下していることができる。このような−S−Sn−結合はまた、架橋中に存在することもできる。 In a further embodiment of the invention, the intermediate separator element is composed of a porous polymer. The porous polymer may be composed of, for example, polypropylene, polyethylene, or fluorinated polymer. Porous polymers can be functionalized with organic sulfur species of the type described herein. The organosulfur species may be depending on the backbone of the porous polymer and / or may be present in cross-links between the backbones of the individual polymer chains and / or may be present on the porous backbone. It can also be incorporated into the main chain of the chain. Therefore the backbone of the porous polymer is one or more of -S-S n - can contain binding, and / or -S-S n - bond may have pendent to the main chain of the polymer . Such -S-S n - bond can also be present in the crosslinking.

本発明により電気化学セルにおいて使用される好適な溶媒には、既知の、又は一般にリチウム−イオウ電池に使用される塩基性(カチオン錯化)非プロトン性の極性溶媒、例えばスルホラン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、N−メチルピロリジノン、テトラエチルスルファミド;エーテル類、例えばテトラヒドロフラン、メチル−THF、1,3−ジオキソラン、1、2−ジメトキシエタン(グリム)、ジグリム及びテトラグリム、並びにこれらの混合物;カーボネート類、例えば炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、炭酸エチルプロピルなど;並びに、エステル類、例えば酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、及びγ−ブチロラクトンが挙げられる。電解液は、そのような溶媒を単独で含むことも、またそのような溶媒の混合物を含むこともできる。電池の分野で知られているいずれの極性の非プロトン性ポリマーもまた、使用することができる。電解液は、ポリマー物質を含むこともでき、またゲルの形態をとることもできる。電解液に使用される好適なポリマーには、例えばポリエチレンオキシド、ポリエーテルスルホン、ポリビニルアルコール、又はポリイミドを挙げることができる。電解液はゲルの形態であってもよく、それは液体とバインダー成分とから構成される三次元網目組織であってもよい。この液体は、架橋ポリマーなどのポリマー内に同伴される単量体溶媒であってもよい。   Suitable solvents for use in the electrochemical cell according to the present invention include the basic or (cationically complexed) aprotic polar solvents known or commonly used in lithium-sulfur batteries, such as sulfolane, dimethylsulfoxide, dimethyl Acetamide, tetramethylurea, N-methylpyrrolidinone, tetraethylsulfamide; ethers such as tetrahydrofuran, methyl-THF, 1,3-dioxolan, 1,2-dimethoxyethane (glyme), diglyme and tetraglyme, and these Mixtures; carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate and the like; and esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, and γ-butyrol Tons, and the like. The electrolyte can include such a solvent alone or a mixture of such solvents. Any polar aprotic polymer known in the battery art can also be used. The electrolyte may include a polymeric material and may take the form of a gel. Suitable polymers for use in the electrolyte include, for example, polyethylene oxide, polyethersulfone, polyvinyl alcohol, or polyimide. The electrolyte may be in the form of a gel, which may be a three-dimensional network composed of a liquid and a binder component. The liquid may be a monomer solvent entrained within the polymer, such as a crosslinked polymer.

1種又は複数種の導電性の塩が、非水性の極性非プロトン性溶媒及び/又はポリマーと組み合わせて電解液中に存在する。導電性の塩は、電池の分野でよく知られており、例えば(CF3SO22-、CF3SO3 -、CH3SO3 -、ClO4 -、PF6 -、AsF6 -、硝酸、ハロゲンなどのリチウム塩が挙げられる。ナトリウム及び他のアルカリ金属の塩とこれらの混合物もまた使用することができる。 One or more conductive salts are present in the electrolyte in combination with the non-aqueous polar aprotic solvent and / or polymer. Conducting salts are well known in the battery arts and include, for example, (CF 3 SO 2 ) 2 N , CF 3 SO 3 , CH 3 SO 3 , ClO 4 , PF 6 , AsF 6 −. , Nitric acid, halogens and the like. Salts of sodium and other alkali metals and mixtures thereof can also be used.

アノード活性物質は、リチウム、ナトリウム、カリウム及び/若しくはマグネシウムなどのアルカリ金属又は別の活性物質若しくは組成物を含むことができる。特に好ましいアノード活性物質には、金属リチウム、リチウムの合金、金属ナトリウム、ナトリウムの合金、アルカリ金属又はそれらの合金、金属粉、リチウムとアルミニウム、マグネシウム、ケイ素、及び/又はスズとの合金、アルカリ金属−炭素及びアルカリ金属−グラファイトの層間物質、アルカリ金属イオンで可逆的に酸化及び還元することができる化合物、及びこれらの混合物が挙げられる。金属又は金属合金(例えば金属リチウム)は、任意選択でセラミック材料によって仕切られる電池内の1枚の膜として、又は数枚の膜として含まれてもよい。好適なセラミック材料には、例えばシリカ、アルミナ、又はリチウム含有ガラス状物質、例えばリン酸リチウム、アルミン酸リチウム、ケイ酸リチウム、窒化リン酸リチウム、酸化タンタルリチウム、アルミノケイ酸リチウム、酸化チタンリチウム、リチウムシリコスルフィド、リチウムゲルマノスルフィド、リチウムアルミノスルフィド、リチウムボロスルフィド、リチウムホスホスルフィド、及びこれらの混合物が挙げられる。   The anode active material can include an alkali metal such as lithium, sodium, potassium and / or magnesium or another active material or composition. Particularly preferred anode active materials include lithium metal, alloys of lithium, metal sodium, sodium alloys, alkali metals or their alloys, metal powders, alloys of lithium with aluminum, magnesium, silicon, and / or tin, alkali metals Carbon and alkali metal-graphite intercalation materials, compounds that can be reversibly oxidized and reduced with alkali metal ions, and mixtures thereof. The metal or metal alloy (eg, metallic lithium) may be included as one membrane or as several membranes in the battery, optionally separated by a ceramic material. Suitable ceramic materials include, for example, silica, alumina, or lithium-containing glassy materials, such as lithium phosphate, lithium aluminate, lithium silicate, lithium nitride phosphate, tantalum oxide, lithium aluminosilicate, lithium titanium oxide, lithium. Examples include silicosulfide, lithium germanosulfide, lithium aluminosulfide, lithium borosulfide, lithium phosphosulfide, and mixtures thereof.

アノードは、任意の好適な形、例えば箔、複合体又は他のタイプの集電装置であることができる。   The anode can be in any suitable form, such as a foil, composite or other type of current collector.

本発明の一実施形態において、アノードは少なくとも1種の有機イオウ化学種で処理される。かかる処理は、アノードの表面に少なくとも1種の有機イオウ化学種を接触させることによって実施することができる。有機イオウ化学種は、例えばかかる接触工程の際に溶液の形にあることができる。かかる溶液を形成させるためには、有機イオウ化学種用の任意の溶媒又は溶媒の組合せを用いることができる。例えば、溶媒は、前記した任意の非プロトン性極性溶媒であってよい。一実施形態において、アノードは、電気化学セルの組立て前に、例えば有機イオウ化学種の溶液をアノード上にスプレーすることによって又はアノードを有機イオウ化学種の溶液中に浸漬することによって、有機イオウ化学種で処理される。別の実施形態において、有機イオウ化学種は、電気化学セル中に用いられる電解質の成分として組み込まれ、有機イオウ化学種を含有する電解質が電気化学セルのアセンブリ上でアノードと接触する。   In one embodiment of the invention, the anode is treated with at least one organic sulfur species. Such treatment can be performed by contacting the surface of the anode with at least one organic sulfur species. The organic sulfur species can be in the form of a solution, for example, during such a contacting step. Any solvent or combination of solvents for the organic sulfur species can be used to form such a solution. For example, the solvent can be any of the aprotic polar solvents described above. In one embodiment, the anode is treated with an organic sulfur chemical prior to assembly of the electrochemical cell, such as by spraying a solution of the organic sulfur species on the anode or dipping the anode in the solution of the organic sulfur species. Treated with seeds. In another embodiment, the organic sulfur species is incorporated as a component of the electrolyte used in the electrochemical cell, and the electrolyte containing the organic sulfur species contacts the anode on the electrochemical cell assembly.

別の実施形態において、アノードは、リチウム、ナトリウム、カリウム及びマグネシウムより成る群から選択される少なくとも1種の反応性金属に加えて、少なくとも1種の有機イオウ化学種を含む。例えば、少なくとも1種の有機イオウ化学種をアノードの表面上に付着させることができる。   In another embodiment, the anode comprises at least one organic sulfur species in addition to at least one reactive metal selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium, and magnesium. For example, at least one organic sulfur species can be deposited on the surface of the anode.

カソードは、元素状イオウ、元素状セレン、又は元素状カルコゲンの混合物を含む。一実施形態ではカソードは、これに加えて、本明細書中でさきに詳細に述べたことに従って1種又は複数種の有機イオウ化学種から構成される。カソードは、これに加えてかつ/又はその代わりにバインダー及び/又は導電性添加剤から構成されてもよい。好適なバインダーには、例えばポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンのコポリマー、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンのコポリマー、フッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンのコポリマー、エチレン−プロピレン−ジエンモノマーゴム(EPDM)、及びポリ塩化ビニル(PVC)などのポリマーが挙げられる。導電性添加剤は、例えばグラファイト、グラフェン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、又は煤(例えば、ランプ又は炉の煤)などの導電性形態の炭素であってもよい。このカソードは、集電装置、例えば電池又は電気化学的セルの分野で知られている集電装置のいずれかと組み合わせて電池又は電気化学的セル中に存在することができる。例えばこのカソードは、金属製集電装置の表面に塗布することができる。   The cathode comprises elemental sulfur, elemental selenium, or a mixture of elemental chalcogens. In one embodiment, the cathode is additionally comprised of one or more organosulfur species as described in detail hereinabove. The cathode may additionally and / or alternatively be composed of a binder and / or a conductive additive. Suitable binders include, for example, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride, polytetrafluoroethylene (PTFE), copolymers of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene, and copolymers of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene. Copolymers, copolymers of vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene, ethylene-propylene-diene monomer rubber (EPDM), and polymers such as polyvinyl chloride (PVC). The conductive additive may be a conductive form of carbon such as, for example, graphite, graphene, carbon fiber, carbon nanotubes, carbon black, or soot (eg, lamp or furnace soot). This cathode may be present in the battery or electrochemical cell in combination with any of the current collectors, for example, those known in the art of batteries or electrochemical cells. For example, the cathode can be applied to the surface of a metal current collector.

本発明の局面には,以下が含まれる:   Aspects of the invention include:

1.a)ナトリウム、リチウム、又はナトリウム若しくはリチウムのうちの少なくとも一方とイオンを提供するための少なくとも1種の金属との合金若しくは複合体を含むアノード活性物質を含むアノードと、
b)元素状イオウ、元素状セレン、又は元素状カルコゲンの混合物を含むカソード活性物質を含むカソードと、
c)前記アノードと前記カソードの間に位置し、前記アノード及び前記カソードと接している液体又はゲル電解質溶液を分離するように作用する中間セパレータ要素であって、これを通って金属イオン及びそれらの対イオンが、電池の充電及び放電サイクルの間に前記アノードと前記カソードの間を移動する、中間セパレータ要素と
を含む電池であって、
前記液体又はゲル電解質溶液が、非水性の極性非プロトン性溶媒又はポリマーと、導電性の塩とを含み、かつ
条件(i)、(ii)、(iii)又は(iv):
(i)前記液体又はゲル電解質溶液の少なくとも1つが、さらに少なくとも1種の有機イオウ化学種を含む、
(ii)前記カソードが、さらに少なくとも1種の有機イオウ化学種から構成される、
(iii)前記中間セパレータ要素が、少なくとも1種の有機イオウ化学種を含有する官能化多孔質ポリマーを含む、
(iv)前記アノードが、さらに少なくとも1種の有機イオウ化学種から構成されるか、又は少なくとも1種の有機イオウ化学種で処理されている、
の少なくとも1つを満たし、
前記有機イオウ化学種が、少なくとも1つの有機部分と少なくとも1つの−S−Sn−結合(nは0又は1以上の整数である)を含む、前記電池。
1. a) an anode comprising an anode active material comprising sodium, lithium, or an alloy or composite of at least one of sodium or lithium and at least one metal to provide ions;
b) a cathode comprising a cathode active material comprising elemental sulfur, elemental selenium, or a mixture of elemental chalcogens;
c) an intermediate separator element located between the anode and the cathode and acting to separate the liquid or gel electrolyte solution in contact with the anode and the cathode, through which the metal ions and their A battery comprising: an intermediate separator element, wherein counter ions move between the anode and the cathode during a charge and discharge cycle of the battery;
The liquid or gel electrolyte solution comprises a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer and a conductive salt, and conditions (i), (ii), (iii) or (iv):
(I) at least one of the liquid or gel electrolyte solutions further comprises at least one organic sulfur species;
(Ii) the cathode is further comprised of at least one organic sulfur species;
(Iii) the intermediate separator element comprises a functionalized porous polymer containing at least one organic sulfur species;
(Iv) the anode is further comprised of or treated with at least one organic sulfur species;
Satisfy at least one of
The organic sulfur species, at least one and at least one organic moiety -S-S n - comprises a binding (n is 0 or an integer of 1 or more), the battery.

2.前記有機イオウ化学種が、有機ポリスルフィド、有機チオラート及び有機ポリチオラート並びにこれらの混合物より成る群から選択される、局面1の電池。 2. The battery of aspect 1, wherein said organic sulfur species is selected from the group consisting of organic polysulfides, organic thiolates and organic polythiolates and mixtures thereof.

3.前記有機イオウ化学種が、ジチオアセタール、ジチオケタール、トリチオ−オルトカーボネート、チオスルホネート[−S(O)2−S−]、チオスルフィネート[−S(O)−S−]、チオカルボキシレート[−C(O)−S−]、ジチオカルボキシレート[−C(S)−S−]、チオホスフェート、チオホスホネート、モノチオカーボネート、ジチオカーボネート及びトリチオカーボネートより成る群から選択される1つ又は複数のイオウ含有官能基を含有する、局面1又は2の電池。 3. The organic sulfur species is dithioacetal, dithioketal, trithio-orthocarbonate, thiosulfonate [—S (O) 2 —S—], thiosulfinate [—S (O) —S—], thiocarboxylate [ -C (O) -S-], one selected from the group consisting of dithiocarboxylate [-C (S) -S-], thiophosphate, thiophosphonate, monothiocarbonate, dithiocarbonate and trithiocarbonate. The battery of aspect 1 or 2, wherein the battery comprises a plurality of sulfur-containing functional groups.

4.前記有機イオウ化学種が、芳香族ポリスルフィド、ポリエーテル−ポリスルフィド、ポリスルフィド−酸の塩及びこれらの混合物より成る群から選択される、局面1〜3のいずれかの電池。 4. The battery of any of aspects 1 to 3, wherein the organic sulfur species is selected from the group consisting of aromatic polysulfides, polyether-polysulfides, polysulfide-acid salts, and mixtures thereof.

5.前記有機イオウ化学種が、式R1−S−Sn−R2の有機ポリスルフィドであり、ここで、R1及びR2は独立して線状、分岐状若しくは環状の脂肪族又は芳香族であることができ、かつ任意選択でN、O、P、S、Se、Si、Sn、ハロゲン及び/又は金属を含有する1つ又は複数の官能基を含むことができるC1〜C20有機部分を表し、nは1以上の整数である、局面1〜4のいずれかの電池。 5. The organic sulfur species is an organic polysulfide of the formula R 1 —S—S n —R 2 , wherein R 1 and R 2 are independently linear, branched or cyclic aliphatic or aromatic. C 1 -C 20 organic moiety lying can, and optionally N, O, which may include P, S, Se, Si, Sn, one or more functional groups containing halogen and / or metal Wherein n is an integer of 1 or more.

6.前記有機イオウ化学種が、式R1−S−Mの有機チオラート又は式R1−S−Sn−Mの有機ポリチオラートであり、ここで、R1は、線状、分岐状若しくは環状の脂肪族又は芳香族であることができ、かつ任意選択でN、O、P、S、Se、Si、Sn、ハロゲン及び/又は金属を含有する1つ又は複数の官能基を含むことができるC1〜C20有機部分を表し、Mは、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムであり、nは1以上の整数である、局面1〜5のいずれかの電池。 6. The organic sulfur species is an organic thiolate of the formula R 1 -S-M or an organic polythiolate of the formula R 1 -S-S n -M, wherein R 1 is linear, branched or cyclic. C, which can be aliphatic or aromatic and can optionally include one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and / or metal 1 -C represents 20 organic moiety, M is lithium, sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium, or a quaternary phosphonium, n represents an integer of 1 or more, the aspect 1-5 either battery.

7.前記有機イオウ化学種が、式(I)若しくは(II)のジチオアセタール若しくはジチオケタール、又は式(III)のトリチオ−オルトカルボキシレート
であり、
ここで、各R3は独立してH、又は線状、分岐状若しくは環状の脂肪族又は芳香族であることができ、かつ任意選択でN、O、P、S、Se、Si、Sn、ハロゲン及び/又は金属を含有する1つ又は複数の官能基を含むことができるC1〜C20有機部分であり、o、p及びqは、それぞれ独立して1以上の整数であり、かつ各Zは独立して線状、分岐状若しくは環状の脂肪族又は芳香族であることができ、かつ任意選択でN、O、P、S、Se、Si、Sn、ハロゲン及び/若しくは金属を含有する1つ若しくは複数の官能基を含むことができるC1〜C20有機部分、Li、Na、K、Mg、第四級アンモニウム又は第四級ホスホニウムである、局面1〜6のいずれかの電池。
7. The organic sulfur species is a dithioacetal or dithioketal of formula (I) or (II), or a trithio-orthocarboxylate of formula (III)
And
Wherein each R 3 can independently be H, or a linear, branched or cyclic aliphatic or aromatic, and optionally N, O, P, S, Se, Si, Sn, a C 1 -C 20 organic moiety that may contain one or more functional groups containing halogen and / or metal, o, p and q are each an integer of 1 or more independently and each Z can be independently linear, branched or cyclic, aliphatic or aromatic, and optionally contains N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and / or metal C 1 -C 20 organic moiety that may contain one or more functional groups, Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium or quaternary phosphonium, any battery aspects 1-6.

8.前記有機イオウ化学種が、式(IV)の芳香族ポリスルフィド、式(V)のポリエーテル−ポリスルフィド、式(VI)のポリスルフィド−酸の塩、又は式(VII)のポリスルフィド−酸の塩
であり、
ここで、式(IV)におけるR4は独立してtert−ブチル又はtert−アミルであり、R5は独立してOH、OLi、又はONaであり、rは0以上であり、その芳香族環は、任意選択で1つ又は複数の位置で水素以外の置換基により置換され、式(VI)におけるR6は、二価有機部分であり、式(VII)におけるR5は、二価有機部分であり、各Zは独立してC1〜C20有機部分、Li、Na、又は第四級アンモニウムであり、各Mは独立してLi、Na、K、Mg、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムであり、かつo及びpは、それぞれ独立して1以上の整数である、局面1〜7のいずれかの電池。
8. The organic sulfur species is an aromatic polysulfide of formula (IV), a polyether-polysulfide of formula (V), a salt of a polysulfide-acid of formula (VI), or a salt of a polysulfide-acid of formula (VII)
And
Here, R 4 in the formula (IV) is independently tert-butyl or tert-amyl, R 5 is independently OH, OLi, or ONa, r is 0 or more, and the aromatic ring is Is optionally substituted at one or more positions with a substituent other than hydrogen, wherein R 6 in formula (VI) is a divalent organic moiety and R 5 in formula (VII) is , and the respective Z is C 1 -C 20 organic moiety independently, Li, Na, or quaternary ammonium, each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or a The battery of any of aspects 1 to 7, wherein the battery is a quaternary phosphonium and o and p are each independently an integer of 1 or more.

9.前記有機イオウ化学種が、式(IX)のトリチオ炭酸官能基を含有する有機ポリスルフィド若しくは有機金属ポリスルフィド、式(X)のジチオ炭酸官能基を含有する有機ポリスルフィド若しくは有機金属ポリスルフィド、又は式(XI)のモノチオ炭酸官能基を含有する有機ポリスルフィド若しくは有機金属ポリスルフィド
であり、
ここで、Zは、C1〜C20有機部分、Na、Li、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムであり、かつo及びpは、独立して1以上の整数である、局面1〜8のいずれかの電池。
9. Wherein the organosulfur species is an organic polysulfide or organometallic polysulfide containing a trithiocarbonate functional group of formula (IX), an organic polysulfide or organometallic polysulfide containing a dithiocarbonate functional group of formula (X), or formula (XI) Organic polysulfides or organometallic polysulfides containing monothiocarbonate functional groups
And
Wherein Z is a C 1 -C 20 organic moiety, Na, Li, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and o and p are independently integers of 1 or more. 8. The battery according to any of 8.

10.前記液体又はゲル電解質溶液がさらに、式M−S−Sn−Mのポリチオール酸二金属塩化学種から構成され、ここで、各Mは独立してLi、Na、K、Mg、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムであり、nは1以上の整数である、局面1〜9のいずれかの電池。 10. The liquid or gel electrolyte solution further comprises a polythiolate bimetallic species of the formula MS—S n —M, wherein each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary. The battery according to any one of aspects 1 to 9, wherein the battery is ammonium or a quaternary phosphonium, and n is an integer of 1 or more.

11.前記カソードがさらに、少なくとも1種の導電性添加剤及び/又は少なくとも1種のバインダーから構成される、局面1〜10のいずれかの電池。 11. The battery of any of aspects 1 to 10, wherein the cathode is further comprised of at least one conductive additive and / or at least one binder.

12.前記有機イオウ化学種が、前記官能化多孔質ポリマーの主鎖に垂下している、局面1〜11のいずれかの電池。 12. The battery of any of aspects 1-11, wherein the organic sulfur species is dependent on the backbone of the functionalized porous polymer.

13.前記有機イオウ化学種が、架橋して、前記官能化多孔質ポリマーの主鎖になるか、又は前記官能化多孔質ポリマーの主鎖の一部を形成する、局面1〜12のいずれかの電池。 13. The battery of any of aspects 1-12, wherein the organosulfur species crosslinks into the backbone of the functionalized porous polymer or forms part of the backbone of the functionalized porous polymer. .

14.前記有機部分が、少なくとも2個の炭素原子を含有する、局面1〜13のいずれかの電池。 14. 14. The battery of any of aspects 1-13, wherein the organic moiety contains at least two carbon atoms.

15.前記中間多孔質セパレータが、前記アノードと関係があるアノード液部分及び前記カソードと関係があるカソード液部分を提供するように前記電池を仕切り、かつ前記有機イオウ化学種が、前記アノード液部分又は前記カソード液部分の少なくとも一方に存在する、局面1〜14のいずれかの電池。 15. The intermediate porous separator partitions the battery to provide an anolyte portion associated with the anode and a catholyte portion associated with the cathode, and wherein the organic sulfur species is the anolyte portion or the anolyte portion. 15. The battery of any of aspects 1-14, wherein the battery is present on at least one of the catholyte portions.

16.前記非水性の極性非プロトン性溶媒又はポリマーが、エーテル、カルボニル、エステル、炭酸、アミノ、アミド、スルフィジル[−S−]、スルフィニル[−S(O)−]、又はスルホニル[−SO2−]から選択される1種又は複数種の官能基を含有する、局面1〜15のいずれかの電池。 16. Wherein the polar aprotic solvent or polymer non-aqueous, ether, carbonyl, ester, carbonate, amino, amido, Surufijiru [-S-], sulfinyl [-S (O) -], or a sulfonyl [-SO 2 -] 16. The battery according to any one of aspects 1 to 15, comprising one or more functional groups selected from the group consisting of:

17.前記導電性の塩が式MXに相当し、ここで、MはLi、Na又は第四級アンモニウムであり、かつXは、(CF3SO22N、CF3SO3、CH3SO3、ClO4、PF6、NO3、AsF6又はハロゲンである、局面1〜16のいずれかの電池。 17. The conductive salt corresponds to the formula MX, wherein M is Li, Na or quaternary ammonium, and X is (CF 3 SO 2 ) 2 N, CF 3 SO 3 , CH 3 SO 3 , ClO 4, PF 6, NO is 3, AsF 6 or halogen, one of the battery aspects 1-16.

18.前記有機部分がオリゴマー又はポリマーであり、かつ前記有機イオウ化学種が、前記オリゴマー又はポリマーの有機部分の主鎖に垂下している少なくとも1つの−S−S−結合を含む、局面1〜17のいずれかの電池。 18. Aspects 1 to 17, wherein the organic moiety is an oligomer or polymer and the organosulfur species comprises at least one -S-S- bond depending on the backbone of the organic moiety of the oligomer or polymer. One of the batteries.

19.前記有機部分がオリゴマー又はポリマーであり、かつ前記有機イオウ化学種が、前記オリゴマー又はポリマーの有機部分の主鎖に組み込まれた少なくとも1つの−S−S−結合を含む、局面1〜18のいずれかの電池。 19. Any of aspects 1-18, wherein the organic moiety is an oligomer or polymer and the organic sulfur species comprises at least one -SS- bond incorporated into the backbone of the organic moiety of the oligomer or polymer. Battery.

20.少なくとも1種の非水性の極性非プロトン性溶媒又はポリマーと、少なくとも1種の導電性の塩と、少なくとも1つの有機部分及び少なくとも1つの−S−Sn−結合(ここで、nは0又は1以上の整数である)から構成される少なくとも1種の有機イオウ化学種とを含む電解液。 20. And at least one non-aqueous polar aprotic solvents or polymers, at least one conductive salt, at least one organic moiety and at least one -S-S n - bond (wherein, n represents 0 or And at least one organic sulfur species.

21.a)元素状イオウ、元素状セレン、又は元素状カルコゲンの混合物と、b)少なくとも1種の導電性添加剤と、c)少なくとも1つの有機部分及び少なくとも1つの−S−Sn−結合(ここで、nは0又は1以上の整数である)を含む少なくとも1種の有機イオウ化学種とを含むカソード。 21. a) elemental sulfur, and a mixture of elemental selenium, or elemental chalcogen, b) at least one electrically conductive additive, c) at least one organic moiety and at least one -S-S n - bond (wherein Wherein n is 0 or an integer greater than or equal to 1).

22.集電装置と組み合わされた、局面21のカソード。 22. The cathode of aspect 21, combined with a current collector.

23.前記少なくとも1種の導電性添加剤がグラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェン、カーボンブラック又は煤を含む、局面21又は22のカソード。 23. The cathode of aspect 21 or 22, wherein the at least one conductive additive comprises graphite, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, carbon black or soot.

24.少なくとも1種のバインダーをさらに含む、局面21〜23のいずれかのカソード。 24. The cathode of any of aspects 21-23, further comprising at least one binder.

25.ナトリウム、リチウム、カリウム若しくはマグネシウム、又はナトリウム、リチウム、カリウム若しくはマグネシウムのうちの少なくとも1種とイオンを提供するための少なくとも1種の別の金属との合金若しくは複合体を含むアノード活性物質を含むアノードであって、
少なくとも1つの有機部分と少なくとも1つの−S−Sn−結合(nは0又は1以上の整数である)とを含む少なくとも1種の有機イオウ化学種をさらに含むか又は該有機イオウ化学種で処理されている、前記アノード。
25. An anode comprising an anode active material comprising sodium, lithium, potassium or magnesium, or an alloy or complex of at least one of sodium, lithium, potassium or magnesium with at least one other metal to provide ions And
At least one organic moiety and at least one -S-S n - bond (n is 0 or 1 or more is an integer) and at least one or more comprising an organic sulfur species or organic sulfur containing chemical species The anode being processed.

本明細書内で、明瞭で簡潔な明細書が書かれることを可能にするように実施形態を説明してきたが、実施形態は、本発明から逸脱することなく様々に組み合わされ又は分離されてもよいことが意図され、且つ理解される。例えば、本明細書に記載される好ましい特徴はすべて、本明細書に記載される本発明の態様のすべてに適用可能であることが理解される。   Although the embodiments have been described herein in a manner that allows clear and concise specifications to be written, the embodiments may be combined or separated in various ways without departing from the invention. It is intended and understood to be good. For example, it is understood that all of the preferred features described herein are applicable to all of the aspects of the invention described herein.

一部の実施形態において、本明細書における本発明は、本組成物又は方法の基本的で新規な特性に実質的に影響を与えないいずれの要素又は方法工程も除外すると解釈することができる。さらに、一部の実施形態において、本発明は、本明細書で具体化されないいずれの要素又は方法工程も除外すると解釈することができる。   In some embodiments, the invention herein can be construed as excluding any element or method step that does not substantially affect the basic and novel properties of the composition or method. Further, in some embodiments, the present invention can be construed as excluding any elements or method steps not embodied herein.

カソードの作製、電池の調製、及び電池の試験 Cathode preparation, battery preparation, and battery testing

例1 Example 1

70重量%の昇華元素状イオウ粉末、20重量%のポリエチレンオキシド(PEO、MW 4×106)、10重量%のカーボンブラック(Super P(登録商標)Conductive、Alfa Aesar)を含む正極を下記の手順により作り出した。 A positive electrode comprising 70% by weight of sublimable elemental sulfur powder, 20% by weight of polyethylene oxide (PEO, MW 4 × 10 6 ), and 10% by weight of carbon black (Super P® Conductive, Alfa Aesar) was prepared as follows. Created by the procedure.

N−メチル−2−ピロリドン(NMP)中に分散させたこれらの成分の混合物を、プラネタリーミリングマシン中で機械的に摩砕した。アセトニトリルを加えて混合物を希釈した。得られた懸濁液を、自動フィルムコータ(Mathis)を用いてアルミ箔(厚さ76μm)上に塗布した。塗膜を真空オーブン中で50℃で18時間乾燥した。得られた塗膜は、3.10mg/cm2のカソード混合物を含有した。 A mixture of these components dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was mechanically milled in a planetary milling machine. Acetonitrile was added to dilute the mixture. The obtained suspension was applied on aluminum foil (76 μm thickness) using an automatic film coater (Mathis). The coating was dried in a vacuum oven at 50 ° C. for 18 hours. The resulting coating contained 3.10 mg / cm 2 of the cathode mixture.

例2 Example 2

例1で述べた手順に従って、リチウムn−ドデシルメルカプチド(イオウ10重量%)を含有する陽カソードを調製した。得られた塗膜は、1cm2当たり3.4mgのイオウを含有した。 A positive cathode containing lithium n-dodecyl mercaptide (10% by weight sulfur) was prepared according to the procedure described in Example 1. The resulting coating contained 3.4 mg of sulfur per cm 2 .

例3 Example 3

例2からのこの陽カソードを、2本のステンレス鋼製ロッドを有するPTFEスウェージロックセル、又はステンレス鋼で作られるコインセルアッセンブリ(CR2032)に使用した。電池セルを、アルゴンを満たしたグローブボックス(MBraun)中で、次のように組み立てた。すなわち、カソード電極を底缶の上に置き、続いてセパレータを置いた。次いでセパレータに電解液を加えた。リチウム電極をそのセパレータの上に置いた。そのリチウム電極の上部にスペーサ及びスプリングを置いた。この電池コアをステンレス鋼製ロッドで、又は圧着機でシールした。   This positive cathode from Example 2 was used in a PTFE Swagelok cell with two stainless steel rods, or a coin cell assembly (CR2032) made of stainless steel. The battery cells were assembled as follows in a glove box (Mbraun) filled with argon. That is, the cathode electrode was placed on the bottom can, followed by the separator. Next, the electrolytic solution was added to the separator. A lithium electrode was placed on the separator. A spacer and a spring were placed on top of the lithium electrode. The battery core was sealed with a stainless steel rod or a crimping machine.

例4 Example 4

例3で述べた手順の後、例2からのカソード(直径7/16”)と、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)に溶かした0.5M LiTFSI溶液:1,3−ジオキソラン(DOL)=1:1の20μLと、セパレータと、リチウム電極(厚さ0.38mm、直径7/16”)とからなる電池セルを、0.1mAで充電−放電サイクルについて試験した。試験は、Gamryポテンショメーター(Gamry Instruments)を用いて室温で1.5V及び3.2Vのカットオフ電圧に対して行った。その放電サイクルのプロフィールを図1に示す。   After the procedure described in Example 3, the cathode from Example 2 (7/16 ″ diameter) and 0.5 M LiTFSI solution in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME): 1,3-dioxolane (DOL) = 1: 1 A battery cell consisting of 20 μL of No. 1, a separator and a lithium electrode (thickness 0.38 mm, diameter 7/16 ″) was tested for charge-discharge cycles at 0.1 mA. The test was performed using a Gamry potentiometer (Gamry Instruments) at room temperature against cut-off voltages of 1.5V and 3.2V. FIG. 1 shows the profile of the discharge cycle.

リチウムアルキルメルカプチドの合成 Synthesis of lithium alkyl mercaptide

例5−ヘキシルリチウムを用いたリチウムn−ドデシルメルカプチドの合成 Example 5-Synthesis of lithium n-dodecylmercaptide using hexyllithium

−30℃でヘキサン(100mL)に溶かしたn−ドデシルメルカプタン(9.98g、1当量)に、n−ヘキシルリチウム(ヘキサン中33重量%、1.1当量)を、混合物温度を−20℃未満に保つように1滴ずつ加えた。溶媒を減圧下で除去し、白色固体が定量的収率で得られた。   N-Hexyllithium (33% by weight in hexane, 1.1 equivalents) was added to n-dodecylmercaptan (9.98g, 1 equivalent) dissolved in hexane (100mL) at -30 ° C, and the mixture temperature was below -20 ° C. Was added dropwise to keep The solvent was removed under reduced pressure and a white solid was obtained in quantitative yield.

例6−水酸化リチウムを用いたリチウムn−ドデシルメルカプチドの合成 Example 6-Synthesis of lithium n-dodecyl mercaptide using lithium hydroxide

アセトニトリル(8mL)中に分散させたn−ドデシルメルカプタン(2.0g、1当量)と水酸化リチウム一水和物(0.41g、1当量)の混合物を75℃に加熱し、75℃で16時間撹拌した。室温まで冷却した後、反応混合物を濾過した。濾過ケークをアセトニトリルで洗い流し、真空オーブン中で50℃で一晩乾燥した。リチウムn−ドデシルメルカプチドが、収率93.5%(1.93g)で白色固体として得られた。   A mixture of n-dodecyl mercaptan (2.0 g, 1 eq) and lithium hydroxide monohydrate (0.41 g, 1 eq) dispersed in acetonitrile (8 mL) was heated to 75 ° C and Stirred for hours. After cooling to room temperature, the reaction mixture was filtered. The filter cake was rinsed with acetonitrile and dried in a vacuum oven at 50 ° C. overnight. Lithium n-dodecyl mercaptide was obtained as a white solid in 93.5% yield (1.93 g).

例7−ヘキシルリチウムを用いたリチウムn−ドデシルメルカプチドの合成
Example 7-Synthesis of lithium n-dodecyl mercaptide using lithium hexyl

例6で述べた手順に従って、3,6−ジオキサオクタン−1,8−ジチオールの二リチウム塩がジメルカプタンから白色固体として定量的収率で合成された。   Following the procedure described in Example 6, the dilithium salt of 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol was synthesized from dimercaptan as a white solid in quantitative yield.

リチウムアルキルポリチオラートの合成 Synthesis of lithium alkyl polythiolate

例8−水酸化リチウムを用いたリチウムn−ドデシルポリチオラートの合成
Example 8-Synthesis of lithium n-dodecyl polythiolate using lithium hydroxide

1,3−ジオキソラン(25mL)に溶かしたn−ドデシルメルカプタン(2.00g、1当量)の窒素で脱気した溶液に、水酸化リチウム一水和物(0.41g、1当量)及びイオウ(1.27g、4当量)を加えた。この混合物を窒素下で室温において30分間撹拌した。1,3−ジオキソランに溶けたリチウムn−ドデシルポリチオラートが、暗赤色の溶液として得られた。メルカプタンのリチウムn−ドデシルポリチオラートへの完全転化が、13C−NMR及びLCMSによって確かめられた。 To a solution of n-dodecylmercaptan (2.00 g, 1 eq.) Dissolved in 1,3-dioxolane (25 mL) degassed with nitrogen was added lithium hydroxide monohydrate (0.41 g, 1 eq.) And sulfur ( 1.27 g, 4 eq.). The mixture was stirred at room temperature under nitrogen for 30 minutes. Lithium n-dodecyl polythiolate dissolved in 1,3-dioxolane was obtained as a dark red solution. Complete conversion of the mercaptan to lithium n-dodecyl polythiolate was confirmed by 13 C-NMR and LCMS.

例9−水酸化リチウム及びイオウを用いたリチウム3,6−ジオキサオクタン−1,8−ポリチオラートの合成
Example 9-Synthesis of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate using lithium hydroxide and sulfur

例8で述べた手順に従って、1,3−ジオキソラン(10mL)中での3,6−ジオキサオクタン−1,8−ジチオール(0.72g、1当量)、水酸化リチウム一水和物(0.33g、2当量)、及びイオウ(1.02g、8当量)の反応から、1,3−ジオキソランに溶けたリチウム3,6−ジオキサオクタン−1,8−ポリチオラートの暗赤色の溶液が得られた。   According to the procedure described in Example 8, 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol (0.72 g, 1 eq.), Lithium hydroxide monohydrate (0 mL) in 1,3-dioxolane (10 mL). .33 g, 2 equiv.) And sulfur (1.02 g, 8 equiv.) Gave a dark red solution of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate in 1,3-dioxolane. Obtained.

例10−リチウムアルキルメルカプチドからのリチウムn−ドデシルポリチオラートの合成 Example 10-Synthesis of lithium n-dodecyl polythiolate from lithium alkyl mercaptide

1,3−ジオキソラン(5mL)中に分散させたリチウムn−ドデシルメルカプチド(0.21g、1当量)の窒素で脱気したスラリーに、イオウ(0.13g、4当量)を加えた。この混合物を窒素下で室温において16時間撹拌した。濾過により不溶性固体を除去した。この暗赤色の濾液は、LCMSによって求められるリチウムn−ドデシルポリチオラート63%及びビス(n−ドデシル)ポリスルフィドの混合物37%を含有した。   To a nitrogen degassed slurry of lithium n-dodecyl mercaptide (0.21 g, 1 eq) dispersed in 1,3-dioxolane (5 mL) was added sulfur (0.13 g, 4 eq). The mixture was stirred at room temperature under nitrogen for 16 hours. The insoluble solid was removed by filtration. The dark red filtrate contained 63% lithium n-dodecyl polythiolate and 37% mixture of bis (n-dodecyl) polysulfide as determined by LCMS.

例11−リチウム金属及びイオウを用いたリチウムn−ドデシルポリチオラートの合成 Example 11-Synthesis of lithium n-dodecyl polythiolate using lithium metal and sulfur

1,3−ジオキソラン(25mL)に溶かしたn−ドデシルメルカプタン(2.23g、1当量)の窒素で脱気した溶液に、イオウ(1.41g、4当量)及びリチウム(76.5mg)を加えた。この混合物を60℃に加熱し、窒素下で60℃において1時間撹拌した。1,3−ジオキソランに溶けたリチウムn−ドデシルポリチオラートが暗赤色の溶液として得られた。n−ドデシルメルカプタンの完全転化が13C−NMRによって確かめられた。 To a solution of n-dodecylmercaptan (2.23 g, 1 equiv) dissolved in 1,3-dioxolane (25 mL) and degassed with nitrogen was added sulfur (1.41 g, 4 equiv) and lithium (76.5 mg). Was. The mixture was heated to 60 ° C. and stirred under nitrogen at 60 ° C. for 1 hour. Lithium n-dodecyl polythiolate dissolved in 1,3-dioxolane was obtained as a dark red solution. Complete conversion of n-dodecyl mercaptan was confirmed by 13 C-NMR.

例12−リチウム金属及びイオウを用いたリチウム3,6−ジオキサオクタン−1,8−ポリチオラートの合成 Example 12-Synthesis of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate using lithium metal and sulfur

例11の手順に従って、1,3−ジオキソラン(11mL)中での3,6−ジオキサオクタン−1,8−ジチオール(1.97g、1当量)、リチウム金属(0.15g、2当量)、及びイオウ(2.77g、8当量)の反応によって、1,3−ジオキソランに溶けたリチウム3,6−ジオキサオクタン−1,8−ポリチオラートの暗赤色の溶液が得られた。出発ジ−メルカプタンの完全転化が13C−NMRによって確かめられた。 According to the procedure of Example 11, 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol (1.97 g, 1 eq), lithium metal (0.15 g, 2 eq) in 1,3-dioxolane (11 mL), And sulfur (2.77 g, 8 eq) gave a dark red solution of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate in 1,3-dioxolane. Complete conversion of the starting di-mercaptan was confirmed by 13 C-NMR.

例13−加えたリチウムn−ドデシルポリチオラートによるLi2Sの溶解 Example 13 Dissolution of Li 2 S with lithium n- dodecyl poly thiolate was added

リチウムn−ドデシルポリチオラートの共存下での電解液中の硫化リチウムの溶解度を決定するために、硫化リチウムの飽和溶液を次の通り調製した。すなわち、例10で述べた手順に従って1,3−ジオキソランに溶かしたリチウムn−ドデシルポリチオラートの0.4M溶液を調製した。次いでこの溶液を、テトラエチレングリコールジメチルエーテルで0.2Mに希釈し、次いでこれを、1:1のテトラエチレングリコールジメチルエーテル:1,3−ジオキソランに溶かした1M LiTFSI溶液に、1:1(=v/v)で加えた。得られた溶液に硫化リチウムを飽和混合物が得られるまで加えた。次いでこの混合物を濾過し、その濾液を、溶解したリチウムに関してICP−MS(Agilent 7700x ICP-MS)により分析した。硫化リチウムの溶解度を、そのリチウムレベルを基準にして計算した。1:1のテトラエチレングリコールジメチルエーテル:1,3−ジオキソランに溶かした0.1Mリチウムn−ドデシルポリチオラートを伴う0.5M LiTFSI中では、硫化リチウムの溶解度は0.33重量%であると決定された。これとは対照的に、リチウムn−ドデシルポリチオラートを含まない場合、0.5M LiTFSI中の硫化リチウムの溶解度は0.13重量%に過ぎなかった。これは、本発明の有機イオウが存在する場合、電池の電解液マトリックス中のLi2Sの溶解度が向上することをはっきり実証した。 To determine the solubility of lithium sulfide in the electrolyte in the presence of lithium n-dodecyl polythiolate, a saturated solution of lithium sulfide was prepared as follows. That is, a 0.4 M solution of lithium n-dodecyl polythiolate dissolved in 1,3-dioxolane was prepared according to the procedure described in Example 10. The solution was then diluted to 0.2 M with tetraethylene glycol dimethyl ether, and then diluted 1: 1 (= v / v) with a 1 M solution of LiTFSI in 1: 1 tetraethylene glycol dimethyl ether: 1,3-dioxolane. v). Lithium sulfide was added to the resulting solution until a saturated mixture was obtained. The mixture was then filtered and the filtrate was analyzed for dissolved lithium by ICP-MS (Agilent 7700x ICP-MS). The solubility of lithium sulfide was calculated based on its lithium level. In 0.5 M LiTFSI with 0.1 M lithium n-dodecyl polythiolate dissolved in 1: 1 tetraethylene glycol dimethyl ether: 1,3-dioxolane, the solubility of lithium sulfide was determined to be 0.33% by weight. Was. In contrast, without lithium n-dodecyl polythiolate, the solubility of lithium sulfide in 0.5M LiTFSI was only 0.13% by weight. This clearly demonstrated that the presence of the organic sulfur of the present invention enhanced the solubility of Li 2 S in the electrolyte matrix of the battery.

例14−有機イオウ化学種−被処理アノードを含有する電池の調製 Example 14-Preparation of a cell containing an organosulfur species-treated anode

この例は、本発明の1つの局面に従う有機イオウ化学種を含有する電解質に曝露したアノードを有する電池セルの調製を示す。元素状イオウと導電性炭素とポリエチレン(バインダーとして)とを質量比(イオウ:炭素:ポリエチレン)75:20:5で一緒にし、クロロホルムと共にボールミル粉砕してスラリーにした。このスラリーを次いで炭素被覆アルミニウム箔上でブレードキャストし、空気乾燥させて、約0.5mg/cm2のイオウ添加量にした。得られたカソードを次いでアルゴン充填グローブボックス中でポリプロピレンセパレーター及びリチウム箔アノードを用いてCR2032コイン型セルに組み立てた。用いた電解質は、それぞれ0.38Mリチウムビス(トリフルオロメタン)スルホンアミド及び0.38M硝酸リチウムを、1,3−ジオキソランと1,2−ジメトキシエタンとの1:1(v/v)混合物中に含有するものだった。一方の電解質(本発明に従うもの)には追加的に100mM3,6−ジオキサオクタン−1,8−ジチオール二リチウム塩(LiS−C24−O−C24−O−C24−SLi)を含有させた(それによりリチウム箔アノードを3,6−ジオキサオクタン−1,8−ジチオール二リチウム塩と接触させた)のに対して、もう一方の電解質(対照例)には有機イオウ化学種を含有させなかった。活性イオウについて1.7〜2.6V、40、C/2での電池試験について、電池サイクルを実施した。観察された結果を図2に示す。 This example illustrates the preparation of a battery cell having an anode exposed to an electrolyte containing an organic sulfur species according to one aspect of the present invention. Elemental sulfur, conductive carbon and polyethylene (as a binder) were combined in a mass ratio (sulfur: carbon: polyethylene) of 75: 20: 5 and ball-milled with chloroform to form a slurry. The slurry was then blade cast on a carbon coated aluminum foil and air dried to a sulfur loading of about 0.5 mg / cm 2 . The resulting cathode was then assembled into a CR2032 coin cell using a polypropylene separator and a lithium foil anode in an argon-filled glove box. The electrolyte used was 0.38M lithium bis (trifluoromethane) sulfonamide and 0.38M lithium nitrate in a 1: 1 (v / v) mixture of 1,3-dioxolane and 1,2-dimethoxyethane, respectively. It did contain. One electrolyte (according to the invention) additionally has 100 mM 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol dilithium salt (LiS—C 2 H 4 —O—C 2 H 4 —O—C 2 H). 4 -SLi) (whereby the lithium foil anode was contacted with 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol dilithium salt) while the other electrolyte (control) Did not contain organic sulfur species. Battery cycles were performed for battery tests at 1.7-2.6 V, 40, C / 2 for active sulfur. The observed results are shown in FIG.

Claims (25)

a)ナトリウム、リチウム、又はナトリウム若しくはリチウムのうちの少なくとも一方とイオンを提供するための少なくとも1種の金属との合金若しくは複合体を含むアノード活性物質を含むアノードと、
b)元素状イオウ、元素状セレン、又は元素状カルコゲンの混合物を含むカソード活性物質を含むカソードと、
c)前記アノードと前記カソードの間に位置し、前記アノード及び前記カソードと接している液体又はゲル電解質溶液を分離するように作用する中間セパレータ要素であって、これを通って金属イオン及びそれらの対イオンが、電池の充電及び放電サイクルの間に前記アノードと前記カソードの間を移動する、中間セパレータ要素と
を含む電池であって、
前記液体又はゲル電解質溶液が、非水性の極性非プロトン性溶媒又はポリマーと、導電性の塩とを含み、かつ
条件(i)、(ii)、(iii)又は(iv):
(i)前記液体又はゲル電解質溶液の少なくとも1つが、さらに少なくとも1種の有機イオウ化学種を含む、
(ii)前記カソードが、さらに少なくとも1種の有機イオウ化学種から構成される、
(iii)前記中間セパレータ要素が、少なくとも1種の有機イオウ化学種を含有する官能化多孔質ポリマーを含む、
(iv)前記アノードが、さらに少なくとも1種の有機イオウ化学種から構成されるか、又は少なくとも1種の有機イオウ化学種で処理されている、
の少なくとも1つを満たし、
前記有機イオウ化学種が、少なくとも1つの有機部分と少なくとも1つの−S−Sn−結合(nは0又は1以上の整数である)を含む、前記電池。
a) an anode comprising an anode active material comprising sodium, lithium, or an alloy or composite of at least one of sodium or lithium and at least one metal to provide ions;
b) a cathode comprising a cathode active material comprising elemental sulfur, elemental selenium, or a mixture of elemental chalcogens;
c) an intermediate separator element located between the anode and the cathode and acting to separate the liquid or gel electrolyte solution in contact with the anode and the cathode, through which the metal ions and their A battery comprising: an intermediate separator element, wherein counter ions move between the anode and the cathode during a charge and discharge cycle of the battery;
The liquid or gel electrolyte solution comprises a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer and a conductive salt, and conditions (i), (ii), (iii) or (iv):
(I) at least one of the liquid or gel electrolyte solutions further comprises at least one organic sulfur species;
(Ii) the cathode is further comprised of at least one organic sulfur species;
(Iii) the intermediate separator element comprises a functionalized porous polymer containing at least one organic sulfur species;
(Iv) the anode is further comprised of or treated with at least one organic sulfur species;
Satisfy at least one of
The organic sulfur species, at least one and at least one organic moiety -S-S n - comprises a binding (n is 0 or an integer of 1 or more), the battery.
前記有機イオウ化学種が、有機ポリスルフィド、有機チオラート及び有機ポリチオラート並びにこれらの混合物より成る群から選択される、請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the organic sulfur species is selected from the group consisting of organic polysulfides, organic thiolates and organic polythiolates and mixtures thereof. 前記有機イオウ化学種が、ジチオアセタール、ジチオケタール、トリチオ−オルトカーボネート、チオスルホネート[−S(O)2−S−]、チオスルフィネート[−S(O)−S−]、チオカルボキシレート[−C(O)−S−]、ジチオカルボキシレート[−C(S)−S−]、チオホスフェート、チオホスホネート、モノチオカーボネート、ジチオカーボネート及びトリチオカーボネートより成る群から選択される1つ又は複数のイオウ含有官能基を含有する、請求項1に記載の電池。 The organic sulfur species is dithioacetal, dithioketal, trithio-orthocarbonate, thiosulfonate [—S (O) 2 —S—], thiosulfinate [—S (O) —S—], thiocarboxylate [ -C (O) -S-], one selected from the group consisting of dithiocarboxylate [-C (S) -S-], thiophosphate, thiophosphonate, monothiocarbonate, dithiocarbonate and trithiocarbonate. The battery according to claim 1, wherein the battery contains a plurality of sulfur-containing functional groups. 前記有機イオウ化学種が、芳香族ポリスルフィド、ポリエーテル−ポリスルフィド、ポリスルフィド−酸の塩及びこれらの混合物より成る群から選択される、請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the organic sulfur species is selected from the group consisting of aromatic polysulfides, polyether-polysulfides, polysulfide-acid salts, and mixtures thereof. 前記有機イオウ化学種が、式R1−S−Sn−R2の有機ポリスルフィドであり、ここで、R1及びR2は独立して線状、分岐状若しくは環状の脂肪族又は芳香族であることができ、かつ任意選択でN、O、P、S、Se、Si、Sn、ハロゲン及び/又は金属を含有する1つ又は複数の官能基を含むことができるC1〜C20有機部分を表し、nは1以上の整数である、請求項1に記載の電池。 The organic sulfur species is an organic polysulfide of the formula R 1 —S—S n —R 2 , wherein R 1 and R 2 are independently linear, branched or cyclic aliphatic or aromatic. C 1 -C 20 organic moiety lying can, and optionally N, O, which may include P, S, Se, Si, Sn, one or more functional groups containing halogen and / or metal The battery according to claim 1, wherein n is an integer of 1 or more. 前記有機イオウ化学種が、式R1−S−Mの有機チオラート又は式R1−S−Sn−Mの有機ポリチオラートであり、ここで、R1は、線状、分岐状若しくは環状の脂肪族又は芳香族であることができ、かつ任意選択でN、O、P、S、Se、Si、Sn、ハロゲン及び/又は金属を含有する1つ又は複数の官能基を含むことができるC1〜C20有機部分を表し、Mは、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムであり、nは1以上の整数である、請求項1に記載の電池。 The organic sulfur species is an organic thiolate of the formula R 1 -S-M or an organic polythiolate of the formula R 1 -S-S n -M, wherein R 1 is linear, branched or cyclic. C, which can be aliphatic or aromatic and can optionally include one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and / or metal 1 -C represents 20 organic moiety, M is lithium, sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium, or a quaternary phosphonium, n represents an integer of 1 or more, battery according to claim 1. 前記有機イオウ化学種が、式(I)若しくは(II)のジチオアセタール若しくはジチオケタール、又は式(III)のトリチオ−オルトカルボキシレート
であり、
ここで、各R3は独立してH、又は線状、分岐状若しくは環状の脂肪族又は芳香族であることができ、かつ任意選択でN、O、P、S、Se、Si、Sn、ハロゲン及び/又は金属を含有する1つ又は複数の官能基を含むことができるC1〜C20有機部分であり、o、p及びqは、それぞれ独立して1以上の整数であり、かつ各Zは独立して線状、分岐状若しくは環状の脂肪族又は芳香族であることができ、かつ任意選択でN、O、P、S、Se、Si、Sn、ハロゲン及び/若しくは金属を含有する1つ若しくは複数の官能基を含むことができるC1〜C20有機部分、Li、Na、K、Mg、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムである、請求項1に記載の電池。
The organic sulfur species is a dithioacetal or dithioketal of formula (I) or (II), or a trithio-orthocarboxylate of formula (III)
And
Wherein each R 3 can independently be H, or a linear, branched or cyclic aliphatic or aromatic, and optionally N, O, P, S, Se, Si, Sn, a C 1 -C 20 organic moiety that may contain one or more functional groups containing halogen and / or metal, o, p and q are each an integer of 1 or more independently and each Z can be independently linear, branched or cyclic, aliphatic or aromatic, and optionally contains N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and / or metal The battery of claim 1, wherein the battery is a C 1 -C 20 organic moiety, which can include one or more functional groups, Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium.
前記有機イオウ化学種が、式(IV)の芳香族ポリスルフィド、式(V)のポリエーテル−ポリスルフィド、式(VI)のポリスルフィド−酸の塩、又は式(VII)のポリスルフィド−酸の塩
であり、
ここで、式(IV)におけるR4は独立してtert−ブチル又はtert−アミルであり、R5は独立してOH、OLi、又はONaであり、またrは0以上であり、その芳香族環は、任意選択で1つ又は複数の位置で水素以外の置換基により置換され、式(VI)におけるR6は、二価有機部分であり、式(VII)におけるR5は、二価有機部分であり、各Zは独立してC1〜C20有機部分、Li、Na、又は第四級アンモニウムであり、各Mは独立してLi、Na、K、Mg、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムであり、かつo及びpは、それぞれ独立して1以上の整数である、請求項1に記載の電池。
The organic sulfur species is an aromatic polysulfide of formula (IV), a polyether-polysulfide of formula (V), a salt of a polysulfide-acid of formula (VI), or a salt of a polysulfide-acid of formula (VII)
And
Here, R 4 in the formula (IV) is independently tert-butyl or tert-amyl, R 5 is independently OH, OLi, or ONa, and r is 0 or more; The ring is optionally substituted at one or more positions with a substituent other than hydrogen, wherein R 6 in formula (VI) is a divalent organic moiety and R 5 in formula (VII) is a portion, each Z is C 1 -C 20 organic moiety independently, Li, Na, or quaternary ammonium, each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or The battery according to claim 1, wherein the battery is a quaternary phosphonium, and o and p are each independently an integer of 1 or more.
前記有機イオウ化学種が、式(IX)のトリチオ炭酸官能基を含有する有機ポリスルフィド若しくは有機金属ポリスルフィド、式(X)のジチオ炭酸官能基を含有する有機ポリスルフィド若しくは有機金属ポリスルフィド、又は式(XI)のモノチオ炭酸官能基を含有する有機ポリスルフィド若しくは有機金属ポリスルフィド
であり、
ここで、Zは、C1〜C20有機部分、Na、Li、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムであり、かつo及びpは、独立して1以上の整数である、請求項1に記載の電池。
Wherein the organosulfur species is an organic polysulfide or organometallic polysulfide containing a trithiocarbonate functional group of formula (IX), an organic polysulfide or organometallic polysulfide containing a dithiocarbonate functional group of formula (X), or formula (XI) Organic polysulfides or organometallic polysulfides containing monothiocarbonate functional groups
And
Here, Z is, C 1 -C 20 organic moiety is Na, Li, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and o and p is an integer of 1 or more independently, claim 1 The battery according to 1.
前記液体又はゲル電解質溶液がさらに、式M−S−Sn−Mのポリチオール酸二金属塩化学種から構成され、ここで、各Mは独立してLi、Na、K、Mg、第四級アンモニウム、又は第四級ホスホニウムであり、nは1以上の整数である、請求項1に記載の電池。 The liquid or gel electrolyte solution further comprises a polythiolate bimetallic species of the formula MS—S n —M, wherein each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary. The battery according to claim 1, wherein the battery is ammonium or quaternary phosphonium, and n is an integer of 1 or more. 前記カソードがさらに、少なくとも1種の導電性添加剤及び/又は少なくとも1種のバインダーから構成される、請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the cathode is further comprised of at least one conductive additive and / or at least one binder. 前記有機イオウ化学種が、前記官能化多孔質ポリマーの主鎖に垂下している、請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the organosulfur species is dependent on the backbone of the functionalized porous polymer. 前記有機イオウ化学種が、架橋して、前記官能化多孔質ポリマーの主鎖になるか、又は前記官能化多孔質ポリマーの主鎖の一部を形成する、請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the organosulfur species crosslinks into the backbone of the functionalized porous polymer or forms part of the backbone of the functionalized porous polymer. 前記有機部分が、少なくとも2個の炭素原子を含有する、請求項1に記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the organic moiety contains at least two carbon atoms. 前記中間多孔質セパレータが、前記アノードと関係があるアノード液部分及び前記カソードと関係があるカソード液部分を提供するように前記電池を仕切り、かつ前記有機イオウ化学種が、前記アノード液部分又は前記カソード液部分の少なくとも一方に存在する、請求項1に記載の電池。   The intermediate porous separator partitions the battery to provide an anolyte portion associated with the anode and a catholyte portion associated with the cathode, and wherein the organic sulfur species is the anolyte portion or the anolyte portion. 2. The battery of claim 1, wherein the battery is present on at least one of the catholyte portions. 前記非水性の極性非プロトン性溶媒又はポリマーが、エーテル、カルボニル、エステル、炭酸、アミノ、アミド、スルフィジル[−S−]、スルフィニル[−S(O)−]、又はスルホニル[−SO2−]から選択される1種又は複数種の官能基を含有する、請求項1に記載の電池。 Wherein the polar aprotic solvent or polymer non-aqueous, ether, carbonyl, ester, carbonate, amino, amido, Surufijiru [-S-], sulfinyl [-S (O) -], or a sulfonyl [-SO 2 -] The battery according to claim 1, comprising one or more kinds of functional groups selected from the group consisting of: 前記導電性の塩が式MXに相当し、ここで、MはLi、Na、又は第四級アンモニウムであり、かつXは、(CF3SO22N、CF3SO3、CH3SO3、ClO4、PF6、NO3、AsF6、又はハロゲンである、請求項1に記載の電池。 The conductive salt corresponds to the formula MX, wherein M is Li, Na, or quaternary ammonium, and X is (CF 3 SO 2 ) 2 N, CF 3 SO 3 , CH 3 SO 3, ClO 4, PF 6, NO 3, AsF 6, or a halogen, battery according to claim 1. 前記有機部分がオリゴマー又はポリマーであり、かつ前記有機イオウ化学種が、前記オリゴマー又はポリマーの有機部分の主鎖に垂下している少なくとも1つの−S−S−結合を含む、請求項1に記載の電池。   2. The organic moiety of claim 1, wherein the organic moiety is an oligomer or polymer, and wherein the organosulfur species comprises at least one -SS- bond depending on the backbone of the organic moiety of the oligomer or polymer. Batteries. 前記有機部分がオリゴマー又はポリマーであり、かつ前記有機イオウ化学種が、前記オリゴマー又はポリマーの有機部分の主鎖に組み込まれた少なくとも1つの−S−S−結合を含む、請求項1に記載の電池。   The organic moiety of claim 1, wherein the organic moiety is an oligomer or polymer, and wherein the organic sulfur species comprises at least one —S—S— bond incorporated into the backbone of the organic moiety of the oligomer or polymer. battery. 少なくとも1種の非水性の極性非プロトン性溶媒又はポリマーと、少なくとも1種の導電性の塩と、少なくとも1つの有機部分及び少なくとも1つの−S−Sn−結合(ここで、nは0又は1以上の整数である)から構成される少なくとも1種の有機イオウ化学種とを含む電解液。 And at least one non-aqueous polar aprotic solvents or polymers, at least one conductive salt, at least one organic moiety and at least one -S-S n - bond (wherein, n represents 0 or And at least one organic sulfur species. a)元素状イオウ、元素状セレン、又は元素状カルコゲンの混合物と、b)少なくとも1種の導電性添加剤と、c)少なくとも1つの有機部分及び少なくとも1つの−S−Sn−結合(ここで、nは0又は1以上の整数である)を含む少なくとも1種の有機イオウ化学種とを含むカソード。 a) elemental sulfur, and a mixture of elemental selenium, or elemental chalcogen, b) at least one electrically conductive additive, c) at least one organic moiety and at least one -S-S n - bond (wherein Wherein n is 0 or an integer greater than or equal to 1). 集電装置と組み合わされた、請求項21に記載のカソード。   22. The cathode of claim 21 in combination with a current collector. 前記少なくとも1種の導電性添加剤がグラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェン、カーボンブラック又は煤のうち少なくとも1種を含む、請求項21に記載のカソード。   22. The cathode of claim 21, wherein the at least one conductive additive comprises at least one of graphite, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, carbon black or soot. 少なくとも1種のバインダーをさらに含む、請求項21に記載のカソード。   22. The cathode of claim 21, further comprising at least one binder. ナトリウム、リチウム、カリウム若しくはマグネシウム、又はナトリウム、リチウム、カリウム若しくはマグネシウムのうちの少なくとも1種とイオンを提供するための少なくとも1種の別の金属との合金若しくは複合体を含むアノード活性物質を含むアノードであって、
少なくとも1つの有機部分と少なくとも1つの−S−Sn−結合(nは0又は1以上の整数である)とを含む少なくとも1種の有機イオウ化学種をさらに含むか又は該有機イオウ化学種で処理されている、前記アノード。
An anode comprising an anode active material comprising sodium, lithium, potassium or magnesium, or an alloy or complex of at least one of sodium, lithium, potassium or magnesium with at least one other metal to provide ions And
At least one organic moiety and at least one -S-S n - bond (n is 0 or 1 or more is an integer) and at least one or more comprising an organic sulfur species or organic sulfur containing chemical species The anode being processed.
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