[go: up one dir, main page]

JP2020523733A - Shape-compatible alkali metal-sulfur battery - Google Patents

Shape-compatible alkali metal-sulfur battery Download PDF

Info

Publication number
JP2020523733A
JP2020523733A JP2019565844A JP2019565844A JP2020523733A JP 2020523733 A JP2020523733 A JP 2020523733A JP 2019565844 A JP2019565844 A JP 2019565844A JP 2019565844 A JP2019565844 A JP 2019565844A JP 2020523733 A JP2020523733 A JP 2020523733A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sulfonated
sulfur
alkali metal
carbon
active material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2019565844A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ツァーム,アルナ
ゼット. チャン,ボア
ゼット. チャン,ボア
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanotek Instruments Inc
Original Assignee
Nanotek Instruments Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US15/612,537 external-priority patent/US11394058B2/en
Priority claimed from US15/612,497 external-priority patent/US11335946B2/en
Application filed by Nanotek Instruments Inc filed Critical Nanotek Instruments Inc
Publication of JP2020523733A publication Critical patent/JP2020523733A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134Electrodes based on metals, Si or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1395Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381Alkaline or alkaline earth metals elements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382Lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/40Alloys based on alkali metals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/40Alloys based on alkali metals
    • H01M4/405Alloys based on lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
    • H01M4/622Binders being polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/625Carbon or graphite
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/626Metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D9/00Electrolytic coating other than with metals
    • C25D9/04Electrolytic coating other than with metals with inorganic materials
    • C25D9/08Electrolytic coating other than with metals with inorganic materials by cathodic processes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0565Polymeric materials, e.g. gel-type or solid-type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0085Immobilising or gelification of electrolyte
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

(a)約30体積%〜約95体積%のカソード活物質(硫黄含有材料)と、溶媒に溶解されたアルカリ塩及び溶媒に溶解、分散又は含浸されたイオン伝導ポリマーを含有する5体積%未満〜40体積%の第1の電解質と、約0.01体積%)〜約30体積%)の導電性添加剤とを含有する準固体カソードであって、導電性フィラメントを含有する導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、それにより、準固体電極は、約10−6S/cm〜約300S/cmの導電率を有する、準固体カソードと、(b)アノードと、(c)アノードと準固体カソードとの間に配設されたイオン伝導膜又は多孔質セパレータとを含むアルカリ金属−硫黄セルであって、準固体カソードは、200μm〜100cmの厚さを有し、且つ10mg/cm超の活物質質量装填量を有するカソード活物質を有する、アルカリ金属−硫黄セルが提供される。
【選択図】図1(C)
(A) less than 5% by volume containing from about 30% to about 95% by volume of cathode active material (sulfur-containing material) and an alkali salt dissolved in a solvent and an ion conductive polymer dissolved, dispersed or impregnated in the solvent. -40% by volume of a first electrolyte and about 0.01% by volume) to about 30% by volume) of a conductive additive, wherein the conductive additive comprises a conductive filament. Form a 3D network of electronic conduction paths, whereby the quasi-solid electrode has a conductivity of between about 10 −6 S/cm and about 300 S/cm, and (b) an anode, ( c) An alkali metal-sulfur cell comprising an ion conducting membrane or a porous separator disposed between the anode and the quasi-solid cathode, the quasi-solid cathode having a thickness of 200 μm to 100 cm, and An alkali metal-sulfur cell is provided having a cathode active material with an active material mass loading of greater than 10 mg/cm 2 .
[Selection diagram] Figure 1(C)

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に援用する、2017年6月2日に出願された米国特許出願公開第15/612,497号明細書及び2017年6月2日に出願された米国特許出願公開第15/612,537号明細書に対する優先権を主張する。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is US Patent Application Publication No. 15/612,497 filed June 2, 2017 and filed June 2, 2017, which is hereby incorporated by reference. Claims priority to published U.S. Patent Application Publication No. 15/612,537.

本発明は、概して、充電式リチウム金属−硫黄電池、ナトリウム金属−硫黄電池、リチウムイオン硫黄電池及びナトリウムイオン硫黄電池を含むアルカリ金属−硫黄電池の分野に関する。 The present invention relates generally to the field of alkali metal-sulfur batteries, including rechargeable lithium metal-sulfur batteries, sodium metal-sulfur batteries, lithium ion sulfur batteries and sodium ion sulfur batteries.

充電式リチウムイオン(Liイオン)及びリチウム金属電池(Li−硫黄及びLi金属−空気電池を含む)が、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)及びポータブル電子デバイス、例えばラップトップコンピュータ及び携帯電話のための有望な電源とみなされている。金属元素としてのリチウムは、アノード活物質としての任意の他の金属又は金属インターカレーション化合物(4,200mAh/gの比容量を有するLi4.4Siを除く)と比較して最高の容量(3,861mAh/g)を有する。したがって、一般に、Li金属電池は、リチウムイオン電池よりも大幅に高いエネルギー密度を有する。 Rechargeable lithium-ion (Li-ion) and lithium metal batteries (including Li-sulfur and Li-metal-air batteries) are used in electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV) and portable electronic devices such as laptop computers and mobile phones. Considered a promising power source for phones. Lithium as a metal element has the highest capacity (excluding Li 4.4 Si having a specific capacity of 4,200 mAh/g) as the anode active material (excluding Li 4.4 Si having a specific capacity of 4,200 mAh/g). 3,861 mAh/g). Therefore, Li metal batteries generally have significantly higher energy densities than lithium ion batteries.

歴史的には、充電式リチウム金属電池は、リチウム金属アノードと結合されたカソード活物質として、TiS、MoS、MnO、CoO及びVなど、比較的高い比容量を有する非リチウム化化合物を使用して製造された。電池が放電されると、リチウム金属アノードから電解質を通ってカソードにリチウムイオンが移動され、カソードがリチウム化された。残念ながら、充放電を繰り返すと、リチウム金属がアノードでデンドライトを形成し、このデンドライトは、最終的にセパレータを貫通して成長し、内部短絡及び爆発を引き起こした。この問題に関連した一連の事故の結果、1990年代初頭にこれらのタイプの二次電池の生産が中止され、リチウムイオン電池に取って代わられた。 Non Historically, rechargeable lithium metal batteries, as a cathode active material is combined with lithium metal anodes, etc. TiS 2, MoS 2, MnO 2 , CoO 2 and V 2 O 5, having a relatively high specific capacity Prepared using a lithiated compound. When the battery was discharged, lithium ions moved from the lithium metal anode through the electrolyte to the cathode, lithiating the cathode. Unfortunately, upon repeated charge and discharge, lithium metal formed dendrites at the anode, which eventually grew through the separator, causing internal short circuits and explosions. As a result of a series of accidents related to this problem, production of these types of secondary batteries was discontinued in the early 1990s, replacing lithium ion batteries.

リチウムイオン電池では、純粋なリチウム金属のシート又はフィルムが、アノードとしての炭素質材料によって置換された。炭素質材料は、(例えば、グラフェン面間でのリチウムイオン又は原子のインターカレーションにより)リチウムを吸収し、リチウムイオン電池動作のそれぞれ再充電段階中及び放電段階中にリチウムイオンを脱着する。炭素質材料は、リチウムとインターカレートすることができる黒鉛を主に含み得、得られる黒鉛インターカレーション化合物は、Liとして表すことができ、ここで、xは典型的には1未満である。 In lithium-ion batteries, a sheet or film of pure lithium metal has been replaced by a carbonaceous material as the anode. The carbonaceous material absorbs lithium (eg, by intercalating lithium ions or atoms between the graphene planes) and desorbs lithium ions during the recharge and discharge phases of lithium-ion battery operation, respectively. The carbonaceous material may predominantly include graphite that is capable of intercalating with lithium, and the resulting graphite intercalation compound can be represented as Li x C 6 , where x is typically 1 Is less than.

リチウムイオン(Liイオン)バッテリは、電気駆動車のための有望なエネルギー貯蔵デバイスであるが、現況技術のLiイオン電池は、コスト面及び性能面での目標をまだ満たしていない。Liイオンセルは、典型的には、炭素負極(アノード)に対して高電位でLi+を脱/再インターカレートする正極(カソード)としてリチウム遷移金属酸化物又はリン酸塩を使用する。リチウム遷移金属酸化物又はリン酸塩ベースのカソード活物質の比容量は、典型的には140〜170mAh/gの範囲内である。その結果、市販のLiイオンセルの比エネルギーは、典型的には120〜250Wh/kg、最も典型的には150〜220Wh/kgの範囲内である。これらの比エネルギー値は、バッテリ駆動式電気自動車が広く受け入れられるために必要とされるよりも2〜3倍低い。 While lithium-ion (Li-ion) batteries are a promising energy storage device for electric powered vehicles, state-of-the-art Li-ion batteries have not yet met the cost and performance goals. Li-ion cells typically use lithium transition metal oxides or phosphates as the positive electrode (cathode) that de-/re-intercalates Li+ at high potential relative to the carbon negative electrode (anode). The specific capacity of lithium transition metal oxide or phosphate based cathode active materials is typically in the range of 140-170 mAh/g. As a result, the specific energy of commercially available Li-ion cells is typically in the range of 120-250 Wh/kg, most typically 150-220 Wh/kg. These specific energy values are 2-3 times lower than required for the wide acceptance of battery-powered electric vehicles.

ハイブリッド(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(HEV)、全電池電気自動車(EV)の急速な発展に伴って、大幅に高い比エネルギー、より高いエネルギー密度、より高いレート性能、長いサイクル寿命及び安全性を備える充電式電池を提供するアノード及びカソード材料が緊急で必要である。最も有望なエネルギー貯蔵デバイスの1つは、リチウム−硫黄(Li−S)セルである。これは、Liの理論容量が3,861mAh/gであり、Sの理論容量が1,675mAh/gであるからである。Li−Sセルは、その最も単純な形態では、正極としての元素硫黄と、負極としてのリチウムとからなる。リチウム−硫黄セルは、Li/Liに対して2.2Vに近い反応S+16Li⇔8LiSで表される酸化還元対で動作する。この電気化学電位は、従来のリチウムイオン電池における従来の正極(例えば、LiMnO)によって示される電位の約2/3である。しかし、この欠点は、LiとSとの両方の非常に高い理論容量によって相殺される。したがって、従来のインターカレーションに基づくLiイオン電池と比較して、Li−Sセルは、大幅に高いエネルギー密度(容量と電圧の積)を提供する可能性を有する。LiSへの完全な反応を仮定すると、エネルギー密度値は、Li及びSの合計重量又は体積に基づいて、それぞれ2,500Wh/kg及び2,800Wh/Lに近づき得る。総セル重量又は体積に基づく場合、エネルギー密度はそれぞれ約1,000Wh/kg及び1,100Wh/Lに達し得る。しかし、硫黄カソード技術の業界リーダーによって報告された現在のLi硫黄セルは、(総セル重量又は体積に基づいて)250〜400Wh/kg及び500〜650Wh/Lの最大セル比エネルギーを有しており、これは、可能な値よりもかなり低い。 With the rapid development of hybrid (HEV), plug-in hybrid electric vehicle (HEV), all-battery electric vehicle (EV), significantly higher specific energy, higher energy density, higher rate performance, long cycle life and safety There is an urgent need for anode and cathode materials that provide a rechargeable battery with good performance. One of the most promising energy storage devices is the lithium-sulfur (Li-S) cell. This is because the theoretical capacity of Li is 3,861 mAh/g and the theoretical capacity of S is 1,675 mAh/g. In its simplest form, a Li-S cell consists of elemental sulfur as the positive electrode and lithium as the negative electrode. The lithium-sulfur cell operates with a redox couple represented by the reaction S 8 +16Li⇔8Li 2 S, which is close to 2.2 V with respect to Li + /Li 0 . This electrochemical potential is about 2/3 of the potential exhibited by a conventional positive electrode (eg, LiMnO 4 ) in a conventional lithium-ion battery. However, this drawback is offset by the very high theoretical capacities of both Li and S. Thus, compared to conventional intercalation-based Li-ion batteries, Li-S cells have the potential to offer significantly higher energy density (product of capacity and voltage). Assuming a complete reaction to Li 2 S, the energy density values can approach 2,500 Wh/kg and 2,800 Wh/L, respectively, based on the total weight or volume of Li and S. When based on total cell weight or volume, the energy densities can reach about 1,000 Wh/kg and 1,100 Wh/L, respectively. However, current Li-sulfur cells reported by industry leaders in sulfur cathode technology have maximum cell specific energies of 250-400 Wh/kg (based on total cell weight or volume) and 500-650 Wh/L. , Which is much lower than possible.

要約すると、かなりの利点があるにもかかわらず、Li−Sセルには、幾つかの主な技術的問題があり、したがってそれらがLi−Sセルの広範な商業化を妨げている。
(1)従来のリチウム金属セルは、デンドライト形成及び関連の内部短絡の問題を依然として有する。
(2)硫黄又は硫黄含有有機化合物は、電気的にもイオン的にも高い絶縁性を有する。高い電流密度又は充放電レートで可逆電気化学反応を可能にするために、硫黄は、導電性添加剤との密接な接触を維持しなければならない。この目的のために様々な炭素−硫黄複合体が利用されているが、接触面積のスケールが限られているため、限られた成功のみを収めていた。報告されている典型的な容量は、中程度のレートで、(カソード炭素−硫黄複合体重量に基づいて)300〜550mAh/gである。
(3)このセルは、放電−充電サイクル中に大幅な容量減衰を示す傾向がある。これは主に、電解質に使用される極性有機溶媒中での放電プロセスと充電プロセスとの両方において反応中間体に形成されるポリ硫化リチウムアニオンの高い可溶性によるものである。サイクリング中、ポリ硫化リチウムアニオンは、セパレータを通ってLi負極に移動し得、そこで還元されて固体の沈殿物(Li及び/又はLiS)となり、活性質量損失を引き起こす。さらに、放電中に正極の表面に析出する固体生成物が電気化学的に不可逆的になり、これも活性質量損失の一因となる。
(4)より一般的に言えば、元素硫黄、有機硫黄及び炭素−硫黄材料を含むカソードを含むセルの大きい欠点は、カソードからセルの残りの部分への、可溶性硫化物、ポリ硫化物、オルガノスルフィド、硫化炭素及び/又はポリ硫化炭素(本明細書では以後、アニオン性還元生成物と呼ぶ)の溶解及び過剰な外方拡散に関する。この現象は一般的にシャトル効果と呼ばれる。このプロセスは、以下のような幾つかの問題を生じる:高い自己放電率、カソード容量の損失、活性セル構成要素への電気的接触の喪失をもたらす集電体及び電気的リードの腐食、アノードの機能不全をもたらすアノード表面の汚れ並びにイオン輸送の喪失及びセル内の内部抵抗の大きい増加をもたらすセル膜セパレータの細孔の目詰まり。
In summary, despite their considerable advantages, Li-S cells have some major technical problems, thus preventing them from widespread commercialization.
(1) Conventional lithium metal cells still have the problems of dendrite formation and related internal short circuits.
(2) Sulfur or a sulfur-containing organic compound has high electrical and ionic insulation. The sulfur must maintain intimate contact with the conductive additive to allow reversible electrochemical reactions at high current densities or charge/discharge rates. Various carbon-sulfur complexes have been utilized for this purpose, but with limited scale of contact area, with limited success. Typical capacities reported are 300-550 mAh/g (based on cathode carbon-sulfur composite weight) at moderate rates.
(3) This cell tends to show significant capacity fade during the discharge-charge cycle. This is mainly due to the high solubility of the lithium polysulfide anion formed in the reaction intermediate both during the discharge process and the charge process in the polar organic solvent used for the electrolyte. During cycling, the lithium polysulfide anions can move through the separator to the Li negative electrode where it is reduced to a solid precipitate (Li 2 S 2 and/or Li 2 S), causing active mass loss. Furthermore, the solid product deposited on the surface of the positive electrode during discharge becomes electrochemically irreversible, which also contributes to active mass loss.
(4) More generally speaking, the major drawback of cells containing cathodes containing elemental sulfur, organic sulfur and carbon-sulfur materials is that soluble sulfides, polysulfides, organosulfates from the cathode to the rest of the cell. It relates to the dissolution and excessive outdiffusion of sulphides, carbon sulphides and/or carbon polysulphides (hereinafter referred to as anionic reduction products). This phenomenon is generally called the shuttle effect. This process gives rise to several problems such as: high self-discharge rate, loss of cathode capacity, corrosion of current collectors and electrical leads leading to loss of electrical contact to active cell components, anode Fouling of the anode surface resulting in malfunction and clogging of the pores of the cell membrane separator resulting in loss of ionic transport and a large increase in internal resistance within the cell.

これらの課題に対応して、新規の電解質、リチウムアノードのための保護フィルム及び固体電解質が開発されている。幾つかの興味深いカソードの開発が最近報告されており、ポリ硫化リチウムを含む。しかし、それらの性能は、まだ実用的な用途に必要な性能に至っていない。 In response to these challenges, new electrolytes, protective films for lithium anodes and solid electrolytes have been developed. Several interesting cathode developments have recently been reported, including lithium polysulfide. However, their performance has not yet reached that required for practical use.

例えば、Jiらは、ナノ構造化硫黄/メソポーラス炭素材料に基づくカソードがこれらの課題を大幅に克服でき、安定した高い可逆容量を示し、レート特性とサイクリング効率が優れていることを報告した[Xiulei Ji,Kyu Tae Lee,& Linda F.Nazar,“A highly ordered nanostructured carbon−sulphur cathode for lithium−sulphur batteries,”Nature Materials 8,500−506(2009)]。しかし、提案されている高度に秩序化されたメソポーラス炭素構造の作製には、単調であり高い費用がかかるテンプレート支援プロセスが必要である。また、物理気相成長法又は溶液沈殿法を使用して、これらのメソスケールの細孔に高比率の硫黄を装填することも困難である。 For example, Ji et al. have reported that cathodes based on nanostructured sulfur/mesoporous carbon materials can significantly overcome these problems, exhibit stable and high reversible capacity, and have excellent rate characteristics and cycling efficiency [Xiulei. Ji, Kyu Tae Lee, & Linda F. Nazar, "A highly ordered nanostructured carbon-sulfur cathode for lithium-sulfur batteries," Nature Materials 8, 500-506 (2009)]. However, the fabrication of the proposed highly ordered mesoporous carbon structure requires a tedious and costly template-assisted process. It is also difficult to load these mesoscale pores with a high proportion of sulfur using physical vapor deposition or solution precipitation.

Zhangら(米国特許公開第2014/0234702号明細書;2014年8月21日)は、単離された酸化グラフェン(GO)シートの表面上にS粒子を堆積させる化学反応法を利用する。しかし、この方法は、GO表面上に高比率のS粒子(すなわち典型的にはGO−Sナノコンポジット組成物中で66%未満のS)を作成することができない。得られるLi−Sセルはまた、レート性能が低く、例えば0.02Cのレートで(Sの重量に基づいて)1,100mAh/gの比容量が1.0Cのレートで<450mAh/gに低下される。実現可能な最高の比容量1,100mAh/gは、そのような低い充放電レートでさえ、1,100/1,675=65.7%の硫黄利用効率を示すことに留意されたい(0.02Cは、1/0.02=50時間で充電又は放電プロセスを完了することを意味する。同様に、1C=1時間、2C=1/2時間、3C=1/3時間などである)。さらに、そのようなS−GOナノコンポジットカソードベースのLi−Sセルは、非常に短いサイクル寿命を示し、容量は、典型的には、40回未満の充放電サイクルでその元の容量の60%未満に低下する。そのような短いサイクル寿命のため、このLi−Sセルは実用的な用途には有用でない。酸化グラフェン表面上にS粒子を堆積させる別の化学反応法をWangらが開示している(米国特許出願公開第2013/0171339号明細書;2013年7月4日)。このLi−Sセルも依然として同じ問題を抱えている。 Zhang et al. (US Patent Publication No. 2014/0234702; August 21, 2014) utilize a chemical reaction method that deposits S particles on the surface of isolated graphene oxide (GO) sheets. However, this method fails to produce a high proportion of S particles (ie, typically less than 66% S in GO-S nanocomposite compositions) on the GO surface. The resulting Li-S cell also has poor rate performance, for example, a specific capacity of 1,100 mAh/g (based on the weight of S) at a rate of 0.02 C drops to <450 mAh/g at a rate of 1.0 C. To be done. Note that the highest achievable specific capacity of 1,100 mAh/g shows a sulfur utilization efficiency of 1,100/1,675=65.7% even at such low charge/discharge rates (0. 02C means complete the charge or discharge process in 1/0.02=50 hours (also 1C=1 hour, 2C=1/2 hours, 3C=1/3 hours, etc.). Moreover, such S-GO nanocomposite cathode-based Li-S cells exhibit very short cycle life, with capacities typically 60% of their original capacity at less than 40 charge/discharge cycles. Fall below. Due to such short cycle life, this Li-S cell is not useful for practical applications. Another chemical reaction method for depositing S particles on graphene oxide surfaces has been disclosed by Wang et al. (US 2013/0171339; Jul. 4, 2013). This Li-S cell still has the same problem.

Li−Sセル中のカソード材料として使用するための(GO表面上に吸着された硫黄粒子を有する)グラフェン−硫黄ナノコンポジットを調製するための溶液沈殿法をLiuらが開示している(米国特許出願公開第第2012/0088154号明細書;2012年4月12日)。この方法は、GOシートと溶媒(CS)中のSとを混合して懸濁液を形成することを含む。次いで溶媒を蒸発させて固体ナノコンポジットを得て、次いでこれを粉砕して、平均直径が約50nm未満の一次硫黄粒子を有するナノコンポジット粉末を得る。残念ながら、この方法は、40nm未満のS粒子を生成することはできないようである。得られたLi−Sセルは、サイクル寿命が非常に短い(わずか50サイクル後に50%の容量減衰)。これらのナノコンポジット粒子がポリマーにカプセル化されているときでさえ、Li−Sセルは、100サイクル後にその元の容量の80%未満のみを保つ。また、このセルは、レート性能が低い(0.1Cのレートで1,050mAh/g(S重量)の比容量。1.0Cのレートで<580mAh/gに低下)を示す。ここでも、これは、高比率のSがリチウム貯蔵に寄与せず、その結果、S利用効率が低いことを示唆する。 Liu et al. disclose a solution precipitation method for preparing graphene-sulfur nanocomposites (having sulfur particles adsorbed on GO surfaces) for use as cathode materials in Li-S cells (US Pat. Application Publication No. 2012/0088154; April 12, 2012). The method includes forming a suspension by mixing the S of GO sheets and solvent (CS 2) in. The solvent is then evaporated to obtain a solid nanocomposite, which is then milled to obtain a nanocomposite powder having primary sulfur particles with an average diameter of less than about 50 nm. Unfortunately, this method does not appear to produce S particles below 40 nm. The resulting Li-S cell has a very short cycle life (50% capacity fade after only 50 cycles). Even when these nanocomposite particles are encapsulated in polymers, the Li-S cell retains only less than 80% of its original capacity after 100 cycles. Also, this cell exhibits low rate performance (specific capacity of 1,050 mAh/g (S weight) at a rate of 0.1 C. It drops to <580 mAh/g at a rate of 1.0 C). Again, this suggests that a high proportion of S does not contribute to lithium storage, resulting in low S utilization efficiency.

高エネルギー密度Li−Sセルの作製のために様々な手法が提案されているにもかかわらず、電気活性カソード材料の利用(S利用効率)を改良し、多数回のサイクルにわたって高い容量を有する充電式Li−Sセルを提供するカソード材料及び製造プロセスの必要性がまだ残っている。 Despite various proposals for the fabrication of high energy density Li-S cells, charging with improved utilization of electroactive cathode materials (S utilization efficiency) and high capacity over many cycles. There remains a need for cathode materials and manufacturing processes that provide formula Li-S cells.

最も重要なことに、リチウム金属(純リチウム、他の金属元素との高いリチウム含有量のリチウム合金又は高いリチウム含有量を有するリチウム含有化合物を含む;例えば、>80重量%以上又は好ましくは>90重量%のLi)は、実質的に全ての他のアノード活物質(純粋なシリコンを除く。しかし、シリコンは粉末化の問題を有する)と比較して、最高のアノード比容量を依然として提供する。デンドライト関連の問題に対処することができれば、リチウム金属は、リチウム−硫黄二次電池における理想的なアノード材料となる。 Most importantly, including lithium metal (pure lithium, high lithium content lithium alloys with other metal elements or lithium-containing compounds with high lithium content; eg >80 wt% or more or preferably >90%. The wt% Li) still provides the highest anode specific capacity compared to virtually all other anode active materials (except pure silicon, but silicon has powdering problems). If the problems associated with dendrites can be addressed, lithium metal will be an ideal anode material in lithium-sulfur secondary batteries.

ナトリウム金属(Na)とカリウム金属(K)は、Liと同様の化学的特性を有し、室温ナトリウム−硫黄セル(RT Na−S電池)又はカリウム−硫黄セル(K−S)での硫黄カソードは、(i)低い活物質利用率、(ii)低いサイクル寿命、及び(iii)低いクーロン効率など、Li−S電池で観察される同じ問題に直面する。ここでも、これらの欠点は、主にSの絶縁性、液体電解質中のS及びポリ硫化Na又はK中間体の溶解(及び関連するシャトル効果)並びに充放電中の大きい体積変化により生じる。 Sodium metal (Na) and potassium metal (K) have similar chemical properties to Li and are sulfur cathodes in room temperature sodium-sulfur cells (RT Na-S batteries) or potassium-sulfur cells (KS). Face the same problems observed in Li-S cells, such as (i) low active material utilization, (ii) low cycle life, and (iii) low Coulombic efficiency. Again, these drawbacks arise primarily from the insulating properties of S, the dissolution of S and poly Na sulfide or K intermediates in the liquid electrolyte (and the associated shuttle effect), and the large volume changes during charge and discharge.

公開されている文献レポート(科学論文)及び特許文献のほとんどにおいて、科学者ら又は発明者らは、(カソード複合体の総重量ではなく)硫黄又はポリ硫化リチウムの重量のみに基づいてカソード比容量を表現することを選択しているが、残念ながら、典型的にはそれらのLi−Sセルでは高比率の非活物質(導電性添加剤及びバインダなど、リチウムを貯蔵することができない材料)が使用されることに留意されたい。実用の目的では、カソード複合体の重量に基づく容量値を使用することがより有意義である。 In most of the published literature reports (scientific papers) and patent literature, scientists or inventors find that the cathode specific capacity is based solely on the weight of sulfur or lithium polysulfide (rather than the total weight of the cathode composite). Unfortunately, these Li-S cells typically have a high proportion of inactive materials (materials that cannot store lithium, such as conductive additives and binders). Note that it is used. For practical purposes, it is more meaningful to use the capacity value based on the weight of the cathode composite.

低容量のアノード又はカソード活物質は、リチウム−硫黄電池又はナトリウム−硫黄電池に関連する唯一の問題ではない。電池業界が認識していないと思われるか又はほとんど無視している重大な設計上及び製造上の問題がある。例えば、公開されている文献及び特許文献で頻繁に主張されているように(アノード又はカソード活物質の重量のみに基づく)電極レベルでの重量容量が高いにもかかわらず、これらの電極は、残念ながら、(総電池セル重量又はパック重量に基づく)電池セル又はパックレベルでの高い容量を電池に提供することができない。これは、これらの報告では電極の実際の活物質質量負荷が低すぎるという見解によるものである。ほとんどの場合、アノードの活物質質量負荷(面密度)は、15mg/cmよりもかなり低く、大抵は<8mg/cmである(面密度=電極の厚さ方向に沿った電極断面積あたりの活物質の量)。セルの中のカソード活物質の量は、典型的にはアノード活物質の量の1.5〜2.5倍である。その結果、Naイオン−硫黄電池セル又はLiイオン−硫黄電池セルにおけるアノード活物質(例えば、炭素)の重量比は、典型的には15%〜20%であり、カソード活物質の重量比は、20%〜35%(大抵は<30%)である。カソード活物質及びアノード活物質の複合の重量分率は、典型的には、セル重量の35%〜50%である。 Low capacity anode or cathode active materials are not the only problems associated with lithium-sulfur or sodium-sulfur batteries. There are significant design and manufacturing issues that the battery industry appears to be unaware of or largely ignores. For example, despite the high weight capacity at the electrode level (based only on the weight of the anode or cathode active material), as frequently claimed in the published and patent literature, these electrodes are unfortunate. However, it is not possible to provide batteries with high capacity at the battery cell or pack level (based on total battery cell weight or pack weight). This is due to the view that the actual active material mass loading of the electrodes is too low in these reports. In most cases, anode active material mass load (surface density) is significantly lower than 15 mg / cm 2, usually <a 8 mg / cm 2 (area density = electrode per cross sectional area in the thickness direction of the electrode Amount of active material). The amount of cathode active material in the cell is typically 1.5 to 2.5 times the amount of anode active material. As a result, the weight ratio of the anode active material (for example, carbon) in the Na ion-sulfur battery cell or the Li ion-sulfur battery cell is typically 15% to 20%, and the weight ratio of the cathode active material is 20% to 35% (usually <30%). The composite weight fraction of cathode active material and anode active material is typically 35% to 50% of the cell weight.

低い活物質質量負荷は、主として、従来のスラリコーティング手順を使用して比較的厚い電極(100〜200μmよりも厚い)を得ることができないことが原因である。これは、思うほど簡単な作業ではなく、現実には、電極の厚さは、セル性能を最適化するために任意に且つ自由に変えることができる設計パラメータではない。反対に、より厚い試料は、非常に脆くなりやすいか、又は構造的完全性が低くなりやすく、また大量の粘結剤樹脂の使用を必要とする。硫黄の低融点で軟性の特性により、硫黄カソードを100μmよりも厚く形成することは実質的に不可能である。さらに、実際の電池製造施設では、150μmよりも厚い被覆電極は、被覆されたスラリを完全に乾燥させるために100メートルの長さの加熱区域を必要とする。これにより、設備費が大幅に増加し、製造スループットが低下する。低い面密度及び低い体積密度(薄い電極及び低い充填密度に関連する)により、電池セルの体積容量は比較的低く、体積エネルギー密度は低い。 The low active material mass loading is primarily due to the inability to obtain relatively thick electrodes (thickness greater than 100-200 μm) using conventional slurry coating procedures. This is not as easy a task as one might think, and in reality the electrode thickness is not a design parameter that can be changed arbitrarily and freely to optimize cell performance. Conversely, thicker samples tend to be very brittle or have poor structural integrity and also require the use of large amounts of binder resin. Due to the low melting point and soft nature of sulfur, it is virtually impossible to form sulfur cathodes thicker than 100 μm. Moreover, in practical battery manufacturing facilities, coated electrodes thicker than 150 μm require a heating zone 100 meters long to completely dry the coated slurry. This significantly increases equipment costs and reduces manufacturing throughput. Due to the low areal density and low volume density (related to thin electrodes and low packing density), the battery cell has relatively low volume capacity and low volume energy density.

よりコンパクトでポータブルなエネルギー貯蔵システムに対する需要の高まりと共に、電池の体積の利用率を高めることに強い関心が持たれている。セルの体積容量及びエネルギー密度の改良を実現するために、高い体積容量及び高い質量負荷を可能にする新規の電極材料及び設計が不可欠である。 With the increasing demand for more compact and portable energy storage systems, there is a strong interest in increasing battery volume utilization. In order to achieve improved cell volume capacity and energy density, new electrode materials and designs that enable high volume capacity and high mass loading are essential.

したがって、本発明の目的は、従来のLi−S及びNa−Sセルに一般的に関連する以下の問題を克服又は大幅に低減する合理的な材料及び電池設計に基づく充電式のアルカリ金属−硫黄セルを提供することである:(a)デンドライト形成(内部短絡)、(b)硫黄の非常に低い電気及びイオン伝導度。これは、大きい比率(典型的には30〜55%)の非活性導電性フィラーを必要とし、且つかなりの比率のアクセス不可能な又は到達不可能な硫黄又はアルカリ金属ポリ硫化物を有する、(c)電解質中へのS及びアルカリ金属ポリ硫化物の溶解並びにカソードからアノードへのポリ硫化物の移動(これは、アノードでLi又はNa金属と不可逆反応する)。これは、活物質の喪失及び容量減衰(シャトル効果)をもたらす、(d)短いサイクル寿命、及び(e)アノードとカソードとの両方における低い活性質量装填量。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a rechargeable alkali metal-sulfur based rational material and battery design that overcomes or significantly reduces the following problems commonly associated with conventional Li-S and Na-S cells. To provide a cell: (a) dendrite formation (internal short circuit), (b) very low electrical and ionic conductivity of sulfur. It requires a large proportion (typically 30-55%) of inert conductive fillers and has a significant proportion of inaccessible or unreachable sulfur or alkali metal polysulfides, ( c) Dissolution of S and alkali metal polysulfides in the electrolyte and migration of polysulfides from the cathode to the anode, which reacts irreversibly with Li or Na metal at the anode. This results in active material loss and capacity decay (shuttle effect), (d) short cycle life, and (e) low active mass loading on both anode and cathode.

本発明の具体的な目的は、非常に高い比エネルギー又は比エネルギー密度を示す充電式アルカリ金属−硫黄電池(例えば、主にLi−S及び室温Na−S電池)を提供することである。本発明の1つの特定の技術的目標は、(全て総セル重量に基づいて)400Wh/Kgより大きい、好ましくは500Wh/Kgより大きい、より好ましくは600Wh/Kgより大きい、最も好ましくは700Wh/kgよりも大きいセル比エネルギーを有するアルカリ金属−硫黄又はアルカリイオン−硫黄セルを提供することである。好ましくは、体積エネルギー密度は600Wh/Lよりも大きく、さらに好ましくは800Wh/Lよりも大きく、最も好ましくは1,000Wh/Lよりも大きい。 A specific object of the present invention is to provide a rechargeable alkali metal-sulfur battery (eg predominantly Li-S and room temperature Na-S battery) that exhibits very high specific energy or specific energy density. One particular technical goal of the present invention is (all based on total cell weight) greater than 400 Wh/Kg, preferably greater than 500 Wh/Kg, more preferably greater than 600 Wh/Kg, most preferably 700 Wh/kg. To provide an alkali metal-sulfur or alkali ion-sulfur cell having a greater cell specific energy. Preferably, the volumetric energy density is greater than 600 Wh/L, more preferably greater than 800 Wh/L, most preferably greater than 1,000 Wh/L.

本発明の別の目的は、硫黄重量に基づいて1,200mAh/gよりも高いか、又はカソード複合体重量(硫黄、導電性添加剤又は基材及び粘結剤の重量を合わせて含むが、カソード集電体の重量は除く)に基づいて1,000mAh/gよりも高い高カソード比容量を示すアルカリ金属−硫黄セルを提供することである。好ましくは、比容量は、硫黄重量のみに基づいて1,400mAh/gよりも高いか、又はカソード複合体重量に基づいて1,200mAh/gよりも高い。これには、高い比エネルギー、デンドライト形成に対する良好な耐性及び長く安定したサイクル寿命が必然的に伴う。 Another object of the present invention is greater than 1,200 mAh/g based on the weight of sulfur or the cathode composite weight (including the combined weight of sulfur, conductive additive or substrate and binder, (Excluding the weight of the cathode current collector) to provide an alkali metal-sulfur cell that exhibits a high cathode specific capacity of greater than 1,000 mAh/g. Preferably, the specific capacity is greater than 1,400 mAh/g based on sulfur weight alone or greater than 1,200 mAh/g based on the cathode composite weight. This entails a high specific energy, good resistance to dendrite formation and a long and stable cycle life.

電子デバイスがよりコンパクトになり、電気自動車(EV)がより軽量になるにつれて、デバイス又は車両内の何らかの不定形状又は限定された空間に嵌め込むことができるように形状適合性である高エネルギー密度の電池の必要性が差し迫っている。通常であれば空の(未使用の又は「無駄な」)空間となる空間(例えば、車のドア又はルーフトップの一部)に電池を実装することにより、デバイスをよりコンパクトにできるようになるか、又はより多くの電力をEVに蓄積できるようになる。電池を形状適合性にするために、電極は、変形可能であり、可撓性であり、且つ形状適合性でなければならない。 As electronic devices become more compact and electric vehicles (EVs) become lighter, they are conformable, high energy density, that is conformable to fit into any irregular shape or confined space within the device or vehicle. The need for batteries is imminent. Allows devices to be made more compact by mounting batteries in spaces that would otherwise be empty (unused or "wasted") spaces (eg, car doors or parts of rooftops) Or, more power can be stored in the EV. In order to make a cell conformable, the electrodes must be deformable, flexible, and conformable.

したがって、高い活物質質量装填量(高い面積密度)、導電率を損なわない高い電極厚さ又は体積、高レート性能、高出力密度及び高エネルギー密度を有するリチウム及びナトリウム電池の必要性が明らかであり、急を要するものである。これらの電池を環境に優しく製造しなければならない。さらに、電池は、形状適合性でなければならない。 Therefore, the need for lithium and sodium batteries with high active material mass loading (high areal density), high electrode thickness or volume without compromising conductivity, high rate performance, high power density and high energy density is clear. , Urgent. These batteries must be manufactured environmentally friendly. Furthermore, the battery must be conformable.

本発明は、高い活物質質量装填量、(活物質質量及び体積に対して)極めて低いオーバーヘッド重量及び体積、高容量並びに前例のない高いエネルギー密度及び電力密度を有するリチウム硫黄電池又はナトリウム硫黄電池を製造する方法を提供する。このLi−S又はNa−S電池は、一次電池(充電不可能)又は二次電池(充電可能)であり得、充電式のリチウム金属−硫黄電池又はナトリウム金属−硫黄電池(リチウム又はナトリウム金属アノードを有する)及びリチウムイオン硫黄電池又はナトリウムイオン硫黄電池(例えば、アノード活物質としての第1のリチウムインターカレーション化合物を有する)を含む。 The present invention provides a lithium-sulfur or sodium-sulfur battery with high active material mass loading, extremely low overhead weight and volume (relative to active material mass and volume), high capacity and unprecedented high energy and power densities. A method of manufacturing is provided. The Li-S or Na-S battery may be a primary battery (non-rechargeable) or a secondary battery (rechargeable), and is a rechargeable lithium metal-sulfur battery or sodium metal-sulfur battery (lithium or sodium metal anode). And a lithium ion sulfur battery or a sodium ion sulfur battery (eg, having a first lithium intercalation compound as the anode active material).

特定の実施形態では、本発明は、(a)約30体積%〜約95体積%の硫黄含有カソード活物質(好ましくは、硫黄、金属−硫黄化合物、硫黄−炭素複合物、硫黄−グラフェン複合物、硫黄−黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄−ポリマー複合物又はそれらの組合せから選択される)と、溶媒に溶解されたアルカリ塩を含有する約5体積%〜約40体積%の第1の電解質と、この溶媒に溶解、分散又は含浸されたイオン伝導ポリマーと、約0.01体積%〜約30体積%の導電性添加剤とを含有する準固体カソードであって、導電性フィラメントを含有する導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、それにより、準固体電極は、約10−6S/cm〜約300S/cmの導電率を有する、準固体カソードと、(b)アノードと、(c)アノードと準固体カソードとの間に配設されたイオン伝導膜又は多孔質セパレータとを含むアルカリ−硫黄セルであって、前記準固体カソードは、200μm以上の厚さを有するアルカリ−硫黄セルを提供する。好ましくは、準固体カソードは、10mg/cm以上、好ましくは15mg/cm以上、さらに好ましくは25mg/cm以上、より好ましくは35mg/cm以上、さらにより好ましくは45mg/cm以上、最も好ましくは65mg/cm超のカソード活物質質量装填量を含有する。 In certain embodiments, the invention provides (a) about 30% to about 95% by volume of a sulfur-containing cathode active material (preferably sulfur, metal-sulfur compounds, sulfur-carbon composites, sulfur-graphene composites). A sulfur-graphite composite, an organic sulfur compound, a sulfur-polymer composite or combinations thereof) and an alkali salt dissolved in a solvent, the first about 5% to about 40% by volume. A quasi-solid cathode containing an electrolyte, an ion-conducting polymer dissolved, dispersed or impregnated in the solvent, and about 0.01% to about 30% by volume of a conductive additive, the conductive solid filament containing a conductive filament. A conductive additive that forms a 3D network of electronic conduction pathways, whereby the quasi-solid electrode has a quasi-solid cathode having a conductivity of from about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm; ) An alkali-sulfur cell comprising an anode and (c) an ion conducting membrane or a porous separator disposed between the anode and the quasi-solid cathode, wherein the quasi-solid cathode has a thickness of 200 μm or more. An alkali-sulfur cell having. Preferably, the quasi-solid cathode is 10 mg/cm 2 or more, preferably 15 mg/cm 2 or more, more preferably 25 mg/cm 2 or more, more preferably 35 mg/cm 2 or more, even more preferably 45 mg/cm 2 or more, Most preferably it contains a cathode active material mass loading of greater than 65 mg/cm 2 .

このセルでは、アノードは、約1.0体積%〜約95体積%のアノード活物質と、溶媒に溶解されたアルカリ塩を含有する約5体積%〜約40体積%の第2の電解質と、この溶媒に溶解、分散又は含浸されたイオン伝導ポリマーと、約0.01体積%〜約30体積%の導電性添加剤とを含有する準固体アノードであって、導電性フィラメントを含有する前記導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、それにより、準固体電極は、約10−6S/cm〜約300S/cmの導電率を有し、前記準固体アノードは、200μm以上の厚さを有する、準固体アノードを含有し得る。好ましくは、準固体アノードは、10mg/cm以上、好ましくは15mg/cm以上、さらに好ましくは25mg/cm以上、より好ましくは35mg/cm以上、さらにより好ましくは45mg/cm以上、最も好ましくは65mg/cm超のアノード活物質質量装填量を含有する。第1の電解質は、組成及び構造が第2の電解質と同じであるか又は異なり得る。 In this cell, the anode comprises from about 1.0% to about 95% by volume of anode active material and from about 5% to about 40% by volume of a second electrolyte containing an alkali salt dissolved in a solvent. A semi-solid anode comprising an ion conducting polymer dissolved, dispersed or impregnated in the solvent and from about 0.01% to about 30% by volume of a conductive additive, said conductive solid containing a conductive filament. The conductive additive forms a 3D network of electronic conduction paths, whereby the quasi-solid electrode has a conductivity of about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm, and the quasi-solid anode has a conductivity of 200 μm or more. A quasi-solid anode having a thickness of Preferably, the quasi-solid anode is 10 mg/cm 2 or more, preferably 15 mg/cm 2 or more, more preferably 25 mg/cm 2 or more, more preferably 35 mg/cm 2 or more, even more preferably 45 mg/cm 2 or more, Most preferably it contains an anode active material mass loading of greater than 65 mg/cm 2 . The first electrolyte can be the same or different in composition and structure as the second electrolyte.

特定の実施形態では、本発明は、(A)約1.0体積%〜約95体積%のアノード活物質と、溶媒に溶解されたアルカリ塩を含有する約5体積%〜約40体積%の電解質と、この溶媒に溶解、分散又は含浸されたイオン伝導ポリマーと、約0.01体積%〜約30体積%の導電性添加剤とを含有する準固体アノードであって、導電性フィラメントを含有する導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、それにより、準固体電極は、約10−6S/cm〜約300S/cmの導電率を有する、準固体アノードと、(B)硫黄、金属−硫黄化合物、硫黄−炭素複合物、硫黄−グラフェン複合物、硫黄−黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄−ポリマー複合物又はそれらの組合せから選択される硫黄含有カソード活物質を含有するカソードと、(C)準固体アノードとカソードとの間に配設されたイオン伝導膜又は多孔質セパレータとを含むアルカリ−硫黄セルであって、前記準固体アノード及びカソードは、それぞれ200μm以上の厚さを有する、アルカリ−硫黄セルを提供する。 In certain embodiments, the invention provides (A) from about 1.0% to about 95% by volume of an anode active material and from about 5% to about 40% by volume containing an alkali salt dissolved in a solvent. A quasi-solid anode containing an electrolyte, an ion-conducting polymer dissolved, dispersed or impregnated in this solvent, and about 0.01% to about 30% by volume of a conductive additive, the conductive solid filament containing a conductive filament. The conductive additive forming a 3D network of electronic conduction paths, whereby the quasi-solid electrode has a conductivity of about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm; ) Contains a sulfur-containing cathode active material selected from sulfur, metal-sulfur compounds, sulfur-carbon composites, sulfur-graphene composites, sulfur-graphite composites, organic sulfur compounds, sulfur-polymer composites or combinations thereof. And a (C) quasi-solid anode and an ion conductive membrane or a porous separator disposed between the cathode and the alkali-sulfur cell, wherein the quasi-solid anode and the cathode each have a thickness of 200 μm or more. An alkali-sulfur cell having a thickness is provided.

本発明の準固体ポリマー電極は、変形可能であり、可撓性があり、形状適合性があり、形状適合性の電池を実現可能にする。 The quasi-solid polymer electrodes of the present invention enable deformable, flexible, conformable, conformable batteries.

また、本発明は、準固体電極を有するアルカリ−硫黄セルを調製する方法であって、(a)ある量の活物質(アノード活物質又はカソード活物質)と、溶媒に溶解されたアルカリ塩を含有するある量の電解質と、この溶媒に溶解、分散又は含浸されたイオン伝導ポリマーと、導電性添加剤とを組み合わせて、変形可能且つ導電性電極材料を形成するステップであって、導電性フィラメントを含有する導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成する、ステップと、(b)電極材料を準固体電極に形成するステップであって、前記電極が10−6S/cm以上(好ましくは10−5S/cm以上、より好ましくは10−3S/cm以上、さらに好ましくは10−2S/cm以上、さらにより好ましくは且つ典型的には10−1S/cm以上、さらにより典型的には且つ好ましくは1S/cm以上、さらにより典型的には且つ好ましくは10S/cm以上であり、最大300S/cm)の導電率を維持するように、電子伝導経路の前記3Dネットワークを途切れさせずに前記電極材料を電極形状に変形させることを含むステップと、(c)第2の電極(第2の電極も準固体電極であり得る)を形成するステップと、(d)準固体電極と第2の電極とを、それらの2つの電極間に配設されたイオン伝導セパレータを有して組み合わせることにより、アルカリ−硫黄セルを形成するステップとを含む方法を提供する。 The present invention also provides a method for preparing an alkali-sulfur cell having a quasi-solid electrode, which comprises (a) a certain amount of an active material (anode active material or cathode active material) and an alkali salt dissolved in a solvent. A step of forming a deformable and conductive electrode material by combining a certain amount of an electrolyte, an ion conductive polymer dissolved, dispersed or impregnated in this solvent, and a conductive additive, the conductive filament The conductive additive containing is a step of forming a 3D network of electron conduction paths, and (b) a step of forming an electrode material into a quasi-solid electrode, wherein the electrode is 10 −6 S/cm or more ( Preferably 10 −5 S/cm or more, more preferably 10 −3 S/cm or more, further preferably 10 −2 S/cm or more, even more preferably and typically 10 −1 S/cm or more, More typically and preferably 1 S/cm or more, even more typically and preferably 10 S/cm or more, up to 300 S/cm), so that the 3D network of electronic conduction paths is maintained. Comprising transforming the electrode material into an electrode shape without interruption, (c) forming a second electrode (the second electrode may also be a quasi-solid electrode), and (d) quasi- Forming a alkali-sulfur cell by combining a solid electrode and a second electrode with an ion-conducting separator disposed between the two electrodes.

幾つかの実施形態では、電解質(第1の電解質又は第2の電解質を含む)は、ポリ(エチレンオキシド)(PEO、1×10g/モル未満、好ましくは0.5×10g/モル未満の分子量を有する)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリ(アクリロニトリル)(PAN)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリ(フッ化ビニリデン)(PVDF)、ポリビス−メトキシエトキシエトキシド−ホスファゼン、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリ(フッ化ビニリデン)−ヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP)、それらのスルホン化誘導体、スルホン化ポリマー又はそれらの組合せから選択されるリチウムイオン伝導又はナトリウムイオン伝導ポリマーを含有する。ここで、スルホン化は、ポリマーのリチウムイオン伝導率を改良することが見出されている。1×10g/モルよりも高いPEO分子量は、典型的には、PEOを溶剤に不溶性にするか又は分散不可能にする。 In some embodiments, the electrolyte (including the first electrolyte or the second electrolyte) is poly(ethylene oxide) (PEO, less than 1×10 6 g/mol, preferably 0.5×10 6 g/mol. Less than), polypropylene oxide (PPO), poly(acrylonitrile) (PAN), poly(methylmethacrylate) (PMMA), poly(vinylidene fluoride) (PVDF), polybis-methoxyethoxyethoxide-phosphazene, poly Contains a lithium ion conducting or sodium ion conducting polymer selected from vinyl chloride, polydimethylsiloxane, poly(vinylidene fluoride)-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), their sulfonated derivatives, sulfonated polymers or combinations thereof To do. Here, sulfonation has been found to improve the lithium ion conductivity of the polymer. Molecular weights of PEO higher than 1×10 6 g/mol typically render the PEO insoluble or non-dispersible in the solvent.

典型的には且つ好ましくは、このイオン伝導ポリマーは、電極内にマトリックス(連続相)を形成しない。 Typically and preferably, the ion conducting polymer does not form a matrix (continuous phase) within the electrode.

イオン伝導ポリマーは、ポリ(パーフルオロスルホン酸)、スルホン化ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのスルホン化パーフルオロアルコキシ誘導体、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリ(エーテルケトン)、スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリイミド、スルホン化スチレン−ブタジエン共重合体、スルホン化ポリクロロ−トリフルオロエチレン(PCTFE)、スルホン化パーフルオロエチレン−プロピレン共重合体(FEP)、スルホン化エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、スルホン化ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロペン及びテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体、エチレンとテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体(ETFE)、スルホン化ポリベンズイミダゾール(PBI)、それらの化学的誘導体、共重合体、ブレンド及びそれらの組合せからなる群から選択され得る。驚くべきことに、本発明者らは、これらのスルホン化ポリマーがリチウムイオン伝導性とナトリウムイオン伝導性との両方を備えることを観察した。 The ion conductive polymer is poly(perfluorosulfonic acid), sulfonated polytetrafluoroethylene, sulfonated perfluoroalkoxy derivative of polytetrafluoroethylene, sulfonated polysulfone, sulfonated poly(ether ketone), sulfonated poly(ether ether). Ketone), sulfonated polystyrene, sulfonated polyimide, sulfonated styrene-butadiene copolymer, sulfonated polychloro-trifluoroethylene (PCTFE), sulfonated perfluoroethylene-propylene copolymer (FEP), sulfonated ethylene-chloro. Trifluoroethylene copolymer (ECTFE), Sulfonated polyvinylidene fluoride (PVDF), Sulfonated copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropene and tetrafluoroethylene, Sulfonated copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene (ETFE), sulfonated polybenzimidazole (PBI), their chemical derivatives, copolymers, blends and combinations thereof. Surprisingly, the inventors have observed that these sulfonated polymers have both lithium and sodium ion conductivity.

「フィラメント」は、最大寸法(例えば、長さ)及び最小寸法(例えば、直径又は厚さ)を有する固体材料物体であり、最大寸法と最小寸法との比が3よりも大きく、好ましくは10よりも大きく、さらに好ましくは100よりも大きい。典型的には、これは、幾つかのみ挙げると、ワイヤ状、ファイバ状、針状、棒状、プレートレット状、シート状、リボン状又はディスク状の物体である。特定の実施形態では、導電性フィラメントは、炭素繊維、黒鉛繊維、カーボンナノファイバ、グラファイトナノファイバ、カーボンナノチューブ、ニードルコークス、カーボンウィスカ、導電性ポリマー繊維、導電性材料被覆繊維、金属ナノワイヤ、金属繊維、金属ワイヤ、グラフェンシート、膨張黒鉛プレートレット、それらの組合せ又はそれらと非フィラメント状導電性粒子との組合せから選択される。 A "filament" is a solid material body having a largest dimension (eg length) and a smallest dimension (eg diameter or thickness), the ratio of the largest dimension to the smallest dimension being greater than 3, preferably greater than 10. Is larger, more preferably larger than 100. Typically, this is a wire-like, fiber-like, needle-like, rod-like, platelet-like, sheet-like, ribbon-like or disc-like object, just to name a few. In certain embodiments, the conductive filaments are carbon fibers, graphite fibers, carbon nanofibers, graphite nanofibers, carbon nanotubes, needle cokes, carbon whiskers, conductive polymer fibers, conductive material coated fibers, metal nanowires, metal fibers. , Metal wires, graphene sheets, expanded graphite platelets, combinations thereof or combinations thereof with non-filamentary conductive particles.

特定の実施形態では、電極は、10−5S/cm〜約100S/cmの導電率を維持する。 In certain embodiments, the electrodes maintain a conductivity of 10 −5 S/cm to about 100 S/cm.

特定の実施形態では、変形可能な電極材料は、1,000s−1の見掛けせん断速度で測定された約10,000Pa・s以上の見掛け粘度を有する。特定の実施形態では、変形可能な電極材料は、1,000s−1の見掛けせん断速度での約100,000Pa・s以上の見掛け粘度を有する。 In certain embodiments, the deformable electrode material has an apparent viscosity of greater than or equal to about 10,000 Pa·s measured at an apparent shear rate of 1,000 s −1 . In certain embodiments, the deformable electrode material has an apparent viscosity of greater than or equal to about 100,000 Pa·s at an apparent shear rate of 1,000 s −1 .

この方法では、活物質の量は、典型的には、電極材料の約20体積%〜約95体積%、より典型的には電極材料の約35体積%〜約85体積%、最も典型的には電極材料の約50体積%〜約75体積%である。 In this method, the amount of active material is typically about 20% to about 95% by volume of the electrode material, more typically about 35% to about 85% by volume of the electrode material, most typically. Is about 50% to about 75% by volume of the electrode material.

好ましくは、活物質、導電性添加剤及び電解質を組み合わせるステップ(リチウム又はナトリウム塩を液体溶媒に溶解することを含む)は、特定の順序に従う。このステップは、まず導電性フィラメントを液体溶媒に分散して、均質な懸濁液を生成し、その後、活物質を懸濁液に添加し、リチウム塩又はナトリウム塩を液体溶媒に溶解し、イオン伝導ポリマーを溶媒に溶解又は分散することを含む。換言すれば、活物質及びイオン伝導ポリマーなどの他の成分を添加する前に、且つリチウム塩又はナトリウム塩を溶媒に溶解する前に、まず導電性フィラメントを液体溶媒に均一に分散させなければならない。この順序は、より低い導電性フィラメント体積分率(より低い閾値体積分率)で電子伝導経路の3Dネットワークを形成するための伝導フィラメントのパーコレーションを実現するために不可欠である。そのような順序に従わない場合、伝導フィラメントのパーコレーションは、発生しないか、又は極めて大きい比率の伝導フィラメント(例えば、10体積%超)が添加されたときにのみ発生し得る。そのような極めて大きい比率の伝導フィラメントは、活物質の分率を減少させ、したがってセルのエネルギー密度を減少させる。 Preferably, the step of combining the active material, the conductive additive and the electrolyte, including dissolving the lithium or sodium salt in a liquid solvent, follows a particular sequence. This step involves first dispersing the conductive filaments in a liquid solvent to produce a homogeneous suspension, then adding the active material to the suspension, dissolving the lithium or sodium salt in the liquid solvent, Dissolving or dispersing the conductive polymer in a solvent. In other words, the conductive filaments must first be uniformly dispersed in the liquid solvent before adding the active material and other components such as the ion-conducting polymer and before dissolving the lithium or sodium salt in the solvent. .. This order is essential to achieve percolation of the conducting filaments to form a 3D network of electronic conduction paths with a lower conducting filament volume fraction (lower threshold volume fraction). If such an order is not followed, percolation of the conducting filaments may not occur or may only occur when a very large proportion of conducting filaments (eg greater than 10% by volume) is added. Such extremely large proportions of conductive filaments reduce the fraction of active material and thus the energy density of the cell.

特定の実施形態では、電極材料を組み合わせて準固体電極に形成するステップは、リチウム塩(又はナトリウム塩)及びイオン伝導ポリマーを液体溶媒に溶解して、第1の塩濃度及び第1のポリマー濃度を有するポリマー電解質を形成し、且つその後、液体溶媒の一部を除去して塩濃度を増加させて、第2の塩濃度及び第2のポリマー濃度を有する準固体ポリマー電解質を得ることを含み、第2の塩濃度及び第2のポリマー濃度は、第1の濃度よりも高く、好ましくは複合の塩及びポリマーの2.5Mよりも高い(より好ましくは、3.0M〜14M)。結果として得られる電解質は、電解質からの塩及び/又はポリマーの沈殿又は結晶化のない過飽和状態である。 In certain embodiments, combining the electrode materials to form a quasi-solid electrode comprises dissolving a lithium salt (or sodium salt) and an ion-conducting polymer in a liquid solvent to produce a first salt concentration and a first polymer concentration. Forming a polymer electrolyte having a salt concentration and then removing a portion of the liquid solvent to increase the salt concentration to obtain a quasi-solid polymer electrolyte having a second salt concentration and a second polymer concentration, The second salt concentration and the second polymer concentration are higher than the first concentration, preferably higher than 2.5M of the complex salt and polymer (more preferably 3.0M to 14M). The resulting electrolyte is supersaturated without precipitation or crystallization of salts and/or polymers from the electrolyte.

溶媒の一部を除去するステップは、塩及びポリマーの沈殿又は結晶化を引き起こさず、電解質が過飽和状態になるように行われ得る。特定の好ましい実施形態では、液体溶媒は、少なくとも第1の液体溶媒及び第2の液体溶媒の混合物を含有し、及び第1の液体溶媒は、第2の液体溶媒よりも揮発性が高く、液体溶媒の一部を除去するステップは、第1の液体溶媒を部分的又は完全に除去することを含む。結果として得られる電解質は、電解質からの塩及び/又はポリマーの沈殿又は結晶化のない過飽和状態である。 The step of removing a portion of the solvent may be carried out so as not to cause salt or polymer precipitation or crystallization and the electrolyte to be supersaturated. In certain preferred embodiments, the liquid solvent contains a mixture of at least a first liquid solvent and a second liquid solvent, and the first liquid solvent is more volatile than the second liquid solvent and the liquid The step of removing a portion of the solvent includes partially or completely removing the first liquid solvent. The resulting electrolyte is supersaturated without precipitation or crystallization of salts and/or polymers from the electrolyte.

本発明を実施する際に使用することができるアノード活物質の種類に制限はない。1つの特定の好ましい実施形態では、アルカリ金属セルは、リチウム金属電池、リチウムイオン電池又はリチウムイオンキャパシタであり、アノード活物質は、(a)リチウム金属又はリチウム金属合金の粒子と、(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子(ソフトカーボン及びハードカーボンを含む)、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維及び黒鉛繊維と、(c)シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)及びカドミウム(Cd)と、(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al又はCdと他の元素との合金又は金属間化合物であって、化学量論的又は非化学量論的である合金又は金属間化合物と、(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn又はCd及びそれらの混合物又は複合物の酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物及びテルル化物と、(f)それらのプレリチウム化されたバージョンと、(g)プレリチウム化されたグラフェンシートと、それらの組合せとからなる群から選択される。 There is no limitation on the type of anode active material that can be used in the practice of the present invention. In one particular preferred embodiment, the alkali metal cell is a lithium metal battery, a lithium ion battery or a lithium ion capacitor, and the anode active material is (a) particles of lithium metal or a lithium metal alloy and (b) natural. Graphite particles, artificial graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles (including soft carbon and hard carbon), needle coke, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers and graphite fibers, and (c) silicon (Si ), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn). ), titanium (Ti), iron (Fe) and cadmium (Cd), and (d) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al or an alloy or intermetallic compound of Cd with another element. And (e) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, and an alloy or intermetallic compound that is stoichiometric or non-stoichiometric. Or oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenides and tellurides of Cd and their mixtures or composites, (f) prelithiated versions thereof, and (g) prelithiation. Selected graphene sheets and combinations thereof.

特定の実施形態では、アルカリ金属−硫黄セルは、ナトリウム金属−硫黄セル又はナトリウムイオン硫黄セルであり、及び活物質は、石油コークス、非晶質炭素、活性炭、ハードカーボン(黒鉛化が困難な炭素)、ソフトカーボン(容易に黒鉛化できる炭素)、鋳型炭素、中空カーボンナノワイヤ、中空炭素球、チタン酸塩、NaTi(PO、NaTi、Na、NaTP、NaTiO(x=0.2〜1.0)、Na、カルボン酸ベースの材料、CNa、C、CNaO、CNa、C10Na、C14、C14Na又はそれらの組合せから選択されるナトリウムインターカレーション化合物を含有するアノード活物質である。 In certain embodiments, the alkali metal-sulfur cell is a sodium metal-sulfur cell or a sodium ion sulfur cell and the active material is petroleum coke, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon (carbon that is difficult to graphitize). ), soft carbon (carbon that can be easily graphitized), template carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, titanates, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O. 4 , Na 2 TP, Na x TiO 2 (x=0.2 to 1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4 , carboxylic acid-based material, C 8 H 4 Na 2 O 4 , C 8 H 6 O 4, is selected from C 8 H 5 NaO 4, C 8 Na 2 F 4 O 4, C 10 H 2 Na 4 O 8, C 14 H 4 O 6, C 14 H 4 Na 4 O 8 , or a combination thereof Is an anode active material containing a sodium intercalation compound.

特定の実施形態では、アルカリ金属−硫黄セルは、ナトリウム金属−硫黄セル又はナトリウムイオン硫黄セルであり、及び活物質は、(a)ナトリウム金属又はナトリウム金属合金の粒子と、(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維及び黒鉛繊維と、(c)ナトリウムをドープされたシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)及びそれらの混合物と、(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd及びそれらの混合物のナトリウム含有合金又は金属間化合物と、(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd及びそれらの混合物又は複合物のナトリウム含有酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物又はアンチモン化物と、(f)ナトリウム塩と、(g)ナトリウムイオンを予め装填されたグラフェンシートと、それらの組合せとからなる群から選択されるアノード活物質である。 In certain embodiments, the alkali metal-sulfur cell is a sodium metal-sulfur cell or sodium ion sulfur cell, and the active material is (a) particles of sodium metal or sodium metal alloy and (b) natural graphite particles. , Artificial graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle cokes, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers and graphite fibers, and (c) sodium-doped silicon (Si), germanium (Ge) , Tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn). , Cadmium (Cd) and mixtures thereof, and (d) sodium-containing alloys or intermetallics of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd and mixtures thereof. Compounds and (e) sodium-containing oxides, carbides, and nitrides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or composites thereof. Selected from the group consisting of, sulfides, phosphides, selenides, tellurides or antimonides, (f) sodium salts, (g) graphene sheets preloaded with sodium ions, and combinations thereof. It is an active material.

電解質は、水、有機液体、イオン液体(100℃よりも低い、好ましくは25℃の室温よりも低い融点を有するイオン塩)又はイオン液体と有機液体との混合物を1/100〜100/1の比で含有することができる。有機液体が望ましいが、イオン液体が好ましい。電解質は、典型的には且つ好ましくは、得られる電極(アノード又はカソード)において溶質を飽和又は過飽和状態にする高い溶質濃度(リチウム/ナトリウム塩及びポリマーの複合の濃度)を含有する。そのような電解質は、本質的に、変形可能又は適合可能である固体のように挙動するポリマー電解質である。これは、液体電解質又はポリマーゲル電解質と根本的に異なる。 The electrolyte is water, an organic liquid, an ionic liquid (an ionic salt having a melting point lower than 100° C., preferably lower than room temperature of 25° C.) or a mixture of an ionic liquid and an organic liquid at a ratio of 1/100 to 100/1. Can be included in a ratio. Organic liquids are preferred, but ionic liquids are preferred. The electrolyte typically and preferably contains a high solute concentration (complex concentration of lithium/sodium salt and polymer) that saturates or supersaturates the solute at the resulting electrode (anode or cathode). Such electrolytes are essentially polymeric electrolytes that behave like solids that are deformable or adaptable. This is fundamentally different from liquid electrolytes or polymer gel electrolytes.

好ましい実施形態では、準固体電極は、200μm〜1cm、好ましくは300μm〜0.5cm(5mm)、さらに好ましくは400μm〜3mm、最も好ましくは500μm〜2.5mm(2,500μm)の厚さを有する。活物質がアノード活物質である場合、アノード活物質は、25mg/cm以上(好ましくは30mg/cm以上、より好ましくは35mg/cm以上)の質量装填量を有し、且つ/又は電池セル全体の少なくとも25重量%又は体積%(好ましくは少なくとも30重量%又は体積%、より好ましくは少なくとも35重量%又は体積%)を占める。活物質がカソード活物質である場合、カソード活物質は、好ましくは、カソード内で20mg/cm以上(好ましくは25mg/cm以上、より好ましくは30mg/cm以上、最も好ましくは40mg/cm以上)の質量装填量を有し、且つ/又は電池セル全体の少なくとも45重量%又は体積%(好ましくは少なくとも50重量%又は体積%、より好ましくは少なくとも55重量%又は体積%)を占める。 In a preferred embodiment, the quasi-solid electrode has a thickness of 200 μm to 1 cm, preferably 300 μm to 0.5 cm (5 mm), more preferably 400 μm to 3 mm, and most preferably 500 μm to 2.5 mm (2,500 μm). .. When the active material is an anode active material, the anode active material has a mass loading of 25 mg/cm 2 or more (preferably 30 mg/cm 2 or more, more preferably 35 mg/cm 2 or more) and/or the battery. It makes up at least 25% by weight or volume% of the entire cell (preferably at least 30% by weight or volume%, more preferably at least 35% by weight or volume %). When the active material is a cathode active material, the cathode active material is preferably 20 mg/cm 2 or more (preferably 25 mg/cm 2 or more, more preferably 30 mg/cm 2 or more, most preferably 40 mg/cm 2 in the cathode. 2 or more) and/or occupy at least 45 wt% or volume% (preferably at least 50 wt% or volume %, more preferably at least 55 wt% or volume %) of the entire battery cell.

電極の厚さ、アノード活物質の面積質量装填量若しくは電池セル全体に対する質量分率又はカソード活物質の面積質量装填量若しくは電池セル全体に対する質量分率に対する上記の要件は、従来のスラリコーティング及び乾燥プロセスを使用した従来のリチウム又はナトリウム電池では可能でなかった。 The above requirements for electrode thickness, areal mass loading of the anode active material or mass fraction of the whole battery cell or areal mass loading of the cathode active material or mass fraction of the whole battery cell are conventional slurry coating and drying. It was not possible with conventional lithium or sodium batteries using the process.

幾つかの実施形態では、アノード活物質は、純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元された酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ホウ素ドープグラフェン、窒素ドープグラフェン、化学的に官能化されたグラフェン、それらの物理的若しくは化学的に活性化若しくはエッチングされたバージョン又はそれらの組合せから選択されるグラフェンシートのプレリチウム化されたバージョンである。驚くべきことに、プレリチウム化なしでは、得られるリチウム電池セルは、満足なサイクル寿命を示さない(すなわち容量が急速に低下する)。 In some embodiments, the anode active material is pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, boron doped. A pre-lithiated version of a graphene sheet selected from graphene, nitrogen-doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched versions thereof, or combinations thereof. Surprisingly, without prelithiation, the resulting lithium battery cells do not exhibit a satisfactory cycle life (ie, the capacity drops rapidly).

リチウム金属電池では、カソード活物質は、15mg/cm超(好ましくは25mg/cm超、より好ましくは35mg/cm超、最も好ましくは50mg/cm超)の電極活物質装填量を構成し、及び/又は電極は、300μm以上(好ましくは400μm以上、より好ましくは500μm以上、最大100cm又は100cm超であり得る)の厚さを有する。本発明によるアルカリ金属電池の電極厚さに理論上の制限はない。 The lithium metal battery, the cathode active material, structure 15 mg / cm 2 greater (preferably 25 mg / cm 2, more preferably above 35 mg / cm 2, most preferably above 50 mg / cm 2 than) an electrode active material loading of And/or the electrode has a thickness of 300 μm or more (preferably 400 μm or more, more preferably 500 μm or more, which can be up to 100 cm or more than 100 cm). There is no theoretical limit to the electrode thickness of the alkali metal battery according to the present invention.

図1(A)は、アノード集電体と、アノード集電体の2つの主面にコーティングされた1つ又は2つのアノード活物質層(例えば、薄いSiコーティング層)と、多孔質セパレータ及び電解質と、1つ又は2つのカソード電極層(例えば、硫黄層)と、カソード集電体とから構成される先行技術のリチウムイオン電池セルの概略図である。FIG. 1A shows an anode current collector, one or two anode active material layers (for example, a thin Si coating layer) coated on two main surfaces of the anode current collector, a porous separator and an electrolyte. FIG. 1 is a schematic diagram of a prior art lithium-ion battery cell composed of, and one or two cathode electrode layers (eg, a sulfur layer) and a cathode current collector. 図1(B)は、電極層が、活物質の離散粒子(例えば、アノード層内の黒鉛若しくは酸化スズ粒子又はカソード層内のLiCoO)と、導電性添加剤(図示せず)と、樹脂バインダ(図示せず)とから構成されている、先行技術のリチウムイオン電池の概略図である。In FIG. 1B, the electrode layer includes discrete particles of the active material (eg, graphite or tin oxide particles in the anode layer or LiCoO 2 in the cathode layer), a conductive additive (not shown), and a resin. 1 is a schematic diagram of a prior art lithium-ion battery composed of a binder (not shown). 図1(C)は、準固体アノード(電解質中に直接混合又は分散されたアノード活物質粒子及び導電性フィラメントからなる)と、多孔質セパレータと、準固体カソード(電解質中に直接混合又は分散されたカソード活物質粒子及び導電性フィラメントとからなる)とを含む本発明によるリチウムイオン電池セルの概略図である。この実施形態では、樹脂バインダは、不要である。FIG. 1(C) shows a quasi-solid anode (comprising anode active material particles and conductive filaments directly mixed or dispersed in an electrolyte), a porous separator, and a quasi-solid cathode (directly mixed or dispersed in an electrolyte). FIG. 2 is a schematic view of a lithium ion battery cell according to the present invention including a cathode active material particle and a conductive filament). In this embodiment, no resin binder is needed. 図1(D)は、アノード(Cu箔表面に堆積されたリチウム金属層を含有する)と、多孔質セパレータと、準固体カソード(電解質中に直接混合又は分散されたカソード活物質粒子及び導電性フィラメントとからなる)とを含む本発明によるリチウム金属電池セルの概略図である。この実施形態では、樹脂バインダは、不要である。FIG. 1(D) shows an anode (containing a lithium metal layer deposited on a Cu foil surface), a porous separator, a quasi-solid cathode (cathode active material particles directly mixed or dispersed in an electrolyte and conductivity). And (comprising a filament). In this embodiment, no resin binder is needed. 図2(A)は、固体電解質の稠密の高秩序構造の概略図である。FIG. 2A is a schematic diagram of a dense and highly ordered structure of a solid electrolyte. 図2(B)は、カチオン(例えば、Na)が容易に移動することできる大きい割合の自由体積を有する完全に非晶質の液体電解質の概略図である。FIG. 2(B) is a schematic diagram of a completely amorphous liquid electrolyte with a large proportion of free volume to which cations (eg, Na + ) can easily migrate. 図2(C)は、遊離(非クラスタ化された)カチオンが容易に移動できる非晶質区域を生成するために塩種を分離する溶媒分子を含む準固体電解質の不規則化又は非晶質構造の概略図である。また、イオン伝導ポリマーは、実質的に非晶質のままの超飽和状態にされている。FIG. 2(C) is a disordered or amorphous quasi-solid electrolyte containing solvent molecules that separate salt species to create an amorphous zone where free (non-clustered) cations can easily migrate. It is a schematic diagram of a structure. Also, the ion-conducting polymer is in a supersaturated state that remains substantially amorphous. 図3(A)は、ナトリウム塩分子比xに対する電解質(例えば、(DOL+DME)溶媒中の(PEO+NaTFSI塩))のNaイオン輸率である。FIG. 3A is a Na + ion transport number of an electrolyte (for example, (PEO+NaTFSI salt) in a (DOL+DME) solvent) with respect to a sodium salt molecule ratio x. 図3(B)は、ナトリウム塩分子比xに対する電解質(例えば、(EMImTFSI+DOL)溶媒中の(PPO+NaTFSI塩))のNaイオン輸率である。FIG. 3(B) is the Na + ion transport number of the electrolyte (for example, (PPO+NaTFSI salt) in the solvent of (EMImTFSI+DOL)) with respect to the sodium salt molecule ratio x. 図4は、剥離黒鉛、膨張黒鉛フレーク(厚さ>100nm)及びグラフェンシート(厚さ<100nm、より典型的には<10nmであり、0.34nmの薄さであり得る)を製造するための一般に使用されている方法の概略図である。FIG. 4 is for producing exfoliated graphite, expanded graphite flakes (thickness >100 nm) and graphene sheets (thickness <100 nm, more typically <10 nm and can be as thin as 0.34 nm). 1 is a schematic diagram of a commonly used method. 図5(A)は、導電性フィラメント(カーボンナノファイバ)の体積分率の関数としてプロットされた、準固体ポリマー電極内の伝導フィラメントの導電率(パーコレーション挙動)である。FIG. 5(A) is the conductivity (percolation behavior) of the conductive filament in the quasi-solid polymer electrode plotted as a function of the volume fraction of the conductive filament (carbon nanofiber). 図5(B)は、導電性フィラメント(還元された酸化グラフェンシート)の体積分率の関数としてプロットされた、準固体ポリマー電極内の伝導フィラメントの導電率(パーコレーション挙動)である。FIG. 5(B) is the conductivity (percolation behavior) of the conductive filament in the quasi-solid polymer electrode plotted as a function of the volume fraction of the conductive filament (reduced graphene oxide sheet). 図6(A)は、カソード活物質としてS/CB複合物粒子を含有し、導電性フィラメントとしてカーボンナノファイバを含有するLi−Sセルのラゴンプロット(重量出力密度対エネルギー密度)である。4つのデータ曲線の3つは、本発明の実施形態に従って調製したセルに関するものであり、残りの1つは、電極の従来のスラリコーティング(ロールコーティング)によるものである。FIG. 6(A) is a Ragone plot (weight output density vs. energy density) of a Li-S cell containing S/CB composite particles as a cathode active material and carbon nanofibers as a conductive filament. Three of the four data curves are for cells prepared according to embodiments of the present invention, the other one is from conventional slurry coating (roll coating) of the electrodes. 図6(B)は、従来のLi−Sセルと、準固体ポリマー電解質及び準固体ポリマーカソードを含むLi−Sセルとのサイクル挙動である。FIG. 6B is a cycle behavior of a conventional Li-S cell and a Li-S cell including a quasi-solid polymer electrolyte and a quasi-solid polymer cathode. 図7(A)は、カソード活物質としてグラフェン担持S粒子(グラフェン表面に電気化学的に堆積されたS)を含有し、導電性フィラメントとしてRGOを含有するLi−Sセルのラゴンプロット(重量出力密度対エネルギー密度)である。4つのデータ曲線の3つは、本発明の実施形態に従って調製したセルに関するものであり、残りの1つは、電極の従来のスラリコーティング(ロールコーティング)によるものである。FIG. 7(A) is a Ragone plot (weight output) of a Li-S cell containing graphene-supported S particles (S electrochemically deposited on the graphene surface) as a cathode active material and RGO as a conductive filament. Density versus energy density). Three of the four data curves are for cells prepared according to embodiments of the present invention, the other one is from conventional slurry coating (roll coating) of the electrodes. 図7(B)は、従来のLi−Sセルと、準固体ポリマー電解質及び準固体ポリマーカソードを含むLi−Sセルとのサイクル挙動である。FIG. 7B is a cycle behavior of a conventional Li-S cell and a Li-S cell including a quasi-solid polymer electrolyte and a quasi-solid polymer cathode.

本発明は、従来実現されていなかった非常に高い体積エネルギー密度を示すリチウム硫黄電池又はナトリウム硫黄電池を対象とする。この電池は、一次電池であり得るが、リチウムイオン硫黄電池、リチウム金属−硫黄二次電池(例えば、リチウム金属をアノード活物質として使用する)、ナトリウムイオン硫黄電池、ナトリウム金属−硫黄電池(例えば、ナトリウム金属をアノード活物質として使用し、炭素に担持された硫黄をカソード活物質として使用する)から選択される二次電池であることが好ましい。電池は、水、有機溶媒、イオン液体又は有機液体とイオン液体との混合物に溶解されたポリマー及びリチウム又はナトリウム塩を含有する準固体ポリマー電解質に基づく。好ましくは、電解質は、溶媒中に高濃度の溶質(リチウム塩又はナトリウム塩とポリマーとの複合)を含有する「準固体ポリマー電解質」であり、固体のように挙動するが、所望の量の導電性フィラメント及び活物質が電解質中に添加されても変形可能なままである(したがって用語「変形可能な準固体ポリマー電極」を用いる)。電解質は、液体電解質ではなく、固体電解質でもない。リチウム電池の形状は、円筒形、正方形、ボタン状などであり得、整っていない形又は不定形であり得る。本発明は、いかなる電池形状又は構成にも限定されない。 The present invention is directed to a lithium-sulfur battery or a sodium-sulfur battery, which has not been realized hitherto and has a very high volume energy density. The battery may be a primary battery, but may be a lithium ion sulfur battery, a lithium metal-sulfur secondary battery (e.g. using lithium metal as the anode active material), a sodium ion sulfur battery, a sodium metal-sulfur battery (e.g. It is preferable that the secondary battery is selected from the group consisting of sodium metal used as an anode active material and sulfur supported on carbon used as a cathode active material. Batteries are based on quasi-solid polymer electrolytes containing polymers and lithium or sodium salts dissolved in water, organic solvents, ionic liquids or mixtures of organic and ionic liquids. Preferably, the electrolyte is a "quasi-solid polymer electrolyte" containing a high concentration of solute (complex of lithium salt or sodium salt and polymer) in the solvent, behaving like a solid, but with the desired amount of conductive material. The active filaments and active material remain deformable when added to the electrolyte (hence the term "deformable quasi-solid polymer electrode"). The electrolyte is neither a liquid electrolyte nor a solid electrolyte. The shape of the lithium battery can be cylindrical, square, button-shaped, etc., and can be rough or irregular. The present invention is not limited to any battery shape or configuration.

図1(A)に示されるように、Li−S又は室温Na−Sセルを含む先行技術のリチウム又はナトリウム電池セルは、典型的には、アノード集電体(例えば、Cu箔)と、アノード電極又はアノード活物質層(例えば、Cu箔の一面又は二面に堆積されたLi金属箔、ナトリウム箔又はプレリチウム化されたSi)と、多孔質セパレータ及び/又は電解質成分と、カソード電極又はカソード活物質層(又はAl箔の二面にコーティングされた2つのカソード活物質層)と、カソード集電体(例えば、Al箔)とから構成される。 As shown in FIG. 1A, prior art lithium or sodium battery cells, including Li-S or room temperature Na-S cells, typically have an anode current collector (eg, Cu foil) and an anode. Electrode or anode active material layer (eg, Li metal foil, sodium foil or prelithiated Si deposited on one or two sides of Cu foil), porous separator and/or electrolyte component, and cathode electrode or cathode It is composed of an active material layer (or two cathode active material layers coated on two sides of an Al foil) and a cathode current collector (for example, Al foil).

より一般的に使用される先行技術のセル構成(図1(B))では、アノード層は、アノード活物質(例えば、黒鉛、ハードカーボン又はSi)と、導電性添加剤(例えば、カーボンブラック粒子)と、樹脂バインダ(例えば、SBR又はPVDF)との粒子から構成される。カソード層は、カソード活物質(例えば、Liイオンセル中のLFP粒子又はLi−Sセル中のポリ硫化リチウム/炭素複合体粒子)と、導電性添加剤(例えば、カーボンブラック粒子)と、樹脂バインダ(例えば、PVDF)との粒子から構成される。アノード層及びカソード層の両方は、単位電極面積当たりでおそらく十分な量の電流を生じるように、典型的には100〜200μmの厚さである。この厚さ範囲は、電池設計者が通常的に作業を行う、業界で受け入れられている制約と考えられる。この厚さの制約は、以下のような幾つかの理由によるものである:(a)既存の電池電極コーティング機は、非常に薄いか又は非常に厚い電極層をコーティングするように装備されていない、(b)リチウムイオン拡散経路長の短縮を考慮すると、より薄い層が好ましいが、しかし、層が薄すぎると(例えば、100μm未満)、十分な量の活性リチウム貯蔵材料を含有しない(したがって不十分な電流出力となる)、(c)より厚い電極は、ロールコーティング後の乾燥又は取扱い時に層間剥離又は亀裂を受けやすい、及び(d)最小のオーバーヘッド重量並びに最大のリチウム貯蔵性能及びしたがって最大化されたエネルギー密度(セルのWk/kg又はWh/L)を得るために、電池セル内の全ての非活物質層(例えば、集電体及びセパレータ)を最小限に留めなければならない。 In a more commonly used prior art cell configuration (FIG. 1(B)), the anode layer comprises an anode active material (eg, graphite, hard carbon or Si) and a conductive additive (eg, carbon black particles). ) And a resin binder (for example, SBR or PVDF). The cathode layer includes a cathode active material (for example, LFP particles in a Li ion cell or polylithium sulfide/carbon composite particles in a Li-S cell), a conductive additive (for example, carbon black particles), and a resin binder ( For example, PVDF) and particles. Both the anode and cathode layers are typically 100-200 [mu]m thick so as to probably produce a sufficient amount of current per unit electrode area. This thickness range is considered to be an industry accepted constraint that battery designers typically work with. This thickness constraint is due to several reasons: (a) existing battery electrode coating machines are not equipped to coat very thin or very thick electrode layers. , (B) thinner layers are preferred in view of shortening the lithium ion diffusion path length, but if the layers are too thin (eg less than 100 μm) they do not contain a sufficient amount of active lithium storage material (and therefore Sufficient current output), (c) thicker electrodes are susceptible to delamination or cracking during drying or handling after roll coating, and (d) minimal overhead weight and maximum lithium storage performance and thus maximization. In order to obtain a defined energy density (Wk/kg or Wh/L of cell), all non-active material layers (eg current collector and separator) in the battery cell must be minimized.

あまり一般的に使用されていないセル構成では、図1(A)に示されるように、アノード活物質(例えば、Siコーティング)又はカソード活物質が、銅箔又はAl箔などの集電体上に直接、薄膜の形態で堆積される。しかし、厚さ方向の寸法が非常に小さい(典型的には500nmよりもはるかに小さく、多くの場合に必要であれば100nmよりも薄い)そのような薄膜構造は、(電極又は集電体の表面積を同じと仮定して)電極に少量の活物質のみを組み込むことができることを示唆し、単位電極表面積当たりの低い総リチウム貯蔵容量及び低いリチウム貯蔵容量をもたらす。そのような薄膜は、(アノードに関する)サイクリングにより誘発される割れに対する耐性をより高くするため、又はカソード活物質の完全な利用を容易にするために、厚さを100nm未満にしなければならない。そのような制約は、総リチウム貯蔵容量及び単位電極表面積当たりのナトリウム又はリチウム貯蔵容量をさらに減少させる。そのような薄膜電池は、適用範囲が非常に限られている。 In less commonly used cell configurations, an anode active material (eg, Si coating) or cathode active material is deposited on a current collector, such as a copper or Al foil, as shown in FIG. It is deposited directly in the form of a thin film. However, such thin film structures, which have very small thickness dimensions (typically much less than 500 nm, and often less than 100 nm if needed), have It suggests that only small amounts of active material can be incorporated into the electrodes (assuming the same surface area), resulting in low total lithium storage capacity and low lithium storage capacity per unit electrode surface area. Such a thin film should have a thickness of less than 100 nm in order to be more resistant to cycling-induced cracking (for the anode) or to facilitate full utilization of the cathode active material. Such constraints further reduce the total lithium storage capacity and the sodium or lithium storage capacity per unit electrode surface area. Such thin film batteries have a very limited range of applications.

アノード側では、100nmよりも厚いSi層は、電池の充放電サイクル中に割れ抵抗性が低いことが判明している。わずか数サイクルでSi層が破砕される。カソード側では、100nmよりも厚いリチウム金属酸化物のスパッタリングされた層は、リチウムイオンが完全に浸透してカソード層全体に達することを可能にせず、カソード活物質利用率が低くなる。望ましい電極厚さは少なくとも100μmであり、個々の活物質コーティング又は粒子は、望ましくは100nm未満の寸法を有する。したがって、集電体上に直接堆積されたこれらの薄膜電極(<100nmの厚さを有する)は、必要な厚さに3桁足りない。さらなる問題として、カソード活物質は、全て電子とリチウムイオンとの両方に対して伝導性ではない。大きい層厚さは、非常に高い内部抵抗及び低い活物質利用率を示唆する。ナトリウム電池にも同様の問題がある。 On the anode side, Si layers thicker than 100 nm have been found to have low cracking resistance during battery charge/discharge cycles. The Si layer is crushed in just a few cycles. On the cathode side, a sputtered layer of lithium metal oxide thicker than 100 nm does not allow lithium ions to fully penetrate and reach the entire cathode layer, resulting in low cathode active material utilization. The desired electrode thickness is at least 100 μm and the individual active material coatings or particles desirably have dimensions less than 100 nm. Therefore, these thin film electrodes (having a thickness of <100 nm) deposited directly on the current collector are three orders of magnitude less than the required thickness. As a further problem, cathode active materials are not all conductive to both electrons and lithium ions. A large layer thickness indicates a very high internal resistance and low active material utilization. Sodium batteries have similar problems.

すなわち、材料のタイプ、サイズ、電極層の厚さ及び活物質の質量負荷の面で、カソード又はアノード活物質の設計及び選択に際して同時に考慮しなければならない幾つかの相反する因子がある。これまでのところ、これらの多くの場合に相反する問題に対して任意の先行技術の教示によって提供されている有効な解決策は存在していない。本明細書に開示されるように、本発明者らは、リチウム電池又はナトリウム電池を製造する新規の方法を開発することにより、電池設計者及びまた電気化学者を30年超にわたって悩ませてきたこれらの難題を解決した。 That is, in terms of material type, size, electrode layer thickness and active material mass loading, there are several conflicting factors that must be considered simultaneously when designing and selecting a cathode or anode active material. So far, no effective solution has been provided by any prior art teaching to these often conflicting problems. As disclosed herein, the inventors have plagued battery designers and also electrochemists for over thirty years by developing new methods of making lithium or sodium batteries. Solved these challenges.

従来技術のリチウム電池セルは、典型的には、以下のステップを含む方法によって製造される:(a)第1のステップは、アノード活物質(例えば、Siナノ粒子又はメソカーボンマイクロビーズ、MCMB)、導電性フィラー(例えば、黒鉛フレーク)及び樹脂粘結剤(例えば、PVDF)の粒子を溶媒(例えば、NMP)中で混合して、アノードスラリを形成することである。それとは別に、カソード活物質(例えば、LFP粒子)、導電性フィラー(例えば、アセチレンブラック)及び樹脂粘結剤(例えば、PVDF)の粒子を溶媒(例えば、NMP)中で混合して分散させて、カソードスラリを形成する。(b)第2のステップは、アノード集電体(例えば、Cu箔)の一方又は両方の主面にアノードスラリをコーティングし、溶媒(例えば、NMP)を蒸発させることによってコーティングされた層を乾燥させて、Cu箔上にコーティングされた乾燥アノード電極を形成することである。同様に、カソードスラリをコーティングして乾燥させて、Al箔上にコーティングされた乾燥カソード電極を形成する。実際の製造状況では、スラリコーティングは、通常、ロールツーロール方式で行われ、(c)第3のステップは、アノード/Cu箔シート、多孔質セパレータ層及びカソード/Al箔シートを積層し合わせて、3層又は5層アセンブリを形成し、これを所望のサイズに切断して又は細く裂いて積層し、(形状の一例として)矩形の構造を形成するか、又は巻いて円筒形のセル構造にすることを含む。(d)次いで、矩形又は円筒形の積層構造を、アルミニウムプラスチック積層エンベロープ又はスチールケーシングに収容する。(e)次いで、液体電解質を積層構造に注入して、リチウム電池セルを製造する。 Prior art lithium battery cells are typically manufactured by a method that includes the following steps: (a) The first step is the anode active material (eg, Si nanoparticles or mesocarbon microbeads, MCMB). , Particles of a conductive filler (eg, graphite flakes) and a resin binder (eg, PVDF) in a solvent (eg, NMP) to form an anode slurry. Separately, particles of a cathode active material (eg, LFP particles), a conductive filler (eg, acetylene black) and a resin binder (eg, PVDF) are mixed and dispersed in a solvent (eg, NMP). Forming a cathode slurry. (B) The second step is to dry the coated layer by coating the anode slurry on one or both major surfaces of the anode current collector (eg Cu foil) and evaporating the solvent (eg NMP). To form a dry anode electrode coated on a Cu foil. Similarly, the cathode slurry is coated and dried to form a coated dry cathode electrode on the Al foil. In an actual manufacturing situation, slurry coating is usually performed by a roll-to-roll method, and (c) the third step is to laminate an anode/Cu foil sheet, a porous separator layer and a cathode/Al foil sheet together. Forming a three-layer or five-layer assembly, which is cut or slit into desired sizes and laminated to form a rectangular structure (as an example of a shape) or rolled into a cylindrical cell structure. Including doing. (D) The rectangular or cylindrical laminated structure is then housed in an aluminum plastic laminated envelope or steel casing. (E) Next, a liquid electrolyte is injected into the laminated structure to manufacture a lithium battery cell.

この方法及び結果として得られるリチウム電池セルに関連する幾つかの重大な問題がある。
1)200μmよりも厚い電極層(アノード層又はカソード層)を製造することは非常に難しい。その理由は幾つかある。厚さ100〜200μmの電極は、典型的には、スラリコーティング施設において長さ30〜50メートルの加熱区域を必要とし、これは、時間がかかりすぎ、エネルギーを消費しすぎ、費用対効果がよくない。金属酸化物粒子など幾つかの電極活物質に関して、100μmよりも厚い良好な構造的完全性を備える電極を実際の製造環境で連続的に製造することはできていない。得られる電極は、非常に壊れやすくて脆い。より厚い電極は、層間剥離及び割れが生じる傾向が高い。
2)図1(A)に示されるような従来の方法では、電極の実際の質量負荷及び活物質に関する見掛けの密度は、200Wh/kg超の重量エネルギー密度を実現するには低すぎる。大抵は、比較的大きい黒鉛粒子に関してさえ、電極のアノード活物質質量負荷(面密度)は、25mg/cmよりもかなり低く、活物質の見掛けの体積密度又はタップ密度は典型的には1.2g/cm未満である。電極のカソード活物質質量装填量(面積密度)は、リチウム金属酸化物タイプの無機材料では45mg/cmよりも大幅に低く、有機又はポリマー材料では15mg/cmよりも低い。さらに、電池容量に寄与せずに電極に追加の重量及び体積を加える非常に多くの他の非活物質(例えば、導電性添加剤及び樹脂粘結剤)が存在する。これらの低い面密度及び低い体積密度は、比較的低い重量エネルギー密度及び低い体積エネルギー密度をもたらす。
3)従来の方法は、電極活物質(アノード活物質及びカソード活物質)を液体溶媒(例えば、NMP)中で分散させてスラリにする必要があり、集電体表面にコーティングした後に液体溶媒を除去して電極層を乾燥させなければならない。アノード及びカソード層をセパレータ層と共に積層して、ハウジング内にパッケージングして電池セルを形成した後、セル内に液体電解質を注入する。実際には、2つの電極を濡らし、次いで電極を乾燥させ、最後に再び濡らす。そのような乾燥−湿潤−乾燥−湿潤法は、良好なプロセスではない。
4)現在のリチウムイオン電池は、依然として、重量エネルギー密度が比較的低く、体積エネルギー密度が低いという問題がある。市販のリチウムイオン電池は、約150〜220Wh/kgの重量エネルギー密度及び450〜600Wh/Lの体積エネルギー密度を示す。
There are several significant problems associated with this method and the resulting lithium battery cell.
1) It is very difficult to manufacture an electrode layer (anode layer or cathode layer) thicker than 200 μm. There are several reasons. Electrodes 100-200 μm thick typically require a heating zone of 30-50 meters in length in a slurry coating facility, which is too time consuming, energy consuming and cost effective. Absent. For some electrode active materials such as metal oxide particles, electrodes with good structural integrity thicker than 100 μm have not been able to be continuously manufactured in a real manufacturing environment. The resulting electrode is very fragile and brittle. Thicker electrodes are more prone to delamination and cracking.
2) In the conventional method as shown in FIG. 1(A), the actual mass loading of the electrodes and the apparent density of the active material are too low to achieve the weight energy density of more than 200 Wh/kg. Often, even for relatively large graphite particles, the anode active material mass loading (area density) of the electrode is much lower than 25 mg/cm 2 , and the apparent bulk or tap density of the active material is typically 1. It is less than 2 g/cm 3 . The cathode active material mass loading (area density) of the electrodes is significantly below 45 mg/cm 2 for lithium metal oxide type inorganic materials and below 15 mg/cm 2 for organic or polymeric materials. Moreover, there are numerous other non-active materials (eg, conductive additives and resin binders) that add additional weight and volume to the electrode without contributing to battery capacity. These low areal and low volume densities result in relatively low gravimetric energy densities and low volumetric energy densities.
3) In the conventional method, it is necessary to disperse the electrode active material (anode active material and cathode active material) in a liquid solvent (for example, NMP) to form a slurry. It must be removed and the electrode layer dried. After stacking the anode and cathode layers with the separator layer and packaging in a housing to form a battery cell, a liquid electrolyte is injected into the cell. In practice, the two electrodes are wetted, then the electrodes are dried and finally wetted again. Such a dry-wet-dry-wet method is not a good process.
4) Current lithium ion batteries still have problems of relatively low weight energy density and low volume energy density. Commercially available lithium ion batteries exhibit a gravimetric energy density of about 150-220 Wh/kg and a volume energy density of 450-600 Wh/L.

文献では、活物質重量のみ又は電極重量に基づいて報告されたエネルギー密度データから、実用的な電池セル又はデバイスのエネルギー密度を直接導くことはできない。「オーバーヘッド重量」、すなわち他のデバイス構成要素(粘結剤、導電性添加剤、集電体、セパレータ、電解質及びパッケージング)の重量も考慮に入れる必要がある。従来の製造プロセスでは、リチウムイオン電池中のアノード活物質(例えば、黒鉛又は炭素)の重量比は、典型的には12%〜17%になり、カソード活物質の重量比は、20%〜35%(LiMnなどの無機物の場合)又は7〜15%(有機又はポリマーカソード材料の場合)になる。 In the literature, energy density data reported based on active material weight alone or electrode weight cannot directly derive the energy density of a practical battery cell or device. The "overhead weight", ie the weight of other device components (binders, conductive additives, current collectors, separators, electrolytes and packaging) must also be taken into account. In conventional manufacturing processes, the weight ratio of anode active material (eg, graphite or carbon) in a lithium-ion battery is typically 12% to 17%, and the weight ratio of cathode active material is 20% to 35%. % (For inorganics such as LiMn 2 O 4 ) or 7-15% (for organic or polymeric cathode materials).

本発明は、高い電極厚さ、高い活物質質量装填量、低いオーバーヘッド重量及び体積、高い容量並びに高いエネルギー密度を有するリチウム硫黄電池又は室温ナトリウム硫黄電池セルを提供する。特定の実施形態では、本発明は、(a)約30体積%〜約95体積%のカソード活物質(硫黄、金属−硫黄化合物、硫黄−炭素複合物、硫黄−グラフェン複合物、硫黄−黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄−ポリマー複合物又はそれらの組合せから選択される硫黄含有カソード活物質を含有する)と、溶媒に溶解されたアルカリ塩を含有する約5体積%〜約40体積%の第1の電解質と、この溶媒に溶解、分散又は含浸されたイオン伝導ポリマーと、約0.01体積%〜約30体積%の導電性添加剤とを含有する準固体ポリマーカソードであって、導電性フィラメントを含有する導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、それにより、準固体電極は、約10−6S/cm〜約300S/cm(より高いことができる)の導電率を有する、準固体ポリマーカソードと、(b)アノード(従来のアノード又は準固体ポリマー電極であり得る)と、(c)アノードと準固体カソードとの間に配設されたイオン伝導膜又は多孔質セパレータとを含むアルカリ金属セルであって、前記準固体カソードは、200μm以上の厚さを有する、アルカリ金属セルを提供する。好ましくは、準固体ポリマーカソードは、10mg/cm以上、好ましくは15mg/cm以上、さらに好ましくは25mg/cm以上、より好ましくは35mg/cm以上、さらにより好ましくは45mg/cm以上、最も好ましくは65mg/cm超のカソード活物質質量装填量を含有する。 The present invention provides lithium sulfur batteries or room temperature sodium sulfur battery cells having high electrode thickness, high active material mass loading, low overhead weight and volume, high capacity and high energy density. In certain embodiments, the invention provides (a) about 30% to about 95% by volume of a cathode active material (sulfur, metal-sulfur compound, sulfur-carbon composite, sulfur-graphene composite, sulfur-graphite composite). An organic sulfur compound, a sulfur-polymer composite or a combination thereof), and about 5% to about 40% by volume of an alkali salt dissolved in a solvent. A quasi-solid polymer cathode comprising a first electrolyte, an ion-conducting polymer dissolved, dispersed or impregnated in the solvent, and from about 0.01% to about 30% by volume of a conductive additive, wherein The conductive additive containing the conductive filaments forms a 3D network of electronic conduction paths, which allows the quasi-solid electrode to have a conductivity of about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm (which can be higher). A quasi-solid polymer cathode having an index, (b) an anode (which may be a conventional anode or a quasi-solid polymer electrode), and (c) an ion-conducting membrane or porosity disposed between the anode and the quasi-solid cathode. And a semi-solid cathode, wherein the quasi-solid cathode has a thickness of 200 μm or more. Preferably, the quasi-solid polymer cathode is 10 mg/cm 2 or more, preferably 15 mg/cm 2 or more, more preferably 25 mg/cm 2 or more, more preferably 35 mg/cm 2 or more, even more preferably 45 mg/cm 2 or more. Most preferably contains a cathode active material mass loading of greater than 65 mg/cm 2 .

このセルでは、アノードは、約30体積%〜約95体積%のアノード活物質と、溶媒に溶解されたアルカリ塩を含有する約5体積%〜約40体積%の第2の電解質と、この溶媒に溶解、分散又は含浸されたイオン伝導ポリマーと、約0.01体積%〜約30体積%の導電性添加剤とを含有する準固体ポリマーアノードであって、導電性フィラメントを含有する前記導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、それにより、準固体電極は、約10−6S/cm〜約300S/cmの導電率を有し、前記準固体アノードは、200μm以上の厚さを有する、準固体ポリマーアノードを含み得る。好ましくは、準固体アノードは、10mg/cm以上、好ましくは15mg/cm以上、さらに好ましくは25mg/cm以上、より好ましくは35mg/cm以上、さらにより好ましくは45mg/cm以上、最も好ましくは65mg/cm超のアノード活物質質量装填量を含有する。第1の電解質は、組成及び構造が第2の電解質と同じであるか又は異なり得る。 In this cell, the anode comprises about 30% to about 95% by volume of anode active material, about 5% to about 40% by volume of a second electrolyte containing an alkali salt dissolved in a solvent, and the solvent. A quasi-solid polymer anode comprising an ion-conducting polymer dissolved, dispersed or impregnated in a sol, and from about 0.01% to about 30% by volume of a conductive additive, the conductive solid containing a conductive filament. The additive forms a 3D network of electronic conduction pathways, whereby the quasi-solid electrode has a conductivity of about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm, and the quasi-solid anode has a conductivity of 200 μm or more. It may include a quasi-solid polymer anode having a thickness. Preferably, the quasi-solid anode is 10 mg/cm 2 or more, preferably 15 mg/cm 2 or more, more preferably 25 mg/cm 2 or more, more preferably 35 mg/cm 2 or more, even more preferably 45 mg/cm 2 or more, Most preferably it contains an anode active material mass loading of greater than 65 mg/cm 2 . The first electrolyte can be the same or different in composition and structure as the second electrolyte.

幾つかの実施形態では、アルカリ金属電池は、準固体ポリマーアノードを含むが、従来のカソードを含む。しかし、好ましくは、カソードは、準固体ポリマー電極である。 In some embodiments, the alkali metal cell comprises a quasi-solid polymer anode, but comprises a conventional cathode. However, preferably the cathode is a quasi-solid polymer electrode.

また、本発明は、アルカリ金属電池を製造する方法を提供する。特定の実施形態では、方法は、
(a)ある量の活物質(アノード活物質又はカソード活物質)と、ある量の準固体ポリマー電解質(溶媒に溶解されたポリマー及びアルカリ金属塩を含有する)と、導電性添加剤とを組み合わせて、変形可能且つ導電性電極材料を形成するステップであって、導電性フィラメントを含有する導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成する(カーボンナノチューブやグラフェンシートなどのこれらの導電性フィラメントは、活物質の粒子及び電解質と混合される前に、不規則に凝集された多量のフィラメントである。混合手順は、これらの導電性フィラメントを、活物質の粒子を含有する高粘度電解質に分散させることを含む。これについては、後のセクションでさらに論じる)、ステップと、
(b)電極材料を準固体電極に形成するステップであって、電極が10−6S/cm以上(好ましくは10−5S/cm以上、より好ましくは10−4S/cm以上、さらに好ましくは10−3S/cm以上、さらにより好ましくは且つ典型的には10−2S/cm、さらにより典型的には且つ好ましくは10−1S/cm、さらにより典型的には且つ好ましくは1S/cm以上;最大300S/cmが観察された)の導電率を維持するように、電子伝導経路の3Dネットワークを妨げずに電極材料を電極形状に変形させることを含むステップと、
(c)第2の電極を形成するステップ(第2の電極は、準固体ポリマー電極又は従来の電極であり得る)と、
(d)準固体電極と第2の電極とを、これらの2つの電極間に配設されたイオン伝導セパレータを有して組み合わせることにより、アルカリ金属セルを形成するステップと
を含む。
The present invention also provides a method of manufacturing an alkali metal battery. In certain embodiments, the method comprises
(A) A combination of an amount of active material (anode active material or cathode active material), an amount of quasi-solid polymer electrolyte (containing a polymer dissolved in a solvent and an alkali metal salt), and a conductive additive. Then, in the step of forming a deformable and conductive electrode material, the conductive additive containing the conductive filament forms a 3D network of electron conduction paths (these conductive materials such as carbon nanotubes and graphene sheets are electrically conductive). Filaments are large numbers of filaments that are randomly agglomerated before being mixed with the particles of active material and the electrolyte The mixing procedure is to convert these conductive filaments into a high viscosity electrolyte containing particles of active material. Distribution, which is discussed further in a later section), steps, and
(B) In the step of forming an electrode material into a quasi-solid electrode, the electrode is 10 -6 S/cm or more (preferably 10 -5 S/cm or more, more preferably 10 -4 S/cm or more, further preferably Is 10 −3 S/cm or more, even more preferably and typically 10 −2 S/cm, even more typically and preferably 10 −1 S/cm, even more typically and preferably 1 S/cm or more; up to 300 S/cm was observed), the electrode material being transformed into an electrode shape without disturbing the 3D network of electron conduction paths.
(C) forming a second electrode (the second electrode can be a quasi-solid polymer electrode or a conventional electrode);
(D) combining a quasi-solid electrode and a second electrode with an ion-conducting separator disposed between the two electrodes to form an alkali metal cell.

図1(C)に示すように、本発明の1つの好ましい実施形態は、導電性準固体ポリマーアノード236と、導電性準固体ポリマーカソード238(硫黄含有カソード活物質を含有する)と、アノードとカソードとを電子的に分離する多孔質セパレータ240(又はイオン透過膜)とを有するアルカリイオン硫黄セルである。これらの3つの構成要素は、典型的には保護筺体(図示せず)内に収納され、保護筺体は、典型的には、アノードに接続されたアノードタブ(端子)と、カソードに接続されたカソードタブ(端子)とを有する。これらのタブは、外部負荷(例えば、その電池から電力を供給すべき電子デバイス)を接続するためのものである。この特定の実施形態では、準固体ポリマーアノード236は、アノード活物質(例えば、Li、Si又はハードカーボンの粒子、図1(C)には図示せず)と、電解質相(典型的には、溶媒に溶解されたリチウム塩又はナトリウム塩と、この溶媒に溶解、分散又は含浸されたイオン伝導ポリマーとを含有する;同様に図1(C)には図示せず)と、電子伝導経路の3Dネットワーク244を形成する導電性添加剤(導電性フィラメントを含有する)とを含有する。同様に、準固体ポリマーカソードは、硫黄含有カソード活物質と、電解質と、電子伝導経路の3Dネットワーク242を形成する導電性添加剤(導電性フィラメントを含有する)とを含有する。 As shown in FIG. 1C, one preferred embodiment of the present invention is a conductive quasi-solid polymer anode 236, a conductive quasi-solid polymer cathode 238 (containing a sulfur-containing cathode active material), and an anode. An alkaline ion sulfur cell having a porous separator 240 (or an ion permeable membrane) that electronically separates the cathode. These three components are typically housed in a protective enclosure (not shown), which is typically connected to the anode tab (terminal) and the cathode. And a cathode tab (terminal). These tabs are for connecting an external load (eg, an electronic device to be powered by its battery). In this particular embodiment, the quasi-solid polymer anode 236 includes an anode active material (eg, particles of Li, Si or hard carbon, not shown in FIG. 1C) and an electrolyte phase (typically, It contains a lithium salt or sodium salt dissolved in a solvent and an ion-conducting polymer dissolved, dispersed or impregnated in the solvent; similarly, it is not shown in FIG. 1C), and 3D of an electron conduction path. And a conductive additive (containing a conductive filament) that forms the network 244. Similarly, a quasi-solid polymer cathode contains a sulfur-containing cathode active material, an electrolyte, and a conductive additive (containing a conductive filament) that forms a 3D network 242 of electronic conduction paths.

図1(D)に示す本発明の別の好ましい実施形態は、集電体280(例えば、Cu箔)に堆積された/取り付けられたリチウム又はナトリウム金属コーティング/箔282から構成されたアノードと、準固体ポリマーカソード284と、セパレータ又はイオン伝導膜282とを有するアルカリ金属−硫黄セルである。準固体ポリマーカソード284は、カソード活物質272(例えば、S又はリチウムポリ硫化物を含浸された多孔質炭素粒子又はグラフェンシート上に支持されたSを含有する複合物粒子)と、電解質相274(典型的には、溶媒に溶解されたリチウム塩又はナトリウム塩と、この溶媒に溶解、拡散又は含浸されたイオン伝導ポリマーとを含有する)と、電子伝導経路の3Dネットワーク270を形成する導電性添加剤相(導電性フィラメントを含有する)とを含有する。 Another preferred embodiment of the invention shown in FIG. 1(D) is an anode composed of a lithium or sodium metal coating/foil 282 deposited/attached to a current collector 280 (eg Cu foil), An alkali metal-sulfur cell having a quasi-solid polymer cathode 284 and a separator or ion conductive membrane 282. The quasi-solid polymer cathode 284 includes a cathode active material 272 (eg, porous carbon particles impregnated with S or lithium polysulfide or composite particles containing S supported on a graphene sheet) and an electrolyte phase 274 ( Typically containing a lithium or sodium salt dissolved in a solvent and an ion-conducting polymer dissolved, diffused or impregnated in the solvent) and a conductive additive that forms a 3D network 270 of electronic conduction paths. Agent phase (containing a conductive filament).

電解質は、好ましくは、溶媒に溶解されたリチウム塩又はナトリウム塩及びポリマーを含有する準固体電解質であり、複合の塩/ポリマー濃度は、1.5M以上、好ましくは2.5M超、より好ましくは3.5M超、さらに好ましくは5M超、さらにより好ましくは7M超、さらにより好ましくは10M超である。特定の実施形態では、電解質は、複合の塩/ポリマー濃度3.0M〜14Mで液体溶媒に溶解されたポリマー及びリチウム塩又はナトリウム塩を含有する準固体ポリマー電解質である。リチウム塩又はナトリウム塩及び溶媒の選択については、後のセクションでさらに論じる。 The electrolyte is preferably a quasi-solid electrolyte containing a lithium salt or sodium salt dissolved in a solvent and a polymer, the complex salt/polymer concentration being ≥1.5 M, preferably >2.5 M, more preferably It is more than 3.5M, more preferably more than 5M, even more preferably more than 7M, even more preferably more than 10M. In certain embodiments, the electrolyte is a quasi-solid polymer electrolyte containing a polymer and a lithium or sodium salt dissolved in a liquid solvent with a complex salt/polymer concentration of 3.0M to 14M. The choice of lithium or sodium salt and solvent is discussed further in a later section.

幾つかの実施形態では、電解質は、ポリ(エチレンオキシド)(PEO、1×10g/モル未満の分子量を有する)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリ(アクリロニトリル)(PAN)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリ(フッ化ビニリデン)(PVdF)、ポリビス−メトキシエトキシエトキシド−ホスファゼン、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリ(フッ化ビニリデン)−ヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP)、それらのスルホン化誘導体、スルホン化ポリマー又はそれらの組合せから選択されるリチウムイオン伝導又はナトリウムイオン伝導ポリマーを含有する。ここで、スルホン化は、ポリマーのリチウムイオン伝導率を改良することが見出されている。1×10g/モルよりも高いPEO分子量は、典型的には、PEOを溶剤に溶解又は分散させることを困難にする。 In some embodiments, the electrolyte is poly(ethylene oxide) (PEO, having a molecular weight of less than 1×10 6 g/mol), polypropylene oxide (PPO), poly(acrylonitrile) (PAN), poly(methyl methacrylate). (PMMA), poly(vinylidene fluoride) (PVdF), polybis-methoxyethoxyethoxide-phosphazene, polyvinyl chloride, polydimethylsiloxane, poly(vinylidene fluoride)-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), sulfones thereof. Containing a lithium ion conducting or sodium ion conducting polymer selected from fluorinated derivatives, sulfonated polymers or combinations thereof. Here, sulfonation has been found to improve the lithium ion conductivity of the polymer. Molecular weights of PEO higher than 1×10 6 g/mol typically make it difficult to dissolve or disperse PEO in a solvent.

典型的には、このイオン伝導ポリマーは、電極内にマトリックス(連続相)を形成しない。そうではなく、ポリマーは、溶液相として溶媒に溶解されるか、又は溶媒マトリックス中に離散相として分散される。得られる電解質は、準固体ポリマー電解質であり、これは、液体電解質でも固体電解質でもない。 Typically, the ion conducting polymer does not form a matrix (continuous phase) within the electrode. Instead, the polymer is either dissolved in the solvent as a solution phase or dispersed in the solvent matrix as a discrete phase. The resulting electrolyte is a quasi-solid polymer electrolyte, which is neither a liquid electrolyte nor a solid electrolyte.

イオン伝導ポリマーは、ポリ(パーフルオロスルホン酸)、スルホン化ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのスルホン化パーフルオロアルコキシ誘導体、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリ(エーテルケトン)、スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリイミド、スルホン化スチレン−ブタジエン共重合体、スルホン化ポリクロロ−トリフルオロエチレン(PCTFE)、スルホン化パーフルオロエチレン−プロピレン共重合体(FEP)、スルホン化エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、スルホン化ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロペン及びテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体、エチレンとテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体(ETFE)、スルホン化ポリベンズイミダゾール(PBI)、それらの化学的誘導体、共重合体、ブレンド及びそれらの組合せからなる群から選択され得る。驚くべきことに、本発明者らは、これらのスルホン化ポリマーがリチウムイオン伝導性とナトリウムイオン伝導性との両方を備えることを観察した。 The ion conductive polymer is poly(perfluorosulfonic acid), sulfonated polytetrafluoroethylene, sulfonated perfluoroalkoxy derivative of polytetrafluoroethylene, sulfonated polysulfone, sulfonated poly(ether ketone), sulfonated poly(ether ether). Ketone), sulfonated polystyrene, sulfonated polyimide, sulfonated styrene-butadiene copolymer, sulfonated polychloro-trifluoroethylene (PCTFE), sulfonated perfluoroethylene-propylene copolymer (FEP), sulfonated ethylene-chloro. Trifluoroethylene copolymer (ECTFE), Sulfonated polyvinylidene fluoride (PVDF), Sulfonated copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropene and tetrafluoroethylene, Sulfonated copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene (ETFE), sulfonated polybenzimidazole (PBI), their chemical derivatives, copolymers, blends and combinations thereof. Surprisingly, the inventors have observed that these sulfonated polymers have both lithium and sodium ion conductivity.

準固体アノード及び準固体カソードの両方は、好ましくは、200μm超の厚さ(好ましくは300μm超、より好ましくは400μm超、さらに好ましくは500μm超、さらにより好ましくは800μm超、さらに好ましくは1mm超であり、5mm超、1cm超又はさらに厚いことができる)を有する。本発明による電極の厚さに理論上の制限はない。本発明のセルでは、アノード活物質は、典型的には、アノード中で10mg/cm以上(より典型的には且つ好ましくは20mg/cm以上、より好ましくは30mg/cm以上)の電極活物質装填量を構成する。無機材料をカソード活物質とする場合、カソード活物質は、45mg/cm以上(典型的には且つ好ましくは50mg/cm超、より好ましくは60mg/cm超)の電極活物質装填量を構成する(有機又はポリマーカソード活物質の場合には25mg/cm以上)。 Both the quasi-solid anode and the quasi-solid cathode preferably have a thickness above 200 μm (preferably above 300 μm, more preferably above 400 μm, even more preferably above 500 μm, even more preferably above 800 μm, even more preferably above 1 mm). And can be greater than 5 mm, greater than 1 cm, or even thicker). There is no theoretical limit to the thickness of the electrodes according to the invention. In the cells of the invention, the anode active material is typically 10 mg/cm 2 or more (more typically and preferably 20 mg/cm 2 or more, more preferably 30 mg/cm 2 or more) electrode in the anode. Configure active material loading. When an inorganic material is used as the cathode active material, the cathode active material has an electrode active material loading of 45 mg/cm 2 or more (typically and preferably more than 50 mg/cm 2 , more preferably more than 60 mg/cm 2 ). Constituting (25 mg/cm 2 or more in the case of organic or polymer cathode active material).

そのような構成(図1(C)及び図1(D))では、電子は、短い距離(例えば、数マイクロメートル以下)を移動するのみで導電性フィラメントによって収集される。導電性フィラメントは、電子伝導経路の3Dネットワークを構成しており、準固体ポリマー電極(アノード又はカソード)全体にわたって至る箇所に存在する。さらに、全ての電極活物質粒子が電解質溶媒中に予め分散されており(濡れ性の問題なし)、ウェットコーティング、乾燥、パッキング及び電解質注入の従来のプロセスによって調製される電極中に一般的に存在するドライポケットの存在を排除する。したがって、本発明によるプロセス又は方法は、従来の電池セル製造プロセスを上回る全く予想外の利点を有する。 In such a configuration (FIGS. 1(C) and 1(D)), the electrons are collected by the conductive filament only after traveling a short distance (eg, a few micrometers or less). The conductive filaments make up the 3D network of electronic conduction paths and are ubiquitous throughout the quasi-solid polymer electrode (anode or cathode). Furthermore, all electrode active material particles are pre-dispersed in the electrolyte solvent (without wetting problems) and are commonly present in electrodes prepared by conventional processes of wet coating, drying, packing and electrolyte injection. Eliminate the presence of dry pockets. Therefore, the process or method according to the present invention has totally unexpected advantages over conventional battery cell manufacturing processes.

これらの導電性フィラメント(カーボンナノチューブやグラフェンシートなど)は、供給時、活物質の粒子及び電解質と混合される前に元々不規則に凝集されている多量のフィラメントである。混合手順は、これらの導電性フィラメントを、活物質の粒子を含有する高粘度の固体のような電解質に分散させることを含む。これは、思ったほど簡単ではない。高流動性(非粘性)液体中でのナノ材料(特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ及びグラフェンシートなどのナノフィラメント材料)の分散は、非常に難しいことが知られており、まして高い装填量の活物質(例えば、アノードのためのSiナノ粒子及びカソードのためのコバルト酸リチウムなどの固体粒子)を含有する電解質など、高粘度の準固体中では言うまでもない。幾つかの好ましい実施形態では、この問題は、電解質自体が準固体ポリマー電解質であり、溶媒中に高濃度のリチウム塩又はナトリウム塩を含有することにより、さらに悪化する。 These conductive filaments (such as carbon nanotubes and graphene sheets) are a large number of filaments that are originally randomly aggregated before being mixed with the particles of the active material and the electrolyte when supplied. The mixing procedure involves dispersing these conductive filaments in an electrolyte such as a high viscosity solid containing particles of active material. This is not as easy as it sounds. Dispersion of nanomaterials (particularly nanofilament materials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers and graphene sheets) in high fluid (non-viscous) liquids is known to be very difficult, let alone with high loadings. Not to mention in high-viscosity quasi-solids, such as electrolytes containing active materials (eg Si nanoparticles for the anode and solid particles such as lithium cobalt oxide for the cathode). In some preferred embodiments, this problem is further exacerbated by the electrolyte itself being a quasi-solid polymer electrolyte, containing high concentrations of lithium or sodium salts in the solvent.

本発明の特定の実施形態では、電極層の形成は、以下の一連のステップを使用することによって達成することができる。 In a particular embodiment of the invention, the formation of the electrode layer can be achieved by using the following sequence of steps.

順序1(S1):最初に、PCとDOLとの混合物にリチウム塩又はナトリウム塩(例えば、LiBF)及びイオン伝導ポリマー(例えば、PEO)を溶解して、所望の複合の塩/ポリマー濃度を有する電解質を形成することができる。次いで、導電性フィラメント(例えば、カーボンナノファイバ、還元された酸化グラフェンシート又はCNT)を電解質に分散させて、フィラメント−電解質懸濁液を形成する。均一な分散の生成を促進するために機械的せん断を使用することができる(このフィラメント−電解質懸濁液は、1.0Mの低い塩濃度でもかなりの粘性がある)。次いで、カソード活物質の粒子(例えば、S/炭素複合物粒子)をフィラメント−電解質懸濁液に分散させて、準固体ポリマー電極材料を形成する。 Sequence 1 (S1): First, the lithium salt or sodium salt (eg LiBF 4 ) and the ion conducting polymer (eg PEO) are dissolved in a mixture of PC and DOL to give the desired complex salt/polymer concentration. An electrolyte having can be formed. The conductive filaments (eg, carbon nanofibers, reduced graphene oxide sheets or CNTs) are then dispersed in the electrolyte to form a filament-electrolyte suspension. Mechanical shear can be used to facilitate the production of a uniform dispersion (this filament-electrolyte suspension is quite viscous even at salt concentrations as low as 1.0M). The particles of cathode active material (eg, S/carbon composite particles) are then dispersed in the filament-electrolyte suspension to form a quasi-solid polymer electrode material.

順序2(S2):最初に、PCとDOLとの混合物にリチウム塩又はナトリウム塩及びイオン伝導ポリマーを溶解して、所望の複合の塩/ポリマー濃度を有する電解質を形成する。次いで、カソード活物質の粒子を電解質に分散させて、活性粒子−電解質懸濁液を形成する。均一な分散の生成を促進するために機械的せん断を使用することができる。次いで、導電性フィラメントを活性粒子−電解質懸濁液に分散させて、準固体ポリマー電極材料を形成する。 Sequence 2 (S2): First, the lithium salt or sodium salt and the ion conducting polymer are dissolved in a mixture of PC and DOL to form an electrolyte having the desired complex salt/polymer concentration. The particles of cathode active material are then dispersed in the electrolyte to form an active particle-electrolyte suspension. Mechanical shear can be used to facilitate the production of a uniform dispersion. The conductive filaments are then dispersed in the active particle-electrolyte suspension to form a quasi-solid polymer electrode material.

順序3(S3):これが好ましい順序である。最初に、溶解されたリチウム塩又はポリマーを含有していない液体溶媒混合物(PC+DOL)中に所望の量の導電性フィラメントを分散させる。溶媒中の伝導フィラメントの均一な懸濁液の形成を促進するために機械的せん断を使用することができる。次いで、リチウム塩又はナトリウム塩及びイオン伝導ポリマーを懸濁液に添加し、塩及びポリマーを懸濁液の溶媒混合物中に溶解させて、所望の複合の塩/ポリマー濃度を有する電解質を形成する。同時に又はその後、活物質粒子を電解質中に分散させて、変形可能な準固体電極材料を形成する。この準固体電極材料は、準固体ポリマー電解質(液体電解質でも固体電解質でもない)中に分散された活物質粒子及び伝導フィラメントから構成される。この準固体電極材料では、伝導フィラメントがパーコレーションして、電子伝導経路の3Dネットワークを形成する。この3D伝導ネットワークは、電極材料が電池の電極に成形されるときに維持される。 Sequence 3 (S3): This is the preferred sequence. First, the desired amount of conductive filaments is dispersed in a liquid solvent mixture (PC+DOL) that does not contain dissolved lithium salt or polymer. Mechanical shearing can be used to promote the formation of a uniform suspension of conductive filaments in the solvent. The lithium salt or sodium salt and the ion-conducting polymer are then added to the suspension and the salt and polymer are dissolved in the solvent mixture of the suspension to form an electrolyte with the desired combined salt/polymer concentration. Simultaneously or afterwards, the active material particles are dispersed in the electrolyte to form a deformable quasi-solid electrode material. This quasi-solid electrode material is composed of active material particles and conductive filaments dispersed in a quasi-solid polymer electrolyte (neither a liquid electrolyte nor a solid electrolyte). In this quasi-solid electrode material, the conducting filaments percolate to form a 3D network of electronic conduction paths. This 3D conduction network is maintained when the electrode material is molded into the battery electrodes.

幾つかの好ましい実施形態では、電解質は、十分に高い複合のアルカリ金属塩/ポリマー濃度で有機又はイオン液体溶媒に溶解されたポリマー及びアルカリ金属(リチウム塩及び/又はナトリウム塩)を含有し、その結果、電解質は、0.01kPa未満又は溶媒単独の蒸気圧の0.6(60%)未満の蒸気圧(20℃で計測時)、第1の有機液体溶媒単独の引火点よりも少なくとも20℃高い引火点(リチウム塩が存在しないとき)、150℃よりも高い引火点を示すか、又は検出可能な引火点を全く示さない。 In some preferred embodiments, the electrolyte comprises a polymer and an alkali metal (lithium salt and/or sodium salt) dissolved in an organic or ionic liquid solvent at a sufficiently high complex alkali metal salt/polymer concentration, As a result, the electrolyte has a vapor pressure (measured at 20° C.) of less than 0.01 kPa or 0.6 (60%) of the vapor pressure of the solvent alone, at least 20° C. above the flash point of the first organic liquid solvent alone. High flash point (when no lithium salt is present), flash point higher than 150° C. or no detectable flash point.

最も驚くべき且つ科学的及び技術的に非常に重要なことは、十分に多量のアルカリ金属塩及びポリマーをこの有機溶媒に添加して溶解し、固体のような又は準固体の電解質を生成すれば、いかなる揮発性有機溶媒の可燃性も効果的に抑制することができるという本発明者らの発見である。一般に、そのような準固体ポリマー電解質は、0.01kPa未満及び多くの場合に0.001kPa未満(20℃で計測時)並びに0.1kPa未満及び多くの場合に0.01kPa未満(100℃で計測時)の蒸気圧を示す(溶媒中にアルカリ金属塩及び/又はポリマーが全く溶解されていない状態では、対応するニート溶媒の蒸気圧は、典型的にはかなり高くなる)。準固体ポリマー電解質を特色とする多くの場合、蒸気分子は、実際には少なすぎて検出できない。 Most surprising and of great scientific and technical importance is that if a sufficiently large quantity of alkali metal salt and polymer are added to this organic solvent and dissolved to produce a solid-like or quasi-solid electrolyte. It is the discovery of the present inventors that the flammability of any volatile organic solvent can be effectively suppressed. Generally, such quasi-solid polymer electrolytes are less than 0.01 kPa and often less than 0.001 kPa (measured at 20° C.) and less than 0.1 kPa and often less than 0.01 kPa (measured at 100° C.). Vapor pressure (in the absence of any alkali metal salt and/or polymer dissolved in the solvent, the vapor pressure of the corresponding neat solvent is typically much higher). In many cases featuring quasi-solid polymer electrolytes, vapor molecules are too few to be detected in practice.

非常に重要な観察結果は、通常であれば高揮発性の溶媒中でのアルカリ金属塩とポリマーとの複合の高い溶解度(典型的には0.2超、より典型的には0.3超及び多くの場合に0.4超又はさらに0.5超の、アルカリ金属塩/ポリマー鎖セグメントの大きい分子比又はモル分率)により、熱力学的平衡状態において蒸気相に逃げることができる揮発性溶媒分子の量を飛躍的に低減することができるというものである。多くの場合、これは、(例えば、トーチを使用した)極めて高い温度でさえ、可燃性溶媒ガス分子が火炎を発生するのを効果的に防止する。準固体電解質の引火点は、典型的には、ニート有機溶媒単体の引火点よりも少なくとも20度(多くの場合、50度超又は100度超)高い。ほとんどの場合、引火点は、150℃よりも高いか、又は引火点を検出することができない。電解質が発火することはない。さらに、偶発的な火炎発生は、数秒よりも長く続くことはない。発火及び爆発の懸念が、電池駆動式の電気自動車が広く受け入れられるための主な障害であるという見解を考慮すると、これは、非常に重大な発見である。この新規の技術は、活気に満ちたEV産業の出現を加速する大きい一助となり得る。 A very important observation is that the solubility of the complex of alkali metal salt and polymer in a solvent that is normally highly volatile (typically above 0.2, more typically above 0.3). And a large molecular ratio (molar fraction of the alkali metal salt/polymer chain segment), often greater than 0.4 or even greater than 0.5), allowing volatility to escape into the vapor phase at thermodynamic equilibrium The amount of solvent molecules can be dramatically reduced. In many cases, this effectively prevents flammable solvent gas molecules from producing a flame, even at very high temperatures (eg, using a torch). The flash point of quasi-solid electrolytes is typically at least 20 degrees (often greater than 50 degrees or greater than 100 degrees) above the flash point of neat organic solvent alone. In most cases, the flash point is higher than 150°C or the flash point cannot be detected. The electrolyte does not ignite. In addition, accidental flames do not last longer than a few seconds. Given the view that ignition and explosion concerns are the main obstacles to the wide acceptance of battery-powered electric vehicles, this is a very significant finding. This new technology can greatly help accelerate the emergence of a vibrant EV industry.

安全性の考察のために、超高濃度の電池電解質(高い分子率、例えば0.2超又は0.3超のアルカリ金属塩/ポリマー鎖セグメントを含むか、又は複合の濃度が約2.5M若しくは3.5Mを超える)の蒸気圧に関して報告された研究は従来なかった。これは、全く予想外であり、技術的及び科学的に重要性が最も高い。 For safety considerations, ultra-high concentrations of battery electrolytes (including high molecular weight, eg, alkali metal salt/polymer chain segments with a molecular weight greater than 0.2 or greater than 0.3, or a composite concentration of about 2.5 M No studies have previously been reported for vapor pressures (or above 3.5 M). This is totally unexpected and of highest technical and scientific importance.

さらに、本発明者らは、伝導ナノフィラメントによって構成された電子伝導経路の3Dネットワークの存在が、臨界蒸気圧の抑制を実現するのに必要なアルカリ金属塩の閾値濃度をさらに低減するように作用することを予期せず発見した。 Furthermore, the present inventors have found that the presence of a 3D network of electron conduction pathways constituted by conducting nanofilaments acts to further reduce the threshold concentration of alkali metal salt required to achieve the suppression of critical vapor pressure. Unexpectedly discovered to do.

本発明の別の驚くべき要素は、充電式アルカリ金属電池での使用に適した準固体ポリマー電解質を生成するために、ほぼ全ての種類の一般的に使用されている電池グレードの有機溶媒に高濃度のアルカリ金属塩及び選択したイオン伝導ポリマーを溶解することができるという見解である。より簡単に理解できる言葉で表すと、この濃度は、典型的には、2.5M(モル/リットル)超、より典型的には且つ好ましくは3.5M超、さらにより典型的には且つ好ましくは5M超、さらにより好ましくは7M超、最も好ましくは10M超である。塩/ポリマー濃度2.5M以上では、電解質は、もはや液体電解質ではなく、準固体電解質である。リチウム又はナトリウム電池の分野では、溶媒中でのそのような高濃度のアルカリ金属塩は、一般に不可能であり、また望ましくもないと考えられている。しかし、本発明者らは、これらの準固体ポリマー電解質が、大幅な安全性向上(不燃性)、エネルギー密度向上及び出力密度向上の観点から、リチウム電池及びナトリウム電池の両方に驚くほど良好な電解質であることを見出した。 Another surprising element of the present invention is that it is highly soluble in almost all types of commonly used battery grade organic solvents to produce quasi-solid polymer electrolytes suitable for use in rechargeable alkaline metal batteries. The view is that concentrations of alkali metal salts and selected ion-conducting polymers can be dissolved. In simpler terms, this concentration is typically greater than 2.5M (mol/liter), more typically and preferably greater than 3.5M, and even more typically and preferably Is more than 5M, even more preferably more than 7M, most preferably more than 10M. Above 2.5 M salt/polymer concentration, the electrolyte is no longer a liquid electrolyte, but a quasi-solid electrolyte. In the field of lithium or sodium batteries, it is generally believed that such high concentrations of alkali metal salts in a solvent are neither possible nor desirable. However, the present inventors have found that these quasi-solid polymer electrolytes are surprisingly good electrolytes for both lithium batteries and sodium batteries from the viewpoint of significant safety improvement (nonflammability), energy density improvement and power density improvement. I found that.

上で論じた不燃性及び高いアルカリ金属イオン輸率に加えて、本発明による準固体ポリマー電解質の使用に関連する幾つかの追加の利益がある。一例として、準固体ポリマー電解質は、アノード内に実装されるとき、デンドライトの成長を効果的に抑制することにより、充電式アルカリ金属−硫黄電池のサイクル性能及び安全性能を大幅に向上させることができる。めっきが生じる電極の近傍でアニオンが枯渇すると、非水性液体電解質中でデンドライトが成長し始めるという考えが一般に受け入れられている。超高濃度電解質では、金属リチウム又はナトリウムアノードの近くでのカチオン(Li又はNa)とアニオンとのバランスを保つために多量のアニオンがある。さらに、アニオンの枯渇によって生成される空間電荷は、最小限であり、これは、デンドライトの成長に寄与しない。さらに、超高Li又はNa塩濃度と高Liイオン又はNaイオン輸率との両方により、準固体ポリマー電解質は、多量の利用可能なリチウムイオン又はナトリウムイオンフラックスを提供し、電解質とリチウム又はナトリウム電極との間のリチウム又はナトリウムイオン物質移動速度を上昇させ、それにより充電/放電プロセス中のリチウム又はナトリウム堆積の均一性及び溶解を向上させる。さらに、高濃度によって誘発される局所的な高粘度は、電解質からの圧力を増加させてデンドライトの成長を阻害し、アノードの表面により均一な堆積をもたらす可能性がある。また、高い粘度は、堆積領域付近でのアニオン対流を制限し、ナトリウムイオンのより均一な堆積を促進することができる。同じ推論がリチウム金属電池にも当てはまる。これらの理由は、個別に又は合わさって、本発明者らがこれまでに調べた多数の充電式アルカリ金属−硫黄セルのいずれでもデンドライトのような特徴が観察されなかったことを裏付けるものと考えられる。 In addition to the non-flammability and high alkali metal ion transport numbers discussed above, there are some additional benefits associated with the use of the quasi-solid polymer electrolyte according to the present invention. As an example, the quasi-solid polymer electrolyte can significantly improve the cycle performance and safety performance of a rechargeable alkali metal-sulfur battery by effectively suppressing the growth of dendrite when mounted in the anode. .. It is generally accepted that dendrites begin to grow in non-aqueous liquid electrolytes when anions are depleted near the electrodes where plating occurs. In ultra-high-concentration electrolytes, there are large amounts of anions to balance the cations (Li + or Na + ) and anions near the metallic lithium or sodium anode. In addition, the space charge produced by anion depletion is minimal, which does not contribute to dendrite growth. Further, due to both the ultra-high Li or Na salt concentration and high Li-ion or Na-ion transport numbers, the quasi-solid polymer electrolyte provides a large amount of available lithium-ion or sodium-ion flux, and the electrolyte and lithium- or sodium electrode. Increase the lithium or sodium ion mass transfer rate between and, thereby improving the uniformity and dissolution of lithium or sodium deposition during the charge/discharge process. Furthermore, the local high viscosity induced by high concentration may increase the pressure from the electrolyte and inhibit the growth of dendrites, resulting in more uniform deposition on the surface of the anode. Also, the high viscosity can limit anion convection near the deposition region and promote more uniform deposition of sodium ions. The same reasoning applies to lithium metal batteries. These reasons, taken individually or in combination, are believed to support that no dendrite-like features were observed in any of the numerous rechargeable alkali metal-sulfur cells we have investigated so far. ..

さらに、化学又は材料科学分野の当業者は、そのような高い塩/ポリマー濃度により、極めて高い粘度を有する固体のように電解質が挙動するはずであり、したがって、この電解質は、内部でのアルカリ金属イオンの高速拡散を受けにくいはずであると予想していた。その結果、そのような固体のようなポリマー電解質を含有するアルカリ金属電池は、高い充放電速度で又は高い電流密度の条件下で、高容量を示さず且つ示すことができない(すなわち電池のレート性能が低いはずである)と当業者は予想していた。通常の、さらに優れた当業者によるこれらの予想に反して、そのような準固体ポリマー電解質を含む全てのアルカリ金属−硫黄セルは、長いサイクル寿命にわたって高いエネルギー密度及び高い出力密度を提供する。本明細書で考案されて開示されている準固体ポリマー電解質は、容易なアルカリ金属イオン輸送に寄与すると思われる。この驚くべき観測結果は、以下の2つの主な要因によると考えられる。すなわち、一方の要因は、電解質の内部構造に関連し、他方は、高いNa又はLiイオン輸率(TN)に関連する。 In addition, those skilled in the chemical or materials science arts would expect such electrolytes to behave like solids with extremely high viscosities due to such high salt/polymer concentrations, and thus the electrolytes should have internal alkali metal It was expected that it would be difficult to undergo the rapid diffusion of ions. As a result, alkali metal batteries containing polymer electrolytes such as solids do not and cannot exhibit high capacity at high charge/discharge rates or under conditions of high current densities (ie battery rate performance Should be low). Contrary to these expectations of those of ordinary and even better skill in the art, all alkali metal-sulfur cells containing such quasi-solid polymer electrolytes offer high energy density and high power density over long cycle life. The quasi-solid polymer electrolytes devised and disclosed herein appear to contribute to easy alkali metal ion transport. This surprising observation result is considered to be due to the following two main factors. That is, one factor is associated with the internal structure of the electrolyte and the other is associated with high Na + or Li + ion transport numbers (TN).

いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、図2(A)〜図2(C)におけるように、3つの基本的に異なるタイプの電解質の内部構造を視覚化することができる。図2(A)は、典型的な固体電解質の稠密の高秩序構造を概略的に示し、この構造には、アルカリ金属イオンが拡散するための自由体積がほとんどない。そのような結晶構造中でのイオンの移動は、非常に困難であり、極めて低い拡散係数(10−16〜10−12cm/sec)及び極めて低いイオン伝導率(典型的には、10−7S/cm〜10−4S/cm)をもたらす。対照的に、図2(B)に概略的に示すように、液体電解質の内部構造は、完全に非晶質であり、大きい割合の自由体積を有し、その自由体積を通ってカチオン(例えば、Li又はNa)が容易に移動することができ、高い拡散係数(10−8〜10−6cm/sec)及び高いイオン伝導率(典型的には、10−3S/cm〜10−2S/cm)をもたらす。しかし、低濃度のアルカリ金属塩を含有する液体電解質は、可燃性であり、デンドライトを形成して、火災や爆発の危険を生じやすい。図2(C)に概略的に示されているのは、遊離(クラスタ化されていない)カチオンが容易に移動できる非晶質区域を生成するために、塩類及びポリマー鎖セグメントを分離する溶媒分子を含む準固体ポリマー電解質の不規則又は非晶質構造である。そのような構造は、高いイオン伝導率値(典型的には、10−4S/cm〜8×10−3S/cm)を実現しやすく、それでも不燃性を維持する。溶媒分子は、比較的少なく、これらの分子は、圧倒的多数の塩類、ポリマー鎖セグメント及び伝導フィラメントのネットワークによって保定されている(蒸発を防止されている)。 Without wishing to be bound by any theory, one can visualize the internal structure of three fundamentally different types of electrolytes, as in FIGS. 2(A)-2(C). FIG. 2A schematically shows a dense, highly ordered structure of a typical solid electrolyte, which has little free volume for diffusion of alkali metal ions. The migration of ions in such a crystal structure is very difficult, with a very low diffusion coefficient (10 −16 to 10 −12 cm 2 /sec) and a very low ionic conductivity (typically 10 −). 7 S/cm to 10 −4 S/cm). In contrast, as shown schematically in FIG. 2B, the internal structure of the liquid electrolyte is completely amorphous and has a large percentage of free volume through which cations (eg, , Li + or Na + ) can be easily transferred, a high diffusion coefficient (10 −8 to 10 −6 cm 2 /sec) and a high ionic conductivity (typically 10 −3 S/cm to). 10 −2 S/cm). However, liquid electrolytes containing low concentrations of alkali metal salts are flammable and tend to form dendrites, creating the risk of fire and explosion. Shown schematically in FIG. 2(C) is a solvent molecule that separates salts and polymer chain segments to create an amorphous zone in which free (non-clustered) cations can readily migrate. Is a disordered or amorphous structure of a quasi-solid polymer electrolyte containing. Such structures tend to achieve high ionic conductivity values (typically 10 −4 S/cm to 8×10 −3 S/cm) and still maintain noncombustibility. Solvent molecules are relatively few and these molecules are conserved (preventing evaporation) by an overwhelming majority of salts, network of polymer chain segments and conducting filaments.

本発明のLi−S又はNa−Sセルでは、アノードは、典型的には、集電体(例えば、Cu箔又は3Dグラフェンナノ構造など)に堆積された金属箔、薄膜又は薄いコーティング(厚さ50μm未満)の形でLi又はNa金属を含む。 In the Li-S or Na-S cells of the invention, the anode is typically a metal foil, thin film or thin coating (thickness) deposited on a current collector (such as Cu foil or 3D graphene nanostructures). Less than 50 μm) in the form of Li or Na metal.

幾つかの実施形態では、アノード活物質は、純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元された酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学的に官能化されたグラフェン又はそれらの組合せから選択されるグラフェンシートのプレリチウム化又はプレナトリウム化されたバージョンである。上記のグラフェン材料の任意の1つを製造するための出発グラフェン材料は、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズカーボン、メソフェーズピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、ソフトカーボン、ハードカーボン、コークス、炭素繊維、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ又はそれらの組合せから選択することができる。グラフェン材料は、リチウム電池のアノード活物質とカソード活物質との両方のための良好な導電性添加剤でもある。 In some embodiments, the anode active material is pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitrogen, chemical. Is a pre-lithiated or pre-sodiumized version of a graphene sheet selected from functionalized graphene or a combination thereof. The starting graphene material for producing any one of the above graphene materials is natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, mesocarbon microbeads, soft carbon, hard carbon, coke, carbon fiber, carbon nanofiber. , Carbon nanotubes or a combination thereof. Graphene materials are also good conductivity additives for both anode and cathode active materials in lithium batteries.

面間ファンデルワールス力を克服することができると仮定して、天然又は人造黒鉛粒子中の黒鉛結晶の構成グラフェン面を剥離し、抽出又は単離して、六角形を成す炭素原子の個々のグラフェンシートを得ることができ、これらのシートは単原子厚である。1つの製造方法を図4に示す。炭素原子の単離された個々のグラフェン面は、一般に、単層グラフェンと呼ばれる。厚さ方向で約0.3354nmのグラフェン面間隔でファンデルワールス力によって結合された複数のグラフェン面の積層は、一般に多層グラフェンと呼ばれる。多層グラフェンプレートレットは、最大300層のグラフェン面(100nm未満の厚さ)、しかし、より典型的には最大30層のグラフェン面(10nm未満の厚さ)、さらにより典型的には最大20層のグラフェン面(7nm未満の厚さ)及び最も典型的には最大10層のグラフェン面(科学界では一般に数層グラフェンと呼ばれる)を有する。単層グラフェン及び多層グラフェンシートは、総称して「ナノグラフェンプレートレット」(NGP)と呼ばれる。グラフェンシート/プレートレット(総称してNGP)は、0Dフラーレン、1D CNT又はCNF及び3D黒鉛と異なる新しいクラスのカーボンナノ材料(2Dナノカーボン)である。特許請求の範囲を定義する目的で、また当技術分野で一般に理解されるように、グラフェン材料(単離されたグラフェンシート)は、カーボンナノチューブ(CNT)又はカーボンナノファイバ(CNF)ではない(それらを含まない)。 Assuming that the interplane van der Waals forces can be overcome, the constituent graphene faces of graphite crystals in natural or artificial graphite particles are exfoliated and extracted or isolated to form individual graphenes of hexagonal carbon atoms. Sheets can be obtained, which are monatomic thick. One manufacturing method is shown in FIG. The isolated individual graphene planes of carbon atoms are commonly referred to as monolayer graphene. A stack of graphene planes joined by van der Waals forces at a graphene plane spacing of about 0.3354 nm in the thickness direction is commonly referred to as multilayer graphene. Multilayer graphene platelets have up to 300 layers of graphene faces (thickness less than 100 nm), but more typically up to 30 layers of graphene faces (thickness less than 10 nm), and even more typically up to 20 layers. Graphene surface (thickness less than 7 nm) and most typically up to 10 layers of graphene surface (commonly referred to as few-layer graphene in the scientific community). Single-layer graphene and multilayer graphene sheets are collectively referred to as "nano-graphene platelets" (NGP). Graphene sheets/platelets (collectively NGP) are a new class of carbon nanomaterials (2D nanocarbons) different from OD fullerene, 1D CNT or CNF and 3D graphite. For purposes of defining the claims and as is generally understood in the art, graphene materials (isolated graphene sheets) are not carbon nanotubes (CNTs) or carbon nanofibers (CNFs) (they are not). Not included).

1つの方法では、図5に示されるように、グラフェン材料は、天然黒鉛粒子を強酸及び/又は酸化剤でインターカレーションして黒鉛インターカレーション化合物(GIC)又は酸化黒鉛(GO)を得ることによって得られる。GIC又はGO中のグラフェン面間の間隙空間に化学種又は官能基が存在することが、グラフェン間隔(d002;X線回折によって決定される)を増加させる役割を果たし、それにより、通常であればc軸方向に沿ってグラフェン面を一体に保持するファンデルワールス力を大幅に減少させる。GIC又はGOは、硫酸、硝酸(酸化剤)及び別の酸化剤(例えば、過マンガン酸カリウム又は過塩素酸ナトリウム)の混合物中に天然黒鉛粉末を浸漬することによって生成されることが最も多い。インターカレーション手順中に酸化剤が存在する場合、得られるGICは、実際には、ある種の酸化黒鉛(GO)粒子である。次いで、このGIC又はGOを繰り返し洗浄し、水中ですすいで余剰の酸を除去すると、酸化黒鉛懸濁液又は分散液が得られ、これは、水中に分散された、離散した視覚的に区別可能な酸化黒鉛粒子を含む。グラフェン材料を製造するために、このすすぎステップ後に2つの処理ルートの一方をたどることができ、以下に簡単に説明する。 In one method, as shown in FIG. 5, a graphene material is obtained by intercalating natural graphite particles with a strong acid and/or an oxidizing agent to obtain a graphite intercalation compound (GIC) or graphite oxide (GO). Obtained by The presence of chemical species or functional groups in the interstitial space between the graphene planes in the GIC or GO serves to increase the graphene spacing (d 002 ; determined by X-ray diffraction), and thus usually For example, the van der Waals force that holds the graphene surfaces together along the c-axis direction is greatly reduced. GIC or GO is most often produced by immersing natural graphite powder in a mixture of sulfuric acid, nitric acid (oxidizing agent) and another oxidizing agent (eg potassium permanganate or sodium perchlorate). When an oxidizing agent is present during the intercalation procedure, the resulting GIC is actually some graphitic oxide (GO) particles. The GIC or GO was then washed repeatedly and rinsed in water to remove excess acid, resulting in a graphite oxide suspension or dispersion, which was dispersed in water and was discrete and visually distinct. Including graphite oxide particles. One of two process routes can be followed after this rinsing step to produce the graphene material, briefly described below.

ルート1は、本質的に乾燥GIC又は乾燥酸化黒鉛粒子の塊である「膨張黒鉛」を得るために懸濁液から水を除去することを含む。膨張黒鉛を典型的には800〜1,050℃の範囲内の温度に約30秒〜2分間曝すと、GICは、30〜300倍に急速に体積膨張して、「黒鉛ワーム」を形成する。黒鉛ワーム(104)はそれぞれ、剥離されてはいるがほとんど分離されておらず、相互接続されたままの黒鉛フレークの集合である。 Route 1 involves removing water from the suspension to obtain "expanded graphite" which is essentially a mass of dry GIC or dry graphite oxide particles. When the expanded graphite is exposed to temperatures typically in the range of 800-1,050° C. for about 30 seconds to 2 minutes, the GIC rapidly expands in volume 30-300 times to form a “graphite worm”. .. The graphite worms (104) are each a set of exfoliated but hardly separated graphite flakes that remain interconnected.

ルート1Aでは、これらの黒鉛ワーム(剥離された黒鉛又は「相互接続された/分離されていない黒鉛フレークのネットワーク」)を再び圧縮して、典型的には0.1mm(100μm)〜0.5mm(500μm)の範囲内の厚さを有する可撓性黒鉛シート又は箔を得ることができる。代替として、100nmよりも厚い(したがって定義によりナノ材料ではない)黒鉛フレーク又はプレートレットを主として含むいわゆる「膨張黒鉛フレーク」を製造する目的で、低強度エアミル又はせん断機を使用して黒鉛ワームを単に破砕することを選択することもできる。 In Route 1A, these graphite worms (exfoliated graphite or “network of interconnected/non-isolated graphite flakes”) are recompressed, typically 0.1 mm (100 μm) to 0.5 mm. Flexible graphite sheets or foils having a thickness in the range of (500 μm) can be obtained. Alternatively, a graphite worm may simply be used using a low-strength air mill or a shearing machine for the purpose of producing so-called "expanded graphite flakes" which mainly contain graphite flakes or platelets thicker than 100 nm (thus not a nanomaterial by definition). It is also possible to choose to crush.

ルート1Bでは、同一出願人の米国特許出願公開第20050271574号明細書(2005年9月8日)に開示されているように、剥離された黒鉛は、(例えば、超音波装置、高せん断ミキサ、高強度エアジェットミル又は高エネルギーボールミルを使用した)高強度の機械的せん断を受けて、分離された単層及び多層グラフェンシート(総称してNGPと呼ぶ)を形成する。単層グラフェンが0.34nmの薄さであり得る一方、多層グラフェンは、最大100nm、しかし、より典型的には10nm未満の厚さを有し得る(一般に数層グラフェンと呼ばれる)。複数のグラフェンシート又はプレートレットが、製紙法を使用して1枚のNGP紙として形成され得る。このNGP紙は、本発明による方法で利用される多孔質グラフェン構造層の一例である。 In Route 1B, exfoliated graphite can be used (e.g., ultrasonic devices, high shear mixers, as disclosed in commonly assigned U.S. Patent Publication No. 200502571574 (September 8, 2005)). Subjected to high strength mechanical shear (using a high strength air jet mill or high energy ball mill) to form separated monolayer and multilayer graphene sheets (collectively referred to as NGP). Single-layer graphene can be as thin as 0.34 nm, while multilayer graphene can have a thickness of up to 100 nm, but more typically less than 10 nm (commonly referred to as few-layer graphene). Multiple graphene sheets or platelets can be formed as a sheet of NGP paper using a papermaking process. This NGP paper is an example of a porous graphene structure layer utilized in the method according to the present invention.

ルート2は、個々の酸化グラフェンシートを酸化黒鉛粒子から分離/単離する目的で、酸化黒鉛懸濁液(例えば、水中に分散された酸化黒鉛粒子)を超音波処理することを含む。これは、グラフェン面の離間距離が天然黒鉛での0.3354nmから高度に酸化された酸化黒鉛での0.6〜1.1nmに増加されており、隣接する面を一体に保持するファンデルワールス力を大幅に弱めるという見解に基づいている。超音波出力は、完全に分離された、単離された又は離散した酸化グラフェン(GO)シートを形成するために、グラフェン面シートをさらに分離するのに十分なものであり得る。次いで、これらの酸化グラフェンシートを化学的又は熱的に還元して、「還元酸化グラフェン」(RGO)を得ることができ、これは、典型的には、0.001重量%〜10重量%、より典型的には0.01重量%〜5重量%の酸素含有量を有し、最も典型的には且つ好ましくは2重量%未満の酸素を含む。 Route 2 involves sonicating a graphite oxide suspension (eg, graphite oxide particles dispersed in water) for the purpose of separating/isolating individual graphene oxide sheets from the graphite oxide particles. This is because the graphene surface separation distance is increased from 0.3354 nm in natural graphite to 0.6 to 1.1 nm in highly oxidized graphite oxide, and van der Waals that holds adjacent surfaces together. It is based on the view that it will weaken significantly. The ultrasonic power may be sufficient to further separate the graphene face sheet to form a fully separated, isolated or discrete graphene oxide (GO) sheet. These graphene oxide sheets can then be chemically or thermally reduced to give "reduced graphene oxide" (RGO), which typically ranges from 0.001% to 10% by weight, More typically it has an oxygen content of 0.01 wt% to 5 wt% and most typically and preferably comprises less than 2 wt% oxygen.

本出願の特許請求の範囲を定義する目的で、NGP又はグラフェン材料は、単層及び多層(典型的には10層未満)の純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン(RGO)、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン、ドープされた(例えば、B又はNをドープされた)グラフェンの離散シート/プレートレットを含む。純粋なグラフェンは、本質的に0%の酸素を有する。RGOは、典型的には0.001重量%〜5重量%の酸素含有量を有する。酸化グラフェン(RGOを含む)は、0.001重量%〜50重量%の酸素を有することができる。純粋なグラフェンを除き、全てのグラフェン材料が、非炭素元素(例えば、O、H、N、B、F、Cl、Br、Iなど)を0.001重量%〜50重量%含む。本明細書では、これらの材料を不純グラフェン材料と呼ぶ。 For purposes of defining the claims of this application, NGP or graphene materials include mono- and multi-layer (typically less than 10 layers) pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO), graphene fluoride. , Graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride, graphene nitride, chemically functionalized graphene, discrete sheets/platelets of doped (eg, B or N doped) graphene. Pure graphene has essentially 0% oxygen. RGOs typically have an oxygen content of 0.001% to 5% by weight. Graphene oxide (including RGO) can have 0.001 wt% to 50 wt% oxygen. With the exception of pure graphene, all graphene materials contain 0.001% to 50% by weight of non-carbon elements (eg, O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.). These materials are referred to herein as impure graphene materials.

純粋なグラフェンは、より小さい離散グラフェンシート(典型的には0.3μm〜10μm)として、黒鉛粒子の直接超音波処理(液相剥離又は生成としても知られている)又は超臨界流体剥離によって製造することができる。これらの方法は、当技術分野でよく知られている。 Pure graphene is produced by direct sonication (also known as liquid phase exfoliation or generation) or supercritical fluid exfoliation of graphite particles as smaller discrete graphene sheets (typically 0.3 μm-10 μm). can do. These methods are well known in the art.

酸化グラフェン(GO)は、反応容器内で、ある期間(出発材料の性質及び使用される酸化剤のタイプに応じて典型的には0.5〜96時間)にわたって所望の温度で、出発黒鉛材料の粉末又はフィラメント(例えば、天然黒鉛粉末)を酸化性液体媒体(例えば、硫酸、硝酸及び過マンガン酸カリウムの混合物)中に浸漬することによって得ることができる。上述したように、次いで、得られた酸化黒鉛粒子に熱剥離又は超音波誘発剥離を施して、単離GOシートを生成することができる。次いで、これらのGOシートは、OH基を他の化学基(例えば、Br、NHなど)で置換することによって様々なグラフェン材料に変換することができる。 Graphene oxide (GO) is a starting graphite material at a desired temperature in a reaction vessel over a period of time (typically 0.5-96 hours depending on the nature of the starting material and the type of oxidant used). Can be obtained by dipping the powder or filament (for example, natural graphite powder) in an oxidizing liquid medium (for example, a mixture of sulfuric acid, nitric acid and potassium permanganate). The resulting graphite oxide particles can then be subjected to thermal or ultrasonic induced exfoliation to produce isolated GO sheets, as described above. Then, these GO sheets can convert the OH groups other chemical groups (e.g., Br, etc. NH 2) in a variety of graphene materials by replacing.

本明細書では、ハロゲン化グラフェン材料群の一例として、フッ素化グラフェン又はフッ化グラフェンが使用される。フッ素化グラフェンを生成するために採用されている2つの異なる手法がある。(1)予め合成されたグラフェンのフッ素化:この手法は、機械的剥離又はCVD成長によって用意されたグラフェンをXeF又はFベースのプラズマなどのフッ素化剤で処理することを必要とする。(2)多層フッ化黒鉛の剥離:フッ化黒鉛の機械的剥離と液相剥離との両方を容易に達成することができる。 In this specification, fluorinated graphene or fluorinated graphene is used as an example of the halogenated graphene material group. There are two different approaches that have been taken to produce fluorinated graphene. (1) Fluorination of pre-synthesized graphene: This approach requires treating graphene prepared by mechanical exfoliation or CVD growth with a fluorinating agent such as XeF 2 or F-based plasma. (2) Exfoliation of multi-layered fluorinated graphite: Both mechanical exfoliation and liquid phase exfoliation of fluorinated graphite can be easily achieved.

低温で黒鉛インターカレーション化合物(GIC)CF(2≦x≦24)が生成されるのに対し、高温でのFと黒鉛との相互作用は、共有結合性フッ化黒鉛(CF)又は(CF)をもたらす。(CF)では、炭素原子はsp3混成であり、したがって、フルオロカーボン層は波形であり、トランスリンクされたシクロヘキサンのいす型立体配座からなる。(CF)では、C原子の半分のみがフッ素化され、隣接する炭素シートの対はどれもC−C共有結合により結合される。フッ素化反応に関する系統的研究から、得られたF/C比が、フッ素化温度、フッ素化ガス中のフッ素の分圧並びに黒鉛前駆体の物理的特性、例えば黒鉛化度、粒度及び比表面積に大きく依存することが示された。フッ素(F)に加え、他のフッ素化剤も使用することができるが、入手できる文献のほとんどは、時としてフッ化物の存在下で、Fガスによるフッ素化を含む。 Graphite intercalation compound (GIC) C x F (2≦x≦24) is produced at low temperature, whereas the interaction between F 2 and graphite at high temperature is due to covalent fluorinated graphite (CF). n or (C 2 F) n . In (CF) n , the carbon atoms are sp3 hybridized, so the fluorocarbon layer is corrugated, consisting of the translinked cyclohexane chair conformation. In (C 2 F) n, only one half of the C atoms are fluorinated, none pair of carbon sheets adjacent are coupled by covalent C-C bonds. From the systematic study on the fluorination reaction, the obtained F/C ratio is determined by the fluorination temperature, the partial pressure of fluorine in the fluorination gas and the physical properties of the graphite precursor such as the degree of graphitization, the particle size and the specific surface area. It was shown to be highly dependent. In addition to fluorine (F 2 ), other fluorinating agents can also be used, but most of the available literature involves fluorination with F 2 gas, sometimes in the presence of fluoride.

層状の前駆体材料を個々の層又は数層の状態に剥離するために、隣接する層間の引力を克服すること、及び層をさらに安定させることが必要である。これは、官能基によるグラフェン表面の共有結合修飾により、又は特定の溶媒、界面活性剤、ポリマー若しくはドナー−アクセプタ芳香族分子を使用する非共有結合修飾により実現され得る。液相剥離のプロセスは、液体媒体中のフッ化黒鉛の超音波処理を含む。 In order to exfoliate the layered precursor material into individual layers or layers, it is necessary to overcome the attractive forces between adjacent layers and to further stabilize the layers. This can be achieved by covalent modification of the graphene surface with functional groups or by non-covalent modification using specific solvents, surfactants, polymers or donor-acceptor aromatic molecules. The process of liquid phase exfoliation involves sonication of fluorinated graphite in a liquid medium.

グラフェンの窒素化は、酸化グラフェンなどのグラフェン材料を高温(200〜400℃)でアンモニアに曝すことによって行うことができる。窒素化グラフェンは、水熱法により、より低温で生成することもできる。これは、例えば、オートクレーブ内にGO及びアンモニアを封止し、次いで温度を150〜250℃に上昇させることによって行われる。窒素ドープされたグラフェンを合成する他の方法は、グラフェンに対する窒素プラズマ処理、アンモニアの存在下での黒鉛電極間のアーク放電、CVD条件下での酸化グラフェンのアンモノリシス及び様々な温度での酸化グラフェン及び尿素の水熱処理を含む。 Nitrogenation of graphene can be performed by exposing graphene materials such as graphene oxide to ammonia at high temperatures (200-400°C). Nitrogenated graphene can also be produced at lower temperatures by the hydrothermal method. This is done, for example, by sealing GO and ammonia in an autoclave and then raising the temperature to 150-250°C. Other methods of synthesizing nitrogen-doped graphene include nitrogen plasma treatment of graphene, arc discharge between graphite electrodes in the presence of ammonia, ammonolysis of graphene oxide under CVD conditions and graphene oxide at various temperatures. Includes hydrothermal treatment of urea.

本発明を実施する際に使用することができるアノード活物質の種類に制限はない。好ましくは、本発明のリチウム硫黄セルにおいて、アノード活物質は、電池が充電されるとき、Li/Liよりも(すなわち標準ポテンシャルとしてのLi→Li+eに対して)1.0ボルト未満(好ましくは0.7ボルト未満)高い電気化学ポテンシャルでリチウムイオンを吸収する。1つの好ましい実施形態では、リチウム電池のアノード活物質は、(a)リチウム金属又はリチウム金属合金の粒子と、(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子(ソフトカーボン及びハードカーボンを含む)、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維及び黒鉛繊維と、(c)シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)及びカドミウム(Cd)と、(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al又はCdと他の元素との合金又は金属間化合物であって、化学量論的又は非化学量論的である合金又は金属間化合物と、(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn又はCd及びそれらの混合物又は複合物の酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物及びテルル化物と、(f)それらのプレリチウム化されたバージョンと、(g)プレリチウム化されたグラフェンシートと、それらの組合せとからなる群から選択される。 There is no limitation on the type of anode active material that can be used in the practice of the present invention. Preferably, in the lithium-sulfur cell of the present invention, the anode active material is less than 1.0 Volt than Li/Li + (ie relative to Li→Li + +e as a standard potential) when the battery is charged. Absorbs lithium ions with high electrochemical potential (preferably less than 0.7 volts). In one preferred embodiment, the lithium battery anode active material comprises (a) particles of lithium metal or lithium metal alloy and (b) natural graphite particles, artificial graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles ( (Including soft carbon and hard carbon), needle coke, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon fiber and graphite fiber, and (c) silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe) and cadmium (Cd), (D) An alloy or intermetallic compound of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al or Cd and another element, which is stoichiometric or non-stoichiometric. An intermetallic compound and (e) an oxide, a carbide, or a nitride of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn or Cd and a mixture or composite thereof. It is selected from the group consisting of sulfides, phosphides, selenides and tellurides, (f) prelithiated versions thereof, (g) prelithiated graphene sheets, and combinations thereof.

特定の実施形態では、アルカリ金属−硫黄セルは、ナトリウムイオン硫黄セルであり、及び活物質は、石油コークス、カーボンブラック、非晶質炭素、活性炭、ハードカーボン(黒鉛化が困難な炭素)、ソフトカーボン(容易に黒鉛化できる炭素)、鋳型炭素、中空カーボンナノワイヤ、中空炭素球、チタン酸塩、NaTi(PO、NaTi、Na、NaTP、NaTiO(x=0.2〜1.0)、Na、カルボン酸ベースの材料、CNa、C、CNaO、CNa、C10Na、C14、C14Na又はそれらの組合せから選択されるナトリウムインターカレーション化合物を含有するアノード活物質である。 In certain embodiments, the alkali metal-sulfur cell is a sodium ion sulfur cell and the active material is petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon (carbon that is difficult to graphitize), soft carbon. Carbon (carbon which can be easily graphitized), template carbon, hollow carbon nanowire, hollow carbon sphere, titanate, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O 4 , Na. 2 TP, Na x TiO 2 ( x = 0.2~1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4, the carboxylic acid-based material, C 8 H 4 Na 2 O 4, C 8 H 6 O 4, C 8 H 5 NaO 4, C 8 Na 2 F 4 O 4, C 10 H 2 Na 4 O 8, C 14 H 4 O 6, C 14 H 4 Na 4 O 8 , or sodium are selected inter combinations thereof It is an anode active material containing a curation compound.

特定の実施形態では、アルカリ金属−硫黄セルは、ナトリウム金属−硫黄セル又はナトリウムイオン硫黄セルであり、及び活物質は、(a)ナトリウム金属又はナトリウム金属合金の粒子と、(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維及び黒鉛繊維と、(c)ナトリウムをドープされたシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)及びそれらの混合物と、(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd及びそれらの混合物のナトリウム含有合金又は金属間化合物と、(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd及びそれらの混合物又は複合物のナトリウム含有酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物又はアンチモン化物と、(f)ナトリウム塩と、(g)ナトリウムイオンを予め装填されたグラフェンシートと、それらの組合せとからなる群から選択されるアノード活物質である。 In certain embodiments, the alkali metal-sulfur cell is a sodium metal-sulfur cell or sodium ion sulfur cell, and the active material is (a) particles of sodium metal or sodium metal alloy and (b) natural graphite particles. , Artificial graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle cokes, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers and graphite fibers, and (c) sodium-doped silicon (Si), germanium (Ge) , Tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn). , Cadmium (Cd) and mixtures thereof, and (d) sodium-containing alloys or intermetallics of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd and mixtures thereof. Compounds and (e) sodium-containing oxides, carbides, and nitrides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or composites thereof. Selected from the group consisting of, sulfides, phosphides, selenides, tellurides or antimonides, (f) sodium salts, (g) graphene sheets preloaded with sodium ions, and combinations thereof. It is an active material.

広範な硫黄ベースのカソード活物質を使用して、本発明のリチウム硫黄又はナトリウム硫黄セルを実施することができる。そのような硫黄含有カソード活物質は、硫黄、金属−硫黄化合物(例えば、リチウムポリスルフィド)、硫黄−炭素複合物(例えば、ボールミリングによって調製されたカーボンブラック−S複合物又はSを含浸させた多孔質炭素粒子)、硫黄−グラフェン複合物、硫黄−黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄−ポリマー複合物又はそれらの組合せから選択され得る。 A wide variety of sulfur-based cathode active materials can be used to implement the lithium sulfur or sodium sulfur cells of the present invention. Such sulfur-containing cathode active materials include sulfur, metal-sulfur compounds (eg, lithium polysulfide), sulfur-carbon composites (eg, carbon black-S composite prepared by ball milling, or S-impregnated porous material. Carbon particles), sulfur-graphene composites, sulfur-graphite composites, organic sulfur compounds, sulfur-polymer composites or combinations thereof.

幾つかの実施形態では、カソード活物質は、機能性材料又はナノ構造材料によって支持された又はその材料に結合された硫黄又は硫黄化合物から選択され得る。機能性材料又はナノ構造化材料は、(a)ソフトカーボン、ハードカーボン、高分子炭素又は炭化樹脂、メソフェーズカーボン、コークス、炭化ピッチ、カーボンブラック、活性炭、ナノセル炭素発泡体又は一部黒鉛化された炭素から選択されるナノ構造化又は多孔質無秩序炭素材料と、(b)単層グラフェンシート又は多層グラフェンプレートレットから選択されるナノグラフェンプレートレットと、(c)単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブから選択されるカーボンナノチューブと、(d)カーボンナノファイバ、ナノワイヤ、金属酸化物ナノワイヤ若しくは繊維、導電性ポリマーナノファイバ又はそれらの組合せと、(e)カルボニル含有有機又はポリマー分子と、(f)カルボニル基、カルボキシル基又はアミン基を含有する機能性材料と、それらの組合せとからなる群から選択され得る。 In some embodiments, the cathode active material may be selected from sulfur or sulfur compounds supported by or bound to functional materials or nanostructured materials. The functional material or nanostructured material is (a) soft carbon, hard carbon, polymer carbon or carbonized resin, mesophase carbon, coke, carbonized pitch, carbon black, activated carbon, nanocell carbon foam or partially graphitized. Nanostructured or porous disordered carbon material selected from carbon, (b) nanographene platelets selected from single-layer graphene sheets or multilayer graphene platelets, and (c) selected from single-wall carbon nanotubes or multi-wall carbon nanotubes Carbon nanotubes, (d) carbon nanofibers, nanowires, metal oxide nanowires or fibers, conductive polymer nanofibers or combinations thereof, (e) carbonyl-containing organic or polymer molecules, and (f) carbonyl groups, It may be selected from the group consisting of functional materials containing carboxyl or amine groups and combinations thereof.

機能性材料又はナノ構造化材料は、ポリ(2,5−ジヒドロキシ−1,4−ベンゾキノン−3,6−メチレン)、Na(x=1〜3)、Na(C)、Na(Naテレフタレート)、Na(Naトランス−トランス−ムコン酸塩)、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸−二無水物(PTCDA)硫化物ポリマー、PTCDA、1,4,5,8−ナフタレン−テトラカルボン酸−二無水物(NTCDA)、ベンゼン−1,2,4,5−テトラカルボン酸二無水物、1,4,5,8−テトラヒドロキシアントラキノン、テトラヒドロキシ−p−ベンゾキノン及びそれらの組合せからなる群から選択され得る。望ましくは、機能性材料又はナノ構造化材料は、−COOH、=O、−NH、−OR又は−COORから選択される官能基を有し、ここで、Rは、炭化水素ラジカルである。 The functional material or the nanostructured material is poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-methylene), Na x C 6 O 6 (x=1 to 3), Na 2 (C 6 H 2 O 4), Na 2 C 8 H 4 O 4 (Na terephthalate), Na 2 C 6 H 4 O 4 (Na trans - trans - muconic acid salt), 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid Dianhydride (PTCDA) sulfide polymer, PTCDA, 1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride (NTCDA), benzene-1,2,4,5-tetracarboxylic dianhydride , 1,4,5,8-tetrahydroxyanthraquinone, tetrahydroxy-p-benzoquinone and combinations thereof. Desirably, the functional material or nanostructured materials, -COOH, = O, -NH 2, a functional group selected from -OR or -COOR, wherein, R is a hydrocarbon radical.

単層又は少数層(最大20層)の非グラフェン2Dナノ材料は、以下のような幾つかの方法によって製造することができる。機械的へき開、レーザアブレーション(例えば、レーザパルスを使用してTMDを単層までアブレーションする)、液相剥離、薄膜技法による合成、例えばPVD(例えば、スパッタリングなど)、蒸発、気相エピタキシ、液相エピタキシ、化学気相エピタキシ、分子線エピタキシ(MBE)、原子層エピタキシ(ALE)及びそれらのプラズマ支援バージョン。 Single-layer or few-layer (up to 20 layers) non-graphene 2D nanomaterials can be produced by several methods, including: Mechanical cleavage, laser ablation (eg, ablation of TMD to a single layer using laser pulses), liquid phase exfoliation, synthesis by thin film techniques, eg PVD (eg sputtering), evaporation, vapor phase epitaxy, liquid phase Epitaxy, chemical vapor epitaxy, molecular beam epitaxy (MBE), atomic layer epitaxy (ALE) and their plasma-assisted versions.

本発明を実施するために広範な電解質を使用することができる。最も好ましいのは、非水性の有機及び/又はイオン液体電解質である。本発明において採用することができる非水性電解質は、電解質塩を非水性溶媒に溶解することによって製造することができる。リチウム二次電池のための溶媒として採用されてきた任意の既知の非水性溶媒を採用することができる。主として、炭酸エチレン(EC)と、前記炭酸エチレンよりも融点が低く、ドナー数が18以下である少なくとも1種の非水性溶媒(本明細書では以後、第2の溶媒と呼ぶ)とを含む混合溶媒からなる非水性溶媒を好ましくは採用することができる。この非水性溶媒は、(a)黒鉛構造に十分に発達した炭素質材料を含む負極に対して安定であり、(b)電解質の還元又は酸化分解の抑制に効果的であり、且つ(c)導電率が高いという点で有利である。炭酸エチレン(EC)のみで構成される非水性電解質は、黒鉛化炭素質材料での還元による分解に対して比較的安定であるという点で有利である。しかし、ECの融点は、39〜40℃と比較的高く、その粘度も比較的高いため、導電率が低く、したがって、ECのみでは、室温以下で動作させる二次電池の電解質として使用するには不適である。ECとの混合物中で使用される第2の溶媒は、溶媒混合物の粘度をEC単独の粘度よりも低くする役割を果たし、それにより混合溶媒のイオン伝導性を促進する。さらに、ドナー数が18以下(炭酸エチレンのドナー数が16.4)である第2の溶媒が採用されるとき、上述した炭酸エチレンをリチウムイオンと容易に且つ選択的に溶媒和させることができ、したがって、第2の溶媒と、黒鉛化状態に十分に発達した炭素質材料との還元反応が抑制されると想定される。さらに、第2の溶媒のドナー数が18以下に制御されるとき、リチウム電極への酸化分解電位を4V以上まで容易に高めることができ、したがって高電圧のリチウム二次電池を製造することが可能である。 A wide variety of electrolytes can be used to practice the invention. Most preferred are non-aqueous organic and/or ionic liquid electrolytes. The non-aqueous electrolyte that can be used in the present invention can be produced by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent. Any known non-aqueous solvent that has been adopted as a solvent for a lithium secondary battery can be adopted. A mixture mainly containing ethylene carbonate (EC) and at least one non-aqueous solvent having a melting point lower than that of the ethylene carbonate and having a donor number of 18 or less (hereinafter referred to as a second solvent) A non-aqueous solvent consisting of a solvent can be preferably used. This non-aqueous solvent is (a) stable to a negative electrode containing a carbonaceous material having a fully developed graphite structure, (b) effective in suppressing reduction or oxidative decomposition of the electrolyte, and (c). It is advantageous in that it has high conductivity. Non-aqueous electrolytes composed solely of ethylene carbonate (EC) are advantageous in that they are relatively stable to decomposition by reduction on graphitized carbonaceous materials. However, since the melting point of EC is relatively high at 39 to 40° C. and its viscosity is also relatively high, its electrical conductivity is low. Therefore, EC alone cannot be used as an electrolyte of a secondary battery operated at room temperature or below. Not suitable. The second solvent used in the mixture with EC serves to make the viscosity of the solvent mixture lower than that of EC alone, thereby promoting the ionic conductivity of the mixed solvent. Further, when a second solvent having a donor number of 18 or less (the donor number of ethylene carbonate is 16.4) is adopted, the above-mentioned ethylene carbonate can be easily and selectively solvated with lithium ions. Therefore, it is assumed that the reduction reaction between the second solvent and the carbonaceous material sufficiently developed into the graphitized state is suppressed. Further, when the number of donors of the second solvent is controlled to be 18 or less, the oxidative decomposition potential to the lithium electrode can be easily increased to 4 V or more, and thus a high voltage lithium secondary battery can be manufactured. Is.

好ましい第2の溶媒は、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸ジエチル(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、炭酸プロピレン(PC)、ガンマ−ブチロラクトン(γ−BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、ギ酸プロピル(PF)、ギ酸メチル(MF)、トルエン、キシレン及び酢酸メチル(MA)である。これらの第2の溶媒は、単独で又は2種以上を組み合わせて採用し得る。より望ましくは、この第2の溶媒は、16.5以下のドナー数を有するものから選択されるべきである。この第2の溶媒の粘度は、好ましくは、25℃で28cps以下にすべきである。 Preferred second solvent is dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), ethyl propionate, methyl propionate, propylene carbonate (PC), gamma-butyrolactone (γ-BL), acetonitrile. (AN), ethyl acetate (EA), propyl formate (PF), methyl formate (MF), toluene, xylene and methyl acetate (MA). These second solvents may be used alone or in combination of two or more. More desirably, this second solvent should be selected from those having a donor number of 16.5 or less. The viscosity of this second solvent should preferably not exceed 28 cps at 25°C.

混合溶媒中の上記の炭酸エチレンの混合率は、好ましくは、10〜80体積%にすべきである。炭酸エチレンの混合率がこの範囲外にある場合、溶媒の導電率が低下し得るか、又は溶媒がより分解されやすくなり、それにより充放電効率が低下する。炭酸エチレンのより好ましい混合率は、20〜75体積%である。非水性溶媒中の炭酸エチレンの混合率が20体積%以上に増加されるとき、リチウムイオンに対する炭酸エチレンの溶媒和効果が促進され、その溶媒分解阻害効果を向上させることができる。 The mixing ratio of the above ethylene carbonate in the mixed solvent should preferably be 10 to 80% by volume. If the mixing ratio of ethylene carbonate is out of this range, the conductivity of the solvent may be lowered, or the solvent may be more easily decomposed, thereby lowering the charge/discharge efficiency. A more preferable mixing ratio of ethylene carbonate is 20 to 75% by volume. When the mixing ratio of ethylene carbonate in the non-aqueous solvent is increased to 20% by volume or more, the solvating effect of ethylene carbonate on lithium ions is promoted and the solvent decomposition inhibiting effect can be improved.

好ましい混合溶媒の例は、ECとMECを含む組成物、EC、PC及びMECを含む組成物、EC、MEC及びDECを含む組成物、EC、MEC及びDMCを含む組成物、EC、MEC、PC及びDECを含む組成物であり、MECの体積比は30〜80%の範囲内で制御される。30〜80%、より好ましくは40〜70%の範囲からMECの体積比を選択することにより、溶媒の導電性を改良することができる。溶媒の分解反応を抑制する目的で、二酸化炭素が溶解されている電解質を採用することができ、それにより電池の容量とサイクル寿命との両方を効果的に改善することができる。非水性電解質に取り込まれる電解質塩は、過塩素酸リチウム(LiClO)、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)、ホウフッ化リチウム(LiBF)、ヘキサフルオロヒ化リチウム(LiAsF)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCFSO)及びビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CFSO]などのリチウム塩から選択され得る。それらのうち、LiPF、LiBF及びLiN(CFSOが好ましい。非水性溶媒中の上記電解質塩の含有量は、好ましくは、0.5〜2.0モル/リットルである。 Examples of preferable mixed solvents include a composition containing EC and MEC, a composition containing EC, PC and MEC, a composition containing EC, MEC and DEC, a composition containing EC, MEC and DMC, EC, MEC, PC And DEC, and the volume ratio of MEC is controlled within the range of 30 to 80%. The conductivity of the solvent can be improved by selecting the volume ratio of MEC in the range of 30 to 80%, more preferably 40 to 70%. For the purpose of suppressing the decomposition reaction of the solvent, an electrolyte in which carbon dioxide is dissolved can be adopted, whereby both the capacity and cycle life of the battery can be effectively improved. The electrolyte salt taken into the non-aqueous electrolyte is lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsF 6 ), trifluorometamet lithium sulfonate (LiCF 3 SO 3) and bis - it may be selected from lithium salts such as trifluoromethyl sulfonyl imide lithium [LiN (CF 3 SO 2) 2]. Among them, LiPF 6 , LiBF 4 and LiN(CF 3 SO 2 ) 2 are preferable. The content of the electrolyte salt in the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 2.0 mol/liter.

ナトリウムセルの場合、電解質(不燃性準固体電解質を含む)は、好ましくは、過塩素酸ナトリウム(NaClO)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF)、ヘキサフルオロヒ化ナトリウム、トリフルオロメタスルホン酸ナトリウム(NaCFSO)、ビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CFSO)、イオン液体塩又はそれらの組合せから選択されるナトリウム塩を含有し得る。 In the case of a sodium cell, the electrolyte (including non-combustible quasi-solid electrolyte) is preferably sodium perchlorate (NaClO 4 ), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), sodium borofluoride (NaBF 4 ), hexafluorohidden. sodium reduction, sodium trifluoro meth acid (NaCF 3 SO 3), bis - trifluoromethyl sulfonyl imide sodium (NaN (CF 3 SO 2) 2), containing a sodium salt selected from the ionic liquid salts or their combinations You can

イオン液体は、イオンのみから構成されている。イオン液体は、所望の温度を超えたときには融解状態又は液体状態になる低融解温度の塩である。例えば、塩は、その融点が100℃未満である場合にイオン液体とみなされる。融解温度が室温(25℃)以下である場合、塩は室温イオン液体(RTIL)と呼ばれる。IL塩は、大きいカチオンと電荷非局在化アニオンとの組合せによる弱い相互作用によって特徴付けられる。これは、可撓性(アニオン)及び非対称性(カチオン)による結晶化の傾向を低減する。 Ionic liquids are composed only of ions. Ionic liquids are low melting temperature salts that are in a molten or liquid state when the desired temperature is exceeded. For example, a salt is considered an ionic liquid if its melting point is below 100°C. If the melting temperature is below room temperature (25° C.), the salt is called a room temperature ionic liquid (RTIL). IL salts are characterized by weak interactions due to the combination of large cations and charge delocalized anions. This reduces the tendency for crystallization due to flexibility (anion) and asymmetry (cation).

1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI)カチオンとN,N−ビス(トリフルオロメタン)スルホンアミド(TFSI)アニオンとの組合せにより、典型的な且つよく知られたイオン液体が形成される。この組合せにより、最大約300〜400℃で、多くの有機電解質溶液と同等のイオン導電率並びに低い分解性及び低い蒸気圧を有する流体が得られる。これは、一般に低い揮発性及び非引火性、したがって電池に関してはるかに安全な電解質を示唆する。 The combination of the 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMI) cation and the N,N-bis(trifluoromethane)sulfonamide (TFSI) anion forms a typical and well known ionic liquid. This combination results in a fluid with ionic conductivity and low degradability and low vapor pressure comparable to many organic electrolyte solutions up to about 300-400°C. This generally suggests a low volatility and non-flammability, and thus a much safer electrolyte for batteries.

イオン液体は、基本的に、多様な成分の調製が容易であることにより、本質的に無制限の数の構造変化を生じる有機イオンから構成される。したがって、様々な種類の塩を使用して、所与の用途に合わせて所望の特性を有するイオン液体を設計することができる。これらは、とりわけ、カチオンとしてのイミダゾリウム、ピロリジニウム及び第四級アンモニウム塩と、アニオンとしてのビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド及びヘキサフルオロホスフェートとを含む。イオン液体は、それらの組成に基づいて、基本的に非プロトン性、プロトン性、双性イオンタイプを含む様々なクラスに分けられ、それぞれが特定の用途に適している。 Ionic liquids are basically composed of organic ions that produce an essentially unlimited number of structural changes due to the ease of preparation of the various components. Thus, various types of salts can be used to design ionic liquids with the desired properties for a given application. These include, among others, imidazolium, pyrrolidinium and quaternary ammonium salts as cations, and bis(trifluoromethanesulfonyl)imides, bis(fluorosulfonyl)imides and hexafluorophosphates as anions. Ionic liquids are basically divided into various classes based on their composition, including aprotic, protic and zwitterionic types, each suitable for a particular application.

室温イオン液体(RTIL)の一般的なカチオンとしては、限定はしないが、テトラアルキルアンモニウム、ジ−、トリ−及びテトラ−アルキルイミダゾリウム、アルキルピリジニウム、ジアルキルピロリジニウム、ジアルキルピペリジニウム、テトラアルキルホスホニウム並びにトリアルキルスルホニウムが挙げられる。RTILの一般的なアニオンとしては、限定はしないが、BF 、B(CN) 、CHBF 、CH2CHBF 、CFBF 、CBF 、n−CBF 、n−CBF 、PF 、CFCO 、CFSO 、N(SOCF 、N(COCF)(SOCF、N(SOF) 、N(CN) 、C(CN) 、SCN、SeCN、CuCl 、AlCl 、F(HF)2.3 などが挙げられる。相対的に言えば、イミダゾリウム又はスルホニウムベースのカチオンと、AlCl 、BF 、CFCO 、CFSO 、NTf 、N(SOF) 又はF(HF)2.3 などの錯体ハロゲン化物アニオンとの組合せが、良好な動作伝導率を有するRTILをもたらす。 Common cations of room temperature ionic liquids (RTIL) include, but are not limited to, tetraalkylammonium, di-, tri- and tetra-alkylimidazolium, alkylpyridinium, dialkylpyrrolidinium, dialkylpiperidinium, tetraalkyl. Examples include phosphonium as well as trialkylsulfonium. General anions of RTIL include, but are not limited to, BF 4 , B(CN) 4 , CH 3 BF 3 , CH 2 CHBF 3 , CF 3 BF 3 , C 2 F 5 BF 3 , n. -C 3 F 7 BF 3 -, n-C 4 F 9 BF 3 -, PF 6 -, CF 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, n (SO 2 CF 3) 2 -, n (COCF 3) (SO 2 CF 3) -, N (SO 2 F) 2 -, N (CN) 2 -, C (CN) 3 -, SCN -, SeCN -, CuCl 2 -, AlCl 4 -, F (HF) 2 . 3 − and the like. Relatively speaking, imidazolium- or sulfonium-based cations and AlCl 4 , BF 4 , CF 3 CO 2 , CF 3 SO 3 , NTf 2 , N(SO 2 F) 2 or F( HF) 2.3 - combination with complex halide anions, such as results in a RTIL having good operation conductivity.

RTILは、高い固有のイオン導電率、高い熱安定性、低い揮発性、低い(実質的にゼロの)蒸気圧、非引火性、室温よりも上及び下の広い温度範囲で液体を維持する機能、高い極性、高い粘度及び広い電気化学的窓など、典型的な特性を有することができる。これらの特性は、高粘度を除き、スーパーキャパシタでの電解質成分(塩及び/又は溶媒)としてRTILを使用するときに望ましい属性である。 RTILs have high intrinsic ionic conductivity, high thermal stability, low volatility, low (substantially zero) vapor pressure, non-flammability, and the ability to maintain liquids over a wide temperature range above and below room temperature. , Can have typical properties such as high polarity, high viscosity and wide electrochemical window. These properties, except for high viscosity, are desirable attributes when using RTIL as the electrolyte component (salt and/or solvent) in supercapacitors.

以下では、本発明を実施する最良の形態を示すために、幾つかの異なるタイプのアノード活物質、硫黄ベースのカソード活物質及びイオン導電ポリマーの幾つかの例を提供する。これらの例示的な実施例並びに本明細書及び図面の他の箇所は、個別に又は組み合わせて、当業者が本発明を実施できるようにするのに十分すぎるものである。しかし、これらの実施例は、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。 In the following, some examples of several different types of anode active materials, sulfur-based cathode active materials and ion-conducting polymers are provided to show the best mode of carrying out the invention. These exemplary embodiments and the rest of the description and the drawings, individually or in combination, are more than sufficient to enable those skilled in the art to practice the invention. However, these examples should not be construed as limiting the scope of the invention.

実施例1:天然黒鉛粉末からの酸化グラフェン(GO)及び還元された酸化グラフェン(RGO)ナノシートの調製
Huadong Graphite Co.(中国、青島)の天然黒鉛を出発材料として使用した。GOは、よく知られているmodified Hummers法に従うことによって得られた。この方法は、2つの酸化段階を含む。典型的な手順において、以下の条件で第1の酸化を実現した。1100mgの黒鉛を1000mLの沸騰フラスコに入れた。次いで、K、20gのP及び400mLの濃縮HSO水溶液(96%)をフラスコに加えた。混合物を還流下で6時間加熱し、次いで室温で20時間安置した。酸化黒鉛を濾過し、中性pHになるまで多量の蒸留水ですすいだ。この最初の酸化の終わりに、ウェットケーキ状物質が回収された。
Example 1: Preparation of graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (RGO) nanosheets from natural graphite powder Huadong Graphite Co. Natural graphite (Qingdao, China) was used as the starting material. GO was obtained by following the well-known modified Hummers method. This method involves two oxidation steps. In a typical procedure, the first oxidation was achieved under the following conditions. 1100 mg of graphite was placed in a 1000 mL boiling flask. Then K 2 S 2 O 8 , 20 g P 2 O 5 and 400 mL concentrated aqueous H 2 SO 4 solution (96%) were added to the flask. The mixture was heated under reflux for 6 hours and then left at room temperature for 20 hours. The graphite oxide was filtered and rinsed with a large amount of distilled water until it had a neutral pH. At the end of this first oxidation, a wet cake was recovered.

第2の酸化プロセスでは、前に収集されたウェットケーキを、69mLの濃縮HSO水溶液(96%)を含む沸騰フラスコに入れた。9gのKMnOをゆっくりと加えながら、フラスコを氷浴内で保った。過熱を避けるように注意した。得られた混合物を35℃で2時間撹拌し(試料の色が暗い緑色に変わった)、続いて140mLの水を加えた。15分後、420mLの水及び15mLの30wt%H水溶液を加えることによって反応を停止させた。この段階での試料の色は、明るい黄色に変わった。金属イオンを除去するために、混合物を濾過し、1:10HCl水溶液ですすいだ。収集した物質を2700gで穏やかに遠心分離し、脱イオン水ですすいだ。最終生成物は、乾燥抽出物から推定されるように、1.4wt%のGOを含むウェットケーキであった。その後、脱イオン水で希釈したウェットケーキ物質を軽く超音波処理することにより、GOプレートレットの液体分散液を得た。 In the second oxidation process, the wet cake previously collected was placed in a boiling flask containing 69 mL of concentrated H 2 SO 4 aqueous solution (96%). The flask was kept in an ice bath while slowly adding 9 g of KMnO 4 . Care was taken to avoid overheating. The resulting mixture was stirred at 35° C. for 2 hours (sample color changed to dark green), followed by addition of 140 mL of water. After 15 minutes, the reaction was stopped by adding 420 mL of water and 15 mL of 30 wt% H 2 O 2 aqueous solution. The color of the sample at this stage turned bright yellow. The mixture was filtered and rinsed with 1:10 aqueous HCl to remove metal ions. The collected material was gently centrifuged at 2700 g and rinsed with deionized water. The final product was a wet cake containing 1.4 wt% GO, as estimated from the dry extract. Then, the wet cake material diluted with deionized water was lightly sonicated to obtain a liquid dispersion of GO platelets.

純水の代わりに界面活性剤水溶液でウェットケーキを希釈することにより、界面活性剤で安定化されたRGO(RGO−BS)を得た。Sigma Aldrichによって提供されているコール酸ナトリウム(50wt%)とデオキシコール酸ナトリウム(50wt%)の塩の市販の混合物を使用した。界面活性剤の重量画分は、0.5wt%であった。全ての試料に関してこの画分を一定に保った。13mmステップディストラクタホーンと、3mmテーパ付きマイクロチップとを備え、20kHzの周波数で動作するBranson Sonifier S−250Aを使用して超音波処理を行った。例えば、0.1wt%のGOを含む水溶液10mLを10分間超音波処理し、その後、2700gで30分間遠心分離して、溶解していない大きい粒子、凝集物及び不純物を除去した。0.1wt%のGO水溶液10mLを50mL沸騰フラスコに入れることを含む方法に従うことにより、RGOを生成するために、上記のようにして得られたGOの化学的還元を行った。次いで、界面活性剤によって安定化させた混合物に、35wt%のN(ヒドラジン)水溶液10μL及び28wt%のNHOH(アンモニア)水溶液70mLを加えた。溶液を90℃に加熱し、1時間還流させた。反応後に測定されたpH値は約9だった。還元反応中、試料の色は暗黒色に変わった。 RGO (RGO-BS) stabilized with a surfactant was obtained by diluting the wet cake with a surfactant aqueous solution instead of pure water. A commercial mixture of salts of sodium cholate (50 wt%) and sodium deoxycholate (50 wt%) provided by Sigma Aldrich was used. The weight fraction of surfactant was 0.5 wt %. This fraction was kept constant for all samples. Sonication was performed using a Branson Sonifier S-250A equipped with a 13 mm step distractor horn and a 3 mm tapered microchip and operating at a frequency of 20 kHz. For example, 10 mL of an aqueous solution containing 0.1 wt% GO was sonicated for 10 minutes and then centrifuged at 2700 g for 30 minutes to remove undissolved large particles, aggregates and impurities. The GO obtained as described above was chemically reduced to produce RGO by following a method comprising placing 10 mL of 0.1 wt% GO aqueous solution in a 50 mL boiling flask. Then, to the mixture stabilized by the surfactant, 10 μL of 35 wt% N 2 H 4 (hydrazine) aqueous solution and 70 mL of 28 wt% NH 4 OH (ammonia) aqueous solution were added. The solution was heated to 90° C. and refluxed for 1 hour. The pH value measured after the reaction was about 9. The color of the sample turned dark black during the reduction reaction.

本発明の特定のリチウム−硫黄電池でのアノード及びカソード活物質の一方又は両方の導電性添加剤としてRGOを使用した。選択したリチウム−硫黄セルでは、アノード活物質として、プレリチウム化したRGO(例えば、RGO+リチウム粒子又はリチウムコーティングを予め堆積したRGO)も使用した。 RGO was used as a conductive additive for one or both of the anode and cathode active materials in certain lithium-sulfur batteries of the present invention. Pre-lithiated RGO (eg, RGO+lithium particles or pre-deposited RGO with lithium coating) was also used as the anode active material in selected lithium-sulfur cells.

比較のために、従来の電極を製造するためにスラリコーティング及び乾燥手順を行った。次いで、1つのアノード及び1つのカソードと、2つの電極間に配設されたセパレータとを組み立てて、Alプラスチックラミネートパッケージング容器に収納し、その後、液体電解質の注入を行って、先行技術のリチウム電池セルを形成した。 For comparison, a slurry coating and drying procedure was performed to make a conventional electrode. Then, one anode and one cathode, and a separator disposed between the two electrodes are assembled and housed in an Al plastic laminate packaging container, after which a liquid electrolyte is injected to obtain lithium in the prior art. A battery cell was formed.

実施例2:純粋なグラフェンシートの調製(本質的に酸素0%)
GOシートでの高い欠陥数が個々のグラフェン面の導電率を低下するように作用する可能性を認識して、本発明者らは、純粋なグラフェンシート(非酸化及び酸素フリー、非ハロゲン化及びハロゲンフリーなど)の使用が、高い導電率及び高い熱伝導率を有する導電性添加剤をもたらすことができるかどうかを調べることに決めた。プレリチウム化された純粋なグラフェンもアノード活物質として使用した。純粋なグラフェンシートは、直接超音波処理又は液相製造プロセスを使用して製造した。
Example 2: Preparation of pure graphene sheet (essentially 0% oxygen)
Recognizing that the high defect counts in GO sheets can act to reduce the conductivity of individual graphene planes, we have found that pure graphene sheets (non-oxidized and oxygen-free, non-halogenated and It was decided to investigate whether the use of (eg halogen-free) could lead to conductive additives with high electrical conductivity and high thermal conductivity. Pre-lithiated pure graphene was also used as the anode active material. Pure graphene sheets were manufactured using direct sonication or liquid phase manufacturing process.

典型的な手順では、約20μm以下のサイズに粉砕された5グラムの黒鉛フレークを1,000mLの脱イオン水(0.1重量%の分散剤、DuPont社のZonyl(登録商標)FSOを含有する)に分散させて懸濁液を得た。85W(Branson S450 Ultrasonicator)の超音波エネルギーレベルを使用して、15分〜2時間の期間にわたってグラフェンシートの剥離、分離及びサイズ縮小を行った。得られたグラフェンシートは、酸化されたことのない純粋なグラフェンであり、酸素フリーであり、比較的欠陥がない。純粋なグラフェンにはいかなる非炭素元素も実質的に含まれない。 In a typical procedure, 5 grams of graphite flakes milled to a size of about 20 μm or less contains 1,000 mL of deionized water (0.1 wt% dispersant, DuPont Zonyl® FSO. ), and a suspension was obtained. An ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 Ultrasonicator) was used to peel, separate and reduce the size of the graphene sheets over a period of 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheet is pure graphene that has not been oxidized, is oxygen free, and relatively defect free. Pure graphene is substantially free of any non-carbon elements.

次いで、本発明による発泡体の孔へのスラリ注入手順と従来のスラリコーティング、乾燥及び積層の手順との両方を使用して、導電性添加剤としての純粋なグラフェンシートをアノード活物質(又はカソードでのカソード活物質)と共に電池に組み込んだ。リチウムイオン硫黄電池とリチウム金属−硫黄電池との両方を調べた。 The pure graphene sheet as the conductive additive is then used as an anode active material (or cathode) using both the slurry pouring procedure according to the invention and the conventional slurry coating, drying and laminating procedures. (Cathode active material in the above) and incorporated into a battery. Both lithium ion sulfur batteries and lithium metal-sulfur batteries were investigated.

実施例3:リチウムイオン電池のアノード活物質としてのプレリチウム化されたフッ化グラフェンシートの調製
GFを製造するために、本発明者らは、幾つかのプロセスを使用してきたが、ここでは例として1つのプロセスのみを述べる。典型的な手順では、インターカレートされた化合物CF・xClFから高度に剥離された黒鉛(HEG)を調製した。HEGを三フッ化塩素の蒸気によってさらにフッ素化し、フッ素化された高度に剥離された黒鉛(FHEG)を生成した。予冷されたテフロン反応器に20〜30mLの液体予冷ClFを充填し、反応器を閉じて液体窒素温度まで冷却した。次いで、ClFガスがアクセスするための穴を有する容器に1g以下のHEGを入れ、反応器内部に配置した。7〜10日で近似式CFのグレーベージュ色の生成物が形成された。
Example 3: Preparation of Pre-lithiated Graphene Fluoride Sheet as Anode Active Material for Lithium Ion Batteries To make GF, we have used several processes, but here are examples. Will describe only one process. In a typical procedure, highly exfoliated graphite (HEG) was prepared from the intercalated compound C 2 F.xClF 3 . HEG was further fluorinated with chlorine trifluoride vapor to produce fluorinated highly exfoliated graphite (FHEG). Pre-cooled liquid-filled pre-cooling ClF 3 of 20~30mL Teflon reactor and cooled to liquid nitrogen temperature by closing the reactor. Then, 1 g or less of HEG was placed in a container having a hole for ClF 3 gas to access, and the HEG was placed inside the reactor. Gray beige product of the approximate formula C 2 F are formed in 7-10 days.

その後、少量のFHEG(約0.5mg)を20〜30mLの有機溶媒(個別にメタノール及びエタノール)と混合し、超音波処理(280W)を30分間施し、均質な黄色がかった分散液を生成した。溶媒の除去後、分散液は、茶色がかった粉末になった。フッ化グラフェン粉末を液体電解質中で表面安定化リチウム粉末と混合し、プレリチウム化が生じるようにした。 Then, a small amount of FHEG (about 0.5 mg) was mixed with 20 to 30 mL of organic solvent (individually methanol and ethanol) and sonicated (280 W) for 30 minutes to produce a homogeneous yellowish dispersion. .. After removal of the solvent, the dispersion became a brownish powder. Graphene fluoride powder was mixed with surface-stabilized lithium powder in a liquid electrolyte to allow prelithiation.

実施例4:準固体ポリマー電解質を形成するための好ましい塩、溶媒、ポリマーの幾つかの例
好ましいナトリウム金属塩として以下のものが挙げられる。過塩素酸ナトリウム(NaClO)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF)、ヘキサフルオロヒ化ナトリウム、ヘキサフルオロヒ化カリウム、トリフルオロ−メタスルホン酸ナトリウム(NaCFSO)及びビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CFSO)。以下は、選択される有機又はイオン液体溶媒によく溶解される傾向があるリチウム塩に関する良好な選択肢である。ホウフッ化リチウム(LiBF)、トリフルオロ−メタスルホン酸リチウム(LiCFSO)、リチウムビス−トリフルオロメチルスルホニルイミド(LiN(CFSO又はLITFSI)、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF2C)及びビスパーフルオロエチル−スルホニルイミドリチウム(LiBETI)。Li金属を安定化することを促進する良好な電解質添加剤は、LiNOである。特に有用なイオン液体ベースのリチウム塩としては、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)が挙げられる。
Example 4: Some Examples of Preferred Salts, Solvents, Polymers for Forming a Quasi-Solid Polymer Electrolyte Preferred sodium metal salts include: Sodium perchlorate (NaClO 4 ), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), sodium borofluoride (NaBF 4 ), sodium hexafluoroarsenide, potassium hexafluoroarsenide, sodium trifluoro-metasulfonate (NaCF 3 SO 3 ). ) and bis - trifluoromethyl sulfonyl imide sodium (NaN (CF 3 SO 2) 2). The following are good choices for lithium salts that tend to be well soluble in the organic or ionic liquid solvent of choice. Lithium borofluoride (LiBF 4), trifluoro - Lithium methanesulfonic acid (LiCF 3 SO 3), lithium bis - trifluoromethylsulfonyl imide (LiN (CF 3 SO 2) 2 or LiTFSI), lithium-bis (oxalato) borate ( LiBOB), oxalyl lithium difluoro borate (liBF2C 2 O 4) and bis perfluoro ethyl - imide lithium (LiBETI). A good electrolyte additive that helps to stabilize Li metal is LiNO 3 . Particularly useful ionic liquid-based lithium salts include lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI).

水性電解質の場合、ナトリウム塩又はカリウム塩は、好ましくは、NaSO、KSO、それらの混合物、NaOH、KOH、NaCl、KCl、NaF、KF、NaBr、KBr、NaI、KI又はそれらの混合物から選択される。本研究で使用した塩濃度は、0.3M〜3.0M(ほとんどの場合に0.5M〜2.0M)であった。 In the case of aqueous electrolytes, the sodium or potassium salts are preferably Na 2 SO 4 , K 2 SO 4 , mixtures thereof, NaOH, KOH, NaCl, KCl, NaF, KF, NaBr, KBr, NaI, KI or theirs. Selected from a mixture of. The salt concentration used in this study was 0.3M to 3.0M (0.5M to 2.0M in most cases).

好ましい有機液体溶媒としては、以下のものが挙げられる。炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸プロピレン(PC)、アセトニトリル(AN)、炭酸ビニレン(VC)、炭酸アリルエチル(AEC)、1,3−ジオキソラン(DOL)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、ポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(PEGDME)、ジエチレングリコールジブチルエーテル(DEGDBE)、2−エトキシエチルエーテル(EEE)、ハイドロフルオロエーテル(例えば、TPTP)、スルホン及びスルホラン。 The following are mentioned as a preferable organic liquid solvent. Ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), acetonitrile (AN), vinylene carbonate (VC), allyl ethyl carbonate (AEC), 1, 3-dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDME), diethylene glycol dibutyl ether (DEGDBE), 2-ethoxyethyl ether (EEE) , Hydrofluoroethers (eg TPTP), sulfones and sulfolanes.

好ましいイオン液体溶媒は、テトラアルキルアンモニウム、ジ−アルキルイミダゾリウム、アルキルピリジニウム、ジアルキル−ピロリジニウム又はジアルキルピペリジニウムから選択されるカチオンを有する室温イオン液体(RTIL)から選択され得る。対アニオンは、好ましくは、BF 、B(CN) 、CFCO 、CFSO 、N(SOCF 、N(COCF)(SOCF又はN(SOF) から選択される。特に有用なイオン液体ベースの溶媒としては、以下のものが挙げられる。N−n−ブチル−N−エチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(BEPyTFSI)、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(PP13TFSI)及びN,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド。 Preferred ionic liquid solvents may be selected from room temperature ionic liquids (RTILs) having a cation selected from tetraalkylammonium, di-alkylimidazolium, alkylpyridinium, dialkyl-pyrrolidinium or dialkylpiperidinium. The counter anion is preferably BF 4 , B(CN) 4 , CF 3 CO 2 , CF 3 SO 3 , N(SO 2 CF 3 ) 2 , N(COCF 3 ) (SO 2 CF 3 ). ) Or N(SO 2 F) 2 . Particularly useful ionic liquid-based solvents include: N-n-butyl-N-ethylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (BEPyTFSI), N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (PP 13 TFSI) and N,N. -Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide.

好ましいリチウムイオン伝導又はナトリウムイオン伝導ポリマーとしては、以下のものが挙げられる。ポリ(エチレンオキシド)(PEO、1×10g/モル未満の分子量を有する)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリ(アクリロニトリル)(PAN)、ポリ(フッ化ビニリデン)−ヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP)及びスルホン化ポリマー。好ましいスルホン化ポリマーとしては、以下のものが挙げられる。ポリ(パーフルオロスルホン酸)、スルホン化ポリテトラフルオロエチレン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)(S−PEEK)及びスルホン化ポリフッ化ビニリデン(S−PVDF)。 The following are mentioned as preferable lithium ion conduction or sodium ion conduction polymers. Poly(ethylene oxide) (PEO, having a molecular weight of less than 1×10 6 g/mol), polypropylene oxide (PPO), poly(acrylonitrile) (PAN), poly(vinylidene fluoride)-hexafluoropropylene (PVDF-HFP). And sulfonated polymers. The following are mentioned as a preferable sulfonated polymer. Poly(perfluorosulfonic acid), sulfonated polytetrafluoroethylene, sulfonated polysulfone, sulfonated poly(ether ether ketone) (S-PEEK) and sulfonated polyvinylidene fluoride (S-PVDF).

実施例5:様々なナトリウム塩分子比での幾つかの溶媒及び対応する準固体電解質の蒸気圧
ホウフッ化ナトリウム(NaBF)、過塩素酸ナトリウム(NaClO)又はビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドナトリウム(NaTFSI)など、広い分子比範囲のナトリウム塩をPEOと共に添加する前及び添加した後の幾つかの溶媒(DOL、DME、PC、AN、イオン液体ベースの共溶媒PP13TFSIを含む又は含まない)の蒸気圧を測定した。蒸気圧は、複合の塩/ポリマー濃度が2.3Mを超えると非常に高速で低下し、複合の濃度が3.0Mを超えると最小又は本質的にゼロに急速に近づく。蒸気圧が非常に低いと、電解質の蒸気相は、火炎を発生できないか、又は発生後3秒よりも長く火炎を持続することはできない。
Example 5: Several solvents and the corresponding quasi-solid electrolyte vapor pressure borofluoride sodium (NaBF 4), sodium perchlorate (NaClO 4) or bis (trifluoromethanesulfonyl) imide sodium at various sodium salt molar ratio Some solvents (DOL, DME, PC, AN, ionic liquid based co-solvent PP 13 TFSI with or without a wide range of sodium salts such as (NaTFSI) before and after addition with PEO. ) Vapor pressure was measured. The vapor pressure drops very rapidly above the salt/polymer concentration of the complex above 2.3M and rapidly approaches a minimum or essentially zero above the concentration of complex above 3.0M. If the vapor pressure is too low, the vapor phase of the electrolyte will not be able to generate a flame or sustain it for more than 3 seconds after generation.

実施例6:複合のナトリウム又はリチウム塩/ポリマー濃度が3.0Mでの幾つかの溶媒及び対応する準固体ポリマー電解質の引火点及び蒸気圧
Na又はLi塩/ポリマー濃度が3Mでの幾つかの溶媒及びそれらの電解質の引火点及び蒸気圧を以下の表1に表す。OSHA(米国労働安全衛生庁)の分類によれば、38.7℃未満の引火点を有する任意の液体は、可燃性であることに留意されたい。しかし、安全性を確保するために、本発明者らは、38.7℃よりも大幅に高い(例えば、大きい余裕をもって、少なくとも50℃だけ高い、好ましくは150℃を超えて高い)引火点を示すように準固体電解質を設計した。表1でのデータは、通常、3.0Mの複合のアルカリ金属塩/ポリマー濃度を添加すれば、これらの基準を満たすのに十分であることを示す(多くの場合、2.3Mで十分である)。本発明者らによる準固体ポリマー電解質は、全て可燃性でない。

Figure 2020523733
Example 6: Complex sodium or lithium salt/flash point and vapor pressure of some solvents and corresponding quasi-solid polymer electrolytes with polymer concentration of 3.0 M Na or Li salt/some with polymer concentration of 3 M The flash points and vapor pressures of the solvents and their electrolytes are shown in Table 1 below. It should be noted that according to the OSHA (US Occupational Safety and Health Administration) classification, any liquid with a flash point below 38.7°C is flammable. However, in order to ensure safety, we have a flash point significantly higher than 38.7° C. (eg higher by at least 50° C., preferably higher than 150° C. with a large margin). A quasi-solid electrolyte was designed as shown. The data in Table 1 show that the addition of 3.0M complex alkali metal salt/polymer concentration is usually sufficient to meet these criteria (often 2.3M is sufficient). is there). All of the quasi-solid polymer electrolytes by the present inventors are not flammable.
Figure 2020523733

実施例7:幾つかの電解質におけるアルカリ金属イオン輸率
リチウム塩の分子比に関連する幾つかのタイプの電解質(例えば、(EMImTFSI+DME)溶媒中の(PEO+NaTFSI塩))のNaイオン輸率を研究した。代表的な結果を図3(A)〜図3(B)にまとめる。一般に、低い塩濃度の電解質でのNaイオン輸率は、濃度がx=0からx=0.2〜0.30に増加すると共に低下する。しかし、x=0.2〜0.30の分子比を超えると、塩濃度の増加と共に輸率が増加し、Naイオン輸送メカニズムの根本的な変化を示す。リチウムイオンについても同様の傾向が観察された。
Example 7: Alkali metal ion transport numbers in some electrolytes Study Na + ion transport numbers of several types of electrolytes (eg (PEO+NaTFSI salt) in (EMImTFSI+DME) solvent) related to the molecular ratio of the lithium salt. did. Representative results are summarized in FIGS. 3(A)-3(B). In general, Na + ion transport numbers in low salt electrolytes decrease with increasing concentration from x=0 to x=0.2-0.30. However, when the molecular ratio of x = 0.2 to 0.30 is exceeded, the transport number increases with an increase in salt concentration, which shows a fundamental change in the Na + ion transport mechanism. A similar tendency was observed for lithium ions.

Naイオンは、低い塩濃度の電解質(例えば、x<0.2)中を移動するとき、それと共に複数の溶媒和分子を引きずることができる。溶媒に溶解されたより多くの塩及びポリマーによって流体粘度が増加される場合、帯電種のそのようなクラスタの調整された移動は、さらに妨害され得る。対照的に、x>0.2の超高濃度のナトリウム塩が存在するとき、Naイオンは、利用可能な溶媒和分子の数を大幅に上回る可能性がある。そのような溶媒和分子は、通常であればナトリウムイオンをクラスタ化することができ、多イオン錯体種を形成し、Naイオンの拡散プロセスを減速させる。この高いNaイオン濃度は、より多くの「遊離Naイオン」(クラスタ化されない)を有することを可能にし、それにより、より高いNaの輸率(したがって容易なNa輸送)を提供する。ナトリウムイオン輸送メカニズムが、マルチイオン錯体支配メカニズム(より大きい全体的な流体力学的半径を有する)から、多数の利用可能な遊離Naイオンを有する単一イオン支配メカニズム(より小さい流体力学的半径を有する)に変化する。この観察結果は、適切な数のNaイオンが準固体電解質を通って又は準固体電解質から迅速に移動することができ、カソード(放電中)又はアノード(充電中)との相互作用又は反応に容易に利用可能になり、それによりナトリウム二次セルの良好なレート性能を保証することをさらに主張している。最も重要なことに、これらの高濃度の電解質は、不燃性であり、安全である。したがって、全てのタイプのナトリウム及びリチウム二次電池について、安全性と、容易なナトリウムイオン輸送と、電気化学的性能特性との組合せを得るのは、非常に困難であった。 As Na + ions migrate through a low salt concentration electrolyte (eg, x<0.2), they can drag with them multiple solvating molecules. The coordinated migration of such clusters of charged species can be further hindered if the fluid viscosity is increased by more salt and polymer dissolved in the solvent. In contrast, Na + ions can significantly exceed the number of available solvating molecules in the presence of very high concentrations of sodium salts with x>0.2. Such solvating molecules are normally capable of clustering sodium ions, forming multi-ionic complex species and slowing the diffusion process of Na + ions. This high Na + ion concentration allows having more “free Na + ions” (not clustered), thereby providing a higher Na + transport number (and thus easier Na + transport). .. The sodium ion transport mechanism is from a multi-ion complex dominating mechanism (having a larger overall hydrodynamic radius) to a single ion dominating mechanism having a large number of available free Na + ions (smaller hydrodynamic radius). Have). This observation indicates that an appropriate number of Na + ions can be rapidly moved through or out of the quasi-solid electrolyte, which may lead to interactions or reactions with the cathode (during discharge) or the anode (during charge). It further claims to be readily available, thereby ensuring good rate performance of sodium secondary cells. Most importantly, these concentrated electrolytes are nonflammable and safe. Therefore, it has been very difficult to obtain a combination of safety, easy sodium ion transport, and electrochemical performance characteristics for all types of sodium and lithium secondary batteries.

実施例8:リチウム硫黄電池のカソードのための硫黄/カーボンブラック(S/CB)複合物粒子の調製
硫黄粉末とCB粒子とを混合し(70/30の比)、2時間ボールミルで粉砕してS/CB粒子を得た。この実施例では、カソード活物質としてのS/CB粒子と電解質(有機溶媒に溶解されたリチウム塩及びポリマーを含有する)とを含む電極に導電性フィラメントとしてグラフェンシート(RGO)とカーボンナノファイバ(CNF)を別々に含めた。この実施例で使用したリチウム塩は、ホウフッ化リチウム(LiBF)を含み、有機溶媒は、PC、DOL、DEC及びそれらの混合物である。この研究には、0.1%〜30%の広範囲の伝導フィラメント体積分率を含めた。電極層の形成は、以下の一連のステップを使用することによって達成された。
Example 8: Preparation of Sulfur/Carbon Black (S/CB) Composite Particles for Lithium Sulfur Battery Cathode Sulfur powder and CB particles were mixed (ratio 70/30) and ball milled for 2 hours. S/CB particles were obtained. In this example, an electrode containing S/CB particles as a cathode active material and an electrolyte (containing a lithium salt and a polymer dissolved in an organic solvent) was used as a conductive filament for a graphene sheet (RGO) and a carbon nanofiber ( CNF) was included separately. The lithium salt used in this example comprises lithium borofluoride (LiBF 4 ) and the organic solvent is PC, DOL, DEC and mixtures thereof. This study included a wide range of conductive filament volume fractions from 0.1% to 30%. The formation of the electrode layer was achieved by using the following series of steps.

順序1(S1):最初に、PCとDOLとの混合物にLiBF塩及びPEOを溶解して、それぞれ1.0M、2.5M及び3.5Mの複合の塩/ポリマー濃度を有する電解質を形成した(2.3M以上の濃度では、得られた電解質は、もはや液体電解質ではなかった。実際には、より固体のように振る舞い、したがって用語「準固体」を使用する)。次いで、RGO又はCNTフィラメントを電解質に分散させて、フィラメント−電解質懸濁液を形成した。均一な分散の生成を促進するために機械的せん断を使用した(このフィラメント−電解質懸濁液は、1.0Mの低い塩濃度でもかなりの粘性があった)。次いで、カソード活物質であるS/CB粒子をフィラメント−電解質懸濁液に分散させて、準固体ポリマー電極材料を形成した。 Sequence 1 (S1): First, LiBF 4 salt and PEO are dissolved in a mixture of PC and DOL to form an electrolyte having a combined salt/polymer concentration of 1.0M, 2.5M and 3.5M, respectively. (At concentrations of 2.3M and above, the resulting electrolyte was no longer a liquid electrolyte; in fact, it behaved more like a solid, thus using the term "quasi-solid"). The RGO or CNT filament was then dispersed in the electrolyte to form a filament-electrolyte suspension. Mechanical shear was used to facilitate the formation of a uniform dispersion (this filament-electrolyte suspension was quite viscous even at low salt concentrations of 1.0M). Then, the cathode active material S/CB particles were dispersed in the filament-electrolyte suspension to form a quasi-solid polymer electrode material.

順序2(S2):最初に、PCとDOLとの混合物にLiBF塩及びPEOを溶解して、それぞれ1.0M、2.5M及び3.5Mの複合の塩/ポリマー濃度を有する電解質を形成した。次いで、カソード活物質であるS/CB粒子を電解質に分散させて、活性粒子−電解質懸濁液を形成した。均一な分散の生成を促進するために機械的せん断を使用した(この活性粒子−電解質懸濁液は、1.0Mの低い塩濃度でもかなりの粘性があった)。次いで、RGO又はCNTフィラメントを活性粒子−電解質懸濁液に分散させて、準固体ポリマー電極材料を形成した。 Sequence 2 (S2): First, LiBF 4 salt and PEO are dissolved in a mixture of PC and DOL to form an electrolyte having a combined salt/polymer concentration of 1.0M, 2.5M and 3.5M, respectively. did. Then, the S/CB particles as the cathode active material were dispersed in the electrolyte to form an active particle-electrolyte suspension. Mechanical shear was used to facilitate the production of a uniform dispersion (this active particle-electrolyte suspension was quite viscous even at low salt concentrations of 1.0M). The RGO or CNT filament was then dispersed in the active particle-electrolyte suspension to form a quasi-solid polymer electrode material.

順序3(S3):最初に、溶解されたリチウム塩又はポリマーを含有していない液体溶媒混合物(PC+DOL)中に所望の量のRGO又はCNTフィラメントを分散させた。溶媒中の伝導フィラメントの均一な懸濁液の形成を促進するために機械的せん断を使用した。次いで、LiBF塩、PEO及びS/CB粒子を懸濁液に添加し、LiBF塩及びPEOを懸濁液の溶媒混合物中に溶解させて、それぞれ1.0M、2.5M及び3.5Mの複合の塩/ポリマー濃度を有する電解質を形成した。同時に又はその後、S/CB粒子を電解質中に分散させて、変形可能な準固体電極材料を形成した。この準固体電極材料は、準固体ポリマー電解質(液体電解質でも固体電解質でもない)中に分散された活物質粒子及び伝導フィラメントから構成される。この準固体電極材料では、伝導フィラメントがパーコレーションして、電子伝導経路の3Dネットワークを形成する。この3D伝導ネットワークは、電極材料が電池の電極に成形されるときに維持される。 Sequence 3 (S3): First, the desired amount of RGO or CNT filaments was dispersed in a liquid solvent mixture (PC+DOL) containing no dissolved lithium salt or polymer. Mechanical shear was used to promote the formation of a uniform suspension of conductive filaments in the solvent. Then LiBF 4 salt, PEO and S/CB particles were added to the suspension and LiBF 4 salt and PEO were dissolved in the suspension solvent mixture to give 1.0M, 2.5M and 3.5M respectively. An electrolyte was formed having a combined salt/polymer concentration of. Simultaneously or afterwards, the S/CB particles were dispersed in the electrolyte to form a deformable quasi-solid electrode material. This quasi-solid electrode material is composed of active material particles and conductive filaments dispersed in a quasi-solid polymer electrolyte (neither a liquid electrolyte nor a solid electrolyte). In this quasi-solid electrode material, the conducting filaments percolate to form a 3D network of electronic conduction paths. This 3D conduction network is maintained when the electrode material is molded into the battery electrodes.

電極の導電率は、4点プローブ法を使用して測定した。結果を図5(A)及び5(B)に要約する。これらのデータが示すように、典型的には、電子伝導経路の3Dネットワークを形成するための導電性フィラメント(CNF又はRGO)のパーコレーションは、以下の順序3(S3)によって形成される電極を除き、導電性フィラメントの体積分率が10〜12%を超えるまで起こらない。換言すれば、導電性フィラメントを液体溶媒に分散させるステップは、リチウム塩、ナトリウム塩又はイオン伝導ポリマーが液体溶媒に溶解される前及び活物質粒子が溶媒に分散される前に行わなければならない。また、そのような順序により、パーコレーションの閾値を0.3%〜2.0%まで低くすることができ、最小量の導電性添加剤、したがってより高い比率の活物質(及びより高いエネルギー密度)を使用することによって導電性電極を製造することを可能にする。また、これらの観察結果は、これまでに調べた活物質粒子、導電性フィラメント及び電解質を含有する全てのタイプの電極に当てはまることが判明した。これは、高エネルギー密度と高出力密度との両方を備えた高性能アルカリ金属電池を調製するための非常に重要であり予想外のプロセス要件である。 The conductivity of the electrodes was measured using the 4-point probe method. The results are summarized in Figures 5(A) and 5(B). As these data show, typically the percolation of conductive filaments (CNFs or RGOs) to form a 3D network of electronic conduction paths, except for the electrodes formed by Sequence 3 (S3) below. , Does not occur until the volume fraction of the conductive filament exceeds 10 to 12%. In other words, the step of dispersing the conductive filaments in the liquid solvent must be performed before the lithium salt, sodium salt or ion conductive polymer is dissolved in the liquid solvent and before the active material particles are dispersed in the solvent. Also, such an order allows the threshold of percolation to be lowered to 0.3%-2.0%, with a minimal amount of conductive additive and thus a higher proportion of active material (and higher energy density). Makes it possible to manufacture conductive electrodes. Moreover, it was found that these observation results are applicable to all types of electrodes containing the active material particles, the conductive filaments and the electrolyte which have been examined so far. This is a very important and unexpected process requirement for preparing high performance alkali metal batteries with both high energy density and high power density.

次いで、準固体カソードと、多孔質セパレータと、準固体アノードと(同様に調製されるが、アノード活物質として人造黒鉛粒子を有する)を一体に組み立ててユニットセルを形成し、次いでユニットセルを、突き出ている2つの端子を有する保護筐体(ラミネートアルミプラスチックポーチ)内に収納して、電池を形成した。液体又はポリマーゲル電解質(1M)及び準固体ポリマー電解質(2.5M及び3.5M)を含有する電池を製造して試験した。 A quasi-solid cathode, a porous separator, and a quasi-solid anode (similarly prepared but with artificial graphite particles as the anode active material) are then assembled together to form a unit cell, which is then A battery was formed by housing in a protective housing (laminated aluminum plastic pouch) having two protruding terminals. Batteries containing liquid or polymer gel electrolytes (1M) and quasi-solid polymer electrolytes (2.5M and 3.5M) were prepared and tested.

比較のために、スラリコーティング及び乾燥手順を実施して、従来の電極を製造した。次いで、1つのアノード及び1つのカソードと、2つの電極間に配設されたセパレータとを組み立てて、Alプラスチックラミネートパッケージング容器に収納し、その後、液体電解質の注入を行って、先行技術のリチウム電池セルを形成した。電池の試験結果は、実施例18に要約する。 For comparison, a slurry coating and drying procedure was performed to produce a conventional electrode. Then, one anode and one cathode, and a separator disposed between the two electrodes are assembled and housed in an Al plastic laminate packaging container, after which a liquid electrolyte is injected to obtain lithium in the prior art. A battery cell was formed. The battery test results are summarized in Example 18.

実施例9:Li−S及びNa−S電池のための様々なウェブ又は紙構造上へのSの電気化学的堆積
電気化学的堆積は、カソード活物質がアルカリ金属−硫黄電池セル(Li−S又はNa−Sセル)に組み込まれる前に行うことができる。この手法では、アノード、電解質及び一緒に凝集したグラフェンシートの層(カソード層としての役割を果たす)を電気化学的堆積チャンバ内に位置決めする。必要とされる装置は、当技術分野でよく知られている電気めっきシステムと同様である。
Example 9: Electrochemical deposition of S on various web or paper structures for Li-S and Na-S batteries. Or Na-S cell). In this approach, an anode, an electrolyte and a layer of graphene sheets coagulated together (serving as a cathode layer) are positioned in an electrochemical deposition chamber. The equipment required is similar to electroplating systems well known in the art.

典型的な手順では、金属ポリ硫化物(M)を溶媒(例えば、1:3〜3:1の体積比でのDOL/DMEの混合物)に溶解して電解質溶液を生成する。任意選択で、ある量のリチウム塩を添加し得るが、これは、外部電気化学的堆積に必要ではない。この目的のために広範な溶媒を利用することができ、どのような種類の溶媒を用いることができるかについての理論上の制限はない。この所望の溶媒への金属ポリ硫化物のいくらかの可溶性があれば、任意の溶媒を使用することができる。より大きい可溶性は、より多量の硫黄を電解液から導出することができることを意味する。 In a typical procedure, a metal polysulfide (M x S y ) is dissolved in a solvent (eg, a DOL/DME mixture in a volume ratio of 1:3 to 3:1) to form an electrolyte solution. Optionally, an amount of lithium salt can be added, but this is not necessary for external electrochemical deposition. A wide range of solvents is available for this purpose, and there is no theoretical limit as to what kind of solvent can be used. Any solvent can be used, provided there is some solubility of the metal polysulfide in this desired solvent. Greater solubility means that more sulfur can be drawn from the electrolyte.

次に、電解液を、乾燥した制御雰囲気下(例えば、He又は窒素ガス)のチャンバ又は反応器に注入する。アノードとして金属箔を使用し、カソードとして多孔質グラフェン構造の層を使用することができる。何れも電解液に浸漬されている。この構成は、電気化学的堆積システムを成す。グラフェンシートの表面上にナノスケールの硫黄粒子又はコーティングを電気化学的に堆積するステップは、多孔質グラフェン構造の層重量に基づいて好ましくは1mA/g〜10A/gの範囲内の電流密度で行われる。 The electrolyte is then injected into the chamber or reactor under a controlled dry atmosphere (eg, He or nitrogen gas). A metal foil can be used as the anode and a layer of porous graphene structure can be used as the cathode. Both are immersed in the electrolytic solution. This configuration constitutes an electrochemical deposition system. The step of electrochemically depositing nanoscale sulfur particles or coatings on the surface of the graphene sheet is performed at a current density preferably in the range of 1 mA/g to 10 A/g based on the layer weight of the porous graphene structure. Be seen.

この反応器内で起こる化学反応は、式:M→My−z+zS(典型的には、z=1〜4)で表すことができる。かなり驚くべきことに、沈殿したSは優先的に核生成され、巨大なグラフェン表面上で成長して、ナノスケールのコーティング又はナノ粒子を形成する。Sコーティング/粒子のコーティングの厚さ又は粒径及び量は、比表面積、電気化学的反応電流密度、温度及び時間によって制御することができる。一般に、より低い電流密度及びより低い反応温度は、Sのより均一な分散をもたらし、反応の制御するのがより容易である。より長い反応時間は、グラフェン表面に堆積されるSの量をより多くし、硫黄源が消費されたとき、又は所望量のSが堆積したときに反応が停止される。次いで、これらSコートティングされた紙又はウェブ構造を粉末化して、Li−S又はNa−Sセルのカソード活物質として使用するための微粒子にした。 Chemical reaction occurring in this reactor, the formula: (typically, z = 1~4) M x S y → M x S y-z + zS can be represented by. Quite surprisingly, precipitated S is preferentially nucleated and grows on large graphene surfaces to form nanoscale coatings or nanoparticles. The S coating/particle coating thickness or particle size and amount can be controlled by specific surface area, electrochemical reaction current density, temperature and time. In general, lower current densities and lower reaction temperatures result in a more uniform distribution of S and the reaction is easier to control. Longer reaction times cause more S to be deposited on the graphene surface, and the reaction is stopped when the sulfur source is consumed or when the desired amount of S is deposited. These S-coated paper or web structures were then pulverized into fine particles for use as cathode active material in Li-S or Na-S cells.

実施例10:カソード層の用意の前の、単離されたグラフェンシート上への硫黄粒子の化学反応誘起堆積
単離された酸化グラフェンシートからS−グラフェン複合体を用意するために、従来技術の化学気相成長法を利用する(すなわちこれらのGOシートを、GOシートの表面上へのSの化学的堆積前に多孔質グラフェンの一体構造に詰めなかった)。この手順は、25mlの蒸留水で満たされたフラスコに0.58gのNaSを加えてNaS溶液を生成することから始めた。次いで、S元素0.72gをNaS溶液中に懸濁させ、室温で約2時間、マグネチックスターラで撹拌した。硫黄が溶解するにつれて、溶液の色はゆっくりとオレンジ−黄色に変化した。硫黄の溶解後、ポリ硫化ナトリウム(Na)溶液が得られた(x=4〜10)。
Example 10: Chemical Reaction Induced Deposition of Sulfur Particles on Isolated Graphene Sheets Prior to Provision of the Cathode Layer To prepare S-graphene composites from isolated graphene oxide sheets, prior art Utilizing chemical vapor deposition (ie, these GO sheets were not packed into a monolithic structure of porous graphene prior to chemical deposition of S on the surface of the GO sheets). The procedure started by adding 0.58 g Na 2 S to a flask filled with 25 ml distilled water to form a Na 2 S solution. Then, 0.72 g of S element was suspended in a Na 2 S solution and stirred with a magnetic stirrer at room temperature for about 2 hours. The color of the solution slowly changed to orange-yellow as the sulfur dissolved. After dissolution of sulfur, a sodium polysulfide (Na 2 S x ) solution was obtained (x=4-10).

その後、水溶液中での化学気相成長法により、酸化グラフェン−硫黄(GO−S)複合体を作製した。まず、180mgの酸化黒鉛を180mlの超純水に懸濁させ、次いで50℃で5時間超音波処理して安定した酸化グラフェン(GO)分散液を生成した。その後、上記のように調製したGO分散液に、5重量%の界面活性剤セチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)の存在下でNa溶液を添加し、調製後のGO/Na混合溶液をさらに2時間超音波処理し、次いで2mol/L HCOOH溶液100mlを30〜40滴/分の割合で滴定し、2時間撹拌した。最後に、沈殿物を濾過し、アセトン及び蒸留水で数回洗浄して塩及び不純物を除去した。濾過後、沈殿物を乾燥オーブン内において50℃で48時間乾燥させた。この反応は、反応:S 2−+2H→(x−1)S+HSで表すことができる。 Then, a graphene oxide-sulfur (GO-S) composite was prepared by a chemical vapor deposition method in an aqueous solution. First, 180 mg of graphite oxide was suspended in 180 ml of ultrapure water, and then ultrasonically treated at 50° C. for 5 hours to generate a stable graphene oxide (GO) dispersion liquid. Then, to the GO dispersion prepared as described above, the Na 2 S x solution was added in the presence of 5 wt% of the surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), and the prepared GO/Na 2 S x mixture was added. The solution was sonicated for a further 2 hours, then 100 ml of a 2 mol/L HCOOH solution was titrated at a rate of 30-40 drops/min and stirred for 2 hours. Finally, the precipitate was filtered and washed several times with acetone and distilled water to remove salts and impurities. After filtration, the precipitate was dried in a drying oven at 50°C for 48 hours. This reaction, the reaction: can be expressed by S x 2- + 2H + → ( x-1) S + H 2 S.

実施例11:カソード層調製前の、レドックス化学反応による、分離されたグラフェンシート上への硫黄粒子及び活性炭(AC)粒子の堆積
化学反応に基づくこの堆積プロセスでは、硫黄源としてチオ硫酸ナトリウム(Na)を使用し、反応物としてHClを使用した。GO−水又は活性炭素−水懸濁液を調製し、次いで2つの反応物(HCl及びNa)をこの懸濁液に注いだ。反応を25〜75℃で1〜3時間進行させ、GOシートの表面上又はAC粒子の細孔内に堆積したS粒子の沈殿物を得た。この反応は、以下の反応によって表すことができる:
2HCl+Na→2NaCl+S↓+SO↑+H
Example 11: Deposition of Sulfur Particles and Activated Carbon (AC) Particles on Separated Graphene Sheets by Redox Chemistry Prior to Cathode Layer Preparation In this deposition process based on chemical reaction, sodium thiosulfate (Na) was used as the sulfur source. 2 S 2 O 3 ) was used and HCl was used as the reaction. GO- water or an active carbon - water suspensions were prepared, then poured two reactants (HCl and Na 2 S 2 O 3) to the suspension. The reaction was allowed to proceed at 25 to 75° C. for 1 to 3 hours to obtain a precipitate of S particles deposited on the surface of the GO sheet or in the pores of AC particles. This reaction can be represented by the following reaction:
2HCl+Na 2 S 2 O 3 →2NaCl+S↓+SO 2 ↑+H 2 O

実施例12:溶液堆積によるS/GOナノコンポジットの調製
GOシートとSとを混合し、溶媒(CS)中に分散させて、懸濁液を生成した。入念に撹拌した後、溶媒を蒸発させて固体ナノコンポジットを得て、次いでこれを粉砕してナノコンポジット粉末を得た。これらのナノコンポジット粒子中の一次硫黄粒子は、約40〜50nmの平均直径を有する。
Example 12: a mixture of Preparation GO sheets and S of S / GO nanocomposite by solution deposition, are dispersed in a solvent (CS 2), to form a suspension. After careful stirring, the solvent was evaporated to obtain a solid nanocomposite, which was then crushed to obtain a nanocomposite powder. The primary sulfur particles in these nanocomposite particles have an average diameter of about 40-50 nm.

実施例13:アノードのための支持層としての電気紡糸PAAフィブリルからのフィラメントの導電性ウェブ
紡糸のためのポリ(アミド酸)(PAA)前駆体を、テトラヒドロフラン/メタノール(THF/MeOH、重量比8/2)の混合溶媒中でのピロメリット酸二無水物(Aldrich)と4,4’−オキシジアニリン(Aldrich)との共重合によって調製した。静電紡糸装置を使用して、PAA溶液を繊維ウェブに紡糸した。装置は、ポリマー溶液が押し出される正に帯電したキャピラリと、繊維を収集するための負に帯電したドラムとを備えた15kV直流電源からなるものとした。同時に、PAAからの溶媒除去とイミド化を、気流下での段階的な熱処理によって40℃で12時間、100℃で1時間、250℃で2時間、350℃で1時間行った。熱硬化したポリイミド(PI)ウェブサンプルを1,000℃で炭化して、平均フィブリル直径が67nmの炭化ナノファイバを得た。そのようなウェブは、アノード活物質のための導電性基材として使用することができる。本発明者らは、Li−Sセルのアノードでの導電性ナノフィラメントのネットワークの実装が、内部短絡につながる可能性のあるリチウム樹状突起の開始及び成長を効果的に抑制できることを観察している。
Example 13: Electrospun electroconductive web as a support layer for the anode Conductive web of filaments from PAA fibrils Poly(amic acid) (PAA) precursor for spinning, tetrahydrofuran/methanol (THF/MeOH, weight ratio 8) /2) in a mixed solvent of pyromellitic dianhydride (Aldrich) and 4,4'-oxydianiline (Aldrich). The PAA solution was spun into a fibrous web using an electrospinning apparatus. The device consisted of a 15 kV DC power supply with a positively charged capillary through which the polymer solution was extruded and a negatively charged drum to collect the fibers. At the same time, solvent removal from PAA and imidization were carried out by stepwise heat treatment under an air stream at 40° C. for 12 hours, 100° C. for 1 hour, 250° C. for 2 hours, and 350° C. for 1 hour. A thermoset polyimide (PI) web sample was carbonized at 1,000° C. to obtain carbonized nanofibers with an average fibril diameter of 67 nm. Such webs can be used as conductive substrates for anode active materials. We have observed that the implementation of a network of conductive nanofilaments at the anode of a Li-S cell can effectively suppress the initiation and growth of lithium dendrites, which can lead to internal short circuits. There is.

実施例14:ナトリウム硫黄電池のアノード活物質としてのプレナトリウム化されたフッ化グラフェンシートの調製
フッ化グラフェン(GF)を製造するために、本発明者らは、幾つかのプロセスを使用してきたが、ここでは例として1つのプロセスのみを述べる。典型的な手順では、インターカレートされた化合物CF・xClFから高度に剥離された黒鉛(HEG)を調製した。HEGを三フッ化塩素の蒸気によってさらにフッ素化し、フッ素化された高度に剥離された黒鉛(FHEG)を生成した。予冷されたテフロン反応器に20〜30mLの液体予冷ClFを充填し、反応器を閉じて液体窒素温度まで冷却した。次いで、ClFガスがアクセスするための穴を有する容器に1g以下のHEGを入れ、反応器内部に配置した。7〜10日で近似式CFのグレーベージュ色の生成物が形成された。
Example 14: Preparation of Pre-sodiumized Graphene Fluoride Sheet as Anode Active Material for Sodium Sulfur Batteries In order to produce graphene fluoride (GF), we have used several processes. However, only one process is described here as an example. In a typical procedure, highly exfoliated graphite (HEG) was prepared from the intercalated compound C 2 F.xClF 3 . HEG was further fluorinated with chlorine trifluoride vapor to produce fluorinated highly exfoliated graphite (FHEG). Pre-cooled liquid-filled pre-cooling ClF 3 of 20~30mL Teflon reactor and cooled to liquid nitrogen temperature by closing the reactor. Then, 1 g or less of HEG was placed in a container having a hole for ClF 3 gas to access, and the HEG was placed inside the reactor. Gray beige product of the approximate formula C 2 F are formed in 7-10 days.

その後、少量のFHEG(約0.5mg)を20〜30mLの有機溶媒(個別にメタノール及びエタノール)と混合し、超音波処理(280W)を30分間施し、均質な黄色がかった分散液を生成した。溶媒の除去後、分散液は、茶色がかった粉末になった。フッ化グラフェン粉末を液体電解質中でリチウムチップと混合し、アノード集電体の孔への注入前又は後にプレリチウム化が生じるようにした。 Then, a small amount of FHEG (about 0.5 mg) was mixed with 20 to 30 mL of organic solvent (individually methanol and ethanol) and sonicated (280 W) for 30 minutes to produce a homogeneous yellowish dispersion. .. After removal of the solvent, the dispersion became a brownish powder. Graphene fluoride powder was mixed with a lithium tip in a liquid electrolyte to allow prelithiation before or after injection into the pores of the anode current collector.

実施例15:リチウムイオン硫黄電池のアノード活物質としてのグラフェン強化ナノシリコン
グラフェンで包まれたSi粒子をAngstron Energy Co.(米国オハイオ州デイトン)から入手できた。純粋なグラフェンシート(導電性フィラメントとして)をPC−DOL(50/50比)混合物中に分散させ、その後、グラフェンで包まれたSi粒子(アノード活物質)を分散させ、60℃で混合溶媒中に3.5Mのヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)を溶解することにより、準固体アノード電極を調製した。次いで、DOLを除去して、PC中に約5.0MのLiPFを含有する準固体電解質を得た。PC中でのLiPFの最大溶解度は、室温で3.0M未満であることが知られているため、これによりLiPFが過飽和状態になる。
Example 15: Graphene Reinforced Nano Silicon as Anode Active Material for Lithium Ion Sulfur Battery Graphene-encapsulated Si particles were loaded onto an Angstron Energy Co. (Dayton, Ohio, USA). Pure graphene sheets (as conductive filaments) are dispersed in a PC-DOL (50/50 ratio) mixture, followed by graphene wrapped Si particles (anode active material) in a mixed solvent at 60°C. A quasi-solid anode electrode was prepared by dissolving 3.5 M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in. Then, the DOL was removed to obtain a quasi-solid electrolyte containing about 5.0 M LiPF 6 in PC. The maximum solubility of LiPF 6 in PC is known to be less than 3.0 M at room temperature, so this causes LiPF 6 to become supersaturated.

実施例16:アノード活物質としてのグラフェン強化酸化スズ微粒子
以下の手順を使用して、制御下でSnCl・5HOをNaOHで加水分解することにより、酸化スズ(SnO)ナノ粒子を得た。SnCl・5HO(0.95g、2.7m−mol)及びNaOH(0.212g、5.3m−mol)をそれぞれ50mLの蒸留水に溶解した。激しく撹拌しながら、NaOH溶液を塩化スズ溶液に1mL/分の速度で滴下して添加した。この溶液を超音波処理によって5分間均質化した。その後、得られたヒドロゾルをGO分散液と3時間反応させた。この混合溶液に0.1MのHSOを数滴添加して、生成物を凝集させた。沈殿した固体を遠心分離によって収集し、水及びエタノールで洗浄し、真空下で乾燥させた。乾燥させた生成物をAr雰囲気下において400℃で2時間熱処理し、アノード活物質として使用した。
Example 16: Graphene-reinforced tin oxide nanoparticles as anode active material Tin oxide (SnO 2 ) nanoparticles were obtained by hydrolyzing SnCl 4 .5H 2 O with NaOH under control using the following procedure. It was SnCl 4 · 5H 2 O (0.95g , 2.7m-mol) and NaOH (0.212g, 5.3m-mol) were each dissolved in distilled water 50 mL. The NaOH solution was added dropwise to the tin chloride solution at a rate of 1 mL/min with vigorous stirring. The solution was homogenized by sonication for 5 minutes. Then, the resulting hydrosol was reacted with the GO dispersion for 3 hours. A few drops of 0.1 M H 2 SO 4 were added to this mixed solution to aggregate the product. The precipitated solid was collected by centrifugation, washed with water and ethanol and dried under vacuum. The dried product was heat-treated under Ar atmosphere at 400° C. for 2 hours and used as an anode active material.

実施例17:様々な電池セルの用意及び電気化学試験
研究したアノード及びカソード活物質のほとんどについて、本発明による方法と従来の方法との両方を使用してリチウムイオンセル又はリチウム金属セルを調製した。
Example 17: Preparation of various battery cells and electrochemical testing For most of the anode and cathode active materials studied, lithium ion cells or lithium metal cells were prepared using both the method according to the invention and the conventional method. ..

従来の方法では、典型的なアノード組成物は、85重量%の活物質(例えば、Siコーティングされたグラフェンシート)と、7重量%のアセチレンブラック(Super−P)と、N−メチル−2−ピロリジノン(NMP)に溶解された8重量%のポリフッ化ビニリデン粘結剤(PVDF、5重量%の固体含有量)とを含む。Cu箔上にスラリをコーティングした後、電極を120℃で2時間真空乾燥して、溶媒を除去した。本方法では、典型的には、バインダ樹脂が不要であるか又は使用されず、重量を8%削減する(非活物質の量の削減)。カソード層を、従来のスラリコーティング及び乾燥手順を使用して、(カソード集電体としてAl箔を使用して)同様に作成する。次いで、アノード層、セパレータ層(例えば、Celgard 2400メンブレン)及びカソード層を一体にラミネートし、プラスチックAlエンベロープに収納する。例として、次いで、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との混合物(EC−DEC、1:1v/v)に溶解された1MLiPF電解質溶液をセルに注入する。幾つかのセルでは、液体電解質としてイオン液体を使用した。アルゴンを充填したグローブボックス内にセルアセンブリを形成した。 In the conventional method, a typical anode composition is 85 wt% active material (eg, Si-coated graphene sheet), 7 wt% acetylene black (Super-P), and N-methyl-2-. 8% by weight polyvinylidene fluoride binder (PVDF, 5% by weight solids content) dissolved in pyrrolidinone (NMP). After coating the slurry on the Cu foil, the electrode was vacuum dried at 120° C. for 2 hours to remove the solvent. The method typically does not require or use a binder resin, reducing weight by 8% (reducing the amount of inactive material). The cathode layer is similarly prepared (using Al foil as the cathode current collector) using conventional slurry coating and drying procedures. The anode layer, separator layer (eg Celgard 2400 membrane) and cathode layer are then laminated together and housed in a plastic Al envelope. As an example, then, a mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (EC-DEC, 1: 1v / v) injecting 1M LiPF 6 electrolyte solution dissolved in the cell. In some cells, ionic liquids were used as the liquid electrolyte. The cell assembly was formed in a glove box filled with argon.

本発明のプロセスでは、好ましくは、準固体ポリマーアノード、多孔質セパレータ及び準固体ポリマーカソードを保護筐体内に組み立てる。次いで、ポーチを封止した。 The process of the present invention preferably assembles a quasi-solid polymer anode, a porous separator and a quasi-solid polymer cathode in a protective enclosure. The pouch was then sealed.

Arbin電気化学ワークステーションを使用して、1mV/sの典型的な走査速度でサイクリックボルタンメトリ(CV)測定を行った。さらにまた、定電流充電/放電サイクルにより、様々なセルの電気化学的性能を50mA/g〜10A/gの電流密度で評価した。長期のサイクル試験には、LAND製のマルチチャネル電池テスタを使用した。 Cyclic voltammetry (CV) measurements were performed using an Arbin electrochemical workstation at a typical scan rate of 1 mV/s. Furthermore, the electrochemical performance of various cells was evaluated at constant current charge/discharge cycles at current densities of 50 mA/g to 10 A/g. A LAND multi-channel battery tester was used for the long-term cycle test.

実施例18:典型的な試験結果
試料毎に、電気化学的応答を決定するために幾つかの電流密度(充電/放電速度を表す)を課し、Ragoneプロット(電力密度対エネルギー密度)の構築に必要なエネルギー密度及び電力密度値の計算を可能にした。図6(a)に、アノード活物質としてLi箔を含み、カソード活物質としてカーボンブラック−硫黄複合体粒子を含むリチウム−硫黄セルのRagoneプロット(重量電力密度対エネルギー密度)が示されている。4つのデータ曲線の3つは、(それぞれ順序S1、S2及びS3を用いて)本発明の実施形態に従って調製したセルに関するものであり、残りの1つは、電極の従来のスラリコーティング(ロールコーティング)によるものである。これらのデータから幾つかの重要な観察を行うことができる。
Example 18: Typical Test Results For each sample, several current densities (representing charge/discharge rates) were imposed to determine the electrochemical response and a Ragone plot (power density vs. energy density) was constructed. It enables the calculation of the energy density and power density values required for. FIG. 6A shows a Ragone plot (weight power density vs. energy density) of a lithium-sulfur cell containing Li foil as an anode active material and carbon black-sulfur composite particles as a cathode active material. Three of the four data curves relate to cells prepared according to embodiments of the invention (using the sequence S1, S2 and S3 respectively), the other one is conventional slurry coating of electrodes (roll coating). ). Some important observations can be made from these data.

本発明による方法によって調製したリチウムイオン電池セルの重量エネルギー密度及び出力密度は、従来のロールコーティング法によって調製した対応物(「従来」と表記する)のものよりも大幅に高い。150μmのカソード厚さ(平坦な固体Al箔上にコーティングされた)から、準固体ポリマー電解質を有する530μmの厚さへの変化により、325Wh/kgからそれぞれ413Wh/kg(S1)、425Wh/kg(S2)及び526Wh/kg(S3)への重量エネルギー密度の増加が生じる。また、驚くべきことに、(導電性フィラメントのパーコレーションによる)電子伝導経路の3Dネットワークを有する本発明による準固体電極を含む電池は、かなり高いエネルギー密度(図6(A))及びより安定なサイクル挙動(図6(B))を提供する。 The weight energy density and power density of the lithium-ion battery cells prepared by the method according to the invention are significantly higher than those of the counterparts prepared by the conventional roll coating method (designated as "conventional"). From a cathode thickness of 150 μm (coated on a flat solid Al foil) to a thickness of 530 μm with quasi-solid polymer electrolyte, from 325 Wh/kg to 413 Wh/kg (S1), 425 Wh/kg (S1), 425 Wh/kg (S1), respectively. S2) and an increase in gravimetric energy density to 526 Wh/kg (S3) occur. Also, surprisingly, a cell containing a quasi-solid electrode according to the invention with a 3D network of electronic conduction paths (due to percolation of the conductive filaments) has a significantly higher energy density (FIG. 6(A)) and more stable cycling. The behavior (FIG. 6(B)) is provided.

これらの大きい相違は、電極の厚さ及び質量装填量の増加に単純に帰することができない。これらの相違は、本発明によるセルに関連するかなり高い活物質質量装填量(単なる質量装填量でなく)及びより高い導電率、活物質重量/体積に対するオーバーヘッド(非活性)成分の比率の減少並びに電極活物質の驚くほど良好な利用率(導電率がより高いこと及び特に高充電/放電率条件下において電極内にドライポケット又は非効果的なスポットがないことにより、全てではないにせよほとんどのSがリチウムイオン貯蔵容量に寄与する)に起因する可能性が高い。 These large differences cannot simply be attributed to increased electrode thickness and mass loading. These differences are due to the significantly higher active material mass loading (rather than just mass loading) and higher conductivity associated with cells according to the present invention, a reduction in the ratio of active material weight/volume of overhead (inactive) components, and Surprisingly good utilization of electrode active materials (most, if not all, due to higher conductivity and lack of dry pockets or ineffective spots in the electrode, especially under high charge/discharge rate conditions. S contributes to the lithium ion storage capacity).

図7(a)は、両方ともカソード活物質としてグラフェン担持S粒子を含む2つのセルのRagoneプロット(重量エネルギー密度に対する重量電力密度)を示す。実験データは、本発明による方法によって用意されたLi−S電池セルと、電極の従来のスラリコーティングによって用意された電池セルとから得られた。 FIG. 7( a) shows a Ragone plot (weight power density vs. weight energy density) of two cells, both containing graphene-supported S particles as cathode active material. Experimental data were obtained from Li-S battery cells prepared by the method according to the invention and battery cells prepared by conventional slurry coating of electrodes.

これらのデータは、本発明による方法によって用意された電池セルの重量エネルギー密度及び電力密度が、従来の方法によって用意された相当物よりもかなり高いことを示している。ここでも相違は大きい。従来式に作製されたセルは、433Wh/kgの重量エネルギー密度を示すが、本発明によるセルは、603Wh/kg(S3)のエネルギー密度を提供する。1,887W/kgという高い出力密度もリチウム硫黄電池に関して前例のないものである。また、本発明によるセルは、図7(B)に示されるように、はるかに安定した充電/放電サイクル挙動も実現する。 These data show that the gravimetric energy density and power density of the battery cells prepared by the method according to the invention are considerably higher than their counterparts prepared by the conventional method. Here too, the difference is significant. Conventionally made cells show a gravimetric energy density of 433 Wh/kg, whereas cells according to the invention provide an energy density of 603 Wh/kg (S3). The high power density of 1,887 W/kg is also unprecedented for lithium-sulfur batteries. The cell according to the invention also achieves a much more stable charge/discharge cycle behavior, as shown in FIG. 7(B).

これらのエネルギー密度及び出力密度の相違は、主に、本発明によるセルに関連する高い活物質質量装填量(アノードでは25mg/cm超、カソードでは45mg/cm超)及び高い電極導電率、活物質重量/体積に対するオーバーヘッド(非活性)成分の比率の減少並びに活物質粒子をより良く利用できる本発明の方法の性能(全ての粒子が液体電解質に到達可能であること、並びに高速のイオン及び電子運動力学)によるものである。 These energy and power density differences are mainly due to the high active material mass loadings associated with cells according to the invention (greater than 25 mg/cm 2 for anodes, greater than 45 mg/cm 2 for cathodes) and high electrode conductivity. Reduction of the ratio of overhead (inactive) component to active material weight/volume and the ability of the method of the present invention to better utilize the active material particles (all particles reachable to the liquid electrolyte and fast ions and Electronic kinematics).

多くの研究者が行っているようなRagoneプロット上での活物質のみの重量当たりのエネルギー及び電力密度の報告は、組み立てられたスーパーキャパシタセルの性能の現実的な状況を示さないことがあることを指摘しておくことは重要であろう。他のデバイス構成要素の重量も考慮に入れなければならない。集電体、電解質、セパレータ、粘結剤、コネクタ及びパッケージングを含むこれらのオーバーヘッド構成要素は、非活物質であり、電荷蓄積量に寄与しない。これらの構成要素は、デバイスに重量及び体積を追加するのみである。したがって、オーバーヘッド構成要素の重量の相対比を減少し、活物質の割合を増加させることが望ましい。しかしながら、従来の電池製造法を使用してこの目的を達成することは可能でなかった。本発明は、リチウム電池の技術分野におけるこの長年にわたる最も重大な問題を克服する。 Reports of energy and power density by weight of active material alone on the Ragone plot, as many researchers have done, may not give a realistic picture of the performance of assembled supercapacitor cells. It would be important to point out. The weight of other device components must also be taken into account. These overhead components, including current collectors, electrolytes, separators, binders, connectors and packaging are non-active materials and do not contribute to charge storage. These components only add weight and volume to the device. Therefore, it is desirable to reduce the relative weight ratio of the overhead components and increase the proportion of active material. However, it was not possible to achieve this end using conventional battery manufacturing methods. The present invention overcomes this longstanding and most significant problem in the lithium battery art.

100〜200μmの電極厚さを有する市販のリチウムイオン電池では、リチウムイオン電池におけるアノード活物質(例えば、黒鉛又は炭素)の重量比は、典型的には12〜17%であるか、カソード活物質の重量比(LiMnなど無機材料に関して)は、22%〜41%であるか、又は有機又はポリマー材料に関して10%〜15%である。したがって、活物質重量のみに基づく特性からデバイス(セル)のエネルギー密度又は出力密度を外挿するために3〜4の係数が使用されることが多い。大抵の科学論文では、報告されている特性は、典型的には活物質重量のみに基づいており、電極は典型的には非常に薄い(<<100μm及び大抵は<<50μm)。活物質重量は、典型的には総デバイス重量の5%〜10%であり、これは、対応する活物質重量ベース値を係数10〜20で割ることによって実際のセル(デバイス)エネルギー又は電力密度を得ることができることを示唆する。この係数が考慮された後では、これらの論文で報告されている特性は、商用電池の特性よりもよいものとは思えない。したがって、科学論文及び特許出願で報告されている電池の性能データを読んで解釈するに当たっては非常に慎重でなければならない。 In commercially available lithium-ion batteries with electrode thickness of 100-200 μm, the weight ratio of anode active material (eg, graphite or carbon) in the lithium-ion battery is typically 12-17%, or cathode active material. The weight ratio (for inorganic materials such as LiMn 2 O 4 ) is between 22% and 41% or for organic or polymeric materials between 10% and 15%. Therefore, a factor of 3-4 is often used to extrapolate the energy density or power density of the device (cell) from the properties based solely on the active material weight. In most scientific papers, the properties reported are typically based solely on active material weight, and electrodes are typically very thin (<<100 μm and mostly <<50 μm). The active material weight is typically 5% to 10% of the total device weight, which is the actual cell (device) energy or power density obtained by dividing the corresponding active material weight base value by a factor of 10-20. Suggest that you can get After considering this factor, the properties reported in these papers do not appear to be better than those of commercial batteries. Therefore, one must be very careful in reading and interpreting the battery performance data reported in scientific papers and patent applications.

Claims (57)

(a)30体積%〜95体積%の硫黄含有カソード活物質と、溶媒に溶解又は分散されたアルカリ塩及びイオン伝導ポリマーを含有する5体積%〜40体積%の第1の電解質と、0.01体積%〜約30体積%の導電性添加剤とを含有する準固体カソードであって、前記硫黄含有カソード活物質は、硫黄、金属−硫黄化合物、硫黄−炭素複合物、硫黄−グラフェン複合物、硫黄−黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄−ポリマー複合物又はそれらの組合せを含有し、導電性フィラメントを含有する前記導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、それにより、前記準固体電極は、10−6S/cm〜300S/cmの導電率を有する、準固体カソードと、
(b)アノードと、
(c)前記アノードと前記準固体カソードとの間に配設されたイオン伝導膜又は多孔質セパレータと
を含むアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記準固体カソードは、200μm以上の厚さを有することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。
(A) 30% by volume to 95% by volume of a sulfur-containing cathode active material, 5% by volume to 40% by volume of a first electrolyte containing an alkali salt and an ion conductive polymer dissolved or dispersed in a solvent, and A quasi-solid cathode containing from 01 vol% to about 30 vol% conductive additive, wherein the sulfur-containing cathode active material is sulfur, a metal-sulfur compound, a sulfur-carbon composite, a sulfur-graphene composite. , A sulfur-graphite composite, an organosulfur compound, a sulfur-polymer composite or a combination thereof, the conductive additive containing a conductive filament forms a 3D network of electronic conduction pathways, whereby The quasi-solid electrode has a conductivity of 10 −6 S/cm to 300 S/cm;
(B) an anode,
(C) In an alkali metal-sulfur cell including an ion conductive membrane or a porous separator disposed between the anode and the quasi-solid cathode, the quasi-solid cathode has a thickness of 200 μm or more. Characteristic alkali metal-sulfur cell.
請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記アノードは、1.0体積%〜約95体積%のアノード活物質と、溶媒に溶解又は分散されたアルカリ塩及びイオン伝導ポリマーを含有する5体積%〜40体積%の第2の電解質と、0.01体積%〜約30体積%の導電性添加剤とを含有する準固体アノードを含み、導電性フィラメントを含有する前記導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、それにより、前記準固体電極は、約10−6S/cm〜約300S/cmの導電率を有することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the anode comprises 1.0 vol% to about 95 vol% anode active material, an alkali salt dissolved or dispersed in a solvent, and an ion-conducting polymer. Comprising a quasi-solid anode containing from 40% to 40% by volume of a second electrolyte and from 0.01% to about 30% by volume of a conductive additive, wherein the conductive additive containing conductive filaments is Alkali metal-sulfur cell, wherein the quasi-solid electrode has a conductivity of about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm, which forms a 3D network of electronic conduction paths. アルカリ金属−硫黄セルにおいて、
A)1.0体積%〜95体積%のアノード活物質と、溶媒に溶解又は分散されたアルカリ塩及びイオン伝導ポリマーを含有する5体積%〜40体積%の電解質と、0.01体積%〜30体積%の導電性添加剤とを含有する準固体アノードであって、導電性フィラメントを含有する前記導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、それにより、前記準固体電極は、約10−6S/cm〜約300S/cmの導電率を有する、準固体アノードと、
B)硫黄、金属−硫黄化合物、硫黄−炭素複合物、硫黄−グラフェン複合物、硫黄−黒鉛複合物、有機硫黄化合物又は硫黄−ポリマー複合物から選択されるカソード活物質を含有するカソードと、
(c)前記準固体アノードと前記カソードとの間に配設されたイオン伝導膜又は多孔質セパレータと
を含むことを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。
In the alkali metal-sulfur cell,
A) 1.0% by volume to 95% by volume of the anode active material, 5% by volume to 40% by volume of an electrolyte containing an alkali salt and an ion conductive polymer dissolved or dispersed in a solvent, and 0.01% by volume. A quasi-solid anode containing 30% by volume of a conductive additive, said conductive additive containing a conductive filament forming a 3D network of electronic conduction paths, whereby said quasi-solid electrode comprises A quasi-solid state anode having a conductivity of about 10 −6 S/cm to about 300 S/cm,
B) a cathode containing a cathode active material selected from sulfur, metal-sulfur compounds, sulfur-carbon composites, sulfur-graphene composites, sulfur-graphite composites, organic sulfur compounds or sulfur-polymer composites;
(C) An alkali metal-sulfur cell comprising an ion conductive membrane or a porous separator disposed between the semi-solid anode and the cathode.
請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記第1の電解質は、1×10g/モル未満の分子量を有するポリ(エチレンオキシド)(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリ(アクリロニトリル)(PAN)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリ(フッ化ビニリデン)(PVDF)、ポリビス−メトキシエトキシエトキシド−ホスファゼン、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリ(フッ化ビニリデン)−ヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP)、それらのスルホン化誘導体、スルホン化ポリマー又はそれらの組合せから選択されるイオン伝導ポリマーを含有する準固体ポリマー電解質を含有することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the first electrolyte is poly(ethylene oxide) (PEO), polypropylene oxide (PPO), poly(acrylonitrile) having a molecular weight of less than 1×10 6 g/mol. (PAN), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(vinylidene fluoride) (PVDF), polybis-methoxyethoxyethoxide-phosphazene, polyvinyl chloride, polydimethylsiloxane, poly(vinylidene fluoride)-hexafluoropropylene Alkali metal-sulfur cell, characterized in that it contains a quasi-solid polymer electrolyte containing an ion-conducting polymer selected from (PVDF-HFP), their sulfonated derivatives, sulfonated polymers or combinations thereof. 請求項2に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記第1の電解質又は前記第2の電解質は、1×10g/モル未満の分子量を有するポリ(エチレンオキシド)(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリ(アクリロニトリル)(PAN)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリ(フッ化ビニリデン)(PVDF)、ポリビス−メトキシエトキシエトキシド−ホスファゼン、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリ(フッ化ビニリデン)−ヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP)、それらのスルホン化誘導体、スルホン化ポリマー又はそれらの組合せから選択されるイオン伝導ポリマーを含有する準固体ポリマー電解質を含有することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell of claim 2, wherein the first electrolyte or the second electrolyte is poly(ethylene oxide) (PEO), polypropylene oxide (PPO) having a molecular weight of less than 1×10 6 g/mol. ), poly(acrylonitrile) (PAN), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(vinylidene fluoride) (PVDF), polybis-methoxyethoxyethoxide-phosphazene, polyvinyl chloride, polydimethylsiloxane, poly(fluorinated) Vinylidene)-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), alkali metal characterized by containing a quasi-solid polymer electrolyte containing an ion-conducting polymer selected from sulfonated derivatives thereof, sulfonated polymers or combinations thereof- Sulfur cell. 請求項3に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記電解質は、1×10g/モル未満の分子量を有するポリ(エチレンオキシド)(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリ(アクリロニトリル)(PAN)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリ(フッ化ビニリデン)(PVDF)、ポリビス−メトキシエトキシエトキシド−ホスファゼン、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリ(フッ化ビニリデン)−ヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP)、それらのスルホン化誘導体、スルホン化ポリマー又はそれらの組合せから選択されるイオン伝導ポリマーを含有する準固体ポリマー電解質であることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 3, wherein the electrolyte has poly(ethylene oxide) (PEO), polypropylene oxide (PPO), poly(acrylonitrile) (PAN) having a molecular weight of less than 1×10 6 g/mol. , Poly(methylmethacrylate) (PMMA), poly(vinylidene fluoride) (PVDF), polybis-methoxyethoxyethoxide-phosphazene, polyvinyl chloride, polydimethylsiloxane, poly(vinylidene fluoride)-hexafluoropropylene (PVDF- HFP), sulfonated derivatives thereof, sulfonated polymers or quasi-solid polymer electrolytes containing ion-conducting polymers selected from combinations thereof, alkali metal-sulfur cells. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記イオン伝導ポリマーは、ポリ(パーフルオロスルホン酸)、スルホン化ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのスルホン化パーフルオロアルコキシ誘導体、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリ(エーテルケトン)、スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリイミド、スルホン化スチレン−ブタジエン共重合体、スルホン化ポリクロロ−トリフルオロエチレン(PCTFE)、スルホン化パーフルオロエチレン−プロピレン共重合体(FEP)、スルホン化エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、スルホン化ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロペン及びテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体、エチレンとテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体(ETFE)、スルホン化ポリベンズイミダゾール(PBI)、それらの化学的誘導体、共重合体、ブレンド及びそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the ion conductive polymer is poly(perfluorosulfonic acid), sulfonated polytetrafluoroethylene, sulfonated perfluoroalkoxy derivative of polytetrafluoroethylene, sulfonated polysulfone, Sulfonated poly(ether ketone), Sulfonated poly(ether ether ketone), Sulfonated polystyrene, Sulfonated polyimide, Sulfonated styrene-butadiene copolymer, Sulfonated polychloro-trifluoroethylene (PCTFE), Sulfonated perfluoroethylene -Propylene copolymer (FEP), sulfonated ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), sulfonated polyvinylidene fluoride (PVDF), sulfonated copolymer of polyvinylidene fluoride with hexafluoropropene and tetrafluoroethylene Being selected from the group consisting of a combination, a sulfonated copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene (ETFE), a sulfonated polybenzimidazole (PBI), their chemical derivatives, copolymers, blends and combinations thereof. And an alkali metal-sulfur cell. 請求項2に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記イオン伝導ポリマーは、ポリ(パーフルオロスルホン酸)、スルホン化ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのスルホン化パーフルオロアルコキシ誘導体、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリ(エーテルケトン)、スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリイミド、スルホン化スチレン−ブタジエン共重合体、スルホン化ポリクロロ−トリフルオロエチレン(PCTFE)、スルホン化パーフルオロエチレン−プロピレン共重合体(FEP)、スルホン化エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、スルホン化ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロペン及びテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体、エチレンとテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体(ETFE)、スルホン化ポリベンズイミダゾール(PBI)、それらの化学的誘導体、共重合体、ブレンド及びそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 2, wherein the ion conductive polymer is poly(perfluorosulfonic acid), sulfonated polytetrafluoroethylene, sulfonated perfluoroalkoxy derivative of polytetrafluoroethylene, sulfonated polysulfone, Sulfonated poly(ether ketone), Sulfonated poly(ether ether ketone), Sulfonated polystyrene, Sulfonated polyimide, Sulfonated styrene-butadiene copolymer, Sulfonated polychloro-trifluoroethylene (PCTFE), Sulfonated perfluoroethylene -Propylene copolymer (FEP), sulfonated ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), sulfonated polyvinylidene fluoride (PVDF), sulfonated copolymer of polyvinylidene fluoride with hexafluoropropene and tetrafluoroethylene Be selected from the group consisting of: coalesce, sulfonated copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene (ETFE), sulfonated polybenzimidazole (PBI), their chemical derivatives, copolymers, blends and combinations thereof. And an alkali metal-sulfur cell. 請求項3に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記イオン伝導ポリマーは、ポリ(パーフルオロスルホン酸)、スルホン化ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのスルホン化パーフルオロアルコキシ誘導体、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリ(エーテルケトン)、スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリイミド、スルホン化スチレン−ブタジエン共重合体、スルホン化ポリクロロ−トリフルオロエチレン(PCTFE)、スルホン化パーフルオロエチレン−プロピレン共重合体(FEP)、スルホン化エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、スルホン化ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロペン及びテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体、エチレンとテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体(ETFE)、スルホン化ポリベンズイミダゾール(PBI)、それらの化学的誘導体、共重合体、ブレンド及びそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 3, wherein the ion conductive polymer is poly(perfluorosulfonic acid), sulfonated polytetrafluoroethylene, sulfonated perfluoroalkoxy derivative of polytetrafluoroethylene, sulfonated polysulfone, Sulfonated poly(ether ketone), Sulfonated poly(ether ether ketone), Sulfonated polystyrene, Sulfonated polyimide, Sulfonated styrene-butadiene copolymer, Sulfonated polychloro-trifluoroethylene (PCTFE), Sulfonated perfluoroethylene -Propylene copolymer (FEP), sulfonated ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), sulfonated polyvinylidene fluoride (PVDF), sulfonated copolymer of polyvinylidene fluoride with hexafluoropropene and tetrafluoroethylene Being selected from the group consisting of a combination, a sulfonated copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene (ETFE), a sulfonated polybenzimidazole (PBI), their chemical derivatives, copolymers, blends and combinations thereof. And an alkali metal-sulfur cell. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記導電性フィラメントは、炭素繊維、黒鉛繊維、カーボンナノファイバ、グラファイトナノファイバ、カーボンナノチューブ、ニードルコークス、カーボンウィスカ、導電性ポリマー繊維、導電性材料被覆繊維、金属ナノワイヤ、金属繊維、金属ワイヤ、グラフェンシート、膨張黒鉛プレートレット、それらの組合せ又はそれらと非フィラメント状導電性粒子との組合せから選択されることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the conductive filament is carbon fiber, graphite fiber, carbon nanofiber, graphite nanofiber, carbon nanotube, needle coke, carbon whisker, conductive polymer fiber, conductive material. Alkali metal-sulfur cell, characterized in that it is selected from coated fibers, metal nanowires, metal fibers, metal wires, graphene sheets, expanded graphite platelets, combinations thereof or combinations thereof with non-filamentary conductive particles. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記イオン伝導ポリマーは、前記準固体カソード内にマトリックスを形成しないことを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the ion conductive polymer does not form a matrix within the quasi-solid cathode. 請求項3に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記イオン伝導ポリマーは、前記準固体アノード内にマトリックスを形成しないことを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell of claim 3, wherein the ion conducting polymer does not form a matrix within the quasi-solid anode. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記電極は、10−3S/cm〜10S/cmの導電率を維持することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the electrode maintains a conductivity of 10 −3 S/cm to 10 S/cm. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記準固体カソードは、0.1体積%〜20体積%の導電性添加剤を含有することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the quasi-solid cathode contains 0.1% to 20% by volume of a conductive additive. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記準固体カソードは、1体積%〜10体積%の導電性添加剤を含有することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the quasi-solid cathode contains 1% to 10% by volume of a conductive additive. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記活物質の量は、電極材料の40体積%〜90体積%であることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the amount of the active material is 40% by volume to 90% by volume of the electrode material. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記活物質の量は、電極材料の50体積%〜85体積%であることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the amount of the active material is 50% by volume to 85% by volume of the electrode material. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記第1の電解質は、過飽和状態であることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the first electrolyte is in a supersaturated state. 請求項2に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記第1の電解質又は前記第2の電解質は、過飽和状態であることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 2, wherein the first electrolyte or the second electrolyte is in a supersaturated state. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記溶媒は、水、有機溶媒、イオン液体又は有機溶媒とイオン液体との混合物から選択されることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the solvent is selected from water, an organic solvent, an ionic liquid, or a mixture of an organic solvent and an ionic liquid. 請求項2に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記第1の電解質又は前記第2の電解質は、水、有機溶媒、イオン液体又は有機溶媒とイオン液体との混合物から選択される溶媒を含有することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 2, wherein the first electrolyte or the second electrolyte contains a solvent selected from water, an organic solvent, an ionic liquid, or a mixture of an organic solvent and an ionic liquid. An alkali metal-sulfur cell characterized by the following. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記アノードは、
(a)リチウム金属又はリチウム金属合金の粒子、薄膜又は箔と、
(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維及び黒鉛繊維と、
(c)シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)及びカドミウム(Cd)と、
(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al又はCdと他の元素との合金又は金属間化合物であって、化学量論的又は非化学量論的である合金又は金属間化合物と、
(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn又はCd及びそれらの混合物又は複合物の酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物及びテルル化物と、
(f)それらのプレリチウム化されたバージョンと、
(g)プレリチウム化されたグラフェンシートと、
それらの組合せと
からなる群から選択されるアノード活物質を含有することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。
The alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the anode is
(A) particles of lithium metal or lithium metal alloy, a thin film or foil,
(B) natural graphite particles, artificial graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle cokes, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers and graphite fibers,
(C) Silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe) and cadmium (Cd),
(D) An alloy or intermetallic compound of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al or Cd and another element, which is stoichiometric or non-stoichiometric. Inter-compound,
(E) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn or Cd, and oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphorus of mixtures or composites thereof. And selenides and tellurides,
(F) their pre-lithiated versions,
(G) a pre-lithiated graphene sheet,
An alkali metal-sulfur cell, comprising an anode active material selected from the group consisting of a combination thereof.
請求項22に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記プレリチウム化されたグラフェンシートは、純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元された酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ホウ素ドープグラフェン、窒素ドープグラフェン、化学的に官能化されたグラフェン、それらの物理的若しくは化学的に活性化若しくはエッチングされたバージョン又はそれらの組合せのプレリチウム化されたバージョンから選択されることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 23. The alkali metal-sulfur cell of claim 22, wherein the pre-lithiated graphene sheet is pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide. , Hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, boron-doped graphene, nitrogen-doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched versions thereof, or pre-lithiated versions thereof Alkali metal-sulfur cell characterized in that it is selected from different versions. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、ナトリウム金属−硫黄セル又はナトリウムイオン硫黄セルであり、及び前記アノードは、石油コークス、非晶質炭素、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン、鋳型炭素、中空カーボンナノワイヤ、中空炭素球、チタン酸塩、NaTi(PO、NaTi、Na、NaTP、NaTiO(x=0.2〜1.0)、Na、カルボン酸ベースの材料、CNa、C、CNaO、CNa、C10Na、C14、C14Na又はそれらの組合せから選択されるナトリウム金属又はアルカリインターカレーション化合物を含有するアノード活物質を含有することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。 The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, which is a sodium metal-sulfur cell or a sodium ion sulfur cell, and the anode is petroleum coke, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon, template carbon, Hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, titanates, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O 4 , Na 2 TP, Na x TiO 2 (x=0.2). ~1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4, the carboxylic acid-based material, C 8 H 4 Na 2 O 4, C 8 H 6 O 4, C 8 H 5 NaO 4, C 8 Na 2 F 4 An anode active material containing a sodium metal or an alkaline intercalation compound selected from O 4 , C 10 H 2 Na 4 O 8 , C 14 H 4 O 6 , C 14 H 4 Na 4 O 8 or a combination thereof. An alkali metal-sulfur cell characterized by containing. 請求項2に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、ナトリウム−硫黄セル又はナトリウムイオン硫黄セルであり、及び前記アノードは、
a)ナトリウム金属又はナトリウム金属合金の粒子、箔又は薄膜と、
b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維及び黒鉛繊維と、
c)ナトリウムをドープされたシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)及びそれらの混合物と、
d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd及びそれらの混合物のナトリウム含有合金又は金属間化合物と、
e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd及びそれらの混合物又は複合物のナトリウム含有酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物又はアンチモン化物と、
f)ナトリウム塩と、
g)ナトリウムイオンを予め装填されたグラフェンシートと、
それらの組合せと
からなる群から選択されるアノード活物質を含有することを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。
The alkali metal-sulfur cell according to claim 2, which is a sodium-sulfur cell or a sodium-ion sulfur cell, and the anode is
a) sodium metal or sodium metal alloy particles, foil or thin film,
b) natural graphite particles, artificial graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle cokes, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers and graphite fibers,
c) Sodium-doped silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti). ), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), cadmium (Cd) and mixtures thereof,
d) a sodium-containing alloy or intermetallic compound of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd and mixtures thereof,
e) Sodium-containing oxides, carbides, nitrides, sulfides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd and mixtures or composites thereof, Phosphides, selenides, tellurides or antimonides,
f) a sodium salt,
g) a graphene sheet preloaded with sodium ions,
An alkali metal-sulfur cell, comprising an anode active material selected from the group consisting of a combination thereof.
請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄セルにおいて、前記カソード活物質は、
A)ソフトカーボン、ハードカーボン、高分子炭素又は炭化樹脂、メソフェーズカーボン、コークス、炭化ピッチ、カーボンブラック、活性炭、ナノセル炭素発泡体又は部分的に黒鉛化された炭素から選択されるナノ構造化又は多孔質不規則炭素材料と、
B)単層グラフェンシート又は多層グラフェンプレートレットから選択されるナノグラフェンプレートレットと、
C)単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブから選択されるカーボンナノチューブと、
D)カーボンナノファイバ、ナノワイヤ、金属酸化物ナノワイヤ若しくは繊維、導電性ポリマーナノファイバ又はそれらの組合せと、
E)カルボニル含有有機又はポリマー分子と、
F)硫黄を可逆的に捕捉するための、カルボニル基、カルボキシル基又はアミン基を含有する機能性材料と、
それらの組合せと
からなる群から選択される機能性材料又はナノ構造化材料によって支持されることを特徴とするアルカリ金属−硫黄セル。
The alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the cathode active material is
A) Nanostructured or porous selected from soft carbon, hard carbon, polymeric carbon or carbonized resin, mesophase carbon, coke, carbonized pitch, carbon black, activated carbon, nanocell carbon foam or partially graphitized carbon. Irregular carbon material,
B) Nano-graphene platelets selected from single-layer graphene sheets or multilayer graphene platelets,
C) a carbon nanotube selected from single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes,
D) Carbon nanofibers, nanowires, metal oxide nanowires or fibers, conductive polymer nanofibers or combinations thereof,
E) a carbonyl-containing organic or polymer molecule,
F) a functional material containing a carbonyl group, a carboxyl group or an amine group for reversibly capturing sulfur,
An alkali metal-sulfur cell characterized in that it is supported by a functionalized material or a nanostructured material selected from the group consisting of a combination thereof.
請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄電池において、前記第1の電解質は、1,3−ジオキソラン(DOL)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、ポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(PEGDME)、ジエチレングリコールジブチルエーテル(DEGDBE)、2−エトキシエチルエーテル(EEE)、スルホン、スルホラン、炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸ジエチル(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、炭酸プロピレン(PC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、ギ酸プロピル(PF)、ギ酸メチル(MF)、トルエン、キシレン、酢酸メチル(MA)、炭酸フルオロエチレン(FEC)、炭酸ビニレン(VC)、炭酸アリルエチル(AEC)、ヒドロフルオロエーテル及びそれらの組合せからなる群から選択される液体有機溶媒を含有することを特徴とする方法。 The alkali metal-sulfur battery according to claim 1, wherein the first electrolyte is 1,3-dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), poly(ethylene). Glycol) dimethyl ether (PEGDME), diethylene glycol dibutyl ether (DEGDBE), 2-ethoxyethyl ether (EEE), sulfone, sulfolane, ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC). ), ethyl propionate, methyl propionate, propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γ-BL), acetonitrile (AN), ethyl acetate (EA), propyl formate (PF), methyl formate (MF), toluene, Characterized by containing a liquid organic solvent selected from the group consisting of xylene, methyl acetate (MA), fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC), allylethyl carbonate (AEC), hydrofluoroether and combinations thereof. And how to. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄電池において、前記第1の電解質は、過塩素酸リチウム(LiClO)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、ホウフッ化リチウム(LiBF)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF)、トリフルオロ−メタスルホン酸リチウム(LiCFSO)、ビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(CFSO)、リチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)、リチウムオキサリルジフルオロボレート(LiBF)、リチウムオキサリルジフルオロボレート(LiBF)、硝酸リチウム(LiNO)、Li−フルオロアルキルリン酸塩(LiPF3(CFCF)、リチウムビスペルフルオロエチスルホニルイミド(LiBETI)、過塩素酸ナトリウム(NaClO)、過塩素酸カリウム(KClO)、六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF)、六フッ化リン酸カリウム(KPF)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF)、ホウフッ化カリウム(KBF)、六フッ化ヒ酸ナトリウム、六フッ化ヒ酸カリウム、トリフルオロ−メタスルホン酸ナトリウム(NaCFSO)、トリフルオロ−メタスルホン酸カリウム(KCFSO)、ビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CFSO)、トリフルオロメタンスルホンイミドナトリウム(NaTFSI)、ビス−トリフルオロメチルスルホニルイミドカリウム(KN(CFSO)又はそれらの組合せから選択されるアルカリ金属塩を含有することを特徴とする方法。 The alkali metal-sulfur battery according to claim 1, wherein the first electrolyte is lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), and hexafluoride. Lithium arsenate (LiAsF 6 ), lithium trifluoro-metasulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bis-trifluoromethylsulfonylimide (LiN(CF 3 SO 2 ) 2 ), lithium bis(oxalate)borate (LiBOB) , Lithium oxalyl difluoroborate (LiBF 2 C 2 O 4 ), lithium oxalyl difluoroborate (LiBF 2 C 2 O 4 ), lithium nitrate (LiNO 3 ), Li-fluoroalkyl phosphate (LiPF3(CF 2 CF 3 ) 3 ), lithium bisperfluoroethisulfonylimide (LiBETI), sodium perchlorate (NaClO 4 ), potassium perchlorate (KClO 4 ), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), potassium hexafluorophosphate (KPF 6 ). ), sodium borofluoride (NaBF 4 ), potassium borofluoride (KBF 4 ), sodium hexafluoroarsenate, potassium hexafluoroarsenate, sodium trifluoro-metasulfonate (NaCF 3 SO 3 ), trifluoro-metasulfonic acid potassium (KCF 3 SO 3), bis - trifluoromethyl sulfonyl imide sodium (NaN (CF 3 SO 2) 2), trifluoromethane sulfonimide sodium (NaTFSI), bis - trifluoromethyl sulfonyl imide potassium (KN (CF 3 SO 2 ) A method comprising containing an alkali metal salt selected from 2 ) or a combination thereof. 請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄電池において、前記第1の電解質は、テトラ−アルキルアンモニウム、ジ−、トリ−又はテトラ−アルキルイミダゾリウム、アルキルピリジニウム、ジアルキル−ピロリジニウム、ジアルキルピペリジニウム、テトラアルキルホスホニウム、トリアルキルスルホニウム又はそれらの組合せから選択されるカチオンを有する室温イオン液体から選択されるイオン液体溶媒を含有することを特徴とする方法。 The alkali metal-sulfur battery according to claim 1, wherein the first electrolyte is tetra-alkylammonium, di-, tri- or tetra-alkylimidazolium, alkylpyridinium, dialkyl-pyrrolidinium, dialkylpiperidinium, tetra. A method comprising the inclusion of an ionic liquid solvent selected from room temperature ionic liquids having a cation selected from alkylphosphonium, trialkylsulfonium or combinations thereof. 請求項29に記載のアルカリ金属−硫黄電池において、前記イオン液体溶媒は、BF 、B(CN) 、CHBF 、CHCHBF 、CFBF 、CBF 、n−CBF 、n−CBF 、PF 、CFCO 、CFSO 、N(SOCF 、N(COCF)(SOCF、N(SOF) 、N(CN) 、C(CN) 、SCN、SeCN、CuCl 、AlCl 、F(HF)2.3 又はそれらの組合せから選択されるアニオンを有する室温イオン液体から選択されることを特徴とする方法。 The alkaline metal-sulfur battery according to claim 29, wherein the ionic liquid solvent is BF 4 , B(CN) 4 , CH 3 BF 3 , CH 2 CHBF 3 , CF 3 BF 3 , C 2. F 5 BF 3 , n−C 3 F 7 BF 3 , n−C 4 F 9 BF 3 , PF 6 , CF 3 CO 2 , CF 3 SO 3 , N(SO 2 CF 3 ) 2 -, N (COCF 3) ( SO 2 CF 3) -, N (SO 2 F) 2 -, N (CN) 2 -, C (CN) 3 -, SCN -, SeCN -, CuCl 2 -, AlCl 4 -, F (HF) 2.3 - wherein the chosen from room temperature ionic liquid having an anion selected from or a combination thereof. 請求項1に記載のアルカリ金属セルにおいて、前記カソード活物質は、15mg/cm超の電極活物質質量装填量を構成することを特徴とするアルカリ金属セル。 The alkali metal cell of claim 1, wherein the cathode active material comprises an electrode active material mass loading of greater than 15 mg/cm 2 . 請求項2に記載のアルカリ金属セルにおいて、前記アノード活物質は、20mg/cm超の電極活物質質量装填量を構成することを特徴とするアルカリ金属セル。 The alkali metal cell of claim 2, wherein the anode active material comprises an electrode active material mass loading of greater than 20 mg/cm 2 . 請求項1に記載のアルカリ金属セルにおいて、前記カソード活物質は、30mg/cm超の電極活物質質量装填量を構成することを特徴とするアルカリ金属セル。 The alkali metal cell of claim 1, wherein the cathode active material comprises an electrode active material mass loading of greater than 30 mg/cm 2 . 準固体電極を有するアルカリ金属−硫黄セルを調製する方法において、
(a)ある量のカソード活物質と、ある量の電解質と、導電性添加剤とを組み合わせて、変形可能且つ導電性カソード材料を形成するステップであって、前記カソード活物質は、硫黄、金属−硫黄化合物、硫黄−炭素複合物、硫黄−グラフェン複合物、硫黄−黒鉛複合物、有機硫黄化合物、硫黄−ポリマー複合物又はそれらの組合せから選択される硫黄含有材料を含有し、導電性フィラメントを含有する前記導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、及び前記電解質は、溶媒に溶解又は分散されたアルカリ塩及びイオン伝導ポリマーを含有する、ステップと、
(b)前記カソード材料を準固体カソードに形成するステップであって、前記カソードが10−6S/cm以上の導電率を維持するように、電子伝導経路の前記3Dネットワークを途切れさせずに前記カソード材料を電極形状に変形させることを含むステップと
(c)アノードを形成するステップと、
(d)前記準固体カソードと前記アノードとを組み合わせることにより、アルカリ金属−硫黄セルを形成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
In a method of preparing an alkali metal-sulfur cell having a quasi-solid electrode,
(A) combining a quantity of cathode active material, a quantity of electrolyte, and a conductive additive to form a deformable and conductive cathode material, wherein the cathode active material is sulfur, metal. A sulfur-containing material selected from a sulfur compound, a sulfur-carbon composite, a sulfur-graphene composite, a sulfur-graphite composite, an organic sulfur compound, a sulfur-polymer composite or a combination thereof, and a conductive filament The conductive additive containing forms a 3D network of electron conducting pathways, and the electrolyte contains an alkali salt and an ion conducting polymer dissolved or dispersed in a solvent, and
(B) forming the cathode material into a quasi-solid cathode, wherein the 3D network of electron conduction paths is uninterrupted so that the cathode maintains a conductivity of 10 −6 S/cm or more. The step of transforming the cathode material into an electrode shape; (c) forming the anode;
(D) combining the quasi-solid cathode and the anode to form an alkali metal-sulfur cell.
請求項34に記載の方法において、前記準固体カソードは、30体積%〜95体積%の前記カソード活物質、5体積%〜40体積%の前記電解質及び0.01体積%〜30体積%の前記導電性添加剤を含有することを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the quasi-solid cathode comprises 30% to 95% by volume of the cathode active material, 5% to 40% by volume of the electrolyte, and 0.01% to 30% by volume of the electrolyte. A method comprising containing a conductive additive. 請求項34に記載の方法において、前記電解質は、1×10g/モル未満の分子量を有するポリ(エチレンオキシド)(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリ(アクリロニトリル)(PAN)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリ(フッ化ビニリデン)(PVDF)、ポリビス−メトキシエトキシエトキシド−ホスファゼン、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリ(フッ化ビニリデン)−ヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP)、それらのスルホン化誘導体、スルホン化ポリマー又はそれらの組合せから選択されるイオン伝導ポリマーを含有する準固体ポリマー電解質を含有することを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the electrolyte is poly(ethylene oxide) (PEO), polypropylene oxide (PPO), poly(acrylonitrile) (PAN), poly(methyl) having a molecular weight of less than 1 x 10< 6 > g/mol. Methacrylate) (PMMA), poly(vinylidene fluoride) (PVDF), polybis-methoxyethoxyethoxide-phosphazene, polyvinyl chloride, polydimethylsiloxane, poly(vinylidene fluoride)-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), and the like. A quasi-solid polymer electrolyte containing an ion-conducting polymer selected from sulfonated derivatives, sulfonated polymers or combinations thereof. 請求項34に記載の方法において、前記イオン伝導ポリマーは、ポリ(パーフルオロスルホン酸)、スルホン化ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのスルホン化パーフルオロアルコキシ誘導体、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリ(エーテルケトン)、スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリイミド、スルホン化スチレン−ブタジエン共重合体、スルホン化ポリクロロ−トリフルオロエチレン(PCTFE)、スルホン化パーフルオロエチレン−プロピレン共重合体(FEP)、スルホン化エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、スルホン化ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロペン及びテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体、エチレンとテトラフルオロエチレンとのスルホン化共重合体(ETFE)、スルホン化ポリベンズイミダゾール(PBI)、それらの化学的誘導体、共重合体、ブレンド及びそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the ion conductive polymer is poly(perfluorosulfonic acid), sulfonated polytetrafluoroethylene, sulfonated perfluoroalkoxy derivative of polytetrafluoroethylene, sulfonated polysulfone, sulfonated poly( Ether ketone), sulfonated poly(ether ether ketone), sulfonated polystyrene, sulfonated polyimide, sulfonated styrene-butadiene copolymer, sulfonated polychloro-trifluoroethylene (PCTFE), sulfonated perfluoroethylene-propylene copolymer Polymer (FEP), sulfonated ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), sulfonated polyvinylidene fluoride (PVDF), sulfonated copolymer of polyvinylidene fluoride with hexafluoropropene and tetrafluoroethylene, ethylene and Characterized by being selected from the group consisting of sulfonated copolymers with tetrafluoroethylene (ETFE), sulfonated polybenzimidazoles (PBI), their chemical derivatives, copolymers, blends and combinations thereof. Method. 請求項34に記載の方法において、前記導電性フィラメントは、炭素繊維、黒鉛繊維、カーボンナノファイバ、グラファイトナノファイバ、カーボンナノチューブ、ニードルコークス、カーボンウィスカ、導電性ポリマー繊維、導電性材料被覆繊維、金属ナノワイヤ、金属繊維、金属ワイヤ、グラフェンシート、膨張黒鉛プレートレット、それらの組合せ又はそれらと非フィラメント状導電性粒子との組合せから選択されることを特徴とする方法。 The method according to claim 34, wherein the conductive filament is carbon fiber, graphite fiber, carbon nanofiber, graphite nanofiber, carbon nanotube, needle coke, carbon whisker, conductive polymer fiber, conductive material-coated fiber, metal. A method characterized by being selected from nanowires, metal fibers, metal wires, graphene sheets, expanded graphite platelets, combinations thereof or combinations thereof with non-filamentary conductive particles. 請求項34に記載の方法において、前記イオン伝導ポリマーは、前記準固体カソード内にマトリックスを形成しないことを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the ion conducting polymer does not form a matrix within the quasi-solid cathode. 請求項34に記載の方法において、前記電極は、10−3S/cm〜10S/cmの導電率を維持することを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the electrode maintains a conductivity of 10-3 S/cm to 10 S/cm. 請求項34に記載の方法において、前記準固体カソードは、0.1体積%〜20体積%の導電性添加剤を含有することを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the quasi-solid cathode contains 0.1% to 20% by volume conductive additive. 請求項34に記載の方法において、前記準固体カソードは、1体積%〜10体積%の導電性添加剤を含有することを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the quasi-solid cathode contains 1% to 10% by volume conductive additive. 請求項34に記載の方法において、前記カソード活物質の量は、前記カソード材料の40体積%〜90%体積であることを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the amount of cathode active material is 40% to 90% by volume of the cathode material. 請求項34に記載の方法において、前記活物質の量は、前記カソード材料の約50体積%〜約85体積%であることを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the amount of active material is about 50% to about 85% by volume of the cathode material. 請求項34に記載の方法において、前記組み合わせるステップは、前記カソード活物質を前記懸濁液に添加する前に、且つ前記アルカリ金属塩及び前記イオン伝導ポリマーを前記懸濁液の前記液体溶媒に溶解する前に、前記導電性フィラメントを液体溶媒に分散させて均質な懸濁液を生成することを含むことを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the combining step comprises dissolving the alkali metal salt and the ion-conducting polymer in the liquid solvent of the suspension prior to adding the cathode active material to the suspension. Before, comprising dispersing the conductive filaments in a liquid solvent to form a homogeneous suspension. 請求項34に記載の方法において、前記カソード材料を組み合わせ、且つ準固体カソードに形成する前記ステップは、リチウム塩又はナトリウム塩及び前記ポリマーを液体溶媒に溶解させて、第1の塩/ポリマー濃度を有する電解質を形成し、且つその後、前記液体溶媒の一部を除去して前記塩/ポリマー濃度を増加させて、前記第1の濃度よりも高く且つ2.5Mよりも高い第2の塩/ポリマー濃度を有する準固体ポリマー電解質を得ることを含むことを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the step of combining the cathode materials and forming a quasi-solid cathode comprises dissolving a lithium salt or sodium salt and the polymer in a liquid solvent to produce a first salt/polymer concentration. A second salt/polymer higher than the first concentration and higher than 2.5M to form an electrolyte having and then to remove a portion of the liquid solvent to increase the salt/polymer concentration. A method comprising obtaining a quasi-solid polymer electrolyte having a concentration. 請求項46に記載の方法において、前記除去するステップは、前記塩又は前記ポリマーの沈殿又は結晶化を引き起こさず、及び前記電解質は、過飽和状態であることを特徴とする方法。 47. The method of claim 46, wherein the removing step does not cause precipitation or crystallization of the salt or the polymer, and the electrolyte is supersaturated. 請求項46に記載の方法において、前記液体溶媒は、少なくとも第1の液体溶媒及び第2の液体溶媒の混合物を含有し、及び前記第1の液体溶媒は、前記第2の液体溶媒よりも揮発性が高く、前記液体溶媒の一部を除去する前記ステップは、前記第1の液体溶媒を除去することを含むことを特徴とする方法。 47. The method of claim 46, wherein the liquid solvent contains at least a mixture of a first liquid solvent and a second liquid solvent, and the first liquid solvent is more volatile than the second liquid solvent. The method of claim 3, wherein the step of removing a portion of the liquid solvent is highly reactive and comprises removing the first liquid solvent. 請求項34に記載の方法において、前記アノードを形成する前記ステップは、(A)ある量のアノード活物質と、ある量の電解質と、導電性添加剤とを組み合わせて、変形可能且つ導電性アノード材料を形成するステップであって、導電性フィラメントを含有する前記導電性添加剤は、電子伝導経路の3Dネットワークを形成し、及び前記電解質は、溶媒に溶解又は分散されたアルカリ塩及びイオン伝導ポリマーを含有する、ステップと、(B)前記変形可能且つ導電性アノード材料を準固体アノードに形成するステップであって、前記アノードが10−6S/cm以上の導電率を維持するように、電子伝導経路の前記3Dネットワークを途切れさせずに前記変形可能且つ導電性アノード材料を電極形状に変形させることを含むステップとを含むことを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the step of forming the anode comprises: (A) combining a quantity of anode active material, a quantity of electrolyte, and a conductive additive with a deformable and conductive anode. Forming a material, wherein the conductive additive containing a conductive filament forms a 3D network of electronic conduction paths, and the electrolyte is dissolved or dispersed in a solvent, an alkali salt and an ion conductive polymer. And (B) forming the deformable and conductive anode material into a quasi-solid state anode, the electron being maintained so that the anode maintains a conductivity of 10 −6 S/cm or more. Transforming the deformable and conductive anode material into an electrode shape without interrupting the 3D network of conduction paths. 請求項34に記載の方法において、前記溶媒は、水、有機溶媒、イオン液体又は有機溶媒とイオン液体との混合物から選択されることを特徴とする方法。 35. The method according to claim 34, wherein the solvent is selected from water, an organic solvent, an ionic liquid or a mixture of an organic solvent and an ionic liquid. 請求項34に記載の方法において、前記アルカリ金属−硫黄セルは、リチウムイオン硫黄セルであり、及び前記アノードは、
(a)リチウム金属又はリチウム金属合金の粒子と、
(b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維及び黒鉛繊維と、
(c)シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)及びカドミウム(Cd)と、
(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al又はCdと他の元素との合金又は金属間化合物であって、化学量論的又は非化学量論的である合金又は金属間化合物と、
(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn又はCd及びそれらの混合物又は複合物の酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物及びテルル化物と、
(f)それらのプレリチウム化されたバージョンと、
(g)プレリチウム化されたグラフェンシートと、
それらの組合せと
からなる群から選択されるアノード活物質を含有することを特徴とする方法。
35. The method of claim 34, wherein the alkali metal-sulfur cell is a lithium ion sulfur cell and the anode is
(A) particles of lithium metal or lithium metal alloy,
(B) natural graphite particles, artificial graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle cokes, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers and graphite fibers,
(C) Silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe) and cadmium (Cd),
(D) An alloy or intermetallic compound of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al or Cd and another element, which is stoichiometric or non-stoichiometric. Inter-compound,
(E) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn or Cd, and oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphorus of mixtures or composites thereof. And selenides and tellurides,
(F) their pre-lithiated versions,
(G) a pre-lithiated graphene sheet,
A method of including an anode active material selected from the group consisting of a combination thereof.
請求項51に記載の方法において、前記プレリチウム化されたグラフェンシートは、純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元された酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ホウ素ドープグラフェン、窒素ドープグラフェン、化学的に官能化されたグラフェン、それらの物理的若しくは化学的に活性化又はエッチングされたバージョン又はそれらの組合せのプレリチウム化されたバージョンから選択されることを特徴とする方法。 52. The method of claim 51, wherein the pre-lithiated graphene sheet comprises pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, graphene hydride. Selected from nitrogenated graphene, boron-doped graphene, nitrogen-doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched versions thereof, or prelithiated versions of combinations thereof. A method characterized by being performed. 請求項34に記載の方法において、前記アルカリ金属−硫黄セルは、ナトリウムイオン硫黄セルであり、及び前記アノードは、石油コークス、カーボンブラック、非晶質炭素、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン、鋳型炭素、中空カーボンナノワイヤ、中空炭素球、チタン酸塩、NaTi(PO、NaTi、Na、NaTP、NaTiO(x=0.2〜1.0)、Na、カルボン酸ベースの材料、CNa、C、CNaO、CNa、C10Na、C14、C14Na又はそれらの組合せから選択されるアルカリインターカレーション化合物を含有するアノード活物質を含有することを特徴とする方法。 35. The method of claim 34, wherein the alkali metal-sulfur cell is a sodium ion sulfur cell and the anode is petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon, template carbon. , Hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, titanates, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O 4 , Na 2 TP, Na x TiO 2 (x=0. 2~1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4, the carboxylic acid-based material, C 8 H 4 Na 2 O 4, C 8 H 6 O 4, C 8 H 5 NaO 4, C 8 Na 2 F Contains an anode active material containing an alkaline intercalation compound selected from 4 O 4 , C 10 H 2 Na 4 O 8 , C 14 H 4 O 6 , C 14 H 4 Na 4 O 8 or combinations thereof. A method characterized by that. 請求項34に記載の方法において、前記アルカリ金属−硫黄セルは、ナトリウムイオン硫黄セルであり、及び前記活物質は、
a)ナトリウム金属又はナトリウム金属合金の粒子と、
b)天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素粒子、ニードルコークス、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、炭素繊維及び黒鉛繊維と、
c)ナトリウムをドープされたシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)及びそれらの混合物と、
d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd及びそれらの混合物のナトリウム含有合金又は金属間化合物と、
e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd及びそれらの混合物又は複合物のナトリウム含有酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物又はアンチモン化物と、
f)ナトリウム塩と、
g)ナトリウムイオンを予め装填されたグラフェンシートと、
それらの組合せと
からなる群から選択されるアノード活物質であることを特徴とする方法。
35. The method of claim 34, wherein the alkali metal-sulfur cell is a sodium ion sulfur cell and the active material is
a) particles of sodium metal or sodium metal alloy,
b) natural graphite particles, artificial graphite particles, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon particles, needle cokes, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers and graphite fibers,
c) Sodium-doped silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti). ), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), cadmium (Cd) and mixtures thereof,
d) a sodium-containing alloy or intermetallic compound of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd and mixtures thereof,
e) Sodium-containing oxides, carbides, nitrides, sulfides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd and mixtures or composites thereof, Phosphides, selenides, tellurides or antimonides,
f) a sodium salt,
g) a graphene sheet preloaded with sodium ions,
A method comprising: an anode active material selected from the group consisting of a combination thereof.
請求項34に記載の方法において、前記カソード活物質は、15mg/cm超の電極活物質質量装填量を構成することを特徴とする方法。 The method of claim 34, wherein the cathode active material, wherein the forming the electrode active material mass loading of 15 mg / cm 2 greater. 請求項34に記載の方法において、前記カソード活物質は、25mg/cm超の電極活物質質量装填量を構成することを特徴とする方法。 The method of claim 34, wherein the cathode active material, wherein the forming the electrode active material mass loading of 25 mg / cm 2 greater. 請求項34に記載の方法において、前記カソード活物質は、45mg/cm超の電極活物質質量装填量を構成することを特徴とする方法。 The method of claim 34, wherein the cathode active material, wherein the forming the electrode active material mass loading of 45 mg / cm 2 greater.
JP2019565844A 2017-06-02 2018-05-08 Shape-compatible alkali metal-sulfur battery Pending JP2020523733A (en)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/612,497 2017-06-02
US15/612,537 US11394058B2 (en) 2017-06-02 2017-06-02 Method of producing shape-conformable alkali metal-sulfur battery
US15/612,537 2017-06-02
US15/612,497 US11335946B2 (en) 2017-06-02 2017-06-02 Shape-conformable alkali metal-sulfur battery
PCT/US2018/031524 WO2018222349A1 (en) 2017-06-02 2018-05-08 Shape-conformable alkali metal-sulfur battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2020523733A true JP2020523733A (en) 2020-08-06

Family

ID=64454947

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019565844A Pending JP2020523733A (en) 2017-06-02 2018-05-08 Shape-compatible alkali metal-sulfur battery

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP2020523733A (en)
KR (1) KR20200014325A (en)
CN (1) CN110679008B (en)
WO (1) WO2018222349A1 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109659071B (en) * 2019-01-21 2020-11-27 华碳研发(深圳)有限公司 Flexible composite polymer film containing carbon nano tube and nano silver and preparation method thereof
CN111755688A (en) * 2019-03-29 2020-10-09 住友橡胶工业株式会社 Sulfur-based active substances
US11502333B2 (en) * 2019-05-29 2022-11-15 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Method for synthesizing novel soft materials based on boron compounds
CN112397765B (en) * 2019-08-16 2024-04-19 通用汽车环球科技运作有限责任公司 Solid-state battery with electrodes containing electronically conductive polymers
CN111403731B (en) * 2020-03-30 2020-11-03 贵州梅岭电源有限公司 3d orbital alloy sulfide material and preparation method and application thereof
CN113529015B (en) * 2021-07-02 2022-10-25 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Preparation method of metal organic material
CN116072963B (en) * 2022-05-06 2023-10-10 齐齐哈尔大学 Preparation method of biomass-derived carbon/polymer gel electrolyte and its application in sodium-sulfur batteries

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05205515A (en) * 1990-03-16 1993-08-13 Ricoh Co Ltd Solid electrolyte, electrochemical element including the same and method for forming solid electrolyte
JP2006222073A (en) * 2005-01-11 2006-08-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd Non-aqueous secondary battery and method for producing negative electrode thereof
US20090169725A1 (en) * 2008-01-02 2009-07-02 Aruna Zhamu Method of producing hybrid nano-filament electrodes for lithium metal or lithium ion batteries
JP2009158396A (en) * 2007-12-27 2009-07-16 Toshiba Corp Nonaqueous electrolyte battery
JP2013219006A (en) * 2011-09-26 2013-10-24 Sumitomo Chemical Co Ltd Adhesive resin composition for secondary battery
JP2014154360A (en) * 2013-02-08 2014-08-25 Toyota Motor Corp Nonaqueous electrolyte secondary battery and collector for the battery
US20150024248A1 (en) * 2013-07-22 2015-01-22 Hui He Non-flammable quasi-solid electrolyte-separator layer product for lithium battery applications
US20160344010A1 (en) * 2015-05-21 2016-11-24 Aruna Zhamu Carbon matrix-and carbon matrix composite-based dendrite-Intercepting layer for alkali metal secondary battery
JP2017061405A (en) * 2015-03-16 2017-03-30 日本電気株式会社 Fibrous carbon nanohorn aggregate and method for producing the same
WO2017061323A1 (en) * 2015-10-05 2017-04-13 東レ株式会社 Positive electrode for lithium ion secondary battery, graphene/positive electrode active material composite particles, and manufacturing methods for same, and positive electrode paste for lithium ion secondary battery
JP2017084690A (en) * 2015-10-30 2017-05-18 オートモーティブエナジーサプライ株式会社 Lithium ion secondary battery

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5523179A (en) * 1994-11-23 1996-06-04 Polyplus Battery Company Rechargeable positive electrode
US6645675B1 (en) * 1999-09-02 2003-11-11 Lithium Power Technologies, Inc. Solid polymer electrolytes
JP4026288B2 (en) * 1999-11-30 2007-12-26 三菱化学株式会社 Lithium secondary battery
EP1867000B1 (en) * 2005-03-22 2011-10-05 Oxis Energy Limited Lithium sulphide battery and method of producing the same
JP4720384B2 (en) * 2005-09-01 2011-07-13 日産自動車株式会社 Bipolar battery
CN102208680B (en) * 2011-05-05 2014-07-02 中国东方电气集团有限公司 Gel electrolyte and preparation method thereof and corresponding anode and lithium sulfur battery
JP6301253B2 (en) * 2011-09-07 2018-03-28 24エム・テクノロジーズ・インコーポレイテッド24M Technologies, Inc. Semi-solid electrode cell having a porous current collector and manufacturing method
US20130183548A1 (en) * 2012-01-18 2013-07-18 E I Du Pont De Nemours And Company Compositions, layerings, electrodes and methods for making
EP3951967A1 (en) * 2012-04-10 2022-02-09 California Institute of Technology Novel separators for electrochemical systems
US8993159B2 (en) * 2012-12-13 2015-03-31 24M Technologies, Inc. Semi-solid electrodes having high rate capability
US9368831B2 (en) * 2013-06-10 2016-06-14 Nanotek Instruments, Inc. Lithium secondary batteries containing non-flammable quasi-solid electrolyte
CA2820635A1 (en) * 2013-06-21 2014-12-21 Hydro-Quebec All-solid state polymer li-s electrochemical cells and their manufacturing processes
CN103346348A (en) * 2013-06-25 2013-10-09 南开大学 Polymer electrolyte for organic lithium secondary battery and preparation method of polymer electrolyte
WO2015009990A2 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 24M Technologies, Inc. Semi-solid electrodes with polymer additive
US9601805B2 (en) * 2013-07-22 2017-03-21 Nanotek Instruments, Inc. Process for producing non-flammable quasi-solid electrolyte and electrolyte-separator for lithium battery applications
US9059481B2 (en) * 2013-08-30 2015-06-16 Nanotek Instruments, Inc. Non-flammable quasi-solid electrolyte and non-lithium alkali metal or alkali-ion secondary batteries containing same
US9812736B2 (en) * 2013-09-03 2017-11-07 Nanotek Instruments, Inc. Lithium-selenium secondary batteries having non-flammable electrolyte
CN111341979A (en) * 2013-12-03 2020-06-26 离子材料公司 Solid ion-conducting polymer materials and their applications
EP3896771A1 (en) * 2014-04-01 2021-10-20 Ionic Materials, Inc. High capacity polymer cathode and high energy density rechargeable cell comprising the cathode
WO2015160381A1 (en) * 2014-04-18 2015-10-22 Seeo, Inc. Long cycle-life lithium sulfur solid state electrochemical cell
KR101725650B1 (en) * 2014-10-29 2017-04-12 주식회사 엘지화학 Lithium sulfur battery
CN104362293B (en) * 2014-12-05 2017-05-17 上海空间电源研究所 Sulfur-containing positive electrode material with multi-grade structure as well as preparation method and application of sulfur-containing positive electrode material
CN105070946B (en) * 2015-09-15 2018-01-09 中南大学 A kind of quasi- solid electrolyte of nanostructured for lithium ion battery or lithium-sulfur cell and its preparation method and application
CN105261742B (en) * 2015-11-27 2018-08-03 上海空间电源研究所 A kind of sulphur system semisolid lithium battery and preparation method thereof

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05205515A (en) * 1990-03-16 1993-08-13 Ricoh Co Ltd Solid electrolyte, electrochemical element including the same and method for forming solid electrolyte
JP2006222073A (en) * 2005-01-11 2006-08-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd Non-aqueous secondary battery and method for producing negative electrode thereof
JP2009158396A (en) * 2007-12-27 2009-07-16 Toshiba Corp Nonaqueous electrolyte battery
US20090169725A1 (en) * 2008-01-02 2009-07-02 Aruna Zhamu Method of producing hybrid nano-filament electrodes for lithium metal or lithium ion batteries
JP2013219006A (en) * 2011-09-26 2013-10-24 Sumitomo Chemical Co Ltd Adhesive resin composition for secondary battery
JP2014154360A (en) * 2013-02-08 2014-08-25 Toyota Motor Corp Nonaqueous electrolyte secondary battery and collector for the battery
US20150024248A1 (en) * 2013-07-22 2015-01-22 Hui He Non-flammable quasi-solid electrolyte-separator layer product for lithium battery applications
JP2017061405A (en) * 2015-03-16 2017-03-30 日本電気株式会社 Fibrous carbon nanohorn aggregate and method for producing the same
US20160344010A1 (en) * 2015-05-21 2016-11-24 Aruna Zhamu Carbon matrix-and carbon matrix composite-based dendrite-Intercepting layer for alkali metal secondary battery
WO2017061323A1 (en) * 2015-10-05 2017-04-13 東レ株式会社 Positive electrode for lithium ion secondary battery, graphene/positive electrode active material composite particles, and manufacturing methods for same, and positive electrode paste for lithium ion secondary battery
JP2017084690A (en) * 2015-10-30 2017-05-18 オートモーティブエナジーサプライ株式会社 Lithium ion secondary battery

Also Published As

Publication number Publication date
CN110679008B (en) 2022-09-20
CN110679008A (en) 2020-01-10
KR20200014325A (en) 2020-02-10
WO2018222349A1 (en) 2018-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10950897B2 (en) Method of producing shape-conformable alkali metal-sulfur battery having a deformable and conductive quasi-solid electrode
US20200343593A1 (en) Production process for alkali metal-sulfur batteries having high volumetric and gravimetric energy densities
US11152639B2 (en) Alkali metal-sulfur batteries having high volumetric and gravimetric energy densities
JP7353983B2 (en) Conformable alkali metal batteries with conductive deformable quasi-solid polymer electrodes
US11394058B2 (en) Method of producing shape-conformable alkali metal-sulfur battery
CN108701870B (en) Alkali metal-sulfur battery with high volumetric and gravimetric energy density
US9960451B1 (en) Method of producing deformable quasi-solid electrode material for alkali metal batteries
US10170789B2 (en) Method of producing a shape-conformable alkali metal battery having a conductive and deformable quasi-solid polymer electrode
US11258059B2 (en) Pre-sulfurized cathode for alkali metal-sulfur secondary battery and production process
US10535892B2 (en) Shape-conformable alkali metal battery having a conductive and deformable quasi-solid polymer electrode
US11335946B2 (en) Shape-conformable alkali metal-sulfur battery
US10243217B2 (en) Alkali metal battery having a deformable quasi-solid electrode material
US10651512B2 (en) Shape-conformable alkali metal-sulfur battery having a deformable and conductive quasi-solid electrode
JP7252691B2 (en) Conformable Alkali-Sulfur Batteries with Deformable and Conductive Quasi-Solid Electrodes
US20160240840A1 (en) Alkali metal-sulfur secondary battery containing a pre-sulfurized cathode and production process
JP2019505961A (en) Solid electrolyte for lithium secondary battery
JP2020522839A (en) Alkali metal battery with deformable quasi-solid electrode material
CN110679008B (en) Shape conforming alkali metal-sulfur battery

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220301

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20220309

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220831

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20221115

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20221116

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230515

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230711

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20230712

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240111

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20240227