JP2011529248A - 電解質 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
多孔質成分は剛性構造により囲まれた細孔のネットワークを含む。剛性構造及び細孔の、規模並びに性質は、異なる分子及び超分子のテンプレート(例えば、異なる分子量を持つトリブロック共重合体)の使用により独立的に調整され得る。
発明の第3の態様は、相当数の通常の電気化学的応用における使用、特にポリマー電解質燃料電池、ポリマー(リチウム)電池及びスーパーキャパシタにおける使用に用いる発明の電解質を提供する。これらの応用の全ては、低い揮発性と高い機械的な強固さと結合された高いイオン伝導度を持つ電解質から利益を得る。本願の電解質が、そのような電気化学的応用における通常の電解質を取り替えるために使用され得る。発明の第3の態様の特別な特徴において、電解質は、多機能構造のエネルギー貯蔵装置での使用に供され、ここでは特に高い機械的特性を持つ電解質が望まれる。
スーパーキャパシタの最も一般的に知られている形態は、電気化学二重層に基づいている。図1は電気化学二重層の使用に基づく一般的なスーパーキャパシタの概略図を示す。二重層キャパシタにおいて、エネルギーは電極150と電解質130の間の境界における電荷の蓄積170により貯蔵される。貯蔵されたエネルギー量は、利用可能な電極表面積(単純な幾何学的面積よりもはるかに大きい)、ポリマー電解質に溶解されたイオンのサイズと濃度、電解質分解電圧の水準と相関関係にある。スーパーキャパシタは、二つの電極150、セパレータ110及び電解質130からなる。二つの電極150は、活性された炭素、弱く粒状化された材料からなっていても良く、高い表面積を提供するものである。電極150は、電解質130により物理的に分離され、しばしば、追加のセパレータ膜110を持ち;電解質領域130/110は電気的に絶縁である以外にイオン伝導性でなければならない。有機電解質の解離電圧は一般的に3V未満であるため、スーパーキャパシタの最大電圧は通常の誘電キャパシタよりも低く;しかしながら、全体のエネルギーと電力密度は通常、より高い。スーパーキャパシタのスタックは直列もしくは並列に接続され得る。通常、これらのシステムにおける電極と電解質は、組立を促進すると共に内部的な欠陥を提供すること以外には構造的な性能を持たない。
多機能電解質の合成は、以下に記載されているように行われる。プルロニック(Pluronic)(P123)は、エタノール(5g)と1mol/LのHCl水溶液(0.2g)の混合物に溶解され、均質な溶液が形成されるまで攪拌された。いまだ攪拌中に、テトラエチルオルトシリケート(TEOS)(2.08g,2.23ml)は溶液に添加され、混合物は10分間更に攪拌された。上述の溶液は、その後、深皿に移され、空気中で14℃にて36時間エージングされた。シリカゲルは、液体パラフィンの層(2〜3mm)で被覆された後、90℃で加熱され、全てのエタノールを完全に除去するため、この温度で12時間保持された。生産物の表面上の残留液体パラフィンは、濾紙を用いて除去された。この後、界面活性剤は、シリカ構造と、ポリアクリロニトリル(PAN)電解質ゲルで埋め戻されたナノポーラスとから洗浄された。PANゲルは、エチレンカーボネート(EC)を可塑剤として、プロピレンカーボネート(PC)を溶媒として、PAN及びテトラブチルアンモニウムヘキサフルオロ燐酸塩(TBAPF6)を伝導性電解質として用いて合成された。PANは、75℃の真空下で24時間乾燥された。BET分析のため、テンプレート(templating)界面活性剤(プルロニック)を除去するため、シリカモノリスはEtOHで24時間洗浄され、その後、70℃で真空炉中で一定重量になるまで乾燥された。合成後、電気化学分析のため、メソポーラスシリカモノリスにポリマー電解質が浸漬法を用いて充填された後、引き続き、濾紙を用いて余分な電解質が除去された。ポリマーゲルの形成のため、TBAPF6(3.5wt.%)がEC(57.3wt.%)及びPC(31.5wt.%)に室温で溶解された。完全な溶解後、PAN(7.7wt%)はこの溶液に混合され、透明な非常に粘性な溶液が形成されるまで(約2−3分後)、110℃に予熱されたホットプレート上に攪拌された状態で配置された。
第2の実施例において、MPSに基づいた複合体は、PAN電解質で充填される。中間に位置するガラス繊維マットを有する、二つのカーボン繊維マットは、型内に配置され、MPS反応混合物が注入された(比が1/1w/wであった)。MPS反応混合物は、次の方法によって調製された。プルロニック(1g)は、5gのエタノールと0.2gのHCl水溶液(1mol/L)の混合物に溶解され、均質な溶液が形成されるまで攪拌された。いまだ攪拌中に、2.08g(2.23ml)のTEOSが溶液に添加され、そして混合物はさらに10分間攪拌された。この溶液は、その後、深皿に移され、空気中で14℃にて36時間エージングされた。シリカゲルは、液体パラフィンの層(2〜3mm)で被覆され、90℃で加熱され、そして全てのエタノールを完全に除去するためにこの温度で12時間保持された。生産品の表面上の残留液体パラフィンは、濾紙を用いて除去された。
Tissa Glasweberei AG (Oberkulm, スイス(Switzerland))から供給され、面密度が200gm-2で、織られたマットの厚さが0.27mmで、PANが基になっている、HTA炭素繊維織(5通糸のしゅす織)布(862.0200.01)が、この作業中、活性化された炭素繊維複合体を生産するため、前駆体繊維として使用された。比表面積が1100m2/gの、工業的に活性化された炭素繊維{Taiwan Carbon Technology Co, Ltd.(台中市(Taichung)、台湾(Taiwan))から提供されたAW 1114}が、比較のために使用された。面密度が250gm-2で、織られたマットの厚さが0.24mmの、ガラス繊維 (GF)織布6K (綾織)も、Tissa Glasweberei AG (Oberkulm, スイス(Switzerland))から提供された。
Claims (14)
- 連続的なメソポーラスあるいはナノポーラスの成分と、電解質相とを含む電解質であって、前記電解質相は、連続的な伝導性成分を含む。
- 請求項1に記載の電解質において、前記連続的なメソポーラスあるいはナノポーラスの成分は、モノリスである。
- 請求項2に記載の電解質において、前記モノリスは、シリカ、チタニア、アルミナ及び酸化亜鉛を含む群から選択されるものである。
- 先行する全ての請求項に記載の電解質において、前記連続的なメソポーラスあるいはナノポーラスの成分は、剛性である。
- 先行する全ての請求項に記載の電解質において、前記伝導性基材は、塩と、ポリマー及び/または溶媒とを含む。
- 請求項5に記載の電解質において、前記ポリマーは、ポリ(エチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ガンマ−ブチルラクトンあるいは酢酸メチルから選択される。
- 請求項5または請求項6いずれか1項に記載の電解質において、前記塩は、リチウム又はアンモニウムの塩である。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解質の生産のための方法は、連続的なメソポーラスあるいはナノポーラスの成分を電解質相と接触させることを含み、前記電解質相は伝導性基材を含む。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解質の生産のための方法は、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解質相の存在下で連続的なメソポーラスあるいはナノポーラスの成分を形成することを含む。
- エネルギー貯蔵装置における請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解質の使用は、ポリマー電解質によって分離された第1及び第2の電極を有するスーパーキャパシタを含み、前記電解質は、連続的なメソポーラスあるいはナノポーラスの成分と、電解質相とを含み、前記電解質相は、伝導性基材を含む。
- 電解質によって分離された第1及び第2の電極を有するスーパーキャパシタを含むエネルギー貯蔵装置であって、前記電解質は、連続的なメソポーラスあるいはナノポーラスの成分と、電解質相とを含み、前記電解質相は、伝導性基材を含む。
- ラップトップコンピュータ、携帯電話、ハイブリッド電気自動車電池、非常設備装置、推進システム装置あるいはダウンホールエネルギー供給は、請求項11に記載のエネルギー貯蔵装置を含む。
- エネルギー貯蔵装置、セル、電池、燃料電池あるいはリチウムイオン電池は、請求項1〜7いずれか1項記載の電解質を含む。
- 二連続電解質は、メソポーラスあるいはナノポーラスの成分の点在と、イオン伝導体とを含む。
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