JP2018010855A - 再充電可能なアルミニウム−空気電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】再充電可能なアルミニウム−空気電池を提供する。【解決手段】陽極３は、金属網と、熱分解グラファイトシートまたは不織布炭素繊維から選択されるガス拡散層、酸化マンガン等から選択される触媒、還元グラフェン酸化物に基づいた触媒のための支持体、アルコール溶液を含み、分離膜４は、６０〜９０ｐｍの大きさの孔を有し、非水電解質７はイミダゾリウム塩等のイオン液体、炭酸プロピレン等の有機溶剤、硝酸アルミニウム等のアルミニウム塩を含有し、陰極５はアルミニウムを含有しているアルミニウム−空気二次電池。【選択図】図１
Description
本発明は、アルミニウム−空気二次電池に関する。それゆえに、本発明は、エネルギー貯蔵セクター、特に、エネルギー蓄電池を必要とする、科学技術および工業のセクターの内部に形成され得る。
［先行技術］
本発明は、Leclanche電池の正極のための活性材料として炭素を使用した、Georges Leclancheによって、１９世紀初期に発見された現象に基づいている。彼は、炭素に接して吸着される酸素が、酸化マンガンの触媒作用により、還元されることを観察した。この発見は、コストの掛からない、無尽蔵な試薬として酸素を使用する研究分野に繋がった。その後、燃料電池は、William R. Groveと彼の論文「On the Gas Voltaic Battery」、および、金属−空気バッテリーにおける研究を行った、様々な科学者により、開発され始めた。
本発明は、Leclanche電池の正極のための活性材料として炭素を使用した、Georges Leclancheによって、１９世紀初期に発見された現象に基づいている。彼は、炭素に接して吸着される酸素が、酸化マンガンの触媒作用により、還元されることを観察した。この発見は、コストの掛からない、無尽蔵な試薬として酸素を使用する研究分野に繋がった。その後、燃料電池は、William R. Groveと彼の論文「On the Gas Voltaic Battery」、および、金属−空気バッテリーにおける研究を行った、様々な科学者により、開発され始めた。
電池および金属−空気電池は、正極の試薬をもはや貯蔵する必要がなかったため、そして、バッテリーの制限は負極で使用される金属のみであったため、当時は、「未来のバッテリー」として早くも評されていた。それから、金属−空気バッテリーに関連した、多くの科学論文および特許が、発表および登録されてきている。亜鉛（M. Xu, D.G. Ivey, Z. Xie, W. Qu, Journal of Power Sources 283 (2015) 358-371）、マグネシウム（Y. Gofer, O. Chusid, D. Aurbach, Encyclopedia of Electrochemical Power Sources (2009) 285-301）、アルミニウム（M. Mokhtar, M.Z.M. Talib, E.H. Majlan, S.M. Tasirin, W.M.F.W. Ramli, W.R.W. Daud, J. Sahari, Journal of Industrial and Engineering Chemistry 32 (2015) 1-20; D.R. Egan, C. Ponce de Leon, R.J.J. Wood, R.L. Jones, K.R. Stokes, F.F. Walsh, J. Power Sources 236 (2013) 293-310）、および、リチウム（H. Cheng, K. Scott, Rechargeable Lithium Batteries (2015) 41-71）のような金属は、多くの一次バッテリーにおける古典的な負極であり、ここ数年において、広く研究されてきている。この研究の多くは、一次、または、非電気的に再充電可能なバッテリーに集中している。そして、亜鉛−空気バッテリーまたはマグネシウム−硝酸銀バッテリーのような開発は、特定用途のために市場において商業化され、確立されるようになってきた。
これらの電気化学対の再充電能力に関しては、多くの特許が、亜鉛またはリチウムに関して申請されてきているものの、現在、これらの開発のうち、何も商業化されていない、または、工業上生産されることが予期されていない。
アルミニウムおよび空気は、世界中で、様々な研究グループによって広く研究されてきている。そして、AlupowerまたはAlcanのような多数の企業は、負極であるアルミニウム合金の最適な構成、または、電解質のための添加剤といった多くの特許を申請してきた。全てのこれらの特許は、水電解質を備えたアルミニウム−空気バッテリーに基づいていた。
アルミニウム−空気バッテリー、または、Ａｌ−空気バッテリーは、空気中の酸素と反応するアルミニウム負極、および、水電解質の中に浸された正極を含有している。そのようなバッテリーは、以下に示す半反応式に基づき、電気（電解質がアルカリ性のとき、１．５Ｖ）を生産する（M. Pino, J. Chacon, E. Fatas, P. Ocon, Journal of Power Sources 299 (2015) 195-201）。
負極の酸化半反応式は、
Ａｌ ＋ ３ＯＨ− → Ａｌ（ＯＨ）３＋ ３ｅ− ［−２．３１Ｖ］
正極の還元半反応式は、
Ｏ２ ＋ ２Ｈ２Ｏ ＋ ４ｅ− → ４ＯＨ− ［＋０．４０Ｖ］
全反応式は、
４Ａｌ ＋ ３Ｏ２ ＋ ６Ｈ２Ｏ → ４Ａｌ（ＯＨ）３ ［＋２．７１Ｖ］
である。
Ａｌ ＋ ３ＯＨ− → Ａｌ（ＯＨ）３＋ ３ｅ− ［−２．３１Ｖ］
正極の還元半反応式は、
Ｏ２ ＋ ２Ｈ２Ｏ ＋ ４ｅ− → ４ＯＨ− ［＋０．４０Ｖ］
全反応式は、
４Ａｌ ＋ ３Ｏ２ ＋ ６Ｈ２Ｏ → ４Ａｌ（ＯＨ）３ ［＋２．７１Ｖ］
である。
アルミニウム−空気バッテリーは、一次電池、すなわち、再充電不可能である。アルミニウム負極が消費されるとすぐに、バッテリーは電気を生産することを停止する。アルミニウム還元電位が水分解電位よりも高い（±１．２Ｖ）ため、水溶媒において、再充電能力は非常に悪化する。この理由のため、バッテリーが放電された後、水電解質中に存在しているアルミニウムイオンを還元するために電流を流したとき、金属状態に戻すＡｌ３＋イオンの還元を成し遂げることなく、水はＯ２とＨ２に分解する。
アルミニウム電池の再充電能力は広く研究されてきており、最も満足な結果を与えてきた二つの経路が存在する。一つ目の経路は、アルミニウム析出のために、塩化アルミニウムまたはフッ化アルミニウムのような前駆体塩と共に有機溶剤を使用するものである（S. Licht, R. Tel-Vered, G. Levitin, C. Yarnitzky, Journal of The Electrochemical Society 147 (2000) 496-501）。これらの溶剤の主な問題は、空気正極が正確に作動すると思われないために、炭素材料において引き起こす高い腐食率だけでなく、高い揮発性である。二つ目の経路は、より最近であるが、アルミニウム電着のために、イオン液体を使用するものであり（O.B. Babushkina, E. Lomako, J. Wehr, O. Rohr, Molten Salts Chemistry and Technology (2014) 339-349）、非常に見込みのある結果を提供してきた。これらのイオン液体の不都合な点は、室温において高い粘性があることと、動作中において作動温度の影響があることである。
したがって、充電と放電のサイクルに満足に応じることが可能なアルミニウム−空気電池の開発が必要である。
［発明の説明］
本発明は、アルミニウム−空気二次電池に関する。すなわち、本発明は、再充電可能なまたは可逆な電池またはバッテリーに関する。電池は、正極を形成している二つの陽極に面している陰極として、アルミニウムを含有する。負極および正極は、イオン液体および有機溶剤からなる非水電解質によって、電気的に結合されている。電極間での接触による短絡を防ぐために、正極に向かうＡｌ３＋イオンの流動性を考慮した孔の大きさを有するポリマー分離膜が使用されている。
本発明は、アルミニウム−空気二次電池に関する。すなわち、本発明は、再充電可能なまたは可逆な電池またはバッテリーに関する。電池は、正極を形成している二つの陽極に面している陰極として、アルミニウムを含有する。負極および正極は、イオン液体および有機溶剤からなる非水電解質によって、電気的に結合されている。電極間での接触による短絡を防ぐために、正極に向かうＡｌ３＋イオンの流動性を考慮した孔の大きさを有するポリマー分離膜が使用されている。
要素のセットは、バッテリーの放電の間の酸素の浸入を、および、充電の間の酸素の退出を許可するために、微小な孔を有する筺体で包括されている。反応式によると、
放電または酸素還元反応の間の正極半反応式は、
Ｏ２ ＋ ２ｅ−→ ２Ｏ＊−
充電または酸素の形成（酸素展開反応として知られる）の間の正極半反応式は、
２Ｏ＊− →Ｏ２＋ ２ｅ−
である。
放電または酸素還元反応の間の正極半反応式は、
Ｏ２ ＋ ２ｅ−→ ２Ｏ＊−
充電または酸素の形成（酸素展開反応として知られる）の間の正極半反応式は、
２Ｏ＊− →Ｏ２＋ ２ｅ−
である。
これらの微小な孔は、酸素の電解質への浸入および電解質からの退出を許可する間、電解質の退出または水分の浸入を妨げるために、約１〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍである。これらの孔は、そのように十分に小さく、水の表面張力により、後者は浸入することができない。さらに、電解質は大きな分子からなるため、筺体から物理的に漏出することができない。
本発明の電池において、放電の間、以下の反応式が示される。
負極において、アルミニウムイオンを生じる、アルミニウム酸化半反応式は、
（Ａｌ＋３）Ａｌ ＋ ３ｅ−→ Ａｌ３＋
正極において、超酸化物を生じる、酸素還元半反応式は、反応式によると、
Ｏ２ ＋ ２ｅ−→ ２Ｏ＊−
となる。
（Ａｌ＋３）Ａｌ ＋ ３ｅ−→ Ａｌ３＋
正極において、超酸化物を生じる、酸素還元半反応式は、反応式によると、
Ｏ２ ＋ ２ｅ−→ ２Ｏ＊−
となる。
全反応式は、
Ａｌ ＋ Ｏ２ → ＡｌＯ２ ＊−
となる。
Ａｌ ＋ Ｏ２ → ＡｌＯ２ ＊−
となる。
充電の間、負極において金属アルミニウム（Ａｌ０）への還元、および、正極において酸素の形成を引き起こすために、もともとの種が再生されるような反対の作用が起こり、超酸化アルミニウムは分解する。
本発明のＡｌ−空気バッテリーは、陽極において、ガス拡散層によって吸収される電解質の固体中間体からなる、固体電解質の中間体の形成のために、初めの充電と放電サイクルの間、初期の電池電位が２ボルトよりも高く、７５％のクーロン効率を維持しており、２００サイクルよりも多いサイクル力を有している。その後、電池電位は、約１．５Ｖに安定するようになる。
したがって、本発明の一つ目の側面は、
（ａ）電気的に互いに結合し、上記正極を形成している、第一陽極および第二陽極と、
（ｂ）上記第一陽極と上記第二陽極との間に配置されて、上記負極を形成している、陰極と、
（ｃ）上記第一陽極と上記陰極との間に配置されている、第一分離膜と、
（ｄ）上記第二陽極と上記陰極との間に配置されている、第二分離膜と、
（ｅ）上記第一陽極、上記第二陽極、上記陰極、上記第一分離膜、および、上記第二分離膜を覆っている、非水電解質と、
（ｆ）上記第一陽極、上記第二陽極、上記陰極、上記第一分離膜、上記第二分離膜、および、上記電解質を含有している筺体と、を含有しているアルミニウム−空気二次電池であって、
上記陽極の各々は、以下の（ｇ）〜（ｉ）を含み、
（ｇ）上記陽極表面に安定性を与え、放電の間、上記負極から生じる上記電子を収集する役割を担い、および、充電の間、上記負極に向かって上記電子を送る役割を担う金属網、
（ｈ）上記金属網に押し付けられたガス拡散層であって、熱分解グラファイトシートまたは不織布炭素繊維の何れかから選択されるガス拡散層、および、
（ｉ）上記ガス拡散層の上に分散した触媒インク、
上記触媒インクは、以下の（ｊ）〜（ｌ）を含み、
（ｊ）酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）、および、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）から選択される、少なくとも１つの金属酸化物を含む触媒、
（ｋ）還元グラフェン酸化物に基づいた、上記触媒のための支持体、および、
（ｌ）アルコール溶液、
上記各分離膜の各々は、６０〜９０ｐｍの大きさの孔を有しており、
Ａｌ３＋イオンの出入りを許可している、
上記陰極は、アルミニウムを含有している、ことを特徴とする、アルミニウム−空気二次電池に関する。
（ａ）電気的に互いに結合し、上記正極を形成している、第一陽極および第二陽極と、
（ｂ）上記第一陽極と上記第二陽極との間に配置されて、上記負極を形成している、陰極と、
（ｃ）上記第一陽極と上記陰極との間に配置されている、第一分離膜と、
（ｄ）上記第二陽極と上記陰極との間に配置されている、第二分離膜と、
（ｅ）上記第一陽極、上記第二陽極、上記陰極、上記第一分離膜、および、上記第二分離膜を覆っている、非水電解質と、
（ｆ）上記第一陽極、上記第二陽極、上記陰極、上記第一分離膜、上記第二分離膜、および、上記電解質を含有している筺体と、を含有しているアルミニウム−空気二次電池であって、
上記陽極の各々は、以下の（ｇ）〜（ｉ）を含み、
（ｇ）上記陽極表面に安定性を与え、放電の間、上記負極から生じる上記電子を収集する役割を担い、および、充電の間、上記負極に向かって上記電子を送る役割を担う金属網、
（ｈ）上記金属網に押し付けられたガス拡散層であって、熱分解グラファイトシートまたは不織布炭素繊維の何れかから選択されるガス拡散層、および、
（ｉ）上記ガス拡散層の上に分散した触媒インク、
上記触媒インクは、以下の（ｊ）〜（ｌ）を含み、
（ｊ）酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）、および、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）から選択される、少なくとも１つの金属酸化物を含む触媒、
（ｋ）還元グラフェン酸化物に基づいた、上記触媒のための支持体、および、
（ｌ）アルコール溶液、
上記各分離膜の各々は、６０〜９０ｐｍの大きさの孔を有しており、
Ａｌ３＋イオンの出入りを許可している、
上記陰極は、アルミニウムを含有している、ことを特徴とする、アルミニウム−空気二次電池に関する。
本発明の二次電池において、陽極の各々は、以下の（ｍ）〜（ｏ）
（ｍ）上記陽極表面に安定性を与え、放電の間、上記負極から生じる上記電子を収集する役割を担い、および、充電の間、上記負極に向かって上記電子を送る役割を担う金属網、
（ｎ）上記金属網に押し付けられたガス拡散層であって、熱分解グラファイトシートまたは不織布炭素繊維の何れかから選択されるガス拡散層、および、
（ｏ）上記ガス拡散層の上に分散した触媒インク、
を含有している。
（ｍ）上記陽極表面に安定性を与え、放電の間、上記負極から生じる上記電子を収集する役割を担い、および、充電の間、上記負極に向かって上記電子を送る役割を担う金属網、
（ｎ）上記金属網に押し付けられたガス拡散層であって、熱分解グラファイトシートまたは不織布炭素繊維の何れかから選択されるガス拡散層、および、
（ｏ）上記ガス拡散層の上に分散した触媒インク、
を含有している。
好ましい実施形態において、上記金属網は、上記陽極（３）の一部であり、ニッケル網およびスチール網から選択される。
上記陽極の上記触媒インクは、以下の（ｐ）〜（ｒ）
（ｐ）酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）、および、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）から選択される、少なくとも１つの金属酸化物を含む触媒、
（ｑ）還元グラフェン酸化物に基づいた、上記触媒のための支持体、および、
（ｒ）アルコール溶液、
を含有している。
（ｐ）酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）、および、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）から選択される、少なくとも１つの金属酸化物を含む触媒、
（ｑ）還元グラフェン酸化物に基づいた、上記触媒のための支持体、および、
（ｒ）アルコール溶液、
を含有している。
好ましい実施形態において、上記触媒は、上記陽極（３）の上記触媒インクの一部であり、酸化マンガン（ＭｎＯ２）を含有しており、かつ、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）、および、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）から選択される、少なくとも１つの金属酸化物を含有している。
最も好ましい実施形態において、上記触媒は、上記陽極（３）の上記触媒インクの一部であり、酸化マンガン（ＭｎＯ２）である。
本発明の他の好ましい実施形態において、上記触媒のための上記支持体は、上記陽極（３）の上記触媒インクの一部であり、還元グラフェン酸化物ナノ粒子からなる。
支持体のための、粉末形態における還元グラフェン酸化物ナノ粒子の使用は、より良い機械的な効果と上記触媒インクの化学的な耐性を与える。それは、上記触媒インクにおいて、活性表面領域および電気伝導性を増大することによって、触媒の分散を改善する。
酸化マンガン（ＭｎＯ２）の結晶は、大きな触媒表面領域、活性箇所の広い分散、および、より高い電気伝導性を有した構造を生み出すために、グラフェンナノ粒子の表面上で還元される。
本発明の電池の他の好ましい実施形態において、上記アルコール溶液は、上記陽極（３）の上記触媒インクの一部であり、イソプロパノール：水＝３：１のイソプロパノール水溶液である。
本発明の電池の他の好ましい実施形態は、第一陽極および第二陽極が、同様の構成を有している事実に関する。
本発明の電池において、第一分離膜は、陰極から第一陽極を分離している。そして、第二分離膜は、陰極からから第二陽極を分離している。そのような分離膜は、６０〜９０ｐｍの大きさの孔を有しており、Ａｌ３＋イオンの出入りを許可するために、好ましくはポリエチレンまたはポリテトラフルオロエチレンで作製される。
本発明の電池の他の好ましい実施形態において、負極を形成している陰極は、高純度のアルミニウム（５Ｎ）と、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、および、Ｇａから選択される、少なくとも１つの金属を含有している高純度のアルミニウム合金（５Ｎ）とから選択される。
より好ましい実施形態において、それは、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、および、Ｇａから選択される、少なくとも１つの金属を含有しているアルミニウム合金であり、アルミニウム合金の全重量に対する、金属の重量比率は、０．１％〜２％である。
本発明の二次電池は、上記第一陽極、上記第二陽極、上記陰極、上記第一分離膜、および、上記第二分離膜を覆っている、非水電解質を含有している。
本発明の好ましい実施形態において、上記非水電解質は以下の（ｓ）〜（ｕ）
（ｓ）イミダゾリウム塩、ピロリジニウム塩、ホスホニウム塩、または、それらの組み合わせの何れかから選択される、イオン液体、
（ｔ）炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、または、それらの組み合わせの何れかから選択される、有機溶剤、および、
（ｕ）ヘキサフルオロリン酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、アルミニウムイソプロポキシド、または、それらの組み合わせの何れかから選択される、アルミニウム塩、
を含有している。
（ｓ）イミダゾリウム塩、ピロリジニウム塩、ホスホニウム塩、または、それらの組み合わせの何れかから選択される、イオン液体、
（ｔ）炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、または、それらの組み合わせの何れかから選択される、有機溶剤、および、
（ｕ）ヘキサフルオロリン酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、アルミニウムイソプロポキシド、または、それらの組み合わせの何れかから選択される、アルミニウム塩、
を含有している。
本発明のより好ましい実施形態において、上記非水電解質は、上記イオン液体としてイミダゾリウム塩を含有している。
他の、より好ましい実施形態において、上記有機溶剤は、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、または、それらの組み合わせの何れかから選択される。
他の好ましい実施形態において、上記電解質の全重量に対する、上記電解質中の上記有機溶剤の重量比率は、０．１％〜８％である。
他の好ましい実施形態において、上記アルミニウム塩は、硝酸アルミニウムである。
他の好ましい実施形態において、上記電解質の全重量に対する、上記電解質中の上記アルミニウム塩の重量比率は、１％〜５％である。
本発明は、最新の蓄電技術と比較して、以下の（ｉ）〜（ｖｉｉｉ）で示す、多くの利点を提供する。
（ｉ）非常に豊富な金属であり、工業において広く開発され、軽量および安価なアルミニウムを陰極として使用している。
（ｉｉ）蓄電されるエネルギーの量に対して電池の重量がより軽い。
（ｉｉｉ）蓄電されるエネルギーの量に対して電池の体積がより小さい。
（ｉｖ）使用される材料は、こぼれた際に、非毒性および不活性である。
（ｖ）成分の結晶化によって引き起こされるメモリー効果が存在しない。電解質塩の二次の結晶化反応をもたらす部分的な放電に次ぐバッテリーの充電、および、電池容量の減少が起こる、Ｎｉ−ＣｄまたはＮｉ−ＭＨｘバッテリーとは異なり、この過程は、本発明において起こらない。
（ｖｉ）使用することなく時間が経過すること、および、重力の影響により、異なる酸濃度を有している複数の層が電解質において作製され、電極の不調をもたらす鉛蓄電池とは異なり、電解質の層化が存在しない。
（ｖｉｉ）電解質としてのイオン溶液の使用は、高温にさらす間の危険な還元要素である、バッテリー燃焼の危険を防ぐ。
（ｖｉｉｉ）電極の部分の材料の供給は、容易で一般的である。古典的な工業においてよく知られている材料であり、市場において安定した価格を有している。
（ｖｉｉｉｉ）、電解質を構成する、アルミニウム、熱分解グラファイト、不織布炭素繊維、および、塩の場合には、電池を構成する成分を再生する、および／または、再利用するための、よく知られた過程。バッテリーが消耗されるとすぐに、残ったその材料は広範囲に再生され得る。一方では、水の存在下において、超酸化アルミニウムは水酸化アルミニウムを形成する。ホール−エルー工業反応を通して金属アルミニウムはもう一度得られ得る。電解質を構成する塩は、新しい前駆体を生産するために分解される。そして、炭素は燃焼を受け、それにより、熱源になる。
説明および請求項を通じて、「含有する」という言葉およびその変形は、他の技術的特徴、添加物、成分、または工程を除外することは意図されていない。技術に長けた人の場合、説明から部分的に、発明の実施から部分的に、他の目的、利点、および発明の特徴は生じるであろう。以下の例および図面は、図解の目的のために提供される。そして、本発明の範囲を制限することを意図されていない。
［図面の簡単な説明］
（図１）再充電可能なアルミニウム−空気二次電池の図。
（図２）再充電可能なアルミニウム−空気電池の陽極の図。
（図３）Ｃ／１００Ａの対称な充電／放電電流における再充電可能なアルミニウム−空気バッテリーのサイクル。
（図１）再充電可能なアルミニウム−空気二次電池の図。
（図２）再充電可能なアルミニウム−空気電池の陽極の図。
（図３）Ｃ／１００Ａの対称な充電／放電電流における再充電可能なアルミニウム−空気バッテリーのサイクル。
［実施例］
以下に、発明の生産物の有効性を立証するために、発明者によって行われた分析の方法によって、発明を図解する。
以下に、発明の生産物の有効性を立証するために、発明者によって行われた分析の方法によって、発明を図解する。
図１は、以下の要素を含有している、再充電可能なＡｌ−空気電池の構成の図を示す；
（１）陰極（５）によって形成される負極
（２）２つの陽極（３）によって形成される正極
（３）以下に示す陽極構成
（４）６０〜９０ｐｍの大きさの孔を有するポリマー膜
（５）高純度のアルミニウムシート（５Ｎ）によって形成された陰極
（６）直径１〜１０μｍの孔を有する、微小な孔を有する筺体
（７）イミダゾリウム、炭酸ジメチル、および、硝酸アルミニウム群のイオン液体からなる電解質。
（１）陰極（５）によって形成される負極
（２）２つの陽極（３）によって形成される正極
（３）以下に示す陽極構成
（４）６０〜９０ｐｍの大きさの孔を有するポリマー膜
（５）高純度のアルミニウムシート（５Ｎ）によって形成された陰極
（６）直径１〜１０μｍの孔を有する、微小な孔を有する筺体
（７）イミダゾリウム、炭酸ジメチル、および、硝酸アルミニウム群のイオン液体からなる電解質。
図２は、再充電可能なＡｌ−空気電池の陽極の図を示す。上記陽極は、電子収集ニッケル網（２）、および、金属網（２）に押し付けられ、不織布炭素繊維で作製されているガス拡散層（１）を含有している。還元グラフェン酸化物（４）およびＭｎＯ２触媒（５）によって形成される還元アルコール触媒インク（３）は、還元グラフェン酸化物（４）により支持された、ガス拡散層の上に分散されている。
図３は、Ｃ／１００Ａ、すなわち、１００時間あたりのアンペア数の充電および放電電流、における再充電可能なアルミニウム−空気バッテリーのサイクルを示す。
初期電位は２ボルトで、初めのサイクルの間、固体電極−電解質中間体が形成される。電解質は、いわゆるＳＥＩ（固体電解質中間体）を形成するために、炭素電極の表面で半反応を受ける。この過程の間、電解質の一部が、炭素によって吸収されている。この点以降から、バッテリー電位は、約１．５Ｖに安定するようになる。電池のサイクルは、７５％以上のクーロン効率を有していて、少なくとも２００サイクルの間、安定したままである。
Claims (17)
- （ａ）電気的に互いに結合し、上記正極（２）を形成している、第一陽極（３）および第二陽極（３）と、
（ｂ）上記第一陽極（３）と上記第二陽極（３）との間に配置されて、上記負極（１）を形成している、陰極（５）と、
（ｃ）上記第一陽極（３）と上記陰極（５）との間に配置されている、第一分離膜（４）と、
（ｄ）上記第二陽極（３）と上記陰極（５）との間に配置されている、第二分離膜（４）と、
（ｅ）上記第一陽極（３）、上記第二陽極（３）、上記陰極（５）、上記第一分離膜（４）、および、上記第二分離膜（５）を覆っている、非水電解質（７）と、
（ｆ）上記第一陽極（３）、上記第二陽極（３）、上記陰極（５）、上記第一分離膜（４）、上記第二分離膜（４）、および、上記電解質（７）を含有している、微小な孔を有する筺体（６）と、
を含有しているアルミニウム−空気二次電池であって、
上記陽極（３）の各々は、以下の（ｇ）〜（ｉ）を含み、
（ｇ）金属網、
（ｈ）上記金属網に押し付けられたガス拡散層であって、熱分解グラファイトシートまたは不織布炭素繊維の何れかから選択されるガス拡散層、および、
（ｉ）上記ガス拡散層の上に分散した触媒インク、
上記触媒インクは、以下の（ｊ）〜（ｌ）を含み、
（ｊ）酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）、および、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）から選択される、少なくとも１つの金属酸化物を含む触媒、
（ｋ）還元グラフェン酸化物に基づいた、上記触媒のための支持体、および、
（ｌ）アルコール溶液、
上記各分離膜（４）の各々は、６０〜９０ｐｍの大きさの孔を有しており、
上記陰極（５）は、アルミニウムを含有している、ことを特徴とする、アルミニウム−空気二次電池。 - 上記金属網は、上記陽極（３）の一部であり、ニッケル網およびスチール網から選択される、請求項１に記載の二次電池。
- 上記触媒は、上記陽極（３）の上記触媒インクの一部であり、酸化マンガン（ＭｎＯ２）を含有しており、かつ、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）、および、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）から選択される、少なくとも１つの金属酸化物を含有している、請求項１または２に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記触媒は、上記陽極（３）の上記触媒インクの一部であり、酸化マンガン（ＭｎＯ２）である、請求項３に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記触媒のための上記支持体は、上記陽極（３）の上記触媒インクの一部であり、還元グラフェン酸化物ナノ粒子からなる、請求項１〜４の何れか一項に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記アルコール溶液は、上記陽極（３）の上記触媒インクの一部であり、イソプロパノール：水＝３：１のイソプロパノール水溶液である、請求項１〜５の何れか一項に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記第一陽極（３）および第二陽極（３）は、同様の構成を有している、請求項１〜６の何れか一項に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記分離膜（４）は、６０〜９０ｐｍの大きさの孔を有している、請求項１〜７の何れか一項に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記分離膜（４）は、ポリエチレンまたはポリテトラフルオロエチレンから作製される、請求項１〜８の何れか一項に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記陰極（５）は、アルミニウムと、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、および、Ｇａから選択される少なくとも１つの金属を含有しているアルミニウム合金との何れかから選択される、請求項１〜９の何れか一項に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記陰極（５）は、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、および、Ｇａから選択される少なくとも１つの金属を含有しているアルミニウム合金であり、かつ、アルミニウム合金の全重量に対する、金属の重量比率が、０．１％〜２％である、請求項１０に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記非水電解質は、以下の（ｍ）〜（ｏ）を含んでいる、
（ｍ）イミダゾリウム塩、ピロリジニウム塩、ホスホニウム塩、または、それらの組み合わせの何れかから選択される、イオン液体、
（ｎ）炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、または、それらの組み合わせの何れかから選択される、有機溶剤、および、
（ｏ）ヘキサフルオロリン酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、アルミニウムイソプロポキシド、または、それらの組み合わせの何れかから選択される、アルミニウム塩、
請求項１〜１１の何れか一項に記載のアルミニウム−空気二次電池。 - 上記非水電解質は、上記イオン液体としてイミダゾリウム塩を含有している、請求項１２に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記有機溶剤は、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、または、それらの組み合わせの何れかから選択される、請求項１２または１３に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記電解質の全重量に対する、上記電解質中の上記有機溶剤の重量比率が、０．１％〜８％である、請求項１２〜１４の何れか一項に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記アルミニウム塩は、硝酸アルミニウムである、請求項１２〜１５の何れか一項に記載のアルミニウム−空気二次電池。
- 上記電解質の全重量に対する、上記電解質中の上記アルミニウム塩の重量比率が、１％〜５％である、請求項１２〜１６の何れか一項に記載のアルミニウム−空気二次電池。
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