JP2018532228A5

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Publication number: JP2018532228A5
Application number: JP2018513330A
Authority: JP
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2036-06-21

Claims

アルカリ金属イオン電池またはアルカリ金属電池であって、前記アルカリ金属が、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ＮａとＫとの組合せ、Ｎａおよび／またはＫとリチウム（Ｌｉ）との組合せから選択され、前記アルカリ金属がリチウム単独ではなく、前記電池が、
（ａ）少なくとも８０体積％の細孔を有する３Ｄ多孔質アノード集電体の細孔内に配設されるアノードスラリを形成するために第１の液体電解質中に分散されたアノード活性材料および任意選択の導電性添加剤を有するアノードと；
（ｂ）少なくとも８０体積％の細孔を有する３Ｄ多孔質カソード集電体の細孔内に配設されるカソードスラリを形成するために第２の液体電解質中に分散されたカソード活性材料および任意選択の導電性添加剤を有するカソードと；
（ｃ）上記アノードと上記カソードとの間に配設されたセパレータと
を備え、
アノード厚さとアノード集電体の厚さとの比が０．８／１〜１／０．８であり、および／または、カソード厚さとカソード集電体の厚さとの比が０．８／１〜１／０．８であり、
前記アノード活性材料もしくは前記カソード活性材料が、１０ｍｇ／ｃｍ ^２よりも大きい電極活性材料負荷を構成し、前記アノード活性材料と前記カソード活性材料の合計が電池セル重量の４０重量％を超え、および／または前記３Ｄ多孔質アノード集電体もしくは前記カソード集電体が２００μｍ以上の厚さを有する
アルカリ金属イオン電池またはアルカリ金属電池。
アルカリ金属イオン電池またはアルカリ金属電池であって、前記アルカリ金属が、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ＮａとＫとの組合せ、Ｎａおよび／またはＫとリチウム（Ｌｉ）との組合せから選択され、前記アルカリ金属がリチウム単独ではなく、前記電池が、
ａ）アノード集電体にコーティングされた、またはアノード集電体と物理的に接触したアノード活性材料を有するアノードであって、前記アノード活性材料が第１の液体電解質とイオン接触しているアノードと；
ｂ）少なくとも８０体積％の細孔を有する３Ｄ多孔質カソード集電体の細孔内に配設された第２の液体電解質中に分散されたカソード活性材料および任意選択の導電性添加剤を有するカソードであって、カソード厚さとカソード集電体の厚さとの比が０．８／１〜１／０．８であるカソードと；
ｃ）前記アノードと前記カソードとの間に配設されたセパレータと
を備え、
前記カソード活性材料が、２０ｍｇ／ｃｍ^２よりも大きい電極活性材料負荷を構成し、前記アノード活性材料と前記カソード活性材料の合計が前記電池の３０重量％を超え、および／または前記３Ｄ多孔質カソード集電体が２００μｍ以上の厚さを有する
アルカリ金属イオン電池またはアルカリ金属電池。
前記アノード集電体が多孔質発泡構造を含む、請求項２に記載のアルカリ金属電池。
前記カソード活性材料が、無機材料、有機材料もしくは高分子材料、金属酸化物／リン酸塩／硫化物、またはそれらの組合せから選択されたナトリウムもしくはカリウムインターカレーション化合物またはナトリウムもしくはカリウム吸収化合物である請求項１に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記金属酸化物／リン酸塩／硫化物が、コバルト酸化ナトリウム、ニッケル酸化ナトリウム、マンガン酸化ナトリウム、バナジウム酸化ナトリウム、ナトリウム混合金属酸化物、ナトリウム／カリウム遷移金属酸化物、鉄リン酸ナトリウム、鉄リン酸ナトリウム／カリウム、マンガンリン酸ナトリウム、マンガンリン酸ナトリウム／カリウム、バナジウムリン酸ナトリウム、バナジウムリン酸ナトリウム／カリウム、ナトリウム混合金属リン酸塩、遷移金属硫化物、またはそれらの組合せから選択される請求項４に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記無機材料が、硫黄、硫黄化合物、ポリ硫化リチウム、遷移金属ジカルコゲナイド、遷移金属トリカルコゲナイド、またはそれらの組合せから選択される、請求項４に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記無機材料が、ＴｉＳ_２、ＴａＳ_２、ＭｏＳ_２、ＮｂＳｅ_３、ＭｎＯ_２、ＣｏＯ_２、酸化鉄、酸化バナジウム、またはそれらの組合せから選択される、請求項４に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記カソード活性材料が、ＮａＦｅＰＯ_４、ＫＦｅＰＯ_４、Ｎａ_{（１−ｘ）}Ｋ_ｘＰＯ_４、Ｎａ_０．７ＦｅＰＯ_４、Ｎａ_１．５ＶＯＰＯ_４Ｆ_０．５、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_２Ｆ_３、Ｎａ_２ＦｅＰＯ_４Ｆ、ＮａＦｅＦ_３、ＮａＶＰＯ_４Ｆ、ＫＶＰＯ_４Ｆ、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_２Ｆ_３、Ｎａ_１．５ＶＯＰＯ_４Ｆ_０．５、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３、ＮａＶ_６Ｏ_１５、Ｎａ_ｘＶＯ_２、Ｎａ_０．３３Ｖ_２Ｏ_５、Ｎａ_ｘＣｏＯ_２、Ｎａ_２／３［Ｎｉ_１／３Ｍｎ_２／３］Ｏ_２、Ｎａ_ｘ（Ｆｅ_１／２Ｍｎ_１／２）Ｏ_２、Ｎａ_ｘＭｎＯ_２、λ−ＭｎＯ_２、Ｎａ_ｘＫ_{（１−ｘ）}ＭｎＯ_２、Ｎａ_０．４４ＭｎＯ_２、Ｎａ_０．４４ＭｎＯ_２／Ｃ、Ｎａ_４Ｍｎ_９Ｏ_１８、ＮａＦｅ_２Ｍｎ（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_２Ｔｉ_３Ｏ_７、Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｃｏ_１／３Ｏ_２、Ｃｕ_０．５６Ｎｉ_０．４４ＨＣＦ、ＮｉＨＣＦ、Ｎａ_ｘＭｎＯ_２、ＮａＣｒＯ_２、ＫＣｒＯ_２、Ｎａ_３Ｔｉ_２（ＰＯ_４）_３、ＮｉＣＯ_２Ｏ_４、Ｎｉ_３Ｓ_２／ＦｅＳ_２、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｎａ_４Ｆｅ（ＣＮ）_６／Ｃ、ＮａＶ_１−ｘＣｒ_ｘＰＯ_４Ｆ、Ｓｅ_ｚＳ_ｙ（ｙ／ｚ＝０．０１〜１００）、Ｓｅ、アルオード石、またはそれらの組合せ（ここでｘは０．１〜１．０である）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またはカリウムインターカレーション化合物を含む請求項１に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記カソード活性材料が、前記電解質と直接接触するアルカリ金属イオン捕捉性官能基またはアルカリ金属イオン貯蔵面を有する機能性材料またはナノ構造化材料から選択される、請求項１に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記官能基が、アルカリ金属イオンと可逆反応し、アルカリ金属イオンと酸化還元対を形成し、またはアルカリ金属イオンと化学錯体を形成する、請求項９に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記機能性材料またはナノ構造化材料が、
ａ）軟質炭素、硬質炭素、高分子炭素もしくは炭化樹脂、メソフェーズ炭素、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、または部分的に黒鉛化された炭素の粒子から選択される、ナノ構造化または多孔質無秩序炭素材料；
ｂ）単層グラフェンシートまた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；
ｃ）単壁カーボンナノチューブまたは多壁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；
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もしくは繊維、導電性ポリマーナノファイバ、またはそれらの組合せ；
ｅ）カルボニル含有有機またはポリマー分子；
ｆ）カルボニル基、カルボキシル基、またはアミン基を含む機能性材料；およびそれらの組合せ
からなる群から選択される、請求項９に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記機能性材料またはナノ構造化材料が、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_ｘＣ_６Ｏ_６（ｘ＝１〜３）、Ｎａ_２（Ｃ_６Ｈ_２Ｏ_４），Ｎａ_２Ｃ_８Ｈ_４Ｏ_４またはＮａテレフタレート、Ｎａ_２Ｃ_６Ｈ_４Ｏ_４または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または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または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、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項９に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記機能性材料またはナノ構造化材料が、少なくとも５００ｍ^２／ｇの比表面積を有する、請求項９に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記機能性材料またはナノ構造化材料が、少なくとも１，０００ｍ^２／ｇの比表面積を有する、請求項９に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記機能性材料またはナノ構造化材料が、−ＣＯＯＨ、＝Ｏ、−ＮＨ_２、−ＯＲ、または−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、請求項９に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記アノード活性材料が、アルカリ金属、アルカリ金属合金、アルカリ金属もしくはアルカリ金属合金とアルカリインターカレーション化合物との混合物、アルカリ元素含有化合物、またはそれらの組合せから選択されるアルカリイオン源を含む、請求項１に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記アノード活性材料が、石油コークス、カーボンブラック、無定形炭素、活性炭、硬質炭素、軟質炭素、鋳型炭素、中空炭素ナノワイヤ、中空炭素球、チタン酸塩、ＮａＴｉ_２（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_２Ｔｉ_３Ｏ_７、Ｎａ_２Ｃ_８Ｈ_４Ｏ_４、Ｎａ_２ＴＰ、Ｎａ_ｘＴｉＯ_２（ｘ＝０．２〜１．０）、Ｎａ_２Ｃ_８Ｈ_４Ｏ_４、カルボン酸塩ベースの物質、Ｃ_８Ｈ_４Ｎａ_２Ｏ_４、Ｃ_８Ｈ_６Ｏ_４、Ｃ_８Ｈ_５ＮａＯ_４、Ｃ_８Ｎａ_２Ｆ_４Ｏ_４、Ｃ_１０Ｈ_２Ｎａ_４Ｏ_８、Ｃ_１４Ｈ_４Ｏ_６、Ｃ_１４Ｈ_４Ｎａ_４Ｏ_８、また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む、請求項１に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記アルカリインターカレーション化合物またはアルカリ含有化合物が、
（ｆ）ナトリウムまたはカリウム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）、およびそれらの混合物；
（ｇ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｄ、およびそれらの混合物のナトリウムまたはカリウム含有合金または金属間化合物；
（ｈ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｄ、およびそれらの混合物または複合体のナトリウムまたはカリウム含有酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物、またはアンチモン化物；
（ｉ）ナトリウム塩またはカリウム塩；および
（ｊ）ナトリウムイオンまたはカリウムイオンを予め装填されたグラフェンシート
からなる群から選択される、請求項１７に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記第１または第２の液体電解質が、水性電解質、有機電解質、イオン液体電解質、有機電解質とイオン電解質の混合物、またはそれらとポリマーとの混合物から選択される、請求項１に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記水性電解質が、水中、または水とアルコールとの混合物中に溶解されたナトリウム塩またはカリウム塩を含む、請求項１９に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記ナトリウム塩またはカリウム塩が、Ｎａ_２ＳＯ_４、Ｋ_２ＳＯ_４、それらの混合物、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＦ、ＫＦ、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＮａＩ、ＫＩ、またはそれらの混合物から選択される、請求項２０に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記有機電解質が、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、およ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む、請求項１９に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記有機電解質が、過塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ_４）、過塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ_４）、六フッ化リン酸ナトリウム（ＮａＰＦ_６）、六フッ化リン酸カリウム（ＫＰＦ_６）、ホウフッ化ナトリウム（ＮａＢＦ_４）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ_４）、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（ＮａＣＦ_３ＳＯ_３）、トリフルオロメタスルホン酸カリウム（ＫＣＦ_３ＳＯ_３）、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（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２）、ナトリウムトリフルオロメタンスルホンイミド（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（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２）、またはそれらの組合せから選択される非リチウムアルカリ金属塩を含む、請求項１９に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記イオン液体電解質が、テトラ−アルキルアンモニウム、ジ−、トリ−、もしくはテトラ−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、また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む、請求項１９に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記イオン液体溶媒が、ＢＦ_４ ⁻、Ｂ（ＣＮ）_４ ⁻、ＣＨ_３ＢＦ_３ ⁻、ＣＨ_２ＣＨＢＦ_３ ⁻、ＣＦ_３ＢＦ_３ ⁻、Ｃ_２Ｆ_５ＢＦ_３ ⁻、ｎ−Ｃ_３Ｆ_７ＢＦ_３ ⁻、ｎ−Ｃ_４Ｆ_９ＢＦ_３ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、ＣＦ_３ＣＯ_２ ⁻、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻、Ｎ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２ ⁻、Ｎ（ＣＯＣＦ_３）（ＳＯ_２ＣＦ_３）⁻、Ｎ（ＳＯ_２Ｆ）_２ ⁻、Ｎ（ＣＮ）_２ ⁻、Ｃ（ＣＮ）_３ ⁻、ＳＣＮ⁻、ＳｅＣＮ⁻、ＣｕＣｌ_２ ⁻、ＡｌＣｌ_４ ⁻、Ｆ（ＨＦ）_２．３ ⁻、また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、請求項２４に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記３Ｄ多孔質アノード集電体または３Ｄ多孔質カソード集電体が、２００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも８５体積％の細孔を有する導電性発泡構造を含み、および／または前記アノード活性材料が、２５ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、電池セル全体の少なくとも２５重量％または２５体積％を占め、および／または前記カソード活性材料が、前記カソード内で、有機もしくはポリマー材料に関しては２０ｍｇ／ｃｍ^２以上、もしくは無機および非ポリマー材料に関しては４５ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、および／または電池セル全体の少なくとも４５重量％または４５体積％を占める、請求項１に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記３Ｄ多孔質アノード集電体または３Ｄ多孔質カソード集電体が、３００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも９０体積％の細孔を有する導電性発泡構造を含み、および／または前記アノード活性材料が、３０ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、電池セル全体の少なくとも３０重量％または３０体積％を占め、および／または前記カソード活性材料が、前記カソード内で、有機もしくはポリマー材料に関しては２５ｍｇ／ｃｍ^２以上、もしくは無機および非ポリマー材料に関しては５０ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、および／または電池セル全体の少なくとも５０重量％または５０体積％を占める、請求項１に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記３Ｄ多孔質アノード集電体または３Ｄ多孔質カソード集電体が、４００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも９５体積％の細孔を有する導電性発泡構造を含み、および／または前記アノード活性材料が、３５ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、電池セル全体の少なくとも３５重量％または３５体積％を占め、および／または前記カソード活性材料が、前記カソード内で、有機もしくはポリマー材料に関しては３０ｍｇ／ｃｍ^２以上、もしくは無機および非ポリマー材料に関しては５５ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、および／または電池セル全体の少なくとも５５重量％または５５体積％を占める、請求項１に記載のアルカリ金属イオン電池。
前記３Ｄ多孔質アノード集電体または３Ｄ多孔質カソード集電体が、金属発泡体、金属ウェブまたはスクリーン、穿孔された金属シートベースの３Ｄ構造、金属繊維マット、金属ナノワイヤマット、導電性ポリマーナノファイバマット、導電性ポリマー発泡体、導電性ポリマー被覆ファイバ発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゾル、炭素ゼロックスゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される導電性発泡構造を含む、請求項１に記載の方法。
ナトリウムイオンまたはカリウムイオンを装填された前記グラフェンシートが、プレナトリウム化またはプレカリウム化された形態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、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、ホウ素ドープされたグラフェン、窒素ドープされたグラフェン、化学官能化グラフェン、それらの物理的または化学的に活性化またはエッチングされた形態、またはそれらの組合せから選択される、請求項１７に記載のアルカリ金属イオン電池。
アルカリ金属電池を製造するための方法であって、前記アルカリ金属が、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ＮａとＫとの組合せ、Ｎａおよび／またはＫとリチウム（Ｌｉ）との組合せから選択され、前記アルカリ金属がリチウム単独ではなく、前記方法が、
ａ）第１の液体電解質中に分散されたアノード活性材料および任意選択の導電性添加剤の第１の懸濁液と、第２の液体電解質中に分散されたカソード活性材料および任意選択の導電性添加剤の第２の懸濁液とを調製するステップと、
ｂ）アノード集電体としての第１の導電性発泡構造、カソード集電体としての第２の導電性発泡構造、および前記第１の導電性発泡構造と前記第２の導電性発泡構造の間に配設された多孔質セパレータから構成される多孔質セルフレームワークを組み立てるステップであって、前記第１および／または第２の導電性発泡構造が、１００μｍ以上の厚さおよび少なくとも８０体積％の細孔を有するステップと、
ｃ）前記第１の懸濁液を前記第１の導電性発泡構造の細孔に注入してアノードを形成し、前記第２の懸濁液を前記第２の導電性発泡構造の細孔に注入してカソードを形成し、それによって、前記アノード活性材料が、前記アノード内で２０ｍｇ／ｃｍ^２以上の材料質量負荷を有し、または前記カソード活性材料が、前記カソード内で、有機もしくはポリマー材料に関しては１５ｍｇ／ｃｍ^２以上、もしくは無機および非ポリマー材料に関しては４０ｍｇ／ｃｍ^２以上の材料質量負荷を有するようにするステップと
を含み、
前記アノード集電体、前記セパレータ、および前記カソード集電体が、第１の懸濁液の前記注入および／または第２の懸濁液の前記注入の前または後に保護ハウジング内に組み立てられる、方法。
アルカリ金属電池を製造するための方法であって、前記アルカリ金属が、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ＮａとＫとの組合せ、Ｎａおよび／またはＫとリチウム（Ｌｉ）との組合せから選択され、前記アルカリ金属がリチウム単独ではなく、前記方法が、
（ａ）カソード集電体としての第１の導電性発泡構造、アノード集電体、および前記アノード集電体と前記カソード集電体との間に配設された多孔質セパレータから構成される多孔質セルフレームワークを組み立てるステップであって、前記第１の導電性発泡構造が、１００μｍ以上の厚さおよび少なくとも８０体積％の細孔を有し、前記アノード集電体が、２つの反対側の主表面を有し、前記２つの主表面の少なくとも１つが、ナトリウムもしくはカリウム金属、または少なくとも５０重量％のナトリウムもしくはカリウム元素を中に有する合金の層を含むステップと、
（ｂ）第１の液体電解質中に分散されたカソード活性材料の第１の懸濁液を調製するステップであって、前記カソード活性材料が、前記アルカリ金属電池が放電されるときにアルカリ金属イオンを吸収するアルカリ金属インターカレーション化合物またはアルカリ金属吸収化合物の複数の粒子を含み、前記化合物が、Ｎａ／Ｎａ^＋またはＫ／Ｋ^＋よりも少なくとも１．０ボルト高いリチウムインターカレーションまたは吸収電圧を有するステップと、
（ｃ）前記第１の懸濁液を前記第１の導電性発泡構造の細孔に注入してカソードを形成し、それにより、前記カソード活性材料が、７ｍｇ／ｃｍ^２以上の電極活性材料負荷を構成し、前記アノード、前記セパレータ、および前記カソードが、前記注入ステップが行われる前または後に保護ハウジング内に組み立てられるようにするステップと
を含む方法。
前記アノード集電体が多孔質発泡構造を含む、請求項３２に記載の方法。
前記カソード活性材料が、無機材料、有機材料もしくは高分子材料、金属酸化物／リン酸塩／硫化物、またはそれらの組合せから選択されたナトリウムもしくはカリウムインターカレーション化合物またはナトリウムもしくはカリウム吸収化合物である請求項３１に記載の方法。
前記金属酸化物／リン酸塩／硫化物が、コバルト酸化ナトリウム、ニッケル酸化ナトリウム、マンガン酸化ナトリウム、バナジウム酸化ナトリウム、ナトリウム混合金属酸化物、ナトリウム／カリウム遷移金属酸化物、鉄リン酸ナトリウム、鉄リン酸ナトリウム／カリウム、マンガンリン酸ナトリウム、マンガンリン酸ナトリウム／カリウム、バナジウムリン酸ナトリウム、バナジウムリン酸ナトリウム／カリウム、ナトリウム混合金属リン酸塩、遷移金属硫化物、またはそれらの組合せから選択される請求項３４に記載の方法。
前記無機材料が、硫黄、硫黄化合物、ポリ硫化リチウム、遷移金属ダイカルコゲナイド、遷移金属トリカルコゲナイド、またはそれらの組合せから選択される、請求項３４に記載の方法。
前記無機材料が、ＴｉＳ_２、ＴａＳ_２、ＭｏＳ_２、ＮｂＳｅ_３、ＭｎＯ_２、ＣｏＯ_２、酸化鉄、酸化バナジウム、またはそれらの組合せから選択される、請求項３４に記載の方法。
前記カソード活性材料が、ＮａＦｅＰＯ_４、ＫＦｅＰＯ_４、Ｎａ_{（１−ｘ）}Ｋ_ｘＰＯ_４、Ｎａ_０．７ＦｅＰＯ_４、Ｎａ_１．５ＶＯＰＯ_４Ｆ_０．５、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_２Ｆ_３、Ｎａ_２ＦｅＰＯ_４Ｆ、ＮａＦｅＦ_３、ＮａＶＰＯ_４Ｆ、ＫＶＰＯ_４Ｆ、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_２Ｆ_３、Ｎａ_１．５ＶＯＰＯ_４Ｆ_０．５、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３、ＮａＶ_６Ｏ_１５、Ｎａ_ｘＶＯ_２、Ｎａ_０．３３Ｖ_２Ｏ_５、Ｎａ_ｘＣｏＯ_２、Ｎａ_２／３［Ｎｉ_１／３Ｍｎ_２／３］Ｏ_２、Ｎａ_ｘ（Ｆｅ_１／２Ｍｎ_１／２）Ｏ_２、Ｎａ_ｘＭｎＯ_２、λ−ＭｎＯ_２、Ｎａ_ｘＫ_{（１−ｘ）}ＭｎＯ_２、Ｎａ_０．４４ＭｎＯ_２、Ｎａ_０．４４ＭｎＯ_２／Ｃ、Ｎａ_４Ｍｎ_９Ｏ_１８、ＮａＦｅ_２Ｍｎ（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_２Ｔｉ_３Ｏ_７、Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｃｏ_１／３Ｏ_２、Ｃｕ_０．５６Ｎｉ_０．４４ＨＣＦ、ＮｉＨＣＦ、Ｎａ_ｘＭｎＯ_２、ＮａＣｒＯ_２、ＫＣｒＯ_２、Ｎａ_３Ｔｉ_２（ＰＯ_４）_３、ＮｉＣＯ_２Ｏ_４、Ｎｉ_３Ｓ_２／ＦｅＳ_２、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｎａ_４Ｆｅ（ＣＮ）_６／Ｃ、ＮａＶ_１−ｘＣｒ_ｘＰＯ_４Ｆ、Ｓｅ_ｚＳ_ｙ（ｙ／ｚ＝０．０１〜１００）、Ｓｅ、アルオード石、またはそれらの組合せ（ここでｘは０．１〜１．０である）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またはカリウムインターカレーション化合物を含む請求項３１に記載の方法。
前記カソード活性材料が、前記電解質と直接接触するアルカリ金属イオン捕捉性の官能基またはアルカリ金属イオン貯蔵面を有する機能性材料またはナノ構造化材料から選択される、請求項３１に記載の方法。
前記官能基が、アルカリ金属イオンと可逆反応し、アルカリ金属イオンと酸化還元対を形成し、またはアルカリ金属イオンと化学錯体を形成する、請求項３９に記載の方法。
前記機能性材料またはナノ構造化材料が、
（ａ）軟質炭素、硬質炭素、高分子炭素もしくは炭化樹脂、メソフェーズ炭素、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、または部分的に黒鉛化された炭素の粒子から選択される、ナノ構造化または多孔質無秩序炭素材料；
（ｂ）単層グラフェンシートまた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；
（ｃ）単壁カーボンナノチューブまたは多壁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；
（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もしくは繊維、導電性ポリマーナノファイバ、またはそれらの組合せ；
（ｅ）カルボニル含有有機またはポリマー分子；
（ｆ）カルボニル基、カルボキシル基、またはアミン基を含む機能性材料；およびそれらの組合せ
からなる群から選択される、請求項３９に記載の方法。
前記機能性材料またはナノ構造化材料が、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_ｘＣ_６Ｏ_６（ｘ＝１〜３）、Ｎａ_２（Ｃ_６Ｈ_２Ｏ_４），Ｎａ_２Ｃ_８Ｈ_４Ｏ_４またはＮａテレフタレート、Ｎａ_２Ｃ_６Ｈ_４Ｏ_４または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または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または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、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項３９に記載の方法。
前記機能性材料またはナノ構造化材料が、少なくとも５００ｍ^２／ｇの比表面積を有する、請求項３９に記載の方法。
前記機能性材料またはナノ構造化材料が、少なくとも１，０００ｍ^２／ｇの比表面積を有する、請求項３９に記載の方法。
前記機能性材料またはナノ構造化材料が、−ＣＯＯＨ、＝Ｏ、−ＮＨ_２、−ＯＲ、または−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、請求項３９に記載の方法。
前記アノードが、アルカリ金属、アルカリ金属合金、アルカリ金属もしくはアルカリ金属合金とアルカリインターカレーション化合物との混合物、アルカリ元素含有化合物、またはそれらの組合せから選択されるアルカリイオン源を含む、請求項３１に記載の方法。
前記アノード活性材料が、石油コークス、カーボンブラック、無定形炭素、活性炭、硬質炭素、軟質炭素、鋳型炭素、中空炭素ナノワイヤ、中空炭素球、チタン酸塩、ＮａＴｉ_２（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_２Ｔｉ_３Ｏ_７、Ｎａ_２Ｃ_８Ｈ_４Ｏ_４、Ｎａ_２ＴＰ、Ｎａ_ｘＴｉＯ_２（ｘ＝０．２〜１．０）、Ｎａ_２Ｃ_８Ｈ_４Ｏ_４、カルボン酸塩ベースの物質、Ｃ_８Ｈ_４Ｎａ_２Ｏ_４、Ｃ_８Ｈ_６Ｏ_４、Ｃ_８Ｈ_５ＮａＯ_４、Ｃ_８Ｎａ_２Ｆ_４Ｏ_４、Ｃ_１０Ｈ_２Ｎａ_４Ｏ_８、Ｃ_１４Ｈ_４Ｏ_６、Ｃ_１４Ｈ_４Ｎａ_４Ｏ_８、また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む、請求項３１に記載の方法。
前記アルカリインターカレーション化合物またはアルカリ含有化合物が、
（ｋ）ナトリウムまたはカリウム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）、およびそれらの混合物；
（ｌ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｄ、およびそれらの混合物のナトリウムまたはカリウム含有合金または金属間化合物；
（ｍ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｄ、およびそれらの混合物または複合体のナトリウムまたはカリウム含有酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物、またはアンチモン化物；
（ｎ）ナトリウム塩またはカリウム塩；および
（ｏ）ナトリウムイオンまたはカリウムイオンを予め装填されたグラフェンシート
からなる群から選択される、請求項４６に記載の方法。
前記第１または第２の液体電解質が、水性電解質、有機電解質、イオン液体電解質、有機電解質とイオン電解質の混合物、またはそれらとポリマーとの混合物から選択される、請求項３１に記載の方法。
前記水性電解質が、水中、または水とアルコールとの混合物中に溶解されたナトリウム塩またはカリウム塩を含む、請求項４９に記載の方法。
前記ナトリウム塩またはカリウム塩が、Ｎａ_２ＳＯ_４、Ｋ_２ＳＯ_４、それらの混合物、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＦ、ＫＦ、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＮａＩ、ＫＩ、またはそれらの混合物から選択される、請求項５０に記載の方法。
前記有機電解質が、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、およ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む、請求項４９に記載の方法。
前記有機電解質が、過塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ_４）、過塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ_４）、六フッ化リン酸ナトリウム（ＮａＰＦ_６）、六フッ化リン酸カリウム（ＫＰＦ_６）、ホウフッ化ナトリウム（ＮａＢＦ_４）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ_４）、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（ＮａＣＦ_３ＳＯ_３）、トリフルオロメタスルホン酸カリウム（ＫＣＦ_３ＳＯ_３）、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（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２）、ナトリウムトリフルオロメタンスルホンイミド（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（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２）、またはそれらの組合せから選択される非リチウムアルカリ金属塩を含む、請求項４９に記載の方法。
前記イオン液体電解質が、テトラ−アルキルアンモニウム、ジ−、トリ−、もしくはテトラ−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、また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む、請求項４９に記載の方法。
前記イオン液体溶媒が、ＢＦ_４ ⁻、Ｂ（ＣＮ）_４ ⁻、ＣＨ_３ＢＦ_３ ⁻、ＣＨ_２ＣＨＢＦ_３ ⁻、ＣＦ_３ＢＦ_３ ⁻、Ｃ_２Ｆ_５ＢＦ_３ ⁻、ｎ−Ｃ_３Ｆ_７ＢＦ_３ ⁻、ｎ−Ｃ_４Ｆ_９ＢＦ_３ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、ＣＦ_３ＣＯ_２ ⁻、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻、Ｎ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２ ⁻、Ｎ（ＣＯＣＦ_３）（ＳＯ_２ＣＦ_３）⁻、Ｎ（ＳＯ_２Ｆ）_２ ⁻、Ｎ（ＣＮ）_２ ⁻、Ｃ（ＣＮ）_３ ⁻、ＳＣＮ⁻、ＳｅＣＮ⁻、ＣｕＣｌ_２ ⁻、ＡｌＣｌ_４ ⁻、Ｆ（ＨＦ）_２．３ ⁻、また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、請求項５４に記載の方法。
前記第１および／または第２の導電性発泡構造が、２００μｍ以上の厚さを有し、および／または少なくとも８５体積％の細孔を有し、および／または前記アノード活性材料が、２５ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、および／または電池セル全体の少なくとも２５重量％または２５体積％を占め、および／または前記カソード活性材料が、前記カソード内で、有機もしくはポリマー材料に関しては２０ｍｇ／ｃｍ^２以上、もしくは無機および非ポリマー材料に関しては４５ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、および／または電池セル全体の少なくとも４５重量％または４５体積％を占める、請求項３１に記載の方法。
前記第１および／または第２の導電性発泡構造が、３００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも９０体積％の細孔を有し、および／または前記アノード活性材料が、３０ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、および／または電池セル全体の少なくとも３０重量％または３０体積％を占め、および／または前記カソード活性材料が、前記カソード内で、有機およびポリマー材料に関しては２５ｍｇ／ｃｍ^２以上、もしくは無機および非ポリマー材料に関しては５０ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、および／または電池セル全体の少なくとも５０重量％または５０体積％を占める、請求項３１に記載の方法。
前記第１および／または第２の導電性発泡構造が、４００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも９５体積％の細孔を有し、および／または前記アノード活性材料が、３５ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、および／または電池セル全体の少なくとも３５重量％または３５体積％を占め、および／または前記カソード活性材料が、前記カソード内で、有機もしくはポリマー材料に関しては３０ｍｇ／ｃｍ^２以上、もしくは無機および非ポリマー材料に関しては５５ｍｇ／ｃｍ^２以上の質量負荷を有し、および／または電池セル全体の少なくとも５５重量％または５５体積％を占める、請求項３１に記載の方法。