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JP5615497B2 - Fluoride ion electrochemical cell - Google Patents

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JP5615497B2 JP2008558474A JP2008558474A JP5615497B2 JP 5615497 B2 JP5615497 B2 JP 5615497B2 JP 2008558474 A JP2008558474 A JP 2008558474A JP 2008558474 A JP2008558474 A JP 2008558474A JP 5615497 B2 JP5615497 B2 JP 5615497B2
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Description

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

[関連出願の相互参照]
[001] 本願は、2006年3月3日に出願した米国特許仮出願第60779054号明細書、2007年1月25日に出願した発明者がRachid Yazamiである「Fluoride Ion Batteries(FIB)」という題名の米国特許仮出願明細書、代理人整理番号4823−P、2007年2月21日に出願した米国特許出願第一1677541号明細書、2007年2月15日に出願した米国特許出願第一1675308号明細書、2006年11月16日に出願した米国特許出願第一1560570号明細書の優先権の利益を請求する。これらの出願はそれぞれ、本明細書中の開示と矛盾しない程度までその全体が参照により本明細書中に援用される。
[Cross-reference of related applications]
[001] This application refers to US Provisional Application No. 60779054 filed on Mar. 3, 2006, and "Fluoride Ion Batteries (FIB)" whose inventor filed on Jan. 25, 2007 is Rachid Yazami. US Provisional Patent Application, Attorney Docket No. 4823-P, US Patent Application No. 16775541 filed on February 21, 2007, US Patent Application No. 1 filed on February 15, 2007 No. 1675308, US Patent Application No. 1560570, filed Nov. 16, 2006, and claims the benefit of priority. Each of these applications is hereby incorporated by reference in its entirety to the extent that it is not inconsistent with the disclosure herein.

[発明の背景]
[002] 過去20〜30年間にわたって、携帯用電子デバイス、航空機及び宇宙機技術、並びに生物医学装置を含めた様々な分野におけるこれらのシステムの性能を拡張する電気化学的貯蔵及び変換デバイスにおいては、画期的な進歩がもたらされた。現在の最先端電気化学的貯蔵及び変換デバイスは、多様な用途要件及び動作環境との適合性を提供するように特に設計されるデザイン及び性能属性を有する。たとえば、埋め込み型医療用デバイス向けの非常に低い自己放電率及び高い放電信頼性を示す高エネルギー密度電池から、幅広い携帯用電池デバイスについて長いランタイムをもたらす安価で軽量の充電式電池、短時間で極めて高い放電率を提供することができる軍事的な用途及び航空宇宙的な用途向けの高容量電池の範囲にわたる、進歩した電気化学的貯蔵システムが開発されている。
[Background of the invention]
[002] In the electrochemical storage and conversion devices that extend the performance of these systems in various fields, including portable electronic devices, aircraft and spacecraft technology, and biomedical equipment over the past 20-30 years, A breakthrough has been made. Current state-of-the-art electrochemical storage and conversion devices have design and performance attributes that are specifically designed to provide compatibility with a variety of application requirements and operating environments. For example, from low energy self-discharge rates for implantable medical devices and high energy density batteries with high discharge reliability, to low cost, lightweight rechargeable batteries that provide long run times for a wide range of portable battery devices, extremely fast Advanced electrochemical storage systems have been developed, ranging from high capacity batteries for military and aerospace applications that can provide high discharge rates.

[003] この様々な進歩した電気化学貯蔵及び変換システム一式が開発され、広く採用されているにもかかわらず、これらのシステムの機能を拡張するよう大きな圧力が研究を刺激し続け、それによりさらに広範囲のデバイス用途が可能となる。高出力携帯用電子製品に対する需要の大きな成長により、たとえば、より高いエネルギー密度を提供する安全で軽量の一次及び二次電池の開発への多大な関心が喚起されている。加えて、家庭用電化製品及び計装の分野における小型化に対する需要が、高性能電池の寸法、質量及び形状因子を低減するために新規の設計及び材料戦略の研究を刺激し続ける。さらに、電気自動車及び航空宇宙工学の分野における絶え間ない開発により、有用な範囲の動作環境において優れたデバイス性能が可能な機械的に頑強で、信頼性が高く、高エネルギー密度及び高出力密度の電池の必要性も生じている。   [003] Despite the development and wide adoption of this variety of advanced electrochemical storage and conversion systems, great pressure continues to stimulate research to expand the functionality of these systems, thereby further A wide range of device applications are possible. The great growth in demand for high-power portable electronic products has generated a great deal of interest, for example, in the development of safe and lightweight primary and secondary batteries that provide higher energy density. In addition, the demand for miniaturization in the field of consumer electronics and instrumentation continues to stimulate research on new designs and material strategies to reduce the size, mass and form factor of high performance batteries. In addition, due to constant development in the field of electric vehicles and aerospace engineering, it is a mechanically robust, reliable, high energy density and high power density battery capable of excellent device performance in a useful range of operating environments. There is also a need for

[004] 電気化学貯蔵及び変換技術における多くの最近の進歩は、電池構成要素向けの新しい材料の発見及び統合に直接起因する。リチウム電池技術は、たとえば、少なくとも一部にはこれらのシステム用に新規の電極及び電解質材料が発見されることにより急速に発展し続ける。フッ素化炭素材料及びナノ構造遷移金属酸化物など、正極向けインターカレーションホスト材料の先駆的な発見及び最適化から、高性能非水電解質の開発まで、リチウム電池システムのための新規の材料戦略の実施により、それらシステムの設計及び性能に革命がもたらされた。さらに、負極向けインターカレーションホスト材料の開発により、高い容量、優れた安定性及び有用なサイクル寿命を示すリチウムイオンをベースとする二次電池が発見され商業的に実施された。これらの進歩の結果、携帯用電子システム向け一次及び二次電気化学セル(electrochemical cells)を含めた様々な重要な用途に、リチウムをベースとする電池技術が現在広く採用されている。   [004] Many recent advances in electrochemical storage and conversion technology are directly attributable to the discovery and integration of new materials for battery components. Lithium battery technology continues to evolve rapidly, for example, as new electrodes and electrolyte materials are discovered, at least in part, for these systems. New material strategies for lithium battery systems, from pioneering discovery and optimization of cathode intercalation host materials such as fluorinated carbon materials and nanostructured transition metal oxides to the development of high performance non-aqueous electrolytes Implementation has revolutionized the design and performance of these systems. In addition, the development of intercalation host materials for negative electrodes has led to the discovery and commercial implementation of lithium ion-based secondary batteries that exhibit high capacity, excellent stability and useful cycle life. As a result of these advances, lithium-based battery technology is now widely adopted in a variety of important applications, including primary and secondary electrochemical cells for portable electronic systems.

[005] 市販の一次リチウム電池システムでは通常、放電時に液相又は固相電解質を介して輸送され、インターカレーションホスト材料を含む正極でインターカレーション反応を受けるリチウムイオンを生成するためにリチウム金属負極が使用される。炭素(たとえば、黒鉛、コークスなど)、金属酸化物、金属窒化物、金属リン化物など、負極用リチウムイオンインターカレーションホスト材料でリチウム金属が置き換えられた二重インターカレーションリチウムイオン二次電池も開発されている。リチウムイオンの挿入及び脱挿入(de-insertion)反応が同時に起こると、放電及び充電時にインターカレーション正極とインターカレーション負極との間でリチウムイオンが移動することが可能となる。負極向けリチウムイオンインターカレーションホスト材料を組み込むことには、リチウムの高い反応性及び非エピタキシャル堆積特性に起因する安全性の問題を再充電時に起こしやすい金属リチウムの使用が回避されるという重要な利点がある。   [005] In commercial primary lithium battery systems, lithium metal is typically used to produce lithium ions that are transported via a liquid or solid phase electrolyte during discharge and undergo an intercalation reaction at the positive electrode containing the intercalation host material. A negative electrode is used. Double intercalation lithium ion secondary batteries in which lithium metal is replaced by lithium ion intercalation host materials for negative electrodes such as carbon (eg, graphite, coke, etc.), metal oxides, metal nitrides, metal phosphides, etc. Has been developed. When lithium ion insertion and de-insertion reactions occur simultaneously, lithium ions can move between the intercalation positive electrode and the intercalation negative electrode during discharge and charging. Incorporating lithium-ion intercalation host materials for negative electrodes is an important advantage that avoids the use of metallic lithium, which is prone to safety problems during recharging due to the high reactivity and non-epitaxial deposition properties of lithium There is.

[006] リチウム元素は、電気化学セルで使用するためにリチウムを魅力的にする独特な組合せの特性を有する。第一に、リチウムは、原子質量が6.94AMUである周期表中で最も軽い金属である。第二に、リチウムは、非常に低い電気化学酸化/還元電位(すなわち、−3.045V対NHE(標準水素参照電極)を有する。この独特の組合せの特性により、リチウムをベースとする電気化学セルが非常に高い比容量を有することが可能となる。リチウム電池技術についての材料戦略及び電気化学セル設計の進歩により、(i)高い電池電圧(たとえば、最大約3.8V)、(ii)ほぼ一定の(たとえば、平坦な)放電プロファイル、(iii)長い貯蔵寿命(たとえば、最大10年)及び(iv)様々な動作温度(たとえば、摂氏−20〜60度)との適合性を含めた有用なデバイス性能を提供することができる電気化学セルが実現された。これら有益な特性の結果、一次リチウム電池は、様々な携帯用電子デバイスにおいて、また電子機器、情報技術、通信、医用生体工学、センシング、軍事及び照明を含めた他の重要なデバイス用途において電源として広く使用されている。   [006] Elemental lithium has a unique combination of properties that make it attractive for use in electrochemical cells. First, lithium is the lightest metal in the periodic table with an atomic mass of 6.94 AMU. Second, lithium has a very low electrochemical oxidation / reduction potential (i.e., -3.045 V vs. NHE (standard hydrogen reference electrode). This unique combination of properties allows a lithium-based electrochemical cell. The material strategy for lithium battery technology and advances in electrochemical cell design allow (i) high battery voltages (eg, up to about 3.8V), (ii) nearly Useful including constant (eg flat) discharge profile, (iii) long shelf life (eg up to 10 years) and (iv) compatibility with various operating temperatures (eg -20 to 60 degrees Celsius) Electrochemical cells have been realized that can provide the best device performance, and as a result of these beneficial properties, primary lithium batteries can be used in a variety of portable electronic devices and Child equipment, information technology, communications, biomedical engineering, sensing, are widely used as power sources in military and other important device applications including lighting.

[007] 最先端のリチウムイオン二次電池は、優れた充電−放電特性を提供し、したがって、携帯電話や携帯用コンピュータなどの携帯用電子デバイスにおける電源としてやはり広く採用されている。米国特許第6852446号明細書、第6306540号明細書、第6489055号明細書、及びGholam−Abbas Nazri及びGianfranceo Pistoia編“Lithium Batteries Science and Technology”,Kluer Academic Publishers,2004は、リチウム及びリチウムイオン電池システムを対象とし、参照によりそれら全体が本明細書中に組み込まれる。   [007] State-of-the-art lithium ion secondary batteries provide excellent charge-discharge characteristics and are therefore also widely adopted as power sources in portable electronic devices such as cell phones and portable computers. U.S. Pat. Nos. 6,852,446, 6,306,540, 6,489055, and Gholam-Abas Nazri and Gianfranco Pistoia, “Lithium Batteries Science and Technology”, Kluer Acium Lithium Ion 200 Lithium Ion. And are incorporated herein by reference in their entirety.

[008] 上述のように、リチウム金属は、特に水及び多くの有機溶媒との反応性が極めて高く、この特質により、リチウムをベースとする二次電気化学セルにおいては負極用インターカレーションホスト材料を使用することが必要となる。この分野における相当な研究により、LiC、LiSi、LiSn、Li(CoSnTi)など、これらのシステム向けの様々な有用なインターカレーションホスト材料が得られている。しかしながら、負極向けのインターカレーションホスト材料を使用することにより、インターカレーション電極中へのリチウムの挿入/溶解の自由エネルギーに対応する量だけ電池電圧が必然的に低くなる。その結果、従来の最先端二重インターカレーションリチウムイオン電気化学セルは現在、約4ボルト以下の平均動作電圧を提供するにとどまっている。負極の組成についてのこの要件により、これらのシステムにおいて利用可能な比エネルギーも大幅に失われる。さらに、負極向けインターカレーションホスト材料を組み込むことにより安全性のリスクが完全に取り除かれることはない。これらのリチウムイオン電池システムの充電は、たとえば、正極が分解してしまうことがある過充電又は加熱を回避するためにかなり制御された条件下で行わなければならない。さらに、リチウムイオンが関与する望ましくない副反応がこれらのシステムにおいて起こり、その結果、安全性に対する重大な懸念に影響を及ぼす反応性金属リチウムが形成されることがある。高速又は低温での充電時に、リチウムの堆積により、セパレータを横切って成長し、電池内で内部短絡を引き起こすことがあるデンドライドが形成され、有機電解質の燃焼並びに金属リチウムの空気中の酸素及び水分との反応により、熱、圧力及び場合によっては火災が発生する。 [008] As described above, lithium metal is particularly highly reactive with water and many organic solvents, and due to this property, intercalation host materials for negative electrodes in lithium-based secondary electrochemical cells. It is necessary to use The considerable research in this field, LiC 6, Li x Si, Li x Sn, etc. Li x (CoSnTi), various useful intercalation host materials for these for the system is obtained. However, by using an intercalation host material for the negative electrode, the battery voltage inevitably decreases by an amount corresponding to the free energy of lithium insertion / dissolution into the intercalation electrode. As a result, conventional state-of-the-art dual intercalation lithium ion electrochemical cells currently only provide an average operating voltage of about 4 volts or less. This requirement for the composition of the negative electrode also significantly loses the specific energy available in these systems. Furthermore, the safety risk is not completely eliminated by incorporating an intercalation host material for the negative electrode. These lithium ion battery systems must be charged under fairly controlled conditions, for example, to avoid overcharging or heating that can cause the positive electrode to decompose. Furthermore, undesirable side reactions involving lithium ions can occur in these systems, resulting in the formation of reactive metallic lithium that affects significant safety concerns. During charging at high speeds or low temperatures, the deposition of lithium forms dendrites that can grow across the separator and cause an internal short circuit in the battery, burning the organic electrolyte and oxygen and moisture in the metal lithium air This reaction generates heat, pressure and, in some cases, a fire.

[009] 電気化学的貯蔵用にリチウム挿入反応を利用する二重炭素電池も開発されている。これらの電池では、適当な電解質塩の分解によって生成されるアニオン及びカチオンにより、電極中に貯蔵される電荷の源がもたらされる。これらのシステムの充電時には、リチウムイオン(Li)など電解質のカチオンが、炭素質カチオンホスト材料を含む負極で挿入反応を受け、PF など電解質のアニオンが、炭素質アニオンホスト材料を含む正極で挿入反応を受ける。放電時には、挿入反応は反転し、その結果、正極及び負極からカチオン及びアニオンがそれぞれ放出される。しかしながら、最先端の二重炭素電池は、これらのシステムにおいて得られる塩の濃度が実質的に制限されるため、リチウムイオン電池によってもたらされるエネルギー密度ほど大きなエネルギー密度をもたらすことはできない。加えて、一部の二重炭素電池は、PF などの多原子アニオン電荷キャリアの挿入及び脱挿入によって付与される圧力により、サイクル後に容量の大幅な損失を受けやすい。さらに、二重炭素電池は、達成可能な放電率及び充電率に関して制限され、またこれらのシステムの多くにおいて、リチウム塩を含む電解質が利用されるが、リチウム塩は、一部の動作条件下で安全性の問題を引き起こすことがある。二重炭素電池については、米国特許第4830938号明細書、第4865931号明細書、第5518836号明細書及び第5532083号明細書に、また“Energy and Capacity Projections for Practical Dual−Graphite Cells”,J.R.Dahn and J.A.Seel,Journal of the Electrochemical Society,147(3)899−901(2000)に記載されている。これらの文献は、本開示と矛盾しない程度まで参照により本明細書中に援用される。 [009] Double carbon batteries utilizing a lithium insertion reaction have also been developed for electrochemical storage. In these batteries, anions and cations generated by the decomposition of suitable electrolyte salts provide a source of charge that is stored in the electrode. During charging of these systems, electrolyte cations such as lithium ions (Li + ) undergo an insertion reaction in the negative electrode including the carbonaceous cation host material, and electrolyte anions such as PF 6 are positive electrodes including the carbonaceous anion host material. Into the insertion reaction. At the time of discharge, the insertion reaction is reversed, and as a result, cations and anions are released from the positive electrode and the negative electrode, respectively. However, state-of-the-art dual carbon batteries cannot provide as much energy density as the energy density provided by lithium ion batteries because the concentration of salt obtained in these systems is substantially limited. In addition, part of a double carbon batteries, PF 6 - the pressure applied by the insertion and removal insertion polyatomic anion charge carrier, such as, susceptible to significant loss of capacity after the cycle. In addition, dual carbon batteries are limited with respect to achievable discharge rates and charge rates, and in many of these systems, electrolytes containing lithium salts are utilized, but lithium salts can be used under some operating conditions. May cause safety issues. Double carbon batteries are described in U.S. Pat. Nos. 4,830,938, 4,865,931, 5,518,836 and 5,320,833, and “Energy and Capacity Projections for Practical Dual-Graphic Cells”, J. Pat. R. Dahn and J.M. A. Seeel, Journal of the Electrochemical Society, 147 (3) 899-901 (2000). These references are incorporated herein by reference to the extent they do not conflict with the present disclosure.

[010] 電池は、正極(放電時のカソード)と、負極(放電時のアノード)と、電解質とで構成される。電解質は、電荷キャリアであるイオン種を含む。電池における電解質は、いくつかの異なるタイプ、(1)純粋なカチオン伝導体(たとえば、ベータアルミナはNaのみで伝導する)、(2)純粋なアニオン伝導体(たとえば、O又はO2−アニオンのみで伝導する高温セラミック)、(3)混合イオン伝導体(たとえば、一部のアルカリ電池では、OHでもKでも伝導するKOH水溶液が使用され、一方一部のリチウムイオン電池では、LiでもPF でも伝導するLiPFの有機溶液が使用される)であってよい。充電及び放電時には、電極が電解質とイオンを交換し、外部回路(負荷又は充電器)と電子を交換する。 A battery is composed of a positive electrode (cathode during discharge), a negative electrode (anode during discharge), and an electrolyte. The electrolyte includes ionic species that are charge carriers. The electrolyte in the battery can be of several different types: (1) pure cation conductor (eg beta alumina conducts only with Na + ), (2) pure anion conductor (eg O or O 2− (3) mixed ionic conductors (eg, some alkaline batteries use an aqueous KOH solution that conducts either OH or K + , while some lithium ion batteries use Li An organic solution of LiPF 6 that conducts either + or PF 6 may be used. During charging and discharging, the electrodes exchange electrolytes and ions, and exchange electrons with external circuits (loads or chargers).

[011] 2種類の電極反応がある。
1.カチオンをベースとする電極反応:これらの反応において、電極は、電解質からのカチオンY及び外部回路からの電子を捕獲又は放出する。
電極 + Y + e → 電極(Y)
カチオンをベースとする電極反応の例には、(i)リチウムイオン電池における炭素アノード:6C + Li + e → LiC(充電)、(ii)リチウムイオン電池におけるリチウムコバルト酸化物カソード:2Li0.5CoO + Li + e → 2LiCoO(放電)、(iii)充電式アルカリ電池におけるNi(OH)カソード:Ni(OH) → NiOOH + H + e(充電)、(iv)食塩水Zn/MnO一次電池におけるMnO:MnO + H + e → HMnO(放電)が含まれる。
2.アニオンをベースとする電極反応:これらの反応において、電極は、電解質からのアニオンX及び外部回路からの電子を捕獲又は放出する。
電極 + X → 電極(X) + e
アニオンをベースとする電極反応の例には、(i)ニッケル−カドミウムアルカリ電池におけるカドミウムアノード:Cd(OH) + 2e → Cd + 2OH(充電)及び(ii)マグネシウム一次電池におけるマグネシウム合金アノード:Mg + 2OH → Mg(OH) + 2e(放電)が含まれる。
[011] There are two types of electrode reactions.
1. Cation-based electrode reactions : In these reactions, the electrode captures or releases cations Y + from the electrolyte and electrons from the external circuit.
Electrode + Y + + e → Electrode (Y)
Examples of electrode reactions based on cations include (i) carbon anode in lithium ion batteries: 6C + Li + + e → LiC 6 (charge), (ii) lithium cobalt oxide cathode in lithium ion batteries: 2Li 0.5 CoO 2 + Li + + e → 2LiCoO 2 (discharge), (iii) Ni (OH) 2 cathode in rechargeable alkaline battery: Ni (OH) 2 → NiOOH + H + + e (charge), (iv) MnO in saline Zn / MnO 2 primary battery 2: MnO 2 + H + + e - → HMnO 2 ( discharge) are included.
2. Anion-based electrode reactions : In these reactions, the electrode captures or releases anions X from the electrolyte and electrons from the external circuit.
Electrode + X → Electrode (X) + e
Examples of anion-based electrode reactions include (i) a cadmium anode in a nickel-cadmium alkaline battery: Cd (OH) 2 + 2e → Cd + 2OH (charge) and (ii) a magnesium alloy in a magnesium primary battery Anode: Mg + 2OH → Mg (OH) 2 + 2e (discharge) is included.

[012] 既存の電池は、純粋なカチオン型又は混合イオン型の化学的性質を有する。出願人の知る限りでは、現在純粋なアニオン型の化学的性質を有する電池は知られていない。純粋なカチオン型及び混合イオン型電池の例を以下に示す。
1.純粋なカチオン型の電池:リチウムイオン電池が、純粋なカチオン型化学的性質の例である。リチウムイオン電池についての電極半反応及び電池反応は以下のとおりである。
・炭素アノード:
6C + Li + e → LiC(充電)
・リチウムコバルト酸化物カソード:
2Li0.5CoO + Li + e → 2LiCoO(放電)
・電池反応:
2LiCoO + 6C → 2Li0.5CoO + LiC(電荷)
2Li0.5CoO + LiC → 2LiCoO + 6C(放電)
2.混合イオン型の電池:ニッケル/カドミウムアルカリ電池が、混合イオン型の電池の例である。ニッケル/カドミウムアルカリ電池についての電極半反応及び電池反応は以下のとおりである。
・Ni(OH)カソード(カチオン型):
Ni(OH) → NiOOH + H + e(充電)
・カドミウムアノード(アニオン型):
Cd(OH) + 2e → Cd + 2OH(充電)
・電池反応:
Cd(OH) + 2Ni(OH) → Cd + 2NiOOH + 2HO(充電)
Cd + 2NiOOH + 2HO → Cd(OH) + 2Ni(OH)(放電)
Zn/MnO電池が、混合イオン型の電池の例である。Zn/MnO電池についての電極半反応及び電池反応は以下のとおりである。
・Znアノード(アニオン型):
Zn + 2OH → ZnO + HO + 2e(放電)
・MnOカソード(カチオン型)
MnO + H + e → HMnO(放電)
・電池反応:
Zn + 2MnO + HO → ZnO + 2HMnO(放電)
[012] Existing batteries have pure cation or mixed ion chemistry. To the best of Applicants' knowledge, there are currently no known batteries with pure anionic chemistry. Examples of pure cationic and mixed ion batteries are shown below.
1. Pure cation type battery : Lithium ion batteries are an example of pure cation type chemistry. The electrode half reaction and the battery reaction for the lithium ion battery are as follows.
・ Carbon anode:
6C + Li + + e → LiC 6 (charging)
・ Lithium cobalt oxide cathode:
2Li 0.5 CoO 2 + Li + + e → 2LiCoO 2 (discharge)
・ Battery reaction:
2LiCoO 2 + 6C → 2Li 0.5 CoO 2 + LiC 6 (charge)
2Li 0.5 CoO 2 + LiC 6 → 2LiCoO 2 + 6C (discharge)
2. Mixed ion battery : A nickel / cadmium alkaline battery is an example of a mixed ion battery. The electrode half reactions and battery reactions for nickel / cadmium alkaline batteries are as follows.
Ni (OH) 2 cathode (cation type):
Ni (OH) 2 → NiOOH + H + + e (charge)
・ Cadmium anode (anion type):
Cd (OH) 2 + 2e → Cd + 2OH (charge)
・ Battery reaction:
Cd (OH) 2 + 2Ni (OH) 2 → Cd + 2NiOOH + 2H 2 O (charging)
Cd + 2NiOOH + 2H 2 O → Cd (OH) 2 + 2Ni (OH) 2 (discharge)
A Zn / MnO 2 battery is an example of a mixed ion battery. The electrode half-reaction and battery reaction for the Zn / MnO 2 battery are as follows.
-Zn anode (anionic type):
Zn + 2OH → ZnO + H 2 O + 2e (discharge)
・ MnO 2 cathode (cation type)
MnO 2 + H + + e → HMnO 2 (discharge)
・ Battery reaction:
Zn + 2MnO 2 + H 2 O → ZnO + 2HMnO 2 ( discharge)

[013] 上記から明らかなように、高性能携帯用電子機器に対する急増する需要を含めた様々な重要なデバイス用途向けの二次電気化学セルが当技術分野では必要である。具体的には、優れた安定性及び安全性を示すと同時に有用な電池電圧、比容量及びサイクル寿命を提供することができる二次電気化学セルが必要とされる。一次及び二次電池システムにおけるリチウムの使用に固有の安全性の問題を排除又は低減する、代替の挿入/インターカレーションをベースとする電気化学セルが必要である。   [013] As is apparent from the above, there is a need in the art for secondary electrochemical cells for a variety of important device applications, including the rapidly growing demand for high performance portable electronics. Specifically, there is a need for a secondary electrochemical cell that exhibits excellent stability and safety while at the same time providing useful battery voltage, specific capacity and cycle life. There is a need for alternative insertion / intercalation based electrochemical cells that eliminate or reduce the safety issues inherent in the use of lithium in primary and secondary battery systems.

[発明の概要]
[014] 本発明は、優れた電源性能、特に、高い比エネルギー、有用な放電率能力及び優れたサイクル寿命が可能な電気化学セルを提供する。本発明の電気化学セルは用途が広く、携帯用電子デバイスにおける使用を含めた様々な重要な用途に有用な一次及び二次電池を含む。本発明の電気化学セルはまた、従来の最先端一次リチウム電池及びリチウムイオン二次電池に対して向上した安全性及び安定性をも示す。たとえば、本発明の電気化学セルには、アニオンホスト材料を含む正極及び負極による収容が可能なアニオン電荷キャリアを用いる二次アニオン性電気化学セルが含まれ、これらのアニオン電荷キャリアにより、これらの系における金属リチウム又は溶解したリチウムイオンの必要性が完全に排除される。
[Summary of Invention]
The present invention provides an electrochemical cell capable of excellent power supply performance, particularly high specific energy, useful discharge rate capability and excellent cycle life. The electrochemical cell of the present invention is versatile and includes primary and secondary batteries useful for a variety of important applications, including use in portable electronic devices. The electrochemical cell of the present invention also exhibits improved safety and stability over conventional state-of-the-art primary lithium batteries and lithium ion secondary batteries. For example, the electrochemical cells of the present invention include secondary anionic electrochemical cells that use anionic charge carriers that can be accommodated by positive and negative electrodes containing an anionic host material, and these anionic charge carriers allow these systems The need for metallic lithium or dissolved lithium ions in is completely eliminated.

[015] 本発明は、根本的に新しい一次及び二次電気化学セル類を可能にする新規の活性電極材料の戦略、電解質組成及び電気化学セル設計を提供する。正極及び負極並びに高性能電解質向けのアニオン電荷キャリアホスト材料が提供される。アニオン電荷キャリアホスト材料により、従来の最先端リチウムイオン電池における比エネルギーよりも高い比エネルギーなど、有用な性能属性を実現することができる新たな電気化学セルプラットホームが可能となる。一実施形態において、たとえば、本発明は、約3.5V以上の電池電圧を示すことができる二次電気化学セルを可能にする正極及び負極向けの異なるアニオン電荷キャリアホスト材料の組合せを提供する。加えて、本発明の正極電極材料と負極電極材料との組合せにより、サイクル寿命が大きくサイクル時に優れた放電安定性を示す二次電気化学セルが可能となる。さらに、高い電池電圧におけるデバイスの性能、安定性及び安全性を改善するために重要な相乗的な性能向上を提供する水性及び非水電解質組成物が提供される。たとえば、本発明は、高い電池電圧で安定した放電率が可能な二次電池を提供するアニオン電荷キャリア活性電極ホスト材料と適合するアニオン受容体及び/又はカチオン受容体を有する高性能の電解質を提供する。   [015] The present invention provides novel active electrode material strategies, electrolyte compositions and electrochemical cell designs that enable fundamentally new primary and secondary electrochemical cells. Anionic charge carrier host materials for positive and negative electrodes and high performance electrolytes are provided. Anionic charge carrier host materials enable new electrochemical cell platforms that can achieve useful performance attributes such as specific energy higher than that of conventional state-of-the-art lithium ion batteries. In one embodiment, for example, the present invention provides a combination of different anionic charge carrier host materials for the positive and negative electrodes that allow a secondary electrochemical cell that can exhibit a battery voltage of about 3.5V or greater. In addition, the combination of the positive electrode material and the negative electrode material of the present invention enables a secondary electrochemical cell having a long cycle life and excellent discharge stability during cycling. Furthermore, aqueous and non-aqueous electrolyte compositions are provided that provide synergistic performance enhancements that are important to improve device performance, stability and safety at high battery voltages. For example, the present invention provides high performance electrolytes having anion and / or cation receptors compatible with anion charge carrier active electrode host materials that provide secondary batteries capable of stable discharge rates at high battery voltages To do.

[016] 一態様において、本発明は、アニオンホスト材料を含む正極及び負極による収容が可能なアニオン電荷キャリアを利用するアニオン性電気化学セルを提供する。本発明のこの態様には、一次電気化学セルも二次電気化学セルも共に含まれる。一実施形態において、本発明のこの態様の電気化学セルは、正極と、負極と、正極と負極との間に設けられた電解質とを備え、電解質はアニオン電荷キャリアを伝導することができる。この実施形態の正極及び負極は、電気化学セルの充電又は放電中に電解質とアニオン電荷キャリアを可逆的に交換する異なるアニオンホスト材料を含む。この説明の文脈において、用語「交換する」は、電気化学セルの充電又は放電中に酸化及び還元反応により電極でアニオン電荷キャリアを放出する又は収容することを指す。この文脈において、アニオン電荷キャリアの「収容」には、ホスト材料によるアニオン電荷キャリアの捕獲、ホスト材料へのアニオン電荷キャリアの挿入、ホスト材料へのアニオン電荷キャリアのインターカレーション、及び/又はアニオン電荷キャリアのホスト材料との化学反応が含まれる。収容には、合金形成化学反応、ホスト材料との表面化学反応及び/又はホスト材料とのバルク化学反応が含まれる。   [016] In one aspect, the present invention provides an anionic electrochemical cell that utilizes anionic charge carriers that can be accommodated by a positive electrode and a negative electrode comprising an anionic host material. This aspect of the invention includes both primary and secondary electrochemical cells. In one embodiment, the electrochemical cell of this aspect of the invention comprises a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode, and the electrolyte can conduct anionic charge carriers. The positive and negative electrodes of this embodiment comprise different anionic host materials that reversibly exchange electrolytes and anionic charge carriers during charging or discharging of the electrochemical cell. In the context of this description, the term “exchange” refers to releasing or containing anionic charge carriers at the electrode by oxidation and reduction reactions during charging or discharging of the electrochemical cell. In this context, “accommodation” of anionic charge carriers includes trapping of anionic charge carriers by the host material, insertion of anionic charge carriers into the host material, intercalation of anionic charge carriers into the host material, and / or anionic charge. Includes chemical reaction with carrier host material. Housing includes alloying chemistry, surface chemistry with the host material, and / or bulk chemistry with the host material.

[017] 放電中、正極で起こる還元半反応により、正極から電解質へとアニオン電荷キャリアが放出され、負極で起こる酸化半反応により、負極がアニオン電荷キャリアを収容する。したがって、これらの実施形態において、電気化学セルの放電中、アニオン電荷キャリアが正極から放出され、電解質を通って移動し、負極によって収容される。本発明の二次電気化学セルにおける充電中にはこの速度論的プロセスが反転する。したがって、これらの実施形態における充電中、負極で起こる還元半反応によりアニオン電荷キャリアが電解質へと放出され、正極で起こる酸化半反応により、アニオン電荷キャリアが電解質から正極へと収容される。したがって、電解質を通してアニオン電荷キャリアが輸送され、また正極及び負極に接続している外部回路を通して電子が輸送されるため、電気化学セルの放電及び充電中にアニオン電荷キャリアの放出及び収容が同時に起こる。   [017] During discharge, an anion charge carrier is released from the positive electrode to the electrolyte by a reduction half reaction occurring at the positive electrode, and an anion charge carrier is accommodated by the negative electrode by an oxidation half reaction occurring at the negative electrode. Thus, in these embodiments, during discharge of the electrochemical cell, anionic charge carriers are released from the positive electrode, move through the electrolyte, and are accommodated by the negative electrode. This kinetic process is reversed during charging in the secondary electrochemical cell of the present invention. Therefore, during charging in these embodiments, the anion charge carriers are released to the electrolyte by the reduction half reaction that occurs at the negative electrode, and the anion charge carriers are accommodated from the electrolyte to the positive electrode by the oxidation half reaction that occurs at the positive electrode. Thus, anion charge carriers are transported through the electrolyte, and electrons are transported through an external circuit connected to the positive and negative electrodes, so that release and containment of anionic charge carriers occur simultaneously during discharge and charging of the electrochemical cell.

[018] 本発明のこの態様における電極ホスト材料、電解質及びアニオン電荷キャリアの組成及び相の選択が、有用な電気化学セル構成にアクセスするためには本発明において重要である。第一に、正極及び負極用のアニオンホスト材料並びにアニオン電荷キャリアの組成を選択することにより、少なくとも部分的には、電気化学セルの電池電圧が決定される。したがって、電池電圧が所与の用途に有用となるように、負極で十分に低い標準電極電位を提供するアニオンホスト材料を選択すること、また正極で十分に高い標準電極電位を提供するアニオンホスト材料を選択することが一部の諸実施形態では有益である。第二に、正極及び負極用のアニオンホスト材料、電解質並びにアニオン電荷キャリアの組成を選択することにより、電極における速度論が確立され、したがって電気化学セルの放電率能力が決まる。第三に、充電及び放電中に正極及び負極で基本的な構造の変化又は劣化がない電極ホスト材料、電解質及びアニオン電荷キャリアの使用が、優れたサイクル性能を示す第二電気化学セルには有益である。   [018] The selection of the composition and phase of the electrode host material, electrolyte and anionic charge carrier in this aspect of the invention is important in the present invention to access useful electrochemical cell configurations. First, the battery voltage of the electrochemical cell is determined, at least in part, by selecting the composition of the anion host material for the positive and negative electrodes and the anion charge carrier. Therefore, selecting an anion host material that provides a sufficiently low standard electrode potential at the negative electrode, and an anion host material that provides a sufficiently high standard electrode potential at the positive electrode, such that the battery voltage is useful for a given application Selecting is useful in some embodiments. Second, by selecting the composition of the anion host material for the positive and negative electrodes, the electrolyte, and the anion charge carrier, the kinetics at the electrode is established, thus determining the discharge rate capability of the electrochemical cell. Third, the use of electrode host materials, electrolytes, and anion charge carriers that do not undergo basic structural changes or degradation at the positive and negative electrodes during charge and discharge is beneficial for second electrochemical cells that exhibit superior cycling performance. It is.

[019] この態様の一実施形態において、本発明は、フッ化物イオン(F−1)をアニオン電荷キャリアとして有するフッ化物イオン一次及び二次電気化学セルを提供する。本発明のフッ化物イオン電荷キャリアを利用する電気化学セルは、フッ化物イオン電気化学セルと称される。本発明の電気化学セルにおいてフッ化物イオン電荷キャリアを使用することにより、多くの利点がもたらされる。第一に、低原子質量(18.998AMU)、フッ素の高電子親和力(−328kJmol−1)及びフッ化物イオン(F)の約6V(−3.03V対NHE〜+2.87V対NHE)の酸化還元電圧安定性窓(stability window)により、高電圧、高エネルギー密度及び高比容量を有する電気化学セルがもたらされる。第二に、フッ化物イオンは小さい原子半径を有し、したがって、二次電気化学セルにおけるサイクル時に電極ホスト材料の重大な劣化又は重大な構造変形を生じることがない、多くの電極ホスト材料における可逆的な挿入及び/又はインターカレーション反応に関与することができる。この特性により、サイクル寿命が大きい(たとえば、約500サイクル以上)二次フッ化物イオン電気化学セルがもたらされる。第三に、フッ化物イオンは、有用な範囲の電圧(−3.03V対NHE〜+2.87V対NHE)では電極表面における分解に対して安定で、それにより電気化学セルの性能安定性及び安全性が高まる。第四に、かなりの数のフッ化物イオンホスト材料が正極及び負極に使用可能で、これにより比容量及び電池電圧が大きい電気化学セルがもたらされる。 [019] In one embodiment of this aspect, the present invention provides fluoride ion primary and secondary electrochemical cells having fluoride ions (F -1 ) as anionic charge carriers. The electrochemical cell utilizing fluoride ion charge carriers of the present invention is referred to as a fluoride ion electrochemical cell. The use of fluoride ion charge carriers in the electrochemical cell of the present invention provides many advantages. First, low atomic mass (18.998 AMU), high electron affinity of fluorine (-328 kJmol −1 ) and about 6 V (−3.03 V vs. NHE to +2.87 V vs. NHE) of fluoride ion (F ). A redox voltage stability window results in an electrochemical cell with high voltage, high energy density and high specific capacity. Second, fluoride ions have a small atomic radius, and therefore reversible in many electrode host materials without causing significant degradation or significant structural deformation of the electrode host material during cycling in a secondary electrochemical cell. Can be involved in general insertion and / or intercalation reactions. This property results in a secondary fluoride ion electrochemical cell with a long cycle life (eg, about 500 cycles or more). Third, fluoride ions are stable against degradation at the electrode surface at useful voltage ranges (−3.03 V vs. NHE to +2.87 V vs. NHE), thereby improving the performance stability and safety of the electrochemical cell. Increases nature. Fourth, a significant number of fluoride ion host materials can be used for the positive and negative electrodes, resulting in electrochemical cells with high specific capacity and battery voltage.

[020] 一方、当業者には明らかなように、本発明には、下記を含むがそれらに限定されないフッ化物イオン以外のアニオン電荷キャリアを有する幅広いアニオン性電気化学セル構成が含まれる。

本発明の電気化学セルにおいて有用な他のアニオン電荷キャリアには、式中nが1よりも大きい整数である式C2n+1BF −1を有するアニオン電荷キャリアが含まれる。フッ化物イオン以外のアニオン電荷キャリアの使用には、放電及び充電中にアニオン電荷キャリアを収容することができ、所望の電池電圧及び比容量を提供することができる正極及び負極電極向けの適切なホスト材料を組み込むことが必要となる。一実施形態においては、アニオン電荷キャリアが、OH及びHSO 以外のアニオン、或いはSO 2−である。
[020] On the other hand, as will be apparent to those skilled in the art, the present invention includes a wide range of anionic electrochemical cell configurations having anionic charge carriers other than fluoride ions, including but not limited to the following.

Other anionic charge carriers useful in the electrochemical cells of the present invention include anionic charge carriers having the formula C n F 2n + 1 BF 3 −1 where n is an integer greater than 1 . Use of anionic charge carriers other than fluoride ions is suitable hosts for positive and negative electrodes that can accommodate anionic charge carriers during discharge and charge and can provide the desired battery voltage and specific capacity It is necessary to incorporate materials. In one embodiment, the anionic charge carrier is an anion other than OH and HSO 4 , or SO 4 2− .

[021] 一実施形態において、本発明のフッ化物イオン電気化学セルの電解質は、溶媒及びフッ化物塩を含み、電解質中にフッ化物イオンが発生するように、フッ化物塩は少なくとも部分的には溶解した状態で電解質中に存在する。本発明の電気化学セルにおける電解質は、式中Mが金属でnが0よりも大きい整数である式MFを有するフッ化物塩を含む。一部の諸実施形態においては、たとえば、Mが、Na、K、Rbなどのアルカリ金属である、或いはMがMg、Ca、Srなどのアルカリ土類金属である。諸実施形態においては、従来の最先端リチウム電池及びリチウムイオン電池に対して安全性及び安定性が高まるように、Mがリチウム以外の金属である。一部の諸実施形態においては、電解質中のフッ化物塩の濃度は、約0.1M〜約2.0Mの範囲から選択される。 [021] In one embodiment, the electrolyte of the fluoride ion electrochemical cell of the present invention includes a solvent and a fluoride salt, and the fluoride salt is at least partially such that fluoride ions are generated in the electrolyte. Present in the electrolyte in a dissolved state. The electrolyte in the electrochemical cell of the present invention comprises a fluoride salt having the formula MF n where M is a metal and n is an integer greater than 0. In some embodiments, for example, M is an alkali metal such as Na, K, Rb, or M is an alkaline earth metal such as Mg, Ca, Sr. In various embodiments, M is a metal other than lithium so that safety and stability are enhanced relative to conventional state-of-the-art lithium batteries and lithium ion batteries. In some embodiments, the concentration of the fluoride salt in the electrolyte is selected from the range of about 0.1M to about 2.0M.

[022] フッ化物イオン電気化学セルを含めた本発明のアニオン性電気化学セル用の電解質には、水性電解質及び非水電解質が含まれる。アニオン性電気化学セル向けの有用な電解質組成物は、好ましくは以下の特性のうちの1つ又は複数を有する。第一に、一部の用途向け電解質は、好ましくはアニオン電荷キャリアに関して、たとえば、フッ化物イオンについて高いイオン伝導率を有する。たとえば、本発明において有用な一部の電解質は、溶媒、溶媒混合物、及び/又は0.0001Scm−1以上、0.001Scm−1以上、又は0.005Scm−1以上の、フッ化物イオンアニオン電荷キャリアなどのアニオン電荷キャリア向けの伝導率を提供する添加剤を含む。第二に、一部の諸実施形態用の電解質が、電解質中に有用な濃度でアニオン電荷キャリア源が提供されるように、フッ化物塩などの電解質塩を溶解させることができる。第三に、本発明の電解質は、好ましくは電極における分解に対して安定である。たとえば、本発明の一実施形態の電解質は、溶媒と、電解質塩と、添加剤と、約4.5V以上の正極電圧と負極電圧との差など、高い電極電圧で安定であるアニオン電荷キャリアとを含む。第四に、一部の用途にとって好ましい本発明の電解質は、難燃性など優れた安全特性を示す。 [022] The electrolyte for the anionic electrochemical cell of the present invention including the fluoride ion electrochemical cell includes an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte. Useful electrolyte compositions for anionic electrochemical cells preferably have one or more of the following properties. First, electrolytes for some applications preferably have high ionic conductivity with respect to anionic charge carriers, for example for fluoride ions. For example, the electrolyte of part useful in the present invention, solvent, solvent mixture, and / or 0.0001Scm -1 or more, 0.001Scm -1 or higher, or 0.005Scm -1 or more, fluoride ion anion charge carriers Including additives that provide conductivity for anionic charge carriers. Second, an electrolyte salt, such as a fluoride salt, can be dissolved so that the electrolyte for some embodiments provides an anion charge carrier source at a useful concentration in the electrolyte. Third, the electrolyte of the present invention is preferably stable against decomposition at the electrode. For example, the electrolyte of one embodiment of the present invention comprises a solvent, an electrolyte salt, an additive, an anionic charge carrier that is stable at a high electrode voltage, such as the difference between a positive electrode voltage and a negative electrode voltage of about 4.5 V or higher. including. Fourth, the electrolyte of the present invention preferable for some applications exhibits excellent safety characteristics such as flame retardancy.

[023] 場合により、本発明の電気化学セルの電解質は、1種又は複数種の添加剤を含む。一実施形態において、電解質は、フッ化物塩のフッ化物イオンを配位させることができるフッ化物イオンアニオン受容体などのアニオン受容体、及び/又はカチオン受容体、たとえば、フッ化物塩の金属イオンを配位させることができるカチオン受容体を含む。本発明における有用なアニオン受容体には、フッ素化ボラン類、フッ素化ボロナート類、フッ素化ボラート類、フェニルボロンをベースとする化合物、アザ−エーテルボロンをベースとする化合物など、電子求引性配位子を有するフッ素化ホウ素をベースとするアニオン受容体が含まれるがこれらに限定されない。本発明の電気化学セルの電解質向けの有用なカチオン受容体には、クラウンエーテル類、ラリアートエーテル類、メタラクラウン(metallacrown)エーテル類、カリックスクラウン類(calixcrowns)(たとえば、カリックス(アザ)クラウン類)、テトラチアフルバレンクラウン類、カリックスアレン類、カリックス[4]アレンジキノン類、テトラチアフルバレン類、ビス(カリックスクラウン)テトラチアフルバレン類、及びこれらの誘導体が含まれるが、これらに限定されない。一部の諸実施形態において、本発明の電解質は、他の無機、有機又は気体状添加剤を含む。本発明の電解質中の添加物は、たとえば、固体電解質界面(SEI)の形成を促進することによって、又は放電生成物の蓄積(buildup)を減少させることによって、(i)アニオン電荷キャリアの伝導率を高める、(ii)可燃性を低下させる、(iii)電極濡れ性を高める、(iv)電子伝導率を低下させる、また(v)電極におけるアニオン電荷キャリアの速度論を強化するために有用である。一実施形態において、電解質は下記のようなルイス酸又はルイス塩基を含むが、これらに限定されない。

(R=H又はアルキル基C2n+1、n=整数)
[023] In some cases, the electrolyte of the electrochemical cell of the present invention includes one or more additives. In one embodiment, the electrolyte contains an anion receptor, such as a fluoride ion anion receptor capable of coordinating fluoride ions of a fluoride salt, and / or a cation acceptor, eg, a metal ion of a fluoride salt. Includes cation receptors that can be coordinated. Useful anion receptors in the present invention include electron-withdrawing coordinates such as fluorinated boranes, fluorinated boronates, fluorinated borates, compounds based on phenylboron, compounds based on aza-etherboron, and the like. Examples include, but are not limited to, fluorinated boron fluoride based anion receptors. Useful cation receptors for the electrolyte of the electrochemical cell of the present invention include crown ethers, lariat ethers, metallacrown ethers, calixcrowns (eg, calix crowns). , Tetrathiafulvalene crowns, calixarenes, calix [4] arenequinones, tetrathiafulvalenes, bis (calixcrown) tetrathiafulvalenes, and derivatives thereof, but are not limited to these. In some embodiments, the electrolyte of the present invention includes other inorganic, organic, or gaseous additives. Additives in the electrolytes of the present invention can, for example, promote the formation of a solid electrolyte interface (SEI) or reduce the build-up of discharge products (i) conductivity of anionic charge carriers. Useful for enhancing (ii) reducing flammability, (iii) increasing electrode wettability, (iv) reducing electronic conductivity, and (v) enhancing the kinetics of anion charge carriers at the electrode is there. In one embodiment, the electrolyte includes, but is not limited to, Lewis acids or Lewis bases as described below.

(R = H or alkyl group C n H 2n + 1 , n = integer)

[024] 本発明のフッ化物イオン電気化学セルの正極及び負極用活物質は、電気化学セルの放電及び充電中に電解質からのフッ化物イオンを収容することができるフッ化物イオンホスト材料を含む。この文脈において、フッ化物イオンの収容には、ホスト材料へのフッ化物イオンの挿入、ホスト材料へのフッ化物イオンのインターカレーション、及び/又はフッ化物イオンのホスト材料との反応が含まれる。収容には、合金形成反応、表面反応及び/又はホスト材料とのバルク反応が含まれる。サイクル時のフッ化物イオンホスト材料の重大な劣化なしに電解質とフッ化物イオンを可逆的に交換することができるフッ化物イオンホスト材料を使用することが、本発明の二次フッ化物イオン電池には好ましい。   [024] The active material for positive electrode and negative electrode of the fluoride ion electrochemical cell of the present invention includes a fluoride ion host material that can accommodate fluoride ions from the electrolyte during discharge and charge of the electrochemical cell. In this context, the inclusion of fluoride ions includes insertion of fluoride ions into the host material, intercalation of fluoride ions into the host material, and / or reaction of fluoride ions with the host material. Housing includes alloying reactions, surface reactions and / or bulk reactions with host materials. The secondary fluoride ion battery of the present invention uses a fluoride ion host material that can reversibly exchange electrolyte and fluoride ions without significant deterioration of the fluoride ion host material during cycling. preferable.

[025] 一実施形態においては、本発明のフッ化物イオン電気化学セルの負極が、標準還元電位が低い、好ましくは一部の用途では約−1V以下、より好ましくは一部の用途では約−2V以下である、フッ化物化合物などのフッ化物イオンホスト材料を含む。本発明の電気化学セルの負極向けの有用なフッ化物イオンホスト材料には、LaF、CaF、AlF、EuF、LiC、LiSi、LiGe、Li(CoTiSn)、SnF、InF、VF、CdF、CrF、FeF、ZnF、GaF、TiF、NbF、MnF、YbF、ZrF、SmF、LaF及びCeFが含まれるが、これらに限定されない。電気化学セルの負極向けの好ましいフッ化物ホスト材料は、式中Mがアルカリ土類金属(Mg、Ca、Ba)である、Mが遷移金属である、Mが第一3族(B、Al、Ga、In、Tl)に属する、又はMが希土類元素(57と71との間の原子番号Z)である元素フッ化物MFである。本発明には、アニオンイオン電荷キャリアを含むフッ化物イオンを可逆的に交換することができる1種又は複数種のポリマーを含む負極フッ化物イオンホスト材料も含まれる。このような共役ポリマーの例は、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン及びポリパラフェニレンであるが、これらに限定されない。本発明における負極に有用なポリマー材料は、本明細書中の開示と矛盾しない程度まで参照により本明細書中に援用されるManecke,G.and Strock,W.,in“Encyclopedia of Polymer Science and Engineering,2nd Edition,Kroschwitz,J.,I.,Editor.John Wiley,New York,1986,vol.5,pp.725−755にさらに記載され、説明されている。 [025] In one embodiment, the negative electrode of the fluoride ion electrochemical cell of the present invention has a low standard reduction potential, preferably about -1 V or less for some applications, more preferably about- Fluoride ion host materials such as fluoride compounds that are 2 V or less are included. Useful fluoride ion host materials for negative electrodes of electrochemical cells of the present invention, LaF x, CaF x, AlF x, EuF x, LiC 6, Li x Si, Li x Ge, Li x (CoTiSn), SnF x, InF x, VF x, CdF x, CrF x, FeF x, ZnF x, GaF x, TiF x, NbF x, MnF x, YbF x, ZrF x, SmF x, including but LaF x and CeF x However, it is not limited to these. Preferred fluoride host materials for the negative electrode of an electrochemical cell are those in which M is an alkaline earth metal (Mg, Ca, Ba), M is a transition metal, and M is a Group 1 (B, Al, Elemental fluoride MF x belonging to Ga, In, Tl) or M is a rare earth element (atomic number Z between 57 and 71). The present invention also includes negative electrode fluoride ion host materials comprising one or more polymers capable of reversibly exchanging fluoride ions containing anionic ion charge carriers. Examples of such conjugated polymers are, but are not limited to, polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene and polyparaphenylene. Polymeric materials useful for the negative electrode in the present invention can be found in Manecke, G., incorporated herein by reference to the extent not inconsistent with the disclosure herein. and Strock, W.M. , In "Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2 nd Edition, Kroschwitz, J., I., Editor.John Wiley, New York, 1986, vol.5, are further described in pp.725-755, it has been described .

[026] 一実施形態においては、本発明のフッ化物イオン電気化学セルの正極が、標準還元電位が高い、好ましくは一部の用途では約1V以上、より好ましくは一部の用途では約2V以上である、フッ化物化合物などのフッ化物イオンホスト材料を含む。一実施形態において、正極のフッ化物イオンホスト材料は、フッ化物イオン層間化合物を生成するためにフッ化物イオンを収容することができるインターカレーションホスト材料である。「インターカレーション」とは、フッ化物イオンなどの移動性ゲストイオンの挿入を伴う電気化学的電荷移動プロセスを含むホスト/ゲスト固相酸化還元反応によりホスト材料にイオンを挿入して層間化合物を生成するプロセスを指す。ホスト材料の主な構造的特徴は、インターカレーションによるゲストイオンの挿入後に保存される。一部のホスト材料においては、インターカレーションとは、ゲストイオンが層状ホスト材料の層間ギャップ(たとえば、ギャラリー)に引き付けられるプロセスを指す。   [026] In one embodiment, the positive electrode of the fluoride ion electrochemical cell of the present invention has a high standard reduction potential, preferably about 1 V or higher for some applications, more preferably about 2 V or higher for some applications. A fluoride ion host material such as a fluoride compound. In one embodiment, the positive electrode fluoride ion host material is an intercalation host material that can accommodate fluoride ions to form fluoride ion intercalation compounds. “Intercalation” refers to the formation of intercalation compounds by inserting ions into a host material by a host / guest solid-phase redox reaction that includes an electrochemical charge transfer process involving the insertion of mobile guest ions such as fluoride ions. Refers to the process to do. The main structural features of the host material are preserved after insertion of guest ions by intercalation. In some host materials, intercalation refers to a process in which guest ions are attracted to the interlayer gap (eg, gallery) of the layered host material.

[027] 本発明の電気化学セルの正極向けの有用なフッ化物イオンホスト材料には、CFx、AgFx、CuFx、NiFx、CoFx、PbFx、CeFx、MnFx、AuFx、PtFx、RhFx、VFx、OsFx、RuFx及びFeFxが含まれるが、これらに限定されない。一実施形態においては、正極のフッ化物イオン材料が式CFxを有する部分フッ素化炭素質材料であり、式中xが炭素原子に対するフッ素原子の平均原子比率であり、約0.3〜約1.0の範囲から選択される。この実施形態の正極向けの有用な炭素質材料は、黒鉛、コークス、マルチウォールカーボンナノチューブ、多層カーボンナノ繊維、多層カーボンナノ粒子、カーボンナノウイスカ及びカーボンナノロッドからなる群から選択される。本発明には、アニオンイオン電荷キャリアを含むフッ化物イオンを可逆的に交換することができる1種又は複数種のポリマーを含む正極フッ化物イオンホスト材料も含まれる。正極に有用なこのような共役ポリマーの例には、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン及びポリパラフェニレンが含まれるが、これらに限定されない。   [027] Useful fluoride ion host materials for the positive electrode of the electrochemical cell of the present invention include CFx, AgFx, CuFx, NiFx, CoFx, PbFx, CeFx, MnFx, AuFx, PtFx, RhFx, VFx, OsFx, RuFx And FeFx, but are not limited to these. In one embodiment, the positive electrode fluoride ion material is a partially fluorinated carbonaceous material having the formula CFx, where x is the average atomic ratio of fluorine atoms to carbon atoms, from about 0.3 to about 1. A range of 0 is selected. Useful carbonaceous materials for the positive electrode of this embodiment are selected from the group consisting of graphite, coke, multi-wall carbon nanotubes, multi-walled carbon nanofibers, multi-walled carbon nanoparticles, carbon nanowhiskers, and carbon nanorods. The present invention also includes a cathode fluoride ion host material comprising one or more polymers capable of reversibly exchanging fluoride ions containing anionic ion charge carriers. Examples of such conjugated polymers useful for the positive electrode include, but are not limited to, polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene and polyparaphenylene.

[028] 一態様において、本発明は、リチウムイオン電池など最先端の電気化学セルに対して強化されたデバイス性能を示すフッ化物イオン電気化学セルを提供する。フッ化物イオン電気化学セルにおける正極及び負極向けの一部のフッ化物イオンホスト材料の組合せは、有用なデバイス性能にアクセスするために特に有益である。たとえば、xが約0.3〜1の範囲にわたって選択される部分フッ素化CF正極と、LiC又はLaFを含む負極とを使用することは、約4V以上、一部の諸実施形態においては約4.5V以上の平均動作電池電圧にアクセスするために有用である。優れたデバイス性能をもたらす本発明の他の有用な正極ホスト材料/負極ホスト材料の組合せには、CuFx/LaFx、AgFx/LaFx、CoFx/LaFx、NiFx/LaFx、MnFx/LaFx、CuFx/AlFx、AgFx/AlFx、NiFx/AlFx、NiFx/ZnFx、AgFx/ZnFx及びMnFx/ZnFxが含まれる(電極の組合せを示すために、[正極ホスト材料]/[負極ホスト材料]に対応する慣習を使用する)。 [028] In one aspect, the present invention provides fluoride ion electrochemical cells that exhibit enhanced device performance relative to state-of-the-art electrochemical cells such as lithium ion batteries. The combination of some fluoride ion host materials for the positive and negative electrodes in fluoride ion electrochemical cells is particularly beneficial for accessing useful device performance. For example, using a partially fluorinated CF x positive electrode where x is selected over a range of about 0.3-1 and a negative electrode comprising LiC 6 or LaF x is about 4 V or higher, in some embodiments Is useful for accessing average operating battery voltages above about 4.5V. Other useful positive electrode / negative electrode host material combinations of the present invention that provide superior device performance include CuFx / LaFx, AgFx / LaFx, CoFx / LaFx, NiFx / LaFx, MnFx / LaFx, CuFx / AlFx, AgFx / AlFx, NiFx / AlFx, NiFx / ZnFx, AgFx / ZnFx and MnFx / ZnFx (the convention corresponding to [positive electrode host material] / [negative electrode host material] is used to indicate electrode combinations).

[029] 一実施形態においては、本発明のフッ化物イオン電気化学セルは、約3.5V以上の平均動作電池電圧、好ましくは一部の用途では約4.5V以上の平均動作電池電圧を有する。一実施形態において、本発明のフッ化物イオン電気化学セルは、約300Whkg−1以上、好ましくは約400Whkg−1以上の比エネルギーを有する。一実施形態において、本発明は、約500サイクル以上のサイクル寿命を有するフッ化物イオン二次電気化学セルを提供する。 [029] In one embodiment, the fluoride ion electrochemical cell of the present invention has an average operating battery voltage of about 3.5V or higher, preferably an average operating battery voltage of about 4.5V or higher for some applications. . In one embodiment, the fluoride ion electrochemical cell of the present invention is from about 300Whkg -1 or more, preferably about 400Whkg -1 or more specific energy. In one embodiment, the present invention provides a fluoride ion secondary electrochemical cell having a cycle life of about 500 cycles or more.

[030] 本発明の電解質向けの有用な溶媒は、フッ化物塩などの電解質塩を少なくとも部分的に溶解させることができ、これらの溶媒には、プロピレンカーボネート、ニトロメタン、トルエン(tol)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピルメチルカーボネート(PMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルブチレート(MB、20℃)、n−プロピルアセテート(PA)、エチルアセテート(EA)、メチルプロピオネート(MP)、メチルアセテート(MA)、4−メチル−1,3−ジオキソラン(4MeDOL)(C)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)(C10O)、1,2ジメトキシエタン(DME)、メチルホルメート(MF)(C)、ジクロロメタン(DCM)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)(C)、プロピレンカーボネート(PC)(C)、エチレンカーボネート(EC、40℃)(C)からなる群から選択される1種又は複数種の溶媒が含まれるが、これらに限定されない。溶媒、電解質塩及びアニオン電荷キャリアの完全に又は部分的にフッ素化された類似体を含む電解質及びそれらの成分は、一部の用途には有益である。というのは、これらの材料のフッ素化は、高い電極電圧における分解に対する安定性が高まり、難燃性など有益な安全特性をもたらすからである。この説明の文脈において、フッ素類似体には、(i)溶媒、塩又はアニオン電荷キャリア分子の各水素原子がフッ素原子に置換されている完全にフッ素化された類似体と、(ii)溶媒、塩又はアニオン電荷キャリア分子の少なくとも1つの水素原子がフッ素原子に置換されている部分的にフッ素化された類似体とが含まれる。電解質中の好ましいアニオン電荷キャリアには、下記アニオン電荷キャリアが含まれるが、これらに限定されない。
[030] Useful solvents for the electrolytes of the present invention can at least partially dissolve electrolyte salts such as fluoride salts, which include propylene carbonate, nitromethane, toluene (tol), ethyl methyl Carbonate (EMC), propyl methyl carbonate (PMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), methyl butyrate (MB, 20 ° C.), n-propyl acetate (PA), ethyl acetate (EA), methyl pro Pionate (MP), methyl acetate (MA), 4-methyl-1,3-dioxolane (4MeDOL) (C 4 H 8 O 2 ), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF) (C 5 H 10 O), 1, 2 dimethoxyethane (DME), methyl formate (MF) (C 2 4 O 2), dichloromethane (DCM), .gamma.-butyrolactone (γ-BL) (C 4 H 6 O 2), propylene carbonate (PC) (C 4 H 6 O 3), ethylene carbonate (EC, 40 ℃) ( One or a plurality of solvents selected from the group consisting of (C 3 H 4 O 3 ) are included, but not limited thereto. Electrolytes and their components, including fully or partially fluorinated analogs of solvents, electrolyte salts and anionic charge carriers, are useful for some applications. This is because the fluorination of these materials increases the stability to decomposition at high electrode voltages and provides beneficial safety properties such as flame retardancy. In the context of this description, the fluorine analog includes (i) a fully fluorinated analog in which each hydrogen atom of the solvent, salt or anionic charge carrier molecule is replaced with a fluorine atom, and (ii) a solvent, And partially fluorinated analogs in which at least one hydrogen atom of the salt or anionic charge carrier molecule is replaced by a fluorine atom. Preferred anionic charge carriers in the electrolyte include, but are not limited to, the following anionic charge carriers.

[031] 以下の文献には、完全にフッ素化された、また部分的フッ素化された溶媒、塩及びアニオン電荷キャリアを含めた、本発明の諸実施形態において有用な電解質組成物が記載されている。これらの文献は、本開示と矛盾しない程度まで参照によりそれら全体が本明細書中に援用される。(1)Li[CBF] as an Electrolyte Salt for 4V Class Lithium−Ion Cells,Zhi−Bin Zhou,Masayuki takeda,Takashi Fujii,Makoto Ue,Journal of Electrochemical Society,152(2):A351−A356,2005;(2)Fluorinated Superacidic Systems,George A.Olah,Surya G.K.Prakash,Alain Goeppert,Actualite Chimique,68−72 Suppl.301−302,Oct−Nov 2006;(3)Electrochemical properties of Li[C2n+1BF] as Electrolyte Salts for Lithium−ion Cells,Makoto Ue,Takashi Fujii,Zhi−Bin Zhou,Masayuki Takeda,Shinichi Kinoshita,Solid State Ionics,177:323−331,2006;(4)Anodic Stability of Several Anions Examined by AB Initio Molecular Orbital and Density Functional Theories,Makoto Ue,Akinori Murakami,Shinichiro Nakamura,Journal of Electrochemical Society,149(12):A1572−A1577,2002;(5)Intrinsic Anion Oxidation Potentials,Patrik Johansson,Journal of Physical Chemistry,110_12077−12080,2006;(6)Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium−based Rechargeable Batteries,Kang Xu,Chem.Rev.,104:4303−4417,2004;(7)The Electrochemical Oxidation of Polyfluorophenyltrifluoroborate Anions in Acetonitrile,Leonid A.Shundrin,Vadim V.Bardin,Hermann−Josef Frohn,Z.Anorg.Allg.Chem.630:1253−1257,2004 [031] The following references describe electrolyte compositions useful in embodiments of the present invention, including fully fluorinated and partially fluorinated solvents, salts and anionic charge carriers. Yes. These documents are incorporated herein by reference in their entirety to the extent that they are not inconsistent with the present disclosure. (1) Li [C 2 F 5 BF 3] as an Electrolyte Salt for 4V Class Lithium-Ion Cells, Zhi-Bin Zhou, Masayuki takeda, Takashi Fujii, Makoto Ue, Journal of Electrochemical Society, 152 (2): A351- (356) Fluorinated Superacid Systems, George A. A356, 2005; Olah, Surya G .; K. Prakash, Alain Goeppert, Actulite Chimique, 68-72 Suppl. 301-302, Oct-Nov 2006; (3) Electrochemical properties of Li [C n F 2n + 1 BF 3, as Electroly Salts for Lithium-ion Cells, Makito Ue, Hakoto Ue, Takatoh. Solid State Ionics, 177: 323-331, 2006; (4) Anodical Severity of Severe Extensive by AB Initial Molecular Orbital and Density mi, Shinichiro Nakamura, Journal of Electrochemical Society, 149 (12): A1572-A1577,2002; (5) Intrinsic Anion Oxidation Potentials, Patrik Johansson, Journal of Physical Chemistry, 110_12077-12080,2006; (6) Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-based Rechargeable Batteries, Kang Xu, Chem. Rev. 104: 4303-4417, 2004; (7) The Electrochemical Oxidation of Polyfluorinated trifluorate Anions in Acetonitrile, Leonid A., et al. Shundrin, Vadim V.D. Bardin, Hermann-Josef Fron, Z. Anorg. Allg. Chem. 630: 1253-1257, 2004

[032] 別の態様において、本発明は、電気化学セルを作製するための方法を提供する。この方法は、(i)正極を設けるステップと、(ii)負極を設けるステップと、(iii)正極と負極との間に、アニオン電荷キャリアを伝導することができる電解質を設けるステップとを含む方法であって、正極及び負極が、電気化学セルの充電又は放電中に電解質とアニオン電荷キャリアを可逆的に交換することができる。   [032] In another aspect, the present invention provides a method for making an electrochemical cell. The method includes: (i) providing a positive electrode; (ii) providing a negative electrode; and (iii) providing an electrolyte capable of conducting anion charge carriers between the positive electrode and the negative electrode. Thus, the positive and negative electrodes can reversibly exchange electrolytes and anionic charge carriers during charging or discharging of the electrochemical cell.

[033] 別の態様において、本発明は、電流を発生させるための方法を提供する。この方法は、(i)電気化学セルを提供するステップと、(ii)電気化学セルを放電するステップとを含み、電気化学セルが、正極と、負極と、正極と負極との間に設けられ、アニオン電荷キャリアを伝導することができる電解質とを備え、正極及び負極が、電気化学セルの充電又は放電中に電解質とアニオン電荷キャリアを可逆的に交換することができる。本発明のこの態様の方法は、電気化学セルを充電するステップをさらに含むことができる。本発明のこの態様の一部の諸実施形態においては、アニオン電荷キャリアがフッ化物イオン(F)である。 [033] In another aspect, the present invention provides a method for generating a current. The method includes (i) providing an electrochemical cell; and (ii) discharging the electrochemical cell, the electrochemical cell being provided between the positive electrode, the negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode. And an electrolyte capable of conducting anionic charge carriers, wherein the positive and negative electrodes can reversibly exchange the electrolyte and anionic charge carriers during charging or discharging of the electrochemical cell. The method of this aspect of the invention can further comprise charging the electrochemical cell. In some embodiments of this aspect of the invention, the anionic charge carrier is a fluoride ion (F ).

[034] 一態様において、本発明はフッ化物イオン二次電気化学セルを提供する。このフッ化物イオン二次電気化学セルは、(i)第一のフッ化物イオンホスト材料を含み、第一の標準電極電位を有する正極と、(ii)第二のフッ化物イオンホスト材料を含み、第二の標準電極電位を有する負極であって、前記第一の標準電極電位と前記第二の標準電極電位との差が約3.5V以上である負極と、(iii)前記正極と前記負極との間に設けられ、フッ化物イオン電荷キャリアを伝導することができ、フッ化物塩及び溶媒を含む電解質であって、前記フッ化物塩の少なくとも一部が溶解した状態で存在し、それにより前記電解質中に前記フッ化物イオン電荷キャリアが発生する電解質とを備え、前記正極及び負極が、前記電気化学セルの充電又は放電中に前記電解質と前記フッ化物イオン電荷キャリアを可逆的に交換することができる。本発明のこの態様の一部の諸実施形態においては、アニオン電荷キャリアがフッ化物イオン(F)である。 [034] In one aspect, the present invention provides a fluoride ion secondary electrochemical cell. The fluoride ion secondary electrochemical cell includes (i) a first fluoride ion host material, a positive electrode having a first standard electrode potential, and (ii) a second fluoride ion host material, A negative electrode having a second standard electrode potential, wherein the difference between the first standard electrode potential and the second standard electrode potential is about 3.5 V or more; (iii) the positive electrode and the negative electrode An electrolyte comprising a fluoride salt and a solvent, wherein at least part of the fluoride salt is present in a dissolved state, whereby the electrolyte An electrolyte that generates fluoride ion charge carriers in an electrolyte, and the positive electrode and the negative electrode reversibly exchange the electrolyte and fluoride ion charge carriers during charging or discharging of the electrochemical cell. Door can be. In some embodiments of this aspect of the invention, the anionic charge carrier is a fluoride ion (F ).

[本発明の詳細な説明]
[057] 図面を参照すると、同じ数字は同じ要素を示し、2つ以上の図面に現れる同じ番号は同じ要素を指す。加えて、以降では以下の定義が適用される。
[Detailed Description of the Invention]
[057] Referring to the drawings, like numerals indicate like elements and the same number appearing in more than one drawing refers to the same element. In addition, the following definitions apply below.

[058] 「標準電極電位」(E)とは、溶質の濃度が1M、ガス圧力が1atm、温度が摂氏25度である場合の電極電位を指し、本明細書中で使用する標準電極電位は、標準水素電極に対して測定される。 “Standard electrode potential” (E o ) refers to the electrode potential when the solute concentration is 1 M, the gas pressure is 1 atm, and the temperature is 25 degrees Celsius. The standard electrode potential used in this specification Is measured against a standard hydrogen electrode.

[059] 「アニオン電荷キャリア」とは、電気化学セルの放電及び充電中に正極と負極との間と移動する、電気化学セルの電解質中で提供される負に荷電したイオンを指す。本発明の電気化学セルにおいて有用なアニオン電荷キャリアには、フッ化物イオン(F)及び以下の他のアニオンが含まれるが、これらに限定されない。
[059] "Anionic charge carriers" refer to negatively charged ions provided in the electrolyte of an electrochemical cell that move between the positive and negative electrodes during discharge and charging of the electrochemical cell. Anionic charge carriers useful in the electrochemical cells of the present invention include, but are not limited to, fluoride ions (F ) and the following other anions.

[060] 「フッ化物イオンホスト材料」とは、フッ化物イオンを収容することができる材料を指す。この文脈において、収容することには、ホスト材料へのフッ化物イオンの挿入、ホスト材料へのフッ化物イオンのインターカレーション、及び/又はフッ化物イオンのホスト材料との反応が含まれる。本発明の電気化学セルにおける正極又は負極向けの有用なフッ化物イオンホスト材料には、LaF、CaF、AlF、EuF、LiC、LiSi、LiGe、Li(CoTiSn)、SnF、InF、VF、CdF、CrF、FeF、ZnF、GaF、TiF、NbF、MnF、YbF、ZrF、SmF、LaF及びCeF、CFx、AgFx、CuFx、NiFx、CoFx、PbFx、CeFx、MnFx、AuFx、PtFx、RhFx、VFx、OsFx、RuFx及びFeFxが含まれるが、これらに限定されない。電気化学セルの負極向けの好ましいフッ化物ホスト材料は元素フッ化物MFであり、式中Mがアルカリ土類金属(Mg、Ca、Ba)である、Mが遷移金属である、Mが第一3族(B、Al、Ga、In、Tl)に属する、又はMが希土類元素(57と71との間の原子番号Z)である。 [060] "Fluoride ion host material" refers to a material that can accommodate fluoride ions. In this context, housing includes insertion of fluoride ions into the host material, intercalation of fluoride ions into the host material, and / or reaction of fluoride ions with the host material. Useful fluoride ion host material of the positive electrode or the negative electrode for the electrochemical cells of the present invention, LaF x, CaF x, AlF x, EuF x, LiC 6, Li x Si, Li x Ge, Li x (CoTiSn) , SnF x, InF x, VF x, CdF x, CrF x, FeF x, ZnF x, GaF x, TiF x, NbF x, MnF x, YbF x, ZrF x, SmF x, LaF x and CeF x, CFx , AgFx, CuFx, NiFx, CoFx, PbFx, CeFx, MnFx, AuFx, PtFx, RhFx, VFx, OsFx, RuFx and FeFx. A preferred fluoride host material for the negative electrode of an electrochemical cell is elemental fluoride MF x , where M is an alkaline earth metal (Mg, Ca, Ba), M is a transition metal, M is the first It belongs to Group 3 (B, Al, Ga, In, Tl) or M is a rare earth element (atomic number Z between 57 and 71).

[061] 「インターカレーション」とは、フッ化物イオンなどの移動性ゲストイオンの挿入を伴う電気化学的電荷移動プロセスを含む、ホスト/ゲスト固相酸化還元反応により、ホスト材料にイオンを挿入して層間化合物を生成するプロセスを指す。ホスト材料の主な構造的特徴は、インターカレーションによるゲストイオンの挿入後に保存される。一部のホスト材料においては、インターカレーションとは、ゲストイオンが層状ホスト材料の層間ギャップ(たとえば、ギャラリー)に引き付けられるプロセスを指す。層間化合物の例には、層状フッ化物ホスト材料や炭素ホスト材料などのホスト材料にフッ化物イオンが挿入されているフッ化物イオン層間化合物が含まれる。本発明の電極用の層間化合物を形成するために有用なホスト材料には、CF、FeFx、MnFx、NiFx、CoFx、LiC6、LixSi及びLixGeが含まれるが、これらに限定されない。 [061] "Intercalation" refers to the insertion of ions into a host material by a host / guest solid-phase redox reaction, including an electrochemical charge transfer process involving the insertion of mobile guest ions such as fluoride ions. Refers to the process of forming intercalation compounds. The main structural features of the host material are preserved after insertion of guest ions by intercalation. In some host materials, intercalation refers to a process in which guest ions are attracted to the interlayer gap (eg, gallery) of the layered host material. Examples of intercalation compounds include fluoride ion intercalation compounds in which fluoride ions are inserted into a host material such as a layered fluoride host material or a carbon host material. Useful host material to form an interlayer compound for an electrode of the present invention, CF x, FeFx, MnFx, NiFx, CoFx, LiC6, including but LixSi and LixGe, but are not limited to.

[062] 用語「電気化学セル」とは、化学エネルギーを電気エネルギーに、又は電気エネルギーを化学エネルギーに変換するデバイス及び/又はデバイス構成要素を指す。電気化学セルは、2つ以上の電極(たとえば、正極及び負極)と、電解質とを有し、電極表面で起こる電極反応により電荷移動プロセスがもたらされる。電気化学セルには、一次電池、二次電池及び電気分解システムが含まれるが、これらに限定されない。一般的な電池及び/又は電池の構造は当技術分野で公知である。たとえば、米国特許第6489055号明細書、第4052539号明細書、第6306540号明細書、Seel and Dahn J.Electrochem.Soc.147(3)892−898(2000)を参照のこと。   [062] The term "electrochemical cell" refers to devices and / or device components that convert chemical energy into electrical energy or electrical energy into chemical energy. An electrochemical cell has two or more electrodes (eg, a positive electrode and a negative electrode) and an electrolyte, and an electrode reaction that occurs at the electrode surface results in a charge transfer process. Electrochemical cells include, but are not limited to, primary batteries, secondary batteries and electrolysis systems. Common batteries and / or battery structures are known in the art. For example, US Pat. Nos. 6,489,055, 4,052,539, 6,306,540, Seel and Dahn J., et al. Electrochem. Soc. 147 (3) 892-898 (2000).

[063] 用語「容量」は、電池などの電気化学セルが保持することが可能な電荷の総量を指す、電気化学セルの一特性である。容量は通常、アンペア−時間の単位で表される。用語「比容量(specific capacity)」は、電池などの電気化学セルの、単位重量当たりの出力容量を指す。比容量は通常、アンペア−時間kg−1の単位で表される。 [063] The term "capacity" is a characteristic of an electrochemical cell that refers to the total amount of charge that an electrochemical cell, such as a battery, can hold. Capacity is usually expressed in units of ampere-hours. The term “specific capacity” refers to the output capacity per unit weight of an electrochemical cell such as a battery. Specific capacity is usually expressed in units of ampere-hour kg- 1 .

[064] 用語「放電率(discharge rate)」とは、電気化学セルを放電する電流を指す。放電電流は、アンペア−時間の単位で表すことができる。或いは、放電電流を、電気化学セルの定格容量に正規化することができ、式中Cが電気化学セルの容量であり、Xが変数であり、tが本明細書中で使用する1時間に等しい規定の単位時間であるC/(Xt)で表すことができる。   [064] The term "discharge rate" refers to the current that discharges an electrochemical cell. The discharge current can be expressed in units of ampere-hours. Alternatively, the discharge current can be normalized to the rated capacity of the electrochemical cell, where C is the capacity of the electrochemical cell, X is a variable, and t is 1 hour as used herein. It can be expressed by C / (Xt) which is an equal specified unit time.

[065] 「電流密度」とは、単位電極面積当たりに流れる電流を指す。一部の諸実施形態において、正極、負極又は両者がナノ構造材料である。用語「ナノ構造」とは、少なくとも1つの物理的寸法(たとえば、高さ、幅、長さ、断面寸法)が約1ミクロン未満である複数の不連続構造ドメインを有する材料及び/又は構造を指す。この文脈において、構造ドメインとは、特徴的な組成、形態及び/又は相を有する材料又は構造の特徴、成分又は一部分を指す。正極活物質として有用なナノ構造材料には、複数のフッ素化炭素ドメイン及び非フッ素化炭素ドメインを有するナノ構造複合粒子が含まれる。一部の諸実施形態において、本発明のナノ構造材料は、異なる組成、形態及び/又は相が非常に微細なスケールで(たとえば、少なくとも数十ナノメートルよりも小さい)混合された複数の構造ドメインを含む。負極活物質として有用なナノ構造材料には、複数のフッ素化金属ドメイン及び非フッ素化金属ドメインを有するナノ構造複合粒子が含まれる。電気化学セルの負極向けの好ましいナノ構造フッ素化金属ホスト材料には、アルカリ土類金属(Mg、Ca、Ba)、遷移金属、第一3族元素(B、Al、Ga、In、Tl)に属する、希土類金属(57と71との間の原子番号Z)が含まれるが、これらに限定されない。一部の諸実施形態において、本発明の負極向けのナノ構造材料は、異なる組成、形態及び/又は相が非常に微細なスケールで(たとえば、少なくとも数十ナノメートルよりも小さい)混合された複数の構造ドメインを含む。   [065] "Current density" refers to the current that flows per unit electrode area. In some embodiments, the positive electrode, the negative electrode, or both are nanostructured materials. The term “nanostructure” refers to a material and / or structure having a plurality of discontinuous structural domains having at least one physical dimension (eg, height, width, length, cross-sectional dimension) less than about 1 micron. . In this context, a structural domain refers to a feature, component or part of a material or structure that has a characteristic composition, form and / or phase. Nanostructured materials useful as positive electrode active materials include nanostructured composite particles having multiple fluorinated carbon domains and non-fluorinated carbon domains. In some embodiments, the nanostructured materials of the present invention comprise a plurality of structural domains in which different compositions, forms and / or phases are mixed on a very fine scale (eg, less than at least tens of nanometers). including. Nanostructured materials useful as negative electrode active materials include nanostructured composite particles having a plurality of fluorinated metal domains and non-fluorinated metal domains. Preferred nanostructured fluorinated metal host materials for the negative electrode of electrochemical cells include alkaline earth metals (Mg, Ca, Ba), transition metals, Group 1 elements (B, Al, Ga, In, Tl) Including, but not limited to, the rare earth metals (atomic number Z between 57 and 71). In some embodiments, the nanostructured material for the negative electrode of the present invention comprises a plurality of different compositions, forms, and / or phases mixed on a very fine scale (eg, less than at least tens of nanometers). Including structural domains.

[066] 「活物質」とは、エネルギーを電気化学セルに蓄積及び/又は分配する電気化学反応に関与する、電極中の材料を指す。   [066] "Active material" refers to a material in an electrode that participates in an electrochemical reaction that stores and / or distributes energy in an electrochemical cell.

[067] 本明細書中で使用する表現「部分フッ素化炭素質材料」とは、非フッ素化炭素質成分を有する多相炭素質材料を指す。本明細書中で使用する「非フッ素化炭素質成分」には、黒鉛、コークス、マルチウォールカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノウイスカ、多層カーボンナノ粒子、カーボンナノウイスカ及びカーボンナノロッドなど、非フッ素化炭素組成物及び/又は相が含まれ、またわずかにフッ素化された炭素組成物及び/又は相も含まれる。この文脈においてわずかにフッ素化されたとは、CF及びCF相に見られるように炭素がフッ素と共有結合した組成物とは対照的に、フッ素と弱く結合した炭素を指す。多相部分フッ素化炭素質材料は、1種又は複数種の非フッ素化炭素質相及び1種又は複数種のフッ素化相(たとえば、ポリ(一フッ化炭素(CF)、ポリ(一フッ化二炭素)など)を含む炭素質相の混合物を含むことができる。部分フッ素化炭素質材料には、フッ素化及び非フッ素化ドメインを有するナノ構造材料が含まれる。部分フッ素化炭素質材料には、炭素質出発材料の不完全な又は部分的なフッ素化がもたらされる条件下でフッ素源にさらした炭素質材料が含まれる。本発明において有用な部分フッ素化炭素質材料、及び部分フッ素化炭素質材料を作製する関連の方法は、それぞれ2005年10月18日、2006年6月6日及び2006年11月16日にそれぞれ出願された米国特許出願第一1253360号明細書、第一1422564号明細書及び第一1560570号明細書に記載されている。これらの出願は、本記載と矛盾しない程度まで参照によりそれら全体が本明細書中に援用される。本発明の正極中の部分フッ素化活物質には、黒鉛、コークス、並びにマルチウォールカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、多層カーボンナノ粒子、カーボンナノウイスカ、カーボンナノロッドなどの炭素質ナノ材料を含めた、様々な炭素質材料が有用である。 [067] As used herein, the expression "partially fluorinated carbonaceous material" refers to a multiphase carbonaceous material having a non-fluorinated carbonaceous component. As used herein, “non-fluorinated carbonaceous component” includes non-fluorine such as graphite, coke, multi-wall carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowhisker, multi-layer carbon nanoparticle, carbon nanowhisker and carbon nanorod. Carbonized compositions and / or phases are included, and slightly fluorinated carbon compositions and / or phases are also included. Slightly fluorinated in this context refers to carbon that is weakly bound to fluorine, as opposed to compositions in which carbon is covalently bonded to fluorine as seen in the CF 1 and C 2 F phases. The multi-phase partially fluorinated carbonaceous material includes one or more non-fluorinated carbonaceous phases and one or more fluorinated phases (eg, poly (carbon monofluoride (CF 1 ), poly (one fluorocarbon)). A partially fluorinated carbonaceous material includes nanostructured materials having fluorinated and non-fluorinated domains.Partially fluorinated carbonaceous material Includes carbonaceous materials that have been exposed to a fluorine source under conditions that result in incomplete or partial fluorination of the carbonaceous starting material, partially fluorinated carbonaceous materials useful in the present invention, and partial fluorine Related methods for making carbonaceous materials are described in U.S. Patent Application No. 1253360, filed on Oct. 18, 2005, Jun. 6, 2006 and Nov. 16, 2006, respectively. No. 422564 and No. 1560570, which are incorporated herein by reference in their entirety to the extent they do not conflict with the present description. Various carbonaceous materials, including graphite, coke, and carbonaceous nanomaterials such as multi-wall carbon nanotubes, carbon nanofibers, multi-layer carbon nanoparticles, carbon nanowhiskers, and carbon nanorods, are useful for the fluorinated active material. is there.

[068] 本明細書中で使用するカーボンナノ材料は、少なくとも1つの寸法が1ナノメートル〜1ミクロンである。一実施形態においては、ナノ材料の少なくとも1つの寸法が2nm〜1000nmである。カーボンナノチューブ、ナノファイバー、ナノウイスカ又はナノロッドでは、チューブ、繊維、ナノウイスカ又はナノロッドの直径がこの寸法範囲内にある。カーボンナノ粒子では、ナノ粒子の直径がこの寸法範囲内にある。本発明と共に使用するために有用なカーボンナノ材料には、総不純物レベルが10%未満である材料、及びホウ素、窒素、シリコン、スズ、リンなどの元素をドープしたカーボン材料が含まれる。   [068] The carbon nanomaterials used herein have at least one dimension between 1 nanometer and 1 micron. In one embodiment, at least one dimension of the nanomaterial is between 2 nm and 1000 nm. For carbon nanotubes, nanofibers, nanowhiskers or nanorods, the diameter of the tube, fiber, nanowhisker or nanorod is within this size range. For carbon nanoparticles, the diameter of the nanoparticles is within this size range. Carbon nanomaterials useful for use with the present invention include materials with a total impurity level of less than 10% and carbon materials doped with elements such as boron, nitrogen, silicon, tin, phosphorus.

[069] 本明細書中で使用する用語「ナノチューブ」は、典型的には約1nm〜約20nmの直径によって通常特徴付けられるチューブ状の不連続な原繊維を指す。加えて、ナノチューブは通常、直径の約10倍を超える、好ましくは直径の約100倍を超える長さを示す。ナノチューブを記載するために使用する用語「マルチウォール(multi-wall)」は、層状構造を有するナノチューブを指し、したがってナノチューブは、秩序化した原子の複数の連続層の外側領域と、別個の内側コア領域又は内腔とを含む。これらの層は、原繊維の長手方向軸についてほぼ同心円状に配置される。カーボンナノチューブでは、これらの層がグラフェン層である。カーボンナノチューブは、それぞれSWCNT、DWCNT及びMWCNTと記される単層、二層及びマルチウォールカーボンナノチューブとして、異なる形で合成されている。直径の寸法は、SWCNT及びDWCNTにおける約2nm〜NWCNTにおける約20nmの範囲に及ぶ。一実施形態においては、本発明において使用するMWNTは、5nmを超える、10nmを超える、10〜20nm又は約20nmの直径を有する。   [069] As used herein, the term "nanotube" refers to a tube-shaped discontinuous fibril typically characterized by a diameter of about 1 nm to about 20 nm. In addition, nanotubes typically exhibit a length greater than about 10 times the diameter, preferably greater than about 100 times the diameter. The term “multi-wall”, used to describe nanotubes, refers to nanotubes having a layered structure, and thus nanotubes are composed of an outer region of a plurality of consecutive layers of ordered atoms and a separate inner core. Region or lumen. These layers are arranged substantially concentrically about the longitudinal axis of the fibrils. In carbon nanotubes, these layers are graphene layers. Carbon nanotubes are synthesized in different forms as single-walled, double-walled and multi-walled carbon nanotubes, denoted as SWCNT, DWCNT and MWCNT, respectively. The diameter dimension ranges from about 2 nm for SWCNT and DWCNT to about 20 nm for NWCNT. In one embodiment, the MWNT used in the present invention has a diameter greater than 5 nm, greater than 10 nm, 10-20 nm, or about 20 nm.

[070] 電極とは、電解質及び外側回路とイオン及び電子を交換する電気伝導体を指す。「正極」と「カソード」とは、本記載において同義に使用され、電気化学セルにおいてより高い(すなわち、負極よりも高い)電極電位を有する電極を指す。「負極」と「アノード」とは本記載において同義に使用され、電気化学セルにおいてより低い(すなわち、正極よりも低い)電極電位を有する電極を指す。カソード還元とは、化学種の1つ又は複数の電子の獲得を指し、アノード酸化とは、化学種の1つ又は複数の電子の放出を指す。本電気化学セルの正極及び負極は、アセチレンブラック、カーボンブラック、粉末状黒鉛、コークス、炭素繊維、金属粉末などの導電性希釈剤をさらに含むことができ、及び/又はポリマー結合剤(polymer binder)などの結合剤をさらに含むことができる。一部の諸実施形態における正極向けの有用な結合剤は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフルオロポリマーを含む。本発明の正極及び負極は、薄膜電極構成など薄い電極設計を含めた、電気化学及び電池科学の技術分野で公知である様々な有用な構成及び形状因子で設けることができる。本明細書中に開示されているように、また、たとえば米国特許第4052539号明細書、第6306540号明細書、第6852446号明細書における開示を含め、当技術分野で知られているように、電極を作製する。一部の諸実施形態では、通常、電極材料、導電性不活性材料、結合剤及び液体キャリアのスラリーを電極集電体上に堆積させ、次いでキャリアを蒸発させて集電体と電気接触する粘性塊(coherent mass)を残すことによって電極を作製する。   [070] Electrode refers to an electrical conductor that exchanges ions and electrons with the electrolyte and outer circuit. “Positive electrode” and “cathode” are used interchangeably in this description and refer to an electrode having a higher electrode potential (ie, higher than a negative electrode) in an electrochemical cell. “Negative electrode” and “anode” are used interchangeably in this description and refer to an electrode having a lower electrode potential (ie, lower than a positive electrode) in an electrochemical cell. Cathodic reduction refers to the acquisition of one or more electrons of a chemical species, and anodic oxidation refers to the emission of one or more electrons of a chemical species. The positive electrode and negative electrode of the electrochemical cell may further include a conductive diluent such as acetylene black, carbon black, powdered graphite, coke, carbon fiber, metal powder, and / or a polymer binder. Can further comprise a binder. Useful binders for the positive electrode in some embodiments include fluoropolymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF). The positive and negative electrodes of the present invention can be provided in various useful configurations and form factors known in the electrochemical and battery science arts, including thin electrode designs such as thin film electrode configurations. As disclosed herein, and as known in the art, including, for example, the disclosures in U.S. Pat. Nos. 4,052,539, 6,306,540, 6,852,446, An electrode is produced. In some embodiments, a viscosity typically deposits a slurry of electrode material, conductive inert material, binder and liquid carrier onto the electrode current collector and then evaporates the carrier to make electrical contact with the current collector. The electrode is made by leaving a coherent mass.

[071] 「電極電位」とは、異なる酸化(原子価)状態における化学種が電極内又は電極に接触して存在するために、通常参照電極に対して測定される電圧を指す。   [071] "Electrode potential" refers to the voltage that is usually measured relative to a reference electrode because chemical species in different oxidation (valence) states exist in or in contact with the electrode.

[073] 「カチオン」とは、正に荷電したイオンを指し、「アニオン」とは負に荷電したイオンを指す。   [073] "Cation" refers to a positively charged ion, and "anion" refers to a negatively charged ion.

[074] 本発明は、フッ化物イオン電荷キャリアと、フッ化物イオンホスト材料を含む電極活物質とを利用する一次及び二次アニオン性電気化学セルを提供し、これにより従来の最先端リチウム電池及びリチウムイオン電池の代替物が提供される。リチウムをベースとする系に優る本発明の電気化学セルの利点には、より高い比容量へのアクセス、より大きい平均動作電圧及び安全性の向上が含まれる。   [074] The present invention provides primary and secondary anionic electrochemical cells utilizing fluoride ion charge carriers and an electrode active material comprising a fluoride ion host material, thereby providing a conventional state-of-the-art lithium battery and An alternative to lithium ion batteries is provided. Advantages of the electrochemical cell of the present invention over lithium based systems include access to higher specific capacity, greater average operating voltage and improved safety.

[075] フッ化物イオン電気化学セルを含めた本発明のアニオン性電気化学セルは、異なるアニオン電荷キャリアホスト材料を含む正極及び負極によるアニオン電荷キャリアの収容及び放出を伴う同時に起こる酸化及び還元反応の原理に基づいて動作する。これらの系において、アニオン電荷キャリアは、アニオン性電気化学セルの放電及び充電中に正極と負極との間を行ったり来たりする。以下の電極半反応、電池反応及び電解質反応は、本発明のアニオン性電気化学セルが動作する基本原理を記載し説明するために提供されている。
1.電極反応
はアニオン電荷キャリア、PAは正極アニオンホスト材料、NAは負極アニオンホスト材料である。
一次電池においては、放電反応のみが起こる。
・正極では、Aが放出される。

・負極では、Aが閉塞される。

したがって、電池反応全体は以下のようになる。

充電式電池において、式(1)及び(2)は充電時には逆向きになるため、電池反応全体は以下のようになる。

2.電解質形成反応
本発明では、正極と負極との間の電解質中に溶解Aアニオン源がいくつか含まれる。
(i)塩C などの可溶性化合物;式中、Cは一価、二価、三価のカチオン又は多価カチオン(Cn+、1≦n≦6)である。たとえば、Cが一価のカチオンである場合、塩溶解平衡は以下のように記載される。

ここで、カチオン受容体R及び/又はアニオン受容体R’を使用すると、溶解度を高めることができる。

(ii)A を放出する可溶性アニオンXA

場合により、カチオン受容体R及び/又はアニオン受容体R’を電解質中に提供して、Aの溶解度を高めることができる。
[075] The anionic electrochemical cells of the present invention, including fluoride ion electrochemical cells, are designed for simultaneous oxidation and reduction reactions involving the inclusion and release of anionic charge carriers by positive and negative electrodes containing different anionic charge carrier host materials. Operates based on the principle. In these systems, anionic charge carriers go back and forth between the positive and negative electrodes during discharge and charging of the anionic electrochemical cell. The following electrode half reactions, battery reactions and electrolyte reactions are provided to describe and explain the basic principles on which the anionic electrochemical cell of the present invention operates.
1. Electrode reaction A - is an anion charge carrier, the PA n positive electrode anion host material, the NA m is the negative electrode anion host material.
In the primary battery, only the discharge reaction occurs.
In-positive, A - is released.

· In the negative electrode, A - is closed.

Therefore, the overall battery reaction is as follows.

In rechargeable batteries, equations (1) and (2) are reversed during charging, so the overall battery reaction is as follows.

2. Electrolyte Formation Reaction In the present invention, several dissolved A - anion sources are included in the electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.
(I) soluble compounds such as salts C q A p; wherein, C is a monovalent, divalent, trivalent cation or a multivalent cation (C n +, 1 ≦ n ≦ 6) is. For example, when C is a monovalent cation, the salt dissolution equilibrium is described as follows:

Here, when the cation receptor R and / or the anion receptor R ′ is used, the solubility can be increased.

(Ii) A - Soluble releasing anion XA p -;

Optionally, cation receptor R and / or anion receptor R ′ can be provided in the electrolyte to increase the solubility of A .

[076] これらの概念の例として、LiC負極、CFx正極及びF−導電性電解質を含む本発明のフッ化物イオン電気化学セルの放電時における半反応、電池反応及び溶解液反応を以下に提供する。
放電反応
負極:LiC + F → 6C + LiF +e (負極は放電時にFを収容する)
正極:CFx + xe → C + xF− (正極は放電時にFを放出する)
電池反応:xLiC + CFx → (1+6x)C + xLiF (Fは放電時に正極と負極との間を移動する)
電解質:場合により、2種類の反応によりFの溶解を高めることができる。
LiF + yLA → Li + (LA)、又は
LiF + zLB → Li(LB) + +F
(LA=PF、BF、アニオン受容体などのルイス酸、LB=PF 、BF 、カチオン受容体、すなわち、クラウンエーテルなどのルイス塩基)。
[076] As examples of these concepts, the half reaction, battery reaction and solution reaction during discharge of the fluoride ion electrochemical cell of the present invention including LiC 6 negative electrode, CFx positive electrode and F-conductive electrolyte are provided below. To do.
Discharge reaction :
Negative electrode: LiC 6 + F → 6C + LiF + e (the negative electrode accommodates F during discharge)
Positive electrode: CFx + xe → C + xF− (the positive electrode releases F during discharge)
Battery reaction: xLiC 6 + CFx → (1 + 6x) C + xLiF (F moves between the positive electrode and the negative electrode during discharge)
Electrolyte: Optionally, F by two reactions - can increase dissolution of.
LiF + yLA → Li + + (LA) y F , or LiF + zLB → Li (LB) z + + F
(LA = PF 5 , BF 3 , Lewis acid such as anion receptor, LB = PF 6 , BF 4 , cation receptor, ie Lewis base such as crown ether).

[077] 本発明のアニオン性電気化学セルをさらに説明し記載するために、以下の議論では、本発明の系を従来のリチウムイオン電池技術と比較する。典型的なリチウムイオン電池(LIB)は、3つの基本要素:(1)炭素をベースとする負極(アノード)、(2)リチウムカチオン(Li+)伝導性電解質及び(3)遷移金属酸化物正極(カソード)(たとえば、LiCoO)を備える。リチウムカチオン(Li+)はこれらの系における電荷キャリアであり、これらの電気化学セルは、電極間の電子移動に呼応して正極及び負極で同時に起こる挿入及び脱挿入(de-insertion)反応により動作する。リチウムイオン電池の充電及び放電時には、Li+イオンが負極と正極との間を往復する。これらの電池の可逆的二重インターカレーション機構(dual intercalation mechanism)により、用語「ロッキングチェア」又は「シャトルコック」電池が生まれる。 [077] To further illustrate and describe the anionic electrochemical cell of the present invention, the following discussion compares the system of the present invention with conventional lithium ion battery technology. A typical lithium ion battery (LIB) has three basic components: (1) a carbon-based negative electrode (anode), (2) a lithium cation (Li +) conductive electrolyte, and (3) a transition metal oxide positive electrode ( Cathode) (eg, LiCoO 2 ). The lithium cation (Li +) is a charge carrier in these systems, and these electrochemical cells operate by simultaneous insertion and de-insertion reactions at the positive and negative electrodes in response to electron transfer between the electrodes. . When the lithium ion battery is charged and discharged, Li + ions reciprocate between the negative electrode and the positive electrode. The reversible dual intercalation mechanism of these batteries results in the term “rocking chair” or “shuttle cock” battery.

[078] 図1Aは、充電時のリチウムイオン電池を示す概略図を提供する。充電時、リチウムイオンが正極(すなわち、図1Aでカソードと表されている)から放出され、電解質を通って移動し、負極(すなわち、図1Aでアノードと表されている)によって収容される。図1Aに示すように、充電時における電子の流れの方向は、正極から負極である。図1Bは、放電時のリチウムイオン電池を示す概略図を提供する。放電時、リチウムイオンが負極(すなわち、図1Bでアノードと表されている)から放出され、電解質を通って移動し、正極(すなわち、図1Bでカソードと表されている)によって収容される。図1Bに示すように、充電時における電子の流れの方向は、負極から正極である。   [078] FIG. 1A provides a schematic diagram illustrating a lithium ion battery during charging. Upon charging, lithium ions are released from the positive electrode (ie, represented as the cathode in FIG. 1A), travel through the electrolyte, and are accommodated by the negative electrode (ie, represented as the anode in FIG. 1A). As shown in FIG. 1A, the direction of the flow of electrons during charging is from the positive electrode to the negative electrode. FIG. 1B provides a schematic diagram illustrating a lithium ion battery during discharge. Upon discharge, lithium ions are released from the negative electrode (ie, represented as the anode in FIG. 1B), travel through the electrolyte, and are accommodated by the positive electrode (ie, represented as the cathode in FIG. 1B). As shown in FIG. 1B, the direction of electron flow during charging is from the negative electrode to the positive electrode.

[079] 図2は、異なる負極及び正極材料の平均作用電位、並びに従来のリチウムイオン電池についての電池電圧を示す概略図を提供する。電気化学セルの平均動作電圧は、一部には、負極と正極とにおけるLiイオンの化学電位の差から生じる。図2に示す例では、LiとLiCoOとの電極電位の差が約4Vである。この例についてのLIB電池拡張反応は、以下のようになる。

この例のLIB系の理論的エネルギー密度は、以下のように計算することができる。
[079] FIG. 2 provides a schematic diagram showing the average working potential of different negative and positive electrode materials and the battery voltage for a conventional lithium ion battery. The average operating voltage of an electrochemical cell arises in part from the difference in chemical potential of Li + ions at the negative and positive electrodes. In the example shown in FIG. 2, the difference in electrode potential between Li x C 6 and Li x CoO 2 is about 4V. The LIB battery expansion reaction for this example is as follows.

The theoretical energy density of this example LIB system can be calculated as follows.

[080] 本発明の電気化学セルにおいて、電荷キャリアは負に荷電したアニオンである。たとえば、フッ化物イオン電気化学セルにおいては、アニオン電荷キャリアがフッ化物イオン(F−1)である。リチウムイオン電池と同様に、本発明のフッ化物イオン電気化学セルは、電極間の電子移動に呼応して正極及び負極で同時に起こるフッ化物イオン挿入及び脱挿入反応により動作する。フッ化物イオン電気化学セルの充電及び放電時に、Fイオンは負極と正極との間を往復する。 [080] In the electrochemical cell of the present invention, the charge carrier is a negatively charged anion. For example, in a fluoride ion electrochemical cell, the anion charge carrier is fluoride ion (F −1 ). Similar to lithium ion batteries, the fluoride ion electrochemical cell of the present invention operates by fluoride ion insertion and desorption reactions that occur simultaneously at the positive and negative electrodes in response to electron transfer between the electrodes. During charging and discharging of the fluoride ion electrochemical cell, F ions reciprocate between the negative electrode and the positive electrode.

[081] 図3Aは、放電時のフッ化物イオン電気化学セルを示す概略図を提供する。放電時、フッ化物アニオンが正極(すなわち、図3Aでカソードと表されている)から放出され、電解質を通って移動し、負極(すなわち、図3Aでアノードと表されている)によって収容される。図3Aに示すように、放電時における電子の流れの方向は、負極から正極である。フッ化物イオン電気化学セルの充電時、フッ化物アニオンが負極から放出され、電解質を通って移動し、正極によって収容される。充電時における電子の流れの方向は、正極から負極である。放電及び充電時のフッ化物イオンの放出及び収容は、電極で起こる酸化及び還元反応によって生じる。   [081] FIG. 3A provides a schematic diagram illustrating a fluoride ion electrochemical cell during discharge. Upon discharge, fluoride anions are released from the positive electrode (ie, represented as the cathode in FIG. 3A), travel through the electrolyte, and are accommodated by the negative electrode (ie, represented as the anode in FIG. 3A). . As shown in FIG. 3A, the direction of electron flow during discharge is from the negative electrode to the positive electrode. Upon charging of the fluoride ion electrochemical cell, fluoride anions are released from the negative electrode, move through the electrolyte, and are accommodated by the positive electrode. The direction of the flow of electrons during charging is from the positive electrode to the negative electrode. Release and containment of fluoride ions during discharge and charge is caused by oxidation and reduction reactions occurring at the electrodes.

[082] リチウムイオン電池に関する上記説明と同様に、フッ化物イオン電気化学セルにおける開回路電圧は、少なくとも一部には、負極と正極とにおけるフッ化物イオンの化学電位の差により生じる。正極及び負極は、それぞれ高電圧フッ化物及び低電圧フッ化物であり、電解質とFを可逆的に交換することが可能である。正極及び負極はたとえば以下のようになる。
正極:CF、AgF2−x、CuF3−x、NiF3−x、・・・
負極:LaF3−x、CaF2−x、AlF3−x、EuF3−x、・・・
[082] Similar to the above description regarding the lithium ion battery, the open circuit voltage in the fluoride ion electrochemical cell is generated, at least in part, due to the difference in chemical potential of fluoride ions between the negative electrode and the positive electrode. The positive electrode and the negative electrode are a high voltage fluoride and a low voltage fluoride, respectively, and can exchange the electrolyte and F reversibly. For example, the positive electrode and the negative electrode are as follows.
The positive electrode: CF x, AgF 2-x , CuF 3-x, NiF 3-x, ···
Negative electrode: LaF3 -x , CaF2 -x , AlF3 -x , EuF3 -x , ...

[083] 図3Bは、LaF3−x負極と、CF正極と、有機電解質液に設けられる、式中MがKやRbなどの金属であるMFを含む電解質とに対応する一実施形態例についての平均作用電位を示す概略図を提供する。この例について、関連するパラメータ、半反応、電池反応を以下にまとめる。
負極:LaF
正極:CF
電解質:有機電解質中のMF(M=K、Rb、・・・)
電極反応
負極:

正極:

電池反応
[083] FIG. 3B shows an embodiment example corresponding to a LaF 3-x negative electrode, a CF x positive electrode, and an electrolyte containing MF, where M is a metal such as K or Rb, provided in the organic electrolyte solution. 1 provides a schematic diagram showing the mean working potential for For this example, the relevant parameters, half reactions, and battery reactions are summarized below.
Negative electrode : LaF 3
Positive electrode : CF y
Electrolyte : MF in organic electrolyte (M = K, Rb,...)
Electrode reaction :
Negative electrode:

Positive electrode:

Battery reaction :

[084] 図3Bに示すように、この例についての電極電位の差は約4.5Vである。理論的電池電圧はLa3+/La及びCF/Fのレドックス対を考慮に入れ、充電終了時の開回路電圧OCVが約4.5Vであると見込まれる。この開回路電圧OCVは、従来のリチウムイオン電池の開回路電圧よりも大きい(上記計算を参照のこと)。このフッ化物イオン電池(FIB)系の例についての理論的エネルギー密度は、以下のように計算することができる。
FIBエネルギー密度:
電池反応(3)により、x=1、y=0である場合;

理論的エネルギー密度は以下のようになる。

この計算により、上述のフッ化物イオン電気化学セルの例及びリチウムイオン電池の例についての理論的エネルギー密度の比が3:7に等しいことがわかる。
[084] As shown in FIG. 3B, the difference in electrode potential for this example is about 4.5V. The theoretical battery voltage takes into account the La 3+ / La and CF x / F redox pairs, and the open circuit voltage OCV at the end of charging is expected to be about 4.5V. This open circuit voltage OCV is greater than the open circuit voltage of a conventional lithium ion battery (see calculation above). The theoretical energy density for this example fluoride ion battery (FIB) system can be calculated as follows.
FIB energy density:
When x = 1 and y = 0 by battery reaction (3);

The theoretical energy density is

This calculation shows that the theoretical energy density ratio for the above-described fluoride ion electrochemical cell example and lithium ion battery example is equal to 3: 7.

[085] 表1は、上述のリチウムイオン電池及びフッ化物イオン電気化学セルの性能属性及び組成の比較を示す。本発明のフッ化物イオン電池(FIB)の利点には、(i)フッ化物イオン電気化学セルの安全性の向上、(ii)フッ化物イオン電気化学セルのより高い動作電圧、(iii)フッ化物イオン電気化学セルにおけるより大きいエネルギー密度、及び(iv)フッ化物イオン電気化学セルのより低いコスト、が含まれる。
[085] Table 1 shows a comparison of the performance attributes and compositions of the lithium ion batteries and fluoride ion electrochemical cells described above. Advantages of the fluoride ion battery (FIB) of the present invention include (i) improved safety of the fluoride ion electrochemical cell, (ii) higher operating voltage of the fluoride ion electrochemical cell, (iii) fluoride Higher energy density in ion electrochemical cells, and (iv) lower cost of fluoride ion electrochemical cells.

[086] フッ化物イオン電池(FIBs)は、アノード及びカソード反応がフッ化物アニオンFの収容及び放出を伴う純粋なアニオン型電池である。FIBsは、電極反応の可逆性に応じて一次電池であっても充電式電池であってもよい。しかしながら、一次FIBsも充電式FIBsも共に、Fアニオン導電性電解質を必要とする。フッ化物イオン電池は、2つのクラスにさらに分類することができる。 [086] fluoride ion battery (FIBs), the anode and cathode reactions fluoride anions F - is a pure anionic cell with the housing and release. FIBs may be primary batteries or rechargeable batteries depending on the reversibility of the electrode reaction. However, both primary FIBs and rechargeable FIBs require an F - anion conducting electrolyte. Fluoride ion batteries can be further classified into two classes.

[087] 第一のクラスでは、正極も負極も共にフッ化物アニオンを含む。LaFアノード及びCFカソードを有するフッ化物イオン電気化学セルがこの第一のクラスの例である。この(LaF/CF)系についての電極半反応及び電池反応は、以下のようになる。
LaFアノード:
LaF + 3ye → LaF3(1−y) + 3yF (充電)
CFカソード:
CF + xe → C + xF (放電)
電池反応:
xLaF + 3yC → xLaF3(1−y) + 3yCF (充電)
xLaF3(1−y) + 3yCF → xLaF + 3yC
フッ化物イオン電気化学セルのこの第一のクラスの他の例には、(アノード/カソード)対:(LaF/AgF)、(LaF/NiF)、(EuF/CF)、(EuF/CuF)が含まれるが、これらに限定されない。
[087] In the first class, both the positive electrode and the negative electrode contain fluoride anions. A fluoride ion electrochemical cell with a LaF 3 anode and a CF x cathode is an example of this first class. The electrode half reaction and battery reaction for this (LaF 3 / CF x ) system are as follows.
LaF 3 anode:
LaF 3 + 3ye → LaF 3 (1−y) + 3yF (charge)
CF x cathode:
CF x + xe → C + xF (discharge)
Battery reaction:
xLaF 3 + 3yC → xLaF 3 (1-y) + 3yCF x (charge)
xLaF 3 (1-y) + 3yCF x → xLaF 3 + 3yC
Other examples of this first class of fluoride ion electrochemical cells include (anode / cathode) pairs: (LaF 3 / AgF x ), (LaF 3 / NiF x ), (EuF 3 / CF x ), (EuF 3 / CuF x ) is included, but is not limited thereto.

[088] 第二のクラスでは、一方の電極のみがフッ化物アニオンを含む。LiCアノード及びCFカソードを有するフッ化物イオン電気化学セルが、この第二のクラスの例である。この(LiC/CF)系についての電極半反応及び電池反応は、以下のようになる。
LiCアノード:
LiC + F → 6C + LiF + e (放電)
CFカソード:
CF + xe → C + xF (放電)
電池反応:
xLiC + CF → (6x+1)C + xLiF (放電)
(6x+1)C + xLiF → xLiC + CF (充電)
フッ化物イオン電気化学セルのこの第一のクラスの他の例には、(アノード/カソード)対:(LiC/AgF)、(LiC/NiF)、(LiSi/CF)及び(LiSi/CuF)が含まれるが、これらに限定されない。
[088] In the second class, only one electrode contains fluoride anions. A fluoride ion electrochemical cell with a LiC 6 anode and a CF x cathode is an example of this second class. The electrode half reaction and battery reaction for this (LiC 6 / CF x ) system are as follows.
LiC 6 anode:
LiC 6 + F → 6C + LiF + e (discharge)
CF x cathode:
CF x + xe → C + xF (discharge)
Battery reaction:
xLiC 6 + CF x → (6x + 1) C + xLiF (discharge)
(6x + 1) C + xLiF → xLiC 6 + CF x (charging)
Other examples of this first class of fluoride ion electrochemical cell include (anode / cathode) pairs: (LiC 6 / AgF x ), (LiC 6 / NiF x ), (Li x Si / CF x ) And (Li x Si / CuF x ).

[089] 本発明の態様について、以下の実施例でさらに記載し説明する。
実施例1:Li/CFxハーフセル(half cell)構成を有するフッ化物イオン二次電気化学セル
1.a.序論
[089] Aspects of the invention are further described and illustrated in the following examples.
Example 1: Fluoride ion secondary electrochemical cell with Li / CFx half cell configuration a. Introduction

[090] 本発明のフッ化物イオン電気化学セルの利点を実証するために、CF正極及び金属リチウム負極を備える電池を構成し、電気化学的性能に関して評価した。ここに示す結果は、フッ化物イオン電気化学セルが室温における合理的な充電−放電率下で有用な充電可能容量を示すことを実証している。
1.b.実験
[090] In order to demonstrate the advantages of the fluoride ion electrochemical cell of the present invention, a battery comprising a CF x positive electrode and a metallic lithium negative electrode was constructed and evaluated for electrochemical performance. The results presented here demonstrate that fluoride ion electrochemical cells exhibit useful chargeable capacity under reasonable charge-discharge rates at room temperature.
1. b. Experiment

[091] 2種類のフッ化炭素CF;1)コークスに基づく化学量論の(市販の)CF、並びに2)黒鉛及びマルチウォールカーボンナノチューブ(MWNT)に基づく部分フッ素化CF(x<1)を合成し、本実施例におけるリチウム電池の正極として使用した。フッ化炭素は、下記反応に従ってコークス黒鉛又はMWNT炭素粉末の高温フッ素化により得られる。
C(s) + x/2F(g) → CF(s) (s=固体及びg=気体)
CFと称される、数種類の完全にフッ素化された炭素及び部分フッ素化された炭素を、正極用の活物質として使用するために本実施例において調査した。
(1)市販のCFx(式中x=1.0):この部分フッ素化炭素質材料は、米国ニューヨークのLodestar社から得た。この材料は、完全にフッ素化されたコークス材料であるそれら部分フッ素化炭素質材料のPC10製品に対応する。この部分フッ素化炭素質材料は、図面中で、また本実施例を通して「市販の」、「市販のCFx」及び「CFx(x=1)」と同義に称される。
(2)合成黒鉛のフッ素化によって合成された部分フッ素化炭素(式中x=0.530、0.674であるCFx):この部分フッ素化材料は、スイスのTimcal社によって製造されている合成黒鉛の部分的フッ素化により合成した。これらの部分フッ素化黒鉛材料は、図面中で、また本実施例を通して「KS15」と称される。これらの材料の組成は、炭素に対するフッ素の原子比率(すなわち、式CFx中の変数x)を参照することによってさらに特徴付けられる。
(3)マルチウォールカーボンナノチューブ(MWNT)のフッ素化によって合成された部分フッ素化炭素(式中x=0.21、0.59、0.76、0.82であるCFx):この部分フッ素化材料は、米国アリゾナ州トゥーソンのMERから得られるMWNTSの部分的フッ素化により合成した。この部分フッ素化材料は、図面中で、また本実施例を通して「カーボンナノファイバー」、「MWNT」及び「マルチウォールカーボンナノチューブ」と同義に称される。これらの部分フッ素化炭素質材料の組成は、炭素に対するフッ素の原子比率(すなわち、式CFx中の変数x)を参照することによってさらに特徴付けられる。
[091] Two types of fluorocarbon CF x ; 1) stoichiometric (commercially available) CF 1 based on coke, and 2) partially fluorinated CF x based on graphite and multi-wall carbon nanotubes (MWNT) (x < 1) was synthesized and used as the positive electrode of the lithium battery in this example. Fluorocarbon is obtained by high temperature fluorination of coke graphite or MWNT carbon powder according to the following reaction.
C (s) + x / 2F 2 (g) → CF x (s) (s = solid and g = gas)
Called CF x, several fully fluorinated carbon and partially fluorinated carbon, was investigated in this example for use as a positive electrode active material.
(1) Commercial CFx (where x = 1.0): This partially fluorinated carbonaceous material was obtained from Lodestar, New York, USA. This material corresponds to the PC10 product of those partially fluorinated carbonaceous materials that are fully fluorinated coke materials. This partially fluorinated carbonaceous material is referred to interchangeably in the drawings and throughout the examples as “commercially available”, “commercially available CFx” and “CFx (x = 1)”.
(2) Partially fluorinated carbon synthesized by fluorination of synthetic graphite (CFx where x = 0.530, 0.674): This partially fluorinated material is a synthesis manufactured by Timcal, Switzerland Synthesized by partial fluorination of graphite. These partially fluorinated graphite materials are referred to as “KS15” in the drawings and throughout the examples. The composition of these materials is further characterized by reference to the atomic ratio of fluorine to carbon (ie variable x in the formula CFx).
(3) Partially fluorinated carbon (CFx where x = 0.21, 0.59, 0.76, 0.82) synthesized by fluorination of multiwall carbon nanotubes (MWNT): this partial fluorination The material was synthesized by partial fluorination of MWNTS obtained from MER, Tucson, Arizona, USA. This partially fluorinated material is referred to as “carbon nanofiber”, “MWNT” and “multiwall carbon nanotube” in the drawings and throughout the examples. The composition of these partially fluorinated carbonaceous materials is further characterized by reference to the atomic ratio of fluorine to carbon (ie, variable x in the formula CFx).

[092] 正極は、選択されたCF材料に、アセチレンブラック黒鉛(ABG)と、結合剤としてのPVDFとを添加して構成され、百分率はそれぞれ75wt%、10wt%及び15wt%であった。これら3つの材料を、ジブチルフタレートDBP(20wt%)を有するアセトン溶液中で混ぜ合わせた。次いでこの溶液を蒸発させ、最後に、CF正極の薄膜を得た(厚さ100〜120μm)。この膜を直径(15.2mm)に合わせて切断し、メタノール中で洗浄し、真空中で一晩かけて80℃で乾燥させた。電極重量は10〜20mgである。コイン型のLi/CF試験電池の構造:Li/PC−DME−LiBF/CF (参照例)の2016個のコイン電池(セパレータ:Sanyo Celgard、直径(19mm)、厚さ(25μm)、強く、電気抵抗率が低く、気孔率が高い(55%))
1.c.実験結果
[092] The positive electrode was constructed by adding acetylene black graphite (ABG) and PVDF as a binder to the selected CF x material, the percentages being 75 wt%, 10 wt% and 15 wt%, respectively. These three materials were combined in an acetone solution with dibutyl phthalate DBP (20 wt%). Next, this solution was evaporated, and finally a thin film of a CF x positive electrode was obtained (thickness: 100 to 120 μm). The membrane was cut to diameter (15.2 mm), washed in methanol and dried at 80 ° C. in vacuo overnight. The electrode weight is 10-20 mg. Coin-shaped Li / CF x test battery structure: Li / PC-DME-LiBF 4 / CF x (reference example) 2016 coin batteries (separator: Sanyo Celgard, diameter (19 mm), thickness (25 μm), Strong, low electrical resistivity, high porosity (55%))
1. c. Experimental result

[093] 図4は、フッ化炭素の結晶構造を提供する。図5は、市販のCFと様々な部分フッ素化炭素質材料とを含む様々な評価する正極電極材料によるX線回折パターン(CuKα線)を提供する。様々な部分フッ素化カーボンナノファイバー試料(すなわち、MWNTs、x=0.210、0.590、0.760及び0.820であるCFx)、様々な部分フッ素化KS15黒鉛試料(すなわち、x=0.53及び0.647であるCFx)、並びに市販のCF試料(すなわち、x=1であるCFx)についての回折パターンを、図5に示す。 [093] FIG. 4 provides the crystal structure of fluorocarbon. FIG. 5 provides X-ray diffraction patterns (CuK α- rays) for various positive electrode materials to be evaluated, including commercially available CF 1 and various partially fluorinated carbonaceous materials. Various partially fluorinated carbon nanofiber samples (ie CFx with MWNTs, x = 0.210, 0.590, 0.760 and 0.820), various partially fluorinated KS15 graphite samples (ie x = 0) The diffraction patterns for CFx) of .53 and 0.647) and the commercially available CF 1 sample (ie, CFx with x = 1) are shown in FIG.

[094] 電気化学的方法によっても、様々なフッ素化炭素活物質を特徴付けた。これらの実験においては、循環クロノポテンショメトリ(定電流)を使用して、電池の放電及び充電を追跡する。適用電流は、理論容量から計算される。したがって、異なる固定したC/n比率(C/10〜1C)について、電流Iを決定することができる。

CFx=活性材料の質量(g)、Qth=理論容量(mAh/g)
注:Qthは、最初の放電時にはCFのmAh/gで表され、サイクル時にはCのmAh/gで表される。
[094] Various fluorinated carbon active materials were also characterized by electrochemical methods. In these experiments, circulating chronopotentiometry (constant current) is used to track battery discharge and charge. The applied current is calculated from the theoretical capacity. Therefore, the current I can be determined for different fixed C / n ratios (C / 10 to 1C).

m CFx = mass of active material (g), Q th = theoretical capacity (mAh / g)
Note: Q th is expressed in mAh / g of CF x during the first discharge and in mAh / g of C during the cycle.

[095] これらの測定において、最初の放電及びその後に続くサイクル反応は以下のとおりであった。
最初の放電
CF + Li + xe → C + xLiF(3.2V〜1.5V対Li)
サイクル反応

(1.5V〜最大4.8V対Li)(A=アニオン=F
[095] In these measurements, the first discharge and the subsequent cycle reaction were as follows.
First discharge :
CF x + Li + + xe → C + xLiF (3.2 V to 1.5 V vs. Li)
Cycle reaction :

(1.5 V to maximum 4.8 V vs. Li) (A = anion = F )

[096] 図6〜図12は、複数の正極炭素質活物質についての最初の放電曲線を提供する。図6は、C/20〜Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温における市販のCF正極についての放電プロファイルを提供する。図7は、C/20〜Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.530KS15正極についての放電プロファイルを提供する。図8は、C/20〜6Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.647KS15正極についての放電プロファイルを提供する。図9は、C/20〜6Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.21カーボンナノファイバー正極についての放電プロファイルを提供する。図10は、C/20〜6Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.59カーボンナノファイバー正極についての放電プロファイルを提供する。図11は、C/20〜6Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.76カーボンナノファイバー正極についての放電プロファイルを提供する。図12は、C/20〜4Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.82カーボンナノファイバー正極についての放電プロファイルを提供する。観測されたこれらの放電プロファイルは、下記第一の放電電池反応と一致する。
CF + Li + xe → C + xLiF (3.2V−1.5V対Li)
[096] FIGS. 6-12 provide initial discharge curves for a plurality of positive electrode carbonaceous active materials. FIG. 6 provides the discharge profile for a commercial CF 1 positive electrode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to C. FIG. 7 provides the discharge profile for the CF 0.530 KS15 positive electrode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to C. FIG. 8 provides the discharge profile for the CF 0.647 KS15 positive electrode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to 6C. FIG. 9 provides the discharge profile for the CF 0.21 carbon nanofiber cathode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to 6C. FIG. 10 provides the discharge profile for the CF 0.59 carbon nanofiber cathode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to 6C. FIG. 11 provides discharge profiles for CF 0.76 carbon nanofiber cathodes at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to 6C. FIG. 12 provides discharge profiles for CF 0.82 carbon nanofiber cathodes at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to 4C. These observed discharge profiles are consistent with the following first discharge cell reaction.
CF x + Li + + xe → C + xLiF (3.2 V-1.5 V vs. Li)

[097] 図13〜図15は、いくつかの正極炭素質活物質についてのサイクル試験を示すプロットを提供する。図13は、電圧範囲1.5V〜4.6VにおけるCF0.82マルチウォールナノチューブ正極についての充電−放電プロファイルを提供する。電圧がY軸(左側)上にプロットされ、電流がY軸(右側)にプロットされ、時間がX軸上にプロットされている。図14は、電圧範囲1.5V〜4.8VにおけるCF0.82マルチウォールナノチューブ正極についての充電−放電プロファイルを提供する。電圧がY軸(左側)上にプロットされ、電流がY軸(右側)にプロットされ、時間がX軸上にプロットされている。図15は、電圧範囲1.5V〜4.8VにおけるCF正極についての充電−放電プロファイルを提供する。電圧がY軸(左側)上にプロットされ、電流がY軸(右側)にプロットされ、時間がX軸上にプロットされている。これらの図は、試験した正極材料、特にCF、x=0.82、MWNT(図13及び図14を参照のこと)が安定したサイクル容量を循環させ示す能力があることを示している。図16は、4.6V及び4.8VにおけるCF、x=0.82、MWNT正極を有するLi/CF半電池構成についての電圧(V)対時間(時間)のプロットを提供する。4.6Vから4.8Vへの充電電圧の増加に対応する放電容量の0.25%増加が観測される。図17は、4.8V〜5.4Vの範囲に及ぶ電圧におけるCF0.647KS15正極を有するLi/CF半電池構成についての電圧(V)対相対容量(%)のプロットを提供する。図17に示すように、CF0.647KS15正極の容量は、4.8V〜5.4Vの範囲にわたって充電カットオフ電圧が高くなるにつれて増大した。図16及び図17は、試験したCFx材料についての充電電圧の上昇から生じる放電容量の測定可能な増加を示す。図13〜図17に示す観測された充電−放電プロファイルは、

(1.5V〜最大4.8V対Li)(A=アニオン=F)のサイクル電池反応と一致し、Liがサイクル反応に関与していないことを実証している。
[097] FIGS. 13-15 provide plots showing cycle tests for several positive electrode carbonaceous active materials. FIG. 13 provides the charge-discharge profile for the CF 0.82 multi-wall nanotube positive electrode in the voltage range 1.5V to 4.6V. The voltage is plotted on the Y axis (left side), the current is plotted on the Y axis (right side), and the time is plotted on the X axis. FIG. 14 provides the charge-discharge profile for the CF 0.82 multi-wall nanotube positive electrode in the voltage range 1.5V to 4.8V. The voltage is plotted on the Y axis (left side), the current is plotted on the Y axis (right side), and the time is plotted on the X axis. 15, the charging of the CF 1 positive in the voltage range 1.5V~4.8V - to provide a discharge profile. The voltage is plotted on the Y axis (left side), the current is plotted on the Y axis (right side), and the time is plotted on the X axis. These figures show that the positive electrode materials tested, in particular CF x , x = 0.82, MWNT (see FIGS. 13 and 14) are capable of circulating a stable cycle capacity. FIG. 16 provides a plot of voltage (V) versus time (hours) for a Li / CF x half-cell configuration with CF x , x = 0.82, MWNT positive electrode at 4.6V and 4.8V. A 0.25% increase in discharge capacity is observed corresponding to an increase in charge voltage from 4.6V to 4.8V. FIG. 17 provides a plot of voltage (V) versus relative capacity (%) for a Li / CF x half-cell configuration with a CF 0.647 KS15 positive electrode at voltages ranging from 4.8V to 5.4V . As shown in FIG. 17, the capacity of the CF 0.647 KS15 positive electrode increased as the charge cutoff voltage increased over the range of 4.8V to 5.4V. FIGS. 16 and 17 show a measurable increase in discharge capacity resulting from an increase in charge voltage for the tested CFx materials. The observed charge-discharge profiles shown in FIGS.

Consistent with the cycle cell reaction of (1.5 V up to 4.8 V vs. Li) (A = anion = F ), demonstrating that Li + is not involved in the cycle reaction.

[098] 図18は、市販のCF、部分フッ素化KS15黒鉛(CFx、x=0.53&0.647)並びに部分フッ素化MWNT(CFx、x=0.21、0.59、0.76及び0.82)を含めた、評価した様々な正極材料についてのサイクル数に対する放電容量(mAh/g−C)のサイクル容量曲線を提供する。これらの測定についての充電電圧は、4.8Vの充電電圧に対応する一番上のプロット(点鎖線)と、活物質がCFx、x=0.82である部分フッ素化MWNTを含む正極を除いて4.6Vであった。図16及び図17に示す充電−放電プロファイルと同様に、充電電圧を4.6Vから4.8Vへ上昇させると、CFx、x=0.82である部分フッ素化MWNTについて放電容量の著しい増加が観測される。 FIG. 18 shows commercially available CF 1 , partially fluorinated KS15 graphite (CFx, x = 0.53 & 0.647) and partially fluorinated MWNT (CFx, x = 0.21, 0.59, 0.76 and 2 provides a cycle capacity curve of discharge capacity (mAh / g-C) versus number of cycles for various positive electrode materials evaluated, including 0.82). The charging voltage for these measurements excludes the top plot (dotted line) corresponding to a charging voltage of 4.8 V and the positive electrode containing the partially fluorinated MWNT where the active material is CFx, x = 0.82. 4.6V. Similar to the charge-discharge profiles shown in FIGS. 16 and 17, increasing the charge voltage from 4.6V to 4.8V results in a significant increase in discharge capacity for partially fluorinated MWNTs with CFx, x = 0.82. Observed.

[099] 図18に示すように、市販のCF正極活物質を有する電池構成は、最初の放電時にCFの構造的完全性(structural integrity)の大幅な劣化が生じる可能性が最も高いために、あまり優れたサイクルを示さない。この正極活物質の気孔率が、フッ化物イオンとリチウムイオンとの間の反応によって始まる剥離によって生じることがある正極活物質の劣化の一因となった可能性が高い。対照的に、調査した部分フッ素化炭素質材料(たとえば、黒鉛、MWNT)は、非常に優れたサイクル性能を示す。これは、市販のCF、x=1と比較して、これらの材料のフッ素量がより少なく気孔率が低いためである可能性が高い。部分フッ素化MWNTは、その機械的完全性(mechanical integrity)が黒鉛及び市販のCFと比較してより優れている可能性が高いため、最良のサイクル性能をもたらすことに留意することが重要である。 [099] As shown in FIG. 18, the battery configuration having a commercially available CF 1 positive electrode active material is most likely to cause significant degradation of CF 1 structural integrity during the initial discharge. Does not show a very good cycle. The porosity of this positive electrode active material is likely to have contributed to the deterioration of the positive electrode active material that may be caused by delamination that begins with the reaction between fluoride ions and lithium ions. In contrast, the investigated partially fluorinated carbonaceous materials (eg, graphite, MWNT) exhibit very good cycling performance. This is likely due to the lower amount of fluorine and lower porosity of these materials compared to commercially available CF x , x = 1. It is important to note that partially fluorinated MWNTs provide the best cycle performance because their mechanical integrity is likely to be superior to graphite and commercially available CF 1 is there.

[0100] 図18に示すデータは、正極がCFx、x=0.82である部分フッ素化MWNTを含む活物質を有するLi/CF半電池構造において120mAh/g−Cの再充電可能容量が実現され、4.8Vまで2Cレートで充電されたことを実証している。比較のために、図20は、LiMn正極についての放電率能力のプロットを提供する。これらの測定値は、マルチウォールカーボンナノチューブで作製された部分フッ素化CF材料がリチウム充電式電池における正極としての市販のLiMnよりも性能が優れていることを示している。 [0100] The data shown in FIG. 18 shows that a rechargeable capacity of 120 mAh / g-C is obtained in a Li / CF x half-cell structure having an active material containing partially fluorinated MWNT where the positive electrode is CFx, x = 0.82. It has been demonstrated and has been charged at a 2C rate up to 4.8V. For comparison, FIG. 20 provides a plot of discharge rate capability for the LiMn 2 O 4 positive electrode. These measurements show that the partially fluorinated CF x material made with multiwall carbon nanotubes has better performance than commercially available LiMn 2 O 4 as the positive electrode in lithium rechargeable batteries.

[0101] 図19は、4.6V〜4.8Vに等しい電圧におけるCF0.82マルチウォールナノチューブ正極についての放電サイクル対サイクル数のプロットを提供する。これらのプロットにおいて、放電容量(y軸、mAh/g−C)は、任意単位のサイクル数に対するプロットである。図19は、少なくとも約50サイクルの間、この正極活物質について安定な放電特性が観測されることを示している。 [0101] FIG. 19 provides a plot of discharge cycle versus cycle number for a CF 0.82 multi-wall nanotube positive electrode at a voltage equal to 4.6V to 4.8V. In these plots, the discharge capacity (y-axis, mAh / g-C) is a plot against the number of cycles in arbitrary units. FIG. 19 shows that stable discharge characteristics are observed for this positive electrode active material for at least about 50 cycles.

[0102] フッ化物イオンが電極における酸化及び還元反応に関与していたことを確認するために、異なる実験条件下で正極のX線回折パターンを取得した。図21Aは、X線回折パターンを取った2つの時点(1)及び(2)を示す放電電圧対時間のプロットを提供する。未使用の正極についてもX線回折パターンを得た。薄い黒鉛電極を使用した(厚さ50ミクロンで3〜4mg)。図21Bは、図21Aに示す2つの時点(1)及び(2)で取得したX線回折パターンを示す。図21Cは、図21Aに示す2つの時点(1)及び(2)で取得したX線回折パターンを倍尺で示す。   [0102] In order to confirm that fluoride ions were involved in oxidation and reduction reactions at the electrode, X-ray diffraction patterns of the positive electrode were obtained under different experimental conditions. FIG. 21A provides a plot of discharge voltage versus time showing two time points (1) and (2) from which an X-ray diffraction pattern was taken. An X-ray diffraction pattern was also obtained for an unused positive electrode. A thin graphite electrode was used (3-4 mg at a thickness of 50 microns). FIG. 21B shows X-ray diffraction patterns acquired at the two time points (1) and (2) shown in FIG. 21A. FIG. 21C shows the X-ray diffraction patterns acquired at two time points (1) and (2) shown in FIG.

[0103] 5.2Vまでの充電及びその後に続く3.2Vまでの放電に対応する図21B及び図21Cの回折パターンは、層間フッ化物イオン(段階2及び段階3の混合物)の段階形成を示す。特に、(002)−2、(003)−3及び(004)−3ピークの出現は、充電及び放電時には層間フッ化物アニオンが存在することを示している。未使用の正極と、5.2Vの正極と、3.2Vの正極とに対応する回折パターンの比較によって示されるように、黒鉛相が5.2Vまで充電すると完全に消失し、3.2Vまで放電すると再び現れる。3.2Vに対応する回折パターン中に存在するC(002)の黒鉛ピークは、フッ化物イオンのデインターカレーション(de−intercalation)時に黒鉛が存在することを示す。さらに、3.2Vの回折パターンにおけるC(002)の黒鉛ピークの鋭いピーク幅は、充電及び放電時に黒鉛がその構造的完全性を維持していることを示している。この結果は、フッ化物イオンのインターカレーション及びデインターカレーションプロセスが可逆的で、結晶性黒鉛から非晶質炭素相への相変化がないことを実証している。これらの結果は、下記サイクル電池反応と一致し、

(1.5V〜最大4.8V対Li)(A=アニオン=F)、
Liがサイクル反応に関与していないさらなる証拠を提供する。
[0103] The diffraction patterns of FIGS. 21B and 21C corresponding to a charge up to 5.2V and a subsequent discharge up to 3.2V show the step formation of interlayer fluoride ions (mixture of steps 2 and 3). . In particular, the appearance of (002) -2, (003) -3 and (004) -3 peaks indicates the presence of interlayer fluoride anions during charge and discharge. As shown by the comparison of the diffraction patterns corresponding to the unused positive electrode, the 5.2V positive electrode and the 3.2V positive electrode, the graphite phase disappears completely when charged to 5.2V, up to 3.2V. Reappears when discharged. The graphite peak of C (002) present in the diffraction pattern corresponding to 3.2V indicates the presence of graphite during the de-intercalation of fluoride ions. Furthermore, the sharp peak width of the C (002) graphite peak in the 3.2 V diffraction pattern indicates that the graphite maintains its structural integrity during charge and discharge. This result demonstrates that the fluoride ion intercalation and deintercalation process is reversible and there is no phase change from crystalline graphite to amorphous carbon phase. These results are consistent with the following cycle battery reaction:

(1.5 V to maximum 4.8 V vs. Li) (A = anion = F ),
Provides further evidence that Li + is not involved in the cycle reaction.

[0104] 正極向け部分フッ素化グラファイト活物質の組成をさらに特徴付けるために、5.2Vまでの電気化学セルの充電に対応する条件について電子エネルギー損失スペクトル(EELS)を取得した。EELSは、試料中の元素の存在に対して非常に敏感で、材料中の元素を非常に正確に同定することができるため、材料の元素組成を特徴付けるために有用な技法である。図22は、5.2Vまで充電した正極活物質のEELSスペクトルを提供する。図22にはピークが2つだけ示されているが、これらのピークは共に、正極活材料中のフッ素の存在に割り当てることができる。BやPなど他の非炭素元素に対応するピークは存在しない。この観測は、PF やBF など電解質中の他のアニオンが挿入されなかった証拠を提供する。
1.d.結論
[0104] In order to further characterize the composition of the partially fluorinated graphite active material for the positive electrode, an electron energy loss spectrum (EELS) was obtained for conditions corresponding to charging of the electrochemical cell up to 5.2V. EELS is a useful technique for characterizing the elemental composition of materials because it is very sensitive to the presence of elements in a sample and can identify elements in a material very accurately. FIG. 22 provides the EELS spectrum of the positive electrode active material charged to 5.2V. Although only two peaks are shown in FIG. 22, both of these peaks can be assigned to the presence of fluorine in the positive electrode active material. There are no peaks corresponding to other non-carbon elements such as B and P. This observation provides evidence that other anions in the electrolyte such as PF 6 and BF 4 were not inserted.
1. d. Conclusion

[0105] 部分フッ素化炭素材料、CFは、フッ化物アニオン充電式電池向け正極材料の優れた例である。それらは、安定なサイクル寿命、高容量、高放電電圧及び高レート能力(high rate capability)を示す。電子エネルギー損失分光法を伴うX線回折法は、電荷キャリアフッ化物アニオンが炭素マトリックスに可逆的に挿入されること、後者が黒鉛、コークス又はマルチウォールカーボンナノチューブで構成されているかどうかを示す。フッ化物アニオンインターカレーションの、Li負極へのリチウムカチオンインターカレーションとの類似性を引き出すステージング(staging)が生じる。フッ化物アニオン貯蔵容量が、充電カットオフ電圧と共に4.5Vと5.5Vとの間で約150%増大する。
実施例2:フッ化物イオン電気化学セル向けアニオン及びカチオン受容体
[0105] The partially fluorinated carbon material, CF x, is an excellent example of a positive electrode material for fluoride anion rechargeable batteries. They exhibit stable cycle life, high capacity, high discharge voltage and high rate capability. X-ray diffraction with electron energy loss spectroscopy indicates that charge carrier fluoride anions are reversibly inserted into the carbon matrix and whether the latter is composed of graphite, coke or multi-wall carbon nanotubes. Staging occurs that draws similarity of fluoride anion intercalation to lithium cation intercalation to Li x C 6 negative electrode. The fluoride anion storage capacity increases by about 150% between 4.5V and 5.5V with charge cut-off voltage.
Example 2: Anion and cation receptors for fluoride ion electrochemical cells

[0106] この実施例は、本発明において有用なアニオン及びカチオン受容体の概要を提供する。フッ化物塩の溶解度を高めることができ、また本発明の電気化学セルにおける電解質のイオン伝導率を高めることができる複数のフッ化物イオン受容体を具体的に例示する。   [0106] This example provides an overview of anion and cation receptors useful in the present invention. Specific examples of a plurality of fluoride ion receptors that can increase the solubility of the fluoride salt and that can increase the ionic conductivity of the electrolyte in the electrochemical cell of the present invention are shown below.

[0107] 一実施形態において、本発明の電解質は、下記化学構造AR1を有するアニオン受容体を含む。

式中、R、R及びRは独立に、F、アルキル、アルコキシド、チオール、チオアルコキシド、芳香族、エーテル又はチオエーテルを含めた1つ又は複数のハロゲンで場合により置換された、アルキル基、芳香族基、エーテル基、チオエーテル基、複素環基、アリール基又はヘテロアリール基からなる群から選択される。
[0107] In one embodiment, the electrolyte of the present invention includes an anion receptor having the following chemical structure AR1.

Wherein R 1 , R 2 and R 3 are independently an alkyl group optionally substituted with one or more halogens including F, alkyl, alkoxide, thiol, thioalkoxide, aromatic, ether or thioether , An aromatic group, an ether group, a thioether group, a heterocyclic group, an aryl group or a heteroaryl group.

[0108] 一実施形態において、本発明の電解質は、下記化学構造AR2を有する、ボラートをベースとするアニオン受容体化合物を含む。

式中、R、R及びRは、F、アルキル、アルコキシド、チオール、チオアルコキシド、芳香族、エーテル又はチオエーテルを含めた1つ又は複数のハロゲンで場合により置換された、アルキル基、芳香族基、複素環基、アリール基又はヘテロアリール基からなる群から選択される。一実施形態においては、R、R及びRが同一である。一実施形態においては、R、R及びRがそれぞれFを有する部分である。
[0108] In one embodiment, the electrolyte of the present invention comprises a borate-based anion acceptor compound having the following chemical structure AR2.

Wherein R 4 , R 5 and R 6 are alkyl groups, aromatics optionally substituted with one or more halogens including F, alkyl, alkoxide, thiol, thioalkoxide, aromatic, ether or thioether Selected from the group consisting of a group, a heterocyclic group, an aryl group or a heteroaryl group. In one embodiment, R 4 , R 5 and R 6 are the same. In one embodiment, R 4 , R 5 and R 6 are each a moiety having F.

[0109] 一実施形態において、本発明の電解質は、下記化学構造AR3を有する、フェニルボロンをベースとするアニオン受容体化合物を含む。

式中、R7及びR8は、F、アルキル、アルコキシド、チオール、チオアルコキシド、芳香族、エーテル又はチオエーテルを含めた1つ又は複数のハロゲンで場合により置換された、アルキル基、芳香族基、複素環基、アリール基又はヘテロアリール基からなる群から選択される。一実施形態においては、R7及びR8が同一である。一実施形態においては、R7及びR8がそれぞれFを有する部分である。一実施形態においては、R7及びR8が一緒に、下記化学式AR4によって示されるように、Fである置換基及びそれら自体がFを有する部分である置換基を含めた、場合により置換されたフェニルを含めた芳香族から選択される。

式中、X及びXは、Fを含めたハロゲン類、アルキル、アルコキシド、チオール、チオアルコキシド、エーテル又はチオエーテルからなる群から独立に選択される1つ又は複数の水素、或いは非水素の環置換基を示す。一実施形態においては、これらの置換基の少なくとも1つがFを有する部分である。
[0109] In one embodiment, the electrolyte of the present invention comprises an anion acceptor compound based on phenylboron having the following chemical structure AR3.

Wherein R 7 and R 8 are alkyl, aromatic, optionally substituted with one or more halogens including F, alkyl, alkoxide, thiol, thioalkoxide, aromatic, ether or thioether, It is selected from the group consisting of a heterocyclic group, an aryl group or a heteroaryl group. In one embodiment, R 7 and R 8 are the same. In one embodiment, R 7 and R 8 are each a moiety having F. In one embodiment, R 7 and R 8 are optionally substituted together, including a substituent that is F and a substituent that is itself a moiety having F, as shown by Formula AR4 below. Selected from aromatics including phenyl.

Wherein X A and X B are one or more hydrogens independently selected from the group consisting of halogens including F, alkyl, alkoxide, thiol, thioalkoxide, ether or thioether, or a non-hydrogen ring Indicates a substituent. In one embodiment, at least one of these substituents is a moiety having F.

[0110] 一実施形態においては、本発明の電解質が、下記化学構造AR5を有するトリス(ヘキサフルオロイソプロピル)ボラート(THFIB;MW=511.9AMU)アニオン受容体、

又は下記化学構造AR6を有するトリス(2,2,2−トリフルオロエチル)ボラート(TTFEB;MW=307.9AMU)アニオン受容体、

又は下記化学構造AR7を有するトリス(ペンタフルオロフェニル)ボラート(TPFPB;MW=511.98AMU)アニオン受容体、

又は下記構造AR8を有するビス(1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピル)ペンタフルオロフェニルボロナート(BHFIPFPB;MW−480.8AMU)アニオン受容体を含む。
[0110] In one embodiment, the electrolyte of the present invention comprises a tris (hexafluoroisopropyl) borate (THIB; MW = 511.9AMU) anion receptor having the following chemical structure AR5:

Or a tris (2,2,2-trifluoroethyl) borate (TTFEB; MW = 307.9 AMU) anion receptor having the following chemical structure AR6:

Or a tris (pentafluorophenyl) borate (TPFPB; MW = 511.98AMU) anion receptor having the following chemical structure AR7:

Or a bis (1,1,3,3,3-hexafluoroisopropyl) pentafluorophenylboronate (BHFIPFPB; MW-480.8AMU) anion receptor having the following structure AR8.

[0111] 本発明の電解質において有用なアニオン受容体には、(CHO)B、(CFCHO)B、(CCHO)B、[(CFCHO]B、[(CFC(C)O]B、((CF)CO)B、(CO)B、(FCO)B、(FO)B、(FHO)B、(CO)B、(CFO)B、[(CFO]B及び(CBからなる群から選択される式を有するアニオン受容体が含まれるが、これらに限定されない。 [0111] Useful anionic receptors in the electrolyte of the present invention, (CH 3 O) 3 B , (CF 3 CH 2 O) 3 B, (C 3 F 7 CH 2 O) 3 B, [(CF 3 ) 2 CHO] 3 B, [(CF 3 ) 2 C (C 6 H 5 ) O] 3 B, ((CF 3 ) CO) 3 B, (C 6 H 5 O) 3 B, (FC 6 H 4 O) 3 B, (F 2 C 6 H 3 O) 3 B, (F 4 C 6 HO) 3 B, (C 6 F 5 O) 3 B, (CF 3 C 6 H 4 O) 3 B, [ Anion receptors having a formula selected from the group consisting of (CF 3 ) 2 C 6 H 3 O] 3 B and (C 6 F 5 ) 3 B are included, but are not limited to these.

[0112] 本発明における有用なカチオン受容体には、クラウンエーテル類、ラリアートエーテル類、メタラクラウン(metallacrown)エーテル類、カリックスクラウン類(calixcrowns)(たとえば、カリックス(アザ)クラウン類)、テトラチアフルバレンクラウン類、カリックスアレン類、カリックス[4]アレンジキノン類、テトラチアフルバレン類、ビス(カリックスクラウン)テトラチアフルバレン類、及びこれらの誘導体が含まれるが、これらに限定されない。   [0112] Useful cation acceptors in the present invention include crown ethers, lariat ethers, metallacrown ethers, calixcrowns (eg, calixcrowns), tetrathiafulvalene. Examples include, but are not limited to, crowns, calixarenes, calix [4] arenequinones, tetrathiafulvalenes, bis (calixcrown) tetrathiafulvalenes, and derivatives thereof.

[0113] 以下の文献には、本発明の諸実施形態において有用なアニオン及び/又はカチオン受容体について記載されており、これらの文献は本開示と矛盾しない程度まで参照により本明細書中に援用される。(1)Evidence for Cryptand−like Behavior in Bibracchial Lariat Ether(BiBLE) Complexes Obtained from X−ray Crystallography and Solution Thermodynamic Studies,Kristin A.Amold,Luis echeogoyen,Frank R.Fronczek,Richard D.Grandour,Vinicent J.Gatto,Banita D.White,George W.Gokel,J.Am.Chem.Soc.,109:3716−3721,1987;(2)Bis(calixcrown)tetrathiafulvalene Receptors.Maria−Jesus Blesa,Bang−Tun Zhao,Magali Allain,Franck Le Derf,Marc Salle,Chem.Eur.J.12:1906−1914,2006;(3)Studies on Calix(aza)crowns,II.Synthesis of Novel Proximal Doubly Bridged Calix[4]arenes by Intramolecular ring Closure of syn 1,3− and 1,2− to ω−Chloraolkylamides,Istavan Bitter,Alajos Grun,Gabor Toth,Barbara Balazs,Gyula Horvath,Laszlo Toke,Tegrahedron 54:3857−3870,1998;(4)Tetrathiafulvalene Crowns:Redox Switchable Ligands,Franck Le Derf,Miloud Mazari,Nicolas Mercier,Eric Levillain,Gaelle Trippe,Amedee Riou,Pascal Richomme,Jan Becher,Javier Garin,Jesus Orduna,Nuria Gallego−Planas,Alain Gorgues,Marc Salle,Chem.Eur.J.7,2:447−455,2001;(5)Electrochemical Behavior of Calix[4]arenediquinones and Their Cation Binding Properties,Taek Dong Chung,Dongsuk Choi,Sun Kil Kang,Sang Swon Lee,Suk−Kyu Chang,Hasuck Kim,Journal of Electroanalytical Chemistry,396:431−439,1995;(6)Experimental Evidence for Alkali Metal Cation−π Interactions,George W.Gokel,Stephen L.De Wall,Eric S.Meadows,Eur.J.Chem,2967−2978,2000;(7)π−Electron Properties of Large Condensed Polyaromatic Hydrocarbons,S.E.Stein,R.L.Brown,J.Am.Chem.Soc.,109:3721−3729,1987;(8)Self−Assembled Organometallic[12]Metallacrown−3 Complexes,Holger Piotrowski,Gerhard Hilt,Axel Schulz,Peter Mayer,Kurt Polborn,Kay Severin,Chem.Eur.J.,7,15:3197−3207,2001;(9)First− and Second−sphere Coordination Chemistry of Alkali Metal Crown Ether Complexes,Jonathan W.Steed,Coordination Chemistry Reviews 215:171−221,2001;(10)Alkali metal ion complexes of functionalized calixarenes−competition between pendent arm and anion bond to sodium;R.Abidi,L.Baklouti,J.Harrowfield,A.Sobolev;J.Vicens,and A.White,Org.Biomol.Chem,2003,1,3144−3146;(11)Transition Metal and Organometallic Anion Complexation Agents,Paul D.Beer,Elizabeth J.Hayes,Coordination Chemistry Review,240:167−189,2003;(12)Versatile Self−Complexing Compounds Based on Covalently Linked Donor−Acceptor Cyclophanes,Yi Liu,Amar H.Flood,Ross M.Moskowitz,J.Fraser Stoddart,Chem.Eur.J.11:369−385,2005;(13)Study of Interactions of Various Ionic Species with Solvents Toward the Design of Receptors,N.Jiten singh,Adriana C.Olleta,Anupriya Kumar,Mina Park,Hai−Bo Yi,Indrajit Bandyopadhyay,Han Myoung Lee,P.Tarakeshwar,Kwang S.Kim,Theor.Chem.Acc.115:127−135,2006;(14)A Calixarene−amide−tetrathiafulvalene Assembly for the Electrochemical Detection of Anions,Bang−Tun Zhao,Maria−Jesus Blesa,Nicolas Mercier,Franck Le Derf,Mark Salle,New J.Chem.29:1164−1167,2005。   [0113] The following documents describe anions and / or cation receptors useful in embodiments of the present invention, which are incorporated herein by reference to the extent they do not conflict with the present disclosure. Is done. (1) Evidence for Cryptand-like Behavior in Bibliographic Lariat Ether (BiBLE) Complexes Obtained from X-ray Crystallography and Solvent Tim. Amold, Luis ecgogoyen, Frank R. et al. Fronczek, Richard D. Grandour, Vicent J. et al. Gatto, Banita D.C. White, George W. Gokel, J. et al. Am. Chem. Soc. 109: 3716-3721, 1987; (2) Bis (calixcrown) tetrathiafulvalene Receptors. Maria-Jesus Blesa, Bang-Tun Zhao, Magali Allain, Frank Le Delf, Marc Salle, Chem. Eur. J. et al. 12: 1906-1914, 2006; (3) Studies on Calix (aza) crowns, II. Synthesis of Novel Proximal Doubly Bridged Calix [4] arenes by Intramolecular ring Closure of syn 1,3- and 1,2- to ω-Chloraolkylamides, Istavan Bitter, Alajos Grun, Gabor Toth, Barbara Balazs, Gyula Horvath, Laszlo Toke, Tegrahedron 54: 3857-3870, 1998; (4) Tetrathiafulvallene Crowns: Redox Switchable Ligands, Frank Le Delf, Mirau Mazari, Nicolas Mercier, Eri c Levillain, Gaelle Trippe, Amadee Rio, Pascal Richeme, Jan Becher, Javier Garin, Jesus Orduna, Nuria Gallego-Planas, Alain Gorges, Alc. Eur. J. et al. 7, 2: 447-455, 2001; (5) Electrochemical Behavior of Calix, [4] arenediquinones and Their Cun, SungKunSung, SungKongSung, Journal of Electroanalytical Chemistry, 396: 431-439, 1995; (6) Experimental Evidence for Alkaline Metal Cation-π Interactions, George W. Gokel, Stephen L. De Wall, Eric S. et al. Meadows, Eur. J. et al. Chem, 2967-2978, 2000; (7) π-Electron Properties of Large Condensed Polymeric Hydrocarbons, S .; E. Stein, R.M. L. Brown, J. et al. Am. Chem. Soc. 109: 3721-3729, 1987; (8) Self-Assembled Organometallic [12] Metallacerown-3 Complexes, Holger Piotroski, Gerhard Hilte, Axel Schulz, Peter MayrPetr. Eur. J. et al. , 7, 15: 3197-3207, 2001; (9) First- and Second-sphere Coordination Chemistry of Alkali Metal Crown Ether Complexes, Jonathan W. Steed, Coordination Chemistry Reviews 215: 171-221, 2001; Abidi, L.M. Baklouti, J. et al. Harrowfield, A.M. Sobolev; Vicens, and A.M. White, Org. Biomol. Chem, 2003, 1, 3144-3146; (11) Transition Metal and Organometallic Anion Complexation Agents, Paul D. et al. Beer, Elizabeth J. et al. Hayes, Coordination Chemistry Review, 240: 167-189, 2003; (12) Versatile Self-Compounding Compounds Based on Covalently Linked Donor-Acceptor Cyclophany. Flood, Ross M. et al. Moskowitz, J.M. Fraser Standard, Chem. Eur. J. et al. 11: 369-385, 2005; (13) Study of Interactions of Various Ionic Specs with Solvents, The design of Receptors, N .; Jiten singh, Adriana C.M. Olleta, Anupuriya Kumar, Mina Park, Hai-Bo Yi, Indrajt Bandyopadhyay, Han Myung Lee, P. et al. Tarakeshwar, Kwang S .; Kim, Theor. Chem. Acc. 115: 127-135, 2006; (14) A Calixarene-amide-tetrathiafulvalene Assembly for the Electronic Detection of Anions, Bang-Tun Zhao, Maria-Jesk. Chem. 29: 1164-1167, 2005.

[参照による援用及びバリエーションに関する陳述]
[0114] 本願を通してすべての文献が、たとえば、発行又は登録された特許又は均等物、特許出願公報、並びに非特許文献又は他の原資料を含む特許文献が、各文献が本願の開示と少なくとも部分的には矛盾しない範囲で、あたかも参照により個別に援用されているかのように、参照によりそれら全体が本明細書中に援用される(たとえば、部分的に矛盾している文献は、この文献の部分的に矛盾している部分を除いて参照により援用される)。
[Statement of Incorporation by Reference and Variations]
[0114] All documents throughout this application are, for example, patents or equivalents issued or registered, patent application publications, and patent documents including non-patent documents or other source documents, each document being at least part of the disclosure of this application. Are incorporated herein by reference in their entirety as if individually incorporated by reference to the extent that they are not inconsistent (eg, partially conflicting documents are hereby incorporated by reference) Incorporated by reference except for partially contradictory parts).

[0115] 本明細書中で採用されている用語及び表現は、限定ではなく説明の用語として使用され、このような用語及び表現を使用する際に、示され説明されている特徴又はその一部の均等物を除外する意図はなく、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲内で様々な変更形態が可能であることが認識される。したがって、本発明を好ましい諸実施形態、例示的な諸実施形態及び任意選択の特徴によって具体的に説明してきたが、本明細書中に開示されている概念の改良及びバリエーションを当業者が用いることができること、またこのような改良及びバリエーションは添付の特許請求の範囲によって定義されている本発明の範囲内にあると見なされることを理解されたい。本明細書中に提供されている特定の諸実施形態は、本発明の有用な諸実施形態の例であり、本説明に記載されているデバイス、デバイス構成要素、方法ステップの多くの変形形態を用いて本発明を実施することができることが当業者には明らかであろう。当業者には明らかなように、本発明の方法に有用な方法及びデバイスには、多くの任意選択の組成物及び加工要素並びにステップを含めることができる。   [0115] The terms and expressions employed herein are used for descriptive terms, not limitations, and the features or parts thereof shown or described when using such terms and expressions. It is recognized that various modifications are possible within the scope of the present invention as set forth in the claims. Thus, while the present invention has been specifically described by preferred embodiments, exemplary embodiments, and optional features, those skilled in the art will appreciate improvements and variations of the concepts disclosed herein. It should be understood that such improvements and variations are considered within the scope of the present invention as defined by the appended claims. The specific embodiments provided herein are examples of useful embodiments of the present invention and include many variations of the devices, device components, and method steps described in this description. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be used to implement the present invention. As will be apparent to those skilled in the art, the methods and devices useful in the methods of the present invention can include many optional compositions and processing elements and steps.

[0116] 本明細書中に置換基群が開示されている場合、群の要素の任意の異性体、エナンチオマー及びジアステレオマーを含め、その群及びすべての部分群のすべての個々の要素が別個に開示されているものと理解される。本明細書中でマーカッシュ群又は他の分類が使用されている場合、その群のすべての個々の要素、並びにその群の可能な組合せ及び下位の組合せのすべてが、本開示に個々に含まれるものとする。ある化合物が、その化合物の特定の異性体、エナンチオマー又はジアステレオマーを、たとえば、式で又は化学名で明記しないように本明細書中に記載されている場合、その記載は、記載されている化合物の各異性体及びエナンチオマーを個々に又は任意の組合せで含むものとする。加えて、他に特に規定がなければ、本明細書中に開示されている化合物のすべての同位体変異形が、本開示に包含されるものとする。たとえば、開示されている分子中の任意の1つ又は複数の水素を、重水素又は三重水素で置き換えることができることが理解されよう。分子の同位体変異形は通常、その分子についての検定における基準として、またその分子又はその分子の使用に関連する化学的及び生物学的研究において有用である。このような同位体変異形を製造するための方法は、当技術分野で公知である。化合物の具体的な名称は例示的なものであることを意図している。というのは、当業者が同じ化合物に異なる名称を付けることができるからである。   [0116] Where substituent groups are disclosed herein, all individual elements of that group and all subgroups are distinct, including any isomers, enantiomers and diastereomers of the elements of the group. It is understood that it is disclosed. Where Markush groups or other classifications are used herein, all individual elements of that group, as well as all possible combinations and sub-combinations of that group, are individually included in this disclosure. And Where a compound is described herein as not specifying a particular isomer, enantiomer, or diastereomer of the compound, for example, by formula or by chemical name, the description is Each isomer and enantiomer of the compound is intended to be included individually or in any combination. In addition, unless otherwise specified, all isotopic variations of the compounds disclosed herein are intended to be encompassed by the present disclosure. For example, it will be understood that any one or more hydrogens in the disclosed molecule can be replaced with deuterium or tritium. Isotopic variants of a molecule are usually useful as a basis in assays for that molecule and in chemical and biological studies related to that molecule or its use. Methods for producing such isotopic variants are known in the art. The specific names of the compounds are intended to be exemplary. This is because one skilled in the art can give different names to the same compound.

[0117] 本明細書中に開示されている分子の多くは、1種又は複数種のイオン性基[そこからプロトンを取り除く(たとえば、−COON)又はプロトンを付加する(たとえば、アミン類)ことができる或いは四級化する(たとえば、アミン類)ことができる基]を含む。このような分子の可能なすべてのイオン型及びその塩が、本明細書中の開示に個々に含まれるものとする。本明細書中の化合物の塩に関しては、所与の用途のための本発明の塩の調製に適している様々な利用可能な対イオンの中から当業者が選択することができる。具体的な用途においては、塩の調製のための所与のアニオン又はカチオンの選択により、その塩の溶解度を増大又は減少させることができる。   [0117] Many of the molecules disclosed herein contain one or more ionic groups [from which protons are removed (eg, -COON) or protons are added (eg, amines). Or a group that can be quaternized (eg, amines). All possible ionic forms of such molecules and their salts are individually included in the disclosure herein. As regards the salts of the compounds herein, one of ordinary skill in the art can select from a variety of available counterions suitable for the preparation of the salts of the invention for a given application. In specific applications, the choice of a given anion or cation for the preparation of a salt can increase or decrease the solubility of the salt.

[0118] 本明細書中に記載又は例示されている成分のすべての調合又は組合せを、特に明記しない限り、本発明を実施するために使用することができる。   [0118] Any formulation or combination of ingredients described or exemplified herein can be used to practice the invention unless otherwise indicated.

[0119] ある範囲、たとえば、温度範囲、時間範囲、又は組成若しくは濃度範囲が本明細書中に与えられている場合、すべての中間範囲及び部分的範囲、並びに与えられている範囲内に含まれるすべての個々の値が本開示に含まれるものとする。本明細書中の記載に含まれるある範囲又は部分的範囲内の任意の部分的範囲又は個々の値を、添付の特許請求の範囲から除外することができることが理解されよう。   [0119] Where a range is given herein, eg, a temperature range, a time range, or a composition or concentration range, all intermediate ranges and subranges are included within the given range All individual values are intended to be included in this disclosure. It will be understood that any subranges or individual values within a range or subrange that are included in the description herein can be excluded from the appended claims.

[0120] 本明細書中に言及されている特許及び公報はすべて、本発明に関係する当業者の技術レベルを示す。本明細書中で引用されている文献は、それらの公開日又は出願日時点における最先端技術を示すために、参照によりそれら全体が本明細書中に援用され、この情報は、従来技術にある特定の諸実施形態を除外するために必要に応じて本明細書中で採用することができるものとする。たとえば、当該組成物が特許請求の範囲に記載されている場合、本明細書中で引用されている文献に実施可能な程度の開示が提供されている化合物を含め、出願人の発明よりも前に当技術分野で公知且つ入手可能な化合物は、添付の特許請求の範囲の当該組成物には含まれないものとすることを理解されたい。   [0120] All patents and publications mentioned in this specification are indicative of the level of skill of those skilled in the art to which this invention pertains. The references cited herein are hereby incorporated by reference in their entirety to show state of the art as of their publication date or filing date, and this information is in the prior art. It may be employed herein as necessary to exclude specific embodiments. For example, if the composition is described in the claims, it may be prior to the applicant's invention, including compounds for which a feasible disclosure is provided in the references cited herein. It is to be understood that compounds known and available in the art are not intended to be included in the claimed composition of the appended claims.

[0121] 本明細書中で使用される「comprising(含む)」は、「including」、「containing」又は「characterized by」と同義で、また包括的又は非限定的であり、追加の記載されていない要素又は方法ステップを排除しない。本明細書中で使用される「consisting of(からなる)」は、請求項の要素に規定されていないいかなる要素、ステップ又は成分も除外する。本明細書中で使用される「consisting essentially of(から本質的になる)」は、請求項の基本的な新規の特徴に実質的には影響を及ぼさない材料又はステップについては除外しない。本明細書中の各例においては、用語「comprising(含む)」、「consisting essentially of(から本質的になる)」及び「consisting of(からなる)」のいずれかを、他の2つの用語のうちの一方と置き換えることができる。本明細書中に適切に事例的に記載されている本発明は、本明細書中に具体的に開示されていない任意の1つ又は複数の要素、すなわち1つ又は複数の限定なしでも実施することができる。   [0121] As used herein, "comprising" is synonymous with "inclusioning", "containing" or "characterized by" and is inclusive or non-limiting and is described in additional terms. Do not exclude missing elements or method steps. As used herein, “consisting of” excludes any element, step or ingredient not specified in the claim element. As used herein, “consisting essentially of” does not exclude materials or steps that do not materially affect the basic novel features of the claim. In each example herein, one of the terms “comprising”, “consisting essentially of” and “consisting of” is replaced by the other two terms. Can be replaced with one of them. The invention as described herein by way of example suitably practiced without any one or more of the elements not specifically disclosed herein, ie, without one or more limitations be able to.

[0122] 本発明の実施に際して、具体的に例示されているモノ以外の出発材料、生物学的材料、試薬、合成方法、精製方法、分析方法、検定方法、生物学的方法を、過度の実験なしに採用することができることが当業者には理解されよう。任意のこのような材料及び方法の、当技術分野で公知の機能的均等物のすべてが本発明に含まれるものとする。採用されている用語及び表現は、限定ではなく説明の用語として使用され、このような用語及び表現を使用する際に、示され説明されている特徴又はその一部の均等物を除外する意図はなく、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲内で様々な変更形態が可能であることが認識される。したがって、本発明を好ましい諸実施形態及び任意選択の特徴によって具体的に説明してきたが、本明細書中に開示されている概念の改良及びバリエーションを当業者が用いることができること、またこのような改良及びバリエーションは添付の特許請求の範囲によって定義されている本発明の範囲内にあると見なされることを理解されたい。   [0122] In practicing the present invention, the starting materials, biological materials, reagents, synthesis methods, purification methods, analysis methods, assay methods, biological methods other than those specifically exemplified may be excessively experimented. One skilled in the art will appreciate that it can be employed without. All functional equivalents known in the art of any such materials and methods are intended to be included in the present invention. The terms and expressions employed are used as descriptive terms and not as limitations, and the use of such terms and expressions is not intended to exclude features shown or described or equivalents thereof. Rather, it will be appreciated that various modifications are possible within the scope of the invention as set forth in the appended claims. Thus, while the present invention has been specifically described by preferred embodiments and optional features, it will be appreciated by those skilled in the art that modifications and variations of the concepts disclosed herein can be used by those skilled in the art. It should be understood that modifications and variations are considered to be within the scope of the invention as defined by the appended claims.

[035] 図1Aは、充電時のリチウムイオン電池を示す概略図であり、図1Bは、放電時のリチウムイオン電池を示す概略図である。FIG. 1A is a schematic diagram showing a lithium ion battery during charging, and FIG. 1B is a schematic diagram showing a lithium ion battery during discharging. [036] 異なる負極及び正極材料の平均作用電位、並びに従来のリチウムイオン電池についての電池電圧を示す概略図である。[036] Fig. 3 is a schematic diagram showing the average working potential of different negative electrodes and positive electrode materials, and the battery voltage of a conventional lithium ion battery. [037] 図3Aは、放電時の本発明のフッ化物イオン電池(FIB)を示す概略図である。[037] FIG. 3A is a schematic view showing a fluoride ion battery (FIB) of the present invention during discharge. 図3Bは、LaF3−x負極と、CF正極と、有機電解質中に設けられる式中MがKやRbなどの金属であるMFを含む電解質とに対応する一実施形態例についての平均作用電位を示す概略図である。FIG. 3B illustrates the average effect for an example embodiment corresponding to a LaF 3-x negative electrode, a CF x positive electrode, and an electrolyte comprising MF where M is a metal such as K or Rb, provided in the organic electrolyte. It is the schematic which shows an electric potential. [038] フッ化炭素の結晶構造を提供する図である。[038] Fig. 3 provides a crystal structure of fluorocarbon. [039] 評価する様々な正極電極材料によるX線回折パターン(CuKα線)を提供する図であり、カーボンナノファイバー、KS15及び市販のCFについての回折パターンを示す。[039] is a diagram that provides a variety of positive electrode material according to X-ray diffraction pattern (Cu K alpha line) to assess, carbon nanofibers, showing a diffraction pattern for KS15 and commercially available CF 1. [040] C/20〜Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF正極についての放電プロファイルを示す図である。[040] FIG. 7 is a diagram showing discharge profiles for a CF 1 positive electrode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to C. [041] C/20〜Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.530KS15正極についての放電プロファイルを示す図である。[041] A diagram showing the discharge profile for a CF 0.530 KS15 positive electrode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to C. [042] C/20〜6Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.647KS15正極についての放電プロファイルを示す図である。[042] Figure 5 shows the discharge profile for the CF 0.647 KS15 positive electrode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to 6C. [043] C/20〜6Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.21カーボンナノファイバー正極についての放電プロファイルを示す図である。[043] Figure 5 shows the discharge profile for a CF 0.21 carbon nanofiber cathode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to 6C. [044] C/20〜6Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.59カーボンナノファイバー正極についての放電プロファイルを示す図である。[044] Figure 5 shows the discharge profile for a CF 0.59 carbon nanofiber cathode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to 6C. [045] C/20〜6Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.76カーボンナノファイバー正極についての放電プロファイルを示す図である。[045] FIG. 7 is a diagram showing discharge profiles for a CF 0.76 carbon nanofiber positive electrode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to 6C. [046] C/20〜4Cの範囲に及ぶ様々な放電率について、室温におけるCF0.82カーボンナノファイバー正極についての放電プロファイルを示す図である。[046] FIG. 7 is a diagram showing discharge profiles for a CF 0.82 carbon nanofiber positive electrode at room temperature for various discharge rates ranging from C / 20 to 4C. [047] 電圧範囲1.5V〜4.6VにおけるCF0.82マルチウォールナノチューブ正極についての充電−放電プロファイルを示す図であり、電圧がY軸(左側)上にプロットされ、電流がY軸(右側)にプロットされ、時間がX軸上にプロットされている。[047] Fig. 24 is a diagram showing a charge-discharge profile for a CF 0.82 multi-wall nanotube positive electrode in a voltage range of 1.5 V to 4.6 V, where the voltage is plotted on the Y axis (left side) and the current is plotted on the Y axis ( Right) and time is plotted on the X-axis. [048] 電圧範囲1.5V〜4.8VにおけるCF0.82マルチウォールナノチューブ正極についての充電−放電プロファイルを示す図であり、電圧がY軸(左側)上にプロットされ、電流がY軸(右側)にプロットされ、時間がX軸上にプロットされている。[048] Fig. 5 is a diagram showing a charge-discharge profile for a CF 0.82 multi-wall nanotube positive electrode in a voltage range of 1.5V to 4.8V, where the voltage is plotted on the Y axis (left side) and the current is plotted on the Y axis ( Right) and time is plotted on the X-axis. [049] 電圧範囲1.5V〜4.8VにおけるCF正極についての充電−放電プロファイルを示す図であり、電圧がY軸(左側)上にプロットされ、電流がY軸(右側)にプロットされ、時間がX軸上にプロットされている。[049] Fig. 19 is a diagram showing a charge-discharge profile for a CF 1 positive electrode in the voltage range of 1.5 V to 4.8 V, with the voltage plotted on the Y axis (left side) and the current plotted on the Y axis (right side). , Time is plotted on the X-axis. [050] 4.6V及び4.8VにおけるLi/CF半電池構成についての電圧(V)対時間(時間)のプロットを示す図であり、4.8Vで放電容量の0.25%増加が観測される。[050] Fig. 15 shows a plot of voltage (V) versus time (hours) for Li / CF x half-cell configurations at 4.6V and 4.8V, with a 0.25% increase in discharge capacity at 4.8V. Observed. [051] 4.8V〜5.4Vの範囲に及ぶ電圧におけるCF0.647KS15正極を有するLi/CF半電池構成についての電圧(V)対相対容量(%)のプロットを示す図であり、示すように、CF0.647KS15正極の容量は、4.8V〜5.4Vの範囲にわたって充電カットオフ電圧が高くなるにつれて増大した。[051] Figure 10 shows a plot of voltage (V) versus relative capacity (%) for a Li / CF x half-cell configuration with a CF 0.647 KS15 positive electrode at voltages ranging from 4.8V to 5.4V . As shown, the capacity of the CF 0.647 KS15 positive electrode increased with increasing charge cut-off voltage over the range of 4.8V to 5.4V. [052] 評価した様々な正極材料についてのサイクル数に対する放電容量(mAh/g−C)のサイクル容量曲線を示す図であり、このデータは、Li/CF半電池構造において120mAh/g−Cの再充電可能容量が実現され、2Cレートで4.8Vまで充電されたことを実証している。[052] Figure 6 shows a cycle capacity curve of discharge capacity (mAh / g-C) versus number of cycles for the various positive electrode materials evaluated, and this data is 120 mAh / g-C for Li / CF x half-cell structures. Rechargeable capacity is realized and has been demonstrated to be charged to 4.8V at 2C rate. [053] 14.6V〜4.8Vに等しい電圧におけるCF0.82マルチウォールナノチューブ正極についての放電サイクル対サイクル数のプロットを示す図である。[053] Fig. 5 shows a plot of discharge cycle versus cycle number for a CF 0.82 multi-wall nanotube positive electrode at a voltage equal to 14.6V to 4.8V. [054] LiMn正極についての放電率能力のプロットを示す図である。[054] This is a plot of discharge rate capability for LiMn 2 O 4 positive electrode. [055] 図21Aは、X線回折パターンを取った2つの時点(1)及び(2)を示す放電電圧対時間のプロットを示す図であり、薄い黒鉛電極を使用した(厚さ50ミクロンで3〜4mg)。図21Bは、図21Aに示す2つの時点(1)及び(2)で取得したX線回折パターンを示す図である。[055] FIG. 21A is a plot of discharge voltage versus time showing two time points (1) and (2) from which an X-ray diffraction pattern was taken, using a thin graphite electrode (at a thickness of 50 microns). 3-4 mg). FIG. 21B is a diagram showing X-ray diffraction patterns acquired at two time points (1) and (2) shown in FIG. 21A. 図21Cは、図21Aに示す2つの時点(1)及び(2)で取得したX線回折パターンを倍尺で示す図である。図21B及び図21Cの回折パターンは、層間フッ化物イオン(段階2及び段階3の混合物)の段階形成を示し、図21B及び図21Cの回折パターンには、黒鉛相が5.2Vで完全に消失し、3.2Vで再び現れたことも示されている。FIG. 21C is a diagram showing the X-ray diffraction patterns acquired at two time points (1) and (2) shown in FIG. The diffraction patterns of FIGS. 21B and 21C show the step formation of intercalation fluoride ions (mixture of steps 2 and 3), and the diffraction patterns of FIGS. 21B and 21C show the complete disappearance of the graphite phase at 5.2V. It is also shown that it reappeared at 3.2V. [056] 5.2Vまで充電した正極材料の電子エネルギー損失スペクトル(EELS)を示す図であり、試料においては純粋なフッ素のみが検知され、BやPなど他の種は存在しないことにより、電解質中の他のアニオンが挿入されなかったことを示している。[056] This is a graph showing an electron energy loss spectrum (EELS) of a positive electrode material charged to 5.2 V. Only pure fluorine is detected in the sample, and other species such as B and P are not present. It shows that the other anions in it were not inserted.

Claims (46)

第一のフッ化物イオンホスト材料を含む正極と、
第二のフッ化物イオンホスト材料を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に設けられ、アニオン電荷キャリアを伝導することができる電解質とを備えるアニオン性電気化学セルであって、
前記電解質が溶媒及びフッ化物塩を含み、前記フッ化物塩が少なくとも部分的に溶解した状態で前記電解質中に存在し、それにより前記電解質中にフッ化物イオンが発生し、前記フッ化物塩が式MFを有し、式中、Mがリチウム以外の金属であり、nが0よりも大きい整数であり、
前記正極及び負極が、前記電気化学セルの充電又は放電中に前記電解質と前記アニオン電荷キャリアを可逆的に交換し、
前記アニオン電荷キャリアがフッ化物イオン(F)であり、
前記電解質の前記溶媒が、プロピレンカーボネート、ニトロメタン、トルエン、エチルメチルカーボネート、プロピルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルブチレート、n−プロピルアセテート、エチルアセテート、メチルプロピオネート、メチルアセテート、4−メチル−1,3−ジオキソラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,2ジメトキシエタン、メチルホルメート、ジクロロメタン、γ−ブチロラクトン及びエチレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも一種である、電気化学セル。
A positive electrode comprising a first fluoride ion host material ;
A negative electrode comprising a second fluoride ion host material ;
An anionic electrochemical cell comprising an electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode and capable of conducting anion charge carriers,
The electrolyte includes a solvent and a fluoride salt, and the fluoride salt is present in the electrolyte in a partially dissolved state, whereby fluoride ions are generated in the electrolyte, and the fluoride salt has the formula MF n , where M is a metal other than lithium and n is an integer greater than 0;
The positive and negative electrodes reversibly exchange the electrolyte and the anionic charge carriers during charging or discharging of the electrochemical cell;
The anionic charge carrier fluoride ion (F -) der is,
The solvent of the electrolyte is propylene carbonate, nitromethane, toluene, ethyl methyl carbonate, propyl methyl carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl butyrate, n-propyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, methyl acetate, 4- An electrochemical cell which is at least one selected from the group consisting of methyl-1,3-dioxolane, 2-methyltetrahydrofuran, 1,2 dimethoxyethane, methyl formate, dichloromethane, γ-butyrolactone and ethylene carbonate .
Mがリチウム以外のアルカリ金属又はアルカリ土類金属である、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein M is an alkali metal or alkaline earth metal other than lithium. Mが、Na、K又はRbである、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein M is Na, K or Rb. 前記電解質がアニオン受容体をさらに含む、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrolyte further comprises an anion receptor. 前記電解質が、前記フッ化物塩からの前記フッ化物イオンを配位させることができるフッ化物イオンアニオン受容体をさらに含む、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein the electrolyte further comprises a fluoride ion anion receptor capable of coordinating the fluoride ions from the fluoride salt. 前記電解質が、前記フッ化物塩からの金属イオンを配位させることができるカチオン受容体をさらに含む、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein the electrolyte further comprises a cation acceptor capable of coordinating metal ions from the fluoride salt. 前記電解質が水性電解質である、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein the electrolyte is an aqueous electrolyte. 前記電解質が非水電解質である、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein the electrolyte is a non-aqueous electrolyte. 前記負極の前記第二のフッ化物イオンホスト材料がフッ化物化合物である、請求項に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1 , wherein the second fluoride ion host material of the negative electrode is a fluoride compound. 前記負極の前記第二のフッ化物イオンホスト材料が、LaF、CaF、AlF、EuF、LiC、LiSi、LiGe、Li(CoTiSn)、SnF、InF、VF、CdF、CrF、FeF、ZnF、GaF、TiF、NbF、MnF、YbF、ZrF、SmF、LaF及びCeFからなる群から選択される、請求項に記載の電気化学セル。 The second fluoride ion host material of the negative electrode is LaF x , CaF x , AlF x , EuF x , LiC 6 , Li x Si, Li x Ge, Li x (CoTiSn), SnF x , InF x , VF x, CdF x, CrF x, FeF x, ZnF x, GaF x, TiF x, NbF x, MnF x, YbF x, ZrF x, SmF x, is selected from the group consisting of LaF x and CeF x, claim 2. The electrochemical cell according to 1. 前記負極の前記第二のフッ化物イオンホスト材料が、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン及びポリパラフェニレンからなる群から選択されるポリマーである、請求項に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1 , wherein the second fluoride ion host material of the negative electrode is a polymer selected from the group consisting of polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyparaphenylene. 前記負極の標準電極電位が−1V以下である、請求項に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1 , wherein the standard electrode potential of the negative electrode is −1 V or less. 前記負極の標準電極電位が−2V以下である、請求項に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1 , wherein a standard electrode potential of the negative electrode is −2 V or less. 前記正極の前記第一のフッ化物イオンホスト材料が、フッ化物イオン層間化合物が生成されるように前記フッ化物イオンを収容することができるインターカレーションホスト材料である、請求項に記載の電気化学セル。 The electricity of claim 1 , wherein the first fluoride ion host material of the positive electrode is an intercalation host material capable of accommodating the fluoride ions such that a fluoride ion intercalation compound is produced. Chemical cell. 前記正極の前記第一のフッ化物イオンホスト材料が、フッ化物化合物である、請求項に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1 , wherein the first fluoride ion host material of the positive electrode is a fluoride compound. 前記正極の前記第一のフッ化物イオンホスト材料が、CFx、AgFx、CuFx、NiFx、CoFx、PbFx、CeFx、MnFx、AuFx、PtFx、RhFx、VFx、OsFx、RuFx及びFeFxからなる群から選択される組成物である、請求項に記載の電気化学セル。 The first fluoride ion host material of the positive electrode is selected from the group consisting of CFx, AgFx, CuFx, NiFx, CoFx, PbFx, CeFx, MnFx, AuFx, PtFx, RhFx, VFx, OsFx, RuFx and FeFx a composition, electrochemical cell according to claim 1. 前記正極の前記第一のフッ化物イオンホスト材料が、式中xが炭素原子に対するフッ素原子の平均原子比率であり、0.3〜1.0の範囲から選択される式CFを有する部分フッ素化炭素質材料であり、前記炭素質材料が、黒鉛、コークス、多層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノ繊維、多層カーボンナノ粒子、炭素ナノウイスカ及び炭素ナノロッドからなる群から選択される、請求項16に記載の電気化学セル。 The partial fluoride wherein the first fluoride ion host material of the positive electrode has the formula CF x , wherein x is the average atomic ratio of fluorine atoms to carbon atoms, and is selected from the range of 0.3 to 1.0 a carbonaceous material, the carbonaceous material is graphite, coke, multiwall carbon nanotubes, multi-walled carbon nanofiber, multi-walled carbon nanoparticles are selected from the group consisting of carbon nanowhiskers and carbon nanorods, according to claim 16 Electrochemical cell. 前記正極の標準電極電位が1V以上である、請求項に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1 , wherein a standard electrode potential of the positive electrode is 1 V or more. 前記正極の標準電極電位が2V以上である、請求項に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1 , wherein a standard electrode potential of the positive electrode is 2 V or more. 前記正極の第一のフッ化物イオンホスト材料及び前記負極の第二のフッ化物イオンホスト材料が、異なる、請求項1に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1, wherein the first fluoride ion host material of the positive electrode and the second fluoride ion host material of the negative electrode are different. 前記正極の第一のフッ化物イオンホスト材料が第一のアニオン電荷キャリアホスト材料であり、前記負極の第二のフッ化物イオンホスト材料が第二のアニオン電荷キャリアホスト材料であり、前記第一及び第二のアニオン電荷キャリアホスト材料の組合せ(X/Y)が、CFx/LiC、CFx/LaF、CuFx/LaFx、AgFx/LaFx、CoFx/LaFx、NiFx/LaFx、MnFx/LaFx、CuFx/AlFx、AgFx/AlFx、NiFx/AlFx、NiFx/ZnFx、AgFx/ZnFx及びMnFx/ZnFxからなる群から選択される、請求項1に記載の電気化学セル。 The first fluoride ion host material of the positive electrode is a first anion charge carrier host material , and the second fluoride ion host material of the negative electrode is a second anion charge carrier host material , the first and The second anion charge carrier host material combination (X / Y) is CFx / LiC 6 , CFx / LaF x , CuFx / LaFx, AgFx / LaFx, CoFx / LaFx, NiFx / LaFx, MnFx / LaFx, CuFx / AlFx The electrochemical cell of claim 1, selected from the group consisting of: AgFx / AlFx, NiFx / AlFx, NiFx / ZnFx, AgFx / ZnFx, and MnFx / ZnFx. 3.5V以上の標準電池電圧を有する、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, having a standard battery voltage of 3.5 V or more. 前記電気化学セルの放電中、前記フッ化物イオンが前記正極から放出され、前記負極によって収容される、請求項1に記載の電気化学セル。   2. The electrochemical cell according to claim 1, wherein during the discharge of the electrochemical cell, the fluoride ions are released from the positive electrode and are accommodated by the negative electrode. 前記電気化学セルの充電中、前記フッ化物イオンが前記負極から放出され、前記正極によって収容される、請求項1に記載の電気化学セル。   2. The electrochemical cell according to claim 1, wherein during the charging of the electrochemical cell, the fluoride ions are released from the negative electrode and are accommodated by the positive electrode. 一次電気化学セルを備える、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell of claim 1 comprising a primary electrochemical cell. 二次電気化学セルを備える、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell of claim 1 comprising a secondary electrochemical cell. 500サイクル以上のサイクル寿命を有する、請求項26に記載の電気化学セル。 27. The electrochemical cell according to claim 26 , having a cycle life of 500 cycles or more. 300Wh・kg−1以上の比エネルギーを有する、請求項1に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1, which has a specific energy of 300 Wh · kg −1 or more. 前記正極、電解質及び負極がリチウムを含まない、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein the positive electrode, the electrolyte, and the negative electrode do not contain lithium. 第一のフッ化物イオンホスト材料を含み、第一の標準電極電位を有する正極と、
第二のフッ化物イオンホスト材料を含み、第二の標準電極電位を有する負極であって、前記第一の標準電極電位と前記第二の標準電極電位との差が3.5V以上である負極と、
前記正極と前記負極との間に設けられ、フッ化物イオン電荷キャリアを伝導することができ、フッ化物塩及び溶媒を含む電解質であって、前記フッ化物塩の少なくとも一部が溶解した状態で存在し、それにより前記電解質中に前記フッ化物イオン電荷キャリアが発生する電解質と、を備えるアニオン性二次電気化学セルであって、前記フッ化物塩が式MFを有し、式中、Mがリチウム以外の金属であり、nが0よりも大きい整数であり、
前記正極及び前記負極が、前記電気化学セルの充電又は放電中に前記電解質と前記フッ化物イオン電荷キャリアを可逆的に交換し、
前記フッ化物イオン電荷キャリアがフッ化物イオン(F)であり、
前記電解質の前記溶媒が、プロピレンカーボネート、ニトロメタン、トルエン、エチルメチルカーボネート、プロピルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルブチレート、n−プロピルアセテート、エチルアセテート、メチルプロピオネート、メチルアセテート、4−メチル−1,3−ジオキソラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,2ジメトキシエタン、メチルホルメート、ジクロロメタン、γ−ブチロラクトン及びエチレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも一種である、二次電気化学セル。
A positive electrode comprising a first fluoride ion host material and having a first standard electrode potential;
A negative electrode comprising a second fluoride ion host material and having a second standard electrode potential, wherein the difference between the first standard electrode potential and the second standard electrode potential is 3.5 V or more When,
An electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode, capable of conducting fluoride ion charge carriers, comprising a fluoride salt and a solvent, and present in a state in which at least a part of the fluoride salt is dissolved and whereby said fluoride ion charge carriers in the electrolyte is an anionic secondary electrochemical cell comprising an electrolyte which occurs, the fluoride salt has the formula MF n, wherein, M is A metal other than lithium, n is an integer greater than 0,
The positive electrode and the negative electrode reversibly exchange the electrolyte and the fluoride ion charge carriers during charging or discharging of the electrochemical cell;
The fluoride ion charge carriers fluoride ion (F -) der is,
The solvent of the electrolyte is propylene carbonate, nitromethane, toluene, ethyl methyl carbonate, propyl methyl carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl butyrate, n-propyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, methyl acetate, 4- A secondary electrochemical cell which is at least one selected from the group consisting of methyl-1,3-dioxolane, 2-methyltetrahydrofuran, 1,2 dimethoxyethane, methyl formate, dichloromethane, γ-butyrolactone and ethylene carbonate .
Mが、Na、K又はRbである、請求項30に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 30 , wherein M is Na, K or Rb. 前記電解質が、アニオン受容体、カチオン受容体又は両方をさらに含む、請求項30に記載の電気化学セル。 32. The electrochemical cell according to claim 30 , wherein the electrolyte further comprises an anion receptor, a cation receptor or both. 前記負極の前記第二のフッ化物イオンホスト材料が、LaF、CaF、AlF、EuF、LiC、LiSi、LiGe、Li(CoTiSn)、SnF、InF、VF、CdF、CrF、FeF、ZnF、GaF、TiF、NbF、MnF、YbF、ZrF、SmF、LaF及びCeFからなる群から選択される、請求項30に記載の電気化学セル。 The second fluoride ion host material of the negative electrode is LaF x , CaF x , AlF x , EuF x , LiC 6 , Li x Si, Li x Ge, Li x (CoTiSn), SnF x , InF x , VF x, CdF x, CrF x, FeF x, ZnF x, GaF x, TiF x, NbF x, MnF x, YbF x, ZrF x, SmF x, is selected from the group consisting of LaF x and CeF x, claim 30. The electrochemical cell according to 30 . 前記正極の前記第一のフッ化物イオンホスト材料が、CFx、AgFx、CuFx、NiFx、CoFx、PbFx、CeFx、MnFx、AuFx、PtFx、RhFx、VFx、OsFx、RuFx及びFeFxからなる群から選択される組成物である、請求項30に記載の電気化学セル。 The first fluoride ion host material of the positive electrode is selected from the group consisting of CFx, AgFx, CuFx, NiFx, CoFx, PbFx, CeFx, MnFx, AuFx, PtFx, RhFx, VFx, OsFx, RuFx and FeFx The electrochemical cell according to claim 30 , which is a composition. アニオン性電気化学セルを作製する方法であって、
第一のフッ化物イオンホスト材料を含む正極を設けるステップと、
第二のフッ化物イオンホスト材料を含む負極を設けるステップと、
前記正極と前記負極との間に、アニオン電荷キャリアを伝導することができる電解質を設けるステップであって、前記電解質が溶媒及びフッ化物塩を含み、前記フッ化物塩が少なくとも部分的に溶解した状態で前記電解質中に存在し、それにより前記電解質中にフッ化物イオンが発生することと、を含む方法であって、前記フッ化物塩が式MFを有し、式中、Mがリチウム以外の金属であり、nが0よりも大きい整数であり、
前記正極及び負極が、前記アニオン性電気化学セルの充電又は放電中に前記電解質と前記アニオン電荷キャリアを可逆的に交換する、前記アニオン電荷キャリアがフッ化物イオン(F)であり、
前記電解質の前記溶媒が、プロピレンカーボネート、ニトロメタン、トルエン、エチルメチルカーボネート、プロピルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルブチレート、n−プロピルアセテート、エチルアセテート、メチルプロピオネート、メチルアセテート、4−メチル−1,3−ジオキソラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,2ジメトキシエタン、メチルホルメート、ジクロロメタン、γ−ブチロラクトン及びエチレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも一種である、方法。
A method for making an anionic electrochemical cell comprising:
Providing a positive electrode comprising a first fluoride ion host material ;
Providing a negative electrode comprising a second fluoride ion host material ;
A step of providing an electrolyte capable of conducting anion charge carriers between the positive electrode and the negative electrode, wherein the electrolyte includes a solvent and a fluoride salt, and the fluoride salt is at least partially dissolved; Present in the electrolyte, thereby generating fluoride ions in the electrolyte, wherein the fluoride salt has the formula MFn, where M is other than lithium A metal, n is an integer greater than 0,
The positive electrode and the negative electrode, wherein said electrolyte during charging or discharging of anionic electrochemical cells to anion reversibly exchanging charge carriers, the anion charge carriers fluoride ion (F -) der is,
The solvent of the electrolyte is propylene carbonate, nitromethane, toluene, ethyl methyl carbonate, propyl methyl carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl butyrate, n-propyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, methyl acetate, 4- A method which is at least one selected from the group consisting of methyl-1,3-dioxolane, 2-methyltetrahydrofuran, 1,2 dimethoxyethane, methyl formate, dichloromethane, γ-butyrolactone and ethylene carbonate .
電流を発生させる方法であって、
アニオン性電気化学セルを提供するステップと、
前記アニオン性電気化学セルを放電するステップと
を含み、前記電気化学セルが、
第一のフッ化物イオンホスト材料を含む正極と、
第二のフッ化物イオンホスト材料を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に設けられ、アニオン電荷キャリアを伝導することができる電解質であって、前記電解質が溶媒及びフッ化物塩を含み、前記フッ化物塩が少なくとも部分的に溶解した状態で前記電解質中に存在し、それにより前記電解質中にフッ化物イオンが発生することと、を備え、前記フッ化物塩が式MFを有し、式中、Mがリチウム以外の金属であり、nが0よりも大きい整数であり、
前記正極及び前記負極が、前記アニオン性電気化学セルの充電又は放電中に前記電解質と前記アニオン電荷キャリアを可逆的に交換する、前記アニオン電荷キャリアがフッ化物イオン(F)であり、
前記電解質の前記溶媒が、プロピレンカーボネート、ニトロメタン、トルエン、エチルメチルカーボネート、プロピルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルブチレート、n−プロピルアセテート、エチルアセテート、メチルプロピオネート、メチルアセテート、4−メチル−1,3−ジオキソラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,2ジメトキシエタン、メチルホルメート、ジクロロメタン、γ−ブチロラクトン及びエチレンカーボネートからなる群から選択される少なくとも一種である、方法。
A method of generating a current,
Providing an anionic electrochemical cell;
Discharging the anionic electrochemical cell, the electrochemical cell comprising:
A positive electrode comprising a first fluoride ion host material ;
A negative electrode comprising a second fluoride ion host material ;
An electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode and capable of conducting anion charge carriers, wherein the electrolyte includes a solvent and a fluoride salt, and the fluoride salt is at least partially dissolved. Present in the electrolyte, thereby generating fluoride ions in the electrolyte, wherein the fluoride salt has the formula MF n , where M is a metal other than lithium, n Is an integer greater than 0,
The positive electrode and the negative electrode, wherein said electrolyte during charging or discharging of anionic electrochemical cells to anion reversibly exchanging charge carriers, the anion charge carriers fluoride ion (F -) der is,
The solvent of the electrolyte is propylene carbonate, nitromethane, toluene, ethyl methyl carbonate, propyl methyl carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl butyrate, n-propyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, methyl acetate, 4- A method which is at least one selected from the group consisting of methyl-1,3-dioxolane, 2-methyltetrahydrofuran, 1,2 dimethoxyethane, methyl formate, dichloromethane, γ-butyrolactone and ethylene carbonate .
前記正極の前記第一のフッ化物イオンホスト材料が、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン及びポリパラフェニレンからなる群から選択されるポリマーである、請求項に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1 , wherein the first fluoride ion host material of the positive electrode is a polymer selected from the group consisting of polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyparaphenylene. 電解質中のフッ化物塩の濃度は、0.1M〜2.0Mの範囲から選択される、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein the concentration of the fluoride salt in the electrolyte is selected from the range of 0.1M to 2.0M. Mがリチウム以外のアルカリ金属である、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein M is an alkali metal other than lithium. Mがアルカリ土類金属である、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein M is an alkaline earth metal. Mが、Mg、Ca又はSrである、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein M is Mg, Ca, or Sr. 前記電解質は、0.001Scm−1以上の前記アニオン電荷キャリア向けの伝導率を提供する、請求項1に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrolyte provides a conductivity for the anionic charge carrier of 0.001 Scm −1 or greater. 前記電解質は、0.005Scm−1以上の前記アニオン電荷キャリア向けの伝導率を提供する、請求項1に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrolyte provides a conductivity for the anionic charge carrier of 0.005 Scm −1 or greater. 前記第一のフッ化物イオンホスト材料及び前記第二のフッ化物イオンホスト材料は、前記第一のフッ化物イオンホスト材料、前記第二のフッ化物イオンホスト材料、又は前記第一のフッ化物イオンホスト材料及び前記第二のフッ化物イオンホスト材料への前記フッ化物イオンのインターカレーション又は挿入により、前記電解質と前記アニオン電荷キャリアを可逆的に交換する、請求項に記載の電気化学セル。 The first fluoride ion host material and the second fluoride ion host material are the first fluoride ion host material, the second fluoride ion host material, or the first fluoride ion host. material and the by the intercalation or insertion of fluoride ions to the second fluoride ion host material, reversibly exchanging the anion charge carriers with the electrolyte, electrochemical cell according to claim 1. 前記第一のフッ化物イオンホスト材料及び前記第二のフッ化物イオンホスト材料は、前記第一のフッ化物イオンホスト材料、前記第二のフッ化物イオンホスト材料、又は前記第一のフッ化物イオンホスト材料及び前記第二のフッ化物イオンホスト材料と前記フッ化物イオンとの化学反応により、前記電解質と前記アニオン電荷キャリアを可逆的に交換する、請求項に記載の電気化学セル。 The first fluoride ion host material and the second fluoride ion host material are the first fluoride ion host material, the second fluoride ion host material, or the first fluoride ion host. material and said and by chemical reaction with the fluoride ion second fluoride ion host material, reversibly exchanging the anion charge carriers with the electrolyte, electrochemical cell according to claim 1. 前記電解質の前記溶媒が、部分的に又は完全にフッ素化された溶媒である、請求項1に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein the solvent of the electrolyte is a partially or fully fluorinated solvent.
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