(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極と負極液とから成る負極室と、正極と正極液とから成る正極室と、負極室と正極室とを分離するアルカリイオン伝導性固体電解質膜とから成る電気化学的電池であって、電解質膜がナトリウムイオン伝導性電解質膜およびリチウムイオン伝導性膜から選択され、（１）負極がアルカリ金属挿入材料から成り、負極が電解質膜の第１の表面上に直接配置される及び／又は（２）正極がアルカリ金属挿入材料から成り、アルカリ金属挿入材料が電解質膜の第２の表面上に直接配置されることを特徴とする電気化学的電池。
【請求項２】
負極がアルカリ金属挿入材料から成り、負極が電解質膜の第１の表面上に直接配置される請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項３】
正極液がナトリウム含有材料を含む請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項４】
ナトリウム含有材料が、Ｎａ２Ｓ、ＮａＩ、ＮａＣｌ、Ｎａ２ＳＯ４及びＮａＮＯ３から選択される請求項３に記載の電気化学的電池。
【請求項５】
電解質膜がＮａＳＩＣＯＮ型材料から成る請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項６】
電解質膜がＬｉＳＩＣＯＮ型材料から成る請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項７】
正極液がリチウム含有材料から成る請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項８】
リチウム含有材料がＬｉ２Ｓ、ＬｉＩ及びＬｉＣｌから選択される化合物である請求項７に記載の電気化学的電池。
【請求項９】
正極がアルカリ金属挿入材料から成り、アルカリ金属挿入材料が電解質膜の第２の表面上に直接配置される請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項１０】
挿入材料が、炭素とナトリウム及びリチウムから選択されるアルカリ金属とから成る請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項１１】
正極液が水酸化ナトリウムから成る請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項１２】
アルカリ金属挿入化合物が、ＮａｘＮｉＯ２、ＮａｘＭｎＯ２、ＮａｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ、ＬｉｘＣｏＯ２及びＬｉｘＭｎＯ２（ただし０．２≦ｘ≦１、ｙ＝１、１≦ｚ≦３）の一つ以上から成る請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項１３】
電気化学的電池がアルカリ系二次電池である請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項１４】
第１の炭素系アルカリ金属挿入材料のみから成る負極から成る負極室と、正極から成る正極室と、正極から負極を分離するアルカリ金属イオン伝導性固体セラミック電解質膜とから成るアルカリ金属系二次電池であって、第１の炭素系アルカリ金属挿入材料がＭｘＣ６（ＭはＮａ又はＬｉで、ｘ≦３）から成り、正極は第１の炭素系アルカリ金属挿入材料とは異なる第２のアルカリ金属挿入材料のみから成り、負極は上記電解質膜の第１の側と直接に接しており、正極は上記電解質膜の第１の側と反対側の第２の側に直接に接しており、電解質膜がＮａＳＩＣＯＮ型材料およびＬｉＳＩＣＯＮ型材料から選択されることを特徴とする固体アルカリ金属系二次電池。
【請求項１５】
ＭｘＣ６がＮａｘＣ６（ｘ≦３）から成る請求項１４に記載の二次電池。
【請求項１６】
ＭｘＣ６がＬｉｘＣ６（ｘ≦３）から成る請求項１４に記載の二次電池。
【請求項１７】
第２のアルカリ金属挿入材料が、ＮａｘＮｉＯ、ＮａｘＡｌＯ２、ＮａｘＦｅＰＯ４、ＬｉｘＮｉＯ及びＬｉｘＦｅＰＯ４（ただし、０．２≦ｘ≦１）から選択される請求項１４に記載の二次電池。
【請求項１８】
アルカリ金属挿入化合物が、ＮａｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ただし、０＜ｘ≦３、ｙ＝１、１≦ｚ≦３）から成る請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項１９】
第２のアルカリ金属挿入材料が、ＮａｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ただし、０＜ｘ≦３、ｙ＝１、１≦ｚ≦３）から成る請求項１４に記載の二次電池。
【請求項２０】
第１の炭素系アルカリ金属挿入材料のみから成る負極から成る負極室と、正極から成る正極室と、正極から負極を分離するアルカリ金属イオン伝導性固体セラミック電解質膜とから成るアルカリ金属系二次電池であって、第１の炭素系アルカリ金属挿入材料がＭｘＣ６（ＭはＮａ又はＬｉで、ｘ≦３）から成り、正極は第１の炭素系アルカリ金属挿入材料とは異なる第２のアルカリ金属挿入材料のみから成り、負極は上記電解質膜の第１の側と直接に接しており、電解質膜の第１の側と反対側の第２の側に炭素層が配置され、正極は当該炭素層に直接に接しており、電解質膜がＮａＳＩＣＯＮ型材料およびＬｉＳＩＣＯＮ型材料から選択されることを特徴とする固体アルカリ金属系二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２０１３年３月４日出願の米国仮特許出願第６１／７７２，３５６号、発明の名称「電解セルにおける電極としてのアルカリ金属挿入材料」; ２０１３年３月４日出願の米国仮特許出願第６１／７７２，３０６号、発明の名称「二次電池における電極としてのアルカリ金属挿入材料」; 及び２０１２年１月１６日出願の米国仮特許出願第６１／５８７，０４４号を優先権主張する２０１３年１月１５日出願の米国特許出願第１３／７４２，１８４号、発明の名称「酸陽極液の電解のための複合固体電解質」をそれぞれ優先権主張し、これらの出願のすべての開示を参照により本発明に引用する。
【０００２】
本発明は、総括的には電解セル（電池）に関する。詳しくは、本発明は、固体アルカリイオン伝導性電解質膜とアルカリ金属挿入材料を含む少なくとも一つの電極とを含む電解セルを提供するものである。ある例において、挿入材料はナトリウム及びリチウムから選択されるアルカリ金属から成る。
【背景技術】
【０００３】
アルカリイオンを選択的に輸送する固体アルカリイオン伝導性電解質膜から成る電解セル（電池）は公知である。電解セル中にアルカリイオン選択性膜を有することにより、アルカリイオンはセルの陽極液室および陰極液（電解液）室の間を透過することが出来、他の化学物質はそれぞれの固有の室内に維持される。それゆえ、アルカリイオン特有の膜を使用することを介して、効率的で、膜無しで生ずる反応よりももっと異なる反応を生み出すことが出来る電解セルを立案することが出来る。
【０００４】
固体アルカリイオン伝導性電解質膜は、種々の理由により電解セルで使用され、例えば、これに限定されないが、イオン伝導性を有すること、イオン選択性、水不透過性、化学的安定性（耐薬品性）、電気的絶縁性および同様の理由が挙げられる。例えば、ＮａＳＩＣＯＮ（Ｎａ  Ｓｕｐｅｒ  Ｉｏｎ  ＣＯＮｄｕｃｔｉｎｇ（Ｎａ超イオン伝導））膜は、ナトリウムカチオンを選択的に輸送し、ＬｉＳＩＣＯＮ（Ｌｉ  Ｓｕｐｅｒ  Ｉｏｎ  ＣＯＮｄｕｃｔｉｎｇ（Ｌｉ超イオン伝導））膜はリチウムカチオンを選択的に輸送する。固体アルカリイオン伝導性電解質膜の他の例としては、β−アルミナ、ナトリウム伝導性ガラス等が挙げられる。
【０００５】
固体アルカリイオン伝導性膜から成る電解セルは、幅広い種々の異なる化学種の製造および種々の化学反応を遂行に使用される。ある場合には、そのような電解セルは、アルカリ塩をそれに対応する酸に返還する。また、他の場合には、そのような電解セルは、混合アルカリ塩からアルカリ金属を分離するのに使用されてもよい。従って、そのような電解セルは、ナトリウム、リチウム、カリウム等の金属を純粋化するのに使用される。
【０００６】
その利便性にもかかわらず、固体アルカリイオン伝導性膜から成る電解セルは、必ずしも欠点や課題がないわけではない。例えば、そのような電解セルは、比較的非効率である。具体的には、そのようなセルは、アノード及びカソード電極間の電位低下が相対的に大きい。更に、そにょうな電解セルは、セルが機能している時に、電解質室中の低いｐＨの酸および／または陰極液室中の高いｐＨの塩基が発生し、セルの内容物が固体アルカリイオン伝導性膜にダメージを与え、劣化させ、それによって効率が低下し、操作不能となる原因となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それゆえ、固体アルカリイオン伝導性膜よって分離されている陰極液室および陽極液室から成る電解セルは知られているものの、課題は今なお存在する。従って、従来の電解セルを他の電解セルに置き換え、増強することは本分野における改良となるだろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、概括的に、固体アルカリイオン伝導性電解質膜と、アルカリ金属挿入（インターカレーション）材料を含む少なくとも一つの電極とを含む電解セルに関する。セルはいかなる好適な構成要素から成っていてもよいが、これに限定されないある実施態様において、セルは、アノード電極を収納する陽極液室と、カソード電極を収納する陰極液室と、陽極液室および陰極液室を分離する固体ナトリウム又はリチウムイオン伝導性電解質膜を含む。セル中に、少なくとも一つのアノード又はカソードがアルカリ金属挿入材料を含み、同じく、アルカリ金属は基材（例えば、炭素、酸化ニッケル、酸化マンガン、リン酸鉄など）の中および／または基材上に挿入されている（例えば、ナトリウム又はリチウム）。
【０００９】
これに限定されない実施態様として、本発明は、アノードナトリウム金属挿入材料から成るアノード電極を収納する陽極液室と、カソード電極を収納する陰極液室と、陽極液室および陰極液室の間に配置される固体ナトリウムイオン伝導性電解質膜とから成る電気化学的電池であって、アノードは電解質膜に接して配置される。
【００１０】
ある実施態様において、本発明は二次電池（または再充電可能電池）の形式である。当業者にわかるように、再充電可能電池は、しばしば正極および負極を有する。明細書を通じて使用される語で、「負極」は「アノード」と互換して使用でき、「正極」は「カソード」と互換して使用でき、「負極室」は「陽極液室」と互換して使用でき、「正極室」は「陰極液室」と互換して使用できる。
【００１１】
二次電池は、固体アルカリ金属イオン伝導性電解質膜およびアルカリ金属挿入材料を有する負極（アノード）から成る。記載される二次電池はいかなる好適な構成要素を含んでいてもよいが、これに限定されない実施態様として、電池は負極を収納する陽極液室、正極（カソード）を収納する陰極液室および正極から負極を分離する固体ナトリウム又はリチウム金属イオン伝導性電解質膜を含む。そのような実施態様において正極は、正極（例えば、Ｎｉ（ＯＨ）２、ＮｉＯＯＨ等）として機能すればいかなる好適な材料を含んでもよいが、ある態様において、正極は、第１の挿入材料と異なり（例えば、異なる電位）、電解質膜の第２の側に結合する第２のアルカリ金属挿入材料を任意に含んでもよい。負極はいかなる好適なアルカリ金属挿入材料を含んでいてもよいが、ある態様において、ＭｘＣ６（ＭはＮａ又はＬｉ）を含む。同様に、正極が挿入材料を含む場合、正極は、負極の挿入材料と異なる（例えば、異なる電位）いかなる好適なアルカリ金属挿入材料を含んでもよい。ある態様において、例えば、ＭｘＮｉＯ、ＭｘＭｎＯ２又はＭｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ＭはＮａ又はＬｉであり、０．２≦ｘ≦１である）を含んでもよい。
【００１２】
これに限定されない実施態様において、記載される電池は、負極を収納する陽極液室を有し、負極は第１のアルカリ金属挿入材料を含む。そのような実施態様において、電池は更に正極から成る陰極液室を含み、正極は第１のアルカリ金属挿入材料と異なる第２のアルカリ金属挿入材料を含む。更に、そのような実施態様において、電池は正極から負極を分離する固体アルカリ金属イオン伝導性電解質膜を含み、第１及び第２のアルカリ金属挿入材料は電解質膜に直接接触しており、電解質膜はナトリウムイオン伝導性電解質膜およびリチウムイオン伝導性膜から選択される。
【００１３】
これに限定されない実施態様において、電池は負極を収納する陽極液室を含み、負極は第１のナトリウム挿入材料（例えば、ＮａｘＣ６、ｘは約１〜約３）から成る。そのような実施態様において、電池は更に正極を収納する陰極液室を含み、正極は第１のナトリウム挿入材料と異なる電位を有する第２のナトリウム挿入材料から成る。更に、そのような実施態様において、電池は正極から負極を分離する固体ナトリウムイオン伝導性電解質膜を含み、第１及び第２のナトリウム挿入材料は電解質膜に直接接触している。
【００１４】
更に、これに限定されない実施態様において、記載される発明は、第１の界面および第２の界面（実質的に第１の界面の反対側）を有する固体アルカリ金属イオン伝導性電解質膜に関するものであり、電解質膜はナトリウムイオン伝導性電解質膜およびリチウムイオン伝導性膜から選択される。このような実施態様において、第１のアルカリ金属挿入材料を含む負極は第１の界面に接続している。
【００１５】
本発明のこれらの特性および利点は、以下の記載および添付する特許請求の範囲より更に十分に明らかになるであろう。あるいは、以下に記載される発明を実践することによりわかるであろう。
【００１６】
本発明の上述のおよび他の特性ならびに利点得られ、容易に理解できるように、上述の簡単な説明より具体的な記述を添付の図面に記載されたより具体的な実施態様によって説明する。図面は大きさを表しているものではなく、本発明のある代表的な実施態様を示しているだけであり、本発明の要旨をこれに限定するわけではないことを理解すべきである。本発明は、添付の図面を使用して追加の具体例および詳細を記載、説明するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、固体アルカリイオン伝導性電解質膜とアルカリ金属挿入材料を含む少なくとも一つの電極とを含む電解セルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、固体アルカリイオン伝導性電解質膜上に配置されるアノード電極を有する電解電池の代表的な実施態様の略図を示す。
【図２】図２は、アノードが電解質膜から分離されている電池の代表的な実施態様の略図を示す。
【図３】図３は、アノード電極およびカソード電極が電解質膜の面の互いに反対側に配置されている電池の代表的な実施態様の略図を示す。
【図４】図４は、アノード及びカソードがそれぞれ電解質膜から分離されて配置される電池の代表的な実施態様の略図を示す。
【図５】図５は、陰極液室中に溶融ナトリウムを発生させる電池の代表的な実施態様の略図を示す。
【図６】図６は、電池がそれぞれ異なるアルカリ金属挿入材料を含む負極および正極から成り、電池が放電状態である場合のアルカリ金属系二次電池の代表的な実施態様の略図を示す。
【図７】図７は、電池が充電状態である場合の図１に示す二次電池の代表的な実施態様の略図を示す。
【図８】図８は、電池がアルカリイオン伝導性電解質膜から分離されている正極から成り電池が放電状態である場合の二次電池の代表的な実施態様の略図を示す。
【図９】図９は、電池が電池の電解質膜に結合されている被膜を有し、電池が放電状態である場合の二次電池の代表的な実施態様の略図を示す。
【図１０】図１０は、電解質膜から分離された負極および正極から成り、電解質膜がカーボン被膜を含む二次電池の代表的な実施態様の略図を示す。
【図１１】図１１は、本発明の代表的な実施態様に従ったＮａＳＩＣＯＮ膜上のカーボン被覆層の安定性を示すグラフである。
【図１２】図１２は、ＮａＳＩＣＯＮ膜上のカーボン被覆の存在がＮａＳＩＣＯＮの抵抗を増加させないことを示すグラフである。
【図１３】図１３は、実施例の電解電池の代表的な実施態様の略図を示し、電池の負極および正極が電解質膜から分離されており、電解質膜は図１０に示される電池のカーボン被覆を含んでいない。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
この明細書を通じて参照される「ある実施態様」、「１つの実施態様」または類似の語は、実施態様に関連して記載される具体的な要旨、構成および性能が本発明の少なくとも１つの実施態様に含まれることを意味する。それ故、本明細書を通じて「ある実施態様において」、「１つの実施態様において」、「他の実施態様において」及び類似の語は、全て同じ実施態様を参照してもよく、また必ずしもそうでなくてもよい。更に、以下の記載は本発明に記載の種々の構成要素および要旨の幾つかの実施態様および実施例を参照するが、記載された実施態様および実施例の全ては、あらゆる点において単なる例示であり、如何なる方法においても本発明がこれらに限定されているわけではないと理解すべきである。
【００２０】
更に、本発明の記載される特性、構造または性質の一つ以上の実施態様における好適な方法を結びつけてもよい。以下の記載において、本発明の実施態様の理解を通じて供給されるために提供される、例えば好適なアノード電極、カソード電極、アルカリ金属挿入材料、イオン伝導性電解質膜などの数多くの具体的詳細が供給される。当業者ならば、しかしながら、本発明を、一つ以上の具体的詳細または他の方法、構成要素、材料など無しで実践できることがわかるであろう。他の例として、よく知られた構造、材料または操作は、本発明を曖昧にするので記載しないか、具体的に記載していない。
【００２１】
本発明のある実施態様は、固体アルカリイオン伝導性電解質膜と、アルカリ金属挿入材料を含む少なくとも１つの電極とから成る電解セルを提供する。記載されるセルはいかなる好適な構成要素から成っていてもよいが、図１はセル１０の代表的な実施態様を示し、電解セル（電池）１０は、アノード電極２０を含む陽極液室１５と、カソード電極３０から成る陰極液室２５と、陰極液室２５から陽極液室１５を分離するアルカリイオン伝導性電解質膜３５と、第１の端子４０と、第２の端子４５とから成る。記載されるセルのより深い理解を提供するため、図１に示すセルのそれぞれの構成要素の簡単な記載のより詳しい説明を以下に行う。
【００２２】
陽極液１５室および陰極液２５室に関し、これらの室は、電池１０が意図されたように機能するのであれば、いかなる好適な形状であってもよく、他のいかなる好適な性質を有していてもよい。例えば、陽極液室および陰極液室は、チューブ状、矩形状、不規則状または他の好適な形状であってもよい。更に、２室はいかなる好適な空間的配置関係を有していてもよい。例えば、図１には陽極液室１５及び陰極液室２５が互いに近接している実施態様を示すが、一室（例えば、陽極液室）が他の室（例えば、陰極液室）内に（少なくとも部分的に）配置され、二室の内容物はアルカリイオン伝導性電解質膜３５及び他の室壁によって分離されているような他の実施態様（図示せず）であってもよい。
【００２３】
アノード２０に関し、電池が意図するように機能すれば（例えば、所望の電気化学反応が遂行できれば）、電池１０はいかなる好適なアノードから成っていてもよい。好適なアノード材料の例としては、これに限定されないが、アルカリ金属挿入材料、集電体金属（例えば、銅、アルミニウム等）、形状安定化アノード−白金／チタン（ＤＳＡ）、白金メッキチタン、二酸化ルテニウム（ＩＶ）（ＲｕＯ２）、タングステン、炭素および／または他の好適な公知または新規のアノード材料が挙げられる。ある実施態様において、アノードはアルカリ金属挿入材料から成る。
【００２４】
アノード２０が挿入材料から成る場合、電池が機能し、電池が作動中にアノード中のアルカリ金属（例えば、Ｎａ又はＬｉ）が酸化されてアルカリイオン（Ｎａ＋又はＬｉ＋）を形成するのであれば、挿入材料はいかなるアルカリ金属含有材料から成っていてもよい。更に、ある実施態様において、挿入材料は電解質膜３５の抵抗をほとんど増加させない（後述する）材料から成る、換言すれば、ある実施態様において、挿入材料は、アルカリイオンを電解質膜を介して容易に輸送され、陽極液室１５から陰極液室２５へのアルカリイオンの通過速度に悪影響をほとんど及ぼさない。
【００２５】
ある実施態様おいて、アノード２０は挿入材料から成り、挿入材料は基材に挿入されたナトリウム金属から成り、そのような基材としては、カーボン（例えば、グラファイト、メソポーラスカーボン、ホウ素がドープされたダイアモンド、炭素および／またはグラフェン）、酸化ニッケル、酸化マンガン、リン酸鉄などが挙げられる。実際に、ある実施態様において、アノード２０は、ＮａｘＣ６（ｘは約０〜約３）、ＮａｘＮｉＯ、ＮａｘＭｎＯ２、ＮａｘＮｉＯ２、ＮａｘＡｌＯ２、ＮａｘＣｏＯ２（ｘは約０．２〜約１）及び／又はＮａｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘは約０〜約３、ｙは約１、ｚは約１〜約３）から成る。
【００２６】
他の実施態様において、アノード２０中の挿入材料は、基材中および／または基材上にリチウム金属が挿入（インターカレート）された材料から成り、基材としては、カーボン（例えば、グラファイト、メソポーラスカーボン、ホウ素がドープされたダイアモンド、炭素および／またはグラフェン）、酸化ニッケル、酸化マンガン、リン酸鉄などが挙げられる。実際に、ある実施態様において、アノード２０は、ＬｉｘＣ６（ｘは約０〜約３）、ＬｉｘＮｉＯ、ＬｉｘＭｎＯ２、ＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（ｘは約０．２〜約１）及び／又はＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）z（ｘは約０〜約１、ｙは約１及びｚは約１〜約１）から成る。更に、アノードはいかなる好適な形状から成っていてもよく、ある実施態様において、アノードは塗膜、ワイヤー、フェルト、プレート、チューブ、メッシュ、発泡体および／または他の好適なアノード形状から成っていてよい。
【００２７】
アノード２０は、アルカリイオン伝導性電解質膜３５（以下に説明する）に対していかなる空間的位置関係を有していてもよいが、ある実施態様において（図１に示す）、アノード２０は、陽極液室１５に面した膜３５の第１の側５０に連結されるかその上に配置される。電解質膜上にアノードの挿入材料を配置させる場合（例えば、塗膜として）、電池１０に種々の特徴を付与する。ある実施態様において、挿入材料を電解質膜上に配置させることにより、アルカリイオン（例えば、Ｎａ＋又はＬｉ＋）を直接アノードから電解質膜（例えば、アノードとカソード３０との間を電流を通じて）を介して陰極液室２５に透過させることが出来る。
【００２８】
他の実施態様において、しかしながら、図２は、アノード２０が電解質膜３５から分離されている実施態様を示す。そのような実施態様において、電解質膜からアノードが分離されている場合、挿入材料は任意に、全部ではないがほとんどアノードを形成するための材料から成ってもよい。ある他の実施態様において、アノードが、挿入材料に少なくとも一部被覆された基材から成る（例えば、炭素基材、ワイヤー、メッシュ、プレート、発泡体、タングステン等）。
【００２９】
アノード２０が挿入材料から成る場合、挿入材料は、いかなる好適な方法によって電解質膜３５（図１に示すように）に結合するかその上に配置されるか、あるいはアノードの一部として形成されてもよい（図２に示すように）。実際に、ある実施態様において、アノード２０の挿入材料は、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）、スパッタリング法、キャスト法、パルスレーザー蒸着法、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、成型法、押出し法および／または他のいかなる好適な方法によって、あるいは、電解質膜上にアノードの挿入材料を配置できる又はアノードを形成可能な他の方法によって、電解質膜および／またはアノード（例えば、アノード基材）上に配置されてもよい。更に、挿入材料が基材に単層として添加される場合（例えば、電解質膜３５の第１の側５０、アノード２０及び／又はアノード基材）、ある実施態様において、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はそれより多い層の挿入材料が基材に添加されてアノードを形成する。
【００３０】
ある実施態様において、アノードが形成されている場合（例えば、挿入材料が電解質膜３５、アノード基材などの上に配置されている場合）、アノード２０の挿入材料がアルカリ金属（例えば、Ｎａ又はＬｉ）から成る。他の実施態様において、挿入材料の基材材料（例えば、炭素、酸化ニッケル、酸化マンガン、リン酸鉄など）が、基材上に（例えば、電解質膜、アノード基材など）先ず被覆され、次いでアルカリ金属は基材中に充填される。この充填はいかなる好適な方法によって行われてもよいが、ある実施態様において、充填は、挿入材料が電池１０に添加される前および／またはセルが機能中に行われる。
【００３１】
アノード２０が挿入材料から成り、挿入材料が基材上に被覆されている場合（例えば、電解質膜３５の第１の側５０の場合（図１に示す）、アノード２０が電解質膜から分離されている場合（図２に示す）など）、電池１０が機能するのであれば、挿入材料（全体として）はいかなる好適な厚さを有していてもよい。実際に、ある実施態様において、アノードの挿入材料の厚さの下限は約５０μｍ、約２５μｍ、約１０μｍ、約５μｍ及び約１μｍから選択される。一方、ある実施態様において、アノードの挿入材料の厚さの上限は約５５μｍ、約１００μｍ、約５００μｍ、約１ｍｍ、約５ｍｍおよび約１ｃｍから選択される。他の実施態様において、アノードの挿入材料の厚さは、これらのいかなる好適な組合せの範囲、または更に上記の範囲の小領域（例えば、約２５０μｍ〜約５２０μｍ）である。
【００３２】
アノード２０に加え、ある実施態様において、陽極液室１５は陽極液溶液５５（図１及び図２に示す）から成る。これに関し、電池１０が機能し、所望の化学反応を遂行できるのであれば、陽極液はいかなる一つ又は複数の化学種から成っていてもよい。陽極液の好適な例としては、これに限定されないが、水、ホルムアミド、メチルホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトアミド、フルオロアセトアミド、１，２−プロパンジオール、エチレングリコール、１，３−プロピレングリコール、Ｎａ２ＳＯ４、ＮａＮＯ３、Ｌｉ２ＳＯ４、ＬｉＮＯ３、ＮａＩ、Ｎａ２Ｓ、ＮａＣｌ、ＬｉＩ、Ｌｉ２Ｓ及び／又はＬｉＣｌから成る水性および／または非水溶液が挙げられる。実際に、ある実施態様において、電解質膜３５はナトリウムイオンを選択的に輸送するように設計され、陽極液はＮａＩ、Ｎａ２Ｓ、ＮａＣｌ、Ｎａ２ＳＯ４及びＮａＮＯ３の水溶液から成る。対照的に、ある実施態様において、電解質膜はリチウムイオンを選択的に輸送するように設計され、陽極液はＬｉＩ、Ｌｉ２Ｓ又はＬｉＣｌ水溶液から成る。
【００３３】
固体アルカリイオン選択性電解質膜３５に説明を戻すと、電池１０は、所望の電気化学反応を達成できるのであれば、いかなる固体アルカリイオン選択性電解質膜から成っていてもよい。これに関し、アルカリイオン伝導性電解質膜３５材料は、これに限定されないが、β’’−アルミナセラミック電解質セパレーター及びアルカリ金属Ｓｕｐｅｒ  Ｉｏｎ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ（超イオン伝導、ＭｅＳＩＣＯＮ）材料（Ｍｅはアルカリ金属を示す）が挙げられる。ＭｅＳＩＣＯＮ材料の例として、これに限定されないが、セラミックＮａＳＩＣＯＮ型材料（これに限定されないが、いかなる公知または新規のＮａＳＩＣＯＮ材料であってもよい）及びＬｉＳＩＣＯＮ型材料（これに限定されないが、いかなる公知または新規のＬｉＳＩＣＯＮ材料であってもよい）。ある実施態様において、アノード２０がナトリウムを含む挿入材料から成る場合（例えば、ＮａｘＣ６、ｘは約０〜約３）、電解質膜はＮａＳＩＣＯＮ型材料から成る。対照的に、ある実施態様において、アノードがリチウムを含む挿入材料から成る場合（例えば、ＬｉｘＣ６）、電解質膜はＬｉＳＩＣＯＮ型材料から成る。
【００３４】
カソード電極３０に関し説明すると、電池が所望の化学反応を遂行できるのであれば、電池１０はいかなる好適なカソード３０材料から成っていてもよい。好適なカソード材料の例としては、これに限定されないが、電解質膜３５の第２の側６０（図２に示す）上に配置される第２のアルカリ金属挿入材料、ニッケル、ステンレススチール合金、グラファイト、カーボン、チタニウム、ニッケル−コバルト−鉄合金、（例えば、ＫＯＶＡＲ（登録商標）合金）、電子触媒（例えば、白金）、溶融金属（例えば、溶融ナトリウム）、他の公知または新規のカソード材料、およびこれらの組合せが挙げられる。ある実施態様において、カソードはアルカリ金属挿入材料から成る。
【００３５】
カソード３０がアルカリ金属挿入材料から成る実施態様において、電池１０が機能するのであれば、カソードはいかなる好適な挿入材から成っていてもよい。電解質膜３５がナトリウムイオン選択性（例えば、ＮａＳＩＣＯＮ型材料から成る）である実施態様において、カソード３０で使用される挿入材料は、カーボン（例えば、グラファイト、メソポーラスカーボン、ホウ素がドープされたダイアモンド、炭素および／またはグラフェン）、酸化ニッケル、酸化マンガン、リン酸鉄などの基材にナトリウムが挿入されたものから成る。これに関し、カソードで使用できる好適なナトリウム挿入材料の例としては、これに限定されないが、ＮａｘＮｉＯ、ＮａｘＭｎＯ２、ＮａｘＮｉＯ２、ＮａｘＡｌＯ２、ＮａｘＣｏＯ２（ｘは約０．２〜約１）及び／又はＮａｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘは約０〜約３、ｙは約１、ｚは約１〜約３）が挙げられる。
【００３６】
電解質膜３５がリチウムを選択的に透過させる（例えば、ＬｉＳＩＣＯＮ型材料から成る）実施態様において、カソード３０はリチウム挿入材料から成る。実際に、電解質膜がリチウム選択性材料から成る実施態様において、カソードはＬｉｘＮｉＯ、ＬｉｘＭｎＯ２、ＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（ｘは約０．２〜約１）及び／又はＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘは約０〜約３、ｙは約１、ｚは約１〜約３）から成る。
【００３７】
カソード３０はアルカリイオン伝導性電解質膜３５といかなる好適な空間的関係を有していてもよいが、ある実施態様において（図３に示すように）、カソード３０は、陰極液室１５に面する膜３５の第２の側６０に結合している。そのような実施態様において、カソードの位置によって電池１０にいくつかの利点を付与する。例えば、これに限定されないが、アノード２０及びカソード間の電圧降下が比較的小さくして電池を作動できる効率的な方法である。他の実施態様（図４に示す）において、カソード３０は電解質膜３５から分離している。更に他の実施態様において、カソードが電解質膜と分離され、挿入材料はカソード形成するために使用される材料の全てではないにしろほとんどを形成する。更に他の実施態様において、カソードは、少なくとも一部が挿入材料によって被覆されている基材（例えば、カーボン基材、ワイヤー、メッシュ、プレート、発泡体など）から成る。
【００３８】
カソード３０がアルカリ金属挿入材料から成る場合、挿入材料は電解質膜３５（図３に示すように）上に接して配置されるか、結合しているか、並んでいるか、又は別に好適な方法によってカソードの一部として形成されている（図４に示すように）。実際に、ある実施態様において、カソード２０の挿入材料は、例えば、電解質膜の第２の側６０上のカソード基材（例えば、カーボン基材、ワイヤー、メッシュ、プレート、発泡体など）上に、一つ以上の方法（アノード２０に関する挿入材料の形成および／または配置のための上述の方法（例えば、ＣＶＤ、ＰＶＤ、スパッタリング、製膜など））を介して配置される。更に、カソードが挿入材料の被膜から成る場合、挿入材料は、基材（例えば、電解質膜、カソード基材など）上にいかなる好適な層数で配置されてもよく、その層数は、これに限定されないが、例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はそれより多い層数である。
【００３９】
カソード３０が挿入材料から成るある実施態様において、材料が陰極液室２５（例えば、電解質膜３５の第２の側６０、カソード基材など）の基材上に配置される際、挿入材料はアルカリ金属（例えば、Ｎａ又はＬｉ）を含む。他の実施態様において、挿入材料の基材（例えば、酸化ニッケル、酸化マンガン、リン酸鉄など）を先ず基材上に被覆し、次いでアルカリ金属を基材の中に及び／又は基材の上に担持させる。この担持はいかなる好適な方法によっても達成できるが、これに限定されない実施態様として、この担持は、カソードが電池１０に添加される前、電池を作動させるのに先立って、及び／又は電池の作動中に行われる。
【００４０】
カソード３０が挿入材料の被覆から成る場合、挿入材料の被覆（例えば、電解質膜３５上、カソード基材上など）、電池１０が機能するのであれば、いかなる好適な厚さであってもよい。実際に、ある実施態様において、カソードの挿入材料は約５０μｍ、約２５μｍ、約１０μｍ、約５μｍ及び約１μｍ以上から選択される薄さであってもよい。ある実施態様においては、カソード挿入材料は約５５μｍ、約１００μｍ、約５００μｍ、約１ｍｍ、約５ｍｍ及び約１ｃｍ以下から選択される厚さであってもよい。他の実施態様において、カソードの挿入材料は、これらの更に内側の範囲の組合せの厚さ範囲であってもよい（例えば、約２５０μｍ及び約５２０μｍの間または約１０μｍ及び約５ｍｍの間）。
【００４１】
カソード３０に加えて、ある実施態様において（図４に示すように）、陰極液室２５は陰極液６５（又は陰極液物質）から成る。これに関し、陰極液は、電池１０が所望の化学反応を生じるのであれば、いかなる好適な１つ又は複数の化学物質から成っていてもよい。陰極液６５中の好適な材料の例として、これに限定されないが、溶融ナトリウム、水酸化ナトリウム、グリセロール、水、メタノール、ホウ砂、四ホウ酸ナトリウム１０水塩、メタほう酸ナトリウム四水和物、ケイ酸ナトリウム、ほう酸、ホウ化水素ナトリウム、リン酸ナトリウム、リン酸水素ナトリウム、ナトリウムグリセロール、炭酸ナトリウム、エチレン、プロピレン、イオン性液体（例えば、Ｎ−メトキシエチル−Ｎ−メチル−ピロリジニウム、ブチルメチル−ピロリジニウム、プロピルメチル−ピロリジニウム、トリエチル−スルホニウム、ジエチルメチルスルホニウム、エチル−ジメチル−アンモニオ−（トリメチルアンモニオ）−ジヒドロボレート、ピリジニウム、ピロリジニウム、４級アンモニウム、トリスルホニウム及びスルホニウム化合物など）、他の好適な液体およびこれらのいかなる好適な組合せが挙げられる。
【００４２】
端子４０及び４５（図４に示すように）について参照すると、電池１０は、電気的に電池と電源（例えば、図４に示す電源７０）が結合できるのであればいかなる好適な端子から成っていてもよい。これに関し、端子はいかなる好適な材料およびいかなる好適な形状やサイズから成っていてもよい。更に、電源は、アノード２０及びカソード３０の間に適切な量の電圧および電流を供給し、電解セルとして使用するに好適でれば、いかなる公知または新規の電源であってもよい。
【００４３】
上記の構成要素に加え、電池１０は他のいかなる好適な構成要素を任意に有していてもよい。一つの例として（図示せず）、電池は、電池が機能中に、一つ以上の室に材料を供給および／または一つ以上の室から材料を除去するための一つ以上の排出口および／または導入口を有していてもよい。他の実施提要において、図４は、電池１０が任意に温度管理システム７５を有する実施態様を示す。このような実施態様において、電池は、電池が好適な作動温度範囲に維持できるいかなる好適な種類の温度管理システムを有していてもよい。温度管理システムの例としては、これに限定されないが、ヒーター、クーラー、一つ以上の温度センサー及び好適な温度制御回路から成る。
【００４４】
記載される電池１０は、所望の化学反応を達成できる好適な方法の範囲内で改変してもよい。ある実施例において、電池のある実施態様において、アノード２０及びカソード３０の両方がアルカリ金属挿入材料から成る。ある実施態様において、アノードに使用される挿入材料はカソードに使用される挿入材料と異なっていてもよい。他の実施態様において、電池は、アノードにおいてアルカリ金属挿入材料を含み、カソードは通常のカソード材料（挿入材料の代りとして）から成る。更に他の実施態様において、電池は、カソードにおいてアルカリ金属挿入材料を含み、アノードは通常のアノード材料（挿入材料が逆である）から成る。
【００４５】
記載される電池１０が機能する方法について説明すると、電池は事実上いかなる好適な方法で機能する。ある実施態様において、図４は、電池１０が機能した際、電子（ｅ−）はアノード２０（例えば、第１の端子４０を介して）から流れ、Ｎａ又はＬｉ（例えば、アノード中に存在するアルカリ金属挿入材料から）等のアルカリ金属Ｍは酸化されてアルカリイオン（例えば、Ｎａ＋又はＬｉ＋）を形成することを示す。図４は、これらのアルカリイオン（Ｍ＋）がアルカリイオン伝導性電解質膜３５を介して陰極液室２５に輸送されることを示す。
【００４６】
電池１０を作動させるための方法として、これに限定されないが、図５は、溶融ナトリウムの合成に使用される電池１００のある実施態様を示す。そのような電池はいかなる好適な構成要素から成っていてもよいが、図５は、電池１００が、電解質膜３５（例えば、ＮａＳＩＣＯＮ型膜）の第１の界面５０上に配置されるナトリウム挿入化合物を含むアノード２０と、ナトリウム含有化合物（例えば、ＮａＸであり、Ｘはナトリウムカチオンと結合してイオン性化合物を形成するアニオンであり、ＮａＸの例としてＮａＳ、Ｎａ２Ｓ、ＮａＩ、ＮａＣｌ、Ｎａ２ＳＯ４、ＮａＮＯ３等が挙げられる）を含む陽極液５５と、溶融ナトリウムカソード３０とから成る実施態様を示す。図５は、電池１００作動中で、ナトリウム含有溶液（例えば、ＮａＸ）がアノード２０によってイオン化し、ナトリウムカチオン（例えば、Ｎａ＋）が選択的に陰極液室２５に輸送され、それらは溶融ナトリウムカソード３０と結合し、一方アニオン（例えば、Ｓ−、Ｉ−、Ｃｌ−等）は基材を形成して沈殿し（例えば、硫黄の場合）または気泡となって（例えば、ヨウ素または塩素の場合）出て行くことを示す。
【００４７】
記載される電池１０は、いかなる好適な作動温度で機能させてもよい。換言すれば、アノード２０及びカソード３０の間を電流が流れる際、電池が機能するのであれば、アノードはいかなる好適な温度を有していてもよい。実際に、電極がナトリウムから成るある実施態様において、電池は、約１００℃未満の作動温度で、好ましくは９７℃未満の温度で、又はナトリウムの融点未満の温度で機能する。電極がリチウムから成るある実施態様において、電池は、約２００℃未満の温度で、好ましくは１８１℃未満またはリチウムの融点未満の温度で機能する。
【００４８】
記載される電池１０の上述の利点および性質に加え、電池は幾つかの他の利点を有する。実際に、挿入材料を含み、電解質膜３５に結合している一つの電極（例えば、アノード２０）から成る電池１０のある実施態様は、競合する電解電池と比較してより効率良く作動する（例えば、アノードとカソード３０との間の電圧降下が減る）。更に、挿入材料を含む一つの電極（例えば、アノード）から成る電池のある実施態様は、上述のように溶融ナトリウム及び／又は種々の他の化合物の合成のために有用である。
【００４９】
ある実施態様において、電池は二次電池または再充電可能電池である。当業者ならば理解できるように、二次電池は放電および再充電することが出来、本明細書は両方の状態における電池配列および方法を記載する。上述のように、種々の形態における「再充電」という語は二回目の充電であるが、当業者ならば再充電の説明が多様であり、一回目および初期の充電またはその逆であることも理解できるであろう。それゆえ、本明細書の目的のために、「再充電」「再充電された」及び「再充電可能な」という語は、「充電」、「充電された」および「充電可能な」という語とそれぞれ互換性がある。
【００５０】
いくつかの開示される実施態様は、負極としてアルカリ金属挿入材料を使用するアルカリ金属系二次電池である。記載される二次電池はいかなる好適な構成要素から成っていてもよいが、図６は、第１のアルカリ金属挿入材料から成る負極１２０を含む陽極液室１１５と、正極１３０から成る陰極液室１２５と、正極１３０から負極１２０を分離するアルカリイオン伝導性電解質膜１３５と、第１の端子１４０と、第２の端子１４５とから成るアルカリ金属系二次電池１１０の代表的な実施態様を示す。記載された電池の理解をより深めるため、図６に示す電池のそれぞれの構成要素の簡単な記載を以下に詳細に説明する。以下の説明のため、電池のいくつかの実施態様がいかに機能するかの簡単な説明を記載する。
【００５１】
電池１１０の種々の構成要素について説明すると、電池は（上述のように）陽極液室１１５及び陰極液室１２５から成る。これに関し、この２室は、電池１１０が意図したように機能するのであれば、いかなる好適な形状および性質を有していてもよい。例として、負極室および正極室は、チューブ状、矩形状、不規則形状、または他のいかなる好適な形状であってもよい。更に、２室は互いにいかなる好適な空間的関係を有していてもよい。例として、図６に示す実施態様では負極室１１５及び正極室１２５が互いに近接した配置となっているが、他の実施態様において（図示せず）、１室（例えば、負極室）の少なくとも一部が他の室（例えば、正極室）内に配置され、２室の内容物がアルカリイオン伝導性電解質膜１３５及び他の隔壁によって分離されたままである配置も例示される。
【００５２】
負極１２０について説明すると、電池が意図されたように機能するのであれば（例えば、放電および／または再充電）、電池１１０はいかなる好適な負極１２０から成っていてもよい。好適な負極材料の一例として、これに限定されないが、アルカリ金属挿入材料が挙げられる。これに関し、挿入材料は、負極が電極として機能する材料を含むいかなるアルカリ金属から成っていてもよく、放電中に負極中のアルカリ金属（例えば、Ｎａ又はＬｉ）が酸化されてアルカリイオン（Ｎａ＋又はＬｉ＋）を形成し、再充電中にアルカリイオンが還元されて挿入材料に挿入される。ある実施態様において、挿入材料は、電解質膜の抵抗の増加要因にほとんどならない材料（以下に説明する）から成る。換言すれば、ある実施態様において、挿入材料はその中を容易にアルカリイオンを輸送でき、アルカリイオンが負極室１１５から正極室１２５に透過する速度に悪影響をほとんど及ぼさない。
【００５３】
ある実施態様において、負極１２０中の挿入材料がナトリウム金属挿入カーボン（例えば、グラファイト、メソポーラスカーボン、ホウ素がドープされたダイアモンド、カーボン、及び／又はグラフェン）から成る。実際に、ある実施態様において、負極１２０はＮａｘＣ６、ＮａｘＣｏ２Ｏ４及び／又はナトリウムが挿入された硬質炭素（ｘは約０〜約３）から成る。
【００５４】
他の実施態様において、負極１２０中の挿入材料は、リチウム金属がカーボン中および／またはカーボン上に挿入されたカーボン（例えば、グラファイト、メソポーラスカーボン、ホウ素がドープされたダイアモンド、カーボン、及び／又はグラフェン）から成る。実際に、ある実施態様において、負極はＬｉｘＣ６（ｘは約０〜約３）から成る。
【００５５】
負極１２０はアルカリイオン伝導性電解質膜１３５（以下に説明するように）に対していかなる空間的関係を有していてもよいが、ある実施態様において、負極は、負極室１１５に面する膜の第１の側１５０（図６に示すように）上に配置されるか、結合される。電解質膜に結合する負極の挿入材料を有することが電池１１０に幾つかの特性を付与させるが、ある実施態様において、電解質膜に結合する挿入材料を有することにより、アルカリイオン（例えば、Ｎａ＋又はＬｉ＋）は負極から直接電解質膜を介して透過し（例えば、電池が放電中に）、電解質膜から直接負極に戻る（例えば、電池が再充電中）。
【００５６】
負極１２０が電解質膜１３５に結合している場合、負極はいかなる方法によって電解質膜に結合していてもよい。実際に、ある実施態様において、負極１２０の挿入材料は、電解質膜上に化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、スパッタリング、製膜、パルスレーザー蒸着、ＤＣマグネトロンスパッタリング及び／又は負極の挿入材料を電解質膜に結合できる他のいかなる好適な方法を介して配置される。更に、挿入材料が単層として電解質膜に追加することが出来るが、ある実施態様において、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はそれより大きい層数の挿入材料が電解質膜の第１の側５０に追加されていてもよい。
【００５７】
ある実施態様において、材料が電解質膜１３５に結合している場合、負極１２０の挿入材料がアルカリ金属（例えば、Ｎａ又はＬｉ）から成るが、他の実施態様において、挿入材料の基材材料（例えば、カーボン）が電解質膜上に最初に被覆され、更にアルカリ金属が次いで基材に担持される。この担持はいかなる好適な方法によってなされてもよいが、、これに限定されない実施態様として、担持は負極の形成中、電池の作動前、および／または電池の作動中になされてもよい。
【００５８】
負極１２０の挿入材料が電解質膜１３５に結合している場合は、挿入材料（全体として）は、電池１１０が機能するのであればいかなる好適な厚さであってもよい。実際にある実施態様において、負極の挿入材料が約５０μｍ、約２５μｍ、約１０μｍ、約５μｍ及び約１μｍ以上から選択される薄さであってもよい。ある実施態様においては、負極の挿入材料は約５５μｍ、約１００μｍ、約５００μｍ、約１ｍｍ、約５ｍｍ及び約１ｃｍ以下から選択される厚さであってもよい。他の実施態様において、負極の挿入材料は、これらの更に内側の範囲の組合せの厚さ範囲であってもよい（例えば、約２５０μｍ及び約５２０μｍの間）。
【００５９】
ある実施態様において、負極１２０に加えて、負極室１１５は更に負極電解質溶液から成っていてもよい。電池１１０が機能するのであれば、負極電解質溶液はいかなる好適な化学物質からなっていてもよい。
【００６０】
前述のように、電池１１０もまた固体アルカリイオン選択電解質膜１３５から成る。これに関し、アルカリイオン伝導性電解質膜１３５材料は、これに限定されないが、β’’−アルミナセラミック電解質セパレーター、アルカリ金属Ｓｕｐｅｒ  Ｉｏｎ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ（ＭｅＳＩＣＯＮ）材料（Ｍｅはアルカリ金属）などから成る。ＭｅＳＩＣＯＮ材料の例としては、これに限定されないが、セラミックＮａＳＩＣＯＮ型材料（これに限定されないが、好適な公知または新規のＮａＳＩＣＯＮ材料を含む）及びＬｉＳＩＣＯＮ型材料（これに限定されないが、好適な公知または新規のＬｉＳＩＣＯＮ材料を含む）。ある実施態様において、負極１２０がナトリウムを含む挿入材料（例えば、ＮａｘＣ６、ｘは約０〜約３）から成る場合、電解質膜はＮａＳＩＣＯＮ型材料から成る。対照的に、ある実施態様において、負極が挿入材料がリチウムから成る場合（例えば、ＬｉｘＣ６）、電解質膜はＬｉＳＩＣＯＮ型材料から成る。
【００６１】
正極１３０に関し、電池１１０は、電池が意図されたように充電、放電できるのであれば、いかなる好適な正極１３０からなっていてもよい。好適な正極の例としては、これに限定されないが、電解質膜１３５の第２の側１５５（図６に示すように）に結合している第２のアルカリ金属挿入材料および電解質膜と分離されている電極材料が挙げられる。
【００６２】
正極１３０が電解質膜１３５の第２の側１５５と結合している第２のアルカリ金属挿入材料から成る実施態様において、電池が機能し、負極１２０に使用される第１の挿入材料と異なるのであれば、（例えば、異なる電位を有する）、正極はいかなる好適な挿入材料から成っていてもよい。従って、ある実施態様において、記載される電池１１０が固体状態再充電可能電池から成っていてもよい。
【００６３】
ある実施態様において、負極１２０がナトリウム挿入材料（例えば、ＮａｘＣ６）から成る場合、正極１３０に使用される第２の挿入材料もまたナトリウムから成る。これに関し、正極に使用される好適なナトリウム挿入材料の例としては、これに限定されないが、ＮａｘＮｉＯ、ＮａｘＭｎＯ２、ＮａｘＮｉＯ２、ＮａｘＡｌＯ２、ＮａｘＣｏＯ２（ｘは約０．２〜約１）及び／又はＮａｘＦｅｙ（ＰＯ４）z（ｘは約０〜約３、ｙは約１、ｚは約１〜約３）が挙げられる。実際に、ある実施態様において、負極はＮａｘＣ６から成り、正極はＮａｘＭｎＯ２から成る。
【００６４】
ある実施態様において、負極１２０がリチウム挿入材料（例えば、ＬｉｘＣ６）から成る場合、正極１３０は、第１の挿入材料と異なる第２のリチウム挿入材料から成る。実際に、ある実施態様において、負極がリチウム挿入材料（例えば、ＬｉｘＣ６）から成る場合、正極は、ＬｉｘＮｉＯ、ＬｉｘＭｎＯ２、ＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（ｘは約０．２〜約１）及び／又はＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘは約０〜約３、ｙは約１、ｚは約１〜約３）から成る。実際に、ある実施態様において、負極はＬｉｘＣ６から成り、正極はＬｉｘＭｎＯ２から成る。
【００６５】
正極１３０が第２のアルカリ金属挿入材料を有し、そのような材料が電解質膜１３５の第２の側１５５に結合している場合、正極は、いかなる好適な方法によって電解質膜に結合してもよい。ある実施態様において、正極１３０の挿入材料は、負極１２０の第１の挿入材料を電解質膜の第１の側１５０に結合させるのに使用した一つ以上の方（例えば、ＣＶＤ、ＰＶＤ、スパッタリング、製膜など）によって電解質膜上に配置される。更に、第２の挿入材料は、いかなる好適な層の数で、これに限定されないが、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はそれよりも多く、電解質膜の第２の側の上に配置されてもよい。
【００６６】
ある実施態様において、正極１３０の挿入材料が電解質膜１３５の第２の側１５５に結合している場合、正極１３０の挿入材料がアルカリ金属（例えば、Ｎａ又はＬｉ）から成り、他の実施態様において、第２の挿入材料の基材（例えば、酸化ニッケル、酸化マンガン、リン酸鉄など）が電解質膜上に最初に被覆され、次いでアルカリ金属が基材中および／または基材上に担持される。この担持はいかなる好適な方法によってなされてもよいが、これに限定されない実施態様において、この担持は正極の組立中、電池の作動前および／または電池の作動中に行われる。
【００６７】
正極１３０の第２の挿入材料が電解質膜１３５に結合している場合、挿入材料は、電池１１０が機能するのであればいかなる好適な厚さであってもよい。実際にある実施態様において、正極の挿入材料が約５０μｍ、約２５μｍ、約１０μｍ、約５μｍ及び約１μｍ以上から選択される薄さであってもよい。ある実施態様においては、正極の挿入材料は約５５μｍ、約１００μｍ、約５００μｍ、約１ｍｍ、約５ｍｍ及び約１ｃｍ以下から選択される厚さであってもよい他の実施態様において、正極の第２の挿入材料は、これらの更に内側の範囲の組合せの厚さ範囲であってもよい（例えば、約２５０μｍ及び約５２０μｍの間または約１０μｍ〜約５ｍｍの間）。
【００６８】
ある実施態様において、正極１３０としての第２のアルカリ金属挿入材料を使用する代りに、記載される電池は、電池が充電および放電できるのであれば、実際に他のいかなる公知または新規の正極材料から成っていてもよい。実際に、ある実施態様において、正極は、正極が電解質膜１３５から分離されるようなワイヤー、フェルト、プレート、チューブ、メッシュ、発泡体および／または他の好適な正極形状から成っていてよい。更に、ある実施態様において、正極は、これに限定されないが、ニッケル発泡体、電池の作動温度にて溶融しないナトリウム複合体（これに限定されないが、ナトリウム／硫黄材料を含む）、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）（例えば、電池が少なくとも部分的に放電されている場合）、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）（例えば、電池が少なくとも部分的に受電されている場合）および／または他の好適な材料から選択される材料から成る。
【００６９】
正極１３０が第２の挿入材料を有しないある実施態様に従い、図８は、正極室１２５ が正極電解質１５２から成ることを示す。ある実施態様において、電池１１０が意図するように機能するのであれば、正極電解質はいかなる好適なアルカリイオン伝導性材料から成っていてもよい。正極電解質１５２好適な材料のにおけるある実施例としては、これに限定されないが、水酸化ナトリウム、グリセロール、水、ホウ砂、四ホウ酸ナトリウム１０水塩、メタほう酸ナトリウム四水和物、ケイ酸ナトリウム、ほう酸、ホウ化水素ナトリウム、リン酸ナトリウム、リン酸水素ナトリウム、ナトリウムグリセロール、炭酸ナトリウム、エチレン、プロピレン、イオン性液体（例えば、Ｎ−メトキシエチル−Ｎ−メチル−ピロリジニウム、ブチルメチル−ピロリジニウム、プロピルメチル−ピロリジニウム、トリエチル−スルホニウム、ジエチルメチルスルホニウム、エチル−ジメチル−アンモニオ−（トリメチルアンモニオ）−ジヒドロボレート、ピリジニウム、ピロリジニウム、４級アンモニウム、４級ホスホニウム、トリスルホニウム及びスルホニウム化合物など）、他の好適な液体およびこれらのいかなる好適な組合せが挙げられる。
【００７０】
端子１４０及び１４５（図８に示す）について参照すると、電池１０は、電池が外部回路（これに限定されないが、一つ以上の他の電池）と電気的に接続されるのであればいかなる好適な端子を有していてもよい。これに関し、端子は、いかなる好適な材料および好適な大きさ並びに形状から成っていてもよい。
【００７１】
上述の構成要素に加え、電池１１０は他のいかなる好適な構成要素を任意に有していてもよい。これに限定されない記載によれば、図８は、電池１１０は任意に温度管理システム１６０を有する実施態様を示す。このような実施態様において、電池は、電池が好適な作動温度範囲に維持できるいかなる好適な種類の温度管理システムを有していてもよい。温度管理システムの例としては、これに限定されないが、ヒーター、クーラー、一つ以上の温度センサー及び好適な温度制御回路から成る。
【００７２】
記載される電池１１０は、電池が充電および放電できるのであれば、いかなる好適な方法によって改変されてもよい。そのような改変のある例として、図９は、被覆層１６５が電解質膜１３５の第２の側１５５上に配置されるある実施態様を示す。この実施例において、被覆層はいかなる好適な機能を達成してもよく、その機能としては、これに限定されないが、正極電解質溶液１５２の構成要素（例えば、塩基性物質から電解質膜１３５を保護したり、膜の作動寿命を増大させたりする。被覆層はいかなる好適な材料から成っていてもよいが、ある実施態様において、被覆層は、カーボン、挿入材料（例えば、ＮａｘＮｉＯ、ＮａｘＭｎＯ２、ＮａｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ、ＮａｘＮｉＯ２、ＮａｘＡｌＯ２、ＮａｘＣｏＯ２、ＬｉｘＮｉＯ、ＬｉｘＭｎＯ２、ＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４、ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）z）、酸化ニッケル、酸化マンガン、リン酸鉄またはこれらの組合せ）から成る。実際に、ある実施態様において、保護層はカーボンから成る。
【００７３】
電池１１０が、電解質膜１３５の第２の側１５５上に被覆層１６５を有する場合、被覆層は、電池が所望に機能するのであればいかなる好適な厚さであってもよい。実際にある実施態様において、被覆層が約５０μｍ、約２５μｍ、約１０μｍ、約５μｍ及び約１μｍ以上から選択される薄さであってもよい。ある実施態様においては、被覆層は約５５μｍ、約１００μｍ、約５００μｍ、約１ｍｍ、約５ｍｍ及び約１ｃｍ以下から選択される厚さであってもよい。他の実施態様において、被覆層は、これらの更に内側の範囲の組合せの厚さ範囲であってもよい（例えば、約２５０μｍ〜約５００μｍの間または約１０μｍ〜約５ｍｍの間）。
【００７４】
記載される二次電池１１０が機能する方法に関し、実際上いかなる好適な方法で電池は機能してもよい。ある実施態様において、図６は、電池１１０が放電している際、電子（ｅ−）が負極１２０（例えば、第１の端子１４０を介して）から流れ、負極中のＮａ又はＬｉ等のアルカリ金属Ｍは酸化されてアルカリイオン（例えば、Ｎａ＋又はＬｉ＋）を形成することを示す。図６は、これらのアルカリイオン（Ｍ＋）が負極１２０からアルカリイオン伝導性電解質膜１３５を介して正極室１２５（例えば、正極１３０及び／又は正極電解質溶液１５２中に）に移送されることを示す。例えば、負極がＮａｘＣ６及び正極がＮａｘＭｎＯ２から成る電池のある実施態様において、電池が放電中に、負極はナトリウムイオンを正極に与える。
【００７５】
対照的な実施態様において、図７は、記載される二次電池１１０が再充電され、電子（ｅ−）が充電器などの外部電源（図示せず）から負極１２０に（例えば、第１の端子１４０を介して）流れ、電池が放電の際に起こる化学反応（図６に示す）と逆反応が生じることを示す。具体的には、図７は、電池１１０が再充電中に、アルカリイオン（Ｎａ＋又はＬｉ＋）が正極室１２５（例えば、正極１３０から）からアルカリイオン伝導性電解質膜１３５を介して負極１２０に移送され、アルカリイオンが還元され、負極１２０の中または上に再挿入されることを示す。例えば、電池がＮａｘＣ６から成る負極およびＮａｘＭｎＯ２から成る正極から成るある実施態様において、電池の充電中に正極はナトリウムイオンを負極に与える。
【００７６】
ある実施態様において、これに限定されないが、電池１１０における正極３０の半分の反応（充電が前に行われる）は、ＬｉＣｏＯ２←→Ｌｉ１−ｎＣｏＯ２＋ｎＬｉ＋＋ｎｅ−であり、負極１２０の半分の反応は、ｎＬｉ＋＋ｎｅ−＋Ｃ→ＬｉｎＣである。
【００７７】
記載される電池１１０は、いかなる好適な作動温度で機能してもよい。換言すれば、電池が放電および／または再充電する際、負極１２０は固体として残存できるいかなる好適な温度であってもよい。実際に、ある実施態様において、電極がナトリウムからなる場合、電池は約１００℃の温度よりも低い温度で機能し、より具体的には９７℃未満またはナトリウムの融点未満で機能する。他の実施態様において、電極がリチウムからなる場合、電池は約２００℃の温度よりも低い温度で機能し、より具体的には１８１℃未満またはリチウムの融点未満で機能する。
【００７８】
上述の記載される電池１０の利点および性能に加え、電池は幾つかの他の有利な性能を有する。ある実施態様において、電池が作動中に固体であるアルカリ金属挿入材料（例えば、ＮａｘＣ６又はＬｉｘＣ６）から負極１２０が成るため、ある電池の実施態様において、電池は比較的低い温度で機能する。そのため、そのような電池の実施態様は、電池が機能している間、加熱および／または電池から浪費される熱のエネルギーの必要がほとんど無い。更に、電池は、溶融負極から成る従来の再充電電池よりも低い温度で作動するため、電池は危険性もより少なく扱いやすい。更に他の実施態様において、ある電池の実施態様は複数回再充電可能であるため、電池が機能中に危険な化学物質を放出せず、必要とされる熱エネルギーが従来の電池に比べて少なく、そのような電池の実施態様は、環境に優しいものである。
【実施例】
【００７９】
以下の実施例は、挿入材料として機能する（または機能するように改変される）カーボン層に膜が被覆されている場合の電解質膜３５の機能性を示す。これらの実施例は例示の目的のみであって、以下の実施例は包括的ではなく、本発明に従って実施できる多くの実施態様を除外するものではないということを理解すべきである。
【００８０】
実施例１：
この実施例において、電解セル（例えば、再充電可能電池）２００は図１０中のそれと類似の構成要素を含んで構成される。具体例に、電池１０は、エチレングリコール及びＮａＩ（３８重量％濃度）を含む負極電解質溶液２１５に接触するニッケルワイヤーアノード２１０を収納する陽極液室２０５を含むことにより構成される。更に、電池は、ホウ砂を重量３０％濃度で含む水性溶液から成る正極電解質溶液２３０中に配置されるオキシ水酸化ニッケルカソード２２５を収納するカソード室２２０を含むことにより構成される。更に、図１０は、カソード２２５に面するカーボン層２４０を有するＮａＳＩＣＯＮ膜２３５を有する電池２００を示す。更に、図１０は、２００が第１の端子２４５、第２の端子２５０及び白金（符号２５５）から成ることを示す。
【００８１】
図１１のグラフは、電池２００が９０℃で３週間を超えて放電および充電をした際に、カーボン層２４０がホウ砂溶液２３０中で実質的に安定に維持できることを示す。
【００８２】
図１２は更に、図１０の電池２００作動時を図１３の電池３００（図１０の電池２００と同じ組立であるが、カーボン層２４０を欠いている）と比較（電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）による）した際、カーボン層２４０を有する図１０の電池２００は、カーボン層を欠いている図１３の電池３００よりも高い抵抗を有さないことを示す。これに関し、線３０５は未被覆ＮａＳＩＣＯＮ２３５を有する電池３００中の電極のＥＩＳ測定を示し、線３１０は未被覆ＮａＳＩＣＯＮ２３５を有する電池３００中の電極および膜２３５のＥＩＳ測定を示し、線３１５は被覆ＮａＳＩＣＯＮ２３５を有する電池２００中の電極のＥＩＳ測定を示し、線３２０は未被覆ＮａＳＩＣＯＮ２３５を有する電池２００中の電極および膜２３５のＥＩＳ測定を示す。従って、図１２は予想に反して、電池２００中のカーボン被膜２４０は電池の機能に悪影響をほとんど及ぼさないことを示す。従って、基材（例えば、炭素）を有するアルカリ金属挿入材料から成る電極（例えば、アノード２０及び／又はカソード３０）は電池の機能に悪影響をほとんど及ぼさないと理論付けることが出来る。
【００８３】
本発明の具体的な実施態様および実施例が示され、記載されたが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で数多くの変更が可能であり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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