(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状カソード物質であって、
フルオロアルキルスルホニル塩；及び
置換されているか又は置換されていない１，４−ベンゾキノンであって、前記フルオロアルキルスルホニル塩に対して０．２：１〜２：１のモル比で存在しており、以下の構造を有する、１，４−ベンゾキノン：
【化１】
0006298036.tif 000009
（式中、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”、及びＲ’”は、それぞれ独立してアルキル、アルコキシ又は水素である。）
を含有しており、
前記１，４−ベンゾキノンが、還元又は酸化されている間に液体の形態で存在している、酸化還元活物質として機能する、
液状カソード物質。
【請求項２】
前記１，４−ベンゾキノンが、２−メチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジ−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｉ−プロピル−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；及び２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；並びにこれらの混合物から成る群より選択される、請求項１に記載の液状カソード物質。
【請求項３】
前記フルオロアルキルスルホニル塩が、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）、リチウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ）、リチウムトリフルオロメチルスルホネート、ナトリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＮａＴＦＳＩ）、マグネシウムビス（ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（Ｍｇ（ＴＦＳＩ）２）、及びこれらの混合物から成る群より選択される、請求項１に記載の液状カソード物質。
【請求項４】
液状流動化剤を更に含有している、請求項１に記載の液状カソード物質。
【請求項５】
前記液状流動化剤が、水を含有している、請求項４に記載の液状カソード物質。
【請求項６】
液状流動化剤：液状カソード物質の体積比が、１０％以下である、請求項４に記載の液状カソード物質。
【請求項７】
電気化学セルであって、
アノードチャンバー；
カソード集電体及び液状カソード物質を有する、カソードチャンバーであって、前記液状カソード物質が、
フルオロアルキルスルホニル塩；及び
置換されているか又は置換されていない１，４−ベンゾキノンであって、前記フルオロアルキルスルホニル塩に対して０．２：１〜２：１のモル比で存在しており、以下の構造を有する、１，４−ベンゾキノン：
【化２】
0006298036.tif 000010
（式中、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”、及びＲ’”は、それぞれ独立してアルキル、アルコキシ又は水素である。）
を含有している、カソードチャンバー；並びに
前記アノードチャンバーと前記カソードチャンバーとの間に配置されている、半透過性のセパレーター
を具備しており、
セルの放電の間、酸化還元活物質が前記アノードチャンバー中で酸化され、かつ前記カソードチャンバー中で還元されて、エネルギーを生成する、
電気化学セル。
【請求項８】
前記１，４−ベンゾキノンが、２−メチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジ−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｉ−プロピル−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；及びこれらの混合物から成る群より選択される、請求項７の電気化学セル。
【請求項９】
前記フルオロアルキルスルホニル塩が、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）、リチウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ）、リチウムトリフルオロメチルスルホネート、ナトリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＮａＴＦＳＩ）、マグネシウムビス（ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（Ｍｇ（ＴＦＳＩ）２）、及びこれらの混合物から成る群より選択される、請求項７の電気化学セル。
【請求項１０】
前記電気化学セルが、フローセルであり、かつ前記アノードチャンバーが、酸化状態に関わらず液体であるアノード酸化還元活物質を含有している液状アノード物質を具備している、請求項７の電気化学セル。
【請求項１１】
電気化学セルを有する、自動車車両であって、前記電気化学セルが、：
アノードチャンバー；
カソード集電体及び液状カソード物質を有する、カソードチャンバーであって、前記液状カソード物質が、
フルオロアルキルスルホニル塩；及び
置換されているか又は置換されていない１，４−ベンゾキノンであって、前記フルオロアルキルスルホニル塩に対して０．２：１〜２：１のモル比で存在しており、以下の構造を有する、１，４−ベンゾキノン：
【化３】
0006298036.tif 000011
（式中、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”、及びＲ’”は、それぞれ独立してアルキル、アルコキシ又は水素である。）
を含有している、カソードチャンバー；並びに
前記アノードチャンバーと前記カソードチャンバーとの間に配置されている、半透過性のセパレーター
を具備しており、
セルの放電の間、酸化還元活物質が前記アノードチャンバー中で酸化され、かつ前記カソードチャンバー中で還元されて、エネルギーを生成する、
自動車車両。
【請求項１２】
前記１，４−ベンゾキノンが、２−メチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジ−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｉ−プロピル−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；及びこれらの混合物から成る群より選択される、請求項１１の自動車車両。
【請求項１３】
前記フルオロアルキルスルホニル塩が、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）、リチウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ）、リチウムトリフルオロメチルスルホネート、ナトリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＮａＴＦＳＩ）、マグネシウムビス（ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（Ｍｇ（ＴＦＳＩ）２）、及びこれらの混合物から成る群より選択される、請求項１１の自動車車両。
【請求項１４】
前記電気化学セルが、フローセルであり、かつ前記アノードチャンバーが、酸化状態に関わらず液体であるアノード酸化還元活物質を含有している、液状アノード物質を具備している、請求項１１の自動車車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して高エネルギー密度及びフロー電池における使用のための有用性を有する液状活物質組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
フローセル又はフロー電池は、固体の電極を有さず、その代わりに液状活物質、すなわち還元状態及び酸化状態の両方において液体である、酸化還元活物質を有する電気化学セルである。充電によって再生すべき固体の電極が存在しないため、フロー電池は、放電された液状活物質を排出し、そして充電された液状活物質を補給することにより、充電することができる。補給による迅速な充電が可能であることにより、フロー電池の用途が例えば電気的に動力供給された公共の移送車両のように、長い充電時間が望ましくないような、ほぼ恒常的に用いられる電気システムに動力供給するための潜在的に実用的な手法となる。
【０００３】
しかしながら、フロー電池には、固体アノードの形態である還元された活物質のプール、及び固体カソードの形態である酸化された活物質のシンクがないため、フロー電池には典型的には低いエネルギー密度の問題がある。この低いエネルギー密度は、頻繁な補給の必要性をもたらし、そしてその結果、補給による迅速な充電が可能であることに由来する価値を大きく相殺する。
【０００４】
フロー電池の低いエネルギー密度を相殺する一手法は、活物質の大きな貯蔵部を備え付けることである。しかしながら、この手法は、別の面では大きくないサイズを求められる、一つ又は複数のモバイルシステムにとっては、実用的ではない可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液状カソード物質、及びこの液状カソード物質を用いた電気化学セルを開示する。本開示の電気化学セルを用いた自動車車両も同様に開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの側面においては、液状カソード物質を提供する。液状カソード物質は、酸化還元活物質としてのキノン、及び電荷調整剤としてのフルオロアルキルスルホニル塩を含有している。液状カソード物質は、任意選択で、粘度低下剤としての液状流動化剤を含有していてもよい。液状カソード物質は、酸化還元活物質がいかなる酸化状態であっても液体状で存在することによって特徴づけられる。
【０００７】
別の側面においては、電気化学セルを提供する。電気化学セルは、アノードチャンバー及びカソードチャンバーを具備しており、更に、カソードチャンバーは、カソード集電体及び液状カソード物質を具備している。液状カソード物質は、酸化還元活物質としてのキノン、及び電荷調整剤としてのフルオロアルキルスルホニル塩を含有している。液状カソード物質は、任意選択で、粘度低下剤としての液状流動化剤を含有していてもよい。
【０００８】
別の側面においては、自動車車両を提供する。自動車車両は、アノードチャンバー及びカソードチャンバーを有する電気化学セルを具備しており、更に、カソードチャンバーは、カソード集電体及び液状カソード物質を具備している。液状カソード物質は、酸化還元活物質としてのキノン、及び電荷調整剤としてのフルオロアルキルスルホニル塩を含有している。液状カソード物質は、任意選択で、粘度低下剤としての液状流動化剤を含有していてもよい。
【０００９】
添付の図面と関連する以下の記載から、本発明の種々の側面及び利点が、明らかになりかつより容易に理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、アノードチャンバー及びカソードチャンバーを有する電気化学セルの模式図である。カソードチャンバーは、本発明の液状カソード物質を具備している。
【図２】図２は、図１に示すタイプの電気化学セルの２つの例の、５サイクルの充電／放電曲線のグラフである。アノードチャンバーは、Ｌｉ／Ｌｉ＋半電池を具備しており、かつ液状カソード物質は、５０μＬ、２−メチル−１，４−ベンゾキノン：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ＝１：１：４（モル比）、ベンゾキノン３．１Ｍであるか、；又は５０μＬ、２−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ＝１：１：４（モル比）、ベンゾキノン２．７Ｍである。
【図３】図３は、図１に示すタイプの電気化学セルの２つの例の、５サイクルの充電／放電曲線のグラフである。アノードチャンバーは、Ｌｉ／Ｌｉ＋半電池を具備しており、かつ液状カソード物質は５０μＬ、２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ＝１：１：４（モル比）、キノン２．９Ｍであるか、；５０μＬ、２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ＝１：２：４（モル比）、ベンゾキノン２．１Ｍであるか、；又は５０μＬ、２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ＝１：２：６（モル比）、ベンゾキノン１．９Ｍである。
【図４】図４は、図１に示すタイプの電気化学セルの２つの例の、５サイクルの充電／放電曲線のグラフである。アノードチャンバーは、Ｌｉ／Ｌｉ＋半電池を具備しており、かつ液状カソード物質は、５０μＬ、２，６−ジ−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ＝１：１：４（モル比）、ベンゾキノン２．２Ｍであるか、；又は５０μＬ、２，６−ジ−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ＝１：２：４（モル比）、ベンゾキノン１．７Ｍである。
【図５】図５は、図１に示すタイプの電気化学セルの２つの例の、５サイクルの充電／放電曲線のグラフである。アノードチャンバーは、Ｌｉ／Ｌｉ＋半電池を具備しており、かつ液状カソード物質は、２−ｉ−プロピル−５−メチル−１，４−ベンゾキノン：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ＝１：１：４のモル比、ベンゾキノン２．７Ｍであるか、；又は２−ｉ−プロピル−５−メチル−１，４−ベンゾキノン：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ＝１：１：６のモル比、ベンゾキノン２．５Ｍであるか、；又は２−ｉ−プロピル−５−メチル−１，４−ベンゾキノン：ＬｉＴＦＳＩ：Ｈ２Ｏ＝１：２：６のモル比、ベンゾキノン１．８Ｍである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示は、液状カソード物質、及びそのような液状カソード物質を有するフローセル電池を記載している。この液状カソード物質は、高い体積濃度及び／又はモル濃度で存在している酸化還元活物質に基づく高エネルギー密度を有している。本開示の液状カソード物質は、フロー電池におけるカソード物質としての有用性を有することができる。
【００１２】
本開示の液状カソード物質は、キノン及びフルオロアルキルスルホニル塩を含有している。液状カソード物質は、電池の作動条件においては液体であるため、溶媒を必要とせず、かつ濃度が高く、それによって最大エネルギー密度をもたらしている。キノンは２価であり、エネルギー密度を更に向上させる。本開示の電解液は、フロー電池における高エネルギー密度のカソード物質として有用である。
【００１３】
したがって、ここで開示している液状カソード物質は、キノン及びフルオロアルキルスルホニル塩を有している。キノンのフルオロアルキルスルホニル塩に対するモル比は、０．２：１〜２：１の範囲内であることができる。「キノン」という用語は、本明細書で用いられる場合においては、他に明示の記載がない限り、随意のキノン、対応するセミキノン、及び対応するジオールに言及できると理解すべきである。液状カソード物質に含有されているキノンは、随意のキノン、例えば単環状、二環状、又は多環状のキノンであることができる。幾つかの例においては、キノンは、置換されているか又は置換されていない、以下の式Ｉによる１，４−ベンゾキノンである。
【００１４】
【化１】
0006298036.tif 000002
【００１５】
式中、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”、及びＲ’”は、それぞれ独立してアルキル、アルコキシ又は水素である。幾つかの実施態様においては、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”、及びＲ’”のうちの少なくとも１つは、アルキル又はアルコキシである。液状カソード物質における用途のために適した１，４−ベンゾキノンの非限定的な例としては、１，４−ベンゾキノン；２−メチル−１，４−ベンゾキノン，２−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジ−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｉ−プロピル−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン、及びこれらの混合物が挙げられる。
【００１６】
液状カソード物質に含有されているフルオロアルキルスルホニル塩は、フルオロアルキルスルホニルアニオンと結合している随意の金属カチオンを含有していてもよい。適したフルオロアルキルスルホニル塩の非限定的な例としては、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）、リチウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ）、リチウムトリフルオロメチルスルホネート、ナトリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＮａＴＦＳＩ）、及びマグネシウムビス（ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド）（Ｍｇ（ＴＦＳＩ）２）、並びにこれらの混合物が挙げられる。
【００１７】
幾つかの実施態様においては、液状カソード物質は、追加的に液状流動化剤を含有していてもよい。本明細書で用いられる場合においては、「液状流動化剤」との表現は、温度及び圧力の標準状態において液体である物質であり、これが存在する場合には、液状カソード物質の粘度を低減させることができる物質を言うものである。適した液状流動化剤の非限定的な例としては、水、アセトニトリル、及びカーボネート成分を有する液体有機分子、例えば置換プロピオネートが挙げられる。幾つかの実施態様においては、液状流動化剤は、フルオロアルキルスルホニル塩に対してモル比２０：１未満で存在することができる。幾つかの実施態様においては、液状流動化剤は、液状カソード物質の０〜１０％（体積／体積）で存在することができる。いかなる特定の理論にも拘束されることなく、「液状流動化剤」との表現は、本明細書において用いられる場合には、「溶媒」との表現と大部分は類似している一方で、液状流動化剤は、液状カソード物質に含まれる場合には、溶媒として機能するとは考えられない。というのは、多くの例においては、液状流動化剤は、液状カソード物質の他の成分を溶解するのに十分高い濃度では存在していないからである。
【００１８】
いかなる特定の理論にも拘束されることなく、本開示の液状カソード物質が電気化学セルにおけるカソード物質として用いられる場合には、キノンは酸化還元活剤として働き、次の反応Ａに従い、二電子酸化還元反応をすることができると考えられる。
【００１９】
【化２】
0006298036.tif 000003
【００２０】
更に、フルオロアルキルスルホニル塩は、電荷調整剤として機能して、キノンの還元とともに生じる電荷の不均衡又はｐＨの変化を妨げることができると考えられる。更に、上述したように、液状流動化剤が用いられる場合には、部分的にはキノン及び／又はフルオロアルキルスルホニル塩の濃度に対する液状流動化剤の濃度に起因して、液状流動化剤は、用いられる場合においては、それ自体で溶媒として機能するよりはむしろ、粘度低下剤として機能してすると考えられる。
【００２１】
キノン成分及びフルオロアルキルスルホニル塩成分の両方を含有している本開示の液状カソード物質は、キノンの酸化還元状態に関わらず、典型的な電池の作動温度においては概して液体である。この性質は、液状カソード物質が、電気化学セルのカソードチャンバーにおける電気化学的酸化還元の化学現象を、例えばフローセル電池に生じる可能性があるカソードに包含される固体の酸化還元活物質を用いることなく支援することを可能とする。液状カソード物質の液体特性は、キノン成分及びフルオロアルキルスルホニル塩成分が、純粋な形態においては、典型的な電池の作動温度において概して固体であり、一律に約１００℃及び多くの例で２００℃を大きく上回る融点を有するという事実に関わらず存在する。いかなる特定の理論にも拘束されることなく、液状カソード物質のこの液体特性は、溶媒和イオン性液体の生成をもたらす、強固な配位錯体の生成に起因すると考えられる。この配位錯体は、潜在的に構造ＩＩに示す構造を有すると考えられる。
【００２２】
【化３】
0006298036.tif 000004
【００２３】
構造ＩＩにおいては、Ｌｉ＋が、典型的な用途において示したように見られる一方で、フルオロアルキルスルホニル塩に由来する他のカチオン、例えばＮａ＋又はＭｇ２＋は、代替的に又は付加的に存在することができることに注目すべきである。
【００２４】
更に開示するものは、図１に示されているように、電気化学セル１００である。電気化学セルは、カソードチャンバー１１０及びアノードチャンバー１２０を具備している。カソードチャンバー１１０は、カソード集電体１１２を更に具備しており、カソード集電体は、電子をカソードチャンバー１１０へと伝達して、酸化還元活物質の電気化学的還元を支援するために構成されている。カソードチャンバー１１０は、カソード集電体１１２と接している、液状カソード物質１１４を更に具備している。液状カソード物質１１４は、キノン、フルオロアルキルスルホニル塩、及び任意選択的に液状流動化剤を含有している、上述したタイプの随意の液状カソード物質であってよい。電気化学セル１００が放電している間、電子は、例えばアノードチャンバー１２０と電気的に接続している外部の導体から、カソード集電体１１２へと流れ込むことができる。電子は次いで、カソード集電体１１２から、液状カソード物質１１４のキノン分子へと通ることができ、そして反応Ａにおいて上述したように、キノンのセミキノン及び／又はヒドロキノンへの電気化学的還元を支援する。
【００２５】
電気化学セル１００のアノードチャンバー１２０は、電気化学的酸化反応から自由電子を生み出すために効果的である、随意のタイプの適したアノードチャンバーであってよい。概して、アノードチャンバーは、アノードの電解液１２４と接しているアノードの電極１２２を具備していよう。幾つかの実施態様においては、アノードの電極１２２は、固体アノードを具備していてもよく、この固体アノードは、完全に又は部分的に還元されている場合において固体である、酸化還元活物質を含有している。そのような実施態様の非限定的な例は、少なくとも部分的に充電されている場合、すなわち部分的に還元されている場合においては、固体リチウムを含有しているアノード電極１２２を有するＬｉ／Ｌｉ＋半電池を具備しているアノードチャンバー１２０である。他の実施態様においては、アノード電極１２２は、アノード集電体であってよく、かつアノード電解液１２４は、液状アノード物質であってよい。この液状アノード物質は、酸化状態に関わらず液体である、アノード酸化還元活物質を含有している。そのような後者の実施態様においては、電気化学セル１００は、フローセルとみなしてよい。
【００２６】
多くの実施態様においては、カソードチャンバー１１０及びアノードチャンバー１２０は、これらの間に配置されている半透膜１３０によって互いに隔てられていよう。半透膜１３０は、多くの場合、フルオロアルキルスルホニル塩のカチオンを浸透させるが、液状カソード物質１１４の他の成分は浸透させない。
【００２７】
電気化学セル１００は、一次電池、二次電池、及び燃料電池を含む随意のタイプの電気化学セルを具備していてよいことを認識すべきである。
【００２８】
図２〜５を参照して、５サイクルの充電／放電曲線（充電現象の後に、放電現象が続く）を、本開示の電気化学セル１００の１０個の変形態様について示す。これらの例の構成の詳細は、後述する実施例の項目においてより詳細に議論するが、図２〜４においてデータを示している各電気化学セルは、リチウム透過膜によりカソードチャンバーと隔てられている、Ｌｉ／Ｌｉ＋半電池を具備している、アノードチャンバー１２０を有している。各例のカソードチャンバー１１０は、カーボン紙から成るカソード集電体１１２、及び種々のモル比であり、かつ／又はキノンの同一性及び絶対的な濃度がばらついている、キノン：ＬｉＴＦＳＩ：水で構成されている、５０μＬの液状カソード物質１１４を具備している。
【００２９】
図２は、液状カソード物質についての充電／放電データを示している。このカソード物質において、キノンは、Ｒにおいてはアルキル基（メチル又はｔ−ブチル）で置換されている一方で、Ｒ’、Ｒ”、及びＲ’”がそれぞれ水素である、１，４−ベンゾキノンである。図２の各電気化学セルは、実用的な容量及び良好な再充電性を示している。酸化還元活物質（キノン）１モル当たりの移動した電子の平均数は、実施例１及び２についての充電／放電実験について、それぞれ約０．７５及び約０．３９であることに注目すべきである。このことは、５サイクルにおいて、可能性のある二電子還元／酸化のうちの単電子還元／酸化さえも、全てのキノン分子が経ていないことが示唆される。
【００３０】
図３は、液状カソード物質についての類似の充電／放電曲線を示している。このカソード物質において、キノンは、Ｒ及びＲ’”においてはメチル基で置換されており、かつＲ’及びＲ”がそれぞれ水素である、１，４−ベンゾキノンである。酸化還元活物質（キノン）１モル当たりの移動した電子の平均数は、実施例３、４及び５についての充電／放電実験について、それぞれ約１．０、約１．０及び約１．１である。このことは、後者の場合においては、実験した電位範囲内において、キノンの二価性のうちの少なくとも一部が用いられることを示している。
【００３１】
図４は、液状カソード物質についての充電／放電曲線を示している。このカソード物質において、キノンは、Ｒ及びＲ’”においてはｔ−ブチル基で置換されており、かつＲ’及びＲ”がそれぞれ水素である、１，４−ベンゾキノンである。酸化還元活物質（キノン）１モル当たりの移動した電子の平均数は、実施例６及び５についての充電／放電実験について、それぞれ約１．２及び約０．７９であり、このことは、図３の例と比較すると、前者の場合においては、キノンの二価性がやや多く用いられたことを示している。
【００３２】
図５は、液状カソード物質についての充電／放電曲線を示している。このカソード物質において、キノンは、Ｒにおいてはイソプロピル基で、Ｒ”においてはメチル基で置換されており、かつＲ’及びＲ’”がそれぞれ水素である、１，４−ベンゾキノンである。酸化還元活物質（キノン）１モル当たりの移動した電子の平均数は、実施例８、９及び１０についての充電／放電実験について、それぞれ約１．０、約０．９２及び約１．３である。このことは、図４の例と比較すると、最後の場合においては、実験した電位範囲内において、キノンの二価性のうちの更に大部分が用いられたことを示している。
【００３３】
全ての場合において、電気化学セル１００の容量は、概して約２〜３Ｍの範囲である、酸化還元活物質の実質的に高い濃度によってもたらされている。
【００３４】
上記のタイプの電気化学セル１００を有する自動車車両についても開示する。多くのそのような実施態様においては、電気化学セル１００は、液状アノード物質と接しているアノード集電体を有する、フローセルを具備していよう。そのような実施態様においては、液状カソード物質及び／又は液状アノード物質を物理的に抜き取り、そして交換することにより、電気化学セル１００を充電することができる。
【００３５】
本開示を、以下の実施例に関して更に説明する。これらの実施例は、本開示の特定な例示の説明であって、本開示の範囲の明示的な限定と解釈されるべきではないことを理解すべきである。
【実施例】
【００３６】
以下の実施例は、本開示の電気化学セル１００の例である。各々の実施例において、アノードチャンバー１２０は、プロピレンカーボネートにおける１ＭのＬｉＴＦＳＩと接触している、０．２５ｍｍのリチウム金属アノードを具備していた。カソードチャンバー１１０は、カーボン紙で構成されており、かつ表Ｉの液状カソード物質と接している、カソード集電体１１２を具備していた。カソードチャンバー１１０及びアノードチャンバー１２０は、１ｍｍ厚のＬＡＴＰに基づく固体のＬｉイオン伝導体（オハラガラス）により隔てた。各実施例の電気化学セルについての充電／放電サイクルを、２５℃でかつ電流密度０．０５ｍＡ・ｃｍ−２で観察した。全ての実施例において、電気化学セル１００を、電位が最大の４．５ボルト（Ｖ）に達するまで充電し、そして電位が最小の２．０Ｖに達するまで放電した。
【００３７】
【表１】
0006298036.tif 000005
【００３８】
上記のように、５サイクルの充電／放電曲線を、実施例１及び２については図２に示し、実施例３〜５については図３に示し、実施例６及び７については図４に示し、かつ実施例８〜１０については図５に示している。
【００３９】
上述した記載は、現時点で最も実用的な実施態様であると考えられるものに関する。しかしながら、本開示は、これらの実施態様に限定されるべきものではなく、それどころか添付の特許請求の主旨及び範囲内において種々の変形態様及び同等の配置を保護することを意図しており、法の下で認められるように、この範囲は、そのような変形態様及び同等の配置の全てを包含するように、最も広い解釈が認められるべきであることを理解すべきである。
本発明の実施態様の一部を以下の項目〈１〉−〈１７〉に記載する。
〈１〉液状カソード物質であって、
キノン；及び
フルオロアルキルスルホニル塩
を含有しており、
前記キノンが、還元又は酸化されている間に液体の形態で存在している、酸化還元活物質として機能する、
液状カソード物質。
〈２〉前記キノンが、構造Ｉの、置換されているか又は置換されていない１，４−ベンゾキノンである、項目１に記載の液状カソード物質：
【化１】
0006298036.tif 000006
（式中、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”、及びＲ’”は、それぞれ独立してアルキル、アルコキシ又は水素である。）
〈３〉前記ベンゾキノンが、２−メチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジ−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｉ−プロピル−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；及び２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；並びにこれらの混合物から成る群より選択される、項目２に記載の液状カソード物質。
〈４〉前記フルオロアルキルスルホニル塩が、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ），リチウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ），リチウムトリフルオロメチルスルホネート，ナトリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＮａＴＦＳＩ），マグネシウムビス（ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（Ｍｇ（ＴＦＳＩ）２）、及びこれらの混合物から成る群より選択される、項目１に記載の液状カソード物質。
〈５〉液状流動化剤を更に含有している、項目１に記載の液状カソード物質。
〈６〉前記液状流動化剤が、水を含有している、項目５に記載の液状カソード物質。
〈７〉液状流動化剤：液状カソード物質の体積比が、１０％以下である、項目５に記載の液状カソード物質。
〈８〉電気化学セルであって、
アノードチャンバー；
カソード集電体及び液状カソード物質を有する、カソードチャンバー；並びに
前記アノードチャンバーと前記カソードチャンバーとの間に配置されている、半透過性のセパレーター
を具備しており、
前記カソード物質が、キノン及びフルオロアルキルスルホニル塩を含有している、
電気化学セル。
〈９〉前記キノンが、構造Ｉの、置換されているか又は置換されていない１，４−ベンゾキノンである、項目８の電気化学セル：
【化２】
0006298036.tif 000007
（式中、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”、及びＲ’”は、それぞれ独立してアルキル、アルコキシ又は水素である。）
〈１０〉前記１，４−ベンゾキノンが、２−メチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジ−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｉ−プロピル−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；及びこれらの混合物から成る群より選択される、項目９の電気化学セル。
〈１１〉前記フルオロアルキルスルホニル塩が、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）、リチウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ）、リチウムトリフルオロメチルスルホネート、ナトリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＮａＴＦＳＩ）、マグネシウムビス（ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（Ｍｇ（ＴＦＳＩ）２）、及びこれらの混合物から成る群より選択される、項目８の電気化学セル。
〈１２〉前記電気化学セルが、フローセルであり、かつ前記アノードチャンバーが、酸化状態に関わらず液体であるアノード酸化還元活物質を含有している液状アノード物質を具備している、項目８の電気化学セル。
〈１３〉  電気化学セルを有する、自動車車両であって、前記電気化学セルが、：
アノードチャンバー；
カソード集電体及びカソード物質を有する、カソードチャンバー；並びに
前記アノードチャンバーと前記カソードチャンバーとの間に配置されている、半透過性のセパレーター；
を具備しており、
前記カソード物質が、キノン及びフルオロアルキルスルホニル塩を含有している、
自動車車両。
〈１４〉  前記キノンが、構造Ｉの、置換されているか又は置換されていない１，４−ベンゾキノンである、項目１３の自動車車両：
【化３】
0006298036.tif 000008
（式中、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”、及びＲ’”は、それぞれ独立してアルキル、アルコキシ又は水素である。）
〈１５〉  前記１，４−ベンゾキノンが、２−メチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン；２，６−ジ−ｔ−ブチル−１，４−ベンゾキノン；２−ｉ−プロピル−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン；及びこれらの混合物から成る群より選択される、項目１４の自動車車両。
〈１６〉  前記フルオロアルキルスルホニル塩が、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）、リチウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ）、リチウムトリフルオロメチルスルホネート、ナトリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＮａＴＦＳＩ）、マグネシウムビス（ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（Ｍｇ（ＴＦＳＩ）２）、及びこれらの混合物から成る群より選択される、項目１３の自動車車両。
〈１７〉  前記電気化学セルが、フローセルであり、かつ前記アノードチャンバーが、酸化状態に関わらず液体であるアノード酸化還元活物質を含有している、液状アノード物質を具備している、項目１３の自動車車両。
【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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