(57)【要約】  本発明は再充電可能電池を提供する。電池は、実質的に非極性な薄く非極性なアルカリイオン伝導セラミック膜のセル壁（３０）によって、隣り合うセルが分離された複数のセルを規定するハニカムセパレーター（２０）を含む。電池は複数の正極（５５）を含み、それぞれの正極（５５）は、ハニカムセパレーター（２０）のそれぞれ正極セル（６５）内に配置される。それぞれの正極セル（６５）は、電池が放電中に電気化学的還元が起こり、電池が充電中に電気化学的酸化が起こるような正極電気化学的材料を含む。負極（５０）は、それぞれのハニカムセパレーター（２０）の負極セル（６０）内に配置される。それぞれの負極セル（６０）、電池が放電中に電気化学的酸化が起こり、電池が充電中に電気化学的還元が起こるような負極電気化学的材料を含む。正極（５５）及び負極（５０）は、ハニカムセパレーター（２０）のセル内に、格子縞模様に配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハニカムセパレーターと複数の正極と複数の負極とから成る再充電可能電池であって；ハニカムセパレーターは、ハニカムセパレーターの薄く非極性のセル壁によって隣接するセルを分離して複数のセルを規定し、ハニカムセパレーターのセル壁が実質的に非極性であるアルカリイオン伝導セラミック膜材料から成り；それぞれの正極は、ハニカムセパレーターの正極セル内にそれぞれ配置され、正極グリッド内で電気的に対となっており、それぞれの正極セルは、電池が放電中に電気化学的に還元され、電池が充電中に電気化学的に酸化される正極電気化学的材料を含み；それぞれの負極は、ハニカムセパレーターのそれぞれの負極セル内にそれぞれ配置され、負極グリッド内で電気的に対となっており、それぞれの負極セルは、電池が放電中に電気化学的に酸化され、電池が充電中に電気化学的に還元される負極電気化学的材料を含み；正極セルが負極セルに隣接して格子縞模様となるように正極および負極がハニカムセパレーターセル内に配置されることを特徴とする再充電可能電池。
【請求項２】
実質的に非極性のアルカリイオン伝導セラミック膜がＮＡＳＩＣＯＮ型膜である請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項３】
実質的に非極性のアルカリイオン伝導セラミック膜がＬＩＳＩＣＯＮ型膜である請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項４】
ハニカムセパレーターが押出セラミック材料である請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項５】
負極電気化学的材料がアルカリ金属から成る請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項６】
負極電気化学的材料が溶融アルカリ金属から成る請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項７】
負極電気化学的材料がアルカリ金属挿入材料から成る請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項８】
アルカリ金属挿入材料が、炭素に挿入されたアルカリ金属から成る請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項９】
正極電気化学的材料が、元素状硫黄と、元素状硫黄およびＭ２Ｓｘ（Ｍはアルカリ金属）を少なくとも部分的に溶解する少なくとも１つの溶媒とから成る請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項１０】
少なくとも１つの溶媒が、元素状硫黄を溶解する非極性溶媒とＭ２Ｓｘを溶解する極性溶媒とから成る請求項９に記載の再充電可能電池。
【請求項１１】
少なくとも１つの溶媒が、少なくとも部分的に元素状硫黄およびＭ２Ｓｘを溶解する少なくとも１つの極性溶媒から成る請求項９に記載の再充電可能電池。
【請求項１２】
正極電気化学的材料が、アルカリ金属ハロゲン化物および対応するハロゲンから成る請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項１３】
正極電気化学的材料が、アルカリ金属ヨウ化物およびヨウ素（Ｉ２）から成る請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項１４】
正極電気化学的材料が、アルカリ金属臭化物および臭素（Ｂｒ２）から成る請求項１に記載の再充電可能電池。
【請求項１５】
ハニカムセパレーターと複数の正極と複数の負極とから成る再充電可能電池であって；ハニカムセパレーターは、薄く非極性なセル壁によって隣接するセルが分離された複数のセルを規定する押出セラミックであり、各セルは平行に長手方向に伸びており、ハニカムセパレーターのセル壁が実質的に非極性であるナトリウムイオン伝導ＮＡＳＩＣＯＮ型膜材料から成り；それぞれの正極は、ハニカムセパレーターの正極セル内にそれぞれ配置され、正極グリッド内で電気的に対となっており、それぞれの正極セルは、電池が放電中に電気化学的に還元され、電池が充電中に電気化学的に酸化される正極電気化学的材料を含み；それぞれの負極は、ハニカムセパレーターのそれぞれの負極セル内にそれぞれ配置され、負極グリッド内で電気的に対となっており、それぞれの負極セルは、電池が放電中に電気化学的に酸化され、電池が充電中に電気化学的に還元される負極電気化学的材料を含み；正極セルが負極セルに隣接して格子縞模様となるように正極および負極がハニカムセパレーターセル内に配置されることを特徴とする再充電可能電池。
【請求項１６】
正極電気化学的材料が、元素状硫黄と、元素状硫黄およびＮａ２Ｓｘを少なくとも部分的に溶解する少なくとも１つの溶媒とから成る請求項１５に記載の再充電可能電池。
【請求項１７】
正極電気化学的材料が、ハロゲン化ナトリウム及び対応するハロゲンから成る請求項１５に記載の再充電可能電池。
【請求項１８】
ハニカムセパレーターと複数の正極と複数の負極とから成る再充電可能電池であって；ハニカムセパレーターは、薄く非極性なセル壁によって隣接するセルが分離された複数のセルを規定する押出セラミックであり、各セルは平行に長手方向に伸びており、ハニカムセパレーターのセル壁が実質的に非極性であるナトリウムイオン伝導ＬＩＳＩＣＯＮ型膜材料から成り；それぞれの正極は、ハニカムセパレーターの正極セル内にそれぞれ配置され、正極グリッド内で電気的に対となっており、それぞれの正極セルは、電池が放電中に電気化学的に還元され、電池が充電中に電気化学的に酸化される正極電気化学的材料を含み；それぞれの負極は、ハニカムセパレーターのそれぞれの負極セル内にそれぞれ配置され、負極グリッド内で電気的に対となっており、それぞれの負極セルは、電池が放電中に電気化学的に酸化され、電池が充電中に電気化学的に還元される負極電気化学的材料を含み；正極セルが負極セルに隣接して格子縞模様となるように正極および負極がハニカムセパレーターセル内に配置されることを特徴とする再充電可能電池。
【請求項１９】
正極電気化学的材料が、元素状硫黄と、元素状硫黄およびＬｉ２Ｓｘを少なくとも部分的に溶解する少なくとも１つの溶媒とから成る請求項１８に記載の再充電可能電池。
【請求項２０】
正極電気化学的材料が、ハロゲン化リチウム及び対応するハロゲンから成る請求項１８に記載の再充電可能電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１２年４月２日出願の米国仮特許出願第６１／６１９，１７０号（発明の名称：ハニカムセパレーターを有する高出力で低い総エネルギー貯蔵量電池の優先権を享受する。本出願は、更に、２０１０年３月１６日出願の米国一部継続特許出願第１２／７２５，３１９号（発明の名称：実質的に非極性な膜および利用効率の高められたカソードを有するナトリウム−硫黄電池）に対応し、米国一部継続特許出願第１２／７２５，３１９号は、２００９年３月１６日出願の米国仮特許出願第６１／１６０，６２１号（発明の名称：実質的に非極性な膜および利用効率の高められたカソードを有するナトリウム−硫黄電池）の優先権を享受し、米国一部継続特許出願第１２／７２５，３１９号は、２００７年９月５日出願の米国仮特許出願第６０／９７０，１７８号（発明の名称：非極性セラミックセパレーターを有する高率リチウム−硫黄電池）の優先権を享受する２００８年９月５日出願の米国特許出願第１２／２０５，７５９号（発明の名称：実質的に非極性な膜および利用効率の高められたカソードを有するリチウム−硫黄電池）の継続出願である。
【０００２】
本発明は、電池に関する。詳しくは、本発明は、非極性のアルカリ金属イオン伝導ハニカム構造セパレーターを有する電池を提供するものである。
【背景技術】
【０００３】
電池は、種々の利用のために、電気エネルギーの貯蔵および放出するために使用される装置として知られている。私たちの社会は、コンピューター、携帯電話、携帯音楽プレーヤー、照明器具、その他の電子部品などの数多くの装置に電力を供給するのに電池に頼っている。電気エネルギーを生み出すために、電池は、代表的には化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。通常、単電池は１つ以上のガルバニ電池を含み、それぞれの電池（セル）は、外部回路を通じる以外に電気的に絶縁された２つの半電池から成る。放電中は、電池の正極において電気化学的還元が生じ、一方電池の負極において電気化学的酸化が生じる。電池の正極および負極は物理的に互いに接触していないが、一般に、それらは、固体または液体状あるいはそれらを組合せた１つ以上のイオン伝導性および電気絶縁性電解質によって化学的に接続されている。外部回路または負荷が、負極に接続される端子に接続され、正極に接続される端子に接続されると、電池は外部回路を通じて電子を動かし、イオンが電解質を通じて移動する。
【０００４】
電池は様々な種類に分類することが出来る。例えば、一次電池または一次セルとして一度だけ完全に放電できる電池がある。これに対して、二次電池または二次セルとして放電と充電を１回以上行うことが出来る電池がある。セル又は電池が複数回充放電できる可能性は、それぞれの充放電サイクルのファラデー効果による。
【０００５】
ハニカム構造セパレーターから成る電池は知られている。例えば、Ｂｅｒｋｅｙらによる特許文献１及び特許文献２には、セパレーター壁が多孔質であり、ハニカムパターンに配列されたセルが開示されている。Ｌｙｍａｎによる特許文献３には、電解質溶液で濡らされているセパレーター壁が開示されている。Ｓｔｅｍｐｉｎらによる特許文献４には、薄く多孔質であるセラミック壁を有するハニカム構造が開示されている。Ｋｕｍｍｅｒによる特許文献５には、電解質のイオンが透過出来るような範囲の空隙率を有する材料から成るハニカムセパレーターを開示している。
【０００６】
ハニカム構造セパレーターは多くの利点を提供する。１つの利点は、薄い部材から頑丈な構造体を提供できることである。別の利点は、低コストで組立可能な大きなセパレーター表面積を有する効率の良い構造体であることである。更に、この構造体は、セパレーター面積対電極体積の高い比率を提供できる。
【０００７】
上記の従来技術はハニカムセパレーター構造を認識してはいるもの、それぞれの場合において、細孔中に含まれる非セラミック電解質を通じてイオンが伝導するために多孔質壁構造が要求される。
【０００８】
電池技術において更なる向上が必要とされている。非極性アルカリ金属イオン伝導性ハニカム構造セパレーターを有する電池を提供することが、本分野での改良であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，０１０，５４３号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９１６，７０６号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５６７，５４４号明細書
【特許文献４】米国特許第５，５５４，４６４号明細書
【特許文献５】米国特許第４，１６０，０６８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、非極性のアルカリ金属イオン伝導ハニカム構造セパレーターを有する電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は再充電可能電池を提供する。電池は、ハニカムセパレーターの薄く非極性なセル壁によって近傍のセルを分割された複数のセルを規定しているハニカムセパレーターから成る。セルは、平行に、長手方向に延びている。ハニカムセパレーターのセル壁は、実質的に非極性なアルカリイオン伝導セラミック膜材料から成る。実質的に非極性なアルカリイオン伝導セラミック膜材料は、ＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ  Ｓｕｐｅｒ  Ｉｏｎ  ＣＯＮｄｕｃｔｉｎｇ（ナトリウム超イオン伝導））型膜材料から成る。この実質的に非極性なアルカリイオン伝導セラミック膜材料は、ＬＩＳＩＣＯＮ（Ｌｉ  Ｓｕｐｅｒ  Ｉｏｎ  ＣＯＮｄｕｃｔｉｎｇ（リチウム超イオン伝導））型材料からも成る。固体アルカリイオン伝導電解質膜の他の例としては、βアルミナ、ナトリウム伝導ガラス等が挙げられる。ハニカムセパレーターは押出セラミック材料でもよい。
【００１２】
電池は複数の正極を有し、それぞれの正極は、ハニカムセパレーターのそれぞれの正極セル内に配置されている。正極は、正極グリッド内で電気的に結合されている。それぞれの正極セルは、電池の放電時に電気化学的還元が起こり、電池の充電時に電気化学的酸化が起こるような正極電気化学的材料を含む。
【００１３】
電池は、更に、複数の負極を有し、それぞれの負極は、ハニカムセパレーターのそれぞれの負極セル内に配置されている。負極は、負極グリッドで電気的に結合されている。それぞれの負極セルは、電池の放電時に電気化学的酸化が起こり、電池の充電時に電気化学的還元が起こるような負極電気化学的材料を含む。
【００１４】
正極と負極は、正極を有するセルが負極を有するセルに隣り合って格子縞模様（チェッカーボードパターン、市松模様）のようになるようにハニカムセパレーターのセル内に配置される。
【００１５】
作動時において、負極電気化学的材料はアルカリ金属から成る。アルカリ金属の例としては、特にこれに限定されないが、ナトリウム、リチウム及びこれらのアロイが挙げられる。ある実施態様において、負極電気化学的材料は溶融アルカリ金属から成る。
【００１６】
作動時において、負極電気化学的材料はアルカリ金属挿入材料から成っていてもよい。ある実施態様において、特にこれに限定されないが、負極中の挿入材料が、アルカリ金属挿入炭素（炭素としては、グラファイト、メソ多孔性炭素、ホウ素がドープされたダイアモンド、炭素および／またはグラフェンが挙げられる）。
【００１７】
作動中、正極電気化学的材料は、元素状硫黄と元素状硫黄およびＭ２Ｓｘ（Ｍはアルカリ金属）を少なくとも部分的に溶解できる溶媒少なくとも１つの溶媒とから成る。ある実施態様において、その溶媒は、元素状硫黄を溶解する非極性溶媒とＭ２Ｓｘを溶解する極性溶媒とを含む。ある実施態様において、その溶媒は、元素状硫黄とＭ２Ｓｘとを少なくとも部分的に溶解する少なくとも１つの極性溶媒から成る。
【００１８】
他の実施態様において、正極電気化学的材料は、アルカリ金属ハロゲン化物と対応するハロゲンとから成る。これに限定されないが、アルカリ金属塩化物とハロゲンとしては、ＮａＩ、ＬｉＩ等のアルカリ金属ヨウ化物とヨウ素（Ｉ２）、ＮａＢｒ、ＬｉＢｒ等のアルカリ金属臭化物と臭素（Ｂｒ２）等が挙げられる。
【００１９】
本発明のこれらの要旨および技術効果は、以下の記載および請求の範囲から、更に十分に明確になるであろう。また、以下に記載される本発明の実施によっても習得できるであろう。
【００２０】
本発明の上述のまたは他の要旨および利点を得、容易に理解するために、上述の簡単な本発明の記載より更に詳しい記載を、添付の図面において示される特定の実施態様を参照によって示す。図面はスケールを表しておらず、本発明のいくつかの代表例を示しているに過ぎず、本発明の要旨を限定すると考えるべきではなく、更なる具体例や詳細が添付の図面を利用して記載され、詳細されるということを理解すべきである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、非極性のアルカリ金属イオン伝導ハニカム構造セパレーターを有する電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、押出されたハニカム構造セパレーターを示す。
【図２】図２は、電気的に絶縁性の平面基材に取り付けられたハニカム構造セパレーターの断面図を示す。
【図３】図３は、図２に示されるハニカム構造セパレーターの断面図であり、集電体が交互の負極および正極に接続されている。
【図４】図４は、ハニカム構造セパレーターの平面図であり、格子縞模様を形成する隣り合ったセル中の交互に位置する負極および正極を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、図４に示されるハニカム構造セパレーターの平面図であり、図中の矢印は、電池が放電状態でのセル壁を透過するカチオンの流れを示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４に示されるハニカム構造セパレーターの平面図であり、図中の矢印は、電池が充電状態でのセル壁を透過するカチオンの流れを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明を通じて参照される「ある実施態様」、「一つの実施態様」または同様の語は、実施態様と関連して記載される特定の要旨、構成、性質が、本発明の少なくとも１つの実施態様に含まれるという意味である。それゆえ、本発明を通じて参照される「ある実施態様において」、「一つの実施態様において」または同様の語がある場合、これに限定されず、同じ実施態様全てを参照する。更に、以下の記載は、記載される発明の種々の構成要素および要旨の種々の実施態様および実施例を参照するが、記載される全ての実施態様および実施例が考慮されるものであり、全ての点においてこれらは例示であって、いかなる方法において限定されるものではない。
【００２４】
更に、記載される本発明の要旨、構成または性質は、１つ以上の実施態様において適切な方法で組合せてもよい。以下の記載において、アルカリ金属負極、正極物質、液体正極溶液、非極性アルカリ金属イオン伝導性膜などの好適な数多くの具体例は、本発明の実施態様の理解を通じて提供されるものである。当業者ならば、本発明が、１つ以上の特定の詳細な説明無しに、または他の方法、構成要素、材料その他いろいろを伴って実施できるであろうことを理解するであろう。他の例では、周知の構造、材料または操作は、本発明の要旨を曖昧にすることを避けるために示さず、記載しないこともある。
【００２５】
上述のように、二次電池は放電および再充電が可能であり、この明細書において、両方の状態のセル配置および方法を記載する。種々の形態における用語「再充電」は、２回目の充電を暗示するが、当業者ならば、再充電に関する記載は、第１回または初期充電、そしてその逆にも有効で適応可能であることは理解できるであろう。それゆえ、この明細書の目的として、「再充電」、「再充電された」及び「再充電可能」の用語は、「充電」、「充電された」及び「充電可能」の用語にそれぞれ置き換えることが可能である。
【００２６】
本発明は、ハニカム構造セパレーター内の非極性膜壁を利用した再充電可能電池を提供する。非極性膜壁の例（これに限定されないが）としては、ＮＡＳＩＣＯＮ型材料、ＬｉＳＩＣＯＮ型材料およびイオン伝導性を有するガーネット構造の材料などのアルカリイオン伝導性セラミック材料が挙げられる。上述のＢｅｒｋｅｙ（特許文献１及び２）、Ｌｙｍａｎ（特許文献３）、Ｓｔｅｍｐｉｎ（特許文献４）及びＫｕｍｍｅｒ（特許文献５）、非極性膜について何ら示唆していない。これらの先行技術に開示されたシステムは、過充電がガス及び膜の一方から他方へのガスの通路の形成を引起し、再結合させることが望ましいアルカリ化学物質の場合において、多孔質ハニカムセパレーターを必要とする。そうしないと、この反応で発生したガスが、セルを破裂させたり破壊したりする。更に、再充電中の樹枝形成が膜の孔を通じて浸透し、セルの短絡や多孔セパレーターを通じて構成成分の好ましくない染み出しがセルの不可逆的な容量損失を招くような系を含む多くの再充電可能電池システムにおいて、多孔質膜は、好ましくない。
【００２７】
特定の再充電可能電池の構成物質で使用されるために非極性ハニカムセパレーター膜を提供することは、この分野で大きな進歩といえる。例えば、もし、２電極系の構成物質が、一方の電極が溶融アルカリ金属で、他方の電極が水性電解質のような金属と反応する物質のように非相溶の場合、多孔質膜の使用では、片方の電極材料を分解してしまう。
【００２８】
本発明では、非極性膜セパレーターを使用することの利点およびセパレーターの形状をハニカム構造にする利点をとらえたものである。すなわち、（１）膜面積当たりの部品への労力と操作を低減できるので、ハニカム構造は個別電池と比較して、電池の単価を低くすることが出来る。（２）総ハニカム構造は強固であり、薄い膜に応力のかかる取り扱いが可能で、個別チューブでは出来ないであろう。
【００２９】
ハニカム構造セパレーターを有する再充電可能電池の形成は、十分な低コストにおいて高エネルギー密度を有する再充電可能電池の製造方法に有効である。
【００３０】
図１は、これに限定されないが、ハニカム構造セパレーター２０の１例を示す。ハニカムセパレーター２０は、ハニカムセパレーター２０の薄く非極性なセル壁３０によって分離される複数のセル２５を規定する。セルは平行に長手方向３５に伸びている。ハニカムセパレーター２０のセル壁３０は、実質的に非極性なアルカリイオン伝導セラミック膜材料から成る。ハニカムセパレーターは、公知の押出法により形成される。
【００３１】
ハニカムセパレーター２０は、実質的に非極性でアルカリ金属イオン伝導性である材料から成る。ハニカム部材は、電池を形成している部材による衝突に耐えるものである。実際には、ある実施態様（これに限定されないが）において、ハニカム部材は、ＮＡＳＩＣＯＮ型膜（例えば、ＮａＳＥＬＥＣＴ（登録商標）膜、Ｃｅｒａｍａｔｅｃ，Ｉｎｃ．（ソルトレークシティー、ユタ州）社製）から成る。他の実施態様において、ハニカム部材はＬｉＳＩＣＯＮ型材料（例えば、ＬｉＳＩＣＯＮ型材料、Ｃｅｒａｍａｔｅｃ，Ｉｎｃ．社製）から成る。ハニカムセパレーターは、電池で使用される水および他の電解質材料は実質的に非透過であり、アルカリイオンを選択的に輸送する。ハニカムセパレーター構造は、公知のセラミック押出し法により形成される。
【００３２】
図２に示すように、ハニカム構造セパレーター２０は、電気的に絶縁性の平面基材４０に取り付け、マルチセル電池の構築を容易にし、セル構成部材および電極は上部から入れる。基材のための好適な材料は、ガラス又はエポキシ接着剤を使用して押出膜部材に接着できる非極性アルミナである。
【００３３】
集電体は、図３に示す交互の負極５０及び正極５５に効果的に取り付けられている。負極５０負極セル６０中に配置される。正極５５正極セル６５中に配置される。負極セル６０は、図４に示す格子縞模様中の負極セル６５の隣に配置されることが好ましい。負極５０を有するそれぞれのセルは、負極グリッド７０中で電気的に接続されていてもよい。正極５５を有するそれぞれのセルは、正極グリッド７５中で電気的に接続されていてもよい。図５Ａは、図４に示されるハニカム構造セパレーターの平面図であり、矢印８０は、電池が放電状態でのセル壁を透過するＮａ＋又はＬｉ＋等のアルカリ金属カチオンの流れを示す。カチオンは、負極セル６０からセル壁３０を透過して正極セル６５に流れ込む。図５Ｂは、図４に示されるハニカム構造セパレーターの平面図であり、矢印８５は、電池が充電状態でのセル壁を透過するアルカリ金属カチオンの流れを示す。カチオンは、正極６５からセル壁３０を透過して負極セル６０に流れ込む。
【００３４】
電池は、負極セル６０及び正極セル６５の開放端を閉鎖するためのシールを有してもよく、これにより液を密閉する。電池は、更に、そこで発生したガスを放出させるためのベント（図示せず）を有してもよい。ある実施態様において、電池は、正極から負極を絶縁するための電気的に絶縁性の材料を有してもよい。
【００３５】
正極セルは、電池の放電中に電気化学的還元が行われ、電池の充電中に電気化学的酸化が行われるような正極電気化学的材料を含む。負極セルは、電池の放電中電気化学的酸化が行われ、電池の充電中に電気化学的還元が行われるような負極電気化学的材料を含む。ハウジングは、ハニカムセパレーター、負極、正極、シール、ガスベント、電気的に絶縁性の材料、正極および負極電気化学的材料を集合組立状態で収納する。
【００３６】
負極５０に関し、負極セル６０は、目的通りに電池を機能させる（例えば、放電したり再充電したり）ような、ある好適なアルカリ金属負極５０及び／又は関連する集電体とから成る。ある実施態様（これに限定されないが）において、負極は、電池の放電中に電気化学的酸化が行われ、電池の充電中に電気化学的還元が行われるような負極電気化学的材料から成る。ある実施態様（これに限定されないが）において、好適な負極材料は、例えば、実質的に純粋なナトリウム又はリチウム、ナトリウム又はリチウムを含有する他の好適な負極材料から成るナトリウムアロイ又リチウムアロイから成る。ある実施態様において、負極は、実質的に純粋な所定量のナトリウム又は実質的に純粋な所定量のリチウムの何れかから成る。
【００３７】
ある実施態様において、負極５０は、電池が放電中に負極内のアルカリ金属が酸化されてアルカリ金属イオンを形成でき、電池が再充電中にアルカリ金属イオンが還元されて挿入材料を挿入できるようなアルカリ金属挿入材料（インターカレーション）から成る。ある実施態様において、挿入材料はまた、アルカリ金属伝導性膜材料に抵抗を増加させない材料から成る。すなわち、ある実施態様において、挿入材料は容易にアルカリ金属イオン透過させ、負極セルから正極セルに（そしてその逆も同じく）アルカリ金属イオンが透過する速度に影響を及ぼさない。ある実施態様において、負極中の挿入材料は、アルカリ金属が挿入された炭素（例えば、グラファイト、メソ多孔性炭素、ホウ素がドープされたダイアモンド、炭素および／またはグラフェンが挙げられる）。
【００３８】
低温での電池の動作のため、負極セル６０は非水負極電解質溶液（又は第２電解質）を含んでいてもよい。非水負極電解質溶液は、アルカリ金属イオンを輸送することが出来、負極およびアルカリ金属イオン伝導性膜の材料と化学的に相溶性を有し、目的通りに電池を機能させることが出来る好適な電解質から成る。これに限定されないが、好適な負極電解質溶液の例としては、有機電解質およびイオン性液体から成る。しかしながら、ある種のイオン性液体は、ナトリウムイオン伝導性膜より高いイオン伝導性を有する理由および／またはある種のイオン性液体は、界面活性剤として機能するという理由から、負極上の樹枝形成を遅らせることがある種の有機電解質よりも優れていると理論付けられる。従って、ある実施態様（これに限定されないが）において、負極電解質溶液はイオン性液体から成る。
【００３９】
正極５５に関し、正極セル６５は、目的通りに電池を放電させたり再充電させたりできるような、ある好適な正極５５及び／又は関連する集電体とから成る。例えば、正極は、ナトリウム又はリチウム系再充電可能電池システムに好適に使用される実際の正極材料から成る。ある実施態様において、正極は、１つ以上のワイヤー（線）、ワイヤーのストランド（より線）、フェルト片、プレート、チューブ、メッシュ、泡片および／または１つ以上の好適な正極形態を有する。更に、正極は、電池の放電−充電中の酸化−還元反応を行える好適な材料から成るが、ある実施態様（これに限定されないが）において、正極は元素状硫黄（代表的には固体形状のＳ８分子）から成る。正極セルは、元素状硫黄およびＭ２Ｓｘ（アルカリ金属モノスルフィド（硫化物）および／またはポリスルフィド（硫化物）、Ｍはナトリウム又はリチウム等のアルカリ金属である）を少なくとも部分的に溶解する少なくとも１つの溶媒を含む。
【００４０】
他の実施態様において、正極５５は、ニッケルフォーム（発泡体）、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）、硫黄混合物、ハロゲン化硫黄（ＳＣｌ２）、炭素、銅、ヨウ化銅、白金および／または他の好適な材料から成る。更に、これらの材料は、組合せて存在または共存在させてもよい。実際に、ある実施態様において、正極は、銅、白金またはヨウ化銅から成る。
【００４１】
正極セル６５は、液体電解溶液などの正極材料と相溶性のある液体正極溶液を含む。正極溶液がアルカリ金属化合物から成る場合、その化合物は、金属錯体（以下に説明する）の溶解を補助し、アルカリ金属イオン伝導性電解質膜を溶解による劣化から防ぐ等の好適な機能（これらに限定されないが）を遂行できる。アルカリ金属錯体がある好適な化学成分から成る場合、ある実施態様において、それはアルカリイオン、１つ以上のハロゲン化物イオン及び／又は疑似ハロゲン化物イオンから成る。
【００４２】
ある実施態様において、１つ以上の溶媒は、元素状硫黄および／またはＭ２Ｓｘを少なくとも部分的に溶解する溶媒から選択される。溶媒はまた、理想的には比較的高沸点を有する。Ｍ２Ｓｘは極性であるため、ある実施態様において、極性溶媒はＭ２Ｓｘを少なくとも部分的に溶解する溶媒から選択される。同様に元素状硫黄が非極性であるため、非極性溶媒は元素状硫黄を少なくとも一部溶解する溶媒から選択される。それにもかかわらず、一般に、溶媒は単溶媒または混合溶媒を含み、元素状硫黄およびまたはＭ２Ｓｘを少なくとも部分的に溶解するのに有効である。
【００４３】
テトラグリム（ＴＧ）はＭ２Ｓｘを溶解するために有効な極性溶媒であり、更に、かなりの部分の硫黄を溶解する。それゆえ、テトラグリムそれ自身、または他の極性溶媒との組合せのみが、正極セル内の溶媒として使用されてもよい。このテトラグリム（及び使用可能な他の極性溶媒）の性質は、従来技術では考えられないことである。更に、テトラグリムは、１気圧中３０℃〜２７５℃という幅広い温度で液体である。テトラグリムの溶解特性は、特にハニカムセパレーターの実質的に非極性な膜壁で使用する場合に有利である。正極セル内で使用される他の溶媒は、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）及び／又はジメチルアニリン（ＤＭＡ）である。ＤＭＡは非極性であり、元素状硫黄を溶解するのに特に効果的であることが見出され、更に比較的高沸点を有する。
【００４４】
本発明の特定の実施態様および実施例を図示し説明したが、本発明の要旨を超えない範囲で数多くの変更が想到でき、本発明の要旨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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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