电荷存储设备制造技术

一种电荷存储设备，其中正极包括硝酰基化合物，该硝酰基化合物在氧化态具有由通式（Ⅰ）表示的硝酰基阳离子部分的结构，而在还原态具有由通式（Ⅱ）表示的硝酰基自由基部分的结构和由反应式（Ａ）表示的反应用作阳极反应，其中电子在这些状态之间转移。电荷存储设备可具有更高的能量密度和可以在大电流下使用。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有大能量密度的电荷存储设备，从该设备可以同时产生大的电流。
技术介绍
由于便携式计算机，移动电话和电动汽车快速扩展它们的市场，需要具有更高能量密度和大电流的电荷存储设备。在这些设备中，其中正极使用含锂过渡金属氧化物而负极使用碳材料的锂离子二次电池已经在各种电子设备中用作高能量二次电池。然而，由于锂离子二次电池在电极反应中具有小的反应速率，大电流导致电池性能的显著劣化。因此，当用于小电子设备时，电池要求更长的充电时间。同样，电池还没有用于要求大电流的设备如电动汽车。另一方面，在电极中使用木炭的电双层电容器可提供大电流和显示良好的循环性能。因此，它已经开发为备用电源和用于电动汽车的电源。然而，由于它具有小能量密度和因此尺寸降低较困难，它还没有用于汽车电子设备。此外，由于它的差容量，它还没有广泛安装在电动汽车中。当采用电双层电容器时，铅存储电池可提供大电流和显示良好的循环性能。因此，它已经广泛用作汽车的辅助电源。然而，由于它的电压和能量密度较低，它还没有应用于其中发动机由电源驱动的电动汽车。如上所述，锂离子二次电池不能用于大电流和电双层电容器或铅存储电池不能提供小电子设备要求的适当能量密度。换言之，尽管已经存在可应用于汽车电子设备或电动汽车的电荷存储设备的各种建议，还没有获得具有更高能量密度、从中可以产生大电流的电荷存储设备。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供具有更高能量密度的新颖电荷存储设备，该设备可用于在大电流密度下的应用。本专利技术涉及一种电荷存储设备，其中正极包括硝酰基化合物，该硝酰基化合物在氧化态具有由通式(I)表示的硝酰基阳离子部分的结构，而在还原态具有由通式(II)表示的硝酰基自由基部分的结构，和由反应式(A)表示的反应用作阳极反应，其中电子在两个状态之间转移。 反应式(A)优选，硝酰基化合物是在氧化态包含由通式(Ia)表示的环状结构的化合物 在通式(Ia)中，R1-R4独立地表示含有1-4个碳原子的烷基；和X表示形成五到七元环的二价基团。通式(Ia)自身是低分子量化合物或通式(Ia)是聚合物的一部分，其中X是聚合物中侧链的一部分或X是聚合物主链的一部分。硝酰基化合物特别优选是含有侧链的聚合物，侧链包括由通式(Ia)表示的结构。附图简述附图说明图1示意性显示电荷存储设备的结构。图2是实施例1和对比例1中测量的电荷存储设备的初始充电/放电曲线。图3显示实施例1中测量的电荷存储设备放电容量的充电/放电循环依赖性。图4显示实施例1中测量的电荷存储设备放电曲线的充电/放电速率依赖性。在这些图中，符号具有如下意义1负极集电极，2绝缘填料，3负极，4隔板，5正极，和6正极集电极。具体实施例方式如反应式(B)中所示的硝酰基结构，可通过电子的转移采取由通式(I)-(III)表示的状态。 反应式(B)其中，本专利技术采用在通式(I)和(II)之间的反应作为正极反应，和设备通过与反应相关的电子存储和释放而用作电荷存储设备。由于氧化还原反应基于没化有机化合物结构变化的机理，因此反应在大速率下进行。因此，本专利技术的电荷存储设备使得大电流同时流动成为可能。在此使用的术语“电荷存储设备”表示至少包括正极和负极的设备，通过该设备可以将电化学存储的能量作为电能释放出。电荷存储设备的例子包括第一电池和可充电二次电池、容量设备如电容器(capacitor)和电容器(condenser)、和其它电化学开关设备。由于它不能同时给出大的电流，其中正极例如由金属氧化物组成的常规电池不能用作电容设备如电容器。相反，本专利技术的电荷存储设备可用作备用电源，电双层电容器用于该电源，电容器如用于汽车的电源或用于电子设备的电容器。采用它的高速充电/放电性能，它也可用作电化学开关设备，其中充电和放电的状态分别用作开和关。在电荷存储设备中，正极是具有更高氧化还原电势的电极，而负极是具有更低氧化还原电势的电极。本专利技术中的硝酰基结构优选是由通式(Ia)表示的环状硝酰基部分。在还原状态下，通式(Ia)的硝酰基结构变成由通式(II)表示的硝酰基自由基。按照自由基稳定性，R1-R4优选是线性烷基，特别是甲基。X中的环元原子(即成环原子)选自碳、氧、氮和硫。X的具体例子包括-CH2CH2-、-CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2-、-CH＝CH-、-CH＝CHCH2-、-CH＝CHCH2CH2-和-CH2CH＝CHCH2-，其中不相邻-CH2-基团可以由-O-、-NH-或-S-代替；-CH＝可以由-N＝代替；和连接到环元原子上的氢可以由烷基、卤素、＝O、醚基团、酯基团、氰基或酰胺基团代替。在氧化态的特别优选环状硝酰基结构选自由通式(1)表示的2，2，6，6-四甲基哌啶氧基阳离子、由通式(2)表示的2，2，5，5-四甲基吡咯烷氧基阳离子和由通式(3)表示的2，2，5，5-四甲基吡咯啉氧基阳离子。 由通式(Ia)表示的环状结构自身可以是低分子量化合物或它可以是聚合物的一部分。当它是聚合物的一部分时，它可以在侧链中或在主链中。按照合成中的容易程度，它优选在侧链中。当在侧链中存在时，通过从环元-CH2-、-CH＝或-NH-消除氢，该部分通过来自X的残余基团X’连接到主聚合物链上。 其中R1-R4如上所定义。使用的聚合物可能不限定特定的聚合物和可以是在侧链中含有由通式(Ia)表示的环状结构的任何聚合物。具体的例子包括化合物，其中由通式(Ib)表示的基团连接到如下聚合物或那些其中聚合物中原子或基团的一部分由通式(Ib)表示的基团代替的聚合物。在两种情况下，由通式(Ib)表示的基团可以不直接，但通过作为连接部分的适当二价基团连接。可以使用的聚合物的例子包括聚亚烷基聚合物如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚癸烯、聚十二碳烯、聚庚烯、聚异丁烯和聚十八碳烯；二烯烃聚合物如聚丁二烯、聚氯丁二烯、聚异戊二烯和聚异丁烯；聚(甲基)丙烯酸；聚(甲基)丙烯腈；聚(甲基)丙烯酰胺聚合物如聚(甲基)丙烯酰胺、聚甲基(甲基)丙烯酰胺、聚二甲基(甲基)丙烯酰胺和聚异丙基(甲基)丙烯酰胺；聚(甲基)丙烯酸烷基酯如聚(甲基)丙烯酸甲酯、聚(甲基)丙烯酸乙酯和聚(甲基)丙烯酸丁酯；氟化聚合物如聚偏二氟乙烯和聚四氟乙烯；聚苯乙烯聚合物如聚苯乙烯、聚溴苯乙烯、聚氯苯乙烯和聚甲基苯乙烯；乙烯基聚合物如聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯基甲基醚、聚乙烯基咔唑、聚乙烯基吡啶和聚乙烯基吡咯烷酮；聚醚聚合物如聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚环氧丁烷、聚甲醛、聚乙醛、聚甲基乙烯基醚、聚丙基乙烯基醚、聚丁基乙烯基醚和聚苄基乙烯基醚；聚硫化物聚合物如聚硫化亚甲基、聚硫化亚乙基、聚二硫化亚乙基、聚硫化亚丙基、聚苯硫醚和聚四硫化亚乙基和聚硫化亚乙基三亚甲基；聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚己二酸乙二醇酯、聚间苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚亚乙基对亚苯基二乙酸酯和聚亚乙基亚异丙基二苯甲酸酯； 聚氨酯如聚三亚甲基亚乙基尿烷；聚酮聚合物如聚醚酮和聚烯丙基醚酮；聚酸酐聚合物如聚氧间苯二甲酰基；聚胺聚合物如聚亚乙基胺、聚六亚甲基胺和聚亚乙基三亚甲基胺；聚酰胺聚合物如尼龙、聚甘氨酸和聚丙氨酸；聚亚胺聚合物如聚乙酰基亚氨基乙烯和聚苯甲酰基亚氨基乙烯；聚酰亚胺聚合物如聚酯酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯甲酰亚胺和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电荷存储设备，其中正极包括硝酰基化合物，该硝酰基化合物在氧化态具有由通式（Ⅰ）表示的硝酰基阳离子部分的结构，而在还原态具有由通式（Ⅱ）表示的硝酰基自由基部分的结构和由反应式（Ａ）表示的反应用作阳极反应，通式（Ａ）中，电子在两个状态之间转移。　　　　＊＊＊　　反应式（Ａ）。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：中原谦太郎，岩佐繁之，佐藤正春，入山次郎，森冈由纪子，
申请(专利权)人：日本电气株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]