▶ リヴィアン アイピー ホールディングス，エルエルシーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024054072
(43)【公開日】2024-04-16
(54)【発明の名称】リチウム金属ホスファート電極の製造
(51)【国際特許分類】
C01B 25/45 20060101AFI20240409BHJP
H01M 4/58 20100101ALI20240409BHJP
H01M 10/54 20060101ALI20240409BHJP
【ＦＩ】
C01B25/45 Z
H01M4/58
H01M10/54
【審査請求】有
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023133718
(22)【出願日】2023-08-19
(31)【優先権主張番号】17/937963
(32)【優先日】2022-10-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】520490406
【氏名又は名称】リヴィアン アイピー ホールディングス，エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100092783
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100103182
【弁理士】
【氏名又は名称】日野 真美
(74)【代理人】
【識別番号】100141025
【弁理士】
【氏名又は名称】阿久津 勝久
(74)【代理人】
【識別番号】100194423
【弁理士】
【氏名又は名称】植竹 友紀子
(72)【発明者】
【氏名】リアン，グオシャン
(72)【発明者】
【氏名】タレビースファンダラニ，マジド
(72)【発明者】
【氏名】ハイナー，カリー マイケル
(72)【発明者】
【氏名】パーク，キ テイ
(72)【発明者】
【氏名】プラジャパティ，ヴィクター
【テーマコード（参考）】
5H031
5H050
【Ｆターム（参考）】
5H031BB01
5H031BB02
5H031EE03
5H031RR02
5H050AA19
5H050CA01
5H050CA08
5H050CA11
5H050CA29
5H050CB02
5H050CB03
5H050CB08
5H050CB09
5H050CB11
5H050CB12
5H050CB29
5H050GA02
5H050GA05
5H050GA10
5H050HA14
5H050HA20
(57)【要約】 （修正有）
【課題】リチウム金属ホスファートの生成方法と製造システムを提供する。
【解決手段】システム及び方法は、スポジュメンからのリチウム抽出２、リチウムイオン電池ブラックマスからのリチウムリサイクル４、及び／又は金属ホスファートからのリチウム金属ホスファート合成３を組み合わせることを含み得る。
【選択図】図１
【解決手段】システム及び方法は、スポジュメンからのリチウム抽出２、リチウムイオン電池ブラックマスからのリチウムリサイクル４、及び／又は金属ホスファートからのリチウム金属ホスファート合成３を組み合わせることを含み得る。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
方法であって、
金属ホスファート及びリチウムサルフェートを含む溶液を形成することと、
ホスファート含有物質を使用して前記溶液からリチウムホスファートを沈殿させることと、
前記金属ホスファートを前記リチウムホスファートと混合して、リチウム金属ホスファート前駆体を形成することと、
前記リチウム金属ホスファート前駆体を処理して、リチウム金属ホスファートを形成することと、を含む、方法。
金属ホスファート及びリチウムサルフェートを含む溶液を形成することと、
ホスファート含有物質を使用して前記溶液からリチウムホスファートを沈殿させることと、
前記金属ホスファートを前記リチウムホスファートと混合して、リチウム金属ホスファート前駆体を形成することと、
前記リチウム金属ホスファート前駆体を処理して、リチウム金属ホスファートを形成することと、を含む、方法。
【請求項2】
前記リチウム金属ホスファート前駆体を処理することが、前記リチウム金属ホスファート前駆体を粉砕すること、前記リチウム金属ホスファート前駆体を焼成すること、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記リチウム金属ホスファートが、リチウム鉄ホスファート（ＬＦＰ）、リチウム鉄マンガンホスファート（ＬＭＦＰ）、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記金属ホスファートが、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記金属ホスファートを鉄源と混合することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記鉄源が、鉄オキサレート、鉄シトレート、鉄オキシド、又はこれらの組み合わせを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
前記リチウム金属ホスファート前駆体が、５５０～７５０℃で２～１２時間焼成される、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記ホスファート含有物質が、ナトリウムホスファート、リン酸、ナトリウムヒドロキシド、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
スポジュメンを焙焼することと、前記焙焼されたスポジュメンを硫酸で浸出させて、リチウムサルフェートを含む第２の溶液を取得することと、前記ホスファート含有物質を使用してリチウムホスファートを沈殿させる前に、前記第１の溶液とリチウムサルフェートを含む前記第２の溶液とを組み合わせることと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記金属ホスファート及びリチウムサルフェートを含む前記溶液を形成することが、リチウムイオン電池ブラックマスからリチウムを抽出することを含み、リチウムイオン電池ブラックマスからリチウムを抽出することが、リチウムイオン電池ブラックマスを酸化ガスと反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
前記酸化ガスが、ＮＯｘ、Ｃｌ２、又はＳＯｘを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
リチウムイオン電池ブラックマスのＳＯｘとの反応が、第二鉄ホスファート、リチウムサルフェート、又はこれらの組み合わせを形成する、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記金属ホスファート及びリチウムサルフェートを含む前記溶液を形成することが、リチウムイオン電池ブラックマスからリチウムを抽出することを含み、リチウムイオン電池ブラックマスからリチウムを抽出することが、前記リチウムイオン電池ブラックマスを硫酸及び過酸化水素又は酸素ガスで浸出させて、少なくとも前記金属ホスファートを形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項14】
前記金属ホスファートを硫酸で溶解することと、溶解した金属ホスファート溶液中の鉄対ホスファートの比、マンガン対ホスファートの比、鉄の酸化状態、マンガンの酸化状態、又はこれらの組み合わせを調整することと、を更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記鉄対ホスファートの比、前記マンガン対ホスファートの比、前記鉄の酸化状態、前記マンガンの酸化状態、又はこれらの組み合わせが、鉄、マンガン、マンガンサルフェート、鉄サルフェート、又はこれらの組み合わせを使用して調整される、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記溶解した金属ホスファートから、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせを沈殿させることを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
粉砕された混合物を噴霧乾燥することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項18】
方法であって、
ホスファート含有物質を使用して、リチウムサルフェートを含む第１の溶液からリチウムホスファートを沈殿させることと、
第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせを、前記リチウムホスファートと混合して、リチウム金属ホスファート前駆体を形成することと、
前記リチウム金属ホスファート前駆体を粉砕することと、
前記リチウム金属ホスファート前駆体を焼成して、リチウム鉄ホスファート（ＬＦＰ）、リチウム鉄マンガンホスファート（ＬＭＦＰ）、又はこれらの組み合わせを形成することと、を含む、方法。
ホスファート含有物質を使用して、リチウムサルフェートを含む第１の溶液からリチウムホスファートを沈殿させることと、
第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせを、前記リチウムホスファートと混合して、リチウム金属ホスファート前駆体を形成することと、
前記リチウム金属ホスファート前駆体を粉砕することと、
前記リチウム金属ホスファート前駆体を焼成して、リチウム鉄ホスファート（ＬＦＰ）、リチウム鉄マンガンホスファート（ＬＭＦＰ）、又はこれらの組み合わせを形成することと、を含む、方法。
【請求項19】
リチウムイオン電池ブラックマスを、ＮＯｘ、Ｃｌ２、又はＳＯｘを含む酸化ガスと反応させて、前記第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせ、及び前記リチウムサルフェートを形成することによって、リチウムイオン電池ブラックマスをリサイクルすることと、
前記リチウムサルフェートを溶媒と混合して、リチウムサルフェートを含む前記第１の溶液を形成することと、を更に含む、請求項１８に記載の方法。
前記リチウムサルフェートを溶媒と混合して、リチウムサルフェートを含む前記第１の溶液を形成することと、を更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
方法であって、
第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせを、リチウムホスファートと化学量論比で混合して、リチウム金属ホスファート前駆体を形成することと、
前記リチウム金属ホスファート前駆体を粉砕することと、
前記リチウム金属ホスファート前駆体を焼成して、リチウム鉄ホスファート（ＬＦＰ）、リチウム鉄マンガンホスファート（ＬＭＦＰ）、又はこれらの組み合わせを形成することと、を含む、方法。
第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせを、リチウムホスファートと化学量論比で混合して、リチウム金属ホスファート前駆体を形成することと、
前記リチウム金属ホスファート前駆体を粉砕することと、
前記リチウム金属ホスファート前駆体を焼成して、リチウム鉄ホスファート（ＬＦＰ）、リチウム鉄マンガンホスファート（ＬＭＦＰ）、又はこれらの組み合わせを形成することと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、電池及び電池を調製する方法、より具体的には、リチウム金属ホスファート製造システム、及びかかるリチウム金属ホスファートを使用して、電池を調製する方法に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0002】
リチウム金属ホスファート、特に、鉄含有リチウム金属ホスファート電極は、典型的には、鉄ホスファートをリチウムカーボネートと混合し、続いて固体反応を行うことによって生成される。鉄ホスファート相及びリチウムカーボネートは、通常、別個のプロセスから生成され、これらのプロセスの各々は、処理されるべきそれら自体の廃棄物流を有し、それによって、追加コストを追加する。加えて、リチウムカーボネートはまた、リチウム金属ホスファート生成のための原料として使用するために高価である。
【0003】
本明細書では、リチウム金属ホスファート、例えば、リチウム鉄ホスファート（lithium iron phosphate、「ＬＦＰ」）及び／又はリチウムマンガン鉄ホスファート（lithium manganese iron phosphate、「ＬＭＦＰ」）を生成するシステム及びプロセスが開示される。より具体的には、本明細書において開示されるシステム及びプロセスは、相乗効果を達成し、かつ／又はコストを低減するために、リチウム抽出、リチウム金属ホスファート合成、及びリチウムイオン電池（lithium ion battery、「ＬＩＢ」）リサイクルを含むことができる。
【0004】
いくつかの実施形態では、方法は、金属ホスファート及びリチウムサルフェートを含む溶液を形成することと、ホスファート含有物質を使用して溶液からリチウムホスファートを沈殿させることと、金属ホスファートをリチウムホスファートと混合して、リチウム金属ホスファート前駆体を形成することと、リチウム金属ホスファート前駆体を処理して、リチウム金属ホスファートを形成することと、を含む。いくつかの実施形態では、処理することは、リチウム金属ホスファート前駆体を粉砕すること、リチウム金属ホスファート前駆体を焼成すること、又はこれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファートは、リチウム鉄ホスファート（ＬＦＰ）、リチウム鉄マンガンホスファート（ＬＭＦＰ）、又はこれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、金属ホスファートは、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、方法は、金属ホスファートを鉄源と混合することを含む。いくつかの実施形態では、鉄源は、鉄オキサレート、鉄シトレート、鉄オキシド、又はこれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート前駆体は、５５０～７５０℃で２～１２時間焼成される。いくつかの実施形態では、ホスファート含有物質は、ナトリウムホスファート、リン酸、ナトリウムヒドロキシド、又はこれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、方法は、スポジュメンを焙焼することと、焙焼されたスポジュメンを硫酸で浸出させて、リチウムサルフェートを含む第２の溶液を取得することと、ホスファート含有物質を使用してリチウムホスファートを沈殿させる前に、第１の溶液とリチウムサルフェートを含む第２の溶液とを組み合わせることと、を含む。いくつかの実施形態では、金属ホスファート及びリチウムサルフェートを含む溶液を形成することは、リチウムイオン電池ブラックマスからリチウムを抽出することを含み、リチウムイオン電池ブラックマスからリチウムを抽出することは、リチウムイオン電池ブラックマスを酸化ガスと反応させることを含む。いくつかの実施形態では、酸化ガスは、ＮＯｘ、Ｃｌ２、又はＳＯｘを含む。いくつかの実施形態では、リチウムイオン電池ブラックマスのＳＯｘとの反応は、第二鉄ホスファート、リチウムサルフェート、又はこれらの組み合わせを形成する。いくつかの実施形態では、金属ホスファート及びリチウムサルフェートを含む溶液を形成することは、リチウムイオン電池ブラックマスからリチウムを抽出することを含み、リチウムイオン電池ブラックマスからリチウムを抽出することは、硫酸及び過酸化水素又は酸素ガスを用いてリチウムイオン電池ブラックマスを浸出させて、少なくとも金属ホスファートを形成することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、金属ホスファートを硫酸で溶解することと、溶解した金属ホスファート溶液中の鉄対ホスファートの比、マンガン対ホスファートの比、鉄の酸化状態、マンガンの酸化状態、又はこれらの組み合わせを調整することと、を含む。いくつかの実施形態では、鉄対ホスファートの比、マンガン対ホスファートの比、鉄の酸化状態、マンガンの酸化状態、又はこれらの組み合わせは、鉄、マンガン、マンガンサルフェート、鉄サルフェート、又はこれらの組み合わせを使用して調整される。いくつかの実施形態では、方法は、溶解した金属ホスファートから、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせを沈殿させることを含む。いくつかの実施形態では、方法は、粉砕された混合物を噴霧乾燥することを含む。
【0005】
いくつかの実施形態では、方法は、ホスファート含有物質を使用して、リチウムホスファートを、リチウムサルフェートを含む第１の溶液から沈殿させることと、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせを、リチウムホスファートと混合して、リチウム金属ホスファート前駆体を形成することと、リチウム金属ホスファート前駆体を粉砕することと、リチウム金属ホスファート前駆体を焼成して、リチウム鉄ホスファート（ＬＦＰ）、リチウム鉄マンガンホスファート（ＬＭＦＰ）、又はこれらの組み合わせを形成することと、を含む。いくつかの実施形態では、方法は、リチウムイオン電池ブラックマスを、ＮＯｘ、Ｃｌ２、又はＳＯｘを含む酸化ガスと反応させて、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせ、及びリチウムサルフェートを形成することによって、リチウムイオン電池ブラックマスをリサイクルすることと、リチウムサルフェートを溶媒と混合して、リチウムサルフェートを含む第１の溶液を形成することと、を含む。
【0006】
いくつかの実施形態では、方法は、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせをリチウムホスファートと化学量論比で混合して、リチウム金属ホスファート前駆体を形成することと、リチウム金属ホスファート前駆体を粉砕することと、リチウム金属ホスファート前駆体を焼成して、リチウム鉄ホスファート（ＬＦＰ）、リチウム鉄マンガンホスファート（ＬＭＦＰ）、又はこれらの組み合わせを形成することと、を含む。
【0007】
上記で開示された実施形態は、例であり、本開示の範囲は、これらに限定されない。特定の実施形態は、上記で開示された実施形態の構成要素、要素、特徴、機能、作動、若しくは工程の全て、いくつかを含んでもよく、又はいずれも含まなくてもよい。本発明による実施形態は、特に、方法、システム、及び電極物質を対象とする添付の特許請求の範囲において開示され、１つの請求項カテゴリ、例えば、方法において言及される任意の特徴は、別の請求項カテゴリ、例えば、システムにおいても同様に特許請求され得る。添付の特許請求の範囲における従属関係又は後方参照は、形式的な理由でのみ選択される。しかしながら、請求項及びそれらの特徴の任意の組み合わせが、開示され、かつ添付の特許請求の範囲において選択された従属関係にかかわらず特許請求され得るように、任意の先行請求項に対する意図的な後方参照（特に、多項従属関係）から生じる任意の主題も、同様に特許請求され得る。特許請求され得る主題は、添付の特許請求の範囲に記載される特徴の組み合わせだけでなく、特許請求の範囲における特徴の任意の他の組み合わせも含み、特許請求の範囲において言及される各特徴は、特許請求の範囲における任意の他の特徴、又は他の特徴の組み合わせと組み合わせることができる。更に、本明細書で説明又は描写される実施形態及び特徴のいずれも、別個の請求項において、及び／又は本明細書で説明又は描写される任意の実施形態若しくは特徴との、若しくは添付の特許請求の範囲の特徴のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、特許請求され得る。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【0009】
図面において、同様の参照番号は、本明細書において特に明記しない限り、同様の構成要素を指す。
【発明を実施するための形態】
【0010】
リチウム金属ホスファートの例としては、リチウム鉄ホスファート（「ＬＦＰ」）、リチウム鉄マンガンホスファート（「ＬＦＭＰ」）、又はこれらの組み合わせが挙げられる。リチウム鉄ホスファートは、還元剤の存在下、高温において、ＦｅＰＯ４とＬｉ２ＣＯ３との固体反応などの多くの異なるプロセスによって製造することができる。ＬＦＰはまた、圧力下の温和な温度におけるＦｅＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４、及びＬｉＯＨの水熱反応によって合成することもできる。ＬＦＰを生成する第３の方法は、ゾル－ゲルプロセスであり、ＬＦＰは、Ｆｅ、ＰＯ４、及びＬｉ源（例えば、Ｆｅナイトレート、Ｈ３ＰＯ４、及びＬｉＯＨ）を液体形態で混合し、続いて高温で焼成することから形成される。
【0011】
本明細書において説明されるのは、リチウム金属ホスファート生成、リチウム抽出、及びリチウムイオン電池リサイクルを相乗的に行うことができるリチウム金属ホスファート生成システム及びプロセスである。スポジュメンからの典型的なリチウム抽出は、スポジュメン精鉱を高温（約１０００℃）で焙焼することと、焙焼されたスポジュメンを硫酸で酸浸出させて、Ｌｉ２ＳＯ４溶液を取得することと、Ｌｉ２ＳＯ４溶液を精製して、不純物（例えば、鉄、アルミニウム、マグネシウム、カルシウムなど）を除去することと、溶液を更に濃縮することと、次いで、蒸発及び沈殿の複雑なプロセスによってリチウムカーボネートを沈殿させることと、を含む。本明細書において開示されるシステム及び方法は、リチウムカーボネートの代わりにリチウムホスファート（Ｌｉ３ＰＯ４）を使用することができる。リチウムホスファートは、リチウムカーボネートよりもはるかに低い溶解度を有し、したがって、蒸発による更なる濃縮なしに容易に沈殿させることができ、それによって、エネルギー及びコストを節約する。
【0012】
図１は、本明細書において開示されるいくつかの実施形態による、リチウム金属ホスファート生成プロセス１に関する例示的なフローチャートを例解する。具体的には、リチウム金属ホスファートは、リチウム抽出プロセス２、リチウム金属ホスファート合成プロセス３、及び／又はリチウムイオン電池（「ＬＩＢ」）ブラックマスリサイクルプロセス４を含むことができる。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート生成プロセスは、閉ループ統合プロセスであり得る。本明細書において更に説明されるように、リチウム金属ホスファート生成プロセスは、スポジュメンから新しいリチウム塩（例えば、Ｌｉ３ＰＯ４）を抽出し、リチウム金属ホスファートの合成中にリチウム及び／又はホスフォラスの供給源として塩を使用することができる。加えて、使用済み又は廃棄されたＬＩＢからの物質（すなわち、ブラックマス）は、リチウム金属ホスファート生成プロセスにおいてリサイクル及び再利用することができる。かかる統合されたリチウム金属ホスファート生成プロセス（すなわち、リチウム抽出、リチウム金属ホスファート合成、及びＬＩＢブラックマスリサイクル）は、典型的なリチウム金属ホスファート生成プロセスよりも大きい相乗効果及びコスト低減を達成することができる。
【0013】
いくつかの実施形態では、リチウム抽出プロセスは、５つのスポジュメンを提供すること、及び／又は取得することを含むことができる。いくつかの実施形態では、スポジュメンは、リチウム、アルミニウム、シリコン、及び／又は酸素を含むことができる。いくつかの実施形態では、スポジュメンは、ＬｉＡｌ（ＳｉＯ３）２及び／又はＬｉ２Ｏ．Ａｌ２Ｏ３．４ＳｉＯ２を含むことができる。いくつかの実施形態では、スポジュメンは、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｋ、Ｎａ、又はこれらの組み合わせなどの天然不純物を含むことができる。いくつかの実施形態では、スポジュメンは、スポジュメン精鉱であり得る。ＬｉＡｌ（ＳｉＯ３）２を含むスポジュメンでは、リチウム含有量は、理論的に約３．７５重量％、又は約８重量％のＬｉ２Ｏである。天然鉱物の場合、リチウム含有量は、約１～２重量％である。採掘選鉱プロセスを通して、スポジュメン精鉱中のＬｉ２Ｏ含有量は、約５～６重量％増加し得る。
【0014】
いくつかの実施形態では、リチウム抽出プロセスはまた、スポジュメンを焙焼すること６を含むことができる。スポジュメンを焙焼することにより、スポジュメンアルファ相をベータ相に変換することができ、これは酸によってより容易に溶解され得る。いくつかの実施形態では、スポジュメンは、ロータリーキルン内で焙焼することができる。いくつかの実施形態では、スポジュメンは、少なくとも約８００℃、少なくとも約８５０℃、少なくとも約９００℃、少なくとも約９５０℃、少なくとも約１０００℃、又は少なくとも約１０５０℃の温度で焙焼することができる。いくつかの実施形態では、スポジュメンは、最大で約１２００℃、最大で約１１５０℃、最大で約１１００℃、最大で約１０５０℃、最大で約１０００℃、又は最大で約９５０℃の温度で焙焼することができる。いくつかの実施形態では、スポジュメンは、約７００～１３００℃、約７５０～１２５０℃、約８００～１２００℃、約８５０～１１５０℃、約９００～１１００℃、約９５０～１０００℃、約９６０～９９０℃、又は約９７０～９８０℃で焙焼することができる。
【0015】
いくつかの実施形態では、焙焼されたスポジュメンは、リチウム抽出プロセスにおいて浸出７され得る。いくつかの実施形態では、焙焼したスポジュメンを、酸で浸出させて、リチウム塩を含む抽出溶液８を取得することができる。スポジュメンからリチウムを抽出するために、硫酸を伴うプロセスが、商業的に利用されている。スポジュメンからリチウムを抽出するために、他のプロセス、例えば、カルシウムカーボネート及び／又はカルシウムサルフェートの混合物と、それに続く水浸出を伴うプロセスも可能である。いくつかの実施形態では、リチウム塩は、リチウムサルフェート、リチウムヒドロキシド、及び／又はリチウムカーボネートであり得る。いくつかの実施形態では、酸は、硫酸、ＨＣｌ、Ｈ３ＰＯ４、又はこれらの組み合わせであり得、抽出溶液は、リチウムサルフェート（例えば、Ｌｉ２ＳＯ４）を含み得る。いくつかの実施形態では、浸出は、少なくとも約１００℃、少なくとも約１５０℃、少なくとも約２００℃、又は少なくとも約２５０℃の温度で実施される。いくつかの実施形態では、浸出は、最大で約４００℃、最大で約３５０℃、最大で約３００℃、又は最大で約２５０℃の温度で実施される。いくつかの実施形態では、浸出は、約５０～４５０℃、約１００～４００℃、約１５０～３５０℃、又は約２００～３００℃の温度で実施される。いくつかの実施形態では、スポジュメンと酸との反応に関する酸過剰率は、３０％超であり得るが、１４０％ほどの高さである可能性がある。
【0016】
いくつかの実施形態では、浸出から形成された抽出溶液は、リチウム抽出プロセスにおいて精製することができる。いくつかの実施形態では、抽出溶液の精製は、抽出溶液のｐＨを上昇させることを含むことができる。いくつかの実施形態では、ｐＨは、約８～１３．５、約８．５～１３、約９～１２．５、約９．５～１２、約１０～１２、約１０．５～１１．５、又は約１１に上昇させることができる。
【0017】
いくつかの実施形態では、リチウム抽出プロセスは、ホスファート含有物質を使用して抽出溶液からリチウムホスファートを沈殿させること１１を含む。次いで、リチウムホスファートは、リチウム金属ホスファート合成プロセスのための原物質供給原料であり得る。いくつかの実施形態では、ホスファート含有物質は、ナトリウムホスファート（例えば、Ｎａ３ＰＯ４）、リン酸、及び／又はナトリウムヒドロキシドを含むことができる。いくつかの実施形態では、リチウムホスファートを沈殿させることにより、廃棄物１２を作成することができる。いくつかの実施形態では、廃棄物は、ナトリウムサルフェート（Ｎａ２ＳＯ４）を含み得る。いくつかの実施形態では、ホスファート含有物質を使用して抽出溶液からリチウムホスファートを沈殿させることは、以下の式：３Ｌｉ２ＳＯ４．Ｈ２Ｏ＋２Ｈ３ＰＯ４＋６ＮａＯｈ＝＞２Ｌｉ３ＰＯ４＋３Ｎａ２ＳＯ４に基づくことができる。
【0018】
典型的なリチウムイオン電池（「ＬＩＢ」）ブラックマスリサイクルは、多くの場合、乾式製錬又は湿式製錬プロセスを通して行われる。リチウムは、湿式製錬プロセスにおいて、ＬＩＢブラックマスから酸浸出によって抽出することができる。これは、酸及び大量の廃棄物の使用、並びに更なる精製を必要とするリチウム溶液へのＦｅ、Ｃｕ、Ａｌなどの望ましくない金属の溶解を伴う可能性がある。
【0019】
いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスリサイクルプロセスは、ＬＩＢブラックマスを提供すること、及び／又は取得すること１３を含み得る。例えば、リサイクルのための電池パックは、機械的に解体、破砕、及び／又は細断され得る。電池を機械的に解体した後、プラスチック及びアルミニウムなどのいくつかの構成要素がろ過され得る。残っているのは、リチウム、鉄、マンガン（ＮＣＭカソードではニッケル、コバルト）を含有する、ＬＦＰ、ＬＦＭＰ、ＮＣＭ、又はＮＣＡなどの大量の電池の活物質を含有するブラックマスである。ブラックマスは、多量のリチウム、マンガン、コバルト、及びニッケル金属を含む。次いで、これらの金属を抽出することができる。
【0020】
いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスは、リチウム金属ホスファート（例えば、ＬＦＰ又はＬＭＦＰ）ブラックマスである。ＬＩＢブラックマスは、使用済み又は廃棄されたＬＩＢ電池から抽出することができる。いくつかの実施形態では、ブラックマスは、無機酸中に溶解（例えば、完全に溶解）され得るか、若しくは溶液に混合され得、又はリチウムは、本明細書において説明されるように酸及び／又は酸化剤を追加することによって選択的に浸出され得る。いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスリサイクルプロセスは、ＬＩＢブラックマスからリチウムを抽出して、金属ホスファート（例えば、鉄ホスファート、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせ）及び／又はリサイクル溶液を形成することを含み得る。いくつかの実施形態では、金属ホスファートは、ＭｎＨＰＯ４、ＭｎＰＯ４、ＦｅＨＰＯ４、ＦｅＰＯ４、（Ｍｎ１－ｘＦｅｘ）３（ＰＯ４）２．ｘＨ２Ｏ、又はこれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、このリサイクル溶液は、リチウムサルフェートを含むことができる。
【0021】
いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスリサイクルプロセス（すなわち、ＬＩＢブラックマスからリチウムを抽出して、金属ホスファートを形成すること）は、ＬＩＢブラックマスを浸出１４させて、浸出溶液を形成することを含み得る。いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスは、酸（例えば、硫酸、ＨＮＯ３、及び／若しくはＨＣｌ）並びに／又は酸化剤（鉄溶解を抑制するため）で浸出され得る。いくつかの実施形態では、酸化剤は、過酸化水素及び／又は酸素ガスであり得る。いくつかの実施形態では、浸出溶液は、リチウム塩（例えば、リチウムサルフェート、リチウムヒドロキシド、リチウムクロリド、リチウムナイトレート、及び／又はリチウムカーボネート）、鉄物質、マンガン物質、ホスファート物質、マンガンホスファート物質、鉄ホスファート物質、及び／又は鉄マンガンホスファート物質を含むことができる。例えば、ＨＣｌ又はＨＮＯ３などの無機酸を使用することによって抽出が実施されるとき、ＬｉＣｌ及び／又はＬｉＮＯ３が形成され得るが、溶液中で解離され得る。いくつかの実施形態では、ＬｉＯＨ及び／又はＬｉ２ＣＯ３は、特定の条件でＮａＯＨ及び／又はＮａ２ＣＯ３を追加することによって形成することができる。
【0022】
いくつかの実施形態では、浸出溶液は、鉄ホスファート、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、浸出溶液は、ＭｎＨＰＯ４、ＭｎＰＯ４、ＦｅＨＰＯ４、ＦｅＰＯ４、（Ｍｎ１－ｘＦｅｘ）３（ＰＯ４）２．ｘＨ２Ｏ、又はこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、鉄物質、マンガン物質、ホスファート物質、マンガンホスファート物質、鉄ホスファート物質、及び／又は鉄マンガンホスファート物質は、浸出溶液中の固体及び／又は残留物であり得る。
【0023】
本明細書における方法は、リチウムイオン電池用のホスファート系カソード物質の合成及び／又はリサイクルのために使用することができる。格子中の他の遷移金属のカチオン置換の有無にかかわらず、式ＬｉＭＰＯ４（式中、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ又はこれらの組み合わせ）を有する様々なポリアニオン性オリビン物質は、本明細書において説明された方法によって合成及び／又はリサイクルすることができる。本開示は、非限定的な例として、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）のための合成リチウム鉄ホスファート（ＬＦＰ）及びリチウムマンガン鉄ホスファート（ＬＭＦＰ）カソード物質を説明する。他のホスファート系カソード物質（例えば、格子中の他の遷移金属のカチオン置換の有無にかかわらず、リチウム鉄ホスファート、リチウムマンガンホスファート、リチウムコバルトホスファート、リチウムニッケルホスファート）は、本明細書において説明された方法により、同様に合成及び／又はリサイクルすることができる。
【0024】
いくつかの実施形態では、リチウム塩を浸出溶液から分離して、リサイクル溶液を形成することができ、このリサイクル溶液１４ａは、リチウム抽出プロセス２における浸出から形成された抽出溶液８と組み合わせる、及び／又は混合することができる。通常、硫酸は、鉄がＬＦＰ中でＦｅ２＋状態にあるとき、より低いｐＨにおいてＬＩＢブラックマスを溶解することができる。過酸化水素及び／又は酸素ガスの追加は、そのｐＨにおいて鉄をＦｅ３＋状態に維持することができる。次いで、Ｆｅ３＋は、固体／沈殿物として残る－ＰＯ４と組み合わせることができる。これは、金属ホスファート物質からのリチウム塩の分離を可能にし得る。したがって、リチウム塩は、スポジュメンからの抽出によって生成されるだけでなく、リサイクルされたＬＩＢブラックマスからも生成され得る。換言すると、ＬＩＢリサイクルからのリチウム塩溶液は、Ｌｉ３ＰＯ４への更なる変換のために、スポジュメンのリチウム抽出からのリチウム塩溶液と組み合わせることができる。
【0025】
いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマス浸出からの金属ホスファートは、ＬＩＢブラックマスリサイクルプロセスにおいて溶解１５されて、溶液１５ａを形成することができる。いくつかの実施形態では、金属ホスファートブラックマス残留物は、硫酸によって更に溶解され得る。
【0026】
いくつかの実施形態では、溶解金属ホスファート溶液１５ａ中の金属対ホスファート比及び／又は金属の酸化状態を調整１６して、調整溶液１６ａを形成することができる。いくつかの実施形態では、溶解金属ホスファート溶液の鉄対ホスファート比、鉄の酸化状態、マンガン対ホスファート比、マンガンの酸化状態、ｐＨ、又はこれらの組み合わせを調整して、調整溶液を形成することができる。いくつかの実施形態では、溶解金属ホスファート溶液の鉄対ホスファート比及び／又は鉄酸化を調整することは、鉄及び／又はＦｅＳＯ４を溶解金属ホスファート溶液に加えることを含み得る。いくつかの実施形態では、溶解金属ホスファート溶液のマンガン対ホスファート比及び／又はマンガン酸化を調整することは、マンガン及び／又はマンガンサルフェートを溶解金属ホスファート溶液に追加することを含み得る。
【0027】
いくつかの実施形態では、金属ホスファートは、溶解された金属ホスファート溶液及び／又は調整された溶液から沈殿１７させることができる。いくつかの実施形態では、沈殿させることができる金属ホスファートは、鉄ホスファート、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、金属ホスファートは、ＭｎＨＰＯ４、ＭｎＰＯ４、ＦｅＨＰＯ４、ＦｅＰＯ４、（Ｍｎ１－ｘＦｅｘ）３（ＰＯ４）２．ｘＨ２Ｏ、又はこれらの組み合わせであり得る。
【0028】
いくつかの実施形態では、鉄ホスファート（例えば、Ｆｅ３（ＰＯ４）２．ｘ．Ｈ２Ｏ）は、塩基性溶液（例えば、ＮａＯＨ）を使用してｐＨを６超に上昇させることによって沈殿させることができる。鉄ホスファート（例えば、Ｆｅ３（ＰＯ４）２．ｘ．Ｈ２Ｏ）は、Ｈ２などの還元条件下で、又は５００℃を超える温度でポリマーと混合することによって、脱水されて鉄ホスファートを得ることができる。いくつかの実施形態では、酸化剤（例えば、Ｈ２Ｏ３）及び塩基性溶液（例えば、ＮａＯＨ）を追加して、ｐＨを２～４に調整することによって、鉄ホスファート（例えば、ＦｅＰＯ４．２Ｈ２Ｏ）を調整された溶液から沈殿させることができる。ＦｅＰＯ４．２Ｈ２Ｏを、約６００℃で脱水して、ＦｅＰＯ４を取得することができる。いくつかの実施形態では、Ｍｎ、Ｆｅ含有溶液に関して、鉄マンガンホスファート（例えば、（Ｍｎ，Ｆｅ）３（ＰＯ４）２．ｘ．Ｈ２Ｏ）は、不活性又は還元条件下で溶液を加熱する（最大約４００℃）ことを介して溶液を脱水することによって、沈殿させることができる。
【0029】
いくつかの実施形態では、沈殿反応は、３Ｆｅ２＋＋３ＳＯ４
２－＋ｎＨ＋＋２ＰＯ４
３－＋６Ｎａ＋＋ｎＯＨ－→Ｆｅ３（ＰＯ４）２．８Ｈ２Ｏ（－）＋６Ｎａ＋＋３ＳＯ４
２－＋（ｎ－８）Ｈ＋＋（ｎ－８）ＯＨ－を含むことができる。いくつかの実施形態では、第一鉄Ｆｅ２＋イオンは、過酸化水素を使用して第二鉄Ｆｅ３＋イオンに酸化され得る：２Ｆｅ２＋＋Ｈ２Ｏ２＋２Ｈ＋→２Ｆｅ３＋＋２Ｈ２Ｏ。第二鉄Ｆｅ３＋イオンは、ホスファートイオンＰＯ４
３＋と反応して、鉄ホスファート沈殿物を形成し、溶液中にＮａ２ＳＯ４を残すことができる：Ｆｅ３＋＋ＳＯ４
２－＋ｎＨ＋＋ＰＯ４
３－＋２Ｎａ＋＋ｎＯＨ－→ＦｅＰＯ４．２Ｈ２Ｏ（－）＋２Ｎａ＋＋ＳＯ４
２－－＋（ｎ－２）Ｈ＋＋（ｎ－２）ＯＨ－。
【0030】
いくつかの実施形態では、金属ホスファート（例えば、鉄ホスファート、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせ）を沈殿させることにより、廃棄物が生成され得る。いくつかの実施形態では、廃棄物は、ナトリウムサルフェート（Ｎａ２ＳＯ４）を含み得る。このように、この廃棄物は、リチウム抽出プロセス２からの廃棄物に加えることができる。同じ廃棄物流を有することによって、これは、コストを低減し、全体的なリチウム金属ホスファート生成プロセスの効率を増加させることができる。いくつかの実施形態では、ナトリウムサルフェート廃棄物は、電気透析などの様々な手順を使用して、硫酸及びＮａＯＨに変換して戻すことができる。いくつかの実施形態では、回収された硫酸は、次いで、スポジュメン浸出、ＬＩＢブラックマス浸出、及び／又は金属ホスファート溶解のために再使用され得る。いくつかの実施形態では、回収されたＮａＯＨは、リチウム抽出プロセスにおけるＬｉ３ＰＯ４沈殿及び／又はＬＩＢブラックマスリサイクルプロセスにおける金属ホスファート沈殿のために使用することができる。これにより、リチウム金属ホスファート生成プロセス全体から排出される廃棄物を著しく低減させることができる。
【0031】
いくつかの実施形態では、沈殿した金属ホスファートは、洗浄及び／又はろ過１８され得る。いくつかの実施形態では、沈殿した金属ホスファートは、洗浄液の導電率が約５００マイクロシメン（ｍｉｃｒｏｓｉｍｅｎｓ）未満に達するまで、水洗（例えば、ＤＩ水）され得る。いくつかの実施形態では、洗浄された沈殿した金属ホスファートは、フィルタープレス機内でろ過され得るか、又は遠心分離され得る。いくつかの実施形態では、次いで、沈殿した金属ホスファートを乾燥させることができる。いくつかの実施形態では、金属ホスファートは、次いで、リチウム金属ホスファート合成プロセスのための原物質供給原料であり得る。
【0032】
いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスからリチウムを抽出することは、図２のフローチャート内に示されるように、ＬＩＢブラックマスを酸化ガスと反応させることを含み得る。これは、固気反応による浸出１４ｃと考えることができる。いくつかの実施形態では、酸化ガスは、ＮＯｘ（例えば、ＮＯ２）、Ｃｌ２、オゾン、及び／又はＳＯｘ（例えば、ＳＯ２、ＳＯ３）を含む。いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスを酸化ガスと反応させることは、金属ホスファート（例えば、鉄ホスファート、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、若しくはこれらの組み合わせ）、金属オキシド、及び／又はリチウム塩を形成することができる。いくつかの実施形態では、金属ホスファートは、ＭｎＨＰＯ４、ＭｎＰＯ４、ＦｅＨＰＯ４、ＦｅＰＯ４、（Ｍｎ１－ｘＦｅｘ）３（ＰＯ４）２．ｘＨ２Ｏ、又はこれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、金属ホスファートは、ＭｎＰＯ４、ＦｅＰＯ４、（Ｍｎ，Ｆｅ）ＰＯ４、又はこれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、リチウム塩は、他の要因の中でも、酸化ガスに応じて、ＬｉＮＯ３、ＬｉＣｌ、及び／又はＬｉ２ＳＯ４であり得る。いくつかの実施形態では、リチウム塩は、Ｌｉ２Ｏ、ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＣＯ３、及び／又はＬｉ３ＰＯ４などの他のリチウム物質を作製するために、（例えば、水によって）洗浄１９され、収集され得る。
【0033】
いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスのＳＯｘとの反応は、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、若しくはこれらの組み合わせ、及び／又はリチウムサルフェートを形成する。いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスのＳＯｘとの反応は、ＭｎＨＰＯ４、ＭｎＰＯ４、ＦｅＨＰＯ４、ＦｅＰＯ４、（Ｍｎ１－ｘＦｅｘ）３（ＰＯ４）２．ｘＨ２Ｏ、若しくはこれらの組み合わせ、及び／又はリチウムサルフェートを形成する。いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスのＳＯｘとの反応は、ＭｎＰＯ４、ＦｅＰＯ４、（Ｍｎ，Ｆｅ）ＰＯ４、若しくはこれらの組み合わせ、及び／又はリチウムサルフェートを形成する。いくつかの実施形態では、リチウムサルフェート及び金属ホスファートは、互いに分離され得る。いくつかの実施形態では、リチウムサルフェートは、溶媒と混合されて、リチウムサルフェート溶液を形成することができ、これはリチウム抽出プロセスのリチウム塩溶液８と組み合わせることができる。
【0034】
いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスのＮＯｘとの反応は、ＦｅＰＯ４及びＬｉＮＯ３を形成することができる。ＬｉＮＯ３は、水で洗浄１９され、続いて乾燥２１し、熱分解２２して、Ｌｉ２Ｏ及びＮＯ２にすることができる。ＬｉＮＯ３は、約６００℃の温度で熱分解して、リチウムオキシド、ＮＯ２、Ｏ２、又はこれらの組み合わせを形成することができる。いくつかの実施形態では、ＮＯ２は、ＬＩＢブラックマスとの固気反応による浸出において使用するために戻される可能性がある。いくつかの実施形態では、Ｌｉ２Ｏは、金属ホスファートと組み合わせて、リチウム金属ホスファート合成プロセスのための原物質供給原料として利用することができる。いくつかの実施形態では、Ｌｉ２Ｏは、還元条件下でＦｅＰＯ４と、又は不活性条件下でＦｅ２Ｐ２Ｏ７と反応して、ＬｉＦｅＰＯ４を形成することができる：Ｌｉ２Ｏ＋２ＦｅＰＯ４＋ＣＯ＝→２ＬｉＦｅＰＯ４＋ＣＯ２及びＬｉ２Ｏ＋Ｆｅ２Ｐ２Ｏ７→２ＬｉＦｅＰＯ４。
【0035】
いくつかの実施形態では、Ｌｉ２Ｏは、他のリチウム塩２３（例えば、ＬｉＯＨ、リチウムサルフェートなど）を作製するために使用され得る。これらの他の塩は、本明細書において開示される方法の任意の他の工程において使用することができる。
【0036】
いくつかの実施形態では、ＬＩＢブラックマスのＣｌ２との反応は、ＬｉＣｌ及び金属ホスファートを形成することができる。いくつかの実施形態では、ＬｉＣｌは洗浄され、他のリチウム塩（例えば、ＬｉＯＨ、リチウムサルフェートなど）を作製するために使用され得る。これらの他の塩は、本明細書において開示される方法の任意の他の工程において使用することができる。
【0037】
気固反応は、高速であり得、リチウム浸出及び洗浄のための連続プロセスを可能にすることができ、これはより少ない廃棄物につながり、かつ鉄、銅、及びアルミニウムなどの金属の溶解を低減するか又は除去し、それによって、更なる精製工程のコストを回避することができる。
【0038】
いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート生成プロセスは、金属ホスファート（例えば、第二鉄ホスファート、第一鉄ホスファート、第一マンガンホスファート、マンガンホスファート、マンガン鉄ホスファート、又はこれらの組み合わせ）及びリチウムホスファート２５を提供及び／又は取得すること２４を含むことができる。いくつかの実施形態では、金属ホスファートは、ＭｎＨＰＯ４、ＭｎＰＯ４、ＦｅＨＰＯ４、ＦｅＰＯ４、（Ｍｎ１－ｘＦｅｘ）３（ＰＯ４）２．ｘＨ２Ｏ、又はこれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、金属ホスファートは、本明細書において説明されるＬＩＢブラックマスリサイクルプロセスから取得される金属ホスファートであり得る。いくつかの実施形態では、リチウムホスファートは、本明細書において説明されるリチウム抽出プロセスから取得されるリチウムホスファートであり得る。いくつかの実施形態では、金属ホスファート及びリチウムホスファートは、混合２６されて、リチウム金属ホスファート前駆体混合物を形成することができる。いくつかの実施形態では、金属ホスファート及びリチウムホスファートはまた、炭素源、マンガン源、及び／又は鉄源２７と混合されて、リチウム金属ホスファート前駆体混合物を形成することができる。いくつかの実施形態では、鉄源は、鉄オキサレート、鉄シトレート、鉄オキシド、又はこれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、炭素源は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン及び／若しくは同様のものなど、スクロース、ラクトース、ＰＶＡ、ＰＶＢ、カーボンナノチューブ、カーボン繊維、グラフェン、又はこれらの組み合わせなどの有機物質又はポリマー物質であり得る。
【0039】
いくつかの実施形態では、リチウムホスファート及び金属ホスファート（並びに炭素及び／又は鉄源）は、化学量論比で混合することができる。いくつかの実施形態では、鉄オキサレートは、リチウム、鉄、及びホスファートの比を化学量論量に調整するために金属ホスファート及びリチウムホスファートに追加される。
【0040】
金属ホスファートをリチウムホスファートと混合して、リチウム金属ホスファート前駆体を形成した後、リチウム金属ホスファート前駆体は、リチウム金属ホスファートを形成するために処理され得る。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート前駆体を処理して、リチウム金属ホスファートを形成することは、リチウム金属ホスファート前駆体を粉砕すること、及び／又はリチウム金属ホスファート前駆体を焼成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート前駆体混合物は、粉砕２８され得る。いくつかの実施形態では、粉砕は、湿式粉砕、ビーズ粉砕、又はこれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、粉砕されたリチウム金属ホスファート前駆体混合物は、約１マイクロメートル未満、約０．７５マイクロメートル未満、約０．５マイクロメートル未満、０．２５マイクロメートル未満、又は約０．２マイクロメートル未満の粒子サイズ分布Ｄ５０を有することができる。いくつかの実施形態では、粉砕されたリチウム金属ホスファート前駆体混合物の粒子サイズ分布Ｄ５０は、約０．００１～１マイクロメートル、約０．０１～１マイクロメートル、約０．０１～０．７５マイクロメートル、約０．０１～０．５マイクロメートル、又は約０．０１～０．２マイクロメートルであり得る。
【0041】
いくつかの実施形態では、粉砕されたリチウム金属ホスファート前駆体物質は、乾燥２９させることができる。いくつかの実施形態では、乾燥は、噴霧乾燥及び／又はフラッシュ乾燥によって達成され得る。いくつかの実施形態では、（粉砕及び／又は乾燥された）リチウム金属ホスファート前駆体は、焼成されて、リチウム金属ホスファート物質を形成することができる。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、リチウム鉄ホスファート、リチウム鉄マンガンホスファート、又はこれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、焼成は、少なくとも約４００℃、少なくとも約４５０℃、少なくとも約５００℃、少なくとも約５５０℃、少なくとも約６００℃、少なくとも約６５０℃、又は少なくとも約７００℃の温度であり得る。いくつかの実施形態では、焼成は、最大で約９００℃、最大で約８５０℃、最大で約８００℃、最大で約７５０℃、最大で約７００℃、最大で約６５０℃、又は最大で約６００℃の温度であり得る。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート前駆体は、約２～１２時間焼成され得る。いくつかの実施形態では、焼成されたリチウム金属ホスファート物質は、包装３３の前に粉砕及び／又はふるい分け３２され得る。
【0042】
いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、約０．１～５マイクロメートル、約０．１～３マイクロメートル、約０．１～２マイクロメートル、又は約０．５～１．５マイクロメートルの粒子サイズ分布Ｄ５０を有することができる。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、少なくとも約０．０１マイクロメートル、少なくとも約０．０５マイクロメートル、少なくとも約０．１マイクロメートル、又は少なくとも約０．２マイクロメートルの粒子サイズ分布Ｄ１０を有することができる。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、最大で約２０マイクロメートル、最大で約１５マイクロメートル、最大で約１２マイクロメートル、又は最大で約１０マイクロメートルの粒子サイズ分布Ｄ９０を有することができる。本明細書において使用される際、「Ｄ５０」は、粒子サイズ分析器（particle size analyzer、ＰＳＡ）から測定された中央粒子サイズ、又は累積分布中５０％における粒子サイズ（直径）を指す。一次粒子は、特にナノサイズの粉末において、互いに凝集する傾向があるので、ＰＳＡ測定値（例えば、Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０、Ｄ１００）は、必ずしも単結晶粒子のサイズを表すとは限らない。更に、本明細書において使用される際、「Ｄ１０」とは、累積分布における１０％の粒子サイズ（直径）を指し、「Ｄ９０」とは、累積分布における９０％の粒子サイズ（直径）を指す。
【0043】
いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、最大で約１５０Ω．ｃｍ、最大で約１２５Ω．ｃｍ、最大で約１００Ω．ｃｍ、最大で約７５Ω．ｃｍ、又は最大で約５０Ω．ｃｍの粉末抵抗を有する。いくつかの実施形態では、粉末抵抗は、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ＭＣＰ－ＰＤ５１粉末プレス密度及び抵抗率試験機を用いて測定することができる。いくつかの実施形態では、粉末抵抗は、２つの電極を有する絶縁測定セルを介して測定することができる。ＤＣ電圧は、電極に印加することができ、電流計によって電流を測定することができる。粉末体積抵抗率は、平均計算抵抗、電極の高さ及び長さ、並びに電極間の空間から導出される。
【0044】
いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、約５重量％未満、約２．５重量％未満、約２重量％未満、又は約１．５重量％未満の炭素含有量を有する。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、最大で約０．５重量％、最大で約１重量％、又は最大で約１．５重量％の炭素含有量を有する。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、約０．１～５重量％、約０．５～３重量％、又は約１～１．５重量％の炭素含有量を有する。いくつかの実施形態では、炭素含有量は、試料の酸化を介して元素分析器によって測定することができる。いくつかの実施形態では、炭素含有量は、Ｅｌｔｒａ Ｃ／Ｓ分析器を使用することによって測定することができる。
【0045】
いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、少なくとも約５ｍ２／ｇ、少なくとも約８ｍ２／ｇ、少なくとも約９ｍ２／ｇ、少なくとも約１０ｍ２／ｇ、又は少なくとも約１１ｍ２／ｇの比表面積を有する。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、最大で約１５ｍ２／ｇ、最大で約１２ｍ２／ｇ、最大で約１１ｍ２／ｇ、最大で約１０ｍ２／ｇ、又は最大で約９ｍ２／ｇの比表面積を有する。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、約１～２０ｍ２／ｇ、約５～１５ｍ２／ｇ、又は約８～１２ｍ２／ｇの比表面積を有する。いくつかの実施形態では、比表面積は、吸着分析（例えば、ＢＥＴ等温線）を介して測定することができる。
【0046】
いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、少なくとも約０．１ｇ／ｃｍ３、少なくとも約０．５ｇ／ｃｍ３、少なくとも約０．７ｇ／ｃｍ３、少なくとも約０．８ｇ／ｃｍ３、又は少なくとも約０．９ｇ／ｃｍ３のタップ密度を有する。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、最大で約２ｇ／ｃｍ３、最大で約１．５ｇ／ｃｍ３、最大で約１ｇ／ｃｍ３、最大で約０．９ｇ／ｃｍ３、又は最大で約ｇ／ｃｍ３のタップ密度を有する。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、約０．５～１．５ｇ／ｃｍ３、約０．７～１．２ｇ／ｃｍ３、又は約０．８～１ｍ２／ｇのタップ密度を有する。いくつかの実施形態では、タップ密度は、３０００回タッピングする、粉末タップ密度計で測定することができる。
【0047】
いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、約２０００ｐｐｍ未満、約１５００ｐｐｍ未満、約１０００ｐｐｍ未満、約７５０ｐｐｍ未満、又は約５００ｐｐｍ未満の水分含有量を有する。いくつかの実施形態では、水分含有量は、２００℃でカールフィッシャー機器を使用することによって測定することができる。いくつかの実施形態では、水分含有量は、電量滴定によって測定することができる。
【0048】
いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、約８．５～９．５又は約９のｐＨを有する。いくつかの実施形態では、ｐＨは、５ｇの粉末を１００ｍＬのＤＩ水中に入れ、５分間撹拌し、次いでろ過して、上清を固体と分離することによって測定することができる。次いで、ｐＨメーターを用いて上清のｐＨを測定する。
【0049】
いくつかの実施形態では、ＬＦＰ物質は、約９０～１００％、約９２～９８％、約９４～９８％、約９５～９７％、９５％超、又は約９６％の初期クーロン効率（initial coulombic efficiency、ＩＣＥ）（０．１Ｃレートで）を有する。いくつかの実施形態では、リチウム金属ホスファート物質は、約１００～３００ｍＡｈ／ｇ、約１２０～２５０ｍＡｈ／ｇ、約１５０～２００ｍＡｈ／ｇ、約１５０～１７０ｍＡｈ／ｇ、又は約１６０ｍＡｈ／ｇの比容量（０．１Ｃ）半電池２．５～３．７Ｖを有する。ＩＣＥ及び比容量は、Ｃレート（例えば、２～３．７Ｖの間で０．５～１Ｃ）を増加させた半電池サイクルを介して測定することができる。
【0050】
いくつかの実施形態では、本明細書において開示されるリチウム金属ホスファート物質は、電極物質として使用することができる。いくつかの実施形態では、本明細書において開示されるリチウム金属ホスファートは、カソード及び／又はアノード物質として使用することができる。いくつかの実施形態では、上で説明されたリチウム金属ホスファート物質の特性はまた、電極物質の特性でもある。
【0051】
電池セル、電池モジュール、電池パック、及び電気車両システム
上述したように、リチウム金属ホスファート物質は、電極物質として利用することができる。例えば、本明細書において開示されるリチウム金属ホスファート物質は、本明細書において開示される電池セルの電極層（例えば、カソード又はアノード層）において使用することができる。
上述したように、リチウム金属ホスファート物質は、電極物質として利用することができる。例えば、本明細書において開示されるリチウム金属ホスファート物質は、本明細書において開示される電池セルの電極層（例えば、カソード又はアノード層）において使用することができる。
【0052】
ここで、電池セル、電池モジュール、電池パックの様々な態様及び変形の実装形態及び実施形態、並びにかかる電池セル、電池モジュール、及び電池パックを作製する方法を参照する。電池セル、モジュール、パック、及びそれらを作製する方法のいくつかの例示的な変形が本明細書において説明されるが、電池セル、モジュール、パック、及び方法の他の変形は、説明される態様の全て又はいくつかの組み合わせを有する、任意の好適な様式で組み合わされた、本明細書で説明される電池セル、モジュール、パック、及び方法の態様を含み得る。加えて、本明細書において説明されたリチウム金属ホスファート材料、電極、構成要素、システム、方法、装置、デバイス、組成物などの任意の部分又はいずれかは、電池セル、電池モジュール、電池パック、並びにこれらの電池セル、電池モジュール、及び電池パックを作製する方法に実装することができる。
【0053】
図３は、典型的な電池セル製造プロセス１０００のフローチャートを例解する。これらの工程は、網羅的ではなく、他の電池セル製造プロセスは、追加の工程、又はこれらの工程のサブセットのみを含む可能性がある。工程１００１において、電極前駆体（例えば、結合剤、活物質、導電性炭素添加剤）が調製され得る。いくつかの実施形態では、この工程は、電極物質（例えば、活物質）を追加の成分（例えば、結合剤、溶媒、導電性添加剤など）と混合して、電極スラリーを形成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、この工程は、電極物質自体を合成することを含むことができる。
【0054】
工程１００２において、電極が形成され得る。いくつかの実施形態では、この工程は、集電体上に電極スラリーをコーティングすることを含むことができる。いくつかの実施形態では、電極又は電極層は、電極活物質、導電性炭素物質、結合剤、及び／又は他の添加剤を含むことができる。いくつかの実施形態では、電極活物質は、カソード活物質を含むことができる。いくつかの実施形態では、電極活物質は、本明細書において開示されるリチウム金属ホスファート物質（例えば、ＬＦＰ、ＬＭＦＰ）を含み得る。いくつかの実施形態では、カソード活物質は、高ニッケル含有量（約８０％以上のＮｉ）のリチウム遷移金属オキシドを（例えば、その混合物として）含むことができる。かかるリチウム遷移金属オキシドは、粒子状のリチウムニッケルマンガンコバルトオキシド（ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｃｋｅｌ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｃｏｂａｌｔ、「ＬｉＮＭＣ」）、リチウムニッケルコバルトアルミニウムオキシド（ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｃｋｅｌ ｃｏｂａｌｔ ａｌｕｍｉｎｕｍ、「ＬｉＮＣＡ」）、リチウムニッケルマンガンコバルトアルミニウムオキシド（ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｃｋｅｌ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｃｏｂａｌｔ ａｌｕｍｉｎｕｍ、「ＬｉＮＭＣＡ」）、リチウムコバルトオキシド（ｌｉｔｈｉｕｍ ｃｏｂａｌｔ ｏｘｉｄｅ、ＬＣＯ）、リチウムマンガンオキシド（ｌｉｔｈｉｕｍ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｏｘｉｄｅ、ＬＭＯ）、リチウム鉄ホスファート（「ＬＦＰ」）、リチウム鉄マンガンホスファート（「ＬＭＦＰ」）のような本明細書において開示されるリチウム金属ホスファート、硫黄含有カソード物質、リチウムサルファイド（Ｌｉ２Ｓ）、リチウムポリサルファイド、チタンジサルファイド（ＴｉＳ２）、及びこれらの組み合わせを含むことができる。
【0055】
いくつかの実施形態では、電極活物質は、カソード活物質を含むセルに組み立てられるアノード活物質を含むことができる。いくつかの実施形態では、アノード活物質は、グラファイト状炭素（例えば、ｓｐ２混成、人工若しくは天然グラファイト、又は配合物を有する秩序又は無秩序炭素）、Ｌｉ金属アノード、シリコン系アノード（例えば、シリコン系炭素複合アノード、シリコン金属、オキシド、カーバイド、プレリチウム化）、シリコン系炭素複合アノード、リチウム合金（例えば、Ｌｉ－Ｍｇ、Ｌｉ－Ａｌ、Ｌｉ－Ａｇ合金）、チタン酸リチウム、又はこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、アノード物質は、集電体物質内に形成することができる。例えば、電極は、セパレータ又は固体電解質に面する集電体の表面上に原位置形成アノード（例えば、Ｌｉ金属）を有する集電体（例えば、銅箔）を含むことができる。かかる例では、組み立てられたセルは、非充電状態のアノード活物質を含まない可能性がある。
【0056】
いくつかの実施形態では、導電性炭素物質は、グラファイト、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、スーパーＰカーボンブラック物質、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ＳＷＣＮＴ、ＭＷＣＮＴ、カーボンナノファイバ、グラフェン、及びこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、結合剤は、ポリビニリデンフロリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ、「ＰＶＤＦ」）、ポリビニルピロリドン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ、「ＰＶＰ」）、スチレン－ブタジエン、若しくはスチレンブタジエンゴム（ｓｔｙｒｅｎｅ－ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ、「ＳＢＲ」）、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、「ＰＴＦＥ」）、カルボキシメチルセルロース（ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ、「ＣＭＣ」）、寒天、アルギネート、アミロース、アラビアゴム、カラギーナン、カゼイン、キトサン、シクロデキストリン（カルボニル－ベータ）、エチレンプロピレンジエンモノマー（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｄｉｅｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒ、ＥＰＤＭ）ゴム、ゼラチン、ジェランガム、グアーガム、カラヤガム、セルロース（天然）、ペクチン、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホネート（ｐｏｌｙ（３，４－ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ ｓｕｌｆｏｎａｔｅ、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ）、ポリアクリル酸（ｐｏｌｙａｃｒｉｌｉｃ ａｃｉｄ、ＰＡＡ）、ポリ（メチルアクリレート）（ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ａｃｒｙｌａｔｅ）、ＰＭＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ）、ＰＶＡ）、ポリ（ビニルアセテート）（ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）、ＰＶＡｃ）、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ、ＰＡＮ）、ポリイソプレン（ｐｏｌｙｉｓｏｐｒｅｎｅ、ＰＩｐｒ）、ポリアニリン（ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ、ＰＡＮｉ）、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＥ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ、ＰＩ）、ポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ、ＰＳ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ、ＰＵ）、ポリビニルブチラール（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｂｕｔｙｒａｌ、ＰＶＢ）、ポリビニルピロリドン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ、ＰＶＰ）、デンプン、スチレンブタジエンゴム（ｓｔｙｒｅｎｅ ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ、ＳＢＲ）、タラガム、トラガカントガム、フッ素アクリレート（ＴＲＤ２０２Ａ）、キサンタンガム、又はこれらの組み合わせなどの、ポリマー物質を含むことができる。
【0057】
コーティング後、コーティングされた集電体を、乾燥させて、任意の溶媒を蒸発させることができる。いくつかの実施形態では、この工程は、コーティングされた集電体をカレンダ加工することを含むことができる。カレンダ加工は、電極の物理的特性（例えば、結合、導電性、密度、多孔性など）を調整することができる。いくつかの実施形態では、電極は、次いで、電極を適切なサイズ及び／又は形状に切断するために、スリッティング及び／又はノッチング機械を介してサイズ決定され得る。
【0058】
いくつかの実施形態では、固体電解質層の固体電解質物質は、とりわけ、オキシド、サルファイド、ホスフィド、ハライド、セラミック、固体ポリマー電解質物質、ハイブリッド固体電解質、若しくはガラス状電解質物質などの無機固体電解質物質、又はこれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、固体電解質層は、とりわけ、ポリアニオン性又はオキシド系電解質物質（例えば、リチウム超イオン伝導体（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｓｕｐｅｒｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、ＬＩＳＩＣＯＮ）、ナトリウム超イオン伝導体（Ｓｏｄｉｕｍ Ｓｕｐｅｒｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、ＮＡＳＩＣＯＮ）、式ＡＢＯ３を有するペロブスカイト、式Ａ３Ｂ２（ＸＯ４）３、（Ａ＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＸ＝Ｎｂ、Ｔａ）を有するガーネット型、リチウムホスフォラスオキシ－ニトリド（ＬｉｘＰＯｙＮｚ）、又はこれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、固体電解質層は、Ｌｉ３ＰＳ４、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ－Ｂ２Ｓ３、ＳｎＳ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ－ＳｉＳ２、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ－ＧｅＳ２、リチウムホスフォラスオキシナイトライド（ＬｉｘＰＯｙＮｚ）、リチウムゲルマニウムホスファート硫黄（Ｌｉ１０ＧｅＰ２Ｓ１２）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ３Ｚｒ２Ｓｉ２ＰＯ１２）、ベータ－アルミナ固体電解質（ＢＡＳＥ）、ペロブスカイトセラミックス（例えば、ストロンチウムチタネート（ＳｒＴｉＯ３））、リチウムランタンジルコニウムオキシド（Ｌａ３Ｌｉ７Ｏ１２Ｚｒ２）、ＬｉＳｉＣＯＮ（Ｌｉ２＋２ｘＺｎ１－ｘＧｅＯ４）、リチウムランタンチタネート（Ｌｉ３ｘＬａ２／３－ｘＴｉＯ３）及び／又は式Ｌｉ６ＰＳ５ＣｌのようなＬｉ６ＰＳ５Ｘ（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ）を有するサルファイド系リチウムアルジロダイト、又はこれらの任意の組み合わせなどのガラス状、セラミック及び／又は結晶性電解質物質を含むことができる。更に、固体ポリマー電解質物質は、ポリマー電解質物質（例えば、ハイブリッド又は擬似固体電解質）、例えば、とりわけ、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ、ＰＡＮ）、ポリエチレンオキシド（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ、ＰＥＯ）、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ－ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ、ＰＭＭＡ）、及びポリビニリデンフルオリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶＤＦ）、又はこれらの任意の組み合わせを含むことができる。
【0059】
工程１００３において、電池セルを、組み立てることができる。電極、セパレータ、及び／又は電解質が調製された後、電池セルを組み立てる／調製することができる。この工程では、セパレータ及び／又は電解質層は、アノード層とカソード層との間で組み立てて、電池セルの内部構造を形成することができる。これらの層は、丸巻き又は角／平巻きなどの巻取方法、積層方法、又はＺ折り方法などにより組み立てることができる。
【0060】
次いで、組み立てられたセル構造は、セルハウジングに挿入され得、次いで、セルハウジングを部分的に又は完全に封止することができる。加えて、組み立てられた構造は、（溶接プロセスを介して）端子及び／又はセルタブに接続することができる。液体電解質を利用する電池セルの場合、内部に電極構造を有する収容されたセルはまた、電解質で充填され、その後封止され得る。
【0061】
電池セルは、様々な形態因子、形状、又はサイズを有することができる。例えば、電池セル（及びそれらのハウジング／ケーシング）は、とりわけ、円筒形、長方形、正方形、立方体、平坦、又は角柱形の形態因子を有することができる。電池セルには４つの主なタイプ：（１）ボタン又はコインセル、（２）円筒形セル、（３）角柱形セル、及び（４）パウチセルが存在する。電池セルは、例えば、巻線及び／又は積層電極ロール（例えば、ジェリーロール）を電池セルケーシング又はハウジングに挿入することによって組み立てることができる。いくつかの実施形態では、巻取された又は積層された電極ロールは、電解質物質を含むことができる。いくつかの実施形態では、電解質物質は、電極ロールとは別の電池ケーシング又はハウジング内に挿入することができる。いくつかの実施形態では、電解質物質は、限定されるものではないが、カソードとアノードとの間の電荷の流れ（すなわち、イオン輸送）を可能にすることができる、イオン伝導性流体又は他の物質（例えば、層）を含む。いくつかの実施形態では、電解質物質は、非水性極性溶媒（例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、又はこれらの任意の２つ以上の混合物などのカーボネート）を含むことができる。電解質はまた、限定されるものではないが、ビニリデンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、エチルプロピオネート、メチルプロピオネート、メチルアセテート、エチルアセテート、又はこれらの任意の２つ以上の混合物など、他の添加剤を含み得る。電解質のリチウム塩は、限定されるものではないが、リチウムパークロレート、リチウムヘキサフルオロホスファート、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド、リチウムビス（トリフルオロスルホニル）イミド、又はこれらの任意の２つ以上の混合物を含む、リチウム電池構成において使用されるもののいずれかであり得る。加えて、塩は、０Ｍ超～約５Ｍで電解質中に存在し得るか、又は例えば、塩は、約０．０５～２Ｍ又は約０．１～２Ｍで存在し得る。
【0062】
図４は、円筒形電池セル１００の断面図の例示的な例を描写する。円筒形電池セルは、アノード層１０、セパレータ及び／又は電解質層２０、並びにカソード層３０の層（例えば、シート状の層）を含むことができる。
【0063】
電池セルは、ハウジング／ケーシングの空洞内に配設することができる、少なくとも１つのアノード層を含むことができる。電池セルはまた、少なくとも１つのカソード層を含むことができる。少なくとも１つのカソード層はまた、ハウジング／ケーシング内に配設することもできる。いくつかの実施形態では、電池セルが放電している（すなわち、電流を提供している）とき、少なくとも１つのアノード層は、イオン（例えば、リチウムイオン）を少なくとも１つのカソード層に放出し、一方の側から他方の側への電子の流れを生成する。逆に、いくつかの実施形態では、電池セルが充電されているとき、少なくとも１つのカソード層は、イオンを放出することができ、少なくとも１つのアノード層は、これらのイオンを受容することができる。
【0064】
これらの層（カソード、アノード、セパレータ／電解質層）は、円筒形状のケーシング４０（例えば、金属缶）の空洞に挟持され、巻き上げられ、及び／又は充填され得る。ケーシング／ハウジングは、例えば、金属又は硬質プラスチックから作製されたものなど、剛性であり得る。いくつかの実施形態では、セパレータ層（及び／又は電解質層）２０は、アノード層１０とカソード層３０との間に配置されて、アノード層２０とカソード層３０とを分離することができる。いくつかの実施形態では、電池セル内の層は、セパレータ層（及び／又は電解質層）がアノード層をカソード層から分離するように交互にすることができる。換言すると、電池電極の層は、（順番に）セパレータ層、アノード／カソード層、セパレータ層、他のアノード／カソード層の反対側などであり得る。セパレータ層（及び／又は電解質層）２０は、セル内のイオン（例えばリチウムイオン）輸送を容易にしながら、アノード層とカソード層との間の接触を防止することができる。電池セルはまた、少なくとも１つの端子５０を含み得る。少なくとも１つの端子は、負荷又は充電器を電池セルに接続するために使用される電気接点であり得る。例えば、端子は、本明細書で更に考察されるように、電池セルから電気車両の構成要素又はシステムなどの電気負荷に電流を運ぶために、電気伝導性物質から作製され得る。
【0065】
図５は、角柱形電池セル２００の断面図の例示的な例を描写する。角柱形電池セルは、アノード層１０、セパレータ及び／又は電解質層２０、並びにカソード層３０の層（例えば、シート状層）を含むことができる。円筒形電池セルと同様に、角柱形電池セルの層は、立方体又は長方形の直方体（例えば、超長方形）形状のケーシング／ハウジング４０に嵌合するように、挟持され、巻かれ、及び／又はプレスされ得る。いくつかの実施形態では、層は、ジェリーローリングではなく層積層によって組み立てることができる。いくつかの実施形態では、ケーシング又はハウジングは、金属及び／又は硬質プラスチックから作製されたものなど、剛性であり得る。いくつかの実施形態では、角柱形電池セル２００は、２つ以上の端子５０を含むことができる。いくつかの実施形態では、これらの端子のうちの一方が正端子であり、他方が負端子であり得る。これらの端子は、負荷又は充電器を、電池セルに接続するために使用することができる。
【0066】
図６は、パウチ電池セル３００の断面図の例示的な例を描写する。パウチ電池セルは、剛性エンクロージャを有さず、代わりに、ケーシング／ハウジング４０のために可撓性物質を使用する。この可撓性物質は、例えば、封止された可撓性箔であり得る。パウチ電池セルは、アノード層１０、セパレータ及び／又は電解質層２０、並びにカソード層３０の層（例えば、シート状層）を含むことができる。いくつかの実施形態では、これらの層は、ケーシング／ハウジング内で積層される。いくつかの実施形態では、パウチ電池セル２００は、２つ以上の端子５０を含むことができる。いくつかの実施形態では、これらの端子の一方が、正端子であり、他方が負端子であり得る。これらの端子は、負荷又は充電器を、電池セルに接続するために使用することができる。
【0067】
電池セルのケーシング／ハウジングは、様々な電気伝導率若しくは熱伝導率、又はこれらの組み合わせを有する１つ以上の物質を含むことができる。電池セルのケーシング／ハウジングのための電気伝導性及び熱伝導性物質は、とりわけ、アルミニウム、銅、シリコン、スズ、マグネシウム、マンガン、又は亜鉛を有するアルミニウム合金（例えば、アルミニウム１０００、４０００、若しくは５０００シリーズ）、鉄、鉄－炭素合金（例えば、鋼）、銀、ニッケル、銅、及び銅合金などの金属物質を含むことができる。いくつかの実施形態では、電池セルのハウジングのための電気伝導性及び熱伝導性物質は、とりわけ、セラミック物質（例えば、シリコンニトリド、シリコンカーバイド、チタンカーバイド、ジルコニウムダイオキシド、ベリリウムオキシドなど）及び／又は熱可塑性物質（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリビニルクロリド、又はナイロン）を含み得る。
【0068】
工程１００４において、電池セルを完成させることができる。いくつかの実施形態では、この工程は、電池セルのための第１の充電及び放電プロセスが行われる形成プロセスを含む。いくつかの実施形態では、この初期充電及び放電は、電解質と電極との間に固体電解質界面を形成することができる。いくつかの実施形態では、この工程は、セルのうちのいくつかに、電池セルから脱ガスプロセスにおいて除去され得るガスを生成させ得る。いくつかの実施形態では、この工程は、電池セルをエージングすることを含む。エージングは、一定期間にわたってセル特性及び性能を監視することを含むことができる。いくつかの実施形態では、この工程はまた、エンドオブライン（ｅｎｄ－ｏｆ－ｌｉｎｅ、ＥＯＬ）試験リグにおいてセルを試験することを含むことができる。ＥＯＬ試験は、電池セルを出荷充電状態まで放電すること、パルス試験、内部抵抗測定値の試験、ＯＣＶの試験、漏出に関する試験、及び／又は、任意選択的に、電池セルの欠陥を光学的に検査することを含むことができる。
【0069】
複数の電池セル（１００、２００、及び／又は３００）は、電池モジュール及び／又は電池パックを形成するために、同じハウジング、フレーム、又はケーシング内でともに組み立てられるか、又はパッケージ化され得る。電池モジュールの電池セルは、ある量の電気エネルギーを生成するために電気的に接続され得る。これらの複数の電池セルは、均一な境界を通して、ハウジング、フレーム、又はケーシングの外側に連結することができる。電池モジュールの電池セルは、電池セルの並列、直列、又は直列－並列の組み合わせであり得る。ハウジング、フレーム、又はケーシングは、様々な危険（例えば、外部要素、熱、振動など）から電池セルを保護することができる。図７は、電池モジュール１１２を形成するためにフレームに挿入されている円筒形電池セル１００を例解する。図８は、電池モジュール１１２を形成するためにフレームに挿入されている角柱形電池セル２００を例解する。図９は、電池モジュール１１２を形成するためにフレームに挿入されているパウチ電池セル３００を例解する。いくつかの実施形態では、電池パックは、モジュールを含まなくてもよい。例えば、電池パックは、「モジュールフリー」又はセルｔｏパック構成を有することができ、電池セルは、モジュールに組み立てることなく電池パックに直接配置される。
【0070】
図７～図９に示されるように、複数の電池モジュール１１２は、別のハウジング、フレーム、又はケーシング内に配設されて、電池パック１２０を形成することができる。いくつかの実施形態では、複数の電池セルは、電池パック（図示せず）を形成するために、ハウジング、フレーム、若しくはケーシング内に組み立てられ、充填され、又は配設され得る。かかる実施形態では、電池パックは、電池モジュールを含まなくてもよい（例えば、モジュールフリー）。例えば、電池パックは、電池セルを電池モジュールに組み立てることなく電池パックに直接配置することができる、モジュールフリー又はセルｔｏパック構成を有することができる。いくつかの実施形態では、電池パックの電池セルは、別のシステム（例えば、電気車両）に提供される、ある量の電気エネルギーを生成するように電気的に接続され得る。
【0071】
電池パックの電池モジュールは、別のシステム（例えば、電気車両）に提供される電気エネルギー量を生成するように電気的に接続され得る。電池パックはまた、例えば、電池パック（並びに個々のモジュール及び電池セル）の温度を調節するように構成された熱交換器システム（例えば、冷却システム）、並びに電池パックの電圧を制御するように構成された電池管理システムなどの様々な制御及び／又は保護システムを含むことができる。いくつかの実施形態では、電池パックハウジング、フレーム、又はケーシングは、電池モジュールを外部要素から保護するために、電池モジュールの底部又は真下にシールドを含むことができる。いくつかの実施形態では、電池パックは、少なくとも１つの熱交換器（例えば、熱／温度制御又は熱交換の一部として、電池パック又は冷却板を通して流体を分配するように構成される冷却ライン）を含むことができる。
【0072】
いくつかの実施形態では、電池モジュールは、電池モジュールを構成する個々の電池セルから電流又は電力を収集することができ、電池パックからの出力として電流又は電力を提供することができる。電池モジュールは、任意の数の電池セルを含むことができ、電池パックは、任意の数の電池モジュールを含むことができる。例えば、電池パックは、ハウジング／フレーム／ケーシング中に配設された１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２個、又は他の数の電池モジュールを有することができる。いくつかの実施形態では、電池モジュールは、複数のサブモジュールを含むことができる。いくつかの実施形態では、これらのサブモジュールは、個々の電池モジュールの温度を調節するか又は制御するように構成された熱交換器によって分離され得る。例えば、電池モジュールは、上部電池サブモジュール及び下部電池サブモジュールを含むことができる。これらのサブモジュールは、上部電池サブモジュールと下部電池サブモジュールとの間の冷却板などの熱交換器によって分離することができる。
【0073】
電池パックは、あらゆる形状及びサイズにすることができる。例えば、図７～図９は、３つの異なる形状の電池パック１２０を例解する。図７～図９に示されるように、電池パック１２０は、電池モジュールを位置決めするための複数の領域、スロット、ホルダ、容器などを含むか、又は画定することができる。電池モジュールは、あらゆる形状及びサイズにすることができる。例えば、電池モジュールは、正方形、長方形、円形、三角形、対称形、又は非対称形であり得る。いくつかの例では、単一の電池パック内の電池モジュールは、異なる形状であり得る。同様に、電池モジュールは、複数の電池セルのための複数の領域、スロット、ホルダ、容器などを含むか、又は画定することができる。
【0074】
図１０は、少なくとも１つの電池パック１２０を含む、電気車両７０５の断面図７００の一例を例解する。電気車両は、限定されるものではないが、数ある可能性の中でもとりわけ、電気トラック、電動スポーツユーティリティ車両（sport utility vehicle、ＳＵＶ）、電動配送バン、電気自動車、電気車、電気オートバイ、電気スクータ、電気乗用車両、電気乗用又は商用トラック、ハイブリッド車両、又は海上若しくは航空輸送車両、飛行機、ヘリコプター、潜水艦、ボート、若しくはドローンなどの他の車両を含み得る。電気車両は、完全電動又は部分電動（例えば、プラグインハイブリッド）であり得、更に、電気車両は、完全自律型、部分自律型、又は無人型であり得る。加えて、電気車両はまた、人間が作動させるもの、又は非自律型であり得る。
【0075】
電気車両７０５は、電気車両に電力を供給するための電池セル（１００、２００、及び／又は３００）を有する電池モジュール１１２を含む電池パック１２０を搭載することができる。電気車両７０５は、シャーシ７２５（例えば、フレーム、内部フレーム、又は支持構造）を含むことができる。シャーシ７２５は、電気車両７０５の様々な構成要素を支持することができる。いくつかの実施形態では、シャーシ７２５は、電気車両７０５の前部分７３０（例えば、フード又はボンネット部分）、本体部分７３５、及び後部分７４０（例えば、トランク、ペイロード、又はブーツ部分）にまたがることができる。電池パック１２０は、電気車両７０５内に搭載されるか又は設置することができる。例えば、電池パック１２０は、前部分７３０、本体部分７３５、又は後部分７４０のうちの１つ以上の中で、電気車両７０５のシャーシ７２５上に搭載することができる。いくつかの実施形態では、電池パック１２０は、少なくとも１つのバスバー、例えば、集電体要素を含むか、又はそれと接続することができる。例えば、第１のバスバー７４５及び第２のバスバー７５０は、電気車両７０５の様々なシステム又は構成要素に電力を提供するために、電池パック１２０（及び／又は電池モジュール１１２若しくは電池セル１００、２００、及び／又は３００）を電気車両７０５の他の電気部品に接続するか、又は別用に電気的に結合するために電気伝導性物質を含むことができる。いくつかの実施形態では、電池パック１２０はまた、住宅又は商業ビルなどの建物に電力供給するためのエネルギー貯蔵システムとして使用され得る。
【0076】
別段で定義されない限り、本明細書で使用される全ての専門用語、表記法、並びに他の技術的及び科学的用語又は専門用語は、特許請求される主題が関係する当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有することが意図される。いくつかの場合において、一般的に理解される意味を有する用語は、明確さのために、及び／又は容易な参照のために本明細書において定義され、本明細書におけるかかる定義の包含は、必ずしも、当技術分野において概して理解されるものに対する実質的な差異を表すと解釈されるべきではない。
【0077】
本明細書における「約」の値又はパラメータへの言及は、その値又はパラメータ自体を対象とする変動を含む（及び説明する）。例えば、「約Ｘ」に関する説明は、「Ｘ」の説明を含む。加えて、「未満」、「より大きい」、「最大で」、「少なくとも」、「以下」、「以上」という語句、又は一連の値若しくはパラメータが続く他の同様の語句への言及は、その語句を一連の値若しくはパラメータにおける各値若しくはパラメータに適用することを意味する。
【0078】
本出願は、本文及び図面においていくつかの数値範囲を開示する。本開示は開示された数値範囲全体にわたって実施することができるので、本明細書において正確な範囲の限定が逐語的に述べられていなくても、開示された数値範囲は、端部点を含む、開示された数値範囲内の任意の範囲又は値を本質的に支持する。
【0079】
本明細書において、「又は」は、明示的に別段の指示がない限り、又は文脈によって別段の指示がない限り、包括的であり、排他的ではない。したがって、本明細書では、「Ａ又はＢ」は、明示的に別段の指示がない限り、又は文脈によって別段の指示がない限り、「Ａ、Ｂ、又は両方」を意味する。更に、「及び」は、明示的に別段の指示がない限り、又は文脈によって別段の指示がない限り、共同及び個々の両方である。したがって、本明細書では、「Ａ及びＢ」は、明示的に別段の指示がない限り、又は文脈によって別段の指示がない限り、「Ａ及びＢが一緒に、又は個別に」を意味する。
【0080】
本開示の範囲は、当業者が理解するであろう、本明細書に説明又は図示される例示的実施形態に対する全ての変更、置換、変形、改変、及び修正を包含する。本開示の範囲は、本明細書で説明又は図示される例示的な実施形態に限定されない。更に、本開示は、特定の構成要素、要素、特徴、機能、作動、又は工程を含むものとして、本明細書でそれぞれの実施形態を説明及び図示しているが、これらの実施形態のいずれも、当業者が理解するであろう、本明細書のいずれかに説明又は図示される構成要素、要素、特徴、機能、作動、又は工程のいずれかの任意の組み合わせ又は順列を含み得る。更に、添付の特許請求の範囲における、特定の機能を実行するように適合され、配置され、能力を有し、構成され、有効化され、作動可能であり、又は作用する装置若しくはシステム、又は装置若しくはシステムの構成要素への言及は、その装置、システム、又は構成要素が、そのように適合され、配置され、能力を有し、構成され、有効化され、作動可能であり、又は作用する限り、その装置、システム、若しくは構成要素、又はその特定の機能がアクティブ化され、オンにされ、又はロック解除されるかどうかにかかわらず、その装置、システム、構成要素を包含する。加えて、本開示は、特定の実施形態を、特定の利点を提供するものとして説明するか、又は例解するが、特定の実施形態は、これらの利点のいずれも提供しなくてもよく、一部又は全てを提供してもよい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
