特開 2024-74787 電気化学デバイスセパレーター

(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】P2024074787

(43)【公開日】2024-05-31

(54)【発明の名称】電気化学デバイスセパレーター

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/489 20210101AFI20240524BHJP

   H01M 50/417 20210101ALI20240524BHJP

   H01M 10/052 20100101ALI20240524BHJP

   H01M 4/38 20060101ALI20240524BHJP

   H01M 50/463 20210101ALI20240524BHJP

   H01M 4/66 20060101ALI20240524BHJP

   H01M 10/0568 20100101ALI20240524BHJP

   H01M 10/0569 20100101ALI20240524BHJP

   H01M 10/058 20100101ALI20240524BHJP

   H01G 11/84 20130101ALI20240524BHJP

   H01G 11/52 20130101ALN20240524BHJP

【ＦＩ】

H01M50/489

H01M50/417

H01M10/052

H01M4/38 Z

H01M50/463 A

H01M4/66 A

H01M10/0568

H01M10/0569

H01M10/058

H01G11/84

H01G11/52

【審査請求】有

【請求項の数】21

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023196093

(22)【出願日】2023-11-17

(31)【優先権主張番号】63/426,864

(32)【優先日】2022-11-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】519146787

【氏名又は名称】ツー－シックス デラウェア インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＩＩ－ＶＩ Ｄｅｌａｗａｒｅ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】110001070

【氏名又は名称】弁理士法人エスエス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ウェン－チン シュイ

(72)【発明者】

【氏名】チャラン マサラプ

(72)【発明者】

【氏名】シンユイ ルー

(72)【発明者】

【氏名】リンゼ ドゥ ヒル

(72)【発明者】

【氏名】ツァン ガオ

(72)【発明者】

【氏名】シアオミン リー

【テーマコード（参考）】

5E078

5H017

5H021

5H029

5H050

【Ｆターム（参考）】

5E078AA10

5E078AB01

5E078CA06

5E078CA20

5E078LA08

5H017AA03

5H017AS02

5H017BB08

5H017DD05

5H017EE06

5H021CC09

5H021EE02

5H021EE04

5H021HH00

5H021HH01

5H021HH03

5H021HH07

5H029AJ05

5H029AK05

5H029AL12

5H029AM03

5H029AM04

5H029AM05

5H029AM07

5H029AM11

5H029DJ04

5H029DJ07

5H029EJ04

5H029EJ07

5H029EJ12

5H050AA07

5H050BA16

5H050CA11

5H050CB12

5H050DA04

5H050DA19

5H050FA18

(57)【要約】

【課題】既存の電気化学デバイスは、何回かのサイクル数の後に寄生状態を示して故障するので、寄生状態を示す前のサイクル数を延ばす電気化学デバイスを提供すること。
【解決手段】アノード、カソード、電解質、およびカソードからアノードを分離するセパレーターを含む電気化学デバイス。セパレーターは、線状ポリマー；２．０以下の動摩擦係数；少なくとも２４０の、破断時伸びとして定義される伸び；少なくとも１０の伸びの厚さに対する比；および／または２７０以下のＭＰａの弾性率のうちの少なくとも１つを含む材料を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノード；
カソード；
電解質；および
カソードからアノードを分離するセパレーター
を含む電気化学デバイスであって、前記セパレーターは材料を含み、前記材料は、
線状ポリマー；
２．０以下の動摩擦係数；
少なくとも２４０の、破断時伸びとして定義される伸び；
少なくとも１０の伸びの厚さに対する比；および／または
２７０ＭＰａ以下の弾性率
のうちの少なくとも１つを含む、電気化学デバイス。

【請求項2】

前記材料がポリエチレンポリマーを含む、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項3】

リチウム－カルコゲン電池を含む、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項4】

前記アノードが、ＩＡ族からのアルカリ金属、ＩＩＡ族からのアルカリ土類金属、ＩＩＩＡ族からの元素、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項5】

前記カソードがカルコゲンを含む、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項6】

前記セパレーターが、少なくとも１１５０オングストロームの表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項7】

前記線状ポリマーが、少なくとも２００，０００ｇ／モルの重量平均分子量を有する、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項8】

前記セパレーターが２μｍ～１００μｍの厚さを有する、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項9】

前記カソードが、炭素－カルコゲン複合物を含むコーティングでコーティングされた基材を含む、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項10】

前記コーティングがバインダーおよび導電性炭素をさらに含む、請求項９に記載の電気化学デバイス。

【請求項11】

寄生状態を示す前に少なくとも２サイクルを実施する二次電池を含む、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項12】

前記線状ポリマーが少なくとも７０％の線形性を含む、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項13】

前記電解質が、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣ_２Ｆ_６ＮＯ_４Ｓ_２、ＬｉＮＳ_２Ｏ_４Ｆ_２、ＬｉＢＯＢ、ＬｉＰＯ_２Ｆ_２、ＬｉＰＦ_６、エーテル、カーボネート、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の電気化学デバイス。

【請求項14】

二次電池をサイクルする方法であって、
（ｉ）請求項１に記載の電気化学デバイスを用意し、前記電気化学デバイスは二次電池を含むステップと；
（ｉｉ）前記二次電池を少なくとも部分的に放電するステップと；
（ｉｉｉ）前記二次電池を少なくとも部分的に充電するステップと；
（ｉｖ）充電中に前記二次電池が寄生状態を示すまで、（ｉｉ）および（ｉｉｉ）を繰り返すステップと
を含む、方法。

【請求項15】

前記二次電池が、寄生状態を示す前に少なくとも部分的に放電され、少なくとも２回充電される、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

電気化学デバイスにおける使用のために構成されたセパレーターであって、前記セパレーターは材料を含み、前記材料は、
線状ポリマー；
２．０以下の動摩擦係数；
少なくとも２４０の、破断時伸びとして定義される伸び；
少なくとも１０の伸びの厚さに対する比；および／または
２７０ＭＰａ以下の弾性率
のうちの少なくとも１つを含む、セパレーター。

【請求項17】

前記材料がポリエチレンポリマーを含む、請求項１６に記載のセパレーター。

【請求項18】

少なくとも１１５０オングストロームの表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項１６に記載のセパレーター。

【請求項19】

前記線状ポリマーが、少なくとも２００，０００ｇ／モルの重量平均分子量を有する、請求項１６に記載のセパレーター。

【請求項20】

２μｍ～１００μｍの厚さを有する、請求項１６に記載のセパレーター。

【請求項21】

二次電池に配置され、前記二次電池が、
ＩＡ族からのアルカリ金属、ＩＩＡ族からのアルカリ土類金属、ＩＩＩＡ族からの元素、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むアノード；
カルコゲンを含むカソード；
電解質；ならびに
カソードからアノードを分離するセパレーター、
を含む、請求項１６に記載のセパレーター。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２２年１１月２１日に出願された米国仮特許出願第６３／４２６，８６４号の優先権を主張し、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

【0002】

本開示の主題は、一般に電気化学デバイス、二次電池をサイクルする方法、および電気化学デバイスにおける使用のために構成されたセパレーターに関する。

【背景技術】

【0003】

技術的な考慮事項
電池、キャパシタ、電気化学センサー、および燃料電池などの電気化学デバイスの製造には、多くの課題がある。例えば二次電池などの特定の電気化学デバイスは、放電および再充電することができ（サイクルとして定義される）、その結果複数回使用することができる。しかし、既存の電気化学デバイスは、何回かのサイクル数の後に寄生状態（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を示して電気化学デバイスは故障するので、無限数回サイクルすることができない。寄生状態を示す前のサイクル数を延ばすことが望ましい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従って、上で明らかにされた欠点の一部または全てを克服する電気化学デバイスを提供することが、本開示の主題の目的である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

非限定的な実施形態または態様によれば、アノード；カソード；電解質；およびカソードからアノードを分離するセパレーターを含む電気化学デバイスであって、セパレーターは材料を含み、材料は、線状ポリマー；２．０以下の動摩擦係数；少なくとも２４０の、破断時伸びとして定義される伸び；少なくとも１０の伸びの厚さに対する比；および／または２７０ＭＰａ以下の弾性率のうちの少なくとも１つを含む、電気化学デバイスが提供される。

【0006】

一部の非限定的な実施形態または態様では、材料は、ポリエチレンポリマーを含み得る。

【0007】

一部の非限定的な実施形態または態様では、電気化学デバイスはリチウム－カルコゲン電池を含み得る。

【0008】

一部の非限定的な実施形態または態様では、アノードは、ＩＡ族からのアルカリ金属、ＩＩＡ族からのアルカリ土類金属、ＩＩＩＡ族からの元素、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み得る。

【0009】

一部の非限定的な実施形態または態様では、カソードはカルコゲンを含み得る。

【0010】

一部の非限定的な実施形態または態様では、セパレーターは、少なくとも１１５０オングストロームの表面粗さ（Ｒａ）を有し得る。

【0011】

一部の非限定的な実施形態または態様では、線状ポリマーは、少なくとも２００，０００ｇ／モルの重量平均分子量を有し得る。

【0012】

一部の非限定的な実施形態または態様では、セパレーターは、２μｍ～１００μｍの厚さを有し得る。

【0013】

一部の非限定的な実施形態または態様では、カソードは、炭素－カルコゲン複合物を含むコーティングでコーティングされた基材を含み得る。

【0014】

一部の非限定的な実施形態または態様では、コーティングはバインダーおよび導電性炭素をさらに含み得る。

【0015】

一部の非限定的な実施形態または態様では、電気化学デバイスは、寄生状態を示す前に少なくとも２サイクルを実施する二次電池を含み得る。

【0016】

一部の非限定的な実施形態または態様では、線状ポリマーは、少なくとも７０％の線形性を含み得る。

【0017】

一部の非限定的な実施形態または態様では、電解質は、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣ_２Ｆ_６ＮＯ_４Ｓ_２、ＬｉＮＳ_２Ｏ_４Ｆ_２、ＬｉＢＯＢ、ＬｉＰＯ_２Ｆ_２、ＬｉＰＦ_６、エーテル、カーボネート、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み得る。

【0018】

非限定的な実施形態または態様によれば、二次電池をサイクルする方法であって：（ｉ）本明細書に記述の電気化学デバイスを用意し、電気化学デバイスは二次電池を含むステップと；（ｉｉ）二次電池を少なくとも部分的に放電するステップと；（ｉｉｉ）二次電池を少なくとも部分的に充電するステップと；（ｉｖ）充電中に二次電池が寄生状態を示すまで、（ｉｉ）および（ｉｉｉ）を繰り返すステップと、を含む方法が提供される。

【0019】

一部の非限定的な実施形態または態様では、二次電池は、寄生状態を示す前に少なくとも部分的に放電され、少なくとも２回充電され得る。

【0020】

非限定的な実施形態または態様によれば、電気化学デバイスにおける使用のために構成されたセパレーターは材料を含み、材料は、線状ポリマー；２．０以下の動摩擦係数；少なくとも２４０の、破断時伸びとして定義される伸び；少なくとも１０の伸びの厚さに対する比；および／または２７０ＭＰａ以下の弾性率のうちの少なくとも１つを含む。

【0021】

一部の非限定的な実施形態または態様では、材料はポリエチレンポリマーを含み得る。

【0022】

一部の非限定的な実施形態または態様では、セパレーターは、少なくとも１１５０オングストロームの表面粗さ（Ｒａ）を有し得る。

【0023】

一部の非限定的な実施形態または態様では、線状ポリマーは、少なくとも２００，０００ｇ／モルの重量平均分子量を有し得る。

【0024】

一部の非限定的な実施形態または態様では、セパレーターは、２μｍ～１００μｍの厚さを有し得る。

【0025】

一部の非限定的な実施形態または態様では、セパレーターを二次電池に配置してもよく、二次電池は、ＩＡ族からのアルカリ金属、ＩＩＡ族からのアルカリ土類金属、ＩＩＩＡ族からの元素、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むアノード；カルコゲンを含むカソード；電解質；ならびにカソードからアノードを分離するセパレーター、を含み得る。

【0026】

さらなる実施形態または態様は、以下の番号付けされた条項で説明される。

【0027】

条項１：アノード；カソード；電解質；およびカソードからアノードを分離するセパレーターを含む電気化学デバイスであって、セパレーターは材料を含み、材料は、線状ポリマー；２．０以下の動摩擦係数；少なくとも２４０の、破断時伸びとして定義される伸び；少なくとも１０の伸びの厚さに対する比；および／または２７０ＭＰａ以下の弾性率のうちの少なくとも１つを含む。

【0028】

条項２：材料がポリエチレンポリマーを含む、条項１に記載の電気化学デバイス。

【0029】

条項３：リチウム－カルコゲン電池を含む、条項１または条項２に記載の電気化学デバイス。

【0030】

条項４：アノードが、ＩＡ族からのアルカリ金属、ＩＩＡ族からのアルカリ土類金属、ＩＩＩＡ族からの元素、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、条項１～３のいずれかに記載の電気化学デバイス。

【0031】

条項５：カソードがカルコゲンを含む、条項１～４のいずれかに記載の電気化学デバイス。

【0032】

条項６：セパレーターが少なくとも１１５０オングストロームの表面粗さ（Ｒａ）を有する、条項１～５のいずれかに記載の電気化学デバイス。

【0033】

条項７：線状ポリマーが少なくとも２００，０００ｇ／モルの重量平均分子量を有する、条項１～６のいずれかに記載の電気化学デバイス。

【0034】

条項８：セパレーターが２μｍ～１００μｍの厚さを有する、条項１～７のいずれかに記載の電気化学デバイス。

【0035】

条項９：カソードが、炭素－カルコゲン複合物を含むコーティングでコーティングされた基材を含む、条項１～８のいずれかに記載の電気化学デバイス。

【0036】

条項１０：コーティングがバインダーおよび導電性炭素をさらに含む、条項９に記載の電気化学デバイス。

【0037】

条項１１：寄生状態を示す前に少なくとも２サイクルを実施する二次電池を含む、条項１～１０のいずれかに記載の電気化学デバイス。

【0038】

条項１２：線状ポリマーが少なくとも７０％の線形性を含む、条項１～１１のいずれかに記載の電気化学デバイス。

【0039】

条項１３：電解質が、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣ_２Ｆ_６ＮＯ_４Ｓ_２、ＬｉＮＳ_２Ｏ_４Ｆ_２、ＬｉＢＯＢ、ＬｉＰＯ_２Ｆ_２、ＬｉＰＦ_６、エーテル、カーボネート、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、条項１～１２のいずれかに記載の電気化学デバイス。

【0040】

条項１４：二次電池をサイクルする方法であって、（ｉ）条項１～１３のいずれかに記載の電気化学デバイスを用意し、電気化学デバイスは二次電池を含むステップと；（ｉｉ）二次電池を少なくとも部分的に放電するステップと；（ｉｉｉ）二次電池を少なくとも部分的に充電するステップと；（ｉｖ）充電中に二次電池が寄生状態を示すまで、（ｉｉ）および（ｉｉｉ）を繰り返すステップと、を含む方法。

【0041】

条項１５：二次電池が、寄生状態を示す前に少なくとも部分的に放電され、少なくとも２回充電される、条項１４に記載の方法。

【0042】

条項１６：電気化学デバイスにおける使用のために構成されたセパレーターであって、セパレーターは材料を含み、材料は、線状ポリマー；２．０以下の動摩擦係数；少なくとも２４０の、破断時伸びとして定義される伸び；少なくとも１０の伸びの厚さに対する比；および／または２７０ＭＰａ以下の弾性率のうちの少なくとも１つを含む、セパレーター。

【0043】

条項１７：材料がポリエチレンポリマーを含む、条項１６に記載のセパレーター。

【0044】

条項１８：セパレーターが少なくとも１１５０オングストロームの表面粗さ（Ｒａ）を有する、条項１６または１７に記載のセパレーター。

【0045】

条項１９：線状ポリマーが少なくとも２００，０００ｇ／モルの重量平均分子量を有する、条項１６～１８のいずれかに記載のセパレーター。

【0046】

条項２０：２μｍ～１００μｍの厚さを有する、条項１６～１９のいずれかに記載のセパレーター。

【0047】

条項２１：二次電池に配置され、二次電池が、ＩＡ族からのアルカリ金属、ＩＩＡ族からのアルカリ土類金属、ＩＩＩＡ族からの元素、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むアノード；カルコゲンを含むカソード；電解質；ならびにカソードからアノードを分離するセパレーターを含む、条項１６～２０のいずれかに記載のセパレーター。

【0048】

本開示の主題のこれらおよび他の特徴および特性、ならびに構造の関連する要素の実施方法および機能、ならびに部品の組み合わせおよび製造の経済性は、添付図面を参照して、以下の記述および添付の特許請求の範囲を考察してより明白になり、その全てはこの明細書の一部を形成し、様々な図において同一の参照番号は対応する部分を示す。しかし、図面は例証および説明のみの目的であり、開示された主題の境界を定義する意図ではないことを明確に理解されたい。本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、「ａ」「ａｎ」および「ｔｈｅ」の単数形は、文脈で明確に指示しない限り、複数の指示物を含む。

【0049】

本開示の主題の追加の利点および詳細は、添付の図で説明される例示的な実施形態または態様を参照して、以下でより詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0050】

【図1】本開示の主題の一部の非限定的な実施形態または態様による、電気化学デバイスを示す図である。

【0051】

【図2】本開示の主題の一部の非限定的な実施形態または態様による、放電／充電プロセスのサイクルを受ける再充電可能な電気化学デバイスに対する、電圧および電流の経時的なグラフを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0052】

以下の説明の目的で、「端部」、「上側」、「下側」、「右」、「左」、「鉛直」、「水平」、「頂部」、「底部」、「横方向」、「長手方向」という用語およびその派生語は、描いた図で向けられた本開示の主題に関連するものとする。しかし、反対と明確に規定された場合を除いて、本開示の主題は様々な代替的変化およびステップの順序を想定し得ることを理解されたい。さらに、添付図面で説明され、以下の明細書に記述される特定の装置およびプロセスは、本開示の主題の単に例示的な実施形態または態様であることも理解されたい。故に、本明細書に開示する実施形態または態様に関連した特定の寸法および他の物理的特性は、特に断りのない限り限定的と見なすべきではない。

【0053】

本明細書で使用されるいかなる態様、部品、要素、構造、行為、ステップ、機能、指示、および／または同様なものも、明示的に記述されない限り、重要または不可欠と解釈すべきでない。また、本明細書で使用される場合、冠詞「ａ」および「ａｎ」は、１つまたは複数の項目を含む意図であり、「１つまたは複数」および「少なくとも１つ」と互換的に使用され得る。さらに、本明細書で使用される場合、「セット」という用語は、１つまたは複数の項目（例えば、関連項目、非関連項目、関連および非関連項目の組み合わせ、ならびに／または同様なもの）を含む意図であり、「１つまたは複数で」または「少なくとも１つ」と互換的に使用され得る。１つの項目だけが意図される場合、「ｏｎｅ」という用語または類似の言語が使用される。また本明細書で使用される場合、「有する（ｈａｓ）」「有する（ｈａｖｅ）」「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語または同様のものは、非制限的用語であると意図される。さらに、「基づく」という表現は、明示的に述べられない限り、「少なくとも部分的に基づく」ことを意味する意図である。

【0054】

本明細書で使用する場合、移行的用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」（および他の同等の用語、例えば、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」）は、「非制限的」であり、不特定の事項を含めることに開放的である。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語で記述されるが、「主としてからなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」および「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」という用語も本開示の範囲内である。

【0055】

本開示の主題の非限定的な実施形態または態様は、アノード；カソード；電解質；およびカソードからアノードを分離するセパレーターを含む電気化学デバイスであって、セパレーターは材料を含み、材料は、線状ポリマー；２．０以下の動摩擦係数；少なくとも２４０の、破断時伸びとして定義される伸び；少なくとも１０の伸びの厚さに対する比；および／または２７０ＭＰａ以下の弾性率の少なくとも１つを含む、電気化学デバイスを対象とする。

【0056】

図１を参照すると、非限定的な実施形態または態様による電気化学デバイス１０が示される。電気化学デバイス１０は、電池、キャパシタ、電気化学センサー、燃料電池、またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み得る。電気化学デバイスは、二次（再充電可能）電池を含み得る。

【0057】

電気化学デバイス１０は、セパレーター１６によって分離された、カソード１２およびアノード１４を含み得る。セパレーター１６は、カソード１２とアノード１４の接触を防ぎ得る。電気化学デバイス１０は、電解質１８を含み得る。電解質１８は、充電中にカソード１２からアノード１４へのイオンの移動を促進し、放電時にはその逆の移動を促進し得る。セパレーター１６は、電気化学デバイス１０の充電および／または放電中に、セパレーター１６を通るイオン輸送を可能にするように構成され得る。電気化学デバイス１０は、電気化学デバイス１０の少なくとも部分的な放電の後に、電気化学デバイス１０を再充電するように構成された充電器２０を含み得る。

【0058】

一部の非限定的な実施形態または態様では、カソード１２は、カルコゲン元素（例えば、Ｓ、Ｓｅ、Ｏ、およびＴｅ）、フッ化物、少なくとも１種のインターカレートカソード材料（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｅｄ ｃａｔｈｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）（例えば、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏ_ｘＮｉ_ｙＭｎ_{１－ｘ－ｙ}Ｏ_２）、ならびにＮｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｄ、およびＬａなどの様々なドーパントを含み得るＬｉＦｅＰＯ_４、少なくとも１種の超キャパシタ材料（例えば金属酸化物／水酸化物）、導電性ポリマー、またはいくつかのそれらの組み合わせ、を含む少なくとも１つの材料のうちの少なくとも１つを含み得る。カソード１２はカルコゲンを含み得る。カソード１２は硫黄を含み得る。

【0059】

一部の非限定的な実施形態または態様では、カソード１２は、炭素－カルコゲン複合物を含むコーティングでコーティングされた基材を含み得る。コーティングはバインダーおよび導電性炭素をさらに含み得る。バインダーはポリマー材料を含み得る。好適なポリマー材料の非限定的な例としては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリエチレングリコールジメチルエーテル（ＰＥＧＤＭＥ）、導電性ポリマー（ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）など）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ラテックスポリマー、アクリレート、ポリウレタン、ポリウレタンアクリレート等が挙げられる。

【0060】

アノード１４は、ＩＶＡ族からの少なくとも１つの元素（例えば、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ）、ＩＩＩＡ族からの少なくとも１つの元素（例えば、Ａｌ）、ＩＢ族～ＶＩＩＩＢ族からの少なくとも１つの遷移金属（例えば、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｇ）、ＩＩＡ族からの少なくとも１つのアルカリ土類金属（例えば、Ｍｇ、Ｃａ）、ＩＡ族からの少なくとも１つのアルカリ金属（例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ）、少なくとも１つの化合物（例えば、Ｌｉ_ｘＳｉ_ｙ、Ｌｉ_ｘＧｅ_ｙ、ＬｉＡｌ、Ｌｉ_ｘＳｎ_ｙ、ＬＴＯ、ＮｉＯ、ＳｉＯ_ｘ）、またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み得る。アノード１４は、ＩＡ族からのアルカリ金属、ＩＩＡ族からのアルカリ土類金属、ＩＩＩＡ族からの元素、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み得る。アノード１４は、リチウムを含み得る。

【0061】

一部の非限定的な実施形態または態様では、電気化学デバイス１０は、硫黄カソード１２およびリチウムアノード１４（例えば、リチウム－カルコゲンおよび／またはリチウム－硫黄電池）などの、カルコゲンを含むカソード１２およびリチウムを含むアノード１４を含み得る。

【0062】

一部の非限定的な実施形態または態様では、電解質１８は、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣ_２Ｆ_６ＮＯ_４Ｓ_２、ＬｉＮＳ_２Ｏ_４Ｆ_２、ＬｉＢＯＢ、ＬｉＰＯ_２Ｆ_２、ＬｉＰＦ_６、エーテル、カーボネート、またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み得る。電解質１８は、米国特許第１１，１１４，６９６号に開示され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものなどの、コインセル電池で使用される電解質であり得る。電解質１８は、リチウムおよび／またはナトリウムなどのアルカリ金属を含み得る。

【0063】

電解質１８は、液体、固体、またはゲル材料であり得る。電解質１８は、カソード１２とアノード１４（電極）の間に配置され得る。電解質１８は、電極を濡らすまたは浸してもよい。

【0064】

セパレーター１６は、線状ポリマー、２．０以下の動摩擦係数、少なくとも２４０の、破断時伸びとして定義される伸び、少なくとも１０の伸びの厚さに対する比、２７０ＭＰａ以下の弾性率、または任意のそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む材料を含み得る。

【0065】

一部の非限定的な実施形態または態様では、セパレーター１６はポリマー材料を含み得る。ポリマー性セパレーターは、単層セパレーター（例えば、単層ポリプロピレンまたはポリエチレン）、３層または他の多層セパレーター（例えば、ポリプロピレン－ポリエチレン－ポリプロピレンセパレーター、任意選択でセラミックおよび／または界面活性剤変性）を含み得る。ポリマー材料は、ポリプロピレンポリマーおよび／またはポリエチレンポリマーを含み得る。ポリマー材料は、ポリエチレンポリマーを含み得る。

【0066】

一部の非限定的な実施形態または態様では、セパレーター１６はポリエチレンポリマーを含み得る。ポリエチレンポリマーは、本明細書に定義される線状ポリマーを含み得る。ポリエチレンポリマーは、高密度ポリエチレン（Ｍｗは２００，０００～５００，０００ｇ／モル）を含み得る。ポリエチレンポリマーは、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）（Ｍｗは４，０００，０００～６，０００，０００ｇ／モル）を含み得る。本明細書で使用する場合、重量平均分子量（Ｍｗ）は、標準高温ゲル透過クロマトグラフィー（ＨＴ－ＧＰＣ、ＡＳＴＭ Ｄ６４７４－１９）によって決定される。

【0067】

セパレーター１６は、線状ポリマーを含み得る。線状ポリマーは、少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または１００％などの少なくとも７０％の線形性を含み得る。本明細書で開示するポリマー線形性は、^１３Ｃ－ＮＭＲ（液体ＮＭＲまたは溶融状態マジック角回転（ＭＡＳ）ＮＭＲ）を使用した単純化されたランダル法によって決定され、線形性は、１００－［第三級炭素のＮＭＲ曲線下の面積／全炭素のＮＭＲ曲線下の面積］％によって決定される。液体ＮＭＲ試験では、ポリマーを溶解させるために塩化炭化水素溶媒（例えば、ｏ－ジクロロベンゼン－ｄ４、１，２，４－トリクロロベンゼン（ＴＣＢ））を使用することができる。溶融状態ＭＡＳでは、^１３Ｃ－ＮＭＲは、７ｍｍ^１３Ｃ－^１Ｈ最適化高温プローブを使用して５００ＭＨｚで実施される。

【0068】

線状ポリマーは、少なくとも２００，０００ｇ／モル、少なくとも５００，０００ｇ／モル、少なくとも８００，０００ｇ／モル、または少なくとも１，０００，０００ｇ／モルの重量平均分子量を有し得る。線状ポリマーは、１００，０００，０００ｇ／モル以下、１０，０００，０００ｇ／モル以下、または６，０００，０００ｇ／モル以下など、１，０００，０００，０００ｇ／モル以下の重量平均分子量を有し得る。線状ポリマーはポリエチレンを含み得る。

【0069】

セパレーター１６は、ＡＳＴＭ Ｄ１８９４－１４によって決定される、１．５以下、または１．０以下など、２．０以下の動摩擦係数を含み得る。セパレーター１６は、０．４～１．０など、０．４～２．０の動摩擦係数を含み得る。

【0070】

セパレーター１６は、少なくとも２７５、または少なくとも３００など、少なくとも２４０の伸びを含み得る。セパレーター１６は、１０００以下、または７５０以下など、１２００以下の伸びを含み得る。セパレーター１６は、２７５～１２００、２７５～７５０、または３００～７５０など、２４０～１２００の伸びを含み得る。本明細書で開示する伸びは、ＡＳＴＭ Ｄ８８２引張試験によって定義される破断時で決定される。

【0071】

セパレーター１６は、８μｍ～３０μｍ、７μｍ～３５μｍ、５μｍ～５０μｍ、５μｍ～３０μｍ、または９μｍ～２５μｍなど、２μｍ～１００μｍの厚さを有し得る。セパレーター１６は、少なくとも５μｍ、または少なくとも７μｍなど、少なくとも２μｍの厚さを有し得る。セパレーター１６は、５０μｍ以下、または３０μｍ以下など、１００μｍ以下の厚さを有し得る。

【0072】

セパレーター１６は、少なくとも１２、少なくとも１３、少なくとも１４、少なくとも１５、または少なくとも１６など、少なくとも１０の伸びの厚さに対する比を有し得る。セパレーター１６は、７０以下など、１００以下の伸びの厚さに対する比を有し得る。セパレーター１６は、１３～７０、または１５～７０など、１０～１００の伸びの厚さに対する比を有し得る。伸びの厚さに対する比は、セパレーター１６の破断時伸びをセパレーターの厚さで割ることによって決定され得る。

【0073】

セパレーター１６は、２４０ＭＰａ以下、２３０ＭＰａ以下、２２０ＭＰａ以下、または２００ＭＰａ以下など、２７０ＭＰａ以下の弾性率を有し得る。セパレーター１６は、少なくとも９０ＭＰａ、または少なくとも１００ＭＰａなど、少なくとも８０ＭＰａの弾性率を有し得る。セパレーター１６は、９０～２４０、９０～２００、または９０～１９０など、８０～２７０の弾性率を有し得る。本明細書で開示する弾性率は、ＡＳＴＭ Ｄ８８２引張試験によって決定される。

【0074】

セパレーター１６は、少なくとも１１５０オングストローム、少なくとも１１７５オングストロームなど、少なくとも１１００オングストロームの表面粗さ（Ｒａ）を含み得る。セパレーター１６は、６０００オングストローム以下、５０００オングストローム以下、または４０００オングストローム以下など、６５００オングストローム以下の表面粗さ（Ｒａ）を有し得る。セパレーター１６は、１１５０～６５００オングストローム、または１１７５～６５００オングストロームなど、１１００～６５００の表面粗さ（Ｒａ）を有し得る。本明細書で開示する表面粗さは、ＺＹＧＯ ＮｅｗＶｉｅｗ６００干渉計を使用して決定される。

【0075】

セパレーター１６は、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ ＡｕｔｏＰｏｒｅ Ｖ９６００ポロシメーターを使用して決定される、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、または少なくとも６０％など、少なくとも１５％の気孔率を含み得る。セパレーター１６は、８５％以下、または８０％以下など、９０％以下の気孔率を含み得る。セパレーター１６は、２０～８５％、または２５～８０％など、１５～９０％の気孔率を含み得る。

【0076】

セパレーター１６は、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ ＡｕｔｏＰｏｒｅ Ｖ９６００ポロシメーターを使用して決定される、少なくとも０．０７μｍなど、少なくとも０．０５μｍの平均孔径を含み得る。セパレーター１６は、０．８μｍ以下、０．６μｍ以下、０．１５μｍ以下、または０．１１μｍ以下など、１．０μｍ以下の平均孔径を含み得る。セパレーター１６は、０．０５μｍ～０．８μｍ、０．０５μｍ～０．６μｍ、０．０５μｍ～０．１５μｍ、または０．０７μｍ～０．１１μｍなど、０．０５μｍ～１．０μｍの平均孔径を含み得る。

【0077】

セパレーター１６は、ＡＳＴＭ Ｄ８８２引張試験によって決定される、少なくとも２００ＭＰａ、または少なくとも３００ＭＰａなど、少なくとも１８０ＭＰａの靭性を含み得る。セパレーター１６は、１０００ＭＰａ以下、または６００ＭＰａ以下など、１２５０ＭＰａ以下の靭性を含み得る。セパレーター１６は、２００～１０００ＭＰａ、または３００～６００ＭＰａなど、１８０～１２５０ＭＰａの靭性を含み得る。

【0078】

セパレーター１６は、ＡＳＴＭ Ｄ８８２引張試験によって決定される、少なくとも２５ＭＰａなど、少なくとも２０ＭＰａの引張応力を含み得る。セパレーター１６は、３５ＭＰａ以下など、４０ＭＰａ以下の引張応力を含み得る。セパレーター１６は、２５～３５ＭＰａなど、２０～４０ＭＰａの引張応力を含み得る。

【0079】

セパレーター１６は、ＡＳＴＭ Ｄ８８２引張試験によって決定される、少なくとも１４ＭＰａなど、少なくとも１０ＭＰａの引張歪を含み得る。セパレーター１６は、２７ＭＰａ以下など、３０ＭＰａ以下の引張歪を含み得る。セパレーター１６は、１４～２７ＭＰａなど、１０～３０ＭＰａの引張歪を含み得る。

【0080】

引き続き図１を参照すると、セパレーター１６は本明細書に記述されるように電気化学デバイス１０に配置され得る。一部の非限定的な実施形態または態様では、セパレーター１６は、二次（再充電可能）電池（電気化学デバイス１０の形態）に配置され得る。セパレーター１６を含む二次電池は、カルコゲンを含むカソード１２などの本明細書に記述のカソード１２を含み得る。セパレーター１６を含む二次電池は、ＩＡ族からのアルカリ金属、ＩＩＡ族からのアルカリ土類金属、ＩＩＩＡ族からの元素、および／またはいくつかのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むアノード１４（例えば、リチウムアノード）など、本明細書に記述されるアノード１４を含み得る。セパレーター１６を含む二次電池は、本明細書に記述される電解質１８を含み得る。セパレーター１６を含む二次電池は、アノード１４からカソード１２を分離するように配置されたセパレーター１６を含み得る。

【0081】

図１および２を参照すると、電気化学デバイス１０は二次（再充電可能）電池を含み得る。二次電池は、（例えば、電池の使用によって）少なくとも部分的に電池を放電することによって、続いて（例えば、充電器２０を使用して）少なくとも部分的に電池を充電することによって、使用され得る。二次電池は、寄生状態を示す前に、少なくとも５サイクル、少なくとも１０サイクル、少なくとも１５サイクル、または少なくとも２０サイクルなど、少なくとも２サイクルを実施し得る。二次電池は、寄生状態を示す前に、５～４５サイクルなど、１０～４５サイクルなど、２～４５サイクルを実施し得る。

【0082】

本明細書で使用される「サイクル」は、充電イベントに続く放電イベントを指し（図２を参照）、例外として、第１のサイクルは、完全に充電された電気化学デバイスが放電されることのみを含む。「故障までのサイクル」または「寄生状態を示す前のサイクル数」とは、電気化学デバイスが寄生状態を示すのに要するサイクル数を指す。寄生状態は、電気化学デバイスのクーロン効率が１００％未満に落ちる１サイクル前のサイクル数として定義される。クーロン効率は、式１または式２で定義される：
式１。クーロン効率（％）＝（放電容量／充電容量）×１００、または、
式２。クーロン効率（％）＝（比放電容量／比充電容量）×１００
（式中、比放電容量および比充電容量は、電気化学デバイスの放電／充電容量を活物質のグラムで割ることによって決定される）。

【0083】

例えば、二次電池は、寄生状態を示す前に二次電池が再充電するのと同数のサイクルだけ非寄生サイクル状態２２を示すことがあり、二次電池は、二次電池が寄生状態を示す最初のサイクルで寄生状態２４を示すことがある。例えば、図２のグラフで実施され示される試験では、二次電池は非寄生サイクル状態２２を示す１２サイクルを実施し、１３番目のサイクルで寄生状態２４を示した。

【0084】

一部の非限定的な実施形態または態様では、本明細書に記述の二次電池の形態にある電気化学デバイス１０を用意することによって、二次電池はサイクルされ得る。二次電池は、少なくとも部分的に放電され得、その後少なくとも部分的に充電され得る。二次電池は、本明細書に記述されるサイクル様式で放電され充電され得、このサイクルは、充電ステップ中に二次電池が少なくとも寄生状態を示すまで繰り返され得る。

【0085】

二次電池は、２０３２コインセル電池などのコインセル電池を含み得る。こうしたコインセル電池は、以下により下部から上部へ製作され得る：負極ケースの蓋の中に、２枚のステンレス鋼スペーサー（例えば、厚さ５００μｍおよび直径１８ｍｍ）、１枚のリチウム金属ディスク（例えば、厚さ２５０μｍおよび直径１６ｍｍ）を積み重ね、電解質（例えば、２００μｌ）を添加し、セパレーター（例えば、直径２０ｍｍ）を配置し、追加の電解質（例えば、１００μｌ）を添加し、カソードを配置し、ステンレス鋼スペーサー（例えば、厚さ５００μｍおよび直径１８ｍｍ）、ウェーブスプリング、および正極ケースを積み重ね、続いて（例えば、ＭＴＩ ＭＳＫ－１１０油圧クリンパを使用して）圧力１，０００ｐｓｉまで圧着し、続いて圧着圧力を解放する。

【実施例0086】

以下の実施例は、本開示の一般的な原理を実証するために示される。本開示は、示された特定の実施例に限定されると考えるべきではない。

【0087】

実施例１～２３
二次電池の形態にある実施例の電気化学デバイスを、表１～２に示す以下の特性を有するポリマー性セパレーターを使用して調製した。二次電池は、前に記述のように調製したコインセル電池であった。電気化学デバイスで使用するアノードは、厚さ２５０μｍのリチウムディスクであった。電気化学デバイスで使用する電解質は、溶媒系電解質であった。電気化学デバイスで使用するカソードは、炭素－硫黄複合材料を含んだ。

【表1】

【表2】

【0088】

表１～２からの特性および結果に基づいて、回帰分析をデータに関して実施し、どの特性、複数の特性、および／または特性の組み合わせが、寄生状態を示す前のサイクル数に最も影響を及ぼすか決定した。回帰分析では、各独立変数（例えば、セパレーターの特性）のＰ値によって、変数が従属変数（例えば、寄生状態を示す前のサイクル）と相関性を有さないという帰無仮説を検定する、線形回帰分析を実施した。変数のＰ値が有意水準より小さく、例えば０．０１以下である場合、回帰線の勾配はゼロではなく、故に従属変数と独立変数の間に有意な直線関係があることを９９％の信頼度で示すことになる。

【0089】

最初の線形回帰は、セパレーターの気孔率、孔径、厚さ（ｍｍ）、粗さ、および動摩擦係数による、寄生状態を示す前のサイクルへの有意性を試験し、以下の式を得た。表３は、各特性に関連付けられた係数およびそのＰ値も示している。

【0090】

式：魚鱗カソード寄生（Ｆｉｓｈ Ｓｃａｌｅ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｐａｒａｓｉｔｉｃ）＝４３．１－０．８６３気孔率＋６４０孔径＋０．９９６厚さ－０．００３７９粗さ－５２．６動摩擦係数。最初の線形回帰は、６３．７９のＲ－２乗値を有した。

【表3】

【0091】

表３からのＰ値は、セパレーターの動摩擦係数と寄生状態を示す前のサイクルとの間の強い相関性を示した。

【0092】

２回目の線形回帰は、セパレーターの厚さ（ｍｍ）、破断時伸び、靭性（ＭＰａ）、および弾性率（ＭＰａ）による、寄生状態を示す前のサイクルへの有意性を試験し、以下の式を得た。表４は、各特性に関連付けられた係数およびそのＰ値も示している。

【0093】

式：魚鱗カソード寄生＝２０．９５＋１．３６９厚さ－０．０５９９伸び＋０．０４６７靭性－０．１６１９弾性率。２回目の線形回帰は、５６．３３のＲ－２乗値を有した。

【表4】

【0094】

表４からのＰ値は、セパレーターの弾性率および／または厚さと、寄生状態を示す前のサイクルとの間の強い相関性を示した。

【0095】

３回目の線形回帰は、セパレーターの気孔率、孔径、動摩擦係数、および破断時伸びによる、寄生状態を示す前のサイクルへの有意性を試験した。この３回目の線形回帰では、実施例１～７および１１～２３からのデータのみを使用した（実施例１～７および１１～２３と比較して、著しく高い破断時伸び、伸び／厚さ、および靭性値を有した実施例８～１０を省いた）。下の式を得た。表５は、各特性に関連付けられた係数およびそのＰ値も示している。

【0096】

式：魚鱗カソード寄生＝－８９７＋１５．５４気孔率－１９６４孔径＋８８．７動摩擦係数＋０．１１８３伸び。３回目の線形回帰は、６８．２５のＲ－２乗値を有した。

【表5】

【0097】

表５からのＰ値は、セパレーターの破断時伸びと寄生状態を示す前のサイクルとの間の強い相関性を示した。セパレーターの厚さおよびセパレーターの破断時伸びと寄生状態を示す前のサイクルとの間の強い相関性を示すデータのために、伸び：厚さの比と寄生状態を示す前のサイクルとの間に強い相関性があることも予想される。

【0098】

実験データは、ポリエチレンセパレーター（例えば、線状ポリマー）は、ポリプロピレンセパレーター（例えば、非線状ポリマー）と比較して、改善されたサイクルを達成したことも示している。

【0099】

現在最も実用的であり好ましい実施形態または態様であると考えられるものに基づいて、例証の目的で本開示の主題を詳細に記述してきたが、こうした詳細は単にその目的に向けたものであり、本開示の主題は本開示の実施形態または態様に限定されず、それどころか、添付特許請求の範囲の趣旨および範囲内にある修正および等価なアレンジを包含する意図であると理解されたい。例えば、本明細書で開示される主題は、可能な範囲で、任意の実施形態または態様の１つまたは複数の特徴を他の任意の実施形態または態様の１つまたは複数の特徴と組み合わせることができることを、意図していることを理解されたい。

【符号の説明】

【0100】

１０ 電気化学デバイス
１２ カソード
１４ アノード
１６ セパレーター
１８ 電解質
２０ 充電器
２２ 非寄生サイクル状態
２４ 寄生状態

【図1】

【図2】

【外国語明細書】