特表 2023-508760 リチウムイオンバッテリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-03

(54)【発明の名称】リチウムイオンバッテリ

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/052 20100101AFI20230224BHJP

   H01M 4/38 20060101ALI20230224BHJP

   H01M 4/36 20060101ALI20230224BHJP

   H01M 4/62 20060101ALI20230224BHJP

   H01M 4/525 20100101ALI20230224BHJP

   H01M 4/505 20100101ALI20230224BHJP

   H01M 10/0568 20100101ALI20230224BHJP

   H01M 50/107 20210101ALI20230224BHJP

   H01M 4/134 20100101ALI20230224BHJP

【ＦＩ】

H01M10/052

H01M4/38 Z

H01M4/36 A

H01M4/36 B

H01M4/62 Z

H01M4/36 C

H01M4/36 E

H01M4/525

H01M4/505

H01M10/0568

H01M50/107

H01M4/134

【審査請求】有

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2022555905

(86)(22)【出願日】2021-02-10

(85)【翻訳文提出日】2022-11-04

(86)【国際出願番号】 IB2021051096

(87)【国際公開番号】W WO2021191695

(87)【国際公開日】2021-09-30

(31)【優先権主張番号】16/827,365

(32)【優先日】2020-03-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】519445152

【氏名又は名称】テクトロニック コードレス ジーピー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｅｃｈｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｒｄｌｅｓｓ ＧＰ

【住所又は居所原語表記】１００ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｗａｙ Ａｎｄｅｒｓｏｎ ＳＣ ２９６２１ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100196449

【弁理士】

【氏名又は名称】湯澤 亮

(72)【発明者】

【氏名】ファトゥー、デニス ガストン

(72)【発明者】

【氏名】スブラマニアン、アディティア

【テーマコード（参考）】

5H011

5H029

5H050

【Ｆターム（参考）】

5H011AA03

5H029AJ03

5H029AK03

5H029AL11

5H029AL18

5H029AM07

5H029BJ02

5H029BJ04

5H029CJ08

5H029HJ01

5H029HJ04

5H029HJ05

5H029HJ17

5H029HJ19

5H050AA08

5H050BA17

5H050CA08

5H050CB11

5H050CB29

5H050EA08

5H050EA23

5H050GA10

5H050HA01

5H050HA04

5H050HA05

5H050HA17

5H050HA19

(57)【要約】

【解決手段】 高エネルギー密度を有するリチウムイオンバッテリ構成を提供するシステム及び方法が開示される。実施形態は、３０～８５重量％のシリコンを含むアノードを備えるリチウムイオンバッテリを提供し、それによってリチウムイオンバッテリの高いエネルギー密度及び高いＮ：Ｐ比を促進する。高いＮ：Ｐ比は、リチウムイオンバッテリの迅速な充電及び低温充電能力を更に可能にする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

３０重量％超のシリコンを含むアノードと、
リチウム金属酸化物を含むカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質とを含むリチウムイオンバッテリ（ＬｉＢ）であって、
少なくとも８００Ｗｈ／Ｌのエネルギー密度を有するように構成される、リチウムイオンバッテリ。

【請求項2】

前記リチウムイオンバッテリが１．２超のＮ：Ｐ比を有し、前記Ｎ：Ｐ比が前記アノード対前記カソードの面積容量比を表わす、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項3】

１．２～４．０の範囲のＮ：Ｐ比を有する、請求項２に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項4】

前記アノードが３１～８５重量％のシリコンを含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項5】

前記アノードがシリコンナノワイヤー、炭素に封入されたシリコン、シリコン－グラフェンブレンド、前記アノード上のシリコンの膨張を軽減するように構成されたシリコンと弾性ポリマーとの混合物、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項6】

前記シリコンナノワイヤーが、１００～１０００ｎｍの範囲の平均直径を有する、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項7】

前記シリコンナノワイヤーがスズ、ゲルマニウム、鉄、アルミニウム、マグネシウム、又はそれらの任意の組合せなどのドーパントを更に含む、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項8】

炭素に封入された前記シリコンが、０．１～４の範囲のシリコン対炭素重量比を有する、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項9】

炭素に封入された前記シリコンが０．５～１０μｍの平均直径を有する、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項10】

前記弾性ポリマーがポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項11】

前記シリコン－グラフェンブレンドが、０．５～４の範囲のシリコン対グラフェン重量比を有する、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項12】

前記アノードが、前記シリコン上にコートされるか又は前記シリコンと混合される炭素系材料を更に含む、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項13】

前記炭素系材料が黒鉛、グラフェン、又は他の炭素系材料を含む、請求項１２に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項14】

前記炭素系材料と混合された前記シリコンが、１０～３０μｍの範囲の厚さを有する、請求項１２に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項15】

前記アノードの前記シリコンが、スズ、アンチモン、ゲルマニウム、又はそれらの任意の組合せを含む二次材料と混合される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項16】

前記二次材料が、１００：１～１：１００のシリコン対二次材料の重量比でシリコンと混合される、請求項１５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項17】

前記アノードが、３４００～４２００ｍＡｈ／ｇの間の容量／単位体積を有するように構成される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項18】

前記リチウム金属酸化物がニッケルを含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項19】

前記リチウム金属酸化物がＬｉ_ａＮｉ_ｘＡ_ｙＢ_ｚＯ_２（式中、ａ≧１、ｘ≧０．５、ｙ＋ｚ＝１－ｘ）の式を有する、請求項１８に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項20】

Ａが、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、及びそれらの組合せからなる群から選択され、Ｂが、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ａｌ、及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１９に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項21】

ｘ：ｙ：ｚの比が、６：２：２、８：１：１、及び９：０．５：０．５からなる群から選択される、請求項１９に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項22】

前記カソードの前記リチウム金属酸化物が、コア－シェル勾配構造物の外側シェルからコアへとＮｉの濃度が増加する前記コア－シェル勾配構造物中に存在する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項23】

前記電解質が難燃性である、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項24】

前記難燃性電解質がイオン性液体を含む、請求項２３に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項25】

前記イオン性液体がカチオン及びアニオンを含み、前記カチオンがイミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、又はそれらの任意の組合せを含み、前記アニオンが臭化物、塩化物、ヨウ化物、リン酸塩、ＢＦ４－、ＰＦ６－、ＴＦＳＩ－、ＦＳＩ－、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項２４に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項26】

２５０Ｗｈ／ｋｇ超のエネルギー密度を有する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項27】

２５０～４５０Ｗｈ／ｋｇの範囲のエネルギー密度を有する、請求項２６に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項28】

円筒形態、角柱形態、又はパウチ形態である、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項29】

２１７００円筒形セル形態において６Ａｈの容量を有するように構成される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項30】

前記６Ａｈの２１７００セル形態の前記リチウムイオンバッテリが、連続で約３０Ａの放電率能力及び２秒間１００Ａのパルス電力能力を有するように構成される、請求項２９に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項31】

電動工具に電力を供給するように構成される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【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、２０２０年３月２３日に出願された、米国特許出願第１６／８２７，３６５号の優先権の利益を主張するものであり、同出願は、全体として参照により本明細書に援用される。

【0002】

本発明は一般的にバッテリに関する。より詳しくは、本発明は、高電力及び高エネルギー密度並びに高熱安定性を提供するように構成されたリチウムイオンバッテリに関する。

【背景技術】

【0003】

様々な形のバッテリの使用は、今日の世界でほとんどどこにでも存在するようになった。電動工具（例えば、ドリル、のこぎり、草刈り機、送風機、研磨機など）、小型電気製品（例えば、ミキサ、ブレンダ、コーヒーグラインダなど）、通信デバイス（例えば、スマートフォン、パーソナル・デジタル・アシスタントなど）、及びオフィス機器（例えば、コンピュータ、タブレット、プリンタなど）などの、ポータブル又はコードレスデバイスがますます普及しているので、様々な化学的性質及び構成のバッテリ技術の使用は、普通である。

【0004】

リチウムイオンバッテリ（ＬｉＢ）構成は、ポータブルデバイス又はコードレスデバイス、及び電気自動車に対して使用するために近年好評を得ている。ＬｉＢは、ＮｉＣｄなどのバッテリ構成ほど安定していない化学的性質（例えば、可燃性電解質を含有する）を場合によっては提供するが、それにもかかわらず、多くの再充電可能バッテリ構成（例えば、ＮｉＣｄ及びＮｉＭＨ（ニッケル金属水素化物））よりも高いエネルギー密度及びより低い毒性レベルを有し、典型的に復元効果を有さず、低自己放電を受け、したがって現在のポータブルデバイス又はコードレスデバイスに一般的に利用される再充電可能バッテリ構成を提供する。

【0005】

ポータブルデバイス又はコードレスデバイスのサイズ及び重量はしばしば重要な問題である。バッテリパックの形態の複数の単一バッテリをしばしば備える、オンボード再充電可能バッテリシステムのサイズ及び重量はしばしばポータブルデバイス又はコードレスデバイスの全サイズ及び／又は重量にかなり寄与するので、再充電可能バッテリのサイズ及び重量は、ホストデバイスの設計に重要になり得る。このようなサイズ及び重量問題は、ホストポータブルデバイス又はコードレスデバイス、又は電気自動車の有効且つ所望の使用を可能にする十分な電力の蓄積及び供給の必要性と相殺される。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

現在入手可能なリチウムイオンバッテリは、いくつかの欠点がある。例えば、最も一般的に使用されるアノード材料の１つとして黒鉛は、その制限された容量／単位体積及び／又は／単位重量のためにリチウムイオンバッテリのエネルギー密度の著しい改良を妨げる主な制限要因の１つになっている。例えば、１００％完全リチウム化黒鉛は１００％完全リチウム化シリコンの３４００～４２００ｍＡｈ／ｇと比較して３３０～３７２ｍＡｈ／ｇの容量を有するが、バッテリ製造分野においてこれらの材料を利用する方法がその全容量を構成するということにならない。より高いエネルギー密度を有するバッテリに対する需要が増え続けているので、シリコンなどの、ずっとより高い容量を有する他の材料がアノード容量を改良するために黒鉛への添加剤として使用されている。しかしながら、シリコンは、リチウムイオンバッテリのアノードにおいて使用される場合、バッテリが充電されるときにかなり（３００％まで）膨張する傾向があり、シリコンの膨張を吸収する余分のバッテリ体積が必要となり、バッテリ又はバッテリセルの限られた空間内でのアノードの膨張はバッテリ又はバッテリセルの構造的完全性、衝撃性能及びエネルギー密度をそれぞれ損なう可能性があるので、これは安全性の問題を引き起こす。更にアノード中のシリコンの膨張は、接着性の問題を生じ得、アノード中で余分のバインダーを使用する必要が生まれる。現在入手可能なリチウムイオンバッテリのアノードは一般的に、これらの問題（例えば、シリコンの膨張による）を避けるために約３０重量％の最大シリコン濃度に抑えた。したがって、シリコンが３０重量％を超えるアノードは現在、リチウムイオンバッテリのエネルギー密度及び／又は電力密度を改良しようとするとき、まだ解決されていない設計上の制約を意味する。

【0007】

更に、現在入手可能なリチウムイオンバッテリは比較的遅い充電速度を有し、それは多くの分野においてそれらの適用を制限し得る。より具体的には、アノードにおいて使用される黒鉛は制限された容量／単位体積及び／単位重量を有するので、商用リチウムイオンバッテリにおいて１よりわずかに大きいＮ：Ｐ比（例えば、１．０５のＮ：Ｐ比）が一般的に使用され、アノード（黒鉛）の占有面積を制限する。カソード容量に対してアノード容量の過剰量を抑えることによって、現在入手可能なリチウムイオンバッテリは、過充電によって引き起こされる好ましくない効果を避けるためにゆっくりと充電されなければならない。現在入手可能なリチウムイオンバッテリの遅い充電の別の理由は、充電中、黒鉛アノードがリチウム還元電位に達し、それは迅速な充電プロセス及び／又は低温充電条件下でリチウムデンドライトを形成し得るということである。

【0008】

リチウムイオンバッテリに伴なう上記の問題の少なくとも一部の解決策は、３０～８５重量％のシリコン含有量を有するアノードを含むリチウムイオンバッテリを達成することが分かっており、これを可能にしている。とりわけ、シリコンは黒鉛よりもかなり高い容量／単位体積及び／単位重量を有するので、アノード中の高いシリコン含有量は、リチウムイオンバッテリ内のアノードの全体積及び／又は重量を低減するのに役立つことができる。これは、予め決められた容量に達するために必要とされるリチウムイオンバッテリの体積を少なくとも低減し、改良されたエネルギー密度をもたらすために有利であり得る。アノード中のシリコンの高い濃度は、低量のシリコンを含有するか又は実質的に含有しないアノードと比較してリチウムイオンバッテリのアノードの厚さの低減を更に容易にする。

【0009】

更に、開示されたリチウムイオンバッテリのアノードを形成するために利用されるシリコン材料は、バッテリが充電されるとき（又は充電しているとき）限られた体積膨張を示すように構成され、それによってシリコンの膨張を吸収する余分のバッテリ体積の必要性を抑え、バッテリの限られた空間内のシリコンの膨張によって引き起こされるリスクを低減し、リチウムイオンバッテリ内の８５重量％ものアノードのシリコン含有量を最終的に可能にする。例えば、シリコンが好ましい方向に沿ってだけ膨張し、したがってバッテリセル内の全膨張を制御する、直径対長さ比の高アスペクト比を有するシリコンナノワイヤー。また、グラフェンシートはシリコンの膨張粒子を抑えるための軟質膜として機能しているので、軟質グラフェンシートによって封入されるシリコン粒子を使用することもできる。また、アノード中に過剰なシリコンを組み込んで、シリコンが完全な体積膨張を開始するのを防ぐことができる。最後になったが、シリコン酸化物はシリコンと比較してより低い体積膨張があるがより低い容量を有するので、アノードの容量と体積膨脹とのバランスポイントを見出すためにアノード中のシリコンの少なくとも一部はシリコン酸化物の形態であり得る。

【0010】

更に、黒鉛の容量の約５～１０倍である、アノード中の高濃度のシリコンの使用は開示されたリチウムイオンバッテリの高いＮ：Ｐ比（陰極の容量対陽極の容量）をもたらすことができる。カソード容量を上回る過剰なアノード容量は、好ましくない効果の問題を最小限にして、リチウムイオンバッテリの迅速な充電及び／又は低温充電を促進することができる。シリコンの過剰なアノードは、アノードがリチウムめっき電位に達するのを防ぎ且つリチウムデンドライトの形成を防ぐのに役立つように構成される。更に、開示されたリチウムバッテリはイオン性液体を含む難燃性電解質を備えることができ、それによって開示されたリチウムイオンバッテリの安全性を高める。

【0011】

本発明の実施形態における、開示されたリチウムイオンバッテリは、限定されないが、電動工具、真空掃除機、芝道具及び庭道具、電気自動車、ポータブルスマートデバイスなどの様々なデバイスにおいて使用するために必要とされる安全基準を満たしながら、現在入手可能なリチウムイオンバッテリと比較してかなり改良されたエネルギー密度を示す。本発明の実施形態に従って、リチウムイオンバッテリは、少なくとも１．２～４のＮ：Ｐ比のために約０℃の低温並びに５Ｃ～１０Ｃまで（例えば、それぞれ、１２～６分以内の充電）及び約－２０℃の低温で４Ｃまで（すなわち１５分）の充電速度で充電することができ、それによって、低温環境で運転及び充電される必要があるデバイス及び／又は電気自動車内でリチウムイオンバッテリを使用することを更に可能にする。「充電速度（Ｃｈａｒｇｅ ｒａｔｅ）」は、電流として又は「Ｃレート」として定義することができる。したがって、開示されたリチウムイオンバッテリは、低いエネルギー密度、遅い充電速度、及び低温で再充電する能力がないことなどの上記の現在入手可能なリチウムイオンバッテリを超える技術的達成を提供する。

【0012】

以下には、本明細書の全体にわたって使用される様々な用語及び語句の定義が挙げられる。

【0013】

用語「約（ａｂｏｕｔ）」又は「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」は、当業者によって理解されるようにほぼ～と定義される。非限定的な一実施形態においてこの用語は、１０％以内、好ましくは、５％以内、より好ましくは、１％以内、及び最も好ましくは、０．５％以内であると定義される。

【0014】

用語「重量％（ｗｔ．％）」、「体積％（ｖｏｌ．％）」、又は「モル％（ｍｏｌ．％）」は、構成要素を含む材料の全重量、全体積、又は全モル数に基づいて、それぞれ、構成要素の重量、体積、又はモル百分率を意味する。非限定的な例において、材料１００モル中の構成要素１０モルは、構成要素１０モル％である。

【0015】

用語「実質的に」及びその別形態は、１０％以内、５％以内、１％以内、又は０．５％以内の範囲を含むと定義される。

【0016】

用語「抑制する（ｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇ）」又は「低減する（ｒｅｄｕｃｉｎｇ）」又は「防ぐ（ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ）」又は「避ける（ａｖｏｉｄｉｎｇ）」又はこれらの用語の任意の別形態は、クレーム及び／又は明細書において使用されるとき、所望の結果を達成するための任意の測定可能な減少又は完全な抑制を含む。

【0017】

用語「有効な」は、その用語が明細書及び／又はクレームにおいて使用されるとき、所望の、予想された、又は意図された結果を出すために十分な、を意味する。

【0018】

クレーム又は明細書中の「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」又は「有する（ｈａｖｉｎｇ）」と共に使用されるときに「ａ」又は「ａｎ」という語の使用は、「１つの（ｏｎｅ）」を意味し得るが、それはまた、「１つ以上の」、「少なくとも１つの」、及び「１つ又は２つ以上の」の意味と一致している。

【0019】

「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」（並びに「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などの含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）の任意の形態）、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」（並びに「有する（ｈａｖｅ）」及び「有する（ｈａｓ）」などの有する（ｈａｖｉｎｇ）の任意の形態）、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」（並びに「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」などの含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）の任意の形態）又は「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」（並びに「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」及び「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」などの含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）の任意の形態）という語は包括的又は非限定的（ｏｐｅｎ－ｅｎｄｅｄ）であり、追加の、記載されていない要素又は方法の工程を排除しない。

【0020】

本発明の方法は、明細書全体にわたって開示された特定の成分、構成要素、組成物等を「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「本質的に～からなる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」又は「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ）」ことができる。移行句「本質的に～からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」に対して、１つの非限定的な態様において、本発明の感圧接着剤の基本的且つ新規な特性は、選択された電磁線に応答してポリマー切断を開始するそれらの能力である。

【0021】

上記は、以下の本発明の詳細な説明がよりよく理解され得るように、本発明の特徴及び技術的利点をかなり大まかに概説した。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する、本発明の追加の特徴及び利点を以下に説明する。開示された概念及び具体的な実施形態が、本発明の同じ目的を遂行するための他の構造を修正又は設計するための基礎として容易に利用され得ることは、当業者によって認識されるべきである。同様に、そのような均等構成が、添付の特許請求の範囲に明記された本発明の趣旨及び範囲から逸脱しないことは、当業者によって了解されるべきである。本発明に特有であると考えられる新規な特徴は、その組織及び動作方法の両方に関して、さらなる目的及び利点とともに、添付図と関連して考慮されるとき、以下の説明からよりよく理解されるであろう。しかしながら、各図は、例示及び説明のみを目的として提供され、本発明の限定の定義として意図されていないことが明確に理解されるはずである。

【0022】

本発明のより完全な理解のために、ここで、添付図面と併用される以下の説明を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、本発明の実施形態によるリチウムイオンバッテリの略図を示す。

【図2】図２は、本発明の実施形態によるリチウムイオンバッテリのアノードのための基礎材料として使用され得るシリコンナノワイヤーの略図を示す。

【図3】図３は、リチウムイオンバッテリが充電されるか又は充電しているときに体積膨張を軽減するように構成されたシリコン「卵－卵黄」モデルの図解を示す。図３Ａは、「卵－卵黄」モデルのシリコン材料が放電されることを示す。図３Ｂは、「卵－卵黄」モデルのシリコン材料が充電されることを示す。

【図4】図４は、それぞれ放電時及び充電時の、本発明の実施形態によるリチウムイオンバッテリのアノードのためのグラフェン及び／又はポリマーによって封入されるシリコン粒子（シリコン塊状材料）の態様を示す。

【図5】図５は、コア部分からシェル部分の外部表面までニッケル勾配を有するリチウム金属酸化物のコア－シェル構成の略図を示す。

【図6】図６は、本発明の実施形態によるリチウムイオンバッテリを製造するための方法のフローチャート略図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

リチウムイオンバッテリは、リチウムイオンバッテリが提供する高いエネルギー密度及び電力密度のために様々なデバイス及び電気自動車において使用される。これらのデバイス及び電気自動車の性能及び出力は連続的に改良されるので、より高いエネルギー密度を有するバッテリに対する需要は急速に高まっている。しかしながら、アノードの低い容量及び限られた充電速度などのいくつかの問題が、改良されたリチウムイオンバッテリの開発における障害になっている。

【0025】

現在入手可能なリチウムイオンバッテリに見い出されるアノードのために最も一般的に使用される材料である黒鉛は比較的低い容量／単位体積及び／又は／単位重量を有し、これはバッテリセルの限られた空間内での電力容量を増加させる可能性を狭める。個々数年にわたって、黒鉛の容量／単位体積及び／又は／単位重量の５～１０倍を示すシリコンは、リチウムイオンバッテリのアノードの容量を改良するために黒鉛への添加剤として使用されている。しかしながら、これらの現在入手可能なリチウムイオンバッテリ内のシリコンは、バッテリが充電されるときにかなり膨張し、リチウムイオンバッテリ内の余分の体積が必要となり、バッテリ内のシリコンの膨張によって生じる安全性の問題を引き起こす。本発明は、現在入手可能なリチウムイオンバッテリに伴なう上述の問題の少なくとも一部の解決策を提供する。開示された解決策は、充電中に制限された又はごくわずかな体積膨張を示し、それによって安全性の問題を軽減し且つリチウムイオンバッテリ内のシリコンの膨張を吸収する余分のスペースの必要性を低減するように構成された、３０重量％超、好ましくは４０重量％超、及び８５重量％ものシリコンを含むアノードを備えるリチウムイオンバッテリを前提としている。

【0026】

本発明のこれらの及びその他の非限定的な態様は、以下の欄において更に詳細に考察される。

【0027】

Ａ．リチウムイオンバッテリ
本発明の実施形態では、リチウムイオンバッテリは、アノード、カソード、及び電解質を含む。リチウムイオンバッテリは、従来のリチウムイオンバッテリと比較してかなり改良されたエネルギー密度を有することができる。図１を参照して、リチウムイオンバッテリ１００の略図が示される。

【0028】

本発明の実施形態に従って、リチウムイオンバッテリ１００はアノード１０１を備える。アノード１０１は、シリコン系材料を含むアノード活性層１０２を備えることができる。シリコン系材料の非限定的な例には、シリコン、及びシリコン酸化物（ＳｉＯ_ｘ）が含まれ得る。いくつかの場合では、アノード１０１は３０重量％超のシリコン系材料を含む。いくつかの場合では、アノード１０１は、３０～８５重量％のシリコン系材料、及び３０～３５重量％、３５～４０重量％、４０～４５重量％、４５～５０重量％、５０～５５重量％、５５～６０重量％、６０～６５重量％、６５～７０重量％、７０～７５重量％、７５～８０重量％、及び８０～８５重量％の範囲などのその間の全ての範囲及び値を含むことができる。いくつかの他の態様では、アノード１０１は７５～８５重量％のシリコン系材料を含むことができる。アノード１０１のシリコン系材料は、リチウムイオンバッテリ１００が充電しているか又は充電されるときに５０体積％未満で膨張するように構成することができる。いくつかの態様では、シリコンを含むアノード１０１は、アノード１０１において使用されるシリコン材料の種類に応じて、全充電プロセスの間に５０～１００体積％膨張することができる。本発明の実施形態では、シリコン系材料３０～８５重量％を含むアノード１０１は、シリコンを含まない黒鉛アノードと比較して１０倍までのアノード容量、及び３０重量％のシリコン濃度を有する黒鉛アノードと比較して５倍までのアノード容量を有するように構成することができる。いくつかの場合では、３０重量％のシリコンを有するアノード１０１は、７００ｍＡｈ／ｇまでの容量を有することができ、８５重量％のシリコンを有するアノード１０１は、３４００ｍＡｈ／ｇの容量を有することができ、それは黒鉛の容量の１０倍である。

【0029】

いくつかの態様では、アノード１０１のシリコン系材料には、シリコンナノワイヤー（図２に示される）、炭素に封入されたシリコン（図４Ａ及び４Ｂに示される）、シリコンとグラフェンのブレンド、シリコンと弾性ポリマーとの混合物、シリコン酸化物、又はそれらの任意の組合せが含まれ得る。アノード１０１のシリコンナノワイヤーは、その上に堆積されるドーパントを更に含むことができる。ドーパントの非限定的な例には、スズ、ゲルマニウム、鉄、アルミニウム、マグネシウム、又はそれらの任意の組合せが含まれ得る。不動態化剤はナノ粒子の形態であり得る。いくつかの態様では、シリコンナノワイヤーは、１００～１０００ｎｍの範囲及びその間の全ての範囲及び値の平均直径を有することができる。いくつかの場合では、アノード１０１のシリコンナノワイヤーは、エッチング、化学的蒸着、物理的蒸着、沈殿、及び／又は融蝕によって製造することができる。

【0030】

いくつかの態様では、アノード１０１のシリコン系材料は、図３Ａ及び３Ｂに示される「卵－卵黄」モデルに従う「卵－卵黄」構成において構成することができる。図３Ａに示されるように、「卵－卵黄」構成を有するシリコン系材料は、その内側部分にキャビティを有することができる。リチウムイオンバッテリ１００が充電されるとき、キャビティは、全体積を実質的に変化させないままで、収縮してシリコンの膨張を吸収することができる（例えば、シリコンの全径Ｒ_１は、図３Ａ及び３Ｂに示されるように、充放電されるときに実質的に同じであり得る）。リチウムイオンバッテリ１００が放電されるとき、シリコンの膨張は実質的に逆になり得、キャビティは実質的にその原寸に回復することができる。

【0031】

いくつかの態様では、アノード１０１のシリコン系材料は、炭素に封入されたシリコンを含むことができ、炭素に封入されたシリコンは、０．５～１０μｍの平均直径及び０．５～１μｍ、１～１．５μｍ、１．５～２．０μｍ、２．０～２．５μｍ、２．５～３．０μｍ、３．０～３．５μｍ、３．５～４．０μｍ、４．０～４．５μｍ、４．５～５．０μｍ、５．０～５．５μｍ、５．５～６．０μｍ、６．０～６．５μｍ、６．５～７．０μｍ、７．０～７．５μｍ、７．５～８．０μｍ、８．０～８．５μｍ、８．５～９．０μｍ、９．０～９．５μｍ、９．５～１０μｍの範囲などのその間の全ての範囲及び値の平均直径を有するシリコン粒子（シリコン塊状材料）を含むことができる。炭素に封入されたシリコンは、０．１～４の範囲並びに０．１～０．４、０．４～０．８、０．８～１．２、１．２～１．６、１．６～２．０、２．０～２．４、２．４～２．８、２．８～３．２、３．２～３．６、及び３．６～４．０の範囲などのその間の全ての範囲及び値の全シリコン対炭素の重量比を有することができる。シリコンを封入する炭素は、黒鉛、グラフェン、炭素灰、又はそれらの任意の組合せを含むことができる。本発明の実施形態では、炭素に封入されたシリコンは、エッチング、化学的蒸着（ＣＶＤ）、物理的蒸着（ＰＶＤ）、沈殿、及び融蝕によって製造される。図４Ａ及び４Ｂに示されるように、リチウムイオンバッテリ１００が充電されるとき、グラフェン及び／又はポリマー封入層はシリコンの膨張を抑制するように構成され得、リチウムイオンバッテリ１００のシリコンの膨張の軽減をもたらすことができる。リチウムイオンバッテリ１００が放電されるとき、シリコン粒子及びグラフェン及び／又はポリマー封入層は、それらの元の形状を実質的に回復し得る。

【0032】

いくつかの態様では、アノード１０１のシリコン系材料はシリコン－グラフェンブレンドを含むことができ、シリコン－グラフェンブレンドは、０．１～４の範囲のシリコン対グラフェン重量比並びに０．１～０．４、０．４～０．７、０．７～１、１～１．３、１．３～１．６、１．６～１．９、１．９～２．２、２．２～２．５～２．８、２．８～３．１、３．１～３．４、３．４～３．７、及び３．７～４．０の範囲などのその間の全ての範囲及び値のシリコン対グラフェン重量比を有することができる。いくつかの場合では、シリコン－グラフェンブレンドは、０．５～１０μｍの平均粒度並びに０．５～１．０μｍ、１．０～２．０μｍ、２．０～３．０μｍ、３．０～４．０μｍ、４．０～５．０μｍ、５．０～６．０μｍ、６．０～７．０μｍ、７．０～８．０μｍ、８．０～９．０μｍ、及び９．０～１０μｍの範囲などのその間の全ての範囲及び値の平均粒度を有することができる。シリコン－グラフェンブレンドのシリコン粒子は、性質において単峰性又は二峰性であり得る。シリコン－グラフェンブレンドのシリコン粒子は、球形、楕円形、円筒形、直交形、又はそれらの組合せであり得る。

【0033】

いくつかの態様では、アノード１０１のシリコン系材料は、０．５～６の範囲のシリコン対ポリマー重量比並びに０．５～１、１～１．５、１．５～２．０、２．０～２．５、２．５～３．０、３．０～３．５、３．５～４．０、４．０～４．５、４．５～５．０、５．０～５．５、及び５．５～６．０の範囲などのその間の全ての範囲及び値のシリコン対ポリマー重量比を有するシリコンと弾性ポリマーとの混合物を含むことができる。弾性ポリマーの非限定的な例には、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、及びそれらの組合せが含まれ得る。いくつかの場合では、シリコンと弾性ポリマーとの混合物は、球形及び／又は楕円形粒子を有する粉末形態である。本発明の実施形態では、シリコンと弾性ポリマーとの混合物は、沈殿、混合、ベーキング、及び／又はそれらの任意の組合せによって製造される。本発明の実施形態では、シリコン粒子の封入は、シリコンナノ粒子の形状を変化させない場合がある。

【0034】

本発明の実施形態では、アノード活性層１０２は、炭素系材料を更に含む。炭素系材料をシリコン系材料と混合することができ、及び／又はシリコン系材料の上にコートすることができる。炭素系材料は、膨張を防ぎ及び／又はシリコン系材料の導電率を改良するように構成される。炭素系材料の非限定的な例には、黒鉛、グラフェン、炭素灰、及びそれらの組合せが含まれ得る。いくつかの場合では、炭素系材料は、沈殿、混合、ベーキング、ＣＶＤ、ＰＶＤ、又はそれらの任意の組合せによってシリコン上にコートされ得る。いくつかの場合では、シリコン系材料の上の炭素系材料のコーティングは、５～１０００ｎｍの範囲並びに５～１０ｎｍ、１０～２０ｎｍ、２０～３０ｎｍ、３０～４０ｎｍ、４０～５０ｎｍ、５０～６０ｎｍ、６０～７０ｎｍ、７０～８０ｎｍ、８０～９０ｎｍ、９０～１００ｎｍ、１００～２００ｎｍ、２００～３００ｎｍ、３００～４００ｎｍ、４００～５００ｎｍ、５００～６００ｎｍ、６００～７００ｎｍ、７００～８００ｎｍ、８００～９００ｎｍ、及び９００～１０００ｎｍの範囲などのその間の全ての範囲及び値の厚さを有することができる。本発明の実施形態では、アノード１０１中のシリコン系材料は、二次材料と更に混合される。二次材料の非限定的な例には、スズ、アンチモン、ゲルマニウム、及びそれらの組合せが含まれ得る。二次材料は、１：１００～１００：１のシリコン対二次材料の重量比及びその間の全ての範囲及び値でシリコンと混合され得る。

【0035】

本発明の実施形態では、アノード１０１は、第１の金属層１０３を含む。第１の金属層１０３は、金属シート及び／又は金属箔を含むことができる。いくつかの場合では、第１の金属層１０３は銅を含む。本発明の実施形態では、シリコン系材料及び／又は炭素系材料を含むアノード活性層１０２は、第１の金属層１０３の一方の表面又は両方の表面上にコートされる。いくつかの態様では、アノード活性層１０２は第１の金属層１０３上にコートされる。アノード活性層１０２の厚さは、アノード１０１の目標容量に基づいて決定することができる。いくつかの場合では、第１の金属層１０３上のアノード活性層１０２の厚さは、１０～５０μｍの範囲並びに１０～１２μｍ、１２～１４μｍ、１４～１６μｍ、１６～１８μｍ、１８～２０μｍ、２０～２２μｍ、２２～２４μｍ、２４～２６μｍ、２６～２８μｍ、２８～３０μｍ、３０～３２μｍ、３２～３４μｍ、３４～３６μｍ、３６～３８μｍ、３８～４０μｍ、４０～４２μｍ、４２～４４μｍ、４４～４６μｍ、４６～４８μｍ、及び４８～５０μｍの範囲などのその間の全ての範囲及び値であり得る。いくつかの態様では、アノード活性層１０２は、ドクターブレード、スロットダイコーター、コンマコーター、又はそれらの任意の組合せの方法によって第１の金属層１０３上にコートされる。

【0036】

本発明の実施形態に従って、リチウムイオンバッテリ１００は、カソード１１０を含む。本発明の実施形態におけるカソード１１０は、リチウム金属酸化物を含むカソード活性層１１２を備える。いくつかの態様では、カソード１１０のリチウム金属酸化物は、Ｌｉ_ａＮｉ_ｘＡ_ｙＢ_ｚＯ_２（式中、ａ≧１、ｘ≧０．５、ｙ＋ｚ＝１－ｘ）の式を有することができる。Ａの非限定的な例には、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びそれらの組合せが含まれ得る。Ｂの非限定的な例には、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びそれらの組合せが含まれ得る。いくつかの場合では、ｘ：ｙ：ｚの比は６：２：２、８：１：１、又は９：０．５：０．５であり得る。ｘ：ｙ：ｚの比は、限定によってではなく、説明目的のために提供された前述の３つの実施例に限定されないことは理解されるはずである。いくつかの場合では、カソード１１０は、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルト酸化物、又はリチウム、ニッケル、コバルト、アルミニウム酸化物を含む。いくつかの他の場合では、カソード１００は、酸化リチウムニッケル、又は酸化リチウムマンガンを含む。

【0037】

いくつかの態様では、カソード１１０のリチウム金属酸化物は、図５に示されるように、コア－シェル勾配構造物の外側シェルからコアへとＮｉの濃度が増加するコア－シェル勾配構造物中に存在する。いくつかの場合では、図５に示されるように、カソード１１０のリチウム金属酸化物のコア－シェル構造物のコア部分は、８０重量％までのＮｉを含むことができ、シェル部分のＮｉ濃度は、シェル部分の内層中約８０重量％までからシェル部分の外層中３３重量％まで減少することができる。リチウム金属酸化物のコア－シェル勾配構造物は、共沈殿プロセスによって製造することができる。いくつかの態様では、リチウム金属酸化物は、ドーパント又は表面コーティングを含むことができる。ドーパント又は表面コーティングの非限定的な例には、炭素、ジルコニウム、アルミニウム、ゲルマニウム、及びそれらの組合せが含まれ得る。

【0038】

本発明の実施形態では、カソード１１０は第２の金属層１１３を備え、カソード活性層１１２は第２の金属層１１３の一方又は両方の面上にコートされる（第２の金属層１１３はカソード１１０において使用される金属層を意味し、用語「第２の」は、カソードの金属層１１３をアノードの第１の金属層から区別するために使用されると理解されるはずである。したがって用語「第２の」は、カソード１１０が２つの金属層を備えることを必要とすると理解されるべきではない）。いくつかの態様では、第２の金属層１１３はアルミニウムを含む。カソード活性層１１２は、第２の金属層１１３上に２０～１００ミクロン（第２の金属層１１３の各面につき）及びその間の全ての範囲及び値の厚さでコートされ得る。カソード活性層１１２は、第２の金属層１１３上にコンマコーター、スロットダイコーター、又はドクターブレードによってコートされ得る。

【0039】

本発明の実施形態に従って、リチウムイオンバッテリ１００は、アノード１０１とカソード１１０との間に配置された電解質を含む。電解質は難燃性電解質であり得る。いくつかの態様では、難燃性電解質はイオン性液体を含む。イオン性液体はプロトン性又は非プロトン性であり得る。イオン性液体はカチオン及びアニオンを含む。カチオンの非限定的な例には、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、ピペリジニウム、及びそれらの組合せが含まれ得る。アニオンの非限定的な例には、臭化物、塩化物、ヨウ化物、リン酸塩、ＢＦ_４ ^－、ＰＦ_６ ^－、ＴＦＳＩ^－、ＦＳＩ^－、及びそれらの組合せが含まれ得る。

【0040】

本発明の実施形態では、温度上昇に応答して、特定のイオン性化合物は、熱活性化の結果として液体になる。この状態での塩は、一般に、「融解塩」として示され、そのいくつかは、周囲温度で、更に非常に低温で液体のままである。いくつかの態様では、このような溶融塩は、「周囲温度イオン性液体」又は「イオン性液体」と呼ばれる。電解質のイオン性液体は、熱安定性を改良するように構成されると共に、限定されないが、火災又は爆発をもたらす短絡、過充電、クラッシュなどの安全問題を軽減する。

【0041】

本発明の実施形態に従って、リチウムイオンバッテリ１００は、アノード１０１とカソード１１０との間に配置されたセパレーター１２０を更に備え、アノード１０１とカソード１１０との間の接触を防ぐように構成される。セパレーター１２０は、ポリエチレン（ＰＥ）、及び／又はポリプロピレン（ＰＰ）を含むことができる。セパレーター１２０は、その機械的強度を改良するように構成された酸化アルミニウム、及び／又は酸化ジルコニウムなどのセラミックスでコートされ得る。本発明の実施形態に従って、リチウムイオンバッテリ１００は、アノード１０１、カソード１１０、セパレーター１２０、及び電解質を密閉するように構成されるハウジング１２１を備える。いくつかの態様では、ハウジング１２１は、ポリエチレン被覆アルミニウム、ニッケル被覆鋼、アルミニウム、鋼、又はそれらの任意の組合せを含むことができる。

【0042】

本発明の実施形態では、現在入手可能なリチウムイオンバッテリによって達成される５５０～６００Ｗｈ／Ｌの最大エネルギー密度と比較して、リチウムイオンバッテリ１００は、７５０～９００Ｗｈ／Ｌの範囲のエネルギー密度並びに７５０～７６０Ｗｈ／Ｌ、７６０～７７０Ｗｈ／Ｌ、７７０～７８０Ｗｈ／Ｌ、７８０～７９０Ｗｈ／Ｌ、７９０～８００Ｗｈ／Ｌ、８００～８１０Ｗｈ／Ｌ、８１０～８２０Ｗｈ／Ｌ、８２０～８３０Ｗｈ／Ｌ、８３０～８４０Ｗｈ／Ｌ、８４０～８５０Ｗｈ／Ｌ、８５０～８６０Ｗｈ／Ｌ、８６０～８７０Ｗｈ／Ｌ、８７０～８８０Ｗｈ／Ｌ、８８０～８９０Ｗｈ／Ｌ、及び８９０～９００Ｗｈ／Ｌの範囲などのその間の全ての範囲及び値のエネルギー密度を有するように構成される。エネルギー／キログラムに対して、リチウムイオンバッテリ１００は、２５０～４５０Ｗｈ／ｋｇの範囲のエネルギー密度並びに２５０～２６０Ｗｈ／ｋｇ、２６０～２７０Ｗｈ／ｋｇ、２７０～２８０Ｗｈ／ｋｇ、２８０～２９０Ｗｈ／ｋｇ、２９０～３００Ｗｈ／ｋｇ、３００～３１０Ｗｈ／ｋｇ、３１０～３２０Ｗｈ／ｋｇ、３２０～３３０Ｗｈ／ｋｇ、３３０～３４０Ｗｈ／ｋｇ、３４０～３５０Ｗｈ／ｋｇ、３５０～３６０Ｗｈ／ｋｇ、３６０～３７０Ｗｈ／ｋｇ、３７０～３８０Ｗｈ／ｋｇ、及び３８０～３９０Ｗｈ／ｋｇ、３９０～４００Ｗｈ／ｋｇ、４００～４１０Ｗｈ／ｋｇ、４１０～４２０Ｗｈ／ｋｇ、４２０～４３０Ｗｈ／ｋｇ、４３０～４４０Ｗｈ／ｋｇ、及び４４０～４５０Ｗｈ／ｋｇの範囲などのその間の全ての範囲及び値のエネルギー密度を有するように構成される。

【0043】

本発明の実施形態では、リチウムイオンバッテリ１００は、１．２～４の範囲及び１．２～１．６、１．６～２．０、２．０～２．４、２．４～２．８、２．８～３．２、３．２～３．６、及び３．６～４．０の範囲などのその間の全ての範囲及び値のＮ：Ｐ比（すなわち、陰極（アノード１０１）容量対陽極（カソード１１０）容量）を有することができる。Ｎ：リチウムイオンバッテリ１００の迅速な充電を促進するように高いＮ：Ｐ比が構成される。いくつかの態様では、リチウムイオンバッテリの迅速な充電は４～１０Ｃレートで行われ、それはそれぞれ、充電のための１５～６分に相当し、現在入手可能なバッテリ（例えば、現在入手可能な２１７００バッテリ）の５倍までの速さである。いくつかの態様では、２５℃での５０％の充電速度で－２０～０℃の低温範囲でのリチウムイオンバッテリ１００の充電を助長するようにリチウムイオンバッテリの高いＮ：Ｐ比が更に構成される。

【0044】

図１は円筒形セル形態のリチウムイオンバッテリを示すが、リチウムイオンバッテリ１００は、限定されないが、円筒形セル、角柱形セル、及びパウチセルなどの様々なセル構成であり得ることは理解されるはずである。いくつかの場合では、リチウムイオンバッテリ１００は、約２１ｍｍの直径及び約７０ｍｍの長さを有する、円筒形２１７００セル形態で構成することができる。いくつかの態様では、円筒形２１７００セル形態のリチウムイオンバッテリ１００は６Ａｈの電力容量を有することができる。現在入手可能な２１７００セル形態の電力容量の上限は４Ａｈであり、現在入手可能な２１７００セルが５Ａｈの電力容量に達するためにはかなりの調査研究を必要とする。したがって、本発明のリチウムイオンバッテリ１００は、現在入手可能なリチウムイオンバッテリを上回る著しい技術的達成を提供する。

【0045】

円筒形２１７００セル形態のリチウムイオンバッテリ１００は、１５ｍＯｈｍｓ未満の交流内部抵抗（ＡＣＩＲ）、及び２５ｍＯｈｍｓ未満の直流内部抵抗（ＤＣＩＲ）を有することができる。いくつかの態様では、６Ａｈの電力容量を有するリチウムイオンバッテリ１００の円筒形２１７００セルは、２秒間の間約３０Ａまでの常時電力の放電率能力及び１００Ａのパルス電力能力を有する。これは、２秒間の間３Ａの常時電力及び８Ａのパルス電力を最も良くて提供することができる、現在入手可能な２１７００リチウムイオンバッテリを上回る著しい改良を示す。

【0046】

いくつかの場合では、リチウムイオンバッテリ１００は、約１８ｍｍの直径及び約６５ｍｍの長さを有する、円筒形１８６５０セル形態で構成することができる。円筒形１８６５０セル形態のリチウムイオンバッテリは、２０ｍＯｈｍｓ未満のＡＣＩＲ、及び３０ｍＯｈｍｓ未満のＤＣＩＲを有することができる。２１７００及び１８６５０セル形態のリチウムイオンバッテリ１００の特性が説明されたが、同様な改良を提供するために実施形態を他のセル形態に組み込むこともでき、連続放電率、パルス放電率、電力容量（Ａｈ）、ＤＣＩＲ、及び／又はＡＣＩＲの特定の数値は特定のセル形態に応じて変化し得ることは理解されるはずである。いくつかの態様では、４Ａｈの電力容量を有するリチウムイオンバッテリ１００の円筒形１８６５０セルは、電圧又は温度遮断限界に達することなく連続で５Ｃまでの放電率能力並びに電圧又は温度遮断限界に全く達することなく１６Ｃまでのパルス電力を有する。

【0047】

いくつかの態様では、リチウムイオンバッテリ１００は、電動工具において使用されるように構成される。電動工具の非限定的な例には、ドリル、のこぎり、グラストリマー、ブロアー、及びサンダーが含まれ得る。リチウムイオンバッテリ１００の使用はそのように限定されないと理解されるはずである。本明細書のコンセプトに従って高電力及び高エネルギー密度を提供するように構成されたバッテリは、例えば、ポータブルスマートデバイス、ポータブル計算デバイス、電気自動車、バックアップ／無停電電源装置等のこのようなデバイスに電力供給するのに使用することができる。本発明の実施形態では、リチウムイオンバッテリ１００は、前述のデバイスにおいて使用されるために必要とされる安全基準を満たす。安全基準の非限定的な例には、ＵＮ／ＤＯＴ ３８．３，５^ｔｈＥｄｉｔｉｏｎ，Ａｍｅｎｄｍｅｎｔ １－Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ Ｄａｎｇｅｒｏｕｓ Ｇｏｏｄｓ，ＩＥＣ ６２１３３－２：２０１７－Ｓａｆｅｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｓｅａｌｅｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｔｈｉｕｍ ｃｅｌｌｓ，ａｎｄ ｆｏｒ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｍａｄｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅｍ，ｆｏｒ ｕｓｅ ｉｎ ｐｏｒｔａｂｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ－Ｐａｒｔ ２：Ｌｉｔｈｉｕｍ ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ ＵＬ ２０５４ ２^ｎｄＥｄｉｔｉｏｎ－Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ａｎｄ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓが含まれ得る。

【0048】

Ｂ．リチウムイオンバッテリの製造方法
本発明の実施形態では、３０～８５重量％のシリコン系材料を有するアノード１０１を含むことができる、前述のリチウムイオンバッテリ１００の製造方法が提供される。本発明の実施形態に従って、リチウムイオンバッテリ１００を製造するための方法２００（図６に示される）は、ブロック２０１に示されるように、リチウムイオンバッテリ１００のアノード１０１のシリコン系材料を製造する工程を含むことができる。

【0049】

いくつかの態様では、シリコン系材料はシリコンナノワイヤーを含み、ブロック２０１の製造工程は、エッチング、化学的蒸着、物理的蒸着、沈殿、及び／又は融蝕によってシリコンナノワイヤーを製造する工程を含む。いくつかの場合では、シリコンナノワイヤーの表面は、官能基で更に官能化される。官能基には、酸化物、窒化物基、又はそれらの任意の組合せが含まれ得る。シリコンナノワイヤーは、マグネシウム（Ｍｇ）などのドーパントを更に含むことができる。

【0050】

いくつかの態様では、シリコン系材料は、炭素に封入されたシリコンを含み、ブロック２０１の製造工程は、熱ベーキング、物理的蒸着、化学的蒸着によってシリコンを炭素で封入する工程を含む。本発明の実施形態では、ブロック２０１で封入されるシリコンは、エッチング、化学的蒸着、物理的蒸着、沈殿、又は融蝕によって製造される。

【0051】

いくつかの態様では、シリコン系材料は、弾性ポリマーと混合されたシリコンを含み、ブロック２０１の製造工程は、弾性ポリマーをシリコン塊状材料と混合してシリコンと弾性ポリマーとの実質的に均一な混合物を形成する工程を含む。いくつかの場合では、弾性ポリマーは、エッチング、化学的蒸着、物理的蒸着、沈殿、融蝕、又はそれらの任意の組合せを含む。混合には、物理的混合、及び加熱が含まれ得る。

【0052】

本発明の実施形態に従って、ブロック２０２に示されるように、方法２００は、カソード１１０のリチウム金属酸化物を製造する工程を含む。いくつかの態様では、ブロック２０２における製造は、酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化コバルトと炭酸リチウムとの間の固相反応を含むことができる。リチウム金属酸化物を製造するための固相反応は、４５０～８００℃の温度で行なうことができる。製造されるリチウム金属酸化物は粉末形態であり得る。

【0053】

本発明の実施形態に従って、ブロック２０３に示されるように、方法２００は、アノード１０１のシリコン系材料及び／又は炭素系材料を導電剤及びバインダーと混合してアノード混合物を形成する工程を含む。ブロック２０４に示されるように、方法２００は、リチウム金属酸化物を導電性バインダーと混合してカソード混合物を形成する工程を含むことができる。アノード混合物及び／又はカソード混合物は、スラリーの形態であり得る。いくつかの態様では、ブロック２０３において、アノード混合物は、０．８～０．９５の範囲の、シリコン系材料対導電剤及びバインダーの重量比で形成される。いくつかの態様では、ブロック２０４において、カソード混合物は、０．８８～０．９７の範囲の、リチウム金属酸化物対導電剤及びバインダーの重量比で形成される。本発明の実施形態では、アノード混合物は、３０重量％以上のシリコンを含む。導電剤の非限定的な例には、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（ｋｅｔｊａｎ ｂｌａｃｋ）、Ｓｕｐｅｒ Ｐ、カーボンナノチューブ、及びそれらの組合せが含まれ得る。バインダーの非限定的な例には、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、カルボキシメチルセルロース／ブタジエンスチレンゴム（ＣＭＣ／ＳＢＲ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、及びそれらの組合せが含まれ得る。

【0054】

本発明の実施形態に従って、ブロック２０５に示されるように、方法２００は、アノード混合物を使用して、アノード活性層１０２を第１の金属層１０３上にコートする工程を含む。ブロック２０６に示されるように、方法２００は、カソード混合物を使用して、カソード活性層１１２を第２の金属層１１３上にコートする工程を含むことができる。いくつかの態様では、ブロック２０５において、コーティング工程は、アノード混合物を第１の金属層１０３上に広げる工程を含むことができる。ブロック２０６において、コーティング工程は、カソード混合物を第２の金属層１１３上に広げる工程を含むことができる。ブロック２０５におけるコーティング工程は、アノード混合物を第１の金属層１０３上で圧縮する工程を更に含むことができる。ブロック２０６において、コーティング工程は、カソード混合物を第２の金属層１１３上で圧縮してその厚さを調節する工程を含むことができる。ブロック２０５及び２０６におけるコーティング工程は、圧縮工程の後に、それぞれ、アノード混合物を第１の金属層１０３上で乾燥させる工程、及びカソード混合物を第２の金属層１１３上で乾燥させる工程を更に含むことができる。ブロック２０５及び２０６におけるコーティング工程は、更にそのうえ、所望の形状及び／又はサイズに、乾燥されたアノード混合物を第１の金属層１０３と一緒に切断し及び乾燥されたカソード混合物を第２の金属層１１３と一緒に切断し、それによってそれぞれアノード１０１及びカソード１１０を形成する工程を含むことができる。ブロック２０５において製造されるアノード１０１は、３０～８５重量％のシリコン、好ましくは４０～８５重量％のシリコン並びに４０～４５重量％、４５～５０重量％、５０～５５重量％、５５～６０重量％、６０～６５重量％、６５～７０重量％、７０～７５重量％、７５～８０重量％、及び８０～８５重量％の範囲などのその間の全ての範囲及び値を含むことができる。

【0055】

本発明の実施形態に従って、ブロック２０７に示されるように、方法２００は、アノード１０１、カソード１１０、セパレーター１２０をハウジング１２１内で組み立てて未完成セルを形成する工程を含む。いくつかの態様では、ブロック２０７における組立工程は、アノード１０１、セパレーター１２０、カソード１１０を積層して電極構造物を形成する工程と、電極構造物のアノード１０１及びカソード１１０を相当する端子に接続する工程とを含む。いくつかの態様では、安全装置及び／又はベントを電極構造物及び／又は端子に接続及び／又はその上に配置して副組立体を形成することができる。ブロック２０７における組立は、副組立体をハウジング１２１内に挿入する工程と、ハウジング１２１を封止する工程とを含むことができる。いくつかの態様では、ハウジング１２１上にそれが封止された後に少なくとも１つの開口が残される。

【0056】

本発明の実施形態に従って、ブロック２０８に示されるように、方法２００は、封止ハウジング１２１内に電解質を加えてリチウムイオンバッテリ１００を形成する工程を含む。いくつかの態様では、ブロック２０６における電解質を加える工程は、ブロック２０５から得られた封止ハウジング１２１を真空中で乾燥させる工程と、乾燥された封止ハウジング１２１内に少なくとも１つの開口を通って真空中で電解質を充填する工程と、ハウジング１２１の少なくとも１つの開口を封止してリチウムイオンバッテリ１００を形成する工程とを含むことができる。

【0057】

本発明及びその利点について詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換及び改変を本明細書で行うことができることを理解されたい。そのうえ、本出願の範囲は、本明細書に説明したプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図していない。当業者が本発明の開示から容易に認識することになるように、本明細書で説明した対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行するか、又は実質的に同じ結果を達成する、現存するか又は後に開発されることになるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法又はステップは、本発明に従って利用され得る。それゆえ、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法又はステップをその範囲内に含むことを意図している。

【0058】

そのうえ、本出願の範囲は、本明細書に説明したプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図していない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2022-01-22

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

体積膨張を抑えるように構成される、３０重量％超のシリコンを含むアノードと、
リチウム金属酸化物を含むカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質とを含むリチウムイオンバッテリ（ＬｉＢ）であって、
少なくとも８００のエネルギー密度を有するように構成される、リチウムイオンバッテリ。

【請求項2】

前記リチウムイオンバッテリが１．２超のＮ：Ｐ比を有し、前記Ｎ：Ｐ比が前記アノード対前記カソードの面積容量比を表わす、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項3】

１．２～４．０の範囲のＮ：Ｐ比を有する、請求項２に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項4】

前記アノードが３１～８５重量％のシリコンを含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項5】

前記アノードがシリコンナノワイヤー、炭素に封入されたシリコン、シリコン－グラフェンブレンド、前記アノード上のシリコンの膨張を軽減するように構成されたシリコンと弾性ポリマーとの混合物、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項6】

前記シリコンナノワイヤーが、１００～１０００ｎｍの範囲の平均直径を有する、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項7】

前記シリコンナノワイヤーがスズ、ゲルマニウム、鉄、アルミニウム、マグネシウム、又はそれらの任意の組合せなどのドーパントを更に含む、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項8】

炭素に封入された前記シリコンが、０．１～４の範囲のシリコン対炭素重量比を有する、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項9】

炭素に封入された前記シリコンが０．５～１０μｍの平均直径を有する、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項10】

前記弾性ポリマーがポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項11】

前記シリコン－グラフェンブレンドが、０．５～４の範囲のシリコン対グラフェン重量比を有する、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項12】

前記アノードが、前記シリコン上にコートされるか又は前記シリコンと混合される炭素系材料を更に含む、請求項５に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項13】

前記炭素系材料が黒鉛、グラフェン、又は他の炭素系材料を含む、請求項１２に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項14】

前記炭素系材料と混合された前記シリコンが、１０～３０μｍの範囲の厚さを有する、請求項１２に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項15】

前記アノードの前記シリコンが、スズ、アンチモン、ゲルマニウム、又はそれらの任意の組合せを含む二次材料と混合され、前記二次材料が、１００：１～１：１００のシリコン対二次材料の重量比でシリコンと混合される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項16】

前記シリコンの内側のキャビティが前記膨張に応答して収縮する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項17】

前記アノードが、３４００～４２００ｍＡｈ／ｇの間の容量／単位体積を有するように構成される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項18】

前記リチウム金属酸化物がニッケルを含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項19】

前記リチウム金属酸化物がＬｉ_ａＮｉ_ｘＡ_ｙＢ_ｚＯ_２（式中、ａは約１、ｘは約０．５、ｙ＋ｚ＝１－ｘ）の式を有する、請求項１８に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項20】

Ａが、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、及びそれらの組合せからなる群から選択され、Ｂが、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ａｌ、及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１９に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項21】

ｘ：ｙ：ｚの比が、６：２：２、８：１：１、及び９：０．５：０．５からなる群から選択される、請求項１９に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項22】

前記カソードの前記リチウム金属酸化物が、コア－シェル勾配構造物の外側シェルからコアへとＮｉの濃度が増加する前記コア－シェル勾配構造物中に存在する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項23】

前記電解質が難燃性である、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項24】

前記難燃性電解質がイオン性液体を含む、請求項２３に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項25】

前記イオン性液体がカチオン及びアニオンを含み、前記カチオンがイミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、又はそれらの任意の組合せを含み、前記アニオンが臭化物、塩化物、ヨウ化物、リン酸塩、ＢＦ_４ ^－、ＰＦ_６ ^－、ＴＦＳＩ^－、ＦＳＩ^－、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項２４に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項26】

２５０Ｗｈ／ｋｇ超のエネルギー密度を有する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項27】

２５０～４５０Ｗｈ／ｋｇの範囲のエネルギー密度を有する、請求項２６に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項28】

円筒形態、角柱形態、又はパウチ形態である、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項29】

２１７００円筒形セル形態において６Ａｈの容量を有するように構成される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項30】

前記６Ａｈの２１７００セル形態の前記リチウムイオンバッテリが、連続で約３０Ａの放電率能力及び２秒間１００Ａのパルス電力能力を有するように構成される、請求項２９に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項31】

電動工具に電力を供給するように構成される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【手続補正書】

【提出日】2022-11-04

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

３１～８５重量％のシリコン活物質を含むアノードと、
リチウム金属酸化物活物質を含むカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質であって、カチオン及びアニオンを含むイオン性液体を含有する電解質と
を含むリチウムイオンバッテリ（ＬｉＢ）であって、
前記リチウムイオンバッテリが８００～９００Ｗｈ／Ｌの体積エネルギー密度及び２．０～４．０の範囲のＮ：Ｐ比を有するように構成され、前記Ｎ：Ｐ比が前記アノード対前記カソードの面積容量比を表わす、リチウムイオンバッテリ。

【請求項2】

前記Ｎ：Ｐ比が２．８～４．０の範囲である、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項3】

前記Ｎ：Ｐ比が３．２～４．０の範囲である、請求項２に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項4】

前記アノードの前記シリコン活物質が、前記アノード上のシリコンの膨張を軽減するように構成されたシリコンナノワイヤーを含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項5】

前記シリコンナノワイヤーが、１００～１０００ｎｍの範囲の平均直径を有する、請求項４に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項6】

前記シリコンナノワイヤーのシリコン系材料がスズ、ゲルマニウム、鉄、アルミニウム、マグネシウム、又はそれらの任意の組合せを含むドーパントを含む、請求項４に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項7】

前記アノードの前記シリコン活物質が、０．１～４の範囲のシリコン対炭素の重量比を有する炭素に封入されたシリコンを含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項8】

炭素に封入された前記シリコンが０．５～１０μｍの平均直径を有する、請求項７に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項9】

前記アノードの前記シリコン活物質がシリコンと弾性ポリマーとを含み、前記弾性ポリマーがポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項10】

前記アノードの前記シリコン活物質がシリコン－グラフェンブレンドを含み、前記シリコン－グラフェンブレンドが、０．５～４の範囲のシリコン対グラフェン重量比を有する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項11】

前記アノードの前記シリコン活物質が、前記シリコン活物質のシリコン上にコートされるか又は前記シリコン活物質の前記シリコンと混合される炭素系材料を含み、前記炭素系材料が黒鉛、グラフェン、又は他の炭素系材料を含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項12】

前記シリコン活物質の前記シリコンをコートする前記炭素系材料が１０～３０μｍの範囲の厚さを有する、請求項１１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項13】

前記アノードの前記シリコン活物質が、スズ、アンチモン、ゲルマニウム、又はそれらの任意の組合せを含む二次材料と混合され、前記二次材料が、１００：１～１：１００のシリコン対二次材料の重量比で前記シリコン活物質のシリコンと混合される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項14】

前記アノードが、３４００～４２００ｍＡｈ／ｇの間の容量／単位体積を有するように構成される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項15】

前記リチウム金属酸化物活物質がニッケルを含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項16】

３１～８５重量％のシリコン活物質を含むアノードと、
リチウム金属酸化物活物質を含むカソードであって、前記リチウム金属酸化物活物質がニッケルを含み、前記リチウム金属酸化物活物質がＬｉ_ａＮｉ_ｘＡ_ｙＢ_ｚＯ_２（式中、ａ≧１、ｘ≧０．５、ｙ＋ｚ＝１－ｘ）の式を有し、Ａが、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、及びそれらの組合せからなる群から選択され、Ｂが、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ａｌ、及びそれらの組合せからなる群から選択されるカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質であって、難燃性であり、及びイオン性液体を含む電解質とを含むリチウムイオンバッテリであって、
８００～９００Ｗｈ／Ｌの体積エネルギー密度を有するように構成されるリチウムイオンバッテリ。

【請求項17】

ｘ：ｙ：ｚの比が６：２：２、８：１：１、及び９：０．５：０．５からなる群から選択される、請求項１６に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項18】

３１～８５重量％のシリコン活物質を含むアノードと、
リチウム金属酸化物活物質を含むカソードであって、前記カソードの前記リチウム金属酸化物活物質が、コア－シェル勾配構造物の外側シェルからコアへとＮｉの濃度が増加する前記コア－シェル勾配構造物中に存在する、カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質であって、難燃性であり、及びイオン性液体を含有する電解質とを含むリチウムイオンバッテリであって、
８００～９００Ｗｈ／Ｌの体積エネルギー密度を有するように構成される、リチウムイオンバッテリ。

【請求項19】

前記電解質が難燃性イオン性液体を含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項20】

前記カチオンがイミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、又はそれらの任意の組合せを含み、前記アニオンが臭化物、塩化物、ヨウ化物、リン酸塩、ＢＦ_４ ^－、ＰＦ_６ ^－、ＴＦＳＩ^－、ＦＳＩ^－、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項１９に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項21】

２５０～４５０Ｗｈ／ｋｇの範囲の重量エネルギー密度を更に有する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項22】

前記重量エネルギー密度が４４０～４５０Ｗｈ／ｋｇの範囲である、請求項２１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項23】

円筒形態、角柱形態、又はパウチ形態であり、
２１７００円筒形セル形態において６Ａｈの容量を有するように構成されるか、又は電動工具に電力を供給するように構成される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項24】

６Ａｈの容量の２１７００セル形態のリチウムイオンバッテリが、連続で約３０Ａの放電率能力及び２秒間１００Ａのパルス電力能力を有するように構成される、請求項２３に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項25】

前記アノードの前記シリコン活物質がシリコンナノワイヤー、炭素に封入されたシリコン、シリコン－グラフェンブレンド、及び前記アノード上のシリコンの膨張を軽減するように構成されたシリコンと弾性ポリマーとの混合物を含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【請求項26】

前記シリコン活物質が、シリコン系材料によって囲まれる内側キャビティ部分を含むように形成される前記シリコン系材料を含み、その結果、
前記リチウムイオンバッテリが放電状態にあるとき、前記内側キャビティ部分が第１の体積を有し及び前記内側キャビティ部分を囲む前記シリコン系材料が第１の直径を有し、並びに
リチウムイオンバッテリが充電状態にあるとき、前記内側キャビティ部分が第２の体積を有し及び前記内側キャビティ部分を囲む前記シリコン系材料が第２の直径を有し、
前記第１の体積が前記第２の体積より大きく、並びに
前記第１の直径と前記第２の直径が実質的に同じである、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。

【国際調査報告】