JP2002313324A - Anode for use in lithium metal dispersed system secondary battery - Google Patents

Anode for use in lithium metal dispersed system secondary battery

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JP2002313324A
JP2002313324A JP2001391121A JP2001391121A JP2002313324A JP 2002313324 A JP2002313324 A JP 2002313324A JP 2001391121 A JP2001391121 A JP 2001391121A JP 2001391121 A JP2001391121 A JP 2001391121A JP 2002313324 A JP2002313324 A JP 2002313324A
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JP
Japan
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anode
host material
secondary battery
lithium
lithium metal
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JP2001391121A
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Japanese (ja)
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Gao Yuan
ユアン・ガオ
John L Burba Iii
ジョン・エル・バーバ,ザ・サード
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FMC Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a secondary battery having high specific capacity and favorable cycling capacity and safely usable. SOLUTION: This secondary battery is manufactured to include a host material capable of adsorbing and desorbing lithium in an electrochemical system such as a carbonaceous material and an anode formed of lithium metal dispersed in this host material, and the newly manufactured anode is combined with a positive electrode containing an activator, a separator to separate the positive electrode and a negative electrode and an electrolyte to communicate the positive electrode with the negative electrode. This invention includes a method to manufacture the newly manufactured anode and a method to actuate the secondary battery including the anode of this invention.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高い比容量を有す
る二次電池に関し、特に、電気化学システム内のリチウ
ムを吸着及び脱着することができる炭素質の材料などの
ホスト材料と、このホスト材料の中に分散されたリチウ
ム金属とを含む二次電池用のアノードに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a secondary battery having a high specific capacity, and more particularly to a host material such as a carbonaceous material capable of adsorbing and desorbing lithium in an electrochemical system, and the host material. And a lithium metal dispersed in the anode.

【0002】[0002]

【従来の技術】リチウム及びリチウムイオンの二次電池
又は蓄電池は、最近では携帯電話、カムコーダー及びラ
ップトップコンピュータなどの用途で、またより最近で
は電気自動車及びハイブリッド式電気自動車などのより
大きなパワーの用途で使用されている。これらの用途で
は、二次電池は可能な最大の比容量を有すると同時に、
安全な稼働状態と良好なサイクル能力とを提供して、高
い比容量が次の再充電及び放電サイクルで維持されるこ
とが好ましい。
BACKGROUND OF THE INVENTION Lithium and lithium ion secondary batteries or accumulators have recently been used in applications such as cell phones, camcorders and laptop computers, and more recently in higher power applications such as electric vehicles and hybrid electric vehicles. Used in In these applications, the secondary battery has the largest possible specific capacity,
Preferably, high specific capacity is maintained on the next recharge and discharge cycle, providing safe operating conditions and good cycling capability.

【0003】二次電池には様々な構成があるが、それぞ
れの構成には正極(又は、カソード)、負極(又は、ア
ノード)、カソードとアノードとを分離するセパレー
タ、及びカソードとアノードとを電気化学的に連通する
電解液が含まれる。リチウムの二次電池に関しては、二
次電池が放電される、すなわち、その特定の用途で使用
される場合、リチウムイオンがアノードからカソードへ
電解液を通って運ばれる。このプロセスの間に、電子が
アノードから集められて、外部回路を通ってカソードに
流れる。二次電池が充電又は再充電される場合、リチウ
ムイオンがカソードから電解液を通ってアノードに運ば
れる。
[0003] There are various configurations of secondary batteries, and each configuration has a positive electrode (or a cathode), a negative electrode (or an anode), a separator for separating the cathode and the anode, and an electrical connection between the cathode and the anode. Includes a chemically communicating electrolyte. With respect to lithium secondary batteries, when the secondary battery is discharged, ie, used in its particular application, lithium ions are carried through the electrolyte from the anode to the cathode. During this process, electrons are collected from the anode and flow through an external circuit to the cathode. When the secondary battery is charged or recharged, lithium ions are carried from the cathode through the electrolyte to the anode.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来、リチウム二次電
池は、カソードの活性剤として、TiS2,MoS2,M
nO2及びV25などの高い比容量を有する非リチウム
化合物(non−lithiated compoun
ds)を用いて作られた。これらのカソードの活性剤
は、リチウム金属のアノードと結合された。二次電池が
放電される場合、リチウムイオンはリチウム金属のアノ
ードから電解液を通ってカソードに運ばれた。残念なこ
とに、サイクリング時に、リチウム金属は、最終的に電
池内に不安全な状態を引き起こすデンドライトを発生さ
せた。その結果、これらの種類の二次電池の生産は、リ
チウムイオン電池の方を選んで、1990年代の初期に
中止された。
Conventionally, lithium secondary batteries have been developed using TiS 2 , MoS 2 , M
Non-lithiated compounds having a high specific capacity such as nO 2 and V 2 O 5
ds). These cathode activators were combined with lithium metal anodes. When the secondary battery was discharged, lithium ions were carried from the lithium metal anode through the electrolyte to the cathode. Unfortunately, during cycling, lithium metal generated dendrites which eventually caused an unsafe condition in the battery. As a result, production of these types of secondary batteries was discontinued in the early 1990's, preferring lithium-ion batteries.

【0005】リチウムイオン電池は、一般に、炭素ベー
スのアノードと結合するカソード活性剤として、LiC
oO2及びLiNiO2などのリチウム金属の酸化物を使
用する。これらの電池では、リチウムのデンドライトが
アノード上に形成することが避けられるため、電池が安
全になる。しかしながら、リチウムの量が電池の容量を
決定し、リチウムは全体的にカソードから供給される。
活性剤は脱着可能なリチウムを含む必要があるため、こ
のことはカソード活性剤の選択に制約を加えることにな
る。さらに、充電(例えば、LixCoO2及びLix
iO2、ここで、0.4<x<1.0)及び過充電(す
なわち、LixCoO2及びLixNiO2、ここで、x<
0.4)の間に形成されるLiCoO2及びLiNiO2
に相当する脱リチウム生成物(the delithi
ated products)は安定していない。特
に、これらの脱リチウム生成物は電解液と反応して熱を
発生する傾向があり、安全上の問題を引き起こす。
[0005] Lithium ion batteries generally use LiC as a cathode activator associated with a carbon-based anode.
An oxide of a lithium metal such as oO 2 and LiNiO 2 is used. In these batteries, the formation of lithium dendrites on the anode is avoided, thus making the batteries safer. However, the amount of lithium determines the capacity of the battery, and lithium is supplied entirely from the cathode.
This imposes restrictions on the choice of cathode activator since the activator must include desorbable lithium. Furthermore, charging (eg, Li x CoO 2 and Li x N
iO 2 , where 0.4 <x <1.0) and overcharge (ie, Li x CoO 2 and Li x NiO 2 , where x <
0.4) LiCoO 2 and LiNiO 2 formed during
The delithium product corresponding to
added products) are not stable. In particular, these delithium products tend to react with the electrolyte to generate heat, causing safety issues.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、高い比容量と
良好なサイクル能力とを有し、安全に動作するする二次
電池を提供するものである。本発明によれば、新たに製
作された二次電池は、電気化学システム内でリチウムを
吸着及び脱着することができるホスト材料と、このホス
ト材料の中に分散されたリチウム金属とから構成するア
ノードを備えている。このリチウム金属は微細に砕いた
リチウムの粉末であることが好ましく、平均の粒子寸法
が約20ミクロン以下であることがさらに好ましい。ホ
スト材料は、炭素質材料、Si,Sn,スズ酸化物、複
合スズ合金、遷移金属の酸化物、リチウム金属の窒化物
及びリチウム金属の酸化物から成る群より選択された1
つ以上の材料を含んでいる。ホスト材料は炭素質の材料
を含むことが好ましく、グラファイトを含むことがさら
に好ましい。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a secondary battery having a high specific capacity and a good cycling ability, and which operates safely. According to the present invention, a newly manufactured secondary battery has an anode composed of a host material capable of adsorbing and desorbing lithium in an electrochemical system, and a lithium metal dispersed in the host material. It has. The lithium metal is preferably a finely ground lithium powder, more preferably having an average particle size of less than about 20 microns. The host material is selected from the group consisting of a carbonaceous material, Si, Sn, tin oxide, a composite tin alloy, a transition metal oxide, a lithium metal nitride, and a lithium metal oxide.
Contains more than one material. The host material preferably contains a carbonaceous material, and more preferably contains graphite.

【0007】本発明の新たに製作された二次電池は、活
性剤を含む正極、電気化学システム内でリチウムを吸着
及び脱着することができるホスト材料及びこのホスト材
料内に分散されたリチウム金属を含む負極、正極と負極
とを分離するセパレータ及び正極と負極とを連通する電
解液を含んでいる。カソードの活性剤は、リチウムに対
して電気化学的電位が2.0から5.0Vでリチウム化
することができる化合物であることが好ましい。例え
ば、このカソードの活性剤は、MnO2,V25又はそ
の混合物とすることができる。アノード内のリチウム金
属は微細に砕いたリチウムの粉末であることが好まし
く、平均の粒子寸法が約20ミクロン以下であることが
さらに好ましい。ホスト材料は、炭素質材料、Si,S
n,スズ酸化物、複合スズ合金、遷移金属の酸化物、リ
チウム金属の窒化物及びリチウム金属の酸化物から成る
群より選択された1つ以上の材料を含んでいる。負極内
のホスト材料は炭素質の材料を含むことが好ましく、グ
ラファイトを含むことがさらに好ましい。負極内に存在
するリチウム金属の量は、負極内のホスト材料の中に入
り込む、それと合金を作る、又はそれに吸着されるに十
分な最大の量以下とすることが好ましい。例えば、ホス
ト材料が炭素である場合、リチウムの量は、LiC6
作るために必要な量以下であることが好ましい。
The newly manufactured secondary battery of the present invention comprises a positive electrode containing an activator, a host material capable of adsorbing and desorbing lithium in an electrochemical system, and a lithium metal dispersed in the host material. Negative electrode, a separator for separating the positive electrode and the negative electrode, and an electrolytic solution for communicating the positive electrode and the negative electrode. The activator of the cathode is preferably a compound that can be lithiated at an electrochemical potential of 2.0 to 5.0 V with respect to lithium. For example, the active agent of this cathode may be MnO 2, V 2 O 5 or mixtures thereof. The lithium metal in the anode is preferably a finely ground lithium powder, more preferably having an average particle size of about 20 microns or less. The host material is a carbonaceous material, Si, S
n, a tin oxide, a composite tin alloy, a transition metal oxide, a lithium metal nitride, and a lithium metal oxide. The host material in the negative electrode preferably contains a carbonaceous material, and more preferably contains graphite. Preferably, the amount of lithium metal present in the negative electrode is less than the maximum amount sufficient to penetrate, form an alloy with, or be adsorbed by the host material in the negative electrode. For example, when the host material is carbon, the amount of lithium is preferably equal to or less than the amount required to produce LiC 6 .

【0008】本発明は、電気化学システムの中でリチウ
ムを吸着及び脱着することができるホスト材料を提供す
るステップ、ホスト材料の中にリチウム金属を分散する
ステップ、及びホスト材料及び中に分散されたリチウム
金属をアノード内に形成するステップを含む二次電池用
の新たに製作されたアノードを作る方法も含んでいる。
リチウム金属及びホスト材料は、非水系の液体と一緒に
混合されてスラリーが作られ、次に集電器に加えられ、
また乾燥されてアノードが形成されることが好ましい。
あるいはまた、ホスト材料を非水系の液体のリチウム金
属の懸濁液の中に浸漬し、次にアノードに形成すること
によって、アノードを化学的手段により形成することが
できる。
The present invention comprises providing a host material capable of adsorbing and desorbing lithium in an electrochemical system, dispersing lithium metal in the host material, and dispersing the host material and the host material therein. A method of making a newly fabricated anode for a secondary battery including forming lithium metal in the anode is also included.
The lithium metal and the host material are mixed together with the non-aqueous liquid to form a slurry, which is then added to the current collector,
Further, it is preferable that the anode is formed by drying.
Alternatively, the anode can be formed by chemical means by immersing the host material in a suspension of non-aqueous liquid lithium metal and then forming the anode.

【0009】本発明は、二次電池を動作させる方法をさ
らに含んでいる。最初に、活性剤を含む正極、電気化学
システム内でリチウムを吸着及び脱着することができる
ホスト材料及びこのホスト材料内に分散されたリチウム
金属を含む負極、正極と負極とを分離するセパレータ及
び正極と負極とを連通する電解液を含む新たに製作され
た二次電池が提供される。特に、この二次電池は、アノ
ードのホスト材料内に分散されたリチウム金属を用いて
製造される。新たに組み立てられた電池は充電された状
態であり、完全に充電された状態(全ての脱着可能なリ
チウムが、新たに製作された電池のアノードの中にあ
る)であることがさらに好ましい。新たに作られた二次
電池は、始め、リチウムイオンを負極から電解液を通っ
て正極に送ることによって放電される。二次電池は、次
に、リチウムイオンを正極から電解液を通って負極に送
ることによって充電又は再充電することができ、次にリ
チウムイオンを負極から電解液を通って正極に送ること
によって、再び放電される。カソードの活性剤の高い比
容量及び安全な動作状態を維持しながら、非常に多くの
サイクルの充電及び放電のステップを行うことができ
る。
The present invention further includes a method for operating a secondary battery. First, a positive electrode containing an activator, a host material capable of adsorbing and desorbing lithium in an electrochemical system, a negative electrode containing lithium metal dispersed in the host material, a separator for separating the positive electrode from the negative electrode, and a positive electrode A newly manufactured secondary battery is provided that includes an electrolyte that communicates with the anode. In particular, this secondary battery is manufactured using lithium metal dispersed in the anode host material. The freshly assembled battery is in a charged state, and more preferably in a fully charged state (all the removable lithium is in the anode of the newly made battery). Newly made secondary batteries are initially discharged by sending lithium ions from the negative electrode through the electrolyte to the positive electrode. The secondary battery can then be charged or recharged by sending lithium ions from the positive electrode through the electrolyte to the negative electrode, and then by sending lithium ions from the negative electrode through the electrolyte to the positive electrode, It is discharged again. Numerous cycles of charge and discharge steps can be performed while maintaining a high specific capacity of cathode activator and a safe operating condition.

【0010】本発明のこれらの及び他の特徴及び利点
は、以下の詳細な説明及び添付の図面を考慮すれば、当
業者にはより容易にはっきり理解できるようになるであ
ろう。図面は、本発明の好ましい実施形態及び別の実施
形態の両方を説明している。
[0010] These and other features and advantages of the present invention will become more readily apparent to those of ordinary skill in the art in view of the following detailed description and accompanying drawings. The drawings illustrate both preferred and alternative embodiments of the invention.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】図面及び以下の詳細な説明の中
で、本発明を実行できるように、好ましい実施形態が詳
細に説明される。本発明はこれらの特定の好ましい実施
形態を参照して説明されるが、本発明はこれらの好まし
い実施形態に限定されることはないことは理解されよ
う。しかし逆に、本発明は以下の詳細な説明及び添付の
図面を考慮すれば明らかになる多数の代替え例、修正例
及び同等物含んでいる。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In the drawings and the following detailed description, preferred embodiments are described in detail so that the invention may be practiced. While the invention will be described with reference to these specific preferred embodiments, it will be understood that the invention is not limited to these preferred embodiments. On the contrary, however, the present invention includes numerous alternatives, modifications and equivalents which will become apparent in view of the following detailed description and accompanying drawings.

【0012】図1に示すように、本発明は、正極又はカ
ソード12、負極又はアノード14、正極と負極とを分
離するセパレータ16、及び正極と負極とを電気化学的
に連通する電解液を含む二次電池10である。この二次
電池10は、カソードと電気的に接触する集電器20及
びアノードと電気的に接触する集電器22も含んでい
る。集電器20及び22は、外部回路(図示せず)を通
って互いに電気的に接触している。二次電池10は、
「ゼリーロール」又は積重ね構成のような、当業者に周
知の任意の構成とすることができる。
As shown in FIG. 1, the present invention includes a positive electrode or cathode 12, a negative electrode or anode 14, a separator 16 for separating the positive electrode and the negative electrode, and an electrolytic solution for electrochemically connecting the positive electrode and the negative electrode. The secondary battery 10. The secondary battery 10 also includes a current collector 20 that makes electrical contact with the cathode and a current collector 22 that makes electrical contact with the anode. Current collectors 20 and 22 are in electrical contact with each other through an external circuit (not shown). The secondary battery 10
Any configuration known to those skilled in the art, such as a "jelly roll" or stacked configuration, can be used.

【0013】カソード12は、炭素質の材料及びバイン
ダのポリマーと一般に組み合わされる活性剤から形成さ
れる。このカソード12内で使用される活性剤は、有効
電圧(例えば、リチウムに対して2.0〜5.0ボル
ト)でリチウム化することができる材料であることが好
ましい。好ましくは、MnO2,V25又はMoS5、又
はその混合物などの非リチウム化材料を活性剤として使
用することができ、さらに好ましくはMnO2が使用さ
れる。しかしながら、さらにリチウム化することができ
るLiMn24のようなリチウム化材料も使用すること
ができる。非リチウム化活性剤は一般に、この構成では
リチウム化活性剤よりも比容量が高く、このためリチウ
ム化活性剤を含む二次電池に勝って増大した電力を供給
することができるので、非リチウム化活性剤が好まし
い。さらに、アノード14が後述するようにリチウムを
含んでいるので、カソード12は二次電池10が動作す
るためにリチウム化材料を含む必要はない。カソード1
2の中に供給される活性剤の量は、アノード14内に存
在する脱着可能なリチウム金属を受け入れるに十分であ
ることが好ましい。例えば、MnO2がカソードの活性
剤である場合、放電時にカソード内にLiMnO2を発
生させるために、アノード14内のリチウムのモル当た
り1モルのMnO2がカソード12内に存在することが
好ましい。
[0013] Cathode 12 is formed from an activator that is typically combined with a carbonaceous material and a binder polymer. The activator used in the cathode 12 is preferably a material that can be lithiated at an effective voltage (eg, 2.0-5.0 volts relative to lithium). Preferably, a non-lithiated material such as MnO 2 , V 2 O 5 or MoS 5 or a mixture thereof can be used as activator, more preferably MnO 2 is used. However, lithiated materials such as LiMn 2 O 4 that can be further lithiated can also be used. Non-lithiated activators generally have higher specific capacities in this configuration than lithiated activators, and thus can provide increased power over secondary batteries containing lithiated activators. Activators are preferred. Further, since anode 14 contains lithium, as described below, cathode 12 need not include a lithiated material for secondary battery 10 to operate. Cathode 1
Preferably, the amount of activator provided in 2 is sufficient to accommodate the removable lithium metal present in anode 14. For example, if MnO 2 is the activator of the cathode, it is preferred that one mole of MnO 2 is present in cathode 12 per mole of lithium in anode 14 to generate LiMnO 2 in the cathode during discharge.

【0014】前述したようなリチウム化することができ
るカソードの活性剤を使用する場合、電池内で循環され
る脱着可能なリチウムはアノード14により十分に供給
されて、好ましいことに、電池は十分に充電された状態
に組み立て又は製作される。それにもかかわらず、カソ
ード12は、2.0ボルトと5.0ボルトとの間の電圧
でリチウムをさらに吸着しない少量の1つ以上のリチウ
ム化活性剤(例えば、LiCoO2又はLiNiO2)を
含むことができ、電池はそれでも始めの充電された状態
で提供することができる。この場合、カソードは好まし
くは、活性剤としてリチウム化材料(例えば、LiCo
2又はLiNiO2)の50%以下(モル濃度)、さら
に好ましくは10%以下(モル濃度)である。LiCo
2及びLiNiO2はこれ以上リチウムを吸着しないた
め、これらの材料がカソード12内に存在しても、アノ
ード14からの脱着可能なリチウムを受け入れるために
必要なカソードの活性剤の量を減少させない。
When using a lithiable cathode activator as described above, the removable lithium circulated in the cell is sufficiently supplied by the anode 14 and preferably the cell is sufficiently Assembled or manufactured in a charged state. Nevertheless, cathode 12 includes a small amount of one or more lithiated activators (eg, LiCoO 2 or LiNiO 2 ) that do not further adsorb lithium at voltages between 2.0 and 5.0 volts. Battery can still be provided in an initially charged state. In this case, the cathode is preferably a lithiated material (eg, LiCo
O 2 or LiNiO 2 ) is 50% or less (molar concentration), more preferably 10% or less (molar concentration). LiCo
O 2 and LiNiO 2 do not adsorb lithium anymore, so the presence of these materials in the cathode 12 does not reduce the amount of cathode activator needed to accept the removable lithium from the anode 14. .

【0015】アノード14は、電気化学システム内でホ
スト材料の中に分散されたリチウム金属26を吸着及び
脱着することができるホスト材料24から形成される。
例えば、アノード14の中に存在するリチウムは、電池
(及び特にアノード)が再充電されるとき、ホスト材料
の中に入り込む、それと合金を作る、又はそれに吸着さ
れることができる。ホスト材料は、炭素質の材料;S
i,Sn、スズの酸化物又は複合のスズ合金を含む材
料;CoOのような遷移金属の酸化物;Li3-XCo
xN、ここで0<x<0.5、のようなリチウム金属の
窒化物及びLi4Ti512のようなリチウム金属の酸化
物などの電気化学システム内でリチウムを吸着及び脱着
することができる材料を含む。リチウム金属26は、微
細に砕いたリチウムの粉末として、アノード14内に設
けることが好ましい。さらに、リチウム金属26の平均
の粒子寸法は、好ましくは約20ミクロン以下であり、
さらに好ましくは約10ミクロン以下である。リチウム
金属は、例えばリチウム金属の粉末をCO2を用いて処
理した、自燃性の粉末又は安定化した自然性が低い粉末
として供給することができる。
The anode 14 is formed from a host material 24 capable of adsorbing and desorbing lithium metal 26 dispersed in the host material in the electrochemical system.
For example, lithium present in the anode 14 can penetrate, alloy with, or adsorb to the host material when the battery (and especially the anode) is recharged. The host material is a carbonaceous material; S
i, Sn, a material containing a tin oxide or a composite tin alloy; a transition metal oxide such as CoO; Li3 - XCo
x N, where 0 <x <0.5, nitrides of lithium metal and Li 4 Ti 5 lithium to adsorption and desorption in an electrochemical system such as oxides of lithium metal, such as O 12 such as Including materials that can. The lithium metal 26 is preferably provided in the anode 14 as finely crushed lithium powder. Further, the average particle size of the lithium metal 26 is preferably about 20 microns or less;
More preferably, it is less than about 10 microns. The lithium metal can be supplied, for example, as a self-combustible powder or a stabilized low-natural powder obtained by treating lithium metal powder with CO 2 .

【0016】アノード14は、一般に、リチウム金属に
対して0.0ボルトより大きく1.5ボルト以下の電気
化学的電位で、可逆的にリチウム化及び脱リチウム化す
ることができる。電気化学的電位がリチウムに対して
0.0ボルト以下の場合は、リチウム金属は充電の間に
アノード14に再び入ることはない。あるいはまた、電
気化学的電位がリチウムに対して1.5ボルトより大き
い場合は、電池の電圧は望ましくないほど低くなる。ア
ノード14内に存在するリチウム金属26の量は、電池
が再充電される場合、アノード14内のホスト材料の中
に入り込む、それと合金を作る、又はそれに吸着される
に十分な最大の量以下であることが好ましい。例えば、
ホスト材料が炭素である場合、リチウムの量は、LiC
6を作るために必要な量以下であることが好ましい。言
い換えると、アノード内の炭素に対するリチウムのモル
比は、1:6以下であることが好ましい。
The anode 14 can generally be reversibly lithiated and delithiated at an electrochemical potential greater than 0.0 volts and less than 1.5 volts relative to lithium metal. If the electrochemical potential is less than 0.0 volts relative to lithium, lithium metal will not re-enter anode 14 during charging. Alternatively, if the electrochemical potential is greater than 1.5 volts relative to lithium, the battery voltage will be undesirably low. The amount of lithium metal 26 present in anode 14 should be less than the maximum amount sufficient to penetrate, alloy with, or adsorb to host material in anode 14 when the battery is recharged. Preferably, there is. For example,
When the host material is carbon, the amount of lithium is LiC
It is preferably less than the amount required to make 6 . In other words, the molar ratio of lithium to carbon in the anode is preferably 1: 6 or less.

【0017】本発明によれば、電気化学システムの中に
リチウムを吸着及び脱着することができるホスト材料を
設け、このホスト材料の中にリチウムを分散し、ホスト
材料と中に分散されたリチウム金属とをアノードに形成
することによって、アノード14を製作することができ
る。リチウム金属及びホスト材料は、テトラヒドロフラ
ン(THF)のような非水系の液体及びバインダと混合
されて、スラリーに形成されることが好ましい。次に、
スラリーを使用して、例えば、集電器22をスラリーに
コーティングし、その後スラリーを乾燥することによっ
て、アノード14を形成する。ホスト材料を炭化水素溶
剤(例えば、ヘキサン)のような非水系の液体のリチウ
ム金属を含む懸濁液の中に浸漬することにより、リチウ
ム金属をアノードの中に設けることもできる。懸濁液の
中で使用されるリチウム金属は、前述したように、微細
に砕いたリチウムの粉末であることが好ましい。ホスト
材料をアノードの形状に形成し、次に、リチウム金属の
懸濁液の中に浸漬することができる。又は、ホスト材料
をリチウム金属の懸濁液と組み合わせてスラリーを作
り、次に、集電器に加え乾燥してアノードを形成するこ
とができる。懸濁液を作るために使用する非水系の液体
は、アノードを乾燥する(例えば、高温で)ことによっ
て取り除くことができる。どのような方法を使用して
も、リチウム金属をホスト材料の中にできるだけ良好に
分散することが好ましい。このため、前述したように、
リチウム金属26の平均の粒子寸法は、好ましくは約2
0ミクロン以下であり、さらに好ましくは約10ミクロ
ン以下である。
According to the present invention, a host material capable of adsorbing and desorbing lithium is provided in an electrochemical system, lithium is dispersed in the host material, and the lithium metal dispersed in the host material is dispersed in the host material. Is formed on the anode, whereby the anode 14 can be manufactured. The lithium metal and the host material are preferably mixed with a non-aqueous liquid such as tetrahydrofuran (THF) and a binder to form a slurry. next,
The anode 14 is formed using the slurry, for example, by coating the current collector 22 with the slurry and then drying the slurry. Lithium metal can also be provided in the anode by immersing the host material in a suspension containing a non-aqueous liquid lithium metal such as a hydrocarbon solvent (eg, hexane). The lithium metal used in the suspension is preferably a finely ground lithium powder, as described above. The host material can be formed in the shape of an anode and then immersed in a suspension of lithium metal. Alternatively, the host material can be combined with a suspension of lithium metal to form a slurry, which can then be applied to a current collector and dried to form an anode. Non-aqueous liquids used to make the suspension can be removed by drying the anode (eg, at an elevated temperature). Whatever method is used, it is preferable to disperse the lithium metal in the host material as well as possible. Therefore, as described above,
The average particle size of the lithium metal 26 is preferably about 2
0 microns or less, and more preferably about 10 microns or less.

【0018】アノード14内のホスト材料24は、炭素
質の材料;Si,Sn、スズの酸化物又は複合のスズ合
金を含む材料;CoOのような遷移金属の酸化物;Li
3-xCoxN、ここで0<x<0.5、のようなリチウム
金属の窒化物及びLi4Ti 512のようなリチウム金属
の酸化物などの電気化学システム内でリチウムを吸着及
び脱着することができる1つ以上の材料を含むことがで
きる。前述したように、ホスト材料24がグラファイト
を含むことが好ましい。さらに、ホスト材料24が、導
電剤として、少量のカーボンブラック(例えば、重量で
5%未満)を含むことが好ましい。
The host material 24 in the anode 14 comprises carbon
Quality material; Si, Sn, tin oxide or composite tin alloy
Materials containing gold; oxides of transition metals such as CoO; Li
3-xCoxN, where lithium such as 0 <x <0.5
Metal nitride and LiFourTi FiveO12Lithium metal like
Adsorb lithium in electrochemical systems such as oxides of
Can contain one or more materials that can be
Wear. As described above, the host material 24 is made of graphite.
It is preferable to include Further, the host material 24
A small amount of carbon black (for example, by weight)
(Less than 5%).

【0019】図1に示すように、カソード12は、電子
絶縁セパレータ16によってアノード14から切り離さ
れている。一般に、このセパレータ16は、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、又はポリフッ化ビニリデン(PV
DF)などの材料から形成される。
As shown in FIG. 1, the cathode 12 is separated from the anode 14 by an electronic insulating separator 16. Generally, this separator 16 is made of polyethylene, polypropylene, or polyvinylidene fluoride (PV
DF).

【0020】二次電池10は、カソード12とアノード
14とを電気化学的に連通する電解液をさらに含んでい
る。この電解液は、非水系の液体、ゲル又は固体とする
ことができ、リチウム塩、例えば、LiPF6を含むこ
とが好ましい。電解液は電池10の全体、及び特に、カ
ソード12、アノード14及びセパレータ16内に供給
されている。一般に、電解液は液体であり、カソード1
2、アノード14及びセパレータ16は、電解液の中に
浸漬されてこれらの構成要素間の電気化学的な連通を行
う多孔質の材料である。
The secondary battery 10 further includes an electrolyte for electrochemically connecting the cathode 12 and the anode 14. The electrolyte can be a non-aqueous liquid, gel or solid, and preferably contains a lithium salt, for example, LiPF 6 . The electrolyte is supplied throughout the battery 10 and, in particular, within the cathode 12, anode 14, and separator 16. Generally, the electrolyte is a liquid and the cathode 1
2. The anode 14 and the separator 16 are porous materials that are immersed in an electrolytic solution to provide electrochemical communication between these components.

【0021】前述したように、電池10は集電器20及
び22を備えており、これらは電子を外部回路に送るた
めに使用される。集電器20はアルミニウムのフォイル
から作り、集電器22は銅のフォイルから作ることが好
ましい。
As mentioned above, the battery 10 includes current collectors 20 and 22, which are used to send electrons to external circuits. Preferably, current collector 20 is made from an aluminum foil and current collector 22 is made from a copper foil.

【0022】本発明の電池10は、当業者には周知の方
法で製作することができ、層の厚さが以下の範囲内であ
ることが好ましい(図1の左から右に)。
The battery 10 of the present invention can be fabricated by methods well known to those skilled in the art, and preferably has a layer thickness in the following range (from left to right in FIG. 1).

【0023】 厚さ 集電器(20) 20〜40μm カソード(12) 70〜100μm セパレータ(16) 25〜35μm アノード(14) 70〜100μm 集電器(22) 20〜40μm 電池10は、カソード12、アノード14及びセパレー
タ16を通して分散された電解液、及びケーシング(図
示せず)も含んでいる。
Layer thickness current collector (20) 20 to 40 μm Cathode (12) 70 to 100 μm Separator (16) 25 to 35 μm Anode (14) 70 to 100 μm Current collector (22) 20 to 40 μm Battery 10 has cathode 12, Also includes an electrolyte dispersed through the anode 14 and the separator 16, and a casing (not shown).

【0024】動作に当たっては、新たに製作された二次
電池10は、始めは充電された状態であり、より好まし
くは完全に充電された状態にあり、また最初は、リチウ
ムイオンをアノード14から電解液を通ってカソード1
2に送ることによって放電される。同時に、電子がアノ
ード14から、集電器22、外部回路、及び集電器20
を通ってカソード12に送られる。次に、二次電池10
は、リチウムイオンをカソード12から電解液を通って
アノード14に送ることによって充電又は再充電するこ
とができ、次に前述したように、再び放電される。充電
及び放電のステップが非常に多くのサイクルを発生する
と共に、同時にカソードの活性剤の高い比容量及び安全
な動作状態を維持することができる。
In operation, the newly manufactured rechargeable battery 10 is initially charged, more preferably fully charged, and initially has lithium ions electrolyzed from the anode 14. Cathode 1 through liquid
2 to be discharged. At the same time, electrons flow from the anode 14 to the current collector 22, the external circuit, and the current collector 20.
Through to the cathode 12. Next, the secondary battery 10
Can be charged or recharged by passing lithium ions from the cathode 12 through the electrolyte to the anode 14 and then discharged again, as described above. The charging and discharging steps can generate numerous cycles, while maintaining a high specific capacity of the activator at the cathode and a safe operating state.

【0025】二次電池10は、様々な種類の用途で使用
することができる。例えば、二次電池は携帯電話、カム
コーダー及びラップトップコンピュータなどの携帯用電
子機器で、また電気自動車及びハイブリッド式電気自動
車などのより大きなパワーの用途で使用することができ
る。
The secondary battery 10 can be used for various kinds of applications. For example, secondary batteries can be used in portable electronic devices such as cell phones, camcorders and laptop computers, and in higher power applications such as electric vehicles and hybrid electric vehicles.

【0026】本発明の上記の説明を読み、また添付の図
面を精査すれば、当業者はそこから変更及び変化を行う
ことができることは理解されよう。これらの変更及び変
化を加えたものは、本発明の特許請求の範囲に含まれる
ものである。
After reading the above description of the present invention and reviewing the accompanying drawings, it will be understood that those skilled in the art can make modifications and variations therefrom. Such changes and modifications are included in the claims of the present invention.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明によれば、高い比容量、安全な動
作状態及び良好なサイクル能力を有する二次電池を提供
することができる。特に、リチウム金属をアノード内に
設けるので、非リチウム化材料を二次電池内の好ましい
カソードの活性剤として使用することができる。これら
の非リチウム化活性剤は、リチウムイオン電池内で現在
使用されているリチウム化材料よりも高い比容量を有し
ている。非リチウム化のカソード用活性剤及び金属リチ
ウムのアノードを有する従来のリチウム二次電池とは異
なり、本発明のアノードと組み合わせた非リチウム化の
カソード用活性剤を用いて製造された二次電池は、安全
に動作しまたサイクリング時にリチウムのデンドライト
を発生しないことが発見されている。さらに、本発明の
二次電池は、充電時にリチウムがカソードから除かれる
とき不安定になる、リチウムイオン電池よりも安全に動
作する。特に、本発明の二次電池内のカソードの活性剤
は、一般に、電池が新たに製作されるときは完全に充電
された状態にあるので、それはリチウムイオン電池内で
使用されるカソード材料よりも安定している。さらに、
本発明の電池は、カソードの活性剤の安全な動作状態及
び高い比容量を維持しながら、非常に多くの回数の充電
及び放電を行うことができる。
According to the present invention, it is possible to provide a secondary battery having a high specific capacity, a safe operating state, and a good cycle capability. In particular, since lithium metal is provided in the anode, non-lithiated materials can be used as a preferred cathode activator in secondary batteries. These non-lithiated activators have higher specific capacities than the lithiated materials currently used in lithium ion batteries. Unlike conventional lithium secondary batteries having a non-lithiated cathode activator and a metallic lithium anode, a secondary battery made using a non-lithiated cathode activator in combination with the anode of the present invention is: It has been found that it operates safely and does not generate lithium dendrites when cycling. Further, the secondary battery of the present invention operates more safely than a lithium ion battery, which becomes unstable when lithium is removed from the cathode during charging. In particular, since the activator of the cathode in the secondary battery of the present invention is generally fully charged when the battery is newly manufactured, it is less than the cathode material used in the lithium ion battery. stable. further,
The battery of the present invention can perform a very large number of charges and discharges while maintaining a safe operating state and high specific capacity of the cathode activator.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による、カソード、アノード、セパレー
タ及び電解液を含む単純化した二次電池の構成を示す図
である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a simplified configuration of a secondary battery including a cathode, an anode, a separator, and an electrolyte according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 二次電池 12 カソード 14 アノード 16 セパレータ 20 集電器 22 集電器 24 ホスト材料 26 分散されたリチウム金属 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Secondary battery 12 Cathode 14 Anode 16 Separator 20 Current collector 22 Current collector 24 Host material 26 Dispersed lithium metal

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・エル・バーバ,ザ・サード アメリカ合衆国ノースキャロライナ州 28216、シャーロット、インチャントメン ト・コーヴ・レーン 4351 Fターム(参考) 5H029 AJ03 AJ05 AJ12 AK02 AK05 AL01 AL02 AL03 AL04 AL06 AL12 AL18 AM07 CJ13 CJ23 DJ12 DJ16 HJ05 HJ18 5H050 AA07 AA08 AA15 BA17 CA02 CA11 CB02 CB03 CB05 CB08 CB12 CB29 FA08 FA17 FA18 GA13 GA23 HA05 HA18  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor John El Barba, The Third 28216, North Carolina, United States, Charlotte, Inchantment Cove Lane 4351 F-term (reference) 5H029 AJ03 AJ05 AJ12 AK02 AK05 AL01 AL02 AL03 AL04 AL06 AL12 AL18 AM07 CJ13 CJ23 DJ12 DJ16 HJ05 HJ18 5H050 AA07 AA08 AA15 BA17 CA02 CA11 CB02 CB03 CB05 CB08 CB12 CB29 FA08 FA17 FA18 GA13 GA23 HA05 HA18

Claims (30)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 二次電池用に製作されたアノードであっ
て、電気化学システム内でリチウムを吸着及び脱着する
ことができるホスト材料と、前記ホスト材料の中に分散
されたリチウム金属と、を含むことを特徴とするアノー
ド。
An anode fabricated for a secondary battery, comprising: a host material capable of adsorbing and desorbing lithium in an electrochemical system; and lithium metal dispersed in the host material. An anode, comprising:
【請求項2】 請求項1に記載のアノードであって、前
記リチウム金属が微細に砕かれたリチウムの粉末である
ことを特徴とするアノード。
2. The anode according to claim 1, wherein said lithium metal is finely ground lithium powder.
【請求項3】 請求項2に記載のアノードであって、前
記リチウムの粉末の平均粒子寸法が約20ミクロン以下
であることを特徴とするアノード。
3. The anode according to claim 2, wherein the lithium powder has an average particle size of about 20 microns or less.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載のアノー
ドが、リチウム金属に対して0.0ボルトより大きく
1.5ボルト以下の電気化学的電位で、可逆的にリチウ
ム化及び脱リチウム化することができることを特徴とす
るアノード。
4. An anode according to claim 1, wherein the anode is reversibly lithiated and delithiated at an electrochemical potential greater than 0.0 volts and less than 1.5 volts relative to lithium metal. An anode characterized in that it can be converted into an anode.
【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載のアノー
ドであって、前記ホスト材料が、リチウムに対して0.
0ボルトより大きく1.5ボルト以下の電気化学的電位
で、可逆的にリチウム化及び脱リチウム化することがで
きる1つ以上の材料を含むことを特徴とするアノード。
5. The anode according to claim 1, wherein the host material is 0.1 to 0.1% of lithium.
An anode comprising one or more materials that can be reversibly lithiated and delithiated at an electrochemical potential greater than 0 volts and less than or equal to 1.5 volts.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載のアノー
ドであって、前記ホスト材料が、炭素質材料、Si,S
n,スズ酸化物、複合スズ合金、遷移金属の酸化物、リ
チウム金属の窒化物及びリチウム金属の酸化物から成る
群より選択された1つ以上の材料を含むことを特徴とす
るアノード。
6. The anode according to claim 1, wherein the host material is a carbonaceous material, Si, S
An anode comprising one or more materials selected from the group consisting of n, tin oxide, composite tin alloy, transition metal oxide, lithium metal nitride, and lithium metal oxide.
【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載のアノー
ドであって、前記ホスト材料が炭素質材料を含むことを
特徴とするアノード。
7. The anode according to claim 1, wherein the host material includes a carbonaceous material.
【請求項8】 請求項7に記載のアノードであって、前
記炭素質材料がグラファイトであることを特徴とするア
ノード。
8. The anode according to claim 7, wherein said carbonaceous material is graphite.
【請求項9】 請求項8に記載のアノードであって、前
記ホスト材料がカーボンブラックをさらに含むことを特
徴とするアノード。
9. The anode according to claim 8, wherein said host material further comprises carbon black.
【請求項10】 請求項1〜9のいずれかに記載のアノ
ードであって、前記アノード内のリチウム金属の量は、
前記アノードが再充電される場合、前記アノード内の前
記ホスト材料の中に入り込む、前記ホスト材料と合金を
作る、又は前記ホスト材料に吸着されるに十分な最大の
量以下であることを特徴とするアノード。
10. The anode according to claim 1, wherein the amount of lithium metal in the anode is:
When the anode is recharged, no more than a maximum amount sufficient to penetrate, alloy with, or adsorb to the host material within the anode. Anode.
【請求項11】 請求項1〜10のいずれかに記載のア
ノードを含むことを特徴とする二次電池。
11. A secondary battery comprising the anode according to claim 1.
【請求項12】 製作された二次電池であって、 活性剤を含むカソードと、 請求項1〜10のいずれかに記載されたアノードと、 正極と負極とを分離するセパレータと、 前記正極と前記負極とを連通する電解液と、を含むこと
を特徴とする二次電池。
12. A manufactured secondary battery, comprising: a cathode containing an activator; the anode according to claim 1; a separator for separating a positive electrode and a negative electrode; And an electrolyte communicating with the negative electrode.
【請求項13】 請求項12に記載の二次電池であっ
て、前記正極が、活性剤としてリチウムに対して2.0
〜5.0ボルトの電気化学的電位でリチウム化すること
ができる化合物を含むことを特徴とする二次電池。
13. The secondary battery according to claim 12, wherein the positive electrode has a capacity of 2.0 to lithium as an activator.
A secondary battery comprising a compound that can be lithiated at an electrochemical potential of up to 5.0 volts.
【請求項14】 請求項13に記載の二次電池であっ
て、前記正極内の前記活性剤が、MnO2,V25及び
MoS2、及びその混合物から成る群より選択されるこ
とを特徴とする二次電池。
14. The secondary battery according to claim 13, wherein the activator in the positive electrode is selected from the group consisting of MnO 2 , V 2 O 5 and MoS 2 , and a mixture thereof. Features a secondary battery.
【請求項15】 請求項13に記載の二次電池であっ
て、前記正極内の前記活性剤が、MnO2を含むことを
特徴とする二次電池。
15. The secondary battery according to claim 13, wherein the activator in the positive electrode contains MnO 2 .
【請求項16】 請求項13に記載の二次電池であっ
て、前記正極内の前記活性剤が、LiMn24を含むこ
とを特徴とする二次電池。
16. The secondary battery according to claim 13, wherein the activator in the positive electrode includes LiMn 2 O 4 .
【請求項17】 請求項12〜16のいずれかに記載の
二次電池であって、前記カソード内の活性剤の量が前記
アノード内に存在する脱着可能なリチウム金属を受け入
れるに十分であることを特徴とする二次電池。
17. The secondary battery according to claim 12, wherein an amount of the activator in the cathode is sufficient to receive a detachable lithium metal present in the anode. A secondary battery characterized by the above-mentioned.
【請求項18】 請求項12〜17のいずれかに記載の
二次電池が、完全に充電された状態であることを特徴と
する二次電池。
18. A secondary battery according to claim 12, wherein the secondary battery is in a fully charged state.
【請求項19】 二次電池用のアノードを製作する方法
であって、 電気化学システムの中にリチウムを吸着及び脱着するこ
とができるホスト材料を設置するステップと、前記ホス
ト材料の中にリチウム金属を分散するステップと、 前記ホスト材料とその中に分散された前記リチウム金属
とをアノードに形成するステップと、を含むことを特徴
とする方法。
19. A method of fabricating an anode for a secondary battery, comprising the steps of: installing a host material capable of adsorbing and desorbing lithium in an electrochemical system; And forming the host material and the lithium metal dispersed therein on an anode.
【請求項20】 請求項19に記載の方法であって、前
記分散するステップが、スラリーを形成するために前記
リチウム金属、前記ホスト材料及び非水系の液体を一緒
に混合するステップを含むことを特徴とする方法。
20. The method according to claim 19, wherein the dispersing step comprises mixing the lithium metal, the host material and a non-aqueous liquid together to form a slurry. Features method.
【請求項21】 請求項19又は請求項20に記載の方
法であって、前記形成するステップが、前記スラリーを
集電器に加えるステップと前記スラリーを乾燥させるス
テップとを含むことを特徴とする方法。
21. The method of claim 19 or claim 20, wherein the forming comprises applying the slurry to a current collector and drying the slurry. .
【請求項22】 請求項19〜21のいずれかに記載の
方法であって、前記分散するステップが、前記ホスト材
料をリチウム金属及び非水系の液体を含む懸濁液の中に
浸漬するステップを含むことを特徴とする方法。
22. The method according to claim 19, wherein the dispersing comprises immersing the host material in a suspension containing lithium metal and a non-aqueous liquid. A method comprising:
【請求項23】 請求項22に記載の方法であって、前
記分散するステップが、前記ホスト材料を炭化水素内の
リチウム金属の懸濁液の中に浸漬するステップを含むこ
とを特徴とする方法。
23. The method of claim 22, wherein said dispersing comprises immersing said host material in a suspension of lithium metal in a hydrocarbon. .
【請求項24】 請求項19〜23のいずれかに記載の
方法であって、前記分散するステップが、微細に砕かれ
たリチウム金属の粉末を前記ホスト材料の中に分散する
ステップを含むことを特徴とする方法。
24. The method according to claim 19, wherein the step of dispersing includes the step of dispersing finely ground lithium metal powder into the host material. Features method.
【請求項25】 請求項19〜24のいずれかに記載の
方法であって、前記分散するステップが、平均粒子寸法
が約20ミクロン以下のリチウム金属を前記ホスト材料
の中に分散するステップを含むことを特徴とする方法。
25. The method of claim 19, wherein the dispersing comprises dispersing lithium metal having an average particle size of about 20 microns or less into the host material. A method comprising:
【請求項26】 請求項19〜25のいずれかに記載の
方法であって、前記設置するステップが、リチウムに対
して0.0ボルトより大きく1.5ボルト以下の電気化
学的電位で、可逆的にリチウム化及び脱リチウム化する
ことができる1つ以上の材料から成るホスト材料を設け
るステップを含むことを特徴とする方法。
26. The method according to any of claims 19 to 25, wherein the step of installing is reversible at an electrochemical potential greater than 0.0 volts and less than 1.5 volts relative to lithium. Providing a host material comprising one or more materials that can be selectively lithiated and delithiated.
【請求項27】 請求項19〜26のいずれかに記載の
方法であって、前記設置するステップが、炭素質材料、
Si,Sn,スズ酸化物、複合スズ合金、遷移金属の酸
化物、リチウム金属の窒化物及びリチウム金属の酸化物
から成る群より選択された1つ以上の材料を含むホスト
材料を設けるステップを含むことを特徴とする方法。
27. The method according to any of claims 19 to 26, wherein said installing comprises: a carbonaceous material;
Providing a host material including one or more materials selected from the group consisting of Si, Sn, tin oxide, composite tin alloy, transition metal oxide, lithium metal nitride, and lithium metal oxide. A method comprising:
【請求項28】 請求項19〜27のいずれかに記載の
方法であって、前記設置するステップが炭素質材料を含
むホスト材料を設けるステップを含むことを特徴とする
方法。
28. The method according to any of claims 19 to 27, wherein said placing comprises providing a host material comprising a carbonaceous material.
【請求項29】 請求項19〜28のいずれかに記載の
方法であって、前記設置するステップが、前記炭素質材
料がグラファイトであるホスト材料を設けるステップを
含むことを特徴とする方法。
29. The method of claim 19, wherein the step of providing includes providing a host material wherein the carbonaceous material is graphite.
【請求項30】 請求項29に記載の方法であって、前
記ホスト材料がカーボンブラックをさらに含むホスト材
料を設けるステップを含むことを特徴とする方法。
30. The method of claim 29, comprising providing a host material wherein said host material further comprises carbon black.
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