JP2010521053A - Battery electrode and battery including such electrode - Google Patents

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ザ ジレット カンパニー
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Abstract

電池は、ハウジングと、ハウジング内のカソードと、ハウジング内のアノードとを、含むことができる。カソードは、リチウムイオンカソード活物質及びカソード活物質内の導電性金属材料の網状組織を含むことができる。カソードは、少なくとも1mmの厚さを有することができる。  The battery can include a housing, a cathode in the housing, and an anode in the housing. The cathode can include a lithium ion cathode active material and a network of conductive metal material within the cathode active material. The cathode can have a thickness of at least 1 mm.

Description

一般的に、Li(リチウム)電池及びLi−イオン(リチウムイオン)電池は、金属箔又はエキスパンドメタルグリッド上に沈着された比較的薄い電極を使用して製作される。これらの電極は、典型的には約0.1〜0.25mmの厚さにわたり、「ゼリーロール」と呼ばれる円筒形又は角型のアセンブリ内において、セパレータフィルムで巻かれている。   In general, Li (lithium) and Li-ion (lithium ion) batteries are fabricated using relatively thin electrodes deposited on a metal foil or expanded metal grid. These electrodes typically are about 0.1 to 0.25 mm thick and are wrapped with a separator film in a cylindrical or square assembly called a “jelly roll”.

この巻かれた電池の構造は、ボビン構造を使用して製作される同程度の寸法のアルカリ電池よりも、複雑であり高価である。これらの薄い電極を含む電池はまた、カレントコレクタ、セパレータ及び他の不活性成分により占められる、比例的に大きな不活性容量のために、エネルギー密度が比較的低い傾向がある。それにもかかわらず、電極及び電解質には電気伝導及びイオン伝導において制限があるため、ゼリーロール構造には薄い電極が使用される。   This wound battery structure is more complex and expensive than a comparable size alkaline battery made using a bobbin structure. Batteries containing these thin electrodes also tend to have relatively low energy density due to the proportionally large inert capacity occupied by current collectors, separators and other inert components. Nevertheless, thin electrodes are used for the jelly roll structure because the electrodes and electrolytes are limited in electrical and ionic conduction.

金属箔又はエキスパンドメタルグリッド上に沈着するために使用される電極の処方は、典型的には、溶媒相、活物質、導電性添加剤及び有機ポリマーバインダーに基づいている。溶媒の蒸発後、バインダーは粒子材料と結合して機械的強度及び接着性を提供する。しかしながら、ポリマーの絶縁特性のために、電極の電気化学的性能に影響を与えずに、つまり得られる電極強度を制限せずに、量のみを制限して使用することができる。結果として、電極の厚さは一般的に、クラック及び/又は層間剥離を防ぐために約0.25mm未満である。   The electrode formulation used to deposit on a metal foil or expanded metal grid is typically based on a solvent phase, an active material, a conductive additive and an organic polymer binder. After evaporation of the solvent, the binder combines with the particulate material to provide mechanical strength and adhesion. However, due to the insulating properties of the polymer, it can be used in limited quantities without affecting the electrochemical performance of the electrode, ie without limiting the resulting electrode strength. As a result, the electrode thickness is generally less than about 0.25 mm to prevent cracking and / or delamination.

「ゼリーロール」配置のような従来の巻かれた配置は、一般的に大容量のカレントコレクタ及びセパレータ材料を含み、これはセルのかなりの容量を占める。使用されるカレントコレクタ及びセパレータ材料の量を減らすことで、セルに付加的な活物質を追加することが可能となる。従来の配置をボビンセル構造に換えることで、最大で25パーセントの活物質をAA電池又はAAA電池に使用することが可能となり、著しいエネルギー密度の増加がもたらされる。本明細書に記載の厚い電極を使用することで、充電条件及び放電条件の双方で適切なレート能力を有する、単純かつ低価格なボビンリチウムセルを作製することが可能となる。また、角型構造のような他の型の高密度なセル構造を可能とする。本明細書に記載の厚い電極は、リチウム系の高エネルギー密度を利用する様々な新規のセル配置を可能とする。   Conventional wound arrangements, such as “jelly roll” arrangements, typically include a large volume of current collector and separator material, which occupies a significant capacity of the cell. By reducing the amount of current collector and separator material used, additional active materials can be added to the cell. Replacing the conventional arrangement with a bobbin cell structure allows up to 25 percent of the active material to be used in AA batteries or AAA batteries, resulting in a significant increase in energy density. By using the thick electrodes described herein, it is possible to produce a simple and low cost bobbin lithium cell with adequate rate capability under both charging and discharging conditions. In addition, other types of high-density cell structures such as a square structure are possible. The thick electrodes described herein allow for a variety of new cell arrangements that utilize lithium-based high energy densities.

1つの態様では、ハウジングと、ハウジング内のカソードと、ハウジング内のアノードと、を含む電池が開示されている。カソードは、リチウムイオンカソード活物質及びカソード活物質内の導電性金属材料の網状組織を含む。いくつかの実施態様において、カソードは、少なくとも1mmの厚さを有する。   In one aspect, a battery is disclosed that includes a housing, a cathode in the housing, and an anode in the housing. The cathode includes a lithium ion cathode active material and a network of conductive metal material within the cathode active material. In some embodiments, the cathode has a thickness of at least 1 mm.

いくつかの実施態様において、導電性金属材料の網状組織は、連続気泡発泡金属を含む。導電性金属材料は、アルミニウムを含むことができる。   In some embodiments, the network of conductive metal material comprises an open cell foam metal. The conductive metal material can include aluminum.

いくつかの実施態様において、導電性金属材料の網状組織は、金属充填剤を含む。金属充填剤としては、粉末、フレーク、フィブリル、繊維又はこれらの組み合わせが挙げられる。金属充填剤は、カソード活物質全体にわたって連続的に網状組織を形成するために、定位置に圧縮又は焼結され得る。   In some embodiments, the network of conductive metal material includes a metal filler. Metal fillers include powders, flakes, fibrils, fibers or combinations thereof. The metal filler can be compressed or sintered in place to form a continuous network throughout the cathode active material.

いくつかの実施態様において、導電性金属材料の網状組織は、充放電の際に膨張又は収縮する金属合金を含む。   In some embodiments, the network of conductive metal material includes a metal alloy that expands or contracts during charge and discharge.

いくつかの実施態様において、アノードは、アノード活物質及びアノード活物質内の導電性材料のアノード網状組織を含む。アノード活物質としては、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、LiTi12又はこれらの組み合わせが挙げられる。導電性材料のアノード網状組織は、連続気泡発泡金属を含むことができる。導電性材料のアノード網状組織は、銅を含むことができる。いくつかの実施態様において、導電性材料のアノード網状組織は、金属充填剤を含むことができる。金属充填剤としては、粉末、フレーク、フィブリル、繊維又はこれらの組み合わせが挙げられる。金属充填剤は、アノード活物質全体にわたって連続的に網状組織を形成するために、定位置に圧縮又は焼結され得る。 In some embodiments, the anode includes an anode active material and an anode network of conductive material within the anode active material. Examples of the anode active material include mesocarbon microbeads (MCMB), Li 4 Ti 5 O 12 or a combination thereof. The anode network of conductive material can include an open cell foam metal. The anode network of conductive material can include copper. In some embodiments, the anode network of conductive material can include a metal filler. Metal fillers include powders, flakes, fibrils, fibers or combinations thereof. The metal filler can be compressed or sintered in place to form a continuous network throughout the anode active material.

いくつかの実施態様において、電池は、カソードとアノードとの間にセパレータも含む。セパレータは、多孔質ポリオレフィンを含むことができる。いくつかの実施態様において、セパレータは、セラミック又はガラスを含むことができる。   In some embodiments, the battery also includes a separator between the cathode and the anode. The separator can include a porous polyolefin. In some embodiments, the separator can include ceramic or glass.

いくつかの実施態様において、導電性金属材料の網状組織は、カソード活物質を含まない孔の表面層を含む。いくつかの実施態様において、カソード活物質を含まない孔の表面層は、酸化されてもよい。いくつかの実施態様において、カソード活物質を含まない孔の表面層は、カソードとアノードとの間のセパレータとして機能するのに十分な厚さであり得る。   In some embodiments, the network of conductive metal material includes a surface layer of pores that does not include a cathode active material. In some embodiments, the surface layer of the pores that do not include the cathode active material may be oxidized. In some embodiments, the surface layer of pores free of cathode active material can be thick enough to function as a separator between the cathode and anode.

いくつかの実施態様において、カソード活物質としては、Li[Ni0.33Co0.33Mn0.33]O、LiFePO、LiCoO、LiMn又はこれらの組み合わせが挙げられる。いくつかの実施態様において、カソードの厚さは約2mm〜約10mmであってよい。いくつかの実施態様において、カソードは、約5〜約15重量パーセントの導電性材料を含む。 In some embodiments, the cathode active material includes Li [Ni 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 ] O 2 , LiFePO 4 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 or a combination thereof. In some embodiments, the cathode thickness can be from about 2 mm to about 10 mm. In some embodiments, the cathode includes about 5 to about 15 weight percent conductive material.

いくつかの実施態様において、電池は2次電池であり得る。   In some embodiments, the battery can be a secondary battery.

いくつかの実施態様において、電池は、積層角型構造として作製され得る。他の実施態様においては、電池はボビンセル構造を有することができる。いくつかの実施態様において、電池は、少なくとも1つのカソード領域及び少なくとも1つのアノード領域をそれぞれが有する複数の積層ディスクを含む。   In some embodiments, the battery can be made as a stacked square structure. In other embodiments, the battery can have a bobbin cell structure. In some embodiments, the battery includes a plurality of stacked disks each having at least one cathode region and at least one anode region.

いくつかの実施態様において、電池の定格容量は、少なくとも約1.5mA/cmである。 In some embodiments, the rated capacity of the battery is at least about 1.5 mA / cm 2 .

その他の態様において、2次電池は、ハウジング及びそのハウジング内にボビン型セル構造を有する少なくとも1つのセルを含む。セルは、カソード及びアノードを含む少なくとも2つの電極を含むことができる。それぞれの電極は、電極活物質を含むことができる。カソードは、リチウムイオンカソード活物質を含むことでき、アノードは、アノード活物質を含むことができる。少なくとも1つの電極は、電極活物質内に導電性材料の網状組織を含むことができる。いくつかの実施態様において、カソードは、導電性材料の網状組織を含むことができ、導電性材料の網状組織は、アルミニウムの連続気泡発泡金属を含むことができる。いくつかの実施態様において、アノードは、導電性材料の網状組織を含むことができる。いくつかの実施態様において、導電性材料の網状組織は、銅の連続気泡発泡金属を含むことができる。いくつかの実施態様において、カソード活物質としては、Li[Ni0.33Co0.33Mn0.33]O、LiFePO、LiCoO、LiMn又はこれらの組み合わせが挙げられる。いくつかの実施態様において、アノード活物質としては、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、LiTi12又はこれらの組み合わせが挙げられる。 In another aspect, the secondary battery includes a housing and at least one cell having a bobbin type cell structure in the housing. The cell can include at least two electrodes including a cathode and an anode. Each electrode can include an electrode active material. The cathode can include a lithium ion cathode active material, and the anode can include an anode active material. The at least one electrode can include a network of conductive material within the electrode active material. In some embodiments, the cathode can include a network of conductive material, and the network of conductive material can include an open cell foam metal of aluminum. In some embodiments, the anode can include a network of conductive material. In some embodiments, the network of conductive material can include an open cell foam metal of copper. In some embodiments, the cathode active material includes Li [Ni 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 ] O 2 , LiFePO 4 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 or a combination thereof. In some embodiments, the anode active material includes mesocarbon microbeads (MCMB), Li 4 Ti 5 O 12 or combinations thereof.

いくつかの実施態様において、2次電池は、カソードとアノードとの間にセパレータを含むことができる。いくつかの実施態様において、電池は、それぞれが少なくとも1つのカソード領域及び少なくとも1つのアノード領域を含む複数の積層ディスクを含むことができる。いくつかの実施態様において、2次電池は少なくとも約1.5mA/cmの定格容量を有することができる。 In some embodiments, the secondary battery can include a separator between the cathode and the anode. In some embodiments, the battery can include a plurality of stacked disks, each including at least one cathode region and at least one anode region. In some embodiments, the secondary battery can have a rated capacity of at least about 1.5 mA / cm 2 .

その他の態様において、1次電池は、ハウジング及びハウジング内にボビン型セル構造を有する少なくとも1つのセルを含む。セルは、カソード及びアノードを含む少なくとも2つの電極を含むことができ、それぞれの電極は電極活物質を含むことができる。カソードは、カソード活物質を含むことができ、アノードは、アノード活物質を含むことができる。少なくとも1つの電極は、電極活物質内に導電性材料の網状組織を含むことができる。いくつかの実施態様において、カソードは、導電性材料の網状組織を含むことができる。いくつかの実施態様において、アノードは、導電性材料の網状組織を含むことができる。いくつかの実施態様において、導電性材料の網状組織は、アルミニウムの連続気泡発泡金属を含むことができる。いくつかの実施態様において、導電性材料の網状組織は、銅の連続気泡発泡金属を含むことができる。いくつかの実施態様において、アノード活物質としては、MnO、FeS、NiS、MnS、CuS、CuO、V、AgV11又はこれらの組み合わせが挙げられる。いくつかの実施態様において、アノード活物質としては、金属リチウム箔、金属リチウム粉末又はこれらの組み合わせが挙げられる。 In another aspect, the primary battery includes a housing and at least one cell having a bobbin type cell structure in the housing. The cell can include at least two electrodes including a cathode and an anode, and each electrode can include an electrode active material. The cathode can include a cathode active material, and the anode can include an anode active material. The at least one electrode can include a network of conductive material within the electrode active material. In some embodiments, the cathode can include a network of conductive material. In some embodiments, the anode can include a network of conductive material. In some embodiments, the network of conductive material can include an open cell foam metal of aluminum. In some embodiments, the network of conductive material can include an open cell foam metal of copper. In some embodiments, the anode active material, MnO 2, FeS 2, NiS 2, MnS 2, CuS, CuO, V 2 O 5, AgV 4 O 11 or combinations thereof. In some embodiments, the anode active material includes metallic lithium foil, metallic lithium powder, or combinations thereof.

いくつかの実施態様において、1次電池は、カソードとアノードとの間にセパレータを含むことができる。いくつかの実施態様において、1次電池は、それぞれが少なくとも1つのカソード領域及び少なくとも1つのアノード領域を含む複数の積層ディスクを含むことができる。   In some embodiments, the primary battery can include a separator between the cathode and the anode. In some embodiments, the primary battery can include a plurality of stacked disks, each including at least one cathode region and at least one anode region.

1つ以上の実施態様の詳細を添付図及び以下の説明で提示する。様々な実施態様における他の特徴、目的及び利点は、説明並びに添付図面及び請求項から明らかにされるであろう。   The details of one or more embodiments are set forth in the accompanying drawings and the description below. Other features, objects, and advantages of the various embodiments will be apparent from the description and the accompanying drawings and claims.

1つの実施態様によるボビンセル構造における円筒形積層ディスク(又はペレット)の概略平面図。1 is a schematic plan view of a cylindrical laminated disc (or pellet) in a bobbin cell structure according to one embodiment. FIG. カソード活物質内の導電性金属材料の網状組織を概略的に示すボビンセル構造における円筒形積層ディスク(又はペレット)の概略平面図。The schematic plan view of the cylindrical lamination | stacking disk (or pellet) in the bobbin cell structure which shows the network structure of the electroconductive metal material in a cathode active material roughly. このような円筒形積層ディスクの円筒形スタックを示す概略平面図。FIG. 3 is a schematic plan view showing a cylindrical stack of such a cylindrical laminated disk. 追加の実施態様によるボビンセル構造における円筒形積層ディスク(又はペレット)の概略平面図。FIG. 6 is a schematic plan view of a cylindrical laminated disc (or pellet) in a bobbin cell structure according to an additional embodiment. 追加の実施態様によるボビンセル構造における円筒形積層ディスク(又はペレット)の概略平面図。FIG. 6 is a schematic plan view of a cylindrical laminated disc (or pellet) in a bobbin cell structure according to an additional embodiment. 追加の実施態様によるボビンセル構造における円筒形積層ディスク(又はペレット)の概略平面図。FIG. 6 is a schematic plan view of a cylindrical laminated disc (or pellet) in a bobbin cell structure according to an additional embodiment. 追加の実施態様によるボビンセル構造における円筒形積層ディスク(又はペレット)の概略平面図。FIG. 6 is a schematic plan view of a cylindrical laminated disc (or pellet) in a bobbin cell structure according to an additional embodiment. 追加の実施態様によるボビンセル構造における円筒形積層ディスク(又はペレット)の概略平面図。FIG. 6 is a schematic plan view of a cylindrical laminated disc (or pellet) in a bobbin cell structure according to an additional embodiment. 追加の実施態様によるボビンセル構造における円筒形積層ディスク(又はペレット)の概略平面図。FIG. 6 is a schematic plan view of a cylindrical laminated disc (or pellet) in a bobbin cell structure according to an additional embodiment. 追加の実施態様によるボビンセル構造における円筒形積層ディスク(又はペレット)の概略平面図。FIG. 6 is a schematic plan view of a cylindrical laminated disc (or pellet) in a bobbin cell structure according to an additional embodiment. 積み重ねられた角型セルの概略斜視図。The schematic perspective view of the stacked square cell. (a)3.2mmから及び(b)6.4mmから圧延した際に調べたAl発泡体材料の孔隙率を示すグラフ。The graph which shows the porosity of Al foam material investigated when rolling from (a) 3.2 mm and (b) 6.4 mm. (a)3.2mmから及び(b)6.4mmから圧延した際に調べたAl発泡体材料の孔隙率を示すグラフ。The graph which shows the porosity of Al foam material investigated when rolling from (a) 3.2 mm and (b) 6.4 mm. アルミ箔系カソードを使用したバッグセルの性能を示すグラフ。The graph which shows the performance of the bag cell using an aluminum foil type cathode. 1mmのアルミ箔LFP系カソードを使用したバッグセルの性能を示すグラフ。The graph which shows the performance of the bag cell using a 1 mm aluminum foil LFP type | system | group cathode. 2mmのアルミ箔LFP系カソードを使用したバッグセルの放電性能を示すグラフ。The graph which shows the discharge performance of the bag cell using a 2 mm aluminum foil LFP type | system | group cathode. 2mmのアルミ箔LFP系カソードを使用したバッグセルの放電性能を示すグラフ。The graph which shows the discharge performance of the bag cell using a 2 mm aluminum foil LFP type | system | group cathode. 銅箔MCMB系アノードを使用したバッグセルの性能を示すグラフ。The graph which shows the performance of the bag cell using copper foil MCMB type | system | group anode.

電気化学セルは、1次セル又は2次セルであり得る。1次電気化学セルとは、1度だけ、例えば完全に消費されるまで放電され、その後廃棄されることを意味する。1次セルは、再充電を意図しない。1次セルは、例えば、デヴィッド・リンデン(David Linden)、「電池ハンドブック(Handbook of Batteries)」(マグローヒル(McGraw-Hill)、1995年、第2版)に記載されている。2次電気化学電池は多数回、例えば50回を超えて、100回を超えて又はそれより多くの回数を再充電することができる。場合によっては、2次電池類には、比較的頑丈なセパレータ、例えば、多くの層を有するセパレータ及び/又は比較的厚いセパレータを含むことができる。2次セルは、セルの中で生じ得る膨張のような変化に適応する設計にすることもできる。2次セルは、例えば、フォーク・アンド・サルキンド(Falk & Salkind)の「アルカリ蓄電池(Alkaline Storage Batteries)」(ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社(John Wiley & Sons, Inc.)、1969年)、米国特許第345,124号及び仏国特許第164,681号に記載されており、これらはすべて本明細書に参考として組み込まれる。1次セル及び2次セルの双方は、ボビンセル配列又は角型配列を有することができる。   The electrochemical cell can be a primary cell or a secondary cell. A primary electrochemical cell means that it is discharged only once, for example until it is completely consumed, and then discarded. The primary cell is not intended for recharging. Primary cells are described, for example, in David Linden, “Handbook of Batteries” (McGraw-Hill, 1995, 2nd edition). The secondary electrochemical cell can be recharged many times, for example, more than 50 times, more than 100 times or more. In some cases, secondary batteries can include relatively robust separators, such as separators with many layers and / or separators that are relatively thick. The secondary cell can also be designed to accommodate changes such as expansion that can occur in the cell. Secondary cells are, for example, Falk & Salkind's “Alkaline Storage Batteries” (John Wiley & Sons, Inc., 1969), U.S. Pat. No. 345,124 and French Patent 164,681, all of which are incorporated herein by reference. Both the primary cell and the secondary cell can have a bobbin cell array or a square array.

ボビンセル配列
ボビンセル配列は、環状かつ棒状の電極を含むことができる。例えば、ボビンセル配列は、中央にカソード物質の環又は棒及びそれを取り囲むアノード物質の環を含むことができる。他のボビン配列において、アノード又はカソードの付加的な環又は棒も存在してよい。ボビンセル配列は、非円形の断面形状を有することもできる。
Bobbin Cell Array The bobbin cell array can include annular and rod-shaped electrodes. For example, a bobbin cell arrangement can include a ring or rod of cathode material and a ring of anode material surrounding it in the center. In other bobbin arrangements, additional rings or rods of the anode or cathode may also be present. The bobbin cell array can also have a non-circular cross-sectional shape.

図1A及び1Bは、ボビンセル構造に使用され得る、2種の円筒形積層ディスク(又はペレット)を示す。図示されるそれぞれの積層ディスクは、カソード22、アノード24及びカソード22とアノード24との間のセパレータ26を含む。図1Bに示されるように、カソード22は、カソード22のカソード活物質内に導電性金属材料の網状組織27を含むことができる。いくつかの実施態様において(図示せず)、アノード24は、アノード24のアノード活物質内の導電性材料の網状組織を含むこともできる。   1A and 1B show two types of cylindrical laminated discs (or pellets) that can be used in a bobbin cell structure. Each illustrated laminated disc includes a cathode 22, an anode 24, and a separator 26 between the cathode 22 and the anode 24. As shown in FIG. 1B, the cathode 22 can include a network 27 of conductive metal material within the cathode active material of the cathode 22. In some embodiments (not shown), the anode 24 can also include a network of conductive material within the anode active material of the anode 24.

図1Cは、上述され図1A及び1Bに示されるもののような、円筒形積層ディスクの円筒形スタックを示す斜視図を示している。このような円筒形積層ディスクの円筒形スタックは、ボビンセル構造を作製するのに使用され得る。図示される実施態様において、グリッド28は、隣接する円筒形積層ディスク間に位置する。グリッド28は、隣接する円筒形積層ディスク間の電流を収集することができる。任意の連続金属構造は、例えば、穿孔金属箔、織りワイヤーメッシュ若しくは溶接ワイヤーメッシュ又はエキスパンドメタル(スリット金属及び延伸された金属)のようなグリッド28として機能することができる。この目的のために、エキスパンドメタルグリッドは、例えば、コネチカット州ノガタック(Naugatuck)のデクスメット社(Dexmet Corporation)から市販されている。典型的には、それらの厚さは、25〜127マイクロメートル(1〜5ミル)で変動する。このようなグリッドを積層電極ディスク間に載置することで、外部電池ハウジングに高い導電性経路が提供され、このため内部抵抗が低くなる。他の実施態様において、図示されないが、円筒形積層ディスクは中間グリッド28を用いずに配置することができる。円筒形スタックは、電池ハウジング20内に配置してよい。いくつかの実施態様において、電池は、カレントコレクタ32を含むことができる。カレントコレクタ32は、セル内のカソード及びアノードの配置に応じて、例えば、図示されるようにアノード24又はカソード22からの電流を収集することができる。   FIG. 1C shows a perspective view showing a cylindrical stack of cylindrical laminated disks, such as those described above and shown in FIGS. 1A and 1B. Such a cylindrical stack of cylindrical laminated discs can be used to make a bobbin cell structure. In the illustrated embodiment, the grid 28 is located between adjacent cylindrical laminated disks. The grid 28 can collect current between adjacent cylindrical laminated disks. Any continuous metal structure can function as a grid 28, such as, for example, perforated metal foil, woven or welded wire mesh, or expanded metal (slit metal and stretched metal). For this purpose, expanded metal grids are commercially available, for example, from Dexmet Corporation, Naugatuck, Connecticut. Typically, their thickness varies from 25 to 127 micrometers (1 to 5 mils). By placing such a grid between the stacked electrode disks, a high conductive path is provided to the external battery housing, thus reducing the internal resistance. In other embodiments, not shown, the cylindrical laminated disk can be arranged without the intermediate grid 28. The cylindrical stack may be disposed within the battery housing 20. In some embodiments, the battery can include a current collector 32. The current collector 32 can collect current from, for example, the anode 24 or the cathode 22 as shown, depending on the arrangement of the cathode and anode in the cell.

図2A〜2Bは、様々な他の円筒形積層ディスク実施態様を示している。これらの様々な他の円筒形積層ディスク実施態様のそれぞれは、ボビンセル配列を作製するのに使用されることができる。配列は、アノード24とカソード22との間で所望の共有表面積量がもたらされるように選択することができる。セルに使用される電極数もまた、必要とするセル性能に応じて変更することができる。   2A-2B illustrate various other cylindrical laminated disk embodiments. Each of these various other cylindrical laminated disk embodiments can be used to create a bobbin cell array. The arrangement can be selected to provide the desired amount of shared surface area between the anode 24 and the cathode 22. The number of electrodes used in the cell can also be varied depending on the required cell performance.

ボビンセル配列は、ディスクが積み重ねられたボビン配列として示されているが、他のボビンセル配列が可能である。例えば、電池は、電池のハウジング内に別々に配置される、別々に形成されるアノード領域24及びカソード領域22を含むことができる。   The bobbin cell array is shown as a bobbin array with stacked disks, but other bobbin cell arrays are possible. For example, the battery can include separately formed anode region 24 and cathode region 22 that are separately disposed within the battery housing.

角型配列
図3は、積層角型構造を示している。積層角型構造は、カソード22の層及びアノード24の層を含む。カソード22又はアノード24のそれぞれの層の厚さは、少なくとも1mmであることができる。いくつかの実施態様において、カソード22及び/又はアノード24のそれぞれの層の厚さは、少なくとも1.5mm(例えば、2mm〜100mmの厚さ)であることができる。いくつかの実施態様において、図示されるように、角型構造は、カソード物質とアノード物質とが交互に重なった層の間にセパレータ26の層を含む。
Square Array FIG. 3 shows a stacked square structure. The laminated square structure includes a cathode 22 layer and an anode 24 layer. The thickness of each layer of cathode 22 or anode 24 can be at least 1 mm. In some embodiments, the thickness of each layer of cathode 22 and / or anode 24 can be at least 1.5 mm (eg, 2 mm to 100 mm thick). In some embodiments, as illustrated, the square structure includes a layer of separator 26 between layers of alternating cathode and anode materials.

従来のリチウムイオン角型電池の場合、NP−60設計のような、平坦な、螺旋状に巻かれた電極スタックアセンブリは、図3に示されるような単純に積み重ねられた電極アセンブリに換えることが可能である。積み重ねられた電極22、24は、ペレットの形態に圧縮される、前形成された導電性金属材料の網状組織27に浸透される、あるいはその場導電性金属網状組織27を形成するために、活物質と金属粉末とを成形/圧縮することで作製される電極活物質を含むことができる。   In the case of a conventional lithium ion prismatic battery, a flat, spirally wound electrode stack assembly, such as the NP-60 design, can be replaced with a simple stacked electrode assembly as shown in FIG. Is possible. The stacked electrodes 22, 24 are compressed to form a pellet, penetrated into a preformed conductive metal material network 27, or to form an in situ conductive metal network 27. The electrode active material produced by shape | molding / compressing a substance and a metal powder can be included.

電極構造
カソード22は、リチウムイオンカソード活物質を含むことができる。例えば、カソードは、カソード活物質として、Li[Ni0.33Co0.33Mn0.33]O、LiFePO、LiCoO、LiMn又はこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施態様において、カソードの厚さは、少なくとも1mm(例えば、少なくとも1.5mm又は2mm〜100mm)であることができる。いくつかの実施態様において、導電性金属の網状組織は、アルミニウムを含むことができる。いくつかの実施態様において、カソード22は、2次セルの一部分であり得る。
Electrode Structure The cathode 22 can include a lithium ion cathode active material. For example, the cathode can include Li [Ni 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 ] O 2 , LiFePO 4 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 or a combination thereof as the cathode active material. In some embodiments, the thickness of the cathode can be at least 1 mm (eg, at least 1.5 mm or 2 mm to 100 mm). In some embodiments, the conductive metal network can include aluminum. In some embodiments, the cathode 22 can be part of a secondary cell.

上述のように、アノード24は、アノード活物質(例えば、メソカーボンマイクロビーズ又はLiTi12)及びアノード活物質内の導電性材料のアノード網状組織を含むことができる。アノード活物質としては、グラファイト、非晶質炭素、合金アノード、金属化合物(オキシド、カルコゲニド及び他の化合物)又はこれらの混合物も挙げられる。いくつかの実施態様において、導電性材料のアノード網状組織は、銅を含むことができる。いくつかの実施態様において、カソード24は、2次セルの一部分であり得る。 As described above, the anode 24 can include an anode active material (eg, mesocarbon microbeads or Li 4 Ti 5 O 12 ) and an anode network of conductive material within the anode active material. Anode active materials also include graphite, amorphous carbon, alloy anodes, metal compounds (oxides, chalcogenides and other compounds) or mixtures thereof. In some embodiments, the anode network of conductive material can include copper. In some embodiments, the cathode 24 can be part of a secondary cell.

導電性金属材料の網状組織は、電極(カソード22及び/又はアノード24)に組み込まれるカレントコレクタとして機能し、それにより良好な電気導電性が提供され得る。活物質(アノード及び/又はカソード)の複合物及び導電性材料の網状組織は、様々なコーティング及び/又は浸潤手順を使用することで前形成される網状組織27(例えば、発泡金属)に電極活物質を沈着させる工程を含む、様々な方法を使用して製作され得る。例えば、カーテンコーティング手順を使用して、複合物を形成することができる。   The network of conductive metal material can function as a current collector that is incorporated into the electrodes (cathode 22 and / or anode 24), thereby providing good electrical conductivity. A composite of active material (anode and / or cathode) and a network of conductive material is applied to the network 27 (eg, foam metal) preformed using various coating and / or infiltration procedures. It can be fabricated using a variety of methods, including depositing material. For example, a curtain coating procedure can be used to form the composite.

いくつかの実施態様において、導電性材料の網状組織は、連続気泡発泡金属を含むことができる。連続気泡発泡金属は、電極活物質の沈着前後に、例えば、ボビンセルのような電池設計における環状電極などの形状に機械加工又は賦形されることが可能である。発泡体は、例えば、オキシド及び/又は1次材料でのコーティングを除去して導電性及び接着性を増加させるために、電極活物質の沈着前に処理することができる。   In some embodiments, the network of conductive material can include an open cell foam metal. The open-celled foam metal can be machined or shaped into a shape such as an annular electrode in a battery design such as a bobbin cell before and after deposition of the electrode active material. The foam can be treated prior to deposition of the electrode active material, for example, to remove the coating with oxide and / or primary material to increase conductivity and adhesion.

異なるバインダー及び/又は溶媒を有する様々なスラリー処方物が、電極活物質を有する発泡体又は導電性金属材料の他の網状組織に浸潤するために使用され得る。いくつかの実施態様において、活物質を発泡体上にコーティングするのに水系バインダー(例えば、ラテックスバインダー及びレオロジー変性剤)を使用してよい。   Various slurry formulations with different binders and / or solvents can be used to infiltrate the foam or other network of conductive metal material with electrode active material. In some embodiments, aqueous binders (eg, latex binders and rheology modifiers) may be used to coat the active material on the foam.

発泡体マトリックスは、例えば、熱の生成につながるレートで充放電するセルなどにおいて、従来の「ゼリーロール」配列よりも優れた熱拡散を可能とする。電極(カソード又はアノード)は、異なる金属含有量(即ち、異なる相対密度)又は異なる孔径を有し、(活物質の浸潤又はコーティングの前後に)一緒に挟まれる2つ以上の発泡体を含むことができる。   The foam matrix allows for better thermal diffusion than conventional “jelly roll” arrangements, for example in cells that charge and discharge at rates that lead to heat generation. The electrode (cathode or anode) has two or more foams with different metal contents (ie different relative densities) or different pore sizes and sandwiched together (before or after active material infiltration or coating) Can do.

あるいは、導電性金属材料の網状組織は、金属充填剤を含むことができる。金属充填剤としては、粉末、フレーク、フィブリル、繊維又はこれらの組み合わせが挙げられる。金属充填剤は、活物質全体にわたって連続的に網状組織を形成するために、定位置に圧縮又は焼結され得る。   Alternatively, the network of conductive metal material can include a metal filler. Metal fillers include powders, flakes, fibrils, fibers or combinations thereof. The metal filler can be compressed or sintered in place to form a continuous network throughout the active material.

いくつかの実施態様において、導電性材料の網状組織は、充放電の際に膨張又は収縮する金属合金を含むことができる。いくつかの実施態様において、カソード活物質及び/又はアノード活物質は、充放電の際に膨張又は収縮することができる。膨張特性に合わせて、使用中の電池において電極が分離又は層間剥離するのを防ぐように電極活物質及び網状組織物質を選択することが可能である。   In some embodiments, the network of conductive material can include a metal alloy that expands or contracts during charge and discharge. In some embodiments, the cathode active material and / or anode active material can expand or contract during charge and discharge. Depending on the expansion characteristics, the electrode active material and the network material can be selected to prevent the electrodes from separating or delamination in the battery in use.

ある場合においては、例えば、所望の順序で活物質の放電/充電を調節するような特定の用途において、網状組織27の両側に2つの異なる種類の活物質をコーティングしてよい。例えば、アノード24に面するカソード22の側面は、LiFePOのような、過充電を調節するのにより役立つカソード活物質のコーティングを直接有することが可能であり、網状組織27の反対面は、LioOのような、過充電に耐性が低い大容量材料でコーティングされることが可能である。 In some cases, two different types of active materials may be coated on both sides of the network 27 in certain applications, for example, to regulate the discharge / charge of the active materials in the desired order. For example, the side of the cathode 22 facing the anode 24 can directly have a coating of cathode active material, such as LiFePO 4 , that is more useful in regulating overcharge, while the opposite side of the network 27 is LiOO. 2 and can be coated with a high capacity material that is less resistant to overcharging.

いくつかの実施態様において、電極は高度に多孔質であり得る。例えば、導電性材料の発泡体網状組織27は、電極活物質(カソード22又はアノード24)内の孔隙率のレベルを向上させ、活物質の放電/充電効率を向上させるのを可能とする。例えば、孔形成添加剤は、コーティング及び/又は浸潤スラリーに組み込まれることが可能であり、電極活物質内に所望の多孔質構造が形成されるのを助ける。孔形成剤は、孔隙の形成後に、調製された電極から除去することが可能である任意の材料を含むことができる。このような材料は、加熱工程(真空下で行われ得る)及び溶媒による洗浄工程を含む多くの方法によって除去することが可能であり、ここで、電極構成成分は不溶性であるが孔形成剤は可溶性である。孔形成剤として使用され得る材料例には、スルホラン及びエチレンカーボネートが含まれる。様々なLi塩は、可溶性であり、電解質と相溶し得る孔形成剤として使用されることも可能である。孔隙を取り入れることは、電極において有益であり、電極反応速度、つまりはセルのレート能力が向上する。   In some embodiments, the electrode can be highly porous. For example, the foam network 27 of conductive material can improve the level of porosity in the electrode active material (cathode 22 or anode 24) and improve the discharge / charge efficiency of the active material. For example, the pore-forming additive can be incorporated into the coating and / or infiltration slurry to help form the desired porous structure within the electrode active material. The pore forming agent can include any material that can be removed from the prepared electrode after formation of the pores. Such materials can be removed by a number of methods including a heating step (which can be performed under vacuum) and a solvent washing step, where the electrode components are insoluble but the pore former is It is soluble. Examples of materials that can be used as pore formers include sulfolane and ethylene carbonate. Various Li salts are soluble and can also be used as pore formers that are compatible with the electrolyte. Incorporating pores is beneficial in the electrode and improves the electrode reaction rate, ie the rate capability of the cell.

いくつかの実施態様において、電池は、アノードとして金属Li箔又は粉末を使用する1次リチウム電池であることができる。このような1次リチウム電池において、カソード活物質は、MnO、FeS、NiS、MnS、CuS、CuO、V及び/又はAgV11のような物質を含むことができる。いくつかの実施態様において、ボビンセル構造で製作される1次リチウム電池は、例えば、直列に接続され3.6V電池を提供する2つのNiSセルのような、従来のリチウムイオンセルと同程度の電圧を提供するように直列に接続されることが可能である。 In some embodiments, the battery can be a primary lithium battery that uses metallic Li foil or powder as the anode. In such a primary lithium battery, the cathode active material may include materials such as MnO 2 , FeS 2 , NiS 2 , MnS 2 , CuS, CuO, V 2 O 5 and / or AgV 4 O 11. . In some embodiments, a primary lithium battery fabricated with a bobbin cell structure is comparable to a conventional lithium ion cell, eg, two NiS 2 cells connected in series to provide a 3.6V battery. It can be connected in series to provide a voltage.

セパレータ
いくつかの実施態様において、電池は、カソード22とアノード24との間にセパレータ26を含むことができる。セパレータ26は、図1A及び1Bに示されるように、円筒形積層ディスク内に配置される、その他のボビンセル配列(図示せず)中の独立したアノードとカソードとの間に配置される、又は図3に示されるように、角型構造におけるカソード物質及びアノード物質の層の間に配置されることが可能である。
Separator In some embodiments, the battery can include a separator 26 between the cathode 22 and the anode 24. Separator 26 is disposed between independent anodes and cathodes in other bobbin cell arrangements (not shown) disposed within a cylindrical laminated disk, as shown in FIGS. 1A and 1B, or FIG. As shown in FIG. 3, it can be disposed between layers of cathode and anode materials in a square structure.

いくつかの実施態様において、セパレータは、多孔質ポリオレフィンを含むことができる。いくつかの実施態様において、セパレータは、セラミック又はガラスを含むことができる。いくつかの実施態様において、絶縁性多孔質コーティングは、セパレータとして機能するために、電極上に沈着されることが可能である。   In some embodiments, the separator can include a porous polyolefin. In some embodiments, the separator can include ceramic or glass. In some embodiments, the insulating porous coating can be deposited on the electrode to function as a separator.

いくつかの実施態様において、導電性金属材料の網状組織は、活物質を含まない孔を有する表面を含むことができる。例えば、これは、発泡金属のような前形成された網状組織27を選択的にコーティング及び/又は浸潤することで達成され得る。活物質を含まない孔を有する表面は酸化されることが可能であり、カソード22とアノード24との間のセパレータとして機能するのに十分な厚さであり得る。この手順は、アノード若しくはカソードのいずれかの表面上にセパレータを作製することで、アノードとカソードとの間にセパレータを作製するのに使用され得る。   In some embodiments, the network of conductive metal material can include a surface having pores that are free of active material. For example, this can be accomplished by selectively coating and / or infiltrating a preformed network 27 such as foam metal. The surface with pores free of active material can be oxidized and can be thick enough to function as a separator between cathode 22 and anode 24. This procedure can be used to make a separator between the anode and cathode by making a separator on either the anode or cathode surface.

電解質
いくつかの実施態様において、電池は電解質を含むことができる。Li−イオン技術において、電解質は充電及び放電中に消費されない。セル中の電解質量は、セル内で使用可能な多孔質容量に基づくことができる。
Electrolyte In some embodiments, the battery can include an electrolyte. In Li-ion technology, the electrolyte is not consumed during charging and discharging. The electrolytic mass in the cell can be based on the porous capacity available in the cell.

実施例1:厚い電極に使用する網状組織の製作
ペンシルベニア州デボン(Devon)のグッドフェロー社(Goodfellow Corporation)から、連続気泡アルミニウム発泡体を購入した。発泡体は、アルミニウム6101を含み、以下の特性を有していた。
厚さ:3.2mm及び6.4mm
嵩密度:0.2g/cm
孔/cm:16
孔隙率:93%
Example 1: Fabrication of a network for use with thick electrodes Open cell aluminum foam was purchased from Goodfellow Corporation of Devon, PA. The foam contained aluminum 6101 and had the following characteristics.
Thickness: 3.2mm and 6.4mm
Bulk density: 0.2 g / cm 3
Hole / cm: 16
Porosity: 93%

参照として、典型的なアルミニウム6101の組成物は以下の通りである。

Figure 2010521053
As a reference, a typical aluminum 6101 composition is as follows.
Figure 2010521053

アルミニウム6101は、機械的(強度)特性も良好である電気的導電性の高いアルミニウム合金である。銅の電気導電性は56%であり、合金の密度は2.685g/cmである。電極を製作する前に、宝石加工用の圧延機で未処理の3.2mm及び6.4mmの発泡体を続けて圧延し、より薄い発泡体を調製した。材料の孔隙率における厚さの減少による効果を図4A及び4Bで示す。図4Aは、3.2mmから圧延される発泡体における孔隙率への影響を示している。図4Bは、6.4mmから圧延される発泡体における孔隙率への影響を示している。 Aluminum 6101 is an aluminum alloy with high electrical conductivity and good mechanical (strength) characteristics. The electrical conductivity of copper is 56% and the density of the alloy is 2.685 g / cm 3 . Prior to fabrication of the electrodes, untreated 3.2 mm and 6.4 mm foams were subsequently rolled on a gem processing mill to prepare thinner foams. The effect of thickness reduction on the porosity of the material is shown in FIGS. 4A and 4B. FIG. 4A shows the effect on porosity in foams rolled from 3.2 mm. FIG. 4B shows the effect on porosity in foams rolled from 6.4 mm.

実施例2:1mmのLi[Ni0.33Co0.33Mn0.33]Oカソードの製作
元の3.2mmの発泡体を5cm幅のストリップに切断し、続けて宝石加工用の圧延機で圧延し、約1mmの厚さの材料を生成した。1mmの発泡体を7cm×13.5cmの矩形ブロックに切断した。長辺の一辺の縁(2mm)をテープで覆った。発泡体を、シリコーンでコーティングされた剥離ライナー上に載置し、発泡体上にN−メチルピロリジノンカソードスラリーを注いで広げた。このプロセスを2回繰り返し、発泡体を完全に浸潤させた。カソードスラリーの組成(重量%)は以下の通りである。
88% Li[Ni0.33Co0.33Mn0.33]O
2% KS−6グラファイト
4% SABカーボンブラック
6% アトフィナ(Atofina)761A PVDF
Example 2 Fabrication of 1 mm Li [Ni 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 ] O 2 Cathode The original 3.2 mm foam was cut into 5 cm wide strips followed by rolling for gem processing. Rolled on a machine to produce a material with a thickness of about 1 mm. A 1 mm foam was cut into 7 cm × 13.5 cm rectangular blocks. The edge of the long side (2 mm) was covered with tape. The foam was placed on a release liner coated with silicone and the N-methylpyrrolidinone cathode slurry was poured and spread on the foam. This process was repeated twice to completely infiltrate the foam. The composition (wt%) of the cathode slurry is as follows.
88% Li [Ni 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 ] O 2
2% KS-6 Graphite 4% SAB Carbon Black 6% Atofina 761A PVDF

浸潤後、発泡体を80℃で乾燥し、1mmのギャップ設定の宝石加工用圧延機を通過させた。材料を80℃の真空下で更に乾燥し、切断して、135mg/cmの電極塗布量を有し、電極の上面に0.2cmの非コーティング領域を有する(活性領域=15.75cm及び全領域=16.45cm)、4.7cm×3.5cmの電極を得た。これは1350mg/cmに等しい。この塗布量は、従来のアルミ箔にコーティングされた電極と同じである。135mAh/gにおいて、この電極は約253mAhの理論容量を有する。このような電極の1cmにおいて、Al発泡体カレントコレクタは、全容量のうちの24%までを占めている。 After infiltration, the foam was dried at 80 ° C. and passed through a rolling mill for gem processing with a gap of 1 mm. The material was further dried under vacuum at 80 ° C. and cut to have an electrode coverage of 135 mg / cm 2 and a 0.2 cm uncoated area on the top surface of the electrode (active area = 15.75 cm 2 and All regions = 16.45 cm 2 ), 4.7 cm × 3.5 cm electrodes were obtained. This is equal to 1350 mg / cm 3 . This coating amount is the same as that of an electrode coated with a conventional aluminum foil. At 135 mAh / g, this electrode has a theoretical capacity of about 253 mAh. At 1 cm 3 of such an electrode, the Al foam current collector accounts for up to 24% of the total capacity.

比較として、同じスラリーを17.8マイクロメートル(0.7ミル)のアルミ箔の両面にコーティングし、22.2mg/cmの塗布量とした。全厚を165マイクロメートル(6.5ミル)にカレンダー仕上げした後、電極塗布量は1345mg/cmであった。このような電極の1cmにおいて、Al箔カレントコレクタは、全容量のうちの10.8%までを占めている。 For comparison, the same slurry was coated on both sides of a 17.8 micrometer (0.7 mil) aluminum foil to give a coating amount of 22.2 mg / cm 2 . After calendering to a total thickness of 165 micrometers (6.5 mils), the electrode coating was 1345 mg / cm 3 . At 1 cm 3 of such an electrode, the Al foil current collector occupies up to 10.8% of the total capacity.

発泡体の覆われた領域にニッケルタブをスポット溶接し、セルガード(Celgard)(商標)2325セパレータ、EC/DMC電解質中で1MのLiPF及び88.9マイクロメートル(3.5ミル)のリチウム箔を使用して、バッグセルを製作した。増加レート:25、100、250mAにて、4.2V〜2.8Vでセルをサイクルさせた。バッグセルの性能を図5に示す。 A nickel tab is spot welded to the covered area of the foam, Celgard ™ 2325 separator, 1M LiPF 6 and 88.9 micrometer (3.5 mil) lithium foil in EC / DMC electrolyte. Was used to make a bag cell. Increasing rate: The cells were cycled from 4.2 V to 2.8 V at 25, 100, 250 mA. The performance of the bag cell is shown in FIG.

データは以下の表Iにも示されている。

Figure 2010521053
The data is also shown in Table I below.
Figure 2010521053

これらの結果により、アルミニウム発泡体支持体/カレントコレクタを使用して、1mmのカソードから許容可能なレート能力が得られることが示される。例えば、1.6mA/cmのレートで、全理論容量を得ることが可能である。それと比較して、はるかに薄い電極(約0.18mm:503cmまでのカソード表面積)を利用する市販の高エネルギーLiイオン充電式電池(1.8Ah、18650セル)のレート能力は、C/2レートで1.8mA/cmまでである。 These results show that acceptable rate capability can be obtained from a 1 mm cathode using an aluminum foam support / current collector. For example, the total theoretical capacity can be obtained at a rate of 1.6 mA / cm 2 . In comparison, the rate capability of commercially available high energy Li-ion rechargeable batteries (1.8 Ah, 18650 cells) utilizing much thinner electrodes (cathode surface area up to about 0.18 mm: 503 cm 2 ) is C / 2 The rate is up to 1.8 mA / cm 2 .

実施例3:1mmのLiFePOカソードの製作
実施例1に記載されるように、元の3.2mmの発泡体から1mmの発泡体を調製し、5cm幅のストリップに切断し、続けて宝石加工の圧延機で圧延して1mmの厚さの材料を生成した。発泡体の覆われた領域(5cm×2cm中1cm×2cm)をN−メチルピロリジノンカソードスラリーに浸潤し、余った材料を除去した。このプロセスを2回繰り返し、発泡体を完全に浸潤させた。
Example 3 Fabrication of 1 mm LiFePO 4 Cathode As described in Example 1, a 1 mm foam was prepared from the original 3.2 mm foam and cut into 5 cm wide strips followed by gem processing The material was 1 mm thick by rolling with a rolling mill. The covered area of foam (1 cm × 2 cm in 5 cm × 2 cm) was infiltrated into the N-methylpyrrolidinone cathode slurry to remove excess material. This process was repeated twice to completely infiltrate the foam.

カソードスラリーの組成(重量%)は以下の通りである。
86% その場で炭素コーティングされたLiFePO
2.7% KS−6グラファイト
5.3% SABカーボンブラック
6% アトフィナ(Atofina)761A PVDF
The composition (wt%) of the cathode slurry is as follows.
86% LiFePO 4 with carbon coating in situ
2.7% KS-6 graphite 5.3% SAB carbon black 6% Atofina 761A PVDF

このような処方及びアルミニウム発泡体基板を使用して、電極を容易に調製することが可能であった。対照的に、任意の適当な塗布量レベルで、この処方を従来のアルミ箔にコーティングする試みは、甚大な亀裂を生じさせ、電極の接着力が損失する結果となった。   Using such a formulation and an aluminum foam substrate, it was possible to easily prepare an electrode. In contrast, attempts to coat this formulation on conventional aluminum foils at any suitable application level resulted in enormous cracking and loss of electrode adhesion.

浸潤後、発泡体を80℃で乾燥し、再び1mmのギャップ設定の宝石加工用圧延機を通過させた。材料を80℃の真空下で更に乾燥し、4cm×2cmの活性領域を有する電極及び106mg/cmの電極塗布量を提供するように整えた。 After infiltration, the foam was dried at 80 ° C. and again passed through a rolling mill for gem processing with a gap setting of 1 mm. The material was further dried under vacuum at 80 ° C. and arranged to provide an electrode with an active area of 4 cm × 2 cm and an electrode coverage of 106 mg / cm 2 .

発泡体の覆われた領域にニッケルタブをスポット溶接し、セルガード(Celgard)(商標)2325セパレータ、EC/DMC電解質中で1MのLiPF及び88.9マイクロメートル(3.5ミル)のリチウム箔を使用して、バッグセルを製作した。増加レートにおいて、4.2V〜2.8Vでセルをサイクルさせた。活性LiFePOのmAh/gによって、以下の図6でバッグセルの性能を示す。2mA/cmにおいて、良好なレート特性が見られた。 A nickel tab is spot welded to the covered area of the foam, Celgard ™ 2325 separator, 1M LiPF 6 and 88.9 micrometer (3.5 mil) lithium foil in EC / DMC electrolyte. Was used to make a bag cell. The cells were cycled from 4.2V to 2.8V at an increasing rate. The performance of the bag cell is shown in FIG. 6 below by the active LiFePO 4 mAh / g. Good rate characteristics were observed at 2 mA / cm 2 .

実施例4:2mmのLiFePOカソードの製作
実施例2に記載するのと同じ方法で、元の6.4mmアルミニウム発泡体から圧延された2mmのAl発泡体を使用して、2mmのLiFePOカソードを調製した。バッグセル中の電極性能を以下の図7で示す。図7に示されるように、電極の理論容量の約80%は、2mm電極からC/10までのレートで送達され、そのような厚さのカソードから十分な性能を得ることが可能であることを示している。
Example 4: In the same manner as described in LiFePO 4 cathode fabrication Example 2 of 2mm, using Al foam 2mm which is rolled from the original 6.4mm aluminum foam, 2mm LiFePO 4 cathode of Was prepared. The electrode performance in the bag cell is shown in FIG. 7 below. As shown in FIG. 7, about 80% of the theoretical capacity of the electrode is delivered at a rate from 2 mm electrode to C / 10, and it is possible to obtain sufficient performance from a cathode of such thickness Is shown.

実施例5:厚いメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)アノードの製作
実施例1〜4に記載されるのと同じ方法において、銅発泡体基板を使用して、厚い炭素系アノードを調製することが可能である。イー・フォーム(EFoam)(サーキット・フォイル・ルクセンブルグ・トレーディング(Circuit Foil Luxembourg Trading))から、連続気泡銅発泡体を入手した。発泡体は、以下の特性を有していた。
厚さ:2.0mm
嵩密度:0.2g/cm
孔/cm:18
孔隙率:98%
Example 5: Fabrication of Thick Mesocarbon Microbead (MCMB) Anode In the same manner as described in Examples 1-4, a copper foam substrate can be used to prepare a thick carbon-based anode. is there. Open cell copper foam was obtained from EFoam (Circuit Foil Luxembourg Trading). The foam had the following characteristics:
Thickness: 2.0mm
Bulk density: 0.2 g / cm 3
Hole / cm: 18
Porosity: 98%

元の2mmの発泡体を5cm幅のストリップに切断し、続けて宝石加工用の圧延機で圧延し、1mmの厚さの材料を生成した。見掛け密度を測定することで、1mmの発泡体が95%までの孔隙率を有することを示した。1mmの発泡体を7cm×13.5cmの矩形ブロックに切断した。長辺のうちの一辺の縁をテープで覆った(5mm)。発泡体をシリコーンでコーティングされた剥離ライナー上に載置し、発泡体上にN−メチルピロリジノンアノードスラリーを注いで広げた。このプロセスを2回繰り返し、発泡体を完全に浸潤させた。アノードスラリーの組成(重量%)は以下の通りである。
88% MCMB 28−10
6% SABカーボンブラック
6% アトフィナ(Atofina)761A PVDF
The original 2 mm foam was cut into 5 cm wide strips and subsequently rolled on a gem processing mill to produce a 1 mm thick material. Measuring the apparent density showed that a 1 mm foam had a porosity of up to 95%. A 1 mm foam was cut into 7 cm × 13.5 cm rectangular blocks. The edge of one of the long sides was covered with tape (5 mm). The foam was placed on a release liner coated with silicone and N-methylpyrrolidinone anode slurry was poured and spread on the foam. This process was repeated twice to completely infiltrate the foam. The composition (% by weight) of the anode slurry is as follows.
88% MCMB 28-10
6% SAB carbon black 6% Atofina 761A PVDF

スラリーは、少量のシュウ酸:MCMB1g当たり、3×10−3gのシュウ酸も含有していた。 The slurry also contained a small amount of oxalic acid: 3 × 10 −3 g of oxalic acid per gram of MCMB.

浸潤後、発泡体を80℃で乾燥し、1mmのギャップ設定の宝石加工用圧延機を通過させた。材料を80℃の真空下で乾燥し、切断して、43mg/cmの電極塗布量を有し、電極の上面に0.5cmの非コーティング領域を有する(活性領域=15.75cm及び全領域=17.5cm)、5×3.5cmの電極を得た。300mAh/gにおいて、この電極は179mAhまでの理論容量を有する。発泡体の覆われた領域にニッケルタブをスポット溶接し、セルガード(Celgard)(商標)2325セパレータ、EC/DMC電解質中で1MのLiPF及び88.9マイクロメートル(3.5ミル)のリチウム箔を使用して、バッグセルを製作した。Cu発泡体系MMBアノードは、ホイルバッグ試験において好成績であり、その結果は、図8において、厚い発泡体系アノードから満足できるレート能力及び特性を示している。 After infiltration, the foam was dried at 80 ° C. and passed through a rolling mill for gem processing with a gap of 1 mm. The material was dried under vacuum at 80 ° C. and cut to have an electrode coverage of 43 mg / cm 2 and 0.5 cm uncoated area on the top surface of the electrode (active area = 15.75 cm 2 and total Region = 17.5 cm 2 ), 5 × 3.5 cm electrodes were obtained. At 300 mAh / g, this electrode has a theoretical capacity up to 179 mAh. A nickel tab is spot welded to the covered area of the foam, Celgard ™ 2325 separator, 1M LiPF 6 and 88.9 micrometer (3.5 mil) lithium foil in EC / DMC electrolyte. Was used to make a bag cell. Cu foam-based MMB anodes have performed well in foil bag tests and the results show in FIG. 8 satisfactory rate capability and properties from thick foam-based anodes.

多くの実施態様が記載されてきた。しかし、本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく他の様々な修正を行えることが理解されるであろう。   A number of embodiments have been described. However, it will be understood that various other modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.

Claims (10)

ハウジングと、
前記ハウジング内のカソードであって、該カソードは、リチウムイオンカソード活物質及び該カソード活物質内の導電性金属材料の網状組織を含み、少なくとも1mmの厚さを有するカソードと、
前記ハウジング内のアノードと、を含む電池。
A housing;
A cathode in the housing, the cathode comprising a lithium ion cathode active material and a network of conductive metal material in the cathode active material and having a thickness of at least 1 mm;
A battery including an anode in the housing.
前記の導電性金属材料の網状組織が、連続気泡発泡金属、アルミニウム、金属充填剤又は充放電の際に膨張又は収縮する金属合金を含む、請求項1に記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the network of the conductive metal material includes an open-cell foam metal, aluminum, a metal filler, or a metal alloy that expands or contracts during charge and discharge. 前記アノードが、アノード活物質及び該アノード活物質内に導電性材料のアノード網状組織を含む、請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the anode comprises an anode active material and an anode network of conductive material within the anode active material. 前記アノード活物質が、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、LiTi12又はこれらの組み合わせを含む、請求項3に記載の電池。 The battery of claim 3, wherein the anode active material comprises mesocarbon microbeads (MCMB), Li 4 Ti 5 O 12 or a combination thereof. 導電性材料の前記アノード網状組織が、連続気泡発泡金属、銅又は金属充填剤を含む、請求項3に記載の電池。   The battery of claim 3, wherein the anode network of conductive material comprises open cell foam metal, copper, or a metal filler. 前記カソードと前記アノードとの間にセパレータを更に含む、請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, further comprising a separator between the cathode and the anode. 前記の導電性金属材料の網状組織が、カソード活物質を含まない孔の表面層を含む、請求項1に記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the network of the conductive metal material includes a surface layer of pores not including a cathode active material. 前記電池が、2次電池である、請求項1に記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the battery is a secondary battery. 前記電池が、積層角型構造を含む、請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the battery includes a laminated square structure. 前記電池が、それぞれが少なくとも1つのカソード領域及び少なくとも1つのアノード領域を含む複数の積層ディスクを含む、請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the battery comprises a plurality of stacked discs each including at least one cathode region and at least one anode region.
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