JP2010521054A - リチウム２次電池 - Google Patents

Abstract

速い充電時間を有する２次電池が提供される。いくつかの実施では、カソードは、ＬｉＦｅＰＯ_４を活物質として包含する。いくつかの実施では、電池は、炭素系アノードを包含する。

Description

本発明は、電池に関し、並びに関連した構成要素及び方法にも関する。

電池、又は電気化学セル、例えば１次アルカリ電池又は２次リチウム電池は、一般的に使用されている電気エネルギー供給源である。電池は、典型的にはアノードと呼ばれる負電極と、典型的にはカソードと呼ばれる正電極とを含有する。アノードは、酸化され得る活物質を含有し、カソードは、還元され得る活物質を含有又は消費する。アノード活物質は、カソード活物質を還元することができる。アノード物質とカソード物質との直接反応を防ぐために、アノードとカソードはセパレータにより互いに電気的に絶縁されている。

電池が、装置の中の電気エネルギー供給源として使用されるとき、アノード及びカソードの間に電気接触が行われ、電子が装置を貫流することを可能にし、並びにそれぞれ酸化及び還元反応を生じさせて電力を提供できるようにする。アノード及びカソードと接触している電解質は、電極間のセパレータを貫いて流れるイオンを含有し、放電中に電池全体の荷電平衡を維持する。

２次電池としても知られる再充電可能電池は、充電により再生される活物質を含有する。これらの電池によって生成されたエネルギーが、最適効率未満に低下するとき、それらは、それらの構造に応じて多くの手段のいずれか１つによって再充電され得る。再充電可能電池は、電池の化学組成に基づいて２つの主な分類に分けられる。これらの分類であるアルカリ２次電池及びリチウム２次電池の両方共が、電池様式の広範な種類を含有する。

現在、多くの家庭用電化製品用途向けのいくつかのリチウムイオンセルは、１時間で完全に再充電され得る。つい最近では、動力工具用途向けに利用可能である高出力リチウムイオンセルが市場に出てきており、これらは１５〜３０分の充電時間を達成している。しかしながら、充電時間が速くなり、及び出力放電が高くなると、サイクル寿命は著しく低下する恐れがある。１０秒の時間で、その容量の少なくとも１０％を供給及び／又は充電できる小型セルへの要求が存在する。こうしたセルは、例えば電気カミソリ及び他の家庭用装置において多くの用途を有し得る。

本発明は、速い充電受入速度を有する電池に関する。

１つの態様では、本発明は、１６．４ｃｃ未満の体積を有するハウジングを有する電池を特徴とする。ハウジングは、カソード組成物によってコーティングされたカレントコレクタを有するカソード、アノード、並びにアノード及びカソードの間のセパレータを包含する。カソード組成物は、好ましくは、ＬｉＦｅＰＯ_４を包含する。コーティングされたカレントコレクタは、好ましくは、１５μｍ〜１２０μｍの厚さを有する。

別の態様では、本発明は、カソード組成物によってコーティングされたカソードカレントコレクタ、アノード、及びセパレータを、ハウジングの中に、共に又はいずれかの順番で別個に挿入することを包含する、電池を作製する方法を特徴とする。

電池の実施形態は、次の特徴の１つ以上を包含する場合がある。電池は、約１５秒以下の間に約１０パーセント容量（例えば、約１０秒以下の間に約１０パーセント容量）の充電受入率、１０００ワット／リットル以上（例えば、２０００ワット／リットル以上、３０００ワット／リットル以上、４０００ワット／リットル以上、５０００ワット／リットル以上）の連続放電電力密度、０．１３％容量／秒／ｃｃ以上（例えば、０．２０％容量／秒／ｃｃ以上、又は０．３０％容量／秒／ｃｃ以上）の充電電力密度、及び／又は１０００サイクル以上（例えば、２０００サイクル以上、又は３０００サイクル以上）のサイクル寿命を有することができる。電池は、４５ｍΩ未満（例えば、２０〜５０ｍΩ、２０〜４０ｍΩ、３０〜５０ｍΩ、３０〜４０ｍΩ、又は３５〜４０ｍΩ）の内部抵抗を有することができる。電池は１次又は２次電池であることができる。

カソード、アノード、及び／又はセパレータは、らせん状に巻かれるか、ブレードの周りに巻き付けられるか、積み重ねられるか、又は折り畳まれるかすることができる。

アノードは、炭素系物質、例えばメソカーボンマイクロビーズ物質を包含することができる。カソード、アノード、及びセパレータは、らせん状に巻かれることができる。

ハウジングは、１６．４ｃｃ以下（例えば、１５ｃｃ以下、又は１０ｃｃ以下）の体積を有することができる。いくつかの実施形態では、ハウジングは、１８ｍｍ以下（例えば、１５ｍｍ未満、又は１０ｍｍ未満）の直径、及び／又は６５ｍｍ以下（例えば、５０ｍｍ以下、又は３０ｍｍ以下）の高さを有することができる。ハウジングは、円筒型又は角柱型であることができる。

方法は、カソード組成物によってコーティングされたカソードカレントコレクタ、アノード、及び／又はセパレータをマンドレルの周りに巻き付けることを包含し得る。マンドレルは、好ましくは、１〜２ミリメートルの直径を有する。方法は、カソード組成物によってコーティングされたカソードカレントコレクタ、アノード、及び／又はセパレータをブレードの周りに巻き付けることを包含し得る。ブレードは、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、ブレードは、２０ｍｍ以上の幅、及び０．３ｍｍ以上の厚さを有することができる。方法は、ハウジング内に積み重ねられた、カソード組成物によってコーティングされたカソードカレントコレクタ、アノード、及び／又はセパレータを包含し得る。

実施形態は、次の利点の１つ以上を有する場合がある。電池は、速い充電時間、高い放電速度、及び高いサイクル寿命を有することができる。電池は、一般に、良好な安全特性、限定されたガス発生、良好な熱放散、及び良好な高電流放電特性を有することができる。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細を添付図面及び以下の説明に示す。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに請求項から明らかになる。

非水性電気化学セルの実施形態の断面図。 非水性電気化学セルの実施形態の断面図。 組み立てられたセルの実施形態の写真。 ２／３ＡＡＡ電池が、充電の様々な状態において３６Ｃで１０秒間充電されるときの電圧変化を描くグラフ。 様々な放電速度における２／３ＡＡＡ電池の放電特性を描くグラフ。 充電−放電サイクル数の関数としての２／３ＡＡＡ電池の放電電力密度を描くグラフ。 充電−放電サイクル数の関数としての２／３ＡＡＡ電池の放電電力密度を描くグラフ。

図１を参照すると、２次円筒型電気化学セル１０は、負のリード１４と電気接触しているアノード１２と、正のリード１８と電気接触しているカソード１６と、セパレータ２０と、電解質とを包含することができる。アノード１２、カソード１６、セパレータ２０、及び電解質は、ハウジング２２内に含有されている。電解質は、１つ以上の溶媒と、溶媒系に少なくとも部分的に溶解される塩とを包含する。電気化学セル１０は、上部アセンブリ２３を更に包含し、これはキャップ２４及び環状絶縁ガスケット２６、並びに安全弁２８を包含する。いくつかの実施形態では、図２を参照すると、電池は上部アセンブリ３０を包含することができ、これは外部端子３２、内部端子３４、安全通気孔３６を包含するプラスチックシールを包含する。上部アセンブリは、ハウジングの上に圧着される。

電池は、民生用装置用であることができ、及び小さい体積（例えば、１６．４ｃｃ以下、１５ｃｃ以下、１０ｃｃ以下、５ｃｃ以下、２．３ｃｃ以下）及び／又は１．５ｃｃ以上（例えば、２．３ｃｃ以上、５ｃｃ以上、１０ｃｃ以上、１５ｃｃ以上）を有することができる。

電池１０は、速い充電時間を有することができ、その結果、電池は１５分未満の間に９０％以上の容量に（例えば、１０分未満の間に９０％以上の容量に、５分未満の間に９０％以上の容量に、又は約１．５分の間に９０％以上の容量に）到達することができる。いくつかの実施形態では、電池は、１５分未満の間に９５％以上の容量に（例えば、１０分未満の間に９５％以上の容量に、５分未満の間に９５％以上の容量に、又は約１．５分の間に９５％以上の容量に）到達することができる。電池の充電容量は、電池を電流によって充電すること及び、電池が予め定められたカットオフ電圧又は時間のいずれかに到達するまで、アンペア時を計量することにより決定される。アンペア時は、経過充電時間を乗じた電流値として定義される。電池の理論容量は、カソード比容量（Ａｈ／ｇで表される）を電池の中に含有される活性カソード物質の重量で乗じることにより得られる。例として、０．１７０Ａｈ／ｇのＬｉＦｅＰＯ_４の比容量及び２／３ＡＡＡリチウムイオンセルの中に含有される０．５８８ｇのＬｉＦｅＰＯ_４カソード物質の重量について、２／３ＡＡＡリチウムイオンセルの理論容量は０．１Ａｈである。

電池は、１０Ｃ〜６０Ｃの放電速度にわたって、高い連続的放電電力密度を有することができる。連続的一定電流放電は、電池が、放電カットオフ電圧（例えば、２．０Ｖ、３．０Ｖ、又は４．０Ｖ）まで連続的に、中断及び休息時間なしに、一定電流で流出するときに生じる。電力密度は、電池の単位体積当たりの、電池電圧を乗じた連続的放電電流として定義される。連続的放電電力密度は、１０００ワット／Ｌ以上（例えば、２０００ワット／Ｌ以上、３０００ワット／Ｌ以上、４０００ワット／Ｌ以上、５０００ワット／Ｌ以上）及び／又は６０００ワット／Ｌ以下（例えば、５０００ワット／Ｌ以下、４０００ワット／Ｌ以下、３０００ワット／Ｌ以下、２０００ワット／Ｌ以下）であり得る。高い連続的放電電力密度は、ある時間周期にわたってより多くの電力量を提供することができる。

電池は、１０００サイクル以上（例えば、１５００サイクル以上、２０００サイクル以上、又は３０００サイクル以上）の充電−放電サイクル寿命を有することができ、その結果、電池の容量は、１０％以下（２０％以下、３０％以下、又は４０％以下）減少し得る。充電−放電サイクル寿命は、電池の放電電力密度を監視しながら、電池を全容量まで繰り返し充電し次いで最小電圧まで放電することにより測定され得る。例えば、初期容量８６ｍＡｈを有する２／３ＡＡＡ電池は、１２Ｃで５分間３．８Ｖまで充電し、続いて２．０Ｖまで１Ｃ放電することにより循環され得る。放電電力密度は、１５００サイクルを超えて、約１０％減少し得る。本明細書で使用されるとき、「１Ｃ」の速度は１時間の期間、２Ｃの速度は１／２時間の期間、及び１／２Ｃは２時間の期間を指す（Ｃ係数の逆数を計算することにより得られる）。Ｃ速度は、遅い速度（例えば、Ｃ／５以下）で測定される電池の全容量を得るために必要な、時間により表される期間の逆数として定義される。

いくつかの実施形態では、電池は、充電の様々な状態において、１０秒以下の間に容量の１０％（例えば、１５秒以下の間に容量の１０％）まで充電され得る。例えば、２／３ＡＡＡ電池は、３６Ｃ（３．６Ａ）の速度で４．０Ｖカットオフまで１０秒間に容量の１０％まで充電され得る。例えば、完全に放電された電池（充電の０％状態）は、１０秒間に容量の１０％増加があるように充電され得る。いくつかの実施形態では、０％充電された（例えば、１０％充電された、２０％充電された、３０％充電された、４０％充電された、６０％充電された、８０％充電された）電池は、１０秒間に容量の１０％増加があるように充電され得る。理論に束縛されるものではないが、電池が完全に放電されればされるほど、１０秒間に電池はその容量の１０％までより安全に充電され、ある時間周期（例えば、１０００サイクル、２０００サイクル、３０００サイクル）にわたって、電池が劣化をより受けにくいと考えられており、この劣化は充電プロセスの間に電圧が上昇するときの熱の蓄積の結果として生じる場合がある。電池が、より初期に充電されればされるほど、充電への抵抗はより大きくなり、ある時間周期（例えば、１０００サイクル、２０００サイクル、３０００サイクル）に、電池が劣化し得る可能性がより高くなると考えられている。いくつかの実施形態では、電池の劣化は、電池の容量が理論容量の５０％を超えるときに生じる。

この電池は、％容量／秒／ｃｃで表される充電電力密度（power charge density）を有することができ、これは電池容量（capacity a battery）を測定し、及び容量を、秒により表される充電の持続時間の量及び立方センチメートル（ｃｃ）により表される電池の体積で除することにより計算され得る。リチウムイオンセルは、０．１３％容量／秒／ｃｃを超える（例えば、０．２０％容量／秒／ｃｃ以上、０．３０％容量／秒／ｃｃ以上、０．４０％容量／秒／ｃｃ以上、０．４３％容量／秒／ｃｃを超える）充電電力密度（power charge density）を有することができる。

電池は、薄い電極（例えば、カソード及び／又はアノード）を包含することができる。所与の体積を満たすために、より薄い電極（例えば、カソード又はアノード）は、増加された表面積を有し得る。電極の表面積を増加することにより、カソードの所与の面積当たりの電流密度は低下され、これはより低い電流インピーダンス（current impedance）をもたらすことができ、及び／又はカソードがより高電流を持続することを可能にする。例えば、電池の内部インピーダンスは、２０〜５０ｍΩ（例えば２０〜４０ｍΩ、３０〜５０ｍΩ、３０〜４０ｍΩ、又は３５〜４０ｍΩ）であり得る。いくつかの実施形態では、より薄い電極は、電子の拡散経路を減少すること及び／又は電池のサイクル寿命を増加することができる。

カソード１６は、カソードカレントコレクタ、及びカソードカレントコレクタの少なくとも片面上にコーティングされるカソード物質を包含する。カソードは、１２０μｍ以下（例えば、１００μｍ以下、９０μｍ以下、８０μｍ以下、６０μｍ以下、３０μｍ以下）及び／又は１５μｍ以上（例えば、３０μｍ以上、６０μｍ以上、８０μｍ以上、９０μｍ以上、１００μｍ以上）の厚さを有することができる。カソードの厚さは、カソード物質の薄いコーティング及び／又は薄いカレントコレクタを使用することにより低減され得る。カソード物質は、カソード活物質（類）を包含し、並びにまた１つ以上の導電性物質（例えば、導電性助剤、電荷制御剤）及び／又は１つ以上の結合剤を包含することができる。

カソード活物質は、リチウム遷移金属リン酸塩物質を包含する。リチウム遷移金属は、金属、半金属、又はハロゲンにより、ドープされることができる。活物質は、ＬｉＭＰＯ_４のような式を有することができ、ここでＭは、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの１つ以上であり、並びに化合物はＬｉ、Ｍ、又はＯの部位において任意にドープされる。ドープされた化合物は、式（Ｌｉ_１−ｘＺ_ｘ）ＭＰＯ_４を有することができ、ここでＺは、Ｚｒ、Ｔｉ、又はＮｂである。いくつかの実施形態では、リチウム遷移金属リン酸塩は、ＬｉＦｅＰＯ_４である。ＬｉＦｅＰＯ_４は、小さい寸法を有することができ、これは輸送特性を改善することができる。活物質は、１０ｍ^２／ｇを超える、１５ｍ^２／ｇを超える、２０ｍ^２／ｇを超える、又は３０ｍ^２／ｇを超える比面積を有する粉末又は微粒子を包含することができる。ＬｉＦｅＰＯ_４粒子は、リチウムを除いた形態において、高温及び易酸化性有機溶媒の存在下でさえも安定であり得る。粒子は、高い充電及び放電速度能力を有するＬｉイオン電池を提供するのに役立つことができ、粒子はまた電池に高いサイクル寿命を提供するのに役立つことができる。

他の実施形態では、カソード活物質は、１つ以上のリチウム遷移金属酸化物、例えばＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、又はＬｉＭｎ_２Ｏ_４を包含することができる。カソード物質は、例えば、少なくとも約８５重量％、及び／又は約９２重量％までのカソード活物質を包含する。

導電性物質は、電気化学セル１０内のカソード１６の電子伝導率を高めることができる。導電性物質の例には、導電性助剤及び電荷制御剤が挙げられる。導電性物質の具体例には、カーボンブラック、黒鉛化カーボンブラック、アセチレンブラック、及びカーボンナノチューブが挙げられる。カソード物質は、例えば、少なくとも約１重量％及び約５重量％までの１つ以上の導電性物質を包含する。

結合剤は、カソード物質の均質性を維持するのに役立つことができ、及びカソードの安定性を高めることができる。結合剤の例には、直鎖２元及び３元ブロックコポリマー、例えばヘキサフルオロエチレンにより共重合されたポリフッ化ビニリデンが挙げられる。結合剤の更なる例には、メラミン樹脂により架橋された直鎖３元ブロックポリマー、エチレン−プロピレンコポリマー、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ポリ（フッ化ビニル）、ポリテトラエチレン、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー、ポリブタジエン、シアノエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリロニトリル、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー、ポリイミド、スチレンブタジエンゴム、エチレンビニルアセテートコポリマー、３元ブロックフッ素化熱可塑性プラスチック、フッ素化ポリマー、水素添加ニトリルゴム、フルオロエチレン−ビニルエーテルコポリマー、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性オレフィン、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレンブロックコポリマー、ポリフッ化ビニリデンホモポリマー、及びこれらのブレンドが挙げられる。カソード物質は、例えば、少なくとも約１重量％及び／又は約５重量％までの１つ以上の結合剤を包含する。

カソードカレントコレクタは、例えば、１つ以上の金属及び／又は金属合金から形成されることができる。金属の例には、チタン、ニッケル、及びアルミニウムが挙げられる。金属合金の例には、アルミニウム合金（例えば、１Ｎ３０、１２３０）及びステンレス鋼が挙げられる。カレントコレクタは、一般に、ホイル又はグリッドの形態であることができる。ホイルは、例えば、多くとも３５マイクロメートル（例えば、多くとも２５マイクロメートル、多くとも２０マイクロメートル、多くとも１０マイクロメートル、多くとも５マイクロメートル）及び／又は少なくとも５マイクロメートル（例えば、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも２５マイクロメートル）の厚さを有することができる。

カソード１６は、最初に、１つ以上のカソード活物質、導電性物質、及び結合剤を、１つ以上の溶媒と混ぜ合わせてスラリーを形成し（例えば、二重遊星ミキサーを使用して、カソード活物質、導電性物質、及び／又は結合剤を溶媒の中に分散することにより）、次いで、例えば延伸ダイコーティング又はロールコーティングによって、スラリーをカレントコレクタの上にコーティングすることによって形成され得る。コーティングされたカレントコレクタは、次に乾燥及びカレンダー処理されて、所望の厚さ及び多孔性を提供する。

アノード１２は、アノード活物質として炭素系物質、例えばグラファイト、球状天然グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、及びカーボンファイバー（例えば、メソフェーズのカーボンファイバー）を包含する。アノード活物質は、小さい粒径を有することができる。例えば、アノード活物質は、２５μｍ未満、１５μｍ未満、１０μｍ未満、５μｍ未満であることができる。アノード１２は、カーボンブラック、アセチレンブラック、気相成長ファイバーカーボン、及びカーボンナノチューブのような炭素、又は金属相のような導電性添加物を包含することができる。いくつかの実施形態では、アノード活物質、例えばスピネル型チタン酸リチウム物質Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２が、炭素系活物質の代わりに又は炭素系活物質に加えて使用され得る。導電性添加物は、アノード（例えば、スピネル型チタン酸リチウム物質を包含するアノード）の全固体組成物の２５重量％までを占有することができる。アノードは、例えば、少なくとも約７０重量％及び約１００重量％までのアノード活物質を包含する。

アノード１２は、１つ以上の結合剤を包含することができる。結合剤の例には、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びヘキサフルオロエチレンとのそのコポリマー、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ポリ（フッ化ビニル）、ポリテトラエチレン、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー、ポリブタジエン、シアノエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリロニトリル、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド、エチレンビニルアセテートコポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、及びこれらのブレンドが挙げられる。アノード組成物は、例えば、少なくとも約１重量％及び約５重量％までの結合剤を包含する。

アノードを形成するために、アノード活物質及び１つ以上の結合剤が混合されてペーストを形成することができ、これが基材（例えば、カレントコレクタ）に適用されることができる。カレント基材は、銅ホイル又はグリッドであることができ、並びに多くとも３５マイクロメートル（例えば、多くとも２５マイクロメートル、多くとも２０マイクロメートル、多くとも１０マイクロメートル、多くとも５マイクロメートル）及び／又は少なくとも５マイクロメートル（例えば、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも２５マイクロメートル）の厚さを有することができる。接着促進剤が、コーティングの前にペーストに添加され得る。アノードは、７０μｍ以下（例えば、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下）の厚さを有することができる。アノードの厚さは、アノード物質の薄いコーティングを使用することにより、及び／又は薄いカレントコレクタを使用することにより低減され得る。アノード活物質の量は、化学反応に依存して、カソード活物質に化学量論的に適合するように調整されることができる。

負のリード１４は、タブであることができ、及び銅、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、チタン、又は鋼を包含することができる。負のリードは、ハウジング２２に接続されることができる。

電解質は液体形態であることができる。電解質は、例えば、少なくとも約０．００００２Ｐａ・ｓ（０．２センチポアズ（ｃｐｓ））（例えば、少なくとも約０．０００５Ｐａ・ｓ（０．５ｃｐｓ））及び約０．００２５Ｐａ・ｓ（２．５ｃｐｓ）まで（例えば、約０．００２Ｐａ・ｓ（２ｃｐｓ）まで又は約０．００１５Ｐａ・ｓ（１．５ｃｐｓ）まで）の粘度を有する。本明細書で使用されるとき、粘度は動粘度として、ウベローデー（Ubbelohde）の較正された粘度計管（キャノン・インスツルメント社（Cannon Instrument Company）；モデルＣ５５８）を用いて２２℃で測定される。

電解質は、１つ以上の溶媒、例えば、環状炭酸エステル、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、並びにフッ素化及び／又は塩素化誘導体、非環式ジアルキル炭酸エステル、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート、ブチルメチルカーボネート、ブチルエチルカーボネート、ブチルプロピルカーボネート、並びに溶媒、例えば、Ｋ−ＢＬ、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、エチルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、及びこれらの混合物を包含することができる。

電解質は、１つ以上の塩を包含することができる。例えば、リチウム塩には、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳｌ）、リチウムトリフルオロメタンスルホネート（ＬｉＴＦＳ）及びヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮＯ_３、リチウムヘキサフルオロホスフェート（ＬｉＰＦ_６）、リチウムビス（オキサラート）ボレート（ＬｉＢ（Ｃ_２Ｏ_４）_２）、及びリチウムビス（ペルフルオロエチル）スルホンイミド（ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２）が挙げられる。他の塩の例は、スズキ（Suzuki）らの米国特許第５，５９５，８４１号及びトタイア（Totir）らの米国特許出願公開（U.S. Pat. App. Pub.）第２００５／０２０２３２０（Ａ１）号に記載されている。電解質は、例えば、少なくとも約０．１Ｍ（例えば、少なくとも約０．５Ｍ、又は少なくとも約０．７Ｍ）及び／又は約２Ｍまで（例えば約１．５Ｍまで、又は約１．０Ｍまで）のリチウム塩を包含する。

いくつかの実施形態では、電解質は、固体又はゲルであることができる。例えば、固体電解質は、Ｌｉ_３Ｎ又はＬｉＩであることができる。例として、ゲル電解質は、ポリ（エチレンオキシド）、ポリメタクリレートエステル化合物、又はアクリレートポリマーであることができる。いくつかの実施形態では、ゲル電解質製剤は、電池の組み立てを容易にすることができる（例えば、印刷可能電池）。

正のリード１８は、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、及び／又はチタン合金を包含することができる。正のリード１８は、形状が環状であることができ、及び円筒型セルの円筒部と同軸に配置されることができる。正のリード１８はまた、カレントコレクタと係合することができる、カソード１６の方向に放射状の延長部を包含することができる。延長部は、丸形（例えば、円形若しくは楕円形）、矩形、三角形、又は他の形状であることができる。正のリード１８は、異なる形状を有する延長部を包含することができる。正のリード１８とカレントコレクタとは、電気接触している。正のリード１８とカレントコレクタとの間の電気接触は、機械的接触によって達成することができる。いくつかの実施形態では、正のリード１８とカレントコレクタを共に溶接することができる。

セパレータ２０は、電気化学セルで使用される標準的なセパレータ物質のいずれかから形成され得る。例えば、セパレータ２０は、ポリプロピレン（例えば、不織布ポリプロピレン、微多孔性ポリプロピレン）、ポリエチレン、及び／又はポリスルホンンから形成され得る。セパレータ物質は２０〜２５マイクロメートルの厚さの不織布微多孔性３層ポリオレフィンフィルム、例えば、セルガード（Celgard）２３００から作製されることができる。いくつかの実施形態では、電池の充電能力を更に増加するために、セルガード（Celgard）２３００より薄いセパレータ（例えば、約１０マイクロメートルの厚さ、約１５マイクロメートルの厚さ）を利用することが可能である。セパレータは、例えば、ブラシ（Blasi）らの米国特許第５，１７６，９６８号に記載されている。セパレータはまた、例えば、多孔性絶縁ポリマー複合層（例えば、ポリスチレンゴム及び超微粒子状シリカ）であってもよい。

ハウジング２２は、例えば、１つ以上の金属（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケルめっき鋼、ステンレス鋼）及び／又はプラスチック（例えば、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリサルフォン、ＡＢＳ、又はポリアミド）から作製されることができる。ハウジングは、円筒型であることができ、並びに直径及び高さを有する。直径は、５ｍｍ以上（例えば、１０ｍｍ以上、１５ｍｍ以上、又は１７ｍｍ以上）及び／又は１８ｍｍ以下（例えば１７ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、又は１０ｍｍ以下）であることができる。高さは、２０ｍｍ以上（例えば、３０ｍｍ以上、４０ｍｍ以上、５０ｍｍ以上）及び／又は６５ｍｍ以下（例えば５０ｍｍ以下、４０ｍｍ以下、又は３０ｍｍ以下）であることができる。いくつかの実施形態では、ハウジングは角柱型であることができ、並びに３．５ｍｍ〜１５ｍｍの厚さ、２０ｍｍ〜６０ｍｍの幅、及び２０ｍｍ〜６５ｍｍの高さを有することができる。

キャップ２４は、例えばアルミニウム、ニッケル、チタン、鋼、又はニッケルめっき鋼から作製されることができる。いくつかの実施形態では、電池の上部アセンブリは、充電電流が増加され得るように、アルミニウム又はアルミニウムを含む物質を使用して電池の内部抵抗を低減している。

電池又は電池物質、例えばカソード物質、アノード物質、セパレータ物質、及び電解質物質は、例えば、ＵＳＳＮ第１１／３９６，５１５号（２００６年４月３日出願）、同第１１／１５９，９８９号（２００５年６月２３日出願）、同第１１／１１１，１０２号（２００５年４月２０日出願）、同第１１／１１７，１５７号（２００５年４月２８日出願）、同第１１／０７６，５５６号（２００５年３月９日出願）、同第１１／０５２，９７１号（２００５年２月７日出願）、同第１０／８７６，１７９号（２００４年６月２３日出願）、同第１０／６２８，６８１号（２００３年７月２８日出願）、同第１０／３５４，６７３号（２００３年１月３０日出願）、同第１０／３２９，０４６号（２００２年１２月２３日出願）；同第１０／２０６，６６２号（２００２年７月２６日出願）、国際公開（International Publication Nos.）第２００６／１１３９２４号、同第２００４／０５９７５８号、及び米国特許第７，０８７，３４８号に更に記載されており、これらの内のすべてがその全体を本明細書に参考として組み込まれる。

セルを組み立てるために、セパレータ２０を、アノード１２及びカソード１６と同様な大きさの断片に切断して、それらの間に定置することができる。カソード１６、セパレータ２０、アノード１２、及びもう１つのセパレータ２０は、互いの上に重ね合わされ、更にマンドレルの周りに巻き付けられる。マンドレルは、小さい直径を有することができ、これは電池内の自由体積を減少するのに役立ち、電池の容量を増加することができる。いくつかの実施形態では、マンドレルは、３ｍｍ以下（例えば、２．５ｍｍ未満、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下）及び／又は０．５ｍｍ以上（例えば、１ｍｍ以上、２ｍｍ以上、２．５ｍｍを超える）の直径を有する。マンドレルの直径は、マンドレルが作製される物質、並びにカソード、セパレータ、及びアノードシートの大きさに依存する。例えば、比較的強い物質（例えば、Ｄ２、Ｍ２、Ｍ７、及び／又はＳ７のような硬化工具鋼、タングステン高速度鋼、６Ａｌ−４Ｖのような高強度チタン合金）から作製されたマンドレルは、より可撓性及び壊れやすい物質から作製されたマンドレルより小さい直径を有することができる。より薄く、より小さい面積を有し、及び／又は質量がより軽い電極及び／又はセパレータシートを巻き付けるために使用されるとき、マンドレルはより小さい直径を有することができる。いくつかの実施形態では、マンドレルは、３０ｍｍ以上（例えば、４０ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、６０ｍｍ以上、７０ｍｍ以上）及び／又は７５ｍｍ以下（例えば、７０ｍｍ以下、６０ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、４０ｍｍ以下）の長さを有することができる。いくつかの実施形態では、マンドレル長は、長さが４５〜６５ｍｍ（例えば、４５〜５０ｍｍ長さ、５０〜６５ｍｍ長さ）及び／又は直径が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍである。いくつかの実施形態では、マンドレルは工具鋼Ｍ７から作製される。

いくつかの実施形態では、カソード１６、セパレータ２０、アノード１２、及びもう１つのセパレータ２０は、互いの上に重ね合わされ、更にブレードの周りに巻き付けられる。ブレードは、薄くでき、これは電池内の自由体積を減少するのに役立つことができ、更に電池の容量を増加することができる。いくつかの実施形態では、ブレードは、１．０ｍｍ以下（例えば、０．８ｍｍ以下、０．７ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、０．１ｍｍ以下）及び／又は０．１ｍｍ以上（例えば、０．３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、０．７ｍｍ以上、０．９ｍｍ以下）の厚さを有する。いくつかの実施形態では、ブレードは、２０ｍｍ以上（例えば、２５ｍｍ以上、３０ｍｍ以上、３５ｍｍを超える）及び／又は４０ｍｍ以下（例えば、３５ｍｍ以下、３０ｍｍ以下、２５ｍｍ以下）の幅を有する。いくつかの実施形態では、ブレードは、２０ｍｍ以上（例えば、４０ｍｍ以上、又は６０ｍｍ以上）及び／又は８０ｍｍ以下（例えば、６０ｍｍ以下、又は４０ｍｍ以下）の長さを有する。例として、ブレードは、２９ｍｍ幅×０．９ｍｍ厚さ×７５ｍｍ長さの寸法を有することができる。ブレードは、強い物質、例えば工具鋼Ｄ２から作製されることができる。

巻き付けられたアノード１２、セパレータ２０、及びカソード１６は、ハウジング２２内に定置され、これは次に電解液で充填され、更に封止される。ハウジング２２の１つの末端部はキャップ２４及び環状絶縁ガスケット２６により閉鎖され、これは気密及び流密の封止を提供することができる。正のリード１８は、カソード１６をキャップ２４に接続する。安全弁２８は、キャップ２４の内側に配置され、及び電気化学セル１０内の圧力が、いずれかの予め定められた値を超えたとき、この圧力を減少するように構成されている。安全弁２８は通気孔を包含することができる。いくつかの実施形態では、電池の上部アセンブリは、電池ハウジングの中に圧着することにより封止される。電気化学セルを組み立てる方法については、例えば、モーゼス（Moses）の米国特許第４，２７９，９７２号、モーゼス（Moses）らの同第４，４０１，７３５号、及びカーニー（Kearney）らの同第４，５２６，８４６号に記載されている。

充電中に、充電電流の１つ以上のパルスが（例えば１０秒充電、２０秒充電、３０秒充電、例えば１分までなど）のような短期間にわたって印加される。アノード及びカソードの両方についての有効活性電極面積の増加により、電池の内部抵抗をすることができ、その結果、充電中に電流は増加され得る。

次の実施例は、例示を意図するものであって、制限することを意図するものではない。

（実施例１）
電池は次の構成要素を使用して組み立てられた。
アノード：１０又は１５マイクロメートルの銅ホイルの両面上にコーティング及びカレンダー処理されたＭＣＭＢ物質アノードタブ：銅合金１１０、３．５ｍｍ×６ｍｍ×０．１ｍｍ
全アノード厚さ：４８マイクロメートル
アノード長さ：３８９ｍｍ
アノード幅：２２ｍｍ
カソード：１５マイクロメートルのアルミニウムホイルの両面上にコーティング及びカレンダー処理されたＬｉＦｅＰＯ_４物質
カソードタブ：アルミニウム合金１１００、３ｍｍ×１５ｍｍ×０．１２ｍｍ
全カソード厚さ：９０マイクロメートル
カソード長さ：３６０ｍｍ
カソード幅：２１ｍｍ
セパレータ厚さ：２０マイクロメートル（セルガード（Celgard）２３００）
下部絶縁体：カプトン（Kapton）ディスク、０．２５ｍｍ×９ｍｍ直径
上部絶縁体：カプトン（Kapton）ワッシャ：０．１２５ｍｍ×９ｍｍ直径、５ｍｍ直径ＩＤ
上部アセンブリ構成要素：内部アルミニウムタブ（５ｍｍ×５ｍｍ×０．２５ｍｍ）ポリプロピレンプラスチックシール、アルミニウム１１００リベット（０．１６ｃｍ（１／１６インチ）直径）、鋼サポートリング、ステンレス鋼ワッシャ、外部銅タブ
電解質重量：０．９６〜１．０グラム

カソード、セパレータ、アノード、及びセパレータの第２層が連続して互いの上に重ね合わされ、更に１．５ｍｍのマンドレルの周りに巻き付けられた。巻き付けられた電極及びセパレータは、次にマンドレルから取り除かれ、更にニッケルめっき鋼０．２０ｍｍ厚さ及び２〜３マイクロメートルのニッケルめっきを有するハウジングの中に挿入された。

電解質が２／３ＡＡＡセルに添加された。電解質の約１グラムが各セルの中に定置された。セルは次に圧着され、予備放電を行って、開放回路電圧と負荷電圧を決定した。図３は、銅タブを有するリチウム２次２／３ＡＡＡ電池を示す。電池は、９５ｍＡの容量、及び１ＫＨｚで測定されるとき５０〜７０ｍΩの範囲の内部抵抗を有する。

（実施例２）
実施例１の２／３ＡＡＡ電池が、３６Ｃ（３．４２Ａ）で１０秒間、充電の１０％、３０％、及び４０％の状態で充電された。図４を参照すると、電池は９．５ｍＡｈの充電容量を受け入れ、これはすべての試験された充電状態において電池容量の１０％に相当した。

（実施例３）
実施例１の２／３ＡＡＡ電池が、２５ｍＡ〜５０００ｍＡの速度で放電された。電池は、異なる放電速度において、約８３〜８８％の同様な容量範囲を示した。図５は、２／３ＡＡＡ電池の放電能力を示す。

（実施例４）
実施例１の２／３ＡＡＡ電池が、３．８Ｖまでの１２Ｃ（５分）の充電を受け、続いて２．０Ｖまでの１Ｃ放電を受けた。充電−放電サイクルが１５００サイクルの間繰り返された。図６を参照すると、電池容量は、１５００サイクルの後、９．８％〜１０．７％減少した。３０００サイクルで約２０％の減少が、データから外挿された。

（実施例５）
充電の３０％状態における実施例１の２／３ＡＡＡ電池が、４Ｖまでの３６Ｃ（３．４２Ａ）の充電を１０秒間受け、続いて２．０Ｖまでの２Ｗ放電を受けた。図７を参照すると、電池容量は８２６サイクル後に減少していなかった（０％減衰）。

他の実施形態
電気化学セル１０は２次セルであるが、いくつかの実施形態では、１次セルが、上記のカソード活物質を包含するカソードを有することができる。１次電気化学セルは、１回だけ（例えば、消耗するまで）放電され、その後廃棄されることを意図する。１次セルは、再充電されることを意図しない。１次セルについては、例えば、デヴィッド・リンデン（David Linden）の 電池ハンドブック（Handbook of Batteries）（マグローヒル（McGraw-Hill）、第２版、１９９５年）に記載されている。２次電気化学セルは、多数回（例えば、５０回を超えて、１００回を超えて、又はそれ以上）再充電されることができる。場合によっては、２次セルは、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包含することができる。２次セルはまた、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ができる。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（デビルロイ（DeVirloy）ら）；及びフランス特許第１６４，６８１号に記載されている。

電気化学セルの他の構成もまた使用することができ、例えば、ボタン型又はコイン型セル構成、プリズム型セル構成、剛性薄層セル構成、及び可撓性パウチ型、エンベロープ型、又はバッグ型セル構成が挙げられる。更に、電気化学セルは、多数の異なる電圧のいずれか（例えば、１．５Ｖ、３．０Ｖ、４．０Ｖ）を有することができる。他の構成を有する電気化学セルは、例えばベルコヴィッチ（Berkowitz）らのＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．第１０／６７５，５１２号、米国特許出願公開（U.S. Pat. App. Pub.）第２００５／０１１２４６７（Ａ１）号、及びトタイア（Totir）らの同第２００５／０２０２３２０（Ａ１）号に記載されている。いくつかの実施形態では、円筒型、角柱型、ボタン型、又はコイン型セル電池が、電極及びセパレータを折り畳むことにより、又は積み重ねることにより組み立てられ得る。

特許出願、特許公報、及び特許のような、本明細書にて言及されたすべての参考文献は、その全体を参考として組み込まれる。

他の実施形態も特許請求の範囲の範疇にある。

Claims (10)

1. １６．４ｃｃ以下の体積を有するハウジングを含み、前記ハウジングがその中に
   ＬｉＦｅＰＯ_４を含むカソード組成物によってコーティングされたカレントコレクタを含むカソードであって、前記コーティングされたカレントコレクタが１５μｍ〜１２０μｍの厚さを有するカソードと、
   アノードと、
   前記アノード及び前記カソードの間のセパレータと、を含む２次リチウム電池であって、
   前記電池が、約１５秒以下の間に約１０パーセント容量の充電受入率を有する、２次リチウム電池。
2. 前記コーティングされたカレントコレクタが、らせん状に巻かれるか、積み重ねられるか、又は折り畳まれている、請求項１に記載の電池。
3. 前記電池が、約１０秒以下の間に約１０パーセント容量の充電受入率を有する、請求項１に記載の電池。
4. 前記電池が、１０００ワット／リットル以上の連続放電電力密度を有する、請求項１に記載の電池。
5. 前記電池が、０．１３％容量／秒／ｃｃ以上の充電電力密度を有する、請求項１に記載の電池。
6. カソード組成物によってコーティングされたカソードカレントコレクタを１〜２ミリメートルの直径を有するマンドレルの周りに巻き付けることと、
   前記巻き付けられたカソードをハウジングの中に挿入することと、
   アノードとセパレータとを前記ハウジングの中に挿入することと、
   を含む、電池を作製する方法。
7. 前記カソード組成物が、ＬｉＦｅＰＯ_４を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記ハウジングが、１６．４ｃｃ未満の体積を有する、請求項６に記載の電池。
9. 前記電池が、約１０秒間に約１０パーセント容量の充電受入率を有する、請求項６に記載の方法。
10. 前記電池が、０．１３％容量／秒／ｃｃ以上の充電電力密度を有する、請求項６に記載の方法。

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