JP2017533548A - 半固体電極を有する電気化学セルおよびその製造方法 - Google Patents

半固体電極を有する電気化学セルおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

本明細書に記載されている実施形態は、概して、集電体の片面だけに被覆された半固体電極を有する電気化学セルに関する。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、正の集電体の片面だけに被覆された半固体正極と、負の集電体の片面だけに被覆された半固体負極と、を含む。セパレータが、半固体正極と半固体負極との間に配置されている。半固体正極および半固体負極の少なくとも１つは、少なくとも約２５０μｍの厚さを有することができる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年１１月５日出願の「半固体電極を有する電気化学セルおよびその製造方法（Electrochemical Cells Having Semi-Solid Electrodes and Methods of Manufacturing the Same）」という名称の米国仮特許出願第６２／０７５，３７３号の優先権および利益を主張し、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。
背景
本明細書に記載されている諸実施形態は、概して、集電体の片面だけに被覆された半固体電極を有する電気化学セル、このような電気化学セルのスタック、およびこのような電気化学セルスタックの形成方法に関する。
バッテリは通常、固体電極、セパレータ、電解質、および付属的構成要素、例えば、パッケージング、熱管理、セル平衡、電流キャリアの端子への統合、および／または他のこのような構成要素で構成されている。電極は通常、活物質、導電材料、結合剤および他の添加剤を含む。
バッテリを調製するための既知のいくつかの方法は、金属基板（例えば、集電体）を、溶媒中に溶解または分散している活物質、導電性添加剤、および結合剤からなるスラリーで被覆するステップと、溶媒を蒸発させるステップと、乾燥した固体マトリクスを指定の厚さまでカレンダリングするステップと、を含む。次に、電極が切断され、他の構成要素とともにパッケージングされ、電解質を浸透させた後、パッケージ全体が密封される。
このような既知の方法は、概して、電極のキャスティングなどの複雑かつ費用のかかる製造ステップを伴い、例えば（最終片面被覆厚さ）１００μｍ未満の、厚さの限定された電極にのみ適切である。厚さの限定された電極を生産するためのこれらの既知の方法では、バッテリは結果として、容量が小さくなり、エネルギー密度が低くなり、活物質に対する不活性構成要素の比率が高くなる。さらに、既知の電極配合物で用いられる結合剤は、ねじれを増加させ、電極のイオン導電率を低下させる可能性がある。
不活性物質に対する活物質の比率を高めるために、従来の電気化学セルは、概して、電極活物質（すなわち、アノード配合物スラリーおよびカソード配合物スラリー）を集電体の両面に被覆することにより形成されている。セパレータが、電極間、すなわちアノードとカソードとの間に配置され、従来の電気化学セルを形成している。複数のこのような電気化学セルは、一般的にはスペーサを間に挟んで、互いに積層され、電気化学セルスタックを形成することができる。これは、不活性物質に対する活物質の比率にプラスの影響を及ぼすが、製造プロセスが複雑になってしまう。さらに、電気化学バッテリを組み立てるのにかなりの時間を要する場合がある。これにより、電極材料の温度変動または湿気への露出が増え、電極材料が劣化することで、電極の電子物性が劣化するおそれがある。
したがって、サイクル寿命が長く、エネルギー密度、電荷容量および全体的な性能が向上した、新たな電気化学バッテリおよび電極の開発が、エネルギー貯蔵システム開発の永続的な目標である。
本明細書に記載されている諸実施形態は、概して、集電体の片面だけに被覆された半固体電極を有する電気化学セルに関する。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、正の集電体の片面だけに被覆された半固体正極と、負の集電体の片面だけに被覆された半固体負極と、を含む。セパレータが、半固体正極と半固体負極との間に配置されている。半固体正極および半固体負極の少なくとも１つは、少なくとも約２５０μｍの厚さを有することができる。
一実施形態による電気化学セルの概略図である。 一実施形態による、パウチの中の電気化学セルの斜視図である。 パウチが除去された、図２の電気化学セルを示す。 図３の電気化学セルの分解組立図である。 一実施形態による、複数の電気化学セルを含む、パウチの中の電気化学セルスタックを示す。 パウチが除去された、図５の電気化学セルスタックを示す。 図６に示された線ＡＡに沿った、図５に示された電気化学セルスタックの側面断面図を示す。 一実施形態による、残りの正および負の集電体のタブよりも実質的に長尺のタブを有する１つの正の集電体および１つの負の集電体を含む、電気化学セルスタックの斜視図である。 図８で矢印Ｂにより示された、図８の電気化学セルスタックの一部分の側面図である。 一実施形態による、電気化学セルスタックを形成する方法の概略的なフロー図を示す。 一実施形態による、電気化学セルを製造するプロセスのステップを図示する。 一実施形態による、電気化学セルを製造するプロセスのステップを図示する。 一実施形態による、電気化学セルを製造するプロセスのステップを図示する。 一実施形態による、電気化学セルを製造するプロセスのステップを図示する。 一実施形態による、電気化学セルを製造するプロセスのステップを図示する。 一実施形態による、電気化学セルを製造するプロセスのステップを図示する。 一実施形態による、電気化学セルを製造するプロセスのステップを図示する。 一実施形態による、電気化学セルを製造するプロセスのステップを図示する。 一実施形態による、電気化学セルを製造するプロセスのステップを図示する。
詳細な説明
家電用バッテリは、リチウムイオンバッテリ技術の進歩とともにエネルギー密度が徐々に増加している。製造されるバッテリの貯蔵エネルギーまたは電荷容量は、（１）活物質の固有電荷容量（ｍＡｈ／ｇ）、（２）電極の容積（ｃｍ３）（すなわち、電極の厚さ、電極面積、および層（スタック）の数の積）、および（３）電極媒体中の活物質の投入量（例えば、電極媒体のｃｍ３当たりの活物質のグラム数）の関数である。したがって、商業的な訴求力（例えば、エネルギー密度の増加およびコストの減少）を高めるためには、概して、面積電荷容量（ｍＡｈ／ｃｍ２）を増加させることが望ましい。面積電荷容量は、例えば、より大きい固有電荷容量を有する活物質を使用すること、電極配合物全体における活性電荷蓄積材料の相対的割合（すなわち、「投入量」）を増加すること、および／または任意の所与のバッテリ形状因子に使用される電極材料の相対的割合を増加することにより、増加させることができる。別の言い方をすると、不活性構成要素（例えば、セパレータおよび集電体）に対する活性電荷蓄積構成要素（例えば、電極）の比率を増加することにより、バッテリの全体的な性能に寄与しない構成要素を取り除くか、または減らすことでバッテリの全体的なエネルギー密度を増加させる。面積電荷容量の増加、したがって、不活性構成要素の相対的割合の減少を達成するための１つの方法は、電極の厚さを大きくすることである。
本明細書に記載されている半固体電極は、（ｉ）ねじれが低減され、半固体電極の電子導電率が大きくなることにより、（例えば、２５０μｍよりも大きく、２，０００μｍ以上まで）厚くすることが可能であり、（ｉｉ）活物質の投入量を大きくすることが可能であり、かつ、（ｉｉｉ）使用する機器が少なくなり、製造プロセスを単純化することが可能である。これらの半固体電極は、固定された構成または流動可能な構成で形成することが可能であり、活性構成要素に対する不活性構成要素の容積、質量、およびコストの寄与を小さくすることで、半固体電極を用いて作られるバッテリの商業的な訴求力を高めることができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されている半固体電極は、従来のバッテリ製造に使用される結合剤が無いか、もしくは結合剤を用いないか、またはその両方である。その代わりに、従来の電極では通常は結合剤によって占有される電極の容積が、ここでは、１）ねじれを減少させ、イオン拡散に使用可能な塩の総量を増加させることで、高速での使用時に厚い従来の電極によく見られる塩枯渇効果に対処する効果を有する電解質、２）バッテリの電荷容量を増やす効果を有する活物質、または、３）電極の電子導電率を上昇させることで、厚い従来の電極の高い内部インピーダンスに対処する効果を有する導電性添加剤によって、占有されることになる。本明細書に記載されている半固体電極のねじれが減少し、電子導電率が上昇する結果、半固体電極から形成された電気化学セルの速度能力および電荷容量が優れたものとなる。
本明細書に記載されている半固体電極は、従来の電極よりも大幅に厚くすることが可能であるため、不活性材料（すなわち集電体およびセパレータ）に対する活物質（すなわち半固体カソードおよび／またはアノード）の比率は、従来の電極を含む電気化学セルスタックから形成される同様のバッテリに比べて、半固体電極を含む電気化学セルスタックから形成されるバッテリでは、かなり高くなり得る。これにより、本明細書に記載されている半固体電極を含むバッテリの電荷容量およびエネルギー密度全体が、大幅に増加する。厚い半固体電極およびその様々な配合物を利用する電気化学セルの例が、２０１５年３月３１日発行の、「高速度能力を有する半固体電極（Semi-Solid Electrodes Having High Rate Capability）」という名称の米国特許第８，９９３，１５９号（「‘１５９号特許」とも呼ばれる）、２０１４年３月１０日出願の、「半固体カソードおよび高エネルギー密度アノードを有する非対称型電池（Asymmetric Battery Having a Semi-Solid Cathode and High Energy Density Anode）」という名称の米国特許出願公開第２０１４／０３１５０９７号（「‘０９７号公開」とも呼ばれる）、および、２０１４年７月２１日出願の、「ゲルポリマー添加剤を用いた半固体電極（Semi-Solid Electrodes with Gel Polymer Additive）」という名称の米国特許出願公開第２０１５／００２４２７９号（「‘２７９号公開」とも呼ばれる）に記載されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。
本明細書に記載されている半固体電極は、スラリーとして配合され、電解質がスラリー配合物に含まれるようになっている。これは、電気化学セルが容器、例えばパウチまたは缶に配置されると、通常電解質が電気化学セルに添加される従来の電極、例えばカレンダリングされた電極とは対照的である。半固体電極の周囲環境への露出時間が長くなることにより電解質の蒸発が増加することで、電気化学セルの物理的特性（例えば流動性）および／または電子特性（例えば導電率、電荷容量、エネルギー密度など）に影響する場合がある。さらにまた、周囲環境の湿気が、電解質の性能に悪影響をもたらす場合もある。したがって、本明細書に記載されている半固体電極を含む電気化学セルを最短時間で組み立て、電解質の蒸発および／または劣化を抑えることが得策であろう。しかしながら、一部の事例では、集電体（例えば、金属箔）の両面に半固体電極を配置することは、かなり時間がかかる場合がある。さらにまた、このような電気化学セルから電気化学セルスタックを形成するには、隣接した電気化学セル間にスペーサを配置する場合が多く、電気化学セルに含まれる半固体電極が周囲大気に露出される時間がさらに長くなる場合がある。
本明細書に記載されている電気化学セルの諸実施形態は、集電体の片面だけに被覆された半固体電極を含む。集電体の片面だけを被覆することにより、集電体の両面を被覆することに関連した時間が短縮されるだけでなく、製造の複雑性もまた軽減される。このように、隣接した電気化学セルの集電体が互いに当接するように電気化学セルを積層することにより、電気化学セルスタックを容易に形成することが可能である。例えば、第１の電気化学セルに含まれる正の集電体の被覆がない方の面を、第２の電気化学セルに含まれる正の集電体の被覆がない方の面に当接させることができる。同様に、第１の電気化学セルに含まれる負の集電体の被覆がない方の面は、第３の電気化学セルに含まれる負の集電体の被覆がない方の面に当接させる等々が可能である。これにより、電気化学セルスタックの形成に用いられる時間のさらなる短縮が可能になることで、周囲環境への電極の露出を最小限に抑えることができる。電気化学セルの形成に要する組み立て時間が短いことで、電解質の蒸発もまた減少し、かつ／または、水の透過による半固体電極の劣化も最小限に抑えることができる。
いくつかの実施形態では、電気化学セルは、正の集電体の片面だけに被覆された半固体正極と、負の集電体の片面だけに被覆された半固体負極と、を含む。イオン透過膜が、半固体正極と半固体負極との間に配置されている。半固体正極および半固体負極の少なくとも１つは、少なくとも約２５０μｍの厚さを有する。いくつかの実施形態では、正の集電体および／または負の集電体は、金属箔、例えばアルミ箔、または銅箔を含むことができる。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、真空密封されたパウチ内に配置することができる。
いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックを形成する方法は、半固体カソードを正の集電体の片面だけに被覆するステップと、半固体アノードを負の集電体の片面だけに被覆するステップと、を含む。セパレータが、半固体カソードと半固体アノードとの間に配置され、第１の電気化学セルを形成している。第２の電気化学セルが、第１の電気化学セルと実質的に同様に形成されている。さらに、第３の電気化学セルが、第１の電気化学セルと実質的に同様に、等々と形成されている。第２の電気化学セルは、第２の電気化学セルの正の集電体の被覆がない方の面が、第１の電気化学セルの正の集電体の被覆がない方の面に配置されるように、第１の電気化学セルに配置されている。同様に、第３の電気化学セルは、第３の電気化学セルの負の集電体の被覆がない方の面が、第１の電気化学セルの負の集電体の被覆がない方の面に配置されるように、第１の電気化学セルに配置されていることで、電気化学セルスタックを形成している。いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックの形成に要する時間は、第１の電気化学セル、第２の電気化学セル、および第３の電気化学セルのうちのいずれかの半固体カソードおよび／または半固体アノードに含まれる電解質の蒸発が最小限であるように、十分に短縮することが可能である。
半固体電極の混合および形成は、概して、（ｉ）原材料の運搬および／または供給、（ｉｉ）混合、（ｉｉｉ）混合されたスラリーの運搬、（ｉｖ）分配および／または押し出し、および（ｖ）形成を含む。いくつかの実施形態では、プロセス中の複数のステップは、同時および／または同一機器で実行可能である。例えば、スラリーの混合および運搬は、押出機で同時に実行することができる。プロセス中の各ステップは、１つまたは複数の可能な実施形態を含むことができる。例えば、プロセス中の各ステップは、手動で、または様々なプロセス機器のいずれかによって、実行可能である。各ステップは、１つまたは複数のサブプロセス、および、任意選択でプロセス品質を監視するための検査ステップを含むこともまた可能である。
いくつかの実施形態では、プロセス条件は、少なくとも約０．８０、少なくとも約０．９０、少なくとも約０．９５、または少なくとも約０．９７５の混合指数を有する調製済みスラリーを生成するように、選択可能である。いくつかの実施形態では、プロセス条件は、少なくとも約１０−６Ｓ／ｃｍ、少なくとも約１０−５Ｓ／ｃｍ、少なくとも約１０−４Ｓ／ｃｍ、少なくとも約１０−３Ｓ／ｃｍ、または少なくとも約１０−２Ｓ／ｃｍの電子導電率を有する調製済みスラリーを生成するように、選択可能である。いくつかの実施形態では、プロセス条件は、すべて１，０００ｓ−１の見かけ剪断率で、約１００，０００Ｐａ−ｓ未満、約１０，０００Ｐａ−ｓ未満、または約１，０００Ｐａ−ｓ未満の室温での見かけ粘度を有する調製済みスラリーを生成するように、選択可能である。いくつかの実施形態では、プロセス条件は、本明細書に記載されている２つ以上の特性を有する調製済みスラリーを生成するように、選択可能である。本明細書に記載されている半固体電極組成物を調製するために使用可能なシステムおよび方法の例が、２０１３年３月１５日出願の、「電気化学的スラリー組成物およびその調製方法（Electrochemical Slurry Compositions and Methods for Preparing the Same）」という名称の米国特許出願公開第２０１３／０３３７３１９号（「‘３１９号公開」とも呼ばれる）に記載されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。
本明細書で使用される場合、「約（about）」および「およそ（approximately）」という用語は、概して、明記されている値のプラスまたはマイナス１０％を意味し、例えば、約２５０μｍであれば、２２５μｍから２７５μｍを含むことになり、約１，０００μｍであれば、９００μｍから１，１００μｍを含むことになる。
本明細書で使用される場合、「半固体（semi-solid）」という用語は、例えば、粒子懸濁液、コロイド懸濁液、エマルジョン、ゲル、またはミセルなどの、液相および固相の混合物である材料を指す。
本明細書で使用される場合、「活性炭素網（activated carbon network）」および「網状化炭素（networked carbon）」という用語は、電極の一般的な定性状態に関する。例えば、活性炭素網（または網状化炭素）を有する電極は、粒子間ならびに電極の厚さおよび長さにわたる電気的接触および電気伝導を容易にする個々の粒子モフォロジおよび相互に対する配置を、電極内の炭素粒子が呈しているようなものである。逆に、「非活性炭素網（unactivated carbon network）」および「非網状化炭素（unnetworked carbon）」という用語は、炭素粒子が個々の粒子アイランドとして存在するか、または電極を通して十分な電気伝導を提供するための十分な接続がなされていない可能性がある複数粒子の凝集アイランドとして存在する電極に関する。
図１は、電気化学セル１００の概略図を示す。電気化学セル１００は、正の集電体１１０と、負の集電体１２０と、を含む。半固体カソード１４０が、正の集電体１１０上に配置され、半固体アノード１５０が、負の集電体１２０上に配置されている。セパレータ１３０が、半固体カソード１４０と半固体アノード１５０との間に配置されている。半固体カソード１４０および半固体アノード１５０の少なくとも１つは、少なくとも約２５０μｍの、例えば、約２５０μｍから約２，０００μｍの範囲の厚さを有する。
正の集電体１１０および負の集電体１２０は、セルの動作条件下で電子的に伝導性であり、電気化学的に不活性である任意の集電体とすることができる。リチウムセル向けの典型的な集電体には、負の集電体１２０については、銅、アルミニウム、またはチタンが含まれ、正の集電体１１０については、シートもしくはメッシュ、またはそれらの任意の組み合わせの形でアルミニウムが含まれる。集電体の材料は、電気化学セル１００の半固体カソード１４０および半固体アノード１５０の動作電位で安定するように選択することができる。例えば、非水リチウム系では、正の集電体１１０は、アルミニウム、または、Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して２．５〜５．０Ｖの動作電位で電気化学的に溶解しない導電材料で被覆されたアルミニウムを含むことができる。このような材料には、白金、金、ニッケル、酸化バナジウムなどの導電金属酸化物、および炭素が含まれる。負の集電体１２０は、銅を含むか、またはリチウム、炭素、および／または別の導体上に配置されたこのような材料を含む被覆と合金または金属間化合物を形成しない、他の金属を含むことができる。正の集電体１１０および負の集電体１２０はそれぞれ、約２０ミクロン未満の厚さ、例えば約１ミクロン、２ミクロン、３ミクロン、４ミクロン、５ミクロン、６ミクロン、７ミクロン、８ミクロン、９ミクロン、１０ミクロン、１２ミクロン、１４ミクロン、１６ミクロン、または１８ミクロンであり、それらの間のすべての範囲を含む厚さを有することができる。このような薄い正の集電体１１０および負の集電体１２０を用いることにより、電気化学セル１００のコストおよび総重量を大幅に減らすことができる。
電気化学セル１００に含まれる半固体カソード１４０および半固体アノード１５０は、セパレータ１３０によって分離されている。セパレータ１３０は、任意の従来の、イオン輸送が可能な膜、すなわちイオン透過膜とすることができる。いくつかの実施形態では、セパレータ１３０は、それを介するイオンの輸送が可能な液体不透過膜、すなわち固体またはゲルのイオン導体である。いくつかの実施形態では、セパレータ１３０は、半固体カソード１４０の電気活性材料と、半固体アノード１５０の電気活性材料との間のイオンの往復輸送を可能にする一方で、電子の移動を妨げる、液体電解質が注入された多孔性のポリマー膜である。いくつかの実施形態では、セパレータ１３０は、半固体カソード１４０の組成物および半固体アノード１５０の組成物を形成する粒子が膜を横断することを妨げる、微多孔性の膜である。いくつかの実施形態では、セパレータ１３０は、リチウムイオンバッテリ業界で用いられる、当業者によく知られたタイプの、単層または多層の微多孔性のセパレータであり、任意選択で、それ以上作用イオンを送らないようにある温度よりも上で溶解または「シャットダウン」する機能を有する。いくつかの実施形態では、セパレータ１３０は、リチウム塩を錯体化してリチウム導電性を提供するポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）ポリマー、またはプロトン導体であるナフィオン（Nafion（商標））膜を含むことができる。例えば、ＰＥＯ系の電解質は、ピンホールがなく、かつ固体イオン導体であり、セパレータ１３０として使用可能である。セパレータ１３０は、任意選択で、ガラス繊維セパレータなどの他の膜を支持層として用いて、安定化される。ＰＥＯは、正のレドックス組成物または負のレドックス組成物において、スラリー安定剤、分散剤などとしても使用可能である。ＰＥＯは、通常の炭酸アルキル系の電解質と接触した状態で安定している。これは、正極におけるＬｉ金属に対するセル電位が約３．６Ｖ未満である、リン酸系のセルの化学的性質において特に有用な場合がある。必要に応じてレドックスセルの動作温度を上げて、膜のイオン導電率を向上させることができる。
半固体カソード１４０は、イオン貯蔵固相材料を含むことができる。イオン貯蔵固相材料は、例えば、活物質および／または導電材料を含むことができる。イオン貯蔵固相材料の量は、容積で約０％から約８０％の範囲とすることが可能である。カソード１４０は、例えば、リチウム担持化合物（例えばリン酸リチウム鉄（ＬＦＰ）、ＬｉＣｏＯ２、ＭｇでドープしたＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、Ｌｉ（Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ）Ｏ２（「ＮＣＡ」として知られる）、Ｌｉ（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｏ）Ｏ２（「ＮＭＣ」として知られる）、ＬｉＭｎ２Ｏ４およびその誘導体など）のような活物質を含むことができる。カソード１４０は、例えば、グラファイト、炭素パウダー、熱分解炭素、カーボンブラック、カーボンファイバ、カーボンマイクロファイバ、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、単壁ＣＮＴ、多壁ＣＮＴ、「バッキーボール（bucky ball）」を含むフラーレン炭素、グラフェンシートおよび／またはグラフェンシートの集合体、任意の他の導電材料、合金、またはそれらの組み合わせのような導電材料を含むこともまた可能である。カソード１４０は、例えば、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、ＳＳＤＥもしくは本明細書に記載されている任意の他の電解質またはそれらの組み合わせのような非水液体電解質、を含むこともまた可能である。
いくつかの実施形態では、半固体アノード１５０は、イオン貯蔵固相材料を含むこともまた可能である。イオン貯蔵固相材料は、例えば、活物質および／または導電材料を含むことができる。イオン貯蔵固相材料の量は、容積で約０％から約８０％の範囲とすることが可能である。半固体アノード１５０は、例えば、リチウム金属、炭素、リチウム介在炭素、窒化リチウム、リチウム合金、ならびに、シリコン、ビスマス、ホウ素、ガリウム、インジウム、亜鉛、スズ、酸化スズ、アンチモン、アルミニウム、酸化チタン、モリブデン、ゲルマニウム、マンガン、ニオブ、バナジウム、タンタル、金、白金、鉄、銅、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、酸化モリブデン、酸化ゲルマニウム、酸化シリコン、炭化シリコン、任意の他の材料またはそれらの合金、およびそれらの任意の他の組み合わせからなるリチウム合金形成化合物のようなアノード活物質を含むことができる。
半固体アノード１５０は、例えば、グラファイト、炭素パウダー、熱分解炭素、カーボンブラック、カーボンファイバ、カーボンマイクロファイバ、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、単壁ＣＮＴ、多壁ＣＮＴ、「バッキーボール」を含むフラーレン炭素、グラフェンシート、および／またはグラフェンシートの集合体のような炭素質材料、任意の他の炭素質材料、またはそれらの組み合わせとすることが可能な、導電材料を含むこともまた可能である。いくつかの実施形態では、半固体アノード１５０は、例えば、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルのような非水液体電解質、または本明細書に記載されている任意の他の電解質もしくはそれらの組み合わせを含むこともまた可能である。
いくつかの実施形態では、半固体カソード１４０および／または半固体アノード１５０は、非水液体電解質中で懸濁される微粒子状の活物質および任意選択で導電材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、半固体カソード１４０および／または半固体アノード１５０の粒子（例えば、カソードの粒子またはアノードの粒子）は、少なくとも約１μｍの有効直径を有することができる。いくつかの実施形態では、カソードの粒子またはアノードの粒子は、約１μｍから約１０μｍの間の有効直径を有する。いくつかの実施形態では、カソードの粒子またはアノードの粒子は、少なくとも約１０μｍまたはそれ以上の有効直径を有する。いくつかの実施形態では、カソードの粒子またはアノードの粒子は、約１μｍ未満の有効直径を有する。いくつかの実施形態では、カソードの粒子またはアノードの粒子は、約０．５μｍ未満の有効直径を有する。いくつかの実施形態では、カソードの粒子またはアノードの粒子は、約０．２５μｍ未満の有効直径を有する。いくつかの実施形態では、カソードの粒子またはアノードの粒子は、約０．１μｍ未満の有効直径を有する。いくつかの実施形態では、カソードの粒子またはアノードの粒子は、約０．０５μｍ未満の有効直径を有する。他の実施形態では、カソードの粒子またはアノードの粒子は、約０．０１μｍ未満の有効直径を有する。
いくつかの実施形態では、半固体カソード１４０は、容積で約２０％から約８０％の活物質を含むことができる。いくつかの実施形態では、半固体カソード１４０は、容積で約４０％から約７５％の、容積で約５０％から約７５％の、容積で約６０％から約７５％の、または容積で約６０％から約８０％の活物質を含むことができる。
いくつかの実施形態では、半固体カソード１４０は、容積で約０％から約２５％の導電材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、半固体カソード１４０は、容積で約１．０％から約６％の、約６％から約１２％の、または容積で約２％から約１５％の導電材料を含むことができる。
いくつかの実施形態では、半固体カソード１４０は、容積で約２０％から約７０％の電解質を含むことができる。いくつかの実施形態では、半固体カソード１４０は、容積で約３０％から約６０％の、約４０％から約５０％の、または約２０％から約４０％の電解質を含むことができる。
いくつかの実施形態では、半固体アノード１５０は、容積で約２０％から約８０％の活物質を含むことができる。いくつかの実施形態では、半固体アノード１５０は、容積で約４０％から約７５％の、容積で約５０％から約７５％の、約６０％から約７５％の、または約６０％から約８０％の活物質を含むことができる。
いくつかの実施形態では、半固体アノード１５０は、容積で約０％から約２０％の導電材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、半固体アノード１５０は、容積で約１％から約１０％の、１％から約６％の、約０．５％から約２％の、約２％から約６％の、または容積で約２％から約４％の導電材料を含むことができる。
いくつかの実施形態では、半固体アノード１５０は、容積で約２０％から約７０％の電解質を含むことができる。いくつかの実施形態では、半固体アノード１５０は、容積で約３０％から約６０％の、約４０％から約５０％の、または約２０％から約４０％の電解質を含むことができる。
半固体カソード１４０の組成物および／または半固体アノード１５０の組成物で使用可能な活物質、導電材料および／または電解質、その様々な配合物、およびそれらから形成される電気化学セルの例が、‘１５９号特許、２０１４年５月１３日発行の、「高エネルギー密度レドックスフロー装置（High Energy Density Redox Flow Device）」という名称の米国特許第８，７２２，２２６号（「２２６号特許」とも呼ばれる）、および２０１０年１２月１６日出願の、「高エネルギー密度レドックスフロー装置（High Energy Density Redox Flow Device）」という名称の米国特許出願公開第２０１１／０２００８４８号（「‘８４８号公開」とも呼ばれる）に記載されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。
いくつかの実施形態では、半固体アノード１５０は、容積で約１％から約３０％の高容量材料を含むこともまた可能である。このような高容量材料は、例えば、シリコン、ビスマス、ホウ素、ガリウム、インジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、アルミニウム、酸化チタン、モリブデン、ゲルマニウム、マンガン、ニオブ、バナジウム、タンタル、鉄、銅、金、白金、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、酸化モリブデン、酸化ゲルマニウム、酸化シリコン、炭化シリコン、任意の他の高容量材料またはそれらの合金、およびそれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、半固体は、容積で約１％から約５％の、容積で約１％から約１０％の、または容積で約１％から約２０％の高容量材料を含むことができる。半固体アノード１５０に含まれ得る高容量材料であって、それらの様々な配合物および電気化学セルをそれらから形成することが可能な高容量材料の例が、‘０９７号公開に記載されている。
本明細書では、半固体カソード１４０および半固体アノード１５０を含んでいるものとして記載しているが、いくつかの実施形態では、電気化学セル１００は半固体電極を１つだけを含んでいる場合がある。例えば、いくつかの実施形態では、カソード１４０は、半固体カソードとすることができ、アノード１５０は、従来の固体アノード（例えば、高容量固体アノード）とすることができる。同様に、いくつかの実施形態では、カソード１４０は、固体カソードとすることができ、アノード１５０は、半固体アノードとすることができる。
いくつかの実施形態では、半固体カソード１４０および／または半固体アノード１５０の少なくとも１つに含まれる電解質は、重量で約０．１％から約１％のゲルポリマー添加剤を含むことができる。半固体カソード１４０の配合物および／または半固体アノード１５０の配合物に含まれ得るゲルポリマー添加剤、およびそれらから形成された電気化学セルの例が、‘２７９号公開に記載されている。
いくつかの実施形態では、カソード１４０および／またはアノード１５０の半固体懸濁液は、初期には流動性である場合があり、「固着」によって非流動性にすることができる。いくつかの実施形態では、固着は、光重合の作用によって実行可能である。いくつかの実施形態では、固着は、半固体カソードおよび／または半固体アノードから形成される電気化学セル１００の、未充填の正および／または負の電気活性ゾーンによって伝送される波長を有する電磁放射の作用によって実行される。いくつかの実施形態では、半固体懸濁液は、加熱により固着することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の添加剤を半固体懸濁液に添加して固着を容易にする。
いくつかの実施形態では、注入可能、かつ流動性の半固体カソード１４０および／または半固体アノード１５０は、「可塑化」によって非流動化される。いくつかの実施形態では、注入可能、かつ流動性の半固体懸濁液のレオロジー特性は、薄め液、増粘剤、および／または可塑剤の添加によって修正される。いくつかの実施形態では、これらの薬剤は加工性を高め、流動条件下ならびに正および負の電気活性ゾーンの充填動作中の半固体懸濁液の組成均一性を保持するのに役立つ。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の添加剤が流動性の半固体懸濁液に添加され、その流動性を調節して加工要件に対処する。
作用イオンに対する貯蔵ホストである負および／または正のイオン貯蔵材料を使用するシステムは、前記材料が作用イオンを取り込むか、または放出することが可能である一方で、材料のすべての他の成分は依然として電解質中でほぼ不溶性であることを意味し、電解質が電気化学組成物で汚染されないため、特に有利である。加えて、負および／または正のリチウムイオン貯蔵材料を使用するシステムは、非水電気化学組成物を使用する場合に特に有利である。
いくつかの実施形態では、半固体イオン貯蔵レドックス組成物は、従来のリチウムイオンバッテリにおいて機能することが証明されている材料を含む。いくつかの実施形態では、正の半固体電気活性材料は、リチウム正電気活性材料を含有し、リチウム陽イオンは負極と正極の間で往復輸送され、液体電解質内に懸濁している固体のホスト粒子間に挿入される。
半固体カソード１４０は、正の集電体１１０の片面だけに被覆される。同様に、半固体アノード１５０は、負の集電体１２０の片面だけに被覆される。例えば、半固体電極はキャスティング、ドロップコーティング、プレス、ロールプレス、またはこれ以外の任意の他の適切な方法を用いて、集電体に配置することができる。半固体電極を集電体の片面だけに被覆することにより、電気化学セル１００を形成するための時間を大幅に短縮することができる。これにより、半固体カソード１４０および／または半固体アノード１５０のスラリー配合物に含まれる電解質の蒸発を大幅に低減することができる。さらに、周囲環境中に存在する湿気への電解質の露出を最小限にすることにより、電解質の劣化を防ぐことができる。
複数の電気化学セル１００をセルスタックに配置して、電気化学セルスタックを形成することができる。例えば、電気化学セル１００は、第１の電気化学セル１００とすることができる。セルスタックは、第２の電気化学セル（図示せず）および第３の電気化学セル（図示せず）を含むことができる。第２の電気化学セルおよび第３の電気化学セルはそれぞれ、第１の電気化学セル１００と実質的に同様のものとすることができる。第２の電気化学セルに含まれる、正の集電体１１０の被覆がない方の表面は、第１の電気化学セル１００に含まれる、正の集電体１１０の被覆がない方の表面に配置することができる。同様に、第３の電気化学セルに含まれる、負の集電体１２０の被覆がない方の表面は、第１の電気化学セル１００に含まれる、負の集電体１２０の被覆がない方の表面に配置することができる。任意の数の電気化学セル１００をセルスタックに含めることができる。本明細書に記載されているように複数の電気化学セル１００を積層することにより、電気化学セルスタックを形成するのに要する時間を大幅に短縮する。これにより、本明細書に記載されているように電解質の蒸発および／または劣化を最小限にすることができる。
図２〜図４は、正の集電体２１０および負の集電体２２０を含む電気化学セル２００を示す。半固体カソード２４０が、正の集電体２１０上に配置され、半固体アノード２５０が、負の集電体２２０上に配置されている。セパレータ２３０が、半固体カソード２４０と半固体アノード２５０との間に配置されている。電気化学セル２００は、パウチ２６０の中に配置されている。
正の集電体２１０は、金属箔、例えば、銅箔もしくはアルミ箔、または、電気化学セル２００に含まれる正の集電体２１０に関して記載されている任意の他の材料から形成することができる。正の集電体２１０は、約２０μｍから約４０μｍの範囲の厚さ、例えば、約２５μｍ、約３０μｍ、または約３５μｍであり、それらの間のすべての範囲を含む厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、正の集電体２１０は、約２０μｍ未満の厚さ、例えば、約５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１４μｍ、１６μｍ、または約１８μｍであり、それらの間のすべての範囲を含む厚さを有することができる。正の集電体２１０は、正のリード線２１４と結合されたタブ２１２を含む。いくつかの実施形態では、タブ２１２は、正のリード線２１４と結合するように所望の長さにカットすることができる。正のリード線は、例えば、超音波溶接、クランピング、クリンピング、接着テープなどの任意の適切な方法を用いて、タブ２１２に結合することが可能な、導電性金属（例えば銅またはアルミニウム）のストリップとすることができる。リング２１６が、正のリード線２１４の一部分に巻き付けられており、電気化学セル２００がパウチ２６０に配置されたときにパウチ２６０の縁と位置合わせされる。したがって、パウチ２６０が密封されると、リング２１６は、パウチ２６０が確実に熱シールされるようにする。リング２１６は、絶縁性材料、例えば、サーリン（Surlyn）などの選定されたプラスチック、または任意の他の適切な材料から形成することができる。
負の集電体２２０は、金属箔、例えば、銅箔もしくはアルミ箔、または、電気化学セル２００に含まれる負の集電体２２０に関して記載されている任意の他の材料から形成することができる。負の集電体２２０は、約２０μｍから約４０μｍの範囲の厚さ、例えば、約２５μｍ、約３０μｍ、または約３５μｍであり、それらの間のすべての範囲を含む厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、負の集電体２２０は、約２０μｍ未満の厚さ、例えば、約５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１４μｍ、１６μｍ、または約１８μｍであり、それらの間のすべての範囲を含む厚さを有することができる。負の集電体２２０は、負のリード線２２４と結合されたタブ２２２もまた含む。いくつかの実施形態では、タブ２２２は、負のリード線２２４と結合するように所望の長さにカットすることができる。負のリード線２２４は、正のリード線２１４と実質的に同様のものとすることができるので、さらなる詳細については本明細書では記載しない。リング２２６が、負のリード線２２４の一部分に巻き付けられており、電気化学セル２００がパウチ２６０に配置されたときにパウチ２６０の縁と位置合わせされる。したがって、パウチ２６０が密封されると、リング２２６は、パウチ２６０が確実に熱シールされるようにする。リング２２６は、絶縁性材料、例えば、サーリンなどの選定されたプラスチック、または任意の他の適切な材料から形成することができる。
セパレータ２３０は、イオン透過膜とすることができ、電気化学セル２００に含まれるセパレータ２３０に関して記載されているいずれの材料からも形成することが可能である。セパレータ２３０は、約１０μｍから約３０μｍの厚さ、例えば、約１５μｍ、約２０μｍ、または約２５μｍであり、それらの間のすべての範囲を含む厚さを有することができる。
半固体カソード２４０は、正の集電体２１０の、セパレータ２３０に近い方の第１の表面上に、例えば被覆されて、配置されている。セパレータ２３０から遠い方にある正の集電体２１０の第２の表面は、被覆がないままである。同様に、半固体アノード２５０は、負の集電体２２０の、セパレータ２３０に近い方の第１の表面上に、例えば被覆されて、配置されている。セパレータ２３０から遠い方にある負の集電体２２０の第２の表面は、被覆がないままである。別の言い方をすると、半固体カソード２４０および半固体アノード２５０は、正の集電体２１０および負の集電体２２０の片面だけにそれぞれ被覆されている。片面だけを被覆することにより、電気化学セル２００を調製するのに要する時間を短縮する。これにより、半固体カソード２４０の配合物および／または半固体アノード２５０の配合物に含まれる電解質の蒸発および／または（例えば周囲湿度による）劣化を軽減することができる。半固体カソード２４０および半固体アノード２５０はそれぞれ、電気化学セル１００に含まれる半固体カソード１４０および半固体アノード１５０に関して記載されているような、任意の構成要素（例えば活物質および／または導電材料、電解質、添加剤、ゲルポリマーなど）を用いて配合することができる。さらにまた、半固体カソード２４０および／または半固体アノード２５０はそれぞれ、少なくとも約２５０μｍの厚さを有することができる。例えば、半固体カソード２４０および／または半固体アノード２５０は、約２５０μｍから約２，０００μｍの範囲の厚さを有することができる。
調製された電気化学セル２００は、電気化学セル２００の材料を環境から気密的に隔離することが可能な、プリズム状のパウチ２６０に真空密封することができる。そのためパウチ２６０は、電解質溶媒および／または腐食性塩などといった有害物質が周囲環境に漏れ出すことを回避する働きをし、かつ、セルに水および／または酸素が浸透することを防止することができる。パウチ２６０のその他の機能は、例えば、内側層の圧縮パッケージング、安全性および操作性のための電圧分離、ならびに電気化学セル２００の組立体の機械的保護を含むことができる。
代表的なパウチ材料は、例えば、２枚または３枚の固体フィルム状の層に形成され、接着剤によって結合されるラミネート（例えば、多層シート）を含むことができる。本明細書で使用される場合、「ラミネート」という語は、互いに化学的に接着されていない材料の層のこともまた指す。例えば、層は、互いに面接触させ、例えば、ヒートシールのような、他の結合方法を用いて結合させることができる。いくつかの実施形態では、パウチ２６０は、ポリプロピレン、例えば、キャストプロピレンから形成することができる。いくつかの実施形態では、多層シートがセルの電気化学的機能要素として使用可能であるように、プラスチック材料で形成された第１の層すなわち内側層、および導電性材料で形成された第２の層を少なくとも含む多層ラミネートシートを含むケーシングまたはパウチを有する電気化学セルを形成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、パウチの導電性材料（例えば、金属箔）は、セルの集電体として使用することができる。いくつかの実施形態では、金属箔はパススルータブとして使用することができる。したがって、セルパウチの多層またはラミネートシートは、パッケージング材料としての役割を果たすことに加えて、セルの電気化学的機能材料として使用することができる。多層ラミネートシートを含むケーシングまたはパウチを有する電気化学セルを製造するシステム、デバイス、および方法が、２０１４年１１月１７日出願の、「電気化学セルおよびその製造方法（Electrochemical Cells and Methods of Manufacturing the Same）」という名称の米国特許出願公開第２０１５／０１７１４０６号（「‘４０６号公開」とも呼ばれる）に記載されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。
複数の電気化学セル２００、または本明細書に記載されている任意の他の電気化学セルを電気化学セルスタックに配置して、例えば、電気化学バッテリを形成することができる。次に図５〜図７を参照すると、電気化学セルスタック３０００が示されており、そこには複数の電気化学セルが配置されている。電気化学セルスタック３０００は、パウチ３６０の中に配置することができる。パウチ３６０は、例えば、図２〜図４に関して記載されているパウチ２６０と実質的に同様のものとすることが可能な真空密封パウチであり、したがって、さらなる詳細については本明細書では記載しない。
電気化学セルスタック３０００に含まれる複数の電気化学セルのそれぞれは、例えば、第２の電気化学セル３００ｂ（図６）は、電気化学セル１００または２００と実質的に同様のものとすることができる。複数の電気化学セルに含まれる集電体はそれぞれ、タブを含んでいる。例えば、図６に示されるように、第２の電気化学セル３００ｂの正の集電体３１０ｂ（図７）は、タブ３１２ｂを含み、第２の電気化学セル３００ｂの負の集電体３２０ｂは、タブ３２２ｂを含んでいる。複数の電気化学セルに含まれる正の集電体のタブはそれぞれ、正のベイル（bail）３１３にまとめて結合され、これが次に正のリード線３１４に結合されている。いくつかの実施形態では、正の集電体のタブはそれぞれ、互いに曲げて重ね合わせられ、正のベイル３１３を形成することができる。いくつかの実施形態では、正のベイル３１３に含まれるタブは、正のリード線３１４と結合するように所望の長さにカットすることができる。いくつかの実施形態では、セルの内部に向かって配置されたセル３００に含まれる正の集電体３１０および／または負の集電体３２０は、最も外側の電気化学セル３００に含まれる正の集電体３１０のタブ３１２、および／または負の集電体３２０のタブ３２２よりも実質的に短いタブを有することができる。例えば、電気化学セル３００ｃに含まれる正の集電体３１０ｃのタブは、電気化学セル３００ａに含まれる正の集電体３１０ａのタブ、および電気化学セル３００ｂに含まれる正の集電体３１０ｂのタブよりも実質的に長くすることができる。同様に、電気化学セル３００ａに含まれる負の集電体３２０ａのタブは、電気化学セル３００ｂに含まれる負の集電体３２０ｂのタブ、および電気化学セル３００ｃに含まれる負の集電体３２０ｃのタブよりも実質的に長くすることができる。このような実施形態では、短い方のタブは、例えば、超音波溶接、クランピング、クリンピング、接着テープなどを介して、長い方のタブに結合させ、ベイル（すなわちベイル３１３および３２３）を形成することができる。次に、最も外側の正の集電体、および最も外側の負の集電体（例えば、正の集電体３１０ｃおよび負の集電体３１０ａ）の長い方のタブは、正のリード線３１４および負のリード線３２４に結合させることができる。このように、タブの形成に要する材料の量を減らすことにより、電気化学セル３００のコストおよび／または総重量を減らすことができる。いくつかの実施形態では、最も内側の電気化学セル３００の正の集電体３１０および負の集電体のタブは、電気化学セルスタック３０００に含まれる残りの電気化学セルの、正の集電体３１０および負の集電体３２０のタブ３１０およびタブ３２０よりも長くすることができる。いくつかの実施形態では、長い方のタブを含んでいる正の集電体３１０および／または負の集電体３２０は、電気化学セルスタック３０００に含まれるその他の電気化学セル３００に含まれる正の集電体３１０および／または負の集電体３２０よりも実質的に厚くすることができる。いくつかの実施形態では、正の集電体３１０および負の集電体３２０はそれぞれ、パウチ３６０の外に延在するように十分な長さ（例えば、最も外側の正の集電体３１０の正のタブ３１２および最も外側の負の集電体３２０の負のタブ３２２とほぼ同じ長さ）とすることが可能なタブを有することができる。このような実施形態では、例えば、正の集電体３１０のそれぞれのタブは、例えば、超音波溶接、クランピング、クリンピング、接着テープなどを介して、まとめて結合され、正のベイル（例えばベイル３１３）を形成することができる。同様に、負の集電体３２０のそれぞれのタブは、本明細書に記載されているようにまとめて結合され、負のベイル（例えばベイル３２３）を形成することができる。本明細書に記載されているように、正のベイル（正の集電体のそれぞれのタブを含む）および負のベイル（負の集電体のそれぞれのタブを含む）は、パウチの外に延在することが可能であり、電気化学セルスタック３０００を電気的にインタフェースするのに用いることができる。別の言い方をすると、このような実施形態では、電気化学セルスタック３０００は、正のベイルおよび負のベイルを直接介して外部の電子部品に電気的に結合させて、正のリード線３１４および負のリード線３２４が、電気化学セルスタックに含まれないようにすることが可能である。
正のリード線３１４は、例えば、超音波溶接、クランピング、クリンピング、接着テープなどの任意の適切な方法を用いて、正のベイル３１３に結合することが可能な、導電性金属（例えば銅またはアルミニウム）のストリップとすることができる。リング３１６が、正のリード線３１４の一部分に巻き付けられており、電気化学セル３００がパウチ３６０に配置されたときにパウチ３６０の縁と位置合わせされる。したがって、パウチ３６０が密封されると、リング３１６は、パウチ３６０が確実に熱シールされるようにする。リング３１６は、絶縁性材料、例えば、サーリンなどの選定されたプラスチック、または任意の他の適切な材料から形成することができる。同様に、複数の電気化学セルに含まれる負の集電体のタブはそれぞれ、負のベイル３２３にまとめて結合され、これが次に負のリード線３２４に結合されている。いくつかの実施形態では、負の集電体のタブはそれぞれ、互いに曲げて重ね合わせられ、負のベイル３２３を形成することができる。いくつかの実施形態では、負のベイル３２３に含まれるタブは、正のリード線３１４と結合するように所望の長さにカットすることができる。負のリード線３２４は、正のリード線３１４と実質的に同様のものとすることができる。したがって、さらなる詳細については本明細書では記載しない。さらに、リング３２６が、負のリード線３２４の一部分に巻き付けられており、電気化学セル３００がパウチ３６０に配置されたときにパウチ３６０の縁と位置合わせされる。リング３２６は、リング３１６と実質的に同様のものとすることができる。したがって、さらなる詳細については本明細書では記載しない。
図７は、線ＡＡ（図６）に沿った、電気化学セルスタック３０００の一部分の側面断面図を示す。電気化学セルスタック３０００の一部分は、第１の電気化学セル３００ａと、第２の電気化学セル３００ｂと、第３の電気化学セルを３００ｃと、を含む。第１の電気化学セル３００ａは、第１の正の集電体３１０ａと、第１の負の集電体３２０ａと、第１のセパレータ３３０ａと、を含む。第１の半固体カソード３４０ａが、第１の正の集電体３１０ａの、第１のセパレータ３３０ａに面した片面だけに配置されている。同様に、第１の半固体アノード３５０ａが、第１の負の集電体３２０ａの、第１のセパレータ３３０ａに面した片面だけに配置されている。第１のセパレータ３３０ａは、第１の半固体カソード３４０ａと、第１の半固体アノード３５０ａとの間に配置されている。
第２の電気化学セル３００ｂは、第２の正の集電体３１０ｂと、第２の負の集電体３２０ｂと、第２のセパレータ３３０ｂと、を含む。第２の半固体カソード３４０ｂが、第２の正の集電体３１０ｂの、第２のセパレータ３３０ｂに面した片面だけに配置されている。同様に、第２の半固体アノード３５０ｂが、第２の負の集電体３２０ｂの、第２のセパレータ３３０ｂに面した片面だけに配置されている。第２のセパレータ３３０ｂは、第２の半固体カソード３４０ｂと、第２の半固体アノード３５０ｂとの間に配置されている。
第３の電気化学セル３００ｃは、第３の正の集電体３１０ｃと、第３の負の集電体３２０ｃと、第３のセパレータ３３０ｃと、を含む。第３の半固体カソード３４０ｃが、第３の正の集電体３１０ｃの、第３のセパレータ３３０ｃに面した片面だけに配置されている。同様に、第３の半固体アノード３５０ｃが、第３の負の集電体３２０ｃの、第３のセパレータ３３０ｃに面した片面だけに配置されている。第３のセパレータ３３０ｃは、第３の半固体カソード３４０ｃと、第３の半固体アノード３５０ｃとの間に配置されている。
第１の電気化学セル３００ａ、第２の電気化学セル３００ｂ、および第３の電気化学セル３００ｃは、互いに実質的に同様のものとすることができる。電気化学セルスタック３０００に含まれる電気化学セルのそれぞれに含まれる正の集電体、負の集電体、およびセパレータは、電気化学セル１００に含まれる正の集電体１１０、負の集電体１２０、およびセパレータ１３０に関して記載されている任意の材料から形成することができる。さらに、電気化学セルスタック３０００の電気化学セルのそれぞれに含まれる半固体カソードおよび半固体アノードは、電気化学セル１００に含まれる半固体カソード１４０および半固体アノード１５０に関して記載されている任意の材料または方法を用いて配合することができる。
第２の電気化学セル３００ｂは、第２の正の集電体３１０ｂの被覆がない方の面が第１の正の集電体３１０ａの被覆がない方の面に隣接し、かつ、当接するように、第１の電気化学の３００ａに配置されている。同様に、第３の電気化学セル３００ｃは、第３の負の集電体３２０ｃの被覆がない方の面が第１の負の集電体３２０ａの被覆がない方の面に隣接し、かつ、当接するように、第１の電気化学セル３００ａに配置されている。電気化学セルスタック３０００は８つの電気化学セルを含んでいるものとして示されている（図６）が、任意の数の電気化学セルを電気化学セルスタック３０００に含めることができる。本明細書には示されていないが、いくつかの実施形態では、スペーサ、例えば、電気絶縁性および／または断熱性のスペーサを、それぞれの隣接した電気化学セル間に配置することができる。いくつかの実施形態では、スペーサは、電気化学セルスタック３０００に含まれる電気化学セルのそれぞれに積み重ね圧力をかけるように構成することができる。適切なスペーサは、例えば、発泡体パッド、ゴムパッド、プラスチックシート、紙または段ボールのストリップなどを含むことができる。
従来の電気化学セルスタックと比較して、電気化学セルスタック３０００は、より短期間で形成することができる。これにより、本明細書に記載されているように電解質の蒸発および／または劣化を最小限にすることができる。電気化学セルスタック３０００は、本明細書に記載されている半固体電極が集電体の両面に被覆されている同様のサイズの電気化学セルスタックと比較すると、不活性物質に対する活物質の比率が低くなる場合がある。しかしながら、従来の電極が集電体の両面に被覆されている従来の電気化学セルスタックと比較すると、電気化学セルスタックは、不活性物質に対する活物質の高い比率を、依然として有することができる。その理由は、半固体電極は、約２００μｍよりも厚くすることが概して不可能な従来の電極と比較して、はるかに厚く、例えば約２５０μｍから約２，０００μｍの範囲の厚さにすることができるからである。したがって、電気化学セルスタック３０００は、同等のエネルギー密度および電荷容量を生み出す従来の電気化学セルスタックと比較して、電気化学セルスタック３０００に含まれる電気化学セル（例えば電気化学セル３００）の数が少なくても、所望のエネルギー密度および電荷容量を生み出すことができる。さらに、電気化学セルスタック３００に含まれる、片面だけが被覆された電気化学セル３００は、従来のセルが含み得ない安全性特徴または保護特徴を含むことができる。例えば、電気化学セルスタック３０００に含まれる集電体（すなわち正の集電体３１０および負の集電体３２０）の縁のまわりに安全な周囲または壁を配置して、半固体カソード２３０および半固体アノード２４０を保護することができる。さらにまた、電気化学セルスタック３０００に含まれる隣接した電気化学セル間の軽微な位置合わせ不良が許容可能であることで、従来の電気化学セルスタックと比較して、より短時間で電気化学セルスタック３０００が形成可能であるようになっている。
いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、複数の正の集電体および負の集電体を含む複数のセルスタックを含むことができる。複数の正の集電体のうちの１つ、および複数の負の集電体のうちの１つは、残りの集電体のタブよりも実質的に長いタブであって、外部の電子機器類とインタフェースするように電気化学セルのパウチの外に延在することが可能なタブを有することが可能であることで、リード線が必要なくなっている。例えば、図８を参照すると、電気化学セルスタック４０００が示されており、そこには複数の電気化学セルが配置されている。電気化学セルスタック４０００は、パウチ（図示せず）、例えば、図２〜図４に関して記載されているパウチ２６０と実質的に同様のものとすることが可能な真空密封パウチの中に配置することができる。
電気化学セルスタック４０００に含まれる複数の電気化学セルはそれぞれ、電気化学セル１００、２００、または３００と実質的に同様のものとすることが可能であり、したがって、さらなる詳細については本明細書では記載しない。複数の電気化学セルに含まれる集電体はそれぞれ、タブを含んでいる。例えば、図８に示されるように、最も外側の正の集電体４１０ｂは、残りの正の集電体のタブよりも実質的に長いタブ４１２ｂを含むことができる。正の集電体のタブは、ベイル４１３にまとめて結合され、例えば、超音波溶接、クランピング、クリンピング、接着テープなどといったような結合機構４１３を用いて互いに結合することができる。同様に、最も外側の負の集電体４２０ａは、残りの負の集電体のタブよりも実質的に長いタブ４２２ａを含むことができる。負の集電体のタブは、ベイル４２３にまとめて結合され、例えば、超音波溶接、クランピング、クリンピング、接着テープなどといったような結合機構４２５を用いて互いに結合することができる。このように、正の集電体および負の集電体のタブはそれぞれ、互いに電子的に結合されることで、それぞれ残りのタブよりも実質的に長い正の集電体４１０ｂのタブ４１２ｂおよび負の集電体４２０ｂのタブ４２２ａが、ベイルの外およびパウチの外に延在するようになっている。したがって、正のタブ４１２ｂおよび負のタブ４２２ａは、外部の電子機器類との電子インタフェースに使用可能であることで、余分な構成要素（例えばリード線）をまったく使用しないようになっている。
さらに拡大して、図９は、図８において矢印Ｂによって示された電気化学セルスタック４０００の一部分の側面図を示す。それは、負の集電体のベイルを含む。電気化学セルスタックは、８つのセルスタックを含み、そのそれぞれが正の集電体および負の集電体を含む。図９に示されるように、電気化学セルスタック４０００は、８つの負の集電体４２２ａ〜４２２ｈを含む。集電体は、本明細書に記載されているように、ベイル４２３にまとめて接合され、結合機構４２５を用いて互いに結合されている。負の集電体４２０ａ（図８）の負のタブ４２２ａは、残りの負の集電体の負のタブ４２２ｂ〜４２２ｈよりも実質的に長い。したがって、タブ４２２ａは、ベイルを越えて、電気化学セルスタック４０００をパッケージングするのに用いられるパウチの外に延在することができる。このように、タブ４２２ａは、電気化学セルスタック４０００と外部の電子機器類とのインタフェースに用いることができることにより、電気化学セルスタック４０００に含まれる負の集電体のそれぞれが、タブ４２２ａを介して外部の電子機器類と電子的につながった状態になっている。これにより、外部の結合部品、例えば、負のリード線は使用されず、製造がより簡易になり、コストが低減される。
図１０は、複数の電気化学セルを含む電気化学セルスタックを調製するための例示的な方法４００を示すフロー図を図示する。方法４００は、正の集電体４０２の片面に半固体カソードを被覆するステップを含む。半固体カソードは、例えば、半固体カソード１４０、２４０、または本明細書に記載されている任意の他の半固体カソードを含むことができる。適切な正の集電体は、例えば、正の集電体１１０、２１０、または本明細書に記載されている任意の他の正の集電体を含むことができる。次に、半固体アノードが、負の集電体４０４の片面だけに被覆される。半固体アノードは、本明細書に記載されている半固体アノードのいずれか、例えば、半固体アノード１５０、２５０、または本明細書に記載されている任意の他の半固体アノードを含むことができる。適切な負の集電体は、例えば、負の集電体の１２０、２２０、または本明細書に記載されている任意の他の負の集電体を含むことができる。セパレータ（例えば、セパレータ１３０、２３０、または本明細書に記載されている任意の他のセパレータ）を、半固体カソードと半固体アノードとの間に配置して、第１の電気化学セル４０６を形成する。第２の電気化学セルを、第１の電気化学セル４０８と実質的に同じやり方で形成する。さらに、第３の電気化学セルを、第１の電気化学セル４１０と実質的に同じやり方で形成する。第１の電気化学セル、第２の電気化学セル、および第３の電気化学セルはそれぞれ、電気化学セル１００、２００、または本明細書に記載されている任意の他の電気化学セルと実質的に同様のものとすることが可能である。
電気化学セルスタックを形成するために、第２の電気化学セルは、第２の電気化学セルの正の集電体の、被覆がない方の面が、第１の電気化学セル４１２の正の集電体の、被覆がない方の面の上に（例えば隣接して、または当接して）配置されるように、第１の電気化学セルの上に配置される。次に、第３の電気化学セルは、第３の電気化学セルの負の集電体の被覆がない方の面が、第１の電気化学セルの負の集電体の被覆がない方の面に配置されるように、第１の電気化学セルの上に（例えば隣接して、または当接して）配置されて、電気化学セルスタックを形成している。電気化学セルスタックは、電気化学セルスタック３０００、または本明細書に記載されている任意の他の電気化学セルスタックと実質的に同様のものとすることが可能である。いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックの形成に要する時間は、第１の電気化学セル、第２の電気化学セル、および第３の電気化学セルのうちのいずれかの、半固体アノードまたは半固体カソードに含まれる電解質の蒸発が大幅に低減されるように、十分に短くなり得る。
いくつかの実施形態では、方法４００は、第１の電気化学セルの正の集電体と、第２の電気化学セルの正の集電体との間に第１のスペーサを配置するステップ、および／または第３の電気化学セルの負の集電体と、第１の電気化学セルの負の集電体との間に第２のスペーサを配置するステップを任意選択で含むことができる。スペーサは、例えば、発泡体パッド、ゴムパッド、プラスチックシート、紙または段ボールのストリップなどといったような、断熱性および／または電気絶縁性材料を含むことができる。
図１１Ａ〜図１１Ｉは、一実施形態に従って、集電体の片面だけに被覆される半固体電極を有する電気化学セル５００を製造するプロセスにおける様々なステップを図示する。図１１Ａに示されるように、フレーム５６２（「スペーサフレーム」とも呼ばれる）が、集電体５１０の上に配置されている。それは電源接続タブ５１２を含んでいる。集電体５１０は、（本明細書では「集電体ホルダー」とも呼ばれる）ホルダー５６５の上に置くことができる。例えば、ホルダー５６５は、集電体５１０を所定位置に保持するように、任意選択で複数の小孔（図示せず）を介してホルダー５６５の表面全体にわたって真空処理を施すことができる。フレーム５６２は、集電体５１０の上に置いたときに、下にある集電体５１０を露出することが可能な開口部５７５を有する。
図１１Ｂは、フレーム５６２の開口部５７５によって画定された、集電体５１０の露出した部分の上に配置されている電極スラリー５４０を図示する。開口部５７５は、完成した電極５４０の表面積を画定し、フレーム５６２の厚さは、完成した電極５４０の厚さを画定している。図１１Ｃおよび図１１Ｄは、集電体５１０の露出した部分の表面に沿って平坦化、または塗布された電極スラリー５４０を示す。いくつかの実施形態では、ブレード５８０（本明細書では「ドクターブレード（doctor blade）」とも呼ばれる）、または直線状の機器を用いて電極スラリー５４０を塗布することができる。いくつかの実施形態では、ブレード５８０および／またはホルダー５６５を振動発生源（図示せず）に動作可能に結合させ、電極スラリー５４０の堆積時または平坦化時に、ブレード５８０またはホルダー５６５が振動するようにしてもよい。振動により、スラリー堆積ステップの間、またはスラリー堆積ステップの後に、半固体電極材料５４０を分散し易くすることができる。
任意選択で、例えば、光学分析ツールまたは任意の分析ツールなどの機器（図示せず）が、光干渉法もしくはレーザ干渉法、楕円偏光解析法、または光走査プローブもしくはレーザ走査プローブを含む非接触測定法のいずれかを用いて、塗布された電極スラリー５４０の表面モフォロジを検査し、および任意選択で、表面の均一性（例えば厚さ）を測定する。非接触機器は、ブレード５８０が電極スラリー５４０を塗布するときに、その場で配備することができる。
電極スラリー５４０が塗布された後、図１１Ｅに示されるように、フレーム５６２は、集電体５１０の露出した部分の上に塗布された電極５４０の部分だけを残して除去することができる。図１１Ｆに図示されるように、セパレータ５３０を電極５４０の上に置いて、セパレータ５３０が電極５４０を覆うようにすることができる。
上記の図１１Ａ〜図１１Ｆに図示された製造ステップは、集電体の上に電極を堆積するステップに該当する。例として、電極５４０は、カソードとすることが可能であり、集電体５１０は、正の集電体とすることが可能である。図１１Ａ〜図１１Ｅに図示された製造ステップを繰り返して、負の集電体５２０の上に半固体アノード５５０を配置することができる。しかしながら、電気化学セル５００ではセパレータ５３０を１つしか用いないので、図１１Ｆに示された製造ステップは、半固体カソード堆積ステップまたは半固体アノード堆積ステップのうちの１つに関してのみ実行される。
図１１Ｇに示されるように、半固体カソード５４０および半固体アノード５５０がいずれもそれぞれの集電体５１０および５２０の上に配置されれば、半固体カソード５４０および半固体アノード５５０が、図示されるように向かい合って互いに重ね合わされるように、ただし、セパレータ５３０によって分離されるように、それらを位置合わせすることができる。示されているように、半固体アノード５５０は、負の集電体５２０の下側にあるので、見えない。組み立て後の電極スタックは、図３に示された図に類似している。
図１１Ｈに最も良く示されているように、電気化学セル５００は、パウチ５６０の内部に配置された、ただ１つのカソード−セパレータ−アノードからなるスタックを含み、次にそれが真空処理５６６およびヒートシール５６７されて、図１１Ｉに示されているような、完成した電気化学セル５００を形成する。正の集電体５１０は、電源接続タブ５１２を含んでおり、一方負の集電体５２０は、電源接続タブ５２２を含んでいる。パウチ５６０の中の完成した電気化学セル５００は、図２に示された電気化学セル２００と実質的に類似したものとすることができる。いくつかの実施形態では、複数の電気化学セル５００を積層させて電気化学セルスタックを形成することができる。それは、図５〜図７に図示された電気化学セルスタック３０００と実質的に類似したものとすることができる。
以上、システム、方法、およびデバイスの様々な実施形態について説明してきたが、それらが限定ではなく単なる例として提示されたものであることを理解されたい。上記の方法およびステップが特定の順序で発生する特定の事象を示している場合、本開示の恩恵を受ける当業者であれば、特定のステップの順序付けを修正することができ、このような修正が本発明の変形例によるものであることを認識するであろう。加えて、可能であれば、特定のステップを並行プロセスにおいて同時に実行してもよく、また、上述のように順序に従って実行してもよい。実施形態を具体的に図示および説明してきたが、形式および細部における様々な変更を行い得ることが理解されよう。
例えば、特定の特徴および／または構成要素の組み合わせを有するものとして様々な実施形態を説明してきたが、本明細書に記載されているいずれかの実施形態から、任意の特徴および／または構成要素の任意の組み合わせまたは部分的組み合わせを有する他の実施形態が可能である。例えば、電気化学セルのいくつかの実施形態はプリズム状であるとして記載されていたが、他の実施形態では、電気化学セルは、曲線状、湾曲した形状、波状とすることができ、あるいは任意の他の形状を有することができる。加えて、様々な構成要素の特定の構成を変更することもまた可能である。例えば、様々な構成要素のサイズおよび特定の形状は、本明細書に記載されているような機能を依然として提供しつつも、示された実施形態とは異なるものとすることができる。

Claims (23)

  1. 第１の表面および第２の表面を有する正の集電体と、
    前記正の集電体の前記第１の表面上だけに配置された半固体カソードと、
    第１の表面および第２の表面を有する負の集電体と、
    前記負の集電体の前記第１の表面上だけに配置された半固体アノードと、
    前記正の集電体の前記第１の表面と前記負の集電体の前記第１の表面との間に配置されたセパレータと、
    を含む電気化学セル。
  2. 前記正の集電体、前記負の集電体、およびセパレータが、パウチの中に配置されている、請求項１に記載の電気化学セル。
  3. 前記パウチが密封されて個々の電気化学セルを形成している、請求項２に記載の電気化学セル。
  4. 前記半固体カソードおよび前記半固体アノードの少なくとも１つが、少なくとも約２５０μｍの厚さを有する、請求項３に記載の電気化学セル。
  5. 第１の表面および第２の表面を有する集電体を含む第１の電気化学セルであって、前記集電体の前記第１の表面の上に半固体電極が配置されている第１の電気化学セルと、
    第１の表面および第２の表面を有する集電体を含む第２の電気化学セルであって、前記集電体の前記第１の表面の上に半固体電極が配置されている第２の電気化学セルと、
    を含むとともに、
    前記第２の電気化学セルの前記集電体の前記第２の表面が、前記第１の電気化学セルの前記集電体の前記第２の表面に結合されている電気化学セルスタック。
  6. 前記第１の電気化学セルの前記集電体に配置された前記半固体電極が、第１のカソードであり、前記第２の電気化学セルの前記集電体に配置された前記半固体電極が第２のカソードである、請求項５に記載の電気化学セルスタック。
  7. 前記第１の電気化学セルに含まれる前記集電体が、第１の集電体であり、前記第１の電気化学セルが、第１の表面および第２の表面を有する第２の集電体をさらに含み、前記第２の集電体の前記第１の表面の上に半固体アノードが配置されている、請求項６に記載の電気化学セルスタック。
  8. 前記第１の集電体に配置された前記半固体アノードと前記半固体カソードとの間に配置されたセパレータをさらに含む、請求項７に記載の電気化学セルスタック。
  9. 前記第２の電気化学セルに含まれる前記集電体が、第３の集電体であり、前記第２の電気化学セルが、第１の表面および第２の表面を有する第４の集電体をさらに含み、前記第４の集電体の前記第１の表面の上に半固体アノードが配置されている、請求項７に記載の電気化学セルスタック。
  10. 前記第３の集電体に配置された前記半固体アノードと前記半固体カソードとの間に配置されたセパレータをさらに含む、請求項９に記載の電気化学セルスタック。
  11. 電気化学セルを製造する方法であって、
    正の集電体の第１の表面の上に半固体カソードを被覆するステップと、
    負の集電体の第１の表面の上に半固体アノードを被覆するステップと、
    前記半固体カソードと前記半固体アノードとの間にセパレータを配置するステップと、
    前記正の集電体、前記負の集電体、および前記セパレータをパウチの中に配置するステップと、
    前記パウチを密封して前記電気化学セルを形成するステップと、
    を含む方法。
  12. 前記正の集電体の前記第１の表面の上に前記半固体カソードを被覆するステップが、キャスティング、ドロップコーティング、プレス、およびロールプレスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記負の集電体の前記第１の表面の上に前記半固体アノードを被覆するステップが、キャスティング、ドロップコーティング、プレス、およびロールプレスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記正の集電体の前記第１の表面の上に前記半固体カソードを被覆するステップが、
    前記正の集電体の前記第１の表面上に、開口部を画定するフレームを配置するステップと、
    前記フレームの前記開口部の中へ前記半固体カソードを配置するステップと、
    前記開口部から余分な半固体カソード材料を除去するステップと、
    をさらに含む請求項１１に記載の方法。
  15. 前記フレームが厚さを有し、前記フレームの前記厚さが前記半固体カソードの厚さを決定する、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記負の集電体の前記第１の表面の上に前記半固体アノードを被覆するステップが、
    前記負の集電体の前記第１の表面上に、開口部を画定するフレームを配置するステップと、
    前記フレームの前記開口部の中へ前記半固体アノードを配置するステップと、
    前記開口部から余分な半固体アノード材料を除去するステップと、
    をさらに含む請求項１１に記載の方法。
  17. 前記フレームが厚さを有し、前記フレームの前記厚さが前記半固体アノードの厚さを決定する、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記余分な半固体アノード材料がドクターブレードで除去される、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記除去するステップの間、前記ドクターブレードが振動している、請求項１８に記載の方法。
  20. 非接触機器を用いて前記半固体カソードおよび前記半固体アノードの少なくとも１つを分析するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  21. 前記非接触機器が光学機器である、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記非接触機器が、表面モフォロジおよび厚さ均一性の少なくとも１つを分析するのに用いられる、請求項２０に記載の方法。
  23. 電気化学セルを製造する方法であって、
    第１の集電体の第１の表面の上に第１の半固体電極材料を配置するステップと、
    第２の集電体の第１の表面の上に第２の半固体電極材料を配置するステップと、
    前記第２の集電体の前記第２の表面上に前記第１の集電体の前記第２の表面を配置してバイポーラ電極を形成するステップと、
    を含む方法。
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