JP2019512856A - 導電性複合材 - Google Patents
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Abstract
Description
液体担体は、水性溶媒若しくは有機溶媒、又はそれらの混合物であってもよいし、液体担体が液体の追加の活物質であってもよい。
第3の態様では、本発明は、複合材料であって、(i)第1の活物質;(ii)第2の活物質;並びに(iii)第1及び第2の活物質に結合しているか又は別のかたちで関連付けられている金属配位錯体を含んでなり、第1の活物質及び第2の活物質は、複合材料に形成される前は、互いに異なる少なくとも1つの表面特性を有している、複合材料に属する。
複合材先駆物質調合物が液体担体を含んでなるいくつかの実施形態では、該方法は、液体担体を除去するステップをさらに含みうる。
第5の態様では、本発明は、導電性インタフェースであって、(i)少なくとも2つの活物質及び該活物質に接触している金属配位錯体を含んでなる活物質複合材、又は(ii)基材と混合されたか若しくは基材上にコーティングされた活物質並びに該活物質及び基材のうち少なくともいずれか一方に接触している金属配位錯体、を含んでなる導電性インタフェースに属する。
導電性インタフェースを形成する前、活物質のうち少なくとも2つは互いに異なる少なくとも1つの表面特性を有する。
好ましくは、第5の態様の導電性インタフェースは第4の態様の方法によって形成される。
上記の個々のセクションにおいて言及された本発明の様々な特徴及び実施形態は、必要に応じて、変更すべき点を変更すれば他のセクションにも当てはまる。従って、あるセクションにおいて指定された特徴は、必要に応じて、他のセクションで指定された特徴と組み合わせることができる。
第1の態様では、本発明は、複合材先駆物質調合物であって、(i)第1の活物質;(ii)第2の活物質;及び(iii)金属配位錯体を含んでなり、第1の活物質及び第2の活物質は互いに異なる少なくとも1つの表面特性を有している、複合材先駆物質調合物に属する。
用語「導電性インタフェース(conductive interface)」は、活物質(第1及び第2のうち少なくともいずれか)並びに基材のうち少なくともいずれかの任意の配置構成であって、1つの材料が別の材料に直接隣接しているものを包含するように意図されている。いくつかの実施形態では、インタフェースは、1つの連続した材料であって、連続していても不連続であってもよい別の材料に直接隣接している材料を呈する。活物質又は基材のうちいずれかは、連続した材料であっても不連続な材料であってもよい。ある実施形態では、導電性インタフェースは、イオン及び電子のうち少なくともいずれか一方の流れを可能にするか又は促進するものとなろう。そのような導電性インタフェースの非限定的な1つの例は、シリコン、炭素、バインダ若しくは混合金属酸化物のような活物質の間、又はそのような活物質と、該活物質でコーティングされたその下にある銅若しくはアルミニウムのような集電体との間の、インタフェースである。別の例は、半導体材料と適切な基材との間の半導電性インタフェースの形成にある。
そのような極性及び非極性ポリマーは、水性溶媒又は有機溶媒の環境に混和性を有しうる。当然のことであろうが、そのようなポリマーを用いると、分子量が閾値を超えて増大すれば、該ポリマーは固体となり、かつそのような実施形態では、複合材先駆物質調合物は乾燥混合物であってよい、すなわち液体担体は存在しなくてもよい。
液体担体は、水性溶媒若しくは有機溶媒、又はこれらの混合物であってもよいし、液体担体が液体の追加の活物質であってもよい。
1つの代替実施形態では、該方法は、第1及び第2の活物質並びに金属配位錯体を液体担体中で組み合わせるステップを含む。
1つの実施形態では、該方法はさらに、第1及び第2の活物質並びに金属配位錯体の組み合わされた混合物を撹拌するステップを含む。
十分理解されるであろうが、第1及び第2の活物質は液体担体に任意の順序で添加されてよく、かつ、金属配位錯体が液体担体に添加されるときに液体担体中にどちらも存在しなくてもよいし、一方又は両方が存在していてもよい。すなわち、第1及び第2の活物質が金属配位錯体と接触すると同時に液体担体中にあり、次いで適切な均質な複合材先駆物質調合物が生じうる限り、添加の順序は何であってもよい。
第3の態様の複合材料は、少なくとも部分的に、第1の態様の複合材先駆物質調合物から形成されうる。
第4の態様では、本発明は、2以上の活物質の間、又は少なくとも1つの活物質と基材との間に、導電性インタフェースを形成する方法であって、(i)活物質のうち少なくとも1つ及び基材のうち少なくともいずれか一方を、金属配位錯体と接触させるステップと;(ii)活物質を混合するか、又は基材を少なくとも1つの活物質と混合するか若しくは少なくとも1つの活物質でコーティングし、それにより導電性インタフェースを形成するステップと、活物質のうち少なくとも2つ又は活物質のうちの1つ及び基材は、互いに異なる少なくとも1つの表面特性を有していることと、を含む方法に属する。
十分理解されることであろうが、第4の態様の方法は、第1の態様の複合材先駆物質調合物を使用することにより生じうる。すなわち、該方法が少なくとも2つの活物質から導電性インタフェースを形成する場合、それらの活物質は、第1の態様について説明されたように、互いに異なる表面特性を有することになる。第4の態様の方法が1つの活物質及び基材を使用する場合、該活物質は好ましくは、基材のものとは異なる少なくとも1つの表面特性を有することになろう(したがって基材はこの態様における特別な種類の活物質であると見なすことが可能である)。
好ましくは、第5の態様の導電性インタフェースは第4の態様の方法によって形成される。
さらなる実施形態では、追加の基材が存在してもよく、かつ、1つの実施形態では、追加の基材は現行のバッテリーにおいて知られるようなさらなるセパレータであってよい。
十分理解されることであろうが、導電性インタフェースの構成要素として、例えば電極内部で又は電極セパレータインタフェースを備えて使用される金属配位錯体は、動作において、また特に活物質の接着又は下層にある基材へのインタフェースの接着を改善するために、ある一定の利点を備えている。様々な実施形態において、第4の態様に従って形成された導電性インタフェースは、(i)活物質相互及び下層にある基材への活物質の物理的接着又は結合を改善すること;(ii)導電性インタフェースにおけるイオン伝導率及び電気伝導率を改善又は増大すること;(iii)活物質の安定性を改善又は維持すること;(iv)ある種の電極材料の溶解度を減少させること;(v)バッテリーのサイクル寿命を長くすること、並びに(vi)全体的なバッテリー廃棄物を低減すること、が可能である。
シリコン系アノードの場合、金属配位錯体が隣接した原子との供与結合を形成する能力は、動的な化学的環境においてそれらの結合を形成及び再形成する能力を備えた安定した構造を生じさせる。アノード及びカソード電極はいずれも、それらの電極を構成する活性粒子の内部にリチウムイオンが出入りすることを可能にする。挿入(又はインターカレーション)の際、イオンは電極の中へ移動する。逆のプロセスである脱離(又はデインターカレーション)の際、イオンは電極の外へ移動する。リチウムイオン系電池が放電している時、正のリチウムイオンは負電極(この場合はシリコン系)から移動し、正電極(リチウム含有化合物)に入る。電池が充電している時は、逆のことが生じる。
実施形態において、金属配位錯体の金属イオンは、クロム、ルテニウム、鉄、コバルト、アルミニウム、ジルコニウム及びロジウムで構成されている群から選択される。
金属イオンは任意の適用可能な酸化状態で存在しうる。例えば、クロムは次の酸化状態I、II、III、IV、V、又はVIを有することが知られている。
金属イオンは、対イオン、例えばクロリド、アセタート、ブロミド、ニトラート、過塩素酸、アラム、フルオリド、フォルマート、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロホスファート及びスルファートで構成されている群から選択されたアニオンと会合していてもよく、対イオンは配位性であってもよいし非配位性(弱配位性)であってもよい。1つの実施形態では、対イオンは非配位性アニオンである。別の実施形態では、対イオンは配位性アニオンである。
金属配位錯体は、2以上の金属イオンを架橋するか又は他の方法で連結若しくは結合するための電子供与基を形成するための条件を提供することによって形成可能である。これは、pH7を下回るpH、例えばpH6未満若しくはpH5未満、好ましくは約1.5〜7、又は約2〜7、又は約3〜7若しくは約4〜7、又は約1.5〜6、又は約2〜6、又は約3〜6若しくは約4〜6を、金属配位錯体と活物質の表面との接触から形成された組成物に提供することにより、行うことができる。
第1又は第2の活物質のうち少なくとも一方及び基材のうち少なくともいずれかの存在下で液体担体に適用すると、各々の金属配位錯体上の水又は水酸基のうち少なくとも1つが、活物質の表面との供与結合に置き換わる。これは、「X」が活物質の表面への供与結合を表わしている下式
同じく十分理解されることであろうが、多数の水又は水酸基が、第1若しくは第2の活物質又は基材のうちの1つの表面との供与結合に置き換えられてもよく、例えば、各々のクロムイオンが、活物質又は基材の表面との供与結合を形成してもよい。
第6の態様では、本発明は、導電性インタフェースを含んでなる電極を製作する方法であって、(i)電極基材及び活物質を提供するステップと;(ii)電極基材及び活物質の一方又は両方を金属配位錯体と接触させるステップと;(iii)電極基材を活物質でコーティングし、それにより電極を形成するステップとを含む方法に属する。
[様々な塩及び塩基の組み合わせを使用する金属配位錯体溶液の調製]
<溶液1>
この実施例では、過塩素酸クロム六水和物(45.9g)を480mLの精製水に溶解し、固形物が全て溶解するまで徹底的に混合した。同様に、8mLのエチレンジアミン溶液を490mLの精製水に添加した。これらの溶液を合わせて室温で一晩かき混ぜ撹拌し、次いで放置してpHおよそ4.5に平衡化した。
上記と同様に、様々な比率の過塩素酸クロム及びエチレンジアミン溶液を、様々なpH、例えばpH4.0、pH5.0又は何らかの他のpHを有する溶液を生成するために使用可能である。
この実施例では、塩化クロム六水和物(26.6gm)を500mLの精製水に溶解し、固形物が全て溶解するまで徹底的に混合した。pHは、1MのNaOH又はLiOHを用いてpH4.5(又は何らかの他の目標pH)へと徐々に調節した。
この実施例では、塩化クロム六水和物(26.6g)を480mLの精製水に溶解し、固形物が全て溶解するまで徹底的に混合した。同様に、8mLのエチレンジアミン溶液(又は他の量)を490mLの精製水に添加した。これらの溶液を合わせて室温で一晩かき混ぜ撹拌し、次いで放置してpHおよそ3.8(又は必要に応じて他のpHを選ぶことも考えられる)に平衡化した。
この実施例では、過塩素酸クロム(45.8g)を150mLのイソプロパノールに溶解し、固形物が全て溶解するまで徹底的に混合した。同様に、2−ナフトエ酸(2−naphtholic acid)(5.6g)を100mLのイソプロパノール中に懸濁し、最後に粉砕された水酸化カリウム(6.17g)を、激しくかき混ぜ撹拌しながら徐々に添加した。懸濁液を形成した後、かき混ぜ撹拌しながら過塩素酸クロム溶液を滴下し、次に、結果として生じた混合物を還流せしめて少なくとも60分間維持する。反応物は冷却されると2−ナフトエ酸を伴ったクロム(III)塩の暗緑色の配位錯体を形成する。同様に、導電性である可能性を有する他の共役酸を、上記の方法によって金属配位錯体に組み入れることも可能である。
[銅及びアルミニウムの集電体上の金属配位錯体の調製]
アセトン及びエタノールで予洗した後、銅及びアルミニウムの集電体を、実施例1に記載されたもののような5mMの金属配位錯体溶液で処理した。必要な作業用濃度を得るために、溶液1〜3を使用する金属配位錯体実施例を水中で希釈した一方、溶液4のような実施例はイソプロパノール/水(1:1)に溶解した。集電体を様々な金属配位錯体溶液中に1時間放置し、水又はイソプロパノール/水(1:1)のいずれかで洗浄し、さらなる処理に先立ち乾燥用キャビネット中で1時間又は一晩乾燥させた。
接触角解析は、金属配位錯体で処理した集電体及び未処理の集電体の両方の表面上の20μLのmilliQ(登録商標)水の滴を使用して、データフィジックス(Dataphysics)の機器にて実施した。9〜12回繰り返す接触角の反復測定を実施した。図1及び2に示されるように、金属配位錯体で処理された銅及びアルミニウムの集電体はいずれも、接触角(θ)の変化によって示されるように、ぬれ性、及びポリアクリル酸(PAA)との結合に有意差を示した。未処理の銅の集電体はその大きい接触角(θ=>80°)によって示されるように比較的疎水性であるが、金属配位錯体で処理すると接触角は著しく減少する。銅表面のぬれ性及びポリアクリル酸への結合は、金属配位錯体が形成されるpH(これは金属配位錯体溶液中のオリゴマー集団に影響する)に加え、ある程度は乾燥過程によっても影響を受けるということに注目すると興味深い。同様の特徴はアルミニウム集電体でも見られた(図2)。
[金属配位錯体シリコン粒子(1〜3μm)の調製]
この実施例では、50mM(終濃度)の金属配位錯体溶液を使用した。シリコン(Si)パウダー(1〜3μmの大きさ)は、米国のユーエス・リサーチ・ナノマテリアルズ(US Research Nanomaterials)から購入した。20%(w/w)のシリコンスラリーは、アルミナ製のジャーにおいて1〜3μmシリコンパウダーを金属配位錯体溶液とともにボールミル粉砕することによって調製した。
20%(w/w)のシリコンスラリーは、アルミナ製のジャーにおいて1〜3μmシリコンパウダーをddH2Oとともにボールミル粉砕することによって調製した。
上記で調製されたような、金属配位錯体でコーティングされたシリコンナノ粒子及びコーティングされていないシリコンナノ粒子を、米国のエムティーアイ・コーポレイション(MTI Corporation)から購入したTIMCAL Graphite&SuperP導電性カーボンブラック、及び米国のシグマ−アルドリッチ(Sigma−Aldrich)から購入した平均Mw450,000Dのポリアクリル酸(PAA)とともに混合した。シリコンナノ粒子(金属配位錯体を含むもの又は含まないもの)を、シリコンナノ粒子の乾燥重量と等しい質量のSuperPカーボンと混合した。スラリーを、ddH2Oの添加により12.5%(w/w)固形分含量に希釈した。アルミナ製のジャーをボールミル中に入れ、450rpmで56時間運転した。十分な、ddH2O中5%(w/v)のポリアクリル酸(PAA)(平均Mw450,000D)溶液を、スラリーに添加して、SuperPカーボンの質量の半分に等しい質量のポリアクリル酸と、10%(w/w)の固形分含量とを達成した。スラリーを、200rpmで一晩ボールミル粉砕した。これにより、Si:SuperP:PAAの比が40:40:20(wt%)のスラリーを得た。Si、SuperP及びPAAの量はスラリーを構成している様々な比率を生じるように調整可能である。およそ25%(w/w)の最終固形分含量に到達するまでスラリーを90℃のオーブンで濃化した。
走査型電子顕微鏡法(SEM)による撮像及びエネルギー分散型X線分光法(EDS)による解析を、日本電子(JEOL)の7001Fを使用して実施した。2次電子画像(SEI)、後方散乱像(COMPO)及びEDSデータを収集した。
[金属配位錯体リチウム金属酸化物粒子の調製]
この実施例では、50mM(終濃度)のクロム金属配位錯体溶液を使用した。高容量リチウム金属酸化物(LiNiCoMnO2)粒子は米国のエムティーアイ・コーポレイションから購入した。10%(w/w)のLiNiCoMnO2スラリーを、100mMの金属配位錯体溶液を乾燥リチウム金属酸化物粒子に添加することにより調製した。このスラリーを、磁気撹拌機を使用して550rpmで一晩混合した。一晩混合したスラリーを遠心分離管に移し、4,000gで10分間遠心分離処理して固体を溶液から分離した。90%の上清を出発時体積から取り除いてpH4.5のddH2Oに置き換えた。ペレットを、物理的撹拌及び高値設定で10分間の超音波浴を使用して再懸濁した。この洗浄ステップを繰り返し、2回目の遠心分離ステップの後に上清を溶液から取り除いてddH2O中10%(v/v)のイソプロパノールに置き換え、固形分含量10%(w/w)のスラリーを得た。該スラリーをさらに10分間超音波浴に供して粒子を完全に分散させた。
上述のように調製された、金属配位錯体でコーティングされたリチウム金属酸化物粒子、及び未処理のリチウム金属酸化物粒子を、米国のエムティーアイ・コーポレイションから購入したTIMCAL SuperC45導電性カーボンブラック及び米国のシグマ−アルドリッチから購入した平均Mw450,000Dのポリアクリル酸(PAA)と混合した。リチウム金属酸化物粒子(金属配位錯体を伴うもの又は伴わないもの)を、磁気撹拌棒を備えた250mLのエルレンマイヤーフラスコに移した。SuperC45カーボンを、リチウム金属酸化物の乾燥重量に対する比を7:85として添加し、固形分含量が10%(w/w)のスラリーを得た。スラリーの入ったフラスコを磁気撹拌機に置き、550rpmで一晩混合した。ddH2O中に5%(w/v)の平均Mw450,000Dのポリアクリル酸(PAA)溶液を、SuperC45カーボンに対して8:7の比率でスラリーに添加し、固形分含量8.5%(w/w)とした。該スラリーを、550rpmで一晩放置混合した。該スラリーは、85:7:8(wt%)のLiNiCoMnO2:Super−C45:PAA比率を有する。Si、Super−C45及びPAAの量を調整して、スラリーを構成する様々な比率を作ることができる。およそ15%(w/w)の最終固形分含量に到達するまで、スラリーを90℃のオーブンで濃化した。
走査型電子顕微鏡法(SEM)による撮像及びエネルギー分散型X線分光法(EDS)による解析を、日本電子(JEOL)の7001Fを使用して実施した。2次電子画像(SEI)、後方散乱像(COMPO)及びEDSデータを収集した。
[金属配位錯体シリコン粒子の調製]
この実施例では、上述のような溶液1の50mM(終濃度)の金属配位錯体を使用した。シリコン(Si)ナノパウダー(100nmの大きさ)は米国のエムティーアイ・コーポレイションから購入した。20%(w/v)のシリコンナノ粒子スラリーは、乾燥シリコンナノパウダーをpH4.3のddH2O中7.5%のイソプロパノール溶液と混合することにより調製した。スラリーを真空下に5分間置き、その後100mMの金属配位錯体溶液を添加した。このフラスコを40℃に加熱し、スラリーを、機械式オーバーヘッドミキサによって400rpmで5分間混合した。混合の後、該溶液をさらに10分間減圧した。スラリーをさらに、40℃、400rpmで一晩放置混合した。該スラリーを、10,000gで10分間遠心分離処理して溶液から固体を分離した。70%の上清を出発時体積から取り除いてpH4.3のddH2Oに置き換えた。ペレットを、物理的撹拌及び10分間の超音波浴を使用して再懸濁した。この洗浄ステップを繰り返し、3回目の遠心分離ステップの後に上清を溶液から取り除いた。pH4.3のddH2Oを、20%(w/v)の固形分含量に到達するまでスラリーに添加した。該スラリーをさらに10分間超音波浴に供して粒子を完全に分散させた。様々な濃度の金属配位錯体溶液を0回又は様々な回数の洗浄ステップと組み合わせて、Siナノ粒子をコーティングするために使用可能である。
シリコン粒子の大きさ及び表面電荷を、Malvern(登録商標)ゼータサイザーを使用して評価した。上述のようなシリコンナノ粒子は、金属配位錯体でコーティングされたか、又はプローブ超音波処理を使用してddH2Oで処理された(対照)かのいずれかである。10000rpmで10分間の遠心分離処理の後、上清を除去し、プローブ超音波処理を使用して粒子をddH2Oで再分散させた。この洗浄ステップを合計3回繰り返し、金属配位錯体で活性化された粒子及び活性化されていない粒子を、ゼータサイザーを使用して大きさ及びゼータ電位について計測した。
上記で調製された金属配位錯体コーティングされたシリコンナノ粒子及び未処理のシリコンナノ粒子を、米国のエムティーアイ・コーポレイションから購入したTIMCAL Graphite&SuperP導電性カーボンブラック、及び米国のシグマ−アルドリッチから購入した平均Mw450,000Dのポリアクリル酸(PAA)とともに混合した。シリコンナノ粒子(金属配位錯体を含むもの又は含まないもの)を、磁気撹拌棒を備えたサイドアームフラスコに移した。シリコンナノ粒子の乾燥重量と等しい質量のSuperPカーボンも同じフラスコ中に移した。該スラリーを、ddH2O中15%のイソプロパノールの添加により固形分含量15%(w/v)に希釈した。スラリーのフラスコを熱した撹拌機に置き、40℃、400rpmで5分間混合した。フラスコを真空状態に置き、さらに5分間混合し続けた。真空装置を取り外し、スラリーはそのままさらに1時間混合した。SuperPカーボンの質量の半分と等量の450kDaポリアクリル酸を量りとり、スラリーに添加した。該スラリーを、40℃、400rpmで一晩放置混合した。これにより、Si:Super−P:PAAの比が40:40:20(wt%)のスラリーを得た。Si、Super−P及びPAAの量はスラリーを構成している様々な比率を生じるように調整可能である。
走査型電子顕微鏡法(SEM)による撮像を、先述のようにして実行した。金属配位錯体を用いて調製されたスラリー(図7a)は、SEI撮像において、金属配位錯体を用いずに調製されたスラリー(図7b)よりも滑らかでより規則的な表面を示すということが分かる。後方散乱像は、この観察(シリコンはその原子質量がより大きいことにより後方散乱像上で炭素より明るく見える)を裏付けており、金属配位錯体を用いて調製されたスラリー(図7c)における白色のシリコンは、用いていないスラリー(図7d)よりも均等に分布し、かつ密集が少ない。
[バッテリー用スラリーの調製]
金属配位錯体でコーティングされたシリコンナノ粒子(100nm)、及びSi:Super−P:PAAの比を40:40:20(wt%)としたバッテリー用スラリーを、実施例5に概説されるようにして調製した。Si、Super−P及びPAAの量は、スラリーの様々な調合物を得るために調整可能である。
Siスラリーを、Si電極を形成するために集電体として使用される銅(Cu)箔上にキャストした。Si電極をその後真空下で乾燥させ、カレンダ加工し、コイン電池アセンブリ用に切断した。コーティングされていないSiを活物質として備えた類似の(analagous)Si電極も製作して対照として使用したが、これは金属配位錯体コーティングされたSi電極と同様の質量負荷(2.22〜2.37mg/cm2)を有していた。リチウム(Li)金属を対電極として使用し、かつ1M LiPF6/EC:DEC:DMC=1:1:1に、10%FECを含めたものをコイン電池アセンブリ用の電解質として使用した。充電/放電サイクル試験については、コイン電池を、2サイクルについては0.01C(1C=4,200mAh/g)で活性化し、次に長期間安定度試験については0.5C(1C=4,200mAh/g)で充放電サイクルを実施した。Cレートは電極中のSi粒子の質量に基づくものとした。充電/放電試験のための電圧範囲は0.005〜1.50V vs.Liであった。充電/放電試験は、コンピュータで制御されたニューアー(Neware)のマルチチャネル式バッテリー試験機で行なった。各条件について3個の同型の電池を作製及び試験した。
図8は、Cu箔基材上にスラリーをキャストした後の、金属−配位子錯体を伴う場合(c及びd)並びに伴わない場合(a及びb)のSi(100nm)電極テープそれぞれについての、2次電子画像(SEI)及び後方散乱像(COMPO)を示す。充放電サイクルを行う検討は、これらの電極については実施されていない。ここでも、混合物スラリーの一様性及び分散の面で明瞭な差異を見出すことが可能であり、金属配位錯体スラリーはより優れた一様性及び分散度を示す一方、対照のスラリーは分散の不十分なSi粒子の集塊物(より明るい色である)を含有している。すべてのスラリーは同一のボールミル粉砕処理を経たので、差異はSi粒子上の金属配位錯体コーティングに起因すると考えられる。
[コイン電池における金属配位錯体でコーティングされたリチウム金属酸化物カソードの製作]
金属配位錯体でコーティングされたリチウム金属酸化物スラリーを実施例4に概説されるようにして調製し、電極製作及びコイン電池の組立てのために差し向けた。該スラリーを、集電体として使用されたアルミニウム(Al)箔上に、装荷する質量を13mg/cm2としてキャストし、LiNiCoMnO2電極を形成した。各々のLiNiCoMnO2電極をその後真空下で乾燥させ、カレンダ加工し、コイン電池組立用に切断した。リチウム(Li)金属を対電極として使用し、1M LiPF6/EC:DEC:DMC=1:1:1に、10%FECを含めたものを電解質として使用し、かつポリプロピレン/ポリエチレンのセパレータをコイン電池アセンブリ用に使用した。充電/放電サイクル試験については、コイン電池を、3サイクルについては0.02C(1C=150mAh/g)で活性化し、次に長期間安定度試験(1000サイクル)については0.1C(1C=150mAh/g)で充放電サイクルを実施した。Cレートは電極中のSi粒子の質量に基づいた。充電/放電試験のための電圧範囲は2.5〜4.2V vs.Liであった。充電/放電試験は、コンピュータで制御されたニューアー(Neware)のマルチチャネル式バッテリー試験機で行なった。各条件について3個の同型の電池を作製及び試験した。
1000回の深いサイクルの後、コイン電池を解体した。LiNiCoMnO2カソード電極を取り外し、実施例6に記載されているように走査型電子顕微鏡法(SEM)による撮像及びエネルギー分散型X線分光法(EDS)を使用して解析した。
オーストラリア国ニューサウスウェールズ州のブルーグラス・リミテッド(BlueGlass Ltd)から得た窒化ガリウム/サファイアウエハーを砕いて小断片とし、該断片の一部を5mMの金属配位錯体溶液に1時間浸漬し、ddH2Oで30秒間洗浄し、次いで真空デシケータの中で1時間放置乾燥させた。金属配位錯体でコーティングされた断片及びコーティングされていない断片(同様の条件下で水を用いて処理した)を手付かずのウエハーの上に置き、上部のGaN(下のウエハーのもの)と下部のサファイア(上のウエハー断片のもの)との間のインタフェースを形成した。これらの積層されたウエハーを700℃で15分間放置した。
Claims (23)
- 複合材先駆物質調合物であって、(i)第1の活物質;(ii)第2の活物質;及び(iii)金属配位錯体を含んでなり、第1の活物質及び第2の活物質は互いに異なる少なくとも1つの表面特性を有している、調合物。
- 複合材先駆物質調合物は液体担体をさらに含んでなる、請求項1に記載の調合物。
- 液体担体は、水性溶媒若しくは有機溶媒、又はそれらの混合物であるか、または液体担体が液体の追加の活物質でありうる、請求項2に記載の調合物。
- 第1及び第2の活物質は、金属、金属酸化物、セラミック、金属間化合物、メタロイド、粘土、炭素、並びに合成及び生体の両ポリマーで構成されている群から独立に選択される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の調合物。
- 第1及び第2の活物質は、シリコンであって、シリコンの酸化物、合金、及び複合材を含めたもの、スズであって、スズの酸化物、合金、及び複合材を含めたもの、硫黄であって、硫黄の複合材を含めたもの、LiFePO4(LFP)、混合金属酸化物並びに炭素から独立に選択される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の調合物。
- 炭素は、グラファイト、super−P(登録商標)カーボン、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、アセチレンカーボンブラック、及びケッチェンブラック(KB)から選択された形態である、請求項5に記載の調合物。
- 混合金属酸化物は、コバルト、リチウム、ニッケル、鉄及びマンガンのうち1以上を含んでなる、請求項5に記載の調合物。
- 金属配位錯体の金属イオンは、クロム、ルテニウム、鉄、コバルト、アルミニウム、ジルコニウム、及びロジウムのイオンで構成されている群から選択される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の調合物。
- 金属イオンはクロムイオンである、請求項8に記載の調合物。
- クロムイオンはクロム(III)イオンである、請求項9に記載の調合物。
- 金属配位錯体は、金属イオンに供与結合した窒素、酸素、又は硫黄から選択される、供与結合を形成する原子を備えている、請求項1〜10のいずれか1項に記載の調合物。
- 金属配位錯体はオリゴマー状金属配位錯体である、請求項1〜11のいずれか1項に記載の調合物。
- 複合材先駆物質調合物を生産する方法であって、(i)第1及び第2の活物質を提供するステップであって、第1の活物質及び第2の活物質は互いに異なる少なくとも1つの表面特性を有している、ステップと;(ii)金属配位錯体を提供するステップと;(iii)第1及び第2の活物質並びに金属配位錯体を組み合わせることにより、複合材先駆物質調合物を形成するステップと、を含む方法。
- 第1及び第2の活物質並びに金属配位錯体の組み合わされた混合物を撹拌するステップをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 複合材料であって、(i)第1の活物質;(ii)第2の活物質;並びに(iii)第1及び第2の活物質に結合しているか又は別のかたちで関連付けられている金属配位錯体、を含んでなり、第1の活物質及び第2の活物質は、複合材料に形成される前は、互いに異なる少なくとも1つの表面特性を有している、複合材料。
- 請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の複合材先駆物質調合物から形成された、請求項15に記載の複合材料。
- 2以上の活物質の間、又は少なくとも1つの活物質と基材との間に、導電性インタフェースを形成する方法であって、(i)少なくとも1つの活物質及び基材のうち少なくともいずれか一方を金属配位錯体と接触させるステップと;(ii)活物質を混合するか、又は基材を少なくとも1つの活物質と混合するか若しくは少なくとも1つの活物質でコーティングして、それにより導電性インタフェースを形成するステップと、活物質のうちの少なくとも2つ又は活物質のうちの1つ及び基材は、互いに異なる少なくとも1つの表面特性を有することと、を含む方法。
- 導電性インタフェースであって、(i)少なくとも2つの活物質及び該活物質に接触している金属配位錯体を含んでなる活物質複合材、又は(ii)基材と混合されたか若しくは基材上にコーティングされた活物質並びに該活物質及び基材のうち少なくともいずれか一方に接触している金属配位錯体、を含んでなる導電性インタフェース。
- 導電性インタフェースは、該インタフェースを通る電子及びイオンのうち少なくともいずれか一方の流れを提供するインタフェースである、請求項17に記載の方法又は請求項18に記載の導電性インタフェース。
- 導電性インタフェースは、電極、電極−セパレータインタフェース、又は半導体の一部である、請求項17に記載の方法又は請求項18に記載の導電性インタフェース。
- 基材は、アルミニウム、銅、銀、白金、金、シリコン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリアルキルチオフェン、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン及びこれらの共重合体、ポリエチレン並びにポリプロピレンで構成されている群から選択される、請求項17に記載の方法又は請求項18に記載の導電性インタフェース。
- 導電性インタフェースを含んでなる電極を製作する方法であって、(i)電極基材及び活物質を提供するステップと;(ii)電極基材及び活物質のうち一方又は両方を金属配位錯体と接触させるステップと;(iii)電極基材を活物質でコーティングすることにより電極を形成するステップと、を含む方法。
- 請求項1〜請求項16のいずれか1項に従って実行されるか又は形成される、請求項17に記載の方法、請求項18に記載の導電性インタフェース又は請求項22に記載の方法。
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