JP2020506519A - 再充電可能なバッテリのための2次元物質によるリチウム金属のパッシベーション - Google Patents

再充電可能なバッテリのための2次元物質によるリチウム金属のパッシベーション Download PDF

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Abstract

本出願は、2次元物質(例えば、MoS2、WS2、MoTe2、MoSe2、WSe2、BN、BN−C複合体など)を、リチウム電極上に蒸着させる方法に関する。2次元物質でコーティングされたリチウム金属電極を含むバッテリシステムもまた記載される。これらの方法は、リチウム電極に出入りするリチウムイオンの流れを容易にするために、2次元物質をインターカレートするステップを含む。2次元物質−コーティングされたリチウム電極は、高いサイクル安定性及び著しい性能改善を提供する。これらのシステム及び方法は、硫黄コーティングと共に炭素構造(例えば、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン、多孔性炭素、自立型(free−standing)3D CNTなど)を有する電極をさらに提供する。【選択図】図4

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2017年2月10日に出願された米国仮特許出願62/457,488及び2017年6月29日に出願された米国仮特許出願62/526,665の優先権を主張し、これらの出願の内容は、引用によってその全体が本願明細書の記載に組み込まれる。
本出願は、パッシベーション(passivation;不動態化)技術に関する。さらに詳しくは、本出願は、バッテリの電極を保護するためにパッシベーション層を有するバッテリを製造するシステム、装置及び方法を提供する。
現在のリチウムイオンバッテリの技術は、貯蔵能力及びエネルギー能力の面で技術の限界に達しているという認識が徐々に高まっている。しかしながら、より高いエネルギー貯蔵及びより長持ちする装置に対する要求は依然として増加している。これは、研究コミュニティにとって次世代のバッテリシステムを模索するようにした。研究中である現在のシステムのいくつかは、リチウム−空気(Li−O)及びリチウム−硫黄(Li−S)バッテリを含む。
リチウム(Li)金属は、インターカレート(intercalating)及び/または伝導スカフォード(conducting scaffold)技術を用いることなく、Liイオン(Li)を貯蔵する「ホストレス(hostless)」物質として知られている。このような理由から、Li金属電極は、高い理論比容量(theoretical specific capacity)(約3860mAh g−1)及び低い酸化還元電位(−3.04V)を示す。したがって、これらは次世代の再充電可能なLiバッテリ用アノードの製作/製造に用いられる最良の選択としてみなされている。しかしながら、Li金属アノードは、それらの使用を妨げる多数の実質的な問題を引き起こす特性を示す。これらの特性は、多くの場合、繰り返しのLi蒸着/溶解工程における制御不能なデンドライト形成と関連しており、これは、バッテリの短絡及び潜在的な過熱や発火の原因となる虞がある。
Liデントライト成長を抑制させるか、あるいはLi金属の安定性を高めるために、いくつかの技術が実施されてきた。例えば、添加剤を用いた液体電解質の改変を介してLiのデンドライト成長/蒸着を制御することと、Li伝導性ポリマーまたは固体状の電解質を採用することと、Li金属の表面にアルミナ(Al)層を塗布すること、を介してこれを実行する方法が模索された。Alの薄層は、2D物質の電子伝導性を欠くセラミック系物質であり、したがって、バッテリ電極の内部抵抗を増加させる。しかしながら、これらのアプローチのいずれも再充電可能なバッテリに関して効果的なものとは言えなかった。
低コストで豊富な硫黄がLi−Sバッテリの概念を魅力的にしている一方で、一般的にLi−Sバッテリの広範な開発を妨げるいくつかの問題が存在する。例えば、硫黄は絶縁物質であり、活性物質の不十分な利用をもたらし、充電/放電過程中の電子移動を妨げる。また、放電過程中に、Liは硫黄と反応してカソードから高次の可溶性ポリスルフィドを形成することがあり、これはサイクリング過程中にアノードとカソードとの間でポリスルフィドのシャトリング(shuttling)を生じさせる。シャトル効果は、バッテリの内部抵抗を増加させ、容量減少(capacity fading)に寄与する可能性がある。さらに、Li金属の不均一な蒸着による制御されていないデンドライトの形成は、より高いC率(C−rate)における安全性問題のみならず、Li金属の腐食をもたらしかねない多孔性Li金属構造の継続した発生を引き起こす虞がある。いくつかのアプローチが開発されているが、電池効率の低下及び容量減少の増大の問題は、Liアノードと共に使用される場合、Li−Sバッテリの性能に依然として影響を及ぼす。
本出願は、2D物質(例えば、MoS、WS、MoTe、MoSe、WSe、BN、BN−C複合体など)の薄層を利用し、Li金属をパッシベーションするシステム、方法及び装置に関する。2次元(2D)物質、1原子の厚さのフィルムは、Liデンドライト成長のためのパッシベーション層として作用しながらも、Li−イオン拡散性及び電気伝導性を実質的に増加させるために、最小のエネルギーを有するLiイオンを容易にインターカレートするこれらのフィルムの独特な中間層構造により、低インピーダンスを示す。これらの方法は、パッシベーション層を生成するために、スパッタリングまたは蒸発蒸着を利用してもよい。これらの方法は、Li金属と電解質との間に新たな相(phase)を形成してもよく、ここで多くのLi原子がインターカレートしてバルクLi金属に出入りするLiの均質な流れを容易にすることができる。他の炭素/ポリマー/セラミック系保護層とは異なり、MoS、WS、MoTe、MoSe、WSeのような2D物質の独特な構造的態様及び相変化の特徴(例えば、半導体及び/または金属の属性(trait))は、高インピーダンス及び/または不十分な界面−接触に関連する問題を回避するための適用の実施形態を許容した。例えば、一実施形態において、MoSがコーティングされたLi電極は、10mA cm−2を超える困難な電流密度では、如何なるLiデンドライト成長も示さず、1000サイクルを超える間に、高い容量維持率を示した。製造された2D物質−コーティングされたLi金属は、基板に対して安定した接着を示し、再充電可能なバッテリにおけるベア(bare)Li電極対応物を凌駕する2D物質−コーティングされたLi金属において、高いサイクル安定性を提供する。そこで、本出願の実施形態は、再充電可能なバッテリにおいて著しい性能改善を提供する。
一実施形態において、リチウム金属をパッシベーションする方法は、リチウム電極を提供するステップと、前記リチウム電極上に2次元物質の少なくとも一つの層を蒸着させるステップと、前記2次元物質の少なくとも一つの層に、複数のリチウムイオンをインターカレートするステップとを含む。別の実施形態において、再充電可能なリチウム電池は、第1の電極と、電解質と、第2の電極とを含み、ここで、前記第2の電極は、2次元物質の少なくとも一つの層が蒸着されているリチウム金属を含む。
前述した内容は、後述する本発明の詳細な説明をより容易に理解することができるように、本発明の特徴及び技術的利点をやや広く説明している。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明のさらなる特徴及び利点が以下に説明される。当業者であれば、開示された概念及び具体的な実施形態が、本発明の同じ目的を実行するための他の構造を変形または設計するための基礎として容易に利用できることを理解するべきである。さらに、当業者であれば、これらの等価の構成が添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の思想及び範囲から逸脱しないことを理解しなければならない。さらなる目的及び利点と共に、本発明の構造化及び操作方法の両方について、本発明の特徴であると考えられる新規な特徴は、添付の図面と併せて考慮すると、以下の説明からより容易に理解されるだろう。しかしながら、それぞれの図面は、例示及び説明のみの目的として提供され、本発明の範囲を限定する定義として意図されていないことを明確に理解するべきである。
ここで、本発明をより完全に理解するために、添付の図面と併せて記載された以下の説明を参照する。
図1Aは、本出願の一実施形態に係る界面層を有するリチウム電極を例示する断面図である。 図1Bは、本出願の一実施形態に基づいて、2次元物質を利用し、リチウム電極をパッシベーションする第1の製造工程の様態を示す図である。 図2Aは、本出願の一実施形態に基づいて、リチウム電極上に2次元物質をインターカレートする第1の製造工程の様態を示す図である。 図2Bは、本出願の一実施形態に基づいて、リチウム電極上に2次元物質をインターカレートする第2の製造工程の様態を示す図である。 図2Cは、本出願の一実施形態に基づいて、リチウム電極上に2次元物質をインターカレートする第3の製造工程の様態を示す図である。 図3Aは、本出願の一実施形態に係る電極上に2次元物質が蒸着されたリチウム電極を例示する断面図である。 図3Bは、本出願の一実施形態に係る界面層と、その上に2次元物質が蒸着されたリチウム電極とを例示する断面図である。 図3Cは、本出願の一実施形態に係る代替的な界面層と、その上に2次元物質が蒸着されたリチウム電極とを例示する断面図である。 本出願の一実施形態に係る電極上に2次元物質を有するリチウム電極を製造する方法のフローチャートである。 本出願の一実施形態に係る2次元物質−コーティングされたリチウム電極を用いて実施されるバッテリシステムを示す図である。 本出願の一実施形態に係る2次元物質−コーティングされたリチウム電極を用いて実施されるさらなるバッテリシステムを示す図である。 本出願の一実施形態に係る3次元カーボンナノチューブ硫黄カソード及び2次元物質−コーティングされたリチウムアノードを用いて実施されるバッテリシステムを示す図である。 本出願の一実施形態に係る電極構造の断面図と対応するSEM画像である。 本出願の一実施形態に係る電極の製造工程の様態を示す図である。 図10Aは、本出願の一実施形態に基づいて、様々な硫黄負荷量に応じた電極のサイクルレートと容量のグラフである。 図10Bは、本出願の一実施形態に係る電極のサイクルレートと容量の付加的なグラフである。 図10Cは、本出願の一実施形態に係る電極の面積容量のグラフである。 図11Aは、本出願の一実施形態に係る3次元金属メッシュ上における例示的なカーボンナノチューブ構造を示す図である。 図11Bは、本出願の一実施形態に係る3次元金属メッシュ上における例示的なカーボンナノチューブ構造を示す図である。 図11Cは、本出願の一実施形態に係る3次元金属メッシュ上における例示的なカーボンナノチューブ構造を示す図である。 図11Dは、本出願の一実施形態に係る3次元金属メッシュ上における例示的なカーボンナノチューブ構造を示す図である。 本出願の一実施形態に係る電極の製造工程の様態を示す図である。
様々な特徴及び有利な詳細事項は、添付の図面に例示され、以下の詳細な説明で詳述される非限定的な実施形態を参照することで、より完全に説明される。本発明を不要に不明瞭にしないように、公知の出発物質、加工技術、構成要素及び装置の説明は省略する。しかしながら、詳細な説明及び具体的な実施形態は、本発明の実施形態を示しているが、例示としてのみ記載されているに過ぎず、制限するためのものではないことを理解するべきである。本発明の概念の思想及び/または範囲内で行われる様々な置換、変形、追加及び/または再配置は、本開示内容から当業者であれば明らかになるだろう。
図1Aないし1Bに示したように、2D物質−コーティングされたLi金属電極の製造方法が、本出願の実施形態に基づいて例示される。図1Aを参照に、2D物質の蒸着の前に、Li金属電極101は、洗浄されてもよい。電極101は、リボン型Li金属、Li金属−コーティングされたアノードなどを含んでもよい。一実施形態において、電極101は、酢酸、アセトン、イソプロピルアルコール、脱イオン水などで洗浄されてもよい。別の実施形態において、電極101は、異なる一連のステップ及び/または洗浄溶液を使用して洗浄されてもよい。所定の実施形態において、電極101は、界面層102を有してもよい。界面層102は、2D物質と電極101との接着を促進するために挿入されてもよい。例えば、界面層102は、プラズマ(例えば、Ar、He、H、Nガス)で処理されたきれいな表面を含んでもよい。別の実施形態において、界面層102は、蒸着された金属層を含んでもよい。金属層は、1.0nm〜10nmの厚さで蒸着されてもよい。別の実施形態において、界面層102は、官能化(functionalized)界面層であってもよい。例えば、電極101は、真空内において官能基(例えば、水素、フッ素、C−H結合)で処理されてもよい。
次に、図1Bを参照に、2D物質103が電極101(または界面層102を有する電極101)上に蒸着される。2D物質103は、二硫化モリブデン(MoS)、二硫化タングステン(WS)、二テルル化モリブデン(MoTe)、二セレン化モリブデン(MoSe)、二セレン化タングステン(WSe)、窒化ホウ素(BN)、及び/または任意の他の遷移金属二カルコゲン化物(dichalcogenide)単層のように、2D物質の1つ以上の層を含んでもよい。異なる物質が異なる性能を提供することができるものと理解される。例えば、MoSは、Li金属に対する強い接着を提供し、また、容易に金属相に変換され、インピーダンスを低下させる。一実施形態において、図1Bに示したように、金属102(例えば、Mo)は、直流(DC)スパッタリング、e−ビーム蒸発または電気−化学蒸着によって蒸着されてもよく、後続的に2D物質103は、スパッタリングによって蒸着されてもよい。ターゲット111(例えば、任意の前述の2D物質)をマグネトロン無線周波数(RF;radio frequency)スパッタリングのためのターゲット物質として使用し、2D物質の連続した層を電極101上にスパッタリングして、2D物質−コーティングされた電極を製造する。一実施形態において、スパッタリングは、チャンバ110内で、10−6Torr以下で維持されるベース圧力、不活性ガス流112、及び10〜100WのRF電力で発生してもよい。不活性ガス流112は、1〜100mTorrで流れてもよく、アルゴン、ヘリウム、または他の成分との低い反応性を有する任意の他のガスを含んでもよい。他の実施形態では、蒸発を利用して2D物質103を電極101上に蒸着させてもよい。2D物質103の厚さを調整するために、蒸着時間は1〜30分まで変動してもよい。
図2Aないし2Cは、本出願の実施形態に基づいて2D物質層をインターカレートする方法を示す。いくつかの実施形態において、電極201は、その上に界面層202を有してもよい。図2Aは、真空スパッタリングチャンバ内でLi−金属及び2D物質の2つのスパッタリングガンによって2D物質及びLi−金属を共同−スパッタリングする実施形態を例示する。2D物質ターゲット211及びLiターゲット212をスパッタリングのためのターゲット物質として使用し、2D物質とLiの連続した層を電極201上にスパッタリングして、インターカレートした2D物質203が得られる。一実施形態において、共同−スパッタリングは、チャンバ210内で、10−6Torr以下で維持されるベース圧力、不活性ガス流213、及び10〜100WのRF電力で発生してもよい。不活性ガス流213は、1〜100mTorrで流れてもよく、アルゴン、ヘリウム、または他の成分との低い反応性を有する任意の他のガスを含んでもよい。他の実施形態では、蒸発を利用してインターカレートした2D物質203を電極201上に蒸着させてもよい。インターカレートした2D物質203の厚さを調整するために、蒸着時間は1〜30分まで変動してもよい。
図2Bは、本出願の一実施形態に係る2D物質層をインターカレートする方法の別の実施形態を示し、ここで、ターゲットは、2D物質/Li複合体に基づいて定められ、それに応じてスパッタリングされる。2D物質ターゲット221は、2D物質及びLi金属を含む。前述の実施形態の代替形態では、共同−スパッタリング法を用いるよりも、組み合わせたターゲットをスパッタリングする。2D物質/Li複合体ターゲット221をスパッタリングのためのターゲット物質として使用し、2D物質/Li複合体の連続した層を電極201上にスパッタリングして、インターカレートした2D物質204が得られる。一実施形態において、スパッタリングは、チャンバ220内で、10−6Torr以下で維持されるベース圧力、不活性ガス流222、及び10〜100WのRF電力で発生してもよい。不活性ガス流222は、1〜100mTorrで流れてもよく、アルゴン、ヘリウム、または他の成分との低い反応性を有する任意の他のガスを含んでもよい。インターカレートした2D物質204の厚さを調整するために、蒸着時間は1〜30分まで変動してもよい。他の実施形態では、蒸発を利用してインターカレートした2D物質204を電極201上に蒸着させてもよい。
図2Cは、2D物質205を電気−化学的にインターカレートするもう一つの実施形態を示す。例えば、電極201に、本明細書に記載の実施形態に基づいて2D物質を蒸着させてもよい。その後、前記電極201を反応チャンバ230内に導入してもよく、ここで前記電極201は、電解質溶液(例えば、1:1DOL/DME溶媒中の1Mリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI))のうちのLi−金属231と対面する。次いで、電極201とLi−金属231との間に電圧を印加してもよい。印加された電圧は、1〜100Vであってもよい。電極201とLi−金属231との間の距離は、1〜50mmであってもよい。次いで、電圧の印加は、Li−金属231のLiイオンが電極201上にコーティングされた2D物質をインターカレートするようにし、インターカレートした2D物質205を製造してもよい。
図3Aないし3Cは、本出願の所定の実施形態に基づいて電極上に2D物質が蒸着されたLi電極の断面図である。図3Aに示された実施形態において、2D物質−コーティングされた電極は、電極301と2D物質303とを含む。2D物質303は、MoS、WS、MoTe、MoSe、WSe、BN、BN−Cなどを含んでもよい。一実施形態において、まず電極301を洗浄し、それから2D物質を前記電極301上に蒸着(例えば、スパッタリング、蒸発など)させてもよい。2D物質303はまた、前記任意のインターカレーション方法(例えば、2D物質とLiイオンの共同−スパッタリング、2D物質/Li複合体のスパッタリング、電気−化学的方法)に従ってLiイオンにインターカレートしてもよい。特定の物質が2D−コーティングされた電極を提供するのに適していると開示されているが、これらの特定の物質は、制限ではなく例示のために開示されたものであり、本願で具体的に挙げたもの以外の物質でも容易に利用して、本開示内容の実施形態に係る2D物質−コーティングされた電極を提供できることに注目すべきである。一実施形態において、2D物質303用に選択された物質は、電極の製造に必要とされ得る化学物質及び温度サイクリングに耐えなければならない。所定の実施形態において、2D物質303は、キャビティ、アイランド(island)、及びポア(pore)を含む多孔性形態を有してもよい。多孔性形態は、様々な条件(例えば、スパッタリング中の高エネルギー衝撃による非平衡原子積層(atomic stacking))に起因してもよい。多孔性形態は、電解質イオンの静電吸収のためのオープン通路を提供し、支配的な二重層電荷貯蔵のための電気化学的に活性な部位を提供してもよい。これは貯蔵された電荷の充電及び/または放電をより迅速に行うようにできる。
次に、図3Bないし3Cを参照に、2D−コーティングされたLi電極は、本出願の所定の実施形態に基づいて電極301と2D物質303との間に界面層を有してもよい。例えば、界面層は、前記2D物質303と前記電極301との間で強い接着を促すように挿入されてもよい。図3Bに示したように、界面層302aは、2D物質303と電極301との間で界面としての役割を果たすために、任意の数の方法(例えば、スパッタリング、蒸発など)によって蒸着された金属の界面層を含んでもよい。例えば、界面層302aは、モリブデン、タングステン、または任意の他の遷移金属のような遷移金属を含んでもよい。界面層302aは、所定の厚さ(例えば、1〜10nm)まで蒸着されてもよい。図3cに示したように、界面層302bは、例えば、電極301を官能基(例えば、水素、フッ素、C−H結合等)で処理して官能化された界面層を含んでもよい。
図4は、本出願の一実施形態に係る方法400を示す。所定の実施形態において、方法400は、図1Aないし1B及び/または図2Aないし2Cを参照に例示かつ記載された製造工程に対応してもよい。ブロック410において、方法400は、Li電極を提供するステップを含む。一実施形態において、前記Li電極は、リチウム複合体、酸化リチウム、硫化リチウムなどを含んでもよい。所定の実施形態では、界面層が挿入されてもよく、これらの界面層は、2D物質へのより良好な接着を提供してもよい。例えば、界面層は、前述のように、プラズマで処理されたきれいな表面、金属層及び/または官能化層を含んでもよい。ブロック420において、方法400は、2D物質の少なくとも一つの層を前記Li電極上に蒸着させるステップを含む。前記2D物質は、MoS、WS、MoTe、MoSe、WSe、BN、BN−Cなどを含み、前述のように、多くの方法(例えば、スパッタリング、蒸発など)を介して蒸着されてもよい。
ブロック430において、方法400は、2D物質の少なくとも一つの層に、複数のLiイオンをインターカレートするステップを含む。いくつかの実施形態において、2D物質をインターカレートするステップは、電極の蒸着と同時に起こってもよく、他の実施形態において、2D物質の蒸着は、電極物質の蒸着後に起こってもよい。一実施形態において、2D物質とLi−金属は、真空スパッタリングチャンバ内でLi−金属と2D物質の2つのスパッタリングガンによって共同−スパッタリングされる。2D物質ターゲット及びLiターゲットをスパッタリング用ターゲット物質として使用し、2D物質とLiの連続した層をLi電極上にスパッタリングして、インターカレートした2D物質が得られる。別の実施形態において、ターゲットは、2D物質及びLi金属複合体を含む。その後、共同−スパッタリング法を用いるよりも、複合体ターゲットをスパッタリングする。スパッタリングのための2D物質/Li複合体ターゲットを使用し、2D物質/Li複合体の連続した層を電極上にスパッタリングして、インターカレートした2D物質が得られる。別の実施形態では、2D物質を電気−化学的にインターカレートしてもよい。例えば、本明細書に記載の実施形態に基づいて電極に2D物質を蒸着させてもよく、その後に前記電極を反応チャンバ内に導入して電解質溶液中のLi−金属と対面させてもよい。それから、電圧を印加し、2D物質をインターカレートする。そして、生成された2D物質−コーティングされた電極を再充電可能なバッテリを始めとする様々な用途に使用してもよい。
図5は、本出願の一実施形態に係るLi−イオンバッテリシステムを示す。一実施形態において、Li−イオンバッテリ(LIB)システム500は、アノード501、カソード502、セパレータ503、電解質504、負極端子(negative terminal)506、正極端子(positive terminal)507、及びケーシング508を含んでもよい。アノード501は、前述され、かつ少なくとも図1Aないし1B、図2Aないし2C、及び図3Aないし3Cに示したように、2D物質の少なくとも一つの層でコーティングされたLi電極を含んでもよい。カソード502は、Liオキシド物質(例えば、LiCoO、LiFePO、LiMn、LiNiMnCoなど)を含んでもよい。他の実施形態において、カソード502は、前述され、かつ少なくとも図1Aないし1B、図2Aないし2C、及び図3Aないし3Cに示したように、2D物質の少なくとも一つの層でコーティングされたLi電極を含んでもよい。セパレータ503は、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)などを含んでもよい。電解質504は、カソード502とアノード501との間でLiイオンを輸送することを可能にできる任意の数の電解質溶液(例えば、水性、非水性など)を含んでもよい。例えば、電解質504は、様々なリチウム塩(例えば、LiPF、LiClO、LiHPO、LiAlCl、LiBFなど)または他の電解質物質を含んでもよい。集電装置506は、アノード501に取り付けてもよく、集電装置507は、カソード502に取り付けてもよい。一実施形態において、集電装置506は、銅金属を含んでもよく、集電装置507は、アルミニウム金属を含んでもよい。ケーシング508は、様々な電池の形成因子(cell form factor)を含んでもよい。例えば、LIBシステム500の実施形態では、円筒形電池(例えば、13650、18650、18500、26650、21700など)、ポリマー電池、ボタン型電池、角柱型(prismatic)電池、ポーチ型電池などで実現されてもよい。さらには、1つ以上の電池を様々な用途(例えば、自動車、ラップトップなど)に使用するために、より大きなバッテリパックに組み合わせてもよい。所定の実施形態において、マイクロコントローラ、及び/または他の安全性の電気回路網(safety circuitry)を電圧調整器と共に使用して電池の動作を管理してもよく、LIBシステム500の具体的な用途に合わせることができる。
一実施形態において、低レベルの湿度及び酸素(0.5ppm未満)下でアルゴン−充填されたグローブボックス内でカソード502及びアノード501を使用してLIBシステム500を製造した。電解質504は、エチレンカーボネート(EC)、ジメチレンカーボネート(DMC)、及びジエチレングリコールカーボネート(DEC)の1:1:1(体積比)の混合溶媒のうち、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF)塩の1M溶液を含んでいた。セパレータ503は、PP系膜を含んでいた。ケーシング508は、圧着ツール(crimping tool)を用いて組み立てられたCR2032コイン電池を含んでいた。マルチ−チャンネルバッテリ試験ユニットで、室温及び0.01〜3.0Vの電圧範囲で充電(脱リチウム化)及び放電(リチウム化)サイクリング試験を行った。
図6は、本出願の一実施形態に係るリチウム−硫黄(Li−S)バッテリシステムを示す。一実施形態において、Li−Sバッテリシステム600は、アノード601、カソード602、セパレータ603、電解質604、負極端子606、正極端子607、及びケーシング608を含んでもよい。アノード601は、前述され、かつ少なくとも図1Aないし1B、図2Aないし2C、及び図3Aないし3Cに示したように、2D物質の少なくとも一つの層でコーティングされたLi電極を含んでもよい。カソード602は、硫黄電極であり、硫黄粉末及び/または炭素構造を有する複合体(例えば、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン、多孔性炭素、自立型(free−standing)3D CNTなど)を含んでもよい。セパレータ603は、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)などを含んでもよい。電解質604は、カソード602とアノード601との間でLiイオンを輸送することを可能できる任意の数の電解質溶液(例えば、水性、非水性など)を含んでもよい。例えば、電解質604は、1%LiNO添加剤または他の電解質溶液と共に1:1DOL/DME中の1M LiTFSIを含んでもよい。集電装置606は、アノード601に取り付けてもよく、集電装置607は、カソード602に取り付けてもよい。一実施形態において、集電装置606は、銅金属を含んでもよく、集電装置607は、アルミニウム金属を含んでもよい。ケーシング608は、様々な電池の形成因子を含んでもよい。例えば、Li−Sバッテリシステム600の実施形態では、円筒形電池(例えば、13650、18650、18500、26650、21700など)、ポリマー電池、ボタン型電池、角柱型電池、ポーチ型電池などで実現されてもよい。さらには、1つ以上の電池を様々な用途(例えば、自動車、ラップトップなど)に使用するために、より大きなバッテリパックに組み合わせてもよい。所定の実施形態において、マイクロコントローラ、及び/または他の安全性の電気回路網を電圧調整器と共に使用して電池の動作を管理してもよく、Li−Sバッテリシステム600の具体的な用途に合わせることができる。
一実施形態において、湿度(HO)及び酸素(O)の濃度を0.5ppm未満で一定に維持させているアルゴン−充填されたグローブボックス内で、Li−Sバッテリシステム600を製造した。リチウムをカウンター/基準(reference)として使用し、コイン電池中でマルチ−チャンネルバッテリ試験ユニットによってカソード602(BF 3D−CNT−Sカソード物質)の電気化学的性能を評価した。カソード602のサイズは、1cm×1cm(1cm)であり、正方形の幾何構造を有していた。1:1の体積比の1,2−ジメトキシエタン(DME、99.5%、sigma Aldrich)と1,3−ジオキソラン(DOL、99%、sigma Aldrich)の有機溶媒に、リチウムビス−トリフルオロメタンスルホニルイミド(LITFSI、99%、sigma Aldrich、1M)、及び硝酸リチウム(LiNO、99.99%、sigma Aldrich、0.25M)塩を溶解させることで、電解質604を製造した。コイン電池に添加された電解質604を60μLの体積まで最適化した。セパレータ603は、アノード601とカソード602を単離するために、ポリプロピレン(PP)を含んでいる。定電流充電−放電試験を、室温下、1.5〜3.0Vの電圧範囲で行った。硫黄の理論比容量((Qs=2×9.65×104/(3.6×32.065))約1672mAh/g)に基づいてC率を計算した。循環電圧電流法(cyclic voltammetry)及び電気化学インピーダンス分光法(EIS)測定を、ポテンショスタット(potentiostat)によって行った。
図7は、本出願の一実施形態に係るLi−Sバッテリシステム700を示す。一実施形態において、Li−Sバッテリシステム700は、アノード701及びカソード702を含んでもよい。アノード701は、前述され、かつ少なくとも図1Aないし1B、図2Aないし2C、及び図3Aないし3Cに示したように、2D物質の少なくとも一つの層でコーティングされたLi電極を含んでもよい。例えば、図7には、アノード701金属の上にMoSの1つ以上の層が蒸着されたLi金属を含むことが示されている。以上で考察したように、アノード701は、2D物質(例えば、MoSなど)の1つ以上の層を、スパッタリング、蒸発などによってLi金属上に直接蒸着させることで形成されてもよい。2D物質の1つ以上の層は、均一で、かつ電池が低分極と共に高電流密度で動作できるように、無視できるインピーダンスを提供してもよい。一実施形態において、リチウム化されたMoSはエッジ−配向されたフレーク状のMoSであってもよく、これは、バルクLi金属に出入りするLiの一定な流れ、均質かつ安定したLi電着、及びデンドライト形成の抑制を提供してもよい。
一実施形態において、カソード702は、3D CNT/S電極を含んでもよい。図7に示すように、基板上に複数のCNTを有する基板(例えば、グラフェン)を含んでもよく、これについては以下でより詳しく考察する。複数のCNTは硫黄でコーティングされ、広い表面積、超−低抵抗経路、及び基板との強い結合を提供してもよい。一実施形態において、3D CNT/Sカソード702の初期データは、8mg/cmを超える硫黄負荷(sulfur loading)を実証した。2D物質−コーティングされたLi−金属アノード701及び3D CNT/Sカソード702を含む別の実施形態では、比容量は、0.5〜1000℃の充電/放電サイクルにわたって1100mAh/g(例えば、500Wh/kg超え)であった。
図8は、本出願の一実施形態に係る電極800の断面図及び対応するSEM画像である。電極800は、多孔性3D CNT構造(例えば、複数のCNT)を含んでもよく、このような構造は、Liイオンに対して高い伝導パス及び短い拡散長、及びサイクリング工程中に発生するポリスルフィドを吸収する能力を提供する。CNTの高い負荷は、構造的完全性(integrity)及び導電性を維持しながら、1つ以上の3D CNT層を多重−積層することによって達成されてもよい。一実施形態において、官能基を用いたCNT表面の処理は、CNTと硫黄との間の結合強度を高めることができ(例えば、酸素終端CNTは、硫黄との結合強度がより高い)、したがってポリスルフィドシャトル効果が最小になり、これについても以下でより詳しく考察する。
一実施形態において、再充電可能なバッテリの3Dマイクロ−チャンネル電極では、3D Cuメッシュは、2D Cu箔の表面積の約10倍の表面積改善を実証し、CNTの負荷が増加する場合がある(例えば、500nmの厚さの試料で50倍超え)。一実施形態において、電極800は、様々な高エネルギーへの適用及びエネルギー貯蔵技術のために、サイズ変更が可能であってもよい。例えば、他のバッテリ構成要素の重量は、様々な適用において関心事である。一実施形態において、バッテリのエネルギー/電力密度及び/または比容量は、バッテリの全質量及び/または実装密度を用いて正規化してもよい。3D構造において、カーボンナノチューブは、様々なプラットフォームでより効率的で用途の広いエネルギー貯蔵を提供する。
図9は、本出願の一実施形態に係る電極の製造工程の態様を示す。一実施形態において、結合剤を含まない3D CNT/Sカソード構造を製造することができる。図9の(a)は、複数の自立型3D CNT及びこれを実証する、対応する低倍率SEM画像である。図9の(b)に示されたように、一実施形態は、1つ以上の硫黄層を3D CNT上に(例えば、約155℃で機械的圧着を介して)均一にコーティングするステップを含んでもよい。硫黄粒子は、均一に分布されて機械的に圧着され、毛細管現象及び低い表面張力によって硫黄溶融物を3D CNT構造内に閉じ込めることを容易にする。図9の(c)は、3D CNT中への硫黄粒子の結果的な分布を示す図式を例示する。図9の(d)は、高度に密集した3D CNTの断面SEM画像である。相互接続されたCNTは、大きな表面積(例えば、100m/g超え)及び狭い細孔径分布(例えば、2〜20nm)を提供する。図9の(e)は、合成されたままの結合剤を含まない3D CNT/SのSEM画像を、対応する炭素及び硫黄のEDSマッピングと共に示す。図9の(f)は、(e)に示されたSEM画像のエネルギー分散型X線(EDX)スペクトルを示す。これらCNTの平均直径は、100〜150nmの範囲であってもよい。製造された例示的な3D CNT/SカソードのSEM画像(e)及びEDXスペクトル(f)は、3D CNTの伝導ネットワーク内における硫黄の均一な分布を実証する。
一実施形態において、結合剤を含まない3D CNT/S電極を前記例示的な工程に従って製造した。結合剤を含まないカソード設計は、8.33mg/cmの高い硫黄負荷(カソード電極中で約55重量%Sまで)と共に、0.1C率(約1.4mA/cm)で8.89mAh/cmの高い面積容量及び1068mAh/gの比容量を示し、150サイクルの間に95%を超えるクーロン効率(coulombic efficiency)を提供した。前記実施形態では、カソードの質量に対して約1233Wh/kgの比エネルギーに加え、約476W/kgの比電力を示した。
図10A及び10Bは、本出願の一実施形態に基づいて、様々な硫黄負荷量に応じたサイクル回数に対する比容量を示すグラフである。例えば、図10Aは、異なる硫黄負荷量に応じた例示的な電池の速度能力(rate capability)を示す。さらに、図10Bは、3D CNT内にロードされた55重量%S(8.33mg/cm)硫黄の高硫黄負荷量のサイクル性能を示す。図10Cは、本出願の一実施形態に基づいて、3D CNT/S電極の面積容量のグラフを示す。図10Cは、結合剤を含まない3D CNT/S電極の面積容量と従来のLi−Sバッテリカソード物質の面積容量との比較を示し、例示的な結合剤を含まない3D CNT/Sカソード構造がより高い面積容量を達成できることを実証する。
図10Aに対応する定電流放電−充電プロファイルは、すべてのC率について安定期(plateau)を実証する(例えば、3D CNT/S構造のマトリックス内で高い電気伝導性と共に効率的な速度論過程(kinetic process)を表す)。改善された反応速度論はまた、より低い安定期(Q低い安定期)と、より高い安定期(Q高い安定期)との間の放電容量比から実証される。例えば、図10Aは、37重量%Sと42重量%Sの両方について、それぞれ1.85及び1.8の2C率におけるQ低い安定期/Q高い安定期比を実証し、これは、可溶性ポリスルフィドから不溶性スルフィドへの転換がより高いC率において、より効率的であることを示す。図10Aは、55重量%S(8.33mg/cm)の高硫黄負荷量からの比容量を示し、電池は、0.1C(約1.39mA/cm)から約1068mAh/gの初期放電容量を伝達するが、これは、約8.8mAh/cm(例えば、従来のLi−Sバッテリよりも高い)の面積容量に相当する。一実施形態において、150サイクル後、電池は、1サイクルあたり約0.4%の平均容量崩壊(average capacity decay)と共に約613mAh/gの比容量を依然として伝達することができる(例えば、図10Cに示された以前に報告されたデータよりも優れている)。
図11Aないし11Bは、本出願の一実施形態に基づいて、金属メッシュ上に複数のCNTを有する可撓性3D金属メッシュを示す。図11Aないし11Bは、前記実施形態において、サイズ変更が可能であり、曲げ可能なように構成された3D金属メッシュ上のCNTの一実施形態を示す。さらに、図11Cないし11Dは、多孔性金属メッシュ構造上のCNTを実証する実施形態のSEM画像を示す。一実施形態は、3D Cu−メッシュ上で3D CNTのCVD、及び/または本明細書で考察された任意の製造方法を用いて製造されてもよい。サイズ変更が可能であり、曲げ可能な構造は、本明細書に考察されたLi−Sバッテリの実施形態では、電極として用いられてもよく、その結果、曲げ可能であり、サイズ変更が可能な電極は、多種多様な形状、サイズ、用途などに容易に合わせることができるものと理解される。
図12は、本出願の一実施形態に係る3D CNTアノード積層物(stack)の製造工程の態様を示す。図12の(a)を参照に、一実施形態において、複数の3D CNTは、CVD及び/または本明細書に考察された他の蒸着方法によってメッシュ構造(例えば、Cu、グラフェンなど)上で成長させてもよい。例えば、Cuメッシュ構造(例えば、200未満のメッシュ)は、50〜20μmの平均厚さを含んでもよく、まずは、アセトン、エタノール、脱イオン水などの順で超音波洗浄されてもよい。そして、洗浄されたCuメッシュ構造は、オーブン内で乾燥させてもよい。一実施形態において、チタン緩衝剤層及びニッケル触媒が、室温で与えられた蒸着圧力(例えば、10−3Torr Ar)で、様々な蒸着時間(例えば、1〜15分)にかけてCuメッシュ上に(例えば、RFマグネトロンスパッタリングを使用して)蒸着されてもよい。その後、3D CNTは、熱CVDシステムで合成されてもよい。高度に密集して整列されたCNTの成長は、600〜800℃の温度でエチレンガス(例えば、50〜150SCCM)及び水素担体ガス(例えば、10〜100SCCM)を10〜60分間にかけて使用することにより、最適化することができる。
ここでは、12の(b)を参照に、3D CNTを有するメッシュ構造をエッチング工程に導入してもよい。例えば、CNT/Cuメッシュ構造をFeClエッチング溶液でエッチングさせ、(c)に示すような自立型3D CNT構造が得られる。さらに、3D CNTの層をホットプレスによって圧着させて3D CNTの1つ以上の層を製造し、マルチ−スタック3D CNT((d)に示す)を生成してもよく、その後にこれを電極(例えば、カソード、アノードなど)として利用してもよい。
電解質中へのポリスルフィドの溶解は、Li−Sバッテリの容量劣化に寄与することがある。一実施形態において、ポリスルフィドシャトル効果を軽減するために、CNT表面を官能基(例えば、酸素終端CNT等)で処理し、CNTと硫黄との間の結合強度を強化してもよい。例えば、CNTを用いた硫黄の安定化方法は、官能基(例えば、カルボン酸、アミン、ケトン、アルコール、エステルなど)を導入するステップを含んでもよい。化学的官能化は、CNTの表面と官能基の共有結合のみならず、ナノチューブの末端キャップにも部分的に基づいている。一実施形態において、HNO、HSO及び/またはこれらの両方の混合物のような強酸と、強い酸化剤(例えば、KMnOなど)との混合物を用いたCNTの酸化処理は、酸素化された官能基を形成してもよい。別の実施形態において、活性分子との非共有相互作用は、CNT/Sの界面特性の調整を提供してもよい。CNTは芳香族化合物、界面活性剤、ポリマー、及び/または疎水性相互作用によって非共有的に官能化されてもよい。
本出願の実施形態及びその利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義されたような本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、様々な変化、置換及び変更が行われ得ることを理解するべきである。さらに、本出願の範囲は、本明細書に記載されている工程、機械、製造、物質の組成、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、本発明の開示内容から、本発明に基づいて利用することのできる、本明細書に記載の対応する実施形態と実質的に同じ機能を果たすか、あるいは実質的に同じ結果を達成する、現在存在するか、あるいは後に開発される工程、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップを簡単に理解するであろう。そこで、添付の特許請求の範囲には、これらの工程、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップも、これらの特許請求の範囲の範囲内に属するものとする。さらに、本出願の範囲は、発明の詳細な説明に記載された工程、機械、製造、物質の組成、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。

Claims (20)

  1. リチウム金属をパッシベーションする方法であって、
    前記方法は、
    リチウム電極を提供するステップと、
    前記リチウム電極上に2次元物質の少なくとも一つの層を蒸着させるステップと、
    前記2次元物質の少なくとも一つの層に、複数のリチウムイオンをインターカレートするステップと、
    を含む、方法。
  2. 前記2次元物質が、MoS、WS、MoTe、MoSe、WSe、BN、及びBN−Cからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
  3. 少なくとも一つの界面層を挿入するステップをさらに含み、
    少なくとも一つの前記界面層が、前記リチウム電極と前記2次元物質の少なくとも一つの層との間に存在するように配置される、請求項1に記載の方法。
  4. 少なくとも一つの前記界面層が、プラズマで処理されたきれいな表面を含む、請求項3に記載の方法。
  5. 少なくとも一つの前記界面層が、10nm未満の厚さを有する金属中間層を含む、請求項3に記載の方法。
  6. 少なくとも一つの前記界面層が、官能化中間層である、請求項3に記載の方法。
  7. 前記蒸着のステップが、スパッタリング及び蒸発のうち少なくとも一つを含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記インターカレートするステップが、
    2次元物質を含む第1のターゲットを提供するステップと、
    リチウム金属を含む第2のターゲットを提供するステップと、
    前記第1のターゲット及び前記第2のターゲットを、前記リチウム電極上に同時にスパッタリングするステップと、
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  9. 前記インターカレートするステップが、
    2次元物質−リチウム複合体を含むターゲットを提供するステップと、
    前記リチウム電極上に、前記ターゲットをスパッタリングするステップと、
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  10. カソードを提供するステップと、
    前記カソード上に複数のカーボンナノチューブ構造を形成するステップと、
    複数の前記カーボンナノチューブ構造上に、複数の硫黄粒子を蒸着するステップと、
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  11. バッテリであって、
    正極端子(positive terminal)と、
    前記正極端子に接続されたアノードであって、前記アノードは、パッシベーション層を形成するために、2D物質の少なくとも一つの層でコーティングされたリチウム電極を含む、アノードと、
    セパレータ層と、
    複数の硫黄粒子が配置されている複数のカーボンナノチューブ構造体を含むカソードと、
    前記カソードに接続された負極端子(negative terminal)と、
    を含む、バッテリ。
  12. 前記カーボンナノチューブ構造が3Dカーボンナノチューブ構造である、請求項11に記載のバッテリ。
  13. 前記カソードは、基板に結合された複数の硫黄コーティングされたカーボンナノチューブ構造と共に、グラフェン基板を含む、請求項11に記載のバッテリ。
  14. 前記セパレータ層が、ポリプロピレン層及びポリエチレン層のうち少なくとも一つを含む、請求項11に記載のバッテリ。
  15. 前記アノード及び前記カソードが電解質溶液内に配置されている、請求項11に記載のバッテリ。
  16. 前記電解質溶液が非水溶液である、請求項15に記載のバッテリ。
  17. 1つ以上の集電装置をさらに含む、請求項11に記載のバッテリ。
  18. 1つ以上の前記集電装置が、少なくとも一つのアルミニウム金属集電体及び少なくとも一つの銅金属集電体を含む、請求項17に記載のバッテリ。
  19. 前記リチウム電極上のコーティングが1つ以上の二硫化モリブデン(MOS)層を含む、請求項11に記載のバッテリ。
  20. 前記リチウム電極上のコーティングが、二硫化タングステン(WS)、二テルル化モリブデン(MoTe)、二セレン化モリブデン(MoSe)、二セレン化タングステン(WSe)、窒化ホウ素(BN)、及び遷移金属二カルコゲン化物(dichalcogenide)単層から選択される少なくとも一つの層をさらに含む、請求項19に記載のバッテリ。
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