JP2020511766A - 改良された電池セパレータ、電極、セル、リチウム電池および関連方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、合衆国法典第35巻第119条(e)(1)の下、2017年3月20日に出願された米国仮特許出願第62/473,596号の利益及び優先権を主張するものである。この米国仮特許出願は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。
特定の実施形態において別途記載されていない限り、本明細書に記載されている膜または電池セパレータは、さほど限定されない。いくつかの実施形態において、電池セパレータは、電解質によって湿潤しているとき、以下の特性::体積を有さないか、または低体積である;質量を有さないか、または低質量である;液体電解質をできる限り浸漬する;上記電解質におけるいずれの有害物質もブロックまたは除去する;いずれの高温においても溶融しない;いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない;スチール以上の機械強度を有する;いずれの条件下でも電子絶縁体(電子伝導なし)である;金属デンドライト成長をブロックする;のうちの少なくとも1つを有する多孔質膜を含む改良された電池セパレータであってよい。
特定の実施形態において別途記載されていない限り、本明細書に記載されている多孔質膜は、限定されない。当該多孔質膜は、ナノ多孔質、ミクロ多孔質、またはマクロ多孔質であってよい。いくつかの好ましい実施形態において、多孔質膜は、ミクロ多孔質である。
(ρs)/(ρe)=Nm=τ2/ε (1)
τ=L/x (2)
特定の実施形態において別途記載されていない限り、本明細書に記載されているエネルギーセルは、さほど限定されず、一次または二次のいずれかのエネルギーセルであってよい。例えば、好ましい実施形態において、エネルギーセルは、電気化学エネルギーセルである。エネルギーセルはまた、一次または二次セルであってもよい。当業者によって理解されるように、一次セルは、一度だけ使用されるように設計されていて、二次セルまたは再充電可能な電池のように電気によって再充電され、また、再利用されることがない電池である。概して、一次セルにおける電気化学反応は可逆的ではないが、二次セルにおける電気化学反応は可逆的である。好ましい実施形態において、本明細書におけるエネルギーセルは、二次電気化学エネルギーセルである。
特定の実施形態において別途記載されていない限り、本明細書に記載されているアノードまたはカソードは、さほど限定されず、本明細書に記載されているエネルギーセルに組み込まれるものと同様であってよい。しかし、この表題下に記載されているアノードおよびカソードは、エネルギーセルに組み込まれていないが、将来的にはなされる可能性がある。
本明細書において上記に記載されている電池セパレータ、および、これに直接接触して設けられている1つ以上の電極、例えば、アノード、カソード、またはアノードおよびカソードを含む複合体。電極のタイプは、さほど限定されない。例えば、電極は、リチウムイオン二次電池における使用に好適なものであってよい。
体積を有さないか、または低体積である:
質量を有さないか、または低質量である:
液体電解質をできる限り浸漬する:
上記電解質におけるいずれの有害物質もブロックまたは除去する:
いずれの高温においても溶融しない:
いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない:
スチール以上の機械強度を有する:
いずれの条件下でも電子絶縁体である:
金属デンドライト成長をブロックする;
のうちの少なくとも1つを有する多孔質膜を含む改良された多孔質膜または電池セパレータ。
リチウムを含むアノード;および
カソード;
を含む、上記エネルギーセル。
Claims (20)
- 電解質によって湿潤しているとき、以下の特性:
体積を有さないか、または低体積である:
質量を有さないか、または低質量である:
液体電解質をできる限り浸漬する:
前記電解質におけるいずれの有害物質もブロックまたは除去する:
いずれの高温においても溶融しない:
いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない:
スチール以上の機械強度を有する:
いずれの条件下でも電子絶縁体である:
金属デンドライト成長をブロックする;
のうち少なくとも1つを有する多孔質膜を含む改良された電池セパレータ。 - 電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、体積を有さないか、または低体積である、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、質量を有さないか、または低質量である、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、液体電解質をできる限り浸漬する、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、デンドライトをブロックする、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、いずれの高温においても溶融しない、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、スチール以上の機械強度を有する、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、いずれの条件下でも電気絶縁体である、および、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、金属デンドライト成長をブロックする
のうちの少なくとも1つを有する、請求項1に記載の電池セパレータ。 - 前記特性のうちの少なくとも2つを有する、請求項1に記載の電池セパレータ。
- 前記特性のうちの少なくとも3つを有する、請求項1に記載の電池セパレータ。
- 前記特性のうちの少なくとも4つを有する、請求項1に記載の電池セパレータ。
- 前記特性のうちの少なくとも5つを有する、請求項1に記載の電池セパレータ。
- 前記特性のうちの少なくとも6つを有する、請求項1に記載の電池セパレータ。
- 前記特性のうちの少なくとも7つを有する、請求項1に記載の電池セパレータ。
- 前記特性のうちの少なくとも8つを有する、請求項1に記載の電池セパレータ。
- 前記特性のうちの少なくとも9つを有する、請求項1に記載の電池セパレータ。
- 前記電池セパレータが、マクロ多孔質、ミクロ多孔質、またはナノ多孔質であり、前記電池セパレータの複数の孔が、イオン伝導性媒体で充填されている;
乾燥しているとき(電解質なし)かつ/または電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、リチウムイオンを伝導する;および
前記セパレータが、無限のGurley値を有する;
のうちの少なくとも1つを有する、請求項1〜10のいずれかに記載の電池セパレータ。 - リチウム析出を伴わず3.0C(1C=2.3mA/cm2)以上の充電率で充電され得るエネルギーセルであって:
リチウムを含むアノード;および
カソード;
を含む、前記エネルギーセル。 - 前記充電率が、3.5C以上である;
前記充電率が、4.0C以上である;
前記充電率が、4.5C以上である;
前記充電率が、3.0C以上、5.0C未満である;
前記アノードの厚さが、約50〜約200ミクロンである;
前記アノードの厚さが、約60〜約200ミクロンである;
前記アノードの厚さが、約60〜約125ミクロンである;
前記カソードの厚さが、約50〜約200ミクロンである;
前記カソードの厚さが、約75〜約200ミクロンである;
前記カソードの厚さが、約75〜約150ミクロンである;
前記アノードの多孔度が、15%以上である;
前記アノードの多孔度が、20%以上である;
前記アノードの多孔度が、30%以上である;
前記アノードの多孔度が、40%以上である;
前記アノードの多孔度が、15%以上、50%以下である;
前記カソードの多孔度が、10%以上である;
前記カソードの多孔度が、15%以上である;
前記カソードの多孔度が、20%以上である;
前記カソードの多孔度が、30%以上である;
前記カソードの多孔度が、10%以上、40%未満である;
前記アノードの屈曲度が、2.0以下である;
前記アノードの屈曲度が、1.7以下である;
前記アノードの屈曲度が、1.5以下である;
前記アノードの屈曲度が、1.3以下である;
前記アノードの屈曲度が、1.2以下である;
前記アノードの屈曲度が、1.2以上1.3以下である;
前記カソードの屈曲度が、2.0以下である;
前記カソードの屈曲度が、1.7以下である;
前記カソードの屈曲度が、1.5以下である;
前記カソードの屈曲度が、1.3以下である;
前記カソードの屈曲度が、1.2以下である;
前記カソードの屈曲度が、1.2以上1.5以下である;
前記アノードがリチウムを含み、また、コバルト酸リチウム(LCO);マンガン酸リチウム(LMO);リン酸鉄リチウム(LFP);(Li(NixMnyCoz)O2)、ここで、0.33>x>0.9およびx+y+z=1;NCA(Li(NixCOyAlz)O2)、ここで、0.8>x>0.9およびx+y+z=1;ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも1つの材料を含む;
前記カソードが:天然黒鉛;人工黒鉛;無定形炭素;スズおよび/もしくはケイ素を含む合金;スピネルチタン酸リチウム;ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも1つの材料を含む;
電解質をさらに含み、前記電解質が:エチレンカーボネート(EC);エチルメチルカーボネート(EMC);ジエチルカーボネート(DEC);ジメチルカーボネート(DMC);プロピレンカーボネート(PC);およびこれらの組み合わせからなる群から選択される;ならびに
前記電解質が電解質添加剤を含む;
のうちの少なくとも1つを有する、請求項12に記載のエネルギーセル。 - 請求項1のセパレータをさらに含む、請求項12または13に記載のエネルギーセル。
- 前記アノードが、約50〜約200ミクロンの厚さを有する;
前記アノードの厚さが、約60〜約200ミクロンである;
前記アノードの厚さが、約60〜約125ミクロンである;
前記アノードの多孔度が、15%以上である;
前記アノードの多孔度が、20%以上である;
前記アノードの多孔度が、30%以上である;
前記アノードの多孔度が、40%以上である;
前記アノードの多孔度が、15%以上、50%以下である;
前記アノードの屈曲度が、2.0以下である;
前記アノードの屈曲度が、1.7以下である;
前記アノードの屈曲度が、1.5以下である;
前記アノードの屈曲度が、1.3以下である;
前記アノードの屈曲度が、1.2以下である;
前記アノードの屈曲度が、1.0以上2.0以下である;および
前記アノードの屈曲度が、1.2以上1.3以下である;
のうちの少なくとも1つを含む、請求項12または13に記載のエネルギーセル。 - 前記カソードの厚さが、約50〜約200ミクロンである;
前記カソードの厚さが、約75〜約200ミクロンである;
前記カソードの厚さが、約75〜約150ミクロンである;
前記カソードの多孔度が、10%以上である;
前記カソードの多孔度が、15%以上である;
前記カソードの多孔度が、20%以上である;
前記カソードの多孔度が、30%以上である;
前記カソードの多孔度が、10%以上、40%未満である;
前記カソードの屈曲度が、2.0以下である;
前記カソードの屈曲度が、1.7以下である;
前記カソードの屈曲度が、1.5以下である;
前記カソードの屈曲度が、1.3以下である;
前記カソードの屈曲度が、1.2以下である;および
前記カソードの屈曲度が、1.2以上1.5以下である;
のうちの少なくとも1つを含む、請求項12または13に記載のエネルギーセル。 - 前記アノードが、コバルト酸リチウム(LCO);マンガン酸リチウム(LMO);リン酸鉄リチウム(LFP);(Li(NixMnyCoz)O2)、ここで、0.33>x>0.9およびx+y+z=1;NCA(Li(NixCOyAlz)O2)、ここで、0.8>x>0.9およびx+y+z=1;ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも1つの材料を含む、請求項16に記載のエネルギーセル。
- 前記カソードが:天然黒鉛;人工黒鉛;無定形炭素;スズおよび/もしくはケイ素を含む合金;スピネルチタン酸リチウム;ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも1つの材料を含む、請求項12または13のいずれかに記載のエネルギーセル。
- 二次リチウム電池を含むまたはこれに含まれている、請求項12または13のいずれかに記載のエネルギーセル。
- 改良が、請求項1〜10のいずれかに記載のセパレータを含む、リチウム電池またはセル。
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