JP2020521298A - Anode compositions and methods for prelithiation of anodes - Google Patents

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Abstract

アノード組成物及びアノードのプレリチウム化の方法を提供する。シリコン系活物質と、ポリイミック酸及びポリイミドから選択された結合剤と、200〜400℃の温度で酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解されることができるリチウム塩と、を含むリチウムイオン電池用の新規のアノード組成物が提供される。アノードを作製する方法、アノードをプレリチウム化する方法、及びアノードを含むリチウムイオン電池も提供される。Provided are an anode composition and a method of prelithiation of the anode. For a lithium ion battery including a silicon-based active material, a binder selected from polyamic acid and polyimide, and a lithium salt that can be decomposed into lithium oxide and/or lithium peroxide at a temperature of 200 to 400°C. A novel anode composition is provided. Methods of making the anode, prelithiation of the anode, and lithium ion batteries including the anode are also provided.

Description

本発明は、シリコン系活物質と、ポリイミック酸及びポリイミドから選択された結合剤と、200〜400℃の温度で酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解されることができるリチウム塩と、を含むリチウムイオン電池用のアノード組成物に関する。本発明はまた、アノードを作製する方法、アノードをプレリチウム化する方法、及びアノードを含むリチウムイオン電池に関する。 The present invention includes a silicon-based active material, a binder selected from polyamic acid and polyimide, and a lithium salt that can be decomposed into lithium oxide and/or lithium peroxide at a temperature of 200 to 400°C. It relates to an anode composition for a lithium-ion battery. The invention also relates to a method of making the anode, a method of prelithiating the anode, and a lithium ion battery including the anode.

リチウムイオン電池は、現在、エネルギー貯蔵システム及び電気自動車で広く使用されている。 Lithium-ion batteries are now widely used in energy storage systems and electric vehicles.

シリコンは、その大きな理論容量及び適度な動作電圧ゆえに、リチウムイオン電池のアノード用に有望な活物質である。しかし、リチウム化/脱リチウム化プロセス中に、シリコンは顕著な膨張と収縮を被る。そのような非常に大きな体積変化は、リチウムイオン電池の電気化学的性能を損なう。更には、アノード表面上のシリコンは、望ましくないことに電解質と反応して、固体電解質界面(SEI)を形成し、リチウムイオン電池に急速な容量減衰(capacity fading)を引き起こす。 Silicon is a promising active material for the anode of lithium-ion batteries due to its large theoretical capacity and modest operating voltage. However, during the lithiation/delithiation process, silicon experiences significant expansion and contraction. Such very large volume changes impair the electrochemical performance of lithium-ion batteries. Furthermore, the silicon on the anode surface undesirably reacts with the electrolyte to form a solid electrolyte interface (SEI), causing rapid capacity fading in the lithium-ion battery.

アノードをプレリチウム化し、容量減衰を補償するために、酸化リチウム又は過酸化リチウムをアノードの中に追加することが提案されている。プレリチウム化されたアノードは引き続き、リチウムイオン電池に組み立てられる。しかし、酸化リチウム及び過酸化リチウムの高い活性度ゆえに、プレリチウム化ステップに従う電池の製造手順は、湿度が良好に制御された動作環境を必要とし、それによりリチウムイオン電池の製造コストが増加する。加えて、酸化リチウム及び過酸化リチウムの粉末は、人間の皮膚及び粘膜に対して腐食性又は刺激性を有するので、工業生産では完全な保護が必要である。 It has been proposed to prelithiate the anode and add lithium oxide or lithium peroxide into the anode to compensate for capacity fade. The pre-lithiated anode is subsequently assembled into a lithium-ion battery. However, due to the high activity of lithium oxide and lithium peroxide, battery manufacturing procedures that follow the prelithiation step require a well-controlled operating environment of humidity, which increases the manufacturing cost of lithium-ion batteries. In addition, lithium oxide and lithium peroxide powders are corrosive or irritating to human skin and mucous membranes and thus require complete protection in industrial production.

より魅力的で信頼性の高いリチウムイオン電池には継続的な需要がある。 There is an ongoing demand for more attractive and reliable lithium-ion batteries.

集中的な研究の後、発明者らは、
シリコン系活物質と、
ポリイミック酸及びポリイミドから選択された結合剤と、
200〜400℃、好ましくは300〜370℃、より好ましくは340〜360℃の温度で酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解されることができるリチウム塩と、
を含むリチウムイオン電池用の新規のアノード組成物を開発した。
After intensive research, the inventors
Silicon-based active material,
With a binder selected from polyamic acid and polyimide,
A lithium salt capable of being decomposed to lithium oxide and/or lithium peroxide at a temperature of 200 to 400°C, preferably 300 to 370°C, more preferably 340 to 360°C,
A new anode composition for lithium-ion batteries has been developed.

いくつかの実施例では、アノード組成物は炭素材料を更に含む。 In some examples, the anode composition further comprises a carbon material.

本開示によるアノード組成物の全ての成分を溶媒と混合させてスラリーを形成すること、及び、
スラリーをアノード集電体に適用すること、
を含む、アノードを作製する方法も提供される。
Mixing all the components of the anode composition according to the present disclosure with a solvent to form a slurry; and
Applying the slurry to the anode current collector,
Also provided is a method of making an anode, the method including:

本開示の方法により作製されたアノードをプレリチウム化する方法も提供され、この方法は、200〜400℃、好ましくは300〜370℃、より好ましくは340〜360℃の温度にアノードを加熱して、リチウム塩を酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解させることを含む。 Also provided is a method of prelithiating an anode made by the method of the present disclosure, which method comprises heating the anode to a temperature of 200 to 400°C, preferably 300 to 370°C, more preferably 340 to 360°C. , Decomposing the lithium salt into lithium oxide and/or lithium peroxide.

本開示の方法に従って作製されたアノード、又は本開示の方法に従ってプレリチウム化されたアノード、を含むリチウムイオン電池も提供される。 Also provided are lithium ion batteries that include an anode made according to the methods of the present disclosure, or an anode prelithiated according to the methods of the present disclosure.

初めて、発明者らは、ポリイミド及び/又はポリイミック酸を特定のリチウム塩と組み合わせた。インサイチュー加熱の時点で、リチウム塩は、酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解する場合がある。こうして得られた酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムはアノードに追加のリチウムを供給し、容量減衰を補償し、従って電池性能(例えば、初期クーロン効率)を大幅に改善することができる。 For the first time, the inventors have combined polyimide and/or polyamic acid with specific lithium salts. At the time of in situ heating, the lithium salt may decompose into lithium oxide and/or lithium peroxide. The lithium oxide and/or lithium peroxide thus obtained can provide additional lithium to the anode and compensate for capacity fade, thus significantly improving cell performance (eg initial Coulombic efficiency).

酸化リチウム又は過酸化リチウムを直接使用する既知の方法と比較して、本開示では、酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムの前駆体として、環境に優しく、伝導しやすく、特別な動作条件を必要としないリチウム塩を使用している。 Compared to the known methods of using lithium oxide or lithium peroxide directly, the present disclosure, as a precursor of lithium oxide and/or lithium peroxide, is environmentally friendly, easy to conduct and requires special operating conditions. Not using lithium salt.

加えて、ポリイミドは良好な機械的強度を有し、リチウム塩の分解温度において安定である。従って、ポリイミドは電池で使用される従来の結合剤、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、及びカルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)よりも優れている。 In addition, polyimide has good mechanical strength and is stable at the decomposition temperature of lithium salts. Therefore, polyimide is superior to conventional binders used in batteries such as polyvinylidene fluoride (PVDF), and sodium carboxymethyl cellulose (CMC).

本開示の追加の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を、例として技術的特徴を共に表す添付の図面と関連させたときに明らかとなるであろう。 Additional features and advantages of the present disclosure will be apparent when the following detailed description is taken in conjunction with the accompanying drawings, which together, by way of example, represent technical features.

サイクル性能を、本開示の実施例によるセルと比較例のセルとで比較している。Cycle performance is compared between the example cell of the present disclosure and the comparative cell. 放電/充電プロファイルを、本開示の実施例によるセルと比較例のセルとで比較している。The discharge/charge profiles are compared between the cells according to the example of the present disclosure and the cells of the comparative example.

ここで、いくつかの例示的実施例を参照するが、実施例を説明するために本明細書では特定の言葉が使用される。しかしながら、それによって本開示の範囲を限定する意図はないと理解されるであろう。 Reference will now be made to a number of example embodiments, but specific language is used herein to describe the examples. However, it will be understood that there is no intent to limit the scope of the present disclosure thereby.

本開示を通して、科学的及び技術的な用語は全て、別途記載のない限り、当業者に知られているものと同じ意味を持つものとする。矛盾がある場合は、本開示で提供される定義を使用すべきである。 Throughout this disclosure, all scientific and technical terms have the same meaning as known to one of ordinary skill in the art, unless otherwise indicated. In case of conflict, the definitions provided in this disclosure should be used.

全ての材料、プロセス、例、及び図面の詳細な説明は、例示の目的で提示されており、従って別途明示的に指定されない限り、本開示の限定と解釈されることはないと理解すべきである。 It should be understood that all detailed descriptions of materials, processes, examples, and figures are presented for purposes of illustration and are not to be construed as limitations of the present disclosure, unless expressly specified otherwise. is there.

本明細書では、「セル」及び「電池」という用語は、交換可能に使用される場合がある。「リチウムイオンセル(又は電池)」という用語はまた、「セル」又は「電池」と略される場合がある。 As used herein, the terms "cell" and "battery" may be used interchangeably. The term "lithium ion cell (or battery)" may also be abbreviated as "cell" or "battery."

本明細書では、「含む」という用語は、最終効果に影響を及ぼさない他の成分又は他のステップを含めることができることを意味する。この用語は、「からなる(consisting of)」及び「から本質的になる(consisting essentially of)」という用語を包含する。本開示による製品及びプロセスは、本明細書に記載される本開示の本質的な技術的特徴及び/又は限定、並びに本明細書に記載される、あらゆる追加成分及び/又は任意成分、構成要素、ステップ、又は限定を、含むか、これらからなるか、これらから本質的になることができる。 As used herein, the term "comprising" means that other ingredients or other steps that do not affect the final effect can be included. This term encompasses the terms “consisting of” and “consisting essentially of”. Products and processes according to the present disclosure may include essential technical features and/or limitations of the present disclosure described herein, as well as any additional and/or optional ingredients, components, described herein. Steps or limitations can include, consist of, or consist essentially of steps.

本出願の主題の説明との関連で(特に、以降の特許請求の範囲との関連で)、用語「1つの(a)」、「1つの(an)」、及び「前記(the)」並びに類似の指示対象の使用は、別途記載のない限り、又は明らかに文脈と矛盾しない限り、単数と複数の両方を包含すると解釈すべきである。 In connection with the description of the subject matter of the present application (in particular in connection with the following claims), the terms "a", "an" and "the" and Use of similar referents should be construed to include both singular and plural unless stated otherwise or clearly inconsistent with context.

別途指定されない限り、本文脈中の全ての数値範囲は、端点と、その数値範囲内に含まれるあらゆる数値及びサブレンジとの、両方を含むことが意図される。 Unless otherwise specified, all numerical ranges in this context are intended to include both the endpoints and all numerical values and subranges subsumed within that numerical range.

特定の指示がない限り、本開示で使用される全ての材料及び試薬は市販されている。 Unless otherwise indicated, all materials and reagents used in this disclosure are commercially available.

本開示の実施例を以下に詳細に説明する。 Embodiments of the present disclosure will be described in detail below.

アノード
「アノード組成物」の成分を溶媒と混合させてアノードスラリーを形成してもよい。引き続き、アノードスラリーをアノード集電体上に適用し、乾燥させてアノードを形成してもよい。
Anode The components of the "anode composition" may be mixed with a solvent to form an anode slurry. Subsequently, the anode slurry may be applied onto the anode current collector and dried to form the anode.

いくつかの実施例では、
シリコン系活物質と、
ポリイミック酸及びポリイミドから選択された結合剤と、
200〜400℃、好ましくは300〜370℃、より好ましくは340〜360℃の温度で酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解されることができるリチウム塩と、
を含むリチウムイオン電池用のアノード組成物が提供される。
In some embodiments,
Silicon-based active material,
With a binder selected from polyamic acid and polyimide,
A lithium salt capable of being decomposed to lithium oxide and/or lithium peroxide at a temperature of 200 to 400°C, preferably 300 to 370°C, more preferably 340 to 360°C,
An anode composition for a lithium ion battery is provided that includes:

いくつかの実施例では、アノード組成物は炭素材料を更に含んでもよい。 In some examples, the anode composition may further include a carbon material.

いくつかの実施例では、アノード組成物は、アノード組成物の総重量を基準として、
5〜60重量%、好ましくは5〜40重量%のシリコン系活物質と、
ポリイミック酸及びポリイミドから選択された、3〜15重量%、好ましくは3〜10重量%の結合剤と、
200〜400℃の温度で酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解されることができる、2〜30重量%、好ましくは2〜20重量%のリチウム塩と、
0〜90重量%、好ましくは30〜85重量%、より好ましくは40〜85重量%の炭素材料と、
を含む。
In some examples, the anode composition is based on the total weight of the anode composition.
5 to 60% by weight, preferably 5 to 40% by weight of a silicon-based active material,
3-15% by weight, preferably 3-10% by weight, of a binder selected from polyamic acids and polyimides,
2 to 30% by weight, preferably 2 to 20% by weight, of a lithium salt which can be decomposed into lithium oxide and/or lithium peroxide at a temperature of 200 to 400° C.,
0-90 wt%, preferably 30-85 wt%, more preferably 40-85 wt% carbon material,
including.

本開示のアノード組成物の各成分を以下で詳細に説明する。 Each component of the disclosed anode composition is described in detail below.

シリコン系活物質
本開示によるアノード組成物は、シリコン系活物質を含んでもよい。炭素系活物質と比較すると、シリコン系活物質は、より大きな理論容量及びより適度な動作電圧を有する。
Silicon-Based Active Material The anode composition according to the present disclosure may include a silicon-based active material. Compared with carbon-based active materials, silicon-based active materials have a larger theoretical capacity and more moderate operating voltage.

本明細書で使用する場合、「活物質」という用語は、充電/放電サイクルの繰り返し中に、その中にリチウムイオンが挿入され、そこからリチウムイオンが放出され得る物質を意味する。 As used herein, the term "active material" means a material into which lithium ions can be inserted and from which lithium ions can be released during repeated charge/discharge cycles.

「シリコン系活物質」は、シリコン元素を含有する活物質であってもよい。シリコン系活物質には特定の限定はなく、リチウムイオン電池で使用することが知られているものを使用してもよい。好適なシリコン系活物質の例としては、シリコン、シリコン合金、シリコン酸化物、シリコン/炭素複合材料、シリコン酸化物/炭素複合材料、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられ得るが、これらに限定されない。いくつかの実施例では、シリコン合金は、シリコン、及びTi、Sn、Al、Sb、Bi、As、Ge並びにPbからなる群から選択される1つ以上の金属、を含んでもよい。市販のシリコン合金は、3Mから入手可能なSi−Fe−Ti合金粉末を含んでもよいが、これに限定されない。いくつかの実施例では、シリコン酸化物は2つ以上のシリコン酸化物の混合物であってもよい。例えば、シリコン酸化物は、SiOとして表される場合があり、xの平均値は約0.5〜約2であってもよい。 The “silicon-based active material” may be an active material containing a silicon element. There is no particular limitation on the silicon-based active material, and materials known to be used in lithium ion batteries may be used. Examples of suitable silicon-based active materials can include, but are not limited to, silicon, silicon alloys, silicon oxides, silicon/carbon composites, silicon oxide/carbon composites, and any combination thereof. .. In some embodiments, the silicon alloy may include silicon and one or more metals selected from the group consisting of Ti, Sn, Al, Sb, Bi, As, Ge and Pb. Commercially available silicon alloys may include, but are not limited to, Si-Fe-Ti alloy powder available from 3M. In some embodiments, the silicon oxide may be a mixture of two or more silicon oxides. For example, silicon oxide may be represented as SiO x , and the average value of x may be from about 0.5 to about 2.

いくつかの実施例では、シリコン系活物質の含有量は、アノード組成物の総重量を基準として、5〜60重量%、好ましくは5〜40重量%である。アノード組成物の総重量は、溶媒の重量を含まない乾燥重量を意味する。 In some examples, the content of silicon-based active material is 5-60 wt%, preferably 5-40 wt%, based on the total weight of the anode composition. The total weight of the anode composition means the dry weight not including the weight of the solvent.

結合剤
本開示によるアノード組成物は、ポリイミック酸及びポリイミドから選択される結合剤を含んでもよい。結合剤は、アノード組成物の成分を一緒に保持し、アノード組成物をアノード集電体に付着させ、充電/放電サイクルが繰り返される間に体積変化が生じた場合に、アノードの安定性と完全性を維持し、従って、最終的なセルの電気化学的な特性(サイクル性能及びレート性能を含む)を改善することに役立ち得る。
Binder The anode composition according to the present disclosure may include a binder selected from polyamic acid and polyimide. The binder holds the components of the anode composition together and adheres the anode composition to the anode current collector, ensuring stability and integrity of the anode when volume changes occur during repeated charge/discharge cycles. Properties and, thus, may help improve the electrochemical properties of the final cell, including cycle performance and rate performance.

加えて、リチウム塩の高い分解温度に耐えることができない従来の結合剤(例えば、PVDF及びCMC)と比較して、ポリイミック酸及びポリイミドは高い熱抵抗を有し、リチウム塩の分解温度において安定している。いくつかの実施例では、ポリイミック酸が加熱により脱水され得る場合であっても、得られるポリイミドは高温で安定である。更には、ポリイミック酸及びポリイミドは良好な機械的強度を有し、それにより、充電/放電サイクルの繰り返し中の体積変化を防止するのに役立ち、従って最終的なセルの電気化学的特性に有益である。 In addition, polyamic acids and polyimides have high thermal resistance and are stable at the decomposition temperature of lithium salts, as compared to conventional binders that cannot withstand the high decomposition temperatures of lithium salts (eg PVDF and CMC). ing. In some examples, the resulting polyimide is stable at elevated temperatures, even though the polyamic acid can be dehydrated by heating. Furthermore, polyamic acids and polyimides have good mechanical strength, which helps prevent volume changes during repeated charge/discharge cycles, and is thus beneficial to the electrochemical properties of the final cell. is there.

ポリイミド及びポリイミック酸には特定の限定はなく、一般に知られているものを使用してもよい。 There is no particular limitation on the polyimide and polyamic acid, and commonly known ones may be used.

ポリイミドは、芳香族ポリイミド、脂肪族ポリイミド、及び脂環式ポリイミドを含んでもよい。ポリイミドの繰り返しユニットは、−C(O)−N−C(O)−、及び1つ以上の芳香族部分、脂肪族部分及び/又は脂環式部分を含んでもよい。 Polyimides may include aromatic polyimides, aliphatic polyimides, and alicyclic polyimides. The polyimide repeat unit may include -C(O)-NC(O)-, and one or more aromatic, aliphatic and/or cycloaliphatic moieties.

いくつかの実施例では、ポリイミドは化学式Iで表され得る。

Figure 2020521298
式中、R及びRは、それぞれ独立して、C1〜C12アルキル基、C1〜C12アルキレン基、又はC1〜C12アルキニル基、好ましくは、C1〜C6アルキル基であってもよく、mは2〜50、好ましくは2〜30の整数であってもよい。 In some examples, the polyimide can be represented by Formula I:
Figure 2020521298
In the formula, R 1 and R 2 may be each independently a C1 to C12 alkyl group, a C1 to C12 alkylene group, or a C1 to C12 alkynyl group, preferably a C1 to C6 alkyl group, and m is It may be an integer of 2 to 50, preferably 2 to 30.

いくつかの実施例では、ポリイミドは化学式IIで表され得る。

Figure 2020521298
式中、ArはC6〜C30芳香族基を表し、RはC1〜C12アルキル基、C1〜C12アルケニル基、又はC1〜C12アルキニル基、好ましくは、C1〜C6アルキル基であってもよく、nは2〜50、好ましくは2〜30の整数であってもよい。 In some examples, the polyimide can be represented by Formula II.
Figure 2020521298
In the formula, Ar represents a C6 to C30 aromatic group, R 3 may be a C1 to C12 alkyl group, a C1 to C12 alkenyl group, or a C1 to C12 alkynyl group, preferably a C1 to C6 alkyl group, n may be an integer of 2 to 50, preferably 2 to 30.

いくつかの実施例では、ポリイミドは化学式IIIで表され得る。

Figure 2020521298
式中、R及びnはそれぞれ、化学式IIについて上述したものと同じ定義を有し、Rは独立してC1〜C12アルキル基、C1〜C12アルケニル基、又はC1〜C12アルキニル基、好ましくはC1〜C6アルキル基であってもよい。 In some examples, the polyimide can be represented by Formula III.
Figure 2020521298
Wherein R 3 and n each have the same definition as described above for Formula II, and R 4 is independently a C1-C12 alkyl group, a C1-C12 alkenyl group, or a C1-C12 alkynyl group, preferably It may be a C1-C6 alkyl group.

ポリイミック酸は、芳香族ポリイミック酸、脂肪族ポリイミック酸、及び脂環式ポリイミック酸を含んでもよい。ポリイミック酸の繰り返し単位は、カルボキシ基−C(O)OH、ポリアミド基−C(O)−NH−、及び1つ以上の芳香族部分、脂肪族部分及び/又は脂環式部分を含んでもよい。 The polyamic acid may include an aromatic polyamic acid, an aliphatic polyamic acid, and an alicyclic polyamic acid. The repeating unit of the polyamic acid may include a carboxy group —C(O)OH, a polyamide group —C(O)—NH—, and one or more aromatic moieties, aliphatic moieties and/or alicyclic moieties. ..

いくつかの実施例では、ポリイミック酸は化学式IVで表され得る。

Figure 2020521298
式中、Ar、R、及びnはそれぞれ、化学式IIについて上述したものと同じ定義を有する。 In some examples, the polyimic acid can be represented by Formula IV.
Figure 2020521298
Wherein Ar, R 3 and n each have the same definition as described above for Formula II.

いくつかの実施例では、ポリイミック酸は化学式Vで表され得る。

Figure 2020521298
式中、R、R、及びnはそれぞれ、化学式IIIについて上記で説明したものと同じ定義を有する。 In some examples, the polyimic acid can be represented by Formula V:
Figure 2020521298
Wherein R 3 , R 4 , and n each have the same definition as described above for Formula III.

アノード集電体へのアノードスラリーの適用を促進するために、ポリイミック酸及びポリイミドが、アノードスラリーを形成するために使用される溶媒(例えば、N−メチル−2−ピロリドン)に可溶性であることが好ましい。 To facilitate application of the anode slurry to the anode current collector, the polyamic acid and the polyimide are soluble in the solvent used to form the anode slurry (eg, N-methyl-2-pyrrolidone). preferable.

いくつかの実施例では、結合剤の含有量は、アノード組成物の総重量を基準として、3〜15重量%、好ましくは3〜10重量%である。 In some embodiments, the binder content is 3 to 15% by weight, preferably 3 to 10% by weight, based on the total weight of the anode composition.

リチウム塩
本開示によるアノード組成物は、200〜400℃、好ましくは300〜370℃、より好ましくは340〜360℃の温度で酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解されることができるリチウム塩を含んでもよい。
Lithium Salt The anode composition according to the present disclosure contains a lithium salt that can be decomposed into lithium oxide and/or lithium peroxide at a temperature of 200 to 400° C., preferably 300 to 370° C., more preferably 340 to 360° C. May be included.

インサイチュー加熱の時点で、リチウム塩は、酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解する場合がある。こうして得られた酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムは追加のリチウムソースを提供し、容量減衰を補償し、従って電池性能(例えば、初期クーロン効率)を大幅に改善することができる。 At the time of in situ heating, the lithium salt may decompose into lithium oxide and/or lithium peroxide. The lithium oxide and/or lithium peroxide thus obtained can provide an additional source of lithium and compensate for capacity fade, thus significantly improving battery performance (eg initial Coulombic efficiency).

酸化リチウム又は過酸化リチウムを直接使用する既知の方法と比較して、本開示では、酸化リチウムの前駆体として、環境に優しく、伝導しやすく、特別な動作条件を必要としないリチウム塩を使用している。 Compared to the known methods of using lithium oxide or lithium peroxide directly, the present disclosure uses a lithium salt as a precursor of lithium oxide, which is environmentally friendly, easy to conduct, and does not require special operating conditions. ing.

いくつかの実施例では、リチウム塩は、酢酸リチウム、シュウ酸リチウム、クエン酸リチウム、及び重炭酸リチウムからなる群から選択される。 In some examples, the lithium salt is selected from the group consisting of lithium acetate, lithium oxalate, lithium citrate, and lithium bicarbonate.

リチウム塩とシリコン系活物質との重量比は、使用されるリチウム塩及びシリコン系活物質の特定のタイプに依存する。好ましくは、リチウム塩中のリチウムとシリコン系活物質中のシリコンとの重量比は、5:100〜25:100、好ましくは7:100〜20:100である。リチウムとシリコンとの比率をこれらの範囲内に制御することで、電池を望ましいほどの高レベルにプレリチウム化することができ、同時に、リチウムの過度の導入及び電池の質量密度の低下を避けることができる。 The weight ratio of lithium salt to silicon-based active material depends on the particular type of lithium salt and silicon-based active material used. Preferably, the weight ratio of lithium in the lithium salt to silicon in the silicon-based active material is 5:100 to 25:100, preferably 7:100 to 20:100. Controlling the ratio of lithium to silicon within these ranges allows the cells to be pre-lithiated to a desirable high level while at the same time avoiding the excessive introduction of lithium and loss of mass density of the cells. You can

いくつかの実施例では、リチウム塩の含有量は、アノード組成物の総重量を基準として、2〜30重量%、好ましくは2〜20重量%である。 In some examples, the content of lithium salt is 2 to 30% by weight, preferably 2 to 20% by weight, based on the total weight of the anode composition.

溶媒
上述のように、本開示によるアノード組成物は、溶媒と混合されてアノードスラリーを形成してもよい。以降のプレリチウム化ステップ中にアノードを加熱すると、溶媒が蒸発する。従って、プレリチウム化されたアノードは、溶媒を僅かな量だけ含有するか、又は溶媒を含有しない。
Solvent As mentioned above, the anode composition according to the present disclosure may be mixed with a solvent to form an anode slurry. The solvent evaporates when the anode is heated during the subsequent prelithiation step. Therefore, the pre-lithiated anode contains only a small amount of solvent or no solvent.

溶媒には特定の限定はなく、リチウムイオン電池で使用することが知られているものを使用してもよい。好適な溶媒の例には、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が含まれる。 The solvent is not particularly limited, and those known to be used in lithium ion batteries may be used. An example of a suitable solvent includes N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).

炭素材料
アノード組成物は、炭素材料を更に含んでもよい。「炭素材料」は、炭素元素を含有する材料であってもよい。炭素材料は、シリコン系活物質とは異なる活物質として機能してもよく、又はアノード組成物の電気伝導性及び/又は分散性を高めることができる。炭素材料には特定の限定はなく、リチウムイオン電池で使用することが知られているものを使用してもよい。いくつかの実施例では、炭素材料としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ、炭素繊維、気相成長炭素繊維、及びこれらの組み合わせが挙げられ得るが、これらに限定されない。いくつかの実施例では、カーボンブラックはSuper P(例えば、Timcalから市販されているSuper P、粒子サイズ:約20nm又は約40nm)であってもよい。いくつかの実施例では、黒鉛は黒鉛粉末(例えば、粒子サイズ:2〜30μm)、及び/又は黒鉛フレーク(例えば、Timcalから市販されているKS6L、粒子サイズ:約6μm)であってもよい。炭素材料は、個別に又は任意の組み合わせで使用してもよい。
Carbon Material The anode composition may further include a carbon material. The “carbon material” may be a material containing elemental carbon. The carbon material may function as an active material different from the silicon-based active material, or may enhance the electrical conductivity and/or dispersibility of the anode composition. There is no particular limitation on the carbon material, and carbon materials known to be used in lithium ion batteries may be used. In some examples, the carbon material can include, but is not limited to, carbon black, acetylene black, Ketjen black, graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon fibers, vapor grown carbon fibers, and combinations thereof. Not limited. In some examples, the carbon black may be Super P (eg, Super P commercially available from Timcal, particle size: about 20 nm or about 40 nm). In some examples, the graphite may be graphite powder (eg, particle size: 2-30 μm), and/or graphite flakes (eg, KS6L commercially available from Timcal, particle size: about 6 μm). The carbon materials may be used individually or in any combination.

いくつかの実施例では、黒鉛粉末、Super P、及び黒鉛フレークを、これらの2つ又は3つの組み合わせで使用してもよい。黒鉛粉末は、アノードにおいて炭素系活物質として機能し、それにより、シリコン系活物質によって生じる体積変化を緩衝することができる。Super Pは比較的小さな粒子サイズ及び良好な電気伝導性を有し、アノードの電気伝導性と分散性を改善し得る。黒鉛フレークは比較的大きな粒子サイズと良好な電気伝導性を有し、2次元の電気伝導性、2次元の分散性、及びサイクル性能を改善し得る。 In some examples, graphite powder, Super P, and graphite flakes may be used in combinations of two or three of these. The graphite powder functions as a carbon-based active material in the anode, and can thereby buffer the volume change caused by the silicon-based active material. Super P has a relatively small particle size and good electrical conductivity and can improve the electrical conductivity and dispersibility of the anode. Graphite flakes have a relatively large particle size and good electrical conductivity and can improve two-dimensional electrical conductivity, two-dimensional dispersibility, and cycle performance.

前述の成分に加えて、アノードは任意選択的に、電極で一般に使用される添加剤を、電池性能を著しく損なわない限り含有してもよい。 In addition to the components described above, the anode may optionally contain additives commonly used in electrodes, provided they do not significantly impair cell performance.

アノード組成物の各成分のタイプ、形状、サイズ、及び/又は含有量には特定の限定はない。 There is no particular limitation on the type, shape, size, and/or content of each component of the anode composition.

いくつかの実施例では、炭素材料の含有量は、アノード組成物の総重量を基準として、0〜90重量%、好ましくは30〜85重量%、より好ましくは40〜85重量%である。 In some examples, the content of carbon material is 0 to 90% by weight, preferably 30 to 85% by weight, more preferably 40 to 85% by weight, based on the total weight of the anode composition.

アノードの作製方法
いくつかの実施例では、アノードの作製方法が提供され、その方法は、
本開示によるアノード組成物の全ての成分を溶媒と混合させてスラリーを形成すること、及び、
スラリーをアノード集電体に適用すること、を含む。
Methods of Making Anodes In some embodiments, methods of making an anode are provided, the methods comprising:
Mixing all the components of the anode composition according to the present disclosure with a solvent to form a slurry; and
Applying the slurry to the anode current collector.

いくつかの実施例では、溶媒はN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を含んでもよい。 In some examples, the solvent may include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).

アノード集電体には特定の限定はない。いくつかの実施例では、ニッケル箔、ニッケル網、銅箔、又は銅網をアノード集電体として使用してもよい。 There is no particular limitation on the anode current collector. In some embodiments, nickel foil, nickel mesh, copper foil, or copper mesh may be used as the anode current collector.

いくつかの実施例では、この方法はカレンダ加工のステップを更に含む。リチウム塩の分解中に、ガスが生成し多孔性が形成される。カレンダ加工により、アノードの多孔性が良好に制御される場合があり、酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムがアノードに均一に分布される場合があり、電池性能が改善される場合がある。 In some embodiments, the method further comprises a calendering step. During decomposition of the lithium salt, gas is generated and porosity is formed. Calendering may provide good control of the porosity of the anode and may evenly distribute lithium oxide and/or lithium peroxide to the anode, which may improve battery performance.

アノードをプレリチウム化する方法
いくつかの実施例では、本開示の方法により作製されたアノードをプレリチウム化する方法が提供され、この方法は、200〜400℃、好ましくは300〜370℃、より好ましくは340〜360℃の温度へアノードを加熱して、リチウム塩を酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解させることを含む。温度がこれら範囲内にあると、ポリイミド及び/又はポリイミック酸は良好な架橋強度を示し、電極集電体は破壊されない。
Method of Prelithiating an Anode In some examples, a method of prelithiating an anode made by the methods of the present disclosure is provided, the method comprising: 200 to 400° C., preferably 300 to 370° C. Preferably heating the anode to a temperature of 340-360° C. to decompose the lithium salt into lithium oxide and/or lithium peroxide. When the temperature is within these ranges, the polyimide and/or polyamic acid shows good crosslinking strength and the electrode current collector is not destroyed.

リチウムイオン電池
いくつかの実施例では、リチウムイオン電池が提供され、これは、本開示の方法に従って作製又はプレリチウム化されたアノードを含む。加えて、リチウムイオン電池はまた、カソード及び電解質を含む。
Lithium Ion Batteries In some embodiments, lithium ion batteries are provided, which include an anode made or prelithiated according to the methods of the present disclosure. In addition, lithium-ion batteries also include a cathode and an electrolyte.

本開示によるリチウムイオン電池は、エネルギー貯蔵システム及び電気自動車で使用されてもよい。 Lithium-ion batteries according to the present disclosure may be used in energy storage systems and electric vehicles.

カソード
「カソード組成物」を混合して、カソードスラリーを形成してもよい。引き続き、カソードスラリーをカソード集電体上に適用し、乾燥させてカソードを形成してもよい。
Cathode The "cathode composition" may be mixed to form a cathode slurry. Subsequently, the cathode slurry may be applied onto the cathode current collector and dried to form the cathode.

本開示のいくつかの実施例によると、カソードはリチウム系活物質を含んでもよい。いくつかの実施例では、カソード活物質は、充電/放電サイクル中に、リチウムイオンを可逆的に離脱及び挿入させる材料であってもよい。放電サイクルでは、リチウム系活物質に由来するリチウムイオンは、アノードからカソードに戻って再びリチウム系活物質を形成することができる。 According to some embodiments of the present disclosure, the cathode may include a lithium-based active material. In some embodiments, the cathode active material can be a material that reversibly desorbs and intercalates lithium ions during charge/discharge cycles. In the discharge cycle, lithium ions derived from the lithium-based active material can return from the anode to the cathode to form the lithium-based active material again.

リチウム系カソード活物質には特定の限定はなく、リチウムイオンセルで一般に使用されるカソード活物質を使用してもよい。いくつかの実施例では、カソード活物質は、リチウム金属酸化物、リチウム金属リン酸塩、リチウム金属ケイ酸塩、及びこれらの任意の組み合わせ、好ましくは、リチウム遷移金属複合酸化物、リチウム遷移金属リン酸塩、リチウム金属ケイ酸塩、及びこれらの任意の組み合わせ、からなる群から選択されてもよい。いくつかの実施例では、カソード活物質は、リチウム鉄リン酸塩、リチウムマンガンリン酸塩、リチウムマンガン鉄リン酸塩、及びこれらの任意の組み合わせ、からなる群から選択されてもよい。いくつかの実施例では、リチウム遷移金属複合酸化物は、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウムニッケルコバルト酸化物、リチウムニッケルマンガン酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物(NCM)、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物(NCA)、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物/LiMnO複合体(「リチウムリッチのNCM」とも称される)、又はこれらの任意の組み合わせ、であってもよい。遷移金属は、周期表の3族から12族の任意の遷移金属、例えばチタン、亜鉛、銅、ニッケル、モリブデンを含んでもよい。 There is no particular limitation on the lithium-based cathode active material, and a cathode active material generally used in lithium ion cells may be used. In some embodiments, the cathode active material is a lithium metal oxide, a lithium metal phosphate, a lithium metal silicate, and any combination thereof, preferably a lithium transition metal complex oxide, a lithium transition metal phosphorus. May be selected from the group consisting of acid salts, lithium metal silicates, and any combination thereof. In some embodiments, the cathode active material may be selected from the group consisting of lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, lithium manganese iron phosphate, and any combination thereof. In some embodiments, the lithium transition metal composite oxide is lithium nickel oxide, lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel cobalt oxide, lithium nickel manganese oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide (NCM). ), lithium nickel cobalt aluminum oxide (NCA), lithium nickel cobalt manganese oxide/Li 2 MnO 3 composite (also referred to as “lithium rich NCM”), or any combination thereof. .. The transition metal may include any transition metal of Groups 3 to 12 of the Periodic Table, such as titanium, zinc, copper, nickel, molybdenum.

いくつかの実施例では、カソード組成物は、リチウム系カソード活物質に加えて、炭素材料、結合剤、及び溶媒を更に含んでもよい。 In some embodiments, the cathode composition may further include a carbon material, a binder, and a solvent in addition to the lithium-based cathode active material.

結合剤には特定の限定はなく、リチウムイオン電池で使用することが知られているものを使用してもよい。いくつかの実施例では、結合剤は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリアクリル酸(PAA)並びにその誘導体類(例えば、LiPAA)、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)、及びそれらの組み合わせであってもよい。 There is no particular limitation on the binder, and those known to be used in lithium ion batteries may be used. In some embodiments, the binder may be polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylic acid (PAA) and its derivatives (eg, LiPAA), sodium carboxymethyl cellulose (CMC), and combinations thereof. ..

アノード中の炭素材料及び溶媒に関する上述の説明は、ここでも適用され得る。カソード中の炭素材料及び溶媒はそれぞれ、アノード中に含有されているものと同一であるか又は異なっていてもよい。 The above explanations regarding the carbon material and the solvent in the anode also apply here. The carbon material and solvent in the cathode may each be the same as or different from that contained in the anode.

加えて、リチウムイオン電池で使用することが一般に知られている他の添加剤を、電池の所望の性能を不利に損なうことがない限り、任意選択的にカソードで使用してもよい。 In addition, other additives commonly known for use in lithium-ion batteries may optionally be used at the cathode as long as they do not adversely affect the desired performance of the battery.

カソード組成物の各成分のタイプ、形状、サイズ、及び/又は含有量には特定の限定はない。 There is no particular limitation on the type, shape, size, and/or content of each component of the cathode composition.

カソード集電体には特定の限定はない。いくつかの実施例では、アルミニウム箔をカソード集電体として使用してもよい。 There is no particular limitation on the cathode current collector. In some embodiments, aluminum foil may be used as the cathode current collector.

電解質
本開示によるリチウムイオン電池は、電解質を含んでもよい。本開示のいくつかの実施例によると、電解質は、リチウム塩及び非水溶媒を含んでもよい。リチウム塩及び非水溶媒には特定の限定はなく、セルで一般に知られているリチウム塩及び非水溶媒を使用してもよい。いくつかの実施例では、電解質中のリチウム塩は、カソード中のリチウム系活物質及びアノード中のリチウム塩とは異なる場合がある。本開示のいくつかの実施例によると、リチウム塩は、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF)、リチウムヒ酸塩(LiAsO)、LiSbO、過塩素酸リチウム(LiClO)、LiAlO、LiGaO、リチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)、及びこれらの任意の組み合わせを含んでもよく、特にLiPFが好ましいが、これらに限定されない。
Electrolyte The lithium-ion battery according to the present disclosure may include an electrolyte. According to some embodiments of the present disclosure, the electrolyte may include a lithium salt and a non-aqueous solvent. There is no particular limitation on the lithium salt and non-aqueous solvent, and lithium salt and non-aqueous solvent generally known in the cell may be used. In some examples, the lithium salt in the electrolyte can be different than the lithium-based active material in the cathode and the lithium salt in the anode. According to some embodiments of the present disclosure, the lithium salt may be lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium arsenate (LiAsO 4 ), LiSbO 4 , lithium perchlorate. (LiClO 4 ), LiAlO 4 , LiGaO 4 , lithium bis(oxalate)borate (LiBOB), and any combination thereof may be included, but LiPF 6 is particularly preferable, but not limited thereto.

本開示のいくつかの実施例によると、電解質中の非水溶媒は、炭酸塩(すなわち、非フッ素化カーボネート)及びフッ素化カーボネートを含んでもよい。本開示のいくつかの実施例によると、炭酸塩は、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)などの環状炭酸塩;ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)などの直鎖又は分枝鎖炭酸塩;及び、前述の炭酸塩の任意の組み合わせ、を含んでもよいが、これらに限定されない。本開示のいくつかの実施例によると、フッ素化カーボネートは、前述の炭酸塩のフッ素化誘導体、例えばフルオロエチレンカーボネート(FEC)及びジフルオロエチレンカーボネート、ジフッ素化ジメチルカーボネート(DFDMC)であってもよい。 According to some embodiments of the present disclosure, the non-aqueous solvent in the electrolyte may include carbonate (ie non-fluorinated carbonate) and fluorinated carbonate. According to some embodiments of the present disclosure, carbonates are cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC); dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), A straight or branched chain carbonate such as dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC); and any combination of the aforementioned carbonates. May include, but are not limited to. According to some embodiments of the present disclosure, the fluorinated carbonate may be a fluorinated derivative of the aforementioned carbonates, such as fluoroethylene carbonate (FEC) and difluoroethylene carbonate, difluorinated dimethyl carbonate (DFDMC). ..

材料
NCM−111:リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物、カソードの活物質、D50:12μm、BASFから入手可能。
Super P:カソード及びアノードの炭素材料、40nm、Timcalから入手可能。
PVDF:ポリフッ化ビニリデン、カソードの結合剤、Soveyから入手可能。
Si−Fe−Ti合金粉末:アノードの活物質、シリコン含有量:30重量%、直径:50nm、3Mから入手可能。
黒鉛粉末:アノードの活物質、直径:20μm、Hitachiから入手可能。
KS6L:黒鉛フレーク、アノードの炭素材料、約6μm、Timcalから入手可能。
U−Varnish A:アノードの結合剤、20重量%のポリアミック酸と80重量%のN−メチル−2−ピロリジノンとの混合物、UBEから入手可能。
酢酸リチウム:リチウム塩、アノードのプレリチウム化のソース、Guoyaoから入手可能。
NMP:N−メチル−2−ピロリドン、溶媒、Guoyaoから入手可能。
Celgard2325:PP/PE/PP膜、セパレータ、Celgardから入手可能。
Materials NCM-111: Lithium nickel cobalt manganese oxide, cathode active material, D50:12 μm, available from BASF.
Super P: cathode and anode carbon material, 40 nm, available from Timcal.
PVDF: polyvinylidene fluoride, cathode binder, available from Sovey.
Si-Fe-Ti alloy powder: active material of anode, silicon content: 30% by weight, diameter: 50 nm, available from 3M.
Graphite powder: anode active material, diameter: 20 μm, available from Hitachi.
KS6L: Graphite flakes, carbon material of the anode, about 6 μm, available from Timcal.
U-Varnish A: Anode binder, mixture of 20 wt% polyamic acid and 80 wt% N-methyl-2-pyrrolidinone, available from UBE.
Lithium acetate: Lithium salt, source of prelithiation of anode, available from Guoyao.
NMP: N-methyl-2-pyrrolidone, solvent, available from Guoyao.
Celgard 2325: PP/PE/PP Membrane, Separator, available from Celgard.

実施例1(Ex.1):セルの作製
カソードの作製
室温で、96.5gのNCM−111、3gのSuper P、及び2.5gのPVDFを、攪拌機を装備した500mLの丸底フラスコ内で47gのNMPに追加した。3時間撹拌した後、得られた均一に分散されたスラリーをアルミニウム箔上にコーティングし、次に、80℃で6時間乾燥させた。コーティングされたアルミニウム箔を、いくつかのΦ12mmのカソードに切断した。
Example 1 (Ex.1): Cell preparation Cathode preparation At room temperature, 96.5 g NCM-111, 3 g Super P, and 2.5 g PVDF were placed in a 500 mL round bottom flask equipped with a stirrer. Added to 47 g NMP. After stirring for 3 hours, the resulting uniformly dispersed slurry was coated on aluminum foil and then dried at 80° C. for 6 hours. The coated aluminum foil was cut into several Φ12 mm cathodes.

アノードの作製
室温で、40gのSi−Fe−Ti合金粉末、40gの黒鉛粉末、10gの酢酸リチウム、10gのU−Varnish A(乾燥重量、NMP中において20重量%の溶液の形態で)、2gのSuper P、及び8gのKS6Lを、攪拌機を装備した500mLの丸底フラスコ内で70gのNMPに追加した。3時間撹拌した後、得られた均一に分散されたスラリーを銅箔上にコーティングし、次に、60℃で30分間乾燥させた。次に、コーティングされた銅箔を、窒素ガスでパージされた管状炉(RS80/750/11、Nabertherm)内で温度が350℃に達するまで20℃/分の加熱速度で焼成した。続いて、コーティングされた銅箔を管状炉から取り出し、室温(約25℃)まで冷却した。コーティングされた銅箔を、いくつかのΦ12mmのアノードに切断した。
Preparation of Anode At room temperature, 40 g of Si-Fe-Ti alloy powder, 40 g of graphite powder, 10 g of lithium acetate, 10 g of U-Varnish A (dry weight, in the form of 20% by weight solution in NMP), 2 g. Super P, and 8 g KS6L were added to 70 g NMP in a 500 mL round bottom flask equipped with a stirrer. After stirring for 3 hours, the resulting uniformly dispersed slurry was coated on a copper foil and then dried at 60°C for 30 minutes. The coated copper foil was then fired in a nitrogen gas purged tube furnace (RS80/750/11, Nabertherm) at a heating rate of 20°C/min until the temperature reached 350°C. Then, the coated copper foil was taken out from the tubular furnace and cooled to room temperature (about 25° C.). The coated copper foil was cut into several Φ12 mm anodes.

セルの作製
アルゴンが充填されたグローブボックス(MB−10 compact、MBraun)内において、上で得られたカソード及びアノードを使用してコインセル(CR2016)を組み立てた。FEC/EC/EMC(体積比30:35:35)中での1M LiPFを電解質として使用した。Celgard 2325をセパレータとして使用した。
Preparation of Cell A coin cell (CR2016) was assembled using the cathode and anode obtained above in a glove box (MB-10 compact, MBraun) filled with argon. 1M LiPF 6 in FEC/EC/EMC (volume ratio 30:35:35) was used as electrolyte. Celgard 2325 was used as a separator.

比較例1(Com.Ex.1)
酢酸リチウムは使用せず、それを除くと上記実施例1と同じ方法でコインセルを作製した。
Comparative Example 1 (Com. Ex. 1)
A coin cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that lithium acetate was not used.

[電気化学的測定]
実施例1と比較例1で得られた各セルの電池性能を、25℃でArbin電池テストシステム(モデル:Arbin BT−G;供給元:Arbin)で測定した。
[Electrochemical measurement]
The battery performance of each cell obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was measured at 25° C. with an Arbin battery test system (model: Arbin BT-G; supplier: Arbin).

各セルを、1番目の充電サイクルで0.1Cの電流で(Li/Liに対して)4.2Vに充電した。次に、1番目の放電サイクルで、セルを0.1Cの電流で2.5Vに放電させた。前述の充電/放電サイクルを、2番目と3番目のサイクルで繰り返した。引き続き、4番目から21番目の充電サイクルにおいて、様々なレートで各セルを(Li/Liに対して)4.2Vに充電した。具体的には、充電レートは、4番目から6番目の充電サイクルでは0.1C、7番目から9番目の充電サイクルでは1/3C、10番目から12番目の充電サイクルでは0.5C、13番目から15番目の充電サイクルでは1C、16番目から18番目の充電サイクルでは2C、19番目から21番目の充電サイクルでは3Cであった。4番目から21番目の放電サイクルにおいて、セルを0.1Cの電流で2.5Vに放電させた。最後に、各セルを、以降のサイクルで、1Cのレートで(Li/Liに対して)2.5から4.5Vの電圧範囲内で放電/充電させた。セルの各カソードのNCMの質量負荷は、約10mg/cmであった。比容量を、NCMの重量に基づいて計算した。 Each cell was charged to 4.2 V (relative to Li/Li + ) with a current of 0.1 C in the first charging cycle. Then, in the first discharge cycle, the cell was discharged to 2.5V with a current of 0.1C. The above charge/discharge cycle was repeated for the second and third cycles. Subsequently, in the 4th to 21st charging cycles, each cell was charged to 4.2V (relative to Li/Li + ) at various rates. Specifically, the charging rate is 0.1C in the 4th to 6th charging cycles, 1/3C in the 7th to 9th charging cycles, 0.5C in the 10th to 12th charging cycles, and 13th. Was 1C in the 15th to 15th charge cycles, 2C in the 16th to 18th charge cycles, and 3C in the 19th to 21st charge cycles. In the 4th to 21st discharge cycles, the cell was discharged to 2.5V with a current of 0.1C. Finally, each cell was discharged/charged in subsequent cycles within a voltage range of 2.5 to 4.5 V (relative to Li/Li + ) at a rate of 1 C. The NCM mass loading of each cathode of the cell was approximately 10 mg/cm 2 . Specific capacity was calculated based on the weight of NCM.

図1は、実施例1のセルと比較例1のセルのサイクル性能を比較している。図1を参照すると、プレリチウム化ソースを使用しなかった比較例1と比較して、実施例1はより良いサイクル安定性を示したことが理解できる。 FIG. 1 compares the cycle performances of the cell of Example 1 and the cell of Comparative Example 1. Referring to FIG. 1, it can be seen that Example 1 exhibited better cycle stability as compared to Comparative Example 1 which did not use a pre-lithiated source.

図2は、実施例1のセルと比較例1のセルの放電/充電プロファイルを比較している。図2を参照すると、プレリチウム化ソースを使用しなかった比較例1と比較して、実施例1は1番目の充電/放電サイクルにおいて、より高い初期クーロン効率を示したことがわかる。 FIG. 2 compares the discharge/charge profiles of the cells of Example 1 and the cells of Comparative Example 1. Referring to FIG. 2, it can be seen that Example 1 exhibited higher initial Coulombic efficiency in the first charge/discharge cycle as compared to Comparative Example 1 which did not use the pre-lithiated source.

Claims (9)

リチウムイオン電池用のアノード組成物であって、
シリコン系活物質と、
ポリイミック酸及びポリイミドから選択された結合剤と、
200〜400℃の温度で酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解されることができるリチウム塩と、
を含む、アノード組成物。
An anode composition for a lithium ion battery, comprising:
Silicon-based active material,
With a binder selected from polyamic acid and polyimide,
A lithium salt capable of being decomposed into lithium oxide and/or lithium peroxide at a temperature of 200 to 400° C.,
An anode composition comprising:
前記結合剤は、N−メチル−2−ピロリドンに可溶性である、請求項1に記載のアノード組成物。 The anode composition of claim 1, wherein the binder is soluble in N-methyl-2-pyrrolidone. 前記リチウム塩は、酢酸リチウム、シュウ酸リチウム、クエン酸リチウム、及び重炭酸リチウムからなる群から選択される、請求項1又は2に記載のアノード組成物。 The anode composition according to claim 1 or 2, wherein the lithium salt is selected from the group consisting of lithium acetate, lithium oxalate, lithium citrate, and lithium bicarbonate. 前記シリコン系活物質は、シリコン、シリコン合金、シリコン酸化物、シリコン/炭素複合材料、及びシリコン酸化物/炭素複合材料からなる群から選択される、請求項1〜3のいずれか一項に記載のアノード組成物。 4. The silicon-based active material according to claim 1, wherein the silicon-based active material is selected from the group consisting of silicon, a silicon alloy, a silicon oxide, a silicon/carbon composite material, and a silicon oxide/carbon composite material. Anode composition. 前記アノード組成物は炭素材料を更に含み、好ましくは、前記炭素材料は、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ、炭素繊維、及び気相成長炭素繊維からなる群から選択される、請求項1〜4のいずれか一項に記載のアノード組成物。 The anode composition further comprises a carbon material, preferably the carbon material is selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, Ketjen black, graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon fibers, and vapor grown carbon fibers. The anode composition according to any one of claims 1 to 4, which is 前記アノード組成物の総重量を基準として、
5〜60重量%、好ましくは5〜40重量%のシリコン系活物質と、
ポリイミック酸及びポリイミドから選択された、3〜15重量%、好ましくは3〜10重量%の結合剤と、
200〜400℃の温度で酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解されることができる、2〜30重量%、好ましくは2〜20重量%のリチウム塩と、
0〜90重量%、好ましくは30〜85重量%、より好ましくは40〜85重量%の炭素材料と、
を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のアノード組成物。
Based on the total weight of the anode composition,
5 to 60% by weight, preferably 5 to 40% by weight of a silicon-based active material,
3 to 15% by weight, preferably 3 to 10% by weight, of a binder selected from polyamic acids and polyimides,
2 to 30% by weight, preferably 2 to 20% by weight, of a lithium salt which can be decomposed into lithium oxide and/or lithium peroxide at a temperature of 200 to 400° C.,
0-90 wt%, preferably 30-85 wt%, more preferably 40-85 wt% carbon material,
The anode composition according to claim 1, which comprises:
アノードを作製する方法であって、
請求項1〜6のいずれか一項に記載のアノード組成物の全ての成分を溶媒と混合させてスラリーを形成することと、
前記スラリーをアノード集電体に適用することと、
を含む、方法。
A method of making an anode, comprising:
Mixing all the components of the anode composition according to any one of claims 1 to 6 with a solvent to form a slurry;
Applying the slurry to an anode current collector;
Including the method.
請求項7に記載の方法に従って作製されたアノードをプレリチウム化する方法であって、前記アノードを200〜400℃の温度に加熱して前記リチウム塩を酸化リチウム及び/又は過酸化リチウムに分解させることを含む、方法。 A method of prelithiating an anode made according to the method of claim 7, wherein the anode is heated to a temperature of 200 to 400° C. to decompose the lithium salt into lithium oxide and/or lithium peroxide. A method, including: 請求項7に記載の方法に従って作製されたアノード、又は請求項8に記載の方法に従ってプレリチウム化されたアノードを含む、リチウムイオン電池。 A lithium ion battery comprising an anode made according to the method of claim 7 or a prelithiated anode according to the method of claim 8.
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