JP2021523547A - リチウムイオン電池及び電池材料 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2018年4月30日に出願されかつ「リチウムイオン電池及び電池材料(Lithium Ion Battery and Battery Materials)」という名称の米国仮特許出願第62/664,749号及び2018年12月3日に出願されかつ「リチウムイオン電池及び電池材料(Lithium Ion Battery and Battery Materials)」という名称の米国特許出願第16/208,187号の利益を主張し、これらはあらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる。
一部の態様では、リチウムイオン(例、Li/S)電池用のカソードは、基材と、たとえば元素状硫黄及び/又はLi2Sのような硫黄材料を含むカソード混合物を含有する。一部の態様では、カソード混合物は、硫黄を含む材料及び1種以上の粒状炭素材料を含有し、任意にバインダを含んでいてもよい。カソード混合物は任意の方法で製造することができる。たとえば、カソード混合物は、カソード混合物及び1種以上の溶媒(溶媒は、乾燥時に完全に又は部分的に除去することができる)を含有するスラリーを基材上に堆積する湿式コーティングプロセスで、又は乾式堆積プロセスで、製造することができる。乾式堆積プロセスの一例は、プラズマジェットにより構成要素(例、粒子及び/又は他のフィードストック材料)を基材上に堆積させるプラズマトーチの使用である。一部の態様では、カソード混合物が、硫黄を含む材料、1種以上の粒状炭素材料、及び、たとえばNCM又はLEPのような従来のリチウムイオンカソード材料を含有し、任意にバインダを含んでいてもよい。
一部の態様では、リチウムイオン(例、Li/S)電池用のアノードは、基材(例、金属箔基材又は炭素基材)及びアノード混合物を含有する。一部の態様では、アノード混合物は、ケイ素材料(例、元素状ケイ素、LiSi、ケイ素ドープ型炭素同素体、及び本明細書に記載のグラフェン含有粒状炭素であってSiがドープされたもの)、1種以上の粒状炭素(例、本明細書に記載のグラフェン含有及び/又はドープ型粒状炭素)、任意に酸化グラフェン、任意に1種以上のポリマー材料、及び任意に1種以上のバインダを含有する。アノード混合物は、任意の方法で製造することができる。たとえば、アノード混合物は、アノード混合物及び1種以上の溶媒(溶媒は乾燥時に完全に又は部分的に除去することができる)を含有するスラリーを基材上に堆積する湿式コーティングプロセスで、又は乾式堆積プロセスで製造することができる。乾式堆積プロセスの一例は、プラズマジェットにより構成要素(例、粒子及び/又は他のフィードストック材料)を基材上に堆積されるプラズマトーチの使用である。一部の態様では、アノードは、ケイ素−炭素複合材料及び/又は炭素材料でコーティングされたケイ素粒子を含有する。一部の態様では、アノードは、ケイ素又は炭素のいずれかがコアにある、ケイ素を含有するコア−シェル粒子を含有する。一部の態様では、アノードは、ケイ素又は炭素のいずれかがコアにある、ケイ素の1つ以上の層及び炭素の1つ以上の層を含有する多層粒子を含有する。コア−シェル粒子及び多層粒子は、大きい表面積及び/又はメソポーラス構造を有するものを含む、任意の形状であってもよい。
本発明のリチウムイオン電池は、カソード、アノード、及び/又は、基材の片方若しくは両者に、従来の炭素材料と比較して改善された特性で、粒状炭素を組み込むことができる。たとえば、粒状炭素は、従来の炭素材料と比較して、高い組成純度、高い電気伝導度、及び高い表面積を有することができる。一部の態様では、粒状炭素は、たとえば小さい孔径及び/又はメソポーラス構造といった電池の性質に有益な構造も有する。場合によっては、メソポーラス構造は、広い孔径分布(例、孔径の多峰性分布)によって特徴付けることができる。たとえば孔径の多峰性分布は、より大きな特徴的サイズを有する構造の材料を介して基材及び/又は集電体に効率的に接続される(すなわち、構造を通過する、より導電性の経路を提供する)、大きな表面積と大量の小さな細孔を有する構造を示している可能性がある。そのような構造の非限定的な例は、フラクタル構造、樹状構造、分枝構造、及び凝集構造であって種々のサイズの相互接続チャネル(例、概ね円筒状及び/又は球状の細孔及び/又は粒子から構成される)を備えたものである。
一部の態様では、本発明のカソード及び/又はアノード材料は、稠密な基材又は多孔質の基材に配置され、任意の電気伝導性材料を含有することができる。本発明の基材に含めることができる電気伝導性材料の非限定的な例は、金属箔(例、Ti箔、Ti合金箔、ステンレス鋼箔、Cu箔、Cu合金箔又は他の金属箔)、カーボン紙、金属粒子、酸化物粒子、炭素粒子、炭素フォーム、及び/又は金属フォームである。一部の態様では、リチウムイオン(例、Li/S)電池用の電極(アノード及び/又はカソード)の基材は、カーボン紙、炭素繊維、カーボンナノ繊維、炭素布(例、織られた炭素繊維布)、粒状炭素、又はこれらの組合せを含有する。
電解質は、1種以上の溶媒、リチウム塩、及び任意にレドックス添加剤を含有することができる。場合によっては、1、2、3又は4種の溶媒が電解質中で使用される。電解質中で使用することができる溶媒の例は、非水性溶媒(例、フッ素化溶媒、ビニル溶媒、たとえばフッ素化エーテル及びフッ素化ジオキサン)である。電解質に使用することができるリチウム塩の例は、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、ビス(トリフルオロメタン)スルホンイミドリチウム塩(LiTFSI)などである。この項の電解質は、リチウムイオン電池での使用に加え、Naイオン、Mgイオン又はKイオンがLiイオンと置き換わるものを含む他のタイプの次世代2次電池に使用することができる。
一部の態様では、上述のカソード、アノード、炭素基材及び電解質は、従来の電池構成要素と組み合せたリチウムイオン電池(例、Li/S又はLiイオン)で利用することができる。たとえば、Liイオン電池は、本明細書に記載されたカソードと従来のリチウムイオンアノード材料(例、Li、Si、黒鉛、Cなど)を使用して、関連する従来の製造方法及び材料により構成することができる。別の例では、Liイオン電池は、本明細書に記載されたアノードと従来のリチウムイオンカソード材料(例、LCO、NCA、NMC、LFP、Sなど)を使用して、関連する従来の製造方法及び材料により構成することができる。別の例では、Liイオン電池は、本明細書に記載された電極と従来のリチウムイオン型電解質(例、たとえばLiPF6、LiTFSI、LiFSIなどのリチウム塩、及び、たとえば炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸フルオロエチレン(FEC)、ジオキソラン(DOL)、ジメトキシエタン(DME)、ジオキサン(DX)、アセトニトリルなどの溶媒を含有するもの)を使用して構成することができる。
図2Aは、本明細書に記載のいくつかの態様によるリチウムイオン電池200の例を示す。この例において、カソード202は基材201上に配置され、アノード204は基材205上に配置される。任意にセパレータを含む電解質203は、カソード電極とアノード電極との間に配置されて電池を形成する。別の態様では、基材201及び205、カソード202、アノード204、並びに電解質203は、上述の材料のいずれかを含有することができる。
図6は、一部の態様による、リチウムイオン電池を製造する方法600の例を示す。この例では、リチウムイオン電池を製造する方法は、カソードを組み立てること610、アノードを組み立てること620、電解質を調合すること630、任意に電解質を含有するセパレータを用意すること(図示せず)、並びに電解質及び任意のセパレータをアノードとカソードの間に配置すること640を含む。
従来のリチウムイオン電池には、低いエネルギー密度並びに不十分なサイクル寿命及び/又は安定性などの制約がある。従来のリチウムイオン電池の性能の低さは、(たとえば、従来の液体リチウムイオン含有電解質に接触した場合の)部分的には従来のリチウムイオン電池における電気活性材料の絶縁性並びに微小機械的及び化学的に不安定な性質に起因する。前述の制約に対処する1つの手法では、炭素メタ粒子を電気活性材料と組み合せることを含む。
以下に、本願の出願時の特許請求の範囲を実施の態様として付記する。
[1] 第1の基材、
Li x S y (ここで、xは0〜2、yは1〜8である)及び第1の粒状炭素を含むカソード混合物を含む、前記第1の基材上に配置されたカソード、
第2の基材、
ケイ素粒子及び第2の粒状炭素を含むアノード混合物を含む、前記第2の基材上に配置されたアノード、並びに
溶媒及びリチウム塩を含む、前記カソードと前記アノードとの間に配置された電解質
を含む、リチウムイオン電池であって、
前記第1の粒状炭素又は前記第2の粒状炭素が、各カーボンナノ粒子がグラフェンを含む複数のカーボンナノ粒子を含む炭素凝集体を含み、
前記複数のカーボンナノ粒子中の前記グラフェンが、最大で15層を含み、
前記炭素凝集体中の水素以外の元素に対する炭素の割合が99%よりも大きく、
前記カーボンナノ粒子を含む前記炭素凝集体のメジアン径が、0.1μm〜50μmであり、
前記炭素凝集体の表面積が、吸着質として窒素を用いるBrunauer-Emmett-Teller(BET)法によって測定した場合、10m 2 /g〜300m 2 /gであり、
前記炭素凝集体は、圧縮されたとき、500S/m〜20,000S/mの電気伝導度を有する、リチウムイオン電池。
[2] 前記カソードがバインダをさらに含む、[1]に記載のリチウムイオン電池。
[3] 前記アノードが酸化グラフェンをさらに含む、[1]に記載のリチウムイオン電池。
[4] 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素が無核粒子をさらに含む、[1]に記載のリチウムイオン電池。
[5] 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素が長鎖炭素同素体をさらに含む、[1]に記載のリチウムイオン電池。
[6] 前記第1の基材又は第2の基材が、金属箔、炭素フォーム、金属フォーム、カーボン紙、炭素繊維、カーボンナノ繊維、炭素布、粒状炭素、及びこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、[1]に記載のリチウムイオン電池。
[7] 前記ケイ素粒子が、元素状ケイ素、リチウム−ケイ素、Li 22 Si 5 、L 22−x Si 5−y (ここで、xは0〜21.9、yは1〜4.9である)、及びLi 22−x Si 5−y−z M z (ここで、xは0〜21.9、yは1〜4.9、zは1〜4.9であり、Mは、S、Se、Sb、Sn、Ga又はAsである)からなる群から選択される材料を含む、[1]に記載のリチウムイオン電池。
[8] 前記電解質がレドックス添加剤をさらに含む、[1]に記載のリチウムイオン電池。
[9] 前記レドックス添加剤が、第1のd−ブロック系列遷移金属、第2のd−ブロック系列遷移金属、及び第3のd−ブロック系列遷移金属からなる群から選択される遷移金属を含むメタロセンを含む、[8]に記載のリチウムイオン電池。
[10] 前記レドックス添加剤が、鉄、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、レニウム及びイリジウムからなる群から選択される遷移金属を含むメタロセンを含む、[8]に記載のリチウムイオン電池。
[11] 前記リチウムイオン電池が、100サイクル後にLi 2 S 1グラム当たり400mAhよりも高い電池容量を有する、[1]に記載のリチウムイオン電池。
[12] 前記カソード又はアノードがバインダを含有しない、[1]に記載のリチウムイオン電池。
[13] 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素が、メソポーラス構造をさらに含む、[1]に記載のリチウムイオン電池。
[14] 前記メソポーラス構造が、0.1nm〜10nmのサイズの細孔及び10nm〜100nmのサイズの細孔を含む孔径の多峰性分布を含む、[13]に記載のリチウムイオン電池。
[15] リチウムイオン電池を製造する方法であって、
i) 第1の基材を用意する工程、前記第1の基材上に、Li x S y (ここで、xは0〜2、yは1〜8である)及び第1の粒状炭素を含むカソード混合物を配置する工程を含む、カソードを組み立てること、
ii) 第2の基材を用意する工程、前記第2の基材上に、ケイ素粒子及び第2の粒状炭素を含むアノード混合物を配置する工程を含む、アノードを組み立てること、
iii) 溶媒を用意する工程、リチウム塩を用意する工程、並びに前記溶媒及び前記リチウム塩を合わせる工程を含む、電解質を調合すること、
iv) 前記アノードと前記カソードとの間に前記電解質を配置すること
を含み、
前記第1の粒状炭素又は前記第2の粒状炭素が、各カーボンナノ粒子がグラフェンを含む複数のカーボンナノ粒子を含む炭素凝集体を含み、
前記複数のカーボンナノ粒子中の前記グラフェンが、最大で15層を含み、
前記炭素凝集体中の水素以外の元素に対する炭素の比(割合)が99%よりも大きく、
前記カーボンナノ粒子を含む前記炭素凝集体のメジアン径が、0.1μm〜50μmであり、
前記炭素凝集体の表面積が、吸着質として窒素を用いるBrunauer-Emmett-Teller(BET)法によって測定した場合、10m 2 /g〜300m 2 /gであり、
前記炭素凝集体が、圧縮されたとき、500S/m〜20,000S/mの電気伝導度を有する、方法。
[16] 前記カソード又はアノードがバインダをさらに含む、[15]に記載の方法。
[17] 前記カソードがバインダをさらに含む、[15]に記載の方法。
[18] 前記アノードが酸化グラフェンをさらに含む、[15]に記載の方法。
[19] 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素が無核粒子をさらに含む、[15]に記載の方法。
[20] 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素が長鎖炭素同素体をさらに含む、[15]に記載の方法。
[21] 前記第1の基材又は第2の基材が、金属箔、炭素フォーム、金属フォーム、カーボン紙、炭素繊維、カーボンナノ繊維、炭素布、粒状炭素、及びこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、[15]に記載の方法。
[22] 前記ケイ素粒子が、元素状ケイ素、リチウム−ケイ素、Li 22 Si 5 、Li 22−x Si 5−y (ここで、xは0〜21.9、yは1〜4.9である)、及びLi 22−x Si 5−y−z M z (ここで、xは0〜21.9、yは1〜4.9、zは1〜4.9であり、Mは、S、Se、Sb、Sn、Ga又はAsである)からなる群から選択される材料を含む、[15]に記載の方法。
[23] 前記電解質がレドックス添加剤をさらに含む、[15]に記載の方法。
[24] 前記レドックス添加剤が、第1のd−ブロック系列遷移金属、第2のd−ブロック系列遷移金属、及び第3のd−ブロック系列遷移金属からなる群から選択される遷移金属を含むメタロセンを含む、[23]に記載の方法。
[25] 前記レドックス添加剤が、鉄、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、レニウム及びイリジウムからなる群から選択される遷移金属を含むメタロセンを含む、[23]に記載の方法。
[26] 前記リチウムイオン電池の容量が、100サイクル後にLi 2 S 1グラム当たり400mAhよりも高い、[15]に記載の方法。
[27] 前記アノードと前記カソードとの間に配置されたセパレータをさらに含み、前記セパレータがポリマーマットであり、かつポリスルフィド撥水剤を含む、[15]に記載の方法。
[28] 前記ポリマーマットが、押し出され、紡糸され、織られ、エレクトロスピニングされ、又は成型され、
前記セパレータが、メタロセンを含有するレドックスメディエーターをさらに含む、
[27]に記載の方法。
[29] 前記第1の基材上に前記カソード混合物を配置することが、
前記カソード混合物を第1のスラリーに形成すること、
前記第1のスラリーを前記第1の基材上に堆積すること、及び
前記第1のスラリーを乾燥して、前記カソードを形成すること
をさらに含む、[15]に記載の方法。
[30] 前記第1のスラリーの多層が前記第1の基材上に堆積され、
各層が、次の層が堆積される前に完全に又は部分的に乾燥される、
[29]に記載の方法。
[31] 前記第2の基材上に前記アノード混合物を配置することが、
前記アノード混合物を第2のスラリーに形成すること、
前記第2のスラリーを前記第2の基材上に堆積すること、及び
前記第2のスラリーを乾燥して前記アノードを形成すること
をさらに含む、[15]に記載の方法。
[32] 前記第2のスラリーの多層が前記第2の基材上に堆積され、
各層が、次の層が堆積される前に完全に又は部分的に乾燥される、
[31]に記載の方法。
[33] 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素がメソポーラス構造をさらに含む、[15]に記載の方法。
[34] 前記メソポーラス構造が、0.1nm〜10nmのサイズの細孔及び10nm〜100nmのサイズの細孔を含む孔径の多峰性分布をさらに含む、[33]に記載の方法。
[35] メソポーラス構造を含む炭素メタ粒子、
ケイ素を含む電気活性電極材料、及び
金属集電体
を含むアノード
を含む、リチウムイオン電池。
[36] 前記炭素メタ粒子が、
予備活性化グラフェンフィンガーが集合した開放多孔質セルラーチャネルによって取り囲まれた電子伝導セグメントの3D相互接続網状構造、並びに
液体イオン伝導及び/又はシャトリングのための開放チャネル
をさらに含む、
[35]に記載のリチウムイオン電池。
[37] 前記炭素メタ粒子が、従来の電池材料と比較して、改善された表面積、改善された形態、組み込まれた活性成分の改善された分散、又は改善された不純物濃度を有する、[35]に記載のリチウムイオン電池。
[38] 前記炭素メタ粒子が、ポリマー人工固体電解質界面(SEI)層をさらに含む、[35]に記載のリチウムイオン電池。
[39] メソポーラス構造を含む炭素メタ粒子、
元素状硫黄又はLi 2 Sを含む電気活性電極材料、及び
金属集電体
を含むカソード
を含む、リチウムイオン電池。
[40] 前記炭素メタ粒子が、
予備活性化グラフェンフィンガーが集合した開放多孔質セルラーチャネルによって取り囲まれた電子伝導セグメントの3D相互接続網状構造、並びに
液体イオン伝導及び/又はシャトリングのための開放チャネル
をさらに含む、
[39]に記載のリチウムイオン電池。
[41] 前記炭素メタ粒子が、従来の電池材料と比較して、改善された表面積、改善された形態、組み込まれた活性成分の改善された分散、又は改善された不純物濃度を有する、[39]に記載のリチウムイオン電池。
[42] 前記炭素メタ粒子がポリマー人工固体電解質界面(SEI)層をさらに含む、[39]に記載のリチウムイオン電池。
[43] [35]に記載のアノード及び[39]に記載のカソードを含む、リチウムイオン電池。
[44] リチウムイオン電池の電極を形成する方法であって、
マイクロ波反応器内で炭素メタ粒子を形成すること、
前記炭素メタ粒子を電気伝導集電体基材上に堆積すること
を含み、
前記炭素メタ粒子が3Dメソポーラス構造の網状構造内に電気活性電極材料を含む、方法。
[45] 前記電気活性電極材料が、前記マイクロ波反応器内での形成中に前記炭素メタ粒子に組み込まれる、[44]に記載の方法。
[46] 前記電気活性電極材料が、1つ以上のポスト反応器プロセスで前記炭素メタ粒子に組み込まれる、[44]に記載の方法。
Claims (46)
- 第1の基材、
LixSy(ここで、xは0〜2、yは1〜8である)及び第1の粒状炭素を含むカソード混合物を含む、前記第1の基材上に配置されたカソード、
第2の基材、
ケイ素粒子及び第2の粒状炭素を含むアノード混合物を含む、前記第2の基材上に配置されたアノード、並びに
溶媒及びリチウム塩を含む、前記カソードと前記アノードとの間に配置された電解質
を含む、リチウムイオン電池であって、
前記第1の粒状炭素又は前記第2の粒状炭素が、各カーボンナノ粒子がグラフェンを含む複数のカーボンナノ粒子を含む炭素凝集体を含み、
前記複数のカーボンナノ粒子中の前記グラフェンが、最大で15層を含み、
前記炭素凝集体中の水素以外の元素に対する炭素の割合が99%よりも大きく、
前記カーボンナノ粒子を含む前記炭素凝集体のメジアン径が、0.1μm〜50μmであり、
前記炭素凝集体の表面積が、吸着質として窒素を用いるBrunauer-Emmett-Teller(BET)法によって測定した場合、10m2/g〜300m2/gであり、
前記炭素凝集体は、圧縮されたとき、500S/m〜20,000S/mの電気伝導度を有する、リチウムイオン電池。 - 前記カソードがバインダをさらに含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記アノードが酸化グラフェンをさらに含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素が無核粒子をさらに含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素が長鎖炭素同素体をさらに含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記第1の基材又は第2の基材が、金属箔、炭素フォーム、金属フォーム、カーボン紙、炭素繊維、カーボンナノ繊維、炭素布、粒状炭素、及びこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記ケイ素粒子が、元素状ケイ素、リチウム−ケイ素、Li22Si5、L22−xSi5−y(ここで、xは0〜21.9、yは1〜4.9である)、及びLi22−xSi5−y−zMz(ここで、xは0〜21.9、yは1〜4.9、zは1〜4.9であり、Mは、S、Se、Sb、Sn、Ga又はAsである)からなる群から選択される材料を含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記電解質がレドックス添加剤をさらに含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記レドックス添加剤が、第1のd−ブロック系列遷移金属、第2のd−ブロック系列遷移金属、及び第3のd−ブロック系列遷移金属からなる群から選択される遷移金属を含むメタロセンを含む、請求項8に記載のリチウムイオン電池。
- 前記レドックス添加剤が、鉄、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、レニウム及びイリジウムからなる群から選択される遷移金属を含むメタロセンを含む、請求項8に記載のリチウムイオン電池。
- 前記リチウムイオン電池が、100サイクル後にLi2S 1グラム当たり400mAhよりも高い電池容量を有する、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記カソード又はアノードがバインダを含有しない、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素が、メソポーラス構造をさらに含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記メソポーラス構造が、0.1nm〜10nmのサイズの細孔及び10nm〜100nmのサイズの細孔を含む孔径の多峰性分布を含む、請求項13に記載のリチウムイオン電池。
- リチウムイオン電池を製造する方法であって、
i) 第1の基材を用意する工程、前記第1の基材上に、LixSy(ここで、xは0〜2、yは1〜8である)及び第1の粒状炭素を含むカソード混合物を配置する工程を含む、カソードを組み立てること、
ii) 第2の基材を用意する工程、前記第2の基材上に、ケイ素粒子及び第2の粒状炭素を含むアノード混合物を配置する工程を含む、アノードを組み立てること、
iii) 溶媒を用意する工程、リチウム塩を用意する工程、並びに前記溶媒及び前記リチウム塩を合わせる工程を含む、電解質を調合すること、
iv) 前記アノードと前記カソードとの間に前記電解質を配置すること
を含み、
前記第1の粒状炭素又は前記第2の粒状炭素が、各カーボンナノ粒子がグラフェンを含む複数のカーボンナノ粒子を含む炭素凝集体を含み、
前記複数のカーボンナノ粒子中の前記グラフェンが、最大で15層を含み、
前記炭素凝集体中の水素以外の元素に対する炭素の比(割合)が99%よりも大きく、
前記カーボンナノ粒子を含む前記炭素凝集体のメジアン径が、0.1μm〜50μmであり、
前記炭素凝集体の表面積が、吸着質として窒素を用いるBrunauer-Emmett-Teller(BET)法によって測定した場合、10m2/g〜300m2/gであり、
前記炭素凝集体が、圧縮されたとき、500S/m〜20,000S/mの電気伝導度を有する、方法。 - 前記カソード又はアノードがバインダをさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記カソードがバインダをさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記アノードが酸化グラフェンをさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素が無核粒子をさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素が長鎖炭素同素体をさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記第1の基材又は第2の基材が、金属箔、炭素フォーム、金属フォーム、カーボン紙、炭素繊維、カーボンナノ繊維、炭素布、粒状炭素、及びこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項15に記載の方法。
- 前記ケイ素粒子が、元素状ケイ素、リチウム−ケイ素、Li22Si5、Li22−xSi5−y(ここで、xは0〜21.9、yは1〜4.9である)、及びLi22−xSi5−y−zMz(ここで、xは0〜21.9、yは1〜4.9、zは1〜4.9であり、Mは、S、Se、Sb、Sn、Ga又はAsである)からなる群から選択される材料を含む、請求項15に記載の方法。
- 前記電解質がレドックス添加剤をさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記レドックス添加剤が、第1のd−ブロック系列遷移金属、第2のd−ブロック系列遷移金属、及び第3のd−ブロック系列遷移金属からなる群から選択される遷移金属を含むメタロセンを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記レドックス添加剤が、鉄、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、レニウム及びイリジウムからなる群から選択される遷移金属を含むメタロセンを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記リチウムイオン電池の容量が、100サイクル後にLi2S 1グラム当たり400mAhよりも高い、請求項15に記載の方法。
- 前記アノードと前記カソードとの間に配置されたセパレータをさらに含み、前記セパレータがポリマーマットであり、かつポリスルフィド撥水剤を含む、請求項15に記載の方法。
- 前記ポリマーマットが、押し出され、紡糸され、織られ、エレクトロスピニングされ、又は成型され、
前記セパレータが、メタロセンを含有するレドックスメディエーターをさらに含む、
請求項27に記載の方法。 - 前記第1の基材上に前記カソード混合物を配置することが、
前記カソード混合物を第1のスラリーに形成すること、
前記第1のスラリーを前記第1の基材上に堆積すること、及び
前記第1のスラリーを乾燥して、前記カソードを形成すること
をさらに含む、請求項15に記載の方法。 - 前記第1のスラリーの多層が前記第1の基材上に堆積され、
各層が、次の層が堆積される前に完全に又は部分的に乾燥される、
請求項29に記載の方法。 - 前記第2の基材上に前記アノード混合物を配置することが、
前記アノード混合物を第2のスラリーに形成すること、
前記第2のスラリーを前記第2の基材上に堆積すること、及び
前記第2のスラリーを乾燥して前記アノードを形成すること
をさらに含む、請求項15に記載の方法。 - 前記第2のスラリーの多層が前記第2の基材上に堆積され、
各層が、次の層が堆積される前に完全に又は部分的に乾燥される、
請求項31に記載の方法。 - 前記第1の粒状炭素又は第2の粒状炭素がメソポーラス構造をさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記メソポーラス構造が、0.1nm〜10nmのサイズの細孔及び10nm〜100nmのサイズの細孔を含む孔径の多峰性分布をさらに含む、請求項33に記載の方法。
- メソポーラス構造を含む炭素メタ粒子、
ケイ素を含む電気活性電極材料、及び
金属集電体
を含むアノード
を含む、リチウムイオン電池。 - 前記炭素メタ粒子が、
予備活性化グラフェンフィンガーが集合した開放多孔質セルラーチャネルによって取り囲まれた電子伝導セグメントの3D相互接続網状構造、並びに
液体イオン伝導及び/又はシャトリングのための開放チャネル
をさらに含む、
請求項35に記載のリチウムイオン電池。 - 前記炭素メタ粒子が、従来の電池材料と比較して、改善された表面積、改善された形態、組み込まれた活性成分の改善された分散、又は改善された不純物濃度を有する、請求項35に記載のリチウムイオン電池。
- 前記炭素メタ粒子が、ポリマー人工固体電解質界面(SEI)層をさらに含む、請求項35に記載のリチウムイオン電池。
- メソポーラス構造を含む炭素メタ粒子、
元素状硫黄又はLi2Sを含む電気活性電極材料、及び
金属集電体
を含むカソード
を含む、リチウムイオン電池。 - 前記炭素メタ粒子が、
予備活性化グラフェンフィンガーが集合した開放多孔質セルラーチャネルによって取り囲まれた電子伝導セグメントの3D相互接続網状構造、並びに
液体イオン伝導及び/又はシャトリングのための開放チャネル
をさらに含む、
請求項39に記載のリチウムイオン電池。 - 前記炭素メタ粒子が、従来の電池材料と比較して、改善された表面積、改善された形態、組み込まれた活性成分の改善された分散、又は改善された不純物濃度を有する、請求項39に記載のリチウムイオン電池。
- 前記炭素メタ粒子がポリマー人工固体電解質界面(SEI)層をさらに含む、請求項39に記載のリチウムイオン電池。
- 請求項35に記載のアノード及び請求項39に記載のカソードを含む、リチウムイオン電池。
- リチウムイオン電池の電極を形成する方法であって、
マイクロ波反応器内で炭素メタ粒子を形成すること、
前記炭素メタ粒子を電気伝導集電体基材上に堆積すること
を含み、
前記炭素メタ粒子が3Dメソポーラス構造の網状構造内に電気活性電極材料を含む、方法。 - 前記電気活性電極材料が、前記マイクロ波反応器内での形成中に前記炭素メタ粒子に組み込まれる、請求項44に記載の方法。
- 前記電気活性電極材料が、1つ以上のポスト反応器プロセスで前記炭素メタ粒子に組み込まれる、請求項44に記載の方法。
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