JP2022550102A - Method and system for silicon-based lithium-ion cells with controlled lithiation of silicon - Google Patents

Method and system for silicon-based lithium-ion cells with controlled lithiation of silicon Download PDF

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Abstract

ケイ素のリチウム化が制御されたケイ素系リチウムイオンセルのためのシステムおよび方法には、カソードと、電解質と、アノードとが含まれる。アノードは、最小閾値レベルを超えるように構成された放電後のレベルでリチウム化されたケイ素を含み、リチウム化の最小閾値は3%のケイ素のリチウム化である。電池を充電した後のケイ素のリチウム化レベルは、30%から95%のケイ素のリチウム化、30%から75%のケイ素のリチウム化、30%から65%のケイ素のリチウム化、または30%から50%のケイ素のリチウム化の範囲である。電池を放電した後のケイ素のリチウム化レベルは、3%から50%のケイ素のリチウム化、3%から30%のケイ素のリチウム化、または3%から10%のケイ素のリチウム化の範囲である。最小閾値レベルは、それを下回ると電池のサイクル寿命が低下するリチウム化レベルである。電解質は、液体、固体、またはゲルを含む。Systems and methods for silicon-based lithium-ion cells with controlled lithiation of silicon include a cathode, an electrolyte, and an anode. The anode comprises lithiated silicon at a post-discharge level configured to exceed a minimum threshold level, the minimum threshold for lithiation being 3% silicon lithiation. The level of silicon lithiation after charging the battery may range from 30% to 95% silicon lithiation, from 30% to 75% silicon lithiation, from 30% to 65% silicon lithiation, or from 30% to 50% silicon lithiation range. The level of silicon lithiation after discharging the battery ranges from 3% to 50% silicon lithiated, 3% to 30% silicon lithiated, or 3% to 10% silicon lithiated. . The minimum threshold level is the lithiation level below which the cycle life of the battery is degraded. Electrolytes include liquids, solids, or gels.

Description

関連出願の相互参照/参照による組み込み
本出願は、2019年9月26日に出願された「ケイ素のリチウム化が制御されたケイ素系リチウムイオンセルのための方法およびシステム」と題する米国特許出願第16/584,574号の優先権を主張するものであり、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS REFERENCE/INCORPORATION BY REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is the subject of U.S. patent application serial no. 16/584,574, the contents of which are incorporated herein by reference.

本開示の態様は、エネルギーの生成および貯蔵に関する。より具体的には、本開示の特定の実施形態は、ケイ素のリチウム化が制御されたケイ素系リチウムイオンセルのための方法およびシステムに関する。 Aspects of the present disclosure relate to energy generation and storage. More specifically, certain embodiments of the present disclosure relate to methods and systems for silicon-based lithium-ion cells with controlled lithiation of silicon.

電池アノードの従来のアプローチは、費用がかかり、面倒であり、かつ/または非効率であり、例えば、それらは、実施するのに複雑および/または時間がかかり、電池の寿命を制限し得る。 Conventional approaches to battery anodes are costly, cumbersome, and/or inefficient, for example, they are complex and/or time consuming to implement and can limit battery life.

従来の伝統的なアプローチのさらなる制限および不利な点は、そのようなシステムを、図面を参照して、本出願の以降の部分に記載される本開示のいくつかの態様と比較することによって、当業者に明らかになるであろう。 Further limitations and disadvantages of the conventional traditional approach can be found by comparing such a system with several aspects of the present disclosure described in the remainder of this application, with reference to the drawings. will be apparent to those skilled in the art.

特許請求の範囲により完全に記載されているように、実質的に少なくとも1つの図面に示され、かつ/または関連して説明される、ケイ素のリチウム化が制御されたケイ素系リチウムイオンセルのためのシステムおよび/または方法。 For a silicon-based lithium ion cell with controlled lithiation of silicon substantially as shown in and/or described in connection with at least one drawing, as fully described by the claims system and/or method.

本開示のこれらおよび他の利点、態様および新規の特徴、ならびにその例示された実施形態の詳細は、以下の説明および図面からより完全に理解されるであろう。 These and other advantages, aspects and novel features of the present disclosure, as well as details of illustrative embodiments thereof, will become more fully understood from the following description and drawings.

本開示の例示的な実施形態による、ケイ素系アノードを備えた電池の図である。1 is a diagram of a battery with a silicon-based anode, according to an exemplary embodiment of the present disclosure; FIG. 本開示の例示的な実施形態による、ケイ素系アノードの例示的なリチウム化および脱リチウム化プロセスを示す。4 illustrates exemplary lithiation and delithiation processes for silicon-based anodes, according to exemplary embodiments of the present disclosure. 本開示の例示的な実施形態による、ケイ素系アノードを備えたリチウムイオン電池の電圧プロファイル曲線を示す。4 shows voltage profile curves for a lithium-ion battery with a silicon-based anode, according to an exemplary embodiment of the present disclosure; 本開示の例示的な実施形態による、事前リチウム化ケイ素系アノードの例示的なリチウム化および脱リチウム化プロセスを示す。4 illustrates an exemplary lithiation and delithiation process of a prelithiated silicon-based anode, according to an exemplary embodiment of the present disclosure; 本開示の例示的な実施形態による、事前リチウム化ケイ素系アノードを備えたリチウムイオン電池の電圧プロファイル曲線を示す。4 shows voltage profile curves for a lithium-ion battery with a pre-lithiated silicon-based anode, according to an exemplary embodiment of the present disclosure; 本開示の例示的な実施形態による、事前リチウム化ケイ素アノードのプロセスを示す。4 illustrates a process of pre-lithiated silicon anode, according to an exemplary embodiment of the present disclosure; 本開示の例示的な実施形態による、ケイ素系アノードを備えたセルの高速充電能力を示す。4 shows fast charge capability of cells with silicon-based anodes, according to exemplary embodiments of the present disclosure. 本開示の例示的な実施形態による、ケイ素系アノードセルの充電レートに対するセルサイクル寿命を示すプロットである。4 is a plot showing cell cycle life versus charge rate for a silicon-based anode cell, according to an exemplary embodiment of the present disclosure;

図1は、本開示の例示的な実施形態によるケイ素系アノードを備えた電池の図である。図1を参照すると、集電体107Aおよび107Bを備えたアノード101とカソード105との間に挟持されたセパレータ103を含む電池100が示されている。電池100が放電モードにあるときの例を示す、電池100に結合された負荷109も示されている。本開示において、「電池」という用語は、単一の電気化学セル、モジュールに形成された複数の電気化学セル、および/またはパックに形成された複数のモジュールを示すために使用され得る。 FIG. 1 is a diagram of a battery with a silicon-based anode according to an exemplary embodiment of the disclosure. Referring to FIG. 1, there is shown a battery 100 comprising separator 103 sandwiched between anode 101 and cathode 105 with current collectors 107A and 107B. Also shown is a load 109 coupled to the battery 100, illustrating an example when the battery 100 is in discharge mode. In this disclosure, the term "battery" may be used to indicate a single electrochemical cell, multiple electrochemical cells formed into a module, and/or multiple modules formed into a pack.

携帯型電子デバイスの開発および交通機関の電化は、高性能の電気化学的エネルギー貯蔵の必要性を推進している。小規模(<100Wh)から大規模(>10KWh)のデバイスには、他の充電式電池よりも高性能であるため主にリチウムイオン(Li-ion)電池が使用されている。 The development of portable electronic devices and the electrification of transportation are driving the need for high performance electrochemical energy storage. Small (<100 Wh) to large scale (>10 KWh) devices primarily use lithium-ion (Li-ion) batteries due to their superior performance over other rechargeable batteries.

アノード101およびカソード105は、集電体107Aおよび107Bとともに、電極を含み得、電極は、電解質材料内に、または電解質材料を含むプレートまたはフィルムを含み得、プレートは、電解質を含むための物理的バリアおよび外部構造への導電性接点を提供し得る。他の実施形態では、アノード/カソードプレートは電解質に浸漬され、一方、外側ケーシングは電解質の格納容器を提供する。アノード101およびカソードは、集電体107Aおよび107Bに電気的に結合され、これらは、電極への電気的接触、および電極を形成する際の活物質の物理的支持を提供するための金属または他の導電性材料を含む。 Anode 101 and cathode 105 may comprise electrodes, along with current collectors 107A and 107B, where the electrodes may comprise plates or films within or including the electrolyte material, where the plates may be physical to contain the electrolyte. It can provide conductive contacts to barriers and external structures. In other embodiments, the anode/cathode plates are immersed in the electrolyte, while the outer casing provides a containment vessel for the electrolyte. Anode 101 and cathode are electrically coupled to current collectors 107A and 107B, which are metal or other materials for providing electrical contact to the electrodes and physical support for the active material in forming the electrodes. of conductive material.

図1に示される構成は、放電モードの電池100を示しているが、充電構成では、負荷107を充電器と交換して、プロセスを逆にすることができる。電池の1つの分類では、セパレータ103は、一般に、電気絶縁ポリマーで作られたフィルム材料であり、例えば、イオンが通過するのに十分な多孔性でありながら、電子がアノード101からカソード105に、またはその逆に流れるのを防ぐ。典型的には、セパレータ103、カソード105、およびアノード101の材料は、シート、フィルム、または活物質でコーティングされた箔に個別に形成される。続いて、カソード、セパレータおよびアノードのシートは、カソード105およびアノード101を分離するセパレータ103と共に積層または巻回されて、電池100を形成する。いくつかの実施形態では、セパレータ103はシートであり、通常、その製造において、巻取り方法および積層を利用する。これらの方法では、アノード、カソード、および集電体(例えば、電極)は、フィルムを含み得る。 Although the configuration shown in FIG. 1 shows the battery 100 in discharge mode, in a charging configuration the load 107 can be replaced with a charger and the process reversed. In one class of batteries, the separator 103 is generally a film material made of an electrically insulating polymer, e.g. or vice versa. Typically, the separator 103, cathode 105, and anode 101 materials are individually formed into sheets, films, or foils coated with an active material. The sheets of cathode, separator and anode are then laminated or rolled together with separator 103 separating cathode 105 and anode 101 to form battery 100 . In some embodiments, the separator 103 is a sheet and typically utilizes winding methods and lamination in its manufacture. In these methods, the anode, cathode, and current collectors (eg, electrodes) can comprise films.

例示的なシナリオでは、電池100は、固体、液体、またはゲル電解質を含み得る。セパレータ103は、好ましくは、LiBF、LiAsF、LiPF、およびLiClOなどが溶解したエチレンカーボネート(EC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)などを含み得る組成物などの典型的な電池電解質に溶解しない。セパレータ103は、液体またはゲル電解質で湿らせたり、浸漬したりされ得る。さらに、例示的な実施形態では、セパレータ103は、約100から120℃未満では溶融せず、電池用途に十分な機械的特性を示す。動作中の電池は、アノードおよび/またはカソードの膨張および収縮を経験し得る。例示的な実施形態では、セパレータ103は、故障することなく少なくとも約5から10%膨張および収縮することができ、また可撓性を有し得る。 In an exemplary scenario, battery 100 may include solid, liquid, or gel electrolytes. Separator 103 is preferably made of ethylene carbonate ( EC ), fluoroethylene carbonate (FEC) , propylene carbonate (PC ) , dimethyl carbonate (DMC ) , ethylmethyl It is not soluble in typical battery electrolytes such as compositions that may contain carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), and the like. Separator 103 can be wetted or soaked with a liquid or gel electrolyte. Further, in an exemplary embodiment, separator 103 does not melt below about 100-120° C. and exhibits sufficient mechanical properties for battery applications. A battery in operation may experience expansion and contraction of the anode and/or cathode. In an exemplary embodiment, separator 103 can expand and contract by at least about 5 to 10% without failure and can be flexible.

セパレータ103は、例えば、液体またはゲル電解質で濡れるとイオンがセパレータを通過できるように、十分に多孔性であり得る。代替的に(または追加的に)、セパレータは、有意な多孔性がなくても、ゲル化または他のプロセスを通じて電解質を吸収し得る。セパレータ103の多孔性はまた、一般に、アノード101およびカソード105がセパレータ103を通して電子を伝達することを可能にするほど多孔性ではない。 Separator 103 can be sufficiently porous to allow ions to pass through the separator when wetted with, for example, a liquid or gel electrolyte. Alternatively (or additionally), the separator can imbibe electrolyte through gelation or other processes without significant porosity. The porosity of separator 103 is also generally not porous enough to allow anode 101 and cathode 105 to conduct electrons through separator 103 .

アノード101およびカソード105は、電池100の電極を含み、充電および放電状態において電荷を伝達するためのデバイスへの電気接続を提供する。アノード101は、例えば、ケイ素、炭素、またはこれらの材料の組み合わせを含み得る。典型的なアノード電極は、銅シートなどの集電体を含み、炭素材料を含む。炭素は、優れた電気化学的特性を有し、導電性も有するため、しばしば使用される。充電式リチウムイオン電池で現在使用されているアノード電極は、通常、1グラムあたり約200ミリアンペア時間の比容量を有する。多くのリチウムイオン電池のアノードに使用されている活物質である黒鉛の理論エネルギー密度は、1グラムあたり372ミリアンペア時間(mAh/g)である。それと比較して、ケイ素は4200mAh/gという高い理論容量を有する。リチウムイオン電池の体積および重量エネルギー密度を高めるために、ケイ素をカソードまたはアノードの活物質として使用することができる。ケイ素アノードは、例えば、50%を超えるケイ素を含むケイ素複合材料から形成され得る。 Anode 101 and cathode 105 comprise the electrodes of battery 100 and provide electrical connections to devices for transferring charge during charge and discharge states. Anode 101 may comprise, for example, silicon, carbon, or a combination of these materials. A typical anode electrode includes a current collector such as a copper sheet and includes a carbon material. Carbon is often used because it has excellent electrochemical properties and is also electrically conductive. Anode electrodes currently used in rechargeable lithium-ion batteries typically have a specific capacity of about 200 milliamp-hours per gram. Graphite, the active material used in many lithium-ion battery anodes, has a theoretical energy density of 372 milliampere hours per gram (mAh/g). In comparison, silicon has a high theoretical capacity of 4200 mAh/g. To increase the volumetric and gravimetric energy density of lithium-ion batteries, silicon can be used as the cathode or anode active material. A silicon anode can be formed, for example, from a silicon composite containing greater than 50% silicon.

例示的なシナリオでは、アノード101およびカソード105は、リチウムなどの電荷の分離に使用されるイオンを貯蔵する。この例では、電解質は、例えば図1に示されるように、放電モードでアノード101からカソード105に正に帯電したリチウムイオンを運び、充電モードでセパレータ105を介してその逆に作用する。リチウムイオンの移動は、アノード101に自由電子を生成し、これは、正の集電体107Bで電荷を生成する。次に、電流が、集電体から負荷109を通って負の集電体107Aに流れる。セパレータ103は、電池100内部の電子の流れを遮断する。 In an exemplary scenario, anode 101 and cathode 105 store ions used for charge separation, such as lithium. In this example, the electrolyte carries positively charged lithium ions from anode 101 to cathode 105 in discharge mode and vice versa through separator 105 in charge mode, as shown for example in FIG. Lithium ion migration creates free electrons at anode 101, which create a charge at positive current collector 107B. Current then flows from the current collector through the load 109 to the negative current collector 107A. Separator 103 blocks the flow of electrons inside battery 100 .

電池100が放電して電流を供給している間、アノード101は、セパレータ103を介してリチウムイオンをカソード105に放出し、結合された負荷109を介して一方の側から他方の側に電子の流れを生成する。電池が充電されているときには、リチウムイオンがカソード105によって放出され、アノード101によって受け取られるという反対のことが起こる。 While the battery 100 is discharging and supplying current, the anode 101 releases lithium ions through the separator 103 to the cathode 105, transferring electrons from one side to the other through the coupled load 109. generate flow. The opposite occurs when the battery is being charged, lithium ions being released by the cathode 105 and being received by the anode 101 .

アノード101およびカソード105に選択される材料は、電池100の信頼性およびエネルギー密度に重要である。現在のLiイオン電池のエネルギー、電力、コスト、および安全性は、内燃エンジン(ICE)技術と競争し、電気自動車(EV)の普及を可能にするために改善される必要がある。リチウムイオン電池の高エネルギー密度、高出力密度、および安全性の向上は、高電圧安定性および電極との界面適合性を備えた機能的に不燃性の電解質、高容量および高電圧カソード、ならびに高容量アノードの開発によって達成される。さらに、毒性の低い材料は、プロセスコストを削減し、消費者の安全を促進するための電池材料として有益である。 The materials selected for anode 101 and cathode 105 are important to battery 100 reliability and energy density. The energy, power, cost, and safety of current Li-ion batteries need to be improved to compete with internal combustion engine (ICE) technology and enable the widespread adoption of electric vehicles (EV). The high energy density, high power density, and improved safety of lithium-ion batteries are due to functionally non-flammable electrolytes with high voltage stability and interfacial compatibility with the electrodes, high capacity and high voltage cathodes, and high This is achieved through the development of capacitive anodes. Additionally, materials with low toxicity are beneficial as battery materials to reduce process costs and promote consumer safety.

最先端のリチウムイオン電池は、通常、リチウムの挿入材料として黒鉛系アノードを採用している。しかしながら、ケイ素系アノードは、黒鉛系リチウムイオン電池と比較して改良を提供する。ケイ素は、より高い重量容量(黒鉛の372mAh/gに対して3579mAh/g)および体積容量(黒鉛の890mAh/Lに対して2194mAh/L)を示す。さらに、ケイ素系アノードは、約0.3~0.4Vvs.Li/Liの低いリチウム化/脱リチウム化電圧プラトーを有するため、開回路電位を維持して、望ましくないLiめっきやデンドライトの形成を回避できる。ケイ素は優れた電気化学的活性を示すが、ケイ素系アノードの安定したサイクル寿命を達成することは、リチウム化および脱リチウム化の間のケイ素の大きな体積変化のために困難である。ケイ素領域は、その低い電気伝導性に加えて大きな体積変化がアノード内の周囲の材料からケイ素を分離するため、アノードからの電気的接触を失い得る。 State-of-the-art lithium-ion batteries typically employ graphite-based anodes as the intercalation material for lithium. However, silicon-based anodes offer improvements compared to graphite-based lithium ion batteries. Silicon exhibits a higher gravimetric capacity (3579 mAh/g vs. 372 mAh/g for graphite) and volumetric capacity (2194 mAh/L vs. 890 mAh/L for graphite). Further, silicon-based anodes have a voltage of about 0.3-0.4 V vs. Having a low Li/Li 2 + lithiation/delithiation voltage plateau allows the open circuit potential to be maintained to avoid undesirable Li plating and dendrite formation. Although silicon exhibits excellent electrochemical activity, achieving stable cycle life of silicon-based anodes is difficult due to the large volume change of silicon during lithiation and delithiation. The silicon region can lose electrical contact from the anode because its low electrical conductivity plus large volume changes separate the silicon from the surrounding material within the anode.

さらに、大きなケイ素の体積変化は、固体電解質界面(SEI)形成を悪化させ、これは、電気的絶縁、したがって、容量損失にさらにつながり得る。充放電サイクル時のケイ素粒子の膨張と収縮により、ケイ素粒子が粉砕され、比表面積が増加する。サイクル中にケイ素の表面積が変化して増加すると、SEIは繰り返し分解されて再形成される。したがって、サイクル中に、SEIが粉砕ケイ素領域の周囲に継続的に蓄積され、厚い電子およびイオン絶縁層となる。この蓄積されたSEIは、電極のインピーダンスを増加させ、電極の電気化学的反応性を低下させ、サイクル寿命に悪影響を及ぼす。 In addition, large silicon volume changes exacerbate solid electrolyte interface (SEI) formation, which can further lead to electrical isolation and thus capacity loss. The expansion and contraction of the silicon particles during charge/discharge cycles pulverize the silicon particles and increase the specific surface area. As the silicon surface area changes and increases during cycling, the SEI is repeatedly decomposed and reformed. Therefore, during cycling, SEI continues to accumulate around the crushed silicon regions, resulting in thick electronic and ionic insulating layers. This accumulated SEI increases electrode impedance, reduces electrode electrochemical reactivity, and adversely affects cycle life.

その高い比容量、豊富さおよび低コストのために、ケイ素は、リチウムイオンアノードのための有望な活物質である。しかしながら、リチウム化および脱リチウム化中の大きな体積変化(>300%の体積変化)は、電極の機械的劣化および不安定なSEIを引き起こし、電極の膨張およびセルのサイクル寿命の低下につながる。ケイ素系アノードは、ケイ素アノードのリチウム化が特定の範囲に維持されていると最高の性能を発揮する。そのような性能を達成するために、例えば図2に示された基準に従ってセルを設計することができる。ケイ素材料には、所望のセル動作のためのリチウム化の上限と下限がある。上限xは、サイクル寿命に大きな影響を与えることなくケイ素が受け入れることができる最大リチウム含有量に対応する。下限xは、最小閾値レベルに対応、つまりサイクル寿命を最大化するためにケイ素構造に残す必要のある最小残留リチウム含有量に対応する。リチウム化レベルがこのレベルを下回ると、サイクル毎にサイクル寿命が低下する。室温で完全にリチウム化されたケイ素の段階はLi3.75Siであり、これはケイ素の最大理論容量3579mAh/gに相当し、黒鉛の最大理論容量(372mAh/g)よりもはるかに高い。 Due to its high specific capacity, abundance and low cost, silicon is a promising active material for lithium ion anodes. However, large volume changes (>300% volume change) during lithiation and delithiation cause mechanical degradation of the electrode and unstable SEI, leading to electrode swelling and poor cell cycle life. Silicon-based anodes perform best when the lithiation of the silicon anode is maintained within a specific range. To achieve such performance, the cell can be designed according to the criteria shown in FIG. 2, for example. Silicon materials have upper and lower lithiation limits for desired cell operation. The upper limit xH corresponds to the maximum lithium content that silicon can accept without significantly affecting cycle life. The lower limit x L corresponds to the minimum threshold level, ie the minimum residual lithium content that must remain in the silicon structure to maximize cycle life. Below this level of lithiation, the cycle life decreases from cycle to cycle. The fully lithiated silicon stage at room temperature is Li 3.75 Si, which corresponds to a maximum theoretical capacity of 3579 mAh/g for silicon, which is much higher than that of graphite (372 mAh/g).

セルは、カソードから来るリチウムの最大量xがxを超えないように設計され得る。同様に、放電後にアノードに残留するリチウムの最小量(x)は、xよりも高くなければならない。本開示では、ケイ素が部分的に事前リチウム化され、次いで動作中にリチウム化/脱リチウム化されて、目標のセル容量およびエネルギーを達成するセル設計が記載される。事前リチウム化とは、電池の充電および放電中に発生するリチウム化/脱リチウム化とは対照的に、アノードの製造時にリチウムがケイ素に組み込まれることを意味するものであり、放電時にこの事前リチウム化は脱リチウム化されない。 The cell can be designed so that the maximum amount of lithium coming from the cathode, xC , does not exceed xH . Similarly, the minimum amount of lithium remaining in the anode after discharge (x D ) must be higher than x L . This disclosure describes a cell design in which silicon is partially prelithiated and then lithiated/delithiated during operation to achieve target cell capacity and energy. Pre-lithiation means that lithium is incorporated into the silicon during manufacture of the anode, as opposed to the lithiation/delithiation that occurs during charging and discharging of the battery, and this pre-lithiation during discharge. is not delithiated.

図2は、本開示の例示的な実施形態による、ケイ素系アノードの例示的なリチウム化および脱リチウム化プロセスを示す。図2を参照すると、カソードおよびケイ素系アノードのリチウム化レベルが示されている。カソードのリチウム化レベルは、充電プロセスでアノードに移動し得る量ΔLiを示し、アノードのリチウム化レベルがxからxに上昇する。アノードのリチウム化レベルは、0から3.75のスケールで示され、3.75は、ケイ素の完全にリチウム化された段階Li3.75Siを示す。量ΔLiは、カソード内の電荷キャリアの数及びカソード放電カットオフ電圧の関数であり得る。したがって、この例では、アノードのリチウム化はカットオフ電圧によって制御され、最良のサイクル寿命を得るには、x以上に保つ必要がある。放電されたリチウム化レベルxは、アノードとカソードの不可逆電荷Qirr,アノードおよびQirr,カソード、ならびにカットオフ電圧の関数であり、充電したリチウム化レベルxは、材料の電荷の数の関数である。 FIG. 2 shows an exemplary lithiation and delithiation process of a silicon-based anode, according to exemplary embodiments of the present disclosure. Referring to FIG. 2, the lithiation levels of the cathode and silicon-based anode are shown. The lithiation level of the cathode indicates the amount Δ Li that can migrate to the anode in the charging process, increasing the lithiation level of the anode from x D to x C . The lithiation level of the anode is given on a scale of 0 to 3.75, with 3.75 indicating the fully lithiated stage Li 3.75 Si of silicon. The quantity Δ Li can be a function of the number of charge carriers in the cathode and the cathode discharge cutoff voltage. Therefore, in this example, the lithiation of the anode is controlled by the cutoff voltage and should be kept above x L for best cycle life. The discharged lithiation level xD is a function of the anode and cathode irreversible charges Qirr , the anode and Qirr, the cathode , and the cut-off voltage, and the charged lithiation level xC is the number of charges in the material. is a function.

図3は、本開示の例示的な実施形態による、ケイ素系アノードを備えたリチウムイオン電池の電圧プロファイル曲線を示す。図3を参照すると、アノードおよびカソードの電圧プロファイル曲線、フルセル電圧を示す矢印が記載された垂直線、およびこれらの様々なフルセル電圧のx軸上のアンペア時セル容量が示されている。 FIG. 3 shows voltage profile curves for a lithium-ion battery with a silicon-based anode, according to an exemplary embodiment of the present disclosure. Referring to FIG. 3, the voltage profile curves for the anode and cathode, the vertical line with arrows indicating the full cell voltage, and the ampere-hour cell capacity on the x-axis for these various full cell voltages are shown.

この例では、カソードの総充電容量は、アノードの総容量の半分である。放電中、セル電圧は、図2に関して説明したように、アノードに残留するリチウムの量が、臨界量xよりも高くなるように制御され得る。この特定のセルの場合、2.7Vでのセル容量は5.963mAh、3.1Vでのセル容量は総容量の76.4%に相当する4.555mAh、3.2Vでのセル容量は総容量の61.0%に相当する3.638mAh、3.3Vでのセル容量は総容量の52.6%に相当する3.136mAhである。 In this example, the total charge capacity of the cathode is half the total capacity of the anode. During discharge, the cell voltage can be controlled such that the amount of lithium remaining at the anode is higher than the critical amount xL , as described with respect to FIG. For this particular cell, the cell capacity at 2.7V is 5.963mAh, the cell capacity at 3.1V is 4.555mAh, which is 76.4% of the total capacity, and the cell capacity at 3.2V is The cell capacity at 3.3V is 3.638mAh, corresponding to 61.0% of the capacity, and the cell capacity is 3.136mAh, corresponding to 52.6% of the total capacity.

図4は、本開示の例示的な実施形態による、事前リチウム化されたケイ素系アノードの例示的なリチウム化および脱リチウム化プロセスを示す。図4を参照すると、カソード401およびケイ素系アノード403のリチウム化レベル範囲が示されている。この例は、放電中のセル電圧を制限することを必要とせず、放電後にアノードに残留するリチウムの量(x)を制御する別の方法を示す。これは、アノードを事前にリチウム化するか、セルの放電電圧に関係なくxがxよりも高い状態となるように、十分に高い不可逆容量のカソードを使用することである。前述と同様に、アノードのリチウム化レベルは0から3.75のスケールで示され、3.75はケイ素の完全にリチウム化された段階Li3.75Siを示す。 FIG. 4 shows an exemplary lithiation and delithiation process of a prelithiated silicon-based anode, according to exemplary embodiments of the present disclosure. Referring to FIG. 4, the lithiation level ranges for cathode 401 and silicon-based anode 403 are shown. This example shows another way to control the amount of lithium (x D ) remaining in the anode after discharge without the need to limit the cell voltage during discharge. This is either pre-lithiation of the anode or use of a sufficiently high irreversible capacity cathode such that xD remains higher than xL regardless of the cell's discharge voltage. As before, the lithiation level of the anode is given on a scale of 0 to 3.75, 3.75 indicating the fully lithiated stage of silicon Li 3.75 Si.

図4のカソードのリチウム化レベルは、図2に記載されるような充電プロセスにおいてアノード403に移動され得る量ΔLi405を示すが、この例では、ケイ素アノードは、事前リチウム化407として示されるように事前リチウム化され、その結果、事前リチウム化により、利用されるカットオフ電圧に関わらず、リチウム化レベルがxを超えることが保証される。この例では、事前リチウム化により、xとxの制限内にとどまりつつ、カソード容量を最大限に活用することが可能となる。 The cathode lithiation level in FIG. 4 shows the amount Δ Li 405 that can be transferred to the anode 403 in the charging process as described in FIG. so that prelithiation ensures that the lithiation level exceeds x L regardless of the cutoff voltage utilized. In this example, pre-lithiation allows for maximum utilization of the cathode capacity while staying within x L and x H limits.

図5は、本開示の例示的な実施形態による、事前リチウム化されたケイ素系アノードを備えたリチウムイオン電池の電圧プロファイル曲線を示す。図5を参照すると、アノードおよびカソードの電圧プロファイル曲線、フルセル電圧を示す矢印が記載された垂直線、および様々なフルセル電圧でのx軸上のアンペア時セル容量が示されている。さらに、(1)「失われた」リチウム、(2)「活性」リチウムまたはリチウム貯蔵、および(3)事前リチウム化が示されている。 FIG. 5 shows voltage profile curves for a lithium-ion battery with a pre-lithiated silicon-based anode, according to an exemplary embodiment of the present disclosure. Referring to FIG. 5, there are shown anode and cathode voltage profile curves, a vertical line with arrows indicating full cell voltage, and ampere-hour cell capacity on the x-axis at various full cell voltages. In addition, (1) "lost" lithium, (2) "active" lithium or lithium storage, and (3) prelithiation are shown.

図3の事前リチウム化なしのアノードと比較して、アノードの事前リチウム化(3)により、アノードの電圧曲線は、11mAhのピークを有してより高い容量まで延びている。事前リチウム化が20%のこの特定のセルの場合、2.7Vでのセル容量は6.297mAh、3.1Vでは総容量の92%に相当する5.793mAh、3.2Vでは総容量の79.4%に相当する5.000mAh、3.3Vでは総容量の52.5%に相当する3.306mAhであり、事前リチウム化されていないセルよりも大幅に改善されていることを示している。 With prelithiation of the anode (3), the voltage curve of the anode extends to a higher capacity with a peak at 11 mAh compared to the anode without prelithiation in FIG. For this particular cell with 20% prelithiation, the cell capacity at 2.7 V is 6.297 mAh, at 3.1 V it is 5.793 mAh, corresponding to 92% of the total capacity, and at 3.2 V it is 79 mAh of the total capacity. 5.000 mAh, corresponding to .4%, and 3.306 mAh, corresponding to 52.5% of the total capacity at 3.3V, indicating a significant improvement over the non-prelithiated cells. .

さらに、改善されたセル容量に加えて、事前リチウム化によりさらに、1)リチウムイオンセルの充電および放電サイクル中のケイ素の制御された膨張および収縮が可能となり、これにより、ケイ素粒子の亀裂、粉砕、およびSEI成長を最小化する;2)制御されたケイ素の膨張/収縮およびケイ素アノードの電圧ウィンドウにより、サイクル寿命中のセル容量の低下が減少する;3)良好なサイクル寿命と制限されたセルの膨張を維持しつつ、アノード材料としてケイ素を使用したリチウムイオンセルのカソード容量利用を最大化する;4)ケイ素は過リチウム化できない範囲で使用され、粒子への応力が最小化されるため、高速充電が可能となり、これにより、図7および図8に関して説明したように、セルの高レート充電およびサイクルが可能となる。 Furthermore, in addition to improved cell capacity, prelithiation also enables 1) controlled expansion and contraction of silicon during charge and discharge cycles of lithium-ion cells, which leads to cracking, shattering of silicon particles; 2) controlled silicon expansion/contraction and silicon anode voltage window reduces cell capacity degradation during cycle life; 3) good cycle life and limited cell maximizing cathode capacity utilization in lithium-ion cells using silicon as the anode material while maintaining the expansion of the Fast charging is enabled, which allows high rate charging and cycling of the cells as described with respect to FIGS.

図6は、本開示の例示的な実施形態による、事前リチウム化ケイ素アノードプロセスを示す。図6に示されるように、プロセスは、例えば、ケイ素系アノードが3%から95%の間のリチウム化レベルに事前リチウム化され得るステップ601から開始される。電池またはセルは、ステップ603において、事前リチウム化ケイ素アノード、カソード、および電解質で形成され得る。 FIG. 6 illustrates a pre-lithiated silicon anode process, according to an exemplary embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 6, the process begins at step 601 where, for example, a silicon-based anode can be pre-lithiated to a lithiation level between 3% and 95%. A battery or cell may be formed in step 603 with a pre-lithiated silicon anode, cathode, and electrolyte.

ステップ605において、電池のサイクル寿命に悪影響を与えることを回避するために、リチウム化レベルがxに達するまで(x未満に保たれる)、アノードがカソードからリチウムによってリチウム化されるように電池が充電され得る。図4に関して先に説明ように、移動するリチウムの総量は、ΔLiであり得る。第1の例では、xの範囲は1.125から3.5625であり、これは30%から95%のケイ素リチウム化に相当し、3.75はケイ素の最大リチウム化である。第2の例では、xの範囲は1.125から3.1875であり、これは30%から85%のケイ素リチウム化に相当する。第3の例では、xの範囲は1.125から2.8125であり、これは30%から75%のケイ素リチウム化に相当する。第4の例では、xの範囲は1.125から2.4375であり、これは30%から65%のケイ素リチウム化に相当する。第5の例では、xの範囲は1.125から1.875であり、これは30%から50%のケイ素リチウム化に相当する。 In step 605, the anode is lithiated with lithium from the cathode until the lithiation level reaches xC (held below xH ) to avoid adversely affecting the cycle life of the battery. A battery can be charged. As described above with respect to FIG. 4, the total amount of lithium transferred can be Δ Li . In the first example, the range of xC is from 1.125 to 3.5625, which corresponds to 30% to 95% silicon lithiation, with 3.75 being the maximum lithiation of silicon. In a second example, the range of xC is from 1.125 to 3.1875, which corresponds to a silicon lithiation of 30% to 85%. In a third example, the range of xC is from 1.125 to 2.8125, which corresponds to a silicon lithiation of 30% to 75%. In a fourth example, the range of xC is 1.125 to 2.4375, which corresponds to 30% to 65% silicon lithiation. In a fifth example, the range of xC is 1.125 to 1.875, which corresponds to 30% to 50% silicon lithiation.

ステップ607において、電池は、アノードが、事前リチウム化に起因してxより大きく維持されるレベルxまで脱リチウム化され、リチウムがカソードに戻るように放電され得る。第1の例では、xの範囲は0.12から1.875であり、これはケイ素における3%から50%の残留リチウムに相当する。第2の例では、xの範囲は0.12から1.5であり、これはケイ素における3%から40%の残留リチウムに相当する。第3の例では、xの範囲は0.12から1.125であり、これはケイ素における3%から30%の残留リチウムに相当する。第4の例では、xの範囲は0.12から0.75であり、これはケイ素における3%から20%の残留リチウムに相当する。第1の例では、xの範囲は0.12から0.375であり、これはケイ素における3%から10%の残留リチウムに相当する。 In step 607, the cell may be delithiated to a level xD , where the anode remains greater than xL due to prelithiation, and discharged such that the lithium returns to the cathode. In the first example, xD ranges from 0.12 to 1.875, which corresponds to 3% to 50% residual lithium on silicon. In a second example, the range of xD is 0.12 to 1.5, which corresponds to 3% to 40% residual lithium on silicon. In a third example, xD ranges from 0.12 to 1.125, which corresponds to 3% to 30% residual lithium on silicon. In a fourth example, the range of xD is 0.12 to 0.75, which corresponds to 3% to 20% residual lithium on silicon. In the first example, the range of xD is 0.12 to 0.375, which corresponds to 3% to 10% residual lithium on silicon.

ステップ609において、セル電圧が依然として許容可能である場合、すなわち、セルがそのサイクル寿命の終わりにない場合、プロセスは、ステップ605に戻って、再び充電および放電され得る。 In step 609, if the cell voltage is still acceptable, ie, the cell is not at the end of its cycle life, the process can return to step 605 and be charged and discharged again.

図7は、本開示の例示的な実施形態による、ケイ素系アノードを備えたセルの高速充電能力を示す。図1を参照する。図7を参照すると、従来の黒鉛アノードを備えたセルの充電曲線と、4C、5.6C、および10Cの充電レートでの事前リチウム化ケイ素系アノードを備えたセルの充電曲線が示されている。プロットで示されているように、ケイ素系アノードセルは非常に高いレートで充電することができる。したがって、ケイ素のリチウム化レベルは、セルの設計および/またはケイ素アノードの最良の使用によって制御される。セルの最高の性能を得るためにはリチウム貯蔵が必要であり、貯蔵は、図2および3に関して説明した方法で、カソードを利用することによって、または図4および5に関して説明した事前リチウム化を介して形成され得る。 FIG. 7 illustrates fast charging capability of cells with silicon-based anodes, according to exemplary embodiments of the present disclosure. Please refer to FIG. Referring to FIG. 7, charging curves for a cell with a conventional graphite anode and a cell with a pre-lithiated silicon-based anode at charge rates of 4C, 5.6C and 10C are shown. . As indicated by the plot, silicon-based anode cells can be charged at very high rates. Therefore, the lithiation level of silicon is controlled by the cell design and/or the best use of the silicon anode. Lithium storage is required for best cell performance, either by utilizing the cathode in the manner described with respect to FIGS. can be formed by

図8は、本開示の例示的な実施形態による、ケイ素系アノードセルのセルサイクル寿命対充電レートを示すプロットである。ほぼ同一直線上にあるプロットで示されているように、0.5Cで充電されたセルと比較して、4Cレートで充電されたセルのセル寿命に本質的な違いはない。両方のセルは、500サイクルまで容量の92%を維持する。 FIG. 8 is a plot showing cell cycle life versus charge rate for a silicon-based anode cell, according to an exemplary embodiment of the present disclosure; As shown by the nearly collinear plots, there is essentially no difference in cell life for cells charged at a 4C rate compared to cells charged at 0.5C. Both cells retain 92% of their capacity up to 500 cycles.

本開示の例示的な実施形態では、ケイ素のリチウム化が制御されたケイ素系リチウムイオンセルのための方法およびシステムが説明されている。電池は、カソードと、電解質と、アノードとを含み得る。アノードは、最小閾値レベルを超えるように構成された放電後のレベルでリチウム化されたケイ素を含み得、リチウム化の最小閾値は3%のケイ素リチウム化である。放電後のケイ素リチウム化レベルは、アノードの放電電圧によって構成され得る。放電後のケイ素リチウム化レベルは、ケイ素の事前リチウム化レベルによって構成され得る。放電後のケイ素リチウム化レベルは、カソードの不可逆放電容量によって構成され得る。電池を充電した後のケイ素のリチウム化レベルは、30%から95%のケイ素リチウム化、30%から75%のケイ素リチウム化、30%から65%のケイ素リチウム化、または30%から50%のケイ素リチウム化の範囲であり得る。電池を放電した後のケイ素のリチウム化レベルは、3%から50%のケイ素リチウム化、3%から30%のケイ素リチウム化、または3%から10%のケイ素リチウム化の範囲であり得る。最小閾値レベルは、それを下回ると電池のサイクル寿命が低下するリチウム化レベルであり得る。電解質は、液体、固体、またはゲルを含み得る。 Exemplary embodiments of the present disclosure describe methods and systems for silicon-based lithium-ion cells with controlled lithiation of silicon. A battery may include a cathode, an electrolyte, and an anode. The anode may contain silicon lithiated at a post-discharge level configured to exceed a minimum threshold level, the minimum threshold for lithiation being 3% silicon lithiation. The silicon lithiation level after discharge can be configured by the anode discharge voltage. The post-discharge silicon lithiation level may be constituted by the pre-lithiation level of silicon. The silicon lithiation level after discharge can be constituted by the irreversible discharge capacity of the cathode. The level of silicon lithiation after charging the battery may range from 30% to 95% silicon lithiated, from 30% to 75% silicon lithiated, from 30% to 65% silicon lithiated, or from 30% to 50% silicon lithiated. It can range from silicon lithiation. The level of silicon lithiation after discharging the battery can range from 3% to 50% silicon lithiated, from 3% to 30% silicon lithiated, or from 3% to 10% silicon lithiated. A minimum threshold level may be a lithiation level below which the cycle life of the battery is degraded. Electrolytes may include liquids, solids, or gels.

別の例示的な実施形態では、電池で使用するアノードのための方法およびシステムについて説明され、アノードは、リチウムイオン電池に組み込まれると、放電時に最小閾値レベルを超えてリチウム化されるケイ素を含み、放電後のケイ素のリチウム化レベルは、アノードの放電電圧またはケイ素の事前リチウム化レベルによって構成される。 In another exemplary embodiment, a method and system for an anode for use in a battery is described, the anode comprising silicon that is lithiated above a minimum threshold level upon discharge when incorporated into a lithium ion battery. , the lithiation level of silicon after discharge is constituted by the discharge voltage of the anode or the pre-lithiation level of silicon.

本明細書で使用される場合、「回路」との用語は、物理的な電子部品(すなわち、ハードウェア)、ならびにハードウェアを構成し、ハードウェアによって実行され、かつ/またはそれ以外の場合は、ハードウェアに関連付けられ得る、ソフトウェアおよび/またはファームウェア(「コード」)を意味する。本明細書で使用される場合、例えば、特定のプロセッサおよびメモリは、第1の1行以上のコードを実行する場合に第1の「回路」を含み得、第2の1行以上のコードを実行する場合に第2の「回路」を含み得る。本明細書で使用される場合、「および/または」とは、「および/または」によって結びつけられたリスト内の任意の1つまたは複数の項目を意味する。例として、「xおよび/またはy」は、3つの要素のセット{(x)、(y)、(x、y)}の任意の要素を意味する。言い換えると、「xおよび/またはy」は「xとyの一方または両方」を意味する。別の例として、「x、y、および/またはz」は、7つの要素のセット{(x)、(y)、(z)、(x、y)、(x、z)、(y、z)、(x、y、z)}の任意の要素を意味する。言い換えると、「x、yおよび/またはz」は「x、y、およびzの1つまたは複数」を意味する。本明細書で使用される場合、「例示的」との用語は、非限定的な例、実例、または例示として機能することを意味する。本明細書で使用される場合、「例えば」との用語は、1つまたは複数の非限定的な例、実例、または例示のリストを示す。本明細書で使用される場合、回路またはデバイスは、機能の実行が無効であるか有効でないかにかかわらず(例えば、ユーザが設定可能な設定、工場出荷時の調整などによる)、回路またはデバイスが機能を実行するために必要なハードウェアおよびコード(必要な場合)を含む限り、機能を実行するために「動作可能」である。 As used herein, the term "circuit" refers to physical electronic components (i.e., hardware) as well as hardware that constitutes, is executed by, and/or otherwise , means software and/or firmware (“code”), which may be associated with hardware. As used herein, for example, a particular processor and memory may include a first "circuitry" in executing a first line or lines of code, and executing a second line or lines of code. When implemented, it may include a second "circuitry". As used herein, "and/or" means any one or more items in the list linked by "and/or." By way of example, "x and/or y" means any element of the set of three elements {(x), (y), (x, y)}. In other words, "x and/or y" means "one or both of x and y." As another example, "x, y, and/or z" is a set of seven elements {(x), (y), (z), (x, y), (x, z), (y, z), (x, y, z)}. In other words, "x, y and/or z" means "one or more of x, y, and z." As used herein, the term "exemplary" means serving as a non-limiting example, instance, or illustration. As used herein, the term "for example" refers to a list of one or more non-limiting examples, instances, or illustrations. As used herein, a circuit or device is defined as a circuit or device whether or not its function is disabled or disabled (e.g., due to user-configurable settings, factory adjustments, etc.). is "operable" to perform a function as long as it contains the necessary hardware and code (if necessary) to perform that function.

本発明は、特定の実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、等価物と置き換えることができることが理解されよう。さらに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、その範囲から逸脱することなく多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図されている。 Although the present invention has been described with reference to particular embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that various changes can be made and equivalents substituted without departing from the scope of the invention. Yo. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the invention without departing from its scope. Accordingly, it is intended that the invention not be limited to the particular embodiments disclosed, but that the invention include all embodiments falling within the scope of the appended claims.

Claims (26)

カソードと、電解質と、アノードとを備えた電池であって、
前記アノードが、放電後に最小閾値レベルを超えるように構成されたレベルでリチウム化されたケイ素を含み、
最小閾値のリチウム化は3%のケイ素のリチウム化である、電池。
A battery comprising a cathode, an electrolyte and an anode,
wherein the anode comprises silicon lithiated at a level configured to exceed a minimum threshold level after discharge;
A battery wherein the minimum threshold lithiation is 3% silicon lithiation.
放電後のケイ素のリチウム化レベルが前記アノードの放電電圧によって構成される、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the lithiation level of silicon after discharge is constituted by the anode discharge voltage. 放電後のケイ素のリチウム化レベルが、ケイ素の事前リチウム化によって最小閾値レベルを超えることが保証される、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the lithiation level of silicon after discharge is ensured to exceed a minimum threshold level by pre-lithiation of silicon. 放電後のケイ素のリチウム化レベルが、前記カソードの不可逆放電容量によって構成される、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the lithiation level of silicon after discharge is constituted by the irreversible discharge capacity of the cathode. 前記電池の充電後のケイ素のリチウム化レベルが、30%から95%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the silicon lithiation level after charging of the battery ranges from 30% to 95% silicon lithiation. 前記電池の充電後のケイ素のリチウム化レベルが、30%から75%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the silicon lithiation level after charging of the battery ranges from 30% to 75% silicon lithiation. 前記電池の充電後のケイ素のリチウム化レベルが、30%から65%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the silicon lithiation level after charging of the battery ranges from 30% to 65% silicon lithiation. 前記電池の充電後のケイ素のリチウム化レベルが、30%から50%のケイ素リチウム化の範囲である、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the silicon lithiation level after charging of the battery ranges from 30% to 50% silicon lithiation. 前記電池の放電後のケイ素のリチウム化レベルが、3%から50%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the level of silicon lithiation after discharge of the battery ranges from 3% to 50% silicon lithiation. 前記電池の放電後のケイ素のリチウム化レベルが、3%から30%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the level of silicon lithiation after discharge of the battery ranges from 3% to 30% silicon lithiation. 前記電池の放電後のケイ素のリチウム化レベルが、3%から10%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the level of silicon lithiation after discharge of the battery ranges from 3% to 10% silicon lithiation. 最小閾値レベルが、それを下回ると電池のサイクル寿命が低下するリチウム化レベルである、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein the minimum threshold level is a lithiation level below which the cycle life of the battery is degraded. 前記電解質が、液体、固体、またはゲルを含む、請求項1に記載の電池。 2. The battery of claim 1, wherein said electrolyte comprises a liquid, solid, or gel. アノードと、カソードと、電解質とを含む電池を形成するステップであって、前記アノードがケイ素を含む、形成するステップと、
前記アノードをリチウム化するように前記電池を充電するステップと、
前記電池を放電するステップであって、前記アノードのリチウム化レベルが、放電後に最小閾値レベルを超えたままであり、最小閾値のリチウム化が3%のケイ素のリチウム化である、放電するステップと、
を含む、方法。
forming a battery comprising an anode, a cathode, and an electrolyte, wherein the anode comprises silicon;
charging the battery to lithiate the anode;
discharging the battery, wherein the anode lithiation level remains above a minimum threshold level after discharge, the minimum threshold lithiation being 3% silicon lithiation;
A method, including
前記アノードの放電電圧によって、放電後のケイ素のリチウム化レベルを構成するステップを含む、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, comprising configuring the lithiation level of silicon after discharge by the anode discharge voltage. 放電後のケイ素のリチウム化レベルが、ケイ素の事前リチウム化を利用して最小閾値レベルを超えることを確実にするステップを含む、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, comprising ensuring that the lithiation level of silicon after discharge exceeds a minimum threshold level using pre-lithiation of silicon. 前記カソードの不可逆放電容量によって、放電後のケイ素のリチウム化レベルを構成するステップを含む、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, comprising configuring the lithiation level of silicon after discharge by the irreversible discharge capacity of the cathode. 前記電池を充電した後のケイ素のリチウム化レベルが、30%から95%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein the lithiation level of silicon after charging the battery ranges from 30% to 95% lithiation of silicon. 前記電池を充電した後のケイ素のリチウム化レベルが、30%から75%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein the lithiation level of silicon after charging the battery ranges from 30% to 75% lithiation of silicon. 前記電池を充電した後のケイ素のリチウム化レベルが、30%から65%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein the lithiation level of silicon after charging the battery ranges from 30% to 65% lithiation of silicon. 前記電池を充電した後のケイ素のリチウム化レベルが、30%から50%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein the lithiation level of silicon after charging the battery ranges from 30% to 50% lithiation of silicon. 前記電池を放電した後のケイ素のリチウム化レベルが、3%から50%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein the lithiation level of silicon after discharging the battery ranges from 3% to 50% lithiation of silicon. 前記電池を放電した後のケイ素のリチウム化レベルが、3%から30%のケイ素のリチウム化の範囲である、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein the lithiation level of silicon after discharging the battery ranges from 3% to 30% lithiation of silicon. 前記電池を放電した後のケイ素のリチウム化レベルが、3%から10%のケイ素リチウム化の範囲である、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein the lithiation level of silicon after discharging the battery ranges from 3% to 10% lithiation of silicon. 前記最小閾値レベルが、それを下回ると電池のサイクル寿命が低下するリチウム化レベルである、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein the minimum threshold level is a lithiation level below which battery cycle life is degraded. 電池に使用するためのアノードであって、前記アノードが、リチウムイオン電池に組み込まれると、放電時に最小閾値レベルを超えてリチウム化されるケイ素を含み、放電後のケイ素のリチウム化レベルが、前記アノードの放電電圧によって、またはケイ素の事前リチウム化レベルによって構成される、アノード。 An anode for use in a battery, said anode comprising silicon that is lithiated above a minimum threshold level upon discharge when incorporated into a lithium ion battery, wherein the level of lithiation of silicon after discharge is equal to said An anode configured by the discharge voltage of the anode or by the pre-lithiation level of silicon.
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