JP2023545832A - Advanced lithium-ion energy storage device - Google Patents

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Abstract

【要約】リチウムイオンキャパシタは、バインダーフリー正電極活性層及び負電極活性層を含む。このキャパシタは、高いエネルギー密度、出力密度及びサイクル寿命を示し、電気二重層キャパシタとリチウムイオン電池との間の性能の良好な妥協点を提供する。【選択図】図1Abstract: A lithium ion capacitor includes a binder-free positive electrode active layer and a negative electrode active layer. This capacitor exhibits high energy density, power density and cycle life, providing a good compromise in performance between electric double layer capacitors and lithium ion batteries. [Selection diagram] Figure 1

Description

関連参照の相互参照
本出願は、2020年10月19日出願の「Advanced Lithium-Ion Energy Storage Device」と題する米国仮特許出願第63/093441号、2020年5月8日出願の「Wide Temperature Electrolyte」と題する米国仮特許出願第63/021492号、2020年3月24日発行の「Composite Electrode」と題する米国特許第10,600,582号、2015年4月7日発行の「High power and high energy electrodes using carbon nanotubes」と題する米国特許第9,001,495号、及び2015年12月22日発行の「Energy storage media for ultracapacitors」と題する米国特許第9,218,917号に関連しており、これらの開示全体は、あらゆる目的のために、参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED REFERENCES This application is incorporated by reference in U.S. Provisional Patent Application No. 63/093441, entitled "Advanced Lithium-Ion Energy Storage Device," filed October 19, 2020; lyte U.S. Provisional Patent Application No. 63/021492 entitled "Composite Electrode" issued March 24, 2020, U.S. Patent No. 10,600,582 entitled "Composite Electrode" issued April 7, 2015, "High power and high U.S. Patent No. 9,001,495 entitled “Energy storage media for ultracapacitors” issued December 22, 2015. , No. 218,917. , the entire disclosures of which are incorporated herein by reference for all purposes.

本明細書に開示される発明は、エネルギー貯蔵デバイスに関し、具体的には、実質的にバインダー材料を用いずに作製されるリチウム含有電極に関する。 TECHNICAL FIELD The invention disclosed herein relates to energy storage devices, and specifically to lithium-containing electrodes made substantially without binder materials.

リチウム(Li)イオン電池(LiB)及び電気二重層キャパシタ(EDLC)は、2つの広く使用されている電気化学的エネルギー貯蔵デバイスである。典型的なLiBは、リチウム(Li)がインターカレートされた陽極及びLi金属酸化物陰極を用いて作製(したがって、エネルギー貯蔵の還元プロセス又はファラデー的メカニズム)され、一方、EDLCは、陽極及び陰極の両方に対して高表面積の活性炭(AC)を用いて作製される(したがって、二重層キャパシタンス又は非ファラデー形態のエネルギー貯蔵に依存している)。その様々なエネルギー貯蔵メカニズムの結果として、これらのデバイスでは、そのエネルギー及び電力性能が異なっている。LiBは、例えば100~250Wh/kgの高い比エネルギーを示すが、LiBはまた、<0.5kW/kgの低い比出力及び<5,000サイクルの不十分なサイクル寿命を有する。EDLCは、10kW/kgの高い比出力及び100,000サイクルを超える長いサイクル寿命を有するが、EDLCは、6Wh/kg未満のはるかに低い比エネルギーを示す。 Lithium (Li) ion batteries (LiB) and electric double layer capacitors (EDLC) are two widely used electrochemical energy storage devices. A typical LiB is made with a lithium (Li) intercalated anode and a Li metal oxide cathode (hence the reductive process or Faradic mechanism of energy storage), whereas EDLC is made with an anode and a cathode. are fabricated using high surface area activated carbon (AC) for both (thus relying on double layer capacitance or non-Faradaic forms of energy storage). As a result of their various energy storage mechanisms, these devices differ in their energy and power performance. Although LiB exhibits high specific energy, for example 100-250 Wh/kg, LiB also has a low specific power of <0.5 kW/kg and an insufficient cycle life of <5,000 cycles. Although EDLC has a high specific power of 10 kW/kg and a long cycle life of over 100,000 cycles, EDLC exhibits a much lower specific energy of less than 6 Wh/kg.

LiB及びEDLCの利点を単一の形態で組み合わせることができるエネルギー貯蔵デバイスが強く望まれている。新世代のスーパーキャパシタとして、Liイオンキャパシタ(LiC)は、EDLC陰極とプレリチウム化された陽極とを含む先進的なエネルギー貯蔵デバイスであり、EDLC陰極とプレリチウム化された陽極との間で充電及び放電プロセス中にイオンが往復する。プレリチウム化された低表面陽極材料を使用するため、LiCは4.0Vという高い電圧まで充電でき、これはEDLCよりもはるかに高く、LiBと同等である。LiCはLiBよりもはるかに高い出力密度を達成することができるが、LiCのエネルギー密度は約10~20Wh/kgであり、これは依然としてLiBよりもはるかに低い。したがって、LiCエネルギー貯蔵デバイスのエネルギー密度は、更に改善する必要がある。 Energy storage devices that can combine the advantages of LiB and EDLC in a single form are highly desirable. As a new generation of supercapacitors, Li-ion capacitor (LiC) is an advanced energy storage device that includes an EDLC cathode and a prelithiated anode, and is charged between the EDLC cathode and the prelithiated anode. and ions are shuttled back and forth during the discharge process. Due to the use of prelithiated, low surface anode materials, LiC can be charged to voltages as high as 4.0V, which is much higher than EDLC and comparable to LiB. Although LiC can achieve much higher power density than LiB, the energy density of LiC is about 10-20 Wh/kg, which is still much lower than LiB. Therefore, the energy density of LiC energy storage devices needs to be further improved.

LiC技術の将来性を高めるための方法及び装置が必要とされている。好ましくは、更に製造に必要なコスト及び時間を低減する方法及び装置が必要とされている。 Methods and apparatus are needed to future-proof LiC technology. Preferably, there is a need for a method and apparatus that further reduces the cost and time required for manufacturing.

一実施形態では、リチウムイオンキャパシタ装置が提供される。装置は、バインダー材料を実質的に含まない炭素のネットワークを含む正電極と、セパレータによって正電極から分離された、バインダー材料を実質的に含まない炭素のネットワークを含む負電極と、キャパシタのプレリチウム化を提供するために負電極上に配置されたリチウムの膜と、を含み、正電極及び負電極の少なくとも一方は、ネットワーク内に空隙を画定する高アスペクト比炭素要素のネットワークと、ネットワーク内の空隙に配置され、ネットワークに絡み合った複数の電極活物質粒子と、を含む。 In one embodiment, a lithium ion capacitor device is provided. The device includes a positive electrode comprising a network of carbon substantially free of binder material, a negative electrode comprising a network of carbon substantially free of binder material separated from the positive electrode by a separator, and a prelithium capacitor. a film of lithium disposed on the negative electrode to provide oxidation, and at least one of the positive and negative electrodes includes a network of high aspect ratio carbon elements defining voids within the network; and a plurality of electrode active material particles arranged in a network and entangled in a network.

一部の実施形態では、高アスペクト比炭素要素は、2つの長寸法及び1つの短寸法を各々有する要素を含み、長寸法の各々の長さの比は、短寸法の長さの少なくとも10倍である。高アスペクト比炭素要素は、2つの長寸法及び1つの短寸法を各々有する要素を含み得、長寸法の各々の長さの比は、短寸法の長さの少なくとも100倍である。高アスペクト比炭素要素は、2つの長寸法及び1つの短寸法を各々有する要素を含み得、長寸法の各々の長さの比は、短寸法の長さの少なくとも1,000倍である。高アスペクト比炭素要素は、2つの長寸法及び1つの短寸法を各々有する要素を含み得、長寸法の各々の長さの比は、短寸法の長さの少なくとも10,0000倍である。高アスペクト比炭素要素は、1つの長寸法及び2つの短寸法を各々有する要素を含み得、長寸法の各々の長さの比は、短寸法の各々の長さの少なくとも10倍である。高アスペクト比炭素要素は、1つの長寸法及び2つの短寸法を各々有する要素を含み得、長寸法の各々の長さの比は、短寸法の各々の長さの少なくとも100倍である。高アスペクト比炭素要素は、1つの長寸法及び2つの短寸法を各々有する要素を含み得、長寸法の各々の長さの比は、短寸法の各々の長さの少なくとも1,000倍である。高アスペクト比炭素要素は、1つの長寸法及び2つの短寸法を各々有する要素を含み得、長寸法の各々の長さの比は、短寸法の各々の長さの少なくとも10,000倍である。高アスペクト比炭素要素は、カーボンナノチューブ又はカーボンナノチューブ束を含み得る。高アスペクト比炭素要素は、グラフェンフレークを含み得る。電極活性層は、空隙に配置された10重量%未満のポリマーバインダーを含有し得る。電極活性層は、空隙に配置された1重量%未満のポリマーバインダーを含有し得る。電極活性層は、空隙に配置された1重量%未満のポリマーバインダーを含有し得る。電極活性層は、表面処理以外のポリマー材料を実質的に含まなくてもよい。電極活性層は、ポリマー材料を実質的に含まなくてもよい。ネットワークは、少なくとも90重量%の炭素であり得る。ネットワークは、少なくとも95重量%の炭素であり得る。ネットワークは、少なくとも99重量%の炭素であり得る。ネットワークは、少なくとも99.9重量%の炭素であり得る。ネットワークは、パーコレーション閾値を上回る接続性を呈する炭素要素の電気的に相互接続されたネットワークを含み得る。ネットワークは、1つ以上の高導電性経路を画定し得る。経路は、100μmを超える長さを有し得る。経路は、1,000μmを超える長さを有し得る。経路は、10,000μmを超える長さを有し得る。ネットワークは、炭素要素で形成された1つ以上の構造を含み得、当該構造は、炭素要素の最大寸法の長さの少なくとも10倍の全長を含む。ネットワークは、炭素要素で形成された1つ以上の構造を含み得、当該構造は、炭素要素の最大寸法の長さの少なくとも100倍の全長を含む。ネットワークは、炭素要素で形成された1つ以上の構造を含み得、当該構造は、炭素要素の最大寸法の長さの少なくとも1,000倍の全長を含む。正電極は、活性炭、カーボンブラック、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、ナノ形態炭素、高アスペクト比炭素、及びそれらの混合物からなるリストからの少なくとも1つを含む電極活物質を含み得る。正電極は、比表面積が1000~3000m/gである活性炭(AC)を含む電極活物質を含み得る。正電極は、粒径D50≦10μmを有する活性炭(AC)を含む電極活物質を含み得る。負電極は、粒径D50≦10μmを有する電極活物質を含み得る。正電極は、活性炭(AC)、カーボンブラック(BC)、及び高アスペクト比炭素を含む電極活物質を含み得、活物質と高アスペクト比炭素との質量比は、80:20~99:1の範囲内である。正電極とリチウム膜とを合わせた総厚は、40μm~450μmの範囲内であり得る。負電極の総厚は、20μm~350μmの範囲内であり得る。正電極活性層の総厚と負電極活性層の総厚との厚さ比は、1:2~3:1の範囲内であり得る。正電極活性層と負電極活性層との容量比は、1:12~1:2の範囲内である。リチウム膜は、孔を含む極薄リチウム膜を含み得る。負活性層側の側面上のリチウム源の単位面積当たりの質量は、0.1mg/cm2~3mg/cmの範囲内であり得る。負活性電極層の側面上のリチウム源の厚さは、2~50μmの範囲内であり得る。リチウム膜の表面積は、負電極の側面の表面積の約25%~約100%であり得る。リチウム膜は、孔を含み得、当該孔の面積サイズ百分率範囲は、膜の総面積の約0.01%~約75%の範囲内である。 In some embodiments, the high aspect ratio carbon element includes an element each having two major dimensions and one minor dimension, wherein the ratio of the lengths of each of the major dimensions is at least 10 times the length of the minor dimension. It is. High aspect ratio carbon elements can include elements each having two major dimensions and one minor dimension, the ratio of the length of each of the major dimensions being at least 100 times the length of the minor dimension. High aspect ratio carbon elements can include elements each having two major dimensions and one minor dimension, the ratio of the length of each of the major dimensions being at least 1,000 times the length of the minor dimension. High aspect ratio carbon elements can include elements each having two major dimensions and one minor dimension, where the ratio of the length of each of the major dimensions is at least 10,0000 times the length of the minor dimension. High aspect ratio carbon elements can include elements each having one major dimension and two minor dimensions, where the ratio of the lengths of each of the major dimensions is at least 10 times the length of each of the minor dimensions. A high aspect ratio carbon element can include an element each having one major dimension and two minor dimensions, where the ratio of the lengths of each of the major dimensions is at least 100 times the length of each of the minor dimensions. High aspect ratio carbon elements can include elements each having one major dimension and two minor dimensions, the ratio of the lengths of each of the major dimensions being at least 1,000 times the length of each of the minor dimensions. . High aspect ratio carbon elements can include elements each having one major dimension and two minor dimensions, the ratio of the lengths of each of the major dimensions being at least 10,000 times the length of each of the minor dimensions. . High aspect ratio carbon elements may include carbon nanotubes or carbon nanotube bundles. High aspect ratio carbon elements may include graphene flakes. The electrode active layer may contain less than 10% by weight of polymer binder disposed in the voids. The electrode active layer may contain less than 1% by weight of polymer binder disposed in the voids. The electrode active layer may contain less than 1% by weight of polymer binder disposed in the voids. The electrode active layer may be substantially free of polymeric materials other than the surface treatment. The electrode active layer may be substantially free of polymeric material. The network may be at least 90% carbon by weight. The network may be at least 95% carbon by weight. The network may be at least 99% carbon by weight. The network can be at least 99.9% carbon by weight. The network may include an electrically interconnected network of carbon elements that exhibit connectivity above a percolation threshold. The network may define one or more highly conductive paths. The pathway may have a length of more than 100 μm. The pathway can have a length of more than 1,000 μm. The pathway can have a length of more than 10,000 μm. The network may include one or more structures formed of carbon elements, the structures having an overall length that is at least 10 times the length of the largest dimension of the carbon elements. The network may include one or more structures formed of carbon elements that include an overall length that is at least 100 times the length of the largest dimension of the carbon elements. The network may include one or more structures formed of carbon elements, the structures having an overall length that is at least 1,000 times the length of the largest dimension of the carbon elements. The positive electrode may include an electrode active material comprising at least one from the list consisting of activated carbon, carbon black, graphite, hard carbon, soft carbon, nanoform carbon, high aspect ratio carbon, and mixtures thereof. The positive electrode may include an electrode active material including activated carbon (AC) with a specific surface area of 1000-3000 m 2 /g. The positive electrode may include an electrode active material including activated carbon (AC) having a particle size D50≦10 μm. The negative electrode may include an electrode active material having a particle size D50≦10 μm. The positive electrode may include an electrode active material including activated carbon (AC), carbon black (BC), and high aspect ratio carbon, and the mass ratio of active material to high aspect ratio carbon is from 80:20 to 99:1. Within range. The total thickness of the positive electrode and lithium membrane can be in the range of 40 μm to 450 μm. The total thickness of the negative electrode may be in the range of 20 μm to 350 μm. The thickness ratio of the total thickness of the positive electrode active layer to the total thickness of the negative electrode active layer may be in the range of 1:2 to 3:1. The capacitance ratio between the positive electrode active layer and the negative electrode active layer is within the range of 1:12 to 1:2. The lithium membrane may include an ultrathin lithium membrane that includes pores. The mass per unit area of the lithium source on the side facing the negative active layer may be in the range of 0.1 mg/cm 2 to 3 mg/cm 2 . The thickness of the lithium source on the side of the negative active electrode layer may be in the range of 2-50 μm. The surface area of the lithium film can be about 25% to about 100% of the lateral surface area of the negative electrode. The lithium membrane may include pores, the area size percentage range of the pores being within a range of about 0.01% to about 75% of the total area of the membrane.

別の実施形態では、リチウムイオンキャパシタの作製方法が提供される。方法は、バインダー材料を実質的に含まない炭素のネットワークを含む正電極を選択することと、セパレータによって正電極から分離された、バインダー材料を実質的に含まない炭素のネットワークを含む負電極を選択することと、負電極上にリチウムの膜を配置して、キャパシタのプレリチウム化を提供することと、エネルギー貯蔵セル及び電解質をハウジング内に封止して、キャパシタを提供することと、によって、エネルギー貯蔵セルを提供することを含む。リチウムイオンキャパシタは、前述した装置を含み得る。 In another embodiment, a method of making a lithium ion capacitor is provided. The method includes selecting a positive electrode comprising a network of carbon substantially free of binder material and selecting a negative electrode comprising a network of carbon substantially free of binder material separated from the positive electrode by a separator. disposing a film of lithium on the negative electrode to provide prelithiation of the capacitor; and encapsulating the energy storage cell and electrolyte within the housing to provide the capacitor. including providing a storage cell. Lithium ion capacitors may include the devices described above.

本発明の特徴及び利点は、添付の図面と併せて以下の説明から明らかである。 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The features and advantages of the invention will be apparent from the following description in conjunction with the accompanying drawings.

一連の顕微鏡写真、フローチャート及び性能グラフが提供される。 A series of micrographs, flowcharts and performance graphs are provided.

本明細書に開示されるのは、エネルギー貯蔵デバイスにおいて有用なハイブリッドバインダーフリー電極の作製のための方法及び装置である。有利には、電極の構築に従来使用されていたバインダー材料を実質的に含まないため、本明細書に開示される電極は、優れた電気的性能をもたらすことができ、製造プロセスの工程を少なくすることができる。 Disclosed herein are methods and apparatus for making hybrid binder-free electrodes useful in energy storage devices. Advantageously, the electrodes disclosed herein can provide superior electrical performance and require fewer steps in the manufacturing process because they are substantially free of binder materials traditionally used in electrode construction. can do.

本明細書に開示されるエネルギー貯蔵デバイスは、固有の欠陥を回避しながら、LiB及びLiCの利点を組み合わせて、LiBによって提供される高エネルギー密度とLiCにおいて示される高出力密度との間のギャップを埋めるものである。特に、このLiイオンエネルギー貯蔵デバイスとLiCとの間の基本的な違いは、ハイブリッドLiイオン技術が、LiB及びLiC陰極材料を一緒に相乗的に組み合わせてハイブリッド複合陰極を形成することにより、2つの別個のエネルギー貯蔵デバイスを1つに統合している点である。非ファラデー性キャパシタ材料は、一定の電池還元反応電位を維持しながら電池材料が充電される場合、電極の電位がファラデー性電池材料の還元反応電位に達するまで最初に静電的に充電することができる。完全に充電されると、キャパシタ材料は、キャパシタ材料の限界電位に達するまで再び充電される。 The energy storage devices disclosed herein combine the advantages of LiB and LiC while avoiding the inherent deficiencies and bridge the gap between the high energy density provided by LiB and the high power density exhibited in LiC. It is something that fills in the In particular, the fundamental difference between this Li-ion energy storage device and LiC is that hybrid Li-ion technology combines the two by synergistically combining LiB and LiC cathode materials together to form a hybrid composite cathode. It integrates separate energy storage devices into one. Non-faradic capacitor materials can be initially charged electrostatically until the electrode potential reaches the reduction reaction potential of the faradaic cell material, when the cell material is charged while maintaining a constant cell reduction reaction potential. can. Once fully charged, the capacitor material is charged again until the limiting potential of the capacitor material is reached.

概して、開示される技術は、バインダーフリーハイブリッド複合陰極電極と、バインダーフリー陽極電極と、セパレータと、電解質としてリチウム塩を含む有機溶媒電解質溶液と、極薄リチウム膜(μ-Li)源とを含むハイブリッドリチウムイオンエネルギー貯蔵デバイスに関する。極薄リチウム膜は、複数の孔を含み得る。極薄リチウム膜によって、陽極電極は十分なリチウムイオンでプレドープされる。プレドーピングは、実質的に陽極電極の表面上に極薄リチウム膜を配置することによって生じてもよい。加えて、ハイブリッド複合陰極は、ポリマーバインダーフリー製造プロセスを使用して作製されてもよく、陽極電極に対するハイブリッド複合陰極の結果として生じる容量比は、0.1~1.2であってもよい。陽極電極上に配置された極薄リチウム膜の質量は、フルセルフォーマット設計において高いエネルギー、電力及び長期サイクル寿命性能を達成するための計算式によって予め決定されてもよい。 Generally, the disclosed technology includes a binder-free hybrid composite cathode electrode, a binder-free anode electrode, a separator, an organic solvent electrolyte solution containing a lithium salt as an electrolyte, and an ultrathin lithium film (μ-Li) source. Relating to a hybrid lithium ion energy storage device. The ultrathin lithium membrane may contain multiple pores. Due to the ultra-thin lithium film, the anode electrode is pre-doped with sufficient lithium ions. Pre-doping may occur by placing an ultra-thin lithium film substantially on the surface of the anode electrode. Additionally, the hybrid composite cathode may be made using a polymeric binder-free manufacturing process, and the resulting capacity ratio of the hybrid composite cathode to the anodic electrode may be between 0.1 and 1.2. The mass of the ultrathin lithium film disposed on the anode electrode may be predetermined by a formula to achieve high energy, power, and long cycle life performance in a full cell format design.

エネルギー貯蔵デバイスの概略図を図1に示している。図1の例では、エネルギー貯蔵デバイス(ESD)10は3層セルである。対向する集電体2は、陰極材料3のホストである。集合的に、集電体2及び陰極材料3は、示される2つの陰極4の各々を提供する。陰極3の間には陽極8が配置されているのが示されている。この例では、陽極8は、別の集電体6上に配置された陽極材料5の対向する層を含む。リチウム源7は、陽極材料の各層の上に配置される。この例では、陰極用の集電体2はアルミニウムから作製され、陽極用の集電体6は銅から作製される。 A schematic diagram of an energy storage device is shown in FIG. In the example of FIG. 1, energy storage device (ESD) 10 is a three-layer cell. The opposing current collector 2 is the host for the cathode material 3. Collectively, current collector 2 and cathode material 3 provide each of the two cathodes 4 shown. An anode 8 is shown arranged between the cathodes 3. In this example, anode 8 comprises opposing layers of anode material 5 disposed on another current collector 6 . A lithium source 7 is placed above each layer of anode material. In this example, the current collector 2 for the cathode is made from aluminum, and the current collector 6 for the anode is made from copper.

図2A及び図2Bを参照すると、活性炭を含む陰極材料3の例が示されている。これらの図では、従来技術(図2A)及び本明細書の教示による(図2B)陰極材料3のSEM画像が示されている。図から分かるように、本明細書に開示される陰極4の画像には、実質的により多くの炭素が含まれており、容易に推測されるように、図2Aのデバイスよりも大きなエネルギー貯蔵が可能である。 Referring to FIGS. 2A and 2B, an example of a cathode material 3 comprising activated carbon is shown. In these figures, SEM images of a cathode material 3 according to the prior art (FIG. 2A) and according to the teachings herein (FIG. 2B) are shown. As can be seen, the image of the cathode 4 disclosed herein contains substantially more carbon and, as can be easily inferred, has greater energy storage than the device of FIG. 2A. It is possible.

考察のために、陰極材料の2つの例を本明細書に示す。第1の例は、純粋な活性炭(AC)(0%リン酸鉄リチウム(LFP)を有するLiC)を有する電極を含み、第2の例は、ハイブリッドバインダーフリー電極(20:80のLFP対ACの比を有する)を含む。バインダーフリー電極では、提供される炭素構造は、活物質との優れた結合をもたらし、従来のポリマー又は同様の非伝導性若しくは低伝導性バインダーを必要とせずに、陰極をともに結合する役割を果たす。(非導電性)バインダーを含まないことの結果として、炭素構造は、より高い導電性及びより高いセル性能をもたらす。本開示では、市販の乾式法ACバインダー系電極を比較のためのベースラインとして使用する。 Two examples of cathode materials are provided herein for discussion. The first example includes an electrode with pure activated carbon (AC) (LiC with 0% lithium iron phosphate (LFP)), and the second example includes a hybrid binder-free electrode (20:80 LFP to AC ). In binder-free electrodes, the carbon structure provided provides excellent bonding with the active material and serves to bind the cathodes together without the need for traditional polymers or similar non-conducting or low-conducting binders. . As a result of not including a (non-conductive) binder, the carbon structure provides higher electrical conductivity and higher cell performance. In this disclosure, a commercially available dry method AC binder-based electrode is used as a baseline for comparison.

概して、バインダー材料は、電極層の機械的完全性及び集電体への良好な接着を促進するために電極材料に添加される非導電性又は低導電性材料である。バインダー材料を使用することで、エネルギー貯蔵及び伝導が可能な他の材料を置き換えることになり、使用されるエネルギー貯蔵セルの出力が低減する。バインダーの一例はPVDFである。ポリフッ化ビニリデン(PVDF)は、二フッ化ビニリデンの重合によって製造される高度に非反応性の熱可塑性フルオロポリマーである。PVDFは、概して陰極に使用される。一般的な陽極バインダー材料は、スチレン-ブタジエンコポリマーである。 Generally, binder materials are non-conductive or low conductivity materials that are added to the electrode material to promote the mechanical integrity of the electrode layer and good adhesion to the current collector. The use of binder materials replaces other materials capable of energy storage and conduction, reducing the power output of the energy storage cells used. An example of a binder is PVDF. Polyvinylidene fluoride (PVDF) is a highly non-reactive thermoplastic fluoropolymer produced by the polymerization of vinylidene difluoride. PVDF is commonly used for the cathode. A common anode binder material is a styrene-butadiene copolymer.

同様に、図3A、3B及び3Cには、陽極材料5が示されている。図3Aに、ハードカーボン粉末のSEMを示している。図3Bには、ハードカーボン粉末及びバインダー材料から作製された従来技術の陽極8が示されている。図3Cには、本明細書の教示による陽極8の態様が示されている。 Similarly, anode material 5 is shown in FIGS. 3A, 3B and 3C. FIG. 3A shows an SEM of hard carbon powder. FIG. 3B shows a prior art anode 8 made from hard carbon powder and binder material. FIG. 3C shows an embodiment of an anode 8 according to the teachings herein.

説明のために、本明細書で提示される陽極8は、活物質としてハードカーボン(HC)から構成されていた。陽極用のスラリー混合物を作製し、これは、2μmの粒径(D50)を有するHCと、バインダー材料として機能するカルボキシメチルセルロースを有するカーボンナノチューブ(CNT及びCMC)とを含んでいた。この例では、3つの成分の質量比は98.33:0.67:1であった。スラリーを作製した後、厚さ10μmの銅(Cu)箔基板にコーティングした。次いで、電極を摂氏160度で3時間、オーブン中で空気を流しながら乾燥させた。片面の活物質層の厚さが約75μmであり、タップ密度が1.0g/cmである陽極電極シートを作製した。ハードカーボン陽極の気孔率は約50パーセントであった。次いで、電極を電極シートから所望の寸法(陽極については4.6cm×4.6cm(活性領域)、陰極については4.5cm×4.5cm)に切り取られ、次いで、摂氏120度で一晩真空乾燥させ、乾燥室環境に移した後、そこで最終的なセルを組み立てた。電極を図1に示す構成に組み立てた。 For purposes of illustration, the anode 8 presented herein was composed of hard carbon (HC) as the active material. A slurry mixture for the anode was made, which included HC with a particle size (D50) of 2 μm and carbon nanotubes (CNT and CMC) with carboxymethyl cellulose acting as the binder material. In this example, the mass ratio of the three components was 98.33:0.67:1. After producing the slurry, it was coated on a copper (Cu) foil substrate with a thickness of 10 μm. The electrodes were then dried in an oven at 160 degrees Celsius for 3 hours with a stream of air. An anode electrode sheet was prepared in which the thickness of the active material layer on one side was approximately 75 μm and the tap density was 1.0 g/cm 3 . The porosity of the hard carbon anode was approximately 50 percent. The electrodes were then cut to the desired dimensions (4.6 cm x 4.6 cm (active area) for the anode and 4.5 cm x 4.5 cm for the cathode) from the electrode sheet and then vacuumed at 120 degrees Celsius overnight. After drying and transfer to a dry room environment, the final cell was assembled there. The electrodes were assembled into the configuration shown in FIG.

ESD10の組み立てにおいて、リチウム源7を全ての陽極8に組み込んだ。各実施形態において、リチウム源7は、その中に孔を有する極薄リチウム膜を含んでいた。孔は、20μmのLi金属シート(純度99.9%)から切り取った。リチウム源7により、種々のLFP/ACハイブリッド複合陰極ベースのLiB/LiCセルを作製するための種々のサイズを有する、プレリチウム化のためのリチウム源を提供した。約372mAh/gであったHC陽極の第1のリチウムインターカレーション比容量に基づいて、HCを完全にプレリチウム化するためにHC陽極の表面上にプリロードされた孔を有するu-Liの量は、約10%(u-Liプリロード質量/陽極活性層質量)であると測定された。LiC(0%LFP)のためのセル設計では、陰極対陽極の容量比が約0.14(1:7)であるため、陽極は(約10%のリチウム充填で)プレリチウム化すべきと判定した。このLiCセル設計により、LiCは、長いサイクル並びに高いエネルギー及び出力密度を有することができる。しかしながら、ハイブリッド複合バインダーフリー陰極中に混合されたLFPが存在する場合、LFPは、最大動作電圧まで充電するときにハイブリッド陰極から追加のリチウム源を提供する。セルの充電中の陽極内のリチウムデンドライトの成長を回避するために、陽極の表面上に配置されるリチウム源7(すなわち、孔を有する極薄リチウム膜)の実際の質量負荷は、ハイブリッド陰極内のLFPから提供されるリチウム源部分を考慮に入れるべきであり、したがって、陽極活性層重量の10%未満であるべきである。陽極におけるリチウム源7の減少は、陰極におけるLFPの増加と相関する可能性が高いと結論付けることができる。 In the assembly of ESD 10, a lithium source 7 was incorporated into all anodes 8. In each embodiment, the lithium source 7 comprised an ultrathin lithium membrane with pores therein. Holes were cut from a 20 μm Li metal sheet (99.9% purity). Lithium Source 7 provided a lithium source for prelithiation with various sizes for fabricating various LFP/AC hybrid composite cathode-based LiB/LiC cells. Based on the first lithium intercalation specific capacity of the HC anode, which was about 372 mAh/g, the amount of u-Li with pores preloaded on the surface of the HC anode to completely prelithiate the HC. was determined to be approximately 10% (u-Li preload mass/anode active layer mass). In the cell design for LiC (0% LFP), the cathode to anode capacity ratio is approximately 0.14 (1:7), so it was determined that the anode should be prelithiated (with approximately 10% lithium loading). did. This LiC cell design allows LiC to have long cycles and high energy and power densities. However, when there is LFP mixed in the hybrid composite binder-free cathode, the LFP provides an additional source of lithium from the hybrid cathode when charging to the maximum operating voltage. In order to avoid the growth of lithium dendrites within the anode during cell charging, the actual mass loading of the lithium source 7 (i.e. the ultrathin lithium membrane with pores) placed on the surface of the anode is The lithium source portion provided by the LFP should be taken into account and should therefore be less than 10% of the anode active layer weight. It can be concluded that the decrease in lithium source 7 at the anode is likely to correlate with the increase in LFP at the cathode.

セルの組み立て中、リチウム源7の充填は、乾燥室環境で行った。極薄リチウム膜を、圧力を加えながら配置した。組み立てられたESD10の例では、図1に示されるスキームによる。陽極は、孔を有するリチウム源がプリロードされた両面HC陽極であり、2つの片面LFP/AC複合陰極の間に挟まれていた。使用した電解質は、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との重量比1:1の混合物中の1M LiPF6であった。全てのパウチセルの組み立ては、乾燥室環境(露点-40℃)で実施した。図4は、初期試験中に収集された充電/放電プロファイルを示している。 During cell assembly, charging of the lithium source 7 was performed in a dry chamber environment. An ultrathin lithium membrane was placed under pressure. An example of an assembled ESD 10 follows the scheme shown in FIG. The anode was a double-sided HC anode preloaded with a lithium source with holes and sandwiched between two single-sided LFP/AC composite cathodes. The electrolyte used was 1M LiPF6 in a 1:1 mixture by weight of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC). All pouch cell assembly was performed in a dry room environment (dew point -40°C). Figure 4 shows the charge/discharge profiles collected during initial testing.

図4は、異なる電流充電及び放電下での、バインダーフリーAC及びHC電極を用いたLiCの初期試験結果を示している。これらの例の試験条件は、83.1%の陰極気孔率、64.1%の陽極気孔率を含んでいた。セル電圧は3.8~2.2Vの範囲であり、キャパシタンスは11.2Fであり、ESRは0.127Ωであり、RC定数は1.4秒であった。陰極及び陽極活性層の重量及び体積に基づく比エネルギー及びエネルギー密度は、それぞれ36.6Wh/kg及び20.1Wh/Lと測定された。陰極及び陽極活性層の重量及び体積に基づく最大比出力及び出力密度は、それぞれ69.7kW/kg及び35.3kW/Lでと測定された。 Figure 4 shows initial test results of LiC with binder-free AC and HC electrodes under different current charging and discharging. Test conditions for these examples included 83.1% cathode porosity, 64.1% anode porosity. Cell voltage ranged from 3.8 to 2.2V, capacitance was 11.2F, ESR was 0.127Ω, and RC constant was 1.4 seconds. The specific energy and energy density based on weight and volume of the cathode and anode active layers were determined to be 36.6 Wh/kg and 20.1 Wh/L, respectively. The maximum specific power and power density based on the weight and volume of the cathode and anode active layers were determined to be 69.7 kW/kg and 35.3 kW/L, respectively.

結果として、このセル設計では、フルサイズの多層1000F LiCパウチセルの比エネルギー及びエネルギー密度は、9Wh/kg及び16Wh/Lとすることができ、競合する1000FLiCエネルギー密度(13.7Wh/L)よりも実質的に高いことが推定される。更に、このセル設計では、フルサイズの多層1000F LICパウチセルのESRは1.4mohmであり得ると推定され、これは、競合する1000F LICセルのESR(1.6mohm)よりも小さい。以下の表1は、従来技術とのより詳細な比較を提供する。

Figure 2023545832000002
As a result, with this cell design, the specific energy and energy density of a full-sized multilayer 1000F LiC pouch cell can be 9Wh/kg and 16Wh/L, which is higher than the competing 1000FLiC energy density (13.7Wh/L). estimated to be substantially higher. Furthermore, with this cell design, it is estimated that the ESR of a full-sized multilayer 1000F LIC pouch cell can be 1.4mohm, which is lower than the ESR of a competing 1000F LIC cell (1.6mohm). Table 1 below provides a more detailed comparison with the prior art.
Figure 2023545832000002

表1の比較から分かるように、バインダーフリー電極系LiCのESRは、バインダー系(すなわち、従来技術)対照試料よりも30.6%低かった。同様に、バインダーフリー電極を有するLiCのRC定数はわずか1.4秒であったが、バインダー系LiCは5.1秒のRC定数を有していた。バインダーフリー電極に基づくLiCの最大比出力及び出力密度は、バインダー系(すなわち、従来技術)対照試料よりも、それぞれ131.6パーセント及び64.6パーセント高かった。図5Aは、比較ESRを示し、図5Bは、図5Aに示される曲線の分解図である。試験された第2の実施形態の態様は、図6A、図6B、図7A及び図7Bに紹介されている。 As can be seen from the comparison in Table 1, the ESR of the binder-free electrode system LiC was 30.6% lower than the binder-based (i.e., prior art) control sample. Similarly, the RC constant of LiC with binder-free electrodes was only 1.4 seconds, while the binder-based LiC had an RC constant of 5.1 seconds. The maximum specific power and power density of LiC based on the binder-free electrode were 131.6 percent and 64.6 percent higher, respectively, than the binder-based (i.e., prior art) control sample. FIG. 5A shows the comparative ESR and FIG. 5B is an exploded view of the curve shown in FIG. 5A. Aspects of the second embodiment that were tested are introduced in FIGS. 6A, 6B, 7A and 7B.

第2の実施形態では、ソフトカーボン並びにAC及びLFPバインダーフリー電極を使用して、比較性能を調べた。SC:CNT:CMCの比はHCスラリーと同じであり、今回は20パーセントのLFPを活性炭(AC)とともに炭素骨格に添加して、ハイブリッド複合電極を達成した。図6A及び図6Bは、ソフトカーボン系電極の顕微鏡写真である。図7A及び図7Bは、AC及びLFPバインダーフリー電極の顕微鏡写真である。貯蔵セルの組み立ては、上記で概説した第1の実施形態と同じ手順による。貯蔵セルの物理的態様を表2に示す。

Figure 2023545832000003
In the second embodiment, comparative performance was investigated using soft carbon and AC and LFP binder-free electrodes. The ratio of SC:CNT:CMC was the same as the HC slurry, and this time 20 percent LFP was added to the carbon framework along with activated carbon (AC) to achieve a hybrid composite electrode. FIGS. 6A and 6B are micrographs of soft carbon-based electrodes. 7A and 7B are micrographs of AC and LFP binder-free electrodes. Assembly of the storage cell follows the same procedure as the first embodiment outlined above. The physical aspects of the storage cells are shown in Table 2.
Figure 2023545832000003

表2において、対照セル(すなわち、従来技術のソフトカーボン)は、A53及びA21として識別される。バインダーなしで作製された貯蔵セルは、B43及びB44として識別される。貯蔵セルに使用した電解質は以下の通りである。A53:EC/DMC中の1.0M LiPF+1%VC;A21:EC/EMC/MB(体積で20:20:60)中の1.0M LiPF+0.1M LiDFOB;B43:EC/EMC/DEC/PC(体積で20:46.7:23.3:10)中の1.0M LiFSI+1%VC;及びB44:EC/EB/DEC/PC(体積で20:46.7:23.3:10)中の1.0M LiFSI+1%VC。貯蔵セルの初期充電-放電プロファイルは、0.25及び12.5mA/cm2(10及び500mA)であった。図8は、4つのセルの充電/放電性能を示している。これには、ESR結果とともに初期定電流充放電が含まれる。 In Table 2, control cells (ie, prior art soft carbon) are identified as A53 and A21. Storage cells made without binder are identified as B43 and B44. The electrolyte used in the storage cell was as follows. A53: 1.0M LiPF6 +1% VC in EC/DMC; A21: 1.0M LiPF6 +0.1M LiDFOB in EC/EMC/MB (20:20:60 by volume); B43: EC/EMC/ 1.0M LiFSI + 1% VC in DEC/PC (20:46.7:23.3:10 by volume); and B44:EC/EB/DEC/PC (20:46.7:23.3 by volume) 10) 1.0M LiFSI + 1% VC in. The initial charge-discharge profiles of the storage cells were 0.25 and 12.5 mA/cm2 (10 and 500 mA). Figure 8 shows the charge/discharge performance of four cells. This includes the initial constant current charge and discharge along with the ESR results.

図9は、低温試験の結果を示している。A53は摂氏-45度未満では作動しなかったため、A53は充放電試験に含めなかった。試験では、A21が、摂氏マイナス45度下で最も高い容量維持率を示した(約40パーセント)。B44は、摂氏マイナス45度において2番目に高い容量維持率(約30パーセント)を示した。セル設計に基づくと、LICの比エネルギーは約22.4Wh/kgであり、30パーセント維持は6.7Wh/kgとなり、これは依然として元の設計13Wh/kgの半分を維持している。LFPの添加剤は、低温試験についての容量維持を低下させるようであった。図10は、ソフトカーボン及びハードカーボン陽極についての比較性能を提供する。図10では、B44が他の2つの電解質と比較して最良のインピーダンスを示すことが分かる。EISに関して、ハードカーボン陽極は、グラフ中のより小さい半円によって示されるように、LICに関してソフトカーボン陽極よりもわずかに良好に機能した。 Figure 9 shows the results of the low temperature test. The A53 was not included in the charge/discharge test because it did not operate below -45 degrees Celsius. In tests, A21 showed the highest capacity retention (approximately 40 percent) at -45 degrees Celsius. B44 showed the second highest capacity retention (approximately 30 percent) at minus 45 degrees Celsius. Based on the cell design, the specific energy of the LIC is approximately 22.4 Wh/kg, with 30 percent retention being 6.7 Wh/kg, which is still half of the original design of 13 Wh/kg. LFP additives appeared to reduce capacity retention for low temperature tests. FIG. 10 provides comparative performance for soft carbon and hard carbon anodes. In Figure 10 it can be seen that B44 shows the best impedance compared to the other two electrolytes. For EIS, the hard carbon anode performed slightly better than the soft carbon anode for LIC, as indicated by the smaller semicircle in the graph.

第3の実施形態は、高温及び低温の両方のための電解質配合物の最適化を対象とした。この実施形態では、Y4が電解質対照試料であり、1.0M LiTFSI、EC/EMC/MB(体積で20:20:60)+1パーセントVCであった。Y5及びY5.1は、VC、FEC、LiDFOB、LiBOB、LiDFOP、LiNOを含む添加剤を有するLiTFSI塩を含むBCN溶媒系電解質であった。Y5の電解質配合物は、BCN/EC/VC(体積で80/10/10)中の1.0M LiTFSIであり、Y5.1の電解質配合物は、BCN/EC/VC(体積で80/10/10)中の1.0M LiTFSI+1%OS、市販の添加剤であった。 The third embodiment was directed to optimization of electrolyte formulations for both high and low temperatures. In this embodiment, Y4 was the electrolyte control sample and was 1.0 M LiTFSI, EC/EMC/MB (20:20:60 by volume) + 1 percent VC. Y5 and Y5.1 were BCN solvent-based electrolytes containing LiTFSI salts with additives including VC, FEC, LiDFOB, LiBOB, LiDFOP, LiNO3 . The electrolyte formulation for Y5 is 1.0M LiTFSI in BCN/EC/VC (80/10/10 by volume) and the electrolyte formulation for Y5.1 is BCN/EC/VC (80/10 by volume). 1.0M LiTFSI+1% OS3 in /10), a commercially available additive.

図11は、3つの異なる種類の電解質についての温度の関数としてのESR性能を示すグラフである。摂氏マイナス40度の低温下では、バインダーフリーLICは3.4ΩのESR増加を有するが、従来のバインダー系LICは5.1ΩのESR増加を有することが見出された。Y5電解質を用いると、セルは長期サイクル寿命試験にも合格し、結果を図12に示すことができる。図12は、電解質を用いたLICの室温高Cレートサイクル寿命試験を示している。Y5;電圧範囲は3.8~2.2Vであり、電流は約500mAである。 FIG. 11 is a graph showing ESR performance as a function of temperature for three different types of electrolytes. It was found that at low temperatures of minus 40 degrees Celsius, the binder-free LIC has an ESR increase of 3.4 Ω, while the conventional binder-based LIC has an ESR increase of 5.1 Ω. Using the Y5 electrolyte, the cell also passed the long-term cycle life test, and the results can be seen in FIG. 12. FIG. 12 shows a room temperature high C rate cycle life test of LIC using electrolyte. Y5: The voltage range is 3.8 to 2.2V, and the current is about 500mA.

第4の実施形態では、高温(摂氏85度)及び低温(摂氏マイナス55度)の両方の電解質配合物の性能を評価した。Y7は、GBL(ガンマ-ブチロラクトン)、VC、FECを含む共溶媒、及びLiDFOB、LiBOB、LiDFOP、LiNOなどを含む添加剤を有する、LiTFSI塩を含むBCN溶媒系電解質に割り当てられた。Y7電解質配合物は、BCN/GBL/VC/OS中の1.0M LiTFSI(体積で74.5/12.5/10/3)である。図13~図15は、Y7電解質を用いたLICの高温サイクリング及び直接充電の結果を示している。Y7は、Y5及びY5.1と同じ摂氏マイナス55度の低温性能を有する。図13は、定電流500mA下で3.8V~2.2Vで充放電されたY7電解質を有するセルのサイクル寿命性能プロット、サイクル数の関数としてのキャパシタンス/ESR維持率を示し、サイクリング環境は摂氏85度である。図14は、Y7電解質に基づいて摂氏85度でLICサイクルを行ったときの、種々のサイクル数での放電曲線を示している。図15は、330時間前後の摂氏85度下で3.8V(フロート試験)で一定電圧を保持した後の放電曲線の比較を示している。 In the fourth embodiment, the performance of both high temperature (85 degrees Celsius) and low temperature (-55 degrees Celsius) electrolyte formulations was evaluated. Y7 was assigned to a BCN solvent-based electrolyte with LiTFSI salts, with co-solvents including GBL (gamma-butyrolactone), VC, FEC, and additives including LiDFOB, LiBOB, LiDFOP, LiNO3 , etc. The Y7 electrolyte formulation is 1.0M LiTFSI in BCN/GBL/VC/OS 3 (74.5/12.5/10/3 by volume). Figures 13-15 show the results of high temperature cycling and direct charging of LIC using Y7 electrolyte. Y7 has the same low temperature performance of -55 degrees Celsius as Y5 and Y5.1. Figure 13 shows the cycle life performance plot of a cell with Y7 electrolyte charged and discharged from 3.8V to 2.2V under a constant current of 500mA, capacitance/ESR retention as a function of number of cycles, with a cycling environment in degrees Celsius. It is 85 degrees. FIG. 14 shows the discharge curves at various number of cycles during LIC cycling at 85 degrees Celsius based on Y7 electrolyte. FIG. 15 shows a comparison of discharge curves after holding a constant voltage at 3.8 V (float test) at 85 degrees Celsius for around 330 hours.

本明細書の教示による貯蔵セルの作製方法を図16に示している。 A method of making a storage cell according to the teachings herein is illustrated in FIG.

一部の実施形態では、使用される正電極は、両面コーティングされた導電性材料を有するシート状金属集電体と、正電極活物質及びCNTから構成され、集電体の両面上に形成された電極層とを含む電極である。このLICラミネートセルに用いられる負電極は、両面コーティングされた導電性材料を有するシート状金属集電体と、負電極活物質及び添加剤から構成され、集電体の両面に形成された電極層とを含む電極である。 In some embodiments, the positive electrode used is comprised of a sheet metal current collector with a conductive material coated on both sides, and a positive electrode active material and CNTs formed on both sides of the current collector. The electrode includes an electrode layer. The negative electrode used in this LIC laminate cell is composed of a sheet metal current collector having a conductive material coated on both sides, a negative electrode active material and additives, and electrode layers formed on both sides of the current collector. An electrode comprising:

正電極に使用される集電体は、アルミニウム、ステンレス鋼、又は他の材料から作製され得る。提示された例の一部では、アルミニウムが使用される。負電極に使用される集電体は、ステンレス鋼、銅、ニッケルなどによって構成することができ、提示される例の一部では、銅が使用される。概して、正電極及び負電極の集電体の厚さは、約5~50μmの範囲内である。提示された例では、その範囲は8~25μmである。この範囲であれば、得られる正電極及び負電極の強度が高く、導電性塗料スラリーの塗布が容易となる。導電材のコーティング精度、体積エネルギー密度、重量エネルギー密度を向上させることができる。この正電極集電体及び負電極集電体の両面に、カーボン導電性塗料スラリーをスプレーコート法により塗布し、乾燥して、正電極及び負電極の両方の導電層を有する集電体を得た。集電体の片面上の炭素導電性コーティングの厚さは、1~20μmである。提示した例では、厚さは3~12μmの範囲であった。 The current collector used for the positive electrode may be made from aluminum, stainless steel, or other materials. In some of the examples presented, aluminum is used. The current collector used for the negative electrode can be constructed from stainless steel, copper, nickel, etc., and in some of the examples presented, copper is used. Generally, the thickness of the positive and negative electrode current collectors is in the range of about 5-50 μm. In the example presented, the range is 8-25 μm. Within this range, the resulting positive and negative electrodes have high strength, and the conductive paint slurry can be easily applied. The coating accuracy, volumetric energy density, and gravimetric energy density of conductive materials can be improved. A carbon conductive paint slurry is applied to both sides of the positive electrode current collector and negative electrode current collector by a spray coating method, and dried to obtain a current collector having conductive layers for both the positive electrode and the negative electrode. Ta. The thickness of the carbon conductive coating on one side of the current collector is 1-20 μm. In the examples presented, the thickness ranged from 3 to 12 μm.

正電極及び負電極には、上述した電極活物質を用いることができる。具体的には、正電極/負電極活物質粉末、CNT及びいくらかの溶媒をブレンダー/ミキサー中に分散させて混合して、湿潤スラリー混合物が得られる。粉末/スラリー混合物に添加される添加剤の百分率は、2パーセント~12パーセントであることが好ましい。正電極製造のために、スラリーは、バインダーを伴わずに作製されてもよい。次に、正電極活物質層である基板上にスラリー状の混合物を塗布する。正電極活性層の厚さは、30~250μm、又は一部の実施形態では、50~200μmである。次いで、バインダーフリー電極を高温のホットミルローラーによってカレンダー加工して、所望の気孔率及びプレス密度を有するLICセル用の最終的な正電極を形成する。正電極活物質、添加剤及び溶媒としての脱イオン水/IPAは、均一な湿潤スラリーを形成するのに十分な時間、ミキサー内で最初に混合される。次に、コーティングされた電極を乾燥できるように、乾燥オーブンが取り付けられた電極コーティング機によって、炭素導電性プレコート集電体の両面にスラリーをコーティングする。コーティング機のギャップは、電極作製の初期厚さ要件に従って調整することができる。次いで、乾燥された電極は、ホットプレスカレンダーを通して所望の活性層厚さにプレスされ、LICセルの最終正電極を形成する。集電体の片面上の湿潤スラリー作製方法に基づく正電極活性層の厚さは、3~250μm、一部の実施形態では、5~200μmである。 The above-mentioned electrode active materials can be used for the positive electrode and the negative electrode. Specifically, the positive/negative electrode active material powder, CNTs, and some solvent are dispersed and mixed in a blender/mixer to obtain a wet slurry mixture. Preferably, the percentage of additives added to the powder/slurry mixture is between 2 percent and 12 percent. For positive electrode manufacture, the slurry may be made without a binder. Next, a slurry-like mixture is applied onto the substrate, which is the positive electrode active material layer. The thickness of the positive electrode active layer is between 30 and 250 μm, or in some embodiments between 50 and 200 μm. The binder-free electrode is then calendered with hot hot mill rollers at high temperatures to form the final positive electrode for the LIC cell with the desired porosity and pressing density. The positive electrode active material, additives, and deionized water/IPA as a solvent are first mixed in a mixer for a sufficient time to form a uniform wet slurry. The slurry is then coated on both sides of the carbon conductive precoated current collector by an electrode coating machine equipped with a drying oven so that the coated electrodes can be dried. The coating machine gap can be adjusted according to the initial thickness requirements of electrode fabrication. The dried electrode is then pressed through a hot press calender to the desired active layer thickness to form the final positive electrode of the LIC cell. The thickness of the positive electrode active layer based on the wet slurry preparation method on one side of the current collector is between 3 and 250 μm, and in some embodiments between 5 and 200 μm.

負電極活物質、CNT/CMC添加剤及び溶媒としての脱イオン水は、均一な湿潤スラリーを形成するのに十分な時間、ミキサー内で最初に混合される。次に、コーティングされた電極を乾燥できるように、乾燥オーブンが取り付けられた電極コーティング機によって、炭素導電性プレコート集電体の両面にスラリーをコーティングする。コーティング機のギャップは、電極製造の初期厚さ要件に従って調整することができる。次いで、乾燥された電極は、ホットプレスカレンダーを通して所望の活性層厚さに押し下げられて、LICセルのための最終負電極を形成する。集電体の片面上の湿潤スラリー作製方法に基づく負電極活性層の厚さは、3~200μmであり、一部の実施形態では、5~160μmが使用される。 The negative electrode active material, CNT/CMC additive, and deionized water as a solvent are first mixed in a mixer for a sufficient time to form a uniform wet slurry. The slurry is then coated on both sides of the carbon conductive precoated current collector by an electrode coating machine equipped with a drying oven so that the coated electrodes can be dried. The coating machine gap can be adjusted according to the initial thickness requirements of electrode manufacturing. The dried electrode is then pressed down through a hot press calender to the desired active layer thickness to form the final negative electrode for the LIC cell. The thickness of the negative electrode active layer based on the wet slurry preparation method on one side of the current collector is between 3 and 200 μm, with 5 and 160 μm being used in some embodiments.

本明細書に提示されるLiCセルの一部の実施形態では、両面導電性材料プレコート集電体の厚さ及び両面活性層の厚さを含む正電極の総厚は、40μm~450μmであり得る。本明細書に提示されるLiCセルの一部の実施形態では、両面導電性材料プレコート集電体の厚さ及び両面活物質層の厚さを含む負電極の総厚は、20μm~350μmであり得る。本明細書に提示されるLiCセルの一部の実施形態では、正電極活性層の総厚と負電極活性層の総厚との厚さ比は、1:2~3:1であり得る。 In some embodiments of the LiC cells presented herein, the total thickness of the positive electrode, including the thickness of the double-sided conductive material precoated current collector and the thickness of the double-sided active layer, can be between 40 μm and 450 μm. . In some embodiments of the LiC cells presented herein, the total thickness of the negative electrode, including the thickness of the double-sided conductive material precoated current collector and the thickness of the double-sided active material layer, is between 20 μm and 350 μm. obtain. In some embodiments of LiC cells presented herein, the thickness ratio of the total thickness of the positive electrode active layer to the total thickness of the negative electrode active layer can be from 1:2 to 3:1.

概して、使用される正電極は、両面コーティングされた導電性材料を有するシート状金属集電体と、正電極活物質及びCNTから構成され、集電体の両面上に形成された電極層とを含む電極である。本発明のLICラミネートセルに用いられる負電極は、両面コーティングされた導電性材料を有するシート状金属集電体と、負電極活物質及び添加剤から構成され、集電体の両面に形成された電極層とを含む電極である。 Generally, the positive electrode used comprises a sheet metal current collector with a conductive material coated on both sides, and an electrode layer formed on both sides of the current collector, consisting of a positive electrode active material and CNTs. It is an electrode containing. The negative electrode used in the LIC laminate cell of the present invention is composed of a sheet metal current collector having a conductive material coated on both sides, a negative electrode active material and additives, and is formed on both sides of the current collector. It is an electrode including an electrode layer.

概して、負電極の表面にプリロードされるLi源は、孔を有する極薄Li膜である。孔を有する極薄Li膜は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願第15/489,813号に詳細に記載されている、孔を有する上部及び下部の極薄Li膜を有する負電極を積層する製造方法によって、全ての予め作製された負電極の表面上に適用される。製造は、-45℃未満の露点を有する乾燥室内で行うことができる。積層ロールの圧力は、40kg/cm~400kg/cmであり得る。本明細書に提示されるLiCセルの一部の実施形態では、負電極の片側表面上に充填された孔を有する極薄Li膜の単位面積当たりの質量は、0.1mg/cm~3mg/cmであることが好ましい。負電極の片面にプリロードされた孔を有する極薄Li膜の厚さは、2~50μmであることが好ましい。負電極の表面に充填されたLi源としての孔を有する極薄Li膜の長さは30mm~250mmであってもよく、負電極の表面に充填されたLi源としての孔を有する当該極薄Li膜の幅は30mm~150mmであってもよい。負電極の表面に充填されたLi源としての孔を有する極薄Li膜の面積は負電極の面積の約25%~約100%であってもよい。負電極の表面上に充填されたLi源としての孔を有する当該極薄Li膜中の当該孔の面積サイズ百分率範囲は、約0.01%~約75%であり得る。負電極の両面にプリロードされた孔を有する極薄Li膜の、両面の負電極活性層に対する質量比百分率は、7%~14%であることが好ましい。孔を有する全ての極薄Li膜が負電極上に押圧された後、負電極の表面上に均一な薄層Li源位置分布が存在し得る。 Generally, the Li source preloaded onto the surface of the negative electrode is an ultrathin Li film with pores. The ultrathin Li film with pores is described in detail in U.S. patent application Ser. No. 15/489,813, which is incorporated herein by reference in its entirety. is applied on the surface of all prefabricated negative electrodes by the manufacturing method of laminating negative electrodes with. The production can be carried out in a drying room with a dew point below -45°C. The pressure of the lamination rolls can be between 40 kg/cm 2 and 400 kg/cm 2 . In some embodiments of the LiC cells presented herein, the mass per unit area of the ultrathin Li film with filled pores on one surface of the negative electrode is between 0.1 mg/cm 2 and 3 mg /cm 2 is preferable. The thickness of the ultrathin Li film with holes preloaded on one side of the negative electrode is preferably 2 to 50 μm. The length of the ultra-thin Li film having pores as a Li source filled in the surface of the negative electrode may be 30 mm to 250 mm. The width of the Li film may be 30 mm to 150 mm. The area of the ultrathin Li film having pores as a Li source filled in the surface of the negative electrode may be about 25% to about 100% of the area of the negative electrode. The area size percentage range of the pores in the ultrathin Li film with the pores as a Li source filled on the surface of the negative electrode may be about 0.01% to about 75%. The mass ratio percentage of the ultrathin Li film with holes preloaded on both sides of the negative electrode to the negative electrode active layers on both sides is preferably 7% to 14%. After all the ultrathin Li films with holes are pressed onto the negative electrode, there can be a uniform thin layer Li source position distribution on the surface of the negative electrode.

本明細書に提示されるLiCセルの一部の実施形態では、リチウム源が表面上にプリロードされた正電極及び負電極を含む電極は、セルコアユニットに積層する前に、一部の追加の集電体タブとともに指定されたサイズに切り取られる。外側容器は電極のサイズに一致する必要があるため、電極のサイズによってLICセルの最終的なサイズが決まる。一部の実施形態では、負電極の長さ及び幅は、LiCセルの正電極のものより0.5mm~5mm大きい。本明細書に提示されるLiCセルの一部の実施形態では、切り取られた正電極及び負電極の長さは、30mm~250mmであってもよく、切り取られた正電極及び負電極の幅は、30mm~150mmであってもよい。 In some embodiments of the LiC cells presented herein, the electrodes, including a positive electrode and a negative electrode with a lithium source preloaded on their surfaces, are preloaded with some additional Cut to the specified size along with the current collector tab. The size of the electrodes determines the final size of the LIC cell, as the outer container must match the size of the electrodes. In some embodiments, the length and width of the negative electrode is 0.5 mm to 5 mm greater than that of the positive electrode of the LiC cell. In some embodiments of LiC cells presented herein, the length of the cut positive and negative electrodes may be between 30 mm and 250 mm, and the width of the cut positive and negative electrodes may be between 30 mm and 250 mm. , 30mm to 150mm.

リチウムイオンキャパシタの態様を紹介したので、次に追加の特徴及び実施形態を紹介する。 Having introduced aspects of lithium ion capacitors, additional features and embodiments are now introduced.

LiCにおいて、活性炭は、正電極(PE)として使用されてもよく、一方、負電極(NE)材料は、ソフトカーボン、ハードカーボン、グラファイトなどの種々の材料を含み得る。 In LiC, activated carbon may be used as the positive electrode (PE), while the negative electrode (NE) material may include various materials such as soft carbon, hard carbon, graphite, etc.

セルの構成要素及び設計は、LiCの電気化学的性能を改善するために修正され得る。これは、PE、NE活物質及びCNTのために選択される活物質及びCNT、PE対NE活性層(アルミニウム(Al)及び銅(Cu)を含む集電体を伴わない)の厚さ/質量比、PE対NE活性層の容量比に関するものを含んでもよい。PE及びNEのサイズ設計及び層数、セパレータ用の材料のタイプ、電解質組成、並びにNEのプレリチウム化法。PEの場合、活物質は、バインダーを含まない活性炭(AC)であり得る。NEの場合、活物質は、ハードカーボン(HC)、ソフトカーボン(SC)、グラファイト(G)及び他の炭素系材料であってもよく、CMCを有するCNTのネットワークは、活物質のための強固な炭素構造を生成することに依存し得る。セパレータの材料は、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)及びセルロース又は他の同様の材料とすることができる。 Cell components and design can be modified to improve the electrochemical performance of LiC. This is the active material selected for PE, NE active material and CNT and the thickness/mass of the PE vs. NE active layer (without current collectors including aluminum (Al) and copper (Cu)). ratio, PE to NE active layer capacitance ratio. PE and NE size design and number of layers, type of material for the separator, electrolyte composition, and NE prelithiation method. In the case of PE, the active material can be binder-free activated carbon (AC). In the case of NE, the active material can be hard carbon (HC), soft carbon (SC), graphite (G) and other carbon-based materials, and the network of CNTs with CMC is a strong material for the active material. may depend on producing a unique carbon structure. The material of the separator can be polypropylene (PP), polyethylene (PE) and cellulose or other similar materials.

本明細書に提示されるLiCセルの一部の実施形態では、セルコアユニットは、外側容器、例えば、積層外側容器内でセパレータを通して正電極及び負電極を積層することによって形成される。負電極は、負電極の表面上に孔を有する極薄Li膜を含むリチウム源をプレスすることによってプレドープされる。「プレドープ」とは、リチウムイオンが負電極活性層に侵入する現象を大まかに表したものである。孔を有する極薄Li膜は、負電極をプレドープするためのリチウムイオン供給源である。リチウム源充填プロセスにより、負電極が表面上に均一なリチウムを含有することが確実となり、その結果、電解質が充填されると、負電極は、リチウムイオンで円滑かつ均一にプレドープすることができる。 In some embodiments of LiC cells presented herein, the cell core unit is formed by laminating the positive and negative electrodes through separators within an outer container, such as a laminated outer container. The negative electrode is predoped by pressing a lithium source containing an ultrathin Li film with holes on the surface of the negative electrode. "Pre-doping" roughly refers to the phenomenon in which lithium ions invade the negative electrode active layer. The ultrathin Li film with pores is the lithium ion source for predoping the negative electrode. The lithium source filling process ensures that the negative electrode contains uniform lithium on the surface, so that when filled with the electrolyte, the negative electrode can be smoothly and uniformly predoped with lithium ions.

本明細書で提示されるLiCセルの一部の実施形態では、Cu及びAl基板は、それぞれ、ニッケル(Ni)コーティングされた銅(Cu)及びアルミニウム(Al)集電体タブに溶接される。積層及び溶接プロセスの後、電極ユニットは、容器、例えば、電極ユニットのサイズに適したアルミニウム積層形成ケースに収容され、3面ヒートシールプロセスが適用される。次いで、所望の量の電解質をLICラミネートセルに充填してセルを浸漬し、負電極へのリチウムのインターカレーションによるプレドーピングプロセスを開始した。セルが十分な時間にわたって浸漬された後、LICラミネートセル内に閉じ込められた過剰なガスを除去するために、真空封止プロセスがセルに適用される。その結果、LICラミネートセルにおいて、かかる構成を実現することができる。 In some embodiments of LiC cells presented herein, Cu and Al substrates are welded to nickel (Ni) coated copper (Cu) and aluminum (Al) current collector tabs, respectively. After the lamination and welding process, the electrode unit is housed in a container, for example an aluminum lamination case suitable for the size of the electrode unit, and a three-sided heat sealing process is applied. The desired amount of electrolyte was then filled into the LIC laminate cell and the cell was immersed to begin the pre-doping process by intercalation of lithium into the negative electrode. After the cell has been soaked for a sufficient period of time, a vacuum sealing process is applied to the cell to remove excess gas trapped within the LIC laminate cell. As a result, such a configuration can be realized in the LIC laminate cell.

有機電解質は、Li塩を含有するLiイオン電池電解質であり得る。LICが所望の電気化学的性能を達成できることを確実にするために、NEのプレリチウム化が行われてもよい。電気化学的(EC)方法及び外部短絡(ESC)方法を含む一部のプレリチウム化法では、犠牲的な第3の電極としてLi金属片を利用して、グラファイト電極又はHC電極にリチウムがプレドープされる。ECプレリチウム化法では、NE及びLi金属は、リチウム塩系有機電解質中でセパレータによって分離され、プレドーピングプロセスは、充電電流又は電圧を制御する電子充電器によって実施され得る。 The organic electrolyte can be a Li-ion battery electrolyte containing Li salts. Prelithiation of the NE may be performed to ensure that the LIC can achieve the desired electrochemical performance. Some prelithiation methods, including electrochemical (EC) and external short circuit (ESC) methods, utilize a piece of Li metal as a sacrificial third electrode to predope a graphite or HC electrode with lithium. be done. In the EC prelithiation method, NE and Li metals are separated by a separator in a lithium salt-based organic electrolyte, and the predoping process can be carried out by an electronic charger controlling the charging current or voltage.

正電極活物質は、テトラフルオロホウ酸塩などの電解質中のリチウムイオン及びアニオンを可逆的に吸着又は脱着できることが望ましい。かかる活物質の一例は、活性炭粉末である。活性炭の比表面積は、1,500m/g~2,800m/g、好ましくは1,600m/g~2,400m/gである。活性炭の50%累積体積径(D50)(平均粒子径)は、2μm~10μmであることが好ましい。LICラミネートセルのエネルギー密度及び出力密度を更に向上させることができるように、3μm以上8μm以下であることが特に好ましい。かかる材料の一部の他の例は、カーボンブラック及び活性炭/カーボンブラック/CNT複合材料(AC/CB/CNT)であり得る。 It is desirable that the positive electrode active material can reversibly adsorb or desorb lithium ions and anions in an electrolyte such as tetrafluoroborate. An example of such an active material is activated carbon powder. The activated carbon has a specific surface area of 1,500 m 2 /g to 2,800 m 2 /g, preferably 1,600 m 2 /g to 2,400 m 2 /g. The activated carbon preferably has a 50% cumulative volume diameter (D50) (average particle diameter) of 2 μm to 10 μm. In order to further improve the energy density and output density of the LIC laminate cell, it is particularly preferable that the thickness is 3 μm or more and 8 μm or less. Some other examples of such materials may be carbon black and activated carbon/carbon black/CNT composites (AC/CB/CNT).

負電極活物質は、リチウムイオンの可逆的なインターカレーション及びデインターカレーションが可能であることが望ましい。かかる活物質としては、例えば、グラファイト系複合粒子、難グラファイト化炭素(ハードカーボン、(HC))、易グラファイト化炭素(ソフトカーボン、(SC))などが挙げられる。一部の実施形態では、負電極活物質、HC及びSC粒子は、グラファイト材料よりも電力性能及びサイクル安定性においてより高い性能を達成することができるため、好ましい。しかしながら、グラファイト材料は、グラファイトがHC及びSCよりも高い比容量を有するため、LICに対してより高いエネルギー性能を達成することができる。LICセルの出力性能を向上させるためには、負電極活物質としては、50%累積体積径(D50)が1.0~10μmの範囲内、一部の実施形態では、好ましくは2~6μmの範囲内を満たす粒径のHC及びSCを用いることが好ましい。 It is desirable that the negative electrode active material is capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium ions. Examples of such active materials include graphite-based composite particles, difficult-to-graphitize carbon (hard carbon, (HC)), easy-to-graphitize carbon (soft carbon, (SC)), and the like. In some embodiments, negative electrode active materials, HC and SC particles, are preferred because they can achieve higher performance in power performance and cycling stability than graphite materials. However, graphite materials can achieve higher energy performance for LICs because graphite has a higher specific capacity than HC and SC. To improve the output performance of LIC cells, the negative electrode active material has a 50% cumulative volume diameter (D50) in the range of 1.0 to 10 μm, and in some embodiments preferably 2 to 6 μm. It is preferable to use HC and SC having a particle size that falls within the range.

なお、50%累積体積径(D50)が10μm未満のHC及びSC粒子を作製することは困難である。HC及びSC粒子の50%累積体積径(D50)が10μmを超えると、内部抵抗が十分に小さいLICセルを実現することが困難となる。一部の実施形態では、負電極活物質は、0.1~200m/gの比表面積を有し、0.6~60m/gがより好ましい。かかる範囲としたのは、負電極活物質の比表面積が0.1m/g未満であれば、LICセルの抵抗を高くすることができ、負電極活物質の比表面積が200m/gより大きければ、LICラミネートセルの充電時の不可逆容量を高くすることができるからである。 Note that it is difficult to produce HC and SC particles with a 50% cumulative volume diameter (D50) of less than 10 μm. When the 50% cumulative volume diameter (D50) of HC and SC particles exceeds 10 μm, it becomes difficult to realize an LIC cell with sufficiently low internal resistance. In some embodiments, the negative electrode active material has a specific surface area of 0.1-200 m 2 /g, more preferably 0.6-60 m 2 /g. This range was set because if the specific surface area of the negative electrode active material is less than 0.1 m 2 /g, the resistance of the LIC cell can be increased, and if the specific surface area of the negative electrode active material is less than 200 m 2 /g. This is because the larger the value, the higher the irreversible capacity during charging of the LIC laminate cell.

ESCプレリチウム化法では、NE及び犠牲Li金属の第3の電極は、外部電線接続を通して短絡される。しかしながら、従来のプレリチウム化法では、リチウムが消散し、セルがLICラミネートセル内のNEに完全にリチウム化されるのに時間がかかる。時間がかかる分、この方法のコストは加算される。また、従来のプレリチウム化法では、リチウムイオンがLi金属電極からLICラミネートセルを通って移動するための経路を作るために、PE及びNE集電体の両方が多孔質でなければならず、これも電極の製造コストを増加させる。 In the ESC prelithiation method, the NE and sacrificial Li metal third electrodes are shorted through an external wire connection. However, with conventional prelithiation methods, it takes time for the lithium to dissipate and for the cell to become fully lithiated to NE in the LIC laminate cell. The cost of this method adds up to the amount of time it takes. Additionally, in traditional prelithiation methods, both the PE and NE current collectors must be porous to create a path for lithium ions to migrate from the Li metal electrode through the LIC laminate cell; This also increases the manufacturing cost of the electrode.

本明細書に開示されるプレリチウム化のための技術は、これらの問題の一部に対処するものである。すなわち、NEの表面上に孔を有する極薄リチウム膜(u-Liと略される)を充填することで、セル作製のプロセスを促進し、プレリチウム化を加速させることができる。Li金属は炭素電極上に直接コーティングすることができるため、集電体は、LiイオンをNE中にインターカレートさせるために多孔質である必要はない。セルに電解質を含浸させた後、NEの表面上のLi源は、炭素電極活性層と電気化学的に反応し、NE内にインターカレートする。 The techniques for prelithiation disclosed herein address some of these issues. That is, by filling the surface of the NE with an ultra-thin lithium film (abbreviated as u-Li) having pores, it is possible to accelerate the cell fabrication process and accelerate prelithiation. Since Li metal can be coated directly onto the carbon electrode, the current collector does not need to be porous to intercalate Li ions into the NE. After impregnating the cell with electrolyte, the Li source on the surface of the NE electrochemically reacts with the carbon electrode active layer and intercalates within the NE.

ここで、本明細書に開示される技術の一部の利点が提示される。 Some advantages of the technology disclosed herein are now presented.

開示される技術の利点は、高いエネルギー密度及び出力密度を維持しながら、サイクル寿命及びDC寿命を含む寿命において優れた特性を有するリチウムイオンキャパシタ(LIC)である。 An advantage of the disclosed technology is a lithium ion capacitor (LIC) with excellent lifetime characteristics, including cycle life and DC life, while maintaining high energy density and power density.

開示される技術の利点は、バインダーフリー正電極と、孔を有する極薄リチウム膜(u-Li)と称されるリチウム源が表面上にプリロードされた負電極と、セパレータと、電解質としてリチウム塩を伴う有機溶媒電解質溶液とを有する、LICである。 Advantages of the disclosed technology include a binder-free positive electrode, a negative electrode preloaded with a lithium source on the surface called an ultrathin lithium membrane (U-Li) with pores, a separator, and a lithium salt as an electrolyte. and an organic solvent electrolyte solution.

開示される技術の利点は、正電極活物質が、活性炭、カーボンブラック、CNT、及び活性炭/カーボンブラック/CNT混合物(AC/CB/CNT)であることが好ましく、負電極活物質が、ハードカーボン、ソフトカーボン、グラファイト、CNT、及び上記材料の任意の可能な混合物であることが好ましいLICセルである。 An advantage of the disclosed technology is that the positive electrode active material is preferably activated carbon, carbon black, CNT, and activated carbon/carbon black/CNT mixture (AC/CB/CNT), and the negative electrode active material is hard carbon. , soft carbon, graphite, CNT, and any possible mixtures of the above materials are preferred LIC cells.

開示される技術の利点は、正電極活物質活性炭(AC)が1000~3000m/gの範囲の表面積を有する、LICセルである。 An advantage of the disclosed technology is a LIC cell in which the positive electrode active material activated carbon (AC) has a surface area in the range of 1000-3000 m 2 /g.

開示される技術の利点は、正電極活物質活性炭(AC)が粒径D50≦10μmを有し、負電極活物質が粒径D50≦10μmを有する、LICセルである。 An advantage of the disclosed technology is a LIC cell in which the positive electrode active material activated carbon (AC) has a particle size D50≦10 μm and the negative electrode active material has a particle size D50≦10 μm.

開示される技術の利点は、ポリマーバインダーが陰極材料に使用されないLICセルであり、これは、電極の伝導性を増加させ、電力性能を改善する。 An advantage of the disclosed technology is an LIC cell in which a polymer binder is not used in the cathode material, which increases electrode conductivity and improves power performance.

開示される技術の利点は、AC/CBとCNT/炭素骨格との間の質量比の範囲で正電極配合物を調整することができるLICセルである。また、ポリマーバインダーは使用されないか、又は実質的に使用されない。 An advantage of the disclosed technology is a LIC cell in which the positive electrode formulation can be tailored in a range of mass ratios between AC/CB and CNT/carbon framework. Also, no or substantially no polymer binder is used.

開示される技術の利点は、LICセルであって、このLICセルに使用される負電極を製造するための添加剤が、CNT及びカルボキシメチルセルロース(CMC)であることが好ましい、LICセルである。 An advantage of the disclosed technology is an LIC cell in which the additives for manufacturing the negative electrode used in the LIC cell are preferably CNTs and carboxymethyl cellulose (CMC).

開示される技術の利点は、負電極活物質とCNT/CMCとの間の質量比の範囲で負電極配合物を調整することができるLICセルである。 An advantage of the disclosed technology is a LIC cell in which the negative electrode formulation can be tailored over a range of mass ratios between negative electrode active material and CNT/CMC.

開示される技術の利点は、両面導電性材料プレコートアルミニウム(Al)箔の厚さ及び両面活物質層の厚さを含む正電極の総厚が40μm~450μmであるLICセルである。 An advantage of the disclosed technology is an LIC cell in which the total thickness of the positive electrode, including the thickness of the double-sided conductive material pre-coated aluminum (Al) foil and the thickness of the double-sided active material layer, is between 40 μm and 450 μm.

開示される技術の利点は、両面導電性材料プレコート銅(Cu)箔の厚さ及び両面活物質層の厚さを含む負電極の総厚が20μm~350μmであるLICセルである。 An advantage of the disclosed technology is an LIC cell in which the total thickness of the negative electrode, including the thickness of the double-sided conductive material precoated copper (Cu) foil and the thickness of the double-sided active material layer, is between 20 μm and 350 μm.

開示される技術の利点は、正電極活性層の総厚と負電極活性層の総厚との厚さ比が1:2~3:1であることが好ましいLICセルである。 An advantage of the disclosed technology is a LIC cell where the thickness ratio between the total thickness of the positive electrode active layer and the total thickness of the negative electrode active layer is preferably between 1:2 and 3:1.

開示される技術の利点は、正電極活性層と負電極活性層との容量比が1:12~1:2であることが好ましいLICセルである。 An advantage of the disclosed technology is a LIC cell in which the capacitance ratio between the positive electrode active layer and the negative electrode active layer is preferably between 1:12 and 1:2.

開示される技術の利点は、セパレータの材料がセルロース、ポリプロピレン(PP)及びポリエチレン(PE)系材料であるLICセルである。 An advantage of the disclosed technology is LIC cells where the separator material is cellulose, polypropylene (PP) and polyethylene (PE) based materials.

開示される技術の利点は、LICセルであって、負電極の片側表面上に充填された孔を有する極薄リチウム膜を含むLi源の単位面積当たりの質量が、0.1mg/cm~3mg/cmであることが好ましい、LICセルである。 An advantage of the disclosed technology is that the mass per unit area of the Li source, which includes an ultra-thin lithium film with pores filled on one surface of the negative electrode, is 0.1 mg/cm 2 to 1. Preferably, it is 3 mg/cm 2 in a LIC cell.

開示される技術の利点は、負電極の片側表面上に充填された孔を有するLi源極薄Li膜(u-Li)の厚さが2~50μmであることが好ましいLICセルである。 An advantage of the disclosed technology is a LIC cell where the Li source ultrathin Li film (u-Li) with filled pores on one side surface of the negative electrode preferably has a thickness of 2-50 μm.

開示される技術の利点は、負電極の片側表面上にプリロードされたLi源としての孔を有する当該極薄Li膜(u-Li)の面積が、負電極の面積の約25%~約100%であるLICセルである。 An advantage of the disclosed technology is that the area of the ultrathin Li film (u-Li) with holes as a preloaded Li source on one surface of the negative electrode is about 25% to about 100% of the area of the negative electrode. % of the LIC cell.

開示される技術の利点は、負電極の表面上にプリロードされたLi源としての孔を有する当該極薄Li膜における当該孔の面積サイズ百分率範囲が0.01%~約75%であるLICセルである。 An advantage of the disclosed technology is that the LIC cell has pores as a preloaded Li source on the surface of the negative electrode, and the area size percentage range of the pores in the ultrathin Li film is from 0.01% to about 75%. It is.

開示される技術の利点は、LICセルであって、負電極の片側表面上にプリロードされた孔を有する極薄Li膜を含むLi源の、片側負電極活性層に対する質量比百分率が、7%~14%であることが好ましい。 An advantage of the disclosed technology is that the LIC cell comprises an ultrathin Li film with preloaded pores on one side surface of the negative electrode, and the mass percentage of the Li source to the one side negative electrode active layer is 7%. It is preferably 14%.

開示される技術の利点は、LICセルがラミネートセル又は角柱状セルである、LICセルである。 An advantage of the disclosed technology is an LIC cell, where the LIC cell is a laminate cell or a prismatic cell.

開示される技術の利点は、2つの極薄(≦厚さ50μm)片面正電極と、孔を有する極薄リチウム膜(u-Li)が表面上にプリロードされた1つの極薄(≦厚さ50μm)両面負電極と、セパレータと、電解質としてリチウム塩を伴う有機溶媒電解質溶液とを伴う、極薄(≦厚さ1mm)LICである。 The advantages of the disclosed technology are two ultrathin (≦50 μm thick) single-sided positive electrodes and one ultrathin (≦50 μm thick) single-sided positive electrode with holes preloaded on the surface of the ultrathin lithium film (U-Li). It is an ultrathin (≦1 mm thick) LIC with a double-sided negative electrode (50 μm), a separator, and an organic solvent electrolyte solution with a lithium salt as electrolyte.

開示される技術の利点は、サイクル能力及びDC寿命に優れ、高いエネルギー密度及び出力密度を有するリチウムイオンキャパシタ(LIC)セルを作成するという問題に対する予想外の解決策を含む。本発明のLICセルシステムの好ましい実施形態では、負電極は、負電極の表面上に孔を有する極薄Li膜を含むリチウム源を適用することによってリチウムイオンでプレドープされる。 Advantages of the disclosed technology include an unexpected solution to the problem of creating lithium ion capacitor (LIC) cells with excellent cycling capability and DC lifetime, and high energy and power densities. In a preferred embodiment of the LIC cell system of the present invention, the negative electrode is pre-doped with lithium ions by applying a lithium source comprising an ultrathin Li film with pores on the surface of the negative electrode.

このようにプレドープされた場合、LICセルの電気化学的性能及び容量に影響を及ぼす多くの要因が存在する。これらの要因には以下が含まれる。(1)活物質及び添加剤を含む正電極及び負電極に使用される材料、(2)正電極及び負電極を製造する方法、(3)正電極及び負電極の厚さ、(4)正電極活性層の総厚と負電極活性層の総厚との厚さ比、(5)正電極活性層と負電極活性層との容量比、(6)LICセルのためのセパレータの材料、(7)負電極の表面上にプリロードされた孔を有する極薄Li膜を含むLi源の単位面積当たりの質量、(8)負電極の表面上にプリロードされた孔を有する極薄Li膜を含むLi源の厚さ、(9)負電極の表面上にプリロードされた孔を有する極薄Li膜の面積設計及び孔を有する極薄Li膜上の孔面積設計、(10)負電極の片側表面上にプリロードされた孔を有する極薄Li膜を含むLi源の、一方の側の負電極活性層に対する質量比百分率。 When pre-doped in this way, there are many factors that affect the electrochemical performance and capacity of the LIC cell. These factors include: (1) Materials used for the positive and negative electrodes, including active materials and additives, (2) Methods of manufacturing the positive and negative electrodes, (3) Thickness of the positive and negative electrodes, (4) Positive The thickness ratio between the total thickness of the electrode active layer and the total thickness of the negative electrode active layer, (5) the capacitance ratio between the positive electrode active layer and the negative electrode active layer, (6) the material of the separator for the LIC cell, ( 7) mass per unit area of the Li source comprising an ultra-thin Li film with pre-loaded pores on the surface of the negative electrode; (8) comprising an ultra-thin Li film with pre-loaded pores on the surface of the negative electrode. Thickness of the Li source, (9) Area design of the ultra-thin Li film with holes preloaded on the surface of the negative electrode and pore area design on the ultra-thin Li film with holes, (10) One side surface of the negative electrode Mass percentage of a Li source comprising an ultrathin Li film with holes preloaded on top of the negative electrode active layer on one side.

開示される技術の利点は、ポリマーバインダーフリー正電極と、孔を有する極薄リチウム膜を含むリチウム源が表面上にプリロードされたポリマーバインダーフリー負電極と、セパレータと、電解質としてリチウム塩を伴う有機溶媒電解質溶液とを含む、LICセルである。 Advantages of the disclosed technology include a polymeric binder-free positive electrode, a polymeric binder-free negative electrode preloaded on the surface with a lithium source comprising an ultrathin lithium membrane with pores, a separator, and an organic LIC cell comprising a solvent electrolyte solution.

一部の実施形態では、正電極活物質は、活性炭、カーボンブラック、CNT又は活性炭/カーボンブラック/CNT混合物(AC/CB/CNT)である。本発明のLICセルにおいて、負電極活物質は、グラファイト、ハードカーボン及びソフトカーボン、又は上記材料の任意の可能な混合物であることが好ましい。 In some embodiments, the positive electrode active material is activated carbon, carbon black, CNT or activated carbon/carbon black/CNT mixture (AC/CB/CNT). In the LIC cell of the invention, the negative electrode active material is preferably graphite, hard carbon and soft carbon, or any possible mixture of the above materials.

一部の実施形態では、正電極活物質活性炭(AC)は、1000~3000m/gの範囲の表面積を有する。 In some embodiments, the positive electrode active material activated carbon (AC) has a surface area in the range of 1000-3000 m 2 /g.

一部の実施形態では、正電極活物質活性炭(AC)が粒径D50≦10μmを有し、負電極活物質が粒径D50≦10μmを有する。 In some embodiments, the positive electrode active material activated carbon (AC) has a particle size D50≦10 μm and the negative electrode active material has a particle size D50≦10 μm.

一部の実施形態では、正電極配合物は、ACとCBとの間の質量比が80:20~99:1であるAC/CBとCNTとの間の質量比の範囲で調整することができる。 In some embodiments, the positive electrode formulation can be tailored in a range of mass ratios between AC/CB and CNTs, where the mass ratio between AC and CB is from 80:20 to 99:1. can.

一部の実施形態では、両面導電性材料プレコートアルミニウム箔の厚さ及び両面活物質層の厚さを含む正電極の総厚は、40μm~450μmである。本発明のLICセルでは、両面導電性材料プレコート銅箔の厚さ及び両面活物質層の厚さを含む負電極の総厚は、20μm~350μmである。本発明のLICセルにおいて、正電極活性層の総厚と負電極活性層の総厚との厚さ比は、1:2~3:1であることが好ましい。 In some embodiments, the total thickness of the positive electrode, including the thickness of the double-sided conductive material precoated aluminum foil and the thickness of the double-sided active material layer, is between 40 μm and 450 μm. In the LIC cell of the present invention, the total thickness of the negative electrode, including the thickness of the double-sided conductive material precoated copper foil and the thickness of the double-sided active material layer, is 20 μm to 350 μm. In the LIC cell of the present invention, the thickness ratio between the total thickness of the positive electrode active layer and the total thickness of the negative electrode active layer is preferably 1:2 to 3:1.

一部の実施形態では、正電極活性層対負電極活性層の容量比は、1:12~1:2であることが好ましい。 In some embodiments, the capacitance ratio of the positive electrode active layer to the negative electrode active layer is preferably from 1:12 to 1:2.

一部の実施形態では、LICセルにおいて、セパレータの材料は、セルロース、ポリプロピレン(PP)及びポリエチレン(PE)系材料であることが好ましい。 In some embodiments, in LIC cells, the separator material is preferably cellulose, polypropylene (PP) and polyethylene (PE) based materials.

一部の実施形態では、負電極の片側表面上に充填された孔を有する極薄Li膜を含むLi源の単位面積当たりの質量が、0.1mg/cm~3mg/cmであることが好ましい、LICセルである。 In some embodiments, the mass per unit area of the Li source comprising an ultrathin Li film with filled pores on one surface of the negative electrode is between 0.1 mg/cm 2 and 3 mg/cm 2 . is a preferred LIC cell.

一部の実施形態では、負電極の片側表面上にプリロードされた孔を有する極薄Li膜を含むLi源の厚さは、2~50μmであることが好ましい。 In some embodiments, the thickness of the Li source, which includes an ultrathin Li film with preloaded holes on one surface of the negative electrode, is preferably between 2 and 50 μm.

一部の実施形態では、負電極の表面上にプリロードされたLi源としての孔を有する極薄Li膜の面積は、負電極の面積の約25%~約100%であることが好ましい。 In some embodiments, the area of the ultrathin Li film with pores as a preloaded Li source on the surface of the negative electrode is preferably about 25% to about 100% of the area of the negative electrode.

一部の実施形態では、負電極の表面上にプリロードされたLi源としての孔を有する当該極薄Li膜中の当該孔の面積サイズ百分率範囲は、約0.01%~約75%であることが好ましい。 In some embodiments, the areal size percentage range of the pores in the ultrathin Li film with the pores as a preloaded Li source on the surface of the negative electrode is about 0.01% to about 75%. It is preferable.

一部の実施形態では、負電極の両側面上にプリロードされた孔を有する極薄Li膜を含むLi源の、両側の負電極活性層に対する質量比百分率は、7%~14%であることが好ましい。 In some embodiments, the mass percentage of the Li source comprising an ultrathin Li film with preloaded holes on both sides of the negative electrode to the negative electrode active layer on both sides is between 7% and 14%. is preferred.

一部の実施形態では、2つの極薄(≦厚さ50μm)片面正電極と、孔を有する極薄リチウム膜(u-Li)が表面上にプリロードされた1つの極薄(≦厚さ50μm)両面負電極と、セパレータと、電解質としてリチウム塩を伴う有機溶媒電解質溶液とを伴う、極薄(≦厚さ1mm)LICセルが提供される。 In some embodiments, two ultrathin (≦50 μm thick) single-sided positive electrodes and one ultrathin (≦50 μm thick ) An ultrathin (≦1 mm thick) LIC cell is provided with a double-sided negative electrode, a separator, and an organic solvent electrolyte solution with a lithium salt as electrolyte.

一部の実施形態では、高エネルギー密度、高出力密度、及び長寿命性能を有するLICセルが提供される。 Some embodiments provide LIC cells with high energy density, high power density, and long life performance.

上記の説明に関して、本発明の部品の最適な寸法関係は、サイズ、材料、形状、形態、機能、並びに動作、組立、及び使用の方法の変化を含めて、当業者には容易に明白かつ自明であるとみなされ、図面に図示され、本明細書に説明されるものと同等の関係は全て、本発明によって包含されることが意図されることを理解されたい。したがって、上記は、本発明の原理の単なる例示とみなされる。更に、多数の修正及び変更が当業者には容易に想到されるので、本発明を示され説明された厳密な構成及び動作に限定することは望ましくなく、したがって、全ての適切な修正及び均等物が本発明の範囲内に含まれることになる。 With respect to the above description, the optimum dimensional relationships of the parts of the present invention, including variations in size, material, shape, form, function, and methods of operation, assembly, and use, will be readily apparent and obvious to those skilled in the art. It is to be understood that all relationships equivalent to those shown in the drawings and described herein are intended to be encompassed by the present invention. Accordingly, the above is to be considered merely illustrative of the principles of the invention. Furthermore, since numerous modifications and changes will readily occur to those skilled in the art, it is not desirable to limit the invention to the precise construction and operation shown and described, and therefore all suitable modifications and equivalents are contemplated. are included within the scope of the present invention.

本明細書で使用される場合、特定の頭字語は、以下の専門用語、すなわちジメチルカーボネート(DMC);リチウムジフルオロ(オキサラト)ボレート(LiDFOB);リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI);プロピレンカーボネート(PC);エチレンカーボネート(EC);エチルメチルカーボネート(EMC);エチレングリコールモノブチルエーテル(EB);ジエチルカーボネート(DEC);ビニレンカーボネート(VC);窒化ホウ素カーボン(BCN);リチウムジフルオロ(オキサラト)ボレート(LiDFOB);リチウムビス(オキサラト)ボラート(LiBOB);リチウムジフルオロビス(オキサラト)ホスファート(LiDFOP);リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)と関連付けられるべきである。 As used herein, certain acronyms refer to the following terminology: dimethyl carbonate (DMC); lithium difluoro(oxalato)borate (LiDFOB); lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI); propylene carbonate (PC); Ethylene carbonate (EC); Ethyl methyl carbonate (EMC); Ethylene glycol monobutyl ether (EB); Diethyl carbonate (DEC); Vinylene carbonate (VC); Boron carbon nitride (BCN); Lithium difluoro(oxalato)borate (LiDFOB); Lithium bis(oxalato)borate (LiBOB); Lithium difluorobis(oxalato)phosphate (LiDFOP); Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI).

種々の他の構成要素が、本明細書の教示の態様を提供するために含まれ、参照され得る。例えば、追加の材料、材料の組み合わせ、及び/又は材料の省略を使用して、本明細書の教示の範囲内にある追加の実施形態を提供することができる。本明細書の教示の種々の修正を実現することができる。概して、修正は、ユーザ、設計者、製造業者、又は他の同様の利害関係者の必要性に従って設計されてもよい。修正は、その当事者によって重要であるとみなされる性能の特定の基準を満たすように意図され得る。 Various other components may be included and referenced to provide aspects of the teachings herein. For example, additional materials, combinations of materials, and/or omissions of materials may be used to provide additional embodiments within the scope of the teachings herein. Various modifications of the teachings herein may be implemented. In general, modifications may be designed according to the needs of users, designers, manufacturers, or other similar stakeholders. Modifications may be intended to meet certain criteria of performance deemed important by that party.

添付の特許請求の範囲又は請求項の要素は、「ための手段」又は「ためのステップ」という単語が特定の請求項において明示的に使用されない限り、米国特許法第112条(f)を行使するものと解釈されるべきではない。 The appended claims or claim elements do not invoke 35 U.S.C. 112(f) unless the words "means for" or "steps for" are explicitly used in a particular claim. should not be construed as doing so.

本発明又はその実施形態の要素を導入するとき、冠詞「a」、「an」、及び「the」は、1つ以上の要素が存在することを意味することが意図される。同様に、形容詞「別の(another)」は、要素を導入するために使用されるとき、1つ以上の要素を意味することが意図される。「含む(including)」及び「有する(having)」という用語は、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得るように包括的であることが意図される。本明細書で使用される場合、「例示的」という用語は、最も優れた例を暗示することを意図するものではない。むしろ、「例示的」は、多くの可能な実施形態のうちの1つである実施形態の例を指す。 When introducing elements of the invention or its embodiments, the articles "a," "an," and "the" are intended to mean that one or more of the elements are present. Similarly, the adjective "another" when used to introduce an element is intended to mean one or more elements. The terms "including" and "having" are intended to be inclusive such that there may be additional elements other than the listed elements. As used herein, the term "exemplary" is not intended to imply the best example. Rather, "exemplary" refers to an example embodiment that is one of many possible embodiments.

例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ、その要素を等価物で置き換えることができることが当業者には理解されるであろう。更に、当業者であれば、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の器具、状況又は材料を本発明の教示に適合させるための多くの修正が理解されるであろう。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図された最良のモードとして開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図される。 Although the invention has been described with reference to illustrative embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes can be made and elements thereof can be replaced by equivalents without departing from the scope of the invention. will be understood. Additionally, those skilled in the art will recognize many modifications to adapt a particular apparatus, situation, or material to the teachings of the invention without departing from the essential scope thereof. Therefore, the invention is not limited to the particular embodiments disclosed as the best mode contemplated for carrying out the invention, but rather the invention covers all is intended to include embodiments.

Claims (44)

リチウムイオンキャパシタ装置であって、
バインダー材料を実質的に含まない炭素のネットワークを含む正電極と、
セパレータによって前記正電極から分離された、バインダー材料を実質的に含まない炭素のネットワークを含む負電極と、
前記キャパシタのプレリチウム化を提供するために前記負電極上に配置されたリチウムの膜と、を含み、
前記正電極及び前記負電極の少なくとも一方は、
ネットワーク内に空隙を画定する高アスペクト比炭素要素の前記ネットワークと、
前記ネットワーク内の前記空隙に配置され、前記ネットワークに絡み合った複数の電極活物質粒子と、を含む、リチウムイオンキャパシタ装置。
A lithium ion capacitor device,
a positive electrode comprising a network of carbon substantially free of binder material;
a negative electrode comprising a network of carbon substantially free of binder material, separated from the positive electrode by a separator;
a film of lithium disposed on the negative electrode to provide prelithiation of the capacitor;
At least one of the positive electrode and the negative electrode,
said network of high aspect ratio carbon elements defining voids within the network;
A lithium ion capacitor device comprising: a plurality of electrode active material particles disposed in the voids in the network and entangled in the network.
前記高アスペクト比炭素要素は、2つの長寸法及び1つの短寸法を各々有する要素を含み、前記長寸法の各々の長さの比は、前記短寸法の長さの少なくとも10倍である、請求項1に記載の装置。 5. The high aspect ratio carbon element comprises an element each having two major dimensions and one minor dimension, wherein the ratio of the lengths of each of the major dimensions is at least 10 times the length of the minor dimension. The device according to item 1. 前記高アスペクト比炭素要素は、2つの長寸法及び1つの短寸法を各々有する要素を含み、前記長寸法の各々の前記長さの前記比は、前記短寸法の長さの少なくとも100倍である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 The high aspect ratio carbon element includes an element each having two major dimensions and one minor dimension, and the ratio of the length of each of the major dimensions is at least 100 times the length of the minor dimension. , a device according to any one of the preceding claims. 前記高アスペクト比炭素要素は、2つの長寸法及び1つの短寸法を各々有する要素を含み、前記長寸法の各々の前記長さの前記比は、前記短寸法の長さの少なくとも1,000倍である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 The high aspect ratio carbon element includes an element each having two major dimensions and one minor dimension, and the ratio of the length of each of the major dimensions is at least 1,000 times the length of the minor dimension. Apparatus according to any one of the preceding claims. 前記高アスペクト比炭素要素は、2つの長寸法及び1つの短寸法を各々有する要素を含み、前記長寸法の各々の前記長さの前記比は、前記短寸法の長さの少なくとも10,0000倍である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 The high aspect ratio carbon element includes an element each having two major dimensions and one minor dimension, wherein the ratio of the length of each of the major dimensions is at least 10,0000 times the length of the minor dimension. Apparatus according to any one of the preceding claims. 前記高アスペクト比炭素要素は、1つの長寸法及び2つの短寸法を各々有する要素を含み、前記長寸法の各々の前記長さの前記比は、前記短寸法の各々の長さの少なくとも10倍である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 The high aspect ratio carbon element includes an element each having one major dimension and two minor dimensions, and the ratio of the length of each of the major dimensions is at least 10 times the length of each of the minor dimensions. Apparatus according to any one of the preceding claims. 前記高アスペクト比炭素要素は、1つの長寸法及び2つの短寸法を各々有する要素を含み、前記長寸法の各々の前記長さの前記比は、前記短寸法の各々の長さの少なくとも100倍である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 The high aspect ratio carbon element includes an element each having one major dimension and two minor dimensions, and the ratio of the length of each of the major dimensions is at least 100 times the length of each of the minor dimensions. Apparatus according to any one of the preceding claims. 前記高アスペクト比炭素要素は、1つの長寸法及び2つの短寸法を各々有する要素を含み、前記長寸法の各々の前記長さの前記比は、前記短寸法の各々の長さの少なくとも1,000倍である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 The high aspect ratio carbon element includes an element each having one major dimension and two minor dimensions, the ratio of the length of each of the major dimensions being at least 1, 10. A device according to any one of the preceding claims, wherein the device is multiplied by a factor of 000. 前記高アスペクト比炭素要素は、1つの長寸法及び2つの短寸法を各々有する要素を含み、前記長寸法の各々の前記長さの前記比は、前記短寸法の各々の長さの少なくとも10,000倍である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 The high aspect ratio carbon element includes an element each having one major dimension and two minor dimensions, wherein the ratio of the length of each of the major dimensions is at least 10 of the length of each of the minor dimensions. 10. A device according to any one of the preceding claims, wherein the device is multiplied by a factor of 000. 前記高アスペクト比炭素要素は、カーボンナノチューブ又はカーボンナノチューブ束を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. The apparatus of any one of the preceding claims, wherein the high aspect ratio carbon element comprises a carbon nanotube or a bundle of carbon nanotubes. 前記高アスペクト比炭素要素は、グラフェンフレークを含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. The apparatus of any one of the preceding claims, wherein the high aspect ratio carbon elements comprise graphene flakes. 前記電極活性層は、前記空隙内に配置された10重量%未満のポリマーバインダーを含有する、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. The device of any one of the preceding claims, wherein the electrode active layer contains less than 10% by weight of polymeric binder disposed within the voids. 前記電極活性層は、前記空隙内に配置された1重量%未満のポリマーバインダーを含有する、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. The device of any one of the preceding claims, wherein the electrode active layer contains less than 1% by weight of polymeric binder disposed within the voids. 前記電極活性層は、前記空隙内に配置された1重量%未満のポリマーバインダーを含有する、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. The device of any one of the preceding claims, wherein the electrode active layer contains less than 1% by weight of polymeric binder disposed within the voids. 前記電極活性層は、表面処理以外のポリマー材料を実質的に含まない、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. A device according to any one of the preceding claims, wherein the electrode active layer is substantially free of polymeric material other than a surface treatment. 前記電極活性層は、ポリマー材料を実質的に含まない、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. A device according to any preceding claim, wherein the electrode active layer is substantially free of polymeric material. 前記ネットワークは、少なくとも90重量%の炭素である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. A device according to any one of the preceding claims, wherein the network is at least 90% by weight carbon. 前記ネットワークは、少なくとも95重量%の炭素である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. A device according to any preceding claim, wherein the network is at least 95% by weight carbon. 前記ネットワークは、少なくとも99重量%の炭素である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. A device according to any preceding claim, wherein the network is at least 99% carbon by weight. 前記ネットワークは、少なくとも99.9重量%の炭素である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. A device according to any preceding claim, wherein the network is at least 99.9% carbon by weight. 前記ネットワークは、パーコレーション閾値を上回る接続性を呈する炭素要素の電気的に相互接続されたネットワークを含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. A device according to any one of the preceding claims, wherein the network comprises an electrically interconnected network of carbon elements exhibiting connectivity above a percolation threshold. 前記ネットワークは、1つ以上の高導電性経路を画定する、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. The apparatus of any one of the preceding claims, wherein the network defines one or more highly conductive paths. 前記経路は、100μmを超える長さを有する、請求項29に記載の装置。 30. The apparatus of claim 29, wherein the path has a length greater than 100 [mu]m. 前記経路は、1,000μmを超える長さを有する、請求項29に記載の装置。 30. The apparatus of claim 29, wherein the path has a length greater than 1,000 [mu]m. 前記経路は、10,000μmを超える長さを有する、請求項29に記載の装置。 30. The apparatus of claim 29, wherein the path has a length greater than 10,000 [mu]m. 前記ネットワークは、前記炭素要素で形成された1つ以上の構造を含み、前記構造は、前記炭素要素の最大寸法の長さの少なくとも10倍の全長を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 10. The network according to any one of the preceding claims, wherein the network comprises one or more structures formed of the carbon elements, the structures comprising a total length of at least 10 times the length of the largest dimension of the carbon elements. The device described. 前記ネットワークは、前記炭素要素で形成された1つ以上の構造を含み、前記構造は、前記炭素要素の最大寸法の長さの少なくとも100倍の全長を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 10. The network according to any one of the preceding claims, wherein the network comprises one or more structures formed of the carbon elements, the structures comprising a total length of at least 100 times the length of the largest dimension of the carbon elements. The device described. 前記ネットワークは、前記炭素要素で形成された1つ以上の構造を含み、前記構造は、前記炭素要素の最大寸法の長さの少なくとも1,000倍の全長を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 Any one of the preceding claims, wherein the network comprises one or more structures formed of the carbon elements, the structures comprising a total length of at least 1,000 times the length of the largest dimension of the carbon elements. The equipment described in section. 前記正電極は、活性炭、カーボンブラック、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、ナノ形態炭素、高アスペクト比炭素、及びそれらの混合物からなるリストからの少なくとも1つを含む電極活物質を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 12. The preceding claim, wherein the positive electrode comprises an electrode active material comprising at least one from the list consisting of activated carbon, carbon black, graphite, hard carbon, soft carbon, nanoform carbon, high aspect ratio carbon, and mixtures thereof. A device according to any one of the above. 前記正電極は、1000~3000m2/gの範囲の比表面積を有する活性炭(AC)を含む電極活物質を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the positive electrode comprises an electrode active material comprising activated carbon (AC) with a specific surface area in the range from 1000 to 3000 m2/g. 前記正電極は、粒径D50≦10μmを有する活性炭(AC)を含む電極活物質を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. The device according to any one of the preceding claims, wherein the positive electrode comprises an electrode active material comprising activated carbon (AC) with a particle size D50≦10 μm. 前記負電極は、粒径D50≦10μmを有する電極活物質を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. The device according to any one of the preceding claims, wherein the negative electrode comprises an electrode active material having a particle size D50≦10 μm. 前記正電極は、活性炭(AC)、カーボンブラック(BC)、及び高アスペクト比炭素を含む電極活物質を含み、前記活物質と前記高アスペクト比炭素との質量比は、80:20~99:1の範囲内である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 The positive electrode includes an electrode active material containing activated carbon (AC), carbon black (BC), and high aspect ratio carbon, and the mass ratio of the active material to the high aspect ratio carbon is 80:20 to 99: 1. A device according to any one of the preceding claims. 前記正電極と前記リチウムの膜とを合わせた総厚は、40μm~450μmの範囲内である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 A device according to any one of the preceding claims, wherein the total thickness of the positive electrode and the lithium film is in the range 40 μm to 450 μm. 前記負電極の総厚は、20μm~350μmの範囲内である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the total thickness of the negative electrode is in the range 20 μm to 350 μm. 前記正電極活性層の総厚と前記負電極活性層の前記総厚との厚さ比は、1:2~3:1の範囲内である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 The device according to any one of the preceding claims, wherein the thickness ratio of the total thickness of the positive electrode active layer to the total thickness of the negative electrode active layer is in the range of 1:2 to 3:1. . 前記正電極活性層と前記負電極活性層との容量比は、1:12~1:2の範囲内である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 A device according to any one of the preceding claims, wherein the capacitance ratio between the positive electrode active layer and the negative electrode active layer is in the range of 1:12 to 1:2. 前記リチウム膜は、孔を含む極薄リチウム膜を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. The device of any one of the preceding claims, wherein the lithium membrane comprises an ultrathin lithium membrane containing pores. 前記負活性層の側面上のLi源の単位面積当たりの質量は、0.1mg/cm~3mg/cmの範囲内である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 The device according to any one of the preceding claims, wherein the mass per unit area of the Li source on the sides of the negative active layer is in the range from 0.1 mg/cm 2 to 3 mg/cm 2 . 前記負活性電極層の側面上の前記Li源の厚さは、2~50μmの範囲内である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the thickness of the Li source on the sides of the negative active electrode layer is in the range 2-50 μm. 前記リチウム膜の表面積は、前記負電極の側面の表面積の約25%~約100%である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 7. The device of any preceding claim, wherein the surface area of the lithium film is about 25% to about 100% of the lateral surface area of the negative electrode. 前記リチウム膜は、孔を含み、前記孔の面積サイズ百分率範囲は、前記膜の総面積の約0.01%~約75%の範囲内である、先行請求項のいずれか一項に記載の装置。 10. The lithium membrane of any one of the preceding claims, wherein the lithium membrane includes pores, and the area size percentage range of the pores is within the range of about 0.01% to about 75% of the total area of the membrane. Device. リチウムイオンキャパシタの作製方法であって、
バインダー材料を実質的に含まない炭素のネットワークを含む正電極を選択することと、
セパレータによって前記正電極から分離された、バインダー材料を実質的に含まない炭素のネットワークを含む負電極を選択することと、
前記負電極上にリチウムの膜を配置して、前記キャパシタのプレリチウム化を提供することと、
前記エネルギー貯蔵セル及び電解質をハウジング内に封止して、前記キャパシタを提供することと、によって、エネルギー貯蔵セルを提供することを含む、方法。
A method for manufacturing a lithium ion capacitor, the method comprising:
selecting a positive electrode comprising a network of carbon substantially free of binder material;
selecting a negative electrode comprising a network of carbon substantially free of binder material, separated from the positive electrode by a separator;
disposing a film of lithium on the negative electrode to provide prelithiation of the capacitor;
providing an energy storage cell by: sealing the energy storage cell and electrolyte in a housing to provide the capacitor.
前記リチウムイオンキャパシタは、請求項1~42のいずれか一項に記載の装置を含む、請求項43に記載の方法。 44. A method according to claim 43, wherein the lithium ion capacitor comprises a device according to any one of claims 1 to 42.
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