JP2023549673A - デンドライト防止機構を有する電気化学セル及びそれを作製する方法 - Google Patents

デンドライト防止機構を有する電気化学セル及びそれを作製する方法 Download PDF

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Abstract

本明細書に記載の実施形態は、概して、デンドライト防止機構を有する電気化学セルに関する。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、負極集電体上に配設された負極と、正極集電体上に配設された正極と、負極と正極との間に配設されたセパレータと、を含むことができる。いくつかの実施形態では、負極又は正極のうちの少なくとも１つは、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、負極及び／又は正極の外縁部の周りのデンドライト形成を防止するように構成されている。いくつかの実施形態では、第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りの負極集電体上に配設された電気活性材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上に配設された電気活性材料を含むことができる。【選択図】図８

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年１１月２日に出願された米国仮特許出願第６３／１０８，５６０号の利益を主張し、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書に記載の実施形態は、概して、デンドライト防止機構を有する電気化学セルに関する。
消費者は、急速に充電することができ、かつ目的のアプリケーションを必要なだけ実行するのに十分なエネルギーを蓄えることができる電池を望んでいる。所望の理論的エネルギー密度を達成するために、電池メーカーは、電極の厚さを増大させて、電極の総イオン／電子貯蔵容量を増加させてきた。しかしながら、これらのより厚い電極は、電極の厚さの関数としてこれらの電極の部分にわたる伝導率が低下するため、しばしば活物質の一部分がイオン／電子貯蔵にほとんど利用できない結果となる。電池メーカーはまた、理論的エネルギー密度を高めるために電極（例えば、負極）に高容量の材料を使用しているが、これらの材料は電極の使用中に体積的に膨張及び収縮することが多く、電池を損傷させる可能性がある。したがって、電極及び完成した電池における不活性構成要素を減らし、エネルギー密度と全体的な性能を向上させることは、エネルギー貯蔵システム開発の永続的な目標である。
加えて、デンドライトの形成及び成長、並びにプレーティングは、リチウムイオン電気化学セルで経験される問題である。デンドライトは、リチウムイオンが電極の表面（すなわち、核形成部位）に凝集又は核形成し始めると、生じ始め得る。デンドライトは、追加のリチウムイオンが核形成部位に移動し、かつ核形成部位に結合すると、成長する。デンドライトの形成及びプレーティングは、より速い充放電及び放電がより高い密度のイオンの動きにつながるため、電気化学セルの高速充放電によって悪化し得る。デンドライトの成長及びプレーティングは、これらが活物質を不可逆的に失わせ得るため、電気化学セルのサイクル性に有害である。デンドライトはまた、イオンの流れを遮断し得るか、又は電気化学セル内の部分的又は完全な短絡条件を引き起こし得る。
本明細書に記載の実施形態は、概して、デンドライト防止機構を有する電気化学セルに関する。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、負極集電体上に配設された負極と、正極集電体上に配設された正極と、負極と正極との間に配設されたセパレータと、を含むことができる。いくつかの実施形態では、負極又は正極のうちの少なくとも１つは、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、負極及び／又は正極の外縁部の周りのデンドライト形成を防止するように構成されている。いくつかの実施形態では、第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りの負極集電体上に配設された電気活性材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上に配設された電気活性材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の部分は、正極の外縁部の周りの正極集電体上に配設された非濡れ性コーティングを含むことができる。
いくつかの態様では、本明細書に記載の電気化学セルは、負極集電体上に配設された負極と、正極集電体上に配設された正極と、負極と正極との間に配設されたセパレータと、を含むことができる。セパレータは、負極に隣接する第１の面及び正極に隣接する第２の面を有し、負極又は正極のうちの少なくとも１つは、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、負極及び／又は正極の外縁部の周りのデンドライト形成を防止するように構成されている。いくつかの実施形態では、第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りの負極集電体上に配設された電気活性材料を含む。いくつかの実施形態では、電気活性材料は、ＬｉＴＯ２、ＴｉＯ２、又はそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上に配設された電気活性材料を含む。いくつかの実施形態では、電気活性材料は、ＬｉＴＯ２、ＴｉＯ２、又はそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、第２の部分は、正極の外縁部の周りの正極集電体上に配設された非濡れ性コーティングを含む。
したがって、いくつかの態様では、電気化学セルは、
負極集電体上に配設された負極と、
正極集電体上に配設された正極と、
負極と正極との間に配設されたセパレータであって、セパレータは、負極に隣接する第１の面及び正極に隣接する第２の面を有する、セパレータと、を含むことができ、
負極又は正極のうちの少なくとも１つは、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、負極及び／又は正極の外縁部の周りのデンドライト形成を防止するように構成されている。
いくつかの実施形態では、第１の部分は、第１の電気活性材料であり、第２の部分は、第２の電気活性材料である。
いくつかの実施形態では、第１の部分は、第１の電気活性材料であり、第２の部分は、第２の電気活性材料であり、負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りの負極集電体上に配設されている。
いくつかの実施形態では、負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上に配設されている。
いくつかの実施形態では、負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの負極集電体上に配設されている。
いくつかの実施形態では、負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、負極集電体の外縁部の周り、及び第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの負極集電体上に配設されている。任意選択で、更なる実施形態では、使用中に、正極の一部分が、正極集電体を取り囲む領域に移動して、正極の移動した部分を形成する。任意選択で、更なる実施形態では、負極の第２の部分は、セパレータを横断して正極の移動した部分から輸送される電子及び／又はイオンを捕捉することができる。いくつかの実施形態では、正極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングが配設されている。いくつかの実施形態では、正極の外縁部の周りの正極集電体上に、非濡れ性コーティングが配設されている。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティングが存在する場合、使用中に、非濡れ性コーティングは、正極の断片をはじいて、非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に正極の移動した部分を形成するか、又は使用中に、非濡れ性コーティングは、正極の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって正極の移動した部分を形成する。
いくつかの実施形態では、第１の部分は、第１の電気活性材料であり、第２の部分は、第２の電気活性材料であり、正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、正極集電体の外縁部の周りの正極集電体上に配設されているか、
又は、正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、正極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上に配設されているか、
又は、正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの正極集電体上に配設されているか、
又は、正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、第２の部分は、正極集電体の外縁部の周り、及び第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの正極集電体上に配設されている。いくつかの実施形態では、使用中に、負極の一部分が、負極集電体を取り囲む領域に移動して、負極の移動した部分を形成する。いくつかの実施形態では、負極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングが配設されているか、又は負極の外縁部の周りの負極集電体上に非濡れ性コーティングが配設されている。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティングが存在する場合、使用中に、非濡れ性コーティングは、負極の断片をはじいて、非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に負極の移動した部分を形成するか、又は使用中に、非濡れ性コーティングは、負極の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって負極の移動した部分を形成する。
いくつかの実施形態では、第１の部分は、第１の電気活性材料であり、第２の部分は、第２の電気活性材料であり、第２の電気活性材料は、高容量材料を含む。更なる実施形態では、第２の電気活性材料は、シリコン、ビスマス、ホウ素、ガリウム、インジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、アルミニウム、酸化チタン、モリブデン、ゲルマニウム、マンガン、ニオブ、バナジウム、タンタル、鉄、銅、金、白金、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、酸化モリブデン、酸化ゲルマニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、又はそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、第２の電気活性材料は、シリコンを含む。更なる実施形態では、第２の電気活性材料は、ＬｉＴＯ２、ＴｉＯ２、又はそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、第２の部分の厚さは、集電体の厚さと同じである。いくつかの実施形態では、第１の部分は、第１の電気活性材料であり、第２の部分は、第２の電気活性材料であり、第１の電気活性材料は、第２の電気活性材料と同じ材料で構成されており、代替的に、第１の電気活性材料は、第２の電気活性材料とは異なる材料で構成されている。いくつかの実施形態では、第２の電気活性材料は、第１の電気活性材料よりも高電圧材料又は低電圧材料である。いくつかの実施形態では、第２の電気活性材料は、第１の電気活性材料よりも高電圧材料である。いくつかの実施形態では、使用中に、電子及び／又はイオンが、第２の部分から第１の部分まで、又は第１の部分から第２の部分まで輸送され、使用中に、電子及び／又はイオンが、第２の部分から第１の部分まで輸送される。
いくつかの実施形態では、第１の部分は、第１の電気活性材料であり、第２の部分は、第２の電気活性材料であり、非濡れ性コーティングが存在する場合、非濡れ性コーティングは、電子バリアとして機能するか、又は非濡れ性コーティングは、電解質からの濡れに耐性を有する。
いくつかの実施形態では、第２の部分は、非濡れ性コーティングである。更なる実施形態では、負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、負極の第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りに配設されている。更に更なる実施形態では、正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、正極の第２の部分は、正極集電体の外縁部の周りに配設されている。更なる実施形態では、負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、負極の第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りに配設されており、正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、正極の第２の部分は、正極集電体の外縁部の周りに配設されている。一実施形態では、非濡れ性コーティングは、パウチ材料上に配設されている。別の実施形態では、非濡れ性コーティングは、電子バリアとして機能するか、又は非濡れ性コーティングは、電解質からの濡れに耐性を有する。
いくつかの実施形態では、第２の部分は、非濡れ性コーティングであり、負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、負極の第２の部分は、負極の第１の部分の外縁部の周りの負極集電体上に配設されており、かつ／又は正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、正極の第２の部分は、正極の第１の部分の外縁部の周りの正極集電体上に配設されている。更なる実施形態では、非濡れ性コーティングを含む第２の部分は、負極の第１の部分の外縁部の周りの負極集電体上に配設されている。更なる実施形態では、非濡れ性コーティングを含む第２の部分は、正極の第１の部分の外縁部の周りの正極集電体上に配設されている。別の実施形態では、非濡れ性コーティングは、電子バリアとして機能するか、又は非濡れ性コーティングは、電解質からの濡れに耐性を有する、
いくつかの実施形態では、第２の部分は、非濡れ性コーティングであり、第２の部分は、負極の第２の部分であり、使用中に、非濡れ性コーティングは、負極の第１の部分の断片をはじいて、非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に負極の移動した部分を形成するか、又は負極の第１の部分の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって負極の移動した部分を形成する。いくつかの実施形態では、第２の部分は、非濡れ性コーティングであり、第２の部分は、正極の第２の部分であり、使用中に、非濡れ性コーティングは、正極の第１の部分の断片をはじいて、非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に正極の移動した部分を形成するか、又は正極の第１の部分の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって正極の移動した部分を形成する。
いくつかの実施形態では、電気化学セルは、非濡れ性コーティングを含み、非濡れ性コーティングの厚さは、非濡れ性コーティングが上に配設されているか、又は周りに配設されている負極集電体及び／又は正極集電体の厚さと同じである。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、非濡れ性コーティングを含み、非濡れ性コーティングは、撥油性コーティングとしてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、シリコーン、アルミナ、シリカ、ペルフルオロアルキルポリアクリレート樹脂及びポリマー、ポリシルセスキオキサン、ポリジオクチルフルオレン（ＰＦＯ）を有するポリ（ビニルアルコール）系コポリマー、シリカ／アルミナと結合されたポリ（ビニルアルコール）系、又はそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの態様では、電気化学セルは、
負極集電体上に配設された負極と、
正極集電体上に配設された正極と、
負極と正極との間に配設されたセパレータであって、セパレータは、負極に隣接する第１の面及び正極に隣接する第２の面を有する、セパレータと、を含むことができ、
負極の外縁部の周りの負極集電体上に非濡れ性コーティングが配設されており、かつ／又は正極の外縁部の周りの正極集電体上に非濡れ性コーティングが配設されている。
いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティングは、負極の外縁部の周りの正極集電体上に配設されている。別の実施形態では、非濡れ性コーティングは、正極の外縁部の周りの正極集電体上に配設されている。
いくつかの態様では、電気化学セルは、
負極集電体上に配設された負極と、
正極集電体上に配設された正極と、
負極と正極との間に配設されたセパレータであって、セパレータは、負極に隣接する第１の面及び正極に隣接する第２の面を有する、セパレータと、を含むことができ、
負極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングが配設されており、かつ／又は正極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングが配設されている。
いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティングは、負極集電体の外縁部の周りに配設されている。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティングは、正極集電体の外縁部の周りに配設されている。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティングは、パウチ材料上に配設されている。
いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティングは、負極集電体上、又は負極集電体の外縁部の周りに配設されており、かつ使用中に、非濡れ性コーティングは、負極の断片をはじいて、非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に負極の移動した部分を形成するか、又は負極の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって負極の移動した部分を形成する。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティングは、正極集電体上、又は正極集電体の外縁部の周りに配設されており、かつ使用中に、非濡れ性コーティングは、正極の断片をはじいて、非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に正極の移動した部分を形成するか、又は正極の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって正極の移動した部分を形成する。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティングの厚さは、非濡れ性コーティングが上に配設されているか、又は周りに配設されている正極集電体及び／又は負極集電体の厚さと同じである。
いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティングは、撥油性コーティングとしてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、シリコーン、アルミナ、シリカ、ペルフルオロアルキルポリアクリレート樹脂及びポリマー、ポリシルセスキオキサン、ポリジオクチルフルオレン（ＰＦＯ）を有するポリ（ビニルアルコール）系コポリマー、シリカ／アルミナと結合されたポリ（ビニルアルコール）系、又はそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、負極及び／又は正極の少なくとも第１の部分は、半固体負極材料及び／又は半固体正極材料である。いくつかの実施形態では、負極の少なくとも第１の部分は、グラファイト電極である。いくつかの実施形態では、正極の少なくとも第１の部分は、ＮＭＣ８１１を含む。いくつかの実施形態では、負極、負極集電体、正極、正極集電体、セパレータ、第１の部分、及び第２の部分は、パウチ内に配設されている。いくつかの実施形態では、セパレータの部分は、負極及び正極の縁部を越えて延在する。いくつかの実施形態では、セパレータの部分は、負極及び正極の縁部を越えて延在し、負極、負極集電体、正極、正極集電体、セパレータ、第１の部分及び第２の部分は、パウチ内に配設されており、負極及び正極の縁部を越えて延在するセパレータの部分は、パウチの部分に封止されている。
いくつかの態様では、電気化学セルの調製方法は、
ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
ｃ）第１の負極部分と第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
ｄ）負極集電体の外縁部の周りの負極集電体上に負極の第２の部分を配設すること、及び／又は正極集電体の外縁部の周りの正極集電体上に正極の第２の部分を配設することと、
ｅ）パウチ内に負極集電体、負極、正極集電体、正極、及びセパレータを配設することと、
ｆ）パウチを封止して、電気化学セルを形成することと、を含むことができる。
いくつかの態様では、電気化学セルの調製方法は、
ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
ｃ）第１の負極部分と第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
ｄ）パウチ内に負極集電体、負極、正極集電体、正極、及びセパレータを配設することと、
ｅ）それぞれ、負極集電体及び／又は正極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上に、負極の第２の部分及び／又は正極の第２の部分を配設することと、
ｆ）パウチを封止して、電気化学セルを形成することと、を含むことができる。
いくつかの態様では、電気化学セルの調製方法は、
ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
ｃ）第１の負極部分と第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
ｄ）第１の負極部分の外縁部の少なくとも一部の周りの負極集電体上に負極の第２の部分を配設すること、及び／又は第１の正極部分の外縁部の少なくとも一部の周りの正極の正極集電体上に第２の部分を配設することと、
ｅ）パウチ内に負極集電体、負極、正極集電体、正極、及びセパレータを配設することと、
ｆ）パウチを封止して、電気化学セルを形成することと、を含むことができる。
いくつかの態様では、電気化学セルの調製方法は、
ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
ｃ）第１の負極部分と第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
ｄ）負極集電体の外縁部の周り及び第１の負極部分の外縁部の少なくとも一部の周りに負極の第２の部分を配設すること、並びに／又は正極集電体の外縁部の周り及び第１の正極部分の外縁部の少なくとも一部の周りに正極の第２の部分を配設することと、
ｅ）パウチ内に負極集電体、負極、正極集電体、正極、及びセパレータを配設することと、
ｆ）パウチを封止して、電気化学セルを形成することと、を含むことができる。
いくつかの実施形態では、第１の部分は、第１の電気活性材料であり、第２の部分は、第２の電気活性材料である。
いくつかの実施形態では、負極の第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りの負極集電体上、負極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上、負極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの負極集電体上、又は負極集電体の外縁部の周り及び負極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに配設されている。更なる実施形態では、方法は、正極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングを配設するステップ、又は正極の第１の部分の外縁部の周りの正極集電体上に非濡れ性コーティングを配設するステップを更に含む。
いくつかの実施形態では、正極の第２の部分は、正極集電体の外縁部の周りの正極集電体上、正極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上、正極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの正極集電体上、又は正極集電体の外縁部の周り及び正極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに配設されている。更なる実施形態では、方法は、負極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングを配設するステップ、又は負極の第１の部分の外縁部の周りの負極集電体上に非濡れ性コーティングを配設するステップを更に含む。
いくつかの実施形態では、負極の第２の部分は、負極集電体の外縁部の周りの負極集電体上、負極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上、負極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの負極集電体上、又は負極集電体の外縁部の周り及び負極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに配設されており、正極の第２の部分は、正極集電体の外縁部の周りの正極集電体上、正極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上、正極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの正極集電体上、又は正極集電体の外縁部の周り及び正極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに配設されている。
いくつかの態様では、電気化学セルの調製方法は、
ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
ｃ）第１の負極部分と第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
ｄ）正極集電体及び／又は負極集電体の外縁部の周りに非濡れ性部分を配設することと、
ｅ）パウチ内に前記負極集電体、負極、正極集電体、正極、セパレータ、及び非濡れ性部分を配設することと、
ｆ）パウチを封止して、電気化学セルを形成することと、を含むことができる。
いくつかの態様では、電気化学セルの調製方法は、
ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
ｃ）第１の負極部分と第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
ｄ）正極集電体及び／又は負極集電体上、並びに正極及び／又は負極の外縁部の周りに非濡れ性部分を配設することと、
ｅ）パウチ内に負極集電体、負極、正極集電体、正極、セパレータ、及び非濡れ性部分を配設することと、
ｆ）パウチを封止して、電気化学セルを形成することと、を含むことができる。
いくつかの実施形態では、非濡れ性部分は、正極集電体の外縁部の周り、又は正極集電体上及び正極の第１の部分の外縁部の周りに配設されている。更なる実施形態では、非濡れ性部分は、正極集電体の外縁部の周り、又は正極集電体上及び正極の第１の部分の外縁部の周りに配設されており、方法は、負極集電体の外縁部の周りの負極集電体上、負極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上、負極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの負極集電体上、又は負極集電体の外縁部の周り及び負極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに、負極の第２の部分を配設するステップを更に含むことができる。
いくつかの実施形態では、非濡れ性部分は、負極集電体の外縁部の周り、又は負極集電体上及び負極の第１の部分の外縁部の周りに配設されている。更なる実施形態では、非濡れ性部分は、負極集電体の外縁部の周り、又は負極集電体上及び負極の第１の部分の外縁部の周りに配設されており、方法は、正極集電体の外縁部の周りの正極集電体上、正極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上、正極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの正極集電体上、又は正極集電体の外縁部の周り及び正極の第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに、正極の第２の部分を配設するステップを更に含むことができる。
いくつかの実施形態では、セパレータの部分は、負極及び正極の縁部を越えて延在する。いくつかの実施形態では、方法は、パウチをセパレータに加熱封止するステップを更に含むことができる。いくつかの実施形態では、方法は、パウチの部分を互いに加熱封止するステップを更に含むことができる。
いくつかの実施形態では、負極の少なくとも第１の部分は、半固体負極材料であり、かつ／又は正極の少なくとも第１の部分は、半固体正極材料である。いくつかの実施形態では、負極の少なくとも第１の部分は、グラファイト電極である。いくつかの実施形態では、正極の少なくとも第１の部分は、ＮＭＣ８１１を含む。いくつかの実施形態では、第２の部分は、高容量材料である電気活性材料である。いくつかの実施形態では、第２の部分は、シリコン、ビスマス、ホウ素、ガリウム、インジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、アルミニウム、酸化チタン、モリブデン、ゲルマニウム、マンガン、ニオブ、バナジウム、タンタル、鉄、銅、金、白金、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、酸化モリブデン、酸化ゲルマニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、又はそれらの任意の組み合わせを含む電気活性材料である。第４～第９の態様のいずれかの実施形態では、第２の部分は、ＬｉＴＯ２、ＴｉＯ２、又はそれらの任意の組み合わせを含む電気活性材料である。
いくつかの態様では、本発明は、前述の実施形態のいずれかに記載されるように、電気化学セルの使用を提供する。
いくつかの態様では、本発明は、前述の実施形態のいずれかに記載されるように、少なくとも１つの電気化学セルを含むセルスタックを提供する。第１１の態様の実施形態では、セルスタックは、前述の実施形態のいずれかに記載されるように、少なくとも２つの電気化学セルを含む。
一実施形態による、電気化学セルの概略図である。 一実施形態による、電気化学セルの概略図である。 一実施形態による、拡張領域を含む電気化学セルの概略図である。 一実施形態による、電気化学セルの概略図である。 一実施形態による、電気化学セルの概略図である。 一実施形態による、電気化学セルの概略図である。 一実施形態による、電気化学セルの概略図である。 一実施形態による、電気化学セルの概略図である。 一実施形態による、電気化学セルの概略図である。 一実施形態による、電気化学セルの概略図である。 異なる電気化学セル構成における初期容量損失のグラフ表現である。 異なる電気化学セル構成における容量保持対サイクル数のグラフ表現である。 異なる電気化学セル構成における容量保持対サイクル数及びＣ速度のグラフ表現である。 異なる電気化学セル構成における容量保持対サイクル数及びＣ速度のグラフ表現である。 異なる電気化学セル構成間のｄＱ／ｄＶ及び電圧プロファイルの比較のグラフ表現である。 リン酸マンガン鉄リチウムのハーフセル電圧曲線のグラフ表現である。 異なる電気化学セル構成における容量保持対サイクル数のグラフ表現である。 一実施形態による、電気化学セルのグラフ表現である。 一実施形態による、電気化学セルのグラフ表現である。 負極材料の堆積からの短絡に曝された電気化学セルを示す。
本明細書に記載の実施形態は、概して、多層電極、コーティングされたセパレータ、及び／又はデンドライト防止機構を有する電気化学セルに関する。
従来の電池システムは、異なるイオン電気化学ポテンシャルでイオン源及びイオンシンクを分離することによって電気化学エネルギーを貯蔵する。電気化学ポテンシャルの違いにより、正極と負極との間に電圧差が生じ、電極が導電性要素で接続されている場合、電流が発生する。正極と負極との間の電気化学ポテンシャルの違いは、より高い電圧システムを生成することができ、より高いエネルギー密度のセルに貢献する。従来の電池システムでは、負極及び正極は、２つの導電性要素の並列構成を介して接続されている。外部要素は電子のみを伝導するが、内部要素はセパレータ及び電解質によって分離されており、イオンのみを伝導する。電荷の不均衡は負極と正極との間で維持することができないため、外部及び内部の流れは、同じ速度でイオン及び電子を供給する。生成された電流は外部デバイスを駆動することができる。充電式電池は、放電中の電池とは反対方向に電流及びイオン電流を駆動する反対の電圧差を印加することによって再充電することができる。よって、充電式電池の活物質は、イオンを受容して提供する能力を有していなければならない。電気化学ポテンシャルが増加すると、電池の正極と負極との間に大きな電圧差が生じ、電池の単位質量当たりの電気化学的に貯蔵されたエネルギーが増加する。
家庭用電化製品の電池は、リチウムイオン電池技術の進歩にともない、エネルギー密度が徐々に増加している。製造された電池の貯蔵されたエネルギー又は充電容量は、以下の関数である：（１）活物質の固有の充電容量（ｍＡｈ／ｇ）、（２）電極の体積（ｃｍ３）（すなわち、電極の厚さ、電極の面積、及び層（スタック）の数の積）、及び（３）電極媒体における活物質の充填（例えば、電極媒体のｃｍ３当たりの活物質のグラム数）。したがって、商業的訴求力（例えば、エネルギー密度の増加及びコストの減少）を高めるために、一般に、面積電荷容量（ｍＡｈ／ｃｍ２）を増加させることが望ましい。面積電荷容量は、例えば、より高い固有電荷容量を有する活物質を利用すること、電極配合物全体における活性電荷貯蔵材料の相対的割合（すなわち、「充填」）を増加させること、及び／又は特定の電池形状因子で使用される電極材料の相対的割合を増加させることによって、増加させることができる。換言すれば、不活性構成要素（例えば、セパレータ及び集電体）に対する活性電荷貯蔵構成要素（例えば、電極）の比率を高めることは、電池の全体的な性能に貢献しない構成要素を排除又は削減することで、電池の全体的な性能を向上させることができる。面積電荷容量を増加させ、したがって不活性構成要素の相対的な割合を減少させることを達成するための１つの方式は、電極の厚さを増加させることによる。
従来の電極組成物は、一般に、特定の性能及び製造上の制限のために、約１００μｍより厚くすることができない。例えば、ｉ）１００μｍを超える厚さ（片面コーティングされた厚さ）を有する従来の電極は通常、厚みが増すにつれて急速に増大する電極の厚さを通した拡散の制限（気孔率、屈曲度、インピーダンスなど）により、速度能力が大幅に低下し、ｉｉ）従来の厚い電極は、乾燥及び後処理の制限、例えば、溶媒除去速度、電極の亀裂につながる乾燥中の毛細管力、層間剥離につながる集電体への電極の不十分な接着（例えば、従来の電極を製造するために使用される高速ロールツーロールカレンダー処理プロセス中）、溶媒除去プロセス中の結合剤の移動、及び／又はその後の圧縮プロセス中の変形のせいで、製造が困難であり、ｉｉｉ）特定の理論に束縛されないが、従来の電極に使用される結合剤は、電極の細孔構造の障害となり、利用可能な細孔の体積を減少させ、電極の機能構成要素（つまり、活性構成要素及び導電性構成要素）間の空間のかなりの部分を占めることで屈曲度（すなわち、有効経路長）を増大させ、イオンの拡散に対する抵抗を増加させる可能性がある。従来の電極で使用される結合剤は、電極活物質の表面を少なくとも部分的にコーティングすることができ、それにより、活物質へのイオンの流れが遅くなるか又は完全に遮断されることで、屈曲度が増加することも知られている。
更に、既知の従来の電池は、高容量又は高速度能力のいずれかを有するが、両方を有さない。第１のＣ速度、例えば、０．５Ｃで第１の充電容量を有する電池は、概して、第２のより高いＣ速度、例えば、２Ｃで放電されるとき、第２のより低い充電容量を有する。これは、従来の電極（例えば、結合剤をともなう固体電極）の内部抵抗が高いために従来の電池内部で発生するエネルギー損失が大きく、電圧が低下して電池がローエンドの電圧カットオフにより早く到達するためである。より厚い電極は、概して、より高い内部抵抗を有するため、より低速度の能力を有する。例えば、鉛蓄電池は、１ＣＣ速度ではうまく機能しない。多くの場合、鉛蓄電池は０．２ＣＣ速度で評価され、この低いＣ速度でも、１００％の容量を達成することはできない。対照的に、ウルトラコンデンサは非常に高いＣ速度で放電され得、それでもなお１００％の容量を維持することができるが、従来の電池よりもはるかに低い充電容量を有する。したがって、より厚くすることが可能であり、しかも優れた速度能力及び充電容量などの優れた性能特性を有する電極に対する必要性が存在する。物理的特性及び組成の勾配は、電気活性種の拡散を助けることができる。組成の勾配は、活物質組成を含み得る。
したがって、本明細書に記載の実施形態は、概して、ｚ方向（「［００１］方向」とも呼ばれる）、すなわち、集電体の表面に垂直な方向の組成勾配（以下、「電極厚さ」）を有する電極に関する。言い換えれば、電極は、機械的、化学的、及び／又は電気化学的性能の向上のために電極を調整するために、少なくとも部分的に異方性及び／又は不均一になるように設計することができる。複数の層及び／又は組成勾配を有する電極の例を、「Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ－Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題する、２０１９年５月２４日に出願された米国特許公開第２０１９／０３６３３５１号（’３５１公開）に見出すことができ、その開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の電極及び／又は電気化学セルは、固体電解質を含むことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の負極は、固体電解質を含むことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の正極は、固体電解質を含むことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の電気化学セルは、負極及び正極の両方に固体電解質を含むことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の電気化学セルは、固体電解質を有する単位セル構造を含むことができる。いくつかの実施形態では、固体電解質材料は、結合剤と混合され、次いで、処理（例えば、押し出し、鋳造、湿式鋳造、吹き付けなど）されて、固体電解質材料シートを形成する粉末であり得る。いくつかの実施形態では、固体電解質材料は、Ｌａ０．５１Ｌｉ０．３４ＴｉＯ２．９４、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３、Ｌｉ１．４Ａｌ０．４Ｔｉ１．６（ＰＯ４）３、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、Ｌｉ６．６６Ｌａ３Ｚｒ１．６Ｔａ０．４Ｏ１２、９（ＬＬＺＯ）、５０Ｌｉ４ＳｉＯ４・５０Ｌｉ３ＢＯ３、Ｌｉ２．９ＰＯ３．３Ｎ０．４６（オキシ窒化リン酸リチウム、ＬｉＰＯＮ）、Ｌｉ３．６Ｓｉ０．６Ｐ０．４Ｏ４、Ｌｉ３ＢＮ２、Ｌｉ３ＢＯ３－Ｌｉ２ＳＯ４、Ｌｉ３ＢＯ３－Ｌｉ２ＳＯ４－Ｌｉ２ＣＯ３（ＬＩＢＳＣＯ、擬似三元系）などのガーネット構造、ペロブスカイト構造、リン酸塩系リチウム超イオン導体（ＬＩＳＩＣＯＮ）構造、ガラス構造を含む酸化物系固体電解質材料、Ｌｉ１．０７Ａｌ０．６９Ｔｉ１．４６（ＰＯ４）３、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３、Ｌｉ１０ＧｅＰ２Ｓ１２（ＬＧＰＳ）、３０Ｌｉ２Ｓ・２６Ｂ２Ｓ３・４４ＬｉＩ、６３Ｌｉ２Ｓ・３６ＳｉＳ２・１Ｌｉ３ＰＯ４、５７Ｌｉ２Ｓ・３８ＳｉＳ２・５Ｌｉ４ＳｉＯ４、７０Ｌｉ２Ｓ・３０Ｐ２Ｓ５、５０Ｌｉ２Ｓ・５０ＧｅＳ２、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１、Ｌｉ３．２５Ｐ０．９５Ｓ４、及びＬｉ９．５４Ｓｉ１．７４Ｐ１．４４Ｓ１１．７Ｃｌ０．３などのチオ－ＬＩＳＩＣＯＮ構造、ガラス構造、及びガラスセラミック構造を含む硫化物含有固体電解質材料、並びに／又はＬｉＢＨ４－ＬｉＩ、ＬｉＢＨ４－ＬｉＮＨ２、ＬｉＢＨ４－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ（ＣＢＸＨＸ＋１）－ＬｉＩ ｌｉｋｅ Ｌｉ（ＣＢ９Ｈ１０）－ＬｉＩ及び／若しくはリチウム電解質塩ビス（トリフルオロメタン）スルホンアミド（ＴＦＳＩ）、ビス（ペルフルオロエタンスルホン）イミド（ＢＥＴＩ）、ビス（フルオロスルホニル）イミド、ホウ酸リチウムオキサラトホスフィンオキシド（ＬｉＢＯＰ）、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド、アミド水素化ホウ素、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６ＬＩＦ、若しくはそれらの組み合わせなどのクロソ型錯体水素化物電解質、のうちの１つ以上である。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の電極は、約４０重量％～約９０重量％の固体電解質材料を含むことができる。固体電解質を含む電気化学セル及び電極の例は、２０１９年１月８日に出願された、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ Ｐｅｒｍｅａｂｌｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題された米国特許第１０，７３４，６７２号（「’６７２特許」）に記載されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
負極及び／又は正極に複数の層又は組成勾配を有する電気化学セルは、高容量及び高Ｃ速度を提供することができるが、高Ｃ速度での充電は、サイクリングの問題につながり得る。高いＣ速度での充電又は放電は、大量のイオンの動きに起因して、低いＣ速度でよりも、リチウムイオン又は他の電気活性種が正極の縁部の周りにプレーティングすることを引き起こし得る。加えて、高いＣ速度での充電又は放電は、同じ理由でデンドライトの成長を悪化させ得る。多くのサイクルにわたって、デンドライトは、電気化学セル内の電気活性材料及び電解質を消費し、不可逆的な容量損失を引き起こし得る。デンドライトが十分に大きく成長すると、デンドライトは、セパレータを貫通し、電気化学セル内の部分的な短絡又は完全な短絡を引き起こし得る。短絡は、電気化学セル内の発火及び火災につながるおそれがあり得るため、安全上、危険であり得る。
セパレータ上のコーティングは、いくつかの機構によって、プレーティング及びデンドライトの成長を低減することができる。セパレータ多孔率は、多くの場合、電気化学セルの化学的性質に応じて、比較的狭い動作可能範囲を有するパラメータである。イオン密集は、セパレータ細孔の近くで発生し得る。高多孔率及び／又は高表面積材料を使用してセパレータをコーティングする場合、コーティングは、イオンが一方の電極から他方の電極への移動時にたどることができる可能な流路の数を増加させることができる。これは、イオンが単一の列ではなく、細孔の分岐したネットワークを通って移動することができるため、セパレータ細孔付近のイオンの密集を大幅に低減することができる。このイオン密集の低減は、デンドライトの蓄積を防止するのに役立ち、それによって、複数のサイクルを通じて電気化学セルの容量保持を改善することができる。
本明細書で使用される場合、「組成」は異方性であり得、物理的、化学的、若しくは電気化学的組成又はそれらの組み合わせを指し得る。例えば、いくつかの実施形態では、集電体の表面に直接隣接する電極材料は、集電体の表面から更に離れた電極材料よりも気孔率が低くなり得る。特定の理論に束縛されることを望まないが、例えば、気孔率勾配の使用は、イオン伝導率の低下を経験することなく、より厚くすることができる電極をもたらし得る。いくつかの実施形態では、集電体の表面に隣接する電極材料の組成は、集電体の表面から更に離れた電極材料とは化学的に異なり得る。
本明細書で使用される場合、「約」及び「およそ」という用語は、概して、記載された値のプラスマイナス１０％を意味し、例えば、約２５０μｍは、２２５μｍ～２７５μｍを含み、約１，０００μｍは、９００μｍ～１，１００μｍを含む。
本明細書で使用される場合、「半固体」という用語は、例えば、粒子懸濁液、コロイド懸濁液、乳濁液、ゲル、又はミセルなどの液相及び固相の混合物である材料を指す。
本明細書で使用される場合、「活性炭ネットワーク」及び「ネットワーク化された炭素」という用語は、電極の一般的な定性的状態に関する。例えば、活性炭ネットワーク（又はネットワーク化された炭素）をともなう電極は、電極内の炭素粒子が、電極の厚さ及び長さを通して粒子間の電気的接触及び電気伝導率を促進する個々の粒子の形態及び相互の配置を取るようになっている。逆に、「非活性炭素ネットワーク」及び「ネットワーク化されていない炭素」という用語は、炭素粒子が、電極を通して適切な電気伝導を提供するために十分に接続されていない可能性がある、個々の粒子島又は多重粒子凝集島として存在する電極に関する。
本明細書で使用される場合、「エネルギー密度」及び「体積エネルギー密度」という用語は、電気化学セルが動作するために含まれている、電極、セパレータ、電解質、集電体などの材料の単位体積（例えば、Ｌ）当たりの電気化学セルに貯蔵されるエネルギー（例えば、ＭＪ）の量を指す。具体的には、電気化学セルのパッケージングのために使用される材料は、体積エネルギー密度の計算から除外される。
本明細書で使用される場合、「高容量材料」又は「高容量負極材料」という用語は、電気活性種の取り込みを容易にするために電極に組み込むことができる、３００ｍＡｈ／ｇを超える不可逆容量をともなう材料を指す。例としては、スズ、ＳｎーＦｅなどのスズ合金、一酸化スズ、シリコン、ＳｉーＣｏなどのシリコン合金、一酸化シリコン、アルミニウム、アルミニウム合金、一酸化金属（ＣｏＯ、ＦｅＯなど）又は酸化チタンを含む。
本明細書で使用される場合、「複合高容量電極層」という用語は、高容量材料と従来の負極材料との両方をともなう電極層、例えば、シリコンーグラファイト層を指す。
本明細書で使用される場合、「固体高容量電極層」という用語は、単一の固相高容量材料、例えば、スパッタされたシリコン、スズ、ＳｎーＦｅなどのスズ合金、一酸化スズ、シリコン、ＳｉーＣｏなどのシリコン合金、一酸化シリコン、アルミニウム、アルミニウム合金、一酸化金属（ＣｏＯ、ＦｅＯなど）又は酸化チタンをともなう電極層を指す。
いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極材料の任意の物理的、化学的、及び／又は電気化学的特性を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる電極材料の気孔率の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる活物質又は活物質濃度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる導電性材料又は導電性材料濃度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる電解質又は電解質濃度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる添加剤（例えば、電解質添加剤）又は添加剤濃度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる密度（単位体積当たりの単位質量）の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる材料の結晶化度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる立方晶、六方晶、正方晶、菱面体晶、斜方晶、単斜晶、及び三斜晶の結晶構造のうちの少なくとも１つの間の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたるｐＨの変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたるイオン伝導率の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる電子伝導率の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたるエネルギー密度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる理論的エネルギー密度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたるヤング率の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる降伏強度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる引張強度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電気化学セルの動作中の電極の厚さ全体にわたる体積膨張／収縮電位の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極勾配全体にわたる電極材料の塑性変形能の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる電解質中の活物質、導電性材料、及び添加剤のうちの少なくとも１つの溶解性の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる結合剤の割合の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる電極材料の加工性の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる電極材料の流動性の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたるイオン貯蔵電位の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる最初の充電／放電サイクルの後に経験される容量減退の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる粘度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる密度の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、組成勾配は、電極の厚さ全体にわたる表面積の変化を含み得る。いくつかの実施形態では、電極の厚さ全体にわたる表面積の変化は、活物質濃度の変化に起因し得る（すなわち、集電体に遠い活物質よりも近い活物質のほうが濃度が高い、又はその逆）。いくつかの実施形態では、電極の厚さ全体にわたる表面積の変化は、活物質組成の変化に起因し得る（すなわち、集電体に近い活物質組成は、集電体から離れた活物質組成とは異なる）。
いくつかの実施形態では、電極の厚さを通して組成勾配を達成するために、いくつかの組成的に異なる電極材料を集電体上に（例えば、積層構造として）配設することができる。いくつかの実施形態では、組成的に異なる電極材料の数は、１より大きくてもよく、約２より大きくてもよく、約３より大きくてもよく、約４より大きくてもよく、約５より大きくてもよく、約６より大きくてもよく、約７より大きくてもよく、約８より大きくてもよく、約９より大きくてもよく、約１０より大きくてもよく、又は約１５より大きくてもよく、それらの間の全ての値及び範囲を含む。いくつかの実施形態では、第１層は集電体上に配設することができ、第２層は第１層上に配設することができ、後続の層は、最上層が配設されて完成電極を形成するまで前の層の上に配設することができる。いくつかの実施形態では、第１の１つ以上の層は、任意の好適な順序で、任意の好適な方法を使用して、第２の１つ以上の他の層と結合することができ、結合した層を集電体上に同時に配設して、完成電極を形成することができる。いくつかの実施形態では、単一の電極材料が、電極の厚さ方向に組成勾配（異方性）を有する集電体上に形成され得る。
図１は、負極集電体１２０上に配設された、第１の電極材料１１２及び第２の電極材料１１４を有する負極１１０を含む、電気化学セル１００の概略図である。電気化学セル１００は、正極集電体１４０上に配設された正極１３０と、負極１１０と正極１３０との間に配設されたセパレータ１５０と、を更に含む。コーティング層１５５は、セパレータ１５０上に配設されている。
示されるように、負極１１０は、二重層電極である。いくつかの実施形態では、正極１３０は、二重層電極であり得る。いくつかの実施形態では、負極１１０及び正極１３０の両方は、二重層電極であり得る。いくつかの実施形態では、二重層電極は、２０１３年４月２９日に出願された、「Ｓｅｍｉ－Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ Ｈａｖｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ｒａｔｅ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ」と題する米国特許第８，９９３，１５９号（「’１５９特許」）に記載されているような一連の材料及び任意の好適な形状因子を含むことができ、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
考えられる材料、電気化学的適合性特性、形状因子、並びに負極集電体１２０及び／又は正極集電体１４０の用途の例は、’１５９特許に更に詳細に記載されている。いくつかの実施形態では、負極集電体１２０及び／又は正極集電体１４０は、’１５９特許に記載されている集電体と実質的に同様であり得るため、本明細書では詳細に記載されていない。
いくつかの実施形態では、負極集電体１２０及び／又は正極集電体１４０は、基板、シート若しくはホイル、又は任意の他の形状因子の形態の導電性材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、負極集電体１２０及び／又は正極集電体１４０は、アルミニウム、銅、リチウム、ニッケル、ステンレス鋼、タンタル、チタン、タングステン、バナジウム、又はそれらの混合物、組み合わせ若しくは合金などの金属を含むことができる。いくつかの実施形態では、負極集電体１２０及び／又は正極集電体１４０は、炭素、カーボンナノチューブ、又は金属酸化物（例えば、ＴｉＮ、ＴｉＢ２、ＭｏＳｉ２、ｎ－ＢａＴｉＯ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＲｅＯ３、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２など）などの非金属材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、負極集電体１２０及び／又は正極集電体１４０は、前述の金属材料及び非金属材料のいずれかの上に配設された導電性コーティングを含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性コーティングは、複合材料又は層状材料を含む、炭素系材料、導電性金属及び／又は非金属材料を含むことができる。
いくつかの実施形態では、電極材料は、活物質、導電性材料、電解質、添加剤、結合剤、及び／又はそれらの組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、活物質は、エネルギーを貯蔵するためにファラデー反応又は非ファラデー反応を受け得るイオン貯蔵材料及び／又は任意の他の化合物若しくはイオン錯体であり得る。活物質はまた、固液懸濁液を含む非レドックス活性相と混合されたレドックス活性固体を含む多相材料、又は支持液相と密接に混合された液体イオン貯蔵材料を有するミセル若しくは乳濁液を含む液液多相混合物であり得る。様々な作用イオンを利用するシステムは、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、又は他のアルカリイオンが作用イオンであり、更にＣａ２＋、Ｍｇ２＋、又はＡｌ３＋のようなアルカリ土類作用イオンである水性システムを含み得る。いくつかの実施形態では、負極貯蔵材料及び正極貯蔵材料を電気化学的に結合して電気化学セルを形成することができ、負極は、正極よりも低い絶対電位で目的の作用イオンを貯蔵する。セル電圧は、２つのイオン貯蔵電極材料のイオン貯蔵電位の差によっておおよそ決定することができる。
作用イオンの不溶性貯蔵ホストである負及び／又は正のイオン貯蔵材料を使用する電気化学セルは、材料の他の全ての構成要素が電解質に実質的に不溶性のままである間、作用イオンを吸収又は放出し得る。いくつかの実施形態では、電解質が電気化学的組成物で汚染されないので、これらのセルは特に有利であり得る。加えて、負及び／又は正のリチウムイオン貯蔵材料を使用するセルは、非水性電気化学組成物を使用する場合に特に有利であり得る。
いくつかの実施形態では、イオン貯蔵レドックス組成物は、従来のリチウムイオン電池で作用することが証明された材料を含む。いくつかの実施形態において、正の半固体電気活性材料は、リチウム正電気活性材料を含み、リチウムカチオンは、負極と正極との間を往復し、液体電解質に懸濁された固体のホスト粒子に挿入される。いくつかの実施形態では、リチウムカチオンは、固体の高容量材料の固体マトリックスに挿入することができる。
いくつかの実施形態では、レドックス活性化合物は、有機又は無機であり得、リチウム金属、ナトリウム金属、リチウム金属合金、溶解リチウムをともなう又はともなわないガリウム及びインジウム合金、溶融遷移金属塩化物、チオニル塩化物など、又は電池の動作条件下で液体になり得るレドックスポリマー及び有機物を含み得るが、これらに限定されない。そのような液体形態はまた、希釈剤又は溶媒である別の非レドックス活性液体で希釈又はそれと混合され得、そのような希釈剤と混合してより低融点の液相を形成することを含む。
いくつかの実施形態では、レドックス活性電極材料は、電池の正極又は負極のいずれかに有用な電位で目的の作用イオンを貯蔵する有機レドックス化合物を含み得る。そのような有機レドックス活性貯蔵材料は、ポリアニリン又はポリアセチレンベースの材料などの「ｐ」ドープ導電性ポリマー、ポリニトロキシド又は有機ラジカル電極（Ｈ．Ｎｉｓｈｉｄｅら、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍ．Ａｃｔａ，５０，８２７－８３１、（２００４）、及びＫ．Ｎａｋａｈａｒａら、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、３５９、３５１ー３５４（２００２）に記載されているものなど）、カルボニルベースの有機物、並びにＬｉ２Ｃ６Ｏ６、Ｌｉ２Ｃ８Ｈ４Ｏ４、Ｌｉ２Ｃ６Ｈ４Ｏ４などの化合物（例えば、Ｍ．Ａｒｍａｎｄら、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、ＤＯＩ１０．１０３８／ｎｍａｔ２３７２を参照）及び有機硫黄化合物を含む、オキソカーボン及びカルボン酸塩を含む。いくつかの実施形態において、従来の活物質は、コバルト、マンガン、ニッケルーカドミウムーマンガン、リン酸塩、リチウムマンガン酸化物、リチウム鉄リン酸塩、リチウムコバルト酸化物、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２、リチウムニッケルマンガン酸化物（ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５など）、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３など）、リチウム金属、炭素、リチウム挿入炭素、リチウム窒化物、リチウム合金及びリチウム合金形成化合物シリコン、ビスマス、ホウ素、ガリウム、インジウム、亜鉛、スズ、酸化スズ、アンチモン、アルミニウム、酸化チタン、モリブデン、ゲルマニウム、マンガン、ニオブ、バナジウム、タンタル、金、プラチナ、鉄、銅、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、酸化モリブデン、酸化ゲルマニウム、酸化シリコン、炭化シリコン、及び他の好適な化学物質を含み得る。
いくつかの実施形態では、電極材料用の導電性材料は、例えば、グラファイト、カーボン粉末、パイロライトカーボン、カーボンブラック、カーボンファイバー、カーボンマイクロファイバー、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、単層ＣＮＴ、多層ＣＮＴ、「バッキーボール」を含むフラーレンカーボン、グラフェンシート及び／又はグラフェンシートの集合体、その他の導電性材料、金属（Ｃｕ、Ａｌ、粉末など）、合金、又はそれらの組み合わせを含み得る。
いくつかの実施形態では、電極材料用の電解質は、例えば、アルコール又は非プロトン性有機溶媒などの極性溶媒を含み得る非水性液体電解質を含み得る。Ｌｉイオン電池電解質の構成要素として多くの有機溶媒、特に、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレンなどの環状炭酸エステル族及びそれらの塩素化又はフッ素化誘導体、並びに、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジプロピル、炭酸メチルプロピル、炭酸エチルプロピル、炭酸ジブチル、炭酸ブチルメチル、炭酸ブチルエチル及び炭酸ブチルプロピルなどの非環状ジアルキル炭酸エステル族が提案されている。Ｌｉイオン電池電解質溶液の構成要素として提案されている他の溶媒は、γーブチロラクトン、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２ーメチルテトラヒドロフラン、１，３ージオキソラン、４ーメチルー１，３ージオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオノニトリル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、炭酸ジメチル、テトラグライムなどを含む。いくつかの実施形態では、これらの非水溶媒は、塩が溶解されてイオン伝導率を提供する多成分混合物として使用することができる。いくつかの実施形態では、リチウム伝導率を提供する塩は、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＦＳＩ、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＴＦＳＩ、ＬｉＢＥＴＩ、ＬｉＢＯＢなどを含み得る。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、正極側の電解質分子を負極側の電解質分子から分離するように構成されている選択透過性膜を含み得る。この選択透過性膜は、２０１９年１月８日に出願された、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ Ｐｅｒｍｅａｂｌｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題する米国特許公開第２０１９／０３４８７０５号（「’７０５公開」）に記載されているように、複数の電解質（すなわち、負極側の負極液及び正極側の正極液）の使用を可能にすることができる。
いくつかの実施形態において、結合剤は、デンプン、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ジアセチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、エチレングリコール、ポリアクリレート、ポリ（アクリル酸）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリエチレンオキシド、ポリ（フッ化ビニリデン）、ゴム、エチレンープロピレンージエンモノマー（ＥＰＤＭ）、親水性結合剤、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレンブタジエンコポリマー、ポリ（３，４ーエチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホネート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、ポリ（フッ化ビニリデンーｃｏーヘキサフルオロプロピレン）（ＰＶＤＦーＨＦＰ）、無水マレイン酸グラフトポリフッ化ビニリデン（ＭＰＶＤＦ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ＳＢＲとカルボキシメチルセルロースナトリウムの混合物（ＳＢＲ＋ＣＭＣ）、ポリアクリロニトリル、フッ素化ポリイミド、ポリ（３ーヘキシルチオフェン）ーｂーポリ（エチレンオキシド）、ポリ（１ーピレンメチルメタクリレート）（ＰＰｙ）、ポリ（ｌーピレンメチルメタクリレートーｃｏーメタクリル酸）（ＰＰｙーＭＡＡ）、ポリ（ｌーピレンメチルメタクリレートーｃｏートリエチレングリコールメチルエーテル）（ＰＰｙＥ）、ポリアクリル酸及びこのリチウム塩（ＰＡＡ）、ポリアクリル酸ナトリウム、フッ素化ポリアクリル酸、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、電極材料に十分な機械的支持を提供するように構成された他の好適なポリマー材料、並びにそれらの組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、電極材料は、約０．０１重量％～約３０重量％、約１重量％～約２０重量％、約２重量％～約１９重量％、約３重量％～約１８重量％、約４重量％～約１７重量％、約５重量％～約１６重量％、約６重量％～約１５重量％、又は約５重量％～約２０重量％（全ての値及び範囲を含む）の結合剤を含み得る。
いくつかの実施形態では、負極１１０及び／又は正極１３０の厚さは、少なくとも約３０μｍであり得る。いくつかの実施形態では、負極１１０及び／又は正極１３０は、少なくとも約１００μｍ、少なくとも約１５０μｍ、少なくとも約２００μｍ、少なくとも約２５０μｍ、少なくとも約３００μｍ、少なくとも約３５０μｍ、少なくとも約４００μｍ、少なくとも約４５０μｍ、少なくとも約５００μｍ、少なくとも約６００μｍ、少なくとも約７００μｍ、少なくとも約８００μｍ、少なくとも約９００μｍ、少なくとも約１，０００μｍ、少なくとも約１，５００μｍ、及び最大約２，０００μｍの厚さ（それらの間の全ての厚さを含む）を有する半固体電極を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２の厚さは、負極１１０の全厚さの約５０％未満であり得る。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２の厚さは、負極１１０の全厚さの約４５％未満、約４０％未満、約３５％未満、約３０％未満、約２５％未満、約２０％未満、約１５％未満、約１０％未満、約５％未満、又は約３％未満であり得る。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２の厚さは、約８０μｍ未満、約７０μｍ未満、約６０μｍ未満、約５０μｍ未満、約４０μｍ未満、約３０μｍ未満、約２０μｍ未満、約１０μｍ未満、約５μｍ未満、約２μｍ未満、又は約１μｍ未満であり得る。
いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４の厚さは、負極１１０の全厚さの少なくとも約２０％であり得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４の厚さは、負極１１０の全厚さの少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、又は少なくとも約９９％であり得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４の厚さは、少なくとも約３０μｍであり得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４の厚さは、少なくとも約５０μｍ、少なくとも約１００μｍ、少なくとも約１５０μｍ、少なくとも約２００μｍ、少なくとも約２５０μｍ、少なくとも約３００μｍ、少なくとも約３５０μｍ、少なくとも約４００μｍ、少なくとも約４５０μｍ、少なくとも約５００μｍ、少なくとも約６００μｍ、少なくとも約７００μｍ、少なくとも約８００μｍ、少なくとも約９００μｍ、少なくとも約１，０００μｍ、少なくとも約１，５００μｍ、及び最大約２，０００μｍ（それらの間の全ての厚さを含む）であり得る。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、従来の固体電極製造プロセスに従って製造された固体電極材料を含み得る。いくつかの実施形態では、固体電極材料は、活物質と、導電性添加剤と、溶媒に溶解又は分散された結合剤とを含むスラリーを形成することによって製造することができる。スラリーは、電気化学セル内の電極集電体又は他の好適切構造に配設された後、乾燥され（例えば、溶媒を蒸発させることによって）、かつ指定された厚さにカレンダー処理される。固体電極材料の製造はまた、一般に、構築されている電池構造に従って、材料の混合、鋳造、カレンダー処理、乾燥、切断、及び加工（曲げ、圧延など）を含み得る。電極材料が乾燥されカレンダー処理されると、電極材料を電解質で（例えば、圧力下で）湿らせることができる。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、蒸着プロセスによって製造された固体電極材料を含む得、蒸着プロセスは、蒸着、電気ビーム蒸着、電気化学蒸着、ゾルゲル、スパッタリング、及び物理スプレー法を含む。
いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４は、第１の電極材料１１２上に分散された純粋な導電剤を含み得る。電解質として第１の電極材料１１２上に導電性スラリーを（活物質なしで）コーティングすることは、従来のセル製造プロセスにおける電解質放出のための代替方法として役立つ。導電剤は、特に体積膨張材料を用いて、サイクル中に第１の電極材料１１２に流れ込み、空隙を埋めることができる。言い換えれば、導電剤の使用は、電極の電子伝導性を維持するのを助けることができ、それにより、第１の電極材料１１２のサイクル安定性を改善することができる。
いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４は、半固体電極材料を含み得る。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の半固体電極材料が作製され得る：（ｉ）半固体電極の低減された屈曲度及びより高い電子伝導率に起因して、固体電極材料より厚く（例えば、２５０μｍ～最大２，０００μｍ、又はそれより厚く）、（ｉｉ）従来の電極材料よりも高い活物質の充填で、（ｉｉｉ）より少ない装置を利用する単純化された製造プロセス。これらの比較的厚い半固体電極は、活性成分に対する不活性成分の体積、質量、及びコストの寄与を減少させ、それにより、半固体電極材料を含む電極の商業的訴求力を高める。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４は、乾燥ステップがなくても第１の電極材料１１２上に配設することができる。乾燥ステップを省くことで、処理時間及び製造コストを削減することができる可能性がある。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４をセパレータ（図示せず）上に配設することができ、次に、第２の電極材料１１４をともなうセパレータを、集電体１２０上に配設された第１の電極材料１１２と組み合わせることができる。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４は、結合剤を含み得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４は、実質的に結合剤を含んでいなくてもよい。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の半固体電極材料は、結合剤なしであり得る。代わりに、従来の電極の結合剤によって通常占有される半固体電極材料の体積は、ここでは以下によって占有される：１）屈曲度を減少させ、かつイオン拡散に利用できる総塩を増加させる効果があり、それによって、従来の厚い電極を高速で使用した場合に典型的な塩類の枯渇効果に対抗する電解質、２）電池の充電容量を増加させる効果を有する活物質、又は３）電極の電子伝導率を増加させる効果を有し、それによって、従来の厚い電極の高い内部インピーダンスに対抗する導電性添加剤。本明細書に記載の半固体電極の減少した屈曲度及びより高い電子伝導率は、半固体電極から形成された電気化学セルの優れた速度能力及び電荷容量をもたらす。
本明細書に記載の半固体電極材料は、従来の電極材料よりも実質的に厚くすることができるので、不活性物質に対する活物質の比率をはるかに高くすることができる。いくつかの実施形態では、この増大した活性対不活性材料比は、本明細書に記載の半固体電極材料を含む電池の全体的な充電容量及びエネルギー密度を増加させることができる。
本明細書に記載されるように、固体電極材料は、典型的には密度が高く（より低い気孔率を有する）、一方、半固体電極材料は、典型的にはより密度が低い（より高い気孔率を有する）。特定の理論に束縛されることを望まないが、固体電極材料のより低い気孔率は、電極の厚さ全体にわたるイオンの屈曲度の増大のために、利用可能な活物質へのイオン伝導のより低い確率をもたらす可能性がある。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、固体電極材料を含み得、第２の電極材料１３０は、電極の厚さ全体にわたる組成勾配が気孔率の変化を含むように、半固体電極材料を含み得る。特定の理論に束縛されることを望まないが、負極１１０の厚さ全体にわたる気孔率勾配を作成することにより、負極１１０の総理論的エネルギー密度は、従来の電極材料の使用のためにより高く、イオンに対する従来の活物質の接近性は、半固体電極材料全体にわたる高いイオン流動のために、高いままである。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は固体電極材料を含むと説明され、かつ第２の電極材料１１４は半固体電極材料を含むと説明されるが、他の構成及び化学的性質が可能である。例えば、いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、第１の組成物を有する半固体電極材料を含み得、第２の電極材料１１４は、第２の組成物を有する半固体電極材料を含み得る。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、第１の気孔率を有する半固体電極材料を含み得、第２の電極材料１１４は、第１の気孔率よりも大きい第２の気孔率を有する半固体電極材料を含み得る。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、第１のイオン貯蔵容量を有する半固体電極材料を含み得、第２の電極材料１１４は、第１のイオン貯蔵容量よりも小さい第２のイオン貯蔵容量を有する半固体電極材料を含み得る。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、第１のイオン伝導率を有する半固体電極材料を含むことができ、第２の電極材料１１４は、第１のイオン伝導率よりも大きい第２のイオン伝導率を有する半固体電極材料を含み得る。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、第１の気孔率を有し得、第２の電極材料１１４は、第１の気孔率よりも小さい第２の気孔率を有し得る。いくつかの実施形態では、第２の気孔率は、第１の気孔率よりも大きくすることができる。いくつかの実施形態では、第２の気孔率は、第１の気孔率と実質的に等しくすることができる。
いくつかの実施形態では、第１の気孔率は、約３％未満又は約５％未満であり得る。いくつかの実施形態では、第１の気孔率は、約２０％～約２５％、約２５％～約３０％、約３０％～約３５％、約３５％～約４０％、約４０％～約４５％、約４５％～約５０％、約５０％～約５５％、又は約５５％～約６０％であり得る。
いくつかの実施形態では、第２の気孔率は、約２０％～約２５％、約２５％～約３０％、約３０％～約３５％、約３５％～約４０％、約４０％～約４５％、約４５％～約５０％、約５０％～約５５％、又は約５５％～約６０％であり得る。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、第１の表面積を有し得、第２の電極材料１１４は、第１の表面積よりも大きい第２の表面積を有し得る。いくつかの実施形態では、第２の表面積は、第１の面積よりも小さくすることができる。いくつかの実施形態では、第２の表面積は、第１の表面積と実質的に等しくすることができる。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、約１ｍ２／ｇ未満の表面積をともなう活物質を含み得る。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、約１ｍ２／ｇ～約２ｍ２／ｇ、約２ｍ２／ｇから約３ｍ２／ｇ、約３ｍ２／ｇ～約４ｍ２／ｇ、約４ｍ２／ｇ～約５ｍ２／ｇ、又は約５ｍ２／ｇより大きい表面積をともなう活物質を含み得る。
いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４は、約１ｍ２／ｇ未満の表面積をともなう活物質を含み得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４は、約１ｍ２／ｇ～約２ｍ２／ｇ、約２ｍ２／ｇ～約３ｍ２／ｇ、約３ｍ２／ｇ～約４ｍ２／ｇ、約４ｍ２／ｇ～約５ｍ２／ｇ、又は約５ｍ２／ｇより大きい表面積をともなう活物質を含み得る。
いくつかの実施形態では、電気化学セルの動作中、イオンは、第１の速度で第２の電極材料１１４を通って、第１の速度よりも小さい第２の速度で第１の電極材料１１２へ往復させ得る。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、第１のイオン貯蔵容量を有し得、第２の電極材料１１４は、第１のイオン貯蔵容量よりも小さい第２のイオン貯蔵容量を有し得る。いくつかの実施形態では、完成電極は、負極集電体１２０、第１の電極材料１１２、及び第２の電極材料１１４の厚さの合計に実質的に等しい厚さを有し得る。いくつかの実施形態では、完成した組成勾配電極の厚さは、第１の電極材料１１２のみ又は第２の電極材料１１４のみのいずれかから形成され、かつ完成した組成勾配電極と同じ厚さを有する電極よりも大きい電力密度を有し得る。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、シリコンベース（Ｓｉ、ＳｉＯ、Ｓｉ合金）及び／又はスズベース（Ｓｎ、ＳｎＯ、Ｓｎ合金）などの帯電において、第２の電極材料１１４よりも高い濃度の高膨張活物質を含み得る。
より高膨張の活物質は、サイクル中の膨張ー圧縮力のために、充電及び放電サイクルの後に小さな粒子に移行する可能性がある。これらの力は、サイクル中の電子ネットワークを減少させる傾向があり、集電体の近くのより高膨張の材料は、電子経路を確保することができる。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４として半固体電極を有することは、これらの膨張力を吸収する傾向がある。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２において高膨張性活物質の高い気孔率を有することにより、第２層においてより高い電子伝導率のネットワーク及びより低い膨張率の活物質を有する半販売電極が多孔質領域に動きし、それによって電子ネットワークを維持することができる。
いくつかの実施形態では、組成勾配を有する負極１１０（例えば、第１の電極材料１１２と第２の電極材料１１４とを含む）のエネルギー密度は、約０．２ＭＪ／Ｌ、約０．２５ＭＪ／Ｌ、約０．３ＭＪ／Ｌ、約０．３５ＭＪ／Ｌ、約０．４ＭＪ／Ｌ、約０．４５ＭＪ／Ｌ、約０．５ＭＪ／Ｌ、約０．５５ＭＪ／Ｌ、約０．６Ｊ／Ｌ、約０．６５ＭＪ／Ｌ、約０．７ＭＪ／Ｌ、約０．７５ＭＪ／Ｌ、約０．８ＭＪ／Ｌ、約０．８５ＭＪ／Ｌ、約０．９ＭＪ／Ｌ、約０．９５ＭＪ／Ｌ、約１．０ＭＪ／Ｌ、約１．０５ＭＪ／Ｌ、約１．１ＭＪ／Ｌ、約１．１５ＭＪ／Ｌ、約１．２ＭＪ／Ｌ、約１．２５ＭＪ／Ｌ、約１．３ＭＪ／Ｌ、約１．３５ＭＪ／Ｌ、約１．４ＭＪ／Ｌ、約１．４５ＭＪ／Ｌ、約１．５ＭＪ／Ｌ、約１．５５ＭＪ／Ｌ、約１．６ＭＪ／Ｌ、約１．６５ＭＪ／Ｌ、約１．７ＭＪ／Ｌ、約１．７５ＭＪ／Ｌ、約１．８ＭＪ／Ｌ、約１．８５ＭＪ／Ｌ、約１．９ＭＪ／Ｌ、約１．９５ＭＪ／Ｌ、約２．０ＭＪ／Ｌ、約２．０５ＭＪ／Ｌ、約２．１ＭＪ／Ｌ、約２．１５ＭＪ／Ｌ、約２．２ＭＪ／Ｌ、約２．２５ＭＪ／Ｌ、約２．３ＭＪ／Ｌ、約２．３５ＭＪ／Ｌ、約２．４ＭＪ／Ｌ、約２．４５ＭＪ／Ｌ、約２．５ＭＪ／Ｌ、約２．５５ＭＪ／Ｌ、約２．６ＭＪ／Ｌ、約２．６５ＭＪ／Ｌ、約２．７ＭＪ／Ｌ、約２．７５ＭＪ／Ｌ、約２．８ＭＪ／Ｌ、約２．８５ＭＪ／Ｌ、約２．９ＭＪ／Ｌ、約２．９５ＭＪ／Ｌ、約３．０ＭＪ／Ｌ、約３．５ＭＪ／Ｌ、約４．０ＭＪ／Ｌ、約４．５ＭＪ／Ｌ、又は約５．０ＭＪ／Ｌ（これらの間の全ての値及び範囲を含む）より大きくすることができる。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２のエネルギー密度は、約０．２ＭＪ／Ｌ、約０．２５ＭＪ／Ｌ、約０．３ＭＪ／Ｌ、約０．３５ＭＪ／Ｌ、約０．４ＭＪ／Ｌ、約０．４５ＭＪ／Ｌ、約０．５ＭＪ／Ｌ、約０．５５ＭＪ／Ｌ、約０．６Ｊ／Ｌ、約０．６５ＭＪ／Ｌ、約０．７ＭＪ／Ｌ、約０．７５ＭＪ／Ｌ、約０．８ＭＪ／Ｌ、約０．８５ＭＪ／Ｌ、約０．９ＭＪ／Ｌ、約０．９５ＭＪ／Ｌ、約１．０ＭＪ／Ｌ、約１．０５ＭＪ／Ｌ、約１．１ＭＪ／Ｌ、約１．１５ＭＪ／Ｌ、約１．２ＭＪ／Ｌ、約１．２５ＭＪ／Ｌ、約１．３ＭＪ／Ｌ、約１．３５ＭＪ／Ｌ、約１．４ＭＪ／Ｌ、約１．４５ＭＪ／Ｌ、約１．５ＭＪ／Ｌ、約１．５５ＭＪ／Ｌ、約１．６ＭＪ／Ｌ、約１．６５ＭＪ／Ｌ、約１．７ＭＪ／Ｌ、約１．７５ＭＪ／Ｌ、約１．８ＭＪ／Ｌ、約１．８５ＭＪ／Ｌ、約１．９ＭＪ／Ｌ、約１．９５ＭＪ／Ｌ、約２．０ＭＪ／Ｌ、約２．０５ＭＪ／Ｌ、約２．１ＭＪ／Ｌ、約２．１５ＭＪ／Ｌ、約２．２ＭＪ／Ｌ、約２．２５ＭＪ／Ｌ、約２．３ＭＪ／Ｌ、約２．３５ＭＪ／Ｌ、約２．４ＭＪ／Ｌ、約２．４５ＭＪ／Ｌ、約２．５ＭＪ／Ｌ、約２．５５ＭＪ／Ｌ、約２．６ＭＪ／Ｌ、約２．６５ＭＪ／Ｌ、約２．７ＭＪ／Ｌ、約２．７５ＭＪ／Ｌ、約２．８ＭＪ／Ｌ、約２．８５ＭＪ／Ｌ、約２．９ＭＪ／Ｌ、約２．９５ＭＪ／Ｌ、約３．０ＭＪ／Ｌ、約３．５ＭＪ／Ｌ、約４．０ＭＪ／Ｌ、約４．５ＭＪ／Ｌ、又は約５．０ＭＪ／Ｌ（これらの間の全ての値及び範囲を含む）より大きくすることができる。
いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４のエネルギー密度は、約０．２ＭＪ／Ｌ、約０．２５ＭＪ／Ｌ、約０．３ＭＪ／Ｌ、約０．３５ＭＪ／Ｌ、約０．４ＭＪ／Ｌ、約０．４５ＭＪ／Ｌ、約０．５ＭＪ／Ｌ、約０．５５ＭＪ／Ｌ、約０．６Ｊ／Ｌ、約０．６５ＭＪ／Ｌ、約０．７ＭＪ／Ｌ、約０．７５ＭＪ／Ｌ、約０．８ＭＪ／Ｌ、約０．８５ＭＪ／Ｌ、約０．９ＭＪ／Ｌ、約０．９５ＭＪ／Ｌ、約１．０ＭＪ／Ｌ、約１．０５ＭＪ／Ｌ、約１．１ＭＪ／Ｌ、約１．１５ＭＪ／Ｌ、約１．２ＭＪ／Ｌ、約１．２５ＭＪ／Ｌ、約１．３ＭＪ／Ｌ、約１．３５ＭＪ／Ｌ、約１．４ＭＪ／Ｌ、約１．４５ＭＪ／Ｌ、約１．５ＭＪ／Ｌ、約１．５５ＭＪ／Ｌ、約１．６ＭＪ／Ｌ、約１．６５ＭＪ／Ｌ、約１．７ＭＪ／Ｌ、約１．７５ＭＪ／Ｌ、約１．８ＭＪ／Ｌ、約１．８５ＭＪ／Ｌ、約１．９ＭＪ／Ｌ、約１．９５ＭＪ／Ｌ、約２．０ＭＪ／Ｌ、約２．０５ＭＪ／Ｌ、約２．１ＭＪ／Ｌ、約２．１５ＭＪ／Ｌ、約２．２ＭＪ／Ｌ、約２．２５ＭＪ／Ｌ、約２．３ＭＪ／Ｌ、約２．３５ＭＪ／Ｌ、約２．４ＭＪ／Ｌ、約２．４５ＭＪ／Ｌ、約２．５ＭＪ／Ｌ、約２．５５ＭＪ／Ｌ、約２．６ＭＪ／Ｌ、約２．６５ＭＪ／Ｌ、約２．７ＭＪ／Ｌ、約２．７５ＭＪ／Ｌ、約２．８ＭＪ／Ｌ、約２．８５ＭＪ／Ｌ、約２．９ＭＪ／Ｌ、約２．９５ＭＪ／Ｌ、約３．０ＭＪ／Ｌ、約３．５ＭＪ／Ｌ、約４．０ＭＪ／Ｌ、約４．５ＭＪ／Ｌ、又は約５．０ＭＪ／Ｌ（これらの間の全ての値及び範囲を含む）より大きくすることができる。
いくつかの実施形態では、組成勾配を有する負極１１０（例えば、第１の電極材料１１２と第２の電極材料１１４とを含む）の比エネルギーは、約０．２ＭＪ／ｋｇ、約０．２５ＭＪ／ｋｇ、約０．３ＭＪ／ｋｇ、約０．３５ＭＪ／ｋｇ、約０．４ＭＪ／ｋｇ、約０．４５ＭＪ／ｋｇ、約０．５ＭＪ／ｋｇ、約０．５５ＭＪ／ｋｇ、約０．６Ｊ／ｋｇ、約０．６５ＭＪ／ｋｇ、約０．７ＭＪ／ｋｇ、約０．７５ＭＪ／ｋｇ、約０．８ＭＪ／ｋｇ、約０．８５ＭＪ／ｋｇ、約０．９ＭＪ／ｋｇ、約０．９５ＭＪ／ｋｇ、約１．０ＭＪ／ｋｇ、約１．０５ＭＪ／ｋｇ、約１．１ＭＪ／ｋｇ、約１．１５ＭＪ／ｋｇ、約１．２ＭＪ／ｋｇ、約１．２５ＭＪ／ｋｇ、約１．３ＭＪ／ｋｇ、約１．３５ＭＪ／ｋｇ、約１．４ＭＪ／ｋｇ、約１．４５ＭＪ／ｋｇ、又は約１．５ＭＪ／ｋｇ（これらの間の全ての値及び範囲を含む）より大きくすることができる。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２の比エネルギーは、約０．２ＭＪ／ｋｇ、約０．２５ＭＪ／ｋｇ、約０．３ＭＪ／ｋｇ、約０．３５ＭＪ／ｋｇ、約０．４ＭＪ／ｋｇ、約０．４５ＭＪ／ｋｇ、約０．５ＭＪ／ｋｇ、約０．５５ＭＪ／ｋｇ、約０．６Ｊ／ｋｇ、約０．６５ＭＪ／ｋｇ、約０．７ＭＪ／ｋｇ、約０．７５ＭＪ／ｋｇ、約０．８ＭＪ／ｋｇ、約０．８５ＭＪ／ｋｇ、約０．９ＭＪ／ｋｇ、約０．９５ＭＪ／ｋｇ、約１．０ＭＪ／ｋｇ、約１．０５ＭＪ／ｋｇ、約１．１ＭＪ／ｋｇ、約１．１５ＭＪ／ｋｇ、約１．２ＭＪ／ｋｇ、約１．２５ＭＪ／ｋｇ、約１．３ＭＪ／ｋｇ、約１．３５ＭＪ／ｋｇ、約１．４ＭＪ／ｋｇ、約１．４５ＭＪ／ｋｇ、又は約１．５ＭＪ／ｋｇ（これらの間の全ての値と範囲を含む）より大きくすることができる。
いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４の比エネルギーは、約０．２ＭＪ／ｋｇ、約０．２５ＭＪ／ｋｇ、約０．３ＭＪ／ｋｇ、約０．３５ＭＪ／ｋｇ、約０．４ＭＪ／ｋｇ、約０．４５ＭＪ／ｋｇ、約０．５ＭＪ／ｋｇ、約０．５５ＭＪ／ｋｇ、約０．６Ｊ／ｋｇ、約０．６５ＭＪ／ｋｇ、約０．７ＭＪ／ｋｇ、約０．７５ＭＪ／ｋｇ、約０．８ＭＪ／ｋｇ、約０．８５ＭＪ／ｋｇ、約０．９ＭＪ／ｋｇ、約０．９５ＭＪ／ｋｇ、約１．０ＭＪ／ｋｇ、約１．０５ＭＪ／ｋｇ、約１．１ＭＪ／ｋｇ、約１．１５ＭＪ／ｋｇ、約１．２ＭＪ／ｋｇ、約１．２５ＭＪ／ｋｇ、約１．３ＭＪ／ｋｇ、約１．３５ＭＪ／ｋｇ、約１．４ＭＪ／ｋｇ、約１．４５ＭＪ／ｋｇ、又は約１．５ＭＪ／ｋｇ（これらの間の全ての値と範囲を含む）より大きくすることができる。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２は、高容量負極材料を、約１０体積％、約２０体積％、約３０体積％、約４０体積％、約５０体積％、約６０体積％、約７０体積％、約８０体積％、約９０体積％、又は約１００体積％を含み得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４は、炭素、グラファイト、又は結合剤の有無にかかわらず他の活物質と組み合わされた高容量負極材料を含み得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４は、高容量負極材料を、約６０体積％未満、約５５体積％未満、約５０体積％未満、約４５体積％未満、約４０体積％未満、約３５体積％未満、約３０％体積％未満、約２５体積％未満、約２０体積％未満、約１５体積％未満、約１０体積％未満、又は約５体積％未満含み得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４は、高容量材料を実質的に含んでいなくてもよい。
上述したように、負極１１０は、２つの異なる負極材料の層を含む。いくつかの実施形態では、正極１３０は、代替的に、２つ以上の異なる正極材料の層を含み得る。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２及び／又は第２の電極材料１１４は、リチウムイオン電池の正極として使用することができる任意の材料を含み得る。電気化学セルで使用することができる正極材料の例は、上記の参照により組み込まれた’１５９特許に記載されている。
いくつかの実施形態では、第２の電極材料１１４内の高容量負極材料の体積パーセントは、第１の電極材料１１２内の高容量負極材料の体積パーセントよりも約１０～８０％少なくてもよい。
いくつかの実施形態では、組成勾配を有する完成負極１１０（例えば、第１の電極材料１１２と第２の電極材料１１４とを含む）のサイクル寿命は、約２００回の充電／放電サイクル超、約２５０サイクル超、約３００サイクル超、約３５０サイクル超、約４００サイクル超、約４５０サイクル超、約５００サイクル超、約５５０サイクル超、約６００サイクル超、約６５０サイクル超、約７００サイクル超、約７５０サイクル超、約８００サイクル超、約８５０サイクル超、約９００サイクル超、約９５０サイクル超、約１，０００サイクル超、約１，０５０サイクル超、約１，１００サイクル超、約１，２５０サイクル超、約１，３００サイクル超、約１，３５０サイクル超、約１，４００サイクル超、約１，４５０サイクル超、約１，５００サイクル超、約１，５５０サイクル超、約１，６００サイクル超、約１，６５０サイクル超、約１，７００サイクル超、約１，７５０サイクル超、約１，８００サイクル超、約１，８５０サイクル超、約１，９００サイクル超、約１，９５０サイクル超、約２，０００サイクル超、約２，５００サイクル超、約３，０００サイクル超、約５，０００サイクル超、又は約１０，０００サイクル超であり得る。
いくつかの実施形態では、組成勾配を有する電極を含む（例えば、第１の電極材料１１２と第２の電極材料１１４とを含む）電気化学セルの充電速度は、１Ｃの速度で電極材料１００ｇ当たり約５時間未満、約４．５時間未満、約３時間未満、約３時間未満、約２．５時間未満、約２時間未満、約１．５時間未満、又は約１時間未満（これらの間の全ての値及び範囲を含む）であり得る。いくつかの実施形態では、半固体電極の第２の電極材料１１４と従来の（すなわち、「乾いた」）第１の電極材料１１２とを有することにより、通常、従来の電池製造プロセスの最後のステップである電解質充填プロセスを回避することができる。これにより、第２の電極材料１１４に存在する電解質が第１の電極材料１１２を飽和させることを可能にすることで、第１の電極材料１１２におけるより高い充填につながる可能性もある。
典型的には、リチウムイオン電池で使用される正極における正極集電体１４０は、導電性炭素でコーティングされたアルミニウムから作られている。導電性炭素コーティングは、導電性を改善し、かつ正極集電体１４０の機械的強度を増加させることができ、それにより、正極集電体１４０の亀裂の可能性を低減する。いくつかの実施形態では、正極１３０は、第１の正極材料及び第２の正極材料（図示せず）を有することができる。いくつかの実施形態では、第１の電極材料は、導電性炭素層の代わりに裸アルミニウム集電体上に配設することができる。いくつかの実施形態では、第１の電極材料は、上述したように、負極１１０内と同じ方法を介して製造及び／又は堆積することができる。いくつかの実施形態では、第１の正極材料は、上述したように、負極１１０の第１の電極材料１１２の厚さと同じ又は同様の厚さを有し得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料は、半固体正極であり得、上述したように、負極中と同じ方法を介して堆積することができる。いくつかの実施形態では、第２の電極材料は、上述したように、負極の第２の電極材料１１４の厚さと同様の厚さを有し得る。
いくつかの実施形態では、正極１３０は、’１５９特許に記載されているものと同じ又は実質的に類似した半固体電極材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、正極１３０は、従来の正極（例えば、固体正極）であり得る。いくつかの実施形態では、正極１３０は、オリビンベースの電極を含むことができる。いくつかの実施形態では、負極１１０は、１００％の充電状態（ＳＯＣ）に近い平坦又は実質的に平坦な電圧プロファイルを有することができる。いくつかの実施形態では、正極１３０は、１００％の充電状態（ＳＯＣ）に近い平坦又は実質的に平坦な電圧プロファイルを有することができる。いくつかの実施形態では、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）材料の上に平坦電圧層を使用することで、ＮＭＣ材料の過剰電位を低減することができる。
いくつかの実施形態では、正極１３０は、少なくとも約３０μｍの厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、正極１３０は、少なくとも約１００μｍ、少なくとも約１５０μｍ、少なくとも約２００μｍ、少なくとも約２５０μｍ、少なくとも約３００μｍ、少なくとも約３５０μｍ、少なくとも約４００μｍ、少なくとも約４５０μｍ、少なくとも約５００μｍ、少なくとも約６００μｍ、少なくとも約７００μｍ、少なくとも約８００μｍ、少なくとも約９００μｍ、少なくとも約１，０００μｍ、少なくとも約１，５００μｍ、及び最大約２，０００μｍの厚さ（それらの間の全ての厚さを含む）を有する半固体電極を含むことができる。
いくつかの実施形態では、正極１３０は、約３％未満又は約５％未満の気孔率を有することができる。いくつかの実施形態では、正極１３０は、約２０％～約２５％、約２５％～約３０％、約３０％～約３５％、約３５％～約４０％、約４０％～約４５％、約４５％～約５０％、約５０％～約５５％、又は約５５％～約６０％の気孔率を有することができる。
いくつかの実施形態では、正極１３０は、ＮＭＣ正極であり得る。いくつかの実施形態では、正極１３０は、ＮＭＣ半固体正極であり得る。いくつかの実施形態では、正極１３０は、リン酸マンガン鉄リチウム（ＬＭＦＰ）電極を含むことができる。
いくつかの実施形態では、セパレータ１５０は、ポリプロピレン、ポリエチレン、セルロース材料、任意の他の好適なポリマー材料、又はそれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、セパレータ１５０は、’７０１公開に記載されているものと同じ又は実質的に類似したイオン透過性膜セパレータであり得る。いくつかの実施形態では、セパレータ１５０は、従来のセパレータであり得る。
示されるように、コーティング層１５５は、負極１１０に隣接するセパレータ１５０の一面上（すなわち、負極側）に配設されている。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、正極１３０に隣接するセパレータ１５０の一面上（すなわち、正極側）に配設され得る。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、セパレータ１５０の負極側及び正極側の両方に配設され得る。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、硬質炭素、軟質炭素、非晶質炭素、グラファイト硬質炭素混合物、又はそれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、活物質を含むことができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、ＮＭＣを含むことができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、リン酸マンガン鉄リチウム（ＬＭＦＰ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、リチウムマンガン酸化物（ＬＭＯ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、マンガンをドープした二酸化ニッケルリチウム（ＬＮＯ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５にＬＭＦＰを含むことは、コーティング層１５５に隣接するＮＭＣ電極の表面上の高電圧への道を開くことができ、ＮＭＣ材料における過電位損失を防止することができる。
コーティング層１５５内の結合剤は、イオン（例えば、リチウムイオン）の拡散を妨げ、コーティング層１５５内の屈曲度を増加させることができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、結合剤を含まないか、又は実質的に含まなくてもよい。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、約５体積％未満、約４体積％未満、約３体積％未満、約２体積％未満、又は約１体積％未満の結合剤を含むことができる。
いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、電気活性種の動きに対する物理的障壁として機能することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、電気活性種と化学的に反応することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、電気化学的記憶媒体として機能することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層に隣接する第２の電極材料１１４における半固体電極材料の使用は、第２の電極材料１１４における従来の電極材料の使用と比較して、過電位損失を低減することができる。従来の電極材料は、多くの場合、バインダーと混合され、乾燥され、カレンダー処理される。結合剤は、第２の電極材料１１４とコーティング層１５５との間の界面に集まり得る。これにより、第２の電極材料１１４とコーティング層１５５との間のイオン伝達の非効率性が引き起こされる可能性がある。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、デンドライトの形成を防止することができるように、コーティング材料１５５に隣接する電極よりも高電圧材料を含むことができる。例えば、コーティング層１５５が負極１１０に隣接して配設され、負極１１０がグラファイトで構成されている場合、コーティング層１５５は、グラファイトよりも高電圧材料を含むことができる。コーティング層１５５内に高電圧材料を含めることは、イオンをコーティング層１５５の方に引き寄せて、イオンがデンドライトを形成し、かつ短絡事象を引き起こす可能性を防止することができる。半固体電極材料（例えば、’１５９特許に記載されている半固体電極材料）を使用することで、電極材料１１４とコーティング層１５５との間の界面での結合剤材料のこの蓄積を防止することができる。この低減された蓄積は、電気化学セル１００における過電位損失を低減することができる。
いくつかの実施形態では、コーティング層１５５の組み込みは、電気化学セル１００の放電速度の任意の変化とは不相応に電気化学セル１００の充電速度を改善することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５の組み込みは、電気化学セル１００の放電速度を著しく変化させることなく、電気化学セル１００の充電速度を改善することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５の組み込みは、電気化学セル１００の充電速度を著しく変化させることなく、電気化学セル１００の放電速度を改善することができる。不相応の充電及び放電の例を、ラップトップ電池に見出すことができ、ラップトップ電池、多くの場合、約６～８時間の期間にわたって放電する（すなわち、約Ｃ／８～Ｃ／６の放電速度）が、約１時間の期間（すなわち、約１Ｃの充電速度）にわたって充電される。いくつかの実施形態では、電気化学セル１００は、電気化学セル１００の充電速度よりも低い速度で放電されるときに、電気化学セル１００の充電容量と同じ又は実質的に類似した放電容量を得ることができる。いくつかの実施形態では、電気化学セル１００は、電気化学セル１００の充電速度よりも高い速度で放電されるときに、電気化学セル１００の充電容量と同じ又は実質的に類似した放電容量を得ることができる。
いくつかの実施形態では、電気化学セル１００は、少なくとも約Ｃ／１０、少なくとも約Ｃ／９、少なくとも約Ｃ／８、少なくとも約Ｃ／７、少なくとも約Ｃ／６、少なくとも約Ｃ／５、少なくとも約Ｃ／４、少なくとも約Ｃ／３、少なくとも約Ｃ／２、少なくとも約１Ｃ、少なくとも約２Ｃ、少なくとも約３Ｃ、少なくとも約４Ｃ、少なくとも約５Ｃ、少なくとも約６Ｃ、少なくとも約７Ｃ、少なくとも約８Ｃ、又は少なくとも約９ＣのＣ速度で充電することができる。いくつかの実施形態では、電気化学セル１００は、約１０Ｃ以下、約９Ｃ以下、約８Ｃ以下、約７Ｃ以下、約６Ｃ以下、約５Ｃ以下、約４Ｃ以下、約３Ｃ以下、約２Ｃ以下、約１Ｃ以下、約Ｃ／２以下、約Ｃ／３以下、約Ｃ／４以下、約Ｃ／５以下、約Ｃ／６以下、約Ｃ／７以下、約Ｃ／８以下、又は約Ｃ／９以下のＣ速度で充電することができる。充電のための上記の言及されたＣ速度の組み合わせもまた可能である（例えば、少なくとも約Ｃ／１０かつ約１０Ｃ以下、又は少なくとも約Ｃ／５かつ約１Ｃ以下）（それらの間の全ての値及び範囲を含む）。いくつかの実施形態では、電気化学セル１００は、約Ｃ／１０、約Ｃ／９、約Ｃ／８、約Ｃ／７、約Ｃ／６、約Ｃ／５、約Ｃ／４、約Ｃ／３、約Ｃ／２、約１Ｃ、約２Ｃ、約３Ｃ、約４Ｃ、約５Ｃ、約６Ｃ、約７Ｃ、約８Ｃ、約９Ｃ、又は約１０ＣのＣ速度で充電することができる。
いくつかの実施形態では、電気化学セル１００は、少なくとも約Ｃ／２０、少なくとも約Ｃ／１９、少なくとも約Ｃ／１８、少なくとも約Ｃ／１７、少なくとも約Ｃ／１６、少なくとも約Ｃ／１５、少なくとも約Ｃ／１４、少なくとも約Ｃ／１３、少なくとも約Ｃ／１２、少なくとも約Ｃ／１１、少なくとも約Ｃ／１０、少なくとも約Ｃ／９、少なくとも約Ｃ／８、少なくとも約Ｃ／７、少なくとも約Ｃ／６、少なくとも約Ｃ／５、少なくとも約Ｃ／４、少なくとも約Ｃ／３、少なくとも約Ｃ／２、少なくとも約１Ｃ、少なくとも約２Ｃ、少なくとも約３Ｃ、又は少なくとも約４ＣのＣ速度で放電することができる。いくつかの実施形態では、電気化学セル１００は、約５Ｃ以下、約４Ｃ以下、約３Ｃ以下、約２Ｃ以下、約１Ｃ以下、約Ｃ／２以下、約Ｃ／３以下、約Ｃ／４以下、約Ｃ／５以下、約Ｃ／６以下、約Ｃ／７以下、約Ｃ／８以下、約Ｃ／９以下、約Ｃ／１０以下、約Ｃ／１１以下、約Ｃ／１２以下、約Ｃ／１３以下、約Ｃ／１４以下、約Ｃ／１５以下、約Ｃ／１６以下、約Ｃ／１７以下、約Ｃ／１８以下、又は約Ｃ／１９以下のＣ速度で放電することができる。放電のための上記の言及されたＣ速度の組み合わせもまた可能である（例えば、少なくとも約Ｃ／２０かつ約５Ｃ以下、又は少なくとも約Ｃ／５かつ約１Ｃ以下）（それらの間の全ての値及び範囲を含む）。いくつかの実施形態では、電気化学セル１００は、約Ｃ／２０、約Ｃ／１９、約Ｃ／１８、約Ｃ／１７、約Ｃ／１６、約Ｃ／１５、約Ｃ／１４、約Ｃ／１３、約Ｃ／１２、約Ｃ／１１、約Ｃ／１０、約Ｃ／９、約Ｃ／８、約Ｃ／７、約Ｃ／６、約Ｃ／５、約Ｃ／４、約Ｃ／３、約Ｃ／２、約１Ｃ、約２Ｃ、約３Ｃ、約４Ｃ、又は約５ＣのＣ速度で放電することができる。
いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、セパレータ１５０の負極側に配設される場合、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２００ｎｍ、少なくとも約３００ｎｍ、少なくとも約４００ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約６００ｎｍ、少なくとも約７００ｎｍ、少なくとも約８００ｎｍ、少なくとも約９００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約２μｍ、少なくとも約３μｍ、少なくとも約４μｍ、少なくとも約５μｍ、少なくとも約６μｍ、少なくとも約７μｍ、少なくとも約８μｍ、少なくとも約９μｍ、少なくとも約１０μｍ、少なくとも約１１μｍ、少なくとも約１２μｍ、少なくとも約１３μｍ、少なくとも約１４μｍ、少なくとも約１５μｍ、少なくとも約１６μｍ、少なくとも約１７μｍ、少なくとも約１８μｍ、又は少なくとも約１９μｍの厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、セパレータ１５０の負極側に配設される場合、約２０μｍ以下、約１９μｍ以下、約１８μｍ以下、約１７μｍ以下、約１６μｍ以下、約１５μｍ以下、約１４μｍ以下、約１３μｍ以下、約１２μｍ以下、約１１μｍ以下、以下約１０μｍ、約９μｍ以下、約８μｍ以下、約７μｍ以下、約６μｍ以下、約５μｍ以下、約４μｍ以下、約３μｍ以下、約２μｍ以下、約１μｍ以下、約９００ｎｍ以下、約８００ｎｍ以下、約７００ｎｍ以下、約６００ｎｍ以下、約５００ｎｍ以下、約４００ｎｍ以下、約３００ｎｍ以下、又は約２００ｎｍ以下の厚さを有することができる。コーティング層１５５の上記の言及された厚さの組み合わせもまた可能である（例えば、少なくとも約１００ｎｍかつ約２０μｍ以下、又は少なくとも約１μｍかつ約５μｍ以下）（それらの間の全ての値及び範囲を含む）。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、セパレータ１５０の負極側に配設される場合、約１００ｎｍ、約２００ｎｍ、約３００ｎｍ、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍ、約１１μｍ、約１２μｍ、約１３μｍ、約１４μｍ、約１５μｍ、約１６μｍ、約１７μｍ、約１８μｍ、約１９μｍ、又は約２０μｍの厚さを有することができる。
いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、セパレータ１５０の正極側に配設される場合、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約２０ｎｍ、少なくとも約３０ｎｍ、少なくとも約４０ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約６０ｎｍ、少なくとも約７０ｎｍ、少なくとも約８０ｎｍ、少なくとも約９０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２００ｎｍ、少なくとも約３００ｎｍ、少なくとも約４００ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約６００ｎｍ、少なくとも約７００ｎｍ、少なくとも約８００ｎｍ、少なくとも約９００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約１．１μｍ、少なくとも約１．２μｍ、少なくとも約１．３μｍ、少なくとも約１．４μｍ、少なくとも約１．５μｍ、少なくとも約１．６μｍ、少なくとも約１．７μｍ、少なくとも約１．８μｍ、又は少なくとも約１．９μｍの厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、セパレータ１５０の正極側に配設される場合、約２μｍ以下、約１．９μｍ以下、約１．８μｍ以下、約１．７μｍ以下、約１．６μｍ以下、約１．５μｍ以下、約１．４μｍ以下、約１．３μｍ以下、約１．２μｍ以下、約１．１μｍ以下、約１μｍ以下、約９００ｎｍ以下、約８００ｎｍ以下、約７００ｎｍ以下、約６００ｎｍ以下、約５００ｎｍ以下、約４００ｎｍ以下、約３００ｎｍ以下、約２００ｎｍ以下、約１００ｎｍ以下、約９０ｎｍ以下、約８０ｎｍ以下、約７０ｎｍ以下、約６０ｎｍ以下、約５０ｎｍ以下、約４０ｎｍ以下、約３０ｎｍ以下、又は約２０ｎｍ以下の厚さを有することができる。コーティング層１５５の上記の言及された厚さの組み合わせもまた可能である（例えば、少なくとも約１０ｎｍかつ約２μｍ以下、又は少なくとも約２００ｎｍかつ約１．５μｍ以下）（それらの間の全ての値及び範囲を含む）。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、セパレータ１５０の正極側に配設される場合、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約３０ｎｍ、約４０ｎｍ、約５０ｎｍ、約６０ｎｍ、約７０ｎｍ、約８０ｎｍ、約９０ｎｍ、約１００ｎｍ、約２００ｎｍ、約３００ｎｍ、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１μｍ、約１．１μｍ、約１．２μｍ、約１．３μｍ、約１．４μｍ、約１．５μｍ、約１．６μｍ、約１．７μｍ、約１．８μｍ、約１．９μｍ、又は約２μｍの厚さを有することができる。
いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、少なくとも約１．２ｇ／ｃｃ、少なくとも約１．３ｇ／ｃｃ、少なくとも約１．４ｇ／ｃｃ、少なくとも約１．５ｇ／ｃｃ、少なくとも約１．６ｇ／ｃｃ、少なくとも約１．７ｇ／ｃｃ、少なくとも約１．８ｇ／ｃｃ、又は少なくとも約１．９ｇ／ｃｃの密度を有することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、約２ｇ／ｃｃ以下、約１．９ｇ／ｃｃ以下、約１．８ｇ／ｃｃ以下、約１．７ｇ／ｃｃ以下、約１．６ｇ／ｃｃ以下、約１．５ｇ／ｃｃ以下、約１．４ｇ／ｃｃ以下、又は約１．３ｇ／ｃｃ以下の密度を有することができる。コーティング層１５５の上記の言及された密度の組み合わせもまた可能である（例えば、少なくとも約１．２ｇ／ｃｃかつ約２ｇ／ｃｃ以下、又は少なくとも約１．３ｇ／ｃｃかつ約２ｇ／ｃｃ以下）（例えば、それらの間の全ての値及び範囲を含む）。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、約１．２ｇ／ｃｃ、約１．３ｇ／ｃｃ、約１．４ｇ／ｃｃ、約１．５ｇ／ｃｃ、約１．６ｇ／ｃｃ、約１．７ｇ／ｃｃ、約１．８ｇ／ｃｃ、約１．９ｇ／ｃｃ、又は約２ｇ／ｃｃの密度を有することができる。
いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約２０ｎｍ、少なくとも約３０ｎｍ、少なくとも約４０ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約６０ｎｍ、少なくとも約７０ｎｍ、少なくとも約８０ｎｍ、少なくとも約９０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２００ｎｍ、少なくとも約３００ｎｍ、少なくとも約４００ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約６００ｎｍ、少なくとも約７００ｎｍ、少なくとも約８００ｎｍ、少なくとも約９００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約２μｍ、少なくとも約３μｍ、少なくとも約４μｍ、少なくとも約５μｍ、少なくとも約６μｍ、少なくとも約７μｍ、少なくとも約８μｍ、少なくとも約９μｍ、少なくとも約１０μｍ、少なくとも約１１μｍ、少なくとも約１２μｍ、少なくとも約１３μｍ、少なくとも約１４μｍ、少なくとも約１５μｍ、少なくとも約１６μｍ、少なくとも約１７μｍ、少なくとも約１８μｍ、又は少なくとも約１９μｍの平均粒径（すなわち、Ｄ５０）を有する粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、約２０μｍ以下、約１９μｍ以下、約１８μｍ以下、約１７μｍ以下、約１６μｍ以下、約１５μｍ以下、約１４μｍ以下、約１３μｍ以下、約１２μｍ以下、約１１μｍ以下、約１０μｍ以下、約９μｍ、約８μｍ以下、約７μｍ以下、約６μｍ以下、約５μｍ以下、約４μｍ以下、約３μｍ以下、約２μｍ以下、約１μｍ以下、約９００ｎｍ以下、約８００ｎｍ以下、約７００ｎｍ以下、約６００ｎｍ以下、約５００ｎｍ以下、約４００ｎｍ以下、約３００ｎｍ以下、約２００ｎｍ以下、約１００ｎｍ以下、約９０ｎｍ以下、約８０ｎｍ以下、約７０ｎｍ以下、約６０ｎｍ以下、約５０ｎｍ以下、約４０ｎｍ以下、約３０ｎｍ以下、又は約２０ｎｍ以下の平均粒径を有する粒子を含むことができる。
上記の言及された粒径の組み合わせもまた可能である（例えば、少なくとも約１０ｎｍかつ約２０μｍ以下、又は少なくとも約１μｍかつ約５μｍ以下）（それらの間の全ての値及び範囲を含む）。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約３０ｎｍ、約４０ｎｍ、約５０ｎｍ、約６０ｎｍ、約７０ｎｍ、約８０ｎｍ、約９０ｎｍ、約１００ｎｍ、約２００ｎｍ、約３００ｎｍ、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍ、約１１μｍ、約１２μｍ、約１３μｍ、約１４μｍ、約１５μｍ、約１６μｍ、約１７μｍ、約１８μｍ、約１９μｍ、又は約２０μｍの平均粒径を有する粒子を含むことができる。
いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、少なくとも約２０体積％、少なくとも約２５体積％、少なくとも約３０体積％、少なくとも約３５体積％、少なくとも約４０体積％、少なくとも約４５体積％、少なくとも約５０体積％、少なくとも約５５体積％、少なくとも約６０体積％、少なくとも約６５体積％、少なくとも約７０体積％、少なくとも約７５体積％、少なくとも約８０体積％、又は少なくとも約８５体積％の粒子充填密度を有することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、約９０体積％以下、約８５体積％以下、約８０体積％以下、約７５体積％以下、約７０体積％以下、約６５体積％以下、約６０体積％以下、約５５体積％以下、約５０体積％以下、約４５体積％以下、約４０体積％以下、約３５体積％以下、約３０体積％以下、又は約２５体積％以下の粒子充填密度を有することができる。上記の言及された粒子充填密度の組み合わせもまた可能である（例えば、少なくとも約２０体積％かつ約９０体積％以下、又は少なくとも約３０体積％かつ約６０体積％以下）（それらの間の全ての値及び範囲を含む）。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、約２０体積％、約２５体積％、約３０体積％、約３５体積％、約４０体積％、約４５体積％、約５０体積％、約５５体積％、約６０体積％、約６５体積％、約７０体積％、約７５体積％、約８０体積％、約８５体積％、又は約９０体積％の粒子充填密度を有することができる。
いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、気相堆積プロセス、化学気相堆積、物理気相堆積、原子層堆積、転写フィルム堆積、スロットダイコーティング、グラビアコーティング、有機金属化学気相堆積、窒素プラズマ補助堆積、スパッタ堆積、反応性スパッタ堆積、スパッタリング、溶融焼入れ、機械的粉砕、スプレー、コールドスプレープロセス、プラズマ堆積プロセス、電気化学堆積、ゾルゲルプロセス、又はそれらの任意の組み合わせによって、セパレータ１５０に被着することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、液体コーティングプロセス、熱／冷間プレスプロセス有り又は無しの押出プロセスによってセパレータ１５０に被着することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、鋳造、カレダリング（ｃａｌｅｄｅｒｉｎｇ）、ドロップコーティング、プレス、ロールプレス、カレンダー処理、テープ成形、又はそれらの任意の組み合わせによってセパレータに被着することができる。いくつかの実施形態では、コーティング層１５５は、’３５１公開及び／又は’７０５公開に記載されている方法のいずれかによってセパレータ１５０に被着することができる。
示されるように、負極１１０は、第１の電極材料１１２及び第２の電極材料１１４を含む。いくつかの実施形態では、負極１１０は、単一の電極材料を含むことができる。言い換えれば、負極１１０は、電極材料の単層であり得る。いくつかの実施形態では、負極１１０は、半固体電極であり得る。いくつかの実施形態では、負極１１０は、従来の電極であり得る。いくつかの実施形態では、負極１１０は、固体電極であり得る。いくつかの実施形態では、負極１１０は、グラファイト電極であり得る。いくつかの実施形態では、負極１１０は、半固体グラファイト電極であり得る。
いくつかの実施形態では、正極１３０は、単一の電極材料を含むことができる。言い換えれば、正極１３０は、電極材料の単層であり得る。いくつかの実施形態では、正極１３０は、半固体電極であり得る。いくつかの実施形態では、正極１３０は、従来の電極であり得る。いくつかの実施形態では、正極１３０は、固体電極であり得る。いくつかの実施形態では、正極１１０は、ＮＭＣ８１１を含むことができる。
予備リチオ化
多くの電極、例えば、リチウムイオン電極、特に負極は、電池形成段階（すなわち、電極を含む電気化学セルの充電及び放電を含む最初のサイクルステップ）で不可逆的な容量損失を被る可能性がある。負極による正極活物質からのリチウムイオンの消費により、不可逆的な容量損失が発生する可能性があり、負極は、これらのリチウムイオンを固体電解質界面（ＳＥＩ）層の形成に使用する。この消費されたリチウムの量は、その後の電荷貯蔵での使用に利用できなくなるので、望ましくない不可逆的な容量損失を表す。更に、この不可逆的な容量損失は、リチウムイオンが負極材料に不可逆的にトラップされるため、負極の体積膨張をともなう可能性がある。この体積膨張の問題は、半固体負極配合物内の高容量負極材料（例えば、シリコン又はスズ）を含む半固体負極で悪化する。なぜなら、グラファイトなどの従来の材料と比較して、高容量負極材料は、より大量のリチウムを取り込むことができる（及びより高エネルギーのセル設計を可能にする）からである。例えば、グラファイトは６個の炭素原子ごとに約１個のリチウム原子を取り込むことができるが、シリコンは理論的には全てのシリコン原子ごとに約４．４個のリチウム原子を取り込むことができる。
このより高い容量により、従来の電気化学セルに比べて、単位面積当たりの電荷容量がはるかに高い電気化学セルを形成することができるが、取り込まれるリチウムイオンの数が多いということは、高容量の材料を含む半固体負極が正極からより多くのリチウムを消費してＳＥＩ層を形成するため、不可逆容量が更に大きくなることを意味する。更に、シリコンは、リチウムイオンがシリコン原子に取り込まれるため、かなりの体積膨張を経験する。繰り返される体積変化（すなわち、膨張及び／又は収縮）は、充電容量に悪影響を及ぼし、電気化学セルの寿命を縮め得る不可逆的な機械的損傷を引き起こす可能性がある。シリコン電極の応力及び形態に対するリチオ化の影響の詳細な説明は、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ１９５（２０１０）５０６２ー５０６６、Ｖ．Ｓｅｔｈｕｒａｍａｎらによる「Ｉｎ ｓｉｔｕ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｓｔｒｅｓｓ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ Ｄｕｒｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｌｉｔｈｉａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｌｉｔｈｉａｔｉｏｎ」に記載されており、その内容は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の電極は、例えば、半固体電極材料の混合中に予備リチオ化されるか、又は電極の組み立て中に予備リチオ化される、予備リチオ化電極であり得る。いくつかの実施形態では、そのような予備リチオ化は、電気化学セル形成の前、及び第１の充電／放電サイクルが完了する前に、電極内にＳＥＩ層を形成するのを助けることができる。いくつかの実施形態では、電極の予備リチオ化は、負極の予備リチオ化であり得る。いくつかの実施形態では、リチウムイオンが電池形成プロセスにおいてより容易かつ早期に負極活物質によって貯蔵されるように、リチウム含有材料を負極に配設することによって、予備リチオ化を実施することができる。
いくつかの実施形態では、セパレータ上のコーティング層の追加は、第１のサイクル中により大きな初期容量損失を引き起こす可能性がある。これは、電気活性種が初期サイクル中に移動することができる追加の部位によって引き起こされ得る。電気化学セルの予備リチオ化は、初期容量損失を緩和するのに役立ち得る。
図２は、負極集電体２２０上に配設された負極２１０を含む、電気化学セル２００の概略図である。負極２１０は、第１の電極材料２１２、第２の電極材料２１４、及びリチウム含有材料２１６を含む。電気化学セル２００は、正極集電体２４０上に配設された正極２３０と、負極２１０と正極２３０との間に配設されたセパレータ２５０と、を更に含む。コーティング層２５５は、セパレータ２５０上に配設されている。
いくつかの実施形態では、負極２１０、第１の電極材料２１２、第２の電極材料２１４、負極集電体２２０、正極２３０、正極集電体２４０、セパレータ２５０、及びコーティング層２５５は、負極１１０、第１の電極材料１１２、第２の電極材料１１４、負極集電体１２０、正極１３０、正極集電体１４０、セパレータ１５０、及びコーティング層１５５と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極２１０、第１の電極材料２１２、第２の電極材料２１４、負極集電体２２０、正極２３０、正極集電体２４０、セパレータ２５０、及びコーティング層２５５の特定の態様は、本明細書ではより詳細に説明されない。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の電極材料は、負極２１０の調製中及び電気化学セル２００の形成前にリチウム含有材料２１６で予備リチオ化することができ、それにより、少なくとも部分的に、上で考察された不可逆的な容量損失及び体積膨張の問題を克服する。本明細書に記載の半固体電極材料は、リチウム含有材料の半固体電極材料への混合を可能にする。特定の理論に束縛されることを望まないが、これが可能であり得るのは、本明細書に記載の半固体電極材料は、半固体電極組成物に混合された電解質を含むためである。電解質は、リチウム含有材料２１６によって提供されるリチウムイオンの媒体を提供して、半固体電極材料に含まれる活物質、特に半固体負極材料に含まれる活物質（例えば、グラファイト）又は高容量材料（例えば、シリコン又はスズ）と相互作用する。これにより、混合ステップ中にＳＥＩ層を形成することが可能になり、その結果、そのような負極２１０が電気化学セル内の第２の電極（図示せず、例えば、正極）と対になると、第２の電極からのリチウムイオンは、負極２１０内にＳＥＩ層を形成するために使用されることはない。別の言い方をすれば、予備リチオ化のおかげで、第２の電極（例えば、正極）からのリチウムイオンは、負極２１０における不可逆的な容量損失に寄与しない。いくつかの実施形態では、第２の電極からのリチウムイオンは、負極２１０における不可逆的な容量損失に寄与しないので、このことは、正極２３０が電気化学セル形成後に正極２３０の初期容量を維持することを可能にし得る。更に、負極２１０に含まれる電解質はまた、リチウム含有材料２１６を周囲環境（例えば、周囲環境の水分又は湿度）から保護することができ、それにより、リチウム含有材料２１６が混合プロセス中に安定した状態を保つことを可能にする。
いくつかの実施形態では、予備リチオ化は、負極２１０の製造中のある時点で、リチウム含有材料２１６を負極２１０に配設することによって実行し得る。いくつかの実施形態では、リチウム含有材料２１６は、第１の電極材料２１２と第２の電極材料２１４との間に配設することができる。いくつかの実施形態では、リチウム含有材料２１６は、負極集電体２２０と第１の電極材料２１２との間に配設することができる。いくつかの実施形態では、リチウム含有材料２１６は、第２の電極材料２１４と、続いて配設される電極材料層（図示せず）との間に配設することができる。いくつかの実施形態では、リチウム含有材料２１６は、第２の電極材料２１４とセパレータ２５０との間に配設することができる。
いくつかの実施形態では、リチウム含有材料２１６は、シート、スラリー、懸濁液、複数の粒子、粉末、合金溶液、及びそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない、任意の好適な形状因子に従って形成することができる。
いくつかの実施形態では、リチウム含有材料２１６は、リチウム金属と結合剤とを含み得る。いくつかの実施形態では、リチウム含有材料２１６は、炭素質（例えば、グラファイト）材料を更に含み得る。いくつかの実施形態では、リチウム含有材料２１６は最初、電極材料の乾燥中に除去される溶媒を含み得る。
本明細書に記載の半固体電極の予備リチオ化によって提供される別の利点は、負極が正極と対になる前に完全に帯電するように、負極を予備リチオ化し得ることである。これにより、負極内にＳＥＩ層を形成するために利用可能なリチウムを含まない正極の使用が可能になる。したがって、リチウム金属の代わりに炭素ベースの負極材料を使用することができ、サイクルの安定性と安全性の向上につながる。更に、負極に含まれる高容量材料へのリチウムイオンの挿入も混合ステップ中に行うことができ、これにより、混合ステップ中に高容量材料の任意の膨張を発生させることが可能になる。別の言い方をすれば、予備リチオ化は、半固体負極を予備膨張させることができ、その結果、半固体負極は、電気化学的セル形成及びその後の充電／放電サイクル中に、より少ない膨張を経験する。このようにして、半固体負極の膨張による電気化学セルへの物理的損傷は、実質的に低減されか、場合によっては排除される可能性がある。したがって、そのような予備リチオ化された半固体負極を含む電気化学セルは、予備リチオ化されていない負極（例えば、半固体負極）と比較して、実質的により高い機械的安定性及びより長い寿命を有し得る。
いくつかの実施形態では、追加の電解質を、事前リチオ化プロセス後又はプロセス中に追加することができる。予備リチオ化では、電解質が消費されてＳＥＩが生成され、電解質が追加されると、電極内に局所的に電解質がない状態で電極が還元される。
電極の予備リチオ化のためのデバイス、方法、及びシステムの追加の例は、２０１５年１１月３日に出願された「Ｐｒｅ－Ｌｉｔｈｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ａ Ｓｅｍｉ－Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」と題する米国特許出願第２０１６／０１２６５４３号（「’５４３公開」）に見出され、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。
示されるように、負極２１０は、リチウム含有材料を有する多層電極として描かれている。いくつかの実施形態では、正極２３０は、リチウム含有材料を有する多層電極であり得る。
高容量材料
いくつかの実施形態では、より高いエネルギー密度及び容量は、例えば、負極及び／又は正極で使用される材料の改善、及び／又は負極／正極の厚さの増加（すなわち、不活性材料に対する活物質のより高い比率）によって達成することができる。家庭用電化製品の負極に使用されている最新の材料の１つは、例えば、その高容量と低電圧のために、シリコン（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、シリコン合金、又はスズ合金である。典型的には、この高容量活物質は、その高い一次充電容量及び関連する一次充電不可逆容量のために、グラファイトと混合される。シリコンは、４，２００ｍＡｈ／ｇの初期充電理論容量及び３００ｍＡｈ／ｇより大きい不可逆容量を有する。したがって、Ｓｉを利用する一般的な負極は、不可逆容量を減らすために、シリコンとグラファイトの混合物を含有する。加えて、シリコンはリチウムの挿入中に非常に大きな体積変化を経て、材料の体積を、３００％を超えて増加させる。この大きな体積膨張を制限するために、現行の高容量負極は、負極混合物に１０～２０％のシリコンを利用し、全体の容量が約７００～約４，２００ｍＡｈ／ｇの負極をもたらす。
従来の正極組成物は、およそ１５０～２００ｍＡｈ／ｇの容量を有し、２００μｍより厚くすることはできない。なぜなら、高速ロールツーロールカレンダー処理プロセスを使用して製造された従来の電極は、平坦な集電体よりも約２００μｍ厚くすると剥離する傾向があるためである。加えて、より厚い電極は、（例えば、Ｙｕらの「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ＬｉＦｅＰＯ４ ｃａｔｈｏｄｅｓ」、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｖｏｌ．１５３、Ａ８３５－Ａ８３９（２００６）に記載されているように）エネルギー効率を低下させるより高いセルインピーダンスを有する。したがって、高容量負極を従来の正極と適合させるために、現行の最先端の電池は、負極の厚さを低減することに焦点を合わせてきた。例えば、厚さが約４０～５０μｍ及び更に薄い負極が開発されている。これらの負極材料のそのような薄いコーティングは、単一のグラファイト粒子の厚さレベルに近づき始めている。従来のコーティングプロセスにおける厚さ及び関連する充填密度の制限は、高エネルギー負極で利用可能な高容量を最大限に活用する電池の開発を妨げている。
高容量材料が、例えば、負極１１０又は負極２１０に組み込まれる場合、動作中の関連する膨潤は、電極及び電極から構成される電気化学セルに損傷を引き起こす可能性がある。しかしながら、電極内の高容量材料と共に本明細書に記載の半固体電極材料を使用すると、高容量材料の膨潤による電極の損傷が少ないという、驚くべき予想外の結果が出る。
図３は、電気化学セル３００の側面図である。電気化学セル３００は、セクション３１２ａ、３１２ｂ、３１２ｃの負極集電体上に配設された第１の電極材料３１２と、第１の電極材料３１２上に配設された第２の電極材料３１４と、を有する負極３１０を含む。電気化学セル３００は、正極集電体３４０上に配設された正極３３０と、負極３１０と正極３３０との間に配設されたセパレータ３５０と、を更に含む。コーティング層３５５は、セパレータ３５０上に配設されている。
いくつかの実施形態では、負極３１０、第１の電極材料３１２、第２の電極材料３１４、負極集電体３２０、正極３３０、正極集電体３４０、セパレータ３５０、及びコーティング層３５５は、負極１１０、第１の電極材料１１２、第２の電極材料１１４、負極集電体１２０、正極１３０、正極集電体１４０、セパレータ１５０、及びコーティング層１５５と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極３１０、第１の電極材料３１２、第２の電極材料３１４、負極集電体３２０、正極３３０、正極集電体３４０、セパレータ３５０、及びコーティング層３５５の特定の態様は、本明細書では更に詳細に説明されない。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料３１２及び／又は第２の電極材料３１４は、固体電極材料、半固体電極材料、高容量材料、及びそれらの組み合わせ（総称して「電極材料」）のうちの少なくとも１つを含み得る。いくつかの実施形態では、第１の電極材料３１２の一部分を除去して（例えば、レーザーアブレーションによって）、負極集電体３２０の一部分を露出させることができる。いくつかの実施形態では、第１の電極材料３１２の一部分の除去によって、複数の拡張領域３１４ａ、３１４ｂを形成することができる。いくつかの実施形態では、第２の電極材料３１４が第１の電極材料３１２上に配設される場合、第２の電極材料３１４の少なくとも一部分は、複数の拡張領域３１４ａ、３１４ｂ内に介在させることができる。いくつかの実施形態では、第１の電極材料３１２の一部分を除去して複数の拡張領域３１４ａ、３１４ｂを形成するのではなく、負極集電体３２０上への第１の電極材料３１２の選択的堆積によって複数の拡張領域３１４ａ、３１４ｂを形成することができる。いくつかの実施形態では、第１の電極材料３１２の負極集電体３２０上への選択的堆積は、まず負極集電体３２０上にマスク材料を配設し、次いで、負極集電体３２０上に第１の電極材料３１２を配設し、マスクを除去して複数の膨張領域３１４ａ、３１４ｂを画定することによって達成することができる。いくつかの実施形態では、第１の電極材料１１２及び第２の電極材料１１４のうちの少なくとも１つは、高容量材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、高容量材料は、シート、バルク材料、マイクロスケール粒子、ナノスケール粒子、又はそれらの組み合わせなどの任意の好適な形状因子を有し得る。いくつかの実施形態では、高容量材料は、シリコン、ビスマス、ボロン、ガリウム、インジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、アルミニウム、酸化チタン、モリブデン、ゲルマニウム、マンガン、ニオブ、バナジウム、タンタル、鉄、銅、金、白金、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、酸化モリブデン、酸化ゲルマニウム、酸化シリコン、炭化シリコン、他の高容量材料又は合金、及びそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、イオンを貯蔵可能な任意の材料を含み得る。
いくつかの実施形態では、負極３１０は、約６６重量％～７０重量％のＳｉ、約１５重量％～２２重量％のＣｏ、及び約４重量％～１２重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、約１５重量％～２０重量％のＮｉ、及び約１０重量％～１５重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、約１５重量％のＦｅ、及び約１５重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、約２０重量％のＴｉ、及び約１０重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、約１５重量％のＭｏ、及び約１５重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、約１５重量％のＣｏ、約５重量％のＮｉ、及び約１０重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、約１０重量％のＣｏ、約１０重量％のＮｉ、及び約１０重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、約５重量％のＣｏ、約１５重量％のＮｉ、及び約１０重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、約５重量％のＦｅ、約１０重量％のＮｉ、及び約１５重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、１０重量％のＣｏ、及び約５重量％のＮｉを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７４重量％のＳｉ、２重量％のＳｎ、及び約２４重量％のＣｏを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７３重量％のＳｉ、約２重量％のＳｎ、及び約２５重量％のＮｉを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、１０重量％のＦｅ、約１０重量％のＴｉ、及び約１０重量％のＣｏを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７０重量％のＳｉ、約１５重量％のＦｅ、約５重量％のＴｉ、及び約１０重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約７４．６７重量％のＳｉ、１６重量％のＦｅ、５．３３重量％のＴｉ、及び４重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約５５重量％のＳｉ、２９．３重量％のＡｌ、及び約１５．７重量％のＦｅを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、重量で、約７０重量％のＳｉ、前駆体からの約２０重量％のＣ、及び約１０重量％のグラファイトを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約５５重量％のＳｉ、約２９．３重量％のＡｌ、及び約１５．７重量％のＦｅを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約６０～６２重量％のＳｉ、約１６～２０重量％のＡｌ、約１２～１４重量％のＦｅ、及び約８％のＴｉを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約５０重量％のＳｎ、約２７．３重量％～３５．１重量％のＣｏ、約５重量％～１５重量％のＴｉ、及び約７．７重量％～９．９重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約５０重量％のＳｎ、約３９～４２．３重量％のＣｏ、及び約７．７～１１重量％のＣを含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、約３５～７０モル％のＳｉ、約１～４５モル％のＡｌ、約５～２５モル％の遷移金属、約１～１５モル％のＳｎ、約２～１５モル％のイットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はそれらの組み合わせを含み得る。
いくつかの実施形態では、負極３１０は、例えば、Ｓｎ－Ｃｏ－Ｃ、Ｓｎ－Ｆｅ－Ｃ、Ｓｎ－Ｍｇ－Ｃ、又はＬａ－Ｎｉ－Ｓｎ合金などのスズ金属合金を含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、例えば、ＳｎＯ又はＳｉＯアモルファス酸化物などのアモルファス酸化物を含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、例えば、ＳｎーＳｉーＡｌーＢ－Ｏ、ＳｎーＳｂーＳ－Ｏ、ＳｎＯ２ーＰ２Ｏ５、又はＳｎＯーＢ２Ｏ３ーＰ２Ｏ５ーＡｌ２Ｏ３負極などのガラス状負極を含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、例えば、ＣｏＯ、ＳｎＯ２、又はＶ２Ｏ５などの金属酸化物を含み得る。いくつかの実施形態では、負極３１０は、例えば、Ｌｉ３Ｎ又はＬｉ２．６ＣｏＯ．４Ｎなどの金属窒化物を含み得る。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料３１２は、高容量材料を含み得、第２の電極材料３１４は、半固体電極材料を含み得る。いくつかの実施形態では、複数の拡張領域３１４ａ、３１４ｂを形成するために除去される、高容量材料を含む第１の電極材料３１２の部分は、第２の電極材料３１４が第１の電極材料３１２上に配設されるときに、半固体電極材料によって実質的に充填され得る。特定の理論に束縛されることを望まないが、電気化学セルが動作しているとき、高容量材料は最大約４００％膨張し、第１の電極材料３１２を膨張させることができる。いくつかの実施形態では、第２の電極材料３１４は、電気化学セル３００の動作中に第１の電極材料３１２が膨張及び／又は収縮するときに変形するように構成され得る。
示されるように、負極３１０は、膨張領域を有する多層電極として描かれている。いくつかの実施形態では、正極３３０は、膨張領域を有する多層電極であり得る。
図４は、電気化学セル４００の側面図である。電気化学セル４００は、負極集電体４２０上の第１の電極材料４１２と、第１の電極材料４１２上に配設された第２の電極材料４１４と、を有する負極４１０を含む。電気化学セル４００は、正極集電体４４０上に配設された正極４３０と、負極４１０と正極４３０との間に配設されたセパレータ４５０と、を更に含む。コーティング層４５５は、セパレータ４５０上に配設されている。
いくつかの実施形態では、負極４１０、第１の電極材料４１２、第２の電極材料４１４、負極集電体４２０、正極４３０、正極集電体４４０、セパレータ４５０、及びコーティング層４５５は、負極１１０、第１の電極材料１１２、第２の電極材料１１４、負極集電体１２０、正極１３０、正極集電体１４０、セパレータ１５０、及びコーティング層１５５と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極４１０、第１の電極材料４１２、第２の電極材料４１４、負極集電体４２０、正極４３０、正極集電体４４０、セパレータ４５０、及びコーティング層４５５の特定の態様は、本明細書ではより詳細に説明されない。
いくつかの実施形態では、第１の電極材料４１２は、スパッタリング又は電気めっきされたシリコンを含み得、第２の電極材料４１４は、半固体電極材料を含み得る。動作中、第１の電極材料４１２（例えば、スパッタされたシリコン電極）は、サイクル中に亀裂を発生させ、複数の別個の部分（例えば、４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ）に分割する可能性がある。これらの亀裂は、水平方向（例えば、ｘ方向又はｙ方向）の電子の動きを制限する可能性がある。言い換えれば、電子は、第２の電極材料４１４内でのみ効率的に水平に動くことができる可能性がある。この電子移動性の低下は、第１の電極材料４１２を含む電気化学セルにおいて、より低いエネルギー密度又は電力密度性能を引き起こす可能性がある。
図５は、電気化学セル５００の側面図である。電気化学セル５００は、負極集電体５２０上の第１の電極材料５１２と、第２の電極材料５１４と、第１の電極材料５１２と第２の電極材料５１４との間に配設された第３の電極材料５１８と、を有する負極５１０を含む。電気化学セル５００は、正極集電体５４０上に配設された正極５３０と、負極５１０と正極５３０との間に配設されたセパレータ５５０と、を更に含む。コーティング層５５５は、セパレータ５５０上に配設されている。
いくつかの実施形態では、負極５１０、第１の電極材料５１２、第２の電極材料５１４、負極集電体５２０、正極５３０、正極集電体５４０、セパレータ５５０、及びコーティング層５５５は、負極１１０、第１の電極材料１１２、第２の電極材料１１４、負極集電体１２０、正極１３０、正極集電体１４０、セパレータ１５０、及びコーティング層１５５と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極５１０、第１の電極材料５１２、第２の電極材料５１４、負極集電体５２０、正極５３０、正極集電体５４０、セパレータ５５０、及びコーティング層５５５の特定の態様は、本明細書ではより詳細に説明されない。いくつかの実施形態では、第１の電極材料５１２は、スパッタされた、又は電気めっきされたシリコンを含み得る。いくつかの実施形態では、第３の電極材料５１８は、グラファイトを含み得る。第１の電極材料５１２の構成要素（例えば、シリコン）は、電気化学セル内の電解質溶液と連続的に反応する可能性があり、第１の電極材料５１２の表面上のＳＥＩを制御することは困難である可能性がある。第１の電極材料５１２がスパッタリング又は電気めっきされるいくつかの実施形態では、第１の電極材料５１２は低い気孔率（すなわち、電解質との反応のためのより少ない表面積）を有するが、化学反応は依然として電解質との界面で起こり得る。したがって、第１の電極材料５１２を、例えば、グラファイトを含む第３の電極材料５１８でコーティングすることにより、これらの界面化学反応を最小限に抑えることができる。言い換えれば、いくつかの実施形態では、第１の電極材料５１２の亀裂が発生し得るが、第３の電極材料５１８でコーティングすることにより、亀裂を最小化又は低減することができる。加えて、第３の電極材料５１８及び第２の電極材料５１４内の導電性材料（例えば、グラファイト）は、第１の電極材料５１２の亀裂から生じた間質領域に移動することができる。これらの間質領域に導電性材料が存在すると、電子の垂直方向の動き（つまり、ｚ方向）が促進され、シリコンの亀裂によって引き起こされる性能低下を是正することができる。
高容量材料を含む電極及び電気化学セルの追加の例、及びそれらを製造する方法は、２０１６年９月６日に出願された、「Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｈａｖｉｎｇ ａ Ｓｅｍｉ－Ｓｏｌｉｄ Ｃａｔｈｏｄｅ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ａｎｏｄｅ」と題する米国特許第９，４３７，８６４号に見出され、その開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
図６は、電気化学セル６００の側面図である。電気化学セル６００は、負極集電体６２０上に配設された第１の電極材料６１２と、第１の電極材料６１２上に配設された第２の電極材料６１４と、を有する負極６１０を含む。電気化学セル６００は、正極集電体６４０上に配設された正極６３０と、負極６１０と正極６３０との間に配設されたセパレータ６５０と、を更に含む。第１のコーティング層６５５は、セパレータ６５０の負極側に配設されており、第２のコーティング層６５７は、セパレータ６５０の正極側に配設されている。
いくつかの実施形態では、負極６１０、第１の電極材料６１２、第２の電極材料６１４、負極集電体６２０、正極６３０、正極集電体６４０、セパレータ６５０、及び第１のコーティング層６５５は、負極１１０、第１の電極材料１１２、第２の電極材料１１４、負極集電体１２０、正極１３０、正極集電体１４０、セパレータ１５０、及びコーティング層１５５と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極６１０、第１の電極材料６１２、第２の電極材料６１４、負極集電体６２０、正極６３０、正極集電体６４０、セパレータ６５０、及び第１のコーティング層６５５の特定の態様は、本明細書ではより詳細に説明されない。
いくつかの実施形態では、第２のコーティング層６５７は、正極６３０上に配設され得る。いくつかの実施形態では、第２のコーティング層６５７は、セパレータ６５０上に配設され得る。いくつかの実施形態では、第２のコーティング層６５７は、第１のコーティング層６５５と同じ又は実質的に類似した材料で構成され得る。いくつかの実施形態では、第２のコーティング層６５７は、第１のコーティング層とは異なる材料で構成され得る。いくつかの実施形態では、第２のコーティング層６５７は、正極６３０上にコーティングされたＡｌ２Ｏ３の層を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１のコーティング層６５５は、セパレータ６５０の負極側に硬質炭素コーティングの層を含むことができる。いくつかの実施形態では、第２のコーティング層６５７の追加は、電気化学セル６００の負極側及び正極側の両方でのリチウム拡散のバランスを改善し、高速充電能力及びより良いＮＭＣ安定性をもたらすことができる。
いくつかの実施形態では、第２のコーティング層６５７は、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約２０ｎｍ、少なくとも約３０ｎｍ、少なくとも約４０ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約６０ｎｍ、少なくとも約７０ｎｍ、少なくとも約８０ｎｍ、少なくとも約９０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２００ｎｍ、少なくとも約３００ｎｍ、少なくとも約４００ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約６００ｎｍ、少なくとも約７００ｎｍ、少なくとも約８００ｎｍ、少なくとも約９００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約１．１μｍ、少なくとも約１．２μｍ、少なくとも約１．３μｍ、少なくとも約１．４μｍ、少なくとも約１．５μｍ、少なくとも約１．６μｍ、少なくとも約１．７μｍ、少なくとも約１．８μｍ、又は少なくとも約１．９μｍの厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、第２のコーティング層６５７は、約２μｍ以下、約１．９μｍ以下、約１．８μｍ以下、約１．７μｍ以下、約１．６μｍ以下、約１．５μｍ以下、約１．４μｍ以下、約１．３μｍ以下、約１．２μｍ以下、約１．１μｍ以下、約１μｍ以下、約９００ｎｍ以下、約８００ｎｍ以下、約７００ｎｍ以下、約６００ｎｍ以下、約５００ｎｍ以下、約４００ｎｍ以下、約３００ｎｍ以下、約２００ｎｍ以下、約１００ｎｍ以下、約９０ｎｍ以下、約８０ｎｍ以下、約７０ｎｍ以下、約６０ｎｍ以下、約５０ｎｍ以下、約４０ｎｍ以下、約３０ｎｍ以下、又は約２０ｎｍ以下の厚さを有することができる。第２のコーティング層６５７の上記の言及された厚さの組み合わせもまた可能である（例えば、少なくとも約１０ｎｍかつ約２μｍ以下、又は少なくとも約２００ｎｍかつ約１．５μｍ以下）（それらの間の全ての値及び範囲を含む）。いくつかの実施形態では、第２のコーティング層６５７は、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約３０ｎｍ、約４０ｎｍ、約５０ｎｍ、約６０ｎｍ、約７０ｎｍ、約８０ｎｍ、約９０ｎｍ、約１００ｎｍ、約２００ｎｍ、約３００ｎｍ、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１μｍ、約１．１μｍ、約１．２μｍ、約１．３μｍ、約１．４μｍ、約１．５μｍ、約１．６μｍ、約１．７μｍ、約１．８μｍ、約１．９μｍ、又は約２μｍの厚さを有することができる。
図７Ａ～７Ｂは、電気化学セル７００の概略図である。図７Ａは、電気化学セル７００の断面図を含んでいる一方、図７Ｂは、電気化学セル７００の上面図を含む。電気化学セル７００は、負極集電体７２０上に配設された負極７１０を含む。負極７１０は、第１の電極材料７１２及び第２の電極材料７１４を含む。電気化学セル７００は、正極集電体７４０上に配設された正極７３０と、負極７１０と正極７３０との間に配設されたセパレータ７５０と、を更に含む。コーティング層７５５は、セパレータ７５０上に配設されている。負極７１０、負極集電体７２０、正極７３０、正極集電体７４０、セパレータ７５０、及びコーティング層７５５は、パウチ７６０内に配設されている。負極集電体７２０は、負極タブ７２５を含む。正極集電体７４０は、正極タブ７４５を含む。
いくつかの実施形態では、負極７１０、第１の電極材料７１２、第２の電極材料７１４、負極集電体７２０、正極７３０、正極集電体７４０、セパレータ７５０、及びコーティング層７５５は、負極１１０、第１の電極材料１１２、第２の電極材料１１４、負極集電体１２０、正極１３０、正極集電体１４０、セパレータ１５０、及びコーティング層１５５と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極７１０、第１の電極材料７１２、第２の電極材料７１４、負極集電体７２０、正極７３０、正極集電体７４０、セパレータ７５０、及びコーティング層７５５の特定の態様は、本明細書ではより詳細に説明されない。
いくつかの実施形態では、セパレータ７５０は、負極７１０及び正極７３０の縁部を越えて延在し得る。いくつかの実施形態では、コーティング層７５５は、負極７１０及び正極７３０の縁部を越えて延在するセパレータ７５０の部分上に配設され得る。いくつかの実施形態では、セパレータ７５０を越えて延在するセパレータ７５０の部分は、パウチ７６０の部分に封止され得る。セパレータ７５０の部分をパウチ７６０の部分に封止することは、コーティング層７５５が正極７３０又は隣接する電気化学セルからの正極と接触するのを防止するのに役立ち得る。いくつかの実施形態では、コーティング層７５５がセパレータ７５０の正極側に配設されている場合、セパレータ７５０の部分をパウチ７６０の部分に封止することは、コーティング層７５５が負極７１０又は隣接する電気化学セルからの負極と接触するのを防止するのに役立ち得る。この分離及び接触防止は、短絡事象を防止することを支援し得る。コーティング層７５５と缶壁との間の接触が短絡事象をもたらし得るため、電気化学セルが巻かれ、かつ缶内に配設される場合に、分離及び接触防止は、特に有用であり得る。セパレータの縁部がパウチに封止された電気化学セルの更なる例は、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題された、る米国特許第９，１７８，２００号（’２００特許）に更に記載されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。パウチに配設された単一の電気化学セルの更なる例は、「Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｕｃｈ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｅｌｌｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」と題された、米国特許第１０，１８１，５８７号（’５８７特許）に更に記載されており、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
コーティング層７５５と他の電気化学セルからの電気活性材料との間の接触を更に制限又は防止するために、負極タブ７２５とパウチ７６０との間に絶縁体７２６が示されている。絶縁体７２６は、コーティング層７５５を電気活性種との接触から更に分離し、短絡事象を更に防止する。いくつかの実施形態では、絶縁体７２６は、負極タブ７２５の周囲に配設され、負極タブ７２５とパウチ７６０との間にシールを作成し得る。いくつかの実施形態では、絶縁体７２６は、接着剤、シール、ヒートシール、又は任意の他の好適な絶縁手段を含むことができる。いくつかの実施形態では、絶縁体は、正極タブ７４５とパウチ７６０との間に存在し得る。いくつかの実施形態では、負極タブ７２５とパウチ７６０との間に第１の絶縁体が存在することができ、正極タブ７４５とパウチ７６０との間に第２の絶縁体が存在することができる。
示されるように、負極７１０は、第１の電極材料７１２及び第２の電極材料７１４を含む。いくつかの実施形態では、負極７１０は、単一の電極材料を含むことができる。言い換えれば、負極７１０は、電極材料の単層であり得る。いくつかの実施形態では、負極７１０は、半固体電極であり得る。いくつかの実施形態では、負極７１０は、従来の電極であり得る。いくつかの実施形態では、負極７１０は、固体電極であり得る。いくつかの実施形態では、負極７１０は、グラファイト電極であり得る。いくつかの実施形態では、負極７１０は、半固体グラファイト電極であり得る。
いくつかの実施形態では、正極７３０は、単一の電極材料を含むことができる。言い換えれば、正極７３０は、電極材料の単層であり得る。いくつかの実施形態では、正極７３０は、半固体電極であり得る。いくつかの実施形態では、正極７３０は、従来の電極であり得る。いくつかの実施形態では、正極７３０は、固体電極であり得る。いくつかの実施形態では、正極７１０は、ＮＭＣ８１１を含むことができる。
図８は、電気化学セル８００の側面図である。電気化学セル８００は、負極集電体８２０上に配設された第１の電極材料８１２（第１の電気活性材料である第１の部分とも称される）と、負極集電体８２０の外縁部の周りのパウチ８６０上に配設された第２の電極材料８１４（第２の電気活性材料である第２の部分とも称される）と、を有する負極８１０を含む。第１の電極材料８１２及び第２の電極材料８１４は、互いにイオン連通している（すなわち、第１の電極材料８１２と第２の電極材料８１４との間でイオンが流れ得る）。第１の電極材料８１２及び第２の電極材料８１４はまた、互いに電子連通している（すなわち、第１の電極材料８１２と第２の電極材料８１４との間で電子が流れ得る）。電気化学セル８００は、正極集電体８４０上に配設された正極８３０と、負極８１０と正極８３０との間に配設されたセパレータ８５０と、を更に含む。セパレータ８５０は、負極８１０に隣接する第１の面と、正極８３０に隣接する第２の面と、を有し得る。正極８３０は、一次部分８３２及び移動した部分８３４を含む。いくつかの実施形態では、負極集電体８２０、正極集電体８４０、セパレータ８５０、及びパウチ８６０は、図７Ａ～７Ｂを参照して上述したように、負極集電体７２０、正極集電体７４０、セパレータ７５０、及びパウチ７６０と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極集電体８２０、正極集電体８４０、セパレータ８５０、及びパウチ８６０の特定の態様は、本明細書ではより詳細に説明されない。
示されるように、正極８３０の一部分は、正極集電体８４０を取り囲む領域に移動して、正極８３０の移動した部分８３４を形成した。これは、正極８３０が従来の固体電極よりも容易に流れ、かつ動くことができるように、正極８３０が半固体電極材料から形成されていることに起因し得る。負極８１０の第２の電極材料８１４は、負極集電体８２０の外縁部の周りに配置される場合、セパレータ８５０を横切って正極８３０の移動した部分８３４から輸送される電子及び／又はイオンを捕捉することができる。第２の電極材料８１４に捕捉されると、電子及び／又はイオンを第１の電極材料８１２に移送することができる。第２の電極材料８１４の配置は、負極８１０の外縁部の周りにデンドライトが形成されるのを防止することを支援し得る。いくつかの実施形態では、パウチ８６０は、セパレータ８５０にヒートシールされ得る。いくつかの実施形態では、パウチ８６０の部分は、互いにヒートシールされ得る。
いくつかの実施形態では、第２の電極材料８１４は、負極集電体８２０の厚さと同じ又は実質的に類似した厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、第２の電極材料８１４は、第１の電極材料８１２と同じ材料で構成され得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料８１４は、第１の電極材料８１２とは異なる材料で構成され得る。いくつかの実施形態では、第２の電極材料８１４は、第１の電極材料８１２よりも高電圧材料であり得る。別の言い方をすると、第２の電極材料８１４は、第２の電極材料８１４によって捕捉された電子及び／又はイオンが第１の電極材料８１２に移動するように、第１の電極材料８１２よりも電子保持に対するより低い親和性を有することができる。いくつかの実施形態では、第１の電極材料８１２は、図１を参照して上述したように、第１の電極材料１１２の特性のいずれかを有することができる。いくつかの実施形態では、第２の電極材料８１４は、シリコン、ビスマス、ボロン、ガリウム、インジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、アルミニウム、酸化チタン、モリブデン、ゲルマニウム、マンガン、ニオブ、バナジウム、タンタル、鉄、銅、金、白金、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、酸化モリブデン、酸化ゲルマニウム、酸化シリコン、炭化シリコン、他の高容量材料又はそれらの合金、及びそれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の電極材料８１４は、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＴｉＯ２、又は電子及び／又はイオンを第１の電極材料８１２に移送するための任意の他の好適な材料を含むことができる。示されるように、負極８１０は、第１の電極材料８１２及び第２の電極材料８１４を含み、正極８３０は、一次部分８３２及び移動した部分８３４を含む。いくつかの実施形態では、負極８１０は、一次部分及び移動した部分を含むことができ、正極８３０は、第１の電極材料及び第２の電極材料を含むことができる。
図９は、電気化学セル９００の側面図である。電気化学セル９００は、負極集電体９２０上に配設された第１の電極材料９１２（第１の電気活性材料である第１の部分とも称される）と、第１の電極材料９１２の外縁部の周りの負極集電体９２０上に配設された第２の電極材料９１４（第２の電気活性材料である第２の部分とも称される）と、を有する負極９１０を含む。第１の電極材料９１２及び第２の電極材料９１４は、互いにイオン連通している（すなわち、第１の電極材料９１２と第２の電極材料９１４との間でイオンが流れ得る）。第１の電極材料９１２及び第２の電極材料９１４はまた、互いに電子連通している（すなわち、第１の電極材料９１２と第２の電極材料９１４との間で電子が流れ得る）。電気化学セル９００は、正極集電体９４０上に配設された正極９３０と、負極９１０と正極９３０との間に配設されたセパレータ９５０と、を更に含む。セパレータ９５０は、負極９１０に隣接する第１の面と、正極９３０に隣接する第２の面と、を有し得る。正極９３０は、一次部分９３２及び移動した部分９３４を含む。負極９１０、負極集電体９２０、正極９３０、正極集電体９４０、及びセパレータ９５０は、パウチ９６０内に配設されている。いくつかの実施形態では、負極９１０、第１の電極材料９１２、第２の電極材料９１４、負極集電体９２０、正極９３０、一次部分９３２、移動した部分９３４、正極集電体９４０、セパレータ９５０、及びパウチ９６０は、図８を参照して上述したように、負極８１０、第１の電極材料８１２、第２の電極材料８１４、負極集電体８２０、正極８３０、一次部分８３２、移動した部分８３４、正極集電体８４０、セパレータ８５０、及びパウチ８６０と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極９１０、第１の電極材料９１２、第２の電極材料９１４、負極集電体９２０、正極９３０、一次部分９３２、移動した部分９３４、正極集電体９４０、セパレータ９５０、及びパウチ９６０の特定の態様は、本明細書ではより詳細に説明されない。
第２の電極材料９１４を第１の電極材料９１２の外側の周りの負極集電体９２０上に配置することは、第２の電極材料９１４がパウチ９６０上に配設される場合よりも、第２の電極材料９１４を移動した部分９１４に近接して配置することができる。いくつかの実施形態では、第２の電極材料９１４は、第１の電極材料９１２よりも電子保持に対する親和性が低い材料で構成され得る。示されるように、負極９１０は、第１の電極材料９１２及び第２の電極材料９１４を含む。いくつかの実施形態では、正極９３０は、第１の電極材料及び第２の電極材料を含むことができる。示されるように、正極９３０は、一次部分９３２及び移動した部分９３４を含む。いくつかの実施形態では、負極９１０は、一次部分及び移動した部分を含むことができる。
図１０は、電気化学セル１０００の側面図である。電気化学セル１０００は、負極集電体１０２０上に配設された負極１０１０、正極集電体１０４０上に配設された正極１０３０、負極１０１０と正極１０５０との間に配設されたセパレータ１０５０を含む。セパレータ１０５０は、負極１０１０に隣接する第１の面と、正極１０３０に隣接する第２の面と、を有し得る。示されるように、負極１０１０、負極集電体１０２０、正極１０３０、正極集電体１０４０、及びセパレータ１０５０は、パウチ１０６０内に配設されている。示されるように、正極１０３０は、一次部分１０３２（本明細書では第１の部分とも称される）及び二次部分１０３４（本明細書では移動した部分とも称される）を含む。正極集電体１０４０の外縁部の周りのパウチ１０６０上に非濡れ性コーティング１０３５が配設されている。非濡れ性コーティング１０３５は、一次部分１０３２を二次部分１０３４から電子的に分離する電子バリアとして機能する。いくつかの実施形態では、負極１０１０、負極集電体１０２０、正極１０３０、一次部分１０３２、二次部分１０３４、正極集電体１０４０、セパレータ１０５０、及びパウチ１０６０は、図８を参照して上述したように、負極８１０、負極集電体８２０、正極８３０、一次部分８３２、二次部分８３４、正極集電体８４０、セパレータ８５０、及びパウチ８６０と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極１０１０、負極集電体１０２０、正極１０３０、一次部分１０３２、二次部分１０３４、正極集電体１０４０、セパレータ１０５０、及びパウチ１０６０の特定の態様は、本明細書ではより詳細に説明されない。
いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティング１０３５は、電解質からの濡れに耐性を有し得る。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティング１０３５は、折れ取れて二次部分１０３４を形成する一次部分１０３２の断片を、非濡れ性コーティング１０３５の外縁部の周りに配設された領域にはじくことができる。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティング１０３５は、ウィッキング作用によって一次部分１０３２の断片の動きを容易にすることができる。このウィッキング作用は、正極集電体１０３４の外側縁部に二次部分１０３４を形成することができる。一次部分１０３４の断片をはじくか、又は押して非濡れ性コーティング１０３５の外縁部の周りに形成することによって、一次部分１０３２は、二次部分１０３５からセパレータ１０５０を通過する任意の材料が負極１０１０又は負極集電体１０３０に接触しないように、負極１０１０及び負極集電体１０２０から十分遠く離れて形成することができる。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティング１０３５を一次部分１０３２の外縁部の周り及び／又は正極集電体１０４０の外縁部の周りに配設することにより、二次部分１０３４及び／又は非濡れ性コーティング１０３５を電気化学セル１０００から容易に除去することができる。言い換えれば、非濡れ性コーティング１０３５は、一次部分１０３２及び／又は正極集電体１０４０の外縁部から除去され、二次部分１０３４は、非濡れ性コーティング１０３５と共に除去され得る。
いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティング１０３５は、正極集電体１０４０の厚さと同じ又は実質的に類似した厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティング１０３５は、撥油性コーティングとしてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、シリコーン、アルミナ、シリカ、ペルフルオロアルキルポリアクリレート樹脂及びポリマー、ポリシルセスキオキサン、ポリジオクチルフルオレン（ＰＦＯ）を有するポリ（ビニルアルコール）系コポリマー、シリカ／アルミナと結合されたポリ（ビニルアルコール）系、又はそれらの任意の組み合わせで構成され得る。示されるように、非濡れ性コーティング１０３５は、正極集電体１０４０の外縁部の周りに配設されている。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティング１０３５は、負極集電体１０２０の外縁部の周りに配設され得る。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティング１０３５は、正極１０３０の外縁部の周りの正極集電体１０４０上に配設され得る。いくつかの実施形態では、非濡れ性コーティング１０３５は、負極１０１０の外縁部の周りの負極集電体１０２０上に配設され得る。
図１１は、異なる電気化学セル構成における初期容量損失のグラフ表現である。この場合に評価されるセルは、ＮＭＣ８１１を有する正極及び半固体グラファイト負極を含む。コーティングのない従来のセパレータを有するベースラインの場合と比較して、負極側で厚いコーティング（すなわち、約１０μｍ）及び薄いコーティング（すなわち、５μｍ未満）でコーティングされたポリエチレンセパレータを含むセルは、厚さに応じて、約０．５％～約０．７％の初期容量損失の増加を有する。このことは、固体電解質界面（ＳＥＩ）層が形成されている領域の体積及び表面積がより大きいことに起因する。負極の予備リチオ化は、この初期容量損失を潜在的に低減又は緩和することができる。
図１２は、異なる電気化学セル構成における容量保持対サイクル数のグラフ表現である。図１１と同様に、図１２は、ＮＭＣ８１１正極と、半固体グラファイト負極と、負極側に硬質炭素の薄いコーティング（すなわち、５μｍ未満）及び厚いコーティング（すなわち、約１０μｍ）を有するポリエチレンセパレータと、を有する電気化学セルと比較した、ＮＭＣ８１１正極、半固体グラファイト負極、及び従来のポリエチレンセパレータを有する電気化学セルを含む。上のプロットは、最初の数サイクルの間に容量が初期低下を有し、次いで、容量が急速に減衰する前の回復を有する、ベースラインケースを示す。硬質炭素コーティングを有するポリエチレンセパレータは、初期のわずかな容量損失を有し、次いで、回復を有し、２６サイクルを通して約９８％～９９％の容量を維持する。下のプロットは、ベースラインケースのクーロン効率の初期低下と、第１２サイクル前後の回復と、を示す。下のプロットはまた、セパレータ上に硬質炭素コーティングを有するセルが、全体を通して高いクーロン効率を維持することを示している。
図１３は、異なる電気化学セル構成における容量保持対サイクル数及びＣ速度のグラフ表現である。各セルは、ＮＭＣ８１１正極、Ｌｉ金属負極、及びポリエチレンセパレータを含む。ベースラインケースは、セパレータ上のコーティングを含まない一方、他のケースは、セパレータ上にスプレーされたか、又はテープキャスティングされたかのいずれかである硬質カーボンを含む。早期のサイクル中、Ｃ速度は、低く、Ｃ速度は、１８サイクルを通して増加する。硬質炭素がスプレーされたセパレータを有するセルは、１Ｃで約９９％のクーロン効率を有する一方、ベースラインケースは、約７５％のクーロン効率に減少している。スプレーされた硬質炭素ケースは、４Ｃで３サイクル後に存続した一方、ベースラインケースは、４Ｃで最初のサイクルで失敗した。
図１４は、異なる電気化学セル構成における容量保持対サイクル数及びＣ速度のグラフ表現である。各セルは、ＮＭＣ８１１正極、グラファイト負極、及びポリエチレンセパレータを含む。ベースラインセルは、セパレータ上のコーティングを含まない一方、他のセルは、硬質炭素の薄いコーティング（すなわち、５μｍ未満）及び負極側の硬質炭素の厚いコーティング（すなわち、約１０μｍ）でスプレーされたセパレータを含む。１．４Ｃの充電速度では、ベースラインケースのクーロン効率は、約９０％に降下し、次いで、回復する一方、硬質炭素がコートされたケースは、９９．５％～９９．９％前後で安定する。ベースラインのケース容量は、硬質炭素コーティングを有するセルの容量よりも速く減衰する。
図１５は、異なる電気化学セル構成間のｄＱ／ｄＶ及び電圧プロファイルの比較のグラフ表現である。左上のプロットは、コーティングされていないポリエチレンセパレータを有するベースラインケースの微分容量対電圧を示す。左下のプロットは、ベースラインケースの充放電のための電圧対容量プロットを示す。右上のプロットは、硬質炭素でコーティングされたポリエチレンセパレータを有するセルの微分容量対電圧を示す。右下のプロットは、硬質炭素でコーティングされたポリエチレンセパレータを有するセルを充放電するための電圧対容量プロットを示す。左下のプロット上のセクション１５０１は、充電中の電圧上昇の遅れを示す。これは、リチウムプレーティング及び不可逆的な容量損失に起因する。右下のプロットにはこの異常はなく、より効率的に充電している。
図１６は、リン酸マンガン鉄リチウム（ＬＭＦＰ）のハーフセル電圧曲線のグラフ表現である。ＬＭＦＰは、約４．１５Ｖで平坦な電圧プロファイルを有する。ＮＭＣ電極の表面上で、ＬＭＦＰコーティングは、ＮＭＣ材料の過電位損失を防止することができる。
図１７Ａ～１７Ｂは、異なる電気化学セルにおける容量保持対サイクル数のグラフ表現である。図１７Ａの上のプロットは、サイクル当たりの絶対容量を示す一方、プロット１７Ｂの上のプロットは、第１のサイクルに対する容量保持パーセンテージを示す。図１７Ａ～１７Ｂは、ＮＭＣ８１１正極と、半固体グラファイト負極と、負極側に硬質炭素の薄いコーティング（すなわち、５μｍ未満）及び厚いコーティング（すなわち、約１０μｍ）を有するポリエチレンセパレータと、を有する電気化学セルと比較して、ＮＭＣ８１１正極、半固体グラファイト負極、及び従来のポリエチレンセパレータを有する電気化学セルを含む。ベースラインケースは、最初の数サイクル中に容量の初期低下を有し、次いで、わずかな回復を有してから、初期容量の約８５％に減衰する。硬質炭素コーティングを有するポリエチレンセパレータは、８０サイクルにわたって初期容量の約９８％～９９％を維持する。図１７Ａ及び図１７Ｂの両方の下のプロットは、ベースラインケースのクーロン効率の初期低下と、第１２サイクル前後の回復と、を示す。下のプロットはまた、セパレータ上に硬質炭素コーティングを有するセルが、全体を通して高いクーロン効率を維持することを示している。
図１８は、電気化学セル１８００の側面図である。電気化学セル１８００は、負極集電体１８２０上に配設された第１の電極材料１８１２（第１の電気活性材料である第１の部分とも称される）と、負極集電体８２０の外縁部の周りのパウチ１８６０上に配設された第２の電極材料１８１４（第２の電気活性材料である第２の部分とも称される）と、を有する負極１８１０を含む。第１の電極材料１８１２及び第２の電極材料１８１４は、互いにイオン連通している（すなわち、第１の電極材料１８１２と第２の電極材料１８１４との間でイオンが流れ得る）。第１の電極材料１８１２及び第２の電極材料１８１４はまた、互いに電子連通している（すなわち、第１の電極材料１８１２と第２の電極材料１８１４との間で電子が流れ得る）。電気化学セル１８００は、正極集電体１８４０上に配設された正極１８３０と、負極１８１０と正極１８３０との間に配設されたセパレータ１８５０と、を更に含む。セパレータ１８５０は、負極１８１０に隣接する第１の面と、正極１８３０に隣接する第２の面と、を有し得る。示されるように、正極１８３０は、一次部分１８３２（第１の部分とも称される）及び二次部分１８３４（移動した部分とも称される）を含む。正極集電体１８４０の外縁部の周りのパウチ１８６０上に非濡れ性コーティング１８３５が配設されている。非濡れ性コーティング１８３５は、一次部分１８３２を二次部分１８３４から電子的に分離する電子バリアとして機能する。いくつかの実施形態では、負極１８１０、第１の電極材料１８１２、第２の電極材料１８１４、負極集電体１８２０、正極１８３０、一次部分１８３２、二次部分１８３４、正極集電体１８４０、セパレータ１８５０、及びパウチ１８６０は、図８を参照して上述したように、負極８１０、第１の電極材料８１２、第２の電極材料１８１４、負極集電体８２０、正極８３０、一次部分８３２、二次部分８３４、正極集電体８４０、セパレータ８５０、及びパウチ８６０と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極１８１０、第１の電極材料８１２、第２の電極材料８１４、負極集電体１８２０、正極１８３０、一次部分１８３２、二次部分１８３４、正極集電体１８４０、セパレータ１８５０、及びパウチ１８６０の特定の態様は、本明細書ではより詳細に説明されない。図１８は、第１の電極材料１８１２及び第２の電極材料１８１４が負極側にあり、かつ非濡れ性コーティング１８３５が正極側にある電気化学セルを例証しているが、いくつかの実施形態では、正極１８３０は、第１の電極材料及び第２の電極材料を含むことができ、非濡れ性コーティング１８３５は、負極集電体１８２０の外縁部の周りのパウチ１８６０上に配設することができる。
図１９は、電気化学セル１９００の側面図である。電気化学セル１９００は、負極集電体１９２０上に配設された第１の電極材料１９１２（第１の電気活性材料である第１の部分とも称される）と、第１の電極材料１９１２の外縁部の周りの負極集電体１９２０上に配設された第２の電極材料１９１４（第２の電気活性材料である第２の部分とも称される）と、を有する負極１９１０を含む。第１の電極材料１９１２及び第２の電極材料１９１４は、互いにイオン連通している（すなわち、第１の電極材料１９１２と第２の電極材料１９１４との間でイオンが流れ得る）。第１の電極材料１８１２及び第２の電極材料１８１４はまた、互いに電子連通している（すなわち、第１の電極材料１８１２と第２の電極材料１８１４との間で電子が流れ得る）。電気化学セル１９００は、正極集電体１９４０上に配設された正極１９３０と、負極１９１０と正極１９３０との間に配設されたセパレータ１９５０と、を更に含む。セパレータ１９５０は、負極１９１０に隣接する第１の面と、正極１９３０に隣接する第２の面と、を有し得る。示されるように、正極１９３０は、一次部分１９３２（第１の部分とも称される）及び二次部分１９３４（移動した部分とも称される）を含む。正極集電体１９４０の外縁部の周りのパウチ１９６０上に非濡れ性コーティング１９３５が配設されている。非濡れ性コーティング１９３５は、一次部分１９３２を二次部分１９３４から電子的に分離する電子バリアとして機能する。いくつかの実施形態では、負極１９１０、第１の電極材料１９１２、第２の電極材料１９１４、負極集電体１９２０、正極１９３０、一次部分１９３２、二次部分１９３４、正極集電体１９４０、セパレータ１９５０、及びパウチ１９６０は、図９を参照して上述したように、負極９１０、第１の電極材料９１２、第２の電極材料９１４、負極集電体９２０、正極８３０、一次部分９３２、二次部分９３４、正極集電体９４０、セパレータ９５０、及びパウチ９６０と同じ又は実質的に同様であり得る。したがって、負極１９１０、第１の電極材料１９１２、第２の電極材料１９１４、負極集電体１９２０、正極１９３０、一次部分１９３２、二次部分１９３４、正極集電体１９４０、セパレータ１９５０、及びパウチ１９６０の特定の態様は、本明細書ではより詳細に説明されない。図１９は、第１の電極材料１９１２及び第２の電極材料１９１４が負極側にあり、かつ非濡れ性コーティング１９３５が正極側にある電気化学セルを例証しているが、いくつかの実施形態では、正極１９３０は、第１の電極材料及び第２の電極材料を含むことができ、非濡れ性コーティング１９３５は、負極集電体１９２０の外縁部の周りのパウチ１９６０上に配設することができる。
図２０は、短絡事象を受ける従来の電気化学セルを示す。電気化学セルにおける短絡事象は、多くの場合、正極付近の負極材料の堆積によって、又は負極付近の正極材料の堆積（これはデンドライト形成としても知られている）によって引き起こされ得る。十分な負極材料が正極付近に堆積すると、又はその逆であると、負極材料と正極材料との間の物理的接触は、短絡事象につながり得る。図２０は、負極集電体２０２０上に配設された負極２０１０と、正極集電体２０４０上に配設された正極２０３０と、負極２０１０と正極２０３０との間に配設されたセパレータ２０５０と、を有する電気化学セル２０００を示す。負極集電体２０２０及び正極集電体２０４０は両方とも、パウチ材料２０６０上に配設されている。示されるように、正極２０３０は、第１のセクション２０３２及び第２のセクション２０３４を有する。第１のセクション２０３２は、負極２０１０と直線的である一方、第２のセクション２０３４は、負極２０１０と直線的ではない。言い換えれば、イオンは、ラインＡを介して第１のセクション２０３２から負極２０１０に移動する。イオンは、ラインＢを介して第２のセクション２０３４から移動するが、第２のセクション２０３４は、負極２０１０と直線的ではないことから、負極集電体２０２０の表面上か、又はパウチ材料２０６０の表面上のいずれかで、負極２０１０付近に正極材料堆積物２０３６が形成される。正極材料堆積物２０３６が負極２０１０に物理的に接触するのに十分な大きさであるとき、部分的又は完全短絡事象が結果として生じ得る。加えて、正極材料堆積物２０３６は、正極２０３０から分離された材料を表し、これにより、この材料は、電気化学セル２０００のサイクルで使用することができなくなる。このことは、電気化学セル２０００のサイクル性能に悪影響を与える可能性がある。
図８、９、１８、及び１９を参照して上述したように、第２の負極電極材料８１４、９１４、１８１４、１９１４の存在は、図２０に記載されているような正極堆積物、特に、図８、９、１８、及び１９の正極８３４、９３４、１８３４、１９３４の移動した部分に由来する正極堆積物が優先的に形成されるか、又は形成されることを防止される、電気化学セル内の部位を提供する。第２の電極材料８１４、９１４、１８１４、１９１４は、同じリチオ化段階の第１の電極材料８１２、９１２、１８１２、１９１２と比較して、より高い電位を有し、この電位は、第１の電極材料８１２、９１２、１８１２、１９１２の縁部上のデンドライトの成長を阻止する。第２の電極材料８１４、９１４、１８１４、１９１４は、第１の電極材料８１２、９１２、１８１２、１９１２（例えば、グラファイト）よりも高いリチウム貯蔵電位（すなわち、リチオ化電位）を有する。いくつかの場合では、第２の電極材料８１４、９１４、１８１４、１９１４上に形成された正極堆積物は、第１の電極材料８１２、９１２、１８１２、１９１２、及び／又は負極集電体８２０、９２０、１８２０、１９２０に物理的に接触することを防止され、したがって、部分的又は完全短絡事象が防止される。実施形態は、負極の一部を形成する第１及び第２の電極材料、並びに形成される正極堆積物に関して記載されているが、上記の説明はまた、第１及び第２の電極材料が正極の一部を形成し、負極堆積物が形成されるときに適用される。
上の図１０、１８、及び１９を参照して記載したように、一次部分１０３２、１８３２、１９３２の断片をはじくか、又は押して、非濡れ性コーティング１０３５、１８３５、１９３５の外縁部の周りの移動した部分１０３４、１８３４、１９３４を形成することによって、移動した部分１０３４、１８３４、１９３４は、負極１０１０、１８１０、１９１０、及び負極集電体１０２０、１８２０、１９２０から十分遠く離れたところに形成することができ、その結果、移動した部分１０３４、１８３４、１９３４からセパレータ１０５０、１８５０、１９５０を通過する任意の正極材料は、負極１０１０、１８１０、１９１０、又は負極集電体１０３０、１８３０、１９３０に接触しない。上述したように、非濡れ性コーティング１０３５、１８３５、１９３５はまた、負極堆積物が正極１０３２、１８３２、１９３２の一次部分上、又は正極集電体１０４０、１８４０、１９４０上で形成されるのを防止する物理的バリアを提供することができる。非濡れ性コーティングは、負極の部分に対して通過不能であり、したがって、移動した部分１０３４、１８３４、１９３４上に形成される任意の負極堆積物は、正極１０３２、１８３２、１９３２又は正極集電体１０４０、１８４０、１９４０の一次部分に物理的に接触することを防止され、したがって、部分的又は完全短絡さえも防止される。実施形態は、第１及び第２の正極部分及び形成される負極堆積物に関して記載されているが、上記の説明はまた、非濡れ性コーティングが負極又は負極集電体の一次部分を正極堆積物から分離するときに適用される。
様々な概念が、少なくとも１つの例が提供されている１つ以上の方法として具現化され得る。方法の一部として行われる行為は、任意の好適な方式で順序付けされ得る。したがって、例示的な実施形態では連続的な行為として示されているにもかかわらず、いくつかの行為を同時に実行することを含み得る、例示的な実施形態とは異なる順序で行為が実行される実施形態が構築されてもよい。別の言い方をすると、そのような特徴は、特定の実行順序に必ずしも限定されない場合があるが、むしろ、本開示と一致する様式で、任意の数のスレッド、プロセス、サービス、サーバなどが、順次に、非同期で、並行して、並列に、同時に、かつ／又は同期して実行され得ることを理解されたい。したがって、これらの特徴のいくつかは、単一の実施形態において同時に存在することができないという点で、相互に矛盾し得る。同様に、いくつかの特徴は、イノベーションの一態様に適用可能であり、他の態様には適用不可である。
加えて、本開示は、現在記載されていない他のイノベーションを含み得る。出願人は、そのようなイノベーションを具現化し、追加の出願、継続、一部継続、分割、及び／又はそれらに類するものを含む、そのようなイノベーションの全ての権利を留保する。したがって、本開示の利点、実施形態、例、機能的、特徴、論理的、運用的、組織的、構造的、トポロジカル、及び／又は他の態様は、実施形態によって定義されるような本開示の限定又は実施形態と同等のものの限定とみなされないことを理解されたい。個人及び／又はエンタープライズユーザ、データベース構成及び／又はリレーショナルモデル、データタイプ、データ伝送及び／又はネットワークフレームワーク、構文構造などの特定の欲求及び／又は特性に応じて、本明細書に開示される技術の様々な実施形態は、本明細書に記載されるように、多くの柔軟性及びカスタマイズを可能にする様式で実装されてもよい。
本明細書で定義及び使用される全ての定義は、辞書の定義、参照によって組み込まれた文書内の定義、及び／又は定義された用語の通常の意味を制御すると理解されたい。
本明細書で使用される場合、特定の実施形態では、数値の前の「約」又は「およそ」という用語は、値をプラス又はマイナス１０％した値を示す。値の範囲が提供される場合、文脈が別途明確に指示しない限り、下限の単位の１０分の１までの各介在値は、その範囲の上限と下限との間、及びその記載された範囲内の任意の他の記載又は介在値が包含されることが理解される。これらのより小さい範囲の上限及び下限が、独立して、より小さい範囲内に含まれ得ることもまた、記載された範囲内の任意の具体的に除外された限界を条件として、本開示内に包含される。記載された範囲が制限の一方又は両方を含む場合、含まれる制限の一方又は両方を除外する範囲も本開示に含まれる。
本明細書及び実施形態で使用される場合、「及び／又は」という語句は、そのように結合された要素、すなわち、いくつかの場合には結合的に存在し、他の場合には選言的に存在する要素の「一方又は両方」を意味すると理解されたい。「及び／又は」で列挙された複数の要素は、同じ様態で、すなわち、そのように結合された要素のうちの「１つ以上」と解釈されたい。他の要素が、任意選択で、具体的に特定された要素以外に、具体的に特定されたそれらの要素に関連しているか、又は特定されていないかにかかわらず、存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａ及び／又はＢ」への言及は、「含む／備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などのオープンエンドの言葉と併せて使用される場合、一実施形態では、Ａのみ（任意選択で、Ｂ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ｂのみ（任意選択で、Ａ以外の要素を含む）、更に別の実施形態では、Ａ及びＢの両方（任意選択で、他の要素を含む）などを指すことができる。
本明細書及び実施形態で使用される場合、「又は」は、上記で定義される「及び／又は」と同じ意味を有すると理解されたい。例えば、列挙内の項目を分離するとき、「又は」又は「及び／又は」は、包含的である、すなわち、要素の数又は列挙のうちの少なくとも１つの包含であるが、２つ以上も含み、任意選択で、追加の非列挙項目を含むと解釈されるものとする。「のうちの１つのみ」又は「のうちの他ならぬ１つ」、又は実施形態で使用される場合、「からなる」などの、対照的に明確に示されている用語のみが、要素の数又は列挙の他ならぬ１つの要素の包含を指す。概して、本明細書で使用される場合、「又は」という用語は、「のいずれか」、「のうちの１つ」、「のうちの１つのみ」、又は「のうちの他ならぬ１つ」などの排他性の用語が先行する場合、排他的選択肢（すなわち、「一方又は他方であるが、両方ではない」）を示すものとしてのみ解釈されるものとする。「本質的にからなる」は、実施形態で使用される場合、特許法の分野で使用される通常の意味を有するものとする。
本明細書及び実施形態で使用される場合、１つ以上の要素の列挙に関して、「少なくとも１つ」という語句は、要素の列挙内の要素のうちのいずれか１つ以上から選択される少なくとも１つの要素であって、必ずしも要素の列挙内に具体的に列挙されている各要素及びあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含まず、要素の列挙内の要素の任意の組み合わせを除外しないことを意味すると理解されたい。この定義はまた、「少なくとも１つ」という語句が言及する要素の列挙内で具体的に識別される要素以外の要素が、任意選択で、具体的に識別される要素に関連しているか関連していないかにかかわらず存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的な例として、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」（又は同等に、「Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ」、又は同等に、「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、Ｂが存在しない（及び任意選択でＢ以外の要素を含む）少なくとも１つの、任意選択で１つ超を含む、Ａを指すことができ、別の実施形態では、Ａが存在しない（及び任意選択でＡ以外の要素を含む）少なくとも１つの、任意選択で１つ超を含む、Ｂを指すことができ、更に別の実施形態では、少なくとも１つの、任意選択で１つ超を含む、Ａと、少なくとも１つの、任意選択で１つ超を含む、Ｂと、（任意選択で他の要素含む）を指すことができる。
実施形態では、上記の明細書と同様に、「含む／備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「担持する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「で構成された（ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ）」などの全ての移行句は、オープンエンドであると理解されるべきであり、すなわち、包含を意味するが、これらに限定されない。「からなる」及び「本質的にからなる」という移行句のみが、それぞれ、米国特許庁特許審査手続マニュアル第２１１１．０３節に記載されているように、クローズド又は半クローズドの移行句であるものとする。
本開示の特定の実施形態が上記に概説されてきたが、多くの代替例、修正例、及び変形例が、当業者には明らかであろう。したがって、本明細書に記載される実施形態は、例示的であり、限定的ではないことが意図される。様々な変更が、開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく行われ得る。上記の方法及びステップが特定の順序で発生する特定の事象を示す場合、本開示の利益を有する当業者は、特定のステップの順序が変更可能であり、そのような変更が本発明の変形に従うものであることを認識するであろう。加えて、特定のステップは、可能な場合は並行プロセスで同時に実行することもでき、上述したように順次実行することもできる。実施形態を特に示し記載してきたが、形態及び詳細において様々な変更が行われ得ることが理解されるであろう。

Claims (91)

  1. 電気化学セルであって、
    負極集電体上に配設された負極と、
    正極集電体上に配設された正極と、
    前記負極と前記正極との間に配設されたセパレータであって、前記セパレータは、前記負極に隣接する第１の面と前記正極に隣接する第２の面とを有する、セパレータと、を備え、
    前記負極又は前記正極のうちの少なくとも１つは、第１の部分及び第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記負極及び／又は前記正極の外縁部の周りのデンドライト形成を防止するように構成されている、電気化学セル。
  2. 前記第１の部分は、第１の電気活性材料であり、前記第２の部分は、第２の電気活性材料である、請求項１に記載の電気化学セル。
  3. 前記負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記負極集電体の外縁部の周りの前記負極集電体上に配設されているか、
    又は、前記負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記負極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上に配設されているか、
    又は、前記負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記負極集電体上に配設されているか、
    又は、前記負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記負極集電体の外縁部の周り、及び前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記負極集電体上に配設されている、請求項２に記載の電気化学セル。
  4. 使用中に、前記正極の一部分が、前記正極集電体を取り囲む領域に移動して、前記正極の移動した部分を形成する、請求項３に記載の電気化学セル。
  5. 使用中に、前記負極の前記第２の部分は、前記セパレータを横断して前記正極の前記移動した部分から輸送される電子及び／又はイオンを捕捉することができる、請求項４に記載の電気化学セル。
  6. 前記正極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングが配設されている、請求項３～５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  7. 前記正極の外縁部の周りの前記正極集電体上に非濡れ性コーティングが配設されている、請求項３～５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  8. 使用中に、前記非濡れ性コーティングは、前記正極の断片をはじいて、前記非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に、前記正極の前記移動した部分を形成する、請求項６又は７に記載の電気化学セル。
  9. 使用中に、前記非濡れ性コーティングは、前記正極の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって前記正極の前記移動した部分を形成する、請求項６又は７に記載の電気化学セル。
  10. 前記正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記正極集電体の外縁部の周りの前記正極集電体上に配設されているか、
    又は、前記正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記正極集電体の外縁部の周りのパウチ材料上に配設されているか、
    又は、前記正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記正極集電体上に配設されているか、
    又は、前記正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記正極集電体の外縁部の周り、及び前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記正極集電体上に配設されている、請求項２に記載の電気化学セル。
  11. 使用中に、前記負極の一部分が、前記負極集電体を取り囲む領域に移動して、前記負極の移動した部分を形成する、請求項１０に記載の電気化学セル。
  12. 前記負極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングが配設されている、請求項１０又は１１に記載の電気化学セル。
  13. 前記負極の外縁部の周りの前記負極集電体上に非濡れ性コーティングが配設されている、請求項１０又は１１に記載の電気化学セル。
  14. 使用中に、前記非濡れ性コーティングは、前記負極の断片をはじいて、前記非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に、前記負極の前記移動した部分を形成する、請求項１２又は１３に記載の電気化学セル。
  15. 使用中に、前記非濡れ性コーティングは、前記負極の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって前記負極の前記移動した部分を形成する、請求項１２～１４のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  16. 前記第２の電気活性材料は、高容量材料を含む、請求項２～１５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  17. 前記第２の電気活性材料は、シリコン、ビスマス、ホウ素、ガリウム、インジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、アルミニウム、酸化チタン、モリブデン、ゲルマニウム、マンガン、ニオブ、バナジウム、タンタル、鉄、銅、金、白金、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、酸化モリブデン、酸化ゲルマニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、又はそれらの任意の組み合わせを含む、請求項２～１６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  18. 前記第２の電気活性材料は、シリコンを含む、請求項１７に記載の電気化学セル。
  19. 前記第２の電気活性材料は、ＬｉＴＯ２、ＴｉＯ２、又はそれらの任意の組み合わせを含む、請求項２～１６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  20. 前記第２の部分の厚さは、前記集電体の厚さと同じである、先行請求項のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  21. 前記第１の電気活性材料は、前記第２の電気活性材料と同じ材料で構成されている、請求項２～２０のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  22. 前記第１の電気活性材料は、前記第２の電気活性材料とは異なる材料で構成されている、請求項２～２０のいずれかに記載の電気化学セル。
  23. 前記第２の電気活性材料は、前記第１の電気活性材料よりも高電圧材料又は低電圧材料である、請求項２２に記載の電気化学セル。
  24. 前記第２の電気活性材料は、前記第１の電気活性材料よりも高電圧材料である、請求項２３に記載の電気化学セル。
  25. 使用中に、前記第２の部分から前記第１の部分まで、又は前記第１の部分から前記第２の部分まで、電子及び／又はイオンが輸送される、請求項２３又は２４に記載の電気化学セル。
  26. 使用中に、前記第２の部分から前記第１の部分まで、電子及び／又はイオンが輸送される、請求項２５に記載の電気化学セル。
  27. 前記非濡れ性コーティングは、電子バリアとして機能する、請求項６～９又は１２～２６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  28. 前記非濡れ性コーティングは、電解質からの濡れに耐性を有する、請求項６～９又は１２～２６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  29. 前記第２の部分は、非濡れ性コーティングである、請求項１に記載の電気化学セル。
  30. 前記負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記負極の前記第２の部分は、前記負極集電体の外縁部の周りに配設されている、請求項２９に記載の電気化学セル。
  31. 前記正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記正極の前記第２の部分は、前記正極集電体の外縁部の周りに配設されている、請求項２９又は３０に記載の電気化学セル。
  32. 前記非濡れ性コーティングは、パウチ材料上に配設されている、請求項３０又は３１に記載の電気化学セル。
  33. 前記負極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記負極の前記第２の部分は、前記負極の前記第１の部分の外縁部の周りの前記負極集電体上に配設されており、かつ／又は前記正極は、第１の部分及び第２の部分を含み、前記正極の前記第２の部分は、前記正極の前記第１の部分の外縁部の周りの前記正極集電体上に配設されている、請求項３１に記載の電気化学セル。
  34. 前記非濡れ性コーティングを含む前記第２の部分は、前記負極の前記第１の部分の外縁部の周りの前記負極集電体上に配設されている、請求項３３に記載の電気化学セル。
  35. 前記非濡れ性コーティングを含む前記第２の部分は、前記正極の前記第１の部分の外縁部の周りの前記正極集電体上に配設されている、請求項３３に記載の電気化学セル。
  36. 前記非濡れ性コーティングは、電子バリアとして機能する、請求項２９～３５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  37. 前記非濡れ性コーティングは、電解質からの濡れに耐性を有する、請求項２９～３６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  38. 前記第２の部分は、前記負極の第２の部分であり、使用中に、前記非濡れ性コーティングは、
    前記負極の前記第１の部分の断片をはじいて、前記非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に、前記負極の移動した部分を形成するか、又は
    前記負極の前記第１の部分の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって前記負極の移動した部分を形成する、請求項２９～３７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  39. 前記第２の部分は、前記正極の第２の部分であり、使用中に、前記非濡れ性コーティングは、
    前記負極の前記第１の部分の断片をはじいて、前記非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に、前記負極の移動した部分を形成するか、又は
    前記正極の前記第１の部分の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって前記正極の移動した部分を形成する、請求項２９～３７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  40. 前記非濡れ性コーティングの厚さは、前記非濡れ性コーティングが上に配設されているか、又は周りに配設されている前記負極集電体及び／又は正極集電体の厚さと同じである、請求項６～９又は１２～３９のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  41. 前記非濡れ性コーティングは、撥油性コーティングとしてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、シリコーン、アルミナ、シリカ、ペルフルオロアルキルポリアクリレート樹脂及びポリマー、ポリシルセスキオキサン、ポリジオクチルフルオレン（ＰＦＯ）を有するポリ（ビニルアルコール）系コポリマー、シリカ／アルミナと結合されたポリ（ビニルアルコール）系、又はそれらの任意の組み合わせを含む、請求項６～９又は１２～４０のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  42. 電気化学セルであって、
    負極集電体上に配設された負極と、
    正極集電体上に配設された正極と、
    前記負極と前記正極との間に配設されたセパレータであって、前記セパレータは、前記負極に隣接する第１の面及び前記正極に隣接する第２の面を有する、セパレータと、を備え、
    前記負極の外縁部の周りの前記負極集電体上に非濡れ性コーティングが配設されており、かつ／又は前記正極の外縁部の周りの前記正極集電体上に非濡れ性コーティングが配設されている、電気化学セル。
  43. 前記非濡れ性コーティングは、前記負極の外縁部の周りの前記負極集電体上に配設されている、請求項４２に記載の電気化学セル。
  44. 前記非濡れ性コーティングは、前記正極の外縁部の周りの前記正極集電体上に配設されている、請求項４２に記載の電気化学セル。
  45. 電気化学セルであって、
    負極集電体上に配設された負極と、
    正極集電体上に配設された正極と、
    前記負極と前記正極との間に配設されたセパレータであって、前記セパレータは、前記負極に隣接する第１の面及び前記正極に隣接する第２の面を有する、セパレータと、を備え、
    前記負極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングが配設されており、かつ／又は前記正極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングが配設されている、電気化学セル。
  46. 前記非濡れ性コーティングは、前記負極集電体の外縁部の周りに配設されている、請求項４５に記載の電気化学セル。
  47. 前記非濡れ性コーティングは、前記正極集電体の外縁部の周りに配設されている、請求項４５に記載の電気化学セル。
  48. 前記非濡れ性コーティングは、パウチ材料上に配設されている、請求項４５～４７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  49. 前記非濡れ性コーティングは、電子バリアとして機能する、請求項３～４８のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  50. 前記非濡れ性コーティングは、電解質からの濡れに耐性を有する、請求項４２～４９のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  51. 前記非濡れ性コーティングは、前記負極集電体上に、又は前記負極集電体の前記外縁部の周りに配設されており、かつ使用中に、前記非濡れ性コーティングは、
    前記負極の断片をはじいて、前記非濡れ性コーティングを取り囲む外側領域に、前記負極の移動した部分を形成するか、又は
    負極の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって前記負極の移動した部分を形成する、請求項４２～５０のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  52. 前記非濡れ性コーティングは、前記正極集電体上、又は前記正極集電体の前記外縁部の周りに配設されており、かつ使用中に、前記非濡れ性コーティングは、
    前記正極の断片をはじいて、前記非濡れ性コーティングを取り囲む外部領域に、前記正極の移動した部分を形成するか、又は
    正極の断片の動きを容易にして、ウィッキング作用によって前記正極の移動した部分を形成する、請求項４２～５０のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  53. 前記非濡れ性コーティングの厚さは、前記非濡れ性コーティングが上に配設されているか、又は周りに配設されている前記正極集電体又は負極集電体の厚さと同じである、請求項４２～５２のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  54. 前記非濡れ性コーティングは、撥油性コーティングとしてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、シリコーン、アルミナ、シリカ、ペルフルオロアルキルポリアクリレート樹脂及びポリマー、ポリシルセスキオキサン、ポリジオクチルフルオレン（ＰＦＯ）を有するポリ（ビニルアルコール）系コポリマー、シリカ／アルミナと結合されたポリ（ビニルアルコール）系、又はそれらの任意の組み合わせを含む、請求項４２～５３のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  55. 前記負極及び／又は正極の少なくとも前記第１の部分は、半固体負極材料及び／又は半固体正極材料である、先行請求項のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  56. 前記負極の少なくとも前記第１の部分は、グラファイト電極である、先行請求のいずれか一項に記載の電気化学セル
  57. 前記正極の少なくとも前記第１の部分は、ＮＭＣ８１１を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  58. 前記負極、負極集電体、正極、正極集電体、セパレータ、第１の部分及び第２の部分は、パウチ内に配設されている、先行請求項のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  59. 前記セパレータの部分は、前記負極及び正極の前記縁部を越えて延在する、先行請求項のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  60. 前記負極、負極集電体、正極、正極集電体、セパレータ、第１の部分及び第２の部分は、パウチ内に配設されており、前記負極及び正極の前記縁部を越えて延在する前記セパレータの前記部分は、前記パウチの部分に封止されている、請求項５９に記載の電気化学セル。
  61. 電気化学セルを調製する方法であって、
    ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
    ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
    ｃ）前記第１の負極部分と前記第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
    ｄ）前記負極集電体の外縁部の周りの前記負極集電体上に前記負極の第２の部分を配設すること、及び／又は前記正極集電体の外縁部の周りの前記正極集電体上に前記正極の第２の部分を配設することと、
    ｅ）パウチ内に前記負極集電体、負極、正極集電体、正極、及びセパレータを配設することと、
    ｆ）前記パウチを封止して、前記電気化学セルを形成することと、を含む、方法。
  62. 電気化学セルを調製する方法であって、
    ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
    ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
    ｃ）前記第１の負極部分と前記第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
    ｄ）パウチ内に前記負極集電体、負極、正極集電体、正極、及びセパレータを配設することと、
    ｅ）それぞれ、前記負極集電体及び／又は正極集電体の外縁部の周りの前記パウチ材料上に、前記負極の第２の部分及び／又は前記正極の第２の部分を配設することと、
    ｆ）前記パウチを封止して、前記電気化学セルを形成することと、を含む、方法。
  63. 電気化学セルを調製する方法であって、
    ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
    ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
    ｃ）前記第１の負極部分と前記第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
    ｄ）前記第１の負極部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記負極集電体上に前記負極の第２の部分を配設すること、及び／又は前記第１の正極部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記正極集電体上に前記正極の第２の部分を配設することと、
    ｅ）パウチ内に前記負極集電体、負極、正極集電体、正極、及びセパレータを配設することと、
    ｆ）前記パウチを封止して、前記電気化学セルを形成することと、を含む、方法。
  64. 電気化学セルを調製する方法であって、
    ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
    ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
    ｃ）前記第１の負極部分と前記第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
    ｄ）前記負極集電体の外縁部の周り及び前記第１の負極部分の外縁部の少なくとも一部の周りに前記負極の第２の部分を配設すること、並びに／又は前記正極集電体の外縁部の周り及び前記第１の正極部分の外縁部の少なくとも一部の周りに前記正極の第２の部分を配設することと、
    ｅ）パウチ内に前記負極集電体、負極、正極集電体、正極、及びセパレータを配設することと、
    ｆ）前記パウチを封止して、前記電気化学セルを形成することと、を含む、方法。
  65. 前記第１の部分は、第１の電気活性材料であり、前記第２の部分は、第２の電気活性材料である、請求項６１～６４のいずれか一項に記載の方法。
  66. 前記負極の前記第２の部分は、前記負極集電体の外縁部の周りの前記負極集電体上、前記負極集電体の前記外縁部の周りの前記パウチ材料上、前記負極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記負極集電体上、又は前記負極集電体の外縁部の周り及び前記負極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに配設されている、請求項６１～６４のいずれか一項に記載の方法。
  67. 前記正極の前記第２の部分は、前記正極集電体の外縁部の周りの前記正極集電体上、前記正極集電体の前記外縁部の周りの前記パウチ材料上、前記正極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記正極集電体上、又は前記正極集電体の外縁部の周り及び前記正極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに配設されている、請求項６１～６４のいずれか一項に記載の方法。
  68. 前記負極の前記第２の部分は、前記負極集電体の外縁部の周りの前記負極集電体上、前記負極集電体の前記外縁部の周りの前記パウチ材料上、前記負極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記負極集電体上、又は前記負極集電体の外縁部の周り及び前記負極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに配設されており、前記正極の前記第２の部分は、前記正極集電体の外縁部の周りの前記正極集電体上、前記正極集電体の前記外縁部の周りの前記パウチ材料上、前記正極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記正極集電体上、又は前記正極集電体の外縁部の周り及び前記正極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに配設されている、請求項６１～６４のいずれか一項に記載の方法。
  69. 前記正極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングを配設することを更に含む、請求項６６に記載の方法。
  70. 前記負極集電体の外縁部の周りに非濡れ性コーティングを配設することを更に含む、請求項６７に記載の方法。
  71. 前記正極の前記第１の部分の外縁部の周りの前記正極集電体上に非濡れ性コーティングを配設することを更に含む、請求項６６に記載の方法。
  72. 前記負極の前記第１の部分の外縁部の周りの前記負極集電体上に非濡れ性コーティングを配設することを更に含む、請求項６７に記載の方法。
  73. 電気化学セルを調製する方法であって、
    ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
    ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
    ｃ）前記第１の負極部分と前記第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
    ｄ）前記正極集電体及び／又は前記負極集電体の外縁部の周りに非濡れ性部分を配設することと、
    ｅ）パウチ内に前記負極集電体、負極、正極集電体、正極、セパレータ、及び非濡れ性部分を配設することと、
    ｆ）前記パウチを封止して、前記電気化学セルを形成することと、を含む、方法。
  74. 電気化学セルを調製する方法であって、
    ａ）負極集電体上に負極の第１の部分を配設することと、
    ｂ）正極集電体上に正極の第１の部分を配設することと、
    ｃ）前記第１の負極部分と前記第１の正極部分との間にセパレータを配設することと、
    ｄ）前記正極集電体及び／又は負極集電体上、並びに前記正極及び／又は負極の外縁部の周りに非濡れ性部分を配設することと、
    ｅ）パウチ内に前記負極集電体、負極、正極集電体、正極、セパレータ、及び非濡れ性部分を配設することと、
    ｆ）前記パウチを封止して、前記電気化学セルを形成することと、を含む、方法。
  75. 前記非濡れ性部分は、前記正極集電体の外縁部の周り、又は前記正極集電体上及び前記正極の前記第１の部分の外縁部の周りに配設されている、請求項７３又は７４に記載の方法。
  76. 前記非濡れ性部分は、前記負極集電体の外縁部の周り、又は前記負極集電体上及び前記負極の前記第１の部分の外縁部の周りに配設されている、請求項７３又は７４に記載の方法。
  77. 前記負極集電体の外縁部の周りの前記負極集電体上、前記負極集電体の前記外縁部の周りの前記パウチ材料上、前記負極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記負極集電体上、又は前記負極集電体の外縁部の周り及び前記負極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに、前記負極の第２の部分を配設することを更に含む、請求項７５に記載の方法。
  78. 前記正極集電体の外縁部の周りの前記正極集電体上、前記正極集電体の前記外縁部の周りの前記パウチ材料上、前記正極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りの前記正極集電体上、又は前記正極集電体の外縁部の周り及び前記正極の前記第１の部分の外縁部の少なくとも一部の周りに、前記正極の第２の部分を配設することを更に含む、請求項７６に記載の方法。
  79. 前記セパレータの部分が、前記負極及び正極の前記縁部を越えて延在する、請求項６１～７８のいずれか一項に記載の方法。
  80. 前記パウチを前記セパレータに加熱封止することを含む、請求項６１～７９のいずれか一項に記載の方法。
  81. 前記パウチの部分を互いに加熱封止することを含む、請求項６１～８０のいずれか一項に記載の方法。
  82. 前記負極の少なくとも前記第１の部分は、半固体負極材料であり、かつ／又は前記正極の少なくとも前記第１の部分は、半固体正極材料である、請求項６０～８０のいずれか一項に記載の方法。
  83. 前記負極の少なくとも前記第１の部分は、グラファイト電極である、請求項６１～８２のいずれか一項に記載の方法。
  84. 前記正極の少なくとも前記第１の部分は、ＮＭＣ８１１を含む、請求項６１～８３のいずれか一項に記載の方法。
  85. 前記第２の部分は、大容量材料である電気活性材料である、請求項６１～８４のいずれか一項に記載の方法。
  86. 前記第２の部分は、シリコン、ビスマス、ホウ素、ガリウム、インジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、アルミニウム、酸化チタン、モリブデン、ゲルマニウム、マンガン、ニオブ、バナジウム、タンタル、鉄、銅、金、白金、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、酸化モリブデン、酸化ゲルマニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、又はそれらの任意の組み合わせを含む電気活性材料である、請求項６１～８５のいずれか一項に記載の方法。
  87. 前記電気活性材料は、シリコンを含む、請求項８６に記載の方法。
  88. 前記第２の部分は、ＬｉＴＯ２、ＴｉＯ２、又はそれらの任意の組み合わせを含む電気活性材料である、請求項６１～８０のいずれか一項に記載の方法。
  89. 請求項１～６０のいずれか一項に記載の電気化学セルの使用。
  90. 請求項１～６０のいずれか一項に定義される少なくとも１つの電気化学セルを含む、セルスタック。
  91. 前記セルスタックは、請求項１～６０のいずれか一項に定義される少なくとも２つの電気化学セルを含む、請求項９０に記載のセルスタック。
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