JP2024513052A - 補助電極からのキャリアイオンの移送のための方法及び構造 - Google Patents
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Abstract
キャリアイオン源を含む補助電極から電極アセンブリにキャリアイオンを移送する方法は、多孔質電気絶縁材料を通して、補助電極から単位セル群の構成単位にキャリアイオンを移送することを含む。電極アセンブリは、積層方向に連続して積層された単位セルの群及び多孔質電気絶縁材料を含み、各単位セルは、電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータを含み、電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータは、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、多孔質電気絶縁材料は、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の上側端面又は下側端面を覆う。多孔質電気絶縁材料は、20%~60%の範囲の多孔率を有する。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2021年3月31日に出願された米国仮特許出願第63/168,454号の利益を主張し、この出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、2021年3月31日に出願された米国仮特許出願第63/168,454号の利益を主張し、この出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、一般に、エネルギー貯蔵デバイスで使用するための方法及び構造、そのような構造を採用するエネルギー貯蔵デバイス、並びにそのような構造及びエネルギーデバイスを生産するための方法に関する。
ロッキングチェア二次電池又は挿入二次電池は、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、又はマグネシウムイオンなどのキャリアイオンが、固体電解質又は液体電解質などの電解質を介して正極と負極との間を移動するタイプのエネルギー貯蔵デバイスである。二次電池は、単一の電池セル、又は電池を形成するために電気的に結合された2つ以上の電池セルを含み、各電池セルは、正極、負極、電気絶縁セパレータ、及び電解質を含み得る。固体二次電池では、単一の固体材料が、電気絶縁セパレータ及び電解質の両方として機能することができる。
ロッキングチェア電池セルでは、正極及び負極の両方が、キャリアイオンが挿入及び脱離する材料を含む。セルが放電される際に、キャリアイオンが負極から脱離され、正極に挿入される。セルが充電される際に、逆のプロセスが発生し、キャリアイオンが正極から脱離され、負極に挿入される。
しかしながら、二次電池の充電及び/又は放電中に発生するこのキャリアイオン脱離及び挿入プロセスの一環で、キャリアイオンの少なくとも一部分が、電気化学反応に不可逆的に失われる可能性がある。例えば、固体電解質界面相(SEI)として知られているリチウム(又は他のキャリアイオン)及び電解質成分を含む分解生成物が、負極の表面上に形成される可能性がある。このSEI層の形成は、キャリアイオンを捕捉し、二次電池の循環動作からキャリアイオンを除去し、不可逆的な容量損失につながる。電極アセンブリにおける他の化学プロセス及び電気化学プロセスが、キャリアイオンの損失に影響する可能性もある。そのような損失は、例えば初期充電ステップにおけるSEI層の形成に起因して、二次電池の形成プロセスの一環で実行される初期充電ステップ中にしばしば発生し、二次電池予備形成に含まれるキャリアイオンの量と比較して著しく低い容量をもたらす。
二次電池の電極の補充方法が記載されている(例えば、Castledine et al.の米国特許第10,770,760号を参照のこと。これは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる)。しかしながら、失われたキャリアイオンを補充するためにキャリアイオンを二次電池に実効的かつ効率的に提供するための新しい方法及び構造の必要性が残っている。
本開示の様々な態様の中には、二次電池、燃料電池、及び電気化学コンデンサなどのエネルギー貯蔵デバイスの提供であり、負極及び/又は正極のSEI形成及び/又は機械的劣化若しくは電気的劣化の結果として失われた容量を復元することができる。有利なことに、本開示によるエネルギー貯蔵デバイスは、増加したサイクル寿命、より高いエネルギー密度、及び/又は増加した放電速度を提供する。
したがって、簡潔には、本開示の一態様は、キャリアイオン源を有する補助電極から電極アセンブリにキャリアイオンを移送する方法に関し、電極アセンブリが、積層方向に直列に積層された単位セルの群、及び多孔質電気絶縁材料を含み、(i)各単位セルが、電極構造、対向電極構造、及び電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータを含み、(ii)各単位セル内の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)垂直方向が、積層方向に直交し、(iv)多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の上側端面又は下側端面を覆い、(v)多孔質電気絶縁材料が、20%~60%の範囲の多孔率を有する。方法は、多孔質電気絶縁材料を通して補助電極から単位セル群の構成単位にキャリアイオンを移送することを含む。
本開示の別の態様は、充電状態と放電状態との間をサイクリングするための二次電池のための電極アセンブリに関し、電極アセンブリが、積層方向に連続して積層された単位セルの群、及び多孔質電気絶縁材料を含み、(i)各単位セルが、電極構造、対向電極構造、及び電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータを含み、(ii)各単位セル内の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)垂直方向が、積層方向に直交し、(iv)多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の上側端面又は下側端面を覆い、(v)多孔質電気絶縁材料が、20%~60%の範囲の多孔率を有する。本開示の別の態様は、電極アセンブリを有する二次電池に関する。
本開示の別の態様は、電極アセンブリ又は二次電池を製造する方法に関し、方法が、(1)積層方向に連続して積層された単位セルの群を積層することであって、(i)各単位セルが、電極構造、対向電極構造、及び電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータを含み、(ii)各単位セル内の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)垂直方向が、積層方向と直交する、積層することと、(2)単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の上側端面又は下側端面を多孔質電気絶縁材料で覆うことであって、多孔質電気絶縁材料が、20%~60%の範囲の多孔率を有する、覆うことと、を含む。
本開示の他の態様、特徴、及び実施形態は、部分的には、以下の説明及び図面で論じられ、部分的には明らかになるであろう。
本発明の主題の他の態様、実施形態、及び特徴は、添付の図面と併せて考慮すると、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。添付の図面は、概略図であり、縮尺通りに描画されることを意図するものではない。明確にするために、あらゆる要素又は構成要素にあらゆる図で標示が行われるわけではなく、例示が当業者に本発明の主題を理解させるために必要でない場合、本発明の主題の各実施形態のあらゆる要素又は構成要素が示されるわけでもない。
定義
本明細書で使用される「a」、「an」、及び「the」(すなわち、単数形)は、文脈が明示的に別様に示さない限り、複数の指示対象を指す。例えば、一事例では、「電極」の参照は、単一の電極及び複数の同様の電極の両方を含む。
本明細書で使用される「a」、「an」、及び「the」(すなわち、単数形)は、文脈が明示的に別様に示さない限り、複数の指示対象を指す。例えば、一事例では、「電極」の参照は、単一の電極及び複数の同様の電極の両方を含む。
本明細書で使用される「約」及び「およそ」は、記載される値のプラス又はマイナス10%、5%、又は1%を指す。例えば、一事例では、約250μmであれば、225μm~275μmを含む。更なる例として、一事例では、約1,000μmであれば、900μm~1,100μmを含む。別途示されない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される量(例えば、測定値など)などを表す全ての数は、全ての事例において「約」という用語によって修飾されているものと理解されるべきである。したがって、反対のことが示されない限り、以下の明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、近似値である。各数値パラメータは、少なくとも、報告された有意な桁の数に照らして、及び通常の丸め技法を適用することによって解釈されるべきである。
二次電池の状態の文脈で本明細書で使用される「充電状態」は、二次電池がその定格容量の少なくとも75%に充電された状態を指す。例えば、電池は、その定格容量の100%などの、その定格容量の少なくとも80%、その定格容量の少なくとも90%、及び更にはその定格容量の少なくとも95%まで充電され得る。
本明細書で使用される「Cレート」は、二次電池が放電されるレートの尺度を指し、放電電流を、電池が1時間でその公称定格容量を送給するであろう理論的な電流引き出し量で除算したものとして定義される。例えば、1CのCレートは、1時間で電池を放電する放電電流を示し、2Cのレートは、1/2時間で電池を放電する放電電流を示し、C/2のレートは、2時間で電池を放電する放電電流を示す、などである。
二次電池の状態の文脈で本明細書で使用される「放電状態」は、二次電池がその定格容量の25%未満に放電された状態を指す。例えば、電池は、その定格容量の10%未満などの、その定格容量の20%未満、及び更には、その定格容量の0%などの、その定格容量の5%未満に放電され得る。
充電状態と放電状態との間の二次電池のサイクルの文脈で本明細書で使用される「サイクル」は、充電状態又は放電状態のいずれかである第1の状態から、第1の状態の反対である第2の状態(すなわち、第1の状態が放電であった場合は充電状態、又は第1の状態が充電であった場合は放電状態)に電池を移行させるために、電池を充電及び/又は放電し、次いで、電池を第1の状態に戻してサイクルを完了することを指す。例えば、充電状態と放電状態との間の二次電池の単一のサイクルは、充電サイクルでのように、電池を放電状態から充電状態に充電し、次いで、放電状態に戻して、サイクルを完了することを含むことができる。単一のサイクルはまた、放電サイクルでのように、電池を充電状態から放電状態に放電し、次いで、充電状態に戻して、サイクルを完了することを含むことができる。
「電極構造」又は「電極活物質」で使用される「電極」という用語について、そのような構造及び/又は材料は、特定の実施形態では、例えば「負極構造」、「アノード構造」、「負極活物質」、及び「アノード活物質」で使用される「アノード」などの「負極」のものに対応し得ることを理解されたい。「対向電極構造」又は「対向電極活物質」で使用される「対向電極」という用語について、そのような構造及び/又は材料は、特定の実施形態では、例えば「正極構造」、「カソード構造」、「正極活物質」、及び「カソード活物質」で使用される「カソード」などの「正極」のものに対応し得ることを理解されたい。すなわち、好適な場合、電極及び/又は対向電極について説明される任意の実施形態は、電極及び/又は対向電極が、それぞれ対応する構造及び材料を含む、具体的には負極及び/又は正極である、同じ実施形態に対応し得る。
本明細書で使用される場合、「縦方向軸」、「横方向軸」、及び「垂直軸」は、相互に垂直な軸を指す(すなわち、各々は、互いに直交する)。例えば、本明細書で使用される「縦方向軸」、「横方向軸」、及び「垂直軸」は、三次元の態様又は配向を定義するために使用されるデカルト座標系に類似している。したがって、本明細書における本発明の主題の要素の説明は、要素の三次元の配向を説明するために使用される特定の軸に限定されない。代替的に述べると、軸は、本発明の主題の三次元の態様を参照するときに交換可能であり得る。
本明細書で使用される「縦方向」、「横方向」、及び「垂直方向」は、相互に垂直な方向を指す(すなわち、各々は、互いに直交する)。例えば、本明細書で使用される「縦方向」、「横方向」、及び「垂直方向」は、一般に、それぞれ、三次元の態様又は配向を画定するために使用されるデカルト座標系の縦方向軸、横方向軸、及び垂直軸に平行であり得る。
二次電池の充電状態と放電状態との間のサイクリングの文脈で本明細書で使用される「繰り返されるサイクリング」は、放電状態から充電状態へ、又は充電状態から放電状態へ2回以上サイクリングすることを指す。例えば、充電状態と放電状態との間の繰り返されるサイクリングは、放電状態から充電状態への充電、放電状態へ戻る放電、充電状態への再度の充電、及び放電状態へ戻る最終的な放電でのような、放電状態から充電状態への少なくとも2回のサイクリングを含むことができる。また別の例として、充電状態と放電状態との間の繰り返されるサイクリングは、充電状態から放電状態への放電、充電状態まで戻る充電、放電状態への再度の放電、及び充電状態まで戻る最終的な充電を、少なくとも2回含むことができる更なる例として、充電状態と放電状態との間の繰り返されるサイクリングは、少なくとも5回のサイクリング、及び更には放電状態から充電状態への少なくとも10回のサイクリングを含むことができる。更なる例として、充電状態と放電状態との間の繰り返されるサイクリングは、放電状態から充電状態へ少なくとも25回、50回、100回、300回、500回、及び更には1000回サイクリングすることを含むことができる。
二次電池の文脈で本明細書で使用される「定格容量」は、標準温度条件(25℃)下で測定される、一定期間にわたって指定された電流を送給する二次電池の容量を指す。例えば、定格容量は、指定された時間の電流出力を判定することによって、又は指定された電流について電流が出力され得る時間を判定し、電流と時間との積を取ることによって、アンペア時の単位で測定され得る。例えば、定格20アンペア時の電池について、定格に対して電流が2アンペアで指定される場合には、電池は、10時間の電流出力を提供することとなる電池であると理解され得、逆に、定格に対して時間が10時間で指定される場合には、電池は、10時間の間、2アンペアを出力することとなる電池であると理解され得る。特に、二次電池の定格容量は、Cレートなどの指定された放電電流での定格容量として与えられてもよく、Cレートは、電池がその容量に対して放電されるレートの尺度である。例えば、1CのCレートは、1時間で電池を放電する放電電流を示し、2Cは、1/2時間で電池を放電する放電電流を示し、C/2は、2時間で電池を放電する放電電流を示す、などである。それゆえ、例えば、1CのCレートで20アンペア時の定格の電池であれば、1時間の間、20アンペアの放電電流を与え、2CのCレートで20アンペア時の定格の電池であれば、1/2時間の間、40アンペアの放電電流を与え、C/2のCレートで20アンペア時の定格の電池であれば、2時間にわたって10アンペアの放電電流を与える。
電極アセンブリの寸法の文脈で本明細書で使用される「最大幅」(WEA)は、電極アセンブリの縦方向端面の反対側にある点から縦方向に測定される電極アセンブリの最大幅に対応する。
電極アセンブリの寸法の文脈で本明細書で使用される「最大長さ」(LEA)は、電極アセンブリのラテラル面の反対側にある点から横方向に測定される電極アセンブリの最大長さに対応する。
電極アセンブリの寸法の文脈で本明細書で使用される「最大高さ」(HEA)は、電極アセンブリのラテラル面の反対側にある点から横方向に測定される電極アセンブリの最大高さに対応する。
一般に、本開示は、例えば図1A~図1D及び図2に示されるような、充電状態と放電状態との間でサイクリングする、二次電池102などのエネルギー貯蔵デバイス100を対象とする。二次電池102は、電池筐体104と、電極アセンブリ106と、キャリアイオンと、電池筐体104内の非水性液体電解質と、を含む。特定の実施形態では、二次電池102はまた、電極アセンブリ106の成長を抑制する電極制約のセット108を含む。制約されている電極アセンブリ106の成長は、電極アセンブリ106の1つ以上の寸法の巨視的な増加であり得る。
本開示の実施形態によれば、例えば、図3Aに示されるように、キャリアイオン源を備える補助電極686から電極アセンブリ106へのキャリアイオンの移送のための方法が提供される。本明細書で更に詳細に論じられるように、特定の実施形態によれば、キャリアイオンの移送は、電極アセンブリを備える二次電池を活性化するために実行される初期形成プロセスの一部として行われる。他の実施形態によれば、キャリアイオンの移送は、初期形成プロセス中及び/又は充電状態と放電状態との間での循環中に固体電解質界面相(SEI)の形成に起因して失われた電極アセンブリにおけるキャリアイオンを補充するためのプロセスの一部として行われる。
図1A~図1Dを再度参照すると、一実施形態では、電極アセンブリ106は、積層方向(すなわち、図1Bにおける積層方向D)に連続して積層された単位セル504の群を含む。単位セル群の各構成単位は、電極構造110と、対向電極構造112と、電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータ130と、を備え、電極構造110及び対向電極構造112を互いに電気的に絶縁する。一例では、図1Bに示されるように、電極アセンブリは、電極構造110及び対向電極構造112を交互配置で備える、積層された連続した単位セル504を備える。図1Cは、図1Bの電極アセンブリ106を有する二次電池102を示す挿入図であり、図1Dは、図1Bの電極アセンブリ106を有する二次電池の断面である。積層された連続した単位セル504a、504bの他の配置を提供することもできる。
一実施形態では、電極構造110は、例えば図1A~図1Dに示されるように、電極活物質層132、及び電極集電体136を備える。例えば、電極構造110は、1つ以上の電極活物質層132の間に配設された電極集電体136を備えることができる。一実施形態によれば、電極活物質層132は、アノード活物質を含み、電極集電体136は、アノード集電体を備える。同様に、一実施形態では、対向電極構造112は、対向電極活物質層138及び対向電極集電体140を備える。例えば、対向電極構造112は、1つ以上の対向電極活物質層138の間に配設された対向電極集電体140を備えることができる。一実施形態によれば、対向電極活物質層138は、カソード活物質を含み、対向電極集電体140は、カソード集電体を備える。更に、電極構造110及び対向電極構造112は、それぞれ、本明細書に記載される特定の実施形態及び構造に限定されず、本明細書に具体的に記載されるもの以外の他の構成、構造、及び/又は材料を、電極構造110及び対向電極構造112を形成するために提供することもできることを理解されたい。特定の実施形態によれば、単位セル群における各単位セル504a、504bは、積層された列において、電極集電体136の単位セル部分と、電極活物質層132を備える電極構造110と、電極と対向電極活物質層との間の電気絶縁セパレータ130と、対向電極活物質層138を備える対向電極構造112と、対向電極集電体140の単位セル部分と、を備える。特定の実施形態では、電極集電体、電極活物質層、セパレータ、対向電極活物質層、及び対向電極集電体の単位セル部分の順序は、例えば図1Cに示されるように、積層された列において互いに隣接する単位セルについて反転され、電極集電体及び/又は対向電極集電体の部分が、隣接する単位セル間で共有されるようになっている。
図1A~図1Dに示されるような実施形態によれば、電極構造群110及び対向電極構造群112の構成単位は、それぞれ、積層方向Dに対応する交互の配列の方向を有する交互の配列で配置されている。この実施形態に従った電極アセンブリ106は、相互に垂直な縦方向軸、横方向軸、及び垂直軸を更に含み、縦方向軸AEAは、一般に、電極構造群及び対向電極構造群の構成単位の積層方向Dに対応するか、又は平行である。図1Bにおける実施形態に示されるように、縦方向軸AEAは、Y軸に対応するものとして示され、横方向軸は、X軸に対応するものとして示され、垂直軸は、Z軸に対応するものとして示される。
本明細書における開示の実施形態によれば、単位セル群の各単位セル504内の電極構造110、対向電極構造112、及び電気絶縁セパレータ130は、単位セル群の積層方向に直交する垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有する。例えば、図1C及び図4を参照すると、単位セル群の各構成単位における電極構造110は、垂直方向に分離された反対側にある上側端面500a及び下側端面500bを備えることができ、単位セル群の各構成単位における対向電極構造112は、垂直方向に分離された反対側にある上側端面501a及び下側端面501bを備えることができ、電気絶縁セパレータ130は、垂直方向に分離された反対側にある上側端面502a及び下側端面502bを備えることができる。また別の実施形態によれば、単位セル群の構成単位は、各単位セルの構成単位内に、電極構造110、電気絶縁セパレータ130、及び対向電極構造112の反対側にある上側端面及び下側端面を横断して延在し、かつ備える上側縁部503a及び下側縁部503bを有する。図3A及び図4を参照すると、また別の実施形態によれば、同じ単位セル群構成単位内の電極構造110及び対向電極構造112の上側端面500a、501aは、互いに垂直にオフセットして、上側凹部505aを形成し、同じ単位セル群構成単位内の電極構造110及び対向電極構造112の下側端面500b、501bは、互いに垂直にオフセットして、下側凹部505bを形成する。例えば、対向電極の上側端面及び下側端面は、同じ単位セル群構成単位内のそれぞれの電極の上側端面及び下側端面に対して内側に窪み、かつ/又はオフセットすることができる。図3Aを参照すると、一実施形態では、単位セル群の構成単位は、電極活物質層132及び/又は電気絶縁セパレータ130の上側端面及び下側端面に対して内側に窪んでいる上側端面501a及び下側端面501bを有する対向電極活物質層138を備える。
一実施形態によれば、電極アセンブリ106は、単位セル群504の構成単位の電極構造110及び/又は対向電極構造112の上側端面500a、501a及び/又は下側端面500b、501bを覆う多孔質電気絶縁材料508を更に備える。例えば、図3A及び図4に示されるように、多孔質電気絶縁材料508は、単位セルの構成単位内の電極構造及び対向電極構造の垂直オフセットによって形成された上側凹部及び下側凹部505a、505bのうちの1つ以上内に位置し得る。特定の実施形態によれば、多孔質電気絶縁材料は、20%~60%(多孔質電気絶縁材料の総体積当たりの細孔体積のパーセント)の範囲の多孔率を有する。多孔質電気絶縁材料508は、特定の実施形態によれば、イオン伝導構造を提供することができ、補助電極686によって単位セル群504の構成単位に提供されるキャリアイオンの経路を提供することができる。
図3A~図3Bを参照すると、特定の実施形態によれば、多孔質電気絶縁材料508を通して、キャリアイオンを補助電極686から単位セル群504の構成単位に移送する方法が提供される。上記で論じられるように、キャリアイオンは、単位セルの構成単位の電極構造110にキャリアイオンを提供して、初期形成プロセス中に形成され得る固体電解質界面(SEI)層の形成、又は電極アセンブリ106を有する二次電池102の後続の充電サイクルから結果として生じるキャリアイオンの損失を補償するために移送され得る。特定の実施形態では、対向電極構造から単位セル内に導入されたキャリアイオンの一部分は、このSEI層で不可逆的に結合し、それゆえ、サイクル動作から、すなわちユーザに利用可能な容量から、除去される。結果として、初期放電中に、初期充電動作中にカソードによって最初に提供されたよりも少ないキャリアイオンが電極構造から対向電極構造に戻され、不可逆的な容量損失につながる。二次電池の各後続の充電及び放電サイクル中に、電極構造及び/又は対向電極構造の機械的劣化及び/又は電気的劣化から結果として生じる容量損失は、サイクル当たりはるかに少ない傾向があるが、サイクル当たりの比較的小さいキャリアイオン損失でさえ、電池が老朽化するにつれて、エネルギー密度及びサイクル寿命の低下に大きく影響する。加えて、電極構造及び対向電極構造には化学的劣化及び電気化学的劣化も起こり、容量損失を引き起こし得る。したがって、本明細書における本開示の実施形態は、補助電極から単位セルの構成単位に追加のキャリアイオンを提供する初期形成プロセスを介して、かつ/又は電極アセンブリを有する二次電池の後続の充電及び/若しくは放電サイクル中に失われたキャリアイオンの含有量を補充するために行われる補充プロセス中など、電極アセンブリ及び/又は二次電池を活性化する方法を提供する。特定の実施形態によれば、電極アセンブリの初期又は後続の充電サイクル中に、キャリアイオンを移送して、キャリアイオンの損失を補償する。
一実施形態によれば、補助電極686は、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、及びアルミニウムイオンのいずれかなどのキャリアイオン源を含む。図3Aに示される実施形態では、補助電極686は、第1の二次成長制約158及び/又は第2の二次成長制約160における開口部176上などの、単位セルの構成単位の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータの垂直端面上に位置付けられている。一変形例では、1つ以上の補助電極686は、上側端面及び下側端面の両方上に位置付けられており、かつ/又は代替的に、補助電極686は、上側端面及び下側端面のうちの1つのみ上に位置付けられ得る。例えば、一実施形態では、第1の補助電極686aは、電極構造及び/又は対向電極構造の上側端面上に位置付けられており、第2の補助電極686bは、電極構造及び/又は対向電極構造の下側端面上に位置付けられている。補助電極686は、例えばスイッチ及び/又は制御ユニット(図示せず)によって、単位セルの構成単位の電極構造110及び/又は対向電極構造112のうちの1つ以上に選択的に電気的に接続又は結合され得る。特定の実施形態によれば、補助電極は、補助電極から電極構造及び/又は対向電極構造へのキャリアイオンの流れを提供するために、(例えば、セパレータを通して)単位セル群の構成単位の対向電極構造及び/又は電極構造に電解的に又は別様に結合されている。電解的に結合されることは、キャリアイオンが、補助電極686から電極構造110及び/又は対向電極構造112へ、並びに電極構造110と対向電極構造112との間でなど、電解質を通して移送され得ることを意味する。補助電極686はまた、一連の配線又は他の電気的接続によるなど、電極構造及び/又は対向電極構造に直接的又は間接的に結合されている。
一実施形態では、キャリアイオンを移送して、所定の対向電極構造端部の放電電圧Vces eod、及び所定の電極構造端部の放電電圧Ves,eodを達成及び/又は復元し、ここで、群の単位セルについて、単位セルの放電電圧Vcell,eod=Ves,eod-Vces,eodである。例えば、一実施形態では、単位セルの構成単位、及び/又は単位セルの構成単位を含む二次電池が、二次電池の放電サイクル中(SEIが形成される最初の充電及び放電サイクルの後)に、セル端部の放電電圧Vcell,eodに達したとき、電極構造端部の放電電圧Ves,eodは、0.9V未満(対Li)かつ0.4V超(対Li)である。それゆえ、例えば、そのような一実施形態では、二次電池が二次電池の放電サイクル中(すなわち、セルが放電負荷の下にあるとき)に、セル端部の放電電圧Vcell,eodに達したとき、電極端部の放電電圧Ves,eodは、約0.5V(対Li)~約0.8V(対Li)の範囲にあり得る。更なる例として、そのような一実施形態では、二次電池が二次電池の放電サイクル中(すなわち、セルが放電負荷の下にあるとき)に、セル端部の放電電圧Vcell,eodに達したとき、電極構造端部の放電電圧Ves,eodは、約0.6V(対Li)~約0.8V(対Li)の範囲にあり得る。そのような一実施形態では、二次電池が二次電池の放電サイクル中(すなわち、セルが放電負荷の下にあるとき)に、セル端部の放電電圧Vcell,eodに達したとき、電極構造端部の放電電圧Ves,eodは、約0.6V(対Li)~約0.7V(対Li)の範囲にあり得る。
また別の実施形態によれば、所定の対向電極構造のVces,eod値は、対向電極構造の充電の状態が対向電極構造の可逆クロン容量の少なくとも95%である電圧に対応し、Vces,eodは、少なくとも0.4V(対Li)であるが、0.9V未満(対Li)である。例えば、そのような一実施形態では、Vcell,eodに達したとき、対向電極構造は、対向電極構造の充電の状態が対向電極構造の可逆クロン容量の少なくとも96%である電圧に対応するVces,eod値を有し、Ves,eodは、少なくとも0.4V(対Li)であるが、0.9V未満(対Li)である。更なる例として、そのような一実施形態では、Vcell,eodに達したとき、対向電極構造は、対向電極構造の充電の状態が対向電極構造の可逆クロン容量の少なくとも97%である電圧に対応するVces,eod値を有し、Ves,eodは、少なくとも0.4V(対Li)であるが、0.9V未満(対Li)である。更なる例として、そのような一実施形態では、Vcell,eodに達したとき、対向電極構造は、対向電極構造の充電の状態が対向電極構造の可逆クロン容量の少なくとも98%である電圧に対応するVces,eod値を有し、Ves,eodは、少なくとも0.4V(対Li)であるが、0.9V未満(対Li)である。更なる例として、そのような一実施形態では、Vcell,eodに達したとき、対向電極構造は、対向電極構造の充電の状態が対向電極構造の可逆クロン容量の少なくとも99%である電圧に対応するVces,eod値を有し、Ves,eodは、少なくとも0.4V(対Li)であるが、0.9V未満(対Li)である。
一実施形態によれば、この方法は、(i)初期又は後続の充電サイクル中に、単位セル群において対向電極構造から電極構造にキャリアイオンを移送して、電極アセンブリを少なくとも部分的に充電することと、(ii)多孔質電気絶縁材料を通して、補助電極から対向電極構造及び/又は電極構造にキャリアイオンを移送し、補助電極がセパレータを通して、単位セル群の構成単位の対向電極構造及び/又は電極構造に電解的に結合して、電極アセンブリに、所定の対向電極構造端部の放電電圧Vcos,eodと、所定の電極構造端部の放電電圧Ves,eodと、を提供することと、を含む。一実施形態によれば、この方法は、(iii)(ii)の後、単位セル群の構成単位の対向電極構造から電極構造にキャリアイオンを移送して、電極アセンブリを充電することを更に含む。例えば、(ii)中に補助電極から対向電極構造に移送されたキャリアイオンは、その後、(iii)において対向電極構造から電極構造に移送され得る。また別の実施形態によれば、(ii)は、(i)と同時に行われる。特定の実施形態によれば、(ii)において、補助電極と、単位セル群の構成単位の電極構造及び/又は対向電極構造と、の間にバイアス電圧を印加して、多孔質電気絶縁材料部材を通るキャリアイオンの流れを電極構造及び/又は対向電極構造に提供する。同様に、(i)及び(iii)において、単位セル群の構成単位の電極構造と対向電極構造との間にバイアス電圧を印加して、構成単位の対向電極構造から電極構造へのキャリアイオンの流れを提供することができる。
再び図3A及び図4を参照すると、一実施形態によれば、多孔質電気絶縁材料508は、単位セル群504の構成単位の上側凹部及び下側凹部505a、505bを実質的に満たしている。また別の実施形態によれば、多孔質電気絶縁材料508は、単位セルの構成単位における電極構造110及び/又は対向電極構造112の上側端面500a、501a及び/又は下側端面500b、501bを覆う多孔質電気絶縁材料508の少なくとも一部分が、その単位セルの電気絶縁セパレータ130に隣接するように配設されている。例えば、一実施形態では、多孔質電気絶縁材料は、単位セル群の構成単位における電極構造110の上側端面500a及び下側端面500bに対して内側に配設されており、かつ対向電極構造110に面する電気絶縁セパレータ130の第1の側面131aに当接している、上側凹部及び下側凹部505a、505bの領域を実質的に満たしている。特定の実施形態によれば、多孔質電気絶縁材料は、電気絶縁セパレータ130の上側端面502a及び下側端面502bから内側に窪んでいる上側凹部505a及び/又は下側凹部505bの少なくとも一部分を満たして、電気絶縁セパレータ130に構造的支持を提供する。例えば、多孔質電気絶縁材料は、特定の実施形態では、電気絶縁セパレータ130の上側垂直端部133a及び下側垂直端部133bに当接する剛性材料を提供して、対向電極構造112の上側端面及び下側端面に対する垂直端部の直立位置を維持することができる。電気絶縁セパレータ130の垂直端部133a、133bの位置を維持することは、特定の実施形態では、電極構造と対向電極構造との間の電気的短絡の可能性、及び他の望ましくない効果を低減することができる。多孔質電気絶縁材料は、特定の実施形態では、対向電極構造の上側端面及び下側端面の部分における望ましくない電気的エッジ効果を低減することもできる。
一実施形態によれば、単位セル群の構成単位の電極構造110は、電極活物質層132及び電極集電体層136を備え、単位セル群の構成単位の対向電極構造112は、対向電極活物質層138及び対向電極集電体層140を備え、多孔質電気絶縁材料508は、上側端面507a及び下側端面507b単位セル群の構成単位の対向電極活物質層を覆う。図3A及び図4に示される実施形態では、多孔質電気絶縁材料は、隣接する単位セル504a、504bにおける対向電極活物質層138の上側端面507a及び下側端面507bのうちの1つ以上を横断すること、及び特定の実施形態では、隣接する単位セル504によって共有される対向電極集電体140の上側端面509a及び下側端面509bを横断することを含めて、対向電極構造112の上側端面501a及び下側端面501bを横断して積層方向に延在し、これらを覆う。隣接する単位セルの部分を横断して延在する多孔質電気絶縁材料は、この実施形態では、隣接する単位セルにおける電気絶縁セパレータ130の垂直端部133a、133bに当接し、かつこれらに構造的支持を提供することができる。また更なる実施形態では、多孔質電気絶縁材料508を、隣接する単位セル504a、504bにおける電極活物質層132の上側端面511a及び下側端面511b上に、並びに隣接する単位セル504によって共有される電極集電体136の上側端面510a及び下側端面510bを横断してなど、電極構造110の上側端面及び下側端面上に提供することができる。
また更なる実施形態によれば、多孔質電気絶縁材料508は、電極構造及び対向電極構造の上側端面及び下側端面のそれらの部分上に提供されており、そこで、補助電極から単位セル群の構成単位へのキャリアイオンの流れのための経路が提供されている。例えば、補助電極686から対向電極構造112へのキャリアイオンの流れが提供される実施形態では、多孔質電気絶縁材料508は、対向電極構造の上側端面及び下側端面上に配設されて、対向電極構造へのキャリアイオンのための経路を提供する。別の例として、補助電極から電極構造110へのキャリアイオンの流れが提供される実施形態では、多孔質電気絶縁材料508は、電極構造の上側端面及び下側端面上に配設されて、電極構造へのキャリアイオンのための経路を提供する。
特定の実施形態によれば、電気絶縁材料の多孔率を、材料を通るキャリアイオンの所定の伝導率を提供するように選択することができる。特定の実施形態では、多孔質電気絶縁材料は、少なくとも25%、少なくとも30%、少なくとも35%、少なくとも40%、少なくとも45%、少なくとも50%、及び/又は少なくとも55%の多孔率を含む。更に、特定の実施形態では、多孔質電気絶縁材料は、55%以下、50%以下、45%以下、40%以下、及び/又は35%以下の多孔率を含む。また別の実施形態によれば、多孔質電気絶縁材料508は、1:0.75~1:1.5の範囲にある、単位セル群の構成単位内の電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータ130の多孔率に対する多孔率の比を含む。
一実施形態では、多孔質電気絶縁材料508は、バインダ材料中に分散した粒子材料を含む。例えば、特定の材料は、アルミナ、窒化ホウ素、チタニア、シリカ、ジルコニア、酸化マグネシウム、及び酸化カルシウムのうちの1つ以上などの、安定した金属酸化物及び/又はセラミックを含むことができる。別の実施形態では、粒子材料は、少なくとも0.35ミクロン、少なくとも0.45ミクロン、少なくとも0.5ミクロン、及び/又は少なくとも0.75ミクロンのd50粒径(中央値粒径)を有する粒子を含む。また別の実施形態では、粒子材料は、40ミクロン以下、35ミクロン以下、25ミクロン以下、及び/又は20ミクロン以下のd50粒径(中央値粒径)を有する粒子を含む。一実施形態では、粒子の少なくとも80重量%、少なくとも85重量%、少なくとも90重量%、及び/又は少なくとも95重量%が、少なくとも0.35ミクロン、少なくとも0.45ミクロン、少なくとも0.5ミクロン、及び/又は少なくとも0.75ミクロン、並びに40ミクロン以下、35ミクロン以下、25ミクロン以下、及び/又は20ミクロン以下の粒径を有する。更に、一実施形態では、粒子材料は、多孔質電気絶縁材料の少なくとも70重量%、少なくとも75重量%、少なくとも80重量%、及び/又は少なくとも85重量%を含む。更なる実施形態では、粒子材料は、多孔質電気絶縁材料の99.5重量%以下、97重量%以下、95重量%以下、及び/又は90重量%以下を含む。一実施形態では、バインダ材料は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンアクリル酸(EAA)、エチレンメタクリル酸(EMAA)、及びそれらの共重合体からなる群のいずれかから選択されるポリマー材料を含む。
図1A~図1Dを参照すると、一実施形態によれば、電極アセンブリ106は、仮想の三次元デカルト座標系のx軸、y軸、及びz軸にそれぞれ対応する相互に垂直な横方向軸、縦方向軸、及び垂直軸と、縦方向に互いに分離された第1の縦方向端面116及び第2の縦方向端面118と、電極アセンブリ縦方向軸AEAを取り囲み、かつ第1の縦方向端面116及び第2の縦方向端面118を接続するラテラル面142と、を有する。ラテラル面142は、縦方向軸の両側に、縦方向軸に直交する第1の方向に分離された、第1及び第2の領域を含む。例えば、ラテラル面142は、X方向の反対側にある表面領域144、146(すなわち、長方柱の側面)と、Z方向の反対側にある表面領域148、150と、を含むことができる。また別の実施形態では、ラテラル面は、円筒形状を含むことができる。電極アセンブリ106は、縦方向に測定される最大幅WEAと、ラテラル面によって境界を定められ、かつ横方向に測定される最大長さLEAと、ラテラル面によって境界を定められ、かつ垂直方向に測定される最大高さHEAと、を更に含むことができる。一実施形態では、最大長さLEAと最大高さHEAとの比は、少なくとも2:1であり得る。更なる例として、一実施形態では、最大長さLEAと最大高さHEAとの比は、少なくとも5:1であり得る。更なる例として、一実施形態では、最大長さLEAと最大高さHEAとの比は、少なくとも10:1であり得る。更なる例として、一実施形態では、最大長さLEAと最大高さHEAとの比は、少なくとも15:1であり得る。更なる例として、一実施形態では、最大長さLEAと最大高さHEAとの比は、少なくとも20:1であり得る。種々の寸法の比率は、エネルギー貯蔵デバイス内の最適な構成を可能にして、活物質の量を最大化し、それによってエネルギー密度を増加させ得る。
いくつかの実施形態では、最大幅WEAは、最大高さHEAよりも大きい電極アセンブリ106の幅を提供するように選択され得る。例えば、一実施形態では、最大幅WEAと最大高さHEAとの比は、少なくとも2:1であり得る。更なる例として、一実施形態では、最大幅WEAと最大高さHEAとの比は、少なくとも5:1であり得る。更なる例として、一実施形態では、最大幅WEAと最大高さHEAとの比は、少なくとも10:1であり得る。更なる例として、一実施形態では、最大幅WEAと最大高さHEAとの比は、少なくとも15:1であり得る。更なる例として、一実施形態では、最大幅WEAと最大高さHEAとの比は、少なくとも20:1であり得る。
一実施形態によれば、最大幅WEAと最大長さLEAとの比は、最適な構成を提供する所定の範囲内にあるように選択され得る。例えば、一実施形態では、最大幅WEAと最大長さLEAとの比は、1:5~5:1の範囲にあり得る。更なる例として、一実施形態では、最大幅WEAと最大長さLEAとの比は、1:3~3:1の範囲にあり得る。また更なる例として、一実施形態では、最大幅WEAと最大長さLEAとの比は、1:2~2:1の範囲にあり得る。
本開示の実施形態によれば、単位セル群の構成単位の各電極構造110は、電極構造110の第1の反対側にある横方向端面601aと第2の反対側にある横方向端面601bとの間の横方向に測定される長さLEと、電極構造110の上側の反対側にある垂直端面500aと下側の反対側にある垂直端面500bとの間の垂直方向に測定される高さHEと、電極構造110の第1の反対側にある表面603aと第2の反対側にある表面603bとの間の縦方向に測定される幅WEと、を含み、単位セル群の構成単位の各対向電極構造112は、対向電極構造112の第1の反対側にある横方向端面602aと第2の反対側にある横方向端面602bとの間の横方向に測定される長さLCEと、対向電極構造112の上側の第2の反対側にある垂直端面501aと下側の第2の反対側にある垂直端面501bとの間の垂直方向に測定される高さHCEと、対向電極構造112の第1の反対側にある表面604aと第2の反対側にある表面604bとの間の縦方向に測定される幅WCEと、を含む。
一実施形態によれば、単位セル群の構成単位の電極構造について、LEとWE及びHEの各々との比は、それぞれ、少なくとも5:1であり、HEとWEとの比は、約2:1~約100:1の範囲にあり、単位セル群の構成単位の対向電極構造について、LCEとWCE及びHCEの各々との比は、それぞれ、少なくとも5:1であり、HCEとWCEとの比は、約2:1~約100:1の範囲にある。更なる例として、一実施形態では、LEとWE及びHEの各々との比は、少なくとも10:1であり、LCEとWCE及びHCEの各々との比は、少なくとも10:1である。更なる例として、一実施形態では、LEとWE及びHEの各々との比は、少なくとも15:1であり、LCEとWCE及びHCEの各々との比は、少なくとも15:1である。更なる例として、一実施形態では、LEとWE及びHEの各々との比は、少なくとも20:1であり、LCEとWCE及びHCEの各々との比は、少なくとも20:1である。
一実施形態では、電極構造の高さ(HE)と幅(WE)との比は、それぞれ、少なくとも0.4:1である。例えば、一実施形態では、単位セル群の構成単位の各電極構造について、HEとWEとの比は、それぞれ、少なくとも2:1であろう。更なる例として、一実施形態では、HEとWEとの比は、それぞれ、少なくとも10:1であろう。更なる例として、一実施形態では、HEとWEとの比は、それぞれ、少なくとも20:1であろう。しかしながら、典型的には、HEとWEとの比は、概して、それぞれ、1,000:1未満であろう。例えば、一実施形態では、HEとWEとの比は、それぞれ、500:1未満であろう。更なる例として、一実施形態では、HEとWEとの比は、それぞれ、100:1未満であろう。更なる例として、一実施形態では、HEとWEとの比は、それぞれ、10:1未満であろう。更なる例として、一実施形態では、単位セル群の構成単位の各電極構造について、HEとWEとの比は、それぞれ、約2:1~約100:1の範囲にあるであろう。
一実施形態では、対向電極構造の高さ(HCE)と幅(WCE)との比は、それぞれ、少なくとも0.4:1である。例えば、一実施形態では、単位セル群の構成単位の各対向電極構造について、HCEとWCEとの比は、それぞれ、少なくとも2:1であろう。更なる例として、一実施形態では、HCEとWCEとの比は、それぞれ、少なくとも10:1であろう。更なる例として、一実施形態では、HCEとWCEとの比は、それぞれ、少なくとも20:1であろう。しかしながら、典型的には、HCEとWCEとの比は、概して、それぞれ、1,000:1未満であろう。例えば、一実施形態では、HCEとWCEとの比は、それぞれ、500:1未満であろう。更なる例として、一実施形態では、HCEとWCEとの比は、それぞれ、100:1未満であろう。更なる例として、一実施形態では、HCEとWCEとの比は、それぞれ、10:1未満であろう。更なる例として、一実施形態では、単位セル群の構成単位の各対向電極構造について、HCEとWCEとの比は、それぞれ、約2:1~約100:1の範囲にあるであろう。
一実施形態では、単位セル群は、電極構造110及び対向電極構造112の交互する配列を含むことができ、エネルギー貯蔵デバイス100及びその意図された使用に応じて、任意の数の構成単位を含み得る。更なる例として、一実施形態では、より一般的に述べると、電極構造110の群及び対向電極構造112の群は各々、N個の構成単位を有し、N-1個の電極構造の構成単位110の各々は、2つの対向電極構造の構成単位112の間にあり、N-1個の対向電極構造の構成単位112の各々は、2つの電極構造の構成単位110の間にあり、Nは、少なくとも2である。更なる例として、一実施形態では、Nは、少なくとも4である。更なる例として、一実施形態では、Nは、少なくとも5である。更なる例として、一実施形態では、Nは、少なくとも10である。更なる例として、一実施形態では、Nは、少なくとも25である。更なる例として、一実施形態では、Nは、少なくとも50である。更なる例として、一実施形態では、Nは、少なくとも100以上である。
図5を参照すると、一実施形態では、電極アセンブリ106は、巻回された電極アセンブリの中心軸Cの周りの単位セル群の構成単位の電極構造110及び対向電極構造112の複数の巻回205a、205bを有する巻回された電極アセンブリを含み、巻回された電極アセンブリの垂直方向は、中心軸(z方向)に平行であり、更に、単位セル群の構成単位の電極構造及び対向電極構造は、それぞれ、巻回された電極アセンブリの中心領域200における対向電極構造の第1の端部121aから、及び各巻回に沿って、電極アセンブリの外部領域202における対向電極構造の第2の端部121bまで延在する長さLE及びLCEを含む。示される実施形態では、巻回された電極アセンブリは、概して、円筒形状を含む。
一実施形態によれば、多孔質電気絶縁材料は、単位セル群の構成単位の対向電極構造の長さLCEの少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも75%、少なくとも85%、及び/又は少なくとも90%延在し、かつ/又は単位セル群の構成単位の電極構造の長さLEの少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも75%、少なくとも85%、及び/又は少なくとも90%延在する。図6A~図6Bを参照すると、実施形態は、多孔質電気絶縁材料508(図6A)なしの電極アセンブリと、多孔質電気絶縁材料508が、対向電極構造(図6B)の長さLCEに沿って延在する溝の形状である凹部505a、505bを埋めるように設けられている電極アセンブリと、の上面図が示されている。図6Bに示される実施形態では、多孔質電気絶縁材料508は、対向電極活物質層138及び対向電極集電体140を覆っている。対向電極構造112の上側端面501a及び下側端面501bを覆うことに加えて、図6Bに示される実施形態は、多孔質電気絶縁材料が、電極集電体136のみが露出したままであるように電極構造110の電極活物質層132の長さを覆うことを更に含む。
一実施形態では、電極アセンブリ106は、例えば、図1Aに例示されるように、電極アセンブリ106の全体的な巨視的成長を抑制する電極制約のセット108によって画定される体積V内に閉囲されている。電極制約のセット108は、電極アセンブリ106の膨潤及び変形を低減し、かつそれによって、電極制約のセット108を有するエネルギー貯蔵デバイス100の信頼性及びサイクリング寿命を改善するように、1つ以上の次元に沿って電極アセンブリ106の成長を抑制することが可能であり得る。任意の1つの特定の理論に限定されるものではないが、二次電池102及び/又は電極アセンブリ106の充電及び/又は放電中に電極構造110と対向電極構造112との間で移動するキャリアイオンは、電極活物質に挿入され、電極活物質及び/又は電極構造110を膨張させ得ると考えられる。電極構造110のこの拡張は、電極及び/又は電極アセンブリ106を変形及び膨潤させ、それによって、電極アセンブリ106の構造的完全性を損ない、及び/又は電気的短絡又は他の障害の可能性を増加させ得る。一例では、エネルギー貯蔵デバイス100のサイクリング中の電極活物質層132の過剰な膨潤及び/又は膨張並びに収縮は、電極活物質の断片を電極活物質層132から剥離させ、かつ/又は薄く裂き、それによって、エネルギー貯蔵デバイス100の効率及びサイクリング寿命を損ない得る。また別の例では、電極活物質層132の過剰な膨潤及び/又は膨張並びに収縮は、電極活物質が電気絶縁微小孔性セパレータ130を破ることを引き起こし、それによって、電極アセンブリ106の電気的短絡及び他の障害を引き起こし得る。したがって、電極制約のセット108は、この膨潤又は成長を、充電状態と放電状態との間のサイクリングで生じることがないように阻止して、エネルギー貯蔵デバイス100の信頼性、効率、及び/又はサイクリング寿命を改善する。
一実施形態では、一次成長制約システム151を備える電極制約のセット108は、例えば、図1Aに示されるように、縦方向での(すなわち、Y軸に平行な方向での)電極アセンブリ106の成長、膨張、及び/又は膨潤のうちの少なくとも1つを軽減及び/又は低減するために提供される。例えば、一次成長制約システム151は、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118での膨張に対向することによって成長を制約するように構成された構造を含むことができる。一実施形態では、一次成長制約システム151は、縦方向(積層方向)で互いに分離されており、かつ第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156を一体に接続して、積層方向での電極アセンブリ106における成長を抑制する少なくとも1つの一次接続部材162と連携して動作することができる、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156を備える。例えば、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156は、電極アセンブリ106の第1の縦方向端面116及び第2の縦方向端面118を少なくとも部分的に覆い得、一次成長制約154、156を互いに接続する接続部材162、164と連携して動作して、充電及び/又は放電の繰り返されるサイクル中に起こる電極アセンブリ106における任意の成長を妨害及び抑制し得る。
加えて、二次電池102において繰り返される充電及び放電プロセスのサイクリングは、電極アセンブリ106の縦方向(例えば、図1AにおけるY軸)だけでなく、横方向及び垂直方向(例えば、それぞれ、図1AにおけるX軸及びZ軸)などの、上記で論じたような、縦方向に直交する方向にも、成長及びひずみを誘発し得る。更に、特定の実施形態では、1つの方向での成長を阻害するための一次成長制約システム151の組み込みは、1つ以上の他の方向での成長及び/又は膨潤を悪化させさえし得る。例えば、電極アセンブリ106の縦方向の成長を抑制するために一次成長制約システム151が提供される場合、充電及び放電のサイクル中のキャリアイオンのインターカレーションと、結果として生じる電極構造110の膨潤と、は、1つ以上の他の方向でのひずみを誘発し得る。特に、一実施形態では、電極成長/膨潤と縦方向成長制約との組み合わせによって生成されるひずみは、垂直方向(例えば、図1Aに示されるZ軸)、又は更には横方向(例えば、図1Aに示されるX軸)での、電極アセンブリ106の座屈又は他の障害をもたらし得る。したがって、本開示の一実施形態では、電極アセンブリ106の複数の軸に沿った電極アセンブリ106の成長を抑制するために、一次成長制約システム151と連携して動作し得る二次成長制約システム152が提供されている。例えば、一実施形態では、二次成長制約システム152は、一次成長制約システム151と連動するか、又は一次成長制約システム151と別様に相乗的に動作するように構成されてもよく、その結果、電極アセンブリ106の全体的な成長を抑制して、それぞれ、電極アセンブリ106並びに一次成長制約システム151及び二次成長制約システム152を有する二次電池の改善された性能及び低減された障害の発生を与えることができる。
図7A~図7Cを参照すると、電極アセンブリ106のための一次成長制約システム151及び二次成長制約システム152を有する電極制約のセット108の実施形態が示されている。図7Aは、結果として生じる2D断面が垂直軸(Z軸)及び縦方向軸(Y軸)で例示されるように、縦方向軸(Y軸)に沿って得られた、図1Aにおける電極アセンブリ106の断面を示す。図7Bは、結果として生じる2D断面が垂直軸(Z軸)及び横方向軸(X軸)で例示されるように、横方向軸(X軸)に沿って得られた、図1Aにおける電極アセンブリ106の断面を示す。図7Aに示されるように、一次成長制約システム151は、一般に、それぞれ、縦方向(Y軸)に沿って互いに分離された第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156を備えることができる。例えば、一実施形態では、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156は、それぞれ、電極アセンブリ106の第1の縦方向端面116を少なくとも部分的に、又は更には完全に覆う第1の一次成長制約154、及び電極アセンブリ106の第2の縦方向端面118を少なくとも部分的に、又は更には完全に覆う第2の一次成長制約156を含む。また別のバージョンでは、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156のうちの1つ以上が、一次成長制約のうちの1つ以上が電極アセンブリ106の内部構造を含む場合など、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118の内部にあり得る。一次成長制約システム151は、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156を接続し、かつ縦方向に平行である主軸を有し得る、少なくとも1つの一次接続部材162を更に備えることができる。例えば、一次成長制約システム151は、それぞれ、実施形態に描かれるように垂直軸(Z軸)に沿ってなど、縦方向軸に直交する軸に沿って互いに分離された第1の一次接続部材162及び第2の一次接続部材164を含むことができる。第1の一次接続部材162及び第2の一次接続部材164は、それぞれ、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156をそれぞれ互いに接続し、かつ第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156をそれぞれ互いに張力で維持して、電極アセンブリ106の縦方向軸に沿った成長を抑制するように機能することができる。
図7A~図7Cに更に示されるように、電極制約のセット108は、二次成長制約システム152を更に含むことができ、二次成長制約システム152は、一般に、それぞれ、示される実施形態で垂直軸(Z軸)に沿ってなど、縦方向に直交する第2の方向に沿って互いに分離された第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160を備えることができる。例えば、一実施形態では、第1の二次成長制約158は、電極アセンブリ106のラテラル面142の第1の領域148を少なくとも部分的に横断して延在し、第2の二次成長制約160は、第1の領域148と反対側にある、電極アセンブリ106のラテラル面142の第2の領域150を少なくとも部分的に横断して延在する。また別のバージョンでは、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160のうちの1つ以上が、二次成長制約のうちの1つ以上が電極アセンブリ106の内部構造を含む場合など、電極アセンブリ106のラテラル面142の内部にあり得る。一実施形態では、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160は、それぞれ、垂直軸などの第2の方向に平行である主軸を有し得る少なくとも1つの二次接続部材166によって接続されている。二次接続部材166は、例えば垂直方向での(例えば、Z軸に沿った)成長を抑制するなど、縦方向に直交する方向に沿って電極アセンブリ106の成長を抑制するように、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160をそれぞれ互いに張力で接続及び保持するように機能し得る。図7Aに描かれる実施形態では、少なくとも1つの二次接続部材166は、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156のうちの少なくとも1つに対応することができる。しかしながら、二次接続部材166はそれに限定されず、代替的に、及び/又は加えて、他の構造及び/又は構成を備えることができる。
一実施形態によれば、一次成長制約システム151及び二次成長制約システム152は、それぞれ、一次成長制約システム151の部分が二次成長制約システム152の一部として協調的に機能するように、かつ/又は二次成長制約システム152の部分が一次成長制約システム151の一部として協調的に作用するように、協調的に動作するように構成されている。例えば、図7A及び図7Bに示される実施形態では、一次成長制約システム151の第1の一次接続部材162及び第2の一次接続部材164は、それぞれ、縦方向に直交する第2の方向での成長を制約する第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160の少なくとも一部分、又は更には全体の構造として機能することができる。また別の実施形態では、上記に述べたように、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156のうちの1つ以上は、それぞれ、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160をそれぞれ接続するための1つ以上の二次接続部材166として機能することができる。逆に、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160の少なくとも一部分は、それぞれ、一次成長制約システム151の第1の一次接続部材162及び第2の一次接続部材164としてそれぞれ作用することができ、二次成長制約システム152の少なくとも1つの二次接続部材166は、一実施形態では、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156のうちの1つ以上としてそれぞれ作用することができる。したがって、一次成長制約システム151及び二次成長制約システム152は、それぞれ、電極アセンブリ106の成長に抑制を及ぼすための構成要素及び/又は構造を共有することができる。
一実施形態では、電極制約のセット108は、電池筐体104の外部及び/又は内部にある構造であるか、又は電池筐体104自体の一部であり得る、一次成長制約154及び二次成長制約156、並びに一次接続部材162及び二次接続部材164などの構造を備えることができる。特定の実施形態では、電池筐体104は、例えば、内部に液体電解質を封止するために、かつ/又は電極アセンブリ106を外部環境から封止するために、封止された筐体であり得る。一実施形態では、電極制約のセット108は、電池筐体104及び他の構造構成要素を含む構造の組み合わせを備えることができる。そのような一実施形態では、電池筐体104は、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152の構成要素であり得、別の言い方をすれば、一実施形態では、電池筐体104は、単独で、又は1つ以上の他の構造(電池筐体104内及び/又は電池筐体104外、例えば、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152)との組み合わせで、電極積層方向Dでの、及び/又は積層方向Dと直交する第2の方向での電極アセンブリ106の成長を抑制する。一実施形態では、一次成長制約154、156及び二次成長制約158、160のうちの1つ以上は、電極アセンブリの内部にある構造を備えることができる。別の実施形態では、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152は、電池筐体104の任意の部分を形成せず、代わりに、電池筐体104以外の1つ以上の個別の構造(電池筐体104内及び/又は電池筐体104外)が、電極積層方向Dでの、及び/又は積層方向Dに直交する第2の方向での電極アセンブリ106の成長を抑制する。別の実施形態では、一次成長制約システム及び二次成長制約システムは、ハーメチックシールされた電池筐体などの封止された電池筐体であり得る電池筐体内にある。電極アセンブリ106は、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵デバイス100又は二次電池102の繰り返されるサイクリング中に電極アセンブリ106の成長及び/又は膨潤によって及ぼされる圧力よりも大きい圧力で、電極制約のセット108によって抑制され得る。
例示的な一実施形態では、一次成長制約システム151は、電極構造110を電極アセンブリ106の一部として有する二次電池102の繰り返されるサイクリング時に、電極構造110によって生成される圧力を超える圧力を積層方向Dに及ぼすことによって、積層方向Dでの電極構造110の成長を抑制する、電池筐体104内の1つ以上の個別の構造を含む。別の例示的な実施形態では、一次成長制約システム151は、対向電極構造112を電極アセンブリ106の一部として有する二次電池102の繰り返されるサイクリング時に、対向電極構造112によって生成される圧力を超える圧力を積層方向Dに及ぼすことによって、積層方向Dでの対向電極構造112の成長を抑制する、電池筐体104内の1つ以上の個別の構造を含む。二次成長制約システム152は、同様に、それぞれ電極構造110又は対向電極構造112を有する二次電池102の繰り返されるサイクリング時に、それぞれ電極構造110又は対向電極構造112によって、第2の方向に生成される圧力を超える圧力を第2の方向に及ぼすことによって、垂直軸(Z軸)に沿ってなど、積層方向Dに直交する第2の方向での、電極構造110及び対向電極構造112のうちの少なくとも1つの成長を抑制する、電池筐体104内の1つ以上の個別の構造を含むことができる。
また別の実施形態では、一次成長制約システム151の第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156は、それぞれ、電極アセンブリ106の第1の縦方向端面116及び第2の縦方向端面118に圧力を、つまり、電極アセンブリ106のラテラル面142の、横方向軸及び/又は垂直軸に沿って反対側にある第1の領域及び第2の領域などの、縦方向に直交する方向にあるであろう電極アセンブリ106の他の表面に、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156によって及ぼされる圧力を超える圧力を、縦方向に及ぼすことによって、電極アセンブリ106の成長を抑制する。すなわち、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156は、横(X軸)方向及び垂直(Z軸)方向などの、縦方向に直交する方向に第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156によって生成される圧力を超える圧力を縦方向(Y軸)に及ぼし得る。例えば、そのような一実施形態では、一次成長制約システム151は、積層方向Dに垂直である2つの方向のうちの少なくとも1つ、又は両方において、一次成長制約システム151によって電極アセンブリ106に対して維持される圧力を少なくとも3倍に超える第1の縦方向端面116及び第2の縦方向端面118に対する圧力(すなわち、積層方向Dにおける)で、電極アセンブリ106の成長を抑制する。更なる例として、そのような一実施形態では、一次成長制約システム151は、積層方向Dに垂直である2つの方向のうちの少なくとも1つ、又は両方において、一次成長制約システム151によって電極アセンブリ106に対して維持される圧力を少なくとも4倍に超える第1の縦方向端面116及び第2の縦方向端面118に対する圧力(すなわち、積層方向Dにおける)で、電極アセンブリ106の成長を抑制する。更なる例として、そのような一実施形態では、一次成長制約システム151は、積層方向Dに垂直である2つの方向のうちの少なくとも1つ、又は両方において、電極アセンブリ106に対して維持される圧力を少なくとも5倍に超える第1の縦方向端面116及び第2の縦方向端面118に対する圧力(すなわち、積層方向Dにおける)で、電極アセンブリ106の成長を抑制する。
ここで図7Cを参照すると、電極制約のセット108を有する電極アセンブリ106の実施形態が、図1Aに示される線A-A’に沿って得られた断面とともに示されている。図7Cに示される実施形態では、一次成長制約システム151は、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118に、それぞれ、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156を備えることができ、二次成長制約システム152は、電極アセンブリ106のラテラル面142の、反対側にある第1の表面領域148及び第2の表面領域150に、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160を備える。この実施形態によれば、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156は、少なくとも1つの二次接続部材166として、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160を接続し、かつ成長制約を縦方向に直交する第2の方向(例えば、垂直方向)に互いに張力で維持するように機能することができる。しかしながら、追加的及び/又は代替的に、二次成長制約システム152は、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118以外の領域に位置する少なくとも1つの二次接続部材166を備えることができる。また、少なくとも1つの二次接続部材166は、電極アセンブリの縦方向端部116、118の内部にある第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156のうちの少なくとも1つとして作用し、かつ成長を抑制するために、電極アセンブリ106の縦方向端部116、118で別の内部一次成長制約及び/又は一次成長制約のいずれかと連携して作用することができると理解され得る。図7Cに示される実施形態を参照すると、電極アセンブリ106の中央領域に向かってなど、それぞれ、電極アセンブリ106の第1の縦方向端面116及び第2の縦方向端面118から、縦方向軸に沿って離間配置された二次接続部材166を提供することができる。二次接続部材166は、電極アセンブリ端面116、118からの内部位置で、それぞれ、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160を接続することができ、その位置で二次成長制約158、160間の張力を受け得る。一実施形態では、端面116、118からの内部位置で二次成長制約158、160を接続する二次接続部材166は、縦方向端面116、118で一次成長制約154、156としても機能する二次接続部材166などの、電極アセンブリ端面116、118に提供された1つ以上の二次接続部材166に加えて提供されている。別の実施形態では、二次成長制約システム152は、縦方向端面116、118での二次接続部材166の有無にかかわらず、縦方向端面116、118から離間配置された内部位置で、それぞれ、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160と接続する1つ以上の二次接続部材166を備える。内部二次接続部材166はまた、一実施形態による、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156として作用すると理解され得る。例えば、一実施形態では、内部二次接続部材166のうちの少なくとも1つは、以下で更に詳細に説明されるように、電極構造110又は対向電極構造112の少なくとも一部分を含むことができる。
より具体的には、図7Cに示される実施形態に関して、二次成長制約システム152は、電極アセンブリ106のラテラル面142の上側領域148の上に重なっている第1の二次成長制約158と、電極アセンブリ106のラテラル面142の下側領域150の上に重なっている反対側にある第2の二次成長制約160と、を含み得、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160は、垂直方向に(すなわち、Z軸に沿って)互いに分離されている。追加的に、二次成長制約システム152は、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118から離間配置された少なくとも1つの内部二次接続部材166を更に含み得る。内部二次接続部材166は、Z軸に平行に位置合わせされ得、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160をそれぞれ接続して、成長制約を互いに張力で維持し、二次成長制約システム152の少なくとも一部を形成する。一実施形態では、少なくとも1つの内部二次接続部材166は、単独で、又は電極アセンブリ106の縦方向端面116、118に位置する二次接続部材166とともに、のいずれかで、垂直方向に(すなわち、Z軸に沿って)、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵デバイス100及び/又は二次電池102の繰り返される充電及び/又は放電中に、第1及び二次成長制約158、160間の張力を受けて、垂直方向での電極アセンブリ106の成長を低減し得る。更に、図7Cに示される実施形態では、電極制約のセット108は、それぞれ、電極アセンブリ106の上側ラテラル面領域148及び下側ラテラル面領域150に、それぞれ、第1の一次接続部材162及び第2の一次接続部材164によって接続された電極アセンブリ106の縦方向端部116、118に、それぞれ、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156を有する一次成長制約システム151を更に備える。一実施形態では、二次内部接続部材166は、それ自体、それぞれ、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156のうちの1つ以上と協調して作用し、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156がそれぞれ位置し得る、二次内部接続部材166と電極アセンブリ106の縦方向端部116、118との間に縦方向に存在する電極アセンブリ106の各部分に制約圧力を及ぼすと理解され得る。
一実施形態によれば、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160は、それぞれ、電極アセンブリ106の電極構造110若しくは対向電極構造112、又は他の内部構造の少なくとも一部分を含む、二次接続部材166に接続されている。第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160は、それぞれ、一実施形態では、二次接続部材166を形成する、対向電極構造112及び/若しくは電極構造110、又は他の内部構造の、上側端面及び/又は下側端面に接続され得る。一実施形態では、第1の二次成長制約158は、単位セル群504の構成単位の電極構造110及び/又は対向電極構造112の上側端面500a、501aに接続されている。別の実施形態では、第2の二次成長制約160は、単位セル群504の構成単位の電極構造110又は対向電極構造112の下側端面500b、501bに接続されている。上側端面で接続された単位セルの構成単位は、下側端面で接続された単位セルの構成単位と同じであってもよいし、異なっていてもよい。第1の二次成長制約及び/又は第2の二次成長制約は、単位セル群の構成単位における電極集電体、電極活物質層、対向電極集電体、及び対向電極活物質層のうちの1つ以上を含む電極構造及び/又は対向電極構造から離れた上側端面及び/又は下側端面に接続され得る。別の例では、第1及び第2の二次成長制約は、電気絶縁セパレータの上側端面及び/又は下側端面に接続され得る。したがって、二次接続部材166は、特定の実施形態では、単位セル群の構成単位における電極集電体、電極活物質層、対向電極集電体、及び対向電極活物質層のうちの1つ以上を含む電極構造及び/又は対向電極構造の構造のうちの1つ以上を備えることができる。図3A~図3Bを参照すると、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160が、単位セル群の構成単位における電極集電体136を含む二次接続部材166に接続された実施形態が示されている。図4では、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160は、電極集電体136を含む電極構造110を含む二次接続部材166に接続されている。
図3A~図3Bを参照すると、一実施形態では、第1の二次成長制約158及び/又は第2の二次成長制約160は、それらのそれぞれの垂直厚さTCを貫いて形成された開口部176を備える。本明細書における実施形態によれば、開口部176は、補助電極686から第1の二次成長制約158及び/又は第2の二次成長制約160を通って単位セル群の構成単位に至るキャリアイオンの流れのための通路を提供することができる。例えば、電極制約のセット108によって閉囲された体積Vの外側に位置する、例えば第1の二次成長制約158及び/又は第2の二次成長制約160の外部に位置付けられた、補助電極686について、補助電極686から提供されたキャリアイオンは、開口部176を通る通路を介して、制約の内側の、電極アセンブリの単位セルの構成単位にアクセスすることができる。第1の二次成長制約158を示す電極アセンブリ106の上面図を描く図8に示される実施形態では、開口部176は、縦方向及び/又は積層方向(Y方向)に配向された長尺の寸法を有し、かつ複数の単位セルの構成単位を横断して延在するスロット形状を含む。開口部176の他の形状及び/又は構成も提供され得る。特定の実施形態によれば、開口部176の少なくとも一部分は、多孔質電気絶縁材料508上に垂直方向に位置合わせされており、これにより、開口部176を通って電極アセンブリ106に入るキャリアイオンは、多孔質電気絶縁材料508を通過して単位セル群の構成単位に至る。補助電極686から単位セルの構成単位にキャリアイオンを移送するためのプロセスは、特定の実施形態によれば、補助電極686から開口部176を介して、多孔質電気絶縁材料508を通して、電極構造110及び対向電極構造112のうちの1つ以上までキャリアイオンを移送することを含むことができる。図8に示される実施形態では、多孔質電気絶縁材料508は、電極集電体136の上側端面及び下側端面が露出したままで、第1及び第2の二次成長制約の範囲内で、電極構造及び対向電極構造の上側端面及び下側端面上に延在する。
本開示の更なる実施形態によれば、電極アセンブリ及び/又は二次電池の製造方法が提供される。一実施形態によれば、この製造方法は、積層方向に連続して積層された単位セルの群を提供することを含み、(i)各単位セルは、電極構造と、対向電極構造と、電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータと、を備え、(ii)各単位セル内の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータは、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)垂直方向は、積層方向に直交する。この製造方法は、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の上側端面及び/又は下側端面を覆う多孔質電気絶縁材料を提供することを更に含み、多孔質電気絶縁材料は、20%~60%の範囲の多孔率を有する。一実施形態によれば、多孔質電気絶縁材料は、溶媒中の粒子材料バインダ材料を含むスラリ又はペーストで上側端面及び/又は下側端面をコーティングし、かつ溶媒を蒸発させて、上側端面及び/又は下側端面上のバインダ材料中に粒子材料を分散させたままにすることによって提供される。例えば、図9に示される実施形態では、スラリ及び/又はペースト900が、電極構造110及び/又は対向電極構造112の上側端面500a、501a及び/又は下側端面500b、501bに塗布される。
一実施形態では、バインダ材料は、溶媒に可溶性であり、溶媒は、ガスの流れによって溶媒を加熱及び/又は乾燥させることによって蒸発する。例えば、溶媒は、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ヘプタン、オクタン、トルエン、キシレン、又は混合炭化水素溶媒のいずれかを含むことができる。更に、特定の実施形態によれば、スラリ及び/又はペーストは、少なくとも50重量%、少なくとも55重量%、少なくとも60重量%、少なくとも65重量%、少なくとも70重量%、少なくとも75重量%、及び/又は少なくとも80重量%の粒子材料、並びに90重量%以下、85重量%以下、80重量%以下、及び/又は75重量%以下の粒子材料を含む。一実施形態によれば、対向電極構造の上側端面及び下側端面に、対向電極の上側端面及び下側端面の表面積当たりに提供される多孔質電気絶縁材料の密度は、15mg/cm2~25mg/cm2の範囲にある。
一実施形態によれば、この製造方法は、垂直方向に分離された第1及び第2の二次成長制約を電極構造の構成単位の電極集電体に接続することを更に含み、第1及び第2の二次成長制約は、それらのそれぞれの垂直厚さを貫いて形成された開口部を備え、二次成長制約システムは、電極アセンブリのサイクリング時に垂直方向での電極アセンブリの成長を少なくとも部分的に抑制する。例えば、成長制約を、多孔質電気絶縁材料が電極構造110及び/又は対向電極構造112の上側端面及び/又は下側端面に塗布された後、図8に示されるように、電極集電体の露出した上側端面及び下側端面に接続することができる。
また別の実施形態では、電極アセンブリ及び/又は二次電池の製造方法は、(1)多孔質電気絶縁材料の外部のキャリアイオン源を含む補助電極を提供することと、(2)補助電極と電極群の構成単位又は対向電極群の構成単位との間にバイアス電圧を印加して、第1及び第2の二次成長制約における開口部を通して、及び多孔質電気絶縁材料を通して、単位セル群の構成単位の電極群及び/又は対向電極構造に至るキャリアイオンの流れを提供することと、を含む。例えば、製造方法は、二次電池を充電し、かつ/又は電極構造を充電するための初期充電プロセスと、初期充電プロセスで失われたキャリアを補充するためのプロセスと、を含む、二次電池の形成のためのプロセスを含むことができる。特定の実施形態によれば、電極アセンブリ及び/又は二次電池の製造方法は、本明細書に記載される単位セル群の構成単位にキャリアイオンを提供する方法のいずれかを含むことができる。更なる実施形態によれば、キャリアイオンの供給源を含む補助電極から電極アセンブリにキャリアイオンを移送するための方法を、二次電池及び/又は電極アセンブリの初期又は後続の充電サイクル中に実行することができる。
一実施形態では、電極制約のセット108を備える電極アセンブリ106を準備するための方法が提供され、電極アセンブリ106は、充電状態と放電状態との間でサイクリングするように構成された二次電池の一部として使用され得る。この方法は、一般に、シート構造を形成することと、シート構造を断片(及び/又は断片)に切断することと、断片を積層することと、制約のセットを適用することと、を含むことができる。ストリップによって、ストリップの形状であるもの以外の断片を使用することができると理解される。この断片は、電極活物質層、電極集電体、対向電極活物質層、対向電極集電体、及びセパレータを含み、電極活物質及び/又は対向電極活物質の交互する配置を提供するように積層され得る。シートは、例えば、単位セル504及び/又は単位セル504の構成要素のうちの少なくとも1つを含むことができる。例えば、シートは、所定のサイズ(3D電池に好適なサイズなど)に切断され得る単位セルの群を含むことができ、次いで、単位セルのシートを積層して、電極アセンブリ106を形成することができる。別の例では、シートは、例えば、電極集電体136、電極活物質層132、セパレータ130、対向電極活物質層138、及び対向電極集電体140のうちの少なくとも1つなどの、単位セルの1つ以上の構成要素を含むことができる。構成要素のシートを所定のサイズに切断して、断片(3D電池に好適なサイズなど)を形成し、次いで、積層して、電極活物質層構成要素及び対向電極活物質層構成要素の交互する配置を形成することができる。
また別の実施形態では、適用される電極制約のセット108は、例えば、第1の及び第2の一次成長制約と、少なくとも1つの一次接続部材と、縦方向に互いに分離された第1及び第2の一次成長制約と、第1の一次成長制約と第2の一次成長制約とを接続する少なくとも1つの一次接続部材と、を備える一次成長制約システムを含む制約のセットなどの、本明細書に記載されるもののいずれかに対応し得る。更に、電極制約のセットは、縦方向(垂直方向又は横方向など)に直交する方向に分離され、かつ少なくとも1つの二次接続部材によって接続された第1及び第2の二次成長制約を備える二次成長制約システムを備えることができ、二次成長制約システムは、二次電池のサイクリング時に、垂直方向での電極アセンブリの成長を少なくとも部分的に抑制する。一次接続部材、又は一次成長制約システムの第1の一次成長制約及び/若しくは第2の一次成長制約、並びに二次接続部材、又は二次成長制約システムの第1の二次成長制約及び/若しくは第2の二次成長制約、のうちの少なくとも1つは、例えば、電極活物質層、電極集電体、対向電極活物質層、対向電極集電体、及びセパレータのうちの少なくとも1つなどの、断片を構成するアセンブリ構成要素のうちの1つ以上であり得る。例えば、一実施形態では、一次成長制約システムの一次接続部材は、例えば、電極活物質層、電極集電体、対向電極活物質層、対向電極集電体、及びセパレータのうちの少なくとも1つなどの、断片を構成するアセンブリ構成要素のうちの1つ以上であり得る。すなわち、制約の適用は、第1及び第2の一次成長制約を、断片の積層における構造のうちの1つである一次構成単位接続部材に適用することを含み得る。
ここで図2を参照すると、本開示の電極制約のセット108を有する二次電池102の一実施形態の分解図が例示されている。二次電池102は、上述したように、電池筐体104及び電池筐体104内の電極アセンブリ106を含み、電極アセンブリ106は、第1の縦方向端面116、反対側にある第2の縦方向端面118(すなわち、示されるY軸デカルト座標系に沿って第1の縦方向端面116から分離された)を有する。代替的に、二次電池102は、筐体内に提供された電極制約のセット108を有する複数の電極アセンブリ106を備え得る。電極アセンブリ106は、電極アセンブリ106の各々内で互いに対して積層方向Dに積層された電極構造110の群及び対向電極構造112の群を含み、別の言い方をすれば、電極構造110及び対向電極構造112の群は、電極構造110及び対向電極構造112が交互に連続して配置されており、この連続は、それぞれ、第1の縦方向端面116と第2の縦方向端面118との間で積層方向Dに進行する。
図2に示される実施形態によれば、タブ190、192が、電池筐体104から外に突出し、電極アセンブリ106とエネルギー供給源又は消費者(図示せず)との間の電気的接続を提供する。より具体的には、この実施形態では、タブ190は、タブ延長部191に(例えば、導電性接着剤を使用して)電気的に接続されており、タブ延長部191は、電極アセンブリ106が備える電極構造110に電気的に接続されている。同様に、タブ192は、タブ延長部193に(例えば、導電性接着剤を使用して)電気的に接続されており、タブ延長部193は、電極アセンブリ106が備える対向電極112に電気的に接続されている。タブ延長部191、193はまた、タブ延長部191、193が電気的に接続されたそれぞれの電極及び対向電極構造の各々からの電流をプールするバスバーとして機能し得る。
図2に例示される実施形態における電極アセンブリ106は、縦方向(すなわち、積層方向D)での成長を抑制するために、関連付けられた一次成長制約システム151を有する。代替的に、一実施形態では、複数の電極アセンブリ106は、一次成長制約システム151の少なくとも一部分を共有してもよい。示される実施形態では、各一次成長制約システム151は、上述したように、それぞれ、第1の縦方向端面116及び第2の縦方向端面118の上にそれぞれ重なり得る第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156と、上述したように、それぞれ、ラテラル面142の上に重なり得る反対側にある第1の一次接続部材162及び第2の一次接続部材164と、を含む。反対側にある第1の一次接続部材162及び第2の一次接続部材164は、それぞれ、第1の一次成長制約154及び第2の一次成長制約156を互いの方へ引っ張り得るか、又は代替的に言えば、縦方向での電極アセンブリ106の成長を抑制することを支援し得、一次成長制約154、156は、それぞれ、反対側にある第1の縦方向端面116及び第2の縦方向端面118に圧縮力又は制約力を加え得る。結果として、縦方向での電極アセンブリ106の膨張が、充電状態と放電状態との間の電池102の形成及び/又はサイクリング中に阻止される。追加的に、一次成長制約システム151は、相互に互いに垂直であり、かつ縦方向に垂直である2つの方向のいずれかで電極アセンブリ106に対して維持される圧力を超える圧力を縦方向(すなわち、積層方向D)に電極アセンブリ106に及ぼす(例えば、例示されるように、縦方向は、Y軸の方向に対応し、互いにかつ縦方向に相互に垂直である2つの方向は、例示されるデカルト座標系の、それぞれ、X軸及びZ軸の方向に対応する)。
更に、図2に例示される実施形態における電極アセンブリ106は、垂直方向での成長(すなわち、垂直方向(すなわち、デカルト座標系のZ軸に沿った)での電極アセンブリ106、電極構造110、及び/又は対向電極構造112の膨張)を抑制するための関連付けられた二次成長制約システム152を有する。代替的に、一実施形態では、複数の電極アセンブリ106は、二次成長制約システム152の少なくとも一部分を共有する。各二次成長制約システム152は、それぞれ、ラテラル面142の上に重なり得る第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160と、少なくとも1つの二次接続部材166と、を含み、各々は、より詳細に上述されている。二次接続部材166は、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160を、それぞれ、互いの方へ引っ張り得るか、又は代替的に言えば、垂直方向での電極アセンブリ106の成長を抑制することを支援し得、第1の二次成長制約158及び第2の二次成長制約160は、ラテラル面142に圧縮力又は制約力を加え得、各々は、より詳細に上述されている。結果として、垂直方向での電極アセンブリ106の膨張が、充電状態と放電状態との間の電池102の形成及び/又はサイクリング中に阻止される。追加的に、二次成長制約システム152は、相互に互いに垂直であり、かつ垂直方向に垂直である2つの方向のいずれかで電極アセンブリ106に対して維持される圧力を超える圧力を垂直方向(すなわち、デカルト座標系のZ軸に平行な)に電極アセンブリ106に及ぼす(例えば、例示されるように、垂直方向は、Z軸の方向に対応し、互いにかつ垂直方向に相互に垂直である2つの方向は、例示されるデカルト座標系の、それぞれ、X軸及びY軸の方向に対応する)。
特定の実施形態によれば、二次電池102の組み立てを完了するために、電池筐体104を非水性電解質(図示せず)で満たすことができ、蓋104aを(折り返し線、FLに沿って)折り返し、上側表面104bに対して封止することができる。完全に組み立てられると、封止された二次電池102は、二次電池102の外面によって境界が定められる体積(すなわち、変位体積)を占有し、二次電池筐体104は、電池の内部体積(すなわち、内面104c、104d、104e、104f、104g、及び蓋104aによって境界が定められる角柱の体積)を下回る、電池(蓋104Aを含む)の変位体積に対応する体積を占有し、セット106aの一次成長制約システム151及び二次成長制約システム152の各々は、そのそれぞれの変位体積に対応する体積を占有する。したがって、組み合わせでは、電池筐体104並びに一次成長制約システム151及び二次成長制約システム152は、電池筐体104の外面によって境界が定められる体積(すなわち、電池の変位体積)の75%以下を占有する。例えば、そのような一実施形態では、一次成長制約システム151及び二次成長制約システム152、並びに電池筐体104は、組み合わせで、電池筐体104の外面によって境界が定められる体積の60%以下を占有する。更なる例として、そのような一実施形態では、一次成長制約システム151及び二次成長制約システム152、並びに電池筐体104は、組み合わせで、電池筐体104の外面によって境界が定められる体積の45%以下を占有する。更なる例として、そのような一実施形態では、一次成長制約システム151及び二次成長制約システム152、並びに電池筐体104は、組み合わせで、電池筐体104の外面によって境界が定められる体積の30%以下を占有する。更なる例として、そのような一実施形態では、一次成長制約システム151及び二次成長制約システム152、並びに電池筐体104は、組み合わせで、電池筐体の外面によって境界が定められる体積の20%以下を占有する。
一般に、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152は、典型的には、電池電解質と同程度である、少なくとも10,000psi(70MPa超)の引張強度を有し、かつ電池102の浮遊電位又はアノード電位で著しくは腐食せず、かつ45℃、及び更には70℃まで著しくは反応せず、機械的強度を失いもしない材料を含むであろう。例えば、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152は、広範囲の金属、合金、セラミック、ガラス、プラスチック、又はそれらの組み合わせ(すなわち、複合材)のいずれかを含み得る。例示的な一実施形態では、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152は、ステンレス鋼(例えば、SS316、440C、又は440Cハード)、アルミニウム(例えば、アルミニウム7075-T6、ハードH18)、チタン(例えば、6Al-4V)、ベリリウム、ベリリウム銅(ハード)、銅(O2フリー、ハード)、ニッケルなどの金属を含み、しかしながら、一般に、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152が金属を含む場合、一般に、金属は、腐食を制限し、かつ電極構造110と対向電極構造112との間の電気的短絡を生成することを制限するように組み込まれることが好ましい。別の例示的な実施形態では、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152は、アルミナ(例えば、焼結又はCoorstek AD96)、ジルコニア(例えば、Coorstek YZTP)、イットリア安定化ジルコニア(例えば、ENrG E-Strate(登録商標))などのセラミックを含む。別の例示的な実施形態では、一次成長制約システム151は、Schott D263強化ガラスなどのガラスを含む。別の例示的な実施形態では、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152は、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(例えば、Aptiv1102)、炭素を有するPEEK(例えば、Victrex90HMF40又はXycomp1000-04)、炭素を有する硫化ポリフェニレン(PPS)(例えば、Tepex Dynalite207)、30%ガラスを有するポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(例えば、Victrex90HMF40又はXycomp1000-04)、ポリイミド(例えば、Kapton(登録商標))などのプラスチックを含む。別の例示的な実施形態では、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152は、Eガラス標準布/エポキシ、0°、EガラスUD/エポキシ、0°、Kevlar標準布/エポキシ、0°、Kevlar UD/エポキシ、0°、炭素標準布/エポキシ、0°、炭素UD/エポキシ、0°、東洋紡Zylon(登録商標)HM繊維/エポキシなどの複合材料を含む。別の例示的な実施形態では、一次成長制約システム151及び/又は二次成長制約システム152は、Kevlar49アラミド繊維、Sガラス繊維、炭素繊維、ベクトランUM LCP繊維、Dyneema、Zylonなどの繊維を含む。
電極構造110群及び対向電極構造112群の構成単位は、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、又はアルミニウムイオンなどのキャリアイオンを吸収及び放出することができる電気活物質を含むことができる。いくつかの実施形態では、電極構造110群の構成単位は、アノード活性電気活物質(負極と呼ばれることもある)を含み、対向電極構造112群の構成単位は、カソード活性電気活物質(正極と呼ばれることもある)を含む。他の実施形態では、電極構造110群の構成単位は、カソード活性電気活物質を含み、対向電極構造112群の構成単位は、アノード活性電気活物質を含む。この段落に列挙される実施形態及び実施例の各々では、負極活物質は、例えば、粒子凝集電極、粒子材料のスラリを形成し、かつ層形状に鋳造することによってなど、粒子材料から形成される電極活物質、又はモノリシック電極であり得る。
一実施形態によれば、電極アセンブリ106のアノードに対応する電極構造110で使用される電極活物質は、二次電池102及び/又は電極アセンブリ106の充電中における電極活物質へのキャリアイオンの挿入時に膨張する材料を含む。例えば、電極活物質は、電極活物質の体積の増加を生成するのに十分な量で、キャリアイオンとのインターカレーション又は合金化によってなど、二次電池の充電中にキャリアイオンを受け入れるアノード活物質を含み得る。例えば、一実施形態では、電極活物質は、二次電池102が放電状態から充電状態に充電されるとき、1モルの電極活物質当たり2モル以上のキャリアイオンを受け入れる能力を有する材料を含み得る。更なる例として、電極活物質は、1モルの電極活物質当たり2.0モル以上のキャリアイオンなどの、1モルの電極活物質当たり1.5モル以上のキャリアイオン、及び更には、1モルの電極活物質当たり3.5モル以上のキャリアイオンなどの、1モルの電極活物質当たり2.5モル以上のキャリアイオンを受け入れる能力を有する材料を含み得る。電極活性物質によって受け入れられるキャリアイオンは、リチウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、及びマグネシウムのうちの少なくとも1つであり得る。そのような体積変化を提供するように膨張する電極活物質の例としては、シリコン(例えば、SiO)、アルミニウム、スズ、亜鉛、銀、アンチモン、ビスマス、金、白金、ゲルマニウム、パラジウム、並びにそれらの合金及び化合物のうちの1つ以上が挙げられる。例えば、一実施形態では、電極活物質は、粒子状シリコン、粒子状シリコン酸化物、及びそれらの混合物のうちの1つ以上などの、粒子状形態のシリコン含有材料を含むことができる。別の実施形態では、電極活物質は、シリコン又は酸化シリコンからなる。また別の実施形態では、電極活物質は、より小さいか、又は更には無視できる体積変化を呈する材料を含むことができる。例えば、一実施形態では、電極活物質は、グラファイトなどの炭素含有材料を含むことができる。また別の実施形態では、電極構造は、例えば、電極集電体を備える電極構造などのリチウム金属の層を備え、この層上に、対向電極構造から電極構造へのキャリアイオンの移送の結果として、充電プロセス中にリチウム金属の層が堆積する。
更に、特定の実施形態によれば、例示的なアノード活性電気活物質は、グラファイト及び軟質炭素若しくは硬質炭素などの炭素材料、又はリチウムとの合金を形成することができる金属、半金属、合金、酸化物、及び化合物の範囲のいずれかを含む。アノード材料を構成することができる金属又は半金属の具体例としては、グラファイト、スズ、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、シリコン、Si/C複合材料、Si/グラファイトブレンド、SiOx、多孔質Si、金属間Si合金、インジウム、ジルコニウム、ゲルマニウム、ビスマス、カドミウム、アンチモン、銀、亜鉛、ヒ素、ハフニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、グラファイト、炭素、チタン酸リチウム、パラジウム、及びそれらの混合物が挙げられる。例示的な一実施形態では、アノード活物質としては、アルミニウム、スズ、若しくはシリコン、又はそれらの酸化物、それらの窒化物、それらのフッ化物、又はそれらの他の合金が挙げられる。別の例示的な実施形態では、アノード活物質は、シリコン、酸化シリコン、又はそれらの合金を含む。
また別の実施形態では、アノード活物質は、リチウム金属、リチウム合金、炭素、石油コークス、活性炭、グラファイト、シリコン化合物、スズ化合物、及びそれらの合金を含むことができる。一実施形態では、アノード活物質は、非グラファイト化性炭素、グラファイト系炭素などのような炭素、LixFe2O3(0≦x≦1)、LixWO2(0≦x≦1)、SnxMe1-xMe’yOz(Me:Mn、Fe、Pb、Ge;Me’:Al、B、P、Si、周期表の1族、2族、及び3族に見出される元素、ハロゲン、0<x≦1、1≦y≦3、1≦z≦8)などのような金属複合酸化物、リチウム金属、リチウム合金、シリコン系合金、スズ系合金、SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5などのような金属酸化物、ポリアセチレンなどのような導電性ポリマー、Li-Co-Ni系材料などを含む。一実施形態では、アノード活物質は、天然グラファイト、合成グラファイトなどのような結晶性グラファイト、及び軟質炭素、硬質炭素などのような非晶質炭素を含む炭素系活物質を含むことができる。アノード活物質に好適な炭素材料の他の例は、グラファイト、キッシュグラファイト、熱分解性炭素、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソ炭素マイクロビーズ、メソフェーズピッチ、グラファイト化炭素繊維、及び石油又はコールタールピッチ由来のコークスなどの高温焼結炭素を含むことができる。一実施形態では、負極活物質は、酸化スズ、硝酸チタン、及びシリコンを含み得る。別の実施形態では、負極は、リチウム金属膜などのリチウム金属、又はリチウムの合金などのリチウム合金、並びにNa、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Al、及びSnからなる群から選択される1つ以上の種類の金属を含むことができる。また別の実施形態では、アノード活物質は、Si、Al、C、Pt、Sn、Pb、Ir、Ni、Cu、Ti、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Sb、Ba、Ra、Ge、Zn、Bi、In、Mg、Ga、Cd、Si合金、Sn合金、Al合金などのような、リチウムとの合金化及び/又はインターカレーションが可能な金属化合物、SiOv(0<v<2),SnO2、酸化バナジウム、又は酸化バナジウムリチウムなどの、リチウムイオンのドープ及び脱ドープが可能な金属酸化物、並びにSi-C複合材料又はSn-C複合材料などの、金属化合物及び炭素材料を含む複合材料を含むことができる。例えば、一実施形態では、リチウム、インジウム、スズ、アルミニウム、若しくはシリコンなどの金属、又はそれらの合金、Li4/3Ti5/3O4又はSnOなどの遷移金属酸化物、並びに人工グラファイト、グラファイト炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コルク、メソ炭素マイクロビーズ(「MCMB」)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、又は天然グラファイトなどの、炭素質材料であり得る。また別の実施形態では、負極活物質は、ナトリウム又はマグネシウムなどのキャリアイオンに好適な組成物を含むことができる。例えば、一実施形態では、負極活物質は、層状炭素質材料と、層状炭素質材料の層間に配設された化学式NaxSny-zMzの組成物と、を含むことができ、式中、Mは、Ti、K、Ge、P、又はそれらの組み合わせであり、0<x≦15、1≦y≦5、及び0≦z≦1である。
一実施形態では、負極活物質は、炭素系材料、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン、活性炭、炭素繊維などの導電性材料及び/又は導電助剤、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのようなカーボンブラック、炭素繊維、金属繊維などのような導電性繊維、カーボンナノチューブなどのような導電性チューブ、フッ化炭素粉末、アルミニウム粉末、ニッケル粉末などのような金属粉末、酸化亜鉛、チタン酸化カリウムなどのような導電性ウィスカ、酸化チタンなどのような導電性金属酸化物、又はポリフェニレン誘導体などのような導電性材料を更に含み得る。加えて、金属メッシュなどの金属繊維、銅、銀、ニッケル、及びアルミニウムなどの金属粉末、又はポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料も使用され得る。また別の実施形態では、例えば、ポリエチレン、酸化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレン-ブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン-ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン-ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン-テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-ペルフルオロメチルビニルエーテルテトラフルオロエチレン共重合体、エチレン-アクリル酸共重合体などのうちの1つ以上などのバインダが提供され得、単独で、又は混合物として使用され得る。
例示的なカソード活物質としては、幅広いカソード活物質のいずれかが挙げられる。例えば、リチウムイオン電池について、カソード活物質は、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属硫化物、及びリチウム遷移金属窒化物から選択されるカソード材料を含み得る。これらの遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、及び遷移金属窒化物の遷移金属元素は、d殻又はf殻を有する金属元素を含むことができる。そのような金属元素の具体例は、Sc、Y、ランタノイド、アクチノイド、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag、及びAuである。追加のカソード活物質としては、LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAlz)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、モリブデン酸硫化物、リン酸塩、ケイ酸塩、バナジウム酸塩、硫黄、硫黄化合物、酸素(空気)、Li(NixMnyCoz)O2、及びそれらの組み合わせが挙げられる。更に、カソード活物質層のための化合物は、リチウム、コバルト、及び酸素を含む化合物(例えば、LiCoO2)、リチウム、マンガン、及び酸素を含む化合物(例えば、LiMn2O4)、並びにリチウム鉄及びリン酸塩を含む化合物(例えば、LiFePO)などの、金属酸化物又は金属リン酸塩を更に含むリチウム含有化合物を含むことができる。一実施形態では、カソード活物質は、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リン酸鉄リチウム、又は前述の酸化物の組み合わせから形成された複合酸化物、のうちの少なくとも1つを含む。別の実施形態では、カソード活物質は、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)などのうちの1つ以上、又は1つ以上の遷移金属を有する置換化合物、Li1+xMn2-xO4(式中、xは、0~0.33)、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2などのようなリチウムマンガン酸化物、リチウム銅酸化物(Li2CuO2)、LiV3O8、LiFe3O4、V2O5、Cu2V2O7などのようなバナジウム酸化物、LiNi1-xMxO2(式中、M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B、又はGaであり、x=0.01~0.3)の化学式によって表されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物、LiMn2ーxMxO2(式中、M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn、又はTaであり、x=0.01~0.1)又はLi2Mn3MO8(式中、M=Fe、Co、Ni、Cu、又はZn)の化学式によって表されるリチウムマンガン複合体酸化物、Liの一部分がアルカリ土類金属イオンで置換されたLiMn2O4、二硫化物化合物、Fe2(MoO4)3などのうちの1つ以上を含むことができる。一実施形態では、カソード活物質は、化学式
Li1+aFe1-xM′x(PO4-b)Xbのオリビン結晶構造を有するリチウム金属リン酸塩を含むことができ、M’は、Al、Mg、Ni、Co、Mn、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Ce、In、Zn、及びYから選択される少なくとも1つであり、Xは、-0.5≦a≦+0.5、0≦x≦0.5、及び0≦b≦0.1で、F、S、及びNから選択される少なくとも1つであり、LiFePO4、Li(Fe,Mn)PO4、Li(Fe,Co)PO4、Li(Fe,Ni)PO4などは、そのような少なくとも1つである。一実施形態では、カソード活物質は、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNi1-yCoyO2、LiCo1-yMnyO2、LiNi1-yMnyO2(0≦y≦1)、Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2,0<b<2,0<c<2、かつa+b+c=2)、LiMn2-zNizO4、LiMn2-zCozO4(0<z<2)、LiCoPO4、及びLiFePO4、又はそれらのうちの2つ以上の混合物、のうちの少なくとも1つを含む。
Li1+aFe1-xM′x(PO4-b)Xbのオリビン結晶構造を有するリチウム金属リン酸塩を含むことができ、M’は、Al、Mg、Ni、Co、Mn、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Ce、In、Zn、及びYから選択される少なくとも1つであり、Xは、-0.5≦a≦+0.5、0≦x≦0.5、及び0≦b≦0.1で、F、S、及びNから選択される少なくとも1つであり、LiFePO4、Li(Fe,Mn)PO4、Li(Fe,Co)PO4、Li(Fe,Ni)PO4などは、そのような少なくとも1つである。一実施形態では、カソード活物質は、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNi1-yCoyO2、LiCo1-yMnyO2、LiNi1-yMnyO2(0≦y≦1)、Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2,0<b<2,0<c<2、かつa+b+c=2)、LiMn2-zNizO4、LiMn2-zCozO4(0<z<2)、LiCoPO4、及びLiFePO4、又はそれらのうちの2つ以上の混合物、のうちの少なくとも1つを含む。
また別の実施形態では、カソード活性物質は、元素硫黄(S8)、硫黄系化合物、又はそれらの混合物を含むことができる。硫黄系化合物は、具体的には、Li2Sn(n≧1)、有機硫黄化合物、炭素-硫黄ポリマー((C2Sx)n:x=2.5~50、n≧2)などであり得る。また別の実施形態では、カソード活物質は、リチウム及びジルコニウムの酸化物を含むことができる。
また別の実施形態では、カソード活物質は、リチウムと、コバルト、マンガン、ニッケルなどの金属又はそれらの組み合わせと、の少なくとも1つの複合酸化物を含むことができ、使用され得、その例は、LiaA1-bMbD2(式中、0.90≦a≦1及び0≦b≦0.5)、LiaE1-bMbO2-cDc(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、及び0≦c≦0.05)、LiE2-bMbO4-cDc(式中、0≦b≦0.5及び0≦c≦0.05)、LiaNi1-b-cCobMcDa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a≦2)、LiaNi1-b-cCobMcO2-aXa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cCobMcO2-aX2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cMnbMcDa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a≦2)、LiaNi1-b-cMnbMcO2-aXa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cMnbMcO2-aX2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNibEcGdO2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、及び0.001≦d≦0.1)、LiaNibCocMndGeO2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、及び0.001≦e≦0.1)、LiaNiGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaCoGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaMnGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaMn2GbO4(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、QO2、QS2、LiQS2、V2O5、LiV2O5、LiX′O2、LiNiVO4、Li(3-f)J2(PO4)3(0≦f≦2)、Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≦f≦2)、及びLiFePO4である。上記の化学式では、Aは、Ni、Co、Mn、又はそれらの組み合わせであり、Mは、Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、希土類元素、又はそれらの組み合わせであり、Dは、O、F、S、P、又はそれらの組み合わせであり、Eは、Co、Mn、又はそれらの組み合わせであり、Xは、F、S、P、又はそれらの組み合わせであり、Gは、Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La,Ce、Sr、V、又はそれらの組み合わせであり、Qは、Ti、Mo、Mn、又はそれらの組み合わせであり、X’は、Cr、V、Fe、Sc、Y、又はそれらの組み合わせであり、Jは、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、又はそれらの組み合わせである。例えば、LiCoO2、LiMnxO2x(x=1又は2)、LiNi1-xMnxO2x(0<x<1)、LiNi1-x-yCoxMnyO2(0≦x≦0.5、0≦y≦0.5)、又はFePO4が使用され得る。一実施形態では、カソード活物質は、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムニッケルコバルト酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物、リチウムマンガン酸化物、又はリン酸鉄リチウム、硫化ニッケル、硫化銅、硫黄、酸化鉄、又は酸化バナジウムなどのリチウム化合物のうちの少なくとも1つを含む。
一実施形態では、カソード活物質は、NaFeO2、NaMnO2、NaNiO2、又はNaCoO2などの化学式NaM1
aO2の酸化物のうちの少なくとも1つ、又は化学式NaMn1-aM1
aO2によって表される酸化物などの、ナトリウム含有材料を含むことができ、式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1である。代表的な正の活物質としては、Na[Ni1/2Mn1/2]O2、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2など、Na0.44Mn1-aM1
aO2によって表される酸化物、Na0.7Mn1-aM1
aO2.05によって表される酸化物(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1である)、Na6Fe2Si12O30又はNa2Fe5Si12OとしてのNabM2
cSi12O30によって表される酸化物(式中、M2は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦b≦6、及び2≦c≦5である)、Na2Fe2Si6O18又はNa2MnFeSi6O18などのNadM3
eSi6O18によって表される酸化物(式中、M3は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、3≦d≦6、及び1≦e≦2である)、Na2FeSiO6などのNafM4
gSi2O6によって表される酸化物(式中、M4は、遷移金属元素、マグネシウム(Mg)、及びアルミニウム(Al)から選択された少なくとも1つの元素であり、1≦f≦2、1≦g≦2である)、NaFePO4、Na3Fe2(PO4)3、Na3V2(PO4)3、Na4Co3(PO4)2P2O7などのようなリン酸塩、NaFeBO4又はNa3Fe2(BO4)3などのホウ酸塩、Na3FeF6又はNa2MnF6などのNahM5F6によって表されるフッ化物(式中、M5は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦h≦3である)、Na3V2(PO4)2F3、Na3V2(PO4)2FO2などのようなフルオロリン酸塩が挙げられる。正の活物質は、前述のものに限定されず、当該技術分野で使用される任意の好適な正の活物質を使用することができる。一実施形態では、正の活物質としては、好ましくは、NaMnO2、Na[Ni1/2Mn1/2]O2及びNa2/3[Fe1/2Mns1/2]O2などの層状型酸化物カソード材料、Na3V2(PO4)3及びNa4Co3(PO4)2P2O7などのリン酸塩カソード、又はNa3V2(PO4)2F3及びNa3V2(PO4)2FO2などのフルオロリン酸塩カソードが挙げられる。
一実施形態では、電極集電体は、負極集電体を含むことができ、金属材料などの好適な導電性材料を含むことができる。例えば、一実施形態では、負極集電体は、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、パラジウム、焼成炭素、か焼炭素、インジウム、鉄、マグネシウム、コバルト、ゲルマニウム、銅又はステンレス鋼の表面処理材料(リチウム、炭素、ニッケル、チタン、銀、アルミニウム-カドミウム合金、及び/又はそれらの他の合金を有する)のうちの少なくとも1つを含むことができる。別の例として、一実施形態では、負極集電体は、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅又はステンレス鋼の表面処理材料(炭素、ニッケル、チタン、銀、アルミニウム-カドミウム合金、及び/又はそれらの他の合金を有する)のうちの少なくとも1つを含む。一実施形態では、負極集電体は、銅及びステンレス鋼のうちの少なくとも1つを含む。
一実施形態では、対向電極集電体は、正極集電体を含むことができ、金属材料などの好適な導電性材料を含むことができる。一実施形態では、正極集電体は、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼結炭素、アルミニウム又はステンレス鋼の表面処理材料(炭素、ニッケル、チタン、銀、及び/又はそれらの合金を有する)のうちの少なくとも1つを含む。一実施形態では、正極集電体は、アルミニウムを含む。
また別の実施形態では、カソード活物質は、例えば本明細書にアノード活物質について記載される導電助剤及び/又はバインダのいずれかであり得る、導電助剤及び/又はバインダのうちの1つ以上を更に含むことができる。
特定の実施形態によれば、電気絶縁セパレータ層130が、電極構造110の各構成単位を対向電極構造112群の各構成単位から電気的に絶縁し得る。電気絶縁セパレータ層は、電気的短絡を防止しながら、電気化学セルにおける電流の通過中に回路を閉じるために必要であるイオン電荷キャリアの輸送を可能にもするように設計されている。一実施形態では、電気絶縁セパレータ層は、微小孔性であり、電解質、例えば非水性液体電解質又はゲル電解質を透過する。代替的に、電気絶縁セパレータ層は、電池におけるセパレータ及び電解質の両方として機能し得る固体電解質、すなわち固体イオン導体を含み得る。
特定の実施形態では、電気絶縁セパレータ層130は、典型的には、非水性電解質を透過させることができる微小孔性セパレータ材料を含むであろう。例えば、一実施形態では、微小孔性セパレータ材料は、少なくとも50Å、より典型的には約2,500Åの範囲の径と、約25%~約75%の範囲、より典型的には約35~55%の範囲の多効率と、を有する細孔を含む。追加的に、微小孔性セパレータ材料は、非水性電解質を透過させて、電極群及び対向電極群の隣接する構成単位間のキャリアイオンの伝導を許容してもよい。特定の実施形態では、例えば、微小孔性セパレータ材料の多効率を無視し、充電サイクル又は放電サイクル中のイオン交換のための、電極構造110群の構成単位と対向電極構造112群の最も近い構成単位と(すなわち、「隣接する対」)の間の電気絶縁セパレータ材料の少なくとも70体積%は、微小孔性セパレータ材料であり、言い方を変えれば、微小孔性セパレータ材料は、電極構造110群の構成単位と対向電極構造112群の最も近い構成単位との間の電気絶縁材料の少なくとも70体積%を構成する。
一実施形態では、微小孔性セパレータ材料は、粒子状材料及びバインダを含み、少なくとも約20体積%の多孔率(空間率)を有する。微小孔性セパレータ材料の細孔は、少なくとも50Åの径を有するであろうし、典型的には、約250~2,500Åの範囲内に入るであろう。微多孔性セパレータ材料は、典型的には、約75%未満の多効率を有するであろう。一実施形態では、微小孔性セパレータ材料は、少なくとも約25体積%の多孔率(空間率)を有する。一実施形態では、微小孔性セパレータ材料は、約35~55%の多孔率を有するであろう。
微小孔性セパレータ材料のためのバインダは、広範囲の無機材料又は高分子材料から選択され得る。例えば、一実施形態では、バインダは、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンなどを含有するモノマーに由来するフルオロポリマーなどの有機高分子材料であり得る。別の実施形態では、バインダは、様々な分子量及び密度の範囲のいずれかを有する、ポリエチレン、ポリプロピレン、又はポリブテンなどのポリオレフィンである。別の実施形態では、バインダは、エチレン-ジエン-プロペンターポリマー、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、及びポリエチレングリコールジアクリレートからなる群から選択される。別の実施形態では、バインダは、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンポリアクリロニトリル、及び酸化ポリエチレンからなる群から選択される。別の実施形態では、バインダは、アクリレート、スチレン、エポキシ、及びシリコーンからなる群から選択される。他の好適なバインダは、フッ化ポリビニリデン-co-ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ポリビニリデン-co-トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアセテート、ポリエチレン-co-ビニルアセテート、酸化ポリエチレン、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオン酸塩、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリル-スチレン-ブタジエン共重合体、ポリイミド、又はそれらの混合物から選択され得る。また別の実施形態では、バインダは、フッ化ポリビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ポリビニリデン-トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアセテート、エチレンビニルアセテート共重合体、酸化ポリエチレン、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオン酸塩、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、プルラン、カルボキシルメチルセルロース、アクリロニトリルスチレンブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、酸化ポリフェニレン、硫化ポリフェニレン、ポリエチレンナフタレン、及び/又はそれらの組み合わせのいずれかから選択され得る。別の実施形態では、バインダは、前述のポリマーのうちの2つ以上の共重合体又はブレンドである。
微小孔性セパレータ材料によって構成される粒子材料はまた、幅広い材料から選択され得る。一般に、そのような材料は、動作温度で比較的低い電子伝導率及びイオン伝導率を有し、微小孔性セパレータ材料に接触する電池電極又は集電体の動作電圧下で腐食しない。例えば、一実施形態では、粒子材料は、1×10-4S/cm未満のキャリアイオン(例えば、リチウム)に対する伝導率を有する。更なる例として、一実施形態では、粒子材料は、1×10-5S/cm未満のキャリアイオンに対する伝導率を有する。更なる例として、一実施形態では、粒子材料は、1×10-6S/cm未満のキャリアイオンに対する伝導率を有する。例えば、一実施形態では、バインダは、ケイ酸塩、リン酸塩、アルミン酸塩、アルミノケイ酸塩、及び水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの水酸化物からなる群から選択される有機材料である。例示的な粒子材料としては、粒子状ポリエチレン、ポリプロピレン、TiO2-ポリマー複合体、シリカエアロゲル、フュームドシリカ、シリカゲル、シリカヒドロゲル、シリカキセロゲル、シリカゾル、コロイド状シリカ、アルミナ、チタニア、マグネシア、カオリン、タルク、珪藻土、ケイ酸カルシウム、ケイ酸アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、又はそれらの組み合わせが挙げられる。例えば、一実施形態では、粒子材料は、TiO2、SiO2、Al2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、BaO、ZnO、ZrO2、BN、Si3N4、Ge3N4などの粒子状の酸化物又は窒化物を含む。例えば、P.Arora and J.Zhang,“Battery Separators”Chemical Reviews 2004,104,4419-4462を参照のこと)。他の好適な粒子は、BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT)、PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、ハフニア(HfO2)、SrTiO3、SnO2、CeO2、MgO、NiO、CaO、ZnO、ZrO2、Y2O3、Al2O3、TiO2、SiC、又はそれらの混合物を含むことができる。一実施形態では、粒子材料は、約20nm~2マイクロメートル、より典型的には200nm~1.5マイクロメートルの平均粒径を有するであろう。一実施形態では、粒子材料は、約500nm~1マイクロメートルの平均粒径を有するであろう。
組み立てられたエネルギー貯蔵デバイスの一実施形態によれば、微小孔性セパレータ材料は、二次電池電解質としての使用に好適な非水性電解質を透過する。典型的には、非水性電解質は、有機溶媒及び/又は溶媒混合物に溶解したリチウム塩及び/又は塩の混合物を含む。例示的なリチウム塩としては、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCl、及びLiBrなどの無機リチウム塩、並びにLiB(C6H5)4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF3)3、LiNSO2CF3、LiNSO2CF5、LiNSO2C4F9、LiNSO2C5F11、LiNSO2C6F13、及びLiNSO2C7F15などの有機リチウム塩が挙げられる。また別の例として、電解質は、例えば、NaClO4、NaPF6、NaBF4、NaCF3SO3、NaN(CF3SO2)2、NaN(C2F5SO2)2、NaC(CF3SO2)3のうちのいずれか1つ以上などの、電解質に溶解したナトリウムイオンを含むことができる。マグネシウム及び/又はカリウムの塩を同様に提供することができる。例えば、塩化マグネシウム(MgCl2)、臭化マグネシウムMgBr2)、又はヨウ化マグネシウム(MgI2)などのマグネシウム塩を提供してもよく、かつ/又は過塩素酸マグネシウム(Mg(ClO4)2)、硝酸マグネシウム(Mg(NO3)2)、硫酸マグネシウム(MgSO4)、テトラフルオロホウ酸マグネシウム(Mg(BF4)2)、テトラフェニルホウ酸マグネシウム(Mg(B(C6H5)4)2、ヘキサフルオロリン酸マグネシウム(Mg(PF6)2)、ヘキサフルオロヒ酸マグネシウム(Mg(AsF6)2)、ペルフルオロアルキルスルホン酸マグネシウム((Mg(Rf1SO3)2)であって、Rf1は、ペルフルオロアルキル基である)、ペルフルオロアルキルスルフォニルイミドマグネシウム(Mg((Rf2SO2)2N)2であって、Rf2は、ペルフルオロアルキル基である)、及びヘキサアルキルジシラジド((Mg(HRDS)2)であって、Rは、アルキル基である)からなる群から選択される少なくとも1つであり得るマグネシウム塩も同様である。リチウム塩を溶解するための例示的な有機溶媒としては、環状エステル、鎖状エステル、環状エーテル、及び鎖状エーテルが挙げられる。環状エステルの具体例としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、ビニレンカーボネート、2-メチル-γ-ブチロラクトン、アセチル-γ-ブチロラクトン、及びγ-バレロラクトンが挙げられる。鎖状エステルの具体例としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、メチルブチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルプロピルカーボネート、アルキルプロピオン酸塩、ジアルキルマロネート、及びアルキルアセテートが挙げられる。環状エーテルの具体例としては、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、ジアルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、アルキル-1,3-ジオキソラン、及び1,4-ジオキソランが挙げられる。鎖状エーテルの具体例としては、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル、及びテトラエチレングリコールジアルキルエーテルが挙げられる。
また別の実施形態では、電気絶縁セパレータ130は、例えば、固体電池におけるのと同様に、固体電解質を含む。一般的に言えば、固体電解質は、液体電解質又はゲル電解質の添加を必要とせずに、キャリアイオンの輸送を容易にすることができる。特定の実施形態によれば、固体電解質が提供される場合、固体電解質は、それ自体、電極間に絶縁体を提供し、かつ絶縁体を通したキャリアイオンの通過を可能にすることが可能であり得、構造を透過する液体電解質の添加を必要としない場合がある。
一実施形態では、二次電池102は、有機液体電解質、無機液体電解質、水性電解質、非水性電解質、固体ポリマー電解質、固体セラミック電解質、固体ガラス電解質、ガーネット電解質、ゲルポリマー電解質、無機固体電解質、溶融型無機電解質などのいずれかであり得る電解質を含むことができる。また、液体電解質の有無にかかわらず、電気絶縁セパレータ130の他の配置及び/又は構成が提供されてもよい。一実施形態では、固体電解質は、電気絶縁を提供しながら、キャリアイオンを通過伝導させることができるセラミック材料又はガラス材料を含むことができる。イオン伝導材料の例としては、ガーネット材料、硫化ガラス、リチウムイオン伝導ガラスセラミック、又はリン酸塩セラミック材料が挙げられ得る。一実施形態では、固体ポリマー電解質は、酸化ポリエチレン(PEO)系、ポリビニルアセテート(PVA)系、ポリエチレンイミン(PEI)系、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)系、ポリアクリロニトリル(PAN)系、LiPON(リチウムリン酸窒化物)、及びポリメチルメタクリレート(PMMA)系のポリマー又はそれらの共重合体から形成されるポリマーのいずれかを含むことができる。別の実施形態では、Li2S及びP2S5、並びに/又はSiS2、GeS2、Li3PS4、Li4P2S7、Li4SiS4、Li2S-P2S5、及び50Li4SiO4.50Li3BO3、及び/又はB2S3などの他の硫化物のうちの少なくとも1つなどの、リチウム及び/又はリンの、のうちの少なくとも1つを含む硫化物系固体電解質などの硫化物系固体電解質が提供され得る。固体電解質のまた他の実施形態としては、Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N-LiI-LiOH、LiSiO4、LiSiO4-LiI-LiOH、Li2SiS3、Li4SiO4、Li4SiO4-LiI-LiOH、及びLi3PO4-Li2S-SiS2、Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-L4SiO4、Li2S-Ga2S3-GeS2、Li2S-Sb2S3-GeS2、Li3.25-Ge0.25-P0.75S4、(La,Li)TiO3(LLTO)、Li6La2CaTa2O12、Li6La2ANb2O12(A=Ca,Sr)、Li2Nd3TeSbO12、Li3BO2.5N0.5、Li9SiAlO8、Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(LAGP)、Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(LATP)、Li1+xTi2-xAlxSiy(PO4)3-y、LiAlxZr2-x(PO4)3、LiTixZr2-x(PO4)3などのリチウム(Li)の窒化物、ハロゲン化物、及び硫化物が挙げられ得、固体電解質のまた他の実施形態としては、例えば、米国特許第10,361,455号に記載されているような、ガーネット材料が挙げられ得、これは、その全体が本明細書に組み込まれる。一実施形態では、ガーネット固体電解質は、一般の化学式X3Y2(SiO4)3を有するネソケイ酸塩であり、式中、Xは、Ca、Mg、Fe、又はMnなどの二価カチオンであり得るか、又はYは、Al、Fe、又はCrなどの三価カチオンであり得る。
実施形態
以下の列挙実施形態1~157は、本開示による実施形態を記載する。
以下の列挙実施形態1~157は、本開示による実施形態を記載する。
実施形態1:キャリアイオン源を含む補助電極から電極アセンブリにキャリアイオンを移送するための方法であって、
電極アセンブリが、積層方向に連続して積層された単位セルの群、及び多孔質電気絶縁材料を含み、(i)各単位セルが、電極構造、対向電極構造、及び電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータを備え、(ii)各単位セル内の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)垂直方向が、積層方向に直交し、(iv)多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の上側端面又は下側端面を覆い、(v)多孔質電気絶縁材料が、多孔率を有し、
方法が、多孔質電気絶縁材料を通して補助電極から単位セル群の構成単位にキャリアイオンを移送することを含む、方法。
電極アセンブリが、積層方向に連続して積層された単位セルの群、及び多孔質電気絶縁材料を含み、(i)各単位セルが、電極構造、対向電極構造、及び電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータを備え、(ii)各単位セル内の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)垂直方向が、積層方向に直交し、(iv)多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の上側端面又は下側端面を覆い、(v)多孔質電気絶縁材料が、多孔率を有し、
方法が、多孔質電気絶縁材料を通して補助電極から単位セル群の構成単位にキャリアイオンを移送することを含む、方法。
実施形態2:充電状態と放電状態との間をサイクリングするための二次電池のための電極アセンブリであって、電極アセンブリが、
積層方向に連続して積層された単位セルの群、及び多孔質電気絶縁材料を備え、(i)各単位セルが、電極構造、対向電極構造、及び電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータを備え、(ii)各単位セル内の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)垂直方向が、積層方向に直交し、(iv)多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の上側端面又は下側端面を覆い、(v)多孔質電気絶縁材料が、多孔率を有する、電極アセンブリ。
積層方向に連続して積層された単位セルの群、及び多孔質電気絶縁材料を備え、(i)各単位セルが、電極構造、対向電極構造、及び電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータを備え、(ii)各単位セル内の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)垂直方向が、積層方向に直交し、(iv)多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の上側端面又は下側端面を覆い、(v)多孔質電気絶縁材料が、多孔率を有する、電極アセンブリ。
実施形態3:実施形態2に記載の電極アセンブリを備える、二次電池。
実施形態4:多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の上側端面及び下側端面の両方を覆う、実施形態1~3のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態5:多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の両方の上側垂直端面又は下側垂直端面を覆う、実施形態1~4のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態6:多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の電極構造又は対向電極構造の両方の上側端面及び下側端面の両方を覆う、実施形態1~5のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態7:キャリアイオンを移送して、所定の対向電極構造端部の放電電圧Vces eodと、所定の電極構造端部の放電電圧Ves,eodと、を達成及び/又は復元する、実施形態1及び4~6のいずれか1つに記載の方法。
実施形態8:キャリアイオンを移送して、SEIの形成において失われたキャリアイオンを補充する、実施形態1及び4~7のいずれか1つに記載の方法。
実施形態9:電極アセンブリによって実行される初期又は後続の充電サイクル中に、キャリアイオンを移送して、キャリアイオンの損失を補償する、実施形態1及び4~8のいずれか1つに記載の方法。
実施形態10:方法が、(i)初期又は後続の充電サイクル中に、単位セル群において対向電極構造から電極構造にキャリアイオンを移送して、電極アセンブリを少なくとも部分的に充電することと、(ii)多孔質電気絶縁材料を通して、補助電極から対向電極構造及び/又は電極構造にキャリアイオンを移送して、電極アセンブリに、所定の対向電極構造端部の放電電圧Vces,eodと、所定の電極構造端部の放電電圧Ves,eodと、を提供することと、を含む、実施形態1及び4~9のいずれか1つに記載の方法。
実施形態11:プロセスが、(iii)(ii)の後、単位セル群の構成単位の対向電極構造から電極構造にキャリアイオンを移送して、電極アセンブリを充電することを更に含む、実施形態1及び4~10のいずれか1つに記載の方法。
実施形態12:(ii)が(i)と同時に行われる、実施形態1及び4~11のいずれか1つに記載の方法。
実施形態13:(ii)において、補助電極と、単位セル群の構成単位の電極構造及び/又は対向電極構造と、の間にバイアス電圧を印加して、多孔質電気絶縁材料部材を通るキャリアイオンの流れを提供する、実施形態1及び4~12のいずれか1つに記載の方法。
実施形態14:単位セル群の構成単位が、反対側にある上側及び下側垂直端面を含む上側縁部及び下側縁部を有し、同じ単位セル群構成単位内の電極構造及び対向電極構造の上側垂直端面が、互いに垂直にオフセットして上側凹部を形成し、同じ単位セル群構成単位内の電極構造及び対向電極構造の下側垂直端面が、互いに垂直にオフセットして下側凹部を形成し、対向電極構造の上側端面及び下側端面が、同じ単位セル群構成単位内のそれぞれの電極構造の上側及び下側垂直端面に対して垂直に内側にオフセットしており、多孔質電気絶縁材料が、上側凹部及び下側凹部のうちの少なくとも1つ内に位置する、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態15:多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の上側凹部及び下側凹部を実質的に満たしている、実施形態14に記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態16:単位セル群の構成単位について、電極構造及び/又は対向電極構造の上側端面及び/又は下側端面を覆う多孔質電気絶縁材料の少なくとも一部分が、電気絶縁セパレータに隣接する、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態17:多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位における電極構造の上側端面及び下側端面に対して内側に配設されており、かつ対向電極構造に面する電気絶縁セパレータの側面に当接している、上側凹部及び下側凹部の領域を実質的に満たしている、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態18:単位セル群の構成単位の電極構造が、電極活物質層及び電極集電体層を備え、単位セル群の構成単位の対向電極構造が、対向電極活物質層及び対向電極集電体層を備え、多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の対向電極活物質層の上側端面及び下側端面を覆う、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態19:多孔質電気絶縁材料が、少なくとも25%の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態20:多孔質電気絶縁材料が、少なくとも30%の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態21:多孔質電気絶縁材料が、少なくとも35%の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態22:多孔質電気絶縁材料が、少なくとも40%の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態23:多孔質電気絶縁材料が、少なくとも45%の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態24:多孔質電気絶縁材料が、少なくとも50%の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態25:多孔質電気絶縁材料が、少なくとも55%の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態26:多孔質電気絶縁材料が、55%以下の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態27:多孔質電気絶縁材料が、50%以下の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態28:多孔質電気絶縁材料が、45%以下の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態29:多孔質電気絶縁材料が、40%以下の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態30:多孔質電気絶縁材料が、35%以下の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態31:電気絶縁セパレータが、微小孔性であり、多孔質電気絶縁材料の多孔率と電気絶縁セパレータの多孔率との比が1:0.75~1:1.5の範囲にある、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態32:多孔質電気絶縁材料が、バインダ材料中に分散した粒子材料を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態33:粒子材料が、安定した金属酸化物及び/又はセラミックを含む、実施形態32に記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態34:粒子材料が、アルミナ、窒化ホウ素、チタニア、シリカ、ジルコニア、酸化マグネシウム、及び酸化カルシウムのうちのいずれか1つ以上を含む、実施形態32又は33に記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態35:粒子材料が、アルミナを含む、実施形態32~34のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態36:粒子材料が、少なくとも0.35ミクロンのd50粒径(中央値粒径)を有する粒子を含む、実施形態32~35のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態37:粒子材料が、少なくとも0.45ミクロンのd50粒径(中央値粒径)を有する粒子を含む、実施形態32~36のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態38:粒子材料が、少なくとも0.5ミクロンのd50粒径(中央値粒径)を有する粒子を含む、実施形態32~37のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態39:粒子材料が、少なくとも0.75ミクロンのd50粒径(中央値粒径)を有する粒子を含む、実施形態32~38のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態40:粒子材料が、40ミクロン以下のd50粒径(中央値粒径)を有する粒子を含む、実施形態32~39のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態41:粒子材料が、35ミクロン以下のd50粒径(中央値粒径)を有する粒子を含む、実施形態32~40のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態42:粒子材料が、25ミクロン以下のd50粒径(中央値粒径)を有する粒子を含む、実施形態32~41のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態43:粒子材料が、20ミクロン以下のd50粒径(中央値粒径)を有する粒子を含む、実施形態32~42のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態44:粒子の少なくとも80重量%が、少なくとも0.35ミクロンの粒径を有する、実施形態32~43のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態45:粒子の少なくとも85重量%が、少なくとも0.35ミクロンの粒径を有する、実施形態32~44のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態46:粒子の少なくとも90重量%が、少なくとも0.35ミクロンの粒径を有する、実施形態32~45のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態47:粒子の少なくとも95重量%が、少なくとも0.35ミクロンの粒径を有する、実施形態32~46のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態48:粒子の少なくとも80重量%が、少なくとも少なくとも0.45ミクロンの粒径を有する、実施形態32~47のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態49:粒子の少なくとも85重量%が、少なくとも0.45ミクロンの粒径を有する、実施形態32~48のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態50:粒子の少なくとも90重量%が、少なくとも0.45ミクロンの粒径を有する、実施形態32~49のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態51:粒子の少なくとも95重量%が、少なくとも0.45ミクロンの粒径を有する、実施形態32~50のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態52:粒子の少なくとも80重量%が、少なくとも0.5ミクロンの粒径を有する、実施形態32~51のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態53:粒子の少なくとも85重量%が、少なくとも0.5ミクロンの粒径を有する、実施形態32~52のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態54:粒子の少なくとも90重量%が、少なくとも0.5ミクロンの粒径を有する、実施形態32~53のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態55:粒子の少なくとも95重量%が、少なくとも0.5ミクロンの粒径を有する、実施形態32~54のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態56:粒子の少なくとも80重量%が、少なくとも0.75ミクロンの粒径を有する、実施形態32~55のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態57:粒子の少なくとも85重量%が、少なくとも0.75ミクロンの粒径を有する、実施形態32~56のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態58:粒子の少なくとも90重量%が、少なくとも0.75ミクロンの粒径を有する、実施形態32~57のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態59:粒子の少なくとも95重量%が、少なくとも0.75ミクロンの粒径を有する、実施形態32~58のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態60:粒子の少なくとも80重量%が、40ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~59のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態61:粒子の少なくとも85重量%が、40ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~60のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態62:粒子の少なくとも90重量%が、40ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~61のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態63:粒子の少なくとも95重量%が、40ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~62のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態64:粒子の少なくとも80重量%が、35ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~63のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態65:粒子の少なくとも85重量%が、35ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~64のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態66:粒子の少なくとも90重量%が、35ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~65のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態67:粒子の少なくとも95重量%が、35ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~66のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態68:粒子の少なくとも80重量%が、25ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~67のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態69:粒子の少なくとも85重量%が、25ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~68のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態70:粒子の少なくとも90重量%が、25ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~69のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態71:粒子の少なくとも95重量%が、25ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~70のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態72:粒子の少なくとも80重量%が、20ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~71のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態73:粒子の少なくとも85重量%が、25ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~72のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態74:粒子の少なくとも90重量%が、25ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~73のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態75:粒子の少なくとも95重量%が、25ミクロン以下の粒径を有する、実施形態32~74のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態76:粒子材料が、多孔質電気絶縁材料の少なくとも70重量%を含む、実施形態32~75のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態77:粒子材料が、多孔質電気絶縁材料の少なくとも75重量%を含む、実施形態32~76のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態78:粒子材料が、多孔質電気絶縁材料の少なくとも80重量%を含む、実施形態32~77のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態79:粒子材料が、多孔質電気絶縁材料の少なくとも85重量%を含む、実施形態32~78のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態80:粒子材料が、多孔質電気絶縁材料の99.5重量%以下を含む、実施形態32~79のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態81:粒子材料が、多孔質電気絶縁材料の97重量%以下を含む、実施形態32~80のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態82:粒子材料が、多孔質電気絶縁材料の95重量%以下を含む、実施形態32~81のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態83:粒子材料が、多孔質電気絶縁材料の90重量%以下を含む、実施形態32~82のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態84:バインダ材料が、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンアクリル酸(EAA)、エチレンメタクリル酸(EMAA)、及びそれらの共重合体からなる群のいずれかから選択されるポリマー材料を含む、実施形態32~83のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態85:電極アセンブリが、巻回された電極アセンブリの中心軸の周りの単位セル群の構成単位の電極構造及び対向電極構造の複数の巻回を有する巻回された電極アセンブリを含み、巻回された電極アセンブリの垂直方向が、中心軸に平行であり、更に、単位セル群の構成単位の対向電極構造が、巻回された電極アセンブリの中心領域における対向電極構造の第1の端部から、及び各巻回に沿って、電極アセンブリの外部領域における対向電極構造の第2の端部まで延在する長さLCEを含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態86:巻回された電極アセンブリが円筒形状を有する、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態87:電極アセンブリが、仮想の三次元デカルト座標系のx軸、y軸及びz軸にそれぞれ対応する相互に垂直な横方向軸、縦方向軸、及び垂直軸であって、第1の縦方向端面及び第2の縦方向端面が、縦方向に互いに分離されている、横方向軸、縦方向軸、及び垂直軸と、電極アセンブリの縦方向軸AEAを取り囲み、かつ第1及び第2の縦方向端面を接続するラテラル面であって、ラテラル面が、縦方向軸の両側に反対側にある第1及び第2の領域を有し、かつ縦方向軸に直交する第1の方向に分離されており、電極アセンブリが、縦方向に測定される最大幅WEAと、ラテラル面によって境界が定められ、かつ横方向に測定される最大長さLEAと、ラテラル面によって境界が定められ、かつ垂直方向に測定される最大高さHEAと、を有する、ラテラル面と、を有し、更に、
単位セル群の構成単位の各電極構造が、電極構造の第1及び第2の反対側にある横方向端面間の横方向に測定される長さLEと、電極構造の上側及び下側の反対側にある垂直端面間の垂直方向に測定される高さHEと、電極構造の第1及び第2の反対側にある表面間の縦方向に測定される幅WEと、を含み、単位セル群の構成単位の各対向電極構造が、対向電極構造の第1及び第2の反対側にある横方向端面間の横方向に測定される長さLCEと、対向電極構造の上側及び下側垂直端面間の垂直方向に測定される高さHCEと、対向電極構造の第1及び第2の反対側にある表面間の縦方向に測定される幅WCEと、を含み、
単位セル群の構成単位の電極構造について、LEとWE及びHEの各々との比は、それぞれ、少なくとも5:1であり、HEとWEとの比は、約2:1~約100:1の範囲にあり、単位セル群の構成単位の対向電極構造について、LCEとWCE及びHCEの各々との比は、それぞれ、少なくとも5:1であり、HCEとWCEとの比は、約2:1~約100:1の範囲にある、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
単位セル群の構成単位の各電極構造が、電極構造の第1及び第2の反対側にある横方向端面間の横方向に測定される長さLEと、電極構造の上側及び下側の反対側にある垂直端面間の垂直方向に測定される高さHEと、電極構造の第1及び第2の反対側にある表面間の縦方向に測定される幅WEと、を含み、単位セル群の構成単位の各対向電極構造が、対向電極構造の第1及び第2の反対側にある横方向端面間の横方向に測定される長さLCEと、対向電極構造の上側及び下側垂直端面間の垂直方向に測定される高さHCEと、対向電極構造の第1及び第2の反対側にある表面間の縦方向に測定される幅WCEと、を含み、
単位セル群の構成単位の電極構造について、LEとWE及びHEの各々との比は、それぞれ、少なくとも5:1であり、HEとWEとの比は、約2:1~約100:1の範囲にあり、単位セル群の構成単位の対向電極構造について、LCEとWCE及びHCEの各々との比は、それぞれ、少なくとも5:1であり、HCEとWCEとの比は、約2:1~約100:1の範囲にある、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態88:多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の対向電極構造の少なくとも50%延在する、実施形態85~87のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態89:多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の対向電極構造の少なくとも60%延在する、実施形態85~88のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態90:多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成要素の対向電極構造の少なくとも75%延在する、実施形態85~89のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態91:多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の対向電極構造の少なくとも85%延在する、実施形態85~90のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態92:多孔質電気絶縁材料が、単位セル群の構成単位の対向電極構造の少なくとも90%延在する、実施形態85~91のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態93:単位セル群の構成単位の各電極構造が、電極活物質の層を備え、単位セル群の構成単位の各対向電極構造が、対向電極活物質の層を備え、単位セルの構成単位における隣接する電極活物質層及び対向電極活物質層について、
a.対向電極活物質層の上側垂直端面が、電極活物質層及びセパレータの上側垂直端面に対して内側に配設された第1の凹部を備え、
b.対向電極活物質層の下側垂直端面が、電極活物質層及びセパレータの下側垂直端面に対して内側に配設された第2の凹部を備え、
c.多孔質電気絶縁材料が、電気絶縁セパレータに隣接して、かつ対向電極活物質層の上側垂直端面の第1の凹部内に配設されており、多孔質電気絶縁材料が、電気絶縁セパレータに隣接して、かつ対向電極活物質層の下側垂直端面の第2の凹部内に配設されている、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
a.対向電極活物質層の上側垂直端面が、電極活物質層及びセパレータの上側垂直端面に対して内側に配設された第1の凹部を備え、
b.対向電極活物質層の下側垂直端面が、電極活物質層及びセパレータの下側垂直端面に対して内側に配設された第2の凹部を備え、
c.多孔質電気絶縁材料が、電気絶縁セパレータに隣接して、かつ対向電極活物質層の上側垂直端面の第1の凹部内に配設されており、多孔質電気絶縁材料が、電気絶縁セパレータに隣接して、かつ対向電極活物質層の下側垂直端面の第2の凹部内に配設されている、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態94:二次電池が、電極制約のセットを更に備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態95:電極制約のセットが、第1及び第2の一次成長制約と少なくとも1つの一次接続部材とを備える一次成長制約システムを備え、第1及び第2の一次成長制約が、積層方向に互いに分離されており、少なくとも1つの一次接続部材が、第1及び第2の一次成長制約とを接続しており、一次成長制約システムが、積層方向での電極アセンブリの成長を抑制する、実施形態94に記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態96:電極制約のセットが、垂直方向に分離され、かつ単位セルの群の構成単位の電極集電体に接続された第1及び第2の二次成長制約を備える二次成長制約システムを備え、二次成長制約システムが、電極アセンブリのサイクリング時に、垂直方向での電極アセンブリの成長を少なくとも部分的に抑制する、実施形態94又は95に記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態97:第1及び第2の二次成長制約が、第1及び第2の二次成長制約のそれぞれの垂直厚さを貫いて形成された開口部を備え、開口部の少なくとも一部分が、垂直方向に多孔質電気絶縁材料上に位置合わせされており、キャリアイオンが、開口部を介して補助電極から、多孔質電気絶縁材料を通して、電極構造及び/又は対向電極構造に移送される、実施形態94~96のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態98:(i)電極構造が、アノード構造であり、対向電極構造が、カソード構造であるか、又は(ii)電極構造が、カソード構造であり、対向電極構造が、アノード構造である、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態99:電極構造が、アノード活物質層を備えるアノード構造であり、対向電極構造が、カソード活物質層を備えるカソード構造である、実施形態98に記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態100:電極アセンブリが、封止された電池筐体で包含される、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態101:キャリアイオン及び電極制約のセットが、封止された電池筐体内に包含される、実施形態100に記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態102:電極構造が、アノード活物質であって、炭素材料、グラファイト、軟質炭素若しくは硬質炭素、金属、半金属、合金、酸化物、リチウムとの合金を形成することができる化合物、スズ、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、シリコン、Si/C複合材料、Si/グラファイトブレンド、SiOx、多孔質Si、金属間Si合金、インジウム、ジルコニウム、ゲルマニウム、ビスマス、カドミウム、アンチモン、銀、亜鉛、ヒ素、ハフニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、チタン酸リチウム、パラジウム、リチウム金属、炭素、石油コークス、活性炭、グラファイト、シリコン化合物、シリコン合金、スズ化合物、非グラファイト化性炭素、グラファイト系炭素、LixFe2O3(0≦x≦1)、LixWO2(0≦x≦1)、SnxMe1-xMe’yOz(Me:Mn、Fe、Pb、Ge;Me’:Al、B、P、Si、周期表中の1族、2族、及び3族に見出される元素、ハロゲン、0<x≦1、1≦y≦3、1≦z≦8)、リチウム合金、シリコン系合金、スズ系合金、金属酸化物、SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5、導電性ポリマー、ポリアセチレン、Li-Co-Ni系材料、結晶グラファイト、天然グラファイト、合成グラファイト、非晶質炭素、キッシュグラファイト、熱分解性炭素、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソ炭素マイクロビーズ、メソフェーズピッチ、グラファイト化炭素繊維、高温焼結炭素、石油、コールタールピッチ由来のコークス、酸化スズ、硝酸チタン、リチウム金属膜、リチウムと、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Al、及びSnからなる群から選択される1つ以上の種類の金属と、の合金、Si、Al、C、Pt、Sn、Pb、Ir、Ni、Cu、Ti、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Sb、Ba、Ra、Ge、Zn、Bi、In、Mg、Ga、Cdのいずれかから選択されてリチウムとの合金化及び/若しくはインターカレーションが可能な金属化合物、Sn合金、Al合金、リチウムイオンをドープ及び脱ドープすることができる金属酸化物、SiOv(0<v<2)、SnO2、バナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物、金属化合物及び炭素材料を含む複合材料、Si-C複合材料、Sn-C複合材料、遷移金属酸化物、Li4/3Ti5/3O4、SnO、炭素質材料、グラファイト炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コルク、メソ炭素マイクロビーズ(「MCMB」)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、又は天然グラファイト、及び層状炭素質材料の層の間に配設された化学式NaxSny-zMzの組成物であって、Mが、Ti、K、Ge、P、若しくはそれらの組み合わせであり、かつ0<x≦15、1≦y≦5、及び0≦z≦1である、組成物、並びに前述のもののうちのいずれかの酸化物、合金、窒化物、フッ化物、及び前述のもののうちのいずれかの任意の組み合わせ、のうちのいずれか1つ以上を含むアノード活物質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態103:電極構造が、リチウム金属、リチウム金属合金、シリコン、シリコン合金、酸化シリコン、スズ、スズ合金、酸化スズ、及び炭素含有材料のうちの少なくとも1つを含むアノード活物質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態104:電極構造が、シリコン及び酸化シリコンのうちの少なくとも1つを含むアノード活物質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態105:電極構造が、リチウム及びリチウム金属合金のうちの少なくとも1つを含むアノード活物質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態106.電極構造が、炭素含有材料を含むアノード活物質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の二次電池及び/又は方法。
実施形態107:電気絶縁セパレータが、非水性液体電解質が透過した微小孔性セパレータ材料を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態108:電気絶縁セパレータが、固体電解質を含む固体セパレータを含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態109:電気絶縁セパレータが、セラミック材料、ガラス、又はガーネット材料を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態110:電極アセンブリが、非水性液体電解質、ゲル電解質、固体電解質、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態111:電極アセンブリが、液体電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態112:電極アセンブリが、水性液体電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態113:電極アセンブリが、非水性液体電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態114:電極アセンブリが、ゲル電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態115:電気絶縁セパレータが、固体電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態116:電気絶縁セパレータが、固体ポリマー電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態117:電気絶縁セパレータが、固体無機電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態118:電気絶縁セパレータが、固体有機電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態119:電気絶縁セパレータが、セラミック電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態120:電気絶縁セパレータが、無機電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態121:電気絶縁セパレータが、セラミックを含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態122:電気絶縁セパレータが、ガーネット材料を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態123:水性電解質、非水性液体電解質、固体ポリマー電解質、固体セラミック電解質、固体ガラス電解質、固体ガーネット電解質、ゲルポリマー電解質、無機固体電解質、及び溶融型無機電解質からなる群から選択される電解質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態124:対向電極構造が、カソード活物質であって、d殻又はf殻を有する金属元素を有し、かつ金属元素が、Sc、Y、ランタノイド、アクチノイド、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag、及びAuから選択されるいずれかである遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、及び遷移金属窒化物を含む、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属硫化物、リチウム遷移金属窒化物、LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAlz)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、モリブデン酸硫化物、リン酸塩、ケイ酸塩、バナジウム塩、硫黄、硫黄化合物、酸素(空気)、Li(NixMnyCoz)O2、金属酸化物若しくは金属リン酸塩を含むリチウム含有化合物、リチウム、コバルト、及び酸素を含む化合物(例えば、LiCoO2)、リチウム、マンガン、及び酸素を含む化合物(例えば、LiMn2O4)、リチウム鉄及びリン酸塩を含む化合物(例えば、LiFePO)、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リン酸鉄リチウム、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、1つ以上の遷移金属を有する置換化合物、リチウムマンガン酸化物、Li1+xMn2-xO4(式中、xは、0~0.33である)、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2、リチウム銅酸化物(Li2CuO2)、バナジウム酸化物、LiV3O8、LiFe3O4、V2O5、Cu2V2O7、LiNi1-xMxO2の化学式(式中、M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B、又はGa、及びx=0.01~0.3)によって表されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物、LiMn2-xMxO2の化学式(式中、M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn、又はTa、及びx=0.01~0.1)によって表されるリチウムマンガン複合酸化物、Li2Mn3MO8(式中、M=Fe、Co、Ni、Cu、又はZn)、Liの一部分がアルカリ土類金属イオンで置換されたLiMn2O4、二硫化物化合物、Fe2(MoO4)3、化学式2のオリビン結晶構造を有するリチウム金属リン酸塩:
Li1+aFe1-xM’x(PO4-b)Xb(式中、M’は、Al、Mg、Ni、Co、Mn、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Ce、In、Zn、及びYから選択される少なくとも1つであり、Xは、F、S、及びNから選択される少なくとも1つであり、-0.5≦a≦+0.5、0≦x≦0.5、及び0≦b≦0.1)、LiFePO4、Li(Fe,Mn)PO4、Li(Fe,Co)PO4、Li(Fe,Ni)PO4、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNi1-yCoyO2、LiCo1-yMnyO2、LiNi1-yMnyO2(0≦y≦1)、Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2、0<b<2、0<c<2、及びa+b+c=2)、LiMn2-zNizO4、LiMn2-zCozO4(0<z<2)、LiCoPO4及びLiFePO4、元素硫黄(S8)、硫黄系化合物、Li2Sn(n≧1)、有機硫黄化合物、炭素-硫黄ポリマー((C2Sx)n:x=2.5~50、n≧2)、リチウム及びジルコニウムの酸化物、リチウムと金属(コバルト、マンガン、ニッケル、又はそれらの組み合わせ)との複合酸化物、LiaA1-bMbD2(式中、0.90≦a≦1、及び0≦b≦0.5)、LiaE1-bMbO2-cDc(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、及び0≦c≦0.05)、LiE2-bMbO4-cDc(式中、0≦b≦0.5、及び0≦c≦0.05)、LiaNi1-b-cCobMcDa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a≦2)、LiaNi1-b-cCobMcO2-aXa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cCobMcO2-aX2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cMnbMcDa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a≦2)、LiaNi1-b-cMnbMcO2-aXa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cMnbMcO2-aX2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNibEcGdO2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、及び0.001≦d≦0.1)、LiaNibCocMndGeO2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、及び0.001≦e≦0.1)、LiaNiGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaCoGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaMnGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaMn2GbO4(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、QO2、QS2、LiQS2、V2O5、LiV2O5、LiX′O2、LiNiVO4、Li(3-f)J2(PO4)3(0≦f≦2)、Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≦f≦2)、LiFePO4(Aは、Ni、Co、Mn、又はそれらの組み合わせであり、Mは、Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、希土類元素、又はそれらの組み合わせであり、Dは、O、F、S、P、又はそれらの組み合わせであり、Eは、Co、Mn、又はそれらの組み合わせであり、Xは、F、S、P、又はそれらの組み合わせであり、Gは、Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V、又はそれらの組み合わせであり、Qは、Ti、Mo、Mn、又はそれらの組み合わせであり、X’は、Cr、V、Fe、Sc、Y、又はそれらの組み合わせであり、Jは、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、又はそれらの組み合わせである)、LiCoO2、LiMnxO2x(x=1又は2)、LiNi1-xMnxO2x(0<x<1)、LiNi1-x-yCoxMnyO2(0≦x≦0.5、0≦y≦0.5)、FePO4、リチウム化合物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムニッケルコバルト酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物、リチウムマンガン酸化物、リン酸鉄リチウム、硫化ニッケル、硫化銅、硫黄、酸化鉄、酸化バナジウム、ナトリウム含有材料、化学式NaM1 aO2(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)の酸化物、NaFeO2、NaMnO2、NaNiO2、NaCoO2、化学式NaMn1-aM1 aO2(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)によって表される酸化物、Na[Ni1/2Mn1/2]O2、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2、Na0.44Mn1-aM1 aO2(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)によって表される酸化物、Na0.7Mn1-aM1 aO2.05(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)によって表される酸化物、NabM2 cSi12O30(式中、M2は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦b≦6、及び2≦c≦5)によって表される酸化物、Na6Fe2Si12O30、Na2Fe5Si12O(式中、M2は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦b≦6、及び2≦c≦5)、NadM3 eSi6O18(式中、M3は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、3≦d≦6、及び1≦e≦2)、Na2Fe2Si6O18、Na2MnFeSi6O18(式中、M3は、少なくとも1つの遷移金属元素、3≦d≦6、及び1≦e≦2)、NafM4 gSi2O6(式中、M4は、遷移金属元素、マグネシウム(Mg)、及びアルミニウム(Al)から選択される少なくとも1つの元素であり、1≦f≦2及び1≦g≦2)によって表される酸化物、リン酸塩、Na2FeSiO6、NaFePO4、Na3Fe2(PO4)3、Na3V2(PO4)3、Na4Co3(PO4)2P2O7、ホウ酸塩、NaFeBO4若しくはNa3Fe2(BO4)3、フッ化物、NahM5F6(式中、M5は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦h≦3)、Na3FeF6、Na2MnF6、フルオロリン酸塩、Na3V2(PO4)2F3、Na3V2(PO4)2FO2、NaMnO2、Na[Ni1/2Mn1/2]O2、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2、Na3V2(PO4)3、Na4Co3(PO4)2P2O7、Na3V2(PO4)2F3、及び/又はNa3V2(PO4)2FO2、並びに上記の任意の複合酸化物及び/又は他の組み合わせのうちの少なくとも1つを含むカソード活物質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
Li1+aFe1-xM’x(PO4-b)Xb(式中、M’は、Al、Mg、Ni、Co、Mn、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Ce、In、Zn、及びYから選択される少なくとも1つであり、Xは、F、S、及びNから選択される少なくとも1つであり、-0.5≦a≦+0.5、0≦x≦0.5、及び0≦b≦0.1)、LiFePO4、Li(Fe,Mn)PO4、Li(Fe,Co)PO4、Li(Fe,Ni)PO4、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNi1-yCoyO2、LiCo1-yMnyO2、LiNi1-yMnyO2(0≦y≦1)、Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2、0<b<2、0<c<2、及びa+b+c=2)、LiMn2-zNizO4、LiMn2-zCozO4(0<z<2)、LiCoPO4及びLiFePO4、元素硫黄(S8)、硫黄系化合物、Li2Sn(n≧1)、有機硫黄化合物、炭素-硫黄ポリマー((C2Sx)n:x=2.5~50、n≧2)、リチウム及びジルコニウムの酸化物、リチウムと金属(コバルト、マンガン、ニッケル、又はそれらの組み合わせ)との複合酸化物、LiaA1-bMbD2(式中、0.90≦a≦1、及び0≦b≦0.5)、LiaE1-bMbO2-cDc(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、及び0≦c≦0.05)、LiE2-bMbO4-cDc(式中、0≦b≦0.5、及び0≦c≦0.05)、LiaNi1-b-cCobMcDa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a≦2)、LiaNi1-b-cCobMcO2-aXa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cCobMcO2-aX2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cMnbMcDa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a≦2)、LiaNi1-b-cMnbMcO2-aXa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cMnbMcO2-aX2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNibEcGdO2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、及び0.001≦d≦0.1)、LiaNibCocMndGeO2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、及び0.001≦e≦0.1)、LiaNiGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaCoGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaMnGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaMn2GbO4(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、QO2、QS2、LiQS2、V2O5、LiV2O5、LiX′O2、LiNiVO4、Li(3-f)J2(PO4)3(0≦f≦2)、Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≦f≦2)、LiFePO4(Aは、Ni、Co、Mn、又はそれらの組み合わせであり、Mは、Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、希土類元素、又はそれらの組み合わせであり、Dは、O、F、S、P、又はそれらの組み合わせであり、Eは、Co、Mn、又はそれらの組み合わせであり、Xは、F、S、P、又はそれらの組み合わせであり、Gは、Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V、又はそれらの組み合わせであり、Qは、Ti、Mo、Mn、又はそれらの組み合わせであり、X’は、Cr、V、Fe、Sc、Y、又はそれらの組み合わせであり、Jは、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、又はそれらの組み合わせである)、LiCoO2、LiMnxO2x(x=1又は2)、LiNi1-xMnxO2x(0<x<1)、LiNi1-x-yCoxMnyO2(0≦x≦0.5、0≦y≦0.5)、FePO4、リチウム化合物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムニッケルコバルト酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物、リチウムマンガン酸化物、リン酸鉄リチウム、硫化ニッケル、硫化銅、硫黄、酸化鉄、酸化バナジウム、ナトリウム含有材料、化学式NaM1 aO2(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)の酸化物、NaFeO2、NaMnO2、NaNiO2、NaCoO2、化学式NaMn1-aM1 aO2(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)によって表される酸化物、Na[Ni1/2Mn1/2]O2、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2、Na0.44Mn1-aM1 aO2(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)によって表される酸化物、Na0.7Mn1-aM1 aO2.05(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)によって表される酸化物、NabM2 cSi12O30(式中、M2は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦b≦6、及び2≦c≦5)によって表される酸化物、Na6Fe2Si12O30、Na2Fe5Si12O(式中、M2は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦b≦6、及び2≦c≦5)、NadM3 eSi6O18(式中、M3は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、3≦d≦6、及び1≦e≦2)、Na2Fe2Si6O18、Na2MnFeSi6O18(式中、M3は、少なくとも1つの遷移金属元素、3≦d≦6、及び1≦e≦2)、NafM4 gSi2O6(式中、M4は、遷移金属元素、マグネシウム(Mg)、及びアルミニウム(Al)から選択される少なくとも1つの元素であり、1≦f≦2及び1≦g≦2)によって表される酸化物、リン酸塩、Na2FeSiO6、NaFePO4、Na3Fe2(PO4)3、Na3V2(PO4)3、Na4Co3(PO4)2P2O7、ホウ酸塩、NaFeBO4若しくはNa3Fe2(BO4)3、フッ化物、NahM5F6(式中、M5は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦h≦3)、Na3FeF6、Na2MnF6、フルオロリン酸塩、Na3V2(PO4)2F3、Na3V2(PO4)2FO2、NaMnO2、Na[Ni1/2Mn1/2]O2、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2、Na3V2(PO4)3、Na4Co3(PO4)2P2O7、Na3V2(PO4)2F3、及び/又はNa3V2(PO4)2FO2、並びに上記の任意の複合酸化物及び/又は他の組み合わせのうちの少なくとも1つを含むカソード活物質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態125:対向電極構造が、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、遷移金属リン酸塩、及び遷移金属窒化物のうちの少なくとも1つを含むカソード活物質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態126:対向電極構造が、リチウムを含有する遷移金属酸化物と、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも1つと、を含むカソード活物質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態127:電極構造が、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、パラジウム、焼成炭素、か焼炭素、インジウム、鉄、マグネシウム、コバルト、ゲルマニウム、リチウム、銅若しくはステンレス鋼の表面処理材料(炭素、ニッケル、チタン、銀、アルミニウム-カドミウム合金、及び/又はそれらの合金を有する)のうちの少なくとも1つを含むアノード集電体を備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態128:電極構造が、銅、ニッケル、ステンレス鋼、及びそれらの合金のうちの少なくとも1つを含むアノード集電体を備える、実施形態119に記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態129:対向電極構造が、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、焼結炭素、アルミニウム又はステンレス鋼の表面処理材料(炭素、ニッケル、チタン、銀、及び/又はそれらの合金を有する)のうちの少なくとも1つを含むカソード集電体を備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態130:カソード集電体が、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、焼結炭素、アルミニウム又はステンレス鋼の表面処理材料(炭素、銀、又はそれらの合金を有する)のうちの少なくとも1つを含む、実施形態129のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態131:ステンレス鋼、チタン、又はガラス繊維複合材料のいずれかを含む、第1及び第2の二次成長制約を有する制約システムを備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態132:ステンレス鋼を含む第1及び第2の二次成長制約を有する制約システムを備える、実施形態131に記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態133:第1及び第2の二次成長制約であって、第1及び第2の二次成長制約の内面及び外面上に絶縁材料のコーティングを含む第1及び第2の二次成長制約を有する制約システムを備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態134:電極アセンブリが、少なくとも5個の電極構造及び少なくとも5個の対向電極構造を備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態135:電極アセンブリが、少なくとも10個の電極構造及び少なくとも10個の対向電極構造を備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態136:電極アセンブリが、少なくとも50個の電極構造及び少なくとも50個の対向電極構造を備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態137:電極アセンブリが、少なくとも100個の電極構造及び少なくとも100個の対向電極構造を備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態138:電極アセンブリが、少なくとも500個の電極構造及び少なくとも500個の対向電極構造を備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態139:対向電極構造が、アルミニウムを含む対向電極集電体を備える、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
実施形態140:実施形態2~6及び14~139のいずれか1つに記載の電極アセンブリ又は二次電池を製造する方法であって、
(1)積層方向に連続して積層された単位セルの群を積層することであって、(i)各単位セルが、電極構造と、対向電極構造と、電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータと、を備え、(ii)各単位セル内の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)垂直方向が、積層方向に直交する、積層することと、
(2)電極の上側若しくは下側端面、又は単一セル群の構成単位の対向電極構造を多孔質電気絶縁材料で覆うことと、を含む、方法。
(1)積層方向に連続して積層された単位セルの群を積層することであって、(i)各単位セルが、電極構造と、対向電極構造と、電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータと、を備え、(ii)各単位セル内の電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)垂直方向が、積層方向に直交する、積層することと、
(2)電極の上側若しくは下側端面、又は単一セル群の構成単位の対向電極構造を多孔質電気絶縁材料で覆うことと、を含む、方法。
実施形態141:多孔質電気絶縁材料が、溶媒中の粒子材料バインダ材料を含むスラリ又はペーストで上側端面又は下側端面をコーティングし、かつ溶媒を蒸発させて、上側端面及び/又は下側端面上のバインダ材料中に粒子材料を分散させたままにすることによって提供される、実施形態140に記載の製造方法。
実施形態142:バインダ材料が、溶媒に可溶性であり、溶媒が、ガスの流れによって溶媒を加熱及び/又は乾燥させることによって蒸発する、実施形態141に記載の製造方法。
実施形態143:溶媒が、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ヘプタン、オクタン、トルエン、キシレン、又は混合炭化水素溶媒のいずれかを含む、実施形態141~142のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態144:スラリ及び/又はペーストが、少なくとも50重量%の粒子材料を含む、実施形態141~143のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態145:スラリ及び/又はペーストが、少なくとも55重量%の粒子材料を含む、実施形態141~144のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態146:スラリ及び/又はペーストが、少なくとも60重量%の粒子材料を含む、実施形態141~145のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態147:スラリ及び/又はペーストが、少なくとも65重量%の粒子材料を含む、実施形態141~146のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態148:スラリ及び/又はペーストが、少なくとも70重量%の粒子材料を含む、実施形態141~147のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態149:スラリ及び/又はペーストが、少なくとも75重量%の粒子材料を含む、実施形態141~148のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態150:スラリ及び/又はペーストが、少なくとも80重量%の粒子材料を含む、実施形態141~149のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態151:スラリ及び/又はペーストが、90重量%以下の粒子材料を含む、実施形態141~150のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態152:スラリ及び/又はペーストが、85重量%以下の粒子材料を含む、実施形態141~151のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態153:スラリ及び/又はペーストが、80重量%以下の粒子材料を含む、実施形態141~152のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態154:スラリ及び/又はペーストが、75重量%以下の粒子材料を含む、実施形態141~153のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態155:
垂直方向に分離された第1及び第2の二次成長制約を電極構造の構成単位の電極集電体に接続することを更に含み、第1及び第2の二次成長制約が、それらのそれぞれの垂直厚さを貫いて形成された開口部を備え、二次成長制約システムが、電極アセンブリのサイクリング時に、垂直方向での電極アセンブリの成長を少なくとも部分的に抑制する、実施形態140~154のいずれか1つに記載の製造方法。
垂直方向に分離された第1及び第2の二次成長制約を電極構造の構成単位の電極集電体に接続することを更に含み、第1及び第2の二次成長制約が、それらのそれぞれの垂直厚さを貫いて形成された開口部を備え、二次成長制約システムが、電極アセンブリのサイクリング時に、垂直方向での電極アセンブリの成長を少なくとも部分的に抑制する、実施形態140~154のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態156:
(1)キャリアイオン源を含む補助電極を多孔質電気絶縁材料の外部に位置付けることと、
(2)補助電極と電極群の構成単位又は対向電極群の構成単位との間にバイアス電圧を印加して、第1及び第2の二次成長制約における開口部を通して、及び多孔質電気絶縁材料を通して、単位セル群の構成単位の電極群及び/又は対向電極構造に至るキャリアイオンの流れを提供することと、を含む、実施形態140~155のいずれか1つに記載の製造方法。
(1)キャリアイオン源を含む補助電極を多孔質電気絶縁材料の外部に位置付けることと、
(2)補助電極と電極群の構成単位又は対向電極群の構成単位との間にバイアス電圧を印加して、第1及び第2の二次成長制約における開口部を通して、及び多孔質電気絶縁材料を通して、単位セル群の構成単位の電極群及び/又は対向電極構造に至るキャリアイオンの流れを提供することと、を含む、実施形態140~155のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態157:実施形態1及び7~13のいずれか1つに記載の二次電池の初期又は後続の充電サイクル中に、キャリアイオン源を含む補助電極から電極アセンブリにキャリアイオンを移送する方法を実行することを含む、実施形態140~156のいずれか1つに記載の製造方法。
実施形態158:多孔質電気絶縁材料が、20%~60%の範囲の多孔率を有する、実施形態1~18及び31~157のいずれか1つに記載の方法、電極アセンブリ、又は二次電池。
本明細書で言及される全ての刊行物及び特許は、各個々の刊行物又は特許が、参照により組み込まれることが具体的かつ個々に示されているかのように、あらゆる目的で、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。矛盾する場合、本明細書におけるあらゆる定義を含む本出願が優先する。
均等物
特定の実施形態が論じられているが、上記の明細書は、例示的であり、限定的ではない。多くの変形例が、本明細書の検討時に当業者に明らかになるであろう。本発明の全範囲は、特許請求の範囲をそれらの均等物の全範囲とともに、及び本明細書をそのような変形例とともに参照することによって決定されるべきである。
特定の実施形態が論じられているが、上記の明細書は、例示的であり、限定的ではない。多くの変形例が、本明細書の検討時に当業者に明らかになるであろう。本発明の全範囲は、特許請求の範囲をそれらの均等物の全範囲とともに、及び本明細書をそのような変形例とともに参照することによって決定されるべきである。
別途示されない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される原料の量、反応条件などを表す全ての数は、全ての事例において「約」という用語によって修飾されているものとして理解されるべきである。したがって、別途逆の意味が示されない限り、この明細書及び添付の特許請求の範囲に記載の数値パラメータは、得ることが求められる所望の特性に応じて変動し得る近似値である。
Claims (30)
- キャリアイオン源を含む補助電極から二次電池中の電極アセンブリにキャリアイオンを移送するための方法であって、
前記電極アセンブリが、積層方向に連続して積層された単位セルの群、及び多孔質電気絶縁材料を含み、(i)各単位セルが、電極構造、対向電極構造、及び前記電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータを備え、(ii)各単位セル内の前記電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)前記垂直方向が、前記積層方向に直交し、(iv)前記多孔質電気絶縁材料が、前記単位セル群の構成単位の前記対向電極構造の前記上側端面又は下側端面を覆い、(v)前記多孔質電気絶縁材料が、20%~60%の範囲の多孔率を有し、
前記二次電池が、(i)第1及び第2の一次成長制約及び少なくとも1つの一次接続構成単位を備える一次成長制約システムであって、前記第1及び第2の一次成長制約が、前記積層方向に互いに分離されており、前記少なくとも1つの一次接続構成単位が、前記第1及び第2の一次成長制約を接続し、前記一次成長制約システムが、前記積層方向での前記電極アセンブリの成長を抑制する、一次成長制約システムと、(ii)前記垂直方向に分離され、前記単位セルの群の構成単位の電極集電体に接続される、第1及び第2の二次成長制約を備える二次成長制約システムであって、前記二次成長制約システムが、前記電極アセンブリのサイクリング時に、前記垂直方向での前記電極アセンブリの成長を少なくとも部分的に抑制する、二次成長制約システムと、を備える、電極制約のセットと、を備え、
前記第1及び第2の二次成長制約が、前記第1及び第2の二次成長制約のそれぞれの垂直厚さを貫いて形成された開口部を備え、前記開口部の少なくとも一部分が、前記垂直方向に前記多孔質電気絶縁材料上に位置合わせされており、キャリアイオンが、前記開口部を介して前記補助電極から、前記多孔質電気絶縁材料を通して、前記対向電極構造に移送され、
前記方法が、キャリアイオンを、前記開口部を介して前記補助電極から、前記多孔質電気絶縁材料を通して前記対向電極に移送することを含む、方法。 - 充電状態と放電状態との間をサイクリングするための二次電池であって、前記二次電池が、
積層方向に連続して積層された単位セルの群、及び多孔質電気絶縁材料を含む電極アセンブリであって、(i)各単位セルが、電極構造、対向電極構造、及び前記電極構造と対向電極構造との間の電気絶縁セパレータを備え、(ii)各単位セル内の前記電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)前記垂直方向が、前記積層方向に直交し、(iv)前記多孔質電気絶縁材料が、前記単位セル群の構成単位の前記対向電極構造の前記上側端面又は下側端面を覆い、(v)前記多孔質電気絶縁材料が、20%~60%の範囲の多孔率を有する、電極アセンブリと、
電極制約のセットであって、(i)第1及び第2の一次成長制約及び少なくとも1つの一次接続構成単位を備える一次成長制約システムであって、前記第1及び第2の一次成長制約が、前記積層方向に互いに分離されており、前記少なくとも1つの一次接続構成単位が、前記第1及び第2の一次成長制約を接続し、前記一次成長制約システムが、前記積層方向での前記電極アセンブリの成長を抑制する、一次成長制約システムと、(ii)前記垂直方向に分離され、前記単位セルの群の構成単位の電極集電体に接続される、第1及び第2の二次成長制約を備える二次成長制約システムであって、前記二次成長制約システムが、前記電極アセンブリのサイクリング時に、前記垂直方向での前記電極アセンブリの成長を少なくとも部分的に抑制する、二次成長制約システムと、を備える、電極制約のセットと、を備え、
前記第1及び第2の二次成長制約が、前記第1及び第2の二次成長制約のそれぞれの垂直厚さを貫いて形成された開口部を備え、前記開口部の少なくとも一部分が、前記垂直方向に前記多孔質電気絶縁材料上に位置合わせされており、前記開口部が、キャリアイオンを、前記開口部を介して、キャリアイオン源を含む補助電極から、前記多孔質電気絶縁材料を通して、前記対向電極構造に移送されることを可能にするように構成されている、二次電池。 - 前記多孔質電気絶縁材料が、前記単位セル群の前記構成単位の前記対向電極構造の前記上側端面及び下側端面の両方を覆う、請求項1又は2に記載の方法又は二次電池。
- キャリアイオンを移送して、所定の対向電極構造端部の放電電圧Vces eodと、所定の電極構造端部の放電電圧Ves,eodと、を達成及び/又は復元する、請求項1又は3に記載の方法。
- 前記キャリアイオンを移送して、SEIの形成において失われたキャリアイオンを補充する、請求項1及び3~4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電極アセンブリによって実行される初期又は後続の充電サイクル中に、前記キャリアイオンを移送して、キャリアイオンの損失を補償する、請求項1及び3~5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記方法が、(i)初期又は後続の充電サイクル中に、前記単位セル群において対向電極構造から電極構造にキャリアイオンを移送して、前記電極アセンブリを少なくとも部分的に充電することと、(ii)前記多孔質電気絶縁材料を通して、前記補助電極から対向電極構造及び/又は電極構造にキャリアイオンを移送して、前記電極アセンブリに、前記所定の対向電極構造端部の放電電圧Vces,eodと、前記所定の電極構造端部の放電電圧Ves,eodと、を提供することと、を含む、請求項1及び3~6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プロセスが、(iii)(ii)の後、前記単位セル群の構成単位の前記対向電極構造から前記電極構造にキャリアイオンを移送して、前記電極アセンブリを充電することを更に含む、請求項7に記載の方法。
- (ii)が(i)と同時に行われる、請求項7又は8に記載の方法。
- (ii)において、前記補助電極と、前記単位セル群の構成単位の前記電極構造及び/又は対向電極構造と、の間にバイアス電圧を印加して、前記多孔質電気絶縁材料部材を通るキャリアイオンの流れを提供する、請求項7~9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記単位セル群の構成単位が、前記反対側にある上側端面及び下側端面を含む上側縁部及び下側縁部を有し、同じ単位セル群構成単位内の前記電極構造及び対向電極構造の上側端面が、互いに垂直にオフセットして上側凹部を形成し、同じ単位セル群構成単位内の前記電極構造及び対向電極構造の下側端面が、互いに垂直にオフセットして下側凹部を形成し、前記対向電極構造の上側端面及び下側端面が、前記同じ単位セル群構成単位内の前記それぞれの電極構造の上側端面及び下側端面に対して垂直に内側にオフセットしており、前記多孔質電気絶縁材料が、前記上側凹部及び下側凹部のうちの少なくとも1つ内に位置する、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記多孔質電気絶縁材料が、前記単位セル群の構成単位の前記上側凹部及び下側凹部を実質的に満たしている、請求項11に記載の方法又は二次電池。
- 前記単位セル群の構成単位について、前記電極構造及び/又は前記対向電極構造の前記上側端面及び/又は下側端面を覆う前記多孔質電気絶縁材料の少なくとも一部分が、前記電気絶縁セパレータに隣接する、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記多孔質電気絶縁材料が、前記単位セル群の構成単位における前記電極構造の前記上側端面及び下側端面に対して内側に配設されており、かつ前記対向電極構造に面する前記電気絶縁セパレータの側面に当接している、前記上側凹部及び下側凹部の領域を実質的に満たしている、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記単位セル群の前記構成単位の前記電極構造が、電極活物質層及び電極集電体層を備え、前記単位セル群の構成単位の前記対向電極構造が、対向電極活物質層及び対向電極集電体層を備え、前記多孔質電気絶縁材料が、前記単位セル群の前記構成単位の対向電極活物質層の上側端面及び下側端面を覆う、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記多孔質電気絶縁材料が、少なくとも25%、少なくとも30%、少なくとも35%、少なくとも40%、少なくとも45%、少なくとも50%、又は少なくとも55%の多孔率を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記多孔質電気絶縁材料が、55%以下、50%以下、45%以下、40%以下、又は35%以下の多孔率を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の方法又は二次電池。
- 前記電気絶縁セパレータが、微小孔性であり、前記多孔質電気絶縁材料の前記多孔率と前記電気絶縁セパレータの多孔率との比が1:0.75~1:1.5の範囲にある、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記多孔質電気絶縁材料が、バインダ材料中に分散した粒子材料を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記電極アセンブリが、巻回された電極アセンブリの中心軸の周りの前記単位セル群の構成単位の電極構造及び対向電極構造の複数の巻回を有する前記巻回された電極アセンブリを含み、前記巻回された電極アセンブリの前記垂直方向が、前記中心軸に平行であり、更に、前記単位セル群の構成単位の前記対向電極構造が、前記巻回された電極アセンブリの前記中心軸における前記対向電極構造の第1の端部から、及び各巻回に沿って、前記電極アセンブリの外部領域における前記対向電極構造の第2の端部まで延在する長さLCEを含む、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記巻回された電極アセンブリが円筒形状を有する、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記電極アセンブリが、仮想の三次元デカルト座標系のx軸、y軸及びz軸にそれぞれ対応する相互に垂直な横方向軸、縦方向軸、及び垂直軸であって、第1の縦方向端面及び第2の縦方向端面が、縦方向に互いに分離されている、横方向軸、縦方向軸、及び垂直軸と、電極アセンブリの縦方向軸AEAを取り囲み、かつ前記第1及び第2の縦方向端面を接続するラテラル面であって、前記ラテラル面が、前記縦方向軸の反対側に反対側にある第1及び第2の領域を有し、かつ前記縦方向軸に直交する第1の方向に分離されており、前記電極アセンブリが、前記縦方向に測定される最大幅WEAと、前記ラテラル面によって境界が定められ、かつ横方向に測定される最大長さLEAと、前記ラテラル面によって境界が定められ、かつ前記垂直方向に測定される最大高さHEAと、を有する、ラテラル面と、を有し、更に、
前記単位セル群の構成単位の各電極構造が、前記電極構造の第1及び第2の反対側にある横方向端面間の前記横方向に測定される長さLEと、前記電極構造の上側及び下側の反対側にある垂直端面間の前記垂直方向に測定される高さHEと、前記電極構造の第1及び第2の反対側にある表面間の前記縦方向に測定される幅WEと、を含み、前記単位セル群の構成単位の各対向電極構造が、前記対向電極構造の第1及び第2の反対側にある横方向端面間の前記横方向に測定される長さLCEと、前記対向電極構造の上側及び下側垂直端面間の前記垂直方向に測定される高さHCEと、前記対向電極構造の第1及び第2の反対側にある表面間の前記縦方向に測定される幅WCEと、を含み、
前記単位セル群の構成単位の電極構造について、LEとWE及びHEの各々との比が、それぞれ、少なくとも5:1であり、HEとWEとの比が、約2:1~約100:1の範囲にあり、前記単位セル群の構成単位の対向電極構造について、LCEとWCE及びHCEの各々との比が、それぞれ、少なくとも5:1であり、HCEとWCEとの比が、約2:1~約100:1の範囲にある、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。 - 前記多孔質電気絶縁材料が、前記単位セル群の構成単位の前記対向電極構造の少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも75%、少なくとも85%、又は少なくとも90%延在する、請求項20~22のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記単位セル群の構成単位の各電極構造が、電極活物質の層を備え、前記単位セル群の構成単位の各対向電極構造が、対向電極活物質の層を備え、単位セルの構成単位における隣接する電極活物質層及び対向電極活物質層について、
a.前記対向電極活物質層の前記上側垂直端面が、前記電極活物質層及び前記セパレータの前記上側垂直端面に対して内側に配設された第1の凹部を備え、
b.前記対向電極活物質層の前記下側垂直端面が、前記電極活物質層及び前記セパレータの前記下側垂直端面に対して内側に配設された第2の凹部を備え、
c.前記多孔質電気絶縁材料が、前記電気絶縁セパレータに隣接して、かつ前記対向電極活物質層の前記上側垂直端面の前記第1の凹部内に配設されており、前記多孔質電気絶縁材料が、前記電気絶縁セパレータに隣接して、かつ前記対向電極活物質層の前記下側垂直端面の前記第2の凹部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方法又は二次電池。 - (i)前記電極構造が、アノード構造であり、前記対向電極構造が、カソード構造であるか、又は(ii)前記電極構造が、カソード構造であり、前記対向電極構造が、アノード構造である、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記電極構造が、アノード活物質層を備えるアノード構造であり、前記対向電極構造が、カソード活物質層を備えるカソード構造である、請求項25に記載の方法又は二次電池。
- 前記電極アセンブリが、封止された電池筐体で包含される、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 前記電極構造が、アノード活物質であって、炭素材料、グラファイト、軟質炭素若しくは硬質炭素、金属、半金属、合金、酸化物、リチウムとの合金を形成することができる化合物、スズ、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、シリコン、Si/C複合材料、Si/グラファイトブレンド、SiOx、多孔質Si、金属間Si合金、インジウム、ジルコニウム、ゲルマニウム、ビスマス、カドミウム、アンチモン、銀、亜鉛、ヒ素、ハフニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、チタン酸リチウム、パラジウム、リチウム金属、炭素、石油コークス、活性炭、グラファイト、シリコン化合物、シリコン合金、スズ化合物、非グラファイト化性炭素、グラファイト系炭素、LixFe2O3(0≦x≦1)、LixWO2(0≦x≦1)、SnxMe1-xMe’yOz(Me:Mn、Fe、Pb、Ge;Me’:Al、B、P、Si、周期表中の1族、2族、及び3族に見出される元素、ハロゲン、0<x≦1、1≦y≦3、1≦z≦8)、リチウム合金、シリコン系合金、スズ系合金、金属酸化物、SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5、導電性ポリマー、ポリアセチレン、Li-Co-Ni系材料、結晶グラファイト、天然グラファイト、合成グラファイト、非晶質炭素、キッシュグラファイト、熱分解性炭素、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソ炭素マイクロビーズ、メソフェーズピッチ、グラファイト化炭素繊維、高温焼結炭素、石油、コールタールピッチ由来のコークス、酸化スズ、硝酸チタン、リチウム金属膜、リチウムと、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Al、及びSnからなる群から選択される1つ以上の種類の金属と、の合金、Si、Al、C、Pt、Sn、Pb、Ir、Ni、Cu、Ti、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Sb、Ba、Ra、Ge、Zn、Bi、In、Mg、Ga、Cdのいずれかから選択されてリチウムとの合金化及び/若しくはインターカレーションが可能な金属化合物、Sn合金、Al合金、リチウムイオンをドープ及び脱ドープすることができる金属酸化物、SiOv(0<v<2)、SnO2、バナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物、金属化合物及び炭素材料を含む複合材料、Si-C複合材料、Sn-C複合材料、遷移金属酸化物、Li4/3Ti5/3O4、SnO、炭素質材料、グラファイト炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コルク、メソ炭素マイクロビーズ(「MCMB」)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、又は天然グラファイト、及び層状炭素質材料の層の間に配設された化学式NaxSny-zMzの組成物であって、Mが、Ti、K、Ge、P、若しくはそれらの組み合わせであり、かつ0<x≦15、1≦y≦5、及び0≦z≦1である、組成物、並びに前述のもののうちのいずれかの酸化物、合金、窒化物、フッ化物、及び前述のもののうちのいずれかの任意の組み合わせ、のうちのいずれか1つ以上を含むアノード活物質を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の方法又は二次電池。
- 対向電極構造が、カソード活物質であって、d殻又はf殻を有する金属元素を有し、かつ前記金属元素が、Sc、Y、ランタノイド、アクチノイド、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag、及びAuから選択されるいずれかである遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、及び遷移金属窒化物を含む、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属硫化物、リチウム遷移金属窒化物、LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAlz)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、モリブデン酸硫化物、リン酸塩、ケイ酸塩、バナジウム塩、硫黄、硫黄化合物、酸素(空気)、Li(NixMnyCoz)O2、金属酸化物若しくは金属リン酸塩を含むリチウム含有化合物、リチウム、コバルト、及び酸素を含む化合物(例えば、LiCoO2)、リチウム、マンガン、及び酸素を含む化合物(例えば、LiMn2O4)、リチウム鉄及びリン酸塩を含む化合物(例えば、LiFePO)、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リン酸鉄リチウム、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、1つ以上の遷移金属を有する置換化合物、リチウムマンガン酸化物、Li1+xMn2-xO4(式中、xは、0~0.33である)、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2、リチウム銅酸化物(Li2CuO2)、バナジウム酸化物、LiV3O8、LiFe3O4、V2O5、Cu2V2O7、LiNi1-xMxO2の化学式(式中、M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B、又はGa、及びx=0.01~0.3)によって表されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物、LiMn2-xMxO2の化学式(式中、M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn、又はTa、及びx=0.01~0.1)によって表されるリチウムマンガン複合酸化物、Li2Mn3MO8(式中、M=Fe、Co、Ni、Cu、又はZn)、Liの一部分がアルカリ土類金属イオンで置換されたLiMn2O4、二硫化物化合物、Fe2(MoO4)3、化学式2のオリビン結晶構造を有するリチウム金属リン酸塩:
Li1+aFe1-xM’x(PO4-b)Xb(式中、M’は、Al、Mg、Ni、Co、Mn、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Ce、In、Zn、及びYから選択される少なくとも1つであり、Xは、F、S、及びNから選択される少なくとも1つであり、-0.5≦a≦+0.5、0≦x≦0.5、及び0≦b≦0.1)、LiFePO4、Li(Fe,Mn)PO4、Li(Fe,Co)PO4、Li(Fe,Ni)PO4、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNi1-yCoyO2、LiCo1-yMnyO2、LiNi1-yMnyO2(0≦y≦1)、Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2、0<b<2、0<c<2、及びa+b+c=2)、LiMn2-zNizO4、LiMn2-zCozO4(0<z<2)、LiCoPO4及びLiFePO4、元素硫黄(S8)、硫黄系化合物、Li2Sn(n≧1)、有機硫黄化合物、炭素-硫黄ポリマー((C2Sx)n:x=2.5~50、n≧2)、リチウム及びジルコニウムの酸化物、リチウムと金属(コバルト、マンガン、ニッケル、又はそれらの組み合わせ)との複合酸化物、LiaA1-bMbD2(式中、0.90≦a≦1、及び0≦b≦0.5)、LiaE1-bMbO2-cDc(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、及び0≦c≦0.05)、LiE2-bMbO4-cDc(式中、0≦b≦0.5、及び0≦c≦0.05)、LiaNi1-b-cCobMcDa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a≦2)、LiaNi1-b-cCobMcO2-aXa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cCobMcO2-aX2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cMnbMcDa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a≦2)、LiaNi1-b-cMnbMcO2-aXa(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNi1-b-cMnbMcO2-aX2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、及び0<a<2)、LiaNibEcGdO2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、及び0.001≦d≦0.1)、LiaNibCocMndGeO2(式中、0.90≦a≦1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、及び0.001≦e≦0.1)、LiaNiGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaCoGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaMnGbO2(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、LiaMn2GbO4(式中、0.90≦a≦1及び0.001≦b≦0.1)、QO2、QS2、LiQS2、V2O5、LiV2O5、LiX′O2、LiNiVO4、Li(3-f)J2(PO4)3(0≦f≦2)、Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≦f≦2)、LiFePO4(Aは、Ni、Co、Mn、又はそれらの組み合わせであり、Mは、Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、希土類元素、又はそれらの組み合わせであり、Dは、O、F、S、P、又はそれらの組み合わせであり、Eは、Co、Mn、又はそれらの組み合わせであり、Xは、F、S、P、又はそれらの組み合わせであり、Gは、Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V、又はそれらの組み合わせであり、Qは、Ti、Mo、Mn、又はそれらの組み合わせであり、X’は、Cr、V、Fe、Sc、Y、又はそれらの組み合わせであり、Jは、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、又はそれらの組み合わせである)、LiCoO2、LiMnxO2x(x=1又は2)、LiNi1-xMnxO2x(0<x<1)、LiNi1-x-yCoxMnyO2(0≦x≦0.5、0≦y≦0.5)、FePO4、リチウム化合物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムニッケルコバルト酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物、リチウムマンガン酸化物、リン酸鉄リチウム、硫化ニッケル、硫化銅、硫黄、酸化鉄、酸化バナジウム、ナトリウム含有材料、化学式NaM1 aO2(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)の酸化物、NaFeO2、NaMnO2、NaNiO2、NaCoO2、化学式NaMn1-aM1 aO2(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)によって表される酸化物、Na[Ni1/2Mn1/2]O2、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2、Na0.44Mn1-aM1 aO2(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)によって表される酸化物、Na0.7Mn1-aM1 aO2.05(式中、M1は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、0≦a<1)によって表される酸化物、NabM2 cSi12O30(式中、M2は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦b≦6、及び2≦c≦5)によって表される酸化物、Na6Fe2Si12O30、Na2Fe5Si12O(式中、M2は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦b≦6、及び2≦c≦5)、NadM3 eSi6O18(式中、M3は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、3≦d≦6、及び1≦e≦2)、Na2Fe2Si6O18、Na2MnFeSi6O18(式中、M3は、少なくとも1つの遷移金属元素、3≦d≦6、及び1≦e≦2)、NafM4 gSi2O6(式中、M4は、遷移金属元素、マグネシウム(Mg)、及びアルミニウム(Al)から選択される少なくとも1つの元素であり、1≦f≦2及び1≦g≦2)によって表される酸化物、リン酸塩、Na2FeSiO6、NaFePO4、Na3Fe2(PO4)3、Na3V2(PO4)3、Na4Co3(PO4)2P2O7、ホウ酸塩、NaFeBO4若しくはNa3Fe2(BO4)3、フッ化物、NahM5F6(式中、M5は、少なくとも1つの遷移金属元素であり、2≦h≦3)、Na3FeF6、Na2MnF6、フルオロリン酸塩、Na3V2(PO4)2F3、Na3V2(PO4)2FO2、NaMnO2、Na[Ni1/2Mn1/2]O2、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2、Na3V2(PO4)3、Na4Co3(PO4)2P2O7、Na3V2(PO4)2F3、及び/又はNa3V2(PO4)2FO2、並びに上記の任意の複合酸化物及び/又は他の組合せのうちの少なくとも1つを含むカソード活物質を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載の電極アセンブリ又は二次電池。 - 請求項2~3及び11~29のいずれか一項に記載の二次電池を製造する方法であって、
(1)前記積層方向に連続して積層された前記単位セルの群を積層することであって、(i)各単位セルが、前記電極構造と、前記対向電極構造と、前記電極構造と対向電極構造との間の前記電気絶縁セパレータと、を備え、(ii)各単位セル内の前記電極構造、対向電極構造、及び電気絶縁セパレータが、前記垂直方向に分離された反対側にある上側端面及び下側端面を有し、(iii)前記垂直方向が、前記積層方向に直交する、積層することと、
(2)前記単位セル群の前記構成単位の前記電極構造又は前記対向電極構造の前記上側端面又は下側端面を前記多孔質電気絶縁材料で覆うことであって、前記多孔質電気絶縁材料が、20%~60%の範囲の多孔率を有する、覆うことと、を含む、方法。
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