JP5221346B2

JP5221346B2 - リチウムイオン電池のための合金組成物

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Publication number: JP5221346B2
Application number: JP2008523992A
Authority: JP
Inventors: エヌ．オブロバク，マーク; クリステンセン，リーフ
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: TWI404805B; US7851085B2; JP2009503786A; CN101233633B; TW200712221A; KR101298810B1; CN101233633A; WO2007014015A1; KR20080031323A; US20070020521A1; EP1908140A1

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許仮出願番号第６０／７０２，２４１号（２００５年７月２５日出願）及び米国特許出願番号第１１／３８７，２０５号（２００６年３月２３日出願）からの優先権を主張し、その両方の開示は本明細書に参考として組み込まれる。

（発明の分野）
リチウムイオン電池のための合金組成物が記載されている。

充電式リチウムイオン電池は、各種電子デバイスに含まれている。ほとんどの市販のリチウムイオン電池は、充電中のインターカレーション機構によりリチウムを組み込むことが可能なグラファイトなどの物質を含有するアノードを有する。このようなインターカレーション型アノードは一般に、良好なサイクル寿命及びクーロン効率を示す。しかし、インターカレーション型材料の単位質量当たりに組み込み可能なリチウム量は、比較的少ない。

アノード材料の第２の部類は、充電中のアロイング機構によりリチウムを組み込むことが知られている。これらのアロイ型材料は、多くの場合、インターカレーション型材料よりも、単位質量当たりにより多量のリチウムを取り込むことができるが、リチウムを合金に加えることは通常、大きな体積変化を伴う。幾つかのアロイ型アノードは、相対的に貧弱なサイクル寿命及びクーロン効率を示す。これらアロイ型アノードの貧弱な性能は、リチウム化及び脱リチウム化中の２層領域の形成から生じる場合がある。２層領域は、一方の相が他方の相よりも大きな体積変化を受けた場合、合金内に内部応力を生じさせることがある。この内部応力は、時間とともにアノード材料の崩壊をもたらすことになる。

更に、リチウムの組み込みに伴う大きな体積変化は、合金、導電性希釈剤（例えば、炭素）粒子と典型的にはアノードを形成する結合剤との間の電気的接触の劣化をもたらすことがある。電気的接触の劣化は、次にアノードのサイクル寿命の低下をもたらすことになる。

合金組成物、リチウムイオン電池、及びリチウムイオン電池の製造方法が記載されている。より具体的には、リチウムイオン電池は、非晶相及びナノ結晶相の混合物である合金組成物を含有するアノードを有する。

一態様では、リチウムイオン電池は、カソード、アノード、及び該アノードと該カソードとの両方と電気的に接続されている電解質を含有しているものとして記載されている。アノードとしては、（ａ）３５〜７０モル・パーセントの量のシリコンと、（ｂ）１〜４５モル・パーセントの量のアルミニウムと、（ｃ）５〜２５モル・パーセントの量の遷移金属と、（ｄ）１〜１５モル・パーセントの量のスズと、（ｅ）２〜１５モル・パーセントの量の、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせ、とを含む第５元素を含有する合金組成物が挙げられる。各モル・パーセントは、リチウムを除く合金組成物中の全元素の総モル数を基準にしている。合金組成物は、シリコンを含む非晶相、及びスズと第５元素とを含むナノ結晶相の混合物である。

別の態様では、リチウムイオン電池の製造方法は、合金組成物を含有するアノードを調製すること、カソードを提供すること、並びに当該アノード及び当該カソードの両方と電気的に接続されている電解質を提供することを含むものとして記載される。合金組成物は、（ａ）３５〜７０モル・パーセントの量のシリコンと、（ｂ）１〜４５モル・パーセントの量のアルミニウムと、（ｃ）５〜２５モル・パーセントの量の遷移金属、（ｄ）１〜１５モル・パーセントの量のスズ、及び（ｅ）２〜１５モル・パーセントの量の、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせを含む第５元素を含有する。各モル・パーセントは、リチウムを除く合金組成物中の全元素の総モル数を基準にしている。合金組成物は、シリコンを含む非晶相、及びスズと第５元素とを含むナノ結晶相の混合物である。

更に別の態様では、合金組成物が記載されている。合金組成物は、（ａ）３５〜７０モル・パーセントの量のシリコンと、（ｂ）１〜４５モル・パーセントの量のアルミニウムと、（ｃ）５〜２５モル・パーセントの量の遷移金属と、（ｄ）１〜１５モル・パーセントの量のスズと、（ｅ）２〜１５モル・パーセントの量の、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせ、とを含む第５元素を含有する。各モル・パーセントは、リチウムを除く合金組成物中の全元素の総モル数を基準にしている。合金組成物は、シリコンを含む非晶相、及びスズと第５元素とを含むナノ結晶相の混合物である。

本明細書で使用する時、用語「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、「少なくとも１つの（at least one）」と同じ意味で用いられ、記載された元素の１以上を意味する。

用語「非晶質」とは、Ｘ線回折技術を使用して同定される、結晶性物質の長距離原子秩序特性を欠く物質を意味する。

用語「結晶性」、「晶子」、及び「結晶」とは、Ｘ線回折技術を使用して同定される長距離秩序を有する物質を意味する。結晶性物質は、少なくとも約５ナノメートルの最大寸法を有する。用語「ナノ結晶の」、「ナノ微結晶」、及び「ナノ結晶」とは、約５〜約５０ナノメートルの最大寸法を有する結晶性物質の部分集合を意味する。幾つかの結晶性物質は、ナノ結晶性物質より大きい（即ち、幾つかのものは、約５０ナノメートルより大きい最大寸法を有する）。

用語「電気化学的に活性」とは、リチウムイオン電池の充電中に典型的に遭遇する条件下にて、リチウムと反応する物質を意味する。電気化学的活性物質は、通常、金属又は合金の形態である。

用語「電気化学的に不活性」とは、リチウムイオン電池の充電中に典型的に遭遇する条件下にて、リチウムと反応しない物質を意味する。電気化学的不活性物質は、通常、金属又は合金の形態である。

用語「金属」とは、金属、シリコン及びゲルマニウムなどの半金属との両方を意味する。金属は、多くの場合、元素状態である。「金属間」化合物は、少なくとも２つの金属を含む化合物である。

用語「リチウム化」とは、リチウムを合金組成物に追加するプロセス（即ち、リチウムイオンが減少する）を意味する。

用語「脱リチウム化」とは、リチウムを合金組成物から除去するプロセス（即ち、リチウム原子が酸化される）を意味する。

用語「充電」とは、電気エネルギーを電池に提供するプロセスを意味する。

用語「放電」とは、電気エネルギーを電池から除去するプロセス（即ち、放電は有益な仕事をするために電池を使用するプロセスである）を意味する。

用語「容量」とは、アノード材料（例えば、合金組成物）中へ組み込み可能なリチウム量を意味し、ミリアンペア時（ｍＡｈ）の単位を有する。

用語「比容量」とは、アノード材料の単位質量当たりの容量を意味し、ミリアンペア時／グラム（ｍＡｈ／ｇ）の単位を有する。

用語「カソード」とは、放電プロセス中に電気化学的還元が生じる電極を意味する。放電中、カソードはリチウム化する。充電中、リチウム原子はこの電極から除去される。

用語「アノード」とは、放電プロセス中に電気化学的酸化が生じる電極を意味する。放電中、アノードは脱リチウム化する。充電中、リチウム原子はこの電極に追加される。

本明細書で使用する時、「の範囲内の数字」は、当該範囲の両端点及び端点の間のあらゆる数字を含む。例えば、１〜１０の範囲内の数字は、１、１０、及び１と１０の間のあらゆる数字を含む。

上記の要約は、本発明の開示された各実施形態、又はあらゆる実施を記載するものではない。次に続く「発明を実施するための最良の形態」セクションは、これらの実施形態をより具体的に例示する。

合金組成物が、リチウムイオン電池のアノード内に包含され得ることが記載されている。合金組成物は、非晶相及びナノ結晶相の混合物である。巨大晶子（即ち、約５０ナノメートル超の最大寸法を有する結晶）を含有する物質と比較して、本混合物は、内部応力に起因した時間の経過と共にアノード崩壊するリスクを有利に減少させることができる。更に、完全に非晶質の物質と比較して、本混合物は増加したリチウム化速度を有するアノードを有利にもたらすことができる。増加したリチウム化速度を有するアノードは、より高速で再充電することができる。

一態様では、リチウムイオン電池は、カソード、アノード、及び該カソード及び該アノードとの両方と電気的に接続されている電解質を含有しているものとされる。合金組成物は、（ａ）シリコンと、（ｂ）アルミニウムと、（ｃ）遷移金属と、（ｄ）スズと、（ｅ）イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせとを含む第５元素を含有する。非晶相は、シリコンを含有するが、前記ナノ結晶相は、シリコンを実質的に含まない。ナノ結晶相は、スズ及び第５元素を含む金属間化合物を含有する。

合金組成物の非晶質性は、Ｘ線回折パターンにおける鋭いピークの不存在により特徴づけることができる。Ｘ線回折パターンは、銅ターゲット（即ち、銅Ｋ１線、銅Ｋ２線、又はこれらの組み合わせ）を使用して、少なくとも５度（２θ）、少なくとも１０度（２θ）、又は少なくとも１５度（２θ）に対応する最大ピーク高さの半分でのピーク幅を有するピークのような幅広いピークを有することができる。

ナノ結晶性物質は、典型的には、約５ナノメートル〜約５０ナノメートルの最大寸法を有する。結晶寸法（crystalline size）は、シェラー方程式を使用してＸ線回折ピークの幅から決定することができる。狭いＸ線回折ピークは、大きな結晶寸法（crystal sizes）に相当する。ナノ結晶性物質のＸ線回折ピークは、典型的には、銅ターゲット（即ち、銅Ｋ１線、銅Ｋ２線、又はこれらの組み合わせ）を使用して、５度未満（２θ）、４度未満（２θ）、３度未満（２θ）、２度未満（２θ）、又は１度未満（２θ）に対応する最大ピーク高さの半分でのピーク幅を有する。ナノ結晶性物質は、銅ターゲットを使用して、少なくとも０．２度（２θ）、少なくとも０．５度（２θ）、又は少なくとも１度（２θ）に対応する最大ピーク高さの半分でのピーク幅を有する。

一般に、リチウム化速度はナノ結晶性物質の方が非晶質物質より大きいために、合金組成物中にはナノ結晶性物質がいくらか包含されることが望ましい。しかし、結晶相内での元素状シリコンの存在は、金属質のＬｉ／Ｌｉイオン参照電極に対して電圧が約５０ｍＶ未満に降下した際に、結晶性のＬｉ_１５Ｓｉ_４がサイクル中に形成されることになる。リチウム化中の結晶性のＬｉ_１５Ｓｉ_４の形成は、アノードのサイクル寿命に悪影響を及ぼすことになる（即ち、リチウム化及び脱リチウム化のサイクル毎に容量が減少する傾向がある）。Ｌｉ_１５Ｓｉ_４結晶の形成を最少化又は防止するためには、シリコンが非晶相内に存在し、且つリチウム化及び脱リチウム化の反復サイクル後に、当該非晶相内にシリコンがとどまるのが有利である。遷移金属の追加は、非晶質シリコン含有相の形成を促進し、且つ結晶性シリコン含有層（例えば、結晶性元素状シリコン又は結晶性シリコン含有化合物類）の形成を最少化又は防止する。

合金組成物のナノ結晶相としては、スズが挙げられるが、これはシリコンの代わりとなる別の電気的活性物質である。しかし、結晶性元素状スズの存在は、アノードをリチウム化及び脱リチウム化の反復サイクルにさらした際に、容量に対して有害となり得る。本明細書で使用する時、用語「元素状」とは、別の元素と化合物の形態例えば金属間化合物にて組み合わされるのではなく、元素形態にて（即ち、純元素として）存在する周期表の元素（例えば、スズ又はシリコン）を意味する。

結晶性元素状スズの形成を最小化するためには、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせを含む第５元素を合金組成物に追加する。第５元素は、多くの場合、化学式Ｓｎ_３Ｍ（式中、Ｍは、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせから選択される）を持つ、スズとの金属間化合物を形成する。第５元素が合金組成物中に存在しない場合、幾つかの形成プロセスを使用した結晶相寸法の制御が困難である。例えば、第５元素のいずれも使用することなく、溶融紡糸技術を使用して合金を形成した場合、元素状スズの比較的大きな結晶が形成される。

合金組成物としては、すべてのシリコンを含む非晶相が挙げられる。非晶相は、典型的には、アルミニウムのすべて又は部分及び遷移金属のすべて又は部分を含む。合金は、スズと第５元素との金属間化合物を含むナノ結晶相を更に包含する。ナノ結晶相は、スズのすべて又は部分及び第５元素のすべて又は部分を包含することができる。ナノ結晶相は、シリコンを実質的に含まない。即ち、ナノ結晶相は、元素状シリコンを実質的に含まず、且つシリコン含有化学量論的化合物例えばシリサイドを実質的に含まない。更に、ナノ結晶相は、元素状スズを実質的に含まない。本明細書で使用する時、用語「実質的に含まない」とは、ナノ結晶相に関する場合、物質（例えば、元素状シリコン、シリコン含有化合物、又は元素状スズ）が、Ｘ線回折技術を使用して検出できないことを意味する。

合金組成物の比容量（即ち、グラム当たりの容量）は、通常、少なくとも２００ｍＡｈ／ｇである。幾つかの実施形態では、比容量は、少なくとも４００ｍＡｈ／ｇ、少なくとも６００ｍＡｈ／ｇ、少なくとも８００ｍＡｈ／ｇ、少なくとも１０００ｍＡｈ／ｇ、少なくとも１２００ｍＡｈ／ｇ、少なくとも１６００ｍＡｈ／ｇ、少なくとも１８００ｍＡｈ／ｇ、又は少なくとも２０００ｍＡｈ／ｇであり得る。比容量は、典型的には、リチウム化及び脱リチウム化の第２サイクルの放電部分の間に測定される。

本明細書で使用する時、用語「モル・パーセント」は、合金組成物の成分に関する場合、リチウムを除く合金組成物中の全元素の総モル数に基づいて計算される。例えば、シリコン、アルミニウム、遷移金属、スズ、及び第５元素を含有する合金中のシリコンのモル・パーセントは、シリコンのモル数に１００を乗じ、且つリチウムを除く合金組成物中の全元素の総モル数（例えば、シリコンのモル数＋アルミニウムのモル数＋遷移金属のモル数＋スズのモル数＋第５元素のモル数）でこの乗を除することにより計算する。

全シリコンは、一般に、非晶相である。シリコンは、合金組成物中に、リチウムを除く当該合金組成物中の全元素の総モル数を基準にして、３５〜７０モル・パーセントの量で存在する。シリコンの量が少なすぎる場合、容量は受け入れ難いほど小さくなる。しかし、シリコンの量が多すぎる場合、シリコン含有結晶が形成されやすい。結晶性シリコンの存在は、少なくとも幾つかの実施形態では、金属質のＬｉ／Ｌｉイオン参照電極に対して電圧が約５０ｍＶ未満に降下した際に、サイクル中のＬｉ_１５Ｓｉ_４の形成につながる。結晶性のＬｉ_１５Ｓｉ_４は、リチウムイオン電池のサイクル寿命に悪影響を与えることがある。

合金組成物は、少なくとも３５モル・パーセント、少なくとも４０モル・パーセント、少なくとも４５モル・パーセント、少なくとも５０モル・パーセント、少なくとも５５モル・パーセント、又は少なくとも６０モル・パーセントのシリコンを含有する。合金組成物は、７０モル・パーセントまでの、６５モル・パーセントまでの、又は６０モル・パーセントまでのシリコンを含有することができる。例えば、合金組成物は、４０〜７０モル・パーセント、４０〜６５モル・パーセント、３５〜５５モル・パーセント、５０〜７０モル・パーセント、５５〜７０モル・パーセント、又は５５〜６５モル・パーセントのシリコンを含有することができる。

アルミニウムが、合金組成物中に存在する別の元素である。アルミニウムは、典型的には非晶相で存在し、且つ遷移金属とともに、すべてのシリコンを含有する非晶相の形成を促進する。アルミニウムは、電気化学的に活性、電気化学的に不活性、又はこれらの組み合わせであり得る。アルミニウムは、元素状アルミニウムとして存在し、多くの場合電気化学的に活性である。電気化学的に活性なアルミニウムは、合金組成物の容量を向上させることができる。しかし、アルミニウムが、遷移金属との金属間化合物として存在する場合、電気化学的に不活性であり得る。電気化学的不活性物質としては、アルミニウム金属間化合物は、電気化学的に活性な構成成分のマトリックスとして機能することができる。

アルミニウムは、合金組成物中に、リチウムを除く当該合金組成物中の全元素の総モル数を基準にして、１〜４５モル・パーセントの量で存在する。合金組成物へのアルミニウムの追加により、多くの場合、融点を低下させ、溶融紡糸などの溶融加工技術の使用を容易にする。溶融加工技術は、多くの場合、合金組成物の形成において、スパッタリングなどの加工技術よりも廉価である。アルミニウム濃度が低すぎる場合、すべてのシリコンを含有する非晶相の形成がより困難となり得る。しかし、アルミニウムが多すぎると、リチウムイオン電池のサイクル寿命に悪影響を与え得る。即ち、アルミニウムが多すぎると、アノードをリチウム化及び脱リチウム化の反復サイクルにさらした場合に、受け入れ難いほどの大きな容量減少をもたらすことがある。

合金組成物は、４５モル・パーセントまで、４０モル・パーセントまで、３５モル・パーセントまで、３０モル・パーセントまで、２５モル・パーセントまで、２０モル・パーセントまで、又は１５モル・パーセントまでのアルミニウムを含有する。合金組成物中のアルミニウムは、多くの場合、少なくとも１モル・パーセント、少なくとも２モル・パーセント、少なくとも５モル・パーセント、少なくとも１０モル・パーセント、少なくとも２０モル・パーセント、又は少なくとも２５モル・パーセントの量で存在する。例えば、合金組成物は、２〜４０モル・パーセント、３〜４０モル・パーセント、５〜４０モル・パーセント、１０〜４０モル・パーセント、１０〜３０モル・パーセント、１〜２５モル・パーセント、２５〜４５モル・パーセント、又は１０〜２０モル・パーセントのアルミニウムを含有することができる。

合金組成物はまた、遷移金属を、リチウムを除く合金組成物中の全元素の総モル数を基準にして、５〜２５モル・パーセントの量で含む。好適な遷移金属としては、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、タングステン及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。遷移金属は、アルミニウムと組み合わされて、非晶相の形成を促進する。合金組成物中に含まれる遷移金属が少なすぎる場合、すべての、シリコンを含む非晶相の形成がより困難となり得る。しかし、遷移金属濃度が高すぎる場合、遷移金属が電気化学的に不活性であるため又は別の構成成分例えばアルミニウムと結合して電気化学的に不活性な金属間化合物を形成するために、合金組成物の容量が受け入れ難いほど小さくなることがある。

遷移元素は、少なくとも５モル・パーセント、少なくとも８モル・パーセント、少なくとも１０モル・パーセント、又は少なくとも１２モル・パーセントの量で存在する。合金組成物は、２５モル・パーセントまでの、２０モル・パーセントまでの、又は１５モル・パーセントまでの遷移金属を含有する。例えば、合金組成物は、５〜２０モル・パーセント、５〜１５モル・パーセント、８〜２５モル・パーセント、８〜２０モル・パーセント、又は１０〜２５モル・パーセントの遷移金属を含む。

スズもまた、合金組成物中に存在する別の元素である。スズは、典型的には、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせを含有する第５元素との金属間化合物としてナノ結晶相中に存在する。金属間化合物は、多くの場合、化学式Ｓｎ_３Ｍを持ち、式中Ｍは第５元素である。ナノ結晶相は、合金組成物のリチウム化速度を、特にリチウム化及び脱リチウム化の第１サイクル中にて増大させることができる。理論に束縛されるものではないが、ナノ結晶相は、非晶相を通る脈に模することができる。ナノ結晶相は、合金組成物の至るところにリチウムの伝導経路を提供してよく、これはリチウムがナノ結晶相と非晶相との間の粒界に沿って素早く拡散することを可能にする。

合金組成物は、リチウムを除く合金組成物中の全元素の総モル数を基準として、１〜１５モル・パーセントのスズを含有する。存在するスズが多すぎる場合、ナノ結晶性スズ含有金属間化合物にかわって、結晶性スズが形成される。結晶性元素状スズは、アノードをリチウム化及び脱リチウム化の反復サイクルにさらした際に、容量に悪影響を及ぼす。即ち、スズが多すぎると、アノードをリチウム化及び脱リチウム化の反復サイクルにさらした場合に、受け入れ難い程の容量減少を引き起こすことがある。しかし、スズの量が少なすぎる場合、リチウム化速度は非晶質物質のそれと同程度になる場合がある。

スズは、１５モル・パーセントまでの、１２モル・パーセントまでの、１０モル・パーセントまでの、９モル・パーセントまでの、８モル・パーセントまでの、７モル・パーセントまでの、６モル・パーセントまでの、又は５モル・パーセントまでの量で存在する。スズは、通常、少なくとも１モル・パーセント、少なくとも２モル・パーセント、少なくとも３モル・パーセント、少なくとも４モル・パーセント、又は少なくとも５モル・パーセントの量で存在する。例えば、合金組成物は、１〜１２モル・パーセント、１〜１０モル・パーセント、１〜９モル・パーセント、２〜９モル・パーセント、２〜８モル・パーセント、又は３〜９モル・パーセントのスズを含有することができる。

第５元素は、リチウムを除く合金組成物中の全元素の総モル数を基準として、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせを、２〜１５モル・パーセントの量で含有する合金組成物中に含まれている。第５元素は、スズとの金属間化合物の形態でナノ結晶相に含まれている。合金組成物が、多すぎる第５元素を含有する場合には、第５元素が典型的には、電気化学的に不活性であるために、容量が減少する場合がある。一方、第５元素の量が少なすぎる場合には、ナノ結晶性スズ含有金属間化合物の形態よりも、むしろ結晶性元素状スズの形態にて、スズが幾分存在し得る。結晶性元素状スズの存在は、リチウムイオン電池をリチウム化及び脱リチウム化の反復サイクルにさらした際に、容量に対して有害（deleteriously）となり得る。

ナノ結晶相は、シリコンを第５元素と組み合わせることにより形成されるシリサイドなどの化学量論的化合物を実質的に含まない。シリサイドなどの化学量論的化合物は、化合物内の元素（複数）間で、有理数である比率を持つ規定比率を有する。

好適なランタニド元素としては、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、及びルテチウムが挙げられる。好適なアクチニド元素としては、トリウム、アクチニウム、及びプロトアクチニウムが挙げられる。幾つかの合金組成物は、例えばセリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム、又はこれらの組み合わせから選択されるランタニド元素を含有する。

第５元素は、ミッシュメタルであり得、これは各種ランタニドの合金である。幾つかのミッシュメタルは、例えば４５〜６０重量％のセリウム、２０〜４５重量％のランタン、１〜１０重量％のプラセオジム、及び１〜２５重量％のネオジムを含有する。他のミッシュメタルは、３０〜４０重量％のランタン、６０〜７０重量％セリウム、１重量未満のプラセオジム、及び１重量％未満のネオジムを含有する。更に他のミッシュメタルは、４０〜６０重量％のセリウム及び４０〜６０重量％のランタンを含有する。ミッシュメタルは、多くの場合少量の（例えば、１重量％未満の、０．５重量％未満の、又は０．１重量％未満の）不純物、例えば鉄、マグネシウム、シリコン、モリブデン、亜鉛、カルシウム、銅、クロム、鉛、チタン、マンガン、炭素、イオウ、及びリンなどを含む。ミッシュメタルは、多くの場合少なくとも９７重量％、少なくとも９８重量％、又は少なくとも９９重量％の含有量のランタニドを有する。アルファ・エイサー社（Alfa Aesar）（マサチューセッツ州、ワードヒル）より市販されている、９９．９重量％純度のミッシュメタルの一例は、約５０重量％のセリウム、１８重量％のネオジム、６重量％のプラセオジム、２２重量％のランタン、及び３重量％の他の希土類を含有する。

合金組成物は、少なくとも２モル・パーセント、少なくとも３モル・パーセント、又は少なくとも５モル・パーセントの第５元素を含有する。第５元素は、１５モル・パーセントまで、１２モル・パーセントまで、又は１０モル・パーセントの量で、合金組成物中に存在できる。例えば、合金組成物は、３〜１５モル・パーセント、５〜１５モル・パーセント、３〜１２モル・パーセント、又は３〜１０モル・パーセントの第５元素を含有することができる。幾つかの実施形態では、第５元素は、ランタニド元素又はランタニド元素（複数）の混合物である。

合金組成物は、アルカリ土類金属例えばカルシウム、バリウム、マグネシウム等を実質的に含まない。本明細書で使用する時、アルカリ土類金属に関して、用語「本質的に含まない」とは、合金組成物が１モル・パーセント以下のアルカリ土類、０．５モル・パーセント以下のアルカリ土類、０．２モル・パーセント以下のアルカリ土類、又は０．１モル・パーセント以下のアルカリ土類を含有することを意味する。アルカリ土類が、合金組成物中に存在する場合、典型的には、別の構成成分の不純物として存在し、且つ意図的に追加されない。

合金組成物は、リチウムなどのアルカリ金属を更に包含できる。第１リチウム化反応に先だって、合金組成物は、典型的には、リチウムをほとんど含有しないか又は全く含有しない。第１リチウム化後、リチウム量は変化し得るが、典型的には、リチウムイオン電池が放電された後であっても、ゼロより大きい。即ち、合金組成物を含有するアノードは、多くの場合、少なくとも少量の不可逆容量を有する。

合金組成物は、多くの場合、式Ｉを有する。

Ｓｉ_ａＡｌ_ｂＴ_ｃＳｎ_ｄＭ_ｅＬｉ_ｆ（Ｉ）
［式中、ａは、３５〜７０の範囲内の数字であり、ｂは、１〜４５の範囲内の数字であり、Ｔは、遷移金属であり、ｃは、５〜２５の範囲内の数字であり、ｄは、１〜１５の範囲内の数字であり、Ｍは、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせであり、ｅは、２〜１５の範囲内の数字であり、及びａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅの合計は、１００に等しい。］変数ｆは、０〜［４．４（ａ＋ｄ）＋ｂ］に等しい数字の範囲であり得る。

化学式Ｉに従う幾つかの例示組成物において、変数ａは、４０〜６５の範囲内の数字であり、ｂは、１〜２５の範囲内の数字であり、ｃは、５〜２５の範囲内の数字であり、ｄは、１〜１５の範囲内の数字であり、且つｅは、２〜１５の範囲内の数字である。化学式Ｉに従う他の例示組成物において、変数ａは、３５〜５５の範囲内の数字であり、ｂは、２５〜４５の範囲内の数字であり、ｃは、５〜２５の範囲内の数字であり、ｄは、１〜１５の範囲内の数字であり、且つｅは、２〜１５の範囲内の数字である。更に他の例示組成物では、変数ａは、５５〜６５の範囲内の数字であり、ｂは、１０〜２０の範囲内の数字であり、ｃは、５〜２５の範囲内の数字であり、ｄは、１〜１５の範囲内の数字であり、且つｅは、２〜１５の範囲内の数字である。

アノードの合金組成物は、薄膜又は粉末の形態、材料を調製するために選択された技術に応じた形態であることができる。合金組成物の好適な調整方法としては、スパッタリング、化学的気相成長、真空蒸着、溶融加工、例えば溶融紡糸、スプラット冷却法、スプレー噴霧、電気化学的付着、及びボールミル粉砕が挙げられるが、これらに限定されない。

合金組成物の製造方法は、非晶質物質を形成すること及び次に当該非晶質物質を約１５０℃〜約４００℃の範囲の温度でアニールすることを含むことができる。アニーリングによって、完全な非晶質である前駆体物質は、非晶相及びナノ結晶相の混合物である合金組成物へと変換される傾向がある。アニーリング工程は、典型的には、前駆体物質をアルゴン又はヘリウムなどの不活性環境下で加熱することにより実施される。

スパッタリングは、非晶質前駆体の製造方法の１つである。異なる元素を、同時に又は連続的にスパッタリングすることができる。例えば、元素（複数）は、銅基板などの基板上にスパッタリングで連続的にコーティングすることができる。基板は、連続的に稼動する複数のスパッタリング源の下で連続的に回転する回転台（例えば、６３．５ｃｍ（２５インチ）の直径）の端近傍に配置させることができる。１つの物質層は、基体を第１スパッタリング源の下を通過させる際に付着させることができ、異なる物質の追加の層は基板を他のスパッタリング源の下を通過させる際に付着させることができる。各スパッタリング源から付着する物質量は、回転台の回転速度を変化させることにより及びスパッタリング速度を変化させることによりコントロールすることができる。好適なスパッタリング方法は、更に米国特許第６，２０３，９４４Ｂ１号（ターナー（Turner）ら）、米国特許第６，４３６，５７８Ｂ１号（ターナーら）、及び米国特許第６，６９９，３３６Ｂ２号（ターナーら）に記載されている。

溶融加工は、非晶質前駆体を製造するために、又は非晶質物質とナノ結晶性物質との混合物である合金組成物を製造するために使用可能な別の手順である。このような方法は、一般に、例えば「非晶質金属合金（Amorphous Metallic Alloys）」（Ｆ・Ｅ・ルボルスキー（F.E. Luborsky）編、第２章、バターワース＆Ｃｏ社（Butterworth & Co., Ltd.）、１９８３年）に記載されている。反応物を含有するインゴットは、高周波電界内で溶融でき、次にノズルを通して、冷却可能な回転ホイール（例えば、銅合金製ホイール）の表面上へ放出できる。回転ホイールの表面温度が、実質的に溶解物の温度よりも低いために、回転ホイールの表面に接触すると、溶融を抑制する。急速冷却は、結晶性物質の形成を最少化し、非晶質物質の形成を促進する。好適な溶融加工方法は、更に米国特許第６，６９９，３３６Ｂ２号（ターナー、ら）に記載されている。溶融処理物質は、例えばリボン又は薄膜の形態であり得る。

幾つかの溶融加工手順では、冷却速度及び特定物質に応じて、結果として得られる物質は、非晶相と、スズ、インジウム、及び第６元素の金属間化合物を含む単一のナノ結晶相との混合物となり得る。しかし、他の溶融加工手順では、溶融加工物質は、（１）非晶相と、（２）スズ、インジウム及び第６元素の金属間化合物を含む３つ組のナノ結晶相と、（３）結晶性（例えば、ナノ結晶性）元素状スズ相、結晶性インジウム相、Ｓｎ_{（１−ｙ）}Ｉｎ_ｙの化学式を持つ結晶性２元スズ・インジウム層（式中、ｙは１未満の正数であり、例えばＳｎ_０．８Ｉｎ_０．２）、又はこれらの組み合わせ、とから成る前駆体である。結晶性元素状スズ相、結晶性インジウム相、及び結晶性２元スズ・インジウム相は、多くの場合、溶融処理物質を約１５０℃〜約４００℃の範囲の温度にて、不活性雰囲気下でアニールすることによって除去することができる。更に他の溶融処理方法では、溶解処理前駆体物質は、非晶質物質のみを含有する前駆体である。前駆体は、約１５０℃〜約４００℃の範囲内の温度にて、不活性大気下でアニールして、非晶相とナノ結晶相の両方を含有する合金組成物を製造することができる。

スパッタリングされた又は溶融処理された合金組成物は、更に処理されて粉末状物質を製造することができる。例えば、合金組成物のリボン又は薄膜を粉砕して、粉末を形成することができる。粉末は、任意のアニーリング工程の前後において形成することができる。代表的な粉末は、６０マイクロメートルを超えない、４０マイクロメートルを超えない、又は２０マイクロメートルを超えない最大寸法を有する。粉末は、多くの場合、少なくとも１マイクロメートル、少なくとも２マイクロメートル、少なくとも５マイクロメートル、又は少なくとも１０マイクロメートルの最大寸法を有する。例えば、好適な粉末は多くの場合、１〜６０マイクロメートル、１０〜６０マイクロメートル、２０〜６０マイクロメートル、４０〜６０マイクロメートル、１〜４０マイクロメートル、２〜４０マイクロメートル、１０〜４０マイクロメートル、５〜２０マイクロメートル、又は１０〜２０マイクロメートルの最大寸法を有する。

幾つかの実施形態では、アノードは、エラストマー系高分子結合剤中に分散した合金組成物を含有する。代表的なエラストマー系高分子結合剤としては、エチレン、プロピレン、又はブチレンモノマー類から調製したものなどのポリオレフィン類、フッ化ビニリデンモノマー類から調製したものなどのフッ素化ポリオレフィン類、ヘキサフルオロプロピレンモノマーから調製したものなどの過フッ素化ポリオレフィン類、過フッ素化ポリ（アルキルビニルエーテル類）、過フッ素化ポリ（アルコキシビニルエーテル類）、又はこれらの組み合わせが挙げられる。エラストマー系高分子結合剤の具体例としては、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、及びプロピレンのターポリマー類、並びにフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー類が挙げられる。市販のフッ素系エラストマー類としては、ダイネオン（Dyneon, LLC）（ミネソタ州、オークデール）により、「ＦＣ−２１７８」、「ＦＣ−２１７９」、及び「ＢＲＥ−７１３１Ｘ」の名称で販売されているものが挙げられる。

幾つかのアノードでは、エラストマー系結合剤が架橋している。架橋により、ポリマーの機械的特性を向上させることができ、且つ合金組成物と、存在可能な任意の導電性希釈剤との間の接触を向上させることができる。

他のアノードでは、結合剤は米国特許出願第１１／２１８，４４８号（２００５年９月１日出願）に記載されている脂肪族又は脂環式ポリイミドなどのポリイミドである。このようなポリイミド結合剤は、化学式（ＩＩ）の繰返し単位を有する。

［式中、Ｒ^１は、脂肪族又は脂環式であり、Ｒ^２は、芳香族、脂肪族、又は脂環式である。］
脂肪族又は脂環式ポリイミド結合剤は、例えば、ポリアミド酸を形成し、続いて化学的又は熱的環化によりポリイミドを形成する、脂肪族又は脂環式ポリ酸無水物（例えば、二酸無水物）と芳香族、脂肪族、又は脂環式ポリアミン（例えば、ジアミン又はトリアミン）との間の縮合反応を使用して形成されてよい。ポリイミド結合剤はまた、更に芳香族ポリ酸無水物（例えば、芳香族二酸無水物）を含有する反応混合物を使用して、又は芳香族ポリ酸無水物（例えば、芳香族二酸無水物）及び脂肪族又は脂環式ポリ酸無水物（例えば、脂肪族又は脂環式二酸無水物）から誘導されるコポリマー類を含有する反応混合物から形成してもよい。例えば、ポリイミド中の約１０％〜約９０％のイミド基が、脂肪族又は脂環式部分と結合可能であり、且つ約９０％〜約１０％のイミド基が、芳香族部分と結合可能である。代表的な芳香族ポリ酸無水物は、例えば米国特許第５，５０４，１２８号（ミズタニら）に記載されている。

導電性希釈剤は、アノード中で合金組成物と混合できる。代表的な導電性希釈剤としては、炭素、金属、金属窒化物、金属炭化物、金属シリサイド、金属ホウ化物が挙げられるが、これらに限定されない。幾つかのアノードでは、導電性希釈剤は、「スーパーＰ」及び「スーパーＳ」の名称でＭＭＭカーボン（ベルギー）又は「シャウィニガンブラック」の名称でシェブロン・ケミカル（Chevron Chemical Co.）（テキサス州ヒューストン）より市販されているもののようなカーボンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、グラファイト、炭素繊維、又はこれらの組み合わせである。

アノードは、合金組成物及び導電性希釈剤のエラストマー系高分子結合剤への電気的な接着を促進する接着促進剤を更に包含することができる。接着促進剤及びエラストマー系高分子結合剤の組み合わせは、リチウム化及び脱リチウム化の繰り返しサイクル中に合金組成物中に現れることがある体積変化に、少なくとも部分的に適応する。接着促進剤は、結合剤（例えば、官能基の形態にて）の一部であることができ、又は合金組成物、導電性希釈剤、又はこれらの組み合わせの上のコーティングの形態であり得る。接着促進剤の例としては、米国特許出願第２００３／００５８２４０号に記載されている様なシラン、チタン酸塩、及びホスホン酸塩類が挙げられるが、これらに限定されない。

アノードは、電池組み立て工程に先だって又はその間に、部分的にリチウム化することができる。リチウムをアノードに添加することにより、放電中に電池から供給されるエネルギーを増大させることができる。幾つかの実施形態では、リチウム粉末、合金組成物、及び導電性希釈剤を高分子結合剤の溶液中に分散することにより、アノードを部分的にリチウム化する。分散体は、コーティングし、乾燥して、あらゆる溶媒を除去し、硬化させて電極を形成できる。他の実施形態では、リチウムホイル又はリチウム金属粉末を、予め硬化させた電極の表面に加えることができる。リチウム金属粉末の場合、粉末は（１）粉末を直接に電極表面上に撒くことによって、又は（２）非反応性の揮発性溶媒中のリチウム金属粉末を分散させ、続いてリチウム分散体を電極表面上に均一にコーティングし、溶媒を蒸発させることによって、分配できる。次に、リチウムホイル又はリチウム金属粉末は、カレンダー工程によって電極へ加えられる。リチウムを含有するアノードは、電池の組立前に加熱されて、リチウムをアノードの他の構成成分と反応させることができるが、このようなアノードは典型的に、加熱無しで電池へと組み立てられる。電池組み立て工程中、電解質が添加された際に、リチウムはアノードコーティングの他の構成成分と反応し得る。

任意の好適な電解質が、リチウムイオン電池内に含めることができる。電解質は、固体又は液体の形態であることができる。代表的な固体電解質としては、ポリエチレンオキシド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素含有コポリマー類、ポリアクリロニトリル、又はこれらの組み合わせなどの高分子電解質が挙げられる。代表的な液体電解質としては、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、１，２−ジメトキシエタン、ジオキソラン、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン（dioxalan）−２−オン、又はこれらの組み合わせが挙げられる。電解質としては、リチウム塩電解質、例えばＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_２ＣＦ_３）_２、などが挙げられる。

電解質は、酸化還元シャトル分子即ち、充電中にカソードで酸化されて、アノードに移動し、そこで還元されて非酸化の（又はより少なく酸化された）シャトル種を再形成し、再度カソードに移動することができる、電気化学的に可逆性の物質を含むことができる。代表的な酸化還元シャトル分子としては、米国特許第５，７０９，９６８号（シミズ）、米国特許第５，７６３，１１９号（アダチ）、米国特許第５，５３６，５９９号（アランギール（Alamgir）ら）、米国特許第５,８５８,５７３号（エイブラハム（Abraham）ら）、米国特許第５,８８２,８１２号（ヴィスコ（Visco）ら）、米国特許第６，００４，６９８号（リチャードソン（Richardson）ら）、米国特許第６，０４５，９５２号（カー（Kerr）ら）、及び米国特許第６，３８７，５７１Ｂ１号（レイン（Lain）ら）、ＰＣＴ国際公開特許出願ＷＯ０１／２９９２０Ａ１（リチャードソン（Richardson）ら）、及び米国特許出願公開第２００５−０２２１１９６Ａ１（ダーン（Dahn）ら）、米国特許出願番号第１１／１３０８５０号（２００５年５月１７日出願）（ダーン（Dahn）ら）及び同第１１／１３０８４９号（２００５年５月１７日出願）（ダーン（Dahn）ら）、及び米国特許仮出願番号第６０／７４３，３１４号（２００６年２月１７日出願）（ダーン（Dahn）ら）に記載されるものが挙げられる。

リチウムイオン電池に用いるために周知の任意の好適なカソードを利用できる。幾つかの代表的なカソードは、リチウム遷移金属酸化物、例えばリチウムコバルト二酸化物、リチウムニッケル二酸化物、及びリチウムマンガン二酸化物を含有する。他の代表的なカソード類は、米国特許第６，６８０，１４５Ｂ２号（オブロヴァック（Obrovac）ら）に開示されており、リチウム含有グレインと組み合わされた遷移金属グレインを包含する。好適な遷移金属グレインとしては、例えば鉄、コバルト、クロム、ニッケル、バナジウム、マンガン、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、ニオビウム、又はこれらの組み合わせが挙げられ、約５０ナノメートル以下のグレインサイズを有する。好適なリチウム含有グレインは、酸化リチウム、硫化リチウム、ハロゲン化リチウム（例えば、塩化物類、臭化物類、ヨウ化物類、又はフッ化物類）、又はこれらの組み合わせから選択されることができる。これらの粒子は、単独で又はリチウム遷移金属酸化物物質、例えばリチウムコバルト二酸化物と組み合わせて用いることができる。

固体電解質を有するリチウムイオン電池の幾つかは、カソードにＬｉＶ_３Ｏ_８又はＬｉＶ_２Ｏ_５を含むことができる。液体電解質を有する他のリチウムイオン電池では、カソードがＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＣｏ_０．２Ｎｉ_０．８Ｏ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＦｅＰＯ_４、又はＬｉＮｉＯ_２を含むことができる。

リチウムイオン電池は、多様な用途における電源として使用することが可能である。例えば、リチウムイオン電池は、コンピュータ及び各種ハンドヘルド機器、車両、動力工具、写真機材、及び通信機器などの電子デバイス用電源にて使用することが可能である。複数のリチウムイオン電池を一体化して、電池パックを提供することができる。

アルミニウム、シリコン、鉄、チタン、スズ、ジルコニウム、及びコバルトが、高純度（９９．８重量％以上）の純元素として、アルファ・エイサー（Alfa Aesar）（マサチューセッツ州ワードヒル）又はアルドリッチ（ウィスコンシン州ミルウォーキー）から得られた。希土類元素の混合物（ミッシュメタル（ＭＭ）としても周知）もまた、アルファ・エイサー（Alfa Aesar）から、５０重量％のセリウム、１８重量％のネオジム、６重量％のプラセオジム、２２重量％のランタン、及び４重量％の他の希土類元素類を含有し（略）、希土類元素含有量が最低９９．９重量％にて得られた。

合金組成物は、電極へと形成され、リチウム金属対極を使用して電気化学セルとして特徴付けられた。

（実施例１）：Ｓｉ_６０Ａｌ_１４Ｆｅ_８Ｔｉ_１Ｓｎ_７（ＭＭ）_１０
合金組成物Ｓｉ_６０Ａｌ_１４Ｆｅ_８Ｔｉ_１Ｓｎ_７（ＭＭ）_１０は、７．８９ｇのアルミニウムショット、３５．１８ｇのシリコンフレーク、９．３４ｇの鉄ショット、１．００ｇのチタン顆粒物、１７．３５ｇのスズショット、及び２９．２６ｇのミッシュメタル（ＭＭ）の混合物を、アルゴンを充填したアーク炉（アドバンスト・バキューム・システムズ（Advanced Vacuum Systems）（マサチューセッツ州エーア）より市販されている）内で銅製ハースで融解させることによりインゴットを製造した。インゴットは、ダイヤモンドブレードの湿式のこぎりを使用して、細長い切れ端へと切断した。

次に、インゴットを溶融紡糸により更に処理した。溶融紡糸装置は、回転冷却ホイール上に位置する０．３５ｍｍの開口部を備えた円筒形石英ガラスるつぼ（１６ｍｍ内径Ｘ１４０ｍｍ長さ）を有する真空槽を包含した。回転冷却ホイール（１０ｍｍ厚Ｘ２０３ｍｍ直径）を、ノンフェラス・プロダクツ（Nonferrous Products, Inc.）（インディアナ州フランクリン）より市販されている銅合金（Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｒ−ＣｕＣ１８０００合金、０．４５重量％クロム、２．４重量％ニッケル、０．６重量％シリコン、残部は銅）から作製した。処理に先だって、冷却ホイールのエッジ面をラビング用化合物（３Ｍ（ミネソタ州セントポール）より、インペリアル・マイクロフィニッシング（IMPERIAL MICROFINISHING）の名称で市販されている）を使用して研磨し、次に鉱油でふき取って薄膜を残した。

２０ｇのインゴットストリップをるつぼ内に配置した後、システムを１０．７Ｐａ（８０ｍＴ）（ミリトール）まで真空引きし、次にヘリウムガスで満たして２６．７ｋＰａ（２００Ｔ）とした。インゴットは、高周波導入を使用して溶融した。温度が、１３５０℃に達した時点で、５３．３ｋＰａ（４００Ｔ）のヘリウム圧力が、溶融合金組成物表面へ加わり、合金組成物がノズルを通って回転（５２６．８ｒａｄ／ｓ（毎分５０３１回転））冷却ホイール上へと押し出される。１ｍｍの幅及び１０マイクロメートルの厚さを有するリボンストリップが、形成された。リボンストリップは、２００℃にて２．５時間、アルゴン大気下にて環状炉内でアニールした。

結果として得られる合金組成物のＸ線回折（ＸＲＤ）パターン（銅ターゲット（Ｋ１，Ｋ２線）を使用して得られた）を図１に示す。ナノ結晶性Ｓｎ３（ＭＭ）及び結晶性Ｓｎの理論上のピーク位置を、ＸＲＤパターン上に重ね合わせる。サンプルは、ナノ結晶性Ｓｎ_３（ＭＭ）を含有していたが、結晶性元素状スズを実質的に含まなかった。ＸＲＤパターンは、シリコンと関連付けられたいかなるピークも含有しなかった。このため、シリコンは、結晶相ではなく非晶相であった。

以下の構成成分を、２個の１０ｍｍ直径及び１０個の３ｍｍ直径のタングステンカーバイト製ボールを収容した４０ｍＬのタングステンカーバイド製ミリング容器へ加えた。１．６０ｇの上記リボン、２４０ｍｇの炭素（ＭＭＭカーボン（ベルギー）より、スーパーＰの名称で市販されている）、０．８０ｇのポリイミドコーティング溶液（ＨＤマイクロシステムズ（ニュージャージー州パーリン、チーズクエーク通り）より、ピラリン（PYRALIN）ＰＩ２５５５の名称で、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン中の２０重量％溶液として市販されている）、及び５．２ｇのＮ−メチル−２−ピロリン（アルドリッチ（ウィスコンシン州ミルウォーキー）より市販されている）。ミリング容器を遊星ミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）７、フリッチ（Fritsch GmbH）（ドイツ、イドン−オベルシュタイン（Idon-Oberstein））から入手可能）内に置き、内容物を設定「４」にて１時間ミリングした。

ミリング後、混合物をノッチ付きコーティング用バーへ移し、１５マイクロメートル厚の銅箔の上に幅２５ｍｍ及び厚み１２５マイクロメートルを有するストリップとしてコーティングした。ストリップを１５０℃にて真空条件下で２．５時間硬化させて、電極を形成した。次に、電極を使用して、３００マイクロメートル厚の金属製リチウムホイル対極／参照電極、２層のフラットシート型ポリプロピレンメンブレンセパレータ（セルガード（Celgard）２４００、セルガード（Celgard）（ノースカロライナ州シャーロット）より市販されている）、及び１ＭＬｉＰＦ６（エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートの１：２混合物（電解質として）中）を有する２３２５コイン電池を作成した。２３２５コイン電池のハードウェアは、Ａ．Ｍ．ウィルソン、Ｊ．Ｒ．ダーン共著、電気化学協会雑誌（J. Electrochem. Soc.）（第１４２巻、３２６〜３３２頁、１９９５年）に記載されている。結果として得られる電圧曲線を、図２に示す。容量は、８００ｍＡｈ／ｇであった。

（実施例２）：Ｓｉ_６０Ａｌ_１２Ｆｅ_８Ｔｉ_３Ｓｎ_７（ＭＭ）_１０
合金組成物Ｓｉ_６０Ａｌ_１２Ｆｅ_８Ｔｉ_３Ｓｎ_７（ＭＭ）１０は、実施例１に類似した手順を使用して、６．７０１ｇのアルミニウム、３４．８７８ｇのシリコン、２．９７４ｇのチタン、９．２４７ｇの鉄、１７．１９７ｇのスズ、及び２９．００２ｇのミッシュメタルを混合することによって調製した。結果として得られる合金組成物のＸＲＤパターンを図３に示す。

以下の構成成分が混合されたことを除いて、実施例１に記載の如くアノードの調製及び試験を行った。１．６０ｇの押し出されたリボン、２００ｍｇのスーパーＰ炭素、及び１．００ｇのポリイミドコーティング溶液。容量は、７００ｍＡｈ／ｇであった。

（実施例３）：Ｓｉ_６０Ａｌ_１５Ｆｅ_８Ｓｎ_７（ＭＭ）_１０
合金組成物Ｓｉ_６０Ａｌ_１５Ｆｅ_８Ｓｎ_７（ＭＭ）_１０は、実施例１に類似した手順を使用して、８．４８７ｇのアルミニウム、３５．３３７ｇのシリコン、９．３６９ｇの鉄、１７．４２３ｇのスズ、及び２９．３８４ｇのミッシュメタルを混合することによって調製した。融解紡糸したサンプルは、アニールしなかった。結果として得られる合金組成物のＸＲＤパターンを図４に示す。

以下の構成成分が混合されたことを除いて、実施例１に記載の如くアノードの調製及び試験を行った。１．９０ｇの押し出されたリボン、１００ｍｇのスーパーＰ炭素、及び１．００ｇのポリイミドコーティング溶液。容量は、６００ｍＡｈ／ｇであった。

（実施例４）
合金組成物Ｓｉ_４１．４Ａｌ_３９．５Ｃｏ_１３．１Ｓｎ_２（ＭＭ）_４は、実施例１の場合に類似の手順を使用し、２８．０３ｇのアルミニウム、３０．５６７ｇのシリコン、２０．４０８ｇのコバルト、６．２４６ｇのスズ、及び１４．７４８ｇのミッシュメタルを混合することによって調製した。融解紡糸したサンプルを３００℃にて２時間、アルゴン流下にて加熱することによりアニールした。結果として得られる合金組成物のＸＲＤパターンを図５に示すが、縦線はナノ結晶性（ＭＭ）Ｓｎ_３相の理論上のピーク位置を示す。

（実施例５）
リチウム金属粉末は、１５０マイクロメートル厚のリチウムホイルを、個々の粒子の最大寸法が約１５０マイクロメートルになるまで、かみそりの刃で繰り返し細かく刻んで調製した。６０ｍｇのリチウム粉末を、実施例１に記載されている硬化させた電極から切り出した一片（４．６２ｍｇのＳｉ_６０Ａｌ_１４Ｆｅ_８ＴｉＳｎ_７（ＭＭ）_１０を含有する）の上に振りかけた。次に、電極を２片のポリエチレンフィルムの間に配置し、ハンドローラーを用いて調整した。結果として得られる電極を、実施例１に記載されている様に、リチウム対極に対して電気化学セルへと組み立てた。セルは、金属質のＬｉ／Ｌｉイオン参照電極に対して０．９Ｖ及び金属質のＬｉ／Ｌｉイオン参照電極に対して５ｍＶの間で、１００ｍＡ／ｇの一定電流にて、セルテスター（マッコール（Maccor Inc.）（オクラホマ州タルサ））を使用してサイクルさせた。電圧対容量曲線を図６に示す。可逆性の比容量は、６７０ｍＡｈ／ｇであった。

添付の図面と共に以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで、本発明はより完全に理解できる。

本発明は様々な変更及び代替形態が可能であるが、その具体例を一例として図面に示し、及び詳細に記載する。しかしながら本発明を、記載される特定の実施形態に限定しようとするものではないことは理解されるべきである。逆に、本発明は、本発明の精神及び範囲内に含まれる、すべての修正、等価な形態、及び代替形態を対象とすることを意図する。
以下に、本願発明に関連する発明の実施の形態を列挙する。
実施形態１
カソード、アノード、並びに前記アノード及び前記カソードと電気的に接続した電解質を含むリチウムイオン電池であって、前記アノードが、
ａ）３５〜７０モル・パーセントの量のシリコンと、
ｂ）１〜４５モル・パーセントの量のアルミニウムと、
ｃ）５〜２５モル・パーセントの量の遷移金属と、
ｄ）１〜１５モル・パーセントの量のスズと、
ｅ）２〜１５モル・パーセントの量の、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせから成る第５元素、
とから成る合金組成物を含み、
各モル・パーセントが、リチウムを除く前記合金組成物中の全元素の総モル数を基準にし、且つ
前記合金組成物が、シリコンを含む非晶相並びにスズ及び前記第５元素を含むナノ結晶相の混合物である、リチウムイオン電池。
実施形態２
前記非晶相が、アルミニウム及び前記遷移金属を更に含む、実施形態１に記載のリチウムイオン電池。
実施形態３
前記第５元素が、セリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム、又はこれらの組み合わせを含む、実施形態１に記載のリチウムイオン電池。
実施形態４
前記ナノ結晶相が、シリコンを実質的に含まない、実施形態１に記載のリチウムイオン電池。
実施形態５
前記ナノ結晶相が、元素形態のスズを実質的に含まない、実施形態１に記載のリチウムイオン電池。
実施形態６
前記合金組成物が、１モル・パーセント未満のアルカリ土類金属を更に含む、実施形態１に記載のリチウムイオン電池。
実施形態７
前記合金組成物が、アルカリ金属を更に含む、実施形態１に記載のリチウムイオン電池。
実施形態８
前記合金組成物が、１〜６０ミクロンの最大平均寸法を有する粒子を含む、実施形態１に記載のリチウムイオン電池。
実施形態９
前記合金組成物が、単一の非晶相及び単一のナノ結晶相を有する、実施形態１に記載のリチウムイオン電池。
実施形態１０
前記合金組成物が、化学式Ｉから成り、
Ｓｉ _ａＡｌ _ｂＴ _ｃＳｎ _ｄＭ _ｅＬｉ _ｆ（Ｉ）
式中、
ａは、３５〜７０の範囲内の数字であり、
ｂは、１〜４５の範囲内の数字であり、
Ｔは、遷移金属であり、
ｃは、５〜２５の範囲内の数字であり、
ｄは、１〜１５の範囲内の数字であり、
Ｍは、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせであり、
ｅは、２〜１５の範囲内の数字であり、
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅの合計が、１００に等しく、且つ
ｆは、０〜［４．４（ａ＋ｄ）＋ｂ］の範囲内の数字である、実施形態１〜９のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池。
実施形態１１
前記変数ａは、４０〜６５の範囲内の数字であり、ｂは、１〜２５の範囲内の数字であり、ｃは、５〜２５の範囲内の数字であり、ｄは、１〜１５の範囲内の数字であり、且つｅは、２〜１５の範囲内の数字である、実施形態１０に記載のリチウムイオン電池。
実施形態１２
前記変数ａは、３５〜５５の範囲内の数字であり、ｂは、２５〜４５の範囲内の数字であり、ｃは、５〜２５の範囲内の数字であり、ｄは、１〜１５の範囲内の数字であり、且つｅは、２〜１５の範囲内の数字である、実施形態１０に記載のリチウムイオン電池。
実施形態１３
前記変数ａは、５５〜６５の範囲内の数字であり、ｂは、１０〜２０の範囲内の数字であり、ｃは、５〜２５の範囲内の数字であり、ｄは、１〜１５の範囲内の数字であり、且つｅは、２〜１５の範囲内の数字である、実施形態１０に記載のリチウムイオン電池。
実施形態１４
前記アノードが、ポリイミドを含む有機結合剤を更に含む、実施形態１０に記載のリチウムイオン電池。
実施形態１５
前記アノードが、リチウム金属を更に含む、実施形態１〜１４のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池。
実施形態１６
実施形態１〜１５のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池を少なくとも１つ含む電池パック。
実施形態１７
リチウムイオン電池を調整する方法であって、
ａ）３５〜７０モル・パーセントの量のシリコンと、
ｂ）１〜４５モル・パーセントの量のアルミニウムと、
ｃ）５〜２５モル・パーセントの量の遷移金属と、
ｄ）１〜１５モル・パーセントの量のスズと、
ｅ）２〜１５モル・パーセントの量の、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせ、
とを含む合金組成物を提供することと、
各モル・パーセントが、リチウムを除く前記合金組成物中の全元素の総モル数を基準にし、且つ前記合金組成物が、シリコンを含む非晶相並びにスズ及び前記第５元素を含むナノ結晶相の混合物であり、
カソード、及び前記カソードと前記アノードとの両方に電気的に接続されている電解質を提供すること、とから成るリチウムイオン電池の調製方法。
実施形態１８
前記合金組成物を提供することが、前記シリコン、アルミニウム、スズ、遷移金属元素、及び第５元素の溶融紡糸から成る、実施形態１７に記載の方法。
実施形態１９
前記合金組成物を提供することが、まず、完全な非晶質前駆体物質を形成すること及び次に、前記前駆体物質をアニールして、前記非晶相及び前記ナノ結晶相の混合物を調製すること、を含む、実施形態１７に記載の方法。
実施形態２０
前記合金を提供することが、
ｉ）非晶質物質と、
ｉｉ）スズ及び前記第５元素を含むナノ結晶相と、
ｉｉｉ）結晶性元素状スズを含む前駆体物質を形成すること、及び
前記前駆体物質をアニールして、当該結晶性元素状スズを除去することを含む、実施形態１７に記載の方法。
実施形態２１
前記ナノ結晶相が、シリコンを実質的に含まない、実施形態１７に記載の方法。
実施形態２２
合金組成物であって、
ａ）３５〜７０モル・パーセントの量のシリコンと、
ｂ）１〜４５モル・パーセントの量のアルミニウムと、
ｃ）５〜２５モル・パーセントの量の遷移金属と、
ｄ）１〜１５モル・パーセントの量のスズと、
ｅ）２〜１５モル・パーセントの量の、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせから成る第５元素、
とを含む合金組成物であり、各モル・パーセントが、リチウムを除く前記合金組成物中の全元素の総モル数を基準にし、且つ
前記合金組成物が、シリコンを含む非晶相並びにスズ及び前記第５元素を含むナノ結晶相の混合物である合金組成物。

代表的な合金組成物Ｓｉ_６０Ａｌ_１４Ｆｅ_８Ｔｉ_１Ｓｎ_７（ＭＭ）_１０のＸ線回折パターンであり、ＭＭは、ミッシュメタルを意味する。合金組成物Ｓｉ_６０Ａｌ_１４Ｆｅ_８Ｔｉ_１Ｓｎ_７（ＭＭ）_１０を含有する電極を有する電気化学セルの電圧対容量プロット。代表的な合金組成物Ｓｉ_６０Ａｌ_１２Ｆｅ_８Ｔｉ_３Ｓｎ_７（ＭＭ）_１０のＸ線回折パターン。代表的な合金組成物Ｓｉ_６０Ａｌ_１５Ｆｅ_８Ｓｎ_７（ＭＭ）_１０のＸ線回折パターン。代表的な合金組成物Ｓｉ_４１．４Ａｌ_３９．５Ｃｏ_１３．１Ｓｎ_２（ＭＭ）_４のＸ線回折パターン。リチウム粉末及び合金組成物Ｓｉ_６０Ａｌ_１４Ｆｅ_８Ｔｉ_１Ｓｎ_７（ＭＭ）_１０を含有する電極を有する電気化学セルの電圧対容量プロット。

Claims

リチウムイオン電池用の合金組成物であって、
ａ）４１．４〜６０モル・パーセントの量のシリコンと、
ｂ）１２〜３９．５モル・パーセントの量のアルミニウムと、
ｃ）８〜１３．１モル・パーセントの量の遷移金属であって、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、タングステン、及びそれらの組合せから選択される遷移金属と、
ｄ）２〜７モル・パーセントの量のスズと、
ｅ）４〜１０モル・パーセントの量の、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせから成る第５元素、
とから成る合金組成物であり、各モル・パーセントが、リチウムを除く前記合金組成物中の全元素の総モル数を基準にし、且つ
前記合金組成物が、シリコンを含む非晶相並びにスズ及び前記第５元素の金属間化合物を含むナノ結晶相の混合物であるリチウムイオン電池用の合金組成物。
カソード、アノード、並びに前記アノード及び前記カソードと電気的に接続した電解質を含むリチウムイオン電池であって、前記アノードが請求項１に記載のリチウムイオン電池用の合金組成物を含むリチウムイオン電池。
前記リチウムイオン電池用の合金組成物が、化学式Ｉから成り、
ＳｉａＡｌｂＴｃＳｎｄＭｅＬｉｆ（Ｉ）
式中、
ａは、４１．４〜６０の範囲内の数字であり、
ｂは、１２〜３９．５の範囲内の数字であり、
Ｔは、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、タングステン、及びそれらの組合せから選択される遷移金属であり、
ｃは、８〜１３．１の範囲内の数字であり、
ｄは、２〜７の範囲内の数字であり、
Ｍは、イットリウム、ランタニド元素、アクチニド元素、又はこれらの組み合わせであり、
ｅは、４〜１０の範囲内の数字であり、
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅの合計が、１００に等しく、且つ
ｆは、０〜［４．４（ａ＋ｄ）＋ｂ］の範囲内の数字である、請求項２項に記載のリチウムイオン電池。
請求項２又は３に記載のリチウムイオン電池を少なくとも１つ含む電池パック。
カソード、アノード、及び電解質を含むリチウムイオン電池を調整する方法であって、
請求項１に記載のリチウムイオン電池用の合金組成物を含むアノードを提供することと、
カソード、及び前記カソードと前記アノードとの両方に電気的に接続されている電解質を提供すること、とから成るリチウムイオン電池の調製方法。