JP6270718B2 - 電気化学システム用のセパレータシステムおよび電気化学セル - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学システムの新規セパレータに関する。
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１１年７月１１日付けで出願された米国仮出願第６１／５０６，４８９号及び２０１２年４月１０日付けで出願された米国仮出願第６１／６２２，３７１号の利益及び優先権を主張し、上記出願それぞれの全体を参照により本明細書に援用する。
本願は、２０１１年７月１１日付けで出願された米国仮出願第６１／５０６，４８９号及び２０１２年４月１０日付けで出願された米国仮出願第６１／６２２，３７１号の利益及び優先権を主張し、上記出願それぞれの全体を参照により本明細書に援用する。
過去数十年にわたり、電気化学蓄電・変換装置は革命的な進歩を遂げ、携帯用電子装置、航空機及び宇宙機技術、乗用車、及び生体計測を含むさまざまな分野でのこれらのシステムの能力を広げてきた。最新の電気化学蓄電・変換装置は、広範囲の適用要件及び動作環境との適合性を提供するよう特別に設計された設計及び性能属性を有する。例えば、植え込み型医療装置用の非常に低い自己放電率及び高い放電信頼性を示す高エネルギー密度電池から、広範囲の携帯用電子装置用の長い実行時間を提供する安価な軽量充電式電池、そして短期間に極めて高い放電率を提供することが可能な軍事及び航空宇宙用途用の高容量電池にわたる、高度電気化学蓄電システムが開発されてきた。
この多様な高度電子機械蓄電・変換システムの開発及び幅広い採用にもかかわらず、これらのシステムの機能性を拡張するための研究を促進することにより、さらに広範囲の装置用途を可能にする必要に迫られている。例えば、高出力携帯用電子製品に対する需要の大きな伸びから、より高いエネルギー密度を提供する安全で軽量の一次電池及び二次電池の開発が大きな関心を生んでいる。さらに、家庭用電化製品及び計器の分野における小型化に対する需要が、高性能電池のサイズ、質量、及びフォームファクタを低減するための新規設計及び材料戦略の研究を促進し続けている。さらに、電気自動車及び航空宇宙工学の分野の継続的な発展も、有効範囲の動作環境で良好な装置性能を可能にする機械的に堅牢な、高信頼性の、高エネルギー密度及び高パワー密度の電池の必要性を生んでいる。
電気化学蓄電・変換技術における最近の多くの進歩は、電池コンポーネントの新たな材料の発見及び組み込みに直接起因する。例えば、リチウム電池技術は、少なくとも一部はこれらのシステムの新規電極及び電解質材料の発見に起因して、急速な発展を続けている。リチウム元素は、電気化学セルでのその使用を魅力的にする独特な特性の組み合わせを有する。第１に、これは、周期表において最も軽い金属であり、原子質量６．９４ＡＭＵを有する。第２に、リチウムは、非常に低い電気化学酸化／還元電位（すなわち、ＮＨＥ（標準水素電極）に対して−３．０４５Ｖ）を有する。この独特な特性の組み合わせにより、リチウム系電気化学セルは非常に大きな比容量を有することができる。最新のリチウムイオン二次電池は、優れた充放電特性をもたらし、したがって携帯電話及びポータブルコンピュータ等の携帯用電子装置の電源としても幅広く採用されている。全体を参照により本明細書に援用する特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び非特許文献１は、リチウム電池システム及びリチウムイオン電池システムを対象としたものである。
電極物質、電解質組成物、及び装置の幾何学的形状の進歩は、Ｌｉ系電気化学システムのさらなる開発を支援し続けている。例えば、２０１２年３月２９日付けで公開された特許文献４及び２０１２年３月１５日付けで公開された特許文献５は、リチウム電池を含む電気化学システムの３次元電極アレイ構造を開示している。
実質的な進歩にもかかわらず、Ｌｉ系電気化学システムの継続的な開発に関連して現実的な課題が残る。例えば、重要な問題は、一次及び二次リチウム及びリチウムイオン電池におけるデンドライト形成に関するものである。多くの電解質中でのＬｉ析出はデンドライト傾向が強く、それによりこれらのシステムには短絡、機械的破損、及び熱暴走を含む問題が起こりやすいことが、概して知られている。デンドライト形成に関する安全上の懸念が、目下、充電式システムにおける金属Ｌｉアノードの実装を妨げる障壁となっている。特に二次電池に関連して、デンドライト形成に関連した安全性に取り組むために、非リチウムアノードとデンドライト形成に関連した問題をリアルタイムで監視可能な内部安全システムとの開発を含む多くの戦略が追求されている。
"Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｇｈｏｌａｍ−Ａｂｂａｓ Ｎａｚｒｉ ａｎｄ Ｇｉａｎｆｒａｎｃｅｏ Ｐｉｓｔｏｉａ， Ｋｌｕｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ， ２００４
上記から概して認識されるように、一定範囲の用途に有用な電気化学特性を示すリチウム系電気化学システムが目下必要とされている。具体的には、一次リチウム系電池及び二次リチウム系電池の両方で良好な電気化学性能及び高い多用性を可能にするリチウム電気化学システムが必要である。
一態様では、本発明は、一定範囲の電気化学蓄電・変換用途に有用な電子特性、機械特性、及び化学特性を提供する電気化学システム用のセパレータシステムを提供する。いくつかの実施形態のセパレータシステムは、例えば、電気化学セルの壊損の防止に有用であり且つサイクル寿命及びエネルギー及び電力等の性能を高めるのに有用な、構造的、物理的、及び静電的特質を提供する。一連の例は、リチウム系電池、アルカリ系電池、亜鉛系電池、及び鉛系電池等の金属系電池におけるデンドライト形成を管理及び制御するセパレータである。一実施形態では、例えば、本発明のセパレータシステムは、優れたイオン輸送特性を支援すると同時にデンドライトが引き起こす機械的破損、電子的内部短絡及び／又は熱暴走を防止するのに有効な障壁を提供する、多層で多孔質の幾何学的形状を有する。別の一連の例は、複数の多孔質／有孔層と不透過性だがイオン選択性の導電膜とからなる多層セパレータであり、多孔質層がデンドライト短絡故障及び／又は熱暴走等の内部短絡故障を防止するのに有効な障壁を提供し、膜層がアノードに隣接した電解質をカソードに隣接した電解質から分離するのに有効な障壁を提供して、電極及びそれらの表面及びそれらの電解質の汚染を防止することで、エネルギー、パワー、及びライフサイクル等のセルの性能を高めることができる。これは、金属空気及びフロー電池及び半固体電池で特に有用であり、いくつかの例は、リチウム−空気セル、リチウム水セル、及び亜鉛−空気セルである。
一実施形態では、本発明は、電気化学システム用のセパレータシステムであって、（ｉ）第１高機械強度層であり、第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、（ｉｉ）第２高機械強度層であり、第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、第２パターンは、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりが２０％以下であるように第１パターンに対してオフセット配列を有する第２高機械強度層とを備え、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は、第１高機械強度層及び第２高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第１高機械強度層及び第２高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされる、セパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は、相互に直接物理的に接触していない。この態様の実施形態では、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりは、１０％以下である。一実施形態では、例えば、本発明のセパレータシステムは、第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に、任意に第１高機械強度層又は第２高機械強度層又はこれら両方に接触して設けた１つ又は複数の電解質をさらに備え、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は、イオン伝動性であり、電気化学システムの電解質の輸送を任意に可能にする。
一実施形態では、本発明は、電気化学システム用のセパレータシステムであって、（ｉ）第１高機械強度層であり、第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、（ｉｉ）第２高機械強度層であり、第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、第２パターンは、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりが２０％以下であるように第１パターンに対してオフセット配列を有する第２高機械強度層と、（ｉｉｉ）第３高機械強度層であり、第３高機械強度層を貫通して第１パターンと同じ空間的開口配置を有する第３パターンで設けた複数の開口を有する第３高機械強度層とを備え、第１高機械強度層、第２高機械強度層、及び第３高機械強度層は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、及び第３高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第１高機械強度層、第２高機械強度層、及び第３高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされるセパレータシステムを提供する。この態様の一実施形態では、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりは、１０％以下である。この説明を通して用いられる場合、「同じ空間的開口配置」は、２つ以上の高機械強度層の開口が高機械強度層間に垂直に延びる軸に沿って配列されるようにしたこれらの位置を指す。一実施形態では、例えば、「同じ空間的開口配置」は、２つ以上の高機械強度層の開口が高機械強度層間に垂直に延びる軸に沿って９０％以上重なるようにしたこれらの位置を指す。
一実施形態では、本発明は、電気化学システム用のセパレータシステムであって、（ｉ）第１高機械強度層であり、第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、（ｉｉ）第２高機械強度層であり、第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、第２パターンは、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりが２０％以下であるように第１パターンに対してオフセット配列を有する第２高機械強度層と、（ｉｉｉ）第３高機械強度層であり、第３高機械強度層を貫通して第１パターンと同じ空間的開口配置を有する第３パターンで設けた複数の開口を有する第３高機械強度層と、（ｉｖ）第４高機械強度層であり、第４高機械強度層を貫通して第２パターンと同じ空間的開口配置を有する第４パターンで設けた複数の開口を有する第４高機械強度層とを備え、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされるセパレータシステムを提供する。この態様の一実施形態では、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりは、１０％以下である。
一実施形態では、本発明は、電気化学システム用のセパレータシステムであって、（ｉ）第１高機械強度層であり、第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、（ｉｉ）第２高機械強度層であり、第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、第２パターンは、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりが４０％以下であるように第１パターンに対してオフセット配列を有する第２高機械強度層と、（ｉｉｉ）第３高機械強度層であり、第３高機械強度層を貫通して第３パターンで設けた複数の開口を有し、第３パターンは、第１層又は第２層から第３層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と、第２高機械強度層の開口と、第３高機械強度層の開口との重なりが２０％以下であるように第１パターン及び第２パターンに対してオフセット配列を有する第３高機械強度層とを備え、第１高機械強度層、第２高機械強度層、及び第３高機械強度層は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、及び第３高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第１高機械強度層、第２高機械強度層、及び第３高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされるセパレータシステムを提供する。この態様の一実施形態では、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりは、２０％以下であり、第１高機械強度層又は第２高機械強度層から第３高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と、第２高機強度層の開口と、第３高機械強度層の開口との重なりは、１０％以下である。
一実施形態では、本発明は、電気化学システム用のセパレータシステムであって、（ｉ）第１高機械強度層であり、第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、（ｉｉ）第２高機械強度層であり、第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、第２パターンは、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりが５０％以下であるように第１パターンに対してオフセット配列を有する第２高機械強度層と、（ｉｉｉ）第３高機械強度層であり、第３高機械強度層を貫通して第３パターンで設けた複数の開口を有し、第３パターンは、第１高機械強度層又は第２高機械強度層から第３高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と、第２高機械強度層の開口と、第３高機械強度層の開口との重なりが３０％以下であるように第１パターン及び第２パターンに対してオフセット配列を有する第３高機械強度層と、（ｉｖ）第４高機械強度層であり、第４高機械強度層を貫通して第４パターンで設けた複数の開口を有し、第４パターンは、第１高機械強度層又は第２高機械強度層から第４高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と、第２高機械強度層の開口と、第３高機械強度層の開口と、第４高機械強度層の開口との重なりが２０％以下であるように第１パターン、第２パターン、及び第３パターンに対してオフセット配列を有する第４高機械強度層とを備え、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされるセパレータシステムを提供する。この態様の一実施形態では、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりは、３０％以下であり、第１パターン及び第２パターンに対するオフセット配列は、第１高機械強度層又は第２高機械強度層から第３高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と、第２高機強度層の開口と、第３高機械強度層の開口との重なりが、２０％以下であるようにし、第１パターン、第２パターン、及び第３パターンに対してオフセット配列は、第１高機械強度層又は第２高機械強度層から第４高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と、第２高機強度層の開口と、第３高機械強度層の開口と、第４高機械強度層の開口との重なりが、１０％以下であるようにする。
いくつかの実施形態では、例えば、第２高機械強度層を第１高機械強度層と第３高機械強度層との間に設ける。いくつかの実施形態では、例えば、第１高機械強度層を第２高機械強度層と第４高機械強度層との間に設けるか、又は第３高機械強度層を第２高機械強度層と第４高機械強度層との間に設ける。一実施形態では、第１機械強度層及び第２機械強度層を物理的に接触して設けないか、又は第１機械強度層、第２機械強度層、及び第３機械強度層を物理的に接触させて設けないか、又は第１機械強度層、第２機械強度層、第３機械強度層、及び第４機械強度層を物理的に接触して設けない。
この態様のいくつかのセパレータは、例えば、電気化学システムにおけるデンドライト形成を管理する多層構造を提供し、複数のセパレータ層（例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層等）が、正電極と負電極との間のデンドライト成長が動力学的及び／又は熱力学的に不利であるようなイオン伝導率を正電極と負電極との間で確立するマイクロチャネル又はナノチャネル等のコンプリメンタリ（complimentary）な開口パターンを有する。この態様のいくつかのセパレータは、例えば、正電極と負電極との間のデンドライト成長をもたらす直接的な直線経路を防止する多層の幾何学的形状及び物理特性を有する障壁を提供し、これは、正電極と負電極との間のイオン輸送用の経路（単数又は複数）のみがデンドライト成長にとって動力学的及び／又は熱力学的に不利な曲線軌道を必要とする、多層構造を提供することによって得られる。一実施形態では、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び／又は第４高機械強度層は、平面状であり、例えば相互に対して実質的に平行な向きで設けられ、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び／又は第４高機械強度層の平面は、平行面に設けられる。一実施形態では、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び／又は第４高機械強度層は、中空円筒構造であり、例えば実質的に同心状の向きで設けられ、円筒形の第１層及び第２層の曲面が、同心状の向きで設けられる。本明細書で用いられる場合、同心状の向きから垂直に延びる軸は、中心軸に対して垂直であり中心軸から半径方向に延びる。
本発明のいくつかのセパレータシステムの多層の幾何学的形状は、第１層から第２層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターンの開口と第２パターンの開口との選択的な重なりを提供するオフセット配列を提供する。本発明のこの態様は、有用なイオン輸送特性を利用すると同時に、電気化学セルの正電極と負電極との間のデンドライト形成を防止するのに有用である。いくつかの実施形態では、用語「オフセット」は、セパレータの１つの高機械強度層の開口が、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸等の１つの層から別の層まで延びる軸に沿った別の高機械強度層の開口の位置に対してオフセットしている構成を指す。いくつかの実施形態では、用語「オフセット」は、第１高機械強度層の開口が第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿って第２高機械強度層の開口に完全には重畳可能でないように、第１高機械強度層の第１パターンの開口が第２高機械強度層の第２パターンの開口の位置に対してオフセットするような、高機械強度層の開口パターンの相対的構成を指す。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は、ナノ多孔質及び／又は微多孔質であり、第１高機械強度層の開口が第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿って第２高機械強度層の開口に全く重畳可能でないように配列される。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターン、第２パターン、第３パターン、及び第４パターンの２つ以上の開口の重なりは、１０％以下であり、場合によってはいくつかの用途で１％以下である。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターン、第２パターン、第３パターン、及び第４パターンの２つ以上の開口の重なりは、０％〜５％の範囲から選択され、場合によってはいくつかの用途で０％〜１％の範囲から選択される。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターン、第２パターン、第３パターン、及び第４パターンの２つ以上の開口の重なりは、０に等しく、例えば正確に０に等しい。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターン、第２パターン、及び第３パターンの開口の重なりは、１０％以下である。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターン、第２パターン、及び第３パターンの開口の重なりは、０％〜５％の範囲から選択される。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターン、第２パターン、第３パターン、及び第４パターンの開口の重なりは、１０％以下である。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターン、第２パターン、第３パターン、及び第４パターンの開口の重なりは、０％〜５％の範囲から選択される。
一実施形態では、例えば、第１パターン、第２パターン、第３パターン、及び第４パターンの２つ以上は、実質的にコンプリメンタリなパターンを含む。一実施形態では、例えば、実質的にコンプリメンタリなパターンは、相互の実質的なネガ画像に対応する。本明細書で用いられる場合、コンプリメンタリなパターンは、高機械強度層の１つのパターンの開口と１つ又は複数の他のパターンの１つ又は複数の他の高機械強度層の開口との相対位置が、電気化学セルの正電極と負電極との間のデンドライト成長を防止するよう選択される構成を指す。一実施形態では、例えば、第１パターン及び第２パターンの実質的にコンプリメンタリなパターンは、例えば、相互のネガ画像であり、第１パターンの開口の位置が開口を有しない第２層の領域に対応する。本発明のコンプリメンタリなパターンの例として、第１層は、チェス盤の黒マスに相当する開口パターンを特徴とし、第２層は、チェス盤の赤マスに相当する開口パターンを特徴とし得る。本発明のコンプリメンタリなパターンの例として、第１高機械強度層は、第１ピッチ及び開口間隔を特徴とする第１周期開口パターンを有し、第２高機械強度層は、同じピッチ及び開口間隔を特徴とするが第１パターンの開口の位置からオフセット又は平行移動した第２周期開口パターンを有することで、第１高機械強度層の開口が第１高機械強度層及び第２高機械強度層から垂直に延びる軸に沿って第２高機械強度層の開口に重畳可能でないようにする。
一実施形態では、３つ以上の高機械強度層を有するセパレータシステムは、同一のパターン（すなわち、非コンプリメンタリパターン）を有するいくつかの高機械強度層を含み得るが、これは、コンプリメンタリなパターンを有する少なくとも１つの層が同一のパターンを有する高機械強度層間に位置決めされる場合に限る。例えば、セパレータシステムは、パターンＡを有する１つ又は複数の高機械強度層及びパターンＢを有する１つ又は複数の高機械強度層を特徴とすることができ、Ａ及びＢは、ＡＢＡの反復配列に従って配置されたコンプリメンタリなパターンであり、４つ以上の高機械強度層を含む多層系では、より長い配列、例えばＡＢＡＢＡＢが可能である。
別の実施形態では、３つ以上の高機械強度層を有するセパレータシステムは、コンプリメンタリなパターンを有する高機械強度層のみを含み得る。例えば、セパレータシステムは、パターンＡを有する１つ又は複数の高機械強度層、パターンＢを有する１つ又は複数の高機械強度層、及びパターンＣを有する１つ又は複数の高機械強度層を特徴とすることができ、Ａ、Ｂ、及びＣは、ＡＢＣの反復配列に従って配置されて他の２つのパターンとそれぞれがコンプリメンタリなパターンであり、４つ以上の高機械強度層を含む多層系ではより長い配列（例えば、ＡＢＣＡＢＣ）及び変化をつけた配列（例えば、ＡＢＣＢＡ、ＡＢＣＡ）が可能である。
別の態様では、本発明は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層の少なくとも１つの片側に設けた１つ又は複数の低イオン抵抗層をさらに備えたセパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層のそれぞれが、例えば電気化学セルの電解質用の貯溜槽（reservoir）を提供する電解質含有貯溜槽である。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層はそれぞれ独立して、２０Ωｃｍ２以下、好ましくはいくつかの実施形態では２Ωｃｍ２以下、好ましくはいくつかの実施形態では１Ωｃｍ２以下のイオン抵抗を有する。一実施形態では、例えば、上記１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つは、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層の少なくとも２つの間に設けた電解質用の空間を提供する圧力緩衝器である。
一実施形態では、例えば、高機械強度層の少なくとも１つ及び１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つは、高機械強度層及び１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つに堆積させた堆積貯溜槽である。一実施形態では、例えば、高機械強度層及び１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つは、電気化学セルの電極に堆積させた堆積層、例えば、電気化学セルの電解質に向いた正電極又は負電極の表面に直接堆積させた層である。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つ、場合によっては全部が、圧力、熱、又は化学的接着により、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかの少なくとも片側に接着される。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つ、場合によっては全部が、ポリマー樹脂により、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかの少なくとも片側に接着される。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つ、場合によっては全部が、微多孔質材料、織材、又は不織材を含む。
一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つ、場合によっては全部が、セラミック若しくはガラス電解質、ポリマー電解質、又は別の固体電解質を含む。一実施形態では、例えば、低イオン抵抗層は、ＬＩＳＩＣＯＮ若しくはＬＩＰＯＮ等のガラス電解質、又はＰＥＯ等のポリマー電解質を含む。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つ、場合によっては全部が、有孔セラミックセパレータ、多孔質セラミックセパレータ、有孔ガラスセパレータ、多孔質ガラスセパレータ、又は有孔金属、又は有孔合金セパレータ、又は有孔ゴム、又はゴムメッシュ、又は金属メッシュ、又は合金メッシュを含む。
一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つは、リング又は中央開口を有するフレーム、例えば、電気化学セルに機械的支持構造、電解質貯溜槽構造、及び／又はスペーサ構造を設けるリング又はフレーム構造を含む。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層の少なくとも１つと接触した１つ又は複数のフレーム層を含む。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層を第１フレーム層と第２フレーム層との間に設け、第２高機械強度層を第３フレーム層と第４フレーム層との間に設けるか、又は第１高機械強度層を第１フレーム層と第２フレーム層との間に設け、第２高機械強度層を第２フレーム層と第３フレーム層との間に設ける。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層は、電気化学セルの正電極及び／又は負電極等の電気化学システムの電極の少なくとも１つと物理的に接触した１つ又は複数のフレーム層を含む。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層は、第１層と第２層との間に設けたスペーサを備え、スペーサは、第１層と第２層とを１０ｎｍ〜１０００μｍの範囲から選択される、場合によってはいくつかの用途で１μｍ〜１０００μｍの範囲から選択される選択距離だけ分離する。一実施形態では、例えば、この態様のスペーサは、第１高機械強度層と第２高機械強度層との間の選択距離を定めるリング、多孔質壁コンポーネントを有するフレーム構造、材料層、又は別個の材料要素配置を含む。
一実施形態では、例えば、低イオン抵抗層のそれぞれ、場合によっては全部が独立して、ポリマー、セラミック、木材、ガラス、鉱物、金属、合金、織材、不織材、セルロース、木繊維、海綿体、又はそれらの組み合わせである。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層はそれぞれ独立して、５０％以上の、好ましくはいくつかの用途で７０％を超える、好ましくはいくつかの用途で９０％を超える多孔度を有する。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の低イオン抵抗層はそれぞれ独立して、５０％〜９５％の範囲から選択される多孔度、好ましくはいくつかの用途で７０％〜９５％の範囲から選択される多孔度を有する。
一実施形態では、例えば、高機械強度層の１つの少なくとも片側は、濡れ性、例えば電気化学セルの電解質に対する濡れ性を有する。一実施形態では、例えば、セパレータ構成は、高機械強度層の濡れ性のある面が低イオン抵抗層を間に設けずに別の高機械強度層に隣接して配置されることを特徴とする。一実施形態では、例えば、セパレータ構成は、高機械強度層の濡れ性のある面が低イオン抵抗層を間に設けずに電極に隣接して配置されることを特徴とする。一実施形態では、例えば、セパレータは、別の低イオン抵抗層又は高機械強度層に塗布した、又は電気化学システムの正電極又は負電極等の化学セルの電極に塗布した、１つ又は複数の低イオン抵抗層又は高機械強度層を含む。
別の態様では、本発明は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、又は１つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つの片側に設けた、１つ又は複数の化学障壁層をさらに備えるセパレータを提供する。１つ又は複数の化学障壁を有するセパレータは、正電極及び負電極を異なる電解質に接触して設けた電気化学システムで有用であり、したがって化学障壁（単数又は複数）は、電荷担体の輸送を可能にする電解質の輸送は防止する。かかる構成では、化学障壁は、電極を劣化から保護すること及び／又は電気化学セルの正電極及び負電極で異なる電解質の使用を可能にすることに有用である。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の化学障壁層は独立して、１つ又は複数の化学障壁層を通して電気化学セルの正電極又は負電極への望ましくない化学成分の輸送を防止する。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の化学障壁層は、１つ又は複数の化学障壁層を通して電気化学セルの正電極又は負電極への電解質溶媒の輸送を防止する。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の化学障壁層は、電気化学セルの電極の少なくとも片側に配置した固体電解質又は固体ポリマー電解質を含む。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の化学障壁層は、ＬＩＳＩＣＯＮ若しくはＮＡＳＩＣＯＮからの固体電解質、又はポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）を含むポリマー電解質を含む。
一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、負電極及び正電極を有する電気化学セルのコンポーネントであり、１つ又は複数の化学障壁層は、イオン伝導性保護膜を含み、保護膜は、正電極と接触した第１電解質と負電極と接触した第２電解質との間の障壁を提供し、イオン伝導性保護膜は、負電極と第１電解質との間の接触を防止する。一実施形態では、例えば、負電極はリチウム金属電極であり、イオン伝導性保護膜は、リチウムイオン電荷担体を通し、リチウム金属電極と第１電解質との間の接触を防止する。
一実施形態では、例えば、イオン伝導性保護膜は、ガラス質又は非晶質活性金属イオン伝導体、セラミック活性金属イオン伝導体、及びガラスセラミック活性金属イオン伝導体からなる群から選択される材料を含む。一実施形態では、例えば、１つ又は複数の化学障壁層は、保護膜の表面と正電極又は負電極との間に配置した固体ポリマー電解質をさらに含む。一実施形態では、例えば、高機械強度層、１つ又は複数の低イオン抵抗層、及び１つ又は複数の化学障壁層の少なくとも１つは、高機械強度層、１つ又は複数の低イオン抵抗層、及び１つ又は複数の化学障壁層の少なくとも１つに堆積させた堆積層である。一実施形態では、例えば、高機械強度層、１つ又は複数の低イオン抵抗層、及び１つ又は複数の化学障壁層の少なくとも１つは、電気化学セルの電極に堆積させた堆積層である。一実施形態では、例えば、セパレータは、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層、１つ又は複数の化学障壁層の少なくとも２つの組み合わせを、低イオン抵抗層を一切伴わずに備える。
一態様では、セパレータは、第３高機械強度層であり、第３高機械強度層を貫通して第３パターンで設けた複数の開口を有する第３高機械強度層をさらに備え、第３高機械強度層は、第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に位置決めされ、第３パターンは、第１高機械強度層又は第２高機械強度層から第３高機機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターン又は第２パターンの開口と第３パターンの開口との重なりが２０％以下であるように、第１パターン又は第２パターンに対してオフセット配列を有する。一態様では、セパレータは、第４高機械強度層であり、第４高機械強度層を貫通して第４パターンで設けた複数の開口を有する第４高機械強度層をさらに備え、第４高機械強度層は、第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に位置決めされ、第４パターンは、第１高機械強度層又は第２高機械強度層から上記第４高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターン、第２パターン、又は第３パターンの開口と第４パターンの開口との重なりが２０％以下であるように、第１パターン、第２パターン、又は第３パターンに対してオフセット配列を有する。
本発明の多層セパレータシステムの層は、特定の用途に有用な機械特性を提供するよう構成され、多種多様な機構及び装置構成を介して取り付けられ得る。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層、又はそれらの組み合わせの少なくとも一部、場合によっては全部が、圧力、加熱、接着剤塗布、化学接着材、プラズマ処理、又はそれらの任意の組み合わせにより相互に少なくとも部分的に取り付けられる。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層、又はそれらの組み合わせの少なくとも一部、場合によっては全部が、接着剤、エポキシ、セメント、ＰＴＦＥ、固体電解質、ゲル電解質、ポリマー電解質、シリコーン接着剤、アクリル接着剤、シアノアクリレート、スタイキャスト１２６６、デルタボンド１５１、ＰＶＤＦ、ＰＶＡ、ＬＩＰＯＮ、ＬＩＳＩＣＯＮ、ＰＥ−ＰＰ−ＰＶＤＦ、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド五水和物（ＣＨ３）４ＮＯＨ・５Ｈ２Ｏ、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、エピクロヒドリン及びエチレンオキシドＰ（ＥＣＨ−ｃｏ−ＥＯ）及びポリ（ビニルアルコール）のコポリマー、ガラス繊維ポリマー電解質、硫化亜鉛、二酸化シリコン、カプトンテープ、ポリエチレンオキシド又はポリプロピレノキシド、又はコポリマー、ＰＶＤＦ−ｃｏ−ＨＦＰ Ｂｉ２Ｏ３、フッ素非含有バインダ又は芳香族バインダ、ポリアクリル酸リチウム、又はそれらの組み合わせにより相互に少なくとも部分的に取り付けられる。
一実施形態では、本発明は、１つ又は複数の固体電解質層をさらに備えたセパレータシステムを提供し、上記１つ又は複数の固体電解質層は、例えば水分子、ＣＯ２、Ｏ２、又は空気が上記セパレータシステムを通して輸送されるのを防止し、ＬＩＳＩＣＯＮ又はＮＡＳＩＣＯＮを含む。
一態様では、本発明のセパレータは、電気化学セルの電解質等の１つ又は複数の電解質をさらに備え、これは、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層、又はそれらの任意の組み合わせの少なくとも一部と任意に物理的に接触する。一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極及び負電極を有する電気化学セルのコンポーネントであり、セパレータは、正電極と負電極との間に設けた電解質をさらに備え、電解質は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかと接触する。一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極及び負電極を有する電気化学セルのコンポーネントであり、セパレータは、正電極と負電極との間に設けた第１電解質及び第２電解質をさらに備え、第１電解質は、第２電解質とは異なる組成を有し、第１電解質は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかと接触し、第２電解質は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかと接触し、その場合に、不透過性のイオン伝導性層が間にあることにより、又は親水性若しくは疎水性の挙動又は密度等の異なる化学的性質及び物理的性質により、第１電解質と第２電解質とは相互に混ざり合わない。
第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層等のセパレータシステムのコンポーネントの物理特性、化学特性、及び電子特性の選択は、高い電気抵抗、高いイオン伝導率、及び有用な機械的特質の組み合わせ等、電気化学セルにおける用途に有用な正味のセパレータ特性を提供するよう選択される。
一実施形態では、例えば、第１開口パターンは、３０％以上の、好ましくはいくつかの用途で４０％を超える第１高機械強度層の第１多孔度を提供し、且つ／又は第２開口パターンは、３０％以上の、好ましくはいくつかの用途で４０％を超える第２高機械強度層の第２多孔度を提供する。一実施形態では、例えば、第１開口パターンは、３０％以上の、好ましくはいくつかの用途で４０％を超える第１高機械強度層の第１多孔度を提供し、又は第２開口パターンは、３０％以上の、好ましくはいくつかの用途で４０％を超える第２高機械強度層の第２多孔度を提供し、又は第３開口パターンは、３０％以上の、好ましくはいくつかの用途で４０％を超える第３高機械強度層の第３多孔度を提供し、又は第４開口パターンは、３０％以上の、好ましくはいくつかの用途で４０％を超える第４高機械強度層の第４多孔度を提供する。一実施形態では、例えば、第１開口パターンは、３０％〜７０％、好ましくはいくつかの用途で４０％〜７０％の範囲から選択される第１高機械強度層の多孔度を提供し、第２開口パターンは、３０％〜７０％、好ましくはいくつかの用途で４０％〜７０％の範囲から選択される第２高機械強度層の多孔度を提供する。一実施形態では、例えば、第１開口パターンは、３０％〜７０％、好ましくはいくつかの用途で４０％〜７０％の範囲から選択される第１高機械強度層の多孔度を提供し、又は第２開口パターンは、３０％〜７０％、好ましくはいくつかの用途で４０％〜７０％の範囲から選択される第２高機械強度層の多孔度を提供し、又は第３開口パターンは、３０％〜７０％、好ましくはいくつかの用途で４０％〜７０％の範囲から選択される第３高機械強度層の多孔度を提供し、又は第４開口パターンは、３０％〜７０％、好ましくはいくつかの用途で４０％〜７０％の範囲から選択される第４高機械強度層の多孔度を提供する。
高機械強度層の開口の一定範囲の幾何学的形状、形状、向き、及びパターンが、本発明のセパレータで有用である。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、又は第４高機械強度層のいずれかの開口は独立して、円形、平行四辺形、矩形、正方形、三角形、楕円形、四角形、五角形、六角形、及びそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される断面形状を有する。一実施形態では、例えば、高機械強度層の開口は、２０μｍ以上、場合によっていくつかの実施形態では５０μｍ以上、場合によってはいくつかの実施形態で２００μｍ以上、場合によってはいくつかの実施形態で５００μｍ以上の少なくとも１つの横寸法（例えば、長さ、幅、直径等）を有する。一実施形態では、例えば、高機械強度層の開口は、１μｍ〜１ｍｍ、場合によってはいくつかの用途で２００μｍ〜１ｍｍの少なくとも１つの横寸法を有する。一実施形態では、例えば、高機械強度層の開口は、２００μｍ以下、場合によってはいくつかの用途で１０μｍ以下、場合によってはいくつかの用途で１μｍ以下の少なくとも１つの横寸法を有する。一実施形態では、例えば、第１パターン、第２パターン、第３パターン、又は第４パターンのいずれかは独立して、対称開口パターン又は非対称開口パターンである。一実施形態では、例えば、第１パターン、第２パターン、第３パターン、又は第４パターンのいずれかは独立して、無作為ではない開口パターンを含む。
一実施形態では、例えば、第１開口パターン、第２開口パターン、第３開口パターン、又は第４開口パターンのいずれかは独立して、レーザ切断、リソグラフィ、エッチング、鋳造、穿孔、成形、打ち抜き、パターニング、塗布、及びそれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるプロセスにより形成される。
一実施形態では、第１高機械強度層、及び／又は第２高機械強度層、及び／又は第３高機械強度層、及び／又は第４高機械強度層は、非導電性であり、例えば、これらの層の１つ又は複数は、電気化学セル等の電気化学システムの正電極と負電極との間の直接電気接触を防止するために電気絶縁材料を含む。電気絶縁性の高機械強度層は、カプトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、繊維状セルロース、及び／又はＰＥ及びＰＰコーティング等の電気絶縁体で塗布した金属層等の、一定範囲の電気絶縁材料を含み得る。一実施形態では、第１高機械強度層、及び／又は第２高機械強度層、及び／又は第３高機械強度層、及び／又は第４高機械強度層の少なくとも１つは、例えば導電性であり、これらの層の１つ又は複数は、電気絶縁材料を含み、これらの層の１つ又は複数は、導電性材料を含む。第１高機械強度層、及び／又は第２高機械強度層、及び／又は第３高機械強度層、及び／又は第４高機械強度層は、形状記憶ポリマー等の形状記憶特性を特徴とする材料、又は超弾性の特性を特徴とする材料を含む。
一実施形態では、例えば、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は、相互に完全に物理的に接触せず、例えば、電解質にイオン輸送をさせるために第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に少なくともある程度の空間がある構成で設けられ、例えば、第１高機械強度層及び第２高機械強度層がいくつかの点で物理的に取り付けられるがいくつかの他の点では間に空間を有するように相互に接触した粗面を有することにより設けられる。一実施形態では、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は、物理的に接触しない。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は、２０ｎｍ〜２ｍｍの範囲から選択される距離だけ分離される。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層又は第２高機械強度層は、２０ｎｍ〜２ｍｍの範囲から選択される距離だけ第３高機械強度層又は第４高機械強度層から分離される。
一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、１つ又は複数の低イオン抵抗層、及び１つ又は複数の化学障壁層のいずれか、場合によっては全部が独立して、１０ｎｍ〜１ｍｍの範囲で選択される、場合によってはいくつかの用途で１μｍ〜５００μｍの範囲で選択される、場合によってはいくつかの用途で１０ｎｍ〜５０μｍの範囲で選択される平均厚を有する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、１つ又は複数の低イオン抵抗層、及び１つ又は複数の化学障壁層のいずれか、場合によっては全部が独立して、５μｍ〜１ｍｍの範囲で選択される、場合によってはいくつかの用途で２５μｍ〜５ｍｍの範囲で選択される、場合によってはいくつかの用途で１００μｍ〜２ｍｍの範囲で選択される、場合によってはいくつかの用途で５００μｍ〜１ｍｍの範囲で選択される平均厚を有する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、１つ又は複数の低イオン抵抗層、及び１つ又は複数の化学障壁層のいずれか、場合によっては全部が独立して、１０ｎｍ〜２μｍの範囲で選択される、又は２μｍ〜５０μｍの範囲で選択される平均厚を有する。
一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、５００ＭＰａ〜５００ＧＰａの範囲で選択されるヤング率を有する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、５ＭＰａ〜１０００ＧＰａの範囲で選択される降伏強度を有する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、０．００５Ｎ〜１０Ｎの範囲で選択される引裂強度、好ましくはいくつかの用途で０．０１Ｎを超える引裂強度を有する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、１０Ｎ〜５００Ｎの範囲で選択される初期引裂強度、好ましくはいくつかの用途で５０Ｎを超える初期引裂強度を有する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、５０ＭＰａ〜２ＧＰａの範囲で選択される引張強度を有する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、１０Ｎｃｍ〜１０００Ｎｃｍの範囲で選択される衝撃強度を有する。
一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、平行構成で設けた平面層を含む。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、同心状構成で設けた中空円筒層を含む。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、１つ又は複数の低イオン抵抗層、及び１つ又は複数の化学障壁層のいずれか、場合によっては全部が、耐薬品性材料を含む。一実施形態では、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、１つ又は複数の低イオン抵抗層、及び１つ又は複数の化学障壁層は独立して、それに接触して設けた電解質と化学的に適合性があり、且つ／又は独立して、それに接触して設けた電極と化学的に適合性がある。
一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、１００℃以上の融点を有する材料を含む。一実施形態では、例えば、高機械強度層の少なくとも２つは、少なくとも３０℃の差を有する異なる溶融温度を有し、場合によっては、高機械強度層の溶融温度の差は、層の１つを溶融させることにより電気化学セルの２つの電極間のイオン経路が閉じる遮断機構を提供するか、又は代替的に、高機械強度層の溶融温度の差は、層の１つを溶融させることにより電気化学セルの２つの電極間のイオン経路が閉じる遮断機構を提供しない。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、５０ｐｐｍ／℃以下の熱膨張率を有する材料を含む。
本発明のセパレータシステムの第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層は、電気化学セルのタイプ等の特定の用途向けに選択された一定範囲の材料を含み得る。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層は独立して、耐薬品性材料を含む。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層は独立して、熱的に安定な材料を含む。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、ポリマー、金属、合金、セラミック、木材、ガラス、半導体、織材、及び不織材からなる群から選択される１つ又は複数の材料を含む。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、５０以上の誘電率を有する材料を含む。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、導電材料を含む。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、ゲル電解質、固体電解質、及びポリマー電解質からなる群から選択される１つ又は複数の材料を含む。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、架橋ポリエチレン（ＰＥＸ、ＸＬＰＥ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、ＰＥＴＥ）、ポリフェニルエーテル（ＰＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン（ＰＢ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエステル（ＰＥ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリスルホン（ＰＥＳ）、スチレン−アクリロニトリル（ＳＡＮ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、スチレン無水マレイン酸（ＳＭＡ）、ＰＶＤＦ、ＰＥＯ ＰＶＤＦ、ＬＩＰＯＮ ＰＶＤＦ、ＬＩＳＩＣＯＮ ＰＶＤＦ、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド五水和物（ＣＨ３）４ＮＯＨ・５Ｈ２Ｏ、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、エピクロヒドリン及びエチレンオキシドＰ（ＥＣＨ−ｃｏ−ＥＯ）及びポリ（ビニルアルコール）のコポリマー、ＰＥＯ−ＰＶＡ−ガラス繊維ポリマー電解質、硫化亜鉛、二酸化ケイ素、ＰＶＡ及びＰＳＡ、ＰＶＡ／Ｖ６／ＰＳＳ、ＰＶＡＮ６（ＰＳＳ＋ＰＡＡ）、Ｖ６／ＰＶＡ（ＰＳＳ＋ＰＡＡ）、ＰＶＭＰＳＳ＋ＰＡＡ（３５％））／（ＰＳＳ＋ＰＡＡ（３５％））、（ＰＳＳ＋ＰＡＡ（３５％））／ＰＶＡ／（ＰＳＳ＋ＰＡＡ（３５％））、又は（ＰＳＳ＋ＰＡＡ（３５％））／（ＰＶＡ（１０％）＋ＰＳＳ（２０％）対ＰＶＡ））／（ＰＳＳ＋ＰＡＡ（３５％））ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール、アクリルポリエチレングリコール、アクリルポリプロピレングリコール、アルキルポリブチレングリコール、そのコポリマー、ＰＥＯ材料、又はＰＶＡ材料、及びそれらの組み合わせから選択される１つ又は複数の材料を含む。
一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかの表面は、電解質に対する濡れ性を有する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかの表面に、電解質に対して濡れ性のあるコーティングを塗布する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかの表面の少なくとも一部に、任意に表面の１０％未満を覆う接着剤コーティングを塗布する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかの表面の少なくとも一部に、５μｍ未満の厚さを有する接着剤コーティングを塗布する。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかの少なくとも１つの表面は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲から選択されるｒｍｓ（二乗平均）を特徴とする表面粗さ等の表面粗さを有し、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、又は第４高機械強度層の少なくとも一部の間に電解質用の空間を提供する。一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極及び負電極を有する電気化学セルにおけるコンポーネントであり、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかの少なくとも１つの表面は、１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲から選択されるｒｍｓを特徴とする表面粗さ等の表面粗さを有し、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、又は第４高機械強度層と電気化学セルの正電極又は負電極との間に電解質用の空間を提供する。一実施形態では、例えば、表面粗さは、高機械強度層の２つの少なくとも一部間に、又は高機械強度層の少なくとも一部と正電極又は負電極との間に、５ｎｍ〜５マイクロメートルの範囲から選択される距離を提供する。
一態様では、本発明は、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層の少なくともいくつか、又はそれらの任意の組み合わせが、高い表面エネルギー、好ましくはいくつかの用途で１０ｍＪ／ｍ２以上の表面エネルギーを有するセパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、これらのコンポーネントのいずれかの表面エネルギーは、電解質に対する層の濡れ性を向上させる。一実施形態では、例えば、これらのコンポーネントのいずれかの表面エネルギーは、相互又は電気化学セルの電極に対する層の取り付けに役立つ。
一態様では、セパレータは、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかに設けた１つ又は複数のコーティングをさらに備える。一実施形態では、例えば、１つ又は複数のコーティングは独立して、１つ又は複数の非導電性コーティングを含む。一実施形態では、例えば、１つ又は複数のコーティングは独立して、１つ又は複数の疎水性コーティング及び／又は親水性コーティングを含む。一実施形態では、例えば、１つ又は複数のコーティングは独立して、ポリエチレングリコールを含む。一実施形態では、例えば、１つ又は複数のコーティングは、電気化学セルの正電極から負電極への物質輸送を防止する。一実施形態では、例えば、１つ又は複数のコーティングは独立して、１０ｎｍ〜２μｍの範囲から選択される厚さを有する。一実施形態では、例えば、セパレータは、硫黄系カソードを有する電気化学セル用であり、１つ又は複数のコーティングは、疎水性のポリスルフィドを弾いて電気化学セルの性能及びサイクル寿命を向上させる。一実施形態では、疎水性又は親水性コーティングを、硫黄系カソードＬｉ電池に設ける。最新の硫黄系カソードＬｉ電池の問題は、電気化学反応が電解質において分解し、したがって電解質を通して硫黄電極からＬｉ電極への材料（媒介ポリスルフィド）の通過に起因した著しい容量損失があり得ることである。この問題を防止するために、特定の実施形態のセパレータには、疎水性のポリスルフィドを弾くことで材料通過及び容量損失を妨げるポリエチレングリコール材料（親水性）を塗布する。本発明の実施形態におけるコーティングの使用は、いわば、例えばリチウム−空気及びリチウム水電気化学セルにおけるセパレータの疎水性コーティングにより、Ｌｉアノードを水分から保護するのにも有用である。
一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層のいずれかは独立して、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びステンレス鋼からなる群から任意に選択される金属層である。一実施形態では、例えば、コーティングは、ＰＴＦＥ、ＰＥ、ＰＰ、ＰＶＣ、又はポリイミドを任意に含む非導電性コーティングである。
本発明は、一定範囲の電気化学システムで有用なセパレータシステムを含む。一実施形態では、例えば、本発明は、一次電気化学セル又は二次電気化学セル用のセパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、リチウム電池、アルカリ電池、亜鉛電池、又は鉛蓄電池用のセパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、リチウム金属−空気電池、リチウムイオン電池、リチウム空気電池、Ｆｅ−空気電池、Ａｌ−空気電池、又は亜鉛−空気電池用のセパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、燃料電池、フロー電池システム、半固体電池、３Ｄ電池、ナノ電池、マイクロ電池、又は電気化学キャパシタ用のセパレータシステムを提供する。
別の態様では、本発明は、(ｉ)負電極と、（ｉｉ）正電極と、（ｉｉｉ）正電極と負電極との間に設けた第１電解質と、（ｉｖ）電解質と接触して負電極と正電極との間に設けた本発明のセパレータシステムとを備えた電気化学セルであって、セパレータシステムは、電解質のイオンを正電極と負電極との間で輸送可能であるよう位置決めされる電気化学セルを提供する。一態様では、セパレータシステムは、正電極と負電極との間の電気接触を防止する。当業者には理解されるように、本明細書に記載のセパレータシステムのいずれを電気化学セル等の本発明の電気化学システムに用いてもよい。
一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極及び負電極と物理的に接触して設けられる。一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極と負電極との間に１×１０−３Ｓ／ｃｍ以上の、場合によってはいくつかの用途で好ましくは１×１０−２Ｓ／ｃｍを超えるイオン伝導率を提供する。一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極から負電極まで０．５Ωｃｍ２〜２５Ωｃｍ２の範囲で選択される、好ましくはいくつかの用途で５Ωｃｍ２未満の正味イオン抵抗を提供する。
一実施形態では、電気化学セルは、正電極と負電極との間に設けた化学障壁層をさらに備え、電気化学セルは、正電極と負電極との間に設けた第２電解質をさらに備え、化学障壁層は、第１電解質と第２電解質との混合を防止する。
一実施形態では、例えば、高機械強度層のオフセット配列は、正電極と負電極との間に直接的な直線経路を提供しない。一実施形態では、例えば、オフセット配列は、製造欠陥、外的物体、又は、正電極又は負電極上のデンドライト形成による正電極と負電極との間の電気接触を介した短絡を防止する。この態様の実施形態は、例えば、デンドライト形成から生じる正電極から負電極への電気的短絡又は熱暴走問題を最小化又は防止するのに有益である。この態様の実施形態は、例えば、サイクル充電強化及び／又は高い放電率性能が可能な電気化学セルを提供するのに有用である。
一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層の少なくとも１つ、又はそれらの任意の組み合わせは、圧力、加熱、接着剤塗布、化学接着材、プラズマ処理により、又は１つの層若しくは電極への別の層の堆積又は塗布、若しくはそれらの任意の組み合わせにより、正電極又は負電極に少なくとも部分的に取り付けられる。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層の少なくとも１つ、又はそれらの任意の組み合わせは、接着剤、エポキシ、セメント、テフロンコーティング、固体電解質、ゲル電解質、又はポリマー電解質により、正電極又は負電極に少なくとも部分的に取り付けられる。一実施形態では、例えば、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、第４高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層の少なくとも１つ、又はそれらの任意の組み合わせは、正電極又は負電極の表面に堆積させたコーティングを含む。
一実施形態では、例えば、本発明は、少なくとも３００サイクル、好ましくはいくつかの用途で少なくとも５００サイクルのサイクル容量を有する本セパレータシステムを組み込んだ電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、Ｃ／５以上の放電率で１００ｍＡｈ ｇ−１以上の比容量を有する本セパレータシステムを組み込んだ電気化学セルを提供する。
本発明の電気化学セル及びセパレータシステムは、液体電解質、固体電解質、ゲル電解質、非プロトン性電解質、水性電解質、及び非水電解質を含む、一定範囲の電解質と適合性がある。一実施形態では、例えば、電解質は、固体電荷保持媒体又はゲル電極を含む。一実施形態では、例えば、電解質は高分子媒体を含む。一実施形態では、例えば、電解質は、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、ポリアクリロニトリル、及びそれらの任意の組み合わせを含む。
一実施形態では、例えば、電解質は、１つ又は複数の非水溶媒中に少なくとも部分的に溶解したアルカリ金属塩を含む。一実施形態では、例えば、電解質は、溶媒及び支持塩を含み、溶媒は、有機カーボネート、エーテル、エステル、ホルメート、ラクトン、スルホン、スルホラン、１，３−ジオキソラン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピレンカーボネート、ｙ−ブチロラクトン、メチルジフルオロアセタート、エチルジフルオロアセタート、ジメトキシエタン、ジグライム（ｂｉｓ（２−メトキシエチル）エーテル）、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、２ＭｅＴＨＦ、１，２−ＤＭＥ、又はより大きなグライム類、スルホラン、ギ酸メチル、酢酸メチル、及びそれらの組み合わせからなる群から選択され、支持塩は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＳＯ３ＣＦ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、それらの任意の組み合わせからなる群から選択される。一実施形態では、例えば、電解質は、ＰＶｄＦ、ＰＶｄＦ−ＨＦＰコポリマー、ＰＡＮ、及びＰＥＯ、及びそれらの混合物から選択されるゴルフィング剤、ＥＣ、ＰＣ、ＤＥＣ、ＤＭＣ、ＥＭＣ、ＴＨＥ、２ＭｅＴＨＦ、１，２−ＤＭＥ、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される可塑剤、並びにＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＳＯ３ＣＦ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、及びＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２からなる群から選択されるＬｉ塩を含む。
一態様では、本発明は、正電極を含む第１側に第１電解質と、負電極を含む第２側に第２電解質とを有する電気化学セルを提供し、第１電解質は、第２電解質とは異なる組成を有し、電気化学セルは、正電極と負電極との間に位置決めしたイオン伝導性保護膜を含む１つ又は複数の化学障壁層をさらに備える。この態様の一実施形態では、第１電解質は水性電解質であり、第２電解質は非プロトン性電解質である。この態様の一実施形態では、第１電解質及び第２電解質の少なくとも一方は固体電解質である。
本発明の電気化学セル及びセパレータシステムは、一定範囲の組成、フォームファクタ、及び装置の幾何学的形状を有する電極と適合性がある。一実施形態では、例えば、負電極、正電極、又は両方が、マイクロサイズ材料又はナノサイズ材料を含む。本明細書で用いられる場合、ナノサイズは、１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で選択される少なくとも１つの物理的寸法（例えば、長さ、高さ、幅、直径等）を有する粒子又は薄膜等の構造を指す。本明細書で用いられる場合、マイクロサイズは、１μｍ〜１０００μｍの範囲で選択される少なくとも１つの物理的寸法（例えば、長さ、高さ、幅、直径等）を有する粒子又は薄膜等の構造を指す。一実施形態では、例えば、負電極又は正電極は、活正電極粒子及び伝導性粒子の混合物等の粉体の形態である。一実施形態では、例えば、負電極又は正電極は薄膜の形態である。一実施形態では、例えば、本発明は、正電極又は負電極の少なくとも一方が溶媒和リチウム又は溶媒和リチウム合金等の溶媒和金属の形態である、電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、正電極又は負電極の少なくとも一方が溶融金属の形態である電気化学セルを提供する。
一実施形態では、例えば、本発明は、負電極が、リチウム、亜鉛、アルミニウム、ケイ素、スズ、アンチモン、鉛、ゲルマニウム、マグネシウム、カドミウム、ビスマス、インジウム、モリブデン、ニオブ、タングステン、タンタル、鉄、ニッケル、マンガン、銅、ナトリウム遷移金属リン酸塩、ナトリウム混合金属リン酸塩、Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４、黒鉛、スズの合金、コバルト、炭素、ＬｉＶＯ２、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４ ＴｉＯ２、ＷＯ２、及びＭｏＯ２からなる群から選択される材料を含む、電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、正電極が、黒鉛、ＬｉＣｏＯ＿２ＮｉＯ＿８Ｏ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ＿５Ｍｎｌ．５Ｏ４、ＬｉＶＰＯ４Ｆ、酸化銀、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ３、Ｚｎ、ＺｎＯ ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ、Ａｇ２Ｏ３、ＨｇＯ、Ｈｇ２Ｏ、ＣｕＯ、ＣｄＯ、ＮｉＯＯＨ、Ｐｂ２Ｏ４、ＰｂＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ２Ｏ５、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｎＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＶＯ２、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＴｉＯ２、ＷＯ２、及びＭｏＯ２からなる群から選択される材料を含む、電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、正電極が、（ｉ）ＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＮｉＯ２、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４、及びＬｉＦｅＰＯ４からなる群から選択されるリチウム化金属酸化物系カソードと、（ｉｉ）ＡｇｘＶ２Ｏ５、ＣｕｘＶ２Ｏ５、Ｖ２Ｏ５、Ｖ６Ｏ１３、ＭｎＯ２、ＣｕＯ、Ａｇ２ＣｒＯ４、及びＭｏＯ３からなる群から選択され、ｘが０〜２の範囲である非リチウム化金属酸化物系カソードと、（ｉｉｉ）ＦｅＳ２、ＴｉＳ２、ＦｅＳ、及びＣｕＳからなる群から選択されるリチウム化金属酸化物系カソードと、（ｉｖ）硫黄元素、ポリスルフィド類、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される活性硫黄カソードと、（ｖ）水等の水性の電気化学的に活性な成分、又は過酸化物、過酸化水素、Ｏ２、ＳＯ２、及びＮＯ２等の気体状、液体状、及び固体状の酸化剤及びそれらの組み合わせからなる群から選択される水溶性酸化剤を含む、ＰＥＯ／炭素／金属酸化物型カソード構造であり、水溶性固体酸化剤は、ＮａＮＯ２、ＫＮＯ２、Ｎａ２ＳＯ３、及びＫ２ＳＯ３からなる群から選択され、カソード構造の導電性コンポーネントは、ニッケル等の多孔質触媒担体であり、上記カソード構造の電気化学的に活性な材料は空気を含む、ＰＥＯ／炭素／金属酸化物型カソード構造と、からなる群から選択される材料を含む電気化学セルを提供する。
本発明の電気化学セルは、一次電気化学セル及び二次電気化学セルを含む。一実施形態では、例えば、本発明は、リチウム電池、アルカリ電池、亜鉛電池、鉛蓄電池、リチウム金属−空気電池、リチウムイオン電池、リチウム空気電池、Ｆｅ−空気電池、Ａｌ−空気電池、又は亜鉛−空気電池を含む電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、燃料電池、フロー電池システム、半固体電池、３Ｄ電池、ナノ電池、マイクロ電池、又は電気化学キャパシタを含む電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、薄膜電池を含む電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、アルカリ金属イオン電池である電気化学セルを提供する。
一実施形態では、例えば、本発明は、１つ又は複数のリチウムイオン電気化学セル等の１つ又は複数の電気化学セルを備えた電池パックを提供する。当業者には理解されるように、本発明のセパレータシステム及び電気化学セルのいずれを本発明のアルカリ金属燃料電池に用いてもよい。
一態様では、本発明は、アルカリ金属燃料電池であって、（ｉ）固体アルカリ金属及び溶媒中に溶解したアルカリ金属を燃料として含む再生可能なアノードと、（ｉｉ）固定の電子伝導性コンポーネント、アルカリ金属のイオン用の電解質を含むイオン伝導性コンポーネント、及び電池の動作環境から得られる流体酸化剤を含むカソード構造と、（ｉｉｉ）アノード及びカソード構造間に設けた本発明のセパレータシステムとを備えた、アルカリ金属燃料電池を提供する。当業者には理解されるように、本明細書に記載のセパレータシステムのいずれを本発明のアルカリ金属燃料電池に用いてもよい。
一態様では、本発明は、電気化学セルを作製する方法であって、（ｉ）負電極を設けるステップと、（ｉｉ）正電極を設けるステップと、（ｉｉｉ）正電極と負電極との間に電解質を設けるステップと、（ｉｖ）正電極と負電極との間に位置決めしたセパレータシステムを設けるステップであり、セパレータシステムは、(ｉ) 第１高機械強度層であり、第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、（ｉｉ）第２高機械強度層であり、第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、第２パターンは、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりが２０％以下であるように第１パターンに対してオフセット配列を有する第２高機械強度層とを備え、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は、第１高機械強度層及び第２高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第１高機械強度層及び第２高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされる、セパレータシステムを設けるステップとを含む方法を提供する。一実施形態では、セパレータシステムは、電解質と少なくとも部分的に物理的に接触する。一実施形態では、本方法は、正電極と負電極との間にイオン伝導性化学障壁を設けるステップをさらに含み、イオン伝導性化学障壁は、正電極と接触した第１電解質を負電極と接触した第２電解質から分離し、第１電解質は第２電解質とは異なる組成を有し、イオン伝導性化学障壁は、第１電解質と第２電解質との混合を防止する。当業者には概して理解されるように、本セパレータシステムと、本明細書に記載のコンポーネント、材料、及び特性の特定の実施形態及び組み合わせの全てを含む本発明のシステムとのいずれを、本電気化学セルを作製する方法で用いてもよい。
一態様では、本発明は、電流を発生させる方法であって、（ｉ）電気化学セルを設けるステップであり、電気化学セルは、（１）第１高機械強度層であり、第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、（２）第２高機械強度層であり、第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、第２パターンは、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１高機械強度層の開口と第２高機械強度層の開口との重なりが２０％以下であるように第１パターンに対してオフセット配列を有する第２高機械強度層とを備え、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は、第１高機械強度層及び第２高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第１高機械強度層及び第２高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされる、電気化学セルを設けるステップと、（ｉｉ）電気化学セルを放電させるステップとを含む方法を提供する。一実施形態では、この態様の方法は、電気化学セルを充電するステップをさらに含む。一実施形態では、この態様の方法は、電気化学セルを複数の充電及び放電サイクルでサイクル充電するステップをさらに含む。当業者には概して理解されるように、本セパレータシステムと、本明細書に記載のコンポーネント、材料、及び特性の特定の実施形態及び組み合わせの全てを含む本発明のシステムとのいずれを、本電流を発生させる方法で用いてもよい。
理論に束縛されることを望むものではないが、本発明に関する基本原理又は機構の概要又は理解に関して、本明細書で説明され得る。説明又は仮説の最終的な正確さに関係なく、本発明の実施形態は有効且つ有用であることが認識される。
概して、本明細書で用いる用語及び句は、当業者に既知の標準的な教科書、雑誌文献、及び文脈を参照して見ることができる、当該技術分野において認知されている意味を有する。以下の定義は、本発明に関する特定の用途を明確化するために提供される。
図面を参照すると、同様の符号は、同様の符号は同様の要素を示し、２つ以上の図面に現れる同じ番号は同じ要素を指す。さらに、下記では以下の定義が適用される。
用語「電気化学セル」は、化学エネルギーを電気エネルギーに、又は電気エネルギーを化学エネルギーに変換する装置及び／又は装置コンポーネントを指す。電気化学セルは、２つ以上の電極（例えば、正電極及び負電極）及び電解質を有し、電極表面で生じる電極反応は、電荷移動プロセスをもたらす。電気化学セルとして、限定はされないが、一次電池、二次電池、及び電解システムが挙げられる。特定の実施形態では、電気化学セルという用語は、燃料電池、スーパーキャパシタ、キャパシタ、フロー電池、金属−空気電池、及び半固体電池を含む。一般的なセル及び／又は電池構成は、当該技術分野で既知であり、例えば、米国特許第６，４８９，０５５号、第４，０５２，５３９号、第６，３０６，５４０号、Ｓｅｅｌ ａｎｄ Ｄａｈｎ Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １４７（３）８９２−８９８ （２０００）を参照されたい。
用語「容量」は、電池等の電気化学セルが保持できる総電荷量を指す電気化学セルの特徴である。容量は、通常はアンペア時の単位で表す。用語「比容量」は、単位重量あたりの電池等の電気化学セルの容量出力を指す。比容量は、通常はアンペア時ｋｇ−１の単位で表す。
用語「放電率」は、電気化学セルが放電される電流に関する。放電率は、アンペア単位で表すことができる。代替的に、放電率は、電気化学セルの定格容量に正規化してＣ／（Ｘｔ）として表すことができ、式中、Ｃは電気化学セルの容量であり、Ｘは変数であり、ｔは本明細書で用いられる場合は１時間に等しい指定の時間単位である。
「電流密度」は、単位電極面積あたりに流れる電流を指す。
電極は、イオン及び電子を電解質と交換する導体と外部回路とを指す。「正電極」及び「カソード」は、本明細書では同義に用いられ、電気化学セルにおいて高い電極電位（すなわち、負電極よりも高い）を有する電極を指す。「負電極」及び「アノード」は、本明細書では同義に用いられ、電気化学セルにおいて低い電極電位（すなわち、正電極よりも低い）を有する電極を指す。カソード還元は、化学種の電子（単数又は複数）の獲得を指し、アノード酸化は、化学種の電子（単数又は複数）の損失を指す。本電気化学セルの正電極及び負電極は、アセチレンブラック、カーボンブラック、粉末状黒鉛、コークス、炭素繊維、グラフェン、及び金属粉末等の導電性希釈剤をさらに備えることができ、且つ／又はポリマーバインダ等のバインダをさらに備えることができる。いくつかの実施形態で正電極に有用なバインダは、ポリフッ化ビニル（ＰＶＤＦ）等のフルオロポリマーを含む。本発明の正電極及び負電極は、電気化学及び電池科学の分野で既知の一定範囲の有用な構成及びフォームファクタで設けることができ、これには、薄膜電極構成等の薄い電極設計が含まれる。電極は、本明細書に開示し且つ当該技術分野で既知のように、例えば、米国特許第４．０５２，５３９号、第６．３０６，５４０号、及び第６．８５２，４４６号に例えば開示されているように製造される。いくつかの実施形態では、電極は、電極物質のスラリー、導電性の不活性材料、バインダ、及び液体キャリアを電極集電体に堆積させてから、キャリアを蒸発させて緻密体を集電体と電気接触させることにより、通常は作製される。
「電極電位」は、種々の酸化（原子価）状態で化学種が参照電極内に又はこれと接触して存在することによる、この電極に対して通常測定される電圧を指す。
「電解質」は、固体状態、液体状態（最も一般的）、又はより頻度は低いがガス（例えば、プラズマ）であり得るイオン伝導体を指す。
「標準電極電位」（Ｅ°）は、溶質の濃度が１Ｍ、ガス圧が１ａｔｍ、温度が２５℃である場合の電極電位を指す。本明細書で用いられる場合、標準電極電位は、標準水素電極に対して測定される。
「活物質」は、電気化学セルにエネルギーを蓄積及び／又は伝達する電気化学反応に関与する電極における材料を指す。
「カチオン」は、正に帯電したイオンを指し、「アニオン」は、負に帯電したイオンを指す。
「電気接触」及び「電気連通」は、電流が物体から物体へ効率的に流れるような１つ又は複数の物体の配置を指す。例えば、いくつかの実施形態では、両者間の電気抵抗が１００Ω未満である２つの物体が、相互に電気連通していると考えられる。電気接触は、外部の装置又は回路との電気連通、例えば電気相互接続を確立するのに用いる装置又は物体のコンポーネントも指し得る。「電気連通」は、電子移動の形態等での相互間の電荷移動が可能な２つ以上の材料及び／又は構造の能力を指す。いくつかの実施形態では、電気連通したコンポーネントは、直接的に電気連通しており、電子信号又は電荷担体がコンポーネントからコンポーネントへ直接移送される。いくつかの実施形態では、電気連通したコンポーネントは、間接的に電気連通しており、電子信号又は電荷担体が、コンポーネントを分離する回路素子等の１つ又は複数の中間構造を介してコンポーネントからコンポーネントへ間接的に移送される。
「熱接触」及び「熱連通」は、同義に用いられ、集電体又は伝熱棒及びヒートシンク又は熱源等の要素又は材料が熱的に分離又は熱的に絶縁された場合よりも２つの要素間で熱が効率的に伝達されるような、それらの向き又は位置を指す。要素又は材料は、熱的に分離又は熱的に絶縁された場合よりも急速に両者間に熱が輸送される場合に、熱連通又は熱接触していると考えられる。熱連通又は熱接触した２つの要素は、熱平衡又は熱的定常状態に達することができ、いくつかの実施形態では、常に相互に対して熱平衡又は熱的定常状態にあると考えられ得る。いくつかの実施形態では、相互に熱連通した要素は、熱伝導材料又は中間熱伝導材料若しくは装置コンポーネントにより相互に分離される。いくつかの実施形態では、相互に熱連通した要素は、１μｍ以下の距離だけ分離される。いくつかの実施形態では、相互に熱連通した要素は、物理的に接触して設けられる。
「高機械強度」は、例えば二次電気化学セルの充放電サイクル中に電気化学セルの正電極と負電極との間のデンドライト成長を防止するのに十分な機械的強度を有する、第１高機械強度層、第２高機械強度層、第３高機械強度層、及び第４高機械強度層等の本発明のセパレータシステムのコンポーネントの特性を指す。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、電極間のデンドライト成長に起因した貫通を防止するのに十分な機械的強度を有する。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、電気化学セルの正電極と負電極との間のデンドライト成長に起因した両電極間の短絡を防止するのに十分な機械的強度を有する。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、５００ＭＰａ以上のヤング率、場合によってはいくつかの用途で１ＧＰａ以上のヤング率、場合によってはいくつかの用途で１０ＧＰａ以上のヤング率、場合によってはいくつかの用途で１００ＧＰａ以上のヤング率を特徴とする。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、５ＭＰａ以上の降伏強度、場合によってはいくつかの用途で５０ＭＰａ以上の降伏強度、場合によってはいくつかの用途で１００ＭＰａ以上の降伏強度、場合によってはいくつかの用途で５００ＭＰａ以上の降伏強度を特徴とする。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、０．００５Ｎ以上の引裂強度、場合によってはいくつかの用途で０．０５Ｎ以上の引裂強度、０．５Ｎ以上の引裂強度、１Ｎ以上の引裂強度を特徴とする。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、１０Ｎ以上の初期引裂強度、場合によってはいくつかの用途で１００以上の初期引裂強度を特徴とする。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、５０ＭＰａ以上の引張強度、場合によってはいくつかの用途で１００ＭＰａ以上の引張強度、場合によってはいくつかの用途で５００ＭＰａ以上の引張強度、場合によってはいくつかの用途で１ＧＰａ以上の引張強度を特徴とする。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、１０Ｎｃｍ以上の衝撃強度、場合によってはいくつかの用途で５０Ｎｃｍ以上の衝撃強度、場合によってはいくつか用途で１００Ｎｃｍ以上の衝撃強度、場合によってはいくつかの用途で５００Ｎｃｍ以上の衝撃強度を特徴とする。
「耐薬品性」は、電気化学セル等の電気化学システムの作動環境において引張保持率及び伸び保持率が少なくとも９０％である、本発明のセパレータ及び電気化学システムの層等のコンポーネントの特性を指す。
「熱的に安定」は、融点が１００℃を超え、好ましくはいくつかの実施形態で３００℃を超え、場合によっては熱膨張率が５０ｐｐｍ／℃未満である、本発明のセパレータ及び電気化学システムの層等のコンポーネントの特性を指す。一実施形態では、「熱的に安定」は、電気化学セルの性能を大幅に低下させる温度と共にサイズ又は形状の変化を起こさずに充電式電気化学セルで実施できるような、セパレータシステムのコンポーネントの特性を指す。
「多孔度」は、開口、チャネル、空隙等の孔に対応する高機械強度層等の材料又はコンポーネントの量を指す。多孔度は、高機械強度層等の材料、構造、又は装置コンポーネントが占める総体積に対する、孔、チャネル、空隙等の孔に対応する材料、構造、又は装置コンポーネントの体積の割合として表すことができる。
図１は、コンプリメンタリな開口パターンを有する平行な第１高機械強度層及び第２高機械強度層を備えた電気化学システム用の多層セパレータシステム１００（１）であり、第２開口パターンが、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターンの開口と第２パターンの開口との重なりがないように第１パターンに対してオフセット配列を有する多層セパレータシステム１００（１）の側面斜視図を提供する。図１に示すように、多層セパレータシステム１００（１）は、複数の開口、例えば１０４（１）及び１０４（４）を備えた第１パターンを有する第１高機械強度層１０２（１）と、第２の複数の開口、例えば１０４（２）及び１０４（３）を備えた第２パターンを有する第２高機械強度層１０２（２）とを備える。第１層及び第２層は、高さＨ、長さＬ、及び幅又は厚さＷ等の平面状の幾何学的形状及び横寸法を特徴とする。図１に示すように、開口１０４は、第１高機械強度層１０２（１）又は第２高機械強度層１０２（２）の厚さを貫通する。各開口１０４も、高さｈ、長さｌ、及び幅又は厚さ（図示せず）等の横寸法を特徴とする。
第２高機械強度層１０２（２）への第１高機械強度層１０２（１）のパターンの重畳を、第２高機械強度層１０２（２）上に複数のオフセット破線区域１０６（１）として概略的に表し、第１高機械強度層１０２（１）への第２高機械強度層１０２（２）の重畳を、第１高機械強度層１０２（１）上に複数のオフセット破線区域１０６（２）として概略的に表す。図１に示す実施形態では、第１パターン及び第２パターンはチェッカー盤に似ており、例えば、第１パターンが黒マスに相当し、第２パターンがチェッカー盤の赤マスに相当する。しかしながら、当業者には明らかとなるように、第１パターン及び第２パターンが相互に対してオフセット配列を有し、例えば、第１高機械強度層１０２（１）から第２高機械強度層１０２（２）まで垂直に延びる軸に沿った開口１０４の重なりが５０％、４０％、３０％、２０％、１０％、５％、２％、又は０％以下である限り、ハニカムパターン、最密円パターン、煉瓦パターン、三角形パターン等の他のパターンも可能である。図１に示す実施形態では、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターンの開口と第２パターンの開口との重なりがない。図１に示す矢印１０８（１）及び１０８（２）は、第１高機械強度層１０２（１）から第２高機械強度層（１０２（２）まで垂直に延びる軸に沿って重ならない開口の領域を示すために設けられる。第１高機械強度層の第１開口パターン及び第２高機械強度層の第２開口パターンのオフセット配列は、例えば、成長するデンドライトを機械的に遮ること及び／又は熱力学的及び／又は動力学的に不利な曲線軌道を伴う経路を必要とすることにより、第１高機械強度層及び第２高機械強度層の組み合わせを通したデンドライト成長を防止する。例えば、デンドライトは、点１１０（１）で第１高機械強度層１０２（１）により物理的に遮られるので、矢印Ａで示すように第２高機械強度層１０２（２）の開口１０４（３）を通過することしかできない。同様に、デンドライトは、点１１０（２）で第２高機械強度層１０２（２）により物理的に遮られるので、矢印Ｂで示すように第１高機械強度層１０２（１）の開口１０４（４）を通過することしかできない。
図２は、コンプリメンタリな開口パターンを有する平行な第１高機械強度層及び第２高機械強度層を備えた電気化学システム用の多層セパレータシステム１００（２）であり、第２開口パターンが、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターンの開口と第２パターンの開口とに選択範囲の重なりがあるように第１パターンに対してオフセット配列を有する多層セパレータシステム１００（２）の側面斜視図を提供する。図２に示すように、多層セパレータシステム１００（２）は、複数の開口、例えば１０４（５）及び１０４（９）を備えた第１パターンを有する第１高機械強度層１０２（３）と、第２の複数の開口、例えば１０４（６）、１０４（７）、及び１０４（８）を備えた第２パターンを有する第２高機械強度層１０２（４）とを備える。第１高機械強度層及び第２高機械強度層１０２は、高さＨ、長さＬ、及び幅又は厚さＷ等の横寸法を特徴とする。図２に示すように、開口１０４は、第１高機械強度層１０２（３）及び第２高機械強度層１０２（４）の厚さを貫通する。各開口１０４も、高さｈ、長さｌ、及び幅又は厚さ（図示せず）等の横寸法を特徴とする。
第２高機械強度層１０２（４）への第１高機械強度層１０２（３）のパターンの重畳を、第２高機械強度層１０２（４）上に複数のオフセット破線区域１０６（３）として概略的に表し、第１高機械強度層１０２（３）への第２高機械強度層１０２（４）の重畳を、第１高機械強度層１０２（３）上に複数のオフセット破線区域１０６（４）として概略的に表す。図２に示す実施形態では、第１パターン及び第２パターンは、第１高機械強度層１０２（３）から第２高機械強度層１０２（４）まで垂直に延びる軸に沿った開口１０４の選択された重なりがあるように相互に対してオフセット配列を有する。一実施形態では、例えば、選択された重なりは、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％、５％、又は２％以下である。図２に示す実施形態では、第１高機械強度層から第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第１パターンの開口と第２パターンの開口との重なりは、０よりも大きい。図２に示す矢印は、開口の重複領域１１２と、第１高機械強度層１０２（３）から第２高機械強度層１０２（４）まで垂直に延びる軸に沿って重ならない開口の領域とを示すために設けられる。第１高機械強度層の開口パターン及び第２高機械強度層の開口パターンのオフセット配列は、例えば、デンドライト成長を遮ること及び／又は熱力学的及び／又は動力学的に不利な曲線軌道を伴う経路を必要とすることにより、第１高機械強度層及び第２高機械強度層の組み合わせを通したデンドライト成長を防止する。
本発明は、以下の非限定的な実施例によりさらに理解することができる。
電池用、充電式リチウム電池用等の電気化学システム及び化学システム用の、特にＬｉ−金属電池におけるデンドライト短絡を防止するための新規セパレータ
図３は、電解質含有層（層Ｍ）により分離されたコンプリメンタリな開口パターンを有する第１高機械強度層及び第２高機械強度層（層Ｒ及び層Ｆ）を有する、本発明の多層セパレータシステムの断面図を示す概略図を提供する。図４は、電解質含有層（層Ｍ）により分離された第１高機械強度層、第２高機械強度層、及び第３高機械強度層（層Ｒ及びＦ）を有する本発明の多層セパレータシステムの断面図を示す概略図を提供する。図３及び図４において、層（Ｒ）及び層（Ｆ）は、例えば電気化学セル等の電気化学システムに組み込んだ場合に、組み合わせて設けるとセパレータシステムにおけるデンドライト成長を防止する開口パターンを有する高機械強度層である。図３及び図４において、電解質含有層（単数又は複数）Ｍは、層Ｆ及びＲ間に設けられ、いくつかの実施形態では、電解質含有層（単数又は複数）Ｍは、層Ｆ及びＲよりも厚いことが好ましい。電気化学システムにおいて、例えば、層（単数又は複数）Ｍは電解質の貯溜槽として働く。電気化学システムにおいて、例えば、層（単数又は複数）Ｍはセパレータとして働くことにより、正電極と負電極との間の電気的且つ／又は物理的接触を防止しつつ正電極と負電極との間のイオン輸送を可能にして、電気化学セルが効率的な充放電特性を得ることができるようにする。一実施形態では、例えば、層Ｍは、導電性の微多孔膜等の低イオン抵抗層である。一実施形態では、例えば、層Ｍは、ポリエチレン（ＰＥ）膜又はポリプロピレン（ＰＰ）膜又は両方の組み合わせである。
図３は、電解質含有層（層Ｍ）により分離されたコンプリメンタリな開口パターンを有する第１高機械強度層及び第２高機械強度層（層Ｒ及び層Ｆ）を有する、本発明の多層セパレータシステムの断面図を示す概略図を提供する。図４は、電解質含有層（層Ｍ）により分離された第１高機械強度層、第２高機械強度層、及び第３高機械強度層（層Ｒ及びＦ）を有する本発明の多層セパレータシステムの断面図を示す概略図を提供する。図３及び図４において、層（Ｒ）及び層（Ｆ）は、例えば電気化学セル等の電気化学システムに組み込んだ場合に、組み合わせて設けるとセパレータシステムにおけるデンドライト成長を防止する開口パターンを有する高機械強度層である。図３及び図４において、電解質含有層（単数又は複数）Ｍは、層Ｆ及びＲ間に設けられ、いくつかの実施形態では、電解質含有層（単数又は複数）Ｍは、層Ｆ及びＲよりも厚いことが好ましい。電気化学システムにおいて、例えば、層（単数又は複数）Ｍは電解質の貯溜槽として働く。電気化学システムにおいて、例えば、層（単数又は複数）Ｍはセパレータとして働くことにより、正電極と負電極との間の電気的且つ／又は物理的接触を防止しつつ正電極と負電極との間のイオン輸送を可能にして、電気化学セルが効率的な充放電特性を得ることができるようにする。一実施形態では、例えば、層Ｍは、導電性の微多孔膜等の低イオン抵抗層である。一実施形態では、例えば、層Ｍは、ポリエチレン（ＰＥ）膜又はポリプロピレン（ＰＰ）膜又は両方の組み合わせである。
いくつかの実施形態では、高機械強度層Ｆ及びＲは、電気化学セルの電気的短絡、熱暴走、及び／又は機械的破損の防止等、セルにおけるデンドライト成長を防止するよう機能する。例として、高機械強度層Ｆ及びＲは、正電極と負電極との間のデンドライト成長を防止することにより、リチウム金属電池の短絡及び容量損失を防止するよう構成され得る。いくつかの実施形態では、高機械強度層Ｆ及びＲは、コンプリメンタリな障壁を提供し、障壁のそれぞれが、成長するデンドライトと接触した場合の障壁の貫通又は機械的破損を防止するのに十分な機械的強度を有する。
いくつかの実施形態では、高機械強度層Ｆ及びＲに、層の全厚を貫通するコンプリメンタリな開口パターンを設ける。図５は、電解質含有層Ｍ等の１つ又は複数の低イオン抵抗層により分離された第１高機械強度層及び第２高機械強度層の開口（点描領域として概略的に示す）及び中実領域（塗りつぶし領域として概略的に示す）を示す、本発明の多層セパレータシステムの断面図を示す概略図を提供する。図６は、電解質含有層Ｍ等の１つ又は複数の低イオン抵抗層により分離された第１高機械強度層、第２高機械強度層、及び第３高機械強度層の開口及び中実領域を示す、本発明の多層セパレータシステムの断面図を示す概略図を提供する。例として、高機械強度層（単数又は複数）Ｆは、事前選択された第１開口パターン及び中実領域を特徴とし、高機械強度層（単数又は複数）Ｒは、高機械強度層Ｆのものとは異なる事前選択された第２開口パターン及び中実領域を特徴とし得る。一実施形態では、例えば、２つのパターンはコンプリメンタリであり、高機械強度層Ｆ及びＲのそれぞれが、高機械強度層の両側からのイオン及び電解質の輸送を可能にする開口（例えば、貫通孔、ナノ孔、微小孔、チャネル等）を有するが、多層セパレータシステムの幾何学的形状における高機械強度層Ｆ及びＲの配列は、例えば上記高機械強度層（単数又は複数）Ｒから高機械強度層（単数又は複数）Ｆまで垂直に延びる軸に沿って、高機械強度層Ｆの開口を高機械強度層Ｒの中実領域と一致させ、高機械強度層Ｆの中実領域を高機械強度層Ｒの孔と一致させる。一実施形態では、例えば、高機械強度層Ｆ及びＲの開口は、層Ｆ及びＲを組み合わせて、例えば平行又は同心状の向きで設けた場合に両方の層Ｆ及びＲの孔を直線が通ることができないように、相互に対してオフセットさせる。この空間配置は、例えば、白マス及び黒マスを有するチェス盤等の周期的パターンを考えることにより可視化することができ、白マスは開口に相当し、黒マスは高機械強度層の中実領域に相当する。一例では、高機械強度層Ｆを通常のチェス盤の形式とすることができ、高機械強度層Ｒが逆のもの、白ブロック（開口に相当）が黒マス（層Ｆの中実部分）にあり黒ブロック（中実領域に相当）が白マス（層Ｆの孔）の代わりにある誤ったチェス盤の形式である。このオフセット配列から、多層の幾何学的形状で設けた場合に全部の孔が隣接層の中実領域により遮られる少なくとも２つの高機械強度層が得られる。
高機械強度層Ｆ及びＲ間に低イオン抵抗層Ｍ（通常のセパレータ）を配置することで、セパレータシステムを貫通する望ましくないデンドライト成長を防止するセパレータシステムが得られる。しかしながら、セルの抵抗に対するセパレータシステムの効果を最小化するために、いくつかの実施形態では、成長するデンドライトを遮るのに十分な機械的強度を提供するのに必要な厚さを少なくとも維持しつつ、高機械強度層Ｆ及びＲの厚さを最小化することが望ましい。
一実施形態では、例えば、高機械強度層Ｆ及びＲは非常に薄く（例えば、厚さ１００μｍ以下、場合によってはいくつかの実施形態では厚さ２０μｍ以下）、したがって場合によっては層Ｍの前側及び／又は後面の１つ又は複数のコーティングの形態であり得る。高機械強度層Ｆ及びＲの孔の体積分率及び表面分率は、所与の用途で選択され、いくつかの用途では、表面−体積の少なくとも１／４、任意に半分が開口を含み、残りが不透過性の中実領域を含むことが好ましい。一実施形態では、高機械強度層Ｆ及びＲは、電気化学セルの他のコンポーネントと反応せず耐薬品性であり熱的に安定な材料を含む。一実施形態では、高機械強度層Ｆ及びＲは電気絶縁体を含む。
リチウム−金属電池に有用な特定の実施形態では、高機械強度層Ｆ及びＲは、イオン及び電解質の通過を許すが電気化学セルの正電極と負電極との間の電流の直接通過は防止するコンプリメンタリな開口パターンを有する、ポリエチレン膜又はポリプロピレン膜又はテフロン又はそれらの材料の混合物を含む。一実施形態では、例えば、低イオン抵抗層Ｍは、多孔質ポリエチレン膜又は多孔質ポリプロピレン膜又はそれらの混合物である。一実施形態では、低イオン抵抗層Ｍは、１０マイクロメートル〜２００マイクロメートルの範囲から選択される、好ましくはいくつかの用途で８０マイクロメートル〜１２０マイクロメートルに等しい厚さを有し、高機械強度層Ｆ及びＲはそれぞれ独立して、５マイクロメートル〜２００マイクロメートルの範囲から選択される、好ましくはいくつかの用途で１０マイクロメートル〜３０マイクロメートルに等しい厚さを有する。一実施形態では、高機械強度層Ｌ及びＭは、コンプリメンタリな周期的開口パターン及び中実領域を有し、開口及び／又は中実領域を特徴付ける開口の１単位を示す単位セルの１つ又は複数の横寸法は、例えば、１マイクロメートル〜１ミリメートル、好ましくはいくつかの用途で１０マイクロメートル〜３０マイクロメートルの範囲で選択される。開口の単位セルの横寸法のサイズがより小さく、層Ｍの平均開口サイズの１０倍ほどの大きさしかないことが、いくつかの実施形態では好ましいが、作製に関して大きな開口に実用上の利点があり得ることが認められるので、開口の物理的寸法の選択には妥協があり得る。
当業者には明らかとなるように、セパレータシステムのコンポーネントの組成、物理的寸法（例えば、厚さ）、及び機械的特性（例えば、多孔度）は、電気化学又は化学セルのタイプ及び／又は用途に応じて変わり得る。一実施形態では、例えば、鉛蓄電池用のセパレータシステムは、リチウム−金属電池用のセパレータシステムよりも大きな孔サイズを有する、より厚い高機械強度層を用い得る。
図３及び図５に示す上記Ｒ−Ｍ−Ｆ及びＦ−Ｍ−Ｒ−Ｍ−Ｆシステムに加えて、他のセパレータの幾何学的形状もいくつかの用途で有用である。例として、本発明は、デンドライト成長を防止するよう選択された開口パターンを有する３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ等の高機械強度層を備えた多層システムを含む。図４及び図６に示すＦ−Ｍ−Ｒ−Ｍ−Ｆシステムに相当するもの等の３つ以上の高機械強度層を有する多層システムは、いくつかの用途で好ましいが、それは、これらが正電極から負電極へのデンドライト成長を効率的に防止するよう構成され得るにもかかわらず、セルに対する付加抵抗が有用な充放電性能を提供するのに十分なほど低く維持されたままであり得るからである。
例として、本発明の高エネルギー充電式リチウム電池は、（１）リチウム金属若しくはリチウム合金、又はリチウム金属及び／又はリチウム合金及び別の材料の混合物を含むアノードと、（２）カソードと、（３）アノードとカソードとの間に配置した本発明のセパレータシステムと、（４）セパレータを介してアノード及びカソードとイオン連通する、場合によっては物理的に接触する１つ又は複数の電解質とを備える。一実施形態では、例えば、電解質は、固体、ゲル、又は液体（例えば、流体）である。いくつかの実施形態では、電極は、固体材料又は半固体電池若しくはフロー電池若しくはフローセルで用いられるもの等の半固体粒子（例えば、液体中の小さな固体粒子）である。セパレータシステムの断面幾何学的形状は、矩形、円形、正方形等を含む範囲の形状であり得る。
図７は、コンプリメンタリなパターン開口を有する２つの高機械強度層を備えたセパレータシステムを備えた、本発明のリチウム電池の断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、電解質貯溜槽を含む多層セパレータシステムにより分離されたアノード（例えば、リチウム金属）及びカソードを備える。多層セパレータは、電解質含有セパレータ及び／又はスペーサ等の低イオン抵抗層により分離されたコンプリメンタリな開口パターンを有する２つの高機械強度層を備える。さらに、非常に多孔質な媒体が、高機械強度層とアノード及びカソードコンポーネントとの間に設けられる。図７に示すように、高機械強度層は、交互の開口及び中実領域を含むパターンを有する（例えば、図７において、塗りつぶし領域が高機械強度層の中実領域に相当し、点描領域が高機械強度層を貫通する開口に相当する）。図示の実施形態では、高機械強度層は、カソードとアノードとの間のデンドライト成長を防止することが可能なコンプリメンタリな開口パターンを有し、図７に示すように、第１高機械強度層の開放領域（例えば、開口）は、層から垂直に延びる軸に沿った第２高機械強度層の中実領域に対応する。
図８〜図１０は、本発明のさらに他の装置構成及び装置コンポーネントを示すリチウム電池の他の実施形態の例を提供する。図８は、コンプリメンタリなパターン開口を有する４つの高機械強度層を備えたセパレータシステムを備えた、本発明のリチウム電池の断面図を提供する概略図を提供する。図８に示す装置では、高機械強度層Ｒをアノードに直接物理的に接触して設け、高機械強度層Ｆをカソードに直接物理的に接触して設ける。図８に示す実施形態では、２つの層Ｒは同じ開口パターンを有し、２つの層Ｆは同じ開口パターンを有する。層Ｒ及びＦのパターンは共に、カソードからアノードまで垂直に延びる軸に沿ったアノードとカソードとの間の直接的な直線経路をなくすことによりデンドライト成長関連短絡を防止する、コンプリメンタリなパターンを含む。図８に示す実施形態では、高機械強度層Ｒを、イオンを層Ｒに通過させてアノード表面と相互作用させるようにアノードと物理的に接触して設け、高機械強度層Ｆを、イオンを層Ｆに通過させてカソード表面と相互作用させるようにカソードと物理的に接触して設ける。
図９は、コンプリメンタリなパターン開口を有する３つの高機械強度層を備えたセパレータシステムを備えた、本発明の電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。図９に示す装置では、非常に多孔質な層（例えば、多孔度≧８０％）を高機械強度層Ｆとアノードとの間に設け、非常に多孔質な層（例えば多孔度≧８０％）を、高機械強度層Ｆとカソードとの間に設ける。図９に示す装置では、高機械強度層Ｒは、高機械強度層Ｆの開口パターンとコンプリメンタリな開口パターンを有し、多孔質層（例えば、多孔度≧５０％）を、高機械強度層Ｒと高機械強度層Ｆとの間に設ける。一実施形態では、例えば、２つの高機械強度層Ｆは同じ開口パターンを特徴とする。図９に示す実施形態では、２つの層Ｆは同じ開口パターンを有する。層Ｒ及び２つの層Ｆにおけるパターンは共に、カソードからアノードまで垂直に延びる軸に沿ったアノードとカソードとの間の直接的な直線経路をなくすことによりデンドライト成長関連短絡を防止する、コンプリメンタリなパターンを含む。図９に示す実施形態では、非常に多孔質な層（例えば、多孔度≧８０％）を、イオンをこの多孔質層に通過させてアノード表面と相互作用させるようにアノード表面と物理的に接触させて設け、非常に多孔質な層（例えば、多孔度≧８０％）を、イオンをこの多孔質層に通過させてカソード表面と相互作用させるようにカソード表面と物理的に接触させて設ける。
図１０Ａは、リチウム金属アノードと、カソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する３つの高機械強度層、２つの低イオン抵抗層、２つの電解質含有空隙、及びフレームコンポーネントを備えたセパレータシステムとを備えた、本発明の電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。いくつかの実施形態では、例えば、フレーム層（単数又は複数）は、多層構成体全体のコンポーネントを物理的に一体化し、取り付け、且つ／又は機械的に支持する手段を提供する。図１０に示すリチウム電池では、電解質含有空隙がアノードと開口パターンを有する第１高機械強度層との間に設けられ、電解質含有空隙がカソードと開口パターンを有する第２高機械強度層との間に設けられる。いくつかの実施形態では、例えば、電極と高機械強度層との間の電解質含有空隙の組み込みは、セルの有用な充放電特性を利用するために電極表面積を減らすことを回避するのに有用である。図１０Ａに示す装置では、高機械強度層Ｒは、高機械強度層Ｆの開口パターンとコンプリメンタリな開口パターンを有し、低イオン抵抗層（例えば、多孔度≧５０％）を、高機械強度層Ｒと高機械強度層Ｆとの間に設ける。
図１０Ｂは、保護固体電解質を備えたセパレータを有する電気化学セル（例えば、Ｌｉ−空気電池、Ｌｉ−水電池で有用である）であり、固体電解質が所望のイオン（Ｌｉ＋等）を通すが水、空気、ＣＯ２、汚染物、及び電気化学セルの性能を低下させる材料に対して不透過性である、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、リチウムアノード等のアノードと、炭素−水カソード又は炭素−空気カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する２つの高機械強度層、３つの低イオン抵抗層、及びＬＩＳＩＣＯＮ層等の固体電解質層を備えたセパレータシステムとを備える。図１０Ｂに示す装置では、高機械強度層は、有孔カプトン層等の電気絶縁性でもある任意に耐薬品性で熱的に安定な有孔層である。カプトンを含むコンプリメンタリな高機械強度層の使用が、いくつかの実施形態ではデンドライト成長の防止に有用である。図１０Ｂに示すように、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第１低イオン抵抗層をアノードと第１高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第２低イオン抵抗層を第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第３低イオン抵抗層を第２高機械強度層とカソードとの間に設ける。図１０Ｂに示すように、ＬＩＳＩＣＯＮ層等の固体電解質層を第３低イオン抵抗層とカソードとの間に設けて、イオンをカソード表面に輸送可能であるようにする。一実施形態では、例えば、固体電解質層は、カソードの表面と物理的に接触して設けられる。いくつかの実施形態では、固体電解質層（例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ層）の組み込みは、カソードの保護、例えば、カソード表面及び固体電解質以外の電解質コンポーネント等の電気化学セルのコンポーネントとの望ましくない化学反応からの保護に有用である。いくつかの実施形態では、固体電解質層（例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ層）は、第１電解質を有する電気化学セルの第１側を第１電解質とは異なる第２電解質を有する電気化学セルの第２側から分離する化学障壁層を提供する。したがって、この態様の実施形態は、選択されたアノード組成及びカソード組成にそれぞれ特に合わせた２つの別個の電解質を統合する手段を提供し得る。
図１０Ｃは、保護固体電解質を備えたセパレータを有する電気化学セル（例えば、Ｌｉ−空気電池、Ｌｉ−水電池で有用である）であり、固体電解質が所望のイオン（Ｌｉ＋等）を通すが水、空気、ＣＯ２、汚染物、及び電気化学セルの性能を低下させる材料に対して不透過性である、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、リチウムアノードと、炭素−水カソード又は炭素−空気カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する２つの高機械強度層、３つの低イオン抵抗層、及びＬＩＳＩＣＯＮ層等の固体電解質層を備えたセパレータシステムとを備える。図１０Ｃにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図１０Ｂに示すものと同様であり、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第１低イオン抵抗層をアノードと第１高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第２低イオン抵抗層を第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第３低イオン抵抗層を第２高機械強度層とカソードとの間に設け、ＬＩＳＩＣＯＮ層等の固体電解質層を第３低イオン抵抗層とカソードとの間に設けて、イオンをカソード表面に輸送可能であるようにする。しかしながら、図１０の電気化学セルでは、高機械強度層は、いくつかの実施形態においてデンドライト成長の防止及びモス状堆積等でのアノード損失の低減に有用であるコンプリメンタリな開口パターンを有する有孔金属層である。図１０Ｂに関連した説明と同様に、固体電解質層（例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ層）の組み込みは、カソードの保護、例えば、カソード表面及び固体電解質以外の電解質コンポーネント等の電気化学セルのコンポーネントとの望ましくない化学反応からの保護に有用である。いくつかの実施形態では、固体電解質層（例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ層）は、第１電解質を有する電気化学セルの第１側を第１電解質とは異なる第２電解質を有する電気化学セルの第２側から分離する化学障壁層を提供し、したがって、選択されたアノード組成及びカソード組成にそれぞれ特に合わせた２つの別個の電解質を統合する手段を提供し得る。
図１０Ｄは、保護固体電解質を備えたセパレータを有する電気化学セル（例えば、Ｌｉ−硫黄電池で有用である）であり、固体電解質が所望のイオン（Ｌｉ＋等）を通すが電気化学セルの性能を低下させるカソードとアノードとの間の粒子通過に対して不透過性である、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、リチウムアノード等のアノードと、硫黄系カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する２つの高機械強度層、３つの低イオン抵抗層、及びＬＩＳＩＣＯＮ層等の固体電解質層を備えたセパレータシステムとを備える。図１０Ｄにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すものと同様であり、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第１低イオン抵抗層をアノードと第１高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第２低イオン抵抗層を第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第３低イオン抵抗層を第２高機械強度層とカソードとの間に設け、ＬＩＳＩＣＯＮ層等の固体電解質層を第３低イオン抵抗層とカソードとの間に設けて、イオンをカソード表面に輸送可能であるようにする。しかしながら、図１０Ｄの電気化学セルでは、高機械強度層はコンプリメンタリな開口パターンを有する有孔金属層であり、カソードは任意に硫黄系カソードである。本セパレータへの高機械強度層の組み込みは、いくつかの実施形態においてデンドライト成長の防止、モス状堆積等でのアノード損失の低減、及びアノードへのカソード物質の移行の停止に有用である。図１０Ｂに関連した説明と同様に、固体電解質層（例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ層）の組み込みは、カソードの保護、例えば、カソード表面及び固体電解質以外の電解質コンポーネント等の電気化学セルのコンポーネントとの望ましくない化学反応からの保護に有用である。いくつかの実施形態では、固体電解質層（例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ層）は、第１電解質を有する電気化学セルの第１側を第１電解質とは異なる第２電解質を有する電気化学セルの第２側から分離する化学障壁層を提供し、したがって、選択されたアノード組成及びカソード組成にそれぞれ特に合わせた２つの別個の電解質を統合する手段を提供し得る。
図１０Ｅは、セパレータを有する電気化学セルであり、アノードに隣接したセパレータの伝導側が、例えば、デンドライト成長を停止させ、モス状堆積等でのアノード損失を低減し、且つサイクル充電時にカソード物質がアノードへ移ってアノード粒子と集電体との間の電子接触を断ち電気化学セルの性能を低下させるのを防ぐことにより、アノード損失を低減する、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。例えば、カソードに隣接した導電側がカソードの導電性を高めることで、より長いライフサイクル、より大きなパワー及びより厚いカソード、及びより高エネルギーのカソード、したがってよりよい電気化学セルを得ることができる。電気化学セルは、リチウムアノード等のアノードと、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＯ２カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する２つの高機械強度層、３つの低イオン抵抗層、及びカーボンブラック層等の機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性のイオン伝導性層を備えたセパレータシステムとを備える。図１０Ｅにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄに示すものと同様であり、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第１低イオン抵抗層をアノードと第１高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第２低イオン抵抗層を第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第３低イオン抵抗層を第２高機械強度層とカソードとの間に設ける。しかしながら、図１０Ｅの電気化学セルでは、第１高機械強度層は有孔金属層を含み、第２高機械強度層は有孔カプトン層等の有孔電気絶縁層を含む。この実施形態では、有孔金属層及び有孔カプトン層は、デンドライト成長を防止するためのコンプリメンタリな開口パターンを有する。さらに、機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性のイオン伝導性カーボンブラック層は、カソードに隣接して、場合によってはカソードと電気的に接触且つ／又は物理的に接触して設けられる。
図１０Ｆは、セパレータを有する電気化学セルであり、有孔セパレータ板及び多孔質層が、電極間の電気絶縁を提供するが流体電解質（水性又は非プロトン性）を介した電極間のイオン接続を提供することによりセパレータとして働く、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、ケイ素、Ｌｉ、Ｚｎ、ＺｎＯ、黒鉛、又はＬＴＯアノード等のアノードと、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＯ２、硫黄、又はＡｇカソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する２つの高機械強度層及び３つの低イオン抵抗層を備えたセパレータシステムとを備える。図１０Ｆに示すように、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第１低イオン抵抗層をアノードと第１高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第２低イオン抵抗層を第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第３低イオン抵抗層を第２高機械強度層とカソードとの間に設ける。図１０Ｆの電気化学セルでは、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は独立して、ＰＥ又はＰＰコーティング等の１つ又は複数の絶縁コーティングを有する有孔金属層等の機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層を含む。
図１０Ｇは、セパレータを有する電気化学セルであり、２つの高機械強度層の形状記憶効果がセパレータと電極との間の非常に良好な機械的接触をもたらす、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、ケイ素、Ｌｉ、Ｚｎ、ＺｎＯ、黒鉛、又はＬＴＯアノード等のアノードと、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＯ２、硫黄、又はＡｇカソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する２つの高機械強度層及び３つの低イオン抵抗層を備えたセパレータシステムとを備える。図１０Ｇにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図１０Ｆに示すものと同様であり、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第１低イオン抵抗層をアノードと第１高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第２低イオン抵抗層を第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第３低イオン抵抗層を第２高機械強度層とカソードとの間に設ける。しかしながら、図１０Ｇの電気化学セルでは、第１高機械強度層及び第２高機械強度層は独立して、任意にＰＥ又はＰＰを塗布した有孔ニチノール層等の形状記憶効果を示す機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層を含む。
図１０Ｈは、セパレータを有する電気化学セルであり、２つの高機械強度層の超弾性及び／又は形状記憶効果がセパレータと電極との間の非常に良好な機械的接触をもたらす、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。この実施形態の一実施形態では、例えば、高度な電気接触が固体電解質とカソードとの間に設けられる。電気化学セルは、ケイ素、Ｌｉ、Ｚｎ、ＺｎＯ、黒鉛、又はＬＴＯアノード等のアノードと、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＯ２、硫黄、Ａｇ、炭素−空気、炭素−水カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する２つの高機械強度層、３つの低イオン抵抗層、及びＬＩＳＩＣＯＮ又はＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）層等の固体電解質層を備えたセパレータシステムとを備える。図１０Ｈにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄに示すものと同様であり、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第１低イオン抵抗層をアノードと第１高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第２低イオン抵抗層を第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第３低イオン抵抗層を第２高機械強度層とカソードとの間に設け、ＬＩＳＩＣＯＮ又はＰＥＯ層等の固体電解質層を第３低イオン抵抗層とカソードとの間に設けて、イオンをカソード表面に輸送可能であるようにする。しかしながら、図１０Ｈの電気化学セルでは、高機械強度層は、任意にＰＥ又はＰＰを塗布され得る有孔ニチノール層等の超弾性又は形状記憶効果を有する機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層である。図１０Ｂに関連した説明と同様に、固体電解質層（例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ又はＰＥＯ層）の組み込みは、カソードの保護、例えば、カソード表面及び固体電解質以外の電解質コンポーネント等の電気化学セルのコンポーネントとの望ましくない化学反応からの保護に有用である。いくつかの実施形態では、固体電解質層（例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ層）は、第１電解質を有する電気化学セルの第１側を第１電解質とは異なる第２電解質を有する電気化学セルの第２側から分離する化学障壁層を提供し、したがって、この態様の実施形態は、選択されたアノード組成及びカソード組成にそれぞれ特に合わせた２つの別個の電解質を統合する手段を提供し得る。
図１０Ｉは、セパレータを有する電気化学セルであり、２つの高機械強度層の超弾性及び／又は形状記憶効果がセパレータと電極との間の非常に良好な機械的接触をもたらす、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。この態様の一実施形態では、例えば、高度な電気接触が固体電解質とカソードとの間に設けられる。電気化学セルは、ケイ素、Ｌｉ、Ｚｎ、ＺｎＯ、黒鉛、又はＬＴＯアノード等のアノードと、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＯ２、硫黄、Ａｇ、炭素−空気、炭素−水カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する２つの高機械強度層、３つの低イオン抵抗層、及びＬＩＳＩＣＯＮ又はＰＥＯ層等の固体電解質層を備えたセパレータシステムとを備える。図１０Ｉにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄに示すものと同様であり、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第１低イオン抵抗層をアノードと第１高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第２低イオン抵抗層を第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第３低イオン抵抗層を第２高機械強度層とカソードとの間に設け、ＬＩＳＩＣＯＮ層等の固体電解質層を第３低イオン抵抗層とカソードとの間に設けて、イオンをカソード表面に輸送可能であるようにする。しかしながら、図１０Ｉの電気化学セルでは、高機械強度層は、有孔形状記憶ポリマー層等の超弾性及び／又は形状記憶効果を示す機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層である。図１０Ｂに関連した説明と同様に、固体電解質層（例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ又はＰＥＯ層）の組み込みは、カソードの保護、例えば、カソード表面及び固体電解質以外の電解質コンポーネント等の電気化学セルのコンポーネントとの望ましくない化学反応からの保護に有用である。いくつかの実施形態では、固体電解質層（例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ又はＰＥＯ層）は、第１電解質を有する電気化学セルの第１側を第１電解質とは異なる第２電解質を有する電気化学セルの第２側から分離する化学障壁層を提供し、したがって、選択されたアノード組成及びカソード組成にそれぞれ特に合わせた２つの別個の電解質を統合する手段を提供し得る。
図１０Ｊは、セパレータを有する電気化学セルであり、セパレータの伝導側が、アノード粒子と集電体との間の電子接触を断ち電気化学セルの性能を低下させるサイクル充電時のケイ素の大きな変形等におけるアノード損失を低減する、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、ケイ素アノード等のアノードと、ＬｉＦｅＰＯ４又はＬｉＣｏＯ２カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する２つの高機械強度層及び３つの低イオン抵抗層を備えたセパレータシステムとを備える。図１０Ｊにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図１０Ｆに示すものと同様であり、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第１低イオン抵抗層をアノードと第１高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第２低イオン抵抗層を第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第３低イオン抵抗層を第２高機械強度層とカソードとの間に設ける。しかしながら、図１０Ｊの電気化学セルでは、第１高機械強度層は、有孔金属層等のアノードに近接して位置決めした機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層を含み、第２高機械強度層は、有孔カプトン層等のカソードに近接して位置決めした機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層を含む。
図１０Ｋは、セパレータを有する電気化学セルであり、アノードに隣接したセパレータの伝導側が、アノード粒子と集電体との間の電子接触を断ち電気化学セルの性能を低下させるサイクル充電時のケイ素の大きな変形等におけるアノード損失を低減する、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。この態様の一実施形態では、カソードに隣接した導電側がカソードの導電性を高めることで、より長いライフサイクル、より大きなパワー及びより厚いカソード、及びより高エネルギーのカソード、したがってよりよい電気化学セルを得ることができる。電気化学セルは、ケイ素アノード等のアノードと、ＬｉＦｅＰＯ４又はＬｉＣｏＯ２カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する３つの高機械強度層及び３つの低イオン抵抗層を備えたセパレータシステムとを備える。図１０Ｋに示すように、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第１低イオン抵抗層をアノードと第１高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第２低イオン抵抗層を第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層（例えば、≧８０％）等の第３低イオン抵抗層を第２高機械強度層と第３高機械強度層との間に設ける。図１０Ｋの電気化学セルでは、アノード及びカソードに近接して位置決めした第１高機械強度層及び第３高機械強度層はそれぞれ、有孔金属層等の機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の層を含み、上記第１高機械強度層と第２高機械強度層との間に設けた第２高機械強度層は、有孔カプトン層等の機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁イオン伝導性層を含む。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、図２〜図１０Ａにおける層Ｆ等の本発明のいくつかのセパレータシステムの多孔質パターン層の設計の例を提供する。図１１Ａ及び図１１Ｂに示す実施形態では、例えば、交互の多孔質領域（点描領域として概略的に示す）及び中実領域（塗りつぶし領域として概略的に示す）がある。これらの実施形態では、層（単数又は複数）Ｒは、層Ｆの設計の逆の開口パターンを提供し得る。図１１Ａ及び図１１Ｂでは、パターンは、交互の矩形多孔質領域及び中実領域を特徴とする。
高性能の安価な充電式リチウム電池：セパレータ及び電極の設計
これまで知られていた最高エネルギー電池は、安価で非常に高いエネルギー／パワー密度を有する亜鉛及びリチウム等の金属を用いたものである。一方、これらの電池の充電は重大な安全上の危険をもたらす。安全上の問題を緩和する要件は、デンドライト形成、事故、及び熱暴走に抵抗できる非常に頑丈だが導電性の高いセパレータである。
これまで知られていた最高エネルギー電池は、安価で非常に高いエネルギー／パワー密度を有する亜鉛及びリチウム等の金属を用いたものである。一方、これらの電池の充電は重大な安全上の危険をもたらす。安全上の問題を緩和する要件は、デンドライト形成、事故、及び熱暴走に抵抗できる非常に頑丈だが導電性の高いセパレータである。
セパレータ及び電極の組み立てに工学的方法を用いて、本実施例のセパレータシステムは、さまざまな電池ケミストリーで安全性、耐久性、パワー及びエネルギー性能の著しい改善をもたらす。本発明の一手法は、電池産業で用いられる最も効率的なケミストリーに工学的知識及び方法を適用することである。本実施例に示すように、本発明は、超安全で高容量のセパレータを作製するための製造し易い方法を提供する。市販のリチウム金属、ＬｉＦｅＰＯ４、及び本セパレータシステムからできているコインセルで、従来のＣｅｌｇａｒｄセパレータに匹敵する導電性、固体の機械的強度、及び−４０℃〜２００℃の作業温度範囲を実証する。本実施例のセパレータシステムは、Ｌｉ−イオン、Ｌｉ−空気、亜鉛−マンガン、又は亜鉛−空気電池の主要部分であり得る。
本発明の特定の態様の目標は、リチウム金属及び亜鉛電池等の既存の再充電不可能な高エネルギーケミストリーの再充電性、安全性、及び高サイクル寿命を改善し、特に実用規模の電池におけるエネルギー蓄積の課題に対する経済的解決を与える高エネルギー充電式金属−空気電池用の高度電気化学システムを提供することである。
最新のリチウム電池の多くは、内部短絡を招き得ると共に火災及び爆発を招き得るデンドライト形成を主に理由として、充電可能ではない。同時に、潜在的に高エネルギーアノードとしてのケイ素は、好ましい方向に慎重に成長させた非常に高価なナノシリコン（拡張不可能）を用いなければ、非常に大きな形状変化を起こして集電体との電気接触を失う。多くの異なる電解質及び添加剤が試験され、産業レベルのシステムで有用ではなかった。近年では、さまざまな固体電解質が安全性の向上のために導入されているが、これらは液体電解質−セパレータシステムと比較して桁違いに低い導電性しか有さず、非常に少ないサイクル後に疲労、割れ、及び電極−電解質接点の損失に起因して性能を落とす。
新規の拡張可能なプロセスを用いて、本発明の態様は、デンドライト成長に抵抗する機械的に剛性の材料（例えば、１ＧＰａを超える弾性率及び−２００℃〜４００℃の温度範囲）を有する非常に多孔質なセパレータシステム（例えば、室温で液体電解質に対して１０−２Ｓ／ｃｍ以上の伝導率）を提供する。本セパレータシステムの実施形態は、さまざまなケミストリーで高エネルギー且つ低コストの実用規模の電池を可能にする新たな装置構造を提供する。本セパレータシステムの実施形態は、事故のない輸送機関用電池も提供する。実験結果は、例えば、本セパレータシステムを組み込んだ電池が容量損失なし又は最小限の容量損失で５，０００サイクルよりも多くを達成し得ることを示す。さらに、セパレータシステムのいくつかは、現在のリチウム電池製造ですでに用いられている鋳込み及びロールツーロール加工法に容易に組み入れることが可能である。
本発明の特定の実施形態の重要な特徴は、高い導電率及び高い安全性を同時に提供する多層セパレータシステムである。図１２は、本発明のセパレータシステムを含む電気化学セルの断面図の概略図を示す。図１２に示すように、電気化学セルは、セパレータシステム（５）により相互に分離されたアノード（３）及びカソード（４）を備える。この実施形態では、セパレータシステム（５）は、頑丈な材料を含み開口パターンを有する有孔層（１及び１’）と、フレーム及び／又は非常に多孔質な層（２）とを含む複数の層を備える。セパレータ材料の有孔層の高い弾性率は、デンドライトが障壁を直接貫通するのを防止する。図１４は、本発明のセパレータシステムの有孔層で有用な開口パターンの例を提供する。図１４に示すように、セパレータシステムの有孔層は円形の開口を有し得る。図１４は、デンドライト成長、短絡、及び機械的破損を防止するのに有用な有孔層のコンプリメンタリなパターンも示す。例えば、パネルＡ及びＢは、特定のセパレータシステムのオフセット配列で設けた場合に重ならないコンプリメンタリな開口パターンを提供する。パネルＣは、パネルＡ及びＢのパターンの重畳を概略的に示し、これはオフセット配列が開口の重なりをもたらさないことを示す。同様に、パネルＦ及びＧは、特定のセパレータシステムのオフセット配列で設けた場合に重ならないコンプリメンタリな開口パターンを提供する。同様に、パネルＨ及びＩは、特定のセパレータシステムのオフセット配列で設けた場合に重ならないコンプリメンタリな開口パターンを提供する。同様に、パネルＪ及びＫは、特定のセパレータシステムのオフセット配列で設けた場合に重ならないコンプリメンタリな開口パターンを提供する。同様に、パネルＬ及びＭは、特定のセパレータシステムのオフセット配列で設けた場合に重ならないコンプリメンタリな矩形開口パターンを提供する。
有孔層における多数の開口は、セパレータの高伝導率を確実にし、連続した層における孔のオフセット配列は、電極間の直接経路がないことを確実にする。高機械強度層からデンドライトへの力が、デンドライト成長を減速又は停止させる。電気化学セルにおいて、これがセルの性能を大幅に向上させる。図１３は、本発明の電気化学セルにおけるデンドライト成長の潜在的軌道を示す概略図を提供する。この図では、デンドライトをアノードからカソードまで延びる曲線として示す。図１３に示すように、デンドライトは、有孔層を通過して短絡を引き起こすには複数回曲がらなければならない。厳密に機械的な視点から、リチウムの弾性率（５ＧＰａ）は、短い長さ（０．１ｍｍ未満）でのデンドライトの連続した湾曲を可能にするには桁違いに高すぎ、直線ビームを曲げるのに必要なエネルギーは、
であり、式中、Ｅは弾性率、Ｉは慣性モーメント、及びＲ（ｘ）は各点における曲率、最後にＬは要素の長さである。化学工学的観点から、デンドライトは、動力学的フラストレーションが大きすぎるのでこのような複雑な成長経路を克服できない。コンプリメンタリな開口パターンを有する有孔層を含む層状セパレータシステムは、デンドライト形成を効果的に防止し、したがって短絡を防止する。かかる複合セパレータシステムに必要な材料及び作製法は、本電池作製インフラストラクチャと適合性があり、現在の電池製造への低コストでの組み入れを可能にする。本発明は、非常に遅い充電（例えば、Ｃ／１０）及び非常に速い放電（例えば、４Ｃ）の送電網の負荷平準化に適した、費用効果的で安全な高エネルギーリチウム電池を提供する。本発明は、液体電解質の伝導率、固体電解質の安全性、高サイクル寿命、及び低コストを特徴とする工業的に優しい電池が得られる層状セパレータを作製するプロセスも提供する。
本発明の電気化学システムは、プレストレス電極等の加工電極の使用とも適合性がある。リチウム金属は、面外方向に圧縮されると、その表面を均すことによって著しく良好な性能を示す（モスが少なくデンドライトが少ない）。また、ケイ素アノードの面外圧縮は、集電体とのはるかによい接触及びはるかに長いライフサイクルをもたらす。本発明のこの態様は、電極と固体電解質との間の良好な接触を維持し且つサイクル寿命及び性能を向上させることにより、固体電池にも役立ち得る。
本発明の有益な特質をさらに実証するために、複合層セパレータシステムを組み込んだ１００個を超えるコインセルを作製して評価した。試験したセパレータのいくつかは、０．０２５ｍｍのＣｅｌｇａｒｄと比較して、目下０．１２５ｍｍの厚さであり、Ｃ／２で７５％の容量を保つ。先端が鈍角の釘及び大電流サイクル充電、３００サイクルで５５ｍＡ／ｃｍ２を含む安全性試験で、セパレータシステムが堅牢であり電池が内部短絡を起こさないことが示される。さらに、完全に破壊された５層Ｃｅｌｇａｒｄセパレータ（０．１２５ｍｍ厚）とは対照的に、数百サイクル後に測定可能な劣化も容量損失もない。本発明は、０．０７５ｍｍの全厚を有するセパレータシステムを含む。本発明は、４００Ｗｈ／ｋｇのエネルギー及び５０００サイクルの円筒形１８６５０リチウム金属電池の１０ｋＷｈパックに有用なセパレータシステムの０．０２５ｍｍ厚ロールを含む。
送電網レベルのエネルギー貯蔵は、現在は揚水によって占められており、現在の蓄電の９９％を超えるが、これはごく少数の限られた現場及び用途でしか可能でなく、社会の蓄電需要の高まりに適していない。他の解決手段は大きな欠点を有する。圧縮空気技術は、２０％未満という非常に低い繰り返し効率しかない。電気化学キャパシタ及びフライホイールは、非常に低いエネルギー／コスト比を有する。高パワー及び高エネルギーの組み合わせとして用いられるフロー電池は、非常に複雑且つ高価である。現在の電池は、コスト／エネルギー比及びコスト／パワー比（約＄１／Ｗｈ）も高い。最新の高エネルギーリチウム−金属、金属−空気、及びナノシリコンケミストリーは、前述のような重大な安全上／コスト上の問題を有する。
いくつかの実施形態では、本発明のセパレータ−電極設計は、現在は安全と考えられず且つ／又は短いサイクル寿命を有する一定範囲の充電式高エネルギーケミストリーを可能にする。工業的な製造法（例えば、ＣＮＣ、成形、鋳造）を用いて、本発明は、電気化学を工学と組み合わせて最新の電池技術に関する安全性の問題に対処する。高エネルギー電極と組み合わせた本セパレータシステムは、送電網貯蔵用及び同じく電気自動車用に工業規模で安全且つ高サイクル寿命の高エネルギー電池を提供する。
本システム及び方法は、拡張可能且つ工業的に優しい。セパレータ性能の向上を、本システム及び方法に従ったいくつかの手法で達成することができる。より小さな孔（０．０１０ｍｍ〜０．１００ｍｍ）を作製し、より薄い層（０．００５ｍｍ）を用いることによる伝導率の改善は、高性能システムを利用するのに有用な手法である。さらに、必要なオフセット配列の維持、及び境界及び他の選択区域での加熱による層の取り付けを用いて、安全性向上を提供するセパレータシステムを利用することができる。
図１５は、（Ａ）１２５ミクロンの全厚を有する本発明の多層セパレータシステム及び（Ｂ）２５ミクロンの厚さを有するＣｅｌｇａｒｄセパレータを有する電気化学セルのサイクル数の関数としての、充電容量及び放電容量（ｍＡｈ／ｇ）のプロットを提供する。評価したＣＲ２０３２コインセルは、Ｌｉ箔の０．５ｍｍ厚アノードと、ＬｉＦｅＰＯ４（０．０１４２ｇ）カソードと、ＥＣ：ＤＥＣ：ＤＭＣ（１：１：１）中の１Ｍ ＬｉＰＦ６とでできている。電圧限界は３ｖ（放電）及び４ｖ（充電）である。化成、Ｃ／２４での３サイクル、及びＣ／２サイクル充電、は、容量の急低下と区別可能である。上の線は、高機械強度層としての２つの有孔カプトン層と低抵抗層としての３つの有孔Ｃｅｌｇａｒｄ２３２５層とでできたセパレータを示す。下の線は、高機械強度層としての２つの有孔カプトン層と低抵抗層としての３つのＣｅｌｇａｒｄ２３２５層とでできたセパレータを示す。セルは室温で試験する。４０サイクル〜５０サイクル後に測定可能な容量低下は観察されなかった。図１５に示す実験結果は、本セパレータが低抵抗を提供し、したがって一定範囲の電気化学システムと適合性があることを示す。
図１６は、（Ｂ）従来のセパレータを有する電気化学セルと比較した、（Ａ）本発明の多層セパレータシステム、Ｌｉ金属アノード、及びＬｉＣｏＯ２カソードを有する電気化学セルのサイクル数の関数としての充電容量及び放電容量（ｍＡｈ／ｇ）のプロットを提供する。電気化学セルはコインセルであり、Ｃ／２の放電率で評価した。評価したＣＲ２０３２コインセルは、Ｌｉ箔の０．５ｍｍ厚アノードと、ＬｉＦｅＰＯ４の０．１ｍｍ厚カソードと、ＥＣ：ＤＥＣ：ＤＭＣ（１：１：１）中の１Ｍ ＬｉＰＦ６とでできている。電圧限界は、３ｖ（放電）及び４．２ｖ（充電）である。化成、Ｃ／２４での５サイクル、及びＣ／２サイクル充電は、容量の急低下と区別可能である。赤線（文字Ｂで示す）１、５、６は、高機械強度層としての２つの有孔カプトン層（直径２ｍｍの孔）と低抵抗層としての３つのＣｅｌｇａｒｄ２３２５層とでできたセルを示す。青線（文字Ａで示す）２、３は、２つのＣｅｌｇａｒｄ層間に有孔カプトンを設けてできた参照電極を示す。セルは室温で試験する。セルをＣ／２でサイクル充電させ、次にＣ／２４で数サイクルにわたりサイクル充電させ、次に再度Ｃ／２でサイクル充電させた。実験結果は、容量損失がセルにおける化学反応に起因したものではなく、評価した電気化学セルの有孔カプトン層の抵抗に起因したものである可能性が高かったことを示す。図１６は、実験条件によってはセルにおいて良好な容量に達するために均一な孔分布、したがってより小さな孔が必要であることを示す。
図１７は、（Ｂ）７５ミクロンの厚さを有する従来のセパレータを有する電気化学セル及び（ｃ）２５ミクロンの厚さを有するＣｅｌｇａｒｄセパレータと比較した、（Ａ）本発明の多層セパレータシステム、Ｌｉ金属アノード、及びＬｉＣｏＯ２カソードを有する電気化学セルのサイクル数の関数としての充電容量及び放電容量（ｍＡｈ／ｇ）のプロットを提供する。電気化学セルはコインセルであり、Ｃ／２の放電率で評価した。評価したＣＲ２０３２コインセルは、Ｌｉ箔の０．５ｍｍ厚アノードと、ＬｉＦｅＰＯ４の０．１ｍｍ厚カソードと、ＥＣ：ＤＥＣ：ＤＭＣ（１：１：１）中の１Ｍ ＬｉＰＦ６とからできている。電圧限界は、３ｖ（放電）及び４ｖ（充電）である。化成、Ｃ／２４での５サイクル、及びＣ／２サイクル充電は、容量の急低下と区別可能である。線Ｉ、Ｈは、単一Ｃｅｌｇａｒｄ層でできたセルを示す。線Ａ、Ｂ、Ｃは、高機械強度層としての２つの有孔カプトン層と低抵抗層としての３つのＣｅｌｇａｒｄ２３２５層とでできたセパレータを示す。線Ｆ及びＤは、２つのＣｅｌｇａｒｄ層間に有孔カプトン層を設けてできた参照電極を示す。セルは室温で試験した。試験は、セルで高容量に達するために薄いセパレータを有することの重要性を実証する。
図１８は、コンプリメンタリな開口パターンを有する３つの高機械強度層を備えた多層セパレータと、アノードと、カソードとを有する本発明の電気化学セルを示す概略図を提供する。図１９は、図１８に示す多層セパレータを通過するＬｉ＋イオンの軌道を示す概略図を提供する。Ｌｉ＋イオンは、図１９に示す多層セパレータを効率的に通過可能であるが、デンドライトは同じ軌道をなすことができず、したがって本発明の特定の実施形態では防止される。さらに、高機械強度層からの力が、デンドライト成長を減速又は停止させる。
図２０は、２つの対称的な（５／９）インチリチウムチップからの定電流リチウムストリッピングに関するサイクル時間（時）に対するセル電圧（Ｖ対Ｌｉ）のプロットを提供する。
図２２は、図１５の実験に関する電流［アンペア］対時間［秒］（上図）及び電圧［ｖ］対時間［秒］（下図）のプロットを示す。これは、上部の赤線を示す。
図２３〜図３０は、いくつかの実施形態のセパレータシステムで有用な有孔層の写真を提供する。図２３は、例えば、異なるセパレータ材料（５−Ｃｅｌｇａｒｄセパレータ：ａ）と、大電流で数日間のサイクル充電後の新たなセパレータｂ）〜ｄ）との写真であり、ａ）５−Ｃｅｌｇａｒｄセパレータ（左上〜右下：Ｌｉ＋Ｃｅｌｇａｒｄ、ＶＣｅｌｇａｒｄ、ステンレス鋼集電体）、ｂ）２つの有孔カプトン層間のＣｅｌｇａｒｄ層、ｃ）リチウム電極と接触したＣｅｌｇａｒｄ、ｄ）有孔カプトンである。図２４は、例えば、上）リチウムデンドライトが突き刺さって破壊された通常のセパレータ（Ｃｅｌｇａｒｄ）の写真を提供する。図示のように、セパレータはもはや認識されない。下）リチウムデンドライトは新たなセパレータを貫通できなかった。ここで示すように、新たなセパレータのカプトン層は無傷であるが、カプトン層の右側のＣｅｌｇａｒｄは破壊される。図２５及び図２６は、例えば、本発明のセパレータシステムで用いるためにレーザ切断で準備した１ミリカプトン膜の写真である。
図２３は、直径１／２インチの所内作製セルの参照セパレータとしての５つのＣｅｌｇａｒｄ層（０．１２５ｍｍ厚）と比較した、高強度層としての２つのカプトン層とそれらに隣接した低抵抗層としての３つのＣｅｌｇａｒｄ層とでできた新規セパレータ（０．１２５ｍｍ厚）の層を示す。Ｃｅｌｇａｒｄ２３２５を用いる。セルは、電極としての０．７５ｍｍＬｉ箔と、電解質としてのNovolteからのＥＣ：ＤＥＣ：ＤＭＣ（１：１：１）中の１Ｍ ＬｉＰＦ６とでできている。カプトン孔はそれぞれ直径２ｍｍである。セルを室温で試験し、アルゴン充填ドライボックス（Ｈ２Ｏ＜０．５ｐｐｍ）内にて４５分充放電サイクルで５５ｍＡでサイクル充電させ、（ａ）参照セパレータは、５−Ｃｅｌｇａｒｄ参照セパレータを示し、セルは短絡し、（ｂ）は新たなセパレータを示し、セルは短絡しない。（ｂ１）新たなセパレータ：リチウム電極と接触したＣｅｌｇａｒｄは重大な損傷を示し、（ｂ２）新たなセパレータ：２つの有孔カプトン層間のＣｅｌｇａｒｄは無傷であり、（ｂ３）新たなセパレータ：有孔カプトンは無傷であり、その構造的完全性を維持し、いかなる短絡も防止する。この図は、多層セパレータがデンドライト短絡を防いで非常に大きな電流でも壊損を防止することができることを示す。図２４（縮小）は図２３（拡大）と同じである。上及び下のグラフは、各設計の２つの隣接する層を示す。図２５〜図３０は、カプトンでできた高強度層設計のいくつかの例を示す。孔はレーザ切断で形成する。層のそれぞれのサイズは１／２インチである。孔は直径１ｍｍ及び直径２ｍｍである。図２１は、電流［ミリアンペア］対時間「時」及び電圧対Ｌｉ［ｖ］対時間［時］のプロットを提供する。
多層セパレータシステムを有するリチウム電池
本実施例は、本発明の多層セパレータシステムを備えたリチウム電池の例の説明を提供する。
本実施例は、本発明の多層セパレータシステムを備えたリチウム電池の例の説明を提供する。
実施例Ａ：本実施例では、それぞれ２５マイクロメートル厚の２つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径１ｍｍであり壁間の距離を１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。２５マイクロメートルのＣｅｌｇａｒｄ層を、２つのカプトン層間に配置する。２５マイクロメートルのＣｅｌｇａｒｄ層を、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極はＬｉＣｏＯ２及びリチウム金属膜である。電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ６である。
実施例Ｂ：本実施例では、それぞれ２５マイクロメートル厚の２つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径１ｍｍであり壁間の距離を１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔してセパレータシステムに用いる。２５マイクロメートルのＣｅｌｇａｒｄ層を、２つのカプトン層間に配置する。２５マイクロメートルのＣｅｌｇａｒｄ層を、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極はＬｉＣｏＯ４及びリチウム金属膜である。電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ６である。
実施例Ｃ：本実施例では、それぞれ２５マイクロメートル厚の２つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径１ｍｍであり壁間の距離を１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔し、セパレータシステムに用いる。２５マイクロメートル厚でそれぞれ１／８インチの３つの孔を有する有孔Ｃｅｌｇａｒｄ層を、２つのカプトン層間に配置する。２５マイクロメートル厚でそれぞれ１／８インチの３つの孔を有する有孔Ｃｅｌｇａｒｄ層を、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極はＬｉＣｏＯ４及びリチウム金属膜である。電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ６である。
実施例Ｄ：本実施例では、それぞれ２５マイクロメートル厚で直径３／４インチの２つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径１ｍｍであり壁間の距離を１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。２５マイクロメートル厚のＣｅｌｇａｒｄリングを、２つのカプトン層間に配置する。２５マイクロメートル厚で外径３／４インチ及び内径１／２インチのＣｅｌｇａｒｄリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極はＬｉＣｏＯ４及びリチウム金属膜である。電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ６である。
実施例Ｅ：本実施例では、それぞれ２５マイクロメートル厚で直径３／４インチの２つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径１ｍｍであり壁間の距離を１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。５マイクロメートル厚のＣｅｌｇａｒｄリングを、２つのカプトン層間に配置する。５マイクロメートル厚で外径３／４インチ及び内径１／２インチのＣｅｌｇａｒｄリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極はＬｉＣｏＯ４及びリチウム金属膜である。電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ６である。
実施例Ｆ：本実施例では、それぞれ５マイクロメートル厚の２つのステンレス鋼層を用いる。鋼層には、非常に薄い電気絶縁層を塗布する（ここでは、１マイクロメートル厚のテフロン、カプトンも用いることができる）。各層には、それぞれ直径０．５ｍｍであり壁間の距離を０．５ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。５マイクロメートルのＣｅｌｇａｒｄ層を、２つのステンレス鋼層間に配置する。５マイクロメートルのＣｅｌｇａｒｄ層を、各ステンレス鋼層と隣接電極との間に配置する。電極は、ＬｉＣｏＯ４及びリチウム金属膜である。電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ６である。
実施例Ｇ：本実施例では、それぞれ５マイクロメートル厚で直径３／４インチの２つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径１ｍｍであり壁間の距離を１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。５マイクロメートル厚のＣｅｌｇａｒｄリングを、２つのカプトン層間に配置する。５マイクロメートル厚で外径３／４インチ及び内径１／２インチのＣｅｌｇａｒｄリングを、リチウム金属膜アノードに隣接したカプトン層とＬｉ電極との間に配置する。２５マイクロメートル厚で直径３／４インチのＬＩＳＩＣＯＮ層を、第２カプトンと空気炭素電極との間に配置する。ＬＩＳＩＣＯＮのＬｉ側の電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ４である。ＬＩＳＩＣＯＮの空気カソード側の電解質は、水性電解質である。
実施例Ｈ：本実施例では、それぞれ５マイクロメートル厚で直径３／４インチの２層のＰＥ膜をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径０．１ｍｍであり壁間の距離を０．１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。２５マイクロメートル厚で直径３／４インチのＬＩＳＩＣＯＮ層を、第２ＰＥと空気炭素カソードとの間に配置する。ＬＩＳＩＣＯＮのＬｉ側の電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ６である。ＬＩＳＩＣＯＮの空気カソード側の電解質は、水性電解質である。
実施例Ｉ：本実施例では、それぞれ５マイクロメートル厚の２つのステンレス鋼層を用いる。鋼層には、内面（近くの電極に面しない側）に非常に薄い電気絶縁層（ここでは、１マイクロメートル厚のテフロン）を塗布する。各層には、それぞれ直径０．１ｍｍであり壁間の距離を０．１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。５マイクロメートルのＣｅｌｇａｒｄ層を、２つのステンレス鋼層間に配置する。５マイクロメートルのＣｅｌｇａｒｄ層を、各ステンレス鋼層と隣接電極との間に配置する。電極は、部分的にリチウム化したＳｉ及び部分的にリチウム化した硫黄である。このセパレータを備えた電池は、より長いサイクル寿命及びより高い充放電（パワー）率を示すと予想される。
実施例Ｊ：本実施例では、それぞれ５マイクロメートル厚の２つのステンレス鋼層を用いる。鋼層には、内面（近くの電極に面しない側）に１マイクロメートル厚テフロンの非常に薄い電気絶縁層と、外面（近くの電極に面する側）に１マイクロメートル厚のポリエチレングリコールとを塗布する。各層には、それぞれ直径０．１ｍｍであり壁間の距離を０．１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。５マイクロメートルのセルロースセパレータ層を、２つのステンレス鋼層間に配置する。５マイクロメートルのセルロースセパレータ層を、各ステンレス鋼層と隣接電極との間に配置する。電極は、Ｌｉ金属及び硫黄である。ポリエチレングリコールコーティングが電池のサイクル寿命を延ばすと予想される。
実施例Ｋ：本実施例では、それぞれ５マイクロメートル厚で直径３／４インチの２つのカプトン膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径０．１ｍｍであり壁間の距離を０．１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。５マイクロメートル厚のＣｅｌｇａｒｄリングを、２つのカプトン層間に配置する。５マイクロメートル厚で外径３／４インチ及び内径１／２インチのＣｅｌｇａｒｄリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極は、亜鉛アノード及び炭素系空気カソードである。電解質は、６Ｍ ＫＯＨ水溶液である。
実施例Ｌ：本実施例では、それぞれ５マイクロメートル厚で直径３／４インチの２つのＰＰ膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径０．１ｍｍであり壁間の距離を０．１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。電極は、亜鉛アノード及び炭素系空気カソードである。電解質は、６Ｍ ＫＯＨ水溶液である。
実施例Ｍ：本実施例では、それぞれ５マイクロメートル厚で直径３／４インチの２つのカプトン膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径０．１ｍｍで壁間の距離を０．１ｍｍとして、それぞれ多孔度が４０％であり重ね合わせると孔パターンの重なりが５％未満となる任意の孔パターンを穿孔する。５マイクロメートル厚のＣｅｌｇａｒｄリングを、２つのカプトン層間に配置する。５マイクロメートル厚で外径３／４インチ及び内径１／２インチのＣｅｌｇａｒｄリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極は、亜鉛アノード及び炭素系空気カソードである。電解質は、６Ｍ ＫＯＨ水溶液である。
実施例Ｎ：本実施例では、それぞれ２５マイクロメートル厚で直径３／４インチの２つのカプトン膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径１ｍｍで壁間の距離を１ｍｍとして、それぞれ多孔度が４０％であり重ね合わせると孔パターンの重なりが５％未満となる任意の孔パターンを穿孔する。２５マイクロメートル厚のＣｅｌｇａｒｄリングを、２つのカプトン層間に配置する。２５マイクロメートル厚で外径３／４インチ及び内径１／２インチのＣｅｌｇａｒｄリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極は、ＬｉＦｅＰＯ４及びリチウム金属膜である。電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ６である。
実施例Ｏ：本実施例では、それぞれ５マイクロメートル厚で直径３／４インチの２つのカプトン膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径０．０１ｍｍで壁間の距離を０．０１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。５マイクロメートル厚のＣｅｌｇａｒｄリングを、２つのカプトン層間に配置する。５マイクロメートル厚で外径３／４インチ及び内径１／２インチのＣｅｌｇａｒｄリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極は、ＬｉＦｅＰＯ４及びリチウム金属膜である。電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ６である。
実施例Ｐ：本実施例では、それぞれ５マイクロメートル厚で直径３／４インチの２つのカプトン膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径０．００１ｍｍで壁間の距離を０．００１ｍｍとしたデカルト（垂直−水平）周期孔を穿孔する。５マイクロメートル厚のＣｅｌｇａｒｄリングを、２つのカプトン層間に配置する。５マイクロメートル厚で外径３／４インチ及び内径１／２インチのＣｅｌｇａｒｄリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極は、ＬｉＦｅＰＯ４及びリチウム金属膜である。電解質は、ＥＣ−ＤＭＣ−ＰＣ−ＤＭＥの組み合わせ中のＬｉＰＦ６である。
実施例Ｑ：層を、各側の外側部分等のいくつかの区域でＰＥＯ及びＰｖＤＦにより相互に取り付けた場合の、上記実施例のいずれかと同じである。
実施例Ｒは、ＬＩＳＩＣＯＮが５マイクロメートルであり、リチウム−空気セルの空気カソード側でカプトン層に堆積させた場合の、実施例Ｇに相当する。
別の実施例では、多孔質パターン層は、以下の物理的寸法、組成、及び機械的特性を有する。
・厚さ：１２５ミクロン、７５ミクロン、５０ミクロン、又は２５ミクロン
・引張強度：１５０ＭＰａ等方的（Ｃｅｌｇａｒｄ：１５ＭＰＡ ＴＤ（横方向）；１５０ＭＰＡ ＭＤ（縦方向））
・多孔度：４５％
・弾性率：２ＧＰａ
・降伏強度：５０ＭＰａ
・密度：約１．３ｇ／ｃｍ３
・ＭＩＴ耐折強度：１００００サイクル
・エルメンドルフ引裂強度：０．１Ｎ
・グレーブス引裂強度：１５Ｎ
・衝撃強度：５０Ｎ．ｃｍ
・１５０℃で３０分の収縮：０．２（Ｃｅｌｇａｒｄ：５％〜１０％）
・絶縁耐力ＡＳＴＭ Ｄ−１４９−９１：２５０Ｖ／ｍ
・誘電率：３．５
・熱膨張率：２０ｐｐｍ／℃
・厚さ：１２５ミクロン、７５ミクロン、５０ミクロン、又は２５ミクロン
・引張強度：１５０ＭＰａ等方的（Ｃｅｌｇａｒｄ：１５ＭＰＡ ＴＤ（横方向）；１５０ＭＰＡ ＭＤ（縦方向））
・多孔度：４５％
・弾性率：２ＧＰａ
・降伏強度：５０ＭＰａ
・密度：約１．３ｇ／ｃｍ３
・ＭＩＴ耐折強度：１００００サイクル
・エルメンドルフ引裂強度：０．１Ｎ
・グレーブス引裂強度：１５Ｎ
・衝撃強度：５０Ｎ．ｃｍ
・１５０℃で３０分の収縮：０．２（Ｃｅｌｇａｒｄ：５％〜１０％）
・絶縁耐力ＡＳＴＭ Ｄ−１４９−９１：２５０Ｖ／ｍ
・誘電率：３．５
・熱膨張率：２０ｐｐｍ／℃
これらの特性を有する多孔質パターン層を有する多層セパレータを備えた電気化学セルが、有用な性能特性を示す。ハーフセル［コインセル］：例えば、ＬｉＦｅＰＯ４｜ＬＰ７１｜ＬｉをＣ／５で２００サイクル後に試験した場合、容量はＣ／２ｍＡｈ／ｇ〜１２０ｍＡｈ／ｇで約１４０ｍＡｈ／ｇであった。外圧を用いた力−変位試験は、セルが短絡しないが機能を停止したことを示した。Ｃ／２で３００サイクル後のセパレータシステムの解析は、劣化が皆無かそれに近いことを示し、セパレータシステムを別のセルで用いることができた。
表１及び表２は、本発明の特定の実施形態の高機械強度層及びセパレータシステムの物理的寸法及び特性の要約を提供する。
セパレータの抵抗率を、１Ｍ ＬｉＰＦ６ ＥＣ：ＥＭＣ（容量で３０：７０）中で試験した。電気化学評価のために、Ａｌ−Ａｌ電極を有する１／２インチコインセル電気化学セルを用いてセパレータを特性化した。セパレータは、それぞれ２５μｍ厚のｃｅｌｇａｒｄ／有孔カプトン／ｃｅｌｇａｒｄ／有孔カプトン／ｃｅｌｇａｒｄとして作製される。
被覆金属メッシュを備えたセパレータ
いくつかの態様では、本発明のセパレータシステムは、外部絶縁コーティングを有する金属メッシュ等の被覆金属層である１つ又は複数の多孔質パターン層を備える。この態様の実施形態は、電池の寿命を大幅に延ばすのに有益である。一実施形態では、例えば、金属メッシュ（Ａｌ、ニッケル、銅、ステンレス鋼）は、非常に広い温度範囲にわたって非常に高い機械的強度を有し、金属セパレータは、セルの温度を均一化してセルの安全性及び寿命を大幅に向上させる熱伝導材料である。一実施形態では、セパレータの微多孔質層は、ＰＴＦＥを塗布したアルミニウムメッシュ層（例えば、Ａｌメッシュ、４０％開口：それぞれ５マイクロメートルの３層又はそれぞれ１／３ミルの２層）であり、一実施形態では、Ａｌ層にＰＴＦＥを、例えば各側を２マイクロメートル厚で塗布する。別の実施形態では、アノードに隣接したＡｌ層のみを被覆する。別の実施形態では、Ａｌ層を被覆し、側面を電極に接触して設ける。
いくつかの態様では、本発明のセパレータシステムは、外部絶縁コーティングを有する金属メッシュ等の被覆金属層である１つ又は複数の多孔質パターン層を備える。この態様の実施形態は、電池の寿命を大幅に延ばすのに有益である。一実施形態では、例えば、金属メッシュ（Ａｌ、ニッケル、銅、ステンレス鋼）は、非常に広い温度範囲にわたって非常に高い機械的強度を有し、金属セパレータは、セルの温度を均一化してセルの安全性及び寿命を大幅に向上させる熱伝導材料である。一実施形態では、セパレータの微多孔質層は、ＰＴＦＥを塗布したアルミニウムメッシュ層（例えば、Ａｌメッシュ、４０％開口：それぞれ５マイクロメートルの３層又はそれぞれ１／３ミルの２層）であり、一実施形態では、Ａｌ層にＰＴＦＥを、例えば各側を２マイクロメートル厚で塗布する。別の実施形態では、アノードに隣接したＡｌ層のみを被覆する。別の実施形態では、Ａｌ層を被覆し、側面を電極に接触して設ける。
［参照による援用及び変形形態に関する記載］
本願を通した引用文献、例えば発行又は付与された特許又は等価物を含む特許文献、特許出願公開、及び非特許文献又は他の資料は、各引用文献が本願の開示と少なくとも部分的に矛盾しない程度に参照により個別に援用されるように、それらの全体を参照により本明細書に援用する（例えば、部分的に矛盾する引用文献は、その引用文献の部分的に矛盾する部分以外を参照により引用する）。
本願を通した引用文献、例えば発行又は付与された特許又は等価物を含む特許文献、特許出願公開、及び非特許文献又は他の資料は、各引用文献が本願の開示と少なくとも部分的に矛盾しない程度に参照により個別に援用されるように、それらの全体を参照により本明細書に援用する（例えば、部分的に矛盾する引用文献は、その引用文献の部分的に矛盾する部分以外を参照により引用する）。
本明細書で用いた用語及び表現は、限定用語ではなく説明用語として用いるものであり、かかる用語及び表現の使用には、図示及び説明した特徴の等価物又はその一部を除外する意図はなく、さまざまな変更形態が特許請求される発明の範囲内で可能であることが認識される。したがって、本発明は好適な実施形態、例示的な実施形態、及び任意の特徴により具体的に開示されているが、本明細書に開示した概念の変更及び変形が当業者に用いられ得ること、及びかかる変更形態及び変形形態が添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲内にあると考えられることを理解すべきである。本明細書に記載した具体的な実施形態は、本発明の有用な実施形態の例であり、本明細書に記載の装置、装置コンポーネント、方法ステップの多数の変形形態を用いて本発明を実行できることが、当業者には明らかとなるであろう。当業者には自明のように、本方法に有用な方法及び装置は、多数の任意の組成及び加工要素及びステップを含むことができる。
本明細書で述べた全ての特許及び広報は、本発明が属する当業者のレベルを示す。本明細書で挙げた引用文献は、場合によってはその出願日の時点での最高水準を示すためにそれらの全体を参照により本明細書に援用され、この情報を、必要であれば本明細書中で用いて、従来技術である具体的な実施形態を除外する（例えば、放棄する）ことができることが意図される。例えば、化合物を特許請求する場合、本明細書に開示した引用文献（特に、引用特許文献）に開示されている特定の化合物を含む当該技術分野で既知の化合物は、特許請求の範囲に含まれることが意図されないことを理解すべきである。
置換基群が本明細書に開示されている場合、置換基を用いて形成することができるこれらの群及び全てのサブグループ及びクラスの全構成員が別個に開示されることを理解されたい。マーカッシュ群又は他の分類が本明細書で用いられている場合、群の全構成員及びその群で可能な全ての組み合わせ及びサブコンビネーションが本開示に個別に含まれることが意図される。本明細書で用いられる場合、「及び／又は」は、「及び／又は」により分離される一覧中の事項の１つ、全て、又は任意の組み合わせがその一覧に含まれることを意味し、例えば、「１、２、及び／又は３」は、「『１』又は『２』又は『３』又は『１及び２』又は『１及び３』又は『２及び３』又は『１、２、及び３』」に相当する。
別段の記載の無い限り、説明又は例示した構成要素の全ての配合又は組み合わせを用いて本発明を実施することができる。当業者が同じ材料を異なる名称で呼び得ることが知られているように、具体的な材料名は例示のためのものである。当業者であれば、具体的に例示したもの以外の方法、装置要素、出発材料、及び合成法を、過度の実験に頼らずに本発明の実施に用いることができる。かかる方法、装置要素、出発材料、及び合成法の全ての従来技術で既知の機能的等価物が、本発明に含まれることが意図される。例えば温度範囲、時間範囲、又は組成範囲といった範囲が本明細書で与えられている場合は常に、その所与の範囲に含まれる全ての中間範囲及び部分範囲並びに個々の値が、本開示に含まれることが意図される。
本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いられる場合、単数形は文脈で別段の明示がない限り複数への言及を含むことに留意しなければならない。したがって、例えば、「セル」に言及している場合、当業者に既知の複数のかかるセル又はその等価物を含む。同様に、用語「１つの、」「１つ又は複数の、」及び「少なくとも１つの」は、本明細書において交換可能に用いることができる。用語「備える、」「含む、」及び「有する」を交換可能に用いることができることにも留意されたい。「請求項ＸＸ〜ＹＹのいずれか」（ここで、ＸＸ及びＹＹは請求項の番号を指す）という表現は、代替形態の複数の従属請求項を提供することを意図し、いくつかの実施形態では、「請求項ＸＸ〜ＹＹのいずれか１項に記載の」と交換可能である。
別段の定義のない限り、本明細書で用いられる全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者が一般的に理解するのと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと同様又は同等の任意の方法及び材料を、本発明の実施又は試験で用いることができ、好適な方法及び材料がここでは記載されている。本明細書中のいかなる記載も、先行発明を理由として本発明がかかる開示に先行するものではないことを認めたと解釈するものではない。
例えば整数範囲、温度範囲、時間範囲、組成範囲、又は濃度範囲といった範囲が本明細書で与えられている場合は常に、その所与の範囲に含まれる全ての中間範囲及び部分範囲並びに個々の値が、本開示に含まれることが意図される。本明細書で用いられる場合、範囲は、その範囲の端点値として与えられる値を具体的に含む。本明細書で用いられる場合、範囲は、その範囲の全ての整数値を具体的に含む。例えば、１〜１００の範囲は、１及び１００の端点値を具体的に含む。本明細書の記載に含まれる範囲又は部分範囲における任意の部分範囲又は個々の値が、本明細書の特許請求の範囲から除外され得ることを理解されたい。
本明細書で用いられる場合、「備える」は、「含む、」「含有する、」又は「特徴とする」と同義であり、包括的又は非限定的であり、付加的で記載のない要素又は方法ステップを除外しない。本明細書で用いられる場合、「からなる」は、クレーム構成要件で指定されないいかなる要素、ステップ、又は成分も除外する。本明細書で用いられる場合、「から本質的になる」は、請求項の基本的且つ新規の特徴に実質的に影響しない材料又はステップを除外しない。本明細書における、特に組成物の成分の説明又は装置の要素の説明における用語「備える」の記載は、記載の構成要素又は要素から本質的になる、また記載の構成要素又は要素からなる組成物及び方法を包含すると理解される。本明細書に例示的に記載した発明は、本明細書に具体的に開示されていない要素や制限がなくても適切に実施することができる。
使用した用語及び表現は、限定用語ではなく説明用語として用いるものであり、かかる用語及び表現の使用には、図示及び説明した特徴の等価物又はその一部を除外する意図はなく、さまざまな変更形態が特許請求の発明の範囲内で可能であることが認識される。したがって、本発明は好適な実施形態及び任意の特徴により具体的に開示されているが、本明細書に開示した概念の変更及び変形が当業者に用いられ得ること、及びかかる変更形態及び変形形態が添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲内にあると考えられることを理解すべきである。
１００ 多層セパレータシステム
１０２ 高機械強度層
１０４ 開口
１０６ オフセット破線区域
１０８ 矢印
１１０ 点
１１２ 開口の重複領域
１０２ 高機械強度層
１０４ 開口
１０６ オフセット破線区域
１０８ 矢印
１１０ 点
１１２ 開口の重複領域
Claims (21)
- 電気化学システム用のセパレータシステムであって、
第１高機械強度層であり、該第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、
第２高機械強度層であり、該第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、前記第２パターンは、（ａ）前記第１高機械強度層から前記第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口との重なりがないように前記第１パターンに対してオフセット配列を有するか、又は、（ｂ）前記第１高機械強度層から前記第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口との重なりが０％より大きく２０％以下であるように前記第１パターンに対してオフセット配列を有する第２高機械強度層と
を備え、前記第１高機械強度層及び前記第２高機械強度層は、前記第１高機械強度層及び前記第２高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを前記第１高機械強度層及び前記第２高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされ、
前記第１高機械強度層及び前記第２高機械強度層は、独立して、５ＭＰａ〜１０００ＧＰａの範囲で選択される降伏強度を有し、
前記第１高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上であり、
前記第２高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上である、セパレータシステム。 - 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、前記（ｂ）における、前記第１高機械強度層から前記第２高機械強度層まで垂直に延びる前記軸に沿った前記第１パターンおよび前記第２パターンの前記開口の重なりは、１０％以下であるセパレータシステム。
- 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、前記（ｂ）における、前記第１高機械強度層から前記第２高機械強度層まで垂直に延びる前記軸に沿った前記第１パターンおよび前記第２パターンの前記開口の重なりは、０％〜５％の範囲から選択されるセパレータシステム。
- 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、前記（ｂ）における、前記第１パターンは第１ピッチ及び開口間隔を有する第１周期開口パターンであり、前記第２パターンは該第１ピッチ及び開口間隔を有し、かつ該第１周期開口パターンの開口の位置からオフセットした第２周期開口パターンである、セパレータシステム。
- 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、前記第１高機械強度層および前記第２高機械強度層の少なくとも１つの片側に設けた１つ又は複数の低イオン抵抗層をさらに備え、
前記低イオン抵抗層は、２０Ωｃｍ２以下のイオン抵抗を有する、セパレータシステム。 - 請求項５に記載のセパレータシステムにおいて、前記複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つは、前記第１高機械強度層および前記第２高機械強度層に堆積させた堆積層であり、前記複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つは、電気化学セルの電極に堆積させた堆積層であるセパレータシステム。
- 請求項５に記載のセパレータシステムにおいて、前記１つ又は複数の低イオン抵抗層は、前記第１高機械強度層と前記第２高機械強度層との間に設けたスペーサを備え、該スペーサは、前記第１高機械強度層と前記第２高機械強度層とを１０ｎｍ〜１０００μｍの範囲から選択される選択距離だけ分離するセパレータシステム。
- 請求項５に記載のセパレータシステムにおいて、前記１つ又は複数の低イオン抵抗層は、前記第１高機械強度層および前記第２高機械強度層の少なくとも１つと接触するか、又は、電気化学セルの少なくとも１つの電極と接触する１つ又は複数のフレーム層を含むセパレータシステム。
- 請求項５に記載のセパレータシステムにおいて、前記第１高機械強度層、前記第２高機械強度層および前記複数の低イオン抵抗層の少なくとも１つの片側に設けた、１つ又は複数の化学障壁層をさらに備え、前記１つ又は複数の化学障壁層は、固体電解質又は固体ポリマー電解質を含み、前記１つ又は複数の化学障壁は独立して、当該１つ又は複数の化学障壁層を通して電気化学セルの正電極又は負電極への望ましくない化学成分の輸送を防止するセパレータシステム。
- 請求項９に記載のセパレータシステムにおいて、該セパレータシステムは、負電極及び正電極を有する電気化学セルのコンポーネントであり、前記１つ又は複数の化学障壁層は、イオン伝導性保護膜を含み、該イオン伝導性保護膜は、前記正電極と接触した第１電解質と前記負電極と接触した第２電解質との間の障壁を提供し、前記イオン伝導性保護膜は、前記負電極と前記第１電解質との間の接触を防止するセパレータシステム。
- 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、第３高機械強度層であり、当該第３高機械強度層を貫通して第３パターンで設けた複数の開口を有する第３高機械強度層をさらに備え、前記第３高機械強度層は、前記第１高機械強度層と前記第２高機械強度層との間に位置決めされ、前記第３パターンは、前記第１高機械強度層又は前記第２高機械強度層から前記第３高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１パターン又は前記第２パターンの前記開口と前記第３パターンの前記開口との重なりが２０％以下であるように、前記第１パターン又は前記第２パターンに対してオフセット配列を有するセパレータシステム。
- 請求項１１に記載のセパレータシステムにおいて、第４高機械強度層であり、該第４高機械強度層を貫通して第４パターンで設けた複数の開口を有する第４高機械強度層をさらに備え、前記第４高機械強度層は、前記第１高機械強度層と前記第２高機械強度層との間に位置決めされ、前記第４パターンは、前記第１高機械強度層又は前記第２高機械強度層から前記第４高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１パターン、前記第２パターン、又は前記第３パターンの前記開口と前記第４パターンの前記開口との重なりが２０％以下であるように、前記第１パターン、前記第２パターン、又は前記第３パターンに対してオフセット配列を有するセパレータシステム。
- 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、開口の前記第１パターン及び前記第２パターンは、３０％以上の前記第１高機械強度層および前記第２高機械強度層の多孔度を提供するセパレータシステム。
- 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、前記第１高機械強度層および前記第２高機械強度層は独立して、５μｍ〜１ｍｍの範囲で選択される平均厚を有するセパレータシステム。
- 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、前記第１高機械強度層および前記第２高機械強度層は独立して、５００ＭＰａ〜５００ＧＰａの範囲で選択されるヤング率を有するセパレータシステム。
- 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、前記第１高機械強度層および前記第２高機械強度層は独立して、１０Ｎｃｍ〜１０００Ｎｃｍの範囲で選択される衝撃強度、および５０ＭＰａ〜２ＧＰａの範囲で選択される引張強度を有する、セパレータシステム。
- 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、前記第１高機械強度層および前記第２高機械強度層は独立して、エルメンドルフ引裂強度０．００５Ｎ〜１０Ｎの範囲で選択される引裂強度およびグレーブス引裂強度１０Ｎ〜５００Ｎの範囲で選択される初期引裂強度を有し、
前記初期引裂強度は、最初に引き裂きが形成されるときの引き裂きに対する抵抗を指し、
前記引裂強度は、引き裂きが形成された後に、引き裂きを拡張するときの引き裂きに対する抵抗を指す、セパレータシステム。 - 請求項１に記載のセパレータシステムにおいて、前記第１高機械強度層および前記第２高機械強度層は独立して、金属、合金、セラミック、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、架橋ポリエチレン（ＰＥＸ、ＸＬＰＥ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、ＰＥＴＥ）、ポリフェニルエーテル（ＰＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン（ＰＢ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエステル（ＰＥ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリスルホン（ＰＥＳ）、スチレン−アクリロニトリル（ＳＡＮ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、スチレン無水マレイン酸（ＳＭＡ）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニル）、ＰＥＯ ＰＶＤＦ（ＰＥＯとＰＶＤＦの混合物）、ＬＩＰＯＮ（lithium phosphorus oxynitride）、ＬＩＳＩＣＯＮ(LIthium Super Ionic CONductor)、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド五水和物（ＣＨ３）４ＮＯＨ・５Ｈ２Ｏ、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、エピクロヒドリン及びエチレンオキシドＰ（ＥＣＨ−ｃｏ−ＥＯ）及びポリ（ビニルアルコール）のコポリマー、ＰＥＯ−ＰＶＡ−ガラス繊維ポリマー電解質、硫化亜鉛、二酸化ケイ素、ＰＶＡ及びＰＳＡ、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール、アクリルポリエチレングリコール、アクリルポリプロピレングリコール、アルキルポリブチレングリコール、又はＰＶＡ材料、及びそれらの組み合わせから選択される１つ又は複数の材料を含むセパレータシステム。
- 負電極と、
正電極と、
前記正電極と前記負電極との間に設けた第１電解質と、
前記第１電解質と接触して前記負電極と前記正電極との間に設けたセパレータシステムとを備えた電気化学セルであって、
前記セパレータシステムは、前記第１電解質のイオンを前記正電極と前記負電極との間で輸送可能であるよう位置決めされ、
前記セパレータシステムは、
（ｉ）第１高機械強度層であり、該第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、
（ｉｉ）第２高機械強度層であり、該第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、前記第２パターンは、（ａ）前記第１高機械強度層から前記第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口との重なりがないように前記第１パターンに対してオフセット配列を有するか、又は、（ｂ）前記第１高機械強度層から前記第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口との重なりが０％より大きく２０％以下であるように前記第１パターンに対してオフセット配列を有する、第２高機械強度層と
を備え、前記第１高機械強度層及び前記第２高機械強度層は、前記第１電解質のイオンを前記第１高機械強度層及び前記第２高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされ、
前記第１高機械強度層及び前記第２高機械強度層は、独立して、５ＭＰａ〜１０００ＧＰａの範囲で選択される降伏強度を有し、
前記第１高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上であり、
前記第２高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上である、電気化学セル。 - 電気化学システム用のセパレータシステムであって、
第１高機械強度層であり、該第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、
第２高機械強度層であり、該第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、前記第２パターンは、（ａ）前記第１高機械強度層から前記第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口との重なりがないように前記第１パターンに対してオフセット配列を有するか、又は、（ｂ）前記第１高機械強度層から前記第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口との重なりが０％より大きく４０％以下であるように前記第１パターンに対してオフセット配列を有する第２高機械強度層と、
第３高機械強度層であり、該第３高機械強度層を貫通して第３パターンで設けた複数の開口を有し、前記第３パターンは、（ｃ）前記第１高機械強度層又は前記第２高機械強度層から前記第３高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口と前記第３高機械強度層の開口との重なりがないように前記第１パターン及び前記第２パターンに対してオフセット配列を有するか、又は、（ｄ）前記第１高機械強度層又は前記第２高機械強度層から前記第３高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と、前記第２高機械強度層の前記開口と、前記第３高機械強度層の前記開口との重なりが０％より大きく２０％以下であるように前記第１パターン及び前記第２パターンに対してオフセット配列を有する、第３高機械強度層と
を備え、前記第１高機械強度層、前記第２高機械強度層、及び前記第３高機械強度層は、前記第１高機械強度層、前記第２高機械強度層、及び前記第３高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを前記第１高機械強度層、前記第２高機械強度層、及び前記第３高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされ、
前記第１高機械強度層、前記第２高機械強度層及び前記第３高機械強度層は、独立して、５ＭＰａ〜１０００ＧＰａの範囲で選択される降伏強度を有し、
前記第１高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上であり、
前記第２高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上であり、
前記第３高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上である、セパレータシステム。 - 電気化学システム用のセパレータシステムであって、
第１高機械強度層であり、該第１高機械強度層を貫通して第１パターンで設けた複数の開口を有する第１高機械強度層と、
第２高機械強度層であり、該第２高機械強度層を貫通して第２パターンで設けた複数の開口を有し、前記第２パターンは、（ａ）前記第１高機械強度層から前記第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口との重なりがないように前記第１パターンに対してオフセット配列を有するか、又は、（ｂ）前記第１高機械強度層から前記第２高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口との重なりが０％より大きく５０％以下であるように前記第１パターンに対してオフセット配列を有する、第２高機械強度層と、
第３高機械強度層であり、該第３高機械強度層を貫通して第３パターンで設けた複数の開口を有し、前記第３パターンは、（ｃ）前記第１高機械強度層又は前記第２高機械強度層から前記第３高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口と前記第３高機械強度層の開口との重なりがないように前記第１パターン及び前記第２パターンに対してオフセット配列を有するか、又は、（ｄ）前記第１高機械強度層又は前記第２高機械強度層から前記第３高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と、前記第２高機械強度層の前記開口と、前記第３高機械強度層の前記開口との重なりが０％より大きく３０％以下であるように第１パターン及び第２パターンに対してオフセット配列を有する、第３高機械強度層と、
第４高機械強度層であり、該第４高機械強度層を貫通して第４パターンで設けた複数の開口を有し、前記第４パターンは、（ｅ）前記第１高機械強度層又は前記第２高機械強度層から前記第４高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と前記第２高機械強度層の前記開口と前記第３高機械強度層の開口と前記第４高機械強度層との重なりがないように前記第１パターン、前記第２パターン、及び第３パターンに対してオフセット配列を有するか、又は、（ｆ）前記第１高機械強度層又は前記第２高機械強度層から前記第４高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第１高機械強度層の前記開口と、前記第２高機械強度層の前記開口と、前記第３高機械強度層の前記開口と、前記第４高機械強度層の前記開口との重なりが０％より大きく２０％以下であるように前記第１パターン、前記第２パターン、及び前記第３パターンに対してオフセット配列を有する、第４高機械強度層と
を備え、前記第１高機械強度層、前記第２高機械強度層、前記第３高機械強度層、及び前記第４高機械強度層は、前記第１高機械強度層、前記第２高機械強度層、前記第３高機械強度層、及び前記第４高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを前記第１高機械強度層、前記第２高機械強度層、前記第３高機械強度層、及び前記第４高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされ、
前記第１高機械強度層、前記第２高機械強度層、前記第３高機械強度層及び前記第４高機械強度層は、独立して、５ＭＰａ〜１０００ＧＰａの範囲で選択される降伏強度を有し、
前記第１高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上であり、
前記第２高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上であり、
前記第３高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上であり、
前記第４高機械強度層の開口の、前記軸に垂直な少なくとも１つの方向の長さは、２００μｍ以上である、セパレータシステム。
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