JP6610681B2 - 金属ベース負極を有するリチウムイオン電池のための高電流処理 - Google Patents
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Description
標準的な組立サイクルをユニットセルに適用して、リチウムイオン電池を作製した。その結果得られたユニットセルに対し、レート能力チェックを0.1C〜5Cのレートで連続的に行った。レート能力を図6Aに示す。負極は、Cレートの上昇と共に単調な性能低下を示した。走査電子顕微鏡写真分析を100倍で行ったところ、図7Aに示すように、複数の領域において層間剥離が見られた。
比較例1に概要を示すように、標準的な組立サイクルをユニットセルへ適用して、リチウムイオン電池を作製した。ユニットセルの充電レベルを0%にするのに十分な間隔で、Cレート値が7Cである高Cレート放電電流をユニットセルへ印加した。次に、このユニットセルを充電して、100%の充電レベルに戻した。この際、SOCが100%に到達するのに十分な間隔とし、Cレート値を1Cとして充電した。その結果得られたセルに対し、レート能力チェックを5C〜0.1Cの順序で、5C、3C、2C、1C、0.5C及び0.1Cの間隔で連続的に行った。レート能力を図6Bに示す。本例の負極は、Cレートと相関し、放電容量維持率が安定する関連性を示している。負極に対して、走査電子顕微鏡分析を100倍で行った結果を図7Bに示す。図7Aの電子顕微鏡写真と比較すると、層間剥離領域がより少数であることが分かる。また、この負極に対してSEM分析を行ったところ、複数の細孔もみられた。
比較例1に概要を示すように、標準的な組立サイクルをユニットセルへ適用して、リチウムイオン電池を作製した。ユニットセルの充電レベルを0%にするのに十分な間隔で、Cレート値が3Cである高Cレート放電電流をユニットセルへ印加した。次に、このユニットセルを充電して、100%の充電レベルに戻した。この際、SOCが100%に到達するのに十分な間隔とし、Cレート値をC/20として充電した。その結果得られたセルに対し、レート能力チェックを5C〜0.1Cレートの順序で連続的に行ったところ、実施例1に示すものと同様のユニットセル性能が得られた。
比較例1に概要を示すように、標準的な組立サイクルをユニットセルへ適用して、リチウムイオン電池を作製した。ユニットセルの充電レベルを0%にするのに十分な間隔で、Cレート値が7Cである初期高Cレート放電電流をユニットセルへ印加した。次に、このユニットセルを充電して、100%の充電レベルに戻した。この際、SOCが100%に到達するのに十分な間隔とし、Cレート値を1Cとして充電した。そして、このユニットセルに対し、レート値が5Cの放電電流の印加を行い、その後、充電Cレート値が1Cの印加を行った。その後、放電レートを3C、1C及び0.1Cとして、放電工程及び充電工程を複数サイクルに亘って繰り返した。このユニットセルに対し、レート能力チェックを5C〜0.1Cレートの順序で連続的に行ったところ、実施例1に示すものと同様のユニットセル性能が得られた。
152 合金化粒子
Claims (17)
- リチウムイオン電池を使用する前に、正極と、セパレータと、電解質と、合金化粒子を有する金属ベース負極とを備えるユニットセルを作製した後に、高Cレート放電電流を前記ユニットセルに印加する工程と、
前記高Cレート放電電流の印加を停止した後、高Cレート充電電流を前記ユニットセルへ印加して、ユニットセルにおける充電レベルの最大値の90%以上である高充電レベルまで前記ユニットセルを充電する工程と、
を有し、
印加される前記高Cレート放電電流は、前記リチウムイオン電池の使用時に前記金属ベース負極を通過するCレート動作電流よりも高く、
前記高Cレート充電電流は、前記リチウムイオン電池の使用時に前記金属ベース負極を通過する前記Cレート動作電流よりも高い値を有し、
前記充電工程は、3C〜6CのCレートにおいて進行し、
印加される前記高Cレート放電電流は3C〜7Cの範囲内である、リチウムイオン電池の製造方法。 - 前記金属ベース負極は合金によって構成されており、
前記合金は、銅と、銅と合金化する少なくとも1つの元素とを含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池の製造方法。 - 銅と合金化する少なくとも1つの前記元素は、スズ、モリブデン、ニオブ、タングステン、タンタル及び鉄のうち少なくとも1つである、請求項2に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
- 前記合金化粒子は、シリコン、ゲルマニウム、スズ、シリコン酸化物、ゲルマニウム酸化物、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一つを含有する、請求項1に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
- 前記金属ベース負極に印加される前記高Cレート放電電流は3C〜7Cの範囲内であり、前記高Cレート放電電流を印加した結果、合金化粒子からリチウムが脱離し、多孔性の合金化粒子を生成する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
- 前記高Cレート放電電流の印加工程において、印加される前記高Cレート放電電流は、少なくとも1つの間隔をおいて3C〜7Cの範囲内の可変値を有する、請求項5に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
- 前記高Cレート放電電流の印加工程において、前記印加される高Cレート放電電流は、7C〜3Cの範囲で次第に減少するように変動する、請求項5に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
- 前記ユニットセルが低充電レベルに到達したときに、前記高Cレート放電電流の印加工程を停止させる工程をさらに有し、
前記低充電レベルは、前記ユニットセルの完全充電の5%未満の充電レベル値を有する、請求項1乃至7のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池の製造方法。 - 前記ユニットセルが低充電レベルに到達したときに、前記高Cレート放電電流の印加工程を停止させる工程をさらに有し、
前記低充電レベルは、前記ユニットセルの完全充電の0%の充電レベル値を有する、請求項1乃至8のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池の製造方法。 - 前記製造方法は、1回の前記印加工程と1回の前記充電工程とからなる、請求項1乃至9のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
- リチウムイオン電池を使用する前に、正極と、セパレータと、電解質と、合金化粒子を有する金属ベース負極とを備えるユニットセルを作製した後に、放電電流を前記ユニットセルに印加する工程と、
前記放電電流の印加を停止した後、3C〜6Cである高Cレート充電電流を前記ユニットセルへ印加する工程と、
を有し、
前記金属ベース負極は、リチウム化後の膨張率と、最初に脱リチウム反応した後の収縮率とを有する合金化粒子を有し、
前記放電電流の印加により、前記合金化粒子が活性速度において活性化され、前記活性速度は、前記合金化粒子の前記収縮率よりも速く、
印加される前記放電電流は3C〜7CのCレートを有する、リチウムイオン電池の製造方法。 - 前記印加される放電電流は、第1のインクリメント値である3C〜7CのCレートを有し、
前記製造方法は、
前記ユニットセルが、前記ユニットセルの完全充電の0%の充電レベル値を有する低充電レベルに到達したときに、前記放電電流の印加工程を停止させる工程と、
前記放電電流の印加工程を停止した後、前記ユニットセルを、100%の充電レベル値を有する高充電レベルに等しい値まで充電する工程と、
をさらに有する、請求項11に記載のリチウムイオン電池の製造方法。 - 前記ユニットセルが前記高充電レベルに到達した後、前記第1のインクリメント値未満の第2のインクリメント値を有する高Cレート放電電流を前記ユニットセルへ印加する工程と、
前記ユニットセルが、前記ユニットセルの完全充電の0%の充電レベル値を有する前記低充電レベルに到達したときに、前記高Cレート放電電流の印加工程を停止させる工程と、
前記高Cレート放電電流の印加を停止した後に、前記ユニットセルを前記高充電レベルまで充電する工程と、
をさらに有する、請求項12に記載のリチウムイオン電池の製造方法。 - 前記第2のインクリメント値は、前記第1のインクリメント値よりも少なくとも0.25C低い、請求項13に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
- 少なくとも1つの銅金属ベース合金負極を有するリチウムイオン電池の電池寿命を向上させる方法であって、
正極と、セパレータと、電解質と、銅を含有する金属ベース負極とを備える少なくとも1つのユニットセルを有するリチウムイオン電池を作製する工程を有し、
前記金属ベース負極は合金化粒子を有し、前記合金化粒子は、初期体積と、最初に充電した後の膨張体積とを有し、
前記合金化粒子は放電により最初に脱リチウム反応した後の収縮率を有し、前記作製工程で得られたリチウムイオン電池は初期充電レベルを有し、
さらに前記方法は、前記リチウムイオン電池を前処理する工程を有し、前記前処理工程は、
高Cレート放電電流を前記ユニットセルへ印加する工程と、
前記ユニットセルを3C〜6CのCレートで高充電レベルまで再充電する工程と、
を有し、
前記高Cレート放電電流の印加により、前記合金化粒子が活性速度において活性化され、前記活性速度は、前記初期充電レベルを低充電レベルまで低下させるのに十分な間隔及び速度であって、前記合金化粒子の前記収縮率よりも速く、さらに前記高Cレート放電電流は3C〜7Cの範囲内であり、
前記高充電レベルは、100%の充電レベル値を有する高充電レベルに等しい値である、方法。 - 前記高Cレート放電電流は、前記ユニットセル中に存在する少なくとも1つの構造中に電子導電性経路を確保するのに十分な値を有し、
印加された前記高Cレート放電電流の結果、合金化粒子の脱リチウム反応が生じ、放電後の粒子体積が前記初期体積よりも大きい多孔質構造を生成する、請求項15に記載の方法。 - 前記高Cレート放電電流の印加工程及び再充電工程は連続的に繰り返され、
前記高Cレート放電電流は、最初の印加工程では7Cであり、各連続的に反復する際に0.25C〜1Cずつ低減される、請求項15又は16に記載の方法。
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