JP6779490B2 - 人工sei移植 - Google Patents

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Description

本開示は、一般に、再充電可能な電池のための電極に関し、より詳細には、固体電解質界面が予め形成された電極に関する。
背景
本明細書で提供される背景説明は、本開示の文脈を一般的に提示することを目的とするものである。ここに名を挙げられた発明者の研究は、この背景セクションに記載され得る範囲で、他の態様では出願時に先行技術として認められない記述の態様とならんで、明示的にも黙示的にも、本技術に対する先行技術として認められない。
水はリチウム金属と自然に反応し、水性リチウム電池技術の難しさを示す。さらに、Li電池用の一般的な有機電解質は、水分の存在下では良好に機能しないことが知られている。特に、これらの電解質中の水分はセル障害を引き起こす。
電池は、固体電極と液体電解質との接触点に固体電解質界面(SEI)を形成することが一般的に知られている。これらのSEIはしばしば電極と電解質成分との組み合わせであり、場合によっては前記電解質の分解生成物を含む。SEIは時には電極を不動態化して導電率を低下させる。しかし、他の時には、SEIは保護層を提供し、腐食または他の望ましくない副反応から電極を安定化させもする。電解質中の水分の存在下でリチウムアノードの安定したサイクルを可能にするSEIは現在知られていない。
したがって、電解質中の水分に対してリチウムアノードを保護するための改良された方法を提供することが望ましい。
このセクションは、開示の概要を提供するものであり、その全範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。
さまざまな態様において、本教示は、予め形成された固体電解質界面(SEI)を有する保護されたアノードを有するリチウムイオン電池の製造方法を提供する。本方法は、SEI形成電解質を有する第1のセル内でリチウム電極に対して複数の充放電サイクルを実施することによってリチウム電極上にSEIを形成して、保護されたアノードを形成するステップを備える。SEI形成電解質は、FSIアニオンと、カチオンとを含み、該カチオンは、1−メチル−1−プロピルピロリジニウム、N−メチル−N,N−ジエチル−N−プロピルアンモニウム、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)−アンモニウム、1,1−エチルプロピルピペリジニウム、N−メチル−N−(2−メトキシエチル)−ピロリジニウム、トリメチルイソプロピルホスホニウム、メチルトリエチルホスホニウム、メチルトリブチルホスホニウム、およびそれらの混合物からなる群から選択される。本方法はさらに、湿式Liイオンボルタ電池を組み立てるステップを備える。湿式Liイオン電池は、保護されたアノードと、保護されたアノードと接触する湿式電解質とを含む。湿式電解質は、少なくとも50ppmの水分を含む。
他の態様では、本教示は、予め形成された固体電解質界面を有する保護されたアノードを形成する方法を提供する。本方法は、SEI形成電解質を有する第1のセル内でリチウム電極に対して複数の充放電サイクルを実施することによってリチウム電極上にSEIを形成して、保護されたアノードを形成するステップを備える。SEI形成電解質は、FSIアニオンと、カチオンとを含み、該カチオンは、1−メチル−1−プロピルピロリジニウム、N−メチル−N,N−ジエチル−N−プロピルアンモニウム、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)−アンモニウム、1,1−エチルプロピルピペリジニウム、N−メチル−N−(2−メトキシエチル)−ピロリジニウム、トリメチルイソプロピルホスホニウム、メチルトリエチルホスホニウム、メチルトリブチルホスホニウム、およびそれらの混合物からなる群から選択される。
上記結合技術を改善する適用可能性の更なる範囲およびさまざまな方法は、本明細書に記載された説明から明らかになるであろう。この概要における記載および具体例は、説明のためだけに意図されており、本開示の範囲を限定するものではない。
本教示は、詳細な説明および添付図面からよりよく理解されるであろう。
Liイオンセルを形成する方法の概略図であり、保護されたアノードを形成するために使用される第1のセルおよび保護されたアノードを含む湿式Liイオンセルの概略図を含む図である。 図1の第1のセルで使用されるSEI形成電解質に使用するのに適した有機カチオンの線図である。 図1の第1のセルで使用されるSEI形成電解質に使用するのに適した有機カチオンの線図である。 図1の第1のセルで使用されるSEI形成電解質に使用するのに適した有機カチオンの線図である。 図1の第1のセルで使用されるSEI形成電解質に使用するのに適した有機カチオンの線図である。 図1の第1のセルで使用されるSEI形成電解質に使用するのに適した有機カチオンの線図である。 図1の第1のセルで使用されるSEI形成電解質に使用するのに適した有機カチオンの線図である。 図1の第1のセルで使用されるSEI形成電解質に使用するのに適した有機カチオンの線図である。 図1の第1のセルで使用されるSEI形成電解質に使用するのに適した有機カチオンの線図である。 湿式または乾式SEI形成電解質のいずれかを用いる、2つの電極に対する、図1の方法におけるSEI形成ステップ中のセル電圧対時間のプロットを示す図である。 図3AのSEI形成ステップによって形成された保護されたアノードに対するナイキストインピーダンスのプロットを示す図である。 図3AのSEI形成ステップによって形成された保護されたアノードに対するナイキストインピーダンスのプロットを示す図である。 本教示に従って作製された3つの湿式Liイオンボルタ電池についての試験データを示す図である。 本教示に従って作製された3つの湿式Liイオンボルタ電池についての試験データを示す図である。 本教示に従って作製された3つの湿式Liイオンボルタ電池についての試験データを示す図である。 7つの異なる湿式Liイオンボルタ電池を有するセルの50番目のサイクルを示す図である。 DEME−FSIおよびDEME−TFSIイオン液体をそれぞれ有するSEI形成電解質中で行われるSEI形成ステップのボルタモグラムの図である。 DEME−FSIおよびDEME−TFSIイオン液体をそれぞれ有するSEI形成電解質中で行われるSEI形成ステップのボルタモグラムの図である。 図6Aに対応する湿式リチウムイオンボルタ電池のサイクルデータのプロットである。 図6Bに対応する湿式リチウムイオンボルタ電池のサイクルデータのプロットである。
本明細書に記載される図面は、特定の態様の説明のために、本技術のもののうちの方法、アルゴリズム、および装置の一般的な特性を例示することを意図していることに留意されたい。これらの図は、所与の態様の特性を正確に反映するものではない場合があり、必ずしもこの技術の範囲内で特定の実施形態を定義または限定することを意図するものではない。さらに、特定の態様は、図の組み合わせからの特徴を組み込むことができる。
詳細な記載
本教示は、Liイオンセルのアノード上に固体電解質界面(SEI)を形成し、形成されたSEIを有するアノードを第2のLiイオンセルに移植するための方法を提供する。このように移植されたアノードは、50ppmを超える水分を有する電解質と接触したとき、電気化学的に安定であることができる。
SEIを形成する方法は、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)塩およびイオン液体を含む電解質に対してアノードをサイクルさせることを含む。イオン液体は、FSIアニオンと、開示された8つの有機カチオンのうちの少なくとも1つとを含む。以下の結果に示されるように、これは、含水電解質を有する第2のLiイオン電池にアノードが移植されたときに、アノードを保護する。
図1は、含水電解質を有するLiイオンボルタ電池を製造するための方法100の概略図である。方法100は、SEI形成電解質220を有する第1のセル210内のリチウム電極200に対して複数の充放電サイクルを実行することによってSEIを形成するステップ110を含む。SEI形成ステップ110は、リチウム電極200を、保護されたリチウムアノード205に変換する。SEI形成電解質220は、LiFSI塩と、イオン液体とを含む。イオン液体は、FSIと、1−メチル−1−プロピルピロリジニウム(以下、「Pyr13」と称する;図2A);N−メチル−N,N−ジエチル−N−プロピルアンモニウム(N1223、図2B);N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)−アンモニウム(DEME、図2C);1,1−メチルプロピルピペリジニウム(以下、「Pip13」、図2D);N−メチル−N−(2−メトキシエチル)−ピロリジニウム(Pyr121、(図2E);トリメチルイソプロピルホスホニウム(P1114、図2F);メチルトリメチルホスホニウム(P1222、図2G);メチルトリブチルホスホニウム(P1444、図2H);およびそれらの混合物を含む群からの少なくとも1つの有機カチオンとを含む。
いくつかの実現例では、SEI形成電解質は、イオン液体に対して少なくとも1:5または少なくとも1:2または少なくとも1:1のモル比で存在するLiFSIを含む。いくつかの実現例では、SEI形成電解質220は、イオン液体中にその飽和点で存在するLiFSIを含む(すなわち、SEI形成電解質220は、イオン液体中のLiFSIの飽和溶液である)。
いくつかの実現例では、SEI形成電解質220は乾燥状態であることができる。本明細書で使用される場合、「乾燥」とは、含水量が50ppm未満であることを意味する。本明細書で議論されるすべての場合における含水値は、カールフィッシャー滴定によって測定することができる。
図1の第1のセル210は、図1は、外部電源を可逆的に印加することによって交互に充放電される同一組成の2つの電極200を有する対称的なセルである。しかしながら、SEI形成ステップ110は、SEI形成電解質220が使用される限り、第1のセル210が適切なカソードの反対側のアノードとして電極200を使用するボルタ電池である場合に実行することもできる。いくつかの実現例では、SEI形成ステップ110は、第1のセル210を少なくとも10サイクルに対して1mAh・cm−2でサイクルさせることによって実行することができる。
リチウム電極200は、一般に、Liイオンボルタ電池におけるアノードとしての使用に適した任意の電極であり得る。本明細書で使用する「アノード」という用語は、Liイオンボルタ電池の放電中に電気化学的酸化が起こり、Liイオンボルタ電池の充電中に電気化学的還元が起こる電極を指す、と理解される。同様に、本明細書で使用される「カソード」という用語は、Liイオンボルタ電池の放電中に電気化学的酸化が起こり、Liイオンボルタ電池の充電中に電気化学的還元が起こる電極を指す。したがって、いくつかの実現例では、リチウム電極200は、リチウム金属電極、グラファイト電極、またはLiイオンボルタ電池におけるアノードとしての使用に適した任意の他の電極であることができる。
図1に示すように、保護されたリチウムアノード205は、SEI形成ステップ110中に形成されるSEI206を有するリチウムアノード200を含む。以下に説明するように、SEI206は良好なLiイオン伝導性を提供し、さらに、保護されたリチウムアノード205を水分の存在下で安定化させ、保護されたリチウムアノード205が「湿式」電解質と共に使用されることを可能にする。
方法100はさらに、湿式Liイオンボルタ電池300を組み立てるステップ120を含む。湿式Liイオンボルタ電池300は、保護されたリチウムアノード205を、カソード310に対向して含むことができる。カソード310は、任意の好適なカソード材料からなることができる。湿式Liイオンボルタ電池300は、さらに、湿式電解質320を、保護されたアノード205のSEI206と接触した状態で含み、一般に、保護されたアノード205とカソード310との間における直接的または間接的なイオン交換を提供する。ある試験実現例では、湿式リチウムイオンボルタ電池300は対称セルであり得、カソード310を有さないが、対向する保護されたアノード205が、湿式電解質320に接触し、可逆的電源250に接続される。
湿式電解質320は、一般に、リチウム酸化還元電気化学を支持することができ、さらに有意な割合の水分を含む任意の電解質とすることができる。したがって、さまざまな実現例において、湿式電解質は、少なくとも50ppm、または少なくとも100ppm、または少なくとも200ppm、または少なくとも300ppm、または少なくとも400ppm、または少なくとも500ppm、または少なくとも600ppm、または少なくとも700ppm、または少なくとも800ppm、または少なくとも900ppm、または少なくとも1000ppm、または少なくとも2000ppm、または少なくとも3000ppm、または少なくとも4000ppm、または少なくとも16000ppmの濃度で存在する水分を含むことができる。いくつかの実現例では、湿式電解質320は、前述の最小値のいずれかで、および最大20000ppmの水分を含むことができる。
図1中の「O」と付された点線は、保護されたアノード205をSEI形成ステップの完了後に第1のセル210から取り出すことを表している。同様に、「I」と付された点線は、保護されたアノード205を湿式ボルタLiイオン電池300に入れることを表している。電流コレクタ260は一般的に示されており、同じ組成または構造である必要はない。
方法100は、SEI形成ステップ110後、組立ステップ120の前に行う、保護されたアノード205を洗浄するステップを任意に含むことができる。このような洗浄ステップは、SEI形成電解質220を少なくとも部分的に可溶化することができる溶媒を用いて行われることが一般に望ましい。適切な例には、プロピレンカーボネートまたはジメチルカーボネートのような多座エーテル(multi-dentate ethers)(すなわち、2つ以上のエーテル性酸素を有するエーテル溶媒)が含まれ得るが、これらに限定されない。
方法100はまた、湿式Liイオンボルタ電池300を動作させるステップを含むことができる。動作ステップは、例えば、湿式Liイオンボルタ電池を回路に接続し、湿式Liイオンボルタ電池300の放電、充電、または1つ以上の充放電サイクルを行なうことにより、行なわれ得る。
図3Aは、2つの異なるSEI形成電解質:「湿式」および「乾燥」で実行される、SEIを形成するステップ中に生成される、時間の関数としての電位の代表的なプロットを示す。両方のSEI形成ステップは、リチウム金属の電極と1:1のP1222FSI:LiFSIのSEI形成電解質とを用いて行われる。「湿式」システムは、さらに、1体積%の水分を含む。データは、過電圧が水分の存在下でSEI形成ステップの間に実質的に増加し、乾燥システムのものよりも有意に高くなったことを明らかに示している。
図3Bおよび図3Cは、図3AのSEI形成ステップによって形成された保護されたアノードに対するナイキストインピーダンスのプロットを示す。具体的には、図3Bは、1%水分のSEI形成電解質においてSEIを形成することによって形成された保護されたアノードのインピーダンスプロットを示し、図3Cは、乾燥しているSEI形成電解質中においてSEIを形成することによって形成された保護されたアノードのインピーダンスプロットを示す。図3Bに示すように、湿式SEI形成電解質においてSEIを形成することによって形成された保護されたアノードは、SEIを形成する前の(つまり手を加えていない)対応する電極と比較して、有意な抵抗増加を有していた。図3Cに示すように、乾燥SEI形成電解質においてSEIを形成することによって形成された保護されたアノード205は、驚くべきことに、SEIを形成する前の対応する電極と比較して抵抗が減少した。
図4A〜図4Cは、3つの湿式Liイオンボルタ電池についての試験データを示す。すべての試験データは、2つの同一電極を有する湿式リチウムボルタイオン電池に関するものである。図4Aのセルは、保護されていない電極を有し;図4Bのセルは、SEIを湿式SEI形成電解質において形成することによって形成される、図3Aの保護されたアノードを有し;図4Cのセルは、SEIを乾式SEI形成電解質において形成することによって形成される、図3Bの保護されたアノードを有する。すべての3つの試験のための湿式電解質は、1体積%の水分を含むプロピレンカーボネート(PC)中1Mのリチウムビス(フルオロメチルスルホニル)イミド(LiTFSI)である。
保護されていない電極を有する図4Aのセルは、最初のサイクルで故障した。湿式SEI形成電解質中で形成された保護されたアノードを有する図4Bのセルは、最初の300秒間のサイクリングについては妥当に動作し、その後徐々に故障に向かって進んだ。乾燥SEI形成電解質中で形成された保護されたアノードを有する図4Cのセル300は、1250時間の全試験期間にわたって低過電圧で優れた性能を示した。これらの結果は、湿式SEI形成電解質中で形成されたSEIは、保護されたアノードに対して、有意な度合いの水分からの保護を与えるが、乾燥SEI形成電解質中のSEI形成は優れた結果を生じることを明確に示している。残りのすべての結果において、SEI形成は乾燥SEI形成電解質中で行われ、保護されたアノードはジメチルカーボネート中で洗浄される。
図5は、7つの異なるセルの50番目のサイクルを示す図である。図5のさまざまなセルは、上述したような対称セルであり、7つの異なるSEI形成電解質において形成された保護されたアノードを有する。性能の優位性は最低過電圧によって決定され、次のランキングを与える:Pyr13FSI>N1223FSI>DEME−FSI>Pip13−FSI>Pyr121−FSI>P1114−FSI>P1222−FSI。P1444−FSIを有するSEI形成電解質を用いるSEI形成は、保護されたアノードに周辺保護を提供するSEIを生成することが分かった(データは示さず)。
図6Aおよび図6Bは、DEME−FSIおよびDEME−TFSIをそれぞれ有するSEI形成電解質中で行われるSEI形成のボルタモグラムの図である。図6Cおよび図6Dは、それぞれ対応する湿式Liイオンボルタ電池のサイクルデータのプロットを示す。結果は、FSIとは異なり、SEI形成電解質中のアニオンとしてのTFSIは、効果的でないSEI、および性能の低い保護されたアノードを形成することを実証する。同様に、有効なSEIを生成できないことが、アニオンとしてジシアナミドを有するSEI形成電解質について見出される(データは示さず)。
上記の説明は、事実上単なる例示に過ぎず、本開示、その適用、または使用を限定するものでは決してない。本明細書で使用される場合、「A、BおよびCの少なくとも1つ」という表現は、非排他的論理「または」を使用して論理(AまたはBまたはC)を意味すると解釈されるべきである。方法内のさまざまなステップは方法は、本開示の原理を変更することなく、異なる順序で実行されてもよいことが理解されるべきである。範囲の開示は、全範囲内のすべての範囲および細分された範囲の開示を含む。
本明細書で使用される見出し(「背景」および「概要」など)および小見出しは、本開示内のトピックの一般的な構成のみを意図したものであり、技術の開示またはその任意の態様を限定するよう意図されない。述べられた特徴を有する複数の実施形態の記載は、追加の特徴を有する他の実施形態、または述べられた特徴の異なる組み合わせを組み込む他の実施形態を排除することを意図しない。
本明細書で使用される場合、用語「備える(comprise)」および「含む(include)」ならびにそれらの変形は、非限定的であるように意図されており、連続する項目またはリストの記載は、本技術の装置および方法においても有用であり得る他の同様の項目の排除に対するものではない。同様に、「〜できる(can)」および「〜してもよい(may)」という用語ならびにそれらの変形は、非限定的であるように意図されており、ある実施形態が特定の要素または特徴を含むことができるかまたは含んでもよいという記載は、それらの要素または特徴を含まない本技術の他の実施形態を排除しない。
本開示の広範な教示は、さまざまな形態で実施することができる。したがって、本開示は特定の例を含むが、本開示の真の範囲はそのように限定されるべきではなく、なぜならば、明細書および特許請求の範囲を検討すれば他の変形が当業者には明らかになるであろうからである。本明細書における1つの態様またはさまざまな態様への言及は、実施形態または特定のシステムに関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも1つの実施形態または態様に含まれることを意味する。「1つの態様では」という表現(またはその変形表現)の出現は、必ずしも同じ態様または実施形態を指すとは限らない。また、本明細書で論じるさまざまな方法ステップは、示される順序と同じ順序で行う必要はなく、各方法ステップが各態様または各実施形態で必要とされるわけではないことも理解されたい。
前述の実施形態の説明は、例示および説明のために提供されたものである。それは、網羅的であること、または開示を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は概してその特定の実施形態に限定されず、適用可能であれば、交換可能であり、特に示されていないまたは記載されていない場合でも、選択された実施形態で使用できる。同じことが、多くの態様でも変化し得る。そのような変形は、開示からの逸脱とみなされるべきではなく、そのような修正のすべては、開示の範囲内に含まれることが意図される。
200 リチウム電極、205 保護されたアノード、206 固体電解質界面(SEI)、210 第1のセル、220 SEI形成電解質、300 湿式Liイオンボルタ電池、320 湿式電解質。

Claims (18)

  1. 予め形成された固体電解質界面(SEI)を有する保護されたアノードを有するリチウムイオン電池の製造方法であって、
    SEI形成電解質を有する第1のセル内でリチウム電極に対して複数の充放電サイクルを実施することによって前記リチウム電極上にSEIを形成して、保護されたアノードを形成することを備え、前記SEI形成電解質は、
    リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)と、
    イオン液体とを含み、前記イオン液体は、
    1−メチル−1−プロピルピロリジニウム、N−メチル−N,N−ジエチル−N−プロピルアンモニウム、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)−アンモニウム、1,1−メチルプロピルピペリジニウム、N−メチル−N−(2−メトキシエチル)−ピロリジニウム、トリメチルイソプロピルホスホニウム、メチルトリエチルホスホニウム、メチルトリブチルホスホニウム、およびそれらの混合物からなる群から選択される有機カチオンと、
    (フルオロスルホニル)イミドアニオン(FSI)とを含み、前記方法はさらに、
    湿式Liイオンボルタ電池を組み立てることを備え、前記湿式Liイオンボルタ電池は、
    前記保護されたアノードと、
    前記保護されたアノードと接触する湿式電解質とを含み、前記湿式電解質は、少なくとも50ppmの水分を含む、リチウムイオン電池の製造方法。
  2. LiFSIは、前記イオン液体に対して、少なくとも1:1のモル比で存在する、請求項1に記載の方法。
  3. LiFSIは前記イオン液体中においてその飽和点で存在する、請求項1に記載の方法。
  4. 前記湿式Liイオンボルタ電池を組み立てる前に、前記SEI形成電解質が可溶性である溶媒で前記保護されたアノードを洗浄することをさらに備える、請求項1に記載の方法。
  5. 前記SEI形成電解質は50ppm未満の含水量を有する、請求項1に記載の方法。
  6. 前記湿式電解質は、少なくとも100ppmの濃度で存在する水分を含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記湿式電解質は、少なくとも500ppmの濃度で存在する水分を含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記湿式電解質は、少なくとも1000ppmの濃度で存在する水分を含む、請求項1に記載の方法。
  9. 前記湿式電解質は、少なくとも4000ppmの濃度で存在する水分を含む、請求項1に記載の方法。
  10. 前記湿式電解質は、少なくとも16000ppmの濃度で存在する水分を含む、請求項1に記載の方法。
  11. 前記カチオンはPyr13を含む、請求項に記載の方法。
  12. 前記カチオンはN1223を含む、請求項に記載の方法。
  13. 前記カチオンはDEMEを含む、請求項に記載の方法。
  14. 前記カチオンはPip13を含む、請求項に記載の方法。
  15. 前記カチオンはP1114を含む、請求項に記載の方法。
  16. 前記カチオンはPyr121を含む、請求項に記載の方法。
  17. 前記カチオンはP1222を含む、請求項に記載の方法。
  18. 前記カチオンはP1444を含む、請求項に記載の方法。
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