JP7169740B2 - リチウム付電極及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本出願は、2016年7月6日付で出願された米国仮特許出願第62/359,031号の利益を主張するものであり、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明の概念と一致する装置及び方法は、エネルギー貯蔵装置に関連し、特に、エネルギー貯蔵装置の電極に関連する。
リチウム(Li)ドープ負電極は、例えば、リチウムイオン(Liイオン)バッテリ及びLiイオンキャパシタ等のエネルギー貯蔵装置に幅広く使用されている。
リチウム外付及び事前ドープの方法では、電極パックは、少なくとも1つの正電極と、少なくとも1つのセパレータと、電流コレクタに積層された少なくとも1つのLi膜と、少なくとも1つの負電極とから構築される。負電極は、電流コレクタタブを介してLi膜電極に接続される。電極パックは、Liイオンを含む電解質中に浸漬される。事前ドーププロセスを通じて、Li膜は、電極を介してLiイオンに変換され、Liイオンは、移動して、負電極中にドープされる。
Liドープ負電極の作製には、負電極へのLi付着量を精密に制御する必要がある。Liの付着量が少なければ、結果として、負電極の不完全ドーピングを生じて最適の水準には及ばない電極性能を引き起こす。一方、負電極にLiを過剰に付着すれば、事前ドーププロセス後に負電極上に金属Li残渣を生じ、電極を含むエネルギー貯蔵装置に対する安全問題を生じ得る。
Li外付及び事前ドープ方法において、Li金属薄膜は、通常、電極パッケージの最上層及び最下層のみに設けられる。Li事前ドーププロセス中、Liイオンは、積層された負電極中に非均一にドープされてもよく、Li金属膜は、事前ドーププロセスの完了後、電極パッケージ上に残余してもよい。電極積層内の負電極に均一にリチウムをドープするには、通常、20日を超える期間を要する。
Li外付及び事前ドープ方法に要する長期の生産時間を向上するため、異なる発明者により、直接接触法が提案されている。直接接触法において、Li粉体又はLi膜は、電極表層に直接圧着された。直接接触法では、Li事前ドープ時間を短縮した。しかしながら、電極パックを電解質に浸漬することによって誘発される、Li金属と負電極アクティブ層材料(すなわち、電極の表面)の間の即時的な電気的短絡は、深刻な反応を生じた。これらの深刻な反応は、結果として、電極及びセパレータにダメージを生じた。
種々の実施形態により、Li付電極と、Li内付電極を製造する方法とを提供する。
種々の実施形態によると、電極の製造方法を提供する。いくつかの実施形態において、この方法は、電極アクティブ層の厚さを判定することと、電極アクティブ層の厚さと等しいか、又は僅かに大きい特定の厚さを有するリチウム(Li)片又は箔を選択することと、アクティブ層に対するLi層の重量比又は体積比の要件に基づき、Li片のサイズ又はLiストリップの幅を判定することと、導電性バインダ中間層を含んでもよく、含まなくてもよい導電性基板上に前記アクティブ層を付与又は積層することとを備え、電極表面は、溝部及び穴部のうちの少なくとも一方又は双方を含み、露出導電性基板が露出されて、アクティブ層材料又は導電性バインダ中間層がここに含まれず、穴部サイズは、Li片のサイズより僅かに大きいか、又は溝部幅は、Liストリップの幅より僅かに大きく、電極の穴部又は溝部にLi片又はストリップを圧入することを備えてもよい。溝部は、アクティブ層の端部を含む、電極上の任意の箇所に配置されてもよい。
種々の実施形態によると、電極を提供する。いくつかの実施形態において、この電極は、導電性バインダ中間層を含んでもよく、含まなくてもよい導電性基板と、導電性基板に接着されたアクティブ層とを備え、電極面は、溝部及び穴部のうちの少なくとも一方又は双方を含み、露出導電性基板が露出されて、アクティブ層材料又は導電性バインダ中間層がここに含まれず、アクティブ層の穴部又は溝部に配されたリチウム(Li)片又はストリップを備えてもよい。溝部は、アクティブ層の端部を含む、電極上の任意の箇所に配置されてもよい。
種々の例としての実施形態に係る電極の構造の概観を示す図。 種々の例としての実施形態に係る電極の層の概観を示す図。 種々の例としての実施形態に係る電極100の2つの側の一方のアクティブ層における1つの溝部に配された1つのLiストリップを示す図。 種々の例としての実施形態に係る電極の2つの側の一方のアクティブ層における複数の穴部に配された複数のリチウム片を示す図。 種々の例としての実施形態に係る電極を製造する方法を示すフローチャート。
特定の実施形態について説明するが、これらの実施形態は、単なる例示であり、保護の範囲を限定することを意図するものでない。本明細書に記載の装置、方法、及びシステムは、他の種々の形態で実施されてもよい。さらに、保護の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の例としての方法及びシステムの形態における種々の省略、置換、及び変更がなされてもよい。
種々の実施形態は、Li付電極を作製するための新たな非直接的接触法を提供する。この新たな非直接的接触法により、従来のLi外付及び事前ドープ方法において所要する長い生産時間を短縮してもよく、直接接触法における事前ドーププロセス中に生じる電極及びセパレータのダメージを防いでもよい。
種々の実施形態では、エネルギー貯蔵装置の電極電位を制御した電極を提供する。種々の実施形態において、電極は、リチウム付着量が制御されるように構成されてもよい。電極は、エネルギー貯蔵装置、例えば、リチウムイオンバッテリ、リチウムイオンキャパシタ等に組み込まれてもよいが、これに限定されるものでない。図1Aは、種々の例としての実施形態に係る電極100の構造の概観を示す図である。図1Aを参照すると、電極100は、導電性バインダ中間層140、溝部150を有するアクティブ層120、アクティブ層120の溝部150に配されたリチウムストリップ130を含んでもよく、又は含まなくてもよい基板110を含んでもよい。種々の例としての実施形態において、基板110は、導電性バインダ中間層140を含まなくてもよい。
基板110は、電極100の最深層であってもよく、例えば、銅又はその他の導電性材料で形成された導電性基板であってもよいが、これに限定されるものでない。導電性バインダ中間層140は、導電性基板110に付与されてもよく、又は付与されなくてもよい。アクティブ層120は、基板110に接着されてもよく、又は導電性バインダ中間層140が設けられる場合、導電性バインダ中間層140に接着されてもよい。アクティブ層120の厚さtは、エネルギー貯蔵装置のエネルギー密度及びパワー密度の仕様に基づいて判定されてもよい。Liストリップ130は、箔、ワイヤ、又は溶融粉体等、Liシート又はその他のLi製品から形成されてもよいが、これに限定されるものでない。
図1Bは、種々の例としての実施形態に係る電極100の層の概観を示す図である。図1A及び図1Bを参照すると、Liストリップ130は、アクティブ層120の上面122及びアクティブ層120の底面124で形成された、溝部150内の基板110の面上に直接接着されてもよい。図1A及び図1Bに示される通り、同様の溝部150が、基板110の両側に配されたアクティブ層120に形成されてもよい。
Liストリップ130は、溝部150内の基板110を100%被覆しなくてもよい。Liストリップ130は、アクティブ層120の上面122及びアクティブ層120の底面124上の溝部150内に制約されなくてもよい。Liストリップ130は、アクティブ層120と等しいか、又はこれより厚くてもよい。溝部150及びLiストリップ130は、アクティブ層120の一端又は両端を含む、電極100の基板110に沿った任意の箇所に配置されてもよい。種々の層の長さ、幅、及び厚さの参照方向が図1Bに示されている。
図1Bに示された溝部150は、矩形の溝部として示されているが、当業者は、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、溝部が、Liストップ130を基板110の表面に直接接着可能な他の形状を有してもよいことを認識するであろう。代替又は追加として、1つ以上の個別の穴部がアクティブ層に形成され、Li片が基板110の表面に直接接着されるように、個別のLi片を収容してもよい。同様の穴部が、基板110の両側に配されたアクティブ層120に形成されてもよい。
図2Aは、種々の例としての実施形態に係る電極100の2つの側方の一方において、アクティブ層120の1つの溝部150に配された1つのLiストリップ130を示す図である。図2Bは、種々の例としての実施形態に係る電極100の2つの側方の一方において、アクティブ層120における複数の穴部155に配された複数のリチウム片135を示す図である。当業者は、図2A及び図2Bに示されるLiストリップ130及び片135が、アクティブ層120における溝部150及び穴部155とともに、単なる例であり、本発明の概念から逸脱することなく、他の形状のLiストリップ、片、溝部、及び穴部が使用されてもよいことを認識するであろう。種々の実施形態において、Li金属の形状は、例えば、個別のLiドット、四角形、又は円形、Liストリップ、Liワイヤ等であってもよいが、これに限定されるものでない。Li金属パターンを形成するLi片又はストリップの形状又は数は、例えば、Liストリップ130又は片135の製造及び配置等を含むが、これに限定されない、生産上の考慮によって均衡化された、アクティブ層120の最も遠い領域までLiストリップ130又は片135からLiを拡散する時間を最小化することによって判定される。
電極100の製造時、アクティブ層120の厚さt、アクティブ層120のLi金属に対する重量比又は体積比等の電極パラメータは、電極100のエネルギー密度及びパワー密度の要件に基づいて特定されてもよい。特定の厚さを備えた市販のLi箔を選択することにより、電極100におけるアクティブ層120の密度とLi金属の密度とを把握することで、Li片135のサイズと、引いてはアクティブ層120における穴部155のパターン及びサイズ、又はLiストリップ130の幅と、引いてはアクティブ層120における溝部150の幅を計算することができる。
表1は、Liストリップ130についての幅計算の一例を一覧表示したものである。幅計算は、各アクティブ層120に1つのLiストリップ130と1つの溝部150とがあることと、Liストリップ130の長さがアクティブ層120の長さと等しいこととを想定している。種々の層の長さ、幅、及び厚さの参照方向を図1Bに示す。
Figure 0007169740000001
表1において、アクティブ層120の厚さt及びアクティブ層120のLiストリップ130(又はリチウム片135)に対する重量比は、特定の設計パラメータであってもよく、特定の厚さを有する市販のLi箔が選択されてもよく、アクティブ材料及びLiの密度は、その材料に基づいて既知であり、アクティブ層120の重量及びLiの重量は、その密度に基づいて計算されてもよく、従って、Liストリップ130の幅が計算されてもよい。アクティブ層120に溝部150を有する電極100は、溝部150の幅がLiストリップ130の幅より僅かに大きくなるように製造されてもよい。
溝部150の幅は、材料コストを低減し、且つ、電極効率を向上するように最小化されるべきであるが、Li金属が電極アクティブ層材料に直接接触するのを防ぐのに十分な大きさであるべきである。例えば、溝部150の幅は、Liストリップ130の幅より約0.5mm大きく、Liストリップ130とアクティブ層120の間に小さな間隙を作るようにしてもよい。同様に、穴部のサイズは、Li片135のサイズより約0.5mm大きく、Li片とアクティブ層120の間に小さな間隙を作るようにしてもよい。この間隙の制御は、Liプレスプロセス中のLi金属の伸長(すなわち、Li採取幅)対溝部幅又は穴部サイズの計算によって達成されてもよい。
アクティブ層のLiストリップに対する重量比(WR)と、アクティブ層120及びLiストリップ130の密度及び重量と、Liストリップ130及びアクティブ層120の双方の厚さとに基づき、Liストリップ130の幅Gが式(1)によって計算されてもよい。
Figure 0007169740000002
そして、上述の例において、Liストリップ130及びアクティブ層120が、ともに、100ミクロン(μm)の厚さを有すると仮定すると、溝部幅が16.59mmより僅かに大きい、アクティブ層120の溝部150を備えた電極100が製造されてもよい。溝部150の幅は、材料コストを低減し、且つ、電極100の効率を向上するように最小化されるべきであるが、Li金属の電極アクティブ層材料への直接接触を防ぐ十分な大きさであるべきである。
本発明の概念の実施形態は、種々の市販の自立式Li箔又はワイヤを使用して電極を製造する方法を提供するものである。種々の例としての実施形態において、Li箔の厚さを特定し、Li箔片又はストリップ130をアクティブ層120の溝部150内の導電性基板110に適用することにより、特定のエネルギー密度及びパワー密度の要件を有する電極100が製造されてもよい。
再び表1を参照すると、市販の厚さ(例えば150μm)を備えたLi箔を選択することにより、Liストリップ130の幅は、式(2)に示される通り、必要に応じて再計算されてもよい。
Figure 0007169740000003
そして、厚さ150μmの市販のLi箔を使用することにより、導電性基板110の上部のアクティブ層120における溝部150に11.71mmの幅のLiストリップ130が配された特定のエネルギー密度及びパワー密度の要件を満たす電極100が製造されてもよい。
当業者は、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、電極アクティブ層120における複数のLiストリップ130又は複数の溝部150、又は、例えば、個別のLiドット、四角形、又は円形、Liワイヤ等を含むが、これに限定されない、その他のLi製品の形状が使用されてもよいことを認識するであろう。当業者は、また、異なる形状のLi製品についても同様の計算が実施されてよいことを理解するであろう。
電極アクティブ層120におけるLiストリップ130又は溝部150の数を増やすこと、又はその他の形状のLi形態を使用することにより、Liドーププロセス中のLiストリップ130又は片135からLiを拡散する時間を短縮してもよいが、製造の困難を増やすことがある。従って、Li層パターンを形成するLiストリップ130又は片135の形状及び数は、Liストリップ130又は片135からアクティブ層120の最も遠い領域までLiを拡散する時間を最小化することによって判定されるべきであるが、例えば、Liストリップ130又は片135の製造及び配置を含むが、これに限定されない生産上の考慮の簡易化によって均衡が図られるべきである。
種々の実施形態において、Li箔の厚さは、アクティブ層120の厚さの倍(すなわち、2倍)以下であってもよい。Li箔の厚さがアクティブ層120の厚さの倍を上回ると、結果として、Liストリップ130と導電性基板110の間の接触領域が小さくなるため、Li事前ドーププロセスが長引いてしまうことがあり、且つ/又は、Li層パターンを形成するLi箔がアクティブ層120の面から突出してセパレータ層に穿孔し、電極間の短絡を生じることがある。Li箔の厚さがアクティブ層120の厚さ未満であると、結果として、Li層と導電性基板110の間の接触を緩めることがあり、或いは、溝部150の幅又は穴部155のサイズが大きくなり過ぎて、負電極からなる電極パックの効率を下げることがある。
図2A及び図2Bは、各々、種々の例としての実施形態に係るアクティブ層の溝部又は穴部内に配置されたLiストリップ及び片を示す図である。図2Aは、電極(例えば、電極100)のアクティブ層(例えば、アクティブ層120)の一方の面(例えば、上面122又は底面124)を示している。図1A~図2Bを参照すると、電極100は、基板(例えば、基板110)又は導電性バインダ層(例えば、中間層140)に配された溝部150を含むアクティブ層120を含んでもよい。Liストリップ130又は片135は、基板110上で、且つ、アクティブ層120の溝部150内に配されてもよい。Liストリップ130の幅又は片135のサイズは、溝部150の幅より小さくてもよい。Liストリップ130又は片135の厚さは、アクティブ層120の厚さと等しいか、又はこれを上回ってもよいが、アクティブ層120の厚さの倍(すなわち、2倍)以下であるべきである。Liストリップ130又は片135の厚さは、アクティブ層120の厚さより薄くなくてもよい。
図3は、種々の例としての実施形態に係るLi電極の製造方法300のフローチャートである。図3を参照すると、ブロック305において、電極アクティブ層120の厚さが、エネルギー貯蔵装置のエネルギー密度及びパワー密度の仕様に基づいて判定されてもよい。電極アクティブ層120は、例えば、アクティブ材料(例えば、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、活性炭、リチウム塩、酸化Li、シリコン等)、導電性カーボン、及びバインダを含むが、これに限定されない組み合わせで形成された膜層であってもよい。
ブロック310において、Liストリップ130又は片135の厚さが選択されてもよい。例えば、Liの厚さは、例えば、市販の有無、ダメージを伴うことなくLiを取り扱う能力等に基づいて選択されてもよいが、これに限定されるものでない。Liの厚さは、少なくとも、アクティブ層120の厚さ以上であってもよい。ブロック315において、アクティブ層120のLi層に対する重量比が判定されてもよい。事前ドープ後の電極電位は、最大量のLiストリップ130又は片135を使用してLi効果を最大化することにより、可能な限りLi金属の電位に近づけるようにしてもよい。しかしながら、Liストリップ130又は片135の量は、事前ドーププロセスの完了時のLi金属残渣を最少化するように最適化されてもよい。例えば、アクティブ層120のLi層に対する重量比は、5:1~15:1の範囲内であってもよい。
ブロック320において、アクティブ層120における1つ又は複数の溝部150又は穴部155のパターンが判定されてもよい。1つ又は複数の溝部150又は穴部155のパターンの選択は、Liストリップ130又は片135の配置均一性及び分散と、例えば、Liストリップ130又は片135の製造及び配置を含むが、これに限定されない生産条件の簡易化との双方で考慮されるであろう。1つ又は複数の溝部150の幅又は穴部155のサイズも判定されてよい。例えば、アクティブ層120における溝部150の幅は、式(1)及び(2)によって計算されてもよいLiストリップ130の幅によって判定されてもよい。溝部150の幅は、Liストリップ130の幅より大きいべきである。同様に、穴部155のサイズは、Li片135のサイズより大きくされるべきである。
溝部150の幅及び穴部155のサイズは、材料コストを低減し、且つ、電極100の効率を向上するように最小化されるべきであるが、Li金属の電極アクティブ層材料に対する直接接触を防ぐのに十分な大きさであるべきである。例えば、溝部150の幅は、Liストリップ130の幅より約0.5mm大きく、Liストリップ130とアクティブ層120の間に小さな間隙を作るようにしてもよい。同様に、穴部のサイズは、Li片135のサイズより約0.5mm大きく、Li片とアクティブ層120の間に小さな間隙を作るようにしてもよい。間隙の制御は、Liプレスプロセス中のLi金属伸長(すなわち、Li最終幅)対溝部の幅又は穴部のサイズの計算によって達成されてもよい。
ブロック325において、アクティブ層120に溝部150又は穴部155を備えた電極100が製造されてもよい。電極100は、導電性基板110を含んでもよく、導電性バインダ中間層140を含んでも含まなくてもよく、溝部150又は穴部155を備えたアクティブ層120を含んでもよい。
ブロック330において、Liストリップ130又は片135は、各々、Liストリップ130又は片135とアクティブ層120の間の拡散時間が最小化されるように、導電性基板110の上部のアクティブ層120の1つ又は複数の溝部150又は穴部155に配置されてもよい。さらに、Liストリップ130又は片135(例えば、Liドット、Li四角形、Liストリップ等)と、Li層(すなわち、Liストリップ130又は片135とアクティブ層120とを最小化する。さらに、Liストリップ130又は片135)からアクティブ層120までのLi拡散距離を最短化する、アクティブ層120内の1つ又は複数の溝部150又は穴部155とは、少なくとも部分的に、例えば、Liストリップ130又は片135の製造及び配置を含むが、これに限定されない生産上の考慮に基づいて判定されてもよい。溝部150又は穴部155は、アクティブ層120の一端又は両端を含む、電極100の任意の箇所に配置されてもよい。
本開示は、或る例としての実施形態及び適用を提供するものであるが、本明細書に記載の特徴及び効果をすべて提供するものでない実施形態を含む、当業者にとって明らかな他の実施形態も本開示の範囲内である。従って、本開示の範囲は、添付のクレームを参照することによってのみ規定されることが意図されている。

Claims (7)

  1. 電極(100)の製造方法(300)であって、
    アクティブ層(120)の厚さを判定する(305)ことと、
    1つ以上のLiストリップ(130;135)を形成する、特定の厚さを有するリチウム(Li)箔を選択する(310)ことと、
    前記アクティブ層(120)の前記1つ以上のLiストリップ(130;135)に対する重量比に基づき、前記1つ以上のLiストリップ(130;135)の幅を判定する(315)ことと、
    導電性基板(110)上に前記アクティブ層(120)を積層することと、
    前記導電性基板(110)の露出面を露出する、前記アクティブ層(120)に1つ以上の溝部(150)を形成することと、
    前記1つ以上の溝部に前記1つ以上のLiストリップ(130;135)を圧入することとを備え、
    前記アクティブ層(120)は、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、活性炭、リチウム塩、酸化Li、シリコン等のアクティブ材料と、導電性カーボンと、バインダとの組み合わせの膜層を含み、
    前記重量比は、5:1~15:1の範囲内であり、
    前記1つ以上の溝部(159)の幅は前記Liストリップ(130;135)の幅よりも大きく、
    前記導電性基板(110)は電極幅方向(幅)に前記アクティブ層の幅を超えて延び電流コレクタとして作用し、前記Liストリップの幅は前記電極幅方向(幅)に沿って規定され、
    前記1つ以上のLiストリップ(130;135)は前記電極幅方向(幅)に対して垂直である電極厚さ方向を規定し、
    前記アクティブ層(120)は前記電極幅方向(幅)および前記電極厚さ方向(厚さ)に対して垂直である電極長さ方向(長さ)を規定し、
    前記1つ以上のLiストリップ(130;135)は前記電極長さ方向(長さ)に沿って前記アクティブ層(120)と平行であり、前記Liストリップ(130;135)の厚さが、前記アクティブ層(120)の厚さより厚い、電極の製造方法。
  2. 前記アクティブ層(120)における前記1つ以上の溝部(150)は、前記アクティブ層(120)の一端を含む前記電極(100)上の種々の位置に配される請求項1に記載の方法。
  3. 前記アクティブ層(120)の積層に先立って、前記導電性基板(110)上に導電性バインダ層(140)を積層する工程をさらに備え、
    前記1つ以上の溝部(150)を形成する工程は、前記導電性基板(110)の前記露出面を露出する、前記アクティブ層(120)及び前記導電性バインダ層(140)に1つ以上の溝部を形成することを備える請求項1に記載の方法。
  4. リチウム(Li)付電極(100)であって、
    導電性基板(110)と、
    前記導電性基板(110)上に配されたアクティブ層(120)と、
    前記導電性基板(110)の露出面を露出する、前記アクティブ層(120)に形成された1つ以上の溝部(150)と、
    前記1つ以上の溝部(150)に配された1つ以上のLiストリップ(130;135)とを備え、
    前記アクティブ層(120)は、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、活性炭、リチウム塩、酸化Li、シリコン等のアクティブ材料と、導電性カーボンと、バインダとの組み合わせの膜層を含み、
    前記アクティブ層(120)の前記1つ以上のLiストリップ(130;135)に対する重量比は、5:1~15:1の範囲内であり、
    前記1つ以上の溝部(159)の幅は前記Liストリップ(130;135)の幅よりも大きく、
    前記導電性基板(110)は電極幅方向(幅)前記にアクティブ層の幅を超えて延び電流コレクタとして作用し、前記Liストリップの前記幅は電極幅方向(幅)に沿って規定され、
    前記1つ以上のLiストリップ(130;135)は前記電極幅方向(幅)に対して垂直である電極厚さ方向を規定し、
    前記アクティブ層(120)は前記電極幅方向(幅)および前記電極厚さ方向(厚さ)に対して垂直である電極長さ方向(長さ)を規定し、
    前記1つ以上のLiストリップ(130;135)の前記電極長さ方向(長さ)に沿って前記アクティブ層(120)と平行であり、前記Liストリップ(130;135)の厚さが、前記アクティブ層(120)の厚さより厚い、電極(100)。
  5. 前記アクティブ層(120)における前記1つ以上の溝部(150)は、前記アクティブ層(120)の一端を含む、前記電極上の種々の位置に配される請求項4に記載の電極(100)。
  6. 前記アクティブ層(120)の積層に先立って前記導電性基板(110)上に積層された導電性バインダ層(140)をさらに備え、
    前記1つ以上の溝部(150)は、前記導電性基板の前記露出面を露出する、前記アクティブ層(120)及び前記導電性バインダ層(140)に形成される請求項4に記載の電極(100)。
  7. 前記1つ以上のLiストリップ(130;135)の長さは、前記アクティブ層(120)の長さと同じであり、それらの前記長さは前記電極長さ方向(長さ)に沿って規定される、請求項4に記載の電極(100)。
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