JP7476226B2 - Printable lithium battery - Google Patents

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Description

関連出願
以下の出願は、2019年9月17日に提出された米国特許出願第16/573,587号に対する優先権を主張し、これは2019年7月15日に提出された米国仮出願第62/874,269号、2019年6月21日に提出された米国仮出願第62/864,739号並びに2019年3月21日に提出された国際出願第PCT/US19/23376号、第PCT/US19/23383号及び第PCT/US19/23390号に対する優先権を主張し、これらは2019年3月20日に提出された米国特許出願第16/359,707号、第16/359,725号及び第16/359,733号に対する優先権を主張し、これらは2018年3月22日に提出された米国仮出願第62/646,521号及び2018年6月29日に提出された米国仮出願第62/691,819号に対する優先権を主張し、これらの出願の開示はそれぞれ、その全体が参照により組み入れられている。
RELATED APPLICATIONS The following applications claim priority to U.S. Patent Application No. 16/573,587, filed September 17, 2019, which claims priority to U.S. Provisional Application No. 62/874,269, filed July 15, 2019, U.S. Provisional Application No. 62/864,739, filed June 21, 2019, and International Application Nos. PCT/US19/23376, PCT/US19/23383, and PCT/US19/23390, filed March 21, 2019. This application claims priority to U.S. Patent Application Nos. 16/359,707, 16/359,725, and 16/359,733, filed March 20, 2019, which in turn claims priority to U.S. Provisional Application Nos. 62/646,521, filed March 22, 2018, and 62/691,819, filed June 29, 2018, the disclosures of each of which are incorporated by reference in their entirety.

本発明は、プリンタブルリチウム組成物を利用する電池に関する。 The present invention relates to a battery that uses a printable lithium composition.

リチウム二次電池及びリチウムイオン二次電池、即ち充電式電池は、携帯電話、カメラ一体型ビデオ、ラップトップコンピュータなどのある用途に使用され、さらにより最近では、電気自動車やハイブリッド電気自動車などのより大電力の用途で使用されている。これらの用途では、二次電池が可能な限り高い比容量を備えているが、後続の再充電及び放電サイクルで高い比容量が維持されるように、安全な動作条件と良好なサイクル性をなお与えることが好ましい。 Lithium and lithium-ion secondary batteries, or rechargeable batteries, are used in certain applications such as mobile phones, camcorders, laptop computers, and more recently in higher power applications such as electric and hybrid electric vehicles. In these applications, it is preferable for the secondary battery to have as high a specific capacity as possible, while still providing safe operating conditions and good cyclability so that the high specific capacity is maintained on subsequent recharge and discharge cycles.

二次電池には様々な構成があるが、各構成は、正極(即ちカソード)、負極(即ちアノード)、カソードとアノードを分離するセパレータ、カソードとアノードを電気化学的に連通する電解質を含む。リチウム二次電池の場合、リチウムイオンは、二次電池が放電されているとき、即ちその特定の用途に使用されているときに、電解質を通じてアノードからカソードに移送される。放電プロセス中に、電子はアノードから回収され、外部回路を介してカソードに移行する。二次電池の充電又は再充電中に、リチウムイオンは、電解質を通じてカソードからアノードに移送される。 Secondary batteries come in a variety of configurations, but each configuration includes a positive electrode (i.e., cathode), a negative electrode (i.e., anode), a separator that separates the cathode and anode, and an electrolyte that is in electrochemical communication with the cathode and anode. In the case of a lithium secondary battery, lithium ions are transferred from the anode to the cathode through the electrolyte when the secondary battery is being discharged, i.e., used in its particular application. During the discharge process, electrons are withdrawn from the anode and transferred to the cathode through an external circuit. During charging or recharging of the secondary battery, lithium ions are transferred from the cathode to the anode through the electrolyte.

新たなリチウムイオンセル又は電池は、最初は放電状態である。リチウムイオンセルの最初の充電中に、リチウムはカソード材料からアノード活物質に移動する。カソードからアノードに移動するリチウムは、黒鉛アノードの表面で電解質材料と反応し、アノードに不動態膜を形成する。黒鉛アノードに形成された不動態膜は、固体電解質界面(SEI)である。後続の放電時に、SEIの形成によって消費されたリチウムはカソードに戻されない。これにより、リチウムの一部がSEIの形成によって消費されたため、初期充電容量よりも容量が小さいリチウムイオンセルが生じる。最初のサイクルで利用可能なリチウムが部分的に消費されると、リチウムイオンセルの容量が減少する。この現象は不可逆容量と呼ばれ、リチウムイオンセルの容量の約10%から20%超を消費することが既知である。したがって、リチウムイオンセルの初期充電後、リチウムイオンセルはその容量の約10%から20%超を失う。 A new lithium-ion cell or battery is initially in a discharged state. During the first charge of a lithium-ion cell, lithium migrates from the cathode material to the anode active material. The lithium that migrates from the cathode to the anode reacts with the electrolyte material at the surface of the graphite anode, forming a passive film on the anode. The passive film formed on the graphite anode is the solid electrolyte interface (SEI). During subsequent discharges, the lithium consumed by the formation of the SEI is not transferred back to the cathode. This results in a lithium-ion cell with a lower capacity than the initial charge capacity because some of the lithium was consumed by the formation of the SEI. The capacity of the lithium-ion cell is reduced when the available lithium is partially consumed in the first cycle. This phenomenon is called irreversible capacity and is known to consume about 10% to more than 20% of the capacity of a lithium-ion cell. Thus, after the initial charge of a lithium-ion cell, the lithium-ion cell loses about 10% to more than 20% of its capacity.

1つの解決策は、安定化リチウム金属粉末を使用して、アノードをプレリチウム化することである。例えばリチウム粉末は、参照によりその全開示が本明細書に組み入れられている、米国特許第5,567,474号、第5,776,369号及び第5,976,403号に記載されているように、金属粉末表面を二酸化炭素で不動態化することにより安定化することができる。COによって不動態化されたリチウム金属粉末は、リチウム金属と空気が反応するため、リチウム金属含有量が減少する前の限定された期間に、水分レベルの低い空気中でのみ使用できる。別の解決策は、例えば米国特許第7,588,623号、第8,021,496号、第8,377,236号及び米国特許出願公開第2017/0149052号に記載されているように、リチウム金属粉末にフッ素、ワックス、リン又はポリマーなどのコーティングを施すことである。 One solution is to prelithiate the anode using stabilized lithium metal powder. For example, lithium powder can be stabilized by passivating the metal powder surface with carbon dioxide, as described in U.S. Pat. Nos. 5,567,474, 5,776,369 and 5,976,403, the entire disclosures of which are incorporated herein by reference. Lithium metal powder passivated with CO2 can only be used in air with low moisture levels for a limited period of time before the lithium metal content is reduced due to the reaction of lithium metal with air. Another solution is to apply a coating such as fluorine, wax, phosphorus or polymer to the lithium metal powder, as described, for example, in U.S. Pat. Nos. 7,588,623, 8,021,496, 8,377,236 and U.S. Patent Application Publication No. 2017/0149052.

しかし、エネルギー密度を上昇させ、安全性と製造性を向上させるために、リチウム化又はプレリチウム化された構成要素を有する固体電池がなお必要とされている。 However, there is still a need for solid-state batteries with lithiated or prelithiated components to increase energy density and improve safety and manufacturability.

この目的のために、本発明は、プレリチウム化された、即ちプリンタブルリチウム組成物でリチウム化された1つ以上の構成要素を有する固体電池を提供する。プリンタブルリチウム組成物を含む固体電池は、エネルギー密度が上昇し、安全性と製造性が向上する。 To this end, the present invention provides a solid-state battery having one or more components that are prelithiated, i.e., lithiated with a printable lithium composition. Solid-state batteries that include the printable lithium composition have increased energy density, improved safety, and improved manufacturability.

一実施形態において、電池は、カソード及び複合アノードを含み得る。複合アノードは、リチウム金属アノードと、リチウム金属アノードと固体電解質との間の少なくとも1つの界面層とを含んでもよい。例えば、リチウム金属アノード及び/又は界面層は、リチウム金属粉末、リチウム金属粉末と相溶性であるポリマーバインダ、リチウム金属粉末と相溶性であるレオロジー調整剤並びにリチウム金属粉末及びポリマーバインダと相溶性である溶媒から構成される、プリンタブルリチウム組成物から形成され得る。界面層は、固体電解質の表面に添加されて、その表面の均一性を改善し、リチウム金属アノードの表面と固体電解質の表面との間の接触を最適化し、より良好な電池性能をもたらし得る。別の実施形態において、アノードは、プリンタブルリチウム配合物から形成され、界面層として作用し得る。 In one embodiment, the battery may include a cathode and a composite anode. The composite anode may include a lithium metal anode and at least one interfacial layer between the lithium metal anode and the solid electrolyte. For example, the lithium metal anode and/or interfacial layer may be formed from a printable lithium composition composed of lithium metal powder, a polymer binder compatible with the lithium metal powder, a rheology modifier compatible with the lithium metal powder, and a solvent compatible with the lithium metal powder and the polymer binder. The interfacial layer may be added to the surface of the solid electrolyte to improve the uniformity of its surface and optimize the contact between the surface of the lithium metal anode and the surface of the solid electrolyte, resulting in better battery performance. In another embodiment, the anode may be formed from a printable lithium formulation and act as an interfacial layer.

別の実施形態において、リチウム金属アノード及び/又は界面層は、リチウム金属粉末、リチウム金属粉末と相溶性であるポリマーバインダ、リチウム金属粉末及びポリマーバインダと相溶性であるレオロジー調整剤であって、プリンタブルリチウム組成物でコーティングしたときに箔又はフィルムの劣化を防止し、箔又はフィルムの耐久性を向上させる三次元支持構造を提供するレオロジー調整剤を含むプリンタブルリチウム組成物から形成された、箔又はフィルムから構成されてもよい。 In another embodiment, the lithium metal anode and/or interfacial layer may be comprised of a foil or film formed from a printable lithium composition comprising a lithium metal powder, a polymeric binder compatible with the lithium metal powder, and a rheology modifier compatible with the lithium metal powder and the polymeric binder, the rheology modifier providing a three-dimensional support structure that prevents degradation of the foil or film and improves durability of the foil or film when coated with the printable lithium composition.

いくつかの実施形態において、カソードは、非リチウム化カソード材料とプリンタブルLi金属との複合材であってよい。例えば硫黄カソードはプリンタブルLiによってプレリチウム化することができ、この複合カソードは、固体電池の非リチウム化アノード又はプレリチウム化アノードと対にすることができる。 In some embodiments, the cathode can be a composite of a non-lithiated cathode material and printable Li metal. For example, a sulfur cathode can be pre-lithiated with printable Li, and this composite cathode can be paired with a non-lithiated or pre-lithiated anode in a solid-state battery.

本発明の一実施形態による固体電池の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a solid-state battery according to one embodiment of the present invention.

SLMP/スチレンブタジエン/トルエンのプリンタブルリチウム組成物の反応性試験の温度及び圧力プロファイルである。13 is a temperature and pressure profile for reactivity testing of SLMP/styrene butadiene/toluene printable lithium compositions.

アノードとしてのプリンタブルリチウムに由来するリチウム薄膜対市販のリチウム薄箔を有するパウチセルのサイクル性能を示すプロットである。1 is a plot showing the cycling performance of a pouch cell with a thin lithium film derived from printable lithium versus a commercially available lithium thin foil as the anode.

LiFePO(LFP)カソード、Li10GeP12(LGPS)固体電解質及びプリンタブルリチウム組成物を含むアノードを有するコイン型全固体電池のサイクル電圧を示すプロットである。1 is a plot showing the cycling voltage of a solid-state coin battery having a LiFePO 4 (LFP) cathode, a Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS) solid electrolyte, and an anode comprising a printable lithium composition.

一実施形態の70℃におけるサイクル数に対する充電容量及び放電容量を示すプロットである。1 is a plot showing charge and discharge capacity versus cycle number at 70° C. for one embodiment.

ここで本発明の上述及び他の態様を、本明細書で与える説明及び方法に関してより詳細に説明する。本発明は様々な形態で具体化することができ、本明細書に記載する実施形態に限定されるとして解釈するべきではないことを理解されたい。むしろこれらの実施形態は、この開示が徹底的かつ完全であり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。 These and other aspects of the invention will now be described in more detail with reference to the descriptions and methods provided herein. It is understood that the invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

本明細書の本発明の説明で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本発明を限定することを意図するものではない。本発明の実施形態の説明及び添付の特許請求の範囲で使用する場合、単数形「a」、「an」及び「the」は、文脈が別途明確に指摘しない限り、複数形も含むことを意図する。また、本明細書で使用する場合、「及び/又は」は、関連する列挙された項目の1つ以上のありとあらゆる可能な組み合わせを示し、包含する。 The terms used in the description of the invention herein are for the purpose of describing particular embodiments only and are not intended to be limiting of the invention. When used in the description of the embodiments of the invention and in the appended claims, the singular forms "a," "an," and "the" are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. Also, as used herein, "and/or" denotes and includes any and all possible combinations of one or more of the associated listed items.

化合物の量、用量、時間、温度などの測定可能な値を示すときに本明細書で使用する場合、「約」という用語は、明記した量の20%、10%、5%、1%、0.5%又はなお0.1%の変数を含むことを意図する。別途定義しない限り、説明において使用される技術用語及び科学用語を含む全ての用語は、本発明が属する分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。 When used herein to indicate a measurable value, such as the amount of a compound, dosage, time, temperature, and the like, the term "about" is intended to include variables of 20%, 10%, 5%, 1%, 0.5% or even 0.1% of the specified amount. Unless otherwise defined, all terms, including technical and scientific terms, used in the description have the same meaning as commonly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs.

本明細書で使用する場合、「備える(comprise)」、「備える(comprises)」、「備える(comprising」、「含む(include)」、「含む(includes)」及び「含む(including)」という用語は、示した特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び/又は構成要素の存在を明記するが、1つ以上の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素及び/又はその群の存在又は追加を排除しない。 As used herein, the terms "comprise," "comprises," "comprising," "include," "includes," and "including" specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, and/or components, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and/or groups thereof.

本明細書で使用する場合、本発明の組成物及び方法に適用される「から本質的になる」(及びその文法上の変形)という用語は、追加の構成要素が組成物/方法を実質的に変化させない限り、組成物/方法が追加の構成要素を含み得ることを意味する。組成物/方法に適用される「実質的に変化させる」という用語は、少なくとも約20%以上の組成物/方法の有効性の増加又は減少を示す。 As used herein, the term "consisting essentially of" (and grammatical variations thereof) as applied to the compositions and methods of the present invention means that the composition/method may include additional components so long as the additional components do not substantially alter the composition/method. The term "substantially alter" as applied to a composition/method indicates an increase or decrease in the efficacy of the composition/method by at least about 20% or more.

本明細書で言及する全ての特許、特許出願及び出版物は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている。用語に矛盾がある場合は、本明細書が優先される。 All patents, patent applications and publications referred to herein are hereby incorporated by reference in their entirety. In the event of a conflict in terminology, the present specification controls.

ここで図1を参照すると、本発明の一実施形態に従って、アノード12、カソード14及び固体電解質16を備える固体電池10が提供されている。固体電池は、アノード集電体20及びカソード集電体22をさらに含み得る。一実施形態において、プリンタブルリチウム組成物は、固体電池の集電体、電極及び/又は固体電解質に適用又は堆積され得る。例えば、プリンタブルリチウム組成物は、米国特許第8,252,438号及び第9,893,379号に記載され、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている固体電池を含む固体電池で使用するための、様々な厚さ及び幅のモノリシックリチウム金属アノードの形成に使用され得る。さらに別の実施形態において、プリンタブルリチウム組成物は、固体電池用の固体電解質を形成するように適用する又は堆積させることができ、固体電解質を形成するための、プリンタブルリチウム組成物とポリマー材料又はセラミック材料との組み合わせを含む。プリンタブルリチウム組成物は、リチウム金属粉末、1つ以上のポリマーバインダ、1つ以上のレオロジー調整剤を含み、溶媒又は共溶媒をさらに含み得る。 1, in accordance with one embodiment of the present invention, a solid-state battery 10 is provided that includes an anode 12, a cathode 14, and a solid-state electrolyte 16. The solid-state battery may further include an anode current collector 20 and a cathode current collector 22. In one embodiment, the printable lithium composition may be applied or deposited onto the current collector, electrode, and/or solid-state electrolyte of a solid-state battery. For example, the printable lithium composition may be used to form monolithic lithium metal anodes of various thicknesses and widths for use in solid-state batteries, including the solid-state batteries described in U.S. Pat. Nos. 8,252,438 and 9,893,379, which are incorporated herein by reference in their entireties. In yet another embodiment, the printable lithium composition may be applied or deposited to form a solid-state electrolyte for a solid-state battery, including a combination of the printable lithium composition and a polymeric or ceramic material to form the solid-state electrolyte. The printable lithium composition includes lithium metal powder, one or more polymeric binders, one or more rheology modifiers, and may further include a solvent or co-solvent.

プリンタブルリチウム組成物は、米国特許出願公開第16/359,725号に開示され、及び参照によりその全体が本明細書に組み入れられているように、押出、コーティング、プリンティング(printing)、塗装、浸漬及びスプレーを含む各種の方法で集電体、電極又は固体電解質に適用され得る。例えばアノードは、プリンタブルリチウム組成物を厚さ及び幅が制御されたリチウム薄膜を形成できるアノード若しくは集電体にプリントする(printing)ことによって、又はプリンタブルリチウム組成物でアノードをコーティングすることによって、リチウム化又はプレリチウム化され得る。 The printable lithium composition may be applied to a current collector, electrode, or solid electrolyte in a variety of ways, including extrusion, coating, printing, painting, dipping, and spraying, as disclosed in U.S. Patent Application Publication No. 16/359,725, and incorporated herein by reference in its entirety. For example, an anode may be lithiated or prelithiated by printing the printable lithium composition onto the anode or current collector, which can form a lithium thin film of controlled thickness and width, or by coating the anode with the printable lithium composition.

代表的な固体電解質の表面は、固体電解質の選択に応じて粗面となることがあり、したがって、固体電解質とリチウム(箔)アノードとの間に良好な接点が形成されない場合があり、最適ではない界面及び電池性能の低下がもたらされる。一実施形態において、プリンタブルリチウム組成物を使用して固体電解質をプレリチウム化し、固体電解質表面を改良して、したがってリチウムアノードとの付着性が改善された界面層を形成する。別の実施形態において、界面層は、プリンタブルリチウム組成物から形成された箔又はフィルムを含んでもよい。界面層を形成するプリンタブルリチウム組成物は、ポリマー、ガラス及びセラミック電解質を含む様々な種類の固体電解質に適用してよい。修飾された固体電解質表面を有することにより、固体電解質とリチウムアノードとの間の接触が最適化され、固体電解質とリチウムアノードとの間の界面が改善され、サイクル中にリチウムの体積が増加してするために生じる、リチウムと電解質との間の接触の消失により引き起こされるインピーダンス上昇を低減させることにより、より良好な電池性能がもたらされる。 The surface of a typical solid electrolyte may be rough depending on the choice of solid electrolyte, and therefore good contact may not be formed between the solid electrolyte and the lithium (foil) anode, resulting in a suboptimal interface and poor battery performance. In one embodiment, the printable lithium composition is used to prelithiate the solid electrolyte to modify the solid electrolyte surface and thus form an interface layer with improved adhesion to the lithium anode. In another embodiment, the interface layer may comprise a foil or film formed from the printable lithium composition. The printable lithium composition forming the interface layer may be applied to various types of solid electrolytes, including polymer, glass and ceramic electrolytes. Having a modified solid electrolyte surface optimizes the contact between the solid electrolyte and the lithium anode, improves the interface between the solid electrolyte and the lithium anode, and results in better battery performance by reducing the impedance rise caused by loss of contact between the lithium and the electrolyte due to the increase in volume of lithium during cycling.

固体二次電池の別の例は、その全体が参照により本明細書に組み入れられている、米国特許第7,914,930号に記載されているように、リチウムを電気化学的に吸蔵及び放出することができるカソード、リチウムを電気化学的に吸蔵及び放出することができるアノードであって、活物質を含む活物質層を含み、活物質層が集電体上に担持されている、アノード並びに非水性電解質を含み得る。方法は、プリンタブルリチウム組成物をアノードの活物質層の表面に接触させることによって、リチウムをアノードの活物質と反応させるステップと、その後、アノードをカソードと合わせて電極アセンブリを形成するステップとを含む。 Another example of a solid-state secondary battery may include a cathode capable of electrochemically absorbing and releasing lithium, an anode capable of electrochemically absorbing and releasing lithium, the anode including an active material layer including an active material, the active material layer being supported on a current collector, and a non-aqueous electrolyte, as described in U.S. Pat. No. 7,914,930, the entirety of which is incorporated herein by reference. The method includes reacting lithium with the active material of the anode by contacting a printable lithium composition with a surface of the active material layer of the anode, and then combining the anode with the cathode to form an electrode assembly.

米国特許出願公開第16/359,707号に開示され、参照によりその全体が本明細書に組み入れられているように、プリンタブルリチウム組成物は、リチウム金属粉末、ポリマーバインダ、レオロジー調整剤を含み、さらに溶媒を含み得る。ポリマーバインダは、リチウム金属粉末と相溶性であり得る。レオロジー調整剤は、リチウム金属粉末及びポリマーバインダと相溶性であり得る。溶媒は、リチウム金属粉末及びポリマーバインダと相溶性であり得る。 As disclosed in U.S. Patent Application Publication No. 16/359,707, which is incorporated herein by reference in its entirety, the printable lithium composition includes lithium metal powder, a polymer binder, a rheology modifier, and may further include a solvent. The polymer binder may be compatible with the lithium metal powder. The rheology modifier may be compatible with the lithium metal powder and the polymer binder. The solvent may be compatible with the lithium metal powder and the polymer binder.

リチウム金属粉末は、微粉化粉末の形態であり得る。リチウム金属粉末は、通常、約80ミクロン未満、しばしば約40ミクロン未満、時には約20ミクロン未満の平均粒径を有する。リチウム金属粉末は、FMC Lithium Corpから入手可能な低自燃性安定化リチウム金属粉末(SLMP(登録商標))であってよい。リチウム金属粉末は(米国特許第5,567,474号、第5,776,369号及び第5,976,403号に開示されているように)、フッ素、ワックス、リン又はポリマー又はその組み合わせの実質的に連続した層又はコーティングも含み得る。リチウム金属粉末は、水分や空気との反応が大幅に低下している。 The lithium metal powder may be in the form of a finely divided powder. The lithium metal powder typically has an average particle size of less than about 80 microns, often less than about 40 microns, and sometimes less than about 20 microns. The lithium metal powder may be a low pyrophoric stabilized lithium metal powder (SLMP®) available from FMC Lithium Corp. The lithium metal powder may also include a substantially continuous layer or coating of fluorine, wax, phosphorus, or polymer or combinations thereof (as disclosed in U.S. Pat. Nos. 5,567,474, 5,776,369, and 5,976,403). The lithium metal powder has a significantly reduced reactivity with moisture and air.

リチウム金属粉末は、金属と合金化してもよい。リチウム金属粉末は、例えば第IからVIII族元素と合金化してもよい。第IB族の好適な元素の例としては、銀又は金が挙げられ得る。第IIB族の好適な元素の例としては、亜鉛、カドミウム、又は水銀が挙げられ得る。周期表の第IIA族の好適な元素の例としては、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム及びラジウムが挙げられ得る。本発明で使用され得る第IIIA族の元素の例としては、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム又はタリウムが挙げられ得る。本発明で使用され得る第IVA族の元素の例としては、炭素、シリコン、ゲルマニウム、スズ又は鉛が挙げられ得る。本発明で使用され得る第VA族の元素の例としては、窒素、リン又はビスマスが挙げられ得る。第VIIIB族の好適な元素の例としては、パラジウム又は白金が挙げられ得る。 The lithium metal powder may be alloyed with a metal. The lithium metal powder may be alloyed with, for example, an element from Groups I to VIII. Examples of suitable elements from Group IB may include silver or gold. Examples of suitable elements from Group IIB may include zinc, cadmium, or mercury. Examples of suitable elements from Group IIA of the periodic table may include beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, and radium. Examples of Group IIIA elements that may be used in the present invention may include boron, aluminum, gallium, indium, or thallium. Examples of Group IVA elements that may be used in the present invention may include carbon, silicon, germanium, tin, or lead. Examples of Group VA elements that may be used in the present invention may include nitrogen, phosphorus, or bismuth. Examples of suitable elements from Group VIIIB may include palladium or platinum.

ポリマーバインダは、リチウム金属粉末と相溶性となるように選択される。「と相溶性である(Comparatible with)」又は「相溶性(compatibility)」は、ポリマーバインダがリチウム金属粉末と、安全上の問題を生じる激しい反応をしないことを伝えるものである。リチウム金属粉末とポリマーバインダは反応してリチウム-ポリマー複合体を形成するが、そのような複合体は様々な温度において安定性であるべきである。リチウム及びポリマーバインダの量(濃度)は、安定性と反応性に寄与することが認識されている。ポリマーバインダは、約1,000から約8,000,000の分子量を有し得て、2,000,000から5,000,000の分子量を有することが多い。好適なポリマーバインダとしては、ポリ(エチレンオキシド)、ポリスチレン、ポリイソブチレン、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム、ポリイソプレンゴム、ブチルゴム、水素化ニトリルブタジエンゴム、エピクロロヒドリンゴム、アクリラートゴム、シリコンゴム、ニトリルゴム、ポリアクリル酸、ポリビニリデンクロリド、ポリビニルアセタート、エチレンプロピレンジエンターモノマー、エチレンビニルアセタートコポリマー、エチレン-プロピレンコポリマー、エチレン-プロピレンターポリマー、ポリブテンの1つ以上が挙げられ得る。バインダはワックスであってもよい。 The polymer binder is selected to be compatible with the lithium metal powder. "Comparative with" or "compatibility" conveys that the polymer binder will not react violently with the lithium metal powder creating a safety hazard. The lithium metal powder and the polymer binder react to form a lithium-polymer complex, which should be stable at various temperatures. It is recognized that the amount (concentration) of lithium and polymer binder contributes to stability and reactivity. The polymer binder may have a molecular weight of about 1,000 to about 8,000,000, and often has a molecular weight of 2,000,000 to 5,000,000. Suitable polymeric binders may include one or more of poly(ethylene oxide), polystyrene, polyisobutylene, natural rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, polyisoprene rubber, butyl rubber, hydrogenated nitrile butadiene rubber, epichlorohydrin rubber, acrylate rubber, silicone rubber, nitrile rubber, polyacrylic acid, polyvinylidene chloride, polyvinyl acetate, ethylene propylene diene termonomer, ethylene vinyl acetate copolymer, ethylene-propylene copolymer, ethylene-propylene terpolymer, polybutene. The binder may be a wax.

レオロジー調整剤は、リチウム金属粉末及びポリマーバインダと相溶性であるように選択される。レオロジー調整剤は、粘度などのレオロジー特性を与える。レオロジー調整剤は、多官能性でもあり得て、レオロジー調整剤の選択に応じて、導電性、改善された容量及び/又は改善された安定性/安全性も与え得る。この目的のために、レオロジー調整剤は、異なる特性を与えるように、又は追加の特性を与えるように、2つ以上の化合物の組み合わせであってよい。レオロジー調整剤の例としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、シリコンナノチューブ、黒鉛、ハードカーボン及び混合物、ヒュームドシリカ、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム及び他の第IIA、IIIA、IVB、VB及びVIA族の元素/化合物並びにその混合物又はブレンドの1つ以上が挙げられ得る。 The rheology modifier is selected to be compatible with the lithium metal powder and the polymer binder. The rheology modifier provides rheological properties such as viscosity. The rheology modifier may also be multifunctional and provide electrical conductivity, improved capacity and/or improved stability/safety depending on the selection of the rheology modifier. To this end, the rheology modifier may be a combination of two or more compounds to provide different or additional properties. Examples of rheology modifiers may include one or more of carbon black, carbon nanotubes, graphene, silicon nanotubes, graphite, hard carbon and mixtures, fumed silica, titanium dioxide, zirconium dioxide and other Group IIA, IIIA, IVB, VB and VIA elements/compounds and mixtures or blends thereof.

リチウムと相溶性である溶媒としては、非環式炭化水素、環式炭化水素、芳香族炭化水素、対称エーテル、非対称エーテル、環式エーテル、アルカン、スルホン、鉱油及びその混合物、ブレンド又は共溶媒が挙げられ得る。好適な非環式及び環式炭化水素の例としては、n-ヘキサン、n-ヘプタン、シクロヘキサンなどが挙げられる。好適な芳香族炭化水素の例としては、トルエン、エチルベンゼン、キシレン、イソプロピルベンゼン(クメン)などが挙げられる。好適な対称、非対称及び環状エーテルの例として、ジ-n-ブチルエーテル、メチルt-ブチルエーテル、テトラヒドロフラン、グリムなどが挙げられる。シェルゾール(Shell Sol)(登録商標)(Shell Chemicals)やアイソパー(Isopar)(登録商標)(Exxon)など、沸点範囲が調整された市販のイソパラフィン系合成炭化水素溶媒も好適である。 Solvents that are compatible with lithium may include acyclic hydrocarbons, cyclic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, symmetric ethers, asymmetric ethers, cyclic ethers, alkanes, sulfones, mineral oils and mixtures, blends or co-solvents thereof. Examples of suitable acyclic and cyclic hydrocarbons include n-hexane, n-heptane, cyclohexane, and the like. Examples of suitable aromatic hydrocarbons include toluene, ethylbenzene, xylene, isopropylbenzene (cumene), and the like. Examples of suitable symmetric, asymmetric and cyclic ethers include di-n-butyl ether, methyl t-butyl ether, tetrahydrofuran, glyme, and the like. Commercially available synthetic isoparaffinic hydrocarbon solvents with adjusted boiling ranges, such as Shell Sol® (Shell Chemicals) and Isopar® (Exxon), are also suitable.

ポリマーバインダ及び溶媒は、相互に及びリチウム金属粉末と相溶性であるように選択される。一般に、バインダ又は溶媒は、リチウム金属粉末と非反応性であるべきか、又はいずれの反応も最小限に維持され、激しい反応が回避されるような量とすべきである。バインダ及び溶媒は、プリンタブルリチウム組成物が生成され、使用される温度で相互と相溶性であるべきである。好ましくは、溶媒(又は共溶媒)は、(例えばスラリー形態の)プリンタブルリチウム組成物からただちに蒸発して、適用後にプリンタブルリチウム組成物(スラリー)を乾燥させるのに十分な揮発性を有する。 The polymer binder and solvent are selected to be compatible with each other and with the lithium metal powder. In general, the binder or solvent should be non-reactive with the lithium metal powder, or should be present in an amount such that any reaction is kept to a minimum and violent reactions are avoided. The binder and solvent should be compatible with each other at the temperatures at which the printable lithium composition is made and used. Preferably, the solvent (or co-solvent) is sufficiently volatile to evaporate readily from the printable lithium composition (e.g., in slurry form) to dry the printable lithium composition (slurry) after application.

プリンタブルリチウム組成物の構成要素は、スラリー又はペーストとして共に混合され得て、固体を高濃度とする。したがって、スラリー/ペーストは、堆積又は適用の時間の前に必ずしも全ての溶媒が添加されるわけではない、濃縮物の形態であってよい。一実施形態において、リチウム金属粉末は、適用又は堆積時に、実質的に均一な分布のリチウム金属粉末が堆積又は適用されるように、溶媒中に均一に懸濁されるべきである。乾燥リチウム粉末は、強い剪断力を加えるために激しく撹拌(agitating)又は撹拌(stirring)することなどによって分散され得る。 The components of the printable lithium composition may be mixed together as a slurry or paste to provide a high concentration of solids. Thus, the slurry/paste may be in the form of a concentrate where not all of the solvent is added prior to the time of deposition or application. In one embodiment, the lithium metal powder should be uniformly suspended in the solvent such that upon application or deposition, a substantially uniform distribution of lithium metal powder is deposited or applied. The dry lithium powder may be dispersed, such as by vigorous agitation or stirring to apply high shear forces.

別の実施形態において、参照によりその開示全体が組み入れられている米国特許第7,588,623号に記載されているように、ポリマーバインダ、レオロジー調整剤、コーティング試薬及びリチウム金属粉末のための他の考えられる添加剤の混合物が形成及び導入されて、リチウム融点を超える温度での又はリチウム分散物の冷却後のより低い温度での分散中に、リチウム液滴と接触し得る。このように修飾されたリチウム金属は、乾燥粉末形態で又は選択した溶媒中の溶液形態で導入され得る。各種のプロセスパラメータの組み合わせを使用して、特定の用途のための特異的なコーティング及びリチウム粉末特性が達成可能であることが理解される。 In another embodiment, a mixture of polymer binders, rheology modifiers, coating agents and other possible additives for lithium metal powder may be formed and introduced to contact the lithium droplets during dispersion at a temperature above the lithium melting point or at a lower temperature after cooling of the lithium dispersion, as described in U.S. Pat. No. 7,588,623, the disclosure of which is incorporated by reference in its entirety. The lithium metal thus modified may be introduced in dry powder form or in solution form in a selected solvent. It is understood that using a combination of various process parameters, specific coating and lithium powder properties for specific applications may be achieved.

従来のプレリチウム化表面処理では、バインダ含有量が非常に低く、リチウムが非常に高い組成物が必要であり、例えば参照によりその開示全体が組み入れられている米国特許第9,649,688号を参照されたい。しかし、本発明によるプリンタブルリチウム組成物の実施形態は、乾燥基準で最大20パーセントを含む、より高いバインダ比に適応することができる。粘度や流動などのプリンタブルリチウム組成物の様々な特性は、リチウムの電気化学的活性を失うことなく、バインダと調整剤の含有量を乾燥基準で最大50%まで増大させることによって修飾され得る。バインダ含有量を増大させると、プリンタブルリチウム組成物の添加量とプリンティング(printing)中の流動が容易になる。プリンタブルリチウム組成物は、乾燥重量基準で約50重量%から約98重量%のリチウム金属粉末と、約2重量%から約50重量%のポリマーバインダ及びレオロジー調整剤とを含み得る。一実施形態において、プリンタブルリチウム組成物は、約60重量%から約90重量%のリチウム金属粉末と、約10重量%から約40重量%のポリマーバインダ及びレオロジー調整剤とを含む。別の実施形態において、プリンタブルリチウム組成物は、約75重量%から約85重量%のリチウム金属粉末と、約15重量%から約30重量%のポリマーバインダ及びレオロジー調整剤とを含む。 Conventional prelithiation surface treatments require compositions with very low binder content and very high lithium, see, for example, U.S. Patent No. 9,649,688, the disclosure of which is incorporated by reference in its entirety. However, embodiments of printable lithium compositions according to the present invention can accommodate higher binder ratios, including up to 20 percent on a dry basis. Various properties of the printable lithium composition, such as viscosity and flow, can be modified by increasing the binder and modifier content up to 50% on a dry basis without losing the electrochemical activity of the lithium. Increasing the binder content facilitates the loading and flow of the printable lithium composition during printing. The printable lithium composition can include about 50% to about 98% by weight of lithium metal powder and about 2% to about 50% by weight of polymeric binder and rheology modifier on a dry weight basis. In one embodiment, the printable lithium composition includes about 60% to about 90% by weight of lithium metal powder and about 10% to about 40% by weight of polymeric binder and rheology modifier. In another embodiment, the printable lithium composition comprises about 75% to about 85% by weight of lithium metal powder and about 15% to about 30% by weight of a polymer binder and a rheology modifier.

プリンタブルリチウム組成物の重要な態様は、懸濁液のレオロジー安定性である。リチウム金属は0.534g/ccの低密度であるため、溶媒懸濁液からのリチウム粉末の分離を防止することは困難である。リチウム金属粉末の添加量、ポリマーバインダ及び従来の調整剤の種類及び量を選択することにより、粘度及びレオロジーを調節して、本発明の安定な懸濁液が生成され得る。好ましい実施形態は、90日を超えると分離を示さない。これは、1×10cpsから1×10cpsの範囲のゼロ剪断粘度を有する組成物を設計することによって達成され得て、このようなゼロ剪断粘度は、特に貯蔵中にリチウムを懸濁状態に維持する。剪断が適用されると、懸濁液粘度は、プリンティング(printing)又はコーティング用途での使用に好適なレベルまで低下する。 An important aspect of the printable lithium composition is the rheological stability of the suspension. Because lithium metal has a low density of 0.534 g/cc, it is difficult to prevent separation of the lithium powder from the solvent suspension. By selecting the loading of lithium metal powder, the type and amount of polymer binder and conventional modifiers, the viscosity and rheology can be adjusted to produce a stable suspension of the present invention. Preferred embodiments do not exhibit separation beyond 90 days. This can be achieved by designing the composition with a zero shear viscosity in the range of 1×10 4 cps to 1×10 7 cps, which keeps the lithium in suspension, especially during storage. When shear is applied, the suspension viscosity decreases to a level suitable for use in printing or coating applications.

得られたプリンタブルリチウム組成物は、好ましくは10s-1にて約20から約20,000cpsの粘度、時に約100から2,000cpsの粘度、しばしば約700から約1,100cpsの粘度を有し得る。そのような粘度において、プリンタブルリチウム組成物は流動性懸濁液又はゲルである。プリンタブルリチウム組成物は、好ましくは室温にて長い貯蔵寿命を有し、60℃まで、しばしば120℃まで、場合により180℃までの温度にて金属リチウム損失に対して安定である。プリンタブルリチウム組成物は、時間の経過につれて多少分離し得るが、穏やかな撹拌及び/又は熱の適用により、懸濁液に戻すことができる。 The resulting printable lithium composition may preferably have a viscosity of about 20 to about 20,000 cps, sometimes a viscosity of about 100 to 2,000 cps, and often a viscosity of about 700 to about 1,100 cps at 10 s -1 . At such viscosities, the printable lithium composition is a flowable suspension or gel. The printable lithium composition preferably has a long shelf life at room temperature and is stable against metallic lithium loss at temperatures up to 60°C, often up to 120°C, and occasionally up to 180°C. The printable lithium composition may separate somewhat over time, but can be returned to a suspension by gentle agitation and/or application of heat.

一実施形態において、プリンタブルリチウム組成物は、溶液基準で約5から50パーセントのリチウム金属粉末、約0.1から20パーセントのポリマーバインダ、約0.1から30パーセントのレオロジー調整剤及び約50から95パーセントの溶媒を含む。一実施形態において、プリンタブルリチウム組成物は、溶液基準で約15から25パーセントのリチウム金属粉末、約0.3から0.6パーセントの分子量4,700,000のポリマーバインダ、約0.5から0.9パーセントのレオロジー調整剤及び約75から85パーセントの溶媒を含む。典型的には、プリンタブルリチウム組成物は、プレス前に約50ミクロンから200ミクロンの厚さに適用又は堆積される。プレス後、厚さを約1から50ミクロンに低減することができる。プレス技術の例は、例えば参照によりその全体が本明細書に組み入れられている米国特許第3,721,113号及び第6,232,014号に記載されている。 In one embodiment, the printable lithium composition comprises, on a solution basis, about 5 to 50 percent lithium metal powder, about 0.1 to 20 percent polymer binder, about 0.1 to 30 percent rheology modifier, and about 50 to 95 percent solvent. In one embodiment, the printable lithium composition comprises, on a solution basis, about 15 to 25 percent lithium metal powder, about 0.3 to 0.6 percent polymer binder with a molecular weight of 4,700,000, about 0.5 to 0.9 percent rheology modifier, and about 75 to 85 percent solvent. Typically, the printable lithium composition is applied or deposited to a thickness of about 50 microns to 200 microns before pressing. After pressing, the thickness can be reduced to about 1 to 50 microns. Examples of pressing techniques are described, for example, in U.S. Patent Nos. 3,721,113 and 6,232,014, which are incorporated herein by reference in their entireties.

本発明の別の態様は、固体電池であって、固体電池の集電体、電極及び/又は固体電解質が、そのどちらもその全体が参照により本明細書に組み入れられている、米国仮出願第62/864,739号及び米国特許出願第(本願と同時に提出された、代理人案件ID 073396.1263)に記載されているように、プリンタブルリチウム組成物によってコーティングされた基板を構成し得る、固体電池に関する。プリンタブルリチウム組成物は、リチウム金属粉末、リチウム金属粉末と相溶性であるポリマーバインダ、リチウム金属粉末及びポリマーバインダと相溶性であるレオロジー調整剤であって、組成物中で分散性であり、プリンタブルリチウム組成物を用いて作製された場合、劣化を防止し、アノードの耐久性を向上させるための三次元支持構造を提供するレオロジー調整剤を含む。 Another aspect of the invention relates to a solid-state battery in which the current collector, electrode and/or solid electrolyte of the solid-state battery may comprise a substrate coated with a printable lithium composition, as described in U.S. Provisional Application No. 62/864,739 and U.S. Patent Application No. (Attorney Docket No. 073396.1263, filed concurrently herewith), both of which are incorporated herein by reference in their entirety. The printable lithium composition includes a lithium metal powder, a polymer binder compatible with the lithium metal powder, and a rheology modifier compatible with the lithium metal powder and the polymer binder, the rheology modifier being dispersible in the composition and providing a three-dimensional support structure to prevent degradation and improve the durability of the anode when made with the printable lithium composition.

一実施形態において、レオロジー調整剤は炭素系である。例えば、レオロジー調整剤は、コーティングされた電極用の構造を提供するためのカーボンナノチューブから構成され得る。別の実施形態において、カーボンブラックはレオロジー調整剤として添加してもよい。理論によって限定されることを望むものではないが、炭素系レオロジー調整剤は、プレス後にリチウム粒子間の導電性ネットワークも提供し得て、デバイス運転中に面表面積を効果的に増大させ、面電流密度を低下させ、リチウムイオンに、通常のリチウム箔で生じるような箔の表面上だけでなく、バルクに堆積するための経路を与えると考えられる。好適なレオロジー調整剤の他の例としては、酸化チタン及び酸化シリコンを含む、非炭素系材料が挙げられ得る。例えば、ナノチューブ又はナノ粒子などのシリコン構造をレオロジー調整剤として添加して、三次元構造及び/又は追加容量を提供することができる。レオロジー調整剤はまた、機械的劣化を防止することによってプリンタブルリチウム組成物から形成された層(即ちコーティング、箔又はフィルム)の耐久性を高め、より高速での充電を可能にし得る。 In one embodiment, the rheology modifier is carbon-based. For example, the rheology modifier may be comprised of carbon nanotubes to provide structure for the coated electrode. In another embodiment, carbon black may be added as a rheology modifier. Without wishing to be limited by theory, it is believed that the carbon-based rheology modifier may also provide a conductive network between the lithium particles after pressing, effectively increasing the surface area during device operation, reducing surface current density, and providing a path for lithium ions to deposit in the bulk, not just on the surface of the foil as occurs with normal lithium foils. Other examples of suitable rheology modifiers may include non-carbon-based materials, including titanium oxide and silicon oxide. For example, silicon structures such as nanotubes or nanoparticles may be added as rheology modifiers to provide three-dimensional structure and/or additional capacity. The rheology modifier may also increase the durability of the layer (i.e., coating, foil or film) formed from the printable lithium composition by preventing mechanical degradation, allowing for faster charging.

一実施形態において、プリンタブルリチウム組成物は、エネルギー貯蔵装置基板などの基板に塗布されてもよい。例としては集電体、アノード、カソード及び電解質が挙げられ得る。電解質の例としては、固体電解質、ポリマー電解質、ガラス電解質及びセラミック電解質が挙げられ得る。一例では、プリンタブルリチウム組成物は塗布又は堆積されて、アノード又はカソードをプレリチウム化してもよい。プレリチウム化アノード又はカソードは、コンデンサ又は電池などのエネルギー貯蔵装置に組み込んでもよい。別の例において、基板はリチウムアノードであってもよい。例えば、リチウムアノードは、平坦なリチウム金属アノードであってもよく、又はNiuら[Nature Nanotechnology,Vol.14,pgs.594-201(2019);DOI:10.1038/s41565-019-0427-9]に記載され、その全体が参照により本明細書に組み入れられている、アミン官能化リチウム-炭素フィルムなどのリチウム-炭素アノードであってもよい。 In one embodiment, the printable lithium composition may be applied to a substrate, such as an energy storage device substrate. Examples may include current collectors, anodes, cathodes, and electrolytes. Examples of electrolytes may include solid electrolytes, polymer electrolytes, glass electrolytes, and ceramic electrolytes. In one example, the printable lithium composition may be applied or deposited to prelithiate an anode or cathode. The prelithiated anode or cathode may be incorporated into an energy storage device, such as a capacitor or battery. In another example, the substrate may be a lithium anode. For example, the lithium anode may be a flat lithium metal anode, or a lithium-carbon anode, such as an amine-functionalized lithium-carbon film, as described in Niu et al. [Nature Nanotechnology, Vol. 14, pgs. 594-201 (2019); DOI: 10.1038/s41565-019-0427-9], which is incorporated herein by reference in its entirety.

プリンタブルリチウム組成物は、固体電池用の固体電解質を形成するように適用する又は堆積させることができ、固体電解質又は複合固体電解質を形成するための、プリンタブルリチウム組成物とポリマー材料、ガラス材料又はセラミック材料との組み合わせを含む。例えば、プリンタブルリチウム組成物及びポリマー材料を共に押し出して固体電解質フィルムを作製してもよく、場合により他の活性電解質材料を含んでもよい。 The printable lithium composition can be applied or deposited to form a solid electrolyte for a solid-state battery, including combinations of the printable lithium composition with a polymeric material, a glass material, or a ceramic material to form a solid electrolyte or a composite solid electrolyte. For example, the printable lithium composition and a polymeric material may be co-extruded to create a solid electrolyte film, optionally including other active electrolyte materials.

別の実施形態において、基板は、プリンタブルリチウム組成物でコーティングした電極を備え、リチウム層と電解質との間に保護層、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている、米国特許第6,214,061号に記載されている保護層をさらに含み得る。保護層は、リチウムイオンを伝導することができるガラス状又は非晶質材料であってもよく、リチウム表面と電解質との間の接触を防止するのに適している。好適な保護層の例としては、リチウムシリカート、リチウムボラート、リチウムアルミナート、リチウムホスファート、リチウムホスホラスオキシニトリド、リチウムシリコスルフィド、リチウムボロスルフィド、リチウムアミノスルフィド及びリチウムホスホスルフィドが挙げられる。保護層は、物理的又は化学的堆積プロセスによって電極表面上に塗布されてもよい。プリンタブルリチウム組成物は、コーティング、箔又はフィルムとして保護層上に塗布されてもよい。一実施形態において、保護層は、リチウム層と電解質とを分離していてもよく、電解質は、プリンタブルリチウム組成物でコーティングした基板から構成されてもよい。配合物は、リチウム金属と固体電解質との接触を増大させ、充電/放電サイクル中に接触を維持するために、Liら[Joule,Vol.3,No.7,pgs.1637-1646(2019),DOI:10.1016/j.joule.2019.05.022]によって記載され、その全体が参照により本明細書に組み入れられるような、半固体ポリマーバインダの使用を採用してもよい。 In another embodiment, the substrate comprises an electrode coated with the printable lithium composition and may further include a protective layer between the lithium layer and the electrolyte, such as the protective layer described in U.S. Pat. No. 6,214,061, which is incorporated herein by reference in its entirety. The protective layer may be a glassy or amorphous material capable of conducting lithium ions and suitable for preventing contact between the lithium surface and the electrolyte. Examples of suitable protective layers include lithium silicate, lithium borate, lithium aluminate, lithium phosphate, lithium phosphorus oxynitride, lithium silicosulfide, lithium borosulfide, lithium aminosulfide, and lithium phosphosulfide. The protective layer may be applied onto the electrode surface by a physical or chemical deposition process. The printable lithium composition may be applied onto the protective layer as a coating, foil, or film. In one embodiment, the protective layer may separate the lithium layer and the electrolyte, and the electrolyte may be composed of a substrate coated with the printable lithium composition. The formulation may be a vitreous or amorphous material capable of conducting lithium ions and suitable for preventing contact between the lithium surface and the electrolyte during charge/discharge cycles, as described by Li et al. [Joule, Vol. 3, No. 7, pgs. 1637-1646 (2019), DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.022], the entire contents of which are incorporated herein by reference, may be used.

一実施形態は、例えばLiuら[Energy Storage Materials,Vol.16,pgs.505-511(2019),DOI:10.1016/j.ensm.2018.09.021]によって開示され、その全体が参照により本明細書に組み入れられるような、スケーラブル三次元(3D)リチウム金属アノードを有する電池を備えてもよく、カソード、電解質、3Dリチウム金属アノード、又はその組み合わせはそれぞれ、プリンタブルリチウム組成物でコーティングした基板を含み得る。 An embodiment may include a battery having a scalable three-dimensional (3D) lithium metal anode, such as that disclosed by Liu et al. [Energy Storage Materials, Vol. 16, pgs. 505-511 (2019), DOI: 10.1016/j.ensm. 2018.09.021], which is incorporated herein by reference in its entirety, and the cathode, electrolyte, 3D lithium metal anode, or combinations thereof, may each include a substrate coated with a printable lithium composition.

別の実施形態は、Kolensikovら[Journal of the Electrochemical Society,vol.166,no.8,pages A1400-A1407(2019),DOI:10.1149/2.0401908jes]によって開示され、その全体が参照により本明細書に組み入れられるような、カソード、電解質及びZnIで修飾したリチウムアノードを有する電池を含み得る。リチウムアノードは、プリンタブルリチウム組成物を銅箔上に塗布することによって調製され、箔をテトラヒドロフラン(THF)溶液中のZnIと接触させることによって修飾され得る。 Another embodiment may include a battery having a cathode, electrolyte, and a lithium anode modified with ZnI2 as disclosed by Kolensikov et al. [Journal of the Electrochemical Society, vol. 166, no. 8, pages A1400-A1407 (2019), DOI: 10.1149/2.0401908jes], which is incorporated herein by reference in its entirety. The lithium anode may be prepared by applying a printable lithium composition onto a copper foil and modified by contacting the foil with ZnI2 in a tetrahydrofuran (THF) solution.

別の実施形態において、基板は、Forneyら[Nanoletters,Vol.13,no.9,pages 4158-4163(2013),DOI:10.1021/nl40176d]記載され、参照により本明細書に組み入れられるような、シリコン-ナノチューブアノードを含んでもよい。例えば、そのシリコンナノチューブアノードは、プリンタブルリチウム組成物から形成されたコーティング、箔又はフィルムなどのリチウム層をさらに含んでもよい。 In another embodiment, the substrate may include a silicon-nanotube anode as described in Forney et al. [Nanoletters, Vol. 13, no. 9, pages 4158-4163 (2013), DOI: 10.1021/nl40176d], incorporated herein by reference. For example, the silicon nanotube anode may further include a lithium layer, such as a coating, foil, or film formed from a printable lithium composition.

ポリマーバインダは、リチウム金属粉末と相溶性となるように選択される。「と相溶性である」又は「相溶性」は、ポリマーバインダがリチウム金属粉末と、安全上の問題を生じる激しい反応をしないことを伝えるものである。リチウム金属粉末とポリマーバインダは反応してリチウム-ポリマー複合体を形成するが、そのような複合体は様々な温度において安定性であるべきである。リチウム及びポリマーバインダの量(濃度)は、安定性と反応性に寄与することが認識されている。ポリマーバインダは、約1,000から約8,000,000の分子量を有し得て、2,000,000から5,000,000の分子量を有することが多い。好適なポリマーバインダとしては、ポリ(エチレンオキシド)、ポリスチレン、ポリイソブチレン、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム、ポリイソプレンゴム、ブチルゴム、水素化ニトリルブタジエンゴム、エピクロロヒドリンゴム、アクリラートゴム、シリコンゴム、ニトリルゴム、ポリアクリル酸、ポリビニリデンクロリド、ポリビニルアセタート、エチレンプロピレンジエンターモノマー、エチレンビニルアセタートコポリマー、エチレン-プロピレンコポリマー、エチレン-プロピレンターポリマー、ポリブテンの1つ以上が挙げられ得る。バインダはワックスであってもよい。 The polymer binder is selected to be compatible with the lithium metal powder. "Compatible with" or "compatible" conveys that the polymer binder will not react violently with the lithium metal powder creating a safety hazard. The lithium metal powder and the polymer binder react to form a lithium-polymer complex, which should be stable at various temperatures. It is recognized that the amount (concentration) of lithium and polymer binder contributes to stability and reactivity. The polymer binder may have a molecular weight of about 1,000 to about 8,000,000, and often has a molecular weight of 2,000,000 to 5,000,000. Suitable polymeric binders may include one or more of poly(ethylene oxide), polystyrene, polyisobutylene, natural rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, polyisoprene rubber, butyl rubber, hydrogenated nitrile butadiene rubber, epichlorohydrin rubber, acrylate rubber, silicone rubber, nitrile rubber, polyacrylic acid, polyvinylidene chloride, polyvinyl acetate, ethylene propylene diene termonomer, ethylene vinyl acetate copolymer, ethylene-propylene copolymer, ethylene-propylene terpolymer, polybutene. The binder may be a wax.

レオロジー調整剤は、リチウム金属粉末及びポリマーバインダと相溶性であり、組成物中に分散性であるように選択される。プリンタブルリチウム組成物の好ましい実施形態は、カーボンナノチューブなどの炭素系レオロジー調整剤を含む。カーボンナノチューブの使用はまた、プリンタブルリチウム組成物でコーティングしたときにリチウムアノードのための三次元支持構造及び導電性ネットワークを提供し、その表面積を増加させ得る。別の支持構造は、寄生反応(parastic reaction)を防止し、改善されたサイクル挙動をもたらす安定したホストとして中空炭素球を使用する、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている、Cuiら[Science Advances,Vol.4,no.7,page 5168,DOI:10.1126/sciadv.aat 5168]によって記載されているようなものであってもよい。さらに別の支持構造は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている、米国特許第10,090,512号に記載されているようなナノワイヤであってもよい。他の相溶性炭素系レオロジー調整剤としては、カーボンブラック、グラフェン、黒鉛、ハードカーボン及びその混合物又はブレンドが挙げられる。 The rheology modifier is selected to be compatible with the lithium metal powder and the polymer binder and dispersible in the composition. A preferred embodiment of the printable lithium composition includes a carbon-based rheology modifier, such as carbon nanotubes. The use of carbon nanotubes can also provide a three-dimensional support structure and conductive network for the lithium anode when coated with the printable lithium composition, increasing its surface area. Another support structure may be as described by Cui et al. [Science Advances, Vol. 4, no. 7, page 5168, DOI: 10.1126/sciadv. aat 5168], which is incorporated herein by reference in its entirety, using hollow carbon spheres as stable hosts that prevent parasitic reactions and result in improved cycling behavior. Yet another support structure may be nanowires, as described in U.S. Pat. No. 10,090,512, which is incorporated herein by reference in its entirety. Other compatible carbon-based rheology modifiers include carbon black, graphene, graphite, hard carbon, and mixtures or blends thereof.

追加のレオロジー調整剤を組成物に添加して、剪断条件下での粘度及び流動などの特性を調整してもよい。レオロジー調整剤は、レオロジー調整剤の選択に応じて、導電性、改善された容量及び/又は改善された安定性/安全性も与え得る。この目的のために、レオロジー調整剤は、異なる特性を与えるように、又は追加の特性を与えるように、2つ以上の化合物の組み合わせであってよい。レオロジー調整剤の例としては、シリコンナノチューブ、ヒュームドシリカ、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム及び他の第IIA、IIIA、IVB、VB及びVIA族の元素/化合物並びにその混合物又はブレンドの1つ以上が挙げられ得る。リチウムイオン伝導性の向上を目的とする他の添加剤、例えばリチウムペルクロラート(LiClO)、リチウムヘキサフルオロホスファート(LiPF)、リチウムジフルオロ(オキサラート)ボラート(LiDFOB)、リチウムテトラフルオロボラート(LiBF)、リチウムニトラート(LiNO)、リチウムビス(オキサラート)ボラート(LiBOB)、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミド(LiTFSI)、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)などの電気化学デバイス電解質塩を使用することができる。 Additional rheology modifiers may be added to the composition to adjust properties such as viscosity and flow under shear conditions. The rheology modifier may also provide electrical conductivity, improved capacity and/or improved stability/safety, depending on the selection of the rheology modifier. To this end, the rheology modifier may be a combination of two or more compounds to provide different or additional properties. Examples of rheology modifiers may include one or more of silicon nanotubes, fumed silica, titanium dioxide, zirconium dioxide and other Group IIA, IIIA, IVB, VB and VIA elements/compounds and mixtures or blends thereof. Other additives for improving lithium ion conductivity may be used, such as electrochemical device electrolyte salts, such as lithium perchlorate ( LiClO4 ), lithium hexafluorophosphate ( LiPF6 ), lithium difluoro(oxalato)borate (LiDFOB), lithium tetrafluoroborate ( LiBF4 ), lithium nitrate ( LiNO3 ), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium trifluoromethanesulfonimide (LiTFSI), and lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI).

別の実施形態において、参照によりその開示全体が組み入れられている米国特許第7,588,623号に記載されているように、ポリマーバインダ、レオロジー調整剤、コーティング試薬及びリチウム金属粉末のための他の考えられる添加剤の混合物が形成及び導入されて、リチウム融点を超える温度での又はリチウム分散物の冷却後のより低い温度での分散中に、リチウム液滴と接触し得る。このように修飾されたリチウム金属は、乾燥粉末形態で又は選択した溶媒中の溶液形態で導入され得る。各種のプロセスパラメータの組み合わせを使用して、特定の用途のための特異的なコーティング及びリチウム粉末特性が達成可能であることが理解される。 In another embodiment, a mixture of polymer binders, rheology modifiers, coating agents and other possible additives for lithium metal powder may be formed and introduced to contact the lithium droplets during dispersion at a temperature above the lithium melting point or at a lower temperature after cooling of the lithium dispersion, as described in U.S. Pat. No. 7,588,623, the disclosure of which is incorporated by reference in its entirety. The lithium metal thus modified may be introduced in dry powder form or in solution form in a selected solvent. It is understood that using a combination of various process parameters, specific coating and lithium powder properties for specific applications may be achieved.

プリンタブルリチウム組成物は、米国仮出願第62/864,739号に記載され、その全体が参照により本明細書に組み入れられている、箔又はフィルムの形態であり得る。一実施形態において、プリンタブルリチウム組成物から形成された箔又はフィルムは、電池における1個以上の構成要素で使用するための基板に適用され得る。例えば電池は、カソード、電解質及びプリンタブルリチウム組成物でコーティングした基板を有するアノードを含み得る。電解質は、1Mを超える、しばしば約3M以上、時には5Mを超える濃度を有し得る。好適な電解質の例としては、リチウムペルクロラート(LiClO)、リチウムヘキサフルオロホスファート(LiPF)、リチウムジフルオロ(オキサラート)ボラート(LiDFOB)、リチウムテトラフルオロボラート(LiBF)、リチウムニトラート(LiNO)、リチウムビス(オキサラート)ボラート(LiBOB)、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)及びリチウムトリフルオロメタンスルホンイミド(LiTFSI)並びにその混合物又はブレンドが挙げられる。例示的な一例は、カソード並びにプリンタブルリチウム組成物及び高濃度電解質でコーティングした基板を有するアノードを有する電池であり、LiFSIは高濃度電解質の主要な塩である。別の例は、どちらも参照により本明細書に組み入れられている、Weberら[Nature Energy,Vol.4,pgs.683-689(2019),DOI:10.1038/s41560-019-0428-9]及び米国特許出願公開第2019/0036171号に記載されているように、カソード並びにプリンタブルリチウム組成物及び二塩液体電解質でコーティングされた基板を有するアノードを有する電池である。二塩液体電解質は、リチウムジフルオロ(オキサレート)ボレート(LiDFOB)及びLiBFから構成されてもよく、約1Mの濃度を有してもよい。二塩電解質は、初期容量維持率の向上及びサイクル性能の向上をもたらし得る。 The printable lithium composition may be in the form of a foil or film, as described in U.S. Provisional Application No. 62/864,739, which is incorporated herein by reference in its entirety. In one embodiment, a foil or film formed from the printable lithium composition may be applied to a substrate for use in one or more components in a battery. For example, the battery may include a cathode, an electrolyte, and an anode having a substrate coated with the printable lithium composition. The electrolyte may have a concentration of greater than 1 M, often greater than about 3 M, and sometimes greater than 5 M. Examples of suitable electrolytes include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium difluoro(oxalato)borate (LiDFOB), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium nitrate (LiNO 3 ), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), and lithium trifluoromethanesulfonimide (LiTFSI), and mixtures or blends thereof. An illustrative example is a battery having a cathode and an anode with a substrate coated with a printable lithium composition and a high-concentration electrolyte, where LiFSI is the primary salt of the high-concentration electrolyte. Another example is a battery having a cathode and an anode with a substrate coated with a printable lithium composition and a two-salt liquid electrolyte, as described in Weber et al. [Nature Energy, Vol. 4, pgs. 683-689 (2019), DOI: 10.1038/s41560-019-0428-9] and U.S. Patent Application Publication No. 2019/0036171, both of which are incorporated herein by reference. The two-salt liquid electrolyte may be composed of lithium difluoro(oxalato)borate (LiDFOB) and LiBF4 and may have a concentration of about 1M. The two-salt electrolyte may provide improved initial capacity retention and improved cycling performance.

一実施形態において、プリンタブルリチウム組成物は、集電体上のアノード活物質に堆積又は適用され、即ちプレリチウム化アノードを形成する。好適なアノード活物質としては、黒鉛及び他の炭素系材料、合金、例えばスズ/コバルト、スズ/コバルト/炭素、シリコン-炭素、様々なシリコーン/スズ系複合化合物、ゲルマニウム系複合材料、チタン系複合材料、元素シリコン及びゲルマニウムが挙げられる。アノード材料は、箔、メッシュ又は発泡体であり得る。適用は、噴霧、押出、コーティング、プリンティング(printing)、塗装、浸漬及び噴霧によるものであり得て、同時係属米国特許出願公開第16/359,725号に開示され、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている。 In one embodiment, the printable lithium composition is deposited or applied to an active anode material on a current collector, i.e., forming a prelithiated anode. Suitable active anode materials include graphite and other carbon-based materials, alloys such as tin/cobalt, tin/cobalt/carbon, silicon-carbon, various silicone/tin-based composite compounds, germanium-based composites, titanium-based composites, elemental silicon and germanium. The anode material can be a foil, mesh or foam. Application can be by spraying, extrusion, coating, printing, painting, dipping and spraying, as disclosed in co-pending U.S. Patent Application Publication No. 16/359,725, which is incorporated herein by reference in its entirety.

一実施形態において、アノード活物質及びプリンタブルリチウム組成物が共に提供され、集電体(例えば銅、ニッケルなど)上に押出される。例えばアノード活物質及びプリンタブルリチウム組成物は、共に混合及び共押出され得る。アノード活物質の例としては、黒鉛、黒鉛-SiO、黒鉛-SnO、SiO、ハードカーボン及び他のリチウムイオン電池並びにリチウムイオンコンデンサアノード材料が挙げられる。別の実施形態において、アノード活物質及びプリンタブルリチウム組成物は、共押出しされて、集電体上にプリンタブルリチウム組成物の層を形成する。上記の押出技術を含むプリンタブルリチウム組成物の堆積としては、多種多様なパターン(例えば点、縞)、厚さ、幅などとして堆積することが挙げられ得る。例えばプリンタブルリチウム組成物及びアノード活物質は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている米国公開第2014/0186519号に記載されているように、一連の縞として堆積させることができる。縞は、リチウム化中のアノード活物質の膨張に相当する3D構造を形成する。例えばシリコンは、リチウム化中に300から400%膨張し得る。このような膨潤は、アノードとその性能に潜在的に悪影響を及ぼす。プリンタブルリチウムをシリコンアノードの縞の間の交互のパターンとして、Y平面における細縞として堆積させることにより、シリコンアノード材料がX平面で膨張し、電気化学的研磨と粒子の電気的接触の損失を緩和できる。したがって、プリント方法は膨張に対する緩衝物を提供できる。プリンタブルリチウム配合物を使用してアノードを形成する別の例において、リチウム配合物はカソード及びセパレータと共に層状に共押出しされて固体電池を生じ得る。 In one embodiment, the anode active material and the printable lithium composition are provided together and extruded onto a current collector (e.g., copper, nickel, etc.). For example, the anode active material and the printable lithium composition can be mixed and coextruded together. Examples of anode active materials include graphite, graphite-SiO, graphite-SnO, SiO, hard carbon, and other lithium ion battery and lithium ion capacitor anode materials. In another embodiment, the anode active material and the printable lithium composition are coextruded to form a layer of the printable lithium composition on the current collector. Deposition of the printable lithium composition, including the extrusion techniques described above, can include deposition in a wide variety of patterns (e.g., dots, stripes), thicknesses, widths, etc. For example, the printable lithium composition and the anode active material can be deposited as a series of stripes, as described in U.S. Publication No. 2014/0186519, which is incorporated herein by reference in its entirety. The stripes form a 3D structure that corresponds to the expansion of the anode active material during lithiation. For example, silicon can expand 300 to 400% during lithiation. Such swelling can potentially adversely affect the anode and its performance. By depositing printable lithium as stripes in the Y plane, in an alternating pattern between the stripes of the silicon anode, the silicon anode material can expand in the X plane, mitigating electrochemical polishing and loss of electrical contact of the particles. Thus, the printing method can provide a buffer against expansion. In another example of using a printable lithium formulation to form an anode, the lithium formulation can be co-extruded in layers with a cathode and a separator to produce a solid-state battery.

一実施形態において、参照により全体が本明細書に組み入れられている米国特許第9,837,659号に記載されているように、プリンタブルリチウム組成物を使用してアノードがプレリチウム化され得る。例えば、この方法は、事前製造/事前形成されたアノードの表面に隣接してプリンタブルリチウム組成物の層を配置することを含む。事前製造された電極は、電気活性材料を含む。ある変更形態において、プリンタブルリチウム組成物は、堆積プロセスを介して担体/基板に適用され得る。プリンタブルリチウム組成物の層が配置され得る担体基板は、非限定的な例として、ポリマー膜(例えばポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレンオキシド、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリポリテトラフルオロエチレン)、セラミック膜、銅箔、ニッケル箔又は金属発泡体からなる群から選択され得る。次に、基板又は事前製造された(pre-formed)アノード上のプリンタブルリチウム組成物層に熱を加えてよい。基板上のプリンタブルリチウム組成物層又は事前製造されたアノードは、加圧下でさらに共に圧縮され得る。加熱及び任意の加圧により、リチウムが基板又はアノードの表面に移行しやすくなる。事前製造されたアノードに移行する際に、特に事前製造されたアノードが黒鉛を含む場合、圧力及び熱は、機械的リチウム化を生じる可能性がある。このようにして、リチウムは電極に移行して、好ましい熱力学のために活物質中に包含される。 In one embodiment, the anode may be prelithiated using a printable lithium composition, as described in U.S. Pat. No. 9,837,659, which is incorporated herein by reference in its entirety. For example, the method includes disposing a layer of the printable lithium composition adjacent to a surface of a pre-manufactured/pre-formed anode. The pre-manufactured electrode includes an electroactive material. In one variation, the printable lithium composition may be applied to a carrier/substrate via a deposition process. The carrier substrate on which the layer of the printable lithium composition may be disposed may be selected from the group consisting of, by way of non-limiting example, a polymer film (e.g., polystyrene, polyethylene, polyethylene oxide, polyester, polypropylene, polypolytetrafluoroethylene), a ceramic film, a copper foil, a nickel foil, or a metal foam. Heat may then be applied to the printable lithium composition layer on the substrate or pre-formed anode. The printable lithium composition layer on the substrate or pre-formed anode may be further compressed together under pressure. The heat and optional pressure facilitate the migration of lithium to the surface of the substrate or anode. When transferred to a prefabricated anode, pressure and heat can cause mechanical lithiation, especially if the prefabricated anode contains graphite. In this way, lithium is transferred to the electrode and incorporated into the active material for favorable thermodynamics.

さらなる実施形態において、プリンタブルリチウム組成物の少なくとも一部を、電池の形成プロセス前にアノード活物質に供給することができる。即ち、アノードは、参照により本明細書に組み入れられている、米国特許出願公開第2018/0269471号明細書に記載されているように、部分的にリチウムが添加されたシリコン系活物質を含むことができ、部分的に添加された活物質は、インターカレーション/合金化などによって選択した程度のリチウム添加量を有する。 In further embodiments, at least a portion of the printable lithium composition can be provided to the anode active material prior to the battery formation process. That is, the anode can include a partially lithium-loaded silicon-based active material, as described in U.S. Patent Application Publication No. 2018/0269471, which is incorporated herein by reference, where the partially loaded active material has a selected degree of lithium loading, such as by intercalation/alloying.

電池のある実施形態は、複合カソードを利用してもよい。例えば電池は、米国特許第9,882,238号及び第9,917,303号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み入れられているような硫黄カソードを含み得る。 Some embodiments of the battery may utilize a composite cathode. For example, the battery may include a sulfur cathode as described in U.S. Pat. Nos. 9,882,238 and 9,917,303, which are incorporated herein by reference in their entireties.

一実施形態において、プリンタブルリチウム組成物は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている、米国特許出願公開第2018/0013126号に記載されているように、三次元電極構造に包含され得る。例えば、プリンタブルリチウム組成物は、三次元多孔性アノード、多孔性集電体又は多孔性ポリマー又はセラミック膜に包含され得て、プリンタブルリチウム組成物はその中に堆積され得る。プリンタブルリチウム組成物は、固体電解質中に組み入れられてもよく、固体電解質は、リチウム金属アノードと組合されて又はリチウム金属アノードに適用されて、複合アノードを形成してもよい。固体電解質は、リチウム金属アノードに対する1つ以上の界面イオン伝導性電解質層又は界面として適用されてもよい。一例は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている、米国特許第8,182,943号明細書に記載されている。 In one embodiment, the printable lithium composition may be incorporated into a three-dimensional electrode structure, as described in U.S. Patent Application Publication No. 2018/0013126, which is incorporated herein by reference in its entirety. For example, the printable lithium composition may be incorporated into a three-dimensional porous anode, a porous current collector, or a porous polymer or ceramic membrane, and the printable lithium composition may be deposited therein. The printable lithium composition may be incorporated into a solid electrolyte, which may be combined with or applied to a lithium metal anode to form a composite anode. The solid electrolyte may be applied as one or more interfacial ion-conducting electrolyte layers or interfaces to the lithium metal anode. An example is described in U.S. Patent No. 8,182,943, which is incorporated herein by reference in its entirety.

別の実施形態において、プリンタブルリチウム組成物は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている、米国特許出願公開第2018/0013126号に記載されているように、三次元電極構造に包含され得る。三次元電極は、細孔を画成する支持体及び支持体上のアルカリ金属堆積物から構成される透過性複合材料であってもよく、アルカリ金属は、プリンタブルリチウム組成物を使用して堆積されている。三次元電極は、約1体積%から約95体積%の多孔度を有してもよく、約1nmから約300μmの範囲の平均流量孔径を有してもよい。 In another embodiment, the printable lithium composition may be incorporated into a three-dimensional electrode structure, as described in U.S. Patent Application Publication No. 2018/0013126, which is incorporated by reference in its entirety. The three-dimensional electrode may be a permeable composite material comprised of a support defining pores and an alkali metal deposit on the support, the alkali metal being deposited using the printable lithium composition. The three-dimensional electrode may have a porosity of about 1 vol.% to about 95 vol.% and a mean flow pore size ranging from about 1 nm to about 300 μm.

電池の別の実施形態は、その全体が参照により本明細書に組み入れられている、米国特許第10,047,432号明細書に記載されているように、パルス電子ビームを使用して形成された複合アノードを含み得る。例えばパルス電子ビームは、電子ビームを使用して三次元多孔質アノード構造が作製される、アノード材料に適用される仮想カソード堆積(VCD)プロセスとして使用することができる。パルス電子ビームから形成される三次元構造は、リチウムイオン電池用の炭素同素体(CALIB)であり得る。CALIB構造は、プリンタブルリチウム組成物を使用してリチウムと共に堆積されて、炭素多形を形成し得る。 Another embodiment of the battery may include a composite anode formed using a pulsed electron beam, as described in U.S. Pat. No. 10,047,432, the entirety of which is incorporated herein by reference. For example, a pulsed electron beam may be used as a virtual cathode deposition (VCD) process applied to the anode material, where a three-dimensional porous anode structure is created using the electron beam. The three-dimensional structure formed from the pulsed electron beam may be a carbon allotrope (CALIB) for lithium-ion batteries. The CALIB structure may be co-deposited with lithium using a printable lithium composition to form a carbon polymorph.

いくつかの実施形態において、プリンタブルリチウム組成物によってプレリチウム化された電極は、リチウムが事前添加される電極を備えたセル内に組み付けることができる。セパレータは、各電極の間に配置できる。電極間に電流を流すことができる。例えば、本発明のプリンタブルリチウム組成物でプレリチウム化されたアノードは、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている米国特許第6,706,447号に記載されているような、二次電池に形成され得る。 In some embodiments, an electrode prelithiated with the printable lithium composition can be assembled into a cell with an electrode preloaded with lithium. A separator can be placed between each electrode. A current can be passed between the electrodes. For example, an anode prelithiated with the printable lithium composition of the present invention can be formed into a secondary battery, such as described in U.S. Pat. No. 6,706,447, which is incorporated by reference in its entirety.

カソードは、炭素質材料及びバインダポリマーと典型的に併用される活物質で形成される。カソードに使用される活物質は、好ましくはリチウム化できる材料である。好ましくは、非リチウム化材料、例えばMnO、V、MoS、金属フッ化物又はその混合物、硫黄及び硫黄複合材料を活物質として使用することができる。しかし、さらなるリチウム化が可能である、MがNi、Co又はMnであるLiMn及びLiMOなどのリチウム化材料も使用することができる。非リチウム化活物質が好ましいのは、一般に、リチウム化活物質を含む従来の二次電池と比べて、比容量がより高く、コストがより低く、エネルギーと電力の上昇を与えることができるこの構成において、カソード材料がより広く選択されるためである。 The cathode is formed of an active material that is typically combined with a carbonaceous material and a binder polymer. The active material used in the cathode is preferably a material that can be lithiated. Preferably, non-lithiated materials, such as MnO 2 , V 2 O 5 , MoS 2 , metal fluorides or mixtures thereof, sulfur and sulfur composites, can be used as active materials. However, lithiated materials, such as LiMn 2 O 4 and LiMO 2 , where M is Ni, Co or Mn, that can be further lithiated, can also be used. Non-lithiated active materials are preferred because of the wider selection of cathode materials in this configuration that can provide higher specific capacity, lower cost, and increased energy and power compared to conventional secondary batteries that include lithiated active materials.


例1
スチレンブタジエンゴム液(S-SBR Europrene Sol R 72613)10gを、21℃にて12時間撹拌することにより、トルエン90g(99%無水、Sigma Aldrich)に溶解させる。10重量%SBR(ポリマーバインダ)トルエン(溶媒)溶液6gをカーボンブラック(Timcal Super P)(レオロジー調整剤)0.1g及びトルエン16gと合わせて、Thinky ARE 250遊星ミキサにて2000rpmで6分間分散させる。20から200nmのポリマーコーティング及び20μmのd50を有する安定化リチウム金属粉末(SLMP(登録商標)、FMC Lithium Corp.)9.3gをこの懸濁液に添加して、Thinkyミキサにて1000rpmで3分間分散させる。次いで、プリンタブルリチウムを180μm開口ステンレス鋼メッシュで濾過する。次に、プリンタブルリチウム懸濁液を湿潤厚さ2ミル(約50μm)で銅の集電体に、ドクターブレードによってコーティングする。図3は、アノードとしてのプリンタブルリチウムに由来する20ミクロンリチウム薄膜対市販の50ミクロンリチウム箔を有するパウチセルのサイクル性能を示すプロットである。
Example 1
10 g of styrene butadiene rubber liquid (S-SBR Europrene Sol R 72613) is dissolved in 90 g of toluene (99% anhydrous, Sigma Aldrich) by stirring for 12 hours at 21° C. 6 g of a 10 wt % SBR (polymer binder) in toluene (solvent) solution is combined with 0.1 g of carbon black (Timcal Super P) (rheology modifier) and 16 g of toluene and dispersed in a Thinky ARE 250 planetary mixer at 2000 rpm for 6 minutes. 9.3 g of stabilized lithium metal powder (SLMP®, FMC Lithium Corp.) with a polymer coating of 20 to 200 nm and a d50 of 20 μm is added to this suspension and dispersed in a Thinky mixer at 1000 rpm for 3 minutes. The printable lithium is then filtered through a 180 μm opening stainless steel mesh. The printable lithium suspension is then coated onto a copper current collector with a wet thickness of 2 mils (about 50 μm) by doctor blade. Figure 3 is a plot showing the cycling performance of a pouch cell with a 20 micron lithium thin film from the printable lithium versus a commercial 50 micron lithium foil as the anode.

例2
分子量135,000のエチレンプロピレンジエンターポリマー(EPDM)(Dow Nordel IP 4725P)10gをp-キシレン(無水99%、Sigma Aldrich)90gに21℃にて12時間撹拌して溶解させる。10重量%EPDM(ポリマーバインダ)p-キシレン(溶媒)溶液6gをTiO2(Evonik Industries)(レオロジー調整剤)0.1g及びトルエン16gと合わせて、Thinky ARE 250遊星ミキサにて2000rpmで6分間分散させる。20から200nmのポリマーコーティング及び20μmのd50を有する安定化リチウム金属粉末(SLMP(登録商標)、Corp.)9.3gをこの懸濁液に添加して、Thinkyミキサにて1000rpmで3分間分散させる。次いで、プリンタブルリチウムを180μm開口ステンレス鋼メッシュで濾過する。次に、プリンタブルリチウム組成物を湿潤厚さ2ミル(約50μm)で銅の集電体に、ドクターブレードによってコーティングする。
Example 2
10 g of ethylene propylene diene terpolymer (EPDM) (Dow Nordel IP 4725P) with a molecular weight of 135,000 is dissolved in 90 g of p-xylene (anhydrous 99%, Sigma Aldrich) by stirring for 12 hours at 21° C. 6 g of a 10 wt % EPDM (polymer binder) p-xylene (solvent) solution is combined with 0.1 g of TiO2 (Evonik Industries) (rheology modifier) and 16 g of toluene and dispersed in a Thinky ARE 250 planetary mixer at 2000 rpm for 6 minutes. 9.3 g of stabilized lithium metal powder (SLMP®, Corp.) with a polymer coating of 20 to 200 nm and a d50 of 20 μm is added to this suspension and dispersed in a Thinky mixer at 1000 rpm for 3 minutes. The printable lithium is then filtered through a 180 μm opening stainless steel mesh. The printable lithium composition is then coated onto a copper current collector with a wet thickness of 2 mils (about 50 μm) by doctor blade.

例3
分子量1.27MのPIB 1.5gを、21℃で12時間撹拌することによって、トルエン85gに溶解させる。次いで、カーボンナノチューブ1.5gを溶液に添加し、約1時間連続撹拌して均一な懸濁液を形成した。20から200nmのポリマーコーティング及び20μmのd50を有する安定化リチウム金属粉末(SLMP(登録商標)、FMC Lithium Corp.)30gをこの懸濁液に添加して、Thinkyミキサにて1000rpmで3分間分散させる。次いで、プリンタブルリチウム懸濁液を180μm開口ステンレス鋼メッシュで濾過する。次に、プリンタブルリチウム組成物を、湿潤厚さ2ミル(約50μm)及び積層前の乾燥厚さ約25μmで銅集電体上にプリントする。
Example 3
1.5 g of PIB with a molecular weight of 1.27 M is dissolved in 85 g of toluene by stirring at 21° C. for 12 hours. Then, 1.5 g of carbon nanotubes are added to the solution and stirred continuously for about 1 hour to form a uniform suspension. 30 g of stabilized lithium metal powder (SLMP®, FMC Lithium Corp.) with a polymer coating of 20 to 200 nm and a d50 of 20 μm is added to the suspension and dispersed in a Thinky mixer at 1000 rpm for 3 minutes. The printable lithium suspension is then filtered through a 180 μm opening stainless steel mesh. The printable lithium composition is then printed onto a copper current collector with a wet thickness of 2 mils (about 50 μm) and a dry thickness of about 25 μm before lamination.

貯蔵寿命安定性
プリンタブルリチウム構成要素は、室温における長期貯蔵寿命の化学的安定性と、輸送中や乾燥プロセス中などのより短い期間の高温における安定性が確保されるように選択する必要がある。プリンタブルリチウム組成物の安定性は、熱量測定を使用して試験した。SLMP 1.5gを10ml容積のハステロイARCボンベサンプル容器に添加した。4%SBRバインダ溶液2.4gを容器に添加した。容器には24Ω抵抗ヒータと熱電を装着して、サンプルの温度を監視及び制御した。ボンベサンプル装置は、断熱材とともに350ml格納容器に装填した。Fauske IndustriesのAdvance Reactive Screening Systems Tool熱量計を使用して、190℃までの定速温度傾斜の間にプリンタブルリチウム溶液の相溶性を評価した。温度傾斜速度は2℃/分であり、サンプル温度を190℃にて60分間保持した。試験は、溶媒の沸騰を防ぐために200psiアルゴン圧下で行った。図2は、SLMP/スチレンブタジエン/トルエンのプリンタブルリチウム組成物の反応性試験の温度及び圧力プロファイルを示す。
Shelf Life Stability The printable lithium components should be selected to ensure chemical stability for long shelf life at room temperature and stability at higher temperatures for shorter periods such as during shipping and drying processes. The stability of the printable lithium composition was tested using calorimetry. 1.5 g of SLMP was added to a Hastelloy ARC bomb sample container with a volume of 10 ml. 2.4 g of 4% SBR binder solution was added to the container. The container was equipped with a 24 Ω resistive heater and thermocouple to monitor and control the temperature of the sample. The bomb sample device was loaded into a 350 ml containment container with insulation. A Fauske Industries Advance Reactive Screening Systems Tool calorimeter was used to evaluate the compatibility of the printable lithium solution during a constant rate temperature ramp to 190° C. The temperature ramp rate was 2° C./min and the sample temperature was held at 190° C. for 60 minutes. The test was performed under 200 psi argon pressure to prevent solvent boiling. Figure 2 shows the temperature and pressure profile of the reactivity test of the SLMP/styrene butadiene/toluene printable lithium composition.

プリンティング性能(Printing Performance)
プリント能力(printability)に関するプリンタブルリチウム組成物の品質は、複数の因子、例えば基板又は電極表面へのリチウム添加量を制御する組成物の能力に直接影響する、流量コンシステンシーによって測定される。流量を測定する有効な方法は、添加量を制御する因子、即ち押出中の圧力及びプリンタヘッドの速度に関連する、平方センチメートル当たりの添加量の表示である、流量コンダクタンスである。流量コンダクタンスは、最も単純には流量の抵抗の逆数と考えることができる。
Printing Performance
The quality of a printable lithium composition in terms of printability is measured by flow consistency, which directly affects several factors, such as the ability of the composition to control the amount of lithium added to a substrate or electrode surface. A useful way to measure flow is flow conductance, which is a measure of the amount added per square centimeter that is related to the factors that control the amount of addition, namely the pressure during extrusion and the speed of the printer head. Flow conductance can be most simply thought of as the inverse of the resistance to flow.

この表示を使用すると、可変圧力と速度のプリント間での比較が可能となり、流量コンダクタンスの変化により、流量と圧力の非線形関係について注意喚起することができる。これらはアノード又はカソードの必要性に応じて、プリンタブルリチウムの添加量を増減するために重要である。理想的なプリンタブルリチウム組成物は、押出圧の変化に対して直線的に挙動する。 This display allows comparisons between prints at variable pressures and speeds, and can alert you to the non-linear relationship between flow and pressure due to changes in flow conductance. These are important for scaling printable lithium loadings up or down depending on the needs of the anode or cathode. An ideal printable lithium composition would behave linearly with changes in extrusion pressure.

プリント能力を試験するには、プリンタブルリチウム組成物を180μm開口ステンレス鋼メッシュで濾過して、Nordson EFD 10mlシリンジに添加する。シリンジをNordson EFD HP4xシリンジディスペンサに装着して、スロットダイプリントヘッドに取り付ける。スロットダイプリントヘッドには、所望のプリンタブルリチウム組成物の添加量を送達するように設計されたチャネル開口部を有する100μmから300μm厚のシムが装備されている。スロットダイヘッドはLoctite 300シリーズロボットに搭載される。プリントヘッド速度は200mm/sに設定され、プリンティング圧力(printing pressure)はシム及びチャネルの設計に応じて、20から200psiのアルゴンである。プリント長(printing length)は14cmである。プリンティング試行実験(printing trial experiment)の例において、プリンタブルリチウム組成物は、80psiから200psiの範囲のディスペンサ設定で単一のシリンジから30回プリントされた。このプリンティング試行実験では、流量コンダクタンスの平均は0.14

で、標準偏差は0.02であった。このプリンタブル組成物は完全に線形に挙動するわけではないが、ディスペンサ圧の変化に対応する組成物流量応答は予測可能であり、当業者はリチウム添加量を所望のレベルに微調整できるようになる。したがって、固定ディスペンサ圧条件にて、リチウム添加量を高度な一貫性で制御できる。例えば、0.275

のリチウム金属のプリントでは、変動係数は約5%である。
To test the printability, the printable lithium composition is filtered through a 180 μm opening stainless steel mesh and added to a Nordson EFD 10 ml syringe. The syringe is loaded into a Nordson EFD HP4x syringe dispenser and attached to a slot-die printhead. The slot-die printhead is equipped with a 100 μm to 300 μm thick shim with channel openings designed to deliver the desired printable lithium composition loading. The slot-die head is mounted on a Loctite 300 series robot. The printhead speed is set at 200 mm/s and the printing pressure is 20 to 200 psi argon depending on the shim and channel design. The printing length is 14 cm. In an example printing trial experiment, the printable lithium composition was printed 30 times from a single syringe with dispenser settings ranging from 80 psi to 200 psi. In this printing trial, the average flow conductance was 0.14

with a standard deviation of 0.02. While this printable composition does not behave perfectly linearly, the composition flow rate response to changes in dispenser pressure is predictable, allowing one of skill in the art to fine-tune the lithium loading to a desired level. Thus, at fixed dispenser pressure conditions, the lithium loading can be controlled with a high degree of consistency. For example,

For lithium metal prints, the coefficient of variation is approximately 5%.

電気化学試験
プリンタブルリチウム組成物のプレリチウム化の効果は、必要な量のプリンタブルリチウムを作製済み電極の表面にプリントする(printing)ことによって評価できる。プレリチウム化リチウム量は、アノード材料をハーフセル形式で試験して、SEIの形成又は他の副反応による第1サイクルの損失を補償するために必要なリチウムを計算することによって求められる。プリンタブルリチウムの必要量を計算するには、組成物のリチウム金属としての容量が既知である必要があり、例として使用される組成物では乾燥リチウム基準で約3600mAh/gである。
Electrochemical Testing The effectiveness of prelithiation of the printable lithium composition can be evaluated by printing the required amount of printable lithium on the surface of a fabricated electrode. The amount of prelithiated lithium is determined by testing the anode material in a half-cell format and calculating the lithium required to compensate for first cycle losses due to SEI formation or other side reactions. To calculate the required amount of printable lithium, the capacity of the composition as lithium metal must be known, which for the composition used as an example is about 3600 mAh/g on a dry lithium basis.

プレリチウム化効果は、黒鉛-SiO/NCAパウチセルを使用して試験する。黒鉛-SiOアノードシートの配合は以下の通りである:人工黒鉛(90.06%)+SiO(4.74%)+カーボンブラック(1.4%)+SBR/CMC(3.8%)。電極の容量負荷は3.59mAh/cmであり、87%の第1サイクルCE(クーロン効率)である。プリンタブルリチウムは、黒鉛-SiOアノードに0.15mg/cmリチウム金属にて適用される。電極を80℃にて100分間乾燥させた後、電極の厚さの約75%のローラーギャップでラミネートする。7cm×7cm電極をプリンタブルリチウム処理アノードシートから打抜く。正極の配合は以下の通りである:NCA(96%)+カーボンブラック(2%)+PVdF(2%)。正極は6.8cm×6.8cmであり、容量負荷は3.37mAh/cmである。NCAカソードは、90%の第1サイクルCEを有する。アノードのカソードに対する容量比は1.06であり、全セルの第1サイクルCEのベースラインは77%である。単層パウチセルが組み付けられ、1M LiPF/EC+DEC(1:1)が電解質として使用される。セルは21℃にて12時間事前調整され、次いで形成サイクルが40℃にて行われる。形成プロトコルは、4.2Vまでの0.1C充電、0.01Cまでの定電圧及び2.8Vまでの0.1C放電である。説明した試験では、89%の第1サイクルCEが実証された。 The prelithiation effect is tested using a graphite-SiO/NCA pouch cell. The graphite-SiO anode sheet formulation is: artificial graphite (90.06%) + SiO (4.74%) + carbon black (1.4%) + SBR/CMC (3.8%). The capacity loading of the electrode is 3.59 mAh/ cm2 with a first cycle CE (coulombic efficiency) of 87%. Printable lithium is applied to the graphite-SiO anode at 0.15 mg/ cm2 lithium metal. The electrode is dried at 80°C for 100 minutes and then laminated with a roller gap of about 75% of the thickness of the electrode. A 7 cm x 7 cm electrode is die-cut from the printable lithiated anode sheet. The positive electrode formulation is: NCA (96%) + carbon black (2%) + PVdF (2%). The positive electrode is 6.8 cm x 6.8 cm with a capacity loading of 3.37 mAh/ cm2 . The NCA cathode has a first cycle CE of 90%. The anode to cathode capacity ratio is 1.06 with a baseline first cycle CE of 77% for all cells. Single layer pouch cells are assembled and 1M LiPF6 /EC+DEC (1:1) is used as the electrolyte. The cells are preconditioned at 21°C for 12 hours and then a formation cycle is performed at 40°C. The formation protocol is 0.1C charge to 4.2V, constant voltage to 0.01C and 0.1C discharge to 2.8V. The described tests demonstrated a first cycle CE of 89%.

プリンタブルLiアノードは、コイン型全固体電池で試験を行う。例3でプリントしたリチウムアノード電極を、乾燥室(21℃にてRH<1%)内で110℃にて2分間乾燥させ、切断して12mm円板とする。カソード電極は、ドライペレットダイプレス(MTI Corp.、EQ-Die-12D-B)を使用して、LiFePO4(LFP):Li10GeP2S12(LGPS)=7:3重量%の比で構成された粉末混合物6.6mgをプレスすることによって作製される。加えた圧力は50,000psiである。次いで、LGPS粉末99.6mgをカソード電極上に広げる。次いで、この粉末を同じ圧力(50,000psi)でプレスして、固体電解質膜とする。次いで、Liアノードを固体電解質膜の上に置いて、25,000psiの圧力を使用してプレスする。次いで、全固体電池を、(最大20MPaまで)圧力制御されたスプリットコインセル(MTI Corp.、品番:EQ-PSC)で70℃、電流密度C/10にて、2.8Vと3.8Vとの間でのサイクルによって試験する。図4Aは、LFPカソード、LGPS固体電解質及びアノードとしてのプリンタブルLiを有するコイン型全固体電池のサイクル電圧を示す。図4Aは、3.5Vの典型的なLFP充電電圧プラトー及び約3.4Vの放電電圧プラトーを有する全固体電池を示す。図4Bは、70℃にてサイクルする全固体電池について、充電容量及び放電容量対サイクル数を示す。全固体電池は最初の12サイクルの間に良好にサイクルした。 The printable Li anode is tested in a coin-type solid-state battery. The lithium anode electrode printed in Example 3 is dried at 110°C for 2 minutes in a drying room (RH<1% at 21°C) and cut into 12 mm disks. The cathode electrode is fabricated by pressing 6.6 mg of a powder mixture composed of LiFePO4 (LFP):Li10GeP2S12 (LGPS) = 7:3 wt% using a dry pellet die press (MTI Corp., EQ-Die-12D-B). The applied pressure is 50,000 psi. Then, 99.6 mg of LGPS powder is spread on the cathode electrode. This powder is then pressed with the same pressure (50,000 psi) into a solid electrolyte film. The Li anode is then placed on top of the solid electrolyte film and pressed using a pressure of 25,000 psi. The all-solid-state battery is then tested by cycling between 2.8 V and 3.8 V in a pressure-controlled (up to 20 MPa) split coin cell (MTI Corp., part number: EQ-PSC) at 70° C. at a current density of C/10. FIG. 4A shows the cycle voltage of a coin-type all-solid-state battery with an LFP cathode, LGPS solid electrolyte, and printable Li as the anode. FIG. 4A shows an all-solid-state battery with a typical LFP charge voltage plateau of 3.5 V and a discharge voltage plateau of about 3.4 V. FIG. 4B shows the charge and discharge capacity versus cycle number for the all-solid-state battery cycled at 70° C. The all-solid-state battery cycled well for the first 12 cycles.

本手法は、好ましい実施形態及びその具体的な例を参照して、本明細書で例証及び説明されているが、他の実施形態及び例が同様の機能を果たし、及び/又は同様の結果を達成できることが当業者にただちに明らかとなろう。そのような同等の実施形態及び例は全て、本手法の要旨及び範囲内にある。 Although the present technique is illustrated and described herein with reference to preferred embodiments and specific examples thereof, it will be readily apparent to those skilled in the art that other embodiments and examples may perform similar functions and/or achieve similar results. All such equivalent embodiments and examples are within the spirit and scope of the present technique.

Claims (7)

カソード及び複合アノードを含む電池であって、前記複合アノードが、
リチウム金属アノード、
固体電解質、及び
前記リチウム金属アノードの表面と前記固体電解質の表面との間の少なくとも1つの界面層であって、乾燥重量基準で、50重量%から98重量%のリチウム金属粉末と、2重量%から50重量%のポリマーバインダと、レオロジー調整剤と、溶媒から構成されるプリンタブルリチウム組成物から形成された、1から50マイクロメートルの厚さを有するフィルム又は箔の形態である、前記少なくとも1つの界面層を含み、
前記ポリマーバインダは、ポリ(エチレンオキシド)、ポリスチレン、ポリイソブチレン、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム、ポリイソプレンゴム、ブチルゴム、水素化ニトリルブタジエンゴム、エピクロロヒドリンゴム、アクリラートゴム、シリコンゴム、ニトリルゴム、ポリアクリル酸、ポリビニリデンクロリド、ポリビニルアセタート、エチレンプロピレンジエンターモノマー、エチレンビニルアセタートコポリマー、エチレン-プロピレンコポリマー、エチレン-プロピレンターポリマー、及びポリブテンの1つ以上であり、
前記レオロジー調整剤は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、シリコンナノチューブ、黒鉛、ハードカーボン、及びそれらの混合物又はブレンドであるか、又は、ヒュームドシリカ、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム及び他の第IIA、IIIA、IVB、VB及びVIA族の元素/化合物、並びにそれらの混合物又はブレンドの1つ以上であ
前記溶媒は、非環式炭化水素、環式炭化水素、芳香族炭化水素、対称エーテル、非対称エーテル、環式エーテル、アルカン、スルホン、鉱油及びその混合物、ブレンド又は共溶媒である、
電池。
1. A battery comprising a cathode and a composite anode, the composite anode comprising:
Lithium metal anode,
a solid electrolyte; and at least one interfacial layer between a surface of the lithium metal anode and a surface of the solid electrolyte, the at least one interfacial layer being in the form of a film or foil having a thickness of 1 to 50 micrometers formed from a printable lithium composition consisting of, on a dry weight basis, 50 wt % to 98 wt % lithium metal powder, 2 wt % to 50 wt % polymer binder , a rheology modifier , and a solvent ;
the polymer binder is one or more of poly(ethylene oxide), polystyrene, polyisobutylene, natural rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, polyisoprene rubber, butyl rubber, hydrogenated nitrile butadiene rubber, epichlorohydrin rubber, acrylate rubber, silicone rubber, nitrile rubber, polyacrylic acid, polyvinylidene chloride, polyvinyl acetate, ethylene propylene diene termonomer, ethylene vinyl acetate copolymer, ethylene-propylene copolymer, ethylene-propylene terpolymer, and polybutene;
the rheology modifier is one or more of carbon black, carbon nanotubes, graphene, silicon nanotubes, graphite, hard carbon, and mixtures or blends thereof, or fumed silica, titanium dioxide, zirconium dioxide, and other Group IIA, IIIA, IVB, VB, and VIA elements/compounds, and mixtures or blends thereof ;
The solvent is an acyclic hydrocarbon, a cyclic hydrocarbon, an aromatic hydrocarbon, a symmetrical ether, an asymmetrical ether, a cyclic ether, an alkane, a sulfone, a mineral oil, and mixtures, blends or co-solvents thereof;
battery.
前記リチウム金属アノードが、前記プリンタブルリチウム組成物で基板をコーティングすることによって形成されるリチウム金属アノードである、請求項1に記載の電池。 The battery of claim 1, wherein the lithium metal anode is a lithium metal anode formed by coating a substrate with the printable lithium composition. 前記リチウム金属アノードを形成する前記プリンタブルリチウム組成物が、溶液重量基準で、5重量%から50重量%の前記リチウム金属粉末、0.1重量%から20重量%の前記ポリマーバインダ、0.1重量%から30重量%の前記レオロジー調整剤及び50重量%から95重量%の前記溶媒を含む、請求項2に記載の電池。 The battery of claim 2, wherein the printable lithium composition forming the lithium metal anode comprises, by solution weight, 5 wt% to 50 wt% of the lithium metal powder, 0.1 wt% to 20 wt% of the polymer binder, 0.1 wt% to 30 wt% of the rheology modifier, and 50 wt% to 95 wt% of the solvent. 前記リチウム金属アノードが三次元アノードである、請求項1に記載の電池。 The battery of claim 1, wherein the lithium metal anode is a three-dimensional anode. 前記基板が平坦である、請求項2に記載の電池。 The battery of claim 2, wherein the substrate is flat. 前記基板が三次元多孔質構造を有する、請求項2に記載の電池。 The battery of claim 2, wherein the substrate has a three-dimensional porous structure. 電池であって、
カソード、
リチウム金属粉末と、ポリマーバインダと、レオロジー調整剤と、溶媒から構成されるプリンタブルリチウム組成物から形成されたアノード、並びに
前記アノードに適用されて、複合アノードを形成する、少なくとも1つの界面層
を含み、
前記少なくとも1つの界面層は、乾燥重量基準で、リチウム金属粉末を50重量%から98重量%とポリマーバインダを2重量%から50重量%から構成されるプリンタブルリチウム組成物から形成され、1から50マイクロメートルの厚さを有するフィルム又は箔の形態であり、
前記ポリマーバインダは、ポリ(エチレンオキシド)、ポリスチレン、ポリイソブチレン、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム、ポリイソプレンゴム、ブチルゴム、水素化ニトリルブタジエンゴム、エピクロロヒドリンゴム、アクリラートゴム、シリコンゴム、ニトリルゴム、ポリアクリル酸、ポリビニリデンクロリド、ポリビニルアセタート、エチレンプロピレンジエンターモノマー、エチレンビニルアセタートコポリマー、エチレン-プロピレンコポリマー、エチレン-プロピレンターポリマー、及びポリブテンの1つ以上であり、
前記レオロジー調整剤は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、シリコンナノチューブ、黒鉛、ハードカーボン、及びそれらの混合物又はブレンドであるか、又は、ヒュームドシリカ、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム及び他の第IIA、IIIA、IVB、VB及びVIA族の元素/化合物、並びにそれらの混合物又はブレンドの1つ以上であ
前記溶媒は、非環式炭化水素、環式炭化水素、芳香族炭化水素、対称エーテル、非対称エーテル、環式エーテル、アルカン、スルホン、鉱油及びその混合物、ブレンド又は共溶媒である、
電池。
A battery,
Cathode,
an anode formed from a printable lithium composition consisting of lithium metal powder , a polymer binder , a rheology modifier , and a solvent ; and at least one interfacial layer applied to the anode to form a composite anode;
the at least one interfacial layer is formed from a printable lithium composition consisting of 50% to 98% by weight lithium metal powder and 2% to 50% by weight polymer binder on a dry weight basis, and is in the form of a film or foil having a thickness of 1 to 50 micrometers;
the polymer binder is one or more of poly(ethylene oxide), polystyrene, polyisobutylene, natural rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, polyisoprene rubber, butyl rubber, hydrogenated nitrile butadiene rubber, epichlorohydrin rubber, acrylate rubber, silicone rubber, nitrile rubber, polyacrylic acid, polyvinylidene chloride, polyvinyl acetate, ethylene propylene diene termonomer, ethylene vinyl acetate copolymer, ethylene-propylene copolymer, ethylene-propylene terpolymer, and polybutene;
the rheology modifier is one or more of carbon black, carbon nanotubes, graphene, silicon nanotubes, graphite, hard carbon, and mixtures or blends thereof, or fumed silica, titanium dioxide, zirconium dioxide, and other Group IIA, IIIA, IVB, VB, and VIA elements/compounds, and mixtures or blends thereof ;
The solvent is an acyclic hydrocarbon, a cyclic hydrocarbon, an aromatic hydrocarbon, a symmetrical ether, an asymmetrical ether, a cyclic ether, an alkane, a sulfone, a mineral oil, and mixtures, blends or co-solvents thereof;
battery.
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