先進のカソード材料を用いた高電圧、高体積エネルギー密度のリチウムイオンバッテリ

 

開示されている実施形態はバッテリセルを提供する。バッテリセルはアノード集電体及びアノード集電体上に配置されるアノード活物質を含むアノードを含む。バッテリセルは、また、カソード集電体及びカソード集電体上に配置されるカソード活物質を含むカソードを含む。カソード活物質はxLi2MO3・(1−x)LiCoyM’2で表される組成物を有する。

 

 

本実施形態は、一般に、充電式バッテリに関する。より具体的には、本実施形態は、先進のカソード材料を用いた高電圧、高体積エネルギー密度のリチウムイオンバッテリの設計に関する。
[関連技術に関する説明]
種々の消費者、医学、航空宇宙、防衛及び/又は輸送用途において、充電式バッテリはエネルギー貯蔵用に広く用いられている。充電式バッテリの最も一般に用いられるタイプは、リチウムイオン又はリチウムポリマーバッテリを含むことができるリチウムバッテリである。バッテリ駆動デバイスがますます小型化し、かつより強力になるにつれて、これらのデバイスに給電するバッテリはより小さい体積でより多くのエネルギーを貯蔵する必要がある。このため、バッテリ駆動デバイスの使用は、デバイス内のバッテリの体積エネルギー密度を向上させる機構によって促進され得る。
開示されている実施形態はバッテリセルを提供する。バッテリセルはアノード集電体及びアノード集電体上に配置されるアノード活物質を含むアノードを含む。バッテリセルは、また、カソード集電体及びカソード集電体上に配置されるカソード活物質を含むカソードを含む。カソード活物質はxLi2MO3・(1−x)LiCoyM’(1-y)2で表される組成物を有する。
幾つかの実施形態では、Mはマンガン、チタン、ルテニウム及びジルコニウムのうちの少なくとも一つである。
幾つかの実施形態では、y=1.00であり、M’が存在せず、組成物はxLi2MO3・(1−x)LiCoO2である。
幾つかの実施形態では、0.5≦y<1.00であり、M’は一価カチオン、二価カチオン、三価カチオン、四価カチオン及びルテニウムカチオンの少なくとも1つである。
幾つかの実施形態では、M又はM’は金属カチオンの混合物を含有する。
幾つかの実施形態では、混合物内の金属カチオンの化学量論数は等しくない。
幾つかの実施形態では、0.01≦x≦0.50である。
幾つかの実施形態では、溶液共沈法及びリチウム付加固相反応を用いて製造される混合金属水和水酸化物前駆体の少なくとも1つを用いて組成物は形成される。
幾つかの実施形態では、y=1.00であり、Mはマンガン(Mn)であり、組成物はxLi2MnO3・(1−x)LiCoO2である。
幾つかの実施形態では、カソード活物質から可逆的に抽出することが可能なリチウム量は165mAh/gより大きい。
幾つかの実施形態では、カソード活物質から可逆的に抽出することが可能なリチウム量は200mAh/gより大きい。
本特許又は出願書類は、少なくとも1つのカラー印刷図面を含有する。カラー図面を備える、本特許又は特許出願公開の複製は、要請があれば、必要な手数料を支払うことにより、特許庁によって提供されるであろう。
開示されている実施形態における、バッテリセルの上視図を示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する層のセットを示す。 開示されている実施形態における、カソード活物質組成物の走査型電子顕微鏡写真(SEM)を示す。 開示されている実施形態における、カソード活物質組成物のX線粉末回折(XRD)を示す。 開示されている実施形態における、カソード活物質組成物のラマン振動スペクトルを示す。 開示されている実施形態における、カソード活物質組成物のSEMを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関するセル電圧プロファイルを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する容量対サイクル数のプロットを示す。 開示されている実施形態における、2つのカソードのXRDパターンを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関するセル電圧プロファイルを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関するセル電圧プロファイルを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関するセル電圧プロファイルを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する容量対サイクル数のプロットを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する容量対サイクル数のプロットを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する容量対サイクル数のプロットを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関するdQ/dVプロットを示す。 開示されている実施形態における、カソード活物質組成物のSEMを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する2.75Vと4.4Vの間のセル電圧プロファイルを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する2.75Vと4.5Vの間のセル電圧プロファイルを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する2.75Vと4.6Vの間のセル電圧プロファイルを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する2.75Vと4.4Vの間のレート実験試験中の容量対サイクル数のプロット(マークされたCレート)を示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する2.75Vと4.5Vの間のレート実験試験中の容量対サイクル数のプロット(マークされたCレート)を示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関する2.75Vと4.6Vの間のレート実験試験中の容量対サイクル数のプロット(マークされたCレート)を示す。 開示されている実施形態における、2.75Vと4.5Vの間で繰り返すバッテリセルに関するサイクル性能の実験中の容量対サイクル数のプロットを示す。 開示されている実施形態における、バッテリセルに関するdQ/dVプロットを示す。 開示されている実施形態における、ポータブル電子デバイスを示す。
図中、同じ参照番号は同じ図要素を表している。
以下の記述は、あらゆる当業者が実施形態を作製、使用できるように提示されており、特定の用途及びその要件のコンテキストにおいて提供されている。開示されている実施形態に対する様々な修正は、当業者にとって容易に明らかであろう。本明細書において定義されている一般原理は、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく他の実施形態及び用途に適用され得る。したがって、本発明は、示されている実施形態に限定されるものではなく、本明細書で開示されている原理及び特徴と矛盾しない最も広い範囲を許容するものとする。
充電式バッテリ、特にリチウムセル及びバッテリで用いるために、Co及びMnを含有するリチウム系カソード活物質(例えば、LiNi1/3Mn1/3Co1/32(NMC))を合成してきた。典型的には、これらのカソード活物質を用いて製造されるバッテリセルは低い体積エネルギー密度、第1サイクルにおける高率容量不可逆性、サイクルによる容量劣化及び低レートの問題を有する。本実施形態はこれらの欠点を対象とし、優れた体積エネルギー密度、サイクル寿命及び高レート放電能力を提供する。
図1は、実施形態における、バッテリセル100の上視図を示す。バッテリセル100は、消費者、医学、航空宇宙、防衛、及び/又は輸送用途に用いられるデバイスに給電するのに用いられるリチウムイオン又はリチウムポリマーバッテリセルに対応可能である。バッテリセル100は巻き合わせた多数の層を含有するジェリーロール102を含み、活性コーティングを伴うカソード、セパレータ及び活性コーティングを伴うアノードを含む。より具体的には、ジェリーロール102は、セパレータ材料(例えば、導電性ポリマー電解質)の1つのストリップによって分離された、カソード材料(例えば、リチウム化合物でコーティングしたアルミホイル)の1つのストリップ及びアノード材料(例えば、炭素でコーティングした銅ホイル)の1つのストリップを含んでもよい。螺旋状に巻き付けた構造体を形成するために、カソード、アノード及びセパレータ層を、次に、マンドレル上に巻き付けてもよい。あるいは、これらの層を積層、及び/又は使用して、バイセル構造などのその他のタイプのバッテリセル構造を形成してもよい。ジェリーロールは当該技術分野において周知であり、更に説明することはしない。
バッテリセル100の組み立て中、ジェリーロール102を、折り線112に沿って可撓性シートを折り畳むことにより形成される可撓性パウチに封入する。例えば、可撓性シートはポリプロピレンなどのポリマーフィルムを有するアルミニウムでできていてもよい。可撓性シートを折り畳んだ後、可撓性シートを、例えば、サイドシール110に沿って及びテラスシール108に沿って熱を加えることにより、密封することができる。バッテリセル100のパッケージング効率及び/又はエネルギー密度を向上させるために、可撓性パウチは120ミクロン未満の厚さであり得る。
ジェリーロール102は、また、カソード及びアノードに結合された導電タブ106のセットを含む。バッテリセル100用の端子を提供するために、導電タブ106は(例えば、シールテープ104を用いて形成された)パウチのシールを通って延びてもよい。次に、導電タブ106を用いてバッテリセル100を1つ以上のその他のバッテリセルと電気的に結合して、バッテリパックを形成してもよい。例えば、直列、並列又は直並列配置でバッテリセルを結合することにより、バッテリパックを形成してよい。バッテリパックを完成するために、結合したセルをハードケースに封入してよく、又は結合したセルを、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末(PDA)、デジタルカメラ及び/又はポータブルメディアプレーヤーなどのポータブル電子デバイスの筐体内に埋め込んでよい。
図2は、開示されている実施形態における、バッテリセル(例えば、図1のバッテリセル100)用の層のセットを示す。これらの層はカソード集電体202、カソードの活性コーティング204、セパレータ206、アノードの活性コーティング208及びアノード集電体210を含んでよい。カソード集電体202及びカソードの活性コーティング204はバッテリセル用のカソードを形成してよく、アノード集電体210及びアノードの活性コーティング208はバッテリセル用のアノードを形成してよい。バッテリセルを製作するために、これらの層は巻き付けるか又は積層してよい。
前述のように、カソード集電体202は、アルミホイルであってもよく、カソードの活性コーティング204はリチウム化合物であってもよく、アノード集電体210は銅ホイルであってもよく、アノードの活性コーティング208は炭素であってもよく、セパレータ206は導電性ポリマー電解質を含んでよい。より具体的には、カソードの活性コーティング204はxLi2MO3・(1−x)LiCoyM’(1-y)2で表されるカソード活物質組成物を含んでもよい。組成物中、xは0.01から1.00未満(0.01≦x<1.00)の範囲であってよく、yは0.50から1.00(0.50≦y≦1.00)の範囲であってよい。MはMn、Ti、Ru、Zr又はそれらの混合物であってよく、存在する場合、M’は、好ましくは1つ以上の一価、二価、三価又は四価カチオン及びRuから選択される1種類以上の金属カチオンを含んでもよい。それら金属カチオンの例はLi+、Ni2+、Ni3+、Cu+、Cu2+、Mg2+、Zn2+、B3+、Ga3+、Al3+、Mn3+、Mn4+、Sn4+、Ti4+及び/又はRu4+/5+/6+である。Mが金属カチオンの混合物である場合、金属カチオンの化学量論数は等しい必要はない。M’が金属カチオンの混合物である場合、金属カチオンの化学量論数の合計(1−y)が0から0.50(0≦(1−y)<0.50)の範囲である限り、金属カチオンの化学量論数は等しい必要はない。この新規カソード活物質は、1%から50%(0.01≦x≦0.50)、好ましくは1%から30%(0.01≦x≦0.30)のLi2MO3を含むことが可能である。
かかる活物質組成物は充電式リチウムセル及びバッテリにて用いることが可能である。従来の活物質とは異なり、この新規カソード活物質は、繰り返しのリチウムインターカレーション及び脱インターカレーション中にその構造を安定させるために、Li2MO3を用いる。得られた構造は、バッテリ充電及び放電中にカソード活物質構造全体を安定させるLiM6成分を本来含有するLi2MO3ドメインを含有する。これにより構造からより多くのリチウムイオンを可逆的に抽出することが可能になる。例えば、開示されているカソード活物質組成物は、カソード活物質の理論容量の60%より大きい可逆リチウムイオン抽出(カソード活物質の可逆容量>165mAh/g)及び場合により、カソード活物質の理論容量の75%より大きい可逆リチウムイオン抽出(カソード活物質の可逆容量>200mAh/g)を提供し得る。
開示されている実施形態では、溶液共沈法により以前に製造された混合金属水和水酸化物前駆体からLi2MO3安定化リチウム遷移金属酸化物を合成するのが好ましい。本方法はインターカレーションホストにおける最適な遷移金属の均質混合物を提供する。第2の方法において、固相反応を用いて材料を合成する。
以下の実施例は、本発明者により企図されたように、開示されている実施形態の原理を記載しているが、それらは限定的な例として解釈されるべきではない。
実施例1
0.02Li2MnO3・0.98LiNi0.021Co0.9792で表される組成物を有する層状材料を、9.3623グラムのLiOH.H2O及び共沈法により製造される19.6491グラムの水和されたNi0.02Mn0.02Co0.96(OH)2.nH2O水酸化物のピンク色の粉末の固相反応によって製造した。これは、公称(nominal)酸化状態としてNi+3及びMn+4を有する材料を構成する。粉末をオービタルミキサー内で混合した。混合に引き続き、混合した粉末をアルミナ高温トレイに移し、500℃で10時間酸素ガスを流しながら最初に加熱した。この第1工程のための炉のランプ速度は毎分2℃であった。炉の電源を切った後に、炉の中で試料を冷却した。その後、試料を乳鉢及び乳棒にて挽き、次いでふるいにかけ、酸素ガスを流しながら1050℃で5時間再焼成した。ランプ速度は毎分2℃であった。焼成が終了した後、電源を切った炉の自然な冷却速度を用いた。最終焼結黒色粉末を粉砕し、乳鉢及び乳棒にて挽き、次いで、実施例4に関して以下で更に詳細に記載されたように、カソード活物質として電気化学試験で用いるためにふるいにかけた。
JEOL Nikon NeoscopeのSEM装置を用いて、最終粉末の走査型電子顕微鏡写真(SEM)を撮影した。代表的顕微鏡写真を図3に示す。一次粒径は約20から約100ナノメートルのサイズの範囲であり、二次粒径は約10から約16マイクロメートのサイズの範囲である。
Advanced Photon Source(APS)としても知られているArgonne National LaboratoryのシンクロトロンX線研究施設で、試料をX線粉末回折(XRD)にて同定した。データをCuKα線に変換した。図4に示すように、試料のXRDパターンはコバルト酸リチウム(LCO)のJCPDSの六方晶系層状構造と一致する。
試料をInVia Renishaw Raman Microprobe上のラマン分光法にて同定した。図5は実施例1で合成した試料0.02Li2MnO3・0.98LiNi0.021Co0.9792のラマン振動スペクトルを示す。この結果は650cm−1のショルダーの状態及びおおよそ450cm−1のより低い強度の別のショルダーの状態を示す。参照のために、LCOのラマンスペクトルもプロットされる。LCOの純粋な六方晶系層状構造において、これらのショルダーは現れないことに留意されたい。それゆえ、これらのショルダーの振動は実施例1の材料と関係した低エネルギー遷移金属酸素の状態を示す。
実施例2
0.04Li2MnO3・0.96LiCoO2で表される組成物を有する層状材料を、4.63グラムのLiOH.H2O及び共沈法により製造した9.0グラムの水和されたMn0.04Co0.96(OH)2.nH2O水酸化物のピンク色の粉末の固相反応によって製造した。この組成物はNi非含有、Mn+4の公称酸化状態の代表である。粉末をオービタルミキサー内で混合した。混合に引き続き、混合した粉末をアルミナ高温トレイに移し、500℃で10時間空気中で最初に加熱した。この第1工程のための炉のランプ速度は毎分2℃であった。炉の電源を切った後に、炉の中で試料を冷却した。その後、試料を乳鉢及び乳棒にて挽き、次いでふるいにかけ、空気中で1050℃で5時間再焼成した。ランプ速度は毎分2℃であった。焼成が終了した後、電源を切った炉の自然な冷却速度を用いた。最終焼結黒色粉末を粉砕し、乳鉢及び乳棒にて挽き、次いでカソード活物質として電気化学試験において用いるためにふるいにかけた。JEOL Nikon NeoscopeのSEM装置を用いて、最終粉末のSEMを撮影した。代表的顕微鏡写真を図6に示す。二次粒径は約10から約30マイクロメートルのサイズの範囲である。
実施例3
実施例1で合成したカソード活物質を電極積層体に加工した。NMP(N−メチル−ピロリドン)溶媒において、90重量%のカソード活物質、5重量%の炭素及び5重量%のポリフッ化ビニリデン(PVDF)バインダのスラリーを作製することにより、各電極積層体を製作した。スラリーをドクターブレードを用いてアルミニウム集電シート上にキャストした。湿った電極積層体を75℃でおおよそ4時間空気オーブン内で最初に乾燥させ、続いて75℃で一晩(おおよそ16時間)加熱真空乾燥した。電極積層体をカレンダリングした。サイズ9/16インチの直径の電極をアルミニウムシートから打ち抜いて、サイズ2032のコインセル(Hohsen、日本)に組み込んだ。コインセルは対極(例えば、アノード)としてリチウムを含有しており、3:7(重量比、EC:EMC)の電解質混合物の溶媒及び1.2MのLiPF6塩を含有していた。セパレータはCelgard2325の3層ポリプロピレンであった。
セルをMaccor Series 2000試験機に入れ、種々の電位窓、すなわち、4.4Vから2.75V、4.5Vから2.75V、4.6Vから2.75V及び4.7Vから2.75Vで室温において定電流モードで繰り返した。形成、レート及びサイクルの一連の電気化学試験を各電位窓下で実施した。形成試験の間、充電プロセス中に定電流(0.2C)をセルに印加し、続いて電流が0.05C以下になるまで定電圧充電した。その後、定電流(0.2C)で放電終了までセルを放電した。セルの充電及び放電を3回繰り返した。レート試験中、充電率を全てのレート試験に対して0.7Cに固定し、次いで電流が0.05C以下になるまで、定電圧充電した。0.1C、0.2C、0.5C,1C及び2Cの5つの異なる放電率をセルが完全に放電するまで適用した。レート毎に3サイクルを実施した。最後に、サイクル寿命を調査するために、50サイクルを実施した。レート試験の充電条件と同一の充電条件を適用した。全てのサイクルに対して放電率を0.5Cに固定した。
第1の充放電曲線を用いた2.75Vと4.6Vの間のセルの電圧プロファイルを図7に示す。レート及びサイクル性能実験を含む、セルに関する容量対サイクル数を図8に示す。図9はカソード活物質を含有する2つの電極のXRDパターンを示す:50サイクル後の第1の電極と初期の第2の電極。本発明の材料試料にある強い層状ピーク(003)が依然として存在し、不純物ピークは存在しない。上述したバッテリセルに関するサイクルデータ及び性能指標の概要を下表1に示す。
実施例4
実施例2で合成したカソード活物質を電極積層体に加工し、その電気化学性能を評価した。NMP溶媒において、90重量%の活物質、5重量%のスーパーP炭素及び5重量%のPVDFバインダのスラリーを作製することにより、各電極積層体を形成した。スラリーをドクターブレードを用いてアルミニウム集電シート上にキャストした。湿った電極積層体を70から80℃でおおよそ4時間空気オーブン内で最初に乾燥させ、次に70から80℃で一晩(おおよそ16時間)加熱真空乾燥を続けた。電極積層体をカレンダリングした。サイズ9/16インチの直径の電極をアルミニウムシートから打ち抜いて、サイズ2032のコインセル(Hohsen、日本)に組み込んだ。コインセルは対極(例えば、アノード)としてリチウムを含有しており、3:7(重量比、EC:EMC)の電解質混合物の溶媒及び1.2MのLiPF6塩を含有していた。セパレータはCelgard2325の3層ポリプロピレンであった。
セルをMaccor Series 2000試験機に入れ、種々の電位窓、すなわち、4.4Vから2.75V、4.5Vから2.75V及び4.6Vから2.75Vで室温において定電流モードで繰り返した。一連の電気化学試験(例えば、図10AからCに示す結果を伴う形成、図10DからFに示す結果を伴うレート)を各電位窓下で実施した。形成試験の間、充電プロセス中に定電流(0.2C)をセルに印加し、続いて電流が0.05C以下になるまで定電圧充電した。その後、定電流(0.2C)で放電終了までセルを放電した。セルの充電及び放電を3回繰り返した。レート試験中、充電率を全てのレート試験に対して0.7Cに固定し、次いで電流が0.05C以下になるまで、定電圧充電を続けた。0.1C、0.2C、0.5C,1C及び2Cの5つの異なる放電率をセルが完全に放電するまで適用した。レート毎に3サイクルを実施した。実施例2から調製した材料に対する2.75Vと4.5Vの間のdQ/dV微分プロットを図10Gに示す。4.1Vから4.3Vでピークをもたないことはこの本発明の材料において六方晶系の単斜晶系への相変化がないことを示す。
実施例5
組成物0.01Li2MnO3・0.99LiNi0.01Mn0.01Co0.982を有する材料が開示されている。本実施例では、Ni及びMnの含量は等しくなく、それゆえ、記載されているように、Niの酸化状態は公称+2であり、Mnの酸化状態は公称+4である。
0.01Li2MnO3・0.99LiNi0.01Mn0.01Co0.982で表される組成物を有する層状材料を、23.0グラムのLiOH・H2O及び共沈法により製造される11.1グラムの水和されたNi0.01Mn0.02Co0.97(OH)2.nH2O水酸化物のピンク色の粉末の固相反応によって製造した。粉末をオービタルミキサー内で混合した。混合に引き続き、混合した粉末をアルミナ高温トレイに移し、500℃で10時間空気中で最初に加熱した。この第1工程のための炉のランプ速度は毎分2℃であった。炉の電源を切った後に、炉の中で試料を冷却した。その後、試料を乳鉢及び乳棒にて挽き、次いでふるいにかけ、空気中で1050℃で5時間再焼成した。ランプ速度は毎分2℃であった。焼成が終了した後、電源を切った炉の自然な冷却速度を用いた。最終焼結黒色粉末を粉砕し、乳鉢及び乳棒にて挽き、次いでカソード活物質として電気化学試験において用いるためにふるいにかけた。JEOL Nikon NeoscopeのSEM装置を用いて、最終粉末の走査型電子顕微鏡写真(SEM)を撮影した。代表的顕微鏡写真を図11に示す。二次粒径は約10から約30マイクロメートルのサイズの範囲である。
実施例6
実施例5で合成したカソード活物質を電極積層体に加工し、その電気化学性能を評価した。NMP溶媒において、90重量%の活物質、5重量%のスーパーP炭素及び5重量%のPVDFバインダのスラリーを作製することにより、各電極積層体を形成した。スラリーをドクターブレードを用いてアルミニウム集電シート上にキャストした。湿った電極積層体を70から80℃でおおよそ4時間空気オーブン内で最初に乾燥させ、次に70から80℃で一晩(おおよそ16時間)加熱真空乾燥を続けた。電極積層体をカレンダリングした。サイズ9/16インチの直径の電極をアルミニウムシートから打ち抜いて、サイズ2032のコインセル(Hohsen、日本)に組み込んだ。コインセルは対極(例えば、アノード)としてリチウムを含有しており、3:7(重量比、EC:EMC)の電解質混合物の溶媒及び1.2MのLiPF6塩を含有していた。セパレータはCelgard2325の3層ポリプロピレンであった。
セルをMaccor Series 2000試験機に入れ、種々の電位窓、すなわち、4.4Vから2.75V、4.5Vから2.75V及び4.6Vから2.75Vで室温において定電流モードで繰り返した。一連の電気化学試験(例えば、図12Aから12Cに示す結果を伴う形成、図12Dから12Fに示す結果を伴うレート)を各電位窓下で実施した。形成試験の間、充電プロセス中に定電流(0.2C)をセルに印加し、続いて電流が0.05C以下になるまで定電圧充電した。その後、定電流(0.2C)で放電終了までセルを放電した。セルの充電及び放電を3回繰り返した。レート試験中、充電率を全てのレート試験に対して0.7Cに固定し、次いで電流が0.05C以下になるまで、定電圧充電を続けた。0.1C、0.2C、0.5C,1C及び2Cの5つの異なる放電率をセルが完全に放電するまで適用した。レート毎に3サイクルを実施した。
材料のサイクル性能を評価するために、図12Gに示すように、セルを試験に配置し、4.5Vと2.75Vの間で作動した。図12Gに記載のごとくレート実験試験が終了した後、次いで次の50サイクルを0.2Cで放電し、0.2Cで充電した。定電流充電に続いて電流が0.05C以下になるまで定電圧充電した。実施例5から調製された材料に対する2.75Vと4.5Vの間のdQ/dV微分プロットを図12Hに示す。4.1Vから4.3Vでピークをもたないことはこの本発明の材料において六方晶系の単斜晶系への相変化がないことを示す。
上述した充電式バッテリセルは、一般に、任意のタイプの電子デバイスで用いることが可能である。例えば、図13は、プロセッサ1302、メモリ1304及びディスプレイ1308を含み、これら全てがバッテリ1306によって給電される、ポータブル電子デバイス1300を示す。ポータブル電子デバイス1300はラップトップコンピュータ、携帯電話、PDA、タブレットコンピュータ、ポータブルメディアプレーヤー、デジタルカメラ及び/又はその他のタイプのバッテリ駆動電子デバイスに対応可能である。バッテリ1306は1つ以上のバッテリセルを含むバッテリパックに対応可能である。各バッテリセルはアノード集電体及びアノード集電体上に配置されるアノード活物質を含むアノード含んでもよい。バッテリセルは、また、カソード集電体及びカソード集電体上に配置されるカソード活物質を含むカソードを含んでもよい。カソード及びアノードを可撓性パウチに密封してよい。
カソード活物質はxLi2MO3・(1−x)LiCoyM’(1-y)2で表される組成物を有してもよい。Mはマンガン、チタン、ルテニウム及び/又はジルコニウムであってよい。M’は一価カチオン、二価カチオン、三価カチオン、四価カチオン及び/又はルテニウムカチオンであってよい。例えば、M又はM’は、等しくても又は等しくなくてもよい化学量論数を有する金属カチオンの混合物を含有してよい。加えて、0.01≦x≦0.50であり、0.5≦y<1.00である。あるいは、y=1.00であり、MはMnであり、組成物はxLi2MnO3・(1−x)LiCoO2である。
様々な実施形態に関する前述の説明を、例示と説明のためにのみに提示してきた。これらは、網羅的とすること、又は本発明を開示形態に制約することを意図するものではない。そのため、多くの修正及び変形態様が、当業者には明らかとなるであろう。更に、上記の開示は、本発明を制限することを意図していない。



  1. アノード集電体及び前記アノード集電体上に配置されるアノード活物質を含むアノードと、カソード集電体及び前記カソード集電体上に配置され、xLi2MO3・(1−x)LiCoyM’(1-y)2で表される組成物を有するカソード活物質を含むカソードと、を備えることを特徴とする、バッテリセル。

  2. Mはマンガン、チタン、ルテニウム及びジルコニウムのうちの少なくとも一つであることを特徴とする、請求項1に記載のバッテリセル。

  3. 0.5≦y<1.00であり、MはMnであり、M’は、一価カチオン、二価カチオン、三価カチオン、四価カチオン及びルテニウムカチオンのうちの少なくとも一つであることを特徴とする、請求項1に記載のバッテリセル。

  4. 0.01≦x≦0.50であることを特徴とする、請求項1に記載のバッテリセル。

  5. 0.8≦y<1.00であり、MはMnであり、M’はNiであり、前記組成物はxLi2MnO3・(1−x)LiCoyNi(l-y)2であることを特徴とする、請求項1に記載のバッテリセル。

  6. 溶液共沈法を用いて製造される混合金属水和水酸化物前駆体及び、リチウム付加固相反応の少なくとも1つを用いて前記組成物は形成されることを特徴とする、請求項1に記載のバッテリセル。

  7. y=1.00であり、Mはマンガン(Mn)であり、前記組成物はxLi2MnO3・(1−x)LiCoO2であることを特徴とする、請求項1に記載のバッテリセル。

  8. 前記カソード活物質から可逆的に抽出可能であるリチウム量は165mAh/gより大きいことを特徴とする、請求項7に記載のバッテリセル。

  9. 前記カソード活物質から可逆的に抽出可能であるリチウム量は200mAh/gより大きいことを特徴とする、請求項7に記載のバッテリセル。

  10. バッテリパックによって給電されるコンポーネントのセット及び、前記バッテリパックを備える、ポータブル電子デバイスであって、前記バッテリパックが、
    アノード及びカソードを含むバッテリセルを含み、
    前記アノードが、アノード集電体及び前記アノード集電体上に配置されるアノード活物質を含み、
    前記カソードが、カソード集電体及び前記カソード集電体上に配置され、xLi2MO3・(1−x)LiCoyM’(1-y)2で表される組成物を含むことを特徴とする、ポータブル電子デバイス。

  11. Mはマンガン、チタン、ルテニウム及びジルコニウムのうちの少なくとも一つであり、
    M’は一価カチオン、二価カチオン、三価カチオン、四価カチオン及びルテニウムカチオンのうちの少なくとも一つであることを特徴とする、
    請求項10に記載のポータブル電子デバイス。

  12. y=1.00であり、Mはマンガン(Mn)であり、前記組成物はxLi2MnO3・(1−x)LiCoO2であることを特徴とする、請求項10に記載のポータブル電子デバイス。

  13. 0.01≦x≦0.50であることを特徴とする、請求項10に記載のポータブル電子デバイス。

  14. 0.5≦y<1.00であることを特徴とする、請求項10に記載のポータブル電子デバイス。

  15. バッテリセル用のカソードであって、カソード集電体と、前記カソード集電体上に配置され、xLi2MO3・(1−x)LiCoyM’(1-y)2で表される組成物を有するカソード活物質と、を含むことを特徴とする、バッテリセル用のカソード。

  16. Mはマンガン、チタン、ルテニウム及びジルコニウムのうちの少なくとも一つであることを特徴とする、請求項15に記載のバッテリセル用のカソード。

  17. M’は一価カチオン、二価カチオン、三価カチオン、四価カチオン及びルテニウムカチオンのうちの少なくとも一つであることを特徴とする、請求項15に記載のバッテリセル用のカソード。

  18. 0.01≦x≦0.50であることを特徴とする、請求項15に記載のバッテリセル用のカソード。

  19. 0.5≦y<1.00であることを特徴とする、請求項15に記載のバッテリセル用のカソード。

  20. y=1.00であることを特徴とする、請求項15に記載のバッテリセル用のカソード。

  21. xLi2MO3・(1−x)LiCoyM’(1-y)2で表される組成物を有するカソード活物質組成物。

  22. Mはマンガン、チタン、ルテニウム及びジルコニウムのうちの少なくとも一つであり、M’は一価カチオン、二価カチオン、三価カチオン、四価カチオン及びルテニウムカチオンのうちの少なくとも一つを備えることを特徴とする、請求項21に記載のカソード活物質組成物。

  23. M又はM’は金属カチオンの混合物を備えることを特徴とする、請求項22に記載のカソード活物質組成物。

  24. 前記混合物内の前記金属カチオンの化学量論数は等しくないことを特徴とする、請求項23に記載のカソード活物質組成物。

  25. 0.01≦x<0.50であり、0.5≦y<1.00であることを特徴とする、請求項21に記載のカソード活物質組成物。

  26. 0.01≦x≦0.30であり、0.8≦y<1.00であることを特徴とする、請求項21に記載のカソード活物質組成物。

 

 

Patent trol of patentswamp
類似の特許
本発明は、一次粒子の凝集体から作られる二次粒子の形態で、式Li0.9+xFe1−y(PO)のリチウム遷移金属リン酸塩化合物において、一次粒子が0.02−2μmの範囲の粒径であり、二次粒子が10−40μmの平均粒径及び6−15m/gのBET表面であり、バルク密度が800−1200g/lの範囲である、リチウム遷移金属リン酸塩化合物、並びにその製造方法及びそれらの使用に関する。
【選択図】図1a
電解液と現行の電池セパレータとの反応を介して、リチウム・イオン(または同様のタイプの)電池セル内の電解質を直接ゲル化する機能が実現する。このような手順は一般に、適切な電解質調製物が存在すると膨張する可能性を示す適切なナノファイバが、電池セパレータ構造内に存在することによって実現される。このようにして、電池セルに注入する前に電解質を外部でゲル化することなく、長期間の残存性および電力生成のために電池セパレータ内に強固なゲルを実現する機能が実現可能である。このようにして得られる電池の使用法、ならびにこのような自動ゲル化の電池セパレータ/電解質の組合せを含む電池も、本発明に包含される。
【選択図】図8
本発明は、無機基材上に酸化物コーティングを析出させるための方法であって、テトラアルキルアンモニウムポリオキソアニオンおよび過酸化水素を含有する水性組成物を提供する工程;該水性組成物を無機基材に、該無機基材の表面に該ポリオキソアニオンから誘導された水酸化物を析出させるに充分な時間接触させて、初期コートされた無機基材を形成する工程;ならびに該初期コートされた無機基材を、該水酸化物を酸化物に変換するに充分な時間加熱して該無機基材上に該ポリオキソアニオンから誘導された酸化物コーティングを形成する工程;を包含する、方法を提供する。無機基材は、セラミック材料または半導体材料、ガラスまたは他の絶縁性材料であり得、そしてセラミック材料はリチウムイオン電池カソード材料であり得る。
粒子を含むアルカリ金属オキシアニオンカソード材料であって、粒子は、粒子表面の少なくとも一部に、熱分解により蒸着した炭素を担持するアルカリ金属オキシアニオンカソード材料が記載されている。粒子は、一般式A:M:M´:XOを有し、当該式において、Mの平均原子価は+2以上であり、Aは、Li、Na及びKから選択された少なくとも一つのアルカリ金属であり、Mは少なくともFe及び/又はMnであり、M´は原子価が2+以上の金属である。
【選択図】なし
本発明は、Li、M及びPOを含み、かつ非化学量論組成を有するオリビンカソード材料であって、リン酸塩化学量論量比PO:[(Li+M)/2]は0.940〜1.020であり、リチウムの金属に対する比Li:Mは1.040〜1.150であり、及びM=Fe−x−z’Mn x D z’であり、ここで、0.10<x<0.90であり、z’>0であり、DはCr及びMgのいずれか1種又は両方を含むドーパントである、オリビンカソード材料を開示する。一実施形態では、PO:[(Li+M)/2]は0.960〜1.000であり、更に良好に機能する材料が得られる。性能は、PO:[(Li+M)/2]が1.000未満である別の実施形態において、なお更に改良される。リチウムの金属に対する比Li:Mが1.070〜1.120である実施形態、又はマンガンの鉄に対する比Mn/(Mn+Fe)が0.25〜0.75である実施形態、又はz’<0.05である別の実施形態のいずれかに関しても、性能において改良が得られる。
ここに記載されているのは、リチウムイオンバッテリセルの少なくとも1つのパラメタを推定する方法であり、この方法には、電圧センサを用いてリチウムイオンバッテリの平衡状態中にこのリチウムイオンバッテリの端子電圧(Veq)を求め、電流センサを用いてリチウムイオンバッテリの充電動作中にこのリチウムイオンバッテリの充電電流(I)を求める。この方法にはまた、リチウムイオンバッテリセルの電気化学モデルに基づいて、正電極のリチウムイオンを貯蔵する量(C0+)、負電極のリチウムイオンを貯蔵する量(C0-)、および電気化学バッテリセルにおけるリチウムイオンの総量(nli)のうちの少なくとも1つを推定するパラメタ推定技術を使用することが含まれる。
本発明は、分散液媒体、ポリマー性分散助剤および分散液媒体中に分散したカーボンナノチューブを含む分散液に関する。カーボンナノチューブの総量に対して≧1μmの平均アグロメレートサイズを有するアグロメレート形態で存在するカーボンナノチューブの割合は、≦10体積%であり、アグロメレート化形態で存在しないカーボンナノチューブの≧70重量%は≧200nmの長さを有する。本発明はさらに、こうした分散液を製造するための方法、この分散液を用いて電極を製造する方法、この様式で得られた電極、および電極を含有する電気化学素子に関する。
本発明は、一方が他方に積層され、各電流コレクタが、その周囲に、電解質気密壁の周囲領域も構成する少なくとも1つの電気絶縁材料のビーズを含む、少なくとも2つの電気化学セルを有するバイポーラ電池に関する。本発明によれば、各気密壁は、ハニカムマトリクスで構成される少なくとも1つのビーズで構成され、このマトリクスは、その2つの主要面の各々において、熱融着電気絶縁材料で作られる層又はリーフで覆われ、各層又はリーフは、電流コレクタの一方に熱融着され、熱融着電気絶縁材料は、2つの層又はリーフを相互接続しながら、ハニカムのセルを少なくとも部分的に満たす。
本発明は、カーボネート官能基を有するイオン液体の合成方法であって、リチウムを添加することなく、イミダゾリウム、ピロリジニウム、またはアンモニウムから選択される第一の反応物質と、メチルホルメートイミダゾリウムである第二の反応物質とを反応させる工程Aを含むことを特徴とする方法に関する。第一の反応物質は、イミダゾリウムアルコール塩、ピロリジニウムアルコール塩、またはアンモニウムアルコール塩であり、その陰イオンはntf2である。第二の反応物質は、クロロメチルホルメートイミダゾリウムである。本方法の用途は、グリーンケミストリーの分野、より具体的には、グラファイト電極を備えたリチウム電池に用いることができるイオン性液体の製造の分野に見いだされる。
本発明は、必須の遷移金属としてMnを含み、層状結晶構造を有するリチウムマンガン系酸化物であって、前記Mnの含量がその他の遷移金属の含量よりも多く、4.4V以上の高電圧の範囲での最初の充電時にリチウム脱離と共に酸素が放出される平坦準位の区間特性を有し、前記Mnを含む遷移金属層及び/又は酸素層にピラー元素が置換またはドープされていることを特徴とするリチウムマンガン系酸化物を提供する。
To top