JP2025533531A - 3D structured electrodes for electrochemical cells - Google Patents
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Description
関連出願の相互参照
本出願は、2022年9月23日に出願された米国仮特許出願第63/409,688号の利益を主張し、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 63/409,688, filed September 23, 2022, which is incorporated herein by reference in its entirety.
本開示は、概して、電池用の3D構造化カソードに関する。 This disclosure generally relates to 3D structured cathodes for batteries.
特定の電池では、電気化学サイクル中に大きな容積変化を起こすカソードが使用されている。例えば、カソードに電気化学的に活性な変換材料を使用する電池では、変換材料がある形態から別の形態に変換されることにより、カソードが膨張したり収縮したりする。このような電池の具体的な例としては、硫黄と硫化リチウム間の変換によってカソードに大きな容積変化が生じるリチウム硫黄電池がある。Li2Sへの変換により、大幅な容積膨張がもたらされ得る。このような膨張は電池の性能に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、膨張により電解質がカソードのバルクから移動され、次いでこれが電池の充電(及びその後の放電)に影響を与える可能性がある。したがって、電池に組み込まれた電気化学サイクル中の容積変化による悪影響を軽減するカソード材料が必要である。 Certain batteries use cathodes that undergo large volume changes during electrochemical cycling. For example, batteries that use electrochemically active conversion materials in the cathode experience cathode expansion and contraction as the conversion material transforms from one form to another. A specific example of such a battery is a lithium-sulfur battery, in which the conversion between sulfur and lithium sulfide causes large volume changes in the cathode. The conversion to Li2S can result in significant volume expansion. Such expansion can adversely affect battery performance. For example, the expansion can displace electrolyte from the bulk of the cathode, which in turn can affect the charging (and subsequent discharging) of the battery. Therefore, a cathode material that mitigates the adverse effects of volume changes during electrochemical cycling is needed for batteries.
カソードに電気化学的に活性な変換材料を使用する特定の電池化学物質に存在する可能性があるもう1つの問題は、電気化学サイクル中に不溶性生成物が形成されることである。このような生成物は、多くの場合、カソードの表面(複数可)、例えばカソードとセパレータの界面に堆積する。このような表面(複数可)へのこのような生成物の堆積により、カソードのバルクへの物質輸送が減少する。それによって、その後の電気化学サイクル中に容量が望ましくないほど減少する可能性がある。したがって、今後の電気化学サイクルにおける不溶性生成物の制御されていない堆積の悪影響を軽減するカソード材料も必要とされている。 Another problem that can exist with certain battery chemistries that utilize electrochemically active conversion materials in the cathode is the formation of insoluble products during electrochemical cycling. Such products often deposit on the surface(s) of the cathode, for example, at the cathode-separator interface. The deposition of such products on such surface(s) reduces mass transport into the bulk of the cathode, which can result in undesirable capacity reductions during subsequent electrochemical cycling. Therefore, there is also a need for cathode materials that mitigate the adverse effects of uncontrolled deposition of insoluble products on subsequent electrochemical cycling.
本開示は、三次元構造化カソード(略して「構造化カソード」)を使用することにより、電気化学サイクル中の容積変化及び/または不溶性生成物の形成によって引き起こされる問題に対処する。構造化カソードには、フィルム内に延びる凹部を備えたパターン形成された表面を有するカソードフィルムが含まれる場合がある。特定の実施形態では、構造化カソードには電気化学的に活性な変換材料(「構造化変換カソード」と呼ばれる)が含まれる。異なる化学特性を持つ様々な電気化学セルでは、異なる構造化カソードが使用されてもよい。いくつかの実施形態では、構造化変換カソードがリチウム硫黄電池に使用される。硫黄は一般的な電気化学的に活性な変換材料であるが、他のカルコゲニド(例えばSeやTe)などの他の材料も使用できる。 The present disclosure addresses problems caused by volume changes and/or insoluble product formation during electrochemical cycling through the use of three-dimensional structured cathodes (or "structured cathodes" for short). Structured cathodes may include cathode films having a patterned surface with recesses extending into the film. In certain embodiments, the structured cathode includes an electrochemically active conversion material (referred to as a "structured conversion cathode"). Different structured cathodes may be used in various electrochemical cells with different chemistries. In some embodiments, structured conversion cathodes are used in lithium-sulfur batteries. While sulfur is a common electrochemically active conversion material, other materials, such as other chalcogenides (e.g., Se and Te), can also be used.
構造化カソードは、カソードフィルムを提供(例えば、形成)し、次いで、カソードフィルムの表面にパターン形成して、穴及び/または溝などの凹部を得ることによって形成することができる。例えば、カソードフィルムを基板(例えば、集電体)上に堆積し、その後パターン形成することができる。凹部はフィルムの一部のみに延びる場合もあれば、フィルム全体にわたって延びる場合もある。凹部は相互に連結されている場合も、別々になっている場合もある。凹部は、パターン形成された表面全体に規則的または不規則に配置することができる。凹部は、電池内の電解質で少なくとも部分的に満たされていてもよい。カソードフィルムは、パターン形成する前にカレンダー加工されてもよい。このようなステップの順序付けにより、カレンダー加工によって意図した凹部(例えば、その形態)が望ましくないほど変化したり破壊されたりする可能性がある逆の順序付けと比較して、最終的なカソードフィルム構造が改善される可能性がある。特定の実施形態では、パターン形成は、カソードフィルムから材料を除去することによって達成される。レーザーアブレーションは、正確なレーザー配置、スポットサイズ、露光時間などを使用して高度に制御できるため、材料を除去するのに特に便利なプロセスである。さらに、レーザーアブレーションは、ロールツーロールプロセスなどのカソード製造プロセスに容易に統合できる。特にリチウム硫黄電池などの特定の電池技術の競争力にとって、コストは非常に重要な考慮事項である。リチウム硫黄電池の材料コストが低いため、レーザーアブレーションによる追加費用を正当化できる。いくつかの実施形態では、レーザーアブレーション自体は、既存の製造プロセスに容易に統合できるため、低コストである。したがって、電池用のコスト的に実現可能な構造化変換カソードを実現され得る。レーザーアブレーションを実行するためにパルスレーザーが使用されてもよい。いくつかの実施形態では、パターン形成された圧縮または他のデボス加工プロセスを実行して、カソードフィルムに凹部を形成する。 A structured cathode can be formed by providing (e.g., forming) a cathode film and then patterning the surface of the cathode film to obtain recesses, such as holes and/or grooves. For example, the cathode film can be deposited on a substrate (e.g., a current collector) and then patterned. The recesses can extend only partially through the film or can extend throughout the entire film. The recesses can be interconnected or separate. The recesses can be regularly or irregularly distributed across the patterned surface. The recesses can be at least partially filled with the electrolyte in the battery. The cathode film can be calendered before patterning. This ordering of steps can improve the final cathode film structure compared to the reverse ordering, where calendering can undesirably alter or destroy the intended recesses (e.g., their morphology). In certain embodiments, patterning is achieved by removing material from the cathode film. Laser ablation is a particularly convenient process for removing material because it allows for a high degree of control using precise laser placement, spot size, exposure time, etc. Furthermore, laser ablation can be easily integrated into cathode manufacturing processes, such as roll-to-roll processes. Cost is a critical consideration, especially for the competitiveness of certain battery technologies, such as lithium-sulfur batteries. The low material cost of lithium-sulfur batteries justifies the additional expense of laser ablation. In some embodiments, laser ablation itself is low cost because it can be easily integrated into existing manufacturing processes. Thus, cost-viable structured conversion cathodes for batteries can be realized. A pulsed laser may be used to perform the laser ablation. In some embodiments, a patterned compression or other debossing process is performed to form recesses in the cathode film.
非構造化変換カソードは、セルの電気化学サイクル中に大幅に膨張することができる(例えば、リチウム硫黄電池のLi2Sへの変換)。特に、膨張により細孔容積が減少し、それに応じて電解質が細孔容積から移動され得る。一部のセルでは、電解質がセルスタックから、または空隙容積内に移動され、カソード容積が減少した場合でも(例えば、Li2Sなどの1つ以上の硫化リチウムがSに戻る場合)、セルの充電時に電解質を多孔性に戻すことが困難になる場合がある。パターン形成されたカソード表面の凹部は、電解質の局所的な貯蔵場所を提供することができる。電解質は、カソードの膨張中にそのような貯蔵場所に容易に移動することができ、カソードの容積が減少するにつれて、より簡単にカソードのバルク内に戻ることができる。 Unstructured conversion cathodes can expand significantly during electrochemical cycling of the cell (e.g., conversion to Li2S in a lithium-sulfur battery). In particular, the expansion reduces the pore volume, and electrolyte can be displaced from the pore volume accordingly. In some cells, even if the electrolyte is displaced from the cell stack or into the void volume and the cathode volume is reduced (e.g., if one or more lithium sulfides, such as Li2S, revert to S), it can be difficult to return the electrolyte to the porosity upon charging the cell. The recesses in the patterned cathode surface can provide localized reservoirs of electrolyte. The electrolyte can easily migrate to such reservoirs during cathode expansion and can more easily return to the bulk of the cathode as the cathode volume decreases.
加えて、または代替的に、パターン形成されたカソード表面の凹部により、カソードのバルク内外への電気活性種(例えば、Li+)の物質輸送距離を短くすることができる。特定の理論に縛られる意図ではないが、物質輸送距離を短縮することで、カソード内の利用可能なイオン貯蔵容量をより有効な活用を実現することができる。非構造化カソードでは、物質輸送は主にフィルムの厚さによって決まる。構造化カソードでは、凹部がカソードフィルム内に延びているため、凹部によってフィルムのバルクへの輸送距離が短くなる。カソードフィルムのパターン形成された表面の凹部は、電気化学サイクル中にカソードフィルムへの、及び/またはカソードフィルムからのイオン輸送(例えば、リチウムイオン輸送)の速度及び/または程度の増加につながる可能性がある。 Additionally or alternatively, recesses in the patterned cathode surface can shorten the mass transport distance of electroactive species (e.g., Li + ) into and out of the bulk of the cathode. Without intending to be bound by any particular theory, shortening the mass transport distance can enable more effective utilization of the available ion storage capacity within the cathode. In unstructured cathodes, mass transport is primarily determined by the film thickness. In structured cathodes, the recesses extend into the cathode film, thereby shortening the transport distance into the bulk of the film. The recesses in the patterned surface of the cathode film can lead to an increased rate and/or extent of ion transport (e.g., lithium ion transport) into and/or out of the cathode film during electrochemical cycling.
加えて、または代替的に、電気化学セルは、セルの電気化学サイクル中に不溶性生成物(例えば、非平衡生成物)が形成されるように構成されてもよい。このような生成物は、電気化学セル内のカソードとセパレータの界面で形成され、及び/またはカソードとセパレータの界面に輸送され得る。非構造化カソードでは、カソード内部表面全体(例えば、集電体と接触していない表面)にわたってカソードのバルクとの間の輸送を阻害する層が形成され得る。構造化カソードの凹部により、不溶性生成物のない領域、または不溶性生成物の濃度が低下した領域が提供され得る。したがって、凹部ではないパターン形成された表面の最上部を通る輸送は不溶性の生成物層の形成によって妨げられる可能性があるが、凹部を通る輸送はより速い速度で起こるか、または衰えることなく起こる可能性がある。 Additionally or alternatively, the electrochemical cell may be configured to form insoluble products (e.g., non-equilibrium products) during electrochemical cycling of the cell. Such products may form at and/or be transported to the cathode-separator interface within the electrochemical cell. In an unstructured cathode, a layer may form across the entire interior surface of the cathode (e.g., the surface not in contact with the current collector) that inhibits transport to and from the bulk of the cathode. The recesses in a structured cathode may provide regions free of insoluble products or regions with reduced concentrations of insoluble products. Thus, while transport through the top of a non-recessed, patterned surface may be hindered by the formation of an insoluble product layer, transport through the recesses may occur at a faster rate or unabated.
加えて、または代替的に、パターン形成されたカソードフィルムを使用すると、固体電解質と、ポリマー電解質、ゲル電解質、または液体電解質との両方の利点を活用できる、改良された混合電解質システムが可能になる。例えば、固体電解質を構造化カソード上に直接配置することができる。構造化カソードの凹部により、構造化カソードの表面の最上部が固体電解質と接触している場合でも、ポリマー、ゲル、または液体電解質用の容積が依然として存在する。このようにして、電気化学セルは、固体電解質(例:リチウム硫黄電池における多硫化物のシャトリングの低減)とポリマー、ゲル、または液体電解質(例:反応速度の高速化)の両方の利点を実現できる。 Additionally or alternatively, the use of patterned cathode films enables improved mixed electrolyte systems that can leverage the benefits of both solid-state and polymer, gel, or liquid electrolytes. For example, a solid electrolyte can be placed directly on the structured cathode. Due to the recesses in the structured cathode, even when the top surface of the structured cathode is in contact with the solid electrolyte, there is still volume for the polymer, gel, or liquid electrolyte. In this way, electrochemical cells can realize the benefits of both solid-state electrolytes (e.g., reduced polysulfide shuttling in lithium-sulfur batteries) and polymer, gel, or liquid electrolytes (e.g., faster reaction rates).
本明細書に開示されるリチウム硫黄電池用の構造化カソードの利点には、代替的または追加的に、(i)非平衡酸化還元反応により有害な電力減衰を緩和しながらの、カソードの屈曲度を減らすことによるサイクル中の多硫化物の可逆的な輸送の改善、(ii)硫黄が硫化リチウムに変換されてその過程で多孔性に広がるのにつれて、電解質がカソードの多孔性から押し出されることによる電解質管理の改善、(iii)戦略的に成形及び配置されたパターン形成された構造(例えば、レーザー切除された構造)(例えば、微細構造)からの電解質輸送が改善された、高度にカレンダー加工されたカソードによって可能になる低いE/S比を使用することで達成される高い容積容量、が含まれる。本開示により、高い硫黄利用率と高いエネルギーの両方の設計要件(広い内部表面積、低い屈曲度、超低E/S比に適合する多孔性、及び変換時の硫黄膨張による電解質の移動)のバランスが取れたリチウム硫黄電池用の調整されたカソードが可能になる。当業者であれば、ナトリウム硫黄電池など(ただし、これに限定されない)他の電池化学物質でも、同様または同一の利点が得られることを理解するであろう。 Advantages of the structured cathode for lithium-sulfur batteries disclosed herein alternatively or additionally include: (i) improved reversible polysulfide transport during cycling by reducing cathode tortuosity while mitigating detrimental power decay due to non-equilibrium redox reactions; (ii) improved electrolyte management by extruding electrolyte from the cathode porosity as sulfur converts to lithium sulfide, expanding the porosity in the process; and (iii) high volumetric capacity achieved by using a low E/S ratio enabled by a highly calendered cathode with improved electrolyte transport from strategically shaped and placed patterned structures (e.g., laser ablated structures) (e.g., microstructures). The present disclosure enables tailored cathodes for lithium-sulfur batteries that balance the design requirements of both high sulfur utilization and high energy (high internal surface area, low tortuosity, porosity compatible with ultra-low E/S ratios, and electrolyte migration due to sulfur expansion during conversion). Those skilled in the art will appreciate that other battery chemistries, such as, but not limited to, sodium-sulfur batteries, may provide similar or identical benefits.
いくつかの実施形態では、本明細書に開示された構造化カソードを使用して、以下の性能指標の1つ以上を達成する電池を構築することができる:(i)少なくとも550の重量エネルギー密度(Wh/kg)、(ii)少なくとも900の容積エネルギー密度(Wh/L)、(iii)少なくとも1.3の充電電力/許容度(kW/kg)、(iv)0.4以下の℃あたりの性能損失(%、≦30℃から-20℃)、(v)少なくとも750の初期容量の少なくとも90%(80%充電状態(SOC)スイング)でのサイクル寿命、(vi)60以下のセルコスト目標($/kWh)。いくつかの実施形態では、これらの性能指標の1つ以上を達成するために、構造化カソードを単に使用する以上の追加技術が利用される。例えば、スパッタリング/蒸着LLZO2のような薄膜固体セパレータ技術(SwRI)、Liめっき速度を高め、樹脂状結晶を防ぎ、化学的安定性を確保する原子層堆積(ALD)コーティング、及び/または構造化カソードとLiアノードの固体保護の統合などが使用される場合がある。 In some embodiments, the structured cathodes disclosed herein can be used to construct batteries that achieve one or more of the following performance metrics: (i) gravimetric energy density (Wh/kg) of at least 550, (ii) volumetric energy density (Wh/L) of at least 900, (iii) charge power/tolerance (kW/kg) of at least 1.3, (iv) performance loss per °C (%, ≦30°C to -20°C) of 0.4 or less, (v) cycle life at at least 90% of initial capacity (80% state of charge (SOC) swing) of at least 750, and (vi) cell cost target ($/kWh) of 60 or less. In some embodiments, additional techniques beyond simply using a structured cathode are utilized to achieve one or more of these performance metrics. For example, thin film solid separator technologies (SwRI) such as sputtered/evaporated LLZO2, atomic layer deposition (ALD) coatings to enhance Li plating rates, prevent dendrites, and ensure chemical stability, and/or integration of a structured cathode and solid protection for the Li anode may be used.
いくつかの態様において、本開示は、二次リチウム電池(例えば、リチウム硫黄電池)用の電極を提供し、この電極は、電気化学的に活性な材料を含むフィルムを含む。このフィルムは、基板(例えば、集電体)と接触する第1の表面と、第1の表面の反対側(例えば、基板と接触しない側)のパターン形成された第2の表面とを有していてもよい。パターン形成された第2の表面は、基板に向かって(例えば、第1の表面に対して実質的に垂直な方向で)フィルム内に延びる凹部を含む。いくつかの実施形態では、電極はカソードである。いくつかの実施形態では、電気化学的に活性な材料は、電気化学的に活性な変換材料である。 In some aspects, the present disclosure provides an electrode for a secondary lithium battery (e.g., a lithium-sulfur battery), the electrode comprising a film including an electrochemically active material. The film may have a first surface in contact with a substrate (e.g., a current collector) and a patterned second surface opposite the first surface (e.g., the side not in contact with the substrate). The patterned second surface includes recesses extending into the film toward the substrate (e.g., in a direction substantially perpendicular to the first surface). In some embodiments, the electrode is a cathode. In some embodiments, the electrochemically active material is an electrochemically active conversion material.
いくつかの実施形態では、フィルムのパターン形成された第2の表面は、凹部の繰り返し幾何学パターンを有する。例えば、繰り返される幾何学パターンは六角形のグリッドに一致してもよい。別の例として、繰り返しの幾何学的パターンは、等角グリッドまたは正方グリッドに一致してもよい。 In some embodiments, the patterned second surface of the film has a repeating geometric pattern of recesses. For example, the repeating geometric pattern may correspond to a hexagonal grid. As another example, the repeating geometric pattern may correspond to an equiangular grid or a square grid.
いくつかの実施形態では、凹部の少なくとも一部は、第2の表面にわたって相互接続されてもよい(例えば、第2の表面の範囲にわたって凹部のネットワークを形成する)。フィルムの第2の表面の凹部は穴を含んでもよい。いくつかの実施形態では、穴は断面が実質的に円形であってもよい。 In some embodiments, at least a portion of the recesses may be interconnected across the second surface (e.g., forming a network of recesses across the extent of the second surface). The recesses in the second surface of the film may comprise holes. In some embodiments, the holes may be substantially circular in cross section.
いくつかの実施形態では、穴の直径は、少なくとも20nmであり、500μm以下(例えば、20nm~50μm、20nm~100μm、20nm~200μm、20nm~300μm、100nm~100μm、100nm~200μm、1μm~100μm、1μm~200μm、10μm~100μm、10μm~200μm、50μm~100μm、50μm~200μm、または100μm~200μm)であってもよい。穴の直径は、穴を形成するために使用されるレーザーの解像度の限界に対応することができる。 In some embodiments, the diameter of the holes may be at least 20 nm and no greater than 500 μm (e.g., 20 nm to 50 μm, 20 nm to 100 μm, 20 nm to 200 μm, 20 nm to 300 μm, 100 nm to 100 μm, 100 nm to 200 μm, 1 μm to 100 μm, 1 μm to 200 μm, 10 μm to 100 μm, 10 μm to 200 μm, 50 μm to 100 μm, 50 μm to 200 μm, or 100 μm to 200 μm). The diameter of the holes may correspond to the resolution limit of the laser used to form the holes.
いくつかの実施形態では、穴はそれぞれ、電極フィルムの厚さの少なくとも25%の深さ(例えば、電極フィルムの厚さの少なくとも50%、少なくとも75%、少なくとも80%、または少なくとも90%の深さ)を有してもよいし、穴が第2の表面から第1の表面までフィルムを完全に貫通して延びてもよい。 In some embodiments, each hole may have a depth of at least 25% of the thickness of the electrode film (e.g., a depth of at least 50%, at least 75%, at least 80%, or at least 90% of the thickness of the electrode film), and the holes may extend completely through the film from the second surface to the first surface.
加えて、または代替的に、いくつかの実施形態では、本開示の電極の凹部は溝を備えていてもよく、溝は第2の表面にわたる幅及び長さを有していてもよい。例えば、幅は長さよりも小さくてもよい。いくつかの実施形態では、幅は、少なくとも20nmであり、500μm以下(例えば、20nm~50μm、20nm~100μm、20nm~200μm、20nm~300μm、100nm~100μm、100nm~200μm、1μm~100μm、1μm~200μm、10μm~100μm、10μm~200μm、50μm~100μm、50μm~200μm、または100μm~200μm)である。溝の幅は、溝を形成するために使用されるレーザーの解像度の限界に対応することができる。 Additionally or alternatively, in some embodiments, the recesses of the electrodes of the present disclosure may comprise grooves, and the grooves may have a width and a length across the second surface. For example, the width may be less than the length. In some embodiments, the width is at least 20 nm and no greater than 500 μm (e.g., 20 nm to 50 μm, 20 nm to 100 μm, 20 nm to 200 μm, 20 nm to 300 μm, 100 nm to 100 μm, 100 nm to 200 μm, 1 μm to 100 μm, 1 μm to 200 μm, 10 μm to 100 μm, 10 μm to 200 μm, 50 μm to 100 μm, 50 μm to 200 μm, or 100 μm to 200 μm). The width of the grooves may correspond to the resolution limit of the laser used to form the grooves.
溝は、カソードフィルムの厚さの少なくとも25%の深さ(例えば、カソードフィルムの厚さの少なくとも50%、少なくとも75%、少なくとも80%、または少なくとも90%の深さ)を有してもよく、または溝が第2の表面から第1の表面までフィルムを完全に貫通して延びてもよい。 The grooves may have a depth of at least 25% of the thickness of the cathode film (e.g., a depth of at least 50%, at least 75%, at least 80%, or at least 90% of the thickness of the cathode film), or the grooves may extend completely through the film from the second surface to the first surface.
いくつかの実施形態では、凹部は少なくとも部分的に電解質で満たされていてもよい。例えば、電解質はポリマーを含んでもよい。場合によっては、電解質は液体であってもよく、固体であってもよい。 In some embodiments, the recess may be at least partially filled with an electrolyte. For example, the electrolyte may include a polymer. In some cases, the electrolyte may be a liquid or a solid.
いくつかの実施形態では、本開示の電極の凹部は、フィルムの第2の表面にわたって規則的なパターンで分散されてもよい。例えば、凹部は、フィルム内のどの点も、凹部の少なくとも1つの少なくとも1つの端から500μm以下(例えば、200μm以下、100μm以下、50μm以下、25μm以下、または20μm以下)であるように、第2の表面全体に分散されてもよい。 In some embodiments, the recesses in an electrode of the present disclosure may be distributed in a regular pattern across the second surface of the film. For example, the recesses may be distributed across the second surface such that no point in the film is 500 μm or less (e.g., 200 μm or less, 100 μm or less, 50 μm or less, 25 μm or less, or 20 μm or less) from at least one edge of at least one of the recesses.
加えて、または代替的に、凹部は、フィルム内のどの点も、凹部の最も近い点からフィルムの最大厚さの3倍以下(例えば、2倍以下または1.5倍以下)の距離内にあるように、第2の表面全体に分散されてもよい。いくつかの実施形態では、距離はフィルムの最大厚さ以下である。 Additionally or alternatively, the recesses may be dispersed across the second surface such that any point in the film is within a distance of no more than 3 times (e.g., no more than 2 times or no more than 1.5 times) the maximum thickness of the film from the nearest point of a recess. In some embodiments, the distance is no more than the maximum thickness of the film.
いくつかの実施形態では、開示された電極の凹部は、第2の表面の最上部と一致する平面と第1の表面との間に含まれる総容積の少なくとも5%(例えば、少なくとも10%、少なくとも15%、少なくとも20%、少なくとも25%、少なくとも33%、または少なくとも50%)に相当することができる。 In some embodiments, the recess of the disclosed electrode can represent at least 5% (e.g., at least 10%, at least 15%, at least 20%, at least 25%, at least 33%, or at least 50%) of the total volume contained between the plane coincident with the top of the second surface and the first surface.
場合によっては、凹部の表面(例えば、凹部によって画定される第2の表面の一部)は、フィルム内のバルク電極の組成とは異なる組成を有する固体材料でコーティングされ得る。例えば、凹部の表面は、固体エピタキシャル材料(例えば、凹部の形成後に原子層堆積によって形成される)でコーティングされてもよい。 In some cases, the surface of the recess (e.g., the portion of the second surface defined by the recess) may be coated with a solid material having a composition different from the composition of the bulk electrode in the film. For example, the surface of the recess may be coated with a solid epitaxial material (e.g., formed by atomic layer deposition after formation of the recess).
いくつかの実施形態では、凹部の少なくとも一部(例えば、すべて)がフィルムを完全に貫通して延びている。いくつかの実施形態では、凹部の少なくとも一部(例えば、すべて)がフィルムを完全に貫通して延びていない。 In some embodiments, at least some (e.g., all) of the recesses extend completely through the film. In some embodiments, at least some (e.g., all) of the recesses do not extend completely through the film.
いくつかの実施形態では、開示された電極のフィルムは第1のフィルムであり、電極は、第1のフィルムの反対側の基板の側に配置された第2のフィルムをさらに含む。 In some embodiments, the film of the disclosed electrode is a first film, and the electrode further includes a second film disposed on the side of the substrate opposite the first film.
いくつかの実施形態では、第2のフィルムは、第2のフィルム内に延びる凹部を含むパターン形成された第2の表面と、第2の表面に対向する第1の表面とを有し、第2のフィルムの第1の表面は基板と接触している。いくつかの実施形態では、基板は多孔質であってもよい。第1のフィルムの凹部は、第1のフィルム全体を貫通して延び、基板の細孔と交差してもよい。代替的にまたは追加的に、基板内の細孔は基板全体を貫通して延びている(例えば、それによって電極全体を貫通する細孔が画定される)。 In some embodiments, the second film has a patterned second surface including recesses extending into the second film and a first surface opposite the second surface, with the first surface of the second film in contact with the substrate. In some embodiments, the substrate may be porous. The recesses in the first film may extend entirely through the first film and intersect with pores in the substrate. Alternatively or additionally, the pores in the substrate may extend entirely through the substrate (e.g., thereby defining pores that extend entirely through the electrode).
本開示の電極のいくつかの実施形態では、フィルムの第2の表面が、フィルムが基板に適用された後にパターン形成されてもよい。例えば、湿ったスラリーを基板に塗布し、その後パターン形成前にスラリーを乾燥させることによってフィルムを製造してもよい。 In some embodiments of the electrodes of the present disclosure, the second surface of the film may be patterned after the film is applied to a substrate. For example, the film may be produced by applying a wet slurry to a substrate and then allowing the slurry to dry before patterning.
いくつかの実施形態では、第2の表面にパターン形成する前にフィルムをカレンダー加工してもよい。 In some embodiments, the film may be calendered before patterning the second surface.
いくつかの実施形態では、本開示の電極の第2の表面は、レーザーアブレーションによってパターン形成されてもよい。 In some embodiments, the second surface of an electrode of the present disclosure may be patterned by laser ablation.
例えば、レーザーアブレーションは、パルスレーザーを使用して第2の表面にパターン形成することができる。いくつかの実施形態では、パルスレーザーは、1000フェムト秒未満(例えば、500、400、300、200、150、100、50、25、15、10、5、4、3、2、または1フェムト秒未満)の持続時間のパルスを照射することができる。 For example, laser ablation can be patterned on the second surface using a pulsed laser. In some embodiments, the pulsed laser can emit pulses with durations of less than 1000 femtoseconds (e.g., less than 500, 400, 300, 200, 150, 100, 50, 25, 15, 10, 5, 4, 3, 2, or 1 femtosecond).
いくつかの実施形態では、開示された電極のフィルムは多孔質であってもよい[例えば、個々の構造(例えば、粒子)(例えば、ナノ粒子)(例えば、コアシェル粒子またはヨークシェル粒子)の多孔質集合体である]。 In some embodiments, the disclosed electrode films may be porous (e.g., a porous collection of individual structures (e.g., particles) (e.g., nanoparticles) (e.g., core-shell particles or yolk-shell particles)).
いくつかの本開示の電極では、電気化学的に活性な材料(例えば、電気化学的に活性な変換材料)が、(i)元素硫黄(例えば、S8環状八原子分子形態)、(ii)硫化リチウムの形態の硫黄(例えば、Li2S2及び/またはLi2S)、(iii)電気化学的に活性な有機硫黄化合物の形態の硫黄、(iv)電気化学的に活性な硫黄含有ポリマーの形態の硫黄、または(v)(i)~(iv)のうち2つ以上を組み合わせたもの、を含む。 In some electrodes of the present disclosure, the electrochemically active material (e.g., electrochemically active conversion material) comprises (i) elemental sulfur (e.g., in the form of an octacyclic S8 molecule), (ii) sulfur in the form of lithium sulfide (e.g., Li2S2 and/or Li2S ), (iii) sulfur in the form of an electrochemically active organosulfur compound, (iv) sulfur in the form of an electrochemically active sulfur-containing polymer, or (v) a combination of two or more of (i)-(iv).
加えて、または代替的に、開示された電極フィルムは、1つ以上の金属硫化物をさらに含んでもよい。例えば、1つ以上の金属硫化物のうちの少なくとも1つは、インターカレーション電気化学的に活性な材料であってもよい。 Additionally or alternatively, the disclosed electrode films may further include one or more metal sulfides. For example, at least one of the one or more metal sulfides may be an intercalation electrochemically active material.
代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、開示された電極は導電性添加剤(例えば、導電性炭素)をさらに含んでもよい。 Alternatively or additionally, in some embodiments, the disclosed electrodes may further include a conductive additive (e.g., conductive carbon).
代替的にまたは追加的に、開示された電極は、ポリマー結合剤をさらに含んでもよい。 Alternatively or additionally, the disclosed electrodes may further include a polymer binder.
いくつかの実施形態では、開示された電極は、実質的に炭素を含まなくてもよい(例えば、炭素含有量が10重量%以下、炭素含有量が5重量%以下、炭素含有量が2重量%以下、または炭素含有量が1重量%以下)。 In some embodiments, the disclosed electrodes may be substantially free of carbon (e.g., carbon content of 10% by weight or less, carbon content of 5% by weight or less, carbon content of 2% by weight or less, or carbon content of 1% by weight or less).
いくつかの実施形態では、本開示の電極は、(i)凹部のないそれ以外は同等のカソードにおける電気化学的に活性な物質への平均物質輸送経路よりも短い、電気化学的に活性な物質(例えば、電気化学的に活性な変換物質)への平均物質輸送経路、(ii)凹部のない、それ以外は同等の電極の屈曲度と比較して減少している、電極の屈曲度、または(iii)(i)と(ii)の両方、を提供することができる。 In some embodiments, electrodes of the present disclosure can provide (i) an average mass transport path to an electrochemically active material (e.g., an electrochemically active conversion material) that is shorter than the average mass transport path to the electrochemically active material in an otherwise equivalent cathode without recesses, (ii) a degree of electrode tortuosity that is reduced compared to the degree of tortuosity of an otherwise equivalent electrode without recesses, or (iii) both (i) and (ii).
加えて、または代替的に、本開示の電極は、(i)同じ電流密度で凹部のない、それ以外は同等のカソードの容量よりも大きい電極の容量、(ii)高い容積容量を有する電極、または(iii)(i)と(ii)の両方、を提供することができる。 Additionally or alternatively, the electrodes of the present disclosure can provide (i) an electrode capacity greater than the capacity of an otherwise equivalent cathode without recesses at the same current density, (ii) an electrode with a high volumetric capacity, or (iii) both (i) and (ii).
いくつかの実施形態では、本開示は、本明細書に開示される例示的な電極を含む二次電池(例えば、リチウム硫黄)を提供する。 In some embodiments, the present disclosure provides secondary batteries (e.g., lithium-sulfur) including the exemplary electrodes disclosed herein.
いくつかの実施形態では、本開示の電池は、開示されている電極のフィルム内に配置された電解質をさらに含むことができ、凹部は、電池の電気化学サイクル中にフィルムのバルクから移動された電解質の一部のための局所的な貯蔵庫である。 In some embodiments, the disclosed battery can further include an electrolyte disposed within the film of the disclosed electrode, with the recesses being a local reservoir for a portion of the electrolyte displaced from the bulk of the film during electrochemical cycling of the battery.
加えて、または代替的に、開示された電池は、開示された電極の凹部を少なくとも部分的に満たす液体電解質をさらに含んでもよい(例えば、液体電解質は、凹部ではない第2の表面にも直接接触する)。例えば、いくつかの実施形態では、二次電池は、凹部を少なくとも部分的に満たす固体、ポリマー、またはゲル電解質(例えば、ポリマーゲル電解質)をさらに含んでもよい。 Additionally or alternatively, the disclosed batteries may further include a liquid electrolyte that at least partially fills the recesses of the disclosed electrodes (e.g., the liquid electrolyte also directly contacts the second surface that is not the recesses). For example, in some embodiments, the secondary batteries may further include a solid, polymer, or gel electrolyte (e.g., a polymer gel electrolyte) that at least partially fills the recesses.
いくつかの実施形態では、二次電池は、固体、ポリマー、またはゲル電解質と接触する液体電解質をさらに含んでもよい(例えば、液体電解質は開示された電極の凹部内に配置され、固体、ポリマー、またはゲル電解質は第2の表面と直接接触する)。 In some embodiments, the secondary battery may further include a liquid electrolyte in contact with the solid, polymer, or gel electrolyte (e.g., the liquid electrolyte is disposed within a recess in the disclosed electrode and the solid, polymer, or gel electrolyte is in direct contact with the second surface).
加えて、または代替的に、二次電池は、非導電性セパレータをさらに含んでもよく、開示された電極のフィルムの第2の表面は、非導電性セパレータと接触している(例えば、第2の表面の凹部でない部分で)[例えば、それによってセパレータと電極の界面が画定され、非平衡不溶性生成物は、セパレータと電極の界面のフィルムの表面上に凹部におけるよりも高い濃度で配置(例えば、沈殿)される]。 Additionally or alternatively, the secondary battery may further include a non-conductive separator, wherein the second surface of the film of the disclosed electrode is in contact with the non-conductive separator (e.g., at a portion of the second surface that is not in the recess) [e.g., thereby defining an interface between the separator and the electrode, and wherein the non-equilibrium insoluble product is disposed (e.g., precipitated) in a higher concentration on the surface of the film at the interface between the separator and the electrode than in the recess].
本開示の二次電池は、固体電解質をさらに含むことができ、開示される電極のフィルムの第2の表面は、固体電解質と(例えば、第2の表面の凹部でない部分で)接触している。 The secondary battery of the present disclosure may further include a solid electrolyte, and the second surface of the film of the disclosed electrode is in contact with the solid electrolyte (e.g., at a portion of the second surface that is not in the recess).
加えて、または代替的に、開示された二次電池は、保護されたリチウムアノードをさらに備えていてもよく、開示された電極のフィルムの第2の表面(例えば、変換カソード)は、保護されたリチウムアノードと接触している。 Additionally or alternatively, the disclosed secondary battery may further include a protected lithium anode, with the second surface (e.g., conversion cathode) of the disclosed electrode film being in contact with the protected lithium anode.
いくつかの実施形態では、本開示の二次電池は、アノードフリー構成を有していてもよい(例えば、電池は集電体を備え、第1の電気化学サイクル中にリチウムが集電体上に堆積する)。 In some embodiments, the secondary batteries of the present disclosure may have an anode-free configuration (e.g., the battery includes a current collector and lithium is deposited on the current collector during the first electrochemical cycle).
いくつかの実施形態では、本開示の二次電池の電解質には、スルホンアミド塩(例えば、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI))が含まれなくてもよい。 In some embodiments, the electrolyte of the secondary battery of the present disclosure may not include a sulfonamide salt (e.g., lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI)).
いくつかの実施形態では、開示された二次電池は、電解質対硫黄(E/S)比が低いものであり得る。 In some embodiments, the disclosed secondary batteries may have a low electrolyte-to-sulfur (E/S) ratio.
いくつかの実施形態では、本開示は、本明細書に開示された電極(例えば、変換カソード)及び電解質を含む、本明細書に開示された二次電池(例えば、リチウム硫黄電池)を動作させる方法を提供し、この方法は、電解質の一部がフィルムのバルクから凹部に移動するように、電池の電気化学的サイクル中(例えば、電池の放電中)に、開示された電極のフィルムを膨張させること[例えば、フィルム内に組み立てられた個々の構造(例えば、粒子)の膨張による](例えば、フィルムの多孔性の減少による)を含む。 In some embodiments, the present disclosure provides a method of operating a secondary battery (e.g., a lithium-sulfur battery) disclosed herein, comprising an electrode (e.g., a conversion cathode) and an electrolyte disclosed herein, the method comprising expanding a film of the disclosed electrode (e.g., by expanding individual structures (e.g., particles) assembled within the film) (e.g., by reducing the porosity of the film) during an electrochemical cycle of the battery (e.g., during discharge of the battery) such that a portion of the electrolyte migrates from the bulk of the film to the recesses.
いくつかの実施形態では、開示された動作方法は、電池のさらなる電気化学サイクル中(例えば、電池の充電中)に(例えば、フィルムの収縮により)、電解質の一部をフィルムのバルクに戻すことをさらに含み得る。 In some embodiments, the disclosed operating methods may further include returning a portion of the electrolyte to the bulk of the film (e.g., by shrinkage of the film) during further electrochemical cycling of the battery (e.g., during charging of the battery).
いくつかの実施形態では、動作方法の電池は、開示された電極(例えば、カソード)のフィルムの第2の表面と接触するセパレータをさらに含み、それによってセパレータと電極の界面を画定することができ、方法は、電気化学サイクル中に非平衡不溶性生成物を形成し、セパレータと電極の界面のフィルムの表面上に非平衡不溶性生成物を配置(例えば、沈殿)することを含む。 In some embodiments, the battery of the method of operation can further include a separator in contact with the second surface of the film of the disclosed electrode (e.g., cathode), thereby defining a separator-electrode interface, and the method includes forming a non-equilibrium insoluble product during electrochemical cycling and disposing (e.g., precipitating) the non-equilibrium insoluble product on the surface of the film at the separator-electrode interface.
いくつかの実施形態では、開示された動作方法は、非平衡不溶性生成物が凹部に配置される濃度よりも高い濃度で、非平衡不溶性生成物がセパレータと電極の界面の開示された電極のフィルムの表面上に配置されることを含み得る。 In some embodiments, the disclosed method of operation may include disposing the non-equilibrium insoluble product on the surface of the film of the disclosed electrode at the separator-electrode interface at a concentration greater than the concentration at which the non-equilibrium insoluble product is disposed in the recess.
いくつかの実施形態では、開示された動作方法は、非平衡不溶性生成物が凹部に配置されないことを含み得る。 In some embodiments, the disclosed method of operation may include not disposing non-equilibrium insoluble products in the recesses.
いくつかの実施形態では、開示された動作方法は、電気化学サイクル中に凹部を介してリチウム(例えば、多硫化物の形態)を電極(例えば、変換カソード)に可逆的に輸送することを含み得る。 In some embodiments, the disclosed method of operation may include reversibly transporting lithium (e.g., in the form of polysulfides) through the recesses to an electrode (e.g., a conversion cathode) during electrochemical cycling.
加えて、または代替的に、本明細書に開示された動作方法は、凹部を介してリチウムを電極(例えば、変換カソード)に輸送することが、非平衡不溶性生成物が配置された表面を介してリチウムを輸送することが同時に起こる速度及び/または程度よりも高い速度及び/またはより大きな程度(例えば、輸送されるリチウムの量に基づく)で起こることを含み得る。 Additionally or alternatively, the methods of operation disclosed herein may include transporting lithium to an electrode (e.g., a conversion cathode) through the recesses at a rate and/or to a greater extent (e.g., based on the amount of lithium transported) than the rate and/or extent that concurrently transporting lithium through the surface on which the non-equilibrium insoluble product is disposed.
さらに、動作方法は、電気化学サイクル中のセルスタック及び/または電池の1つ以上の空隙への電解質の移動が凹部への移動によって減少することを含み得る。 Furthermore, the method of operation may include reducing electrolyte migration into one or more voids of the cell stack and/or battery during electrochemical cycling by migration into the recesses.
いくつかの態様では、本開示は、電池(例えば、リチウム硫黄電池)用の電極(例えば、カソード)を製造する方法を提供し、その製造方法は、電気化学的に活性な材料(例えば、電気化学的に活性な変換材料)を含むフィルムを提供すること(例えば、形成すること)を含む。いくつかの実施形態では、この方法は、フィルムの表面にフィルム内に延びる凹部を形成することをさらに含む。いくつかの実施形態では、凹部を形成することは、フィルムの一部を除去することを含み得る。 In some aspects, the present disclosure provides a method of manufacturing an electrode (e.g., a cathode) for a battery (e.g., a lithium-sulfur battery), the method including providing (e.g., forming) a film including an electrochemically active material (e.g., an electrochemically active conversion material). In some embodiments, the method further includes forming a recess in a surface of the film that extends into the film. In some embodiments, forming the recess can include removing a portion of the film.
いくつかの実施形態では、除去することはフィルムをレーザーアブレーションすることを含み得る。いくつかの実施形態では、レーザーアブレーションは、フィルムにパルスレーザーを照射することを含む。例えば、パルスレーザーは、1000フェムト秒未満(例えば、500、400、300、200、150、100、50、25、15、10、5、4、3、2、または1フェムト秒未満)の持続時間のパルスを照射することができる。 In some embodiments, removing can include laser ablating the film. In some embodiments, laser ablation includes irradiating the film with a pulsed laser. For example, the pulsed laser can emit pulses with a duration of less than 1000 femtoseconds (e.g., less than 500, 400, 300, 200, 150, 100, 50, 25, 15, 10, 5, 4, 3, 2, or 1 femtosecond).
いくつかの実施形態では、レーザーアブレーションはインラインで(例えば、電池の製造中に)実行されてもよい。 In some embodiments, laser ablation may be performed in-line (e.g., during battery manufacturing).
いくつかの実施形態では、製造方法は、フィルムをカレンダー加工すること[例えば、基板(例えば、集電体)上で]を含み得る。いくつかの実施形態では、形成することはカレンダー加工後に行われてもよい。いくつかの実施形態では、(i)カレンダー加工は、カレンダー加工前のフィルムの初期の多孔度の40%以下(例えば、30%以下、20%以下、または10%以下)を残している、(ii)フィルムの最大厚さは、カレンダー加工前の初期厚さの40%以下(例えば、30%以下、20%以下、または10%以下)である、または(iii)(i)と(ii)の両方である。 In some embodiments, the manufacturing method can include calendering the film [e.g., on a substrate (e.g., a current collector)]. In some embodiments, forming can occur after calendering. In some embodiments, (i) calendering leaves 40% or less (e.g., 30% or less, 20% or less, or 10% or less) of the initial porosity of the film before calendering, (ii) the maximum thickness of the film is 40% or less (e.g., 30% or less, 20% or less, or 10% or less) of the initial thickness before calendering, or (iii) both (i) and (ii).
いくつかの実施形態では、形成することは、削り取り、切断、及び/または引っ掻き(例えば、1つ以上のブレードによる)を含むことができる。いくつかの実施形態では、形成することは、フィルムをデボス加工(例えば、圧縮、刻印、及び/またはスタンピング)することを含み得る。 In some embodiments, forming can include scraping, cutting, and/or scratching (e.g., with one or more blades). In some embodiments, forming can include debossing (e.g., compressing, imprinting, and/or stamping) the film.
いくつかの実施形態では、提供することがフィルムを形成することを含み、フィルムを形成することは、電気化学的に活性な材料(例えば、電気化学的に活性な変換材料)を含む個々の構造(例えば、粒子)を組み立てることを含み得る。 In some embodiments, providing includes forming a film, and forming the film can include assembling individual structures (e.g., particles) that include the electrochemically active material (e.g., the electrochemically active conversion material).
いくつかの実施形態では、組み立ては、スラリーコーティング、スロットダイコーティング、スピンコーティング、スプレー乾燥、ドローダウンコーティング、ドクターブレードコーティング、インクジェット印刷、コンマコーティング、及び逆コンマコーティングからなる群から選択される1つ以上の要素を含むことができる。 In some embodiments, the assembling may include one or more elements selected from the group consisting of slurry coating, slot die coating, spin coating, spray drying, drawdown coating, doctor blade coating, inkjet printing, comma coating, and inverted comma coating.
いくつかの実施形態では、この方法は、ロールツーロール製造プロセス(例えば、ロールツーロールカソード製造プロセスまたはロールツーロール電池製造プロセス)の一部として実行されてもよい。 In some embodiments, the method may be performed as part of a roll-to-roll manufacturing process (e.g., a roll-to-roll cathode manufacturing process or a roll-to-roll battery manufacturing process).
この概要のセクションに記載される特徴を含む、本明細書に記載される特徴のいずれか2つ以上を組み合わせることで、本明細書では特に明確に説明されていない実装態様を構成することができる。
定義
Any two or more of the features described herein, including the features described in this Summary section, may be combined to form an implementation not specifically described herein.
definition
本開示をより容易に理解するために、本明細書で使用する特定の用語を下記に定義する。以下の用語及び他の用語に対するさらなる定義を、明細書の全体に渡って述べる場合がある。 To make this disclosure more readily understandable, certain terms used herein are defined below. Additional definitions for these and other terms may be found throughout the specification.
本出願では、コンテキストから他に明らかでない限りまたは他に明確に述べられない限り、(i)用語「a」は「少なくとも1つの」を意味するものと理解され得、(ii)用語「または」は「及び/または」を意味するものと理解され得、(iii)用語「備える/含む(comprising)」及び「含む(including)」は、それら自体によって提示されるかどうかに関わらず、または1つ以上の追加のコンポーネントもしくはステップと共に提示されるかどうかに関わらず、箇条書きにしたコンポーネントまたはステップを包含するものと理解され得、(iv)用語「約」及び「ほぼ」は当業者によって理解されるような標準的な変動を許容するものと理解され得、(v)範囲が提供される場合、端点が含まれる。 In this application, unless otherwise clear from the context or otherwise expressly stated, (i) the term "a" may be understood to mean "at least one," (ii) the term "or" may be understood to mean "and/or," (iii) the terms "comprising" and "including" may be understood to encompass the listed components or steps, whether presented by themselves or with one or more additional components or steps, (iv) the terms "about" and "approximately" may be understood to allow for standard variations as understood by one of ordinary skill in the art, and (v) when ranges are provided, the endpoints are included.
約、およそ:本願で使用される場合、「約」及び「およそ」という用語は、等価のものとして使用される。別段の記載がない限り、「約」及び「およそ」という用語は、当業者によって理解されるように、標準的なばらつきを許容することを理解することができる。数字の範囲が提供されている場合、端点が含まれる。およそ/約を伴ってまたは伴わずに本願で用いられているいずれかの数字は、当業者であれば理解する任意の正常なばらつきを包含することが意図されている。いくつかの実施形態では、用語「およそ」または「約」は、特に明記しない限りまたは文脈から特に明らかでない限り、提示した基準値の両方向(よりも大きいかまたはよりも小さい)において、25%、20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、またはそれ以下に含まれる値の範囲を指す(このような数が、可能な値の100%を超える場合を除く)。 About, Approximately: As used herein, the terms "about" and "approximately" are used equivalently. Unless otherwise specified, the terms "about" and "approximately" can be understood to allow for standard variations as understood by one of ordinary skill in the art. When numerical ranges are provided, the endpoints are included. Any numbers used herein, with or without approximately/about, are intended to encompass any normal variations understood by one of ordinary skill in the art. In some embodiments, the term "about" or "approximately" refers to a range of values that is within 25%, 20%, 19%, 18%, 17%, 16%, 15%, 14%, 13%, 12%, 11%, 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, or less in either direction of (greater than or less than) the stated reference value, unless otherwise specified or otherwise clear from the context (except where such number would exceed 100% of the possible values).
ポリマー:本明細書で使用される場合、「ポリマー」という用語は、一般に、プラスチックや樹脂として用いられる合成有機材料など、共に結合した繰り返されるサブユニットから主にまたは全体になる分子構造を有する物質を示す。 Polymer: As used herein, the term "polymer" generally refers to a substance having a molecular structure consisting primarily or entirely of repeating subunits bonded together, such as the synthetic organic materials used as plastics and resins.
実質的に:本明細書で使用される場合、用語「実質的に」は、目的の特徴または属性の全または近完全(near-total)程度または度合いを示すという定量的状態を指す。 Substantially: As used herein, the term "substantially" refers to the quantitative state of exhibiting the total or near-total extent or degree of a desired characteristic or attribute.
本明細書では、図面は例示を目的として示しており、限定するためではない。添付図面とともに以下の説明を参照することによって、本開示の前述及び他の目的、態様、特徴、及び利点が、より明らかになり、より良好に理解され得る。 The drawings herein are presented for purposes of illustration and not limitation. The foregoing and other objects, aspects, features, and advantages of the present disclosure will become more apparent and may be better understood by referring to the following description in conjunction with the accompanying drawings.
図は表必ずしも縮尺通りに描かれていない。 Figures and tables are not necessarily drawn to scale.
本明細書では、とりわけ、電気化学セル(例えば、二次電池などの電池)で使用するための構造化カソード、そのようなカソードを含む電気化学セル(例えば、電池)、ならびにそれらの形成及び使用の方法について説明する。構造化カソードには、少なくとも1つの電気化学的に活性な材料が含まれる。電気化学的に活性な材料は、電気化学的に活性な変換材料であってもよい。電気化学的に活性な変換の例としては、リチウム硫黄電池の硫黄系の材料がある。電気化学的に活性な変換材料は、パターン形成されたフィルムに含まれていてもよい。1つ以上の電気化学的に活性な材料を含むパターン形成されたフィルムは、基板(例えば、集電体)(例えば、フィルムが形成された基板)上に配置することも、独立して配置することもできる。パターン形成されたフィルムは、少なくとも1つのパターン形成された表面を有するフィルムであり、例えば、フィルム内(例えば、フィルムの表面に対して実質的に垂直な方向)に延びる凹部を有する。パターン形成されたフィルムは多孔質であってもよい。パターン形成されたフィルムは、電気化学的に活性な材料(例えば、変換材料)を含む粒子の集合体から作製され得る。構造化カソードを使用する方法には、セル内の電解質の一部がフィルムのバルクからフィルム内に延びる凹部に移動するように電気化学セル(例えば、電池)の電気化学サイクル中にフィルムを拡張することが含まれ得る。構造化カソードの製造方法には、電気化学的に活性な変換材料を含むフィルムを提供(例えば、形成)し、フィルムの表面にフィルム内に延びる凹部を形成することが含まれ得る。凹部を形成することは、例えばレーザーアブレーションによってフィルムから材料を除去することによって行うことができる。 Described herein are, among other things, structured cathodes for use in electrochemical cells (e.g., batteries, such as secondary batteries), electrochemical cells (e.g., batteries) including such cathodes, and methods of their formation and use. The structured cathode includes at least one electrochemically active material. The electrochemically active material may be an electrochemically active conversion material. An example of an electrochemically active conversion material is a sulfur-based material in a lithium-sulfur battery. The electrochemically active conversion material may be included in a patterned film. A patterned film including one or more electrochemically active materials can be disposed on a substrate (e.g., a current collector) (e.g., the substrate on which the film is formed) or can be disposed independently. A patterned film is a film having at least one patterned surface, e.g., having recesses extending within the film (e.g., in a direction substantially perpendicular to the surface of the film). The patterned film may be porous. The patterned film may be made from a collection of particles including an electrochemically active material (e.g., a conversion material). A method of using a structured cathode can include expanding a film during electrochemical cycling of an electrochemical cell (e.g., battery) such that a portion of the electrolyte in the cell migrates from the bulk of the film to the recesses extending into the film. A method of fabricating a structured cathode can include providing (e.g., forming) a film including an electrochemically active conversion material and forming recesses in a surface of the film that extend into the film. Forming the recesses can be accomplished by removing material from the film, for example, by laser ablation.
構造化カソード
いくつかの実施形態では、カソードは、電気化学的に活性な材料を含むフィルムと、基板(例えば、集電体)とを含む。電気化学的に活性な材料は変換材料であってもよい。フィルムは、基板(例えば、集電体)と接触する第1の表面と、第1の表面の反対側のフィルム側(例えば、基板と接触しない側)の第2の表面とを有する。第2の表面は、基板に向かってフィルム内に延びる凹部を含むようにパターン形成されている。凹部は、基板まで完全に延びている(フィルム全体を貫通している)場合もあれば、表面から基板までの距離の一部のみ延びている場合もあるし、あるいはその組み合わせである場合もある。凹部には、穴、溝(例えば、井戸、トラフ、チャネル、またはそれらの組み合わせ)、またはその両方が含まれ得る。穴は断面が実質的に円形になり得る(レーザービームは通常円形であるため、レーザーアブレーションによって形成される場合は通常このようになる)。溝は、実質的に長方形の断面、または「U」字型の断面を持つことができる。溝は、パターン形成された表面全体にわたって、溝の幅、溝の深さ、またはその両方よりもはるかに長い長さを持つことができる。凹部は、少なくとも部分的に、例えば液体、ゲル、またはポリマー電解質などの電解質で満たされていてもよい。いくつかの実施形態では、凹部に固体電解質が充填される。基板は、集電体の場合のように、導電性であってもよい。
Structured Cathode In some embodiments, a cathode includes a film including an electrochemically active material and a substrate (e.g., a current collector). The electrochemically active material can be a conversion material. The film has a first surface in contact with the substrate (e.g., a current collector) and a second surface on the side of the film opposite the first surface (e.g., the side not in contact with the substrate). The second surface is patterned to include recesses that extend into the film toward the substrate. The recesses can extend completely to the substrate (throughout the entire film), only a portion of the distance from the surface to the substrate, or a combination thereof. The recesses can include holes, grooves (e.g., wells, troughs, channels, or a combination thereof), or both. The holes can be substantially circular in cross section (as is typically the case when formed by laser ablation, since the laser beam is typically circular). The grooves can have a substantially rectangular cross section or a "U"-shaped cross section. The grooves can have a length across the patterned surface that is much longer than the groove width, the groove depth, or both. The recesses may be at least partially filled with an electrolyte, such as a liquid, gel, or polymer electrolyte. In some embodiments, the recesses are filled with a solid electrolyte. The substrate may be electrically conductive, as in the case of a current collector.
図1は、本発明の例示的な実施形態によるカソード100の表面を上から見たSEM顕微鏡写真である。カソード100には、パターン形成されたフィルムであるカソードフィルム102が含まれる。カソードフィルム102は、パターン形成された第2の表面(図示)と、パターン形成されていない第1の表面(図示せず)を有し、第1の表面は、第2の表面の反対側にあり、集電体(図示せず)と接触している。フィルム102のパターン形成された第2の表面には、溝106a~dを含む溝である凹部が含まれる。溝106a~dは相互接続されており、例えば、溝106aは溝106bと直接相互接続され、溝106cは溝106bを介して溝106aと相互接続されている。溝106a~dはフィルム102を完全に貫通していない(フィルム102の一部のみに貫通している)。フィルム102には最上部104も含まれる。フィルム102は、コアシェル粒子やヨークシェル粒子など、電気化学的に活性な変換材料(硫黄など)をそれぞれ含む粒子の集合体である。フィルム102には、結合剤や1つ以上の導電性添加剤などの追加成分が含まれていてもよい。 Figure 1 is an SEM micrograph of a top view of the surface of a cathode 100 according to an exemplary embodiment of the present invention. The cathode 100 includes a patterned film, a cathode film 102. The cathode film 102 has a patterned second surface (shown) and an unpatterned first surface (not shown), the first surface being opposite the second surface and in contact with a current collector (not shown). The patterned second surface of the film 102 includes recesses, which are grooves, including grooves 106a-d. The grooves 106a-d are interconnected; for example, groove 106a is directly interconnected with groove 106b, and groove 106c is interconnected with groove 106a through groove 106b. The grooves 106a-d do not penetrate completely through the film 102 (they penetrate only a portion of the film 102). The film 102 also includes a top portion 104. The film 102 is a collection of particles, such as core-shell particles and yolk-shell particles, each containing an electrochemically active conversion material (e.g., sulfur). The film 102 may also include additional components, such as a binder and one or more conductive additives.
図2Aは、本開示の実施形態を示す断面図である。図2Aは、電気化学的に活性な変換材料を含むパターン形成されたフィルム202が集電体210上に配置(例えば、形成)されたカソード200を示す。パターン形成フィルム202には、集電体210上に配置されたパターン形成されていない第1の表面204aと、パターン形成された第2の表面204bが含まれる。パターン形成された第2の表面204bには、最上部と、フィルム202に延びる凹部206a~dが含まれる。凹部206a~dは、少なくとも2つの実質的に均一な寸法(溝の場合、紙の内外の寸法は異なる場合がある)を持つが、一般に、凹部は実質的に均一なサイズである必要はない。具体的には、凹部206a~dは、少なくとも実質的に均一な幅208a及び深さ208bを有する。(他の実施形態では、異なる凹部の幅及び/または深さは均一ではない場合がある。)凹部206a~dに1つ以上の穴が含まれる場合、1つ以上の穴は、断面が実質的に円形であり、幅208aに対応する直径を特徴とし得る。凹部206a~dに1つ以上の溝が含まれる場合、1つ以上の溝は、実質的に同じ長さまたは異なる長さを有してもよい(例えば、図1に示すように、溝106cのような概ね左右の溝は、溝106bのような概ね上下の溝よりも長い)。凹部206a~dは、不均一な間隔からわかるように、第2の表面204bにわたって均一に分散されていない。いくつかの実施形態では、凹部206a~dは均一に(例えば、一次元または二次元に)配置されてもよい。フィルム200は、それぞれが電気化学的に活性な材料を含む粒子(例えば、コアシェル粒子またはヨークシェル粒子)の集合体から形成されてもよい(または形成されなくてもよい)。フィルム202は多孔質であってもよい(例えば、粒子の集合体の場合)。 FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating an embodiment of the present disclosure. FIG. 2A shows a cathode 200 in which a patterned film 202 comprising an electrochemically active conversion material is disposed (e.g., formed) on a current collector 210. The patterned film 202 includes an unpatterned first surface 204a disposed on the current collector 210 and a patterned second surface 204b. The patterned second surface 204b includes a top portion and recesses 206a-d extending into the film 202. The recesses 206a-d have at least two substantially uniform dimensions (in the case of grooves, the inner and outer dimensions of the paper may differ), although in general the recesses need not be substantially uniform in size. Specifically, the recesses 206a-d have at least substantially uniform widths 208a and depths 208b. (In other embodiments, the width and/or depth of different recesses may not be uniform.) If recesses 206a-d include one or more holes, the one or more holes may be substantially circular in cross section and characterized by a diameter corresponding to width 208a. If recesses 206a-d include one or more grooves, the one or more grooves may have substantially the same length or different lengths (e.g., as shown in FIG. 1, a generally left-to-right groove, such as groove 106c, is longer than a generally top-to-bottom groove, such as groove 106b). Recesses 206a-d are not uniformly distributed across second surface 204b, as evidenced by their uneven spacing. In some embodiments, recesses 206a-d may be uniformly arranged (e.g., in one or two dimensions). Film 200 may (or may not) be formed from a collection of particles (e.g., core-shell particles or yolk-shell particles), each containing an electrochemically active material. Film 202 may be porous (e.g., in the case of a collection of particles).
電解質を含む電気化学セル(例えば、電池)に組み込まれると、凹部206a~dは、矢印205で示されるように、電気化学サイクル中にカソードフィルム202のバルクに流入及び流出する電解質の局所的な貯蔵場所として機能することができる。フィルム202は、208cで示されるような最大厚さを有する。凹部206a~dは、フィルム202の全体(最大)の厚さにわたって延びているわけではない。凹部206a~dが存在するため、中への平均(または最大)の物質輸送経路は、フィルム202の円形領域207cを指す矢印207a~bで近似的に表されるように、パターン形成されていないフィルムの場合よりも短くなる可能性があり、矢印207bは凹部206bのため矢印207aよりも短くなる。 When incorporated into an electrochemical cell (e.g., a battery) containing an electrolyte, recesses 206a-d can serve as localized reservoirs for electrolyte that flows in and out of the bulk of cathode film 202 during electrochemical cycling, as indicated by arrow 205. Film 202 has a maximum thickness, as indicated by 208c. Recesses 206a-d do not extend through the entire (maximum) thickness of film 202. Due to the presence of recesses 206a-d, the average (or maximum) mass transport path in may be shorter than that of an unpatterned film, as approximately represented by arrows 207a-b pointing to circular region 207c of film 202, with arrow 207b being shorter than arrow 207a due to recess 206b.
図2Bは、電解質212が存在する、図2Aと同様の実施形態を示す。電解質212は、凹部206a~dを少なくとも部分的に(この場合は完全に)満たす。電解質212は、液体、ゲル、ポリマー、または固体であってもよい。セパレータとアノード(例:リチウムアノード)またはアノードフリー構成(例:リチウムがその場で堆積する集電体)を(例えば、1つ以上の他のコンポーネントとともに)追加して完全な電気化学セルを形成できる。図2Cは、固体電解質214がパターン形成された第2の表面204b(その最上部)に(例えば、直接)接触し、凹部206a~dが少なくとも部分的に液体、ゲル、またはポリマー電解質212で満たされている混合電解質の実施形態を示している。図2Dは、凹部206a~dが少なくとも部分的に電解質212で満たされている状態で、パターン形成された第2の表面204b(その最上部)上に(例えば、接触して)配置されたセパレータ216を示している。いくつかの実施形態では、セパレータ216がフィルム202に接触する場所に不溶性生成物の中間層が形成される。 FIG. 2B shows an embodiment similar to FIG. 2A in which an electrolyte 212 is present. The electrolyte 212 at least partially (in this case, completely) fills the recesses 206a-d. The electrolyte 212 may be liquid, gel, polymer, or solid. A separator and an anode (e.g., a lithium anode) or an anode-free configuration (e.g., a current collector with in-situ lithium deposition) can be added (e.g., along with one or more other components) to form a complete electrochemical cell. FIG. 2C shows a mixed electrolyte embodiment in which a solid electrolyte 214 is in (e.g., directly) contact with (e.g., directly on) the patterned second surface 204b (its top), and the recesses 206a-d are at least partially filled with a liquid, gel, or polymer electrolyte 212. FIG. 2D shows a separator 216 disposed on (e.g., in contact with) the patterned second surface 204b (its top), with the recesses 206a-d at least partially filled with the electrolyte 212. In some embodiments, an intermediate layer of insoluble product is formed where the separator 216 contacts the film 202.
凹部は、カソードフィルム全体にわたって規則的または不規則なパターンで配置されてもよい。例えば、凹部は、規則的な一次元または二次元配列で配置されてもよいし、ランダムなパターンで配置されてもよい。フィルムのパターン形成された表面は、例えば六角形グリッド(例えば、六角形最密配置)、等角グリッド、または正方グリッドに一致する、凹部の繰り返し幾何学パターンを有していてもよい。凹部のうちのいくつかは、フィルムのパターン形成された表面にわたって相互接続されていてもよく、例えば、溝が互いに交差していてもよく、溝が穴と交差していてもよく、またはその両方であってもよい。相互接続された凹部は、パターン形成された表面の範囲にわたってネットワークを形成してもよい。凹部は、カソードフィルム全体にわたって(例えば、集電体などの基板まで)延びる場合もあれば、カソードフィルムの一部分のみに延びる場合もある。 The recesses may be arranged in a regular or irregular pattern across the cathode film. For example, the recesses may be arranged in a regular one- or two-dimensional array, or in a random pattern. The patterned surface of the film may have a repeating geometric pattern of recesses that corresponds to, for example, a hexagonal grid (e.g., hexagonal close-packed), a regular grid, or a square grid. Some of the recesses may be interconnected across the patterned surface of the film; for example, grooves may intersect with each other, grooves may intersect with holes, or both. The interconnected recesses may form a network across the extent of the patterned surface. The recesses may extend across the entire cathode film (e.g., all the way to a substrate such as a current collector) or may extend across only a portion of the cathode film.
凹部には長さ、幅、深さがあり得る。凹部が穴である場合、各穴の長さと幅の寸法は実質的に同じであり得、それぞれが穴の直径になる。いくつかの実施形態では、フィルム内に延びる穴の直径は、パルスレーザーの解像度限界(例えば、少なくとも約20nm)に対応する。特定の実施形態では、フィルム内に延びる穴の直径は、約20nm~約500μm(例えば、20nm~50μm、20nm~100μm、20nm~200μm、20nm~300μm、100nm~100μm、100nm~200μm、1μm~100μm、1μm~200μm、10μm~100μm、10μm~200μm、50μm~100μm、50μm~200μm、または100μm~200μm)の範囲内である。凹部が溝の場合、長さと幅が異なり得る。例えば、幅は20nm~500μm(例えば、20nm~50μm、20nm~100μm、20nm~200μm、20nm~300μm、100nm~100μm、100nm~200μm、1μm~100μm、1μm~200μm、10μm~100μm、10μm~200μm、50μm~100μm、50μm~200μm、または100μm~200μm)であってもよく、長さは異なってもよい(例えば、少なくとも100nm、少なくとも1μm、少なくとも10μm、少なくとも50μm、少なくとも100μm、少なくとも250μm、少なくとも500μm、少なくとも750μm、または少なくとも1mm)。いくつかの実施形態では、少なくともいくつかの凹部は、20nm~500μm(例えば、100nm~200μmまたは50nm~100μm)の範囲にある少なくとも1つの寸法(例えば、幅、深さ、または幅及び深さ)を有する。いくつかの実施形態では、少なくともいくつかの凹部の長さは少なくとも100μm(例えば、少なくとも200μm、少なくとも500μm、または少なくとも1mm)である(例えば、他の凹部の長さは少なくとも50μm、少なくとも100μm、少なくとも200μm、または少なくとも500μmである)。隣接する凹部の少なくとも一部(例えば、すべて)のペア間の間隔(例えば、パターン形成された表面にわたって規則的な一次元または二次元配列に配置されている場合)は、少なくとも20μm(例えば、少なくとも50μm、少なくとも75μm、少なくとも100μm、少なくとも150μm、少なくとも200μm、または少なくとも250μm)であってもよい。凹部は微細構造(それぞれが微細構造)であってもよい。 The recesses can have a length, width, and depth. When the recesses are holes, the length and width dimensions of each hole can be substantially the same, each representing the diameter of the hole. In some embodiments, the diameter of the holes extending into the film corresponds to the resolution limit of the pulsed laser (e.g., at least about 20 nm). In certain embodiments, the diameter of the holes extending into the film is within a range of about 20 nm to about 500 μm (e.g., 20 nm to 50 μm, 20 nm to 100 μm, 20 nm to 200 μm, 20 nm to 300 μm, 100 nm to 100 μm, 100 nm to 200 μm, 1 μm to 100 μm, 1 μm to 200 μm, 10 μm to 100 μm, 10 μm to 200 μm, 50 μm to 100 μm, 50 μm to 200 μm, or 100 μm to 200 μm). If the recess is a groove, it may have a different length and width, for example, a width of 20 nm to 500 μm (e.g., 20 nm to 50 μm, 20 nm to 100 μm, 20 nm to 200 μm, 20 nm to 300 μm, 100 nm to 100 μm, 100 nm to 200 μm, 1 μm to 100 μm, 1 μm to 200 μm, 10 μm to 100 μm, 10 μm to 200 μm, 50 μm to 100 μm, 50 μm to 200 μm, or 100 μm to 200 μm) and a different length (e.g., at least 100 nm, at least 1 μm, at least 10 μm, at least 50 μm, at least 100 μm, at least 250 μm, at least 500 μm, at least 750 μm, or at least 1 mm). In some embodiments, at least some of the recesses have at least one dimension (e.g., width, depth, or width and depth) in the range of 20 nm to 500 μm (e.g., 100 nm to 200 μm or 50 nm to 100 μm). In some embodiments, the length of at least some of the recesses is at least 100 μm (e.g., at least 200 μm, at least 500 μm, or at least 1 mm) (e.g., other recesses have lengths of at least 50 μm, at least 100 μm, at least 200 μm, or at least 500 μm). The spacing between at least some (e.g., all) pairs of adjacent recesses (e.g., when arranged in a regular one- or two-dimensional array across the patterned surface) may be at least 20 μm (e.g., at least 50 μm, at least 75 μm, at least 100 μm, at least 150 μm, at least 200 μm, or at least 250 μm). The recesses may be microstructures (each a microstructure).
いくつかの実施形態では、凹部は1つ以上の垂直の壁(穴または溝)を有する。いくつかの実施形態では、凹部は、凹部の少なくとも1つの寸法がカソードフィルム内に延びる距離とともに狭くなるように傾斜している。いくつかの実施形態では、凹部はそれぞれ、カソードフィルムの最大厚さの少なくとも25%の深さを有する。例えば、凹部のうちのいくつかは、フィルムの最大厚さの少なくとも25%(例えば、厚さの少なくとも50%、少なくとも75%、少なくとも80%、または少なくとも90%)であるカソードフィルム内に延びる深さを有してもよい。凹部のうちのいくつかは、パターン形成された表面(例えば、集電体まで)を貫通して延びることができる。いくつかの実施形態では、フィルムは不連続である(例えば、凹部は、個々の構造の集合体の一部である電気化学的に活性な材料をそれぞれ含む1つ以上の島を画定する)。いくつかの実施形態では、カソードフィルムは連続している(例えば、フィルムの一部が各凹部の下に配置されている)。いくつかの実施形態では、少なくともいくつかの凹部がフィルムを完全に貫通して(例えば、フィルムが配置されている集電体などの基板まで)延びている。いくつかの実施形態では、凹部はフィルム全体を貫通して延びてない。カソードフィルムは、少なくとも一方向にわたって、少なくとも2/mm(例えば、少なくとも4/mm、少なくとも5/mm、少なくとも6/mm、少なくとも8/mm、または少なくとも10/mm)の凹部の線密度を有していてもよい。カソードフィルムは、少なくとも5/mm2(例えば、少なくとも6/mm2、少なくとも8/mm2、少なくとも10/mm2、少なくとも15/mm2、または少なくとも20/mm2)の凹部の面密度(例えば、パターン形成された第2の表面の最上部と一致するなど、凹部が最大限に存在するフィルム全体の平面で測定)を有し得る。カソードフィルムは、このような線密度とこのような面密度の両方を有することができる。 In some embodiments, the recesses have one or more vertical walls (holes or grooves). In some embodiments, the recesses are tapered such that at least one dimension of the recess narrows with the distance the recess extends into the cathode film. In some embodiments, the recesses each have a depth of at least 25% of the maximum thickness of the cathode film. For example, some of the recesses may have a depth that extends into the cathode film that is at least 25% of the maximum thickness of the film (e.g., at least 50%, at least 75%, at least 80%, or at least 90% of the thickness). Some of the recesses can extend completely through the patterned surface (e.g., to the current collector). In some embodiments, the film is discontinuous (e.g., the recesses define one or more islands each containing electrochemically active material that is part of a collection of individual structures). In some embodiments, the cathode film is continuous (e.g., a portion of the film is disposed beneath each recess). In some embodiments, at least some of the recesses extend completely through the film (e.g., to a substrate, such as a current collector, on which the film is disposed). In some embodiments, the recesses do not extend entirely through the film. The cathode film may have a linear density of recesses across at least one direction of at least 2/mm (e.g., at least 4/mm, at least 5/mm, at least 6/mm, at least 8/mm, or at least 10/mm). The cathode film may have an areal density of recesses (e.g., measured in a plane across the film where the recesses are maximally present, e.g., coincident with the top of the patterned second surface) of at least 5 /mm (e.g., at least 6/ mm , at least 8/mm, at least 10 /mm, at least 15/mm, or at least 20/mm). The cathode film can have both such a linear density and such an areal density.
カソードのフィルムは多孔質であってもよい(例えば、カレンダー加工の前及び/または後で)。いくつかの実施形態では、フィルムは、カレンダー加工される前の初期多孔度の40%以下(例えば、30%以下、20%以下、または10%以下)など、ほとんどまたは全く多孔度が残らないように、強力にカレンダー加工されている。多孔性の変化は、カレンダー加工前の初期フィルム厚さとカレンダー加工後(そして例えば、パターン形成前)のフィルム厚さを比較することによっても測定でき、例えば、厚さは初期厚さの40%以下(例えば、30%以下、20%以下、または10%以下)に減少し得る。初期厚さは、例えば、1mm以下(例えば、500μm以下)であり得、カレンダー加工後の最終の厚さは、200μm以下(例えば、100μm以下、50μm以下、25μm以下、または20μm以下)であり得る。いくつかの実施形態では、フィルムは、電気化学的に活性な材料(例えば、変換材料)を含む個々の構造(例えば、ナノ構造)の多孔質集合体である。個々の構造は、粒子(例えば、ナノ粒子)、繊維(例えば、ナノファイバー)、ロッド(例えば、ナノロッド)、またはそれらの組み合わせであるか、またはそれらを含み得る。いくつかの実施形態では、個々の構造は、500nm以下(例えば、250nm以下、100nm以下、または50nm以下)である少なくとも1つの寸法(例えば、直径、長さ、幅、高さ、またはそれらの組み合わせ)を有する。いくつかの実施形態では、構造には、電気化学的に活性な材料のコアを有するコアシェル粒子(例えば、ナノ粒子)または電気化学的に活性な材料のヨークを有するヨークシェル粒子(例えば、ナノ粒子)が含まれる。コアシェル粒子またはヨークシェル粒子のシェルは、選択的に透過性であってもよい。個々の構造の多孔質集合体であるフィルムには、集合体内に散在する導電性添加剤及び/または結合剤(例えば、ポリマー結合剤)(例えば、集合体を介した電子移動を促進し、及び/または個々の構造をそれぞれ結合する)がさらに含まれていてもよい。カソードは、実質的に炭素を含まなくてもよい(例えば、炭素含有量が10重量%以下、炭素含有量が5重量%以下、炭素含有量が2重量%以下、炭素含有量が1重量%以下)。 The cathode film may be porous (e.g., before and/or after calendering). In some embodiments, the film is heavily calendered to leave little or no porosity, such as 40% or less (e.g., 30% or less, 20% or less, or 10% or less) of the initial porosity before calendering. The change in porosity can also be measured by comparing the initial film thickness before calendering to the film thickness after calendering (and, e.g., before patterning); for example, the thickness may be reduced to 40% or less (e.g., 30% or less, 20% or less, or 10% or less) of the initial thickness. The initial thickness may be, for example, 1 mm or less (e.g., 500 μm or less), and the final thickness after calendering may be 200 μm or less (e.g., 100 μm or less, 50 μm or less, 25 μm or less, or 20 μm or less). In some embodiments, the film is a porous collection of individual structures (e.g., nanostructures) containing an electrochemically active material (e.g., a conversion material). The individual structures can be or include particles (e.g., nanoparticles), fibers (e.g., nanofibers), rods (e.g., nanorods), or combinations thereof. In some embodiments, the individual structures have at least one dimension (e.g., diameter, length, width, height, or a combination thereof) that is 500 nm or less (e.g., 250 nm or less, 100 nm or less, or 50 nm or less). In some embodiments, the structures include core-shell particles (e.g., nanoparticles) having a core of electrochemically active material or yolk-shell particles (e.g., nanoparticles) having a yoke of electrochemically active material. The shell of the core-shell or yolk-shell particles may be selectively permeable. A film that is a porous assembly of individual structures may further include a conductive additive and/or a binder (e.g., a polymeric binder) dispersed within the assembly (e.g., to facilitate electron transport through the assembly and/or to bind the individual structures together). The cathode may be substantially free of carbon (e.g., carbon content of 10% by weight or less, carbon content of 5% by weight or less, carbon content of 2% by weight or less, carbon content of 1% by weight or less).
カソード内の電気化学的に活性な材料は、カルコゲニド(例えば、S、Se、及び/またはTe)であるか、またはカルコゲニドを含むことができる。電気化学的に活性な材料は、電気化学的に活性な変換材料(例えば、S8)であってもよい。電気化学的に活性な変換材料は、(i)S8環状八原子分子形態の硫黄、(ii)硫化リチウム(例えば、Li2S2及び/またはLi2S)の形態の硫黄、(iii)電気活性有機硫黄化合物の形態の硫黄、及び(iv)電気活性硫黄含有ポリマーの形態の硫黄[例えば、炭素硫黄ポリマー((C2Sx)n、ここでx=2.5~50かつn≧2)]、または(v)(i)~(iv)のうちのいずれか2つ以上であるか、それらを含むことができる。いくつかの実施形態では、電気化学的に活性な材料には金属硫化物が含まれる。いくつかの実施形態では、電気化学的に活性な材料はインターカレーション材料である。いくつかの実施形態では、カソードフィルムはインターカレーション材料、例えば電気化学的に活性なインターカレーション材料を含む。いくつかの実施形態では、カソードフィルムは、第1の電気化学的に活性な材料に加えて、1つ以上の金属硫化物をさらに含む。フィルムは、導電性添加剤(例えば、導電性カーボン)、結合剤(例えば、ポリマー結合剤)、またはその両方を含むことができる。特定の実施形態では、電気化学的に活性なインターカレーション材料は、金属酸化物、金属硫化物、金属リン酸塩、金属セレン化物、混合物、及び/またはそれらの組み合わせからなる群から選択される1つ以上の成分を含む。特定の実施形態では、電気化学的に活性なインターカレーション材料(例えば、リチウムイオン)は、1つ以上の金属硫化物を含む。特定の実施形態において、金属硫化物は、硫化バナジウム(例えば、VS2)、硫化モリブデン(例えば、MoS2及び/またはMo6S8)、及び硫化チタン(例えば、TiS2)からなる群から選択される。特定の実施形態では、金属硫化物は、VS2、MoS2、Mo6S8、及びTiS2からなる群から選択される。特定の実施形態において、金属硫化物は、TiS2である。特定の実施形態において、金属硫化物は、Mo6S8である。 The electrochemically active material in the cathode can be or include a chalcogenide (e.g., S, Se, and/or Te). The electrochemically active material can be an electrochemically active conversion material (e.g., S8 ). The electrochemically active conversion material can be or include (i) sulfur in the form of an S8 cyclic octaatomic molecule, (ii) sulfur in the form of lithium sulfide (e.g., Li2S2 and /or Li2S ), (iii) sulfur in the form of an electroactive organosulfur compound, and (iv) sulfur in the form of an electroactive sulfur-containing polymer [e.g., carbon-sulfur polymer (( C2Sx ) n , where x = 2.5 to 50 and n > 2)], or (v) any two or more of (i)-(iv). In some embodiments, the electrochemically active material includes a metal sulfide. In some embodiments, the electrochemically active material is an intercalation material. In some embodiments, the cathode film includes an intercalation material, such as an electrochemically active intercalation material. In some embodiments, the cathode film further includes one or more metal sulfides in addition to the first electrochemically active material. The film can include a conductive additive (e.g., conductive carbon), a binder (e.g., a polymeric binder), or both. In certain embodiments, the electrochemically active intercalation material includes one or more components selected from the group consisting of metal oxides, metal sulfides, metal phosphates, metal selenides, mixtures, and/or combinations thereof. In certain embodiments, the electrochemically active intercalation material (e.g., lithium ions) includes one or more metal sulfides. In certain embodiments, the metal sulfides are selected from the group consisting of vanadium sulfide (e.g., VS2 ), molybdenum sulfide (e.g., MoS2 and / or Mo6S8 ), and titanium sulfide (e.g., TiS2 ) . In certain embodiments, the metal sulfide is selected from the group consisting of VS2 , MoS2 , Mo6S8 , and TiS2 . In certain embodiments, the metal sulfide is TiS2 . In certain embodiments, the metal sulfide is Mo6S8 .
凹部は、フィルム内の(例えば、フィルムのバルクの)どの点も、凹部の少なくとも1つの少なくとも1つの端から500μm以下(例えば、200μm以下、100μm以下、50μm以下、25μm以下、または20μm以下)であるようにフィルムのパターン形成された表面全体に分散されてもよい。いくつかの実施形態では、凹部はフィルムのパターン形成された表面全体に分散され、フィルム内の任意の点が、凹部のうちの最も近いものからフィルムの最大厚さの3倍以下(例えば、2倍以下、1.5倍以下、またはそれ以下)の距離内にあるようにする。最大厚さは、フィルムのパターン形成された表面の最上部とフィルムの反対側の表面(例えば、基板に接触する表面)との間の最小の直線距離であってもよい(例えば、図2Aの矢印208cのように)。凹部は、フィルムのパターン形成された表面の最上部と一致する平面と、反対の表面(例えば、パターン形成されていない表面)(例えば、集電体と接触している表面)との間に含まれる総容積の少なくとも5%(例えば、少なくとも10%、少なくとも15%、少なくとも20%、少なくとも25%、少なくとも33%、または少なくとも50%)に相当することができる。 The recesses may be dispersed throughout the patterned surface of the film such that any point within the film (e.g., in the bulk of the film) is no more than 500 μm (e.g., no more than 200 μm, no more than 100 μm, no more than 50 μm, no more than 25 μm, or no more than 20 μm) from at least one edge of at least one of the recesses. In some embodiments, the recesses are dispersed throughout the patterned surface of the film such that any point within the film is within a distance of no more than 3 times (e.g., no more than 2 times, no more than 1.5 times, or no more than) the maximum thickness of the film from the nearest recess. The maximum thickness may be the smallest linear distance between the top of the patterned surface of the film and the opposite surface of the film (e.g., the surface that contacts the substrate) (e.g., as indicated by arrow 208c in FIG. 2A). The recesses can represent at least 5% (e.g., at least 10%, at least 15%, at least 20%, at least 25%, at least 33%, or at least 50%) of the total volume contained between a plane coincident with the top of the patterned surface of the film and the opposing (e.g., unpatterned) surface (e.g., the surface in contact with the current collector).
いくつかの実施形態では、凹部の総容積は、電気化学サイクル中(例えば、カソードに含まれる電気活性材料が完全に放電されたとき)にカソードのバルクから移動される電解質の予想容積に対応する(例えば、一致する)。移動される電解質の予想容積は、経験的に推定することも、数値的に計算することもできる。このようにして、凹部は、カソード(例えば、カソードのバルク)への平均物質輸送経路の減少という点で達成され得る利点とは無関係に、電解質の永久的な損失(例えば、電気化学セルの外周への損失)及び/または電気化学サイクルによって引き起こされる可能性のある圧力上昇及び/または電気化学セルの膨張の悪影響を防止するための局所的な貯蔵庫として機能することができる。したがって、いくつかの実施形態では、凹部は、電気化学サイクルの1つの段階の間に、他の段階の間よりも電解質でより多く満たされる。例えば、硫黄がカソードフィルム内の電気化学的に活性な変換材料であるリチウム硫黄電池では、放電中に硫黄が硫化リチウムに変換され、容積膨張を起こして電解質を移動することができる。カソードフィルムの表面がパターン形成されている場合、電解質はパターン形成された表面の凹部に移動することができる。 In some embodiments, the total volume of the recesses corresponds to (e.g., coincides with) the expected volume of electrolyte displaced from the bulk of the cathode during electrochemical cycling (e.g., when the electroactive material contained in the cathode is fully discharged). The expected volume of displaced electrolyte can be estimated empirically or calculated numerically. In this way, regardless of the benefits that may be achieved in terms of reducing the average mass transport path to the cathode (e.g., the bulk of the cathode), the recesses can function as local reservoirs to prevent permanent loss of electrolyte (e.g., loss to the periphery of the electrochemical cell) and/or the adverse effects of pressure buildup and/or electrochemical cell expansion that may be caused by electrochemical cycling. Thus, in some embodiments, the recesses are filled with more electrolyte during one phase of the electrochemical cycle than during other phases. For example, in a lithium-sulfur battery in which sulfur is the electrochemically active conversion material in the cathode film, sulfur is converted to lithium sulfide during discharge, causing volume expansion and allowing electrolyte to displace. If the surface of the cathode film is patterned, electrolyte can migrate into the recesses of the patterned surface.
いくつかの実施形態では、フィルム内に延びる凹部の表面(例えば、凹部によって画定されるパターン形成された表面の部分)は、フィルム内のバルクカソードの組成とは異なる組成を有する固体材料でコーティングされる。凹部の表面は、固体エピタキシャル材料(例えば、凹部の形成後に原子層堆積によって形成される)でコーティングされてもよい。 In some embodiments, the surfaces of recesses extending into the film (e.g., the portions of the patterned surface defined by the recesses) are coated with a solid material having a composition different from the composition of the bulk cathode in the film. The surfaces of the recesses may also be coated with a solid epitaxial material (e.g., formed by atomic layer deposition after the formation of the recesses).
パターン形成されたフィルムは、基板(例えば、集電体)上に配置(例えば、形成)され得る。いくつかの実施形態では、それぞれのフィルムが基板(例えば、集電体)の2つの反対側のそれぞれの側に配置され、任意選択で、フィルムの一方または両方が、フィルム内に延びる凹部を備えたパターン形成された表面を有していてもよい。1つ以上のフィルムが配置される基板は多孔質であってもよい。多孔質基板上に配置されたパターン形成されたフィルムの凹部は、それらが基板内の細孔(例えば、基板全体を貫通する細孔)と交差するようにフィルム全体を貫通して延びることができる。いくつかの実施形態では、多孔質基板の反対側に配置された各パターン形成フィルムの凹部は、それらが基板の細孔と相互に交差し、それによってカソード全体を貫通する細孔を画定する(例えば、液体電解質の自由な流れのため)ように、フィルム全体を貫通して延びることができる。 The patterned films may be disposed (e.g., formed) on a substrate (e.g., a current collector). In some embodiments, each film is disposed on two opposite sides of the substrate (e.g., a current collector), and optionally, one or both of the films may have a patterned surface with recesses extending into the film. The substrate on which one or more films are disposed may be porous. The recesses of a patterned film disposed on a porous substrate may extend entirely through the film such that they intersect with pores in the substrate (e.g., pores that extend entirely through the substrate). In some embodiments, the recesses of each patterned film disposed on opposite sides of a porous substrate may extend entirely through the film such that they intersect with pores in the substrate, thereby defining pores that extend entirely through the cathode (e.g., for free flow of liquid electrolyte).
いくつかの実施形態では、フィルムは、基板(例えば、集電体)に適用された後にパターン形成されている。いくつかの実施形態では、湿ったスラリーを基板に塗布し、その後パターン形成前にスラリーを乾燥させることによってフィルムが製造されている。いくつかの実施形態では、フィルムの表面にパターン形成する前に、フィルムがカレンダー加工される。いくつかの実施形態では、フィルムの表面はレーザーアブレーションによってパターン形成されている。レーザーアブレーションによるパターン形成にはパルスレーザーが使用され得る。パルスレーザーは、1000フェムト秒以下(例:500、400、300、200、150、100、50、25、15、10、5、4、3、2、または1フェムト秒以下)の持続時間のパルスを照射した場合がある。レーザーアブレーションは、フィルムの表面にパターン形成する魅力的なプロセスであり、これは、パターン形成の際にフィルムに形成された凹部付近で形態と多孔性が実質的に維持され得ることが実験で示されているためである(以下の実施例を参照)。 In some embodiments, the film is patterned after application to a substrate (e.g., a current collector). In some embodiments, the film is fabricated by applying a wet slurry to a substrate and then drying the slurry before patterning. In some embodiments, the film is calendered before patterning its surface. In some embodiments, the film's surface is patterned by laser ablation. A pulsed laser may be used for laser ablation patterning. The pulsed laser may emit pulses with durations of 1000 femtoseconds or less (e.g., 500, 400, 300, 200, 150, 100, 50, 25, 15, 10, 5, 4, 3, 2, or 1 femtosecond or less). Laser ablation is an attractive process for patterning a film's surface because experiments have shown that morphology and porosity can be substantially maintained near recesses formed in the film during patterning (see Examples below).
いくつかの実施形態では、構造化カソード(例えば、パターン形成されたフィルムを含むカソード)内の電気化学的に活性な材料への平均物質輸送経路は、凹部のない同等のカソード(例えば、パターン形成されていないフィルムまたは滑らかなフィルムを含むカソード)内の電気化学的に活性な材料への平均物質輸送経路よりも短い。同様に、いくつかの実施形態では、代替的または追加的に、構造化カソードの屈曲度は、凹部のない、それ以外は同等のカソードの屈曲度と比較して減少している。いくつかの実施形態では、構造化カソードの容量は、例えば電気化学サイクル中にバルクの電気化学的に活性な材料がより多く利用されることにより、同じ電流密度で凹部のない同等のカソードの容量よりも大きくなる。例えば、構造化カソードの容量は、同じサイクル速度(電流密度)で同等のカソードよりも少なくとも5%大きくなり得る(例えば、少なくとも10%大きくなり、少なくとも20%大きくなり、少なくとも30%大きくなり、またはそれ以上大きくなり得る)。いくつかの実施形態では、カソードは高い容積容量を有する。実際の容積容量は、サイクル速度、電極の厚さ、温度、電解質の化学組成、またはそれらの組み合わせによって異なり得る。 In some embodiments, the average mass transport path to the electrochemically active material in a structured cathode (e.g., a cathode comprising a patterned film) is shorter than the average mass transport path to the electrochemically active material in a comparable cathode without recesses (e.g., a cathode comprising an unpatterned or smooth film). Similarly, in some embodiments, alternatively or additionally, the tortuosity of the structured cathode is reduced compared to the tortuosity of an otherwise comparable cathode without recesses. In some embodiments, the capacity of the structured cathode is greater than the capacity of a comparable cathode without recesses at the same current density, e.g., due to greater utilization of bulk electrochemically active material during electrochemical cycling. For example, the capacity of the structured cathode can be at least 5% greater (e.g., at least 10% greater, at least 20% greater, at least 30% greater, or more) than a comparable cathode at the same cycling rate (current density). In some embodiments, the cathode has a high volumetric capacity. Actual volumetric capacity may vary depending on cycling rate, electrode thickness, temperature, electrolyte chemical composition, or a combination thereof.
フィルムには、材料の層が1つだけ含まれてもよく、複数の層が含まれてもよい。多孔質フィルムに組み立てられる個々の構造は、1つのタイプのみ(例えば、変換材料などの電気化学的に活性な材料のコアまたはヨークをそれぞれ含むコアシェル粒子またはヨークシェル粒子)であってもよく、複数のタイプ(例えば、1つ以上の電気化学的に活性なインターカレーション材料と1つ以上の電気化学的に活性な変換材料の混合物)であってもよい。多層構造には、異なる電気化学的に活性な材料の個別の層が含まれてもよく、例えば、電気化学的に活性な変換材料層の上に電気化学的に活性なインターカレーション材料層が位置してもよく、その逆もあり得る。多層フィルムのパターン形成された表面の凹部は、複数の層のうちの1つの層のみにまで延びてもよく、複数の層のうちの2つ以上の層にまで延びてもよい。したがって、表面層(複数可)ではない多層構造内の1つ以上の層(例えば、電気化学的に活性な変換材料層によって覆われた電気化学的に活性なインターカレーション材料層)への物質輸送経路の長さを大幅に短縮できるという利点が実現され得る。多層カソードフィルムの1つ以上の層(例えば、各層)は多孔質であってもよい。 A film may include a single layer of material or multiple layers. The individual structures assembled into the porous film may be of only one type (e.g., core-shell particles or yolk-shell particles each containing a core or yolk of electrochemically active material, such as a conversion material) or multiple types (e.g., a mixture of one or more electrochemically active intercalation materials and one or more electrochemically active conversion materials). A multilayer structure may include individual layers of different electrochemically active materials, e.g., an electrochemically active intercalation material layer may be positioned above an electrochemically active conversion material layer, or vice versa. The recesses in the patterned surface of a multilayer film may extend through only one of the multiple layers, or through two or more of the multiple layers. Thus, the advantage of significantly shortening the length of the material transport path to one or more layers in the multilayer structure that are not the surface layer(s) (e.g., an electrochemically active intercalation material layer covered by an electrochemically active conversion material layer) may be realized. One or more layers (e.g., each layer) of the multilayer cathode film may be porous.
特定の実施形態において、基板(例えば、集電体)は、金属箔、金属化ポリマーフィルム、及び炭素組成物から選択される成分を含む。いくつかの実施形態では、集電体は、アルミ箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス鋼箔、チタン箔、ジルコニウム箔、モリブデン箔、ニッケル発泡体、銅発泡体、カーボン紙もしくは繊維シート、導電性金属でコーティングされたポリマー基板、及び/またはそれらの組み合わせを含む。特定の実施形態では、集電体は、金属箔を含む。特定の実施形態では、集電体は、金属化ポリマーフィルムを含む。特定の実施形態では、集電体は、炭素組成物を含む。特定の実施形態では、カソードは、集電体と、リチウムイオンインターカレーション活物質を含む第2の活性層との間に、導電性カーボンコーティングを含む。 In certain embodiments, the substrate (e.g., current collector) comprises a component selected from a metal foil, a metallized polymer film, and a carbon composition. In some embodiments, the current collector comprises aluminum foil, copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, zirconium foil, molybdenum foil, nickel foam, copper foam, carbon paper or fiber sheet, a polymer substrate coated with a conductive metal, and/or combinations thereof. In certain embodiments, the current collector comprises a metal foil. In certain embodiments, the current collector comprises a metallized polymer film. In certain embodiments, the current collector comprises a carbon composition. In certain embodiments, the cathode comprises a conductive carbon coating between the current collector and a second active layer comprising a lithium ion intercalation active material.
特定の実施形態では、カソードフィルムは、カソード内部の電子の移動を促進する導電性添加剤を含む。例えば、特定の実施形態では、導電性添加剤は、炭素系材料、黒鉛系材料、導電性ポリマー、金属塩、酸化物、硫化物、またはカルコゲニド及びそれらの組み合わせからなる群から選択される。特定の実施形態では、導電性添加剤は、炭素系材料を含む。特定の実施形態では、導電性添加剤は、炭素系材料の材料を含む。例えば、特定の実施形態では、導電性添加剤が、導電性炭素粉末、例えばカーボンブラック、SuperP(登録商標)、C-NERGY(商標)SuperC65、Ensaco(登録商標)ブラック、Ketjenblack(登録商標)、アセチレンブラック、合成グラファイト、例えばTimrex(登録商標)SFG-6、Timrex(登録商標)SFG-15、Timrex(登録商標)SFG-44、Timrex(登録商標)KS-6、Timrex(登録商標)KS-15、Timrex(登録商標)KS-44、天然鱗片状黒鉛、グラフェン、グラフェン酸化物、カーボンナノチューブ、フラーレン、ハードカーボン、メソカーボンマイクロビーズなどからなる群から選択される。特定の実施形態では、導電性添加剤は、1つ以上の導電性ポリマーを含む。例えば、特定の実施形態では、導電性ポリマーは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリピロールなどからなる群から選択される。特定の実施形態では、導電性添加剤は、単独で使用される。いくつかの実施形態では、複数の導電性添加剤が一緒に使用される。 In certain embodiments, the cathode film includes a conductive additive that facilitates electron movement within the cathode. For example, in certain embodiments, the conductive additive is selected from the group consisting of a carbon-based material, a graphite-based material, a conductive polymer, a metal salt, an oxide, a sulfide, or a chalcogenide, and combinations thereof. In certain embodiments, the conductive additive includes a carbon-based material. In certain embodiments, the conductive additive includes a carbon-based material. For example, in certain embodiments, the conductive additive is selected from the group consisting of conductive carbon powders such as carbon black, SuperP®, C-NERGY™ Super C65, Ensaco® black, Ketjenblack®, acetylene black, synthetic graphite such as Timrex® SFG-6, Timrex® SFG-15, Timrex® SFG-44, Timrex® KS-6, Timrex® KS-15, Timrex® KS-44, natural flake graphite, graphene, graphene oxide, carbon nanotubes, fullerenes, hard carbon, mesocarbon microbeads, and the like. In certain embodiments, the conductive additive comprises one or more conductive polymers. For example, in certain embodiments, the conductive polymer is selected from the group consisting of polyaniline, polythiophene, polyacetylene, polypyrrole, and the like. In certain embodiments, a single conductive additive is used. In some embodiments, multiple conductive additives are used together.
特定の実施形態では、カソードには結合剤(例えば、個々の構造(例えば、粒子)を結合し、及び/または個々の構造を集電体などの基板に接着する物質)が含まれる。典型的な結合剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ(フッ化ビニリデン-co-ヘキサフルオロプロペン)(PVDF/HFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、KynarFlex(登録商標)2801、Kynar(登録商標)PowerflexLBG、Kynar(登録商標)HSV900、Teflon(登録商標)、カルボキシメチルセルロース、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリレート、ポリビニルピロリドン、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリエチルアクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルクロリド、ポリアクリロニトリル、ポリカプロラクタム、ポリエチレンテレフタレート、ポリブタジエン、ポリイソプレンまたはポリアクリル酸、あるいはこれらのいずれかの誘導体、混合物、またはコポリマーが挙げられる。いくつかの実施形態では、結合剤は、アルギン酸ナトリウムまたはカルボキシメチルセルロースなどの水溶性結合剤である。一般に、結合剤は活物質を一緒に保持し、また集電体(例えば、アルミ箔または銅箔)と接触させる。特定の実施形態では、結合剤は、ポリ(酢酸ビニル)、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、アルキル化ポリエチレンオキシド、架橋ポリエチレンオキシド、ポリビニルエーテル、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンとポリフッ化ビニリデンとのコポリマー、ポリエチルアクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピリジン、ポリスチレン、ならびにそれらの誘導体、混合物、及びコポリマーからなる群から選択される。 In certain embodiments, the cathode includes a binder (e.g., a material that binds individual structures (e.g., particles) together and/or adheres the individual structures to a substrate such as a current collector). Exemplary binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropene) (PVDF/HFP), polytetrafluoroethylene (PTFE), KynarFlex® 2801, Kynar® Powerflex® LBG, Kynar® HSV 900, Teflon®, carboxymethylcellulose, styrene-butadiene rubber (SBR), polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyethylene, polypropylene, polyacrylate, polyvinylpyrrolidone, poly(methyl methacrylate), polyethyl acrylate, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polycaprolactam, polyethylene terephthalate, polybutadiene, polyisoprene, or polyacrylic acid, or any derivative, mixture, or copolymer thereof. In some embodiments, the binder is a water-soluble binder such as sodium alginate or carboxymethylcellulose. Generally, the binder holds the active material together and in contact with the current collector (e.g., aluminum foil or copper foil). In certain embodiments, the binder is selected from the group consisting of poly(vinyl acetate), polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, alkylated polyethylene oxide, cross-linked polyethylene oxide, polyvinyl ether, poly(methyl methacrylate), polyvinylidene fluoride, copolymers of polyhexafluoropropylene and polyvinylidene fluoride, polyethyl acrylate, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polystyrene, and derivatives, mixtures, and copolymers thereof.
特定の実施形態では、カソードは、コーティング層をさらに含む。例えば、特定の実施形態では、コーティング層は、ポリマー、無機材料、またはそれらの混合物を含む。特定のそのような実施形態では、ポリマーは、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー、ポリ(酢酸ビニル)、ポリ(ビニルブチラール-co-ビニルアルコール-co-酢酸ビニル)、ポリ(メチルメタクリレート-co-エチルアクリレート)、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル-co-酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリ(1-ビニルピロリドン-co-酢酸ビニル)、酢酸セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリオレフィン、ポリウレタン、ポリビニルエーテル、アクリロニトリル-ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリル-ブタジエンスチレン、スルホン化スチレン/エチレン-ブチレン/スチレントリブロックコポリマー、ポリエチレンオキシド、及びこれらの誘導体、混合物及びコポリマーからなる群から選択される。特定のそのような実施形態では、無機材料は、例えば、コロイダルシリカ、アモルファスシリカ、表面処理シリカ、コロイダルアルミナ、アモルファスアルミナ、酸化スズ、酸化チタン、硫化チタン(TiS2)、酸化バナジウム、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化鉄、硫化鉄(FeS)、チタン酸鉄(FeTiO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、及びそれらの組み合わせを含む。特定の実施形態では、有機材料は、導電性カーボンを含む。特定の実施形態では、有機材料は、または、グラフェン、グラフェン窒化物、グラフェン酸化物を含む。 In certain embodiments, the cathode further comprises a coating layer. For example, in certain embodiments, the coating layer comprises a polymer, an inorganic material, or a mixture thereof. In certain such embodiments, the polymer is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, copolymers of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene, poly(vinyl acetate), poly(vinyl butyral-co-vinyl alcohol-co-vinyl acetate), poly(methyl methacrylate-co-ethyl acrylate), polyacrylonitrile, polyvinyl chloride-co-vinyl acetate, polyvinyl alcohol, poly(1-vinylpyrrolidone-co-vinyl acetate), cellulose acetate, polyvinylpyrrolidone, polyacrylates, polymethacrylates, polyolefins, polyurethanes, polyvinyl ethers, acrylonitrile-butadiene rubber, styrene butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene styrene, sulfonated styrene/ethylene-butylene/styrene triblock copolymers, polyethylene oxide, and derivatives, mixtures, and copolymers thereof. In certain such embodiments, the inorganic material includes, for example, colloidal silica, amorphous silica, surface-treated silica, colloidal alumina, amorphous alumina, tin oxide, titanium oxide, titanium sulfide ( TiS2 ), vanadium oxide, zirconium oxide ( ZrO2 ), iron oxide, iron sulfide (FeS), iron titanate ( FeTiO3 ), barium titanate ( BaTiO3 ), and combinations thereof. In certain embodiments, the organic material includes conductive carbon. In certain embodiments, the organic material includes, alternatively, graphene, graphene nitride, or graphene oxide.
特定の実施形態では、提供された構造化カソードの前駆体は、結合剤なしで配合することができ、カソードフィルムの製造中に追加することができる(例えば、提供される混合物からスラリーを形成するために使用される溶媒に溶解される)。結合剤が提供されるカソードフィルムに含まれる実施形態では、カソードフィルムを製造するために混合物がスラリーにされたときに結合剤を活性化することができる。 In certain embodiments, the provided structured cathode precursors can be formulated without a binder, which can be added during the manufacture of the cathode film (e.g., dissolved in a solvent used to form a slurry from the provided mixture). In embodiments in which a binder is included in the provided cathode film, the binder can be activated when the mixture is slurried to manufacture the cathode film.
カソード混合物での使用に適した材料は、2016年6月1日に出版されたCathode Materials for Lithium Sulfur Batteries: Design, Synthesis, and Electrochemical Performance, Lianfeng, et al., Interchopen.com、及び、The Strategies of Advanced Cathode Composites for Lithium-Sulfur Batteries, Zhou et al., SCIENCE CHINA Technological Sciences, Volume 60, Issue 2: 175-185(2017)に開示されているものを含み、これらの各々の開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。 Materials suitable for use in the cathode mixture are described in "Cathode Materials for Lithium Sulfur Batteries: Design, Synthesis, and Electrochemical Performance," Lianfeng, et al., Interchopen.com, published June 1, 2016, and "The Strategies of Advanced Cathode Composites for Lithium-Sulfur Batteries," Zhou et al. , SCIENCE CHINA Technological Sciences, Volume 60, Issue 2: 175-185 (2017), the entire disclosures of each of which are incorporated herein by reference.
構造化カソードの製造方法
構造化カソードは、カソードの大量生産のために適切に適応された従来のプロセスを使用して形成され得る。例えば、多くのカソードはロールツーロール処理を使用して製造される。構造化カソードを形成するために、ロールツーロールプロセスまたは別のプロセスに1つ以上の追加ステップを追加することができる。一例として、適切な形状のダイを使用したスロットダイコーティングでは、コーティング時にカソードフィルムに特定の凹部、例えば深さが変化する平行な溝を形成できる。一般に、構造化カソードの製造方法には、電気化学的に活性な材料(例えば、変換材料)を含むフィルムを提供(例えば、形成)し、フィルムの表面にフィルム内に延びる(例えば、フィルムの一部のみまたは全体を貫通する)凹部を形成することが含まれる。凹部とフィルムは同時に形成されてもよいし(例えば、スロットダイコーティングの場合)、フィルムが製造された後に凹部が形成されてもよい。初期フィルムは(例えば、スロットダイコーティングによって)(例えば、集電体などの基板上に)形成され、その後カレンダー加工され得る。いくつかの実施形態では、カレンダー加工が行われた後にのみ、フィルムに凹部が形成され、フィルムのパターン形成された表面が形成される。凹部は、フィルムから材料を除去することによって、またはフィルム内の材料を再配置することによって(例えば、フィルムの一部をデボス加工することによって、例えば、圧縮、スタンピング、及び/または刻印することによって)、材料をパターン状に堆積することによって(例えば、特殊なスロットまたはダイを使用して)、またはそれらの任意の組み合わせによって形成することができる。レーザーアブレーションは、凹部を形成するための好ましい方法である。
Methods for Fabricating Structured Cathodes Structured cathodes can be formed using conventional processes appropriately adapted for mass production of cathodes. For example, many cathodes are fabricated using roll-to-roll processing. One or more additional steps can be added to the roll-to-roll process or another process to form a structured cathode. As an example, slot die coating using an appropriately shaped die can form specific recesses, such as parallel grooves of varying depth, in the cathode film during coating. In general, methods for fabricating structured cathodes include providing (e.g., forming) a film containing an electrochemically active material (e.g., a conversion material) and forming recesses in the surface of the film that extend into the film (e.g., through only a portion of the film or the entire film). The recesses and film can be formed simultaneously (e.g., in the case of slot die coating), or the recesses can be formed after the film is fabricated. An initial film can be formed (e.g., by slot die coating) (e.g., on a substrate such as a current collector) and then calendered. In some embodiments, the recesses are formed in the film only after calendering, forming the patterned surface of the film. The recesses can be formed by removing material from the film, or by rearranging material within the film (e.g., by debossing a portion of the film, e.g., by compressing, stamping, and/or imprinting), by depositing material in a pattern (e.g., using a special slot or die), or any combination thereof. Laser ablation is a preferred method for forming the recesses.
図3は、本開示の例示的な実施形態による、方法300のフローチャートである。ステップ302では、スラリーが(例えば、スロットダイコーティングによって)集電体上に堆積され、初期カソードフィルムが形成される。ステップ304では、初期カソードフィルムがカレンダー加工される。カレンダー加工は「強力」なものとすることができ、フィルムの初期の多孔性が大幅に減少する。例えば、スラリーに粒子、棒、繊維、またはそれらの組み合わせなどの個々の構造(例えば、ナノ構造)が含まれる場合、カレンダー加工により、初期の堆積と比較して構造が大幅に圧縮され、多孔性が低減される可能性がある。ステップ306では、カレンダー加工されたフィルムの一部が除去され、フィルムの表面に凹部が形成される。除去を実行するにはレーザーアブレーションが使用され得る。 Figure 3 is a flowchart of method 300 according to an exemplary embodiment of the present disclosure. In step 302, the slurry is deposited (e.g., by slot die coating) onto a current collector to form an initial cathode film. In step 304, the initial cathode film is calendered. The calendering can be "aggressive" and significantly reduce the initial porosity of the film. For example, if the slurry contains individual structures (e.g., nanostructures) such as particles, rods, fibers, or combinations thereof, the calendering can significantly compress the structures compared to the initial deposition, reducing porosity. In step 306, portions of the calendered film are removed, forming recesses in the surface of the film. Laser ablation can be used to perform the removal.
レーザーアブレーションによって、フィルム(例えば、すでにカレンダー加工されているフィルム)に凹部を形成することができる。レーザーアブレーションは、一般的にフィルムから材料を除去する働きをする。レーザーアブレーションが望ましい理由の1つは、制御性が高いことである。パルスレーザーはアブレーションを正確に制御するために使用できる。いくつかの実施形態では、パルスレーザーは、1000フェムト秒未満(例えば、500、400、300、200、150、100、50、25、15、10、5、4、3、2、または1フェムト秒未満)の持続時間のパルスをフィルム(例えば、既にカレンダー加工されたフィルム)に照射する。 Laser ablation can be used to form recesses in a film (e.g., a film that has already been calendered). Laser ablation generally acts to remove material from a film. One reason laser ablation is desirable is its high controllability. Pulsed lasers can be used to precisely control the ablation. In some embodiments, the pulsed laser irradiates the film (e.g., a film that has already been calendered) with pulses of less than 1000 femtoseconds (e.g., less than 500, 400, 300, 200, 150, 100, 50, 25, 15, 10, 5, 4, 3, 2, or 1 femtosecond) in duration.
レーザーアブレーションなどによる凹部の形成は、インライン(例えば、電池の製造中)で実行できる。つまり、特定の実施形態では、従来のカソード製造ラインを大幅に再設備する必要なく、カソードフィルム表面に凹部をパターン形成するように変更することができる。例えば、いくつかの実施形態では、ロールツーロール製造プロセス内の適切な位置にレーザーアブレーション装置を追加するだけで、電池製造中にカソードフィルム表面に凹部を形成することができる。 Forming the recesses, such as by laser ablation, can be performed in-line (e.g., during battery manufacturing). That is, in certain embodiments, conventional cathode manufacturing lines can be modified to pattern recesses in the cathode film surface without the need for significant retooling. For example, in some embodiments, recesses can be formed in the cathode film surface during battery manufacturing by simply adding a laser ablation device at the appropriate location within the roll-to-roll manufacturing process.
いくつかの実施形態では、提供される(例えば、形成される)フィルムはカレンダー加工される。フィルムは基板(例えば、集電体)上でカレンダー加工されてもよい。基板は多孔質であってもよい。異なるフィルムを基板の異なる面(例えば、反対側の2つの面に1つずつ)にカレンダー加工することができる。このようなフィルムが2つ存在する場合、両面にレーザーアブレーションを行うなどして、それぞれのフィルムにパターン形成された表面を持たせることができる。凹部を形成することは、初期フィルムをカレンダー加工した後にのみ行うことができる。このようにして、カソードフィルムのカレンダー加工によって生じる可能性のある凹部の形態またはサイズへの有害な変化を回避することができる。カレンダー加工は、カレンダー加工前のカソードフィルムに存在する初期の多孔度の40%以下(例えば、30%以下、20%以下、または10%以下)が残る程度まで適用できる。代替的にまたは追加的に、カレンダー加工により、カソードフィルムの最大厚さを、カレンダー加工前の初期厚さの40%以下(例えば、30%以下、20%以下、または10%以下)にすることができる。 In some embodiments, the provided (e.g., formed) film is calendered. The film may be calendered on a substrate (e.g., a current collector). The substrate may be porous. Different films may be calendered on different sides of the substrate (e.g., one on each of two opposite sides). When two such films are present, each film may have a patterned surface, such as by laser ablation on both sides. Forming the recesses may be performed only after the initial film has been calendered. In this way, adverse changes to the shape or size of the recesses that may be caused by calendering the cathode film can be avoided. Calendering may be applied to an extent that 40% or less (e.g., 30% or less, 20% or less, or 10% or less) of the initial porosity present in the cathode film before calendering remains. Alternatively or additionally, calendering may reduce the maximum thickness of the cathode film to 40% or less (e.g., 30% or less, 20% or less, or 10% or less) of the initial thickness before calendering.
いくつかの実施形態では、カソードフィルムに凹部を形成することは、材料(例えば、電気化学的に活性な材料、及び存在する場合は結合剤及び/または導電性添加剤)を除去することを含む。材料の除去には、材料のレーザーアブレーションが含まれてもよい。材料の除去には、削り取り、切断、及び/または引っ掻き(例えば、1つ以上のブレードによる)が含まれてもよい。いくつかの実施形態では、カソードフィルムに凹部を形成することは、フィルムをデボス加工(例えば、圧縮、スタンピング、及び/または刻印)することを含む。 In some embodiments, forming the recesses in the cathode film includes removing material (e.g., electrochemically active material, and, if present, binder and/or conductive additives). Removing material may include laser ablation of the material. Removing material may include scraping, cutting, and/or scratching (e.g., with one or more blades). In some embodiments, forming the recesses in the cathode film includes debossing (e.g., compressing, stamping, and/or imprinting) the film.
いくつかの実施形態では、カソードフィルムを提供することは、フィルムを形成することを含む。カソードフィルムの形成することには、例えば変換材料などの電気化学的に活性な材料を含む個々の構造(例えば、ナノ粒子などの粒子)を組み立てることが含まれ得る。このような集合体はスラリーから鋳造されてもよい。組み立てには、スラリーコーティング、スロットダイコーティング、スピンコーティング、スプレー乾燥、ドローダウンコーティング、ドクターブレードコーティング、インクジェット印刷、コンマコーティング、及び逆コンマコーティングのうちの1つ以上が含まれてもよい。初期集合体は多孔質(例えば、高度に多孔質)であり得、カレンダー加工後もある程度多孔性を維持することができる。 In some embodiments, providing the cathode film includes forming a film. Forming the cathode film can include assembling individual structures (e.g., particles such as nanoparticles) including an electrochemically active material, such as a conversion material. Such an assembly can be cast from a slurry. The assembly can include one or more of slurry coating, slot die coating, spin coating, spray drying, drawdown coating, doctor blade coating, inkjet printing, comma coating, and inverted comma coating. The initial assembly can be porous (e.g., highly porous) and can maintain some porosity after calendaring.
電気化学セル
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される構造化カソードは電気化学セルに含まれる。電気化学セルは二次電池などの電池であってもよい。電池に含まれるカソードは、リチウム硫黄電池やナトリウム硫黄電池などの電気化学的に活性な変換材料を含む変換カソードであってもよい。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、本明細書に開示される構造化カソード、電解質、アノード、及び任意選択でセパレータを含む。構造化カソードは多孔質であり得、電解質をカソードフィルムのバルク内に配置することができ、フィルムのパターン形成された表面の凹部が、電気化学サイクル中にフィルムのバルクから移動された電解質の一部のための局所的な貯蔵庫を提供する。電解質は、構造化カソードのフィルム内の凹部を少なくとも部分的に満たすことができる。電解質は液体、ゲル、ポリマー、または固体であってもよい。電解質は、例えば凹んでいないフィルムのパターン形成された表面に直接接触することもできる。電池には、構造化カソードのパターン形成された表面の凹部を少なくとも部分的に満たす固体、ポリマー、またはゲル電解質(例えば、ポリマーゲル電解質)が含まれ得る。電池には、構造化カソードのパターン形成された表面の凹部を少なくとも部分的に満たす液体電解質が含まれ得る。電池には、固体電解質や液体電解質などの混合電解質が含まれ得る。例えば、液体電解質は、カソードフィルムのパターン形成された表面の凹部を少なくとも部分的に満たすことができ、固体電解質は、パターン形成された表面(例えば、パターン形成された表面の少なくとも凹部でない部分)に接触することができる。このような電池は、固体電解質と液体電解質の両方の利点を同時に活用できる。
Electrochemical Cells In some embodiments, the structured cathodes disclosed herein are included in an electrochemical cell. The electrochemical cell may be a battery, such as a secondary battery. The cathode included in the battery may be a conversion cathode including an electrochemically active conversion material, such as a lithium-sulfur battery or a sodium-sulfur battery. In some embodiments, the electrochemical cell includes a structured cathode disclosed herein, an electrolyte, an anode, and optionally a separator. The structured cathode may be porous, and the electrolyte may be disposed within the bulk of the cathode film, with recesses in the patterned surface of the film providing a local reservoir for a portion of the electrolyte transferred from the bulk of the film during electrochemical cycling. The electrolyte may at least partially fill the recesses in the film of the structured cathode. The electrolyte may be liquid, gel, polymer, or solid. The electrolyte may also be in direct contact with the patterned surface of the film, for example, without recesses. The battery may include a solid, polymer, or gel electrolyte (e.g., a polymer gel electrolyte) that at least partially fills the recesses in the patterned surface of the structured cathode. The battery can include a liquid electrolyte that at least partially fills the recesses in the patterned surface of the structured cathode. The battery can include a mixed electrolyte, such as a solid electrolyte and a liquid electrolyte. For example, a liquid electrolyte can at least partially fill the recesses in the patterned surface of the cathode film, and a solid electrolyte can contact the patterned surface (e.g., at least the non-recessed portions of the patterned surface). Such a battery can simultaneously utilize the advantages of both solid and liquid electrolytes.
いくつかの実施形態では、電池は、カソードフィルムのパターン形成された表面(例えば、フィルムの凹部でない部分)に接触する非導電性セパレータを含む。このような接触により、セパレータとカソードの界面が画定され得るる。1つ以上の不溶性生成物(例えば、非平衡不溶性生成物)は、パターン形成された表面の凹部よりも、セパレータとカソードの界面のフィルムのパターン形成された表面上に、より高い濃度で配置(例えば、沈殿)され得る。非導電性セパレータと接触していない凹部は、実質的に不溶性生成物を含まなくてもよい。 In some embodiments, the battery includes a non-conductive separator in contact with the patterned surface of the cathode film (e.g., portions of the film that are not recessed). Such contact may define a separator-cathode interface. One or more insoluble products (e.g., non-equilibrium insoluble products) may be disposed (e.g., precipitated) in a higher concentration on the patterned surface of the film at the separator-cathode interface than in the recesses of the patterned surface. The recesses not in contact with the non-conductive separator may be substantially free of insoluble products.
いくつかの実施形態では、電池は、本明細書に開示される構造化カソードと接触する保護されたリチウム金属アノードを含む。いくつかの実施形態では、電池はアノードフリー構成を有する(例えば、リチウムが第1の電気化学サイクル中に集電体上に堆積する)。 In some embodiments, the battery includes a protected lithium metal anode in contact with a structured cathode disclosed herein. In some embodiments, the battery has an anode-free configuration (e.g., lithium deposits on the current collector during the first electrochemical cycle).
本明細書に開示される構造化カソードは、スルホンアミド塩(例えば、LiTFSI)を含まない電解質と共に使用することができ、それによって、高性能を達成するために必要となる可能性のある高価な電解質を回避することで、コストの削減を実現することができる。いくつかの実施形態では、電池は、電解質対硫黄(E/S)比が低く(例えば、極めて低く)、例えば、10以下、7以下、5以下、3以下、または3未満である。 The structured cathodes disclosed herein can be used with electrolytes that do not contain sulfonamide salts (e.g., LiTFSI), thereby realizing cost savings by avoiding expensive electrolytes that may be required to achieve high performance. In some embodiments, the batteries have a low (e.g., very low) electrolyte-to-sulfur (E/S) ratio, e.g., 10 or less, 7 or less, 5 or less, 3 or less, or less than 3.
本開示は、本明細書に記載のカソード及び組成物を含む二次硫黄電池を提供する。特定の実施形態では、そのような電池は、リチウム伝導性電解質によってもたらされるカソード組成物に結合される、リチウム含有アノード組成物を含む。いくつかの実施形態では、そのような電池はまた、アノードとカソードとの間のセパレータ、アノード及びカソード集電体、セルを外部負荷に結合することができる端子、及び可撓性パウチまたは剛性金属容器などのパッケージなどの追加のコンポーネントも含む。いくつかの実施形態では、本開示は、硫黄含有カソードと、リチウム含有アノードと、アノードとカソードとをイオン結合する電解質とを含むリチウム硫黄電池を対象とする。二次硫黄電池に関する本開示は、ナトリウム-硫黄電池での使用に適合させることができることがさらに企図され、そのような電池はまた、本開示の特定の実施形態の範囲内であるとみなされる。 The present disclosure provides secondary sulfur batteries comprising the cathodes and compositions described herein. In certain embodiments, such batteries comprise a lithium-containing anode composition coupled to a cathode composition provided by a lithium-conducting electrolyte. In some embodiments, such batteries also comprise additional components, such as a separator between the anode and cathode, anode and cathode current collectors, terminals capable of coupling the cell to an external load, and packaging such as a flexible pouch or rigid metal container. In some embodiments, the present disclosure is directed to a lithium-sulfur battery comprising a sulfur-containing cathode, a lithium-containing anode, and an electrolyte ionically bonding the anode and cathode. It is further contemplated that the present disclosure regarding secondary sulfur batteries can be adapted for use in sodium-sulfur batteries, and such batteries are also considered within the scope of certain embodiments of the present disclosure.
図4は、本開示の例示的な実施形態による電気化学セル500の断面を示している。電気化学セル500は、負電極502、正電極504、負電極502と正電極504との間に介在するセパレータ506、容器510、及び負電極502と正電極504と接触する流体電解質512をそれぞれ含む。このようなセルは、任意選択で、電極及びセパレータの付加的な層502a、502b、504a、504b、506a、及び506bを含む。図5は、負電極502、正電極504、及び負電極502と正電極804との間に挿入されたセパレータ506を示す代表的なセルスタックを通る断面の別の図を示す。図5には、電極504を含む層も示されている。具体的には、層は、集電体504-1、リチウムインターカレーション活物質を含むカソード層504-2、及び変換活物質を含むカソード層504-3を含む。図示のように、リチウムインターカレーション活物質504-2は、集電体504-1とカソード層504-3との間に挿入される。 FIG. 4 shows a cross-section of an electrochemical cell 500 according to an exemplary embodiment of the present disclosure. The electrochemical cell 500 includes a negative electrode 502, a positive electrode 504, a separator 506 interposed between the negative electrode 502 and the positive electrode 504, a container 510, and a fluid electrolyte 512 in contact with the negative electrode 502 and the positive electrode 504, respectively. Such a cell optionally includes additional layers of electrodes and separators 502a, 502b, 504a, 504b, 506a, and 506b. FIG. 5 shows another view of a cross-section through a representative cell stack showing the negative electrode 502, the positive electrode 504, and the separator 506 inserted between the negative electrode 502 and the positive electrode 804. Also shown in FIG. 5 are the layers including the electrode 504. Specifically, the layers include a current collector 504-1, a cathode layer 504-2 including a lithium intercalation active material, and a cathode layer 504-3 including a conversion active material. As shown, the lithium intercalation active material 504-2 is interposed between the current collector 504-1 and the cathode layer 504-3.
負電極502(本明細書では負極とも呼ぶことがある)は、陽イオンを受け入れることができる負極活物質を含む。リチウム系電気化学セル用の負極活物質の非限定的な例としては、Li金属、Li合金(例えば、Si、Sn、Bi、In、及び/またはAl合金などのLi合金)、Li4Ti5O12、ハードカーボン、黒鉛状炭素、金属カルコゲニド、及び/または非晶質炭素が挙げられる。本開示のいくつかの実施形態によれば、負極活物質のうちのほとんど(例えば、90重量%超)は、電気化学セル500が最初に作製された時、放電された正電極504(本明細書ではカソードとも呼ぶことがある)に最初含まれている場合があり、従って、電極活物質は、電気化学セル500の最初の充電の間に第1の電極502の一部を形成する。 The negative electrode 502 (sometimes referred to herein as the anode) includes an active negative electrode material capable of accepting cations. Non-limiting examples of active negative electrode materials for lithium-based electrochemical cells include Li metal, Li alloys (e.g., Li alloys such as Si, Sn, Bi , In, and/or Al alloys), Li4Ti5O12 , hard carbon, graphitic carbon, metal chalcogenides, and/or amorphous carbon. According to some embodiments of the present disclosure, most (e.g., greater than 90% by weight) of the active negative electrode material may be initially contained in the discharged positive electrode 504 (sometimes referred to herein as the cathode) when the electrochemical cell 500 is first fabricated; thus, the active electrode material forms part of the first electrode 502 during the initial charging of the electrochemical cell 500.
電気活性物質を負電極502の一部分に堆積させるための技法は、米国特許出願公開第2016/0172660号、及び同様に米国特許出願公開第2016/0172661号に記載され、これらの各々の内容は、こうした内容が本開示と矛盾しない範囲で、参照により本明細書に組み込まれる。 Techniques for depositing an electroactive material on a portion of the negative electrode 502 are described in U.S. Patent Application Publication No. 2016/0172660, and similarly U.S. Patent Application Publication No. 2016/0172661, the contents of each of which are incorporated herein by reference to the extent such contents are not inconsistent with this disclosure.
負電極502及び正電極504は、上述のように、1つ以上の導電性添加物をさらに含むことができる。本開示の一部の実施形態によると、負電極502及び/または正電極504は、後述のように、1つ以上のポリマー結合剤をさらに含む。 The negative electrode 502 and the positive electrode 504 may further include one or more conductive additives, as described above. According to some embodiments of the present disclosure, the negative electrode 502 and/or the positive electrode 504 further include one or more polymer binders, as described below.
図6は、後述する様々な実施形態による電池の例を示す。円筒型電池が、例示の目的でここに示されているが、角柱型電池またはパウチ(ラミネートタイプ)電池を含む他のタイプの配置も、所望により使用されてもよい。例示的Li電池600は、負電極602、正電極604、負電極602と正電極604との間に介在するセパレータ606、セパレータ606に含浸されている電解質(図示せず)、電池ケース605、及び電池ケース605を密封する封止部材608を含む。当然のことながら、例示的な電池600は、様々な設計において、本開示の複数の態様を同時に具現化してもよい。 Figure 6 shows an example of a battery according to various embodiments described below. While a cylindrical battery is shown here for illustrative purposes, other types of configurations, including prismatic or pouch (laminated-type) batteries, may also be used if desired. The exemplary Li battery 600 includes a negative electrode 602, a positive electrode 604, a separator 606 interposed between the negative electrode 602 and the positive electrode 604, an electrolyte (not shown) impregnated in the separator 606, a battery case 605, and a sealing member 608 that seals the battery case 605. Of course, the exemplary battery 600 may simultaneously embody multiple aspects of the present disclosure in various designs.
いくつかの実施形態では、本開示のリチウム硫黄電池は、リチウムアノード、硫黄系カソード、及びアノードとカソードとの間のイオン輸送を可能にする電解質を含む。本明細書に記載される特定の実施形態では、電池のアノード部分は、アノードと、それが接触している電解質の部分とを含む。同様に、本明細書に記載される特定の実施形態では、電池のカソード部分は、カソードと、それが接触する電解質の一部とを含む。特定の実施形態では、電池は、アノード部分とカソード部分との間の境界を画定するリチウムイオン透過性セパレータを含む。特定の実施形態では、電池は、アノード部分とカソード部分の両方を封入するケースを含む。特定の実施形態では、電池ケースは、外部回路を介した充電及び放電を容易にするため、アノードと電気通信する導電性アノードエンドカバーと、カソードと電気通信する導電性カソードエンドカバーとを含む。 In some embodiments, the lithium-sulfur battery of the present disclosure includes a lithium anode, a sulfur-based cathode, and an electrolyte that enables ion transport between the anode and the cathode. In certain embodiments described herein, the anode portion of the battery includes the anode and a portion of the electrolyte in contact therewith. Similarly, in certain embodiments described herein, the cathode portion of the battery includes the cathode and a portion of the electrolyte in contact therewith. In certain embodiments, the battery includes a lithium-ion permeable separator that defines a boundary between the anode portion and the cathode portion. In certain embodiments, the battery includes a case that encapsulates both the anode portion and the cathode portion. In certain embodiments, the battery case includes a conductive anode end cover in electrical communication with the anode and a conductive cathode end cover in electrical communication with the cathode to facilitate charging and discharging via an external circuit.
アノード
特定の実施形態では、リチウム電池(例えば、リチウム硫黄電池)は、リチウムアノードを含む。リチウム硫黄セルでの使用に適した任意のリチウムアノードを使用することができる。特定の実施形態において、リチウム硫黄電池のアノードは、リチウムインターカレーションが可逆的に起こる材料、リチウムイオンと反応してリチウム含有化合物を形成する材料、金属リチウム、リチウム合金、及びこれらの組み合わせから選択される負電極活物質を含む。特定の実施形態では、アノードは、金属リチウムを含む。特定の実施形態では、リチウム含有アノード組成物は、炭素系化合物を含む。特定の実施形態では、炭素系化合物は、結晶性炭素、非晶質炭素、グラファイト、及びこれらの混合物からなる群から選択される。特定の実施形態では、リチウムイオンと反応してリチウム含有化合物を形成する材料は、酸化スズ(SnO2)、硝酸チタン、及びケイ素からなる群から選択される。特定の実施形態では、リチウム合金は、リチウムと別のアルカリ金属(例えば、ナトリウム、カリウム、ルビジウムまたはセシウム)との合金を含む。特定の実施形態では、リチウム合金は、リチウムと遷移金属との合金を含む。特定の実施形態では、リチウム合金は、リチウムと、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Al、Sn、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される金属との合金を含む。特定の実施形態では、リチウム合金は、リチウムとインジウムとの合金を含む。特定の実施形態では、アノードは、リチウム-ケイ素合金を含む。適切なリチウム-ケイ素合金の例としては、Li15Si4、Li12Si7、Li7Si3、Li13Si4、及びLi21Si5/Li22Si5が挙げられる。特定の実施形態では、リチウム金属またはリチウム合金は、別の材料との複合材料として存在する。特定の実施形態では、こうした複合材料は、グラファイト、グラフェン、金属硫化物または酸化物、または導電性ポリマーなどの材料を含む。
Anode In certain embodiments, a lithium battery (e.g., a lithium-sulfur battery) includes a lithium anode. Any lithium anode suitable for use in a lithium-sulfur cell can be used. In certain embodiments, the anode of a lithium-sulfur battery includes a negative electrode active material selected from a material in which lithium intercalation occurs reversibly, a material that reacts with lithium ions to form a lithium-containing compound, metallic lithium, a lithium alloy, and combinations thereof. In certain embodiments, the anode includes metallic lithium. In certain embodiments, the lithium-containing anode composition includes a carbon-based compound. In certain embodiments, the carbon-based compound is selected from the group consisting of crystalline carbon, amorphous carbon, graphite, and mixtures thereof. In certain embodiments, the material that reacts with lithium ions to form a lithium-containing compound is selected from the group consisting of tin oxide (SnO 2 ), titanium nitrate, and silicon. In certain embodiments, the lithium alloy includes an alloy of lithium and another alkali metal (e.g., sodium, potassium, rubidium, or cesium). In certain embodiments, the lithium alloy includes an alloy of lithium and a transition metal. In certain embodiments, the lithium alloy comprises an alloy of lithium with a metal selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, Sn, and combinations thereof. In certain embodiments, the lithium alloy comprises an alloy of lithium with indium. In certain embodiments, the anode comprises a lithium-silicon alloy. Examples of suitable lithium-silicon alloys include Li 15 Si 4 , Li 12 Si 7 , Li 7 Si 3 , Li 13 Si 4 , and Li 21 Si 5 /Li 22 Si 5 . In certain embodiments, the lithium metal or lithium alloy exists as a composite with another material. In certain embodiments, such a composite comprises a material such as graphite, graphene, a metal sulfide or oxide, or a conductive polymer.
アノードは、当技術分野で報告された任意の方法によって、例えば、化学的パッシベーションまたは重合によってアノードの表面上に保護層を生成することによって、酸化還元シャトリング反応及び有害なランアウェイ反応から保護され得る。例えば、特定の実施形態において、アノードは、リチウム金属の表面に、無機保護層、有機保護層、またはそれらの混合物を含む。特定の実施形態において、無機保護層は、Mg、Al、B、Sn、Pb、Cd、Si、In、Ga、ケイ酸リチウム、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、リン酸窒化リチウム、ケイ酸硫化リチウム、ホウ硫化リチウム、アルミノ硫化リチウム、リン硫化リチウム、フッ化リチウム、またはそれらの組み合わせを含む。特定の実施形態では、有機保護層は、ポリ(p-フェニレン)、ポリアセチレン、ポリ(p-フェニレンビニレン)、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ(2,5-エチレンビニレン)、アセチレン、ポリ(ペリナフタレン)、ポリアセン、及びポリ(ナフタレン-2,6-ジ-イル)、またはこれらの組み合わせから選択される導電性モノマー、オリゴマー、またはポリマーを含む。 The anode can be protected from redox shuttling reactions and detrimental runaway reactions by any method reported in the art, such as by chemical passivation or polymerization, to create a protective layer on the surface of the anode. For example, in certain embodiments, the anode comprises an inorganic protective layer, an organic protective layer, or a mixture thereof, on the surface of lithium metal. In certain embodiments, the inorganic protective layer comprises Mg, Al, B, Sn, Pb, Cd, Si, In, Ga, lithium silicate, lithium borate, lithium phosphate, lithium phosphate nitride, lithium silicate sulfide, lithium borosulfide, lithium aluminosulfide, lithium phosphosulfide, lithium fluoride, or a combination thereof. In certain embodiments, the organic protective layer comprises a conductive monomer, oligomer, or polymer selected from poly(p-phenylene), polyacetylene, poly(p-phenylenevinylene), polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly(2,5-ethylenevinylene), acetylene, poly(perinaphthalene), polyacene, and poly(naphthalene-2,6-diyl), or a combination thereof.
さらに、特定の実施形態において、リチウム硫黄電池の充電及び放電中に、カソードの電気活性硫黄材料から生成される不活性硫黄材料は、アノード表面に付着する。本明細書で使用される場合、「不活性硫黄」という用語は、繰り返される電気化学反応及び化学反応に対して活性を有さない硫黄を指し、それはカソードの電気化学反応に関与することができない。特定の実施形態において、アノード表面の不活性硫黄は、そのような電極の保護層として作用する。特定の実施形態において、不活性硫黄は、硫化リチウムである。 Furthermore, in certain embodiments, during charging and discharging of a lithium-sulfur battery, inert sulfur material, generated from the electroactive sulfur material of the cathode, is deposited on the anode surface. As used herein, the term "inert sulfur" refers to sulfur that is inactive in repeated electrochemical and chemical reactions and cannot participate in the electrochemical reactions of the cathode. In certain embodiments, the inert sulfur on the anode surface acts as a protective layer for such an electrode. In certain embodiments, the inert sulfur is lithium sulfide.
アノードフリー(例えば、アノードレス)構成も考慮される。アノードフリー構成では、アノードの代わりに集電体が設けられ、リチウム硫黄電池のリチウムなどの電気化学的に活性な種が、最初の電気化学サイクル(または最初の数回の電気化学サイクル)中に集電体の表面に堆積される。このようなリチウムは、電気化学セル内の電解質及び/または1つ以上の添加剤から得られる可能性がある。その後、集電体の表面は、さらなる電気化学サイクル中にリチウム源として機能する。 Anode-free (e.g., anodeless) configurations are also contemplated. In these configurations, a current collector is provided in place of the anode, and electrochemically active species, such as lithium in a lithium-sulfur battery, are deposited on the surface of the current collector during the first electrochemical cycle (or the first few electrochemical cycles). Such lithium may be obtained from the electrolyte and/or one or more additives within the electrochemical cell. The surface of the current collector then serves as a lithium source during further electrochemical cycles.
さらに、本開示は、ナトリウム-硫黄電池における使用に適合され得ることが企図される。このようなナトリウム硫黄電池は、ナトリウム系のアノードを含み、本開示の範囲内に含まれる。 Furthermore, it is contemplated that the present disclosure may be adapted for use in sodium-sulfur batteries. Such sodium-sulfur batteries include sodium-based anodes and are within the scope of the present disclosure.
電極の調製
リチウム電池(例えば、リチウム硫黄電池)に使用するための電極を製造するための種々の方法がある。「湿式プロセス」のような1つのプロセスは、液体に正極活物質、結合剤及び導電性材料(すなわち、カソード混合物)を添加してスラリー組成物を調製することを含む。これらのスラリーは、典型的には、下流コーティング操作を促進するように配合された粘性液体の形態である。スラリーを完全に混合することは、電極の性能と品質に影響を与えるコーティングと乾燥の操作にとって重要な場合がある。適切な混合デバイスは、ボールミル、磁気攪拌器、超音波処理、遊星混合器、高速混合器、ホモジナイザー、万能型混合器、及び静的混合器を含む。スラリーを作製するために使用される液体は、正極活物質、結合剤、導電材料及び任意の添加剤を均一に分散し、容易に蒸発するものであり得る。適切なスラリー液体としては、例えば、N-メチルピロリドン、アセトニトリル、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、テトラヒドロフラン、水、イソプロピルアルコール、ジメチルピロリドンなどが挙げられる。
Electrode Preparation There are various methods for manufacturing electrodes for use in lithium batteries (e.g., lithium-sulfur batteries). One process, known as the "wet process," involves adding the cathode active material, binder, and conductive material (i.e., cathode mixture) to a liquid to prepare a slurry composition. These slurries are typically in the form of viscous liquids formulated to facilitate downstream coating operations. Thorough mixing of the slurry can be important for coating and drying operations, which affect the performance and quality of the electrode. Suitable mixing devices include ball mills, magnetic stirrers, ultrasonicators, planetary mixers, high-speed mixers, homogenizers, universal mixers, and static mixers. The liquid used to make the slurry can be one that uniformly disperses the cathode active material, binder, conductive material, and any additives and is easily evaporated. Suitable slurry liquids include, for example, N-methylpyrrolidone, acetonitrile, methanol, ethanol, propanol, butanol, tetrahydrofuran, water, isopropyl alcohol, dimethylpyrrolidone, and the like.
いくつかの実施形態では、調製された組成物を集電体にコーティングし、乾燥させて電極を形成する。具体的には、スラリーを使用して、導電体をコーティングし、導体にスラリーを均一に広げることによって電極を形成し、次いで、特定の実施形態では、ロールプレス(例えば、カレンダー加工)し、当技術分野で公知のように加熱する。一般に、正極活物質と導電性材料のマトリックスは、結合剤によって導体に一緒に保持される。特定の実施形態では、マトリックスは、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ(フッ化ビニリデン-co-ヘキサフルオロプロペン)(PVDF/HFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、Kynar Flex(登録商標)2801、Kynar(登録商標)Powerflex LBG、Kynar(登録商標) HSV 900、Teflon(登録商標)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリエチレンオキシド(PEO)、またはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのリチウム伝導性ポリマー結合剤を含む。特定の実施形態では、さらなる炭素粒子、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブをマトリックス中に分散して、導電率を向上させる。代替的にまたは追加的に、特定の実施形態では、リチウムイオンは、リチウム導電性を改善するためにマトリックスに分散される。 In some embodiments, the prepared composition is coated onto a current collector and dried to form an electrode. Specifically, the slurry is used to coat a conductor and form an electrode by evenly spreading the slurry over the conductor, which in certain embodiments is then roll-pressed (e.g., calendered) and heated as known in the art. Generally, the matrix of positive electrode active material and conductive material is held together in the conductor by a binder. In certain embodiments, the matrix comprises a lithium-conducting polymer binder, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropene) (PVDF/HFP), polytetrafluoroethylene (PTFE), Kynar Flex® 2801, Kynar Powerflex LBG, Kynar HSV 900, Teflon®, styrene butadiene rubber (SBR), polyethylene oxide (PEO), or polytetrafluoroethylene (PTFE). In certain embodiments, additional carbon particles, carbon nanofibers, or carbon nanotubes are dispersed in the matrix to improve electrical conductivity. Alternatively or additionally, in certain embodiments, lithium ions are dispersed in the matrix to improve lithium conductivity.
特定の実施形態では、集電体は、アルミ箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス鋼箔、チタン箔、ジルコニウム箔、モリブデン箔、ニッケル発泡体、銅発泡体、カーボン紙もしくは繊維シート、導電性金属でコーティングされたポリマー基板、及び/またはそれらの組み合わせからなる群から選択される。 In certain embodiments, the current collector is selected from the group consisting of aluminum foil, copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, zirconium foil, molybdenum foil, nickel foam, copper foam, carbon paper or fiber sheet, a polymer substrate coated with a conductive metal, and/or combinations thereof.
その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、PCT公開番号WO2015/003184、WO2014/074150、及びWO2013/040067は、電極及び電気化学セルを製造する様々な方法を記載する。 PCT Publication Nos. WO2015/003184, WO2014/074150, and WO2013/040067, the entire disclosures of which are incorporated herein by reference, describe various methods of manufacturing electrodes and electrochemical cells.
セパレータ
特定の実施形態では、電気化学セル(例えば、リチウム硫黄電池)には、アノードとカソードを物理的に分離するセパレータが含まれる。特定の実施形態では、セパレータは、電解質に対して実質的にまたは完全に不浸透性の材料である。特定の実施形態では、セパレータは、電解質に溶解した多硫化物イオンに対して不浸透性である。特定の実施形態では、セパレータは、全体として電解質に対して不浸透性であり、その結果、電解質可溶性硫化物の通過が阻止される。いくつかの実施形態では、セパレータ全体にわたるイオン伝導度が、例えば、そのようなセパレータの開口を介して設けられる。特定のそのような実施形態において、セパレータは、全体として、その不浸透性の結果として、電池のアノード部分とカソード部分との間の電解質可溶性硫化物の通過を抑制または制限する。特定の実施形態では、不浸透性材料のセパレータは、セルの充電及び放電中に、電池のアノードとカソードとの間のリチウムイオン輸送を可能にするように構成される。いくつかのそのような実施形態では、セパレータは、アノード及びカソードを互いに完全には分離しない。電池のアノード部分とカソード部分との間に十分なリチウムイオンの流れを可能にするために、セパレータの不浸透性面を迂回するか、または開口を貫通する1つ以上の電解質浸透性チャネルを設けなければならない。いくつかの実施形態では、セパレータ自体が完全に不浸透性である場合、セパレータの周囲と電池ケースの壁との間の環状部を通してチャネルが設けられる。
Separator In certain embodiments, an electrochemical cell (e.g., a lithium-sulfur battery) includes a separator that physically separates the anode and cathode. In certain embodiments, the separator is a material that is substantially or completely impermeable to the electrolyte. In certain embodiments, the separator is impermeable to polysulfide ions dissolved in the electrolyte. In certain embodiments, the separator is impermeable to the electrolyte as a whole, thereby preventing the passage of electrolyte-soluble sulfides. In some embodiments, ionic conductivity throughout the separator is provided, for example, via apertures in such a separator. In certain such embodiments, the separator as a whole inhibits or limits the passage of electrolyte-soluble sulfides between the anode and cathode portions of the battery as a result of its impermeability. In certain embodiments, the impermeable material separator is configured to allow lithium ion transport between the anode and cathode of the battery during charging and discharging of the cell. In some such embodiments, the separator does not completely separate the anode and cathode from each other. To allow sufficient lithium ion flow between the anode and cathode portions of the battery, one or more electrolyte permeable channels must be provided that bypass or penetrate the impermeable surface of the separator. In some embodiments, if the separator itself is completely impermeable, the channels are provided through an annulus between the periphery of the separator and the wall of the battery case.
当業者には明らかなとおり、セパレータの最適な寸法には、十分なリチウムイオン流動を可能にしながら、多硫化物の移動に対するインピーダンスの最大化という競合する課題のバランスをとることが求められる。この考察は別として、セパレータの形状及び向きは特に制限されておらず、電池構成に部分的に依存する。例えば、セパレータは、コイン型セルでは実質的に円形で、パウチ型セルでは実質的に矩形であり得る。本明細書に記載されるように、セパレータの表面は、開口を欠いていることがあり、そのため、リチウムイオンフラックスは、不浸透性シートの縁部の周りで排他的に生じる。しかしながら、必要なリチウムイオンフラックスの一部または全部がセパレータの開口を通してもたらされる特定の実施形態も企図されている。いくつかの実施形態では、セパレータは、実質的に平坦である。しかしながら、湾曲した、または他の平面ではない構成が使用され得ることは除外されない。 As will be apparent to those skilled in the art, the optimal separator dimensions require balancing the competing challenges of maximizing impedance to polysulfide migration while allowing sufficient lithium ion flow. Aside from this consideration, the shape and orientation of the separator are not particularly limited and will depend in part on the battery configuration. For example, the separator may be substantially circular for coin-type cells or substantially rectangular for pouch-type cells. As described herein, the separator surface may lack openings, such that lithium ion flux occurs exclusively around the edges of the impermeable sheet. However, certain embodiments are contemplated in which some or all of the required lithium ion flux is provided through openings in the separator. In some embodiments, the separator is substantially flat. However, it is not excluded that curved or other non-planar configurations may be used.
セパレータは、任意の適切な厚さとすることができる。電池のエネルギー密度を最大化するために、セパレータは可能な限り薄く軽量であることが一般に好ましい。しかしながら、セパレータは、十分な機械的ロバスト性を備え、適切な不浸透性を確保するのに十分に厚くするべきである。特定の実施形態において、セパレータは、約1ミクロン~約200ミクロン、好ましくは約5ミクロン~約100ミクロン、より好ましくは約10ミクロン~約30ミクロンの厚さを有する。 The separator can be of any suitable thickness. To maximize the battery's energy density, it is generally preferred that the separator be as thin and lightweight as possible. However, the separator should be thick enough to provide sufficient mechanical robustness and ensure adequate impermeability. In certain embodiments, the separator has a thickness of about 1 micron to about 200 microns, preferably about 5 microns to about 100 microns, and more preferably about 10 microns to about 30 microns.
電解質
特定の実施形態では、リチウム硫黄電池は、電解質塩を含む電解質を含む。電解質塩の例は、例えば、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミド、リチウムトリフレート、過塩素酸塩リチウム、LiPF6、LiBF4、テトラアルキルアンモニウム塩(例えば、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸、TBABF4)、室温での液体状態の塩(例えば、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス-(ペルフオロエチルスルホニル)イミド、EMIBetiなどのイミダゾリウム塩)などを含む。
Electrolyte In certain embodiments, the lithium-sulfur battery includes an electrolyte comprising an electrolyte salt. Examples of the electrolyte salt include, for example, lithium trifluoromethanesulfonimide, lithium triflate, lithium perchlorate, LiPF 6 , LiBF 4 , tetraalkylammonium salts (e.g., tetrabutylammonium tetrafluoroborate, TBABF 4 ), and salts that are liquid at room temperature (e.g., imidazolium salts such as 1-ethyl-3-methylimidazolium bis-(perfluoroethylsulfonyl)imide, EMIBeti).
特定の実施形態では、電解質は、1つ以上のアルカリ金属塩を含む。特定の実施形態では、そのような塩は、リチウム塩、例えば、LiCF3SO3、LiClO4、LiNO3、LiPF6、及びリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、またはそれらの組み合わせを含む。特定の実施形態では、電解質は、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム-TFSI、N-ブチル-N-メチル-ピペリジニウム-TFSI、N-メチル-n-ブチルピロリジニウム-TFSI、及びN-メチル-N-プロピルピペリジニウムTFSIなどのイオン液体、またはそれらの組み合わせを含む。特定の実施形態では、電解質は、超イオン伝導体(例えば、硫化物、酸化物、及びリン酸塩(例えば、五硫化リン)、またはそれらの組み合わせ)を含む。 In certain embodiments, the electrolyte comprises one or more alkali metal salts. In certain embodiments, such salts include lithium salts, such as LiCF 3 SO 3 , LiClO 4 , LiNO 3 , LiPF 6 , and lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), or combinations thereof. In certain embodiments, the electrolyte comprises an ionic liquid, such as 1-ethyl-3-methylimidazolium-TFSI, N-butyl-N-methyl-piperidinium-TFSI, N-methyl-n-butylpyrrolidinium-TFSI, and N-methyl-N-propylpiperidinium TFSI, or combinations thereof. In certain embodiments, the electrolyte comprises a superionic conductor, such as a sulfide, oxide, and phosphate (e.g., phosphorus pentasulfide), or combinations thereof.
特定の実施形態では、電解質は液体である。例えば、特定の実施形態では、電解質は有機溶媒を含む。特定の実施形態では、電解質は、1つしか有機溶媒を含まない。いくつかの実施形態では、電解質は、2つ以上の有機溶媒の混合物を含む。特定の実施形態では、有機溶媒の混合物は、弱極性溶媒基、強極性溶媒基、及びリチウム保護溶媒から選択される少なくとも2つの基からの有機溶媒を含む。 In certain embodiments, the electrolyte is a liquid. For example, in certain embodiments, the electrolyte comprises an organic solvent. In certain embodiments, the electrolyte comprises only one organic solvent. In some embodiments, the electrolyte comprises a mixture of two or more organic solvents. In certain embodiments, the mixture of organic solvents comprises organic solvents from at least two groups selected from the group consisting of weakly polar solvents, strongly polar solvents, and lithium-protective solvents.
本明細書で使用される場合、「弱極性溶媒」という用語は、硫黄元素を溶解することができ、15未満の誘電係数を有する溶媒として定義される。いくつかの実施形態において、弱極性溶媒は、アリール化合物、二環式エーテル、及び非環式炭酸化合物から選択される。弱極性溶媒の非限定的な例には、キシレン、ジメトキシエタン、2-メチルテトラヒドロフラン、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、トルエン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジグリム、テトラグライムなどが含まれる。本明細書で使用される場合、「強極性溶媒」という用語は、多硫化リチウムを溶解することができ、15を超える誘電係数を有する溶媒として定義される。いくつかの実施形態において、強極性溶媒は、二環式炭酸塩化合物、スルホキシド化合物、ラクトン化合物、ケトン化合物、エステル化合物、硫酸塩化合物、及び亜硫酸塩化合物から選択される。強極性溶媒の非限定的な例には、ヘキサメチルリン酸トリアミド、γ-ブチロラクトン、アセトニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、N-メチルピロリドン、3-メチル-2-オキサゾリドン、ジメチルホルムアミド、スルホラン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、硫酸ジメチル、エチレングリコールジアセテート、ジメチルサルファイト、エチレングリコールサルファイトなどが含まれる。本明細書で使用される場合、「リチウム保護溶媒」という用語は、リチウム表面に良好な保護層、すなわち安定的な固体電解質界面(SEI)層を形成し、少なくとも50%の循環効率を示す溶媒として定義される。いくつかの実施形態では、リチウム保護溶媒は、飽和エーテル化合物、不飽和エーテル化合物、及び、N、O、及び/またはSからなる群から選択される1つ以上のヘテロ原子を含む複素環式化合物から選択される。リチウム保護溶媒の非限定的な例は、テトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、3,5-ジメチルイソキサゾール、2,5-ジメチルフラン、フラン、2-メチルフラン、1,4-オキサン、4-メチルジオキソランなどを含む。 As used herein, the term "weakly polar solvent" is defined as a solvent capable of dissolving elemental sulfur and having a dielectric constant less than 15. In some embodiments, the weakly polar solvent is selected from aryl compounds, bicyclic ethers, and acyclic carbonate compounds. Non-limiting examples of weakly polar solvents include xylene, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, toluene, dimethyl ether, diethyl ether, diglyme, tetraglyme, and the like. As used herein, the term "strongly polar solvent" is defined as a solvent capable of dissolving lithium polysulfide and having a dielectric constant greater than 15. In some embodiments, the strong polar solvent is selected from bicyclic carbonate compounds, sulfoxide compounds, lactone compounds, ketone compounds, ester compounds, sulfate compounds, and sulfite compounds. Non-limiting examples of strong polar solvents include hexamethylphosphoric triamide, γ-butyrolactone, acetonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone, 3-methyl-2-oxazolidone, dimethylformamide, sulfolane, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethyl sulfate, ethylene glycol diacetate, dimethyl sulfite, ethylene glycol sulfite, etc. As used herein, the term "lithium protecting solvent" is defined as a solvent that forms a good protective layer on the lithium surface, i.e., a stable solid electrolyte interface (SEI) layer, and exhibits a cycling efficiency of at least 50%. In some embodiments, the lithium protecting solvent is selected from saturated ether compounds, unsaturated ether compounds, and heterocyclic compounds containing one or more heteroatoms selected from the group consisting of N, O, and/or S. Non-limiting examples of lithium-protecting solvents include tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 3,5-dimethylisoxazole, 2,5-dimethylfuran, furan, 2-methylfuran, 1,4-oxane, 4-methyldioxolane, and the like.
特定の実施形態では、電解質は液体(例えば、有機溶媒)である。いくつかの実施形態では、液体は、有機カーボネート、エーテル、スルホン、水、アルコール、フッ化炭素、またはそれらのいずれかの組み合わせからなる群から選択される。特定の実施形態では、電解質はエーテル溶媒を含む。 In certain embodiments, the electrolyte is a liquid (e.g., an organic solvent). In some embodiments, the liquid is selected from the group consisting of an organic carbonate, an ether, a sulfone, water, an alcohol, a fluorocarbon, or any combination thereof. In certain embodiments, the electrolyte comprises an ether solvent.
特定の実施形態では、有機溶媒は、エーテルを含む。特定の実施形態では、有機溶媒は、1,3,ジオキソラン、ジメトキシエタン、ジグリム、トリグリム、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される。特定の実施形態では、有機溶媒は、1,3-ジオキソランとジメトキシエタンの混合物を含む。特定の実施形態では、有機溶媒は、1,3-ジオキソランとジメトキシエタンの1:1(v/v)混合物を含む。特定の実施形態では、有機溶媒は、ジグリム、トリグリム、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、及びそれらの組合せからなる群から選択される。特定の実施形態では、電解質は、スルホラン、スルホレン、ジメチルスルホン、またはメチルエチルスルホンを含む。いくつかの実施形態では、電解質は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、またはメチルエチルカーボネートを含む。 In certain embodiments, the organic solvent comprises an ether. In certain embodiments, the organic solvent is selected from the group consisting of 1,3-dioxolane, dimethoxyethane, diglyme, triglyme, gamma-butyrolactone, gamma-valerolactone, and combinations thereof. In certain embodiments, the organic solvent comprises a mixture of 1,3-dioxolane and dimethoxyethane. In certain embodiments, the organic solvent comprises a 1:1 (v/v) mixture of 1,3-dioxolane and dimethoxyethane. In certain embodiments, the organic solvent is selected from the group consisting of diglyme, triglyme, gamma-butyrolactone, gamma-valerolactone, and combinations thereof. In certain embodiments, the electrolyte comprises sulfolane, sulfolene, dimethyl sulfone, or methyl ethyl sulfone. In some embodiments, the electrolyte comprises ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, or methyl ethyl carbonate.
特定の実施形態では、電解質は液体(例えば、有機溶媒)を含む。いくつかの実施形態では、液体は、有機カーボネート、エーテル、スルホン、水、アルコール、フッ化炭素、またはそれらのいずれかの組み合わせからなる群から選択される。特定の実施形態では、電解質はエーテル溶媒を含む。特定の実施形態では、電解質は、スルホラン、スルホレン、ジメチルスルホン、及びメチルエチルスルホンからなる群から選択される液体を含む。特定の実施形態では、電解質は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びメチルエチルカーボネートからなる群から選択される液体を含む。 In certain embodiments, the electrolyte comprises a liquid (e.g., an organic solvent). In some embodiments, the liquid is selected from the group consisting of an organic carbonate, an ether, a sulfone, water, an alcohol, a fluorocarbon, or any combination thereof. In certain embodiments, the electrolyte comprises an ether solvent. In certain embodiments, the electrolyte comprises a liquid selected from the group consisting of sulfolane, sulfolene, dimethyl sulfone, and methyl ethyl sulfone. In certain embodiments, the electrolyte comprises a liquid selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate.
特定の実施形態では、電解質は固体である。特定の実施形態では、固体電解質はポリマーを含む。特定の実施形態では、固体電解質は、ガラス、セラミック、無機複合材料、またはそれらの組み合わせを含む。特定の実施形態では、固体電解質は、ガラス、セラミック、無機複合材料、またはそれらの組み合わせを含むポリマー複合材料を含む。特定の実施形態では、そのような固体電解質は、可塑剤として、または「ゲル電解質」を形成するために、1つ以上の液体成分を含む。 In certain embodiments, the electrolyte is solid. In certain embodiments, the solid electrolyte comprises a polymer. In certain embodiments, the solid electrolyte comprises a glass, a ceramic, an inorganic composite, or a combination thereof. In certain embodiments, the solid electrolyte comprises a polymer composite comprising a glass, a ceramic, an inorganic composite, or a combination thereof. In certain embodiments, such solid electrolytes include one or more liquid components as plasticizers or to form a "gel electrolyte."
本開示がより完全に理解され得るように、以下の実施例が説明される。これらの実施例は説明のみを目的としており、いかなる形でも制限するものと解釈されるべきではないことを理解されたい。 In order that the present disclosure may be more fully understood, the following examples are set forth. It should be understood that these examples are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting in any manner.
リチウム硫黄電池での使用に適した構造化変換カソードが構築され、その微細構造がSEMによって評価された。図8A~8Bは、電気化学的に活性な材料を含むカソードフィルムを含む構造化カソードの例を示し、カソードフィルムには、パターン形成された表面にわたって一定の幅及び/または一定の間隔でフィルムのパターン形成された表面に凹んだ溝がある。フィルムは、電気化学的に活性な変換材料と導電性炭素と結合剤の個々の構造の比率が約10:5:4であり、例えば硫黄が約55%、導電性炭素が約25%、結合剤が約20%であった。全体的に、試験したカソードの電気化学的に活性な硫黄含有量は約3~3.5mg/cm2であった。レーザーアブレーションを使用すると、溝の幅と間隔を必要に応じて調整できる。例えば、約400~600μsで35μmの円を描く出力を持つレーザーを使用して、溝を形成できる。例えば、図8Aは、幅約80μm、間隔約165μmの溝を含む構造化カソードを示している。別のレとして、図8Bは、幅約70μm、間隔約185μmの溝を含む構造化カソードを示している。より広いもしくはより狭い溝、及び/または、より遠いもしくはより近い溝間の間隔を使用することができる。 Structured conversion cathodes suitable for use in lithium-sulfur batteries were constructed, and their microstructures were characterized by SEM. Figures 8A-8B show examples of structured cathodes, including cathode films containing electrochemically active materials, with grooves recessed into the film's patterned surface at regular widths and/or intervals across the patterned surface. The films had a ratio of electrochemically active conversion material to conductive carbon and binder in individual structures of approximately 10:5:4, e.g., approximately 55% sulfur, approximately 25% conductive carbon, and approximately 20% binder. Overall, the electrochemically active sulfur content of the tested cathodes was approximately 3-3.5 mg/ cm² . Using laser ablation, the groove width and spacing can be tailored as needed. For example, grooves can be formed using a laser with a power to create a 35 μm circle for approximately 400-600 μs. For example, Figure 8A shows a structured cathode containing grooves approximately 80 μm wide and spaced approximately 165 μm apart. Alternatively, Figure 8B shows a structured cathode containing grooves approximately 70 μm wide and spaced approximately 185 μm apart. Wider or narrower grooves and/or greater or smaller spacing between grooves can be used.
3D構造化カソードサンプル(パターン形成された表面を含む)を、同様の組成の制御カソード(パターン形成されていない)と比較してテストした。3回目と5回目のサイクルでの、図8B(「3D構造化カソード」)に示されている特定のサンプルと制御(「制御」)との間の比較が表1に示されている。
図9は、カソード表面の最上部と同様にカソードフィルムの表面まで延びる溝の内部に一貫した形態を有する、リチウム硫黄電池に使用するのに適した構造化変換カソードを示す。溝はレーザーアブレーションによって形成された。左側のパネルにはリースの最小拡大図が示されている。赤いボックス内の領域が拡大されて中央のパネルの図が形成され、その赤いボックス内の領域がさらに拡大されて右端のパネルの図が形成される。この例の段階的な拡大を詳しく調べるとわかるように、溝の表面は、除去されていないカソードの最上部(したがって、例えば、おそらくカソードフィルムのバルク)と同様の(例えば、同一の)形態及び多孔性を示している。 Figure 9 shows a structured conversion cathode suitable for use in lithium-sulfur batteries, with a consistent morphology within grooves that extend to the surface of the cathode film as well as the top of the cathode surface. The grooves were formed by laser ablation. The left panel shows a minimally magnified view of the grooves. The area within the red box is magnified to form the view in the middle panel, and the area within that red box is further magnified to form the view in the far right panel. As can be seen by close inspection of the incremental magnifications in this example, the surface of the grooves exhibits similar (e.g., identical) morphology and porosity to the top of the unablated cathode (and thus, e.g., presumably the bulk of the cathode film).
図10~13は、構造化カソードの追加の構成例を示す。構造化カソードには、電気化学的に活性な変換材料を含むフィルムが含まれ、そこにはそのフィルムの表面にレーザーアブレーションを使用して溝である凹部が形成されている。凹部はフィルム内にまで延びるが、フィルム全体を貫通することはない(例えば、フィルムの下に集電体が露出しない)。これらの構造化カソードは、リチウム硫黄電池での使用に適している。 Figures 10-13 show additional example configurations of structured cathodes. The structured cathodes include a film containing an electrochemically active conversion material, in which grooves, or recesses, are formed in the surface of the film using laser ablation. The recesses extend into the film but do not extend entirely through the film (e.g., no current collector is exposed below the film). These structured cathodes are suitable for use in lithium-sulfur batteries.
図14~23Cは、構造化カソードの追加の構成例を示す。例としては、カソードフィルムが挙げられ、カソードフィルムには、フィルムのパターン形成された表面にわたって一定の直径及び/または一定の間隔で凹んだ穴を有する電気化学的に活性な材料が含まれる。フィルムの組成は、(i)硫黄と金属硫化物添加剤の混合物の80重量%、(ii)炭素10重量%(例えば、C65及びKetjen Black)、及び(iii)結合剤10重量%(例えば、Na-PAA)であった。図14~19は、カレンダー加工されたフィルム(図14~16)及びカレンダー加工されていないフィルム(図17~19)の上面図を示す。図20~23Cは、カレンダー加工されたフィルム(図20~22)及びカレンダー加工されていないフィルム(図23A~23C)の断面図を示す。穴のパターンは、面心立方(FCC)構造の(111)面の六方最密充填(HCP)配列特性に似た六角形グリッドに対応していた。図14~19は、幅約50μmで間隔が約100μmの穴(例えば、穴1602、1604、及び1606)を含む構造化カソードを示す。より広いもしくはより狭い穴、及び/または、より遠いもしくはより近い穴間の間隔を使用することができる。 Figures 14-23C show additional example configurations of structured cathodes. Examples include cathode films containing an electrochemically active material with recessed holes of consistent diameter and/or consistent spacing across the patterned surface of the film. The film composition was (i) 80 wt% of a mixture of sulfur and metal sulfide additives, (ii) 10 wt% carbon (e.g., C65 and Ketjen Black), and (iii) 10 wt% binder (e.g., Na-PAA). Figures 14-19 show top views of calendered (Figures 14-16) and uncalendered (Figures 17-19) films. Figures 20-23C show cross-sectional views of calendered (Figures 20-22) and uncalendered (Figures 23A-23C) films. The hole pattern corresponded to a hexagonal grid resembling the hexagonal close-packed (HCP) arrangement characteristic of the (111) planes of a face-centered cubic (FCC) structure. Figures 14-19 show structured cathodes containing holes approximately 50 μm wide and spaced approximately 100 μm apart (e.g., holes 1602, 1604, and 1606). Wider or narrower holes and/or greater or closer spacing between holes can be used.
図18に示すような高倍率SEM画像は、レーザーアブレーションによって明確に画定された穴が作成されたことを示している。カレンダー加工されたフィルム(図20~22)とカレンダー加工されていないフィルム(図23A~23C)の両方の断面画像は、レーザーアブレーションによってフィルムに一貫した穴、例えば、図20の穴2002と2004、図21の穴2102、図22の穴2202が作成されたことを示している。図23A~23Cは、場合によっては、穴(例えば、穴2304、2306、2308)が基板2302まで延びていないことを示している。さらに、カソードフィルム内の構造の細孔と交差する穴が観察された。 High-magnification SEM images, such as those shown in Figure 18, show that well-defined holes were created by laser ablation. Cross-sectional images of both the calendered (Figures 20-22) and uncalendered (Figures 23A-23C) films show that laser ablation created consistent holes in the films, e.g., holes 2002 and 2004 in Figure 20, hole 2102 in Figure 21, and hole 2202 in Figure 22. Figures 23A-23C also show that in some cases, holes (e.g., holes 2304, 2306, 2308) did not extend all the way to substrate 2302. Additionally, holes were observed intersecting with the pore structure within the cathode film.
3回目と5回目のサイクルでの、図17~19と図23A~23C(穴を含む「3D構造化カソード」、カレンダー加工なし)に示されている特定のサンプルの間の比較が表2に示されている。
構造化カソードは、同じ電流密度(mA/cm2)で制御カソードに対してもテストされた。実験による構造化カソードでは、材料速度(mA/g活性)が増加した。特定の理論に縛られる意図ではないが、材料速度の増加は、実験的に構造化カソードのパターン形成された表面に凹部を形成するために除去された材料によって少なくとも部分的に説明できる。 The structured cathodes were also tested against a control cathode at the same current density (mA/ cm2 ). The experimental structured cathodes exhibited an increased material rate (mA/g activity). Without intending to be bound by any particular theory, the increased material rate can be explained, at least in part, by the material removed to form recesses in the patterned surface of the experimentally structured cathode.
本開示のシステム、装置、方法、及びプロセスは、本明細書に記載の実施形態からの情報を使用して開発される変形及び改変を包含すると考えられる。本明細書に説明されるシステム、デバイス、方法、及びプロセスの改変及び/または変更は、当業者によって行われ得る。 The systems, devices, methods, and processes of the present disclosure are intended to encompass variations and modifications developed using information from the embodiments described herein. Modifications and/or variations of the systems, devices, methods, and processes described herein may be made by those skilled in the art.
説明の全体を通して、物品、デバイス、及びシステムが、特定のコンポーネントを有する、含む、もしくは備えると説明している場合、またはプロセス及び方法が、特定のステップを有する、含む、もしくは備えると説明している場合、加えて、列挙したコンポーネントから本質的になる、または列挙したコンポーネントからなる本開示の特定の実施形態による物品、デバイス、及びシステムが存在し、また、列挙した処理ステップから本質的になる、または列挙した処理ステップからなる本開示の特定の実施形態によるプロセス及び方法が存在すると考えられる。 Throughout the description, when articles, devices, and systems are described as having, including, or comprising particular components, or when processes and methods are described as having, including, or comprising particular steps, it is believed that there are additionally articles, devices, and systems according to certain embodiments of the disclosure that consist essentially of or consist of the recited components, and that there are processes and methods according to certain embodiments of the disclosure that consist essentially of or consist of the recited processing steps.
ステップの順序、または特定のアクションを行うための順序は、実施可能性が失われない限り、重要ではないことを理解すべきである。さらに、2つ以上のステップまたはアクションは、同時に実行され得る。当業者によって理解されるように、用語「上に」「下に」「上方に」「下方に」「の下に」及び「に」は、相対的な用語であり、本開示に含まれる層、要素、及び基板の異なる配向を参照して置き換えることができる。例えば、いくつかの実施形態では、第2の層の第1の層は、第1の層が第2の層に直接あり、かつそれと接触していることを意味する。他の実施形態では、第2の層上の第1の層は、その間に別の層を含むことができる。 It should be understood that the order of steps or the order for performing certain actions is immaterial so long as operability is not lost. Additionally, two or more steps or actions may be performed simultaneously. As will be understood by those skilled in the art, the terms "on," "under," "upward," "underneath," "below," and "on" are relative terms and may be interchanged to refer to different orientations of layers, elements, and substrates included in this disclosure. For example, in some embodiments, a first layer on a second layer means that the first layer is directly on and in contact with the second layer. In other embodiments, a first layer on a second layer can include another layer therebetween.
見出しは、読み手の利便性のために提供され、特許請求される主題に関して限定することを意図しない。背景セクションでの記述は、先行技術であることを認めたものと解釈されるべきではない。 Headings are provided for the convenience of the reader and are not intended to be limiting with respect to the claimed subject matter. Statements in the Background section should not be construed as admissions of prior art.
本開示の特定の実施形態を上で説明した。しかしながら、本開示はこれらの実施形態に限定されないが、むしろ本開示で明確に説明したことへの追加及び修正も本開示の範囲内に含まれることが意図されていることを特に留意されたい。さらに、本開示で説明した様々な実施形態の特徴は互いに排他的でなく、様々な組み合わせ及び並べ換えで存在する可能性があり、これは、そのような組み合わせまたは並べ換えが表されなかった場合でも、本開示の主旨及び範囲から逸脱することなく可能であることを理解されたい。本開示は、その特定の実施形態を特に参照して詳細に説明してきたが、変形及び修正は、特許請求される発明の主旨及び範囲内で生じる可能性があることを理解されよう。 Specific embodiments of the present disclosure have been described above. However, it should be expressly noted that the present disclosure is not limited to these embodiments, but rather additions and modifications to those expressly described in this disclosure are also intended to be within the scope of the present disclosure. Furthermore, it should be understood that the features of the various embodiments described in this disclosure are not mutually exclusive and may exist in various combinations and permutations, even if such combinations or permutations are not expressly stated, without departing from the spirit and scope of the present disclosure. While the present disclosure has been described in detail with particular reference to specific embodiments thereof, it will be understood that variations and modifications may occur within the spirit and scope of the claimed invention.
Claims (80)
(ii)前記カソードの屈曲度が、前記凹部のない、それ以外は同等のカソードの屈曲度と比較して減少している、または、
(iii)(i)及び(ii)の両方である、
先行請求項のいずれか1項に記載の変換カソード。 (i) the average mass transport path to the electrochemically active conversion material is shorter than the average mass transport path to the electrochemically active conversion material in an otherwise equivalent cathode without the recess;
(ii) the degree of bending of the cathode is reduced compared to the degree of bending of an otherwise equivalent cathode without the recess; or
(iii) both (i) and (ii);
A conversion cathode according to any one of the preceding claims.
(ii)前記カソードが高い容積容量を有する、または、
(iii)(i)及び(ii)の両方である、
先行請求項のいずれか1項に記載の変換カソード。 (i) the capacity of the cathode is greater than the capacity of an otherwise equivalent cathode without the recess at the same current density;
(ii) the cathode has a high volumetric capacity; or
(iii) both (i) and (ii);
A conversion cathode according to any one of the preceding claims.
電気化学サイクル中に非平衡不溶性生成物を形成することと、
前記非平衡不溶性生成物を前記セパレータとカソードの界面の前記フィルムの前記表面に配置(例えば沈殿)することと、
含む、請求項58または請求項59に記載の方法。 the battery further includes a separator in contact with the second surface of the film, thereby defining a separator-cathode interface;
forming non-equilibrium insoluble products during electrochemical cycling;
disposing (e.g., precipitating) the non-equilibrium insoluble product on the surface of the film at the separator-cathode interface;
60. The method of claim 58 or claim 59, comprising:
電気化学的に活性な変換材料を含むフィルムを提供する(例えば、形成する)ことと、
前記フィルムの表面に前記フィルム内に延びる凹部を形成することと、
を含む方法。 1. A method for making a cathode for a battery (e.g., a lithium-sulfur battery), comprising:
providing (e.g., forming) a film including an electrochemically active conversion material;
forming a recess in a surface of the film that extends into the film;
A method comprising:
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| US12107276B2 (en) * | 2019-09-24 | 2024-10-01 | Lg Energy Solution, Ltd. | Positive electrode for lithium-sulfur secondary battery having pattern, manufacturing method therefor, and lithium-sulfur secondary battery including same |
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