(57)【要約】  リチウムイオン電池電極、リチウムイオン伝導性固体電解質、およびこれらの電極および固体電解質を含む固体リチウムイオン電池などの電気化学デバイスが開示される。また、このような電気化学デバイスを作製する方法も開示される。具体的には、本明細書で開示されるセグメント化されたセルアーキテクチャは、固体電池を可撓性にし、ロール状または折り畳みスタック構造をとることを可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、
アノードと、
前記カソードと前記アノードとの間に配置された固体状電解質と
を備える電気化学デバイスであって、
前記カソードおよび前記アノードの少なくとも１つは、構造マトリックス内に埋め込まれたセグメントのアレイを備え、前記セグメントはリチウムホスト材料を備える、電気化学デバイス。
【請求項２】
前記構造マトリックスは可撓性材料を備える、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項３】
前記構造マトリックスはポリマー材料を備える、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項４】
前記ポリマー材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、およびスチレン−ジビニルベンゼンコポリマーからなる群より選択される、請求項３に記載の電気化学デバイス。
【請求項５】
前記ポリマー材料は、ポリプロピレンおよびポリエチレンからなる群より選択される、請求項３に記載の電気化学デバイス。
【請求項６】
前記アノードは、前記構造マトリックス内に埋め込まれた前記セグメントのアレイを備え、
前記リチウムホスト材料は、グラファイト、リチウム金属、リチウムチタン酸化物、ハードカーボン、スズ／コバルト合金、またはシリコン／カーボンからなる群より選択される、
請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項７】
前記カソードは、前記構造マトリックス内に埋め込まれた前記セグメントのアレイを備え、
前記リチウムホスト材料は、金属が１つ以上のアルミニウム、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、およびバナジウムであるリチウム金属酸化物、ならびに一般式ＬｉＭＰＯ４を有し、ここでＭはコバルト、鉄、マンガン、およびニッケルのうちの１つ以上である、リチウム含有リン酸塩からなる群より選択される、
請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項８】
前記リチウムホスト材料は、リチウムマンガンニッケル酸化物からなる群より選択される、請求項７に記載の電気化学デバイス。
【請求項９】
前記リチウムホスト材料は、リチウムチタン酸化物からなる群より選択される、請求項７に記載の電気化学デバイス。
【請求項１０】
カソードと、
アノードと、
前記カソードと前記アノードとの間に配置された固体状電解質と
を備える電気化学デバイスであって、
前記固体状電解質は、構造マトリックス内に埋め込まれたセグメントのアレイを備え、前記セグメントは固体電解質材料を備える、電気化学デバイス。
【請求項１１】
前記構造マトリックスは可撓性材料を備える、請求項１０に記載の電気化学デバイス。
【請求項１２】
前記構造マトリックスはポリマー材料を備える、請求項１０に記載の電気化学デバイス。
【請求項１３】
前記ポリマー材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、およびスチレン−ジビニルベンゼンコポリマーからなる群より選択される、請求項１２に記載の電気化学デバイス。
【請求項１４】
前記ポリマー材料は、ポリプロピレンおよびポリエチレンからなる群より選択される、請求項１２に記載の電気化学デバイス。
【請求項１５】
前記固体電解質材料は、ガーネット相を有する酸化物材料からなる群より選択される、請求項１０に記載の電気化学デバイス。
【請求項１６】
前記固体電解質材料はリチウムランタンジルコニウム酸化物である、請求項１０に記載の電気化学デバイス。
【請求項１７】
前記固体電解質材料は、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有する、請求項１０に記載の電気化学デバイス。
【請求項１８】
前記固体電解質材料は、式ＬｉｕＲｅｖＭｗＡｘＯｙを有し、ここで
ＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕを含む、＋３の公称原子価を有する元素のいずれの組み合わせであってもよく、
ＭはＺｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｗ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂｉ、Ｇｅ、およびＳｉを含む＋３、＋４、＋５、または＋６の公称原子価を有する金属のいずれの組み合わせであってもよく、
ＡはＨ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、およびＭｎを含む＋１、＋２、＋３、または＋４の公称原子価を有するドーパント原子のいずれの組み合わせであってもよく、
ｕは３から７．５まで異なってもよく、
ｖは０から３まで異なってもよく、
ｗは０から２まで異なってもよく、
ｙは１１から１２．５まで異なってもよい、
請求項１０に記載の電気化学デバイス。
【請求項１９】
セグメント化された電極を形成する方法であって、
（ａ）離間したセグメントを備えるアレイを形成するステップと、
（ｂ）前記セグメント間に可撓性材料を堆積させるステップと、
を備え、
前記セグメントはリチウムホスト材料を備える、方法。
【請求項２０】
ステップ（ａ）は、離間したセグメントを備える前記アレイを形成するために表面上にスラリーを成型するステップと、前記セグメントを焼結するステップとを備える、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
各セグメントは、１０から１００ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ステップ（ａ）は、６００℃から１１００℃の範囲の温度で層を焼結するステップを備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記リチウムホスト材料は、グラファイト、リチウム金属、リチウムチタン酸化物、ハードカーボン、スズ／コバルト合金、またはシリコン／カーボンからなる群より選択される、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記リチウムホスト材料は、金属が１つ以上のアルミニウム、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、およびバナジウムであるリチウム金属酸化物、ならびに一般式ＬｉＭＰＯ４を有し、ここでＭはコバルト、鉄、マンガン、およびニッケルのうちの１つ以上である、リチウム含有リン酸塩からなる群より選択される、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記リチウムホスト材料は、リチウムマンガンニッケル酸化物からなる群より選択される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
前記リチウムホスト材料は、リチウムチタン酸化物からなる群より選択される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
セグメント化された固体状電解質アレイを形成する方法であって、
（ａ）離間したセグメントを備えるアレイを形成するステップと、
（ｂ）前記セグメント間に可撓性材料を堆積させるステップと
を備え、
前記セグメントは固体電解質材料を備える、方法。
【請求項２８】
ステップ（ａ）は、離間したセグメントを備える前記アレイを形成するために表面上にスラリーを成型するステップと、前記固体状電解質材料を形成するために前記セグメントを焼結するステップとを備え、
前記スラリーは固体電解質材料前駆体を備える、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
各セグメントは、１０から１００ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記スラリーは、４０重量％から６０重量％の前記固体電解質材料であって、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有するリチウムランタンジルコニウム酸化物を備える、前記固体電解質材料と、
０．１重量％から２重量％の分散剤と、
１重量％から５重量％の結合剤と、
１重量％から５重量％の可塑剤と、
２０重量％から４５重量％の溶剤と
を備え、
全ての重量パーセントは総スラリーの重量パーセントである、
請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
ステップ（ａ）は、６００℃から１１００℃の範囲の温度で層を焼結するステップを備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
電気化学デバイスを形成する方法であって、
（ａ）離間したセグメントを備えるアレイの第１層を形成するステップであって、前記セグメントは第１リチウムホスト材料を備える、ステップと、
（ｂ）前記アレイの前記第１層の上に前記アレイの第２層を形成するステップであって、前記第２層は固体電解質材料を備える、ステップと、
（ｃ）前記アレイの前記第２層の上に前記アレイの第３層を形成するステップであって、前記第３層は第２リチウムホスト材料を備える、ステップと、
（ｄ）前記電気化学デバイスを形成するために前記セグメント間に可撓性材料を堆積させるステップと
を備える方法。
【請求項３３】
ステップ（ａ）は、離間したセグメントを備える前記アレイの前記第１層を形成するために表面上に第１スラリーを成型するステップを備え、前記第１スラリーは前記第１リチウムホスト材料を備え、
ステップ（ｂ）は、前記アレイの前記第２層を形成するために前記アレイの前記第１層の上に第２スラリーを成型するステップを備え、前記第２スラリーは前記固体電解質材料を備え、
ステップ（ｃ）は、前記アレイの第３層を形成するために前記アレイの前記第２層の上に第３スラリーを成型するステップを備え、前記第３スラリーは前記第２リチウムホスト材料を備え、
ステップ（ｄ）は、前記セグメント間に前記可撓性材料を堆積させる前に前記アレイを焼結するステップを備える、
請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１層、第２層および第３層の各々は、１０から１００ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記表面は、集電体の表面を備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記集電体は可撓性である、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記可撓性材料はポリマー材料を備える、請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
前記ポリマー材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、およびスチレン−ジビニルベンゼンコポリマーからなる群より選択される、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記ポリマー材料は、ポリプロピレンおよびポリエチレンからなる群より選択される、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１リチウムホスト材料は、（ｉ）金属が１つ以上のアルミニウム、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、およびバナジウムであるリチウム金属酸化物、ならびに一般式ＬｉＭＰＯ４を有し、ここでＭはコバルト、鉄、マンガン、およびニッケルのうちの１つ以上である、リチウム含有リン酸塩からなる第１群、および（ｉｉ）グラファイト、リチウム金属、リチウムチタン酸化物、ハードカーボン、スズ／コバルト合金、またはシリコン／カーボンからなる第２群から選択され、
前記第１リチウムホスト材料が前記第１群から選択されるときには、前記第２リチウムホスト材料は前記第２群から選択され、
前記第１リチウムホスト材料が前記第２群から選択されるときには、前記第２リチウムホスト材料は前記第１群から選択される、
請求項３２に記載の方法。
【請求項４１】
ステップ（ｄ）は、６００℃から１１００℃の範囲の温度で前記アレイを焼結するステップを備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
ステップ（ａ）は、ポリマー材料の層を最初に成型するステップと、前記層に窪みを形成するステップとを備え、前記窪みは、前記離間したセグメントのために前記アレイ内の空間を提供する、請求項３２に記載の方法。
【請求項４３】
前記ポリマー材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、およびスチレン−ジビニルベンゼンコポリマーからなる群より選択される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記ポリマー材料は、ポリプロピレンおよびポリエチレンからなる群より選択される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
類似の電気化学デバイスの上に前記電気化学デバイスを積層し、これによりバイポーラ積層電池を形成するステップをさらに備える、請求項３２に記載の方法。
【請求項４６】
前記第２スラリーは、４０重量％から６０重量％の前記固体電解質材料であって、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有するリチウムランタンジルコニウム酸化物を備える、前記固体電解質材料と、
０．１重量％から２重量％の分散剤と、
１重量％から５重量％の結合剤と、
１重量％から５重量％の可塑剤と、
２０重量％から４５重量％の溶剤と
を備え、
全ての重量パーセントは総スラリーの重量パーセントである、
請求項３２に記載の方法。
【請求項４７】
前記固体電解質材料は、ガーネット相を有する酸化物材料からなる群より選択される、請求項３２に記載の方法。
【請求項４８】
前記固体電解質材料はリチウムランタンジルコニウム酸化物である、請求項３２に記載の方法。
【請求項４９】
前記固体電解質材料は、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有する、請求項３２に記載の方法。
【請求項５０】
前記固体電解質材料は、式ＬｉｕＲｅｖＭｗＡｘＯｙを有し、ここで
ＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕを含む、＋３の公称原子価を有する元素のいずれの組み合わせであってもよく、
ＭはＺｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｗ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂｉ、Ｇｅ、およびＳｉを含む＋３、＋４、＋５、または＋６の公称原子価を有する金属のいずれの組み合わせであってもよく、
ＡはＨ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、およびＭｎを含む＋１、＋２、＋３、または＋４の公称原子価を有するドーパント原子のいずれの組み合わせであってもよく、
ｕは３から７．５まで異なってもよく、
ｖは０から３まで異なってもよく、
ｗは０から２まで異なってもよく、
ｙは１１から１２．５まで異なってもよい、
請求項３２に記載の方法。
【請求項５１】
セグメント化された電気化学デバイスを形成する方法であって、
（ａ）第１リチウムホスト材料を備える第１層を形成するステップと、
（ｂ）前記第１層の上に第２層を形成するステップであって、前記第２層は固体電解質材料を備える、ステップと、
（ｃ）連続スタックを形成するために前記第２層の上に第３層を形成するステップであって、前記第３層は第２リチウムホスト材料を備える、ステップと、
（ｄ）前記連続スタックをセグメントに分割するステップであって、前記セグメントの各々は、前記連続スタックの前記第１、第２、および第３層の一部を備える、ステップと、
（ｅ）前記セグメントをアレイ中に分散させるステップと、
（ｆ）前記セグメント化された電気化学デバイスを形成するために前記セグメント間に可撓性材料を堆積させるステップと
を備える方法。
【請求項５２】
ステップ（ａ）は、前記第１層を形成するために表面上に第１スラリーを成型するステップを備え、前記第１スラリーは前記第１リチウムホスト材料を備え、
ステップ（ｂ）は、前記第２層を形成するために前記第１層の上に第２スラリーを成型するステップを備え、前記第２スラリーは前記固体電解質材料を備え、
ステップ（ｃ）は、前記第３層を形成するために前記第２層の上に第３スラリーを成型するステップ、および前記連続スタックを形成するために前記第１、第２、および第３層を焼結するステップを備え、前記第３スラリーは前記第２リチウムホスト材料を備える、
請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第１層、第２層および第３層の各々は、１０から１００ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
前記表面は、集電体の表面を備える、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記可撓性材料はポリマー材料を備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
前記ポリマー材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、およびスチレン−ジビニルベンゼンコポリマーからなる群より選択される、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記ポリマー材料は、ポリプロピレンおよびポリエチレンからなる群より選択される、請求項５５に記載の方法。
【請求項５８】
前記第１リチウムホスト材料は、（ｉ）金属が１つ以上のアルミニウム、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、およびバナジウムであるリチウム金属酸化物、ならびに一般式ＬｉＭＰＯ４を有し、ここでＭはコバルト、鉄、マンガン、およびニッケルのうちの１つ以上である、リチウム含有リン酸塩からなる第１群、および（ｉｉ）グラファイト、リチウム金属、リチウムチタン酸化物、ハードカーボン、スズ／コバルト合金、またはシリコン／カーボンからなる第２群から選択され、
前記第１リチウムホスト材料が前記第１群から選択されるときには、前記第２リチウムホスト材料は前記第２群から選択され、
前記第１リチウムホスト材料が前記第２群から選択されるときには、前記第２リチウムホスト材料は前記第１群から選択される、
請求項５１に記載の方法。
【請求項５９】
ステップ（ｄ）は、６００℃から１１００℃の範囲の温度で前記第１層、第２層、および第３層を焼結するステップを備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項６０】
前記第２スラリーは、４０重量％から６０重量％の前記固体電解質材料であって、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有するリチウムランタンジルコニウム酸化物を備える、前記固体電解質材料と、
０．１重量％から２重量％の分散剤と、
１重量％から５重量％の結合剤と、
１重量％から５重量％の可塑剤と、
２０重量％から４５重量％の溶剤と
を備え、
全ての重量パーセントは総スラリーの重量パーセントである、
請求項５１に記載の方法。
【請求項６１】
前記固体電解質材料は、ガーネット相を有する酸化物材料からなる群より選択される、請求項５１に記載の方法。
【請求項６２】
前記固体電解質材料はリチウムランタンジルコニウム酸化物である、請求項５１に記載の方法。
【請求項６３】
前記固体電解質材料は、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有する、請求項５１に記載の方法。
【請求項６４】
前記固体電解質材料は、式ＬｉｕＲｅｖＭｗＡｘＯｙを有し、ここで
ＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕを含む、＋３の公称原子価を有する元素のいずれの組み合わせであってもよく、
ＭはＺｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｗ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂｉ、Ｇｅ、およびＳｉを含む＋３、＋４、＋５、または＋６の公称原子価を有する金属のいずれの組み合わせであってもよく、
ＡはＨ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、およびＭｎを含む＋１、＋２、＋３、または＋４の公称原子価を有するドーパント原子のいずれの組み合わせであってもよく、
ｕは３から７．５まで異なってもよく、
ｖは０から３まで異なってもよく、
ｗは０から２まで異なってもよく、
ｙは１１から１２．５まで異なってもよい、
請求項５１に記載の方法。
【請求項６５】
類似の電気化学デバイスの上に前記電気化学デバイスを積層するステップをさらに備え、これによりバイポーラ積層電池を形成する、請求項５１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願への相互参照］
本出願は、２０１６年２月１日に出願された米国特許出願第６２／２８９，５５９号に対する優先権を主張する。
【０００２】
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
非該当。
【０００３】
本発明は、リチウムイオン電池電極、リチウムイオン伝導性固体電解質、およびこれらの電極および固体電解質を含む固体リチウムイオン電池などの電気化学デバイスに関する。本発明はまた、このような電気化学デバイスを作製する方法に関する。より詳細には、本発明は、固体電池を可撓性にし、ロール状または折り畳みスタック構造をとることを可能にする、セグメント化セルアーキテクチャに関する。
【背景技術】
【０００４】
リチウムイオン（Ｌｉイオン）電池技術は大幅に進歩し、２０１９年には１０５億ドルの市場規模が予測されている。現在の最先端のリチウムイオン電池は、２つの電極（アノードおよびカソード）と、電極とは接触させないがＬｉ＋イオンは通すセパレータ材料と、電解質（リチウム塩を含む有機液体）とを備える。充放電中、Ｌｉ＋イオンは電極間で交換される。
【０００５】
最先端のリチウムイオン技術は、現在、少量生産のプラグインハイブリッド車やニッチ高性能車に使用されている。しかしながら、電化されたパワートレインの普及は、２５％のコスト削減、４倍の性能向上、および発火の可能性のないより安全な電池を必要とする。したがって、将来のエネルギー貯蔵は、より安全で安価で高性能のエネルギー貯蔵手段を必要とする。
【０００６】
１つの戦略は、Ｌｉ＋イオンに対し導電性であって、電池パックのコストを約２０％削減しながら３倍から４倍のエネルギー密度を提供することができる固体材料で液体電解質が置き換えられた、固体電池を開発することである。これらの魅力的な特徴にもかかわらず、電気自動車のようなバルクスケール用途向けの固体電池の製造および試験は実証されていない。固体電池に関連する主な課題は、薄いセラミック層の新しい製造技術の開発と、これらの層の新しいセルアーキテクチャへの組み立てである。
【０００７】
どのようにして固体電池の各層が形成され得るかに関わらず、これらの層はアーキテクチャに組み立てられなければならない。現在の液体ベースの技術は、電池の各部品、すなわちアノード、セパレータ、およびカソードをスタックに積層し、このスタックを巻くかまたは折り畳む。このタイプのロール状または折り畳みスタック構造では、各層が可撓性でなければならず、著しく曲がることができなければならない。典型的な固体電池用の層は、現在の液体ベース技術の層ほど可撓性ではないため、ロール状または折り畳み構造は不可能であった。
【０００８】
したがって、固体電池を可撓性にし、ロール状または折り畳みスタック構造をとることができるようにする、新しいセルアーキテクチャおよびその製造方法が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本開示は、固体電池を可撓性にし、ロール状または折り畳みスタック構造をとることを可能にする、セグメント化セルアーキテクチャについて報告する。本開示はまた、固体電池用のセグメント化セルアーキテクチャを形成する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一態様では、本発明は、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に配置された固体電解質とを備える、電気化学デバイスを提供する。カソードおよびアノードのいずれかまたは両方は、構造マトリックス内に埋め込まれたセグメントのアレイを備えてもよい。カソードまたはアノードのセグメントは、リチウムホスト材料を備えてもよい。構造マトリックスは、可撓性材料を備えてもよい。構造マトリックスは、ポリマー材料を備えてもよい。ポリマー材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、およびスチレン−ジビニルベンゼンコポリマーからなる群より選択されてもよい。構造マトリックスは、ポリプロピレンまたはポリエチレンを備えてもよい。電気化学デバイスにおいて、アノードは、構造マトリックス内に埋め込まれたセグメントのアレイを備えてもよく、リチウムホスト材料は、グラファイト、リチウム金属、リチウムチタン酸化物、ハードカーボン、スズ／コバルト合金、またはシリコン／カーボンからなる群より選択されてもよい。電気化学デバイスにおいて、カソードは、構造マトリックス内に埋め込まれたセグメントのアレイを備えてもよく、リチウムホスト材料は、金属が１つ以上のアルミニウム、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、およびバナジウムであるリチウム金属酸化物、ならびに一般式ＬｉＭＰＯ４を有し、ここでＭはコバルト、鉄、マンガン、およびニッケルのうちの１つ以上である、リチウム含有リン酸塩からなる群より選択されてもよい。リチウムホスト材料は、リチウムマンガンニッケル酸化物から選択されてもよい。リチウムホスト材料は、リチウムチタン酸化物から選択されてもよい。
【００１１】
別の態様では、本発明は、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に配置された固体電解質とを備え、固体電解質はセグメントのアレイを含む、電気化学デバイスを提供する。固体電解質のセグメントは、固体電解質材料を備えてもよく、構造マトリックス内に埋め込まれてもよい。構造マトリックスは、可撓性材料を備えてもよい。構造マトリックスは、ポリマー材料を備えてもよい。ポリマー材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、およびスチレン−ジビニルベンゼンコポリマーからなる群より選択されてもよい。構造マトリックスは、ポリプロピレンまたはポリエチレンを備えてもよい。電気化学デバイスにおいて、固体電解質材料は、ガーネット、ペロブスカイト、ＮａＳＩＣＯＮ、またはＬｉＳＩＣＯＮ相とのいずれの組み合わせの酸化物またはリン酸塩材料であってもよい。ガーネット相は、式ＬｉｕＲｅｖＭｗＡｘＯｙを有することができ、ここでＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕを含む、＋３の公称原子価を有する元素のいずれの組み合わせであってもよく、ＭはＺｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｗ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂｉ、Ｇｅ、およびＳｉを含む＋３、＋４、＋５、または＋６の公称原子価を有する金属のいずれの組み合わせであってもよく、ＡはＨ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、およびＭｎを含む＋１、＋２、＋３、または＋４の公称原子価を有するドーパント原子のいずれの組み合わせであってもよく、ｕは３から７．５まで異なってもよく、ｖは０から３まで異なってもよく、ｗは０から２まで異なってもよく、ｙは１１から１２．５まで異なってもよい。ガーネットは、高いイオン伝導率（室温で４×１０−４Ｓ／ｃｍ）と金属リチウムに対する化学的安定性との組み合わせを呈するセラミック酸化物である、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２（ＬＬＺＯ）を有するリチウムランタンジルコニウム酸化物であってもよい。
【００１２】
別の態様では、本発明は、セグメント化された電極を形成する方法を提供する。本方法は、（ａ）離間したセグメントを備えるアレイを形成するステップと、（ｂ）セグメント間に可撓性材料を堆積させるステップであって、セグメントはリチウムホスト材料を備えるステップとを備えてもよい。ステップ（ａ）は、離間したセグメントを備えるアレイを形成するために表面上にスラリーを成型する（ｃａｓｔｉｎｇ）ステップと、セグメントを焼結するステップとを備えてもよい。各セグメントは、１０から１００ミクロンの範囲の厚さを有してもよい。ステップ（ａ）は、６００℃から１１００℃の範囲の温度で層を焼結するステップを備えてもよい。この方法では、リチウムホスト材料は、グラファイト、リチウム金属、リチウムチタン酸化物、ハードカーボン、スズ／コバルト合金、またはシリコン／カーボンからなる群より選択されてもよい。リチウムホスト材料は、金属が１つ以上のアルミニウム、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、およびバナジウムであるリチウム金属酸化物、ならびに一般式ＬｉＭＰＯ４を有し、ここでＭはコバルト、鉄、マンガン、およびニッケルのうちの１つ以上である、リチウム含有リン酸塩からなる群より選択されてもよい。リチウムホスト材料は、リチウムマンガンニッケル酸化物から選択されてもよい。リチウムホスト材料は、リチウムチタン酸化物から選択されてもよい。
【００１３】
別の態様では、本発明は、セグメント化された固体電解質アレイを形成する方法を提供する。本方法は、（ａ）離間したセグメントを備えるアレイを形成するステップと、（ｂ）セグメント間に可撓性材料を堆積させるステップであって、セグメントは固体電解質材料を備えるステップとを含んでもよい。ステップ（ａ）は、離間したセグメントを備えるアレイを形成するために表面上にスラリーを成型するステップと、固体電解質材料を形成するためにセグメントを焼結するステップとを備えてもよく、スラリーは固体電解質材料前駆体を備える。この方法では、各セグメントは、１０から１００ミクロンの範囲の厚さを有してもよい。スラリーは、４０重量％から６０重量％の固体電解質材料であって、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有するリチウムランタンジルコニウム酸化物を備える固体電解質材料と、０．１重量％から２重量％の分散剤と、１重量％から５重量％の結合剤と、１重量％から５重量％の可塑剤と、２０重量％から４５重量％の溶剤とを備えてもよく、全ての重量パーセントは総スラリーの重量パーセントである。ステップ（ａ）は、６００℃から１１００℃の範囲の温度で層を焼結するステップを備えてもよい。
【００１４】
別の態様では、本発明は、電気化学デバイスを形成する方法を提供する。この方法は、（ａ）離間したセグメントを備えるアレイの第１層を形成するステップであって、セグメントは第１リチウムホスト材料を備える、ステップと、（ｂ）アレイの第１層の上にアレイの第２層を形成するステップであって、第２層は固体電解質材料を備える、ステップと、（ｃ）アレイの第２層の上にアレイの第３層を形成するステップであって、第３層は第２リチウムホスト材料を備える、ステップと、（ｄ）電気化学デバイスを形成するためにセグメント間に可撓性材料を堆積させるステップとを含んでもよい。この方法では、ステップ（ａ）は、離間したセグメントを備えるアレイの第１層を形成するために表面上に第１スラリーを成型するステップを備えてもよく、第１スラリーは第１リチウムホスト材料を備えており、ステップ（ｂ）は、アレイの第２層を形成するためにアレイの第１層の上に第２スラリーを成型するステップを備えてもよく、第２スラリーは固体電解質材料を備えており、ステップ（ｃ）は、アレイの第３層を形成するためにアレイの第２層の上に第３スラリーを成型するステップを備えてもよく、第３スラリーは第２リチウムホスト材料を備えており、ステップ（ｄ）は、セグメント間に可撓性材料を堆積させる前にアレイを焼結するステップを備えてもよい。この方法では、第１層、第２層および第３層の各々は、１０から１００ミクロンの範囲の厚さを有してもよい。この方法において、表面は、可撓性集電体の表面を備えてもよい。セグメント間に堆積される可撓性材料は、ポリマー材料を備えてもよい。ポリマー材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、およびスチレン−ジビニルベンゼンコポリマーから選択されてもよい。ポリマー材料は、ポリプロピレンおよびポリエチレンから選択されてもよい。この方法では、第１リチウムホスト材料は、（ｉ）金属が１つ以上のアルミニウム、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、およびバナジウムであるリチウム金属酸化物、ならびに一般式ＬｉＭＰＯ４を有し、ここでＭはコバルト、鉄、マンガン、およびニッケルのうちの１つ以上である、リチウム含有リン酸塩からなる第１群、および（ｉｉ）グラファイト、リチウム金属、リチウムチタン酸化物、ハードカーボン、スズ／コバルト合金、またはシリコン／カーボンからなる第２群より選択されてもよい。第１リチウムホスト材料が第１群から選択されるときには第２リチウムホスト材料は第２群から選択され、第１リチウムホスト材料が第２群から選択されるときには第２リチウムホスト材料は第１群から選択される。ステップ（ｄ）は、６００℃から１１００℃の範囲の温度でアレイを焼結するステップを備えてもよい。この方法では、ステップ（ａ）は、ポリマー材料の層を最初に成型するステップと、層に窪み（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｓ）を形成するステップとを備えてもよく、窪みは、離間したセグメントのためにアレイ内の空間を提供する。この方法は、類似の電気化学デバイスの上に電気化学デバイスを積層し、これによりバイポーラ積層電池を形成するステップをさらに備えてもよい。この方法において、第２スラリーは、４０重量％から６０重量％の固体電解質材料であって、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有するリチウムランタンジルコニウム酸化物を備える固体電解質材料と、０．１重量％から２重量％の分散剤と、１重量％から５重量％の結合剤と、１重量％から５重量％の可塑剤と、２０重量％から４５重量％の溶剤とを備えてもよく、全ての重量パーセントは総スラリーの重量パーセントである。この方法において、固体電解質材料は、ガーネット相を有する酸化物材料からなる群より選択されてもよい。固体電解質材料は、リチウムランタンジルコニウム酸化物であってもよい。固体電解質材料は、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有してもよい。固体電解質材料は、式ＬｉｕＲｅｖＭｗＡｘＯｙを有することができ、ここでＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕを含む、＋３の公称原子価（ｎｏｍｉｎａｌ ｖａｌａｎｃｅ）を有する元素のいずれの組み合わせであってもよく、ＭはＺｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｗ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂｉ、Ｇｅ、およびＳｉを含む＋３、＋４、＋５、または＋６の公称原子価を有する金属のいずれの組み合わせであってもよく、ＡはＨ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、およびＭｎを含む＋１、＋２、＋３、または＋４の公称原子価を有するドーパント原子のいずれの組み合わせであってもよく、ｕは３から７．５まで異なってもよく、ｖは０から３まで異なってもよく、ｗは０から２まで異なってもよく、ｙは１１から１２．５まで異なってもよい。
【００１５】
別の態様では、本発明は、セグメント化された電気化学デバイスを形成する方法を提供する。この方法は、（ａ）第１リチウムホスト材料を備える第１層を形成するステップと、（ｂ）第１層の上に第２層を形成するステップであって、第２層は固体電解質材料を備える、ステップと、（ｃ）連続スタックを形成するために第２層の上に第３層を形成するステップであって、第３層は第２リチウムホスト材料を備える、ステップと、（ｄ）連続スタックをセグメントに分割するステップであって、セグメントの各々は、連続スタックの第１、第２、および第３層の一部を備える、ステップと、（ｅ）セグメントをアレイ中に分散させるステップと、（ｆ）セグメント化された電気化学デバイスを形成するためにセグメント間に可撓性材料を堆積させるステップ（ｄｅｐｏｓｉｔｉｎｇ）とを含んでもよい。この方法では、ステップ（ａ）は、第１層を形成するために表面上に第１スラリーを成型するステップを備えてもよく、第１スラリーは第１リチウムホスト材料を備えており、ステップ（ｂ）は、第２層を形成するために第１層の上に第２スラリーを成型するステップを備えてもよく、第２スラリーは固体電解質材料を備えており、ステップ（ｃ）は、第３層を形成するために第２層の上に第３スラリーを成型するステップ、および連続スタックを形成するために第１、第２、および第３層を焼結するステップを備えてもよく、第３スラリーは第２リチウムホスト材料を備えている。この方法は、類似の電気化学デバイスの上に電気化学デバイスを積層し、これによりバイポーラ積層電池を形成するステップをさらに備えてもよい。この方法では、第１層、第２層および第３層の各々は、１０から１００ミクロンの範囲の厚さを有してもよい。表面は、可撓性集電体の表面を備えてもよい。セグメント間に堆積される可撓性材料は、ポリマー材料を備えてもよい。ポリマー材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、およびスチレン−ジビニルベンゼンコポリマーから選択されてもよい。ポリマー材料は、ポリプロピレンおよびポリエチレンから選択されてもよい。この方法では、第１リチウムホスト材料は、（ｉ）金属が１つ以上のアルミニウム、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、およびバナジウムであるリチウム金属酸化物、ならびに一般式ＬｉＭＰＯ４を有し、ここでＭはコバルト、鉄、マンガン、およびニッケルのうちの１つ以上である、リチウム含有リン酸塩からなる第１群、および（ｉｉ）グラファイト、リチウム金属、リチウムチタン酸化物、ハードカーボン、スズ／コバルト合金、またはシリコン／カーボンからなる第２群より選択されてもよい。第１リチウムホスト材料が第１群から選択されるときには第２リチウムホスト材料は第２群から選択され、第１リチウムホスト材料が第２群から選択されるときには第２リチウムホスト材料は第１群から選択される。ステップ（ｄ）は、６００℃から１１００℃の範囲の温度で第１、第２、および第３層を焼結するステップを備えてもよい。第２スラリーは、４０重量％から６０重量％の固体電解質材料であって、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有するリチウムランタンジルコニウム酸化物を備える固体電解質材料と、０．１重量％から２重量％の分散剤と、１重量％から５重量％の結合剤と、１重量％から５重量％の可塑剤と、２０重量％から４５重量％の溶剤とを備えてもよく、全ての重量パーセントは総スラリーの重量パーセントである。固体電解質材料は、ガーネット相を有する酸化物材料からなる群より選択されてもよい。固体電解質材料は、リチウムランタンジルコニウム酸化物であってもよい。固体電解質材料は、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２を有してもよい。固体電解質材料は、式ＬｉｕＲｅｖＭｗＡｘＯｙを有することができ、ここでＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕを含む、＋３の公称原子価を有する元素のいずれの組み合わせであってもよく、ＭはＺｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｗ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂｉ、Ｇｅ、およびＳｉを含む＋３、＋４、＋５、または＋６の公称原子価を有する金属のいずれの組み合わせであってもよく、ＡはＨ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、およびＭｎを含む＋１、＋２、＋３、または＋４の公称原子価を有するドーパント原子のいずれの組み合わせであってもよく、ｕは３から７．５まで異なってもよく、ｖは０から３まで異なってもよく、ｗは０から２まで異なってもよく、ｙは１１から１２．５まで異なってもよい。
【００１６】
本発明の方法およびセルアーキテクチャを使用して製造された固体電池は、多くの利点を有する。たとえば、本発明の方法およびセルアーキテクチャを使用して製造された固体電池は、液体電解質電池よりも安全（すなわち、不燃性）であり、本発明の方法およびセルアーキテクチャを使用して製造された固体電池は、より高いエネルギー密度を提供し、本発明の方法およびセルアーキテクチャを使用して製造された固体電池は、電池コストを削減し（たとえば、より単純なパッケージングが使用される）、本発明の方法およびセルアーキテクチャを使用して製造された固体電池は、セラミックを様々な構造で使用できるようにする。さらに、本発明の方法およびセルアーキテクチャを使用して製造された固体電池は、電池を可撓性にし、ロール状または折り畳みスタック構造をとることができるようにする。
【００１７】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明、図面、および添付の特許請求の範囲を考慮することで、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】離間したセグメントのアレイを含む電極の例示的な実施形態の部分斜視図である。
【図２】構造マトリックス内に埋め込まれた離間したセグメントのアレイを含む電極の例示的な実施形態の別の斜視図である。
【図３】構造マトリックス内に埋め込まれた二層集電体およびセグメントを含むバイポーラ積層電池の例示的な実施形態の部分側面図である。
【図４】構造マトリックス内に埋め込まれたセグメントを含むバイポーラ積層電池の別の例示的な実施形態の部分側面図である。
【図５】図４の実施形態と類似のバイポーラ積層電池の別の例示的な実施形態の部分分解図である。
【図６】図４の実施形態のものと類似の積層された電極の例示的な実施形態の部分切り取り図である。
【図７】様々な例示的単セル構成の側面図である。
【図８】例示的な単セル分配システムの部分側面図である。
【図９】図７に示されるものと類似の単セルから作成された例示的なバイポーラ積層電池の側面図である。
【図１０】左の図（Ｆｉｇ．１０）は図７に示されるものと類似の例示的な単セルの分解図である。また、右の図（Ｆｉｇ．１１）はＦｉｇ．１０に示される例示的な単セルの部分詳細図である。
【図１１】単セル内で使用され得る様々な例示的材料の部分側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
同様の参照番号は、以下の図面の説明において図ごとに同様の部分を指すために使用される。
【００２０】
本発明は、電池を可撓性にし、ロール状または折り畳みスタック構造をとることができるようにする、固体電池での使用に適した新しいセルアーキテクチャおよびその製造方法を提供する。
【００２１】
本明細書を通して使用される活性材料とは、電気化学反応に関与する電池層中の材料を意味する。これは、Ｌｉ原子を輸送または貯蔵する物質を含んでもよいが、電子伝導性を増加させるための添加物などの物質を除いてもよい。本明細書を通して使用される形成とは、セル内の全ての物質が活性化し、デバイスが電池として機能する、プロセスまたは状態を意味する。たとえば、形成は、電気化学反応が起こるように、３つの層（アノード、電解質、およびカソード）の全てを一緒に結合させることであってもよい。
【００２２】
現在、液体ベースの電池は２つのステップで製造されている。最初に、各電極タイプの層が、スラリーから金属箔または集電体上に成型される。金属集電体上の成型スラリーは数メートルの長さであり、このプロセスは連続的なロールツーロール処理に適している。スラリーからの乾燥した電極は、活物質に加えて可撓性ポリマー結合剤を含有する複合体である。次いで、アノード、セパレータ、およびカソードの３つの構成要素を備えるスタックが形成される。このスタックは、巻かれ、折り畳まれ、容器の中に載置される。容器内に入ると、液体電解質が加えられ、電池が形成される。ロール状または折り畳まれた幾何形状内の離散層の組み合わせは、セルアーキテクチャと呼ばれる。
【００２３】
上述のセルアーキテクチャは、プロセスがロールツーロール連続処理に適しており、したがって安価であるため、製造の観点から有利である。このように、固体電池を含む新しい電池技術は、既存技術とのコスト競争力を有するために、ある程度連続処理が可能でなければならない。固体電池のこの連続処理は、スラリーからアノード、電解質、およびカソードの３つの層の各々を成型することを含んでもよい。しかしながら、液体電解質電池と異なり、固体電池を形成するには、高温焼結ステップが必要である。そのような高温では、フィルムに可撓性を付与することができるポリマーは、失われる可能性がある。このように、得られるフィルムは可撓性に乏しく、連続シートとして巻かれることができない。さらに、固体電池用の材料はセラミックであって本質的に脆いので、連続シート内の小さな厚みに対するこのような広い面積の高いアスペクト比は、破砕をもたらす可能性がある。これらの不都合を克服するために、本明細書に開示される新しいセルアーキテクチャは、層の破砕を最小限に抑え、本質的に脆い材料がロールツーロール連続プロセスで使用されることを可能にする。
【００２４】
上述したように、セルアーキテクチャは、電池片（アノード、電解質、およびカソード）がどのようにしてパッケージに組み立てられるかの集大成である。たとえば、電池の離散複合層の巻きまたは折り畳みは、異なるパッケージアセンブリを構成する。開示されたセルアーキテクチャを形成するために、フィルム蒸着などいくつかの異なる技術が利用されてもよい。
【００２５】
図１の電極１０に見られるように、集電体１３上に連続シートを形成する代わりに、層材料は、タイルまたはセグメント１１と類似の、規則的に繰り返すサブユニットに分割されてもよい。セグメント１１の繰り返しパターンは、アレイ１５を形成してもよい。これらのセグメント１１は、破砕が起こりにくくなるように、アスペクト比を低減する、すなわち各セグメント１１がその厚さに比べて小さい面積を有するようにするなどの、利点を提供することができる。セグメント１１の別の恩恵は、可撓性集電体１３上に分散されたセグメント１１のような、結果として得られる構造に許容できる可撓性である。可撓性構造またはアレイ１５は、ロールツーロール処理に使用されてもよい。
【００２６】
タイルの類似性を拡張して、タイルまたはセグメント１１の間の空間１７は、第２の材料（ポリマーまたは他の可撓性材料など）で埋め戻されてもよい。図２に見られるように、セグメント１１の間の空間１７を充填するこの第２の材料は、構造マトリックス１９を形成する。構造マトリックス１９は、セグメント１１に構造的支持を提供することができる。構造マトリックス材料は、電気化学的に活性であってもなくてもよい。
【００２７】
構造マトリックス１９内に埋め込まれたセグメント１１は、複合材であってもよいポリマー「グラウト」を有する「タイル」構造を形成することができる。しかしながら、この新規なセルアーキテクチャは、固体電池には明確な利点を提供する。アノード、電解質、およびカソードの各層は、上述のようにして形成されてもよい。次いで、これらの層は繰り返し積層されて互いに結合され、モノリシック電池になる。
【００２８】
セグメント１１は、いずれのサイズであってもよい。たとえば、セグメント１１は、１から５マイクロメートルの小ささであってもよいし、１から５センチメートルの大きさであってもよい。さらに、セグメント１１は、１から５マイクロメートルの厚さから最大１００マイクロメートルまでの厚さを有することができる。
【００２９】
セグメント１１はいずれの形状であってもよい。たとえば、図１から図２に示されるように、セグメント１１は、多面体の形状、または密接に詰められることができる他の自己相似形状で形成されてもよい。これらの最密構造は、各セグメント１１間の空間１７を有利に最小化することができ、普通ならアレイ１５全体が占有するであろう空間をこうして節約する。たとえば、セグメント１１は、六角形、四角形、三角形、円盤（図５から図６に見られるような）、またはこれらの任意の組み合わせとして形成されてもよい。あるいは、セグメント１１は、ランダムに形成されるかまたは破砕されて様々な形状になってもよく、これにより処理コストを削減することができる。たとえば、アノード、固体電解質、およびカソードの３層連続シートが成型、焼結、次いで破砕されて、アレイ１５を形成してもよい。３層連続シートに沿ったランダムに発生する破砕または空間１７は、たとえばシート上に液状の可撓性材料を吹き付けまたは注ぎ、これを硬化させて構造マトリックス１９を形成することによって、可撓性材料で充填されることが可能である。
【００３０】
セグメント１１は、互いからいずれの距離だけ離間してもよい。たとえば、セグメント１１は互いに、１００から９００ナノメートル、１から９マイクロメートル、または１０から５０マイクロメートル離れていてもよい。
【００３１】
セグメント１１は、いずれの組成を有してもよい。セグメント１１の組成は、形成されたままの状態と比較して、堆積したままの状態が異なっていてもよい。たとえば、堆積したままの状態の組成物は、堆積を促進するために、活物質の他に添加剤を含有してもよい。同様に、堆積したままの状態の組成物は、形成後の電池性能を向上させるための添加剤を含有してもよい。
【００３２】
構造マトリックス１９は、いずれの組成であってもよい。構造マトリックス１９は、シートの機械的特性を向上させることができる可撓性ポリマーベース材料で有利に形成されてもよい。しかしながら、構造マトリックス１９は、熱可塑性ポリマー、無機ポリマー、金属、ガラス、またはセラミックなど、いずれの材料で形成されてもよい。非限定的な例示的ポリマー材料は、ポリオレフィン（たとえば、ポリプロピレンまたはポリエチレン）、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、およびスチレン−ジビニルベンゼンコポリマーを含む。
【００３３】
図３に見られるように、セグメント１１１は、カソード１２３、固体電解質１２５、およびアノード１２７の層から形成されてもよい。これらの層は、連続シート内で一緒に焼結され、セグメント１１１に分割され、次いで第１集電体１１３上のアレイ（図示せず）中に分散される。セグメント１１１間の空間は、構造マトリックス１１９で充填されてもよい。構造マトリックス１１９は、ポリマーまたは他の可撓性材料から作製されてもよい。あるいは、構造マトリックス１１９は、いずれか他の材料であってもよい。第２集電体１３１は、構造マトリックス内の３層セグメント１１１のアレイの上に適用されてもよい。第１および第２集電体１１３、１３１は、可撓性材料またはある程度の可撓性を有する薄い箔で作成されてもよい。たとえば、第１集電体１１３は、導電性のアルミニウム箔を備えてもよく、第２集電体１３１は、金属製の糸またはメッシュを有する導電性の織物であってもよい。
【００３４】
第１集電体１１３、カソード１２３、固体電解質１２５、アノード１２７および第２集電体１３１の層は、単セル１２１を形成することができる。単セル１２１の複数の層は、電池を形成するために巻かれ、積層され、もしくは配置されてもよい。図３に示されるように、隣り合う半セル内の各アノード１２７およびカソード１２３の間に（第２および第１集電体１３１、１１３で形成された）二層集電体を有するバイポーラ積層電池１２９を形成するために、単セル１２１は直列に積層されてもよい。単セル１２１を直列に積層することにより、バイポーラ電池１２９の電圧が高くなる。積層された単セル１２１の数を異ならせることで、変化するニーズを有利に満たすモジュール式電池システムを提供することができる。セグメント１１１のアレイを備える単セル１２１の層は、ロールで貯蔵され、必要に応じて分配、切断、および積層されてもよい。
【００３５】
別の実施形態では、単セル１２１は、第１集電体１１３と第２集電体１３１との間に絶縁体を積層して、バイポーラ配置の代わりに単極を形成してもよい。このスタックでは、第１集電体１１３の並列接続および第２集電体１３１の並列接続により、電池内により高いセル容量を提供する。
【００３６】
図４は、図３のものと類似の単セル２２１のバイポーラスタック２２９を示す。集電体２１３、および構造マトリックス２１９によって包囲されたアノード２２３のセグメント２１１は共に、図１から図２に見られる実施形態と類似の電極を形成することができる。電解質構造マトリックス２２０によって包囲された固体電解質２２５のセグメント２１１のアレイ（図示せず）の層は、この電極とは別個に形成されてもよい。さらに、離間してセグメント２１１となったカソード２２７の材料のアレイは、別々に形成され、構造マトリックス２１９によって包囲されている。これらの層は、単セル２２１を形成するために積層されてもよい。これらの単セル２２１は、電気化学デバイス２２９を形成するために、さらに積層されてもよく、巻かれてもよく、またはその他の方法で配置されてもよい。図４に示されるバイポーラスタック２２９内で、アノード２２３に隣接する電極の集電体２１３は、隣接する単セル２２１のカソード２２７のための導体として機能することができる。最後の集電体２３１は、バイポーラ電池を形成するために単セル２２１の積層体の上に載置されるか、または他の方法で接続されてもよい。
【００３７】
図５は、バイポーラ電池２２９を形成するためにセグメント２１１のアレイを備える単セル２２１（図４に示すものに類似）が積層され、集電体２３１が載せられる方法の分解図を示す。図６は、直接互いの上への各単セル２２１のセグメント２１１の１つの可能な配置を示すために、最上層の１／４が破線で示された２つの単セル２２１アレイのスタックを示す。あるいは、単セル２２１は、隣接する単セル２２１のセグメント２１１が互いにずれるように配置されていてもよい。スタック２２９内のセグメント２１１の特定の配置は、スタック２２９の構造的安定性、またはその可撓性に寄与することができる。見やすさのために、図５から図６は、構造マトリックス２１９なしで示されているが、セグメント２１１は、バイポーラ電池スタック２２９内の各単セル２２１層において構造マトリックス材料内に埋め込まれてもよい。
【００３８】
図７に見られるように、単セル５２１は、ポリマー複合アノード５２３、固体電解質５２５、およびポリマー複合カソード５２７の層から形成されてもよい。集電体５１３、５３１の一方または両方は、単セル５２１の上部および／または底部に適用されてもよい。ポリマー複合アノード５２３、固体電解質５２５、およびポリマー複合カソード５２７の層は、ポリマー材料を備え得る構造マトリックス５１９内のセグメント５１１のアレイ内に配置されてもよい。構造マトリックス５１９は、集電体５１３、５３１を別々に適用してセグメント５１１を支持してもよい。ポリマー複合アノード５２３は、ポリマーと混合されたアノード活性材料を備えてもよい。同様に、ポリマー複合カソード５２７は、ポリマーと混合されたカソード活性材料を備えてもよい。固体電解質５２５は、リチウムランタンジルコニウム酸化物またはその他いずれかの固体電解質材料を備えてもよい。
【００３９】
図７にも見られるように、単セル６２１は、集電体６１３、セラミック複合アノード６２３、固体電解質６２５、セラミック複合カソード６２７、および集電体６３１の層から形成されてもよい。セラミック複合アノード６２３、固体電解質６２５、およびセラミック複合カソード６２７の層は、セグメント６１１のアレイ内に配置されてもよい。セグメント６１１は、セグメント６１１間の構造マトリックスが不要であり、これらの間隙が空気または他の物質で満たされ得るように、集電体６１３、６３１のいずれかまたは両方によってアレイ内に支持されてもよい。あるいは、構造マトリックスと、集電体６１３、６３１の一方または両方は、いずれもアレイ内のセグメント６１１を支持するのを助けることができる。単セル５２１と同様に、固体電解質６２５は、たとえばリチウムランタンジルコニウム酸化物などの固体電解質材料を備えてもよい。セラミック複合アノード６２３は、複合材を形成するためにセラミックと混合されたアノード活物質を備えてもよい。同様に、セラミック複合カソード６２７は、複合材を形成するためにセラミックと混合されたカソード活物質を備えてもよい。
【００４０】
図７にも示されるように、単セル７２１は、集電体７１３、リチウム金属アノード７３５、固体電解質７２５、セラミック複合カソード７２７、および集電体７３１の層から形成されてもよい。図示されるように、セグメント７１１は、金属箔であってもよい集電体７１３によって支持されるが、上述のように、構造マトリックスはアレイ内のセグメント７１１を支持することもできる。リチウム金属は、単セル内の電極のいずれかに置き換わることができる。ここで、図７は、リチウム金属７３５を備えるアノードを示す。
【００４１】
図８は、図７に示されたものと類似の単セル５２１のシートのための例示的なロール状分配システムを示す。単セル５２１のシートは、構造マトリックス５１９によって支持されたセグメント５１１のアレイを備えてもよい。シートは、容易にアクセスできるように、円筒形のディスペンサまたはドラム５５０の周りに巻かれてもよい。特定のセルスタックの長さおよび幅は、ドラム５５０から引き出された後にシートから切り取られてもよい。加えて、ドラム５５０は、他の単セルのシートおよび／または金属箔のような集電体を供給する他のドラムと共に配置されてもよい。この配置により、電池の連続ロール製造のためのシステムを供給することができる。これは、部品の電着スプレーまたは連続ロールまたはシート製造に適した他の技術を利用しながら、積層された、折り畳まれた、または巻かれた電池の大量生産を迅速に行うために有利であり得る。ドラム５５０の周りに配置されたロール状単セル５２１は、長さおよび幅がシート内のより大きなセグメント５１１のアレイから切断または折り畳まれるカスタム電池サイズにも、有利であり得る。
【００４２】
図９に見られるように、バイポーラ積層電池６２９は、図７に示されたものと類似の単セルの層から形成されてもよい。ここで、集電体６１３は、そのアレイ内のセグメント６１１の支持を提供する。集電体６１３は、１つの単セル６２１のアノードおよび隣接する単セルのカソードの両方の導体として機能することができる。集電体６３１は、電池スタックを満たし、バイポーラ積層電池６２９の一方の端子に良好な導体を提供することができる。
【００４３】
図１０から図１１に見られるように、図７に示される一実施形態と類似の単セル６２１は、アレイ内の電極層の間に電解質層６２５のセグメント６１１を積層することによって形成されてもよい。単セルアレイ６２１は、集電体６１３、６３１の間に配置されてもよい。電極層は、セラミック複合アノード材料６２３の層およびセラミック複合カソード材料６２７の層を備えてもよい。あるいは、電極層は、図１２に見られるようないずれか適切なアノードまたはカソード材料、たとえば、個別のカソード材料６２７Ａ、ポリマー複合カソード材料５２７、個別のアノード材料６２３Ａ、ポリマー複合アノード材料５２３、およびリチウム金属７３５を備えてもよい。
【００４４】
本発明の電極または固体電解質を形成する方法は、（ａ）離間したセグメントを備えるアレイを形成するステップと、（ｂ）セグメント間に可撓性材料を堆積させるステップとを含んでもよい。この方法の１つの非限定例バージョンでは、離間したセグメントを備えるアレイは、離間したセグメントを備えるアレイを形成ために表面上でスラリーを成型し、セグメントを焼結することによって、形成され得る。セグメントを形成するためのスラリー配合物の非限定的な例は、（ｉ）１つ以上の活性電池材料（たとえば、固体電解質の成分としてのリチウムランタンジルコニウム酸化物、またはリチウムイオン電池のアノードまたはカソード用のリチウムホスト材料）；（ｉｉ）１つ以上の結合剤；（ｉｉｉ）１つ以上の分散剤（活性電池材料などの懸濁粉末が沈殿するのを防ぐために使用される）；（ｉｖ）１つ以上の可塑剤（成型セグメントの加工性を高めるため）；（ｖ）１つ以上の焼結助剤（すなわち、液相の他の成分が焼結して粒子がより好ましい充填配置に再配置し、毛細管作用を通じて粒子間に引力を生じさせる前に溶ける、システムに添加される材料）；および（ｖｉ）１つ以上の溶剤：を含んでもよい。スラリー成分は混合され、その後焼結されて固体電池内での使用に適したセラミック層を形成する層が成型される。
【００４５】
セグメントを形成するのに使用されるスラリー配合物は、焼結中のスラリー中のリチウム揮発性の問題に対処することにより、固体電池向けに調整され得る。リチウムの損失からの材料配合物の変化は、電池性能に悪影響をもたらす可能性がある（特に、電解質としてＬＬＺＯを使用する場合）。本発明の方法の１つのバージョンでは、リチウム損失を説明するために過剰なリチウムがシステムに添加される。リチウムホウ素酸化物が焼結助剤として使用されてもよい。しかしながら、リチウムホウ素酸化物を直接添加する代わりに、前駆体（たとえば、ホウ酸トリ−イソプロピルを含むアルコキシドを含有するホウ素などのホウ酸イオンの供給源）が添加されてもよく、前駆体は過剰なリチウムからリチウムホウ素酸化物を形成する。
【００４６】
固体電解質またはアノードまたはカソードを形成するとき、スラリー成分は均一になるまで混合され、次いで連続層またはセグメントの層が成型される。成型層の厚さは制御可能であり、１０から１５０ミクロンの厚さの層が固体電池の固体電解質またはアノードまたはカソードに適している。後続の層は互いに重ねて成型されることが可能である。たとえば、アノードが最初に成型され、次いで電解質、最後にカソードが成型されてもよい。あるいは、カソードが最初に成型され、次いで電解質、最後にアノードが成型されてもよい。これらの成型層は、固体電池が形成されるように、個別にまたは一体として処理されることが可能である。
【００４７】
セグメント１１を形成するのに使用されるスラリー配合物は、低温同時焼成セラミックスプロセスで利用されることが可能である。関連する分野には存在しない追加の制約は、固体電池のような電気化学的用途に関して考慮されなければならない。主に、多くの固体電池材料は、焼結に必要な高温で揮発性となる元素リチウムの大部分を含有する。リチウムの損失、ひいては電池材料配合物の変化は、電池の性能に否定的な結果をもたらす。これは、ＬＬＺＯなどの固体電解質の場合に特に該当する。したがって、より低温で緻密層を実現する（すなわち、焼結する）いずれの手段も、リチウム損失問題を緩和するのに役立つ。本明細書に記載のスラリー配合物は、とりわけ、焼結中のリチウム損失に特に対処するように調整されている。
【００４８】
セグメント１１（すなわち、活性電池材料、焼結助剤、分散剤、可塑剤、結合剤、および溶剤）を形成するのに使用される例示的なスラリー配合物の各成分は、以下で議論される。
【００４９】
活性電池材料−スラリー配合物が固体電解質またはアノードまたはカソードを製造するために使用されているか否かに応じて、活性電池材料は、（ｉ）固体電解質の成分、または（ｉｉ）リチウムイオン電池のアノードまたはカソード用のリチウムホスト材料、であってもよい。活性電池材料は微粒子であってもよい。好適な微粒子は、１ナノメートルから５００マイクロメートルの平均粒径を有することができる。微粒子は、球形を含むいずれの適切な形状を有してもよい。別の実施形態では、適切な微粒子は２つ以上の形状を有することができる。活性電池材料は繊維であってもよい。
【００５０】
適切な固体電解質活物質は、Ｌｉイオン高速導電材料である。固体電解質は、ガーネット、ペロブスカイト、ＮａＳＩＣＯＮ、またはＬｉＳＩＣＯＮ相とのいずれの組み合わせの酸化物またはリン酸塩材料であってもよい。ガーネット相は、式ＬｉｕＲｅｖＭｗＡｘＯｙを有することができ、ここでＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕを含む、＋３の公称原子価を有する元素のいずれの組み合わせであってもよく、ＭはＺｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｗ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂｉ、Ｇｅ、およびＳｉを含む＋３、＋４、＋５、または＋６の公称原子価を有する金属のいずれの組み合わせであってもよく、ＡはＨ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、およびＭｎを含む＋１、＋２、＋３、または＋４の公称原子価を有するドーパント原子のいずれの組み合わせであってもよく、ｕは３から７．５まで異なってもよく、ｖは０から３まで異なってもよく、ｗは０から２まで異なってもよく、ｙは１１から１２．５まで異なってもよい。ガーネットは、式Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２（ＬＬＺＯ）を有するリチウムランタンジルコニウム酸化物であってもよい。固体電解質が使用されると、液体電解質の劣化に伴う不都合が排除され得る。液体電解質の現在のイオン導電率値に一致するかまたはこれを超えるために、固体電解質は、理論密度に近く、空気中および金属リチウムに対して熱的および化学的に安定である必要がある。充電サイクル後の固体電解質中のリチウムデンドライトの形成は、最小限に抑えられるかまたは排除されるべきである。高密度固体電解質は、スラリー焼結条件、すなわち時間、温度、圧力、雰囲気、および化学組成の最適化を通じて製造されることが可能である。焼結温度および焼結機構のセラミック粉末処理の最適化は、ガーネットリチウムランタンジルコニウム酸化物電解質Ｌｉ６．２５Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２５Ｏ１２（ＬＬＺＯ）における密度およびＬｉイオン伝導率を高めるために、ここに示されている。
【００５１】
適切なカソード活物質は、リチウムイオンを貯蔵し、続いて放出することが可能な、リチウムホスト材料である。例示的なカソード活物質は、金属が１つ以上のアルミニウム、コバルト、鉄、マンガン、ニッケルおよびバナジウムである、リチウム金属酸化物である。非限定的な例示的リチウム金属酸化物は、ＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）、ＬｉＦｅＯ２、ＬｉＭｎＯ２（ＬＭＯ）、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２（ＬＮＯ）、ＬｉＮｉｘＣｏｙＯ２、ＬｉＭｎｘＣｏｙＯ２、ＬｉＭｎｘＮｉｙＯ２、ＬｉＭｎｘＮｉｙＯ４、ＬｉＮｉｘＣｏｙＡｌｚＯ２、ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２などである。カソード活物質の別の例は、リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）およびフルオロリン酸鉄リチウムのような、一般式ＬｉＭＰＯ４を有するリチウム含有リン酸塩であり、ここで、Ｍはコバルト、鉄、マンガンおよびニッケルの１つ以上である。カソード材料の電子伝導率、層の配列、脱リチウムに対する安定性、およびサイクリング性能に影響を及ぼすために、たとえばＣｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＡｌまたはＬｉなどの多くの異なる元素が置換されるかまたは構造にさらに追加されてもよい。カソード活物質は、任意の数のこれらカソード活物質の混合物であってもよい。
【００５２】
適切なアノード活物質は、グラファイト、リチウム金属、リチウムチタン酸化物、ハードカーボン、スズ／コバルト合金、またはシリコン／炭素などのリチウムイオンを取り込み、その後放出することが可能な、リチウムホスト材料である。アノード活物質は、任意の数のこれらアノード活物質の混合物であってもよい。
【００５３】
焼結助剤−溶融して液体を形成する任意の焼結助剤は、液相焼結を介してセグメント１１を形成するのに使用される成型スラリー配合物の焼結を助けることができる。本発明のスラリー配合物の１つのバージョンでは、焼結助剤はホウ酸イオンの供給源を提供する。スラリー配合物の別のバージョンでは、焼結助剤はリン酸イオンの供給源を提供する。スラリー配合物の別のバージョンでは、焼結助剤はケイ酸イオンの供給源を提供する。スラリー配合物の別のバージョンでは、焼結助剤はアルミン酸イオンの供給源を提供する。例示的な焼結助剤は、リチウムボロン酸化物（ＬＢＯ）、リン酸リチウム、ケイ酸リチウムおよびリチウムアルミニウム酸化物相の形成を助ける、ホウ酸、ホウ酸塩、ホウ酸エステル、ホウ素アルコキシド、リン酸、リン酸塩、リン酸エステル、ケイ酸、ケイ酸塩、シラノール、ケイ素アルコキシド、アルミニウムアルコキシド、およびこれらの混合物から選択されることが可能である。たとえば、過剰なリチウムは、焼結助剤と反応して、加熱中にＬＬＺＯ粒子の間にその場でホウ酸リチウム相を形成する。本明細書に記載される方法では、焼結助剤の液体源（たとえば、ホウ酸塩イオン源としてのトリイソプロピルボレート）をスラリー配合物に含めることができる。ホウ酸塩イオンの供給源は液体であるので、それはスラリー中の活性電池材料を均一かつ均等に被覆し、これにより焼結時に相間層を形成する。ＬＬＺＯの場合、高温処理中に発生するリチウム損失を説明するために、過剰なリチウムがシステムに添加される。過剰なリチウムは、ホウ酸イオンの供給源（たとえば、ホウ酸トリ−イソプロピル）からＬＢＯ相を形成するための供給源として機能する。過剰のリチウムイオンを有するＬＬＺＯは、ＬＢＯ相を形成するためにホウ酸イオンの供給源と反応するのに必要なリチウムイオンを提供することができる。
【００５４】
分散剤−スラリー配合物は、場合により分散剤を含んでもよい。分散剤の１つの目的は、スラリーを安定化させ、懸濁した活性電池材料微粒子が沈殿するのを防ぐことである。分散剤はまた、焼結助剤と反応するのに必要なリチウムイオンの供給源を提供することもできる。スラリー配合物において、選択された分散剤はリチウムイオンを含んでもよく、溶剤に可溶である。これは、分散剤が、成型中にスラリー中の粒子を安定化させることができ、成型セグメントが乾燥した後に温度を上昇させると、リチウムイオンの供給源としても機能することを意味する。分散剤は、リチウムおよび脂肪酸の塩からなる群より選択されてもよい。脂肪酸は、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸、アラキジン酸およびベヘン酸から選択されてもよい。スラリー配合物の１つの非限定例において、分散剤はステアリン酸リチウムである。
【００５５】
可塑剤−スラリー配合物は、場合により可塑剤を含んでもよい。可塑剤の目的は、成型されたままのセグメントの加工性を高めることである。好ましくは、可塑剤は、天然由来の植物性の油である。可塑剤は、ヤシ油、ヒマシ油、大豆油、パーム核油、アーモンド油、トウモロコシ油、キャノーラ油、菜種油、およびこれらの混合物からなる群より選択されてもよい。可塑剤には石油派生物も使用できるが、植物油の選択は持続可能である。可塑剤はまた、溶剤の蒸発速度を低下させ、乾燥後のスラリーの機械的延性を高めるために選択された。スラリー配合物の１つの非限定例では、ヤシ油が可塑剤として使用される。
【００５６】
結合剤−スラリー配合物は、場合により結合剤を含んでもよい。結合剤の非限定例は、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ビニルアセテート）、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、ポリビニルエーテル、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、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、セルロース、カルボキシメチルセルロース、デンプン、ヒドロキシプロピルセルロース、およびこれらの混合物を含む。結合剤は好ましくは非フッ素化ポリマー材料である。ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））およびポリフッ化ビニリデンのようなフッ素化ポリマーは、現在のリチウムイオン電池の結合剤としてしばしば使用されている。しかしながら、現在のリチウムイオン電池とは異なり、本発明の成型セラミックセグメント層は焼結される。ポリマーにおける温度上昇およびフッ素の存在は、化合物ＬｉＦの不可避的な形成および電池の性能の低下をもたらす。１つの非限定的な例示的スラリー配合物では、アクリルポリマー、ポリ（メチルメタクリレート）は加熱されたときにほとんどまたはまったく残留物を残さないので、これらのポリマーが選択され得る。
【００５７】
溶剤−溶剤は、結合剤を溶解するため、およびその他の添加剤を混合するための媒体として作用するために、スラリー配合物中で有用である。活性電池材料微粒子、分散剤、および結合剤を混合して均一なスラリーにするために、いずれの適切な溶剤が使用されてもよい。適切な溶剤は、アルカノール（たとえばエタノール）、ニトリル（たとえばアセトニトリル）、炭酸アルキル、炭酸アルキレン（たとえば炭酸プロピレン）、酢酸アルキル、スルホキシド、グリコールエーテル、エーテル、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフラン、またはこれらの溶剤の混合物を含んでもよい。１つの非限定的な例示的スラリー配合物としては、２つの溶剤の混合物が選択可能である。まず、結合剤および分散剤を溶解するために溶剤が選択され得る。第２の溶剤が加えられ、蒸発速度および得られる成型スラリーセグメントを調整するために可塑剤の割合が変更されてもよい。１つの非限定的な例示的スラリー配合物において、エタノールおよびアセトニトリルの混合物が溶剤として使用されてもよい。
【００５８】
他の添加剤−スラリー配合物は、他の添加剤を含んでもよい。たとえば、カソードまたはアノード活性電池材料微粒子は、導電性微粒子のような他の微粒子と混合されてもよい。製造された電池に化学的変化を引き起こすことなく適切な導電性を有するものであれば、特に限定されずにいずれの導電性材料が使用されてもよい。導電性材料の例としては、グラファイト；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、およびサーマルブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維および金属繊維などの導電繊維；アルミニウム粉末およびニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛およびチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ならびにポリフェニレン誘導体を含む。
【００５９】
活性電池材料微粒子および／または他の粒子を焼結助剤、可塑剤、結合剤および溶剤と混合して均一なスラリーにするために、いずれの適切な方法が使用されてもよい。適切な混合方法は、超音波処理、機械的撹拌、物理的振盪、ボルテックス、ボールミル、およびその他いずれかの適切な手段を含んでもよい。
【００６０】
均一なスラリーが得られた後、成型層またはセグメントの成型層を形成するために、配合物は基板表面上で成型される。基板は、電池用の集電体として適したいずれの安定した導電性金属も含んでよい。適切な金属基板は、アルミニウム、銅、銀、鉄、金、ニッケル、コバルト、チタン、モリブデン、鋼、ジルコニウム、タンタル、およびステンレス鋼を含んでもよい。一実施形態において、金属基板はアルミニウムである。
【００６１】
表面上で成型されたスラリー層は、数マイクロメートルから数センチメートルの範囲の厚さを有することができる。一実施形態では、成型スラリー層の厚さは、１０マイクロメートルから１５０マイクロメートル、好ましくは１０マイクロメートルから１００マイクロメートル、より好ましくは１０マイクロメートルから５０マイクロメートルの範囲である。
【００６２】
成型層またはセグメントの成型層を形成するためにスラリーが基板表面で成型された後、グリーン層またはセグメントのグリーン層は乾燥され、必要な電気化学的特性を実現するために３００℃から１２００℃、より好ましくは６００℃から１０００℃の範囲の温度で焼結されることが可能である。場合により、複数の層が互いに重ねて成型されることが可能である。たとえば、最初にアノードが金属基板上に成型され、次に電解質がアノード上に成型され、最後にカソードが電解質上に成型されることが可能である。あるいは、カソードが最初に金属基板上に成型され、続いて電解質が、最後にアノードが成型されることが可能である。多層グリーン成型層またはセグメントのグリーン成型層は、必要な電気化学的特性を達成するために、３００℃から１２００℃、より好ましくは６００℃から１０００℃の範囲の温度で焼結されることが可能である。
【００６３】
以下の表１、表２、および表３は、本発明による成型層またはセグメントの層を成型するためのスラリーの一般式を提供する。
【００６４】
【表１】
2019507473.tif 000003
【００６５】
【表２】
2019507473.tif 000004
【００６６】
【表３】
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【００６７】
したがって、本発明は、リチウムイオン固体電池などの固体電池をセグメント化されたセルアーキテクチャに製造する方法および構造を提供する。
【００６８】
本発明は、特定の実施形態を参照してかなり詳細に記載されてきたが、当業者であれば、説明目的のために提示されたものであって限定するものではない、記載された実施形態以外で本発明を実施できることを理解するであろう。したがって、添付請求項の範囲は、本明細書に含まれる実施形態の説明に限定されるべきではない。
【図１】
2019507473.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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