(57)【要約】【解決手段】  本発明は、アノードと接触しているアノード電流コレクタを備える電気化学セルを提供する。カソード電流コレクタはカソードと接している。固体電解質薄膜によって、アノードおよびカソードを分離している。【選択図】  図１
2013512547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと接しているアノード電流コレクタと、
カソードと接しているカソード電流コレクタと、
前記アノードと前記カソードとを分離する固体電解質薄膜と
を備える電気化学セル。
【請求項２】
前記アノード電流コレクタは、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、モリブデン、タングステンおよびこれらの合金から成る群から選択される金属を有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記アノードは、リチウム金属またはリチウム合金を有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記リチウム合金は、リチウム−炭素合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、リチウム−ゲルマニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金およびリチウム−ガリウム合金から成る群から選択される請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記アノードは、リチウム含有酸化物、リチウム含有硫化物、または、リチウム含有セレン化物を有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記固体電解質は、ＬｉＰＯＮである請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記固体電解質は、ＬｉＰＯＮＢ、Ｌｉ３．６Ｓｉ０．６Ｐ０．４Ｏ４、Ｌｉ６．１Ｖ０．６１Ｓｉ０．３９Ｏ５．３６、ＬｉＢＯ２、ＬｉＢＰ、Ｌｉ２ＳＯ４−Ｌｉ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｐ２Ｓ５およびＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５−Ｐ２Ｏ５から成る群から選択される請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記カソード電流コレクタは、金属であり、前記金属は、酸化に対して耐性を持つ請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記金属は、ニッケル、金、白金、クロム、パラジウム、イリジウムおよびアルミニウムから成る群から選択される請求項８に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記カソードは、酸化リチウムコバルトまたはリン酸リチウム鉄である請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記固体電解質は、融解塩電解質である請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記固体電解質は、硝酸リチウムおよび硝酸カリウムの共融混合物であり、前記共融混合物は、融点が約摂氏１３３度である請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
前記共融混合物はさらに、亜硝酸塩、ホウ酸塩、硫化塩、リン酸塩およびその他の硝酸塩から成る群から選択される酸化種を含む請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
前記固体電解質は、厚みが２ミクロン以下である請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
リチウム電池を製造する方法であって、
基板を用意する段階と、
カソード電流コレクタで前記基板をコーティングする段階と、
前記カソード電流コレクタ上にカソードを成膜する段階と、
前記カソードを成膜する段階の後に、前記基板に熱処理を行う段階と、
前記熱処理を行う段階の後に、前記カソード上にアノード電流コレクタを成膜する段階と
を備える方法。
【請求項１６】
前記カソードを成膜する段階は、
活性電極材料を成膜する段階と、
固体電解質材料を成膜する段階と、
電子導体を成膜する段階と
を有する請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記活性電極材料のナノ粉末を硝酸リチウムおよび硝酸カリウムと混合して混合物を形成する段階をさらに備える請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記混合物にグラファイト粉末を添加する段階をさらに備える請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記固体電解質材料は、ＬｉＰＯＮであり、前記ＬｉＰＯＮは、薄膜として、高周波物理気相成膜法を用いて、窒素ガスを含む外囲環境においてリン酸リチウムターゲットから、成膜される請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記カソード電流コレクタがコーティングされている前記基板を真空ロードロックにロードする段階と、
前記真空ロードロックから排気する段階と、
前記基板を第１の成膜チャンバに輸送する段階と、
前記第１の成膜チャンバにおいて前記活性電極材料を成膜する段階と、
前記活性電極材料が成膜されている前記基板を第２の成膜チャンバに輸送する段階と、
前記第２の成膜チャンバにおいて前記固体電解質材料を成膜する段階と、
前記固体電解質材料が成膜されている前記基板を第３の成膜チャンバに輸送する段階と、
前記第３の成膜チャンバにおいて前記電子導体を成膜する段階と、
前記電子導体が成膜されている前記基板を前記真空ロードロックに輸送する段階と、
前記基板を前記真空ロードロックから取り出す段階を
をさらに備える請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
熱および圧力を同時に前記カソードに加えることによって、前記カソードを高密度化する段階をさらに備える請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記高密度化する段階は、前記固体電解質材料の軟化点より高い温度で行われる請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記高密度化する段階の後で、前記カソードの表面を平坦化する段階をさらに備える請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記アノード電流コレクタにアノードを取り付ける段階をさらに備える請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記アノードを取り付ける段階は、前記アノード電流コレクタと接するようにリチウム箔を載置する段階を有する請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記アノードを取り付ける段階は、前記アノード電流コレクタ上に融解リチウムを注ぎ込む段階を有する請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記アノード電流コレクタは、金属箔、金属容器、金属膜、および、これらの組み合わせから成る群から選択される請求項１５に記載の方法。
【請求項２８】
前記リチウム電池を気密封止する段階をさらに備える請求項１５に記載の方法。
【請求項２９】
基板を用意する段階と、
前記基板をカソード電流コレクタでコーティングする段階と、
前記カソード電流コレクタを含む前記基板を真空処理システム内に載置する段階と、
前記真空処理システムの第１の処理ステーションにおいて、前記カソード電流コレクタ上にカソード材料の薄層を成膜する段階と、
前記真空処理システム内の第２の処理ステーションに、前記カソード材料を含む前記基板を真空下で輸送する段階と、
前記真空処理システムの前記第２の処理ステーションにおいて、前記カソード材料上に固体電解質材料の薄膜を成膜する段階と、
前記真空処理システム内の第３の処理ステーションに前記固体電解質材料を含む前記基板を真空下で輸送する段階と、
前記真空処理システムの前記第３の処理ステーションにおいて前記固体電解質材料上にアノード材料の薄層を成膜する段階と、
前記アノード材料を含む前記基板を前記真空処理システムから取り出す段階と、
前記アノード材料上にアノードを成膜する段階と、
前記アノード上にアノード電流コレクタを成膜する段階と
を備えるリチウム電池を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギー貯蔵に関する。具体的には、比エネルギーが高く、比電力が高く、携帯可能電子デバイス、自動車、および、再生可能エネルギー関連で用いられる充電式電気化学セルの製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去数十年にわたって、ポータブル電子デバイスの数は劇的に増加した。これに応じて、充電式電源について軽量化および電気貯蔵容量の増加を求める声が上がっていた。太陽電池、燃料電池およびスーパーキャパシタの分野では多くの点で技術が改善されてきたが、１以上の電気化学セル（電池）としての電気化学貯蔵装置は依然として、大半のポータブル電子デバイスの電力供給手段として好ましい。電気化学セルは、エネルギー容量、電力密度、および、コストが全て良好である。今日市販されている多くの充電式電気化学セルのうち、リチウム電池は、比エネルギーおよび比電力に関しては性能が最も高い。現時点において、ポータブル電子デバイスで利用されている最も一般的な充電式リチウム電池は、リチウムイオン電池である。リチウムイオン電池では、インターカレーション電極と非水液体電解質とを組み合わせる。今日利用可能なリチウムイオン電池の大半は、金属の酸化物、リン酸塩、硫化物、または、酸硫化物から製造される炭素陽極および炭素陰極を利用している。今日利用されている別の一般的なリチウム電池としては、リチウムポリマー電池が挙げられる。リチウムポリマー電池は、名称から推測されるように、非水液体電解質に代えてポリマー電解質を利用する。一部のリチウムポリマー電池は、リチウム金属アノードを利用するが、大半のリチウムポリマー電池は、リチウムイオン電池と同様の電極材料を利用する。
【０００３】
リチウムイオン電池およびリチウムポリマー電池は、高価格であるが、高い電池性能が得られる。しかし、多くの用途では、可能な充放電サイクル数が不十分である。キャパシタのサイクル寿命は通常数百万サイクル単位であるが、リチウムイオン電池およびリチウムポリマー電池の通常のサイクル寿命は、数百サイクル単位である。大型で高価な電池が必要となる用途、例えば、完全電気車両あるいはハイブリッド車両、および、太陽発電設備または風力発電設備のバックアップ等の用途では、リチウムイオン電池およびリチウムポリマー電池に関して、寿命に対するコストの比率が高すぎる。比較的低コストの材料（例えば、カソード材料として、比較的高価な酸化リチウムコバルトに代えてリン酸鉄リチウム）を利用することである程度コストを低減することができるが、このように成長が見込まれる大きな市場でリチウム電池が重要な地位を占めるためには、サイクル寿命を長寿命化する方法を見つけなければならない。
【０００４】
上記以外でリチウムイオン電池に関する懸念として挙げられることが多いものに、安全性が完全でない点が挙げられる。リチウムイオン電池の「欠陥」に関する多くの製品リコールが広く報道されており、リチウムイオン電池の爆発事故も散見される。安全性が重要視される用途、例えば、自動車産業でリチウムイオン電池が候補として考慮されるためには、こういった懸念に対処して払しょくしなければならない。
【０００５】
リチウムイオン電池およびリチウムポリマー電池は充放電サイクル寿命が限られているが、別の種類の充電式リチウム電池、いわゆる、薄膜リチウム電池は、通常のサイクル寿命が数千サイクル単位である。このような薄膜リチウムセルは、薄膜電極、電解質および電流コレクタが物理気相成長（ＰＶＤ）法により基板上に成膜されており、容量を大きく減らすことなく、充放電サイクルは２万サイクルを超える。ダブリュー・シー・ウェスト（Ｗ．Ｃ．Ｗｅｓｔ）、ジェイ・エフ・ウィッタカー（Ｊ．Ｆ．Ｗｈｉｔａｃｒｅ）およびジェイ・アール・リム（Ｊ．Ｒ．Ｌｉｍ）、「スパッタリングで形成されたＬｉＰＯＮ薄膜を利用したリチウム伝導性固体電解質プレートの化学的安定性の改善」、Ｊ．Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、１２６、１３４−１３８（２００４）を参照されたい。薄膜リチウム電池は１９６９年にまで遡る（シー・シー・リアン（Ｃ．Ｃ．Ｌｉａｎｇ）、ジェイ・エプスタイン（Ｊ．Ｅｐｓｔｅｉｎ）およびジー・エイチ・ボイル（Ｇ．Ｈ．Ｂｏｙｌｅ）、「高圧且つ固体の電池システム」、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ、１１６、１４５２（１９６９）を参照のこと）が、この種類の電池は、ジョン・ベイツ（Ｊｏｈｎ  Ｂａｔｅｓ）および彼のグループが、オーク・リッジ・ナショナル・ラボラトリー（Ｏａｋ  Ｒｉｄｇｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）でＬｉＰＯＮ薄膜電解質材料を１９９４年に発見した際に大きな注目を集めた。それ以前に用いられていた多くの薄膜電解質は酸化物および硫化物をベースとしていたがこれとは対照的に、ＬｉＰＯＮは、金属リチウムおよびカソード材料に対して安定しており、カソード材料の電位は、リチウムのアノードに対して最高で約５Ｖとなった。ＬｉＰＯＮはすぐに、薄膜リチウム電池の固体電解質材料として標準的なものとなった。しかし、現在までにおいて、薄膜リチウム電池は、エネルギー貯蔵デバイスとしては広範に受け入れられていない。これは主に、単位面積当たりのエネルギー貯蔵容量が非常に限られていており、製造コストが非常に高いためである。
【０００６】
ＰＶＤ法では約１０ミクロンよりも厚い薄膜を成膜することが難しい。成膜中に薄膜内で蓄積される応力によって、膜が基板から剥離または損傷してしまうことがある。高性能を実現する薄膜カソードの材料として好ましいＬｉＣｏＯ２で製造される厚み１０ミクロンのカソードの場合、理論上のセル容量は、膜密度が５ｇ  ｃｍ−３でサイクル機能がＬｉＣｏＯ２内のＬｉの６０％である場合、約０．８ｍＡ−ｈｃｍ−２が限度である。実際には、これは恐らく、ＬｉＣｏＯ２を利用する１つの薄膜電気化学セルの上限値を表している。つまり、１０ミクロンの厚みの膜がＰＶＤ法により成膜されている場合、密度は大抵１００％を大幅に下回る。米国特許第６，１６８，８８４号（ニューデッカー他）では、ＬｉＣｏＯ２のカソードの厚みが１ミクロンの場合、薄膜リチウム電池の容量が６９μＡ−ｈ  ｃｍ−２となる。この容量値は、上記の推定値と良好に対応している。米国特許第６，１６８，８８４号（ビー・ジェイ・ニューデッカー（Ｂ．Ｊ．Ｎｅｕｄｅｃｋｅｒ）、エヌ・ジェイ・ダドニー（Ｎ．Ｊ．Ｄｕｄｎｅｙ）およびジェイ・ビー・ベイツ（ジェイ・ビー・ベイツ）、「インサイチュ活性化でメッキしたリチウムアノードを持つ電池」）を参照されたい。金属膜をスパッタリングで成膜するコストは通常、平方センチメートル当たり１ミクロン当たりで０．２５米セント以上である。ＬｉＣｏＯ２によって薄膜リチウム電池用にカソード膜のみを成膜する場合のコストは、ｋＷ−ｈ当たり約８０００ドルとなり、自動車およびその他の大型エネルギー貯蔵装置の用途でのｋＷ−ｈ当たり１５０ドルという目標額を数ケタ上回ってしまう。このため、薄膜リチウム電池は、はるかに低コストの薄膜成膜技術を用いて製造しなければならないか、容量要件が非常に小さい高性能でニッチな用途に限定されてしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先行技術の問題点を鑑みると、リチウムイオン電池を改善することが求められている。
【０００８】
先行技術では、本発明に付随する恩恵は一切得られない。このため、本発明は、先行技術の欠点を克服するように改善することを目的とする。
【０００９】
本発明はさらに、アノードに接触しているアノード電流コレクタと、カソードに接触しているカソード電流コレクタと、アノードおよびカソードを分離する固体電解質薄膜とを備える電気化学セルを提供することも目的とする。
【００１０】
本発明はさらに、基板を用意する段階と、当該基板にカソード電流コレクタをコーティングする段階と、カソードをカソード電流コレクタ上に成膜する段階と、カソードを成膜した後に基板に熱処理を行う段階と、熱処理を行う段階の後にアノード電流コレクタをカソードに成膜する段階とを備えるリチウム電池の製造方法を提供することも目的とする。
【００１１】
本発明は、基板を用意する段階と、基板にカソード電流コレクタをコーティングする段階と、カソード電流コレクタを含む基板を真空処理システム内に載置する段階と、真空処理システムの第１の処理ステーションにおいてカソード材料の薄層をカソード電流コレクタに成膜する段階と、真空下でカソード材料を含む基板を真空処理システムの第２の処理ステーションに輸送する段階と、真空処理システムの第２の処理ステーションにおいてカソード材料上に固体電解質材料の薄膜を成膜する段階と、真空処理システム内の第３の処理ステーションに固体電解質材料を含む基板を真空下で輸送する段階と、真空処理システムの第３の処理ステーションにおいて固体電解質材料にアノード材料の薄層を成膜する段階と、真空処理システムからアノード材料を含む基板を取り出す段階と、アノード材料上にアノードを成膜する段階と、アノード電流コレクタをアノードに成膜する段階とを備えるリチウム電池の製造方法を提供することも目的とする。
【００１２】
本発明の目的のうちいくつかを上記で簡単に説明した。上記の目的は、本発明の特徴および用途のうち比較的顕著なものをいくつか例として示したに過ぎないと解釈されたい。他の多くの有益な効果は、本明細書で開示する発明を別の方法で適用することによって、または、開示の範囲内で本発明を変形することによって、達成され得る。したがって、請求項で定義する本発明の範囲に加えて、本発明の要約および好ましい実施形態の詳細な説明を添付図面と共に参照することによって、上記以外の目的を理解するとともに、本発明をより深く理解されたい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、製造コストが高額になり過ぎて薄膜リチウム電池の用途を限定される理由となり得ることがないように、今日のリチウムイオン電池およびリチウムポリマー電池が本来抱えるサイクル寿命および安全性の問題を克服したリチウム電池を製造する方法を説明する。適切な基板に、複数の低コスト厚膜技術のうち１つを利用して、カソード電流コレクタをコーティングする。この後、カソードを、活性電極材料、固体電解質材料、および、高表面積グラファイト等の電子導体から製造して、低コスト厚膜成膜技術を利用して基板に成膜する。不必要な液体または蒸気を排出するべく適切な熱処理を実行した後、カソードを真空成膜システム内に導入する。真空成膜システムでは、カソード材料の第１の薄層を成膜する。真空状態を途切れさせることなく、基板を、固体電解質、例えば、酸窒化リチウムリン（ＬｉＰＯＮ）の薄膜が成膜される処理ステーションに輸送する。再度、真空状態を途切れさせることなく、基板を、アノード材料、例えば、リチウム、リチウム合金、炭素またはシリコン等の薄層を成膜する処理ステーションに輸送する。この後基板を真空成膜システムから取り出して、低コストな厚膜技術を用いてアノードを成膜する。一部の実施形態によると、厚膜のアノードを成膜するステップは不要である。最後に、低コストの厚膜技術を用いてアノード電流コレクタを成膜する。
【００１４】
本発明の特徴は、アノードに接触するアノード電流コレクタを備える電気化学セルを提供する点にある。アノード電流コレクタはさらに、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、モリブデン、タングステンおよびこれらの合金から成る群から選択される金属を含むとしてよい。アノードはさらに、リチウム金属またはリチウム合金を含むとしてよい。リチウム合金は、リチウム−炭素合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、リチウム−ゲルマニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金およびリチウム−ガリウム合金から成る群から選択され得る。アノードはさらに、リチウム含有酸化物、リチウム含有硫化物またはリチウム含有セレン化物を含むとしてよい。カソード電流コレクタはカソードと接触している。カソード電流コレクタは金属であってよく、当該金属は、酸化に対して耐性を持つ。カソード電流コレクタの金属は、ニッケル、金、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウムおよびアルミニウムから成る群から選択されるとしてよい。カソードは、酸化リチウムコバルトまたはリン酸リチウム鉄であってよい。固体電解質の薄膜によって、アノードおよびカソードが分離されている。固体電解質は、ＬｉＰＯＮであってよい。固体電解質は、ＬｉＰＯＮＢ、Ｌｉ３．６Ｓｉ０．６Ｐ０．４Ｏ４、Ｌｉ６．１Ｖ０．６１Ｓｉ０．３９Ｏ５．３６、ＬｉＢＯ２、ＬｉＢＰ、Ｌｉ２ＳＯ４−Ｌｉ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｐ２Ｓ５およびＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５−Ｐ２Ｏ５から成る群から選択され得る。固体電解質は、融解塩電解質であってよい。固体電解質は、硝酸リチウムおよび硝酸カリウムの共融混合物であってよい。共融混合物は、融点が約摂氏１３３度であるとしてよい。共融混合物は、亜硝酸塩、ホウ酸塩、硫酸塩、リン酸塩およびその他の硝酸塩から成る群から選択される酸化種をさらに含むとしてよい。固体電解質は、厚みが２ミクロン以下であるとしてよい。
【００１５】
本発明の別の特徴としては、以下の段階を備えるリチウム電池の製造方法を提供する点が挙げられる。基板を用意する。基板に、カソード電流コレクタをコーティングする。カソードを、カソード電流コレクタに成膜する。カソードの成膜はさらに、活性電極材料を成膜する段階と、固体電解質材料を成膜する段階と、電子導体を成膜する段階とを有する。カソードは、熱および圧力を同時にカソードに加えることで、高密度化するとしてよい。高密度化は、固体電解質材料の軟化点より高い温度で行われるとしてよい。高密度化の後、カソードの表面を平坦化するとしてよい。活性電極材料の成膜はさらに、活性電極材料のナノ粉末を硝酸リチウムおよび硝酸カリウムと混合させる段階を含むとしてよい。グラファイト粉末を混合物に添加するとしてよい。固体電解質材料は、リン酸リチウムターゲットを窒素ガスを含有する外囲環境で利用する高周波物理気相成長法によって薄膜として成膜されるＬｉＰＯＮであってよい。カソードの成膜後に、熱処理を基板に行う。熱処理の後に、アノード電流コレクタをカソードに成膜する。アノードをアノード電流コレクタに取り付けるとしてよい。アノードの取り付けはさらに、リチウム箔をアノード電流コレクタに接するように載置する段階を含むとしてよい。アノードの取り付けはさらに、融解したリチウムをアノード電流コレクタに注ぎ込む段階を含むとしてよい。アノード電流コレクタは、金属箔、金属容器、金属膜およびこれらの組み合わせから成る群から選択されるとしてよい。当該方法はさらに、リチウム電池を気密封止する段階を備えるとしてよい。
【００１６】
好ましい実施形態によると、カソード電流コレクタがコーティングされた基板を、真空ロードロックにロードするとしてよい。真空ロードロックは、排気するとしてよい。この後、活性電極材料を成膜する第１の成膜チャンバに基板を輸送するとしてよい。続いて、活性電極材料が成膜された基板を、固体電解質材料を成膜する第２の成膜チャンバに輸送するとしてよい。続いて、固体電解質材料が成膜された基板を、電子導体を成膜する第３の成膜チャンバに輸送するとしてよい。続いて、電子導体が成膜された基板を、基板を真空ロードロックから取り外すように、真空ロードロックへと輸送するとしてよい。
【００１７】
本発明のさらに別の特徴は、以下の段階を備えるリチウム電池の製造方法を提供する点にある。基板を用意する。カソード電流コレクタで基板をコーティングする。カソード電流コレクタを含む基板を真空処理システム内に載置する。真空処理システムの第１の処理ステーションにおいて、カソード電流コレクタ上にカソード材料の薄層を成膜する。真空処理システム内の第２の処理ステーションに、カソード材料を含む基板を真空下で輸送する。真空処理システムの第２の処理ステーションにおいて、カソード材料上に固体電解質材料の薄膜を成膜する。真空処理システム内の第３の処理ステーションに固体電解質材料を含む基板を真空下で輸送する。真空処理システムの第３の処理ステーションにおいて固体電解質材料上にアノード材料の薄層を成膜する。アノード材料を含む基板を真空処理システムから取り出す。アノード材料上にアノードを成膜する。最後に、アノード上にアノード電流コレクタを成膜する。
【００１８】
上記では、本発明の特徴のうち比較的関連性が高く重要な特徴を非常に広義に概説した。これは、以下に記載する本発明の詳細な説明を理解し易くして、関連技術分野における本発明の貢献をより完全に認識していただくためである。本発明の請求項の主題を構成する本発明のその他の特徴は、以下で説明する。当業者におかれては、本明細書で開示する概念および具体的な実施形態は本発明と同じ目的を実現するべく他の構造を変形または構成するための基礎として容易に用いられるものと考えられたい。また、当業者であれば、このような均等な構成は請求項に記載する本発明の意図および範囲から逸脱するものではないと考えられたい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体充電式リチウム電池を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るＰＶＤクラスタシステムを示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る１つのセルを製造するための処理フローを示す概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る双極構成のリチウム電池を示す概略断面図である。複数の図面にわたって同様の構成要素については同様の参照符号を用いている。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
カソードの厚みが通常は約１ミクロンである薄膜リチウム電池では、薄膜ＬｉＣｏＯ２カソードに含まれているリチウムイオンのうち約６０％を可逆的にデインターカレーションおよび再インターカレーションさせることが可能であり、充放電サイクル時に容量が劣化することはほとんどまたは全くない。薄膜リチウム電池は、実験条件では、充放電サイクルが１０万回を超えると報告されている。カソードの厚みが大きくなると、外囲温度での固体拡散の拡散距離が非常に大きくなるので、リチウム含有量のうちこのように高い割合を利用するのは難しい。
【００２１】
リチウムイオン電池では、カソードは多孔質の特性を持つように製造される。カソードが液体電解質を吸収することで、液体電解質は活性カソード材料の粒子と密に接触する。これによって、リチウムイオン電池のカソードにおいて大半の長距離リチウムイオン拡散が液相によって発生する。しかし、カソード材料の粒子に対するリチウムイオンの固体拡散は、リチウムイオン電池では速度を制限する要因になると考えられており、電池の最高充電速度および電力密度が決まる。このメカニズムによって他の懸念も生じる。リチウムが活性カソード材料に対して繰り返しデインターカレーションおよび再インターカレーションすることによって、体積が変化し、場合によって、相も変化する。時間の経過によって、このようなサイクルが繰り返されると、容量が低減する原因となり、最終的にはセルが故障してしまう。１０万回の放電サイクルでも寿命が終わらないリチウムイオン電池は、あるとしても、数例が報告されているのみである。
【００２２】
リチウムイオン電池の別の問題として、有機液体電解質の利用が原因と考えられているが、電解質と電極との間に固体電解質界面層が形成されることが挙げられる。リチウムイオン電池で用いられる有機電解質は、電極材料に対して熱力学的に安定していることはほとんどないので、界面で反応してさまざまな化合物を形成してしまう。このような界面層は、非常に薄くリチウムイオンの伝導率は限られているのが普通であるが、サイクルが繰り返される間不安定であることが多く、リチウムイオン電池の故障の原因となる。
【００２３】
本発明は、材料および形成方法がリチウムイオン電池とは大幅に異なる。本発明は、図１に示す。１つの電気化学セル１０は、アノード３０と接しているアノード電流コレクタ２０、カソード５０と接しているカソード電流コレクタ６０、および、アノード３０およびカソード５０を分離している非常に薄い固体電解質薄膜４０の５個の機能素子から構成される。アノード電流コレクタ２０は通常、電気化学セル１０の動作温度範囲の全範囲にわたってリチウムと接しても安定である金属が選択される。適切な金属としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、モリブデン、タングステンまたはこれらの合金が挙げられる。アノード３０自体は、純粋なリチウム金属またはリチウム合金である必要がある。適切な合金としては、リチウム−炭素合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、リチウム−ゲルマニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金およびリチウム−ガリウム合金が挙げられる。セル電圧が主な問題でない場合、リチウムを含有する酸化物、硫化物、および／またはセレン化物をベースとする他のアノード材料、例えば、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２も利用可能である。好ましい実施形態では、薄膜固体電解質４０は、ＬｉＰＯＮであり、当業者が実施しているように、窒素を含むプラズマにおいてリン酸リチウムターゲットでスパッタリングを行うことによって用意される。その他の適切な固体電解質としては、ＬｉＰＯＮＢ、Ｌｉ３．６Ｓｉ０．６Ｐ０．４Ｏ４、Ｌｉ６．１Ｖ０．６１Ｓｉ０．３９Ｏ５．３６、ＬｉＢＯ２、ＬｉＢＰ、Ｌｉ２ＳＯ４−Ｌｉ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｐ２Ｓ５およびＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５−Ｐ２Ｏ５がある。選択した固体電解質の安定化範囲に応じて最大セル電圧が決まる。上記の電解質材料の中には、リチウムアノードまたは酸化性が強いカソードと接すると安定性が保てないものがある。例えば、Ｌｉ１−ｘＣｏＯ２である。カソード電流コレクタ６０は通常、酸化に対して耐性を持つ金属を選択する。例としては、ニッケル、金、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウムおよび、場合によっては、アルミニウムがある。カソード５０は、以下で詳細に説明する。電流コレクタは、金属ペーストを形成して、電池製造プロセスの適切な段階において適切な面に塗布する等、低コストの技術を用いて製造する。これに代えて、電流コレクタは、公知の低コスト厚膜成膜技術のうち１つを用いて塗布することもでき、または、金属箔を対応する電極に強く押し当てて、オーミック接合を形成する。
【００２４】
本発明に係る複合カソードでは、当業者に公知の高温合成ルートで用意する公知の活性カソード材料、例えば、酸化リチウムコバルトまたはリン酸リチウム鉄と、熱力学的に安定（または少なくとも力学的に安定）であることが公知である固体電解質とを組み合わせる。活性カソード材料は、電池の動作温度範囲を超えている。これに代えて、選択した電解質は、固体状態または融解状態でカソード用混合材料に含められる融解塩電解質であってもよい。好ましい実施形態では、電解質材料は、電極の融点未満で融解するものが選択される。リチウムアノードが利用される場合（融点は約摂氏１８０度）、適切な電解質は、融点が約摂氏１３３度である硝酸リチウムおよび硝酸カリウムの共融混合物である。しかし、亜硝酸塩、ホウ酸塩、硫酸塩、リン酸塩およびその他の硝酸塩等の他の酸化種を硝酸リチウム−硝酸カリウムの共融混合物に添加することによってさらに融点がさらに降温されると考えられる。当業者に公知の方法で用意された活性カソード材料、硝酸リチウム、および、硝酸カリウムのナノ粉末を適切な割合で密に混合することによって、複合カソードに含められる電解質の実効融点をさらに降温させることが提案される。必要であれば、高表面積グラファイト粉末またはその他の高表面積炭素、例えば、カーボンナノチューブをカソード用混合物に追加することによって、カソードの導電率を高めることができる。
【００２５】
カソードの構成要素は、しっかりと混ぜ合わせる必要があり、これらに限定されないが、スクリーン印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷、テープ成形、熱スプレーまたはプラズマスプレーを含む低コスト厚膜成膜技術と一致する方式で用意されるべきである。テープ成形およびさまざまな印刷技術について、カソード用混合物は成膜前に液体状態であると有用である。上述したスプレー方法では、粉末化した固体を処理することができる。セルが備えるアノードは別個に成膜したものである例でも、本明細書で提案しているアノードをセル内に組み込む方法と整合した方式でアノードを用意すべきである。
【００２６】
アノード構造およびカソード構造を分離する固体電解質は、できる限り薄くすべきであり、ピンホールおよびその他の望ましくない欠陥が無い高品質の膜を成膜することが可能である。好ましい実施形態では、固体電解質自体は、厚みが２ミクロン以下であるべきであり、これよりさらに薄くすることがより好ましい。厚みが小さくなると、電気化学セルの製造コストが削減され、比電力が大幅に大きくなり、比エネルギーはわずかに大きくなる。半導体産業は、欠陥密度が低い高品質薄膜を要求し、設備メーカは、この要求に応えるツールおよび処理を開発してきた。最も注目すべきものとして、スパッタリング、蒸着、化学気相成長（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）などがある。これらの技術のうち大半は、真空装置で実行される。真空装置の一例として、エリコン（Ｏｅｒｌｉｋｏｎ）社のクラスタライン（ＣｌｕｓｔｅｒＬｉｎｅ）（図２を参照のこと）、総合モジュラー方式ＰＶＤ、ＣＶＤおよびスパッタリングエッチングツールが挙げられる。固体電解質材料がＬｉＰＯＮである場合、窒素ガスを含有する外囲環境でリン酸リチウムターゲットを用いて高周波物理気相成長法（ＲＦＰＶＤ）を実行して高品質な薄膜として成膜されるという利点がある。
【００２７】
総合モジュラー式真空成膜設備は、界面の品質を制御する上で特に効果を奏する。電解質と電極との間の限界界面を保護するべく、高品質の真空成膜された膜に直接電解質を成膜することが望ましい。同様に、電解質が成膜された後、その上に真空成膜によって別の高品質の膜を成膜することが望ましい。この処理順序は、以下のようにエリコン（Ｏｅｒｌｉｋｏｎ）社のクラスタライン（ＣｌｕｓｔｅｒＬｉｎｅ）等のツールで容易に実現できる。最初にコーティング対象の基板を真空ロードロックに導入した後、真空ロードロックから排気する。任意で、コーティング対象の基板は、望ましくない不純物を除去するべく、薄膜成膜の前に、表面に対して加熱またはスパッタリングエッチングを行うとしてよい。複合カソード材料の厚膜が基板にコーティングされると、第１の薄膜成膜ステップで、厚膜カソードに対して、別のカソード材料をコーティングする必要がある。これは、純粋な活性カソード材料であってもよいし、または、活性カソード材料および固体電解質の組み合わせであってもよい。厚膜技術によって成膜されたカソード材料の表面を完全に被覆するために十分な材料を成膜する必要がある。繰り返しになるが、この層が薄いほど、電気化学セルの製造コストが低くなる。薄膜電極材料の成膜が完了すると、ＬｉＰＯＮまたはその他の固体電解質材料の薄膜を成膜する別の成膜チャンバに基板を輸送する。最後に、アノード材料の薄膜を固体電解質上に成膜する第３の成膜ステーションに基板を輸送する。この後、真空成膜設備から基板を取り出して、別のアノード材料を成膜する（必要な場合）。この後、アノード電流コレクタをさらに形成する。
【００２８】
尚、成膜順序は逆にするとしてもよい。任意で、アノード電流コレクタを基板に直接成膜した後、アノードを形成する。さらに、３つの薄膜成膜段階を、アノード、電解質、カソードの順序で行う。この後、カソードを成膜して、最後にカソード電流コレクタを形成する。
【００２９】
薄膜成膜段階の生産性は、コーティング対象の基板の表面積が大きい場合に、高まるとしてよい。このためには通常、フラットパネルディスプレイ、建築用ガラス、または、薄膜太陽電池の用途のために構成されている設備で成膜を実行する必要がある。これに代えて、下方に位置する基板および電極構造が十分な可撓性を持つ場合、薄膜成膜処理は、ロール・ツー・ロール方式のコーターまたはウェブコーターを用いて実行することができる。
【００３０】
リチウムイオン電池で用いられている多孔性カソードとは異なり、本明細書で説明している全て固体のリチウム電池で用いられるカソードは、空洞または気泡を回避するべく、できる限り高密度化すべきである。複数の成分を所望量で混合した後、熱および圧力を同時に印加することによってカソードを高密度化することが望ましい。このようにして、密度が１００％に近い複合カソードペレットを用意することができる。カソードの高密度化のためには、電解質の軟化点より高い温度を選択すると有用である。カソードの高密度化は、乾燥した酸化環境、例えば、乾燥した空気または酸素内で実施すべきである。高密度化処理の温度は、活性カソード材料の焼結、分解または複合カソードの複数の成分同士が反応を起こすような温度以下とすべきである。カソード混合物に高表面積グラファイト粉末が添加されると、カソード高密度化の温度上限値は約摂氏６５０度であり、この温度を超えると高表面積グラファイトの酸化速度が高くなる。
【００３１】
また、成膜時の厚膜カソードは出来る限り平滑であることが望ましい。このようにすることによって、電解質を成膜する前にカソードのバルクを被覆することを目的として真空成膜する必要があるカソード材料の厚みが最小限に抑えられる。薄膜を真空成膜する表面を平滑なものとするべく、高密度化の後に、当業者に公知のラッピング技術、研磨技術または化学機械平坦化技術を用いてカソード表面を平坦化することができる。
【００３２】
固体複合カソードで電解質および活性カソード材料をしっかりと混ぜ合わせることによって、高濃度のリチウムイオンが活性カソード材料の小さい各粒子の周囲を取り囲む。活性カソード材料の粒子に出入りする固体拡散は、拡散距離を大きくする必要はない。カソード混合物に添加される電界質が融解塩である好ましい実施形態では、電気化学セルは、電解質の融点に近い温度または電解質の融点より少しだけ高い温度で動作することができる（硝酸リチウム−硝酸カリウムの共融混合物の場合、約摂氏１３３度である）。硝酸塩は、融解すると、リチウムイオンの移動度が非常に高速で、最高で１２５０ｍＡｃｍ−２という電流密度を維持することができることが報告されている。ジー・イー・マクマニス・サード（Ｇ．Ｅ．ＭｃＭａｎｉｓ，ＩＩＩ）、エム・エイチ・マイルス（Ｍ．Ｈ．Ｍｉｌｅｓ）およびエー・エヌ・フレッチャー（Ａ．Ｎ．Ｆｌｅｔｃｈｅｒ）、「高性能融解硝酸塩セル」米国特許第４，５２８，２５３号を参照されたい。このように、ＬｉＰＯＮ固体電解質を用いた薄膜電池については略２ケタも高い値が報告されている。ビー・ニューデッカー（Ｂ．Ｎｅｕｄｅｃｋｅｒ）、「体積ＰＶＤによる充電式薄膜電池の製造」、セミコンウェスト（ＳＥＭＩＣＯＮ  Ｗｅｓｔ）２００８、新興市場ＴｅｃｈＸＰＯＴ、７月１５−１７日、米国カリフォルニア州サンフランシスコ（２００８）で紹介された論文、を参照されたい。
【００３３】
薄い固体電解質材料の候補の中には、特に複合カソードが融解塩電解質を含む場合に、複合カソード内で溶解する性質を持つものがある（例えば、リン酸リチウムは硝酸リチウム−硝酸カリウム共融混合物において融解し得る）。この場合、この薄い固体電解質材料の候補は、電解質が飽和するのに十分な量を複合カソード混合物に添加する必要がある。これによって複合カソードに含まれる電解質の実効融点を降温させるという望ましい効果が得られるという例もある。
【００３４】
上述したカソード電流コレクタ、複合カソードおよび３つの薄膜（カソード−固体電解質−アノード）を有する基板を製造した後、アノードを取り付ける必要がある。アノードの取着は、適切な材料の厚膜をその下方の構造に直接成膜することによって行うことができる。これに代えて、アノードは、リチウム金属である場合、クリーンなリチウム箔を不活性環境においてアノード材料の保護薄膜と密に接するように載置して、圧力（および、必要であれば熱）を加えることによって製造することもできる。このようにして、バルクアノードと保護薄膜との間の電気接触が良好になるようにして、この結果バルクアノードと薄い固体電解質との間の電気接触が良好になるようにする。バルクアノードを製造する別の方法では、融解したリチウムを保護薄膜上に注ぎ込む。この時、電気化学セルの残りの部分（薄い電解質、カソードおよびカソード電流コレクタ）は適切な固定部によって保護されている。この処理は、真空雰囲気または不活性雰囲気で同様に実行されるべきである。バルクアノードを製造する他の方法は、当業者には明らかである。ナノ結晶シリコンは近年、リチウムイオン電池において特に有効なアノード材料であると報告されている。アール・ルッフォ（Ｒ．Ｒｕｆｆｏ）、エス・エス・ホン（Ｓ．Ｓ．Ｈｏｎｇ）、シー・ケイ・チャン（Ｃ．Ｋ．Ｃｈａｎ）、アール・エー・ハギンズ（Ｒ．Ａ．Ｈｕｇｇｉｎｓ）、ワイ・クイ（Ｙ．Ｃｕｉ）、「シリコンナノワイヤリチウムイオン電池アノードのインピーダンス分析」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃ．１１３、１１３９０−１１３９８（２００９）を参照されたい。
【００３５】
バルクアノードを製造すると、アノード電流コレクタを付加する。アノード電流コレクタは、金属箔、金属容器、金属膜またはこれらの組み合わせであってよい。バルクアノードとアノード電流コレクタとの間では良好なオーミック接合が得られることが重要である。これは、電流コレクタが、アノードを外部回路または外部負荷に接続するための手段として機能するためである。一部の実施形態では、アノード電流コレクタは、アノードを電気化学セルの残りの部分に取り付ける前にバルクアノード材料に組み込むこともできる。例えば、リチウム箔をボタン電池の一構成要素を形成するキャップ内に押し込むとしてよい。キャップおよびリチウム箔はこの後、適切な圧力を加えて、薄い固体電解質上のアノード材料の保護薄膜と密に接触するようにする。これで、セル製造プロセスが完了する。この例では、セルの表面積全体で、薄い電解質または複合カソードが破損しないような適切なレベルで圧力を均一に維持することが重要である。
【００３６】
第２の電流コレクタが所定位置に配されると、電気化学セルは基板から取り外して（基板は、コストを考えて、洗浄して再利用するべきである）、パッケージングして、不活性の酸素および水蒸気を含まない環境で気密封止するとしてよい。特に水分が電気化学セル内に入り込まないようにすることが重要である。しかし、有毒な有機液体を含み、パッケージが破損すると漏れ出す溶解状態の電解質を含む今日のリチウムイオン電池とは異なり、本明細書で説明する固体リチウム電池では同様の問題が発生する心配はない。
【００３７】
活性カソード材料が可逆的なインターカレーションが可能なリチウムを含む、例えば、ＬｉＣｏＯ２またはＬｉＦｅＰＯ４の一部の実施形態では、バルクアノードを製造する必要はない。さらに、この場合、薄い固体電解質を保護するための薄膜はリチウムを含む必要がない。電気化学セル動作に必要なリチウムは全て、カソード内に含まれている。最初の充電時に、リチウムはカソードから電解質を通ってアノードに移動する。薄い固体電解質上の保護薄膜が電気化学セルの動作温度でリチウムとの間で合金を形成しない場合、リチウムアノードは、固体電解質と保護膜との間の界面に沈着する。この例では、保護薄膜は、実在するアノード電流コレクタまたは仮想的なアノード電流コレクタとして機能する。薄い固体電解質上の保護薄膜が電気化学セルの動作温度でリチウムとの間で合金を形成する場合、形成されるアノードは、ａ）リチウム金属内で保護薄膜材料が溶解している固溶体、または、ｂ）リチウム金属内で保護薄膜材料が溶解している固溶体と、リチウムおよび保護薄膜材料によって形成される化合物である合金相とが平衡状態で二相混合物のいずれかを含む。電気化学セルの動作温度でリチウムとの間で合金を形成しない保護薄膜材料の候補の例を挙げると、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、モリブデンおよびタングステンがある。電気化学セルの動作温度でリチウムとの間で合金を形成する保護薄膜材料の候補の例を挙げると、炭素、アルミニウム、スズ、シリコン、ゲルマニウム、マグネシウム、インジウムおよびガリウムがある。この特定の電気化学セルの実施形態は、安全性の観点からみて非常に望ましい。この電気化学セルは、完全に放電された状態で製造されているので、電極がショートした場合に破壊的なエネルギー放出が起こる危険性を考慮することなく、取扱いおよび輸送が可能である。また、製造時の状態で電気化学セル内には金属リチウムが含まれていないので、電気化学セルの破裂および反応性の金属リチウムが外気に暴露される危険が排除される。リチウムイオン電池で通常用いられているような爆発性または有毒性のリチウム塩を含む非水有機液体電解質が無いことによって得られる安全性は、本発明の全ての実施形態で実現可能である。
【００３８】
本明細書で説明する本発明の主な利点は、薄膜リチウム電池の長所、つまり、長いサイクル寿命、高い比エネルギー、高い比電力、および、高い安全性が、従来の薄膜リチウム電池で実現可能なｋＷ−ｈ当たりの製造コストより大幅に少ない製造コストで、且つ、今日のリチウムイオン電池よりもわずかに高い価格で得られる点である。これが可能であるのは、スクリーン印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷、テープ成形、熱スプレーまたはプラズマスプレー等の厚膜成膜技術のコストが、ＰＶＤ等の薄膜成膜技術に比べてはるかに低いためである。従来の薄膜リチウム電池の場合、電池は全て、真空成膜技術を用いて製造される。本明細書で説明する発明では、例えば、電池の１−５％のみが高コストの真空成膜技術で成膜される。通常の薄膜成膜は１０ミクロン未満であるが、通常の厚膜電極の厚みは、数ミクロンから１ミリメートルの間の任意の値であるとしてよい。電極の厚みを大きくするためにはおそらく、高密度化を容易にするべく厚膜成膜を複数回順次実行することが最も望ましいが、原則的には、所望であれば、１回のステップで数ミリメートルの厚みを持つ電極を用意することが可能である。このような場合、このプロセスを「厚膜成膜」と説明するのは、厳密には、正確でないであろう。カソードの厚みが約５０ミクロンよりも大きい場合、自立可能で、基板を省略するとしてよい。
【００３９】
厚膜電極を成膜するために印刷技術を利用する場合には他に、活性材料のナノ粒子を含む「インク」を堆積するために用いることができるという利点もある。このナノ粒子は、直径が１ミクロンよりはるかに小さいと定義されるが、表面積対体積の比率が非常に高く、電力密度が高密度化され、電池の充電速度が高速化される要因となり得る。
【００４０】
本明細書で説明する本発明に係るリチウム電池の製造手段を考慮することは有益である。図３を参照されたい。ステップ１において、適切な基板１００に、スクリーン印刷等の低コスト厚膜技術のうちいずれか１つを利用して、カソード電流コレクタ１１０をコーティングする。この後、カソード１２０を活性電極材料、固体電解質材料、および、高表面積グラファイト等の電子導体から製造され、ステップ２において、低コスト厚膜成膜技術を利用して基板１００に成膜される。望ましくない液体または水蒸気を取り除いてカソード１２０の構造を高密度化するための適切な熱処理を実行した後、真空成膜システム内に導入する。当該システムにおいて次に、カソード材料の薄層を成膜する。真空状態を途切れされることなく、基板１００を、酸窒化リチウムリン（ＬｉＰＯＮ）等の固体電解質１３０の薄膜が成膜される処理ステーションに輸送する。繰り返しになるが、真空状態を途切れさせることなく、基板１００を、リチウム、リチウム合金、炭素またはシリコン等のアノード材料１４０の薄層を成膜する処理ステーションに輸送する。これら３つの順次実行される薄膜成膜ステップは、図３のステップ３の１回のみで示している。基板１００はこの後、真空成膜システムから取り出され、アノード１５０を低コスト厚膜技術で成膜する（ステップ４）。最後に、ステップ５において、アノード電流コレクタ１６０を低コスト厚膜技術で成膜する。
【００４１】
本明細書で説明した方法にしたがって構築するリチウム電池またはリチウムイオン電池から得られる電圧を高くするためには、複数のセルを双極構成（図４）で上下に積層する構造を構築することが可能である。図４に示すように、基板２００を任意で用意する。第１の電流コレクタ２１０を用意する。この後、カソード２２０、電解質２４０、およびアノード２３０のセットを、セット間に導電バリア２５０を成膜しつつ複数成膜する。最後に、双極構成で第２の電流コレクタ２６０を最終セット上に成膜する。また、本明細書で説明した構造を、密ならせん形状に巻き回して、適切な容器内に封止される可撓性基板２００上に成膜することも考えられる。このような構造および当該構造を製造する方法は、当業者に公知である。
【００４２】
ハイブリッド電気自動車、差込型電気ハイブリッド自動車、および、完全電気自動車では、比エネルギーが高く、比電力が高く、製造コストが低い電池が必要である。また、自己放電を最小限に抑えて、長期間にわたってアイドル状態である場合に電池から電力がなくならないようにすることが重要である。本発明に応じて製造されるリチウム電池またはリチウムイオン電池は、カソード用混合物が低融点融解塩の電解質を含むものが、このような用途では特に有用である。電池容器は、車両駆動中または電池充電中に、電池の温度を融解塩電解質の融点より高い温度まで昇温可能な低ワットヒータを備えている。このようなヒータにエネルギーを加えるための電力は、今日の内燃機関車両で始動、照明、イグニションに用いられているもののような低コスト補助電池から供給され得る。電池は、融解した電解質を備えることによって、非常に高いピーク電力を、動作中および充電中のどちらでも維持可能である。車両のオフに制御されると、融解塩は温度が下がり、セルの内部インピーダンスが高まり、自己放電が最小限に抑えられる。電解質および電池の全ての構成要素が固体状態であるので、望ましくない副反応が最小限に抑えられ、電池寿命が長くなり、安全性がさらに高くなる。
【００４３】
上記の説明は本発明を例示するためのものであり本発明を制限するものではないと理解されたい。本明細書では本発明の特定の実施形態のさまざまな特徴および利点に焦点を当ててきたが、開示した本発明の範囲および意図から逸脱することなく多くの他の実施形態も当業者には明らかである。本発明の範囲は、このため、本願の請求項を参照して決定され、請求項の均等物の範囲も同様に決定されるべきである。
【００４４】
本発明を説明した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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