(57)【要約】本開示は、イオン性液体およびアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩を含む電解質を含む、アルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池を提供する。この電池はまた、電解質と接触する表面を含む負極を含む。負極はまた、負極活物質を含む。この電池はさらに、電解質と接触する表面を含む正極を含む。正極はまた、正極活物質を含む。この電池はまた、正極と負極の間の電子絶縁性セパレータ、ならびに電解質、電極およびセパレータを囲むケーシングを含む。この電池はさらに、電解質と接触する電極の表面の少なくとも一部分に圧力を印加する圧力印加システムを含む。
2021535570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池であって、
イオン性液体およびアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩を含む電解質、
前記電解質と接触する表面を含む負極であり、負極活物質を含む負極、
前記電解質と接触する表面を含む正極であり、正極活物質を含む正極、
前記正極と前記負極の間の電子絶縁性セパレータ、
前記電解質、電極およびセパレータを囲むケーシング、ならびに
前記電解質と接触する前記電極の表面の少なくとも一部分に圧力を印加するように動作可能な圧力印加システム
を含む、アルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池。
【請求項２】
前記圧力印加システムが、前記電池の内部のシールおよび圧力印加構造体を含む、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記圧力印加構造体が、プレートおよびクランプまたはねじを含む、請求項２に記載の電池。
【請求項４】
前記圧力印加構造体が、圧力ブラダーを含む、請求項２に記載の電池。
【請求項５】
ガス移動領域をさらに含む、請求項１に記載の電池。
【請求項６】
１Ｖ〜８Ｖの間（これらの値を含む）の動作電圧を有する、請求項１に記載の電池。
【請求項７】
前記圧力印加構造体が、前記電解質と接触する前記電極の前記表面の少なくとも９０％に圧力を印加する、請求項１に記載の電池。
【請求項８】
前記圧力印加構造体によって印加される圧力が、前記圧力が印加される任意の点の間で５％を超えて変動することはない、請求項１に記載の電池。
【請求項９】
前記圧力印加構造体によって印加される前記圧力が、５０ｐｓｉ〜９０ｐｓｉの間である、請求項１に記載の電池。
【請求項１０】
前記圧力印加構造体によって印加される前記圧力が、７０ｐｓｉ〜７５ｐｓｉの間である、請求項１に記載の電池。
【請求項１１】
Ｃ／２での１０サイクル目の容量と比較して、Ｃ／２での１１０サイクルにわたって１％〜５０％の間の容量フェードを示す、請求項１に記載の電池。
【請求項１２】
圧力印加システムを欠く以外は同一の電池と比較して、Ｃ／２での１０サイクル目の容量と比較して、Ｃ／２での１１０サイクルにわたって５０％〜１％の間の容量フェードを示す、請求項１に記載の電池。
【請求項１３】
前記イオン性液体が、窒素（Ｎ）ベースのイオン性液体を含む、請求項１に記載の電池。
【請求項１４】
前記Ｎベースのイオン性液体が、アンモニウムイオン性液体を含む、請求項１３に記載の電池。
【請求項１５】
前記アンモニウムイオン性液体が、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−（２−メトキシエチル）アンモニウムを含む、請求項１４に記載の電池。
【請求項１６】
前記Ｎベースのイオン性液体が、イミダゾリウムイオン性液体を含む、請求項１３に記載の電池。
【請求項１７】
前記イミダゾリウムイオン性液体が、エチルメチルイミダゾリウム（ＥＭＩｍ）、メチルプロピルイミダゾリウム（ＰＭＩｍ）、ブチルメチルイミダゾリウム（ＢＭＩｍ）もしくは１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムまたはこれらの任意の組合せを含む、請求項１６に記載の電池。
【請求項１８】
前記Ｎベースのイオン性液体が、ピペリジニウムイオン性液体を含む、請求項１３に記載の電池。
【請求項１９】
前記ピペリジニウムイオン性液体が、エチルメチルピペリジニウム（ＥＭＰｉｐ）、メチルプロピルピペリジニウム（ＰＭＰｉｐ）、もしくはブチルメチルピペリジニウム（ＢＭＰｉｐ）またはこれらの任意の組合せを含む、請求項１８に記載の電池。
【請求項２０】
前記Ｎベースのイオン性液体が、ピロリジニウムイオン性液体を含む、請求項１３に記載の電池。
【請求項２１】
前記ピロリジニウムイオン性液体が、エチルメチルピロリジニウム（ＥＭＰｙｒ）、メチルプロピルピロリジニウム（ＰＭＰｙｒ）、もしくはブチルメチルピロリジニウム（ＢＭＰｙｒ）またはこれらの任意の組合せを含む、請求項２０に記載の電池。
【請求項２２】
前記イオン性液体が、リン（Ｐ）ベースのイオン性液体を含む、請求項１に記載の電池。
【請求項２３】
前記Ｐベースのイオン性液体が、ホスホニウムイオン性液体を含む、請求項２２に記載の電池。
【請求項２４】
前記ホスホニウムイオン性液体が、ＰＲ３Ｒ’ホスホニウム（Ｒはブチル、ヘキシルまたはシクロヘキシルであり、Ｒ’はメチルまたは（ＣＨ２）１３ＣＨ３である）もしくはトリブチル（メチル）ホスホニウムトシレートまたはこれらの任意の組合せを含む、請求項２３に記載の電池。
【請求項２５】
前記アルカリ金属塩が、ＬｉＦ２ＮＯ４Ｓ２、ＬｉＣＦ２ＳＯ３、ＬｉＮＳＯ２（Ｆ３）２、ＬｉＮＳＯ２（Ｆ２ＣＦ３）２、ＬｉＣ２Ｆ６ＮＯ４Ｓ２もしくはＮａＢＦ４またはこれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載の電池。
【請求項２６】
前記負極活物質が、金属、炭素、チタン酸リチウムもしくはナトリウムもしくはニオブ酸リチウムもしくはナトリウム、またはリチウムもしくはナトリウム合金を含む、請求項１に記載の電池。
【請求項２７】
前記正極活物質が、リチウム遷移金属酸化物、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属−遷移金属リン酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩もしくはバナジン酸塩、またはアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属−多金属−酸化物もしくはリン酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩もしくはバナジン酸塩を含む、請求項１に記載の電池。
【請求項２８】
前記正極活物質が、一般化学式ＡｘＭｙＥｚ（ＸＯ４）ｑおよび結晶構造を有するアトライタ混合された活物質を含み、Ａはアルカリ金属またはアルカリ土類金属であり、Ｍは電気化学的に活性な金属であり、Ｅは前記結晶構造でＡと同じ構造位置に位置し、かつ電気化学的に非活性な金属、ホウ素族元素もしくはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの任意の合金もしくは組合せであり、Ｘはリン（Ｐ）または硫黄（Ｓ）またはこれらの組合せであり、０＜ｘ≦１、ｙ＞０、ｚ≧０、ｑ＞０であって、かつｘ、ｙ、ｚおよびｑの相対値が上記一般化学式が電荷平衡になるような値である、請求項１に記載の電池。
【請求項２９】
Ａがリチウム（Ｌｉ）またはナトリウム（Ｎａ）である、請求項２８に記載の電池。
【請求項３０】
ＡがＬｉである、請求項２９に記載の電池。
【請求項３１】
ＡがＮａである、請求項２９に記載の電池。
【請求項３２】
Ｍが遷移金属、またはそれらの合金もしくは任意の組合せである、請求項２８に記載の電池。
【請求項３３】
Ｍが鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、バナジウム（Ｖ）もしくはチタン（Ｔｉ）またはこれらの合金もしくは任意の組合せである、請求項３２に記載の電池。
【請求項３４】
ＭがＣｏまたはその合金である、請求項３２に記載の電池。
【請求項３５】
ＭがＣｏとＦｅの組合せである、請求項３２に記載の電池。
【請求項３６】
ＭがＣｏとＣｒの組合せである、請求項３２に記載の電池。
【請求項３７】
ＭがＣｏ、ＦｅおよびＣｒの組合せである、請求項３２に記載の電池。
【請求項３８】
ｚ＞０である、請求項２８に記載の電池。
【請求項３９】
ＥがＳｉである、請求項３８に記載の電池。
【請求項４０】
Ｅが電気化学的に非活性な金属である、請求項３８に記載の電池。
【請求項４１】
前記電気化学的に非活性な金属が、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）もしくはストロンチウム（Ｓｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）もしくはランタン（Ｌａ）またはこれらの任意の合金もしくは組合せである、請求項４０に記載の電池。
【請求項４２】
Ｅがホウ素族元素である、請求項３８に記載の電池。
【請求項４３】
前記ホウ素族元素が、アルミニウム（Ａｌ）またはガリウム（Ｇａ）またはこれらの組合せである、請求項４２に記載の電池。
【請求項４４】
ＸがＰである、請求項２８に記載の電池。
【請求項４５】
ＸがＳである、請求項２８に記載の電池。
【請求項４６】
ＸがＳｉである、請求項２８に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下、その全体が参照により本明細書に組み込まれる「イオン性液体電解質および電極圧力を有する再充電可能電池（ＲＥＣＨＡＲＧＥＡＢＬＥ  ＢＡＴＴＥＲＹ  ＷＩＴＨ  ＩＯＮＩＣ  ＬＩＱＵＩＤ  ＥＬＥＣＴＲＯＬＹＴＥ  ＡＮＤ  ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ  ＰＲＥＳＳＵＲＥ）」と題する２０１８年８月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／７２５，０８７号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
技術分野
本開示は、イオン性液体電解質を使用して高電圧で動作するアルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池に関する。この電池はまた、電極に圧力を印加する。
【背景技術】
【０００３】
背景
多くの再充電可能電池は有機液体電解質を含有する。有機液体電解質は、種々の電圧で動作することができ、かつ他の利点を有するが、有機液体電解質の主な不利な点は、特に電池が損傷されるまたは多数回充放電された場合に発火しやすいことである。有機液体電解質の別の不利な点は、長期間の充電／放電過程の際、特に充電電圧が４．４Ｖまたはそれよりも高い場合にガスを発生しやすいことである。ガスの発生は、ほとんどの場合電解質の分解から生じる。ガスの存在は、電池構造体を妨害することによって電池に問題を引き起こし、多くの場合、充電／放電サイクル数が増加するにつれて電池の容量が減少するか（容量フェード）、または電池の欠陥が生じて全く動作しなくなる。したがって、従来の炭酸塩有機液体電解質は、４．４Ｖまたはそれよりも高くで動作する電池には好適でない。
【０００４】
有機液体電解質と比較して、イオン性液体は燃焼性ではなく、かつより広範な動作ウィンドウを有するため、高電圧アルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池用の有機液体電解質のより安全な代替物である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
要旨
本開示は、イオン性液体およびアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩を含む電解質を含む、アルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池を提供する。この電池はまた、電解質と接触する表面を含む負極を含む。負極はまた、負極活物質を含む。この電池はさらに、電解質と接触する表面を含む正極を含む。正極はまた、正極活物質を含む。この電池はまた、正極と負極の間の電子絶縁性セパレータ、ならびに電解質、電極およびセパレータを囲むケーシングを含む。この電池はさらに、電解質と接触する電極の表面の少なくとも一部分に圧力を印加する圧力印加システムを含む。
【０００６】
上記の電池は、明確に相互排他的でない限り、互いにまたは特定の例を含む本明細書の記載の任意の他の部分と組み合わされ得る以下のさらなる特色の１つまたは複数によってさらに特徴付けられてもよい：
ｉ）圧力印加システムは、電池の内部のシールおよび圧力印加構造体を含んでもよい、
ｉ−ａ）圧力印加構造体は、プレートおよびクランプまたはねじを含んでもよい、
ｉ−ｂ）圧力印加構造体は、圧力ブラダーを含んでもよい、
ｉｉ）電池は、ガス移動領域を含んでもよい、
ｉｉｉ）電池は、１Ｖ〜８Ｖの間（これらの値を含む）の動作電圧を有してもよい、
ｉｖ）圧力印加構造体は、電解質と接触する電極の表面の少なくとも９０％に圧力を印加してもよい、
ｖ）圧力印加構造体によって印加される圧力は、圧力が印加される任意の点の間で５％を超えて変動しなくてよい、
ｖｉ）圧力印加構造体によって印加される圧力は、５０ｐｓｉ〜９０ｐｓｉの間であってもよい、
ｖｉｉ）圧力印加構造体によって印加される圧力は、７０ｐｓｉ〜７５ｐｓｉの間であってもよい、
ｖｉｉｉ）電池は、Ｃ／２での１０サイクル目の容量と比較して、Ｃ／２での１１０サイクルにわたって１％〜５０％の間の容量フェードを示し得る、
ｉｘ）電池は、圧力印加システムを欠く以外は同一の電池と比較して、Ｃ／２での１０サイクル目の容量と比較して、Ｃ／２での１１０サイクルにわたって５０％〜１％の間の容量フェードを示し得る、
ｘ）イオン性液体は、窒素（Ｎ）ベースのイオン性液体を含んでもよい、
ｘ−ａ）Ｎベースのイオン性液体は、アンモニウムイオン性液体を含んでもよい、
ｘ−ａ−１）アンモニウムイオン性液体は、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−（２−メトキシエチル）アンモニウムを含んでもよい、
ｘ−ｂ）Ｎベースのイオン性液体は、イミダゾリウムイオン性液体を含んでもよい、
ｘ−ｂ−１）イミダゾリウムイオン性液体は、エチルメチルイミダゾリウム（ＥＭＩｍ）、メチルプロピルイミダゾリウム、（ＰＭＩｍ）、ブチルメチルイミダゾリウム（ＢＭＩｍ）もしくは１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムまたはこれらの任意の組合せを含んでもよい、
ｘ−ｃ）Ｎベースのイオン性液体は、ピペリジニウムイオン性液体を含んでもよい、
ｘ−ｃ−１）ピペリジニウムイオン性液体は、エチルメチルピペリジニウム（ＥＭＰｉｐ）、メチルプロピルピペリジニウム（ＰＭＰｉｐ）、もしくはブチルメチルピペリジニウム（ＢＭＰｉｐ）またはこれらの任意の組合せを含んでもよい。
ｘ−ｄ）Ｎベースのイオン性液体は、ピロリジニウムイオン性液体を含んでもよい、
ｘ−ｄ−１）ピロリジニウムイオン性液体は、エチルメチルピロリジニウム（ＥＭＰｙｒ）、メチルプロピルピロリジニウム（ＰＭＰｙｒ）、もしくはブチルメチルピロリジニウム（ＢＭＰｙｒ）またはこれらの任意の組合せを含んでもよい、
ｘｉ）イオン性液体は、リン（Ｐ）ベースのイオン性液体を含んでもよい、
ｘｉ−ａ）Ｐベースのイオン性液体は、ホスホニウムイオン性液体を含んでもよい、
ｘｉ−ａ−１）ホスホニウムイオン性液体は、ＰＲ３Ｒ’ホスホニウム（Ｒはブチル、ヘキシルまたはシクロヘキシルであり、Ｒ’はメチルまたは（ＣＨ２）１３ＣＨ３である）もしくはトリブチル（メチル）ホスホニウムトシレートまたはこれらの任意の組合せを含む、
ｘｉｉ）アルカリ金属塩は、ＬｉＦ２ＮＯ４Ｓ２、ＬｉＣＦ２ＳＯ３、ＬｉＮＳＯ２（Ｆ３）２、ＬｉＮＳＯ２（Ｆ２ＣＦ３）２、ＬｉＣ２Ｆ６ＮＯ４Ｓ２もしくはＮａＢＦ４またはこれらの任意の組合せを含んでもよい。
ｘｉｉｉ）負極活物質は、金属、炭素、チタン酸リチウムもしくはナトリウムもしくはニオブ酸（niobiate）リチウムもしくはナトリウム、またはリチウムもしくはナトリウム合金を含んでもよい、
ｘｉｖ）正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属−遷移金属リン酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩もしくはバナジン酸塩、またはアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属−多金属−酸化物もしくはリン酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩もしくはバナジン酸塩を含んでもよい、
ｘｖ）正極活物質は、一般化学式ＡｘＭｙＥｚ（ＸＯ４）ｑおよび結晶構造を有するアトライタ混合された活物質を含んでもよく、Ａはアルカリ金属またはアルカリ土類金属であり、Ｍは電気化学的に活性な金属であり、Ｅは結晶構造でＡと同じ構造位置に位置し、かつ電気化学的に非活性な金属、ホウ素族元素もしくはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの任意の合金もしくは組合せであり、Ｘはリン（Ｐ）または硫黄（Ｓ）またはこれらの組合せであり、０＜ｘ≦１、ｙ＞０、ｚ≧０、ｑ＞０であって、かつｘ、ｙ、ｚおよびｑの相対値が一般化学式が電荷平衡になるような値である、
ｘｖ−ａ）Ａはリチウム（Ｌｉ）またはナトリウム（Ｎａ）であってもよい、
ｘｖ−ｂ−１）ＡはＬｉであってもよい、
ｘｖ−ｂ−２）ＡはＮａであってもよい。
ｘｖ−ｃ）Ｍは遷移金属、またはそれらの合金もしくは任意の組合せであってもよい、
ｘｖ−ｃ−１）Ｍは鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、バナジウム（Ｖ）もしくはチタンまたはこれらの合金もしくは任意の組合せであってもよい、
ｘｖ−ｃ−２）ＭはＣｏまたはその合金であってもよい、
ｘｖ−ｃ−３）ＭはＣｏとＦｅの組合せであってもよい、
ｘｖ−ｃ−４）ＭはＣｏとＣｒの組合せであってもよい、
ｘｖ−ｃ−５）ＭはＣｏ、ＦｅおよびＣｒの組合せであってもよい、
ｘｖ−ｄ）ｚは０より大きくてもよい、
ｘｖ−ｄ−１）ＥはＳｉであってもよい、
ｘｖ−ｄ−２）Ｅは電気化学的に非活性な金属であってもよい。
ｘｖ−ｄ−２−Ａ）電気化学的に非活性な金属は、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）もしくはストロンチウム（Ｓｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）もしくはランタン（Ｌａ）またはこれらの任意の合金もしくは組合せであってもよい
ｘｖ−ｄ−３）Ｅはホウ素族元素であってもよい、
ｘｖ−ｄ−３−Ａ）ホウ素族元素は、アルミニウム（Ａｌ）またはガリウム（Ｇａ）またはこれらの組合せであってもよい、
ｘｖ−ｅ）ＸはＰであってもよい。
ｘｖ−ｆ）ＸはＳであってもよい。
ｘｖ−ｇ）ＸはＳｉであってもよい。
【０００７】
本開示の実施形態は、同様の数字が同様の機構を表す添付の図を参照することによってさらに理解され得る。特許または出願ファイルは、少なくとも１つのカラーで作成された図面を含有する。カラーの図面を含むこの特許または特許出願公開の写しは、請求および必要な手数料の支払いに応じて米国特許商標庁によって提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示による電池の概略断面図である。
【０００９】
【図２】図２は、本開示による電池の底部分の概略図である。
【００１０】
【図３】図３は、本開示によるねじ圧電池の側面の写真である。
【００１１】
【図４】図４は、本開示による空気圧電池の側面の写真である。
【００１２】
【図５】図５は、多置換リン酸リチウムコバルト（ＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４）正極活物質のＸ線回折（ＸＲＤ）プロファイルである。微量の不純物を含む最終生成物の典型的なＸＲＤパターンに＊を付す。
【００１３】
【図６】図６は、微量のＳｉおよびＣｒの凝集を示す鉄（Ｆｅ）、ケイ素（Ｓｉ）およびクロム（Ｃｒ）を含有する正極活物質の代表的なエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ）分析である。すべての画像のスケールバーは１０μｍである。
【００１４】
【図７】図７は、微量のＣｒ不純物を示すＦｅ、ＣｒおよびＳｉを含有する正極活物質の断面の代表的なエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ）分析である。左端の画像のスケールバーは１０ｕｍである。他のすべての画像のスケールバーは５μｍである。
【００１５】
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、正極活物質の粒子の一組の代表的な走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。図８Ａのスケールバーは２０ｕｍである。図８Ｂの画像のスケールバーは５μｍである。
【００１６】
【図９】図９は、前駆体をアトライタ混合して加熱し、活物質を形成する方法のフローチャートである。
【００１７】
【図１０】図１０は、本開示で使用するのに好適なアトライタの部分断面立面概略図である。
【００１８】
【図１１】図１１は、アトライタ混合の際のボール：前駆体のｗ：ｗ比の、アトライタ混合された前駆体から形成された活物質の容量に対する効果を示すグラフである。
【００１９】
【図１２Ａ】図１２Ａは、８：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比で６時間アトライタ混合した後の粒径分布を示すグラフである。
【００２０】
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、８：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比で１２時間アトライタ混合した後の、図１２Ａと同じ前駆体混合物の粒径分布を示すグラフである。
【００２１】
【図１３】図１３は、本開示による２つの電池のサイクル安定性を示すグラフである。
【００２２】
【図１４】図１４は、本開示による電池のサイクル安定性およびクーロン効率を示すグラフである。
【００２３】
【図１５】図１５は、本開示による電池のサイクル安定性を示すグラフである。
【００２４】
【図１６】図１６は、本開示によらない比較例電池のサイクル安定性を示すグラフである。
【００２５】
【図１７】図１７は、本開示による電池のサイクル安定性を示す別のグラフである。
【００２６】
【図１８】図１８は、図１７のデータを得るために使用された本開示による電池の写真である。
【００２７】
【図１９】図１９は、本開示によらない比較例電池のサイクル安定性を示す別のグラフである。
【００２８】
【図２０】図２０は、図１９のデータを得るために使用された、本開示によらない比較例電池の写真である。
【００２９】
【図２１】図２１は、６：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比で６時間または１２時間アトライタ混合した後の、ＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４活物質のＸＲＤプロファイルである。
【００３０】
【図２２】図２２は、８：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比で１２時間アトライタ混合した後の、ＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４活物質のＸＲＤプロファイルである。
【００３１】
【図２３】図２３は、１０：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比で１２時間アトライタ混合した後の、ＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４活物質のＸＲＤプロファイルである。
【００３２】
【図２４】図２４は、１２：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比で１２時間アトライタ混合した後の、ＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４活物質のＸＲＤプロファイルである。
【００３３】
【図２５】図２５は、１４：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比で１２時間アトライタ混合した後の、ＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４活物質のＸＲＤプロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
詳細な説明
本開示は、イオン性液体電解質を使用して高電圧で動作し、かつ電極に圧力も印加するアルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池に関する。
【００３５】
本開示による電池は、１．０Ｖ〜８．０Ｖなどの任意の電圧で動作してもよいが、特に少なくとも４．０Ｖ、少なくとも４．４Ｖ、少なくとも４．５Ｖ、少なくとも５．０Ｖ、４．０Ｖ〜５．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．０Ｖ〜６．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．０Ｖ〜７．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．０Ｖ〜８．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．４Ｖ〜５．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．４Ｖ〜６．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．４Ｖ〜７．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．４Ｖ〜８．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．５Ｖ〜５．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．５Ｖ〜６．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．５Ｖ〜７．０Ｖの間（これらの値を含む）、４．５Ｖ〜８．０Ｖの間（これらの値を含む）、５．０Ｖ〜６．０Ｖの間（これらの値を含む）、５．０Ｖ〜７．０Ｖの間（これらの値を含む）、５．０Ｖ〜８．０Ｖの間（これらの値を含む）の電圧で動作してもよい。
【００３６】
本開示による電池は、電解質と接触する電極の表面の少なくとも一部分に圧力を印加する。この圧力は、電解質と接触する電極の表面の１００％にわたって、または電解質と接触する電極の表面の少なくとも９０％、少なくとも９５％または少なくとも９８％にわたって印加される。圧力は、電池でのガスの形成を防止するもしくは減少させる、または形成されるガスを電解質と接触する電極の表面の間ではない電池の領域に動かすのに十分である。
【００３７】
特に、本開示による電池は、均一かつ圧力が印加される任意の点の間で５％を超えて変動することはない圧力を電極の表面に印加し得る。圧力は、少なくとも５０ｐｓｉ、少なくとも６０ｐｓｉ、少なくとも７０ｐｓｉ、少なくとも７５ｐｓｉ、少なくとも８０ｐｓｉ、少なくとも９０ｐｓｉならびに前述のいずれかの間（これらの値を含む）の任意の範囲［例えば、７０ｐｓｉ〜７５ｐｓｉの間（これらの値を含む）］であってもよい。
【００３８】
圧力の結果として、本開示による電池は、同じ電圧で動作するが圧力印加システムを欠く同様の電池で観察されるものほど大きなガスの形成による損傷、および大きな容量フェードを経験しない。特に、本開示の電池は、Ｃ／２での１０サイクル目の容量と比較して、Ｃ／２での１１０サイクルにわたって５０％もしくはそれ未満、４０％もしくはそれ未満、２０％もしくはそれ未満、１０％もしくはそれ未満、５％もしくはそれ未満、１％もしくはそれ未満、またはこれらの値の任意の組合せの間（これらの値を含む）の範囲の容量フェードを経験し得る。代替的にまたは加えて、本開示による電池は、本明細書に記載される圧力印加を欠く以外は同一の電池と比較して、Ｃ／２での１０サイクル目の容量と比較して、Ｃ／２での１１０サイクルにわたって５０％少ない、４０％少ない、２０％少ない、１０％少ない、５％少ない、１％少ない、またはこれらの値の任意の組合せの間（これらの値を含む）の範囲の容量フェードを経験し得る。
電池構造体
【００３９】
ここで図１〜４を参照すると、本明細書に記載されるアルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池５０は、２つの電極、負極（アノード）５５および正極（カソード）６０、ならびにイオン性液体電解質６５を含む。加えて、電池５０は、電池５０内のイオン伝導性は許容するが電子伝導性は許容しない多孔質電子絶縁性セパレータ（電解質６５内に位置する）、これらの内部構成要素を収容し含有するのに十分なケーシング７０、および電子伝導性コネクタを介して接続されたときに、負極５５と正極６０の間に電流が流れるのを可能にするコンタクト７５を含む。
【００４０】
アルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池５０は、電解質６５と接触する電極５５および６０の表面の少なくとも一部分に圧力を印加する圧力印加システムをさらに含む。圧力印加システムは、プレート（多くの場合ケーシング７０）およびクランプ、ねじ、圧力ブラダーなどの圧力印加構造体、またはプレートに、もしくは電池ケーシングに圧力を印加して電池内の圧力を維持する他のそのような構造体とともに内部シールを含んでもよい。圧力印加システムは、ガスの形成を阻害し得るが、一旦形成されたガスを移行させない電池のシールされた部分で圧力を維持してもよい。一部の電池５０は、圧力印加システムが一旦形成されたガスを誘導しやすいガス移動領域を含んでもよい。
【００４１】
存在する場合、シールは、電解質、負極、正極またはそれが接触する他の電池構成要素と反応性でない任意の材料から形成されてもよい。一部のシール材料はある程度の最小限の反応性を示す場合があるが、その反応性が、所与の設計を有する平均的な電池で、Ｃ／２でサイクルした場合に少なくとも１００サイクル、少なくとも２００サイクル、少なくとも５００サイクル、少なくとも２０００サイクル、少なくとも５０００サイクル、少なくとも１０，０００サイクルまたはこれらの値の任意の組合せの間（これらの値を含む）の範囲などの所定数のサイクルにわたってシールの欠陥を回避するのに十分低い場合、材料は反応性でないとみなすことができる。
【００４２】
さらに、一部の圧力印加システムは、一旦組み立てられると一定して圧力を印加することができる。他の圧力印加システムは、電池の動作の少し前もしくは動作中、またはその両方などの所定の時間に圧力を印加するように適合可能である場合がある。
【００４３】
図１〜４は一部の特定の圧力印加システムを示すが、当業者であれば、本開示の教示を使用して他の圧力印加システムを設計することができる。さらに、図１〜４は、単一のパウチ型セルで使用される圧力印加システムを例示するが、圧力印加システムは、複数のセルおよび任意の形式のセルに圧力を印加するために使用されてもよい。さらに、図１〜４は、平坦なセルで使用される圧力印加システムを例示するが、それらは湾曲、屈曲または他の非平面セル形式で使用されてもよい。
【００４４】
図１〜３では、圧力印加システムは、リングシール８０およびねじ８５を含む。この種類の圧力印加システムは、図示されるように、アルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池５０の、電極５５および６０が電解質６５と接触する一部分をシールする。ねじ８５は、剛性プレートの形態のケーシング７０に圧力を印加する。ケーシング４０は、リングシール８０内の電池５０の一部分に圧力を伝達し、リングシール８０は、リングシール８０内の電極５５および６０が電解質６５と接触する場所に圧力が存在するように、溝９０に位置する。
【００４５】
この例の多数の代替が想定され、さらに使用されてもよい。例えば、単一のシールのみが使用されてもよく、シールは溝に位置する必要はなく、シールはリング以外の形状を有してもよく、さらにねじ以外の圧力印加手段が使用されてもよい。
【００４６】
図４では、圧力印加システムは、ケーシング７０に伝達される所定の圧力まで膨張されてもよい空気ブラダー９５を含む。表示されるように、この圧力印加システムはシールを含有せず、特に圧力がケーシング７０に新たに印加されるとき、形成するガスをガス移動領域１００に押し進める。したがって、この圧力印加システムは、電池の使用の少し前もしくは使用中またはその両方に圧力を印加するように特に良好に適合される。
【００４７】
この例の多数の代替も想定され、使用されてもよい。例えば、空気ブラダー９５は、別のガスまたは液体などの任意の他の流体で膨張されてもよい。空気ブラダー９５内の流体は、例えば、絶縁特性または熱伝導特性をもたらすように選択されてもよい。
【００４８】
表示されないが、本開示の他の電池５０は、電解質６５が電池に添加されたときにそれを単純に加圧し、圧力を保持する様式でケーシング７０をシールすることにより、電解質６５と接触する電極５５および６０への一定の圧力を達成してもよい。
電池材料
【００４９】
本開示のアルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池（電池５０など）の負極（負極５５など）は活物質を含む。好適な負極活物質として、リチウム金属、グラファイトなどの炭素、チタン酸またはニオブ酸リチウムまたはナトリウム、およびリチウムまたはナトリウム合金が挙げられる。負極は、バインダー、導電性添加剤および集電体をさらに含んでもよい。
【００５０】
電池５０などの本開示のアルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池の電解質６５などの電解質は、イオン性液体、およびさらに負極もしくは正極、またはより典型的には両方の電極中の活物質に析出するまたは挿入されるアルカリ金属イオン、典型的にはリチウムイオン（Ｌｉ＋）またはナトリウムイオン（Ｎａ＋）を含む。
【００５１】
好適なイオン性液体は、窒素（Ｎ）ベースのイオン性液体を含み得るカチオン性成分を含む。Ｎベースのイオン性液体は、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−（２−メトキシエチル）アンモニウムなどのアンモニウムイオン性液体を含む。Ｎベースのイオン性液体は、エチルメチルイミダゾリウム（ＥＭＩｍ）、メチルプロピルイミダゾリウム、（ＰＭＩｍ）、ブチルメチルイミダゾリウム（ＢＭＩｍ）および１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムなどのイミダゾリウムイオン性液体を含む。Ｎベースのイオン性液体は、エチルメチルピペリジニウム（ＥＭＰｉｐ）、メチルプロピルピペリジニウム（ＰＭＰｉｐ）およびブチルメチルピペリジニウム（ＢＭＰｉｐ）などのピペリジニウムイオン性液体をさらに含む。Ｎベースのイオン性液体は、エチルメチルピロリジニウム（ＥＭＰｙｒ）、メチルプロピルピロリジニウム（ＰＭＰｙｒ）、ブチルメチルピロリジニウム（ＢＭＰｙｒ）などのピロリジニウムイオン性液体を追加的に含む。
【００５２】
イオン性液体の好適なカチオン性成分はまた、リン（Ｐ）ベースのイオン性液体を含む。Ｐベースのイオン性液体は、ＰＲ３Ｒ’ホスホニウム（Ｒはブチル、ヘキシルまたはシクロヘキシルであり、Ｒ’はメチルまたは（ＣＨ２）１３ＣＨ３である）またはトリブチル（メチル）ホスホニウムトシレートなどのホスホニウムイオン性液体を含む。
【００５３】
上記に記載されたもののいずれかのイオン性液体の任意のカチオン性成分は、本開示の電池において任意の組合せで組み合わされてもよい。
【００５４】
イオン性液体はまた、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム−ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＥＭＩ−ＦＳＩ）およびＮ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウム−ビス（フルオロスルホニル）イミド（Ｐｙ１３−ＦＳＩ）、ビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＴＦＳＩ）および（ビス（ペンタフルオロエタンスルホニル）イミド）（ＢＥＴＩ）を含むビス（フルオロスルホニル）イミド系（ＦＳＩ）イオン性液体などの、他のイオン性液体の形態のアニオン性成分を含んでもよい。イオン性液体のアニオン性成分はまた、ＢＦ４またはＰＦ６を含んでもよい。
【００５５】
上記に記載されたもののいずれかのイオン性液体の任意のアニオン性成分は、本開示の電池において任意の組合せで組み合わされてもよい。
【００５６】
好適な塩は、リチウム塩などのアルカリ金属塩を含み、そのようなアルカリ金属塩は、特にリチウムイオン電池に関してＬｉＦ２ＮＯ４Ｓ２、ＬｉＣＦ２ＳＯ３、ＬｉＮＳＯ２（Ｆ３）２、ＬｉＮＳＯ２（Ｆ２ＣＦ３）２もしくはＬｉＣ２Ｆ６ＮＯ４Ｓ２もしくはこれらの任意の組合せ、または特にナトリウムイオン電池に関してＮａＢＦ４などのナトリウム塩を含んでもよい。しかし、多くの塩は、電解質がイオン伝導性を事実上損失し、電池が良好に機能しないようにイオン性液体の粘度を増加させる。この作用は、塩の濃度が増加するに従い増大する場合がある。一般的に使用されるＬｉＰＦ６などの一部の塩は、単純にイオン性液体の電解質として機能しない。
【００５７】
電解質は、いくつかの共溶媒のいずれかを任意の組合せでさらに含んでもよい。好適な共溶媒として、フッ素化カーボネート（ＦＥＭＣ）、ＣＦ３ＣＨ２ＯＣＦ２ＣＨＦ２などのフッ素化エーテル、スクシノニトリルもしくはアジポニトリルなどのニトリル、またはスルホランが挙げられる。
【００５８】
電解質はまた、いくつかの添加剤のいずれかを任意の組合せで含んでもよい。好適な添加剤として、トリメチルシリルプロパン酸（ＴＭＳＰ）、トリメチルシリルホスファイト（ＴＭＳＰｉ）、トリメチルシリルホウ酸（ＴＭＳＢ）、トリメチルボロキシン、トリメトキシボロキシンまたはプロパンスルトンが挙げられる。
【００５９】
所与のイオン性液体に好適な塩および濃度は、本開示を利用して当業者によって容易に決定され得る。例えば、所与の濃度の塩がイオン性液体に溶解されてもよく、次いでイオン性液体の粘度が試験されてもよい。典型的には、１０００ｍＰａ  ｓ未満、５００ｍＰａ  ｓ未満、１００ｍＰａ  ｓ未満、１ｍＰａ  ｓ〜１０００ｍＰａ  ｓ、１ｍＰａ  ｓ〜５００ｍＰａ  ｓ、１ｍＰａ  ｓ〜１００ｍＰａ  ｓの間（これらの値を含む）粘度である。粘度は２０℃で測定される。実質的により高いまたはより低い温度（例えば、５℃、０℃、−５℃、３５℃、４０℃、４５℃）で機能するように設計される電池では、これらの温度での粘度測定が考慮されてもよい。
【００６０】
また、好適な塩および濃度を選択するために、使用される塩およびその濃度に基づく電解質のイオン伝導性が決定されてもよい。イオン伝導性は、６〜１６ｍＳ／ｃｍの間（これらの値を含む）、または８〜１０ｍＳ／ｃｍの間（これらの値を含む）の範囲内である。代替的に、イオン伝導性の作用は、それ以外の点では同一の電池で異なる塩および濃度を試験することによって測定されてもよい。測定されてもよいイオン伝導性の好適な作用は、クーロン効率、電池のインピーダンス、レート能力およびサイクル挙動を含む。
【００６１】
特定の例では、塩はＬｉＦ２ＮＯ４Ｓ２、ＬｉＣＦ２ＳＯ３、ＬｉＮＳＯ２（Ｆ３）２、ＬｉＮＳＯ２（Ｆ２ＣＦ３）２、ＬｉＣ２Ｆ６ＮＯ４Ｓ２またはＮａＢＦ４であり得る。塩は、そのイオン形態で存在してもよい。例えば、ＬｉＣＦ３ＳＯ３は、Ｌｉ＋およびＣＦ３ＳＯ３−として存在してもよい。
【００６２】
電池５０などの本開示のアルカリ金属またはアルカリ土類金属再充電可能電池の正極６０などの正極は、活物質を含む。正極は、バインダー、導電性添加剤および集電体をさらに含んでもよい。
【００６３】
好適な正極活物質は、リチウムイオンおよびナトリウムイオン層間化合物、ならびにリチウムまたはナトリウム反応性元素または化合物を含む。例示的な正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物、例えばリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）またはリチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）などのアルカリ金属またはアルカリ土類金属−遷移金属酸化物、ＬｉＣｏＰＯ４およびＬｉＦｅＰＯ４などのアルカリ金属またはアルカリ土類金属−遷移金属リン酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩およびバナジン酸塩、ならびにリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、多くの場合「ＮＭＣ」と称される）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２）などのアルカリ金属またはアルカリ土類金属−多金属−酸化物またはリン酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩およびバナジン酸塩を含む。
【００６４】
電池性能は、増強された製造技術によって得られる向上したグレードの活物質が負極または正極のいずれかに使用されると、さらに増大し得る。
アトライタ混合された正極活物質
【００６５】
電池性能は、正極材料がアトライタ混合方法を使用して製造されると特に良好であり得る。そのような方法は、不純物を全く含まないまたは低レベルで含む、商業レベルの量の活物質を生成するために使用可能であってもよい。
【００６６】
本開示の方法を使用して、電気化学的に活性な金属およびリン酸などのテトラオキシドポリアニオンも含む、アルカリ金属またはアルカリ土類金属正極活物質が生成されてもよい。
【００６７】
特に、正極活物質は、一般化学式ＡｘＭｙＥｚ（ＸＯ４）ｑおよび結晶構造を有してもよい。Ａは、アルカリ金属またはアルカリ土類金属であってもよい。Ｍは、電気化学的に活性な金属であってもよい。Ｅは、結晶構造でＡと同じ構造位置に位置してもよく、かつ電気化学的に非活性な金属、ホウ素族元素もしくはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの任意の合金もしくは組合せであってもよい。Ｘは、テトラオキシドポリアニオンの一部であってもよく、かつリン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）もしくはケイ素（Ｓ）またはこれらの組合せであってもよい。０＜ｘ≦１、ｙ＞０、ｚ≧０、ｑ＞０であって、かつｘ、ｙ、ｚおよびｑの相対値は、上記一般化学式が電荷平衡になるような値である。
【００６８】
活物質のアルカリ金属（１族、Ｉ族金属）は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）またはカリウム（Ｋ）であってもよい。アルカリ土類金属（２族、ＩＩＡ族金属）は、マグネシウム（Ｍｇ）またはカルシウム（Ｃａ）であってもよい。アルカリ金属またはアルカリ土類金属は、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）またはカルシウムイオン（Ｃａ２＋）などの可動カチオンとして存在してもよく、または可動カチオンを形成することができてもよい。
【００６９】
活物質の金属は、任意の電気化学的に活性な金属、最も一般的には４〜１２族（ＩＶＢ〜ＶＩＩＩ、ＩＢおよびＩＩＢ族とも称される）金属などの遷移金属であってもよい。特に有用な遷移金属は、１より大きい原子価状態で容易に存在するものを含む。例として、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、バナジウム（Ｖ）またはチタン（Ｔｉ）が挙げられる。活物質は、これらの金属の任意の電気化学活性的な組合せまたは合金を含み得る。
【００７０】
さらに、活物質は、そうでなければ活物質の電気または電気化学特性に影響を及ぼす電気化学的に非活性な金属またはホウ素族元素（１３族、ＩＩＩ族）もしくはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの任意の組合せもしくは合金を含有してもよい。例えば、電気化学的に非活性な金属またはホウ素族元素またはケイ素（Ｓｉ）は、活物質の動作電圧を変化させる、または活物質粒子の電子伝導性を増大させる、または活物質を含有する電気化学セルのサイクル寿命もしくはクーロン効率を改善する場合がある。好適な電気化学的に非活性な金属として、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）もしくはストロンチウム（Ｓｒ）などのアルカリ土類金属（２族、ＩＩ族金属）、または亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）またはランタン（Ｌａ）またはこれらの任意の合金もしくは組合せが挙げられる。好適なホウ素族元素として、アルミニウム（Ａｌ）またはガリウム（Ｇａ）およびこれらの組合せが挙げられる。
【００７１】
テトラオキシドポリアニオンはリン酸（ＰＯ４）であってもよい。一部の活物質は、リン酸の代わりにまたは組み合わせて、硫酸（ＳＯ４）などの他のテトラオキシドポリアニオンを含有してもよい。活物質の一部のＳｉは、ケイ酸（ＳｉＯ４）の形態で存在してもよい。
【００７２】
アルカリ金属またはアルカリ土類金属、電気化学的に活性な金属、電気化学的に非活性な金属またはホウ素族元素またはケイ素（Ｓｉ）およびテトラオキシドポリアニオンは、活物質化合物全体または化合物の混合物が電荷平衡になるように相対量で存在する。活物質化合物または化合物の混合物は主に、非晶質形態とは対照的に、ＸＲＤによって確認できる結晶形態で存在する。活物質が、複数の結晶構造を呈し得る化合物の混合物または化合物を含有する場合、活物質は１つより多くの相を示してもよく、各相は異なる結晶構造を有する。本明細書に記載される方法を使用して生成される活物質の一般的な結晶構造として、オリビン構造、ＮＡＳＩＣＯＮ構造および斜方晶構造が挙げられる。所与の結晶構造の存在およびその構造を生成する活物質化合物の独自性は、ＸＲＤおよび公知の結晶構造と相関する基準ＸＲＤパターンを使用して確認されてもよい。Ｆｅ、ＣｒおよびＳｉ置換ＬｉＣｏＰＯ４のそのような確認の例が図５に提供される。
【００７３】
活物質は、一般化学式ＡｘＭｙＥｚ（ＸＯ４）ｑを有してもよく、Ａはアルカリ金属またはアルカリ土類金属であり、Ｍは電気化学的に活性な金属であり、Ｅは電気化学的に非活性な金属またはホウ素族元素もしくはＳｉまたはこれらの任意の合金もしくは組合せであり、Ｘはリン（Ｐ）または硫黄（Ｓ）またはこれらの組合せであって、かつｑ＞０であり、ｘ、ｙ、ｚおよびｑの相対値は、上記一般化学式が電荷平衡になるような値である。
【００７４】
より特定の例では、活物質は、リチウム金属リン酸塩ＬｉＭＰＯ４（Ｍは電気化学的に活性な金属である）などの単純なリン酸塩であってもよい。特に、活物質は、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４またはＬｉＣｏＰＯ４であってもよい。活物質はまた、ＬｉｘＭｙＥｚＰＯ４（０＜ｘ≦１、ｙ＞０およびｚ＞０であり、Ｍは電気化学的に活性な金属であり、Ｅは電気化学的に非活性な金属またはホウ素族元素（１３族、ＩＩＩ族）またはＳｉである）などのより複雑な物質であってもよい。例えば、活物質は、ＬｉＣｏ０．９Ｆｅ０．１ＰＯ４、Ｌｉ０．９５Ｃｏ０．８５Ｆｅ０．１Ｃｒ０．０５ＰＯ４、Ｌｉ０．９３Ｃｏ０．８４Ｆｅ０．１Ｃｒ０．０５Ｓｉ０．０１ＰＯ４およびＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４であってもよい。
【００７５】
本開示の方法を使用して生成される活物質はまた、炭素被覆またはポリマー被覆などの一体的に形成された被覆を有してもよい。一体的に形成された被覆は、活物質に共有結合されてもよい。本明細書に列記される化学式は、一般的には被覆される活物質に対してでさえも被覆を含まない。
【００７６】
本開示の方法を使用して生成される活物質は、その例が図５に提供されるＸＲＤ精密化によって測定して少なくとも９５％、少なくとも９８％、少なくとも９９％の純度、またはこれらの値の任意の組合せの間（これらの値を含む）の範囲の純度を有してもよい。不純物は典型的に、未反応の前駆体、または反応して活物質以外の化合物を形成する前駆体の形態であり、所与の結晶性不純物化合物の１％またはそれより多い量の結晶性不純物は、ＸＲＤを使用して検出することができる。非結晶性不純物および１％未満の量の不純物は、その例が図６および図７に提供されるＥＤＸを使用して検出することができる。
【００７７】
本明細書に開示される方法を使用して形成される活物質は、電気化学セルで使用される場合、Ｃ／２での１０サイクル目の容量と比較して、Ｃ／２での１１０サイクルにわたって５０％もしくはそれ未満、４０％もしくはそれ未満、２０％もしくはそれ未満、１０％もしくはそれ未満、５％もしくはそれ未満、１％もしくはそれ未満、またはこれらの値の任意の組合せの間（これらの値を含む）の範囲の容量フェードを伴う安定した容量を示してもよい。
【００７８】
本明細書に開示される方法を使用して形成される活物質は、凝集物を除く粒子のバッチ全体の平均で１ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、５００ｎｍもしくは９９９ｎｍ以下、またはこれらの値の任意の組合せの間（これらの値を含む）の任意の範囲である粒子の形態であってもよい。そのような粒子は、ナノ粒子と称される。本明細書に開示される方法を使用して形成される活物質は、凝集物を除く粒子のバッチ全体の平均で１μｍ、１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、５００μｍもしくは９９９μｍ以下、またはこれらの値の任意の組合せの間（これらの値を含む）の任意の範囲である粒子の形態であってもよい。そのような粒子は、微粒子と称される。
【００７９】
活物質粒子は凝集物を形成する場合があり、その場合凝集物は、上記で考察された平均粒径から除外される。しかし、凝集物は、それ自体ナノ粒子または微粒子である場合がある。例えば、凝集物は、活物質のナノ粒子から構成される微粒子である場合がある。
【００８０】
粒径および凝集物のサイズは、その例が図８Ａおよび８Ｂに示される走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）を使用して評価されてもよい。
【００８１】
活物質の製造に使用されるのに好適な前駆体は、生成される特定の活物質に依存する。本明細書に開示される方法が固体状態の製造方法であるため、前駆体は典型的に固体形態である。湿潤前駆体または水和物として入手可能なもの、または実質的な湿度を含有するものは、本開示の方法で使用される前に乾燥されてもよい。一般的な前駆体として、ＬｉＯＨ、Ｃｏ（ＯＨ）２およびＡｌ（ＯＨ）３などの金属水酸化物、ＬｉＨ２ＰＯ４もしくはＬｉ２ＨＰＯ４などのアルカリ金属リン酸塩、アルカリ土類金属リン酸塩、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、（ＮＨ４）２ＨＰＯ４などの非金属リン酸塩、Ｃｒ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３もしくはＺｒＯ２などの金属酸化物、Ｓｉ（ＯＯＣＣＨ３）４などの酢酸塩ならびにＦｅＣ２Ｏ４、ＮｉＣ２Ｏ４もしくはＣｏＣ２Ｏ４（多くの場合水和物として保管され、本発明の方法で使用される前に乾燥されてもよい）などのシュウ酸塩、またはＬｉ２ＣＯ３、ＭｎＣＯ３、ＣｏＣＯ３もしくはＮｉＣＯ３などの炭酸塩が挙げられる。
【００８２】
炭素被覆などの被覆を有する活物質では、被覆前駆体も本明細書に記載される方法に含まれてもよい。好適な被覆前駆体として、炭素元素、または分解されて炭素被覆を形成するポリマーなどの炭素含有材料が挙げられる。好適な被覆前駆体はまた、被覆ポリマー、またはより大きな被覆ポリマーを形成するモノマーもしくはオリゴマーを含み得る。
【００８３】
上記に記載されたものを含む活物質は、上記に記載されたものを含む前駆体から製造されてもよい。方法は、少なくとも非被覆前駆体のアトライタ混合に続いて混合物の加熱を一般的に含む固体状態の方法である。
【００８４】
本明細書に開示される方法を使用して、バッチあたり少なくとも１ｋｇ、少なくとも２ｋｇ、少なくとも３ｋｇ、少なくとも５ｋｇ、少なくとも１０ｋｇ、少なくとも２５ｋｇ、少なくとも５０ｋｇ、少なくとも１００ｋｇ、またはこれらの列挙された量のいずれか２つの間（これらの値を含む）の量［例えば、１ｋｇ〜２ｋｇの間（これらの値を含む）、１ｋｇ〜３ｋｇの間（これらの値を含む）、１ｋｇ〜５ｋｇの間（これらの値を含む）、１ｋｇ〜１０ｋｇの間（これらの値を含む）、１ｋｇ〜５０ｋｇの間、１ｋｇ〜５０ｋｇの間（これらの値を含む）、１ｋｇ〜１００ｋｇの間（これらの値を含む）、２５ｋｇ〜５０ｋｇの間］の活物質が形成されてもよい。
【００８５】
本明細書に開示される方法は、粒径選別の前に、バッチあたり少なくとも８０％、少なくとも８５％もしくは少なくとも９０％、少なくとも９５％もしくは少なくとも９９％、少なくとも９９．９％またはこれらの列挙された量のいずれか２つの間（これらの値を含む）の量の収率を有してもよい。収率は、反応および方法を形成する活性粒子ではなく選択された粒径に対する直接の影響を除外するために、粒径選別の前に測定される。
【００８６】
活物質の被覆に関して、被覆前駆体は、形成される被覆に大きく依存してアトライタ混合の前に添加されてもよく、アトライタ混合後で加熱前に添加されてもよく、または加熱後に添加されてもよい。例えば、炭素被覆前駆体は、典型的にアトライタ混合の前に添加される。ポリマー被覆前駆体は、典型的に加熱後に添加される。簡潔性のために、以下に記載される方法は被覆前駆体の説明も含まず、またはそれらがプロセスに加えられる場合は、被覆が形成される方法の詳細も含まない。当業者であれば、本開示の教示を使用して、かつ必要に応じて、被覆材料が方法の異なる段階で、さらに必要に応じて異なる相対量で添加される一連の簡潔な実験を行うことにより、本明細書に開示される方法に被覆ステップを組み込む方法を容易に決定することができる。
【００８７】
ここで図９を参照すると、本開示は、活物質を製造するための方法１１０を提供する。ステップ１２０では、湿潤または水和物前駆体が乾燥される。ステップ１３０では、大きすぎてアトライタのチャンバに入らない、またはアトライタによって粉砕されない前駆体が十分に小さいサイズに切断される。ステップ１２０および１３０は、任意の順序で実施されてもよい。
【００８８】
ステップ１４０では、アトライタ混合される化学量論量の前駆体がアトライタのチャンバに入れられ、アトライタ混合されて前駆体粒子が形成される。典型的に、すべての活物質前駆体がアトライタ混合されるが、一部の前駆体はアトライタ混合後に添加されてもよい。
【００８９】
ステップ１４０で使用されるアトライタは、任意の好適なアトライタであってもよい。アトライタは、容器、容器の外部から容器の蓋を通って容器の内部へと伸長するアーム、およびアームが容器の外側に印加された回転力に応じて回転する際にパドルが容器内で回転するようにアームと連結された、容器の内部の少なくとも１つ、典型的には複数のパドルを有する混合装置である。材料が容器に入ると、材料はパドルによる打撃を受け、パドルまたは容器内の他の材料との摩擦と打撃の組合せによってそのサイズが小さくなる。
【００９０】
本開示の方法に使用されるのに好適な例示的なアトライタ２００が図１０に表示される。アトライタ２００は、蓋２２０を有する容器２１０を含む。アトライタ２００はまた、モータなどの外部回転力源に結合する連結部２３０を含む。連結部２３０は、容器２１０の外部に位置するアーム２４０の第１の端部に位置する。アーム２４０は、蓋２２０に載置されたガイド２５０を通り、さらに蓋２２０を通って容器２１０の内部に入る。表示されるように少なくとも１つ、典型的には複数のパドル２６０が容器２１０の内部に位置し、同じく容器２１０の内部にあるアーム２４０の一部分に連結される。
【００９１】
アトライタ２００はまた、複数のボール２７０（簡潔性のために２つのボールのみ表示する）を含む。
【００９２】
アトライタの動作中、ボールもまたパドルおよび／または材料によって打撃され、前駆体のサイズを小さくするのに役立つ。
【００９３】
ステップ１４０で使用されるボールは、前駆体を所定時間内に所定の粒径まで小さくするのに好適な任意のサイズのものであってもよい。１９ｍｍの直径のボールが特に良好に働き得、１２．７ｍｍの直径のボールもまた好適であり得る。
【００９４】
ボールは、収率を８０％未満に低減する、または不純物の合計が５％を上回る量で不純物を生成する程度まで前駆体と反応しない任意の材料から作製されてもよい。ボールの好適な材料として、鋼、ジルコニウムまたはタングステンが挙げられる。ボールは、好適な材料の外部被覆とは異なる材料から作製される内部を有してもよい。
【００９５】
ボールは前駆体のサイズを小さくするのに寄与するが、それらはまた、そうでなければ前駆体によって占有され得るアトライタのチャンバ内の体積を占有する。したがって、ボールの全前駆体に対する比率（ｗ：ｗ）は、選択された粒径または他の所定の特性を有する活物質が、全体的方法１１０から得られることを依然として可能にする最小比に制限されてもよい。例えば、図１１は、比率を選択するのに使用される場合があるものなどの容量とボール：全前駆体（ｗ：ｗ）の比較を示す。
【００９６】
アトライタ混合後の前駆体の粒径は、典型的に１０μｍもしくはそれ未満、５０μｍもしくはそれ未満、１００μｍもしくはそれ未満、５００μｍもしくはそれ未満、６００μｍもしくはそれ未満または７５０μｍもしくはそれ未満、ならびにこれらの値の間（これらの値を含む）の任意の範囲、ならびに組合せ［例えば、１μｍ〜１０μｍの間（これらの値を含む）、１μｍ〜５０μｍの間（これらの値を含む）、１０μｍ〜５０μｍの間（これらの値を含む）、１μｍ〜６００μｍの間（これらの値を含む）］である。適切なｗ：ｗ比は、使用される前駆体、アトライタ混合前の前駆体のサイズ、ボールのサイズおよび使用されるアトライタによって異なる場合があるが、当業者であれば、本開示の教示を使用して、許容される前駆体の粒径または容量などの他の所定の特性が得られるまでこれらのパラメータを単純に変更することにより、適切なボール：前駆体比を容易に決定することができる。
【００９７】
アトライタ内のボールと前駆体の全体積は、アトライタの製造業者によって指定されるものを上回る体積を有するべきではない。典型的に、ボールと前駆体の全体積は、混合中にボールおよび前駆体が動くのに十分な空間を確保するために、アトライタの容器の全体積の７５％以下である。
【００９８】
任意の所与の一組の前駆体（選択されたアトライタ混合前のサイズの）、ボール：前駆体比、ボールのサイズおよびアトライタでは、前駆体の平均粒径は、粒径プラトーに達するまでアトライタ混合中に経時的に小さくなる。粒径プラトーに達すると、追加のアトライタ混合期間により、前駆体の平均粒径は、粒径プラトーが達成された期間の前駆体の平均粒径と比べて１０％を上回ってそれ以上小さくならない。プラトーもまた、当業者によって本開示の教示を使用して容易に決定され得る。ステップ１４０のアトライタ混合は粒径プラトーに達した後も継続されてもよいが、ステップ１４０は典型的に、粒径プラトーに達するまで、粒径プラトーに達した期間より１０％以下長く、またはこれらの２つの時間の間（これらの値を含む）の期間のみ持続する。プラトーに達するまでの一般的な混合時間は、１０〜１２時間を含む。プラトーにいつ達するかを決定するために使用されてもよい、混合期間に基づく例示的な粒径分布が図１２Ａおよび図１２Ｂに提供される。
【００９９】
粒径によって少なくとも部分的に決定される収率または活物質の容量などの特性もまた、アトライタ混合期間に対するプラトーを示し、アトライタ混合期間は、アトライタ混合期間がプラトーに達するまで、プラトーに達した期間より１０％以下長く、またはこれらの２つの時間の間（これらの値を含む）の期間までのみであるように、このような代替のプラトーに基づいて設定されてもよい。
【０１００】
一部の方法では、アトライタ混合中のアトライタ内の温度を制御することが有用であり得る。例えば、一部の前駆体は温度感受性である場合があり、すなわちアトライタ混合中の活物質を形成する前駆体の反応を制限することが有用であり得る。有用である場合、アトライタは、外部冷却システム、または容器、蓋、アーム、パドルもしくはこれらの任意の組合せ内に位置する冷却システムなどの冷却システムをさらに含有してもよい。冷却システムは、ステップ１４０中に温度を所定温度未満に維持してもよい。代替的にまたは加えて、前駆体は、ステップ１４０のアトライタ混合前に冷却されてもよい。さらに代替的にまたは加えて、アトライタは、前駆体がステップ１４０中に所定温度を上回ったかどうかを容易に決定できるように温度計を含んでもよく、所定温度を上回った場合、前駆体は廃棄されるか、または品質管理プロセスに供されてもよい。
【０１０１】
ステップ１４０のアトライタ混合後、アトライタ混合された前駆体粒子に、アトライタ混合に供されない化学量論量の任意の前駆体が添加される。
【０１０２】
次に、ステップ１５０では、アトライタ混合された前駆体粒子が選別され、所定のサイズ、典型的には１０μｍ、５０μｍまたは１００μｍを上回る粒子が除外される。
【０１０３】
次いで選別された前駆体は、ステップ１６０で化学反応を経て活物質を形成する期間にわたって加熱される。前駆体が加熱される温度は、前駆体および活物質によって異なってもよい。ステップ５０の加熱は、前駆体が所定温度まで加熱され、期間にわたってその温度で維持される簡潔な加熱プロセスであってもよい。ステップ１６０の加熱はまた、前駆体が１または複数の時間にわたって１または複数の温度まで加熱される、より複雑な段階的プロセスであってもよい。ステップ１６０で加熱が行われる速度も、１分あたり特定の程度で行われるように制御されてもよく、ステップ１６０はさらに、加熱プロセス全体の中で冷却に続いて加熱を含んでもよい。
【０１０４】
リチウム、コバルトおよびリン酸塩を含有する活物質では、加熱ステップ５０の最大温度は少なくとも６００℃、特に６００℃〜８００℃の間（これらの値を含む）であってもよく、かつ１℃／分〜１０℃／分の間の温度増加によって達成されてもよい。加熱ステップは、少なくとも６時間、少なくとも８時間、少なくとも１０時間もしくは少なくとも１２時間、少なくとも１８時間、少なくとも２４時間ならびにこれらの値の間（これらの値を含む）の範囲および組合せ、特に６時間〜２４時間の間（これらの値を含む）の範囲にわたって持続してもよい。加熱は、窒素（Ｎ２）雰囲気などの還元または不活性雰囲気下で行われてもよい。加熱の前に、窒素雰囲気などの還元または不活性雰囲気下で１〜４時間、典型的には３時間、室温（２５℃）でパージが行われてもよい。
【０１０５】
加熱後、ステップ１７０で材料が冷却される。冷却は、簡潔な受動的な冷却プロセスであってもよく、能動的な冷却プロセスであってもよく、または段階的なプロセスであってもよい。材料は、期間にわたって特定の温度に維持されてもよい。冷却が行われる速度も、１分あたり特定の程度で行われるように制御されてもよく、ステップ１７０はさらに、冷却プロセス全体の中で加熱に続いて冷却を含んでもよい。
【０１０６】
冷却プロセス１７０の終了までに活物質が存在する。前駆体および活物質に依存して、活物質は、多くの場合ステップ１６０の加熱の終了時でも存在し得る。一部の方法１１０では、加熱プロセス５１０および冷却プロセス１７０が重複され、１つの連続的な加熱／冷却プロセスが形成されてもよい。
【０１０７】
最後に、ステップ１８０で活物質が選別され、所定のサイズを上回る粒子が除外される。例えば、２５μｍ、３５μｍ、３８μｍ、４０μｍ、５０μｍまたは１００μｍである。
【０１０８】
本開示の方法は、ステップ１４０および１６０（または加熱および冷却が１つの連続的な加熱／冷却プロセスを形成する場合、ステップ１６０の代わりにステップ１６０／１７０）のみを実施してもよいことが理解される。方法１１０との関連で記載される他のステップは、それぞれ独立に省略可能である。
【０１０９】
方法１１０のステップのすべてまたは一部は、湿度を制限した条件で実行されてもよい。例えば、方法１１０のステップのすべてまたは一部は、ドライルーム、または不活性、水素もしくは窒素雰囲気などの水を含まない雰囲気で（ただし、ほとんどの活物質では、この程度の注意は必要ではない）、あるいは２５％未満または１０％未満の周囲湿度で実行されてもよい。
【０１１０】
上記の方法を使用して生成される活物質は、図１〜４に例示される電池５０などの電池の正極に使用されてもよい。
電池の使用
【０１１１】
本明細書に開示される電池は、多数の用途で使用可能である。例えば、これらは、コイン型セル、円筒型セルまたはパウチ型角形セルなどの標準的なセル形式の電池であってもよい。本明細書に開示される電池は、ラップトップ、電話、ノートブック、手持ちゲームシステム、電子玩具、時計およびフィットネストラッカーなどの携帯型消費者電子機器に使用されてもよい。本明細書に開示される電池はまた、除細動器、心臓モニタ、胎児モニタおよび医療用カートなどの医療用デバイスに使用されてもよい。本明細書に開示される電池は、自動車、軽トラック、大型トラック、バン、バイク、モペッド、電動自転車、スクーター、ボートおよび船、有人航空機、ドローン航空機、軍事用陸上輸送機および無線制御車両などの車両に使用されてもよい。本明細書に開示される電池はまた、グリッドストレージ、または大型グリッドストレージ装置もしくは携帯型エネルギー供給容器などの大規模エネルギー供給用途に使用されてもよい。本明細書に開示される電池は、手持ち電動工具などの工具に使用されてもよい。
【０１１２】
本明細書に開示される電池は、直列または並列で接続されてもよく、かつ電圧、電荷または温度モニタなどの制御またはモニタリング機器、防火機器、および電池の状態が安全でない場合に電池の使用を制御する、または警報もしくは安全手段を作動させるようにプログラムされたコンピュータと接続されて使用されてもよい。
【実施例】
【０１１３】
以下の実施例は、本発明に関連するある特定の原理を例示するためにのみ提供される。これらは、本発明の全範囲またはその任意の実施形態を開示するまたは包含すると解釈されるものでもなく、解釈されるべきでもない。
【０１１４】
（実施例１）
外部圧力を有するパウチ型セル
本明細書に開示されるアトライタ混合方法を使用してＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４を合成した。正極を形成するために、９０ｗｔ％のＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４、５ｗｔ％のポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）および５ｗｔ％の導電性炭素をＮ−メチル−２−ピロリドン溶液中で混合し、Ａｌ箔に被覆した。負極を形成するために、９４ｗｔ％のグラファイト、５ｗｔ％のＰＶｄＦおよび１ｗｔ％の導電性炭素をＮ−メチル−２−ピロリドン溶液中で混合し、Ｃｕ箔に被覆した。電解質を形成するために、ＬｉＦ２ＮＯ４Ｓ２（ＬｉＦＳＩ）を１．２ｍｏｌ／Ｌの濃度のＮ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウム−ビス（フルオロスルホニル）イミド（Ｐｙ１３−ＦＳＩ）に溶解した。パウチ型セルをドライルームで組み立てた。ねじ圧（図３に示される通り）および空気圧（図４に示される通り）を別々にパウチ型セルに印加した。ねじ圧および空気圧を用いたパウチ型セルのサイクル安定性を２５℃で比較し、結果を図１３に提示する。
【０１１５】
（実施例２）
イオン性液体電解質を含むコイン型セル
電極および電解質を実施例１の通り調製した。コイン型セルをアルゴン（Ａｒ）が充填されたグローブボックスで組み立てた。図１４は、２５℃でのコイン型セルの典型的なサイクル安定性およびクーロン効率を示す。Ｃ／２レートで１２０ｍＡｈ／ｇの可逆容量が得られ、１００サイクル後に９７％を上回る容量が保持された。
【０１１６】
（実施例３）
イオン性液体電解質を含むＧＥＮ１パウチ型セル
電極および電解質を実施例１の通り調製した。３２ｍＡｈのパウチ型セルをドライルームで組み立てた。図１５は、２５℃でのこの３２ｍＡｈのパウチ型セルの典型的なサイクル安定性を示す。Ｃ／２レートで１０５ｍＡｈ／ｇの可逆容量が得られ、１００サイクル後に９８％を上回る容量が保持された。
【０１１７】
（実施例３の比較例）
電極を実施例１の通り調製した。ＥＣ／ＥＭＣ中１．２ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ６を含有する電解質を調製し、イオン性液体の代わりに使用した。３２ｍＡｈのパウチ型セルをドライルームで組み立てた。図１６は、ＥＣ系電解質を含むこの３２ｍＡｈのパウチ型セルの２５℃での典型的なサイクル安定性を示す。Ｃ／２レートで最初のサイクルで１２０ｍＡｈ／ｇの容量が得られたが、１００サイクル後に１７％の容量しか保持されなかった。
【０１１８】
（実施例４）
イオン性液体電解質を含むＧＥＮ２パウチ型セル
電極および電解質を実施例１の通り調製した。１．２Ａｈのパウチ型セルをドライルームで組み立てた。図１７は、２５℃でのこの１．２Ａｈのパウチ型セルの典型的なサイクル安定性を示す。Ｃ／２レートで１２０ｍＡｈ／ｇの可逆容量が得られ、４７サイクル後に約９３％の容量が保持された。図１８は、Ｃ／２レートで４７サイクル後のこの１．２Ａｈのパウチ型セルの写真である。明白なガス発生は観察されなかった。
【０１１９】
（実施例４の比較例）
電極を実施例１の通り調製した。ＥＣ／ＥＭＣ中１．２ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ６を含有する電解質を調製し、イオン性液体の代わりに使用した。１．２Ａｈのパウチ型セルをドライルームで組み立てた。図１９は、ＥＣ系電解質を含むこの１．２Ａｈのパウチ型セルの２５℃での典型的なサイクル安定性を示す。Ｃ／２レートで最初のサイクルで１１８ｍＡｈ／ｇの容量が得られたが、５０サイクル後に３３％の容量しか保持されなかった。図２０は、Ｃ／２レートで５０サイクル後のこの１．２Ａｈのパウチ型セルの写真である。実質的なガス発生が観察された。
【０１２０】
（実施例５）
アトライタ混合されたＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４（６：１比）
９３０ｇのＬｉＨ２ＰＯ４、６７５ｇのＣｏ（ＯＨ）２、１６０ｇのＦｅＣ２Ｏ４・２Ｈ２Ｏ、２８．５ｇのＣｒ２Ｏ３、２３ｇのＣｒ（ＯＯＣＣＨ３）３および５００μｍ未満の寸法を有する７６．３ｇのアセチレンブラックを真空下で１２０℃で終夜事前乾燥し、次いで９．５Ｌの容器体積、直径１９ｍｍの１１．３ｋｇの鋼ボール（６：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比）を有するアトライタに入れた。アトライタを４００ｒｐｍで６〜１２時間操作した。アトライタ混合された前駆体をオーブンに移し、次いでＮ２下で７００℃まで１２時間加熱して、オーブンで自然冷却させた。加熱処理後、約１．４ｋｇの最終生成物を得て、次いで３８μｍのふるいで選別した。得られた物質のＸＲＤ分析を図２１に提示する。ＸＲＤデータにより、わずか６時間の混合後であってもＬｉＣｏＰＯ４と同じ構造を有する活物質が生成されたことが確認される。
【０１２１】
（実施例６）
アトライタ混合されたＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４（８：１比）
７２３ｇのＬｉＨ２ＰＯ４、５２５ｇのＣｏ（ＯＨ）２、１２２ｇのＦｅＣ２Ｏ４・２Ｈ２Ｏ、２２．２ｇのＣｒ２Ｏ３、１７．９ｇのＣｒ（ＯＯＣＣＨ３）３および５００μｍ未満の寸法を有する５９．４ｇのアセチレンブラックを、まず真空下で１２０℃で終夜事前乾燥し、次いで、９．５Ｌの容器体積、直径１９ｍｍの１１．８ｋｇの鋼ボール（８：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比）を有するアトライタに入れた。アトライタを４００ｒｐｍで１２時間操作した。アトライタ混合された前駆体をオーブンに移し、次いでＮ２下で７００℃まで１２時間加熱して、オーブンで自然冷却させた。加熱処理後、約１．１ｋｇの最終生成物を得て、次いで３８μｍのふるいで選別した。得られた物質のＸＲＤ分析を図２２に提示する。ＸＲＤデータにより、ＬｉＣｏＰＯ４と同じ構造を有する活物質が生成されたことが確認される。
【０１２２】
（実施例７）
アトライタ混合されたＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４（１０：１比）
５７８ｇのＬｉＨ２ＰＯ４、４２０ｇのＣｏ（ＯＨ）２、９７．６ｇのＦｅＣ２Ｏ４・２Ｈ２Ｏ、１７．７ｇのＣｒ２Ｏ３、１４．３ｇのＣｒ（ＯＯＣＣＨ３）３および５００μｍ未満の寸法を有する４７．５ｇのアセチレンブラックを、まず真空下で１２０℃で終夜事前乾燥し、次いで９．５Ｌの容器体積、直径１９ｍｍの１１．８ｋｇの鋼ボール（１０：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比）を有するアトライタに入れた。アトライタを４００ｒｐｍで１２時間操作した。アトライタ混合された前駆体をオーブンに移し、次いでＮ２下で７００℃まで１２時間加熱して、オーブンで自然冷却させた。加熱処理後、約０．９ｋｇの最終生成物を得て、次いで３８μｍのふるいで選別した。得られた物質のＸＲＤ分析を図２３に提示する。ＸＲＤデータにより、ＬｉＣｏＰＯ４と同じ構造を有する活物質が生成されたことが確認される。
【０１２３】
（実施例８）
アトライタ混合されたＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４（１２：１比）
４８３ｇのＬｉＨ２ＰＯ４、３５１ｇのＣｏ（ＯＨ）２、８１．５ｇのＦｅＣ２Ｏ４・２Ｈ２Ｏ、１４．８ｇのＣｒ２Ｏ３、１２．０ｇのＣｒ（ＯＯＣＣＨ３）３および５００μｍ未満の寸法を有する３９．８ｇのアセチレンブラックをまず真空下で１２０℃で終夜事前乾燥し、次いで９．５Ｌの容器体積、直径１９ｍｍの１１．８ｋｇの鋼ボール（１２：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比）を有するアトライタに入れた。アトライタを４００ｒｐｍで１２時間操作した。アトライタ混合された前駆体をオーブンに移し、次いでＮ２下で７００℃まで１２時間加熱して、オーブンで自然冷却させた。加熱処理後、約０．７３ｋｇの最終生成物を得て、次いで３８μｍのふるいで選別した。得られた物質のＸＲＤ分析を図２４に提示する。ＸＲＤデータにより、ＬｉＣｏＰＯ４と同じ構造を有する活物質が生成されたことが確認される。
【０１２４】
（実施例９）
アトライタ混合されたＬｉＣｏ０．８２Ｆｅ０．０９７６Ｃｒ０．０４８８Ｓｉ０．００９７６ＰＯ４（１４：１比）
４１３ｇのＬｉＨ２ＰＯ４、３０１ｇのＣｏ（ＯＨ）２、７０ｇのＦｅＣ２Ｏ４・２Ｈ２Ｏ、１２．７ｇのＣｒ２Ｏ３、１０．３ｇのＣｒ（ＯＯＣＣＨ３）３および５００μｍ未満の寸法を有する３４ｇのアセチレンブラックをまず真空下で１２０℃で終夜事前乾燥し、次いで９．５Ｌの容器体積、直径１９ｍｍの１１．８ｋｇの鋼ボール（１４：１のボール：前駆体のｗ：ｗ比）を有するアトライタに入れた。アトライタを４００ｒｐｍで１２時間操作した。アトライタ混合された前駆体をオーブンに移し、次いでＮ２下で７００℃まで１２時間加熱して、オーブンで自然冷却させた。加熱処理後、約０．６２ｋｇの最終生成物を得て、次いで３８μｍのふるいで選別した。得られた物質のＸＲＤ分析を図２５に提示する。ＸＲＤデータにより、ＬｉＣｏＰＯ４と同じ構造を有する活物質が生成されたことが確認される。
【０１２５】
上記で開示された主題は例示的とみなされるべきであり、制限的とみなされるべきではなく、さらに添付の特許請求の範囲は、本開示の真の趣旨および範囲に入るすべてのそのような修正形態、改善形態および他の実施形態を包含することが意図される。例えば、１つの負極および１つの正極を含む簡潔な電池が記載されるが、本明細書に含まれる開示を使用して、複数の電極を含有するコインセルなどの電池を構築することは、十分に当業者の能力の範囲内である。したがって、本開示の範囲は、法律によって許可される最大の程度まで以下の特許請求の範囲およびその均等物の最も広範な許容可能な解釈によって決定されるべきであり、前述の詳細な説明によって制限または限定されないものとする。
【図１】
2021535570.tif 000003
【図２】
2021535570.tif 000004
【図３】
2021535570.tif 000005
【図４】
2021535570.tif 000006
【図５】
2021535570.tif 000007
【図６】
2021535570.tif 000008
【図７】
2021535570.tif 000009
【図８】
2021535570.tif 000010
【図９】
2021535570.tif 000011
【図１０】
2021535570.tif 000012
【図１１】
2021535570.tif 000013
【図１２Ａ】
2021535570.tif 000014
【図１２Ｂ】
2021535570.tif 000015
【図１３】
2021535570.tif 000016
【図１４】
2021535570.tif 000017
【図１５】
2021535570.tif 000018
【図１６】
2021535570.tif 000019
【図１７】
2021535570.tif 000020
【図１８】
2021535570.tif 000021
【図１９】
2021535570.tif 000022
【図２０】
2021535570.tif 000023
【図２１】
2021535570.tif 000024
【図２２】
2021535570.tif 000025
【図２３】
2021535570.tif 000026
【図２４】
2021535570.tif 000027
【図２５】
2021535570.tif 000028
【国際調査報告】
2021535570.tif 000029
2021535570.tif 000030