(57)【要約】本発明の実施形態は、シリカ繊維のシート及び／または粉末を組み込んだ、電池ならびに他の電荷蓄積装置、ならびにそのような装置を製造するための方法を含む。当該シリカ繊維は、ケイ素アルコキシド試薬（例えば、オルトケイ酸テトラエチル）、アルコール溶媒及び酸触媒を用いて作製したゾルゲルをエレクトロスピニングすることによって形成することができる。本発明の実施形態の電荷蓄積装置は、第１のシリカ繊維粉末及び炭素添加剤を含むアノード領域と、第２のシリカ繊維粉末及びリチウム添加剤を含むカソード領域と、アノード領域とカソード領域の間に配置され、電解質材料を含有するセパレータとを備える。【選択図】図１Ｂ
2021525940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のシリカ繊維粉末、及び炭素添加剤を含む、アノード領域と、
第２のシリカ繊維粉末、及びリチウム添加剤を含む、カソード領域と、
前記アノード領域と前記カソード領域の間に配置され、電解質材料を含有する、セパレータと、
を備える、電荷蓄積装置。
【請求項２】
前記炭素添加剤が、グラフェン、非晶質カーボン、またはグラファイトのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の電荷蓄積装置。
【請求項３】
前記リチウム添加剤が、リチウム金属酸化物またはリチウム金属リン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の電荷蓄積装置。
【請求項４】
前記電解質材料が、有機溶媒及びリチウム塩を含む、請求項１に記載の電荷蓄積装置。
【請求項５】
前記セパレータが、（ｉ）シリカ繊維の１つ以上のシート、及び（ｉｉ）ポリマー層を含む、請求項１に記載の電荷蓄積装置。
【請求項６】
前記セパレータが、（ｉ）シリカ繊維の第１のシート、（ｉｉ）シリカ繊維の第２のシート、及び（ｉｉｉ）シリカ繊維の前記第１のシートと前記第２のシートの間に配置されたポリマー層を含む、請求項１に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７】
シリカ繊維の前記１つ以上のシートが、少なくとも部分的にゾル−ゲルをエレクトロスピニングすることによって形成される、請求項５に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８】
前記ゾル−ゲルが、７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルから製造される、請求項７に記載の電荷蓄積装置。
【請求項９】
前記ゾル−ゲルが、少なくとも部分的に、４０％〜８０％の湿度及び５０ｏＦ〜９０ｏＦの温度で少なくとも２日間、前記最初のゾルを熟成させることにより製造される、請求項８に記載の電荷蓄積装置。
【請求項１０】
前記最初のゾルが、少なくとも３日間熟成される、請求項９に記載の電荷蓄積装置。
【請求項１１】
前記ゾル−ゲルの重量が、熟成前の前記最初のゾルの開始重量の１０％〜６０％のとき、前記ゾル−ゲルがエレクトロスピニングされる、請求項９に記載の電荷蓄積装置。
【請求項１２】
前記ゾル−ゲルからのエチレン蒸気の産生量が、熟成前の前記最初のゾルに対して１０％〜４０％の範囲のとき、前記ゾル−ゲルがエレクトロスピニングされる、請求項９に記載の電荷蓄積装置。
【請求項１３】
前記第１のシリカ繊維粉末が、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングして、シリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）前記マットを断片化して、シリカ繊維粉末を形成することを含む、工程によって形成される、請求項１に記載の電荷蓄積装置。
【請求項１４】
前記シリカ繊維粉末が、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、請求項１３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項１５】
前記繊維片が、約２０μｍと約２００μｍの間の平均サイズを有する、請求項１４に記載の電荷蓄積装置。
【請求項１６】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約５０ｎｍ〜約５μｍの範囲の直径を有する、請求項１４に記載の電荷蓄積装置。
【請求項１７】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の直径を有する、請求項１４に記載の電荷蓄積装置。
【請求項１８】
前記ゾル−ゲルが、少なくとも部分的に、７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルを熟成させることにより製造される、請求項１３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項１９】
前記第１のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記ゾル−ゲルのエレクトロスピニングの前に、前記炭素添加剤を前記ゾル−ゲル内に組み込むことを含み、それにより、前記シリカ繊維マットが、その中に組み込まれた前記炭素添加剤を含む、請求項１３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項２０】
前記第１のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維のエレクトロスピニング中に、前記炭添加剤を前記シリカ繊維上に組み込むことを含む、請求項１３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項２１】
前記第１のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維のマットの断片化の前に、前記炭添加剤を前記シリカ繊維のマット上に組み込むことを含む、請求項１３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項２２】
前記第１のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維マットの断片化の後に、前記炭素添加剤を前記シリカ繊維粉末上に組み込むことを含む、請求項１３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項２３】
前記第２のシリカ繊維粉末が、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングして、シリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）前記マットを断片化して、シリカ繊維粉末を形成することを含む、工程によって形成される、請求項１に記載の電荷蓄積装置。
【請求項２４】
前記シリカ繊維粉末が、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、請求項２３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項２５】
前記繊維片が、約２０μｍと約２００μｍの間の平均サイズを有する、請求項２４に記載の電荷蓄積装置。
【請求項２６】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約５０ｎｍ〜約５μｍの範囲の直径を有する、請求項２４に記載の電荷蓄積装置。
【請求項２７】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の直径を有する、請求項２４に記載の電荷蓄積装置。
【請求項２８】
前記ゾル−ゲルが、少なくとも部分的に、７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルを熟成させることにより製造される、請求項２３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項２９】
前記第２のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記ゾル−ゲルのエレクトロスピニングの前に、前記リチウム添加剤を前記ゾル−ゲル内に組み込むことを含み、それにより、前記シリカ繊維マットが、その中に組み込まれた前記リチウム添加剤を含む、請求項２３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項３０】
前記第２のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維のエレクトロスピニング中に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維上に組み込むことを含む、請求項２３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項３１】
前記第２のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維のマットの断片化の前に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維のマット上に組み込むことを含む、請求項２３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項３２】
前記第２のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維マットの断片化の後に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維粉末上に組み込むことを含む、請求項２３に記載の電荷蓄積装置。
【請求項３３】
電荷蓄積装置を製造する方法であって、前記方法が、
第１のシリカ繊維粉末、及び炭素添加剤を含む、アノード領域を形成することと、
第２のシリカ繊維粉末、及びリチウム添加剤を含む、カソード領域を形成することと、
前記アノード領域と前記カソード領域の間に、電解質材料を含有するセパレータを配置することと、
を含む、前記方法。
【請求項３４】
前記炭素添加剤が、グラフェン、非晶質カーボン、またはグラファイトのうちの少なくとも１つを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記リチウム添加剤が、リチウム金属酸化物またはリチウム金属リン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記電解質材料が、有機溶媒及びリチウム塩を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記セパレータが、（ｉ）シリカ繊維の１つ以上のシート、及び（ｉｉ）ポリマー層を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記セパレータが、（ｉ）シリカ繊維の第１のシート、（ｉｉ）シリカ繊維の第２のシート、及び（ｉｉｉ）シリカ繊維の前記第１のシートと前記第２のシートの間に配置されたポリマー層を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
少なくとも部分的に、ゾル−ゲルをエレクトロスピニングすることによってシリカ繊維の前記１つ以上のシートを形成することを更に含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルから前記ゾル−ゲルを製造することを更に含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記ゾル−ゲルを製造することが、４０％〜８０％の湿度及び５０ｏＦ〜９０ｏＦの温度で少なくとも２日間、前記最初のゾルを熟成させることを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記最初のゾルが、少なくとも３日間熟成される、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記ゾル−ゲルの重量が、熟成前の前記最初のゾルの開始重量の１０％〜６０％のとき、前記ゾル−ゲルがエレクトロスピニングされる、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記ゾルゲルからのエチレン蒸気の産生量が、熟成前の前記最初のゾルに対して１０％〜４０％の範囲のとき、前記ゾル−ゲルがエレクトロスピニングされる、請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
前記アノード領域を形成することが、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）前記マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４６】
前記シリカ繊維粉末が、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記繊維片が、約２０μｍと約２００μｍの間の平均サイズを有する、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約５０ｎｍ〜約５μｍの範囲の直径を有する、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の直径を有する、請求項４６に記載の方法。
【請求項５０】
７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルを熟成させることにより前記ゾル−ゲルを製造することを更に含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項５１】
前記アノード領域を形成することが、前記ゾル−ゲルのエレクトロスピニングの前に、前記炭素添加剤を前記ゾル−ゲル内に組み込むことを含み、それにより、前記シリカ繊維マットが、その中に組み込まれた前記炭素添加剤を含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項５２】
前記アノード領域を形成することが、前記シリカ繊維のエレクトロスピニング中に、前記炭添加剤を前記シリカ繊維上に組み込むことを含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項５３】
前記アノード領域を形成することが、前記シリカ繊維マットの断片化の前に、前記炭素添加剤を前記シリカ繊維マット上に組み込むことを含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項５４】
前記アノード領域を形成することが、前記シリカ繊維マットの断片化の後に、前記炭素添加剤を前記シリカ繊維粉末上に組み込むことを含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項５５】
前記カソード領域を形成することが、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）前記マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項５６】
前記シリカ繊維粉末が、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記繊維片が、約２０μｍと約２００μｍの間の平均サイズを有する、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約５０ｎｍ〜約５μｍの範囲の直径を有する、請求項５６に記載の方法。
【請求項５９】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の直径を有する、請求項５６に記載の方法。
【請求項６０】
７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルを熟成させることにより前記ゾル−ゲルを製造することを更に含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６１】
前記カソード領域を形成することが、前記ゾル−ゲルのエレクトロスピニングの前に、前記リチウム添加剤を前記ゾル−ゲル内に組み込むことを含み、それにより、前記シリカ繊維マットは、その中に組み込まれた前記リチウム添加剤を含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６２】
前記カソード領域を形成することが、前記シリカ繊維のエレクトロスピニング中に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維上に組み込むことを含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６３】
前記カソード領域を形成することが、前記シリカ繊維マットの断片化の前に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維マット上に組み込むことを含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６４】
前記カソード領域を形成することが、前記シリカ繊維マットの断片化の後に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維粉末上に組み込むことを含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６５】
アノード材料を含むアノード領域であって、前記アノード材料が炭素を含む、前記アノード領域と、
カソード材料を含むカソード領域であって、前記カソード材料がリチウムを含む、前記カソード領域と、
前記アノード領域と前記カソード領域の間に配置され、電解質材料を含有する、セパレータであって、
前記セパレータが、（ｉ）シリカ繊維の１つ以上のシート、及び（ｉｉ）ポリマー層を含む、
前記セパレータと、
を備える、電荷蓄積装置。
【請求項６６】
前記アノード材料が、グラフェン、非晶質カーボン、またはグラファイトのうちの少なくとも１つを含む、請求項６５に記載の電荷蓄積装置。
【請求項６７】
前記カソード材料が、リチウム金属酸化物またはリチウム金属リン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項６５に記載の電荷蓄積装置。
【請求項６８】
前記電解質材料が、有機溶媒及びリチウム塩を含む、請求項６５に記載の電荷蓄積装置。
【請求項６９】
前記セパレータが、（ｉ）シリカ繊維の第１のシート、（ｉｉ）シリカ繊維の第２のシート、及び（ｉｉｉ）シリカ繊維の前記第１のシートと前記第２のシートの間に配置されたポリマー層を含む、請求項６５に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７０】
シリカ繊維の前記１つ以上のシートが、少なくとも部分的にゾル−ゲルをエレクトロスピニングすることによって形成される、請求項６５に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７１】
前記ゾル−ゲルが、７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルから製造される、請求項７０に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７２】
前記ゾル−ゲルが、少なくとも部分的に、４０％〜８０％の湿度及び５０ｏＦ〜９０ｏＦの温度で少なくとも２日間、前記最初のゾルを熟成させることにより製造される、請求項７１に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７３】
前記最初のゾルが、少なくとも３日間熟成される、請求項７２に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７４】
前記ゾル−ゲルの重量が、熟成前の前記最初のゾルの開始重量の１０％〜６０％のとき、前記ゾル−ゲルがエレクトロスピニングされる、請求項７２に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７５】
前記ゾル−ゲルからのエチレン蒸気の産生量が、熟成前の前記最初のゾルに対して１０％〜４０％の範囲のとき、前記ゾル−ゲルがエレクトロスピニングされる、請求項７２に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７６】
前記アノード材料が、第１のシリカ繊維粉末及び炭素添加剤を含む、請求項６５に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７７】
前記第１のシリカ繊維粉末が、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングして、シリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）前記マットを断片化して、シリカ繊維粉末を形成することを含む、工程によって形成される、請求項７６に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７８】
前記シリカ繊維粉末が、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、請求項７７に記載の電荷蓄積装置。
【請求項７９】
前記繊維片が、約２０μｍと約２００μｍの間の平均サイズを有する、請求項７８に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８０】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約５０ｎｍ〜約５μｍの範囲の直径を有する、請求項７８に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８１】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の直径を有する、請求項７８に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８２】
前記ゾル−ゲルが、少なくとも部分的に、７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルを熟成させることにより製造される、請求項７７に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８３】
前記第１のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記ゾル−ゲルのエレクトロスピニングの前に、前記炭素添加剤を前記ゾル−ゲル内に組み込むことを含み、それにより、前記シリカ繊維マットが、その中に組み込まれた前記炭素添加剤を含む、請求項７７に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８４】
前記第１のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維のエレクトロスピニング中に、前記炭添加剤を前記シリカ繊維上に組み込むことを含む、請求項７７に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８５】
前記第１のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維のマットの断片化の前に、前記炭添加剤を前記シリカ繊維のマット上に組み込むことを含む、請求項７７に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８６】
前記第１のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維マットの断片化の後に、前記炭素添加剤を前記シリカ繊維粉末上に組み込むことを含む、請求項７７に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８７】
前記カソード材料が、第２のシリカ繊維粉末及びリチウム添加剤を含む、請求項６５に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８８】
前記第２のシリカ繊維粉末が、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングして、シリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）前記マットを断片化して、シリカ繊維粉末を形成することを含む、工程によって形成される、請求項８７に記載の電荷蓄積装置。
【請求項８９】
前記シリカ繊維粉末が、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、請求項８８に記載の電荷蓄積装置。
【請求項９０】
前記繊維片が、約２０μｍと約２００μｍの間の平均サイズを有する、請求項８９に記載の電荷蓄積装置。
【請求項９１】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約５０ｎｍ〜約５μｍの範囲の直径を有する、請求項８９に記載の電荷蓄積装置。
【請求項９２】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の直径を有する、請求項８９に記載の電荷蓄積装置。
【請求項９３】
前記ゾル−ゲルが、少なくとも部分的に、７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルを熟成させることにより製造される、請求項８８に記載の電荷蓄積装置。
【請求項９４】
前記第２のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記ゾル−ゲルのエレクトロスピニングの前に、前記リチウム添加剤を前記ゾル−ゲル内に組み込むことを含み、それにより、前記シリカ繊維マットが、その中に組み込まれた前記リチウム添加剤を含む、請求項８８に記載の電荷蓄積装置。
【請求項９５】
前記第２のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維のエレクトロスピニング中に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維上に組み込むことを含む、請求項８８に記載の電荷蓄積装置。
【請求項９６】
前記第２のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維のマットの断片化の前に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維のマット上に組み込むことを含む、請求項８８に記載の電荷蓄積装置。
【請求項９７】
前記第２のシリカ繊維粉末を形成する前記工程が、前記シリカ繊維マットの断片化の後に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維粉末上に組み込むことを含む、請求項８８に記載の電荷蓄積装置。
【請求項９８】
電荷蓄積装置を製造する方法であって、前記方法が、
アノード材料を含むアノード領域を形成することであって、前記アノード材料が炭素を含む、前記形成することと、
カソード材料を含むカソード領域を形成することであって、前記カソード材料がリチウムを含む、前記形成することと、
電解質材料を含有するセパレータを配置することであって、
前記セパレータが、（ｉ）シリカ繊維の１つ以上のシート及び（ｉｉ）ポリマー層を含む、
前記配置することと、
を含む、前記方法。
【請求項９９】
前記アノード材料が、グラフェン、非晶質カーボン、またはグラファイトのうちの少なくとも１つを含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１００】
前記カソード材料が、リチウム金属酸化物またはリチウム金属リン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１０１】
前記電解質材料が、有機溶媒及びリチウム塩を含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１０２】
前記セパレータが、（ｉ）シリカ繊維の第１のシート、（ｉｉ）シリカ繊維の第２のシート、及び（ｉｉｉ）シリカ繊維の前記第１のシートと前記第２のシートの間に配置されたポリマー層を含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１０３】
少なくとも部分的に、ゾル−ゲルをエレクトロスピニングすることによってシリカ繊維の前記１つ以上のシートを形成することを更に含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１０４】
７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルから前記ゾル−ゲルを製造することを更に含む、請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０５】
前記ゾル−ゲルを製造することが、４０％〜８０％の湿度及び５０ｏＦ〜９０ｏＦの温度で少なくとも２日間、前記最初のゾルを熟成させることを含む、請求項１０４に記載の方法。
【請求項１０６】
前記最初のゾルが、少なくとも３日間で熟成される、請求項１０５に記載の方法。
【請求項１０７】
前記ゾル−ゲルの重量が、熟成前の前記最初のゾルの開始重量の１０％〜６０％のとき、前記ゾル−ゲルがエレクトロスピニングされる、請求項１０５に記載の方法。
【請求項１０８】
前記ゾルゲルからのエチレン蒸気の産生量が、熟成前の前記最初のゾルに対して１０％〜４０％の範囲のとき、前記ゾル−ゲルがエレクトロスピニングされる、請求項１０５に記載の方法。
【請求項１０９】
前記アノード材料が、第１のシリカ繊維粉末、及び炭素添加剤を含み、
前記アノード領域を形成することが、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）前記マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１１０】
前記シリカ繊維粉末が、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１１】
前記繊維片が、約２０μｍと約２００μｍの間の平均サイズを有する、請求項１１０に記載の方法。
【請求項１１２】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約５０ｎｍ〜約５μｍの範囲の直径を有する、請求項１１０に記載の方法。
【請求項１１３】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の直径を有する、請求項１１０に記載の方法。
【請求項１１４】
７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルを熟成させることにより前記ゾル−ゲルを製造することを更に含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１５】
前記アノード領域を形成することが、前記ゾル−ゲルのエレクトロスピニングの前に、前記炭素添加剤を前記ゾル−ゲル内に組み込むことを含み、それにより、前記シリカ繊維マットが、その中に組み込まれた前記炭素添加剤を含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１６】
前記アノード領域を形成することが、前記シリカ繊維のエレクトロスピニング中に、前記炭添加剤を前記シリカ繊維上に組み込むことを含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１７】
前記アノード領域を形成することが、前記シリカ繊維マットの断片化の前に、前記炭素添加剤を前記シリカ繊維マット上に組み込むことを含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１８】
前記アノード領域を形成することが、前記シリカ繊維マットの断片化の後に、前記炭素添加剤を前記シリカ繊維粉末上に組み込むことを含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１９】
前記カソード材料が、第２のシリカ繊維粉末、及びリチウム添加剤を含み、
前記カソード領域を形成することが、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）前記マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項１２０】
前記シリカ繊維粉末が、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２１】
前記繊維片が、約２０μｍと約２００μｍの間の平均サイズを有する、請求項１２０に記載の方法。
【請求項１２２】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約５０ｎｍ〜約５μｍの範囲の直径を有する、請求項１２０に記載の方法。
【請求項１２３】
前記繊維片内の前記繊維またはその一部が、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の直径を有する、請求項１２０に記載の方法。
【請求項１２４】
７０％〜９０％のテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、８％〜２５％の無水エタノール、酸触媒、及び水を含む、最初のゾルを熟成させることにより前記ゾル−ゲルを製造することを更に含む、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２５】
前記カソード領域を形成することが、前記ゾル−ゲルのエレクトロスピニングの前に、前記リチウム添加剤を前記ゾル−ゲル内に組み込むことを含み、それにより、前記シリカ繊維マットは、その中に組み込まれた前記リチウム添加剤を含む、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２６】
前記カソード領域を形成することが、前記シリカ繊維のエレクトロスピニング中に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維上に組み込むことを含む、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２７】
前記カソード領域を形成することが、前記シリカ繊維マットの断片化の前に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維マット上に組み込むことを含む、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２８】
前記カソード領域を形成することが、前記シリカ繊維マットの断片化の後に、前記リチウム添加剤を前記シリカ繊維粉末上に組み込むことを含む、請求項１１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年５月２５日出願の米国特許仮出願第６２／６７６，４３５号の利益及びそれに対する優先権を主張するものであり、その開示全体は本明細書に参照により組み込まれる。
【０００２】
様々な実施形態にて、本発明は、シリカ繊維を組み込んだ、電荷蓄積装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
電池は何百年もの間、電気化学エネルギーの蓄積に利用されており、特にマイクロエレクトロニクスの小型化によって多くの異なる種類の家電製品が広く採用され得るようになったため、電池はますます普及している。次世代の電子機器がますます軽量になり、更に可撓性が高まるにつれて、電池技術への要求は加速するばかりである。フレキシブル電池の様々な技術が提案されているが、そのような技術の実装は、信頼性の低さ、低い電荷蓄積容量、または低い充電／放電率によって妨げられてきた。更に、様々な電池技術は、しばしば有毒である、特殊かつ高価な材料に基づいており、そのため採用に対する別の障壁になっている。
【０００４】
それに対し、二酸化ケイ素、すなわちシリカは、地球上で最も豊富な物質の１つであり、ほとんどの種類の砂の主成分である。シリカにはいくつかの有利な特性があり、その結果、様々な産業や製品で使用されている。例えば、シリカの高い電気抵抗により、マイクロエレクトロニクス装置の高性能絶縁体として（例えば、電界効果トランジスタのゲート誘電体材料として）使用できるようになった。シリカは、様々な用途で使用できる、ガラスの製造でも利用されている。例えば、光ファイバはシリカを利用して製造されており、世界中の光通信ネットワークの形成と成長を可能にしている。シリカ粒子が研磨剤、乾燥剤として、及び金属材料のインベストメント鋳造用の型を形成するために利用されてきたため、シリカは、顕微鏡レベルのスケールでも利用されてきた。しかし、シリカはまだ電池や他の電荷蓄積装置（例えば、スーパーキャパシタ）の材料として利用されていない。シリカを利用することで、環境にやさしく、次世代の電子機器の要件を満たすために利用できる、電池の製造と使用が可能になり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の様々な実施形態によれば、シリカ繊維及び／またはそれから形成された粉末は、電池または他の電荷蓄積装置の様々な構成要素のための構造マトリックスとして利用される。電池の様々な構成要素は、電池の電気化学的電荷蓄積及び導電性を可能にするために、シリカ繊維に混合、適用、及び／または組み込まれる、他の材料を含む。シリカ繊維自体は、エレクトロスピニングされて繊維マットを形成する、ゼラチン状材料から製造され得る。マット自体（または、その一部）は、追加の処理（例えば、プレス及び／または添加剤の混合）を伴い、または伴わずに、電池内で利用することができる。様々な実施形態で、マットは、粉末またはダストに断片化され、これは、繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。繊維エレクトロスピニング工程の前、その最中、またはその後に導入された１つ以上の添加剤材料を既に組み込んでいる可能性がある、粉末は、電池の１つ以上の領域で利用することができる。様々な実施形態で、粉末は、１つ以上の電池領域で使用するために、１つ以上の添加剤と混合される。他の実施形態では、粉末は、１つ以上の添加剤の混合を伴い、または伴わずに、平面シートにプレスされ、電池内で利用される。
【０００６】
種々の実施にて、シリカ繊維は、ケイ素アルコキシド試薬（例えば、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ））と、アルコール溶媒と、酸触媒とを用いて調製され得る、ゾル−ゲルをエレクトロスピニングすることによって調製することができる。様々な実施形態で、ゾル−ゲルは、制御された環境条件下でのゾルの熟成によって生成され、及び／または熟成工程の間のゾルもしくはゾル−ゲルの特性は、ゾル−ゲルのエレクトロスピニングが正常に実行され得る、様々な処理の時機を識別するために監視される。当技術分野で周知のとおり、「ゾル」は、「ゲル」、すなわち液相と固相の両方を含有する二相系の形成に向かって徐々に進展する、コロイド溶液である。本明細書では、「ゾル−ゲル」という用語は、繊維または繊維マットの中にエレクトロスピニングすることができる、ゾル−ゲル工程から生成されたゲルを指すために使用される。
【０００７】
様々な実施形態にて、ゾルを熟成させるための制御された環境は、湿度、温度及び所望により大気圧に関して制御された条件を含むことができる。例えば、湿度は約３０％〜約９０％の範囲内に制御されることができ、温度は約５０ｏＦ〜約９０ｏＦの範囲内に制御されることができる。熟成の間の環境条件を制御することによって、ゲルは、スピニングが最適な時間の間にエレクトロスピニングされることができ、それは、熟成工程が直接の加熱で加速される場合、数分だけの非常に狭い時機に発生し得る。約５０％〜８０％の範囲の一定の湿度、及び約６０〜８０ｏＦの温度でゾルを熟成させるとき、ゾルは、数日で熟成（ゼラチン化）し、首尾よくエレクトロスピニングするための時機は、少なくとも数時間に、いくつかの実施形態では数日まで拡大し得る。そのため、ゾルは、１つ以上の環境モニター（例えば、温度読み取り装置及び／または湿度読み取り装置）を含むことができる、容器内で熟成させることができる。更に、熟成工程の間にゾルによって生成もしくは放出されたガス、及び／またはゾルの相対重量を監視して、エレクトロスピニングに好適または最適な時間を決定することができる。
【０００８】
ゾルが十分に熟成してゾル−ゲルになると、それをエレクトロスピニングして、絡み合ったシリカ繊維のマットを形成する。エレクトロスピニングすると、シリカ繊維は、可変直径（例えば、約５０ｎｍ〜５μｍの範囲）を有することができる。いくつかの実施形態にて、繊維は、主に約１００ｎｍ〜約２μｍの範囲、または主に約２００〜約１０００ｎｍの範囲である。電池の様々な領域を製造するために、エレクトロスピニング工程中及び／またはエレクトロスピニング工程後に異なる材料をシリカ繊維に適用して、得られる繊維、繊維マット、または粉末に異なる特性を与えることができる。例えば、炭素添加剤（例えば、グラフェン、非晶質カーボン、及び／またはグラファイト）を、ゾル−ゲル及び／またはエレクトロスピニングしたもしくはエレクトロスピニングしているシリカ繊維に適用することができる。そのような繊維は、電池のアノードで使用するために、粉末で利用され得る、及び／または粉末に断片化され得る。同様に、リチウム添加剤（例えば、リチウム金属酸化物（例えば、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またはリチウムマンガン酸化物））、またはリチウム金属リン酸塩（例えば、リチウム鉄リン酸塩））を、ゾル−ゲル及び／またはエレクトロスピニングしたもしくはエレクトロスピニングしているシリカ繊維に適用することができる。そのような繊維は、電池のカソードで使用するために粉末で利用され得る、及び／または粉末に断片化され得る。本発明の実施形態による例示のリチウム添加剤には、リチウム金属酸化物（例えば、リチウムコバルト酸化物及び／またはリチウムマンガン酸化物）、及び／またはリチウム金属リン酸塩（例えば、リチウム鉄リン酸塩）が含まれる。様々な実施形態で、リチウム添加剤は、リチウム金属酸化物塩（例えば、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２（ＮＭＣ）、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２（ＮＣＡ）、ＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）、ＬｉＦｅＰＯ４（ＬＦＰ）など）を含む、それから本質的になる、またはそれからなる。
【０００９】
様々な実施形態で、添加剤（例えば、炭素添加剤及び／またはリチウム添加剤）は、エレクトロスピニングした繊維の断片化を介して形成された粉末に組み込まれ得る（例えば、混合され得る）。様々な実施形態で、アノード領域は、例えば、重量または体積で、約０．５％〜約９０％（または、約０．５％〜約５０％、または約０．５％〜約１０％）で存在し、炭素添加剤（例えば、残余分として）と混合した、シリカ繊維粉末を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。様々な実施形態で、カソード領域は、例えば、重量または体積で、約０．５％〜約９０％（または、約０．５％〜約５０％、または約０．５％〜約１０％）で存在し、リチウム添加剤（例えば、残余分として）と混合した、シリカ繊維粉末を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。本発明の実施形態によるカソード領域は、炭素添加剤（例えば、非晶質カーボン及び／またはグラファイトカーボン）も組み込むことができる。
【００１０】
本発明の実施形態による電池は更に、（１）アノードとカソード領域間の物理的接触を防止または実質的に遅らせるセパレータ層を組み込んでもよく、（２）セパレータを介したアノードとカソード領域間の電荷移動を可能にする電解質を組み込んでもよい。様々な実施形態で、セパレータは、有機溶媒（例えば、エチレン、ジメチル／エチルカーボネート、及び／またはＮ−メチル−２−ピロリドン）と、１つ以上のリチウム塩（例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、ヘキサフルオロヒ酸リチウム一水和物（ＬｉＡｓＦ６）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、または三フッ化リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３））との混合物などの電解質を組み込む。様々な実施形態で、セパレータは、（例えば、イオン電荷担体の流れを介して）電荷移動を可能にするために、通常、多孔性のポリマー層を含む、それから本質的になる、またはそれからなる。例えば、ポリマー層の細孔は、サイズが約５ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲であり得る。そのようなポリマー層は、例えば１つ以上のポリマー材料（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル）、及び／または１つ以上の他のポリマー材料を伴い、または伴わずに、これらのうちの１つ以上を含む、ポリマーブレンドを含む、本質的になる、またはそれらからなることができる。
【００１１】
様々な実施形態で、セパレータ層は、シリカ繊維の１つ以上のシートを更に組み込むことができる。本明細書で利用される場合、シリカ繊維の「シート」は、追加のプレスまたは処理を伴い、または伴わずに、シリカ繊維のエレクトロスピニングしたマット、またはエレクトロスピニングしたシリカ繊維マットの断片化によって形成された粉末のプレス層（例えば、繊維片）を指す。例えば、シリカ繊維の第１のシートは、ポリマー層とアノード領域の間に（及び、例えば、直接機械的に接触して）配置され得る、及び／またはシリカ繊維の第２のシートは、ポリマー層とカソード領域の間に（及び、例えば、直接機械的に接触して）配置され得る。様々な実施形態で、シリカ繊維の１つ以上のシートの組み込みは、ポリマー層に熱分解及び／または変形からの保護を提供し、電池内部の構造の機械的一体性を高め、及び／または電池内のイオン移動度を改善する。
【００１２】
様々な実施形態では（例えば、セパレータの一部としてシリカ繊維の１つ以上のシートを組み込んだものでは）、電池は、アノード領域及び／またはカソード領域内にシリカ繊維及び／またはシリカ繊維粉末を実質的に含まなくてもよい。様々な実施形態で、電池は、アノード領域、カソード領域、またはその両方にシリカ繊維及び／またはシリカ繊維粉末を組み込むことができる。
【００１３】
本発明の様々な実施形態は、直列または並列に互いに電気接続した複数のアノード−セパレータ−カソードのスタックを組み込んだ電池を含む。このような電池は、増加した電荷蓄積能力を示すことができる。本明細書で利用される場合、添加剤材料（例えば、上記及び本明細書に列挙される様々な材料のうちの１つ（例えば、炭素添加剤及び／またはリチウム添加剤））をその領域内またはその領域上（例えば、シリカ繊維及び／またはシリカ繊維粉末内にまたはその上）に「組み込んでいる」電池の領域で、添加剤材料は、繊維もしくは粉末粒子自体の結晶構造内に存在する、及び／またはマットもしくはシート内（例えば、繊維の間の細孔または空間内）に存在する、もしくは固体または液体形態として粉末粒子の集合体内に存在する、繊維または粉末粒子に、実質的に固体の形態で結合または他の方法で付着され得る（例えば、液体結合剤または担体（例えば、炭酸プロピレンなどの有機液体）及び／または本明細書に記載の他の有機ポリマーによって）。
【００１４】
本発明の実施形態による様々な電池領域（例えば、カソード領域、アノード領域、及び／または電解質／セパレータ領域）は、結合剤材料（例えば、ポリビニリデンジフルオリド（ＰＶＤＦ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）など）及び／または溶媒（例えば、本明細書に開示される有機液体のいずれか、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）など）を含むことができる。そのような材料は、様々な電池領域（例えば、カソード領域及び／またはアノード領域）が製造されるときに利用されることができ（例えば、所望の材料の均質なスラリーを形成するために）、電池の最終的な組み立ての前またはその最中に実質的に除去され得る。したがって、電池の１つ以上の領域では、微量の、または意図的ではない量の結合剤及び／または溶媒のみが残る可能性がある。様々な実施形態で、アノード及び／またはカソード領域は、電池のアノード及び／またはカソード領域と電極（例えば、外部ケースの一部）との間の電気接触を確実にするのを助けることができる、１つ以上の金属固体領域（例えば、金属シートまたは箔）を含み得る。例えば、アノード及び／またはカソード領域は、例えば、銅及び／またはアルミニウムを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる、１つ以上の金属シートまたは箔を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、ベース層を含み得る。
【００１５】
本発明の実施形態による電池は、様々な形状及びサイズのいずれかを有し得る。例えば、本発明の実施形態による電池は、「コイン電池」（例えば、ＬＩＲ２０３２など）、ボタン電池（例えば、１２２０、１２５４、１６３２、２０５０、２４７７など）、または円筒形電池（例、１４４３０−１８６５０、ＡＡ、ＡＡＡなど）の市販の電池のフォームファクタを有し得る。本発明の実施形態による電池は、形状が円筒形であり得て、異なる寸法の範囲を有し得る。例えば、本発明の実施形態による電池の直径は、約１０ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲であり得る。本発明の実施形態による電池の高さは、約２ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲であり得る。本発明の実施形態による電池は、上に列挙されたものよりも大きい寸法（例えば、直径及び／または高さ）を有し得る。
【００１６】
本発明の実施形態による電池は、従来の電池と比較した場合、以下の利点、すなわち改善されたイオン移動度（例えば、大きな多孔性による）、高い電荷密度、大きな温度安定性（例えば、構造安定性、及び／または極端な温度（例えば、−２０℃未満及び／または４５℃超）での充電／放電率の変動）、同等の性能レベルにおける活物質（例えば、カソード及び／またはアノード材料）の利用の改善、可逆容量の改善、及びより長い貯蔵寿命、のうちの１つ以上を特徴とする。例えば、本発明の実施形態によるコイン電池（例えば、カソード内にＬｉＣｏＯ２を組み込んだ電池）は、約３Ｖと約４Ｖの間の範囲（例えば、約３．７Ｖ）の公称電圧、最大容量４０ｍＡｈ超、体積エネルギー密度１４９Ｗｈ／Ｌ超、比エネルギー５６Ｗｈ／ｋｇ超、０．０４Ａを超える定充電電流及び／または最大連続放電電流、自己放電率１％／年未満、及び／または０．２Ｃ  ｍＡ放電にて５００サイクル超のサイクル寿命を有し得る。他の例で、本発明の実施形態による円筒形電池（例えば、カソード内にＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２を組み込んだ電池）は、約３Ｖと約４Ｖの間の範囲（例えば、約３．７Ｖ）の公称電圧、最大容量３５００ｍＡｈ超、体積エネルギー密度７３８Ｗｈ／Ｌ超、比エネルギー２６１Ｗｈ／ｋｇ超、定充電電流が１．７Ａ超、最大連続放電電流１０Ａ超、自己放電率１％／年未満、及び／または０．２Ｃ  ｍＡ放電にて３００〜５００サイクル超のサイクル寿命を有し得る。
【００１７】
本発明の様々な実施形態は、電池及び他の電荷蓄積装置として利用される場合に有利な特性を有する。例えば、シリカ繊維のシート及び／またはシリカ繊維粉末は、様々な実施形態で利用される様々な添加剤（例えば、リチウム添加剤）の熱膨張を制限するであろう。リチウムは熱膨張率が大きいため、リチウム含有領域の温度が上下する際、従来のリチウムイオン電池の動作中に信頼性の問題が発生する可能性がある。本発明の実施形態による電池のシリカ繊維ベースの構造（例えば、シート及び／または粉末）は、電池自体を感知できるほど変形させずに、添加剤含有層の熱サイクルに対応するのに十分な多孔性を提供する。
【００１８】
更に、本発明の実施形態による電池の様々な領域または構造で利用されるシリカ繊維ベースの構造は、大きな表面積（例えば、約５０ｍ２／グラム〜約１００ｍ２／グラムの範囲、またはそれ以上）を有し、それによって大きな電荷蓄積容量を可能にする。シリカ繊維ベースの構造は更に、有利には断熱性であり、したがって、極端な環境条件から電池の様々な領域を熱的に遮蔽し、それによって電池の寿命を延ばす。
【００１９】
本発明の実施形態による電池は、いくつかの異なる用途（例えば、パーソナルエレクトロニクス、携帯機器用の集中型電気エネルギー貯蔵ユニット、電源ユニット、ならびに軍事及び宇宙用途）のいずれかで利用することができる。
【００２０】
本発明の様々な実施形態で、電池の１つ以上の領域は、シリカ繊維粉末（添加剤を伴い、または伴わずに）を含む、それから本質的になる、またはそれからなる。例えば、様々な実施形態で、シリカ繊維マットが首尾よくエレクトロスピニングされると、それは、粉末またはダストに加工され得る。例えば、エレクトロスピニングしたマットは、「断片化」、すなわち、破砕、切断、摩砕、粉砕（例えば、ボールミルまたは他の粉砕装置で）、微粉砕、または別の方法で、繊維状構造を維持する小さな断片に分割することができる。本明細書で使用する場合、「繊維片」（または「繊維マット片」、または単に「断片」）という用語は、マットの少なくとも一部の繊維の幅よりも平均寸法が大きい（例えば、５倍、１０倍、または１００倍もの）繊維マットの小さな微片、部分または薄片を指す。様々な実施形態にて、繊維片の平均サイズは、約２０μｍ〜約２００μｍの範囲である。したがって、繊維片は、エレクトロスピニングしたマット自体の顕微鏡レベルのスケールバージョン（例えば、絡み合ったシリカ繊維の集合体）に類似し得て、よって一般的には多孔質であり、低密度である。したがって、繊維片は、他の種類のマイクロスケール粒子（例えば、コロイド状シリカで使用される、繊維の小さな集合体というよりも、それぞれが単体で、個別のユニットまたは粒状体である、実質的に球状の粒子）とは対照的である。繊維片の様々な部分（例えば、端）は、エレクトロスピニングされたマットから断片を形成するために利用した破砕工程から生じる、鋭利な及び／または裂けた端を有することができる。本明細書で使用する場合、「シリカ繊維粉末」「シリカ粉末」「シリカダスト」及び「繊維ダスト」という用語は、エレクトロスピニングした繊維マット及び／繊維の断片化を介して生成された粒子の集合体を含み、そのような断片化から生じる繊維片及び／または他の粉末粒子を含むことができる。
【００２１】
本発明の実施形態は、２０１８年３月２３日出願の米国特許出願第１５／９３４，５９９号（米国特許第１０，１１１，７８３号として発行）、２０１８年９月１４日出願の米国特許出願第１６／１３１，５３１号、２０１９年３月１４日出願の米国特許出願第１６／３５３，１８１号、及び２０１９年３月２８日出願の米国特許出願第１６／３６７，３１３号に詳述されている、シリカ繊維、その断片及び／またはこのような繊維または断片を組み込んだ混合物、及び／またはこのような繊維または断片を作製する方法を利用でき、そのそれぞれの開示全体は、本明細書に参照により組み込まれる。
【００２２】
一態様で、本発明の実施形態は、アノード領域、カソード領域、及びアノード領域とカソード領域との間に配置されたセパレータを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、電荷蓄積装置を特徴とする。アノード領域は、第１のシリカ繊維粉末及び炭素添加剤を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる。カソード領域は、第２のシリカ繊維粉末及びリチウム添加剤を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる。セパレータは電解質材料を含有する。
【００２３】
本発明の実施形態は、以下の種々の組み合わせのいずれかの１つ以上を含んでよい。炭素添加剤は、グラフェン、非晶質カーボン、及び／またはグラファイトを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。リチウム添加剤は、リチウム金属酸化物及び／またはリチウム金属リン酸塩を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。電解質材料は、有機溶媒及びリチウム塩を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。電解質材料は、リチウム塩を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。
【００２４】
セパレータは、（ｉ）シリカ繊維の１つ以上のシート、及び（ｉｉ）ポリマー層を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。セパレータは、（ｉ）シリカ繊維の第１のシート、（ｉｉ）シリカ繊維の第２のシート、及び（ｉｉｉ）シリカ繊維の第１のシートと第２のシートとの間に配置されたポリマー層を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維の１つ以上のシートは、少なくとも部分的に、ゾル−ゲルをエレクトロスピニングすることによって形成され得る。ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００２５】
ゾル−ゲルを製造することは、最初のゾルを、少なくとも２日間、約４０％〜約８０％の範囲内に制御した湿度及び５０ｏＦ〜９０ｏＦの範囲内に制御した温度の条件下で転移させることを含み得る。最初のゾルは、少なくとも３日間、少なくとも４日間、少なくとも５日間、少なくとも６日間、または少なくとも７日間で転移させることができる。最初のゾルは、２日〜１０日間、いくつかの実施形態では２日〜７日間で転移させることができる。ゾル−ゲルは、その重量が熟成（転移）前の最初のゾルまたはゾル−ゲルの開始重量の２０％〜４０％であるとき、エレクトロスピニングすることができる。エチレン蒸気の産生が、熟成前の最初のゾルまたはゾル−ゲルの、熟成（転移）中のエチレン蒸気のピーク産生に対し１０％〜２０％のとき、ゾル−ゲルはエレクトロスピニングすることができる。ゾル−ゲルからのエチレン蒸気の産生が、熟成（転移）前の最初のゾルまたはゾル−ゲルに対して１０％〜４０％のとき、ゾル−ゲルはエレクトロスピニングすることができる。
【００２６】
第１のシリカ繊維粉末は、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、工程によって形成され得る。シリカ繊維粉末は、約２０μｍ〜約２００μｍの範囲の平均サイズ（例えば、平均直径、長さ、幅、または他の寸法）を有し得る、粒子及び／または繊維片を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維粉末は、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約５０ｎｍ〜約５μｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末は、ＳｉＯ２から本質的になる、またはそれからなることができる。
【００２７】
ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００２８】
第１のシリカ繊維粉末を形成する工程は、そのエレクトロスピニングの前にゾル−ゲル内に炭素添加剤を組み込むことを含み得て、それにより、シリカ繊維マットは、その中に組み込まれた炭素添加剤を含む。第１のシリカ繊維粉末を形成する工程は、そのエレクトロスピニング中にシリカ繊維上に炭素添加剤を組み込むことを含み得る。第１のシリカ繊維粉末を形成する工程は、その断片化の前にシリカ繊維マット上に炭素添加剤を組み込むことを含み得る。第１のシリカ繊維粉末を形成する工程は、シリカ繊維マットの断片化の後、炭素添加剤をシリカ繊維粉末上に組み込むことを含み得る。
【００２９】
第２のシリカ繊維粉末は、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、工程によって形成され得る。シリカ繊維粉末は、約２０μｍ〜約２００μｍの範囲の平均サイズ（例えば、平均直径、長さ、幅、または他の寸法）を有し得る、粒子及び／または繊維片を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維粉末は、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約５０ｎｍ〜約５μｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末は、ＳｉＯ２から本質的になる、またはそれからなることができる。
【００３０】
ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００３１】
第２のシリカ繊維粉末を形成する工程は、そのエレクトロスピニングの前にリチウム添加剤をゾルゲル内に組み込むことを含み得て、それにより、シリカ繊維マットは、その中に組み込まれたリチウム添加剤を含む。第２のシリカ繊維粉末を形成する工程は、そのエレクトロスピニング中にリチウム添加剤をシリカ繊維上に組み込むことを含み得る。第２のシリカ繊維粉末を形成する工程は、その断片化の前に、リチウム添加剤をシリカ繊維のマット上に組み込むことを含み得る。第２のシリカ繊維粉末を形成する工程は、シリカ繊維マットの断片化の後、リチウム添加剤をシリカ繊維粉末上に組み込むことを含み得る。
【００３２】
別の態様にて、本発明の実施形態は、電荷蓄積装置を製造する方法を特徴とする。アノード領域が形成される。カソード領域が形成される。アノード領域とカソード領域の間にセパレータが配置される。アノード領域は、第１のシリカ繊維粉末及び炭素添加剤を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる。カソード領域は、第２のシリカ繊維粉末及びリチウム添加剤を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる。セパレータは電解質材料を含有する。
【００３３】
本発明の実施形態は、以下の種々の組み合わせのいずれかの１つ以上を含んでよい。炭素添加剤は、グラフェン、非晶質カーボン、及び／またはグラファイトを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。リチウム添加剤は、リチウム金属酸化物及び／またはリチウム金属リン酸塩を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。電解質材料は、有機溶媒及びリチウム塩を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。電解質材料は、リチウム塩を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。
【００３４】
セパレータは、（ｉ）シリカ繊維の１つ以上のシート、及び（ｉｉ）ポリマー層を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。セパレータは、（ｉ）シリカ繊維の第１のシート、（ｉｉ）シリカ繊維の第２のシート、及び（ｉｉｉ）シリカ繊維の第１のシートと第２のシートとの間に配置されたポリマー層を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維の１つ以上のシートは、少なくとも部分的に、ゾル−ゲルをエレクトロスピニングすることによって形成され得る。ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００３５】
ゾル−ゲルを製造することは、最初のゾルを、少なくとも２日間、約４０％〜約８０％の範囲内の湿度及び５０ｏＦ〜９０ｏＦの範囲内の温度の条件下で転移させることを含み得る。最初のゾルは、少なくとも３日間、少なくとも４日間、少なくとも５日間、少なくとも６日間、または少なくとも７日間で転移させることができる。最初のゾルは、２日〜１０日間、いくつかの実施形態では２日〜７日間で転移させることができる。ゾル−ゲルは、その重量が熟成（転移）前の最初のゾルまたはゾル−ゲルの開始重量の２０％〜４０％であるとき、エレクトロスピニングすることができる。エチレン蒸気の産生が、熟成前の最初のゾルまたはゾル−ゲルの、熟成（転移）中のエチレン蒸気のピーク産生に対し１０％〜２０％のとき、ゾル−ゲルはエレクトロスピニングすることができる。ゾル−ゲルからのエチレン蒸気の産生が、熟成（転移）前の最初のゾルまたはゾル−ゲルに対して１０％〜４０％のとき、ゾル−ゲルはエレクトロスピニングすることができる。
【００３６】
アノード領域を形成することは、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維粉末は、約２０μｍ〜約２００μｍの範囲の平均サイズ（例えば、平均直径、長さ、幅、または他の寸法）を有し得る、粒子及び／または繊維片を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維粉末は、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約５０ｎｍ〜約５μｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末は、ＳｉＯ２から本質的になる、またはそれからなることができる。
【００３７】
ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００３８】
アノード領域を形成することは、そのエレクトロスピニングの前にゾル−ゲル内に炭素添加剤を組み込むことを含み得て、それにより、シリカ繊維マットは、その中に組み込まれた炭素添加剤を含む。アノード領域を形成することは、そのエレクトロスピニング中にシリカ繊維上に炭素添加剤を組み込むことを含み得る。アノード領域を形成することは、その断片化の前に、シリカ繊維のマット上に炭素添加剤を組み込むことを含み得る。アノード領域を形成することは、シリカ繊維マットの断片化の後に、炭素添加剤をシリカ繊維粉末上に組み込むことを含み得る。
【００３９】
カソード領域を形成することは、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維粉末は、約２０μｍ〜約２００μｍの範囲の平均サイズ（例えば、平均直径、長さ、幅、または他の寸法）を有し得る、粒子及び／または繊維片を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維粉末は、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約５０ｎｍ〜約５μｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末は、ＳｉＯ２から本質的になる、またはそれからなることができる。
【００４０】
ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００４１】
カソード領域を形成することは、そのエレクトロスピニングの前にゾル−ゲル内にリチウム添加剤を組み込むことを含み得て、それにより、シリカ繊維マットは、その中に組み込まれたリチウム添加剤を含む。カソード領域を形成することは、そのエレクトロスピニング中にシリカ繊維上にリチウム添加剤を組み込むことを含み得る。カソード領域を形成することは、その断片化の前に、シリカ繊維のマット上にリチウム添加剤を組み込むことを含み得る。カソード領域を形成することは、シリカ繊維マットの断片化の後に、リチウム添加剤をシリカ繊維粉末上に組み込むことを含み得る。
【００４２】
更に別の態様で、本発明の実施形態は、アノード領域、カソード領域、及びアノード領域とカソード領域との間に配置されたセパレータを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる電荷蓄積装置を特徴とする。アノード領域は、炭素を含む、それから本質的になる、またはそれからなる。カソード領域は、リチウムを含む、それから本質的になる、またはそれからなる。セパレータは電解質材料を含有する。セパレータは、（ｉ）シリカ繊維の１つ以上のシート、及び（ｉｉ）ポリマー層を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる。
【００４３】
本発明の実施形態は、以下の種々の組み合わせのいずれかの１つ以上を含んでよい。炭素添加剤は、グラフェン、非晶質カーボン、及び／またはグラファイトを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。リチウム添加剤は、リチウム金属酸化物及び／またはリチウム金属リン酸塩を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。電解質材料は、有機溶媒及びリチウム塩を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。電解質材料は、リチウム塩を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。セパレータは、（ｉ）シリカ繊維の第１のシート、（ｉｉ）シリカ繊維の第２のシート、及び（ｉｉｉ）シリカ繊維の第１のシートと第２のシートとの間に配置されたポリマー層を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。
【００４４】
シリカ繊維の１つ以上のシートは、少なくとも部分的に、ゾル−ゲルをエレクトロスピニングすることによって形成され得る。ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００４５】
ゾル−ゲルを製造することは、最初のゾルを、少なくとも２日間、約４０％〜約８０％の範囲内の湿度及び５０ｏＦ〜９０ｏＦの範囲内の温度の条件下で転移させることを含み得る。最初のゾルは、少なくとも３日間、少なくとも４日間、少なくとも５日間、少なくとも６日間、または少なくとも７日間で転移させることができる。最初のゾルは、２日〜１０日間、いくつかの実施形態では２日〜７日間で転移させることができる。ゾル−ゲルは、その重量が熟成（転移）前の最初のゾルまたはゾル−ゲルの開始重量の２０％〜４０％であるとき、エレクトロスピニングすることができる。エチレン蒸気の産生が、熟成前の最初のゾルまたはゾル−ゲルの、熟成（転移）中のエチレン蒸気のピーク産生に対し１０％〜２０％のとき、ゾル−ゲルはエレクトロスピニングすることができる。ゾル−ゲルからのエチレン蒸気の産生が、熟成（転移）前の最初のゾルまたはゾル−ゲルに対して１０％〜４０％のとき、ゾル−ゲルはエレクトロスピニングすることができる。
【００４６】
アノード材料は、第１のシリカ繊維粉末及び炭素添加剤を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。第１のシリカ繊維粉末は、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、工程によって形成され得る。シリカ繊維粉末は、約２０μｍ〜約２００μｍの範囲の平均サイズ（例えば、平均直径、長さ、幅、または他の寸法）を有し得る、粒子及び／または繊維片を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維粉末は、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約５０ｎｍ〜約５μｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末は、ＳｉＯ２から本質的になる、またはそれからなることができる。
【００４７】
ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００４８】
第１のシリカ繊維粉末を形成する工程は、そのエレクトロスピニングの前にゾル−ゲル内に炭素添加剤を組み込むことを含み得て、それにより、シリカ繊維マットは、その中に組み込まれた炭素添加剤を含む。第１のシリカ繊維粉末を形成する工程は、そのエレクトロスピニング中にシリカ繊維上に炭素添加剤を組み込むことを含み得る。第１のシリカ繊維粉末を形成する工程は、その断片化の前にシリカ繊維マット上に炭素添加剤を組み込むことを含み得る。第１のシリカ繊維粉末を形成する工程は、シリカ繊維マットの断片化の後、炭素添加剤をシリカ繊維粉末上に組み込むことを含み得る。
【００４９】
カソード材料は、第２のシリカ繊維粉末及びリチウム添加剤を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。第２のシリカ繊維粉末は、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、工程によって形成され得る。シリカ繊維粉末は、約２０μｍ〜約２００μｍの範囲の平均サイズ（例えば、平均直径、長さ、幅、または他の寸法）を有し得る、粒子及び／または繊維片を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維粉末は、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約５０ｎｍ〜約５μｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末は、ＳｉＯ２から本質的になる、またはそれからなることができる。
【００５０】
ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００５１】
第２のシリカ繊維粉末を形成する工程は、そのエレクトロスピニングの前にリチウム添加剤をゾルゲル内に組み込むことを含み得て、それにより、シリカ繊維マットは、その中に組み込まれたリチウム添加剤を含む。第２のシリカ繊維粉末を形成する工程は、そのエレクトロスピニング中にリチウム添加剤をシリカ繊維上に組み込むことを含み得る。第２のシリカ繊維粉末を形成する工程は、その断片化の前に、リチウム添加剤をシリカ繊維のマット上に組み込むことを含み得る。第２のシリカ繊維粉末を形成する工程は、シリカ繊維マットの断片化の後、リチウム添加剤をシリカ繊維粉末上に組み込むことを含み得る。
【００５２】
別の態様にて、本発明の実施形態は、電荷蓄積装置を製造する方法を特徴とする。アノード領域が形成される。カソード領域が形成される。アノード領域とカソード領域の間にセパレータが配置される。アノード領域は、アノード材料を含む、それから本質的になる、またはそれからなる。アノード材料は、炭素を含む、それから本質的になる、またはそれからなる。カソード領域は、カソード材料を含む、それから本質的になる、またはそれからなる。カソード材料は、リチウムを含む、それから本質的になる、またはそれからなる。セパレータは電解質材料を含有する。セパレータは、（ｉ）シリカ繊維の１つ以上のシート、及び（ｉｉ）ポリマー層を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる。
【００５３】
本発明の実施形態は、以下の種々の組み合わせのいずれかの１つ以上を含んでよい。アノード材料は、グラフェン、非晶質カーボン、及び／またはグラファイトを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。カソード材料は、リチウム金属酸化物及び／またはリチウム金属リン酸塩を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。電解質材料は、有機溶媒及びリチウム塩を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。電解質材料は、リチウム塩を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。セパレータは、（ｉ）シリカ繊維の第１のシート、（ｉｉ）シリカ繊維の第２のシート、及び（ｉｉｉ）シリカ繊維の第１のシートと第２のシートとの間に配置されたポリマー層を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。
【００５４】
シリカ繊維の１つ以上のシートは、少なくとも部分的に、ゾル−ゲルをエレクトロスピニングすることによって形成され得る。ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００５５】
ゾル−ゲルを製造することは、最初のゾルを、少なくとも２日間、約４０％〜約８０％の範囲内の湿度及び５０ｏＦ〜９０ｏＦの範囲内の温度の条件下で転移させることを含み得る。最初のゾルは、少なくとも３日間、少なくとも４日間、少なくとも５日間、少なくとも６日間、または少なくとも７日間で転移させることができる。最初のゾルは、２日〜１０日間、いくつかの実施形態では２日〜７日間で転移させることができる。ゾル−ゲルは、その重量が熟成（転移）前の最初のゾルまたはゾル−ゲルの開始重量の２０％〜４０％であるとき、エレクトロスピニングすることができる。エチレン蒸気の産生が、熟成前の最初のゾルまたはゾル−ゲルの、熟成（転移）中のエチレン蒸気のピーク産生に対し１０％〜２０％のとき、ゾル−ゲルはエレクトロスピニングすることができる。ゾル−ゲルからのエチレン蒸気の産生が、熟成（転移）前の最初のゾルまたはゾル−ゲルに対して１０％〜４０％のとき、ゾル−ゲルはエレクトロスピニングすることができる。
【００５６】
アノード材料は、第１のシリカ繊維粉末及び炭素添加剤を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。第１のシリカ繊維粉末は、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、工程によって形成され得る。シリカ繊維粉末は、約２０μｍ〜約２００μｍの範囲の平均サイズ（例えば、平均直径、長さ、幅、または他の寸法）を有し得る、粒子及び／または繊維片を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維粉末は、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約５０ｎｍ〜約５μｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末は、ＳｉＯ２から本質的になる、またはそれからなることができる。
【００５７】
ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００５８】
アノード領域を形成することは、そのエレクトロスピニングの前にゾル−ゲル内に炭素添加剤を組み込むことを含み得て、それにより、シリカ繊維マットは、その中に組み込まれた炭素添加剤を含む。アノード領域を形成することは、そのエレクトロスピニング中にシリカ繊維上に炭素添加剤を組み込むことを含み得る。アノード領域を形成することは、その断片化の前に、シリカ繊維のマット上に炭素添加剤を組み込むことを含み得る。アノード領域を形成することは、シリカ繊維マットの断片化の後に、炭素添加剤をシリカ繊維粉末上に組み込むことを含み得る。
【００５９】
カソード材料は、第２のシリカ繊維粉末及びリチウム添加剤を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。第２のシリカ繊維粉末は、（ｉ）ゾル−ゲルをエレクトロスピニングしてシリカ繊維のマットを形成すること、及び（ｉｉ）マットを断片化してシリカ繊維粉末を形成することを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、工程によって形成され得る。シリカ繊維粉末は、約２０μｍ〜約２００μｍの範囲の平均サイズ（例えば、平均直径、長さ、幅、または他の寸法）を有し得る、粒子及び／または繊維片を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。シリカ繊維粉末は、それぞれが複数のシリカ繊維またはその一部からなる、複数の繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約５０ｎｍ〜約５μｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末内の繊維またはその一部は、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍの可変直径を有することができる。シリカ繊維粉末は、ＳｉＯ２から本質的になる、またはそれからなることができる。
【００６０】
ゾル−ゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を用いて調製することができる。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングする前に、ゾル−ゲルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水と、を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる、最初のゾルから製造され得る。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、残余分の水と、を含有することができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、酸触媒と、水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７０重量％〜９０重量％のＴＥＯＳと、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。最初のゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水とを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。酸触媒は、ＨＣｌを含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。最初のゾルは、約０．１重量％未満の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、約０．０２重量％〜０．０８重量％の酸触媒を含有することができる。最初のゾルは、最初のゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維のうちの１つ以上の特性を変える、１つ以上の試薬を含有することができる。
【００６１】
カソード領域を形成することは、そのエレクトロスピニングの前にゾル−ゲル内にリチウム添加剤を組み込むことを含み得て、それにより、シリカ繊維マットは、その中に組み込まれたリチウム添加剤を含む。カソード領域を形成することは、そのエレクトロスピニング中にシリカ繊維上にリチウム添加剤を組み込むことを含み得る。カソード領域を形成することは、その断片化の前に、シリカ繊維のマット上にリチウム添加剤を組み込むことを含み得る。カソード領域を形成することは、シリカ繊維マットの断片化の後に、リチウム添加剤をシリカ繊維粉末上に組み込むことを含み得る。
【００６２】
これら及び他の目的は、本明細書で開示される本発明の利点及び特徴と共に、以下の詳細な説明、添付図面、及び特許請求の範囲を参照することにより、より明らかになるであろう。更に、本明細書で説明される様々な実施形態の特徴は相互に排他的ではなく、様々な組み合わせ及び並べ替えで存在し得ることを理解されたい。本明細書で使用する場合、「およそ」「約」及び「実質的に」という用語は±１０％を意味し、いくつかの実施形態では±５％を意味する。「から本質的になる」という用語は、本明細書で別段の定義がない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それでもなお、このような他の材料は、集合的にまたは個別に微量で存在してもよい。特に明記しない限り、本明細書に記載の電荷蓄積装置（例えば、電池、材料、混合物、領域、及び他の構造）は、意図しない不純物を組み込んでもよい。
【００６３】
図面で、同じ参照符号は一般的に、異なる図を通して同じ部分を指す。また、図面は必ずしも尺度どおりではなく、それどころか、一般に本発明の原理を説明する際に強調される。以下の説明で、以下の図面を参照して本発明の種々の実施形態について記載する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１Ａ】本発明の実施形態による、電池の概略断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による、コイン電池フォームファクタを有する、電池の概略断面図である。
【図２】Ａ〜Ｄは、本発明の実施形態に従ってスピニングした繊維の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。Ａ〜Ｄの画像は、それぞれ５０、１００、２００及び５００マイクロメートルスケールである。
【図３】図２のＡ〜Ｄに示される図よりも短い熟成時間の後に、本発明の実施形態に従ってスピニングした繊維のＳＥＭ画像を示す（２０マイクロメートルスケールで示される）。
【図４】本発明の実施形態に従って、約１／４インチの厚さでスピニングした繊維マットを示す。
【図５】Ａ及びＢは、本発明の実施形態による、長い転移時間の後にエレクトロスピニングした繊維マット（Ａ）と、本発明の他の実施形態による、短い転移時間後にエレクトロスピニングした繊維マット（Ｂ）を比較している。
【図６】Ａ及びＢは、本発明の実施形態による繊維ダストのＳＥＭ画像を示し、１００μｍのスケールが示されている。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
本発明の様々な実施形態によれば、シリカ繊維及び／またはそれから形成された粉末は、電池または他の電荷蓄積装置（例えば、スーパーキャパシタ）の様々な構成要素のための構造マトリックス（または、その少なくとも一部）として利用される。電池の様々な構成要素は、電池の電気化学的電荷蓄積及び導電性を可能にするために、シリカ繊維に混合、適用、及び／または組み込まれる、他の材料を含む。シリカ繊維自体は、エレクトロスピニングされて繊維マットを形成する、ゼラチン状材料から製造され得る。マット自体（または、その一部）は、追加の処理（例えば、プレス及び／または添加剤の混合）を伴い、または伴わずに、電池内で利用することができる。様々な実施形態で、マットは、粉末またはダストに断片化され、これは、繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。繊維エレクトロスピニング工程の前、その最中、またはその後に導入された１つ以上の添加剤材料を既に組み込んでいる可能性がある、粉末は、電池の１つ以上の領域で利用することができる。様々な実施形態で、粉末は、１つ以上の電池領域で使用するために、１つ以上の添加剤と混合される。他の実施形態では、粉末は、１つ以上の添加剤の混合を伴い、または伴わずに、平面シートにプレスされ、電池内で利用される。
【００６６】
いくつかの実施形態にて、シリカ繊維及び／または繊維マットは、ゼラチン状材料からエレクトロスピニングされる。例えば、シリカ繊維及び／または繊維マットは、ケイ素アルコキシド試薬（例えば、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ））と、アルコール溶媒と、酸触媒とを用いて調製され得る、ゾル−ゲルをエレクトロスピニングすることによって調製することができる。
【００６７】
いくつかの実施形態にて、シリカ繊維組成物を調製するためのゾル−ゲルは、アルコール溶媒と、ケイ素アルコキシド試薬（例えば、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ））と、を含む、第１の混合物を調製することと、アルコール溶媒と、水と、酸触媒と、を含有する、第２の混合物を調製することと、第２の混合物を十分に滴定して第１の混合物中に加えることと、組み合わせた混合物を処理（熟成）してエレクトロスピニング用のゲルを形成することと、を含む、方法によって調製される。いくつかの実施形態にて、ケイ素アルコキシド試薬はＴＥＯＳである。代替的なケイ素アルコキシド試薬としては、式Ｓｉ（ＯＲ）４（式中、Ｒは１〜６、好ましくは１、２または３である）を有する試薬が挙げられる。
【００６８】
いくつかの実施形態にて、ゾルは、約７０重量％〜約９０重量％のケイ素アルコキシド（例えば、ＴＥＯＳ）と、約５重量％〜約２５重量％のアルコール溶媒（例えば、無水エタノール）と、酸触媒（例えば、ＨＣｌを使用する場合は約０．１重量％未満）と、水と、を含む、それから本質的になる、またはそれからなる。本明細書に記載の任意のゾルまたはゾル−ゲルは、残余分の水を含み得る（すなわち、水は、別段に特定されていない任意のゾルまたはゾル−ゲルの量を構成し得る）。本明細書に記載の任意のゾルまたはゾル−ゲルは、ゾル、ゾル−ゲル及び／またはシリカ繊維（及び／またはそれから調製される粉末）のうちの１つ以上の特性を変化させ得る、または変化させる、１つ以上の試薬または添加剤を所望により含有することができる。このような試薬は、例えば、ポリマー及びポリマー溶液、不活性試薬、アルコール、有機物及び／または水性溶媒、有機塩、無機塩、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、炭素（例、グラフェン、グラファイト、非晶質カーボン、フラーレンなど）などを含み得るが、これらに限定されない。
【００６９】
いくつかの実施形態にて、ゾルは、７０重量％〜約９０重量％のオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）と、８重量％〜２５重量％のエタノールと、１重量％〜１０重量％の水と、酸触媒と、を含有する。いくつかの実施形態にて、ゾルは、７５重量％〜８５重量％のＴＥＯＳと、１２重量％〜２０重量％のエタノールと、約２重量％〜５重量％の水と、を含有する。代表的なゾルは、約８０重量％のＴＥＯＳと、１７重量％のエタノールと、約３重量％の水と、を含有する。いくつかの実施形態にて、酸触媒はＨＣｌである。例えば、ゾルは、約０．１重量％未満のＨＣｌを含有することができる。例えば、ゾルは０．０２重量％〜０．０８重量％のＨＣｌを含有することができる。様々な実施形態にて、ゾルは、繊維組成物が実質的に純粋なＳｉＯ２となるように、有機ポリマーまたは他の実質的な試薬を含有しない。様々な実施形態にて、ゾルは、無機塩（例えば、塩化ナトリウム、塩化リチウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、及び／または塩化バリウム）を含まず、また、様々な実施形態にて、無機塩は、ゾルの他の構成要素ともゾル自体の中にも混合されない。様々な実施形態にて、繊維組成物は、金属も金属酸化物（例えば、ＴｉＯ２またはＺｒＯ２）も含まない。様々な実施形態にて、繊維組成物は、ＳｉＯ２から本質的になる。すなわち、繊維組成物は、ＳｉＯ２と、意図されない不純物と、いくつかの実施形態では、ゾルからＳｉＯ２への不完全な変換から生じる種及び／または複合体（例えば、水及び／または化学基（例えば、エトキシ基、シラノール基、ヒドロキシル基など））と、のみを含有する。様々な実施形態で、添加剤は、エレクトロスピニング処理の後にシリカ繊維及び／またはそこから調製された粉末上に組み込まれることができる。
【００７０】
いくつかの実施形態で、アルコール溶媒は、無水変性エタノールであり、またはいくつかの実施形態で、メタノール、プロパノール、ブタノール、もしくは他の任意の好適なアルコール溶媒である。第１の混合物は、例えば、電磁撹拌器、振動プラットフォームもしくはテーブル、または他の撹拌手段を用いて、撹拌することができる。第２の混合物は、アルコール溶媒と、水と、酸触媒とを含有する。アルコール溶媒は、無水変性エタノールであり得る、またはメタノール、プロパノール、ブタノール、もしくは他の任意の好適に提供されるアルコール溶媒であり得る。水は、蒸留水または脱イオン水であり得る。反応を補助するために、十分な酸触媒を混合物に添加する。この酸は塩酸でもよく、または硫酸もしくは他の好適な酸触媒でもよい。第２の混合物は、例えば、電磁撹拌器、振動プラットフォームもしくはテーブル、または他の撹拌手段で、撹拌することができる。いくつかの実施形態にて、第１の混合物（または、ゾル）及び第２の混合物（または、ゾル）は、直接の加熱（すなわち、外部手段（例えば、ホットプレートまたは他の熱源）を介して適用される熱）を使用せずに作製される。
【００７１】
様々な実施形態によれば、第１の混合物及び第２の混合物は、好ましくは撹拌しながら、第２の混合物を滴下または滴定して第１の混合物の中に加えることによって混ぜ合わされる。次いで、混ぜ合わせた混合物は、制御された環境で、アルコール溶媒のかなりの部分が蒸発するまでゾルを熟成させることによって更に処理して、エレクトロスピニングに好適なゾル−ゲルを作製する。例えば、制御された環境は、少なくとも１つの脱気孔と、所望により混合物からガスを引き出すファンとを備えた容器を含み、湿度、温度、及び所望により気圧に関する制御された条件を含み得る。例えば、湿度は、約３０％〜約９０％（例えば、約４０％〜約８０％）、またはいくつかの実施形態で、約５０％〜約８０％、または約５０％〜約７０％（例えば、約５５％、または約６０％、または約６５％）の範囲内に（例えば、従来の加湿器及び／または除湿器の使用を介して）制御されることができる。いくらかの湿度は、溶媒の蒸発を遅らせ、それによって首尾よくエレクトロスピニングするための時機を長くするのに役立つことができる。いくつかの実施形態にて、温度は、約５０ｏＦ〜約９０ｏＦの範囲（例えば、約６０ｏＦ〜約８０ｏＦ、または約６５ｏＦ〜約７５ｏＦ）である。様々な実施形態にて、転移が加速されないように、ゾルは、１５０ｏＦ超または１００ｏＦ超の熱に曝露されない。いくつかの実施形態で、気圧が、所望により制御される（例えば、低圧真空源（例えば、ポンプまたはファン）を使用して）。熟成中の環境条件を制御することにより、ゲルをエレクトロスピニングすることができる期間が延長される。この期間は、直接の加熱などによって熟成工程が過度に加速した場合は、わずか数分という狭い時機内であり得る。約５５％の一定の湿度、及び約７２ｏＦの温度でゾルを熟成させるとき、ゾルは、数日間で熟成（ゼラチン化）し、首尾よくエレクトロスピニングするための時機は、少なくとも数時間に、いくつかの実施形態では数日間まで拡大し得る。様々な実施形態にて、熟成工程には少なくとも２日間を要し、またはいくつかの実施形態では少なくとも３日間を要する。ただし、様々な実施形態で、熟成に１０日間超を要することはなく、または７日間超を要することはない。いくつかの実施形態で、熟成工程には、２〜１０日間、または２〜７日間、または２〜５日間、または２〜４日間（例えば、約２日間、約３日間、または約４日間）を要する。様々な実施形態にて、ゾル−ゲルは、より固化した非流動性の塊に転移する前に、スピニング可能である。
【００７２】
ゾル−ゲルを熟成させるための容器空間は、容器の中からガスを排出するために、少なくとも１つの表面上に排気孔を含むことができ、所望により排気孔は、熟成工程の間に生成されたガスを排出するためのファンを含むことができる。容器空間は、好ましい温度を維持するために、所望により、容器空間内で公称量の熱を提供するための加熱源（例えば、１つ以上の加熱要素（例えば、抵抗加熱要素））を含むことができる。いくつかの実施形態で、湿度源（例えば、水または他の水性、水系液体の開いた容器）が容器環境の中に用意されて、湿度を所望の範囲または値に合わせる。容器は更に、１つ以上の環境モニター（例えば、温度読み取り装置（例えば、温度計、熱電対、または他の温度センサー）及び／または湿度読み取り装置（例えば、湿度計または他の湿度センサー））を含むことができる。
【００７３】
いくつかの実施形態にて、ゾル−ゲルは、制御された環境条件で、少なくとも２日間、または少なくとも３６時間、または少なくとも３日間、または少なくとも４日間、または少なくとも５日間（ただし、様々な実施形態で、制御された環境条件下で１０日間以下、または７日間以下）の熟成工程の後にエレクトロスピニングされる。熟成工程を遅くすることにより、繊維をスピニングするための理想的な時間を特定することができる。ゾル−ゲルの重量を、ゾル−ゲルがエレクトロスピニングするのに理想的な時間にまたはその付近にあるときの指標として使用することができる。理論に束縛されるものではないが、ゾル−ゲルの粘度は、エレクトロスピニングに理想的な時間を特定するための決定因子としては不十分と考えられている。例えば、様々な実施形態にて、ゾル−ゲルは、（転移中のアルコール溶媒の喪失に基づいて）ゾルの元の重量の約１０％〜約６０％である。いくつかの実施形態にて、ゾル−ゲルは、ゾルの元の重量の１５〜５０％、またはゾルの元の重量の約２０〜約４０％の範囲である。
【００７４】
いくつかの実施形態にて、ゾル−ゲルは、少なくとも２日間、または少なくとも３６時間、または少なくとも３日間、または少なくとも４日間、または少なくとも５日間熟成され、組成物によって生成されたエチレン蒸気が、出発ゾルによって生成された蒸気の約１０％と約４０％の間（例えば、約１０％〜約２５％の範囲、または約１０％〜約２０％の範囲）であるときに、エレクトロスピニングされる。エチレンは、かすかに甘いジャコウの匂いを有する、無色の可燃性気体である（溶媒蒸発が減速する際、明らかにわかる）。エチレンは、エタノールと酸の反応によって生成される。エチレンは、所望により、従来のエチレンモニターを用いて、蒸気中で監視され得る。他の実施形態にて、ゾル熟成工程中のゾルによって生成された気体が、エレクトロスピニングに好適または最適な時間を決定するために監視される。気体のプロファイルは、ガスクロマトグラフィーを用いて監視できる。
【００７５】
様々な実施形態で、添加剤（例えば、炭素添加剤及び／またはリチウム添加剤）が、エレクトロスピニングの前にゾル−ゲル内に導入され得て、したがって、そのような添加剤は、スピニングした繊維内に及び／またはその繊維上に組み込まれ得る。様々な実施形態で、添加剤は、エレクトロスピニングの直前（例えば、０．５時間未満、１時間未満、２時間前、または５時間前）にゾル−ゲル内に導入され、その結果、ゾル−ゲルは、添加剤の導入前に首尾よく熟成し、エレクトロスピニングを順調に促進する。様々な実施形態で、添加剤は、ゾル−ゲルが少なくとも０．５日間、少なくとも１日間、少なくとも２日間、または少なくとも３日間熟成された後、ゾル−ゲル内に導入され得る。
【００７６】
様々な実施形態で、ゾル−ゲルは、エレクトロスピニングを介するスピニング可能のままである限り、より短い期間熟成され得る。得られるシリカ繊維マットまたは繊維の集合体は、場合によっては、より短い期間熟成した後、脆くなる可能性があるが、そのような脆さは、繊維の断片化及びそこからの粉末の産生を妨げない場合がある。様々な実施形態で、電池の１つ以上の領域で利用されるシリカ繊維粉末は、マットもしくはシート形態で電池内で利用されるシリカ繊維またはマットよりも短い時間での熟成後に、エレクトロスピニングされたシリカ繊維または繊維マットから製造され得る。例えば、電池の１つ以上の領域で利用されるシリカ繊維粉末は、２日間未満もしくは１日間未満の熟成後にエレクトロスピニングされたシリカ繊維または繊維マットから製造され得る。
【００７７】
ゾル−ゲル混合物を処理するには、混合物の上部表面に二酸化ケイ素の結晶性物質が発生するため、様々な間隔でもしくは連続的に混合物をかき混ぜる、また他の撹拌を行う必要があり得る。この上部表面での結晶性物質の発生は処理時間を遅くし、この結晶性物質は、容器空間内に提供される気体真空に対する混合物の曝露を封じると考えられている。いくつかの実施形態にて、任意の固体の結晶性物質が、混合物から除去される。
【００７８】
ゾル−ゲル工程が完了すると、ゾル−ゲルは、次に任意の既知の技法を用いてエレクトロスピニングされる。ゾルまたはゾル−ゲルは、必要に応じて保存（例えば、凍結または冷蔵）することができる（このような時間は、一般的に熟成時間に該当しない）。ゾル−ゲルをエレクトロスピニングするための代表的な工程は、Ｃｈｏｉ，Ｓｕｎｇ−Ｓｅｅｎ，ｅｔ  ａｌ．，Ｓｉｌｉｃａ  ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ  ｆｒｏｍ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ／ｓｏｌ−ｇｅｌ  ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ２２，２００３，８９１−８９３で説明されており、前記文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。エレクトロスピニングの代表的な工程は、更に米国特許第８，０８８，９６５号で開示されており、それはその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００７９】
代表的なエレクトロスピニング技法では、ゾル−ゲルを、１つ以上の紡糸口金と流体連通した、１つ以上のシリンジポンプの中に入れる。紡糸口金は、高電圧（例えば、５ｋＶ〜５０ｋＶ）源に接続しており、接地したコレクタードラムの外側にあってコレクタードラムの方向に向いている。ドラムは、スピニングの間、一般的には紡糸口金からドラムに延在する、スピニング方向にほぼ垂直な回転軸に沿って回転する。ゾル−ゲルがシリンジポンプ（または他の保持タンク）から紡糸口金に供給されると、紡糸口金とドラムとの間の高電圧によって帯電した液体ジェットが形成され、これが小さな絡み合った繊維としてドラム上に堆積する。ドラムが回転してエレクトロスピニングが継続するのに伴い、ドラムの周囲にシリカ繊維の繊維マットが形成される。様々な実施形態にて、紡糸口金及びシリンジポンプ（複数可）は、ドラムの長さに平行に移動できる、可動プラットフォーム上に配設することができる。このようにして、紡糸口金の数を増加させずに、得られる繊維マットのドラムに沿った長さを増加させることができる。更に、ドラムの直径を大きくして、エレクトロスピニングされたマットの面積を増加させることもできる。マットの厚さは、スピニングに使用するゾル−ゲルの量に主として依存し得て、よってエレクトロスピニング時間の長さにも大きく依存し得る。例えば、マットは、約１／８インチ超の厚さ、または約１／４インチ超の厚さ、または約１／３インチ超の厚さ、または約１／２インチ超の厚さを有することができる。
【００８０】
エレクトロスピニング工程の完了後、得られたマットはドラムから剥がされる。例えば、マットは、１つ以上の小片に切断され、ドラムから剥がされてもよい。次に、マットを断片化して、粉末を形成することができる。種々の実施形態で、粉末は、それぞれが単一の固体粒子ではなく、それぞれが絡み合ったシリカ繊維の集合体である、小さな繊維片を含む、それから本質的になる、またはそれからなる。いくつかの実施形態で、エレクトロスピニングしたマットは、破砕、切断、摩砕、粉砕、または別の方法で、繊維状構造を維持する小さな断片に分割することができる。いくつかの実施形態にて、マット（または、その１つ以上の部分）を１つ以上のスクリーンまたはふるいを通してこすり出し、スクリーンのメッシュサイズが、少なくとも部分的には、エレクトロスピニングしたマットから生成されて得られる繊維片または粉末またはダストのサイズを決定する。例えば、所望のサイズを有する繊維片の粉末またはダストまたは集合体を生成するために、マットまたはマットの一部を、メッシュサイズを漸減させた一連の２つ以上のスクリーン（例えば、メッシュ番号が１００、２００、３００、または４００のスクリーン）によってこすり出すことができる。
【００８１】
様々な実施形態で、１つ以上の添加剤が、エレクトロスピニング処理中にシリカ繊維上に導入される。例えば、材料（例えば、粉末または粒子形態で）を含有するスラリーが、紡糸口金とドラムとの間の繊維上に、またはドラム自体上に形成された繊維上に、散布または噴霧され得る。様々な実施形態で、スラリーは、水などの担体及び／または炭酸プロピレンなどの有機液体を含む、溶液中の電池の所望の領域のために選択された、１つ以上の添加剤を含有する。本発明の実施形態による電池は更に、添加剤（複数可）なしで、スピニングされたシリカ繊維（または、それから生成された粉末）の１つ以上の領域またはシートを組み込むことができる。
【００８２】
様々な実施形態で、添加剤は、シリカ繊維をスピニングする前に、例えば、粒子または粉末形態で、またはスラリーまたは混合物として、ゾル−ゲル内に添加され得て、繊維はスピニングしながら、その中またはその上に添加剤を組み込む。様々な実施形態で、添加剤は、熟成時間の少なくとも一部の後にゾル−ゲル内に添加される。
【００８３】
他の実施形態で、添加剤は、繊維または繊維マットがスピニングされた後に、シリカ繊維及び／または粉末上に組み込まれる。エレクトロスピニング工程の完了後、得られたマットはドラムから剥がされる。例えば、マットは、１つ以上の小片に切断され、ドラムから剥がされてもよい。マットは、所望によりまたは必要に応じて、指定サイズに切断することができ、シリカ繊維のエレクトロスピニングしたマットを、１つ以上の添加剤でコーティングして、電池または他の電荷蓄積装置の領域を形成することができる。例えば、添加剤は、技術（例えば、添加剤を含有する溶液からの電着、原子層堆積、化学蒸着、または電池の所望の領域について選択された１つ以上の添加剤及び担体（例えば、水及び／またはポリマー結合剤）を含有する、溶液の散布または噴霧）を介して、シリカ繊維上に堆積され得る。様々な実施形態で、シリカ繊維またはマットは、シリカ繊維粉末に加工され、添加剤は、粉末上に堆積される（例えば、上記の技術のいずれかを介して）、及び／または粉末と混合される。
【００８４】
図１Ａは、本発明の実施形態による電池１００の概略図である。示されるように、電池１００は、アノード領域１１０、カソード領域１２０、及びアノード領域１１０とカソード領域１２０との間に配置されたセパレータ１３０を特徴とする。図示の実施形態で、セパレータ１３０は、ポリマー層１４０、第１のシリカ繊維シート１５０、及び第２のシリカ繊維シート１６０を含む。しかし、本発明の様々な実施形態は、第１のシリカ繊維シート１５０及び／または第２のシリカ繊維シート１６０を欠いている。図１Ｂは、コイン電池フォームファクタを有する、電池１００の概略断面図である。示すように、電池１００は、負の電池端子に対応する上部１７０と、正の電池端子に対応する下部１８０とを含む、筐体またはハウジング内に配置される。したがって、部分１７０、１８０は、導電性であり得て、アノード１１０及びカソード１２０に電気接続され得る。したがって、ハウジング部１７０、１８０は、外部負荷に電力を供給するために、及び／または外部電源からの電流の印加を介して電池１００を再充電するために、提供することができる。筐体の封止を容易にするために、封止部１９０が存在し得る。
【００８５】
様々な実施形態で、アノード領域１１０は、シリカ繊維粉末及び炭素添加剤（例えば、上に炭素添加剤を組み込んだシリカ繊維粉末）を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる。例えば、炭素添加剤は、グラフェン、非晶質カーボン、及び／またはグラファイトを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。他の実施形態で（例えば、電池の他の領域のシリカ繊維粉末及び／またはシートを特徴とする実施形態で）、アノード領域１１０は、シリカ繊維粉末を実質的に含まない。例えば、アノード領域１１０は、別の担体を伴い、または伴わずに、炭素添加剤（例えば、粉末またはプレスされた粉末／固体形態で）を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。
【００８６】
本発明の様々な実施形態で、アノード領域１１０は、所望の成分を結合剤及び／または溶媒と混合して、均質なスラリーを形成することによって調製することができる。スラリーは、平坦面（例えば、金属（例えば、銅）シートまたは箔及び／またはガラスシート）上にキャスティングされ、均一な厚さに広げられ得る。次に、スラリーを乾燥させて蒸発させ、結合剤及び／または溶媒を実質的に除去することができる。様々な実施形態で、微量（例えば、重量または体積で、０．１％未満、０．０１％未満、または０．００１％未満）の結合剤及び／または溶媒が、最終的なアノード領域１１０に存在し得る。コーティングされた金属箔は、所望のサイズ及び形状（例えば、ディスク）に切断（例えば、打ち抜き）されて、アノード領域１１０を形成し得て、これは、カソード領域１２０及びセパレータ１３０と共に組み立てられ得る。
【００８７】
様々な実施形態で、カソード領域１２０は、シリカ繊維粉末及びリチウム添加剤（例えば、上にリチウム添加剤を組み込んだシリカ繊維粉末）を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなる。例えば、リチウム添加剤は、リチウム金属酸化物（例えば、リチウムコバルト酸化物またはリチウムマンガン酸化物などのリチウム遷移金属酸化物）またはリチウム金属リン酸塩（例えば、リチウム鉄リン酸塩）を含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。本発明の実施形態による例示のリチウム添加剤には、リチウム金属酸化物（例えば、リチウムコバルト酸化物及び／またはリチウムマンガン酸化物）、及び／またはリチウム金属リン酸塩（例えば、リチウム鉄リン酸塩）が含まれる。様々な実施形態で、リチウム添加剤は、リチウム金属酸化物塩（例えば、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２（ＮＭＣ）、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２（ＮＣＡ）、ＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）、ＬｉＦｅＰＯ４（ＬＦＰ）など）を含む、それから本質的になる、またはそれからなる。他の実施形態で（例えば、電池の他の領域のシリカ繊維粉末及び／またはシートを特徴とする実施形態で）、カソード領域１２０は、シリカ繊維粉末を実質的に含まない。例えば、カソード領域１２０は、別の担体を伴い、または伴わずに、リチウム添加剤（例えば、粉末またはプレスされた粉末／固体形態で）を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。様々な実施形態で、カソード領域１２０は更に、炭素添加剤（例えば、非晶質またはグラファイトカーボン）を含み得る。
【００８８】
本発明の様々な実施形態で、カソード領域１２０は、所望の成分を結合剤及び／または溶媒と混合して、均質なスラリーを形成することによって調製することができる。スラリーは、平坦面（例えば、金属（例えば、アルミニウム）シートまたは箔及び／またはガラスシート）上にキャスティングされ、均一な厚さに広げられ得る。次に、スラリーを乾燥させて蒸発させ、結合剤及び／または溶媒を実質的に除去することができる。様々な実施形態で、微量（例えば、重量または体積で、０．１％未満、０．０１％未満、または０．００１％未満）の結合剤及び／または溶媒が、最終的なカソード領域１２０に存在し得る。コーティングされた金属箔は、所望のサイズ及び形状（例えば、ディスク）に切断（例えば、打ち抜き）されて、カソード領域１２０を形成し得て、これは、アノード領域１１０及びセパレータ１３０と共に組み立てられ得る。
【００８９】
セパレータ１３０は、（例えば、イオン電荷担体の流れを介して）電荷移動を可能にするために、通常、多孔性のポリマー層１４０を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。例えば、ポリマー層１４０の細孔は、サイズが約５ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲であり得る。ポリマー層１４０は、１つ以上のポリマー材料（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル）、及び／または１つ以上の他のポリマー材料を伴い、または伴わずに、これらのうちの１つ以上を含む、ポリマーブレンドを含む、それらから本質的になる、またはそれらからなることができる。
【００９０】
図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、様々な実施形態で、セパレータ１３０は、シリカ繊維１５０、１６０の１つ以上のシートを更に組み込むことができる。例えば、第１のシリカ繊維シート１５０は、ポリマー層１４０とアノード領域１１０との間に（及び、例えば、直接機械的に接触して）配置され得る、及び／または第２のシリカ繊維シート１６０は、ポリマー層１４０とカソード領域１２０との間に（及び、例えば、直接機械的に接触して）配置され得る。様々な実施形態で、シリカ繊維の１つ以上のシート１５０、１６０の組み込みは、ポリマー層１４０に熱分解及び／または変形からの保護を提供し、電池１００内部の構造の機械的一体性を高め、及び／または電池１００内のイオン移動度を改善する。
【００９１】
様々な実施形態では（例えば、１つ以上のシリカ繊維シート１５０、１６０を組み込んだものでは）、電池１００は、アノード領域１１０及び／またはカソード領域１２０内に、シリカ繊維及び／またはシリカ繊維粉末を実質的に含まなくてもよい。
【００９２】
様々な実施形態で、セパレータ１３０は、イオン電荷移動を介して、アノード領域１１０とカソード領域１３０との間の電荷移動を可能にする、電解質材料を組み込んでいる。例えば、電解質材料は、有機溶媒（例えば、エチレン、ジメチル／エチルカーボネート、及び／またはＮ−メチル−２−ピロリドン）と、１つ以上のイオン伝導体（例えば、リチウム塩（例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、ヘキサフルオロリン酸リチウム一水和物（ＬｉＡｓＦ６）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、または三フッ化リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）））との混合物を含む、それから本質的になる、またはそれからなることができる。
【実施例】
【００９３】
実施例１：シリカ繊維マットの調製
シリカ繊維が、エレクトロスピニング工程を使用して調製されて、そこで、ゾル−ゲルがコレクタードラムにスピニングされて、繊維の不織布マットが形成された。ゾル−ゲルは、２つの部分で作製した。最初に、ＴＥＯＳをエタノールと混合し、次いでＨＣｌ、水、及びエタノールを含有する第２の混合物を滴定して、前記混合物に加えた。次に、ゾル−ゲルを、制御された条件下にて数日間熟成させ、それからスピニングした。
【００９４】
一例で、３８４ｇの９８％ＴＥＯＳ、及び４１．８ｇの無水変性エタノールを秤量して、一緒に注ぎ入れることにより、第１のゾルを作製した。第１のゾルをビーカー内に静置し、電磁撹拌器を使用して均一な溶液を作製した。第２のゾルは、４１．８ｇの無水変性エタノール、１６．４ｇの蒸留水、及び０．３４ｇの塩酸を秤量し、次に一緒に注ぎ入れて、電磁撹拌器で８秒間、均一な第２のゾルが形成されるまで混合することによって作製した。
【００９５】
次に、滴定装置の中に第２のゾルを注ぎ入れて、滴定装置を第１のゾルを含有するビーカーの上方に置いた。それから、滴定装置で毎秒５滴、第１のゾルと第２のゾルの混合により第３のゾルが形成されるまで滴下した。滴下工程の間、第２のゾルを第１のゾルに滴下しながら、第１のゾルを電磁撹拌器で連続的に混合した。
【００９６】
次いで、混ぜ合わせた第３のゾルを箱型容器の中に入れた。中程度の速度のファンによって低圧真空を提供して、ヒュームを除去した。容器内の気温を７２ｏＦ、湿度を６０％とした。第３のゾルを静置し、約３日間処理した。混合物を毎日撹拌して、結晶構造の蓄積を低減させた。第３のゾルは、アルコール溶媒の蒸発によってゾル−ゲルへの転移を開始した。ゾル−ゲルを監視して、蒸気中のＣ２Ｈ４（エチレン）のおよその量を決定することができ、その量は、熟成前の元のゾルに対して約１０〜２０％の範囲であり得る。適切にゲル化したら、ゾル−ゲルをエレクトロスピニング機器内に入れる、または凍結してエレクトロスピニング用に保存する。この例で、適切なゲル化は、ゾル−ゲルの総質量が約７０ｇと約１４０ｇの間にあるときに生じた。この例は適切にスケーリングでき、その範囲は変化する可能性があるが、それでも望ましい構造を作成できる。エレクトロスピニングの理想的な時間を更に特定するために、ゲルの一部をスピニング装置の電界の中に滴下して、ゾル−ゲルのスピニング特性を評価することができる。
【００９７】
図２のＡ〜Ｄは、本発明の実施形態に従ってスピニングした繊維の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である（５０、１００、２００及び５００マイクロメートルのスケールが示されている）。示されるように、繊維は、柔軟で滑らかで密であり、連続している（著しく破断してはいない）。図３は、より短い熟成時間後にエレクトロスピニングした繊維のＳＥＭ画像（２０マイクロメートルスケールが示されている）であり、そこで、繊維は、はっきり確認できる多くの破断によって、明らかに堅い。そのような繊維は、様々な実施形態で、より脆く、より容易にシリカ繊維粉末に加工され得る。図４は、本発明の実施形態に従ってスピニングされた繊維マットを示す。繊維の柔軟性及び連続性により、マットを１／４インチ以上の厚さでスピニングすることが可能になる。マットは、柔らかく柔軟な質感を有する。
【００９８】
図５のＡ及びＢは、熟成時間に応じた、シリカ繊維マットの特性の変化を示す画像である。図５のＡのマットは、本発明の実施形態に従って少なくとも２〜３日間エレクトロスピニングされたマットを示し、図５のＢのマットは、より短い熟成時間後にエレクトロスピニングされたマットを示している。図５のＡの材料は柔らかな質感で、非常に柔軟性がある。そのような材料は依然として、繊維ダストに加工される、またはシート形状で使用され得る。図５のＢの材料は、脆く、柔軟性がなく、薄く、繊維ダストに容易に加工できる。
【００９９】
シリカ繊維マットを作製し、メッシュサイズが漸減する一連のスクリーンを通してこすり出すことで、断片に分解した。最終的なスクリーンは２００メッシュのスクリーンであり、約２０μｍ〜約２００μｍのサイズの繊維ダスト及び／または繊維片が得られた。図６のＡ及びＢは、１００μｍのスケールが示されている、得られた繊維ダストのＳＥＭ画像を示す。
【０１００】
実施例２：コイン型電池の作製
電池用のカソード材料を、適切な量の活物質（例えば、１つ以上のリチウム金属酸化物塩）、非晶質またはグラファイトカーボン、及びシリカ繊維粉末を混合することによって製造して、これらを秤量し、結合剤（例えば、ＰＶＤＦ、ＣＭＣ、ＳＢＲなど）及び溶媒（例えば、ＮＭＰ）と混合して、適切な粘度を有する均質なスラリーとした（例えば、その後のキャスティングのための伸展を可能にするために）。代表的な実施形態は、例えば、約７５％〜約８０％の活物質、０％〜約１０％の非晶質またはグラファイトカーボン、及び実施例１に記載のように調製された約０．５％〜約１０％のシリカ繊維粉末を含んだ。
【０１０１】
スラリーは、ガラスシート上に置かれた、気泡のない清潔な電池グレードのアルミニウム箔上にキャスティングされ、ブレードで均一に広げられた。スラリーを乾燥させて、結合剤及び溶媒を除去した。代表的な乾燥条件には、例えば、約８０℃〜約１２０℃の範囲の乾燥温度、及び約２時間〜約４時間の範囲の乾燥時間が含まれた。得られたコーティングされた金属箔を小さなディスク（例えば、約１２ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲の直径を有する）に打ち抜いて、秤量した。
【０１０２】
電池用のアノード材料を、適切な量の導電性非晶質またはグラファイトカーボン及びシリカ繊維粉末を混合することによって製造して、それらを秤量し、結合剤（例えば、ＰＶＤＦ、ＣＭＣ、ＳＢＲなど）及び溶媒（例えば、ＮＭＰ）と混合して、適切な粘度を有する均質なスラリーとして（例えば、その後のキャスティングのための伸展を可能にするために）。スラリーは、ガラスシート上に置かれた、気泡のない清潔な電池グレードの銅箔上にキャスティングされ、ブレードで均一に広げられた。スラリーを乾燥させて、結合剤及び溶媒を除去した。代表的な乾燥条件には、例えば、約８０℃〜約１２０℃の範囲の乾燥温度、及び約２時間〜約４時間の範囲の乾燥時間が含まれた。得られたコーティングされた金属箔を、小さなディスク（例えば、約１２ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲の直径を有する）に打ち抜いた。
【０１０３】
電池用セパレータを、市販の薄いポリマーセパレータシートを、２つのシリカ繊維のプレスしたシートの間に挟むことにより作製した。サンドイッチ構造を、小さなディスク（例えば、約１２ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲の直径を有する）に打ち抜いた。電解質は、非水性溶媒（例えば、ＥＣ、ＥＭＣ、ＤＥＣ、ＤＭＣなど）中のリチウム塩の溶液として調製した。代表的な溶媒は、約０．８モル濃度〜約２モル濃度の範囲（例えば、約１モル濃度）の濃度だった。溶媒を、セパレータのサンドイッチ構造上に導入して、吸収させた。
【０１０４】
電池はそれぞれ、不活性（例えば、アルゴン）雰囲気下でグローブボックス内のアノードとカソードの間にセパレータを挟み、アノードとカソードの金属箔をそれぞれセパレータとは反対側に向けることによって組み立てた。その後、電池を業界標準に従って試験した。
【０１０５】
本明細書で用いられる用語及び表現は、説明のための及び制限しない用語及び表現として使用されており、そのような用語及び表現の使用で、示されかつ記載される特徴のあらゆる等価物またはそれらの一部を排除するという意図はまったくない。更に、本発明のある特定の実施形態を説明したが、本明細書に開示される概念を組み込んだ他の実施形態が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく使用され得ることは、当業者には明らかであろう。したがって、記載した実施形態は、あらゆる点で例示であり、限定的ではないとみなされるものである。
【図１Ａ】
2021525940.tif 000003
【図１Ｂ】
2021525940.tif 000004
【図２Ａ】
2021525940.tif 000005
【図２Ｂ】
2021525940.tif 000006
【図２Ｃ】
2021525940.tif 000007
【図２Ｄ】
2021525940.tif 000008
【図３】
2021525940.tif 000009
【図４】
2021525940.tif 000010
【図５Ａ】
2021525940.tif 000011
【図５Ｂ】
2021525940.tif 000012
【図６Ａ】
2021525940.tif 000013
【図６Ｂ】
2021525940.tif 000014
【国際調査報告】
2021525940.tif 000015
2021525940.tif 000016