(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムアノード；
前記アノードに隣接するセパレータ；および
前記アノードに対向し、前記セパレータに隣接するカソードを含む電池であって、前記カソードが、第１の材料および第２の材料の複数の櫛型縞を含み、前記第１の材料および前記第２の材料は、前記セパレータと接触するとともに、互いに接触し、前記第１の材料が、リチウム硫黄またはリチウム超イオン性スルフィドのうちの少なくとも１つ、および第１の固体ポリマー電解質からなるバインダを含み、前記第１の材料中の第１の固体ポリマー電解質の量は、前記第１の材料中の他の材料の量よりも少量であり、前記第２の材料が第２の固体電解質を含む、電池。
【請求項２】
前記アノードおよび前記カソードに隣接し、前記セパレータに対向する集電体をさらに含む、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記第２の材料が、ガラスまたはセラミック電解質または有機電解質のいずれかの１つを含む、請求項１に記載の電池。
【請求項４】
前記第２の材料が、ガラスおよび／またはセラミック電解質を含み、前記電解質が、Ｌｉ2Ｓ−Ｐ2Ｓ5ガラス；Ｌｉ2Ｓ−Ｐ2Ｓ5ガラス−セラミック；Ｌｉ2Ｓ−Ｐ2Ｓ5−Ｌｉ4ＳｉＯ4；Ｌｉ2Ｓ−ＳｉＳ2＋Ｌｉ2ＳｉＯ4；およびＬｉ2Ｓ−Ｇａ2Ｓ5−ＧｅＳ2からなる群の１つを含む、請求項１に記載の電池。
【請求項５】
前記第２の材料がポリマーを含み、前記ポリマーが固体またはゲルポリマーのいずれか１つを含む、請求項１に記載の電池。
【請求項６】
前記ポリマーがポリ（エチレンオキシド）を含む、請求項５に記載の電池。
【請求項７】
前記ポリマーが、ポリ（フッ化ビニリデン）、室温イオン性液体、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（アクリロニトリル）およびエチレングリコール系ポリマーからなる群のひとつを含む、請求項５に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
従来のリチウムイオン（Ｌｉイオン）化学物質を超えるエネルギー密度を有する電池システムが強く所望されている。リチウム−硫黄電池は、それらの高い比容量、ならびに元素状硫黄の豊富な存在量および低コストのために好ましい選択肢である。典型的なＬｉ−Ｓ電池セルは、負極としてのリチウム、正極としての硫黄−炭素複合体、および有機液体電解質からなる。通常は、Ｌｉ−Ｓ電池は、１６７５ＡｈＫｇ−１までの比容量および２００ＷｈＬ−１までのエネルギー密度を提供する。比容量は、通常、特定の放電電流において電池が放電されるときに利用可能なキログラムあたりの総アンペア−時間（Ａｈ）であり、エネルギー密度は、リットルあたりのワット−時間（Ｗｈ）である。これらの電池は、現在のところ、１８０Ｗｈ／Ｋｇでの従来のＬｉイオン電池の密度を既に超え３５０Ｗｈ／Ｋｇのエネルギー密度を送達する。しかしながら、これらの電池は、短いサイクル寿命、低充電効率、高い自己放電率、および安全性の懸念という問題がある。
【０００２】
これらの問題の多くは、液体電解質中の、硫黄の還元中間体のファミリーであるリチウムポリスルフィド（ＰＳ，Ｌｉ２Ｓｎ）の溶解が原因である。溶解の問題にかかわらず、Ｌｉ−Ｓ電池を適切に操作するためのプロセスが必要である。放電工程の間、リチウムイオンの輸送は、液体電解質を通ってアノードからカソードまで行われ、約２．２〜２．３ボルトでリチウムおよび硫黄の反応によってＬｉ２Ｓ８が生じる。一般に、元素状硫黄およびその還元生成物の両方は非伝導性であるので、伝導性の炭素表面が、硫黄およびリチウムポリスルフィドの還元のための堆積部位を提供しなければならない。理想的には、リチウムポリスルフィドの最終的な溶解により、伝導性の炭素表面が再び露呈する。
【０００３】
しかしながら、カソード電極にて溶解されるリチウムポリスルフィド種はまた、電解質を通ってリチウムアノードへ拡散し、不溶性のリチウムポリスルフィド種を形成することがある。「ＰＳ酸化還元シャトル」と呼ばれることもあるこの寄生反応は、活物質の損失、リチウムアノードの腐食、およびサイクル寿命の短縮を生じる。さらに、可燃性の有機液体電解質中の準安定なリチウム金属の存在、およびセパレータを浸透したリチウムから形成されたリチウムデンドライトのために、電池サイクリングの間に火災の危険性がある。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、電池の先行技術の実施形態を示す。
【図２】図２は、ねじれた固体電解質を通る長いリチウム輸送経路の先行技術の実施形態を示す。
【図３】図３は、材料の櫛型縞を有するリチウム硫黄電池の実施形態を示す。
【図４】図４は、固体電解質によって埋められたチャンネルを通る短いリチウム輸送経路の実施形態を示す。
【図５】図５は、リチウム硫黄電池を製造するためのプロセスの実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図１は、電池の先行技術の実施形態を示す。典型的には、電池は、セパレータ１４によって分離されたカソード１８およびアノード２０を有する。不活性構成成分は、電解質、バインダおよび炭素からなってもよい。電池はまた、集電体１２および集電体１６を含んでいてもよい。現在の電気自動車（ＥＶ）用途に関して、大きな電池は、従来の薄い電極の多くの層をスタッキングすることによって製造される。これは、結果として多量の不活性構成成分をもたらし、コストおよび低い体積エネルギー密度に寄与する。図２は、電解質２４の部分２０を通ってどのようにＬｉイオン輸送経路２２が生じるかを示す。経路はねじまがり、電池の効率に影響を及ぼす。
【０００６】
米国特許出願第１３，７２７，９６０号に議論されるように、孔チャンネルを用いて迅速なリチウム輸送を可能にするミクロ構造を有するリチウム構造を形成できる。これは、安全性に配慮して、Ｌｉ−Ｓ電池および固体電解質の高いエネルギー密度に適用できる。図３は、こうした電池５０の実施形態を示す。
【０００７】
電池５０は、リチウムアノードであるアノード６０に隣接する集電体５６を有する。セパレータ５４は、アノード６０とカソード５８との間に配置される。カソードは、櫛型縞または縞材料からなる。材料７０の領域を見ると、第１の材料が第２の材料よりも厚い縞を有することがわかる。
【０００８】
ここで第１の材料は、図４において硫黄、グラファイト、および固体電解質６２を含有する。相対的に少量の固体電解質が第１の材料に添加され、バインダとして作用する。材料がリチウム孔チャンネルを形成するために、この材料は、リチウム硫黄、例えばリチウム硫黄またはリチウム超イオン性スルフィド（ＬＳＳ）である可能性が高い。
【０００９】
第２の材料は、図４の固体電解質６４からなる。一部の実施形態において、電解質はポリマーであり、他の場合にはガラス、セラミック、またはガラス／セラミック混合物である。ポリマー電解質は、薄膜系デバイスおよび可撓性電池設計に好適であると同時に、無機セラミック電解質は硬質電池設計に好適である。固体電解質は、不燃性であるため安全であり、硫黄のリチウムアノードへの移動を低減することによって電池の寿命も改善する。これにより、不溶性ポリスルフィド種の形成を防止する。
【００１０】
電解質は、いくつかの異なるタイプの材料からなってもよい。例えば、ガラス／セラミック材料は、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５ガラス；Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５ガラス−セラミック；Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５−Ｌｉ４ＳｉＯ４；Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２＋Ｌｉ２ＳｉＯ４；およびＬｉ２Ｓ−Ｇａ２Ｓ５−ＧｅＳ２からなってもよい。ポリマー電解質は、固体またはゲル電解質のいずれかからなってもよい。固体ポリマー電解質の例はポリ（エチレンオキシド）である。ゲルポリマー電解質材料の例としては、ポリ（フッ化ビニリデン）、室温イオン性液体、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（アクリロニトリル）およびエチレングリコール系ポリマーが挙げられる。
【００１１】
これらの材料は、硬質または薄膜のいずれかで、固体電池構造を形成するために使用される。図５は、Ｌｉ−Ｓ電池を形成するためのプロセスの実施形態を示す。図５に示されるように、活物質、典型的には硫黄、炭素および固体電解質は、溶媒と共に混合され、８０にて押出可能なペーストまたは液体を形成する。相対的に少量の固体電解質が第１の材料に添加され、バインダとして作用する。同様に、固体電解質材料も、溶媒と共に混合されて、８２で押出可能となる。次いで２つの材料は、共押出ヘッドに供給され、８４にて材料の櫛型の交互縞に押出される。
【００１２】
次いで溶媒は、８６にて材料から除去される。次いで材料は、固体電池カソードを形成するために固化する。カソードが形成されたら、８８にてセパレータをカソードに隣接して配置する。次いでリチウムアノードは、９０にて電池を形成するためにアノードに隣接させて配置する。
【００１３】
得られた電池は、典型的なリチウムコバルトオキシド電池よりも良好なエネルギー密度を有し、液体電解質を用いる電池よりも安全である。固体電解質はまた、リチウムアノード電極への硫黄種の移動を低減する。イオン伝導度は、有機炭酸塩の液体電解質のイオン伝導度に匹敵する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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