(57)【要約】本開示は、充電式リチウム電池用窒化リチウムカソード添加剤、この添加剤とカソード活物質との混合物、この添加剤を含有するカソード、この添加剤を含有するカソードを備える電気化学セル、およびこの添加剤を含有するカソードを備える充電式電池に関する。任意選択のドーパントを備える窒化リチウムは、一般式ＬｉａＱｂＸで表現でき、式中、Ｑは１つまたは複数のドーパントであり、２≦ａ≦５、０≦ｂであり、ａおよびｂは電荷均衡化合物を得るように調整され得る。
2018522371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウム（Ｌｉ）を含むカソード活物質、および
一般式ＬｉａＱｂＸ［式中、２≦ａ≦５、０≦ｂであり、ａおよびｂは電荷均衡化合物を得るように調整され、ＸはＮ、Ｐ、またはＡｓを含み、Ｑは、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、セレン（Ｓｅ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、または亜鉛（Ｚｎ）の少なくとも１つを含む］を有する窒化リチウム
を含むカソード。
【請求項２】
前記窒化リチウムが粒子を含み、窒化リチウム粒子上にリチウム−酸素層をさらに含む、請求項１に記載のカソード。
【請求項３】
５重量％またはそれ未満の窒化リチウムを含み、重量％がカソード活物質および窒化リチウムの総重量によって測定される、請求項１に記載のカソード。
【請求項４】
少なくとも０．１重量％の窒化リチウムを含み、重量％がカソード活物質および窒化リチウムの総重量によって測定される、請求項１に記載のカソード。
【請求項５】
前記カソード活物質がリチウム金属酸化物を含む、請求項１に記載のカソード。
【請求項６】
前記カソード活物質がリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）を含む、請求項５に記載のカソード。
【請求項７】
前記カソード活物質がリチウム金属リン酸塩を含む、請求項１に記載のカソード。
【請求項８】
前記カソード活物質がリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）を含む、請求項７に記載のカソード。
【請求項９】
集電体、結合剤、伝導性増加剤、またはそれらの任意の組合せをさらに含む、請求項１に記載のカソード。
【請求項１０】
アノード、
電解質、および
カソードを含む電気化学セルであって、
前記カソードが、
リチウム（Ｌｉ）を含むカソード活物質、および
一般式ＬｉａＱｂＸ［式中、２≦ａ≦５、０≦ｂであり、ａおよびｂは電荷均衡化合物を得るように調整され、ＸはＮ、Ｐ、またはＡｓを含み、Ｑは、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、セレン（Ｓｅ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、または亜鉛（Ｚｎ）の少なくとも１つを含む］を有する窒化リチウム
を含む、電気化学セル。
【請求項１１】
前記窒化リチウムが粒子を含み、窒化リチウム粒子上にリチウム−酸素層をさらに含む、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
５重量％またはそれ未満の窒化リチウムを含み、重量％がカソード活物質および窒化リチウムの総重量によって測定される、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
少なくとも０．１重量％の窒化リチウムを含み、重量％がカソード活物質および窒化リチウムの総重量によって測定される、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
前記カソード活物質がリチウム金属酸化物を含む、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
前記カソード活物質がリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）を含む、請求項１４に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
前記カソード活物質がリチウム金属リン酸塩を含む、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
前記カソード活物質がリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）を含む、請求項１６に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
前記カソードが、集電体、結合剤、伝導性増加剤、またはそれらの任意の組合せをさらに含む、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
前記窒化リチウムが、前記セルの可逆容量を前記窒化リチウムの理論容量の少なくとも５０％増加させる、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項２０】
充電式リチウム電池に配置される、請求項１０に記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本開示は、充電式リチウム電池用カソード添加剤に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
電池および電気化学セルの基本原理
電池は、一次電池および二次電池の２つの主要な種類に分類される。一次電池は１回使用したら消耗する。二次電池は、使用後に再充電でき、次に再度使用することができるので、充電式電池ともしばしば呼ばれる。充電式電池では、各充電／放電プロセスはサイクルと呼ばれる。充電式電池は、最終的にその使用可能な寿命の限界に到達するが、典型的には多くの充電／放電サイクルの後でのみ到達する。
【０００３】
充電式電池は、電気化学セルならびに任意選択で他の材料、例えばセルを保護するケーシング、および電池を外部と接続することを可能にする電線または他のコネクターなどを含む。電気化学セルは、カソードと呼ばれる正の電極およびアノードと呼ばれる負の電極の２つの電極、電池が短絡しないように電極を分離する絶縁体、ならびに２つの電極間の化学反応のイオン成分を輸送し、セルの外に電子成分を強制的に輸送する電解質を含む。アノードは化学反応の還元体であり、カソードは酸化体であり、そのため放電の際に電子はアノードからカソードに流れ、セルの内部をアノードからカソードに流れるカチオンによって電荷補償される。このプロセスは、化学反応が完了するまでの時間Δｔの間、電流を所定の電圧で送達することによって、反応の化学エネルギーを外部回路の電力に変換する。充電されたセルが電流を遮断された場合、開路と呼ばれ、電子は流れることができないが、セル内のイオンは電荷補償されることなく流れることができる。その結果、開路の際にカソードは正に帯電されることになり、これがカソードを正の電極と呼ぶ理由である。
【０００４】
電解質によって電極間を輸送されるカチオンは、「作動イオン（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｉｏｎ）」と呼ばれる。充電式電池は、作動カチオンにちなんで命名されている。例えば、リチウム二次電池における正イオンはリチウムイオン（Ｌｉ＋）である。ナトリウム二次電池では、正イオンはナトリウムイオン（Ｎａ＋）である。
【０００５】
電池を再充電するために、電力の印加により同じプロセスが逆に起きる。電気エネルギーを電池に供給することによって、電子はカソードを出てアノードに入るよう誘導される。カソードおよびアノードにおける全体の電荷を中性に保つために、正イオンはカソードを出て電解質に入り、また正イオンは電解質を出てアノードに入る。充電式電池における電気的エネルギー貯蔵の効率は、２つの電極間の化学反応の可逆性に依存する。
【０００６】
電解質中におけるイオン伝導性は、電極中における電子伝導性よりも何倍も小さいので、電池は薄い電解質で分離された大面積の電極を有する。したがって、電極は厚い必要はなく、電極が金属製の集電体と接触している限り電極の電子伝導性が高い必要はない。結果的に、アノードおよびカソードは、電子およびイオンを交換する活物質を含有することに加えて、活物質のスラリーを塗布して乾燥させる金属裏打ちのほかに、他の材料を含有してもよい。スラリーは、活物質に加えて、スラリーが裏打ちに接着するのを助ける結合剤、およびカーボン粒子などの導電性材料をしばしば含有する。いったんスラリーが乾燥すると、スラリーは金属裏打ち上に被膜を形成する。
【０００７】
充電式電池のいくつかの重要な特性としては、エネルギー密度、パワー密度、容量、特に可逆容量、レート能力（ｒａｔｅ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）、サイクル寿命、熱安定性、コスト、および安全性が挙げられる。これらの特性の全ては、電池を形成するために使用する材料の選択によって影響を受ける。電池の容量は、完全に放電する時間Δｔで、単位重量当たりに電極間を一定電流で輸送される電子電荷の量であり、エネルギー密度は、放電中の平均電圧と容量との積である。両者とも電流の増加、したがって送達されるパワー、とともに減少する。さらに、充電式電池のサイクル寿命は、容量が最初の容量の８０％まで衰えるまでの充電／放電サイクルの数として定義される。容量の衰えは、電極間の化学反応の可逆性損失によって起きる。例えば、多くの充電式リチウム電池は繰り返すにつれて、Ｌｉ＋が強還元性のアノード表面に捕捉され、次に不動態化する固体電解質界面（ＳＥＩ）層としてそこに残る傾向があり、カソードおよびアノードへの出入りを利用できなくするので、可逆容量の損失に遭遇している。エネルギー密度は電池の容量に比例するので、この可逆容量の損失は、サイクル数の増加とともに充電式電池のエネルギー密度も減少させる。
【０００８】
可逆容量およびエネルギー密度の損失を低減することを試みるために、以前には、余分のリチウムを充電式電池に導入された。こうした電池の１つでは、リチウム金属をアノード上に直接堆積させたが、これが製造コストを増加させ、アノードの均一性および機械的安定性を悪化させ、他の問題を引き起こした。別の電池では、Ｌｉ２ＮｉＯ２をカソードに添加したが、この材料は４００ｍＡｈ／ｇの実質的な容量しか有さず、これは十分に有効な容量に貢献しなかった。さらに、Ｌｉ２ＮｉＯ２における酸素（Ｏ）が時間とともに著しく反応し、他の問題を生み、このことが電池の熱安定性を低減した。さらに別の電池では、Ｌｉ２ＭｏＯ３をカソードに添加したが、この材料は２５０ｍＡｈ／ｇの実質的な容量しか有さず、したがって充電容量の貢献ではＬｉ２ＮｉＯ２よりさらに悪化した。さらに、電池の使用中にＬｉ２ＭｏＯ３中のモリブデン（Ｍｏ）が電解質に溶解し、他の問題も引き起こした。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
要旨
本開示は、充電式リチウム電池用の窒化リチウムカソード添加剤、この添加剤とカソード活物質との混合物、この添加剤を含有するカソード、この添加剤を含有するカソードを備える電気化学セル、およびこの添加剤を含有するカソードを備える充電式電池に関する。
【００１０】
特に本開示は、リチウム（Ｌｉ）を含むカソード活物質、および一般式ＬｉａＱｂＸ［式中、２≦ａ≦５、０≦ｂであり、ａおよびｂは電荷均衡（ｃｈａｒｇｅｄ−ｂａｌａｎｃｅｄ）化合物を得るように調整され、ＸはＮ、Ｐ、またはＡｓを含み、Ｑは、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、セレン（Ｓｅ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、または亜鉛（Ｚｎ）の少なくとも１つを含む］を有する窒化リチウムを含むカソードを提供する。
【００１１】
本開示はまた、明らかに互いに排他的でない限り、以下を互いに任意の組合せで使用しうる、追加の実施形態を提供する：ａ）窒化リチウムは粒子を含み、窒化リチウム粒子上にリチウム−酸素層をさらに含む；ｂ）カソードは５重量％またはそれ未満の窒化リチウムを含み、重量％はカソード活物質および窒化リチウムの総重量によって測定される；ｃ）カソードは少なくとも０．１重量％の窒化リチウムを含み、重量％はカソード活物質および窒化リチウムの総重量によって測定される；ｄ）カソード活物質は、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）を含むことができるリチウム金属酸化物を含む；ｅ）カソード活物質は、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）を含むことができるリチウム金属リン酸塩を含む；ｆ）カソードは、集電体、結合剤、伝導性増加剤（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｅｎｈａｎｃｅｒ）、またはそれらの任意の組合せをさらに含むことができる。
【００１２】
本開示は、アノード、電解質、および上記または本明細書の他で説明する任意のカソードを含む、電気化学セルをさらに提供する。さらに、さらなる実施形態では、窒化リチウムは、セルの可逆容量を窒化リチウムの理論容量の少なくとも５０％増加させることができるか、または電気化学セルは、充電式リチウム電池に配置することができるか、またはその両方である。
【００１３】
本開示の実施形態に関係する付随の図と合わせて用いられる以下の説明を参照することによって、本実施形態およびその利点のより完全な理解を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、Ｌｉ３Ｎに対する初期充電電圧曲線である。
【００１５】
【図２】図２は、ＬｉＣｏＯ２のみ、または１重量％もしくは２重量％のＬｉ３Ｎと一緒の、初期充電電圧曲線である。
【００１６】
【図３】図３は、窒化リチウムカソード添加剤を含有するカソードの、断面模式図（縮尺通りではない）である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
詳細な説明
本開示は、窒化リチウムカソード添加剤に関する。本開示はまた、この添加剤を含有するカソード、この添加剤をカソードに含有する電気化学セル、および少なくともカソード上にこの添加剤を含有する充電式電池を含む。本明細書で使用する「窒化物」という用語は、一般に、プニクトゲン族とも呼ばれる周期律表の窒素族（ＶＢ／１５族）からの元素を含有する化合物を指し、化学式によって特定されない限り、窒素（Ｎ）化合物に限定されない。
【００１８】
カソード中に存在する窒化リチウムは、電気化学的分解によって、追加のＬｉ＋を提供することができる。これらの追加のＬｉ＋は、サイクル中にＳＥＩ形成または他の副反応に失われる、カソード活物質またはアノード活物質中に元々存在しているＬｉ＋を置換することができる。これは、窒化リチウムを欠いていて他の点では同一の電気化学セルまたは充電式リチウムイオン電池と比較して、カソードの利用度を高め、繰り返し可能なＬｉ＋の利用可能性減少に起因するｉ）可逆容量損失、ｉｉ）エネルギー密度損失、もしくはｉｉ）任意の他の有益な特性の低下の、いずれか１つまたは組合せにおける、減少の開始を遅らせるか、または減少を低減する可能性がある。
【００１９】
窒化リチウムは、実質的に純粋な形態または様々なドーパントのいずれかとの化合物を含むことができる。窒化リチウムは、一般式ＬｉａＸで表現され、式中、Ｘは窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、またはヒ素（Ａｓ）であり、２≦ａ≦５である。窒化リチウムとしては特に、Ｌｉ３Ｎ、Ｌｉ３Ｐ、およびＬｉ３Ａｓが挙げられる。任意選択のドーパントを備える窒化リチウムは、一般式ＬｉａＱｂＸで表現でき、式中、Ｑは１つまたは複数のドーパントであり、２≦ａ≦５、０≦ｂであり、ａおよびｂは電荷均衡化合物を得るように調整される。Ｑは、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、セレン（Ｓｅ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、または亜鉛（Ｚｎ）でありうる。
【００２０】
窒化リチウムは、任意のカソードまたはカソード活物質に添加することができる。窒化リチウムは、望ましく有益な任意の特性の減少の、特定量の開始遅延または低減を得るのに十分な量で添加することができる。カソード活物質があまりに希釈された場合起こる恐れのあるような、任意の欠点を回避するまたは減少させるために、窒化リチウムの量を制限してもよい。しかしながら、１分子当たりのＬｉ＋の数が多いことは、重大な欠点を引き起こす量よりもはるかに少ない、少量の窒化リチウムが実質的な利益を得るのに十分でありうることを意味する。いくつかの例では、カソード（集電体を除く）中の窒化リチウムの量は、２０重量％もしくはそれ未満、５重量％もしくはそれ未満、２重量％もしくはそれ未満、１重量％もしくはそれ未満、または０．５重量％もしくはそれ未満でありうる。窒化リチウムの量は、少なくとも０．０１重量％、少なくとも０．１重量％、少なくとも０．５重量％、または少なくとも１重量％でもありうる。窒化リチウムの量は、これらの端点（その量またはそれ未満が、その少なくともの量より多い）の組合せの間で変わることもできる。
【００２１】
充電式リチウム電池で使用できる任意のカソード活物質は、窒化リチウムの添加によって利益を得る可能性がある。一般にリチウムイオン電池中のカソード活物質は、遷移金属、特にＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、およびＭｏなどの、２以上の酸化状態で安定して存在できる遷移金属を含有する化学化合物である。２種以上の遷移金属をカソード活物質中に見出しうる。さらに、カソード活物質化合物は、Ｍｇ、ＡｌまたはＧａなどの単に１の酸化状態で安定に存在する金属を含有してもよい。任意の金属に加えて、カソード活物質は、ゲルマニウム（Ｇｅ）またはホウ素（Ｂ）などのメタロイドを含有してもよい。カソード活物質化合物はまた、非金属、特に、酸化物、リン酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩、またはバナジウム酸塩などの酸素（Ｏ）含有非金属も含有する。非金属は、ＳまたはＳ含有非金属であってもよい。適切なカソード材料の例としては、リチウム金属酸化物、例えばリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）およびリチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎＯ４）、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２）など、リチウム金属リン酸塩、例えばリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）、リン酸マンガンリチウム（ＬｉＭｎＰＯ４）、およびリン酸コバルト鉄リチウム（ＬｉＦｅＣｏＰＯ４）などが挙げられる。カソード活物質は、こうした化合物の２種以上の混合物を含んでもよい。
【００２２】
カソード活物質に添加した場合、窒化リチウムは、窒化リチウムの理論容量の少なくとも５０％、窒化リチウムの理論容量の少なくとも６０％、窒化リチウムの理論容量の少なくとも７０％、または窒化リチウムの理論容量の少なくとも８０％に相当する、初期可逆容量の増加を提供する可能性がある。例えば、Ｌｉ３Ｎは２３０８．５ｍＡｈ／ｇの理論容量を有する。実際の容量を図１に示す。リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）カソード活物質に添加した場合、１重量％の窒化リチウムＬｉ３Ｎは、カソードの可逆容量を１８ｍＡｈ／ｇ（Ｌｉ３Ｎ＋カソード活物質）増加させ、１９４５．７ｍＡｈ／ｇのＬｉ３Ｎ容量、または理論容量の８４．２％に相当した（図２）。２重量％のＬｉ３Ｎをリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）カソード活物質に添加した場合、可逆容量は２８．７ｍＡｈ／ｇ（Ｌｉ３Ｎ＋カソード活物質）増加し、１５８４．２ｍＡｈ／ｇのＬｉ３Ｎ容量、または理論容量の６８．６％に相当した（図２）。
【００２３】
窒化リチウムは、平均１０μｍもしくはそれ未満、５μｍもしくはそれ未満、１μｍもしくはそれ未満、５００ｎｍもしくはそれ未満、または１００ｎｍもしくはそれ未満の最大寸法を備える粒子など、小さな粒子の形態で存在することができる。窒化リチウム粒子は、カソード材料粒子と、またはカソード中の別の材料と凝集していてもよい。それらは分離していてもよいが、そうでなくてカソードと混合されてもよい。それらはカソード上に単独の層として配置されてもよい。
【００２４】
Ｌｉ＋の放出の前、カソード活物質への添加の前、またはカソードへの添加の前に、酸素、水、または両方への曝露を最小にするために、窒化リチウムを被覆してもよい。この被覆は窒化リチウムで形成された被膜であってもよく、または後に付与されてもよい。例えば、被覆は窒化リチウムの酸化によって形成された単なるリチウム−酸素層であってもよい。窒化リチウムは水と反応し、電気化学セルまたは充電式電池にＬｉ＋を与える能力を損なう恐れがある。被覆に加えてまたは被覆の代替として、空気への曝露を回避するために乾燥室で、窒化リチウムを形成するか、カソード活物質に添加するか、またはカソード中に形成するか、または電気化学セルもしくは電池中に形成することができる。多くのカソード活物質もまた、水の存在下で不安定であり、窒化リチウム処理を既存のカソード関連の乾燥室手順に組み込むことを可能にしている。
【００２５】
窒化リチウム添加剤を含有するカソードは、窒化リチウムおよびカソード活物質に加えて他の材料を含有してもよい。例えばそれらとしては、金属シートもしくは他の集電体、結合剤、カーボンなどの伝導性増加剤、およびそれらの任意の組合せを挙げることができる。
【００２６】
図３は、窒化リチウム添加剤粒子２０、およびカソード活物質粒子３０を含有する、カソード１０の断面模式図である。この例では、結合剤５０とともに伝導性増加剤粒子４０も存在し、全ての混合物は金属シート６０上にある。
【００２７】
充電式リチウム電池および電気化学セルとしては、リチウムイオン、リチウム金属、リチウムポリマー、リチウム空気、およびリチウム硫黄の、充電式電池および電気化学セルを挙げることができる。
【００２８】
窒化リチウムカソード添加剤を備える電気化学セルは、任意の適切なアノードを有することができる。例えばアノードとしては、アノード活物質、例えばリチウム金属（Ｌｉ）、黒鉛もしくは別の炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）／コバルト（Ｃｏ）合金などのリチウム金属合金、またはリチウムチタン酸化物（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）などのリチウム化合物を挙げることができる。アノードは２種以上のアノード活物質を含有してもよい。アノードは、任意の活物質に加えて他の材料、例えば金属シート、結合剤、伝導性増加剤、およびそれらの任意の組合せを含有してもよい。
【００２９】
電解質は、カソードおよびアノードにより規定される電圧で使用するのに適切な、任意の電解質であってもよい。窒化リチウムの水との反応を回避するために、電解質は非水でありうる。非水電解質は、リチウム塩を含む非イオン性液体または有機液体などの、液体電解質でありうる。適切な有機液体としては、カーボネート、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、およびフルオロエチレンカーボネート、ならびにそれらの任意の組合せが挙げられる。適切な有機液体としては、非環式エーテル、例えばジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、１，２−ジメトキシプロパン、および１，３−ジメトキシプロパンなど、環状エーテル、例えばテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，３−ジオキソラン、およびトリオキサンなど、ポリエーテル、例えばジエチレングリコールジメチルエーテル（ジグリム）、トリエチレングリコールジメチルエーテル（トリグリム）、テトラエチレングリコールジメチルエーテル（テトラグリム）、高グリム（ｈｉｇｈｅｒ  ｇｌｙｍｅ）、エチレングリコールジビニルエーテル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、およびブチレングリコールエーテルなど、ならびにスルホン、例えばスルホラン、３−メチルスルホラン、３−スルホレンなど、ならびにそれらの任意の組合せも挙げられる。電解質は、有機溶媒の混合物を含んでもよい。適切なリチウム塩としては、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＳＯ３ＣＨ３、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ（Ｐｈ）４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３およびＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ならびにそれらの任意の組合せが挙げられる。
【００３０】
上記電解質は主に液体であるが、ゲルまたは固体の電解質を使用することもできる。
【００３１】
電気化学セルは、セル内でカソードおよびアノードを電気的に絶縁するために、セパレータを含有することもできる。セルはコンタクト、ケーシング、または配線をさらに含有することができる。セルは、コインセルもしくはジェリーロールなどの従来の形状、または角形（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ）セルなどのより複雑なセルであってもよい。
【００３２】
本開示の充電式電池は、単一の電気化学セルまたは複数のセルを含むことができる。２個以上のセルを備える電池は、これらの複数の電気化学セルを接続または調整するための構成部品（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を含有することができる。
【００３３】
より高性能の電池の場合、電池が過熱したり、破裂したり、短絡したりした場合の事故を防ぐための安全装置など、より複雑な構成部品を含有することができる。特に複雑な電池は、電子機器、記憶媒体、プロセッサ、コンピュータ可読媒体にコード化されたソフトウェア、および他の複雑な制御的構成部品を含有することもできる。
【００３４】
本開示の充電式電池は、様々な用途で使用しうる。それらは、様々なデバイスで消費者が互換的に使用できる、標準的な電池サイズフォーマットの形でありうる。それらは、例えばツールおよび機器用のパワーパックに入っていてもよい。それらは、カメラ、携帯電話、ゲームデバイス、またはラップトップコンピュータを含む消費者の電子機器に使用できる可能性がある。それらは、電気自動車、オートバイ、バス、配送用トラック、電車、または船などの、はるかに大きなデバイスでも使用できる可能性がある。さらに、本開示による電池は、例えばスマートグリッドにおけるエネルギー生産に接続するエネルギー貯蔵、または工場もしくは医療施設用の、例えば発電機の場所におけるエネルギー貯蔵などの、産業用途を有することができる。
【００３５】
これらのプロセスおよび形成されうる電池構成部品の詳細は、上でまたは以下の例で説明される。
【００３６】
本開示の例示的な実施形態のみを上で具体的に説明したが、本開示の精神および意図する範囲から逸脱することなく、これらの例の修正および変形が可能であることが理解され得る。例えば、本明細書で表現する数値は、実験データとして報告するなど、文脈が、数は正確な量であることを意図していると明確にしていない限り、わずかな変化、したがって実施形態「約（ａｂｏｕｔ）」または「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」の表示された数値を含むと理解され得る。さらに、当業者は、本明細書で請求する窒化リチウム組成物は、キャパシタなどの他の環境においても、追加のリチウムイオンを供給するために使用できることを理解し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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