(57)【要約】陰極（１０２）及び陽極（１０４）を有するリチウムイオン電池（１００）であって、陰極（１０２）がオリビン又はスピネル構造（１１０）を有する材料を含み、陽極（１０４）がＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＦ３ＳＯ３、及びこれ等の組合せ等のリチウム錯塩でコーティングされた、複合リチウム粉末の層（１１８）を有している。セパレータ（１０６）が陽極（１０４）と陰極（１０２）との間に配置され、非水電解液（１０８）が陰極（１０２）、陽極（１０４）、及びセパレータ（１０６）に接触する。陽極（１０４）は炭素材料（１１４）を含むことができる。リチウム錯塩でコーティングされた複合リチウム粉末の層（１１８）は、陽極（１０４）とセパレータ（１０６）との間に配置することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン電池であって、
オリビン又はスピネル構造を有する材料を含む陰極、及び
リチウム錯塩でコーティングされた複合リチウム粉末を含むコーティングを有する陽極
を備えたことを特徴とする電池。
【請求項２】
電池であって、
オリビン又はスピネル構造を有する材料を含む陰極、
炭素材料を含む陽極、
前記陽極と前記陰極との間に配置されたセパレータであって、前記陽極との間に、リチウム錯塩でコーティングされた複合リチウム粉末の層が配置された、セパレータ、及び
前記陰極、前記陽極、及び前記セパレータに接触する非水電解液
を備えたことを特徴とする電池。
【請求項３】
前記陰極の前記材料が、ＬｉＭｎＯ４及びＬｉＦｅＰＯ４の少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項２記載の電池。
【請求項４】
前記非水電解液がＬｉＰＦ６塩を含み、前記陽極の前記炭素材料が黒鉛炭素であることを特徴とする、請求項３記載の電池。
【請求項５】
電池を製造する方法であって、
スピネル又はオリビン構造を有する材料を含む陰極を配置するステップ、
炭素材料を含む陽極を配置するステップ、及び
前記陽極と前記陰極との間にセパレータを配置するステップであって、ＬｉＰＦ６でコーティングされたリチウム粉末を含むコーティングが、前記セパレータと前記陽極との間に配置されるステップ
を備えたことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連技術の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１４年２月１１日出願の米国仮特許出願第６１／９３８３９５号の米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張するものであって、その内容に依拠し、参照により全内容が本明細書に組み込まれたものとする。
【技術分野】
【０００２】
本開示はリチウムイオン電池に関し、より具体的には、安定化リチウム複合粒子を含むリチウムイオン電池に関し、特には、オリビン又はスピネル構造を有する１つ以上の電極と組み合わせた実施の形態に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
リチウムイオン電池は、ラップトップやタブレットコンピュータ、携帯電話、デジタルカメラ等の一般消費者向け電子装置に一般に使用されている。再充電可能なリチウム電池及びリチウムイオン電池も、電気自動車やハイブリッド自動車等に使用されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、高コスト効率、高エネルギー密度、又はその両方を備えた代替電池の必要性が存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示はリチウムイオン電池に関し、より具体的には、安定化リチウム複合粒子を含むリチウムイオン電池に関し、特には、オリビン又はスピネル構造を有する１つ以上の電極と組み合わせた実施の形態に関するものである。本明細書に開示するのは、陽極、陰極、セパレータ、及び複合リチウム粉末を含むリチウムイオン電池である。複合リチウム粉末は、例えば、コーティングとして、陰極、陽極、セパレータ、又はこれらの組合せに配置することができる。複合リチウム粉末は、リチウム錯塩でコーティングした、リチウム金属粉末、リチウム金属合金粉末、これ等の組合せ等のリチウム金属系粉末粒子から成っている。一部の実施の形態において、本電池は陰極及びコーティングを有する陽極を備え、これ等の実施の形態の一部において、陰極がオリビン又はスピネル構造を有する材料から成り、一部の実施の形態において、陽極のコーティングが複合リチウム粉末である。
【０００６】
本明細書に開示の一部の実施の形態において、電池は、陰極、陽極、陽極と陰極との間に配置されたセパレータ、並びに陰極、陽極、及びセパレータに接触する非水電解質溶液を備え、陰極がオリビン又はスピネル構造を有する材料から成り、一部の実施の形態において、陰極が炭素材料を含んでいることが好ましい。一部の実施の形態において、複合リチウム粉末の層が、陽極とセパレータとの間に配置されている。
【０００７】
別の実施の形態において、電池の製造方法であって、陽極と陰極との間にセパレータを配置するステップであって、陰極がオリビン又はスピネル構造を有する材料を含み、陽極が炭素材料を含むステップを備えている。ＬｉＰＦ６でコーティングされたリチウム粉末を含むコーティングを、セパレータと陽極との間に配置することができる。
【０００８】
様々な実施の形態の更なる特徴及び利点が、これに続く詳細な説明に述べてあり、当業者はその記述から、一部は容易に明らかであり、またこれに続く詳細な説明、特許請求の範囲、及び添付図面を含む本明細書に記載の開示を実施することによって認識できるであろう。
【０００９】
前述の概要説明及び以下の詳細な説明は、いずれも様々な実施の形態について説明するものであって、特許請求した主題の性質、及び特徴を理解するための概要、及び枠組みの提供を意図したものであることを理解されたい。添付図面は、本発明の理解を深めるために添付したものであって、本明細書に組み込まれ、その一部を構成するものである。図面は本発明の様々な実施の形態を示すものであって、その説明と併せ、本発明の原理及び作用の説明に役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本明細書に図示及び説明する、１つ以上の実施の形態による、リチウムイオン電池の概略図。
【図２】本明細書に図示及び説明する、１つ以上の実施の形態による、安定化リチウム複合粒子の概略図。
【図３】本明細書に図示及び説明する、１つ以上の実施の形態による、陽極とセパレータとの間にリチウム複合粉末を備えた、及び備えていない、ＬｉＭｎ２Ｏ４陰極を有する電池の定電流放電曲線のグラフを示す図。
【図４】本明細書に図示及び説明する、１つ以上の実施の形態による、陽極とセパレータとの間にリチウム複合粉末を備えた、及び備えていない、ＬｉＦｅＰＯ４陰極を有する電池の定電流放電曲線のグラフを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付図面に例を示す、リチウムイオン電池の様々な実施の形態について以下詳細に説明する。図面全体を通し、可能な限り、同一又は同様の部品には、同じ参照番号を用いている。リチウムイオン電池の１つの実施の形態を図１に示し、全体を通し、リチウムイオン電池を概して参照番号１００で示す。リチウムイオン電池は、一般に、オリビン又はスピネル構造を有する材料を含む陰極、及び複合リチウム粉末のコーティングを有する陽極を含むことができる。添付図面を具体的に参照しながら、リチウムイオン電池、並びにリチウムイオン電池の陰極及び陽極の形成に使用される材料について、以下更に詳細に説明する。
【００１２】
ここで、図１を参照すると、様々な実施の形態において、リチウムイオン電池１００は、陰極１０２、陽極１０４、及び陰極１０２と陽極１０４との間に配置されたセパレータ１０６を備えている。リチウムイオンが、陰極１０２と陽極１０４との間に拡散することによって、電池１００の両端に電位差（即ち、「電圧」）が生じる。一部の実施の形態において、電解液１０８を陰極１０２と陽極１０４との間に配置して、陰極１０２と陽極１０４との間のリチウムイオンの拡散を助長することができる。本明細書に記載の電池の実施の形態において、電池１００の陰極１０２及び陽極１０４は、従来のリチウムイオン電池と比較して、リチウムイオン電池のエネルギー密度を増大させる材料から形成される。
【００１３】
本明細書に記載の実施の形態において、陰極１０２は、オリビン又はスピネル構造１１０を有する材料を含むことができる。例えば、陰極１０２は、ＬｉＭｎ２Ｏ４又はＬｉＦｅＰＯ４を含むことができる。一部の実施の形態において、陰極１０２は、アルミニウム箔や銅箔等を含む、金属箔等の導電材料から成る基板１１２にコーティングされた、オリビン又はスピネル構造１１０を有する材料から形成される。
【００１４】
１つの実施の形態において、陰極１０２は、オリビン又はスピネル構造１１０を有する材料を含むスラリーを、陰極１０２を形成するためのカーボンインクを備えたアルミニウム箔にコーティングすることによって形成される。次に、コーティングされたアルミニウム箔を乾燥して、スラリーから液体を除去することによって、炭素及びオリビン又はスピネル構造１１０を有するコーティングがアルミニウム箔上に残る。
【００１５】
引き続き図１において、陽極１０４は炭素系材料を含むことができる。例えば、陽極１０４は黒鉛又は硬質炭素材料１１４を含むことができる。硬質炭素の例には、ニードルコークス、石油コークス等、工業的に入手可能な様々なコークス、又は炭化有機又は合成原料から得られる炭素がある。炭素系材料１１４は、アルミニウム箔、銅箔等の導電材料から成る基板１１６にコーティングすることができる。例えば、一部の実施の形態において、炭素系材料１１４を含むスラリーが、カーボンインクを備えたアルミニウム箔にコーティングされる。次に、コーティングされたアルミニウム箔を乾燥して、スラリーから液体を除去することによって、炭素系材料１１４のコーティングがアルミニウム箔上に残る。
【００１６】
実施の形態において、電池１００は、必要に応じ、陰極１０２と陽極１０４との間に配置された、セパレータ１０６を備えることができる。セパレータ１０６は、引き続き陰極１０２と陽極１０４との間の電荷キャリア（即ち、リチウムイオン）の輸送を可能にしつつ、電極（即ち、陰極１０２及び陽極１０４）を離隔状態に維持して、電気的短絡を防止するために使用される。
【００１７】
本明細書に記載の実施の形態において、セパレータ１０６は、電解液１０８を保持する（例えば、電池の充電中又は放電中に、電解液１０８がセパレータ１０６から離れるのを防止する）のに適した材料から成ることができる。電解液１０８がセパレータ１０６から離れるのを防止することができる材料を選択することによって、電池が「ドライアウト」する可能性が低くなる。例えば、セパレータ１０６は、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンの多孔質シート又は不織布から成ることができる。しかし、電解液１０８を保持することができる、その他の材料も使用できることを理解すべきである。
【００１８】
本明細書に記載のリチウムイオン電池１００の様々な実施の形態において、電池１００は、複合リチウム粉末の層１１８を含んでいる。複合リチウム粉末は、参照により全内容がそのまま組み込まれたものとする、２０１２年１１月９日出願の、共同所有の同時係属出願である、米国特許出願第１３／６７３，０１９号明細書に図示及び説明されているような、リチウム錯塩でコーティングされたリチウム金属粉末であってよい。複合リチウム粉末は、リチウム金属粉末、リチウム金属合金粉末、又はその組合せであって、リチウム錯塩でコーティングされた粉末粒子を含むものであってよい。層１１８は、陽極１０４とセパレータ１０６との間に配置することができる。例えば、１つの実施の形態において、複合リチウム粉末は、陽極１０４に直接コーティングすることができる。別の方法として、複合リチウム粉末の層１1８は、セパレータ１０６の陽極１０４に近接した面にコーティングすることができる。更に別の実施の形態において、複合リチウム粉末は、陽極１０４及びセパレータ１０６の陽極１０４に近接した面の両方にコーティングすることができる。
【００１９】
一般に、複合リチウム粉末は、コア及びコアを覆う、又は、更には封入するコーティングを含んでいる。コアは、例えば、リチウム金属粉末又はリチウム金属合金粉末であってよい。コーティングは、コアを取り囲んで封入している。コーティングは気密性であって、水分又は酸素を含む空気がコアに接触して反応するのを防止又は実質的に抑制するものであってよい。従って、リチウム錯塩のコーティングによって、コア内のリチウム粉末粒子は環境暴露に対し安定化されている。
【００２０】
次に、例として、図２を参照すると、安定化リチウム複合粒子２００の断面が模式的に示されている。安定化リチウム複合粒子２００は、コア２０２及びコア２０２を取り囲んで封入するコーティング２０４を含んでいる。コア２０２は外表面２０６を画成する単一体であってよい。コーティング２０４は、コーティング２０４の内表面２０８に沿って、コア２０２の外表面２０６に直接物理的に接触している。コーティングは有機種を含まない無機であってよい。
【００２１】
様々な実施の形態において、コア２０２は、元素リチウム金属粉末である。しかし、一部の実施の形態において、コア２０２は、リチウム合金粉末であってよい。かかる合金の例には、リチウムとＡｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＢｉのうちの１つ以上との合金が例として挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００２２】
実施の形態において、コーティング２０４はリチウム塩であってよい。様々な実施の形態において、リチウム塩は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＦ３ＳＯ３、又はこれ等の混合物等のリチウム錯塩である。本明細書において、リチウム錯塩は、リチウム及びそれ自体はイオン化せず、且つ有機溶媒に溶解できる添加金属、半金属、又は非金属原子を含む任意のイオン性化合物を意味する。例えば、ＬｉＰＦ６は、金属原子リチウム及びリンを含むが、リンはそれ自体ではイオン化しない。その代わり、リンはＰＦ６−イオンとしてイオン化する。別の例として、ＬｉＢＦ４は、リチウム金属及び半金属ホウ素を含んでいる。リチウムは、Ｌｉ＋としてイオン化するが、ホウ素はそれ自体ではなく、ＢＦ４−としてイオン化する。同様に、ＬｉＣｌＯ４は、リチウム金属及び非金属原子である塩素と酸素を含んでいる。非金属元素は、過塩素酸イオン（ＣｌＯ４−）としてイオン化する。
【００２３】
様々な実施の形態において、コーティング２０４は、例えば、コーティングを形成する方法に応じて、実質的に均一な厚さ又は変厚を有している。例えば、リチウム複合粒子２００は、溶媒に溶解したコーティング材料を含むコーティング溶液に、コア２０２を接触させることによって形成することができる。コーティング材料は、前述のように、リチウム塩又はリチウム錯塩を含むことができる。溶媒はリチウム塩を溶解できる任意の溶媒であってよい。例えば、ＴＨＦ、ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、塩化メチレン、又はこれ等の組合せを用いることができる。コア２０２は、溶液に浸漬、又はスプレーコーティング若しくはその他の方法で、コーティングすることができる。コア２０２をコーティングした後、溶媒を除去してコーティング２０４の層を形成する。例えば、蒸発によって溶媒を除去することができる。得られたコーティング２０４の厚さは、約１０ｎｍ〜約１００マイクロメートル、例えば、約０．０１〜約０．０２マイクロメートル、約０．０２〜約０．０５マイクロメートル、約０．０５〜約０．１マイクロメートル、約０．１〜約０．２マイクロメートル、約０．２〜約０．５マイクロメートル、約０．５マイクロメートル〜約１マイクロメートル、約１〜約２マイクロメートル、約２〜約５マイクロメートル、約５〜約１０マイクロメートル、約１０〜約２０マイクロメートル、約２０〜約５０マイクロメートル、又は約５０〜約１００マイクロメートルとすることができ、バッチの厚さは、前述の値のいずれか２つの範囲にわたると規定することができる。
【００２４】
コーティング２０４の厚さは、コーティング溶液中のリチウム塩の濃度を制御することによって決定することもできる。一般に、溶液中の塩の濃度が高いほど、コーティング２０４が厚くなる。コーティング溶液中のリチウム塩の濃度は、約０．１〜約４モル、例えば、約０．１〜約０．２モル、約０．２〜約０．５モル、約０．５〜約１モル、約１〜約２モル、又は約２〜約４モルとすることができる。様々な実施の形態において、コーティング溶液はリチウム塩の飽和溶液であってよい。
【００２５】
リチウム複合粒子２００の平均粒径は約５マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、例えば、約５〜約１０マイクロメートル、約１０〜約２０マイクロメートル、約２０〜約５０マイクロメートル、約５０〜約１００マイクロメートル、約１００〜約２００マイクロメートル、約２００〜約３００マイクロメートル、約３００〜約４００マイクロメートル、又は約４００〜約５００マイクロメートルとすることができる。リチウム複合粒子２００の所与のバッチの粒径は、前述の値のいずれか２つの範囲にわたると規定することができる。様々な実施の形態において、リチウム複合粒子２００は、実質的に球形に形成されていてよく、「粒径」という用語は球の直径の記述に使用される。しかし、非対称形状又は回転楕円体を含み、これに限定されない別の形状が企図されている。リチウム複合粒子２００が楕円形を有している実施の形態において、「粒径」という用語は、粒子の「長さ」の記述に使用される。
【００２６】
コーティング２０４は、リチウム複合粒子２００の全質量の約１〜５０重量％であってよい。例えば、コーティング２０４は、リチウム複合粒子２００の全質量の１、２、５、１０、２０、３０、４０、又は５０重量％であってよい。コーティング２０４の組成に加えて、コーティング２０４の厚さは、空気、酸素、及び水分の拡散に対し有効な障壁となるように選択することができる。
【００２７】
コーティング２０４が、リチウムコア２０２を封入し、コアが露出してリチウムが周囲の気体又は液体と反応することが実質的に抑制又は防止されているため、空気、酸素、及び水分に晒されても、リチウム複合粒子２００が、実質的に反応又は燃焼することはない。リチウム複合粒子２００は十分安定しており、実質的な化学的劣化及び／又は燃焼を伴わずに、少なくとも１週間、１ヶ月、あるいは１年まで空気中に保管することができる。本明細書に記載のリチウム複合粒子２００は、高い貯蔵安定性に加え、安定化された形態で直接電池１００に組み込むことができる。このことは、鉱油等の粘性炭化水素に覆われて保管される、従来のコーティングが施されていないリチウム金属とは対照的である。鉱油封入材は、リチウム金属の劣化を抑制するものの、一般的に、リチウムイオン電池等の固体装置に適合しないため、リチウムをかかる装置に組み込む前に除去する必要がある。
【００２８】
再度図１を参照すると、様々な実施の形態において、電池１００は、電解液１０８を含むことができる。一部の実施の形態において、電解液１０８は非水電解液である。電解液１０８は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＦ３ＳＯ３、又はこれ等の混合物等のリチウム塩又はリチウム錯塩を含むことができる。一部の実施の形態において、電池１００の陽極１０４と陰極１０２との間に組み込まれる、リチウム複合粒子２００のコーティング２０４含まれているのと同じリチウム塩又はリチウム錯塩を含むことができる。電解液１０８を付加して、陰極１０２、陽極１０４、及びセパレータ１０６を湿潤させることができる。
【００２９】
電解液１０８が電池１００に付加されると、電解液１０８が、陽極１０４とセパレータ１０６との間に層を成す、リチウム複合粒子２００のコーティング２０４を少なくとも部分的に溶解する。様々な実施の形態において、コーティングを溶解する前の電解液１０８の化学組成は、コーティングを溶解した後の電解液１０８の化学組成と実質的に同様である。例えば、ＬｉＰＦ６を含む電解液を、コーティング２０４にもＬｉＰＦ６を含む、リチウム複合粒子２００を備えた電池１００に使用することができる。従って、電解液１０８がリチウム複合粒子２００のコーティング２０４を溶解するにつれ、成分の割合は変化し得るが、化学組成（例えば、溶液中に存在する成分）は実質的に変化しない。従って、電解液１０８は、その化学組成を含む、電気化学的特性を維持し、リチウム複合粒子２００を構成する成分によって汚染されることはない。
【００３０】
様々な実施の形態において、電池１００は、ＣＲ２０３２型ステンレス製コイン電池構造等のコイン電池構造に組み立てることができる。陰極１０２をケースの底部に配置することができ、セパレータ１０６を陰極１０２の上に配置することができる。次に、リチウム複合粉末の層１１８をセパレータ１０６の上に配置することができ、陽極１０４をリチウム複合粉末の層１１８の上に配置することができる。
【００３１】
一部の実施の形態において、リチウム複合粉末の層１１８は、陽極１０４の少なくとも１つの面にコーティングすることができる。例えば、リチウム複合粉末は、陽極１０４のセパレータ１０６に近接した面に、コーティングとして塗布するか、又はリチウム複合粉末は陽極１０４の全体にコーティングすることができる。別の実施の形態において、リチウム複合粉末は、セパレータ１０６の面にコーティングすることができる。例えば、リチウム複合粉末は、セパレータ１０６の陽極１０４に近接した面にコーティングすることができる。
【００３２】
次に、電極及びセパレータ１０６を電解液１０８で湿潤させることができる。電解液は、例えば、５％のＦＥＣを含むＥＣ／ＤＭＰ／ＭＰ（２０／２０／６０）に、１ＭのＬｉＰＦ６を溶解したものであってよいが、別の電解液も企図されている。スペーサ及びバネを陽極の上に配置し、コイン電池構造の上面を配置し、圧着機を用いて封止することができる。
【実施例】
【００３３】
様々な実施の形態を以下の実施例によって更に明確にする。
【００３４】
実施例１
ドクターブレードを用いて、カーボンインクを備えたＡｌ箔に、ＬｉＭｎ２Ｏ４スラリーをコーティングして、ＬｉＭｎ２Ｏ４を含む陰極を作製した。カーボンインクは、箔の表面を安定化させるだけでなく、電気的接触を向上させることができるため、電池の抵抗が低下する。ＬｉＭｎ２Ｏ４スラリーは、３．４０ｇのＬｉＭｎ２Ｏ４粉末、０．２０ｇのカーボンブラック、及び０．４０ｇのＰＶＤＦバインダーを３００ｒｐｍの速度で２０分間粉砕し、次に、乳鉢を用いて、１２．４グラムのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）を付加してスラリーを形成した。コーティングを施したＡｌ箔の電極シートを、真空オーブン内において、１２０℃で一晩乾燥させ、次いで、直径１４ｍｍの電極ディスクに切断した。
【００３５】
ローラを用いて、カーボンインクを備えたＡｌ箔の上に、９０％のＡＦＨ４２３硬質炭素、５％のＰＶＤＦ、及び５％のスーパーＣ４５を含むスラリーを積層して、ＡＦＨ４２３硬質炭素を含む陽極を作製した。積層したＡｌ箔の電極シートを直径約１４ｍｍのディスクに切断した。得られた電極ディスクを、真空オーブン内において、１２０℃で一晩乾燥させた。
【００３６】
電池をＣＲ２０３２型ステンレス製コイン電池構造に組み立てた。ケースの底部に陰極を配置し、厚さ２５マイクロメートルのセルロース紙のセパレータを陰極の上に配置した。次に、セパレータの上にリチウム複合粉末（約５．０ｍｇ）の層を配置し、リチウム複合粉末の層の上に陽極を配置した。
【００３７】
次に、５％のＦＥＣを含むＥＣ／ＤＭＰ／ＭＰ（２０／２０／６０）に、１ＭのＬｉＰＦ６を溶解した電解液で、電極及びセパレータを湿潤させた。スペーサ及びバネを陽極の上に配置し、コイン電池構造の上面を配置し、圧着機を用いて封止した。リチウム複合粉末の層を省略したが、同じ工程で比較用電池も組み立てた。
【００３８】
フレームワーク５ソフトウェアを備えた、Ｇａｍｒｙ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のポテンショスタット／ガルバノスタットを用いて、電気化学測定を行った。定電流放電曲線を積分して、電池のエネルギー密度を算出した。図３は、電池の１ｍＡの定電流放電曲線を示す図である。
【００３９】
図３に示すように、リチウム複合粉末を含む電池の放電時間が延び、リチウム複合粉末を含む電池が、リチウム複合粉末を含まない電池と比較して、容量が増加したことを示している。リチウム複合粉末を含む電池のエネルギー密度が約７７Ｗｈ／Ｌであるのに対し、リチウム複合粉末を含まない電池のエネルギー密度は約３８Ｗｈ／Ｌであった。エネルギー密度の増加は、陽極とセパレータとの間のリチウム複合粉末の存在に帰することができる。このように、リチウム複合粉末を含む電池のエネルギー密度は、リチウム複合粉末を含まない電池のエネルギー密度の約倍であった。
【００４０】
実施例２
ローラを用いて、カーボンインクを備えたＡｌ箔に、ＬｉＦｅＰＯ４スラリーを積層して、ＬｉＦｅＰＯ４を含む陰極を作製した。ＬｉＦｅＰＯ４スラリーは、１．８０ｇのＬｉＦｅＰＯ４粉末、０．１０ｇのスーパーＣ４５、及び０．１０ｇのＰＶＤＦバインダーを製粉機において、３００ｒｐｍの速度で２０分間混合して作成した。次に、２．８９ｇのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）を付加してスラリーを形成した。スラリーがペーストになるまで、ホットプレート上において、１１０℃で２０分間加熱した。積層したＡｌ箔の電極シートを直径１４ｍｍのディスクに切断し、ディスクを、真空オーブン内において、１２０℃で一晩乾燥させた。
【００４１】
ローラを用いて、カーボンインクを備えたＡｌ箔の上に、９０％のＡＦＨ４２３硬質炭素、５％のＰＶＤＦ、及び５％のスーパーＣ４５を含むスラリーを積層して、ＡＦＨ４２３硬質炭素を含む陽極を作製した。積層したＡｌ箔の電極シートを直径約１４ｍｍのディスクに切断した。得られた電極ディスクを、真空オーブン内において、１２０℃で一晩乾燥させた。
【００４２】
電池をＣＲ２０３２型ステンレス製コイン電池構造に組み立てた。ケースの底部に陰極を配置し、厚さ２５マイクロメートルのセルロース紙のセパレータを陰極の上に配置した。次に、セパレータの上にリチウム複合粉末（約５．０ｍｇ）の層を配置し、リチウム複合粉末の層の上に陽極を配置した。
【００４３】
次に、５％のＦＥＣを含むＥＣ／ＤＭＰ／ＭＰ（２０／２０／６０）に、１ＭのＬｉＰＦ６を溶解した電解液で、電極及びセパレータを湿潤させた。スペーサ及びバネを陽極の上に配置し、コイン電池構造の上面を配置し、圧着機を用いて封止した。リチウム複合粉末の層を省略したが、同じ工程で比較用電池も組み立てた。
【００４４】
フレームワーク５ソフトウェアを備えた、Ｇａｍｒｙ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のポテンショスタット／ガルバノスタットを用いて、電気化学測定を行った。定電流放電曲線を積分して、電池のエネルギー密度を算出した。図４は、電池の１ｍＡの定電流放電曲線を示す図である。
【００４５】
図４に示すように、リチウム複合粉末を含む電池の放電時間が延び、リチウム複合粉末を含む電池が、リチウム複合粉末を含まない電池と比較して、容量が増加したことを示している。リチウム複合粉末を含む電池のエネルギー密度が約１０１．７Ｗｈ／Ｌであるのに対し、リチウム複合粉末を含まない電池のエネルギー密度は約７４．６Ｗｈ／Ｌであった。このように、リチウム複合粉末を含む電池のエネルギー密度は、リチウム複合粉末を含まない電池のエネルギー密度と比較して約３４．６％増加した。
【００４６】
実施例３
ＬｉＣｏＯ２を含む陰極を、前述の方法等、周知の方法に従って作製した。同様に、ＡＦＨ４２３硬質炭素を含む陽極を、前述の方法等、周知の方法に従って作製した。
【００４７】
電池をＣＲ２０３２型ステンレス製コイン電池構造に組み立てた。ケースの底部に陰極を配置し、厚さ２５マイクロメートルのセルロース紙のセパレータを陰極の上に配置した。次に、セパレータの上にリチウム複合粉末（約５．０ｍｇ）の層を配置し、リチウム複合粉末の層の上に陽極を配置した。
【００４８】
次に、５％のＦＥＣを含むＥＣ／ＤＭＰ／ＭＰ（２０／２０／６０）に、１ＭのＬｉＰＦ６を溶解した電解液で、電極及びセパレータを湿潤させた。スペーサ及びバネを陽極の上に配置し、コイン電池構造の上面を配置し、圧着機を用いて封止した。リチウム複合粉末の層を省略したが、同じ工程で比較用電池も組み立てた。
【００４９】
フレームワーク５ソフトウェアを備えた、Ｇａｍｒｙ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のポテンショスタット／ガルバノスタットを用いて、電気化学測定を行った。定電流放電曲線を積分して、電池のエネルギー密度を算出した。リチウム複合粉末を含む電池は、リチウム複合粉末を含まない電池と比較して、統計的に識別できるエネルギー密度の改善は示さなかった。このように、陰極がオリビン又はスピネル構造を有する化合物を含む電池には、エネルギー密度の改善が見られたが、リチウム複合粉末は、陰極がＬｉＣｏＯ２等の層状化合物を含む電池のエネルギー密度には、影響を与えない可能性がある。
【００５０】
ここで、本明細書に記載の電池は、陰極にオリビン又はスピネル構造を有する材料を有し、リチウム錯塩でコーティングしたリチウム複合粉末の層を、セパレータと陽極との間に有することを理解されたい。これ等の材料及び電池構造によって、電池のエネルギー密度の増加がもたらされる。従って、本明細書に記載のリチウムイオン電池は、長寿命の電池が非常に好ましい一般消費者向け装置用として適している。
【００５１】
第１の態様において、本開示は、オリビン又はスピネル構造を有する材料を含む陰極、及び複合リチウム粉末でコーティングされた陽極を有する電池を提供する。
【００５２】
第２の態様において、本開示は、オリビン又はスピネル構造を有する材料を含む陰極、炭素材料を含む陽極、前記陽極と前記陰極との間に配置されたセパレータ、並びに前記陰極、前記陽極、及び前記セパレータに接触する非水電解液を備えた電池を提供する。複合リチウム粉末の層を、前記陽極と前記セパレータとの間に配置することができる。
【００５３】
第３の態様において、本開示は、前記陰極がＬｉＭｎＯ４を含む、第１又は第２の態様に記載の電池を提供する。
【００５４】
第４の態様において、本開示は、前記陰極がＬｉＦｅＰＯ４を含む、第１又は第２の態様に記載の電池を提供する。
【００５５】
第５の態様において、本開示は、前記陽極が黒鉛又は硬質炭素材料を含む、第１〜第４の態様のいずれか１項記載の電池を提供する。
【００５６】
第６の態様において、本開示は、前記陽極と前記陰極との間にセパレータを更に備え、前記陽極と前記セパレータとの間に、前記複合リチウム粉末の層が配置された、第１〜第５の態様のいずれか１項記載の電池を提供する。
【００５７】
第７の態様において、本開示は、リチウム錯塩を含む非水電解液を更に備えた、第１〜第６の態様のいずれか１項に記載の電池を提供する。
【００５８】
第８の態様において、本開示は、前記陰極及び前記陽極に接触する電解液であって、前記コーティングを少なくとも部分的に溶解し、前記コーティングを部分的に溶解する前の化学組成が、前記コーティングを溶解した後の化学組成と実質的に同様である電解液を更に備えた、第１〜第７の態様のいずれか１項記載の電池を提供する。
【００５９】
第９の態様において、本開示は、前記リチウム錯塩が、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＦ３ＳＯ３、及びこれ等の組合せから成る群より選択される、第１〜第８の態様のいずれか１項記載の電池を提供する。
【００６０】
第１０の態様において、本開示は、前記陽極の前記炭素材料が黒鉛炭素である、第１〜第９の態様のいずれか１項記載の電池を提供する。
【００６１】
第１１の態様において、本開示は、前記非水電解液がＬｉＰＦ６塩を含む、第１〜第１０の態様のいずれか１項記載の電池を提供する。
【００６２】
第１２の態様において、本開示は、第１〜第１１の態様のいずれか１項記載の前記電池を製造する方法であって、炭素材料を含む陽極と、スピネル又はオリビン構造を有する陰極との間に、セパレータを配置するステップであって、ＬｉＰＦ６でコーティングされたリチウム粉末を含むコーティングが、前記セパレータと前記陽極との間に配置されるステップを備えた方法を提供する。
【００６３】
第１３の態様において、本開示は、ＬｉＰＦ６でコーティングされたリチウム粉末の前記コーティングが前記陽極に施される、第１２の態様に記載の方法を提供する。
【００６４】
第１４の態様において、本開示は、ＬｉＰＦ６でコーティングされたリチウム粉末の前記コーティングが、前記セパレータの前記陽極に近接した面に施される、第１２又は第１３の態様に記載の方法を提供する。
【００６５】
第１５の態様において、本開示は、前記陽極、前記陰極、及び前記セパレータを、ＬｉＰＦ６塩を含む非水電解液で湿潤させるステップであって、前記非水電解液が、前記リチウム粉末の前記ＬｉＰＦ６コーティングを少なくとも部分的に溶解し、前記ＬｉＰＦ６コーティングを溶解する前の前記非水電解液の化学組成が、前記ＬｉＰＦ６コーティングを溶解した後の前記非水電解液の化学組成と実質的に同様であるステップを更に備えた、第１２〜第１４の態様の１つに記載の方法を提供する。
【００６６】
特許請求した主題の精神及び範囲を逸脱せずに、本明細書に記載の実施の形態に対し、様々な改良及び変形が可能であることは、当業者には明らかであろう。従って、本明細書は、本明細書に記載の様々な実施の形態の改良及び変形も、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲に属することを条件に、カバーすることを意図したものである。
【００６７】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００６８】
実施形態１  
リチウムイオン電池において、
オリビン又はスピネル構造を有する材料を含む陰極、及び
リチウム錯塩でコーティングされた複合リチウム粉末を含むコーティングを有する陽極を備えた、電池。
【００６９】
実施形態２  
前記陰極の前記材料が、ＬｉＭｎＯ４を含む、実施形態１記載の電池。
【００７０】
実施形態３  
前記陰極の前記材料が、ＬｉＦｅＰＯ４を含む、実施形態１記載の電池。
【００７１】
実施形態４  
前記陽極が、黒鉛又は硬質炭素材料を含む、実施形態１記載の電池。
【００７２】
実施形態５  
前記陽極と前記陰極との間に配置された、セパレータを更に備え、前記陽極と前記セパレータとの間に、前記複合リチウム粉末の層が配置されている、実施形態１記載の電池。
【００７３】
実施形態６  
リチウム錯塩を含む非水電解液を更に備えた、実施形態１記載の電池。
【００７４】
実施形態７  
前記陰極及び前記陽極に接触する電解液であって、前記コーティングを少なくとも部分的に溶解し、前記コーティングを部分的に溶解する前の化学組成が、前記コーティングを溶解した後の化学組成と実質的に同様である電解液を更に備えた、実施形態１記載の電池。
【００７５】
実施形態８  
前記リチウム錯塩が、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＦ３ＳＯ３、及びこれ等の組合せから成る群より選択される、実施形態１記載の電池。
【００７６】
実施形態９  
電池において、
オリビン又はスピネル構造を有する材料を含む陰極、
炭素材料を含む陽極、
前記陽極と前記陰極との間に配置されたセパレータであって、前記陽極との間に、リチウム錯塩でコーティングされた複合リチウム粉末の層が配置されたセパレータ、及び
前記陰極、前記陽極、及び前記セパレータに接触する非水電解液
を備えた、電池。
【００７７】
実施形態１０  
前記陽極の前記炭素材料が黒鉛炭素を含む、実施形態９記載の電池。
【００７８】
実施形態１１  
前記陰極の前記材料がＬｉＭｎＯ４を含む、実施形態１０記載の電池。
【００７９】
実施形態１２  
前記非水電解液がＬｉＰＦ６塩を含む、実施形態１１記載の電池。
【００８０】
実施形態１３  
前記陰極の前記材料がＬｉＦｅＰＯ４を含む、実施形態１０記載の電池。
【００８１】
実施形態１４  
前記非水電解液がＬｉＰＦ６塩を含む、実施形態１３記載の電池。
【００８２】
実施形態１５  
電池を製造する方法において、
オリビン又はスピネル構造を有する材料を含む陰極を配置するステップ、
炭素材料を含む陽極を配置するステップ、及び
前記陽極と前記陰極との間にセパレータを配置するステップであって、ＬｉＰＦ６でコーティングされたリチウム粉末を含むコーティングが、前記セパレータと前記陽極との間に配置されるステップ
を備えた、方法。
【００８３】
実施形態１６  
ＬｉＰＦ６でコーティングされたリチウム粉末を含む前記コーティングが、前記陽極に施されている、実施形態１５記載の方法。
【００８４】
実施形態１７  
ＬｉＰＦ６でコーティングされたリチウム粉末を含む前記コーティングが、前記セパレータの前記陽極に近接した面に施されている、実施形態１５記載の方法。
【００８５】
実施形態１８  
前記陰極の前記材料がＬｉＭｎＯ４を含む、実施形態１５記載の方法。
【００８６】
実施形態１９  
前記陰極の前記材料がＬｉＦｅＰＯ４を含む、実施形態１５記載の方法。
【００８７】
実施形態２０  
前記陽極、前記陰極、及び前記セパレータを、ＬｉＰＦ６塩を含む非水電解液で湿潤させるステップであって、前記非水電解液が、前記リチウム粉末の前記ＬｉＰＦ６のコーティングを少なくとも部分的に溶解し、前記ＬｉＰＦ６のコーティングを溶解する前の前記非水電解液の化学組成が、前記ＬｉＰＦ６のコーティングを溶解した後の前記非水電解液の化学組成と実質的に同様であるステップを更に備えた、実施形態１５記載の方法。
【符号の説明】
【００８８】
１００  リチウムイオン電池
１０２  陰極
１０４  陽極
１０６  セパレータ
１０８  電解液
１１０  オリビン又はスピネル構造
１１２  基板
１１４  黒鉛又は硬質炭素材料
１１６  基板
１１８  リチウム複合粉末の層
２００  安定化リチウム複合粒子
２０２  コア
２０４  コーティング
２０６  コア２０２の外表面
２０８  コーティング２０４の内表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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