(57)【要約】  改良された電池セパレータおよび当該改良された電池セパレータを含むエネルギーセルを提供する。改良された電池セパレータは、電解質によって湿潤しているとき、以下の特性：体積を有さないか、または低体積である；質量を有さないか、または低質量である；液体電解質をできる限り浸漬する；上記電解質におけるいずれの有害物質もブロックまたは除去する；いずれの高温においても溶融しない；いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない；スチール以上の機械強度を有する；いずれの条件下でも電子絶縁体である；および金属デンドライト成長をブロックする；のうちの少なくとも１つを有する多孔質膜を含む。
2020511766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質によって湿潤しているとき、以下の特性：
体積を有さないか、または低体積である：
質量を有さないか、または低質量である：
液体電解質をできる限り浸漬する：
前記電解質におけるいずれの有害物質もブロックまたは除去する：
いずれの高温においても溶融しない：
いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない：
スチール以上の機械強度を有する：
いずれの条件下でも電子絶縁体である：
金属デンドライト成長をブロックする；
のうち少なくとも１つを有する多孔質膜を含む改良された電池セパレータ。
【請求項２】
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、体積を有さないか、または低体積である、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、質量を有さないか、または低質量である、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、液体電解質をできる限り浸漬する、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、デンドライトをブロックする、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、いずれの高温においても溶融しない、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、スチール以上の機械強度を有する、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、いずれの条件下でも電気絶縁体である、および、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、金属デンドライト成長をブロックする
のうちの少なくとも１つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項３】
前記特性のうちの少なくとも２つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項４】
前記特性のうちの少なくとも３つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項５】
前記特性のうちの少なくとも４つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項６】
前記特性のうちの少なくとも５つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項７】
前記特性のうちの少なくとも６つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項８】
前記特性のうちの少なくとも７つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項９】
前記特性のうちの少なくとも８つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項１０】
前記特性のうちの少なくとも９つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項１１】
前記電池セパレータが、マクロ多孔質、ミクロ多孔質、またはナノ多孔質であり、前記電池セパレータの複数の孔が、イオン伝導性媒体で充填されている；
乾燥しているとき（電解質なし）かつ／または電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、リチウムイオンを伝導する；および
前記セパレータが、無限のＧｕｒｌｅｙ値を有する；
のうちの少なくとも１つを有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の電池セパレータ。
【請求項１２】
リチウム析出を伴わず３．０Ｃ（１Ｃ＝２．３ｍＡ／ｃｍ２）以上の充電率で充電され得るエネルギーセルであって：
リチウムを含むアノード；および
カソード；
を含む、前記エネルギーセル。
【請求項１３】
前記充電率が、３．５Ｃ以上である；
前記充電率が、４．０Ｃ以上である；
前記充電率が、４．５Ｃ以上である；
前記充電率が、３．０Ｃ以上、５．０Ｃ未満である；
前記アノードの厚さが、約５０〜約２００ミクロンである；
前記アノードの厚さが、約６０〜約２００ミクロンである；
前記アノードの厚さが、約６０〜約１２５ミクロンである；
前記カソードの厚さが、約５０〜約２００ミクロンである；
前記カソードの厚さが、約７５〜約２００ミクロンである；
前記カソードの厚さが、約７５〜約１５０ミクロンである；
前記アノードの多孔度が、１５％以上である；
前記アノードの多孔度が、２０％以上である；
前記アノードの多孔度が、３０％以上である；
前記アノードの多孔度が、４０％以上である；
前記アノードの多孔度が、１５％以上、５０％以下である；
前記カソードの多孔度が、１０％以上である；
前記カソードの多孔度が、１５％以上である；
前記カソードの多孔度が、２０％以上である；
前記カソードの多孔度が、３０％以上である；
前記カソードの多孔度が、１０％以上、４０％未満である；
前記アノードの屈曲度が、２．０以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．７以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．５以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．３以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．２以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．２以上１．３以下である；
前記カソードの屈曲度が、２．０以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．７以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．５以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．３以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．２以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．２以上１．５以下である；
前記アノードがリチウムを含み、また、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）；マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）；リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）；（Ｌｉ（ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２）、ここで、０．３３＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ＮＣＡ（Ｌｉ（ＮｉｘＣＯｙＡｌｚ）Ｏ２）、ここで、０．８＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む；
前記カソードが：天然黒鉛；人工黒鉛；無定形炭素；スズおよび／もしくはケイ素を含む合金；スピネルチタン酸リチウム；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む；
電解質をさらに含み、前記電解質が：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）；ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）；プロピレンカーボネート（ＰＣ）；およびこれらの組み合わせからなる群から選択される；ならびに
前記電解質が電解質添加剤を含む；
のうちの少なくとも１つを有する、請求項１２に記載のエネルギーセル。
【請求項１４】
請求項１のセパレータをさらに含む、請求項１２または１３に記載のエネルギーセル。
【請求項１５】
前記アノードが、約５０〜約２００ミクロンの厚さを有する；
前記アノードの厚さが、約６０〜約２００ミクロンである；
前記アノードの厚さが、約６０〜約１２５ミクロンである；
前記アノードの多孔度が、１５％以上である；
前記アノードの多孔度が、２０％以上である；
前記アノードの多孔度が、３０％以上である；
前記アノードの多孔度が、４０％以上である；
前記アノードの多孔度が、１５％以上、５０％以下である；
前記アノードの屈曲度が、２．０以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．７以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．５以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．３以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．２以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．０以上２．０以下である；および
前記アノードの屈曲度が、１．２以上１．３以下である；
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２または１３に記載のエネルギーセル。
【請求項１６】
前記カソードの厚さが、約５０〜約２００ミクロンである；
前記カソードの厚さが、約７５〜約２００ミクロンである；
前記カソードの厚さが、約７５〜約１５０ミクロンである；
前記カソードの多孔度が、１０％以上である；
前記カソードの多孔度が、１５％以上である；
前記カソードの多孔度が、２０％以上である；
前記カソードの多孔度が、３０％以上である；
前記カソードの多孔度が、１０％以上、４０％未満である；
前記カソードの屈曲度が、２．０以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．７以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．５以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．３以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．２以下である；および
前記カソードの屈曲度が、１．２以上１．５以下である；
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２または１３に記載のエネルギーセル。
【請求項１７】
前記アノードが、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）；マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）；リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）；（Ｌｉ（ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２）、ここで、０．３３＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ＮＣＡ（Ｌｉ（ＮｉｘＣＯｙＡｌｚ）Ｏ２）、ここで、０．８＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１６に記載のエネルギーセル。
【請求項１８】
前記カソードが：天然黒鉛；人工黒鉛；無定形炭素；スズおよび／もしくはケイ素を含む合金；スピネルチタン酸リチウム；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１２または１３のいずれかに記載のエネルギーセル。
【請求項１９】
二次リチウム電池を含むまたはこれに含まれている、請求項１２または１３のいずれかに記載のエネルギーセル。
【請求項２０】
改良が、請求項１〜１０のいずれかに記載のセパレータを含む、リチウム電池またはセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張
この出願は、合衆国法典第３５巻第１１９条（ｅ）（１）の下、２０１７年３月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／４７３，５９６号の利益及び優先権を主張するものである。この米国仮特許出願は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
少なくとも選択された実施形態によると、本開示または発明は、新規または改良されたセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、電池、セル、システム、ならびに／あるいは、かかるセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、セル、システムなどの、リチウム電池、特に二次リチウム電池、例えば二次リチウムイオン電池、および／またはＣＥ、ＥＳＳ、および／もしくはＥＤＶ電池のための設計、理解、製造、および／または使用方法を対象とする。少なくともある特定の実施形態によると、本開示または発明は、かかる新しい考え、定義、および／またはデータを使用して屈曲度、多孔度、リチウム析出、およびセル設計を調査または定義するための新しいまたは改良された方法を対象とする。また、電池寿命を向上させる、電池不良を低減する、デンドライトを低減する、リチウム析出を低減する、充電および放電率、改良された構成、改良された性能などを保持するための方法、システムならびに電池構成要素が本明細書に開示されている。
【背景技術】
【０００３】
改良された電池セパレータ、特に、とりわけ、デンドライトをブロックし、高温においても溶融しないリチウムイオン電池セパレータに対する要求が存在する。
【０００４】
リチウムイオン電池において、炭素質材料が、リチウムイオン電池のアノード材料として一般に使用されてきた。炭素質材料のエネルギー密度は非常に高いが、充電および放電電圧が、リチウム析出のそれと非常に近い。そのため、リチウム析出が、過剰電位によって、特に高い充電率下で起こり得、大きな分極を引き起こす。電池内でのリチウム金属の析出は、深刻な安全上の懸念を引き起こし、熱的事象、暴走、または爆発に至る場合がある。そのため、高い充電率においてもリチウム析出が起こらないリチウムイオン電池またはセルが要求されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
少なくとも選択された実施形態によると、本開示または発明は、上記の要求、課題もしくは問題に対処することができ、かつ／あるいは、新規または改良されたセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、電池、セル、システム、ならびに／あるいは、かかるセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、セル、システムなどの、リチウム電池、特に二次リチウム電池、例えば二次リチウムイオン電池、および／またはＣＥ、ＥＳＳ、および／もしくはＥＤＶ電池のための設計、理解、製造、および／または使用方法を対象とする。少なくともある特定の実施形態によると、本開示または発明は、かかる新しい考え、定義、および／またはデータを使用して屈曲度、多孔度、リチウム析出、およびセル設計を調査または定義するための新しいまたは改良された方法を対象とする。また、電池寿命を向上させる、電池不良を低減する、デンドライトを低減する、リチウム析出を低減する、充電および放電率、改良された構成、改良された性能などを保持するための方法、システムならびに電池構成要素が本明細書に開示されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様において、この出願は、改良された電池セパレータを対象とする。改良されたセパレータは、電解質によって湿潤しているとき、以下の特性：体積を有さないか、または低体積である；質量を有さないか、または低質量である；液体電解質をできる限り浸漬する；上記電解質におけるいずれの有害物質もブロックまたは除去する；いずれの高温においても溶融しない；いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない；スチール以上の機械強度を有する；いずれの条件下でも電子絶縁体である；金属デンドライト成長をブロックする；のうちの少なくとも１つを有する。いくつかの実施形態において、セパレータは、上記特性のうちの１つまたは１つ以上を有する。いくつかの実施形態において、セパレータは、上記特性のうちの２つまたは２つ以上を有する。いくつかの実施形態において、セパレータは、上記特性のうちの３つまたは３つ以上を有する。いくつかの実施形態において、セパレータは、上記特性のうちの４つまたは４つ以上を有する。いくつかの実施形態において、セパレータは、上記特性のうちの５つまたは５つ以上を有する。いくつかの実施形態において、セパレータは、上記特性のうちの６つまたは６つ以上を有する。いくつかの実施形態において、セパレータは、上記特性のうちの７つまたは７つ以上を有する。いくつかの実施形態において、セパレータは、上記特性のうちの８つまたは８つ以上を有する。いくつかの実施形態において、セパレータは、上記特性のうちの全て９つまたは少なくとも全て９つを有する。
【０００７】
いくつかの実施形態において、本明細書において上記に記載されている電池セパレータは、多孔質、ミクロ多孔質、またはナノ多孔質電池セパレータであり、電池セパレータの孔は、イオン伝導性媒体で充填されている。いくつかの実施形態において、イオン伝導性媒体によって充填されている孔を有する電池セパレータは、乾燥しているとき（電解質が添加されていないとき）、電解質によって湿潤しているとき、または、乾燥しているとき（電解質が添加されていないとき）および電解質によって湿潤しているときの両方において、リチウムイオンを伝導する。
【０００８】
別の態様において、リチウム析出を伴わず３．０Ｃ（１Ｃ＝２．３ｍＡ／ｃｍ２）以上の充電率で充電され得るエネルギーセル。いくつかの実施形態において、セルは、３．５Ｃ以上、４．０Ｃ以上、４．５Ｃ以上、または３．０Ｃ以上、５．０Ｃ未満である充電率で充電されることが可能であり得る。
【０００９】
エネルギーセルは、少なくとも以下：リチウムを含むアノード；およびカソード；を含む。
【００１０】
いくつかの実施形態において、リチウムを含むアノードは、約５０〜約２００ミクロンの厚さを有する。厚さは、約６０〜約２００ミクロン、または約６０〜約１２５ミクロンであってもよい。アノードの多孔度は、いくつかの実施形態において、１５％以上、２０％以上、３０％以上、または４０％以上であってよい。いくつかの実施形態において、アノードの多孔度は、１５％以上、５０％以下であってよい。アノードの屈曲度は、いくつかの実施形態において、２．０以下、１．７以下、１．５以下、１．３以下、または１．２以下であってよい。いくつかの実施形態において、屈曲度は、１．０および２．０の間、好ましくは１．２および２．０の間である。さらにより好ましくは、アノードの屈曲度は、１．２以上、１．３以下であってよい。
【００１１】
いくつかの実施形態において、リチウムを含むアノードは、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）；マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）；リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）；（Ｌｉ（ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２）、ここで、０．３３＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ＮＣＡ（Ｌｉ（ＮｉｘＣＯｙＡｌｚ）Ｏ２）、ここで、０．８＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料からできている。
【００１２】
いくつかの実施形態において、本明細書に記載されているエネルギーセルのカソードは、約５０〜約２００ミクロン、約７５〜約２００ミクロン、または約７５〜約１５０ミクロンの厚さを有する。カソードの多孔度は、いくつかの実施形態において、１０％以上、１５％以上、２０％以上、３０％以上、または１０％以上、４０％未満であってよい。カソードの屈曲度は、いくつかの実施形態において、２．０以下、１．７以下、１．５以下、１．３以下、または１．２以下であってよい。いくつかの好ましい実施形態において、カソードの屈曲度は、１．０以上、２．０以下であってよい。さらにより好ましくは、カソードの屈曲度は、１．２以上、１．５以下であってよい。
【００１３】
エネルギーセルのカソードは、いくつかの実施形態において、天然黒鉛；人工黒鉛；無定形炭素；スズおよび／もしくはケイ素を含む合金；スピネルチタン酸リチウム；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料でできていてよい。
【００１４】
さらに、リチウムを含むアノードおよびカソードに加えて、本明細書に記載されているエネルギーセルは、電解質を含んでいてよい。電解質は：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）；ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）；プロピレンカーボネート（ＰＣ）；およびこれらの組み合わせからなる群から選択されてよい。いくつかの実施形態において、電解質は、電解質添加剤を含んでいてよい。
【００１５】
いくつかのさらなる実施形態において、本明細書において記載されているエネルギーセルは、本明細書に記載されている改良されたセパレータを含めた、セパレータを含んでいてよい。例えば、エネルギーセルは、リチウムを含むアノード、カソード、およびセパレータを含んでいてよい。いくつかの他の実施形態において、エネルギーセルは、リチウムを含むアノード、カソード、電解質、およびセパレータを含んでいてよい。
【００１６】
いくつかの実施形態において、エネルギーセルは、一次または二次エネルギーセルであってよい。
【００１７】
別の態様において、リチウムを含むアノードが本明細書に記載されている。リチウムを含むアノードは、本明細書に記載されているエネルギーセルにおいて使用され得る。いくつかの実施形態において、リチウムを含むアノードは、約５０〜約２００ミクロンの厚さを有する。厚さは、約６０〜約２００ミクロン、または約６０〜約１２５ミクロンであってもよい。アノードの多孔度は、いくつかの実施形態において、１５％以上、２０％以上、３０％以上、または４０％以上であってよい。いくつかの実施形態において、アノードの多孔度は、１５％以上、５０％以下であってよい。アノードの屈曲度は、いくつかの実施形態において、２．０以下、１．７以下、１．５以下、１．３以下、または１．２以下であってよい。いくつかの実施形態において、屈曲度は、１．０および２．０の間、好ましくは１．２および２．０の間である。さらにより好ましくは、アノードの屈曲度は、１．２以上、１．３以下であってよい。
【００１８】
いくつかの実施形態において、リチウムを含むアノードは、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）；マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）；リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）；（Ｌｉ（ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２）、ここで、０．３３＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ＮＣＡ（Ｌｉ（ＮｉｘＣＯｙＡｌｚ）Ｏ２）、ここで、０．８＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料からできている。
【００１９】
いくつかの実施形態において、カソードにおける空隙は、イオン伝導性媒体を含んでいてよい。
【００２０】
別の態様において、本明細書に記載されているエネルギーセルにおいて使用され得るカソードが開示されている。いくつかの実施形態において、カソードは、約５０〜約２００ミクロン、約７５〜約２００ミクロン、または約７５〜約１５０ミクロンの厚さを有する。カソードの多孔度は、いくつかの実施形態において、１０％以上、１５％以上、２０％以上、３０％以上、または１０％以上、４０％未満であってよい。カソードの屈曲度は、いくつかの実施形態において、２．０以下、１．７以下、１．５以下、１．３以下、または１．２以下であってよい。いくつかの好ましい実施形態において、カソードの屈曲度は、１．０以上、２．０以下であってよい。さらにより好ましくは、カソードの屈曲度は、１．２以上、１．５以下であってよい。
【００２１】
カソードは、いくつかの実施形態において、天然黒鉛；人工黒鉛；無定形炭素；スズおよび／もしくはケイ素を含む合金；スピネルチタン酸リチウム；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料でできていてよい。
【００２２】
いくつかの実施形態において、カソードの空隙は、イオン伝導性媒体（ＩＣＭ）を含んでいてよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、イオン輸送、屈曲度、およびＧｕｒｌｅｙを示す。
【図２】図２は、イオン輸送および屈曲度を示す。
【図３】図３は、例示的なＬｉ−イオンセルの設計原理を示す。
【図４】図４は、Ｌｉ−イオンセルの分極を示す。
【図５】図５は、大電流放電後の電極粒子におけるＬｉ濃度の図示である。
【図６】図６は、電気化学モデル、熱的モデル、及び化学モデルを示す。
【図７】図７は、基本的な電気化学式を示す。
【図８】図８は、平衡でのＬｉ−イオンにおける電位、充電、および放電のレビューを示す。
【図９】図９は、ファラデーの反応則にしたがった多孔質ｌｉ−イオンセル１００％でのリチウム濃度分布のグラフである。
【図１０】図１０は、充電および放電における電解質中のリチウム濃度を示すグラフを含む。
【図１１】図１１は、放電におけるカソード電位降下を示すグラフおよびかかるグラフの部分の拡大を含む。
【図１２】図１２は、４Ｃ放電におけるアノード電位増加を示すグラフおよびかかるグラフの部分の拡大を含む。
【図１３】図１３は、４Ｃ充電におけるアノードでの電極電位降下を示す２つのグラフを含む。
【図１４】図１４は、４Ｃ充電におけるアノード電位降下を示すグラフおよびかかるグラフの部分の拡大を含む。
【図１５】図１５は、４Ｃ充電におけるカソード電位増加を示すグラフおよびかかるグラフの部分の拡大を含む。
【図１６】図１６は、セル電圧を経時的に示すＤＣＩＲ測定からのグラフを含む。
【図１７】図１７は、開始状態（ｔ＝０）における１Ｘおよび２Ｘの２つの異なる厚さを有する電極における厚さｘ（ｍ）に対する電位（Ｖ）／ＳＯＣをプロットしている２つのグラフを含む。
【図１８】図１８は、動的状態（ｔ＞０）における２つの異なる厚さを有する電極における厚さｘ（ｍ）に対する電位（Ｖ）／ＳＯＣをプロットしている２つのグラフを含む。
【図１９】図１９は、異なる充電率が、異なる厚さを有する電極に使用されているとき、Ｌｉ析出が開始するときを示すチャートである。
【図２０】図２０は、異なる充電率が、異なる多孔度値を有する電極に使用されているとき、Ｌｉ析出が開始するときを示すチャートである。
【図２１】図２１は、異なる充電率が、異なる屈曲度値を有する電極に使用されているとき、Ｌｉ析出が開始するときを示すチャートである。
【図２２】図２２は、Ｌｉ析出を有さないセルについての基準のセルパラメータを含むチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本明細書に記載されている実施形態は、以下の詳細な説明、例、および図を参照することによって、より容易に理解され得る。しかし、本明細書に記載されている要素、装置、および方法は、詳細な説明、例、および図において提示されている具体的な実施形態に限定されない。これらの実施形態は、単に本発明の原理を示しているだけであることが認識されるべきである。多数の変更および適合が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者に容易に明らかであろう。
【００２５】
また、本明細書に開示されている全ての範囲は、本明細書に組み込まれているありとあらゆるサブ範囲を包含することが理解されるべきである。例えば、「１．０〜１０．０」と記述されている範囲は、１．０以上の最小値によって開始して１０．０以下の最大値によって終端するありとあらゆるサブ範囲、例えば、１．０〜５．３、または４．７〜１０．０、または３．６〜７．９を含むとされるべきである。
【００２６】
本明細書に開示されている全ての範囲もまた、別途明確に記述されていない限り、当該範囲の終点を含むとされるべきである。例えば、「５および１０の間」、「５から１０」、または「５〜１０」の範囲は、概して、終点５および１０を含むとされるべきである。
【００２７】
さらに、「最大で」という句が、ある量または数量と併せて使用されているとき、当該量は、少なくとも、検出可能な量または数量であることが理解されるべきである。例えば、材料が、「最大で」ある量まで存在し、具体的な量は、検出可能な量から、最大で、当該具体的な量を含めて存在し得る。
【００２８】
少なくとも選択された実施形態によると、改良された電池セパレータ、当該改良された電池セパレータを任意選択的に含む改良されたエネルギーセル、ならびに／または、本明細書に記載されている、当該改良された電池セパレータもしくは当該改良されたエネルギーセルと共に任意選択的に使用される改良されたアノードおよびカソードが、本明細書に記載されている。
【００２９】
電池セパレータ
特定の実施形態において別途記載されていない限り、本明細書に記載されている膜または電池セパレータは、さほど限定されない。いくつかの実施形態において、電池セパレータは、電解質によって湿潤しているとき、以下の特性：：体積を有さないか、または低体積である；質量を有さないか、または低質量である；液体電解質をできる限り浸漬する；上記電解質におけるいずれの有害物質もブロックまたは除去する；いずれの高温においても溶融しない；いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない；スチール以上の機械強度を有する；いずれの条件下でも電子絶縁体（電子伝導なし）である；金属デンドライト成長をブロックする；のうちの少なくとも１つを有する多孔質膜を含む改良された電池セパレータであってよい。
【００３０】
上記特性のうちのいくつかを付与する１つの方法は、セラミックを電池セパレータに組み込むことによるものである。例えば、いくつかの実施形態において、セラミックコーティングは、電池セパレータの部分である多孔質膜の１つ以上の表面に適用されてよい。いくつかの実施形態において、セラミック材料は、ミクロ多孔質膜に組み込まれてよい。例えば、上記膜が、乾式プロセス、例えば、Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）乾式延伸プロセスによって形成されるとき、セラミック材料は、使用されるポリマー、例えば、ポリオレフィンポリマーと共に押し出されて、上記膜を形成し得る。いくつかの実施形態において、上記膜が、乾式プロセス、例えば、Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）乾式延伸プロセスによって形成される多層膜であるとき、セラミック材料は、上記層のいくつかのみにあり、他の層にはなくてよい。セラミック材料は、使用されるポリマーと共にセラミック材料を押出して層のうちの他のものを形成するのではなく、使用されるポリマーと共にセラミック材料を押出して上記層のいくつかを形成することによって、他の層ではなく上記層のいくつかに組み込まれ得る。
【００３１】
多くのセラミックスは、液体よりもさらに良好にイオンを伝導し得る。例えば、全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，４３２、５８６号の開示を参照されたい。セラミックスは、電解質における有害物質をブロックまたは除去することもできる。セラミックスは、非常に高温でも溶融せず、ほとんどの条件下で、ほとんどのアノードまたはカソード材料と反応しない。セラミックスは、機械的に強い。そのため、セラミックスは、本明細書に記載されている改良された電池セパレータの特性のうちのいくつかを付与するための１つの好ましい材料である。
【００３２】
多孔質膜
特定の実施形態において別途記載されていない限り、本明細書に記載されている多孔質膜は、限定されない。当該多孔質膜は、ナノ多孔質、ミクロ多孔質、またはマクロ多孔質であってよい。いくつかの好ましい実施形態において、多孔質膜は、ミクロ多孔質である。
【００３３】
ミクロ多孔質は、本明細書において使用されているとき、当該膜が、ミクロ孔またはミクロメータサイズの孔を含むことを意味する。いくつかの実施形態において、ミクロ多孔質膜の平均孔径は、２ミクロン未満であり、好ましい実施形態において、平均孔径は、１ミクロン未満である。いくつかの実施形態において、平均孔径は、０．０１および１ミクロンの間、好ましくは０．０１〜０．０８ミクロンの間、より好ましくは０．０１および０．０６ミクロンの間であり、いくつかの実施形態において、０．０１〜０．０４、０．０１〜０．０３、または０．１〜０．０２ミクロンである。
【００３４】
いくつかの好ましい実施形態において、ミクロ多孔質膜それ自体は、例えば、その上にセラミックコーティングなどのいずれのコーティングも有することなく、２〜５０ミクロン、４〜４０ミクロン、４〜３０ミクロン、４〜２０ミクロン、４〜１０ミクロン、または１０ミクロン未満の範囲の厚さを有する。厚さは、Ｅｍｖｅｃｏ  Ｍｉｃｒｏｇａｇｅ  ２１０−Ａミクロメータ厚さ試験機、および試験手順ＡＳＴＭ  Ｄ３７４を使用して、ミクロメータ、μｍで測定され得る。薄いミクロ多孔質膜が、いくつかの用途に好ましい。例えば、電池セパレータとして使用されるとき、より薄いセパレータ膜は、電池におけるさらなるアノードおよびカソード材料の使用、結果として、より高いエネルギー、およびより高い電力密度の電池の結果を可能にする。
【００３５】
いくつかの好ましい実施形態において、ミクロ多孔質膜は、多孔度、例えば、約４０〜約７０％、場合により約４０〜約６５％、場合により約４０〜約６０％、場合により約４０〜約５５％、場合により約４０〜約５０％、場合により約４０〜約４５％などの表面多孔度を有する。いくつかの実施形態において、特定の用途に望ましいとき、多孔度は、７０％超４０％未満であってよいが、４０〜７０％の範囲が電池セパレータの作動範囲であり、開示されているミクロ多孔質膜が使用され得る１つの方法である。多孔度は、ＡＳＴＭ  Ｄ−２８７３を使用して測定され、基板の縦方向（ＭＤ）および横方向（ＴＤ）において測定される、ミクロ多孔質膜の面積における、空隙スペース、例えば、孔の百分率として定義される。
【００３６】
いくつかの好ましい実施形態において、ミクロ多孔質膜は、５０〜３００、７５〜３００、および／または１００〜３００の範囲のＪＩＳ  Ｇｕｒｌｅｙを有し得る。しかし、特定の実施形態において別途記載されていない限り、ＪＩＳ  Ｇｕｒｌｅｙ値は、さほど限定されず、より高い、例えば、３００超、または、より低い、例えば、５０未満のＪＩＳ  Ｇｕｒｌｅｙ値が、異なる目的に望ましい場合がある。Ｇｕｒｌｅｙは、日本産業規格（ＪＩＳ  Ｇｕｒｌｅｙ）におけるように本明細書において定義されており、ＯＨＫＥＮ透過率試験機を使用して測定される。ＪＩＳ  Ｇｕｒｌｅｙは、１００ｃｃの空気が１平方インチのフィルムを４．９インチの水の定圧で通過するのに必要とされる時間（秒）として定義される。
【００３７】
ミクロ多孔質膜は、本明細書における記述されている目標と矛盾しないいずれの方法で製造されてもよい。例えば、いくつかの好ましい実施形態において、ミクロ多孔質膜は、乾式プロセスのミクロ多孔質膜であり、これは、フィルムが溶媒の使用なしに形成されたことを意味する。例示的な乾式プロセスは、ポリマーを押出して無孔前駆体を形成する工程および当該前駆体を延伸して、とりわけ、孔を形成する工程を含む、これらからなる、またはこれらから本質的になる乾式延伸プロセスである。例示的な乾式延伸プロセスは、Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）乾式延伸プロセスである。押出工程は、いくつかの実施形態において、互いに同じであっても異なっていてもよい２つ以上のポリマー混合物が共押出される共押出を含んでいてよい。他の実施形態において、ミクロ多孔質膜は、粒子の延伸製造プロセス、およびβ核生成二軸延伸（ＢＮ−ＢＯＰＰ）製造プロセスによって作製されてよい。代替的には、他の実施形態において、多孔質基板は、韓国のＣｅｌｇａｒｄ  Ｋｏｒｅａ，Ｌｉｍｉｔｅｄ、日本のＡｓａｈｉ  Ｋａｓｅｉおよび／または日本のＴｏｎｅｎの、相分離または抽出プロセスとして公知である場合がある、溶媒および／または油の使用を含めた湿式プロセスによって製造されてよい。代替的には、他の実施形態において、ミクロ多孔質膜は、織物タイプの膜であっても不織物タイプの膜であってもよい。例えば、いくつかの実施形態において、ミクロ多孔質膜は、エレクトロスピニングコーティングプロセスを使用して形成されてよい。エレクトロスピニングプロセスは、ナノスケールファイバ自体が多孔質である必要なく、ポリマー組成物をナノスケールファイバの形態で適用する方法を付与する。ファイバ間のスペースは、エレクトロスピニングされたコーティングまたは層において必要な開口または多孔度を付与する。
【００３８】
いくつかの実施形態において、ミクロ多孔質膜は、単層、２層、または多層膜であってよい。「層」という用語は、（例えば、「単層」、「２層」または「多層」という用語において）本明細書において使用されているとき、２〜５０ミクロンの厚さを有する単押出または単キャスト層を含む。単層は、２〜５０ミクロンの厚さを有する単押出または単キャスト層であってよい。当業者によって理解されるように、単押出層は、それ自体が押出された層であり、いずれの他の層とも共に押出されていない。また、共押出された２層または多層ミクロ多孔質膜の層は、それぞれ、本明細書において使用されているとき「層」であるとされる。共押出された２層における層の数は、２であり、共押出された多層フィルムにおける層の数は、３以上である。２層または多層の共押出されたフィルムにおける層の正確な数は、ダイ設計によって決定され、必ずしも、共押出されて共押出されたフィルムを形成する材料ではない。例えば、共押出された２または多層フィルムは、同じ材料を使用して２または３つ以上の層のそれぞれを形成することで形成されてよく、これらの層は、それぞれが同じ材料でできているが、なお、別個の層であるとされる。正確な数は、同じく、ダイ設計によって決定される。共押出された２または多層フィルムの層は、それぞれ、０．１〜２０ミクロン、好ましくは０．１〜５ミクロン、最も好ましくは０．１〜３ミクロン、０．１〜２ミクロン、０．１〜１ミクロン、０．１〜０．９ミクロン、０．１〜０．８ミクロン、０．１〜０．７ミクロン、０．１〜０．６ミクロン、０．１〜０．５ミクロン、０．１〜０．４ミクロン、０．１〜０．３ミクロン、または０．１〜０．２ミクロンの厚さを有し得る。
【００３９】
同じく、単層のミクロ多孔質膜は、いずれの他の層に沿っても押出もキャストもされていない、単一の押出またはキャスト層からなる。単層は、例えば、２〜５０ミクロンの厚さを有し得る。
【００４０】
他の実施形態において、ミクロ多孔質膜は、２層のミクロ多孔質膜であってよく、これは、共に積層された、または異なるもしくは同じの２つのポリマー組成物を共押出して共押出されたフィルムを形成することによって製造される共押出された２層からなる、２つの、単独の押出（単押出）またはキャスト（単キャスト）フィルムからなっている。２層のミクロ多孔質膜の合計厚さ（２層膜を作り上げている個々の層の厚さとは異なる）は、例えば、０．２〜５０ミクロンであってよい。２層のミクロ多孔質膜を作り上げている２つのフィルムの厚さは、０．１〜２５ミクロンであってよい。共押出方法は、押出＋積層方法よりも薄い層の形成を可能にする。
【００４１】
他の実施形態において、ミクロ多孔質膜は、多層のミクロ多孔質膜、例えば、３つ以上の層を含む膜であってよい。多層のミクロ多孔質膜は、３層、４層、５層、６層、７層、８層、９層、または１０層膜であってよい。他の実施形態において、当該膜は、１１〜１００層を含んでいてよい。多層のミクロ多孔質膜は、３つ以上の単層を（例えば、押出（例えば、単押出）またはキャスト（例えば、単キャスト）によって）個々に形成し、次いで、これらを一緒に積層することによって形成されてよい。これらの実施形態において、多層のミクロ多孔質膜の厚さは、６〜１００ミクロンであってよく、多層のミクロ多孔質膜の各層の厚さが、２〜３０ミクロンである。他の実施形態において、多層のミクロ多孔質膜は、同じであっても異なっていてもよい３つ以上のポリマー組成物を共押出することによって形成されてよい。この実施形態において、多層のミクロ多孔質膜の厚さは、１ミクロンと薄くても、５０ミクロンと厚くてもよい。個々の層は、０．１〜２０ミクロンの厚さを有していてよい。
【００４２】
他の実施形態において、多層のミクロ多孔質膜は、以下：単押出または単キャスト層を形成する工程；２つ以上の層を共押出する工程；および積層工程の組み合わせによって形成されてよい。例えば、単層を押出またはキャストすることができ、次いで、２つのポリマー組成物を押出して、共押出された２層を形成することができ、次いで、単層および２層を一緒に積層して、多層のミクロ多孔質膜を形成することができる。いくつかの実施形態において、２または３つ以上の共押出された２層または多層を一緒に積層して、多層のミクロ多孔質膜を形成する。いくつかの実施形態において、多層のミクロ多孔質膜を、インフレーションフィルム（または気泡）共押出方法を使用して形成することができ、ここで、気泡は、自身の上で崩壊している。この方法は、２（２層）、４、６、８、１０、１２、または他の偶数の層を有する多層のミクロ多孔質膜を形成し得る。この方法は、３、５（５層）、７、９、１１、または他の奇数の層を有するミクロ多孔質膜は形成しない。
【００４３】
例えば、ミクロ多孔質膜は、全体が参照により本明細書に組み込まれるＰＣＴ公報ＷＯ／２０１７／０８３６３３号に記載されているようにミクロ多孔質膜であってよい。
【００４４】
本明細書に記載されている実施形態において、積層は、熱、圧力、またはこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを印加して、別々のフィルムまたは層を取り付けることを含み得る。積層されて、本明細書に記載されている２層または多層のミクロ多孔質膜を形成するフィルムまたは層は、積層前および／または後に、アニーリング、ＭＤ延伸、ＴＤ延伸、カレンダリング、ヒートセット、およびこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つに付されてよい。代替的に、または付加的に、これらのフィルムまたは層を積層することによって形成される積層体は、アニーリング、ＭＤ延伸、ＴＤ延伸、カレンダリング、およびこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つに付されてよい。この場合、アニーリング、ＭＤ延伸、ＴＤ延伸、およびカレンダリングのうちの少なくとも１つが、積層後に行われる。
【００４５】
特定の実施形態において別途記載されていない限り、本明細書に記載されている多孔質膜の組成は、さほど限定されない。いくつかの実施形態において、多孔質膜は、いずれの押出可能なポリマーから構成されていてもよい。いくつかの好ましい実施形態において、押出可能なポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびこれらの混合物を含めたポリオレフィンである。
【００４６】
いくつかの実施形態において、本明細書に記載されている多孔質膜の孔（例えば、ナノ孔、ミクロ孔、またはマクロ孔）は、イオン伝導性媒体（ＩＣＭ）によって充填されていてよい。ＩＣＭは、ポリマーおよび溶媒電解質を含んでいてよい。例えば、ＩＣＭは、ＰＶＤＦおよび電解質などのポリマーを含んでいてよい。リチウムイオンは、孔におけるＩＣＭまたは液体電解質において伝導する。ミクロ多孔質膜は、電解質によって湿潤されていない（乾燥している）ときでも、孔がＩＣＭで充填されているときにはイオンを伝導する。孔におけるポリマー（例えば、ＩＣＭからのポリマー）を用いたミクロ多孔質膜は、無限のＧｕｒｌｅｙ（１０，０００以上）を有する。以下を含めた種々の電解質がある：純粋な液体電解質−−−多くが、ポリマーフィルムに浸漬されて（Ｇｕｒｌｅｙ＝無限）ゲル電解質を形成することができ、多くが、多孔質フィルムの孔内に浸漬され得る（ある特定の値を有するＧｕｒｌｅｙ）。電池は、両方のタイプのポリマーフィルムでよく機能する。現状では、液体電解質がポリマーと遭遇するとき、液体電解質の少なくとも一部が、ポリマーにいくらか染み込む（湿潤、膨潤またはゲル化させる）。染み込む液体電解質の量に応じて、本発明者らは、これらを、ゲル電解質、またはポリマー電解質と呼ぶことができる。１００％「純粋な液体電解質」（多くの場合、ポリマーが液体を吸い上げることに起因してセルには存在し得ない）。ＩＣＭに関する屈曲度の本発明者らの新しい数学的定義は、全体としての層の性能を記載することができる。
【００４７】
図１に説明するように、イオン伝導性媒体におけるＬｉイオン輸送は、流体の流れ、例えば、本明細書に記載されている多孔質膜のような多孔質材料を通しての液体電解質の流体の流れとは全く異なる。イオン伝導性媒体は、流動しない。屈曲度は、以下の式（１）：式中、εは、多孔度である；に示されるＭａｃＭｕｌｌｉｎ数（Ｎｍ）として示される、電解質の抵抗（ρｅ）に対するセパレータ膜の抵抗（ρｓ）の比である。
（ρｓ）／（ρｅ）＝Ｎｍ＝τ２／ε    （１）
【００４８】
イオン伝導性媒体は、無限のＧｕｒｌｅｙを有する固体電解質、ゲル電解質または液体電解質取り込みポリマーのうちの少なくとも１つであってよいが、依然として、イオンを輸送することができ、そのτまたは屈曲度は常に１に等しい。屈曲度（τ）は、以下の式（２）によって表される：
τ＝Ｌ／ｘ    （２）
【００４９】
式（２）において、Ｌは、孔の実際の長さであり、ｘは、孔の一方の端からもう一方までの直線距離である。Ｌおよびｘの両方を図１に示す。
【００５０】
エネルギーセル
特定の実施形態において別途記載されていない限り、本明細書に記載されているエネルギーセルは、さほど限定されず、一次または二次のいずれかのエネルギーセルであってよい。例えば、好ましい実施形態において、エネルギーセルは、電気化学エネルギーセルである。エネルギーセルはまた、一次または二次セルであってもよい。当業者によって理解されるように、一次セルは、一度だけ使用されるように設計されていて、二次セルまたは再充電可能な電池のように電気によって再充電され、また、再利用されることがない電池である。概して、一次セルにおける電気化学反応は可逆的ではないが、二次セルにおける電気化学反応は可逆的である。好ましい実施形態において、本明細書におけるエネルギーセルは、二次電気化学エネルギーセルである。
【００５１】
エネルギーセルの構造もまた、さほど限定されない。これは、アノード、カソード、電解質、およびセパレータを含んでいても、これらからなっていても、これらから本質的になっていてもよい。いくつかの実施形態において、エネルギーセルは、アノード、カソード、および固体電解質を含んでいても、これらからなっていても、これらから本質的になっていてもよい。いくつかの実施形態において、エネルギーセルは、アノード、カソード、セパレータ、および電解質を含んでいても、これらからなっていても、これらから本質的になっていてもよい。セパレータは、本明細書に記載されているセパレータであってよい。
【００５２】
少なくとも１つの好ましい実施形態において、本明細書におけるエネルギーセルは、以下：リチウムを含むアノード、カソード、ならびに、電解質およびセパレータ、固体電解質およびセパレータ、または固体電解質のみのうちの少なくとも１つを含む、これらからなる、またはこれらから本質的になる。
【００５３】
特定の実施形態において別途記載されていない限り、アノードの材料は、さほど限定されず、アノード材料としての使用に許容可能であることが知られているまたは分かっているいずれの材料であってもよい。いくつかの好ましい実施形態において、アノード材料は、リチウムも含むアノード材料としての使用に許容可能であることが知られているまたは分かっている材料である。例えば、リチウムを含むアノード材料は：コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）；マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）；リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）；（Ｌｉ（ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２）、ここで、０．３３＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ＮＣＡ（Ｌｉ（ＮｉｘＣｏｙＡｌｚ）Ｏ２）、ここで、０．８＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つのであってよい。
【００５４】
カソードの材料もまた、さほど限定されず、カソード材料としての使用に許容可能であることが知られているまたは分かっているいずれの材料であってもよい。いくつかの好ましい実施形態において、カソードは、天然黒鉛；人工黒鉛；無定形炭素；スズおよび／もしくはケイ素を含む合金；スピネルチタン酸リチウム；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む。
【００５５】
特定の実施形態において別途記載されていない限り、アノードの厚さは、さほど限定されない。いくつかの好ましい実施形態において、アノードの厚さは、約５０〜約２００ミクロン、約５５〜２００ミクロン、約６０〜２００ミクロン、約６５〜２００ミクロン、約７０〜２００ミクロン、約７５〜２００ミクロン、約８０〜２００ミクロン、約８５〜２００ミクロン、約９０〜２００ミクロン、約９０〜２００ミクロン、約１００〜２００ミクロン、約１０５〜２００ミクロン、約１１０〜２００ミクロン、約１１５〜２００ミクロン、約１２０〜２００ミクロン、約１２５〜２００ミクロン、約１３０〜２００ミクロン、約１３５〜２００ミクロン、約１４０〜２００ミクロン、約１４５〜２００ミクロン、約１５０〜２００ミクロン、約１５５〜２００ミクロン、約１６０〜２００ミクロン、約１７０〜２００ミクロン、約１８０〜２００ミクロン、または約２００ミクロンである。いくつかの好ましい実施形態において、アノードの厚さは、約６１ミクロン以上である。いくつかの好ましい実施形態において、厚さは、約９０ミクロン以上である。他の好ましい実施形態において、厚さは、約１２２ミクロン以上である。電極厚さが約６１ミクロン以上、約９０ミクロン以上、または約１２２ミクロン以上であるとき、リチウム析出が、電荷が３．５Ｃ（１Ｃ＝２．３ｍＡ／ｃｍ２）を超えても開始しないことを示している図１９を参照されたい。いくつかの実施形態において、Ｌｉ析出は、５．０Ｃ以上、６．０Ｃ以上、７．０Ｃ以上、８．０Ｃ以上、または９．０Ｃ以上の充電率においても回避され得る。アノードの厚さを参照するとき、「約」という語は、±５ミクロンを意味する。
【００５６】
カソードの厚さもまた、さほど限定されない。カソードの厚さは、約５０〜約２００ミクロン、約６０〜２００ミクロン、約７０〜２００ミクロン、約８０〜２００ミクロン、約９０〜２００ミクロン、約１００〜２００ミクロン、約１１０〜２００ミクロン、約１２０〜２００ミクロン、約１３０〜２００ミクロン、約１４０〜２００ミクロン、約１５０〜２００ミクロン、約１６０〜２００ミクロン、約１７０〜２００ミクロン、約１８０〜２００ミクロン、または約１９０〜２００ミクロンである。いくつかの好ましい実施形態において、カソードの厚さは、約７４ミクロン以上、約１１１ミクロン以上、または約１４８ミクロン以上であってよい。電極厚さが約７４ミクロン以上、約１１１ミクロン以上、または約１４８ミクロン以上であるとき、リチウム析出が、電荷が３．５Ｃ（１Ｃ＝２．３ｍＡ／ｃｍ２）を超えても開始しないことを示している図１９を参照されたい。いくつかの実施形態において、Ｌｉ析出は、５．０Ｃ以上、６．０Ｃ以上、７．０Ｃ以上、８．０Ｃ以上、または９．０Ｃ以上の充電率においても回避され得る。カソードの厚さを参照するとき、「約」という語は、±５ミクロンを意味する。
【００５７】
充電（安全性）の際の厚さおよびＬｉ析出。厚さおよびセルレート性能、一定の充電容量。放電および充電の反応速度論は類似している。充電の反応速度論に焦点をあてる。所与の電気化学システム、固定化化学、材料および他の添加剤の粒径について、本発明者らは、有効な電気化学反応領域が相対的に固定されると仮定していることに注意されたい。図１７は、開始状態（ｔ＝０）における電極厚さ１Ｘおよび２Ｘに関する４Ｃ充電率のシステムを示す。図１８は、動的状態（ｔ＞０）における電極厚さ１Ｘおよび２Ｘに関する４Ｃ充電率のシステムを示す。
【００５８】
特定の実施形態において別途記載されていない限り、アノードの多孔度は、さほど限定されない。いくつかの実施形態において、当該多孔度は、約１５％（０．１５）以上であり、いくつかの実施形態において、約２０％（０．２）以上であり、いくつかの好ましい実施形態において、約３０％（０．３）以上であり、いくつかのさらにより好ましい実施形態において、約４０％（０．４）以上である。「約」という語は、アノードの多孔度を参照するとき、±５％を意味する。図２０に示すように、アノードの多孔度が約１５％以上、約２０％以上、約３０％以上、または約４０％以上であるとき、リチウム析出は、充電率が３．０Ｃ以上であるときでも、セルにおいて開始しない。いくつかの実施形態において、Ｌｉ析出は、３．５Ｃ、４．０Ｃ、４．５Ｃ、５．０Ｃ、６．０Ｃ、７．０Ｃ以上の充電率においても開始し得ない。図２０において、電極の厚さは、各例が同じ量の活物質を有するように、したがって、可変値が結果に影響しないように、変動されている。
【００５９】
カソードの多孔度もまた、限定されない。いくつかの実施形態において、当該多孔度は、約１０％（０．１）以上であり、または好ましい実施形態において、約１５％（０．１５）以上、約２０％（０．２０）以上、または約３０％（０．３）以上である。「約」という語は、カソードの多孔度を参照するとき、±５％を意味する。図２０に示すように、カソードの多孔度が約１０％以上、約１５％以上、約２０％以上、または約３０％以上であるとき、リチウム析出は、充電率が３．５Ｃ以上であるときでも、セルにおいて開始しない。いくつかの実施形態において、Ｌｉ析出は、３．５Ｃ、４．０Ｃ、４．５Ｃ、５．０Ｃ、６．０Ｃ、７．０Ｃ以上の充電率においても開始し得ない。図２０において、電極の厚さは、各例が同じ量の活物質を有するように、したがって、可変値が結果に影響しないように、変動されている。
【００６０】
特定の実施形態において別途記載されていない限り、アノードの屈曲度は、さほど限定されない。いくつかの好ましい実施形態において、アノードの屈曲度は、約１．２以下、約１．３以下、約１．５以下、または約１．７以下である。いくつかの実施形態において、アノードの屈曲度は、１．０以上、２．０以下である。いくつかの好ましい実施形態において、アノードの屈曲度は、約１．０〜約１．３または１．０〜１．３である。アノードの屈曲度を参照するとき、「約」は、±０．２を意味する。図２１に示すように、アノードの屈曲度が１．０および１．３の間であるとき、リチウム析出は、充電率が３．５Ｃ以上であるときでも、セルにおいて開始しない。屈曲度が１．０および１．７の間であるとき、リチウム析出は、充電率が３．０Ｃ以上であるときでも、セルにおいて開始しない。いくつかの実施形態において、リチウム析出は、充電率が４．０Ｃ、４．５Ｃ、５．０Ｃ、６．０Ｃ、または７．０Ｃを超えるときでも開始し得ない。
【００６１】
同様に、特定の実施形態において別途記載されていない限り、カソードの屈曲度は、さほど限定されない。いくつかの好ましい実施形態において、カソードの屈曲度は、約１．７以下、約１．５以下、約１．３以下、または約１．２以下である。カソードの屈曲度は、１．０と低くても、約２．０と高くてもよい。いくつかの好ましい実施形態において、カソードの屈曲度は、約１．０および約１．５の間または約１．２および約２．５の間である。カソードの屈曲度を参照するとき、「約」は、±０．２を意味する。図２１に示すように、アノードの屈曲度が１．０および１．３の間であるとき、リチウム析出は、充電率が３．５Ｃ以上であるときでも、セルにおいて開始しない。屈曲度が１．０および１．７の間であるとき、リチウム析出は、充電率が３．０Ｃ以上であるときでも、セルにおいて開始しない。いくつかの実施形態において、リチウム析出は、充電率が４．０Ｃ、４．５Ｃ、５．０Ｃ、６．０Ｃ、または７．０Ｃを超えるときでも開始し得ない。
【００６２】
アノードおよびカソード材料は、上記に記載されている通りである。いくつかの好ましい実施形態において、アノードおよびカソード材料は、アノードおよびカソードを形成するバインダと組み合わされる。特定の実施形態において別途記載されていない限り、この組み合わせにおけるアノードまたはカソード材料およびバインダの相対量は、さほど限定されない。いくつかの好ましい実施形態において、活物質（すなわち、カソードまたはアノード材料）の量は、８０重量％〜９９．９重量％である。いくつかの好ましい実施形態において、当該量は、９０〜９９．９重量％であり、いくつかの他の好ましい実施形態において、当該量は、９５〜９９．９重量％である。
【００６３】
図２２において、本明細書における開示による例示的なセルを付与している。
【００６４】
アノードおよびカソードに加えて、本明細書におけるエネルギーセルは、電解質、または電解質およびセパレータを含んでいてよい。
【００６５】
特定の実施形態において別途記載されていない限り、セパレータは、さほど限定されず、本明細書に記載されているいずれのセパレータであってもよい。特定の実施形態において別途記載されていない限り、電解質は、さほど限定されず、一次または二次エネルギーセルにおいて有用であることが知られているまたは分かっているいずれの電解質であってもよい。いくつかの好ましい実施形態において、電解質は：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）；ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）；プロピレンカーボネート（ＰＣ）；およびこれらの組み合わせからなる群から選択されてよい。
【００６６】
いくつかの実施形態において、電解質は、これに添加される電解質添加剤を含んでいてよい。
【００６７】
本明細書に記載されている電解質添加剤は、電解質が本明細書における記述されている目標と一致している限り、さほど限定されない。電解質添加剤は、電池性能を改善するために、電池メーカー、特にリチウム電池メーカーによって典型的には添加されるいずれの添加剤であってもよい。例えば、例示的な電解質添加剤は、全体が参照により本明細書に組み込まれる、Ａ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ａｄｄｉｔｉｖｅｓ  ｆｏｒ  Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，Ｊ．ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，ｖｏｌ．１６２，ｉｓｓｕｅ  ２，  ２００６  ｐｐ．１３７９−１３９４によって開示されている。いくつかの好ましい実施形態において、電解質添加剤は、ＳＥＩ改良剤、カソード保護剤、難燃添加剤、ＬｉＰＦ６塩安定剤、過充電保護剤、アルミニウム腐食防止剤、リチウム析出剤もしくは改良剤、または溶媒和促進剤、アルミニウム腐食防止剤、湿潤剤、および増粘剤からなる群から選択される少なくとも１つである。いくつかの実施形態において、添加剤は、１を超える特性を有していてよく、例えば、湿潤剤および増粘剤であってよい。
【００６８】
例示的なＳＥＩ改良剤として、ＶＥＣ（ビニルエチレンカーボネート）、ＶＣ（ビニレンカーボネート）、ＦＥＣ（フルオロエチレンカーボネート）、ＬｉＢＯＢ（リチウムビス（オキサラト）ボレート）が挙げられる。例示的なカソード保護剤として、Ｎ，Ｎ’−ジシクロヘキシルカルボジイミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノトリメチルシラン、ＬｉＢＯＢが挙げられる。例示的な難燃添加剤として、ＴＴＦＰ（トリス（２，２，２−トリフルオロエチル）ホスフェート）、フッ素化プロピレンカーボネート、ＭＦＥ（メチルノナフルオロブチルエーテル）が挙げられる。例示的なＬｉＰＦ６塩安定剤として、ＬｉＦ、ＴＴＦＰ（トリス（２，２，２−トリフルオロエチル）ホスファイト）、１−メチル−２−ピロリドン、フッ素化カルバメート、ヘキサメチル−ホスホルアミドが挙げられる。例示的な過充電保護剤として、キシレン、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、２、２−ジフェニルプロパン、フェニル−ｔｅｒｔ−ブチルカーボネートが挙げられる。例示的なＬｉ析出改良剤として、ＡｌＩ３、ＳｎＩ２、セチルトリメチルアンモニウムクロリド、パーフルオロポリエーテル、長いアルキル鎖を有するテトラアルキルアンモニウムクロリドが挙げられる。例示的なイオン性溶媒和促進剤として、１２−クラウン−４、ＴＰＦＰＢ（トリス（ペンタフルオロフェニル））が挙げられる。例示的なＡｌ腐食防止剤として、ＬｉＢＯＢ、ＬｉＯＤＦＢ、例えば、ボレート塩が挙げられる。例示的な湿潤剤および粘度希釈剤として、シクロヘキサンおよびＰ２Ｏ５が挙げられる。
【００６９】
アノードまたはカソード
特定の実施形態において別途記載されていない限り、本明細書に記載されているアノードまたはカソードは、さほど限定されず、本明細書に記載されているエネルギーセルに組み込まれるものと同様であってよい。しかし、この表題下に記載されているアノードおよびカソードは、エネルギーセルに組み込まれていないが、将来的にはなされる可能性がある。
【００７０】
複合体、車両、またはデバイス
本明細書において上記に記載されている電池セパレータ、および、これに直接接触して設けられている１つ以上の電極、例えば、アノード、カソード、またはアノードおよびカソードを含む複合体。電極のタイプは、さほど限定されない。例えば、電極は、リチウムイオン二次電池における使用に好適なものであってよい。
【００７１】
好適なアノードは、３７２ｍＡｈ／ｇ以上、好ましくは≧７００ｍＡｈ／ｇ、最も好ましくは≧１０００ｍＡＨ／ｇのエネルギー容量を有し得る。アノードは、リチウム金属箔もしくはリチウム合金箔（例えばリチウムアルミニウム合金）、またはリチウム金属および／もしくはリチウム合金と材料、例えば、炭素（例えば、コークス、黒鉛）、ニッケル、銅との混合物から構成される。アノードは、リチウムを含有する層間化合物またはリチウムを含有する挿入化合物から単にできているわけではない。
【００７２】
好適なカソードは、アノードと適合可能ないずれのカソードであってもよく、層間化合物、挿入化合物、または電気化学的に活性なポリマーを含んでいてよい。好適な層間材料として、例えば、ＭｏＳ２、ＦｅＳ２、ＭｎＯ２、ＴｉＳ２、ＮｂＳｅ３、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ２Ｏ５、およびＣｕＣｌ２が挙げられる。好適なポリマーとして、例えば、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、およびポリチオフェンが挙げられる。
【００７３】
本明細書において上記に記載されている任意のセパレータ、エネルギーセル、またはアノードまたはカソードは、いずれの車両、例えば、電気自動車、またはデバイス、例えば、完全または部分的に電池式の携帯電話もしくはラップトップに組み込まれてもよい。
【００７４】
少なくとも選択された実施形態、態様、または目的によると、本開示または発明は、新規または改良されたセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、電池、セル、システム、ならびに／あるいは、かかるセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、セル、システムなどの、リチウム電池、特に二次リチウム電池、例えば二次リチウムイオン電池、および／またはＣＥ、ＥＳＳ、および／もしくはＥＤＶ電池のための設計、理解、製造、および／または使用方法を提供することができ、あるいは、これらを対象とすることができる。少なくともある特定の実施形態によると、本開示または発明は、かかる新しい考え、定義、および／またはデータを使用して屈曲度、多孔度、リチウム析出、およびセル設計を調査または定義するための新しいまたは改良された方法を対象とする。また、電池寿命を向上させる、電池不良を低減する、デンドライトを低減する、リチウム析出を低減する、充電および放電率、改良された構成、改良された性能などを保持するための方法、システムならびに電池構成要素が本明細書に開示されている。
【００７５】
少なくとも選択された実施形態、態様、または目的によると、本開示または発明は、新規または改良されたセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、電池、セル、システム、ならびに／あるいは、かかるセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、セル、システムなどの、リチウム電池、特に二次リチウム電池、例えば二次リチウムイオン電池、および／またはＣＥ、ＥＳＳ、および／もしくはＥＤＶ電池のための設計、理解、製造、および／または使用方法を、例えば、以下を含めて提供することができ、あるいは、これらを対象とすることができる：
【００７６】
電解質によって湿潤しているとき、以下の特性：
体積を有さないか、または低体積である：
質量を有さないか、または低質量である：
液体電解質をできる限り浸漬する：
上記電解質におけるいずれの有害物質もブロックまたは除去する：
いずれの高温においても溶融しない：
いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない：
スチール以上の機械強度を有する：
いずれの条件下でも電子絶縁体である：
金属デンドライト成長をブロックする；
のうちの少なくとも１つを有する多孔質膜を含む改良された多孔質膜または電池セパレータ。
【００７７】
電解質によって湿潤しているとき、体積を有さないか、または低体積である、上記電池セパレータ。
【００７８】
電解質によって湿潤しているとき、質量を有さないか、または低質量である、上記電池セパレータ。
【００７９】
電解質によって湿潤しているとき、液体電解質をできる限り浸漬する、上記電池セパレータ。
【００８０】
電解質によって湿潤しているとき、デンドライトをブロックする、上記電池セパレータ。
【００８１】
電解質によって湿潤しているとき、いずれの高温においても溶融しない、上記電池セパレータ。
【００８２】
電解質によって湿潤しているとき、いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない、上記電池セパレータ。
【００８３】
電解質によって湿潤しているとき、スチール以上の機械強度を有する、上記電池セパレータ。
【００８４】
電解質によって湿潤しているとき、いずれの条件下でも電気絶縁体である、上記電池セパレータ。
【００８５】
電解質によって湿潤しているとき、金属デンドライト成長をブロックする、上記電池セパレータ。
【００８６】
上記特性のうち少なくとも２つを有する、上記電池セパレータ。
【００８７】
上記特性のうち少なくとも３つを有する、上記電池セパレータ。
【００８８】
上記特性のうち少なくとも４つを有する、上記電池セパレータ。
【００８９】
上記特性のうち少なくとも５つを有する、上記電池セパレータ。
【００９０】
上記特性のうち少なくとも６つを有する、上記電池セパレータ。
【００９１】
上記特性のうち少なくとも７つを有する、上記電池セパレータ。
【００９２】
上記特性のうち少なくとも８つを有する、上記電池セパレータ。
【００９３】
上記特性のうち少なくとも９つを有する、上記電池セパレータ。
【００９４】
電池セパレータが、マクロ多孔質、ミクロ多孔質、またはナノ多孔質であり、孔が、イオン伝導性媒体で充填されている、上記電池セパレータ。
【００９５】
乾燥しているとき（電解質なし）かつ／または電解質によって湿潤しているとき、セパレータが、リチウムイオンを伝導する、上記電池セパレータ。
【００９６】
無限のＧｕｒｌｅｙ値を有する、上記電池セパレータ。
【００９７】
無限のＧｕｒｌｅｙ値を有する、上記電池セパレータ。
【００９８】
リチウム析出を伴わず３．０Ｃ（１Ｃ＝２．３ｍＡ／ｃｍ２）以上の充電率で充電され得るエネルギーセルであって：
リチウムを含むアノード；および
カソード；
を含む、上記エネルギーセル。
【００９９】
充電率が、３．５Ｃ以上である、上記エネルギーセル。
【０１００】
充電率が、４．０Ｃ以上である、上記エネルギーセル。
【０１０１】
充電率が、４．５Ｃ以上である、上記エネルギーセル。
【０１０２】
充電率が、３．０Ｃ以上、５．０Ｃ未満である、上記エネルギーセル。
【０１０３】
アノードの厚さが、約５０〜約２００ミクロンである、上記エネルギーセル。
【０１０４】
アノードの厚さが、約６０〜約２００ミクロンである、上記エネルギーセル。
【０１０５】
アノードの厚さが、約６０〜約１２５ミクロンである、上記エネルギーセル。
【０１０６】
カソードの厚さが、約５０〜約２００ミクロンである、上記エネルギーセル。
【０１０７】
カソードの厚さが、約７５〜約２００ミクロンである、上記エネルギーセル。
【０１０８】
カソードの厚さが、約７５〜約１５０ミクロンである、上記エネルギーセル。
【０１０９】
アノードの多孔度が、１５％以上である、上記エネルギーセル。
【０１１０】
アノードの多孔度が、２０％以上である、上記エネルギーセル。
【０１１１】
アノードの多孔度が、３０％以上である、上記エネルギーセル。
【０１１２】
アノードの多孔度が、４０％以上である、上記エネルギーセル。
【０１１３】
アノードの多孔度が、１５％以上、５０％以下である、上記エネルギーセル。
【０１１４】
カソードの多孔度が、１０％以上である、上記エネルギーセル。
【０１１５】
カソードの多孔度が、１５％以上である、上記エネルギーセル。
【０１１６】
カソードの多孔度が、２０％以上である、上記エネルギーセル。
【０１１７】
カソードの多孔度が、３０％以上である、上記エネルギーセル。
【０１１８】
カソードの多孔度が、１０％以上、４０％未満である、上記エネルギーセル。
【０１１９】
アノードの屈曲度が、２．０以下である、上記エネルギーセル。
【０１２０】
アノードの屈曲度が、１．７以下である、上記エネルギーセル。
【０１２１】
アノードの屈曲度が、１．５以下である、上記エネルギーセル。
【０１２２】
アノードの屈曲度が、１．３以下である、上記エネルギーセル。
【０１２３】
アノードの屈曲度が、１．２以下である、上記エネルギーセル。
【０１２４】
アノードの屈曲度が、１．２以上１．３以下である、上記エネルギーセル。
【０１２５】
カソードの屈曲度が、２．０以下である、上記エネルギーセル。
【０１２６】
カソードの屈曲度が、１．７以下である、上記エネルギーセル。
【０１２７】
カソードの屈曲度が、１．５以下である、上記エネルギーセル。
【０１２８】
カソードの屈曲度が、１．３以下である、上記エネルギーセル。
【０１２９】
カソードの屈曲度が、１．２以下である、上記エネルギーセル。
【０１３０】
カソードの屈曲度が、１．２以上１．５以下である、上記エネルギーセル。
【０１３１】
リチウムを含むアノードが、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）；マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）；リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）；（Ｌｉ（ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２）、ここで、０．３３＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ＮＣＡ（Ｌｉ（ＮｉｘＣＯｙＡｌｚ）Ｏ２）、ここで、０．８＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、上記エネルギーセル。
【０１３２】
カソードが、天然黒鉛；人工黒鉛；無定形炭素；スズおよび／もしくはケイ素を含む合金；スピネルチタン酸リチウム；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、上記エネルギーセル。
【０１３３】
電解質をさらに含む、上記エネルギーセル。
【０１３４】
電解質が：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）；ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）；プロピレンカーボネート（ＰＣ）；およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、上記エネルギーセル。
【０１３５】
電解質が、電解質添加剤を含む、上記エネルギーセル。
【０１３６】
上記膜または電池セパレータをさらに含む、上記エネルギーセル。
【０１３７】
リチウムを含むアノード。
【０１３８】
約５０〜約２００ミクロンをの厚さを有する、上記アノード。
【０１３９】
アノードの厚さが、約６０〜約２００ミクロンである、上記アノード。
【０１４０】
アノードの厚さが、約６０〜約１２５ミクロンである、上記アノード。
【０１４１】
アノードの多孔度が、１５％以上である、上記アノード。
【０１４２】
アノードの多孔度が、２０％以上である、上記アノード。
【０１４３】
アノードの多孔度が、３０％以上である、上記アノード。
【０１４４】
アノードの多孔度が、４０％以上である、上記アノード。
【０１４５】
アノードの多孔度が、１５％以上、５０％以下である、上記アノード。
【０１４６】
アノードの屈曲度が、２．０以下である、上記アノード。
【０１４７】
アノードの屈曲度が、１．７以下である、上記アノード。
【０１４８】
アノードの屈曲度が、１．５以下である、上記アノード。
【０１４９】
アノードの屈曲度が、１．３以下である、上記アノード。
【０１５０】
アノードの屈曲度が、１．２以下である、上記アノード。
【０１５１】
アノードの屈曲度が、１．０以上２．０以下である、上記アノード。
【０１５２】
アノードの屈曲度が、１．２以上１．３以下である、上記アノード。
【０１５３】
カソード。
【０１５４】
カソードの厚さが、約５０〜約２００ミクロンである、上記カソード。
【０１５５】
カソードの厚さが、約７５〜約２００ミクロンである、上記カソード。
【０１５６】
カソードの厚さが、約７５〜約１５０ミクロンである、上記カソード。
【０１５７】
カソードの多孔度が、１０％以上である、上記カソード。
【０１５８】
カソードの多孔度が、１５％以上である、上記カソード。
【０１５９】
カソードの多孔度が、２０％以上である、上記カソード。
【０１６０】
カソードの多孔度が、３０％以上である、上記カソード。
【０１６１】
カソードの多孔度が、１０％以上、４０％未満である、上記カソード。
【０１６２】
カソードの屈曲度が、２．０以下である、上記カソード。
【０１６３】
カソードの屈曲度が、１．７以下である、上記カソード。
【０１６４】
カソードの屈曲度が、１．５以下である、上記カソード。
【０１６５】
カソードの屈曲度が、１．３以下である、上記カソード。
【０１６６】
カソードの屈曲度が、１．２以下である、上記カソード。
【０１６７】
カソードの屈曲度が、１．２以上１．５以下である、上記カソード。
【０１６８】
リチウムを含む上記アノードであって、リチウムを含む当該アノードが、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）；マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）；リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）；（Ｌｉ（ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２）、ここで、０．３３＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ＮＣＡ（Ｌｉ（ＮｉｘＣＯｙＡｌｚ）Ｏ２）、ここで、０．８＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、上記アノード。
【０１６９】
天然黒鉛；人工黒鉛；無定形炭素；スズおよび／もしくはケイ素を含む合金；スピネルチタン酸リチウム；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、上記カソード。
【０１７０】
本明細書に示され、記載され、または特許請求されている、新しいまたは改良されたセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、電池、セル、システム、ならびに／あるいは、かかるセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、セル、システムなどの、リチウム電池、特に二次リチウム電池、例えば二次リチウムイオン電池、および／またはＣＥ、ＥＳＳ、および／もしくはＥＤＶ電池のための設計、理解、製造、および／または使用方法；かかる新しい考え、定義、および／またはデータを使用して屈曲度、多孔度、リチウム析出、およびセル設計を調査または定義するための新しいまたは改良された方法；電池寿命を向上させる、電池不良を低減する、デンドライトを低減する、リチウム析出を低減する、充電および放電率、改良された構成、改良された性能、ならびに／またはこれらの組み合わせを保持するための新しいまたは改良された方法、システムならびに電池構成要素；など。
【０１７１】
少なくとも選択された実施形態によると、本開示または発明は、新規または改良されたセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、電池、セル、システム、ならびに／あるいは、かかるセパレータ、電池セパレータ、電極、カソード、アノード、セル、システムなどの、リチウム電池、特に二次リチウム電池、例えば二次リチウムイオン電池、および／またはＣＥ、ＥＳＳ、および／もしくはＥＤＶ電池のための設計、理解、製造、および／または使用方法を対象とする。少なくともある特定の実施形態によると、本開示または発明は、かかる新しい考え、定義、および／またはデータを使用して屈曲度、多孔度、リチウム析出、およびセル設計を調査または定義するための新しいまたは改良された方法を対象とする。また、電池寿命を向上させる、電池不良を低減する、デンドライトを低減する、リチウム析出を低減する、充電および放電率、改良された構成、改良された性能などを保持するための方法、システムならびに電池構成要素が本明細書に開示されている。
【０１７２】
少なくともある特定の実施形態によると、改良された電池セパレータであって、電解質によって湿潤しているとき、以下の特性：体積を有さないか、または低体積である；質量を有さないか、または低質量である；液体電解質をできる限り浸漬する；上記電解質におけるいずれの有害物質もブロックまたは除去する；いずれの高温においても溶融しない；いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない；スチール以上の機械強度を有する；いずれの条件下でも電子絶縁体である；金属デンドライト成長をブロックする；のうちの少なくとも１つを有する多孔質膜を含む、上記セパレータが本明細書に開示されている。高い充電率においてもリチウム析出が起こらないエネルギーセルも本明細書に開示されている。エネルギーセルは、本明細書に開示されている改良されたセパレータを含み得る。エネルギーセルは、リチウムを含むアノードをさらに含み、いくつかの実施形態において、炭素質物質を含むカソードをさらに含む。エネルギーセルから分離しているが、本明細書に開示されているエネルギーセルにおいて使用され得る、アノードおよびカソードも本明細書に開示されている。
【０１７３】
構造および方法の上記の詳細な説明は、単に説明目的で提示されている。例は、最良の形態を含めた例示的な実施形態を開示するために、また、当業者が本発明を実施することを可能にするために使用されており、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実施することを含んでいる。これらの例は、排他的であること、または本発明を開示されている詳細な工程および／もしくは形態に限定することは意図しておらず、多くの変更および変形が、上記の教示に照らして可能である。本明細書に記載されている特徴は、任意の組み合わせで組み合わされてよい。本明細書に記載されている方法の工程は、物理的に可能である任意の順番で実施されてよい。本発明の特許請求可能な範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されており、当業者が気付く他の例を含んでいてよい。かかる他の例は、特許請求の範囲の一語一句の語と異ならない構造要素を有しているとき、または、特許請求の範囲の一語一句の語とごく僅かな差を有して等価な構造要素を含んでいるとき、特許請求の範囲内であることが意図される。
【０１７４】
添付の特許請求の範囲の組成物および方法は、特許請求の範囲のいくつかの態様の説明として意図されている、本明細書に記載されている具体的な組成物および方法によって範囲が限定されるものではない。機能的に等価である任意の組成物および方法は、特許請求の範囲内にあることが意図される。組成物および方法の種々の変更は、本明細書に示されかつ記載されているものに加えて、添付の特許請求の範囲内にあることが意図される。さらに、本明細書に開示されているある特定の代表的な組成物および方法工程のみが具体的に記載されているが、組成物および方法工程の他の組み合わせもまた、具体的に列挙されていない場合でも、添付の特許請求の範囲内にあることが意図される。そのため、工程、要素、成分、または構成要素の組み合わせが本明細書または以下に明確に言及され得るが、しかし、明確に記述されていなくても、工程、要素、成分、および構成要素の他の組み合わせが含まれる。
【０１７５】
明細書および添付の特許請求の範囲において使用されているとき、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数の指示対象を含む。範囲は、「約」特定の１つの値から、かつ／または「約」特定の別の値までとして本明細書において表されている場合がある。かかる範囲が表されているとき、別の実施形態は、当該特定の１つの値から、かつ／または当該特定の別の値までを含む。同様に、値が、先行詞「約」の使用によって、近似値として表されているとき、上記特定の値が別の実施形態を形成することが理解される。当該範囲の各々の終点は、他の終点との関係において、また、他の終点からは独立しての両方において有意であることがさらに理解される。「任意選択的」または「任意選択的に」は、その後に記載されている事象または状況が起こっても起こらなくてもよいこと、および、かかる記載が、上記事象または状況が起こる場合および起こらない場合を含んでいることを意味する。
【０１７６】
この明細書の詳細な説明および特許請求の範囲を通して、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という語および当該語の変形、例えば、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」は、「含むが限定されない」ということを意味しており、例えば、他の添加剤、成分、整数、または工程を排除することは意図していない。「から本質的になる」および「からなる」という用語は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」の代わりに使用されて、本発明のより具体的な実施形態を提供することができ、また、開示もされている。「例示的な」は、「の例」を意味し、好ましいまたは理想的な実施形態の指示を伝達することは意図していない。「例えば」は、制限的な意味ではなく、説明的または例示的な目的で使用されている。
【０１７７】
記述されている場合に以外に、本明細書および特許請求の範囲において使用されている幾何学形状、寸法などを表す全ての数が、少なくとも理解されるべきであり、特許請求の範囲の等価物の原則の適用を限定することを企図して、有効数字および常套の四捨五入のアプローチの数に照らして解釈されるべきではない。
【０１７８】
別途定義されない限り、本明細書において使用されている全ての技術的および科学的用語は、開示されている発明が属する分野の当業者によって一般的に理解されているものと同じ意味を有する。本明細書に列挙されている公報およびこれらに列挙されている材料は、参照により具体的に組み込まれる。
【０１７９】
加えて、本明細書に実例として開示されている発明は、好適には、本明細書に具体的に開示されていない任意の要素の非存在下で実施され得る。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年11月21日(2019.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質によって湿潤しているとき、以下の特性：
体積を有さないか、または低体積である：
質量を有さないか、または低質量である：
液体電解質をできる限り浸漬する：
前記電解質におけるいずれの有害物質もブロックまたは除去する：
いずれの高温においても溶融しない：
いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない：
スチール以上の機械強度を有する：
いずれの条件下でも電子絶縁体である：
金属デンドライト成長をブロックする；
のうち少なくとも１つを有する多孔質膜を含む改良された電池セパレータ。
【請求項２】
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、体積を有さないか、または低体積である、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、質量を有さないか、または低質量である、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、液体電解質をできる限り浸漬する、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、デンドライトをブロックする、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、いずれの高温においても溶融しない、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、いずれの条件下でもカソードまたはアノードと反応しない、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、スチール以上の機械強度を有する、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、いずれの条件下でも電気絶縁体である、および、
電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、金属デンドライト成長をブロックする
のうちの少なくとも１つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項３】
前記特性のうちの少なくとも２つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項４】
前記特性のうちの少なくとも３つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項５】
前記特性のうちの少なくとも４つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項６】
前記特性のうちの少なくとも５つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項７】
前記特性のうちの少なくとも６つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項８】
前記特性のうちの少なくとも７つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項９】
前記特性のうちの少なくとも８つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項１０】
前記特性のうちの少なくとも９つを有する、請求項１に記載の電池セパレータ。
【請求項１１】
前記電池セパレータが、マクロ多孔質、ミクロ多孔質、またはナノ多孔質であり、前記電池セパレータの複数の孔が、イオン伝導性媒体で充填されている；
乾燥しているとき（電解質なし）かつ／または電解質によって湿潤しているとき、前記セパレータが、リチウムイオンを伝導する；および
前記セパレータが、無限のＧｕｒｌｅｙ値を有する；
のうちの少なくとも１つを有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の電池セパレータ。
【請求項１２】
リチウム析出を伴わず３．０Ｃ（１Ｃ＝２．３ｍＡ／ｃｍ２）以上の充電率で充電され得るエネルギーセルであって：
リチウムを含むアノード；および
カソード；
を含む、前記エネルギーセル。
【請求項１３】
前記充電率が、３．５Ｃ以上である；
前記充電率が、４．０Ｃ以上である；
前記充電率が、４．５Ｃ以上である；
前記充電率が、３．０Ｃ以上、５．０Ｃ未満である；
前記アノードの厚さが、約５０〜約２００ミクロンである；
前記アノードの厚さが、約６０〜約２００ミクロンである；
前記アノードの厚さが、約６０〜約１２５ミクロンである；
前記カソードの厚さが、約５０〜約２００ミクロンである；
前記カソードの厚さが、約７５〜約２００ミクロンである；
前記カソードの厚さが、約７５〜約１５０ミクロンである；
前記アノードの多孔度が、１５％以上である；
前記アノードの多孔度が、２０％以上である；
前記アノードの多孔度が、３０％以上である；
前記アノードの多孔度が、４０％以上である；
前記アノードの多孔度が、１５％以上、５０％以下である；
前記カソードの多孔度が、１０％以上である；
前記カソードの多孔度が、１５％以上である；
前記カソードの多孔度が、２０％以上である；
前記カソードの多孔度が、３０％以上である；
前記カソードの多孔度が、１０％以上、４０％未満である；
前記アノードの屈曲度が、２．０以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．７以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．５以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．３以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．２以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．２以上１．３以下である；
前記カソードの屈曲度が、２．０以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．７以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．５以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．３以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．２以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．２以上１．５以下である；
前記アノードがリチウムを含み、また、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）；マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）；リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）；（Ｌｉ（ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２）、ここで、０．３３＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ＮＣＡ（Ｌｉ（ＮｉｘＣＯｙＡｌｚ）Ｏ２）、ここで、０．８＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む；
前記カソードが：天然黒鉛；人工黒鉛；無定形炭素；スズおよび／もしくはケイ素を含む合金；スピネルチタン酸リチウム；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む；
電解質をさらに含み、前記電解質が：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）；ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）；プロピレンカーボネート（ＰＣ）；およびこれらの組み合わせからなる群から選択される；ならびに
前記電解質が電解質添加剤を含む；
のうちの少なくとも１つを有する、請求項１２に記載のエネルギーセル。
【請求項１４】
請求項１のセパレータをさらに含む、請求項１２に記載のエネルギーセル。
【請求項１５】
前記アノードが、約５０〜約２００ミクロンの厚さを有する；
前記アノードの厚さが、約６０〜約２００ミクロンである；
前記アノードの厚さが、約６０〜約１２５ミクロンである；
前記アノードの多孔度が、１５％以上である；
前記アノードの多孔度が、２０％以上である；
前記アノードの多孔度が、３０％以上である；
前記アノードの多孔度が、４０％以上である；
前記アノードの多孔度が、１５％以上、５０％以下である；
前記アノードの屈曲度が、２．０以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．７以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．５以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．３以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．２以下である；
前記アノードの屈曲度が、１．０以上２．０以下である；および
前記アノードの屈曲度が、１．２以上１．３以下である；
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載のエネルギーセル。
【請求項１６】
前記カソードの厚さが、約５０〜約２００ミクロンである；
前記カソードの厚さが、約７５〜約２００ミクロンである；
前記カソードの厚さが、約７５〜約１５０ミクロンである；
前記カソードの多孔度が、１０％以上である；
前記カソードの多孔度が、１５％以上である；
前記カソードの多孔度が、２０％以上である；
前記カソードの多孔度が、３０％以上である；
前記カソードの多孔度が、１０％以上、４０％未満である；
前記カソードの屈曲度が、２．０以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．７以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．５以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．３以下である；
前記カソードの屈曲度が、１．２以下である；および
前記カソードの屈曲度が、１．２以上１．５以下である；
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載のエネルギーセル。
【請求項１７】
前記アノードが、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）；マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）；リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）；（Ｌｉ（ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２）、ここで、０．３３＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ＮＣＡ（Ｌｉ（ＮｉｘＣＯｙＡｌｚ）Ｏ２）、ここで、０．８＞ｘ＞０．９およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１６に記載のエネルギーセル。
【請求項１８】
前記カソードが：天然黒鉛；人工黒鉛；無定形炭素；スズおよび／もしくはケイ素を含む合金；スピネルチタン酸リチウム；ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１２に記載のエネルギーセル。
【請求項１９】
二次リチウム電池を含むまたはこれに含まれている、請求項１２に記載のエネルギーセル。
【請求項２０】
請求項１に記載のセパレータを含む、リチウム電池またはセル。
【請求項２１】
二次リチウム電池を含むまたはこれに含まれている、請求項１３に記載のエネルギーセル。
【請求項２２】
二次リチウム電池を含むまたはこれに含まれている、請求項１５に記載のエネルギーセル。
【請求項２３】
二次リチウム電池を含むまたはこれに含まれている、請求項１６に記載のエネルギーセル。
【国際調査報告】
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