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公開番号2025100408
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-03
出願番号2024214336
出願日2024-12-09
発明の名称保護層を含むリチウム金属アノード
出願人ベレノス・クリーン・パワー・ホールディング・アーゲー
代理人個人
主分類H01M 4/134 20100101AFI20250626BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】本発明は、リチウムイオンバッテリ用の保護層を含むリチウム金属アノードに関する。
【解決手段】本発明は、アノード集電体(7)、及びアノード集電体(7)の表面(4)上に設けられる実質的にリチウム金属からなる層(8)を含むアノード活性基板(2)と、実質的にリチウム金属からなる層(8)上に設けられる第1リチウム金属アノード保護層(3)とを含むバッテリ用リチウム金属アノード(1、10、11)であって、第1リチウム金属アノード保護層(3)はヨウ化リチウム(LiI)及びフッ化リチウム(LiF)を含むことを特徴とする、バッテリ用リチウム金属アノード(1、10、11)に関する。本発明は更に、このリチウム金属アノードの製造方法に関する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
アノード集電体（７）、及び前記アノード集電体（７）の表面（４）に設けられた実質的にリチウム金属からなる層（８）を含むアノード活性基板（２）と、前記実質的にリチウム金属からなる層（８）上に設けられた第１リチウム金属アノード保護層（３）とを含むバッテリ用リチウム金属アノード（１、１０、１１、１２）であって、前記第１リチウム金属アノード保護層（３）はヨウ化リチウム（ＬｉＩ）及びフッ化リチウム（ＬｉＦ）を含むことを特徴とする、リチウム金属アノード（１、１０、１１、１２）。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記第１リチウム金属アノード保護層（３）におけるフッ化物のヨウ化物に対する重量比は１０：９０～９０：１０、好ましくは３０：７０～７０：３０である、請求項１に記載のリチウム金属アノード（１、１０、１１、１２）。
【請求項３】
前記第１リチウム金属アノード保護層（３）の厚さは５０ｎｍ～１０００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ～５００ｎｍである、請求項１に記載のリチウム金属アノード（１、１０、１１、１２）。
【請求項４】
ＬｉＦを含むマトリックスを含み、ＬｉＩの少なくとも一部は前記マトリックスに分散される、請求項１に記載のリチウム金属アノード（１、１０、１１、１２）。
【請求項５】
前記マトリックスはＬｉＦを含む結晶粒を含み、前記結晶粒は走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）で測定されるように平均径が１０ｎｍ～５００ｎｍ、好ましくは３０ｎｍ～２００ｎｍである、請求項４に記載のリチウム金属アノード（１、１０、１１、１２）。
【請求項６】
ＬｉＩは少なくとも部分的にＬｉＦの前記結晶粒の表面に存在する、請求項５に記載のリチウム金属アノード（１、１０、１１、１２）。
【請求項７】
前記リチウム金属アノード（１０、１１、１２）は、前記第１リチウム金属アノード保護層（３）上に、並びに／又は前記第１リチウム金属アノード保護層（３）及び前記実質的にリチウム金属からなる層（８）間に設けられる更なるリチウム金属アノード保護層（５、６）を含み、前記更なる保護層（５、６）はＬｉＩ及び／又はＬｉＦを含む、請求項１に記載のリチウム金属アノード（１０、１１、１２）。
【請求項８】
請求項１に記載のリチウム金属アノード（１、１０、１１、１２）を含むリチウムイオンバッテリ。
【請求項９】
二次電池である、請求項８に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１０】
アノード活性基板（２）の層（８）上に第１リチウム金属アノード保護層（３）を堆積させることを含み、前記層（８）は第１被覆組成物及び第２被覆組成物の同時熱蒸着により実質的にリチウム金属からなり、これにより前記アノード（１、１０、１１、１２）が得られる、リチウム金属アノード（１、１０、１１、１２）の製造方法であって、前記第１被覆組成物はＬｉＦを含み、前記第２被覆組成物はＬｉＩを含むことを特徴とする、方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオンバッテリ用の保護層を含むリチウム金属アノードに関する。本発明は更に、このリチウム金属アノードを含むリチウムイオンバッテリ、及びこれらを製造する方法に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
充電式バッテリは、携帯機器、電気自動車及びエネルギ貯蔵ステーション向けの最も普及した信頼できる電源として、過去数十年において目覚ましい成功及び商業化を成し遂げてきた。特に、Ｌｉイオンバッテリは、高エネルギ密度及び傑出したサイクル安定性により、市場の他のバッテリシステムより優れている。
【０００３】
リチウムの理論容量が高い（３８６０ｍＡｈ／ｇ）ため、リチウム金属を含むアノードはリチウムイオンバッテリ向けのアノードとして周知である。しかしながら、（電気）化学反応性が高く、リチウムデンドライトを形成する傾向が強いことが、その広い用途を妨げている。デンドライトはアノード表面で成長し、短絡及びバッテリ故障を潜在的に引き起こすことにより、安全性のリスクをもたらす。
【０００４】
デンドライト及びデッドリチウム（つまり、不活性になっており、もはや電気化学サイクルに関与していないリチウム）は、機械的応力、表面エネルギ、構造欠陥、（電気）化学反応などの様々な理由により、充放電サイクル中にリチウムプレーティング及びストリッピングにむらが生じ得ることに起因する。デンドライト形成及びデッドリチウム蓄積のリスクを低減するため、並びにバッテリの安全性及び寿命を高めるため、限定されないが固体電解質の導入、人工のリチウム金属ホスト、電解質への添加剤添加、及び液体電解質系バッテリ用の有機／無機不動態層を含むいくつかの解決策が検討されている。
【０００５】
特に、人工固体電解質界面（ＳＥＩ）被覆などのリチウムイオン伝導性不動態層、つまり保護層は多くの関心を引いている。天然ＳＥＩは典型的にアノード上に発生するが、デンドライト成長を防止するには不十分であることが多いと証明されている。人工ＳＥＩ（ａＳＥＩ）層はバリアとして作用し、デンドライト成長を阻害し、リチウム堆積のためにより安定した表面を提供する。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１８／０２９４４７６号明細書は、アノードとして、集電体上のリチウム又はリチウム合金の箔又は被覆と、リチウム伝導性が少なくとも１０
－６
Ｓ／ｃｍ、分子量が０．５×１０
６
～９×１０
６
ｇ／モルであり、１ｎｍ～１０μｍの薄層である高弾性超高分子量（ＵＨＭＷ）ポリマーとを含むリチウム二次電池を開示している。
【０００７】
保護層としての上述のＵＨＭＷポリマーのデメリットは、すべての種類の液体電解質、特に液体電解質で使用される特定の有機溶媒において化学的に安定でなく、膨張する傾向があることである。更なるデメリットは、電解質の溶媒に対するＵＨＭＷポリマーの反発力により、電解質におけるリチウムイオンのイオン伝導率が不安定で変動しやすいことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
米国特許出願公開第２０１８／０２９４４７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、１つ又は複数の上記欠点を克服することである。本発明の目的は、優れた電気化学的性能を有するリチウム金属アノードを提供することである。更なる目的は、当技術分野のリチウム金属アノードと比較して、バッテリで使用するときに寿命が改善されたリチウム金属アノードを提供することである。更に別の目的は、バッテリでの使用において、デンドライト形成及び／又はデッドリチウムの蓄積を起こしにくいリチウム金属アノードを提供することであり、これにより二次電池における優れた性能を提供する。更なる目的は、化学的及び電気化学的に安定したリチウム金属アノードを提供することである。
【００１０】
本発明の更なる目的は、寿命が改善され、多数の充電／放電サイクルに耐えることができるリチウムイオンバッテリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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