KR20230128264A - Advanced Li-Ion Energy Storage Devices - Google Patents

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KR20230128264A
KR20230128264A KR1020237016854A KR20237016854A KR20230128264A KR 20230128264 A KR20230128264 A KR 20230128264A KR 1020237016854 A KR1020237016854 A KR 1020237016854A KR 20237016854 A KR20237016854 A KR 20237016854A KR 20230128264 A KR20230128264 A KR 20230128264A
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KR1020237016854A
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지 엠 천
완쥔 벤 차오
기 엠 박
니콜로 엠 브램빌라
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패스트캡 시스템즈 코포레이션
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Abstract

리튬 이온 커패시터는 결합제-무함유 양극 및 음극 활성층을 포함한다. 커패시터는 높은 에너지 밀도, 전력 밀도 및 사이클 수명을 나타내며, 전기 이중층 커패시터와 리튬 이온 배터리 사이의 우수한 성능 절충안을 제공한다.Lithium ion capacitors include binder-free positive and negative active layers. Capacitors exhibit high energy density, power density and cycle life and provide a good performance compromise between electrical double layer capacitors and lithium ion batteries.

Description

고급 리튬 이온 에너지 저장 디바이스Advanced Li-Ion Energy Storage Devices

관련 문헌에 대한 상호 참조Cross reference to relevant literature

본 출원은, 미국 특허 가출원 제63/093441호(발명의 명칭: "Advanced Lithium-Ion Energy Storage Device", 출원일: 2020년 10월 19일), 미국 특허 가출원 제63/021492호(발명의 명칭: "Wide Temperature Electrolyte", 출원일: 2020년 5월 8일); 미국 특허 제10,600,582호(발명의 명칭: "Composite Electrode", 등록일: 2020년 3월 24일); 미국 특허 제9,001,495호(발명의 명칭: "High power and high energy electrodes using carbon nanotubes", 등록일: 2015년 4월 7일), 또한 미국 특허 제9,218,917호(발명의 명칭: "Energy storage media for ultracapacitors", 등록일: 2015년 12월 22일)와 관련되며, 이들의 전체 개시내용은 어떤 목적으로든 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.This application is filed in US Provisional Patent Application No. 63/093441 (Title of Invention: "Advanced Lithium-Ion Energy Storage Device", Application Date: October 19, 2020), and US Provisional Patent Application No. 63/021492 (Title of Invention: "Wide Temperature Electrolyte", filing date: May 8, 2020); U.S. Patent No. 10,600,582 entitled "Composite Electrode", Issued on March 24, 2020; U.S. Patent No. 9,001,495 entitled "High power and high energy electrodes using carbon nanotubes", Registration Date: April 7, 2015, also U.S. Patent No. 9,218,917 entitled "Energy storage media for ultracapacitors" , Registration Date: December 22, 2015), the entire disclosures of which are incorporated herein by reference for any purpose.

발명의 기술분야Technical Field of Invention

본 명세서에 개시된 발명은 에너지 저장 디바이스에 관한 것으로, 특히 실질적으로 결합제 재료 없이 제조되는 리튬 함유 전극에 관한 것이다.The invention disclosed herein relates to energy storage devices, and more particularly to lithium-containing electrodes made substantially free of binder materials.

리튬(Li)-이온 배터리(LiB) 및 전기 이중층 커패시터(EDLC)는 널리 사용되는 두 가지 전기화학적 에너지 저장 디바이스이다. 전형적인 LiB는 리튬(Li) 삽입 애노드와 Li 금속 산화물 캐소드(따라서 에너지 저장의 환원 공정 또는 패러데이 메커니즘)로 만들어지는 반면, EDLC는 애노드 및 캐소드 모두에 대해 고표면적 활성탄(AC)으로 만들어진다(따라서 이중층 커패시턴스 또는 비패러데이 형태의 에너지 저장에 의존한다). 상이한 에너지 저장 메커니즘의 결과로서, 이들 디바이스는 그 에너지 및 전력 성능이 구별된다. LiB는 예를 들어 100 내지 250 Wh/㎏의 높은 비에너지를 나타내며; 그러나, LiB는 또한 0.5 ㎾/㎏ 미만의 낮은 비출력과 5,000 사이클 미만의 열악한 사이클 수명을 갖는다. EDLC는 10 ㎾/㎏의 높은 비출력과 100,000 사이클 이상의 긴 사이클 수명을 가지며; 그러나, EDLC는 6 Wh/㎏ 미만의 훨씬 더 낮은 비에너지를 나타낸다.Lithium (Li)-ion batteries (LiBs) and electric double layer capacitors (EDLCs) are two widely used electrochemical energy storage devices. A typical LiB is made of a lithium (Li) intercalated anode and a Li metal oxide cathode (hence the reduction process or Faraday mechanism of energy storage), whereas an EDLC is made of high surface area activated carbon (AC) for both anode and cathode (hence the double layer capacitance or a non-Faraday form of energy storage). As a result of different energy storage mechanisms, these devices are distinguished in their energy and power performance. LiB exhibits a high specific energy of eg 100 to 250 Wh/kg; However, LiB also has a low specific power of less than 0.5 kW/kg and a poor cycle life of less than 5,000 cycles. EDLC has a high specific power of 10 kW/kg and a long cycle life of more than 100,000 cycles; However, EDLC shows a much lower specific energy of less than 6 Wh/kg.

LiB와 EDLC의 장점을 단일 형태로 조합할 수 있는 에너지 저장 디바이스가 매우 바람직하다. 차세대의 슈퍼커패시터로서, Li-이온 커패시터(LiC)는 EDLC 캐소드와 사전 리튬화된 애노드를 포함하는 고급 에너지 저장 디바이스이며, 이온은 충전 및 방전 과정동안 캐소드와 애노드 사이를 오간다. 사전 리튬화되고 낮은 표면 애노드 재료를 사용하기 때문에, LiC는 EDLC보다 훨씬 높고 LiB와 비슷한 4.0V의 높은 전압으로 충전될 수 있다. LiC가 LiB보다 훨씬 높은 전력 밀도를 달성할 수 있을지라도, LiC의 에너지 밀도는 약 10 내지 20 Wh/㎏이며, 이는 여전히 LiB보다 훨씬 낮다. 그러므로, LiC 에너지 저장 디바이스의 에너지 밀도는 더욱 향상될 필요가 있다.An energy storage device that can combine the advantages of LiB and EDLC into a single form is highly desirable. As a next-generation supercapacitor, the Li-ion capacitor (LiC) is an advanced energy storage device comprising an EDLC cathode and a pre-lithiated anode, with ions moving back and forth between the cathode and anode during charging and discharging processes. Because of the use of pre-lithiated, low surface anode materials, LiC can be charged to voltages as high as 4.0V, much higher than EDLC and comparable to LiB. Although LiC can achieve a much higher power density than LiB, the energy density of LiC is about 10 to 20 Wh/kg, which is still much lower than LiB. Therefore, the energy density of LiC energy storage devices needs to be further improved.

필요한 것은 LiC 기술의 가능성을 개선하기 위한 방법 및 장치이다. 바람직하게, 방법 및 장치는 또한 제조에 요구되는 비용 및 시간을 감소시킨다.What is needed are methods and apparatus to improve the possibilities of LiC technology. Advantageously, the method and apparatus also reduce the cost and time required for manufacturing.

일 실시형태에서, 리튬 이온 커패시터 장치가 제공된다. 장치는 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소의 네트워크를 포함하는 양극; 세퍼레이터에 의해 양극으로부터 분리되는, 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소의 네트워크를 포함하는 음극; 및 커패시터의 사전 리튬화를 제공하기 위해 음극 상에 배치된 리튬 막을 포함하고; 양극 및 음극 중 적어도 하나는: 네트워크 내에서 빈 공간을 한정하는 고애스펙트비 탄소 요소의 네트워크; 네트워크 내의 빈 공간에 배치되고 네트워크에서 얽힌 복수의 전극 활성 재료 입자를 포함한다.In one embodiment, a lithium ion capacitor device is provided. The device includes an anode comprising a network of carbon substantially free of binder material; a negative electrode comprising a network of carbon substantially free of binder material, separated from the positive electrode by a separator; and a lithium film disposed on the negative electrode to provide pre-lithiation of the capacitor; At least one of the anode and cathode comprises: a network of high-aspect-ratio carbon elements defining voids within the network; and a plurality of electrode active material particles disposed in voids within the network and entangled in the network.

일부 실시형태에서, 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함하고, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 보조 치수의 길이 비율의 적어도 100배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 보조 치수의 길이 비율의 적어도 1,000배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10,0000배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이 비율의 적어도 100배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이의 적어도 1,000배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10,000배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 번들을 포함할 수 있다. 고애스펙트비 탄소 요소는 그래핀 박편(graphene flake)을 포함할 수 있다. 전극 활성층은 빈 공간에 배치된 10 중량% 미만의 중합체 결합제를 함유할 수 있다. 전극 활성층은 빈 공간에 배치된 1 중량% 미만의 중합체 결합제를 함유할 수 있다. 전극 활성층은 빈 공간에 배치된 1 중량% 미만의 중합체 결합제를 함유할 수 있다. 전극 활성층은 표면 처리 이외에 실질적으로 중합체 재료가 없을 수 있다. 전극 활성층은 실질적으로 중합체 재료가 없을 수 있다. 네트워크는 적어도 90 중량%의 탄소일 수 있다. 네트워크는 적어도 95 중량%의 탄소일 수 있다. 네트워크는 적어도 99 중량%의 탄소일 수 있다. 네트워크는 적어도 99.9 중량%의 탄소일 수 있다. 네트워크는 삼투 임계값 이상에서 연결성을 나타내는 탄소 요소의 전기적으로 상호 연결된 네트워크를 포함할 수 있다. 네트워크는 하나 이상의 높은 전기 전도성 경로를 한정할 수 있다. 경로는 100㎛보다 긴 길이를 가질 수 있다. 경로는 1,000㎛보다 긴 길이를 가질 수 있다. 경로는 10,000㎛보다 긴 길이를 가질 수 있다. 네트워크는 탄소 요소로 형성된 하나 이상의 구조를 포함할 수 있으며, 상기 구조는 탄소 요소의 최대 치수의 길이의 적어도 10배인 전체 길이를 포함한다. 네트워크는 탄소 요소로 형성된 하나 이상의 구조를 포함할 수 있으며, 상기 구조는 탄소 요소의 최대 치수 길이의 적어도 100배인 전체 길이를 포함한다. 네트워크는 탄소 요소로 형성된 하나 이상의 구조를 포함할 수 있으며, 상기 구조는 탄소 요소의 최대 치수 길이의 적어도 1,000배인 전체 길이를 포함한다. 양극은 활성탄, 카본블랙, 흑연, 경질 탄소, 연질 탄소, 나노폼 탄소, 고애스펙트비 탄소 및 이들의 혼합물로 이루어진 리스트로부터 적어도 하나를 포함하는 전극 활성 재료를 포함할 수 있다. 양극은 1000 내지 3000 ㎡/g의 범위에 있는 비표면적을 갖는 활성탄(AC)을 포함하는 전극 활성 재료를 포함할 수 있다. 양극은 D50≤10㎛의 입자 크기를 갖는 활성탄(AC)을 포함하는 전극 활성 재료를 포함할 수 있다. 음극은 D50≤10㎛의 입자 크기를 갖는 전극 활성 재료를 포함할 수 있다. 양극은 활성탄(AC), 카본블랙(BC) 및 고애스펙트비 탄소를 포함하는 전극 활성 재료를 포함할 수 있으며, 활성 재료와 고애스펙트비 탄소 사이의 질량비는 80:20 내지 99:1의 범위에 있다. 양극과 리튬 막의 조합된 총 두께는 40㎛ 내지 450㎛의 범위일 수 있다. 음극의 총 두께는 20㎛ 내지 350㎛의 범위일 수 있다. 양극 활성층의 총 두께 대 음극 활성층의 총 두께의 두께비는 1:2 내지 3:1의 범위일 수 있다. 양극 활성층 대 음극 활성층의 용량비는 1:12 내지 1:2의 범위에 있다. 리튬 막은 정공을 포함하는 초박형 리튬 막을 포함할 수 있다. 음극 활성층의 측면에서의 리튬 소스의 단위 면적당 질량은 0.1 ㎎/cm2 내지 3 ㎎/㎠의 범위일 수 있다. 음극 활성 전극층의 측면에서의 리튬 소스의 두께는 2 내지 50㎛의 범위일 수 있다. 리튬 막의 표면적은 음극의 측면의 표면적의 25% 내지 100%일 수 있다. 리튬 막은 정공을 포함할 수 있고, 상기 정공의 면적 크기 백분율 범위는 막의 총 면적의 약 0.01% 내지 약 75%의 범위이다.In some embodiments, the high aspect ratio carbon elements include elements each having two major dimensions and one minor dimension, wherein the length ratio of each major dimension is at least 10 times the length ratio of the minor dimension. A high aspect ratio carbon element may include elements each having two major dimensions and one minor dimension, wherein the length ratio of each major dimension is at least 100 times the length ratio of the minor dimension. The high aspect ratio carbon element may include elements each having two major dimensions and one minor dimension, wherein the length ratio of each major dimension is at least 1,000 times the length ratio of the minor dimension. The high aspect ratio carbon element may include elements each having two major dimensions and one minor dimension, wherein the length ratio of each major dimension is at least 10,0000 times the length ratio of the minor dimension. A high aspect ratio carbon element may include elements each having one major dimension and two minor dimensions, the length ratio of each major dimension being at least 10 times the length ratio of each minor dimension. The high-aspect-ratio carbon element may include elements each having one major dimension and two minor dimensions, the length ratio of each major dimension being at least 100 times the length ratio of each minor dimension. The high aspect ratio carbon element may include elements each having one major dimension and two minor dimensions, wherein the ratio of the lengths of each major dimension is at least 1,000 times the length of each minor dimension. The high aspect ratio carbon element may include elements each having one major dimension and two minor dimensions, the length ratio of each major dimension being at least 10,000 times the length ratio of each minor dimension. The high aspect ratio carbon element may include carbon nanotubes or carbon nanotube bundles. The high aspect ratio carbon element may include graphene flakes. The electrode active layer may contain less than 10% by weight of a polymeric binder disposed in the voids. The electrode active layer may contain less than 1% by weight of a polymeric binder disposed in the voids. The electrode active layer may contain less than 1% by weight of a polymeric binder disposed in the voids. The electrode active layer may be substantially free of polymeric materials other than surface treatment. The electrode active layer may be substantially free of polymeric material. The network may be at least 90% carbon by weight. The network may be at least 95% carbon by weight. The network can be at least 99% carbon by weight. The network can be at least 99.9 weight percent carbon. The network may include an electrically interconnected network of carbon elements exhibiting connectivity above the osmotic threshold. A network may define one or more highly electrically conductive pathways. The pathway may have a length greater than 100 μm. Pathways may have lengths greater than 1,000 μm. The pathway may have a length greater than 10,000 μm. The network may include one or more structures formed of carbon elements, the structures having an overall length that is at least 10 times the length of the largest dimension of the carbon elements. The network may include one or more structures formed of carbon elements, the structures having an overall length that is at least 100 times the length of the largest dimension of the carbon elements. The network may include one or more structures formed of carbon elements, the structures having an overall length that is at least 1,000 times the length of the largest dimension of the carbon elements. The positive electrode may include an electrode active material including at least one from the list consisting of activated carbon, carbon black, graphite, hard carbon, soft carbon, nanoform carbon, high aspect ratio carbon, and mixtures thereof. The positive electrode may comprise an electrode active material comprising activated carbon (AC) having a specific surface area in the range of 1000 to 3000 m 2 /g. The positive electrode may include an electrode active material including activated carbon (AC) having a particle size of D50≤10 μm. The negative electrode may include an electrode active material having a particle size of D50≤10 μm. The positive electrode may include an electrode active material including activated carbon (AC), carbon black (BC) and high-aspect-ratio carbon, wherein the mass ratio between the active material and the high-aspect-ratio carbon is in the range of 80:20 to 99:1. there is. The combined total thickness of the positive electrode and lithium film may range from 40 μm to 450 μm. The total thickness of the cathode may range from 20 μm to 350 μm. The thickness ratio of the total thickness of the positive active layer to the total thickness of the negative active layer may range from 1:2 to 3:1. The capacity ratio of the positive electrode active layer to the negative electrode active layer ranges from 1:12 to 1:2. The lithium film may include an ultra-thin lithium film including holes. A mass per unit area of the lithium source on the side of the negative electrode active layer may be in the range of 0.1 mg/cm 2 to 3 mg/cm 2 . The thickness of the lithium source on the side of the negative electrode active electrode layer may range from 2 to 50 μm. The surface area of the lithium film may be 25% to 100% of the surface area of the side surface of the negative electrode. The lithium film may include holes, and the area size percentage of the holes ranges from about 0.01% to about 75% of the total area of the film.

다른 실시형태에서, 리튬 이온 커패시터를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 에너지 저장 셀을 제공하는 단계로서, 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소 네트워크를 포함하는 양극을 선택하는 단계; 세퍼레이터에 의해 상기 양극으로부터 분리된, 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소 네트워크를 포함하는 음극을 선택하는 단계; 및 커패시터의 사전 리튬화를 제공하기 위해 상기 음극 상에 리튬 막을 배치하는 단계에 의해 제공되는, 상기 에너지 저장 셀 제공 단계; 커패시터를 제공하기 위해 하우징에서 상기 에너지 저장 셀 및 전해질을 밀봉하는 단계를 포함한다. 리튬 이온 커패시터는 상술한 장치를 포함할 수 있다.In another embodiment, a method for manufacturing a lithium ion capacitor is provided. The method includes providing an energy storage cell comprising: selecting an anode comprising a carbon network substantially free of binder material; selecting a negative electrode comprising a carbon network substantially free of binder material, separated from the positive electrode by a separator; and placing a lithium film on the negative electrode to provide pre-lithiation of the capacitor. and sealing the energy storage cell and electrolyte in a housing to provide a capacitor. A lithium ion capacitor may include the device described above.

본 발명의 특징 및 장점은 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 설명으로부터 명백하다:
일련의 현미경 사진, 흐름도 및 성능 그래픽이 제공된다.
The features and advantages of the present invention are apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings:
A series of micrographs, flow charts and performance graphics are provided.

본 명세서에서 에너지 저장 디바이스에서 유용한 하이브리드 결합제-무함유 전극을 제조하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 유리하게, 전극의 구성에서 통상적으로 사용되는 실질적으로 결합제 재료가 없는 결과로서, 본 명세서에 개시된 전극은 우수한 전기적 성능을 제공할 수 있고, 제조 공정에서 더 적은 단계를 필요로 한다.Disclosed herein are methods and apparatus for making hybrid binder-free electrodes useful in energy storage devices. Advantageously, as a result of being substantially free of binder materials commonly used in the construction of electrodes, the electrodes disclosed herein can provide superior electrical performance and require fewer steps in the manufacturing process.

본 명세서에서 개시된 에너지 저장 디바이스는 고유한 결함을 피하면서 LiB와 LiC의 장점을 조합하고, 그러므로 LiB에 의해 제공되는 높은 에너지 밀도와 LiC에서 나타나는 높은 전력 밀도 사이의 간극을 연결한다. 무엇보다도, 이러한 Li-이온 에너지 저장 디바이스와 LiC 사이의 근본적인 차장점은 하이브리드 Li-이온 기술이 하이브리드 복합 캐소드를 형성하기 위해 LiB 및 LiC 캐소드 재료들을 함께 상승적으로 조합하는 것에 의해 2개의 개별 에너지 저장 디바이스를 하나로 통합한다는 것이다. 비패러데이 커패시터 재료는, 배터리 재료가 배터리 환원 반응 전위를 일정하게 유지하면서 충전될 때, 전극의 전위가 패러데이 배터리 재료의 환원 반응 전위에 도달할 때까지 초기에 정전기적으로 충전될 수 있다. 완전히 충전되면, 제한 전위가 커패시터 재료에 대해 도달될 때까지, 커패시터 재료는 다시 충전된다.The energy storage devices disclosed herein combine the advantages of LiB and LiC while avoiding their inherent drawbacks, and thus bridge the gap between the high energy density provided by LiB and the high power density exhibited by LiC. First of all, the fundamental difference between these Li-ion energy storage devices and LiC is that hybrid Li-ion technology combines two separate energy storage devices by synergistically combining LiB and LiC cathode materials together to form a hybrid composite cathode. is to integrate into one. The non-Faraday capacitor material may initially be electrostatically charged until the potential of the electrode reaches the reduction potential of the faradaic battery material when the battery material is charged while holding the battery reduction potential constant. Once fully charged, the capacitor material is charged again until the limiting potential is reached across the capacitor material.

일반적으로, 개시된 기술은 하이브리드 복합 결합제-무함유 캐소드 전극, 결합제-무함유 애노드 전극, 세퍼레이터 및 전해질과 같은 리튬 염을 갖는 유기 용매 전해질 용액, 및 초박형 리튬 막(μ-Li) 소스를 포함하는 하이브리드 리튬 이온 에너지 저장 디바이스에 관한 것이다. 초박형 리튬 막은 복수의 정공을 포함할 수 있다. 초박형 리튬 막을 통해, 애노드 전극은 충분한 리튬 이온이 사전 도핑된다. 사전 도핑은 초박형 리튬 막을 애노드 전극 표면에 실질적으로 배치하는 것에 의해 일어날 수 있다. 또한, 하이브리드 복합 캐소드는 중합체 결합제-무함유 제조 공정을 사용하여 제조될 수 있으며, 하이브리드 복합 캐소드 대 애노드 전극의 결과적인 용량 비율은 0.1 내지 1.2일 수 있다. 애노드 전극에 배치된 초박형 리튬 막의 질량은 전체 셀 형식 설계에서 높은 에너지, 전력 및 장기 사이클 수명 성능을 달성하기 위해 계산식에 의해 사전 결정될 수 있다.In general, the disclosed technology is a hybrid composite comprising a binder-free cathode electrode, a binder-free anode electrode, an organic solvent electrolyte solution having a lithium salt as a separator and electrolyte, and an ultra-thin lithium film (μ-Li) source. It relates to lithium ion energy storage devices. The ultra-thin lithium film may include a plurality of holes. Through the ultra-thin lithium film, the anode electrode is pre-doped with sufficient lithium ions. Pre-doping may occur by disposing an ultra-thin lithium film substantially on the surface of the anode electrode. The hybrid composite cathode may also be prepared using a polymeric binder-free manufacturing process, and the resulting capacity ratio of hybrid composite cathode to anode electrode may be between 0.1 and 1.2. The mass of the ultra-thin lithium film disposed on the anode electrode can be predetermined by a calculation formula to achieve high energy, power and long cycle life performance in a full cell format design.

에너지 저장 디바이스의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 예에서, 에너지 저장 디바이스(ESD)(10)는 3층 셀이다. 대향하는 집전 장치(current collector)(2)는 캐소드 재료(3)에 호스팅된다. 집합적으로, 집전 장치(2) 및 캐소드 재료(3)는 도시된 2개의 캐소드(4)의 각각을 제공한다. 캐소드(3)들 사이에 애노드(8)가 배치된 것으로 도시된다. 이 예에서, 애노드(8)는 또 다른 집전 장치(6) 상에 배치된 애노드 재료(5)의 대향 층들을 포함한다. 애노드 재료의 각각의 층 위에는 리튬 소스(7)가 배치된다. 이 예에서, 캐소드를 위한 집전 장치(2)는 알루미늄으로 제조되고, 애노드를 위한 집전 장치(6)는 구리로 제조된다.A schematic diagram of an energy storage device is shown in FIG. 1 . In the example of FIG. 1 , the energy storage device (ESD) 10 is a three-layer cell. An opposing current collector 2 is hosted in the cathode material 3 . Collectively, current collector 2 and cathode material 3 provide each of the two cathodes 4 shown. An anode 8 is shown disposed between the cathodes 3 . In this example, anode 8 includes opposing layers of anode material 5 disposed on another current collector 6 . A lithium source 7 is disposed above each layer of anode material. In this example, current collector 2 for the cathode is made of aluminum, and current collector 6 for the anode is made of copper.

도 2A 및 도 2B를 참조하면, 활성탄을 포함하는 캐소드 재료(3)의 예가 도시되어 있다. 이들 예시에서, 종래 기술(도 2A) 및 본 명세서의 교시(도 2B)에 따른 캐소드 재료(3)의 SEM 이미지가 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 본 명세서에 개시된 캐소드(4)에 대한 이미지는 상당히 더 많은 탄소를 포함하고, 쉽게 추측할 수 있는 바와 같이 도 2A의 디바이스보다 더 큰 에너지 저장이 가능하다.Referring to Figures 2A and 2B, an example of a cathode material 3 comprising activated carbon is shown. In these examples, SEM images of a cathode material 3 according to the prior art (FIG. 2A) and the teachings herein (FIG. 2B) are shown. As can be seen, the image for the cathode 4 disclosed herein contains significantly more carbon and, as can be easily guessed, allows greater energy storage than the device of FIG. 2A.

논의의 목적을 위해, 캐소드 재료의 2가지 예가 본 명세서에서 제시된다. 첫 번째 예는 순수한 활성탄(AC)(0% 인산철리튬(LFP)을 가진 LiC)을 가진 전극을 포함하고; 두 번째 예는 하이브리드 결합제-무함유 전극(20:80의 LFP 대 AC 비율을 가짐)을 포함한다. 결합제-무함유 전극에서, 제공된 탄소 구조는 활성 재료와의 우수한 접합을 유발하고, 종래의 중합체 또는 유사한 비전도성 또는 저전도성 결합제에 대한 필요성 없이 캐소드를 함께 접합하는 역할을 한다. (비전도성) 결합제-무함유의 결과로서, 탄소 구조는 더 높은 전도성과 더 높은 셀 성능을 유발한다. 본 개시내용에서, 상업적으로 이용 가능한 건식 방법 AC 결합제-기반 전극은 비교를 위한 기준선으로 사용된다.For purposes of discussion, two examples of cathode materials are presented herein. The first example includes an electrode with pure activated carbon (AC) (LiC with 0% lithium iron phosphate (LFP)); A second example includes a hybrid binder-free electrode (having an LFP to AC ratio of 20:80). In binder-free electrodes, the provided carbon structure results in good bonding with the active material and serves to bond the cathodes together without the need for conventional polymers or similar non- or low-conducting binders. As a result of being (non-conductive) binder-free, the carbon structure results in higher conductivity and higher cell performance. In this disclosure, a commercially available dry method AC binder-based electrode is used as a baseline for comparison.

일반적으로, 결합제 재료는 전극층의 기계적 무결성 및 집전 장치에 대한 우수한 접착력을 촉진하기 위해 전극 재료에 첨가되는 비전도성 또는 저전도성 재료이다. 결합제 재료의 사용은 에너지 저장 및 전도가 가능한 다른 재료를 대체하고, 그러므로 이러한 것들이 사용되는 에너지 저장 셀의 출력을 감소시킨다. 결합제의 한 예는 PVDF이다. 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 비닐리덴 다이플루오라이드의 중합에 의해 생성되는 고도의 비반응성 열가소성 불소 중합체이다. PVDF는 통상적으로 캐소드에서 사용된다. 통상적인 애노드 결합제 재료는 스타이렌-부타다이엔 공중합체이다.Generally, the binder material is a non-conductive or low-conductivity material added to the electrode material to promote the mechanical integrity of the electrode layer and good adhesion to the current collector. The use of binder materials displaces other materials capable of storing and conducting energy, thus reducing the output of the energy storage cell in which they are used. One example of a binder is PVDF. Polyvinylidene fluoride (PVDF) is a highly non-reactive thermoplastic fluoropolymer produced by polymerization of vinylidene difluoride. PVDF is typically used at the cathode. A common anode binder material is a styrene-butadiene copolymer.

유사하게, 도 3A, 도 3B 및 도 3C에서, 애노드 재료(5)가 도시되어 있다. 도 3A에서, 경질 탄소 분말의 SEM이 도시된다. 도 3B에는 경질 탄소 분말 및 결합제 재료로 제조된 종래 기술의 애노드(8)가 도시되어 있다. 도 3C에서, 본 명세서의 교시에 따른 애노드(8)의 양태가 도시되어 있다.Similarly, in Figures 3A, 3B and 3C, anode material 5 is shown. In Figure 3A, a SEM of hard carbon powder is shown. Figure 3B shows a prior art anode 8 made from a hard carbon powder and binder material. In Figure 3C, an aspect of an anode 8 according to the teachings herein is shown.

설명의 목적을 위해, 본 명세서에서 제시된 애노드(8)는 활성 재료로서 경질 탄소(HC)로 이루어진다. 애노드를 위한 슬러리 혼합물은 입자 크기(D50)가 2㎛인 HC와, 결합제 재료로서 기능하는 카복시메틸 셀룰로스(CNT 및 CMC)를 가진 탄소 나노튜브를 포함하여 만들어졌다. 본 예에서, 3개의 성분의 질량비는 98.33:0.67:1이었다. 슬러리가 준비된 후에, 슬러리는 10㎛의 두께를 가진 구리(Cu) 포일 기판에 코팅되었다. 그런 다음, 전극은 공기가 흐르는 오븐에서 160℃에서 3시간 동안 건조되었다. 편면 활성 재료층 두께가 약 75㎛이고 탭 밀도가 1.0 g/㎤인 애노드 전극 시트가 제작되었다. 경질 탄소 애노드의 다공성은 약 50%였다. 그런 다음, 전극은 애노드에 대해 4.6㎝×4.6㎝(활성 면적) 및 캐소드에 대해 4.5㎝×4.5㎝의 원하는 치수로 전극 시트로부터 펀칭되고, 그런 다음 120℃에서 밤새 진공 건조되고, 거기에서 최종 셀 조립 전에 건조한 실내 환경으로 운반되었다. 전극은 도 1에 도시된 구성으로 조립되었다.For explanatory purposes, the anode 8 presented herein consists of hard carbon (HC) as the active material. A slurry mixture for the anode was made including HC with a particle size (D50) of 2 μm and carbon nanotubes with carboxymethyl cellulose (CNT and CMC) serving as a binder material. In this example, the mass ratio of the three components was 98.33:0.67:1. After the slurry was prepared, the slurry was coated on a copper (Cu) foil substrate with a thickness of 10 μm. Then, the electrode was dried at 160 °C for 3 hours in an oven with air flow. An anode electrode sheet having a single-sided active material layer thickness of about 75 μm and a tap density of 1.0 g/cm 3 was fabricated. The porosity of the hard carbon anode was about 50%. The electrodes are then punched out of the electrode sheet to the desired dimensions of 4.6 cm x 4.6 cm (active area) for the anode and 4.5 cm x 4.5 cm for the cathode, then vacuum dried overnight at 120° C., where the final cell It was transported to a dry indoor environment prior to assembly. The electrodes were assembled in the configuration shown in FIG. 1 .

ESD(10)의 조립에서, 리튬 소스(7)는 모든 애노드(8)에 통합되었다. 각각의 실시형태에서, 리튬 소스(7)는 내부에 정공이 있는 초박형 리튬 막을 포함하였다. 정공은 20㎛ Li-금속 시트(순도 99.9%)로부터 절단되었다. 리튬 소스(7)는 다양한 LFP/AC 하이브리드 복합 캐소드 기반 LiB/LiC 셀을 제조하기 위해 다양한 크기를 갖는, 사전 리튬화를 위한 리튬 소스를 제공했다. 약 372 mAh/g인 HC 애노드 제1 리튬 층간 삽입 비용량(specific capacity)에 기초하여, HC를 완전히 사전 리튬화하기 위해 HC 애노드의 표면에 사전 로딩된, 정공을 가진 u-Li의 양은 ~ 10%(u-Li 사전 로딩된 질량/애노드 활성층 질량)이도록 결정되었다. LiC(0% LFP)에 대한 셀 설계에서, 애노드 대 캐소드의 용량비가 약 0.14(1:7)이기 때문에 애노드가 (약 10%의 리튬 로딩으로) 사전 리튬화되어야 한다고 결정되었다. 이러한 LiC 셀 설계는 LiC가 긴 사이클과 높은 에너지 및 전력 밀도를 갖는 것을 가능하게 한다. 그러나, 하이브리드 복합 결합제-무함유 캐소드에서 LFP가 혼합될 때, LFP는 최대 작동 전압으로 충전될 때 하이브리드 캐소드로부터 추가 리튬 소스를 제공할 것이다. 셀을 충전하는 동안 애노드에서 리튬 덴드라이트(lithium dendrite)의 성장을 방지하기 위해, 애노드의 표면에 배치된 리튬 소스(7)(즉, 정공을 갖는 초박형 리튬 막)에 대한 실제 질량 부하는 하이브리드 캐소드에서의 LFP로부터 제공되는 리튬 소스 부분을 고려해야 하며, 그러므로 애노드 활성층 중량의 10% 미만이어야 한다. 애노드에서 리튬 소스(7)의 감소는 캐소드에서 LFP의 증가와 관련되어야 한다고 결론지을 수 있다.In the assembly of ESD 10, a lithium source 7 was incorporated into all anodes 8. In each embodiment, the lithium source 7 included an ultra-thin lithium film with holes therein. Holes were cut from a 20 μm Li-metal sheet (99.9% purity). The lithium source 7 provided a lithium source for pre-lithiation with various sizes to fabricate various LFP/AC hybrid composite cathode based LiB/LiC cells. Based on the HC anode first lithium intercalation specific capacity of about 372 mAh/g, the amount of u-Li with holes pre-loaded on the surface of the HC anode to completely pre-lithiate the HC is ~10 % (u-Li pre-loaded mass/anode active layer mass). In the cell design for LiC (0% LFP), it was determined that the anode should be pre-lithiated (with a lithium loading of about 10%) because the anode to cathode capacity ratio is about 0.14 (1:7). This LiC cell design enables LiC to have long cycles and high energy and power densities. However, when LFP is mixed in the hybrid composite binder-free cathode, the LFP will provide an additional source of lithium from the hybrid cathode when charged to the maximum operating voltage. In order to prevent the growth of lithium dendrites on the anode during charging of the cell, the actual mass load on the lithium source 7 (i.e. the ultra-thin lithium film with holes) disposed on the surface of the anode is the hybrid cathode The portion of the lithium source provided from the LFP in , should therefore be taken into account and should therefore be less than 10% of the weight of the anode active layer. It can be concluded that the decrease in lithium source 7 at the anode should be related to the increase in LFP at the cathode.

셀 조립 동안, 리튬 소스(7)의 로딩은 건조한 실내 환경에서 수행되었다. 초박형 리튬 막은 압력의 인가를 사용하여 배치되었다. 조립된 ESD(10)의 예에서, 도 1에 도시된 방식을 따랐다. 애노드는 2개의 편면 LFP/AC 복합 캐소드 사이에서 정공을 갖는 리튬 소스가 사전 로딩된 양면 HC 애노드였다. 사용된 전해질은 에틸렌 카보네이트(EC)와 다이메틸 카보네이트(DMC)의 1:1 중량 혼합물 중 1M LiPF6이었다. 모든 파우치 셀 조립은 건조한 실내 환경(-40℃ 이슬점)에서 수행되었다. 도 4는 초기 테스트 동안 수집된 충전/방전 프로파일을 도시한다.During cell assembly, loading of the lithium source 7 was performed in a dry indoor environment. An ultra-thin lithium film was placed using the application of pressure. In the example of the assembled ESD 10, the manner shown in FIG. 1 was followed. The anode was a double sided HC anode preloaded with a lithium source with holes between two single sided LFP/AC composite cathodes. The electrolyte used was 1M LiPF6 in a 1:1 weight mixture of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC). All pouch cell assemblies were performed in a dry indoor environment (-40°C dew point). Figure 4 shows the charge/discharge profiles collected during initial testing.

도 4는 상이한 전류 충전 및 방전하에서 결합제-무함유 AC 및 HC 전극을 갖는 LiC의 초기 테스트 결과를 도시한다. 이들 예에 대한 테스트 조건은 83.1%의 캐소드 다공성; 64.1%의 애노드 다공성을 포함하였다. 셀 전압 범위는 3.8 내지 2.2V였으며; 커패시턴스는 11.2F였고; ESR은 0.127Ω이었고, RC 상수는 1.4초였다. 캐소드 및 애노드 활성층의 중량 및 부피에 기초한 비에너지 및 에너지 밀도는 각각 36.6 Wh/㎏ 및 20.1 Wh/L로서 측정되었다. 캐소드 및 애노드 활성층 중량 및 부피에 기초한 최대 비출력과 전력 밀도는 각각 69.7 ㎾/㎏ 및 35.3 ㎾/L로서 측정되었다.4 shows initial test results of LiC with binder-free AC and HC electrodes under different current charging and discharging. The test conditions for these examples were 83.1% cathode porosity; It contained an anode porosity of 64.1%. The cell voltage range was 3.8 to 2.2V; The capacitance was 11.2F; The ESR was 0.127 Ω and the RC constant was 1.4 seconds. The specific energy and energy density based on the weight and volume of the cathode and anode active layers were measured as 36.6 Wh/kg and 20.1 Wh/L, respectively. The maximum specific power and power density based on the weight and volume of the cathode and anode active layers were measured as 69.7 kW/kg and 35.3 kW/L, respectively.

이러한 셀 설계에 대해, 풀 사이즈 다층 1000F LiC 파우치 셀을 사용한 비에너지 및 에너지 밀도가 9 Wh/㎏ 및 16 Wh/L일 수 있다는 결과로부터 추정되며, 이는 경쟁 제품인 1000F LIC 에너지 밀도(13.7 Wh/L)보다 훨씬 높다. 또한 이러한 셀 설계에 대해, 풀 사이즈 다층 1000F LIC 파우치 셀을 사용한 ESR은 1.4mΩ일 수 있으며, 이는 경쟁 제품인 1000F LIC 셀의 ESR(1.6 mΩ)보다 작다. 아래의 표 1은 종래 기술에 대한 보다 상세한 비교를 제공한다.For this cell design, it is estimated from the results that the specific energy and energy density using a full-size multilayer 1000F LiC pouch cell can be 9 Wh/kg and 16 Wh/L, which is comparable to the competing 1000F LIC energy density (13.7 Wh/L ) is much higher than Also for this cell design, the ESR using a full-size multilayer 1000F LIC pouch cell can be 1.4mΩ, which is less than the ESR of a competing 1000F LIC cell (1.6 mΩ). Table 1 below provides a more detailed comparison to the prior art.

표 1에서의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 결합제-무함유 전극 기반 LiC에 대한 ESR은 결합제-기반(즉, 종래 기술) 대조군 샘플보다 30.6% 적었다. 유사하게, 결합제-무함유 전극을 사용한 LiC에 대한 RC 상수는 1.4초에 불과한 반면, 결합제-기반 LiC은 5.1초의 RC 상수를 가졌다. 결합제-무함유 전극에 기초한 LiC의 최대 비출력 및 전력 밀도는 결합제-기반(즉, 종래 기술) 대조군 샘플보다 각각 131.6% 및 64.6% 더 높았다. 도 5A는 비교 ESR을 도시하고, 도 5B는 도 5A에서 제시된 곡선의 분해도이다. 테스트된 제2 실시형태의 양태가 도 6A, 도 6B, 도 7A 및 도 7B에 소개되어 있다.As can be seen from the comparison in Table 1, the ESR for the binder-free electrode based LiC was 30.6% less than the binder-based (ie prior art) control sample. Similarly, the RC constant for LiC using the binder-free electrode is only 1.4 seconds, whereas the binder-based LiC has a RC constant of 5.1 seconds. The maximum specific power and power density of LiC based on the binder-free electrode were 131.6% and 64.6% higher than the binder-based (ie prior art) control sample, respectively. 5A shows comparative ESR, and FIG. 5B is an exploded view of the curve presented in FIG. 5A. Aspects of the second embodiment tested are introduced in Figures 6A, 6B, 7A and 7B.

제2 실시형태에서, 비교 성능을 연구하기 위해 연질 탄소 및 AC 및 LFP 결합제-무함유 전극이 사용되었다. SC:CNT:CMC의 비율은 HC 슬러리와 동일하며, 이번에는 하이브리드 복합 전극을 달성하기 위해 활성탄(AC)과 함께 20% LFP가 탄소 골격에 첨가되었다. 도 6A 및 도 6B는 연질 탄소 기반 전극의 현미경 사진이다. 도 7A 및 도 7B는 AC 및 LFP 결합제-무함유 전극의 현미경 사진이다. 저장 셀의 조립은 위에서 약술한 제1 실시형태와 동일한 절차를 따랐다. 저장 셀의 물리적 양태는 표 2에 설명되어 있다.In a second embodiment, soft carbon and AC and LFP binder-free electrodes were used to study comparative performance. The ratio of SC:CNT:CMC is the same as that of the HC slurry, this time 20% LFP was added to the carbon backbone along with activated carbon (AC) to achieve a hybrid composite electrode. 6A and 6B are photomicrographs of soft carbon based electrodes. 7A and 7B are photomicrographs of AC and LFP binder-free electrodes. Assembly of the storage cell followed the same procedure as in the first embodiment outlined above. The physical aspects of the storage cell are described in Table 2.

표 2에서, 대조군 셀(즉, 종래 기술의 연질 탄소)은 A53 및 A21로서 식별된다. 결합제 없이 제작된 저장 셀은 B43 및 B44로서 식별된다. 저장 셀에서 사용된 전해질은 A53: EC/DMC +1%VC 중에서 1.0M LiPF6; A21: EC/EMC/MB 중에서 1.0M LiPF6(부피 기준 20:20:60) +0.1M LiDFOB; B43: EC/EMC/DEC/PC 중에서 1.0M LiFSI(20:46.7:23.3:10 부피 기준) +1%VC; 및 B44: EC/EB/DEC/PC에서의 1.0M LiFSI(20:46.7:23.3:10 부피 기준) +1%VC였다. 저장 셀에 대한 초기 충전-방전 프로파일은 0.25 및 12.5 ㎃/cm2(10 및 500 ㎃)였다. 도 8은 4개 셀의 충전/방전 성능을 보여준다. 이러한 것은 ESR 결과와 함께 초기 정전류 충전-방전을 포함한다.In Table 2, control cells (ie, prior art soft carbon) are identified as A53 and A21. Storage cells fabricated without binder are identified as B43 and B44. The electrolyte used in the storage cell was A53: 1.0M LiPF 6 in EC/DMC +1%VC; A21: 1.0M LiPF 6 in EC/EMC/MB (20:20:60 by volume) +0.1M LiDFOB; B43: 1.0M LiFSI (20:46.7:23.3:10 by volume) +1% VC in EC/EMC/DEC/PC; and B44: 1.0M LiFSI (20:46.7:23.3:10 by volume) +1%VC in EC/EB/DEC/PC. The initial charge-discharge profiles for the storage cells were 0.25 and 12.5 mA/cm2 (10 and 500 mA). 8 shows the charge/discharge performance of four cells. These include initial constant current charge-discharge with ESR results.

도 9는 저온 테스트에 대한 결과를 도시한다. A53이 -45℃에서 동작 가능하지 않음에 따라서, A53은 충전/방전 테스트에 포함되지 않았다. 테스트에서, A21은 -45℃에서 약 40%로 가장 높은 용량 유지율을 보였다. B44는 -45℃에서 약 30%로 두 번째로 높은 용량 유지율을 보였다. 셀 설계에 기초하여, LIC의 비에너지는 약 22.4 Wh/㎏이며, 30% 유지율은 6.7 Wh/㎏일 것이며, 이는 본래의 13 Wh/㎏의 절반을 여전히 유지하고 있다. LFP 첨가제는 저온 테스트에 대해 용량 유지율을 낮추는 것으로 나타났다. 도 10은 연질 탄소와 경질 탄소 애노드의 비교 성능을 제공한다. 도 10에서, B44가 다른 두 전해질에 비해 가장 좋은 임피던스를 보이는 것을 알 수 있다. EIS의 경우, 경질 탄소 애노드는 그래프에서 더 작은 반원으로 도시된 바와 같이 LIC에 대한 연질 탄소 양극보다 약간 더 나은 성능을 보였다.9 shows the results for the low temperature test. As the A53 is not capable of operating at -45°C, the A53 was not included in the charge/discharge test. In the test, A21 showed the highest capacity retention rate at -45°C, about 40%. B44 showed the second highest capacity retention rate of about 30% at -45°C. Based on the cell design, the specific energy of the LIC is about 22.4 Wh/kg, and the 30% retention will be 6.7 Wh/kg, still holding half of the original 13 Wh/kg. LFP additives have been shown to lower capacity retention rates for low temperature tests. 10 provides comparative performance of soft carbon and hard carbon anodes. 10, it can be seen that B44 shows the best impedance compared to the other two electrolytes. For EIS, the hard carbon anode performed slightly better than the soft carbon anode for LIC, as shown by the smaller semicircle in the graph.

제3 실시형태는 고온 및 저온 모두에 대한 전해질 제형의 최적화에 관한 것이었다. 이 실시형태에서, Y4는 전해질 대조군 샘플이었고: 1.0M LiTFSI, EC/EMC/MB(부피 기준 20:20:60) +1% VC였다. Y5 및 Y5.1은 VC, FEC, LiDFOB, LiBOB, LiDFOP, LiNO3를 포함하는 첨가제와 함께 LiTFSI 염을 갖는 BCN 용매 기반 전해질이었다. Y5에 대한 전해질 제형은 BCN/EC/VC(부피 기준 80/10/10)에서의 1.0M LiTFSI였고; Y5.1 전해질 제형은 BCN/EC/VC(부피 기준 80/10/10)에서의 1.0M LiTFSI + 1% OS3(시판되는 첨가제)였다.A third embodiment was directed to optimization of the electrolyte formulation for both high and low temperatures. In this embodiment, Y4 was the electrolyte control sample: 1.0M LiTFSI, EC/EMC/MB (20:20:60 by volume) +1% VC. Y5 and Y5.1 were BCN solvent-based electrolytes with LiTFSI salts with additives including VC, FEC, LiDFOB, LiBOB, LiDFOP, and LiNO 3 . The electrolyte formulation for Y5 was 1.0M LiTFSI in BCN/EC/VC (80/10/10 by volume); The Y5.1 electrolyte formulation was 1.0M LiTFSI + 1% OS 3 (commercially available additive) in BCN/EC/VC (80/10/10 by volume).

도 11은 세 가지 상이한 종류의 전해질에 대한 온도의 함수로서 ESR 성능을 나타내는 그래프이다. -40℃의 저온하에서, 결합제-무함유 LIC는 3.4Ω의 ESR 증가를 갖는 반면, 종래의 결합제-기반 LIC는 5.1Ω의 ESR 증가를 갖는 것으로 나타났다. Y5 전해질을 사용하여, 셀은 또한 장기간 사이클 수명 테스트를 통과했으며, 결과는 도 12에서 확인할 수 있다. 도 12에서, 전해질을 사용한 LIC에 대한 실온의 높은 C-레이트 사이클 수명 테스트: Y5; 전압 범위는 3.8 내지 2.2V이고, 전류는 약 500 mA이다.11 is a graph showing ESR performance as a function of temperature for three different types of electrolytes. Under low temperatures of -40°C, the binder-free LIC was shown to have an ESR increase of 3.4 Ω, whereas the conventional binder-based LIC had an ESR increase of 5.1 Ω. Using the Y5 electrolyte, the cell also passed the long-term cycle life test, and the results can be seen in FIG. 12 . In Figure 12, room temperature high C-rate cycle life tests for LIC using electrolytes: Y5; The voltage range is 3.8 to 2.2V, and the current is about 500 mA.

제4 실시형태에서, 고온(85℃) 및 저온(-55℃) 전해질 제형 모두의 성능이 평가되었다. Y7은 GBL(감마-부티로락톤), VC, FEC를 포함하는 공용매, 및 LiDFOB, LiBOB, LiDFOP, LiNO3 등을 포함하는 첨가제와 함께 LiTFSI 염을 가진 BCN 용매 기반 전해질로 지정되었다. Y7 전해질 제형은 BCN/GBL/VC/OS3(부피 기준 74.5/12.5/10/3) 중에서 1.0 M LiTFSI이다. 도 13 내지 도 15는 Y7 전해질을 사용한 LIC의 고온 순환 및 직접 충전 결과를 보여준다. Y7은 Y5 및 Y5.1과 동일한 -55℃의 저온 성능을 갖는다. 도 13은 정전류 500 mA, 사이클 수의 함수로서 커패시턴스/ESR 유지율, 85℃인 사이클 환경하에서 3.8V 내지 2.2V로부터 Y7 전해질이 충전-방전된 셀의 사이클 수명 성능 플롯을 도시한다. 도 14는 LIC가 Y7 전해질에 기초한 85℃에서 순환할 때 다양한 사이클 수 하에서의 방전 곡선을 나타낸다. 도 15는 330시간 전후의 85℃ 하에서의 3.8V(플로트 테스트)에서 정전압을 유지한 후의 방전 곡선 비교를 도시한다.In a fourth embodiment, the performance of both high temperature (85°C) and low temperature (-55°C) electrolyte formulations was evaluated. Y7 was designated as a BCN solvent-based electrolyte with LiTFSI salts with co-solvents including GBL (gamma-butyrolactone), VC, FEC, and additives including LiDFOB, LiBOB, LiDFOP, LiNO 3 , and the like. The Y7 electrolyte formulation is 1.0 M LiTFSI in BCN/GBL/VC/OS 3 (74.5/12.5/10/3 by volume). 13 to 15 show the results of high-temperature cycling and direct charging of LICs using Y7 electrolyte. Y7 has the same low-temperature performance of -55°C as Y5 and Y5.1. 13 shows plots of cycle life performance of cells charged-discharged with Y7 electrolyte from 3.8V to 2.2V under a constant current of 500 mA, capacitance/ESR retention as a function of cycle number, and 85° C. cycle environment. 14 shows the discharge curves under various cycle numbers when the LIC is cycled at 85° C. based on the Y7 electrolyte. Fig. 15 shows a comparison of discharge curves after maintaining a constant voltage at 3.8 V (float test) under 85 DEG C before and after 330 hours.

본 명세서의 교시에 따른 저장 셀의 제조 방법이 도 16에 제공된다.A method of fabricating a storage cell according to the teachings herein is provided in FIG. 16 .

일부 실시형태에서, 사용되는 양극은, 양면 코팅 전도성 재료와, 양극 활성 재료 및 CNT로 구성된 전극층을 갖는 시트 형상 금속 집전 장치를 포함하고 집전 장치의 양쪽 표면에 형성된 전극이다. 이러한 LIC 라미네이트 셀에서 사용되는 음극은, 양면 코팅 전도성 재료와, 음극 활성 재료 및 첨가제로 구성된 전극층을 갖는 시트 형상 금속 집전 장치를 포함하고 집전 장치의 양쪽 표면에 형성된 전극이다.In some embodiments, the anode used is an electrode formed on both surfaces of the current collector including a sheet-like metal current collector having a double-coated conductive material and an electrode layer composed of the positive electrode active material and CNT. The negative electrode used in this LIC laminate cell is an electrode formed on both surfaces of the current collector including a sheet-shaped metal current collector having a double-sided coated conductive material and an electrode layer composed of a negative electrode active material and an additive.

양극에서 사용되는 집전 장치는 알루미늄, 스테인리스강 또는 기타 재료로 만들어질 수 있다. 제시된 예 중 일부에서, 알루미늄이 사용된다. 음극에서 사용되는 집전 장치는 스테인리스강, 구리, 니켈 등으로 만들어질 수 있다. 제시된 예 중 일부에서, 구리가 사용된다. 일반적으로, 양극과 음극에서의 집전 장치의 두께는 약 5 내지 50㎛의 범위 내에 있다. 제시된 예에서, 범위는 8 내지 25㎛이다. 이러한 범위는 얻어지는 양극 및 음극이 고강도이고 전도성 코팅 재료 슬러리의 도포가 용이하도록 한다. 전도성 재료 코팅 정확도, 부피 에너지 밀도 및 중량 에너지 밀도가 향상될 수 있다. 양극 및 음극 집전 장치의 양쪽 표면은 스프레이/코팅 방법에 의해 탄소 전도성 코팅 슬러리가 코팅되어 건조되고, 이에 의해 양극 및 음극 모두에 대해 전도성 층을 갖는 집전 장치를 획득한다. 집전 장치의 편면 상의 탄소 전도성 코팅 두께는 1 내지 20㎛이다. 제시된 예에서, 두께는 3 내지 12㎛의 범위였다.The current collector used in the anode may be made of aluminum, stainless steel or other materials. In some of the examples presented, aluminum is used. The current collector used in the negative electrode may be made of stainless steel, copper, nickel, or the like. In some of the examples presented, copper is used. Generally, the thickness of the current collector at the positive and negative electrodes is in the range of about 5 to 50 μm. In the example presented, the range is 8 to 25 μm. These ranges ensure that the resulting positive and negative electrodes are of high strength and easy to apply the conductive coating material slurry. Conductive material coating accuracy, volumetric energy density and gravimetric energy density can be improved. Both surfaces of the positive and negative current collectors are coated with the carbon conductive coating slurry by a spray/coating method and dried, thereby obtaining current collectors having conductive layers for both the positive and negative electrodes. The carbon conductive coating thickness on one side of the current collector is 1 to 20 μm. In the example presented, the thickness ranged from 3 to 12 μm.

양극 및 음극은 상술한 전극 활성 재료로 만들어질 수 있다. 구체적으로, 양극/음극 활성 재료 분말, CNT 및 약간의 용매가 습식 슬러리 혼합물을 얻기 위해 혼합되도록 블렌더/혼합기 내로 분산된다. 분말/슬러리 혼합물에 첨가되는 첨가제의 백분율은 2% 내지 12%인 것이 바람직하다. 양극 제조를 위해, 슬러리는 결합제 없이 만들어질 수 있다. 이어서, 슬러리 혼합물은 양극 활성 재료층인 기판 상에 코팅된다. 양극 활성층의 두께는 30 내지 250㎛, 또는 일부 실시형태에서 50 내지 200㎛이다. 그런 다음, 결합제-무함유 전극은 고온 핫 밀 롤러에 의해 캘린더링되어, 원하는 다공성 및 프레스 밀도를 가진 LIC 셀을 위한 최종 양극을 형성한다. 양극 활성 재료, 첨가제 및 용매로서 탈이온수/IPA가 먼저 혼합기에서 충분한 시간 동안 혼합되어 균일한 습식 슬러리를 형성한다. 슬러리는 이후 코팅된 전극이 건조될 수 있도록 건조 오븐이 부착된 전극 코팅기에 의해 탄소 전도성 사전 코팅된 집전 장치의 양쪽 측면에 코팅된다. 코팅기의 갭은 전극 제조의 초기 두께 요구 사항에 따라 조정될 수 있다. 그런 다음, 건조된 전극은 핫 프레스 캘린더를 통해 원하는 활성층 두께로 프레싱되어 LIC 셀을 위한 최종 양극을 형성한다. 집전 장치의 한쪽 측면 상에서의 습식 슬러리 제조 방법에 기초한 양극 활성층의 두께는 3 내지 250㎛, 일부 실시형태에서는 5 내지 200㎛이다.The positive and negative electrodes may be made of the electrode active materials described above. Specifically, anode/cathode active material powder, CNTs, and some solvent are dispersed into a blender/mixer to be mixed to obtain a wet slurry mixture. The percentage of additive added to the powder/slurry mixture is preferably between 2% and 12%. For anode manufacture, the slurry can be made without a binder. The slurry mixture is then coated onto a substrate that is a layer of the positive electrode active material. The thickness of the positive electrode active layer is between 30 and 250 μm, or in some embodiments between 50 and 200 μm. The binder-free electrode is then calendered by high temperature hot mill rollers to form the final anode for the LIC cell with the desired porosity and press density. The positive electrode active material, additives, and deionized water/IPA as a solvent are first mixed in a mixer for a sufficient time to form a uniform wet slurry. The slurry is then coated on both sides of the carbon conductive pre-coated current collector by an electrode coater with an attached drying oven to allow the coated electrode to dry. The gap of the coater can be adjusted according to the initial thickness requirements of electrode fabrication. The dried electrode is then pressed through a hot press calender to the desired active layer thickness to form the final anode for the LIC cell. The thickness of the positive electrode active layer based on the wet slurry manufacturing method on one side of the current collector is from 3 to 250 μm, and in some embodiments from 5 to 200 μm.

음극 활성 재료, CNT/CMC 첨가제 및 용매로서의 탈이온수가 먼저 혼합기에서 충분한 시간 동안 혼합되어 균일한 습식 슬러리를 형성한다. 이어서, 슬러리는 코팅된 전극이 건조될 수 있도록 건조 오븐이 부착된 전극 코팅기에 의해 탄소 전도성 사전 코팅된 집전 장치의 양쪽 측면에 코팅된다. 코팅기의 갭은 전극 제조의 초기 두께 요구 사항에 따라 조정될 수 있다. 그런 다음, 건조된 전극은 핫 프레스 캘린더를 통해 원하는 활성층 두께로 프레싱되어 LIC 셀을 위한 최종 음극을 형성한다. 집전 장치의 한쪽 측면 상에서의 습식 슬러리 제조 방법에 기초한 음극 활성층의 두께는 3 내지 200㎛이며, 일부 실시형태에서는 5 내지 160㎛가 사용된다.The anode active material, CNT/CMC additive, and deionized water as a solvent are first mixed in a mixer for a sufficient time to form a uniform wet slurry. The slurry is then coated on both sides of the carbon conductive pre-coated current collector by means of an electrode coater with an attached drying oven to allow the coated electrode to dry. The gap of the coater can be adjusted according to the initial thickness requirements of electrode fabrication. The dried electrode is then pressed through a hot press calender to the desired active layer thickness to form the final cathode for the LIC cell. The thickness of the negative electrode active layer based on the wet slurry manufacturing method on one side of the current collector is 3 to 200 μm, and in some embodiments, 5 to 160 μm is used.

본 명세서에 제시된 LiC 셀의 일부 실시형태에서, 양면 전도성 재료 사전 코팅된 집전 장치의 두께 및 양면 활성층의 두께를 포함하는 양극의 총 두께는 40㎛ 내지 450㎛일 수 있다. 본 명세서에 제시된 LiC 셀의 일부 실시형태에서, 양면 전도성 재료 사전 코팅된 집전 장치의 두께 및 양면 활성 재료층의 두께를 포함하는 음극의 총 두께는 20㎛ 내지 350㎛일 수 있다. 본 명세서에 제시된 LiC 셀의 일부 실시형태에서, 양극 활성층의 총 두께 대 음극 활성층의 총 두께의 두께비는 1:2 내지 3:1일 수 있다.In some embodiments of the LiC cells presented herein, the total thickness of the positive electrode including the thickness of the double-sided conductive material pre-coated current collector and the thickness of the double-sided active layer may be between 40 μm and 450 μm. In some embodiments of the LiC cells presented herein, the total thickness of the negative electrode including the thickness of the double-sided conductive material pre-coated current collector and the thickness of the double-sided active material layer may be between 20 μm and 350 μm. In some embodiments of the LiC cells presented herein, the thickness ratio of the total thickness of the positive active layer to the total thickness of the negative active layer can be from 1:2 to 3:1.

일반적으로, 사용되는 양극은 양면 코팅 전도성 재료와, 양극 활성 재료와 CNT로 구성된 전극층을 시트 형상의 금속 집전 장치를 포함하고 집전 장치의 양쪽 표면에 형성되는 전극이다. 본 발명의 LIC 라미네이트 셀에서 사용되는 음극은, 양면 코팅 전도성 재료와, 음극 활성 재료 및 첨가제로 구성된 전극층을 갖는 시트 형상 금속 집전 장치를 포함하고 집전 장치의 양쪽 표면에 형성되는 전극이다. In general, the anode used is an electrode comprising a sheet-shaped metal current collector comprising a double-coated conductive material, an electrode layer composed of a cathode active material and CNT, and formed on both surfaces of the current collector. The negative electrode used in the LIC laminate cell of the present invention is an electrode formed on both surfaces of the current collector including a sheet-shaped metal current collector having a double-sided coated conductive material and an electrode layer composed of a negative electrode active material and an additive.

일반적으로, 음극의 표면 상에 사전 로딩된 Li 소스는 정공을 갖는 초박형 Li 막이다. 정공을 갖는 초박형 Li 막은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 미국 특허출원 제15/489,813호에 상세히 기술된 정공을 갖는 상단 및 바닥 초박형 Li 막이, 음극을 적층하는 제조 방법에 의해 모든 사전 제작된 음극의 표면에 도포된다. 제조는 -45℃보다 낮은 이슬점을 갖는 건조실에서 수행될 수 있다. 라미네이션 롤의 압력은 40 ㎏/㎠ 내지 400 ㎏/㎠일 수 있다. 본 명세서에 제시된 LiC 셀의 일부 실시형태에서, 음극의 한쪽 표면에 로딩된, 정공을 가진 초박형 Li 막의 단위 면적당 질량은 0.1 ㎎/㎠ 내지 3 ㎎/㎠인 것이 바람직하다. 음극의 한쪽 표면에 사전 로딩된, 정공을 가진 초박형 Li 막의 두께는 2 내지 50㎛인 것이 바람직하다. 음극이 표면에 로딩된 Li 소스로서 정공을 갖는 초박형 Li 막의 길이는 30㎜ 내지 250㎜일 수 있고, 음극의 표면에 로딩된 Li 소스로서 정공을 갖는 상기 초박형 Li 막의 폭은 30㎜ 내지 150㎜일 수 있다. 음극의 표면에 로딩된 Li 소스로서 정공을 갖는 초박형 Li 막의 면적은 음극의 면적의 약 25% 내지 약 100%일 수 있다. 음극의 표면에 로딩된 Li 소스로서 정공을 갖는 상기 초박형 Li 막에서 상기 정공의 면적 크기 백분율 범위는 약 0.01% 내지 약 75%일 수 있다. 양면 음극 활성층에 대한 음극의 양측 표면에 사전 로딩된, 정공을 가진 초박형 Li 막의 질량비 백분율은 7% 내지 14%인 것이 바람직하다. 정공을 갖는 모든 초박형 Li 막이 음극에 프레싱된 후에, 음극의 표면에 균일한 박층 Li 소스 위치 분포가 존재할 수 있다.Generally, the Li source pre-loaded on the surface of the cathode is an ultra-thin Li film with holes. The ultra-thin Li film with holes is all prefabricated by a manufacturing method in which the top and bottom ultra-thin Li films with holes are laminated to the cathode, as described in detail in U.S. Patent Application No. 15/489,813, which is incorporated herein by reference in its entirety. applied to the surface of the negative electrode. The preparation can be carried out in a drying chamber with a dew point lower than -45 °C. The pressure of the lamination roll may be 40 kg/cm 2 to 400 kg/cm 2 . In some embodiments of the LiC cell presented herein, the mass per unit area of the ultra-thin Li film having holes loaded on one surface of the negative electrode is preferably 0.1 mg/cm 2 to 3 mg/cm 2 . The thickness of the ultra-thin Li film having holes pre-loaded on one surface of the cathode is preferably 2 to 50 μm. The length of the ultra-thin Li film having holes as a Li source loaded on the surface of the negative electrode may be 30 mm to 250 mm, and the width of the ultra-thin Li film having holes as a Li source loaded on the surface of the negative electrode may be 30 mm to 150 mm. can The area of the ultra-thin Li film having holes as a Li source loaded on the surface of the negative electrode may be about 25% to about 100% of the area of the negative electrode. In the ultra-thin Li film having holes as a Li source loaded on the surface of the negative electrode, an area size percentage of the holes may range from about 0.01% to about 75%. The mass ratio percentage of the ultra-thin Li film having holes pre-loaded on both surfaces of the negative electrode to the double-sided negative electrode active layer is preferably 7% to 14%. After all ultra-thin Li films having holes are pressed onto the cathode, a uniform thin-layer Li source position distribution can exist on the surface of the cathode.

본 명세서에 제시된 LiC 셀의 일부 실시형태에서, 표면에 사전 로딩된 리튬 소스를 갖는 양극 및 음극을 포함하는 전극은 셀 코어 유닛 내로 적층되기 전에 일부 추가 집전 장치 탭에 의해 지정된 크기로 펀칭된다. 전극의 크기는 외부 용기가 전극의 크기와 일치해야 하기 때문에 LIC 셀의 최종 크기를 결정한다. 일부 실시형태에서, 음극의 길이 및 폭은 LiC 셀을 위한 양극의 길이 및 폭보다 0.5㎜ 내지 5㎜ 더 크다. 본 명세서에 제시된 LiC 셀의 일부 실시형태에서, 펀칭된 양극 및 음극의 길이는 30㎜ 내지 250㎜일 수 있고, 펀칭된 양극 및 음극의 폭은 30㎜ 내지 150㎜일 수 있다.In some embodiments of the LiC cells presented herein, electrodes comprising positive and negative electrodes with a lithium source pre-loaded on their surfaces are punched to a specified size by some additional current collector tabs before being laminated into a cell core unit. The size of the electrode determines the final size of the LIC cell as the outer vessel must match the size of the electrode. In some embodiments, the length and width of the negative electrode are between 0.5 mm and 5 mm greater than the length and width of the positive electrode for a LiC cell. In some embodiments of the LiC cells presented herein, the length of the punched positive and negative electrodes may be between 30 mm and 250 mm, and the width of the punched positive and negative electrodes may be between 30 mm and 150 mm.

리튬 이온 커패시터의 양태를 소개하였으니, 이제 추가적인 특징 및 실시형태가 소개된다.Having introduced aspects of lithium ion capacitors, additional features and embodiments are now introduced.

LiC에서, 활성탄은 양극(PE)으로서 사용될 수 있는 반면, 음극(NE) 재료는 연질 탄소, 경질 탄소, 흑연 등 다양한 재료를 포함할 수 있다.In LiC, activated carbon can be used as the positive electrode (PE), while the negative electrode (NE) material can include various materials such as soft carbon, hard carbon, and graphite.

셀 구성요소 및 설계는 LiC의 전기화학적 성능을 개선하기 위해 변경될 수 있다. 이러한 것은 PE, NE 활성 재료 및 CNT에 대해 선택된 활성 재료 및 CNT, PE 대 NE 활성층(알루미늄(Al) 및 구리(Cu)를 포함하는 집전 장치가 없는)의 두께/질량비, NE 활성층에 대한 PE의 용량비에 대한 고려를 포함할 수 있다. PE 및 NE의 크기 설계 및 층 수, 세퍼레이터용 재료 유형, 전해질 조성, 및 NE 사전 리튬화 방법. PE에 대해, 활성 재료는 결합제가 없는 활성탄(AC)일 수 있다. NE에 대해, 활성 재료는 경질 탄소(HC), 연질 탄소(SC), 흑연(G) 및 기타 탄소계 재료일 수 있으며, CMC를 가진 CNT의 네트워크는 활성 재료를 위한 강력한 탄소 구조를 생성하기 위해 의지될 수 있다. 세퍼레이터의 재료는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 및 셀룰로스 또는 기타 유사한 재료일 수 있다.Cell components and design can be altered to improve the electrochemical performance of LiC. These are the selected active materials for PE, NE active materials and CNTs and the thickness/mass ratio of CNT, PE to NE active layer (without current collectors containing aluminum (Al) and copper (Cu)), PE to NE active layer. Consideration of capacity ratio may be included. Size design and number of layers of PE and NE, material type for separator, electrolyte composition, and NE pre-lithiation method. For PE, the active material can be binder-free activated carbon (AC). For NE, the active material can be hard carbon (HC), soft carbon (SC), graphite (G) and other carbon-based materials, and the network of CNTs with CMC can be used to create a strong carbon structure for the active material. can be relied on The material of the separator may be polypropylene (PP), polyethylene (PE) and cellulose or other similar materials.

본 명세서에서 제시된 LiC 셀의 일부 실시형태에서, 셀 코어 유닛은 외부 용기, 예를 들어 적층된 외부 용기에 있는 세퍼레이터를 통해 양극 및 음극을 적층하는 것에 의해 형성된다. 음극은 음극의 표면에 정공을 갖는 초박형 Li 막을 포함하는 리튬 소스를 프레싱하는 것에 의해 사전 도핑된다. "사전 도핑"은 대략적으로 리튬 이온이 음극 활성층에 들어가는 현상을 나타낸다. 정공을 갖는 초박형 Li 막은 음극을 사전 도핑하기 위한 리튬 이온 공급원이다. 리튬 소스 로딩 공정은 음극이 표면에 균일한 리튬을 함유하여서, 전해질이 채워질 때 음극이 리튬 이온으로 원활하고 균일하게 사전 도핑되는 것을 보장한다.In some embodiments of the LiC cells presented herein, the cell core unit is formed by laminating a positive electrode and a negative electrode through a separator in an outer container, eg, a laminated outer container. The negative electrode is pre-doped by pressing a lithium source comprising an ultra-thin Li film with holes on the surface of the negative electrode. "Pre-doping" roughly represents a phenomenon in which lithium ions enter the negative electrode active layer. The ultra-thin Li film with holes is a lithium ion source for pre-doping the negative electrode. The lithium source loading process ensures that the negative electrode has uniform lithium on its surface, so that the negative electrode is smoothly and uniformly pre-doped with lithium ions when the electrolyte is filled.

본 명세서에서 제시된 LiC 셀의 일부 실시형태에서, Cu 및 Al 기판은 각각 니켈(Ni) 코팅된 구리(Cu), 및 알루미늄(Al) 집전 장치 탭에 용접된다. 적층 및 용접 공정 후, 전극 유닛은 용기에 수용되며, 예를 들어 전극 유닛의 크기에 적합한 알루미늄 라미네이트 성형 케이스 및 3면 히트 밀봉 공정이 적용된다. 그런 다음, 원하는 양의 전해질이 음극 내로의 리튬의 삽입에 의해 사전 도핑 공정을 개시하도록 셀을 적시기 위해 LIC 라미네이트 셀 내에 채워진다. 셀이 충분한 시간 동안 적셔진 후에, 진공 밀봉 공정은 LIC 라미네이트 셀에 갇힌 과도한 가스를 제거하기 위해 셀에 적용될 것이다. 그 결과, 이러한 구성은 LIC 라미네이트 셀을 위해 달성될 수 있다.In some embodiments of the LiC cells presented herein, Cu and Al substrates are welded to nickel (Ni) coated copper (Cu), and aluminum (Al) current collector tabs, respectively. After the lamination and welding process, the electrode unit is housed in a container, and an aluminum laminate molding case suitable for the size of the electrode unit and a three-side heat sealing process are applied, for example. A desired amount of electrolyte is then filled into the LIC laminate cell to wet the cell to initiate the pre-doping process by intercalation of lithium into the negative electrode. After the cell has been soaked for a sufficient amount of time, a vacuum sealing process will be applied to the cell to remove excess gas trapped in the LIC laminate cell. As a result, this configuration can be achieved for LIC laminate cells.

유기 전해질은 Li 염을 함유하는 리튬 이온 배터리 전해질일 수 있다. LIC가 원하는 전기화학적 성능을 달성할 수 있도록, NE의 사전 리튬화가 수행될 수 있다. 전기화학적(EC) 및 외부 단락(ESC) 방법을 포함한 일부 사전 리튬화 방법은 리튬을 흑연 또는 HC 전극 내로 사전 도핑하기 위해 희생 제3 전극으로서 Li 금속의 조각을 사용한다. EC 사전 리튬화 방법에서, NE와 Li 금속은 리튬 염 기반 유기 전해질에서 세퍼레이터를 사용하여 분리되고, 사전 도핑 공정은 충전 전류 또는 전압을 제어하는 전자 충전기에 의해 수행될 수 있다.The organic electrolyte may be a lithium ion battery electrolyte containing a Li salt. Pre-lithiation of the NE may be performed to allow the LIC to achieve the desired electrochemical performance. Some pre-lithiation methods, including electrochemical (EC) and external short circuit (ESC) methods, use a piece of Li metal as a sacrificial third electrode to pre-dope lithium into a graphite or HC electrode. In the EC pre-lithiation method, NE and Li metal are separated using a separator in a lithium salt-based organic electrolyte, and the pre-doping process can be performed by an electronic charger that controls the charging current or voltage.

양극 활성 재료는 테트라플루오로보레이트와 같은 전해질에서 리튬 이온 및 음이온을 가역적으로 흡착 또는 탈착할 수 있어야 한다. 이러한 활성 재료의 예 중 하나는 활성탄 분말이다. 활성탄의 비표면적은 1,500 ㎡/g 내지 2,800 ㎡/g, 바람직하게 1,600 ㎡/g 내지 2,400 ㎡/g이다. 활성탄의 50% 누적 부피의 직경(D50)(평균 입자 직경)은 2㎛ 내지 10㎛인 것이 바람직하다. LIC 라미네이트 셀의 에너지 밀도 및 전력 밀도가 더욱 향상될 수 있도록 3㎛ 내지 8㎛가 특히 더 바람직하다. 이러한 재료에 대한 일부 다른 예는 카본블랙 및 활성탄/카본블랙/CNT 복합 재료(AC/CB/CNT)일 수 있다.The cathode active material must be able to reversibly adsorb or desorb lithium ions and anions from an electrolyte such as tetrafluoroborate. One example of such an active material is activated carbon powder. The specific surface area of activated carbon is 1,500 m2/g to 2,800 m2/g, preferably 1,600 m2/g to 2,400 m2/g. The diameter (D50) (average particle diameter) of the 50% cumulative volume of the activated carbon is preferably 2 μm to 10 μm. 3 μm to 8 μm is particularly preferable so that the energy density and power density of the LIC laminate cell can be further improved. Some other examples of such materials may be carbon black and activated carbon/carbon black/CNT composite materials (AC/CB/CNT).

음극 활성 재료는 리튬 이온이 가역적으로 삽입 및 탈리될 수 있어야 한다. 이러한 활성 재료의 예는 흑연계 복합 입자, 난흑연화 탄소(경질 탄소, (HC)) 및 흑연화 탄소(연질 탄소, (SC))를 포함한다. 일부 실시형태에서, 음극 활성 재료, HC 및 SC 입자는 흑연 재료보다 전력 성능 및 사이클 안정성에서 더 높은 성능을 달성할 수 있기 때문에 바람직하다. 그러나, 흑연 재료는 흑연이 HC 및 SC보다 높은 비용량을 가지기 때문에 LIC에 대해 더 높은 에너지 성능을 달성할 수 있다. LIC 셀의 전력 성능을 향상시키기 위해, 1.0 내지 10㎛ 범위 내; 일부 실시형태에서 2 내지 6㎛ 범위 내에서 50% 누적 부피의 직경(D50)을 충족시키는 입자 크기를 갖는 HC 및 SC가 음극 활성 재료로서 사용되는 것이 바람직하다.The negative electrode active material should be able to reversibly intercalate and deintercalate lithium ions. Examples of such active materials include graphite-based composite particles, non-graphitizable carbon (hard carbon, (HC)) and graphitizable carbon (soft carbon, (SC)). In some embodiments, negative electrode active materials, HC and SC particles, are preferred because they can achieve higher performance in power performance and cycle stability than graphite materials. However, graphite materials can achieve higher energy performance for LICs because graphite has a higher specific capacity than HC and SC. in the range of 1.0 to 10 μm, to improve the power performance of the LIC cell; In some embodiments, it is preferred that HC and SC having a particle size that satisfies the diameter (D50) of 50% cumulative volume within the range of 2 to 6 μm is used as the negative electrode active material.

10㎛ 미만의 50% 누적 부피의 직경(D50)을 갖는 HC 및 SC 입자를 제조하는 것은 어렵다는 점에 유의해야 한다. HC 및 SC 입자가 10㎛ 이상의 50% 누적 부피의 직경(D50)을 가질 때, 충분히 작은 내부 저항을 갖는 LIC 셀은 달성되기 어렵다. 일부 실시형태에서, 음극 활성 재료는 0.1 내지 200 ㎡/g의 비표면적을 가지며, 0.6 내지 60 ㎡/g가 보다 바람직하다. 이러한 범위를 설정한 이유는 음극 활성 재료의 비표면적이 0.1 ㎡/g 미만이면 LIC 셀의 저항이 높을 수 있고, 음극 활성 재료의 비표면적이 200 ㎡/g 이상이면 충전 동안 LIC 라미네이트 셀의 불가역 용량이 높을 수 있기 때문이다.It should be noted that it is difficult to prepare HC and SC particles with a diameter (D50) of 50% cumulative volume of less than 10 μm. When the HC and SC particles have a diameter (D50) of 50% cumulative volume of 10 μm or more, an LIC cell with sufficiently small internal resistance is difficult to achieve. In some embodiments, the negative electrode active material has a specific surface area of 0.1 to 200 m 2 /g, more preferably 0.6 to 60 m 2 /g. The reason for setting this range is that if the specific surface area of the anode active material is less than 0.1 m 2 / g, the resistance of the LIC cell can be high, and if the specific surface area of the anode active material is 200 m 2 / g or more, the irreversible capacity of the LIC laminate cell during charging because it can be high.

ESC 사전 리튬화 방법에서, NE와 희생 Li 금속 제3 전극은 외부 전선 연결을 통해 단락된다. 그러나, 종래의 사전 리튬화 방법을 사용하여 LIC 라미네이트 셀에서 리튬이 소멸되고 셀이 NE로 완전히 리튬화되는데 시간이 걸린다. 요구되는 시간은 이러한 방법의 비용에 추가된다. 또한, 종래의 사전 리튬화 방법에서, PE 및 NE 집전 장치는 모두 리튬 이온이 Li 금속 전극으로부터 LIC 라미네이트 셀을 통해 이동하는 경로를 만들기 위해 다공성이어야 하며, 이는 전극의 제조 비용을 또한 증가시킨다.In the ESC pre-lithiation method, the NE and the sacrificial Li metal third electrode are short-circuited through an external wire connection. However, it takes time for lithium to dissipate in a LIC laminate cell using conventional pre-lithiation methods and for the cell to fully lithiate to NE. The time required adds to the cost of this method. In addition, in the conventional pre-lithiation method, both PE and NE current collectors must be porous to create a path for lithium ions to migrate from the Li metal electrode through the LIC laminate cell, which also increases the manufacturing cost of the electrode.

본 명세서에 개시된 바와 같은 사전 리튬화 기술은 이러한 문제 중 일부를 해결한다. 즉, NE 표면에 정공을 갖는 초박형 리튬 막(u-Li로 약칭)의 로딩은 셀 제조 공정을 용이하게 하고 사전 리튬화 속도를 높일 수 있다. Li 금속이 탄소 전극에 직접 코팅될 수 있기 때문에, 집전 장치는 리튬 이온을 NE에 삽입시키기 위해 다공성일 필요가 없다. 전해질을 사용한 셀 함침 후에, NE 표면에서의 Li 소스는 탄소 전극 활성층과 전기 화학적으로 반응하고 NE에 삽입된다.Pre-lithiation techniques as disclosed herein address some of these problems. That is, loading an ultra-thin lithium film (abbreviated as u-Li) having holes on the NE surface can facilitate the cell manufacturing process and increase the pre-lithiation rate. Since Li metal can be directly coated on the carbon electrode, the current collector does not have to be porous to intercalate lithium ions into the NE. After cell impregnation with an electrolyte, the Li source at the NE surface reacts electrochemically with the carbon electrode active layer and intercalates into the NE.

본 명세서에 개시된 기술의 일부 장점이 이제 제시된다.Some advantages of the technology disclosed herein are now presented.

개시된 기술의 장점은 높은 에너지 밀도 및 전력 밀도를 유지하면서 사이클 수명 및 DC 수명을 포함하는 수명에서의 우수한 특성을 갖는 리튬 이온 커패시터(LIC)이다.An advantage of the disclosed technology is a lithium ion capacitor (LIC) having excellent characteristics in lifetime, including cycle life and DC life, while maintaining high energy density and power density.

개시된 기술의 장점은 결합제-무함유 양극, 정공을 갖는 초박형 리튬 막(u-Li)이라 불리는 리튬 소스를 가진 표면에 사전 로딩된 음극, 세퍼레이터 및 전해질로서 리튬 염을 갖는 유기 용매 전해질 용액을 갖는 LIC이다.The advantages of the disclosed technology include a binder-free positive electrode, a surface pre-loaded negative electrode with a lithium source called ultra-thin lithium film (u-Li) with holes, a separator and an LIC with an organic solvent electrolyte solution with a lithium salt as the electrolyte. am.

개시된 기술의 장점은 양극 활성 재료가 활성탄, 카본블랙, CNT, 및 활성탄/카본블랙/CNT 혼합(AC/CB/CNT)인 것이 바람직하고, 음극 활성 재료가 경질 탄소, 연질 탄소, 흑연, CNT 및 상기 재료의 임의의 가능한 혼합인 것이 바람직한 LiC 셀이다. An advantage of the disclosed technology is that the positive electrode active material is preferably activated carbon, carbon black, CNT, and activated carbon/carbon black/CNT mixture (AC/CB/CNT), and the negative electrode active material is hard carbon, soft carbon, graphite, CNT and Any possible mixture of the above materials is a preferred LiC cell.

개시된 기술의 장점은 양극 활성 재료 활성탄(AC)이 1000 내지 3000 ㎡/g의 범위의 표면적을 갖는 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is a LIC cell in which the positive electrode active material activated carbon (AC) has a surface area in the range of 1000 to 3000 m/g.

개시된 기술의 장점은 양극 활성 재료 활성탄(AC)이 D50≤10㎛의 입자 크기를 가지며, 음극 활성 재료가 D50≤10㎛의 입자 크기를 갖는 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is a LIC cell in which the positive electrode active material activated carbon (AC) has a particle size of D50 ≤ 10 μm and the negative electrode active material has a particle size of D50 ≤ 10 μm.

개시된 기술의 장점은 어떠한 중합체 결합제도 캐소드 재료에서 사용되지 않아, 전극의 전도도를 증가시키고 전력 성능을 향상시키는 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is that no polymeric binder is used in the cathode material, increasing the conductivity of the electrode and improving the power performance of the LIC cell.

개시된 기술의 장점은 양극 제형이 AC/CB와 CNT/탄소 골격 사이의 질량비의 범위에서 조정될 수 있는 LIC 셀이다. 그리고 어떠한 중합체 결합제도 사용되지 않거나 실질적으로 사용되지 않는다.An advantage of the disclosed technology is a LIC cell in which the anode formulation can be tuned over a range of mass ratios between AC/CB and CNT/carbon backbone. and no or substantially no polymeric binders are used.

개시된 기술의 장점은 이러한 LIC 셀에서 사용되는 음극을 제조하기 위한 첨가제가 CNT 및 카복시메틸 셀룰로스(CMC)인 것이 바람직한 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is that the LIC cells preferably have CNTs and carboxymethyl cellulose (CMC) as additives to make the negative electrode used in such LIC cells.

개시된 기술의 장점은 음극 제형이 음극 활성 재료와 CNT/CMC 사이의 질량비 범위에서 조정될 수 있는 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is an LIC cell in which the anode formulation can be tuned in a range of mass ratios between the anode active material and CNT/CMC.

개시된 기술의 장점은 양면 전도성 재료 사전 코팅된 알루미늄(Al) 포일의 두께와 양면 활성 재료층의 두께를 포함하는 양극의 총 두께가 40㎛ 내지 450㎛인 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is an LIC cell in which the total thickness of the anode including the thickness of the double-sided conductive material pre-coated aluminum (Al) foil and the thickness of the double-sided active material layer is between 40 μm and 450 μm.

개시된 기술의 장점은 양면 전도성 재료 사전 코팅된 구리(Cu) 포일의 두께와 양면 활성 재료층의 두께를 포함하는 음극의 총 두께가 20㎛ 내지 350㎛인 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is an LIC cell in which the total thickness of the negative electrode, including the thickness of the double-sided conductive material pre-coated copper (Cu) foil and the thickness of the double-sided active material layer, is between 20 μm and 350 μm.

개시된 기술의 장점은 양극 활성층의 총 두께 대 음극 활성층의 총 두께의 두께비가 1:2 내지 3:1인 것이 바람직한 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is that the thickness ratio of the total thickness of the positive active layer to the total thickness of the negative active layer is preferably 1:2 to 3:1 in LIC cells.

개시된 기술의 장점은 양극 활성층 대 음극 활성층의 용량비가 1:12 내지 1:2인 것이 바람직한 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is that LIC cells preferably have a positive electrode active layer to negative electrode active layer capacity ratio of 1:12 to 1:2.

개시된 기술의 장점은 세퍼레이터의 재료가 셀룰로스, 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)계 재료인 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is the LIC cell where the material of the separator is a cellulose, polypropylene (PP) and polyethylene (PE) based material.

개시된 기술의 장점은 음극의 한쪽 표면에 로딩된, 정공을 가진 초박형 리튬 막을 포함하는 Li 소스의 단위 면적당 질량이 0.1 ㎎/㎠ 내지 3 ㎎/㎠인 것이 바람직한 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is that the mass per unit area of the Li source comprising an ultra-thin lithium film with holes loaded on one surface of the negative electrode is preferably 0.1 mg/cm 2 to 3 mg/cm 2 in a LIC cell.

개시된 기술의 장점은 음극의 한쪽 표면에 로딩된, 정공을 가진 Li 소스 초박막(u-Li)의 두께가 2 내지 50㎛인 것이 바람직한 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is that the thickness of the Li source ultra-thin film (u-Li) with holes, loaded on one surface of the cathode, is preferably 2 to 50 μm in LIC cells.

개시된 기술의 장점은 음극의 한쪽 표면에 사전 로딩된, Li 소스로서 정공을 갖는 상기 초박형 Li 막(u-Li)의 면적이 음극 면적의 약 25% 내지 약 100%인 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is a LIC cell in which the area of the ultra-thin Li film (u-Li) having holes as a Li source pre-loaded on one surface of the cathode is about 25% to about 100% of the cathode area.

개시된 기술의 장점은 음극의 표면에 사전 로딩된 Li 소스로서 정공을 갖는 상기 초박형 Li 막에서 상기 정공의 면적 크기 백분율 범위가 0.01% 내지 약 75%인 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is an LIC cell in which the hole size percentage ranges from 0.01% to about 75% in the ultra-thin Li film having the holes as the Li source pre-loaded on the surface of the cathode.

개시된 기술의 장점은 한쪽 측면의 음극 활성층에 대한 음극의 한쪽 측면 상에 사전 로딩된, 정공을 갖는 초박형 Li 막을 포함하는 Li 소스의 질량비 백분율이 바람직하게 7% 내지 14%인 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is an LIC cell in which the mass ratio percentage of Li source comprising an ultra-thin Li film with holes pre-loaded on one side of the negative electrode to the negative electrode active layer on one side is preferably between 7% and 14%.

개시된 기술의 장점은 LIC 셀이 라미네이트 셀 또는 프리즘 셀인 LIC 셀이다.An advantage of the disclosed technology is that the LIC cell is a laminate cell or a prismatic cell.

개시된 기술의 장점은 2개의 초박형(50㎛ 이하의 두께) 편면 양극, 정공을 갖는 초박형 리튬 막(u-Li)을 가진 표면에 사전 로딩된 하나의 초박형(50㎛ 이하의 두께) 양면 전극, 세퍼레이터, 및 전해질로서 리튬 염을 가진 유기 용매 전해질 용액을 가진 초박형(1㎜ 이하의 두께) LIC이다.The advantages of the disclosed technology include two ultra-thin (less than 50 μm thick) single-sided anodes, one ultra-thin (less than 50 μm thick) double-sided electrode pre-loaded on the surface with an ultra-thin lithium film (u-Li) having holes, a separator , and an ultra-thin (less than 1 mm thick) LIC with an organic solvent electrolyte solution with a lithium salt as an electrolyte.

개시된 기술의 장점은 높은 에너지 밀도 및 전력 밀도를 가지며, 사이클링 능력 및 DC 수명이 우수한 리튬 이온 커패시터(LIC) 셀을 생성하는 문제에 대한 예상치 못한 해결책을 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시형태인 LIC 셀 시스템에서, 음극은 음극의 표면에, 정공을 갖는 초박형 Li 막을 포함하는 리튬 소스를 도포하는 것에 의해 리튬 이온이 사전 도핑된다.Advantages of the disclosed technology include unexpected solutions to the problem of creating lithium ion capacitor (LIC) cells with high energy and power densities, excellent cycling capability and DC lifetime. In the LIC cell system, which is a preferred embodiment of the present invention, the negative electrode is pre-doped with lithium ions by applying a lithium source comprising an ultra-thin Li film having holes to the surface of the negative electrode.

이러한 방식으로 사전 도핑될 때, LIC 셀의 전기화학적 성능 및 용량에 영향을 미치는 많은 요인이 있다. 이들 요인은, (1) 활성 재료 및 첨가제를 포함하여 양극 및 음극을 위해 사용되는 재료; (2) 양극 및 음극을 제조하는 방법; (3) 양극 및 음극의 두께; (4) 양극 활성층의 총 두께 대 음극 활성층의 총 두께의 두께비; (5) 양극 활성층 대 음극 활성층의 용량비; (6) LIC 셀을 위한 세퍼레이터의 재료; (7) 음극의 표면에 사전 로딩된, 정공을 가진 초박형 Li 막을 포함하는 Li 소스의 단위 면적당 질량; (8) 음극 표면에 로딩된, 정공을 갖는 초박형 Li 막을 포함하는 Li 소스의 두께; (9) 음극의 표면에 사전 로딩된, 정공을 가진 초박형 Li 막의 면적 설계 및 정공을 갖는 초박형 Li 막에서 정공 면적 설계; (10) 한쪽 측면의 음극 활성층에 대한 음극의 한쪽 측면에 사전 로딩된, 정공을 가진 초박형 Li 막을 포함하는 Li 소스의 질량비 백분율을 포함한다.When pre-doped in this way, there are many factors that affect the electrochemical performance and capacity of a LIC cell. These factors include (1) materials used for the anode and cathode, including active materials and additives; (2) a method for producing positive electrodes and negative electrodes; (3) the thickness of the anode and cathode; (4) a thickness ratio of the total thickness of the positive active layer to the total thickness of the negative active layer; (5) the capacity ratio of the positive active layer to the negative active layer; (6) the material of the separator for the LIC cell; (7) mass per unit area of a Li source comprising an ultra-thin Li film with holes pre-loaded on the surface of the negative electrode; (8) the thickness of the Li source comprising an ultra-thin Li film with holes loaded on the surface of the cathode; (9) design of the area of the ultra-thin Li film with holes pre-loaded on the surface of the cathode and design of the area of holes in the ultra-thin Li film with holes; (10) Mass ratio percentage of a Li source comprising an ultra-thin Li film with holes pre-loaded on one side of the negative electrode to the negative electrode active layer on one side.

개시된 기술의 장점은 중합체 결합제-무함유 양극, 정공을 갖는 초박형 리튬 막을 포함하는 리튬 소스를 가진 표면에 사전 로딩된 중합체 결합제-무함유 음극, 세퍼레이터, 및 전해질로서 리튬 염을 갖는 유기 용매 전해질 용액을 포함하는 LiC 셀이다.Advantages of the disclosed technology include a polymeric binder-free positive electrode, a polymeric binder-free negative electrode pre-loaded on the surface with a lithium source comprising an ultra-thin lithium film with holes, a separator, and an organic solvent electrolyte solution having a lithium salt as an electrolyte. It is a LiC cell containing

일부 실시형태에서, 양극 활성 재료는 활성탄, 카본블랙, CNT 또는 활성탄/카본블랙/CNT 혼합(AC/CB/CNT)이다. 본 발명의 LIC 셀에서, 음극 활성 재료는 흑연, 경질 탄소 및 연질 탄소 또는 상기 재료의 임의의 가능한 혼합물인 것이 바람직하다.In some embodiments, the positive electrode active material is activated carbon, carbon black, CNT, or an activated carbon/carbon black/CNT blend (AC/CB/CNT). In the LIC cell of the present invention, the negative electrode active material is preferably graphite, hard carbon and soft carbon or any possible mixture of the above materials.

일부 실시형태에서, 양극 활성 재료 활성탄(AC)은 1000 내지 3000 ㎡/g의 범위에 있는 표면적을 갖는다.In some embodiments, the positive electrode active material activated carbon (AC) has a surface area in the range of 1000 to 3000 m 2 /g.

일부 실시형태에서, 양극 활성 재료 활성탄(AC)은 D50≤10㎛의 입자 크기를 가지며, 음극 활성 재료는 D50≤10㎛의 입자 크기를 갖는다.In some embodiments, the positive electrode active material activated carbon (AC) has a particle size of D50 ≤ 10 μm, and the negative electrode active material has a particle size of D50 ≤ 10 μm.

일부 실시형태에서, 양극 제형은 AC/CB와 CNT 사이의 질량비의 범위에서 조정될 수 있으며, AC와 CB 사이의 질량비는 80:20 내지 99:1이다.In some embodiments, the positive electrode formulation can be tuned in a range of mass ratios between AC/CB and CNTs, with a mass ratio between AC and CB ranging from 80:20 to 99:1.

일부 실시형태에서, 양면 전도성 재료 사전 코팅 알루미늄 포일의 두께와 양면 활성 재료층의 두께를 포함하는 양극의 총 두께는 40㎛ 내지 450㎛이다. 본 발명의 LIC 셀에서, 양면 전도성 재료 사전 코팅 구리 포일의 두께와 양면 활성 재료층의 두께를 포함하는 음극의 총 두께는 20㎛ 내지 350㎛이다. 본 발명의 LIC 셀에서, 양극 활성층의 총 두께 대 음극 활성층의 총 두께의 두께비는 1:2 내지 3:1인 것이 바람직하다.In some embodiments, the total thickness of the positive electrode including the thickness of the double-sided conductive material pre-coated aluminum foil and the thickness of the double-sided active material layer is between 40 μm and 450 μm. In the LIC cell of the present invention, the total thickness of the negative electrode including the thickness of the double-sided conductive material pre-coated copper foil and the thickness of the double-sided active material layer is 20 μm to 350 μm. In the LIC cell of the present invention, the thickness ratio of the total thickness of the positive electrode active layer to the total thickness of the negative electrode active layer is preferably 1:2 to 3:1.

일부 실시형태에서, 양극 활성층 대 음극 활성층의 용량비는 1:12 내지 1:2인 것이 바람직하다.In some embodiments, it is preferred that the volume ratio of the positive active layer to the negative active layer is 1:12 to 1:2.

일부 실시형태에서, 세퍼레이터의 재료는 LIC 셀에서 셀룰로스, 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)계 재료인 것이 바람직하다.In some embodiments, the material of the separator is preferably a cellulosic, polypropylene (PP) and polyethylene (PE) based material in the LIC cell.

일부 실시형태에서, 음극의 한쪽 측면에 로딩된, 정공을 갖는 초박형 Li 막을 포함하는 Li 소스의 단위 면적당 질량은 0.1 ㎎/㎠ 내지 3 ㎎/㎠인 것이 바람직하다.In some embodiments, the mass per unit area of the Li source including the ultra-thin Li film having holes loaded on one side of the negative electrode is preferably 0.1 mg/cm 2 to 3 mg/cm 2 .

일부 실시형태에서, 음극의 한쪽 표면에 사전 로딩된, 정공을 갖는 초박형 Li 막을 포함하는 Li 소스의 두께는 2 내지 50㎛인 것이 바람직하다.In some embodiments, the thickness of the Li source comprising an ultra-thin Li film having holes pre-loaded on one surface of the negative electrode is preferably 2 to 50 μm.

일부 실시형태에서, 음극의 표면에 사전 로딩된, Li 소스로서 정공을 갖는 초박형 Li 막의 면적은 음극 면적의 약 25% 내지 약 100%인 것이 바람직하다.In some embodiments, it is preferred that the area of the ultra-thin Li film having holes as the Li source pre-loaded on the surface of the negative electrode is about 25% to about 100% of the negative electrode area.

일부 실시형태에서, 음극의 표면 상에 사전 로딩된, Li 소스로서 정공을 갖는 상기 초박형 Li 막에서 상기 정공의 면적 크기 백분율 범위는 약 0.01% 내지 약 75%인 것이 바람직하다.In some embodiments, it is preferred that the area size percentage range of the holes in the ultra-thin Li film having the holes as the Li source pre-loaded on the surface of the negative electrode ranges from about 0.01% to about 75%.

일부 실시형태에서, 양면 음극 활성층에 대한 음극의 양측 표면에 사전 로딩된, 정공을 가진 초박형 Li 막의 질량비 백분율은 7% 내지 14%인 것이 바람직하다.In some embodiments, the mass ratio percentage of the ultra-thin Li film with holes pre-loaded on both surfaces of the negative electrode to the double-sided negative electrode active layer is preferably 7% to 14%.

일부 실시형태에서, 2개의 초박형(50㎛ 이하의 두께) 편면 양극, 정공을 갖는 초박형 리튬 막(u-Li)을 가진 표면에 사전 로딩된 하나의 초박형(50㎛ 이하의 두께) 양면 음극, 세퍼레이터 및 전해질로서 리튬 염을 가진 유기 용매 전해질 용액을 포함하는 초박형(1㎜ 이하의 두께) LIC 셀이 제공된다.In some embodiments, two ultra-thin (less than 50 μm thick) single-sided anodes, one ultra-thin (less than 50 μm thick) double-sided cathode pre-loaded on the surface with an ultra-thin lithium film (u-Li) having holes, a separator and an organic solvent electrolyte solution having a lithium salt as an electrolyte.

일부 실시형태에서, 높은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도 및 긴 수명 성능을 갖는 LIC 셀이 제공된다.In some embodiments, LIC cells with high energy density, high power density and long lifetime performance are provided.

위의 설명과 관련하여, 크기, 재료, 모양, 형태, 기능 및 작동 방식, 조립 및 사용에서의 변형을 포함하는 본 발명의 부품에 대한 최적의 치수 관계는 당업자에게 용이하게 명백하고 자명한 것으로 간주되며, 도면에 도시되고 명세서에 기재된 것과 동등한 모든 관계는 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 내용은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것일 뿐이다. 또한, 다수의 변형 및 변경이 당업자에게 용이하게 일어날 것이기 때문에, 도시되고 설명된 정확한 구성 및 동작으로 본 발명을 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 모든 적합한 변형 및 등가물이 발명의 범위에 속할 수 있다.In view of the above description, optimal dimensional relationships for parts of the present invention, including variations in size, material, shape, form, function and mode of operation, assembly and use, are considered to be readily apparent and self-evident to those skilled in the art. All relationships shown in the drawings and equivalent to those described in the specification are intended to be included in the present invention. Accordingly, the foregoing is only intended to explain the principles of the present invention. Furthermore, it is not desired to limit the invention to the precise construction and operation shown and described, as many modifications and variations will readily occur to those skilled in the art, and therefore all suitable modifications and equivalents may fall within the scope of the invention.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 특정 줄임말은 다이메틸 카보네이트(DMC); 리튬 다이플루오로(옥살라토)보레이트(LiDFOB); 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI); 프로필렌 카보네이트(PC); 에틸렌 카보네이트(EC); 에틸 메틸 카보네이트(EMC); 에틸렌 글리콜 모노부틸 에터(EB); 다이에틸 카보네이트(DEC); 비닐렌 카보네이트(VC); 질화붕소(BCN); 리튬 다이플루오로(옥살라토)보레이트(LiDFOB); 리튬 비스(옥살라토)보레이트(LiBOB); 리튬 다이플루오로 비스(옥살라토)포스페이트(LiDFOP); 리튬 비스(트라이플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI)와 같은 용어와 관련되어야 한다.As used herein, certain abbreviations include dimethyl carbonate (DMC); lithium difluoro(oxalato)borate (LiDFOB); lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI); propylene carbonate (PC); ethylene carbonate (EC); ethyl methyl carbonate (EMC); ethylene glycol monobutyl ether (EB); diethyl carbonate (DEC); vinylene carbonate (VC); boron nitride (BCN); lithium difluoro(oxalato)borate (LiDFOB); lithium bis(oxalato)borate (LiBOB); lithium difluoro bis(oxalato)phosphate (LiDFOP); terms such as lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI).

다양한 다른 구성요소가 포함될 수 있고, 본 명세서에서의 교시의 양태를 제공하기 위해 호출될 수 있다. 예를 들어, 추가 재료, 재료의 조합 및/또는 재료의 생략이 본 명세서에서의 교시의 범위 내에 있는 추가 실시형태를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에서의 교시의 다양한 변경이 실현될 수 있다. 일반적으로, 변경은 사용자, 설계자, 제조업체 또는 기타 유사한 이해 관계자의 필요에 따라서 설계될 수 있다. 변경은 이해 당사자가 중요하다고 생각하는 성능의 특정 표준을 충족시키기 위한 것일 수 있다.Various other components may be included and invoked to provide aspects of the teachings herein. For example, additional materials, combinations of materials, and/or omission of materials may be used to provide additional embodiments that are within the scope of the teachings herein. Various variations of the teachings herein may be practiced. In general, changes can be designed according to the needs of users, designers, manufacturers, or other similar stakeholders. Changes can be made to meet certain standards of performance that stakeholders deem important.

첨부된 청구항 또는 청구항 요소는 "를 위한 수단" 또는 "를 위한 단계"라는 단어가 특정 청구항에서 명시적으로 사용되지 않는 한 35 U.S.C. §112(f)를 호출하는 것으로 해석되어서는 안된다.An appended claim or claim element is subject to 35 U.S.C. It should not be construed as invoking §112(f).

본 발명의 요소 또는 그 실시형태(들)를 소개할 때, 단수형 표현은 하나 이상의 구성요소가 있음을 의미하도록 의도된다. 유사하게, 요소를 소개하는데 사용되는 형용사 "또 다른"은 하나 이상의 요소를 의미하도록 의도된다. "포함하는" 및 "갖는"이라는 용어는 나열된 구성요소 외에 추가적인 구성요소가 있을 수 있도록 포괄적인 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "예시적인"이라는 용어는 최상의 예를 의미하는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, "예시적인"은 많은 가능한 실시형태 중 하나인 실시형태의 예를 지칭한다.When introducing an element of the invention or its embodiment(s), the singular form is intended to mean that there is more than one component. Similarly, the adjective "another" used to introduce an element is intended to mean one or more elements. The terms "comprising" and "having" are intended to be inclusive, so that there may be additional elements other than those listed. As used herein, the term "exemplary" is not intended to mean the best example. Rather, “exemplary” refers to an example of an embodiment that is one of many possible embodiments.

본 발명이 예시적인 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변경이 만들어질 수 있고 등가물이 그 요소에 대해 대체될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어남이 없이 특정 도구, 상황 또는 재료를 본 발명의 교시에 적응시키도록 많은 변경이 당업자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최선의 모드로서 개시된 특정 실시형태에 제한되지 않으며, 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 내에 있는 모든 실시형태를 포함할 것이다.Although the invention has been described with reference to exemplary embodiments, those skilled in the art will understand that various changes may be made and equivalents may be substituted for elements thereof without departing from the scope of the invention. In addition, many changes will be understood by those skilled in the art to adapt a particular tool, situation, or material to the teachings of the present invention without departing from its essential scope. Accordingly, the invention is not limited to the particular embodiment disclosed as the best mode contemplated for carrying out the invention, but the invention will include all embodiments falling within the scope of the appended claims.

Claims (44)

리튬 이온 커패시터 장치로서,
실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소의 네트워크를 포함하는 양극;
세퍼레이터에 의해 상기 양극으로부터 분리되는, 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소의 네트워크를 포함하는 음극; 및
커패시터의 사전 리튬화를 제공하기 위해 상기 음극 상에 배치된 리튬 막
을 포함하되; 상기 양극 및 음극 중 적어도 하나는,
상기 네트워크 내에서 빈 공간을 한정하는 고애스펙트비 탄소 요소의 네트워크;
상기 네트워크 내의 상기 빈 공간에 배치되고 상기 네트워크에서 얽힌 복수의 전극 활성 재료 입자
를 포함하는, 장치.
As a lithium ion capacitor device,
an anode comprising a network of carbon substantially free of binder material;
a negative electrode comprising a network of carbon substantially free of binder material, separated from the positive electrode by a separator; and
a lithium film disposed on the negative electrode to provide pre-lithiation of the capacitor;
Including; At least one of the anode and cathode,
a network of high-aspect-ratio carbon elements defining voids within the network;
a plurality of electrode active material particles disposed in the voids in the network and entangled in the network;
Including, device.
제1항에 있어서, 상기 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함하고, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 상기 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10배인, 장치.The apparatus of claim 1 , wherein the high-aspect-ratio carbon elements each include elements having two major dimensions and one minor dimension, wherein the length ratio of each major dimension is at least 10 times the length ratio of the minor dimension. . 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함하고, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 상기 보조 치수의 길이 비율의 적어도 100배인, 장치.3. The method of claim 1 or 2, wherein the high aspect ratio carbon elements each include elements having two major dimensions and one minor dimension, wherein the length ratio of each major dimension is at least the length ratio of the minor dimension. Device, which is 100 times. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함하고, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 상기 보조 치수의 길이 비율의 적어도 1,000배인, 장치.4. The method of any one of claims 1 to 3, wherein the high-aspect-ratio carbon element comprises elements each having two major dimensions and one minor dimension, wherein the length ratio of each major dimension is of the minor dimension. at least 1,000 times the length ratio. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함하고, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 상기 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10,0000배인, 장치.5. The method of any one of claims 1 to 4, wherein the high aspect ratio carbon element comprises elements each having two major dimensions and one minor dimension, wherein the length ratio of each major dimension is of the minor dimension. at least 10,0000 times the length ratio. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함하고, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10배인, 장치.6. The method of any one of claims 1 to 5, wherein the high-aspect-ratio carbon element comprises elements each having one major dimension and two minor dimensions, the length ratio of each major dimension being the length ratio of each minor dimension. at least 10 times the length ratio of 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함하고, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이 비율의 적어도 100배인, 장치.7. The method of any one of claims 1 to 6, wherein the high aspect ratio carbon element comprises elements each having one major dimension and two minor dimensions, the length ratio of each major dimension being the length ratio of each minor dimension. at least 100 times the length ratio of 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함하고, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이 비율의 적어도 1,000배인, 장치.8. The method of any one of claims 1 to 7, wherein the high-aspect-ratio carbon element comprises elements each having one major dimension and two minor dimensions, the length ratio of each major dimension being the length ratio of each minor dimension. at least 1,000 times the length ratio of 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함하고, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10,000배인, 장치.9. The method of any one of claims 1 to 8, wherein the high-aspect-ratio carbon element comprises elements each having one major dimension and two minor dimensions, the length ratio of each major dimension being the length ratio of each minor dimension. at least 10,000 times the length ratio of 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고애스펙트비 탄소 요소는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 번들을 포함하는, 장치.10. The device of any one of claims 1 to 9, wherein the high aspect ratio carbon element comprises a carbon nanotube or a carbon nanotube bundle. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고애스펙트비 탄소 요소는 그래핀 박편을 포함하는, 장치.11. The device of any preceding claim, wherein the high aspect ratio carbon element comprises graphene flakes. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 활성층은 상기 빈 공간에 배치된 10 중량% 미만의 중합체 결합제를 함유하는, 장치.12. A device according to any one of claims 1 to 11, wherein the electrode active layer contains less than 10% by weight of a polymeric binder disposed in the void space. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 활성층은 상기 빈 공간에 배치된 1 중량% 미만의 중합체 결합제를 함유하는, 장치.13. A device according to any one of claims 1 to 12, wherein the electrode active layer contains less than 1% by weight of a polymeric binder disposed in the void space. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 활성층은 상기 빈 공간에 배치된 1 중량% 미만의 중합체 결합제를 함유하는, 장치.14. A device according to any one of claims 1 to 13, wherein the electrode active layer contains less than 1% by weight of a polymeric binder disposed in the void space. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 활성층은 표면 처리 이외에 실질적으로 중합체 재료가 없는, 장치.15. A device according to any one of claims 1 to 14, wherein the electrode active layer is substantially free of polymeric material other than a surface treatment. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 활성층은 실질적으로 중합체 재료가 없는, 장치.16. A device according to any one of claims 1 to 15, wherein the electrode active layer is substantially free of polymeric material. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 네트워크는 적어도 90 중량%의 탄소인, 장치.17. The device of any one of claims 1-16, wherein the network is at least 90% carbon by weight. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 네트워크는 적어도 95 중량%의 탄소인, 장치.18. The device of any one of claims 1-17, wherein the network is at least 95 weight percent carbon. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 네트워크는 적어도 99 중량%의 탄소인, 장치.19. The device of any one of claims 1-18, wherein the network is at least 99 weight percent carbon. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 네트워크는 적어도 99.9 중량%의 탄소인, 장치.20. The device of any one of claims 1-19, wherein the network is at least 99.9 weight percent carbon. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 네트워크는 삼투 임계값 이상에서 연결성을 나타내는 탄소 요소의 전기적으로 상호 연결된 네트워크를 포함하는, 장치.21. The device of any one of claims 1 to 20, wherein the network comprises an electrically interconnected network of carbon elements exhibiting connectivity above the osmotic threshold. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 네트워크는 하나 이상의 높은 전기 전도성 경로를 한정하는, 장치.22. The device of any preceding claim, wherein the network defines one or more highly electrically conductive pathways. 제29항에 있어서, 상기 경로는 100㎛보다 긴 길이를 갖는, 장치.30. The device of claim 29, wherein the path has a length greater than 100 [mu]m. 제29항에 있어서, 상기 경로는 1,000㎛보다 긴 길이를 갖는, 장치.30. The device of claim 29, wherein the path has a length greater than 1,000 [mu]m. 제29항에 있어서, 상기 경로는 10,000㎛보다 긴 길이를 갖는, 장치.30. The device of claim 29, wherein the path has a length greater than 10,000 [mu]m. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 네트워크는 상기 탄소 요소로 형성된 하나 이상의 구조를 포함하고, 상기 구조는 상기 탄소 요소의 최대 치수의 길이의 적어도 10배인 전체 길이를 포함하는, 장치.26. The method of any one of claims 1 to 25, wherein the network comprises one or more structures formed of the carbon elements, the structures comprising an overall length that is at least 10 times the length of the largest dimension of the carbon elements. Device. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 네트워크는 상기 탄소 요소로 형성된 하나 이상의 구조를 포함하고, 상기 구조는 상기 탄소 요소의 최대 치수 길이의 적어도 100배인 전체 길이를 포함하는, 장치.27. The device of any one of claims 1 to 26, wherein the network comprises one or more structures formed of the carbon elements, the structures comprising an overall length that is at least 100 times the maximum dimension length of the carbon elements. . 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 네트워크는 상기 탄소 요소로 형성된 하나 이상의 구조를 포함하고, 상기 구조는 탄소 요소의 최대 치수 길이의 적어도 1,000배인 전체 길이를 포함하는, 장치.28. The device of any one of claims 1-27, wherein the network comprises one or more structures formed of the carbon elements, the structures comprising an overall length that is at least 1,000 times the maximum dimension length of the carbon elements. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극은 활성탄, 카본블랙, 흑연, 경질 탄소, 연질 탄소, 나노폼 탄소, 고애스펙트비 탄소 및 이들의 혼합물로 이루어진 리스트로부터 적어도 하나를 포함하는 전극 활성 재료를 포함하는, 장치.29. The method of any one of claims 1 to 28, wherein the positive electrode comprises at least one from the list consisting of activated carbon, carbon black, graphite, hard carbon, soft carbon, nanofoam carbon, high aspect ratio carbon, and mixtures thereof. A device comprising an electrode active material comprising: (누락)(omission) 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극은 1000 내지 3000 m2/g의 범위에 있는 비표면적을 갖는 활성탄(AC)을 포함하는 전극 활성 재료를 포함하는, 장치. 30. The device according to any one of claims 1 to 29, wherein the anode comprises an electrode active material comprising activated carbon (AC) having a specific surface area in the range of 1000 to 3000 m2/g. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극은 D50≤10㎛의 입자 크기를 갖는 활성탄(AC)을 포함하는 전극 활성 재료를 포함하는, 장치.32. The device of any one of claims 1 to 31, wherein the anode comprises an electrode active material comprising activated carbon (AC) having a particle size of D50 ≤ 10 μm. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극은 D50≤10㎛의 입자 크기를 갖는 전극 활성 재료를 포함하는, 장치.33. The device according to any one of claims 1 to 32, wherein the negative electrode comprises an electrode active material having a particle size of D50 ≤ 10 μm. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극은 활성탄(AC), 카본블랙(BC) 및 고애스펙트비 탄소를 포함하는 전극 활성 재료를 포함하고, 상기 활성 재료와 상기 고애스펙트비 탄소 사이의 질량비는 80:20 내지 99:1의 범위에 있는, 장치.34. The method of any one of claims 1 to 33, wherein the positive electrode comprises an electrode active material comprising activated carbon (AC), carbon black (BC) and high-aspect-ratio carbon, wherein the active material and the high-aspect-ratio carbon wherein the mass ratio between carbons is in the range of 80:20 to 99:1. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극과 상기 리튬 막의 조합된 총 두께는 40㎛ 내지 450㎛인, 장치.35. The device of any preceding claim, wherein the combined total thickness of the positive electrode and the lithium film is between 40 μm and 450 μm. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극의 총 두께는 20㎛ 내지 350㎛인, 장치.36. The device of any one of claims 1 to 35, wherein the total thickness of the cathode is between 20 μm and 350 μm. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 활성층의 총 두께 대 상기 음극 활성층의 총 두께의 두께비는 1:2 내지 3:1의 범위에 있는, 장치.37. The device of any one of claims 1 to 36, wherein the thickness ratio of the total thickness of the positive active layer to the total thickness of the negative active layer is in the range of 1:2 to 3:1. 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 활성층 대 상기 음극 활성층의 용량비는 1:12 내지 1:2의 범위에 있는, 장치.38. The device of any one of claims 1 to 37, wherein the volume ratio of the positive electrode active layer to the negative electrode active layer is in the range of 1:12 to 1:2. 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리튬 막은 정공을 포함하는 초박형 리튬 막을 포함하는, 장치.39. The device of any one of claims 1 to 38, wherein the lithium film comprises an ultra-thin lithium film comprising holes. 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 활성층의 측면에서의 상기 Li 소스의 단위 면적당 질량은 0.1 ㎎/㎠ 내지 3 ㎎/㎠의 범위에 있는, 장치.40. The device according to any one of claims 1 to 39, wherein the mass per unit area of the Li source on the side of the negative electrode active layer is in the range of 0.1 mg/cm2 to 3 mg/cm2. 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 활성 전극층의 측면에서의 상기 Li 소스의 두께는 2 내지 50㎛의 범위에 있는, 장치.41. The device according to any one of claims 1 to 40, wherein the thickness of the Li source at the side of the negative active electrode layer is in the range of 2 to 50 [mu]m. 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리튬 막의 표면적은 상기 음극의 측면의 표면적의 약 25% 내지 약 100%인, 장치.
[청구항 42]
제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리튬 막은 정공을 포함하고, 상기 정공의 면적 크기 백분율 범위는 상기 막의 총 면적의 약 0.01% 내지 약 75%의 범위에 있는, 장치.
42. The device of any preceding claim, wherein the surface area of the lithium film is from about 25% to about 100% of the surface area of the side surface of the negative electrode.
[Claim 42]
42. The device of any one of claims 1-41, wherein the lithium film comprises holes, and the area size percentage of the holes ranges from about 0.01% to about 75% of the total area of the film.
리튬 이온 커패시터의 제조 방법으로서,
에너지 저장 셀을 제공하는 단계로서,
실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소 네트워크를 포함하는 양극을 선택하는 단계;
세퍼레이터에 의해 상기 양극으로부터 분리된, 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소 네트워크를 포함하는 음극을 선택하는 단계; 및
커패시터의 사전 리튬화를 제공하기 위해 상기 음극 상에 리튬 막을 배치하는 단계
에 의해 상기 에너지 저장 셀을 제공하는 단계;
상기 커패시터를 제공하기 위해 하우징에서 상기 에너지 저장 셀 및 전해질을 밀봉하는 단계를 포함하는, 방법.
As a method for manufacturing a lithium ion capacitor,
providing an energy storage cell,
selecting an anode comprising a carbon network substantially free of binder material;
selecting a negative electrode comprising a carbon network substantially free of binder material, separated from the positive electrode by a separator; and
placing a lithium film on the negative electrode to provide pre-lithiation of the capacitor;
providing the energy storage cell by;
sealing the energy storage cell and electrolyte in a housing to provide the capacitor.
제43항에 있어서, 상기 리튬 이온 커패시터는 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항의 장치를 포함하는, 방법.44. The method of claim 43, wherein the lithium ion capacitor comprises the device of any one of claims 1-42.
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