KR102055122B1 - 공압출 프린팅에 의해 제조되는 우수한 고 출력 및 에너지 전지 전극 - Google Patents

공압출 프린팅에 의해 제조되는 우수한 고 출력 및 에너지 전지 전극 Download PDF

Info

Publication number
KR102055122B1
KR102055122B1 KR1020130158358A KR20130158358A KR102055122B1 KR 102055122 B1 KR102055122 B1 KR 102055122B1 KR 1020130158358 A KR1020130158358 A KR 1020130158358A KR 20130158358 A KR20130158358 A KR 20130158358A KR 102055122 B1 KR102055122 B1 KR 102055122B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lithium
electrode
separator
cathode
anode
Prior art date
Application number
KR1020130158358A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140085322A (ko
Inventor
배 창준
제이. 슈레이더 에릭
린 코브 코리
Original Assignee
팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드 filed Critical 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
Publication of KR20140085322A publication Critical patent/KR20140085322A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102055122B1 publication Critical patent/KR102055122B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/16—Articles comprising two or more components, e.g. co-extruded layers
    • B29C48/18—Articles comprising two or more components, e.g. co-extruded layers the components being layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0411—Methods of deposition of the material by extrusion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/049—Manufacturing of an active layer by chemical means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • H01M4/623—Binders being polymers fluorinated polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49108—Electric battery cell making

Abstract

음극, 음극에 인접한 분리막, 및 음극 반대측 분리막에 인접한 양극으로 구성되며, 양극은 교호끼워맞춘 물질 스트립들을 포함하고, 물질 중 하나는 세공 채널을 형성하는 전극.

Description

공압출 프린팅에 의해 제조되는 우수한 고 출력 및 에너지 전지 전극{ADVANCED, HIGH POWER AND ENERGY BATTERY ELECTRODE MANUFACTURED BY CO-EXTRUSION PRINTING}
전지 전극 설계에는 때로 에너지 밀도 및 출력 밀도 간에 절충이 필요하다. 일반적으로 에너지 밀도는 정해진 시스템 또는 공간 영역에 저장된 단위 질량 당 에너지량으로 고려된다. 출력 밀도는 물질의 전류 전도 능력 측정치이다. 전형적으로, 고 에너지 밀도, 즉 높은 저장 용량을 가지는 장치는 신속하게 방전되지 않고, 이것은 동일 시간에 고출력을 발휘하지 못한다는 것을 의미한다.
전력 공급 분야에서 높은 체적 에너지 밀도를 가지는 리튬-이온 (Li-이온) 전지에 대한 필요성이 절실하다. 장거리 운행 전기자동차 (EV), 하이브리드 EV 및 무선 전기 출력 도구와 같은 분야에서 이러한 필요성이 존재한다. 특히 EV와 관련하여, 체적 에너지 밀도는 Li-이온 동력화 EV가 적용되는 거리와 직접 연관된다. 현재의 Li-이온 전지는 출력 요건에 대하여는 US Advanced Battery Consortium (USABC) 목표에 부합하거나 초과하지만, 체적 에너지 밀도에 대하여는 단지 추천 목표의 60% 만을 달성하고 있다. Li-이온 전지의 체적 에너지 밀도를 증가시키기 위하여, Li-이온 셀의 불활성 성분 체적을 줄이는 것이 중요하다.
도 1은 전형적인 Li-이온 셀 (10)을 도시한 것이고, 양극 활물질로는 리튬-코발트-산화물 (LiCoO2) (18) 및 음극 부분은 흑연 (20)으로 이루어진다. 불활성 성분들은 전해질, 결합제, 탄소, 분리막 (14), 및 양극 및 음극 집전체 (12, 16)로 이루어진다. 도 2는 방전 과정에서 도 1의 액체 전해질 일부 (20)를 통해 Li-이온이 음극에서 양극으로 이동되는 것을 도시한 것이다. 치밀 (dense) 전도성 전극에서는 액체 전해질 (24) 중 국부적 이온 공핍이 발생될 수 있다. 이러한 현상은 임계 전류 밀도를 제한하고 전류가 더욱 증가될 때 방전 용량 감소로 이어질 수 있다. 더 짧은 Li-이온 확산 거리 (22)를 가지는 대략 100 마이크로미터의 더 얇은 전극들이 이러한 효과를 줄이기 위하여 종래 Li-이온 전지에 적용된다.
현재 EV 적용을 위하여, 종래 얇은 전극층들을 적층시켜 대형 전지를 제조한다. 이에 따라 전지 내에서 불활성 성분들이 상당 부분 존재한다. 고가 분리막 및 많은 (heavy) 집전체 양을 줄이면 비용이 크게 절감되고 불활성 물질 양을 줄일 수 있다. 도 4는 36과 같은 더 두꺼운 전극을 사용할 때의 Li-이온 이동 경로 (38)를 도시한 것이고 불활성 물질에 대한 활물질 비율을 증가시키는 방식으로 Li-이온 전지의 체적 에너지 밀도를 증가시키는 직접적이고 실제적인 해결책을 제공할 수 있다. 그러나, 도 4는 36과 같이 더욱 후박한 전극이 유발시키는 문제점을 보인다. 38과 같은 더욱 긴 확산 경로로 인하여, 확산 경로 중 복잡한 미세구조에서 Li-이온 전도성이 불량하여 전해질 공핍이 증가한다. 현재 공업적 극판 공정은 전극 구조에 대한 개선을 제한한다.
도 1 및 2는 종래 리튬 이온 전지의 선행 구조를 보인다.
도 3 및 4는 리튬 이온 전지의 체적 에너지 밀도를 증가시키기 위하여 후박 전극을 이용한 선행 구조를 도시한 것이다.
도 5는 직선형 (straight) 세공 (pore) 채널들을 가지는 두꺼운, 고 에너지 밀도 전극이 구비된 전지의 실시태양을 도시한 것이다.
도 6은 신속한 리튬 이온 경로를 제공하는 직선형 세공 채널들을 가지는 전극 실시태양을 더욱 상세하게 도시한 것이다.
도 7 및 8은 충전 및 방전 과정에서 직선형 세공 채널들을 가지는 전극의 확산 경로를 보인다.
도 9는 예시적 전지 전극 제조방법에 대한 흐름도이다.
도 5는 상이한 유형의 전극을 가지는 예시적 전지를 도시한 것이다. 전지 (50)는 집전체 (52, 56), 양극 (58), 양극에 인접한 분리막 (54) 및 양극 반대측 분리막에 인접한 음극 (60)을 가진다. 본 실시태양에서 양극 (58)은 물질의 교호끼워맞춘 (interdigitated) 스트립 (stripe)으로 구성된다. 또한, 양극은 교대 물질 스트립들을 포함하고, 물질 중 하나는 세공 채널을 형성할 수 있다. 다른 실시예로 음극은 제 1 물질 및 제 2 물질의 교호끼워맞춘 스트립들을 포함하고, 상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질의 하나는 세공 채널을 형성할 수 있다.
이러한 유형의 전지 전극 예시는 미국특허들 7,765,949; 7,780,812; 7,922,471; 및 미국특허공개 20120156364 및 20120153211에 기재된다. 미국특허 7,765,949는 기재에 물질을 압출하고 분배하는 장치를 개시하고, 본 장치는 물질들을 수용하는 적어도 2개의 채널들 및 물질들을 기재에 압출하는 출구 포트를 가진다. 미국특허 7,780,812는 평탄 모서리 면을 가지는 또 다른 이러한 장치를 개시한다. 미국특허 7,922,471은 기재에 적층된 후 침하되지 않는 평형 형상을 가지는 물질을 압출하기 위한 또 다른 이러한 장치를 개시한다. 미국특허공개 20120156364 및 20120153211는 다중 물질 스트립이 존재하도록 둘 이상의 물질들의 스트림을 기재에 교호끼워맞춘 구조체로 조합하는 공압출 헤드를 개시한다.
도 5의 전지 (50)는 교호끼워맞춘 물질 스트립을 가지는 양극을 포함한다. 이러한 스트립은 프린트 헤드라고도 칭하는 상기 특허 및 공개문헌에 개시된 공압출 장치로 형성된다. 이러한 구조체는 다른 유형의 장치로 형성될 수 있다. 또한, 다른 유형의 구조체가 본원의 실시태양에 의해 형성될 수 있다. 전지 전극은 개시된 물질 및 실시태양을 적용하는 단 하나의 예시만으로 이루어진다.
종래 압출 방법은 다수의 점성 입자-충전 페이스트를 프린트 헤드로 공급하여 별도의 유체들이 교번 (alternately) 수렴되도록 유동시켜 전도성 접촉부 (conducting contacts) 및 간격을 둔 교호끼워맞춘 스트립을 생성할 수 없다. 상기 미세 (micro) 공압출 프린트 헤드에서의 층류로 인하여, 2종의 물질은 일반적으로 혼합되지 않는다. 도 6은 도 5의 교호끼워맞춘 구조체의 일부 (70)에 대한 확대도이다.
교호끼워맞춘 물질 스트립의 물질 중 하나는 미세구조체로서 전극 구조 내부에 세공 채널을 형성한다. 스트립 형성 및 이러한 구조를 위한 사용 물질들은 더욱 상세히 설명될 것이다. 64와 같은 세공 채널들은 Li-이온 이동을 촉진시키는 싱크 또는 소스로서 중요한 기능을 수행한다. 다른 물질 (62)로부터 Li-이온들이 세공 채널들을 통과하여 이동될 때 이러한 채널들로 인하여 더 짧고 훨씬 덜 구불구불한 경로가 제공된다. 이에 따라 달리 가능할 수 있는 것보다 더욱 두꺼운 전극 사용이 가능하다. 형성된 양극은 고출력 및 체적 에너지 밀도를 가진다. 도 7 및 8은 싱크 및 소스 부위에 대한 확산 경로를 도시한 것이다. 도 7은 충전 과정에서 매트릭스 (62)를 거쳐 세공 채널 (64)로 지향되는 확산 경로 (80)를 도시한 것이다. 도 8은 방전 과정에서 세공 채널로부터 매트릭스 (62)로 지향되는 확산 경로 (82)를 도시한 것이다. 양극에서 다른 물질 스트립인 매트릭스를 향하는 또는 매트릭스로부터의 경로는 더 짧고, 세공 채널들은 매우 신속한 확산 경로를 제공한다.
여기까지는 구조체를 설명한 것이고 이하 이러한 구조체 제조방법을 설명한다. 도 9는 예시적 교호끼워맞춘 전극 제조방법의 전체 흐름도를 도시한 것이다. 일반적으로, 본 방법은 단계 90에서 제1 활물질을 용매와 혼합하여 제1 전극 활물질을 생성한다. 용매로 인하여 물질은 묽은 상태로 공압출 장치를 통하여 더욱 용이하게 유동할 수 있다. 제1 활물질 및 제2 활물질은 일반적으로 동일한 물질일 수 있지만, 상이한 농도를 가진다. 설명 목적으로, 제1 물질은 더 높은 농도를 가진 물질이다.
단계 92에서 제2 물질은 동일한 방식으로 제조된다. 이후 단계 94에서 2종의 활물질은 상기 언급되거나 다른 유형의 공압출 장치 또는 프린트 헤드를 이용하여 압출된다. 물질들이 기재 상에 배치된 후, 용매가 제거되면, 활물질들은 기재상의 각각의 위치에 남겨진다. 이후 단계 98에서 분리막이 제공되고 단계 100에서 음극이 제공되어 전지가 완성된다.
본 방법의 목적 중 하나는 더 낮은 농도의 활물질을 가지는 물질의 스트립에서 세공 채널 형성을 위한 틈새 공간에 입자 크기가 분산된 것을 제공하는 것이다. 이러한 방법은 여러 상이한 방법으로 진행될 수 있다. 실온 방법 및 고온 방법이 설명된다. 실온 실시예에서, 활성 양극 물질은 리튬 코발트 산화물 (LCO), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 (NCM), 또는 이들의 혼합물로 이루어진다. 기타 물질로는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 (NCA), 리튬 망간 산화물 (LMO), 리튬 철 포스페이트 (LFeP)가 포함된다. 많은 활물질이 리튬이고, 이러한 기술은 나트륨 이온 전지 및 마그네슘 이온 전지에 적용 가능하다. 음극 물질은 흑연 및 리튬 티타네이트 (LTA)일 수 있다. 이러한 특정 실시태양에서, 물질은 결합제, 예컨대 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF)와 혼합되고, 용매는 n-메틸-2-피롤리돈 (NMP)으로 이루어진다. Brij 98로 알려진 폴리옥시에틸렌 올레일 에테르 형태의 분산제가 첨가될 수 있다. 전기 전도성을 향상시키기 위하여 카본 블랙이 첨가될 수 있다.
이들 물질은 2종의 상이한 슬러리로 형성되고, 하나의 슬러리는 다른 것보다 더 높은 농도의 활물질을 가진다. 공압출 장치는 슬러리를 기재에 적층시키고 이후 용매가 제거된다. 실온 실시예에서 용매는 슬러리로부터 건조되고, 물질들은 각각의 위치에 남겨진다.
고온 실시예에서, 활물질은 LCO로 이루어진다. 본 실시예에서 사용되는 결합제는 에틸셀룰로스 수지, 예컨대 Dow Chemical company에서 제조되는 Ethocel™ 이다. 본 특정 실시예에 사용되는 용매는 디에틸 세바케이트 및 부틸 카르비톨의 혼합물이다. 분산제는 리놀렌산으로 이루어진다. 혼합물이 적층되고 고온에서 소성되어 용매가 제거되고 물질들은 잔류된다.
어떠한 경우이든, 생성된 물질은 더 낮은 농도에서 넓은 입자 크기 분포를 가진다. 이에 따라 전극 내에서 미세구조체로서 세공 채널들 형성이 가능하다. 형성된 전극은 신속한 리튬 이온 확산 경로로 이어지는 고도로 제어된 미세구조체를 가지고, 전해질 공핍 문제를 해결하여 고 에너지 및 출력 전극이 제조된다. 이들 전극은 종래 전지 전극보다 더욱 양호한 전기화학적 성능을 보인다.
반대로, 종래 전지 전극은 전형적으로 페이스트로부터 집전체 포일에 테이프 케스팅에 의해 도포되므로 단순한, 일체형 미세구조체를 가진다.

Claims (6)

  1. 음극;
    상기 음극에 인접한 분리막; 및
    상기 음극의 반대측의 상기 분리막에 인접한 양극을 포함하고,
    상기 양극은 리튬 코발트 산화물 (LCO), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 (NCM), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 (NCA), 리튬 망간 산화물 (LMO) 및 리튬 철 인산염 (LFeP) 에서 선택된 활성 양극 물질인, 제 1 물질 및 제 2 물질의 교호끼워맞춘 스트립들을 포함하고,
    상기 제 2 물질은 상기 제 1 물질보다 더 낮은 리튬 농도를 갖고,
    상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질의 하나는 세공 채널을 형성하는, 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극에 인접한 제 1 집전체 및 상기 분리막 반대측의 상기 양극에 인접한 제 2 집전체를 더욱 포함하는, 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세공 채널은 상기 제 1 물질로 형성되는, 전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음극은 제 1 물질 및 제 2 물질의 교호끼워맞춘 스트립들을 포함하고, 상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질의 하나는 세공 채널을 형성하는, 전지.
KR1020130158358A 2012-12-27 2013-12-18 공압출 프린팅에 의해 제조되는 우수한 고 출력 및 에너지 전지 전극 KR102055122B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/727,960 US9012090B2 (en) 2012-12-27 2012-12-27 Advanced, high power and energy battery electrode manufactured by co-extrusion printing
US13/727,960 2012-12-27

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140085322A KR20140085322A (ko) 2014-07-07
KR102055122B1 true KR102055122B1 (ko) 2019-12-12

Family

ID=49958180

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130158358A KR102055122B1 (ko) 2012-12-27 2013-12-18 공압출 프린팅에 의해 제조되는 우수한 고 출력 및 에너지 전지 전극

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9012090B2 (ko)
EP (1) EP2749396B1 (ko)
JP (1) JP6210868B2 (ko)
KR (1) KR102055122B1 (ko)
CN (1) CN103904298B (ko)
TW (1) TWI617065B (ko)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10923714B2 (en) 2012-12-27 2021-02-16 Palo Alto Research Center Incorporated Structures for interdigitated finger co-extrusion
JP6321420B2 (ja) * 2013-03-27 2018-05-09 本田技研工業株式会社 電極およびその製造方法
US10256503B2 (en) * 2014-07-11 2019-04-09 Palo Alto Research Center Incorporated High performance all solid lithium sulfur battery with fast lithium ion conduction
US9696782B2 (en) 2015-02-09 2017-07-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Battery parameter-based power management for suppressing power spikes
US10158148B2 (en) 2015-02-18 2018-12-18 Microsoft Technology Licensing, Llc Dynamically changing internal state of a battery
US9748765B2 (en) 2015-02-26 2017-08-29 Microsoft Technology Licensing, Llc Load allocation for multi-battery devices
US9939862B2 (en) 2015-11-13 2018-04-10 Microsoft Technology Licensing, Llc Latency-based energy storage device selection
US10061366B2 (en) 2015-11-17 2018-08-28 Microsoft Technology Licensing, Llc Schedule-based energy storage device selection
US9793570B2 (en) 2015-12-04 2017-10-17 Microsoft Technology Licensing, Llc Shared electrode battery
CN108352506B (zh) * 2016-07-04 2021-08-24 株式会社Lg化学 正极和包含该正极的二次电池
WO2018008954A1 (ko) * 2016-07-04 2018-01-11 주식회사 엘지화학 양극 및 상기 양극을 포함하는 이차 전지
US10347901B2 (en) 2016-11-17 2019-07-09 Nissan North America, Inc. Method of preparing lithium ion battery electrode having improved lithium ion transport
CN108172763A (zh) * 2017-12-20 2018-06-15 贵州梅岭电源有限公司 一种高功率电极及其制备方法
JP7341665B2 (ja) * 2018-02-13 2023-09-11 パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド 交互嵌合された指状部の共押出成形のための構造
DE102018114804A1 (de) 2018-06-20 2019-12-24 Audi Aktiengesellschaft Batterie
EP3614463A1 (en) 2018-08-20 2020-02-26 BGT Materials Limited Electrode structure of electrochemical energy storage device and manufacturing method thereof
CN112271270B (zh) * 2020-10-22 2022-06-24 天目湖先进储能技术研究院有限公司 锂离子电池电极及其制备方法和锂离子电池

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005525674A (ja) 2001-07-27 2005-08-25 マサチューセッツ　インスティテュート　オブ　テクノロジー 電池構造、自己組織化構造、及び関連方法
JP2009181877A (ja) * 2008-01-31 2009-08-13 Ohara Inc 固体電池およびその電極の製造方法
JP2012038539A (ja) 2010-08-06 2012-02-23 Toyota Motor Corp 電池

Family Cites Families (45)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3195865A (en) 1960-09-09 1965-07-20 Dow Chemical Co Interfacial surface generator
FR1308573A (fr) 1961-05-30 1962-11-09 Dow Chemical Co Procédé de mélange de masses en circulation par formation d'interfaces dans une masse fluide en circulation
US3382534A (en) 1965-08-19 1968-05-14 Monsanto Co Plate type fluid mixer
US3613173A (en) 1967-12-20 1971-10-19 Kanegafuchi Spinning Co Ltd Mix-spinning apparatus
US3583678A (en) 1969-09-15 1971-06-08 Dow Badische Co Interfacial surface generators
US3860036A (en) 1970-11-02 1975-01-14 Dow Chemical Co Variable geometry feed block for multilayer extrusion
US4686074A (en) 1983-03-03 1987-08-11 Toray Industries, Inc. Alternate high-molecule arrangement production process
US4511528A (en) 1983-04-13 1985-04-16 American Can Company Flow stream channel splitter devices for multi-coinjection nozzle injection molding machines
DE3831836A1 (de) 1988-09-20 1990-03-22 Kautex Maschinenbau Gmbh Verfahren und vorrichtung zum herstellen von hohlkoerpern aus thermoplastischem kunststoff
US5380479A (en) 1989-12-26 1995-01-10 The Dow Chemical Company Method and apparatus for producing multilayer plastic articles
US5094793A (en) 1990-12-21 1992-03-10 The Dow Chemical Company Methods and apparatus for generating interfacial surfaces
US5667818A (en) 1993-11-05 1997-09-16 Guillemette; A. Roger Extrusion system with balanced flow passage
US5516476A (en) 1994-11-08 1996-05-14 Hills, Inc, Process for making a fiber containing an additive
US5658537A (en) 1995-07-18 1997-08-19 Basf Corporation Plate-type chemical reactor
JPH09183147A (ja) 1995-12-28 1997-07-15 Mitsui Petrochem Ind Ltd 多層積層体の製造方法
JP2928789B2 (ja) 1996-04-20 1999-08-03 前田建設工業株式会社 層状材料の製造方法
US6337156B1 (en) 1997-12-23 2002-01-08 Sri International Ion battery using high aspect ratio electrodes
US6109006A (en) 1998-07-14 2000-08-29 Advanced Plastics Technologies, Ltd. Process for making extruded pet containers
WO2001021688A1 (en) 1999-09-20 2001-03-29 The Goodyear Tire & Rubber Company Faster curing rubber articles
WO2001076871A1 (en) 2000-04-07 2001-10-18 Eric Baer Polymer 1d photonic crystals
WO2002011888A2 (en) 2000-08-07 2002-02-14 Nanostream, Inc. Fluidic mixer in microfluidic system
EP1352436B1 (en) * 2000-10-20 2008-08-20 Massachusetts Institute Of Technology Reticulated and controlled porosity battery structures
WO2002052579A1 (en) 2000-12-22 2002-07-04 Koninklijke Philips Electronics N.V. A method for producing a grid structure
US7097673B2 (en) * 2001-06-07 2006-08-29 3M Innovative Properties Company Coating edge control
US6837698B2 (en) 2001-12-19 2005-01-04 3M Innovative Properties Company Multilayer coextrusion die and method
US7883670B2 (en) 2002-02-14 2011-02-08 Battelle Memorial Institute Methods of making devices by stacking sheets and processes of conducting unit operations using such devices
JP4042096B2 (ja) 2002-04-12 2008-02-06 富士フイルム株式会社 樹脂成形品の製造装置及び方法
CA2508176C (en) 2002-12-02 2012-09-18 Avestor Limited Partnership Co-extrusion manufacturing process of thin film electrochemical cell for lithium polymer batteries and apparatus therefor
US6981552B2 (en) 2003-03-21 2006-01-03 Halliburton Energy Services, Inc. Well treatment fluid and methods with oxidized polysaccharide-based polymers
JP4552936B2 (ja) 2004-05-31 2010-09-29 東レ株式会社 液体流の合流装置、および、多層フィルムの製造方法
JP4620526B2 (ja) 2005-05-24 2011-01-26 帝人デュポンフィルム株式会社 多層フィルムの製造方法およびその装置
US7765949B2 (en) 2005-11-17 2010-08-03 Palo Alto Research Center Incorporated Extrusion/dispensing systems and methods
US7799371B2 (en) 2005-11-17 2010-09-21 Palo Alto Research Center Incorporated Extruding/dispensing multiple materials to form high-aspect ratio extruded structures
US20070279839A1 (en) 2006-05-30 2007-12-06 William James Miller Co-extrusion method of fabricating electrode structures in honeycomb substrates and ultracapacitor formed thereby
US7690908B2 (en) 2006-05-31 2010-04-06 Guill Tool & Engineering Co., Inc. Method and apparatus for forming high strength products
US7780812B2 (en) 2006-11-01 2010-08-24 Palo Alto Research Center Incorporated Extrusion head with planarized edge surface
US7922471B2 (en) 2006-11-01 2011-04-12 Palo Alto Research Center Incorporated Extruded structure with equilibrium shape
US8206025B2 (en) 2007-08-07 2012-06-26 International Business Machines Corporation Microfluid mixer, methods of use and methods of manufacture thereof
US20090107546A1 (en) * 2007-10-29 2009-04-30 Palo Alto Research Center Incorporated Co-extruded compositions for high aspect ratio structures
JP2009252498A (ja) * 2008-04-04 2009-10-29 Nissan Motor Co Ltd 電池用電極
JP5391630B2 (ja) * 2008-10-03 2014-01-15 日産自動車株式会社 電池用電極の製造方法
US8215940B2 (en) 2009-03-20 2012-07-10 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Layer multiplying apparatus
JP2011029075A (ja) * 2009-07-28 2011-02-10 Nissan Motor Co Ltd リチウムイオン二次電池用負極およびこれを用いたリチウムイオン二次電池
US9004001B2 (en) 2010-12-17 2015-04-14 Palo Alto Research Center Incorporated Interdigitated finger coextrusion device
US9589692B2 (en) 2010-12-17 2017-03-07 Palo Alto Research Center Incorporated Interdigitated electrode device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005525674A (ja) 2001-07-27 2005-08-25 マサチューセッツ　インスティテュート　オブ　テクノロジー 電池構造、自己組織化構造、及び関連方法
JP2009181877A (ja) * 2008-01-31 2009-08-13 Ohara Inc 固体電池およびその電極の製造方法
JP2012038539A (ja) 2010-08-06 2012-02-23 Toyota Motor Corp 電池

Also Published As

Publication number Publication date
CN103904298B (zh) 2016-10-19
EP2749396B1 (en) 2016-05-04
TWI617065B (zh) 2018-03-01
EP2749396A1 (en) 2014-07-02
CN103904298A (zh) 2014-07-02
KR20140085322A (ko) 2014-07-07
US20140186700A1 (en) 2014-07-03
JP6210868B2 (ja) 2017-10-11
JP2014130812A (ja) 2014-07-10
TW201440282A (zh) 2014-10-16
US9012090B2 (en) 2015-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102055122B1 (ko) 공압출 프린팅에 의해 제조되는 우수한 고 출력 및 에너지 전지 전극
US11631920B2 (en) Dual electrolyte electrochemical cells, systems, and methods of manufacturing the same
KR101870270B1 (ko) 전극 구조체, 이의 제조방법과 용도, 및 레독스 흐름전지의 스택 구조
US10062521B2 (en) Electrode for a combination of supercapacitor and battery and also process for the production thereof
KR101297866B1 (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
CN112864546B (zh) 非水电解质二次电池
JP2011175739A (ja) リチウム二次電池及びその製造方法
KR101846767B1 (ko) 비수 전해질 2차 전지
EP2765629B1 (en) Separator with heat-resistant insulating layer
KR102238859B1 (ko) 신속한 리튬 이온 전도성을 가지는 고 성능의 전체 고체 리튬 황 전지
KR102264546B1 (ko) 이차전지용 전극조립체
KR20160027365A (ko) 이차전지 전극용 집전체
KR101515672B1 (ko) 2 이상의 양극 및 음극을 포함하는 전극 조립체 및 이에 의한 전기 화학 소자
CN113903923B (zh) 电池及其制造方法
JP5692605B2 (ja) 非水電解液二次電池
US9882200B2 (en) High energy and power Li-ion battery having low stress and long-term cycling capacity
US20160329594A1 (en) Solid state battery
JP2011258435A (ja) 電池用電極、双極型電池用電極及び双極型電池
CN112335088A (zh) 锂离子二次电池及其制造方法
KR102283842B1 (ko) 이차전지 전극용 집전체
CN107591516B (zh) 用于制造阴极的方法、阴极和电池组电池
CN109314268B (zh) 非水电解质二次电池
Cobb Modeling Co-Extruded Cathodes for High Energy Lithium-Ion Batteries
Albertus RANGE concepts beyond the RANGE program
KR102275363B1 (ko) 안전성이 향상된 이차전지 전극용 집전체

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right