KR102194814B1 - 2차 전지의 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 집전체, 다공성 인터칼레이션 물질 및 애노드액을 포함하는 애노드 영역을 형성하는 단계를 포함하는, 전지 셀의 형성 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 본 발명의 방법은 이온 전도성 세퍼레이터를 형성하는 단계 및 집전체 및 다공성 인터칼레이션 물질을 포함하는 캐소드 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 본 발명의 방법은 제1 리튬 반응 생성물 및 제1 캐소드액을 캐소드 영역에 첨가하는 단계 및 캐소드 및 애노드 사이에 충전 전류를 인가하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 본 발명의 방법은 전지 셀로부터 환원 부산물을 제거하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시 양태는 상기 방법에 의해 형성된 전지를 포함한다.
Description
본 발명은 2차 전지, 더욱 상세하게는 2차 전지의 형성 방법에 관한 것이다.
재충전 가능한 리튬 전지는 다른 전기 화학적 에너지 저장 장치와 비교하여 비 에너지(specific energy)가 높기 때문에 휴대용 전기 및 전자 장치 및 전기 및 하이브리드-전기 자동차를 위한 매력적인 에너지 저장 장치이다. 전형적인 리튬 셀은 음극(negative electrode), 양극(positive electrode) 및 상기 음극과 양극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함한다. 전극들은 둘 다 리튬과 가역적으로 반응하는 활성 물질을 함유한다. 경우에 따라, 음극은 전기 화학적으로 용해되어 가역적으로 증착될 수 있는 리튬 금속을 포함할 수 있다. 세퍼레이터는 리튬 양이온을 갖는 전해질을 함유하고, 전극들 중 어느 것도 셀 내에서 전기적으로 접속되지 않도록 전극들 사이의 물리적 장벽으로서 작용한다.
전형적으로, 충전하는 동안, 양극에서의 전자의 발생 및 음극에서의 동일한 양의 전자의 소비가 있다. 방전 중에는, 반대의 반응이 일어난다.
전지 셀을 형성하는 종래의 방법에서는 약 30 미크론 미만의 두께를 갖는 리튬 필름을 제어 가능하게 제조하는 것이 시도되었다. 목적하는 전지 용량을 수용하기 위해서는 음극 대 양극 용량이 큰(high negative to positive electrode capacity) 셀(예: 과량의 리튬을 갖는 셀)을 제조해야 하는 경우가 종종 있다. 이러한 제조 기술은 목적하는 용량을 제공하는 데 필요한 것보다 더 무겁고 더 큰 전지 셀을 생성한다. 따라서, 목적하는 용량을 갖는 보다 가볍고 보다 소형인 전지 셀을 제조하는 방법이 필요하다.
본 명세서에 개시된 특정 실시 양태의 개요가 하기에 제시된다. 이들 양태들은 단지 이들 특정 실시 양태의 간략한 개요를 독자에게 제공하기 위한 것이며, 이러한 양태들은 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 실제로, 본 명세서는 이하에서 설명되지 않을 수 있는 다양한 양태를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 양태는 2차 전지를 형성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
하나의 실시 양태에서, 본 발명은 전지 셀을 형성하는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 집전체를 포함하는 애노드 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법은 또한 이온 전도성 세퍼레이터를 형성하는 단계, 및 집전체, 전도성 첨가제(들), 액체 및/또는 기체를 수용할 수 있는 (대부분) 연속 기공 구조물 및 전기 화학적 활성 물질(예: 리튬-삽입 물질)을 포함하는 캐소드 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 방법은 제1 리튬 반응 생성물을 포함하는 제1 액체 캐소드액(catholyte)을 상기 캐소드 영역 내로 유동시키는 단계 및 상기 셀에 충전 전류(charging current)를 인가하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시 양태는 상기 방법에 의해 형성된 전지 셀을 포함한다.
또한, 본 발명은 집전체 및 전기 화학적 활성 물질(예: 리튬-삽입 물질)을 포함하는 애노드 영역을 형성하는 단계를 포함하는, 전지 셀의 형성 방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 방법은 이온 전도성 세퍼레이터를 형성하는 단계 및 집전체 및 전기 화학적 활성 물질을 포함하는 캐소드 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 방법은 제1 리튬 반응 생성물 및 제1 캐소드액을 상기 캐소드 영역에 첨가하는 단계 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 충전 전류를 인가하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 방법은 전지 셀로부터 환원 부산물을 제거하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시 양태는 상기 방법에 의해 형성된 전지 셀을 포함한다.
또한, 본 발명은 전지 셀을 제공한다. 전지 셀 내의 리튬 금속의 양은 리튬 반응 생성물을 저장하기 위한 캐소드 영역의 용량의 약 100% 내지 약 125%일 수 있다.
본 명세서의 하나 이상의 특징, 양태, 구현 및 이점의 세부 사항은 하기 첨부된 도면, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 청구범위에 기재되어 있다.
도 1은 일부 실시 양태에 따른, 전지 셀을 포함하는 전지를 도시하는 개략도이다.
도 2는 일부 실시 양태에 따른, 전지 셀을 형성하는 방법의 실시 양태를 기술하는 흐름도이다.
도 3은 일부 실시 양태에 따른, 전지 셀을 형성하는 방법의 실시 양태를 기술하는 흐름도이다.
도 2는 일부 실시 양태에 따른, 전지 셀을 형성하는 방법의 실시 양태를 기술하는 흐름도이다.
도 3은 일부 실시 양태에 따른, 전지 셀을 형성하는 방법의 실시 양태를 기술하는 흐름도이다.
이하, 하나 이상의 구체적인 실시 양태를 설명한다. 설명된 실시 양태들에 대한 다양한 변경은 당업자에게는 쉽게 명백할 것이며, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리들은 설명된 실시 양태들의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 양태들 및 용도들에 적용될 수 있다. 따라서, 설명된 실시 양태들은 제시된 실시 양태들로 한정되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리들 및 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 따른다.
전지(100)의 실시 양태가 도 1에 도시되어 있다. 전지(100)는 전지 셀(102), 애노드 집전체(105), 애노드 영역(110), 세퍼레이터(120), 캐소드 영역(130) 및 캐소드 집전체(135)를 포함한다. 다양한 예에서, 애노드 집전체(105)는 금속 호일(예: 구리, 니켈, 티탄) 및/또는 리튬-삽입 물질(예: 흑연)을 포함한다. 다양한 예에서, 애노드(110)는 산화 가능한 금속(예: 리튬), 리튬을 인터칼레이팅(intercalating)할 수 있는 물질(예: 흑연 또는 규소), 고체 중합체 전해질 또는 중합체 결합제(예: 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌), 전기 전도성 첨가제(예: 카본 블랙, 흑연 또는 그래핀), 이온 전도성 세라믹(예: 리튬 포스포러스 옥시니트라이드(LiPON), 리튬 알루미늄 티탄 포스페이트(LATP) 또는 리튬 알루미늄 게르마늄 포스페이트(LAGP))를 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 세퍼레이터(120)에 적합한 물질은 다공성 중합체(예: 폴리올레핀), 중합체 전해질(예: 폴리스티렌-폴리에틸렌 옥사이드(PS-PEO)), 세라믹(예: 리튬 포스포러스 옥시니트라이드(LiPON), 리튬 알루미늄 티탄 포스페이트(LATP) 또는 리튬 알루미늄 게르마늄 포스페이트(LAGP)) 및/또는 2차원 시트 구조물(예: 그래핀, 질화붕소 또는 디칼코게나이드)를 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 캐소드 영역은, 활성 캐소드 물질, 예를 들면, 이로 한정되지 않는, 황 또는 황-함유 물질(예: 폴리아크릴로니트릴-황 복합체(PAN-S 복합체) 또는 황화리튬(Li2S)); 산화바나듐(예: 5산화바나듐(V2O5)); 금속 불화물(예: 티탄, 바나듐, 철, 코발트, 비스무스, 구리 및 이들의 조합의 불화물); 리튬-삽입 물질(예: 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 리튬이 풍부한 NMC 또는 리튬 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4)); 리튬 전이 금속 산화물(예: 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA), 및 이들의 조합); 리튬 포스페이트(예: 리튬 철 포스페이트(LiFePO4)), 다공성 전도성 물질(예: 카본 블랙, 탄소 섬유, 흑연, 그래핀 및 이들의 조합) 및 전해질을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 캐소드 집전체(135)는 금속 호일(예: 알루미늄 또는 티탄)을 포함할 수 있다.
몇몇 실시 양태에서, 캐소드 영역(130), 세퍼레이터(120) 및/또는 애노드(110)는 전지 셀의 내부 전기 저항을 감소시키는 부가적인 전도성을 전해질에 제공하는 금속염(예: 사이클릭 및/또는 선형 카보네이트, 에테르, 이온성 액체, 및/또는 다른 용매의 블렌드 중에 용해된 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 비스-트리플루오로메탄설폰이미드(LiTFSI), 또는 리튬 퍼클로레이트(LiC1O4))을 추가로 포함하는 이온 전도성 전해질을 포함할 수 있다.
다양한 실시 양태에서, 전지 셀(102)의 구성 요소의 두께 치수는 애노드 영역(110)의 경우 약 5 내지 약 120 마이크로미터일 수 있고, 세퍼레이터(120)의 경우 약 50 마이크로미터 미만이거나, 특정 실시 양태에서는 약 10 마이크로미터 미만일 수 있고, 캐소드 영역(130)의 경우 약 50 내지 약 120 마이크로미터일 수 있다. 애노드 및 캐소드 두께의 범위는 집전체의 두께를 포함하지 않으며 양면 전극의 경우 각 전극의 한 면에만 해당한다.
전지 셀(102)의 방전 중에, 리튬은 애노드 영역(110)에서 산화되어 리튬 이온을 형성한다. 리튬 이온은 전지 셀(102)의 세퍼레이터(120)를 통해 캐소드 영역(130)으로 이동한다. 충전 중에 리튬 이온은 애노드 영역(120)으로 되돌아 가서 리튬으로 환원된다. 리튬은 리튬 애노드 영역(110)의 경우에 애노드 영역(110) 상에 리튬 금속으로서 증착되거나 흑연과 같은 삽입 물질 애노드 영역(110)의 경우에 호스트 구조물에 삽입될 수 있으며, 상기 프로세스는 후속의 충전 및 방전 사이클과 함께 반복된다. 흑연 또는 다른 Li-삽입 전극의 경우, 리튬 양이온은 전자 및 호스트 물질(예: 흑연)과 결합하여 리티에이션(lithiation) 정도 또는 호스트 물질의 "충전 상태(state of charge)"를 증가시킨다. 예를 들면, x Li + + x e- + C6 → LixC6. 일부 실시 양태에서, 전지 셀 내의 리튬 금속의 양은 리튬 반응 생성물을 저장하기 위한 캐소드 영역의 용량의 약 100% 내지 약 125%이다.
도 2는 전지 셀을 제조하는 방법(200)의 흐름도이다. 일부 실시 양태에서, 방법(200)은 전지 셀(102)을 제조하는데 사용될 수 있다. 도 2를 참조하면, 블록(210)에서, 애노드 집전체(105)(예: 금속 호일) 및 애노드 영역 전해질(예: 애노드액(anolyte))을 포함하는 애노드 영역(110)이 형성된다. 일부 실시 양태에서, 애노드 영역(110)은 리튬을 인터칼레이팅할 수 있는 다공성 물질을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 애노드 영역(110)은 초기에 산화 가능한 금속(예: 리튬) 없이 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 블록(220)에서, 애노드 영역(110) 상에 세퍼레이터(120)가 형성된다. 세퍼레이터(120)는 애노드 영역(110)을 전기적으로 절연하면서 리튬 이온이 애노드 영역(110)을 출입하는 것을 허용한다.
도 2를 참조하면, 블록(230)에서, 캐소드 영역(130)은 세퍼레이터(120) 상에 형성된다. 캐소드 영역(130)은 캐소드 집전체(135) 및 캐소드 영역 전해질(예: 캐소드액)을 포함할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 캐소드 영역(130)은 캐소드 활성 물질, 전기 전도성 물질(예: 탄소 섬유, 흑연 및/또는 카본 블랙) 또는 다공성 기재(예: Ni 폼, 다공성 C, SiC 섬유 등), 가스 확산 층, 가스 유동필드(gas flowfield) 및 임의의 부가적인 성분을 추가로 포함할 수 있다. 다른 실시 양태에서, 양극 영역(110), 세퍼레이터(120) 및 음극 영역(130)은 단일 단계로 함께 적층될 수 있다.
도 2를 참조하면, 블록(240)에서, 제1 전해액(예: 제1 캐소드액)을 캐소드 영역(130)에 첨가한다. 일부 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 유기 전해질(예: 사이클릭 카보네이트, 선형 카보네이트, 에테르, 디메틸 에테르(DME), 디메틸 설폭사이드(DMSO), 푸란, 니트릴 및 이들의 조합), 리튬 염(예: 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 퍼클로레이트(LiC1O4), 탄산리튬(Li2CO3) 및 이들의 조합), 및/ 또는 리튬 반응 생성물(예: 과산화리튬(Li2O2), 산화리튬(Li2O), 탄산리튬(Li2CO3) 및 이들의 조합)을 포함할 수 있다. 특정 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 충전 산화환원 커플(charging redox couple)(예: 메탈로센(예: 페로센, n-부틸 페로센, N,N-디메틸페로센), 할로겐(예: I-/I3-), 방향족 분자(예: 테트라메틸페닐렌디아민))을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 용융 전해질(예: 질산염 또는 질산염-질산염 공융 혼합물), 리튬 염(예: 염화리튬(LiCl)) 및/또는 리튬 반응 생성물(예: 과산화리튬(Li2O2), 산화리튬(Li2O), 탄산리튬(Li2CO3) 및 이들의 조합)을 포함할 수 있다. 특정 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 충전 산화환원 커플(예: 메탈로센(예: 페로센, n-부틸 페로센, N,N-디메틸페로센), 할로겐(예: I-/I3-), 방향족 분자(예: 테트라메틸페닐렌디아민))을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 수성 전해질, 리튬 염(예: LiOH, LiCl 및 이들의 조합) 및 리튬 반응 생성물(예: 과산화리튬(Li2O2), 산화리튬(Li2O), 탄산리튬(Li2CO3) 및 이들의 조합)을 포함할 수 있다. 특정 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 충전 산화환원 커플(예: 메탈로센(예: 페로센, n-부틸 페로센, N,N-디메틸페로센), 할로겐(예: I-/I3-), 방향족 분자(예: 테트라메틸페닐렌디아민))을 추가로 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 블록(250)에서, 전지 셀(102)에 충전 전류를 인가하여 캐소드 영역 전해질(예: 캐소드액)에 용해된 리튬 이온을 세퍼레이터(120)를 통해 애노드 영역(110)으로 이동시켜 리튬으로 환원시킨다. 충전 전류 및 충전 전류의 인가 지속 시간, 및 캐소드 영역(130)에 공급된 리튬 함유 제1 캐소드액의 양은, 애노드 영역(110)에서 증착되는 리튬의 두께를 제어한다. 리튬 반응 생성물(즉, 리튬 공급원)이 불용성이거나 난용성인 경우, 리튬 반응 생성물의 산화환원 전위의 산화환원 전압 이상의 산화환원 전압을 갖는 산화환원 첨가제가 리튬 반응 생성물의 산화를 촉진하기 위해 첨가될 수 있다. 일부 실시 양태에서, 증착된 리튬의 두께는 적어도 약 5 미크론 및/또는 약 100 미크론 미만이다. 일부 실시 양태에서, 전지 셀 내의 리튬 금속의 양은 리튬 반응 생성물을 저장하기 위한 캐소드 영역의 용량의 약 100% 내지 약 125%인 용량을 갖는다.
일부 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 충전 전류 인가 동안 캐소드 영역(130)에 연속적으로 제공된다. 일부 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 제1 리튬 염(예: 리튬 비스-트리플루오로메탄설폰이미드(LiTFSI), 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4))를 포함한다. 일부 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 충전 전류 인가 후에 제거되고(예: 진공 건조됨), 제2 캐소드액으로 대체된다. 일부 실시 양태에서, 제2 캐소드액은 유기 전해질(예: 사이클릭 카보네이트, 선형 카보네이트, 에테르, 디메틸에테르(DME), 디메틸 설폭사이드(DMSO), 푸란, 니트릴 및 이들의 조합), 리튬 염(예: 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 퍼클레이트(LiC1O4), 탄산리튬(Li2CO3) 및 이들의 조합), 및/또는 리튬 반응 생성물(예: 과산화리튬(Li2O2), 산화리튬(Li2O), 탄산리튬(Li2CO3) 및 이들의 조합)을 포함할 수 있다. 특정 실시 양태에서, 제2 캐소드액은 충전 산화환원 커플(예: 메탈로센(예: 페로센, n-부틸 페로센, N,N-디메틸페로센), 할로겐(예: I-/I3-), 방향족 분자(예: 테트라메틸페닐렌디아민))을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 제2 캐소드액은 용융 전해질(예: 질산염 또는 질산염-질산염 공융 혼합물), 리튬 염(예: 염화리튬(LiCl)) 및/또는 리튬 반응 생성물(예: 과산화리튬(Li2O2), 산화리튬(Li2O), 탄산리튬(Li2CO3) 및 이들의 조합)을 포함할 수 있다. 특정 실시 양태에서, 제2 캐소드액은 추가로 충전 산화환원 커플(예: 메탈로센(예: 페로센, n-부틸 페로센, N,N-디메틸페로센), 할로겐(예: I-/I3-), 방향족 분자(예: 테트라메틸페닐렌디아민))을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 제2 캐소드액은 수성 전해질, 리튬 염(예: LiOH, LiCl 및 이들의 조합) 및 리튬 반응 생성물(예: 과산화리튬(Li2O2), 산화리튬(Li2O), 탄산리튬(Li2CO3) 및 이들의 조합)을 포함할 수 있다. 특정 실시 양태에서, 제2 캐소드액은 충전 산화환원 커플(예: 메탈로센(예: 페로센, n-부틸 페로센, N,N-디메틸페로센), 할로겐(예: I-/I3-), 방향족 분자(예: 테트라메틸페닐렌디아민))을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 제2 캐소드액과 상이하다. 다른 실시 양태에서, 제1 캐소드액은 제2 캐소드액과 동일할 수 있다. 일부 실시 양태서, 제2 캐소드액은 제2 리튬 염(예: 리튬 비스-트리플루오로메탄설폰이미드(LiTFSI), 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4))를 포함한다. 특정 실시 양태에서, 제1 리튬 염은 제2 리튬 염과 상이하다.
도 3은 전지 셀을 제조하는 방법(300)의 흐름도이다. 일부 실시 양태에서, 방법(300)은 전지 셀(102)을 제조하는데 사용될 수 있다. 도 3을 참조하면, 블록(310)에서, 애노드 집전체(105)(예: 금속 호일) 및 애노드 영역 전해질(예: 애노드액)을 포함하는 애노드 영역(110)이 형성된다. 일부 실시 양태에서, 애노드 영역(110)은 리튬을 인터칼레이팅할 수 있는 물질을 추가로 포함할 수 있다. 블록(320)에서, 세퍼레이터(120)는 애노드 영역(110)과 적층된다. 세퍼레이터(120)는 애노드 영역(110)을 전기적으로 절연하면서 리튬 이온이 애노드 영역(110)으로 출입하는 것을 허용한다. 블록(330)에서, 캐소드 영역(130)이 세퍼레이터(120)와 적층된다. 캐소드 영역(130)은 캐소드 집전체(135)를 포함할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 캐소드 영역(130)은 캐소드 활성 물질, 인터칼레이션(intercalation) 물질, 가스 확산 층, 가스 유동필드 및 임의의 부가적인 성분을 추가로 포함할 수 있다. 블록(340)에서, 리튬 반응 생성물(예: 과산화리튬(Li2O2), 산화리튬(Li2O), 염화리튬(LiCl), 브롬화리튬(LiBr), 탄산리튬(Li2CO3), 수산화리튬(LiOH 또는 LiOH·H2O)), 전기화학적 활성 물질(예: 리튬-삽입 물질) 및 캐소드 영역 전해질(예: 캐소드액)이 캐소드 영역(130)에 첨가된다. 일부 실시 양태에서, 리튬 반응 생성물은 고체 형태이다. 일부 실시 양태에서, 캐소드액은 고체 형태이다. 일부 실시 양태에서, 리튬 반응 생성물 및 캐소드액은 둘 다 고체 형태이다. 블록(350)에서, 충전 전류가 전지 셀(102)에 인가되어 리튬 반응 생성물이 해리되어 리튬 이온이 세퍼레이터(120)를 통해 애노드 영역(110)으로 이동되어 리튬으로 환원된다. 충전 전류 및 충전 전류 인가 지속 시간, 및 캐소드 영역(130)에 공급된 리튬 함유 제1 캐소드액의 양은 애노드 영역(110)에서 증착된 리튬의 두께를 제어한다. 일부 실시 양태에서, 증착된 리튬의 두께는 적어도 약 5 미크론 및/또는 약 100 미크론 미만이다. 블록(360)에서, 리튬 반응 생성물의 리튬의 환원에 의해 형성된 부산물(예: 산소(O2), 염소(Cl2), 브롬(Br2))은 충전 전류 인가 동안 및/또는 충전 전류 인가 후 전지 셀(102)로부터 제거될 수 있다. 특정 실시 양태에서, 부산물은 배출구 및/또는 밸브를 통해 제거될 수 있다. 특정 실시 양태에서, 부산물은 밀봉된 전지 셀(102)을 개방하고, 부산물을 제거하고, 전지 셀(102)을 재밀봉함으로써 제거될 수 있다.
일부 실시 양태에서, 도 2의 방법은 도 3의 방법과 조합하여 사용될 수 있다. 특정 실시 양태에서, 도 2 및 도 3의 방법을 순차적으로 사용할 수 있다.
상술한 실시 양태들을 예시로서 나타내었으며, 이들 실시 양태는 다양한 변경 및 대안적인 형태가 가능할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 청구범위는 개시된 특정 형태로 한정되는 것이 아니라 오히려 본 발명의 사상 및 범위에 속하는 모든 변경, 등가물 및 대안을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
Claims (34)
- 전지 셀(battery cell)의 형성 방법으로서,
a) 집전체를 포함하는 애노드 영역을 형성하는 단계;
b) 이온 전도성 세퍼레이터를 형성하는 단계;
c) 집전체 및 전기 화학적 활성 물질을 포함하는 캐소드 영역을 형성하는 단계;
d) 제1 리튬 반응 생성물을 포함하는 제1 전해액(first liquid electrolyte)을 상기 캐소드 영역 내로 유동시키는 단계; 및
e) 셀에 충전 전류(charging current)를 인가하는 단계를 포함하고,
상기 제1 전해액은 상기 충전 전류가 인가되는 동안 상기 캐소드 영역 내로 연속적으로 유동하는, 전지 셀의 형성 방법. - 제1항에 있어서, 상기 애노드 영역은 애노드액(anolyte)을 추가로 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 제1 리튬 반응 생성물은 염화리튬(LiCl), 브롬화리튬(LiBr), 수산화리튬(LiOH) 또는 수산화리튬 일수화물(LiOH·H2O), 과산화리튬(Li2O2) 또는 산화리튬(Li2O)를 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 리튬 반응 생성물의 농도는 상기 충전 전류의 인가 동안 실질적으로 일정하게 유지되는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전해액은 유기 전해질, 용융 전해질 및 수성 전해질로 이루어진 목록으로부터 선택된 물질을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제1 전해액은 유기 용매, 리튬 염 및 리튬 반응 생성물을 추가로 포함하는 유기 전해질을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제1 전해액은 질산염 또는 질산염-질산염 공융 혼합물, 리튬 염 및 리튬 반응 생성물을 추가로 포함하는 용융 전해질을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제1 전해액은 물 또는 알코올, 리튬 염 및 리튬 반응 생성물을 추가로 포함하는 수성 전해질을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제1 전해액은 충전 산화환원 커플(charging redox couple)을 추가로 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전해액을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제1 전해액은 진공 건조에 의해 제거되는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 캐소드 영역에 제2 전해질을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 제2 전해질은 상기 제1 전해액을 제거한 후에 첨가되는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 제2 전해질은 유기 전해질, 용융 전해질 및 수성 전해질로 이루어진 목록으로부터 선택된 물질을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 제2 전해질은 유기 용매, 리튬 염 및 리튬 반응 생성물을 추가로 포함하는 유기 전해질을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 제2 전해질은 질산염 또는 질산염-질산염 공융 혼합물, 리튬 염 및 리튬 반응 생성물을 추가로 포함하는 용융 전해질을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 제2 전해질은 물 또는 알코올, 리튬 염 및 리튬 반응 생성물을 추가로 포함하는 수성 전해질을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 제2 전해질은 충전 산화환원 커플을 추가로 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 애노드 영역은 리튬 인터칼레이션(intercalation) 물질을 추가로 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 애노드 영역은 초기에 산화 가능한 금속 없이 형성되는, 전지 셀의 형성 방법.
- 전지 셀의 형성 방법으로서,
a) 집전체, 리튬 인터칼레이션 물질 및 애노드액을 포함하는 애노드 영역을 형성하는 단계;
b) 이온 전도성 세퍼레이터를 형성하는 단계;
c) 집전체 및 전기 화학적 활성 물질을 포함하는 캐소드 영역을 형성하는 단계;
d) 상기 캐소드 영역에 제1 리튬 반응 생성물 및 제1 전해질을 첨가하는 단계;
e) 상기 캐소드와 애노드 사이에 충전 전류를 인가하는 단계; 및
f) 상기 전지 셀로부터 환원 부산물을 제거하는 단계를 포함하고,
상기 제1 리튬 반응 생성물 및 제1 전해질은 상기 충전 전류가 인가되는 동안 상기 캐소드 영역 내로 연속적으로 유동하는, 전지 셀의 형성 방법. - 제22항에 있어서, 상기 제1 리튬 반응 생성물은 과산화리튬(Li2O2), 산화리튬(Li2O), 브롬화리튬(LiBr) 또는 염화리튬(LiCl)을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 캐소드 영역에 제2 전해질을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 제2 전해질은 고체 전해질을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 제2 전해질은 중합체 전해질을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 제1 리튬 반응 생성물 및 상기 제1 전해질을 상기 캐소드 영역에 첨가한 후에 상기 전지 셀을 밀봉하는 단계를 추가로 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제27항에 있어서, 상기 환원 부산물을 제거하기 전에 상기 전지 셀을 개봉(unsealing)하는 단계를 추가로 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제28항에 있어서, 상기 전지 셀을 개봉하는 단계는 밸브를 개방하는 것을 포함하는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 애노드 영역이 초기에 산화 가능한 금속 없이 형성되는, 전지 셀의 형성 방법.
- 제1항의 방법에 의해 형성된 전지 셀로서,
상기 전지 셀 내의 리튬 금속의 양은 리튬 반응 생성물을 저장하기 위한 캐소드 영역의 용량의 100% 내지 125%인, 전지 셀. - 제31항에 있어서, 애노드 영역의 리튬 금속의 두께는 5 미크론 내지 100 미크론인, 전지 셀.
- 제22항의 방법에 의해 형성된 전지 셀로서,
상기 전지 셀 내의 리튬 금속의 양은 리튬 반응 생성물을 저장하기 위한 캐소드 영역의 용량의 100% 내지 125%인, 전지 셀. - 제33항에 있어서, 애노드 영역의 리튬 금속의 두께는 5 미크론 내지 100 미크론인, 전지 셀.
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