KR102230229B1 - 전기화학 시스템들용 신규 세퍼레이터들 - Google Patents

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Abstract

전기화학 스토리지 및 변환을 포함하는 다양한 애플리케이션들에 대해 유용한 전자적, 기계적 및 화학적 특성들을 제공하는 전기화학 시스템들용 세퍼레이터 시스템들이 제공된다. 실시예들은 수지상결정 형성을 관리하고 제어하며, 실리콘 애노드계 배터리들, 공기 캐소드계 배터리들, 레독스 플로우 배터리들, 고체 전해질계 시스템들, 여료 전지들, 플로우 배터리들 및 반고체 배터리들을 포함하는 전기화학 전지들의 사이클 수명 및 레이트 능력을 개선시키는데 유용한 구조적, 물리적 및 정전기적 속성들을 제공한다. 개시된 세퍼레이터는 우수한 이온 이송 특성들을 지원하고, 수지상결정 개시 기계적 고장, 단락 또는 열폭주를 방지하기 위한 배터리를 제공하거나, 개선된 전극 전도율 및 개선된 전계 균일성을 제공하는 다층의 다공성 기하학적 구조들을 포함한다. 개시된 세퍼레이터들은 핀홀들 또는 동작적으로 발생되는 크랙들을 만들지 않고 얇은 고체 전해질들에 대해 요구되는 지지하는 메쉬 또는 섬유 단단함 및 긴 수명으로 고체 전해질 경도 및 안전성을 제공하는 지지하는 메쉬 또는 섬유 시스템들을 갖는 복합 고체 전해질들을 포함한다.

Description

전기화학 시스템들용 신규 세퍼레이터들{NOVEL SEPARATORS FOR ELECTROCHEMICAL SYSTEMS}
관련 출원에 대한 상호 참조
[0001] 본 출원은 2011년 7월 11일 출원된 미국 가출원 제61/506,489호 및 2012년 4월 10일 출원된 미국 가출원 61/622,371호의 이익 및 그에 대한 우선권을 주장하는 2012년 7월 10일 출원된 정식 특허 출원 제13/545,683호, 및 2011년 7월 11일 출원된 미국 가출원 제61/506,489호 및 2012년 4월 10일 출원된 미국 가출원 61/622,371호의 이익 및 그에 대한 우선권을 주장하는 PCT 국제 출원 PCT/US12/46067의 이익 및 그에 대한 우선권을 주장하고; 본 출원은 또한 2012년 4월 10일 출원된 미국 가출원 제61/622,371호, 2012년 7월 30일 출원된 미국 가출원 제61/677,306호, 및 2012년 8월 3일 출원된 미국 가출원 제61/679,584호의 이익 및 그에 대한 우선권을 주장하고, 이들 모두는 본 설명과 모순되지 않는 범위까지 그 전체가 참조로 여기에 통합된다.
[0002] 최근 몇십 년 동안, 휴대용 전자 디바이스들, 항공기 및 우주선 기술들, 승용차들 및 생체의학 기구를 포함하는 다양한 분야들에서 시스템들의 능력을 확장시키는 전기화학 스토리지 및 변환 디바이스에서 혁신적인 진보가 이루어졌다. 현재 최신의 전기화학 스토리지 및 변환 디바이스들은 애플리케이션 요건들 및 동작 환경들의 다양한 범위와의 호환성을 제공하기 위해 구체적으로 엔지니어링된 설계들 및 성능 속성들을 갖는다. 예를 들어, 진보된 전기화학 스토리지 스토리지 시스템들은 주입된 의료 디바이스들에 대한 매우 낮은 자기 방전률들 및 높은 방전 신뢰도를 나타내는 고에너지 밀도 배터리들로부터 단기간에 걸쳐 매우 높은 방전률들을 제공할 수 있는 군사 및 항공우주 애플리케이션들용 고용량 배터리들에 대한 광범위한 휴대용 전자 디바이스들에 대한 긴 런타임을 제공하는 저가의 경량 재충전가능 배터리들까지의 범위에 걸쳐 발전하였다.
[0003] 이러한 다양한 진보된 전기화학 스토리지 및 변환 시스템들의 개발 및 광범위한 채택에도 불구하고, 이들 기능을 확장시켜 더 넓은 범위의 디바이스 애플리케이션을 가능하게 하기 위한 연구를 촉진시키는 현저한 압력이 계속되고 있다. 예를 들어, 고전력 휴대 전자 제품들에 대한 요구의 큰 성장이 더 높은 에너지 밀도들을 제공하는 안전한 경량의 1차 및 2차 배터리들을 개발하는데 있어서 거대한 관심을 생성하였다. 또한, 소비자 전자제품 및 기구의 분야에서의 소형화에 대한 요구는 고성능 배터리들의 사이즈, 중량 및 폼 팩터들을 축소시키는 신규한 설계 및 재료 전략들에 대한 연구를 계속 촉진하고 있다. 또한, 전기 자동차 및 항공우주 엔지니어링 분야에서의 지속된 개발은 유용한 범위의 동작 환경에서 양호한 디바이스 성능을 가질 수 있는 기계적 강건성, 고신뢰성, 고에너지 밀도 및 고전력 밀도 배터리들에 대한 필요성을 또한 생성하였다.
[0004] 전기화학 스토리지 및 변환 기술에서의 다수의 최근의 진보들은 배터리 컴포넌트들에 대한 신규한 재료의 발견 및 통합에 직접적으로 기여한다. 예를 들어, 리튬 배터리 기술은 적어도 부분적으로는, 이들 시스템들에 대한 신규한 전극 및 전해질 재료들의 발견으로 인해 계속 빠르게 개발되고 있다. 원소 리튬은 전기화학 전지의 사용을 매력적이게 만드는 특성들의 고유 조합을 갖는다. 먼저, 리튬은 6.94 AMU의 원자 질량을 갖는 주기율표에서의 가장 경량의 재료이다. 둘째로, 리튬은 매우 낮은 전기화학 산화/환원 전위(즉, -3.045V 대 NHE(표준 수소 기준 전극))를 갖는다. 이러한 특성들의 고유 조합은 리튬계 전기화학 전지들이 매우 높은 비용량들을 갖게 할 수 있다. 최신 리튬 이온 2차 전지들은 우수한 충-방전 특성들을 제공하여서, 셀룰러 전화들 및 휴대용 컴퓨터들과 같은 휴대용 전자 디바이스들에서의 전원으로서 또한 널리 채택되고 있다. 그 전체가 참조로 여기에 통합되는, 미국 특허 제6,852,446호, 제6,306,540호, 제6,489,055호 및 Gholam-abbas Nazri and Gianfranceo Pistoia, Kluer academic Publishers, 2004에 의해 편집된 "Lithium Batteries Science and Technology"는 리튬 및 리튬 이온 배터리 시스템들에 관한 것이다.
[0005] 전극 재료들, 전해질 조성들 및 디바이스 기하학적 구조들에서의 진보는 Li계 전기화학 시스템들의 추가 발전을 계속 지원한다. 예를 들어, 2012년 3월 29일 공개된 미국 특허 출원 공개 번호 US2012/0077095 및 2012년 3월 15일 공개된 국제 특허 출원 공개 번호 WO2012/034042는 리튬 배터리들을 포함하는 전기화학 시스템들에 대한 3차원 전극 어레이 구조들을 개시한다.
[0006] 실질적인 진보들에도 불구하고, Li계 전기화학 시스템들의 계속된 개발과 관련하여 실질적인 도전과제들이 남아 있다. 예를 들어, 중요한 문제는 1차 및 2차 리튬 및 리튬 이온 배터리들에서 수지상결정(dendrite) 형성에 관한 것이다. 다수의 전해질들에서 Li 증착은 매우 수지상결정성이고, 이것은 이들 시스템들이 단락, 기계적 고장 및 열폭주(thermAl runaway)에 영향을 받기 쉽게 만드는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 수지상결정 형성에 관한 안전 문제들은 현재, 재충전가능한 시스템들에서 금속 Li 애노드들의 구현을 위한 배리어이다. 비리튬 애노드들 및 수지상결정 형성과 연관된 문제점들을 실시간으로 모니터링할 수 있는 내부 안전 시스템들의 개발을 포함하는, 수지상결정 형성에 관련하여, 특히, 2차 배터리들의 컨텍스트에서 안전을 다루는 다수의 전략들이 추구되었다.
[0007] 상술한 바로부터 일반적으로 인식되는 바와 같이, 다양한 애플리케이션들에 유용한 전기화학 특성들을 나타내는 리튬계 또는 알칼리계 배터리들, 플로우 배터리들, 슈퍼커패시터들 및 연료 전지들과 같은 전기화학 시스템들에 대한 필요성이 현재 존재한다. 구체적으로는, 1차 및 2차 리튬계 배터리들 양자 모두에 대한 양호한 전기화학 성능 및 높은 다양성을 가질 수 있는 리튬 전기화학 시스템들이 필요하다.
[0008] 일 양태에서, 본 발명은 다양한 전기화학 스토리지 및 변환 애플리케이션들에 대해 유용한 전자적, 기계적 및 화학적 특성들을 제공하는 전기화학 시스템들용 세퍼레이터 시스템들을 제공한다. 일부 실시예들의 세퍼레이터 시스템들은 예를 들어, 전기화학 전지들에서의 돌발 고장을 방지하는데 유용하고 사이클 수명 및 에너지 및 전력과 같은 성능을 증가시키는데 유용한 구조적, 물리적 및 정전기적 속성들을 제공한다. 하나의 일련의 예들이 리튬계, 알칼리계, 아연계 및 납계 배터리들과 같은 금속계 배터리들에서의 수지상결정 형성을 관리하고 제어하는 세퍼레이터들이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명의 세퍼레이터 시스템들은 우수한 이온 이송 특성들을 지원하면서 동시에, 수지상결정 개시 기계적 고장, 전자 내부 단락 및/또는 열폭주를 방지하는데 효과적인 배리어를 제공하는 다층 다공성 기하학적 구조를 갖는다. 다른 일련의 예들은 여러 다공성/천공 층들 및 불침투성이며 이온 선택 전도성 멤브레인으로 이루어진 다층 세퍼레이터들이고, 여기서, 다공성 층들은 수지상결정 단락 고장 및/또는 열폭주와 같은 내부 단락 고장을 방지하는데 유효한 배리어를 제공하고, 멤브레인 층은 애노드 다음의 전해질을 캐소드 다음의 전해질로부터 분리하는데 유효한 배리어를 제공하고, 이것은 전극들 및 전극들의 표면 및 전극들의 전해질 중 하나의 오염을 방지할 수 있어서, 에너지, 전력 및 라이프 사이클과 같은 전지의 성능을 증가시킬 수 있고, 이것은 금속 공기 및 플로우 배터리들 및 반고체 배터리들에서 특히 유용하고, 일부 예들이 리튬 공기, 리튬 물 및 아연-공기 전지들이다.
[0009] 일 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 제 1 기계적 고강도 층 - 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처(aperture)들을 가짐 -; 및 (ⅱ) 제 2 기계적 고강도 층 - 제 2 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 2 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 2 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐-; 을 포함하고, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치되는, 전기화학 시스템용 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층은 서로 물리적으로 직접 접촉하지 않는다. 이러한 양태의 일 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩은 10% 또는 그 미만이다. 일 실시예에서, 본 발명의 세퍼레이터 시스템은 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층 또는 양자 모두의 사이에 제공되고, 옵션으로는, 그와 접촉하는 하나 또는 그 초과의 전해질을 더 포함하고, 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들은 이온 전도성이고, 옵션으로는, 전기화학 시스템의 전해질의 이송을 허용한다.
[0010] 일 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 제 1 기계적 고강도 층 - 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 -; (ⅱ) 제 2 기계적 고강도 층 - 제 2 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 2 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 2 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐 -; 및 (ⅲ) 제 3 기계적 고강도 층 - 제 3 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 3 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴과 동일한 애퍼처들의 공간 배열을 갖는 제 3 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 -; 을 포함하고, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 및 제 3 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 및 제 3 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 및 제 3 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치되는, 전기화학 시스템용 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 이러한 양태의 일 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩은 10% 또는 그 미만이다. 본 설명 전반적으로 사용되는 바와 같이, "동일한 애퍼처들의 공간 배열"은 2개 또는 그 초과의 기계적 고강도 층들의 애퍼처들의 위치들을 칭하여서, 이들은 기계적 고강도 층들 사이에서 수직으로 연장하는 축들을 따라 정렬된다. 일 실시예에서, 예를 들어, "동일한 애퍼처들의 공간 배열"은 2개 또는 그 초과의 기계적 고강도 층들의 애퍼처들의 위치들을 칭하여서, 이들은 기계적 고강도 층들 사이에서 수직으로 연장하는 축들을 따라 90% 또는 그 초과 만큼 오버랩한다.
[0011] 일 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 제 1 기계적 고강도 층 - 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 -; (ⅱ) 제 2 기계적 고강도 층 - 제 2 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 2 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 2 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐 -; (ⅲ) 제 3 기계적 고강도 층 - 제 3 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 3 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴과 동일한 애퍼처들의 공간 배열을 갖는 제 3 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 -; 및 (ⅳ) 제 4 기계적 고강도 층 - 제 4 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 4 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 2 패턴과 동일한 애퍼처들의 공간 배열을 갖는 제 4 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 -; 을 포함하고, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치되는, 전기화학 시스템용 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 이러한 양태의 일 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩은 10% 또는 그 미만이다.
[0012] 일 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 제 1 기계적 고강도 층 - 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 -; (ⅱ) 제 2 기계적 고강도 층 - 제 2 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 2 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 2 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 40% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐-; 및 (ⅲ) 제 3 기계적 고강도 층 - 제 3 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 3 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 3 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 3 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층 또는 제 2 기계적 고강도 층으로부터 제 3 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 및 제 3 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴 및 제 2 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐-; 을 포함하고, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 및 제 3 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 및 제 3 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 및 제 3 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치되는, 전기화학 시스템용 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 본 양태의 일 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩은 20% 또는 그 미만이고, 제 1 기계적 고강도 층 또는 제 2 기계적 고강도 층으로부터 제 3 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 및 제 3 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩은 10% 또는 그 미만이다.
[0013] 일 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 제 1 기계적 고강도 층 - 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 -; (ⅱ) 제 2 기계적 고강도 층 - 제 2 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 2 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 2 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 50% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐 -; (ⅲ) 제 3 기계적 고강도 층 - 제 3 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 3 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 3 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 3 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층 또는 제 2 기계적 고강도 층으로부터 제 3 고강도 기계적으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 및 제 3 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 30% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴 및 제 2 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐 -; 및 (ⅳ) 제 4 기계적 고강도 층 - 제 4 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 4 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 4 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 4 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층 또는 제 2 기계적 고강도 층으로부터 제 4 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 제 3 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 및 제 4 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴, 제 2 패턴, 및 제 3 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐 -; 을 포함하고, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치되는, 전기화학 시스템용 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 본 양태의 일 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩은 30% 또는 그 미만이고, 제 1 패턴 및 제 2 패턴에 대한 오프셋 정렬은, 제 1 기계적 고강도 층 또는 제 2 기계적 고강도 층으로부터 제 3 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 및 제 3 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게 하고, 제 1 패턴, 제 2 패턴, 및 제 3 패턴에 대한 오프셋 정렬은, 제 1 기계적 고강도 층 또는 제 2 기계적 고강도 층으로부터 제 3 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 제 3 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 및 제 4 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 10% 또는 그 미만이 되게 한다.
[0014] 일부 실시예들에서, 예를 들어, 제 2 기계적 고강도 층은 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공된다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층은 제 2 기계적 고강도 층과 제 4 기계적 고강도 층 사이에 제공되거나, 제 3 기계적 고강도 층은 제 2 기계적 고강도 층과 제 4 기계적 고강도 층 사이에 제공된다. 일 실시예에서, 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들은 물리적 접촉하여 제공되지 않거나, 제 1, 제 2 및 제 3 기계적 고강도 층들은 물리적 접촉하여 제공되지 않거나, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 기계적 고강도 층들은 물리적 접촉하여 제공되지 않는다.
[0015] 본 양태의 일부 세퍼레이터들은, 예를 들어, 전기화학 시스템에서 수지상결정 형성을 관리하는 다층 구조를 제공하고, 다중 세퍼레이터 층들(예를 들어, 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 등의 기계적 고강도 층들)은 양극과 음극 사이의 수지상결정 성장이 동적으로 및/또는 열역학적으로 바람직하지 않은 방식으로 양극과 음극 사이에서 이온 도전성을 확립하는 마이크로 또는 나노 채널들과 같은 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는다. 본 양태의 일부 세퍼레이터들은 예를 들어, 다층 구조를 제공함으로써 양 전극과 음 전극 사이의 수지상결정 성장에 대한 직접 선형 통로를 방지하는 다층 기하학적 구조 및 물리적 특성들을 갖는 배리어를 제공하고, 양 전극과 음 전극 사이의 이온 이송을 위한 통로(들)만이 수지상결정 성장에 대해 동적으로 및/또는 열역학적으로 바람직하지 않은 곡선 궤적을 요구한다. 어떠한 이론에 의해 한정되지 않고, 수지상결정들상의 고강도 층들로부터 힘은 수지상결정 성장을 늦추거나 중지시킨다. 전기화학 전지 실시예들에서, 이것은 전지의 성능을 현저하게 개선시킨다. 일 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 고강도 기계적 및/또는 제 4 기계적 고강도 층은 평면이고 예를 들어, 실질적으로 서로에 대해 병렬 배향으로 제공되고, 제 1, 제 2, 제 3 및/또는 제 4 기계적 고강도 층들의 평면 표면들은 병렬 평면들로 제공된다. 일 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 고강도 기계적 및/또는 제 4 기계적 고강도 층은 중공 원통형 구조들이고, 예를 들어, 실질적으로 동심 배향으로 제공되고, 원통형 제 1 층 및 제 2 층의 곡면들은 동심 배향으로 제공된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 동심 배향으로부터 수직으로 연장하는 축들은 중심축에 수직하고 중심축으로부터 방사상으로 연장된다.
[0016] 본 발명의 일부 세퍼레이터 시스템들의 다층 기하학적 구조는 제 1 층으로부터 제 2 층으로 수직으로 연장하는 제 1 패턴의 애퍼처들과 제 2 패턴의 애퍼처들의 선택된 오버랩을 제공하는 오프셋 정렬을 제공한다. 본 발명의 이러한 양태는 유용한 이온 이송 특성들에 액세스하면서 동시에 전기화학 전지의 양 전극과 음 전극 사이에서 수지상결정 형성을 방지하는데 유용하다. 일부 실시예에서, 용어 "오프셋"은, 세퍼레이터의 하나의 기계적 고강도 층의 애퍼처들이 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들과 같은, 하나의 층으로부터 다른 층으로 연장하는 축들을 따른 다른 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 위치들에 대해 오프셋된다는 것을 칭한다. 일부 실시예들에서, 용어 "오프셋"은 기계적 고강도 층들에서 애퍼처들의 패턴들의 상대적 구성을 칭하고, 제 1 기계적 고강도 층의 제 1 패턴의 애퍼처들은 제 2 기계적 고강도 층의 제 2 패턴의 애퍼처들의 위치들에 대해 오프셋되어서, 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들은 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들상에서 전체적으로 중첩가능하지 않다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들은, 나노 및/또는 마이크로 다공성이며, 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들이 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들상에서 전혀 중첩가능하지 않게 정렬된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴, 제 2 패턴, 제 3 패턴, 및 제 4 패턴 중 2개 또는 그 초과의 애퍼처들의 오버랩은 10% 또는 그 미만이고, 옵션으로는, 일부 애플리케이션들에 대해서는, 1% 또는 그 미만이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴, 제 2 패턴, 제 3 패턴, 및 제 4 패턴 중 2개 또는 그 초과의 애퍼처들의 오버랩은 0 내지 5%의 범위로부터 선택되고, 옵션으로는, 일부 애플리케이션들에 대해서는, 0 내지 1%의 범위로부터 선택된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴, 제 2 패턴, 제 3 패턴, 및 제 4 패턴 중 2개 또는 그 초과의 애퍼처들의 오버랩들은 0이고, 예를 들어, 양호한 정밀도로 0이다. 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴, 제 2 패턴, 및 제 3 패턴의 애퍼처들의 오버랩은 10% 또는 그 미만이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴, 제 2 패턴, 및 제 3 패턴의 애퍼처들의 오버랩은 0 내지 5%의 범위로부터 선택된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴, 제 2 패턴, 제 3 패턴, 및 제 4 패턴의 애퍼처들의 오버랩은 10% 또는 그 미만이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴, 제 2 패턴, 제 3 패턴, 및 제 4 패턴의 애퍼처들의 오버랩은 0 내지 5%의 범위로부터 선택된다.
[0017] 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 패턴, 제 2 패턴, 제 3 패턴, 및 제 4 패턴 중 2개 또는 그 초과는 실질적으로 상보적 패턴들을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 실질적으로 상보적 패턴들은 서로의 실질적인 네거티브 이미지들에 대응한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상보적 패턴들은 기계적 고강도 층의 하나의 패턴의 애퍼처들 및 하나 또는 그 초과의 다른 패턴 또는 하나 또는 그 초과의 다른 기계적 고강도 층들의 애퍼처들의 위치들이 전기화학 전지의 양 전극과 음 전극 사이의 수지상결정 성장을 방지하기 위해 선택되는 구성을 칭한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 및 제 2 패턴들의 실질적 상보적 패턴들은 예를 들어, 서로의 네거티브 이미지들이고, 제 1 패턴의 애퍼처들의 위치들은 애퍼처를 갖지 않는 제 2 층의 영역들에 대응한다. 본 발명의 상보적 패턴의 일례로서, 제 1 층은 체스 보드의 흑색 칸에 대응하는 애퍼처들의 패턴에 의해 특징화될 수 있고, 제 2 층은 체스 보드의 적색 칸에 대응하는 애퍼처들의 패턴에 의해 특징화될 수 있다. 본 발명의 상보적 패턴의 일례로서, 제 1 기계적 고강도 층은 제 1 피치 및 애퍼처 스페이싱에 의해 특징화되는 애퍼처들의 제 1 주기 패턴을 가질 수도 있고, 제 2 기계적 고강도 층은 동일한 피치 및 애퍼처 스페이싱이지만 제 1 패턴의 애퍼처들의 위치들로부터 오프셋되거나 평행이동되는 것을 특징으로 하는 애퍼처들의 제 2 주기 패턴을 가져서, 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들은 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들로부터 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들상에서 중첩가능하지 않다.
[0018] 일 실시예에서, 3개 또는 그 초과의 기계적 고강도 층들을 갖는 세퍼레이터 시스템은 상보적 패턴을 갖는 적어도 하나의 층이 동일한 패턴들을 갖는 기계적 고강도 층들 사이에 위치되는 한은, 동일한 패턴들(즉, 비상보적 패턴들)을 갖는 일부 기계적 고강도 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터 시스템은 패턴 A를 갖는 하나 또는 그 초과의 고강도 기계적 층들 및 패턴 B를 갖는 하나 또는 그 초과의 기계적 층들에 의해 특징화될 수도 있고, A 및 B는 aBa의 반복 시퀀스에 따라 배열된 상보적 패턴들이고, 4개 또는 그 초과의 고강도 기계적 층들을 포함하는 다층 시스템들에 대한 더 긴 시퀀스들, 예를 들어, ABABAB가 가능하다.
[0019] 다른 실시예에서, 3개 또는 그 초과의 기계적 고강도 층들을 갖는 세퍼레이터 시스템은 상보적 패턴들을 갖는 기계적 고강도 층들만을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 세퍼레이터 시스템은 패턴 A를 갖는 하나 또는 그 초과의 기계적 고강도 층들, 패턴 B를 갖는 하나 또는 그 초과의 기계적 층들, 및 패턴 C를 갖는 하나 또는 그 초과의 기계적 층들에 의해 특징화될 수도 있고, A, B 및 C는 다른 2개의 패턴들에 대해 각각 상보적이고, aBC의 반복 시퀀스에 따라 배열되고, 4개 또는 그 초과의 기계적 고강도 층들을 포함하는 다층 시스템들에 대한 더 긴 시퀀스들(예를 들어, ABCABC) 및 변화된 시퀀스들(예를 들어, ABCBa, ABCA)이 가능하다.
[0020] 본 발명은 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 적어도 하나의 면(side)에 제공된 하나 또는 그 초과의 저이온(low ionic) 저항층들을 더 포함하는 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 각각은 예를 들어, 전기화학 전지의 전해질에 대한 저장소를 제공하는 전해질 함유층이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 각각은 20 ohm-cm2 또는 그 미만, 일부 실시예들에 대해서는 바람직하게는, 2 ohm-cm2 또는 그 미만, 및 일부 실시예들에 대해서는 바람직하게는, 1 ohm-cm2 또는 그 미만의 이온 저항을 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나는 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 적어도 2개 사이에 제공된 전해질에 대한 공간을 제공하는 압력 버퍼이다.
[0021] 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들 및 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나는 기계적 고강도 층들 및 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나상에 증착되는 증착층이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들 및 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나는 전기화학 전지의 전해질에 존재하는 양 전극 또는 음 전극상에 직접 증착된 층과 같은, 전기화학 전지의 전극상에 증착되는 증착층이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나 및 옵션으로는, 모두는 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것의 적어도 하나의 면에 압력, 열 또는 화학적 부착(chemicAl adhering)에 의해 부착된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나 및 옵션으로는, 모두는 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것의 적어도 하나의 면에 수지 폴리머에 의해 부착된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나, 및 옵션으로는, 모두는 미소다공성(microporous) 재료, 직물 재료, 또는 부직물 재료를 포함한다.
[0022] 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나, 및 옵션으로는, 모두는 세라믹 또는 유리 전해질, 폴리머 전해질 또는 다른 고체 전해질을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 저이온 저항층들은 Nafion 또는 ZrO2 또는 NASICON 또는 LISICON 또는 LIPON과 같은 유리 전해질, 또는 PEO와 같은 폴리머 전해질을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나, 및 옵션으로는, 모두는 천공 세라믹 세퍼레이터, 다공성 세라믹 세퍼레이터, 천공 유리 세퍼레이터, 다공성 유리 세퍼레이터 또는 천공 금속 또는 천공 합금 세퍼레이터 또는 천공 고무 또는 고무 메쉬 또는 금속 메쉬 또는 합금 메쉬를 포함한다.
[0023] 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나는 전기화학 전지에서 기계적 지지 구조, 저해질 저장소 구조 및/또는 스페이서 구조를 제공하는 링 또는 프레임 구조와 같은 중심 애퍼처를 갖는 링 또는 프레임을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들은 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 적어도 하나와 접촉하는 하나 또는 그 초과의 프레임 층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층은 제 1 프레임층과 제 2 프레임층 사이에 제공되고, 제 2 기계적 고강도 층은 제 3 프레임층과 제 4 프레임층 사이에 제공되거나 제 1 기계적 고강도 층은 제 1 프레임층과 제 2 프레임층 사이에 제공되고, 제 2 기계적 고강도 층은 제 2 프레임층과 제 3 프레임층 사이에 제공된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들은 전기화학 전지의 양 전극 및/또는 음 전극과 같은, 전기화학 시스템의 전극들 중 적어도 하나와 물리적 접촉하는 하나 또는 그 초과의 프레임 층들을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들은 제 1 층과 제 2 층 사이에 제공되는 스페이서를 포함하고, 스페이서는 10nm 내지 1000㎛의 범위로부터 선택되고, 옵션으로는, 일부 애플리케이션들에 대해서는, 1㎛ 내지 1000㎛의 범위로부터 선택되는 선택 거리 만큼 제 1 층 및 제 2 층을 분리한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 양태의 스페이서는 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에서 선택된 거리를 확립하는 링, 다공성 벽 컴포넌트를 갖는 프레임 구조, 재료층, 또는 개별 재료 엘리먼트들의 배열을 포함한다.
[0024] 일 실시예에서, 예를 들어, 저이온 저항층들 각각, 및 옵션으로는, 모두는 독립적으로, 폴리머, 세라믹, 나무, 유리, 광물, 금속, 합금, 직물 재료, 부직물 재료, 셀룰로오스, 나무 섬유, 스폰지, 또는 이들의 조합이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들은 50% 또는 그 초과, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 70% 또는 그 초과, 및 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 90% 초과의 공극률을 각각 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들은 50% 내지 95%의 범위로부터 선택된 공극률, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 70% 내지 95%의 범위로부터 선택된 공극률을 각각 독립적으로 갖는다.
[0025] 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들 중 적어도 하나의 면은 습윤가능(wet-able)하고, 예를 들어, 전기화학 전지의 전해질로 습윤가능하다. 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터 구성은 기계적 고강도 층의 습윤가능한 면은 다른 기계적 고강도 층 다음에 배치되고, 습윤가능한 면과 다른 기계적 고강도 층 사이에는 저이온 저항층이 제공되지 않는 것을 특징으로 한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터 구성은 기계적 고강도 층의 습윤가능한 면은 전극 다음에 배치되고, 습윤가능한 면과 전극 사이에는 저이온 저항층이 제공되지 않는 것을 특징으로 한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터는 전기화학 시스템의 양 전극 또는 음 전극과 같은 화학 전지에서의 전극상에 코팅되거나 다른 저이온 저항층 또는 기계적 고강도 층상에 코팅된 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 또는 기계적 고강도 층들을 포함한다.
[0026] 다른 양태에서, 본 발명은 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층 또는 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 중 적어도 하나의 면에 제공된 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들을 더 포함하는 세퍼레이터를 제공한다. 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어들을 갖는 세퍼레이터들은, 양 전극 및 음 전극이 상이한 전해질들과 접촉하여 제공되어 화학적 배리어(들)가 전하 캐리어들의 이송을 허용하지만 전해질들의 이송은 방지하는 전기화학 시스템에서 유용하다. 이러한 구성들에서, 화학적 배리어들은 전극을 저하로부터 보호하고/하거나 전기화학 전지의 양 전극 및 음 전극에 대한 상이한 전해질들의 사용을 인에이블하는데 유용하다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들은 전기화학 전지의 양 전극 또는 음 전극으로의 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들을 통한 원치 않는 화학적 성분들의 이송을 독립적으로 방지한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들은 전기화학 전지의 양 전극 또는 음 전극으로의 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들을 통한 전해질 용매의 이송을 방지한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들은 전기화학 전지의 전극의 적어도 하나의 면상에 배치된 고체 전해질 또는 고체 폴리머 전해질을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들은 LISICON 또는 NASICON으로부터의 고체 전해질 또는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)를 포함하는 폴리머 전해질을 포함한다.
[0027] 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터 시스템은 음 전극 및 양 전극을 갖는 전기화학 전지의 컴포넌트이고, 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들은 이온 전도성 보호 멤브레인을 포함하고, 이온 전도성 보호 멤브레인은 양 전극과 접촉하는 제 1 전해질과 음 전극과 접촉하는 제 2 전극 사이에 배리어를 제공하고, 이온 전도성 보호 멤브레인은 음 전극과 제 1 전해질 사이의 접촉을 방지한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 음 전극은 리튬 금속 전극이고, 이온 전도성 보호 멤브레인은 리튬 이온 전하 캐리어들을 전도하며 리튬 금속 전극과 제 1 전해질 사이의 접촉을 방지한다.
[0028] 일 실시예에서, 예를 들어, 이온 전도성 보호 멤브레인은 유리질 또는 비정질 활성 금속 이온 도체들, 세라믹 활성 금속 이온 도체들, 및 유리-세라믹 활성 금속 이온 도체들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들은 보호 멤브레인의 표면과 양 전극 또는 음 전극 사이에 배치된 고체 폴리머 전해질을 더 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들, 및 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들 중 적어도 하나는 기계적 고강도 층들, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들, 및 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들 중 적어도 하나상에 증착되는 증착층이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들, 및 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들 중 적어도 하나는 전기화학 전지의 전극상에 증착되는 증착층이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터는 저이온 저항층들 중 어느 것도 갖지 않는, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층 및 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들 중 적어도 2개의 조합을 더 포함한다.
[0029] 일 양태에서, 세퍼레이터는 제 3 기계적 고강도 층 - 제 3 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 3 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 3 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 3 기계적 고강도 층은 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 위치되고, 제 3 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층 또는 제 2 기계적 고강도 층으로부터 제 3 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 패턴 또는 제 2 패턴의 애퍼처들과 제 3 패턴의 애퍼처들 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴 또는 제 2 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐 -; 을 더 포함한다. 일 양태에서, 세퍼레이터는 제 4 기계적 고강도 층 - 제 4 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 4 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 4 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 4 기계적 고강도 층은 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 위치되고, 제 4 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층 또는 제 2 기계적 고강도 층으로부터 제 4 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 패턴, 제 2 패턴 또는 제 3 패턴의 애퍼처들과 제 4 패턴의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴, 제 2 패턴 또는 제 3 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐-; 을 더 포함한다.
[0030] 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템의 층들은 특정한 애플리케이션들에 대해 유용한 기계적 특성들을 제공하기 위해 다양한 메커니즘 및 디바이스 배열들을 통해 구성되고 부착될 수도 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 저이온 저항층들, 프레임 층들, 스페이서, 화학적 배리어 층들, 또는 이들의 임의의 조합의 적어도 일부, 및 옵션으로 모두는 압력, 가열, 접착제 코팅, 화학적 접착, 플라즈마 처리 또는 이들의 임의의 조합을 통해 서로 적어도 부분적으로 부착된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 저이온 저항층들, 프레임 층들, 스페이서, 화학적 배리어 층들, 또는 이들의 임의의 조합의 적어도 일부, 및 옵션으로 모두는 글루(glue), 에폭시, 시멘트, PTFE, 고체 전해질, 겔 전해질, 폴리머 전해질, 실리콘 접착제, 아크릴 접착제, 시안아크릴레이트, 스티캐스트(stycast) 1266, 델타본드(deltabond) 151, PVDF, PVA, LIPON, LISICON, PE-PP-PVDF, 테트라메틸암모늄 하이드로옥사이드 펜타하이드레이트 ((CH3)4NOH·H2O), 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO), 에피클로로히드린 및 에틸렌 옥사이드 (P(ECH-co-EO)) 및 폴리(비닐알콜)의 코폴리머, 유리섬유 코폴리머 전해질, 아연 설파이드, 실리콘 디옥사이드, 캡톤 테이프, 폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리프로필렌 옥사이드, 또는 코폴리머, PVDF-co-HFP(Bi2O3), 불소 미함유 바인더 또는 방향족 바인더, 리튬 폴리아크릴레이트 또는 이들의 조합을 통해 서로 적어도 부분적으로 부착된다.
[0031] 일 실시예에서, 본 발명은 물 분자들, CO2, O2 또는 공기가 예를 들어, 세퍼레이터 시스템을 통해 이송되는 것을 방지하는 하나 또는 그 초과의 고체 전해질 층들을 더 포함하고, 하나 또는 그 초과의 고체 전해질 층들은 LISICON 또는 NASICON을 포함한다.
[0032] 일 양태에서, 본 발명의 세퍼레이터는 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 저이온 저항층들, 프레임 층들, 스페이서, 화학적 배리어 층들 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 일부와 옵션으로 물리적 접촉하는 전기화학 전지의 전해질과 같은 하나 또는 그 초과의 전해질을 더 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터 시스템은 양 전극 및 음 전극을 갖는 전기화학 전지의 컴포넌트이고, 세퍼레이터는 양 전극과 음 전극 사이에 제공된 전해질을 더 포함하고, 전해질은 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것에 접촉한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터 시스템은 양 전극 및 음 전극을 갖는 전기화학 전지의 컴포넌트이고, 세퍼레이터는 양 전극과 음 전극 사이에 제공된 제 1 전해질 및 제 2 전해질을 더 포함하고, 제 1 전해질은 제 2 전해질과는 상이한 조성을 갖고, 제 1 전해질은 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것에 접촉하고, 제 2 전해질은 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것에 접촉하고, 제 1 전해질 및 제 2 전해질은 그 사이의 불침투성 이온 전도층의 존재로 인해 또는 친수성 또는 소수성 작용 또는 밀도와 같은 서로 다른 화학작용 및 물리작용으로 인해 서로 혼합되지 않는다.
[0033] 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층과 같은 세퍼레이터 시스템의 컴포넌트들의 물리적, 화학적 및 전자 특성들의 선택은 높은 전기 저항, 높은 이온 전도율 및 유용한 기계적 속성들의 조합을 제공하기 위한 것과 같이, 전기화학 전지들에서의 애플리케이션들에 대해 유용한 순수 세퍼레이터 특성들을 제공하기 위해 선택된다.
[0034] 일 실시예에서, 예를 들어, 애퍼처들의 제 1 패턴은 30% 또는 그 초과, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40% 보다 많은 제 1 기계적 고강도 층의 제 1 공극률을 제공하고, 애퍼처들의 제 2 패턴은 30% 또는 그 초과, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40% 보다 많은 제 2 기계적 고강도 층의 제 2 공극률을 제공한다. 일 실시예에서 예를 들어, 애퍼처들의 제 1 패턴은 30% 또는 그 초과, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40% 보다 많은 제 1 기계적 고강도 층의 제 1 공극률을 제공하거나, 애퍼처들의 제 2 패턴은 30% 또는 그 초과, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40% 보다 많은 제 2 기계적 고강도 층의 제 2 공극률을 제공하거나, 애퍼처들의 제 3 패턴은 30% 또는 그 초과, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40% 보다 많은 제 3 기계적 고강도 층의 제 3 공극률을 제공하거나, 애퍼처들의 제 4 패턴은 30% 또는 그 초과, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40% 보다 많은 제 4 기계적 고강도 층의 제 4 공극률을 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 애퍼처들의 제 1 패턴은 30% 내지 70%, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40 내지 70%의 범위로부터 선택된 제 1 기계적 고강도 층의 공극률을 제공하고, 애퍼처들의 제 2 패턴은 30% 내지 70%, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40 내지 70%의 범위로부터 선택된 제 2 기계적 고강도 층의 공극률을 제공한다. 일 실시예에서 예를 들어, 애퍼처들의 제 1 패턴은 30% 내지 70%, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40 내지 70%의 범위로부터 선택된 제 1 기계적 고강도 층의 공극률을 제공하거나, 애퍼처들의 제 2 패턴은 30% 내지 70%, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40 내지 70%의 범위로부터 선택된 제 2 기계적 고강도 층의 공극률을 제공하거나, 애퍼처들의 제 3 패턴은 30% 내지 70%, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40 내지 70%의 범위로부터 선택된 제 3 기계적 고강도 층의 공극률을 제공하거나, 애퍼처들의 제 4 패턴은 30% 내지 70%, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 40 내지 70%의 범위로부터 선택된 제 4 기계적 고강도 층의 공극률을 제공한다.
[0035] 기계적 고강도 층들의 애퍼처들에 대한 다수의 기하학적 구조들, 형상들, 배향들 및 패턴들이 본 발명의 세퍼레이터 시스템에 유용하다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 또는 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것의 애퍼처들은 원형, 평행사변형, 직사각형, 정사각형, 삼각형, 타원형, 사각형, 오각형, 육각형 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 단면 형상들을 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들의 애퍼처들은 20㎛ 또는 그 초과, 옵션으로 일부 실시예에 대해서는 50㎛ 또는 그 초과, 옵션으로 일부 실시예에 대해서는 200㎛ 또는 그 초과, 옵션으로 일부 실시예에 대해서는 500㎛ 또는 그 초과의 적어도 하나의 측방 치수(laterAl dimension)(예를 들어, 길이, 폭, 직경 등)를 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들의 애퍼처들은 1㎛와 1 mm 사이, 옵션으로 일부 애플리케이션들에 대해서는, 200㎛와 1 mm 사이의 적어도 하나의 측방 치수를 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들의 애퍼처들은 200㎛ 또는 그 미만, 옵션으로 일부 애플리케이션들에 대해서는 10㎛ 또는 그 미만, 및 옵션으로 일부 애플리케이션들에 대해서는 1㎛ 또는 그 미만의 적어도 하나의 측방 치수를 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 패턴, 제 2 패턴, 제 3 패턴 또는 제 4 패턴 중 임의의 것은 독립적으로, 애퍼처들의 대칭 패턴 또는 애퍼처들의 비대칭 패턴이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 패턴, 제 2 패턴, 제 3 패턴 또는 제 4 패턴 중 임의의 것은 독립적으로, 랜덤이 아닌 애퍼처들의 패턴을 포함한다.
[0036] 일 실시예에서, 예를 들어, 애퍼처들의 제 1 패턴, 애퍼처들의 제 2 패턴, 애퍼처들의 제 3 패턴 또는 애퍼처들의 제 4 패턴 중 임의의 것은 레이저 컷팅, 리소그래피, 에칭, 캐스팅, 드릴링, 몰딩, 펀칭, 패터닝, 코팅 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로 선택된 프로세스에 의해 독립적으로 이루어진다.
[0037] 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층 및/또는 제 2 기계적 고강도 층 및/또는 제 3 기계적 고강도 층 및/또는 제 4 기계적 고강도 층은 예를 들어, 전기적으로 비전도성이고, 이들 층들 중 하나 또는 그 초과는 전기화학 전지와 같은 전기화학 시스템의 양 전극과 음 전극 사이의 직접적인 전기 접촉을 방지하기 위해 전기적 절연 재료를 포함한다. 전기적 절연 기계적 고강도 층들은 캡톤, 폴리에스테르, Al2O3, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 섬유 셀룰로오스, 및/또는 PE 및 PP 코팅들과 같은 전기 절연체들로 코팅된 금속층들과 같은 다양한 전기 절연 재료들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층 및/또는 제 2 기계적 고강도 층 및/또는 제 3 기계적 고강도 층 및/또는 제 4 기계적 고강도 층 중 적어도 하나는 예를 들어, 전기적 전도성이고, 이들 층들 중 하나 또는 그 초과는 전기적 절연 재료 및 전기적 전도성 재료를 포함하는 이들 층들 중 하나 또는 그 초과를 포함한다. 제 1 기계적 고강도 층 및/또는 제 2 기계적 고강도 층 및/또는 제 3 기계적 고강도 층 및/또는 제 4 기계적 고강도 층은 형상 기억 폴리머와 같은 형상 기억 특성을 특징으로 하는 재료, 또는 초탄성의 특성을 특징으로 하는 재료들을 포함한다.
[0038] 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층은 일부 포인트들에서는 물리적으로 부착되지만 일부 다른 포인트들에서는 이들 사이에 일부 공간이 있도록 서로 접촉하는 거친 표면을 갖는 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들에 의해 제공되는 바와 같은, 이온 이송을 갖도록 전해질에 대한 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 적어도 일부 공간이 존재하는 구성으로 제공되는 바와 같이, 서로 완전하게 물리적으로 접촉하지 않는다. 일 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층은 물리적으로 접촉하지 않거나 완벽하게 물리적으로 접촉하지 않는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층의 적어도 일부는 20nm 내지 2mm의 범위로부터 선택된 거리 만큼 분리된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 1 기계적 고강도 층 또는 제 2 기계적 고강도 층의 적어도 일부는 20nm 내지 2mm의 범위로부터 선택된 거리 만큼 제 3 기계적 고강도 층 또는 제 4 기계적 고강도 층으로부터 분리된다.
[0039] 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 고강도 기계적 층, 제 2 고강도 기계적 층, 제 3 고강도 기계적 층, 제 4 고강도 기계적 층, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들, 및 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들 중 어느 하나, 및 옵션으로 모두는 10nm 내지 1nm의 범위에 걸쳐 선택되는, 옵션으로는 일부 애플리케이션들에 대해서는 1㎛ 내지 500㎛의 범위에 걸쳐 선택되는, 그리고 옵션으로는 일부 애플리케이션들에 대해서는 10nm 내지 50㎛의 범위에 걸쳐 선택된 평균 두께를 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들, 및 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 5㎛ 내지 1mm의 범위에 걸쳐 선택되는, 옵션으로는 일부 애플리케이션들에 대해 25㎛ 내지 5mm의 범위에 걸쳐 선택되는, 옵션으로는 일부 애플리케이션들에 대해 100㎛ 내지 2mm의 범위에 걸쳐 선택되는, 그리고 옵션으로는 일부 애플리케이션들에 대해 500㎛ 내지 1mm의 범위에 걸쳐 선택되는 평균 두께를 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들, 및 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는, 10nm 내지 2㎛의 범위에 걸쳐 선택되거나 2㎛ 내지 50㎛의 범위에 걸쳐 선택된 평균 두께를 독립적으로 갖는다.
[0040] 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 500MPA 내지 500GPA의 범위에 걸쳐 선택된 영률(Young's modulus)을 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 5MPA 내지 1000MPA의 범위에 걸쳐 선택된 항복 강도를 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 0.005N 내지 10N의 범위에 걸쳐 선택된 전파 전단 강도(propAgating tear strength), 일부 애플리케이션들에 대해 바람직하게는 0.01 N 보다 많은 전파 전단 강도를 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 10N 내지 500N의 범위에 걸쳐 선택된 개시 전단 강도(initiating tear strength), 일부 애플리케이션들에 대해 바람직하게는 50 N 보다 많은 개시 전단 강도를 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 50MPA 내지 2GPA의 범위에 걸쳐 선택된 인장 강도를 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 10N cm 내지 1000N cm의 범위에 걸쳐 선택된 충격 강도를 독립적으로 갖는다.
[0041] 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 병렬 구성으로 제공된 평면층들을 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 동심 구성으로 제공된 중공 원통형 층들을 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들 및 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 내화학성 재료들을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들, 및 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들은 접촉하여 제공되는 전해질과 독립적으로 화학적 호환가능하고/하거나 접촉하여 제공되는 전극과 독립적으로 화학적 호환가능하다.
[0042] 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 섭씨 100도 또는 그 초과의 녹는점을 갖는 재료를 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들 중 적어도 2개는 적어도 섭씨 30도의 차이를 갖는 상이한 녹는 온도를 갖고, 옵션으로, 기계적 고강도 층들의 녹는 온도들에서의 차이는 층들 중 하나를 녹임으로써, 전기화학 전지의 2개의 전극들 사이의 이온 경로가 폐쇄되는 셧다운 메커니즘을 제공하거나, 다르게는, 기계적 고강도 층들의 녹는 온도들에서의 차이는 층들 중 하나를 녹임으로써, 전기화학 전지의 2개의 전극들 사이의 이온 경로가 폐쇄되는 셧다운 메커니즘을 제공하지 않는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 50ppm/℃ 또는 그 미만의 열팽창 계수를 갖는 재료를 독립적으로 포함한다.
[0043] 본 발명의 세퍼레이터 시스템들의 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층은 전기화학 전지의 타입과 같은 특정한 애플리케이션에 대해 선택된 다양한 재료들을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층은 내화학성 재료들을 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층은 열안정 재료들을 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의것, 및 옵션으로 모두는 폴리머, 금속, 합금, 세라믹, 나무, 유리, 반도체, 직물 재료, 및 부직물 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 재료들을 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 50 또는 그 초과의 유전 상수를 갖는 재료를 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 전도성 재료를 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것, 및 옵션으로 모두는 겔 전해질, 고체 전해질 및 폴리머 전해질로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 재료들을 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 고강도 기계적 층, 제 2 고강도 기계적 층, 제 3 고강도 기계적 층, 및 제 4 고강도 기계적 층 중 어느 하나, 및 옵션으로 모두는 폴리아크릴산(PAA), 가교 결합 폴리에틸렌(PEX, XLPE), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, PETE), 폴리페닐 에테르(PPE), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC), 폴리유산(PLA), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌(PB), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리스티렌(PS), 폴리우레탄(PU), 폴리에스테르(PE), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(aBS), 폴리(메틸 메타아크릴레이트)(PMMA), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리술폰(PES), 스티렌-아크릴로니트릴(SAN), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 스티렌 말레익 언하이드라이드(SMA), PVDF, PEO PVDF, LIPON PVDF, LISICON PVDF, 테트라메틸암모늄 하이드로옥사이드 펜타하이드레이트((CH3)4NOH·5H20), 폴리((에틸렌 옥사이드)(PEO), 에피클로로히드린 및 에틸렌 옥사이드 (P(ECH-co-EO)) 및 폴리(비닐알콜)의 코폴리머, PEO-PVA-유리섬유 코폴리머 전해질, 아연 설파이드, 실리콘 디옥사이드, PVA 및 PSA, PVA/V6/PSS; PVAN6/(PSS+PAA); V6/PVA/(PSS+PAA); PVMPSS+PAA(35%))/(PSS+PAA(35%)); (PSS+PAA(35%))/PVA/(PSS+PAA(35%)); 또는 (PSS+PAA (35%))/(PVA(10%)+PSS (20% 대 PVA))/(PSS+PAA (35%)) 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리부틸렌 글리콜, 알킬-폴리에틸렌 글리콜, 알킬-폴리프로필렌 글리콜, 알킬-폴리부틸렌 글리콜, 이들의 코폴리머, PEO 재료, PVA 재료 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 재료들을 독립적으로 포함한다.
[0044] 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것의 표면은 전해질로 습윤가능하다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것의 표면은 전해질로 습윤가능한 코팅으로 코팅된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것의 표면의 적어도 일부는 옵션으로 표면의 10% 미만을 커버하는 접착제 코팅으로 코팅된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 고강도 기계적 층, 제 2 고강도 기계적 층, 제 3 고강도 기계적 층, 및 제 4 고강도 기계적 층 중 어느 하나의 표면의 적어도 일부는 5㎛ 미만의 두께를 갖는 접착제 코팅으로 코팅된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것의 적어도 하나의 표면은 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층 또는 제 4 기계적 고강도 층의 적어도 일부 사이에 전해질에 대한 공간을 제공하는, 1nm 내지 1000nm의 범위로부터 선택된 제곱 평균 제곱근(rms)을 특징으로 하는 표면 조도와 같은 표면 조도를 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터 시스템은 양 전극 및 음 전극을 갖는 전기화학 전지에서의 컴포넌트이고, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것의 적어도 하나의 표면은 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층 또는 제 4 기계적 고강도 층 및 전기화학 전지의 양 전극 또는 음 전극 사이에 전해질에 대한 공간을 제공하는, 1nm 내지 1000nm의 범위로부터 선택된 rms를 특징으로 하는 표면 조도와 같은 표면 조도를 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 표면 조도는 기계적 고강도 층들 중 2개의 적어도 일부 사이 또는 기계적 고강도 층의 적어도 일부와 양 전극 또는 음 전극 사이에 5nm 내지 5㎛의 범위로부터 선택된 거리를 제공한다.
[0045] 일 양태에서, 본 발명은 세퍼레이터 시스템을 제공하고, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 저이온 저항층들, 프레임 층들, 스페이서, 화학적 배리어 층들, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 일부는 높은 표면 에너지, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 10mJ/m2 또는 그 초과의 표면 에너지를 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 이들 컴포넌트들 중 임의의 것의 표면 에너지는 전해질로 층들의 습윤성을 용이하게 한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 이들 컴포넌트들 중 임의의 것의 표면 에너지는 층들의 서로에 대한 부착 또는 전기화학 전지의 전극들에 대한 부착을 돕는다.
[0046] 일 양태에서, 세퍼레이터는 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것 상에 제공된 하나 또는 그 초과의 코팅들을 더 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 코팅들은 하나 또는 그 초과의 비전도성 코팅들을 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 코팅들은 하나 또는 그 초과의 소수성 코팅들 및/또는 친수성 코팅들을 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 코팅들은 폴리에틸렌 글리콜을 독립적으로 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 코팅들은 전기화학 전지의 양 전극으로부터 음 전극으로의 재료 이송을 방지한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 코팅들은 10nm 내지 2㎛의 범위로부터 선택된 두께를 독립적으로 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터는 황계(sulfur-based) 캐소드를 갖는 전기화학 전지용이고, 하나 또는 그 초과의 코팅들은 소수성 폴리설파이드들을 밀어내고 전기화학 전지의 성능 및 사이클 수명을 증가시킨다. 일 실시예에서, 소수성 또는 친수성 코팅은 황계 캐소드 Li-배터리에 대해 제공된다. 황계 캐소드 Li-배터리들에 대한 최신 기술의 문제점은, 전기화학 반응들이 전해질에서 용해가능하여, 전해질을 통한 황 전극으로부터 Li 전극으로의 재료(상호 중간적(inter-mediAlly) 폴리설파이드들)의 통로로 인한 현저한 용량 손실이 존재할 수도 있다는 것이다. 이러한 문제점을 방지하기 위해, 특정한 실시예의 세퍼레이터는 소수성 폴리설파이드들을 밀어내는 폴리에틸렌 글리콜 재료(친수성)로 코팅되어서, 재료들의 통과 및 용량 손실을 막는다. 본 발명의 실시예들에서의 코팅의 사용은 예를 들어, 리튬-공기 및 리튬 물 전기화학 전지에서 세퍼레이터상의 소수성 코팅에 의해 습기로부터 Li 애노드를 보호하는데 또한 유용하다.
[0047] 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층 중 임의의 것은 독립적으로, Al, Ni, Cu 및 스테인리스 강으로 이루어진 그룹으로부터 옵션으로 선택된 금속 층이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 코팅은 옵션으로 PTFE, PE, PP, PVC, 또는 폴리이미드를 옵션으로 포함하는 비전도성 코팅이다.
[0048] 본 발명은 다수의 전기화학 시스템에 유용한 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 1차 전기화학 전지 또는 2차 전기화학 전지용 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 리튬 배터리, 알칼리 배터리, 아연 배터리 또는 납산 배터리용 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 리튬 금속-공기 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 공기 배터리, Fe-공기 배터리, Al-공기 배터리, 또는 아연-공기 배터리용 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 연료 전지, 플로우 배터리 시스템, 반고체 배터리, 3-D 배터리, 나노-배터리, 마이크로-배터리 또는 전기화학 커패시터용 세퍼레이터 시스템을 제공한다.
[0049] 다른 양태에서, 본 발명은 (ⅰ) 음 전극; (ⅱ) 양 전극; (ⅲ) 양 전극과 음 전극 사이에 제공된 제 1 전해질; 및 (ⅳ) 전해질과 접촉하고 음 전극과 양 전극 사이에 제공된 본 발명의 세퍼레이터 시스템을 포함하고, 세퍼레이터 시스템은 전해질의 이온들이 양 전극과 음 전극 사이에서 이송될 수 있도록 위치되는, 전기화학 전지를 제공한다. 일 양태에서, 세퍼레이터 시스템은 양 전극과 음 전극 사이의 전기적 접촉을 방지한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 본 명세서에 설명한 세퍼레이터 시스템들 중 임의의 것은 전기화학 전지들과 같은 본 발명의 전기화학 시스템들에 대해 사용될 수 있다.
[0050] 일 양태에서, 예를 들어, 세퍼레이터 시스템은 양 전극 및 음 전극과 물리적 접촉하여 제공된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터 시스템은 1x10-3 S/cm 또는 그 초과, 옵션으로는, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 양 전극과 음 전극 간에 1x10-2 S/cm 또는 그 초과의 이온 전도율을 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 세퍼레이터 시스템은 0.5 ohm cm2 내지 25 ohm cm2, 일부 애플리케이션에 대해서는 바람직하게는 5 ohm cm2 미만의 범위에 걸쳐 선택된 양 전극으로부터 음 전극으로의 순이온(net ionic) 저항을 제공한다.
[0051] 일 실시예에서, 전기화학 전지는 양 전극과 음 전극 사이에 제공된 화학적 배리어 층을 더 포함하고, 전기화학 전지는 양 전극과 음 전극 사이에 제공된 제 2 전해질을 더 포함하고, 화학적 배리어 층은 제 1 전해질과 제 2 전해질의 혼합을 방지한다.
[0052] 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들의 오프셋 정렬은 양 전극과 음 전극 사이에 무지향성 선형 경로를 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 오프셋 정렬은 양 전극 또는 음 전극 상의 제조 결함들, 외부 오브젝트들 또는 수지상결정(dendrite)들에 의한 양 전극과 음 전극 사이의 전기적 접촉을 통한 단락을 방지한다. 본 양태의 실시예들은 예를 들어, 양 전극으로부터 음 전극으로의 전기적 단락 또는 수지상결정의 형성으로부터 발생하는 열 폭주 문제들을 최소화시키거나 방지하는데 유익하다. 본 양태의 실시예들은 예를 들어, 강화된 사이클링 및/또는 높은 방전율 성능을 가질 수 있는 전기화학 전지들을 제공하는데 유익하다.
[0053] 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 저이온 저항층들, 프레임 층들, 스페이서, 화학적 배리어 층들, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나는 압력, 가열, 접착제 코팅, 화학적 접착, 플라즈마 처리를 통해 또는 하나의 층을 다른 층 또는 전극상에 증착하거나 코팅함으로써 또는 이들의 임의의 조합을 통해 양 전극 또는 음 전극에 적어도 부분적으로 부착된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 저이온 저항층들, 프레임 층들, 스페이서, 화학적 배리어 층들, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나는 글루, 에폭시, 시멘트, 텔폰(Telfon) 코팅, 고체 전해질, 겔 전해질 또는 폴리머 전해질에 의해 양 전극 또는 음 전극에 적어도 부분적으로 부착된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 제 4 기계적 고강도 층, 저이온 저항층들, 프레임 층들, 스페이서, 화학적 배리어 층들, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나는 양 전극 또는 음 전극의 표면상에 증착된 코팅을 포함한다
[0054] 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 적어도 300 사이클들, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 적어도 500 사이클들의 사이클 용량을 갖는 본 세퍼레이터 시스템을 통합한 전기화학 전지를 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 C/5 또는 그 초과의 방전률에서 100mah g-1 또는 그 초과의 비용량(specific capacity)을 갖는 본 세퍼레이터 시스템을 통합한 전기화학 전지를 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 전기화학 전지를 제공한다.
[0055] 본 발명의 전기화학 전지들 및 세퍼레이터 시스템들은 액체 전해질들, 고체 전해질들, 겔 전해질들, 비양자성(aprotic) 전해질들, 수용성 전해질들 및 비수용성 전해질들을 포함하는 다수의 전해질들과 호환가능하다. 일 실시예에서, 예를 들어, 전해질은 고체 전하 반송 매질 또는 겔 전극을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 전해질은 중합성 매질을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 전해질은 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 불소함유 코폴리머, 폴리아크릴로니트릴, 또는 이들의 임의의 조합들을 포함한다.
[0056] 일 실시예에서, 예를 들어, 전해질은 하나 또는 그 초과의 비수용매들(nonaqueous solvents)에서 적어도 부분적으로 용해되는 알칼리 금속염을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 전해질은 용매 및 지지염(supporting sAlt)을 포함하고, 용매는 유기 카보네이트, 에테르, 에스테르, 포름산염, 락톤, 술폰, 술포란, 1,3-디옥소란, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 플루오로프로필렌 카보네이트, y-부틸로락톤, 메틸 디플루오로아세테이트, 에틸 디플루오로아세테이트, 디메톡시에탄, 디글림(비스(2-메톡시에틸)에테르), 테트라하이드로푸란, 디옥솔란, 2MeTHF, 1,2-DME 또는 더 높은 글림, 수포란, 메틸 포름산, 메틸 아세테이트, 및 이들의 임의의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 지지염은 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiSO3CF3, LiN(CF3SO2)2, LiN(SO2C2F5)2 및 이들의 임의의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 전해질은 PVdF, PVdF-HFP 코폴리머, PAN, PEO, 및 이들의 혼합물들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 골핑 에이전트(golfing Agent); EC, PC, DEC, DMC, EMC, THE, 2MeTHF, 1,2-DME 및 이들이 혼합물들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 가소제; 및 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiSO3CF3, LiN(CF3SO2)2 및 LiN(SO2C2F5)2으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 리튬염을 포함한다.
[0057] 일 양태에서, 본 발명은 양 전극을 포함하는 전지의 제 1 면상에 제 1 전해질 및 음 전극을 포함하는 전지의 제 2 면상에 제 2 전해질을 갖는 전기화학 전지를 제공하고, 제 1 전해질은 제 2 전해질과는 상이한 조성을 갖고, 전기화학 전지는 양 전극과 음 전극 사이에 위치된 이온 전도성 보호 멤브레인을 포함하는 하나 또는 그 초과의 화학적 배리어 층들을 더 포함한다. 본 양태의 일 실시예에서, 제 1 전해질은 수용성 전해질이고 제 2 전해질은 비양자성 전해질이다. 본 양태의 일 실시예에서, 제 1 전해질 및 제 2 전해질 중 적어도 하나는 고체 전해질이다.
[0058] 본 발명의 전기화학 전지들 및 세퍼레이터 시스템들은 다수의 조성들, 폼 팩터들 및 디바이스 기하학적 구조들을 갖는 전극들과 호환가능하다. 일 실시예에서, 예를 들어, 음 전극, 양 전극 또는 양자 모두는 나노 사이즈 재료 또는 마이크로 사이즈 재료를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 나노 사이즈는 1nm 내지 1000nm의 범위에 걸쳐 선택되는 적어도 하나의 물리적 치수(예를 들어, 길이, 높이, 폭, 직경 등)를 갖는 입자 또는 박막과 같은 구조를 칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 나노 사이즈는 1㎛ 내지 1000㎛의 범위에 걸쳐 선택되는 적어도 하나의 물리적 치수(예를 들어, 길이, 높이, 폭, 직경 등)를 갖는 입자 또는 박막과 같은 구조를 칭한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 음 전극 또는 양 전극은 활성 전극 입자들 및 전도성 입자들의 혼합물과 같은 파우더의 형태이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 음 전극 또는 양 전극은 박막의 형태이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 양 전극 또는 음 전극 중 적어도 하나가 용매화된 리튬 또는 용매화된 리튬 합금과 같은 용매화된 금속의 형태인 전기화학 전지를 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 양 전극 또는 음 전극 중 적어도 하나가 용융된 금속의 형태인 전기화학 전지를 제공한다.
[0059] 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 음 전극이, 주석, 코발트 및 카본의 합금, 그리고 리튬, 아연, 알루미늄, 실리콘, 주석, 안티몬, 납, 게르마늄, 마그네슘, 카드뮴, 비스무트, 인듐, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 탄탈륨, 철, 니켈, 망간, 구리, 나트륨 전이 금속 인산염, 나트륨 혼합 금속 인산염, Li4/3Ti5/3O4, 그라파이트, LiVO2, Li4Ti5O12, Li4/3Ti5/3O4 TiO2, WO2, 및 MoO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 양 전극이 그라파이트, LiCo0.2NiO.8O2, LiNiO2, LiFePO4, LiMnPO4, LiCoPO4, LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO.5Mn1.5O4, LiVPO4F, 은 옥사이드, 니켈 옥사이드, 코발트 옥사이드, 망간 옥사이드, AgO, Ag2O3, Zn, ZnO AgO, Ag2O, Ag2O3, HgO, Hg2O, CuO, CdO, NiOOH, Pb2O4, PbO2, LiFePO4, Li3V2(PO4)3, V6O13, V2O5, Fe3O4, Fe2O3, MnO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiVO2, Li4Ti5O12, TiO2, WO2, 및 MoO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 양 전극이 (ⅰ) LixCoO2, LixNiO2, LixMn2O4 및 LiFePO4로 이루어진 그룹으로부터 선택된 리튬화 금속 옥사이드계 캐소드; (ⅱ) AgxV2O5, CuxV2O5, V2O5, V6O13, MnO2, CuO, Ag2CrO4 및 MoO3로 이루어진 그룹으로부터 선택된 리튬화되지 않은 금속 옥사이드계 캐소드 ― x는 0 내지 2의 범위임 ―; (ⅲ) FeS2, TiS2, FeS 및 CuS로 이루어진 그룹으로부터 선택된 리튬화 금속 옥사이드계 캐소드; (ⅳ) 원소 황, 폴리설파이드들 및 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 활성 황 캐소드; 및 (ⅴ) 기체, 액체 및 고체 산화제들 그리고 이들의 조합들, 예컨대 과산화물, 과산화수소, O2, SO2 및 NO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물 또는 수용성 산화제와 같은 수용성 전기화학적 활성 성분을 포함하는 PEO/카본/금속-옥사이드 타입 캐소드 구조로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하고, 수용성 고체 산화제들은 NaNO2, KNO2, Na2SO3 및 K2SO3로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 캐소드 구조의 전자적 전도성 성분은 니켈과 같은 다공성 촉매 담체이며, 캐소드 구조의 전기화학 활성 재료는 공기를 포함하는, 전기화학 전지를 제공한다.
[0060] 본 발명의 전기화학 전지들은 1차 전기화학 전지들 및 2차 전기화학 전지들을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 리튬 배터리, 알칼리 배터리, 아연 배터리, 납산 배터리, 리튬 금속-공기 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 공기 배터리, Fe-공기 배터리, Al-공기 배터리, 또는 아연-공기 배터리를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 연료 전지, 플로우 배터리 시스템, 반고체 배터리, 3-D 배터리, 나노-배터리, 마이크로-배터리 또는 전기화학 커패시터를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 박막 배터리를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 알칼리 금속 이온 배터리인 전기화학 전지를 제공한다.
[0061] 일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 하나 또는 그 초과의 리튬 이온 전기화학 전지들과 같은 하나 또는 그 초과의 전기화학 전지들을 포함하는 배터리 팩을 제공한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 본 명세서에 설명한 세퍼레이터 시스템들 및 전기화학 전지들 중 임의의 것은 본 발명의 알칼리 금속 플로우 배터리들, 슈퍼커패시터들 또는 연료 전지들을 위해 사용될 수 있다.
[0062] 일 양태에서, 본 발명은 (ⅰ) 연료로서 용매에서 용해된 알칼리 금속 및 고체 알칼리 금속을 포함하는 재생가능 애노드; (ⅱ) 정적 전자 전도성 성분, 알칼리 금속의 이온들에 대한 전해질을 포함하는 이온 전도성 성분, 및 전지의 동작 환경으로부터 획득된 유체 산화제를 포함하는 캐소드 구조; 및 (ⅲ) 애노드와 캐소드 사이에 제공된 본 발명의 세퍼레이터 시스템을 포함하는 알칼리 금속 연료 전지를 제공한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 본 명세서에 설명한 세퍼레이터 시스템들 중 임의의 것은 본 발명의 알칼리 금속 플로우 배터리들, 슈퍼커패시터들 또는 연료 전지들을 위해 사용될 수 있다.
[0063] 일 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 음 전극을 제공하는 단계; (ⅱ) 양 전극을 제공하는 단계; (ⅲ) 양 전극과 음 전극 사이에 전해질을 제공하는 단계; 및 (ⅳ) 양 전극과 음 전극 사이에 위치된 세퍼레이터 시스템을 제공하는 단계를 포함하는 전기화학 전지를 제조하는 방법을 제공하고, 세퍼레이터 시스템은 (ⅰ) 제 1 기계적 고강도 층 - 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처(aperture)들을 가짐 -; 및 (ⅱ) 제 2 기계적 고강도 층 - 제 2 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 2 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 2 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐-; 을 포함하고, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치된다. 일 실시예에서, 세퍼레이터 시스템은 전해질과 적어도 부분적으로 물리적 접촉한다. 일 실시예에서, 방법은 양 전극과 음 전극 사이에 이온 전도성 화학적 배리어를 제공하는 단계를 더 포함하고, 이온 전도성 화학적 배리어는 양 전극과 접촉하는 제 1 전해질을 음 전극과 접촉하는 제 2 전해질로부터 분리하고, 제 1 전해질은 제 2 전해질과는 상이한 조성을 갖고, 이온전도성 화학적 배리어는 제 1 전해질과 제 2 전해질의 혼합을 방지한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 본 세퍼레이터 시스템들 및 본 명세서에 설명한 컴포넌트들, 재료들 및 특성들의 모든 특정한 실시예들 및 조합들을 포함하는 본 발명의 시스템들 중 임의의 것이 전기화학 전지를 제조하는 본 방법들에서 사용될 수도 있다.
[0064] 일 양태에서, 본 발명은 (ⅰ) 전기화학 전지를 제공하는 단계 - 전기화학 전지는 (1) 제 1 기계적 고강도 층 - 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처(aperture)들을 가짐 -; 및 (2) 제 2 기계적 고강도 층 - 제 2 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 2 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 2 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐-; 을 포함하고, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치됨 -; 및 (ⅱ) 전기화학 전지를 방전하는 단계를 포함하는 전류를 생성하는 방법을 제공한다. 일 실시예에서, 본 양태의 방법은 전기화학 전지를 충전하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에서, 본 양태의 방법은 복수의 충방전 사이클들을 통해 전기화학 전지를 사이클링하는 단계를 더 포함한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 본 세퍼레이터 시스템들 및 본 명세서에 설명한 컴포넌트들, 재료들 및 특성들의 모든 특정한 실시예들 및 조합들을 포함하는 본 발명의 시스템들 중 임의의 것이 전류를 생성하는 본 방법들에서 사용될 수도 있다.
[0065] 다른 양태에서, 양 전극; 음 전극; 양 전극과 음 전극 사이에 위치된 이온 전도성 및 전자 절연 세퍼레이터; 양 전극과 세퍼레이터 사이에 위치되고 양 전극과 전기적 접촉하거나 음 전극과 세퍼레이터 사이에 위치되고 음 전극과 전기적 접촉하는 제 1 전자 및 이온 전도성 층; 및 양 전극과 음 전극 사이에 위치된 하나 또는 그 초과의 전해질들을 포함하는 전기화학 전지들이 제공되고, 하나 또는 그 초과의 전해질들은 전하 캐리어들을 전도할 수 있다.
[0066] 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 금속, 금속 합금, 카본 재료, 반도체, 전자 전도성 폴리머, 전자 전도성 세라믹 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 금속 또는 합금 메쉬, 금속 또는 합금 천공 층, 금속 또는 합금 코팅, 카본 코팅, 다공성 층, 천공 층, 메쉬, 폼(foam), 전도성 재료의 적어도 부분적 코팅 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 Au, Al, Cu, Ti, Zn, Ag, 스테인리스 강(stainless steel), Li, Sn, Si, Ni, 강(steel), 텅스텐, 주석, 납, 콘스탄탄(Constantan), 수은, 게르마늄 또는 이들의 합금들 중 임의의 것, 그라파이트, 카본 블랙, 그래핀, 카본 나노튜브들, 코크스(coke), Li 합금들, Fe 합금들, 인듐 주석 옥사이드(ITO), 란타늄-도핑 스트론튬 티타네이트(SLT), 이트륨-도핑 스트론튬 티타네이트(SYT), 폴리(플루오렌)들, 폴리페닐렌들, 폴리피렌들, 폴리아줄렌들, 폴리나프탈렌들, 폴리(아세틸렌)들, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리(피롤)들, 폴리카바졸들, 폴리인돌들, 폴리아제핀들, 폴리아닐린들, 폴리(티오펜)들, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리(p-페닐렌 설파이드), 폴리플루오렌계 전도성 폴리머들, PAN, 폴리(9,9-디옥틸플루오렌-코-플루오레논, 폴리(9,9-디옥틸플루오렌-코-플루오레논-코-메틸벤조익 에스테르), 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌술폰네이트)(PEDOT:PSS), [(페로세닐)아미도프로필]피롤, 피롤, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리푸란, SiO2, Napion, PVC 또는 이들의 도핑된 조성물들 또는 이들의 혼합물들; 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
[0067] 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 30% 또는 그 초과의, 40% 또는 그 초과의, 50% 또는 그 초과의, 60% 또는 그 초과의, 70% 또는 그 초과의, 80% 또는 그 초과의, 90% 또는 그 초과의, 30% 내지 90%의 범위로부터 선택된, 40% 내지 80%의 범위로부터 선택된, 50% 내지 70%의 범위로부터 선택된, 또는 50% 내지 90%의 범위로부터 선택된 공극률을 갖는 다공성 또는 천공 재료를 포함한다.
[0068] 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 내화학성 재료, 내열성 재료, 내기계적 재료 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 세퍼레이터, 양 전극 또는 음 전극의 적어도 하나의 외부 표면상에 증착된 박막 구조를 포함한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 세퍼레이터, 양 전극 또는 음 전극의 적어도 하나의 외부 표면상에 코팅된 코팅을 포함한다.
[0069] 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 1 S/m 또는 그 초과의, 10 S/m 또는 그 초과의 또는 100 S/m 또는 그 초과의 전자 전도율을 갖는다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 10 Ω·cm2 또는 그 미만의, 5 Ω·cm2 또는 그 미만의, 3 Ω·cm2 또는 그 미만의, 1 Ω·cm2 또는 그 미만의, 0.3 Ω·cm2 내지 3 Ω·cm2의 범위로부터 선택된, 0.03 Ω·cm2 내지 3 Ω·cm2의 범위로부터 선택된, 0.1 Ω·cm2 내지 10 Ω·cm2의 범위로부터 선택된, 0.3 Ω·cm2 내지 5 Ω·cm2의 범위로부터 선택되거나 0.3 Ω·cm2 내지 3 Ω·cm2의 범위로부터 선택된 이온 저항을 갖는다.
[0070] 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 100㎛ 또는 그 미만의, 50㎛ 또는 그 미만의, 25㎛ 또는 그 미만의, 10㎛ 또는 그 미만의, 1㎛ 또는 그 미만의, 100nm 또는 그 미만의, 10nm 내지 100㎛의 범위로부터 선택된, 10nm 내지 10㎛의 범위로부터 선택되거나, 50nm 내지 5㎛의 범위로부터 선택된 두께를 갖는다.
[0071] 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 세퍼레이터와 물리적으로 접촉하여 제공된다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 세퍼레이터의 외부 표면의 적어도 10%와 물리적으로 접촉한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극 또는 음 전극과 물리적으로 접촉한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극 또는 음 전극의 외부 표면의 적어도 10%와 물리적으로 접촉한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극 재료 또는 음 전극 재료로 적어도 부분적으로 커버된다.
[0072] 실시예들에서, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 음 전극 또는 양 전극의 적어도 일부의 전자 전도율을 증가시킨다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극과 양 전극 집전체 사이의 전자 이송을 위한 추가 경로, 음 전극과 음 전극 집전체 사이의 전자 이송을 위한 추가 경로, 양 전극에 인접하고 양 전극 내의 균질의 전계 또는 음 전극에 인접하고 음 전극 내의 균질의 전계 또는 이들 제공된 이점들의 임의의 조합을 제공한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극 또는 음 전극으로 또는 양 전극 또는 음 전극으로부터의 전자들에 대한 보조 경로를 제공한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극 또는 음 전극에 인접하고 양 전극 또는 음 전극 내의 균질의 전계를 제공하여, 양 전극 또는 음 전극으로 균일한 이온 증착을 제공한다. 예시적인 실시예들에서, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극 또는 음 전극상의 또는 양 전극 또는 음 전극으로부터의 수지상결정 성장을 방지한다.
[0073] 특정한 실시예들에서, 본 양태의 전기화학 전지는 제 2 전자 및 이온 전도성 층을 더 포함한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극과 전기적 접촉하여 위치되고, 제 2 전자 및 이온 전도성 층은 음 전극과 전기적 접촉하여 위치된다.
[0074] 옵션으로는, 세퍼레이터는 폴리머, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 캡톤, 폴리에스테르, 나피온(Nafion), ZrO2, 폴리이미드, 폴리테트로플루오로에틸렌, 유리 세퍼레이터, 부직물 세퍼레이터, 직물 세퍼레이터 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 미소다공성 층을 포함한다. 옵션으로는, 세퍼레이터는 폴리머 전해질, 고체 전해질, 겔 전해질, Nafion, ZrO2, PVDF, PEO, PMMA, LISICON, NASICON, LIPON, NaPON, PE, PP, PET, 캡톤 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
[0075] 실시예들에서, 세퍼레이터는 기계적 고강도 층을 포함한다. 옵션으로는, 세퍼레이터는 제 1 기계적 고강도 층을 포함하고, 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖는다. 옵션으로는, 세퍼레이터는 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들의 적어도 일부에 제공된 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 더 포함한다.
[0076] 일부 실시예들에서, 예를 들어, 세퍼레이터는 (ⅰ) 제 1 기계적 고강도 층 - 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처(aperture)들을 가짐 -; 및 (ⅱ) 제 2 기계적 고강도 층 - 제 2 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 2 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 2 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 갖고, 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가짐 ―; 을 포함하고, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치된다.
[0077] 옵션으로는, 세퍼레이터는 제 1 전자 및 이온 전도성 층의 적어도 하나의 외부 표면, 양 전극의 적어도 하나의 표면 또는 음 전극의 적어도 하나의 표면상에 코팅된 코팅을 포함한다. 옵션으로는, 세퍼레이터는 제 1 전자 및 이온 전도성 층의 적어도 하나의 외부 표면, 양 전극의 적어도 하나의 표면 또는 음 전극의 적어도 하나의 표면상에 증착된 박막을 포함한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 세퍼레이터의 컴포넌트이다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 세퍼레이터상의 코팅이다. 옵션으로는, 세퍼레이터는 500㎛ 또는 그 미만 또는 10nm 내지 200㎛의 범위로부터 선택된 총 두께를 갖는다.
[0078] 옵션으로는, 양 전극 또는 음 전극은 인터칼레이션(intercAlation) 호스트 재료를 포함한다. 옵션으로는, 양 전극 또는 음 전극은 전기화학 전지의 충전 또는 방전 동안 형상의 변화를 겪는 재료를 포함한다. 옵션으로는, 양 전극은 금속 옥사이드, 황, SO2, 리튬-티오닐 클로라이드, MnO2, CFx, CuO, V6O13, V2O5, FeS2, CuCl2, I2, HgO, 카드뮴, 브롬, 수소계 전극, 산소계 전극, 브롬, FeS, V2O5, Ag, Ni, Pb, PbO2, 카본, LiCoO2, LiFePO4 LiMn2O4, 카본계 산소 캐소드, 카본계 물 캐소드, 알칼리 금속, 알칼리 금속 합금, Ca, Mg, Sn, Ag, Zn, Bi, Al, Cd, Ga, 및 In 또는 그 초과와의 이원 또는 삼원 알칼리 금속 합금, 아연 옥사이드, Na, 납 옥사이드, Li, 리튬 옥사이드, 리튬 퍼옥사이드, 리튬 티타늄 옥사이드, 산소 활성 재료 캐소드, 물 활성 재료 캐소드, Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2, 구리 헥사시아노철산염, 폴리피롤, 활성 카본, 그래핀, 그라파이트, 나노카본, 안티몬, 주석과 안티몬 합금, 5% 바나듐-도핑 리튬 철 인산염, 리튬 철 플루오로인산염, 망간 스피넬, 리튬 니켈 망간 코발트, 퍼푸린, 리튬 퍼푸린, 리튬 바나듐 옥사이드, 리튬 티타네이트, 코발트 옥사이드, 철 인산염, 티타늄 디옥사이드, 실리콘, 구리 안티노미드(antinomide), 물 가용성 기체 산화제, 물 가용성 액체 산화제, 물 가용성 고체 산화제 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 옵션으로는, 음 전극은 Si, Li, Zn, ZnO, 카본, Na, Mg, Sn, Cd, Pb, PbO2, LTO, 바나듐 옥사이드, 알칼리 금속, 알칼리 금속 합금, Ca, Mg, Sn, Ag, Zn, Bi, Al, Cd, Ga, 및 In 또는 그 초과와의 이원 또는 삼원 알칼리 금속 합금, 아연 옥사이드, Na, 납 옥사이드, Li, 리튬 옥사이드, 리튬 퍼옥사이드, 리튬 티타늄 옥사이드, 산소 활성 재료 캐소드, 물 활성 재료 캐소드, Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2, 구리 헥사시아노철산염, 폴리피롤, 활성 카본, 그래핀, 그라파이트, 나노카본, 안티몬, 주석과 안티몬 합금, 5% 바나듐-도핑 리튬 철 인산염, 리튬 철 플루오로인산염, 망간 스피넬, 리튬 니켈 망간 코발트, 퍼푸린, 리튬 퍼푸린, 리튬 바나듐 옥사이드, 리튬 티타네이트, 코발트 옥사이드, 철 인산염, 티타늄 디옥사이드, 실리콘, SO2, 리튬-티오닐 클로라이드, MnO2, CFx, CuO, V6O13, V2O5, FeS2, CuCl2, I2, HgO, 카드뮴, 브롬, 수소계 전극, 산소계 전극, 브롬, 구리 안티노미드 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
[0079] 옵션으로는, 양 전극은 활성 양 전극 재료를 포함하고, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 활성 양 전극 재료와 전기적 접촉하여 제공된다. 옵션으로는, 양 전극은 활성 양 전극 재료와 전기적 접촉하는 집전체를 더 포함한다. 옵션으로는, 음 전극은 활성 음 전극 재료를 포함하고, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 활성 음 전극 재료와 전기적 접촉하여 제공된다. 옵션으로는, 음 전극은 활성 음 전극 재료와 전기적 접촉하는 집전체를 더 포함한다.
[0080] 옵션으로는, 전자 및 이온 전도성 층은 예를 들어, 환원 및/또는 산화에서 사용하기 위한 외부 집전체 폴을 포함한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극 및 음 전극 중 하나를 환원시킨다. 옵션으로는, 외부 집전체 폴은 예를 들어, 금속-공기 배터리에서의 산소 방출과 같은, 양 전극 및 음 전극 중 하나를 산화시킨다.
[0081] 다양한 실시예들에서, 전기화학 전지는 2차 전지, 1차 전지, 플로우 배터리, 연료 전지 또는 반고체 배터리 또는 전기화학 커패시터 또는 납산 배터리를 포함한다. 옵션으로는, 전기화학 전지는 리튬 이온 배터리, 리튬 금속 배터리, 아연 배터리, 리튬-공기 배터리, 아연-공기 배터리, 알루미늄-공기 배터리, 철-공기 배터리, 리튬-물 배터리, 실리콘계 배터리, 나트륨 배터리, 마그네슘 배터리, 나트륨 이온 배터리, 마그네슘 이온 배터리, 알칼리 배터리 또는 납산 배터리 또는 레독스 플로우 배터리 또는 연료 전지 또는 전기화학 커패시터를 포함한다. 옵션으로는, 전기화학 전지는 실리콘계 애노드, 리튬 애노드, 금속 옥사이드 전극, 황계 캐소드, 카본계 산소 캐소드 및 카본계 물 캐소드 중 하나 또는 그 초과의 것을 포함하는 리튬 배터리를 포함한다.
[0082] 다른 양태에서, 양 전극; 음 전극; 양 전극과 음 전극 사이에 위치된 이온 전도성 및 전자 절연 세퍼레이터 ― 세퍼레이터는 제 1 기계적 고강도 층 ― 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 ― , 및 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들의 적어도 일부에 제공된 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 포함함 ―; 양 전극과 세퍼레이터 사이에 위치된 제 1 전해질; 및 음 전극과 세퍼레이터 사이에 위치된 제 2 전해질을 포함하는 전기화학 전지가 제공되고; 제 1 및 제 2 전해질들은 전하 캐리어들을 이송할 수 있다.
[0083] 옵션으로는, 제 1 전자 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 고체 전해질, 겔 전해질, 폴리머 전해질, Nafion, ZrO2, LISICON, NASICON, PEO, Li10GeP2S12, LIPON, PVDF, Li3N, Li3P, LiI, LiBr, LiCl, LiF, 리튬 이미드, KOH, NaOH, 옥사이드 페로브스카이트, La0.5,Li0.5TiO3, 티오-LISICON, Li3.25Ge0.25P0.75S4, 유리 세라믹스, Li7P3S11, 유리 재료들, Li2S-SiS2-Li3PO4, 리튬 니트라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 도핑된 Li3N, Li2S-SiS2-Li3PO4, LIPON, Li14Zn(GeO4)4, Li-베타-알루미나, Li3.6Si0.6P0.4O4, Li2S-P2S5, PEO-LiClO4, LiN(CF3SO2)2/(CH2CH2O)8, NaPON, SiO2, 알루미나, 실리카 유리, 세라믹스, 유리-세라믹스, 물-안정 폴리머들, 유리 금속 이온 도체들, 비정질 금속 이온 도체들, 세라믹 활성 금속 이온 도체들, 유리-세라믹 활성 금속 이온 도체들, 이온 전도성 세라믹, 이온 전도성 고체 용액, 이온 전도성 유리, 고체 리튬 이온 도체 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
[0084] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 세퍼레이터의 10% 또는 그 초과의, 20% 또는 그 초과의, 30% 또는 그 초과의, 40% 또는 그 초과의, 50% 또는 그 초과의, 60% 또는 그 초과의, 70% 또는 그 초과의, 또는 80% 또는 그 초과의 부피를 포함한다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 세퍼레이터의 표면적의 10% 또는 그 초과의, 20% 또는 그 초과의, 30% 또는 그 초과의, 40% 또는 그 초과의, 50% 또는 그 초과의, 60% 또는 그 초과의, 70% 또는 그 초과의, 또는 80% 또는 그 초과를 포함한다.
[0085] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 0.01㎛ 내지 2000㎛의 범위로부터 선택된 평균 두께를 갖는다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 0.005mm 내지 0.05mm의 범위로부터 선택된 평균 두께를 갖는다.
[0086] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 1% 미만의 평균 공극률을 갖거나 비다공성이다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 0% 내지 5%의 범위로부터 선택된 평균 공극률을 갖는다. 바람직하게는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 핀홀들, 크랙들, 홀들 또는 이들의 임의의 조합이 실질적으로 없다. 바람직하게는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 결함이 실질적으로 없다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 도핑된다.
[0087] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 10-5 S/cm 또는 그 초과의, 10-4 S/cm 또는 그 초과의, 10-4 S/cm 또는 그 초과의, 10-3 S/cm 또는 그 초과의, 10-2 S/cm 또는 그 초과의, 10-1 S/cm 또는 그 초과의, 10 S/cm 또는 그 초과의, 10-7 S/cm 내지 100 S/cm의 범위로부터 선택된, 10-5 S/cm 내지 10 S/cm의 범위로부터 선택된, 10-3 S/cm 내지 1 S/cm의 범위로부터 선택된 이온 전도율을 갖는다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 전지의 동작 온도에서 10-7 S/cm 내지 100 S/cm의 범위로부터 선택된 이온 전도율을 갖는다.
[0088] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 습식 공정, 건식 공정, 기계적 압축, 열 증착, 코팅 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 방법을 사용하여 복수의 애퍼처들에 제공된다.
[0089] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 제 1 기계적 고강도 층을 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료에 압축함으로써 복수의 애퍼처들에 제공되어, 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들의 적어도 일부에서 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 제공한다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층을 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료에 압축하는 것은 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료의 형성 동안 발생한다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층을 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료에 압축하는 것은 400℃ 또는 그 초과의 온도 또는 500℃ 또는 그 초과의 온도에서 발생한다.
[0090] 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 메쉬 또는 폼을 포함한다. 옵션으로는, 메쉬 또는 폼은 금속, Ni, 스테인리스 강, 주석, Al, Cu, 합금, 유리, 폴리머, 캡톤, PE, PP, PET, PTFE, PVDF, SiO2, 세라믹, 알루미늄 옥사이드, 카본, 그라파이트, 나노카본 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
[0091] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들의 모두에 실질적으로 제공된다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들 모두를 충진한다.
[0092] 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 전자 절연 재료를 포함한다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 캡톤, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 비전도성 재료로 코팅된 금속, 비전도성 재료로 코팅된 합금, 폴리머, 유리, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 티타늄 옥사이드 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 폴리아크릴산(PAA), 가교 결합 폴리에틸렌(PEX, XLPE), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, PETE), 폴리페닐 에테르(PPE), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC), 폴리유산(PLA), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌(PB), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리스티렌(PS), 폴리우레탄(PU), 폴리에스테르(PE), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리(메틸 메타아크릴레이트)(PMMA), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리술폰(PES), 스티렌-아크릴로니트릴(SAN), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 스티렌 말레익 언하이드라이드(SMA), PVDF, PEO, LIPON PVDF, LISICON, 테트라메틸암모늄 하이드로옥사이드 펜타하이드레이트((CH3)4NOH·5H20), 폴리((에틸렌 옥사이드)(PEO), 에피클로로히드린 및 에틸렌 옥사이드 (P(ECH-co-EO)) 및 폴리(비닐알콜)의 코폴리머, PEO-PVA-유리섬유 코폴리머 전해질, 아연 설파이드, 실리콘 디옥사이드, PVA 및 PSA, PVA/V6/PSS; PVAN6/(PSS+PAA); V6/PVA/(PSS+PAA); PVMPSS+PAA(35%))/(PSS+PAA(35%)); (PSS+PAA(35%))/PVA/(PSS+PAA(35%)); 또는 (PSS+PAA (35%))/(PVA(10%)+PSS (20% 대 PVA))/(PSS+PAA (35%)) 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, PEDOT:PSS, SiO2, 리튬 니트라이드, NaPON, PVC, 유리 섬유 매트, 폴리부틸렌 글리콜, 알킬-폴리에틸렌 글리콜, 알킬-폴리프로필렌 글리콜, 알킬-폴리부틸렌 글리콜, 이들의 코폴리머, PEO 재료, PVA 재료 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 재료들을 포함한다.
[0093] 옵션으로, 애퍼처들의 제 1 패턴은 30% 또는 그 초과의, 50% 또는 그 초과의, 70% 또는 그 초과의, 30% 내지 90%의 범위로부터 선택된, 30% 내지 70%의 범위로부터 선택된, 또는 40% 내지 60%의 범위로부터 선택된 제 1 기계적 고강도 층의 제 1 공극률을 제공한다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 0.01㎛ 내지 2000㎛의 범위로부터 선택된 평균 두께를 갖는다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 0.005mm 내지 0.05mm의 범위로부터 선택된 평균 두께를 갖는다.
[0094] 옵션으로는, 본 양태의 전기화학 전지는 양 전극과 세퍼레이터 사이에 위치되고 양 전극과 전기적 접촉하거나, 음 전극과 세퍼레이터 사이에 위치되고 음 전극과 전기적 접촉하는 제 1 전자 및 이온 전도성 층을 더 포함한다. 옵션으로는, 본 양태의 전기화학 전지는 음 전극과 세퍼레이터 사이에 위치되고 음 전극과 전기적 접촉하거나, 양 전극과 세퍼레이터 사이에 위치되고 양 전극과 전기적 접촉하는 제 2 전자 및 이온 전도성 층을 더 포함한다.
[0095] 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 세퍼레이터의 컴포넌트이다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 세퍼레이터와 물리적으로 접촉하고 그리고/또는 전기적 접촉하여 제공된다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 세퍼레이터상의 코팅을 포함한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극 또는 음 전극과 물리적으로 접촉하고 그리고/또는 전기적 접촉한다. 옵션으로는, 전자 및 이온 전도성 층은 외부 집전체 폴을 포함한다. 옵션으로는, 제 1 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극 또는 음 전극상의 코팅을 포함한다. 옵션으로는, 전자 및 이온 전도성 층은 양 전극 및 음 전극 중 하나를 환원시킨다. 옵션으로는, 외부 집전체 폴은 양 전극 및 음 전극 중 하나를 산화시킨다.
[0096] 옵션으로는, 양 전극 또는 음 전극은 인터칼레이션 호스트 재료를 포함한다. 옵션으로는, 양 전극 또는 음 전극은 전기화학 전지의 충전 또는 방전 동안 형상의 변화를 겪는 재료를 포함한다. 옵션으로는, 양 전극은 활성 양 전극 재료 및 활성 양 전극 재료와 전기적 접촉하는 집전체를 포함한다. 옵션으로는, 음 전극은 활성 음 전극 재료 및 활성 음 전극 재료와 전기적 접촉하는 집전체를 포함한다.
[0097] 옵션으로는, 본 양태의 전기화학 전지에서, 세퍼레이터는 제 2 기계적 고강도 층 - 제 2 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 2 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 2 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐- 을 더 포함하며, 제 2 패턴은, 제 2 기계적 고강도 층을 통해 제 1 기계적 고강도 층으로부터 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되도록, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가지며, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치된다. 옵션으로는, 본 양태의 전기화학 전지에서, 세퍼레이터는 제 2 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들의 적어도 일부에 제공된 제 2 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 더 포함한다. 옵션으로는, 제 1 패턴은 제 2 패턴에 실질적으로 상보적이다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층은 물리적으로 접촉하지 않는다. 옵션으로는, 1 기계적 고강도 층 및 제 2 기계적 고강도 층의 적어도 일부들은 20nm 내지 2mm의 범위로부터 선택된 거리 만큼 분리된다. 옵션으로는, 제 2 기계적 고강도 층은 제 1 기계적 고강도 층과 음 전극 또는 양 전극 사이에 제공된다.
[0098] 옵션으로는, 본 양태의 전기화학 전지에서, 세퍼레이터는 제 3 기계적 고강도 층 ― 제 3 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 3 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 3 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 ― 을 포함하고, 제 3 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층 또는 제 2 기계적 고강도 층을 통해 제 3 기계적 고강도 층으로부터 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 3 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들 또는 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되도록, 제 1 패턴 또는 제 2 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가지며, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 및 제 3 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 및 제 3 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 및 제 3 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치된다. 옵션으로는, 본 양태의 전기화학 전지에서, 세퍼레이터는 제 3 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들의 적어도 일부에 제공된 제 3 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 더 포함한다. 옵션으로는, 제 3 패턴은 제 1 패턴 및 제 2 패턴 중 하나 또는 그 초과의 것에 실질적으로 상보적이다.
[0099] 옵션으로는, 본 양태의 전기화학 전지에서, 세퍼레이터는 제 4 기계적 고강도 층 ― 제 4 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 4 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 4 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 ― 을 더 포함하고, 제 4 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층 또는 제 3 기계적 고강도 층을 통해 제 4 기계적 고강도 층으로부터 수직으로 연장하는 축들을 따른 제 4 기계적 고강도 층의 애퍼처들과 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들, 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들 또는 제 3 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 오버랩이 20% 또는 그 미만이 되도록, 제 1 패턴, 제 2 패턴 또는 제 3 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가지며, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층은, 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층과 접촉하게 제공되는 전해질의 이온들이 제 1 기계적 고강도 층, 제 2 기계적 고강도 층, 제 3 기계적 고강도 층, 및 제 4 기계적 고강도 층을 통해 이송될 수 있도록 위치된다. 옵션으로는, 세퍼레이터는 제 3 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들의 적어도 일부에 제공된 제 4 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 더 포함한다. 옵션으로는, 제 4 패턴은 제 1 패턴, 제 2 패턴 및 제 3 패턴 중 하나 또는 그 초과의 것에 실질적으로 상보적이다.
[00100] 옵션으로는, 적어도 2개의 기계적 고강도 층들의 복수의 애퍼처들은 하나 또는 그 초과의 고체 전해질들로 충진된다. 옵션으로는, 기계적 고강도 층들 중 바깥의 2개의 기계적 고강도 층들의 복수의 애퍼처들은 양 전극에 인접하여 위치된 바깥의 기계적 고강도 층 또는 음 전극에 인접하여 위치된 바깥의 기계적 고강도 층 또는 이들 모두로 충진된다. 옵션으로는, 적어도 하나의 기계적 고강도 층이 전자 전도성이다. 옵션으로는, 적어도 하나의 기계적 고강도 층이 5W·m-1·k-1 또는 그 초과, 10W·m-1·k-1 또는 그 초과, 20W·m-1·k-1 또는 그 초과, 50W·m-1·k-1 또는 그 초과, 100W·m-1·k-1 또는 그 초과, 또는 200W·m-1·k-1 또는 그 초과의 열 전도율을 갖는 재료를 포함한다. 옵션으로는, 양 전극에 인접하여 위치된 바깥의 기계적 고강도 층 또는 음 전극에 인접하여 위치된 바깥의 기계적 고강도 층 또는 이들 모두와 같은 적어도 하나의 기계적 고강도 층은, 양 전극 및 음 전극 중 하나를 환원시키거나 양 전극 및 음 전극 중 하나를 산화시키는데 유용한 외부 집전체 폴을 포함한다.
[00101] 다양한 실시예들에서, 전기화학 전지는 2차 전지, 1차 전지, 플로우 배터리, 전기화학 커패시터, 반고체 배터리 또는 연료 전지를 포함한다. 옵션으로는, 전기화학 전지는 리튬 이온 배터리, 리튬 금속 배터리, 아연 배터리, 리튬-공기 배터리, 아연-공기 배터리, 알루미늄-공기 배터리, 철-공기 배터리, 리튬-물 배터리, 실리콘계 배터리, 알칼리 배터리 또는 납산 배터리를 포함한다. 옵션으로는, 전기화학 전지는 실리콘계 애노드, 리튬 애노드, 금속 옥사이드 전극, 카본계 산소 캐소드, 카본계 물 캐소드, 물 캐소드 및 공기 캐소드 중 하나 또는 그 초과의 것을 포함하는 2차 리튬 배터리를 포함한다.
[00102] 다른 양태에서, 전기화학 전지용 멤브레인을 제조하는 방법들이 제공된다. 이러한 양태의 일 실시예에서, 방법은 제 1 기계적 고강도 층을 제공하는 단계 ― 제 1 기계적 고강도 층은 전체적으로 제 1 기계적 고강도 층을 통해 연장하고 제 1 패턴으로 제공되는 복수의 애퍼처들을 가짐 ―; 및 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들의 모두 또는 일부에 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 제공하는 단계를 포함한다.
[00103] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 습식 공정, 건식 공정, 기계적 압축, 열 증착, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 방법을 사용하여 복수의 애퍼처들에 제공된다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 제 1 기계적 고강도 층을 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료에 압축함으로써 복수의 애퍼처들에 제공되어, 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들의 적어도 일부에서 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 제공한다. 옵션으로는, 본 양태의 방법은 압축하는 것 이후에 제 1 기계적 고강도 층 및 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 냉각하는 단계를 더 포함한다. 실시예들에서, 냉각하는 단계는 압축 동안 형성된 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료에서의 하나 또는 그 초과의 균열들(fractures)을 메운다(heAl). 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층을 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료에 압축하는 것은 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료의 형성 동안 발생한다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층을 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료에 압축하는 것은 500℃ 또는 그 초과의 온도에서 발생한다.
[00104] 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 메쉬 또는 폼을 포함한다. 옵션으로는, 메쉬 또는 폼은 금속, Ni, 스테인리스 강, 유리, 세라믹, 및 알루미늄 옥사이드를 포함한다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료에 대한 면내(in-plane) 압력은 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 통한 이온들의 고체 확산들을 용이하게 하거나 전극상에 균일한 이온 증착을 돕는다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료상의 면내 압력은, 면내 압력의 부재시에 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료의 이온 전도율과 비교할 때 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료의 이온 전도율을 증가시킨다. 이러한 이온 전도율에서의 증가는 푸아송비(Poisson's ratio) 효과로부터 발생하고, 여기서, 면내 압력은 면외 장력을 초래하여, 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 통한 이온들의 통과 또는 고체 확산을 용이하게 한다.
[00105] 옵션으로는, 제 1 전자 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 고체 전해질, 겔 전해질, 폴리머 전해질, LISICON, NASICON, PEO, Li10GeP2S12, LIPON, PVDF, Li3N, Li3P, LiI, LiBr, LiCl, LiF, 옥사이드 페로브스카이트, La0.5,Li0.5TiO3, 티오-LISICON, Li3.25Ge0.25P0.75S4, 유리 세라믹스, Li7P3S11, 유리 재료들, Li2S-SiS2-Li3PO4, 리튬 니트라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 도핑된 Li3N, Li2S-SiS2-Li3PO4, LIPON, Li14Zn(GeO4)4, Li-베타-알루미나, Li3.6Si0.6P0.4O4, Li2S-P2S5, PEO-LiClO4, LiN(CF3SO2)2/(CH2CH2O)8, NaPON, ZrO2, Nafion, PEDOT:PSS SiO2, PVC, 유리 섬유 매트, 알루미나, 실리카 유리, 세라믹스, 유리-세라믹스, 물-안정 폴리머들, 유리 금속 이온 도체들, 비정질 금속 이온 도체들, 세라믹 활성 금속 이온 도체들, 유리-세라믹 활성 금속 이온 도체들, 이온 전도성 세라믹, 이온 전도성 고체 용액, 이온 전도성 유리, 고체 리튬 이온 도체 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
[00106] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 세퍼레이터의 20% 또는 그 초과의, 30% 또는 그 초과의, 40% 또는 그 초과의, 50% 또는 그 초과의, 60% 또는 그 초과의, 70% 또는 그 초과의, 또는 80% 또는 그 초과의 부피를 포함한다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 0.01㎛ 내지 2000㎛의 범위로부터 선택된 평균 두께를 갖는다.
[00107] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 1% 미만의 평균 공극률을 갖는다. 바람직하게는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 비다공성이다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 0% 내지 5%의 범위로부터 선택된 평균 공극률을 갖는다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 핀홀들, 크랙들, 홀들 또는 이들의 임의의 조합이 실질적으로 없다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 결함이 실질적으로 없다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 도핑된다.
[00108] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 10-5S/cm 또는 그 초과의 이온 전도율을 갖는다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 10-7S/cm 내지 100 S/cm의 범위로부터 선택된 이온 전도율을 갖는다.
[00109] 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들의 모두에 실질적으로 제공된다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들 모두를 충진한다.
[00110] 옵션으로는, 기계적 고강도 층의 평균 두께는 10nm 내지 2000㎛의 범위로부터 선택된다. 옵션으로는, 기계적 고강도 층의 평균 두께는 0.005mm 내지 0.05mm의 범위로부터 선택된다. 옵션으로는, 애퍼처들의 제 1 패턴은 30% 또는 그 초과의 제 1 기계적 고강도 층의 제 1 공극률을 제공한다. 옵션으로는, 애퍼처들의 제 1 패턴은 30% 내지 70%의 범위로부터 선택된 제 1 기계적 고강도 층의 공극률을 제공한다.
[00111] 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 전기 절연 재료, 캡톤, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 비전도성 재료로 코팅된 금속, 비전도성 재료로 코팅된 합금, 폴리머, 유리, 세라믹, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 티타늄 옥사이드 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 폴리아크릴산(PAA), 가교 결합 폴리에틸렌(PEX, XLPE), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, PETE), 폴리페닐 에테르(PPE), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC), 폴리유산(PLA), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌(PB), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리스티렌(PS), 폴리우레탄(PU), 폴리에스테르(PE), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리(메틸 메타아크릴레이트)(PMMA), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리술폰(PES), 스티렌-아크릴로니트릴(SAN), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 스티렌 말레익 언하이드라이드(SMA), PVDF, PEO, LIPON PVDF, LISICON, 테트라메틸암모늄 하이드로옥사이드 펜타하이드레이트((CH3)4NOH·5H20), 폴리((에틸렌 옥사이드)(PEO), 에피클로로히드린 및 에틸렌 옥사이드 (P(ECH-co-EO)) 및 폴리(비닐알콜)의 코폴리머, PEO-PVA-유리섬유 코폴리머 전해질, 아연 설파이드, 실리콘 디옥사이드, PVA 및 PSA, PVA/V6/PSS; PVAN6/(PSS+PAA); V6/PVA/(PSS+PAA); PVMPSS+PAA(35%))/(PSS+PAA(35%)); (PSS+PAA(35%))/PVA/(PSS+PAA(35%)); 또는 (PSS+PAA (35%))/(PVA(10%)+PSS (20% 대 PVA))/(PSS+PAA (35%)) 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리부틸렌 글리콜, NaPON, ZrO2, Nafion, PEDOT:PSS, SiO2, PVC, 유리 섬유 매트, 알킬-폴리에틸렌 글리콜, 알킬-폴리프로필렌 글리콜, 알킬-폴리부틸렌글리콜, 이들의 코폴리머, PEO 재료, PVA 재료, Ni, Cu, Al, 스테인리스 강, 알루미늄 옥사이드 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 재료들을 포함한다.
[00112] 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 전기 전도성 재료, 금속, 금속 합금, 금속 메쉬, 반도체, 금속 폼, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 및 이들의 임의의 조합을 포함한다.
[00113] 실시예들에서, 제 1 기계적 고강도 층은 전기 절연 재료를 포함하고, 멤브레인은 전기화학 전지의 세퍼레이터를 포함한다. 실시예들에서, 제 1 기계적 고강도 층은 전기 절연 재료를 포함하고, 멤브레인은 전기화학 전지의 전자 및 이온 전도성 층을 포함한다. 옵션으로는, 멤브레인은 하나 또는 그 초과의 전자 및 이온 전도성 층들 및 하나 또는 그 초과의 전자 절연 및 이온 전도성 층들을 포함한다. 옵션으로는, 멤브레인은 전기화학 전지의 양 전극과 음 전극 사이에 위치되고, 멤브레인은 양 전극과 음 전극 사이에 전자 절연을 제공한다.
[00114] 옵션으로는, 본 양태의 방법은 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들 중 모두 또는 일부에서 제 1 이온 전도성 및 이온 절연 재료를 갖는 제 1 기계적 고강도 층에 인접한 전자 절연 층을 제공하는 단계를 더 포함한다.
[00115] 옵션으로는, 본 양태의 방법은 제 1 기계적 고강도 층의 복수의 애퍼처들 중 모두 또는 일부에서 제 1 이온 전도성 및 이온 절연 재료를 갖는 제 1 기계적 고강도 층에 인접한 하나 또는 그 초과의 집전체들을 제공하는 단계를 더 포함한다. 옵션으로는, 전기화학 전지의 활성 양 전극 재료와 전자 통신하는 제 1 집전체가 제공되고 전기화학 전지의 활성 음 전극 재료와 전자 통신하는 제 2 집전체가 제공된다.
[00116] 다른 양태에서, 양 전극; 음 전극; 양 전극과 음 전극 사이에 위치된 이온 전도성 및 전자 절연 세퍼레이터; 양 전극과 음 전극 사이에 위치되거나 음 전극과 세퍼레이터 사이에 위치된 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들; 및 양 전극과 음 전극 사이에 위치된 하나 또는 그 초과의 전해질들을 포함하고, 하나 또는 그 초과의 전해질들은 전하 캐리어들을 전도할 수 있는, 전기화학 전지가 제공된다.
[00117] 옵션으로는, 전기화학 전지는 양 전극과 세퍼레이터 사이에 위치된 제 1 열 및 이온 전도성 층 및 음 전극과 세퍼레이터 사이에 위치된 제 2 열 및 이온 전도성 층을 포함한다.
[00118] 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들 각각은 양 전극 또는 음 전극과 열 통신하여 제공된다. 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들은 전기화학 전지내에서 균일한 온도 분포를 제공하여, 전기화학 전지의 성능 및 수명 사이클을 증가시킨다. 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들은 전기화학 전지내에서 균일한 온도 분포를 제공하는 것을 도와서, 전기화학 전지의 성능 및 수명 사이클을 증가시킨다.
[00119] 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들 각각은 0.01mm 또는 그 미만의 두께, 또는 10nm 내지 0.01mm의 범위로부터 선택된 두께를 독립적으로 갖는다. 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들 각각은 다공성 재료, 천공 층, 메쉬 또는 폼을 독립적으로 포함한다. 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들 각각은 50% 또는 그 초과, 75% 또는 그 초과, 또는 90% 또는 그 초과의 공극률을 독립적으로 갖는다.
[00120] 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들 각각은 금속, 합금, 세라믹, 폴리머, 전자 절연 재료로 코팅된 금속 또는 전자 절연 재료로 코팅된 합금을 독립적으로 포함한다. 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들 각각은 금속, 합금, 열 전도성 폴리머, 열 전도성 세라믹, 열 전도성 섬유들을 갖는 폴리머, Al2O3 섬유들을 갖는 폴리머, Al, Ni, Sn, 강, 스테인리스 강, 구리, Si, Li3N, 알루미늄 옥사이드, 리튬 옥사이드, 리튬 퍼옥사이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, PVDF, 캡톤, PTFE, PMMA, NaPON, ZrO2, Nafion, FEDOT:PSS, SiO2, PVC, 유리 섬유 매트, LIPON 또는 이들의 임의의 조합을 독립적으로 포함한다.
[00121] 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들 각각은 메쉬를 독립적으로 포함한다. 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들 각각은 양 전극 또는 음 전극의 하나 또는 그 초과의 표면들상의 코팅을 독립적으로 포함한다.
[00122] 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들 각각은 세퍼레이터의 하나 또는 그 초과의 면들상의 코팅을 포함하거나 세퍼레이터에 인접하여 위치된다. 옵션으로는, 하나 또는 그 초과의 열 및 이온 전도성 층들 각각은 세퍼레이터의 내부 층을 독립적으로 포함한다.
[00123] 옵션으로는, 여기에 설명한 임의의 전기화학 전지에 대해, 세퍼레이터, 음 전극 또는 양 전극의 임의의 표면들은 친수성 재료 또는 소수성 재료 또는 음이온 교환 재료 또는 양이온 교환 재료로 독립적으로 그리고 옵션으로 코팅된다. 옵션으로는, 세퍼레이터, 양 전극 또는 음 전극의 임의의 층들은 친수성 재료 또는 소수성 재료 또는 음이온 교환 재료 또는 양이온 교환 재료를 독립적으로 포함한다.
[00124] 옵션으로는, 세퍼레이터, 양 전극 또는 음 전극의 임의의 층들은 형상 기억 재료를 독립적으로 포함한다. 옵션으로는, 형상 기억 재료는 형상 기억 합금, 니티놀, 형상 기억 폴리머들 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 옵션으로는, 형상 기억 재료의 층은 전기화학 셀의 동작 또는 사이클링 이전에 프리스트레스(prestress)된다.
[00125] 다른 양태에서, 양 전극; 음 전극; 고체 전해질을 포함하고, 이 고체 전해질은 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료; 및 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료 내부에 위치된 기계적으로 단단한 섬유들의 그룹을 포함하고, 전해질은 전하 캐리어들을 전도할 수 있는, 전기화학 전지들이 제공된다. 옵션으로는, 섬유들은 고체 전해질의 단단함을 증가시키고, 고체 전해질의 제조 동안 핀홀 크랙들을 방지하며, 사이클링으로 인한 고체 전해질에서의 크랙들을 방지한다.
[00126] 옵션으로는, 섬유들은 기계적으로 단단하다. 옵션으로는, 섬유들은 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료의 20% 또는 그 초과의 부피를 포함하거나 세퍼레이터의 표면적의 20% 또는 그 초과를 점유한다. 옵션으로는, 섬유들은 0.01㎛ 내지 2000㎛의 범위로부터 선택된 평균 사이즈를 갖는다. 옵션으로는, 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료는 0.01㎛ 내지 2000㎛의 범위로부터 선택된 평균 사이즈를 갖는다. 옵션으로는, 섬유들은 이온 절연성이다. 옵션으로는, 섬유들은 이온 전도성이다. 옵션으로는, 섬유들은 전자 전도성이다. 옵션으로는, 섬유들은 전자 절연성이다.
[00127] 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 형상 기억 합금들, 형상 기억 폴리머들, 니토놀 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상 기억 재료를 옵션으로 포함한다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 옵션으로 전자 전도성이다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 옵션으로 전자 절연성이다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 옵션으로 기계적으로 단단하다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 형상 기억 재료를 옵션으로 포함하거나 형상 기억 합금들, 형상 기억 폴리머, 니토놀 및 이들의 임의의 조합을 옵션으로 포함한다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 제 1 기계적 고강도 층은 주기적 기하학적 구조를 옵션으로 갖거나 메쉬를 포함한다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 비주기적 기하학적 구조 또는 임의의 단면을 옵션으로 갖는다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료의 제조 동안 핀홀들의 발생을 방지하기 위해 옵션으로 사용된다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료의 제조 동안 핀홀들의 발생을 방지하기 위해 옵션으로 사용된다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료에서의 이온들의 확산으로 인한 크랙들의 발생을 방지하기 위해 옵션으로 사용된다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 전극 및 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료에 옵션으로 부분적으로 접해 있다. 옵션으로는, 기계적 고강도 층은 제 1 이온 전도성 및 전자 절연 재료 및 전극을 타이트하게 접촉하여 위치시킨다. 옵션으로는, 기계적 고강도 층은 형상 기억 작용을 갖거나, 형상 기억 합금, 형상 기억 폴리머, 또는 니토놀을 포함한다. 옵션으로는, 제 1 기계적 고강도 층은 프리스트레스된다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 기계적 고강도 층은 3-차원 구조를 옵션으로 갖거나 3-차원 메쉬를 포함한다. 옵션으로는, 기계적 고강도 층은 프리스트레스된다. 옵션으로는, 기계적 고강도 층은 프리스트레스되어, 하나 또는 그 초과의 이온 전도성 및 전자 절연 재료와 전극 사이에 물리적 접촉을 제공한다. 옵션으로는, 전기화학 전지의 섬유들 또는 메쉬는 바인딩 효과를 갖고, 이온 전도성 및 전자 절연 재료를 함께 바인딩한다. 여기에 설명한 전기화학 전지들 중 임의의 것에 대해, 섬유 또는 메쉬는 폴리머 또는 PVDF 폴리머 또는 고무를 옵션으로 포함한다.
[00128] 옵션으로는, 여기에 설명한 임의의 세퍼레이터들 및/또는 멤브레인들, 예를 들어, 복수의 애퍼처들을 포함하는 기계적 고강도 층을 포함하는 단일 또는 다층 세퍼레이터들은 다양한 애플리케이션들에 유용하다. 일 실시예에서, 여기에 설명한 임의의 세퍼레이터들 및/또는 멤브레인들은 전기화학 전지의 세퍼레이터로서 사용된다. 일 실시예에서, 여기에 설명한 임의의 세퍼레이터들 및/또는 멤브레인들은 액체 여과 멤브레인으로서 사용된다. 일 실시예에서, 여기에 설명한 임의의 세퍼레이터들 및/또는 멤브레인들은 기체 여과 멤브레인으로서 사용된다. 일 실시예에서, 여기에 설명한 임의의 세퍼레이터들 및/또는 멤브레인들은 전기화학 전지에서 엔지니어링된 전극들로서 사용된다. 일 실시예에서, 여기에 설명한 임의의 세퍼레이터들 및/또는 멤브레인들은 산업 여과를 위해 사용된 필터로서 사용된다. 일 실시예에서, 여기에 설명한 임의의 세퍼레이터들 및/또는 멤브레인들은 생물-여과(bio-filtration) 멤브레인으로서 사용된다. 일 실시예에서, 여기에 설명한 임의의 세퍼레이터들 및/또는 멤브레인들은 음식 산업에서 산업 여과 멤브레인으로서 사용된다. 일 실시예에서, 여기에 설명한 임의의 세퍼레이터들 및/또는 멤브레인들은 약학 산업에서 산업 여과 멤브레인으로서 사용된다.
[00129] 개시된 세퍼레이터들 및 멤브레인들은 역삼투압, 한외여과, 미세 여과, 고도로 정화된 물의 생성, 또는 반도체 산업들에서 사용된 고순도의 화학물질에 의한 물질들의 농축 및 분리; 탈지 공정 또는 전해석출 공정으로부터 폐수들의 수집; 제지 공정, 유수 분리 공정, 오일리 에멜젼(oily emulsion) 분리 공정 등과 같은 다양한 산업 공정들에서 폐수액들의 처리; 양조 제품들의 분리 및 정제; 과일 및 채소 주스들의 농축, 콩의 가공, 설탕의 생산 등과 같은 다양한 음식 산업들에서의 농축, 분리 및 정화; 인공 신장, 혈액 성분들 및 박테리아의 분리를 위한 마이크로-필터, 및 의약품들용 분리기 또는 정화기와 같은 의료 용도들; 바이오-리액터들을 포함하는 바이오-기술 디바이스들; 및 연료 배터리의 전극들을 사용하는데 적합하고 그리고/또는 거기에서 옵션으로 사용된다.
[00130] 일 실시예에서, 본 발명은 여기에 설명한 바와 같은 전기화학 전지를 제공하고, 여기서, 전기화학 전지는 전지, 예를 들어, 전기화학 전지의 캐소드와 전자 및/또는 물리적 접촉하지 않는 전자 전도성 층을 포함하고, 전자 전도성 층은 전지의 애노드와 전자 및/또는 물리적 접촉한다.
[00131] 일 실시예에서, 본 발명은 여기에 설명한 바와 같은 전기화학 전지를 제공하고, 여기서, 전기화학 전지는 전지, 예를 들어, 전기화학 전지의 애노드와 전자 및/또는 물리적 접촉하지 않는 전자 전도성 층을 포함하고, 전자 전도성 층은 전지의 캐소드와 전자 및/또는 물리적 접촉한다.
[00132] 일 실시예에서, 본 발명은 여기에 설명한 바와 같은 전기화학 전지를 제공하고, 여기서, 전기화학 전지는 유체 전극, 예를 들어, 전기화학 전지가 아닌 전극과 전자 및/또는 물리적 접촉하는 전자 전도성 층을 포함하고, 전자 전도성 층은 공기 전극 또는 산소 전극이 아닌 전극과 전자 및/또는 물리적 접촉한다.
[00133] 옵션으로는, 여기에 설명한 임의의 전기화학 전지에서, 전기화학 전지는 캐소드와 전자 및/또는 물리적 접촉하는 세퍼레이터의 전자 전도성 층과 같은 임의의 전자 전도성 층을 포함하지 않는다. 옵션으로는, 여기에 설명한 임의의 전기화학 전지에서, 전기화학 전지는 양 전극과 전자 및/또는 물리적 접촉하는 세퍼레이터의 전자 전도성 층과 같은 임의의 전자 전도성 층을 포함하지 않는다.
[00134] 옵션으로는, 여기에 설명한 임의의 전기화학 전지에서, 전기화학 전지는 애노드와 전자 및/또는 물리적 접촉하는 세퍼레이터의 전자 전도성 층과 같은 임의의 전자 전도성 층을 포함하지 않는다. 옵션으로는, 여기에 설명한 임의의 전기화학 전지에서, 전기화학 전지는 음 전극과 전자 및/또는 물리적 접촉하는 세퍼레이터의 전자 전도성 층과 같은 임의의 전자 전도성 층을 포함하지 않는다. 옵션으로는, 여기에 설명한 임의의 전기화학 전지에서, 금속 층은 다공성 금속 층 또는 천공 금속 층을 포함한다.
[00135] 옵션으로는, 여기에 설명한 임의의 전기화학 전지에서, 전기화학 전지는 유체 전극 전자 및/또는 물리적 접촉하는 세퍼레이터의 전자 전도성 층과 같은 임의의 전자 전도성 층을 포함하지 않는다. 옵션으로는, 여기에 설명한 임의의 전기화학 전지에서, 전기화학 전지는 공기 또는 산소 전극 전자 및/또는 물리적 접촉하는 세퍼레이터의 전자 전도성 층과 같은 임의의 전자 전도성 층을 포함하지 않는다.
[00136] 임의의 특정한 이론에 한정되는 것으로 의도치 않고, 본 발명에 관한 기반 원리들 또는 메커니즘들의 의견 또는 이해에 관하여 여기에 논의될 수 있다. 임의의 설명 또는 가설의 궁극적인 정확함에 관계없이, 본 발명의 실시예는 작용될 수도 있고 유용할 수 있다는 것이 인식된다.
[00137] 도 1은 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 병렬 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들을 포함하는 전기화학 시스템용 다층 세퍼레이터 시스템의 측면 사시도를 제공하고, 애퍼처의 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴의 애퍼처들과 제 2 패턴의 애퍼처들의 오버랩이 없게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 갖는다.
[00138] 도 2는 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 병렬 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들을 포함하는 전기화학 시스템용 다층 세퍼레이터 시스템의 측면 사시도를 제공하고, 애퍼처의 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴의 애퍼처들과 제 2 패턴의 애퍼처들에 대한 선택된 범위의 오버랩이 있게 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 가지며, 선택된 범위의 오버랩은 세퍼레이터 시스템을 통한 수지상결정 성장을 최소화시키거나 회피한다.
[00139] 도 3은 전해질 함유 층에 의해 분리된 제 1 및 제 2 패터닝된 기계적 고강도 층들을 갖는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템의 단면도를 예시하는 개략도를 제공한다.
[00140] 도 4는 전해질 함유 층들에 의해 분리된 제 1, 제 2, 및 제 3 패터닝된 기계적 고강도 층들을 갖는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템의 단면도를 예시하는 개략도를 제공한다.
[00141] 도 5는 전해질 함유 층들에 의해 분리된 제 1 및 제 2 패터닝된 기계적 고강도 층들의 애퍼처들과 고체 영역들의 배향을 도시하는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템의 단면도를 예시하는 개략도를 제공한다.
[00142] 도 6은 전해질 함유 층들에 의해 분리된 제 1, 제 2, 및 제 3 패터닝된 기계적 고강도 층들의 애퍼처들과 고체 영역들의 배향을 도시하는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템의 단면도를 예시하는 개략도를 제공한다.
[00143] 도 7은 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 패터닝된 기계적 고강도 층들을 갖는 세퍼레이터 시스템을 포함하는 본 발명의 리튬 배터리의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다.
[00144] 도 8은 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 4개의 패터닝된 기계적 고강도 층들을 갖는 세퍼레이터 시스템을 포함하는 본 발명의 리튬 배터리의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다.
[00145] 도 9는 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 3개의 패터닝된 기계적 고강도 층들을 갖는 세퍼레이터 시스템을 포함하는 본 발명의 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다.
[00146] 도 10a는 리튬 금속 애노드, 캐소드, 및 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 3개의 기계적 고강도 층들, 2개의 저이온 저항층들, 2개의 전해질 함유 보이드들 및 프레임 컴포넌트를 포함하는 세퍼레이터 시스템을 포함하는 본 발명의 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다.
[00147] 도 10b는 보호 고체 전해질을 갖는 세퍼레이터를 갖는 (예를 들어, Li-공기, Li-물 배터리들에 유용한) 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 고체 전해질은 (Li+와 같은) 원하는 이온들을 전도하지만 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 물, 공기, CO2, 오염물질 및 재료들에 불침투성이다.
[00148] 도 10c는 보호 고체 전해질을 갖는 세퍼레이터를 갖는 (예를 들어, Li-공기, Li-물 배터리들에 유용한) 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 고체 전해질은 (Li+와 같은) 원하는 이온들을 전도하지만 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 물, 공기, CO2, 오염물질 및 재료들에 불침투성이다.
[00149] 도 10d는 보호 고체 전해질을 갖는 세퍼레이터를 갖는 (예를 들어, Li-황 배터리들에 유용한) 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 고체 전해질은 (Li+와 같은) 원하는 이온들을 전도하지만 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 캐소드와 애노드 사이의 입자 통로에 불침투성이다.
[00150] 도 10e는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 애노드 다음의 세퍼레이터의 도전측은 예를 들어, 수지상결정 성장을 중지시키고, 태상 증착(mossy deposition)에서와 같은 애노드 손실을 감소시며 애노드 입자들과 전류 집전체 사이의 전자 접촉을 중단시키고 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 사이클링시의 캐소드 재료들의 애노드로의 통과를 중지시킴으로써 애노드 손신을 감소시킨다.
[00151] 도 10f는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 천공 세퍼레이터 플레이트들 및 다공성 층들은 유체 전해질(수용성 또는 비양자성)을 통해 전극들 사이의 이온 접속을 여전히 제공하면서 전극들 사이의 전자 절연을 제공함으로써 세퍼레이터로서 작용한다.
[00152] 도 10g는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 2개의 기계적 고강도 층들의 형성 기억 효과는 세퍼레이터와 전극들 사이에서 매우 양호한 기계적 접촉을 발생시킨다.
[00153] 도 10h는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 2개의 기계적 고강도 층들의 초탄성 및/또는 형성 기억 효과는 세퍼레이터와 전극들 사이에서 매우 양호한 기계적 접촉을 발생시킨다.
[00154] 도 10i는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 2개의 기계적 고강도 층들의 초탄성 및/또는 형성 기억 효과는 세퍼레이터와 전극들 사이에서 매우 양호한 기계적 접촉을 발생시킨다.
[00155] 도 10j는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 세퍼레이터의 전도성측은 애노드 입자들과 집전체 사이의 전자 접촉을 중단시키고 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 사이클링시의 실리콘 대변형에서와 같은 애노드 손실을 감소시킨다.
[00156] 도 10k는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 애노드 다음의 세퍼레이터의 전도성측은 애노드 입자들과 집전체 사이의 전자 접촉을 중단시키고 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 사이클링시의 실리콘 대변형에서와 같은 애노드 손실을 감소시킨다.
[00157] 도 10l은 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다.
[00158] 도 10m은 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다.
[00159] 도 10n은 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다.
[00160] 도 10o은 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다.
[00161] 도 10p은 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다.
[00162] 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일부 세퍼레이터 시스템들의 다공성 패터닝된 층들의 설계들의 예들을 제공한다.
[00163] 도 12는 본 발명의 세퍼레이터 시스템을 포함하는 전기화학 전지의 단면도의 개략도를 제공한다.
[00164] 도 13은 본 발명의 전기화학 시스템에서 단락(short)을 만들기 위해 수지상결정 성장의 요구된 궤적을 예시하는 개략도를 제공한다.
[00165] 도 14(패널들(a-M))는 본 발명의 세퍼레이터 시스템들의 패터닝된 기계적 고강도 층들에서 유용한 애퍼처들의 상보적 패턴들의 예들을 제공한다.
[00166] 도 15는 (a) 125 미크론의 전체 두께를 갖는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템 및 (B) 25 미크론의 두께를 갖는 셀가드(Celgard) 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지에 대한 사이클들의 수의 함수로서 충전 및 방전 용량들(mah/g)의 플롯을 제공한다.
[00167] 도 16은 종래의 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지(B, 라인들(2 및 3))에 비교하여 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템, Li 금속 애노드 및 LiCoO2 캐소드를 갖는 전기화학 전지 (a, 라인들(1, 5 및 6))에 대한 사이클들의 수의 함수로서 충전 및 방전 용량들(mah/g)의 플롯을 제공한다.
[00168] 도 17은 2개의 셀가드 층들 사이의 천공 캡톤으로 이루어진 레퍼런스 전극 (라인들(F 및 D)) 및 25 미크론의 두께를 갖는 셀가드 세퍼레이터(라인들(H 및 I))에 비교하여 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템, Li 금속 애노드 및 LiCoO2 캐소드를 갖는 전기화학 전지(라인들(a, B 및 C))에 대한 사이클들의 수의 함수로서 충전 및 방전 용량들(mah/g)의 플롯을 제공한다.
[00169] 도 18은 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 3개의 기계적 고강도 층들을 포함하는 다층 세퍼레이터를 갖는 본 발명의 전기화학 전지를 예시하는 개략도를 제공한다.
[00170] 도 19는 도 18에 도시된 다층 세퍼레이터를 통해 통과하는 Li+ 이온들의 궤적을 예시하는 개략도를 제공한다.
[00171] 도 20은 본 발명의 다층 세퍼레이터에 의해 분리된 2개의 대칭 (5/9)" 리튬 칩들로부터의 정전류 리튬 스트립핑에 대한 셀 전압(V 대 Li) 대 사이클링 시간(h)의 플롯을 제공한다.
[00172] 도 21은 전류[밀리암페어] 대 시간[h] 및 전압[v] 대 시간[hr]의 플롯들을 제공한다.
[00173] 도 22는 본 발명의 다층 세퍼레이터에 의해 분리된 Li-금속, LiFePO4 캐소드로 이루어진 CR2032 셀에서 시간[s]의 함수로서 전류[a](상부) 및 전압[v](저부)의 플롯을 제공한다.
[00174] 도 23 및 도 24는 일부 실시예들 및 실험들의 세퍼레이터 시스템들에서 유용한 천공 층들의 사진들을 제공한다.
[00175] 도 25, 도 26, 도 27 및 도 28은 일부 실시예들의 세퍼레이터 시스템들에서 유용한 천공 층들의 사진들을 제공한다.
[00176] 도 29은 복합 멤브레인을 포함하는 전기화학 전지 실시예의 단면도를 제공한다.
[00177] 도 30는 다양한 복합 멤브레인 실시예들을 도시한다.
[00178] 도 31a 내지 도 31d는 충전 이전(도 31a) 및 이후(도 31b), 그리고 다중의 충/방전 사이클들 이후(도 31c 및 도 31d)의 전기화학 전지의 개략적인 단면도들을 제공한다.
[00179] 도 32 내지 도 41은 이온 및 전자 전도성 층이 전극에 인접하여 위치되는 전기화학 전지로부터 획득된 실험 데이터를 도시하는 플롯들을 제공한다.
[00180] 도 42 내지 도 47는 하나 또는 그 초과의 전도성 층들을 포함하는 전기화학 전지 실시예들의 개략적 단면도들을 제공한다.
[00181] 일반적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어들 및 어구들은 표준 텍스트들, 저널 레퍼런스들 및 당업자에게 알려진 컨텍스트들을 참조함으로써 발견될 수 있는 기술 인식 의미를 갖는다. 아래의 정의들은 본 발명의 컨텍스트에서 특정한 사용을 명확하게 하기 위해 제공된다.
[00182] 도면들을 참조하면, 동일한 참조부호들은 동일한 엘리먼트들을 나타내고, 하나 보다 많은 도면에서 나타나는 동일한 번호는 동일한 엘리먼트를 지칭한다. 또한, 이하 아래의 정의들이 적용된다.
[00183] 용어 "전기화학 전지"는 화학 에너지를 전기 에너지 또는 전기 에너지를 화학 에너지로 변환시키는 디바이스들 및/또는 디바이스 컴포넌트들을 지칭한다. 전기화학 전지들은 2개 또는 그 초과의 전극들(예를 들어, 양극 및 음극) 및 전해질을 갖고, 전극 표면들에서 발생하는 전극 반응들은 전하 이송 프로세스들을 발생시킨다. 전기화학 전지는 1차 배터리들, 2차 배터리들 및 전해 시스템을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 특정한 실시예들에서, 용어 전기화학 전지는 연료 전지들, 수퍼커패시터들, 커패시터들, 플로우 배터리들, 금속-공기 배터리들 및 반고체 배터리들을 포함한다. 일반적인 전지 및/또는 배터리 구조는 당업계에 공지되어 있다(예를 들어, 미국 특허 제6,489,055, 4,052,539, 6,306,540, Seel and Dahn J. Electrochem. Soc. 147(3) 892-898 (2000)를 참조).
[00184] 용어 "용량"은 배터리와 같은 전기화학 전지가 유지할 수 있는 전하의 총량을 지칭하는 전기화학 전지의 특징이다. 용량은 통상적으로 암페어-시간의 단위로 표현된다. 용어 "비용량"은 배터리와 같은 전기화학 전지의 단위 중량 당 용량 출력을 지칭한다. 비용량은 통상적으로 암페어-시간 kg-1의 단위로 표현된다.
[00185] 용어 "방전율"은 전기화학 전지가 방전되는 전류를 지칭한다. 방전율은 암페어의 단위로 표현될 수 있다. 대안으로는, 방전율은 전기화학 전지의 정격 용량으로 정규화될 수 있고 C/(Xt)로서 표현될 수 있고, 여기서 C는 전기화학 전지의 용량이고, X는 변수이며, t는 본 명세서에서 사용될 때 1시간과 같은 특정 단위 시간이다.
[00186] "전류 밀도"는 단위 전극 면적 당 흐르는 전류를 지칭한다.
[00187] 전극은 이온들 및 전자들이 전해질 및 출력 외부 회로와 교환되는 전기 도체를 지칭한다. "양 전극" 및 "캐소드"는 본 설명에서 동의적으로 사용되고 전기화학 전지에서 더 높은 전극 전위(즉, 음 전극 보다 높은)를 갖는 전극을 지칭한다. "음 전극" 및 "애노드"는 본 설명에서 동의적으로 사용되고 전기화학 전지에서 더 낮은 전극 전위(즉, 양 전극 보다 낮은)를 갖는 전극을 지칭한다. 음 전극 환원(cathodic reduction)은 화학 종들의 전자(들)의 이득을 지칭하고, 양 전극 산화는 화학 종들의 전자(들)의 손실을 지칭한다. 본 전기화학 전지의 양 전극들 및 음 전극들은 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 파우더 그라파이트, 코크스, 카본 섬유, 그라핀, 및 금속 파우더와 같은 전도성 희석재를 더 포함할 수도 있고/있거나 폴리머 바인더와 같은 바인더를 더 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 양 전극들에 대한 유용한 바인더들은 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)와 같은 플루오로폴리머를 포함한다. 본 발명의 양 전극 및 음 전극은 박막 전극 구성들과 같은 얇은 전극 설계들을 포함하는, 전기화학 및 배터리 기술의 분야에 공지된 바와 같은 다수의 유용한 구성들 및 폼 팩터들로 제공될 수도 있다. 전극들은 본 명세서에 개시되고, 예를 들어, 미국 특허 제4,052,539, 6,306,540, 및 6,852,446호에 개시된 바를 포함하는 당업계에 공지된 바와 같이 제조된다. 일부 실시예들에서, 전극은 전극 집전체상에 전극 재료의 슬러리, 전기적 전도성 불활성 재료, 바인더, 및 액체 캐리어를 증착시킨 후, 집전체와 전기적 접촉하는 유착체(coherent mass)를 남기도록 캐리어를 기화함으로써 통상적으로 제조된다.
[00188] "전극 전위"는 전극내에 또는 전극과 접촉하는 상이한 산화(원자가) 상태들에서의 화학 종들의 존재로 인해, 레퍼런스 전극에 대해 일반적으로 측정된 전압을 지칭한다.
[00189] "전해질"은 고체 상태, 액체 상태(가장 일반적) 또는 더욱 드물게는 가스(예를 들어, 플라즈마)일 수 있는 이온 도체를 지칭한다.
[00190] "표준 전극 전위"(E°)는 용질들의 농도가 1M이고, 가스 압력이 1atm이며, 온도가 섭씨 25도일 때의 전극 전위를 지칭한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 전극 전위들은 표준 수소 전극에 대해 측정된다.
[00191] "활성 재료"는 전기화학 전지에서 에너지를 저장 및/또는 전달하는 전기화학 반응들에 참여하는 전극에서의 재료를 지칭한다.
[00192] "양이온"은 양전하로 대전된 이온을 지칭하고, "음이온"은 음전하로 대전된 이온을 지칭한다.
[00193] "전기적 접촉", "전기적 통신", "전자 접촉" 및 "전자 통신"은 전류가 일 오브젝트로부터 다른 오브젝트로 효율적으로 흐르게 하기 위한 하나 또는 그 초과의 오브젝트들의 배열을 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 100Ω 미만의 전기 저항을 그 사이에 갖는 2개의 오브젝트들은 서로 전기 통신하는 것으로 고려된다. 전기적 접촉은 외부 디바이스들 또는 회로들과의 전기적 통신, 예를 들어, 전기적 상호접속을 확립하기 위해 사용된 디바이스 또는 오브젝트의 컴포넌트를 또한 지칭할 수 있다. "전기적 통신"은 전자들의 이송의 형태에서와 같이, 그 사이에서 전하를 이송할 수 있는 2개 또는 그 초과의 재료들 및/또는 구조들의 능력을 또한 지칭한다. 일부 실시예들에서, 전기적 통신에서의 컴포넌트들은 직접적으로 전기적 통신하고, 여기서, 전자 신호 또는 전하 캐리어가 하나의 컴포넌트로부터 다른 컴포넌트로 직접적으로 이송된다. 일부 실시예들에서, 전기적 통신에서의 컴포넌트들은 간접적으로 전기적 통신하고, 여기서, 전자 신호 또는 전하 캐리어가 컴포넌트들을 분리시키는 회로 엘리먼트들과 같은 하나 또는 그 초과의 중간 구조들을 통해 하나의 컴포넌트로부터 다른 컴포넌트로 간접적으로 이송된다.
[00194] "열 접촉" 및 "열 통신"은 동의적으로 사용되고 집전체 또는 열 이송 로드 및 열 싱크 또는 열 소스와 같은 엘리먼트들 또는 재료들의 배향 또는 위치를 지칭하여, 열적으로 분리되거나 열적으로 절연된 경우 보다 2개의 엘리먼트들 사이에 더욱 효율적인 열 전달이 존재한다. 엘리먼트들 또는 재료들은 이들이 열적으로 분리되거나 열적으로 절연된 경우 보다 열이 이들 사이에서 더욱 빠르게 이송되는 경우에 열 통신 또는 접촉하는 것으로 고려될 수도 있다. 열 통신 또는 접촉하는 2개의 엘리먼트들은 열평형 또는 열안정 상태에 도달할 수도 있고, 일부 실시예들에서는, 서로 열 평형 또는 열안정 상태에 지속적으로 있는 것으로 고려될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 서로 열 통신하는 엘리먼트들은 열 전도성 재료 또는 중간 열 전도성 재료 또는 디바이스 컴포넌트에 의해 서로 분리된다. 일부 실시예들에서, 서로 열 통신하는 엘리먼트들은 1㎛ 또는 그 미만의 거리 만큼 분리된다. 일부 실시예들에서, 서로 열 통신하는 엘리먼트들은 물리적 접촉하여 제공된다.
[00195] "기계적 고강도"는 예를 들어, 2차 전기화학 전지의 충전 및 방전 사이클들 동안, 반대 전극들의 물리적 접촉을 방지하는데 충분하고, 제조로부터 금속 입자들과 같은 전지내의 외부 오브젝트들로 인한 단락 회로를 방지하는데 충분하며, 전기화학 전지의 양 전극과 음 전극 사이에서 수지상결정의 성장으로 인한 단락 회로를 방지하는데 충분한 기계적 강도를 갖는, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 기계적 고강도 층들과 같은 본 발명의 세퍼레이터 시스템들의 컴포넌트들의 특성을 지칭한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층은 제조로부터 금속 입자들과 같은 전지에서의 외부 오브젝트들로 인한 피어싱(piercing), 및 전극들 사이의 수지상결정의 성장으로 인한 단락들을 방지하는데 충분한 기계적 강도를 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층은 제조로부터 금속 입자들과 같은 전지에서의 외부 오브젝트들로 전기화학 전지의 양 전극과 음 전극 사이의 단락 및 전극들 사이의 수지상결정의 성장으로 인한 단락들을 방지하는데 충분한 기계적 강도를 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층은 500MPA 또는 그 초과의 영률, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 1GPA 또는 그 초과의 영률, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 10GPA 또는 그 초과의 영률, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 100GPA 또는 그 초과의 영률을 특징으로 한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층은 5MPA 또는 그 초과의 항복 강도, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 50GPA 또는 그 초과의 항복 강도, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 100GPA 또는 그 초과의 항복 강도, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 500GPA 또는 그 초과의 항복 강도를 특징으로 한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층은 0.005N 또는 그 초과의 전파 전단 강도(propAgating tear strength), 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 0.05N 또는 그 초과의 전파 전단 강도, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 0.5N 또는 그 초과의 전파 전단 강도, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 1N 또는 그 초과의 전파 전단 강도 특징으로 한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층은 10N 또는 그 초과의 개시 전단 강도(initiating tear strength), 옵션으로는, 일부 애플리케이션들에 대해서는 100N 또는 그 초과의 개시 전단 강도를 특징으로 한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층은 50MPA 또는 그 초과의 인장 강도(tensile strength), 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 100MPA 또는 그 초과의 인장 강도, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 500MPA 또는 그 초과의 인장 강도, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 1GPA 또는 그 초과의 인장 강도를 특징으로 한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층은 10N cm 또는 그 초과의 충격 강도(impact strength), 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 50 N cm 또는 그 초과의 충격 강도, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 100 N cm 또는 그 초과의 충격 강도, 옵션으로는, 일부 애플리케이션에 대해서는 500 N cm 또는 그 초과의 충격 강도를 특징으로 한다.
[00196] "내화학성"은 본 발명의 세퍼레이터들 및 전기화학 시스템들의 층들과 같은 컴포넌트들의 특성을 지칭하고, 여기서, 전극들 및 전해질들과 같은 전지 활성 재료들과의 현저한 화학적 또는 전기화학 반응들은 존재하지 않는다. 특정한 실시예들에서, 내화학성은 인장 유지율(tensile retention) 및 신장 유지율(elongation retention)이 전기화학 전지와 같은 전기화학 시스템의 작업 환경에서 적어도 90%인 특성을 또한 지칭한다
[00197] "열안정"은 본 발명의 세퍼레이터들 및 전기화학 시스템들의 층들과 같은 컴포넌트들의 특성을 지칭하고, 여기서, 전지의 정상 및 동작 열 작용으로 인한 현저한 화학적 또는 전기화학 반응들은 존재하지 않는다. 특정한 실시예들에서, 열안정은 녹는점이 섭씨 100도 보다 크고, 일부 실시예들에 대해서는 바람직하게는 섭씨 300도 보다 크며, 옵션으로 열팽창 계수는 50ppm/Celsius 미만인 재료들을 또한 지칭한다. 일 실시예에서, 열안정은 세퍼레이터 시스템의 컴포넌트가 전기화학 전지의 성능을 현저하게 저하시키는 온도로 사이즈 또는 형상의 변화를 받지 않고 재충전가능한 전기화학 전지에서 수행할 수도 있도록 세퍼레이터 시스템의 컴포넌트의 특성을 지칭한다.
[00198] "공극률(porosity)"은 애퍼처들, 채널들, 보이드들 등과 같은 공극들에 대응하는 기계적 고강도 층과 같은 재료 또는 컴포넌트의 양을 지칭한다. 공극률은 재료, 구조 또는 디바이스 컴포넌트에 의해 점유된 총 체적에 대한, 애퍼처들, 채널들, 보이들 등과 같은 공극들에 대응하는 기계적 고강도 층과 같은 재료, 구조 또는 디바이스 컴포넌트의 체적의 퍼센티지로서 표현될 수도 있다.
[00199] 다양한 전기화학 스토리지 및 변환 애플리케이션들에 대해 유용한 전자적, 기계적 및 화학적 특성들을 제공하는 전기화학 시스템들용 세퍼레이터 시스템들이 제공된다. 일부 실시예들은 예를 들어, 리튬 및 아연계 배터리들 또는 플로우 배터리들에서 수지상결정 형성을 관리하고 제어하는데 유용한 구조적, 물리적 및 정전기적 속성들을 제공한다 개시된 세퍼레이터 시스템들 중 일부는 기계적 고장, 단락 및/또는 열 폭주를 일으키는 수지상결정을 방지하는데 유효한 배리어를 제공하는 동시에 우수한 이온 이송 특성들을 지원하는 다층 다공성 기하학적 구조들을 갖는다. 일부 실시예들은 예를 들어, 실리콘 애노드계 배터리들 또는 공기 캐소드계 배터리들 또는 레독스 펠로우 배터리들 또는 반고체 배터리들과 같은 전기화학 전지들의 사이클 수명 및 레이트 능력을 개선시키는데 유용한 구조적, 물리적 및 정전기적 속성들을 제공한다. 개시된 세퍼레이터 시스템들은 전자 전도율을 증가시키는데 유효한 보조 경로를 제공하거나 전계의 균일성을 개선시키는 동시에 우수한 이온 이송 특성들을 지원하는 다층 다공성 기하학적 구조들을 갖는다. 일부 실시예들은 예를 들어, L-공기 배터리들 또는 연료 전지들 또는 플로우 배터리들 또는 반고체 배터리들과 같은 고체 전해질계 시스템들에서 전기화학 전지들의 사이클 수명 및 레이트 능력을 개선시키는데 유용한 구조적, 물리적 및 정전기적 속성들을 제공한다. 개시된 세퍼레이터 시스템들은 종래의 고체 전해질들에서 발생하는 핀홀들을 제조하지 않고 크랙들을 동작적으로 발생시키지 않고 얇은 고체 전해질의 제조 및 동작에서 유용한 지지 메쉬 또는 섬유들의 단단함 및 긴 수명을 갖는 고체 전해질들의 강도 및 안정성을 제공하는 복합 고체 전해질/지지 메쉬 시스템들 및 고체 전해질/지지 섬유 시스템들을 포함한다.
[00200] 여기에 도입된 세퍼레이터들 및 멤브레인들은 예를 들어, 역삼투압, 한외여과, 미세 여과, 고도로 정화된 물의 생성, 또는 반도체 산업들에서 사용된 고순도의 화학물질에 의한 물질들의 농축 및 분리; 탈지 공정 또는 전해석출 공정으로부터 폐수들의 수집; 제지 공정, 유수 분리 공정, 오일리 에멜젼(oily emulsion) 분리 공정 등과 같은 다양한 산업 공정들에서 폐수액들의 처리; 양조 제품들의 분리 및 정제; 과일 및 채소 주스들의 농축, 콩의 가공, 설탕의 생산 등과 같은 다양한 음식 산업들에서의 농축, 분리 및 정화; 인공 신장, 혈액 성분들 및 박테리아의 분리를 위한 마이크로-필터, 및 의약품들용 분리기 또는 정화기와 같은 의료 용도들; 바이오-리액터들을 포함하는 바이오-기술 디바이스들; 및 연료 배터리의 전극들을 사용하는데 적합하다.
[00201] 도 1은 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 병렬 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들을 포함하는 전기화학 시스템용 다층 세퍼레이터 시스템(100(1))의 측면 사시도를 제공하고, 애퍼처의 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴의 애퍼처들과 제 2 패턴의 애퍼처들의 오버랩이 없게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 갖는다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 세퍼레이터 시스템(100(1))은 복수의 애퍼처들, 예를 들어, 104(1) 및 104(4)를 포함하는 제 1 패턴을 갖는 제 1 기계적 고강도 층(102(1)), 및 복수의 제 2 애퍼처들, 예를 들어, 104(2) 및 104(3)를 포함하는 제 2 패턴을 갖는 제 2 기계적 고강도 층(102(2))을 포함한다. 제 1 층 및 제 2 층은 평면 기하학적 구조 및 높이(H), 길이(L), 및 폭 또는 두께(W)와 같은 측방 치수들을 특징으로 한다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 애퍼처(104)는 제 1 기계적 고강도 층(102(1)) 또는 제 2 기계적 고강도 층(102(2))의 두께를 통해 전체적으로 연장된다. 각 애퍼처(104)는 또한, 높이(h), 길이(l), 및 폭 또는 두께(미도시)와 같은 측방 치수들을 특징으로 한다.
[00202] 제 2 기계적 고강도 층(102(2))상의 제 1 기계적 고강도 층(102(1))의 패턴의 중첩은 제 2 기계적 고강도 층(102(2))상에 복수의 오프셋 대시(dashed) 영역들(106(1))로서 개략적으로 제공되고, 제 1 기계적 고강도 층(102(1))상의 제 2 기계적 고강도 층(102(2))의 패턴의 중첩은 제 1 기계적 고강도 층(102(1))상에 복수의 오프셋 대시 영역들(106(2))로서 개략적으로 제공된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제 1 및 제 2 패턴들은 체커판 패턴과 유사하고, 여기서, 제 1 패턴은 흑색 칸들에 대응하고 제 2 패턴은 체커판의 적색 칸들에 대응한다. 그러나, 당업자에게 명백한 바와 같이, 제 1 및 제 2 패턴들이 서로에 대해 오프셋 정렬들을 갖는 한은 예를 들어, 벌집 패턴들, 밀집 원 패턴들, 벽돌 패턴들, 삼각형 패턴들 등과 같은 다른 패턴들이 가능하여, 제 1 기계적 고강도 층(102(1))으로부터 제 2 기계적 고강도 층(102(2))으로 수직으로 연장하는 축들을 따른 애퍼처들(104)의 오버랩은 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 5%, 2% 또는 0% 또는 그 미만이다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴의 애퍼처들과 제 2 패턴의 애퍼처들의 오버랩은 없다. 도 1에 도시된 화살표들(108(1) 및 108(2))은 제 1 기계적 고강도 층(102(1))으로부터 제 2 기계적 고강도 층(102(2))으로 수직으로 연장하는 축들에 따라 오버랩하지 않는 애퍼처들의 영역들을 예시하기 위해 제공된다. 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 제 1 패턴 및 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 제 2 패턴의 오프셋 정렬은 예를 들어, 수지상결정의 성장을 기계적으로 차단하고/하거나 열역학적으로 및/또는 동적으로 바람직하지 못한 곡선 궤적들을 수반하는 경로를 요구함으로써 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들의 조합을 통한 수지상결정들의 성장을 방지한다. 예를 들어, 수지상결정은 포인트(110(1))에서 제 1 기계적 고강도 층(102(1))에 의해 물리적으로 차단되기 때문에 화살표(a)에 의해 도시된 바와 같이 제 2 기계적 고강도 층(102(2))의 애퍼처(104(3))만을 통과할 수도 있다. 유사하게는, 수지상결정은 포인트(110(2))에서 제 2 기계적 고강도 층(102(2))에 의해 물리적으로 차단되기 때문에 화살표(B)에 의해 도시된 바와 같이 제 1 기계적 고강도 층(102(1))의 애퍼처(104(4))만을 통과할 수도 있다.
[00203] 도 2는 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 병렬 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들을 포함하는 전기화학 시스템용 다층 세퍼레이터 시스템(100(2))의 측면 사시도를 제공하고, 애퍼처의 제 2 패턴은, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴의 애퍼처들과 제 2 패턴의 애퍼처들에 대해 선택된 범위의 오버랩이 존재하게, 제 1 패턴에 대한 오프셋 정렬을 갖는다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 세퍼레이터 시스템(100(2))은 복수의 애퍼처들, 예를 들어, 104(5) 및 104(9)를 포함하는 제 1 패턴을 갖는 제 1 기계적 고강도 층(102(3)), 및 복수의 제 2 애퍼처들, 예를 들어, 104(6), 104(7) 및 104(8)을 포함하는 제 2 패턴을 갖는 제 2 기계적 고강도 층(102(4))을 포함한다. 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들(102)은 높이(H), 길이(L), 및 폭 또는 두께(W)와 같은 측방 치수들을 특징으로 한다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 애퍼처(104)는 제 1 기계적 고강도 층(102(3)) 또는 제 4 기계적 고강도 층(102(2))의 두께를 통해 전체적으로 연장된다. 각 애퍼처(104)는 또한, 높이(h), 길이(l), 및 폭 또는 두께(미도시)와 같은 측방 치수들을 특징으로 한다.
[00204] 제 2 기계적 고강도 층(102(4))상의 제 1 기계적 고강도 층(102(3))의 제 1 패턴의 중첩은 제 2 기계적 고강도 층(102(4))상에 복수의 오프셋 대시 영역들(106(3))로서 개략적으로 제공되고, 제 1 기계적 고강도 층(102(3))상의 제 2 기계적 고강도 층(102(4))의 제 2 패턴의 중첩은 제 1 층(102(3))상에 복수의 오프셋 대시 영역들(106(4))로서 개략적으로 제공된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 제 1 및 제 2 패턴들은, 제 1 기계적 고강도 층(102(3))으로부터 제 2 기계적 고강도 층(102(4))으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 애퍼처들(104)에 대해 선택된 오버랩이 존재하게, 서로에 대한 오프셋 정렬을 갖는다. 일 실시예에서, 예를 들어, 선택된 오버랩은 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 5%, 또는 2% 또는 그 미만이다. 도 2에 도시된 실시예에서, 제 1 기계적 고강도 층으로부터 제 2 기계적 고강도 층으로 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 1 패턴의 애퍼처들과 제 2 패턴의 애퍼처들의 오버랩은 0 보다 크다. 도 2에 도시된 화살표들은 애퍼처들의 오버랩하는 영역들(112) 및 제 1 기계적 고강도 층(102(3))으로부터 제 2 기계적 고강도 층(102(4))으로 수직으로 연장하는 축들에 따라 오버랩하지 않는 애퍼처들의 영역들을 예시하기 위해 제공된다. 제 1 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 패턴 및 제 2 기계적 고강도 층의 애퍼처들의 패턴의 오프셋 정렬은 예를 들어, 수지상결정의 성장을 차단하고/하거나 열역학적으로 및/또는 동적으로 바람직하지 못한 곡선 궤적들을 수반하는 경로를 요구함으로써 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들의 조합을 통한 수지상결정들의 성장을 방지한다.
[00205] 본 발명은 아래의 제한하지 않는 예들에 의해 더 이해될 수도 있다.
예 1 : 구체적으로 Li-금속 배터리들에서 수지상결정 단락 회로를 방지하기 위해 재충전가능한 리튬 배터리들과 같은 배터리들에 대한 전기화학 및 화학 시스템들용의 신규한 세퍼레이터들
[00206] 도 3은 전해질 함유 층(층 M)에 의해 분리된 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들(층들(R 및 F))을 갖는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템의 단면도를 예시하는 개략도를 제공한다. 도 4는 전해질 함유 층(층 M)에 의해 분리된 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 제 1, 제 2 및 제 3 기계적 고강도 층들(층들(R 및 F))을 갖는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템의 단면도를 예시하는 개략도를 제공한다. 도 3 및 도 4에서, 층들(R) 및 층들(F)은 조합하여 제공될 때, 예를 들어, 전기화학 전지와 같은 전기화학 시스템으로 통합되는 경우에, 세퍼레이터 시스템을 통한 수지상결정 성장을 방지하는 애퍼처들의 패턴들을 갖는 기계적 고강도 층들이다. 도 3 및 도 4에서, 전해질 함유 층(들)(M)은 층들(F)과 층들(R) 사이에 제공되고, 일부 실시예들에서는, 전해질 함유 층(들)(M)은 바람직하게는 층들(F 및 R) 보다 두껍다. 전기화학 시스템에서, 예를 들어, 층(들)(M)은 전해질에 대한 저장소로서 작용한다. 전기화학 시스템에서, 예를 들어, 층(들)(M)은 세퍼레이터로서 작용하여, 전기화학 전지가 효율적인 방전 및 충전 특징들을 경험할 수 있도록 양 전극과 음 전극 사이의 이온 이송을 허용하면서 양 전극과 음 전극 사이의 전기적 및/또는 물리적 접촉을 방지한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 층(M)은 전도성 미소다공성 멤브레인과 같은 저이온 저항층이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 층(M)은 폴리에틸렌(PE) 멤브레인 또는 폴리프로필렌(PP) 멤브레인 또는 이들의 조합이다.
[00207] 일부 실시예들에서, 기계적 고강도 층들(F 및 R)은 전기화학 전지에서 수지상결정 성장을 방지하여 전지의 전기적 단락, 열 폭주 및/또는 기계적 고장을 방지하도록 기능한다. 일례로서, 기계적 고강도 층들(F 및 R)은 양 전극과 음 전극 사이의 수지상결정 성장을 방지함으로써 리튬 금속 배터리들에서 단락 회로 및 용량 손실들을 방지하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 기계적 고강도 층들(F 및 R)은 성장하고 있는 수지상결정과 접촉할 때 배리어의 피어싱 또는 기계적 고장을 방지하는데 충분한 기계적 강도를 각각 갖는 상보적 배리어들을 제공한다.
[00208] 일부 실시예들에서, 기계적 고강도 층들(F 및 R)에는 층들의 전체 두께를 통해 연장하는 애퍼처들의 상보적 패턴들이 제공된다. 도 5는 전해질 함유 층(M)과 같은 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들에 의해 분리된 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들의 애퍼처들(도트 영역들로서 개략적으로 예시됨)과 고체 영역들(충진된 영역들로서 개략적으로 예시됨)을 예시하는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템의 단면도를 예시하는 개략도를 제공한다. 도 6은 전해질 함유 층(M)과 같은 하나 또는 그 초과의 저이온 저항층들에 의해 분리된 제 1, 제 2 및 제 3 기계적 고강도 층들의 애퍼처들과 고체 영역들을 예시하는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템의 단면도를 예시하는 개략도를 제공한다. 일례로서, 기계적 고강도 층(들)(F)은 애퍼처들의 사전선택된 제 1 패턴 및 고체 영역들을 특징으로 할 수 있고, 기계적 고강도 층(들)(R)은 기계적 고강도 층(F)과는 상이한 애퍼처들의 사전선택된 제 2 패턴 및 고체 영역들을 특징으로 할 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 2개의 패턴들은, 기계적 고강도 층들(F 및 R) 각각이 기계적 고강도 층 측으로부터 이온들 및 전해질의 이송을 허용하는 애퍼처들(예를 들어, 쓰루홀들, 나노공극들, 마이크로공극들, 채널들 등)을 갖지만, 다층 세퍼레이터 시스템 기하학적 구조에서의 기계적 고강도 층들(F 및 R)의 정렬이 예를 들어, 기계적 고강도 층(들)(R)으로부터 기계적 고강도 층(들)(F)으로 수직으로 연장하는 축들에 따라 기계적 고강도 층(R)의 고체 영역들에 매칭하기 위해 기계적 고강도 층(F)의 애퍼처들 및 기계적 고강도 층(R)의 홀들에 매칭하기 위해 기계적 고강도 층(F)의 고체 영역들을 제공하도록 상보적이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들(F 및 R)의 애퍼처들은 서로에 관하여 오프셋되어서, 이들이 예를 들어, 병렬 또는 동심 배향으로 조합되어 제공될 때 양(both) 층들(F 및 R)의 홀들을 통과할 수 있는 직선은 없다. 이러한 공간 배열은 예를 들어, 백색 및 흑색 칸들을 갖는 체스판과 같은 주기적 패턴을 고려함으로써 시각화될 수 있고, 여기서, 백색 칸들은 애퍼처들에 대응하고, 흑색 칸들은 기계적 고강도 층의 고체 영역들에 대응한다. 일례에서, 기계적 고강도 층(F)은 통상의 체스판의 형태일 수 있고, 기계적 고강도 층(R)은 잘못 놓여진 거꾸로 된 체스판의 포맷이고, 여기서, (애퍼처들에 대응하는) 백색 블록들은 흑색 칸들(층(F)의 고체 부분)의 위치에 있고 (고체 영역들에 대응하는) 흑색 블록들은 백색 칸들(층(F)의 홀들)의 위치에 있다. 이러한 오프셋 정렬은 적어도 2개의 기계적 고강도 층들을 발생시키고, 여기서, 홀들 모두가 다층 기하학적 구조에 제공될 때 이웃하는 층의 고체 영역들에 의해 차단된다.
[00209] 기계적 고강도 층들(F 및 R) 사이에 저이온 저항층(M)(통상의 세퍼레이터)을 배치하는 것은 세퍼레이터 시스템을 통해 연장하는 수지상결정의 원치않는 성장을 방지하는 세퍼레이터 시스템을 제공한다. 그러나, 전지의 저항에 대한 세퍼레이터 시스템의 영향을 최소화시키기 위해, 일부 실시예들에 있어서는, 수지상결정의 성장을 차단하기 위해 충분한 기계적 강도를 제공하기 위해 필요한 두께를 적어도 유지하면서 기계적 고강도 층들(F 및 R)의 두께를 최소화시키는 것이 바람직하다.
[00210] 일 실시예에서, 예를 들어, 기계적 고강도 층들(F 및 R)은 매우 얇고(예를 들어, 100㎛ 또는 그 미만의 두께, 옵션으로 일부 실시예들에 대해서는 20㎛ 또는 그 미만의 두께), 따라서, 옵션으로 층(M)의 전면 및/또는 후면측상의 하나 또는 그 초과의 코팅들의 형태일 수 있다. 기계적 고강도 층들(F 및 R)에서 홀들의 체적율(volume fraction) 및 표면율(surface fraction)은 소정의 애플리케이션에 대해 선택되고, 일부 애플리케이션들에 대해, 표면-체적의 적어도 1/4 및 옵션으로는, 1/2이 애퍼처들을 포함하고 나머지가 불침투성 고체 영역들을 포함하는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 기계적 고강도 층들(F 및 R)은 전기화학 전지의 다른 컴포넌트들과 반응하지 않고 내화학성이고 열안정성인 재료들을 포함한다. 일 실시예에서, 기계적 고강도 층들(F 및 R)은 전자 절연체들을 포함한다.
[00211] 리튬-금속 배터리에 대해 유용한 특정한 실시예들에서, 기계적 고강도 층들(F 및 R)은 폴리에틸렌 멤브레인 또는 폴리이미드 멤브레인 또는 폴리에스테르 멤브레인 또는 폴리프로필렌 멤브레인 또는 태플론 또는 이온 및 전해질의 통과를 허용하지만 전기화학 전지의 양 전극과 음 전극 사이에서 전류의 직접적으로 통과를 방지하는 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 이들 재료들의 혼합물을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 저이온 저항층(M)은 다공성 폴리에틸렌 멤브레인 또는 다공성 폴리프로필렌 멤브레인 또는 이들의 혼합물이다. 일 실시예에서, 저이온 저항층(M)은 10nm 내지 200㎛의 범위로부터 선택된, 10㎛ 내지 120㎛의 범위로부터 선택된거나 5㎛ 내지 25㎛의 범위로부터 선택된 두께를 갖고, 기계적 고강도 층들(F 및 R)은 5㎛ 내지 200㎛의 범위로부터 선택된, 10㎛ 내지 30㎛의 범위로부터 선택되거나 5㎛ 내지 30㎛의 범위로부터 선택된 두께를 독립적으로 각각 갖는다. 일 실시예에서, 기계적 고강도 층들(L 및 M)은 애퍼처들 및 영역들의 상보적 주기 패턴들을 갖고, 애퍼처들 및/또는 고체 영역들을 특징으로 하는 단위 전지의 하나 또는 그 초과의 측방 치수들은 예를 들어, 1 마이크로미터 및 1밀리미터, 일부 애플리케이션들에 대해서는 바람직하게는 10 내지 30 마이크로미터의 범위에 걸쳐 선택된다. 층(M)의 평균 애퍼처 사이즈의 10배 만큼 작은, 애퍼처들의 단위 셀의 측방 치수들의 더 작은 사이즈들이 일부 실시예들에 대해 바람직하지만, 제조에 관하여 큰 애퍼처들의 실용적 이점들이 존재할 수도 있어서, 애퍼처들의 물리적 치수들의 선택에 있어서 절충이 존재할 수 있다는 것이 확인되었다.
[00212] 당업자에게 명백한 바와 같이, 세퍼레이터 시스템들의 컴포넌트들의 조성, 물리적 치수들(예를 들어, 두께들) 및 기계적 특성들(예를 들어, 공극률)은 전기화학 또는 화학 전지들의 타입 및/또는 애플리케이션에 의존할 수도 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 납산 배터리들에 대한 세퍼레이터 시스템들은 리튬 금속 배터리들용 세퍼레이터 시스템들에서 보다 더 큰 홀 사이즈들을 갖는 더 두꺼운 기계적 고강도 층들을 이용할 수도 있다.
[00213] 도 3 및 도 5에 도시된 상술한 R-M-F 및 F-M-R-M-F 시스템들 외에, 다른 세퍼레이터 기하학적 구조들이 일부 애플리케이션들에 대해 또한 유용하다. 일례로서, 본 발명은 수지상결정 성장을 방지하기 위해 선택된 애퍼처들의 패턴들을 갖는 3, 4, 5, 6, 7, 8개 등의 기계적 고강도 층들을 갖는 다층 시스템들을 포함한다. 도 4 및 도 6에 도시된 F-M-R-M-F 시스템에 대응하는 바와 같은, 2개 보다 많은 기계적 고강도 층들을 갖는 다층 시스템들은, 이들이 양 전극으로부터 음 전극으로의 수지상결정의 성장을 효율적으로 방지하도록 구성될 수도 있고 전지에 대한 추가 저항이 유용한 방전 및 충전 성능을 제공하기에 충분히 낮게 여전히 유지될 수 있기 때문에 일부 애플리케이션들에 대해 바람직하다.
[00214] 일례로서, 본 발명의 고에너지 재충전가능한 리튬 배터리는 (1) 리튬 금속 또는 리튬-합금 또는 리튬 금속 또는 리튬 합금 또는 리튬 금속 및/또는 리튬 합금 또는 아연 금속 또는 ZnO 또는 아연 합금 또는 실리콘 및 다른 재료들의 혼합물들을 포함하는 애노드; (2) 캐소드; (3) 애노드와 캐소드 사이에 배치된 본 발명의 세퍼레이터 시스템; 및 (4) 세퍼레이터를 통해 애노드 및 캐소드와 이온 통신하는, 옵션으로는, 물리적 접촉하는 하나 또는 그 초과의 전해질들을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 전해질은 고체, 겔 또는 액체(예를 들어, 유체)이다. 일부 실시예들에서, 전극들은 고체 재료들이거나 반고체 배터리들 또는 플로우 배터리들 또는 플로우 배터리들에서 사용되는 것과 같은 반고체 입자들(예를 들어, 액체들에서의 작은 고체 입자들)이다. 세퍼레이터 시스템의 단면 기하학적 구조는 직사각형, 원형, 정사각형 등을 포함하는 다수의 형상일 수 있다.
[00215] 도 7은 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들을 갖는 세퍼레이터 시스템을 포함하는 본 발명의 리튬 배터리의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다. 전기화학 전지는 전해질 저장소를 포함하는 다층 세퍼레이터 시스템에 의해 분리되는 애노드(예를 들어 리튬 금속) 및 캐소드를 포함한다. 다층 세퍼레이터는 전해질 함유 세퍼레이터 및/또는 스페이서와 같은 저이온 저항층에 의해 분리된 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들을 포함한다. 또한, 기계적 고강도 층들과 애노드 및 캐소드 컴포넌트들 사이에 매우 다공성의 매질이 제공된다. 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 기계적 고강도 층들은 교호하는 애퍼처들 및 고체 영역들을 포함하는 패턴들을 갖는다(예를 들어, 도 7에서, 충진된 영역들은 기계적 고강도 층의 고체 영역들에 대응하고 도트 영역들은 기계적 고강도 층을 통해 연장하는 애퍼처들에 대응한다). 도시된 실시예에서, 기계적 고강도 층들은 캐소드와 애노드 사이에서 수지상결정의 성장을 방지할 수 있는 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖고, 제 1 기계적 고강도 층의 개방 영역들(예를 들어, 애퍼처들)은 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 층들로부터 수직으로 연장하는 축들에 따른 제 2 기계적 고강도 층의 고체 영역들에 대응한다.
[00216] 도 8 내지 도 10은 본 발명의 추가의 디바이스 구성들 및 디바이스 컴포넌트들을 예시하는 리튬 배터리들의 다른 실시예들의 예들을 제공한다. 도 8은 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 4개의 기계적 고강도 층들을 갖는 세퍼레이터 시스템을 포함하는 본 발명의 리튬 배터리의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다. 도 8에 예시된 디바이스에서, 기계적 고강도 층(R)은 애노드와 직접적으로 물리적 접촉하여 제공되고 기계적 고강도 층(L)은 캐소드와 직접적으로 물리적 접촉하여 제공된다. 도 8에 도시된 실시예에서, 2개의 층들(R)은 애퍼처들의 동일한 패턴을 갖고 2개의 층들(F)은 애퍼처들의 동일한 패턴을 갖는다. 이와 함께, 층들(R 및 F)에서의 패턴들은 캐소드로부터 애노드로 수직으로 연장하는 축들에 따른 애노드와 캐소드 사이의 임의의 직접 선형 경로를 제거하여 수지상결정 성장 관련 단락을 방지하는 상보적 패턴들을 포함한다. 도 8에 도시된 실시예에서, 기계적 고강도 층(R)은 이온들이 층(R)을 통과하게 하고 애노드 표면과 상호작용하게 하도록 애노드와 물리적 접촉하여 제공되고, 기계적 고강도 층(F)은 이온들이 층(F)을 통과하게 하고 캐소드 표면과 상호작용하게 하도록 캐소드와 물리적 접촉하여 제공된다.
[00217] 도 9는 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 3개의 기계적 고강도 층들을 갖는 세퍼레이터 시스템을 포함하는 본 발명의 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다. 도 9에 예시된 디바이스에서, 매우 다공성 층(예를 들어, 공극률≥80%)이 기계적 고강도 층(F)과 애노드 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, 공극률≥80%)이 기계적 고강도 층(F)과 캐소드 사이에 제공된다. 도 9에 예시된 디바이스에서, 기계적 고강도 층(R)은 기계적 고강도 층들(F)의 애퍼처들의 패턴과 상보적인 애퍼처들의 패턴을 갖고, 다공성 층(예를 들어, 공극률≥50%)이 기계적 고강도 층(R)과 기계적 고강도 층(F) 사이에 제공된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 2개의 기계적 고강도 층들(F)은 애퍼처들의 동일한 패턴을 특징으로 한다. 도 9에 도시된 실시예에서, 2개의 층들(F)은 애퍼처들의 동일한 패턴을 갖는다. 이와 함께, 층(R) 및 2개의 층들(F)에서의 패턴들은 캐소드로부터 애노드로 수직으로 연장하는 축들에 따른 애노드와 캐소드 사이의 임의의 직접 선형 경로를 제거하여 수지상결정 성장 관련 단락을 방지하는 상보적 패턴들을 포함한다. 도 9에 도시된 실시예에서, 매우 다공성 층(예를 들어, 공극률≥80%)은 이온들이 이러한 다공성 층을 통과하게 하고 애노드 표면과 상호작용하게 하도록 애노드와 물리적 접촉하여 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, 공극률≥80%)은 이온들이 이러한 다공성 층을 통과하게 하고 캐소드 표면과 상호작용하게 하도록 캐소드와 물리적 접촉하여 제공된다.
[00218] 도 10a는 리튬 금속 애노드, 캐소드, 및 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 3개의 기계적 고강도 층들, 2개의 저이온 저항층들, 2개의 전해질 함유 보이드들 및 프레임 컴포넌트를 포함하는 세퍼레이터 시스템을 포함하는 본 발명의 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 프레임 층(들)은 전체 다층 배열의 컴포넌트들을 물리적으로 통합하고, 부착하고/하거나 기계적으로 지지하기 위한 수단을 제공한다. 도 10에 도시된 리튬 배터리에서, 전해질 함유 보이드가 애노드와 애퍼처들의 패턴을 갖는 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 전해질 함유 보이드가 캐소드와 애퍼처들의 패턴을 갖는 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공된다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 전극과 기계적 고강도 층 사이의 전해질 함유 보이드의 통합은 전지의 유용한 방전 및 충전 특징들에 액세스하도록 전극 표면적의 감소를 회피하는데 유용하다. 도 10에 예시된 디바이스에서, 기계적 고강도 층(R)은 기계적 고강도 층들(F)의 애퍼처들의 패턴과 상보적인 애퍼처들의 패턴을 갖고, 저이온 저항층(예를 들어, 공극률≥50%)이 기계적 고강도 층(R)과 기계적 고강도 층(F) 사이에 제공된다.
[00219] 도 10b는 보호 고체 전해질을 갖는 세퍼레이터를 갖는 (예를 들어, Li-공기, Li-물 배터리들에 유용한) 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 고체 전해질은 (Li+와 같은) 원하는 이온들을 전도하지만 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 물, 공기, CO2, 오염물질 및 재료들에 불침투성이다. 전기화학 전지는 리튬 애노드와 같은 애노드; 카본-물 캐소드 또는 카본-공기 캐소드와 같은 캐소드; 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들, 3개의 저이온 저항층들을 포함하는 세퍼레이터 시스템; 및 LISICON 층과 같은 고체 전해질 층을 포함한다. 도 10b에 예시된 디바이스에서, 기계적 고강도 층은 옵션으로는, 천공 캡톤 층들과 같이 전자적으로 또한 절연인 내화학성 및 열안정성 천공 층들이다. 캡톤을 포함하는 상보적인 기계적 고강도 층들의 사용은 수지상결정 성장을 방지하기 위해 일부 실시예들에서 유용하다. 도 10b에 도시되어 있는 바와 같이, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 1 저이온 저항층이 애노드와 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 2 저이온 저항층이 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공되며, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 3 저이온 저항층이 제 2 기계적 고강도 층과 캐소드 사이에 제공된다. 도 10b에 도시되어 있는 바와 같이, LISICON과 같은 고체 전해질 층이 이온들이 캐소드 표면으로 이송될 수 있도록 제 3 저이온 저항층과 캐소드 사이에 제공된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 고체 전해질 층은 캐소드의 표면과 물리적 접촉하여 제공된다. 일부 실시예들에서, 고체 전해질 층(예를 들어, LISICON 층)의 통합은 캐소드를 보호하기 위해, 예를 들어, 고체 전해질 이외의 전해질 컴포넌트들과 같은 전기화학 전지의 컴포넌트들을 캐소드 표면과의 원치않는 화학 반응들로부터 보호하기 위해 유용하다. 일부 실시예들에서, 고체 전해질 층(예를 들어, LISICON 층)은 제 1 전해질을 갖는 전기화학 전지의 제 1 측을 제 1 전해질과는 상이한 제 2 전해질을 갖는 전기화학 전지의 제 2 측으로부터 분리하는 화학적 배리어 층을 제공한다. 따라서, 이러한 양태의 실시예들은 선택된 애노드 및 캐소드 조성들을 위해 구체적으로 각각 맞추어진 2개의 개별 전해질을 통합하기 위한 수단을 제공할 수도 있다.
[00220] 도 10c는 보호 고체 전해질을 갖는 세퍼레이터를 갖는 (예를 들어, Li-공기, Li-물 배터리들에 유용한) 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 고체 전해질은 (Li+와 같은) 원하는 이온들을 전도하지만 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 물, 공기, CO2, 오염물질 및 재료들에 불침투성이다. 전기화학 전지는 리튬 애노드; 카본-물 캐소드 또는 카본-공기 캐소드와 같은 캐소드; 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들, 3개의 저이온 저항층들을 포함하는 세퍼레이터 시스템; 및 LISICON 층과 같은 고체 전해질 층을 포함한다. 도 10c에서의 전체 전기화학 전지 기하학적 구조는 도 10b에 도시된 바와 유사하고, 여기서, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 1 저이온 저항층이 애노드와 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 2 저이온 저항층이 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공되며, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 3 저이온 저항층이 제 2 기계적 고강도 층과 캐소드 사이에 제공되고, LISICON 층과 같은 고체 전해질 층이 제 3 저이온 저항층과 캐소드 사이에 제공되어서 이온들이 캐소드 표면으로 이송될 수 있다. 그러나, 도 10c의 전기화학 전지에서, 기계적 고강도 층들은 일부 실시예들에서 수지상결정 성장을 방지하고 태상 증착과 같은 애노드 손실을 감소시키는데 유용한 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 천공 금속층들이다. 도 10b와 관련하여 논의한 바와 유사하게, 고체 전해질 층(예를 들어, LISICON 층)의 통합은 캐소드를 보호하기 위해, 예를 들어, 고체 전해질 이외의 전해질 컴포넌트들과 같은 전기화학 전지의 컴포넌트들을 캐소드 표면과의 원치않는 화학 반응들로부터 보호하기 위해 유용하다. 일부 실시예들에서, 고체 전해질 층(예를 들어, LISICON 층)은 제 1 전해질을 갖는 전기화학 전지의 제 1 측을 제 1 전해질과는 상이한 제 2 전해질을 갖는 전기화학 전지의 제 2 측으로부터 분리하는 화학적 배리어 층을 제공하고, 따라서, 선택된 애노드 및 캐소드 조성들에 대해 각각이 구체적으로 맞추어진 2개의 개별 전해질들을 통합하기 위한 수단을 제공할 수도 있다.
[00221] 도 10d는 보호 고체 전해질을 갖는 세퍼레이터를 갖는 (예를 들어, Li-황 배터리들에 유용한) 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 고체 전해질은 (Li+와 같은) 원하는 이온들을 전도하지만 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 캐소드와 애노드 사이의 입자 통로에 불침투성이다. 전기화학 전지는 리튬 애노드와 같은 애노드; 황계 캐소드와 같은 캐소드; 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들, 3개의 저이온 저항층들을 갖는 세퍼레이터 시스템; 및 LISICON 층과 같은 고체 전해질 층을 포함한다. 도 10c에서의 전체 전기화학 전지 기하학적 구조는 도 10b에 도시된 바와 유사하고, 여기서, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 1 저이온 저항층이 애노드와 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 2 저이온 저항층이 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공되며, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 3 저이온 저항층이 제 2 기계적 고강도 층과 캐소드 사이에 제공되고, LISICON 층과 같은 고체 전해질 층이 제 3 저이온 저항층과 캐소드 사이에 제공되어서 이온들이 캐소드 표면으로 이송될 수 있다. 그러나, 도 10d의 전기화학 전지에서, 기계적 고강도 층들은 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 천공 금속층들이고 캐소드는 옵션으로 황계 캐소드이다. 본 세퍼레이터들에서의 기계적 고강도 층들의 통합은 일부 실시예들에서 수지상결정 성장을 방지하고 태상 증착과 같은 애노드 손실을 감소시키며, 캐소드 재료들의 애노드로의 통과를 중지시키는데 유용하다. 도 10b와 관련하여 논의한 바와 유사하게, 고체 전해질 층(예를 들어, LISICON 층)의 통합은 캐소드를 보호하기 위해, 예를 들어, 고체 전해질 이외의 전해질 컴포넌트들과 같은 전기화학 전지의 컴포넌트들을 캐소드 표면과의 원치않는 화학 반응들로부터 보호하기 위해 유용하다. 일부 실시예들에서, 고체 전해질 층(예를 들어, LISICON 층)은 제 1 전해질을 갖는 전기화학 전지의 제 1 측을 제 1 전해질과는 상이한 제 2 전해질을 갖는 전기화학 전지의 제 2 측으로부터 분리하는 화학적 배리어 층을 제공하고, 따라서, 선택된 애노드 및 캐소드 조성들에 대해 각각이 구체적으로 맞추어진 2개의 개별 전해질들을 통합하기 위한 수단을 제공할 수도 있다.
[00222] 도 10e는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 애노드 다음의 세퍼레이터의 도전측은 예를 들어, 수지상결정 성장을 중지시키고, 태상 증착(mossy deposition)에서와 같은 애노드 손실을 감소시며 애노드 입자들과 전류 집전체 사이의 전자 접촉을 중단시키고 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 사이클링시의 캐소드 재료들의 애노드로의 통과를 중지시킴으로써 애노드 손신을 감소시킨다. 예를 들어, 캐소드 다음의 전도성측은 캐소드의 전자 전도율을 증가시키고, 이것은 더 긴 수명 사이클, 더 높은 전력 및 더 두꺼운 캐소드, 및 더 높은 에너지 캐소드를 발생시켜서 더 양호한 전기화학 전지를 발생시킬 수 있다. 전기화학 전지는 리튬 애노드와 같은 애노드; LiFePO4, LiCoO2 캐소드와 같은 캐소드; 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들, 3개의 저이온 저항층들을 갖는 세퍼레이터 시스템; 및 카본 블랙 층과 같은 기계적, 화학적 및 내열성 이온 전도성 층을 포함한다. 도 10e에 도시된 전체 전기화학 전지 기하학적 구조는 도 10b, 도 10c 및 도 10d에 도시된 바와 유사하고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 1 저이온 저항층이 애노드와 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 2 저이온 저항층이 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공되며, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 3 저이온 저항층이 제 2 기계적 고강도 층과 캐소드 사이에 제공된다. 그러나, 도 10d의 전기화학 전지에서, 제 1 기계적 고강도 층은 관통 금속층을 포함하고 제 2 기계적 고강도 층은 관통 캡톤 층과 같은 관통 전기적 절연층을 포함한다. 이러한 실시예에서, 천공 금속층 및 천공 캡톤 층은 수지상결정 성장을 방지하기 위한 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는다. 또한, 기계적, 화학적 및 내열성 이온 전도성 카본 블랙 층이 캐소드에 인접하여, 옵션으로는, 캐소드와 전기적으로 접촉하고/하거나 물리적으로 접촉하여 제공된다.
[00223] 도 10f는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 천공 세퍼레이터 플레이트들 및 다공성 층들은 유체 전해질(수용성 또는 비양자성)을 통해 전극들 사이의 이온 접속을 여전히 제공하면서 전극들 사이의 전자 절연을 제공함으로써 세퍼레이터로서 작용한다. 전기화학 전지는 실리콘, Li, Zn, ZnO, 그라파이트 또는 LTO 애노드와 같은 애노드; LiFePO4, LiCoO2, 황, 또는 Ag 캐소드와 같은 캐소드; 및 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들 및 3개의 저이온 저항층들을 포함하는 세퍼레이터 시스템을 포함한다. 도 10b에 도시되어 있는 바와 같이, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 1 저이온 저항층이 애노드와 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 2 저이온 저항층이 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공되며, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 3 저이온 저항층이 제 2 기계적 고강도 층과 캐소드 사이에 제공된다. 도 10f의 전기화학 전지에서, 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들은 PE 또는 PP 코팅과 같은 하나 또는 그 초과의 절연 코팅들을 갖는 천공 금속층들과 같은 기계적, 화학적 및 내열성 전자 절연층들을 독립적으로 포함한다.
[00224] 도 10g는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 2개의 기계적 고강도 층들의 형성 기억 효과는 세퍼레이터와 전극들 사이에서 매우 양호한 기계적 접촉을 발생시킨다. 전기화학 전지는 실리콘, Li, Zn, ZnO, 그라파이트 또는 LTO 애노드와 같은 애노드; LiFePO4, LiCoO2, 황, 또는 Ag 캐소드와 같은 캐소드; 및 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들 및 3개의 저이온 저항층들을 포함하는 세퍼레이터 시스템을 포함한다. 도 10g에 도시된 전체 전기화학 전지 기하학적 구조는 도 10f에 도시된 바와 유사하고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 1 저이온 저항층이 애노드와 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 2 저이온 저항층이 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공되며, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 3 저이온 저항층이 제 2 기계적 고강도 층과 캐소드 사이에 제공된다. 그러나, 도 10g의 전기화학 전지에서, 제 1 및 제 2 기계적 고강도 층들은 PE 또는 PP로 옵션으로 코팅된 관통 니토놀(Nitonol) 층들과 같은 형상 기억 효과를 나타내는 기계적, 화학적 및 내열성 전자 절연층들을 독립적으로 포함한다.
[00225] 도 10h는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 2개의 기계적 고강도 층들의 초탄성 및/또는 형성 기억 효과는 세퍼레이터와 전극들 사이에서 매우 양호한 기계적 접촉을 발생시킨다. 본 양태의 일 실시예에서, 예를 들어, 강화된 전기 접촉이 고체 전해질과 캐소드 사이에 제공된다. 전기화학 전지는 실리콘, Li, Zn, ZnO, 그라파이트 또는 LTO 애노드와 같은 애노드; LiFePO4, LiCoO2, 황, Ag, 카본-공기, 카본-물 캐소드와 같은 캐소드; 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들, 3개의 저이온 저항층들을 포함하는 세퍼레이터 시스템; 및 LISICON 또는 PEO(폴리에틸렌 옥사이드) 층과 같은 고체 전해질 층을 포함한다. 도 10h에서의 전체 전기화학 전지 기하학적 구조는 도 10b, 도 10c, 및 도 10d에 도시된 바와 유사하고, 여기서, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 1 저이온 저항층이 애노드와 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 2 저이온 저항층이 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공되며, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 3 저이온 저항층이 제 2 기계적 고강도 층과 캐소드 사이에 제공되고, LISICON 또는 PEO 층과 같은 고체 전해질 층이 제 3 저이온 저항층과 캐소드 사이에 제공되어서 이온들이 캐소드 표면으로 이송될 수 있다. 그러나, 도 10h의 전기화학 전지에서, 기계적 고강도 층들은 PE 또는 PP로 옵션으로 코팅될 수도 있는 천공 니토놀 층들과 같은 초탄성(super-elasticity) 또는 형상 기억 효과를 갖는 기계적, 화학적 및 내열성 전자 절연층들이다. 도 10b와 관련하여 논의한 바와 유사하게, 고체 전해질 층(예를 들어, LISICON 또는 PEO 층)의 통합은 캐소드를 보호하기 위해, 예를 들어, 고체 전해질 이외의 전해질 컴포넌트들과 같은 전기화학 전지의 컴포넌트들을 캐소드 표면과의 원치않는 화학 반응들로부터 보호하기 위해 유용하다. 일부 실시예들에서, 고체 전해질 층(예를 들어, LISICON 층)은 제 1 전해질을 갖는 전기화학 전지의 제 1 측을 제 1 전해질과는 상이한 제 2 전해질을 갖는 전기화학 전지의 제 2 측으로부터 분리하는 화학적 배리어 층을 제공하고, 따라서, 선택된 애노드 및 캐소드 조성들에 대해 각각이 구체적으로 맞추어진 2개의 개별 전해질들을 통합하기 위한 수단을 제공할 수도 있다.
[00226] 도 10i는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 2개의 기계적 고강도 층들의 초탄성 및/또는 형성 기억 효과는 세퍼레이터와 전극들 사이에서 매우 양호한 기계적 접촉을 발생시킨다. 본 양태의 일 실시예에서, 예를 들어, 강화된 전기 접촉이 고체 전해질과 캐소드 사이에 제공된다. 전기화학 전지는 실리콘, Li, Zn, ZnO, 그라파이트 또는 LTO 애노드와 같은 애노드; LiFePO4, LiCoO2, 황, Ag, 카본-공기, 카본-물 캐소드와 같은 캐소드; 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들, 3개의 저이온 저항층들을 포함하는 세퍼레이터 시스템; 및 LISICON 또는 PEO 층과 같은 고체 전해질 층을 포함한다. 도 10i에서의 전체 전기화학 전지 기하학적 구조는 도 10b, 도 10c, 및 도 10d에 도시된 바와 유사하고, 여기서, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 1 저이온 저항층이 애노드와 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 2 저이온 저항층이 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공되며, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 3 저이온 저항층이 제 2 기계적 고강도 층과 캐소드 사이에 제공되고, LISICON 층과 같은 고체 전해질 층이 제 3 저이온 저항층과 캐소드 사이에 제공되어서 이온들이 캐소드 표면으로 이송될 수 있다. 그러나, 도 10i의 전기화학 전지에서, 기계적 고강도 층들은 천공 형상 기억 폴리머 층과 같은 초탄성 및/또는 형상 기억 효과를 나타내는 내기계적, 내화학성 및 내열성 전자 절연층들이다. 도 10b와 관련하여 논의한 바와 유사하게, 고체 전해질 층(예를 들어, LISICON 또는 PEO 층)의 통합은 캐소드를 보호하기 위해, 예를 들어, 고체 전해질 이외의 전해질 컴포넌트들과 같은 전기화학 전지의 컴포넌트들을 캐소드 표면과의 원치않는 화학 반응들로부터 보호하기 위해 유용하다. 일부 실시예들에서, 고체 전해질 층(예를 들어, LISICON 또는 PEO 층)은 제 1 전해질을 갖는 전기화학 전지의 제 1 측을 제 1 전해질과는 상이한 제 2 전해질을 갖는 전기화학 전지의 제 2 측으로부터 분리하는 화학적 배리어 층을 제공하고, 따라서, 선택된 애노드 및 캐소드 조성들에 대해 구체적으로 맞추어진 2개의 개별 전해질들을 통합하기 위한 수단을 제공할 수도 있다.
[00227] 도 10j는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 세퍼레이터의 전도성측은 애노드 입자들과 집전체 사이의 전자 접촉을 중단시키고 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 사이클링시의 실리콘 대변형에서와 같은 애노드 손실을 감소시킨다. 전기화학 전지는 실리콘 애노드와 같은 애노드; LiFePO4, LiCoO2 캐소드와 같은 캐소드; 및 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 2개의 기계적 고강도 층들 및 3개의 저이온 저항층들을 포함하는 세퍼레이터 시스템을 포함한다. 도 10g에 도시된 전체 전기화학 전지 기하학적 구조는 도 10f에 도시된 바와 유사하고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 1 저이온 저항층이 애노드와 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 2 저이온 저항층이 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공되며, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 3 저이온 저항층이 제 2 기계적 고강도 층과 캐소드 사이에 제공된다. 그러나, 도 10j의 전기화학 전지에서, 제 1 기계적 고강도 층은 천공 금속층과 같은 애노드에 근접하게 위치된 기계적, 화학적 및 내열성 이온 전도성 및 전기 전도성층을 포함하고, 제 2 기계적 고강도 층은 천공 캡톤 층과 같은 캐소드에 근접하게 위치된 기계적, 화학적 및 내열성 비전도성 천공층을 포함한다.
[00228] 도 10k는 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지의 단면도를 제공하는 개략도를 제공하고, 애노드 다음의 세퍼레이터의 전도성측은 애노드 입자들과 집전체 사이의 전자 접촉을 중단시키고 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 사이클링시의 실리콘 대변형에서와 같은 애노드 손실을 감소시킨다. 본 양태의 일 실시예에서, 캐소드 다음의 전도성측은 캐소드의 전자 전도율을 증가시키고, 이것은 더 긴 수명 사이클, 더 높은 전력 및 더 두꺼운 캐소드, 및 더 높은 에너지 캐소드를 발생시켜서 더 양호한 전기화학 전지를 발생시킬 수 있다. 전기화학 전지는 실리콘 애노드와 같은 애노드; LiFePO4, LiCoO2 캐소드와 같은 캐소드; 및 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 3개의 기계적 고강도 층들 및 3개의 저이온 저항층들을 포함하는 세퍼레이터 시스템을 포함한다. 도 10k에 도시되어 있는 바와 같이, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 1 저이온 저항층이 애노드와 제 1 기계적 고강도 층 사이에 제공되고, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 2 저이온 저항층이 제 1 기계적 고강도 층과 제 2 기계적 고강도 층 사이에 제공되며, 매우 다공성 층(예를 들어, ≥80%)과 같은 제 3 저이온 저항층이 제 2 및 제 3 기계적 고강도 층들 사이에 제공된다. 도 10k의 전기화학 전지에서, 애노드 및 캐소드에 근접하여 위치된 제 1 및 제 3 기계적 고강도 층들은 천공 금속층과 같은 기계적, 화학적 및 내열성 이온 층들을 각각 포함하고도전성 및 전기 도전층을 포함하고, 제 1 및 제 3 기계적 고강도 층들 사이에 제공된 제 2 기계적 고강도 층은 천공 캡톤 층과 같은 기계적, 화학적 및 내열성 전자 절연 및 이온 도전층을 포함한다.
[00229] 도 10l은 캐소드에 인접하여 위치된 이온 및 전자 전도성인 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층을 갖는 전기화학 전지 실시예의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다. 본 실시예의 전기화학 전지는 실리콘 애노드와 같은 애노드; LiFePO4 또는 LiCoO2와 같은 캐소드; 80% 다공성 PE 층들과 같은 한 쌍의 매우 다공성 층들, 카본 블랙과 같은 전자 및 이온 전도성인 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층, 및 이온 전도성이지만 전자 절연성인 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층, 예를 들어, PE, PP 또는 천공 캡톤을 포함하는 일련의 층들을 포함한다. 양 전극에 인접하여 위치된 이온 및 전자 전도성인 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층의 사용은, 집전체에 대한 2차 전도율 경로가 캐소드 집전체로 전자들을 라우팅할 수 있는 이러한 층에 의해 제공되기 때문에, 충/방전 동안 확장하고 접촉하는 캐소드 재료들의 사용을 허용한다.
[00230] 도 10m은 전기화학 전지 실시예의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다. 본 실시예의 전기화학 전지는 실리콘, Li, 아연, 아연-옥사이드, LTO, 그라파이트, Na, Mg, Sn, Cd, Pb 또는 PbO2 애노드와 같은 애노드; LiFePO4, LiCoO2, 황, FeS, V2O5, LVO, 카본-공기, 카본-물, 은, 은 옥사이드, Ni, Pb, PbO2 또는 카본과 같은 캐소드; PE, PP, 캡톤 또는 섬유 셀룰로오스와 같은 이온 전도성이지만 전자 절연성인 내기계적, 내화학성, 및/또는 내열성 세퍼레이터 층; 및 카본 블랙의 5nm 층과 같은 캐소드 표면, 애노드 표면 및/또는 세퍼레이터의 외표면상에 옵션으로 제공되는 한 쌍의 얇은 전자 전도성 코팅들을 포함한다. 전극들 중 하나 또는 모두에 인접한 얇은 전자 전도성 코팅의 사용은, 캐소드 또는 애노드 집전체로 전자들을 라우팅할 수 있는 이러한 층에 의해 집전체에 대한 2차 전도율 경로를 인에이블한다. 전극의 외부상의 전도성 층은 사이클링시의 대변형이 전극 활성 입자들과 집전체 사이의 전자 접촉을 중단시킬 수 있고 전기화학 전지의 성능을 열화시킬 수 있는 실리콘에서와 같이 용량 손실을 감소시킨다. 동시에, (나노미터 두께의 카본 블랙과 같은) 전도성 코팅은 이온 전도성이고, Li 이온들과 같은 이온들의 용이한 통과를 허용한다.
[00231] 도 10n은 전기화학 전지 실시예의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다. 본 실시예의 전기화학 전지는 리튬과 같은 애노드; 80% 다공성 PE와 같은 하나 또는 그 초과의 다공성 층들; 천공 금속과 같은 전자 및 이온 전도성인 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층; 천공 캡톤 층과 같은 이온 전도성이지만 전자 절연성인 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층; 카본 블랙과 같은 전자 및 이온 전도성인 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층; 및 LiFePO4 또는 LiCoO2와 같은 캐소드를 포함한다. 애노드에 가까운 전도성 재료는 예를 들어, 수지상결정 성장을 중지시키고, 태상 증착에서와 같은 애노드 손실을 감소시며 애노드 입자들과 집전체 사이의 전자 접촉을 중단시켜 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 사이클링시의 캐소드 재료들의 애노드로의 통과를 중지시킴으로써 애노드 손실을 감소시킨다. 캐소드에 가까운 전도성 재료는 캐소드의 전자 전도율을 증가시키고, 이것은 더 긴 수명 사이클, 더 높은 전력 및 더 두꺼운 캐소드, 및 더 높은 에너지 캐소드를 발생시켜서 더 양호한 전기화학 전지를 발생시킬 수 있다.
[00232] 도 10o은 전기화학 전지 실시예의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다. 본 실시예의 전기화학 전지는 실리콘과 같은 애노드; 80% 다공성 PE와 같은 하나 또는 그 초과의 다공성 층들; 애노드 및 캐소드에 가까이 위치되고, 옵션으로는 다공성 층에 의해 이격되는 천공 금속과 같은 전자 및 이온 전도성인 적어도 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층; 천공 캡톤 층과 같은 이온 전도성이지만 전자 절연성인 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층; 및 LiFePO4 또는 LiCoO2와 같은 캐소드를 포함한다. 애노드에 가까운 전도성 층은 사이클링시의 대변형이 애노드 입자들과 집전체 사이의 전자 접촉을 중단시키고 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 실리콘에서와 같이 애노드 손실을 감소시킨다. 캐소드에 가까운 전도성측은 캐소드의 전자 전도율을 증가시키고, 이것은 더 긴 수명 사이클, 더 높은 전력 및 더 두꺼운 캐소드, 및 더 높은 에너지 캐소드를 발생시켜서 더 양호한 전기화학 전지를 발생시킬 수 있다.
[00233] 도 10p은 전기화학 전지 실시예의 단면도를 제공하는 개략도를 제공한다. 본 실시예의 전기화학 전지는 실리콘과 같은 애노드; 80% 다공성 PE와 같은 하나 또는 그 초과의 다공성 층들; 카본 블랙과 같은 전자 및 이온 전도성인 적어도 2개의 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층들; 천공 캡톤 층과 같은 이온 전도성이지만 전자 절연성인 내기계적, 내화학성 및/또는 내열성 층; 및 LiFePO4 또는 LiCoO2와 같은 캐소드를 포함한다. 애노드에 가까운 전도성 층은 사이클링시의 대변형이 애노드 입자들과 집전체 사이의 전자 접촉을 중단시키고 전기화학 전지의 성능을 열화시키는 실리콘에서와 같이 애노드 손실을 감소시킨다. 캐소드에 가까운 전도성측은 캐소드의 전자 전도율을 증가시키고, 이것은 더 긴 수명 사이클, 더 높은 전력 및 더 두꺼운 캐소드, 및 더 높은 에너지 캐소드를 발생시켜서 더 양호한 전기화학 전지를 발생시킬 수 있다.
[00234] 도 11a 및 도 11b는 도 2 내지 도 10에서의 층들(F)과 같은 본 발명의 일부 세퍼레이터 시스템들의 다공성 패터닝된 층들의 설계들의 예들을 제공한다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 실시예들에서, 예를 들어, (도트 영역들로서 개략적으로 도시된) 교호하는 다공성 영역들 및 (충진된 영역들로서 개략적으로 도시된) 고체 영역들이 존재한다. 이들 실시예들에서, 층(들)(R)은 층들(F)의 설계들의 애퍼처들의 역 패턴을 제공할 수도 있다. 도 11a 및 도 11b에서, 패턴은 교호하는 직사각형 다공성 영역들 및 고체 영역들을 특징으로 한다. 옵션으로는, 층들(F 또는 R)의 일부의 애퍼처들은 고체 또는 겔 전해질로 충진된다.
예 2 : 고성능 저가 재충전가능한 리튬 배터리들 : 세퍼레이터 및 전극들의 엔지니어링
[00235] 지금까지 알려진 가장 높은 에너지 배터리들은 저가이고 매우 높은 에너지/전력 밀도들을 갖는 아연 및 리튬과 같은 금속들을 사용한다. 한편, 이들 배터리들의 재충전은 중대한 안전성 문제를 일으킨다. 이 안전성 문제들을 완화시키는 요건이 수지상결정 형성, 사고들 및 열 폭주를 견딜 수 있는 매우 강력하고 고도로 전도성인 세퍼레이터들이다.
[00236] 세퍼레이터들 및 전극들을 구축하는데 있어서 엔지니어링 방법을 사용하여, 본 예의 세퍼레이터 시스템은 다양한 배터리 화학 성질들에서 안전성, 내구성, 전력 및 에너지 성능의 현저한 개선을 제공한다. 본 발명의 일 접근방식은 엔지니어링 지식 및 방법들을 배터리 산업에서 사용된 가장 효율적인 화학 성질들에 적용하는 것이다. 본 예에 나타내는 바와 같이, 본 발명은 극도로 안전한 고용량 세퍼레이터들을 제조하기 위해 제조 친화적 방법들을 제공한다. 상업적 리튬 금속, LiFePO4 및 본 세퍼레이터 시스템들로 이루어진 코인 전지 테스트들은 종래의 셀가드 세퍼레이터들에 필적하는 세퍼레이터 전도율들, 고체들의 기계적 강도 및 섭씨 -40 내지 200도의 작업 온도 범위를 나타낸다. 본 예의 세퍼레이터 시스템들은 Li-이온계 슈퍼 커패시터들, Li-이온계 플로우 배터리들, Li-황, Li-공기, Zn 배터리들, 망간 배터리들, 실리콘 애노드 배터리들 또는 Zn-공기 배터리들의 필수 부품일 수 있다.
[00237] 본 발명의 특정한 양태들의 목적은 리튬 금속 및 아연 배터리들 및 실리콘 애노드 배터리들 및 공기 캐소드 배터리들 및 플로우 배터리들과 같은 기존의 재충전불가능한 고에너지 화학 성질들의 재충전성, 안전성 및 높은 사이클 수명을 강화시키고, 특히 유틸리티 스케일 배터리들에서 에너지 스토리지 도전과제들에 대한 경제적 솔루션들을 제공하는 고에너지 재충전가능한 금속-공기 배터리들용의 강화된 전기화학 시스템들을 제공하는 것이다.
[00238] 현재 최신의 리튬 금속 배터리들은 내부 단락 및 화재와 폭발을 발생시킬 수도 있는 수지상결정 형성으로 인해 대부분 재충전가능하지 않다. 동시에, 잠재적 고에너지 애노드로서 실리콘은 (스케일가능하지 않는) 선호 방향으로 주의 깊게 성장된 매우 고가의 나노-실리콘을 사용하지 않으면, 형상이 매우 크게 변화하고 집전체와 전자 접촉을 유지하지 못한다. 다수의 상이한 전해질들 및 첨가제들이 테스트되었고 산업 레벨 시스템에서 유용하지 못하였다. 최근, 다양한 고체 전해질들이 안전성을 강화하기 위해 도입되었지만, 이들은 액체 전해질 세퍼레이터 시스템들에 비하여 더 낮은 자리수의 전도율을 갖고, 피로도, 크랙들 및 분실된 전극-전해질 접촉으로 인해 소수의 사이클 이후에 그들을 성능을 유지하지 못한다.
[00239] 신규하고 스케일가능한 프로세스를 사용하여, 본 발명의 양태들은 수지상결정의 성장을 견디는 기계적으로 강건한 재료들(예를 들어, 1GPA 보다 큰 탄성률 및 섭씨 -200 내지 400도의 온도 범위)을 갖는 매우 다공성 세퍼레이터 시스템들(예를 들어, 실온에서 액체 전해질과 10-2 S/cm 또는 그 초과의 전도율)을 제공한다. 본 세퍼레이터 시스템들의 실시예들은 다양한 화학 성질들에 대해 고에너지, 저가 유틸리티-스케일 배터리들을 가능하게 하는 새로운 디바이스 아키텍처를 제공한다. 본 세퍼레이터 시스템들의 실시예들은 사고에 안전한 운송 배터리들(accident safe transportation batteries)을 또한 제공한다. 예를 들어, 실험 결과들은 본 세퍼레이터 시스템들을 통합한 배터리들이 용량 손실을 갖지 않거나 최소 용량 손실로 5,000 보다 많은 사이클들을 달성할 수도 있다는 것을 나타낸다. 또한, 세퍼레이터 시스템들 중 일부가 현재 리튬 배터리 제조에서 이미 사용되는 캐스팅 및 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정 방법들로 쉽게 구현될 수 있다.
[00240] 본 발명의 특정한 실시예들의 중요한 특징은 높은 전도율과 높은 안전성을 동시에 제공하는 다층 세퍼레이터 시스템이다. 도 12는 본 발명의 세퍼레이터 시스템을 포함하는 전기화학 전지의 단면도의 개략도를 제공한다. 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 전기화학 전지는 세퍼레이터 시스템(5)에 의해 서로 분리되는 애노드(3) 및 캐소드(4)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 세퍼레이터 시스템(5)은 강한 재료를 포함하고 애퍼처들의 패턴을 갖는 천공 층들(1 및 1') 및 프레임 및/또는 매우 다공성 층들(2)을 포함하는 복수의 층들을 포함한다. 세퍼레이터 재료의 천공 층들의 높은 탄성률은 수지상결정이 배리어를 직접적으로 피어싱하는 것을 방지한다. 도 14는 본 발명의 세퍼레이터 시스템들의 천공 층들에서 유용한 애퍼처들의 패턴들의 예들을 제공한다. 도 14에 도시되어 있는 바와 같이, 세퍼레이터 시스템들의 천공 층들은 원형 또는 직사각형 형상들을 갖는 애퍼처들을 가질 수도 있다. 도 14는 또한 수지상결정 성장, 단락 및 기계적 고장을 방지하는데 유용한 천공 층들에 대한 상보적 패턴들을 예시한다. 예를 들어, 패널들(A 및 B)은 특정한 세퍼레이터 시스템들의 오프셋 정렬로 제공될 때 오버랩하지 않는 애퍼처들의 상보적 패턴들을 제공한다. 패널(C)은 오프셋 정렬이 애퍼처들의 오버랩을 발생시키지 않는다는 것을 도시하는 패널들(A 및 B)에서의 패턴들의 중첩을 예시하는 개략도를 제공한다. 유사하게, 패널들(F 및 G)은 특정한 세퍼레이터 시스템들의 오프셋 정렬로 제공될 때 오버랩하지 않는 애퍼처들의 상보적 패턴들을 제공한다. 유사하게, 패널들(H 및 I)은 특정한 세퍼레이터 시스템들의 오프셋 정렬로 제공될 때 오버랩하지 않는 애퍼처들의 상보적 패턴들을 제공한다. 유사하게, 패널들(J 및 K)은 특정한 세퍼레이터 시스템들의 오프셋 정렬로 제공될 때 오버랩하지 않는 애퍼처들의 상보적 패턴들을 제공한다. 유사하게, 패널들(L 및 M)은 특정한 세퍼레이터 시스템들의 오프셋 정렬로 제공될 때 오버랩하지 않는 직사각형 애퍼처들의 상보적 패턴들을 제공한다.
[00241] 천공 층에서의 다수의 애퍼처들은 세퍼레이터의 높은 전도율을 보장하고 연속 층들에서의 공극들의 오프셋 정렬은 전극들 사이에 직접적인 경로가 없다는 것을 보장한다. 수지상결정들상의 기계적 고강도 층들로부터 힘은 수지상결정 성장을 늦추거나 중지시킨다. 전기화학 전지에서, 이것은 전지의 성능을 현저하게 개선시킨다. 도 13은 본 발명의 전기화학 시스템에서 단락(short)을 만들기 위해 수지상결정 성장의 요구된 궤적을 예시하는 개략도를 제공한다. 이러한 도면에서, 수지상결정은 애노드로부터 캐소드로 연장하는 곡선으로서 도시되어 있다. 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 수지상결정들은 천공 층들을 통과하고 단락을 생성하기 위해 여러 곡률들을 이루어야 한다. 엄격한 기계적 관점으로부터, 리튬의 탄성율(5GPA)은 너무 높아서 작은 길이(0.1mm 미만)에서 수지상결정들의 연속 곡률들을 허용하지 않고, 직선 빔을 굴곡시키기 위한 필요한 에너지는
Figure 112020053710518-pat00001
이고, 여기서, E는 탄성율이고, I는 관성 모멘트이며, R(x)는 각 포인트에서의 곡률 반경이며, 최종으로 L은 엘리먼트의 길이이다. 화학적 엔지니어링 관점으로부터, 수지상결정들은 이러한 복잡한 성장 경로를 극복하기 위해서 너무 많은 운동 실패(kinetic frustration)를 갖는다. 또한, 기계적 고강도 층들의 고체 컴포넌트들의 저항 압력은 수지상결정 성장을 늦추거나 심지어 중지시킬 수 있다. 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 천공 층들을 포함하는 계층화된 세퍼레이터 시스템은 수지상결정 성장을 효율적으로 방지하여 단락을 방지한다. 이러한 복합 세퍼레이터 시스템에 필요한 재료들 및 제조 방법들은 본 배터리 제조 인프라구조와 호환가능하여서 현재의 배터리 제조로의 저가 구현을 허용한다. 본 발명은 매우 느린 충전(예를 들어, C/10) 및 매우 빠른 방전(예를 들어, 4C)을 갖는 전력 그리드에서 부하 레벨링을 위해 매우 적합한 비용-효율적이고, 안전하며 고에너지의 리튬 배터리들을 제공한다. 본 발명은 또한 액체 전해질의 전도율, 고체 전해질의 안전성, 높은 사이클 수명 및 저비용을 특징으로 하는 산업적 친화형 배터리들을 발생시키는 계층화된 세퍼레이터들을 제조하는 공정을 제공한다. 옵션으로는, 일부 실시예들에서, 이것은 니토놀(Nitonol) 또는 형상 기억 폴리머들과 같은 형상 기억 재료들로 이루어진 층들에 의해 달성된다. 세퍼레이터의 형상 기억 층상에 면내 장력과 같은 프리스트레스를 인가하는 것은 층이 전지에 놓일 때 전극들상에 면외 압력을 초래한다. 이것은 특히, 18650 원통형 전지들 또는 권선형 전지들과 같은 더 큰 배터리 전지들에서 유용할 수 있다.
[00242] 본 발명의 전기화학 시스템들은 프리-스트레스(pre-stressed) 전극들과 같은 엔지니어링된 전극들의 사용과 또한 호환가능하다. 면외(out-of-plane) 방향으로 압축될 때 리튬 금속은 그것이 표면을 레벨링함으로써 현저하게 양호하게 수행한다(태상이 적고 수지상결정들이 적다). 또한, 실리콘 애노드들에서의 면외 압축은 집전체들과의 훨씬 양호한 접촉 및 훨씬 높은 수명 사이클을 발생시킨다. 본 발명의 이러한 양태는 전극들과 고체 전해질 사이에서 양호한 접촉을 유지하고 사이클 수명 및 성능을 증가시킴으로써 고체 상태 배터리들에서도 유익할 수 있다. 옵션으로는, 일부 실시예들에서, 이것은 니토놀(Nitonol) 또는 형상 기억 폴리머들과 같은 형상 기억 재료들로 이루어진 층들에 의해 달성된다. 세퍼레이터의 형상 기억 층상에 면내 장력과 같은 프리스트레스를 인가하는 것은 층이 전지에 놓일 때 전극들상에 면외 압력을 초래한다. 이것은 특히, 18650 원통형 전지들 또는 권선형 전지들과 같은 더 큰 배터리 전지들에서 유용할 수 있다.
[00243] 본 발명의 유익한 속성들을 더 설명하기 위해, 복합층 세퍼레이터 시스템을 통합한 100개 또는 그 초과의 코인 전지들이 제조되어 평가되었다. 테스트된 세퍼레이터들 중 일부는 현재 0.125 mm 두께이고 0.025mm 셀가드에 비하여 C/2에서 75% 용량을 유지한다. 고전류 사이클링(300 사이클 동안 55ma/cm2)을 포함하는 안전성 테스트들은, 세퍼레이터 시스템들이 로버스트(robust)하고 배터리가 내부적으로 단락되지 않는다는 것을 나타낸다. 또한, 완전히 파괴되는 5-층 셀가드 세퍼레이터들(0.125 mm 두께)와 대조적으로 수백 사이클들 이후에 측정가능한 저하 또는 용량 손실은 없다. 본 발명은 0.075mm의 전체 두께를 옵션으로 갖는 세퍼레이터 시스템들을 포함한다. 본 발명은 400Wh/kg 에너지 및 5000 사이클을 갖는 원통형 18650 리튬 금속 배터리들의 10kWh 팩들에 유용한 세퍼레이터 시스템이 0.025 mm 두께의 롤들을 옵션으로 포함한다.
[00244] 그리드 레벨 에너지 스토리지는 99% 이상의 현재 스토리지가 펌프드 하이드로(pumped hydro)가 현재 지배적이고, 이것은 매우 적은 제한된 사이트들 및 애플리케이셔들에서만 가능하여, 사회의 성장하고 있는 스토리지 요건에 적합하지 않다. 다른 솔루션들은 현저한 결점들을 갖는다. 압축 공기 기술은 20% 미만의 매우 낮은 라운드 트립 효율로 인한 손실을 받는다. 전기화학 커패시터들 및 플라이휠들은 매우 낮은 에너지/비용율을 갖는다. 고전력 및 고에너지의 조합으로서 사용되는 플로우 배터리들은 매우 복잡하고 고가이다. 현재의 배터리들은 고비용/에너지 및 비용/전력율(약 $1/Wh)로 인해 또한 손실을 받는다. 최신의 고에너지 리튬-금속, 금속-공기, 및 나노-실리콘 화학성질들은 이전에 언급한 바와 같은 중대한 안전성/비용 문제점들을 갖는다.
[00245] 일부 실시예들에서, 본 발명의 세퍼레이터-전극 설계는 안전을 현재 고려하지 않고/않거나 짧은 사이클 수명을 갖는 다수의 재충전가능한 고에너지 화학성질들을 가능하게 한다. 산업적 제조 방법(예를 들어, CNC, 몰딩, 캐스팅)을 사용하여, 본 발명은 최신의 배터리 기술들로 안전성 문제들을 다루기 위해 전기화학을 공학과 조합한다. 고에너지 전극들과 결합된 본 세퍼레이터 시스템들은 그리드 스토리지 및 전기 자동차에 대한 산업적 스케일에서 안전하고, 긴 사이클 수명이며 고에너지의 배터리들을 제공한다.
[00246] 본 시스템들 및 방법들은 스케일링가능하고 산업적 친화형이다. 세퍼레이터 성능을 강화시키는 것은 본 시스템들 및 방법들에 잘 따르는 여러 접근방식들을 통해 달성될 수도 있다. 더 작은 홀들(0.010 내지 0.100mm)을 제작하고 더 얇은 층들(0.005mm)을 사용함으로써 전도율을 향상시키는 것은 고성능 시스템들에 액세스하는데 유용한 접근방식들이다. 또한, 요구된 오프셋 정렬을 유지하고 경계들 및 다른 선택 영역들에서 열역학적 가열에 의해 층들을 부착하는 것이 강화된 안전성을 제공하는 세퍼레이터 시스템들에 액세스하기 위해 사용될 수도 있다.
[00247] 도 15는 (a) 125 미크론의 전체 두께를 갖는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템 및 (B) 25 미크론의 두께를 갖는 셀가드(Celgard) 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지에 대한 사이클들의 수의 함수로서 충전 및 방전 용량들(mah/g)의 플롯을 제공한다. 평가된 CR2032 코인전지는 Li 박(foil) 0.5 mm 두께의 애노드, LiFePO4(0.0142g) 캐소드, EC:DEC:DMC (1:1:1)에서 1M LiPF6으로 이루어진다. 전압 한계는 3v(방전) 및 4v(충전)이다. 구성(formation), C/5 및 C/2 사이크링에서 3 사이클이 용량에서의 급강하로부터 구별가능하다. 상부 라인은 기계적 강한 층들로서 2개의 천공 캡톤 층들 및 저저항 층들로서 3개의 천공 셀가드 2325 층들로 이루어진 세퍼레이터를 나타낸다. 저부 라인은 기계적 강한 층들로서 2개의 천공 캡톤 층들 및 저저항 층들로서 3개의 셀가드 2325 층들로 이루어진 세퍼레이터를 나타낸다. 전지들은 실온에서 테스트된다. 40 내지 50 사이클 이후에 측정가능한 용량 강하는 관측되지 않았다. 도 15에 도시된 실험 결과들은, 본 세퍼레이터들이 저저항을 제공하여서 다수의 전기화학 시스템들과 호환가능하다는 것을 나타낸다.
[00248] 도 16은 종래의 세퍼레이터를 갖는 전기화학 전지(B)에 비교하여 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템, Li 금속 애노드 및 LiCoO2 캐소드를 갖는 전기화학 전지 (a)에 대한 사이클들의 수의 함수로서 충전 및 방전 용량들(mah/g)의 플롯을 제공한다. 전기화학 전지들은 코인 전지들이었고 C/2의 방전률에서 평가되었다. 평가된 CR2032 코인전지는 Li 박, 0.5 mm 두께의 애노드, LiCoO2, 0.1 mm 두께의 캐소드, EC:DEC:DMC (1:1:1)에서 1M LiPF6으로 이루어진다. 전압 한계는 3v(방전) 및 4.2v(충전)이다. 구성(formation), C/5 및 C/2 사이크링에서 5 사이클이 용량에서의 급강하로부터 구별가능하다. (문자 B로 표시된) 적색 라인들(1, 5, 6)은 기계적 강한 층들로서 2개의 천공 캡톤 층들(2 mm 직경 홀들) 및 저저항 층들로서 3개의 셀가드 2325 층들로 이루어진 세퍼레이터로 이루어진 전지들을 나타낸다. (문자 a로 표시된) 청색 라인들(2, 3)은 2개의 셀가드 층들 사이의 천공 캡톤으로 이루어진 레퍼런스 전극을 나타낸다. 전지들은 실온에서 테스트된다. 전지들은 C/2에서 사이클링된 후, 수 사이클들 동안 C/24에서 사이클링되고 그 후 다시 C/2에서 사이클링된다. 실험 결과는 용량 손실이 전지에서의 임의의 화학 반응에 의한 것이 아니고 평가된 전기화학 전지들에서의 천공 캡톤 층들의 저항으로 인한 것일 수도 있다는 것을 나타낸다. 도 16은 다른 재료들, 표면 처리들 또는 홀들의 균질 분포, 따라서 더 작은 홀들을 사용하는 것이 일부 실험 조건들하에서 전지에서 양호한 용량에 도달할 필요가 있다는 것을 나타낸다.
[00249] 도 17은 75 미크론의 두께를 갖는 3개의 종래의 세퍼레이터들를 갖는 전기화학 전지(ⅱ) 및 25 미크론의 두께를 갖는 셀가드 세퍼레이터(ⅲ)에 비교하여 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템, Li 금속 애노드 및 LiFePO4 캐소드를 갖는 전기화학 전지 (ⅰ)에 대한 사이클들의 수의 함수로서 충전 및 방전 용량들(mah/g)의 플롯을 제공한다. 전기화학 전지들은 코인 전지들이었고 C/2의 방전률에서 평가되었다. 평가된 CR2032 코인전지는 Li 박, 0.5 mm 두께의 애노드, LiFePO4, 0.1 mm 두께의 캐소드, EC:DEC:DMC (1:1:1)에서 1M LiPF6으로 이루어진다. 전압 한계는 3v(방전) 및 4v(충전)이다. 구성(formation), C/5 및 C/2 사이크링에서 5 사이클이 용량에서의 급강하로부터 구별가능하다. 라인들(I, H)은 단일 셀가드 층들로 이루어진 전지를 나타낸다. 라인들(a, B, C)은 기계적 강한 층들로서 2개의 천공 캡톤 층들 및 저저항 층들로서 3개의 셀가드 2325 층들로 이루어진 세퍼레이터를 나타낸다. 라인들(F 및 D)은 2개의 셀가드 층들 사이의 천공 캡톤으로 이루어진 레퍼런스 전극을 나타낸다. 전지들은 실온에서 테스트된다. 테스트는 전지들에서 높은 용량에 도달하기 위해 얇은 세퍼레이터들을 갖는 중요성을 설명한다.
[00250] 도 18은 애퍼처들의 상보적 패턴들을 갖는 3개의 기계적 고강도 층들, 애노드 및 캐소드를 포함하는 다층 세퍼레이터를 갖는 본 발명의 전기화학 전지를 예시하는 개략도를 제공한다. 도 19는 도 18에 도시된 다층 세퍼레이터를 통해 통과하는 Li+ 이온들의 궤적을 예시하는 개략도를 제공한다. Li+ 이온들이 도 19에 도시되어 있는 바와 같이 다층 세퍼레이터를 효율적으로 통과할 수 있지만, 수지상결정들은 동일한 궤적을 만들 수 없어서, 본 발명의 특정한 실시예들에서 방지된다. 또한, 기계적 고강도 층들로부터 힘은 수지상결정 성장을 늦추거나 중지시킨다.
[00251] 도 20은 본 발명의 다층 세퍼레이터를 갖는 2개의 대칭 (5/9)" 리튬 칩들로부터의 정전류 리튬 스트립핑에 대한 셀 전압(V 대 Li) 대 사이클링 시간(h)의 플롯을 제공한다. 신규한 세퍼레이터(0.125mm 두께)의 층들은 CR2032 전지에서 고강도 층들로서 2개의 캡톤 층들 및 저이온 층들로서 2개의 캡톤 층들 다음의 3개의 셀가드 층들로 이루어진다. 셀가드 2325가 사용된다. 전지들은 전극들로서 0.75 mm Li 박들 및 전해질로서, Novolte로부터의 EC:DEC:DMC (1:1:1)에서 1M LiPF6으로 이루어진다. 캡톤 홀들은 각각 1 mm 직경이다. 전지들은 아르콘-충진 건조 박스(H2O <0.1 ppm)내에서 실온에서 테스트된다. 이러한 도면은 다층 세퍼레이터가 수지상결정 단락을 안전하게 중지시킬 수 있고 매우 높은 전류에서도 돌발 고장을 방지할 수 있다는 것을 나타낸다.
[00252] 도 22는 도 15의 실시예에 대한 전류[암페어] 대 시간[s](상부 플롯) 및 전압[v] 대 시간[s](저부 플롯)을 도시한다. 이것은 상부 적색 라인을 도시한다. 이것은 상부 적색 라인을 도시한다.
[00253] 도 23 내지 도 30은 일부 실시예들의 세퍼레이터 시스템들에서 유용한 천공 층들의 사진들을 제공한다. 예를 들어, 도 23은 고전류에서 수 일의 사이클링 이후 상이한 세퍼레이터 재료들(5-셀가드 세퍼레이터: a) 및 신규 세퍼레이터 B) - D)의 사진들을 제공하고, a) 5-셀가드 세퍼레이터(좌상으로부터 우하로: Li+ 셀가드, Li+ 셀가드, 스테인리스 강 집전체); 통상의 세퍼레이터(셀가드)는 리튬 수지상결정들에 의해 펑처링되고 파괴된다. 알 수 있는 바와 같이, 세퍼레이터는 더 이상 인식가능하지 않고, B) 2개의 천공 캡톤 층들 사이의 셀가드 층; C) 리튬 전극과 접촉하는 셀가드; D) 천공 캡톤이다. 리튬 수지상결정들은 새로운 세퍼레이터를 관통할 수 없다. 여기에 도시한 바와 같이, 캡톤 층의 우측상의 셀가드가 파괴되더라도, 새로운 세퍼레이터의 캡톤 층은 손상되지 않는다. 예를 들어, 도 25 내지 도 30은 본 발명의 세퍼레이터 시스템에서 사용을 위해 레이저 컷팅으로 준비된 1밀리미터 캡톤 필름의 사진들이다.
[00254] 도 23은 1/2" 직경의 하우스 제조 전지에서 레퍼런스 세퍼레이터로서 5개의 셀가드 층들(0.125mm 두께)과 비교하여 기계적 고강도 층들로서 2개의 캡톤 층들 및 저저항 층들로서 2개의 캡톤 층들 다음의 3개의 셀가드 층들로 이루어진 신규한 세퍼레이터(0.125 mm 두께)의 층들을 도시한다. 셀가드 2325가 사용된다. 전지들은 전극들로서 0.75 mm Li 박들 및 전해질로서, Novolte로부터의 EC:DEC:DMC (1:1:1)에서 1M LiPF6으로 이루어진다. 캡톤 홀들은 각각 2 mm 직경이다. 전지들을 실온에서 테스트되고 아르곤 충진 드라이 박스(H2O<0.5ppm)에서 45분 충방전 사이클 동안 55ma에서 사이클링되고 (a) 레퍼런스 세퍼레이터는 5-셀가드 레퍼런스 세퍼레이터를 나타내고, 전지가 단락되고; (B-D) 새로운 세퍼레이터의 컴포넌트들을 나타낸다. 전지는 단락되지 않는다. (B) 새로운 세퍼레이터: 2개의 천공 캡톤 층들 사이의 셀가드 층은 손상되지 않고 (C) 새로운 세퍼레이터:리튬 전극과 접촉하는 셀가드는 각한 손상을 나타내고; (D) 새로운 세퍼레이터: 천공 캡톤은 손상되지 않고 그것의 구조적 무결성을 유지하여 임의의 단락을 방지한다. 이러한 도면은 다층 세퍼레이터가 수지상결정 단락을 안전하게 중지시킬 수 있고 매우 높은 전류에서도 돌발 고장을 방지할 수 있다는 것을 나타낸다. 도 24(줌 아웃)는 도 23(줌 인)과 동일하다. 상부 및 저부 그래프는 각 설계에서의 2개의 인접한 층들을 도시한다. 도 25 내지 도 30은 캡톤으로 이루어진 강한 층 설계의 여러 예들을 도시한다. 홀들은 레이저 컷팅으로 이루어진다. 층들 각각의 사이즈는 1/2 인치이다. 홀들은 1 mm 직경 또는 2mm 직경이다.
예 3 : 다층 세퍼레이터 시스템을 갖는 리튬 배터리들
[00255] 이러한 예는 본 발명의 다층 세퍼레이터 시스템을 포함하는 리튬 배터리들의 예들의 설명을 제공한다.
[00256] 예 a : 이러한 예에서, 각각 25 마이크로미터 두께의 캡톤 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 1 mm 거리로 천공된다. 25 마이크로미터의 셀가드의 층이 2개의 캡톤 층들 사이에 배치된다. 25 마이크로미터의 셀가이드의 층이 각 캡톤 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 LiCoO2 및 리튬 금속 필름들이다. 전해질은 EC-DMC-PC-DME과 조합한 LiPF6이다.
[00257] 예 B : 이러한 예에서, 각각 25 마이크로미터 두께의 캡톤 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된 벽들 사이의 1 mm 거리로 천공된다. 25 마이크로미터의 셀가드의 층이 2개의 캡톤 층들 사이에 배치된다. 25 마이크로미터의 셀가이드의 층이 각 캡톤 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 LiFePO4 및 리튬 금속 필름들이다. 전해질은 EC-DMC-PC-DME과 조합한 LiPF6이다.
[00258] 예 C : 이러한 예에서, 각각 25 마이크로미터 두께의 캡톤 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된 벽들 사이의 1 mm 거리로 천공된다. 각각 1/8인치의 3개의 홀들을 갖는 25 마이크로미터 두께의 천공 셀가드 층이 2개의 캡톤 층들 사이에 배치된다. 각각 1/8인치의 3개의 홀들을 갖는 25 마이크로미터 두께의 천공 셀가드 층이 각 캡톤 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 LiFePO4 및 리튬 금속 필름들이다. 전해질은 EC-DMC-PC-DME과 조합한 LiPF6이다.
[00259] 예 D : 이러한 예에서, 각각 25 마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 PP 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 1 mm 거리로 천공된다. 25 마이크로미터 두께의 셀가이드의 링이 2개의 PP 층들 사이에 배치된다. 25마이크로미터 두께, 3/4 인치 외경 및 1/2 내경의 셀가이드의 링이 각 PP 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 LiFePO4 및 리튬 금속 필름들이다. 전해질은 EC-DMC-PC-DME과 조합한 LiPF6이다.
[00260] 예 E : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 하드 폴리에스테르 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 1 mm 거리로 천공된다. 5 마이크로미터 두께의 미소다공성 PE/PP/PE의 링이 2개의 하드 폴리에스테르 층들 사이에 배치된다. 5마이크로미터 두께, 3/4 인치 외경 및 1/2 인치 내경의 미소다공성 PE/PP/PE의 링이 각 하드 폴리에스테르 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 LiFePO4 및 리튬 금속 필름들이다. 전해질은 EC-DMC-PC-DME과 조합한 LiPF6이다.
[00261] 예 F : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께의 스테인리스 강의 2개의 층들이 사용된다. 스테인리스 강 층들은 매우 얇은 전기 절연층으로 코팅된다(여기서, 1 마이크로미터 두께의 테플론. 캡톤 또는 PVDF 또는 PEO 또는 PP 또는 PE 코팅들이 또한 사용될 수 있다). 각 층은 각각 0.5 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 0.5 mm 거리로 천공된다. 5 마이크로미터의 미소다공성 PE/PP/PE의 층이 2개의 스테인리스 강 층들 사이에 배치된다. 5 마이크로미터의 미소다공성 PE/PP/PE의 층이 각 스테인리스 강 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 LiFePO4 및 리튬 금속 필름들이다. 전해질은 EC-DMC-PC-DME과 조합한 LiPF6이다.
[00262] 예 G : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 캡톤 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 1 mm 거리로 천공된다. 5 마이크로미터 두께의 셀가이드의 링이 2개의 캡톤 층들 사이에 배치된다. 5 마이크로미터 두께, 3/4 인치 외경 및 1/2 인치 내경의 셀가드의 링이 리튬 금속막 애노드 다음의 캡톤 층과 Li 전극 사이에 배치된다. 25마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 LISICON 층이 제 2 캡톤 층과 공기 카본-캐소드 사이에 배치된다. LISICON의 Li측상의 전해질은 EC-DMC-PC-DME과 조합한 LiClO4이다. LISICON의 공기 캐소드측상의 전해질은 수용성 전해질이다.
[00263] 예 H : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 PE 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 0.1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 0.1 mm 거리로 천공된다. 25마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 LISICON 층이 제 2 PE와 공기 카본-캐소드 사이에 배치된다. LISICON의 Li측상의 전해질은 EC-DMC-PC-DME과 조합한 LiPF6이다. LISICON의 공기 캐소드측상의 전해질은 수용성 전해질이다.
[00264] 예 I : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께의 스테인리스 강의 2개의 층들이 사용된다. 스테인리스 강 층들은 내측 면들(더 근접한 전극에 대한 면들)상에 매우 얇은 전기 절연층(여기서, 1 마이크로미터 두께의 테플론)으로 코팅된다. 각 층은 각각 0.1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 0.1 mm 거리로 천공된다. 5 마이크로미터의 셀가이드의 층이 2개의 스테인리스 강 층들 사이에 배치된다. 5 마이크로미터의 셀가이드의 층이 각 스테인리스 강 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 부분적으로 리튬화된 Si 및 부분적으로 리튬화된 황이다. 이러한 세퍼레이터를 갖는 배터리가 더 높은 사이클 수명 및 충-방전(전력)율을 나타내는 것으로 기대된다.
[00265] 예 J : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께의 스테인리스 강의 2개의 층들이 사용된다. 스테인리스 강 층들은 내측 표면들(더 근접한 전극에 대한 면들)상에 1마이크로미터 두께의 테플론의 매우 얇은 전기 절연층 및 외측 표면(더 근접한 전극들에 대면하는 면들)상에 1마이크로미터 두께의 폴리에틸렌 글리콜로 코팅된다. 각 층은 각각 0.1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 0.1 mm 거리로 천공된다. 5 마이크로미터의 셀룰로오스 세퍼레이터의 층이 2개의 스테인리스 강 층들 사이에 배치된다. 5 마이크로미터의 셀룰로오스 세퍼레이터의 층이 각 스테인리스 강 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 Li 금속 및 황이다. 폴리에틸렌 글리콜 코팅이 배터리의 사이클 수명을 증가시키는 것으로 기대된다.
[00266] 예 K : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 폴리이미드 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 0.1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 0.1 mm 거리로 천공된다. 5 마이크로미터 두께의 미소다공성 PE/PP/PE의 링이 2개의 폴리이미드 층들 사이에 배치된다. 5마이크로미터 두께, 3/4 인치 외경 및 1/2 인치 내경의 미소다공성 PE/PP/PE의 링이 각 폴리이미드 층 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 아연 애노드 및 카본계 공기 캐소드이다. 전해질을 수용성 6M NaOH이다.
[00267] 예 L : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 하드 PP 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 0.1 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들로 천공된다. 전극들은 아연 애노드 및 카본계 공기 캐소드이다. 전해질을 수용성 6M KOH이다.
[00268] 예 M : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 알루미늄 옥사이드 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 층은 각각 0.1 mm 직경이고, 각각 40% 다공성이고 서로의 상부에 놓일 때 홀 패턴들의 5% 미만의 오버랩을 제공하는 홀들의 임의의 패턴 및 벽들 사이의 0.1 mm 거리로 천공된다. 5 마이크로미터 두께의 미소다공성 폴리에스테르의 링이 2개의 알루미늄 옥사이드 층들 사이에 배치된다. 5마이크로미터 두께, 3/4 인치 외경 및 1/2 인치 내경의 미소다공성 폴리에스테르의 링이 각 알루미늄 옥사이드 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 아연 애노드 및 카본계 공기 캐소드이다. 전해질을 수용성 6M KOH이다.
[00269] 예 N : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 하드 폴리에스테르 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 층은 각각 1 mm 직경이고, 각각 40% 다공성이고 서로의 상부에 놓일 때 홀 패턴들의 5% 미만의 오버랩을 제공하는 홀들의 임의의 패턴 및 벽들 사이의 1 mm 거리로 천공된다. 25 마이크로미터 두께의 미소다공성 폴리에스테르의 링이 2개의 하드 폴리에스테르 층들 사이에 배치된다. 25마이크로미터 두께, 3/4 인치 외경 및 1/2 인치 내경의 미소다공성 폴리에스테르의 링이 각 하드 폴리에스테르 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 LiFePO4 및 실리콘 필름들이다. 전해질은 이온 액체이다.
[00270] 예 O : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 폴리에틸렌 글리콜로 코팅된 캡톤 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 0.01 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 0.01 mm 거리로 천공된다. 5 마이크로미터 두께의 셀가이드의 링이 2개의 캡톤 층들 사이에 배치된다. 5마이크로미터 두께, 3/4 인치 외경 및 1/2 인치 내경의 셀가이드의 링이 각 캡톤 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 황 및 리튬 금속 필름들이다. 전해질은 폴리머 전해질이다.
[00271] 예 P : 이러한 예에서, 각각 5 마이크로미터 두께 및 3/4 인치 직경의 PP 필름들의 2개의 층들이 세퍼레이터 시스템에 대해 사용된다. 각 층은 각각 0.001 mm 직경의 데카르트(수직-수평) 주기적 홀들 및 벽들 사이의 0.001 mm 거리로 천공된다. 5 마이크로미터 두께의 미소다공성 폴리에스테르의 링이 2개의 PP 층들 사이에 배치된다. 5마이크로미터 두께, 3/4 인치 외경 및 1/2 인치 내경의 미소다공성 폴리에스테르의 링이 각 PP 층과 인접한 전극 사이에 배치된다. 전극들은 NMC 및 카본 필름들이다. 전해질은 PEO이다.
[00272] 예 Q는 층들이 각 측의 외부 부분과 같은 일부 영역들에서 PEO 및 PvDF에 의해 서로에 부착될 때 임의의 상기 예들과 동일하다.
[00273] 예 R은 LISICON이 5마이크로미터이고 리튬-공기 전지의 공기 캐소드측상의 하드 층상에 증착될 때 예 G에 대응한다.
[00274] 다른 예에서, 다공성 패터닝된 층들은 아래의 물리적 치수들, 조성들 및 기계적 특성들을 갖는다.
· 두께: 125미크론, 75미크론, 50미크론 또는 25미크론.
· 인장 강도: 150MPA 등방성(셀가이드: 15MPA TD; 150 MPA MD)
· 공극률: 45%
· 탄성률: 2GPA
· 항복 강도: 50MPA
· 밀도: ~1.3g/cm3
· MIT 내절 강도: 10000 사이클
· 엘멘도르프 전단 강도: 0.1N
· 그라브 전단 강도: 15 N
·? 충격 강도: 50N.cm
· 섭씨 150도에서 30분 수축: 0.2(셀가이드: 5 내지 10%)
· 절연 내력: aSTM D-149-91 250 V/m
· 유전 상수: 3.5
· 열팽창 계수: 20 ppm/Celsius.
[00275] 이들 특성들을 갖는 다공성 패터닝된 층들을 갖는 다층 세퍼레이터들을 포함하는 전기화학 전지들은 유용한 성능 특징들을 나타낸다. 하프 전지[코인 전지들]: LiFePO4|LP71|Li를 테스트할 때, 예를 들어, 200 사이클 이후에: C/5에서, 용량은 ~140mah/g이었고, C/2에서, 용량은 ~120mah/g이었다. 외부 압력을 사용한 힘-변위 테스팅은, 전지가 단락되지 않았지만 기능이 중지되었다는 것을 나타내었다. C/2에서 300 사이클 이후 세퍼레이터 시스템의 분석은 저하가 거의 없고 세퍼레이터 시스템이 다른 전지에서 사용될 수 있다는 것을 나타내었다.
[00276] 표 1 및 2는 본 발명의 특정한 실시예들의 기계적 고강도 층들 및 세퍼레이터 시스템들의 물리적 치수들 및 특성들의 요약을 제공한다.
표 1: 기계적 고강도 층들의 물리적 치수들 및 특성들
Figure 112020053710518-pat00002
표 2: 세퍼레이터 시스템들의 물리적 치수들 및 특성들
Figure 112020053710518-pat00003
[00277] 표 2에서의 세퍼레이터들의 저항율을 1 M LiPF6 EC:EMC (30:70 부피)로 테스트하였다. 전기화학 평가를 위해, Al-Al 전극들을 갖는 1/2" 코인전지 전기화학 전지들이 세퍼레이터들을 특징화하기 위해 사용되었다. 세퍼레이터들은 각각 25㎛ 두께의 셀가드/천공 캡톤/셀가드/천공 캡톤/셀가드로 이루어졌다.
예 4 : 코팅된 금속 메쉬와 같은 열 전도성 층들을 포함하는 세퍼레이터들
[00278] 일부 양태들에서, 본 발명의 세퍼레이터 시스템들은 PP로 코팅된 Al 또는 알루미늄 옥사이드로 코팅된 Al 또는 Al2O3와 같은 열 전도성 세라믹과 같은, 외부 절연 코팅을 갖는 금속 메쉬와 같은 코팅된 금속 층인 하나 또는 그 초과의 다공성 패터닝된 층들을 포함한다. 본 양태의 실시예들은 배터리의 수명을 현저하게 증가시키는데 유익하다. 일 실시예에서, 예를 들어, 금속 메쉬(Al, 니켈, 구리, 스테인리스 강)는 매우 광범위한 온도 범위에 걸쳐 매우 높은 기계적 강도를 갖고, 금속 세퍼레이터는 전지의 온도를 균질화하고 전지의 안전성 및 수명을 현저하게 강화시키는 열 전도성 재료이다. 일 실시예에서, 세퍼레이터의 미소다공성 층들은 PTFE 코팅된 (또는 PP 코팅된 또는 PEO 코팅된 또는 Al2O3 코팅된 또는 PET 코팅된 또는 PVDF 코팅된) 알루미늄 메쉬 층들(예를 들어, 40% 개방의 Al 메쉬: 각각 5 마이크로미터의 3개의 층들 또는 각각 1/3 밀리미터의 2개의 층들; 일 실시예에서, Al 층들은 각 측상에서 예를 들어, 2마이크로미터 두께의 PTFE로 코팅된다). 다른 실시예에서, 애노드 다음의 Al 층만이 코팅된다. 다른 실시예에서, Al 층들이 코팅되고 측면들이 전극들과 접촉하여 제공된다.
예 5 : 얇은 멤브레인들을 제조하는데 있어서 신규한 방법: 메쉬 또는 섬유가 멤브레인들로서, 예를 들어, Li-공기 배터리들과 같은 전기화학 전지들에서의 고체 전해질들로서 또는 바이오-산업 또는 음식 산업 또는 여과에서 필터들로서 세라믹 생성 및 그들의 애플리케이션들을 지지한다.
[00279] 배경: Li-공기 및 Li-황 배터리들은 현재 배터리들 보다 높은 정도의 에너지 밀도를 갖는다. 이들 전지들을 제조하는 일 접근방식이 캐소드 재료들 또는 그들의 불순물들로 인한 오염으로부터 애노드를 보호하기 위해, 이온 이송을 허용하지만 임의의 다른 재료의 통과를 방지하는 LISICON과 같은 반투과성 멤브레인을 사용하는 것이다. 두꺼운 고체 전해질 멤브레인들은 더 높은 이온 저항을 나타내고 에너지 및 전력 손실을 초래할 뿐만 아니라 수 사이클들에서 크랙들 및 전극들과의 느슨한 연결들을 형성한다. 특히, 플라스틱 변형의 두께 보다 얇은 임계 두께가 존재하고 크랙들이 회피될 수 있다는 것이 고체 역학에서 널리 공지되어 있다. 따라서, 높은 에너지 효율, 고전력 밀도, 고속 충전 및 높은 사이클 수명을 갖기 위해, 보호 멤브레인은 가능한 한 얇아야 한다. 현재, 50 마이크로미터 두께 또는 그 미만의 LISICON 멤브레인들과 같은 세라믹들을 제조하는 것이 주요 도전과제이고; 얇은 세라믹을 제조하는 공정에서 더 많은 핀홀들이 형성되고, 따라서, 작은 입자들이 홀들을 통과할 수 있고, 세라믹은 반투과성 멤브레인으로서의 그것의 기능을 상실한다. 이러한 예는 얇은(50 마이크로미터 미만) 그리고 매우 얇은(5 마이크로미터 미만) 고체 전해질들, 특히, 세라믹계 고체 전해질들을 제조하는데 있어서 새로운 접근방식을 제안한다. 애플리케이션들은, 예를 들어, 전기화학 전지들에서의 고체 전해질들과 같은 세라믹 멤브레인들 및 약제 산업 또는 바이오엔지니어링 산업 또는 음식 가공에서의 필터들과 같은 세라믹 멤브레인들과 같이 광대하고 다수의 산업들에 존재한다.
[00280] 일부 실시예들에서, 멤브레인은 메쉬 또는 섬유들의 단단함이 멤브레인의 제조 동안 그리고 그것의 동작 동안 세라믹에서의 크랙들 및 핀홀들을 방지하는 복합 고체 전해질/메쉬 시스템 또는 복합 고체 전해질/섬유 시스템이다.
[00281] 메쉬는 옵션으로는, 전체 메쉬 지지 세라믹 시스템의 작은 부분만을 점유하는, 주기적 포맷에 있다/ 메쉬 부피는 예를 들어, 세라믹 부품의 부피의 단지 5 내지 15%일 수 있다. 또한, 메쉬는 옵션으로는, 세라믹 부품 내부에 전체적으로 있을 수 있거나, 옵션으로는 세라믹의 일 면 또는 양면들상에 노출될 수 있다.
[00282] 메쉬 또는 섬유 재료들은 바람직하게는, 스테인리스 강, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금과 같은 금속들 또는 합금들로 이루어진 것과 같이 양호한 연성(ductility) 및 강도를 갖는다. 메쉬는 옵션으로는, PE, PP, 캡톤, PVDF, PVC 또는 PMMA와 같은 폴리머로 이루어진다. 메쉬는 옵션으로는, 알루미늄 옥사이드 또는 실리콘 옥사이드 또는 티타늄 옥사이드와 같은 유리 재료로 이루어진다.
[00283] 고체 전해질은 옵션으로는, LISICON 또는 NASICON 또는 PEO와 같은 임의의 고체 전해질이다. 고체 전해질은 옵션으로는, 배터리 또는 전기화학 커패시터 또는 연료 전지 또는 플로우 배터리와 같은 전기화학 전지에서 사용된다.
[00284] 메쉬 또는 섬유 지지 고체 전해질의 시스템은, 얇은 고체 전해질들을 제조하는 것이 세라믹들의 얇은 층들의 생산에서의 어려움들로 인해 어렵기 때문에 유용하다. 예를 들어, 어려움은 Li-공기 배터리들과 같은 리튬 배터리 애플리케이션들에 대한 얇은 LISICON에서의 핀홀들 생성과 같은 생산 공정에서의 크랙들의 형성으로 인한 것일 수 있다. 메쉬 또는 섬유 지지 시스템은 세라믹, 예를 들어, LISICON과 같은 고체 전해질 내부의 스트레스들을 릴렉스시키고, 따라서, 세라믹의 제조 동안 핀홀들과 같은 크랙들 및 홀들을 방지한다. 일부 실시예들에서, 사이클링으로 인해 스트레스들을 릴렉스하는 것을 또한 돕고, 이것은 사이클 수명을 향상시킨다.
[00285] 메쉬 또는 섬유 지지 멤브레인의 시스템은, 얇은 멤브레인들을 제조하는 것이 세라믹들의 얇은 층들의 생산에서의 어려움들로 인해 어렵기 때문에 유용하다. 예를 들어, 어려움은 바이오-산업 또는 음식 산업 또는 액체 여과에서와 같이 필터 애플리케이션들에 대한 얇은 멤브레인들에서의 핀홀들 생성과 같은 생산 공정에서의 크랙들의 형성으로 인한 것일 수 있다. 메쉬 또는 섬유 지지 시스템은 세라믹 내부의 스트레스들을 릴렉스시키고, 따라서, 세라믹의 제조 동안 핀홀들과 같은 크랙들 및 홀들을 방지한다.
[00286] 다른 애플리케이션들은 연료 전지 멤브레인들 또는 전기화학 커패시터들 또는 플로우 배터리들 또는 반고체 배터리들 또는 캐소드 레독스 플로우 배터리들 또는 용매화된 전극 배터리들을 포함한다.
[00287] 본 예에서 설명한 방법은 기계적으로 강한 매트릭스를 발생시키고, 여기서, 메쉬/섬유들은 기계적으로 단단하여, 시스템의 강하고 단단한 전체 작용을 발생시킨다. 이것은 마텐자이트/오스테나이트(martensite/austenite) 시스템들과 같은 시스템들의 전체 작용에서 이해되고; 그러나, 최근의 금속 유리들 및 철근 콘크리트 (reinforced concreased)에서의 특수강(TRIP) 및 마레이징 강철(marAging steel)은 형성 공정에 적용되지 않고, 특히, 제조 동안 핀홀들 및 크랙들로 통상적으로 그리고 빈번하게 영향을 받는 얇은 멤브레인들 또는 얇은 세라믹의 형성 공정에 있지 않다.
[00288] 도 29은 전기화학 전지에서 지지된 멤브레인의 애플리케이션의 일례를 도시한다. 도 29에서, (리튬과 같은) 애노드(3101)는 (PC-EC에서의 LiClO4와 같은) 애노드 유기 전해질(3102)에 인접하여 위치되고, (셀가드와 같은) 세퍼레이터 및 (LISICON 고체 전해질을 포함하는) 멤브레인(3103)은 (황 또는 공기 캐소드와 같은) 다공성 캐소드 및 (수용성 전해질과 같은) 캐소드 전해질(3104)로부터 애노드 전해질(3102)을 분리시킨다. 집전체들(3105 및 3106)이 애노드(3101) 및 다공성 캐소드/캐소드 전해질(3102)과 접촉하여 위치된다.
[00289] 도 30는 도 30에 도시된 바와 같은 세퍼레이터/멤브레인(3103)과 같은 얇은 멤브레인의 구조에 대한 여러 가능한 구성들을 예시한다. 여기서, 세라믹(3207)은 메쉬 및/또는 섬유들(3208)에 의해 지지된다.
예 6 : 활성 멤브레인들 : 배터리들과 같은 전기화학 전지들에서 활성 세퍼레이터들로서 전도율 보조 멤브레인들 및 그들의 사용
[00290] 이전의 멤브레인들 및 특히, 전기화학 전지들에서의 세퍼레이터들은 단지 수동 컴포넌트들이었다. 일반적으로, 전기화학 전지들에서의 세퍼레이터들은 2개의 대향 전극들을 전자적으로 분리시키기 위한 전자 비전도성 컴포넌트들이다. 이러한 예는 배터리들에서와 같이 전기화학 전지들에서 특히 세퍼레이터들로서 활성 멤브레인들을 설명한다.
[00291] 예를 들어, 다층 멤브레인은 멤브레인의 단부들 중 어느 하나에서의 층들 중 적어도 하나가 전자 전도성이도록 2개 또는 그 초과의 층들을 포함하고; 멤브레인의 2개의 외부 면들 사이에 전자 연결이 없도록 중간 층들 중 적어도 하나가 전자 비전도성이다.
[00292] 옵션으로는, 층들 중 일부가 서로 증착되거나 코팅된다. 이러한 멤브레인은 옵션으로는, 전기화학 전지에서의 세퍼레이터로서 유용하다. 옵션으로는, 층들 중 일부가 다른 층상에 또는 전극들 중 어느 하나에 증착되거나 코팅된다. 옵션으로는, 외부 전도성 층은 인접한 전극의 외부 입자들에 대한 새로운 전자 경로를 발생시키고, 따라서, 인접한 전극 재료들의 전자 전도율을 증가시킨다.
[00293] 옵션으로는, 본 예의 세퍼레이터들은 예를 들어, 전극 재료들이 충-방전으로 인해 형상 변화를 겪는 전기화학 전지에서 사용되고, 이러한 형상 변화는 전극 재료들과 대응하는 집전체 사이의 전자 전도율의 적어도 일부의 손실을 발생시킬 수 있다.
[00294] 설명한 세퍼레이터들에 유용한 전기화학 전지들은 리튬 배터리들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 리튬 배터리는 세퍼레이터를 옵션으로 포함하고 옵션으로는 실리콘 애노드를 포함한다. 옵션으로는, 캐소드가 리튬 옥사이드이거나 황이거나 카본 또는 공기이다. 설명한 세퍼레이터들에 유용한 전기화학 전지들은 알칼리 배터리들 및 금속 공기 배터리들을 더 포함한다.
[00295] 옵션으로는, 상술한 바와 같은 다층 멤브레인에서, 전도성 층들 각각은 스테인리스 강 또는 알루미늄 또는 구리 또는 Ni 또는 주석과 같은 금속으로 이루어진 다공성 또는 천공 층 또는 메쉬이다. 옵션으로는, 금속 층은 전극과 멤브레인의 전자 비전도성 층 사이에 있다. 옵션으로는, 비전도성 층은 금속 층의 일 측상의 코팅, 예를 들어, PTFE 또는 PVDF 또는 PEO 또는 PMMA 또는 PE 또는 PP 또는 PET 또는 Al2O3와 같은 폴리머이다.
[00296] 유용한 멤브레인은 멤브레인의 총 두께가 500 마이크로미터 미만인 것들을 포함한다. 유용한 멤브레인은 멤브레인의 총 두께가 100 마이크로미터 미만 또는 50 마이크로미터 미만인 것들을 포함한다. 옵션으로는, 멤브레인의 총 두께는 25 마이크로미터 미만 또는 5 마이크로미터 미만이다.
[00297] 옵션으로는, 본 예에서 설명한 세퍼레이터 또는 멤브레인의 이온 저항은 10 Ω cm2 미만 또는 1 Ω cm2 미만이다. 옵션으로는, 본 예에서의 설명한 세퍼레이터 또는 멤브레인의 공극률은 적어도 30% 또는 적어도 70%이다. 본 예에서의 설명한 세퍼레이터 또는 멤브레인의 외부 전도성 층은 예를 들어, 외부 전도성 층이 부족한 세퍼레이터 또는 멤브레인과 비교할 때, 적어도 대응하는 전극 근처에서 전계의 변화를 발생시킨다. 일부 경우들에서, 세퍼레이터의 전도성 층으로 인한 전계 변형들은 충전 동안 더욱 균일한 리튬 증착을 발생시켜서, 전기화학 전지의 성능, 수명 사이클 및 효율을 증가시킨다.
[00298] 옵션으로는, 본 예의 멤브레인들은 금, 은 또는 리튬 또는 아연 또는 구리 또는 합금과 같은 금속의 전자-증착에서와 같이 전자-증착에 유용하다. 옵션으로는, 본 예의 멤브레인들은 재충전가능한 리튬 금속 배터리와 같은 전기화학 전지에서의 세퍼레이터로서 유용하다.
[00299] 도 31a 내지 도 31d는 배터리에서와 같이 전기화학 전지에서 세퍼레이터로서 멤브레인의 사용의 일례를 도시한다. 도 31a 내지 도 31d에서, 집전체들은 엘리먼트들(3301a 및 3301B)로서 식별되고; 활성 전극 입자들(예를 들어, 실리콘)은 엘리먼트들(3302)로서 식별되고; 카본 블랙과 같은 활성 전극 입자들 사이의 전도성 재료들은 엘리먼트들(3303)로서 식별되고; 종래의 세퍼레이터는 엘리먼트들(3304)로서 식별되고; 본 예의 세퍼레이터는 엘리먼트(3305)로서 식별되고; 분실 전자 전도율로 인한 비활성(분실) 전극 재료는 엘리먼트들(3306)로서 식별되고; 대향 전극은 엘리먼트들(3307)로서 식별되며; 전해질은 엘리먼트(3308)로서 식별된다.
[00300] 도 31a는 모든 전극 입자들(3302)이 전자적으로 연결되는 경우에, 사용 이전에 배터리의 개략적 표현을 도시한다. 도 31b는 전극 입자들(3302)이 큰 형상 변화를 갖는 경우에, 충전 이후에 배터리의 개략적 표현을 도시한다. 도 31c는 여러 충-방전 사이클들 이후에 종래의 세퍼레이터(3304)를 갖는 배터리의 개략적 표현을 도시하고, 전극 입자들 중 일부가 집전체와의 전자 연결을 분실하여 비활성 전극 입자들(3306)이라는 것을 나타낸다. 도 31d는 여러 충-방전 사이클들 이후에 종래의 세퍼레이터(3304) 대신에 전자 전도성 세퍼레이터(3305)를 포함하는 배터리의 개략적 표현을 도시하고, 전극 입자들 중 일부가 집전체와의 종래의 전자 연결을 분실하지만 전자 전도성 세퍼레이터(3305)가 전극 입자들(3303) 중 일부에 대한 새로운 경로를 제공한다는 것을 나타낸다. 화살표들은 전자 전도성 세퍼레이터(3305)를 따른 이들 입자들로부터 집전체로의 전자 이송을 위한 경로를 나타낸다.
[00301] 본 예에서 설명한 새로운 배터리들은 종래의 병렬 플레이트 배터리들에 제한되지 않는다. 이러한 배터리의 일례가 미국 특허 공개 번호 US2012/0077095호에 설명된 본 발명자의 3-d 배터리 구조에 의해 이루어졌다. 2 cm x 2 cm x 0.2 mm의 MTI로부터의 LiCoO2 캐소드의 3개의 층들이 사로의 상부에 놓이고, 1mm의 주기적 홀들을 제조하도록 천공되었다. 그 후, 0.025 mm 두께의 PE 폴리머의 링들이 전해질 홀더로서 이들 사이에 놓이고, 층들이 2 cm x 2 cm x 1 cm의 알루미늄 튜브에 놓였다. 약 0.75mm 직경의 구리 와이어들이 홀들을 통해 놓이고 가이드들에 의해 상부 및 저부로부터 고정되었다. 전해질(PC, EC, DMC 및 LiClO4/LiPF6의 혼합물)이 전해질에 추가되었다. 전지를 고정하고 갈바노스탯(gAlvanostat)에 부착한 이후에, 전지가 수 일까지 동안 10㎂와 같이 낮게 시작하는 레이트에서 충전되었다. 리튬 금속이 애노드를 형성한 구리 와이어상에 증착되었다. 성능을 안정화시키기 위해, 전지의 형성이라 불리는 수 충방전 사이클들 이후에, 전지가 사용을 위해 준비되었다. 더 높은 전류(예를 들어, 1ma)에서 종래의 전지를 사이클링한 이후에, 전지는 구리 와이어들상에 리튬 수지상결정 형성으로 인해 단락될 것이고, 이러한 수지상결정들이 LiCoO2 플레이트들을 터치하는 포인트까지 이러한 수지상결정들이 성장한다. 앞서 논의한 바와 같은 시프터-층들의 세퍼레이터 설계를 사용하는 것은 단락을 방지하고 배터리의 사이클 수명을 향상시킨다.
[00302] 수지상결정 단락을 방지하는데 있어서 세퍼레이터 효율이 리튬의 대칭 코인 전지들을 제조하고 이들을 고전류에서 사이클링함으로써 또한 명백하게 도시되어 있다. 결과들(실온에서의 실험, 전해질: Merk로부터의 LP71)은 리튬 호일들의 0.75mm 두께의 디스크들이 10ma 만큼 높은 레이트에서 그리고 단락의 사인없이 5시간의 사이클링 시간에서 500 사이클들을 초과하여 사이클링될 수 있다는 것을 나타낸다.
예 7 : 전극에 인접하여 위치된 전자 및 이온 전도성 층을 갖는 전기화학 전지들에 대한 실험 결과들
[00303] 실험 a : 전기화학 전기가 0.100mm 두께의 리튬 코발트 옥사이드 캐소드 및 0.35mm 두께의 Li 금속 애노드로부터 구성되었다. 셀들에 사용된 전해질은 Merck LP 71(EC-DC-DMC (1:1:1)에서 1M LiPF6)이었다. 0.025mm 두께의 PE/PP/PE 다층(셀가드 2325)이 세퍼레이터로서 사용되었다. Ni 메쉬(117.6)를 포함하는 전도성 층이 Li 애노드와 세퍼레이터 사이에 배치되었다. 전지는 1/2인치 정방형이었고 하우스에서 제작되었다. 전극들, 세퍼레이터 및 전도성 층이 1/2 인치 직경 디스크들로 컷팅되었다.
[00304] 전지는 글러브 박스(glove box) 내부에서 구성되었다. 1/2인치 정방형 전지는 텔폰으로 이루어졌다. 리튬 애노드가 DMC 및 헥산으로 린싱한 이후에 리튬으로부터 이루어졌다. LiCoO2 호일이 캐소드로서 사용되었다. 전지가 다음의 순서로 층들로 구성되었다: 와이어 헤드들/스테인리스 강 디스크/Li/Ni 메쉬 층/셀가드 세퍼레이터/LiCoO2/알루미늄 호일. 전해질은 전지를 과포화시키기 위해 사용되었다.
[00305] 도 32, 도 33 및 도 34은 전지의 사이클링 데이터, 전압 대 시간, 및 전류 대 시간을 도시한다. 전지는 실온에서 테스트되었고, 전압 범위가 3 내지 4.2v로 설정되었다.
[00306] 실험 B : 전기화학 전기가 0.100mm 두께의 리튬 코발트 옥사이드 캐소드 및 0.35mm 두께의 Li 금속 애노드로부터 구성되었다. 셀들에 사용된 전해질은 Merck LP 71(EC-DC-DMC (1:1:1)에서 1M LiPF6)이었다. 0.025mm 두께의 PE/PP/PE 다층(셀가드 2325)이 세퍼레이터로서 사용되었다. Cu 메쉬(117.6)를 포함하는 전도성 층이 Li 애노드와 세퍼레이터 사이에 배치되었다. 전지는 1/2인치 정방형이었고 하우스에서 제작되었다. 전극들, 세퍼레이터 및 전도성 층이 1/2 인치 직경 디스크들로 컷팅되었다.
[00307] 도 35, 도 36 및 도 37는 전지의 사이클링 데이터, 전압 대 시간, 및 전류 대 시간을 도시한다. 전지는 실온에서 테스트되었고, 전압 범위가 3 내지 4.2v로 설정되었다.
[00308] 실험 C : 0.025mm 두께의 PE/PP/PE 다층 세퍼레이터(셀가드 2325)를 갖는 사이즈 2035의 코인 전지들이 이루어졌다. 사용된 전해질은 Merck LP 50(EC-EMC 1:1에서 1M LiPF6)이었다. LiFePO4 캐소드가 사용되었고 그라파이트 애노드가 사용되었다. Ni 메쉬(117.6)가 그라파이트 애노드와 세퍼레이터 사이에 배치되었다.
[00309] 도 38 및 도 39은 전지들의 사이클링 데이터, 전압 대 시간(상부), 및 전류 대 시간(저부)을 도시한다. 전지는 실온에서 테스트되었고, 전압 범위가 2.5 내지 4.2v로 설정되었다.
[00310] 실험 D : 0.025mm 두께의 PE/PP/PE 다층 세퍼레이터(셀가드 2325)를 갖는 사이즈 2035의 2개의 코인 전지들이 이루어졌다. 사용된 전해질은 Merck LP 50(EC-EMC 1:1에서 1M LiPF6)이었다. LiFePO4 캐소드가 사용되었고 Li 애노드가 사용되었다. Ni 메쉬(333)가 LiFePO4 캐소드와 세퍼레이터 사이에 배치되었다.
[00311] 도 40 및 도 41은 전지의 사이클링 데이터, 전압 대 시간, 및 전류 대 시간을 도시한다. 전지는 실온에서 테스트되었고, 전압 범위가 2.5 내지 4.2v로 설정되었다.
참조들
[00312] 미국 특허 제8,202,649호 및 제8,288,034호, 미국 특허 출원 공개 번호 US 2012/0119155, US 2012/0219842, 2012/0183868.
참고문헌 및 변형예에 의한 통합에 관한 진술
[00313] 본 출원 전반에서 모든 참고문헌, 예를 들어, 공고 또는 등록 특허 또는 등가물; 특허 출원 공개 문헌; 및 비특허 문헌 서류 또는 다른 원자료를 포함하는 특허 문헌은, 각 참고문헌이 본 출원에서의 개시물과 적어도 부분적으로 부합하지 않는 범위까지 참조로 개별적으로 통합되는 것과 같이, 그 전체자 참조로 본 명세서에 통합된다(예를 들어, 부분적으로 부합하지 않는 참고문헌은 참고문헌의 부분적으로 부합하지 않는 부분을 제외하고 참조로 포함된다).
[00314] 본 명세서에서 이용된 용어들 및 표현들은 제한이 아닌 설명의 용어들로서 사용되고, 이러한 용어들 및 표현들의 사용에서, 도시하고 설명한 특징들(또는 그것의 일부들)의 임의의 등가물들을 배제하려는 의도는 없고, 다양한 변경물들이 본 청구항들의 범위내에서 가능하다는 것이 인식된다. 따라서, 본 발명이 바람직한 실시예들, 예시적인 실시예들 및 옵션의 특징들에 의해 구체적으로 개시되어 있지만, 본 명세서에 개시된 개념들의 변형물 및 변경물이 당업자에 의해 재분류될 수도 있고, 이러한 변형물들 및 변경물들이 첨부한 청구항들에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위내에 있는 것으로 고려된다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 제공된 특정한 실시예들은 본 발명의 유용한 실시예들의 예들이고, 본 발명이 본 설명에서 설명한 디바이스들, 디바이스 컴포넌트들, 방법 단계들의 다수의 변경들을 사용하여 실행될 수도 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 방법들 및 이 방법들에 유용한 디바이스들은 다수의 옵션의 조성 및 프로세싱 엘리먼트들 및 단계들을 포함할 수 있다.
[00315] 명세서에 언급한 모든 특허들 및 공개물들은 본 발명이 속하는 분야의 당업자의 기술 레벨들을 나타낸다. 본 명세서에 인용된 참조문헌들은 일부 경우들에서 그들의 출원일의 기술의 상태를 나타내기 위해 전체적으로 본 명세서에 참조로 통합되고, 이러한 정보가 필요하면, 종래 기술에 있는 특정한 실시예들을 배제하기 위해(예를 들어, 권리를 포기하기 위해) 본 명세서에서 이용될 수도 있다는 것이 의도된다. 예를 들어, 화합물이 청구되는 경우에, 본 명세서에 개시된 참조문헌들(특히, 참조된 특허 문헌들)에 개시된 특정한 화합물들을 포함하는 종래 기술에 공지된 화합물들은 청구범위에 포함되는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
[00316] 치환체들의 그룹이 본 명세서에 개시될 때, 그들 그룹들의 모든 개별 멤버들 및 그 치환체들을 사용하여 형성될 수 있는 모든 서브그룹들 및 클래스들이 개별적으로 개시된다. 마커쉬형 그룹 또는 다른 그룹화가 본 명세서에서 사용될 때, 그룹의 모든 각각의 멤버들 및 그룹의 가능한 모든 조합들 및 서브조합들이 개시물에 개별적으로 포함되는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때, "및/또는"은 "및/또는"에 의해 분리된 리스트에서의 아이템들 중 하나, 모두, 또는 임의의 조합이 리스트에 포함된다는 것을 의미하고, 예를 들어, "1, 2 및/또는 3"은 "'1' 또는 '2' 또는 '3' 또는 '1 및 2' 또는 '1 및 3' 또는 '2 및 3' 또는 '1, 2 및 3'"과 등가이다.
[00317] 다르게 언급하지 않으면, 설명하거나 예시한 컴포넌트들의 모든 공식화(formulation) 또는 조합이 본 발명을 실시하기 위해 사용될 수 있다. 재료들의 특정한 명칭들은 당업자가 동일한 재료를 상이하게 지칭할 수 있다는 것이 공지되어 있기 때문에 예시적인 것으로 의되된다. 당업자는 구체적으로 예시된 바들을 이외의 방법들, 디바이스 엘리먼트들, 시작 재료들 및 합성 방법들이 적절하지 않은 실험으로 재분류하지 않고 본 발명의 실시에서 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 임의의 이러한 방법들, 디바이스 엘리먼트들, 시작 재료들 및 합성 방법들의 모든 기술 공지된 기능적 등가물들이 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다. 범위, 예를 들어, 온도 범위, 시간 범위 또는 조성 범위가 본 명세서에 제공될 때마다, 모든 중간 범위들 및 서브범위들 뿐만 아니라 제공된 범위들에 포함되는 모든 개별 값들이 본 개시물에 포함되는 것으로 의도된다.
[00318] 본 명세서 및 첨부한 청구항들에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들 "일(a)", "일(an)" 및 "그(the)"는 그 컨텍스트가 명확하게 다르게 나타내지 않으면, 복수의 레퍼런스를 포함한다는 것에 유의해야 한다. 따라서, 예를 들어, 일 전지(a cell)에 대한 레퍼런스는 복수의 이러한 전지들 및 당업자에게 공지된 그것의 등가물들을 포함한다. 또한, 용어들 일(a)(또는 an), "하나 또는 그 초과" 및 "적어도 하나"는 본 명세서에서 상호교환가능하게 사용될 수 있다. 용어들 "포함하는(comprising)", "구비하는(including)" 및 "갖는(having)"이 상호교환가능하게 사용될 수 있다는 것에 또한 유의한다. "제 XX 항 내지 제 YY 항 중 어느 한 항중"(여기서, XX 및 YY는 청구항 번호들을 칭함)은 다중 종속항을 대안의 형태로 제공하도록 의도되고, 일부 실시예들에서는, 표현 "제 XX 항 내지 제 YY 항 중 어느 한 항에서"와 상호교환가능하다.
[00319] 다르게 정의되지 않으면, 본 명세서에 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 설명한 바와 유사하거나 등가인 임의의 방법들 및 재료들이 본 발명의 실시 또는 테스팅에서 사용될 수 있지만, 바람직한 방법들 및 재료들이 이제 설명된다. 본 발명이 종래 발명에 의해 이러한 개시물에 선행할 자격이 없는 것을 인정하는 것으로 간주되는 것은 본 명세서에 없다.
[00320] 범위, 예를 들어, 정수의 범위, 온도 범위, 시간 범위, 조성 범위, 또는 농도 범위가 본 명세서에 제공될 때마다, 모든 중간 범위들 및 서브범위들 뿐만 아니라 제공된 범위들에 포함되는 모든 개별 값들이 본 개시물에 포함되는 것으로 의도된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 범위들은 범위의 종점값들로서 제공된 값들을 구체적으로 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 범위들은 범위의 모든 정수값들을 구체적으로 포함한다. 예를 들어, 1 내지 100의 범위는 1 및 100의 종점값들을 구체적으로 포함한다. 본 명세서의 설명에 포함되는 범위 또는 서브범위에서의 임의의 서브범위들 또는 개별값들은 본 명세서의 청구항들로부터 배제될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[00321] 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "포함하는"은 "구비하는", "함유하는" 또는 "특징으로 하는"과 동의어이고, 포괄적이거나 오픈 엔드형(open-ended)이고, 추가의 열거되지 않은 엘리먼트들 또는 방법 단계들을 배제하지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 이루어진(consisting of)은 청구항 엘리먼트에서 특정되지 않은 임의의 엘리먼트, 단계 또는 성분을 배제한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "필수로 이루어진(consisting essentiAlly of)"은 청구항의 기본적이고 신규한 특징들에 물질적으로 영향을 미치지 않는 재료들 또는 단계들을 배제하지 않는다. 특히, 조성물의 성분들의 설명에서 또는 디바이스의 엘리먼트들의 설명에서, 용어 "포함하는"에 대한 본 명세서에서의 임의의 열거는 열거된 성분들 또는 엘리먼트들로 필수로 이루어지거나 이루어진 조성물들 및 방법들을 포함하는 것으로 이해된다. 본 명세서에서 예시적으로 설명한 본 발명은 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 엘리먼트 또는 엘리먼트들, 제한 또는 제한들의 부재하에서 실시될 수 있다.
[00322] 이용된 용어들 및 표현들은 제한이 아닌 설명의 용어들로서 사용되고, 이러한 용어들 및 표현들의 사용에서, 도시하고 설명한 특징들(또는 그것의 일부들)의 임의의 등가물들을 배제하려는 의도는 없고, 다양한 변경물들이 본 청구항들의 범위내에서 가능하다는 것이 인식된다. 따라서, 본 발명이 바람직한 실시예들 및 옵션의 특징들에 의해 구체적으로 개시되어 있지만, 본 명세서에 개시된 개념들의 변형물 및 변경물이 당업자에 의해 재분류될 수도 있고, 이러한 변형물들 및 변경물들이 첨부한 청구항들에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위내에 있는 것으로 고려된다는 것을 이해해야 한다.

Claims (16)

  1. 전기화학 전지로서,
    양(positive) 전극;
    음(negative) 전극;
    상기 양 전극과 상기 음 전극 사이에 위치된, 이온적으로 전도성이고 그리고 전자적으로 절연성인 세퍼레이터(separator);
    상기 양 전극과 상기 세퍼레이터 사이에 위치되고 상기 양 전극과 전기적 접촉하거나, 또는 상기 음 전극과 상기 세퍼레이터 사이에 위치되고 상기 음 전극과 전기적 접촉하는, 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층 ― 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 30% 또는 그 초과의 공극률(porosity)을 갖는 다공성, 천공(perforated) 또는 폼(foam) 재료를 포함하고, 10nm 내지 100㎛의 범위로부터 선택되는 두께를 갖고, 그리고 카본 재료, 반도체, 또는 이들의 조합을 포함함 ―; 및
    상기 양 전극과 상기 음 전극 사이에 위치된 하나 이상의 전해질들을 포함하고,
    상기 하나 이상의 전해질들은 전하 캐리어들을 전도할 수 있고, 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 1 S/cm 또는 그 초과의 전자 전도율을 제공하고 그리고 10 Ω cm2 또는 그 미만의 이온 저항을 제공하는, 전기화학 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은 카본 코팅을 포함하는, 전기화학 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 세퍼레이터, 상기 양 전극 또는 상기 음 전극의 적어도 하나의 외부 표면 상에 증착된 박막 구조 또는 상기 세퍼레이터, 상기 양 전극 또는 상기 음 전극의 적어도 하나의 외부 표면 상에 코팅된 코팅을 포함하는, 전기화학 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층의 적어도 일부는 상기 양 전극의 활성 재료 내에 또는 상기 음 전극의 활성 재료 내에 위치되고; 상기 양 전극의 활성 재료 또는 상기 음 전극의 활성 재료 내에 위치되는 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층의 상기 일부는 상기 세퍼레이터와 물리적으로 접촉하지 않거나, 또는 상기 양 전극의 활성 재료 또는 상기 음 전극의 활성 재료 내에 위치되는 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층의 상기 일부는 상기 양 전극의 집전체(current collector) 또는 상기 음 전극의 집전체와 물리적으로 접촉하거나, 또는 상기 양 전극의 활성 재료 또는 상기 음 전극의 활성 재료 내에 위치되는 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층의 상기 일부는 상기 양 전극의 집전체 또는 상기 음 전극의 집전체와 물리적으로 접촉하지 않는, 전기화학 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 양 전극의 활성 재료 또는 상기 음 전극의 활성 재료 내에 위치되는 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층의 상기 일부는, 습식 공정, 건식 공정, 기계적 압축, 열 증착, 코팅 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법에 의해 상기 양 전극의 활성 재료 또는 상기 음 전극의 활성 재료 내에 제공되는, 전기화학 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 세퍼레이터와 물리적 접촉하여 제공되는, 전기화학 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 양 전극 또는 상기 음 전극과 물리적으로 접촉하는, 전기화학 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 양 전극과 양 전극 집전체 사이의 전자 이송을 위한 추가 경로 또는 상기 음 전극과 음 전극 집전체 사이의 전자 이송을 위한 추가 경로를 제공하거나, 또는 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 양 전극 또는 상기 음 전극의 적어도 일부의 전자 전도율을 증가시키는, 전기화학 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제 2 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층을 더 포함하고,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 양 전극과 전기적 접촉하여 위치되고, 그리고 상기 제 2 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 음 전극과 전기적 접촉하여 위치되고, 그리고 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층 및 상기 제 2 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 서로 물리적으로 또는 전기적으로 접촉하지 않는, 전기화학 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 양 전극 또는 상기 음 전극에 인접하여 그리고 상기 양 전극 또는 상기 음 전극 내에 동질의(homogeneous) 전계를 제공함으로써, 상기 양 전극 또는 상기 음 전극으로 균일한 이온 증착을 제공하거나; 또는 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 양 전극 또는 상기 음 전극 상의 또는 상기 양 전극 또는 상기 음 전극으로부터의 수지상결정(dendrite) 성장을 방지하는, 전기화학 전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는, 폴리머, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리(4,4'-옥시디페닐렌-피로멜리트이미드), 폴리테트로플루오로에틸렌, 유리 세퍼레이터, 부직물 세퍼레이터, 직물 세퍼레이터, 폴리머 전해질, 고체 전해질, 겔 전해질, C7HF13O5S·C2F4, ZrO2, 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리(메틸 메타크릴레이트), Li2+2xZn1-xGeO ― 여기서 0 < x < 3 ―, Na1+xZr2SixP3-xO12 ― 여기서 0 < x < 3 ―, Li2PO2N, Na2PO2N, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 미소다공성 층을 포함하는, 전기화학 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는, 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층의 적어도 하나의 외부 표면, 상기 양 전극의 적어도 하나의 표면 또는 상기 음 전극의 적어도 하나의 표면 상에 코팅된 코팅을 포함하거나, 또는 상기 세퍼레이터는, 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층의 적어도 하나의 외부 표면, 상기 양 전극의 적어도 하나의 표면 또는 상기 음 전극의 적어도 하나의 표면 상에 증착된 막박을 포함하는, 전기화학 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 세퍼레이터 상의 코팅이고; 그리고 상기 세퍼레이터는 500㎛ 또는 그 미만의 총 두께를 갖는, 전기화학 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 외부 집전체 폴(pole)을 포함하거나; 또는 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 양 전극 및 상기 음 전극 중 하나를 감소시키거나; 또는 상기 외부 집전체 폴은 상기 양 전극 및 상기 음 전극 중 하나를 산화시키는, 전기화학 전지.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지는, 2차 배터리, 1차 배터리, 플로우 배터리, 반고체 배터리, 연료 전지, 전기화학 커패시터, 납산 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 금속 배터리, 아연 배터리, 리튬-공기 배터리, 아연-공기 배터리, 알루미늄-공기 배터리, 철-공기 배터리, 리튬-물 배터리, 실리콘계 배터리, 나트륨 배터리, 마그네슘 배터리, 나트륨 이온 배터리, 마그네슘 이온 배터리, 알칼리 배터리 또는 납산 배터리를 포함하거나, 또는 상기 전기화학 전지는, 실리콘계 애노드, 리튬 애노드, 금속 옥사이드 전극, 황계 캐소드, 카본계 산소 캐소드, 및 카본계 물 캐소드 중 하나 이상의 것을 포함하는 리튬 배터리를 포함하는, 전기화학 전지.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층은, 상기 제 1 전자적으로 그리고 이온적으로 전도성인 층 내의 하나 이상의 애퍼처(aperture)들 또는 공극(pore)들을 통한 전해질의 전하 캐리어들의 이송을 통해 이온들을 전도하는, 전기화학 전지.
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