KR102499210B1 - 리튬 시트를 리튬 박막으로 라미네이션하기 위한 휘발성 메틸 실록산 윤활제 - Google Patents

리튬 시트를 리튬 박막으로 라미네이션하기 위한 휘발성 메틸 실록산 윤활제 Download PDF

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Abstract

휘발성 메틸 실록산은 리튬 또는 리튬 합금 시트를 리튬 또는 리튬 합금 필름으로 라미네이팅하는 방법에 윤활제로서 사용된다. 폴리디메틸실록산, 헥사메틸디실록산, 옥타메틸트리실록산, 데카메틸테트라실록산, 및 도데카메틸헥사실록산은 각각 발림성과 압축성이 높고, 압출된 리튬 시트를 얇은 리튬 필름으로 라미네이팅하는데 충분한 윤활을 제공하며, 라미네이션 후 그곳에서 쉽게 증발하는 것으로 밝혀졌다. 따라서 휘발성 메틸 실록산 윤활제는 유리하게 리튬 필름으로 제조되는 전기화학 전지를 오염시킬 수 없다.

Description

리튬 시트를 리튬 박막으로 라미네이션하기 위한 휘발성 메틸 실록산 윤활제{VOLATILE METHYL SILOXANE LUBRICANT FOR LAMINATION OF LITHIUM SHEETS INTO LITHIUM THIN FILMS}
본 발명은 일반적으로 리튬 시트의 라미네이션 방법 및 보다 구체적으로 리튬 금속 또는 그의 합금의 시트를 전기화학 전지에서 애노드로 사용될 수 있는 박막으로 라미네이팅하는 방법에 사용하기 위한 윤활제 조성물에 관한 것이다.
고체 중합체 전해질 및 박막 캐소드 및 박막 리튬 금속 애노드의 라미네이트로부터 제조되는 재충전가능 리튬 중합체 배터리는 액체 전해질을 사용하는 종래의 리튬-이온 배터리에 비해 많은 장점을 보인다. 이러한 장점은 더 낮은 전반적 배터리 중량, 높은 전력 밀도, 높은 비에너지, 더 긴 수명, 및 유독성 액체가 환경으로 유출될 위험이 제거된바 환경 친화적임을 포함한다. 리튬 금속 중합체 배터리는 전기 또는 하이브리드 차량 및 고정식 용도, 예를 들면 백업 전력 시스템, 태양 전지판 또는 풍력 터빈 에너지 생산용 및 주거 및 산업적 용도에서 전기 소비의 첨두부하 저감용 에너지 축적기에서 사용하기 위한 가장 유망한 에너지 저장 디바이스가 되었다.
신속하고 신뢰할 수 있는 공정에 의한, 100 마이크로미터 (μm) 미만의 두께를 갖고 예를 들어 10 센티미터 (cm) 이상인 넓은 띠 형태이며 길이는 수백 미터인 리튬의 박막의 제조는 리튬 금속의 극단적인 물리적 및 화학적 특성, 예를 들면 그것의 화학적 반응성, 그것의 전성, 그것의 낮은 기계적 강도, 단순 접촉에 의한 그것의 급속한 자기-융착 및 예를 들어 강, 알루미늄 및 그들의 통상적인 합금과 같이 다른 더 통상적인 금속과 같은 대부분의 고체 물질에 대한 그것의 강한 접착성에서 기인하는 중요한 기술적 어려움에 직면한다.
현재, 냉간 압출이 150 내지 250 μm의 리튬 또는 리튬 합금 시트의 연속적 생산에 사용되고 이는 본 명세서에 참조로 인용되는 미국 특허 No.6,854,312에 기재된 바와 같으며 리튬 금속의 전성을 이용한다. 더 낮은 두께를 위해, 압출에 의해 수득된 필름은 이후 라미네이션 장치를 통해 라미네이팅되고 이는 본 명세서에 또한 참조로 인용되는 미국 특허 No.7,513,136에 기재된 바와 같으며 리튬 중합체 배터리에 사용될 수 있는 100 μm 이하의 두께로 라미네이팅되는 리튬 또는 리튬 합금 필름의 모양 및 프로파일을 통제하는데 적합한 조절가능한 라미네이션 롤러를 포함한다.
라미네이션 공정에서, 미국 특허 No.5,837,401에 기재된 바와 같은 용매와 혼합된 특정 첨가제를 포함하는 윤활 작용제는 압력 하 라미네이션 롤러와 접촉하는 얇은 리튬 필름의 접착을 방지하여 얇은 리튬 필름의 파손을 방지하기 위해 사용된다. 본 명세서에 참조로 인용되는 미국 특허 No.5,837,401에 개시된 특정 첨가제 및 용매는 전기화학 전지에서 사용하기 위한 리튬 필름과 화학적으로 상용성인 특정 특성을 갖는다. 미국 특허 No.5,837,401에 기재된 윤활 작용제는 라미네이팅된 리튬 필름이 라미네이션 롤러에 과도하게 접착하는 것을 방지하고 리튬 필름의 표면에서 산화를 통해 리튬과 반응하지 않으며 따라서 전기화학 전지의 박막 리튬 애노드 및 중합체 전해질의 계면에서 후자가 조립되고 작동될 때 전기화학적 교환을 손상시키지 않는다. 이러한 윤활 작용제의 화학적 제형물의 주요한 장점은 특정 첨가제가 라미네이션 후 리튬 필름의 표면에 유지될 수 있고 이것이 전기화학 전지에서 이와 같이 사용될 때 리튬 애노드의 양호한 작동을 손상시키지 않는다는 것이다. 결과적으로, 리튬에 대한 이 윤활 작용제의 화학적 상용성은 전기화학 전지에서 조립 및 사용 전 라미네이팅된 리튬 필름의 표면을 세척하는 단계를 없앤다. 리튬 시트를 전기화학 전지용 리튬 필름으로 라미네이팅하는데 사용되는 반응성 유기 관능기, 예를 들면 유기산 및 알콜을 포함하는 이전의 라미네이션 윤활제는 그들이 전기화학 전지의 양호한 작동에 유해하기 때문에 라미네이팅된 리튬 필름의 표면에서 제거되어야만 했다.
그러나 미국 특허 No.5,837,401에 개시된 윤활 작용제의 제조는 성가시다. 윤활 작용제의 조성물은 헵탄, 벤젠, 톨루엔, 시클로헥산 또는 이들 용매의 혼합물 중에서 선택된 용매와 혼합된 폴리옥시에틸렌 디스테아레이트를 정확히 0.2 중량% 함유해야 한다. 리튬 시트를 리튬 필름으로 라미네이팅할 때 윤활제 작용제로 사용되는 경우 모든 성분을 제대로 블렌딩하기 위해서 혼합물을 몇 시간 동안 교반해야 하고 끊임없이 교반해야 한다.
더욱이, 리튬 필름의 표면에 남아있는 윤활제 작용제가 전기화학 전지에서 사용될 경우 리튬 애노드의 양호한 작동을 방해하지 않음에도 불구하고, 그것은 그것의 양호한 작동에 기여하지 않는다. 이와 같이, 잔여 윤활제는 전기화학 전지의 중량을 증가시키고 따라서 생산되는 전기화학 전지의 비에너지 밀도를 미미하지만 감소시킨다.
상기 기재된 윤활 작용제의 혼합 및 블렌딩 작업뿐만 아니라 윤활제 작용제의 성분: 첨가제 (폴리옥시에틸렌 디스테아레이트)의 및 용매 (헵탄, 벤젠, 톨루엔 및 시클로헥산)의 직접 비용은 얇은 리튬 필름으로 제조되는 전기화학 전지의 전반적인 비용을 증가시킨다.
따라서, 라미네이션 후에 리튬 필름의 표면에 남지 않고 그것을 제조하는데 더 적은 조작을 필요로 하는, 리튬 시트를 전기화학 전지용 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 새로운 윤활제에 대한 요구가 있다.
본 발명의 목적은 선행 기술에 존재하는 불편함을 적어도 일부 완화하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 리튬 시트를 100 μm 이하의 리튬 필름으로 라미네이팅하는 방법에 사용하기 위한 윤활제를 제공하는 것이다.
한 양태에서, 본 발명은 리튬 또는 리튬 합금 시트를 리튬 또는 리튬 합금 필름으로 라미네이팅하는 방법에 사용하기 위한, 폴리디메틸실록산, 헥사메틸디실록산, 옥타메틸트리실록산, 데카메틸테트라실록산 및 도데카메틸헥사실록산의 군에서 선택된 휘발성 메틸 실록산인 윤활제를 제공한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 한 쌍의 작동 롤러 사이에 리튬 또는 리튬 합금 시트를 공급하고 작동 롤러 상에 액체 형태의 휘발성 메틸 실록산 윤활제를 도포하고, 리튬 또는 리튬 합금 시트를 작동 롤러 사이에서 압축 시 그것이 작동 롤러를 통과할 때 리튬 또는 리튬 합금 시트에 가해지는 압축력에 의해 두께가 감소되어 100 μm 미만의 리튬 또는 리튬 합금 필름을 수득하는 것을 포함하는, 리튬 또는 리튬 합금 시트를 리튬 또는 리튬 합금 필름으로 라미네이팅하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시양태는 각각 적어도 하나의 상기 언급된 목적 및/또는 양태를 갖지만, 반드시 그들 모두를 갖는 것은 아니다. 상기 언급된 목적을 이루기 위한 시도에서 기인하는 본 발명의 일부 양태는 이러한 목적을 만족시키지 않을 수 있고/거나 본 명세서에 구체적으로 열거되지 않은 다른 목적을 만족시킬 수 있다.
본 발명의 실시양태의 추가적 및/또는 대안적 특징, 양태, 및 장점은 다음 설명, 수반하는 도면, 및 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 발명, 뿐만 아니라 그의 다른 양태 및 추가적 특징을 더 잘 이해하기 위해, 수반하는 도면과 함께 사용되는 다음의 설명이 참조되고, 여기서:
도 1은 윤활제 분배 유닛을 포함하고 리튬 또는 리튬 합금 시트를 박막으로 라미네이팅하는 장치에 대한 도식적인 측단면도이다.
도 1에 관하여, 약 150 내지 250 μm의 사전에 압출된 리튬 또는 리튬 합금 시트 (14)로부터 100 μm 미만, 바람직하게는 75 μm 미만 및 더욱 바람직하게는 약 50 μm 미만의 리튬 또는 리튬 합금 박막 (12)을 생산하는데 적합한 라미네이션 장치 (10)의 도식적 형태가 나타나 있다. 라미네이션 장치 (10)는 본체 (16), 한 쌍의 라미네이션 롤러 (18a 및 18b), 라미네이션 롤러 (18a)와 인접하여 접촉하는 제1 백업 롤러 (20a), 라미네이션 롤러 (18b)와 인접하여 접촉하는 제2 백업 롤러 (20b) 및 2 개의 라미네이션 윤활제 분배 유닛 (22a 및 22b)를 포함한다. 감긴 압출된 리튬 또는 리튬 합금 시트 (14)의 롤 (24)은 라미네이션 롤러 (18a 및 18b)에 도달하기 전 리튬 시트 (14)의 장력을 제어하는데 적합한 구동 모터 제어 유닛 (나타나있지 않음)을 포함하는 공급 롤러 (26)에 배치되어 있다.
약 150 내지 250 μm의 리튬 시트 (14)는 이동하는 리튬 시트 (14)의 정확한 속도를 측정하는 제1 인코더 롤러 (41)로, 및 라미네이션 장치 (10)에 들어가는 리튬 시트 (14)의 장력을 정확하게 측정하는데 적합한 부하 전지를 구비한 제1 장력 롤러 (43)로 이어지는 일련의 자유 롤러 (28)를 통한 그것의 길을 구불구불 나아간다. 장력 롤러 (43)의 부하 전지는 롤 (24)의 구동 모터의 제어 유닛에 전자적으로 연결되어 리튬 시트 (14)에 가해지는 장력을 자동으로 조절할 수 있다. 이후 리튬 시트 (14)는 직선기 (30)로 공급되고 이는 리튬 시트 (14)의 임의의 측면 변위를 제거하고 리튬 시트 (14)의 임의의 지그재그형 운동을 방지하는 효과를 가져서 라미네이션 공정에 해로울 임의의 측면 위빙(weaving) 운동 없이 라미네이션 롤러 (18a 및 18b)의 중앙 부분으로 리튬 시트 (14)가 일직선으로 공급되도록 보장하는 일련의 빽빽하게 모인 롤러 (32)를 통해 리튬 시트 (14)를 신속하게 감는다. 따라서 리튬 시트 (14)는 롤러 사이의 고정된 위치에서 라미네이션 롤러 (18a 및 18b)로 공급된다.
라미네이션 장치 (10)의 도입구에서, 윤활제 분배 유닛 (22a 및 22b)은 리튬과 상용성인 라미네이션 윤활제의 충분한 양을 라미네이션 구역으로부터 상류에 있는 각 작동 롤러 (18a 및 18b)의 작동 표면 상에 방출하여 리튬 시트 (14)가 적절히 윤활된 작동 롤러 (18a 및 18b)로 라미네이팅될 수 있도록 하고 그로써 어느 한쪽의 작동 롤러 상에 라미네이팅된 필름 (12)이 바람직하지 않게 접착하는 것을 방지한다.
언급한 바대로, 작동 롤러 (18a 및 18b)의 표면 상에 이전에 사용된 윤활제는 미국 특허 No.5,837,401 및 6,019,801에 기재되어 있고 헵탄, 벤젠, 톨루엔, 시클로헥산 또는 그의 혼합물에서 선택된 용매 및 폴리옥시에틸렌 디스테아레이트에 기초한다. 이 특정 윤활제의 결점은 많다. 첫번째로, 앞서 기재한 바와 같이 윤활제의 일부는 라미네이팅된 리튬 필름의 표면 상에 남고 따라서 전기화학 전지에 혼입된다. 두번째로, 윤활 작용제의 구성성분의 혼합 및 블렌딩은 수 시간을 필요로 하고 균질한 혼합물을 수득하기 어렵다. 세번째로, 윤활제에 사용되는 용매는 주의해서 취급하고 제어해야 하는 오염물질이다. 그리고 마지막으로, 압출된 리튬 시트 (14)의 각 롤 (24)이 라미네이션 장치 (10)를 통해 라미네이팅된 후 작동 롤러에 남아있는 윤활제를 반드시 닦아 내야 한다.
라미네이팅된 리튬 필름 (12)은 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 표면의 평탄성을 측정하고 또한 임의의 필름상의 구멍 및 필름의 가장자리를 따라 있는 균열을 검출하는 광학 내화성 시스템(optical refractory system) (36)을 통해 당겨진다. 광학 시스템은 또한 리튬 필름 (12)의 두께를 측정하는데 사용될 수 있다. 제어된 장력은 구동되는 감는 롤러 (38)에 의해 리튬 필름 (12) 상에 적용되어 라미네이팅된 리튬 필름 (12)이 제대로 감기도록 보장한다. 라미네이팅된 리튬 필름 (12)은 라미네이션 장치 (10)를 빠져나가는 라미네이팅된 리튬 필름 (12) 상의 장력을 정확히 측정하는데 적합한 부하 전지가 구비된 제2 장력 롤러 (45)가 첫번째인 것인 일련의 롤러를 통해 제어된 장력 하 그것의 길을 구불구불 나아간다. 장력 롤러 (45)의 부하 전지는 감는 롤러 (38)의 구동 모터의 제어 유닛에 전자적으로 연결되어 리튬 시트 (12)에 가해지는 장력을 자동으로 조절할 수 있다. 이후 리튬 필름은 이동하는 리튬 필름 (12)의 정확한 속도를 측정하는 제2 인코더 롤러 (47)를 통해 감긴다. 이후 라미네이팅된 리튬 필름 (12)은 감는 롤러 (38)로 이어지는 일련의 자유 롤러 (34)를 통해 감긴다.
절연 물질의 박막, 예를 들면 폴리프로필렌 필름 (90)은 또한 감는 롤러 (38)의 주위로 감겨 리튬 필름 (12)의 층을 분리하고 그로써 그들이 서로 접착하지 않도록 한다. 절연 필름 (90)은 롤 (92)에서부터 감는 롤러 (38)에 의해 당겨지지만 절연 필름 (90) 상의 장력을 정확하게 측정하는데 적합한 부하 전지를 구비한 장력 롤러 (94)를 통해 먼저 감긴다. 이러한 장력 측정은 감는 롤러 (38)에 의해 리튬 필름 (12) 상에 가해지는 장력을 제어하기 위해 필요한데 감는 롤러 (38)에 의해 가해지는 장력이 리튬 필름 (12) 및 절연 필름 (90) 사이에서 나뉘기 때문이다.
제1 및 제2 인코더 롤러 (41 및 47)는 각각 라미네이션 장치 (10)로 들어가는 리튬 시트 (14)의 속도 및 라미네이션 장치 (10)를 나가는 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 속도를 측정한다. 리튬 시트 (14)의 도입구 속도 및 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 배출구 속도 사이의 관계는 초기 리튬 시트 (14)의 리튬 필름 (12)으로의 두께 감소에 정비례하고 그로써 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 두께는 초기 리튬 시트 (14)의 두께가 알려져 있는 경우 간단한 수학식을 통해 추론할 수 있다. 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 두께는 바람직하게는 제1 및 제2 인코더 롤러 (41 및 47) 사이의 속도 격차를 통해 제어되고 확인된다.
톨루엔, 헥산 및 폴리옥시에틸렌 디스테아레이트에 기초한 윤활제를 대체하기 위한 다양한 실험을 통해, 본 발명자는 실리콘 오일로 흔히 알려진 폴리디메틸실록산 올리고머 군의 휘발성 메틸 실록산이 리튬 시트를 100 μm 미만의 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 이상적인 대체 윤활제를 제공한다는 것을 밝혔다. 실리콘 오일은 일반적으로 성형 고무 부분에 대한 이형제로서 플라스틱 및 고무 표면에 대한 윤활제로서 사용된다. 실리콘 오일의 낮은 점도-지수, 그들의 열적 및 화학적 안정성, 그들의 전단-붕괴 저항성, 그들의 압축성뿐만 아니라 그들의 휘발성은 실리콘 오일을 리튬 시트를 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 윤활제로서 뛰어난 것으로 만든다. 실리콘 오일은 환경 친화적인데 왜냐하면 그들은 개인 미용 제품에 일반적으로 사용되고; 그들은 용이하게 재활용가능하며; 그들의 휘발성은 라미네이팅된 리튬 필름의 표면에 남아있는 윤활제의 잔여물을 없애고 또한 라미네이션 후 작동 롤러를 청소할 필요도 없애기 때문이다. 더욱이, 실리콘 오일은 다른 용매와 혼합 또는 블렌딩을 필요로 하지 않는 그들의 순수한 형태로 단독-용매로서 윤활제로 사용될 수 있다. 마지막으로 그들의 이례적으로 낮은 점도는 선행 기술의 폴리옥시에틸렌 디스테아레이트 기반 윤활제와 비교시 3 내지 4.5 배 적은 윤활제 사용을 가능하게 한다.
메틸 실록산은 (CH3)2SiO 형태의 단위로 구성되는 화학적 화합물이다. 메틸 실록산은 교대성 규소 및 산소 원자 (예컨대, --Si--O--Si--O--)로 구성되는 분지 또는 비분지 주골격과 함께 규소 원자에 부착된 곁사슬 메틸기를 가질 수 있다. 바람직한 휘발성 메틸 실록산은 선형 폴리디메틸실록산 (C2H6OSi)n, 예를 들면 헥사메틸디실록산 (C6H18OSi2), 옥타메틸트리실록산 (C8H24O2Si3), 데카메틸테트라실록산 (C10H30O3Si4) 및 도데카메틸헥사실록산 (C12H36O6Si6)을 포함한다.
첫번째로 25 ℃에서 0.65 센티스토크의 점도를 갖는 헥사메틸디실록산 (C6H18OSi2)으로 시험을 수행하였다. 헥사메틸디실록산은 투명, 무색 및 본질적으로 무취인 유체이다. 이는 다수의 개인 미용 제품, 예를 들면 피부 크림 로션, 목욕 오일, 선탠 로션, 데오도란트, 헤어 스프레이 및 다른 미용 및 헤어 케어 제품에 기본 유체로서 일반적으로 사용된다. 이와 같이, 헥사메틸디실록산은 취급하기에 안전하다. 헥사메틸디실록산은 모든 실리콘 유체 중 가장 빠른 증발 속도, 최저 표면 장력, 최고 압축성 및 높은 발림성을 갖는다. 이러한 특징으로 인해 그것은 리튬 시트를 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 윤활제로서 훌륭한 후보가 된다.
처음에 헥사메틸디실록산 유체의 층을 리튬 포일 시료의 표면 위에 발라 리튬이 헥사메틸디실록산 유체와 반응하는지 결정하고 헥사메틸디실록산 유체의 증발 속도를 평가하였으며 헥사메틸디실록산 유체가 완전히 증발하여 리튬 포일의 표면에 윤활제가 남지 않는지 결정하였다.
헥사메틸디실록산 유체의 층으로 덮힌 15 cm X 15 cm의 리튬 포일 시료를 21 ℃에서 유지되는 1 % 미만의 상대 습도를 함유하는 무수 대기를 갖는 글로브 박스에 넣고 5 분 동안 건조시켰다. 5 분 후, 리튬 포일 시료를 시각적으로 검사한다. 리튬 포일 표면의 시각적 양태는 훌륭하고; 리튬은 어떠한 착색도 없이 밝으며 이는 리튬이 헥사메틸디실록산 유체와 반응하지 않았음을 나타낸다. 또한, 리튬 포일의 표면은 완전히 건조하고 이는 헥사메틸디실록산이 완전히 증발하여 리튬 포일의 표면에 윤활제가 남지 않았음을 나타낸다.
이후 도 1에 기재된 라미네이션 장치 (10)에 의해 생성되는 전단 및 압축 응력 하 헥사메틸디실록산 유체를 그것의 윤활 품질에 대해 시험하였다. 윤활제 분배 유닛 (22a 및 22b)에 연결된 저장소를 헥사메틸디실록산 유체로 채웠다. 200 μm의 두께를 갖는 사전에 압출된 리튬 시트 (14)의 롤 (24)을 공급 롤러 (26)에 설치하고 롤러 (28, 41 및 43)를 통해 및 직선기 (30)를 통해 감고 작동 롤러 (18a 및 18b)에 공급한다. 광학 내화성 시스템 (36)을 통해 및 롤러 (45, 47 및 34)를 통해 리튬 시트 (14)를 감고 감는 롤러 (38)에 리튬 시트의 끝을 고정시키고 폴리프로필렌 필름 (90)을 설치하여 설정을 완료한다.
압출된 리튬 시트 (14)의 두께를 200 μm에서 100 μm 미만으로 감소시킬 수 있게 작동 롤러 (18a 및 18b)를 조정한다. 리튬 시트 (14)의 라미네이션 시험 가동은 1 % 미만의 상대 습도를 함유하는 무수 대기에서 윤활제 분배 유닛 (22a 및 22b)을 통해 각 작동 롤러 (18a 및 18b)의 작동 표면 상에 선행 기술의 윤활제보다 4.5 배 작은 비율로 방출되는 헥사메틸디실록산 윤활제 유체로 수행한다.
초기 라미네이션 시험은 30 초 후 작동 롤러 (18a 및 18b)의 온도가 오르자마자 헥사메틸디실록산 윤활제 유체가 극도로 빠르게 증발하고 이러한 급속한 증발은 작동 롤러 (18a 및 18b)의 표면 일부분이 윤활되지 않은 채 남게 하며 라미네이팅된 필름 (12)의 일부가 작동 롤러 (18a 및 18b)에 부분적으로 접착하게 만든다는 것을 밝혔다. 이러한 급속한 증발을 완화하기 위해, 분배 유닛 (22a 및 22b)의 윤활제의 인출을 선행 기술의 윤활제보다 4.5 배 적은 것에서 선행 기술의 윤활제보다 3.25 배 적은 것으로 점진적으로 증가시켰고 이 지점에서 작동 롤러 (18a 및 18b)의 표면이 전체적으로 윤활 되었고 라미네이팅된 필름 (12)이 작동 롤러 (18a 및 18b)에 더이상 부분적으로 접착하지 않았다.
라미네이션 시험 가동은 선행 기술의 윤활제보다 3.25 배 적게 윤활제를 인출하면 라미네이팅된 리튬 필름 (12)이 작동 롤러 (18a 및 18b) 상에 바람직하지 않게 접착하지 않는다는 것을 결정지었고 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 표면의 평탄성을 측정하는 광학 내화성 시스템 (36)은 표면이 구멍 또는 균열 없이 부드럽고 평탄함을 밝혔다. 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 표면에 남아있는 헥사메틸디실록산이 있는지 결정하기 위해 둘둘 말린 라미네이팅된 리튬 필름 (12)을 분석했고 그것은 완전히 건조된 것으로 밝혀졌으며 이는 라미네이팅된 리튬 필름 (12)이 감는 롤러 (38) 상에 감기기 전 롤러 (45, 47 및 34)를 통한 그것의 경로를 구불구불 나아가는 동안 헥사메틸디실록산이 완전히 증발하였음을 나타낸다.
라미네이션 시험 가동은 헥사메틸디실록산 윤활제 유체가 압출된 리튬 시트를 얇은 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 충분한 윤활을 제공하는데 필수적인 물리적 품질을 가지며 또한 요구되는 헥사메틸디실록산 윤활제 유체의 양은 선행 기술의 윤활제보다 3.25 배 적다는 것을 밝혔다. 또한, 글로브 박스 내 정적 시험은 헥사메틸디실록산 윤활제 유체가 리튬 필름의 표면과 반응을 보이지 않은바 그것이 리튬과 함께 사용하기에 필수적인 화학적 품질을 가진다는 것을 밝혔다.
25 ℃에서 1.0 센티스토크의 점도 (물의 점도)를 갖는 옥타메틸트리실록산 (C8H24O2Si3)으로 또 다른 시험을 수행하였다. 옥타메틸트리실록산 또한 투명, 무색 및 본질적으로 무취인 유체이다. 이는 또한 훌륭한 발림성 및 높은 증발 특성 때문에 수많은 개인 미용 제품에 기본 유체로서 일반적으로 사용된다. 이와 같이, 옥타메틸트리실록산은 취급하기에 안전하다. 옥타메틸트리실록산은 높은 증발 속도, 낮은 VTC (온도에 따른 점도 변화), 낮은 표면 장력, 높은 압축성 및 높은 발림성을 갖는다. 이러한 특징으로 인해 그것은 또한 리튬 시트를 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 윤활제로서 훌륭한 후보가 된다.
처음에 옥타메틸트리실록산 유체의 층을 리튬 포일 시료의 표면 위에 발라 리튬이 옥타메틸트리실록산 유체와 반응하는지 결정하고 옥타메틸트리실록산 유체의 증발 속도를 평가하였으며 옥타메틸트리실록산 유체가 완전히 증발하여 리튬 포일의 표면에 윤활제가 남지 않는지 결정하였다.
옥타메틸트리실록산 유체의 층으로 덮힌 15 cm X 15 cm의 리튬 포일 시료를 21 ℃에서 유지되는 1 % 미만의 상대 습도를 함유하는 무수 대기를 갖는 글로브 박스에 넣고 5 분 동안 건조시켰다. 5 분 후, 리튬 포일 시료를 시각적으로 검사한다. 리튬 포일의 표면의 시각적 양태는 훌륭하고; 리튬은 어떠한 착색도 없이 밝으며 이는 리튬이 옥타메틸트리실록산 유체와 반응하지 않았음을 나타낸다. 또한, 리튬 포일의 표면은 완전히 건조하고 이는 옥타메틸트리실록산이 완전히 증발하여 리튬 포일의 표면에 윤활제가 남지 않았음을 나타낸다.
이후 헥사메틸디실록산 유체에 관련하여 앞서 기재된 것과 동일한 방식으로 도 1에 기재된 라미네이션 장치 (10)에 의해 생성되는 전단 및 압축 응력 하 옥타메틸트리실록산 유체를 그것의 윤활 품질에 대해 시험하였다. 윤활제 분배 유닛 (22a 및 22b)에 연결된 저장소를 옥타메틸트리실록산 유체로 채웠다. 200 μm의 두께를 갖는 사전에 압출된 리튬 시트 (14)의 롤 (24)을 공급 롤러 (26)에 설치하고 롤러 (28, 41 및 43)를 통해 및 직선기 (30)를 통해 감고 작동 롤러 (18a 및 18b)에 공급한다. 광학 내화성 시스템 (36)을 통해 및 롤러 (45, 47 및 34)를 통해 리튬 시트 (14)를 감고 감는 롤러 (38)에 리튬 시트의 끝을 고정시키고 폴리프로필렌 필름 (90)을 설치하여 설정을 완료한다.
압출된 리튬 시트 (14)의 두께를 200 μm에서 100 μm 미만으로 감소시킬 수 있게 작동 롤러 (18a 및 18b)를 조정한다. 리튬 시트 (14)의 라미네이션 시험 가동은 1 % 미만의 상대 습도를 함유하는 무수 대기에서 윤활제 분배 유닛 (22a 및 22b)을 통해 각 작동 롤러 (18a 및 18b)의 작동 표면 상에 선행 기술의 윤활제보다 4.5 배 작은 비율로 방출되는 옥타메틸트리실록산 윤활제 유체로 수행한다.
초기 라미네이션 시험은 헥사메틸디실록산 윤활제 유체 또한 30 초 후 작동 롤러 (18a 및 18b)의 온도가 오르자마자 너무 빠르게 증발하였고 이러한 급속한 증발은 작동 롤러 (18a 및 18b)의 표면 일부분이 윤활되지 않은 채 남게 하며 라미네이팅된 필름 (12)의 일부가 작동 롤러 (18a 및 18b)에 부분적으로 접착하게 만든다는 것을 밝혔다. 이러한 빠른 증발을 완화하기 위해, 분배 유닛 (22a 및 22b)의 윤활제의 인출을 선행 기술의 윤활제보다 4.5 배 적은 것에서 3.5 배 적은 것으로 점진적으로 증가시켰고 이 지점에서 작동 롤러 (18a 및 18b)의 표면이 전체적으로 윤활되었으며 라미네이팅된 필름 (12)이 작동 롤러 (18a 및 18b)에 더 이상 부분적으로 접착하지 않았다.
라미네이션 시험 가동은 선행 기술의 윤활제보다 3.5 배 적게 윤활제를 인출하면 라미네이팅된 리튬 필름 (12)이 작동 롤러 (18a 및 18b) 상에 바람직하지 않게 접착하지 않는다는 것을 결정지었고 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 표면의 평탄성을 측정하는 광학 내화성 시스템 (36)은 표면이 구멍 또는 균열 없이 부드럽고 평탄함을 밝혔다. 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 표면에 남아있는 옥타메틸트리실록산이 있는지 결정하기 위해 둘둘 말린 라미네이팅된 리튬 필름 (12)을 분석했고 그것은 완전히 건조된 것으로 밝혀졌으며 이는 라미네이팅된 리튬 필름 (12)이 감는 롤러 (38) 상에 감기기 전 롤러 (45, 47 및 34)를 통한 그것의 경로를 구불구불 나아가는 동안 옥타메틸트리실록산이 완전히 증발하였음을 나타낸다.
라미네이션 시험 가동은 옥타메틸트리실록산 윤활제 유체가 압출된 리튬 시트를 얇은 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 충분한 윤활을 제공하는데 필수적인 물리적 품질을 가지며 또한 요구되는 옥타메틸트리실록산 윤활제 유체의 양은 선행 기술의 윤활제보다 3.5 배 적다는 것을 밝혔다. 또한, 글로브 박스 내 정적 시험은 옥타메틸트리실록산 윤활제 유체가 리튬 필름의 표면과 반응을 보이지 않은바 그것이 리튬과 함께 사용하기에 필수적인 화학적 품질을 가진다는 것을 밝혔다.
25 ℃에서 1.5 센티스토크의 점도를 갖는 데카메틸테트라실록산 (C10H30O3Si4)으로 새로운 시험을 수행하였다. 데카메틸테트라실록산 또한 투명, 무색 및 무취 유체이다. 이는 또한 그것의 훌륭한 발림성 및 높은 휘발성 특성으로 인해 수많은 개인 미용 제품, 예를 들면 발한억제제, 데오도란트, 스킨 케어 로션, 선탠 로션, 및 일반적인 화장품에 기본 유체로서 일반적으로 사용된다. 이와 같이, 데카메틸테트라실록산은 취급하기에 안전하다. 데카메틸테트라실록산은 빠른 증발 속도, 훌륭한 저온 안정성, 낮은 VTC (온도에 따른 점도 변화), 낮은 표면 장력, 높은 압축성 및 높은 발림성을 갖는다. 이러한 특징으로 인해 그것은 또한 리튬 시트를 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 윤활제로서 훌륭한 후보가 된다.
처음에 데카메틸테트라실록산 유체의 층을 리튬 포일 시료의 표면 위에 발라 리튬이 데카메틸테트라실록산 유체와 반응하는지 결정하고 데카메틸테트라실록산 유체의 증발 속도를 평가하였으며 데카메틸테트라실록산 유체가 완전히 증발하여 리튬 포일의 표면에 윤활제가 남지 않는지 결정하였다.
데카메틸테트라실록산 유체의 층으로 덮힌 15 cm X 15 cm의 리튬 포일 시료를 21 ℃에서 유지되는 1 % 미만의 상대 습도를 함유하는 무수 대기를 갖는 글로브 박스에 넣고 5 분 동안 건조시켰다. 5 분 후, 리튬 포일 시료를 시각적으로 검사한다. 리튬 포일 표면의 시각적 양태는 훌륭하고; 리튬은 어떠한 착색도 없이 밝으며 이는 리튬이 데카메틸테트라실록산 유체와 반응하지 않았음을 나타낸다. 또한, 리튬 포일의 표면은 완전히 건조하고 이는 데카메틸테트라실록산이 완전히 증발하여, 리튬 포일의 표면에 윤활제가 남지 않음을 나타낸다.
이후 헥사메틸디실록산 및 옥타메틸트리실록산 유체에 관련하여 이전에 기재된 것과 동일한 방식으로 도 1에 기재된 라미네이션 장치 (10)에 의해 생성되는 전단 및 압축 응력 하 데카메틸테트라실록산 유체를 그것의 윤활 품질에 대해 시험하였다. 윤활제 분배 유닛 (22a 및 22b)에 연결된 저장소를 데카메틸테트라실록산 유체로 채웠다. 200 μm의 두께를 갖는 사전에 압출된 리튬 시트 (14)의 롤 (24)을 공급 롤러 (26)에 설치하고 롤러 (28, 41 및 43)를 통해 및 직선기 (30)를 통해 감고 작동 롤러 (18a 및 18b)에 공급한다. 광학 내화성 시스템 (36)을 통해 및 롤러 (45, 47 및 34)를 통해 리튬 시트 (14)를 감고 감는 롤러 (38)에 리튬 시트의 끝을 고정시키고 폴리프로필렌 필름 (90)을 설치하여 설정을 완료한다.
압출된 리튬 시트 (14)의 두께를 200 μm에서 100 μm 미만으로 감소시킬 수 있게 작동 롤러 (18a 및 18b)를 조정한다. 리튬 시트 (14)의 라미네이션 시험 가동은 1 % 미만의 상대 습도를 함유하는 무수 대기에서 윤활제 분배 유닛 (22a 및 22b)을 통해 각 작동 롤러 (18a 및 18b)의 작동 표면 상에 선행 기술의 윤활제보다 4.5 배 작은 비율로 방출되는 데카메틸테트라실록산 윤활제 유체로 수행하였다.
라미네이션 시험 가동은 선행 기술의 윤활제보다 4.5 배 작은 비율에서 라미네이팅된 리튬 필름 (12)이 작동 롤러 (18a 및 18b) 상에 바람직하지 않게 접착하지 않는다는 것을 결정지었고 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 표면의 평탄성을 측정하는 광학 내화성 시스템 (36)은 표면이 구멍 또는 균열 없이 부드럽고 평탄함을 밝혔다. 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 표면에 남아 있는 데카메틸테트라실록산이 있는지 결정하기 위해 둘둘 말린 라미네이팅된 리튬 필름 (12)을 분석했고 그것은 완전히 건조된 것으로 밝혀졌으며 이는 라미네이팅된 리튬 필름 (12)이 감는 롤러 (38) 상에 감기기 전 롤러 (45, 47 및 34)를 통한 그것의 경로를 구불구불 나아가는 동안 데카메틸테트라실록산이 완전히 증발하였음을 나타낸다.
라미네이션 시험 가동은 데카메틸테트라실록산 윤활제 유체가 압출된 리튬 시트를 얇은 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 충분한 윤활을 제공하는데 필수적인 물리적 품질을 가지며 또한 요구되는 데카메틸테트라실록산 윤활제 유체의 양은 선행 기술의 윤활제보다 4.5 배 적다는 것을 밝혔다. 또한, 글로브 박스 내 정적 시험은 데카메틸테트라실록산 윤활제 유체가 리튬 필름의 표면과 반응을 보이지 않은바 그것이 리튬과 함께 사용하기에 필수적인 화학적 품질을 가진다는 것을 밝혔다.
25 ℃에서 2.0 센티스토크의 점도를 갖는 도데카메틸헥사실록산 (C12H36O6Si6)으로 추가적 시험을 수행하였다. 도데카메틸헥사실록산 또한 투명, 무색 및 무취 유체이다. 이는 또한 그것의 훌륭한 발림성 및 높은 휘발성으로 인해 수많은 개인 미용 제품, 예를 들면 발한억제제, 데오도란트, 스킨 케어 로션, 선탠 로션, 및 일반적인 화장품에 기본 유체로서 일반적으로 사용된다. 이와 같이, 도데카메틸헥사실록산은 취급하기에 안전하다. 도데카메틸헥사실록산은 빠른 증발 속도, 낮은 VTC (온도에 따른 점도 변화), 낮은 표면 장력, 높은 압축성 및 높은 발림성을 가진다. 이러한 특징으로 인해 그것은 또한 리튬 시트를 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 윤활제로서 훌륭한 후보가 된다.
처음에 도데카메틸헥사실록산 유체의 층을 리튬 포일 시료의 표면에 발라 리튬이 도데카메틸헥사실록산 유체와 반응하는지 결정하고 도데카메틸헥사실록산 유체의 증발 속도를 평가하였으며 도데카메틸헥사실록산 유체가 완전히 증발하여 리튬 포일의 표면에 윤활제가 남지 않는지 결정하였다.
도데카메틸헥사실록산 유체의 층으로 덮힌 15 cm X 15 cm의 리튬 포일 시료를 1 % 미만의 상대 습도를 함유하는 무수 대기를 갖는 글로브 박스에 넣고 5 분 동안 건조시켰다. 5 분 후, 리튬 포일 시료를 시각적으로 검사한다. 리튬 포일 표면의 시각적 양태는 훌륭하고; 리튬은 어떠한 착색도 없이 밝으며 이는 리튬이 도데카메틸헥사실록산 유체와 반응하지 않았음을 나타낸다. 또한, 리튬 포일의 표면은 완전히 건조하고 이는 도데카메틸헥사실록산이 완전히 증발하여 리튬 포일의 표면에 윤활제가 남지 않았음을 나타낸다.
이후 헥사메틸디실록산, 옥타메틸트리실록산 및 데카메틸테트라실록산 유체와 관련하여 이전에 기재된 것과 동일한 방식으로 도 1에 기재된 라미네이션 장치 (10)에 의해 생성되는 전단 및 압축 응력 하 도데카메틸헥사실록산 유체를 그것의 윤활 품질에 대해 시험하였다. 윤활제 분배 유닛 (22a 및 22b)에 연결된 저장소를 도데카메틸헥사실록산 유체로 채웠다. 200 μm의 두께를 갖는 사전에 압출된 리튬 시트 (14)의 롤 (24)을 공급 롤러 (26)에 설치하고 롤러 (28, 41 및 43)를 통해 및 직선기 (30)를 통해 감고 작동 롤러 (18a 및 18b)에 공급하였다. 광학 내화성 시스템 (36)을 통해 및 롤러 (45, 47 및 34)를 통해 리튬 시트 (14)를 감고 감는 롤러 (38)에 리튬 시트의 끝을 고정시키고 폴리프로필렌 필름 (90)을 설치하여 설정을 완료하였다.
압출된 리튬 시트 (14)의 두께를 200 μm에서 100 μm 미만으로 감소시킬 수 있게 작동 롤러 (18a 및 18b)를 조정한다. 리튬 시트 (14)의 라미네이션 시험 가동은 1 % 미만의 상대 습도를 함유하는 무수 대기에서 윤활제 분배 유닛 (22a 및 22b)을 통해 각 작동 롤러 (18a 및 18b)의 작동 표면 상에 선행 기술의 윤활제보다 4.5 배 적은 비율로 방출되는 도데카메틸헥사실록산 윤활제 유체로 수행한다.
라미네이션 시험 가동은 선행 기술의 윤활제보다 4.5 배 작은 비율에서 라미네이팅된 리튬 필름 (12)이 작동 롤러 (18a 및 18b) 상에 바람직하지 않게 접착하지 않는다는 것을 결정지었고 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 표면의 평탄성을 측정하는 광학 내화성 시스템 (36)은 표면이 구멍 또는 균열 없이 부드럽고 평탄함을 밝혔다. 라미네이팅된 리튬 필름 (12)의 표면에 남아 있는 도데카메틸헥사실록산이 있는지 결정하기 위해 둘둘 말린 라미네이팅된 리튬 필름 (12)을 분석했고 완전히 건조된 것으로 밝혀졌으며 이는 라미네이팅된 리튬 필름 (12)이 감는 롤러 (38) 상에 감기기 전 롤러 (45, 47 및 34)를 통한 그것의 경로를 구불구불 나아가는 동안 도데카메틸헥사실록산이 완전히 증발하였음을 나타낸다.
라미네이션 시험 가동은 도데카메틸헥사실록산 윤활제 유체가 압출된 리튬 시트를 얇은 리튬 필름으로 라미네이팅하기 위한 충분한 윤활을 제공하는데 필수적인 물리적 품질을 가지며 또한 요구되는 도데카메틸헥사실록산 윤활제 유체의 양은 선행 기술의 윤활제보다 4.5 배 적다는 것을 밝혔다. 또한, 글로브 박스 내 정적 시험은 도데카메틸헥사실록산 윤활제 유체가 리튬 필름의 표면과 반응을 보이지 않은바 그것이 리튬과 함께 사용하기에 필수적인 화학적 품질을 가진다는 것을 밝혔다.
실험실 전지는 상기 기재된 대로 라미네이팅된 각 리튬 필름의 시료를 실험실 전지의 애노드로 사용하여 제조하였다. 각 실험실 전지는 휘발성 메틸 실록산 윤활제 중 하나로 라미네이팅된 100 μm 미만의 두께를 갖는 리튬 필름, 에틸렌 옥시드 및 메틸글리시딜 에테르의 공중합체 및 리튬 염으로 구성되는 중합체 전해질, 및 탄산리튬인산철 (C-LiFePO4) 및 동일한 중합체 전해질로 구성되는 복합 캐소드로 제조되었다. 60 ℃에서 실험실 전지의 초기 임피던스는 용매 및 폴리옥시에틸렌 디스테아레이트의 혼합물로 구성되는 선행 기술의 윤활 작용제로 라미네이팅된 100 μm 미만의 두께를 갖는 리튬 애노드를 구비한 동일한 실험실 전지와 동등하다.
상기 기재된 휘발성 메틸 실록산 윤활제로 라미네이팅된 리튬 필름을 애노드로 사용하는 이러한 실험실 전지의 사이클링 특성은 100 사이클 후에 훌륭하고 실험실 전지의 이용률은 선행 기술의 윤활 작용제로 라미네이팅된 리튬 필름으로 제조된 유사한 실험실 전지와 동등하게 유지된다. 실험실 전지 시험은 상기 기재된 윤활제로서 휘발성 메틸 실록산 중 하나로 라미네이팅된 리튬 필름이 선행 기술의 윤활 작용제로 라미네이팅된 리튬 필름과 마찬가지로 잘 기능한다는 것을 확인한다.
얇은 리튬 필름 또는 포일은 배터리 분야에서 주로 사용되지만 전자, 의료 박동조율기, 항공 산업 및 중성자 검출기와 같은 전문 과학 디바이스의 분야에서도 응용된다.
상기 기재된 본 발명의 실시양태의 변형 및 개선이 해당 기술분야의 숙련자에게 명백해질 것이다. 전술한 설명은 제한하기보다는 예시적인 것을 의도한다. 따라서 본 발명의 범위는 오로지 첨부된 청구범위의 범위에 의해서만 한정되는 것을 의도한다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 한 쌍의 작동 롤러 사이에 리튬 또는 리튬 합금 시트를 공급하고 작동 롤러 상에 액체 형태의 휘발성 메틸 실록산 윤활제를 도포하고, 리튬 또는 리튬 합금 시트를 작동 롤러 사이에서 압축 시 그것이 작동 롤러를 통과할 때 리튬 또는 리튬 합금 시트에 가해지는 압축력에 의해 두께가 감소되어 100 μm 미만의 리튬 또는 리튬 합금 필름을 수득하는 것을 포함하는, 리튬 또는 리튬 합금 시트를 리튬 또는 리튬 합금 필름으로 라미네이팅하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 휘발성 메틸 실록산 윤활제는 폴리디메틸실록산, 헥사메틸디실록산, 옥타메틸트리실록산, 데카메틸테트라실록산 및 도데카메틸헥사실록산의 군에서 선택되는 것인 방법.
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