KR102534118B1 - 리튬 이온 배터리 - Google Patents

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Abstract

높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 이온 배터리 구성을 제공하는 시스템 및 방법이 개시된다. 실시형태는 리튬 이온 배터리의 높은 에너지 밀도 및 높은 N:P 비율을 가능하게 하는 30 중량% 내지 85 중량%의 실리콘을 포함하는 애노드를 포함하는 리튬 이온 배터리를 제공한다. 높은 N:P 비율은 추가로 리튬 이온 배터리의 고속 충전 및 저온 충전 능력을 가능하게 한다.

Description

리튬 이온 배터리
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 특허 출원 번호 16/827,365(출원일: 2020년 3월 23일, 전체 내용이 본 명세서에 포함됨)의 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 배터리에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 높은 열적 안정성과 함께 높은 전력과 높은 에너지 밀도를 제공하도록 구성된 리튬 이온 배터리에 관한 것이다.
다양한 형태의 배터리를 사용하는 것이 오늘날 세계에서 거의 보편화되었다. 전동 공구(예를 들어, 드릴, 톱, 잔디 다듬기, 송풍기, 샌더 등), 소형 가전 제품(예를 들어, 믹서, 블렌더, 커피 그라인더 등), 통신 디바이스(예를 들어, 스마트폰, 개인용 휴대 정보 단말기 등) 및 사무 기기(예를 들어, 컴퓨터, 태블릿, 프린터 등)와 같은 휴대용 또는 무선 디바이스가 점점 더 널리 사용됨에 따라 다양한 화학 재료와 구성을 갖는 배터리 기술을 사용하는 것이 일반적이 되었다.
리튬 이온 배터리(LiB) 구성은 최근 몇 년 동안 휴대용 또는 무선 디바이스 및 전기 자동차와 관련하여 사용하는 데 인기를 얻었다. LiB는 잠재적으로 NiCd와 같은 배터리 구성보다 덜 안정적인 화학 재료(예를 들어, 가연성 전해질 포함)를 제공하지만, 그럼에도 불구하고 많은 충전식 배터리 구성(예를 들어, NiCd 및 NiMH(니켈 금속 수소화물))보다 더 높은 에너지 밀도와 더 낮은 독성 수준을 갖고, 일반적으로 메모리 효과가 없고, 낮은 자가 방전을 나타내어, 오늘날의 휴대용 또는 무선 디바이스에서 일반적으로 사용되는 충전식 배터리 구성을 제공한다.
휴대용 또는 무선 디바이스의 크기와 중량은 종종 중요한 고려 사항이다. 종종 배터리 팩 형태의 다수의 개별 배터리를 포함하는 온보드 충전식 배터리 시스템의 크기와 중량은 종종 휴대용 또는 무선 디바이스의 전체 크기 및/또는 중량에 상당한 영향을 미치므로, 충전식 배터리의 크기와 중량은 호스트 디바이스의 설계에서 중요할 수 있다. 이러한 크기와 중량 문제는 호스트 휴대용 또는 무선 디바이스 또는 전기 자동차를 효과적이고 원하는 대로 사용할 수 있게 하는 데 충분한 전력을 저장하고 전달하는 효용성을 상쇄시킨다.
현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리는 몇 가지 단점이 있다. 예를 들어, 가장 일반적으로 사용되는 애노드 재료 중 하나인 흑연은 단위 부피 및/또는 단위 중량당 용량이 제한되어 있어서 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도를 크게 향상시키지 못하는 주요 제한 요인 중 하나가 되었다. 예를 들어, 100% 완전 리튬화 흑연은 100% 완전 리튬화 실리콘의 경우 3400mAh/g 내지 4200mAh/g에 비해 330mAh/g 내지 372mAh/g의 용량을 갖지만, 배터리 제조 분야에서 이러한 재료를 이용하는 방식이 전체 용량을 구성하지는 않는다. 에너지 밀도가 높은 배터리에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라 실리콘과 같이 용량이 훨씬 더 높은 다른 재료가 애노드 용량을 향상시키기 위해 흑연에 첨가제로 사용되었다. 그러나, 실리콘은 리튬 이온 배터리의 애노드에 사용될 때 배터리 충전 시 크게(최대 300%) 팽창하는 경향이 있어서, 실리콘의 팽창을 수용하기 위해 추가 배터리 부피가 필요하고, 여기서 배터리 또는 배터리 셀의 제한된 공간에서 애노드의 팽창은 배터리 또는 배터리 셀의 구조적 무결성을 손상시켜, 성능과 에너지 밀도에 각각 영향을 미칠 수 있기 때문에 안전 문제가 발생한다. 추가적으로 애노드에서 실리콘의 팽창은 접착 문제를 야기할 수 있고 이에 애노드에서 추가 결합제를 사용할 필요성을 도입한다. 현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리에서 애노드는 일반적으로 (예를 들어, 실리콘 팽창으로 인한) 이러한 문제를 피하기 위해 최대 실리콘 농도를 약 30 중량%로 제한한다. 따라서, 30 중량% 이상의 실리콘 애노드는 현재 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도 및/또는 전력 밀도를 개선하려고 할 때 아직 해결되지 않은 설계 제약을 나타낸다.
또한, 현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리는 충전 속도가 상대적으로 느리기 때문에 많은 분야에서 그 적용이 제한될 수 있다. 보다 구체적으로, 애노드에 사용되는 흑연은 단위 부피당 및 단위 중량당 용량이 제한되어 있어서, 1보다 약간 큰 N:P 비율(예를 들어, 1.05의 N:P 비율)이 일반적으로 상용 리튬 이온 배터리에 애노드(흑연)의 풋프린트를 제한하기 위해 사용된다. 캐소드 용량에 비해 애노드 용량이 제한적이기 때문에 현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리는 과충전으로 인한 악영향을 피하기 위해 천천히 충전해야 한다. 현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리의 충전이 느린 또 다른 이유는 충전 동안 흑연 애노드가 리튬 환원 전위에 도달하는 경우 고속 충전 공정 및/또는 저온 충전 조건에서 리튬 덴드라이트를 형성할 수 있다는 것이다.
리튬 이온 배터리와 관련된 위에 언급된 문제 중 적어도 일부에 대한 해결책이 발견되었고, 이를 통해 30 중량% 내지 85 중량%의 실리콘 함량을 갖는 애노드를 포함하는 리튬 이온 배터리를 실현할 수 있다. 특히, 실리콘은 흑연보다 단위 부피당 및 단위 중량당 용량이 훨씬 더 높기 때문에 애노드에서 높은 실리콘 함량은 리튬 이온 배터리의 전체 부피 및/또는 중량을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 이는 미리 결정된 용량에 도달하는 데 필요한 리튬 이온 배터리의 부피를 적어도 감소시켜 에너지 밀도를 개선하는 데 도움이 될 수 있다. 애노드에서 실리콘의 농도가 높으면, 실리콘을 적게 포함하거나 실질적으로 포함하지 않는 애노드에 비해 리튬 이온 배터리의 애노드 두께를 더욱 감소시킬 수 있다.
추가적으로, 개시된 리튬 이온 배터리의 애노드를 형성하는 데 이용되는 실리콘 재료는 배터리가 충전될 때(또는 충전 중일 때) 제한된 부피 팽창을 나타내도록 구성되어, 실리콘 팽창을 수용하기 위한 추가 배터리 부피의 필요성을 완화하고 배터리의 제한된 공간에서 실리콘 팽창으로 인한 위험을 줄이며, 궁극적으로 리튬 이온 배터리에서 애노드 실리콘 함량을 85 중량%만큼 높일 수 있다. 예를 들어, 실리콘 나노와이어는 직경 대 길이 비율의 종횡비가 높아 실리콘이 원하는 방향으로만 팽창하여 배터리 셀의 전체 팽창을 제어할 수 있다. 그래핀 시트는 실리콘 입자의 팽창을 제한하기 위한 가요성 멤브레인으로 기능하기 때문에 가요성 그래핀 시트로 캡슐화된 실리콘 입자가 사용될 수도 있다. 애노드에서 과도한 실리콘은 실리콘이 전체 부피 팽창을 개시하는 것을 방지하도록 구현될 수도 있다. 마지막으로, 실리콘 산화물이 실리콘에 비해 부피 팽창이 낮지만 용량이 낮기 때문에 애노드에서 실리콘의 적어도 일부는 애노드 용량과 부피 팽창의 균형점을 찾기 위해 실리콘 산화물 형태일 수 있다.
또한, 흑연의 약 5배 내지 10배 용량을 갖는 고농도의 실리콘을 애노드에 사용하면 개시된 리튬 이온 배터리에서 N:P 비율(음극 용량 대 양극 용량)을 높일 수 있다. 캐소드 용량에 비해 과도한 애노드 용량은 악영향에 대한 우려를 최소화하고 리튬 이온 배터리의 고속 충전 및/또는 저온 충전을 용이하게 할 수 있다. 과도한 실리콘 애노드는 애노드가 리튬 도금 전위에 도달하여 리튬 덴드라이트를 형성하는 것을 방지하는 데 도움이 되도록 구성된다. 또한, 개시된 리튬 배터리는 이온성 액체를 포함하는 불연성 전해질을 포함하여, 개시된 리튬 이온 배터리의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시형태에서 개시된 리튬 이온 배터리는 전동 공구, 진공 청소기, 잔디 및 정원 장비, 전기 자동차, 휴대용 스마트 디바이스를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 다양한 디바이스에 사용하는 데 요구되는 안전 표준을 충족하면서 현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리에 비해 현저히 개선된 에너지 밀도를 나타낸다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 리튬 이온 배터리는 적어도 1.2 내지 4의 N:P 비율로 인해 약 0℃의 낮은 온도에서 최대 5C 내지 10C의 충전 속도로 충전(예를 들어, 각각 12분 내지 6분 이내에 충전)되고, 약 -20℃의 저온에서 최대 4C의 충전 속도(즉, 15분)로 충전될 수 있어서, 이에 의해 저온 환경에서 동작 및 충전될 필요가 있는 디바이스 및/또는 전기 자동차에 리튬 이온 배터리를 추가로 사용할 수 있다. "충전 속도"는 전류 또는 "C-레이트"로 정의될 수 있다. 따라서, 개시된 리튬 이온 배터리는 위에 언급된 현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리에 비해 낮은 에너지 밀도, 느린 충전 속도, 및 저온에서의 충전 능력 부족과 같은 기술적 성과를 제공한다.
이하는 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 다양한 용어 및 어구의 정의를 포함한다.
"약" 또는 "대략"이라는 용어는 당업자가 이해하는 바와 같이 가까운 것으로 정의된다. 하나의 비제한적인 실시형태에서, 이 용어는 10% 이내, 바람직하게는 5% 이내, 보다 바람직하게는 1% 이내, 가장 바람직하게는 0.5% 이내로 정의된다.
"중량%", "부피%" 또는 "몰%"라는 용어는 구성요소를 포함하는 재료의 총 중량, 총 부피 또는 총 몰을 기준으로 하나의 구성요소의 중량, 부피 또는 몰 백분율을 각각 나타낸다. 비제한적인 예에서, 재료의 100몰 중 10몰의 구성요소는 10몰%의 구성요소이다.
"실질적으로"라는 용어 및 그 변형어는 10% 이내, 5% 이내, 1% 이내 또는 0.5% 이내의 범위를 포함하는 것으로 정의된다.
청구범위 및/또는 명세서에서 사용될 때 "억제하는" 또는 "감소하는" 또는 "방지하는" 또는 "회피하는"이라는 용어 또는 이들 용어의 임의의 변형어는 원하는 결과를 달성하기 위한 임의의 측정 가능한 감소 또는 완전한 억제를 포함한다.
명세서 및/또는 청구범위에서 사용될 때 "효과적인"이라는 용어는 원하는, 예상되는 또는 의도된 결과를 달성하기에 적절한 것을 의미한다.
청구범위 또는 명세서에서 "포함하는", "구비하는", "함유하는" 또는 "갖는"이라는 용어와 함께 사용될 때 단수형 요소의 사용은 "하나"를 의미할 수도 있지만, 또한 "하나 이상", "적어도 하나" 및 "하나 또는 하나 초과"의 의미와 일치한다.
"포함하는"(및 "포함하고" 및 "포함하며"와 같은 '포함하는'의 임의의 형태), "갖는"(및 "갖고" 및 "가지며"와 같은 '갖는'의 임의의 형태), "구비하는"(및 "구비하고" 및 "구비하며"와 같은 '구비하는'의 임의의 형태) 또는 "함유하는"(및 "함유라고" 및 "함유하며"와 같은 '함유하는'의 임의의 형태)이라는 단어는 포괄형거나 개방형이며, 추가적인, 열거되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다.
본 발명의 공정은 명세서 전체에 걸쳐 개시된 특정 성분, 구성요소, 조성물 등을 "포함하거나", 이들로 "본질적으로 구성되거나" 또는 이들로 "구성"될 수 있다. 하나의 비제한적인 양태에서 "본질적으로 ~로 구성된"이라는 전이 어구와 관련하여, 본 발명의 압력 감지 접착제의 기본적이고 신규한 특징은 선택된 전자기 복사선에 반응하여 중합체 절단을 개시하는 능력이다.
전술한 내용은 후속하는 본 발명의 상세한 설명을 더 잘 이해할 수 있기 위해 본 발명의 특징과 기술적 이점을 다소 광범위하게 약술한 것이다. 본 발명의 청구범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징과 이점은 이하에서 설명될 것이다. 당업자라면 개시된 개념과 특정 실시형태는 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조를 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한 당업자라면 이러한 등가 구성은 첨부된 청구범위에 제시된 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 추가 목적과 이점과 함께, 그 구성 및 동작 방법에 관한 본 발명의 특징으로 여겨지는 신규한 특징은 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 이하의 설명으로부터 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 각각의 도면은 단지 예시와 설명을 위한 목적으로 제공된 것이며, 본 발명의 제한 사항을 정하는 것으로 의도된 것이 아닌 것으로 명백히 이해된다.
본 발명을 보다 완전히 이해하기 위해, 이제 첨부된 도면과 함께 취해진 이하의 설명을 참조한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 리튬 이온 배터리의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따라 리튬 이온 배터리의 애노드용 베이스 재료로 사용될 수 있는 실리콘 나노와이어의 개략도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 리튬 이온 배터리가 충전되거나 또는 충전 중일 때 부피 팽창을 완화하도록 구성된 실리콘 "난황(egg-yolk)" 모델의 개략도를 도시하고; 도 3a는 방전된 "난황" 모델의 실리콘 재료를 도시하고; 도 3b는 충전된 "난황" 모델의 실리콘 재료를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 방전 시 그리고 충전 시 본 발명의 실시형태에 따른 리튬 이온 배터리의 애노드용 그래핀 및/또는 중합체에 의해 캡슐화된 실리콘 입자(실리콘 벌크 재료)의 양태를 도시한다.
도 5는 코어 부분으로부터 셸(shell) 부분의 외부 표면으로 가면서 니켈 구배를 갖는 리튬 금속 산화물의 코어-셸 구성의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따라 리튬 이온 배터리를 제조하는 방법의 개략적인 흐름도를 도시한다.
리튬 이온 배터리는 리튬 이온 배터리가 제공하는 높은 에너지 및 전력 밀도로 인해 다양한 디바이스 및 전기 자동차에 사용된다. 이러한 디바이스 및 전기 자동차의 성능과 전력 출력이 지속적으로 향상됨에 따라 더 높은 에너지 밀도를 가진 배터리에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다. 그러나, 애노드의 낮은 용량과 제한된 충전 속도를 포함한 몇 가지 문제가 개선된 리튬 이온 배터리를 개발하는 데 병목 현상이 되었다.
현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리에서 볼 수 있는 애노드에 가장 일반적으로 사용되는 흑연은 단위 부피당 및/또는 단위 중량당 상대적으로 낮은 용량을 가져서, 배터리 셀의 제한된 공간 내에서 전력 용량을 증가시킬 가능성을 제한한다. 지난 몇 년 동안, 흑연의 단위 부피당 및/또는 단위 중량당 약 5배 내지 10배의 용량을 나타내는 실리콘이 리튬 이온 배터리에서 애노드의 용량을 향상시키기 위해 흑연에 첨가제로 사용되었다. 그러나, 현재 이용 가능한 이러한 리튬 이온 배터리에서 실리콘은 배터리가 충전될 때 크게 팽창하여, 리튬 이온 배터리에 추가 부피를 요구하고, 배터리에서 실리콘의 팽창으로 인한 안전 문제를 야기한다. 본 발명은 현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리와 관련된 전술한 문제 중 적어도 일부에 대한 해결책을 제공한다. 개시된 해결책은 30 중량% 초과, 바람직하게는 40 중량% 초과, 최대 85 중량%를 포함하는 애노드, 및 충전 동안 제한적이거나 무시할 수 있는 부피 팽창을 나타내도록 구성된 실리콘을 포함하여, 안전 문제를 완화하고 리튬 이온 배터리에서 실리콘의 팽창을 수용하기 위한 추가 공간의 필요성을 감소시키는 리튬 이온 배터리를 전제로 한다.
본 발명의 이들 및 기타 비제한적인 양태는 이하의 절에서 보다 상세히 논의된다.
A. 리튬 이온 배터리
본 발명의 실시형태에서, 리튬 이온 배터리는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함한다. 리튬 이온 배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 크게 향상된 에너지 밀도를 가질 수 있다. 도 1을 참조하면, 리튬 이온 배터리(100)에 대한 개략도가 도시되어 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 리튬 이온 배터리(100)는 애노드(101)를 포함한다. 애노드(101)는 실리콘 기반 재료를 포함하는 애노드 활성층(102)을 포함할 수 있다. 실리콘 기반 재료의 비제한적인 예는 실리콘 및 실리콘 산화물(SiOx)을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 애노드(101)는 30 중량% 초과의 실리콘 기반 재료를 포함한다. 일부 예에서, 애노드(101)는 30 중량% 내지 85 중량%의 실리콘 기반 재료 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 30 중량% 내지 35 중량%, 35 중량% 내지 40 중량%, 40 중량% 내지 45중량%, 45 중량% 내지 50 중량%, 50 중량% 내지 55 중량%, 55 중량% 내지 60 중량%, 60 중량% 내지 65 중량%, 65 중량% 내지 70 중량%, 70 중량% 내지 75 중량%, 75 중량% 내지 80 중량%, 및 80 중량% 내지 85 중량% 범위의 실리콘 기반 재료를 포함할 수 있다. 일부 다른 양태에서, 애노드(101)는 75 중량% 내지 85 중량%의 실리콘 기반 재료를 포함할 수 있다. 애노드(101)의 실리콘 기반 재료는 리튬 이온 배터리(100)가 충전 중이거나 충전될 때 50 부피% 미만으로 팽창하도록 구성될 수 있다. 일부 양태에서, 실리콘을 포함하는 애노드(101)는 애노드(101)에 사용된 실리콘 재료의 유형(들)에 따라 전체 충전 공정 동안 50 부피% 내지 100 부피%만큼 팽창할 수 있다. 본 발명의 실시형태에서, 30 중량% 내지 85 중량%의 실리콘 기반 재료를 포함하는 애노드(101)는 실리콘을 포함하지 않는 흑연 애노드에 비해 최대 10배의 애노드 용량, 및 30 중량%의 실리콘 농도를 갖는 흑연 애노드에 비해 최대 5배의 애노드 용량을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 30 중량% 실리콘을 갖는 애노드(101)는 최대 700mAh/g 용량을 가질 수 있고, 85 중량% 실리콘을 갖는 애노드(101)는 3400mAh/g 용량을 가질 수 있으며, 이는 흑연의 용량보다 10배 더 높다.
일부 양태에서, 애노드(101)의 실리콘 기반 재료는 실리콘 나노와이어(도 2에 도시됨), 탄소로 캡슐화된 실리콘(도 4a 및 도 4b에 도시됨), 실리콘 및 그래핀 배합물, 실리콘 및 탄성 중합체 혼합물, 실리콘 산화물 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 애노드(101)의 실리콘 나노와이어는 그 위에 증착된 도펀트를 추가로 포함할 수 있다. 도펀트의 비제한적인 예는 주석, 게르마늄, 철, 알루미늄, 마그네슘 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 부동태화제는 나노입자 형태일 수 있다. 일부 양태에서, 실리콘 나노와이어는 100nm 내지 1000nm 범위 및 이들 사이의 모든 범위 및 값의 평균 직경을 가질 수 있다. 일부 예에서, 애노드(101)의 실리콘 나노와이어는 에칭, 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착, 침전 및/또는 식각을 통해 제조될 수 있다.
일부 양태에서, 애노드(101)의 실리콘 기반 재료는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 "난황(egg-yolk)" 모델을 따르는 "난황" 구성으로 구성될 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, "난황" 구성을 갖는 실리콘 기반 재료는 내부 부분에 공동을 가질 수 있다. 리튬 이온 배터리(100)가 충전될 때 전체 부피를 실질적으로 변경 없이 유지하면서 실리콘의 팽창을 수용하기 위해 공동이 축소될 수 있다(예를 들어, 실리콘의 전체 직경(R1)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 충전 및 방전 시 실질적으로 동일할 수 있다). 리튬 이온 배터리(100)가 방전될 때 실리콘의 팽창은 실질적으로 역전되어 공동은 실질적으로 원래의 크기로 회복될 수 있다.
일부 양태에서, 애노드(101)의 실리콘 기반 재료는 탄소로 캡슐화된 실리콘을 포함할 수 있고, 탄소로 캡슐화된 실리콘은 0.5㎛ 내지 10㎛ 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 0.5㎛ 내지 1㎛, 1㎛ 내지 1.5㎛, 1.5㎛ 내지 2.0㎛, 2.0㎛ 내지 2.5㎛, 2.5㎛ 내지 3.0㎛, 3.0㎛ 내지 3.5㎛, 3.5㎛ 내지 4.0㎛, 4.0㎛ 내지 4.5㎛, 4.5㎛ 내지 5.0㎛, 5.0㎛ 내지 5.5㎛, 5.5㎛ 내지 6.0㎛, 6.0㎛ 내지 6.5㎛, 6.5㎛ 내지 7.0㎛, 7.0㎛ 내지 7.5㎛, 7.5㎛ 내지 8.0㎛, 8.0㎛ 내지 8.5㎛, 8.5㎛ 내지 9.0㎛, 9.0㎛ 내지 9.5㎛, 9.5㎛ 내지 10㎛ 범위의 평균 직경을 갖는 실리콘 입자(실리콘 벌크 재료)를 포함할 수 있다. 탄소로 캡슐화된 실리콘은 0.1 내지 4 범위 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 0.1 내지 0.4, 0.4 내지 0.8, 0.8 내지 1.2, 1.2 내지 1.6, 1.6 내지 2.0, 2.0 내지 2.4, 2.4 내지 2.8, 2.8 내지 3.2, 3.2 내지 3.6, 및 3.6 내지 4.0 범위의 전체 실리콘 대 탄소 중량비를 가질 수 있다. 실리콘을 캡슐화하는 탄소는 흑연, 그래핀, 탄소 재 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시형태에서, 탄소로 캡슐화된 실리콘은 에칭, 화학적 기상 증착(CVD), 물리적 기상 증착(PVD), 침전 및 식각을 통해 제조된다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 리튬 이온 배터리(100)가 충전될 때, 그래핀 및/또는 중합체 캡슐화 층은 실리콘의 팽창을 제한하도록 구성될 수 있고, 리튬 이온 배터리(100)에서 실리콘 팽창을 완화시킬 수 있다. 리튬 이온 배터리(100)가 방전될 때, 실리콘 입자와 그래핀 및/또는 중합체 캡슐화 층이 거의 원래의 형상으로 회복될 수 있다.
일부 양태에서, 애노드(101)의 실리콘 기반 재료는 실리콘-그래핀 배합물을 포함할 수 있고, 실리콘-그래핀 배합물은 0.1 내지 4 범위 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 0.1 내지 0.4, 0.4 내지 0.7, 0.7 내지 1, 1 내지 1.3, 1.3 내지 1.6, 1.6 내지 1.9, 1.9 내지 2.2, 2.2 내지 2.5 내지 2.8, 2.8 내지 3.1, 3.1 내지 3.4, 3.4 내지 3.7, 및 3.7 내지 4.0 범위의 실리콘 대 그래핀 중량비를 가질 수 있다. 일부 경우에, 실리콘-그래핀 배합물은 0.5㎛ 내지 10㎛ 및 이들 사이의 모든 범위와 값, 예를 들어, 0.5㎛ 내지 1.0㎛, 1.0㎛ 내지 2.0㎛, 2.0㎛ 내지 3.0㎛, 3.0㎛ 내지 4.0nm, 4.0㎛ 내지 5.0nm, 5.0㎛ 내지 6.0nm, 6.0㎛내지 7.0nm, 7.0㎛ 내지 8.0nm, 8.0㎛ 내지 9.0nm, 및 9.0㎛ 내지 10㎛ 범위의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 실리콘-그래핀 배합물의 실리콘 입자는 본질적으로 유니모달(unimodal) 또는 바이모달(bimodal)일 수 있다. 실리콘-그래핀 배합물의 실리콘 입자는 구형, 타원형, 원통형, 직교형 또는 이들의 조합일 수 있다.
일부 양태에서, 애노드(101)의 실리콘 기반 재료는 0.5 내지 6 범위 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 0.5 내지 1, 1 내지 1.5, 1.5 내지 2.0, 2.0 내지 2.5, 2.5 내지 3.0, 3.0 내지 3.5, 3.5 내지 4.0, 4.0 내지 4.5, 4.5 내지 5.0, 5.0 내지 5.5, 및 5.5 내지 6.0 범위의 실리콘 대 중합체 중량비를 갖는 실리콘 및 탄성 중합체 혼합물을 포함할 수 있다. 탄성 중합체에 대한 비제한적인 예는 폴리아크릴산, 카르복시메틸 셀룰로오스 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 실리콘 및 탄성 중합체 혼합물은 구형 및/또는 타원체 입자를 갖는 분말 형태이다. 본 발명의 실시형태에서, 실리콘 및 탄성 중합체 혼합물은 침전, 혼합, 베이킹 및/또는 이들의 임의의 조합을 통해 제조된다. 본 발명의 실시형태에서, 실리콘 입자의 캡슐화는 실리콘 나노입자의 형상을 변경하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 애노드 활성층(102)은 탄소 기반 재료를 추가로 포함한다. 탄소 기반 재료는 실리콘 기반 재료와 혼합되고/되거나 실리콘 기반 재료 위에 코팅될 수 있다. 탄소 기반 재료는 실리콘 기반 재료의 팽창을 방지 및/또는 전도율을 향상시키도록 구성된다. 탄소 기반 재료의 비제한적인 예는 흑연, 그래핀, 탄소 재 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 탄소 기반 재료는 침전, 혼합, 베이킹, CVD, PVD 또는 이들의 임의의 조합을 통해 실리콘 상에 코팅될 수 있다. 일부 경우에, 실리콘 기반 재료 위에 탄소 기반 재료의 코팅은 5nm 내지 1000nm 범위 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 5nm 내지 10nm, 10nm 내지 20nm, 20nm 내지 30nm, 30nm 내지 40nm, 40nm 내지 50nm, 50nm 내지 60nm, 60nm 내지 70nm, 70nm 내지 80nm, 80nm 내지 90nm, 90nm 내지 100nm, 100nm 내지 200nm, 200nm 내지 300nm, 300nm 내지 400nm, 400nm 내지 500nm, 500nm 내지 600nm, 600nm 내지 700nm, 700nm 내지 800nm, 800nm 내지 900nm, 및 900nm 내지 1000nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 본 발명의 실시형태에서, 애노드(101)에서 실리콘 기반 재료는 2차 재료와 추가로 혼합된다. 2차 재료의 비제한적인 예는 주석, 안티몬, 게르마늄 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 2차 재료는 1:100 내지 100:1 범위 및 이들 사이의 모든 범위와 값의 실리콘 대 2차 재료 중량비로 실리콘과 혼합될 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 애노드(101)는 제1 금속 층(103)을 포함한다. 제1 금속 층(103)은 금속 시트 및/또는 금속 포일을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 제1 금속 층(103)은 구리를 포함한다. 본 발명의 실시형태에서, 실리콘 기반 재료 및/또는 탄소 기반 재료를 포함하는 애노드 활성층(102)은 제1 금속 층(103)의 일면 또는 양면 상에 코팅된다. 일부 양태에서, 애노드 활성층(102)은 제1 금속 층(103) 상에 코팅된다. 애노드 활성층(102)의 두께는 애노드(101)에 대한 목표 용량에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 경우에, 제1 금속 층(103) 상의 애노드 활성층(102)의 두께는 10㎛ 내지 50㎛ 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 10㎛ 내지 12㎛, 12㎛ 내지 14㎛, 14㎛ 내지 16㎛, 16㎛ 내지 18㎛, 18㎛ 내지 20㎛, 20㎛ 내지 22㎛, 22㎛ 내지 24㎛, 24㎛ 내지 26㎛, 26㎛ 내지 28㎛, 28㎛ 내지 30㎛, 30㎛ 내지 32㎛, 32㎛ 내지 34㎛, 34㎛ 내지 36㎛, 36㎛ 내지 38㎛, 38㎛ 내지 40㎛, 40㎛ 내지 42㎛, 42㎛ 내지 44㎛, 44㎛ 내지 46㎛, 46㎛ 내지 48㎛, 48㎛ 내지 50㎛ 범위일 수 있다. 일부 양태에서, 애노드 활성층(102)은 닥터 블레이드, 슬롯 다이 코터, 콤마 코터 또는 이들의 임의의 조합의 공정을 통해 제1 금속 층(103) 상에 코팅된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 리튬 이온 배터리(100)는 캐소드(110)를 포함한다. 본 발명의 실시형태에서, 캐소드(110)는 리튬 금속 산화물을 포함하는 캐소드 활성층(112)을 포함한다. 일부 양태에서, 캐소드(110)의 리튬 금속 산화물은 LiaNixAyBzO2의 화학식을 가질 수 있으며, 여기서 a ≥ 1, x ≥ 0.5, y + z = 1 - x이다. A에 대한 비제한적인 예는 망간(Mn), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. B에 대한 비제한적인 예는 코발트(Co), 망간(Mg), 알루미늄(Al) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 경우에, x:y:z의 비율은 6:2:2, 8:1:1 또는 9:0.5:0.5일 수 있다. x:y:z의 비율은, 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시하기 위한 목적으로 제공된 전술한 세 가지 예로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 일부 예에서, 캐소드(110)는 리튬, 니켈, 망간, 코발트 산화물, 또는 리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄 산화물을 포함한다. 일부 다른 경우에, 캐소드(100)는 리튬 니켈 산화물 또는 리튬 망간 산화물을 포함한다.
일부 양태에서, 캐소드(110)의 리튬 금속 산화물은, 도 5에 도시된 바와 같이, 코어-셸 구배 구조의 외부 셸로부터 코어로 가면서 증가하는 Ni 농도를 갖는 코어-셸 구배 구조로 있다. 일부 경우에, 도 5에 도시된 바와 같이, 캐소드(110)의 리튬 금속 산화물의 코어-셸 구조의 코어 부분은 최대 80 중량%의 Ni를 포함할 수 있고, 셸 부분의 Ni 농도는 셸 부분의 내부 층에서의 최대 약 80 중량%로부터 셸 부분의 외부 층에서의 최대 33 중량%로 감소할 수 있다. 리튬 금속 산화물의 코어-셸 구배 구조는 공침전 공정을 통해 제조될 수 있다. 일부 양태에서, 리튬 금속 산화물은 도펀트 또는 표면 코팅을 포함할 수 있다. 도펀트 또는 표면 코팅에 대한 비제한적인 예는 탄소, 지르코늄, 알루미늄, 게르마늄 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 캐소드(110)는 제2 금속 층(113)을 포함하고, 캐소드 활성층(112)은 제2 금속 층(113)의 일면 또는 양면 상에 코팅된다(제2 금속 층(113)은 캐소드(110)에 사용된 금속 층을 말하고, "제2"라는 용어는 애노드의 제1 금속 층과 캐소드의 금속 층(113)을 구별하기 위해 사용되는 것으로 이해된다. 따라서 "제2"라는 용어는 캐소드(110)가 2개의 금속 층을 포함하는 것을 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다). 일부 양태에서, 제2 금속 층(113)은 알루미늄을 포함한다. 캐소드 활성층(112)은 (제2 금속 층(113)의 면당) 20 마이크론 내지 100 마이크론 및 이들 사이의 모든 범위 및 값의 두께로 제2 금속 층(113) 상에 코팅될 수 있다. 캐소드 활성층(112)은 콤마 코팅기, 슬롯 다이 코팅기 또는 닥터 블레이드를 통해 제2 금속 층(113) 상에 코팅될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 리튬 이온 배터리(100)는 애노드(101)와 캐소드(110) 사이에 배치된 전해질을 포함한다. 전해질은 불연성 전해질일 수 있다. 일부 양태에서, 불연성 전해질은 이온성 액체를 포함한다. 이온성 액체는 양성자성 또는 비양성자성일 수 있다. 이온성 액체는 양이온과 음이온을 포함한다. 양이온의 비제한적인 예는 이미다졸륨, 피리디늄, 피롤리디늄, 피페리디늄 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 음이온의 비제한적인 예는 브롬화물, 염화물, 요오드화물, 인산염, BF4 -, PF6 -, TFSI-, FSI- 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 온도 증가에 반응하여 특정 이온성 화합물은 열로 활성화된 결과 액체가 된다. 이 상태의 염은 일반적으로 일부가 매우 낮은 온도에서도 주변 온도에서 액체로 남아 있는 "용융염"으로 지칭된다. 일부 양태에서, 이러한 용융 염은 "주위 온도 이온성 액체" 또는 "이온성 액체"로 지칭된다. 전해질의 이온성 액체는 열 안정성을 향상시키고, 단락, 과충전, 화재 또는 폭발로 이어지는 분쇄를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 안전 문제를 완화하도록 구성된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 리튬 이온 배터리(100)는, 애노드(101)와 캐소드(110) 사이에 배치되어, 애노드(101)와 캐소드(110) 사이의 접촉을 방지하도록 구성된 분리막(120)을 추가로 포함한다. 분리막(120)은 폴리에틸렌(PE) 및/또는 폴리프로필렌(PP)을 포함할 수 있다. 분리막(120)은 기계적 강도를 향상시키도록 구성된 산화알루미늄 및/또는 산화지르코늄을 포함하는 세라믹으로 코팅될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 리튬 이온 배터리(100)는 애노드(101), 캐소드(110), 분리막(120) 및 전해질을 둘러싸도록 구성된 하우징(121)을 포함한다. 일부 양태에서, 하우징(121)은 폴리에틸렌 코팅된 알루미늄, 니켈 코팅된 강철, 알루미늄, 강철 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리에 의해 달성되는 550Wh/L 내지 600Wh/L의 가장 높은 에너지 밀도에 비해, 리튬 이온 배터리(100)는 750Wh/L 내지 900Wh/L 범위 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 750Wh/L 내지 760Wh/L, 760Wh/L 내지 770Wh/L, 770Wh/L 내지 780Wh/L, 780Wh/L 내지 790Wh/L, 790Wh/L 내지 800Wh/L, 800Wh/L 내지 810Wh/L, 810Wh/L 내지 820Wh/L, 820Wh/L 내지 830Wh/L, 830Wh/L 내지 840Wh/L, 840Wh/L 내지 850Wh/L, 850Wh/L 내지 860Wh/L, 860Wh/L 내지 870Wh/L, 870Wh/L 내지 880Wh/L, 880Wh/L 내지 890Wh/L, 890Wh/L 내지 900Wh/L 범위의 에너지 밀도를 갖도록 구성된다. 킬로그램당 에너지와 관련하여, 리튬 이온 배터리(100)는 250Wh/kg 내지 450Wh/kg 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 250Wh/kg 내지 260Wh/kg, 260Wh/kg 내지 270Wh/kg, 270Wh/kg 내지 280Wh/kg, 280Wh/kg 내지 290Wh/kg, 290Wh/kg 내지 300Wh/kg, 300Wh/kg 내지 310Wh/kg, 310Wh/kg 내지 320Wh/kg, 320Wh/kg 내지 330Wh/kg, 330Wh/kg 내지 340Wh/kg, 340Wh/kg 내지 350Wh/kg, 350Wh/kg 내지 360Wh/kg, 360Wh/kg 내지 370Wh/kg, 370Wh/kg 내지 380Wh/kg, 380Wh/kg 내지 390Wh/kg, 390Wh/kg 내지 400Wh/kg, 400Wh/kg 내지 410Wh/kg, 410Wh/kg 내지 420Wh/kg, 420Wh/kg 내지 430Wh/kg, 430Wh/kg 내지 440Wh/kg, 및 440Wh/kg 내지 450Wh/kg 범위의 에너지 밀도를 갖도록 구성된다.
본 발명의 실시형태에서, 리튬 이온 배터리(100)는 1.2 내지 4 범위 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 1.2 내지 1.6, 1.6 내지 2.0, 2.0 내지 2.4, 2.4 내지 2.8, 2.8 내지 3.2, 3.2 내지 3.6, 및 3.6 내지 4.0 범위의 N:P 비율(즉, 음극(애노드(101)) 용량 대 양극(캐소드(110)) 용량의 비율)을 가질 수 있다. 높은 N:P 비율은 리튬 이온 배터리(100)의 고속 충전을 용이하게 하도록 구성된다. 일부 양태에서, 리튬 이온 배터리의 고속 충전은 4 내지 10 C-레이트에서 수행되고, 이는 각각 15분 내지 6분 충전에 대응하고, 현재 이용 가능한 배터리(예를 들어, 현재 이용 가능한 21700 배터리)보다 최대 5배 빠르다. 일부 양태에서, 리튬 이온 배터리에 대한 높은 N:P 비율은 25℃에서 50% 충전 속도이고 -20 내지 0℃의 저온 범위에서 리튬 이온 배터리(100)의 충전을 용이하게 하도록 추가로 구성된다.
도 1은 원통형 셀 형식의 리튬 이온 배터리를 도시하지만, 리튬 이온 배터리(100)는 원통형 셀, 각기둥형 셀 및 파우치 셀을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 다양한 셀 구성일 수 있는 것으로 이해된다. 일부 예에서, 리튬 이온 배터리(100)는 직경이 약 21mm이고 길이가 약 70mm인 원통형 21700 셀 형식으로 구성될 수 있다. 일부 양태에서, 원통형 21700 셀 형식의 리튬 이온 배터리(100)는 6Ah의 전력 용량을 가질 수 있다. 현재 이용 가능한 21700 셀 형식의 더 높은 전력 용량 한계는 4Ah이며, 현재 이용 가능한 21700 셀이 5Ah 전력 용량에 도달하려면 상당한 연구 작업이 필요하다. 따라서, 본 발명의 리튬 이온 배터리(100)는 현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리에 비해 상당한 기술적 성과를 제공한다.
원통형 21700 셀 형식의 리튬 이온 배터리(100)는 15 mOhm 미만의 교류 내부 저항(ACIR) 및 25 mOhms 미만의 직류 내부 저항(DCIR)을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 6Ah 전력 용량을 갖는 리튬 이온 배터리(100)의 원통형 21700 셀은 최대 약 30A의 연속 전력의 방전 속도 능력 및 2초 동안 100A의 펄스 전력 능력을 갖는다. 이것은 기껏해야 3A의 연속 전력과 2초 동안 8A의 펄스 전력을 제공할 수 있는 현재 이용 가능한 21700 리튬 이온 배터리에 비해 상당한 향상을 나타낸다.
일부 예에서, 리튬 이온 배터리(100)는 약 18mm의 직경과 약 65mm의 길이를 갖는 원통형 18650 셀 형식으로 구성될 수 있다. 원통형 18650 셀 형식의 리튬 이온 배터리는 20 mOhms 미만의 ACIR 및 30 mOhms 미만의 DCIR을 가질 수 있다. 21700 및 18650 셀 형식의 리튬 이온 배터리(100)의 특성에 대해 설명했지만, 실시형태는 유사한 향상을 제공하기 위해 다른 셀 형식에서도 구현될 수 있고, 연속 방전 속도, 펄스 방전 속도, 전력 용량(Ah), DCIR, 및/또는 ACIR의 특정 수치 값은 특정 셀 형식에 따라 변할 수 있는 것으로 이해된다. 일부 양태에서, 4Ah 전력 용량을 갖는 리튬 이온 배터리(100)의 원통형 18650 셀은 전압 또는 온도 컷오프 한계에 도달하지 않고 연속적으로 최대 5C의 방전 속도 능력, 및 임의의 전압 또는 온도 컷오프 한계에 도달하지 않고 최대 16C의 펄스 전력을 갖는다.
일부 양태에서, 리튬 이온 배터리(100)는 전동 공구에 사용되도록 구성된다. 전동 공구의 비제한적인 예는 드릴, 톱, 잔디 다듬기, 송풍기 및 샌더를 포함할 수 있다. 리튬 이온 배터리(100)의 사용은 이러한 것으로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 본 명세서의 개념에 따라 높은 전력 및 높은 에너지 밀도를 제공하도록 구성된 배터리는 예를 들어 휴대용 스마트 디바이스, 휴대용 계산 디바이스, 전기 자동차, 백업/무정전 전력 공급 장치 등과 같은 디바이스에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 실시형태에서, 리튬 이온 배터리(100)는 전술한 디바이스에 사용되는 데 요구되는 안전 표준을 충족한다. 안전 표준의 비제한적 예는 문헌(UN/DOT 38.3, 5th Edition, Amendment 1-Recommendations on the Transport of Dangerous Goods, IEC 62133-2:2017-Safety requirements for portable sealed secondary lithium cells, and for batteries made from them, for use in portable applications - Part 2: Lithium systems, and UL 2054 2nd Edition - Household and Commercial Batteries)을 포함할 수 있다.
B. 리튬 이온 배터리를 제조하는 방법
본 발명의 실시형태에서, 30 중량% 내지 85 중량%의 실리콘 기반 재료를 갖는 애노드(101)를 포함할 수 있는 전술한 리튬 이온 배터리(100)를 제조하는 방법이 제공된다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 리튬 이온 배터리(100)를 제조하기 위한 방법(200)(도 6에 도시됨)은, 블록(201)에 도시된 바와 같이, 리튬 이온 배터리(100)의 애노드(101)의 실리콘 기반 재료를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 실리콘 기반 재료는 실리콘 나노와이어를 포함하고, 블록(201)에서 제조하는 단계는 에칭, 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착, 침전 및/또는 식각을 통해 실리콘 나노와이어를 제조하는 것을 포함한다. 일부 경우에, 실리콘 나노와이어의 표면은 작용기로 추가로 작용화된다. 작용기는 산화물, 질화물 기 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 실리콘 나노와이어는 마그네슘(Mg)과 같은 도펀트를 추가로 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 실리콘 기반 재료는 탄소로 캡슐화된 실리콘을 포함하고, 블록(201)에서 제조하는 단계는 열 베이킹, 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착을 통해 실리콘을 탄소로 캡슐화하는 것을 포함한다. 본 발명의 실시형태에서, 블록(201)에서 캡슐화될 실리콘은 에칭, 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착, 침전 또는 식각을 통해 제조된다.
일부 양태에서, 실리콘 기반 재료는 탄성 중합체와 혼합된 실리콘을 포함하고, 블록(201)에서 제조하는 단계는 실리콘 벌크 재료와 탄성 중합체를 혼합하여 실리콘과 탄성 중합체의 실질적으로 균일한 혼합물을 형성하는 것을 포함한다. 일부 경우에, 탄성 중합체는 에칭, 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착, 침전, 식각 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 혼합은 물리적 혼합과 가열을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 블록(202)에 도시된 바와 같이, 방법(200)은 캐소드(110)의 리튬 금속 산화물을 제조하는 단계를 포함한다. 일부 양태에서, 블록(202)에서 제조하는 단계는 산화망간, 산화니켈, 산화코발트 및 탄산리튬 사이의 고체상 반응을 포함할 수 있다. 리튬 금속 산화물을 제조하기 위한 고체상 반응은 450℃ 내지 800℃의 온도에서 수행될 수 있다. 제조된 리튬 금속 산화물은 분말 형태일 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 블록(203)에 도시된 바와 같이, 방법(200)은 애노드(101)의 실리콘 기반 재료 및/또는 탄소 기반 재료를 도전제 및 결합제와 혼합하여 애노드 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 블록(204)에 도시된 바와 같이, 방법(200)은 리튬 금속 산화물을 도전 결합제와 혼합하여 캐소드 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 애노드 혼합물 및/또는 캐소드 혼합물은 슬러리 형태일 수 있다. 일부 양태에서, 블록(203)에서, 애노드 혼합물은 0.8 내지 0.95 범위의 실리콘 기반 재료 대 도전제와 결합제의 중량비로 형성된다. 일부 양태에서, 블록(204)에서, 캐소드 혼합물은 0.88 내지 0.97 범위의 리튬 금속 산화물 대 도전제와 결합제의 중량비로 형성된다. 본 발명의 실시형태에서, 애노드 혼합물은 30 중량% 이상의 실리콘을 포함한다. 도전제의 비제한적인 예는 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케잔 블랙, 슈퍼 P, 탄소 나노튜브 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 결합제의 비제한적인 예는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 카르복시메틸 셀룰로오스/스티렌-부타디엔 고무(CMC/SBR), 폴리아크릴산(PAA) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 블록(205)에 도시된 바와 같이, 방법(200)은 애노드 혼합물을 사용하여 제1 금속 층(103) 상에 애노드 활성층(102)을 코팅하는 단계를 포함한다. 블록(206)에 도시된 바와 같이, 방법(200)은 캐소드 혼합물을 사용하여 제2 금속 층(113) 상에 캐소드 활성층(112)을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 블록(205)에서, 코팅하는 단계는 제1 금속 층(103) 상에 애노드 혼합물을 도포하는 것을 포함할 수 있다. 블록(206)에서, 코팅하는 단계는 제2 금속 층(113) 상에 캐소드 혼합물을 도포하는 것을 포함할 수 있다. 블록(205)에서 코팅하는 단계는 제1 금속 층(103) 상의 애노드 혼합물을 압축하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 블록(206)에서, 코팅하는 단계는 제2 금속 층(113) 상의 캐소드 혼합물을 압축하여 두께를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 블록(205 및 206)에서 코팅하는 단계는 각각 압축 단계 후에 제1 금속 층(103) 상의 애노드 혼합물을 건조시키고, 제2 금속 층(113) 상의 캐소드 혼합물을 건조시키는 것을 추가로 포함할 수 있다. 블록(205 및 206)에서 코팅하는 단계는 건조된 애노드 혼합물을 제1 금속 층(103)과 함께 절단하고, 건조된 캐소드 혼합물을 제2 금속 층(113)과 함께 원하는 형상 및/또는 크기로 절단하여 애노드(101)와 캐소드(110)를 각각 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 블록(205)에서 제조된 애노드(101)는 30 중량% 내지 85 중량%, 바람직하게는, 40 중량% 내지 85 중량% 및 이들 사이의 모든 범위 및 값, 예를 들어, 40 중량% 내지 45 중량%, 45 중량% 내지 50 중량%, 50 중량% 내지 55 중량%, 55 중량% 내지 60 중량%, 60 중량% 내지 65 중량%, 65 중량% 내지 70 중량%, 70 중량% 내지 75 중량%, 75 중량% 내지 80 중량%, 및 80 중량% 내지 85 중량% 범위의 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 블록(207)에 도시된 바와 같이, 방법(200)은 미완성된 셀을 형성하기 위해 하우징(121)에 애노드(101), 캐소드(110), 분리막(120)을 조립하는 단계를 포함한다. 일부 양태에서, 블록(207)에서 조립하는 단계는 애노드(101), 분리막(120), 캐소드(110)를 적층하여 전극 구조물을 형성하는 단계, 및 전극 구조물의 애노드(101)와 캐소드(110)를 대응하는 단자에 연결하는 단계를 포함한다. 일부 양태에서, 안전 디바이스 및/또는 통기구는 전극 구조물 및/또는 단자 상에 연결 및/또는 배치되어 서브 조립체를 형성할 수 있다. 블록(207)에서 조립하는 단계는 서브 조립체를 하우징(121)에 삽입하고, 하우징(121)을 밀봉하는 것을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 하우징(121)이 밀봉된 후 적어도 하나의 개구가 하우징(121)에 남아 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 블록(208)에 도시된 바와 같이, 방법(200)은 리튬 이온 배터리(100)를 형성하기 위해 밀봉된 하우징(121)에 전해질을 추가하는 단계를 포함한다. 일부 양태에서, 블록(206)에서 전해질을 추가하는 단계는 블록(205)으로부터 얻어진 밀봉된 하우징(121)을 진공에서 건조시키는 단계, 적어도 하나의 진공 개구를 통해 건조된 밀봉된 하우징(121)에 전해질을 채우는 단계, 및 리튬 이온 배터리(100)를 형성하기 위해 하우징(121)의 적어도 하나의 개구를 밀봉하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명과 그 이점이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 한정된 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경, 대체 및 변형이 본 발명에 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 더욱이, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시형태로 제한되지 않는 것으로 의도된다. 당업자라면 본 명세서에 설명된 대응하는 실시형태와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 향후 개발될 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 본 발명에 따라 이용할 수 있다는 것을 본 발명의 개시 내용으로부터 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 이러한 공정, 기계, 제조, 물질의 구성, 수단, 방법 또는 단계를 그 범위 내에 포함하도록 의도된다.
더욱이, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시형태로 제한되지 않는 것으로 의도된다.

Claims (31)

  1. 리튬 이온 배터리(LiB)로서,
    31 중량% 내지 85 중량%의 실리콘 활물질을 포함하는 애노드;
    리튬 금속 산화물 활물질을 포함하는 캐소드; 및
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되고, 양이온과 음이온을 포함하는 이온성 액체를 포함하는 전해질
    을 포함하고; 상기 리튬 이온 배터리는 800Wh/L 내지 900Wh/L의 부피 에너지 밀도 및 2.0 내지 4.0 범위의 N:P 비율을 갖도록 구성되고, 상기 N:P 비율은 상기 애노드 대 상기 캐소드의 면적 용량 비율을 나타내는, 리튬 이온 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 N:P 비율은 2.8 내지 4.0 범위인, 리튬 이온 배터리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 N:P 비율은 3.2 내지 4.0 범위인, 리튬 이온 배터리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 애노드의 실리콘 활물질은 상기 애노드 상의 실리콘의 팽창을 완화시키도록 구성된 실리콘 나노와이어를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  5. 제4항에 있어서, 상기 실리콘 나노와이어는 100nm 내지 1000nm 범위의 평균 직경을 갖는, 리튬 이온 배터리.
  6. 제4항에 있어서, 상기 실리콘 나노와이어의 실리콘 기반 재료는 주석, 게르마늄, 철, 알루미늄, 마그네슘 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 도펀트를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  7. 제1항에 있어서, 상기 애노드의 실리콘 활물질은 0.1 내지 4 범위의 실리콘 대 탄소 중량비를 갖는 탄소로 캡슐화된 실리콘을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  8. 제7항에 있어서, 상기 탄소로 캡슐화된 실리콘은 0.5㎛ 내지 10㎛의 평균 직경을 갖는, 리튬 이온 배터리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 애노드의 실리콘 활물질은 실리콘 및 탄성 중합체를 포함하고, 상기 탄성 중합체는 폴리아크릴산, 카르복시메틸 셀룰로오스 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  10. 제1항에 있어서, 상기 애노드의 실리콘 활물질은 실리콘-그래핀 배합물을 포함하고, 상기 실리콘-그래핀 배합물은 0.5 내지 4 범위의 실리콘 대 그래핀 중량비를 갖는, 리튬 이온 배터리.
  11. 제1항에 있어서, 상기 애노드의 실리콘 활물질은, 상기 실리콘 활물질의 실리콘 상에 코팅되거나 또는 상기 실리콘 활물질의 실리콘과 혼합된 탄소 기반 재료를 포함하고, 상기 탄소 기반 재료는 흑연, 그래핀 또는 기타 탄소 기반 재료를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  12. 제11항에 있어서, 상기 실리콘 활물질의 실리콘을 코팅하는 상기 탄소 기반 재료는 10㎛ 내지 30㎛ 범위의 두께를 갖는, 리튬 이온 배터리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 애노드의 실리콘 활물질은 주석, 안티몬, 게르마늄 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 2차 재료와 혼합되고,
    상기 2차 재료는 100:1 내지 1:100 범위의 실리콘 대 2차 재료의 중량비로 상기 실리콘 활물질의 실리콘과 혼합되는, 리튬 이온 배터리.
  14. 제1항에 있어서, 상기 애노드는 3400mAh/g 내지 4200mAh/g의 단위 부피당 용량을 갖도록 구성된, 리튬 이온 배터리.
  15. 제1항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물 활물질은 니켈을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  16. 리튬 이온 배터리(LiB)로서,
    31 중량% 내지 85 중량%의 실리콘 활물질을 포함하는 애노드;
    리튬 금속 산화물 활물질을 포함하는 캐소드로서; 상기 리튬 금속 산화물 활물질은 니켈을 포함하고, 상기 리튬 금속 산화물 활물질은 LiaNixAyBzO2의 화학식을 갖고, a ≥ 1, x ≥ 0.5, y + z = 1 - x이고, A는 Mn, Co, Ni, Al 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중에서 선택되고, B는 Co, Mn, Ni, Al 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택되는, 캐소드; 및
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되고, 불연성이고 이온성 액체를 포함하는 전해질
    을 포함하고; 상기 리튬 이온 배터리는 800Wh/L 내지 900Wh/L의 부피 에너지 밀도를 갖도록 구성된, 리튬 이온 배터리.
  17. 제16항에 있어서, x:y:z의 비율은 6:2:2, 8:1:1 및 9:0.5:0.5로 이루어진 군 중에서 선택되는, 리튬 이온 배터리.
  18. 리튬 이온 배터리(LiB)로서,
    31 중량% 내지 85 중량%의 실리콘 활물질을 포함하는 애노드;
    리튬 금속 산화물 활물질을 포함하는 캐소드로서; 상기 캐소드의 리튬 금속 산화물 활물질은 코어-셸 구배 구조의 외부 셸로부터 코어로 가면서 증가하는 Ni의 농도를 갖는 코어-셸 구배 구조인, 캐소드; 및
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되고, 불연성이고 이온성 액체를 포함하는 전해질
    을 포함하고; 상기 리튬 이온 배터리는 800Wh/L 내지 900Wh/L의 부피 에너지 밀도를 갖도록 구성된, 리튬 이온 배터리.
  19. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 불연성 이온성 액체를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  20. 제19항에 있어서, 상기 양이온은 이미다졸륨, 피리디늄, 피롤리디늄 또는 이들의 임의의 조합을 포함하고, 상기 음이온은 브롬화물, 염화물, 요오드화물, 인산염, BF4 -, PF6 -, TFSI-, FSI- 또는 이들의 조합을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  21. 제1항에 있어서, 상기 리튬 이온 배터리는 250Wh/kg 내지 450Wh/kg 범위의 중량 에너지 밀도를 추가로 갖는, 리튬 이온 배터리.
  22. 제21항에 있어서, 상기 중량 에너지 밀도는 440Wh/kg 내지 450Wh/kg 범위인, 리튬 이온 배터리.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 이온 배터리는 원통형 형태, 각기둥 형태 또는 파우치 형태이고;
    상기 리튬 이온 배터리는 21700 원통형 셀 형식에서 6Ah 용량을 갖도록 구성되고; 또는
    상기 리튬 이온 배터리는 전동 공구에 전력을 공급하도록 구성된, 리튬 이온 배터리.
  24. 제23항에 있어서, 상기 6Ah 용량의 21700 셀 형식의 리튬 이온 배터리는 약 30A의 연속 방전 속도 능력 및 2초 동안 100A의 펄스 전력 능력을 갖도록 구성된, 리튬 이온 배터리.
  25. 제1항에 있어서, 상기 애노드의 실리콘 활물질은 실리콘 나노와이어, 탄소로 캡슐화된 실리콘, 실리콘-그래핀 배합물, 및 상기 애노드 상의 실리콘의 팽창을 완화시키도록 구성된 실리콘 및 탄성 중합체 혼합물을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 활물질은 내부 공동 부분을 포함하도록 형성된 실리콘 기반 재료를 포함하고, 상기 내부 공동 부분은,
    상기 리튬 이온 배터리가 방전 상태일 때 상기 내부 공동 부분이 제1 볼륨을 갖고, 상기 내부 공동 부분을 둘러싸는 실리콘 기반 재료는 제1 직경을 갖고;
    상기 리튬 이온 배터리가 충전 상태일 때 상기 내부 공동 부분이 제2 볼륨을 갖고, 상기 내부 공동 부분을 둘러싸는 실리콘 기반 재료는 제2 직경을 갖고;
    상기 제1 볼륨은 상기 제2 볼륨보다 크고;
    상기 제1 직경과 상기 제2 직경은 실질적으로 같도록
    상기 실리콘 기반 재료로 둘러싸인, 리튬 이온 배터리.
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