KR20140070446A - 전기 화학 셀의 가요성 전극 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 섬유질 활성 전극 재료를 포함하는 전기 화학 셀의 전극에 관한 것이며, 상기 섬유질 활성 전극 재료의 섬유들 (34) 은 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 구조 (32) 를 형성하도록 배열된다. 또한 본 발명은 개별적인 전기 화학 셀 및 그러한 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

전기 화학 셀의 가요성 전극{FLEXIBLE ELECTRODE OF AN ELECTROCHEMICAL CELL}
본 발명은 전기 화학 셀들 분야에 관한 것이고, 구체적으로 전기 화학 셀들의 전극들에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 기계적 가요성 및 저장 용량의 정도가 큰 것을 특징으로 하는 필름형 배터리들 및 전기 화학 셀들용 전극들을 제조하는 방법에 관한 것이다.
다수의 다른 배터리 타입들 중, 소위 필름형 배터리들이 존재한다. 그러한 배터리들은 전체 배터리 두께를 1 mm 또는 그 이하의 범위가 되도록 허용하는 나노미터들 또는 마이크로미터들의 범위의 두께를 갖는 얇은 재료들로 구성된다. 그로 인해 배터리들은 작은 치수들을 가질 수 있고, 따라서 다양한 범위의 다른 적용예들에 적용될 수 있다. 일반적으로, 그러한 배터리들 또는 전기 화학 셀들은 어떤 임의의 형상으로 형성될 수 있다. 배터리들 또는 전기 화학 셀들은 병렬로 적층되어 사용될 수 있고 일반적으로 비교적 큰 에너지 밀도를 제공할 수 있다.
또한 얇은 전기 화학 셀들은 특정한 기계적 가요성을 제공할 수 있다. 따라서, 얇은 전기 화학 셀들은 일반적으로 어느 정도로 굽힘 가능하고 탄성적으로 변형 가능하다. 이러한 특성은 스마트 카드들과 같은 기계적 응력을 받기 쉬운 신용 카드형 휴대용 제품들에 대해 제일 중요하다.
전기 화학 셀들은 일반적으로 애노드, 애노드 전류 집전체, 캐소드, 캐소드 전류 집전체, 애노드와 캐소드 사이로 연장되는 세퍼레이터 및 전해질을 포함한다. 또한 바람직한 기계적 가요성을 제공하도록, 애노드 및 캐소드 전류 집전체들 뿐만 아니라 애노드와 캐소드 전류 집전체들 사이에 협지된 전극들은 상응하는 가요성 특성들을 제공해야만 한다.
리튬 이온 배터리들과 같은 보조 배터리들은 전극들과 접촉하는 전류 집전체들을 일반적으로 포함한다. 전극들 중 하나, 일반적으로 캐소드는 분말 형태로 또는 나노 입자들의 응집체들의 형태로 제공되는 LiCoO2 또는 LiFePO4와 같은 전기 활성 재료를 포함한다. 부가적으로, 그러한 전극들의 복합체 재료는 일반적으로 전극의 도전성을 최적화하고 개선하기 위해 그래파이트 입자들 또는 카본 블랙의 형태의 전도성 부가제도 포함한다.
부가적으로, 결합제는 전극 복합체 컴포넌트들을 기계적으로 안정된 구조로 함께 유지하기 위해 제공된다. 일반적으로, PVDF 또는 CMC와 같은 폴리머 결합제들은 실질적으로 전기적으로 절연성이며 따라서 전극의 도전성을 악화시킬 수 있다.
또한, 종래의 전극들은 굽힘에 보다 영향을 받기 쉽고 민감하다. 대부분의 상업적으로 입수 가능한 전극들은 복수회들 굽혀질 때 전기적 성능을 급격하게 저하시키는 전극들 표면 상에서의 적어도 균열들 또는 크랙들과 같은 열화를 보여준다. 종래 전극들의 또 다른 공통된 열화의 진로는 전기적 성능을 점진으로 저하시키는 분말 재료의 마멸이다.
따라서 본 발명의 목적은 반복된 굽힘 또는 접철 동작들에 덜 영향을 받고 덜 민감한 전기 화학 셀 및 개별적인 전기 화학 셀을 위한 개선된 전극을 제공하는 것이다. 또 다른 목적에서, 본 발명은 증가된 체적 에너지 밀도를 갖는 개선된 전기 화학 셀을 제공해야 한다. 또한, 전기 화학 셀의 내부 구조는 보다 간단하고, 컴팩트해야 하며, 그 생산은 채산성이 있어야 한다.
제 1 양태에서, 본 발명은 전기 화학 셀의 전극에 관한 것이다. 전극은 섬유질 전기 활성 재료를 포함한다. 따라서, 전극(캐소드 및/또는 애노드)의 전기 활성 재료는 섬유질 형태로 제공된다. 따라서 섬유질 전기 활성 재료로서도 대표되는 섬유질 활성 전극 재료는 양으로 대전된 이온들 및 전자를 전도하고 양으로 대전된 이온들 및 전자와 반응하거나 또는 양으로 대전된 이온들 및 전자들과 적어도 상호 작용하도록 기능할 수 있다. 또한, 전기 활성 재료를 형성하는 섬유들은 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 구조를 형성하도록 배열된다.
부직포와 유사한 방법으로 섬유질 활성 전극 재료를 배열함으로써, 전극의 기계적으로 안정된 자체 지지 구조가 어떠한 결합제 없이 달성될 수 있다. 따라서, 전극의 전반적인 도전성은 결합제 컴포넌트에 의해 더 이상 악화되지 않는다. 따라서, 도전성 부가제들의 사용은 요구되지 않는다. 또한, 전극은 하나의 타입의 섬유질 활성 전극 재료를 포함할 뿐만 아니라 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 구조를 형성하도록 배열된 몇몇 다른 섬유질 활성 전극 재료들을 포함할 수 있다. 이러한 방법으로, 어떠한 추가의 부가제들 없이 오로지 섬유질 활성 전극 재료만을 포함하는 전극이 얻어질 수 있다. 그럼에도 불구하고 도전성 부가제들은 낮은 도전성을 갖는 섬유질 재료의 경우에 유용할 수 있다.
섬유질 활성 전극 재료의 사용은 특히 얇은 또는 선조 세공 배열에 관해 유리할 뿐만 아니라 모든 전극에 바람직한 탄성 및 가요성을 제공할 수도 있다. 섬유질 활성 전극 재료의 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 구조는 비교적 작은 굽힘 반경에서일지라도 전극의 굽힘 및 구부러짐에 대해 내마모성을 부여한다. 또한 섬유질 부직포 전극들은 입자형 재료들보다 마멸에 대해 보다 영향을 덜 받는다.
바람직한 실시형태에서, 활성 전극 재료의 섬유들은 2 ㎛ 내지 200 ㎛ 의 범위 내의, 바람직하게 5 ㎛ 내지 100 ㎛ 의 범위 내의, 그리고 보다 바람직한 실시형태에서 10 ㎛ 내에 50 ㎛ 의 범위 내의 평균 섬유 길이를 포함한다.
추가의 실시형태에서, 활성 전극 재료의 섬유들은 10 nm 와 400 nm 사이의 범위, 바람직하게 50 nm 와 250 nm 사이의 범위, 그리고 보다 바람직하게 100 nm 와 200 nm 사이의 범위를 갖는 평균 섬유 직경을 포함한다.
주어진 평균 섬유 길이 및 평균 섬유 직경을 갖는다면, 활성 전극 재료의 섬유들은 결합제의 사용 없이도 기계적으로 안정된 자체 지지 구조를 형성하도록 기계적으로 맞물림하거나 또는 얽어 짤 수 있다.
추가의 바람직한 실시형태에서, 평균 종횡비, 따라서 섬유들의 길이와 섬유들의 직경의 평균비는 20 와 1000 사이의 범위, 바람직하게 50 과 200 사이의 범위 그리고 보다 바람직하게 100 과 150 사이의 범위를 갖는다.
실험들에서는 50 또는 150 사이의 범위를 갖는 평균 종횡비와 함께 10 ㎛ 와 50 ㎛ 의 범위를 갖는 평균 섬유 길이들 및 100 nm 또는 200 nm 보다 작은 평균 섬유 직경들은 섬유들이 부직포 또는 펠트와 유사한 방법으로 실질적으로 등방성으로 배열될 때 기계적으로 안정된 자체 지지 구조를 제공한다는 것이 판명되었다. 활성 전극 재료의 섬유들의 탄성 특성들 뿐만 아니라 기계적 상호 작용 및 마찰 특성은 굽힘 가능하고 가요성일 뿐만 아니라 기계적으로 안정되고 견고한 전극 구조를 제공한다.
추가의 바람직한 실시형태에서는, 전극의 조성은 100 중량%의 섬유질 활성 재료를 포함하지만, 적어도 충전제 재료와 함께 50 중량%의 섬유질 활성 재료를 포함할 수 있다. 충전제 재료는 그 적용예에 따라 전극의 효율을 향상시키기 위해 요구되는 도전성 재료일 수 있다. 예를 들면, 섬유질 활성 재료가 바나듐 오산화물이고 요구되는 전력이 대략 1 mW라면, 충전제 재료는 대략 5 중량% 내지 20 중량% 범위의 탄소일 수 있다. 충전제는 다른 전기 활성 재료들을 바람직하게 분말 형태로 포함할 수 있다. 이러한 관점에서, 충전제 재료들의 분말 입자들의 크기는 섬유질 활성 재료로 갭들을 충전함으로써 본 발명의 전극을 포함하는 전기 화학 셀의 성능을 개선시키도록 선택된다.
실제적으로, 전극의 조성은 적어도 하나의 섬유질 활성 전극 재료 또는 몇몇 섬유질 활성 전극 재료들의 혼합물로 실질적으로 구성될 수도 있다. 섬유질 활성 전극 재료는 비교적 낮은 전기 저항성을 본질적으로 포함하므로, 어떠한 도전성 부가제 또는 결합제도 상기 전극을 형성하는 데 요구되지 않는다.
추가의 바람직한 실시형태에서, 전극은 1 ㎛ 와 150 ㎛ 사이의 두께를 갖는 얇은 필름 또는 시트형 구조를 포함한다. 대안적으로, 전극의 두께는 10 ㎛ 와 80 ㎛ 사이의 범위 또는 20 ㎛ 와 60 ㎛ 사이의 범위를 가질 수 있다. 비교해보면 전극의 필름 또는 시트형 구조는 개별적인 전기 화학 셀의 전극 및 상응하는 것의 보다 컴팩트한 구성을 가능하게 한다. 또한, 필름 또는 시트형 구조는 내부의 기계적 인장이 낮거나 또는 적당한 레벨로 유지될 수 있으므로 굽힘 또는 구부러짐에 관해 일반적으로 유리하다.
또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 전극의 조성은 실질적으로 결합제를 포함하지 않는다. 자체 지지 구조의 기계적 안정성은 오로지 섬유질 활성 전극 재료의 부직포 또는 펠트형 배열에 의해서만 제공될 수 있으므로, 종래의 전극 복합체들에 대해 요구되는 바와 같은 결합제는 더 이상 필요하지 않게 된다.
추가의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 전극은 캐소드를 형성하거나 또는 포함하고, 섬유질 활성 전극 재료로서 바나듐 산화물 및/또는 몰리브덴 산화물 및/또는 또 다른 전이 금속 산화물 또는 그 혼합물 포함한다. 바람직하게, 섬유질 활성 전극 재료는 H2V3O8 또는 고이온성 및 전자 전도성을 갖는 상당하는 바나듐 산화물들을 포함할 수 있다. 구체적으로 H2V3O8는 100 nm 와 200 nm 사이의 평균 직경 및 10 ㎛ 이상의 평균 섬유 길이를 갖는 미세 섬유들의 형태로 얻어질 수 있다. 처음의 실험들에서는 H2V3O8 미세 섬유들이 전기 화학 셀에 대해 가요성 캐소드로서 역할하는 부직포 또는 펠트형의 등방성 자체 지지 구조를 형성하는 데 적절하다는 것이 이미 판명되었다. 특히 보조 Li-이온 배터리의 경우에, 리튬화된 재료는 일반적인 화학식 H2 - xLiyV3O8으로 사용될 수도 있고, 여기서 x, y는 0≤x≤2 및 0≤y≤1이다.
대안적으로, 전극은 애노드를 형성하거나 포함할 수 있고, 섬유질 활성 전극 재료로서 카본-기반, 금속-기반 및/또는 티타늄 산화물-기반 섬유 또는 튜브들을 가질 수 있다. 여기서, 카본-기반 섬유질 활성 전극 재료는 카본 나노 튜브들을 포함하거나 또는 카본 나노 튜브들로 구성될 수 있다. 금속 기반 섬유는 예를 들면 리튬 또는 Li-이온 배터리 적용예의 경우에서 충전 중 리튬과 합금을 형성할 수 있는 또 다른 금속일 수 있다.
추가의 바람직한 실시형태에서, 전극은 20 mm, 15 mm 보다 작거나 또는 20 mm, 15 mm와 동등하거나 또는 10 mm보다 더 작거나 또는 10 mm와 동등한 굽힘 반경에 대해 실질적으로 꼬임없이 굽힘 가능하다. 그러한 비교적 작은 굽힘 반경은 특히 섬유질 활성 전극 재료의 부직포 구조에 의해 달성 가능하다.
추가의 또 다른 양태에 따르면, 애노드 전류 집전체와 접촉하는 애노드 및 캐소드 전류 집전체와 접촉하는 캐소드를 추가로 포함하는 전기 화학 셀도 제공된다. 또한, 전기 화학 셀은 애노드와 캐소드 사이에 협지되고 배치된 세퍼레이터를 포함한다. 또한, 애노드는 세퍼레이터와 애노드 전류 집전체 사이에 배치되고, 캐소드는 세퍼레이터와 캐소드 전류 집전체 사이에 배치된다. 상기 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나는 적어도 섬유질 활성 전극 재료를 포함하는 상기 설명된 바와 같은 전극을 포함하거나 적어도 섬유질 활성 전극 재료를 포함하는 전극으로서 구성되고, 상기 재료의 섬유들은 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 구조를 형성하도록 배열된다.
섬유질 활성 전극 재료로 만들어진 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 구조의 적어도 하나 또는 두개의 전극을 갖는 전기 화학 셀을 제공함으로써, 전기 화학 셀의 전반적인 가요성이 개선될 수 있다. 부가적으로, 전기 화학 셀의 기하학적 형상의 크기 및 전반적인 치수들은 감소될 수 있고 전극들의 전기 또는 전기 화학 특성들이 개선될 수 있다.
추가의 실시형태에서, 전기 화학 셀은 주 또는 보조 배터리로서 구성된다. 전기 화학 셀은 특히 다양한 적용 용도들을 위해 구성될 수 있다. 구체적으로, 전기 화학 셀은 타임 피스 또는 시계 내에서, 스마트 카드 또는 휴대폰 내에서 적용될 수 있다.
또 다른 독자적인 양태에 따르면, 상기 설명된 바와 같은 전극을 만드는 방법도 제공된다. 상기 방법은 물과 같은 액체 중에 섬유질 활성 전극 재료를 분산하는 단계, 섬유질 활성 전극 재료의 적어도 하나의 층을 형성하는 단계, 액체로부터 형성된 층을 분리하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 전기 화학 셀의 전극을 형성하도록 섬유질 재료가 활성 전극 재료인 것을 제외하고는 일반적으로 종이를 제조하는 방법에 상당할 수 있다.
섬유질 활성 전극 재료의 적어도 하나의 층은 필터 기판에 의해 형성될 수 있다. 적어도 하나의 층을 형성하기 위해, 필터 기판은 필터 기판 상에 섬유질 활성 전극 재료의 층을 축적하도록 액체 및 섬유질 활성 전극 재료의 분산물 내에 적어도 부분적으로 침지될 수 있다. 그 후, 필터 기판은 축적된 섬유질들 및 액체를 분리하도록 분산물 밖으로 들어 올려질 수 있다. 또한 액체는 압력의 차이에 의해 필터를 통해 빠져 나갈 수 있다. 대안적으로, 분산물은 필터 기판의 전역에 걸쳐 살포될 수 있다. 필터 기판은 일반적으로 액체를 배출하도록 허용하는 데 적절한 크기의 미세 공극들을 포함한다. 섬유 층의 두께를 변화시키고 제어하기 위해, 이러한 단계들은 복수 회들 반복될 수 있다.
대안적인 실시형태에 따르면, 층은 비접착 지지 기판 또는 비점착 지지 기판 상에 형성될 수 있다. 지지 기판의 전역에 걸쳐 제공되고 살포된 분산물은 액체가 증발되도록 열에너지에 노출될 수 있다. 그 후 섬유질 활성 전극 재료의 남아있는 부직포 또는 펠트형의 구조는 지지 기판으로부터 이형되거나 또는 착탈될 수 있다. 일반적으로, 지지 기판은 예를 들면 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE) 으로 만들어진 비점착 표면을 포함할 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시형태가 도면들을 참조함으로써 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 전기 화학 셀을 개략적으로 예시한다.
도 2 는 단면도로 도 1 에 따른 전기 화학 셀을 개략적으로 도시한다.
도 3 은 부직포 섬유-기반 전극 조직의 현미경 예시를 도시한다.
도 1 및 도 2 에 예시된 바와 같은 전기 화학 셀 (10) 은 캐소드 (22) 와 접촉하는 실질적으로 평면 형상의 캐소드 전류 집전체 (18) 를 포함한다. 캐소드 전류 집전체 (18) 에 대향하여, 캐소드 (22) 는 애노드 (20) 로부터 캐소드 (22) 를 분리하도록 세퍼레이터 (24) 와 연결된다. 따라서, 캐소드 (22) 및 애노드 (20) 는 그 사이에 세퍼레이터 (24) 를 협지한다. 애노드 (20) 는 도 2 에 예시된 바와 같이 애노드 전류 집전체 (16) 와 추가로 접촉한다. 전기 화학 셀은 애노드 (20), 캐소드 (22) 및 세퍼레이터 (24) 의 공극들을 충전하는 전해질을 추가로 포함하고, 그 구조는 이후에 본원에서 설명될 것이다. 전해질은 예를 들면 에틸렌 카보네이트 및 리튬 헥사플로라이드의 혼합물로 형성될 수 있다. 일반적으로 세퍼레이터 (24) 는 다공성 폴리프로필렌으로 제조될 수 있다.
전기 화학 셀은 애노드 전류 집전체 (16), 애노드 (20), 세퍼레이터 (24), 캐소드 (22) 및 캐소드 전류 집전체 (18) 의 협지된 어셈블리를 수용하는 캡슐형 하우징 (26) 을 추가로 포함한다. 도 1 에 따른 예시로부터 명백해지는 바와 같이, 캐소드 전류 집전체 (18) 는 커넥터 탭 (14) 과 전기적으로 연결된다. 도 2 에 추가로 도시된 바와 같이, 에노드 전류 집전체 (16) 는 커넥터 탭 (12) 과 전기적으로 연결된다. 커넥터 탭들 (12, 14) 은 폴리머 슬리브들 (28, 30) 에 의해 캡슐형 하우징 (26) 을 통해 각각 연장된다.
전극들 중 적어도 하나, 애노드 (20) 및/또는 캐소드 (22) 는 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 구조 내에 배열되거나 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 구조를 형성하는 섬유질 활성 전극 재료를 포함한다. 그 결과, 전극은 20 mm보다 작거나, 15 mm보다 작거나 또는 10 mm보다 더 작거나 또는 10 mm와 동등한 굽힘 반경으로써 굽혀질 때도 굽힘 또는 구부러짐에 대해 상당한 내마모성을 갖는다. 실험들에서는, 그러한 전극들 (20, 22) 은 그 시각적 외관, 전기 전도성 특성 또는 탄성 특성들에 대해 실질적인 마모 또는 열화를 나타내지 않고 적어도 500 회들, 1000 회들, 5000 회들 또는 그 이상의 정도로 굽혀지고 굴곡될 수 있다는 것이 판명되었다.
바람직한 실시형태에서, 구체적으로 전극은 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 섬유질 활성 전극 재료를 포함하거나 또는 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 섬유질 활성 전극 재료로 구성된 캐소드 (22) 이다. 바람직하게, 전극 재료는 H2V3O8과 같은 바나듐 산화물, 또는 일반적으로 화학식 H2 - xLiyV3O8을 갖는 유사한 리튬화된 화합물들을 포함하거나 또는 H2V3O8과 같은 바나튬 산화물, 또는 일반적으로 화학식 H2-xLiyV3O8을 갖는 유사한 리튬화된 화합물들로 구성되고, 여기서 x, y는 0≤x≤2 및 0≤y≤1이다.
도 3 에서는, 그러한 캐소드의 전자 현미경 사진이 제공된다. 인식될 수 있는 바와 같이, 자체 지지형 부직포 구조 (32) 는 일반적으로 10 ㎛ 이상의 평균 섬유 길이 및 100 nm 와 200 nm 사이의 평균 섬유 직경을 나타내는 섬유들 (34) 의 보다 불규칙하고 등방성의 배열만으로 형성된다. 따라서, 섬유들의 평균 종횡비는 50 보다 크거나 또는 50 과 동등하거나 또는 100 보다 휠씬 크거나 100 과 동등하다.
10: 전기 화학 셀
12: 커넥터 탭
14: 커넥터 탭
16: 애노드 전류 집전체
18: 캐소드 전류 집전체
20: 애노드
22: 캐소드
24: 세퍼레이터
26: 하우징
28: 슬리브
30: 슬리브
32: 부직포 구조
34: 섬유

Claims (24)

  1. 적어도 섬유질 활성 전극 재료를 포함하는 전기 화학 셀의 전극으로서,
    상기 섬유질 활성 전극 재료의 섬유들 (34) 은 부직포 또는 펠트형의 자체 지지 구조　(32) 를 형성하도록 배열되는, 전기 화학 셀의 전극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유질 활성 전극 재료의 상기 섬유들 (34) 은 2 ㎛ 내지 200 ㎛ 의 범위의 평균 섬유 길이를 포함하는, 전기 화학 셀의 전극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유질 활성 전극 재료의 상기 섬유들 (34) 은 5 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위의 평균 섬유 길이를 포함하는, 전기 화학 셀의 전극.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유질 활성 전극 재료의 상기 섬유들 (34) 은 10 ㎛ 내지 50 ㎛의 범위 내의 평균 섬유 길이를 포함하는, 전기 화학 셀의 전극.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유질 활성 전극 재료의 상기 섬유들은 10 nm 와 400 nm 사이의 범위를 갖는 평균 섬유 직경을 포함하는, 전기 화학 셀의 전극.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유질 활성 전극 재료의 상기 섬유들은 50 nm 와 250 nm 사이의 범위를 갖는 평균 섬유 직경을 포함하는, 전기 화학 셀의 전극.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유질 활성 전극 재료의 상기 섬유들은 100 nm 와 200 nm 사이의 범위를 갖는 평균 섬유 직경을 포함하는, 전기 화학 셀의 전극.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유들의 길이와 상기 섬유들의 직경의 평균 종횡비는 20 과 1000 사이의 범위를 갖는, 전기 화학 셀의 전극.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유들의 길이와 섬유들의 직경의 평균 종횡비는 50 과 200 사이의 범위를 갖는, 전기 화학 셀의 전극.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유들의 길이 및 상기 섬유들의 직경의 상기 평균 종횡비는 100 과 150 사이의 범위를 갖는, 전기 화학 셀의 전극.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극의 조성은 적어도 50 중량%의 상기 섬유질 활성 전극 재료를 포함하고 나머지는 충전제 재료인, 전기 화학 셀의 전극.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 충전제 재료는 카본 나노 튜브들을 포함하는, 전기 화학 셀의 전극.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극의 조성은 100 중량%의 상기 섬유질 활성 전극 재료를 포함하는, 전기 화학 셀의 전극.
  14. 제 1 항에 있어서,
    1 ㎛ 와 150 ㎛ 사이의 두께, 또는 10 ㎛ 와 80 ㎛ 사이의 두께, 또는 20 ㎛ 와 60 ㎛ 사이의 두께를 갖는 필름 또는 시트형 구조를 포함하는, 전기 화학 셀의 전극.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극의 조성은 실질적으로 결합제를 포함하지 않는, 전기 화학 셀의 전극.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 캐소드이고, 상기 섬유질 활성 전극 재료는 전이 금속 산화물 중에서 선택되는, 전기 화학 셀의 전극.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 섬유질 활성 전극 재료는 바나듐 산화물 및/또는 몰리브덴 산화물인, 전기 화학 셀의 전극.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 애노드이며, 상기 섬유질 활성 전극 재료는 카본-기반, 금속-기반 및/또는 타타늄 산화물-기반 섬유 또는 튜브들인, 전기 화학 셀의 전극.
  19. 제 1 항에 있어서,
    20 mm, 15 mm 또는 10 mm 보다 작거나 또는 20 mm, 15 mm 또는 10 mm 과 동등한 굽힘 반경까지 실질적으로 꼬임 없이 굽힘 가능한, 전기 화학 셀의 전극.
  20. 애노드 전류 집전체 (16) 와 접촉하는 애노드 (20),
    캐소드 전류 집전체 (18) 와 접촉하는 캐소드 (22),
    상기 애노드 (20) 와 상기 캐소드 (22) 사이에 배치된 세퍼레이터 (24) 를 포함하는 전기 화학 셀로서,
    상기 애노드 (20) 는 상기 세퍼레이터 (24) 와 상기 애노드 전류 집전체 (16) 사이에 배치되고, 상기 캐소드 (22) 는 상기 세퍼레이터 (24) 와 상기 캐소드 전류 집전체 (18) 사이에 배치되고,
    상기 애노드 (20) 및 상기 캐소드 (22) 중 적어도 하나는 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 기재된 전극을 포함하는, 전기 화학 셀.
  21. 제 20 항에 있어서,
    주 배터리와 보조 배터리로서 구성되는, 전기 화학 셀.
  22. 제 1 항에 기재된 전극을 제조하는 방법으로서,
    액체 중에 섬유질 활성 전극 재료를 분산하는 단계,
    상기 섬유질 활성 전극 재료의 적어도 하나의 층을 형성하는 단계 및
    상기 액체로부터 상기 층을 분리하는 단계를 포함하는, 전극을 제조하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 층은 다공성 필터 기판 상에 형성되는, 전극을 제조하는 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 층은 비접착 지지 기판 상에 형성되고, 상기 액체는 증발되는, 전극을 제조하는 방법.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015222912A (ja) 2014-05-23 2015-12-10 三菱電機株式会社 リニアライザ
US11411261B2 (en) 2017-03-22 2022-08-09 GM Global Technology Operations LLC Self-heating battery
CN107611341B (zh) * 2017-08-31 2020-06-09 柔电（武汉）科技有限公司 一种具有涂覆层的柔性电极片及其制备方法
JP7181752B2 (ja) * 2018-10-10 2022-12-01 三洋化成工業株式会社 リチウムイオン電池及びその製造方法
DE102018131775A1 (de) * 2018-12-11 2020-06-18 Osram Opto Semiconductors Gmbh Elektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4980250A (en) * 1986-05-13 1990-12-25 Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc. Secondary battery
JP3216311B2 (ja) * 1993-03-26 2001-10-09 松下電器産業株式会社 リチウム電池
US5766789A (en) * 1995-09-29 1998-06-16 Energetics Systems Corporation Electrical energy devices
JP3958781B2 (ja) * 2005-07-04 2007-08-15 昭和電工株式会社 リチウム二次電池用負極、負極組成物の製造方法、及びリチウム二次電池
GB0601319D0 (en) * 2006-01-23 2006-03-01 Imp Innovations Ltd A method of fabricating pillars composed of silicon-based material
KR100868290B1 (ko) * 2007-05-04 2008-11-12 한국과학기술연구원 나노파이버 네트워크 구조의 음극 활물질을 구비한이차전지용 음극 및 이를 이용한 이차전지와, 이차전지용음극 활물질의 제조방법
CN101409337B (zh) * 2007-10-10 2011-07-27 清华大学 锂离子电池负极,其制备方法和应用该负极的锂离子电池
US9564629B2 (en) * 2008-01-02 2017-02-07 Nanotek Instruments, Inc. Hybrid nano-filament anode compositions for lithium ion batteries
EP2472656A3 (en) * 2008-08-15 2013-02-20 Massachusetts Institute of Technology Layer-by-layer assemblies of carbon-based nanostructures and their applications in energy storage and generation devices
JP5283138B2 (ja) * 2009-02-04 2013-09-04 独立行政法人産業技術総合研究所 リチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法、リチウム二次電池用ファイバー負極及びその製造方法、並びにファイバー電極を備えたリチウム二次電池
US8450012B2 (en) * 2009-05-27 2013-05-28 Amprius, Inc. Interconnected hollow nanostructures containing high capacity active materials for use in rechargeable batteries
US20110070495A1 (en) * 2009-09-23 2011-03-24 Alliance For Sustainable Energy, Llc Method of fabricating electrodes including high-capacity, binder-free anodes for lithium-ion batteries
US9196426B2 (en) * 2009-12-14 2015-11-24 California Institute Of Technology Electrodes incorporating nanostructured polymer films for electrochemical ion storage
FR2973949B1 (fr) * 2011-04-06 2013-10-11 Electricite De France Precurseur d'accumulateur lithium-ion a electrode sacrificielle de lithium et electrode textile negative a conversion
US8765302B2 (en) * 2011-06-17 2014-07-01 Nanotek Instruments, Inc. Graphene-enabled vanadium oxide cathode and lithium cells containing same
US8974960B2 (en) * 2011-12-22 2015-03-10 Board Of Regents, The University Of Texas System Binder-free sulfur—carbon nanotube composite cathodes for rechargeable lithium—sulfur batteries and methods of making the same

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