KR20150135355A - 절첩된 전극을 포함하는 전기화학 전지, 그의 구성요소, 전기화학 전지를 포함하는 배터리, 및 이들의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

분리막 및 전극 활성 물질을 포함하는 통합된 전극 구조체를 포함하는 전기화학 전지, 그의 구성요소, 전기화학 전지를 포함하는 배터리, 및 구성요소, 전기화학 전지 및 배터리의 제조 방법이 개시되어 있다. 통합된 전극 구조체는 분리막 및 하나 이상의 전극 활성 물질을 포함한다.

Description

절첩된 전극을 포함하는 전기화학 전지, 그의 구성요소, 전기화학 전지를 포함하는 배터리, 및 이들의 제조 방법{ELECTROCHEMICAL CELL INCLUDING A FOLDED ELECTRODE, COMPONENTS THEREOF, BATTERY INCLUDING THE ELECTROCHEMICAL CELL, AND METHOD OF FORMING SAME}
본 발명은 일반적으로 전기화학 전지 및 전지를 포함하는 배터리에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 하나 이상의 절첩된 전극을 포함하는 전기화학 전지, 전기화학 전지 구성요소, 전기화학 전지를 포함하는 배터리, 및 전기화학 전지, 구성요소 및 배터리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본원은 2013년 3월 14일자로 출원된 미국 특허원 제 13/831,266 호에 대한 우선권을 주장하며, 이 특허원을 본원과 충돌하지 않는 한도 내에서 본원에 참고로 인용한다.
전형적인 배터리는 전기 에너지를 저장하기 위하여 하나 이상의 전기화학 전지를 포함한다. 각각의 전기화학 전지는 애노드(전지의 방전 동안 음으로 하전되는 전극), 캐쏘드(전지의 방전 동안 양으로 하전되는 전극), 애노드와 캐쏘드 사이의 전해질을 포함하고, 또한 전형적으로 특히 애노드와 캐쏘드가 서로 접촉하지 않도록 하기 위해 애노드와 캐쏘드 사이에 분리막을 포함한다.
전기화학 전지가 저장할 수 있는 전하량은 반응성 물질과 비반응성 물질의 조합인 전기화학 시스템, 및 전기화학 반응에 이용가능한 전극 물질 및/또는 전해질 물질의 양에 관련된다. 일반적으로, 이용가능한 전극 및/또는 전해질 물질의 양이 많을수록 충전 용량이 더 크다. 또한, 더 큰 전극 표면적은 배터리의 내부 저항을 감소시키고 확산 공정을 개선시킬 수 있는데, 이는 비교적 큰 전류에서 배터리의 충전 및 방전을 가능케 하고 전지의 다른 충전 및 방전 특성을 개선한다. 추가적인 전극 표면을 갖는 전기화학 전지를 제공함으로써 전지 성능을 개선하는 기술은 전지의 층을 원통형으로 감아서 감긴 전지를 형성시키는 기술 및 전지의 다수개의 층을 서로 위에 적층시켜 적층된 전지를 형성시키는 기술을 포함한다.
전형적으로는 예컨대 개별적인 층의 연속 롤로부터 애노드, 분리막 및 캐쏘드 층을 서로 인접하게 적층시킨 다음, 층들을 감아서 원통형 구조체를 형성시킴으로써, 감긴 전기화학 전지를 제조한다. 원통형 구조체를 평탄화시켜 편평한 팩 구조체를 형성시키는데, 이는 전지를 포함하는 배터리를 사용하는 장치의 디자인 형태에 더욱 잘 순응할 수 있다. 물질의 연속 롤로부터 감긴 전지를 형성시킬 수 있기 때문에, 감긴 전기화학 전지를 제조하는 것은 비교적 높은 충전 용량 및 다른 목적하는 특성을 갖는 전기화학 전지를 제조하는 비교적 저렴한 방법이다. 그러나, 감긴 전기화학 전지 및 이 전지를 포함하는 배터리는 전지의 충전 및 방전 동안 전지의 일부의 부피 변화에 의해 야기되는 압력 및 힘의 불균일한 분포를 겪게 될 수 있으며; 이는 감긴 전지가 편평한 팩으로 압축될 때 특히 그러하다. 이 압력 변화는 배터리의 성능, 배터리의 안전성 및/또는 배터리의 수명을 감소시킬 수 있다.
각각 애노드, 분리막 및 캐쏘드 층을 포함하는 다수개의 구조체를 수직 적층체로 위치시킴으로써 적층된 전지를 제조한다. 감긴 전지에 비해, 적층된 전지는 제조하기가 비교적 비싼데, 왜냐하면 애노드, 분리막 및 캐쏘드 층의 사전 절단되거나 형성된 시트를 별도로 제조한 다음 하나씩 적층해야 하는데 이는 시간이 많이 걸리는 층의 정밀한 취급 및 정렬을 필요로 하기 때문이다. 또한, 각 층을 정밀하게 위치시키는데 필요한 장치가 비교적 비싸다. 그러나, 이 기술을 이용하여 제조된 전지 및 배터리는 전지의 충전 및 방전 동안 전지의 임의의 부피 변화에 의해 야기되는 비교적 균일한 힘 분포를 나타낸다. 따라서, 이들 전지는 감긴 전지 기술을 이용하여 제조된 유사한 전지에 비해 증가된 성능, 수명 및 안전성을 나타낼 수 있다.
전기화학 전지를 제조하는데 이용되는 다른 기술은 전기화학 전지의 하나 이상의 층의 z-절첩 또는 아코디언 절첩을 이용함을 포함한다. z-절첩 기술을 이용하는 것은 전지의 층을 감는 것에 비해 유리할 수 있는데, 왜냐하면 절첩 기술은 전지 내에서 더욱 균일한 압력 및 힘 분포를 가능케 할 수 있기 때문이다. 그러나, 전지 층을 절첩하는데 필요한 장치 및 시간은 통상 전지 층을 감는 경우보다 더 많다. 절첩 기술은 적층 방법보다 유리할 수 있는데, 왜냐하면 적층된 전지의 모든 층이 사전에 절단되는데 반해 전지 층의 적어도 일부가 물질의 연속 또는 반연속 시트로부터 유래될 수 있기 때문이다. 그러나, 절첩된 층을 포함하는 전지 내에서의 압력 분포가 적층된 전지 내에서만큼 균일할 수는 없다.
섀퍼(Schaefer) 등의 명의로 2012년 8월 16일자로 공개된 미국 특허 공개 제 2012/0208066 A1 호는 전기화학 전지의 전극 적층체를 형성시키는데 이용되는 z-절첩 기술을 개시한다. 개시된 방법은 z-절첩된 분리막 물질의 연속적인 층 및 분리막 물질의 z-절첩된 층 사이에 끼인 캐쏘드 및 애노드 판을 포함한다. 섀퍼 등에 개시된 전기화학 전지가 순수하게 적층된 전기화학 전지에 비해 약간의 이점을 갖기는 하지만, 섀퍼 등의 전지는 여전히 전지의 애노드 및 캐쏘드 판 둘 다의 정밀한 제조 및 정렬을 필요로 한다.
엘지 케미칼, 리미티드(LG CHEM., LTD.)의 명의로 2009년 6월 25일자로 공개된 PCT 공개 WO 2009/078632 A2 호는 복수개의 겹치는 전기화학 전지를 포함하는 배터리를 개시하는데, 여기에서 각각의 전지는 캐쏘드, 애노드 및 분리막을 포함하고, 연속적인 분리막 시트가 겹쳐진 전기화학 전지 사이에 배치된다. 개시된 전지가 분리막 물질의 연속적인 시트에 의해 둘러싸이는 이점을 갖기는 하지만, 이 전지는 여전히 분리막 물질의 연속적인 시트 상에서의 캐쏘드, 분리막 및 애노드 판의 정밀한 제조 및 정렬을 필요로 한다.
가즈히로(Kazuhiro)의 명의로 1997년 1월 17일자로 공개된 일본 특허 공개 제 09017441 A 호는 z-절첩된 애노드 층 및 z-절첩된 캐쏘드 층을 갖는 정사각형 배터리를 개시하며, 여기에서 캐쏘드 층은 분리막 물질의 연속적인 코팅으로 직접 코팅된다. 이 배터리는 또한 극판이 이동하지 않도록 방지하기 위하여 수직 및 수평으로 연장되는 집전기를 포함한다. 집전기는 전극 상에 탭(tab)을 필요로 하지 않는 이점을 갖는 것으로 주장된다. 그러나, 가즈히로에 개시된 집전기는 배터리에 상당한 중량 및 부피를 부가한다. 가즈히로에 개시된 전지는 양극에 대해 음극이 전혀 겹쳐지지 않은 것으로 보이는데, 이는 비교적 안전하지 못한 전지를 생성시킬 수 있다.
전기 화학 전지 내의 다양한 층에 대한 z-절첩 또는 아코디언 절첩 기술이 개발되었으나, 이 기술들은 여전히 부가적인 단계, 다수개의 판의 정렬, 비교적 어려운 제조 단계를 포함하고/하거나 부가적인 부피 및 중량을 전지에 부가한다. 따라서, 개선된 전기화학 전지, 그의 구성요소, 개선된 전기화학 전지를 포함하는 배터리, 및 전지, 구성요소 및 배터리를 제조하는 방법이 요구된다.
본 발명은 일반적으로 전기화학 전지, 그의 구성요소, 전지를 포함하는 배터리, 및 전지 및 배터리를 제조하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본원의 다양한 실시양태는 제 1 전극(예컨대, 애노드 또는 캐쏘드), 제 2 전극(예를 들어, 캐쏘드 또는 애노드), 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 분리막을 포함하는 전기화학 전지로서, 이 때 제 1 전극, 분리막 및 제 2 전극중 둘 이상이 통합된 구조 층을 형성하고, 통합된 구조 층 및 임의적으로는 다른 전극 층이 z-절첩 또는 아코디언 절첩을 포함하는 전기화학 전지; 이러한 전기화학 전지의 구성요소; 전지를 포함하는 배터리; 및 구성요소, 전지 및 배터리를 제조하는 방법에 관한 것이다. 통합된 절첩된 층을 사용하면, 예컨대 연속적이거나 반연속적인 롤, 테이프 또는 웹 형태의 출발 물질을 사용하여 전지를 비교적 용이하고 저렴하게 제조할 수 있으며, 연결된 생산 공정을 뒷받침한다.
예를 들면, 다양한 실시양태에 따른 예시적인 전지는 제 1 방향으로 절첩된 z-절첩된 전극(애노드 또는 캐쏘드)/분리막 구조 층 및 판이거나 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 z-절첩된 제 2 전극 층을 포함한다. 다르게는, 예시적인 전기화학 전지는 절첩된 통합된 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층을 포함할 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 본원의 전기화학 전지 및 배터리는 비교적 용이하고 저렴한 비용의 제조, 높은 에너지 밀도 및 안전성을 비롯하여 종래 기술에 비해 이점을 제공한다.
본원의 다양한 실시양태에 따라, 통합된 전극/분리막 구조 층은 분리막 층, 분리막 층 위에 놓이는 하나 이상의 보호 층 및 하나 이상의 보호 층 위에 놓이는 전극 활성 물질을 포함하며, 이 때 분리막 층, 하나 이상의 보호 층 및 전극 활성 물질은 통합된 구조체를 형성한다. 통합된 전극/분리막 구조 층을 절첩하여 전기화학 전지 내에서 층을 형성할 수 있다. 이들 실시양태의 다양한 양태에 따라, 통합된 전극/분리막 구조 층은 하나 이상의 보호 층과 분리막 층 사이에 끼인 겔 층을 포함한다. 추가적인 양태에 따라, 통합된 전극/분리막 구조 층은 전극 활성 물질 위에 놓이는 집전기 층을 포함한다. 이들 실시양태의 다른 양태에 따라, 전극 활성 물질은 활성 애노드 물질을 포함한다.
본원의 추가적인 실시양태에 따라, 통합된 전극/분리막 층의 제조 방법은 분리막 층을 제공하는 단계; 임의적으로 분리막 층 위에 겔 층을 형성하는 단계; 분리막 층 위에 하나 이상의 보호 층을 형성시키는 단계; 및 하나 이상의 보호 층 위에 전극 활성 물질을 침착시키는 단계를 포함한다. 예를 들어, 롤 대 롤 코팅, 슬롯 및 나이프 코팅 또는 다른 코팅 및 침착 방법에 의해 겔 층을 형성할 수 있다. 겔 코팅은 습윤되거나 건조할 수 있다. 후자의 경우, 코팅을 전해질로 팽윤시켜 겔을 형성시킬 수 있다. 이들 실시양태의 다양한 양태에 따라, 방법은 집전기 물질을 전극 활성 물질 위에 침착시키는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 전극 구조체를 패턴화시킴을 추가로 포함할 수 있다. 이들 실시양태의 다른 추가적인 양태에 따라, 하나 이상의 보호 층을 형성하는 단계는 하나 이상의 단일-이온 전도성 층을 형성시키는 부속 단계 및 하나 이상의 중합체 층을 형성시키는 부속 단계를 포함한다. 임의의 적합한 박막 기술, 예컨대 진공 침착 또는 습식 코팅 기술을 이용하여 다양한 층을 침착시킬 수 있다.
본 발명의 추가의 예시적인 실시양태에 따라, 전기화학 전지는 통합된 전극/분리막 구조 층 및 제 2 전극 층을 포함한다. 이들 실시양태의 다양한 양태에 따라, 통합된 전극/분리막 층 및 제 2 전극 층은 서로에 대해 수직으로 절첩된다. 추가의 양태에 따라, 통합된 전극/분리막 층은 제 1 방향으로 뒤로 절첩되어 제 1 통합된 전극/분리막 층 구역 및 제 2 통합된 전극/분리막 층 구역을 형성하고, 제 2 전극 층은 제 2 방향에서 통합된 전극/분리막 층의 제 2 구역 위로 절첩된다. 다른 양태에 따라, 제 2 전극 층은 하나 이상의 판을 포함하고, 이들은 제 1 통합된 전극/분리막 층 구역 및 제 2 통합된 전극/분리막 층 구역에 의해 형성되는 개구부 내에 위치된다.
본원의 다른 추가적인 실시양태에 따라, 전기화학 전지의 제조 방법은 본원에 기재되는 통합된 전극/분리막 층을 제조하는 단계; 통합된 전극/분리막 층을 뒤로 절첩하여 제 1 통합된 전극/분리막 층 구역, 제 2 통합된 전극/분리막 층 구역 및 이들 사이의 제 1 개구부를 형성하는 단계; 및 제 2 전극 물질을 포함하는 제 1 시트 또는 판을 개구부 내에 위치시키는 단계를 포함한다. 이들 실시양태의 다양한 양태에 따라, 방법은 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극 구역 또는 판 각각을 2개보다 많이 포함하는 전기화학 전지를 제조함을 포함한다. 목적하는 수의 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극 구역에 대해 이들 단계를 반복하여, 목적하는 전기화학 전지 또는 배터리 특성을 수득할 수 있다. 추가적인 양태에 따라, 방법은 전지의 상부 및/또는 바닥 부분에 분리막 구역을 제공함을 포함할 수 있다. 다른 추가의 양태에 따라, 방법은 제 1 및/또는 제 2 전극 층 또는 판에 대한 접촉부를 형성함을 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시양태에 따라, 전기화학 전지의 제조 방법은 본원에 기재되는 통합된 전극/분리막 층을 제조하고, 통합된 전극/분리막 층 위에 제 2 전극 층의 제 1 구역을 위치시키고, 통합된 전극/분리막 층을 제 2 전극 층의 제 1 구역 위로 절첩하여 제 1 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극/분리막 층 구역을 형성시키고, 제 2 전극 층을 제 2 전극/분리막 층 구역 위로 절첩하여 제 2 통합된 전극/분리막 층 구역 위에 제 2 제 2 전극 구역을 형성시킴을 포함한다. 이들 실시양태의 다양한 양태에 따라, 방법은 제 1 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극 구역 각각을 2개보다 많이 형성시킴을 포함한다. 목적하는 수의 제 1 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극 구역에 대해 이들 단계를 반복하여 목적하는 전기화학 전지 또는 배터리 특성을 수득할 수 있다. 다른 추가적인 양태에 따라, 방법은 기판 및 임의적으로는 기판 위에 놓이는 활성 물질의 단속적인 구역을 포함하는 제 2 전극 층을 제공하는 단계를 추가로 포함하는데, 이 때 기판은 임의적으로 하나 이상의 접촉 구역 또는 영역을 포함하고, 접촉 구역 또는 영역은 활성 물질로 적어도 부분적으로 코팅되지 않는다. 추가적인 양태에 따라, 방법은 전기화학 전지의 바닥 및/또는 상부에 분리막 물질을 제공함을 포함한다. 또한, 다른 추가적인 양태에 따라, 방법은 (예를 들어, 통합된 전극/분리막 구조 층의) 제 1 전극 층 및/또는 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성시킴을 포함한다.
본 발명의 추가의 예시적인 실시양태에 따라, 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층은 분리막 층, 분리막 층의 표면의 제 1 부분 위에 형성된 하나 이상의 보호 층, 하나 이상의 보호 층 위에 놓이는 제 1 전극 활성 물질, 및 분리막 층의 표면의 제 2 부분 위에 형성된 제 2 전극 활성 물질을 포함한다. 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층은 임의적으로 분리막 층과 하나 이상의 보호 층 사이에 겔 층을 포함한다. 이들 실시양태의 다양한 양태에 따라, 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층은 제 1 전극 활성 물질의 적어도 일부 위에 형성되는 집전기를 추가로 포함한다. 이들 실시양태의 추가적인 양태에 따라, 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층은 제 2 전극 활성 물질의 적어도 일부 위에 형성되는 집전기를 추가로 포함한다.
본 발명의 추가적인 실시양태에 따라, 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층을 형성하는 방법은 분리막 층을 제공하고, 임의적으로는 분리막 층의 표면의 제 1 부분 위에 겔 층을 형성하고, 제 1 부분 위에 하나 이상의 보호 층을 형성시키며, 하나 이상의 보호 층 위에 제 1 전극 활성 물질을 침착시키고, 분리막 층의 표면의 제 2 부분 위에 제 2 전극 활성 물질을 침착시킴을 포함한다. 이들 실시양태의 다양한 양태에 따라, 방법은 제 1 부분 위에 제 1 전극 구조체를 형성시키는 단계를 추가로 포함한다. 추가적인 양태에 따라, 방법은 제 2 부분 위에 제 2 전극 구조체를 형성시키는 단계를 포함한다.
본원의 다른 예시적인 실시양태에 따라, 전기화학 전지의 제조 방법은 본원에 기재되는 통합된 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층을 절첩하는 단계를 포함한다. 목적하는 수의 제 1 전극 및 제 2 전극 구조체에 대해 절첩 단계를 반복하여 목적하는 전기화학 전지 또는 배터리 특성을 수득할 수 있다. 방법은 전기화학 전지의 상부 및/또는 바닥에 분리막 물질을 제공함을 포함할 수 있다. 방법은 또한 전기화학 전지의 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 대한 접촉부를 형성함을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 추가적인 실시양태에 따라, 전기화학 전지는 절첩될 수 있는 본원에 기재된 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층을 포함한다.
본원의 추가적인 실시양태에 따라, 배터리는 본원에 개시된 하나 이상의 전기화학 전지를 포함한다. 배터리는 추가로 케이싱 및 단자를 포함할 수 있다.
또한, 다른 추가적인 실시양태에 따라, 배터리를 제조하는 방법은 본원에 기재된 전기화학 전지의 제조 방법을 포함한다. 방법은 하나 이상의 전기화학 전지에 단자를 제공하는 단계 및 하나 이상의 전기화학 전지를 케이싱에 넣는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
전술한 요약 및 하기 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명하기 위한 것이며, 개시내용 또는 특허 청구되는 발명을 제한하지 않는다.
첨부된 도면과 관련하여 본 발명의 예시적인 실시양태를 기재한다.
도 1은 본원의 예시적인 실시양태에 따른 통합된 전극/분리막 구조 층을 도시한다.
도 2는 본원의 예시적인 실시양태에 따른 통합된 전극/분리막 구조 층의 제조 방법을 도시한다.
도 3은 본원의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지의 일부를 도시한다.
도 4는 본원의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지의 제조 방법을 도시한다.
도 5는 본원의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지를 제조하는 다른 방법을 도시한다.
도 6은 본원의 예시적인 실시양태에 따른 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층을 도시한다.
도 7은 본원의 예시적인 실시양태에 따른 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층의 제조 방법을 도시한다.
도면이 반드시 축척대로 도시된 것은 아님을 알 것이다. 예를 들면, 본 발명의 도시된 실시양태를 더 잘 이해시키는데 도움을 주기 위하여 도면에서 일부 요소의 치수를 다른 요소에 비해 과장할 수 있다.
아래에 제공되는 본 발명의 예시적인 실시양태에 대한 기재내용은 예시적인 것일 뿐이며, 설명하고자 하는 것이고, 하기 기재내용은 본원에 개시된 본 발명의 영역을 한정하고자 하지 않는다.
아래에서 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 본원의 예시적인 전기화학 전지 및 전지를 포함하는 배터리는 감긴 전지 또는 적층된 전지를 비롯한 전기화학 전지에 비해 유리하다. 본원에 기재된 전기화학 전지는 하나 이상의 z-절첩된 층을 갖는 다른 전기화학 전지에 비해 제조하기가 비교적 용이하고, 비교적 높은 에너지 밀도를 가지며, 안전하다. 리튬 이온 전지, 리튬 중합체 전지, 니켈 금속 하이브리드 전지, 리튬 황 전지, 리튬 공기 전지, 리튬 산소 전지 등을 비롯한 다양한 전기화학 전지 기술과 함께 아래에 기재되는 전기화학 전지를 이용할 수 있다.
아래에 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 예시적인 전지는 전극 층에 대한 별도의 담체 층보다는 통합된 전극/분리막 층을 포함한다. 별도의 담체 층을 사용하지 않음으로써, 전기화학 전지의 제조 방법이 간단해지고, 추가적인 담체 층을 포함하는 전지에 비해 증가된 에너지 밀도를 갖는 전지를 제공한다. (예컨대, 애노드에 대해) 전통적인 담체 층을 사용하는 경우, 전형적인 공정은 담체 층의 이층, 및 분리막의 재적층 및 도입을 필요로 한다. 본원에 기재되는 기술을 이용하여 이들 추가적인 단계를 피할 수 있다.
도 1은 본원의 예시적인 실시양태에 따른 통합된 전극/분리막 구조 층(100)의 일부를 도시한다. 통합된 전극/분리막 구조 층(100)은 분리막 층(102), 임의적으로는 분리막 층(102) 위에 놓이는 하나 이상의 보호 층(104), 및 하나 이상의 보호 층(104) 위에 놓이는 전극 활성 물질(106)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 통합된 전극/분리막 구조 층(100)은 또한 하나 이상의 보호 층(104)과 분리막 층(102) 사이에 끼이는 겔 층(108) 및/또는 임의적으로는 전극 활성 물질(106) 위에 놓이는 집전기 층(110)도 포함한다.
분리막 층(102)은 전기화학 전지 분리막으로서 사용하기에 적합한 임의의 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 층(104)은 애노드와 캐쏘드를 서로로부터 분리하거나 절연시키는 고체 비전도성 또는 절연성 물질을 포함할 수 있다. 분리막은 공극을 포함할 수 있는데, 이 공극은 전해질로 부분적으로 또는 실질적으로 채워질 수 있다.
다양한 분리막 물질이 당 업계에 공지되어 있다. 적합한 고체 다공성 분리막 물질의 예는 예컨대 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 같은 폴리올레핀, 유리 섬유 여과지, 및 세라믹 물질을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 또한, 본원에 기재된 전지에 사용하기 적합한 분리막 및 분리막 물질의 추가적인 예는 미세다공성 제로젤(xerogel) 층, 예를 들어 미세다공성 슈도-뵈마이트 층을 포함하는 물질이며, 이는 자유 직립 필름으로서 또는 전극중 하나 상에 직접 코팅함으로써 제공될 수 있다. 고체 전해질은 또한 애노드와 캐쏘드 사이의 이온 수송을 가능케 하는 전해질 기능에 덧붙여 분리막으로서도 기능할 수 있다. 특정 예로서, 분리막 층(102)은 캅톤(Kapton) 제품인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 같은 고도로 약품 안정성 및 온도 안정성인 물질로 제조된다.
하나 이상의 보호 층(104)은 전기화학 전지 전극을 제조하는데 사용되는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 보호 층(104)은 하나 이상의 단일 이온 전도 층 및 중합체 층을 포함하는 다층 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 보호 층(104)은 셋 이상의 층을 포함할 수 있으며, 이 때 셋 이상의 층 각각은 단일 이온 전도 층 및 중합체 층으로 이루어진 군으로부터 선택되는 층을 포함한다. 예시적인 단일 이온 전도 층은 규산리튬, 붕산리튬, 알루민산리튬, 인산리튬, 리튬 포스포러스 옥시나이트라이드, 리튬 실리코설파이드, 리튬 게르마노설파이드, 산화란탄리튬, 산화탄탈리튬, 산화니오브리튬, 산화티탄리튬, 리튬 보로설파이드, 리튬 알루미노설파이드, 및 리튬 포스포설파이드, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 유리를 포함한다. 예시적인 중합체 층은 전기 전도성 중합체, 이온 전도성 중합체, 설폰화된 중합체, 및 탄화수소 중합체를 포함한다. 한 실시양태에서, 중합체 층은 가교결합된 중합체를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 다층 구조의 중합체 층은 알킬 아크릴레이트, 글라이콜 아크릴레이트, 및 폴리글라이콜 아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 아크릴레이트 단량체의 중합으로부터 형성되는 중합체 층을 포함한다. 하나 이상의 보호 층은 또한 예컨대 Zn, Mg, Sn 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 금속 합금 층도 포함할 수 있으며, 이 층은 다층 구조체의 다른 층들 사이에 끼일 수 있거나 구조체의 외층을 형성할 수 있다. 다양한 적합한 보호 층은 2010년 8월 10일자로 아피니토(Affinito) 등에게 허여된 미국 특허 제 7,771,870 호(발명의 명칭: "재충전가능한 리튬 배터리를 비롯한 수성 및 비-수성 전기화학 전지에서의 전극 보호") 및 2012년 6월 12일자로 스코타임(Skotheim) 등에게 허여된 미국 특허 제 8,197,971 호(발명의 명칭: "전기화학 전지용 리튬 애노드")에 기재되어 있으며, 상기 특허는 본원과 충돌하지 않는 한도까지 본원에 참고로 인용된다.
전극 활성 물질(106)은 임의의 적합한 애노드 또는 캐쏘드 활성 물질을 포함할 수 있다. 적합한 활성 애노드 물질은 리튬 금속, 및 리튬-알루미늄 합금 및 리튬-주석 합금 같은 리튬 합금을 포함한다. 예시적인 적합한 활성 캐쏘드 물질은 전기 활성 전이금속 칼코게나이드, 전기 활성 전도성 중합체 및 전기 활성 황-함유 물질, 및 이들의 조합을 포함한다. 개별적인 활성 물질은 또한 결합제, 충전제 및 전도성 물질도 포함할 수 있다. 예로서, 전극 활성 물질은 리튬 금속을 포함한다.
겔 층(108)은 고체 중합체(예컨대, 고체 중합체 전해질), 유리질 중합체 또는 중합체 겔을 포함할 수 있다. 적절한 중합체의 특정 예는 폴리옥사이드, 폴리(알킬 옥사이드), 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 포름알, 비닐 아세테이트-비닐 알콜 공중합체, 에틸렌-비닐 알콜 공중합체, 및 비닐 알콜-메틸 메타크릴레이트 공중합체, 폴리실록산 및 플루오르화된 중합체를 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다.
집전기 층(110)은 구리 및/또는 니켈 같은 금속으로 제조될 수 있다. 다르게는, 집전기(110)는 전도성 중합체로 제조될 수 있다.
하나 이상의 보호 층(104), 전극 활성 물질(106), 겔 층(108) 및 집전기(110)를 분리막 층(102)의 제 1 표면 위에 형성시킬 수 있거나 또는 분리막 층(102)의 제 1 표면 및 제 2 표면 둘 다 위에 형성시킬 수 있다.
도 2는 본원의 예시적인 실시양태에 따른 통합된 전극/분리막 구조 층의 제조 방법(200)을 도시한다. 방법(200)은 분리막 층을 제공하는 단계(단계(202)); 임의적으로 분리막 층 위에 겔 층을 형성하는 단계(단계(204)); 분리막 층 위에 하나 이상의 보호 층을 형성시키는 단계(단계(206)); 하나 이상의 보호 층 위에 전극 활성 물질을 침착시키는 단계(단계(208)); 및 임의적으로 전극 활성 물질 위에 집전기 물질을 침착시키는 단계(단계(210))를 포함한다.
단계(202)는 분리막 층(102)과 관련하여 상기 기재된 임의의 분리막 물질을 제공함을 포함할 수 있다. 예로서, 단계(202)는 연속적이거나 반연속적인 공급원으로부터 분리막 물질을 제공함을 포함한다.
임의적인 단계(24)는 분리막 물질 위로 겔 물질을 침착시킴을 포함한다. 예를 들어, 롤 대 롤 코팅, 슬롯 및 나이프 코팅 또는 다른 코팅 및 침착 방법에 의해 겔 층을 형성시킬 수 있다. 겔 층은 습윤되거나 건조할 수 있다. 후자의 경우, 코팅을 전해질로 팽윤시켜 겔을 형성할 수 있다.
물리적 침착 방법, 화학적 증착 방법, 압출 및 전기 도금 같은(이들로 한정되지는 않음) 임의의 적합한 방법을 이용하여 단계(206) 동안 하나 이상의 보호 층을 침착시킬 수 있다. 진공에서 또는 불활성 대기 중에서 침착을 수행할 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링, 전자 빔 증발, 진공 열 증발, 레이저 삭마, 화학적 증착, 열 증발, 플라즈마 증진 화학적 증착, 레이저 증진 화학적 증착 및 제트 증착으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 단일 이온 전도 층을 침착시킬 수 있다. 또한, 전자 빔 증발, 진공 열 증발, 레이저 삭마, 화학적 증착, 열 증발, 플라즈마 보조 화학적 증착, 레이저 증진 화학적 증착, 제트 증착 및 압출로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 중합체 층을 침착시킬 수 있다. 또한, 회전-코팅 방법 또는 플래시 증발 방법에 의해서도 중합체 층을 침착시킬 수 있다. 플래시 증발 방법은 가교결합된 중합체 층의 침착에 특히 유용하다. 가교결합된 중합체 층의 침착을 위한 특정 방법은 예를 들어 1990년 9월 4일자로 이알리지스(Yializis)에게 허여된 미국 특허 제 4,954,371 호(발명의 명칭: "단량체 유체의 플래시 증발")에 기재되어 있는 바와 같은 플래시 증발 방법이다. 리튬 염을 포함하는 가교결합된 중합체 층의 침착 방법은 예를 들어 1997년 10월 28일자로 아피니토 등에게 허여된 미국 특허 제 5,681,615 호(발명의 명칭: "진공 플래시 증발된 중합체 복합체")에 기재되어 있는 바와 같은 플래시 증발 방법이다.
단계(208) 동안, 전극 활성 물질을 하나 이상의 보호 층 위로 침착시킨다. 열 증발, 스퍼터링, 제트 증착, 및 레이저 삭마 같은, 임의의 적합한 박막 또는 다른 침착 또는 코팅 기술뿐만 아니라 기판으로의 적층을 이용하여, 전극 활성 물질을 침착시킬 수 있다. 하나의 실시양태에서는, 열 증발에 의해 전극 활성 물질을 침착시킨다.
유사하게, 단계(210) 동안, 도금 또는 진공 침착(예컨대, 열 또는 플라즈마 화학적 증착, 물리적 증착, 펄스식 레이저 침착 등) 같은 임의의 적합한 박막 기술을 이용하여 임의적인 집전기 물질을 침착시킬 수 있다. 본원에 기재된 임의의 필름을 또한 나이프 코팅 또는 스크린 인쇄 기술을 이용하여 침착시킬 수 있다.
다시 도 3으로 돌아가면, 통합된 전극/분리막 구조 층(100) 같은 통합된 전극/분리막 구조 층을 포함하는 전기화학 전지(300)의 일부가 도시되어 있다. 전지(300)는 분리막 층(312), 전극 활성 물질(314) 및 접속 영역(320)을 포함하는 통합된 전극/분리막 구조 층(302), 및 제 2 전극 층(304)을 포함한다. 통합된 전극/분리막 구조 층(302) 및 제 2 전극 층(304)은, 통합된 전극/분리막 구조 층(302)이 제 2 전극 층(304)에 수직이도록, 서로에 대해 수직으로 z-절첩된다. 본원에 사용되는 용어 수직은 제 1 전극 및 분리막 층이 서로에 대해 z-절첩될 수 있도록 90° 또는 실질적으로 90°를 의미한다.
도시되지는 않았지만, 전기화학 전지는 또한 적합한 전해질, 및/또는 통합된 전극/분리막 구조 층(302) 및/또는 제 2 전극 층(304)에 대한 접촉부도 포함할 수 있다. 또한, 본원에 기재된 전기화학 전지 또는 그의 일부는 도면에 도시되지 않은 추가적인 전극 및 분리막 층을 포함할 수 있다. 전지(300)의 모든 층은 절첩되고, 연속적이거나 반연속적인 공급원으로부터 유래될 수 있다. 따라서, 전지(300)는 제조하기가 비교적 용이하고 저렴하다. 또한, 모든 층이 절첩되기 때문에, 전지는 전지 내에서 불균일한 압력 분포를 겪을 가능성이 적고, 따라서 전지는 유사한 편평한 팩에 비해 비교적 안전하다.
제 2 전극 층(304)은 전극 활성 물질과 관련하여 상기 기재된 임의의 물질을 포함할 수 있다. 층(304)은 고체 물질일 수 있거나 또는 기판 상으로 코팅된 전극 활성 물질을 가질 수 있다. 예를 들어, 층(304)은 기판(306)(예컨대, 집전기)을 포함할 수 있고, 한 면 또는 양 면에서(도시된 바와 같음) 활성 물질(308)로 단속적으로 코팅될 수 있다. 층(304)은 또한 접촉 구역 또는 영역(310)도 포함할 수 있는데, 이들은 구역(310)의 코팅되지 않은 부분으로의 접속이 이루어질 수 있도록 활성 물질로 적어도 부분적으로 코팅되지 않을 수 있다. 상기 나타낸 바와 같이, 또한 도 3에 도시된 바와 같이, 분리막 층(312)은 전극 활성 물질(314)과 겹쳐져서 예컨대 전지(300)의 단락에 대해 추가적인 보호를 제공할 수 있다. 다른 실시양태에 따라, 전지는 한 면 또는 양 면에서 완전히 또는 부분적으로 코팅될 수 있는, 제 2 전극 층(304)이기보다는 하나 이상의 제 2 전극 판을 포함할 수 있다.
도시된 예에서, 전지(300)는 제 1 통합된 전극/분리막 구조 층 구역(316) 및 제 1 통합된 전극/분리막 구조 층 구역(316) 위에 놓이는 제 2 전극 층(304)을 포함한다. 제 2 전극 층(304)은 제 1 통합된 전극/분리막 구조 층 구역(316)에 대해 수직인 방향으로 위치되고, 제 1 통합된 전극/분리막 구조 층 구역(316)은 뒤로 절첩되어 제 1 통합된 전극/분리막 구조 층 구역(316)에 인접하는 제 2 통합된 전극/분리막 구조 층 구역(318)을 형성한다. 통합된 전극/분리막 구조 층(302)을 절첩하면 2개의 인접한 통합된 전극/분리막 구조 층(302) 구역이 형성된다. 그러나, 전지 구성은 예를 들어 개별적인 물질의 롤, 테이프 또는 웹으로부터의 통합된 전극/분리막 구조 층(302) 및 제 2 전극(304) 물질의 연속적인 공급원을 가능케 하는데, 이는 전극 물질의 개별적인 시트의 정밀한 배치 또는 절단을 필요로 하지 않고도 전지(300)를 비교적 용이하고 저렴하게 제조할 수 있게 한다. 다르게는, 상기 나타낸 바와 같이, 제 2 전극 층 물질의 연속적이거나 반연속적인 공급원보다는, 제 2 전극 층은 예컨대 제 1 통합된 전극/분리막 구조 층 구역(316)과 제 2 통합된 전극/분리막 구조 층 구역(318) 사이에 형성된 개구부 사이에 끼이는 하나 이상의 판을 포함할 수 있다.
전지(300)는 전극/분리막 구조 층(302) 내의 제 1 전극 층에 대한 접촉부 및 유사하게 제 2 전극 층(304)(예컨대, 구역(310)에서)에 대한 접촉부를 포함할 수 있다. 전극/분리막 구조 층(302) 내의 제 1 전극 층 및 제 2 전극 층(304)(예컨대, 구역(310)에서)에 대한 접촉부는 용접, 접착제 및/또는 기계적 침투에 의해 형성되는 접촉부 같은 임의의 적합한 형태를 포함할 수 있다.
도 4는 전기화학 전지(300) 같은 전기화학 전지의 제조 방법(400)을 도시한다. 방법(400)은 통합된 전극/분리막 층을 형성하는 단계(단계(402)); 통합된 전극/분리막 층 위에 제 2 전극 층의 제 1 구역을 위치시키는 단계(단계(404)); 통합된 전극/분리막 층을 제 2 전극 층의 제 1 구역 위로 뒤로 절첩하여 제 1 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극/분리막 층 구역을 형성하는 단계(단계(406)); 및 제 2 전극 층을 제 2 전극/분리막 층 구역 위로 절첩하는 단계(단계(408))를 포함한다. 절첩 단계를 반복하여 목적하는 수의 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극 구역을 형성할 수 있다. 절첩이 끝나면, 방법(400)은 임의적으로 제 1 전극(예컨대, 통합된 전극/분리막 구조 층의)에 대한 접촉부를 형성하는 단계(단계(410)) 및/또는 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계(단계(412))를 포함할 수 있다.
단계(402)는 도 1과 관련하여 상기 기재된 층(100) 같은 통합된 전극/분리막 층을 형성시킴을 포함한다. 단계(402)는 도 2와 관련하여 상기 기재된 방법을 포함할 수 있다.
단계(404) 동안, 제 2 전극 층의 제 1 구역을 통합된 전극/분리막 층 위에 위치시킨다.
단계(406) 동안, 통합된 전극/분리막 층을 제 2 전극 층의 제 1 구역 위로 뒤로 절첩하여, 제 1 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극/분리막 층 구역을 형성시킨다. 예를 들어, 이동 롤, 나이프 또는 다른 장치를 이용하여, 상기 기재된 임의의 절첩되는 층을 절첩시킬 수 있다. 예를 들어 캠-컨트롤을 이용하여 및/또는 선형 기계적, 전기적 또는 자기 드라이브로 드라이브 및 이동 메카니즘을 수행할 수 있다.
단계(408) 동안, 제 2 전극 층을 제 2 전극/분리막 층 구역 위로 절첩하여, 제 2 통합된 전극/분리막 층 구역 위에 제 2 제 2 전극 구역을 형성한다.
목적하는 수의 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극 구역이 형성될 때까지 단계(402) 내지 단계(408)를 반복할 수 있다. 이어, 전지를 평탄화시켜 전지의 부피를 감소시키고 평탄화된 영역(예를 들어, 영역(310, 320))을 생성시킬 수 있다.
방법(400)은 전기화학 전지의 바닥 및/또는 상부에 분리막 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상부 및/또는 바닥에 분리막 물질을 갖는 전지를 제공하면, 전지를 다른 전지 및/또는 배터리 구성요소로부터 추가적으로 단리시킬 수 있다.
방법(400)은 또한 임의적으로 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계(단계(410)) 및/또는 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계(단계(412))를 포함할 수 있다. 단계(410) 동안, 예를 들어 침투 장치를 사용하여 층을 통한 구멍을 형성시킨 다음 구멍을 통해 전도성 접촉부를 형성시킴으로써, 또는 용접 또는 전도성 접착제 기술을 이용하여, 통합된 전극/분리막 구조 층(302)의 절첩된 영역(320)에서 제 1 전극에 대한 접촉부를 형성시킬 수 있다. 단계(412) 동안, 제 2 전극 물질 판의 접촉 구역 또는 영역(320) 위에서 예컨대 용접, 접착제 및/또는 기계적 침투 기법에 의해 제 2 전극에 대한 접촉부를 형성시킬 수 있다.
도 5는 본원의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지를 제조하는 다른 방법(500)을 도시한다. 방법(500)은 방법(500)이 절첩된 전극보다는 제 2 전극 판을 사용함을 포함하는 것을 제외하고는 방법(400)과 유사하다. 방법(500)은 통합된 전극/분리막 구조 층을 제조하는 단계(단계(502)); 통합된 전극/분리막 층을 뒤로 절첩하여 제 1 통합된 전극/분리막 층 구역, 제 2 통합된 전극/분리막 층 구역 및 이들 사이의 제 1 개구부를 형성하는 단계(단계(504)); 및 제 2 전극 물질을 포함하는 제 1 판을 개구부 내로 위치시키는 단계(단계(506))를 포함한다.
단계(502) 동안, 예컨대 도 2와 관련하여 상기 기재된 방법을 이용하여 통합된 전극/분리막 구조 층을 형성시킨다. 통합된 전극/분리막 구조 층을 형성시킨 후, 단계 (504) 동안, 층을 뒤로 절첩하여 제 1 통합된 전극/분리막 구조 층 구역 및 제 2 통합된 전극/분리막 구조 층 구역을 형성시킨다. 이어, 제 2 전극을 절첩된 통합된 전극/분리막 구조 층 내로 절첩시키기보다는, 제 2 전극 물질의 판을 제 1 통합된 전극/분리막 구조 층 구역과 제 2 통합된 전극/분리막 구조 층 구역 사이의 개구부 내로 위치시킨다. 단계(506)를 단계(504) 전 또는 후에 수행할 수 있다. 절첩 단계를 반복하여, 목적하는 수의 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극 구역을 형성시킬 수 있다. 절첩이 끝난 후, 방법(500)은 임의적으로 제 1 전극에 대한 접촉부를 형성시키는 단계(단계(508)) 및/또는 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계(단계(510))를 포함할 수 있으며, 이는 단계(410) 내지 단계(412)와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 추가적인 실시양태에 따른 절첩된 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층(600)을 도시한다. 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층(600)은 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층(600)이 분리막의 표면 위에 형성된 제 2 전극 구조체도 포함함을 제외하고는 통합된 전극/분리막 구조 층(100)과 유사하다. 도시된 바와 같이, 구조체(600)는 분리막 층(602), 하나 이상의 보호 층(604), 전극 활성 물질(606), 임의적으로는 겔 층(608), 임의적으로는 접촉 구역(612)을 갖는 제 1 전극 집전기(610), 제 2 전극 활성 물질(614), 및 임의적으로 접촉 구역(618)을 갖는 제 2 전극 집전기(616)를 포함한다.
층(602) 내지 층(610)은 도 1과 관련하여 상기 기재된 층(102) 내지 층(110)과 동일하거나 유사할 수 있다. 예시적인 예에서, 전극 활성 물질(606)은 하나 이상의 보호 층(604)의 일부만 덮고, 제 1 전극 집전기(610)는 전극 활성 물질(606)의 일부만 덮는다.
제 2 전극 활성 물질(614)은 본원에 기재된 임의의 전극 활성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극 활성 물질(614)은 황 및 추가적인 물질(예컨대, 결합제 및 추가적인 전도성 물질) 같은 캐쏘드 전극 활성 물질을 포함할 수 있다. 제 2 전극 집전기(616)는 집전기(110)와 관련하여 상기 기재된 임의의 물질을 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 제 2 전극 집전기(616)는 제 2 전극 활성 물질(614)의 적어도 일부 및 분리막 층(602)의 표면의 일부를 덮는다.
도 7은 본원의 예시적인 실시양태에 따른 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층의 제조 방법(700)을 도시한다. 방법(700)은 방법(200)의 연속일 수 있다. 즉, 방법(200)에 따라 분리막 층의 표면 위에 제 1 전극 구조체를 형성시킨 다음, 방법(700)의 추가적인 단계를 이용하여 분리막 층 위에 제 2 전극 구조체를 형성시킬 수 있다.
방법(700)은 분리막 층을 제공하는 단계(단계(702)); 임의적으로는 분리막 층의 표면의 제 1 부분 위에 겔 층을 형성시키는 단계(단계(704)); 표면의 제 1 부분 위에 하나 이상의 보호 층을 형성시키는 단계(단계(706)); 하나 이상의 보호 층 위에 제 1 전극 활성 물질을 침착시키는 단계(단계(708)); 임의적으로는 제 1 전극 활성 물질 상으로 제 1 전극 집전기 물질을 침착시키는 단계(단계(710)); 분리막 층의 표면의 제 2 부분 위에 제 2 전극 활성 물질을 침착시키는 단계(단계(712)); 및 임의적으로는 제 2 전극 활성 물질 위로 제 2 전극 집전기 물질을 침착시키는 단계(단계(714))를 포함한다. 방법(700)은 또한 제 1 전극에 대한 접촉부를 형성하는 단계(단계(716)) 및 제 2 전극에 대한 접촉부를 형성하는 단계(단계(718))를 포함할 수 있다. 단계(702) 내지 단계(710)는 단계(202) 내지 단계(210)와 동일하거나 상이할 수 있다.
단계(712) 동안, 제 2 전극 활성 물질을 표면의 제 2 부분 위의 분리막 층 위로 침착시킨다. 단계(208)와 관련하여 상기 기재된 임의의 기술을 이용하여 제 2 전극 활성 물질을 침착시킬 수 있다. 유사하게, 제 2 전극 활성 물질 위로 제 2 전극 집전기 물질을 침착시키는 단계(단계(714))는 단계(210)와 관련하여 상기 기재된 임의의 기술을 포함할 수 있다. 단계(716) 내지 단계(718)는 단계(410) 내지 단계(412) 및 단계(508) 내지 단계(510)와 관련하여 상기 기재된 것과 동일하거나 유사한 단계를 포함할 수 있다. 침착 및 에칭을 이용하여, 또는 물질을 선택적으로 침착시켜 도 6에 도시된 제 1 전극 구조체(620) 및 제 2 전극 구조체(622)를 형성함으로써, 침착 동안 마스크를 사용하여 다양한 층을 패턴화시킬 수 있다.
전극 활성 물질이 캐쏘드 활성 물질을 포함하는 경우, 코팅 블레이드의 이동 또는 코팅 롤의 연동, 마스킹 및/또는 침착 및 에칭 기법의 이용에 의해 제 1 또는 제 2 전극 구조체를 형성시킬 수 있다. 유사하게, 전극 활성 물질이 애노드 활성 물질을 포함하는 경우, 예를 들어 진공 침착 및 박리, 선택적인 침착, 인쇄 또는 다른 적합한 기술을 이용하여 전극 구조체를 형성시킬 수 있다.
방법(700)에 따라 제조된 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층을 절첩하여 교대하는 제 1 전극 구조체(620)와 제 2 전극 구조체(622)를 형성함으로써, 전기화학 전지를 제조할 수 있다. 전기화학 전지는 목적하는 수의 제 1 전극 구조체 및 제 2 전극 구조체를 포함할 수 있고, 전지의 상부 및/또는 바닥에 분리막 물질을 포함할 수 있다.
다수의 예시적인 실시양태 및 실시예를 참조하여 본 발명을 상기에 기재하였다. 본원에 도시 및 기재된 특정 실시양태는 본 발명의 예시적인 실시양태를 예시하는 것이고 본 발명의 영역을 한정하고자 하지 않음을 알아야 한다. 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않으면서 본원에 기재된 실시양태를 변화 및 변경시킬 수 있음을 알 것이다. 이들 및 다른 변화 또는 변경은 본 발명의 영역 내에 포함시키고자 한다.

Claims (46)

  1. 분리막(separator) 층; 분리막 층 위에 놓이는 하나 이상의 보호 층; 및 하나 이상의 보호 층 위에 놓이는 전극 활성 물질을 포함하는, 통합된 전극/분리막 구조 층으로서, 상기 분리막 층, 하나 이상의 보호 층 및 전극 활성 물질이 통합된 구조체를 형성하는, 통합된 전극/분리막 구조 층.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합된 전극/분리막 구조 층이 하나 이상의 보호 층과 분리막 층 사이에 끼인 겔 층을 추가로 포함하는, 통합된 전극/분리막 구조 층.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합된 전극/분리막 구조 층이 전극 활성 물질 위에 놓이는 집전기 층을 추가로 포함하는, 통합된 전극/분리막 구조 층.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합된 전극/분리막 층이 절첩되어(folded) 전기화학 전지의 다수개의 통합된 전극/분리막 구조체 구역을 형성하는, 통합된 전극/분리막 구조 층.
  5. 분리막 층을 제공하는 단계; 임의적으로는 분리막 층 위에 겔 층을 형성하는 단계; 분리막 층 위에 하나 이상의 보호 층을 형성시키는 단계; 및 하나 이상의 보호 층 위에 전극 활성 물질을 침착시키는 단계를 포함하는, 통합된 전극/분리막 층의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 방법이 전극 활성 물질 위에 집전기 물질을 침착시키는 단계를 추가로 포함하는, 통합된 전극/분리막 층의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 방법이 집전기 물질을 패턴화시키는 단계를 추가로 포함하는, 통합된 전극/분리막 층의 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 겔 층을 형성하는 단계가 롤 대 롤 코팅, 슬롯 및 나이프 코팅, 또는 건조한 층의 도포 및 전해질을 사용한 건조한 층의 팽윤을 포함하는, 통합된 전극/분리막 층의 제조 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 보호 층을 형성시키는 단계가 하나 이상의 단일-이온 전도성 층을 형성시키고 하나 이상의 중합체 층을 형성시킴을 포함하는, 통합된 전극/분리막 층의 제조 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극 활성 물질을 침착시키는 단계가 습윤 코팅 및 진공 침착으로부터 선택되는 기술을 포함하는, 통합된 전극/분리막 층의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 따른 통합된 전극/분리막 구조 층, 및 제 2 전극 층을 포함하는 전기화학 전지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 통합된 전극/분리막 층 및 제 2 전극 층이 서로에 대해 수직으로 절첩되는, 전기화학 전지.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 통합된 전극/분리막 층이 제 1 방향에서 뒤로 절첩되고, 제 2 전극 층이 제 2 방향에서 통합된 전극/분리막 층의 구역 위로 절첩되는, 전기화학 전지.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 전극 층이 판(plate)을 포함하는, 전기화학 전지.
  15. 분리막 층을 제공하는 단계, 임의적으로 분리막 층 위에 겔 층을 형성하는 단계, 분리막 층 위에 하나 이상의 보호 층을 형성시키는 단계, 및 하나 이상의 보호 층 위에 전극 활성 물질을 침착시키는 단계를 포함하는, 통합된 전극/분리막 구조 층을 형성시키는 단계;
    통합된 전극/분리막 층을 뒤로 절첩하여 제 1 통합된 전극/분리막 층 구역, 제 2 통합된 전극/분리막 층 구역 및 그 사이의 제 1 개구부를 형성하는 단계; 및
    제 2 전극 물질을 포함하는 제 1 판을 개구부 내에 위치시키는 단계
    를 포함하는, 전기화학 전지의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 방법이, 통합된 전극/분리막 구조 층 구역 및 판 각각을 2개보다 많이 포함하는 전기화학 전지를 형성시킴을 추가로 포함하는, 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 방법이, 전기화학 전지의 바닥에 분리막 구역을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 방법이, 전기화학 전지의 상부에 분리막 구역을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 방법이, 통합된 전극/분리막 구조 층의 절첩된 구역에 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 방법이, 판의 접촉 구역에서 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  21. 분리막 층을 제공하는 단계, 임의적으로 분리막 층 위에 겔 층을 형성하는 단계, 분리막 층 위에 하나 이상의 보호 층을 형성시키는 단계, 및 하나 이상의 보호 층 위에 전극 활성 물질을 침착시키는 단계를 포함하는, 통합된 전극/분리막 층을 형성시키는 단계;
    통합된 전극/분리막 층 위에 제 2 전극 층의 제 1 구역을 위치시키는 단계; 통합된 전극/분리막 층을 제 2 전극 층의 제 1 구역 위로 뒤로 절첩하여 제 1 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극/분리막 층 구역을 형성시키는 단계; 및
    제 2 전극 층을 제 2 전극/분리막 층 구역 위로 절첩하여, 제 2 통합된 전극/분리막 층 구역 위에 제 2 제 2 전극 구역을 형성하는 단계
    를 포함하는, 전기화학 전지의 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법이, 전극/분리막 층 구역 및 제 2 전극 구역 각각을 2개보다 많이 포함하는 전기화학 전지를 제조함을 추가로 포함하는, 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법이, 전기화학 전지의 바닥(bottom)에 분리막 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법이, 전기화학 전지의 상부(top)에 분리막 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 위치시키는 단계가, 기판 및 기판 위에 놓이는 전극 활성 물질의 단속적인 구역을 포함하는 제 2 전극 층을 제공함을 포함하는, 방법.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 위치시키는 단계가, 하나 이상의 접촉 구역을 포함하는 기판을 포함하는 제 2 전극 층을 제공함을 포함하는, 방법.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법이, 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  28. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법이, 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  29. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법이, 통합된 전극/분리막 구조 층의 절첩된 구역에 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  30. 분리막 층; 분리막 층의 표면의 제 1 부분 상에 형성된 하나 이상의 보호 층; 하나 이상의 보호 층 위에 놓이는 제 1 전극 활성 물질; 및 분리막 층의 표면의 제 2 부분 상에 형성된 제 2 전극 활성 물질을 포함하는, 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층이 제 1 전극 활성 물질의 적어도 일부 위에 형성된 집전기를 추가로 포함하는, 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층이 제 2 전극 활성 물질 및 제 2 표면의 적어도 일부 상에 형성된 집전기를 추가로 포함하는, 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층.
  33. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층이 하나 이상의 보호 층과 분리막 층의 사이에 끼인 겔 층을 추가로 포함하는, 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층.
  34. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 활성 물질이 활성 애노드 물질을 포함하고, 제 2 전극 활성 물질이 활성 캐쏘드 물질을 포함하는, 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층.
  35. 제 30 항에 따른 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층을 포함하는 전기화학 전지.
  36. 분리막 층을 제공하는 단계; 임의적으로 분리막 층의 표면의 제 1 부분 위에 겔 층을 형성하는 단계; 제 1 부분 위에 하나 이상의 보호 층을 형성시키는 단계; 하나 이상의 보호 층 위에 제 1 전극 활성 물질을 침착시키는 단계; 및 분리막 층의 표면의 제 2 부분 위에 제 2 전극 활성 물질을 침착시키는 단계를 포함하는, 통합된 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층의 제조 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 방법이, 제 1 부분 위에 제 1 전극 구조체를 형성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  38. 제 36 항에 있어서,
    상기 방법이, 제 2 부분 위에 제 2 전극 구조체를 형성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  39. 제 36 항에 따른 방법에 따라 형성된 통합된 제 1 전극/분리막/제 2 전극 구조 층을 절첩시키는 단계를 포함하는, 전기화학 전지의 제조 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 방법이, 전기화학 전지의 상부에 분리막 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 방법이, 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  42. 제 39 항에 있어서,
    상기 방법이, 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  43. 제 11 항에 따른 전기화학 전지를 포함하는 배터리.
  44. 제 35 항에 따른 전기화학 전지를 포함하는 배터리.
  45. 제 15 항에 따른 방법을 포함하는, 배터리 제조 방법.
  46. 제 39 항에 따른 방법을 포함하는, 배터리 제조 방법.
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