KR20160020450A - 리튬-이온 배터리용 미세입자를 이용한 혼성 실리콘-금속 어노드 - Google Patents

리튬-이온 배터리용 미세입자를 이용한 혼성 실리콘-금속 어노드 Download PDF

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웬밍 리
병훈 윤
앤 쿠
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애플잭 199 엘.피.
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Abstract

본 명세서에는 실리콘-혼성 어노드 재료를 형성하는 시스템 및 방법이 개시되었다. 실리콘-혼성 어노드 재료는 다량의 실리콘 미세입자 및 다량의 실리콘 미세입자와 선택된 비율로 상호혼합되는 다량의 금속 미세입자의 미세입자 혼합물을 포함한다. 미세입자 혼합물은 약 2㎛ 내지 약 15㎛의 두께를 갖는 실리콘-혼성 어노드 재료 층 내에 형성된다.

Description

리튬-이온 배터리용 미세입자를 이용한 혼성 실리콘-금속 어노드{HYBRID SILICON-METAL ANODE USING MICROPARTICLES FOR LITHIUM-ION BATTERIES}
본 발명은 일반적으로 전력 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 리튬-이온 배터리를 제조하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
종래의 리튬 이온 배터리에는 다수의 전기 시스템들을 위해 충분한 에너지 밀도(Wh/kg)가 존재하지 않는다. 예로서, 종래의 리튬-이온 배터리의 불충분한 에너지 밀도는 재충전 사이의 전기 자동차 주행 범위를 제한한다. 전기 자동차는 온실 기체를 방출하는 화석 연료 엔진으로부터 멀어진 최신 에너지 기반 경제의 수송 시스템을 이동시키는 주요 단계이다.
전술된 측면에서, 종래의 리튬-이온 배터리보다 더욱 큰 에너지 밀도를 갖는 전기 에너지 저장 솔루션에 대한 필요성이 존재한다.
대체로, 본 발명은 전기 에너지 저장 솔루션 전력 저장 시스템으로서 미세입자들을 이용하는 리튬-이온 배터리를 제공함으로써 이러한 필요성을 충족시킨다. 본 발명이 프로세스, 장치, 시스템, 컴퓨터 판독가능한 매체, 또는 디바이스를 포함하는 다수의 방식으로 구현될 수 있음이 이해되어야만 한다. 본 발명의 몇몇 발명적인 실시예들이 아래에 기술되었다.
일 실시예는 실리콘-혼성 어노드 재료를 형성하는 시스템 및 방법을 제공한다. 실리콘-혼성 어노드 재료는 다량의 실리콘 미세입자 및 다량의 실리콘 미세입자와 선택된 비율로 상호혼합되는 다량의 금속 미세입자의 미세입자 혼합물을 포함한다. 미세입자 혼합물은 약 2㎛ 내지 약 15㎛의 두께를 갖는 실리콘-혼성 어노드 재료 층 내에 형성된다.
미세입자 혼합물은 다량의 적어도 하나의 바인더 재료를 포함할 수 있다. 미세입자 혼합물은 가열될 수 있으며 다량의 적어도 하나의 바인더 재료는 실질적으로 증발되어 날아간다. 미세입자 혼합물은 어닐링될 수 있다.
다량의 실리콘 미세입자는 약 1㎛와 약 20㎛ 사이의 크기 범위를 가질 수 있다. 다량의 금속 미세입자는 약 1㎛와 약 30㎛ 사이의 크기 범위를 가질 수 있다. 실리콘 미세입자의 크기는 실질적으로 상기 금속 미세입자의 크기와 동일할 수 있다.
미세입자 혼합물의 선택된 비율은 중량의 약 10%와 약 40% 사이의 실리콘 미세입자 및 중량의 약 90%와 약 60% 사이의 금속 미세입자를 포함한다. 바인더는 미세입자 혼합물의 중량의 약 5%와 약 10% 사이이다.
적어도 하나의 실리콘-혼성 어노드 재료 층이 배터리 내에 포함될 수 있다. 배터리는 리튬-이온 배터리일 수 있다. 리튬-이온 배터리는 또한 전해질을 함유하는 리튬, 전해질을 함유하는 리튬 내에 포함된 다량의 격리 재료 및 적어도 하나의 실리콘-혼성 어노드 재료 층과 상반되는 전해질 측 상에 배치된 캐소드를 포함할 수 있다.
다른 실시예들은 실리콘-혼성 어노드 재료를 형성하는 방법을 제공한다. 이 방법은 다량의 실리콘 미세입자를 형성하는 단계, 다량의 금속 미세입자를 형성하는 단계, 다량의 실리콘 미세입자 및 다량의 금속 미세입자를 선택된 비율로 혼합하여 미세입자 혼합물을 형성하는 단계 및 약 2㎛ 내지 약 15㎛의 두께를 갖는 실리콘-혼성 어노드 재료 층 내에 미세입자 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태들 및 장점들이 본 발명의 원리를 예시적으로 도시한 첨부된 도면들과 함께 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 첨부된 도면들과 관련하여 아래의 상세한 설명에 의해 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른, 혼성 실리콘-기반 미세입자 어노드 재료를 포함하는 리튬-이온 배터리의 단순화된 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른, 마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른, 실리콘 미세입자의 형성에서 수행되는 방법 동작들을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른, 연질 금속 미세입자의 형성에서 수행되는 방법 동작들을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른, 열 증발에 의한 연질 금속 미세입자의 형성에서 수행되는 대안적인 방법 동작들을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른, 혼성 실리콘-기반 어노드 재료를 포함하는 리튬-이온 배터리의 형성에서 수행되는 방법 동작들을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른, 혼합 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른, 어닐링 챔버 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른, 리튬-이온 관계의 그래픽도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른, 롤링된 층 리튬 이온 배터리의 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 프로세싱을 수행하기 위한 예시적인 컴퓨터 시스템의 블록도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른, 마이크로파 분해 반응기 시스템, 혼합 시스템 및 어닐링 시스템 중 하나 이상을 포함하는 통합 시스템의 블록도이다.
이제 전기 에너지 저장 솔루션, 전력 저장 시스템 및 방법으로서 미세입자를 이용하는 리튬-이온 배터리에 대한 몇몇 예시적인 실시예들이 기술될 것이다. 본 발명이 본 명세서에 개진된 일부 또는 모든 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.
전기 자동차(EV)에서 사용될 수 있는 것과 같은 전형적으로 이용가능한 리튬-이온 배터리 팩은 대량 수송 시스템에 전력을 공급하기에는 엄청나게 비용이 높다.
종래의 리튬-이온 배터리는 탄소-기반 그래파이트 어노드를 사용한다. 실리콘(Si)은 Li/Si = 4.4/1.0, Li22Si5의 최대 리튬 포착(uptake)을 갖는 높은 전하 밀도 및 낮은 동작 전압으로 인해 고체 상태 리튬-이온 배터리 애플리케이션에서 전도유망한 어노드 재료이다. 예로서, 실리콘에 대한 높은 전하 밀도는, 종래의 그래파이트 어노드 시스템에 대한 372mAhg-1의 최대 이론상 전하 밀도에 비교하여 주변 온도에서 3,579mAhg-1이다.
불행히도, 벌크 실리콘 어노드의 부피는 리튬-이온 인터칼레이션(intercalation)(즉, 리튬화) 동안에 급격하게 팽창한다. 감소된 재료의 부피에서, 표면-대-부피 비율이 증가되며 재료의 "벌크 속성"이 실질적으로 영향을 받을 수 있다.
반면에, 실리콘 나노입자는 벌크 실리콘에 비교하여 각 나노입자에 대해 뚜렷하게 더 작은 물리적 크기(예를 들어, 약 10-9m와 약 10-6m 사이)에 의해 허용되는 벌크 실리콘 속성들과 상이한 화학적 및 물리적 속성들을 나타낸다. 불행히도, 리튬-이온 배터리 시스템 내의 어노드 전극으로서의 실리콘 나노입자는 충전/리튬화 및 방전/탈리튬화 단계 동안에 실리콘의 대략 400%의 부피 팽창/축소를 나타내었다. 충전/리튬화 및 방전/탈리튬화 순환 동안의 이러한 급격한 실리콘 부피 변화는 실리콘 어노드 리튬-이온 배터리의 주요 저하를 발생시키고 결과적인 전극 고장으로 이끈다.
리튬-이온 배터리에 대한 새로운 혼성 실리콘-기반 어노드 재료가 아래에 개시되었다. 개시된 혼성 실리콘-기반 어노드 재료는 2 원소 또는 3 원소 또는 더 많은 원소의 혼성 실리콘-연질 금속 미세입자일 수 있다. 적합한 연질 금속은 분극성(polarizable) 금속들을 포함한다. 중성 비극성 종(neutral nonpolar species)은 자신의 전자 구름 내에 구형으로 대칭인 전자들의 배치를 가진다. 전기장의 존재시에, 중성 무극성 종 전자 구름이 왜곡될 수 있다. 이러한 왜곡의 용이성은 원자 또는 분자의 분극률(polarizability)로서 정의된다. 분극성은 종이 쉽게 왜곡되는 전자 구름을 가진다는 것을 의미한다. 일반적으로, 원자의 분극률은 전자와 원자핵 사이의 상호작용과 관련 있다. 분자 내의 전자의 양은 원자핵 전하가 전체 전하 분포를 얼마나 가깝고 밀착하게 제어할 수 있는지에 영향을 미친다. 더 적은 전자를 갖는 원자는 소수의 전자 궤도와 양전하를 띈 원자핵 사이의 강한 상호작용이 존재하기 때문에 더 작고 더 조밀한 전자 구름을 가진다. 또한 적은 수의 전자를 갖는 원자에는 더 적은 차폐(shielding)가 존재하며, 이는 바깥쪽 전자와 원자핵의 더욱 강한 상호작용에 기여한다.
예로서, 2 원자 분자에서, 전자가 두 원자들의 원자핵에 끌릴 수 있다. 그러나, (일반적으로 제1 원자핵이 더욱 조미한 구름 내에 고정된 더 적은 수의 전자를 가지기 때문에) 만약 제1 원자핵이 다른 원자핵보다 더욱 강하게 끌어당긴다면, 두 원자핵으로부터 결합하는 전자들은 다른 원자핵보다 제1 원자핵에 더욱 가깝게 위치하려는 경향을 가진다. 그 결과, 결합하는 전자들이 불균일하게 분포되며 두 원자들 사이에 극성 결합을 형성한다. 반대로, 전자들이 두 원자핵에 대해 동일한 인력을 겪는 경우에, 결합은 비극성이다. 분극률 또한 영향을 받는 분자의 분자 형태를 통한 분산력에 영향을 미친다. 길이 연장된 분자들은 쉽게 이동되는 전자들을 구비하여 자신의 분극률을 증가시키며 그에 따라 분산력을 강화한다. 반대로, 작고 조밀한 대칭적인 분자는 더 적은 분극성을 가지며 더욱 약한 분산력을 발생시킨다. 분산력은 원자와 분자 사이에 작용하는 힘의 유형이다. 따라서, 분극화는 분자 내 힘(모든 유형의 화학적 결합) 및 분자 간 힘(분자들 내의 다중극의 순간적 유도 분극화)에 의해 발생된다.
일부 예시적인 적합한 연질 금속은 주석(Sn), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 탈륨(Tl), 납(Pb), 수은(Hg), 카드뮴(Cd), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합을 포함하고, 다른 적합한 연질 금속이 혼성 실리콘 어노드 재료들의 제작에 유용할 수 있다. 사용되는 연질 금속은 이상적으로 적어도 99.9% 순수하지만, 더 높은 순도(예를 들어, 약 99.99% 이상)의 연질 금속 및 다소 더 낮은 순도(예를 들어, 약 99% 이하)의 연질 금속이 사용될 수 있음이 이해되어야만 한다.
혼성 실리콘-기반 어노드 재료는 예로서 Si-Sn와 같이 실리콘과 하나의 연질 금속과 같은 2 원자 미세입자를 사용할 수 있다. 혼성 실리콘-기반 어노드 재료는 예로서 Si-Sn-C와 같이 실리콘과 두 가지 연질 금속과 같은 3 원자 미세입자, 또는 실리콘 및 연질 금속 미세입자의 다른 조합을 사용할 수 있다. 4개 또는 그보다 많은 재료를 구비하는 더욱 복잡한 예들은 Si-Sn-Ag(은)-C 또는 Si-Sn-Ag-Al(알루미늄)-C를 포함한다. 혼성 실리콘-기반 어노드 재료는 리튬화/충전 및 탈리튬화/방전 단계 동안 용량을 손실시키지 않고 실리콘 부피 변화를 뚜렷하게 감소시킨다.
아래에서 더욱 자세하게 기술되는 바와 같이, 혼성 실리콘-기반 어노드 재료는 또한 어닐링된다. 어닐링된 혼성 실리콘-기반 어노드 재료 입자의 혼성 구조는 개별 리튬화/충전 및 탈리튬화/방전 단계 동안의 실리콘의 팽창 및 수축 동안 발생하는 스트레스를 완화한다. 혼성 실리콘-기반 어노드 재료 입자 기하학적 구조의 어닐링 프로세싱은 실질적으로 실리콘-기반 어노드의 균열, 버클링(buckling) 및 결과적인 응집을 방지하며, 그에 따라 용량 및 수명을 향상시킨다. 혼성 실리콘-기반 어노드 재료는 약 3,500mAhg-1보다 큰 전하 밀도를 가질 수 있다.
혼성 실리콘-기반 어노드 재료는 다른 전형적인 리튬-이온 배터리 재료들과 호환가능하며 따라서 다른 리튬-이온 배터리의 구조적 또는 재료 변화를 요구하지 않는다. 따라서, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4), 리튬 바나듐 산화물(LiV2O5), 리튬 철 인산염(LiFePO4), 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LixNiyCozMgmO2) 및 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(LixNiyCozAlmO2)과 같은 알려진 캐소드 재료들 및 종래의 리튬-이온 배터리 구조물에서 사용되는 고체 전해질은 도 1에 도시된 바와 같이 혼성 실리콘-기반 어노드 재료들과 함께 사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 리튬-이온 배터리 구조물은 약 5×10-3S/cm보다 큰 리튬-이온 전도율을 갖는 탄산염-기반 전해질 및/또는 중합체 전해질 및/또는 고체 무기 전해질을 포함하며 혼성 실리콘-기반 어노드 재료와 매칭된다.
선택적으로, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌의 격리 재료가 배터리 내에 포함될 수 있다. 격리 재료는 전해질 내에서 혼합되는 어노드와 캐소드 사이의 어느 곳에서 위치된다. 격리 재료는 열적 "퓨즈"로서의 역할을 하며 원하는 애플리케이션에 대해 선택될 수 있는 바와 같이 약 120℃ 내지 약 170℃보다 더 높은 온도까지 과열될 때 녹는다. 녹은 격리 재료는 어노드와 캐소드 사이의 리튬-이온 흐름을 정지시키며, 따라서 캐소드에 대한 배터리 어노드의 돌발적인 단락(short circuit) 또는 리튬-이온 배터리의 혼성 실리콘-기반 어노드로부터의 다른 초과 전력 드로잉(draw) 또는 혼성-실리콘-기반 어노드로의 초과 전력 입력에서 발생할 수 있는 것과 같은 제어되지 않은 발열성 이벤트를 방지한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른, 혼성 실리콘-기반 미세입자 어노드 재료를 포함하는 리튬-이온 배터리(100)의 단순화된 개략도이다. 리튬-이온 배터리(100)는 캐소드 전류 컨덕터(102) 및 어노드 전류 컨덕터(110)를 포함한다. 캐소드 전류 컨덕터(102) 및 어노드 전류 컨덕터(110)는 전형적으로 구리, 구리 합금 또는 다른 높은 전도성 금속으로 형성된다. 리튬 함유 캐소드(104)는 캐소드 전류 컨덕터(102)와 전기적으로 접촉한다. 혼성 실리콘-기반 미세입자 어노드 재료(108)는 어노드 전류 컨덕터(110)와 전기적으로 접촉한다. 혼성 실리콘-기반 미세입자 어노드 재료는 아래에서 더욱 자세하게 기술된다. 고체 전해질(106)은 리튬 함유 캐소드(104)와 실리콘 혼성 어노드(108) 사이에 배치된다.
마이크로파 화학반응은 반응 혼합물이 쌍극자 분극화 또는 이온 전도 메커니즘과 같이 플라스마를 형성하는 기체 흐름으로 연결되는 마이크로파 에너지를 흡수하는 능력에 의존한다. 이것은 전자기 조사(irradiation)와 시약 분자들 사이의 직접 상호작용에 의해 신속한 열적 내부 가열을 생성한다. 상당히 높은 마이크로파 필드 밀도를 인가하는 것은 소스 기체 흐름의 분해를 발생시킬 수 있다. 분해 생성물은 그 후에 혼성 실리콘-금속 재료 및/또는 혼성 실리콘-탄소질 재료를 형성하도록 사용될 수 있다.
실리콘 미세입자를 생성하기 위해 고속 마이크로파 합성 방법이 사용되었다. 수소(H2) 및 아르곤(Ar) 기체의 혼합물을 이용한 실란(SiH4) 또는 디실란(Si2H6)의 마이크로파 유도된 전기 방전 분리는 저압 흐름 반응기에서 Si 미세입자를 생성한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른, 마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버 시스템(200)의 단순화된 개략도이다. 마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버 시스템(200)은 마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버(202) 및 마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버(202) 내에서 마이크로파 필드를 생성하기 위한 마이크로파 생성기(204)를 포함한다. 마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버 시스템(200)은 또한 개별 흐름 제어 디바이스들(212A, 212B, 212C)을 통해 마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버(202) 내에 배치된 노즐(208)에 연결된 다수의 프로세스 기체 소스들(210A, 210B, 210C)을 포함한다.
마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버 시스템(200)은 또한 냉각 챔버(206)를 포함한다. 냉각 챔버(206)는 아래에서 더욱 자세하게 설명될 냉각된 벽들(214)을 포함한다. 냉각 시스템(216)이 냉각된 벽들을 원하는 온도로 유지하도록 냉각된 벽들(214)에 연결된다. 냉각 챔버(206)는 또한 냉각된 벽들(214)의 하류에 위치된 배출 챔버(218)를 포함한다. 펌프(222)는 프로세스 기체의 흐름을 방향(222A)에서 노즐(208)로부터 배출 챔버(218)로 드로잉한다. 배출 포트(220)는 배출 챔버(218)를 컬렉터(224)에 연결한다. 컬렉터(224)는 컬렉터를 원하는 컬렉터 온도로 유지하기 위한 온도 조절 시스템(226)을 선택적으로 포함할 수 있다.
마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버 시스템(200)은 또한 마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버 시스템의 각 부분 내의 프로세스들을 제어하기 위한 컨트롤러(230)를 포함한다. 컨트롤러(230)는 프로세스 기체 소스들(210A, 210B, 210C), 마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버(202), 냉각 챔버(206) 및 온도 조절 시스템(226)에 연결된다. 컨트롤러(230)는 소프트웨어(232), 로직(234) 및 마이크로파 유도된 분해 반응기 챔버 시스템(200) 내의 다양한 구성요소들을 제어, 모니터 및 동작하기 위한 프로세싱 능력을 포함한다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른, 실리콘 미세입자의 형성에서 수행되는 방법 동작들(300)을 도시한 흐름도이다. 본 명세서에 도시된 동작들은 예시적인 것이며, 일부 동작들이 하위-동작들을 가질 수 있고 다른 경우에서는 본 명세서에 기술된 소정의 동작들이 도시된 동작들에 포함되지 않을 수 있음이 이해되어야만 한다. 이를 유념하여, 이제 방법 및 동작들(300)이 기술될 것이다.
동작(305)에서, 실리콘 소스 재료(예를 들어, 실란(SiH4) 또는 다른 적합한 실리콘 소스 재료), 수소(H2) 및 아르곤(Ar)의 프로세스 기체 혼합물이 노즐(208)을 통해 마이크로파 생성기 챔버(202) 내로 주입된다. 실리콘 소스 재료(실란, 디실란), 수소 및 아르곤 기체는 노즐(208) 내에 주입되기 이전에 혼합기(209) 내에서 혼합될 수 있다. 합성된 실리콘 입자들의 형태학에 의존하여 감소 또는 연소 기체(H2) 및 운반 기체(Ar)의 비율이 약 1부분(H2) 대 50부분(Ar)(1:50 비율) 및 2부분(H2) 대 50부분(Ar)(2:50 비율) 사이에서 달라질 수 있다. 마이크로파 생성기 챔버 내로의 기체 혼합물의 흐름 속도는 약 10-20 slpm(분당 표준 리터) 사이이다. 실란(SiH4)은 적어도 99% 순도이고 수소(H2) 및 아르곤(Ar)은 각각 약 99.99%(예컨대, "포나인스(four nines) 순도")이다. 더욱 큰 순도의 기체들 또한 사용될 수 있음이 이해되어야만 한다. 실란(SiH4), 수소(H2) 및 아르곤(Ar)의 개별 흐름 속도는 캘리브레이션된 유량계에 의해 모니터링되고 실리콘 미세입자 크기 분포를 결정하도록 제어된다.
동작(310)에서, 약 2.45GHz 주파수에서 약 900W 무선 주파수 파워가 인가된 RF 파워에 의해 발생된 여기(excitation)로 인해 마이크로파 생성기 챔버 내에서 플라스마를 형성하도록 마이크로파 생성기 챔버에 인가된다. 마이크로파 생성기 챔버는 약 300℃와 약 700℃ 사이의 반응 온도 및 약 100 mTorr와 약 100 Torr 사이의 압력에서 동작될 수 있다.
동작(315)에서, 무선-주파수 전류 내에서 Ar에 의해 생성된 플라스마는 실리콘 이온들(209A)을 생성하도록 실란(SiH4)을 수소(H2)와 분리한다. 분리된 실리콘 이온들(209A)은 방향(222A)으로 마이크로파 생성기 챔버로부터 드로잉되며, 동작(320)에서 분리된 실리콘 이온들(209A)을 냉각하도록 하나 이상의 냉각 벽들(214)을 통과한다.
동작(325)에서 감소된 실리콘 종이 실리콘 미세입자(209A')를 형성하도록 냉각되어 응집될 수 있다. 여분의 수소(209B)가 냉각되어 펌프(222) 드로잉된다. 냉각 벽들(214, 220)은 분리된 실리콘 이온들(209A)과 수소(209B)를 충분히 냉각하도록 약 25℃와 약 -196℃ 사이의 온도 범위를 가진다. 냉각 벽들(214)은 액체 질소, 물, 에틸렌 글리콜, 아세톤 내의 드라이 아이스(즉, 고체 형태의 탄소 이산화물)와 같은 임의의 적합한 냉각제, 또는 임의의 다른 적합한 냉각 시스템 또는 매체에 의해 냉각될 수 있다. 형성된 실리콘 미세입자들(209A')은 냉각 벽들(220)을 통과하고 컬렉터(224) 내의 입자 크기 범위는 냉각 벽들(220) 부근을 통과한 후에 약 1 내지 약 20㎛ 사이이다. 형성된 실리콘 미세입자(209A') 크기 분포는 마이크로파 생성기의 파워, 프로세스 기체 반응물의 흐름 속도 및 반응물의 비율에 의해 선택될 수 있다. 마이크로파의 파워가 증가되었기 때문에, 형성된 플라스마는 낮은 반응 온도(예를 들어, 약 20℃과 약 35℃ 사이의 주변 온도)에서 반응 에너지를 감소시킬 수 있다. 형성된 입자들의 크기 분포는 반응물 농도 및 흐름 속도에 의해 영향을 받을 수 있다. 일반적으로, 수송 동안의 응집은 고농도(질량, 몰(molar), 개수 및 부피 농도) 반응물의 결과이다. 입자 크기 분포에 대한 다른 중요한 요인은 냉각 벽의 냉각 온도이다.
수소 및 아르곤을 이용하는 전술된 기체 혼합물 내의 실란의 농도(수소의 1~2%)는 1,000ppm 내지 10,000ppm의 범위 내에서 달라진다. 마이크로파 생성기(204)는 2.45GHz 주파수에서 약 2,000W 출력 파워까지 동작할 수 있으며 25℃ 내지 700℃의 반응 온도에서 그리고 100 mTorr 내지 100 Torr 하에서 동작될 수 있다. 생성된 실리콘 입자들의 형태학은 반응 온도에 의존한다. 예를 들어, 비결정질 입자들에 의해 둘러싸인 작은 결정들이 300℃ 하에서 합성될 수 있지만, 결정질 구조의 입자들은 600℃ 위에서 수집될 수 있다.
동작(330)에서, 형성된 실리콘 미세입자들(209A")이 컬렉터(224) 내에 수집된다. 컬렉터(224)는 네트(net)들의 다수의 층들을 포함할 수 있다. 네트들은 스틸, 스테인리스 스틸, 구리, 니켈 및 이들의 합금과 같은 적합한 체(sieve) 재료 및 임의의 다른 적합한 재료로 형성된다. 네트들은 약 15㎛ 내지 약 20㎛ 폭의 개구를 구비한다. 선택적 동작(335)에서, 수집된 실리콘 미세입자들(209A")이 원하는 미세입자 크기로 밀링(milled)되며 방법 동작들이 종료될 수 있다. 실리콘의 합성 후에 미세입자들(209A")이 좁은 입자 크기 분포(1-5㎛)를 획득하기 위해 종래의 진동 볼 밀링 머신과 같은 밀링 머신을 이용하여 밀링 프로세스될 수 있다.
연질 금속 미세입자는 실질적으로 위에서 도 3과 관련해 설명된 바와 같은 실리콘 미세입자와 유사하게 형성될 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른, 연질 금속 미세입자의 형성에서 수행되는 방법 동작들(400)을 도시한 흐름도이다. 본 명세서에 도시된 동작들은 예시적인 것이며, 일부 동작들이 하위-동작들을 가질 수 있고 다른 경우에서는 본 명세서에 기술된 소정의 동작들이 도시된 동작들에 포함되지 않을 수 있음이 이해되어야만 한다. 이를 유념하여, 이제 방법 및 동작들(400)이 기술될 것이다. 예로서, 주석(Sn) 미세입자들 또한 주석 소스 재료로서의 테트라메틸틴(Sn(CH3)4, TMT), 수소(H2) 및 아르곤(Ar)과 같은 연질 금속 소스 금속의 기체 혼합물을 이용하여 합성될 수 있다.
동작(405)에서, TMT, 수소(H2) 및 아르곤(Ar)의 프로세스 기체 혼합물이 마이크로파 생성기 챔버 내로 주입된다. 마이크로파 생성기 챔버 내로의 기체 혼합물의 흐름 속도는 약 10과 약 20 slpm(분당 표준 리터) 사이이다. TMT의 농도는 혼합물 내의 약 2000 ppm과 약 8000 ppm 사이이다. TMT는 약 99% 순도이고 수소(H2) 및 아르곤(Ar)은 각각 약 99.99%(예컨대, "포나인스(four nines) 순도")이다. 더욱 큰 순도의 기체들 또한 사용될 수 있음이 이해되어야만 한다. 테트라메틸틴(Sn(CH3)4, TMT), H2 및 Ar의 개별 흐름 속도는 캘리브레이션된 유량계에 의해 모니터링되고 주석 미세입자 크기 분포 및 합성을 결정하도록 제어된다. 반응기 내의 주석 소스 재료의 분해에서, 반응 온도 및 반응기 내의 주석 종의 체류 시간은 주석 입자 합성 및 크기 분포의 중요한 파라미터들이다. TMT 외의 주석 소스 재료에 대한 대안은 테트라메틸틴, 테트라비닐틴(Sn(CH=CH2)4), 트리메틸(페닐)틴(C6H5Sn(CH3)3), 트리시클로헥실틴 수소화물((C6H11)SnH) 및 헥사페닐디틴((C6H5)3Sn)2)을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는다.
동작(410)에서, 약 2.45GHz 주파수에서 약 900W 무선 주파수 파워가 인가된 RF 파워에 의해 발생된 여기로 인해 마이크로파 생성기 챔버 내에서 플라스마를 형성하도록 마이크로파 생성기 챔버에 인가된다. 마이크로파 생성기 챔버는 약 25℃와 약 700℃ 사이의 반응 온도 및 약 100 mTorr와 약 100 Torr 사이의 압력에서 동작될 수 있다. 비결정질 주석 미세입자들은 약 25℃의 주변 온도에서 형성될 수 있지만, 다결정질 주석 미세입자들은 300℃ 위에서 형성될 수 있다. 비결정질 주석 입자들과 다결정질 주석 미세입자들의 조합이 혼성 실리콘 어노드 재료들을 형성하도록 다양한 비율 조합으로 사용될 수 있다.
동작(415)에서, 플라스마는 주석 및 수소를 생성하도록 TMT를 분리한다. 동작(420)에서, 분리된 주석 및 수소는 마이크로파 생성기 챔버 밖으로 드로잉되며, 분리된 주석 및 수소를 냉각하도록 하나 이상의 냉각 벽들을 통과한다. 형성된 주석 종(209A)은 주석이 냉각 벽(220)을 통과할 때 주석 미세입자들을 형성할 수 있다. 형성된 입자 크기 분포는 약 25℃로부터 약 -196℃의 냉각 온도에 의해 제어될 수 있다. 냉각 벽(220)은 입자 합성 프로세스에서 최저 온도를 가진다.
동작(425)에서, 형성된 주석 미세입자들이 온도 조절된 컬렉터(224) 내에 수집된다. 컬렉터(224)는 네트들의 다수의 층들을 포함할 수 있다. 네트들은 스틸, 스테인리스 스틸, 구리, 니켈 및 이들의 합금과 같은 적합한 체(sieve) 재료 및 임의의 다른 적합한 재료로 형성된다. 네트들은 약 15㎛ 내지 약 20㎛ 폭의 개구를 구비한다. 입자 컬렉터(224)는 대략 약 15℃와 약 30℃ 사이의 주변 온도에서 유지된다. 선택적 동작(430)에서, 수집된 주석 미세입자들이 원하는 미세입자 크기로 밀링되며 방법 동작들이 종료될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른, 열 증발에 의한 연질 금속 미세입자의 형성에서 수행되는 대안적인 방법 동작들(500)을 도시한 흐름도이다. 본 명세서에 도시된 동작들은 예시적인 것이며, 일부 동작들이 하위-동작들을 가질 수 있고 다른 경우에서는 본 명세서에 기술된 소정의 동작들이 도시된 동작들에 포함되지 않을 수 있음이 이해되어야만 한다. 이를 유념하여, 이제 방법 및 동작들(500)이 기술될 것이다. 예로서, 주석(Sn) 미세입자들 또한 열 증발 프로세스 내에서 테트라메틸틴(Sn(CH3)4, TMT), 수소(H2) 및 아르곤(Ar)의 기체 혼합물을 이용하여 합성될 수 있다.
동작(505)에서, TMT, 수소(H2) 및 아르곤(Ar)의 프로세스 기체 혼합물이 마이크로파 생성기 챔버 내로 주입된다. 프로세싱 챔버 내로의 기체 혼합물의 흐름 속도는 약 10-20 slpm(분당 표준 리터) 사이이다.
동작(510)에서, 기체 혼합물은 가열 소스에 의해 약 25℃ 내지 약 300℃ 사이로 가열된다. 가열 소스는 저항성 가열기, (전형적인 스퍼터링 반응기 내에서 발견될 수 있는 것과 같은) 전자 빔 히터와 같은 임의의 적합한 가열 소스일 수 있다. 저항성 가열 소스에 있어서, 가열기 요소는 50-100A 또는 그보다 높은 전류 및 6-20V만큼 낮은 전압을 드로잉한다.
동작(515)에서, 가열된 기체 혼합물이 TMT를 주석 및 수소로 분리한다. 동작(520)에서, 분리된 주석 및 수소는 마이크로파 생성기 챔버 밖으로 드로잉되며, 분리된 주석 및 수소 이온들을 냉각하도록 하나 이상의 냉각 벽들을 통과한다. 주석 미세입자들은 약 1㎛와 약 30㎛ 사이의 크기 범위를 형성한다.
동작(525)에서, 형성된 주석 미세입자들이 온도 조절된 컬렉터 내에 수집된다. 선택적 동작(530)에서, 수집된 주석 미세입자들이 원하는 미세입자 크기로 밀링되며 방법 동작들이 종료될 수 있다.
합성 재료들이 열적 또는 기계적 프로세스에 의해 준비된다. 예를 들어, 열분해, 기계적 혼합 및 밀링, 또는 열적 및 기계적 방법들의 일부 조합들이 유용한 준비 기술들이다. 혼성 2 원소 실리콘-기반 어노드 재료는 고체 기판 상에 실리콘 및 주석 미세입자들을 포함할 수 있다. 혼성 3 원소 실리콘-기반 어노드 재료는 실리콘 및 주석 미세입자들과 함께 제3 재료로서 탄소질 미세입자를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른, 혼성 실리콘-기반 어노드 재료를 포함하는 리튬-이온 배터리의 형성에서 수행되는 방법 동작들(600)을 도시한 흐름도이다. 본 명세서에 도시된 동작들은 예시적인 것이며, 일부 동작들이 하위-동작들을 가질 수 있고 다른 경우에서는 본 명세서에 기술된 소정의 동작들이 도시된 동작들에 포함되지 않을 수 있음이 이해되어야만 한다. 이를 유념하여, 이제 방법 및 동작들(600)이 기술될 것이다. 리튬-이온 배터리용 혼성 2 원소 실리콘-기반 어노드 재료들은 도 3 내지 5에서 전술된 바와 같이 형성된 실리콘 및 주석 미세입자들로 이루어진다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른, 혼합 시스템(700)의 단순화된 개략도이다. 혼합 시스템(700)은 혼합 리셉터클(receptacle)(702) 및 믹서(704)를 포함한다.
동작(605)에서, 다량의 실리콘 미세입자들(710A)과 다량의 주석 미세입자들(710B)이 미세입자 혼합물을 형성하도록 혼합물 리셉터클(702) 내의 하나 이상의 다량의 바인더 재료들(710C)과 선택된 비율로 결합된다. 혼성 어노드 재료들에 대한 미세입자들은 어노드 재료들의 중량의 약 5-10%의 중합체 바인더를 포함한다. 실리콘 미세입자들과 주석 미세입자들의 비율 범위가 도 9에 도시되었다. 예로서 미세입자 혼합물이 중량의 약 10%와 약 40% 사이의 실리콘 미세입자들 및 중량의 약 90%와 약 60% 사이의 금속 미세입자들을 포함할 수 있다.
적합한 바인더는 폴리 비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 탄소 재료(카본 블랙, 그래파이트 파우더 및 탄소 섬유 등), 폴리에틸렌 산화물(PEO), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리 비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA)와 같은 겔 전해질을 포함하는 스티렌 부타디엔 고무(SBR)를 포함할 수 있다.
동작(610)에서, 혼합물(710)을 형성하기 위해 다량의 실리콘 미세입자, 다량의 주석 미세입자 및 하나 이상의 다량의 바인더 재료의 조합이 혼합기(704)에 의해 혼합된다. 혼합기(704)는 단일 동작에서 혼합물을 혼합 및 밀링하기 위한 볼 타입 그라인딩 밀 및 혼합기일 수 있다. 볼 타입 그라인딩 밀 및 혼합기는 약 5㎛만큼 작은 미세입자들을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른, 어닐링 챔버 시스템(800)의 단순화된 개략도이다. 어닐링 챔버 시스템(800)은 어닐링 챔버(802) 및 적어도 하나의 기체 소스(804)를 포함한다. 어닐링 챔버(802)는 어닐링 챔버의 내용물을 가열하기 위한 가열 소스(806)를 포함한다. 어닐링 챔버(802)는 또한 챔버 시스템(800)을 제어 및 어닐링하기 위한 컨트롤러(810)를 포함한다.
동작(615)에서, 혼합물(710)이 어닐링 챔버(802)로 이동된다. 어닐링 챔버는 비활성 기체 환경(예를 들어, 아르곤 또는 질소)을 가진다. 어닐링 챔버 내로의 비활성 기체 흐름 속도는 분당 약 50과 약 300 표준 입방 센티미터(SCCM) 사이이다.
동작(620)에서, 혼합된 실리콘 미세입자들, 주석 미세입자들 및 바인더 재료들이 약 5시간 내지 약 24시간의 기간에 걸쳐 200℃과 650℃ 사이의 온도 기울기로 가열된다. 혼합된 실리콘 미세입자들, 주석 미세입자들 및 바인더 재료들을 가열하는 것은 실리콘 미세입자들과 주석 미세입자들을 함께 결합시키며 바인더 재료들은 실질적으로 증발되어 날아간다.
동작(625)에서, 결합된 실리콘 미세입자들 및 주석 미세입자들이 어닐링된 다량의 실리콘 미세입자들 및 주석 미세입자들을 생성하도록 약 1시간 내지 약 10시간의 기간에 걸쳐 약 45℃와 약 60℃ 사이의 냉각 온도로 점진적으로 냉각된다.
동작(630)에서, 어닐링된 실리콘 미세입자들, 주석 미세입자들이 약 2㎛와 약 15㎛ 사이의 두께를 갖는 층으로 가압된다. 어닐링된 실리콘 미세입자들, 주석 미세입자들을 가압하는 것은 혼성 실리콘-기반 어노드 재료의 층을 생성하도록 약 3.0kg/cm2와 약 15.0kg/cm2 사이의 종래의 압력을 이용하여 달성될 수 있다.
동작(635)에서, 혼성 실리콘-기반 어노드 재료의 하나 이상의 층이 원하는 폼 팩터(form factor)의 리튬-이온 배터리를 형성하도록 전해질 및 캐소드 층들과 결합된다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른, 리튬-이온 관계의 그래픽도(900)이다. 특정 리튬-이온 용량에 있어서, 어노드 재료들이 실리콘과 연질 금속(예컨대, 주석) 사이의 적절한 비율을 이용하여 설계되고 제조된다. 실리콘과 연질 금속의 비율은 전기화학적 성능에 있어서 중요한 인자이다. 예로서, 이것은 리튬-이온 배터리 시스템 내의 Si-Sn 어노드 재료들에 있어서 그러하다. 각 혼성 시스템 내의 구성 비율이 배터리 충전/리튬화 및 방전/탈리튬화 사이클 동안 최상의 전기화학적 성능을 위해 최적화된다. 2 원소 혼성 미세입자 구조물 내에서, Si:Sn의 원자 비율이 약 1:9로부터 약 4:6까지 달라질 수 있다.
3 원소 혼성 실리콘-기반 미세입자 어노드 재료들에 있어서, 실리콘, 주석 및 탄소가 Si-기반 어노드 재료들의 주요 소재이다. 3 원소 혼성 구조물에 있어서 탄소는 제3 재료이며, 3 원소 입자들의 비율(Si:Sn:C)은 각각 Si가 30%, Sn이 30% 및 탄소가 40%이다.
그래파이트 어노드 또는 실리콘-그래핀 어노드를 이용하는 종래의 리튬-이온 배터리들에 비교하여, 본 명세서에 기술된 혼성 실리콘-기반 미세입자 어노드 재료들이 리튬 삽입 및 추출로 인한 실리콘 부피 변화를 최소화할 수 있다. 0.5-5㎛의 미세입자 크기는 Si-기반 어노드를 통한 최소 확산 경로 길이를 발생시킨다. 이러한 접근법은 리튬화 동안에 리튬-이온들을 최대화하기 위해 패킹 밀도를 향상시키며 전기 자동차에서 유용할 수 있는 것과 같은 비용이 높지 않은 방법들을 이용하여 향상된 안정성 및 개선된 용량을 제공한다.
어노드 내의 조성이 가변적이기 때문에 재료들의 선택에 의한 개별 화학적 및 물리적 속성들로 인해 전기 자동차용 혼성 실리콘-기반 미세입자 어노드를 이용하는 리튬-이온 배터리의 전압, 에너지 용량, 파워, 수명 및 안전도가 변화될 수 있으며 제작 동안에 제어될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른, 롤링된(rolled) 층 리튬 이온 배터리(1000)의 단면도이다. 리튬 이온 배터리(1000)는 실질적으로 원통 형태이다. 리튬 이온 배터리(1000)는 각 쌍의 캐소드 층들 사이에 캐소드 전류 컬렉터(1003)를 갖는 하나 이상의 캐소드 층들(1002, 1004)을 포함한다. 리튬 이온 배터리(1000)는 또한 어노드 층들의 각 쌍 사이에 어노드 전류 컬렉터(1007)를 갖는 하나 이상의 어노드 층(1006, 1008)을 포함한다. 격리 층이 어노드를 캐소드로부터 격리시키도록 캐소드 층(1004)과 어노드 층(1006) 사이에 배치된다. 다량의 전해질(1010)이 롤링된 층들(1001-1009)의 적어도 하나의 단부와 접촉한다. 바깥쪽 층들(1001, 1009)이 격리 재료일 수 있거나 또는 다른 적합한 비전도성 재료일 수 있다.
대안적으로, 층 리튬 이온 배터리가 혼성 실리콘-기반 미세입자 어노드 층들 및 캐소드 층들의 적층 내에 형성될 수 있다. 적층된 구성에서, 3개의 층들이 격리 층들 내에 봉인되며 개별 에지들이 밀봉될 수 있다. 전해질이 새는 것을 방지하기 위해 겔 전해질이 사용될 수 있다.
전술된 바와 같이 리튬-이온 배터리는 안전한 전기 자동차 배터리를 위해 혼성 실리콘 및 연질 금속 2 원소 또는 3 원소 미세입자 어노드를 포함한다. 리튬-이온 배터리는 과충전 또는 단락과 같은 잠재적인 전기화학적 및 열적 반응으로부터 보호될 셧다운 기능 격리재를 포함한다.
도 11은 본 발명에 따른 프로세싱을 수행하기 위한 예시적인 컴퓨터 시스템(1100)의 블록도이다. 컴퓨터 시스템(1100)은 자신의 동작들을 제어하도록(예를 들어, 컨트롤러(230, 810) 등) 하나 이상의 마이크로파 분해 반응기 시스템(200), 혼합 시스템(700) 및 어닐링 시스템(800)에 연결될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1100)은 디지털 컴퓨터(1102), 디스플레이 스크린(또는 모니터)(1104), 프린터(1106), 플로피 디스크 또는 다른 제거가능한 컴퓨터 판독가능한 매체(1108), 하드 디스크 드라이브 또는 유사한 영구 저장 장치(1110), 네트워크 인터페이스(1112) 및 키보드(1114)를 포함한다. 디지털 컴퓨터(1102)는 마이크로프로세서(1116), 메모리 버스(1118), 랜덤 액세스 메모리(RAM)(1120), 판독 전용 메모리(ROM)(1122), 주변기기 버스(1124) 및 키보드 컨트롤러(KBC)(1126)를 포함한다. 디지털 컴퓨터(1102)는 (IBM 호환가능한 개인 컴퓨터, 매킨토시 컴퓨터 또는 매킨토시 호환가능한 컴퓨터와 같은) 개인 컴퓨터, (선 마이크로시스템(Sun Microsystems) 또는 휴렛-팩커드(Hewlett-Packard) 워크스테이션과 같은) 워크스테이션 컴퓨터, 또는 일부 다른 타입의 컴퓨터일 수 있다.
마이크로프로세서(1116)는 컴퓨터 시스템(1100)의 동작을 제어하는 범용 디지털 프로세서이다. 마이크로프로세서(1116)는 단일-칩 프로세서일 수 있거나 또는 다수의 구성요소들과 함께 구현될 수 있다. 메모리로부터 검색된 명령어들을 이용하여, 마이크로프로세서(1116)는 입력 데이터의 수용 및 조작과 출력 디바이스 상의 데이터 출력 및 디스플레이를 제어한다.
메모리 버스(1118)는 RAM(1120) 및 ROM(1122)에 접근하기 위해 마이크로프로세서(1116)에 의해 사용된다. RAM(1120)은 범용 저장 영역 및 스크래치-패드 메모리로서 마이크로프로세서(1116)에 의해 사용되며, 또한 입력 데이터 및 프로세싱된 데이터를 저장하도록 사용될 수 있다. ROM(1122)은 마이크로프로세서(1116)가 따르는 명령어들 또는 프로그램 코드뿐 아니라 다른 데이터를 저장하도록 사용될 수 있다.
주변기기 버스(1124)는 디지털 컴퓨터(1102)에 의해 사용되는 입력, 출력 및 저장 디바이스들에 접근하도록 사용된다. 기술된 실시예에서, 이들 디바이스들은 디스플레이 스크린(1104), 프린터 디바이스(1106), 플로피 디스크 드라이브(1108), 하드 디스크 드라이브(1110) 및 네트워크 인터페이스(1112)를 포함한다. 키보드 컨트롤러(1126)는 키보드(1114)로부터 입력을 수신하고 각 눌러진 키에 대한 디코딩된 심볼을 버스(1128)를 통해 마이크로프로세서(1116)에 전송한다.
디스플레이 스크린(1104)은 주변기기 버스(1124)를 통해 마이크로프로세서(1116)에 의해 제공되거나 또는 컴퓨터 시스템(1100) 내의 다른 구성요소들에 의해 제공되는 데이터의 이미지들을 디스플레이하는 출력 디바이스이다. 프린터 디바이스(1106)가 프린터로서 동작할 때, 이는 종이 또는 유사한 표면 위에 이미지를 제공한다. 플로터(plotter), 타입세터(typesetter) 등과 같은 다른 출력 디바이스들이 프린터 디바이스(1106)를 대신하여, 또는 그에 추가로 사용될 수 있다.
플로피 디스크 또는 다른 제거가능한 컴퓨터 판독가능한 매체(1108) 및 하드 디스크 드라이브 또는 다른 영구 저장 매체(1110)는 다양한 타입의 데이터를 저장하도록 사용될 수 있다. 플로피 디스크 드라이브(1108)는 이러한 데이터를 다른 컴퓨터 시스템으로 수송하는 것을 용이하게 하며, 하드 디스크 드라이브(1110)는 저장된 대용량 데이터로의 빠른 접근을 가능하게 한다.
마이크로프로세서(1116)는 운영 체제와 함께 컴퓨터 코드를 실행하고 데이터를 생성 및 사용하도록 동작한다. 컴퓨터 코드 및 데이터는 RAM(1120), ROM(1122), 또는 하드 디스크 드라이브(1110) 상에 존재할 수 있다. 컴퓨터 코드 및 데이터는 또한 제거가능한 프로그램 매체 상에 존재할 수 있으며 필요할 때 컴퓨터 시스템(1100) 상에 로딩 또는 설치될 수 있다. 제거가능한 프로그램 매체는, 예를 들어, CD-ROM, PC-CARD, 플로피 디스크, 플로피 메모리, 광학 매체 및 자기 테이프를 포함한다.
네트워크 인터페이스(1112)는 다른 컴퓨터 시스템들에 접속된 네트워크 상에서 데이터를 전송 및 수신하도록 사용된다. 인터페이스 카드 또는 유사한 디바이스 및 마이크로프로세서(1116) 상에서 구현되는 적절한 소프트웨어가 컴퓨터 시스템(1100)을 현존하는 네트워크에 접속시키고 표준 프로토콜에 따라 데이터를 전송하도록 사용될 수 있다.
키보드(1114)는 컴퓨터 시스템(1100)에 입력 커맨드 및 다른 명령어들을 입력하도록 사용자에 의해 사용된다. 다른 타입의 사용자 입력 디바이스들 또한 본 발명과 관련하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 마우스, 트랙 볼, 스타일러스, 또는 태블릿과 같은 포인팅 디바이스들이 범용 컴퓨터의 스크린 상에서 포인터를 조작하도록 사용될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른, 마이크로파 분해 반응기 시스템(200), 혼합 시스템(700) 및 어닐링 시스템(800) 중 하나 이상을 포함하는 통합 시스템(1200)의 블록도이다. 통합 시스템(1200)은 마이크로파 분해 반응기 시스템(200), 혼합 시스템(700) 및 어닐링 시스템(800) 및 시스템들(200, 700, 800)에 연결된 통합 시스템 컨트롤러(1210) 중 하나 이상을 포함한다. 도시되지 않은 추가적인 시스템들 또한 통합 시스템 컨트롤러(1210)에 포함되고 연결되며 그에 의해 제어될 수 있다. 통합 시스템 컨트롤러(1210)는 사용자 인터페이스(1214)를 포함하거나 또는 (예컨대, 유선 또는 무선 네트워크(1212)를 통해) 연결된다. 사용자 인터페이스(1214)는 사용자 판독가능한 출력 및 표시를 제공하고 사용자 입력을 수신할 수 있으며 통합 시스템 컨트롤러(1210)에 사용자 액세스를 제공할 수 있다.
통합 시스템 컨트롤러(1210)는 전용 컴퓨터 또는 범용 컴퓨터를 포함할 수 있다. 통합 시스템 컨트롤러(1210)는 침착 시스템들(300, 400) 및 생산 시스템(350)을 위해 데이터(1218)(예를 들어, 성능 히스토리, 성능 또는 결함 분석, 운영자 로그 및 히스토리 등)를 모니터, 제어 및 제어하며 저장하도록 컴퓨터 프로그램 및/또는 로직(1216)을 실행할 수 있다. 예로서, 통합 시스템 컨트롤러(1210)는 만약 수집된 데이터가 침착 시스템들(300, 400) 및 생산 시스템(350) 및/또는 그 내부의 구성요소들의 동작에 대한 조정을 나타낸다면, 이들의 동작들을 조정할 수 있다(예를 들어, 온도, 흐름 속도, 압력, 위치, 이동, 기판(102)의 로딩 및 언로딩 등).
전술된 실시예들에 대해서 연질 금속인 주석이 선택되었지만, 혼성 실리콘-기반 어노드 재료를 형성하기 위한 유사한 프로세스에서 임의의 적합한 연질 금속이 사용될 수 있음이 이해되어야만 한다.
전술된 실시예들을 유념하여, 본 발명이 컴퓨터 시스템 내에 저장된 데이터와 관련된 다양한 컴퓨터-구현되는 동작들을 사용할 수 있음이 이해되어야만 한다. 이러한 동작들은 물리적 분량의 물리적 조작을 요구하는 것이다. 반드시 그러한 것은 아니지만, 일반적으로 이러한 분량은 저장, 수송, 결합, 비교 및 다른 방식으로 조작될 수 있는 전기 또는 자기 신호의 형태를 취한다. 또한, 수행되는 조작들은 종종 생산, 식별, 결정, 또는 비교와 같은 측면들을 지칭한다.
본 발명의 부분을 형성하는 본 명세서에 기술된 임의의 동작은 유용한 기계 동작들이다. 본 발명은 또한 이러한 동작들을 수행하기 위한 디바이스 또는 장치와 관련된다. 이 장치는 요구된 목적을 위해 특별히 구조화될 수 있거나, 또는 컴퓨터 내에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성화되거나 구성된 범용 컴퓨터일 수 있다. 특히, 다양한 범용 기계들이 본 명세서의 가르침에 따라 기록된 컴퓨터 프로그램들과 함께 사용될 수 있거나, 또는 요구된 동작들을 수행하기 위해 보다 전문화된 장치를 구조화하기에 더욱 편리할 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터 판독가능한 매체 상의 컴퓨터 판독가능한 코드 및/또는 로직으로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 매체는 이후에 컴퓨터 시스템에 의해 판독될 수 있는 데이터를 저장할 수 있는 임의의 데이터 저장 디바이스이다. 컴퓨터 판독가능한 매체의 예는 하드 드라이브, 네트워크 부착된 저장장치(NAS), 논리 회로, 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, CD-ROM, CD-R, CD-RW, 자기 테이프, 및 다른 광학적 및 비광학적 데이터 저장 디바이스를 포함한다. 컴퓨터 판독가능한 매체는 또한 컴퓨터 판독가능한 코드가 분산된 방식으로 저장되고 실행되도록 컴퓨터 시스템들에 연결된 네트워크 상에 분산될 수 있다.
전술된 도면들의 동작들에 의해 표현되는 명령어들이 도시된 순서로 수행되어야만 하는 것은 아니며, 동작들에 의해 표현되는 모든 프로세싱이 본 발명을 실시하기 위해 필요하지 않을 수 있음이 추가로 이해될 것이다. 또한, 전술된 도면들 중 임의의 도면에서 기술된 프로세스들 또한 RAM, ROM, 또는 하드 디스크 드라이브 중 임의의 하나 또는 이들의 조합 내에 저장된 소프트웨어 내에서 구현될 수 있다.
전술된 발명이 명백한 이해를 위해 어느 정도 자세하게 기술되었지만, 소정의 변화 및 수정들이 첨부된 청구항들의 범주 내에서 실시될 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로서 간주되어야만 하며, 본 발명은 본 명세서에 주어진 세부사항들로 제한되지 않고 첨부된 청구항들의 범주 및 등가물 내에서 수정될 수 있다.

Claims (25)

  1. 미세입자 혼합물을 포함하는 실리콘-혼성 어노드 재료(silicon-hybrid anode material)로서,
    상기 미세입자 혼합물은,
    다량의 실리콘 미세입자; 및
    상기 다량의 실리콘 미세입자와 선택된 비율로 상호혼합되는 다량의 금속 미세입자를 포함하되,
    상기 미세입자 혼합물은 약 2㎛ 내지 약 15㎛의 두께를 갖는 실리콘-혼성 어노드 재료 층 내에 형성되는, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세입자 혼합물은 다량의 적어도 하나의 바인더 재료(binder material)를 더 포함하는, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 미세입자 혼합물은 가열되고 상기 다량의 적어도 하나의 바인더 재료는 실질적으로 증발되어 날아가는, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세입자 혼합물이 어닐링되는, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다량의 실리콘 미세입자는 약 1㎛와 약 20㎛ 사이의 크기 범위를 갖는, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다량의 금속 미세입자는 약 1㎛와 약 30㎛ 사이의 크기 범위를 갖는, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 미세입자의 크기는 실질적으로 상기 금속 미세입자의 크기와 동일한, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세입자 혼합물의 상기 선택된 비율은 중량의 약 10%와 약 40% 사이의 실리콘 미세입자 및 중량의 약 90%와 약 60% 사이의 금속 미세입자를 포함하는, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 미세입자 혼합물의 중량의 약 5%와 약 10% 사이인, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  10. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 실리콘-혼성 어노드 재료 층이 배터리 내에 포함되는, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  11. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 실리콘-혼성 어노드 재료 층이 리튬-이온 배터리 내에 포함되는, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  12. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 실리콘-혼성 어노드 재료 층이 리튬-이온 배터리 내에 포함되고, 상기 리튬-이온 배터리는,
    전해질을 함유하는 리튬;
    상기 전해질을 함유하는 리튬 내에 포함된 다량의 격리 재료(separator material); 및
    상기 적어도 하나의 실리콘-혼성 어노드 재료 층과 상반되는 상기 전해질 측 상에 배치된 캐소드를 더 포함하는, 실리콘-혼성 어노드 재료.
  13. 실리콘-혼성 어노드 재료를 형성하는 방법으로서,
    다량의 실리콘 미세입자를 형성하는 단계;
    다량의 금속 미세입자를 형성하는 단계;
    상기 다량의 실리콘 미세입자 및 상기 다량의 금속 미세입자를 선택된 비율로 혼합하여 미세입자 혼합물을 형성하는 단계; 및
    약 2㎛ 내지 약 15㎛의 두께를 갖는 실리콘-혼성 어노드 재료 층 내에 상기 미세입자 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 다량의 실리콘 미세입자 및 상기 다량의 금속 미세입자를 선택된 비율로 혼합하는 단계는 다량의 적어도 하나의 바인더 재료를 상기 미세입자 혼합물에 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 다량의 실리콘 미세입자 및 상기 다량의 금속 미세입자를 선택된 비율로 혼합하는 단계는,
    다량의 적어도 하나의 바인더 재료를 상기 미세입자 혼합물에 혼합하는 단계; 및
    상기 다량의 적어도 하나의 바인더 재료가 실질적으로 증발되어 날아갈 때까지 상기 미세입자 혼합물을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 다량의 실리콘 미세입자 및 상기 다량의 금속 미세입자를 선택된 비율로 혼합하는 단계는 상기 미세입자 혼합물을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 다량의 실리콘 미세입자 및 상기 다량의 금속 미세입자를 선택된 비율로 혼합하는 단계는 상기 미세입자 혼합물을 가열하고 상기 미세입자 혼합물을 어닐링하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 다량의 실리콘 미세입자는 약 1㎛와 약 20㎛ 사이의 크기 범위를 갖는, 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 다량의 금속 미세입자는 약 1㎛와 약 30㎛ 사이의 크기 범위를 갖는, 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 실리콘 미세입자의 크기는 실질적으로 상기 금속 미세입자의 크기와 동일한, 방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 미세입자 혼합물의 상기 선택된 비율은 중량의 약 10%와 약 40% 사이의 실리콘 미세입자 및 중량의 약 90%와 약 60% 사이의 금속 미세입자를 포함하는, 방법.
  22. 제 13 항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 미세입자 혼합물의 중량의 약 5%와 약 10% 사이인, 방법.
  23. 제 13 항에 있어서,
    적어도 하나의 실리콘-혼성 어노드 재료 층이 배터리 내에 포함되는, 방법.
  24. 제 13 항에 있어서,
    적어도 하나의 실리콘-혼성 어노드 재료 층이 리튬-이온 배터리 내에 포함되는, 방법.
  25. 제 13 항에 있어서,
    적어도 하나의 실리콘-혼성 어노드 재료 층이 리튬-이온 배터리 내에 포함되고, 상기 리튬-이온 배터리는,
    전해질을 함유하는 리튬;
    상기 전해질을 함유하는 리튬 내에 포함된 다량의 격리 재료; 및
    상기 적어도 하나의 실리콘-혼성 어노드 재료 층과 상반되는 상기 전해질 측 상에 배치된 캐소드를 더 포함하는, 방법.
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