KR20180005676A - 고체 배터리 및 이를 위한 제조공정 - Google Patents

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Abstract

고체 전기화학 셀 구조는 전해질 층에 의해 분리된 대응 관계인 통합 캐소드-집전체 구조를 갖는 적어도 하나의 통합 애노드-집전체 구조를 포함한다. 통합 애노드 또는 캐소드-집전체 구조는 그의 두께보다 크거나 더 큰 표면적을 가지며, 집전체 층이 감싸지고, 내장되고, 둘러싸이는 애노드 또는 캐소드 물질 조성물을 각각 함유하는 일반적인 평면 또는 평면 층 구조; 또는 애노드 물질 조성물 또는 캐소드 물질 조성물이 각각 3D 메쉬 집전체 구조의 공극 체적 분율 내에 존재하는 방식으로 감싸지고, 내장되고, 둘러싸이는 다공성 3D 메쉬 집전체 구조로 제조될 수 있다. 통합 애노드-집전체 구조, 캐소드-집전체 구조 및 전해질 층은 적층 가공 공정(e.g., 3D 인쇄)에 의해 제조될 수 있다.

Description

고체 배터리 및 이를 위한 제조공정
본 발명의 양태는 고체 전기화학 셀을 생산하기 위한 고체 전기화학 셀 제조 기술에 관한 것으로, 고체 전기화학 셀은, (i) 애노드 - 집전체 물질(current collector material)을 포함하거나(containing), 둘러싸거나(surrounding) 또는 감싸는(encasing) 애노드 물질 또는 그 반대의 경우를 포함하는 집전체 구조(current collector structure); 및/또는 (ii) 캐소드 - 집전체 물질을 포함하거나, 둘러싸거나 또는 감싸는 캐소드 물질 또는 그 반대의 경우를 포함하는 집전체 구조를 갖는다. 애노드-집전체 구조 및/또는 캐소드-집전체 구조의 하나 이상의 부분들은 적층 가공 공정(예를 들어, 3D 인쇄)에 의해 선택적으로 또는 맞춤식으로 제조될 수 있다.
오늘날 대부분의 리튬 이온 배터리 셀들은 집전체 시트 또는 층의 롤링 또는 폴딩 스택으로 제조된다. 집전체는 셀의 전극 단자에 연결되어, (a) 산화 반응으로부터 전자를 모으고, (b) 셀 내의 환원 반응을 위해 전자를 공급하는 전자 전도체 물질(예를 들어, 전자 전달의 결과로 전기 전도성이 높은 물질)이다. 특히, 제1집전체 시트 또는 층은 애노드 물질 또는 입자로 코팅되어 애노드-집전체 시트 또는 층을 형성하고; 제2집전체 시트 또는 층은 캐소드 물질 또는 입자로 코팅되어 캐소드-집전체 시트 또는 층을 형성한다. 애노드-집전체 시트 또는 층 및 캐소드-집전체 시트 또는 층 각각에서, 집전체 시트 또는 층 자체는 전형적으로 금속 포일로 형성된다.
각 셀에서, 2개의 전극-집전체 층은 전형적으로 고분자로 형성된 분리막 시트 또는 층에 의해 서로 분리된다. 이에 분리막 시트를 갖는 전극-집전체 층의 어셈블리는 통상적으로 원통형 또는 박스형 구성을 갖는 용기에 삽입된다. 마지막으로, 용기는 유기 액체 전해질이 채워져 밀봉된다.
용기는 액체 전해질의 누출을 방지하고, 전극-집전체 층을 부가적으로 가압하여 전극 물질과 집전체 사이의 밀착된 접촉을 보장한다. 이러한 적층 구조는 대량 생산에 적합하며 액체 전해질과 잘 맞는다. 그러나, 전반적인 구조는 에너지 저장에 기여하지 않으며 불행히도 배터리를 원하는 것보다 훨씬 크게 만들도록 하는 상당한 비율의 물질을 포함하고 있다.
액체 전해질 배터리 셀에서, 많은 셀 설계은 액체 전해질에 따라 결정된다. 특히, 전해질은 액체이기 때문에, 전해질은 그 안에 유지되기 위해 몇몇 유형의 용기 또는 용기 시스템에 밀봉되어야 한다. 또한, 오늘날의 배터리 셀을 위한 액체 전해질은 유기 용매이다. 배터리 동작 중에 셀의 금속 리튬은 물과 반응하여 수산화 리튬과 수소를 형성한다. 유기 용매와 수소는 가연성이 높기 때문에 용기 또는 용기 시스템에는 배터리 사이클링 동안 발생하는 가스를 방출하는 안전 벤트 메커니즘이 구비되어야 한다.
액체 전해질은 또한 불행히도 셀에서 생성될 수 있는 최대 전압을 약 3.5-4 볼트로 제한한다.
액체 전해질과 관련된 전술한 결점에 대하여 일반적으로 고려되는 해결책은 5볼트 이상으로 안정화될 수 있는 고체 전해질을 사용하는 것이다. 그러나, 종래의 고체 전해질 물질은 전형적으로 (a) 액체 전해질보다 현저히 낮은 이온 전도도를 나타내고, (b) 단단하고 부서지기 쉬운 세라믹 물질이다. 결과적으로, 셀 내의 애노드층과 캐소드층을 분리하는 고체 전해질 층은 결함이 없어야 할 뿐만 아니라 셀에서 낮은 내부 저항을 유지하기 위해 매우 얇아야 한다. 특히, 고체 전해질 층은 40㎛ 이하로 이상적으로는 더 얇아야 하며, 셀을 단락시켜 셀의 치명적인 결함과 단락 시점에서 상당한 과열을 초래할 수 있는 리튬 금속의 덴트라이틱 성장 (dendritic growth)을 방지하기 위해 결함이 없어야 한다. 실제로 종래의 고체 전해질은 세라믹 소재이기 때문에, 고체 전해질은 압축성이 강하고 견고하지만 충격이나 굽힘력(bending force)을 받기 쉽다. 이것은 두께가 수 마이크론인 막의 경우특히 그렇다. 세라믹 고체 전해질 물질의 특성은 종래의 액체 전해질 셀 제조 기술에 의한 고체 셀의 제조를 사실상 불가능하게 만든다.
고체 셀에 대하여 일반적으로 예상되거나 일반적으로 수행되는 제조 공정은 (a) 대응하는 애노드 집전체 층에 인접하여 배치된 개별의 애노드 물질층으로 각각 형성된 애노드 셀 구조들, 및 (b) 고체 전해질 막의 대향 측에, 대응하는 캐소드 집전체 층에 인접하여 배치된 개별 캐소드 물질층으로 각각 형성된 캐소드 셀 구조들을 배열 또는 적층(stacking)하는 단계를 포함한다. 적층에서 모든 층 사이의 밀착 및 최대의 면적 접촉은 셀의 내부 저항을 최소화하는데 중요하며, 이들은 모두 별개의 층 또는 시트이므로 층들을 밀착된 접촉으로 압박하는 일종의 클램핑 배열 또는 구조가 채용되거나 필요하다. 불행히도, 이러한 클램핑 구조의 추가는 셀의 비에너지(specific energy) 용량에 매우 부정적인 영향을 미친다. 애노드 및 캐소드 물질층 사이의 밀착 접촉은 또한 고분자 전해질에 의해 제공되는 접착 효과에 의해 보조될 수 있다. 그러나, 고분자 전해질은 세라믹 전해질보다 덴트라이트 (dendrite) 성장에 대한 더 큰 민감도를 가지며, 리튬 금속 애노드 물질과의 호환성을 제공하지 못한다.
재충전식 배터리의 애노드 및 캐소드 물질, 특히 캐소드 물질은 빈약한 전자 전도체인 경향이 있다. 그 결과 셀의 내부 저항을 최소화하기 위해 전극 물질과 집전체 사이의 평균 전자 이동 경로를 단축하거나 가능한 최단으로 만드는 것이 매우 유익하거나 필수적이다. 불행히도, 현재의 고체 배터리 셀 구조는 전극 물질과 집전체 사이에 바람직하지 않게 긴 전자 이동 경로를 가지고 있다.
전술한 것 이외에, 대부분의 현재 고체 셀 구조에서, 셀의 총 체적(volume)의 바람직하지 않은 양이 이온성 전하 저장에 직접 기여하지 않는 구조 또는 물질에 의해 점유되어 있어 그에 의해 셀의 용량이 감소된다.
고체 셀 구조와 관련된 전술한 단점 중 적어도 일부를 해결하기 위한 시도들이 있었다. 예를 들어, 고체 배터리 셀 구조의 한 유형은 남영진에 의해 2015, 15 (5)일자 나노 레터스(Nano Lett.)지의 pp 3317-3323에 실린 "구부림 가능하고 얇은 설파이드(Sulfide) 고체 전해질 필름: 독립형 및 스택형 고 에너지 전 고체(All-Solid-State) 리튬-이온 배터리를 위한 새로운 전해질 기회"라는 제목의 기고문에서 기술되었다. 이 구조는 위에 니켈 코팅된 나노 와이어가 애노드 집전체와 같은 애노드 물질층의 표면적에 무작위로 분산되어 있는 매우 얇은 애노드 물질층, 니켈 코팅된 나노 와이어가 캐소드 집전체로서 캐소드 물질층의 표면적에 무작위로 분산되어있는 매우 얇은 캐소드 물질층; 및 애노드 물질층과 캐소드 물질층 사이에 배치된 매우 얇은 고분자 전해질층을 포함하며, 고분자 전해질층은 구조 보강 목적으로 랜덤하게 매설된 나노 와이어를 포함한다. 불행히도, 이 설계는 고분자 전해질의 결점을 가지며, 이 구조의 에너지 밀도는 44Wh/Kg로, 특히 에너지 밀도를 수 배 또는 심지어 더 크게 하는 다른 유형의 셀 설계에 비해 바람직하지 않다. 게다가, 나노 와이어가 이러한 유형의 셀 구조에서 이용되는 방식은, 개별 셀 아키텍처를 갖는 상이한 셀 구조가 고도의 맞춤식으로 용이하게 제조될 수 있는 대량 자동화 제조 공정을 포함하는 대량 자동화 생산 공정에 적합하지 않다.
다른 유형의 고체 배터리 셀 구조는 미국 특허 공보 2013/0196235호에 기재되어 있는데, 이 구조는 구조적 토대로 미크론-스케일의 다공성 3D 금속 발포체를 사용하고, 그 위에 매우 얇은 애노드 물질층이 전착되고, 매우 얇은 전해질층이 중합된다. 애노드 물질은 매우 얇은 고분자 전해질층과 전착된 애노드 물질의 매우 얇은 층에 의해 3D 금속 발포체로부터 분리된 다공성 3D 금속 발포체의 공극 공간 내에 있다. 이 셀 구조는 또한 고분자 전해질과 관련된 결점뿐만 아니라 바람직하지 않게 제한된 에너지 밀도를 가지고 있는 것으로 보인다.
기존의 고체 전기화학 셀 제조 기술 및 이에 의해 제조된 고체 전기화학 셀과 관련된 전술한 결점을 해결할 필요성이 있다.
본 발명에 따른 다양한 실시예는 기존의 고체 전기화학 셀 제조 기술 및 이에 의해 제조된 고체 전기화학 셀과 관련된 전술한 결점을 해결하기 위한 고체 전기화학 셀 또는 배터리 셀 제조 또는 제조 공정을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 전기화학 셀 또는 배터리 셀 제조 또는 제조 공정은 제조된 전기화학 셀 구조의 상이한 부분에 여러 유형의 물질을 선택적으로 또는 선택 가능하게 결합시키는 유연성을 제공하는 적층 가공 공정을 포함하거나 적층 가공 공정일 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따라 제조될 수 있는 고체 전기화학 셀 또는 배터리 셀의 대표적인 적층 가공 공정은 그 전체가 참조로 본 발명에 인용된 미국 특허 공보 제2015/0314530호에 기재되어 있다. 제조된 구조물의 상이한 부분에 다수의 개별 물질을 선택적으로 또는 선택 가능하게 통합하는 유연성을 갖는 적층 가공은 재충전식 배터리 셀의 설계에 새로운 수준의 자유도를 부여하고, 체적 및 전기 효율이 향상된 배터리 셀의 제조를 가능하게 한다. 3D 인쇄 방식처럼 필요할 때만 물질을 증착하는 것은 집전 및 애노드와 캐소드 물질 조성물 또는 물질의 분리에만 사용되는 물질의 체적을 줄일 수 있다. 동시에, 애노드 및 캐소드 물질 조성물 또는 물질은 셀 내의 전기적 및 이온성 저항을 감소시키는 방식으로 셀 내에 선택적으로 또는 선택 가능하게 위치될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 배터리 셀의 일부 또는 모든 컴포넌트는 층으로서 형성되거나 증착된다. 배터리 셀은 의도된 또는 요구된 사실상 임의 유형의 설계에 따라 배열되거나 배치된 다수의 구성 구조를 포함할 수 있도록 상이한 층은 상이한 설계 및/또는 조성물을 가질 수 있으며, 배터리 셀 작동을 위한 배터리 셀 구성 구조들 중에서(among) 또는 사이에(between) 요구되는 구조적 관계를 유지한다. 이러한 실시예에서, 상이한 층은 적층 가공 공정, 예를 들어, 인쇄층의 특정 구성이 대응하는 배터리 셀 구조 설계의 디지털 표현으로부터 결정되거나 직접 개발되는 다수의 개별 3D 인쇄 절차를 포함하는 3D 인쇄 공정에서 순차적으로 증착될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀 구조의 대표적인 실시예는 전극 물질층 내에 분포된 미세 와이어 네트워크, 메쉬 또는 그리드로 증착된 집전체들을 포함한다. 이러한 구조는, 전극 물질이 다수의 연속적인 층으로 증착되고, 복수의 전극층 중 적어도 하나는 그 내부에 함침되어 집전체의 일부를 형성하거나 집전체 역할을 하는 전자 전도성 또는 전자 전도체 물질의 미세 와이어 네트워크를 포함하는, 미국 특허 공보 2015/0314530호에 기술된 것과 같은 다중 물질 3D 인쇄 공정에 의해 제조될 수 있다. 미세 와이어 네트워크는 또한 다중 물질 3D 인쇄 공정의 일부로서 생성될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 미세 와이어 네크워크는 일반적으로 그것이 포함되어 있는 전극 물질층 보다 더 얇으며, 미세 와이어 네트워크의 체적을 최소화하면서 전극 물질 내의 임의의 위치로부터 미세 와이어 네트워크의 가장 가까운 위치까지의 평균 거리를 줄이거나 최적화하도록 설계된다.
전극 물질의 총 체적이 다수의 3D 인쇄층으로 증착될 때, 각 전극 물질층은 동일한 미세 와이어 네트워크를 포함할 수 있거나 일부 층은 전자 전도체 물질(예를 들어, 미세 와이어 네트워크)이 없을 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 층은 주(primary) 미세 와이어 네트워크뿐만 아니라 그에 전기적으로 결합된 상보적인 미세 와이어 네트워크를 포함하여, 전자 전도체가 전극 물질 내에서 차지하는 체적에 비례하여 전극 물질로부터 전자 전도체 물질까지의 평균 거리의 비율을 추가로 감소시키거나 최적화할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀 구조의 다른 대표적인 실시예에서, 집전체는 3D 메쉬의 전체 공간 체적에 대한 3D 메쉬의 공극(void) 또는 다공성 체적 분율 (volume fraction)을 제공하거나 정의하는 내부 공극, 통로 또는 채널을 갖는 전자 전도성 물질의 다공성 3D 스캐폴드(scaffold) 또는 메쉬로 형성되거나 포함한다(예를 들어, 직교하는 x, y, z 축을 따라 3D 메쉬의 전체 치수로 정의된 바와같이). 3D 메쉬는 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 이해되는 방식으로 3D 인쇄 공정 방식을 포함하는 다수의 방식으로 제조될 수 있다. 전극 물질을 함유하고 있는 유동성 전극 물질 조성물이 3D 메쉬에 유입되거나 함침된 후 그 내부의 전극 물질 조성물은 경화되거나 더 이상 유동성이 없도록 고밀도화되고, 전극 물질은 3D 메쉬의 공극, 통로, 또는 채널 내부 또는 전체에 분산된 상태로 남아 있게 된다(예를 들어, 고밀도화된 전극 물질 조성물은 3D 메쉬의 공극 또는 다공성 체적 분율의 거의 전부 또는 전부를 차지함).
본 발명의 실시예에 따라 제조된 다양한 전기화학 셀 구조 또는 배터리 셀 구조는 리튬 이온 유형의 화학 물질에 기초할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 제조 공정 및 이에 의해 제조된 해당 구조는 관련 기술 분야의 당업자에게 용이하게 이해될 수 있는 바와 같이 다른 화학 물질에 적용 가능하다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 전기화학 셀 구조는 적어도 하나의 전기화학 셀을 포함하며, 각 전기화학 셀은, 복수의 통합 전극-집전체 구조로서, 각 통합 전극-집전체 구조는 내부에 전극 물질을 함유하고(carry), 복수의 통합 전극-집전체 구조는 내부에 제1전극 물질을 함유하는 제1통합 전극-집전체 구조 및 내부에 별개의 제2전극 물질을 함유하는 전기적 또는 전기화학적 상대 제2통합 전극-집전체 구조를 포함하며, 상기 제1,제2통합 전극-집전체 구조는, (a) 제1전극 물질 또는 제2전극 물질을 각각 함유하는 전극 물질 조성물 층, 상기 전극 물질 조성물 층은 자신의 두께보다 큰 평면 표면적을 가지며; 및 제1통합 전극-집전체 구조 또는 제2통합-전극 집전체 구조 각각에 대한 집전체를 포함하는 집전체 층, 상기 집전체 층은 전극 조성물 층의 내부에 배치되고 전극 조성물 층에 의해 둘러싸이며, 또는 (b) 제1통합 전극-집전체 구조 또는 제2통합-전극 집전체 구조 각각에 대한 집전체를 포함하는 3D 집전체 물질 메쉬 구조, 상기 3D 집전체 물질 메쉬 구조는 3D 집전체 물질 메쉬 구조의 공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 내부에 가지며, 제1전극 물질 또는 제2전극 물질은 각각 3D 집전체 물질 메쉬 구조의 공극 체적 분율 내에 또는 전체에 걸쳐 분포되고, 및 제1통합 전극-집전체 구조를 그의 대응 관계인 제2통합 전극-집전체 구조로부터 분리하고 제1통합 전극-집전체 구조와 그의 상대 제2통합 전극-집전체 구조사이에 이온성 전하 운반 매체를 제공하는 전해질 층을 포함하며, 상기 제1통합 전극-집전체 구조는 통합 애노드-집전체 구조 및 통합 캐소드-집전체 구조 중 하나이거나 이를 포함하고, 제2전극-집전체 구조는 통합 애노드-집전체 구조 및 통합 캐소드-집전체 구조 중 하나이거나 이를 포함한다.
전기화학 셀 구조는 예를들어 복수의 3D 인쇄 구조와 같이 서로 인접하여 적층된 복수의 전기화학 셀을 포함할 수 있다. 제1전극 물질은 분말 기반의 애노드 물질을 포함하거나 분말 기반의 애노드 물질일 수 있고, 제2전극 물질은 분말 기반의 캐소드 물질을 포함하거나 분말 기반의 캐소드 물질일 수 있다. 전해질 층은 세라믹 물질을 포함하거나 세라믹 물질일 수 있으며, 또한 그의 두께보다 더 큰 표면적을 갖는 평면 층일 수 있다.
복수의 통합 전극-집전체 구조는 두께를 갖는 애노드 물질 조성물 층과, 애노드 물질 조성물 층의 내부에 배치되고 애노드 물질 조성물 층의 두께에 의해 둘러싸인 애노드 집전체 층을 포함하는 통합 애노드-집전체 구조; 및 두께를 갖는 캐소드 물질 조성물 층과, 캐소드 물질 조성물 층의 내부에 배치되고 캐노드 물질 조성물 층의 두께에 의해 둘러싸인 캐소드 집전체 층을 포함하는 대응 관계인 (counterpart) 통합 캐소드-집전체 구조를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 애노드 집전체 층 및 캐소드 집전체 층은 사전 결정된 또는 선택 가능한 와이어 엘리먼트 패턴에 따라 조직된 와이어 엘리먼트의 네트워크와 같은 물질의 평면 또는 준-2D층일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
복수의 통합 전극-집전체 구조는 복수의 적층된 전기화학 셀을 포함할 수 있거나 복수의 적층된 전기화학 셀일 수 있으며, 적층 내의 각 전기화학 셀은, 제1공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 내부에 가지며, 상기 제1공극 체적 분율 내에 또는 전체에 걸쳐 분포된 애노드 물질을 갖는 제1 3D 집전체 물질 메쉬 구조를 포함하는 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조; 및 제2공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 내부에 가지며, 상기 제2공극 체적 분율 내에 또는 전체에 걸쳐 분포된 캐소드 물질을 갖는 제2 3D 집전체 물질 메쉬 구조를 포함하는 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조를 포함한다. 상기 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조는 캐소드 물질을 배제하고, 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조는 애노드 물질을 배제한다. 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조 및 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조는 소결 가능한 물질을 포함하거나 소결 가능한 물질일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 전기화학 셀 구조의 세트를 제조하는 프로세스가 개시되며, 각 전기화학 셀 구조는 제2적층 가공 공정을 통해 내부에 제1전극 물질을 함유하는 제1통합 점극-집전체 구조를 제조하는 단계; 제2적층 가공 공정을 통해 상기 제1통합 전극-집전체 구조의 노출된 표면상에 배치되는 전해질 층을 제조하는 단계; 및 제3적층 가공 공정을 통해 상기 전해질 층의 노출 표면에 별개의 제2전극 물질을 내부에 함유하는 제2통합 전극-집전체 구조를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 제1 및 제2통합 전극-집전체 구조는 (a) 제1전극 물질 또는 제2전극 물질을 각각 함유하는 전극 물질 조성물 층, 상기 전극 물질 조성물 층은 자신의 두께보다 큰 평면 표면적을 갖으며; 및 제1통합 전극-집전체 구조 또는 제2통합-전극 집전체 구조 각각에 대한 집전체를 포함하는 집전체 층, 상기 집전체 층은 전극 조성물 층의 내부에 배치되고 전극 조성물 층에 의해 둘러싸이며, 또는 (b) 제1통합 전극-집전체 구조 또는 제2통합-전극 집전체 구조 각각에 대한 집전체를 포함하는 3D 집전체 물질 메쉬 구조를 포함하며, 상기 3D 집전체 물질 메쉬 구조는 3D 집전체 물질 메쉬 구조의 공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 내부에 가지며, 상기 제1전극 물질 또는 제2전극 물질은 각각 3D 집전체 물질 메쉬 구조의 공극 체적 분율 내에 또는 전체에 걸쳐 분포되고, 상기 전해질 층은 제1통합 전극-집전체 구조를 그의 대응 관계인 제2통합 전극-집전체 구조로부터 분리하며, 상기 전해질 층은 제1통합 전극-집전체 구조 및 그의 대응 관계인 제2통합 전극-집전체 구조사이에 이온성 전하 운반 매체를 제공하는 것을 특징으로 한다.
제2적층 가공 공정은 제1통합 전극-집전체 구조의 노출 표면에 전해질 층을 제조하는 단계를 포함할 수 있으며, 전해질 층은 세라믹 전해질 물질을 포함한다. 제1, 제2 및 제3적층 가공 공정 각각은 3D 인쇄 공정을 포함할 수 있거나 3D 인쇄 공정일 수 있다. 제1통합 전극-집전체 구조, 전해질 층 및 제2통합 전극-집전체 구조 각각은 그들의 두께보다 큰 표면적을 갖는 평면 층의 세트이거나 이를 포함할 수 있다.
각 전기화학 셀 구조를 제조하는 단계는 제1적층 가공 공정을 통해 두께를 갖는 애노드 물질 조성물 층과, 상기 애노드 물질 조성물 층의 내부에 배치되고 애노드 물질 조성물 층의 두께에 의해 둘러싸인 애노드 집전체 층을 포함하는 통합 애노드-집전체 구조를 제조하는 단계; 및 제3적층 가공 공정을 통해 두께를 갖는 캐소드 물질 조성물 층과, 캐소드 물질 조성물 층의 내부에 배치되고 캐노드 물질 조성물 층의 두께에 의해 둘러싸인 캐소드 집전체 층을 포함하는 대응 관계인 통합 캐소드-집전체 구조를 제조하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 제1적층 가공 공정 및 제3적층 가공 공정은 물질의 준-2D층, 예를들어 사전에 결정된 또는 선택 가능한 집전체 와이어 엘리먼트 패턴에 따라 조직된 집전체 와이어 엘리먼트의 준-2D 네트워크로 집전체 층을 제조하는 단계를 포함한다.
각 전기화학 셀 구조를 제조하는 단계는 제1적층 가공 공정을 통해 제1공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 내부에 갖는 제1집전체 물질을 포함하는 제1 3D 메쉬 구조를 제조하는 단계; 3D 메쉬 구조의 제1공극 체적 분율 내에 또는 전체에 걸쳐 애노드 물질을 분포시켜 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조를 형성하는 단계; 제3적층 가공 공정을 통해 제2공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 내부에 갖는 제2 3D 집전체 물질을 포함하는 제2 3D 메쉬 구조를 제조하는 단계; 및 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조의 제2공극 체적 분율 내 또는 전체에 걸쳐 캐소드 물질을 분포시켜 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조를 형성하는 단계를 포함한다. 제1공극 체적 분율은 제1 3D 메쉬 구조의 전체 공간 체적의 50% 내지 99.8% 일 수 있고, 제2공극 체적 분율은 제2 3D 메쉬 구조의 전체 공간 체적의 50% 내지 99.8% 일 수 있다. 상기 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조는 캐소드 물질을 배제하고, 상기 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조는 애노드 물질을 배제한다. 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조와 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조 각각은 소결 가능 물질을 포함하거나 소결 가능 물질일 수 있다.
본 발명에 따른 다양한 실시예는 고체 전기화학 셀 또는 배터리 셀 제조 기술 또는 공정, 및 전극 물질과 집전체 사이의 전자 이동 경로를 감소 또는 대폭적으로 감소시키는(예를 들면, 거의 최소 또는 최소로) 관련 고체 전기화학 셀 또는 배터리 셀 설계 또는 구조에 관한 것으로, 내부 셀 저항을 감소 또는 대폭 감소시키고, 집전체와 전해질에 주어진 전기화학 셀의 일부처럼 이온성 전하 저장에 기여하지 않는 전기화학 셀 구조에 의해 점유된 전기화학 셀의 체적을 동시에 감소 또는 대폭적으로 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 셀 제조 공정에 의해 제조된 전기화학 셀의 부분 단면 사시도이다.
도 2A 내지 도 2C는 본 발명의 특정 대표적인 실시예에 따른 집전체부 3D 메쉬 구조를 도시한다.
도 2D는 본 발명의 일 실시예에 따른 대표적인 다층 3D 메쉬 집전체 기반의 전기화학 셀 또는 배터리 셀 구조의 일부를 도시한다.
도 3은 특정 전기화학 셀 또는 배터리 셀 구조가 제조될 수 있는 본 발명에 따른 대표적인 다중-물질 3D 제조 공정의 양태를 나타내는 흐름도이다.
본 명세서에서, 주어진 엘리먼트의 묘사 또는 고려 또는 특정 도면에서 특정 엘리먼트 번호의 사용 또는 상응하는 서술 자료에서 그에 대한 참조는 다른 도면 또는 이와 관련된 서술 자료에서 식별된 것과 동일하거나, 동등하거나, 또는 유사한 엘리먼트 또는 엘리먼트 번호를 포함할 수 있다. 도면에서 "/"의 존재 또는 본 명세서에서 텍스트는 다른 언급이 없는 한 "및/또는"을 의미하는 것으로 이해된다. 본 명세서에서 특정 수치 또는 값 범위의 인용은 대략적인 수치 또는 값 범위, 예를 들어 ±20%, ±15%, ±10%, ±5%, ±2% 또는 ±0%를 포함하거나 이내인 것으로 이해된다. "본질적으로 전부"란 용어는 90% 이상의 퍼센트, 예를 들어 95%, 98%, 99% 또는 100%를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "세트"라는 용어는 공지된 수학적 정의(예를 들어, Peter J. Eccles, Cambridge University Press(1998)에 의한 수학 추론 개론의 서문 : 숫자, 집합 및 함수, "제11장 : 유한 집합의 특성"(예를 들어, 140쪽에 표시된 바와 같이)에 개시된 해당 방식으로)에 따라, 수학적으로 적어도 1의 기수(cardinality)를 나타내는 엘리먼트의 비공(non-empty)의 유한 조직(예를 들어, 본 명에서 정의된 세트는 유닛, 단일체 또는 단일 엘리먼트 세트, 또는 다중 엘리먼트 세트에 대응됨)에 해당하거나 정의된다.
개요(Overview)
본 발명에 따른 실시예는 (a) 고체 전기화학 셀 또는 배터리 셀(e.g., 리튬 이온 배터리 셀)을 제조(fabricating, manufacturing, or producing)하기 위한 기술 또는 공정; 및 (b) 이러한 기술에 따라 제조될 수 있는 다양한 형태의 고체 전기화학 셀 구조 및/또는 상응하는 배터리 셀 구조에 대한 것이다. 본 발명에 따른 고체 전기화학 셀 또는 배터리 셀 제조 공정은, 하나 이상의 전극 또는 전극 엘리먼트가 본 발명의 특정 실시예에 따른 통합(integrated) 전극-집전체 구조로서 제조될 수 있다는 것과 관련된 또는 이에 의한, 미국 특허 공개 공보 제2015/0314530호에 개시된 3D 인쇄 공정 및/또는 다른 유형의 공정 또는 절차와 같은, 하나 이상의 적층 가공 공정 또는 절차를 포함할 수 있거나 이에 기초할 수 있다.
주어진 통합 전극-집전체 구조는 전극 물질 조성물 또는 물질을 함유 (carries)하거나 제공하는 전극 조성물부(electrode composition portion); 및 집전체 물질 조성물 또는 물질을 포함하거나 제공하는 집전체부(current collector portion)를 포함한다. 실시예의 세부 사항에 따라, 전극 조성물부는 집전체부를 포함하고, 에워싸고(enclose), 둘러싸고(surround), 감싸고(encase) 또는 캡슐화할 수 있으며; 또는 집전체부는 전극 조성물부를 포함하고, 에워싸싸고, 둘러싸고, 감싸고 또는 캡슐화할 수 있다. 특히 통합 전극-집전체 구조는 집전체 물질 조성물 또는 물질을 포함하고, 에워싸고, 둘러싸고, 감싸고 또는 캡슐화하는 전극 물질 조성물 또는 물질을 포함하거나; 또는 전극 물질 조성물 또는 물질을 포함하고, 에워싸고, 둘러싸고, 감싸고 또는 캡슐화하는 집전체 물질 조성물 또는 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 몇몇 고체 전기화학 셀 실시예는 각각 통합 애노드-집전체 구조 및 통합 캐소드-집전체 구조로 형성된 캐소드 또는 캐소드 엘리먼트 뿐만 아니라 애노드 또는 애노드 엘리먼트를 모두 포함한다. 다른 실시예에서, 애노드 엘리먼트는 통합 애노드-집전체 구조로 형성되는 반면, 캐소드 엘리먼트는 종래의 캐소드 엘리먼트 또는 구조로 형성되거나; 또는 캐소드 엘리먼트는 통합 캐소드-집전체 구조로 형성되는 반면, 애노드 엘리먼트는 종래의 애노드 엘리먼트 또는 구조로 형성된다.
전술한 바에 더하여, 본 발명에 따라 제조된 고체 전기화학 셀 구조의 몇몇 실시예는 (i) 애노드 조성물부가 집전체부를 포함하고, 에워싸고, 둘러싸고, 감싸고 또는 캡슐화하는 적어도 하나의 통합 애노드-집전체 구조 또는 그 반대의 경우; 및/또는 (ii) 캐소드 조성물부가 집전체부를 포함하고, 에워싸고, 둘러싸고, 감싸고 또는 캡슐화하는 적어도 하나의 통합 캐소드-집전체 구조 또는 그 반대의 경우; 및 (iii) 각각의 애노드-집전체 구조 및 그의 대응관계인(counterpart) 캐소드-집전체 구조(예를 들어, 그의 전기/전기화학적 상대 구조) 사이에 배치된 고체 전극 구조 또는 조성물을 포함한다.
애노드 조성물부가 집전체부를 포함하는 통합 애노드-집전체 구조의 실시예에서, 애노드 조성물부는 내부에 애노드 물질을 함유하거나 제공하는 패턴화된(patterned) 또는 비패턴화된 비평면(non-planar), 평면, 근사 평면 또는 통상적 평면의 애노드 조성물 층 구조로 형성되거나 포함할 수 있고, 집전체부는 애노드 조성물 층 구조의 두께 내에 배치된 집전체 물질의 층, 패턴, 네트워크, 매트릭스, 메쉬, 직물, 격자, 웹, 스크린, 그리드 또는 매트(mat)로 형성되거나 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시예에서, 애노드 조성물 층 구조는 제1 또는 하위 (underlying) 애노드 조성물 층, 제1애노드 조성물 층의 상부에 배치된 집전체 메쉬, 및 집전체 메쉬 및 제1애노드 조성물 층 위에 배치된 제2 또는 상위 (overlying) 애노드 조성물 층을 포함한다. 각 애노드 조성물 층 및/또는 집전체 메쉬는 3D인쇄 절차와 같은 적층 가공 공정 또는 절차를 통해 형성되거나 증착될 수 있다.
대안적으로, 집전체부가 애노드 조성물부를 포함하는 통합 애노드-집전체 구조의 실시예에서, 집전체부는 집전체 물질을 포함하고, 제공하고 또는 집전체 물질로 형성되는 3D 메쉬, 스캐폴드, 셀룰러 고체(예를 들어, 금속 발포체(foam) 구조와 같은 스폰지 또는 발포체 유형 구조), 골격, 케이지, 매트릭스 또는 격자 구조를 포함하거나 형성되거나 구조화될 수 있으며, 기공(pore), 개구(aperture) 및 공극(void), 갭(gap), 통로(passage) 및/또는 채널을 포함하여 그 내부에 집전체부의 전체 3D 공간 치수에 비례하여 사용 가능한 상당한 양의 공극 공간 또는 비어있는(unoccupied) 내부 체적을 제공하며; 애노드 조성물부는 집전체부의 내부 공극 공간(예를 들어, 제조된 집전체부의 공극 또는 다공성 체적 부피를 나타낼 수 있는 기공, 개구 및 공극, 갭, 통로 또는 채널에 의해 제공되는 집전체부의 내부 체적 분율)의 거의 전부 또는 본질적으로 전부를 채우거나 충진하도록 집전체부의 기공, 개구 및 공극, 갭, 통로 또는 채널에 도입되는 애노드 물질을 함유하거나 제공하는 유동성 및 치밀성 또는 경화성 물질 조성물이거나 이를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 집전체부는 3D 인쇄 절차 또는 다른 유형의 공정 또는 절차와 같은 적층 가공 공정 또는 절차를 통해 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 방식으로 형성될 수 있다.
캐소드 조성물부가 집전체부를 포함하는 통합 캐소드-집전체 구조의 실시예에서, 전술한 것과 유사한 방식으로, 캐소드 조성물부는 내부에 캐소드 물질을 함유하거나 제공하는 패턴화된 또는 비패턴화된 비평면, 평면, 근사 평면 또는 통상적 평면의 캐소드 조성물 층 구조를 포함하거나 형성되거나 또는 그들로 구조화될 수 있으며, 집전체부는 캐소드 조성물 층 구조의 두께 내에 배치된 집전체 물질의 층, 패턴, 네트워크, 매트릭스, 메쉬, 직물, 격자, 웹, 스크린, 그리드 또는 매트로 형성되거나 구성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시 예에서, 캐소드 조성물 층 구조는 제1 또는 하위의 캐소드 조성물 층; 제1캐소드 조성물 층의 상부에 배치된 집전체 메쉬; 및 집전체 메쉬 및 제1캐소드 조성물 층 위에 배치된 제2 또는 상위의 캐소드 조성물 층을 포함한다. 각 캐소드 조성물 층 및/또는 집전체 메쉬는 3D 인쇄 절차와 같은 적층 가공 공정 또는 절차에 의해 형성되거나 증착될 수 있다.
대안적으로, 집전체부가 캐소드 조성물부를 포함하는 통합 캐소드-집전체 구조의 실시예에서, 집전체부는 집전체 물질을 포함하고, 제공하고 또는 집전체 물질로 형성되는 3D 메쉬, 스캐폴드, 셀룰러 고체(예를 들어, 금속 발포체 구조와 같은 오픈셀(open cell) 스폰지 또는 클로즈셀 스폰지 또는 발포체 유형 구조), 골격, 케이지, 매트릭스 또는 격자 구조를 포함하거나 형성되거나 그들로 구조화될 수 있으며, 기공, 개구 및 공극, 갭, 통로 및/또는 채널을 포함하여 그 내부에 집전체부의 전체 3D 공간 치수에 비례하여 사용 가능한 상당한 양의 공극 공간 또는 비어있는 내부 체적을 제공하며; 캐소드 조성물부는 집전체부의 공극 또는 다공성 체적 부피의 거의 전부, 본질적 전부 또는 전체를 채우거나 충진하도록 기공, 개구 및 공극, 갭, 통로 또는 채널에 도입되는 캐소드 물질을 함유하거나 제공하는 유동성 및 치밀성 또는 경화성 물질 조성물이거나 이를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 집전체부는 3D 인쇄 절차 또는 다른 유형의 공정 또는 절차와 같은 적층 가공 공정 또는 절차에 의해 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 방식으로 형성될 수 있다.
대표적인 통합 전극-집전체 구조
A. 전극 조성물부가 집전체부를 포함하는 실시예
도 1은 각각 개별 또는 완전한 전기화학 셀을 형성하거나 구성하는 제1층(10a) 및 제2층(10b)을 포함하는 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 다층 전기화학 셀 또는 배터리 셀 구조(1)의 부분 단면 사시도이다. 도 1에 도시된 실시예는 2개의 층(10a, 10b)을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 당업자는 다른 실시예가 다른 수의 층, 예를 들면 단일 층(10) 또는 2개 이상의 층(10a, 10b)을 가질 수 있음을 이해할 것이다. 층(10a, 10b)들은 각 층(10a)의 최대 표면적 부분(예를 들어, 최대 평면 표면적)이 인접 층(10b)의 최대 표면적 부분(예를 들어, 최대 평면 표면적)에 배치되도록 순차적, 연속적, 나란히 또는 적층 방식으로 배열될 수 있다.
각 층(10a, 10b)은 자체적으로 전기화학 셀 구조의 성능 목표(performance objective)를 충족시킬 만한 충분한 전자 전도성을 갖지 않는 전극 물질을 함유하고 있다. 그 결과로, 각 층(10a, 10b)은 통합 애노드-집전체 구조(12) 및 통합 캐소드-집전체 구조(14)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 통합 애노드-집전체 구조(12) 및 통합 캐소드-집전체 구조(14)는 통상적 평면, 본질적 평면, 근사 평면 또는 평면 층 구조로, 각각 통합 애노드-집전체 구조(12) 및 통합 캐소드-집전체 구조(14)의 두께를 초과하거나 크게 초과하는(예를 들어, 적어도 몇 또는 여러 배) 근사 평면 또는 평면 표면적을 갖는다. 다수의 실시예에서, 통합 애노드-집전체 구조(12) 및 통합 캐소드-집 전체 구조(14)는 각각 동일하거나 본질적으로 동일한 평면 표면적(예를 들어, x-y 평면에 대응하는, 여기서 z 축 방향은 수직으로 정의된다)을 가질 수 있다.
통합 애노드-집전체 구조(12)는 애노드 조성물 층 또는 한 세트의 애노드 조성물 층(20)(예를 들어, 적어도 하나의 근사 평면 또는 평면 층 구조로 형성된)으로 형성되어 그 안에 애노드 집전체부(25)가 배치된 애노드 조성물부를 포함하고; 및 통합 캐소드-집전체 구조(14)는 캐소드 조성물 층 또는 한 세트의 캐소드 조성물 층(20)(예를 들어, 적어도 하나의 근사 평면 또는 평면 층 구조로 형성된)로 형성되어 그 안에 캐소드 집전체부(35)가 배치된 캐소드 조성물부를 포함한다. 애노드 조성물 층(20)은 애노드 물질 조성물 또는 애노드 물질을 함유하고, 조성물 층(30)은 하기에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 캐소드 물질 조성물 또는 캐소드 물질을 함유한다. 애노드 조성물 층(20)과 캐소드 조성물 층(30)은 각각 하기에 설명하는 바와 같이, 목표의, 의도된 또는 사전에 결정된 두께를 갖는다.
애노드 집전체부 또는 애노드 집전체(25) 및 캐소드 집전체부 또는 캐소드 집전체(35)는 각각 애노드 조성물 층(20) 및 캐소드 조성물 층(30)의 두께 내에 존재한다(예를 들어, 애노드 또는 캐소드 집전체(25, 35)는 애노드 조성물 층(20) 또는 애노드 조성물 층(30)의 두께 내 또는 내부에 적어도 부분적으로 배치되고 각각 애노드 조성물 층(20) 또는 애노드 조성물 층(30)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고, 에워싸고 또는 캡슐화된 집전체 물질의 층 또는 서브층을 형성할 수 있다). 실시예의 세부 사항에 따라, 애노드 집전체(25) 및/또는 캐소드 집전체(35)는 집전체 물질의 통상적 평면, 근사 평면, 평면 또는 준(quasi)-2D층과 같은 비패턴화된 또는 패턴화된 층, 예를 들어, 와이어와 같은 전자 전도체 엘리먼트의 연속 또는 불연속 평면 또는 준-2D 시트 또는 준-2D 네트워크, 메쉬, 격자, 또는 그리드(이하, 2D 메쉬라고 함)로 각각 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 집전체(25)와 캐소드 집전체(35)는 각각 도 1에 도시된 방식으로 준-2D 와이어 네트워크일 수 있거나 이를 포함할 수 있다(예를 들어, 서전 결정된 또는 선택 가능한 와이어 엘리먼트 레이아웃 또는 패턴에 따라 조직되거나 정의된 와이어 엘리먼트의 네트워크). 이러한 집전체 물질의 평면 또는 준-2D 층은 (a) 애노드 조성물 층(20)과 애소드 집전체부(25) 내의 지점(point)들 또는 위치들 사이의 평균 저항을 감소, 대폭 감소 또는 거의 최소화시키고, (b) 캐소드 조성물 층(30) 및 캐소드 집전체부(35)내의 지점들 또는 위치들 사이의 평균 저항을 감소, 대폭 감소 또는 거의 최소화시킨다. 다른 실시예에서, 애노드 집전체부(25) 및/또는 캐소드 집전체부(35)는 각각 애노드 조성물 층(20) 및/또는 캐소드 조성물 층(30)의 체적 내부 또는 전체에 걸쳐 분포된, 매우 얇은 3D 스캐폴드 또는 메쉬 구조, 또는 와이어 필라멘트의 매우 얇은 3D 네트워크이거나 이를 포함할 수 있다. 다수의 실시예에서, 애노드 집전체(25)에 대한 애노드 조성물 층(20)의 각 제1최대 표면적 측과 반대의 또는 대향하는 제2최대 표면적 측 사이의 거리는 동일할 수 있으며(예를 들어, 애노드 집전체(25)는 애노드 조성물 층 두께의 중간 영역 또는 중간점에 근사하여 배치될 수 있다), 캐소드 집전체(35)에 대한 캐소드 조성물 층(30)의 각 제1최대 표면적 측과 반대의 또는 대향하는 제2최대 표면적 측 사이의 거리는 동일할 수 있다(예를 들어, 캐소 집전체(35)는 캐소드 조성물 층 두께의 중간 영역 또는 중간점에 근사하여 배치될 수 있다),
각 애노드 층(20)은 애노드 층(20)과 그에 인접한 캐소드 층(35)이 완전한 전기화학 셀을 구성하도록, 전해질 물질의 매우 얇은 층을 포함하거나 전해질 물질의 매우 얇은 층으로 형성된 전해질부 또는 층(40)에 의해 인접한 또는 대응 관계인 캐소드 층(35)으로부터 분리된다. 전해질 층(40)은 후술되는 바와 같이, 목표의, 의도된 또는 사전 결정된 두께를 가지며, 다양한 실시예에서 평면 또는 근사 평면 층이거나 이를 포함하는데, 예를 들어, 전해질 층(40)은 그의 두께보다 크거나 훨씬 더 큰 평면 표면적을 갖는다.
다른 실시예(미도시)에서, 전기화학 셀 구조 또는 배터리 셀 구조(1)는 통합애노드-집전체 구조(20) 또는 통합 캐소드-집전체 구조(30)를 갖는 제1전극 또는 전극 구조를 포함하고, 낮은 전자 전도도를 갖는 애노드 물질 조성물 또는 캐소드 물질 조성물 각각은, 예를 들어 도 1을 참조하여 설명한 것과 유사한, 본질적으로 유사한 또는 동일한 방식으로 집전체부(25, 35)와 통합되며, 반면에 대향하는 또는 대응 관계인 제2전극 또는 전극 구조는 셀의 설계 요건을 충족시키기 위해 충분히 높 또는 높은 전자 전도도를 갖는 캐소드 또는 애노드 물질을 각각 포함한다. 이러한 실시예에서, 제2전극 구조는 집전체부(25, 35)를 가질 필요가 없거나 필요로 하지 않는다. 즉, 제2전극 구조는 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 쉽게 이해되는 방식으로 별개의 집전체부(25, 35)가 생략될 수 있는 충분히 높은 전자 전도도를 나타내거나 제공하는 애노드 물질 또는 캐소드 물질을 포함한다. 예를 들어, 이러한 충분히 높은 전도성 애노드 물질은 리튬 금속이거나 이를 포함할 수 있고, 충분히 높은 전도성 캐소드 물질은 탄소 또는 흑연과 같은 전도성 상(phase)이 로딩된 리듐 코발트 산화물이거나 이를 포함할 수 있다.
B. 집전체부가 전극 조성물부를 포함하는 실시예
일부 실시예에서, 통합 전극-집전체 구조의 집전체부는 통합 전극-집전체 구조의 전극 조성물부를 포함한다. 보다 구체적으로, 통합 전극-집전체 구조의 집전체부는 다공성 3D 메쉬, 스캐폴드, 셀룰러 고체, 골격, 케이지, 격자, 또는 집전체 물질을 함유하거나 집전체 물질로 이루어진 유사 유형의 구조를 포함할 수 있으며, 내부에 개구 또는 개방부(openings), 공극 또는 빈 공간, 갭, 통로, 채널 및/또는 챔버가 분포되어 있다. 목표의 또는 사전 결정된 점도를 가지며 전극 물질(예를 들어, 애노드 물질 또는 캐소드 물질)을 함유하는 유동성 물질 또는 물질 조성물은 이러한 3D 메쉬 구조 내의 공극 공간으로 도입, 함침 또는 확산될 수 있으며, 치밀화 또는 경화 공정을 거쳐 3D 메쉬 구조의 공극 또는 다공성 체적 분율 내에 통합 전극-집전체 구조의 전극 조성물부를 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서 집전체부로 사용하기에 적합한 다양한 유형의 3D 메쉬 구조는 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 쉽게 이해할 수 있는 것처럼 3D 프린팅 및/또는 다른 유형의 공정에 의해 제조될 수 있다.
도 2A 내지 도 2C는 본 발명의 특정 대표적인 실시예에 따른 집전체부 3D 메쉬 구조 또는 3D 집전체 메쉬 구조(100a-100c)를 도시한다. 특히, 도 2A는 큐빅 격자를 정의하기 위해 프레임 부재 또는 와이어(102)의 (x, y, z) 그리드로 형성된 제1프레임 구조(100a)를 도시하며, 여기서 프레임 부재(102)는 전자 도체 물질을 함유하거나 전자 도체 물질로 형성된다. 프레임 부재(102)는 서로 전기적으로 결합되고, 프레임 부재(102)는 또한 관련 분야의 당업자에 의해 쉽게 이해될 수 있는 방식으로 배터리 셀 단자에 전기적으로 결합될 수 있다. 이러한 프레임 부재(102)의 구성은 프레임 구조(100a) 내에 복수의 내부 격실 또는 셀(104)을 설치한다. 각 개별 셀(104)은 내부에 공극 공간을 가지며, 셀(104)은 공극 공간 사이에서 유체 연통(fluid communication)하도록 구성된다. 유동성 및 치밀성 또는 경화성 애노드 물질 조성물 또는 캐소드 물질 조성물은 내부 셀(104) 내로 도입, 함침 또는 확산될 수 있다. 치밀화 또는 경화 후에, 애노드 물질 조성물 또는 캐소드 물질 조성물은 셀(104) 내에 남아, 제1프레임 구조(100a)의 공극 체적 분율의 거의 전부 또는 본질적으로 전부를 차지하여 통합 애노드-집전체 구조 또는 통합 캐소드-집전체 구조 각각의 애노드 조성물부 또는 캐소드 조성물 부를 제공한다. 도 2A의 3D 메쉬 집전체 구조(100a)는 규칙적인 큐빅 구조를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 관련 기술 분야의 당업자들은 본 발명의 실시예에 따른 3D 메쉬 집전체 구조(100)가 다른 유형의 다면체 형상에 대응할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 관련 기술 분야의 당업자들은 3D 메쉬 집전체 구조(100)의 셀(104)이 비 직사각형 단면 영역(예를 들어, 육각형 또는 팔각형 단면 영역)을 나타낼 수 있음을 또한 이해할 것이다.
도 2B는 사전 결정된 축 방향을 따라 연장되는 네트워크 또는 와이어(112)의 어레이와, 해당 축 방향에 대해 횡단 또는 수직으로 형성된 적어도 하나의 지지 그리드(110)를 가져, 네트워크 내의 와이어(112)가 지지 그리드(110)의 대향 측면상에 연장되는 제2프레임 구조(100b)를 도시한다. 와이어(112) 및 지지 그리드(110)는 전자 전도성 물질을 함유하거나 이로써 형성되고, 와이어 및 지지 그리드(110)는 서로 전기적으로 결합된다. 와이어(112) 및 지지 그리드(110)는 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 이해되는 방식으로 배터리 셀 단자에 전기적으로 더 결합 될 수 있다. 유동성 및 치밀성 또는 경화성 애노드 물질 조성물 또는 캐소드 물질 조성물이 갭(114)으로 도입, 함침 또는 확산될 수 있도록 와이어(112)들 사이에 분리(Separations), 공간 또는 갭(114)이 존재한다. 치밀화 또는 경화 후에, 애노드 물질 조성물 또는 캐소드 물질 조성물은 갭(114) 내에 남아, 제2프레임 구조(100b)의 공간 체적 분율의 거의 전부 또는 전부를 차지하여, 통합 애노드-집전체 구조 또는 통합 캐소드-집전체 구조 각각의 애노드 조성물부 또는 캐소드 조성물부를 제공한다.
도 2C는 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 이해되는 방식으로, 3D 메쉬, 스캐폴드, 발포체 또는 스펀지 유형 구조와 같은, 스트랜드형(strand-like) 세그먼트 사이에 공극을 갖는 전자 전도체 물질의 상호 연결된 얇은 스트랜드형 세그먼트의 일반적으로 불규칙한 또는 불규칙한 네트워크를 포함하는 3D 다공성 메쉬 구조(100c)를 개시한다. 스트랜드형 세그먼트는 전자 전도성 물질을 함유하거나 전자 전도성 물질로 형성되어, 3D 다공성 메쉬 구조 내에서 서로 전기적으로 결합되며, 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 쉽게 이해할 수 있는 방식으로 배터리 셀 단자에 전기적으로 더 결합될 수 있다. 유동성 및 치밀성 또는 경화성 애노드 물질 조성물 또는 캐소드 물질 조성물은 3D 다공성 메쉬 구조(100c)의 공극들 내로 도입, 함침 또는 확산될 수 있다. 치밀화 또는 경화 후에, 애노드 물질 조성물 또는 캐소드 물질 조성물은 공극 내에 남아, 3D 다공성 메쉬 구조(100c)의 공극 체적 분율의 거의 전부 또는 전부를 차지하여, 통합 애노드-집전체 구조 또는 통합 캐소드-집전체 구조 각각의 애노드 조성물부 또는 캐소드 조성물부를 제공한다.
도 2D는 제1층(210a), 제2층(210b) 및 제3층(210c)을 포함하고, 각각이 개별적인 또는 완전한 전기화학 셀을 형성하거나 구성하는 본 발명의 일 실시예에 따른 대표적인 다층 3D 메쉬 집전체 기반의 전기화학 또는 배터리 셀 구조(2)의 일부를 도시한 것이다. 도 2D에 도시된 실시예는 3개의 층(210a-210c)을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 관련 기술 분야의 당업자는 다른 실시예가 다른 개수의 층, 예를 들어 실시예 세부 사항에 따라 단일층(210), 2개의 층 (210a, 210b) 또는 3개 이상의 층(210a~210c)으로 형성될 수 있음을 이해할 것이다.
각 층(210a, 210b)은 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조(212) 및 3D 메쉬 통합 캐소드-집전 구조(214)를 포함하며, 3D 메쉬 애노드-집전체 구조(212)는 내부에 애노드 물질(예를 들어, 3D 집전체 메쉬 구조체(100)의 공극 체적 분율 전체에 분포된)을 함유하거나 포함하는 제1 3D 집전체 메쉬 구조(100)(예를 들어,도 2A-2C에 도시된 방식으로)를 포함하거나 이로써 형성되고, 3D 메쉬 캐소드-집전체 구조 (214)는 내부에 캐소드 물질(예를 들어, 해당 3D 집전체 메쉬 구조(100)의 공극 체적 분율의 전체에 걸쳐 분포된)을 함유하거나 포함하는 제2 3D 집전체 메쉬 구조(100)(예를 들어,도 2A-2C에 도시된 방식으로)를 포함하거나 이로써 형성된다.
C. 추가 실시예
본 발명에 따른 전기화학 또는 배터리 셀 구조의 몇몇 실시예는, 도 1에 도시된 것과 같은 방식으로 형성되어 애노드부(12) 또는 캐소드부(14)가 각각 애노드 집전체부(25) 또는 캐소드 집전체부(35)를 포함하는 하나 이상의 통합 전극-집전체 구조(예를 들어, 제1 통합 전극-집전체 구조), 및 도 2A-2C에 도시된 바와 같은 방식으로 형성되어 3D 메쉬 집전체부(100)가 내부에 애노드 물질 또는 캐소드 물질을 포함하는 하나 이상의 통합 전극-집전체 구조(예를 들어, 제2전극-진전체 구조)를 포함한다. 전기화학 또는 배터리 셀 구조의 애노드 및 캐소드부는 관련 기술 분야의 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 방식으로 전해질 층(40)의 세트에 의해 분리되거나 격리(segregated)된다.
대표적인 통합 전극-집전체 제조 공정
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 전기화학 셀 또는 고체 배터리 셀의 부분은 하나 이상의 제조 공정 또는 절차, 예를 들어, 미국 특허 공보 제2015/0314530호에 개시된 다중-물질 적층 가공 공정 및/또는 다른 유형의 공정 또는 절차를 통해 제조될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 공개 공보 제2015/0314530호에 개시된 공정에 의해, 도 1에 도시된 바와 같은 고체 전기화학 셀 구조 또는 고체 배터리 셀 구조(1)의 연속 층들은, (a) 한 세트의 애노드-집전체부(12)를 형성하기 위한 하나 이상의 유형의 애노드 물질 및 하나 이상의 유형의 전자 전도체 물질; (b) 한 세트의 전해질 층(40)을 형성하기 위한 하나 이상의 유형의 전해질 물질; 및 (c) 셀의 한 세트의 캐소드-집전체부(14)를 형성하기 위한 하나 이상의 유형의 캐소드 물질 및 하나 이상의 유형의 전자 전도체 물질을 함유하는 분말을 연속적으로 또는 순차적으로 및 선택적으로 또는 선택 가능하게 분산((dispense) 및 계층화함으로써 제조될 수 있다. 이러한 분말은 예를 들어, 의도된 또는 원하는 전기화학적 또는 배터리 셀 아키텍처 또는 설계(예를 들어, 디지털 3D 전기화학 셀 또는 배터리 셀 구조 모델)에 따라 전기화학적 또는 배터리 셀 구조(1)를 제조하기 위한 연속 시트 또는 패턴화된 시트처럼, 프로그램 가능하게 지정된 패턴에 따라 2차원 영역에 걸쳐 분산될 수 있다. 소정의 분말 층(들)이 빌드 플레이트(build plate) 위에 분산될 수 있고, 바인더(binder)가 층의 특정 부분을 함께 유지하기 위해 선택적으로 도포되며, 그 후에 결합되지 않은 분말(들)이 제거될 수 있다. 바인더 물질은 고려되는 층에서 분말의 결합을 촉진시키기 위해 경화 공정 또는 절차를 거칠 수 있다. 도 3은 특정 전기화학 또는 배터리 셀 구조가 제조될 수 있는 본 발명에 따른 대표적인 다중 물질 3D 제조 공정의 양태를 나타내는 흐름도이다.
전술한 바에 부가하여, 본 발명의 실시예에 따른 3D 메쉬 집전체 구조(100)는 미국 특허 공개 공보 제2015/0314530호에 기재된 것과 같은 다중 물질 3D 제조 공정에 의해 또한 제조될 수 있다. 특히, 공극은 예를들어, 3D 메쉬 집전체 구조가 약 50% 내지 90% 사이의 공극 체적 분율을 갖도록, 후속 공정 부분(예를 들어, 가열/소결 공정 부분)에서 층으로부터 선택적으로 제거될 수 있는 비산 또는 희생 물질을 내부에 혼입시키거나 배포함에 의해 층의 일부분 내에 형성될 수 있다. 게다가, 공극의 실제 크기와 일치하는 점도를 갖는 의도된 또는 원하는 요변성 유동성 (thixotropic rheology)을 제공하기 위해 선택된 단량체 및 소중합체(monomers and oligomers)를 포함하는 유동성 유기 비히클(organic vehicle), 매체 또는 물질은 그 안에 분산된 하나 이상의 애노드 물질 또는 하나 이상의 캐소드 물질을 함유하는데 사용될 수 있다. 애노드 또는 캐소드 물질(들)은 스크린 또는 스텐실 인쇄, 닥터 블레이딩(doctor blading)과 같은 하나 이상의 방식으로 다공성 3D 메쉬 집전체 구조(100)에 압출될 수 있다. 대안적으로, 노드 또는 캐소드 물질(들)은 진공 보조 확산(vacuum-assisted diffusion)을 통해 다공성 3D 메쉬 집전체 구조(100)에 혼입될 수 있다. 공극 공간 내 또는 공극 공간 전체에 걸쳐 분포된 애노드 또는 캐소드 분말(들)을 갖는 3D 메쉬 집전체 구조(100)는 유기 비히클 물질을 분해 및 휘발시키고 무기 물질을 고체 집적 구조로 소결시키는 단일 열처리 공정 또는 절차로 치밀화될 수 있다.
다른 대안으로, 애노드 또는 캐소드 물질(들)은 고도의 유동성 분말로 제형화될 수 있고 파우더 베드(powder bed) 3D 프린터에 상응하거나 그에 기초한 분말 분산/압축 시스템으로 3D 메시 집전체 구조(100)에 분산될 수 있으며, 분말(들)은 컴퓨터 제어식 바인더 분사 시스템을 통해 원하는 위치에 고정될 수 있다. 본 발명에 따른 일부 실시예는 세라믹 동시소성 공정에 의해 또한 제조될 수 있다. 특히, 도 1에 도시된 것과 같은 전기 화학 또는 배터리 셀 구조(1)는 유기 비히클 또는 매체에 현탁된 세라믹 분말의 시트를 생성하고, 테이프 캐스팅 공정 또는 절차에 의해 얇은 층으로 퍼지고 건조되어 제조될 수 있다. 주어진 시트는 가죽 또는 고무의 견고성을 가질 수 있으며, 의도된 또는 원하는 형상으로 절단되고, 시트의 일측 주 표면 또는 측면으로부터 시트의 다른 또는 대향되는 주 표면 또는 측면까지의 특정 위치에 비아(vias)를 형성함으로써 추가로 가공될 수 있다. 비아는 전도성 물질로 채워져 시트의 주 표면 사이에 전기적인 커플링을 제공할 수 있다. 게다가, 전도성 물질의 패턴이 선택된 시트의 일측 또는 양측 주 표면에 적용되어 전도성 비아의 일부 또는 전부가 전기적으로 함께 결합되는 전기 전도성 패턴을 제공할 수 있다.
시트는 주어진 애노드 조성 층(20)의 세트 및 주어진 캐소드 조성물 층(30)의 세트에 대응하여 제조될 수 있으며, 이러한 시트 각각은 내부에 하나 이상의 유형의 세라믹 애노드 물질 또는 캐소드 물질 분말을 포함한다. 각 시트는 최종 설계 요건에 따라 의도된 또는 원하는 두께를 갖는다. 통합 애노드-집전체 구조(12)는 2개 시트의 테이프 캐스팅 애노드 물질을 포함할 수 있다. 제1시트는 스크린 인쇄와 같은 방법으로(예를 들어, 선택 가능한 또는 사전 결정된 패턴에 따라) 제1표면에 도포된 애노드 집전체부(25)를 포함한다. 이들 시트는 애노드 집전체부(25)가 통합 애노드-집전체 구조(12)의 2개의 주 표면 사이의 대략 중간에 내부적으로 함유될 수 있도록 함께 적층될 수 있다. 유사하게, 통합 캐소드-집전체 구조(14)는 2개 시트의 테이프 캐스팅 캐소드 물질을 포함할 수 있으며, 제1시트는 스크린 인쇄와 같은 방법으로(예를 들어, 선택 가능한 또는 사전 결정된 패턴에 따라) 제1표면에 도포된 캐소드 집전체부(35)를 포함한다. 이들 2개의 시트는 함께 적층되어, 캐소드 집전체부(35)가 통합 캐소드-집전체 구조(14)의 2개의 주 표면 사이의 대략 중간에 내부적으로 수용되도록 한다.
전해질 층의 세트 또는 시트(40)는 테이프 캐스팅 공정으로 주조되어 가죽 또는 고무와 같은 견고성의 시트를 형성할 수 있다. 전구체(precursor) 구조는 애노드-집전체 구조(들)(12) 및 통합 캐소드-집전체 구조(들)(14)를 그들 사이에 배치된 전해징 시트(40)와 적층하여 조립될 수 있다. 이러한 전구체 구조는 예를 들어, 전해질 시트(40)에 의해 각각 분리된 1 내지 1000개의 교번하는 애노드-집전체 구조(12) 및 통합 캐소드-집전체 구조(14)를 포함할 수 있다.
전구체 구조는 압력 및 열을 전구체 구조 스택에 인가하는 것을 포함할 수 있는 적층 공정에 의해 고체 물질(mass)로 조립되거나 제조될 수 있으며, 그 후 고체 물질로서 전구체 구조가 약 10분 내지 약 50시간사이의 소정 시간 주기 동안 약 400℃ 내지 약 1500℃의 온도로 가마에서 가열되는 열 처리 공정이 수행될 수 있다.
대표적인 치수 및 물질 선택
실시예 세부 사항에 따라, 통합 전극-집전체 구조(12, 14, 212, 214)의 두께는 약 2㎛ 내지 약 1mm사이의 범위일 수 있고, 전해질 층(40)의 두께는 약 2㎛ 내지 약 500㎛사이의 범위일 수 있다. 내부에 배치된 애노드 집전체부(25) 또는 캐소드 집전체부(35)를 포함하는 통합 전극-집전체 구조(12, 14)의 경우, 집전체부(25, 35)의 두께는 약 200nm 내지 약 50um의 범위일 수 있고, 와이어 엘리먼트와 같은 개별로 패턴화된 전자 전도체 엘리먼트의 폭은 셀의 전체 영역에 걸쳐 약 500nm에서 하나의 거의 연속적인 층까지의 범위일 수 있다.
통합 전극-집전체 구조(212, 214)가 3D 메쉬 집전체 구조(100)를 기반으로 하는 실시예에서, 3D 메쉬 집전체 구조(100)의 두께는 그 대응 층의 전체 두께이거나 또는 그의 부분, 전형적으로 해당 층 두께의 적어도 30%일 수 있다. 3D 메쉬 집전체 구조(100) 내의 셀(104), 갭(114) 또는 공극은 약 5㎛ 내지 약 500㎛의 단면 치수 또는 직경을 가질 수 있다.
실시예 세부사항에 따라, 본 발명의 특정 실시예와 함께 사용하기에 적합한 애노드 물질 분말은 탄소, 흑연 및/또는 리튬 티타늄 산화물을 포함한다. 특정 실시예에서, 이러한 애노드 분말은 탄소계 나노 물질 또는 그래핀, 탄소 나노 튜브 또는 버키볼(buckyballs)과 같은 나노 구조체를 포함하거나 함유할 수 있다. 본 발명의 특정 실시예와 함께 사용하기에 적합한 캐소드 물질 분말은 리튬 코발트 산화물 또는 리튬 마그네슘 산화물의 분말을 포함한다. 적합한 집전체 물질는 구리, 니켈, 은, 금, 팔라듐 또는 이들의 합금을 포함한다. 적합한 전해질 물질 분말은 리튬 란탄 지르코늄 산화물을 포함한다. 적합한 유기 비히클은 당 업계에 잘 알려져있다.
본 발명의 특정 실시예에 따라 제조된 전기화학 셀 또는 배터리 셀 구조는 약 300Wh/Kg 내지 약 600Wh/Kg의 에너지 밀도를 나타낼 것으로 기대될 수 있으며, 별개의 셀 구조를 갖는 상이한 셀 구조가 유연하고 고도로 맞춤화 가능한 방식으로 용이하게 제조될 수 있는 대용량 자동 제조 공정을 포함하는, 대용량 자동화 제조 공정에 의한 제조에 매우 적합하다.
본 명세서의 설명은 본 발명에 따른 특정 대표적인 실시예를 나타내기 위해 제공된다. 본 발명의 범위 또는 여기에 포함된 청구 범위를 벗어나지 않으면서 본원에 기재된 실시예들에 다양한 변형이 가해질 수 있음이 명백할 것이다.

Claims (23)

  1. 전기화학 셀 구조로서,
    적어도 하나의 전기화학 셀을 포함하며, 각 전기화학 셀은
    복수의 통합 전극-집전체 구조(a plurality of integrated electrode - current collector structures)로서, 각 통합 전극-집전체 구조는 내부에 전극 물질을 함유하고, 상기 복수의 통합 전극-집전체 구조는 내부에 제1전극 물질을 함유하는 제1통합 전극-집전체 구조 및 내부에 별개의 제2전극 물질을 함유하는 전기적 또는 전기화학적 대응 관계인 제2 통합 전극-집전체 구조를 포함하며, 상기 제1 및 제2 통합 전극-집전체 구조는,
    (a) 상기 제1전극 물질 또는 제2전극 물질을 각각 함유하는 전극 물질 조성물 층, 상기 전극 물질 조성물 층은 전극 물질 조성물 층의 두께보다 큰 평면 표면적을 가지며; 및
    상기 제1통합 전극-집전체 구조 또는 제2통합 전극-집전체 구조 각각에 대한 집전체를 포함하는 집전체 층, 상기 집전체 층은 전극 조성물 층의 내부에 배치되고 전극 조성물 층에 의해 둘러싸이며; 또는
    (b) 제1통합 전극-집전체 구조 또는 제2통합 전극-집전체 구조 각각에 대한 집전체를 포함하는 3D 집전체 물질 메쉬 구조, 상기 3D 집전체 물질 메쉬 구조는 3D 집전체 물질 메쉬 구조의 공극 체적 분율(void volume fraction)을 제공하는 공극들을 내부에 가지며, 상기 제1전극 물질 또는 제2전극 물질은 각각 3D 집전체 물질 메쉬 구조의 공극 체적 분율 내 또는 전체에 걸쳐 분포되며; 및
    상기 제1통합 전극-집전체 구조를 대응 관계의 제2통합 전극-집전체 구조로부터 분리하고 상기 제1통합 전극-집전체 구조와 제2통합 전극-집전체 구조 사이에 이온성 전하 운반 매체를 제공하는 전해질 층을 포함하며,
    상기 제1통합 전극-집전체 구조는 통합 애노드-집전체 구조 및 통합 캐소드-집전체 구조 중 하나를 포함하고, 상기 제2통합 전극-집전체 구조는 상기 통합 애노드-집전체 구조 및 통합 캐소드-집전체 구조 중 다른 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학 셀 구조는 서로 인접하여 적층된 복수의 전기화학 셀을 포함하는 전기화학 셀 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1통합 전극-집전체 구조, 제2통합 전극-집전체 구조 및 전해질 층 각각은 3D인쇄 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 층은 세라믹 전해질 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 물질는 분말 기반 애노드 물질을 포함하고, 상기 제2전극 물질는 분말 기반 캐소드 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 층은 전해질 층의 두께보다 큰 평면 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 통합 전극-집전체 구조는,
    두께를 갖는 애노드 물질 조성물 층과, 상기 애노드 물질 조성물 층의 내부에 배치되고 상기 애노드 물질 조성물 층의 두께에 의해 둘러싸인 애노드 집전체 층을 포함하는 통합 애노드-집전체 구조; 및
    두께를 갖는 양극 물질 조성물 층과, 상기 캐소드 물질 조성물 층의 내부에 배치되고 상기 캐소드 물질 조성물 층의 두께에 의해 둘러싸인 캐소드 집전체 층을 포함하는 대응 관계의 통합 캐소드-집전체 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 애노드 집전체 층 및 캐소드 집전체 층 중 적어도 하나는 물질의 평면 또는 준-2D층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 평면 또는 준-2D층 구조는 사전 결정된 또는 선택 가능한 와이어 엘리먼트 패턴에 따라 조직된 와이어 엘리먼트의 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 통합 전극-집전체 구조는 복수의 적층된 전기화학 셀을 포함하며, 적층 내의 각 전기화학 셀은,
    제1공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 내부에 가지며, 상기 제1공극 체적 분율 내 또는 전체에 걸쳐 분포된 애노드 물질을 갖는 제1 3D 집전체 물질 메쉬 구조를 포함하는 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조; 및
    제2공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 내부에 가지며, 상기 제2공극 체적 분율 내 또는 전체에 걸쳐 분포된 캐소드 물질을 갖는 제2 3D 집전체 물질 메쉬 구조를 포함하는 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조는 캐소드 물질을 배제하고, 상기 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조는 애노드 물질을 배제하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조 및 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조 각각은 소결가능 물질(sinterable material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 구조.
  13. 전기화학 셀 구조의 세트를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은 각 전기화학 셀 구조를 제조하는 단계로서,
    제1적층 가공 공정을 통해 제1전극 물질을 내부에 함유하는 제1통합 전극-집전체 구조를 제조하는 단계;
    제2적층 가공 공정을 통해 상기 제1통합 전극-집전체 구조의 노출 표면에 배치된 전해질 층을 제조하는 단계; 및
    제3적층 가공 공정을 통해 상기 전해질 층의 노출 표면에 별개의 제2전극 물질을 내부에 함유하는 제2통합 전극-집전체 구조를 제조하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 및 제2통합 전극-집전체 구조는
    (a) 상기 제1전극 물질 또는 제2전극 물질을 각각 함유하는 전극 물질 조성물 층, 상기 전극 물질 조성물 층은 전극 물질 조성물 층의 두께보다 큰 평면 표면적을 가지며; 및
    상기 제1통합 전극-집전체 구조 또는 제2통합 전극-집전체 구조 각각에 대한 집전체를 포함하는 집전체 층, 상기 집전체 층은 전극 조성물 층의 내부에 배치되고 전극 조성물 층에 의해 둘러싸이며; 또는
    (b) 제1통합 전극-집전체 구조 또는 제2통합 전극-집전체 구조 각각에 대한 집전체를 포함하는 3D 집전체 물질 메쉬 구조, 상기 3D 집전체 물질 메쉬 구조는 3D 집전체 물질 메쉬 구조의 공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 내부에 가지며, 상기 제1전극 물질 또는 제2전극 물질은 각각 3D 집전체 물질 메쉬 구조의 공극 체적 분율 내 또는 전체에 걸쳐 분포되며,
    상기 전해질층은 제1통합 전극-집전체 구조를 대응 관계인 제2통합 전극-집전체 구조로부터 분리하고, 상기 전해질층은 제1통합 전극-집전체 구조와 제2통합 전극-집전체 구조 사이에 이온성 전하 운반 매체를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2적층 가공 공정은 제1통합 전극-집전체 구조의 노출 표면상에 전해질 층을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 전해질 층은 세라믹 전해질 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3적층 가공 공정 각각은 3D 인쇄 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1통합 전극-집전체 구조, 전해질 층 및 제2통합 전극-집전체 구조는 각각 그들의 두께보다 큰 표면적을 갖는 평면 층 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 각 전기화학 셀 구조를 제조하는 단계는,
    제1적층 가공 공정을 통해 두께를 갖는 애노드 물질 조성물 층과, 상기 애노드 물질 조성물 층의 내부에 배치되고 애노드 물질 조성물 층의 두께에 의해 둘러싸인 애노드 집전체 층을 포함하는 통합 애노드-집전체 구조를 제조하는 단계; 및
    제3적층 가공 공정을 통해 두께를 갖는 캐소드 물질 조성물 층과, 상기 캐소드 물질 조성물 층의 내부에 배치되고 캐노드 물질 조성물 층의 두께에 의해 둘러싸인 캐소드 집전체 층을 포함하는 대응 관계의 통합 캐소드-집전체 구조를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1적층 가공 공정 및 제3적층 가공 공정 중 적어도 하나는 상기 집전체 층을 물질의 평면 또는 준-2D층으로 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1적층 가공 공정과 제3적층 가공 공정 중 적어도 하나는 사전 결정된 또는 선택 가능한 집전체 와이어 엘리먼트 패턴에 따라 조직된 집전체 와이어 엘리먼트의 준-2D 네트워크로 집전체 층을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    각 전기화학 셀 구조를 제조하는 단계는,
    제1적층 가공 공정을 통해 제1공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 갖는 제1집전체 물질을 포함하는 제1 3D 메쉬 구조를 제조하는 단계;
    상기 3D 메쉬 구조의 제1공극 체적 분율 내에 또는 전체에 걸쳐 애노드 물질을 분포시켜 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조를 형성하는 단계;
    제3적층 가공 공정을 통해 제2공극 체적 분율을 제공하는 공극들을 갖는 제2 3D 집전체 물질을 포함하는 제2 3D 메쉬 구조를 제조하는 단계; 및
    상기 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조의 제2공극 체적 분율 내부 또는 전체에 걸쳐 캐소드 물질을 분포시켜 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1공극 체적 분율은 제1 3D 메쉬 구조의 전체 공간 체적의 50% 내지 99.8%이고, 상기 제2공극 체적 분율은 제2 3D 메쉬 구조의 전체 공간 체적의 50% 내지 99.8%인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조는 캐소드 물질을 배제하고, 상기 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조는 애노드 물질을 배제하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 3D 메쉬 통합 애노드-집전체 구조 및 3D 메쉬 통합 캐소드-집전체 구조 각각은 소결가능 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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