KR20200096816A - 전기 화학적 활성 물질을 위한 결합제 및 이를 형성하는 방법 - Google Patents

전기 화학적 활성 물질을 위한 결합제 및 이를 형성하는 방법 Download PDF

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샤오후아 리우
모니카 초릉
제프 스워이어
벤자민 용 박
라훌 알. 카마스
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Abstract

일부 실시형태에서, 전극은 전류 집전기, 전류 집전기와 전기 연통하는 복합 재료, 및 복합 재료를 전류 집전기에 접착시키도록 구성된 적어도 하나의 상을 포함할 수 있다. 전류 집전기는 금속의 하나 이상의 층을 포함할 수 있고, 복합 재료는 전기 화학적 활성 물질을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상은 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복합 재료는 전기 화학적 활성 물질을 포함할 수 있다. 복합 재료는 또한 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성된 적어도 하나의 상을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상은 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함할 수 있다.

Description

전기 화학적 활성 물질을 위한 결합제 및 이를 형성하는 방법
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 미국 가출원 제62/596,077호(출원일: 2017년 12월 7일)의 이득을 주장하는, 미국 출원 제15/995,002호(출원일: 2018년 5월 31일)의 우선권의 이득을 주장한다. 위에서 언급된 출원의 각각의 전문은 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
본 발명의 분야
본 개시내용은 전극, 전기 화학 전지, 및 전극과 전기 화학 전지를 형성하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 전기 화학적 활성 물질을 위한 결합제에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리는 보통 양극과 음극 사이에 분리기 및/또는 전해액을 포함한다. 배터리의 하나의 부류에서, 분리기, 음극 및 양극 물질은 시트 또는 막으로 개별적으로 형성된다. 음극, 분리기 및 양극의 시트는 후속하여 적층되거나 또는 롤링되고 분리기는 배터리를 형성하도록 음극과 양극(예를 들어, 전극)을 분리한다. 롤링될 음극, 분리기 및 양극에 대해, 각각의 시트는 결함, 예컨대, 균열, 파손, 기계적 결함 등 없이 롤링되도록 충분히 변형 가능해야 하거나 가요성이 있어야 한다. 일반적인 전극은 전기적으로 전도성 금속(예를 들어, 알루미늄 및 구리)상에 전기 화학적 활성 물질층을 포함한다. 예를 들어, 탄소는 비활성 결합제 물질과 함께 전류 집전기 상에 증착될 수 있다. 탄소는 탄소가 우수한 전기 화학적 특성을 갖고 또한 전기적으로 전도성이기 때문에 종종 사용된다. 전극은 피스로 롤링될 수 있거나 또는 절삭될 수 있고 피스는 이어서 스택으로 층을 이룬다. 스택은 교번하는 전기 화학적 활성 물질 사이에 분리기를 개재시켜 이루어진 것이다.
예시적인 전극이 제공된다. 전극은 전류 집전기, 전류 집전기와 전기 연통하는 복합 재료, 및 복합 재료와 전류 집전기 사이의 적어도 하나의 상을 포함할 수 있다. 전류 집전기는 금속의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 복합 재료는 전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상은 복합 재료를 전류 집전기에 접착시키도록 구성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 상은 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함할 수 있다.
다양한 전극에서, 전류 집전기는 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 화합물은 규화금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
일부 전극에서, 전류 집전기는 약 0.025Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있다. 예를 들어, 전류 집전기는 약 1.5Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있다. 또 다른 실시예로서, 전류 집전기는 약 3Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있다.
일부 전극은 복합 재료 내에 적어도 하나의 제2 상을 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제2 상은 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성될 수 있다. 복합 재료는 제2 금속의 입자를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 제2 상은 제2 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 제2 금속은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제2 상은 규화금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
일부 전극에서, 복합 재료는 탄소상의 하나 이상의 유형의 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%를 더 포함할 수 있다. 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자를 포함할 수 있다. 전극은 규소 입자를 함께 그리고/또는 규소 입자를 탄소상의 하나 이상의 유형에 결합하도록 구성된 규화금속상을 더 포함할 수 있다. 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
일부 전극에서, 전기 화학적 활성 물질은 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 화학적 활성 물질은 약 60 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 전기 화학적 활성 물질은 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 전극은 음의 전극일 수 있다.
예시적인 전기 화학 전지가 또한 제공된다. 전기 화학 전지는 본 명세서에 설명된 임의의 전극을 포함할 수 있다. 전기 화학 전지는 리튬 이온 배터리, 마그네슘 배터리, 알루미늄 배터리, 나트륨 배터리, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전극을 형성하는 예시적인 방법이 제공된다. 방법은 금속의 하나 이상의 층을 포함하는 전류 집전기를 제공하는 단계, 전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%를 포함하는 전구체를 제공하는 단계, 및 전구체 및 전류 집전기를 가열하여 복합 재료 및 복합 재료와 전류 집전기 사이의 적어도 하나의 상을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상은 복합 재료를 전류 집전기에 접착시키도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 상은 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전류 집전기는 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 화합물은 규화금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 전류 집전기는 약 0.025Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있다. 실시예로서, 표면 거칠기는 약 1.5Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛일 수 있다. 또 다른 실시예로서, 표면 거칠기는 약 3Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛일 수 있다.
일부 방법에서, 전구체를 제공하는 것은 혼합물을 전류 집전기 상에 코팅하고 혼합물을 건조시키는 것을 포함할 수 있다. 전구체 및 전류 집전기를 가열하는 것은 약 300℃ 내지 약 900℃의 온도에서 가열하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 온도는 약 650℃ 내지 약 900℃일 수 있다. 전구체 및 전류 집전기를 가열하는 것은 적어도 하나의 제2 상을 복합 재료 내에 형성하는 것을 포함할 수 있다.
다양한 방법에서, 전구체를 제공하는 것은 제2 금속의 금속 입자를 전구체 내에 제공하는 것을 포함할 수 있다. 금속 입자는 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제2 상은 제2 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함할 수 있다. 화합물은 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 제2 상은 규화금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 복합 재료는 탄소상의 하나 이상의 유형의 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자를 포함할 수 있다.
일부 방법에서, 전구체 및 전류 집전기를 가열하는 것은 규소 입자를 함께 그리고/또는 규소 입자를 탄소상의 하나 이상의 유형에 결합하도록 구성된 규화금속상을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전기 화학적 활성 물질은 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 화학적 활성 물질은 약 60 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 전기 화학적 활성 물질은 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다.
예시적인 복합 재료가 또한 제공된다. 복합 재료는 전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%를 포함할 수 있다. 복합 재료는 또한 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자 사이의 적어도 하나의 상을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상은 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 상은 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 금속은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상은 규화금속상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
일부 복합 재료는 탄소상의 하나 이상의 유형의 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%를 더 포함할 수 있다. 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상은 규소 입자를 함께 그리고/또는 규소 입자를 탄소상의 하나 이상의 유형에 결합하도록 구성된 규화금속상을 포함할 수 있다. 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 전기 화학적 활성 물질은 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 화학적 활성 물질은 약 60 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 전기 화학적 활성 물질은 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 임의의 복합 재료를 포함하는 예시적인 전극이 또한 제공될 수 있다. 전극은 전류 집전기를 더 포함할 수 있다. 전극은 음의 전극일 수 있다.
본 명세서에 설명된 임의의 복합 재료를 포함하는 예시적인 전기 화학 전지가 또한 제공된다. 전기 화학 전지는 리튬 이온 배터리, 마그네슘 배터리, 알루미늄 배터리, 나트륨 배터리, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
복합 재료를 형성하는 예시적인 방법이 또한 제공된다. 방법은 전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 내지 약 99 중량%를 포함하는 전구체를 제공하는 단계, 금속의 입자를 전구체 내에 제공하는 단계, 및 전기 화학적 활성 물질 및 금속 입자를 포함하는 전구체를 가열하여 적어도 하나의 상을 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자 사이에 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상은 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 상은 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함할 수 있다.
일부 방법에서, 가열하는 것은 약 300℃ 내지 약 900℃의 온도에서 가열하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 온도는 약 650℃ 내지 약 900℃일 수 있다. 일부 구현예에서, 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 일부 방법에서, 금속 입자를 제공하는 것은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상은 규화금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
금속 입자를 제공하는 것은 금속 입자를 전구체의 0 중량% 내지 약 30 중량%의 양으로 제공하는 것을 포함할 수 있다. 전구체는 탄소상의 하나 이상의 유형의 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상은 규소 입자를 함께 그리고/또는 규소 입자를 탄소상의 하나 이상의 유형에 결합하도록 구성된 규화금속상을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함한다.
일부 경우에, 전구체는 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전구체는 약 60 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 전구체는 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함할 수 있다.
일부 방법에서, 전구체를 제공하는 것은 전구체를 전류 집전기 상에 제공하는 것을 포함할 수 있다. 전구체를 가열하는 것은 전류 집전기 상의 전구체를 가열하는 것을 포함할 수 있다.
도 1은 본 명세서에 설명된 특정한 실시형태에 따른 예시적인 전극을 개략적으로 예시하는 도면.
도 2는 전극을 형성하는 예시적인 방법을 예시하는 도면.
도 3은 본 명세서에 설명된 특정한 실시형태에 따른 예시적인 복합 재료를 개략적으로 예시하는 도면.
도 4는 복합 재료를 형성하는 예시적인 방법을 예시하는 도면.
도 5a는 Si/C 양극 막과 Cu 포일(foil)의 계면에서의 규화구리 입자를 개략적으로 예시하는 도면. 도 5b 및 도 5c는 본 명세서에 설명된 특정한 실시형태에 따른 Si/C 양극 막과 Cu 포일 사이의 계면의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy: SEM) 이미지.
도 6은 본 명세서에 설명된 특정한 실시형태에 따른 Si/C 양극 막과 Cu 포일 사이의 계면에서 금속간 규화물상(Cu3Si)의 존재를 나타내는 X-선 회절(X-Ray Diffraction: XRD) 패턴.
도 7은 650℃에서의 처리 후 규화구리상의 존재를 나타내는 XRD 패턴.
도 8은 900℃에서의 처리 후 규화구리상의 존재를 나타내는 XRD 패턴.
도 9는 1175℃에서의 처리 후 규화구리상의 존재를 나타내는 XRD 패턴.
도 10은 650℃에서의 처리 후 규화니켈상의 존재를 나타내는 XRD 패턴.
도 11은 900℃에서의 처리 후 규화니켈상의 존재를 나타내는 XRD 패턴.
도 12는 1175℃에서의 처리 후 규화니켈상의 존재를 나타내는 XRD 패턴.
도 13은 본 명세서에 설명된 바와 같은 예시적인 양극을 가진 순환형 풀 전지(cycled full cell)의 용량 유지를 도시하는 도면.
도 14a 및 도 14b는 각각 1.33Rz/㎛ 및 4.06Rz/㎛의 표면 거칠기를 가진 구리 기판의 SEM 이미지.
도 15는 접착 테스트 후 상이한 표면 거칠기를 가진 2개의 구리 기판을 도시하는 도면.
도 16은 본 명세서에 설명된 바와 같은 예시적인 양극을 가진 순환형 풀 전지의 용량 유지를 도시하는 도면.
본 출원은 전극(예를 들어, 양극 및 음극) 및 전기 화학 전지의 특정한 실시형태를 설명한다. 전극 및 전기 화학 전지는 전기 화학적 활성 물질을 포함하는 복합 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복합 재료는 탄화된 폴리머 및 규소 물질을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 규소 물질을 포함한 탄소 전구체를 포함하는 혼합물은 복합 재료로 형성될 수 있다. 이 혼합물은 탄소와 규소 둘 다를 포함할 수 있고 따라서 탄소-규소 복합 재료, 규소-탄소 복합 재료, 탄소 복합 재료, 또는 규소 복합 재료로서 지칭될 수 있다.
일반적인 탄소 양극 전극은 전류 집전기, 예컨대, 구리 시트를 포함한다. 탄소는 비활성 결합제 물질과 함께 집전기 상에 증착된다. 탄소는 탄소가 우수한 전기 화학적 특성을 갖고 또한 전기적으로 전도성이기 때문에 종종 사용된다. 재충전 가능한 리튬 이온 전지에서 사용되는 양극 전극은 보통 대략 200㎃h/g(milliamp hours per gram)의 비용량을 갖는다(금속 포일 전류 집전기, 전도성 첨가제, 및 결합제 물질을 포함함). 흑연, 대부분의 리튬 이온 배터리 양극에서 사용되는 활성 물질은 372㎃h/g의 이론 에너지 밀도를 갖는다. 비교하면, 규소는 4200㎃h/g의 높은 이론 용량을 갖는다. 그러나, 규소는 리튬화(lithiation) 때 300%를 초과하여 팽창한다. 이 팽창 때문에, 규소를 포함한 양극은 팽창/수축할 수도 있고 양극의 나머지에 대한 전기적 접촉을 손실할 수도 있다. 따라서 규소 양극을 가진 배터리는 흑연 양극을 가진 배터리보다 순환 때 더 빠른 용량 손실을 나타낸다. 충전 및 방전 동안 규소 입자의 반복된 팽창 및 수축은 규소와 탄소, 규소와 전류 집전기 사이의 분리, 뿐만 아니라 규소 입자 사이의 분리를 포함하여, 순환 동안 양극의 기계적 결함을 초래할 수 있다. 따라서, 규소 양극은 전극의 나머지와의 우수한 전기 접촉을 유지하면서 팽창할 수 있도록 설계되어야 한다.
폴리머 결합제는 규소 입자와 금속 전류 집전기(예를 들어, 구리 전류 집전기) 사이에 접착력 그리고 규소 입자 사이에 응집력을 제공하도록 사용되어 왔다. 폴리이미드 폴리머는 300℃ 초과의 고온 경화 후 규소-탄소 양극에서 결합제로서 사용될 수 있다. 일부 경우에, 더 높은 온도에서의 열처리는 부반응을 감소시킴으로써 쿨롬 효율(Coulombic efficiency)을 개선시키도록 설정될 수도 있다. 그러나, 고온 경화는 예를 들어, 폴리머가 열처리 때 부분적으로 분해될 수 있기 때문에, 양극 막과 금속 전류 집전기 사이의 접착력을 약화시킬 수도 있다.
본 명세서에 설명된 다양한 실시형태는 유리하게는 전기 화학적 활성 복합 재료와 전류 집전기 사이의 접착력을 개선시키도록 적어도 하나의 상을 도입하는 것을 포함한다. 또한, 본 명세서에 설명된 다양한 실시형태는 유리하게는 전기 화학적 활성 입자 사이 그리고/또는 전기 화학적 활성 입자와 복합 재료 내 다른 물질 사이(예를 들어, 규소 입자 사이 그리고/또는 규소 입자와 탄소상 사이)의 응집력을 개선시키도록 적어도 하나의 상을 포함할 수 있다.
복합 재료와 전류 집전기 사이의 접착력
도 1은 본 명세서에 설명된 특정한 실시형태에 따른 예시적인 전극을 개략적으로 예시한다. 전극(100)은 음의 전극(예를 들어, 양극), 양의 전극(예를 들어, 음극), 또는 둘 다로서 사용될 수 있다. 전극(100)의 다양한 실시형태는 2차 배터리(예를 들어, 재충전 가능함) 또는 1차 배터리(예를 들어, 재충전 불가능함) 중 하나에서 사용될 수 있다. 전기 화학 전지는 리튬 이온 배터리, 마그네슘 배터리, 알루미늄 배터리, 나트륨 배터리, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
계속해서 도 1을 참조하면, 예시적인 전극(100)은 전류 집전기(110), 복합 재료(120), 및 복합 재료(120)를 전류 집전기(110)에 접착시키도록(또는 접착력을 향상시키거나 또는 추가의 접착력을 제공하도록) 구성된 적어도 하나의 상(130)을 포함할 수 있다. 전류 집전기는 기술에 알려져 있거나 또는 아직 개발되고 있는 임의의 전류 집전기를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 전류 집전기(110)는 금속의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전류 집전기(110)는 포일 또는 클래드 포일을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 전류 집전기(110)는 하나 이상의 금속 코팅(예를 들어, 전류 집전기 상에 배치된 금속의 층)을 포함할 수 있다. 예시적인 금속은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
다양한 실시형태에서, 복합 재료(120)는 전류 집전기(110)와 전기 연통할 수 있다. 복합 재료(120)는 전기 화학적 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복합 재료(120)는 전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복합 재료의 중량에 의한 전기 화학적 활성 물질의 양은 이 범위(예를 들어, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 약 96%, 약 97%, 약 98%, 약 99% 등) 또는 이 범위 내 임의의 범위, 예컨대, 예시적인 값에 의해 형성된 임의의 범위(예를 들어, 약 0 중량% 초과 내지 약 25 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 35 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 50 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 70 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 90 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%, 약 10 중량% 내지 약 35 중량%, 약 10 중량% 내지 약 50 중량%, 약 10 중량% 내지 약 90 중량%, 약 10 중량% 내지 약 95 중량%, 약 10 중량% 내지 약 99 중량%, 약 30 중량% 내지 약 85 중량%, 약 30 중량% 내지 약 90 중량%, 약 30 중량% 내지 약 95 중량%, 약 30 중량% 내지 약 99 중량%, 약 50 중량% 내지 약 85 중량%, 약 50 중량% 내지 약 90 중량%, 약 50 중량% 내지 약 95 중량%, 약 50 중량% 내지 약 99 중량%, 약 60 중량% 내지 약 85 중량%, 약 60 중량% 내지 약 90 중량%, 약 60 중량% 내지 약 95 중량%, 약 60 중량% 내지 약 99 중량%, 약 70 중량% 내지 약 85 중량%, 약 70 중량% 내지 약 90 중량%, 약 70 중량% 내지 약 95 중량%, 약 70 중량% 내지 약 99 중량% 등) 내의 임의의 중량 퍼센트를 포함할 수 있다.
전기 화학적 활성 물질은 임의의 전기 화학적 활성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 다양한 실시형태는 규소-탄소(또는 탄소-규소) 복합 재료를 포함할 수 있다. 미국 특허 출원 제13/008,800호(미국 특허 제9,178,208호), 미국 특허 출원 제13/601,976호(미국 특허 출원 공개 제2014/0170498호), 및 미국 특허 출원 제13/799,405호(미국 특허 제9,553,303호)(각각은 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)는 탄화된 폴리머 및 규소 물질을 사용하는 탄소-규소 복합 재료의 특정한 실시형태를 설명한다.
다양한 실시형태에서, 적어도 하나의 상(130)은 복합 재료(120)와 전류 집전기(110) 사이에 있을 수 있다. 도 1은 타원과 유사한 단면 형상을 가진 상(130)을 개략적으로 예시한다. 그러나, 상(130)의 형상, 크기, 수 및/또는 분포는 특별히 제한되지 않는다.
본 명세서에 설명되는 바와 같이, 상(130)은 결합제 또는 결합 물질로서 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상(130)은 복합 재료(120)를 전류 집전기(110)에 접착시키도록(또는 접착력을 향상시키거나 또는 추가의 접착력을 제공하도록) 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 다른 결합제 또는 결합 물질(예를 들어, 폴리머)이 결합을 향상시키도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 상(130)이 주 결합 메커니즘을 제공할 수 있고 또 다른 결합제가 또한 사용될 수도 있다. 상(130)은 전류 집전기(110)의 금속과 복합 재료(120)의 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함할 수 있다. 이론에 얽매이는 일 없이, 상(130)은 전류 집전기 및/또는 전기 화학적 활성 물질에 부정적으로 영향을 주는 일 없이(예를 들어, 전류 집전기를 파괴할 수도 있고/있거나 전기 화학적 활성 물질을 분쇄할 수도 있는 반응을 가능하게 하는 일 없이) 계면에서 전류 집전기(110)의 금속(또는 전류 집전기(110) 상에 배치된 금속)과 복합 재료(120)의 전기 화학적 활성 물질 사이의 확산 및/또는 반응을 용이하게 할 수도 있는 열처리를 통해 형성(예를 들어, 성장)될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 전기 화학적 활성 물질과 전류 집전기(110) 사이의 반응의 양 및/또는 전기 화학적 활성 물질과 반응하는 전류 집전기(110)의 깊이(예를 들어, 반응 깊이)는 약 10% 이하(예를 들어, 약 1%, 약 2%, 약 3%, 약 4%, 약 5%, 약 6%, 약 7%, 약 7.5%, 약 8%, 약 9%, 약 10% 등)일 수 있거나 또는 이러한 예시적인 값에 의해 형성된 임의의 범위(예를 들어, 약 1% 내지 약 5%, 약 1% 내지 약 7.5%, 약 1% 내지 약 10%, 약 2% 내지 약 5%, 약 2% 내지 약 7.5%, 약 2% 내지 약 10%, 약 3% 내지 약 5%, 약 3% 내지 약 7.5%, 약 3% 내지 약 10%, 약 5% 내지 약 10%, 약 7.5% 내지 약 10% 등) 내에 있을 수 있다. 실시예로서, 복합 재료(120)는 금속 전류 집전기(110) 상에 코팅될 수 있고, 약 24시간의 지속기간 동안 약 300℃ 내지 약 900℃ 범위에서 가열될 수 있어서 전류 집전기(110)의 금속과 복합 재료(120)의 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는 상(130)을 형성한다. 구리 또는 니켈 포일 상의 탄소-규소 복합 재료(예를 들어, 규소를 포함하는 복합 재료)에 대해, 규화금속(예를 들어, 규화구리 또는 규화니켈)을 포함하는 상(130)이 형성될 수 있다. 다른 예시적인 규화금속은 규화크롬, 규화알루미늄, 및/또는 규화티타늄(예를 들어, 크롬, 알루미늄, 및/또는 티타늄 전류 집전기와 함께)을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상(130)은 전기 화학적 활성 물질과 전류 집전기(110)의 금속이 서로 물리적으로 접촉할 때 형성될 수 있다. 비교적 높은 표면적을 가진 표면은 더 많은 접촉점을 제공할 수 있다. 이론에 얽매이는 일 없이, 전기 화학적 활성 물질과 전류 집전기 사이의 접촉점의 수의 증가는 반응을 촉진할 수 있고 접착력을 더 개선시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 전류 집전기(110)는 약 0.025Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛의 표면 거칠기를 가질 수 있다. 예를 들어, 전류 집전기(110)는 이 범위(예를 들어, 약 0.025Rz/㎛, 약 1Rz/㎛, 약 1.5Rz/㎛, 약 2Rz/㎛, 약 2.5Rz/㎛, 3Rz/㎛, 약 3.5Rz/㎛, 약 4Rz/㎛, 약 4.5Rz/㎛ 등) 또는 이 범위 내의 임의의 범위, 예컨대, 예시적인 값에 의해 형성된 임의의 범위(예를 들어 약 0.03Rz/㎛ 초과 내지 약 25Rz/㎛, 약 0.05Rz/㎛ 초과 내지 약 25Rz/㎛, 약 1Rz/㎛ 초과 내지 약 25Rz/㎛, 약 1.5Rz/㎛ 초과 내지 약 25Rz/㎛, 약 2Rz/㎛ 초과 내지 약 25Rz/㎛, 약 2.5Rz/㎛ 초과 내지 약 25Rz/㎛, 약 3Rz/㎛ 초과 내지 약 25Rz/㎛, 약 3.5Rz/㎛ 초과 내지 약 25Rz/㎛, 약 4Rz/㎛ 초과 내지 약 25Rz/㎛ 등) 내의 표면 거칠기를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 비교적 높은 표면적을 가진(예를 들어, 표면 거칠기에 기인한) 전류 집전기는 접촉점의 수를 증가시킬 수 있다.
도 2는 전극(예를 들어, 도 1에 개략적으로 예시된 전극(100))을 형성하는 예시적인 방법을 예시한다. 형성 방법(200)은 전류 집전기를 제공하는 단계(블록(210)에 나타낸 바와 같음), 전기 화학적 활성 물질을 포함하는 전구체를 전류 집전기 상에 제공하는 단계(블록(220)에 나타낸 바와 같음), 및 전구체와 전류 집전기를 가열하여 복합 재료 및 복합 재료와 전류 집전기 사이의 적어도 하나의 상을 형성하는 단계(블록(230)에 나타낸 바와 같음)를 포함할 수 있다.
블록(210)을 참조하면, 제공된 전류 집전기는 본 명세서에 설명된 임의의 전류 집전기를 포함할 수 있다. 블록(210)을 참조하면, 제공된 전구체는 전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전구체의 중량에 대한 전기 화학적 활성 물질의 양은 이 범위(예를 들어, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 약 96%, 약 97%, 약 98%, 약 99% 등) 또는 이 범위 내 임의의 범위, 예컨대, 예시적인 값에 의해 형성된 임의의 범위(예를 들어, 약 0 중량% 초과 내지 약 25 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 35 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 50 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 90 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%, 약 10 중량% 내지 약 35 중량%, 약 10 중량% 내지 약 50 중량%, 약 10 중량% 내지 약 90 중량%, 약 10 중량% 내지 약 95 중량%, 약 10 중량% 내지 약 99 중량%, 약 30 중량% 내지 약 85 중량%, 약 30 중량% 내지 약 90 중량%, 약 30 중량% 내지 약 95 중량%, 약 30 중량% 내지 약 99 중량%, 약 50 중량% 내지 약 85 중량%, 약 50 중량% 내지 약 90 중량%, 약 50 중량% 내지 약 95 중량%, 약 50 중량% 내지 약 99 중량%, 약 60 중량% 내지 약 85 중량%, 약 60 중량% 내지 약 90 중량%, 약 60 중량% 내지 약 95 중량%, 약 60 중량% 내지 약 99 중량%, 약 70 중량% 내지 약 85 중량%, 약 70 중량% 내지 약 90 중량%, 약 70 중량% 내지 약 95 중량%, 약 70 중량% 내지 약 99 중량% 등) 내의 임의의 중량 퍼센트를 포함할 수 있다. 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 본 명세서에 설명된 바와 같은 임의의 전기 화학적 활성 물질을 포함할 수 있다.
전구체는 미국 특허 출원 제13/008,800호, 미국 특허 출원 제13/601,976호, 및 미국 특허 출원 제13/799,405호(각각은 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)에 설명된 바와 같은 탄소-규소 복합 재료에 대한 임의의 전구체를 포함할 수 있다. 실시예로서, 전기 화학적 활성 물질은 규소 가루, 규소 섬유, 다공성 규소, 볼 밀링된 규소 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 규소 물질의 다양한 유형을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전구체의 혼합물은 전류 집전기 상에 코팅될 수 있고 건조될 수 있다.
블록(230)을 참조하면, 방법(200)은 또한 전구체 및 전류 집전기를 가열하여 복합 재료 및 복합 재료와 전류 집전기 사이의 적어도 하나의 상을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 전류 집전기 상의 전구체의 혼합물은 약 300℃ 내지 약 900℃, 약 400℃ 내지 약 900℃, 약 500℃ 내지 약 900℃, 약 600℃ 내지 약 900℃, 약 650℃ 내지 약 900℃ 등의 온도로 가열될 수 있다. 일부 경우에, 더 높은 온도는 더 적은 처리 시간을 가질 수도 있다. 일부 경우에, 더 낮은 온도는 더 많은 처리 시간을 가질 수도 있다. 전구체를 복합 재료 및/또는 형성된 복합 재료로 전환시키는 공정은 본 명세서에 또는 미국 특허 출원 제13/008,800호, 미국 특허 출원 제13/601,976호, 및 미국 특허 출원 제13/799,405호에 설명된 것 중 임의의 것일 수 있다. 예를 들어, 전구체는 탄소-규소 복합 재료를 형성하도록 열분해되는 혼합물일 수 있다. 형성되는 상은 본 명세서에 설명된 임의의 상(예를 들어, 전류 집전기의 금속과 복합 재료의 전기 화학적 활성 물질의 화합물)을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 상은 복합 재료와 전류 집전기를 접착시키는(또는 이들 사이의 접착력을 개선시키거나 또는 추가의 접착력을 제공하는) 결합 물질로서 역할을 할 수 있다. 미국 특허 출원 제13/008,800호, 미국 특허 출원 제13/601,976호, 및 미국 특허 출원 제13/799,405호에 설명된 일부 공정과 비교하면, 본 명세서에 설명된 일부 실시형태는 복합 재료를 더 낮은 온도에서 열분해시킬 수 있어서 전류 집전기와 복합 재료의 전기 화학적 활성 물질 사이의 반응을 제어한다. 일부 경우에, 전기 화학적 활성 물질과 전류 집전기(110) 사이의 반응의 양 및/또는 전기 화학적 활성 물질과 반응하는 전류 집전기(110)의 깊이(예를 들어, 반응 깊이)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 약 10% 이하일 수 있다. 일부 경우에, 탄소가 완전히 열분해되지 않을 수도 있고, 예를 들어, 일부 수소가 남아 있을 수도 있다.
복합 재료 내 응집력
도 3은 본 명세서에 설명된 특정한 실시형태에 따른 예시적인 복합 재료를 개략적으로 예시한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 복합 재료(300)는 전기 화학적 활성 물질(320)을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복합 재료(300)는 전기 화학적 활성 물질(320)의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복합 재료(300)의 중량에 대한 전기 화학적 활성 물질(320)의 양은 이 범위(예를 들어, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 약 96%, 약 97%, 약 98%, 약 99% 등) 또는 이 범위 내 임의의 범위, 예컨대, 예시적인 값에 의해 형성된 임의의 범위(예를 들어, 약 0 중량% 초과 내지 약 25 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 35 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 50 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 90 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%, 약 10 중량% 내지 약 35 중량%, 약 10 중량% 내지 약 50 중량%, 약 10 중량% 내지 약 90 중량%, 약 10 중량% 내지 약 95 중량%, 약 10 중량% 내지 약 99 중량%, 약 30 중량% 내지 약 85 중량%, 약 30 중량% 내지 약 90 중량%, 약 30 중량% 내지 약 95 중량%, 약 30 중량% 내지 약 99 중량%, 약 50 중량% 내지 약 85 중량%, 약 50 중량% 내지 약 90 중량%, 약 50 중량% 내지 약 95 중량%, 약 50 중량% 내지 약 99 중량%, 약 60 중량% 내지 약 85 중량%, 약 60 중량% 내지 약 90 중량%, 약 60 중량% 내지 약 95 중량%, 약 60 중량% 내지 약 99 중량%, 약 70 중량% 내지 약 85 중량%, 약 70 중량% 내지 약 90 중량%, 약 70 중량% 내지 약 95 중량%, 약 70 중량% 내지 약 99 중량% 등) 내 임의의 중량 퍼센트를 포함할 수 있다. 전기 화학적 활성 물질(320)은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 본 명세서에 설명된 바와 같은 임의의 전기 화학적 활성 물질(320)을 포함할 수 있다.
다양한 실시형태에서, 적어도 하나의 상(330)은 전기 화학적 활성 물질(320)의 전기 화학적 활성 입자 사이에 있을 수 있다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 상(330)은 전기 화학적 활성 물질(320)의 전기 화학적 활성 입자와 복합 재료(300) 내 다른 물질(340) 사이에 있을 수 있다. 도 3은 타원과 유사한 단면 형상을 가진 상(330)을 개략적으로 예시한다. 그러나, 상(330) 형상, 크기, 수 및/또는 분포는 특별히 제한되지 않는다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 상(330)은 전기 화학적 활성 물질(320)의 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록(또는 결합을 개선시키거나 또는 추가의 결합을 제공하도록) 구성될 수 있다. 본 명세서에 또한 설명된 바와 같이, 상(330)은 전기 화학적 활성 물질(320)의 전기 화학적 활성 입자와 복합 재료(300) 내 다른 물질(340)을 결합하도록(또는 결합을 개선시키거나 또는 추가의 결합을 제공하도록) 구성될 수 있다. 실시예로서, 탄소-규소 복합 재료 (예를 들어, 본 명세서에 설명된 임의의 탄소-규소 복합 재료)에서, 상(330)은 규소를 함께 그리고 규소와 탄소를 함께 결합하거나 또는 결합하는 것을 돕도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 금속 입자(예를 들어, 가루)는 전기 화학적 활성 물질(320)을 포함하는 전구체에 추가될 수 있다. 전구체가 가열되어 복합 재료(300)를 형성할 때, 적어도 하나의 상(330)이 복합 재료(300) 내 물질 사이에(예를 들어, 전기 화학적 활성 물질(320)의 전기 화학적 활성 입자 사이에 그리고/또는 전기 화학적 활성 물질(320)의 전기 화학적 활성 입자와 복합 재료(300) 내 다른 물질 사이에) 형성될 수 있다. 상(330)은 (예를 들어, 금속 입자로부터) 추가된 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함할 수 있다. 금속은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 다양한 금속을 포함할 수 있다.
탄소-규소 복합 재료(예를 들어, 규소를 포함하는 복합 재료)에 대해, 규화금속을 포함하는 상(330)이 형성될 수 있다. 예시적인 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물(예를 들어, 구리, 니켈, 크롬, 알루미늄, 및/또는 티타늄 입자를 가짐)을 포함할 수 있다.
다양한 실시형태에서, 복합 재료(300)는 전극 및/또는 전기 화학 전지에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 바와 같이(예를 들어, 도 1을 참조하면), 복합 재료는 전류 집전기(110)와 전기 연통할 수 있다. 적어도 하나의 상(130)은 복합 재료(120)를 전류 집전기(110)에 접착시키도록(또는 접착력을 개선시키거나 또는 추가의 접착력을 제공하도록) 구성될 수 있다. 전극은 전기 화학 전지에서 음의 또는 양의 전극으로서 사용될 수 있다. 다양한 실시형태가 2차 배터리 또는 1차 배터리에서 사용될 수 있다. 전기 화학 전지는 리튬 이온 배터리, 마그네슘 배터리, 알루미늄 배터리, 나트륨 배터리, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 4는 복합 재료(예를 들어, 도 3에 개략적으로 예시된 복합 재료(300))를 형성하는 예시적인 방법을 예시한다. 형성 방법(400)은 전기 화학적 활성 물질을 포함하는 전구체를 제공하는 단계(블록(410)에 나타낸 바와 같음), 금속의 입자를 전구체 내에 제공하는 단계(블록(420)에 나타낸 바와 같음), 및 전구체를 가열하여 적어도 하나의 상을 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자 사이에 형성하는 단계(블록(430)에 나타낸 바와 같음)를 포함할 수 있다. 블록(410)을 참조하면, 제공된 전구체는 본 명세서에 설명된 임의의 전구체(예를 들어, 도 2를 참조하여 논의되는 제공된 전구체) 또는 미국 특허 출원 제13/008,800호, 미국 특허 출원 제13/601,976호, 및 미국 특허 출원 제13/799,405호에 설명된 바와 같은 탄소-규소 복합 재료에 대한 임의의 전구체를 포함할 수 있다. 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 본 명세서에 설명된 바와 같은 임의의 전기 화학적 활성 물질을 포함할 수 있다.
블록(420)을 참조하면, 금속은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 본 명세서에 설명된 바와 같은 임의의 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전구체는 금속 입자의 0 중량% 초과 내지 약 30%를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전구체의 중량에 대한 금속 입자의 양은 이 범위(예를 들어, 약 1%, 약 2%, 약 3%, 약 4%, 약 5%, 약 7%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30% 등) 또는 이 범위 내 임의의 범위, 예컨대, 예시적인 값에 의해 형성된 임의의 범위(예를 들어, 약 0 중량% 초과 내지 약 5 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 10 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 15 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 20 중량%, 약 0 중량% 초과 내지 약 25 중량%, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 1 중량% 내지 약 10 중량%, 약 1 중량% 내지 약 15 중량%, 약 1 중량% 내지 약 20 중량%, 약 1 중량% 내지 약 25 중량%, 약 1 중량% 내지 약 30 중량%, 약 2 중량% 내지 약 5 중량%, 약 2 중량% 내지 약 10 중량%, 약 2 중량% 내지 약 15 중량%, 약 2 중량% 내지 약 20 중량%, 약 2 중량% 내지 약 25 중량%, 약 2 중량% 내지 약 30 중량%, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%, 약 5 중량% 내지 약 15 중량%, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%, 약 5 중량% 내지 약 25 중량%, 약 5 중량% 내지 약 30 중량%, 약 10 중량% 내지 약 20 중량%, 약 10 중량% 내지 약 25 중량%, 약 20 중량% 내지 약 30 중량% 등) 내 임의의 중량 퍼센트를 포함할 수 있다.
블록(430)을 참조하면, 전구체를 가열하는 것은 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자 사이에 그리고/또는 전기 화학적 활성 입자와 다른 물질을 결합하도록 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자와 복합 재료 내 다른 물질 사이에 적어도 하나의 상을 형성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전구체는 약 300℃ 내지 약 900℃, 약 400℃ 내지 약 900℃, 약 500℃ 내지 약 900℃, 약 600℃ 내지 약 900℃, 약 650℃ 내지 약 900℃ 등의 온도로 가열될 수 있다. 일부 방법(예를 들어, 전류 집전기 상의 가열 없음)에서, 전구체는 더 높은 온도로 가열될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 전구체는 약 900℃ 내지 약 1350℃로 가열될 수 있다. 일부 경우에, 더 높은 온도의 가열은 더 적은 처리 시간을 활용할 수도 있고; 그리고/또는 더 낮은 온도의 가열은 더 많은 처리 시간을 활용할 수도 있다.
탄소-규소 복합 재료(예를 들어, 규소를 포함하는 복합 재료)에 대해, 규화금속을 포함하는 상이 형성될 수 있다. 예시적인 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
다양한 실시형태에서, 도 4에 도시된 복합 재료를 형성하는 방법(400)은 전극 및/또는 전기 화학 전지를 형성하는 방법의 일부일 수 있다. 예를 들어, 금속 입자를 가진 전구체가 전류 집전기 상에 제공될 수 있다. 전구체 및 전류 집전기가 가열될 수 있어서 적어도 하나의 상을 포함하는 복합 재료를 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자 사이에 형성한다. 또 다른 실시예로서, 본 명세서에 설명된 바와 같이(예를 들어, 도 2를 참조하면), 도 4를 참조하여 설명된 전구체가 전류 집전기 상에 제공될 수 있다. 전구체 및 전류 집전기가 가열될 수 있어서 복합 재료 및 복합 재료와 전류 집전기 사이의 적어도 하나의 상을 형성한다.
복합 재료 및 이것을 형성하는 방법
미국 특허 출원 제13/008,800호, 미국 특허 출원 제13/601,976호, 및 미국 특허 출원 제13/799,405호(각각이 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)는 탄화된 폴리머 및 규소 물질을 사용하는 탄소-규소 복합 재료의 특정한 실시형태를 설명한다. 탄화된 폴리머는 높은 사이클 수명이 달성될 수 있도록 순환 동안 규소 입자를 위한 팽창 버퍼로서 역할을 할 수 있다. 특정한 실시형태에서, 결과적으로 발생된 전극은 실질적으로 활성 물질로 이루어진 전극일 수 있다. 예를 들어, 탄화된 폴리머는 종래의 리튬 이온 배터리 전극의 하나의 부류의 비전도성 결합제에서 부유되는 미립자 탄소와 대조적으로 전체 전극에서 실질적으로 연속적인 전도성 탄소상(들)을 형성할 수 있다. 폴리머가 전기적으로 전도성이고 전기 화학적 활성 매트릭스로 전환될 수 있기 때문에, 결과적으로 발생된 전극은 금속 포일 또는 메시 전류 집전기가 일부 실시형태에서 생략될 수도 있고, 최소화될 수도 있거나 또는 감소될 수도 있게 충분히 전도성일 수 있다. 따라서, 미국 특허 출원 제13/008,800호, 출원 제13/601,976호, 및 미국 특허 출원 제13/799,405호에서, 모놀리식, 자기 지지형 전극의 특정한 실시형태가 개시된다. 전극은 예를 들어, 1) 규소의 사용, 2) 금속 전류 집전기의 제거 또는 상당한 감소, 및 3) 전부 또는 실질적으로 전부 활성 물질로 이루어진 것에 기인할 수 있는, 약 500㎃h/g 내지 약 3500㎃h/g의 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
탄소-규소 복합 재료는 전구체를 포함하는 혼합물을 형성하고, 전구체를 열분해하여 전구체를 탄소상으로 전환시킴으로써 형성될 수 있다. 특정한 실시형태에서, 탄소 전구체는 탄화수소 화합물이다. 예를 들어, 전구체는 폴리아마이드이미드, 폴리아믹산(polyamic acid), 폴리이미드 등을 포함할 수 있다. 다른 전구체는 페놀 수지, 에폭시 수지 및 다른 폴리머를 포함한다. 혼합물은 용매를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 용매는 N-메틸-피롤리돈(NMP)일 수 있다. 다른 가능한 용매는 아세톤, 다이에틸 에터, 감마 부티로락톤, 아이소프로판올, 다이메틸 탄산염, 에틸 탄산염, 다이메톡시에탄 등을 포함한다. 전구체와 용매 용액의 예는 PI-2611(HD Microsystems), PI-5878G(HD Microsystems) 및 VTEC PI-1388(RBI, Inc.)을 포함한다. PI-2611은 60% 초과의 n-메틸-2-피롤리돈 및 10 내지 30%의 s-바이페닐이무수물/p-페닐렌다이아민으로 이루어진다. PI-5878G는 60% 초과의 n-메틸피롤리돈, 10 내지 30%의 피로멜리트 이무수물/옥시다이아닐린의 폴리아믹산, 5 내지 10%의 1,2,4-트라이메틸벤젠을 포함하는 10 내지 30%의 방향족 탄화수소(석유 증류물)로 이루어진다. 특정한 실시형태에서, 용매 내 전구체(예를 들어, 고체 폴리머)의 양은 약 10 중량% 내지 약 30 중량%이다.
혼합물은 본 명세서에 설명된 바와 같이 규소 입자를 포함할 수 있다. 혼합물은 전구체의 약 5 중량% 내지 약 99 중량%, 및 규소 입자의 0 중량% 초과 내지 약 99%(예를 들어, 규소 입자의 적어도 약 20 중량% 내지 약 95 중량%, 규소 입자의 적어도 약 20 중량% 내지 약 99 중량%)를 포함할 수도 있다. 부가적인 물질이 또한 혼합물에 포함될 수 있다. 실시예로서, 흑연 활성 물질, 절단되거나 또는 밀링된 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브, 및 다른 전도성 탄소를 포함하는 탄소 입자가 혼합물에 추가될 수 있다. 전도성 입자가 또한 혼합물에 추가될 수 있다. 또한, 혼합물은 당해 혼합물을 동질화시키도록 혼합될 수 있다.
특정한 실시형태에서, 혼합물이 기판 상에서 주조된다. 일부 실시형태에서, 주조는 갭 압출, 테이프 주조, 또는 칼날 주조 기법을 사용하는 것을 포함한다. 칼날 주조 기법은 기판 위의 특정한 거리에 있도록 제어되는 평면(예를 들어, 칼날)을 사용함으로써 코팅을 기판에 적용하는 것을 포함할 수 있다. 액체 또는 슬러리가 기판에 도포될 수 있고, 칼날이 액체를 기판 위에 뿌리도록 액체를 피할 수 있다. 코팅의 두께는 액체가 갭을 통과하기 때문에 칼날과 기판 사이의 갭에 의해 제어될 수 있다. 액체가 갭을 통과할 때, 과잉의 액체가 또한 제거될 수 있다. 예를 들어, 혼합물은 폴리머 시트, 폴리머 롤 및/또는 유리 또는 금속으로 이루어진 포일 또는 롤을 포함하는 기판 상에서 주조될 수 있다. 이어서 혼합물은 용매를 제거하도록 건조될 수 있다. 예를 들어, 폴리아믹산 및 NMP 용액은 NMP 용액을 제거하도록 약 2시간 동안 약 110℃에서 건조될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 기판은 금속 전류 집전기이고, 건조된 혼합물은 추가의 처리를 위해 전류 집전기 상에 남아 있다(예를 들어, 복합 재료와 전류 집전기 사이에 접착력 그리고 복합 재료 내에 응집력을 제공하는 일부 실시형태에서). 일부 다른 실시형태에서, 건조된 혼합물은 기판으로부터 제거될 수 있다(예를 들어, 복합 재료 내에 응집력을 제공하는 일부 실시형태에서). 예를 들어, 알루미늄 기판은 HCl을 사용하여 말끔히 에칭될 수 있다. 대안적으로, 건조된 혼합물은 건조된 혼합물을 기판으로부터 벗겨내거나 또는 그렇지 않으면 기계적으로 제거함으로써 기판으로부터 제거될 수 있다. 일부 실시형태에서, 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함하고, 예를 들어, Mylar(등록상표)를 포함한다. 특정한 실시형태에서, 건조된 혼합물은 막 또는 시트이다.
일부 실시형태에서, (기판 상의 또는 기판으로부터 제거된) 건조된 혼합물은 임의로 경화된다. 일부 실시형태에서, 건조된 혼합물은 더 건조될 수도 있다. 예를 들어, 건조된 혼합물은 고온 프레스에(예를 들어, 오븐 내 흑연판 사이에) 배치될 수 있다. 고온 프레스는 건조된 혼합물을 더 건조하고/하거나 경화하고 건조된 혼합물을 평평하게 유지하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 폴리아믹산 및 NMP 용액으로부터 건조된 혼합물은 약 8 내지 16시간 동안 약 200℃에서 고온 프레싱될 수 있다. 대안적으로, 주조 및 건조를 포함하는 전체 공정은 표준 막 처리 장비를 사용하는 롤-투-롤 공정으로서 행해질 수 있다. 건조된 혼합물은 남아 있을 수도 있는 임의의 용매 또는 부식제를 제거하도록 헹궈질 수 있다. 예를 들어, 탈이온(DI)수는 건조된 혼합물을 헹구도록 사용될 수 있다.
특정한 실시형태에서, 테이프 주조 기법은 기판 상의 주조를 위해 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 혼합물은 슬롯 다이 코팅 공정(예를 들어, 설정된 또는 실질적으로 설정된 갭을 통해 일정한 또는 실질적으로 일정한 중량 및/또는 용적을 계량기로 측정)에 의해 기판 상에 코팅될 수 있다. 일부 다른 실시형태에서, 주조를 위한 기판이 없고 양극 막이 임의의 기판으로부터 제거될 필요가 없다. 건조된 혼합물은 더 작은 피스로 절삭 또는 기계적으로 절단될 수도 있다.
혼합물은 폴리머 전구체를 탄소로 전환시키도록 열분해를 더 겪는다. 특정한 실시형태에서, 혼합물은 환원 분위기에서 열분해된다. 예를 들어, 비활성 분위기, 진공 및/또는 유동성 아르곤, 질소, 또는 헬륨 기체가 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 혼합물은 약 300℃ 내지 약 900℃의 범위에서 가열된다. 예를 들어, 폴리아믹산으로부터 형성된 폴리이미드는 약 1시간 동안 약 300℃ 내지 약 900℃의 범위 내 온도(예를 들어, 600℃, 650℃, 700℃ 등)에서 탄화될 수 있다. 일부 실시형태(예를 들어, 기판/전류 집전기 없음)에서, 혼합물은 약 900℃ 내지 약 1350℃의 범위에서(예를 들어, 약 1175℃에서) 가열될 수 있다. 특정한 실시형태에서, 혼합물의 가열 속도 및/또는 냉각 속도는 약 10℃/분이다. 홀더는 혼합물을 특정한 기하학적 구조로 유지하도록 사용될 수도 있다. 홀더는 흑연, 금속 등일 수 있다. 특정한 실시형태에서, 혼합물은 평평하게 유지된다. 혼합물이 열분해된 후, 탭은 전기적 접촉부를 형성하도록 열분해된 물질에 부착될 수 있다. 예를 들어, 니켈, 구리 또는 이들의 합금이 탭을 위해 사용될 수 있다.
특정한 실시형태에서, 본 명세서에 설명된 방법 중 하나 이상의 방법은 연속적인 과정으로 실행될 수 있다. 특정한 실시형태에서, 주조, 건조, 가능하게는 경화 및 열분해는 연속적인 과정으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 혼합물은 유리 또는 금속 실린더 상에 코팅될 수 있다. 혼합물은 막을 생성하도록 실린더 상에서 회전되는 동안 건조될 수 있다. 막은 롤로서 변형될 수 있거나 또는 벗겨질 수 있고 추가의 처리를 위해 또 다른 기계에 공급될 수 있다. 산업에서 알려진 압출 및 다른 막 제작 기법은 또한 열분해 단계 전에 활용될 수 있다.
전구체의 열분해는 탄소 물질(예를 들어, 적어도 하나의 탄소상)을 발생시킨다. 특정한 실시형태에서, 탄소 물질은 경질 탄소이다. 일부 실시형태에서, 전구체는 경질 탄소를 형성하도록 열분해될 수 있는 임의의 물질이다. 혼합물이 탄화된 전구체에 더하여 하나 이상의 부가적인 물질 또는 상을 포함할 때, 복합 재료가 생성될 수 있다. 특히, 혼합물은 규소-탄소(예를 들어, 규소를 포함하는 적어도 하나의 제1 상 및 탄소를 포함하는 적어도 하나의 제2 상) 또는 규소-탄소-탄소(예를 들어, 규소를 포함하는 적어도 하나의 제1 상, 탄소를 포함하는 적어도 하나의 제2 상, 및 탄소를 포함하는 적어도 하나의 제3 상) 복합 재료를 생성하는, 규소 입자를 포함할 수 있다.
규소 입자는 복합 재료의 특정한 리튬 삽입 용량을 증가시킬 수 있다. 규소가 리튬 이온을 흡수할 때, 규소는 전극 구조적 무결성 이슈를 유발할 수 있는 대략 300+ 용적 비율의 큰 용적 증가를 겪는다. 용적 팽창 관련 문제에 더하여, 규소는 본질적으로 전기적으로 전도성이 아니지만, 규소가 리튬과 합금(예를 들어, 리튬화)될 때 전도성이 된다. 규소가 탈리튬화될 때, 규소의 표면은 전기 전도율을 손실한다. 게다가, 규소가 탈리튬화될 때, 용적이 감소되고 이는 규소 입자가 매트릭스와의 접촉을 손실할 가능성을 발생시킨다. 급격한 용적 변화는 또한 규소 입자 구조체의 기계적 결함을 발생시키고, 결국 규소 입자가 분쇄되게 한다. 분쇄 및 전기적 접촉의 손실은 리튬 이온 배터리에서 활성 물질로서 규소를 사용하는 것을 도전하게 한다. 규소 입자의 초기 크기의 감소는 규소 가루의 추가의 분쇄뿐만 아니라 표면 전기 전도율의 손실의 최소화를 방지할 수 있다. 게다가, 물질을 규소 입자의 용적의 변화에 의해 탄성적으로 변형될 수 있는 복합물에 추가하는 것은 규소의 표면에 대한 전기적 접촉이 손실되는 가능성을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 복합 재료는 팽창을 흡수하는 복합물의 능력에 기여하고 또한 전극(예를 들어, 화학적으로 활성)의 저장 용량에 추가되는 리튬 이온을 개재할 수 있는, 탄소, 예컨대, 흑연을 포함할 수 있다. 따라서, 복합 재료는 탄소상의 하나 이상의 유형을 포함할 수도 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 리튬 이온 배터리의 용적 및 중력 에너지 밀도를 증가시키기 위해, 규소는 음극 또는 양극에 대한 활성 물질로서 사용될 수도 있다. 규소 물질의 수개의 유형, 예를 들어, 규소 나노가루, 규소 나노섬유, 다공성 규소, 및 볼-밀링된 규소는 음의 또는 양의 전극에 대한 활성 물질로서 실행 가능한 후보이다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 혼합물에 또는 복합 재료에 제공된 규소의 양은 복합 재료의 약 0 중량% 내지 약 99 중량%(예를 들어, 복합 재료의 약 20 중량% 내지 약 95 중량%, 복합 재료의 약 20 중량% 내지 약 99 중량% 등)의 범위 내에 있을 수 있다.
일부 실시형태에서, 규소 입자의 전부, 실질적으로 전부 또는 적어도 일부는 약 50㎛ 미만, 약 40㎛ 미만, 약 30㎛ 미만, 약 20㎛ 미만, 약 10㎛ 미만, 약 1㎛ 미만, 약 10㎚ 내지 약 50㎛, 약 10㎚ 내지 약 40㎛, 약 10㎚ 내지 약 30㎛, 약 10㎚ 내지 약 20㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 20㎛, 약 0.5㎛ 내지 약 20㎛, 약 1㎛ 내지 약 20㎛, 약 1㎛ 내지 약 15㎛, 약 1㎛ 내지 약 10㎛, 약 10㎚ 내지 약 10㎛, 약 10㎚ 내지 약 1㎛, 약 500㎚ 미만, 약 100㎚, 약 100㎚의 입자 크기(예를 들어, 입자의 직경 또는 가장 큰 치수)를 가질 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 규소 입자의 평균 입자 크기(또는 평균 직경 또는 평균 가장 큰 치수) 또는 중간 입자 크기(또는 중간 직경 또는 중간 가장 큰 치수)는 약 50㎛ 미만, 약 40㎛ 미만, 약 30㎛ 미만, 약 20㎛ 미만, 약 10㎛ 미만, 약 1㎛ 미만, 약 10㎚ 내지 약 50㎛, 약 10㎚ 내지 약 40㎛, 약 10㎚ 내지 약 30㎛, 약 10㎚ 내지 약 20㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 20㎛, 약 0.5㎛ 내지 약 20㎛, 약 1㎛ 내지 약 20㎛, 약 1㎛ 내지 약 15㎛, 약 1㎛ 내지 약 10㎛, 약 10㎚ 내지 약 10㎛, 약 10㎚ 내지 약 1㎛, 약 500㎚ 미만, 약 100㎚ 미만, 및 약 100㎚일 수 있다. 일부 실시형태에서, 규소 입자는 입자 크기의 분포를 가질 수도 있다. 예를 들어, 입자의 적어도 약 95%, 적어도 약 90%, 적어도 약 85%, 적어도 약 80%, 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 60%가 본 명세서에 설명된 입자 크기를 가질 수도 있다.
특정한 실시형태에서, 규소 입자는 적어도 부분적으로 결정질, 실질적으로 결정질 그리고/또는 완전히 결정질이다. 게다가, 규소 입자는 실질적으로 순수한 규소일 수도 있거나 아닐 수도 있다. 예를 들어, 규소 입자는 실질적으로 규소일 수도 있거나 또는 규소 합금일 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 규소 합금은 하나 이상의 다른 원소와 함께 주 성분으로서 규소를 포함한다.
유리하게는, 본 명세서에 설명된 규소 입자는 용량 및/또는 순환 성능을 개선시키는 것과 같이 전기 화학적 활성 물질의 성능을 개선시킬 수 있다. 게다가, 이러한 규소 입자를 가진 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자의 리튬화의 결과로서 상당히 분해되지 않을 수도 있다.
전구체로부터 획득되는 탄소의 양은 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%, 예컨대, 약 1 중량% 내지 약 95 중량%, 약 1 중량% 내지 약 90 중량%, 1 중량% 내지 약 80 중량%, 약 1 중량% 내지 약 70 중량%, 약 1 중량% 내지 약 60 중량%, 약 1 중량% 내지 약 50 중량%, 약 1 중량% 내지 약 40 중량%, 약 1 중량% 내지 약 30 중량%, 약 5 중량% 내지 약 95 중량%, 약 5 중량% 내지 약 90 중량%, 약 5 중량% 내지 약 80 중량%, 약 5 중량% 내지 약 70 중량%, 약 5 중량% 내지 약 60 중량%, 약 5 중량% 내지 약 50 중량%, 약 5 중량% 내지 약 40 중량%, 약 5 중량% 내지 약 30 중량%, 약 10 중량% 내지 약 95 중량%, 약 10 중량% 내지 약 90 중량%, 약 10 중량% 내지 약 80 중량%, 약 10 중량% 내지 약 70 중량%, 약 10 중량% 내지 약 60 중량%, 약 10 중량% 내지 약 50 중량%, 약 10 중량% 내지 약 40 중량%, 약 10 중량% 내지 약 30 중량%, 약 10 중량% 내지 약 25 중량% 등일 수 있다. 예를 들어, 전구체로부터 획득되는 탄소의 양은 전구체로부터 약 1 중량%, 약 5 중량%, 약 10 중량%, 약 15 중량%, 약 20 중량%, 약 25 중량% 등일 수 있다.
전구체로부터의 탄소는 경질 탄소일 수 있다. 경질 탄소는 2800℃를 초과하는 가열에서도 흑연으로 전환되지 않는 탄소일 수 있다. 열분해 동안 용융되거나 또는 흐르는 전구체는 충분한 온도 및/또는 압력에서 연질 탄소 및/또는 흑연으로 전환된다. 경질 탄소는 연질 탄소 전구체가 흐를 수도 있고 연질 탄소 및 흑연이 경질 탄소보다 기계적으로 더 약하기 때문에 선택될 수도 있다. 다른 가능한 경질 탄소 전구체는 페놀 수지, 에폭시 수지, 및 매우 높은 용융점을 갖거나 또는 가교결합되는 다른 폴리머를 포함할 수 있다. 복합 재료 내 경질 탄소의 양은 전구체로부터 획득되는 탄소의 양에 대해 본 명세서에 설명된 임의의 범위일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 복합 재료 내 경질 탄소의 양은 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%, 예컨대, 약 1 중량% 내지 약 95 중량%, 약 1 중량% 내지 약 90 중량%, 약 1 중량% 내지 약 80 중량%, 약 1 중량% 내지 약 70 중량%, 약 1 중량% 내지 약 60 중량%, 약 1 중량% 내지 약 50 중량%, 약 1 중량% 내지 약 40 중량%, 약 1 중량% 내지 약 30 중량%, 약 5 중량% 내지 약 95 중량%, 약 5 중량% 내지 약 90 중량%, 약 5 중량% 내지 약 80 중량%, 약 5 중량% 내지 약 70 중량%, 약 5 중량% 내지 약 60 중량%, 약 5 중량% 내지 약 50 중량%, 약 5 중량% 내지 약 40 중량%, 약 5 중량% 내지 약 30 중량%, 약 10 중량% 내지 약 95 중량%, 약 10 중량% 내지 약 90 중량%, 약 10 중량% 내지 약 80 중량%, 약 10 중량% 내지 약 70 중량%, 약 10 중량% 내지 약 60 중량%, 약 10 중량% 내지 약 50 중량%, 약 10 중량% 내지 약 40 중량%, 약 10 중량% 내지 약 30 중량%, 약 10 중량% 내지 약 25 중량%의 범위 내의 값을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 복합 재료 내 경질 탄소의 양은 약 1 중량%, 약 5 중량%, 약 10 중량%, 약 20 중량%, 약 30 중량%, 약 40 중량%, 약 50 중량%, 또는 약 50 중량% 초과일 수 있다. 특정한 실시형태에서, 경질 탄소상은 실질적으로 비정질이다. 다른 실시형태에서, 경질 탄소상은 실질적으로 결정질이다. 추가의 실시형태에서, 경질 탄소상은 비정질 및 결정질 탄소를 포함한다. 경질 탄소상은 복합 재료 내 매트릭스 상일 수 있다. 경질 탄소는 또한 규소를 포함하는 첨가제의 구멍에 내장될 수 있다. 경질 탄소는 계면에서 일부 물질을 생성하도록 첨가제의 일부와 반응할 수도 있다. 예를 들어, 규소 입자와 경질 탄소 사이에 탄화규소층이 있을 수도 있다.
일부 실시형태에서, 흑연은 전구체로부터의 탄소상의 유형 중 하나의 유형이다. 특정한 실시형태에서, 흑연 입자가 혼합물에 추가된다. 유리하게는, 흑연은 배터리 내 전기 화학적 활성 물질뿐만 아니라 규소 입자의 용적 변화에 대응할 수 있는 탄성적으로 변형 가능한 물질일 수 있다. 흑연은 흑연이 낮은 비가역 용량을 갖기 때문에 현재 시장에서 리튬 이온 배터리의 특정한 부류에 대한 선호되는 활성 양극 물질이다. 부가적으로, 흑연은 경질 탄소보다 더 부드럽고 규소 첨가제의 용적 팽창을 더 잘 흡수할 수 있다. 특정한 실시형태에서, 흑연 입자의 전부, 실질적으로 전부 또는 적어도 일부는 약 0.5㎛ 내지 약 20㎛의 입자 크기(예를 들어, 직경 또는 가장 큰 치수)를 가질 수도 있다. 일부 실시형태에서, 흑연 입자의 평균 입자 크기(예를 들어, 평균 직경 또는 평균 가장 큰 치수) 또는 중간 입자 크기(예를 들어, 중간 직경 또는 중간 가장 큰 치수)는 약 0.5㎛ 내지 약 20㎛이다. 일부 실시형태에서, 흑연 입자는 입자 크기의 분포를 가질 수도 있다. 예를 들어, 입자의 적어도 약 95%, 적어도 약 90%, 적어도 약 85%, 적어도 약 80%, 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 60%는 본 명세서에 설명된 입자 크기를 가질 수도 있다. 특정한 실시형태에서, 복합 재료는 40 중량% 내지 약 75 중량%, 약 5 중량% 내지 약 30 중량%, 5 중량% 내지 약 25 중량%, 5 중량% 내지 약 20 중량% 또는 5 중량% 내지 약 15 중량%를 포함하는, 0 중량% 초과 내지 약 80 중량% 미만의 양의 흑연 입자를 포함할 수 있다.
특정한 실시형태에서, 또한 전기 화학적으로 활성일 수도 있는 전도성 입자가 혼합물에 추가된다. 이러한 입자는 리튬화 및 탈리튬화 동안 발생되는 큰 용적 변화를 흡수할 수 있는 더 전자적으로 전도성 복합물뿐만 아니라 더 기계적으로 변형 가능한 복합물 둘 다를 가능하게 할 수 있다. 특정한 실시형태에서, 전도성 입자의 전부, 실질적으로 전부 또는 적어도 일부는 약 10㎚ 내지 약 7㎛의 입자 크기(예를 들어, 직경 또는 가장 큰 치수)를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 전도성 입자의 평균 입자 크기(예를 들어, 평균 직경 또는 평균 가장 큰 치수) 또는 중간 입자 크기(예를 들어, 중간 직경 또는 중간 가장 큰 치수)는 약 10㎚ 내지 약 7㎛이다. 일부 실시형태에서, 전도성 입자는 입자 크기의 분포를 가질 수도 있다. 예를 들어, 입자의 적어도 약 95%, 적어도 약 90%, 적어도 약 85%, 적어도 약 80%, 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 60%는 본 명세서에 설명된 입자 크기를 가질 수도 있다.
특정한 실시형태에서, 혼합물은 0 초과 내지 약 80 중량%까지의 양의 전도성 입자를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복합 재료는 전도성 입자의 약 45 중량% 내지 약 80 중량%를 포함한다. 전도성 입자는 카본 블랙, 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브 등을 포함하는 전도성 탄소일 수 있다. 전기 화학적으로 활성이 아닌 전도성 첨가제로서 간주되는 많은 탄소는 일단 폴리머 매트릭스에서 열분해된다면 활성이 된다. 대안적으로, 전도성 입자는 구리, 니켈, 또는 스테인리스강을 포함하는 금속 또는 합금일 수 있다. 일부 경우에, 혼합물 및/또는 복합 재료는 금속 입자의 0 중량% 내지 약 30 중량%를 포함할 수 있다.
전구체가 열분해된 후, 결과적으로 발생된 탄소 물질은 자기 지지형 모놀리식 구조체일 수 있다(예를 들어, 기판으로부터 제거된다면). 탄화된 전구체는 복합 재료를 함께 홀딩하는 전기 화학적 활성 구조체를 발생시킨다. 예를 들어, 탄화된 전구체는 실질적으로 연속상일 수 있다. 유리하게는, 탄화된 전구체는 구조 물질뿐만 아니라 전기 화학적으로 활성이고 전기적으로 전도성 물질일 수 있다. 특정한 실시형태에서, 혼합물에 추가된 물질 입자는 동질 또는 실질적으로 동질 복합물을 형성하도록 복합 재료 전반에 걸쳐 동질하게 또는 실질적으로 동질하게 분포된다.
일부 실시형태에서, 복합 재료 및/또는 전극은 전구체의 열분해 후 남아 있는 추적량을 넘는 폴리머를 포함하지 않는다. 추가의 실시형태에서, 복합 재료 및/또는 전극은 비-전기적으로 전도성 결합제를 포함하지 않는다. 복합 재료는 또한 다공성을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 복합 재료(또는 막)는 약 1% 내지 약 70% 또는 약 5% 내지 약 50%의 용적 다공성을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 다공성은 약 5% 내지 약 40%의 용적 다공성일 수 있다.
전류 집전기는 예를 들어, 특정한 문턱값 초과의 전류 또는 추가의 기계적 지지가 목적될 수도 있는 경우에, 일부 적용에서 선호될 수도 있다. 일부 이러한 실시형태에서, 본 명세서에 설명된 전구체는 본 명세서에 설명된 바와 같이 전류 집전기 상에서 열분해될 수 있다. 미국 특허 출원 제13/333,864호(출원일: 2011년 12월 21일, 미국 특허 출원 공개 제2014/0170482호로서 2014년 6월 19일에 공개됨, 발명의 명칭: "Electrodes, Electrochemical Cells, and Methods of Forming Electrodes and Electrochemical Cells"), 및 미국 특허 출원 제13/796,922호(출원일: 2013년 3월 12일, 미국 특허 출원 공개 제2014/0170475호로서 2014년 6월 19일에 공개됨, 발명의 명칭: "Electrodes, Electrochemical Cells, and Methods of Forming Electrodes and Electrochemical Cells")(각각이 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)는 전류 집전기를 포함하는 전극, 이러한 전극을 포함하는 전기 화학 전지, 및 이러한 전극 및 전기 화학 전지를 형성하는 방법의 특정한 다른 실시형태를 설명한다.
일부 실시형태에서, 본 명세서에 설명된 전극의 복합 재료의 풀(full) 용량은 배터리의 수명(예를 들어, 배터리가 고장나거나 또는 배터리의 성능이 사용 레벨 미만으로 감소되기 전 충전 및 방전 사이클의 수)을 개선시키도록 배터리의 사용 동안 활용되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 약 70 중량%의 규소 입자, 전구체로부터의 약 20 중량%의 탄소, 및 약 10 중량%의 흑연을 가진 복합 재료가 약 3000㎃h/g의 최대 중력 용량을 가질 수도 있지만, 복합 재료는 오직 약 550 내지 약 1500㎃h/g의 중력 용량까지 사용될 수도 있다. 복합 재료의 최대 중력 용량이 활용되지 않을 수도 있지만, 더 낮은 용량의 복합 재료를 사용하는 것은 여전히 특정한 리튬 이온 배터리보다 더 높은 용량을 달성할 수 있다. 특정한 실시형태에서, 복합 재료의 최대 중력 용량의 약 70% 미만인 중력 용량의 복합 재료가 사용되거나 또는 오직 사용된다. 예를 들어, 복합 재료의 최대 중력 용량의 약 약 70% 초과의 중력 용량의 복합 재료가 사용되지 않는다. 추가의 실시형태에서, 복합 재료의 최대 중력 용량의 약 50% 미만이거나 또는 복합 재료의 최대 중력 용량의 약 30% 미만의 중력 용량의 복합 재료가 사용되거나 또는 오직 사용된다.
실시예
다음의 실시예는 전기 화학적 활성 복합 재료, 전극, 전기 화학 전지, 및 이것을 형성하는 방법의 일부 실시형태의 이득을 입증하도록 제공된다. 이 실시예는 예시적인 목적으로 논의되고 개시된 실시형태의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
전기 화학적 활성 물질과 금속 기판의 계면에서 금속 화합물 입자의 성장(예를 들어, 활성 물질과 금속 기판 사이의 추가의 접착력을 제공하기 위함)을 보여주는 예시적인 전극이 준비되었다. 하나의 실시예(실시예 1)에서, 양극 슬러리는 표 1에 나타낸 제형과 혼합되었고, 구리 금속 포일 상에서 주조되었다. 코팅되고 건조된 양극은 1.1 내지 1.3g/㎤의 밀도를 달성하도록 캘린더 처리(calender)되었고, 후속하여 16시간 동안 120℃에서 진공 건조를 겪는다. 그 후에, 양극은 아르곤(Ar) 분위기 하에서 2시간 동안 750℃에서 어닐링/열분해되었다.
성분 백분율(%)
규소 22.64
NMP 17.86
흑연 1.37
폴리이미드 수지 58.09
계면활성제 0.04
도 5a는 규소-탄소 복합 재료(예를 들어, Si/C 양극 막)와 구리 금속 기판(예를 들어, Cu 포일)의 계면에서의 규화금속 입자(예를 들어, CuxSi)를 개략적으로 예시한다. 이론에 얽매이는 일 없이, CuxSi가 Si/C 양극 막과 Cu 포일 사이에 형성된 결합 물질로서 작용할 수 있어서 2개의 물질 사이에 추가의 접착력을 제공한다고 여겨진다. 계면에서의 CuxSi 상의 형성을 검출하기 위해, 양극은 Cu 포일과 Si/C 양극 막 사이의 계면을 노출시키도록 강한 접착 테이프를 사용하여 Cu 기판으로부터 제거되었다. 도 5b 및 도 5c는 Cu 포일과 Si/C 양극 막 사이의 계면의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 도 5b에서, CuxSi 입자는 더 어두운 Si/C 막의 표면 상에서 비교적 더 밝다. 도 5c에서, 저-배율 이미지는 Si/C 양극 막 상의(예를 들어, 열처리 동안 Cu 포일과 대면하는 측면 상의) CuxSi 입자의 분포를 나타낸다. 이론에 얽매이는 일 없이, 양극 막의 가장 높은 지점이 Cu 포일과 접촉하는 Si/C 양극 막 표면이 반응하고 CuxSi 입자가 활성 Si/C 양극 막과 Cu 포일을 결합하는 것을 나타내는 규화구리로 전환된다. X-선 회절(XRD) 분석은 박리된 Si/C 양극 위에서 규화구리의 상을 식별하도록 수행되었다. 도 6은 Si/C 양극 막과 Cu 포일 사이의 계면에서 금속간 규화물상(Cu3Si)의 존재를 나타내는 XRD 패턴이다. 규화구리상은 규소, 흑연, 및 구리 상과 함께 존재했다.
예시적인 복합 재료는 또한 양극 막 내 전기 화학적 활성 입자 사이에 규화금속상을 형성하도록 준비되었다. 이론에 얽매이는 일 없이, 규화금속상이 활성 입자 사이에 추가의 응집력을 제공할 수 있다고 여겨진다. 일부 실시예에서, 양극 막 내 Si 입자 사이에 규화금속상을 형성하기 위해, 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 가루가 금속 공급원으로서 양극 슬러리에 추가되었다. 전류 집전기로부터의 문제 없이 규화금속상의 형성을 검출하기 위해, 슬러리는 금속 포일 대신에 폴리에틸렌(PET) 막 상에서 주조되었다.
양극 슬러리는 나노미터 또는 마이크로미터 범위(예를 들어, 100㎛ 미만)의 크기를 가진 진공 건조된 Cu 및 Ni 금속 입자를 규소, 수지 및 NMP 용매를 포함하는, 사전 혼합되고 탈기된 슬러리에 추가함으로써 원심 유성 혼합기에서 이루어졌다. 제형의 조성물은 거의 약 2%의 금속 입자, 22 내지 24%의 Si, 56%의 폴리아믹산 수지 및 20%의 NMP이다. 슬러리는 PET 막 상에 핸드 코팅되었고 수분 동안 80 내지 160℃로 오븐에서 건조되었다. 코팅된 막은 PET 기판으로부터 벗겨졌고 하룻밤 동안 200℃로 진공 오븐에서 경화되었다. 경화된 물질은 상이한 최종 온도 및 체류 시간하의 비활성 분위기하에서 노에서 열분해되었다.
도 7 내지 도 12는 상이한 열처리 온도에서 Si/C 양극 막 내 규화금속의 존재를 나타내는 XRD 패턴이다. 도 7 내지 도 9는 1 내지 2시간의 지속기간 동안 650℃, 900℃, 및 1175℃의 열처리에서 규화구리상의 형성을 각각 나타낸다. 도 10 내지 도 12는 1 내지 2시간의 지속기간 동안 650℃, 900℃, 및 1175℃의 열처리에서 규화니켈상의 형성을 나타낸다.
예시적인 전극은 전기 화학적 성능을 테스트하도록 준비되었다. 하나의 실시예에서, 양극은 실시예 1과 유사한 공정 조건을 사용하여 준비되었다. 슬러리는 스테인리스강 코어 상에 연속적인 롤 공정으로 코팅되었다. CuxSi가 650℃에서 형성될 수 있기 때문에, 롤은 700℃에서 어닐링되었다. NCM622 기반 음극 및 1.0M의 LiPF6에서 FEC:EMC=30:70 wt%의 전해액을 가진 풀 파우치 적층형 전지가 준비되었다. 음극은 92 wt%의 활성 물질로서 NCM622, 결합제로서 탄소 첨가제 및 PVDF, 및 15㎛ 두께의 Al 포일을 가진다. 음극은 3.0g/㎤의 전극 밀도를 가진다. 도 13은 4.2V 및 0.05C 탑 오프(top off) 및 2.3mA/㎠에서 3.3V로의 방전에서 정전류 정전압(Constant Current Constant Voltage: CCCV)에서 순환되는 풀 전지의 용량 유지를 나타낸다. 도 13은 예시적인 풀 전지의 안정된 순환을 나타낸다. 이론에 얽매이는 일 없이, 안정된 순환이 Si/C 복합 양극 막과 Cu 포일 사이의 전기 접촉을 유지하도록 결합제로서 역할을 하는 규화구리의 형성에 기여한다고 여겨진다.
도 14a는 실시예 1에서 사용되는 Cu 전류 집전기의 SEM 이미지이다. 구리 전류 집전기는 1.33Rz/㎛의 표면 거칠기를 갖는다. 도 5c를 참조하면, Cu3Si가 Cu 포일 상에 형성될지라도, 일부 실시형태에서, Cu3Si상의 더 많은 양이 목적될 수도 있다. 도 14b는 4.06Rz/㎛의 표면 거칠기를 가진 Cu 전류 집전기의 SEM 이미지이다. 실시예 1로부터의 슬러리 조성물은 더 거친 Cu 기판 상에 코팅되었고 후속하여 1.3g/㎤의 전극 밀도를 갖도록 캘린더 처리된다. 열분해 후, 접착 테스트가 수행되었다. 도 15는 1.33Rz/㎛의 표면 거칠기를 가진 전류 집전기(실시예 A) 및 4.06Rz/㎛의 표면 거칠기를 가진 전류 집전기(실시예 B)에 대한 접착 테스트의 결과를 나타낸다. 더 많은 양극 물질이 양극과 Cu 포일 사이의 더 강한 접착력(더 강한 상호작용)을 나타내는, 더 높은 표면적을 가진 전류 집전기 상에 남는다(예를 들어, 더 거친 전류 집전기에 기인함).
유사한 NCM622 기반 음극 및 도 13에서 순환되는 예시적인 전지에서 사용되는 바와 같은 전해액을 갖지만 더 높은 거칠기를 가진 전류 집전기를 가진 양극을 가진 예시적인 풀 파우치 전지가 준비되었다. 도 16은 4.2V 및 0.05C 탑 오프 및 2.3mA/㎠에서 3.3V로의 방전에서 정전류 정전압(CCCV)에서 순환되는 예시적인 풀 전지의 용량 유지를 나타낸다. 도 16은 더 거친 표면을 가진 전류 집전기에 대해 사이클 유지가 향상된다는 것을 나타낸다. 이론에 얽매이는 일 없이, 향상된 성능이 Si와 Cu 간의 더 많은 반응에 기여할 수 있다고 여겨진다.
다양한 실시형태가 위에서 설명되었다. 본 발명이 이 특정한 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 설명은 예시적인 것으로 의도되고 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 다양한 변경 및 적용은 첨부된 청구범위로 규정된 바와 같은 본 발명의 참된 정신 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 당업자에게 발생할 수도 있다.
다양한 실시예는 다음을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는다:
1. 전극으로서,
금속의 하나 이상의 층을 포함하는 전류 집전기;
전류 집전기와 전기 연통하는 복합 재료로서, 전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%를 포함하는, 복합 재료; 및
복합 재료와 전류 집전기 사이의 적어도 하나의 상으로서, 적어도 하나의 상은 복합 재료를 전류 집전기에 접착시키도록 구성되고, 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는, 적어도 하나의 상을 포함하는, 전극.
2. 실시예 1에 있어서, 전류 집전기는 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
3. 실시예 1에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
4. 실시예 1에 있어서, 화합물은 규화금속을 포함하는, 전극.
5. 실시예 4에 있어서, 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
6. 실시예 1에 있어서, 전류 집전기는 약 0.025Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛의 표면 거칠기를 갖는, 전극.
7. 실시예 6에 있어서, 표면 거칠기는 약 1.5Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛인, 전극.
8. 실시예 7에 있어서, 표면 거칠기는 약 3Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛인, 전극.
9. 실시예 1에 있어서, 복합 재료 내에 적어도 하나의 제2 상을 더 포함하는, 전극.
10. 실시예 9에 있어서, 적어도 하나의 제2 상은 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성되는, 전극.
11. 실시예 10에 있어서, 복합 재료는 제2 금속의 입자를 포함하고, 적어도 하나의 제2 상은 제2 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는, 전극.
12. 실시예 11에 있어서, 제2 금속은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
13. 실시예 10에 있어서, 적어도 하나의 제2 상은 규화금속을 포함하는, 전극.
14. 실시예 13에 있어서, 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
15. 실시예 1에 있어서, 복합 재료는 탄소상의 하나 이상의 유형의 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%를 더 포함하는, 전극.
16. 실시예 15에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자를 포함하는, 전극.
17. 실시예 16에 있어서, 규소 입자를 함께 그리고/또는 규소 입자를 탄소상의 하나 이상의 유형에 결합하도록 구성된 규화금속상을 더 포함하는, 전극.
18. 실시예 17에 있어서, 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
19. 실시예 1에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극.
20. 실시예 19에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 약 60 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극.
21. 실시예 20에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극.
22. 실시예 1에 있어서, 전극은 음의 전극인, 전극.
23. 실시예 1에 따른 전극을 포함하는 전기 화학 전지.
24. 실시예 23에 있어서, 전기 화학 전지는 리튬 이온 배터리, 마그네슘 배터리, 알루미늄 배터리, 나트륨 배터리, 또는 이들의 조합을 포함하는, 전기 화학 전지.
25. 전극을 형성하는 방법으로서,
금속의 하나 이상의 층을 포함하는 전류 집전기를 제공하는 단계;
전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%를 포함하는 전구체를 제공하는 단계; 및
전구체 및 전류 집전기를 가열하여 복합 재료 및 복합 재료와 전류 집전기 사이의 적어도 하나의 상을 형성하는 단계를 포함하되, 적어도 하나의 상은 복합 재료를 전류 집전기에 접착시키도록 구성되고, 적어도 하나의 상은 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
26. 실시예 25에 있어서, 전류 집전기는 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
27. 실시예 25에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
28. 실시예 25에 있어서, 화합물은 규화금속을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
29. 실시예 28에 있어서, 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
30. 실시예 25에 있어서, 전류 집전기는 약 0.025Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛의 표면 거칠기를 갖는, 전극을 형성하는 방법.
31. 실시예 30에 있어서, 표면 거칠기는 약 1.5Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛인, 전극을 형성하는 방법.
32. 실시예 31에 있어서, 표면 거칠기는 약 3Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛인, 전극을 형성하는 방법.
33. 실시예 25에 있어서, 전구체를 제공하는 것은 혼합물을 전류 집전기 상에 코팅하고 혼합물을 건조시키는 것을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
34. 실시예 25에 있어서, 전구체 및 전류 집전기를 가열하는 것은 약 300℃ 내지 약 900℃의 온도에서 가열하는 것을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
35. 실시예 34에 있어서, 온도는 약 650℃ 내지 약 900℃인, 전극을 형성하는 방법.
36. 실시예 25에 있어서, 전구체 및 전류 집전기를 가열하는 것은 적어도 하나의 제2 상을 복합 재료 내에 형성하는 것을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
37. 실시예 36에 있어서, 전구체를 제공하는 것은 제2 금속의 금속 입자를 전구체 내에 제공하는 것을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
38. 실시예 37에 있어서, 금속 입자는 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
39. 실시예 38에 있어서, 적어도 하나의 제2 상은 제2 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
40. 실시예 39에 있어서, 화합물은 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성되는, 전극을 형성하는 방법.
41. 실시예 39에 있어서, 적어도 하나의 제2 상은 규화금속을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
42. 실시예 41에 있어서, 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
43. 실시예 25에 있어서, 복합 재료는 탄소상의 하나 이상의 유형의 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%를 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
44. 실시예 43에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자를 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
45. 실시예 44에 있어서, 전구체 및 전류 집전기를 가열하는 것은 규소 입자를 함께 그리고/또는 규소 입자를 탄소상의 하나 이상의 유형에 결합하도록 구성된 규화금속상을 형성하는 것을 더 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
46. 실시예 45에 있어서, 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
47. 실시예 25에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
48. 실시예 47에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 약 60 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
49. 실시예 48에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
50. 복합 재료로서,
전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%; 및
전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자 사이의 적어도 하나의 상으로서, 적어도 하나의 상은 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성되고, 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는, 적어도 하나의 상을 포함하는, 복합 재료.
51. 실시예 50에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 복합 재료.
52. 실시예 50에 있어서, 금속은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 복합 재료.
53. 실시예 50에 있어서, 적어도 하나의 상은 규화금속상을 포함하는, 복합 재료.
54. 실시예 53에 있어서, 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 복합 재료.
55. 실시예 50에 있어서, 탄소상의 하나 이상의 유형의 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%를 더 포함하는, 복합 재료.
56. 실시예 55에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자를 포함하는, 복합 재료.
57. 실시예 56에 있어서, 적어도 하나의 상은 규소 입자를 함께 그리고/또는 규소 입자를 탄소상의 하나 이상의 유형에 결합하도록 구성된 규화금속상을 포함하는, 복합 재료.
58. 실시예 57에 있어서, 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 복합 재료.
59. 실시예 50에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 복합 재료.
60. 실시예 59에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 약 60 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 복합 재료.
61. 실시예 60에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 복합 재료.
62. 실시예 50에 따른 복합 재료를 포함하는 전극.
63. 실시예 62에 있어서, 전류 집전기를 더 포함하는, 전극.
64. 실시예 63에 있어서, 전극은 음의 전극인, 전극.
65. 실시예 50에 따른 복합 재료를 포함하는 전기 화학 전지.
66. 실시예 65에 있어서, 전기 화학 전지는 리튬 이온 배터리, 마그네슘 배터리, 알루미늄 배터리, 나트륨 배터리, 또는 이들의 조합을 포함하는, 전기 화학 전지.
67. 복합 재료를 형성하는 방법으로서,
전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 내지 약 99 중량%를 포함하는 전구체를 제공하는 단계;
금속의 입자를 전구체 내에 제공하는 단계;
전기 화학적 활성 물질 및 금속 입자를 포함하는 전구체를 가열하여 적어도 하나의 상을 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자 사이에 형성하는 단계를 포함하되, 적어도 하나의 상은 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성되고, 적어도 하나의 상은 금속과 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
68. 실시예 67에 있어서, 가열하는 것은 약 300℃ 내지 약 900℃의 온도에서 가열하는 것을 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
69. 실시예 68에 있어서, 온도는 약 650℃ 내지 약 900℃인, 복합 재료를 형성하는 방법.
70. 실시예 67에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
71. 실시예 67에 있어서, 금속 입자를 제공하는 것은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 제공하는 것을 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
72. 실시예 67에 있어서, 적어도 하나의 상은 규화금속을 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
73. 실시예 72에 있어서, 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
74. 실시예 67에 있어서, 금속 입자를 제공하는 것은 금속 입자를 전구체의 0 중량% 내지 약 30 중량%의 양으로 제공하는 것을 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
75. 실시예 67에 있어서, 전구체는 탄소상의 하나 이상의 유형의 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%를 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
76. 실시예 75에 있어서, 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자를 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
77. 실시예 76에 있어서, 적어도 하나의 상은 규소 입자를 함께 그리고/또는 규소 입자를 탄소상의 하나 이상의 유형에 결합하도록 구성된 규화금속상을 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
78. 실시예 77에 있어서, 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
79. 실시예 76에 있어서, 전구체는 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
80. 실시예 79에 있어서, 전구체는 약 60 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
81. 실시예 80에 있어서, 전구체는 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.
82. 실시예 67에 있어서, 전구체를 제공하는 것은 전구체를 전류 집전기 상에 제공하는 것을 포함하고, 전구체를 가열하는 것은 전류 집전기 상의 전구체를 가열하는 것을 포함하는, 복합 재료를 형성하는 방법.

Claims (49)

  1. 전극으로서,
    금속의 하나 이상의 층을 포함하는 전류 집전기;
    상기 전류 집전기와 전기 연통하는 복합 재료로서, 전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%를 포함하는, 상기 복합 재료; 및
    상기 복합 재료와 상기 전류 집전기 사이의 적어도 하나의 상으로서, 상기 적어도 하나의 상은 상기 복합 재료를 상기 전류 집전기에 접착시키도록 구성되고, 상기 금속과 상기 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는, 상기 적어도 하나의 상을 포함하는, 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 집전기는 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 화합물은 규화금속을 포함하는, 전극.
  5. 제4항에 있어서, 상기 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전류 집전기는 약 0.025Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛의 표면 거칠기를 갖는, 전극.
  7. 제6항에 있어서, 상기 표면 거칠기는 약 1.5Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛인, 전극.
  8. 제7항에 있어서, 상기 표면 거칠기는 약 3Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛인, 전극.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복합 재료 내에 적어도 하나의 제2 상을 더 포함하는, 전극.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 상은 상기 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성되는, 전극.
  11. 제10항에 있어서, 상기 복합 재료는 제2 금속의 입자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 상은 상기 제2 금속과 상기 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는, 전극.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 금속은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
  13. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 상은 규화금속을 포함하는, 전극.
  14. 제13항에 있어서, 상기 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
  15. 제1항에 있어서, 상기 복합 재료는 탄소상의 하나 이상의 유형의 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%를 더 포함하는, 전극.
  16. 제15항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자를 포함하는, 전극.
  17. 제16항에 있어서, 상기 규소 입자를 함께 그리고/또는 상기 규소 입자를 상기 탄소상의 하나 이상의 유형에 결합하도록 구성된 규화금속상을 더 포함하는, 전극.
  18. 제17항에 있어서, 상기 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극.
  19. 제1항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 약 60 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극.
  21. 제20항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극.
  22. 제1항에 있어서, 상기 전극은 음의 전극인, 전극.
  23. 제1항에 따른 전극을 포함하는 전기 화학 전지.
  24. 제23항에 있어서, 상기 전기 화학 전지는 리튬 이온 배터리, 마그네슘 배터리, 알루미늄 배터리, 나트륨 배터리, 또는 이들의 조합을 포함하는, 전기 화학 전지.
  25. 전극을 형성하는 방법으로서,
    금속의 하나 이상의 층을 포함하는 전류 집전기를 제공하는 단계;
    전기 화학적 활성 물질의 0 중량% 초과 내지 약 99 중량%를 포함하는 전구체를 제공하는 단계; 및
    상기 전구체 및 상기 전류 집전기를 가열하여 복합 재료 및 상기 복합 재료와 상기 전류 집전기 사이의 적어도 하나의 상을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 적어도 하나의 상은 상기 복합 재료를 상기 전류 집전기에 접착시키도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 상은 상기 금속과 상기 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 전류 집전기는 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 규소, 흑연, 게르마늄, 주석, 산화규소(SiOx), 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  28. 제25항에 있어서, 상기 화합물은 규화금속을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  30. 제25항에 있어서, 상기 전류 집전기는 약 0.025Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛의 표면 거칠기를 갖는, 전극을 형성하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 표면 거칠기는 약 1.5Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛인, 전극을 형성하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 표면 거칠기는 약 3Rz/㎛ 내지 약 25Rz/㎛인, 전극을 형성하는 방법.
  33. 제25항에 있어서, 상기 전구체를 제공하는 것은 혼합물을 상기 전류 집전기 상에 코팅하고 상기 혼합물을 건조시키는 것을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  34. 제25항에 있어서, 상기 전구체 및 상기 전류 집전기를 가열하는 것은 약 300℃ 내지 약 900℃의 온도에서 가열하는 것을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 온도는 약 650℃ 내지 약 900℃인, 전극을 형성하는 방법.
  36. 제25항에 있어서, 상기 전구체 및 상기 전류 집전기를 가열하는 것은 적어도 하나의 제2 상을 상기 복합 재료 내에 형성하는 것을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  37. 제36항에 있어서, 상기 전구체를 제공하는 것은 제2 금속의 금속 입자를 상기 전구체 내에 제공하는 것을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 금속 입자는 구리, 니켈, 철, 티타늄, 몰리브덴, 스테인리스강, 크롬, 알루미늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  39. 제38항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 상은 상기 제2 금속과 상기 전기 화학적 활성 물질의 화합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 화합물은 상기 전기 화학적 활성 물질의 전기 화학적 활성 입자를 함께 결합하도록 구성되는, 전극을 형성하는 방법.
  41. 제39항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 상은 규화금속을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 규화금속은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  43. 제25항에 있어서, 상기 복합 재료는 탄소상의 하나 이상의 유형의 0 중량% 초과 내지 약 95 중량%를 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 규소 입자를 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  45. 제44항에 있어서, 상기 전구체 및 상기 전류 집전기를 가열하는 것은 상기 규소 입자를 함께 그리고/또는 상기 규소 입자를 상기 탄소상의 하나 이상의 유형에 결합하도록 구성된 규화금속상을 형성하는 것을 더 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 규화금속상은 규화구리, 규화니켈, 규화크롬, 규화알루미늄, 규화티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  47. 제25항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 약 60 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
  49. 제48항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 규소 입자를 포함하는, 전극을 형성하는 방법.
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