KR20200134252A - 밀폐된 리튬 이온 셀 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20200134252A
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멀시 테라카뚜 데바시
아라바무탄 스리니바산
카마라카란 쿠루비틸 파루쿠티야마
카라드하란 바자팔릴 팔구난
존 비빈
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인디언 스페이스 리서치 오거너제이션
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Abstract

본원은 공간을 포함하는 다양한 응용을 위한 밀폐된 고용량 리튬 이온 셀, 및 그것의 제조를 위한 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 초고용량 보유 능력을 가진 고용량(40-100 Ah)의 밀폐된 리튬 이온 셀을 제공한다.

Description

밀폐된 리튬 이온 셀 및 그 제조 방법
본 발명은 공간(space)를 포함한 다양한 응용을 위한 밀폐된 리튬 이온 셀, 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 초고용량(very high capacity) 보유 능력을 가진 고용량(40-100 Ah)의 밀폐된 리튬 이온 셀을 제공한다. 그것은 낮은 내부 저항(<2 mΩ)을 가진 고용량 리튬 이온 셀도 제공한다. 상기 방법에 의해 제조된 셀은 미션 크리티컬 응용(mission ciritical application)(즉 인공위성, 발사체, 항공기, 군용 차량, 잠수함 및 전기 차량에 동력을 공급)에 채용될 수 있다.
리튬 이온 셀은 지난 수년간 포터블 전자기기 및 통신 장비에 대한 가장 인기있는 전력원으로서 상당한 주목을 받아왔다. 그것들은 하이브리드 전기 차량과 전기 차량 및 군사와 공간 응용과 같은 첨단 영역에서도 전력원으로 사용된다. 리튬-이온 셀은 그것들의 고전압, 고에너지 밀도 및 낮은 자체 방전을 특징으로 한다. 리튬-이온 셀은, 임의의 다른 전기화학 셀과 같이, 3가지 기본 구성요소로 구성된다: 캐소드(또는 양극), 애노드(음극) 및 전해질(이온의 이동을 위한 매개체로서 기능). 리튬-이온 전지에 사용되는 전형적인 캐소드 물질은 LiCoO2, LiFePO4 등이고, 종래 사용된 애노드 물질은 그래파이트/탄소이다. 전도성 희석제 및 바인더와 함께 캐소드/애노드 활물질이 알루미늄과 구리 호일 각각에 코팅되어, 대응되는 전극을 획득한다. 상기 전해질은 유기 용매(에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 등)에 용해된 리튬염(LiPF6, LiBF4 등)으로 구성된다. 리튬-이온은 통상적으로 비수성 전해질을 사용하는데, 그 이유는 리튬은 수성 전해질에서 반응성이 높고, 수성 전해질은 고전압에서 안정적이지 않기 때문이다. 리튬 이온 셀의 성능은 사용된 물질의 타입 및 채택된 제조 기술에 크게 좌우된다.
특히 위성, 발사체 등과 같은 중요한 응용에 대해서는 좋은 수명을 가진 밀폐된 리튬 이온 셀이 요구된다. 더 높은 출력 전원을 얻기 위해, 셀의 내부 저항을 최소화할 필요가 있다. 그러므로, 특정 셀 화학 및 설계 특징은 고급(high end) 응용을 만족시키기 위해 필수적이다.
전기화학 성능, 즉 리튬 이온 셀의 용량, 속도 능력 및 수명은 채용된 포지티브 및 네거티브 활물질 및 전해질의 타입에 따라 크게 달라진다. LiCoO2 및 그래파이트는 각각 고용량 리튬 이온 셀에서 가장 널리 사용되는 캐소드 및 애노드 물질이다.
US 5753387은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4를 캐소드 및 탄소질 애노드로 구비한 리튬 이온 셀을 설명한다. EP-A2-0771040는 LiCoO2 화학에 기초한다. US 6040086는 LiCoO2, 리튬 니켈 복합 옥사이드, 스피넬 타입 리튬-망간 옥사이드, 바나듐 펜톡사이드 또는 티타늄 디설파이드가 캐소드로 사용되는 리튬 이온 셀을 참조한다. US 2009/0068548 Al 은 캐소드 활물질로서 LiFePO4의 사용을 기술한다.
LiCoO2는 제한된 비용량 및 열악한 안전 특징을 가진다. LiFePO4는 좋은 안전 특징을 나타냄에도 불구하고, 더 낮은 제공한다. LiNiO2는 고용량을 제공하지만, 수명이 제한적이다.
전극 스택의 내부 구성은 셀로부터 더 높은 전류 출력을 획득하는데에도 중요한 역할을 한다. 고속 응용에 요구되는 비수성 전해질 2차 전지는 다수의 집전(current-collecting) 탭을 요구한다. 상기 전극 스택은 스택된 것(분리막과의 사이에 다수의 양극 및 음극이 교대로 배열됨)이거나, 권취된 것(분리막과의 사이에 맨드릴 위에 권취된 긴 양극 및 음극의 단일 조각)일 수 있다.
US 2012/0177895 Al는 전극 활물질로 코팅된 부분 사이에 코팅되지 않은 부분을 갖는 전극을 스태킹하는 단계를 포함하는 리튬 이온 셀 제조 방법을 개시한다. 상기 전극은 스택에 배열되고, 전체 집전체(overall current collector)는 전극 북클렛(booklet)을 형성하기 위해 코팅되지 않은 부분에 연결된다. 전체 집전체는 전극의 배열을 유지하고, 전극의 코팅되지 않은 모든 부분을 전기적으로 연결한다. 이 특정 방법 및 스태킹된 구성에 있어서, 전극을 요구되는 치수로 커팅하는 것이 요구된다(전극의 엣지에 형성된 버(burrs)로 인해 쇼팅(shorting) 문제를 야기함).
긴 전극이 구비된 큰 권취된 스택은 상기 셀로부터 좋은 전류 출력을 얻기 위해 복수의 집전기 탭을 필요로 한다. 종래 기술에서 이러한 타입의 셀을 위해 복수의 탭을 취하는 몇 가지 방법이 보고되었다. 상기 탭은 전극 상의 복수 위치에 부착될 수 있다. 상기 탭은 전극의 엣지에 있는 베어(bare) 호일 또는 전극의 길이에 걸쳐 제공된 베어 영역에 부착될 수 있다. 두 가지 케이스 모두에 있어서, 후속 피드(feed) 관통 접속을 위한 탭의 적절한 정렬은 큰 권취된 전극 스택에 있어 문제이다. 권취하는 긴 전극을 구비한 전극 두께 차이는 탭의 열악한 정렬을 야기한다. 열악한 정렬은 전류 탭을 터미널에 용접하기 어렵게 만들고, 셀의 낮은 신뢰도를 야기한다.
용접 방법의 몇 가지 타입은 전극 스택을 집전(current collecting) 중간 탭에 용접하는데 채택된다. JP-A-7-326336는 전극 스택의 초음파 용접을 다룬다. 그러나, 레이어 수가 증가하는 경우(즉, 고용량 셀의 경우), 상기 레이어를 집전판(collecting plate)에 접합하기 위해, 과도한 응력이 접합(junction) 부분 및 주변 영역에 가해져 전극을 손상시킬 수 있다. 내부 단락을 야기하는 초음파 용접에서도 활물질의 박리 및 컬렉터 호일의 분말화가 발생할 수 있다. 초음파 용접도, 레이저 용접과 같은 용융 용접(fusion welding)에 비해, 셀 내에서 높은 내부 저항을 야기한다.
JP-A-2001-38475는 콜렉팅 리드(lead) 내에 프로젝션(projection)을 제공하고, 스택 위에 겹쳐진 프로젝션으로 초음파 진동을 적용함으로써 콜렉팅 리드를 스택에 완전히 접합(join)하는 것을 제안한다. 이 방법은 전극판(electrode plate)이 파열되는 것과 같은 단점도 존재하는데, 이는 접합 부분 및 주변 영역에 과도한 응력이 가해지기 때문이다.
US 8,025,202 B2는 전극 스택의 양극 기판 노출된 부분 및 음극 기판 노출된 부분이 초음파(ultrasonically) 용접되어 각각 용접 접합을 얻게 되는 용접의 방법을 개시한다. 고에너지 레이저는 양극 기판 노출된 부분 및 음극 기판 노출된 부분을 양극 콜렉터 및 음극 콜렉터 각각에 대해 용접하는데 사용된다. 이 방법에서도, 초음파 용접은 기판 노출된 부분을 용접하는 단계를 포함하므로, 상기 프로세스가 고용량 셀에 대해 채택되는 경우, 호일이 손상되고, 금속 입자가 생성되고, 전극으로부터 활물질이 박리될 가능성이 존재한다.
일본 공개 특허 출원 No. Hei 8-315788, No. Hei 8-315789 및 No. Hei 8-315790은 리튬 이온 셀에 대한 제조 방법을 개시하는데, 직사각형 케이스의 개방 단부가 씰링 플레이트(seal plate)를 사용하고, 상기 씰링 플레이트를 직사각형 케이스(그것의 개방은 위를 향한 것과 함께 배치되고, 직사각형 케이스 및 씰링 플레이트가 접촉하는 지점에서, 상기 파트에 대해 수직인 레이저 빔을 적용함으로써 그것들을 용접)의 단부에 피팅함으로써 밀폐된다. 그러나, 용접될 부분 사이에 갭이 존재하는 경우, 레이저는 상기 갭을 통과하여 셀 케이스 내부의 전극 스택을 손상시킬 수 있다. 또한, 케이스 및 뚜껑이 잘못 정렬된 경우, 그것은 용접 강도 감소를 야기할 수 있다. 상기 빔이 A1 접합과 수직인 경우, 그것은 반사되어 용융 용접을 위한 에너지를 감소시킬 것이다.
리튬 이온 셀에 있어서, 터미널은 터미널 씰을 사용함으로써 격리 및 절연된다. 리튬 이온 셀에 통상적으로 사용되는 터미널은 유리 대 금속(glass to metal) 및 세라믹 대 금속(ceramic to metal)이다.
US 6,335,117 Bl은 세라믹 대 금속 씰을 구비한 타원 원통형 셀을 개시한다. 포지티브 터미널 및 네거티브 터미널은 필러 물질로 세라믹 물질에 납땜된다. 세라믹 물질은 납땜용 필러 물질로 외부 환형 금속 부재에 납땜된다. 상기 외부 환형 부재는 용접에 의해 개구부가 봉인된다. US 6,268,079도 세라믹 대 금속 씰이 구비된 밀폐된 타원 원통형 셀을 다룬다. 본 발명에서 사용되는 세라믹 대 금속 씰은 세라믹 대 금속의 확산 접합에 기초하고, 3개의 세라믹 링을 가진다. 3개의 링을 구비한 확산 접합 씰은 더 좋은 내식성 및 강도를 가지므로, 일정 기간 동안 셀의 누설 방지를 개선한다.
요약하면, 셀 화학 및 어셈블리 프로세스에 대한 현존 기술은 많은 한계가 있다. 셀 화학에 관하여, 종래기술은 높은 비용량(specific capacity), 슬로피(sloppy) 방전 곡선 및 좋은 수명과 같은 중요한 특징에 한계를 야기하는 캐소드 물질을 사용한다. 종래 기술에서 채택된 용접 방법은 입자 생성/전극 손상을 야기하거나, 고용량 셀이 어셈블될 때 특히 높은 내부 저항을 야기한다. 종래기술에 기술된 세라믹 대 메탈 씰에 기초한 납땜 접합은 제한된 수명을 야기하는 열악한 내식성을 가진다. 이러한 모든 한계는 이러한 문제를 방지하는 공간 응용을 위해 밀폐된 고용량 리튬 이온 셀을 제조하는 새로운 방법의 개발을 이끌어낸다.
본 발명은 공간을 포함하는 다양한 응용을 위한 밀폐된 고용량 리튬 이온 셀, 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 주된 목적은 다양한 응용을 위한 고용량 보유를 구비한 리튬화된 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드 또는 리튬화된 니켈 코발트 망간 옥사이드/그래파이트 화학에 기초한 고용량(40-100 Ah)의 밀폐된 리튬 이온 셀을 제조하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스택 대 중간(stack to intermediate) 탭 및 탭 대 터미널(tab to terminal) 용접에 대해 레이저 빔 용접을 채택함으로써 낮은 내부 저항(<2 mΩ)을 가진 고용량 리튬 이온 셀을 제조하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 케이스 대 뚜껑(case to lid) 용접 동안 레이저 빔이 관통하는 것을 방지하기 위해 케이스에 립(lip)을 제공하는 것이다
본 발명의 또 다른 목적은 긴 수명을 위해 더 좋은 내식성을 구비한 확산 접합을 구비한 3개의 세라믹 링을 가진 세라믹 대 금속(ceramic to metal) 씰을 사용하는 것이다.
일 양상에 있어서, 본원은 밀폐된 고용량 리튬 이온 셀을 제공하는데, 여기에서 양극은 리튬화된 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(NCA) 또는 리튬화된 코발트 망간 옥사이드(NCM)에 기초하고, 음극은 그래파이트에 기초한다.
다른 일 양상에 있어서, 본원은 스택 대 중간 탭(stack to intermediate tab) 및 탭 대 터미널(tab to terminal) 용접에 대해 레이저 빔 용접을 채택하는 단계를 포함하는, 밀폐된 리튬 이온 셀의 제조에 대한 프로세스를 제공한다.
본원의 다른 양상은 밀폐된 리튬 이온 셀의 제조에 대한 프로세스를 제공하는데, 여기에서 채용된 터미널 씰링은 확산 접합을 구비한 3개의 세라믹 링을 가지는 세라믹 대 금속(ceramic to metal) 씰이다.
본원의 또 다른 양상은 아래 단계를 포함하는 밀폐된 리튬 이온 셀의 제조에 대한 프로세스를 제공한다:
양극 및 음극을 프로세싱하는 단계로, 상기 양극은 리튬화된 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(NCA) 또는 리튬화된 니켈 코발트 망간 옥사이드(NCM)에 기초하고, 음극은 그래파이트에 기초하는 단계 a);
평평한 맨드릴을 사용하여 반자동 권취기에서 전극 스택의 권취가 수행되는 단계 b);
레이저 빔 용접을 사용하여 스택 대 중간 탭(stack to intermediate tab) 및 탭 대 터미널(tab to terminal) 용접하는 단계 c);
레이저 빔 용접을 사용하는 터미널 대 뚜껑(terminal to lid) 및 케이스 대 뚜껑(case to lid) 용접 단계 f).
도 1은 본 발명의 리튬 이온 셀을 나타낸다. 다음은 도 1에 나타난 셀의 특정 요소에 대응되는 참조 부호이다.
아래 상세한 설명의 목적에 대해, 본 발명은 명시적으로 반대적인 내용이 특정된 경우를 제외하면, 본 발명은 다양한 대안 및 단계 순서를 가정할 수 있다고 이해된다. 게다가, 임의의 동작예에서, 또는 달리 지시된 경우가 아니라면, 명세서에서 사용된 모든 숫자(예를 들어, 성분의 양)는 모든 경우에 있어 "대략"이라는 용어에 의해 수정되는 것으로 이해된다. 달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에 제시된 모든 백분율 및 첨부된 청구범위는 전체 조성물의 중량 백분율을 의미함을 주목한다.
따라서, 본 발명을 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명은 물론 다양하게 변화할 수 있는 특별히 예시된 시스템이나 방법 파라미터로 제한되지 않는다고 이해된다. 또한 여기에서 사용되는 용어는 본 발명의 특정한 실시예를 설명하기 위한 목적을 가질 뿐으로, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라고 이해된다.
본 명세서에서 논의되는 임의의 용어들의 예를 포함하는 예제의 사용은 단지 예시적일 뿐인 것으로, 본 발명 또는 임의의 예시된 용어의 의미 및 범위를 제한하지 않는다. 마찬가지로, 본 발명은 본 명세서에 제시된 다양한 실시예로 제한되지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 기술자에게 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 충돌되는 경우, 정의를 포함하는 본원을 기준으로 한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 내용이 달리 명확히 지시되지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함함에 유의해야 한다. 따라서, 예를 들어, "폴리머"는 둘 또는 그 이상의 폴리머들을 포함할 수 있다.
용어 "바람직한" 및 "바람직하게는"는 특정 상황 하에서, 특정한 장점을 제공할 수 있는 본원의 실시예를 지칭한다. 그러나, 다른 실시예도, 동일하거나 다른 상황 하에서, 선호될 수 있다. 더욱이, 하나 또는 그 이상의 바람직한 실시예는 다른 실시예가 무용하다는 것을 의미하는 것이 아니고, 본 발명의 범위로부터 다른 실시예를 배제하고자 함이 아니다.
본원에 사용된 "포함하는", "갖는", "구비하는", "함유하는", "포함" 등의 용어는 개방형, 즉 포함하되 그에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
일 양상에 있어서, 본원은 밀폐된 리튬 이온 셀을 제공하는데, 여기에서 양극은 리튬화된 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(NCA) 또는 리튬화된 니켈 코발트 망간 옥사이드(NCM)에 기초하고, 음극은 그래파이트에 기초한다.
상기 전극은 1-10%의 백분율 범위에서 전도성 희석제를 더 포함하고, 4-10%의 백분율 범위에서 폴리비닐리덴 플루오라이드를 더 포함할 수 있다. 음극의 구성은 85-96%의 백분율 범위의 그래파이트 믹스쳐 및 3-10% 백분율 범위의 폴리비닐리덴 플루오라이드이다. 1-메틸-2-피롤리디논(NMP)은 용매로 사용될 수 있다.
상기 전극의 최종 두께는 양극 및 음극 각각에 대해 140-190 μm 및 140-200 μm 범위에 있다.
NCA 또는 NCM에 기초한 전극은 높은 비용량 및 좋은 용량 보유를 제공한다. 이러한 물질은 셀의 충전 상태를 예측하는데 도움이 되는 슬로피(sloppy) 방전 곡선을 가진다. 종래기술에서 사용된 다른 캐소드 물질(예를 들어, LiCoO2, LiFePO4 등)은 다소 평탄한 방전 및 더 낮은 비용량을 가진다.
다른 일 양상에 있어서, 본원은 스택 대 중간 탭(stack to intermediate tab) 및 탭 대 터미널(tab to terminal) 용접에 대해 레이저 빔 용접을 채택하는 단계를 포함하는, 밀폐된 고용량 리튬 이온 셀의 제조에 대한 프로세스를 제공한다.
포지티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 용접하는 것은 꼭대기에 포지티브 중간 탭을 구비한 용접 워크스테이션 상에 중간 탭과 히트 싱크를 구비한 전극 스택을 유지함으로써 수행될 수 있다. 레이저(IR) 헤드는 포지티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중될 수 있다. 또한, 아르곤 가스 노즐은 포지티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중될 수 있고, 레이저 빔이 적용될 수 있다.
네거티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 용접하는 것은 꼭대기에 네거티브 중간 탭을 구비한 용접 워크스테이션 상에 네거티브 중간 탭과 히트 싱크를 구비한 전극을 유지함으로써 수행될 수 있다. 레이저(IR/녹색) 헤드는 네거티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중될 수 있다. 또한, 아르곤 가스 노즐은 네거티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중될 수 있고, 레이저 빔이 적용될 수 있다. 레이저 파워는 5-8" kW"일 수 있다. 구리의 높은 반사율 및 전도성으로 인해 IR만으로 구리를 용접하기 위해서는 높은 에너지가 요구된다. 따라서, 본원에서 IR 및 녹색의 조합이 사용된다. 그린 레이저는 IR에 의한 용접에 요구되는 에너지를 감소시키는 구리에 의해 쉽게 흡수될 수 있다.
본원의 다른 양상은, 밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스를 제공하는데, 여기에서 채용된 터미널 씰은 확산 접합을 구비한 3개의 세라믹 링을 가진 세라믹 대 금속(ceramic to metal) 씰이다. 본원에서 사용된 세라믹 대 금속 씰은 세라믹 대 금속의 확산 접합에 기초하고, 3개의 세라믹 링을 가진다. 3개의 링을 구비한 확산 접합된 씰은 더 좋은 내식성 및 강도를 가지므로, 일정 기간 동안 셀의 누설 방지를 개선한다.
본원의 또 다른 일 양상은 다음 단계를 포함하는 밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스를 제공한다:
양극 및 음극을 프로세싱하는 단계로, 상기 양극은 리튬화된 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(Lithiated Nickel Cobalt Aluminium Oxide; NCA) 또는 리튬화된 니켈 코발트 망간 옥사이드(Lithiated Nickel Cobalt Manganese Oxide; NCM)에 기초하고, 음극은 그래파이트에 기초하는 단계 a);
평평한 맨드릴을 사용하여 반자동 권취기(winding machine)에서 전극 스택을 권취하는 단계 b);
레이저 빔 용접을 사용하여 스택 대 중간 탭(stack to intermediate tab) 및 탭 대 터미널(tab to terminal)을 용접하는 단계 c);
레이저 빔 용접을 사용하는 터미널 대 뚜껑(terminal to lid) 및 케이스 대 뚜껑(case to lid) 용접 단계 f).
전극의 프로세스는 리튬화된 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(NCA) 또는 리튬화된 니켈 코발트 망간 옥사이드(NCM)에 기초한 양극 및 그래파이트에 기초한 음극의 활물질 슬러리를 알루미늄 호일 및 구리 호일 상에 각각 코팅함으로써 수행될 수 있다. 양극의 구성은 NCA/NCM: 80-90%, 전도성 희석제: 1-10% 및 폴리비닐리덴 플루오라이드: 4-10%일 수 있다. 음극의 구성은 혼합 그래파이트: 85-96% 및 폴리비닐리덴 플루오라이드: 3-10%일 수 있다. 1-메틸-2-피롤리디논(NMP)은 양극 및 음극에 모두에 대한 전극 슬러리의 프로세스에 대해 용매로 사용될 수 있다. 전극의 최종 두께는 양극 및 음극 각각에 대해 140-190 μm 및 140-200 μm으로 조정될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 사이에 있는 분리막을 따라 하나의 양극(12-16m)의 레이어 및 하나의 음극(12-16m)의 레이어가 권취되어 전극 스택을 형성할 수 있다. 분리막 길이는 14-17m 범위일 수 있고, 너비는 6-8mm 범위로 음극 코팅 너비보다 클 수 있다. 권취는, 양극 및 음극의 코팅되지 않은 영역이 상기 스택의 반대편(opposite side)으로부터 투사(project)하는 방식으로 수행될 수 있다.
투사된 포지티브 기판 너비는 4-12 mm 범위일 수 있고, 투사된 네거티브 기판 너비는 4 내지 14mm 범위일 수 있다. 포지티브 중간 탭을 포지티브 터미널에 용접하는 것은 상기 포지티브 터미널을 포지티브 중간 탭에 위치시키는 단계 및 레이저 헤드를 포지티브 터미널-탭 인터페이스 위에 집중하는 단계를 포함한다. 용접은 4-8kW의 피크 전력으로 수행될 수 있다.
네거티브 중간 탭을 네거티브 터미널에 용접하는 것은 네거티브 터미널을 네거티브 중간 탭에 위치시키는 단계 및 레이저 헤드를 네거티브 터미널-탭 인터페이스에 집중시키는 단계에 의해 수행될 수 있고, 용접은 1-2kW의 전력을 가진 IR 및 녹색 레이저로 3-8kW의 피크 전력에서 수행될 수 있다.
포지티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 고정하는 것은 알루미늄 베어의 절반 부분을 3개의 균등한 그룹으로 분할함으로써 수행될 수 있다.
그룹된 알루미늄 호일은 포지티브 중간 탭(터미널은 그것에 용접된 상태)의 홈에 삽입될 수 있다. 중간 탭은 주름질 수 있다. 네거티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 고정하는 것은 구리 베어의 절반 부분을 3개의 균등한 그룹으로 분할함으로써 수행될 수 있다.
그룹된 구리 호일은 네거티브 중간 탭(터미널은 그것에 용접된 상태)의 홈에 삽입된다. 중간 탭은 주름질 수 있다.
포지티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 용접하는 것은 꼭대기에 포지티브 중간 탭을 구비한 용접 워크스테이션에 중간 탭 및 히트 싱크가 구비된 전극 스택을 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 레이저(IR) 헤드를 포지티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중한다. 아르곤 가스 노즐을 포지티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중시키고, 레이저 빔이 적용될 수 있다. 용접이 완료되면, 스택은 용접 스테이션으로부터 배출될 수 있다. 레이저 파워는 5-8kW 범위일 수 있다.
네거티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 용접하는 것은 꼭대기에 네거티브 중간 탭을 구비한 용접 워크스테이션 상에 네거티브 중간 탭 및 히트 싱크가 구비된 전극 스택을 유지함으로써 수행될 수 있다. 레이저(IR/녹색) 헤드는 네거티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중될 수 있다. 아르곤 가스 노즐은 네거티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중될 수 있고, 레이저 빔이 적용될 수 있다. 용접이 완료되면, 스택은 용접 스테이션으로부터 배출될 수 있다. 레이저 파워는 5-8 "kW" 범위일 수 있다.
셀 케이스 대 뚜껑(case to lid) 용접은 터미널을 구비한 전극 스택을 립(lip)을 구비한 셀 케이스에 삽입하여 터미널이 위로 향하도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 뚜껑은 배치되어 2개 터미널이 뚜껑 내의 포트를 통해 투사되도록 할 수 있다. 레이저 헤드 및 아르곤 가스 노즐은 포지티브 터미널 씰 대 뚜껑(terminal seal to lid) 인터페이스 위에 집중될 수 있고, 용접이 수행될 수 있다. 레이저 파워는 5-8kW일 수 있다. 레이저 헤드 및 아르곤 가스 노즐은 네거티브 터미널 씰 대 뚜껑 인터페이스 위에 집중될 수 있고, 용접이 수행될 수 있다.
케이스 대 뚜껑 용접은 레이저 헤드 및 아르곤 가스 노즐을 케이스 대 뚜껑 인터페이스 위에 집중시키는 단계 및 케이스 대 리드 용접을 수행하는 단계에 의해 수행될 수 있다. 케이스 대 뚜껑 용접을 위한 레이저 파워는 리니어 패스에서 0.1-1mm/s이고, 반경(radial) 패스에서 0.5-1.7mm/s인 이송 속도에서 5-8kW이다.
특정 실시예에 있어서, 케이스에 립을 제공하여 케이스 대 뚜껑 용접 동안 레이저 빔이 관통하는 것을 방지한다.
225-260g의 전해질은 뚜껑에 제공된 필 포트(fill port)를 통해 추가될 수 있다. 셀은 소킹(soaking)을 위해 더 유지될 수 있다. 셀이 형성되고, 가스가 배출되며, 필 포트는 레이저 빔 용접에 의해 용접되어 밀폐성을 달성할 수 있다. 레이저 파워는 5-9kW가 사용된다.
본 발명의 밀폐된 리튬 이온 셀은 다양한 응용을 위해 고용량 보유를 구비한 40 내지 100 Ah의 용량을 가지고, 2 m
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보다 작은 낮은 내부 저항을 가진다. 헬륨 누출률은 10-8 mbar L/s보다 적도록 달성된다. 제조된 셀은 100% 방전도(depth-of-discharge)에서 1800사이클 동안 충-방전 사이클을 거친다. 용량 보유는 초기 용량의 80%를 넘는다.
상기 방법에 의해 제조된 셀은 미션 크리티컬 응용(mission ciritical application)(즉 인공위성, 발사체, 항공기, 군용 차량, 잠수함 및 전기 차량에 동력을 공급)에 채용될 수 있다.
다음 예제들이 청구된 발명을 더 잘 설명하기 위해 제공되고, 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지는 않는다. 아래 기술되는 모든 특정한 물질, 및 방법은, 본 발명의 범위에 속한다. 이러한 특정 구성, 물질, 및 방법은 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 단지 본 발명의 범위에 속하는 특정 실시예를 설명하는 것이다. 통상의 기술자는 발명 능력을 발휘하지 않고도, 그리고 본 발명의 범위를 벗어남 없이 균등한 물질, 및 방법을 개발할 수 있다. 이러한 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것이 발명자의 의도이다.
예제
밀폐된 리튬 이온 셀의 제조
전극 프로세스:
리튬화된 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(NCA) 또는 리튬화된 니켈 코발트 망간 옥사이드(NCM)에 기초한 양극 및 그래파이트에 기초한 음극의 활물질 슬러리는 알루미늄 호일 및 구리 호일 상에 각각 코팅된다. 양극의 구성은 NCA/NCM: 80-90%, 전도성 희석제: 1-10% 및 폴리비닐리덴 플루오라이드: 4-10%이다. 음극의 구성은 혼합 그래파이트: 85-96% 및 폴리비닐리덴 플루오라이드: 3-10%이다. 1-메틸-2피롤리디논(NMP)은 양극 및 음극 모두에 대한 전극 슬러리의 프로세스에 대해 용매로 사용될 수 있다. 전극의 최종 두께는 양극 및 음극 각각에 대해 140-190 μm 및 140-200 μm으로 조정된다.
전극 스택 권취:
전극 스택은 평평한 맨드릴을 사용하여 반자동 권취기에서 권취된다. 사이에 있는 분리막을 따라 하나의 양극(12-16m)의 레이어 및 하나의 음극(12-16m)의 레이어가 권취되어 전극 스택을 형성한다. 분리막 길이는 14-17m이고, 너비는 6-8mm로 유지되어 음극 코팅 너비보다 크다. 권취는, 양극 및 음극의 코팅되지 않은 영역이 상기 스택의 반대편(opposite side)으로부터 투사(project)하는 방식으로 수행된다. 투사된 포지티브 기판 너비는 4 내지 12 mm이고, 투사된 네거티브 기판 너비는 4 내지 14mm이다. 음극은 양극의 길이 및 너비를 넘어 확장된다.
셀 어셈블리:
습도 제어 환경에서 RH<1%로 셀을 어셈블링함. 아래는 셀 어셈블리에 포함된 다른 단계이다.
중간 탭을 터미널에 용접
포지티브 터미널은 포지티브 중간 탭(알루미늄) 상에 배치되고, 레이저 헤드는 포지티브 터미널-탭 인터페이스 위에 집중되고, 용접은 4-8kW의 피크 전력에서 수행된다. 네거티브 터미널은 니켈 도금된 네거티브 중간 탭(구리) 상에 배치되고, 레이저 헤드는 네거티브 터미널-탭 인터페이스 위에 집중되고, 용접은 IR 및 녹색 레이저로 3-8kW의 피크 파워로 수행된다.
탭-터미널 어셈블리를 스택에 고정
스택의 알루미늄 베어의 절반 부분이 3개의 균등한 그룹으로 분할된다. 그룹된 호일은 포지티브 중간 탭의 홈에 삽입된다(터미널은 그것에 용접된 상태). 포지티브 중간 탭은 주름진다. 스택의 구리 베어의 절반 부분은 3개의 균등한 그룹으로 분할된다. 그룹된 호일은 니켈 도금된 네거티브 중간 탭(터미널은 그것에 용접된 상태)의 홈에 삽입된다. 네거티브 중간 탭은 주름진다.
탭-터미널 어셈블리를 스택에 용접
전극 스택은 꼭대기에 포지티브 중간 탭을 구비한 용접 워크스테이션 상에 중간 탭과 히트 싱크를 구비하도록 유지된다. 레이저(IR) 헤드는 포지티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중된다. 아르곤 가스 노즐은 포지티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중되고, 레이저 빔이 적용된다. 용접이 완료되면, 스택은 용접 스테이션으로부터 배출된다. 스택은 꼭대기에 니켈 도금된 네거티브 중간 탭을 구비한 용접 워크스테이션에 유지된다. 레이저(IR/녹색) 헤드는 네거티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 집중되고, 용접이 수행된다. 용접이 완료되면, 스택은 용접 스테이션으로부터 배출된다. 레이저 파워는 두가지 용접 모두에 대해 5-8kW이다.
터미널 대 뚜껑 및 셀 케이스 대 뚜껑 용접
탭-터미널 어셈블리를 구비한 전극 스택은 립(lip)을 구비한 셀 케이스에 삽입되어 터미널이 위로 향하도록 한다. 뚜껑은 배치되어 2개 터미널이 뚜껑 내의 포트를 통해 투사된다. 레이저 헤드 및 아르곤 가스 노즐이 포지티브 터미널 씰 대 뚜껑 인터페이스 위에 집중되고, 용접이 수행된다. 용접을 위한 레이저 파워는 5-8kW이다. 유사하게, 레이저 헤드 및 아르곤 가스 노즐은 네거티브 터미널 씰 대 뚜껑 인터페이스 위에 집중되고, 용접이 수행된다. 레이저 헤드 및 아르곤 가스 노즐은 케이스 대 뚜껑 인터페이스 위에 집중되고, 케이스 대 뚜껑 용접이 수행된다. 케이스 대 뚜껑 용접을 위한 레이저 파워는 리니어 패스에서 0.1-1mm/s, 반경(radial) 패스에서 0.5-1.7mm/s인 이송 속도에서 5-8kW이다.
225-260g의 전해질이 뚜껑에 제공된 필 포트를 통해 추가된다. 소킹(soaking) 후, 셀이 형성되고, 가스가 배출되고, 필 포트는 레이저 빔 용접에 의해 밀폐성을 달성한다. 사용된 레이저 파워는 5-9kW이다. 헬륨 누출율은 10-8 mbar L/s보다 적도록 달성된다.
상술한 방법으로 제조된 셀은 100% 방전도(depth-of-discharge)에서 1800사이클 동안 충-방전 사이클을 거친다. 용량 보유는 초기 용량의 80%를 넘는다.
1. 전극 스택
2. 양극 베어 호일
3. 음극 베어 호일
4. 포지티브 중간 탭
5. 네거티브 중간 탭
6. 포지티브 터미널
7. 네거티브 터미널
8. 스택 대 네거티브(stack to negative) 탭 용접점
9. 스택 대 포지티브(stack to positive) 탭 용접점
10. 3개의 링 세라믹 씰

Claims (19)

  1. 밀폐된 리튬 이온 셀에 있어서,
    양극은 리튬화된(Lithiated) 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(NCA) 또는 리튬화된(Lithiated) 니켈 코발트 망간 옥사이드(NCM)에 기초하고, 음극은 그래파이트에 기초하는,
    밀폐된 리튬 이온 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극의 구성은 리튬화된 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(NCA) 또는 리튬화된 니켈 코발트 망간 옥사이드(NCM): 80-90%, 전도성 희석제: 1-10% 및 폴리비닐리덴 플루오라이드: 4-10%인,
    밀폐된 리튬 이온 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    음극의 구성은 혼합 그래파이트(mixed graphite): 85-96% 및 폴리비닐리덴 플루오라이드: 3-10%인,
    밀폐된 리튬 이온 셀.
  4. 밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스에 있어서,
    양극 및 음극에 대해 스택 대 중간(stack to intermediate) 탭 및 탭 대 터미널(tab to terminal) 용접을 위한 레이저 빔 용접을 채택하는 단계를 포함하는,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
  5. 제4항에 있어서,
    포지티브 중간 탭을 포지티브 터미널에 용접하는 것은, 상기 포지티브 터미널을 상기 포지티브 중간 탭에 위치시키는 단계 및 레이저(LASER) 헤드를 상기 포지티브 터미널-탭 인터페이스 위에 집중시키는 단계 및 4-8kW의 피크 전력으로 용접을 수행하는 단계를 포함하는,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
  6. 제4항에 있어서,
    네거티브 중간 탭을 네거티브 터미널에 용접하는 것은, 상기 네거티브 터미널을 상기 네거티브 중간 탭에 위치시키는 단계 및 레이저(LASER) 헤드를 상기 네거티브 터미널-탭 인터페이스 위에 집중시키는 단계 및 IR과 녹색 레이저로 3-8kW의 피크 전력으로 용접을 수행하는 단계를 포함하는,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
  7. 밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스에 있어서,
    채용된 터미널 씰(seal)은 확산 접합을 구비한 3개의 세라믹 링을 가지는 세라믹 대 금속(ceramic to metal) 씰인,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
  8. 밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스에 있어서,
    양극 및 음극을 프로세싱하는 단계로, 상기 양극은 리튬화된 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(NCA) 또는 리튬화된 니켈 코발트 망간 옥사이드(NCM)에 기초하고, 음극은 그래파이트에 기초하는 단계 a);
    평평한 맨드릴을 사용하여 반자동 권취기(winding machine)에서 전극 스택을 권취하는 단계 b);
    레이저 빔 용접을 사용하여 스택 대 중간 탭(stack to intermediate tab) 및 탭 대 터미널(tab to terminal) 용접하는 단계 c);
    레이저 빔 용접을 사용하는 터미널 대 뚜껑(terminal to lid) 및 케이스 대 뚜껑(case to lid) 용접 단계 f)
    를 포함하는,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
  9. 제8항에 있어서,
    전극을 프로세싱하는 단계는 알루미늄 호일 및 구리 호일 상에 각각 양극 및 음극의 활물질 슬러리를 코팅하는 단계를 포함하는,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전극의 최종 두께는 양극 및 음극 각각에 대해 140-190 μm 및 140-200 μm인,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
  11. 제8항에 있어서, 사이에 있는 분리막을 따라 하나의 양극(12-16m)의 레이어 및 하나의 음극(12-16m)의 레이어가 권취되어 전극 스택을 형성한다. 분리막 길이는 14-17m이고, 너비는 6-8mm로 음극 코팅 너비보다 크다. 상기 권취는, 양극 및 음극의 코팅되지 않은 영역이 상기 스택의 반대편(opposite side)으로부터 투사(project)하는 방식으로 수행된다.
  12. 제8항에 있어서,
    탭-터미널 어셈블리를 스택에 고정하는 것은, 스택의 알루미늄 베어(bare)의 절반 부분을 3개의 균등한 그룹으로 분할함으로써 포지티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 고정하는 단계를 포함하고,
    네거티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 고정하는 것은, 스택의 구리 베어의 절반 부분을 3개의 균등한 그룹으로 분할하는 단계를 포함하는,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
  13. 제12항에 있어서, 그룹된 알루미늄 호일은 포지티브 중간 탭(상기 터미널은 그것에 용접된 상태)의 홈(groove)에 삽입된다. 중간 탭은 주름져 있다.
  14. 제12항에 있어서, 그룹된 구리 호일은 네거티브 중간 탭(상기 터미널은 그것에 용접된 상태)의 홈에 삽입된다. 중간 탭은 주름져 있다.
  15. 제12항에 있어서,
    탭-터미널 어셈블리를 스택에 용접하는 것은, 포지티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 용접하는 단계, 및 네거티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 용접하는 단계를 포함하는,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
  16. 제15항에 있어서, 포지티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 용접하는 것은 꼭대기(top)에 포지티브 중간 탭을 구비한 용접 워크스테이션 상에 중간 탭 및 히트 싱크(heat sink)가 구비된 전극 스택을 유지하는 단계를 포함한다. 포지티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 레이저 헤드를 집중하고, 용접을 수행한다.
  17. 제15항에 있어서, 네거티브 탭-터미널 어셈블리를 스택에 용접하는 것은 꼭대기에 네거티브 중간 탭을 구비한 용접 워크스테이션 상에 네거티브 중간 탭 및 히트 싱크가 구비된 전극 스택을 유지하는 단계를 포함한다. 네거티브 중간 탭-스택 인터페이스 위에 레이저(IR/녹색) 헤드를 집중하고 용접을 수행한다.
  18. 제8항에 있어서,
    터미널 대 뚜껑(terminal to lid) 용접은 탭-터미널 어셈블리가 구비된 전극 스택을 셀 케이스에 삽입하는 단계, 꼭대기에 뚜껑을 배치하여 2개의 터미널이 뚜껑 내의 포트를 통해 투사되는 단계, 뚜껑-터미널 인터페이스 위에 레이저 헤드를 집중시키는 단계 및 용접을 수행하는 단계를 포함하는,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
  19. 제8항에 있어서,
    케이스 대 뚜껑(case to lid) 용접은 케이스 대 뚜껑(case to lid) 인터페이스 위에 레이저 헤드 및 아르곤 가스 노즐을 집중하는 단계 및 케이스 대 뚜껑(case to lid) 용접을 수행하는 단계를 포함하는,
    밀폐된 리튬 이온 셀의 제조를 위한 프로세스.
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