KR20210000614U - 계면 구조를 가지는 전극 - Google Patents

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셸 윌리엄 슈로더
아드리안 야오
닐람 싱
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엔파워, 아이엔씨.
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Abstract

2차 전지와 같은 장치에 사용하기 위한 전극은 결합제(binder)에 의해 함께 부착된 제1 활성 입자들을 가지는 제1 레이어, 결합제에 의해 함께 부착된 제2 활성 입자들을 가지는 제2 레이어, 및 제1 및 제2 레이어들 사이에 개재된 계면 레이어를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1 레이어의 실질적으로 분리된 핑거들(fingers)이 제2 레이어의 실질적으로 분리된 핑거들과 인터록되도록, 계면 레이어는 제1 및 제2 입자들의 상호침투를 포함할 수 있다.

Description

계면 구조를 가지는 전극{ELECTRODE HAVING AN INTERPHASE STRUCTURE}
본 개시는 복합 다공성 전극(composite porous electrode)을 포함하는 전기화학(electrochemical) 장치들(devices)을 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 개시된 실시예들은 전지들(batteries)을 위한 다중 레이어(multilayer) 전극들에 관한 것이다.
화석 연료 의존성이 덜 바람직하게(desirable) 됨에 따라 환경적으로 친화적인 에너지원(sources of energy)이 점점 더(increasingly) 중요해지고(critical) 있다. 태양열, 풍력 등과 같은 대부분의 비 화석 연료 에너지원들은, 유용성(usefulness)을 최대화하기 위해 일종의(some sort of) 에너지 저장 구성 요소를 요구한다. 따라서, 전지 기술은 에너지 생산 및 분배(distribution)의 미래의 중요한 측면이 되었다. 본 개시와 가장 관련이 있는, 이차(예를 들어, 충전가능한(rechargeable)) 전지들에 대한 수요가 증가하였다. 납산(lead acid), 니켈 카드뮴(nickel cadmium)(NiCad), 니켈 금속 수소화물(nickel metal hydride)(NiMH), 리튬 이온(lithium ion)(Li-ion), 및 리튬 이온 폴리머(lithium ion polymer)(Li-ion polymer)와 같은, 전극 재료들 및 전해질들(electrolytes)의 다양한 조합들은 이러한 유형들의 전지들에 사용된다.
본 개시의 계면 레이어들은 활성 물질 복합체 레이어들의 상호침투 및 인터로킹이 두개의 레이어들 사이의 임피던스를 낮추기 때문에, 개선된 기계적 건전성, 전자 통신, 이온 전도, 및 SEI 축적에 대한 저항을 제공할 수 있다.
본 개시는 슈퍼커패시터들(supercapacitors), 하이브리드 배터리 커패시터들(hybrid battery-capacitors), 및 이차 전지들과 같은 전기화학 에너지 저장 장치들과 함께 사용하기에 적합한, 계면 구조들을 가지는 전극들에 관련한(relating to) 시스템들, 기구들(apparatuses), 및 방법들을 제공한다. 이차 전지들은 현재 상용화된 기술들(예를 들어, 니켈 카드뮴, 리튬-이온 셀들) 및 개발(developing) 기술들(예를 들어, 플루오라이드-이온(fluoride-ion), 마그네슘-이온(magnesium-ion), 알루미늄-이온(aluminum-ion))을 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 개시의 측면들에 따른 전극은, 집전체 기판(current collector substrate) 위로(onto) 레이어된(layered) 활성 물질 복합체(active material composite) 및 집전체 기판을 포함하는 전기화학 셀 전극(electrochemical cell electrode)을 포함할 수 있고, 활성 물질 복합체는, 제1 결합제(first binder)에 의해 함께 부착된(adhered) 복수의 제1 활성 물질 입자들(first active material particles)을 포함하는 제1 레이어(first layer) - 상기 제1 활성 물질 입자들은 제1 평균 입자 크기(first average particle size)를 가짐 -; 제2 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제2 활성 물질 입자들을 포함하는 제2 레이어 - 상기 제2 활성 물질 입자들은 제2 평균 입자 크기를 가짐 -; 및 제1 레이어를 제2 레이어에 부착하는 계면 레이어(interphase layer) - 상기 계면 레이어는, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어가 상호침투(interpenetrated)되고 상기 계면 레이어가 상기 제1 평균 입자 크기 및 상기 제2 평균 입자 크기 사이의 제3 평균 입자 크기를 갖도록, 상기 제1 및 제2 레이어들 사이에 비평면 경계(non-planar boundary)를 포함함 -을 포함하고, 상기 비평면 경계는, 상기 제2 활성 물질 입자들의 복수의 실질적으로 분리(discrete)된 제2 핑거들(second fingers)과 인터록된(interlocked with) 상기 제1 활성 물질 입자들의 복수의 실질적으로 분리(discrete)된 제1 핑거들(first fingers)을 포함하고, 상기 제1 핑거들 각각은, 상기 제2 평균 입자 크기 및 상기 제1 평균 입자 크기 중 작은 것(the smaller)의 대략 두 배보다 큰 길이를 가진다.
일부 실시예들에서, 본 개시의 측면들에 따른 전극은 집전체 기판 위로 레이어된 활성 물질 복합체 및 집전체를 포함하는 전기화학 셀 전극을 포함할 수 있고, 활성 물질 복합체는 제1 분포(first distribution)의 입자 크기들을 가지는 복수의 제1 활성 물질 입자들을 포함하는 제1 레이어, 제2 분포의 입자 크기들을 가지는 복수의 제2 활성 물질 입자들을 포함하는 제2 레이어; 및 제1 레이어를 제2 레이어에 부착하고, 제1 레이어의 제1 핑거들과 제2 레이어의 제2 핑거들이 인터록하는 제1 및 제2 레이어들의 비평면 상호침투를 포함하는 계면 레이어를 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 개시의 측면들에 따른 전극 제조 방법은 슬롯 다이 코팅 헤드(slot-die coating head) 디스펜서(dispenser)의 제1 유체 슬롯을 사용하여 제1 활성 물질 복합체 슬러리의 제1 레이어를 호일 기판(foil substrate)에 도포하는 단계를 포함할 수 있고, 제1 활성 물질 복합체 슬러리는 복수의 제1 활성 물질 입자들 및 제1 결합제를 포함하고, 제1 평균 입자 크기 및 제1 점도(viscosity)를 가지는 제1 활성 물질 입자들; 및 슬롯 다이 코팅 헤드 디스펜서의 제2 슬롯을 사용하여, 제1 레이어가 습윤 된(wet) 동안에 제1 레이어에 제2 활성 물질 복합체 슬러리의 제2 레이어를 도포하는 단계, 제2 활성 물질 복합체 슬러리는 복수의 제2 활성 물질 입자들 및 제2 결합제를 포함하고, 제2 평균 입자 크기 및 제2 점도를 가지는 제2 활성 물질 입자들; 상호침투하는 경계 레이어가 제1 레이어 및 제2 레이어 사이에서 형성된다.
특징들, 기능들, 및 장점들은 본 개시의 다양한 실시예들에서 독립적으로 달성될 수 있거나, 또 다른 실시예에서 결합될 수 있으며, 그(which)에 대한 추가 세부사항들은 다음 설명 및 도면들을 참조하여 보여질 수 있다.
본 명세서에 기술된 예시적인 실시예들 및 예들은 실질적으로 평면 중간 레이어(inter-layer) 경계를 가지는 예들을 넘어 개선된 이온 통신을 가능하게 한다. 본 개시의 계면 레이어들은 활성 물질 복합체 레이어들의 상호침투 및 인터로킹이 두개의 레이어들 사이의 임피던스를 낮추기 때문에, 개선된 기계적 건전성, 전자 통신, 이온 전도, 및 SEI 축적에 대한 저항을 제공한다.
도 1은 전기화학 셀의 도식적 단면도(schematic sectional view)이다.
도 2는 도 1의 셀의 부분의 확대도(magnified view)이다.
도 3은 본 개시의 측면들에 따른 예시적(illustrative) 전극 부분의 도식적 측면도(side view)이다.
도 4는 본 개시의 측면들에 따른 다른(another) 예시적 전극 부분의 도식적 측면도이다.
도 5는 본 개시의 측면들에 따른 다른 예시적 전극 부분의 도식적 측면도이다.
도 6은 본 개시의 측면들에 따른 다른 예시적 전극 부분의 도식적 측면도이다.
도 7은 실질적으로 평면 경계 상에 중간(intermediate) 크러스트 레이어를 가지는 예시적 전극 부분의 단면도(sectional view)이다.
도 8은 본 교시들(teachings)에 따른 계면 레이어를 가지는 예시적 전극 부분의 단면도이다.
도 9는 본 개시의 측면들에 따른 인터록하는(interlocking) 핑거들을 가지는 다른 예시적 전극 부분의 도식적 측면도이다.
도 10은 본 개시의 측면들에 따른 인터록하는 핑거들을 가지는 다른 예시적 전극 부분의 도식적 측면도이다.
도 11은 본 교시들에 따른 인터록하는 핑거들을 갖는 계면 레이어를 가지는 예시적 전극 부분의 단면도이다.
도 12는 본 개시의 측면들에 따른 계면 레이어를 가지는 전극을 제조하기 위한 예시적 방법의 단계들을 묘사하는 흐름도(flowchart)이다.
도 13은 도 12의 방법에서 사용에 적합한 장치의 개략도(schematic view)이다.
관련된 장치들 및 방법들 뿐만 아니라, 계면 레이어를 가지는 전극의 다양한 측면들 및 예들이 아래에 기술되고(described) 관련된 도면들에 도시된다(illustrated). 달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에(herein) 기술된 바와 같이 계면 구조를 가지는 전극은, 및/또는 전극의(its) 다양한 구성 요소들은, 필수는 아니지만, 구조, 구성 요소들, 기능성(functionality), 및/또는 도시된, 기술된 변형들, 및/또는 본 명세서에 포함된(incorporated) 것 중 적어도 하나를 함유한다. 더 나아가(furthermore), 구체적으로 배제되지(excluded) 않는 한, 본 교시들과 관련하여 프로세스 단계들(process steps), 구조들, 구성 요소들, 기능성들, 및/또는 도시된, 기술된 변형들, 및/또는 본 명세서에 포함된(incorporated) 것은 개시된 실시예들 사이에 상호 대체 가능한(interchangeable) 것을 포함하는 다른 유사한 장치들 및 방법들에 포함될 수 있다. 다양한 예들의 다음의 설명은 사실상(in nature) 단지 예시적이며, 본 개시, 발명의 적용, 또는 사용들을 제한하려는 의도는 없다. 게다가, 아래에 기술되는 실시예들 및 예들에 의해 제공된 이점들(advantages)은 사실상 예시적이며, 모든 예들 및 실시예들이 동일한 이점들 또는 동일한 정도(degree)의 이점들을 제공하는 것은 아니다.
정의들(definitions)
달리 지시되지 않는 한, 다음의 정의들이 본 명세서에 적용된다.
"실질적으로"는 특징 또는 구성 요소가 정확하게 일치할 필요가 없도록, 용어에 의해 수정된 특정 차원(dimension), 범위, 형성, 개념 또는 다른 측면에 거의(more-or-less) 일치하는 것을 의미한다. 예를 들어, "실질적으로 실린더형인(substantially cylindrical)" 물체는 물체가 실린더와 닮았으나, 실제 실린더로부터 하나 이상의 편차들(deviations)을 가질 수 있음을 의미한다.
"포함하는(comprising)", "포함하는(including)", 및 "가지는(having)"(및 이들의 활용들(conjugations))은 포함하는(including)을 의미하기 위해 상호교환 가능하게 사용되지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 추가로 언급되지 않은 요소들 또는 방법 단계들을 배제하도록 의도되지 않는 개방형 용어들이다.
"제 1", "제 2", 및 "제 3"과 같은 용어들은 그룹의 다양한 멤버들(various members) 등을 구별하거나 식별하기 위하여 사용되며, 일련의 또는 수치적 제한을 나타내도록 의도되지 않는다.
"결합된(coupled)"은 개입된 구성 요소들을 통해 직접적 또는 간접적으로, 영구적 또는 해제 가능하게 연결된 것을 의미한다.
"이차 전지(Secondary battery)"는 재충전이 가능한 전지, 예를 들어, 충전, 로드(load)에 의한 방전, 및 다중 재충전될 수 있는 전기 전지의 유형을 의미한다.
개요(Overview)
일반적으로, 본 명세서(herein)에 기술된 계면 구조를 가지는 전극은 상이한 미세구조들을 가지는 적어도 두개의 구역들(zones) 또는 레이어들을 포함하는 바이폴라(bipolar) 장치(예를 들어, 리튬 이온 전지)에 사용하기 위한 전극을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 레이어들은 상이한 공극률들을 가지며, 상이한 물질 화학들(materials chemistries), 및/또는 상이한 활성 물질 입자 크기들을 가진다. 일부 예들에서, 전극은 적어도 하나의 레이어 내에서 활성 물질 화학들(active materials chemistries)의 구배(gradient), 입자 크기들의 구배, 및/또는 활성 물질 입자 크기들의 다양한 분포(multimodal distribution)를 갖는다. 아래에 더 기술되는 바와 같이, 두개의 레이어들은 두개의 레이어들 사이 비평면 전이 구역(transitional zone)을 포함할 수 있는, 계면을 통해 함께 부착될 수 있다. 일부 예들에서, 계면은 더 높은 농도의 결합제 분자들을 포함한다.
전체에 걸친(overall) 전극은 동등한 로딩(loading) 또는 두께의 동종의 전극(homogeneous electrode)에 비하여 증가된 에너지 밀도를 가지도록, 하나 이상의 구역 또는 레이어를 가지는 전극은 낮은 및 높은 공극률의 영역들 가질 수 있다. 계면을 포함함으로써, 전극은 전력 밀도 및 내구성(예를 들어, 전극의 팽창 및 수축 동안 기계적 건전성(mechanical integrity)을 유지함), 전자 퍼콜레이션(electron percolation)(예를 들어, 전자적으로 연결됨), 이온 전도, 고체 전해질 계면(solid electrolyte interphase, SEI)에 대한 저항 축적(buildup), 및 제조 비용 효율성을 유지할 수 있다.
전극은 전극의 대향하는 표면 및 집전체 사이에서, 전극이 부착된 집전체의 평면에 수직한 거리로서 측정된 두께를 가질 수 있다. 대향하는 표면(상부 표면(upper surface)으로도 불림)은 실질적으로 평면일 수 있다. 전극의 상부 표면은 전극이 셀에 포함되는 경우에 분리기(separator), 젤 전해질(gel electrolyte), 또는 고체 전해질과 메이트(mate) 할 수 있다. 일부 예들에서, 본 개시의 계면을 포함하는 전극은 20 마이크로미터(μm) 및 1 밀리미터(mm) 사이의 두께를 가질 수 있다.
예들(examples), 구성 요소들(components), 및 대체들(alternatives)
다음 섹션들은(sections) 관련된 시스템들 및/또는 방법들 뿐만 아니라 계면 구조들을 갖는 전극들을 가지는 예시적인 장치들(exemplary devices)의 선택된 측면들을 기술한다. 이들 섹션들의 예들은 도시(illustration)를 위한 것이며 본 개시의 전체 범위를 제한하는 것처럼 해석되어서는(interpreted) 안된다. 각각의 섹션은 하나 이상의 별개의 실시예들(distinct embodiments) 또는 예시들, 및/또는 문맥상 또는 관련된 정보, 기능, 및/또는 구조를 포함할 수 있다.
A. 예시적인 전지(Illustrative Battery)
본 교시들은 새로운 바이폴라(bipolar) 전기화학 장치(예를 들어, 전지 또는 전기화학 셀) 및 그 안에(therein) 포함된 전극들을 개시한다. 예를 들어, 본 명세서에(herein) 개시된 실시예들은 리튬 이온 전지 셀을 포함하거나 사용하기에 적합할 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 음극(negative electrode)(또한 애노드(102)라고도 알려짐) 및 양극(positive electrode)(또한 캐소드(104)라고도 알려짐)의 2개의 전극들을 포함하는 리튬 이온 전지 셀(100)이 설명된다. 금속 호일들 또는 다른 적합한 기판들을 포함할 수 있는 집전체들(106, 108)은 두개의 전극들에 전기적으로 결합된다. 집전체들은 전자들의 흐름을 가능하게 하고, 그렇게 함으로써(thereby) 전류를 각 전극 안팎으로(into and out) 흐르게 한다. 전해질(electrolyte)(110)은 전극들(102, 104) 사이에서 이온들의 수송(transport)을 가능하게 한다. 본 예에서, 전해질(110)은 전극들(102, 104) 사이의 이온의(ionic) 연결을 용이하게 하는(facilitates) 용해된 이온들을 갖는 액체이다.
전해질(110)은 액체 투과성(liquid permeable)이고 전해질(110) 내에서 및 각 전극 사이에서 이온들의 흐름을 가능하게 하는 동안 캐소드(cathode)와 애노드(anode) 사이의 공간을 물리적으로 분할하는(partitions) 분리기(112)에 의해 전형적으로(typically) 보조된다. 일부 실시예들에서, 폴리머 젤(polymer gel) 또는 고체 이온 전도체는 분리기(separator)를 보강하거나(augments) 분리기를 대신한다(및 분리기의 기능을 수행한다).
전극들 자체는(themselves) 활성 물질 입자들, 결합제, 전도성 첨가제, 및 전해질이 침투하기 위한 공극들(pores)(공극 공간(void space))을 포함하는 복합 구조들(composite structures)이다. 전극의 구성 요소들(constituent parts)의 배열은 미세 구조 또는 보다 구체적으로, 전극 미세 구조로 지칭된다(referred to).
결합제는 전형적으로(typically) 중합체(polymer), 예를 들어, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride)(PVdF)이고, 전도성 첨가제는 전형적으로 나노미터 크기의 탄소, 예를 들어 카본 블랙(carbon black) 또는 흑연(graphite)을 포함한다. 일부 예들에서, 결합제는 카르복시-메틸 셀룰로오스(carboxyl-methyl cellulose: CMC) 및 스티렌-브타디엔 고무(styrene-butadiene rubber: SBR)이다. 일부 예들에서, 전도성 첨가제는 케첸 블랙(ketjen black), 흑연질 탄소(graphitic carbon), 저차원 탄소(예를 들어, 탄소 나노튜브들), 또는 탄소 섬유를 포함한다.
활성 물질 입자들의 화학적 성질(chemistry)은 애노드(102) 및 캐소드(104)에 따라 상이하다. 예를 들어, 양극은 흑연, 티탄산염(Titanate), 티타니아(titania), 전이 금속들(transition metals) 전반(in general), 14족(group 14)의 원소들(예들 들어, 탄소, 규소, 주석(tin), 게르마늄(germanium) 등), 산화물들(oxides), 황화물들(sulfides), 전이 금속들, 할로겐화물들(halides), 및 칼코겐화물들(chalcogenides)을 포함할 수 있다. 캐소드는 전이 금속들(예를 들어, 니켈, 코발트, 망간(manganese), 구리(copper), 아연(zinc), 바나듐(vanadium), 크롬(chromium), 철(iron)) 및 이들의(their) 산화물들, 인산염들(phosphates), 아인산염들(phosphites), 및 규산염들(silicates)을 포함할 수 있다. 캐소드는 알칼리성(alkalines) 및 알칼리성 토금속들(alkaline earth metals), 알루미늄, 산화 알루미늄들(aluminum oxides) 및 인산 알루미늄들(aluminum phosphates)뿐만 아니라 할로겐화물들 및 칼코겐화물들을 포함할 수 있다. 전기화학 장치에서, 활성 물질들은 에너지를 저장 또는 방출하기 위해 작용 이온(working ion)(리튬 이온 전지들에서, 리튬 이온들이 작동 이온들이다)과 함께 전기화학 반응 또는 프로세스(process)에 참여한다.
본 예에서는, 리튬 이온 전지의 작동 동안, 리튬 이온들은 활성 물질 입자들에 포함되는 것과 전해질에 용매화되는(solvated) 것 사이에서 이동한다. 활성 물질의 질량(mass)을 전극(또는 셀)의 총 볼륨(volume)으로 나눈 것은 활성 물질 분율(fraction)으로 알려져 있다. 활성 물질의 볼륨을 전극의 총 볼륨으로 나눈 것은 활성 볼륨 분율으로 알려져 있다.
도 2는 셀(100)의 확대된 부분을 도시한다. 다른 전지들의 케이스가 아닌 이 예에서는, 전극은 제1 레이어(114), 제2 레이어(116), 및 중간 계면 레이어(118)와 함께 레이어된다. 이들 구조들 각각은 아래에 더 상세히 기술된다.
B. 예시적 전극 레이어 구조들(Illustrative Electrode Layer Structures)
전지 기술들에는 (1) 에너지 밀도가 높고, (2) 전력 밀도가 높으며, 및 (3) 현재 사용가능한 것보다 낮은 비용으로 장치들을 사용할 수 있는 세 가지 과제들(challenges)이 존재한다. 전기화학 전지의 에너지 밀도 및 전력 밀도는 전극들, 분리기, 집전체 및 전해질의 전기화학적 및 물리적 특성들(properties)을 포함하는, 셀의 물리적 및 전기화학적 특성들의 복잡한 상호 작용(interplay)의 결과이다.
전극들은 전기화학적 에너지 저장 장치(예를 들어, 리튬-이온 전지 또는 슈퍼 커패시터(super capacitor))의 에너지 저장 구성 요소들이고, 위에서 기술한 바와 같이, 전극들은 흔히(often) 중합 결합제 매트릭스(polymeric binder matrix)에 임베딩된(embedded) 활성 물질 입자들 및 전기적 전도성 입자들로 이루어진 복합 구조이다.
전극들의 전기적 및 전기화학적 성능을 결정하는 물리적 특성들은, 활성 물질 입자들의 평균 크기(예를 들어, 볼륨) 및 크기 분포들, 활성 입자들의 형태들(shapes) 및 형태학(morphology), 전극 공극률, 전극 두께, 활성 질량 분율, 및 집전(전극 내에서 및 전극으로부터 외부 회로로의)의 효능(efficacy)을 포함한다. 이들 파라미터들(parameters)은 전극 임피던스를 줄이고 셀 성능을 높이기 위해 광범위하게 조정될(tailored) 수 있다.
전극(및 따라서 전기화학 에너지 저장 장치)의 에너지 밀도에 영향을 미치는 주요 요인은 전극 활성 질량 로딩(electrode active mass loading)이다. 전극의 활성 질량 로딩이 클수록, 전극의 에너지 저장 용량이 높아진다. 따라서, 장치 에너지 밀도를 개선하기 위한 제1 전략은 높은 활성 질량 로딩(예를 들어, 높은 용량) 전극을 사용하는 것이다. 제1 전략은 비활성 구성 요소들(예를 들어, 집전체, 분리기)의 질량(또는 볼륨)과 비교하여, 활성 물질의 질량(또는 볼륨)을 증가시켜 셀의 에너지 밀도를 높이는데 효과적이다. 패키징된 셀(packaged cell)의 활성 질량 분율(또는 동등하게 활성 볼륨 분율)의 증가는 이러한 방식으로 달성될 수 있다. 게다가, 더 높은 활성 질량 로딩 전극들은 단위 에너지 당 셀 비용들의 감소를 야기한다(lead). 에너지 밀도를 개선하기 위한 제2 전략은(예를 들어, 주어진 볼륨에서) 활성 물질 입자들의 밀집 패킹(dense packing)에 의해 활성 물질 분율을 증가시키는 것이다.
그러나, 이들 전략들 둘 다는 셀 성능의 다른 측면들을 제한하는 바람직하지 않은 결과를 가질 수 있다. 예를 들어, 밀도를 증가시키지 않는 활성 질량 로딩의 증가는 전극의 두께를 증가시킨다. 전극의 두께를 증가시키는 것은 전력 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 전형적으로(typically), 전지 전극은 집전체 기판 상에 균일한 단일 레이어의 슬러리를 코팅함으로써 제조된다. 전극의 두께가 증가함에 따라, 집전체로부터 가장 먼 활성 물질 입자들 및 집전체 자체 사이의 거리가 증가한다. 한 결과로서, 집전체로부터 가장 먼 활성 물질 입자들에 도달하기 위해 전자가 취해야 하는 경로의 길이가 증가된다. 다른 결과로서, 이온이 전극 외부 배치로부터 집전체에 가깝게 배치된 활성 물질 입자로 이동해야 하는 경로 또한 증가한다. 따라서, 전극 두께를 증가시키는 것은 전극의 두께에 걸쳐(across) 이온의 전도성이 감소되고 및 옴 저항(ohmic resistance)이 증가되는 것을 야기한다. 전극의 전력 밀도는 전극과 전해질 사이의 이온 및 전자적 수송과 관련이 있기 때문에, 이러한 전도성들의 감소는 전력 밀도를 감소시키고, 전지의 전력 밀도 및 전극 두께 사이에 반비례 관계(inverse relationship)를 초래한다.
유사하게, 활성 물질 입자들의 패킹 밀도(packing density)가 증가되는 경우 관찰되는 부작용들(adverse effects)이 있다. 예를 들어, 패킹 밀도의 증가는 전극의 공극 공간(void space)을 감소시켜, 공극 공간의 네트워크(network)가 덜 연결되는(less-connected) 결과가 생길 수 있다. 결과적으로, 이온이 주어진 활성 물질 입자의 표면에 도달하기 위해 취해야 하는 경로의 길이는 이온이 더 다공성인 전극에서 취할 수 있는 경로의 길이와 비교하여 더 구불구불할 수(tortuous) 있다(따라서 더 길다). 이러한 방식으로, 패킹 밀도를 증가시키면 전극 내의 이온 전도성을 감소시켜, 전력 밀도에 악영향을 미칠 수 있다.
게다가, 일반적 예에서, 활성 물질의 밀도 및 미세 구조의 공극률은 전극 전체에 걸쳐(throughout) 균일하다. 활성 물질 입자들을 밀접하게(closely) 함께 패킹하고(packing) 및/또는 전극들을 매우 두껍게 제작함으로써(making), 장치가 빠른 속도(예를 들어, 급속(rapid) 충전 또는 방전)로 작동되는 경우 리튬 이온들의 농도 구배들(concentration gradients)이 복합 전극 공극들 내에 축적될 수 있다. 이러한 현상은 분극(polarization)으로 알려져 있으며 장치에서 속도(rate) 성능(performance)(및 따라서 전력 밀도)을 제한한다. 이러한 모든 고려사항들에 근거하여, 셀을 설계하는 경우 에너지 밀도와 전력 밀도간에 전형적으로(typically) 명확한 균형(trade-off)이 있다.
배터리 전극들의 최대 두께는 현재 응용 분야들(applications)에서 일반적으로 100 미크론(microns)으로 제한된다. 이 최대 두께를 200 미크론 또는 그 이상으로 증가시키는 것은 볼륨 및 용적의 에너지 밀도를 35%까지 증가시키기 위한 것으로 이해된다. 전극 두께 및/또는 전들의 밀도를 증가시키는 것은 또한 전지 제조, 포장(packaging), 및 가전 제품들에서 운송 및 그리드(grid) 저장까지 이르는 다수의(multiple) 응용분야들에서 최종 용도의 자본 환경(economics) 상에 중요한 영향을 미칠 것으로 이해된다. 에너지 밀도와 전력 사이의 균형을 완화하거나(mitigate) 극복하기(overcome) 위한 구조들을 가지는 전극을 설계하는 것이 매우 유리할 것이다.
상당한 발전들이 있었지만, 기존 해결책들은(existing solutions) 이러한 문제들을 해결하기에는 부족하다(fall short). 이러한 과제들을 적어도 부분적으로 다루기(address) 위해, 불균일한 미세구조를 갖는 전극들이 제안되었다. 일 예에서, 전극은 상이한 미세구조들(예를 들어, 상이한 활성 물질들, 공극률, 입자 크기 분포들)을 갖는 적어도 두개의 레이어들을 포함한다. 이들 레이어들은 레이어에 걸친 미세구조의 연속적인 변화를 더 포함할 수 있다. 그러나, 계면의 형성 및 특성들을 포함하는 해결책들은 크게 무시되어왔다.
전극의 용량들(capabilities)의 한계에서 요구하는 조건들(demanding conditions) 하에서 에너지 저장 장치의 작동은 전지 전극의 충전 및 방전 동안 볼륨 팽창(팽윤(swelling)) 및 수축에 의해 유도되는(induced by) 수용하는 스트레스들(accommodating stresses)을 요구한다. 이는 4개의 상호연관된(interrelated) 과제들을 야기한다. 제1 케이스(first case)에서, 제1 전극 레이어 및 제2 전극 레이어가 서로 부착된 상태로 유지되도록 전극의 기계적 건전성(mechanical integrity)(일관성(coherence))은 유지되어야 한다(예를 들어, 기계적 안정성). 제2 케이스에서, 제1 레이어 및 제2 레이어는 전자적으로 연결된(침투된(percolated)) 상태로 유지되어, 전자들의 흐름이 제1 레이어로부터 제2 레이어로 또는 반대로(vice versa) 가능하게 해야 한다. 제3 케이스에서, 레이어들 사이의 계면은 이온들의 흐름을 차단(block)하거나 억제(inhibit)해서는 안되며, 이는(which) 레이어들 사이에 전해질 분극을 생성할 것이다. 제4 케이스에서, 구체적으로 애노드들을 위하여, 레이어들 사이에 계면은 증가된 고밀화(densification)의 영역들을 생성하지 않아야 하며, 공극들을 차단하고 리튬 도금(lithium plating)을 유도하는 레이어들 사이의 계면에서 고체 전해질 계면 (SEI) 축적(buildup)을 초래한다. 이러한 문제들은(issues) 두개의 분리된(discrete) 레이어들 사이의 정합을(mating) 제어함으로써 높은 성능을 갖는 다중 레이어(multilayer) 전극을 제조하는데 있어 주요 과제를 제시한다.
본 개시는 전력 밀도를 감소시키지 않으면서 불균일한(예를 들어, 구배(gradient)) 전극 미세구조들, 및 따라서 증가된 에너지 밀도를 달성하기(achieving) 위한 장치들 및 구조들을 제공한다. 도 3은 두개의 활성 물질 복합체 구역들 또는 레이어들(302, 304)를 포함하는 예시적인 전극 부분(300)을 도식적으로 묘사한다. 활성 물질 복합체 레이어들은 인접한 레이어들일 수 있으며, 각각은 전극이 부착된 집전체에 일반적으로(generally) 평행한 평면에 놓인다. 활성 물질 복합체 레이어들(302, 304)은 제2 방향(322)뿐만 아니라 도면의 페이지(page)의 안팎으로(into and out) 향하는(going) 방향과 전반적으로(generally) 평행하도록, 집전체에 수직인 평면들은 (320)으로 지시된(indicated) 방향으로 놓일 수 있다.
본 예에서, 제1 활성 물질 복합체 레이어(302)는 집전체로부터 더 멀고, 분리기에 더 가깝고, 제2 활성 물질 복합체 레이어(304)는 집전체에 더 가깝고 분리기로부터 더 멀다. 제1 활성 물질 복합체 레이어(302)는 복수의 제1 활성 물질 입자들(340), 결합제(342), 및 전도성 첨가제를 포함한다. 제2 활성 물질 복합체 레이어(304)는 복수의 제2 활성 물질 입자들(350), 결합제(352), 및 전도성 첨가제를 포함한다. 결합제(342, 352)는 유형 또는 농도가 동일하거나 상이할 수 있다. 제1 및 제2 전도성 첨가제들은 유형 및/또는 농도가 동일 또는 상이할 수 있다.
계면(310)은 2개의 활성 물질 복합체 레이어들(302,304)을 상호침투 및 바인드한다(binds). 제1 활성 물질 입자들(340)은 제1 분포의 크기들을 형성하는 상이한 볼륨들을 가지는 다수의 입자들을 포함한다. 제2 활성 물질 입자들(350)은 제2 분포의 크기들을 형성하는 상이한 볼륨들을 가지는 다수의 입자들을 포함한다. 제1 및 제2 분포들은 실질적으로 동일하거나 상이할 수 있다. 하나 또는 양쪽의 분포들은 단봉형(unimodal) 또는 다중봉(multimodal) 일 수 있다. 제1 및 제2 활성 물질 입자들은 실질적으로 동일하거나 상이한 평균 표면적들을 가지거나, 실질적으로 동일하거나 상이한 모드들(modes)을 갖는 표면적들의 분포를 가질 수 있다. 전반적으로, 제1 복수의 활성 물질 입자들(34) 및 제2 복수의 활성 물질 입자들(350)은 화학 조성(chemical composition), 유형 또는 형태학(morphology)이 동일하거나 상이할 수 있다.
계면(310)은 증가된 농도의 제1 활성 물질 입자들을 갖는 제1 및 제2 활성 물질 입자들의 혼합물(mixture)을 포함할 수 있거나, 또는 계면(310)은 증가된 농도의 제2 활성 물질 입자들을 포함할 수 있다. 계면(310)은 제1 레이어 또는 제2 레이어와 같은 동일 구성(composition)을 가질 수 있거나 제1 및 제2 레이어 구성의 혼합물인 구성을 가질 수 있다.
본 예에서 계면(310)은 제1 복합체 구역(302) 및/또는 제2 복합체 구역(304)과 비교하여 증가된 농도의 결합제 분자들(312)을 포함한다. 일부 예들에서, 계면(310)은 제1 복합체 구역(302) 및/또는 제2 복합체 구역(304)과 비교하여 증가된 농도의 전도성 첨가제 분자들 및 전도성 첨가제 입자들을 포함한다. 예를 들어, 계면(310)은 그래핀(graphene), 단일벽(single walled) 탄소 나노튜브들, 다중벽(multi-walled) 탄소 나노튜브들, 버키볼들(bucky balls), 전이 금속 및 준금속(metalloid) 입자들 및 착물들(complexes) 등과 같은 카본 블랙, 흑연 탄소들, 비정질(amourphous) 탄소들, 저차원 탄소 나노구조들을 포함할 수 있다.
게다가, 이들 첨가제들은 제1 구역(302) 및 제2 구역(304) 사이의 이온 전도도(ionic conduction)를 개선하기 위해 리튬을 전도하는(conduct) 화학 족들, 기능성들, 일부분들(moieties) 또는 잔여물들(residues)을 포함할 수 있다. 이들 첨가제들은 제1 구역 및 제2 구역 사이에 전자 전도(electronic conduction)를 개선하기 위해 전자들을 전도하는 화학 족들, 기능성들, 일부분들 또는 잔여물들을 포함할 수 있다. 추가의 예들에서, 제1 활성 물질 입자들의 제1 일 함수(work function)는 제2 활성 물질 입자들의 제2 일 함수와 실질적으로 상이할 수 있다.
이 예에서, 계면(310)은 제1 및 제2 일 함수들 사이에 제3 일 함수를 갖는 전도성 첨가제를 포함할 수 있다. 따라서, 계면(310)은 제1 및 제2 복수들(pluralities) 사이의 전기 임피던스(electrical impedance)를 감소시킬(reduce) 수 있다. 일부 예들에서, 계면(310)은 제1 복합체 구역(302) 및/또는 제2 복합체 구역(304)과 비교하여, 증가된 농도의 결합제 및 증가된 농도의 전도성 첨가제를 포함한다. 본 개시의 목적들을 위하여, 해당 기술분야에서(in the art) 전형적으로(typically) 공지된 것들(예를 들어, PVdF, CMC, SBR) 및 추가의 장쇄(long chain) 중합체 화학 종들뿐만 아니라 중합체들, 및 다른 장쇄 분자들, 및/또는 기타의 조합들 또는 치환들(permutations)을 포함할 수 있다.
일 예에서, 전극 부분(300)은 리튬 이온 셀에 포함된 캐소드의 부분이다. 이 예에서 리튬 이온 셀의 충전 동안, 제1 활성 물질 입자들(340) 및 제2 활성 물질 입자들(350)은 탈리튬화된다(delithiate). 이 프로세스 동안, 활성 물질 입자들은 수축하여, 전극 부분(300)(뿐만 아니라 전극 전체로서)이 수축되도록 유발할 수 있다. 대조적으로, 셀의 방전 동안, 활성 물질 입자들은 리튬화(lithiate) 및 팽윤(swell), 전극 부분(300) 및 전극 전체로서 팽윤하도록(swell) 유발한다.
대안적인 예에서, 전극 부분(300)은 리튬 이온 셀에 포함된 애노드의 부분이다. 이 예에서, 리튬 이온 셀의 충전동안, 제1 활성 물질 입자들(340) 및 제2 활성 물질 입자들(350)은 리튬화한다(lithiate). 이 프로세스 동안, 활성 물질 입자들은 팽윤하여(swell), 전극 부분(300)(뿐만 아니라 전극 전체로서)이 팽윤하도록(swell) 유발할 수 있다. 반대로, 셀의 방전 중에, 활성 물질 입자들(340, 350)은 탈리튬화 및 수축하여, 전극의 수축을 유발한다.
이들 예들 중 어느 하나에서, 팽윤(swelling) 및 수축동안, 전극 부분(300)은 일관성 있는(coherent) 상태로 유지되며, 제1 전극 구역 및 제2 전극 구역은 계면(310)에 의해 구속된(bound) 상태로 유지된다. 전반적으로, 제1 및/또는 제2 전극 구역들(302, 304)에서 이들 성분들(constituents)의 농도에 관하여 증가된 농도의 결합제 및/또는 전도성 첨가제는 두개의 구역들을 함께 부착하는 기능(function)을 한다.
일부 예들에서, 계면(310)은 전해질 완충 레이어(buffer layer)을 포함할 수 있다. 일 예에서, 결합제 또는 첨가제 분자가 전해질 용매 및/또는 이온들을 용이하게(readily) 흡수하도록(absorbs) 결합제 또는 첨가제 분자는 다공성 구조를 가지는 계면(310)에 포함된다. 다른 예에서, 결합제 또는 첨가제와 같은 기능화된(functionalized) 분자의 질량은, 기능화된 분자는 제1 구역(302), 제2 구역(304) 또는 계면(310) 중 적어도 어느 하나의 전해질의 안팎으로의 수송을 개선하기 위하여 전해질 용매 또는 이온들과 상호작용하는 족, 일부분(moiety), 또는 잔여물을 포함하는, 계면(310)에 포함된다.
도 4는 또 다른(another) 예시적인 전극 부분(400)을 도시적으로 묘사한다. 본 예에서, 제1 구역 또는 레이어(402)에 복수의 제1 입자들(440)은 제2 구역 또는 레이어(404)에 복수의 제2 입자들(450)의 평균 볼륨보다 작은 평균을 갖는 볼륨의 분포를 갖는다(예를 들어, 더 작은 평균 크기). 일부 예들에서, 제1 입자들(440) 제2 입자들(4500의 집합 표면적(collective surface area)보다 큰 집합 표면적을 갖는다. 집전체에 평행한 평면들이 제2 방향(422)에 평행한 선들뿐만 아니라 도면의 페이지의 안팎으로 향하는 것에 평행한 선들을 포함하도록 집전체에 전반적으로 수직으로(perpendicular) 놓여있는 평면은 방향(420)으로 놓일 수 있다.
일부 예들에서, 제1 입자들(440)은 분리기에 더 가깝고 집전체로부터 더 떨어져(further) 있을 수 있고, 제2 입자들(450)은 분리기로부터 더 떨어져 있고 집전체에 더 가까울 수 있다. 다른 예들에서는 그 반대이다. 두개의 복수의 입자들(440, 450)은 계면 레이어(410)에서 상호침투 및 함께 바인드한다.
본 예에서, 제1 및 제2 입자들 사이의 볼륨 차이로 인하여, 계면(410) 내에서 제1 입자들(440) 및 제2 입자들(450) 사이에 기계적 인터로킹(mechanical interlocking)이 발생한다. 기계적 인터로킹은 전극 부분(400)의 응집력(cohesion)을 향상시킨다. 이러한 방식으로, 계면(410)은 활성 물질 입자들(440, 450)의 리튬화 및 탈리튬화 동안 전극 부분(400) (및 전극 전체로서)을 기계적으로 안정화시킨다(stabilizes).
도 5는 다른 예시적인 전극 부분(500)을 개략적으로 도시한다. 도 5의 뷰(view)는 방향 (520)이 집전체 및/또는 분리기에 실질적으로 수직이고, 방향 (522)이 집전체 및/또는 분리기에 실질적으로 평행하도록 한 단면(cross-sectional)이다. 전극 부분(500)은 제1 구역 또는 레이어(502)에서 복수의 제1 활성 입자들(540) 및 제2 구역 또는 레이어(504)에서 복수의 제2 활성 입자들(550)뿐만 아니라 계면(510)을 포함한다. 계면(510)은 방향 (520)에서 8 미크론(microns) 보다 작은 두께(512)를 가질 수 있다. 추가의 예들에서, 두께(512)는 10 미크론 미만; 20 미크론 미만; 40 미크론 미만; 60 미크론 미만; 및/또는 80 미크론 미만일 수 있다.
본 예에서, 입자들(550) (방향 (522)에서) 사이 평균 거리(552)는 제1 입자들로부터 더 멀리 떨어져 배치된(disposed) 그들 제2 입자들(550) 사이의 평균 거리(558)보다 제1 입자들(540)(방향 (520)을 따라)이 훨씬 더 가깝다. 게다가, 제2 입자들 (방향 (522)) 사이의 평균 거리(554)는 제1 입자들로부터 더 멀리 배치된 이들 제2 입자들 사이의 평균 거리(556)보다 제1 입자들(방향 (520)을 따라서)을 향하여 더 크다. 본 예에서, 제1 입자들(540) 사이의 평균 거리(542)는 평균 거리(552)와 실질적으로 유사하다.
본 예의 구조는 제1 레이어 복합체 위로(onto) 제2 레이어 복합체를 코팅하는 단계를 포함하는 전극을 형성하는 방법(도 12에 관하여 후술되는 방법과 유사)으로부터 기인한다(result from). 이 예에서, 제1 레이어는 제2 레이어의 코팅에 앞서 레이어의 공극률의 측면에서 실질적으로 동종(homogeneous)이다. 제2 레이어를 코팅한 결과로서, 제2 레이어로부터의 용매는 제1 레이어를 상호침투하여 제1 레이어 내에서 팽윤(swelling)을 유발한다. 결과적으로, 제1 레이어 내에 포함된 복수의 활성 물질 입자들 사이의 평균 거리는 제2 레이어에 가장 근접하게 배치된 일부 활성 물질 입자 때문에 증가한다(increase for).
도 6은 다른 예시적인 전극 부분(600)을 개략적으로 묘사한다. 위의 예들과 같이, 전극 부분(600)은 제1 구역 또는 레이어(602)에 복수의 제1 활성 입자들(640) 및 제2 구역 또는 레이어(604)에 복수의 제2 활성 입자들(650)뿐만 아니라 계면(610)을 포함한다. 이 예에서, 전극 부분(600)은 또한 복수의 제3 활성 물질 입자들(660)을 포함한다. 입자들(660)은 제2 입자들의 서브셋(subset)이다. 여기서, 입자들(660)은 예를 들어 캘린더링 프로세스들 동안 압축되었으며, 나머지 제2 입자들(650)과 비교하여 삐뚤어진 형상(distorted shape)을 가진다. 이 분쇄된(crushed) 또는 평평하게된(flattened) 활성 물질 레이어는 평면 경계(planar boundary)를 형성하고, "크러스트(crust)"로서 지칭될 수 있다. 이러한 경계는 많은 상황들에서 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 크러스트는 계면 레이어가 덜 효과적이도록 두가지의 입자 유형들의 상호침투 또는 상호혼합(intermixing)을 감소시킬 수 있다. 도 7은 두개의 그러한 크러스트들이 존재하는 전극(700)의 단면도(sectional view)이다. 전극(700)은 하부에서 집전체(710) 및 상부에서 분리기(712) 사이에, 제1 입자들(704)을 가지는 제1 레이어(702) 및 제2 입자들(708)을 가지는 제2 레이어(706)를 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 입자들(708)은 가압 또는 캘링더되어, 두개의 레이어들 사이에 명확한(clear) 평면 경계에 크러스트(714)를 형성한다. 제2 크러스트(716)는, 전극 레이어들은 분리기에 부착하는 준비를 위하여 전체로서 캘린더되는, 제1 입자들 및 분리기 사이 경계에 존재한다. 본 개시 전체에 걸쳐 설명된 바와 같이, 이 유형의 전극은 2개의 활성 물질 복합체 레이어들 사이의 기계적 건전성, 전자 퍼콜레이션(electronic percolation), 이온의 전도성, 및 SEI 축적의 과제들을 견디기에 충분하지 않을 수 있다.
도 8은 전극 부분들(400 또는 500)과 유사한 예시적인 전극 부분(800)의 단면도이다. 이 예에서, 활성 물질들(802)은 집전체 기판(804) 위로 레이어되어 있다. 활성 물질들은 제1 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제1 활성 물질 입자들(808)을 포함하는 제1 레이어(806)를 포함한다. 제1 입자들은 제1 평균 입자 크기를 가진다. 활성 물질들(802)은 제2 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제2 활성 물질 입자들(812)을 포함하는 제2 레이어(810)를 더 포함한다. 제2 평균 입자 크기를 가지는 제2 입자들은 첫번째 것(the first)과 상이하다. 이 예에서, 제2 입자들은 제1 입자들보다 작다.
전극 부분(800)은 제1 레이어(806)를 제2 레이어(810)에 부착하는 계면 레이어(814)를 또한 포함한다. 본 예에서, 계면(814)은 제1 레이어(806), 제2 레이어(810), 또는 두개의 레이어들의 물리적 혼합물과 실질적으로 유사한 조성(composition)을 가질 수 있다. 더욱이(further), 본 예에서 계면(814)은 제1 레이어(806), 제2 레이어(810), 또는 두 레이어들의 물리적 혼합물과 실질적으로 유사한 결합제 조성 및 농도를 가질 수 있다. 더 나아가, 본 예에서 계면(814)은 제1 레이어(806), 제2 레이어(810), 또는 두개의 레이어들의 물리적 혼합물과 실질적으로 유사한 전도성 첨가제 조성 또는 농도를 가질 수 있다. 계면 레이어(814)가 제1 평균 입자 크기보다 작고 제2 평균 입자 크기보다 큰 제3 평균 입자 크기를 갖도록, 계면 레이어(814)는 제1 입자들 및 제2 입자들의 상호혼합 또는 상호침투를 포함한다. 다시 말해, 계면 레이어(814)는 제1 레이어(806)의 제1 입자들로부터 제2 레이어(810)의 제2 입자들로 점진적인 전이를 포함한다. 분리기(816)는 제2 레이어(810)에 부착된다.
도 9는 두개의 활성 물질 복합체 레이어들(902, 904)을 포함하는 다른 예시적인 전극 부분(900)을 개략적으로 도시한다. 활성 물질 복합체 레이어들은 인접 레이어들(adjacent layers)일 수 있으며, 각각은 전극이 부착된 집전체와 대체로(generally) 평행한 평면에 놓인다. 활성 물질 복합체 레이어들(902, 904)은 대체로 제2 방향(922) 뿐만 아니라 도면의 페이지의 안팎으로 향하는 방향과 평행하도록, 집전체에 수직인 평면은 (920)에 지시된 방향으로 놓일 수 있다.
본 예에서, 제1 활성 물질 복합체 레이어(902)는 집전체로부터 더 멀고, 분리기에 더 가까우며, 제2 활성 물질 복합체(904)는 집전체에 더 가깝고, 분리기로부터 더 멀다. 제1 활성 물질 복합체 레이어(902)는 복수의 제1 활성 물질 입자들(940), 결합제, 및 전도성 첨가제를 포함한다. 제2 활성 물질 복합체 레이어(904)는 복수의 제2 활성 물질 입자들(950), 결합제, 및 전도성 첨가제를 포함한다.
계면(910)은 두개의 활성 물질 복합체 레이어들(902, 904)를 상호관통하고 바인드한다. 제1 활성 물질 입자들(902)은 제1 분포의 크기들을 형성하는 상이한 볼륨들(different volumes)을 가지는 다수의 입자들을 포함한다. 제2 활성 물질 입자들(904)은 제2 분포의 크기들을 형성하는 상이한 볼륨들을 가지는 다수의 입자들을 포함한다. 제1 및 제2 분포들은 실질적으로 동일하거나 상이할 수 있다. 하나 또는 양쪽의 분포들은 단봉형(unimodal)이거나 다중봉(multimodal)일 수 있다. 제1 및 제2 활성 물질 입자들은 실질적으로 동일하거나 상이한 평균 표면적들을 가질 수 있거나, 실질적으로 동일하거나 상이한 모드들(modes)을 갖는 표면적들의 분포들을 가질 수 있다.
본 예에서 계면(910)은 제1 활성 물질 복합체 레이어(902) 및 제2 활성 물질 복합체 레이어(904) 사이의 비평면 경계를 포함한다. 제1 활성 물질 복합체 레이어(902) 및 제2 활성 물질 복합체 레이어(904)는 두개의 활성 물질 복합체 레이어들을 함께 인터록(interlock)하는 개별적인(respective), 3차원의, 상호침투하는 핑거들(914, 916)을 가지며, 전극 팽창(expansion) 및 수축으로 인한 스트레스들(stresses)을 견딜 수 있는 기계적으로 견고한 계면(mechanically robust interphase)을 형성한다. 게다가, 제1 핑거들(914) 및 제2 핑거들(916)에 의해 형성(define)된 비평면 표면들(non-planar surfaces)은 계면 경계의 증가된 총 표면적을 나타내며(represent), 증가된 총 표면적은(which) 제1 활성 물질 복합체 레이어 및 제2 활성 물질 복합체 레이어 사이에 더 많은 결합 부위들(binding sites)을 제공한다. 핑거들(914, 916)은 핑거들, 돌기부들(protrusions), 연장부들(extensions), 돌출부들(projections), 및/또는 등으로 지칭될 수 있다. 더욱이, 핑거들(914, 916) 사이의 관계는 인터로킹(interlocking), 상호침투(interpenetrating), 인터디지테이팅(interdigitating), 인터메싱(intermeshing), 상호연결(interconnecting), 상호연동(interlinking), 및/또는 등으로 기술될 수 있다.
핑거들(914, 916)은 복수의 실질적으로 분리된(discrete) 상호침투들이며, 핑거들(914)은 전반적으로 제1 활성 물질 입자들(940)로 구성되고, 및 핑거들(916)은 전반적으로 제2 활성 물질 입자들(950)로 구성된다. 핑거들은 3차원적으로 인터디지테이트되며(interdigitated), 레고 블록들(lego bricks)의 스튜드 앤 튜브 구조(stud-and-tube construction)의 불규칙한 형태와 비슷하다(analogous). 따라서, 도 9의 그것(that)에 수직인(perpendicular) 단면이 또한 도 9에 도시된 것과 유사한 비평면, 기복이 있는(undulating) 경계를 도시하도록, 핑거들(914, 916)은 전형적으로(typically) 임의의 방향으로 전극을 확장하지 않는다. 핑거들(914, 916)은 크기 또는 형태가 균일하지 않을 수 있으나, 핑거들은 평균 또는 일반적(typical) 길이(918)를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 핑거들(914, 916)의 길이(918)는 제1 활성 물질 복합체 레이어 또는 제2 활성 물질 복합체 레이어의 평균 활성 물질 입자 크기 중 더 작은 것의 2배 및 5배 사이의 범위에 들 수 있다. 일부 예들에서, 핑거들(914, 916)의 길이(918)는 제1 활성 물질 복합체 레이어 또는 제2 활성 물질 복합체 레이어의 평균 활성 물질 입자 크기 중 더 작은 것의 11배 및 50배 사이의 범위에 들 수 있다. 일부 예들에서, 핑거들(914, 916)의 길이(918)는 제1 활성 물질 복합체 레이어 또는 제2 활성 물질 복합체 레이어의 평균 활성 물질 입자 크기 중 더 작은 것의 50배보다 더 클 수 있다.
일부 예들에서, 핑거들(914, 916)의 길이(918)는 대략 2마이크로미터(2μm)에서 대략 5마이크로미터(5μm)의 범위에 들 수 있다. 일부 예들에서, 핑거들(914, 916)의 길이(918)는 대략 6마이크로미터(6μm)에서 대략 10마이크로미터(10μm)의 범위에 들 수 있다. 또 다른 예에서, 핑거들(914, 916)의 길이(918)는 대략 11마이크로미터(11μm)에서 대략 50마이크로미터(50μm)의 범위에 들 수 있다. 또 다른 예에서, 핑거들(914, 916)의 길이(918)는 대략 50마이크로미터(50μm)보다 클 수 있다.
본 예에서, 계면 영역(910)의 총 두께(924)는 두개의 활성 물질 복합체 레이어들 사이의 상호침투의 정도(level)에 의해 정의된다. 하한(lower limit)(926)은 제1 활성 물질 복합체 레이어(902)에 의해(예를 들어, 핑거들(914)에 의해) 도달된 최저 지점(lowest point)에 의해 정의될 수 있다. 상한(upper limit)(928)은 제2 활성 물질 복합체 레이어(904)에 의해(예를 들어, 핑거들(916)에 의해) 도달된 최고 지점(highest point)에 의해 정의될 수 있다. 계면 영역의 총 두께(924)는 한계들(limits)(926, 928) 사이의 거리 또는 분리(separation)로 정의될 수 있다. 일부 예들에서, 계면 영역(910)의 총 두께는, 제1 활성 물질 복합체 레이어의 평균 활성 물질 입자 크기 또는 제2 활성 물질 복합체 레이어의 평균 활성 물질 입자 크기 중 작은 것의 대략 200% (2x)와 대략 500% (5x) 사이, 대략 500% (5x)와 대략 1000% (10x) 사이, 대략 1000% (10x)와 대략 5000% (50x) 사이, 및/또는 대략 5000% (50x)보다 큰 것과 같은, 다양한 상대적인 범위들 중 하나 이상 내에 속할 수 있다.
일부 예들에서, 계면 영역(910)의 총 두께(924)는 대략 3마이크로미터 및 대략 10마이크로미터, 대략 10마이크로미터 및 대략 50마이크로미터, 대략 50마이크로미터 및 대략 100마이크로미터, 대략 100마이크로미터 및 대략 150마이크로미터 사이, 및/또는 대략 150마이크로미터보다 큰 것과 같은, 다양한 절대 범위들(absolute ranges) 중 하나 이상 내에 속할 수 있다.
본 예에서, 제1 활성 물질 복합체 레이어(902)의 제1 활성 물질 입자들(940)은 제2 활성 물질 복합체 레이어(904)의 제2 활성 물질 입자들(950)의 평균 볼륨 보다 큰 평균(예를 들어, 큰 평균 크기)을 가지는, 볼륨들의 분포를 가진다. 일부 예들에서, 제1 활성 물질 입자들(940)은 제2 활성 물질 입자들(950)의 집단 표면적(collective surface area)보다 작은 집단 표면적을 가진다. 다른 예들에서는 그 반대이다. 제1 활성 물질 입자들(940)은 제2 활성 물질 입자들(950)의 평균 볼륨보다 작은 평균(예를 들어, 더 작은 평균 크기)을 가지는 볼륨들의 분포를 가진다. 일부 예들에서, 제1 활성 물질 입자들(940)은 제2 활성 물질 입자들(950)의 집단 표면적보다 큰 집단 표면적을 가진다.
본 예에서, 제1 활성 물질 입자들(940) 및 제2 활성 물질 입자들(950)은 입자 형태학(morphology)에서 실질적으로 구형(spherical)이다. 다른 예들에서, 어느 하나의 활성 물질 복합체 레이어에서 복수의 활성 물질 입자들 중 하나 또는 양쪽은, 플레이크형(flake-like), 소판형(platelet-like), 불규칙한(irregular), 포테이토 형태(potato-shaped), 오블롱(oblong), 파쇄된(fractured), 더 작은 입자 유형의 응집체들(agglomerates), 또는 위의 조합들의 형태학들(morphologies)을 가질 수 있다.
전극 부분(900)의 입자들이 리튬화 또는 탈리튬화 되는 경우, 전극(300)과 관련하여 전술한 바와 같이, (예를 들어, 팽윤(swelling) 또는 수축(contracting)동안) 전극 부분(900)은 일관성 있는(coherent) 상태를 유지하며, 제1 활성 물질 복합체 레이어 및 제2 활성 물질 복합체 레이어는 계면(910)에 의해 구속된다(bound by). 전반적으로, 핑거들(914, 916)의 상호침투 또는 인터디지테이션(interdigitation), 뿐만 아니라 계면 경계의 증가된 표면적은, 두개의 구역들을 함께 부착시키는 기능을 한다.
도 10은 인터록된 핑거들(1014, 1016)을 가지는 계면(1010)을 형성하는 두개의 활성 물질 복합체 레이어들(1002, 1004)을 포함하는 다른 예시적인 전극 부분(1000)을 도시적으로 묘사한다. 활성 물질 복합체 레이어들은 인접 레이어들 일 수 있으며, 각각은 전극이 부착된 집전체와 전반적으로 평행한 평면에 놓인다. 활성 물질 복합체 레이어들(1002, 1004)이 제2 방향 (1022) 뿐만 아니라 도면의 페이지(page)의 안팎으로 향하는 방향과 전반적으로 평행하도록, 집전체에 수직인 평면들은 (1020)에 지시된 방향으로 놓일 수 있다.
본 예에서, 제1 활성 물질 복합체 레이어(1002)는 집전체로부터 더 멀고, 분리기에 더 가깝고, 및 제2 활성 물질 복합체 레이어(1004)는 집전체에 더 가깝고, 분리기로부터 더 멀다. 제1 활성 물질 복합체 레이어(1002)는 복수의 제1 활성 물질 입자들(1040), 결합제, 및 전도성 첨가제를 포함한다. 제2 활성 물질 복합체 레이어(1004)는 복수의 제2 활성 물질 입자들(1050), 결합제, 전도성 첨가제를 포함한다.
전극(1000)은 전극(900)과 실질적으로 유사하며, 전반적으로 유사한 용어로 기술될 수 있다. 그러나, 도 10의 본 예에서, 제1 활성 물질 복합체 레이어(1002)의 제1 활성 물질 입자들(1040)은 입자 형태학(morphology)이 실질적으로 구형인 반면, 제2 활성 물질 복합체 레이어(1004)의 제2 활성 물질 입자들(1050)은 입자 형태학(morphology)에서 구형(spherical), 플레이크형(flake-like), 소판형(platelet-like), 불규칙한(irregular), 포테이토 형태(potato-shaped), 오블롱(oblong), 파쇄된(fractured), 더 작은 입자 유형의 응집체들(agglomerates), 또는 위의 조합들이다. 다른 예들에서, 그 반대 일 수 있다.
도 11은 전극 부분들(900, 1000)과 유사한 예시적인 전극 부분(1100)의 단면도이다. 이 예에서, 활성 물질 입자들(1102)은 집전체 기판(1104) 상에 레이어 되어 있다. 활성 물질들은 제1 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제1 활성 물질 입자들(1108)을 포함하는 제1 활성 물질 복합체 레이어(1106)를 포함한다. 제1 활성 물질 입자들(1108)은 제1 평균 입자 크기(1118)를 가진다. 활성 물질 입자들(1102)은 제2 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제2 활성 물질 입자들(1112)을 포함하는 제2 활성 물질 복합체 레이어(1110)를 더 포함한다. 제2 활성 물질 입자들(1112)은 제1 평균 입자 크기와 상이한 제2 평균 입자 크기(1120)를 가진다. 이 예에서, 제2 활성 물질 입자들(1112)은 제1 활성 물질 입자들(1108)보다 작다. 다른 예들에서는 그 반대이다.
실질적으로 비평면 계면 경계(1114)는 제1 활성 물질 복합체 레이어(1106) 및 제2 활성 물질 복합체 레이어(1110) 사이에 배치된다. 제1 활성 물질 복합체 레이어는 제2 활성 물질 복합체 레이어 안으로 연장하는 핑거들(1122)을 가지며, 제2 활성 물질 복합체 레이어는 제1 활성 물질 복합체 레이어 안으로 연장하는 핑거들(1124)을 가진다. 계면 영역의 하한(1126) 및 상한(1128)은 개별적으로 제1 핑거들(1122)에 의해 도달된 최저 지점 및 제2 핑거들(1124)에 의해 도달된 최고 지점에 의하여 정의된다.
도 9 내지 도 11의 구조들은 제2 활성 물질 복합체 슬러리를 제1 활성 물질 복합체 슬러리의 레리어 위로(onto) 코팅하는 단계를 포함하는 전극을 형성하는 방법(도 12와 관련하여 후술되는 방법과 같은)으로부터 기인한다(result from). 두개의 레이어들을 코팅한 결과로서, 제1 활성 물질 복합체 슬러리 및 제2 활성 물질 복합체 슬러리로부터의 용매가 제한된 정도(limited degree)로 상호혼합되어(intermix), 상호침투하는 핑거 구조들을 형성하도록 유발한다.
비록 위의 다양한 전극 부분들이 계면에 의해 결합된 2개의 활성 물질 복합체 레이어들을 가지는 것으로 기술되고 도시되었으나, 본 개시에 따른 전극들은 총 3개 또는 4개의 활성 물질 복합체 레이어들과 같이 추가의 레이어들을 포함할 수 있다. 추가의 레이어들 각각은 실질적으로 본 명세서에 기술된 바와 같이, 개별적인 계면에 의해 인접한 레이어(들)에 부착될 수 있다. 일부 예들에서, 각각의 계면 레이어들은 동일한 유형일 수 있다. 일부 예들에서, 상이한 계면 유형들이 동일한 전극 내에(예를 들어, 상이한 쌍들의 활성 물질 복합체 레이어들 사이에) 존재할 수 있다.
위에서 논의된 예들 및 실시예들은 어떠한 방식으로(in any fashion) 제한하려는 것이 아니며, 다수의 치환들(permutations) 및 조합들로 함께 고려될 수 있다. 위의 주어진 예들은 리튬 이온 전지들을 포함하지만, 추가의 예들 및 실시예들은 전해질 매체(electrolytic media)가 마이크로 또는 나노 구조 전극을 상호침투하는 액체/고체 계면, 기체/고체 계면 또는 고체/고체 계면을 가지는 임의의 전기화학 또는 바이폴라 장치를 위하여 사용될 수 있다.
C. 예시적인 방법(Illusrative Method)
도 12를 보면, 이 섹션은 계면을 포함하는 전극을 형성하기 위한 예시적인 방법(1200)의 단계들을 기술한다. 본 명세서에 기술된 전극들 및 제조 장치들(manufacturing devices)의 측면들은 아래에 기술된 방법 단계들에서 활용될 수 있다. 적절한 경우, 각 단계를 수행하는데 사용될 수 있는 조성들 및 시스템들은 참조될 수 있다. 이들 참조들(references)은 예시를 위한 것이며, 본 방법의 임의의 특정 단계를 수행하는 가능한 방법들을 제한하려는 것이 아니다.
도 12는 예시적인 방법으로 수행된 단계를 도시하는 흐름도이며, 방법의 전체 프로세스(complete process) 또는 모든 단계들을 나열하지 않을 수 있다. 방법(1200)의 다양한 단계들이 아래에서 기술되고 도 12에 묘사되어 있으나, 단계들이 필연적으로 모두 수행될 필요는 없으며, 일부 케이스들(cases)은 도시된 순서와 상이한 순서 또는 동시에 수행될 수 있다.
방법(1200)의 단계(1202)는 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 일부 예들에서, 기판은 위에서 기술된 집전체들(106, 108) (및 다른것들)와 같은 집전체를 포함한다. 일부 예들에서, 기판은 금속박(metal foil)을 포함한다.
방법(1200)은 기판의 적어도 부분이 활성 물질 복합체로 코트된(coated) 복수의 단계들을 포함한다. 이는 아래에 기술된 바와 같이 기판을 코트하는(coats) 활성 물질 복합체 디스펜서를 지나서 기판을 이동하게 유발함으로써 이루어 질 수 있다.
방법(1200)의 단계(1204)는 복합체 전극의 제1 레이어를 기판의 제1 면(first face) 상에 코팅하는 단계를 포함한다. 일부 예들에서, 제1 레이어는 제1 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제1 입자들을 포함할 수 있고, 제1 입자들은 제1 평균 입자 크기를 가진다.
단계 (1204)의 코팅 프로세스는 슬롯 다이(slot die), 블레이드 코팅(blade coating), 정전기 제트 코팅(electrostatic jet coating) 등과 같은 임의의 적합한 코팅 방법(들)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1 레이어는 용매의 습윤 슬러리, 결합제, 전도성 첨가제, 및 활성 물질로서 코트된다. 일부 예들에서, 제1 레이어는 활성 물질로서 결합제 및/또는 전도성 첨가제로, 건조 코트된다. 단계 (1204)는 복합체 전극의 제1 레이어를 건조하는(drying) 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.
방법 (1200)의 단계 (1206)는 다중 레이어된(예를 들어, 계층화된(stratified)) 구조를 형성하는, 기판의 제1 면 상에, 제1 레이어 위에, 복합체 전극의 제2 레이어를 코팅하는 단계를 포함한다. 제2 레이어는 제2 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제2 입자들을 포함할 수 있고, 제2 입자들은 제2 평균 입자 크기를 가진다.
방법 (1200)의 단계 (1208)은 제1 레이어를 제2 레이어에 부착하는 계면 레이어를 형성하는 단계를 포함한다. 이 계면 레이어를 형성하는 것은 제2 레이어의 제1 레이어 안으로 상호침투를 유발함으로써 수행될 수 있다. 이는 결합제 및/또는 전도성 첨가제의 증가된 또는 감소된 농도의 결과가 생길 수 있다. 제1 레이어와 제2 레이어가 상이한 입자 크기들을 함유하는 경우, 제1 레이어의 제1 입자들과 제2 레이어의 제2 입자들의 인터로킹이 있도록, 계면 레이어는 제1 입자들과 제2 입자들의 상호혼합을 포함한다.
일부 예들에서, 단계 (1208)은 단계 (1206)과 동시에(concurrent) 또는 직후에(immediately following) 발생한다. 이들 예들이 복합체 전극의 제1 레이어를 건조하는 것을 포함하는 경우, 제1 레이어의 재습윤(rewetting)은 단계 (1206) (제2 레이어를 제1 레이어 위로 코팅함)동안 발생한다. 제1 레이어의 재습윤은 제1 레이어 내에서 활성 물질 입자들 및/또는 계면 내에서 활성 물질 입자들 사이에 공극률의 구배의 결과가 생긴다. 대안적으로, 제2 레이어로부터의 용매에 의한 제1 레이어의 재습윤은 제1 레이어에서 결합제를 재용매화하여(re-solvates) 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들의 상호혼합을 생성하여, 침투하는 핑거들의 형성의 결과가 생긴다.
일부 예들에서, 단계 (1208)에서 계면을 형성하는 것은 제2 레이어의 코팅 전에 제1 레이어 위에(onto) 물질의 추가의 퇴적(additional deposition) 또는 코팅을 포함한다. 예를 들어, 제3 유형의 결합제가 제1 레이어 위로 퇴적될(deposited) 수 있다.
일부 예들에서, 단계들 (1204, 1206)은, 단계 (1208)의 계면이 상호침투하는 핑거들(예를 들어, 핑거들(914, 916))로서 형성되도록, 실질적으로 동시에(simultaneously) 수행될 수 있다. 이들 핑거들은 둘 모두의 활성 물질 슬러리들을 그들의(their) 개별적 오리피스들(orifices)을 통해 동시에 압출함으로써(extruding) 형성된다. 이는 이동하는 기판 상에 두개의 레이어 슬러리 비드(bead) 및 코팅을 형성한다. 제1 활성 물질 슬러리 및 제2 활성 물질 슬러리 사이에 사용되는 점도들의 차이, 표면 장력드르이 차이, 밀도들의 차이, 고체들 함유량들(solids contents)의 차이, 및/또는 상이한 용매들은 두개의 활성 물질 복합체 레이어들 사이 경계에서 침투하는 핑거 구조들을 유발하도록 맞추어 질 수 있다. 일부 실시예들에서, 점도들, 표면 장력들, 밀도들, 고체들 함유량들, 및/또는 용매들은 실질적으로 유사할 수 있다. 상호침투하는 구조들의 생성은 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이 습식 계면(wet interface)에서의 난류(turbulent flow)에 의해 용이하게 된다.
두개의 활성 물질 전극 슬러리들 사이의 너무 많은 상호혼합은 초래된 건조된 전극 복합체(resulting dried electrode composite)에서 기능적 구배의 손실을 초래할 수 있는 반면에, 두개의 활성 물질 전극 슬러리들 사이의 너무 적은 상호혼합은 덜 선호된(less-preferred), 실질적으로 평면의 계면 경계를 초래할 수 있다. 게다가, 건조 프로세스에서 적절한 경화(curing)를 보장하기 위하여, 제1 레이어(집전체에 가장 가까운)는 생성된(resulting) 건조된 코팅에서 피부 과도효과들(skin-over effects) 및 블리스터들(blisters)을 생성하지 않도록 제2 레이어 이전의 용매(집전체로부터 더 멀리)로부터 건조되도록 구성된다.
전반적으로, 제1 활성 물질 복합체 슬러리는 제1 점도를 가질 것이고 제2 활성 물질 복합체 슬러리는 제1 점도와 상이한 제2 점도를 가질 것이다. 일부 예들에서, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이의 점도들의 차이는 100 내지 1,000 센티푸아즈(centipoise, cP) 인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서는, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이의 점도들의 차이는 2,000 내지 5,000 센티푸아즈(centipoise, cP) 인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서는, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이의 점도들의 차이는 6,000 내지 10,000 센티푸아즈(centipoise, cP) 인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서는, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이의 점도들의 차이는 10,000 센티푸아즈(centipoise, cP)보다 큰 것을 목표로 한다.
일부 예들에서, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이 표면 장력들의 차이는 0.5 내지 1 dynes/cm 인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이 표면 장력들의 차이는 1 내지 5 dynes/cm 인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이 표면 장력들의 차이는 6 내지 10 dynes/cm 인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이 표면 장력들의 차이는 10 dynes/cm 보다 큰 것을 목표로 한다.
일부 예들에서, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이 밀도들의 차이는 0.01 내지 0.1 g/cc 인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이 밀도들의 차이는 0.2 내지 0.5 g/cc 인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이 밀도들의 차이는 0.5 내지 1 g/cc 인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이 밀도들의 차이는 1 g/cc 보다 큰 것을 목표로 한다.
일부 예들에서, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이 고체들 함유량(solids content)의 차이는 0.25% 내지 1%인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서는, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이의 고체들 함유량의 차이는 2% 내지 5%인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서는, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이의 고체 함유량의 차이는 6% 내지 10%인 것을 목표로 한다. 다른 예들에서는, 제1 활성 물질 전극 슬러리 및 제2 활성 물질 전극 슬러리 사이의 고체들 함유량의 차이는 10%보다 큰 것을 목표로 한다.
일부 예들에서, 제1 또는 제2 활성 물질 전극 슬러리에 사용된 용매(들)는 물, 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 프로판-2-올(propan-2-ol), 부탄올(butanol), 2-메틸프로판-1-올(2-methylpropan-1-ol), N-메틸-2-피롤리디논(N-Methyl-2-pyrrolidone), 디메틸술폭시드(dimethylsulfoxide), 디에틸 에테르(diethyl ether), 디메틸 에테르(dimethyl ether) 및 에틸 메틸 에테르(ethyl methyl ether)로 구성된 그룹(group)으로부터 하나 이상의 용매들로 구성 될 수 있다.
방법(1200)은 단계(1210)에서 복합 전극을 건조하는 단계, 및 단계(1212)에서 복합체 전극을 캘린더링하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다. 이들 선택적 단계들에서, 제1 및 제2 레이어들 모두는 결합된 구조로서 건조 프로세스 및 캘린더링 프로세스를 경험할 수(experience) 있다. 일부 예들에서, 단계들 (1210) 및 (1212)는 결합될 수 있다(예를 들어, 열간 압연 프로세스(hot roll process)에서). 일부 예들에서, 건조 단계 (1210)는 건조 프로세스를 촉진하기(expedite) 위해 전극으로부터 및 전극으로 에너지 수송 및 가열(heating) 의 형태(예를 들어, 대류(convection), 전도(conduction), 방사선(radiation))을 포함한다. 일부 예들에서, 캘린더링 단계 (1212)는 또 다른 압착(compression), 프레싱(pressing), 또는 컴팩션 프로세스(compaction process)로 대체된다. 일부 예들에서, 전극 밀도가 제1 공극률(first porosity)을 가지는 제1 레이어 및 낮은 제2 공극률을 가지는 제2 레이어를 갖는, 불균일한 방식으로 증가되도록, 전극을 캘린더링하는 것은 결합된 제1 및 제2 레이어들을 기판에 대하여 프레싱함으로써 수행될 수 있다.
D. 예시적인 디스펜서 장치(Illustrative Dispenser Device)
이 섹션은 방법(1200)과 함께 사용하기에 적합한 예시적인 시스템(1300)을 기술한다. 일부 예들에서, 적어도 두개의 유체 슬롯들(fluid slots), 유체 캐비티들(fluid cavities), 유체 라인들(fluid lines), 및 유체 펌프들(fluid pumps)을 갖는 슬롯 다이 코팅 헤드는 활성 물질 복합체 레이어들 사이에 적어도 하나의 상호침투하는 경계 레이어를 특징으로 하는(featuring) 전지 전극을 제조하는데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 이중 캐비티 슬롯 다이 코팅 헤드(dual-cavity slot-die coating head)는 두개의 활성 물질 복합체 레이어들 사이에 하나의 상호침투하는 경계 레이어를 특징으로하는 전지 전극을 제조하는데 사용된다. 일부 예들에서, 3중 캐비티 슬롯 다이 코팅 헤드(triple-cavity slot-die coating head)는 3개의 활성 물질 복합체 레이어들 사이에 배치된 두개의 상호침투하는 경계 레이어들을 특징으로하는 전지 전극을 제조하는데 사용된다. 다른 예들에서, 추가의 캐비티들은 추가의 레이어들을 생성하는데 사용된다. 시스템(1300)은 이중 캐비티 슬롯 다이 코팅 헤드를 포함한다.
시스템(1300)은 호일 기판(1302)(예를 들어, 집전체 기판(804))이 고정된 디스펜서 장치(1306)를 지나서 회전하는 백킹롤(revolving backing roll)에 의해 운송되는 제조 시스템이다. 디스펜서 장치(1306)는 방법(1200)의 단계들(1204, 1206)과 관련하여 기술된 바와 같이, 기판 위에(onto) 하나 이상의 활성 물질 슬러리의 레이어들을 균일하게 코트하도록 구성된 임의의 적합한 디스펜서를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 디스펜서 헤드가 이동하는 동안 기판은 정적으로(stationary) 유지될 수 있다. 일부 예들에서, 양쪽은 모두 움직이고 있을 수 있다.
디스펜서 장치(1306)는 예를 들어, 두개의 오리피스들(1310, 1312)를 갖는 코팅 헤드(1308)를 가지는 이중 챔버 슬롯 다이 코팅 장치(dual chamber slot die coating device)를 포함할 수 있다. 슬러리 전달 시스템은 압력 하에서 코팅 헤드에 두개의 상이한 활성 물질 슬러리들을 공급한다. 백킹롤(1304)의 회전 특성(revolving nature)으로 인해, 하부 오리피스 또는 슬롯(1310)을 빠져나가는(exiting) 물질은 상부 오리피스 또는 슬롯(1312)을 빠져나가기 전에 기판(1302)과 접촉할 것이다. 따라서, 제1 레이어(1314)가 기판에 도포될 것이고, 제2 레이어(1316)는 제1 레이어의 상부에 도포될 것이다.
따라서, 방법(1200)의 대응하는 단계들은 다음과 같이 특징지어 질 수 있다. 집전체 기판 및 활성 물질 복합체 디스펜서를 서로에 대하여 이동하게 유발하면서, 디스펜서를 사용하여 활성 물질 복합체로 기판의 적어도 부분을 코팅한다. 이 경우, 코팅은 디스펜서의 제1 오리피스 또는 슬롯을 사용하여 제1 슬러리의 레이어를 도포하는 단계, 및 디스펜서의 제2 오리피스 또는 슬롯을 사용하여 제1 레이어에 상이한 슬러리의 제2 레이어를 도포하는 단계를 포함한다. 이들 단계들은 계면 레이어가 형성되는 것을 유발하며, 이에 의해 제1 레이어를 제2 레이어에 부착한다. 위에서 기술된 바와 같이, 두개의 슬러리들 사이의 상이한 특성들에 기초하여, 계면 레이어는 제1 레이어의 제1 핑거들이 제2 레이어의 제2 핑거들과 인터록하는 제1 및 제2 레이어들의 상호침투를 포함할 수 있다.
E. 추가의 예들 및 예시적인 조합들(Additional Examples and Illustrative Combinations)
이 섹션은 계면 구조들을 가지는 전극들의 추가의 측면들 및 특징들, 및 일부 또는 전부는 명확성(clarity) 및 효율성(efficiency)을 위해 문자 숫자식으로(alphanumerically) 지정된 일련의 단락들(paragraphs)로서 제한없이 제시되는 관련된 방법들을 기술한다. 이들 단락들 각각은 임의의 적합한 방식으로 하나 이상의 다른 단락들과 함께, 및/또는 본 출원의 다른 곳으로부터의 개시와 함께, 결합될 수 있다. 아래 단락들중 일부는 다른 단락들을 명시적으로 지칭하고 더 제한하며, 일부 적합한 조합들의 예들을 제한없이 제공한다.
A0. 전극에 있어서,
집전체 기판; 및
기판 위로 레이어된 활성 물질 복합체를 포함하고,
활성 물질 복합체는,
제1 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제1 활성 물질 입자들을 포함하는 제1 레이어, 제1 평균 입자 크기를 가지는 제1 활성 물질 입자들;
제2 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제2 활성 물질 입자들을 포함하는 제2 레이어; 및
제1 레이어를 제2 레이어에 부착하고, 계면 레이어는 제1 평균 활성 물질 입자 크기 및 제2 평균 활성 물질 입자 크기 사이의 크기(magnitude)의 제3 평균 활성 물질 입자 크기를 가지도록, 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들의 상호혼합을 포함하는 계면 레이어를 포함하는 전극.
A1. A0의 전극에 있어서, 제1 활성 물질 입자들을 제2 활성 물질 입자들에 부착하는 제3 결합제를 더 포함하고, 제3 결합제는 제1 결합제 및 제2 결합제보다 더 높은 농도를 갖는 전극.
A2. A0 또는 A1의 전극에 있어서, 활성 물질 복합체는 집전체 기판과 직접 접촉하는 제1 면 및 제1 면과 대향하고, 분리기와 접촉하는 제2 면을 포함하는 전극.
A3. 단락 A0 내지 단락 A2의 임의의 하나의 전극에 있어서, 계면 레이어가 제1 레이어의 제1 활성 물질 입자들로부터 제2 레이어의 제2 활성 물질 입자들로 전이의 점진적 전이를 포함하도록, 계면 레이어는 제2 활성 물질 입자들 및 제1 활성 물질 입자들의 상호혼합을 포함하는 전극.
A4. 단락 A0 내지 단락 A3의 임의의 하나의 전극에 있어서, 계면 레이어는 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들에 의해 적어도 부분적으로 형성(define)된 복수의 유체 통로들(fluid passages)을 포함하는 전극.
A5. A4의 전극에 있어서, 복수의 유체 통로들이 복수의 전도성 첨가제 입자들(conductive additive particles)에 의해 더 형성(define)된, 전극.
A6. 단락 A0 내지 A5의 임의의 하나의 전극을 포함하는 이차 전지.
A7. 단락 A0 내지 단락 A6의 임의의 하나의 전극에 있어서, 전극은 애노드이고, 제1 입자들은 흑연질 탄소(graphitic carbon)를 포함하는 전극.
A8. A7의 전극에 있어서, 제2 입자들은 탄소를 포함하는 전극.
B0. 전극에 있어서,
집전체 기판; 및
기판 위로 레이어된 활성 물질 복합체를 포함하고,
활성 물질 복합체는,
제1 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제1 활성 물질 입자들을 포함하는 제1 레이어, 제1 평균 입자 크기를 가지는 제1 활성 물질 입자들;
제2 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제2 활성 물질 입자들을 포함하는 제2 레이어, 제2 평균 입자 크기를 가지는 제2 활성 물질 입자들; 및
제1 레이어를 제2 레이어에 부착하고, 계면 레이어가 제1 레이어의 제1 활성 물질 입자들로부터 제2 레이어의 제2 활성 물질 입자들로의 점진적인 전이를 포함하도록, 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들의 상호혼합을 포함하는 계면 레이어를 포함하는 전극.
B1. B0의 전극에 있어서, 계면은 제1 활성 물질 입자들을 제2 활성 물질 입자들에 부착하는 제3 결합제를 더 포함하는 전극.
B2. B0 또는 B1의 전극에 있어서, 활성 물질 복합체는 집전체 기판과 직접 접촉하는 제1 면 및 제1 면과 대향하고, 분리기와 접촉하는 제2 면을 포함하는 전극.
B3. 단락 B0 내지 단락 B3의 임의의 하나의 전극에 있어서, 계면 레이어가 제1 평균 활성 물질 입자 크기 및 제2 평균 활성 물질 입자 크기 중간의 제3 평균 활성 물질 입자 크기를 가지도록, 계면 레이어는 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들의 상호혼합을 포함하는 전극.
B4. 단락 B0 내지 단락 B3의 임의의 하나의 전극에 있어서, 계면 레이어는 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들에 의해 적어도 부분적으로 형성된 복수의 유체 통로들을 포함하는 전극.
B5. B4의 전극에 있어서, 복수의 유체 통로는 복수의 전도성 첨가제 입자들에 의해 추가로 정의된 전극.
C0. 전극을 제조하는 방법에 있어서,
집전체 기판 및 활성 물질 복합체 디스펜서가 서로에 관하여 이동하게 유발하는 단계; 및
디스펜서를 사용하여, 활성 물질 복합체로 기판의 적어도 부분을 코팅하는 단계를 포함하고,
코팅은,
디스펜서의 제1 오리피스를 사용하여 제1 레이어를 도포하는 단계; - 제1 레이어는 제1 결합제 및 복수의 제1 활성 물질 입자들을 포함하며, 제1 활성 물질 입자들은 제1 평균 입자 크기를 가짐 -
디스펜서의 제2 오리피스를 사용하여 제1 레이어에 제2 레이어를 도포하는 단계; 제2 레이어는 복수의 제2 활성 물질 입자들 및 제2 결합제를 포함하며, 제2 활성 물질 입자들은 제2 평균 입자 크기를 가짐 - 및
제1 레이어를 제2 레이어에 부착하는 계면 레이어를 형성하는 단계 - 계면 레이어가 제1 레이어의 제1 활성 물질 입자들로부터 제2 레이어의 제2 활성 물질 입자들의 점진적인 전이를 포함하도록, 계면 레이어는 제2 활성 물질 입자들 및 제1 활성 물질 입자들의 상호혼합을 포함함 -
를 포함하는 전극 제조 방법.
C1. C0의 방법에 있어서, 계면 레이어가 제1 평균 활성 물질 입자 크기 및 제2 평균 활성 물질 입자 크기 사이의 크기가 매겨지는(sized) 제3 평균 활성 물질 입자 크기를 갖도록, 계면 레이어는 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들의 상호혼합을 포함하는 전극 제조 방법.
C2. C0 또는 C1의 방법에 있어서, 기판 및 디스펜서가 서로에 관하여 이동하게 유발하는 것은 백업롤(backup roll)을 사용하여 기판을 이동시키는 것을 포함하는 전극 제조 방법.
C3. 단락 C0 내지 단락 C2의 임의의 하나의 방법에 있어서, 제1 오리피스는 코팅 헤드의 제1 슬롯이고 제2 오리피스는 코팅 헤드의 제2 슬롯이도록, 디스펜서는 이중 챔버 슬롯 다이 코팅 헤드를 포함하는 전극 제조 방법.
C4. 단락 C0 내지 단락 C3의 임의의 하나의 방법에 있어서, 제2 레이어를 도포하기 전에 제1 레이어를 건조하는 단계를 더 포함하는 전극 제조 방법.
C5. 단락 C0 내지 단락 C4의 임의의 하나의 방법에 있어서, 결합된 제1 및 제2 레이어들을 기판에 대하여 가압함으로써 전극을 캘린더링하고, 전극의 전체에 걸친 공극률을 감소시키고 전극의 전체에 걸친 밀도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 전극 제조 방법.
D0. 전극에 있어서,
집전체 기판; 및
기판 위로(onto) 레이어된 활성 물질 복합체를 포함하고,
활성 물질 복합체는,
제1 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제1 활성 물질 입자들을 포함하는 제1 레이어, 제1 평균 입자 크기를 가지는 제1 활성 물질 입자들;
제2 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제2 활성 물질 입자들을 포함하는 제2 레이어, 제2 평균 입자 크기를 가지는 제2 활성 물질 입자들; 및
제1 레이어를 제2 레이어에 부착하고, 계면 레이어는 제1 평균 활성 물질 입자 크기 및 제2 평균 활성 물질 입자 크기 사이의 크기(magnitude)의 제3 평균 활성 물질 입자 크기를 가지고, 제1 레이어 및 제2 레이어가 상호침투하도록, 계면 레이어는 제1 및 제2 레이어들 사이에 비평면 경계를 포함하는 계면 레이어
를 포함하는 전극.
D1. D0의 전극에 있어서, 비평면 경계는 제2 활성 물질 입자들의 복수의 실질적으로 분리된(discrete) 제2 핑거들과 인터록된 제1 활성 물질 입자들의 복수의 실질적으로 분리된(discrete) 제1 핑거들을 포함하는 전극.
D2. D1의 전극에 있어서, 제1 핑거들 각각은 제1 평균 입자 크기 및 제2 평균 입자 크기보다 작은 것의 대략적으로 2배보다 큰 길이를 가지는 전극.
D3. 단락 D0 내지 단락 D2의 임의의 하나의 전극에 있어서, 제1 레이어는 집전체 기판과 직접 접촉하는 제1 면을 포함하고, 제2 레이어는 분리기와 직접 접촉하는 제2 면을 포함하는(예를 들어, 제2 면은 제1 면으로부터 활성 물질 복합체의 반대 측 상에 있음) 전극.
D4. 단락 D0 내지 단락 D3의 임의의 하나의 전극에 있어서, 계면 레이어는 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들에 의해 적어도 부분적으로 형성된 복수의 유체 통로들을 포함하는 전극.
D5. D4의 전극에 있어서, 복수의 유체 통로들은 복수의 전도성 첨가제 입자들에 의해 더 형성된(further defined) 전극.
D6. 단락 D0 내지 단락 D5 중 임의의 하나의 전극을 포함하는 이차 전지.
D7. 단락 D0 내지 단락 D7의 임의의 하나의 전극에 있어서, 전극은 애노드이고, 제1 활성 물질 입자들은 탄소를 포함하는 전극.
E0. 전극에 있어서,
집전체 기판; 및
기판 위로 레이어된 활성 물질 복합체를 포함하고,
활성 물질 복합체는,
제1 입자 크기들의 분포를 가지는 복수의 제1 활성 물질 입자들을 포함하는 제1 레이어;
제2 입자 크기들의 분포를 가지는 복수의 제2 활성 물질 입자들을 포함하는 제2 레이어; 및
제1 레이어를 제2 레이어에 부착하고, 제1 레이어의 제1 핑거들이 제2 레이어의 제2 핑거들과 인터록하는 제1 및 제2 레이어들의 비평면 상호침투를 포함하는 계면 레이어
를 포함하는 전극.
E1. E0의 전극에 있어서, 제1 핑거들 각각은 대략적으로 2 미크론(microns)보다 큰 길이를 가지는 전극.
E2. E0 또는 E1의 전극에 있어서, 제1 레이어는 집전체 기판과 직접 접촉하는 제1 면을 갖고, 제2 레이어는 분리기와 직접 접촉하는 제2 면을 가지는(예를 들어, 제1 면 및 제2 면은 활성 물질 복합체의 대향하는 측 상에 있음) 전극.
E3. 단락 E0 내지 단락 E7의 임의의 하나의 전극에 있어서, 제1 레이어는 제1 공극률을 가지고, 제2 레이어는 상이한 제2 공극률을 가지며, 및 계면 레이어는 제1 공극률 및 제2 공극률 중간에 제3 공극률을 가지는 전극.
E4. 단락 E0 내지 단락 E3의 임의의 하나의 전극에 있어서, 계면 레이어는 제1 입자들 및 제2 입자들에 의해 적어도 부분적으로 형성된 복수의 유체 통로들을 포함하는 전극.
E5. 단락 E0 내지 단락 E4 중 임의의 하나의 전극을 포함하는 이차 전지.
F0. 전극의 제조 방법에 있어서,
집전체 기판 및 활성 물질 복합체 디스펜서를 서로에 관하여 이동하게 유발하는 단계; 및
디스펜서를 사용하여, 활성 물질 복합체로 기판의 적어도 부분을 코팅하는 단계를 포함하고,
코팅은,
디스펜서의 제1 오리피스를 사용하여 기판에 제1 레이어를 도포하는 단계; - 제1 레이어는 복수의 제1 활성 물질 입자들 및 제1 결합제를 가지는 제1 활성 물질 복합체 슬러리를 포함하고, 제1 활성 물질 입자들은 제1 평균 입자 크기 및 제1 점도를 가짐 -
디스펜서의 제2 오리피스를 사용하여 제1 레이어에 제2 레이어를 도포하는 단계; - 제2 레이어는 복수의 제2 활성 물질 입자들 및 제2 결합제를 가지는 제2 활성 물질 복합체를 포함하고, 제2 활성 물질 입자들은 제2 평균 입자 크기 및 제2 점도를 가짐 - 및
제1 레이어를 제2 레이어에 부착하는 계면 레이어를 형성하는 단계, - 계면 레이어는 제1 레이어의 제1 핑거들이 제2 레이어의 제2 핑거들과 인터록하는 제1 및 제2 레이어들의 상호침투를 포함함 -
를 포함하는 전극 제조 방법.
F1. F0의 방법에 있어서, 계면 레이어는 제1 평균 활성 물질 입자 크기 및 제2 평균 활성 물질 입자 크기 사이의 제3 평균 활성 물질 입자 크기를 가지는 전극 제조 방법.
F2. F0 또는 F1의 방법에 있어서, 기판과 디스펜서가 서로에 관하여 이동하게 유발하는 단계는 백업 롤을 사용하여 기판을 이동시키는 단계를 포함하는 전극 제조 방법.
F3. 단락 F0 내지 단락 F2의 임의의 하나의 방법에 있어서, 제1 오리피스는 코팅 헤드의 제1 슬롯이고 제2 오리피스는 코팅 헤드의 제2 슬롯이도록, 디스펜서는 이중 챔버 슬롯 다이 코팅 헤드를 포함하는 전극 제조 방법.
F4. 단락 F0 내지 단락 F3의 임의의 하나의 방법에 있어서, 제1 점도 및 제2 점도는 적어도 100센티푸아즈(centipoise, cP)만큼 상이한 전극 제조 방법.
F5. 단락 F0 내지 단락 F4의 임의의 하나의 방법에 있어서,
전극 밀도가 불균일한 방식으로 증가되도록, 결합된 제1 및 제2 레이어들을 기판에 대하여 가압함으로써 전극을 캘린더링하는 단계 - 제1 레이어는 제1 공극률을 가지며, 제2 레이어는 제1 공극률보다 작은 제2 공극률을 가짐 - 를 더 포함하는 전극 제조 방법.
G0. D0, E0, 또는 F0의 전극에 있어서, 제2 입자들의 도메인들(domains)과 인터록하는 제1 입자들의 도메인들로 구성되는 핑거들을 포함하는 전극.
G1. D0, E0, 또는 F0의 전극에 있어서, 계면의 경계는 제1 레이어 및 제2 레이어 사이의 실질적으로 평면 경계인 것보다 적어도 2배만큼 큰 표면적을 가지는 전극.
G2. D0, E0, 또는 F0의 전극에 있어서, 제1 레이어는 제1 공극률을 가지는 제1 동질 구조(homogeneous structure)를 포함하고, 제2 레이어는 제1 공극률과 상이한 제2 공극률을 가지는 제2 동질 구조를 포함하는 전극.
H0. 전기화학 셀을 위한 전극의 제조 방법에 있어서,
집전체 기판 및 활성 물질 복합체 디스펜서를 서로에 관하여 이동하게 유발하는 단계; 및
디스펜서를 사용하여 전기화학 셀 전극을 생산하기 위해 집전체 기판의 적어도 부분을 활성 물질 복합체로 코팅하는 단계를 포함하고,
코팅은,
디스펜서의 제1 오리피스를 사용하여 집전체 기판에 제1 레이어를 도포하는 단계; - 제1 레이어는 복수의 제1 활성 물질 입자들 및 제1 결합제를 가지는 제1 활성 물질 복합체 슬러리 포함하고, 제1 활성 물질 입자들은 제1 평균 입자 크기 및 제1 점도를 가짐 -
디스펜서의 제2 오리피스를 사용하여, 제1 레이어가 습윤된 동안 제1 레이어에 제2 레이어를 도포하는 단계; - 제2 레이어는 복수의 제2 활성 물질 입자들 및 제2 결합제를 가지는 제2 활성 물질 복합체 슬러리를 포함하고, 제2 활성 물질입자들은 제2 점도 및 제2 평균 입자 크기를 가짐 - 및
제1 레이어를 제2 레이어에 부착하는 계면 레이어를 형성하는 단계, - 계면 레이어는 제1 레이어의 제1 핑거들이 제2 레이어의 제2 핑거들과 인터록하는 제1 및 제2 레이어들의 상호침투를 포함함 -
를 포함하는
전극 제조 방법.
H1. H0의 방법에 있어서, 계면 레이어는 제1 평균 활성 물질 입자 크기 및 제2 평균 활성 물질 입자 크기 사이의 제3 평균 활성 물질 입자 크기를 가지는 전극 제조 방법.
H2. H0 또는 H1의 방법에 있어서, 집전체 기판 및 디스펜서가 서로에 관하여 이동하게 유발하는 단계는 백업 롤을 사용하여 집전체 기판을 이동시키는 단계를 포함하는 전극 제조 방법.
H3. 단락 H0 내지 단락 H2의 임의의 하나의 방법에 있어서, 제1 오리피스는 코팅 헤드의 제1 슬롯이고 제2 오리피스는 코팅 헤드의 제2 슬롯이도록, 디스펜서는 이중 챔버 슬롯 다이 코팅 헤드를 포함하는 전극 제조 방법.
H4. 단락 H0 내지 단락 H3의 임의의 하나의 방법에 있어서, 제1 점도 및 제2 점도는 적어도 100센티푸아즈(centipoise, cP)만큼 상이한 전극 제조 방법.
H5. 단락 H0 내지 단락 H4의 임의의 하나의 방법에 있어서,
전극 밀도가 불균일한 방식으로 증가되도록, 집전체 기판에 대하여 결합된 제1 및 제2 레이어들을 가압함으로써 전기화학 셀 전극을 캘린더링하는 단계, - 제1 레이어는 제1 공극률을 가지고, 제2 레이어는 제1 공극률 보다 작은 제2 공극률을 가짐 - 를 더 포함하는 전극 제조 방법.
H6. H5의 방법에 있어서, 전기화학 전지 전극은 정확히(exactly) 하나의 크러스트 레이어를 포함하는 전극 제조 방법.
H7. 단락 H0 내지 단락 H6의 임의의 하나의 방법에 있어서, 제1 레이어 및 제2 레이어 사이의 경계는 집전체 기판에 평행하게 취해진 평면 단면의 적어도 두 배만큼 큰 표면적을 가지는 전극 제조 방법.
J0. 전기화학 셀을 위한 전극 제조 방법에 있어서,
집전체 기판 및 활성 물질 복합체 디스펜서를 서로에 관하여 이동하게 유발하는 단계; 및
디스펜서를 사용하여 집전체 기판의 적어도 부분을 활성 물질 복합체로 코팅하는 단계를 포함하며;
코팅은,
디스펜서의 제1 오리피스를 사용하여 제1 레이어를 집전체 기판에 도포하는 단계; - 제1 레이어는 복수의 제1 활성 물질 입자들 및 제1 결합제를 포함하고, 제1 활성 물질 입자들은 제1 평균 입자 크기를 가짐 -
디스펜서의 제2 오리피스를 사용하여, 제1 레이어가 습윤된 동안에 제2 레이어를 제1 레이어에 도포하는 단계; - 제2 레이어는 복수의 제2 활성 물질 입자들 및 제2 결합제를 포함하고, 제2 활성 물질 입자들은 제2 평균 입자 크기를 가짐 - 및;
제1 레이어를 제2 레이어에 부착하는 계면 레이어를 형성하는 단계; - 계면 레이어는 계면 레이어가 제1 레이어의 제1 활성 물질 입자들로부터 제2 레이어의 제2 활성 물질 입자들로의 점진적인 전이를 포함하도록, 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들의 상호혼합을 포함함 -
를 포함하는 전극 제조 방법.
J1. J0의 방법에 있어서, 계면 레이어가 제1 평균 활성 물질 입자 크기 및 제2 평균 활성 물질 입자 크기 사이의 크기로 매겨진(sized) 제3 평균 활성 물질 입자 크기를 가지는 계면 레이어를 가지도록, 계면 레이어는 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들의 상호 혼합을 포함하는 전극 제조 방법.
J2. J0 또는 J1의 방법에 있어서, 집전체 기판과 디스펜서가 서로에 관하여 이동하게 유발하는 단계는 백업 롤을 사용하여 기판을 이동시키는 단계를 포함하는 전극 제조 방법.
J3. 단락 J0 내지 단락 J2의 임의의 하나의 방법에 있어서, 제1 오리피스는 코팅 헤드의 제1 슬롯이고 제2 오리피스는 코팅 헤드의 제2 슬롯이도록 디스펜서는 이중 챔버 슬롯 다이 코팅 헤드를 포함하는 전극 제조 방법.
J4. 단락 J0 내지 단락 J3의 임의의 하나의 방법에 있어서, 결합된 제1 및 제2 레이어들을 집전체 기판에 대하여 가압함으로써 전극을 캘링더링하여, 전극의 전체에 걸쳐 밀도를 증가시키고, 전극의 전체에 걸쳐 공극률을 감소시키는 단계를 더 포함하는 전극 제조 방법.
K0. 전기화학 셀을 위한 전극의 제조 방법에 있어서,
슬롯 다이 코팅 헤드 디스펜서의 제1 유체 슬롯을 사용하여 제1 활성 물질 복합체 슬러리의 제1 레이어를 호일 기판에 도포하는 단계; - 제1 활성 물질 복합체 슬러리는 복수의 제1 활성 물질 입자들 및 제1 결합제를 포함하고, 제1 활성 물질 입자들은 제1 점도 및 제1 평균 입자 크기를 가짐 - 및
슬롯 다이 코팅 헤드 디스펜서의 제2 슬롯을 사용하여, 제1 레이어가 습윤된 동안에 제2 활성 물질 복합체 슬러리의 제2 레이어를 제1 레이어에 도포하는 단계, 제2 활성 물질 복합체 슬러리는 복수의 제2 활성 물질 입자들 및 제2 결합제를 포함하고, 제2 활성 물질 입자들은 제2 평균 입자 크기 및 제2 점도를 가짐 - 를 포함하며,
상호침투하는 경계 레이어는 제1 레이어 및 제2 레이어 사이에 형성되는 전극 제조 방법.
K1. K0의 방법에 있어서, 호일 기판(foil substrate) 및 디스펜서를 서로에 관하여 이동시키는 단계를 더 포함하는 전극 제조 방법.
K2. K0 또는 k1의 방법에 있어서, 디스펜서는 이중 챔버 슬롯 다이 코팅 헤드를 포함하는 전극 제조 방법.
K3. 단락 K0 내지 단락 K2의 임의의 하나의 방법에 있어서, 제1 점도 및 제2 점도는 적어도 100센티푸아즈(centipoise, cP)만큼 상이한 전극 제조 방법.
K4. 단락 K0 내지 단락 K3의 임의의 하나의 방법에 있어서,
전극 밀도가 불균일한 방식으로 증가되도록, 결합된 제1 및 제2 레이어들이 호일 기판에 대하여 캘린더링하는 단계, - 제1 레이어는 제1 공극률을 가지며, 제2 레이어는 제1 공극률보다 작은 제2 공극률을 가짐 - 를 더 포함하는 전극 제조 방법.
K5. K4의 방법에 있어서, 전기화학 셀 전극은 정확히 하나의 크러스트 레이어를 포함하는 전극 제조 방법.
K6. 단락 K0 내지 단락 K5의 임의의 하나의 방법에 있어서, 경계 레이어는 호일 기판에 평행하게 취해진 단면의 적어도 두 배만큼 큰 표면적을 갖는 전극 제조 방법.
L0. 전극에 있어서,
집전체 기판 및 집전체 기판 위로(onto) 레이어된 활성 물질 복합체를 포함하는 전기화학 셀 전극을 포함하고,
활성 물질 복합체는
제1 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제1 활성 물질 입자들을 포함하는 제1 레이어, 제1 평균 입자 크기를 가지는 제1 활성 물질 입자들;
제2 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제2 활성 물질 입자들을 포함하는 제2 레이어, 제2 평균 입자 크기를 가지는 제2 활성 물질 입자들; 및
제2 레이어에 제1 레이어를 부착하고, 계면 레이어가 제1 평균 입자 크기 및 제2 평균 입자 크기 사이의 제3 평균 입자 크기를 가지고, 제1 및 제2 레이어가 상호침투 되도록, 제1 및 제2 레이어들 사이에 비평면 경계를 포함하는 계면 레이어를 포함하는
- 비평면 경계는 제2 활성 물질 입자들의 복수의 실질적으로 분리된(discrete) 제2 핑거들과 인터록된 제1 활성 물질 입자들의 복수의 실질적으로 분리된(discrete) 제1 핑거들을 포함하고, 제1 핑거들 각각은 제1 평균 입자 크기 및 제2 평균 입자 크기보다 더 작은 것의 대략적으로 두 배 더 큰 길이를 가짐 - 전극
L1. L0의 전극에 있어서, 제1 레이어는 집전체 기판과 직접 접촉하는 제1 면을 가지며, 제2 레이어는 분리기와 직접 접촉하는 제2 면을 가지는 전극.
L2. L0 또는 L1의 전극에 있어서, 계면 레이어는 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들에 의해 적어도 부분적으로 형성된 복수의 유체 통로들을 포함하는 전극.
L3. L2의 전극에 있어서, 복수의 유체 통로들은 복수의 전도성 첨가제 입자들에 의해 더 형성된 전극.
L4. L0 내지 L3 중 임의의 하나의 전극을 포함하는 이차 전지.
L5. 단락 L0 내지 단락 L4의 임의의 하나의 전극에 있어서, 전기화학 셀 전극은 애노드(anode)이고, 제1 활성 물질 입자들은 탄소를 포함하는 전극.
L6. 단락 L0 내지 단락 L4의 임의의 하나의 전극에 있어서, 전기화학 셀 전극은 캐소드(cathode)이고, 제1 활성 물질 입자들은 니켈 함유 산화물(nickel-containing oxide)을 포함하는 전극.
M0. 전극에 있어서,
집전체 기판 및 집전체 기판 위로 레이어된 활성 물질 복합체를 포함하는 전기화학 셀 전극을 포함하고,
활성 물질 복합체는,
제1 입자 크기들의 분포를 가지는 복수의 제1 활성 물질 입자들을 포함하는 제1 레이어,
제2 입자 크기들의 분포를 가지는 복수의 제2 활성 물질 입자들을 포함하는 제2 레이어,
제1 레이어를 제2 레이어에 부착하고, 제1 레이어의 제1 핑거들이 제2 레이어의 제2 핑거들에 인터록하는 제1 및 제2 레이어들의 비평면 상호침투를 포함하는 계면 레이어를 포함하는 전극.
M1. M0의 전극에 있어서, 제1 핑거들 각각은 대략적으로 2미크론(microns) 보다 큰 길이를 가지는 전극.
M2. 단락 M0 내지 단락 M1의 임의의 하나의 전극에 있어서, 제1 레이어는 집전체 기판과 직접 접촉하는 제1 면을 가지며, 제2 레이어는 분리기와 직접 접촉하는 제2 면을 가지는 전극.
M3. 단락 M0 내지 단락 M2의 임의의 하나의 전극에 있어서, 제1 레이어는 제1 공극률을 가지며, 제2 레이어는 상이한 제2 공극률을 가지며, 및 계면 레이어는 제1 공극률 및 제2 공극률 중간의 제3 공극률을 가지는 전극.
M4. 단락 M0 내지 단락 M3의 임의의 하나의 전극에 있어서, 계면 레이어는 제1 활성 물질 입자들 및 제2 활성 물질 입자들에 의해 적어도 부분적으로 형성된 복수의 유체 통로들을 포함하는 전극.
M5. 단락 M0 내지 단락 M4의 임의의 하나의 전극에 있어서, 제1 핑거들 각각은 제1 활성 물질 입자들의 평균 크기 및 제2 활성 물질 입자들의 평균 크기의 작은 것보다 대략적으로 두 배 더 큰 길이를 가지는 전극.
M6. 단락 M0 내지 단락 M5의 임의의 하나의 전극에 있어서, 계면 레이어의 총 두께는 제1 핑거들에 의해 도달된 최대 침투(greatest penetration)와 제2 핑거들에 의해 도달된 최대 침투 사이의 거리로서 정의되며, 계면 레이어의 총 두께는 제1 활성 물질 입자들의 평균 크기 및 제2 활성 물질 입자들의 평균 크기의 작은 것의 대략적으로 3배 더 큰 전극.
이점들, 특징들, 이익들(Advantages, Features, Benefits)
본 명세서에 기술된 전극 구조들 및 관련 방법들의 상이한 실시예들 및 예들은 공지된 솔루션들을 넘어 몇 가지 이점들을 제공한다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예들 및 예들은 실질적으로 평면 중간 레이어(inter-layer) 경계를 가지는 예들을 넘어 개선된 이온 통신을 가능하게 한다. 본 개시의 계면 레이어들은 활성 물질 복합체 레이어들의 상호침투 및 인터로킹이 두개의 레이어들 사이의 임피던스를 낮추기 때문에, 개선된 기계적 건전성, 전자 통신, 이온 전도, 및 SEI 축적에 대한 저항을 제공한다.
게다가, 다른 이익들 중에서, 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예들 및 예들은 활성 물질 입자들, 결합제, 및/또는 탄소 첨가제에 의해 정의된 유체 통로들(fluid passageways)의 네트워크를 포함하는 계면 레이어들을 가진다. 이들 유체 통로들은 입자들의 기계적 또는 형태학적 상태에서 캐린더링-유도된 변화들(calendaring-induced changes)에 방해받지 않는다. 대조적으로, 실질적으로 평면 경계는 흔히(often) 후속 캘린더링(subsequent calendaring)시에 크러스트 레이어의 형성과 관련된다. 이러한 크러스트 레이어는 위에서 기술한 바와 같이, 전자 퍼콜레이션(electronic percolation)에 불리하며, 또한 계면 영역을 통한 이온 전도를 상당히 방해하는 역할을 한다. 이는 이온들이 전극의 두께를 통과할 때 이온들이 전극 복합체 내에서 장벽을 향함에 따라 전체에 걸친 전극의 비틀림(tortuosity)을 증가시켜, 전지의 전력 밀도를 상당히 저하하는 것을 유발한다. 더욱이, 이러한 크러스트 레이어는 또한 효과적으로 감소된 공극 볼륨들을 초래하는 활성 물질 입자들의 국부적 압축(localized compaction)을 나타내고; 이는 애노드 전극들에 특히 중요한 문제일 수 있다. 더 나아가 애노드 전극들의 케이스에서, 활성 물질 입자들 상에 SEI 막 축적(film buildup)은 공극들을 더 빠른 속도로 막아(clogs), 셀 분극 및 리튬 도금을 야기하여, 궁극적으로 열악한 수명(poor cycle life) 및 위태로운 안전성(compromised safety)을 야기한다.
게다가, 다른 이익들 중에서, 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예들 및 예들은 활성 물질들 및 전도성 첨가제들의 상호침투 또는 상호혼합이 두 레이어들 사이에 임피던스를 낮추기 때문에, 개선된 전기 통신(electrical communication)을 제공한다.
게다가, 다른 이익들 중에서, 본 명세서에 기술된 실시예들 및 예들은 전극의 개선된 기계적 일관성(coherence)을 허용한다. 박리력(peel strength)은 두개의 레이어들이 계면에서 우선적으로 분리되지 않도록 한다.
게다가, 다른 이익들 중에서, 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예들 및 예들은 전지에 조립되는 경우 충전 및 방전 프로세스들 동안 볼륨 팽창 및 수축에 의해 유도된 스트레스들을 수용하기에 충분한 전극 구조의 개선된 기계적 건전성을 제공하여, 전지의 수명(cycle life)을 향상시킨다.
게다가, 및 다른 이익들(benefits) 중에서, 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예들 및 예들은 제1 활성 물질 복합체 레이어의 활성 물질 입자들이 제2 활성 물질 복합체 레이어의 활성 물질 입자들과의 전자 퍼콜레이션(electronic percolation)이 개선되고, 반대로, 전체에 걸친 전극 및 셀에 관한 임피던스가 감소되는 결과가 생기도록, 두개의 활성 물질 복합체 레이어들 사이에 비평면 경계를 제공한다.
알려진 시스템이나 장치로는 이러한 기능들을 수행할 수 없다. 그러나, 본 명세서에 기술된 모든 실시예들 및 예들은 동일한 이점들 또는 동일한 정도의 이점들을 제공하는 것은 아니다.
결론(Conclusion)
위에서 개진한 개시는 독립적인 유용성을 갖는 다수의 별개의 예들을 아우를 수(encompass) 있다. 이들 각각이 선호하는 형태(들)로 개시되었으나, 본 명세서(herein)에 개시되고 도시된 바와 같은 그것의(thereof) 특정 실시예들은 많은 변형들(numerous variations)이 가능하기 때문에 제한적인 의미(sense)로 고려되지 않아야 한다. 섹션 제목들(section headings)이 본 개시 내에서 사용되는 한, 그러하 제목들은 단지 조직적 목적(organizational purpose)을 위한 것이다. 본 개시의 주제(subject matter)는 본 명세서에 개시된 다양한 요소들, 특징들, 기능들, 및/또는 특성들의 모든 신규한(novel) 및 명백하지 않은 조합들 및 하위조합들을 포함한다. 다음의 청구항들은 특히 신규하고 명백하지 않는 것으로 간주되는 특정 조합들 및 하위조합들을 지적한다. 특징들, 기능들, 구성 요소들, 및/또는 특성들의 다른 조합들 및 하위조합들은 본 출원 또는 관련 출원으로부터 우선권을 주장하는 출원에서 주장될 수 있다. 원 청구항들(original claims)에 더 넓게, 더 좁게, 동일하거나 또는 다른 범위의 청구항들은, 또한 본 개시의 주제 내에 포함된 것으로 간주된다.

Claims (12)

  1. 전극에 있어서,
    전기화학 셀 전극를 포함하고,
    상기 전기화학 셀 전극은,
    집전체 기판, 및
    상기 집전체 기판 위로 레이어된 활성 물질 복합체
    를 포함하고,
    상기 활성 물질 복합체는,
    제1 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제1 활성 물질 입자들을 포함하는 제1 레이어 - 상기 제1 활성 물질 입자들은 제1 평균 입자 크기를 가짐 -,
    제2 결합제에 의해 함께 부착된 복수의 제2 활성 물질 입자들을 포함하는 제2 레이어 - 상기 제2 활성 물질 입자들은 제2 평균 입자 크기를 가짐 -, 및
    상기 제1 레이어를 상기 제2 레이어에 부착하는 계면 레이어 - 상기 계면 레이어는, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어가 상호침투되고 상기 계면 레이어가 상기 제1 평균 입자 크기 및 상기 제2 평균 입자 크기 사이의 제3 평균 입자 크기를 갖도록, 상기 제1 및 제2 레이어들 사이에 비평면 경계를 포함함 -
    를 포함하고,
    상기 비평면 경계는,
    상기 제2 활성 물질 입자들의 복수의 분리된 제2 핑거들과 인터록된 상기 제1 활성 물질 입자들의 복수의 분리된 제1 핑거들
    을 포함하고,
    상기 제1 핑거들은,
    2 미크론보다 큰 평균 길이를 가지는,
    전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어는,
    상기 집전체 기판과 직접 접촉하는 제1 면을 가지고,
    상기 제2 레이어는,
    분리기와 직접 접촉하는 제2 면을 가지는,
    전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계면 레이어는,
    상기 제1 활성 물질 입자들 및 상기 제2 활성 물질 입자들에 의해 적어도 부분적으로 형성된 복수의 유체 통로들
    을 포함하는 전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 유체 통로들은,
    복수의 전도성 첨가제 입자들에 의해 더 형성된,
    전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학 셀 전극은 애노드이고,
    상기 제1 활성 물질 입자들은 탄소를 포함하는,
    전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학 셀 전극은 캐소드이고,
    상기 제1 활성 물질 입자들은 니켈 함유 산화물을 포함하는,
    전극.
  7. 전극에 있어서,
    전기화학 셀 전극을 포함하고,
    상기 전기화학 셀 전극은,
    집전체 기판, 및
    상기 집전체 기판 위로 레이어된 활성 물질 복합체
    를 포함하고,
    상기 활성 물질 복합체는,
    제1 분포의 입자 크기들을 가지는 복수의 제1 활성 물질 입자들을 포함하는 제1 레이어,
    제2 분포의 입자 크기들을 가지는 복수의 제2 활성 물질 입자들을 포함하는 제2 레이어, 및
    상기 제1 레이어를 상기 제2 레이어에 부착하는 계면 레이어 - 상기 계면 레이어는, 상기 제1 레이어의 제1 핑거들이 상기 제2 레이어의 제2 핑거들과 인터록하는 상기 제1 및 제2 레이어들의 비평면 상호침투를 포함함 -
    를 포함하고,
    상기 제1 핑거들은,
    2 미크론보다 큰 평균 길이를 가지는,
    전극.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 레이어는,
    상기 집전체 기판과 직접 접촉하는 제1 면을 가지고,
    상기 제2 레이어는,
    분리기와 직접 접촉하는 제2 면을 가지는,
    전극.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 레이어는, 제1 공극률을 가지고,
    상기 제2 레이어는, 상이한 제2 공극률을 가지고,
    상기 계면 레이어는, 상기 제1 공극률 및 상기 제2 공극률의 중간의 제3 공극률을 갖는,
    전극.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 계면 레이어는,
    상기 제1 활성 물질 입자들 및 상기 제2 활성 물질 입자들에 의해 적어도 부분적으로 형성된 복수의 유체 통로들
    을 포함하는 전극.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 핑거들 각각은,
    상기 제1 활성 물질 입자들의 평균 크기와
    상기 제2 활성 물질 입자들의 평균 크기
    중 작은 것의 두 배보다 큰 길이를 가지는,
    전극.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 계면 레이어의 총 두께는,
    상기 제1 핑거들에 의해 도달된 최대 침투 및 상기 제2 핑거들에 의해 도달된 최대 침투 사이의 거리로서 정의되며,
    상기 계면 레이어의 상기 총 두께는,
    상기 제1 활성 물질 입자들의 평균 크기 및 상기 제2 활성 물질 입자들의 평균 크기 중 작은 것의 3배보다 큰,
    전극.
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