KR20210018758A - 활물질 볼 전극 층 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 활물질 입자로 제조된 활물질 볼, 상기 활물질 볼 내부에 위치된 제1 혼합 전해질, 및 상기 활물질 볼 외부에 위치된 제2 혼합 전해질을 주로 포함하는 활물질 볼 전극 층 구조를 개시한다. 상기 제1 혼합 전해질은 주로 상기 변형 가능한 전해질로 만들어진다. 상기 제2 혼합 전해질은 상기 제1 혼합 전해질의 변형 가능한 전해질보다 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질로 주로 제조된다. 본 발명은 상기 활물질 볼에 상기 제1 혼합 전해질을 이용하여 상기 활물질의 체적 변화의 파생된 문제를 효과적으로 감소시킨다. 또한, 상기 활물질 볼의 내부와 외부에 상기 제1 혼합 전해질 및 상기 제2 혼합 전해질의 상이한 구성은 전하 전달 저항을 감소시키는 데 이용된다. 또한, 상기 활물질 볼에 대한 팽창 저항이 제공된다.

Description

활물질 볼 전극 층 구조{ACTIVE MATERIAL BALL ELECTRODE LAYER STRUCTURE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 전체 내용이 본 명세서에 병합된, 2019년 8월 5일에 대만 특허청에 출원된 대만 특허 출원 108127695의 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 전극 층 구조에 관한 것으로, 특히 활물질 볼(active material ball) 전극 층 구조에 관한 것이다.
액체 전해질은 일반적으로 리튬 이온 수송을 위한 매체로서 기존 리튬 이온 이차 배터리에 사용된다. 그러나, 액체 전해질의 휘발성은 인체와 환경에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 이는 액체 전해질이 가연성인 것으로 인해 배터리 사용자에게 큰 보안 사항이다.
나아가, 리튬 배터리가 불안정한 이유 중 하나는 음극의 표면 활성이 더 크고 양극의 전압이 더 높기 때문이다. 액체 전해질이 전극에 직접 접촉될 때, 이들 사이의 계면이 불안정해지고 발열 반응이 일어나 패시베이션 층을 형성한다. 이러한 반응은 액체 전해질 및 리튬 이온을 소비하고 열을 발생시킨다. 국부적으로 단락이 발생하면 국부적으로 온도가 급격히 상승한다. 패시베이션 층은 불안정해지고 열을 방출한다. 이 발열 반응은 누적되어 전체 배터리의 온도가 계속 상승한다. 배터리를 사용하는 데 있어 안전 문제 중 하나는 배터리 온도가 시작 온도(트리거 온도)까지 증가하면 열 폭주(thermal runaway)가 개시되어 배터리의 점화 또는 폭발을 유발할 수 있다는 것이다. 이것이 사용에 있어 주된 안전 문제이다.
최근, 고체 전해질이 집중 연구되고 있다. 고체 전해질의 이온 전도율은 증발 및 연소 특성을 갖지 않으면서 액체 전해질의 이온 전도율과 유사하다. 또한, 고체 전해질과 활물질 표면 사이의 계면은 화학적으로 또는 전기 화학적으로 상관없이 비교적 안정적이다. 그러나, 액체 전해질과 달리, 고체 전해질과 활물질 사이의 접촉 면적은 매우 작고, 접촉 표면이 불량하며, 전하 전달 계수가 낮다. 따라서, 양극 및 음극과 활물질의 전하 전달 계면의 저항이 크다는 문제가 있다. 이것은 리튬 이온을 효율적으로 전달하는 데 불리하다. 따라서, 액체 전해질을 고체 전해질로 완전히 대체하는 것은 여전히 어렵다.
또한, 리튬 이온 배터리의 음극 물질의 경우, 종래의 흑연 탄소 음극 물질의 이론적인 체적 용량은 372 mAh/g에 불과하며, 이는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도의 개선을 제한한다. 체적 용량은 최대 4200 mAh/g이지만 규소는 현재 연구의 초점이 되고 있다. 그러나, 원소 규소를 음극으로 사용하는 경우, 충전 및 방전 과정 동안 큰 체적 변화(최대 300%)가 발생하여 전해질과 원소 규소 사이에 공극 계면이 쉽게 형성될 수 있어서 전극 성능이 지속적으로 저하될 수 있다.
따라서, 전극 층의 전기 용량의 개선을 고려하면서 고체 전해질을 효율적으로 대량으로 적응시키는 방법이 이 기술 분야에서 해결해야 할 시급한 과제이다.
본 발명의 목적은 상기 단점을 극복하기 위한 활물질 볼 전극 층 구조를 제공하는 것이다. 상이한 백분율 또는 특성을 갖는 이중 유형의 전해질이 이용된다. 따라서, 고체 전해질과 활물질이 직접 접촉하는 것에 의해 야기된 전하 전달의 높은 저항 및 접촉 면적이 적은 문제가 제거된다. 유기 용매의 양이 줄어들고 배터리의 안전성이 개선된다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 활물질 볼 전극 층 구조를 제공하는 것이다. 활물질 볼의 내부와 외부에 상이한 백분율 및 특성 구성의 전해질이 이용된다. 활물질의 큰 체적 변화에 의해 야기된 공극 문제는 활물질 볼 내부의 전해질에 의해 해결될 수 있고, 활물질 볼 외부의 전해질에 의해 활물질에 대한 팽창 저항이 제공될 수 있다.
상기한 바를 구현하기 위해, 본 발명은 복수의 활물질 볼 및 제2 혼합 전해질을 포함하는 활물질 볼 전극 층 구조를 개시한다. 상기 활물질 볼은 복수의 활물질 입자, 제1 전기 전도성 물질, 제1 바인더 및 제1 혼합 전해질을 포함한다. 상기 제1 혼합 전해질과 상기 제2 혼합 전해질의 상이한 특성 구성 및 상기 활물질 볼이 이용된다. 상기 활물질 입자의 큰 체적 변화에 의해 야기된 공극 문제는 상기 활물질 볼 내부의 제1 혼합 전해질에 의해 해결될 수 있고, 상기 활물질 물질 볼 외부의 상기 제2 혼합 전해질에 의해 상기 활물질 볼에 대한 팽창 저항이 제공될 수 있다. 또한, 고체 전해질과 활물질이 직접 접촉하는 것에 의해 야기된 전하 전달의 높은 저항과 접촉 면적이 적은 문제가 제거된다. 따라서 안전성이 개선되어 이온 전도성이 향상된다.
본 발명의 다른 적용 범위는 이하에 주어진 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이기 때문에, 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타내는 상세한 설명 및 특정 예는 단지 예시를 위해 주어진 것으로 이해된다.
본 발명은 이하 예시를 위해 주어진 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이고, 따라서 이는 본 발명을 제한하려고 의도된 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 활물질 볼의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 활물질 볼 전극 층 구조의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 활물질 볼 전극 층 구조의 다른 실시형태의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 활물질 볼의 다른 실시형태의 구성도이다.
본 발명의 활물질 볼의 구성도를 도시하는 도 1을 참조한다. 도시된 바와 같이, 활물질 볼(10)은 구체로서 미리 형성된다. 활물질 볼(10)은 복수의 제1 활물질 입자(11), 제1 전기 전도성 물질(12) 및 제1 혼합 전해질(14)을 포함한다. 제1 활물질 입자(11)의 평균 입자 직경(D50)은 활물질 볼(10)의 직경의 60% 이하이다. 추출 및 삽입 반응 동안 제1 활물질 입자(11)의 체적 변화는 15% 내지 400%이다.
본 발명의 활물질 볼 전극 층 구조의 구성도를 도시하는 도 2를 더 참조한다. 본 발명의 활물질 볼 전극 층 구조(20)는 미리 형성된 활물질 볼(10)로 구성된다. 제1 혼합 전해질(14)은 활물질 볼(10) 내부에 위치되고, 제2 혼합 전해질(24)은 활물질 볼(10)의 외부에 위치된다. 제1 혼합 전해질(14)은 주로 변형 가능한 전해질로 구성되고, 제2 혼합 전해질(24)은 제1 혼합 전해질(14)의 변형 가능한 전해질보다 상대적으로 더 적은 변형 능력을 갖는 전해질로 주로 구성된다. 활물질 볼(10)의 평균 입자 직경(D50)은 전극 층 구조(20)의 두께의 70% 이하이다. 상대적으로 더 큰 변형을 갖는 전해질은 겔 전해질, 액체 전해질, 이온성 액체, 이온성 액체 전해질, 연질 고체 전해질 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 연질 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질, 수소화물 고체 전해질, 할로겐화물계 고체 전해질, 중합체 고체 전해질 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 중합체 고체 전해질은 폴리에틸렌 산화물(PEO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리염화비닐(PVC)을 포함한다.
황화물계 고체 전해질은 티오-LISICON(LixM1 - x005FyM0yS4(여기서 M은 Si 또는 Ge이고, M0은 P, Al, Zn, Ga 또는 Sb임), Li4 - x005FxGe1 - x005FxPxS4, Li4GeS4, Li3.9Zn0.05GeS4, Li4 . 275Ge0 . 61Ga0 . 25S4, Li3 . 25Ge0 .25P0. 75S4, Li3 . 4Si0 .4P0. 6S4, Li2 . 2Zn0 . 1Zr0 . 9S3, Li7P3S11, Li4SnS4, Li10GeP2S12, Li10Ge0 . 95Si0 . 05P2S12, Li9 . 54Si1 .74P1. 44S11 . 7Cl0 .3, 또는 Li10GeP2S12와 같은 LGPS 군, Li10MP2S12(여기서 M은 Si4+ 또는 Sn4+임), Li10 + dM1 + dP2 -x005FdS12(여기서 M은 Si4+ 또는 Sn4+임), 또는 Li10Ge1 - x005FxSnxP2S12, 또는 Li6PS5X(여기서 X는 Cl, Br 또는 I임) 또는 67(0.75Li2S·0.25P2S5)·33LiBH4와 같은 아기로다이트 결정 시스템, 또는 Li4PS4I 또는 Li7P2S8I와 같은 티오포스페이트 유형, 또는 Li3x[LixSn1 - x005FxS2], Li2Sn2S5, Li2SnS3 또는 Li0 . 6[Li0.2Sn0.8S2]와 같은 층상 황화물일 수 있다. 보로하이드라이드계 고체 전해질은 LiBH4-LiI(-LiNH2; -P2I4; -P2S5)일 수 있다.
상기 언급된 물질을 제외하고, 중합체 고체 전해질은 또한 PEO-LiX(여기서 X는 ClO4, PF6, BF4, N(SO2CF3)2임), PEO-LiCF3SO3, PEO-LiTFSI, PEO-LiTFSI-Al2O3 복합 고체 중합체, PEO-LiTFSI-10% TiO2 복합 고체 중합체, PEO-LiTFSI-10% HNT 복합 고체 중합체, PEO-LiTFSI-10% MMT 복합 고체 중합체, PEO-LiTFSI-1% LGPS 복합 고체 중합체, PEO-LiClO4-LAGP, 또는 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(PEGDA), 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트(PEGDMA), 폴리(에틸렌 글리콜) 모노메틸에테르(PEGME), 폴리(에틸렌 글리콜) 디메틸에테르(PEGDME), 폴리[에틸렌 산화물-코-2-(2-메톡시에톡시)에틸 글리시딜 에테르](PEO/MEEGE), 폴리(에틸 메타크릴레이트)(PEMA), 폴리(옥시에틸렌), 폴리(시아노아크릴레이트)(PCA), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리(비닐 알코올)(PVA), 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리(염화비닐)(PVC), PVC-PEMA, PEO-PMMA, 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸 메타크릴레이트) P(AN-co-MMA), PVA-PVdF, PAN-PVA, PVC-PEMA, 또는 폴리[비스(트리에틸렌 글리콜) 벤조에이트]와 같은 초분지형 중합체, 또는 폴리(에틸렌 산화물-코-에틸렌 카보네이트)(PEOEC), 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(POSS), 폴리에틸렌 카보네이트(PEC), 폴리(프로필렌 카보네이트)(PPC), 폴리(에틸 글리시딜 에테르 카보네이트)(P(Et-GEC), 폴리(t-부틸 글리시딜 에테르 카보네이트) P(tBu-GEC)와 같은 폴리카보네이트, 또는 폴리(트리메틸렌 카보네이트)(PTMC)와 같은 사이클릭 카보네이트, 또는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리(디메틸 실록산-코-에틸렌 산화물)(P(DMS-코-EO)), 폴리(실록산-g-에틸렌옥시드)와 같은 폴리실록산계, 또는 숙시노니트릴(SN), PEO/SN, ETPTA/SN, PAN/PVA-CN/SN과 같은 플라스틱 결정 전해질(PCE), 또는 에틸렌 아디페이트, 에틸렌 숙시네이트, 에틸렌 말로네이트와 같은 폴리에스테르, 또는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리(메타크릴로니트릴)(PMAN), 폴리(N-2-시아노에틸)에틸렌아민(PCEEI), 폴리(비닐리덴디플루오라이드헥사플루오로프로필렌)(PvdF-HFP), 폴리(비닐리덴디플루오라이드)(PvdF), 폴리(ε-카프로락톤)(PCL)와 같은 폴리니트릴일 수 있다.
상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질은 산화물계 고체 전해질과 같이 더 높은 경도(내재적으로 더 낮은 파괴 인성)를 갖는 고체 전해질로부터 선택되고, 그 파괴 인성은 약 1 MPa.m0.5이다. 산화물계 고체 전해질은 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 전해질 또는 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(LATP) 전해질 및 그 유도체이다. 일반적으로, 상대적으로 더 큰 변형 또는 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질 물질의 설명은 단지 예시를 위한 것일 뿐, 본 발명을 상대적으로 더 큰 변형 또는 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 이들 전해질로 제한하려고 의도된 것은 아니다. 상기 설명된 상대적으로 더 큰 변형 및 상대적으로 더 적은 변형은 변형 후 전해질이 원래 상황으로 회복할 수 있는 변형을 지칭한다. 예를 들어, 변형 동안 조각화(fragmentation)가 발생한 경우 이는 회복할 수 없는 것이라고 지칭된다. 이는 본 발명에서 설명된 상대적으로 더 큰 변형과 상대적으로 더 적은 변형의 범위 내에 있지 않아야 한다.
제1 혼합 전해질(14)이 겔 전해질, 액체 전해질 또는 이온성 액체로부터 선택될 때, 제1 혼합 전해질(14)은 충전 및 방전 과정 동안 팽창에 의해 야기된 제1 활물질 입자(11)에 의해 압출된다. 따라서, 제1 혼합 전해질(14)은 활물질 볼(10)로부터 약간 압출된다. 제1 활물질 입자(11)의 체적 수축이 발생하면, 제1 혼합 전해질(14)은 활물질 볼(10) 내로 흡입된다. 따라서, 전체 충전 및 방전 과정 동안 공극이 발생하지 않고, 파생된 공극 문제가 발생한다. 제1 혼합 전해질(14)이 연질 고체 전해질인 경우, 압착된 제1 혼합 전해질(14)은 연질 고체 전해질의 탄성으로 인해 완충 영역을 형성할 수 있다. 추가적으로, 제1 혼합 전해질(14)에서 연질 고체 전해질의 비율이 더 높으면, 이는 또한 활물질 입자(11)를 구속할 수도 있다.
제2 혼합 전해질(24)은 활물질 볼(10)의 외부에 배치되고, 활물질 볼(10)들 사이의 갭을 채워 활물질 볼(10)의 외부 표면에 접촉한다. 제2 혼합 전해질(24)은 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질로 주로 구성되는 것으로 인해, 이는 활물질 볼(10)의 체적 팽창에 대한 저항을 형성할 수 있다. 이것이 구성될 때, 제2 혼합 전해질(24)은 활물질 볼(10)의 경계를 가로지르거나 부분적으로 침입할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이 활물질 볼(10)은 단지 예시를 위한 것일 뿐, 그 경계가 완전한 상태로 유지되는 것으로 제한하는 것은 아니다. 도면에 도시된 제2 혼합 전해질(24)은 또한 단지 예시를 위한 것일 뿐, 그 위치, 크기, 분포 등을 제한하는 것은 아니다.
제1 혼합 전해질(14)은 또한 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질을 포함할 수 있고, 제2 혼합 전해질(24)은 또한 상대적으로 더 큰 변형을 갖지만 상이한 체적 함량을 갖는 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 혼합 전해질(14)의 상대적으로 더 큰 변형을 갖는 전해질의 체적 함량은 제1 혼합 전해질(14)의 총 체적 함량의 50% 초과이고, 바람직하게는 90% 초과이다. 제2 혼합 전해질(24)의 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질의 체적 함량은 제2 혼합 전해질(24)의 총 체적 함량의 50% 초과이고, 바람직하게는 90% 초과이다.
따라서, 활물질 볼(10)의 내부와 외부에 상이한 백분율 및 특성 구성의 전해질을 갖는 것에 의해 활물질 볼(10)에 대한 팽창 저항이 제공될 수 있다. 또한, 활물질 입자 및 전해질의 접촉 면적 및 상태는 보다 양호한 상태로 유지되고, 활물질 입자의 큰 체적 변화로 인해 야기된 공극 문제가 해결될 수 있다.
전술한 활물질 볼(10)을 보다 명확히 제조하기 위해, 이하의 설명은 단지 하나의 가능한 제조 과정만을 예시한다. 제1 혼합 전해질(14)이 액체 상태일 때, 먼저, 활물질 입자(11), 제1 전기 전도성 물질(12) 및 제1 바인더(도면에 도시되지 않음)를 용매와 혼합한 다음 임시 기판 상에 코팅한다. 용매를 연속적으로 건조 및 제거한 후 임시 기판을 제거하고, 이후 분쇄하고 볼 밀링을 사용함으로써 활물질 볼(10)을 얻는다. 한편, 용매가 제거될 때, 활물질 볼(10)에 형성된 구멍은 대략 불규칙적인 형상이다. 제1 혼합 전해질(14)은 구멍에 충전될 수 있다.
구멍은 전해질로 채워져야 하기 때문에, 제1 혼합 전해질(14)은 구멍의 공간을 쉽게 채우도록 상대적으로 더 큰 변형을 갖는 전해질로 주로 구성된다. 연질이고 변형 가능한 특성에 의해, 구멍의 크기 또는 형상에 따라 전해질이 변형될 수 있다. 따라서, 제1 혼합 전해질(14)과 활물질 입자(11)의 접촉 상태를 보장하기 위해 구멍에 전해질이 확실히 충전될 수 있다. 또한, 제1 혼합 전해질(14)이 주로 연질 고체 전해질로 구성되는 경우, 연질 고체 전해질은 활성 물질 입자(11), 제1 전기 전도성 물질(12) 및 제1 바인더에 직접 혼합될 수 있다.
제1 활물질 입자(11)는 전기 화학 반응 동안 체적 변화를 가질 수 있는, 리튬 금속, 탄소 물질, 규소 및/또는 규소 산화물과 같은 규소계 물질, 또는 이들의 조합으로 선택된다. 제1 바인더는 이들의 상대적 위치를 고정하는 데 사용되고, 또는 파생된 문제를 해결하기 위해 상이한 활물질의 특성에 따라 선택, 조절 또는 변형될 수 있다. 예를 들어, 활물질로서 규소 및/또는 규소 산화물의 경우, 충전 및 방전 과정 동안 체적 팽창을 제어하기 위해, 제1 바인더는 주로 가교 중합체를 포함한다. 제1 바인더에서 가교 중합체의 체적 함량은 70% 초과이다. 또한, 제1 전기 전도성 물질(12) 및 제1 바인더의 비율이 더 높은 경우, 이것은 충분한 높은 팽창 구속력 및 전기 전도율을 제공할 수 있다.
종래의 전극 층에서(규소 및/또는 규소 산화물(Si/SiOx) 및 흑연이 직접 혼합된 예에서), 전기 전도성 물질의 체적 함량은 약 5%이고, 바인더의 체적 함량은 약 7%이고, 규소 및/또는 규소 산화물(Si/SiOx) 및 흑연을 포함하는 활물질의 체적 함량은 약 88%이다. 그러나, 본 발명에서 활물질 볼(10)에서 제1 전기 전도성 물질(12)의 체적 함량은 7% 내지 10%이고, 활물질 볼(10)의 제1 바인더의 체적 함량은 10% 내지 15%이다. 따라서, 가교 중합체를 주 성분으로 갖는 제1 바인더의 양이 더 많은 경우, 이것은 팽창 구속력을 크게 증가시켜 충전 및 방전 과정 동안 규소 물질의 큰 체적 변화를 효과적으로 제어할 수 있다.
제1 전기 전도성 물질(12)은 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 증기 성장 탄소 섬유(VGCF) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 탄소 나노튜브 및 VGCF는 전기 전도성 물질로서 사용될 수 있을 뿐만 아니라 전해질 및 탄성 변형을 흡수하는 능력을 가질 수 있다. 제1 바인더는 주로 물리적 또는 화학적 접착력이 강한 가교 중합체이다. 따라서, 제1 바인더는 더 적은 탄성을 갖는다. 예를 들어, 제1 바인더는 또한 폴리이미드(PI), 아크릴 수지, 에폭시 또는 이들의 조합을 포함하는 산기를 갖는 양호한 전자 공여체를 가질 수 있다. 바인더의 양이 전술한 바와 같이 더 많은 경우, 강성이 강한 제1 바인더는 활물질 입자를 구속하여 충전 및 방전 후 활물질 입자의 팽창 규모를 제어하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 회복 불가능한 공극 영역이 제어되거나 제거될 수 있다.
더 많은 양의 강성의 제1 바인더와 제1 전기 전도성 물질(12)은 굽힘 능력을 감소시키고, 또한 남아 있는 활물질의 비율을 감소시키도록 제한한다. 따라서 비용량(specific capacity)이 줄어든다. 그러나, 본 발명의 활물질 볼(10)은 전극 층 구조에서 활물질의 일부로만 제공되어, 이러한 우려가 없는 데, 즉 이러한 결함은 나중에 상세히 설명되는 본 발명의 전극 층 구조에 영향을 미치지 않는다.
도 2를 다시 참조하면, 미리 형성된 활물질 볼(10)과 제2 바인더는 혼합되어 활물질 볼 전극 층 구조(20)를 형성한다. 제2 바인더는 제1 바인더와 상이하다. 예를 들어, 제1 바인더는 활물질 볼(10)의 체적 변화를 제어하기 위해 강성의 바인더로 주로 구성된다. 따라서, 제1 바인더의 탄성은 불량하다. 제2 바인더는 양호한 탄성을 갖는 바인더로 선택된다. 따라서, 제2 바인더의 탄성은 제1 바인더의 탄성보다 양호하다. 제2 바인더는 활물질 볼 전극 층 구조(20)의 가요성을 유지하기 위해, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 포함하여 양호한 탄성을 갖는 선형 중합체로 주로 구성된다. PVDF, PVDF-HFP, SBR의 물질 특성은 전해질을 흡수하는 능력이 높은 스펀지형 구조를 갖는다.
제2 바인더, 제2 전기 전도성 물질(22) 및 제2 혼합 전해질(24)은 활물질 볼(10)들 사이에서, 즉 활물질 볼(10)의 외부에서 혼합된다. 제2 혼합 전해질(24)은 활물질 볼(10)의 제1 혼합 전해질(14)보다 제1 활물질 입자(11)로부터 멀리 떨어져 있다.
높은 전하 전달을 얻기 위해 활물질 입자(11)의 더 큰 접촉 표면을 강조하는 제1 혼합 전해질(14)의 요건에 비해, 유효 접촉 영역을 위해 활물질 입자(11)로부터 멀리 떨어진 제2 혼합 전해질(24)의 요구 조건이 더 적다. 따라서, 제2 혼합 전해질(24)은 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질로 주로 구성된다. 유기 용매, 겔 및 액체 전해질의 양을 크게 줄이는 것에 더하여 이것은 열 안정성과 방열 성능이 뛰어나 안전을 지속적으로 유지한다. 또한, 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질은 활물질 볼(10)을 구속할 수 있다. 이것은, 경질 고체 전해질과 같이 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질이 내부 활물질 입자(11)의 팽창에 의해 야기된, 특히 충전 및 방전 사이클 동안 체적 수축 및 팽창에 의해 야기된 활물질 볼(10)의 내부 분포의 저하를 제한하거나 저지하는 데 사용된다는 것을 의미한다. 또한, 유효 접촉 면적에 대한 요구 조건이 더 적는 것으로 인해, 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질이 이온 전도를 수행하는 데 사용되어 리튬 이온이 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질과 활물질 볼 사이에 또는 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질들 사이에 고속 및 벌크 수송을 수행할 수 있게 한다. 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질 및 상대적으로 더 큰 변형을 갖는 전해질의 조성은 전술한 바와 동일할 수 있고, 형성 또는 충전 과정도 동일하여 여기서 반복 설명하지 않는다.
도 3을 참조하면, 활물질 볼(10)들 중에는 복수의 제2 활물질 입자(21)와 제2 전기 전도성 물질(22)이 배치된다. 제2 전기 전도성 물질(22)은 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 증기 성장 탄소 섬유(VGCF) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 전기 전도성 물질(12)과 제2 전기 전도성 물질(22)의 조성은 동일하거나 상이하다. 제2 활물질 입자(21)는 활물질 볼(10)의 특성에 따라 선택되어야 한다. 제2 활물질 입자의 물질 특성은 제1 활물질 입자(11)의 물질 특성과 상이하다.
나아가, 활물질 볼(10)은 제1 활물질 입자(11)의 물질 특성과는 다른 물질 특성을 갖는, 도 4에 도시된 복수의 제3 활물질 입자(31)를 포함할 수 있다. 제3 활물질 입자(31)와 제1 제3 활물질 입자(11)의 조성은 동일하거나 상이하다.
따라서, 본 발명은 복수의 활물질 볼, 및 활물질 볼 외부에 위치된 제2 혼합 전해질, 제2 전기 전도성 물질, 및 제2 바인더를 포함하는 활물질 볼 전극 층 구조를 개시한다. 활물질 볼은 미리 형성되었다. 활물질 볼은 상대적으로 더 큰 변형을 갖는 전해질로 주로 구성된 제1 혼합 전해질을 포함한다. 제2 혼합 전해질은 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질로 주로 구성된다. 이 구성에서, 활물질 볼 외부의 고속 전송 및 활물질 볼 내부의 다방향 전송이 수행되어 더 나은 이온 전도성이 달성된다. 이외에, 유기 용매(겔/액체 전해질)의 사용량이 감소되어 보다 우수한 열 성능을 얻고 안전성을 유지한다. 더욱이, 강성의 바인더로 구성된 제1 바인더는 활물질 볼을 형성하고 그 안에 구속하는 데 사용되고, 이는 전기 전도성 물질 및 바인더의 비율을 유지하면서 충전 및 방전 과정으로 인한 규소 물질의 큰 체적 변화 또는 다른 파생된 문제를 효과적으로 제어할 수 있다. 그리고 큰 체적 변화로 인해 야기된 공극 문제를 해결할 수 있다. 전극 층의 가요성은 유지될 수 있고, 비용량, 전기 전도율 및 이온 전도율을 개선할 수 있다.
본 발명을 상기와 같이 설명하였지만 본 발명은 많은 방식으로 변경될 수 있음이 명백하다. 이러한 변형은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어난 것으로 간주되지 않으며, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 모든 이러한 변형은 다음의 청구범위에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (12)

  1. 활물질 볼 전극 층 구조로서,
    복수의 활물질 볼로서, 각각의 상기 활물질 볼은 복수의 제1 활물질 입자, 제1 전기 전도성 물질, 제1 바인더 및 제1 혼합 전해질을 포함하는, 상기 복수의 활물질 볼; 및
    상기 활물질 볼의 외부에 배치되고, 상기 활물질 볼들 사이의 갭에 채워져서 상기 활물질 볼의 외부 표면에 접촉하여 상기 활물질 볼의 체적 팽창의 저항을 형성하는 제2 혼합 전해질을 포함하고;
    상기 제1 혼합 전해질은 주로 전해질로 구성되고, 상기 제2 혼합 전해질은 상기 제1 혼합 전해질의 주 전해질에 비해 상대적으로 더 적은 변형 능력을 갖는 전해질로 주로 구성된, 활물질 볼 전극 층 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 혼합 전해질의 전해질은 겔 전해질, 액체 전해질, 이온성 액체, 이온성 액체 전해질, 황화물계 고체 전해질, 수소화물계 고체 전해질, 할로겐화물계 고체 전해질, 중합체 고체 전해질 또는 이들의 조합으로부터 선택된, 활물질 볼 전극 층 구조.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중합체 고체 전해질은 폴리에틸렌 산화물(PEO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리염화비닐(PVC)을 포함하는, 활물질 볼 전극 층 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 혼합 전해질의 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질의 체적 함량은 상기 제2 혼합 전해질의 총 체적 함량의 50%를 초과하는, 활물질 볼 전극 층 구조.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 혼합 전해질의 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질의 체적 함량은 상기 제2 혼합 전해질의 총 체적 함량의 90%보다 큰, 활물질 볼 전극 층 구조.
  6. 제4항에 있어서, 상대적으로 더 적은 변형을 갖는 전해질은 산화물계 고체 전해질로부터 선택되는, 활물질 볼 전극 층 구조.
  7. 제6항에 있어서, 상기 산화물계 고체 전해질은 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 전해질 또는 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(LATP) 전해질인, 활물질 볼 전극 층 구조.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 활물질 입자는 리튬 금속, 탄소 물질, 규소, 규소 산화물 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 활물질 볼 전극 층 구조.
  9. 제1항에 있어서, 상기 활물질 볼의 평균 입자 직경(D50)은 상기 전극 층 구조의 두께의 70%이고, 상기 제1 활물질 입자의 평균 입자 직경(D50)은 상기 활물질 볼의 직경의 60%인, 활물질 볼 전극 층 구조.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 활물질 입자의 물질 특성과는 다른 물질 특성을 갖는 복수의 제2 활물질 입자를 더 포함하고, 상기 제2 활물질 입자는 상기 활물질 볼의 외부에 위치된, 활물질 볼 전극 층 구조.
  11. 제1항에 있어서, 상기 활물질 볼은 상기 제1 활물질 입자의 물질 특성과는 다른 물질 특성을 갖는 복수의 제3 활물질 입자를 더 포함하는, 활물질 볼 전극 층 구조.
  12. 제1항에 있어서, 이온 추출 및 삽입 반응 동안 상기 제1 활물질 입자의 체적 변화는 15% 내지 400%인, 활물질 볼 전극 층 구조.
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