KR20210027471A - 반-고체 전극 및 배터리 제조의 연속적인 및 반-연속적인 방법들 - Google Patents

반-고체 전극 및 배터리 제조의 연속적인 및 반-연속적인 방법들 Download PDF

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레이몬드 자가스
나오끼 오따
매튜 알. 타일러
리차드 케이. 홀만
마크 두드지악
리카도 바자렐라
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24엠 테크놀로지즈, 인크.
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Abstract

본원에서 설명된 실시예들은 일반적으로, 반-고체 전극들 및 반-고체 전극들을 포함하는 배터리들을 연속적으로 및/또는 반-연속적으로 제조하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극을 제조하는 프로세스는 반-고체 전극 슬러리를 집전체 상으로 연속적으로 분산시키는 것, 반-고체 전극 슬러리를 별개의 부분들로 분리시키는 것, 및 마감된 전극을 형성하기 위하여 집전체를 절단하는 것을 포함한다.

Description

반-고체 전극 및 배터리 제조의 연속적인 및 반-연속적인 방법들
관련 출원들에 대한 상호-참조
이 출원은 2018년 7월 9일자로 출원된 "Continuous and Semi-Continuous Methods of Semi-Solid Electrode and Battery Manufacturing"라는 명칭의 미국 특허 가출원 제62/695,483호의 우선권 및 이익을 주장하고, 이 미국 특허 가출원의 개시내용은 이로써, 그 전체적으로 참조로 포함된다.
본원에서 설명된 실시예들은 일반적으로, 반-고체(semi-solid) 전극들 및 반-고체 전극들을 포함하는 배터리들을 연속적으로 및/또는 반-연속적으로 제조하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
배터리 제조 방법들은 전형적으로, 용매에서 용해되거나 분산된 활성 재료(active material), 전도성 첨가제(conductive additive), 및 결착제(binding agent)를 포함하는 슬러리(slurry)로 전도성 기판(즉, 집전체(current collector))을 코팅하는 단계를 포함한다. 슬러리가 금속성 기판 상으로 코팅된 후에, 슬러리는 (예컨대, 용매를 증발시킴으로써) 건조되고 특정된 두께로 캘린더링된다(calendered). 배터리 전극들의 제조는 또한, 만들어지고 있는 배터리 아키텍처에 따라, 재료 혼합, 캐스팅(casting), 캘린더링, 건조, 슬리팅(slitting), 및 작동(절곡(bending), 롤링(rolling) 등)을 보편적으로 포함할 수 있다. 전극은 조립 동안에 조작되므로, 그리고 전도성 네트워크들이 정위치에 있다는 것을 보장하기 위하여, 모든 컴포넌트들은 예를 들어, 결착제의 이용에 의해 응집성 조립체(cohesive assembly) 내로 압축된다. 그러나, 결착제들 자체는 공간을 점유하고, 프로세싱 복잡도를 추가할 수 있고, 이온 및 전자 전도성을 지연시킬 수 있다. 따라서, 동일한 에너지 저장 역량들을 유지하면서, 전기화학적 셀(electrochemical cell)의 컴포넌트들을 제거하는 것 및/또는 전기화학적 셀을 위한 감소된 패키징을 제공하는 것과 같은, 전기화학적 셀들(예컨대, 배터리들) 및 전기화학적 셀들의 제조에서의 개선들에 대한 필요성이 있다.
본원에서 설명된 실시예들은 일반적으로, 반-고체 전극들 및 반-고체 전극들을 포함하는 배터리들을 연속적으로 및/또는 반-연속적으로 제조하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극을 제조하는 프로세스는 반-고체 전극 슬러리를 집전체 상으로 연속적으로 분산시키는 것, 반-고체 전극 슬러리를 별개의 부분들로 분리시키는 것, 및 마감된 전극을 형성하기 위하여 집전체를 절단하는 것을 포함한다.
도 1은 실시예에 따른, 전극 및 임의적으로, 전기화학적 셀을 제조하기 위한 프로세스의 단계들을 예시한다.
도 2는 실시예에 따른 분산 기구를 예시한다.
도 3은 실시예에 따른 분산 기구를 예시한다.
도 4는 실시예에 따른 분산 기구를 예시한다.
도 5는 실시예에 따른, 전극을 제조하기 위한 프로세스를 예시한다.
도 6a는 실시예에 따른, 2 개의 판들 사이에 터킹된(tucked) 집전체의 부분을 가지는 이동하는 집전체 상으로 퇴적된 반-고체 전극 슬러리의 사진이다.
도 6b는 실시예에 따른, 집전체의 터킹된 부분을 피복하지 않기 위하여 2 개의 판들을 떨어지도록 이동시킨 후의 도 3a의 집전체의 사진이다.
도 7은 실시예에 따른, 반-고체 전극의 반-연속적인 또는 연속적인 제조를 위한 시스템의 개략도이다.
도 8은 실시예에 따른, 반-고체 전극의 반-연속적인 또는 연속적인 제조를 위한 시스템의 개략도이다.
도 9는 실시예에 따른, 반-고체 전극의 반-연속적인 또는 연속적인 제조를 위한 시스템의 개략도이다.
도 10은 실시예에 따른, 반-고체 전극의 반-연속적인 또는 연속적인 제조를 위한 시스템의 개략도이다.
도 11은 실시예에 따른, 반-고체 전극의 반-연속적인 또는 연속적인 제조를 위한 시스템의 개략도이다.
도 12a 내지 12c는 실시예에 따른, 전기화학적 셀을 제조하기 위한 프로세스의 단계들을 예시한다.
본원에서 설명된 실시예들은 일반적으로, 반-고체 전극들 및 반-고체 전극들을 포함하는 배터리들을 연속적으로 및/또는 반-연속적으로 제조하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 본원에서 설명된 실시예들은 일반적으로, 반-고체 전극 재료를 집전체 상으로 배치하는 단계를 포함하는 반-고체 전극들을 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 방법은 반-고체 전극 슬러리를 집전체 상으로 연속적으로 분산시키는 단계, 반-고체 전극 슬러리를 별개의 부분들로 분리시키는 단계, 및 마감된 전극을 형성하기 위하여 집전체를 절단하는 단계를 포함할 수 있다.
기존의 전극들 및 기존의 전기화학적 셀들은 전형적으로, 금속 박 기판의 별개의 부분을, 추후에 건조되고 희망된 두께로 캘린더링되는 얇은(예컨대, 약 10 μm 내지 약 200 μm) 습식 슬러리로 코팅함으로써 준비된다. 이 방법에서의 슬러리 성분들은 전형적으로, 활성 재료들, 전도성 첨가제들, 결착제, 및 용매(예컨대, 보편적으로 N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone)(NMP))이다. 용매가 (운반 라인을 피복하는 건조 오븐(drying oven)에서) 증발될 때, 바인더(binder)는 기판에 결착된 매트릭스(matrix)에서 고체 입자들의 전부를 모두 함께 유지하는 "아교(glue)"로 변환된다. 전극들은 기판의 양면들 상에서 동일한 재료들로 코팅되는 것이 보편적이다.
2 개의 보편적인 배터리 설계 접근법들, (1) 권선식(wound) 및 (2) 적층식(stacked)이 있다. 권선식 배터리 설계들에서, 전극 시트(electrode sheet)들은 목표 치수들로 절단될 수 있고, 그 다음으로, 분리기가 그 사이에 배치되면서, 나선(spiral) 또는 젤리-롤(jelly-roll)로 권선될 수 있고, 그 다음으로, 전극 시트들에는 전해질(electrolyte)이 침투될 수 있고, 전극 시트들은 격납 및 전기적 접속들을 제공하기 위하여 (전형적으로, 원통형 또는 직사각형 금속 캔(metal can)으로) 적당하게 패키징될 수 있다. 적층식 배터리 설계들에서는, 전극 시트들이 또한, 목표 치수로 절단될 수 있지만, 그 다음으로, 분리기들이 그 사이에 배치되면서, 서로의 상단 상에서 적층된다. 따라서, 적층된 셀은 권선식 셀들의 경우에 연속적인 전극들이 아니라 물리적으로 별개의 전극 시트들로(즉, 애노드(anode)/캐소드(cathode) 쌍들로) 구성된다. 적층된 조립체에는 그 다음으로, 전해질이 침투될 수 있고, 적층된 조립체는 본원에서 설명된 바와 같은 셀 또는 배터리 케이스로서 각각 또한 지칭될 수 있는 파우치(pouch)/백, 플라스틱 박스, 또는 금속 캔의 어느 하나로 보편적으로 패키징될 수 있다.
기존의 파우치 패키징에서, 파우치는 몇몇 기능들을 수행할 수 있다. 하나의 이러한 기능은 환경으로부터의 배터리 재료들의 기밀 격리(hermetic isolation)를 제공하기 위한 것이다. 따라서, 파우치는 주변 환경으로의 전해질 용매들 및/또는 부식성 염(corrosive salt)들과 같은 유해한 재료들의 누설을 회피하도록 역할을 할 수 있고, 셀 내로의 물 및/또는 산소 침투를 방지할 수 있다. 파우치의 다른 기능들은 예를 들어, 내부 층들의 압축 패키징, 안전성 및 취급을 위한 전압 격리, 및 배터리 조립체의 기계적 보호를 포함할 수 있다.
전형적인 파우치 재료들은 예를 들어, 2 개 또는 3 개의 고체 필름-유사 층들로 형성되고 접착제에 의해 함께 결착된 라미네이트(laminate)들(예컨대, 다층 시트들)을 포함할 수 있다. 본원에서 이용된 바와 같은 단어 "라미네이트"는 또한, 서로에 화학적으로 접착되지 않는 재료의 층들을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 층들은 서로 면적 접촉(areal contact)할 수 있고, 예를 들어, 열 밀봉(heat sealing)과 같은 다른 결합 방법들을 이용하여 결합될 수 있다. 내부 층은 예를 들어, 캐스트 폴리프로필렌(cast polypropylene)(CPP)과 같은, 예를 들어, 플라스틱 층일 수 있다. 다음 또는 제2 층은 예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 박 층(metal foil layer)일 수 있다. 일부 파우치 구성들에서는, 추가적인 층(들)이 있을 수 있다. 추가적인 층은 예를 들어, 나일론과 같은 플라스틱으로 형성된, 예를 들어, 보호 코팅일 수 있다. 금속 박은 플라스틱들보다, 특정 화합물들, 특히 물에 대해 훨씬 덜 투과성인, 기밀성(hermeticity)의 기능을 제공할 수 있다. 내부 플라스틱 층은 그 자체에 열적으로 본딩가능할 수 있고, 이는 파우치 폐쇄 및 전기적 패스 스루들(electrical pass-throughs)의 허용에 관한 관례이다. 파우치 폐쇄에서, 파우치 라미네이트의 2 개의 피스(piece)들의 내부 층들(예컨대, CPP)이 물리적 접촉하게 되고, 열이 적용될 경우에, 층들은 용융되고 융합될 것이어서, 프로세싱 조건들(예컨대, 전력, 온도, 기간)이 적절하게 선택될 경우에 강인한 밀봉(robust seal)을 생성할 것이다. 예를 들어, 밀봉이 폐쇄된 루프에서 행해질 때, 주변 또는 외부 환경으로부터 격리되는 내부 볼륨이 형성될 수 있다.
일부 공지된 전기화학적 셀들(예컨대, 배터리들)은 다양한 형상들 및/또는 크기들을 포함할 수 있고, 폭넓게 다양한 가능한 재료들 및 내부 아키텍처들에 기초할 수 있고, 수동 또는 능동의 어느 하나로 제어될 수 있고, 재충전가능하거나 그렇지 않을 수 있고, 및/또는 전기화학적 셀들이 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것을 허용할 수 있는 특정 보편적인 피처들을 공유할 수 있다. 일부 공지된 배터리들은 높은 전기화학적 전위를 가지는 제1 전극, 및 제1 전극에 비해 더 낮은 전기화학적 전위를 가지는 제2 전극을 포함할 수 있다. 각각의 전극은 스위치가 폐쇄될 때에 전기적 전류의 유동(flow)으로 귀착될 수 있는, 재료 상태들의 선호된 열역학적 변경에 의해, 방전 동안에 화학적 반응 및/또는 물리적-화학적 변환에 참여하는 활성 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우들에는, 전하 전달이 발생하도록 하기 위하여, 2 개의 별개의 전도성 네트워크들은 애노드 및 캐소드가 전기적으로 접속되는 것을 허용할 수 있다. 분리기는 이온들 만이 분리기를 통과할 수 있도록 애노드 및 캐소드의 격리를 제공하기 위하여, 그리고 단락을 방지하기 위하여 이용될 수 있다.
배터리 전극들의 제조는 복잡하고 자본 집약적인 프로세스일 수 있고, 만들어지고 있는 배터리 아키텍처에 따라, 재료 혼합, 캐스팅, 캘린더링, 건조, 슬리팅, 및 작동(절곡, 롤링 등)을 보편적으로 포함할 수 있다. 전극은 조립 동안에 조작되므로, 그리고 전도성 네트워크들이 정위치에 있다는 것을 보장하기 위하여, 모든 컴포넌트들은 예를 들어, 결착제의 이용에 의해 응집성 조립체 내로 압축된다. 그러나, 결착제들 자체는 공간을 점유하고, 프로세싱 복잡도를 추가할 수 있고, 이온 및 전자 전도성을 지연시킬 수 있다.
이 명세서에서 이용된 바와 같이, 단수 형태들 "a", "an", 및 "the"는 문맥이 이와 다르게 명확하게 기술하지 않으면 복수의 지칭대상들을 포함한다. 따라서, 예를 들어, 용어 "부재(member)"는 단일 부재 또는 부재들의 조합을 의미하도록 의도되거나, "재료"는 하나 이상의 재료들을 의미하도록 의도되거나, 또는 그 조합과 같다.
"원통형", "선형", 및/또는 다른 기하학적 관계들과 관련하여 이용될 때의 용어 "실질적으로(substantially)"는 그렇게 정의된 구조체가 명목상으로 원통형, 선형 등이라는 것을 전달하도록 의도된다. 하나의 예로서, "실질적으로 선형(substantially linear)"인 것으로서 설명되는 지지 부재의 부분은 부분의 선형성이 바람직하지만, 일부 비-선형성이 "실질적으로 선형인" 부분에서 발생할 수 있다는 것을 전달하도록 의도된다. 이러한 비-선형성은 제조 공차(manufacturing tolerance)들 또는 (예를 들어, 지지 부재에 적용된 압력 또는 힘과 같은) 다른 실제적인 고려사항들로부터 기인할 수 있다. 따라서, 용어 "실질적으로"에 의해 수정된 기하학적 구성은 기재된 기하학적 구성의 플러스 또는 마이너스 5 %의 공차 내의 이러한 기하학적 성질들을 포함한다. 예를 들어, "실질적으로 선형인" 부분은 선형인 것의 플러스 또는 마이너스 5 % 이내인 축 또는 중심 라인을 정의하는 부분이다.
본원에서 이용된 바와 같이, 용어 "세트(set)" 및 "복수(plurality)"는 다수의 피처들 또는 다수의 파트들을 갖는 단일 피처를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 전극들의 세트를 지칭할 때, 전극들의 세트는 다수의 부분들을 갖는 하나의 전극으로서 고려될 수 있거나, 전극들의 세트는 다수의 별개의 전극들로서 고려될 수 있다. 추가적으로, 예를 들어, 복수의 전기화학적 셀들을 지칭할 때, 복수의 전기화학적 셀들은 다수의 별개의 전기화학적 셀들로서, 또는 다수의 부분들을 갖는 하나의 전기화학적 셀로서 고려될 수 있다. 따라서, 부분들의 세트 또는 복수의 부분들은 서로로부터 연속적인 또는 불연속적인 것 중의 어느 하나인 다수의 부분들을 포함할 수 있다. 복수의 입자들 또는 복수의 재료들은 또한, 별도로 생산되고 (예컨대, 혼합, 접착제, 또는 임의의 적당한 방법을 통해) 더 이후에 함께 병합되는 다수의 항목들로부터 제작될 수 있다.
본원에서 이용된 바와 같이, 용어 "z-방향(z-direction)"은 일반적으로, 종방향 및 횡방향이 제1 및 제2 방향들인 제3 방향을 의미한다. 다시 말해서, z-방향은 길이 및 폭과 대조적으로 피처의 깊이 또는 두께를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같이, 용어 "약(about)" 및 "대략적으로(approximately)"는 일반적으로, 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 10 %를 의미하고, 예컨대, 약 250 ㎛는 225 ㎛ 내지 275 ㎛를 포함할 것이고, 약 1,000 ㎛는 900 ㎛ 내지 1,100 ㎛를 포함할 것이다.
본원에서 이용된 바와 같이, 용어 "반-고체"는 예를 들어, 입자 현탁액(particle suspension), 콜로이드성 현탁액(colloidal suspension), 에멀젼(emulsion), 겔(gel), 또는 미셀(micelle)과 같은 액체 및 고체 상(phase)들의 혼합물인 재료를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같이, 용어들 "활성화된 탄소 네트워크(activated carbon network)" 및 "네트워크화된 탄소(networked carbon)"는 전극의 일반적인 정성적 상태에 관련된다. 예를 들어, 활성화된 탄소 네트워크(또는 네트워크화된 탄소)를 갖는 전극은, 전극 내의 탄소 입자들이 입자들 사이의 전기적 접촉 및 전기적 전도성을 용이하게 하는 개별적인 입자 모폴로지(morphology) 및 서로에 대한 배열을 나타내도록 되어 있다. 반대로, 용어들 "비활성화된 탄소 네트워크(unactivated carbon network)" 및 "비네트워크화된 탄소(unnetworked carbon)"는 탄소 입자들이 전극을 통해 적절한 전기적 전도를 제공하도록 충분히 접속되지 않을 수 있는 개별적인 입자 아일랜드(particle island)들 또는 멀티-입자 응집체 아일랜드(multi-particle agglomerate island)들의 어느 하나로서 존재하는 전극에 관련된다.
도 1은 연속적인 또는 반-연속적인 방식으로 반-고체 전극을 제조하는 방법(10)의 개략적인 예시도를 도시한다. 일부 실시예들에서, 방법(10)은 집전체(11)가 운반 시스템을 통과할 때, 반-고체 전극 슬러리를 집전체(11) 상으로 연속적으로 분산시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 운반 시스템은 집전체를 고정된 분산 기구를 지나서 연속적으로 또는 반-연속적으로 수송하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산 기구는 집전체에 대하여 조절가능할 수 있고 및/또는 이동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고정된 분산 기구는 집전체가 고정된 분산 기구를 통과할 때, 반-고체 전극 슬러리를 미리 결정된 및 정밀한 레이트로 집전체의 특정 영역들 상으로 분산시킨도록 구성된 노즐일 수 있다.
반-고체 슬러리를 분산시키는 것은 운반 시스템에 대해 상당한 양의 힘을 생성할 수 있다. 반-고체 슬러리를 분산시킴으로써 생성된 힘은 반-고체 슬러리의 하중에 비례적이다(즉, 더 높은 점도의 반-고체 슬러리 하중은 운반 시스템에 대해 더 많은 힘을 생성함). 일부 실시예들에서, 운반 시스템에 대해 작용하는 힘은 2,000 lbf 초과, 2,500 lbf 초과, 3,000 lbf 초과, 또는 3,500 lbf 초과일 수 있다. 이 힘은 시스템이 얼마나 철저하게 편향(deflection)들을 제한하도록 설계되는지에 관계 없이, 운반 시스템에서의 기계적 편향들을 야기시킬 수 있다. 이 편향들은 분산 기구와 집전체 사이의 캐스팅 갭(casting gap)들에 영향을 줄 수 있고, 이것은 전극의 두께에 충격을 준다. 일부 실시예들에서, 편향은 운반 시스템을 통한 집전체의 단지 10 mm의 이동의 과정 동안에 100 μm에 도달할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조절가능한 분산 기구는 이 편향들을 상쇄시키기 위한 그러한 방식으로 이동할 수 있다. 다시 말해서, 조절가능한 분산 기구는 분산된 슬러리의 힘에 의해 야기된 편향을 보상하기 위하여 상하로(즉, z-축을 따라) 이동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산 기구는 전극의 전체 폭을 따라 상하로(즉, z-방향으로) 이동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산 기구는 틸팅된 방식(tilted manner)으로 전극의 좌측 측부 상에서 상하로 이동할 수 있어서, 분산 기구는 전극의 우측 측부보다 전극의 좌측 측부 상에서 더 낮다. 일부 실시예들에서, 분산 기구는 틸팅된 방식으로 전극의 우측 측부 상에서 상하로 이동할 수 있어서, 분산 기구는 전극의 좌측 측부보다 전극의 우측 측부 상에서 더 낮다.
일부 실시예들에서, 분산 기구는 분산 기구와 집전체 사이의 캐스팅 갭들을 10 μm 미만, 9 μm 미만, 8 μm 미만, 7 μm 미만, 6 μm 미만, 5 μm 미만, 4 μm 미만, 3 μm 미만, 2 μm 미만, 또는 1 μm 미만의 정밀도로 제어하도록 이동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산 기구는 전극 두께의 정밀도를 보장하기 위하여, 약 1 μm 초과, 약 5 μm 초과, 약 10 μm 초과, 약 20 μm 초과, 약 30 μm 초과, 약 40 μm 초과, 약 50 μm 초과, 약 60 μm 초과, 약 70 μm 초과, 약 80 μm 초과, 약 90 μm 초과, 또는 약 100 μm 초과의 거리를 z-축을 따라 이동할 수 있다. 분산 기구는 운반 시스템의 이동의 타이밍과 정합하기 위하여 매우 급속하게 조절될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산 기구의 상쇄 운동(counteracting motion)은 0.5 초 미만, 0.4 초 미만, 0.3 초 미만, 0.2 초 미만, 0.1 초 미만, 0.09 초 미만, 0.08 초 미만, 0.07 초 미만, 0.06 초 미만, 0.05 초 미만, 0.04 초 미만, 0.03 초 미만, 0.02 초 미만, 또는 0.01 초 미만 내에 발생할 수 있다. 예를 들어, 캐스팅 갭은 0.1 초 내에 150 μm로부터 200 μm로 변경될 수 있고, 200 μm 갭은 1 μm 정밀도로 달성될 수 있다. 캐스팅 갭은 그 다음으로, 0.1 초 내에 200 μm로부터 175 μm로 추후에 변경될 수 있고, 175 μm 갭은 1 μm 정밀도로 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 서보-제어된 운동(servo-controlled motion)들은 캐스팅 갭들을 희망된 정밀도의 레벨로 제어하기 위하여 분산 기구의 운동들을 제어할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가장 최근에 생산된 전극들을 위한 베타 게이지 판독(beta gauge reading)들은 분산 기구를 위한 이동 스케줄을 결정하기 위하여 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산 기구는 분산 기구와 캐스팅 노즐(casting nozzle) 내의 집전체 사이의 캐스팅 갭들을 제어할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐스팅 노즐 내의 블레이드(blade)는 분산 기구와 집전체 사이의 캐스팅 갭들을 제어하기 위하여 상하로 이동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 일단 집전체 상으로 분산되면, 미리 결정된 영역들에서 남아 있도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본원에서 설명된 반-고체 전극 슬러리를 포함하는 전극들은 활성 성분들에 대한 불활성 성분들의 볼륨, 질량, 및 비용 기여분들을 감소시킬 수 있음으로써, 반-고체 전극들로 행해진 배터리들의 상업적인 매력을 증대시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 본원에서 설명된 반-고체 전극들은 무바인더(binderless)이고 및/또는 기존의 배터리 제조에서 이용되는 바인더들을 이용하지 않는다. 그 대신에, 기존의 전극들에서의 바인더들에 의해 정상적으로 점유된 전극의 볼륨은 지금은: 1) 비틀림도(tortuosity)를 감소시키고 이온 확산(ion diffusion)을 위하여 이용가능한 총 염을 증가시킴으로써, 높은 레이트에서 이용될 때에 두꺼운 기존의 전극들에 전형적인 염 고갈 효과(salt depletion effect)들을 역행하는 효과를 가지는 전해질, 2) 배터리의 충전 용량을 증가시키는 효과를 가지는 활성 재료, 또는 3) 전극의 전자 전도성을 증가시킴으로써, 두꺼운 기존의 전극들의 높은 내부 임피던스를 역행하는 효과를 가지는 전도성 첨가제에 의해 점유될 수 있다. 임의의 특정한 이론에 의해 구속되는 것을 소망하지 않으면서, 본원에서 설명된 반-고체 전극들의 감소된 비틀림도 및 더 높은 전자 전도성은 반-고체 전극들로부터 형성된 전기화학적 셀들의 우수한 레이트 역량 및 충전 용량으로 귀착된다.
일부 실시예들에서, 집전체는 별개의 집전체들로 아직 배분되지 않은 전도성 재료의 스트립(strip)이다. 집전체는 종방향 축을 정의하는 길이, 및 종방향 축에 수직인 치수로서 정의되는 폭을 가진다. 집전체는 그 종방향 축을 따라 운반 시스템(즉, 주행의 방향)을 통해 수송되도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 집전체의 폭은 마감된 반-고체 전극에서 이용되어야 할 집전체의 희망된 폭 또는 높이와 실질적으로 유사할 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체의 폭은 마감된 반-고체 전극에서 이용되어야 할 집전체의 희망된 폭 또는 높이의 약 101 %, 105 %, 110 %, 120 %, 130 %, 140 %, 150 %, 175 %, 200 %, 300 %, 400 %, 또는 500 % 초과일 수 있다.
일부 실시예들에서, 집전체는 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 약 0.01 μm 내지 약 100 μm 사이, 약 100 nm 내지 약 100 μm 사이, 약 1 μm 내지 약 95 μm 사이, 약 1 μm 내지 약 90 μm 사이, 약 1 μm 내지 약 85 μm 사이, 또는 약 1 μm 내지 약 80 μm 사이의 두께를 가진다. 일부 실시예들에서, 집전체는 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 약 500 μm 미만, 약 400 μm 미만, 약 300 μm 미만, 약 200 μm 미만, 약 100 μm 미만, 약 90 μm 미만, 약 80 μm 미만, 약 70 μm 미만, 약 60 μm 미만, 약 50 μm 미만, 약 45 μm 미만, 약 40 μm 미만, 약 35 μm 미만, 약 30 μm 미만, 약 25 μm 미만, 약 20 μm 미만, 약 19 μm 미만, 약 18 μm 미만, 약 17 μm 미만, 약 16 μm 미만, 약 15 μm 미만, 약 14 μm 미만, 약 13 μm 미만, 약 12 μm 미만, 약 11 μm 미만, 약 10 μm 미만, 약 9 μm 미만, 약 8 μm 미만, 약 7 μm 미만, 약 6 μm 미만, 약 5 μm 미만, 약 5 μm 미만, 약 4 μm 미만, 약 3 μm 미만, 약 2 μm 미만, 약 1 μm 미만, 약 900 nm 미만, 약 750 nm 미만, 약 500 nm 미만, 또는 약 100 nm 미만의 두께를 가진다.
집전체는 전자적으로 전도성이고, 셀의 동작 조건들 하에서 전기화학적으로 비활성일 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체 재료들은 음의 집전체(negative current collector)를 위한 구리, 알루미늄, 및/또는 티타늄, 및 양의 집전체(positive current collector)를 위한 알루미늄을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 알루미늄은 양의 전극을 위한 집전체로서 이용된다. 일부 실시예들에서, 구리는 음의 전극을 위한 집전체로서 이용된다. 다른 실시예들에서, 알루미늄은 음의 전극을 위한 집전체로서 이용된다.
반-고체 전극 슬러리는 애노드 및/또는 캐소드에서 이용되도록 전기화학적으로 구성될 수 있다. 반-고체 전극 슬러리는 액체 전해질에서의 활성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 유기 또는 무기일 수 있는 활성 재료는 리튬 금속, 나트륨 금속, 리튬-금속 합금들, 용해된 리튬을 갖거나 갖지 않는 갈륨 및 인듐 합금들, 용융된 전이 금속 클로라이드들, 티오닐 클로라이드 등, 또는 배터리의 동작 조건들 하에서 액체인 산화환원(redox) 폴리머들 및 유기물들을 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 전극 제형(electrode formulation)들은 예를 들어, (1) 활성 재료들(즉, 이온들 및 전자들의 소스(source)들 및 싱크(sink)들), (2) 전자 전도의, 반드시 배타적이지는 않지만 일차적인 기능을 가지는 탄소(또는 탄소들의 혼합물) 또는 다른 재료(들), 및 (3) 이온 전도의, 반드시 배타적이지는 않지만 일차적인 기능을 가지는 전해질(예컨대, 용매 또는 용매 혼합물 플러스 염(들))을 포함할 수 있다. 전극 제형은 특정 의도된 화학적, 기계적, 전기적, 및/또는 열적 기능들을 가지는 다른 첨가제들을 임의적으로 포함할 수 있다. 전극 제형들은 예를 들어, "Semi-Solid Electrodes Having High Rate Capability"라는 명칭인 미국 특허 제8,993,159호, 및 "Asymmetric Battery Having a Semi-Solid Cathode and High Energy Density Anode"라는 명칭인 미국 특허 제9,437,864호에서 설명된 활성 재료들, 조성물들, 및/또는 반-고체 현탁액들을 포함할 수 있고, 이 미국 특허들의 전체 개시내용들은 이로써, 각각 참조로 포함된다.
일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 전도성 첨가제, 안정화 첨가제, 및/또는 겔화제(gelling agent)를 포함할 수 있다. 반-고체 전극 슬러리들의 예들은 미국 특허 제8,993,159호, 제9,178,200호, 제9,184,464호, 제9,203,092호, 및 제9,484,569호에서 발견될 수 있고, 이 미국 특허들의 전체 개시내용들은 이로써, 참조로 본원에 포함된다.
일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리로 직접적으로 제조된 전극들 및 전기화학적 셀들은 기존의 결착제들 및 기존의 전극 캐스팅 단계를 모두 함께 이용하는 것을 회피한다. 반-고체 전극 슬러리를 이용하는 것은 또한, 반-고체 전극 슬러리가 전해질을 이미 포함하므로, 전해질로 전극 재료를 인퓨징(infusing)하기 위한 필요성을 제거할 수 있다. 이 접근법의 일부 이점들은 예를 들어, (i) 더 적은 장비를 갖는(즉, 덜 자본 집약적인) 단순화된 제조 프로세스, (ii) (예컨대, 압출 다이 슬롯(extrusion die slot) 치수 또는 다른 프로세스 조건들을 변경함으로써) 상이한 두께들 및 형상들의 전극들을 제조하기 위한 능력, (iii) 더 두껍고(>100 μm) 더 높은 면적 충전 용량(mAh/cm2) 전극들의 프로세싱으로서, 이에 의해, 활성 재료에 대한 비활성 성분들의 볼륨, 질량, 및 비용 기여분들을 감소시키는 것, 및 (iv) 결착제들의 제거로서, 이에 의해, 비틀림도를 감소시키고 전극의 이온 전도성을 증가시키는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 집전체는 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 분(minute) 당 약 1 미터 초과, 분 당 약 5 미터 초과, 분 당 약 10 미터 초과, 분 당 약 15 미터 초과, 분 당 약 20 미터 초과, 분 당 약 25 미터 초과, 분 당 약 30 미터 초과, 분 당 약 35 미터 초과, 분 당 약 40 미터 초과, 분 당 약 45 미터 초과, 분 당 약 50 미터 초과, 분 당 약 55 미터 초과, 분 당 약 60 미터 초과, 분 당 약 65 미터 초과, 분 당 약 70 미터 초과, 분 당 약 75 미터 초과, 분 당 약 80 미터 초과, 분 당 약 85 미터 초과, 또는 분 당 약 100 미터 초과의 레이트에서 분산 기구를 지나서 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체가 고정된 분산 포인트를 지나서 이동되는 레이트는 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 분 당 약 1 미터 내지 분 당 약 100 미터 사이, 분 당 약 5 미터 내지 분 당 약 80 미터 사이, 분 당 약 10 미터 내지 분 당 약 70 미터 사이, 분 당 약 20 미터 내지 분 당 약 60 미터 사이, 및 분 당 약 30 미터 내지 분 당 약 50 미터 사이일 수 있다.
일부 실시예들에서, 집전체는 전송 벨트(transmission belt), 진공 팰릿(vacuum pallet), 진공 컨베이어(vacuum conveyor), 벨트 컨베이어(belt conveyor), 롤러(roller)들, 이동 팬(moving pan), 공압식 컨베이어(pneumatic conveyor), 유압식 컨베이어(hydraulic conveyor), 진동 컨베이어, 수직 컨베이어, 나선형 컨베이어, 낮은 마찰 계수를 가지는 표면을 가로질러서 집전체를 풀링(pulling)하거나 푸시(pushing)하는 것, 임의의 다른 적당한 장비 또는 접근법, 또는 그 조합들을 이용하여 분산 기구를 지나서 수송될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체는 얇고 고도로 변형가능할 수 있어서, 운반 동안에 집전체를 주름지게 하거나, 접철(fold)하거나, 파열시키거나, 절곡시키거나, 찌그러지게 하거나, 그렇지 않으면 잘못취급하지 않기 위하여 주의가 기울여져야 한다. 일부 실시예들에서는, 이러한 손상으로부터 집전체를 보호하는 것을 돕기 위하여, 반-고체 전극 슬러리가 집전체 상으로 배치되기 전에(예컨대, 단계(11)), 집전체는 파우치 재료 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리가 집전체 상으로 배치되기 전에 집전체를 파우치 재료 상으로 배치시키는 것은 또한, 분산 기구를 지나서 집전체를 수송하는 것을 도울 수 있다.
방법(10)은 반-고체 전극 슬러리를 집전체 상의 별개의 부분들로 분리시키는 단계(12)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 연속적으로 퇴적된 반-고체 전극 슬러리의 부분을 제거함으로써 집전체 상의 별개의 부분들로 분리될 수 있다(12). 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 퇴적된 반-고체 전극 슬러리를 집전체로 수납하기 위하여 집전체의 부분을 일시적으로 이용불가능하게 함으로써 집전체 상의 별개의 부분들로 분리될 수 있다(12). 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 연속적으로 퇴적된 반-고체 전극 슬러리의 길이에 관하여 집전체의 길이를 변경함으로써 집전체 상의 별개의 부분들로 분리될 수 있다(12). 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 일단 반-고체 전극 슬러리가 퇴적되었으면, 집전체로부터 이전에 배치된 방해 재료를 제거함으로써 집전체 상의 별개의 부분들로 분리될 수 있다(12). 일부 실시예들에서, 별개의 부분들은 마스크 재료를 집전체의 적어도 부분에 먼저 배치하여 반-고체 전극 슬러리를 마스킹된 집전체 상으로 배치함으로써 생성된 별개의 전극들일 수 있고, 마스크 재료는 그 다음으로, 마감된 전극 또는 전극들을 정의하기 위하여 제거될 수 있다.
일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 초음파처리(ultrasonication), 레이저 절제(laser ablation), 닥터 블레이드(doctor blade), 조사(irradiation), 고-정밀 절단, 또는 그 조합들 중의 임의의 것에 의해 집전체 상의 별개의 부분들로 분리될 수 있다(12). 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 분산 기구를 지나서 어떤 거리에서 집전체의 속력을 높여서, 집전체의 비코팅된 부분이 반-고체 전극 슬러리의 각각의 별개의 부분 사이에 형성되게 함으로써, 집전체의 별개의 부분들로 분리될 수 있다(12).
일부 실시예들에서는, 위에서 논의된 바와 같이, 집전체의 폭(운반 시스템을 통한 집전체의 주행의 방향에 수직인 치수)은 대략적으로, 마감된 전극에서 이용되어야 집전체의 폭 이상일 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체의 폭은 하나 초과의 전극 부분 폭별(width-wise)로의 배치된 반-고체 전극 슬러리의 분리를 수용할 수 있다. 다시 말해서, 일부 실시예들에서, 집전체 상의 별개의 부분들로의 반-고체 전극 슬러리의 분리(12)는 (집전체의 주행의 방향에 대해 평행하고, 또한, 집전체의 주행의 방향에 수직인) 2 개의 방향들로의 반-고체 전극 슬러리의 분리를 포함할 수 있다.
방법(10)은 마감된 전극을 형성하기 위하여 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분들 사이의 집전체를 절단하는 단계(13)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 집전체는 사전-천공된 한도 라인(pre-perforated extent line)들을 따라 집전체의 묘사된 섹션(delineated section)들을 분리시킴으로써 절단될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체는 레이저(예컨대, CO2-가스 레이저, 고-전력 다이오드 레이저, 광섬유 레이저 등), 드릴링(drilling), 플라즈마 절단(plasma cutting)을 이용하여, 왕복 블레이드를 이용하여, 펀치(punch) 또는 가압(press), 공압식 절단, 유압식 절단을 이용하여, 본 기술분야에서의 통상의 기술자들에게 공지된 다른 방법들을 이용하여, 또는 그 조합들로 절단될 수 있다.
일부 실시예들에서, 집전체 상에 배치된 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분을 갖는 각각의 개별화된 집전체는 마감된 전극으로 고려될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마감된 전극은 집전체가 절연 재료에 직접 접하도록, 전기적 절연 재료(예컨대, 라미네이트 파우치 재료) 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 접착제는 절연 재료 상에서 마감된 전극을 보유하기 위하여 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 위에서 설명된 바와 같이, 집전체는 집전체 재료의 개별화가 또한, 마감된 전극을 형성하기 위하여 절연 재료를 절단하는 것을 포함하도록, 절연 재료(예컨대, 파우치 재료)로 사전-배치(pre-dispose)될 수 있다.
일부 실시예들에서, 마감된 전극은, 집전체에 전기적으로 접속되고 전자들을 전극 내로 또는 전극 외부로 수송하도록 구성된 전극 탭(electrode tab)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 탭은 집전체 및/또는 절연 재료를 넘어서서 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 탭은 반-고체 전극 슬러리가 집전체 상으로 배치되기 전에, 집전체에 전기적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 셀은 (i) 별개의 탭 컴포넌트(예컨대, 전기적 도선(electrical lead)), (ii) 전용 탭들을 집전체들로 접속하는 것, 및 (iii) 전용 탭 밀봉 동작에 대한 필요성을 배제할 수 있는 통합된 전기적 태빙(integrated electrical tabbing)을 포함할 수 있다. 그 대신에, 일부 실시예들에서, 전극 탭 또는 도선은 집전체에 일체적인 집전체의 연장부로서 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 탭 또는 도선은 집전체 재료의 더 큰 면적으로의 재료의 제거에 의해 정의될 수 있음으로써, 집전체 및 탭 또는 도선을 정의할 수 있다.
방법(10)은 마감된 전기화학적 셀을 형성하기 위하여 마감된 전극(예컨대, 캐소드)을, 분리기가 개재된(interposed) 제2 마감된 전극(예컨대, 애노드)과 병합하는 단계(14)를 임의적으로 포함한다. 다시 말해서, 일단 마감된 전극이 (예컨대, 단계(13)에 따라) 개별화되었으면, 마감된 전극은 반대의 산화환원 반응을 나타내는 제2 마감된 전극을 갖는 마감된 전기화학적 셀로 조립될 수 있다. 다시 말해서, 캐소드 및 애노드는 그 사이에 배치된 분리기와 함께 병합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 분리기는 애노드와 캐소드 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리기는 접착제로 애노드 및 캐소드 중의 적어도 하나에 병합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 애노드, 하나의 캐소드, 및 하나의 분리기는 단위 셀 조립체를 형성하기 위하여 함께 적층될 수 있다. 각각의 단위 셀 조립체는 또한, 전극들을 외부 회로들에 결합하기 위한 전도성 탭들(또한, 도선으로서 지칭됨)을 포함할 수 있다. 다수의 단위 셀 조립체들은 그 다음으로, 배터리 셀을 형성하기 위하여 함께 적층되거나 배열된다. 일부 실시예들에서, 배터리 셀에서의 단위 셀 조립체들의 수는 예를 들어, 결과적인 배터리 셀의 희망된 용량 및/또는 두께에 따라 변동될 수 있다. 이 적층된 단위 셀 조립체들은 전기적으로 병렬이고, 각각의 단위 셀 조립체에서의 개개의 탭들은 전형적으로, 그 중에서도, 저항 용접(resistance welding), 레이저 용접(laser welding), 및 초음파 용접(ultrasonic welding), 심 용접(seam welding), 전기 빔 용접(electric beam welding)과 같은 용접 프로세스들을 통해 함께 용접된다.
일부 실시예들에서, 준비된 전기화학적 셀은 환경으로부터의 전기화학적 셀 재료들의 기밀 격리를 제공할 수 있는 프리즘 파우치(prismatic pouch)에서 진공 밀봉될 수 있다. 따라서, 파우치는 주변 환경으로의 전해질 용매들 및/또는 부식성 염들과 같은 유해한 재료들의 누설을 회피하도록 역할을 할 수 있고, 셀 내로의 물 및/또는 산소 침투를 방지할 수 있다. 파우치의 다른 기능들은 예를 들어, 내부 층들의 압축 패키징, 안전성 및 취급을 위한 전압 격리, 및 전기화학적 셀 조립체의 기계적 보호를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 진공 파우치 밀봉 동안에, 전해질은 적층된 단위 셀 조립체 내로 주입될 수 있고, 단위 셀 조립체들 및 전해질은 그 다음으로, 파우치 내로 밀봉될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 반-고체 전극 슬러리가 전해질의 총 희망된 수량을 이미 포함할 수 있을 경우에, 전해질이 파우치 밀봉 단계 동안에 추가되지 않는다.
일부 실시예들에서, 밀봉된 배터리 셀은 그 다음으로, 형성 프로세스를 받을 수 있고, 이 형성 프로세스에서, 초기 충전 동작은 전극-전해질 계면을 패시베이팅(passivate)할 수 있을 뿐만 아니라, 부 반응(side reaction)들을 방지할 수 있는 안정적인 고체-전해질-상간(solid-electrolyte-interphase)(SEI)을 생성하기 위하여 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 충전 및 방전의 몇몇 사이클들은 배터리들의 용량이 요구된 사양들을 충족시킨다는 것을 보장하기 위하여 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 탈기 단계(degassing step)는 초기 충전 스테이지 동안에 또는 배터리 형성 단계에서의 전기화학적 반응들 동안에 도입되거나 생산된 가스들을 배출하기 위하여 수행될 수 있다. 전극들에서의 포착된 가스의 존재는 일반적으로, 전극들의 전도성 및 밀도를 감소시키고, 배터리 셀에 배치될 수 있고 리튬 배터리들에서의 배터리 성능을 손상시킬 수 있는 덴드라이트 성장(dendrite growth)을 야기시킬 수 있는 활성 전기화학적 재료들의 양을 제한한다. 일부 실시예들에서, 덴드라이트 형성은 사이클 수명에서의 감소 및 전체적인 안전성 성능에서의 감소로 이어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 재밀봉 단계는 포착된 가스가 배출된 후에 배터리 셀을 다시 밀봉하기 위하여 취해질 수 있다.
일부 실시예들에서, 기존의 전기화학적 셀 제조 방법들과 비교하여, 본원에서 설명된 방법들은 반-고체 전극들 및 전기화학적 셀들을 더 짧은 시간의 주기 내에 제조하기 위하여 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 더 짧은 시간 주기는 전해질의 증발 및/또는 열화를 최소화할 수 있고, 제조 비용을 감소시킬 수 있고, 전기화학적 전위의 동일한 출력을 위한 필요한 공장 풋프린트(factory footprint)를 감소시킬 수 있다.
도 2는 실시예에 따른, 전극의 캐스팅 갭 T의 길이를 제어할 수 있는 분산 기구(100)를 도시한다. 일부 실시예들에서, 노즐(110)은 전극 슬러리(120)를 운반 시스템(140) 상에 배치된 집전체(130) 상으로 분산시킬 수 있고, 캐스팅 갭 T는 노즐 블레이드(150)의 이동에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐스팅 갭 T는 노즐(110), 집전체(130), 및 운반 시스템(140)에 대한 z-방향에서의 노즐 블레이드(150)의 독립적인 이동에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐스팅 갭 T는 집전체(130) 및 운반 시스템(140)에 대한 z-방향에서의 양자의 노즐(110) 및 노즐 블레이드(150)의 이동에 의해 제어될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른, 노즐(210)과 운반 시스템(240) 상의 집전체(230) 사이의 캐스팅 갭 T의 길이를 제어할 수 있는 분산 기구(200)를 도시한다. 일부 실시예들에서, z-방향에서의 노즐 블레이드(250)의 이동은 롤러들(255)의 세트에 의해 제어될 수 있다. 롤러들(255)은 좌측 측부, 우측 측부 중의 어느 하나 상에서, 또는 노즐 블레이드(250)의 전체 폭 전반에 걸쳐 노즐 블레이드(250)를 하향으로 푸시할 수 있는 서보 시스템(도시되지 않음)에 의해 어느 하나의 측부로부터 푸시 인(push in) 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 좌측 롤러(255a) 만이 좌측 측부 상에서 노즐 블레이드(250)를 낮추기 위하여 맞물릴 수 있어서, 노즐 블레이드(250)의 좌측 측부는 노즐 블레이드(250)의 우측 측부보다 더 낮게 된다. 일부 실시예들에서, 우측 롤러(255b) 만이 우측 측부 상에서 노즐 블레이드(250)를 낮추기 위하여 맞물릴 수 있어서, 노즐 블레이드(250)의 우측 측부는 노즐 블레이드(250)의 좌측 측부보다 더 낮게 된다. 일부 실시예들에서, 양자의 좌측 롤러(255a) 및 우측 롤러(255b)는 그 전체 폭을 따라 노즐 블레이드(250)를 낮추기 위하여 맞물릴 수 있다. 일부 실시예들에서, 스프링들(259)의 세트는 낮춘 후에 노즐 블레이드(250)를 그 원래의 포지션으로 다시 복귀시키기 위한 힘을 제공할 수 있다.
도 4는 실시예에 따른, 노즐(310)과 운반 시스템(340) 상의 집전체(330) 사이의 캐스팅 갭 T의 길이를 제어할 수 있는 분산 기구(300)를 도시한다. 일부 실시예들에서, z-방향에서의 노즐 블레이드(350)의 이동은 캠(cam)들(357)의 세트에 의해 제어될 수 있다. 캠들(357)은 좌측 측부, 우측 측부 중의 어느 하나 상에서, 또는 노즐 블레이드(350)의 전체 폭 전반에 걸쳐 노즐 블레이드(350)를 하향으로 푸시하기 위하여 회전할 수 있는 캠샤프트(camshaft)들의 세트(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 좌측 캠(357a) 만이 오직 좌측 측부 상에서 노즐 블레이드(350)를 낮추기 위하여 맞물릴 수 있어서, 노즐 블레이드(350)의 좌측 측부는 노즐 블레이드(350)의 우측 측부보다 더 낮게 된다. 일부 실시예들에서, 우측 캠(357b) 만이 오직 우측 측부 상에서 노즐 블레이드(350)를 낮추기 위하여 맞물릴 수 있어서, 노즐 블레이드(350)의 우측 측부는 노즐 블레이드(350)의 좌측 측부보다 더 낮게 된다. 일부 실시예들에서, 양자의 좌측 캠(357a) 및 우측 캠(357b)은 그 전체 폭을 따라 노즐 블레이드(350)를 낮추기 위하여 맞물릴 수 있다. 일부 실시예들에서, 스프링들(359)의 세트는 낮춘 후에 노즐 블레이드를 그 원래의 포지션으로 다시 복귀시키기 위한 힘을 제공할 수 있다.
터킹 방법(TUCKING METHOD)
도 5 내지 도 8은 연속적인 또는 반-연속적인 방식으로 반-고체 전극을 제조하는 방법들을 예시한다. 일부 실시예들에서, 집전체 재료는 집전체 이송 디바이스로부터, 컨베이어 상으로 그리고 분산 기구를 지나서 연속적으로 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체 재료는 컨베이어 시스템을 거쳐 연속적으로 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨베이어 시스템은 컨베이어의 주행의 방향에 대해 평행하게 및/또는 수직으로 이동되도록 구성되는 일련의 판들을 포함할 수 있다. 본원에서 이용된 바와 같이, 판들은 컨베이어 시스템의 주행의 방향에 대하여 이동되도록 구성된 복수의 평면형 구조체들을 지칭하고, 또한, 팰릿들, 시트들, 커버들, 필름들, 또는 다른 적당한 구조체들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨베이어 시스템은 셔틀 컨베이어(shuttle conveyor), 와이어 벨트 컨베이어(wire belt conveyor), 벨트 컨베이어(belt conveyor), 천공된 컨베이어(perforated conveyor), 확산 컨베이어(spreading conveyor), 롤러 컨베이어(roller conveyor), 체인 컨베이어(chain conveyor), 또는 그 조합들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 진공 벨트 컨베이어는 집전체 재료를 제조 시스템을 통해 운반하기 위하여 이용될 수 있다. 진공 벨트 컨베이어들은 전형적으로, 천공된 벨트, 및 밀봉되는 컨베이어 프레임을 갖는 슬라이더 베드(slider bed)를 포함한다. 그러한 방식으로, 공기는 프레임의 구멍들을 통해 인출될 수 있어서, 부분적인 진공을 생성할 수 있다. 진공 벨트 컨베이어들은 재료들이 컨베이어 벨트에 대해 유지되도록 가볍고 및/또는 평탄한 재료들을 운반하기 위하여 이용될 수 있다. 진공 벨트 컨베이어들은 제조 레이트를 증가시킬 수 있는 더 높은 속력들로 가볍고 및/또는 평탄한 재료들을 운반하기 위하여 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 진공 벨트 컨베이어는 비-수평 방위로, 예를 들어, 수직으로 가볍고 및/또는 평탄한 재료들을 운반하기 위하여 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서는, 도 6a 및 도 6b에서 도시된 바와 같이, 연속적인 집전체의 부분이 개재될 수 있고, 터킹될 수 있고, 주름잡힐 수 있고, 접철될 수 있고, 수집될 수 있고, 구겨질 수 있고, 접어서 겹칠 수 있고, 그룹화될 수 있고, 모아질 수 있고, 은닉될 수 있고, 및/또는 그렇지 않으면 연속적인 집전체 상으로의 전극 슬러리 재료의 퇴적으로부터 제외될 수 있다. 다시 말해서, 일부 실시예들에서, 연속적인 집전체의 별개의 부분 또는 복수의 별개의 부분들은 격리될 수 있고, 전극 슬러리 재료를 수납하는 것으로부터 제외될 수 있다.
일부 실시예들에서, 연속적인 집전체의 부분은 연속적인 집전체의 주행의 방향에 수직인 방향으로 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주행의 평면으로부터 멀어지도록(예컨대, 하향으로) 집전체의 부분을 이동시킨 후에, 집전체의 개재된 부분의 2 개의 에지(edge)들은 집전체의 개재된 부분을 완전히 격리시키기 위하여 함께 이동될 수 있다.
일부 실시예들에서, 연속적인 집전체는 연속적인 또는 반-연속적인 제조 동안에 개방하고 폐쇄하도록 구성된 일련의 인접한 판들을 가로질러서 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들은 반-고체 전극 슬러리 재료의 낭비를 최소화하기 위하여 대략적으로 마감된 전기화학적 셀의 크기가 되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들은 천공되거나 그렇지 않으면 재료들이 판들의 방위에 관계 없이 표면 상에서 보유될 수 있도록 판들의 표면을 가로질러서 진공을 인출할 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 판들이 컨베이어 라인의 하나의 단부에서 집전체를 수용할 수 있고, 집전체 상으로의 전극 재료의 퇴적 동안에 집전체를 운반할 수 있고, 그 다음으로, 컨베이어 라인의 시작부로 다시 전환될 수 있도록, 판들은 회전식 시스템(rotary system)에 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들은 세척되거나 그렇지 않으면 컨베이어 라인의 단부와 컨베이어 라인의 시작부 사이에서의 재이용을 위하여 조절될 수 있다.
일부 실시예들에서, 반-고체 전극을 연속적으로 또는 반-연속적으로 제조하는 방법은 연속적인 집전체가 판들 상에 배치될 때에 판들이 초기에 개방될 수 있는 제1 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 도 7 및 도 8에서 도시된 바와 같이, 연속적인 집전체(즉, 박)는 릴 이송기(reel feeder)로부터 하나 이상의 롤러들을 가로질러서, 그리고 컨베이어 상으로 이송될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연속적인 집전체는 도 1에 대하여 위에서 설명된 연속적인 집전체와 실질적으로 유사할 수 있다.
일부 실시예들에서의 제2 단계에서, 연속적인 집전체의 부분은 연장 로드(extending rod), 공기 나이프(air knife), 터킹 와이어(tucking wire), 또는 임의의 다른 적당한 방법을 포함하지만 이것으로 제한되지는 않는 임의의 적당한 방법에 의해 2 개의 개방된 판들 사이에 배치(예컨대, 개재되거나 터킹됨)될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연속적인 집전체는 2 개의 개방된 판들 사이의 연속적인 집전체의 부분의 배치를 용이하게 하기 위하여 느려질 수 있거나, 일시정지될 수 있거나, 정지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연속적인 집전체는 정지없이 이동될 수 있고, 2 개의 개방된 판들 사이의 연속적인 집전체의 부분의 배치는 현장에서(on-the-fly) 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 판들 사이에서의 연속적인 집전체의 부분의 개재를 야기시키면서 연속적인 집전체와 실질적으로 동일한 속력으로 이동하도록 구성될 수 있는 비행 터킹 디바이스(flying tucking device)가 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연속적인 집전체가 고정된 터킹 디바이스를 지나서 이동할 때에 판들 사이의 연속적인 집전체의 부분을 터킹하도록 구성되는 고정된 터킹 디바이스가 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 시각 시스템은 터킹 단계를 모니터링하고, 터킹 디바이스, 판들의 이동, 및 터킹 및 비터킹(untucking)의 타이밍을 정밀하게 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 시각 시스템은, 비디오 카메라, 프로세서, 메모리, 전력 공급부, 및 프로세싱 피드백을 자동화된 제조 시스템으로 제공하도록 구성된 컴퓨터-판독가능 매체들을 포함하는 폐쇄된 루프 컴퓨터 시각 시스템일 수 있다.
일부 실시예들에서의 제3 단계에서, 2 개의 개방된 판들은, 2 개의 판들이 서로 실질적으로 접하고 연속적인 집전체의 개재된 부분이 2 개의 판들 사이에 보유되는 폐쇄된 구성으로 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들의 폐쇄는 판들 사이에서 연속적인 집전체의 개재된 부분을 유지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들은 하나의 판의 고정 에지(securing edge)가 집전체와 마찰식으로 맞물리기 위하여 인접한 판의 고정 에지와 직접 접할 수 있도록 고정 에지를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 고정 에지는 판들이 폐쇄될 때에 어느 정도까지 변형되는 재료를 포함할 수 있고, 이것은 연속적인 집전체의 부분이 제3 및 제4 단계들에서 판들 사이에 얼마나 고정적으로 유지되는지를 증가시킬 수 있다.
일부 실시예들에서의 제4 단계에서, 반-고체 전극 슬러리는 분산 기구에 의해 연속적인 집전체 상으로 배치될 수 있다. 도 6a에서 도시된 바와 같이, 배치된 반-고체 전극 슬러리는 연속적인 집전체의 개재된 부분 상으로 배치되지 않으면서, 연속적인 집전체 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 변형가능한 고정 에지는 2 개의 판들 사이에 개재된 연속적인 집전체의 부분 상으로의 반-고체 전극 슬러리의 손실을 감소시키거나 제거하는 것을 도울 수 있다.
일부 실시예들에서, 분산 기구는 집전체가 분산 기구를 통과할 때, 반-고체 전극 슬러리를 미리 결정된 및 정밀한 레이트로 집전체의 특정 영역들 상으로 분산시키도록 구성된 노즐일 수 있다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 일단 집전체 상으로 분산되면, 미리 결정된 영역들에서 남아 있도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 7에서 도시된 바와 같이, 반-고체 전극 슬러리는 병렬 슬러리 카트리지들을 포함하는 병렬 수직 테이프 캐스팅/하이브리드 테이프 캐스팅(parallel vertical tape casting/hybrid tape casting)(VTC/HTC) 스테이션들을 이용하여 집전체 상에서 연속적으로 또는 반-연속적으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 8에서 도시된 바와 같이, 반-고체 전극 슬러리는 캐스팅 스테이션(casting station)을 이용하여 집전체 상으로 연속적으로 또는 반-연속적으로 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 8에서 도시된 바와 같이, 연속적인 집전체는 마감된 전극에서의 희망된 집전체의 치수들을 가지는 집전체를 획득하기 위하여 절단될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개별적인 집전체들은 웹 릴(web reel)로부터 픽업(pick up)될 수 있고, 도 5에 관하여 위에서 설명된 컨베이어 시스템 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개별적인 집전체들은 판들 상으로 직접적으로 배치될 수 있고, 판들은 각각의 집전체 사이의 거리를 제거하고 그 다음으로 생성하기 위하여 개방되고 폐쇄되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개별적인 집전체들은 웹 릴로부터 픽업될 수 있고, 파우치 재료 상으로 배치될 수 있고, 파우치 재료는 마감된 전기화학적 셀의 절연된 외부 코팅의 적어도 일부 파트가 되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 파우치 재료는 연속적인 파우치 재료일 수 있고, 롤러로부터 판들 상으로 이송될 수 있다. 임의의 특정한 이론에 의해 구속되는 것을 소망하지 않으면서, 얇은 집전체들이 개별적으로 취급되는 것이 아니라, 파우치 재료로 배치될(예컨대, 결합될) 때, 파우치 재료는 얇은 집전체들을 이동시키고 취급하는 것을 더 용이하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 그 표면으로 배치된 개별적인 집전체들을 갖는 파우치 재료는 판들을 포함하는 컨베이어 상으로 이송될 수 있고, 판들은 개방된 구성일 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들은 파우치 재료(집전체 재료가 아님) 만이 판의 한도를 넘어서서 연장되도록 위치결정될 수 있고 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 터킹 디바이스(예컨대, 본원에서 설명된 비행 터커(flying tucker))는 2 개의 판들 사이에 파우치 재료의 부분을 배치하기 위하여 이용될 수 있고, 판들은 그 사이에서 파우치 재료의 부분을 고정하기 위하여 폐쇄된 구성으로 이동되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 파우치 재료의 부분이 2 개의 판들 사이에 배치되고 판들을 폐쇄시킴으로써 격리될 때, 판들 상에서 남아 있는 파우치 재료의 표면 만이 파우치 재료에 결합된 집전체를 갖는 파우치 재료이다. 다시 말해서, 개별적인 집전체들은 그 사이에서 집전체 재료의 부분을 갖는 파우치 재료에 결합되고, 집전체의 부분은 판들 사이에 개재되고, 남아 있는 표면은 집전체의 연속적인 표면이다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 그 다음으로, 연속적인 또는 반-연속적인 방식으로 집전체 상으로 배치될 수 있고, 판들은 개별적인 마감된 전극들을 분리시키기 위하여 개방될 수 있다.
일부 실시예들에서의 임의적인 제5 단계에서, 분산된 반-고체 전극 슬러리는 예를 들어, 닥터 블레이드, 롤러, 캘린더링 프로세스, 이동 가압, 또는 그 조합들을 이용하여 연속적인 집전체를 가로질러서 특정된 두께로 확산될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 (예컨대, 연속적인 집전체의 중간에서) 집전체의 서브세트(subset) 상으로 퇴적될 수 있다. 일부 실시예들에서, 임의적인 제5 단계는 상승된 온도에서 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 반-고체 전극 슬러리가 캘린더링 롤러 또는 다른 캘린더링 디바이스에 고착되는 것이 아니라, 집전체 상에서 실질적으로 배치된 상태로 남아 있도록, 플라스틱 필름(예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름)은 캘린더링 단계 전에 반-고체 전극 슬러리 상으로 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서의 제6 단계에서, 판들은 연속적인 집전체의 개재된 부분을 노출시키고 연속적인 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분들을 분리시키기 위하여 개방될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 판들은 판들을 개방되도록 수동적으로 강제함으로써 및/또는 연속적인 집전체의 속력을 높임으로써 개방될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 도 6b에서 도시된 바와 같이, 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분들은 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분의 2 개 이상의 측부들 상에서 양호하게 구조화된(즉, 명료하거나 직선) 라인들을 가지도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 각각의 별개의 부분은 전기화학적 셀을 위한 전극으로 고려될 수 있다.
일부 실시예들에서는, 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분들을 노출시키기 위하여 판들을 개방하기 전에, 점수화 디바이스(scoring device)는 반-고체 전극 슬러리를 점수화하기 위하여 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 점수화 디바이스는 판들이 개방될 때, 반-고체 전극 슬러리의 명료한 분리를 보조하기 위하여 판들 사이의 계면에 일반적으로 대응하는 위치에서 반-고체 전극 슬러리를 점수화하기 위하여 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 점수화 기구는 장력부여된 와이어(tensioned wire)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 장력부여된 와이어는 반-고체 전극 슬러리의 점수화를 보조하기 위하여 가열될 수 있거나 진동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 점수화 기구는 이동 블레이드를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 점수화 기구는 지향된 유체(directed fluid) 또는 공기 제트(air jet)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 점수화 디바이스는 반-고체 전극 슬러리를 별개의 부분들로 분리시키도록 구성된 초음파 나이프(ultrasonic knife)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들을 개방하는 작용은 점수화 디바이스에 대한 필요성 없이, 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분들을 분리시킬 수 있다. 일부 실시예들에서는, 판들은 판들 중의 하나를 다른 것으로부터 멀어지도록 이동시킴으로써 개방된 구성으로 이동될 수 있고, 다른 판은 고정된 상대적인 포지션에서 남아 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들은 양자의 판들을 다른 것으로부터 멀어지도록 동시에 이동시킴으로써 개방된 구성으로 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들은 판의 제1 하나의 인터페이싱 코너를 대향 판의 대응하는 코너로부터 멀어지도록 이동시킴으로써, 그리고 그 다음으로, 판의 다른 인터페이싱 코너를 대향 판의 제2 대응하는 코너로부터 멀어지도록 추후에 이동시킴으로써 개방된 구성으로 이동될 수 있다. 다시 말해서, 판들은 그렇게 해서 반-고체 전극 슬러리의 갑작스러운 중단(clean break)를 생성하기 위하여 도움이 될 경우에 인접한 판들로부터 멀어지도록 회전될 수 있다.
일부 실시예들에서의 제7 단계에서, 집전체는 개별적인 전극들을 형성하기 위하여 반-고체 전극 슬러리의 각각의 별개의 부분 사이에서 집전체의 주행의 방향에 수직으로 절단될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체는 레이저(예컨대, CO2-가스 레이저, 고-전력 다이오드 레이저, 광섬유 레이저 등), 드릴링, 플라즈마 절단을 이용하여, 왕복 블레이드를 이용하여, 펀치(punch) 또는 가압(press), 공압식 절단, 유압식 절단을 이용하여, 본 기술분야에서의 통상의 기술자들에게 공지된 다른 방법들을 이용하여, 또는 그 조합들로 절단될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 도 8에서 도시된 바와 같이, 개별적인 전극들은 (예컨대, 로봇 아암(robotic arm)을 이용하여) 컨베이어로부터 픽업될 수 있고, 상이한 컨베이어 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마감된 전극이 파우치 재료에 아직 결합되지 않을 경우에, 개별적인 전극들은 이 단계에서 파우치 재료에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개별적인 전극은 임의적으로, 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 두께를 감소시키고 및/또는 결함들을 감소시키기 위하여 캘린더링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이동 웹 두께 및/또는 중량 측정 시스템과 같은 베타 게이지(beta gauge)는 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 적절하고 일관적인 z-방향 두께를 보장하기 위하여 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 비디오 카메라 및 컴퓨터 프로세서는 마감된 전극들을 시각적으로 검사하고 예컨대, 컴퓨터 시각 프로그램을 이용하여 임의의 결함 전극들을 폐기하기 위하여 이용될 수 있다.
이 설계는 다양한 형태의 인자들을 채택하기 위한 전기화학적 셀을 제공하고, 이것은 전기화학적 셀이 특정한 애플리케이션들을 위한 특화된 형상들 및 크기들로 구성되는 것을 허용한다. 일부 실시예들에서, 캐소드 및 애노드의 형상 및 설계는 결과적인 배터리의 형상 및 설계를 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 변동되는 전극 재료, 예컨대, 반-고체 구성성분들의 이용, 분리기, 및 격실 볼륨들은 배터리의 전력 및 에너지 역량들을 결정한다.
일부 실시예들에서의 임의적인 제8 단계에서, 개별화된 전극(예컨대, 캐소드)은 전기화학적 셀을 형성하기 위하여 분리기 및 제2 개별화된 전극(예컨대, 애노드)과 쌍을 이룰 수 있다. 일부 실시예들에서, 형성된 전기화학적 셀은 파우치 재료 내의 적어도 하나의 에지 상에서 밀봉될 수 있다. 일부 실시예들에서, 형성된 전기화학적 셀은 파우치 재료 내의 적어도 2 개의 에지들 상에서 밀봉될 수 있다. 일부 실시예들에서, 형성된 전기화학적 셀은 파우치 재료 내의 적어도 3 개의 에지들 상에서 밀봉될 수 있다. 일부 실시예들에서, 형성된 전기화학적 셀은 파우치 재료 내의 적어도 4 개의 에지들 상에서 밀봉될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 마감된 전극이 최종적으로 형성될 때에 포함할 전해질의 수량보다 더 적은 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질의 적어도 일부는 제8 단계 동안에 또는 제8 단계 후에 추가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀을 파우치 재료 내로 밀봉한 후에, 전기화학적 셀은 하나 이상의 충전/방전 사이클들을 통해 순환될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀의 초기 순환 후에, 파우치 재료는 초기 순환 동안에 형성된 임의의 가스들을 배출하기 위하여 펑처링(puncture)될 수 있다. 일부 실시예들에서, 밀봉된 전기화학적 셀 파우치의 탈기 후에, 파우치는 열 밀봉기를 이용하여 제4 에지를 따라 재밀봉될 수 있다.
터킹 플러스 마스킹 재료(TUCKING PLUS MASKING MATERIAL)
일부 실시예들에서, 반-고체 전극을 제조하기 위한 연속적인 또는 반-연속적인 방법은 도 5 내지 도 8에 관하여 위에서 설명된 방법들 중의 하나와, 마감된 전극의 적어도 하나의 에지를 정의하기 위하여 2 개의 판들 사이에 집전체의 부분을 물리적으로 배치하는 추가적인 단계와의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 하이브리드 방법은 연속적인 집전체가 판들 상으로 배치될 때에 판들이 초기에 개방될 수 있는 제1 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 연속적인 집전체는 릴 이송기로부터, 하나 이상의 롤러들을 가로질러서, 그리고 컨베이어 상으로 이송될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연속적인 집전체는 도 1에 대하여 위에서 설명된 연속적인 집전체와 실질적으로 유사할 수 있다.
일부 실시예들에서의 제1 단계에서, 연속적인 집전체의 부분은 예를 들어, 공기 나이프를 이용하여 2 개의 개방된 판들 사이에 배치될 수 있다(예컨대, 개재되거나 터킹됨).
일부 실시예들에서의 제2 단계에서, 2 개의 개방된 판들은, 2 개의 판들이 서로 실질적으로 접하고, 연속적인 집전체의 개재된 부분이 2 개의 판들 사이에 보유되는 폐쇄된 구성으로 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들의 폐쇄는 판들 사이에서 연속적인 집전체의 개재된 부분을 유지할 수 있다.
일부 실시예들에서의 제3 단계에서, 마스킹 재료는 반-고체 전극 슬러리의 코팅을 수납하는 것으로부터 집전체의 적어도 부분을 보호하고 집전체의 적어도 하나의 에지를 정의하기 위하여 연속적인 집전체의 노출된 부분 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체의 에지는 반-고체 전극 슬러리가 코팅될 수 있는 한도들을 제한함으로써 정의될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 롤링된 상태로 초기에 저장될 수 있고, 마스크 재료 분산 시스템에 의해 집전체 상으로 이송될 수 있다.
일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 연속적인 집전체의 주행의 방향에 대해 평행한 방향으로 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 집전체의 부분이 2 개의 판들 사이에 개재되기 전에 도포될 수 있다. 다시 말해서, 마스킹 재료는 집전체로 도포될 수 있고, 그 다음으로, 양자의 집전체 및 마스킹 재료의 부분은 2 개의 판들 사이에 개재될 수 있다. 이미 마스킹된 집전체의 개재는 마스킹 재료에 대한 손상 또는 마스킹 재료의 오정렬을 야기시키기 위한 잠재성을 가지지만, 그것은 또한, 마스킹된 개재된 집전체 상으로의 반-고체 전극 슬러리의 퇴적 동안에 마스킹 재료를 고정할 수 있다.
일부 실시예들에서는, 연속적인 집전체가 이송 릴 또는 유사한 디바이스로부터 비스풀링된(unspooled) 후에, 그러나, 반-고체 전극 슬러리가 집전체 상으로 배치되기 전에, 마스킹 재료가 연속적인 집전체로 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 연속적인 집전체가 이송 릴 또는 유사한 디바이스 상으로 스풀링(spool)되기 전에, 마스킹 재료가 연속적인 집전체로 도포될 수 있다.
일부 실시예들에서의 제4 단계에서, 반-고체 전극 슬러리는 분산 기구에 의해 마스킹된 부분적으로 개재된 연속적인 집전체 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 배치된 반-고체 전극 슬러리는 연속적인 집전체의 개재된 부분 상으로 배치되지 않으면서, 연속적인 집전체 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체 상으로 배치된 반-고체 전극 슬러리 재료의 일부는 또한, 마스킹 재료 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들의 인접은 2 개의 판들 사이에 개재된 연속적인 집전체의 부분 상으로의 반-고체 전극 슬러리의 손실을 감소시키거나 제거하는 것을 도울 수 있다.
일부 실시예들에서의 제5 단계에서, 마스킹 재료는 2 개의 판들을 개방된 구성으로 이동시키기 전에, 집전체 표면으로부터 제거될 수 있다. 제거된 마스킹 재료는 마스크 재료 회수 시스템에 접속될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스크 재료 회수 시스템은 마스킹 재료로부터 임의의 누적된 반-고체 전극 슬러리를 마스킹 재료를 세정하기 위한 서브시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 2 개의 판들을 개방된 구성으로 이동시킨 후에, 집전체 표면으로부터 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 마스킹 재료가 이용되고 세정된 후에, 마스킹 재료가 동일한 제조 프로세스에서 재이용될 수 있도록, 폐쇄된 루프 시스템일 수 있다. 다시 말해서, 마스킹 재료는 세정될 수 있고, 집전체에 적용되어야 할 전극 제조 프로세스의 시작부로 복귀될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 마스킹 재료의 수명 동안 그 용도를 비용-효과적으로 하기 위해, 더 내구성 있는 마스킹 재료가 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서의 제6 단계에서, 판들은 연속적인 집전체의 개재된 부분을 노출시키기 위하여 개방될 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들을 개방하는 것은 또한, 연속적인 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분들을 분리시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들은 판들 상에서의 기계적인 작용에 의해 개방될 수 있다. 일부 실시예들에서, 판들은 연속적인 집전체의 운반 속력을 높임으로써 적어도 부분적으로 개방될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 도 6b에서 도시된 바와 같이, 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분들은 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분의 2 개 이상의 측부들 상에서 양호하게 구조화된(즉, 명료하거나 직선인) 라인들을 가지도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 각각의 별개의 부분은 전기화학적 셀을 위한 전극으로 고려될 수 있다.
연속적인 방법
도 9 내지 도 11은 연속적인 집전체의 부분을 피복하거나 그렇지 않으면 반-고체 전극 슬러리에 의해 코팅되는 것으로부터 연속적인 집전체의 부분을 보호함으로써, 연속적인 방식으로 반-고체 전극을 제조하는 방법들을 예시한다. 일부 실시예들에서, 연속적인 집전체는 마스킹 재료의 이전의 도포에 의해 보호될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 연속적인 집전체가 집전체를 컨베이어, 예컨대, 릴 이송기로 이송하도록 구성된 집전체 이송 디바이스 상으로 적재되기 전에, 마스킹 재료가 연속적인 집전체 상으로 도포될 수 있다.
일부 실시예들에서, 마스킹 재료들은 마스킹 재료가 집전체에 영구적으로 배치되도록, 집전체 상으로 인쇄될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 집전체의 제조 동안에 집전체 상으로 인쇄될 수 있다.
일부 실시예들에서는, 연속적인 집전체가 집전체 이송 디바이스로부터 비스풀링된 후에, 그러나, 반-고체 전극 슬러리가 마스킹된 집전체로 배치되기 전에, 마스킹 재료는 연속적인 집전체로 도포될 수 있다.
일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 제조 중에 경험된 온도들 및 조건들의 범위에서 집전체에 제거가능하게 접착하도록 구성된 임의의 적당한 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 폴리머, 가교제(cross-linking agent), 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer), 폴리이미드(polyimide)들, 부직 합성 재료(nonwoven synthetic material), 압출된 열성형 재료(extruded thermoforming material), 종이, 금속, 천연 섬유(natural fiber), 또는 그 조합들로부터 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 고무계(rubber-based) 접착제, 아크릴계(acrylic-based) 접착제, 또는 실리콘계(silicone-based) 접착제와 같은 접착제를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 연속적인 집전체의 주행의 방향에 대해 평행 및/또는 수직인 방향으로 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 수직인 방향으로 도포된 마스킹 재료는 평행한 방향으로 도포된 마스킹 재료와는 별도로 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 양자의 평행한 방향 및 수직인 방향에서의 마스킹 재료가 하나의 재료 내에 포함되고 동시에 도포되도록, 웹 구조체를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 적어도 부분적으로는 판들이 개방된 및 폐쇄된 구성 사이에서 이동될 필요가 없으므로, 이 제조 프로세스는 실질적으로 완전히 연속적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨베이어 시스템은 마스킹된 집전체를 분산 기구, 예컨대, 슬러리 캐스팅 스테이션을 지나서 이동시키기 위하여 이용될 수 있다. 임의의 특정한 이론에 의해 구속되는 것을 소망하지 않으면서, 집전체는 적어도 부분적으로 마스킹되므로, 슬러리 캐스팅 레이트는 덜 정밀한 허물어지는 전극 에지들의 절충 없이, 적어도 어느 포인트까지 실질적으로 증가될 수 있다.
일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 슬러리를 집전체 상으로 정밀하게 배분하도록 구성된 가공된 노즐을 이용하여 마스킹된 집전체 상으로 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기에서의 반-고체 전극 슬러리의 퇴적은 도 1에 대하여 위에서 설명된 방법들과 실질적으로 유사할 수 있다.
일부 실시예들에서, 일단 반-고체 전극 슬러리가 마스킹된 집전체 상으로 배치되면, 제조 프로세스는 임의적인 슬러리-확산 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 슬러리 확산은 롤러 또는 일련의 롤러들을 이용하여 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 닥터 블레이드 또는 다른 유사한 디바이스는 마스킹된 집전체로부터 과잉 슬러리 재료를 제거하기 위하여 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 일단 슬러리가 집전체 상에서 실질적으로 균등하게 확산되었으면, 컨베이어를 따르는 집전체의 표면 속도는 형성된 전극들 사이의 경미한 갭을 생성하기 위하여 증가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 형성된 전극들 사이에 생성된 갭은 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 약 100 μm 내지 약 15 mm 사이, 약 250 μm 내지 약 10 mm 사이, 약 500 μm 내지 약 9 mm 사이, 약 750 μm 내지 약 8 mm 사이, 약 1 mm 내지 약 7 mm 사이, 약 2 mm 내지 약 6 mm 사이, 또는 약 3 mm 내지 약 5 mm 사이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 형성된 전극들 사이에 생성된 갭은 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 약 100 μm, 250 μm, 500 μm, 750 μm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm, 또는 15 mm 초과일 수 있다.
일부 실시예드에서, 형성된 전극들은 형성된 전극들을 압축하고 임의적으로 가열하기 위하여 2 개 이상의 롤러들 사이에 형성된 전극들을 통과시킴으로써 캘린더링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 형성된 전극들은 예를 들어, 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 약 1 g/cm3, 1.5 g/cm3, 1.75 g/cm3, 2 g/cm3, 2.25 g/cm3, 2.5 g/cm3, 2.75 g/cm3, 3 g/cm3, 3.25 g/cm3, 3.5 g/cm3, 3.75 g/cm3 초과, 또는 약 4 g/cm3 초과의 특정한 밀도로 캘린더링될 수 있다. 임의의 특정한 이론에 의해 구속되는 것을 소망하지 않으면서, 다른 성과들 중에서, 전극들의 캘린더링은 희망된 다공성 감소(에너지 밀도에서의 증가), z-방향 두께의 균질화(homogenization), 및/또는 집전체-전극 계면에서의 접촉 저항에서의 감소로 귀착될 수 있다.
일부 실시예들에서, 캘린더링 프로세스는 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 약 95 %, 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 % 미만, 또는 약 50 % 미만의 비-캘린더링된 반-고체 전극의 약 99 % 미만의 다공성(porosity)을 가지는 반-고체 전극으로 귀착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 비-캘린더링된 반-고체 전극의 약 60 % 미만으로의 다공성에서의 감소는 반-고체 전극 및/또는 집전체에 대한 파열들 또는 다른 결함들로 귀착될 수 있다.
일부 실시예들에서, 캘린더링 프로세스는 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 약 50 %, 45 %, 40 %, 35 %, 30 %, 25 %, 20 %, 19 %, 18 %, 17 %, 16 %, 15 %, 14 %, 13 %, 12 %, 11 %, 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6 % 미만, 또는 약 5 % 미만의 원시 다공성(raw porosity)을 가지는 반-고체 전극으로 귀착될 수 있다.
일부 실시예들에서, 캘린더링 후에, 집전체 및 반-고체 전극 슬러리를 포함하는 마감된 전극은 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 약 2,000 μm 미만, 약 1,500 μm 미만, 약 1,000 μm 미만, 약 750 μm 미만, 약 500 μm 미만, 약 250 μm 미만, 약 200 μm 미만, 약 150 μm 미만, 약 100 μm 미만, 약 75 μm 미만, 약 50 μm 미만, 또는 약 25 μm 미만의 z-방향 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체 및 반-고체 전극 슬러리를 포함하는 마감된 전극은 그 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함하는, 약 25 μm 내지 약 2,000 μm, 약 25 μm 내지 약 1,500 μm, 약 50 μm 내지 약 1,000 μm, 약 75 μm 내지 약 750 μm, 또는 약 100 μm 내지 약 500 μm 사이의 z-방향 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 형성된 전극들이 임의적으로 캘린더링된 후에, 마스크 재료는 연속적인 집전체로부터 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스크 재료는 마스크 재료 회수 시스템에 접속될 수 있고, 마스크 재료 회수 시스템은 연속적인 집전체로부터 마스킹 재료의 제거를 강제하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연속적인 집전체로부터의 마스킹 재료의 제거는 마스킹 재료가 형성된 전극으로부터 반-고체 전극 슬러리 중의 임의의 것을 제거하지 않도록 제어된 방식으로 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스크 재료 회수 시스템은 마스킹 재료로부터 임의의 누적된 반-고체 전극 슬러리를 마스킹 재료를 세정하기 위한 서브시스템을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 마스킹 재료의 제거는 각각의 형성된 전극 사이의 갭을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 형성된 전극 사이에 생성된 갭은 연속적인 집전체 상의 각각의 별개의 형성된 전극의 명료한 분리를 허용하기 위하여 충분할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 형성된 전극 사이에 생성된 갭은 개별적인 전극들을 형성하기 위한 연속적인 집전체의 절단을 허용하기 위하여 충분할 수 있다.
일부 실시예들에서, 집전체는 개별적인 전극들을 형성하기 위하여 반-고체 전극 슬러리의 각각의 별개의 부분 사이의 집전체의 주행의 방향에 수직으로 절단될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체는 레이저(예컨대, CO2-가스 레이저, 고-전력 다이오드 레이저, 광섬유 레이저 등), 드릴링, 플라즈마 절단을 이용하여, 왕복 블레이드를 이용하여, 펀치 또는 가압, 공압식 절단, 유압식 절단을 이용하여, 본 기술분야에서의 통상의 기술자들에게 공지된 다른 방법들을 이용하여, 또는 그 조합들로 절단될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 도 8에서 도시된 바와 같이, 개별적인 전극들은 (예컨대, 로봇 아암을 이용하여) 컨베이어로부터 픽업될 수 있고, 상이한 컨베이어 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 형성된 전극 사이에 생성된 갭이 연속적인 집전체를 절단한 후에 불충분할 경우에, 컨베이어의 속력은 인접한 형성된 전극들 사이에 더 많은 공간을 생성하기 위하여 특정한 포인트를 지나서 증가될 수 있다.
일부 실시예들에서, 마감된 전극이 파우치 재료에 아직 결합되지 않을 경우에, 개별적인 전극들은 이 단계에서 파우치 재료에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개별적인 전극들은 파우치 재료를 집전체로 융합하기 위하여 파우치 재료의 적어도 부분을 가열함으로써 파우치 재료에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 접착제는 파우치 재료를 집전체에 접착하기 위하여 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 개별적인 전극은 임의적으로, 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 두께를 감소시키고 및/또는 결함들을 감소시키기 위하여 캘린더링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이동 웹 두께 및/또는 중량 측정 시스템과 같은 베타 게이지는 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 적절하고 일관적인 z-방향 두께를 보장하기 위하여 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 비디오 카메라 및 컴퓨터 프로세서는 마감된 전극들을 시각적으로 검사하고 예컨대, 컴퓨터 시각 프로그램을 이용하여 임의의 결함 전극들을 폐기하기 위하여 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서는, 예컨대, 도 11에서 도시된 바와 같이, 반-고체 전극 슬러리는 롤 캐스팅 시스템 상의 집전체 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 롤 캐스팅 시스템은 제조 시스템을 통해 집전체를 운반하도록 구성된 진공 팰릿 또는 진공 컨베이어 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드는 애노드 컨베이어 시스템에서 제조될 수 있고, 캐소드는 캐소드 컨베이어 시스템에서 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 컨베이어 시스템 및 컨베이어 시스템은 컨베이어들이 용이한 전기화학적 셀 조립을 위하여 마감된 캐소드들 근처에서 마감된 애노드들을 전달하도록, 서로에 대향하도록 위치결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리기 롤 이송기는 각각의 애노드와 대응하는 캐소드 사이에서 분리기 재료의 일정한 또는 간헐적인 공급을 전달할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 마스크 재료가 제거된 후에, 그리고 마감된 전극들이 집전체들을 절단함으로써 형성되기 전 또는 후에, 분리기가 캐소드와 애노드 사이에 개재될 수 있다.
일부 실시예들에서, 일단 마스크 재료가 제거되면, 컨베이어 시스템들은 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 두께를 결정하기 위하여 베타 게이지를 지나서 집전체를 운반하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마감된 전극이 희망된 것보다 더 두꺼울 경우에, 전극은 두께를 감소시키고 및/또는 반-고체 전극 재료의 밀도를 높이고 및/또는 전해질을 제거하기 위하여 (마스크 재료가 제거되기 전 또는 후에) 캘린더링될 수 있다.
일부 실시예들에서, 롤 캐스팅 시스템은 캐소드들을 연속적으로 형성하고, 전극들을 연속적으로 형성하고, 분리기를 그 사이에 연속적으로 개재하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 롤 캐스팅 시스템은 파우치 재료의 부분들 사이의 반-고체 전극 재료들의 별개의 부분들을 밀봉함으로써 그리고 개별적인 파우치 셀들을 형성하기 위하여 파우치 재료를 절단함으로써, 마감된 전극들을 연속적으로 형성할 수 있다.
엔도 프레임(ENDO FRAME)
일부 실시예들에서, 반-고체 전극을 제조하는 연속적인 또는 반-연속적인 프로세스는 엔도 프레임 구조체(endo frame structure)의 이용을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 마스킹 재료 대신에 또는 마스킹 재료에 추가적으로, 위에서 설명된 바와 같이, 엔도 프레임 구조체는 반-고체 전극 슬러리를 집전체 상으로 배치하기 전에 집전체 상으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 엔도 프레임은 집전체를 정위치에 유지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 엔도 프레임은 엔도 프레임이 반-고체 전극 슬러리가 집전체의 표면 상에 배치될 수 있고 보유될 수 있는 공동(cavity)을 적어도 부분적으로 정의하도록, 적어도 일부 z-방향 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 엔도 프레임은 마감된 전극의 표면적을 (예컨대, 엔도 프레임의 내부 한도들로서) 적어도 부분적으로 정의할 수 있다. 일부 실시예들에서, 엔도 프레임은 엔도 프레임의 z-방향 높이에 기초하여 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 두께를 적어도 부분적으로 정의할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리는 집전체의 노출된 부분의 표면을 따라 평탄화될 수 있거나 확산될 수 있다. 일부 실시예들에서, 블레이드(또한, "닥터 블레이드"로서 본원에서 지칭됨) 또는 다른 직선 에지형 기기(straight edged instrument)는 반-고체 전극 슬러리를 확산시키기 위하여 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 블레이드 및/또는 엔도 프레임은 반-고체 전극 슬러리 퇴적 또는 평탄화 동안에 블레이드 또는 엔도 프레임을 진동시키기 위하여 진동 소스에 동작가능하게 결합될 수 있다. 진동은 슬러리 퇴적 단계 동안 또는 그 후에 반-고체 전극 슬러리 재료의 분산을 용이하게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 비-접촉 측정 기법들 중의 임의의 것을 이용하는 예를 들어, 광학적 또는 임의의 분석적 툴과 같은 기기는 표면 모폴로지를 검사하고 확산된 반-고체 전극 슬러리의 표면 균일성(예컨대, 두께)을 임의적으로 측정하기 위하여 광학적 또는 레이저 간섭계측법(interferometry), 타원편광법(ellipsometry), 또는 광학적 또는 레이저 주사 프로브를 포함한다. 일부 실시예들에서, 비-접촉 기기는 블레이드가 반-고체 전극 슬러리를 확산시킬 때에 인 시츄(in situ)로 전개될 수 있다.
일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리가 확산된 후에, 엔도 프레임은 집전체의 노출된 부분 상으로 확산되었던 반-고체 전극 슬러리의 부분만을 남기면서 제거될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리가 확산된 후에, 엔도 프레임은 정위치에서 남아 있을 수 있고, 분리기, 집전체, 및 엔도 프레임이 각각 전기활성 구역을 부분적으로 정의하고 전기활성 구역 내에서 반-고체 전극 슬러리를 포함하도록, 분리기는 마감된 전극 상에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 집전체의 비코팅된 부분 및/또는 파우치 재료의 임의의 노출된 부분들의 오염을 방지하기 위하여 엔도 프레임에 추가적으로 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 엔도 프레임은 초기에 집전체 상으로 배치될 수 있고, 마스킹 재료는 마감된 전극의 에지들 중의 1 개, 2 개, 3 개, 또는 4 개를 보호하고 및/또는 정의하기 위하여 추후에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹은 집전체 재료의 에지로 또는 집전체 재료의 에지를 넘어서서 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 재료 및 엔도 프레임은 초기에, 단일 배치된 재료의 일체적인 피스들일 수 있고, 단일 배치된 재료는 엔도 프레임이 집전체 상으로 배치된 상태로 남아 있는 동안에 마스킹이 제거될 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 엔도 프레임 및 마스킹 재료를 포함하는 단일 배치된 재료는 반-고체 전극 슬러리가 집전체 상으로 배치된 후에 집전체로부터 실질적으로 완전히 제거될 수 있다.
일부 실시예들에서, 엔도 프레임은 반-고체 전극 슬러리가 연속적인 집전체 상으로 더 급속하게 그리고 덜 신중하게 배치될 수 있도록, 집전체 재료의 에지 외부로 연장될 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시예들에서, 각각의 엔도 프레임은 반-고체 전극 슬러리가 2 개 이상의 엔도 프레임들 사이의 연속적인 집전체 또는 파우치 재료로 배치될 수 없도록, 적어도 하나의 다른 엔도 프레임에 직접적으로 그리고 고정적으로 접하도록 위치결정될 수 있고 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리가 집전체로 배치된 후에, 진동 또는 다른 적당한 방법은 엔도 프레임 구조체의 상단 상에서 축적되었던 임의의 반-고체 전극 슬러리를 제거하기 위하여 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 엔도 프레임 및/또는 마스킹 재료는 엔도 프레임 및/또는 마스킹 재료가 화학, 전기화학, 물리적 구조체, 또는 다른 특성들에 기초하여 반-고체 전극 슬러리를 일부 한도까지 자연스럽게 반발하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 엔도 프레임 및/또는 마스킹 재료는 반-고체 전극 슬러리에 대한 작은 접촉 각도를 생성하는 재료로부터 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드를 제조할 때에 이용된 엔도 프레임 및/또는 마스킹 재료는 애노드 반-고체 전극 슬러리와 캐소드 반-고체 전극 슬러리 사이의 화학적 차이들로 인해, 캐소드를 제조할 때에 이용된 엔도 프레임 및/또는 마스킹 재료와는 상이할 수 있다.
닥터 블레이드와 함께 연속
도 12a 내지 도 12c는 반-고체 전극 슬러리를 포함하는, 애노드 및 캐소드 중의 적어도 하나를 가지는 전기화학적 셀을 제조하는 프로세스에서의 다양한 단계들을 예시한다. 도 12a에서 도시된 바와 같이, 단계 1에서, 마스킹 재료는 전기화학적 셀을 위한 집전체로서 이용될 수 있는 전기적 전도성 재료의 부분 상부에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 재료는 마스킹을 통해 가시적인 전도성 재료의 노출된 부분만이 반-고체 전극 슬러리의 퇴적을 위하여 이용가능하도록, 전도성 재료로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전도성 재료는 전력 접속 탭일 수 있는 전도성 재료의 돌출 피스(protruding piece)를 포함할 수 있다.
도 12b에서 도시된 바와 같이, 단계 2에서, 반-고체 전극 슬러리는 전도성 재료의 노출된 부분 상에 배치될 수 있다. 단계들 3 및 4에서, 전극은 제2 층의 노출된 부분의 표면을 따라 평탄화될 수 있거나 확산될 수 있다. 예를 들어, 블레이드 또는 직선 에지형 기기는 전극을 확산시키기 위하여 이용될 수 있다. 단계 5에서, 마스킹은 전도성 재료의 노출된 부분 상으로 확산되었던 전극의 부분만을 남기면서 제거될 수 있다. 도 12c에서 도시된 바와 같이, 단계 6에서, 분리기가 전극을 피복하고 있도록, 분리기는 집전체의 부분 상에 배치될 수 있다. 단계 7에서, 단계 6의 완료된 반-고체 전극 및 분리기는 또 다른 전극과 병합될 수 있다. 예를 들어, 단계 6의 전극은 캐소드 전극일 수 있고, 다른 전극은 애노드 전극을 포함할 수 있다. 단계 8에서, 진공 및 열 밀봉 프로세스는 2 개의 라미네이트 시트들을 함께 밀봉하여 단계 9에서 도시된 바와 같은 마감된 셀을 형성하기 위하여 수행될 수 있다.
일부 실시예들에서, 반-고체 전극 슬러리 퇴적 후에, 마감된 캐소드들 및 애노드들은 분리기가 개재되면서 적층될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리기는 먼저 파우치 재료로 배치되고 캐소드는 분리기 상으로 적층될 수 있고, 그 다음으로, 분리기는 캐소드 상부에서 접철될 수 있고, 애노드는 분리기 상으로 적층될 수 있고, 분리기는 애노드를 가로질러서 다시 접철될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리기를 전후로 접철하고 애노드 및 캐소드를 교대로 적층하는 이 프로세스는 적절한 수의 애노드들 및 캐소드들이 이에 따라 조립될 때까지 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 및 애노드는 횡방향 또는 종방향 평면에 따라 배열될 수 있고, 본원에서 설명된 열 밀봉 방법들 중의 임의의 것에 의해 밀봉되어 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 결과적인 조립체는 마감된 전기화학적 셀을 형성하기 위하여 분리기로 지그-재그 패턴(zig-zag pattern)으로 접철될 수 있다. 적층 또는 지그-재그 접철의 어느 하나의 이용이 마스킹 재료들을 이용하는 연속적인 제조 프로세싱에 대하여 설명되었지만, 마감된 전극들을 취급하기 위한 방법들 또는 임의의 다른 적당한 방법 중의 어느 하나는 본원에서 설명된 방법들 및 시스템들 중의 임의의 것과 함께 이용될 수 있다.
다양한 실시예들이 위에서 설명되었지만, 그것들은 제한이 아니라, 단지 예로서 제시되었다는 것이 이해되어야 한다. 위에서 설명된 개요들 및/또는 실시예들이 특정 방위들 또는 포지션들에서 배열된 특정 컴포넌트들을 표시할 경우에, 컴포넌트들의 배열은 수정될 수 있다. 실시예들은 상세하게 도시되고 설명되었지만, 형태 및 세부사항들에서의 다양한 변경들이 행해질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다양한 실시예들은 특정한 피처들 및/또는 컴포넌트들의 조합들을 가지는 것으로서 설명되었지만, 본원에서 설명된 실시예들 중의 임의의 것으로부터의 임의의 피처들 및/또는 컴포넌트들의 조합을 가지는 다른 실시예들이 가능하다.
다양한 컴포넌트들의 특정 구성들이 또한 변동될 수 있다. 예를 들어, 다양한 컴포넌트들의 크기 및 특정 형상은 본원에서 설명된 바와 같은 기능들을 여전히 제공하면서, 도시된 실시예들과는 상이할 수 있다. 더 구체적으로, 다양한 컴포넌트들의 크기 및 형상은 희망된 또는 의도된 용법을 위하여 구체적으로 선택될 수 있다. 따라서, 실시예들 및/또는 그 컴포넌트들의 크기, 형상, 및/또는 배열은 문맥이 이와 다르게 명시적으로 기재하지 않으면, 주어진 용도를 위하여 적응될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
위에서 설명된 방법들 및/또는 이벤트들이 특정 순서로 발생하는 특정 이벤트들 및/또는 절차들을 표시할 경우에, 특정 이벤트들 및/또는 절차들의 순서는 수정될 수 있다. 추가적으로, 특정 이벤트들 및/또는 절차들은 가능할 대에 병렬 프로세스에서 동시에 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 위에서 설명된 바와 같이 순차적으로 수행될 수 있다.

Claims (20)

  1. 방법으로서,
    반-고체 전극 슬러리를 집전체 상으로 연속적으로 분산시키는 단계;
    상기 반-고체 전극 슬러리를 별개의 부분들로 분리시키는 단계; 및
    마감된 전극을 형성하기 위해 상기 집전체를 절단하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    마감된 전기화학적 셀을 형성하기 위해 상기 마감된 전극을 분리기에 의해 개재된 제2 마감된 전극과 인접시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반-고체 전극 슬러리는 무바인더(binderless)인, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반-고체 전극 슬러리는 고정된 분산 기구를 통해 분산되는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 집전체는 분 당 약 1 미터 초과의 레이트로 상기 고정된 분산 기구를 지나서 이동되는, 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 고정된 분산 기구는 상기 집전체가 상기 고정된 분산 기구를 통과할 때, 상기 반-고체 전극 슬러리를 미리 결정된 레이트로 상기 집전체의 복수의 영역들 상으로 분산시키도록 구성된 노즐을 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반-고체 전극 슬러리는 조절가능한 분산 기구를 통해 분산되는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 조절가능한 분산 기구는 z-축을 따라 이동하도록 구성된 노즐인, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 노즐은 캐스팅 갭들을 1 μm 미만의 정밀도로 제어하는, 방법.
  10. 반-고체 전극을 제조하는 방법으로서,
    분산 표면을 형성하기 위해 제1 판과 제2 판 사이에 집전체 재료의 부분을 개재하는 단계;
    반-고체 전극 슬러리를 상기 분산 표면 상으로 연속적으로 분산시키는 단계;
    상기 반-고체 전극 슬러리를 별개의 부분들로 분리시키기 위해 상기 2 개의 판들 사이로부터 상기 집전체 재료의 부분을 제거하는 단계; 및
    상기 반-고체 전극을 형성하기 위해 상기 집전체를 절단하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 반-고체 전극 슬러리는 무바인더인, 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 판과 상기 제2 판 사이에 상기 집전체 재료의 부분을 개재하는 단계는 터킹 디바이스(tucking device)에 의해 행해지는, 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제1 판은 제1 고정 에지를 가지고 상기 제2 판은 제2 고정 에지를 가지며, 상기 제1 고정 에지는 상기 집전체의 부분과 마찰식으로 맞물리기 위해 상기 제2 고정 에지에 접하는, 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    마감된 전기화학적 셀을 형성하기 위해 상기 마감된 전극을 분리기에 의해 개재된 제2 마감된 전극과 인접시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    비디오 카메라 및 컴퓨터 프로세서를 통해 상기 마감된 전극들을 검사하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 반-고체 전극을 제조하는 방법으로서,
    마스크 재료를 집전체 재료 상으로 연속적으로 배치하는 단계;
    반-고체 전극 슬러리를 상기 집전체 재료 상으로 연속적으로 분산시키는 단계;
    상기 집전체 상의 반-고체 전극 슬러리의 별개의 부분을 적어도 부분적으로 정의하기 위하여 상기 마스크 재료를 제거하는 단계; 및
    상기 반-고체 전극을 형성하기 위해 상기 집전체를 절단하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 반-고체 전극 슬러리는 무바인더인, 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    블레이드로 상기 반-고체 전극 슬러리를 확산시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 반-고체 전극 슬러리의 확산 동안에 상기 블레이드를 진동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    마감된 전기화학적 셀을 형성하기 위해 상기 반-고체 전극을 분리기에 의해 개재된 제2 전극과 인접시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
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