KR20210093335A - 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템, 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 방법 및 이의 응용 - Google Patents
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Abstract
사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템, 사이클 효율이 높은 전극의 제조 방법 및 이의 응용이 제공된다. 이 시스템은 전극 처리 유닛; 온도 제어 진공 처리 장치(201) 또는 온도 제어 불활성 처리 장치(202)를 포함하며, 전극 처리 유닛에 직렬로 연결되는 온도 제어 처리 장치(20a); 및 온도 제어 처리 장치(20a)에 직렬로 연결된 리프트 오프 유닛을 포함한다. 또는 시스템은 내부가 진공이거나, 불활성 분위기 및/또는 보호 분위기를 포함하는 분위기 박스(20b); 및 분위기 박스(20b) 내부에 제공된 전극 처리 유닛, 전극 처리 유닛에 직렬로 연결된 온도 제어 박스(9), 온도 제어 박스(9)에 직렬로 연결된 리프트 오프 유닛을 포함한다. 전극 처리 유닛은 제 1 금속 소스 권출 축(1); 제 1 금속 소스 권출 축(1)에 병렬로 연결되는 보완될 금속 전극의 권출 축(2); 및 제 1 금속 소스 권출 축(1) 및 보완될 금속 전극의 권출 축(2)에 직렬로 연결된 압축 롤러 장치를 포함한다. 시스템은 간단하고 시스템에 의해 제조된 전극은 1 차 사이클 효율이 높고, 우수한 주기성(cyclicity)을 가지고 있다. 전극으로 제작된 완충 전지는 1 차 사이클 효율이 높고, 높은 용량 유지율을 가진다.
Description
본 출원은 2018 년 11 월 27 일에 중국 특허청에 출원된 중국 특허 출원 제 201811427688.6 호(제목, "사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 방법 및 이의 응용”), 2018 년 11 월 27 일에 중국 특허청에 출원된 중국 특허 출원 제 201811427687.1 호(제목, "사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템"), 2018 년 11 월 27 일에 중국 특허청에 출원된 중국 실용 신안 출원 제 201821972810.3 호(제목, "전극 보유 준비를 위한 시스템")에 대해 우선권을 주장하며, 이러한 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 발명은 극 시트(pole sheets) 기술 분야에 속하며, 구체적으로는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템, 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 방법 및 이의 응용에 관한 것이다.
실리콘은 리튬 이온 전지용 음극재로 사용될 때 이론적 비용량(specific capacity)이 크며, 이는 흑연 재료보다 훨씬 크다. 실리콘 기반 음극재의 개발은 리튬 이온 전지의 에너지 밀도를 높이는 데 매우 중요하다. 그러나 원소 실리콘은 리튬을 저장한 후 부피가 크게 팽창하여 실리콘 음극의 코팅이 분말이 되어 집전 장치에서 떨어져 나와 수명이 매우 나빠지므로 실제적인 가치가 없다. 리튬 이온 전지용 음극재로 실리콘-산소 재료를 사용하면 리튬 저장 후 부피 팽창 문제가 크게 개선될 수 있지만, 실리콘-산소 재료의 1 차 효율은 약 70 %에 불과해 흑연 재료의 효율(약 90 %)보다 훨씬 낮다. 낮은 1 차 효율 문제를 개선하기 위해, 실리콘-산소 음극에 금속 리튬을 보충하는 것이 하나의 해결 방안으로 널리 인식되고 있다. 음극에 리튬을 보충하는 것을 실현하는 방법에 관해서는, 국내외 전문가들이 많은 연구와 실험을 수행했으며 다음과 같은 몇 가지 일반적인 방법을 제안했다.
중국 특허 공보 CN102779975A는 리튬 분말을 저장하는 공급 탱크를 보충될 리튬 음극 위에 배치하여 리튬 보충을 구현하고, 그 동안 리튬 분말을 전기장의 작용하에 음극편의 표면에 흡착시킨 다음 롤러를 눌러 리튬 분말이 음극편의 표면에 단단히 부착되도록 하여 리튬이 보충되게 하는 내용을 개시한다. 이 방법은 리튬 분말이 작은 크기의 균일한 입자를 가지고 있고, 압착 롤러가 매우 높은 평탄도를 갖는 표면을 가지며, 리튬 분말이 가능한 적게 압착 롤러에 부착되는 경우, 전극 표면에 리튬을 균일하게 보충할 수 있다.
중국 특허 공보 CN105489846A는 복합 리튬 리본과 보충할 리튬 전극을 압착 롤링하여 보충할 리튬 전극에 리튬 리본을 접착시켜 리튬 보충 전극을 형성하고, 이는 복합 리튬 리본의 제 1 기판으로 탈거되고 감겨지는 내용을 개시한다. 이 방법의 실제 적용을 위한 전제 조건은 초박형 리튬 리본(두께가 일반적으로 10μm 미만)을 얻는 것이며, 압착 롤러는 평탄도가 매우 높은 표면을 가져야 한다(불균일성을 방지하기 위해).
중국 특허 공보 CN105702943A는 음극재와 도전제의 혼합 분말을 먼저 준비하고, 혼합 분말을 도전 재료 홈에 넣고, 전해액을 혼합 분말에 한 방울씩 떨어뜨려(added dropwise) 분말을 적시고, 전해액에 추가된 혼합 분말을 스테인리스 강 개스킷을 사용하여 압축하며, 분리기를 스테인리스 강 개스킷 위에 놓고, 개스킷을 분리기에 배치하며, 리튬 시트를 개스킷 위에 배치하고, 모든 부품을 장치를 통해 함께 밀봉한 다음 전지 테스트 시스템을 사용하여 밀봉된 장치 상에 형성되게 하여 음극재 내에 리튬의 사전 삽입을 실현하는 내용을 개시한다.
중국 특허 공보 CN204966620U는 리튬 공급 장치와 보충될 리튬의 음극이 접촉을 유지하고 전해액에 함께 침지되는 것을 개시하고 있다. 리튬 공급 장치와 보충될 리튬의 음극은 접촉 상태이고, 전자 채널이 존재한다. 또한 둘은 전해액에 함께 담가두기 때문에 둘 사이에 이온 채널도 존재한다. 리튬을 보충하는 메커니즘은 내부 단락 회로가 있는 반쪽 전지와 동일하며, 리튬 공급 장치에서 리튬 이온을 추출하여 보충할 리튬의 음극에서 전자를 얻게 한 후 환원시켜 리튬의 보충을 실현한다.
리튬 극편(lithium pole piece)을 제조하는 전술한 장치는 상대적으로 복잡하고 제조된 극편은 사이클 효율이 나쁘다.
이를 고려하여, 본 발명의 목적은 사이클 효율이 높은 전극의 제조 시스템, 사이클 효율이 높은 전극의 제조 방법 및 이의 응용을 제공하는 것이다. 본 시스템은 샘플로서, 이에 의해 제작된 전극을 사용하여 제조된 완충 전지(Full Battery)는 더 높은 사이클 효율을 가진다.
본 발명은 사이클 효율이 높은 전극의 제조 시스템을 제공하고, 이는 전극 처리 유닛; 온도 제어 진공 처리 장치 또는 온도 제어 불활성 처리 장치를 포함하며, 전극 처리 유닛과 직렬로 연결된 온도 제어 처리 장치; 및 압착 롤링된 후의 제 1 금속 소스와 압착 롤링된 후의 보충될 금속 전극을 분리하는, 온도 제어 처리 장치와 직렬로 연결된 탈거 유닛을 포함한다.
전극 처리 유닛은 제 1 금속 소스를 풀기(unwinding)위한 제 1 금속 소스의 권출 축; 제 1 금속 소스의 권출 축과 병렬로 연결되며, 보충될 금속 전극을 풀기 위한 보충될 금속 전극의 권출 축; 및 제 1 금속 소스의 권출 축 및 보충될 금속 전극의 권출 축과 직렬로 연결되며, 보충될 금속 전극과 제 1 금속 소스를 압착 롤링하여 복합 전극으로 만드는 압착 롤러 장치를 포함한다.
바람직하게, 온도 제어 진공 처리 장치는 진공 오븐 또는 진공 백(bag)이다.
바람직하게, 불활성 처리 장치 내부의 분위기는 CO2 분위기 또는 아르곤 가스 분위기이다.
본 발명은 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템을 제공하고, 이 시스템은, 내부에 진공 분위기 또는 불활성 분위기 또는 보호 분위기 또는 불활성 분위기-보호 분위기의 혼합 분위기가 존재하는 분위기 박스; 및
분위기 박스 내부에 배치된 전극 처리 유닛; 전극 처리 유닛과 직렬로 연결된 온도 제어 박스; 및 온도 제어 박스와 직렬로 연결된 탈거 유닛 - 압착 롤링 후의 제 1 금속 소스와 압착 롤링 후의 보충될 금속 전극을 분리함 - 을 포함하고,
전극 처리 유닛은, 제 1 금속 소스를 풀기 위한 제 1 금속 소스의 권출 축을 포함하고; 제 1 금속 소스의 권출 축과 병렬로 연결되며 보충될 금속 전극을 풀기 위한 보충될 금속 전극의 권출 축; 및 제 1 금속 소스의 권출 축 및 보충될 금속 전극의 권출 축과 직렬로 연결되며, 보충될 금속 전극과 제 1 금속 소스를 압착 롤링하여 복합 전극으로 만드는 압착 롤러 장치를 포함한다.
바람직하게, 시스템은 보충될 금속 전극의 권출 축 및 제 1 금속 소스의 권출 축와 병렬로 연결되며, 제 2 금속 소스를 풀기 위한 제 2 금속 소스의 권출 축를 더 포함하고;
제 1 금속 소스의 권출 축과 제 2 금속 소스의 권출 축은 각각 보충될 금속 전극의 권출 축의 상측과 하측에 위치한다.
바람직하게는, 제 1 금속 소스 및 제 2 금속 소스의 금속은 리튬 또는 나트륨으로부터 선택된다.
바람직하게는, 보충될 금속 전극이 흑연 음극, 경질 탄소 음극, 연질 탄소 음극, 중상 탄소 미소 구 음극(mesophase carbon microsphere negative electrode), 실리콘-탄소 음극, 실리콘-산소-탄소 음극, 실리콘 음극, 실리콘-산소 음극, 리튬 티타네이트 음극, 전이 금속 산화물 음극 또는 황 기반 양극으로부터 선택된다.
바람직하게는, 탈거 유닛은 가이드 롤러 축이다.
바람직하게는, 시스템은 탈거 유닛과 직렬로 연결된 권취 유닛을 더 포함하고, 이는 탈거된 후의 제 1 금속 소스와 탈거된 후의 극편을 감는다.
바람직하게는, 본 발명은 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은,
보충될 금속 전극 및 금속 소스를 롤러 압착, 플랫(flat) 압착, 가스 압착 또는 액체 압착하여 물리적 접착 접촉을 얻고 진공 또는 불활성 분위기 하에서 온도 제어 처리를 한 후 사이클 효율이 높은 전극을 얻도록 금속 소스를 탈거하는 단계를 포함하고,
보충될 금속 전극은 금속을 수송할 수 있는 음극(negative electrode) 또는 금속을 수송할 수 있는 양극(positive electrode)으로부터 선택되며,
금속 소스의 금속은 리튬 또는 나트륨으로부터 선택된다.
바람직하게는, 보충될 금속 전극은 흑연 음극, 경질 탄소 음극, 연질 탄소 음극, 중상 탄소 미소 구 음극, 실리콘-탄소 음극, 실리콘-산소-탄소 음극, 실리콘 음극, 실리콘-산소 음극, 리튬 티타네이트 음극, 전이 금속 산화물 음극 또는 황 기반 양극으로부터 선택된다.
바람직하게는, 리튬 소스는 순수 금속 리튬, 리튬 합금 또는 리튬 복합물이고,
나트륨 소스는 순수한 금속 나트륨, 나트륨 합금 또는 나트륨 복합물이다.
바람직하게는, 온도 제어 처리는 0.1 - 168 h의 지속시간 동안 0 - 150 °C의 온도에서 수행된다.
바람직하게는, 진공은 -10KPa 내지 -99KPa의 진공도를 갖는다.
바람직하게는, 불활성 분위기는 이산화탄소 분위기 또는 아르곤 분위기이다.
바람직하게는, 보충될 금속 전극은 시트형 또는 리본형이다.
바람직하게는, 보충될 금속 전극 및 금속 소스는, 진공 또는 불활성 분위기 또는 보호 분위기 또는 불활성 분위기와 보호 분위기의 혼합 분위기에서 롤러 압착, 플랫 압착, 가스 압착 또는 액체 압착된다.
본 발명은 전술한 기술적 해결 방안에서 설명한 제조 방법을 이용하여 제조된 사이클 효율이 높은 전극을 전지에 사용하는 방법을 제공한다.
본 발명은 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템을 제공하며, 이 시스템은, 전극 처리 유닛; 온도 제어 진공 처리 장치 또는 온도 제어 불활성 처리 장치를 포함하며, 전극 처리 유닛과 직렬로 연결된 온도 제어 처리 장치; 및 온도 제어 처리 장치와 직렬로 연결된 탈거 유닛 - 이는 압착 롤링 후의 제 1 금속 소스와 압착 롤링 후의 보충될 금속 전극을 분리함 -을 포함하거나; 또는 내부에 진공 분위기 또는 불활성 분위기가 존재하는 분위기 박스; 분위기 박스 내부에 배치된 전극 처리 유닛; 전극 처리 유닛과 직렬로 연결된 온도 제어 박스; 및 온도 제어 박스와 직렬로 연결된 탈거 장치 - 이는 압착 롤링 후의 제 1 금속 소스와 압착 롤링 후 보충될 금속 전극을 분리함 - 를 포함한다. 본 발명에서 복합 전극은 압착 롤러 장치에 의해 압착 롤링된 후 온도 제어 진공 처리 장치 또는 온도 제어 불활성 처리 장치에서 처리될 수 있다. 또한, 제 1 금속 축, 보충될 금속 전극의 권출 축, 압착 롤러 장치 및 압착 롤러 장치 뒤에 직렬로 연결된 온도 제어 박스가 전체로서 배치된 분위기 박스에서 처리될 수 있으며, 진공 분위기 또는 불활성 분위기가 분위기 박스 내부에 존재한다. 본 발명에 의해 제공되는 시스템은 권출 장치, 압착 롤러 장치, 진공 처리 장치 또는 불활성 처리 장치 및 탈거 유닛만을 포함한다. 이 시스템은 간단하며, 이로 인해 생산된 전극은 더 높은 1 차 사이클 효율과 더 우수한 재귀 성능(recursive performance)을 제공하다. 실험 결과, 본 발명에서 제공하는 시스템에 의해 제조된 전극을 사용하여 생산된 완충 전지는 1 차 사이클 효율이 85.7 - 96.5 %이고, 100 사이클 후 전지의 용량 유지율이 90.7 - 98.3 %임을 나타내었다.
본 발명에서 제공하는 방법은 금속 소스와 보충될 전극을 물리적인 접착 접촉을 한 후 진공 또는 불활성 분위기에서 소정 지속시간 동안 온도 제어 처리를 하는 것만으로 사이클 효율이 높은 전극을 얻을 수 있다. 이 방법은 간단하다. 사이클 효율이 높은 전극은 금속 소스가 탈거될 때 그 표면에서 사람의 눈에 보이는 은백색 금속 리튬을 포함하지 않는다. 또한, 보충될 금속 전극은 전자 전도성과 이온 전도성을 모두 가지고 있다. 따라서, 금속 소스는 보충될 금속 전극에 대해 금속 매립 공정을 거치게 될 것이며, 또한 금속 확산 공정이 물리적 접착 접촉 중에 발생하여 전극이 더 높은 1 차 사이클 효율을 나타낸다. 본 발명에서 제공하는 방법에 의해 제조된 전극을 이용하여 제조된 완충 전지는 더 높은 1 차 사이클 효율과 더 높은 용량 유지율을 갖는다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템의 구조도이다.
도 1b는 본 발명의 시스템의 다른 예에서 제공하는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 비교 실시예 1 및 실시예 1에서 제조된 리튬 전지의 사이클 테스트 효과를 나타낸 도면이다.
도 1b는 본 발명의 시스템의 다른 예에서 제공하는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 비교 실시예 1 및 실시예 1에서 제조된 리튬 전지의 사이클 테스트 효과를 나타낸 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예의 기술적 해결 방안이 명확하고 완전하게 설명될 것이다. 분명히, 설명될 실시예는 본 발명의 실시예의 전부가 아니라 일부일 뿐이다. 본 발명의 이러한 실시예에 기초하여, 당업자가 창의적인 노력없이 획득한 모든 다른 실시예는 본 발명의 보호 범위 내에 속해야 한다.
본 발명은, 보충될 금속 전극 및 금속 소스를 롤러 압착, 플랫 압착, 가스 압착 또는 액체 압착하여 물리적 접착 접촉을 달성한 다음 진공 또는 불활성 분위기 하에서 온도 제어 처리를 한 후 사이클 효율이 높은 전극을 얻도록 금속 소스를 탈거하는 단계를 포함하는 사이클 효율이 높은 전극의 제조 방법을 제공하고,
보충될 금속 전극은 금속을 수송할 수 있는 음극 또는 금속을 수송할 수 있는 양극으로부터 선택되며,
금속 소스는 리튬 소스 또는 나트륨 소스로부터 선택된다.
본 발명에서 제공하는 제조 방법은 간단하고, 제조된 전극은 높은 사이클 효율, 높은 제품 품질, 낮은 비용 및 우수한 응용 전망을 갖는다. 전극을 사용하여 제조된 완충 전지는 1 차 사이클 효율과 용량 유지율이 더 높다.
본 발명에서, 금속 소스의 금속은 리튬 또는 나트륨으로부터 선택된다. 금속 소스에 대해 선택된 금속 원소는 보충될 금속 전극의 금속 원소와 일치하는데, 즉, 동일한 금속 원소가 동시에 선택된다.
본 발명에서, 리튬 소스는 순수 금속 리튬, 리튬 합금 또는 리튬 복합물이고; 나트륨 소스는 순수 금속 나트륨, 나트륨 합금 또는 나트륨 복합물이다.
본 발명에서 금속 소스는 단일 활성층의 형태로 존재할 수도 있고, 베이스 층과 활성층이 복합 층의 형태로 존재할 수도 있다. 베이스 층은, 연성을 갖는 금속 층 또는 내열성 및 금속 리튬과 비 반응성인 비금속 층으로부터 선택된다. 구체적으로, 베이스 층은 구리 호일, 알루미늄 호일, 스테인레스 강 호일, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리에스테르 또는 폴리테트라 플루오로 에틸렌으로부터 선택된다. 복합 층의 전체 두께는 단일 활성층의 두께와 일치한다. 탈거 강도 요건을 충족하고 파손되지 않는 한 활성층 및 복합 층의 두께에 대한 특별한 요구 사항은 없다.
본 발명에서 보충될 금속 전극은 금속을 수송할 수 있는 음극 또는 금속을 수송할 수 있는 양극으로부터 선택된다. 금속을 수송할 수 있는 음극은 금속을 매립할 수 있는 음극이다. 금속을 수송할 수 있는 양극은 금속을 매립할 수 있는 양극이다. 보충될 금속 전극은 바람직하게는 흑연 음극, 경질 탄소 음극, 연질 탄소 음극, 중상 탄소 미소 구 음극, 실리콘-탄소 음극, 실리콘-산소-탄소 음극, 실리콘 음극, 실리콘-산소 음극, 리튬 티타네이트 음극, 전이 금속 산화물 음극 또는 황 기반 양극으로부터 선택된다. 본 발명의 구체적인 예에서, 보충될 금속 전극은 실리콘-산소-탄소 복합 음극의 극편 또는 가역 용량이 600 mAh/g인 황-탄소 복합 양극의 극편으로부터 선택된다.
본 발명에서 전극의 제조는 바람직하게는 분위기 박스에서 수행되고, 분위기 박스의 분위기는 진공 또는 불활성 분위기이다. 본 발명에서, 보충될 금속 전극 및 금속 소스는 진공 또는 불활성 분위기에서 롤러 압착, 플랫 압착, 가스 압착 또는 액체 압착되거나, 먼저 롤러 압착, 플랫 압착, 가스 압착 또는 액체 압착된 후 분위기 박스의 분위기를 진공 또는 불활성 분위기로 조정한 다음 온도 제어 처리가 수행될 수 있다.
본 발명에서, 보충될 금속의 금속 전극 및 금속 소스는 물리적 접착 접촉을 획득하도록 롤러 압착, 플랫 압착, 가스 압착 또는 액체 압착된다. 금속 소스와 보충될 금속 전극을 물리적으로 접착 접촉시킨 후, 진공 또는 불활성 분위기에서 온도 제어 처리가 수행되어, 보충 금속 소스의 품질과 균일성을 향상시킬뿐만 아니라 제조된 전극의 1 차 효율 및 사이클 성능을 개선한다. 온도 제어 처리는 바람직하게는 항온 처리이다. 본 발명에서 진공은 -10KPa 내지 -99KPa의 진공도를 갖는다. 불활성 분위기는 이산화탄소 분위기 또는 아르곤 분위기이다. 본 발명에서, 진공 또는 불활성 분위기에서의 온도 제어 처리는 바람직하게는 0 - 150 ℃, 보다 바람직하게는 20 - 110 ℃, 바람직하게는 0.1 h - 168 h의 지속시간 동안, 더 바람직하게는 3 h - 72 h 동안 수행된다. 본 발명의 특정 예에서, 진공 또는 불활성 분위기에서의 처리는 구체적으로 다음에 의해 수행된다: -20 KPa의 진공도에서 4 시간 동안 110 ℃의 온도에서 유지; 또는 -80 KPa의 진공도에서 30 시간 동안 50 ℃의 온도에서 유지; 또는 아르곤 분위기에서 2 일 동안 실온에서 유지; 또는 진공도를 -90 KPa로 한 포장 백에 진공 포장하고 진공 오븐에서 10 시간 동안 80 ℃의 온도에서 유지; 또는 -70 KPa의 진공도를 갖는 분위기 박스에서 8 시간 동안 55 ℃의 온도에서 유지; 또는 1 : 1의 분위기압으로 불소 및 이산화탄소 분위기를 도입하고 -95 KPa의 진공도의 분위기 박스에서 8 시간 동안 0 ℃의 온도에서 유지하는 것.
본 발명에서는 보충할 금속의 금속 전극과 금속 소스를 접촉시킨 후 형성된 복합 리본을 알루미늄 비닐 봉지 또는 다른 진공 포장 방식으로 포장하여 공통 환경에 둘 수 있다. 본 발명에서 진공 분위기에서의 처리는 가열없이 수행될 수 있으며, 상온 환경에 직접 보관할 수 있어 에너지 소비를 절감할 수 있다. 처리 중에 가열이 필요한 경우, 전체 롤에서 가열될 수 있고, 또한, 감거나 풀리는 방식으로 가열될 수 있는데, 즉, 금속 소스와 보충될 금속 전극의 복합 리본이 풀린 후 감기는 방식으로 가열된다.
본 발명에서, 보충될 금속 전극은 바람직하게는 시트형 또는 리본형이다.
본 발명에서, 금속 소스가 나트륨 소스이고 보충될 금속 전극은 보충될 나트륨 전극이면, 획득된 전극은 나트륨 전지 전극이고;
금속 소스가 리튬 소스이고, 보충될 금속 전극이 보충될 리튬 전극이면, 획득된 전극은 리튬 전극이다.
본 발명은 전술한 기술적 해결 방안에서 설명한 제조 방법에 의해 제조된 사이클 효율이 높은 전극을 전지에 사용하는 방법을 제공한다. 전지는 나트륨 전지 또는 리튬 전지이사이클 효율이 높은 전극이다.
본 발명에서는 전술한 전극 극편과 양극(음극) 극편에 적층, 예비 용접, 용접, 캔에 담기, 액체 주입, 포장, 격납(shelving), 성형, 2차 포장, 절단-접이식 다림질, 용량 등급 매기기, 노화 공정 및 기타 공정을 수행하여 전지를 획득한다. 본 발명에서, 획득된 전지는 그것의 1 차 사이클 효율 및 사이클 성능에 대해 테스트된다.
본 발명에서 상술한 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템은 전극 처리 유닛; 온도 제어 진공 처리 장치 또는 온도 제어 불활성 처리를 포함하며 전극 처리 장치와 직렬로 연결된 온도 제어 처리 장치; 및 온도 제어 처리 장치와 직렬로 연결된 탈거 유닛 - 압착 롤링 후 제 1 금속 소스와 압착 롤링 후 보충될 금속 전극을 분리함 - 을 포함하고;
전극 처리 유닛은 제 1 금속 소스를 풀기 위한 제 1 금속 소스의 권출 축; 제 1 금속 소스의 권출 축과 병렬로 연결되며 보충될 금속 전극을 풀기 위한 보충될 금속 전극의 권출 축; 및 제 1 금속 소스의 권출 축 및 보충될 금속 전극의 권출 축과 직렬로 연결되며 보충될 금속 전극과 제 1 금속 소스를 압착 롤링하여 복합 전극으로 만드는 압착 롤러 장치를 포함한다.
도 1a를 참조하면, 도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템의 구조도이고, 여기서 1은 제 1 금속 소스의 권출 축이고, 2는 보충될 금속 전극의 권출 축, 3은 제 2 금속 소스의 권출 축, 4는 제 1 금속 소스, 5는 보충될 금속 전극, 6은 제 2 금속 소스, 7은 제 1 압착 롤러, 8은 제 2 압착 롤러, 10은 가이드 롤러 축, 11은 탈거 후의 제 1 금속 소스, 12는 탈거 후의 극편, 13은 탈거 후의 제 2 금속 소스, 14는 탈거 후의 제 1 금속 소스의 권취 축이고, 15는 복합 극편의 권취 축, 16은 탈거 후의 제 2 금속 소스의 권취 축, 21은 탈거 후의 보충될 금속 전극의 권취 축, 17은 복합 전극, 18a는 가스 배출 밸브, 19a는 가스 유입 밸브, 20a는 온도 제어 처리 장치이다.
본 발명에서 제공하는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템은 전극 처리 유닛을 포함한다. 전극 처리 유닛은 제 1 금속 소스(4)를 풀기 위한 제 1 금속 소스의 권출 축(1)을 포함한다. 제 1 금속 소스(4)는 리튬 소스 또는 나트륨 소스로부터 선택된다. 제 1 금속 소스를 위해 선택된 금속 원소는 보충될 금속 전극에 있는 금속 원소와 일치하는데, 즉, 동일한 금속 원소가 동시에 선택된다.
본 발명에서 리튬 소스는 순수 금속 리튬, 리튬 합금 또는 리튬 복합물이고, 나트륨 소스는 순수 금속 나트륨, 나트륨 합금 또는 나트륨 복합물이다. 본 발명의 특정 예에서, 금속 소스는 리본형 리튬-알루미늄 합금, 리본형 순수 금속 리튬 또는 구리로 덮인 순수 금속 리튬 리본이다.
본 발명에서, 제 1 금속 소스는 단일 활성층의 형태로 존재할 수 있거나, 베이스 층과 활성층의 복합 층의 형태로 존재할 수 있다. 베이스 층은 연성을 갖는 금속 층 또는 내열성 및 금속 리튬과 비 반응성인 비금속 층으로부터 선택된다. 구체적으로, 베이스 층은 구리 호일, 알루미늄 호일, 스테인레스 강 호일, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리에스테르 또는 폴리테트라 플루오로 에틸렌으로부터 선택된다. 복합 층의 전체 두께는 단일 활성 층의 두께와 일치한다. 탈거 강도 요건을 충족하고 파손되지 않는 한 활성층 및 복합 층의 두께에 대한 특별한 요구 사항은 존재하지 않는다.
전극 처리 유닛은, 제 1 금속 소스의 권출 축과 병렬로 연결되며 보충될 금속 전극(5)을 풀기 위한 보충될 금속 전극의 권출 축(2)을 포함한다. 본 발명에서, 보충될 금속 전극(5)은 금속을 수송할 수 있는 음극 또는 금속을 수송할 수 있는 양극으로부터 선택된다. 금속을 수송할 수 있는 음극은 금속을 매립할 수 있는 음극이다. 금속을 수송할 수 있는 양극은 금속을 매립할 수 있는 양극이다. 보충될 금속 전극은 바람직하게는 흑연 음극, 경질 탄소 음극, 연질 탄소 음극, 중상 탄소 미소 구 음극, 실리콘-탄소 음극, 실리콘-산소-탄소 음극, 실리콘 음극, 실리콘-산소 음극, 리튬 티타네이트 음극, 전이 금속 산화물 음극 또는 황 기반 양극으로부터 선택된다. 본 발명의 구체적인 예에서, 보충될 금속 전극은 600m Ah/g의 가역 용량을 갖는 실리콘-산소-탄소 복합 음극으로부터 선택된다.
전극 처리 유닛은, 제 1 금속 소스의 권출 축 및 보충될 금속 전극의 권출 축과 직렬로 연결되며 보충될 금속 전극 및 제 1 금속 소스를 압착 롤링하기 위한 압착 롤러 장치를 포함한다. 압착 롤러 장치는 서로 마주보도록 배치된 제 1 압착 롤러(7) 및 제 2 압착 롤러(8)를 포함한다. 압착 롤러 장치의 롤러 압착 호스트는 압력을 정확하게 감지하고 롤러 갭을 조정할 수 있다. 압착 롤러 장치는 제 1 금속 소스 및 보충될 금속 전극이 물리적 접착 접촉을 달성하게 한다. 압착 롤링 후 얻어진 복합 전극(17)은, 복합 전극을 감도록 가이드 롤러 축을 통해 복합 극편(15)의 권취 축으로 이송된다.
본 발명에서 제공하는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템은, 전극 처리 유닛과 직렬로 연결된 온도 제어 처리 장치(20a)를 포함한다. 온도 제어 처리 장치는 온도 제어 진공 처리 장치(201) 및 온도 제어 불활성 처리 장치(202)를 포함한다. 구체적으로, 온도 제어 처리 장치는 전극 처리 유닛의 압착 롤러 장치와 연결되고, 온도 제어 처리 장치에는 가스 유입 밸브(18a) 및 가스 배출 밸브(19a)가 제공된다. 본 출원에서 온도 제어 진공 처리 장치는 진공 오븐 또는 진공 백이다. 진공 오븐은 진공화하고 온도를 제어하는 기능이 있다. 온도 제어 불활성 처리 장치는 진공 오븐에 불활성 가스를 도입하여 실현된다. 온도 제어 불활성 처리 장치 내부의 불활성 분위기는 CO2 분위기 또는 아르곤 분위기이다. 본 발명에서는 권취 후의 복합 극편을 공정 처리를 위해 온도 제어 처리 장치에 둔다.
본 발명에서 제공하는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템은, 온도 제어 처리 장치와 직렬로 연결된 탈거 유닛을 포함하며, 이는 압착 롤링 후 보충될 금속 전극과 제 1 금속 소스를 분리한다. 탈거 유닛은 가이드 롤러 축(10)이다. 가이드 롤러 축의 수는 바람직하게는 ≥1이다. 복합 극편이 가이드 롤러 축을 통과 한 후, 압착 롤링 후의 제 1 금속 소스와 압착 롤링 후의 보충될 금속 전극이 탈거된다.
시스템은 바람직하게는 탈거 유닛과 직렬로 연결되는 권취 유닛을 더 포함하고, 이는 탈거된 후의 제 1 금속 소스(11) 및 탈거된 후의 극편(12)을 탈거된 후의 제 1 금속 소스의 권취 축(14) 및 탈거된 후의 극편의 권취 축(21) 둘레에 감는다.
보충될 금속 전극이 그 양면에 금속을 보충할 필요가 있는 경우, 본 발명에서 제공하는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템은 바람직하게는, 제 1 금속 소스의 권출 축 및 보충될 금속 전극의 권출 축와 병렬로 연결되며, 제 2 금속 소스(6)를 풀기 위한 제 2 금속 소스의 권출 축(3)을 더 포함한다. 제 1 금속 소스의 권출 축 및 제 2 금속 소스의 권출 축은 보충될 금속 전극의 권출 축의 상측과 하측에 각각 위치한다. 이에 대응하여, 압착 롤링 후의 제 2 금속 소스는 탈거 유닛에서 탈거되고, 탈거된 제 2 금속 소스의 권취 축(16)은 탈거 후의 제 2 금속 소스를 감기 위해 탈거 유닛 뒤에 배치되어야 한다.
본 발명에서는 권취와 권출의 속도를 적절하게 조절하여 이들의 속도를 맞추고 권취와 권출을 팽팽하게 하여 수행될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 도 1b는 본 발명의 다른 예에서 제공하는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템의 구조도로서, 9는 온도 제어 박스이고, 20b는 분위기 박스이며, 18b는 가스 유입구이고, 19b는 가스 배출구이다.
본 발명에서 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템은 다음과 같이 제공될 수도 있다:
사이클 효율이 높은 전극을 제조하기 위한 시스템은, 분위기 박스 - 분위기 박스 내부에 진공 분위기 또는 불활성 분위기가 존재함 - ;
분위기 박스 내부에 배치된 전극 처리 유닛; 전극 처리 장치에 직렬로 연결된 온도 제어 박스; 및 온도 제어 박스와 직렬로 연결된 탈거 유닛 - 이는 압착 롤링 후의 제 1 금속 소스와 압착 롤링 후의 보충될 금속 전극을 분리함 - 을 포함하고;
전극 처리 유닛은, 제 1 금속 소스를 풀기 위한 제 1 금속 소스의 권출 축; 제 1 금속 소스의 권출 축과 병렬로 연결되며 보충될 금속 전극을 풀기 위한 보충될 금속 전극의 권출 축; 및 제 1 금속 소스의 권출 축 및 보충될 금속 전극의 권출 축과 직렬로 연결되며 보충될 금속 전극과 제 1 금속 소스를 압착 롤링하여 복합 전극으로 만드는 압착 롤러 장치를 포함한다.
분위기 박스 내부의 처리가 지속적으로 수행할 수 있어, 작업 효율을 높이고 에너지 소비를 절감할 수 있다.
본 발명에 의해 제공되는 시스템은 내부에 진공 분위기 또는 불활성 분위기 또는 보호 분위기 또는 불활성 분위기-보호 분위기의 혼합 분위기가 존재하는 분위기 박스(20b)를 포함한다. 분위기 박스는 온도 제어 기능이 없으며 바람직하게는 입방체 또는 직육면체이다. 가스 유입구(18b) 및 가스 배출구(19b)는 분위기 박스에 배치된다. 불활성 분위기는 CO2 분위기 또는 아르곤 분위기에서 선택되고, 보호 분위기는 불소 분위기 및/또는 질소 가스 분위기에서 선택된다.
본 발명에서 제공하는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템은, 분위기 박스 내부에 배치된 전극 처리 유닛을 포함하고, 전극 처리 유닛은 제 1 금속 소스를 풀기 위한 제 1 금속 소스의 권출 축; 제 1 금속 소스의 권출 축과 병렬로 연결되며 보충될 금속 전극을 풀기 위한 보충될 금속 전극의 권출 축; 및 제 1 금속 소스의 권출 축 및 보충될 금속 전극의 권출 축과 직렬로 연결되며 보충될 금속 전극과 제 1 금속 소스를 압착 롤링하여 복합 전극으로 만드는 압착 롤러 장치를 포함한다. 금속 소스의 권출 축, 보충될 금속 전극의 권출 축, 분위기 박스에 배치된 압착 롤러 장치는 전술한 기술적 해결 방안과 동일하므로 여기에서 반복 설명되지 않는다.
본 발명에서, 처리 유닛은 압착 롤러 장치와 직렬로 연결된 온도 제어 박스(9)를 포함한다. 온도 제어 박스(9)는 복합 전극을 원하는 온도에서 원하는 지속시간 동안 처리되게 할 수 있고, 금속 원소 보충제의 품질 및 균일성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조된 전극의 1 차 효율 및 사이클 성능을 향상시킬 수 있다. 온도 제어 박스는 온도 조절 기능을 갖고 있으며, 바람직하게는 항온 박스이다. 복합 전극은 가이드 롤러 축을 통해 온도 제어 박스에 들어가고 온도 제어 처리 후 가이드 롤러 축을 통해 온도 제어 박스를 빠져 나간 다음 탈거된다.
보충될 금속 전극이 양면에 금속으로 보충되어야 하는 경우, 본 발명에서 제공하는 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 시스템은 바람직하게는, 보충될 금속 전극의 권출 축 및 제 1 금속 소스의 권출 축과 병렬로 연결되며 제 2 금속 소스를 풀기 위한 제 2 금속 소스의 권출 축을 더 포함한다. 제 1 금속 소스의 권출 축, 보충될 금속 전극의 권출 축 및 제 2 금속 소스의 권출 축은 대응하는 각속도를 갖는다.
본 발명의 추가 설명을 위해, 본 발명에서 제공하는 사이클 효율이 높은 전극의 제조 방법 및 이의 응용을 실시예와 함께 이하에서 상세하게 설명하지만, 이는 본 발명의 보호 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
비교 실시예 1
원료 혼합, 교반, 코팅, 롤러 압착, 베이킹 및 다이 커팅에 의해 실리콘-산소-탄소(SOC) 음극의 극편을 제조하였다.
가역 용량이 600mAh/g인 SOC 음극의 리본형 극편과 니켈-코발트-리튬 알루미늄 산(NCA) 양극의 극편을 적층, 사전 용접, 용접, 캔에 담기, 액체 주입, 포장, 격납, 성형, 2 차 포장, 절단-접이식 다림질, 용량 등급 매기기 및 노화를 포함하는 18 개의 공정을 거쳐 각 유닛이 42 Ah로 설계된 소프트 팩 전지로 제조하였다. 전지는 1 차 효율과 사이클에 대해 테스트되었다. 결과는 도 2에 도시된다. 도 2는 본 발명의 비교 실시예 1 및 실시예 1에서 제조된 리튬 전지의 사이클 테스트를 나타낸 도면이다. 도 2에서 비교 실시예의 사이클은 계속해서 약화되고 100 사이클 후 전지의 용량 유지율은 82.1 %임을 알 수 있다.
비교 실시예 1에서 제조된 전지는 1 차 효율이 78.2 %이다.
실시예 1
원료 혼합, 교반, 코팅, 롤러 압착, 베이킹 및 다이 커팅에 의해 실리콘-산소-탄소(SOC) 음극의 리본형 극편을 획득하였다.
가역 용량이 600 mAh/g인 실리콘-산소-탄소 복합 음극의 리본형 순수 금속 리튬과 리본형 극편을 롤러 압착, 결합 및 직접 접촉하여 물리적 접착 접촉을 실현했다. 진공도 -20 KPa의 진공 오븐에서 110°C의 온도로 4 시간 동안 유지하고, 아르곤 가스를 채운 후 주위 온도로 냉각한 다음 꺼냈다. 그 후, 금속 리튬을 탈거하여 사이클 효율이 높은 음극 극편을 획득하였다.
도 1a에 도시된 장치를 사용하여, 전술한 사이클 효율이 높은 음극 극편과 NCA 양극의 극편을 적층, 사전 용접, 용접, 캔에 담기, 액체 주입, 포장, 격납, 성형, 2 차 포장, 절단-접이식 다림질, 용량 등급 매기기 및 노화를 포함하는 18 개의 공정을 거쳐 각 유닛이 42 Ah로 설계된 소프트 팩 전지로 제조하였다. 전지는 1 차 효율과 사이클에 대해 테스트되었다. 결과는 도 2에 도시되어 있다. 도 2로부터 실시예 1의 전지의 사이클 프로세스 동안 약간의 용량 회복이 있고 방전 용량이 처음 10 사이클에서 거의 약화되지 않았음을 알 수 있다.
실시예 1에서 제조된 전지는 1 차 효율이 91.3 %이고, 100 사이클 후 전지의 용량 유지율은 95.2 %이다.
실시예 2
원료 혼합, 교반, 코팅, 롤러 압착, 베이킹 및 다이 커팅에 의해, 실리콘-산소-탄소(SOC) 음극의 리본형 극편을 획득하였다.
도 1a에 도시된 장치를 사용하여, 가역 용량이 600 mAh/g인 리본형 리튬-알루미늄 합금 및 리본형 실리콘-산소-탄소 복합 음극을 롤러 압착하여 물리적 접착접촉을 실현하였다. 진공도 -80KPa의 진공 오븐에서 50 ℃의 온도로 30 시간 동안 유지한 다음, 이산화탄소를 채운 후 상온으로 식힌 후 꺼냈다. 그 다음, 금속 리튬-알루미늄을 탈거하여 사이클 효율이 높은 음극을 획득하였다.
전술한 사이클 효율이 높은 음극과 NCA 양극은 적층, 예비 용접, 용접, 캔에 담기, 액체-주입, 포장, 격납, 성형, 2 차 포장, 절단-접이식-다림질, 용량 등급 매기기 및 노화를 포함하는 18 개의 공정을 거쳐 각 유닛이 42Ah로 설계된 소프트 팩 전지로 제조되었다. 전지는 1 차 효율과 사이클에 대해 테스트되었다.
본 발명의 실시예 2에서 제조된 전지는 1 차 효율이 89.1 %이고, 100 회 사이클 후 전지의 용량 유지율은 93.2 %이다.
실시예 3
원료 혼합, 교반, 코팅, 롤러 압착, 베이킹 및 다이 커팅에 의해 실리콘-산소-탄소(SOC) 음극의 리본형 극편을 획득하였다.
PET를 베이스 층으로 사용하고 순수 리튬을 활성층으로 사용하여 리튬 리본을 획득하였다.
도 1a에 도시된 장치를 사용하여, 가역 용량이 600 mAh/g인 리튬 리본과 리본형 실리콘-산소-탄소 복합 음극을 롤러 압착하여 물리적 접착 접촉을 실현하고, 아르곤 분위기에서 2 일 동안 실온에서 유지한 다음 꺼낸다. 그 다음, 리튬 리본을 탈거하고 다이 커팅 장비로 다이 커팅하여 사이클 효율이 높은 음극 극편을 획득하였다.
상술한 사이클 효율이 높은 음극 극편과 NCA 양극의 극편을 적층, 예비 용접, 용접, 캔에 담기, 액체 주입, 포장, 격납, 성형, 2 차 포장, 절단-접이식 다림질, 용량 등급 매기기 및 노화를 포함하는 18 개의 공정을 거쳐 각각 42Ah로 설계된 소프트 팩 전지로 제조하였다. 전지는 1 차 효율과 사이클에 대해 테스트되었다.
본 발명의 실시예 3에서 제조된 전지는 1 차 효율이 89.4 %이고 100 사이클 후 전지의 용량 유지율은 91.1 %이다.
실시예 4
원료 혼합, 교반, 코팅, 롤러 압착, 베이킹 및 다이 커팅에 의해, 실리콘-산소-탄소(SOC) 음극의 리본형 극편을 획득하였다.
도 1a에 도시된 장치를 사용하여, 600 mAh/g의 가역 용량을 갖는 실리콘-산소-탄소 복합 음극의 리본형 극편과 구리로 덮인 순수 금속 리튬 리본을 롤러 압착하여 물리적 접착 접촉을 실현하고, 진공도를 -90 KPa로 하는 포장 백에 진공 포장하여 진공 오븐에서 80 ℃의 온도로 10 시간 동안 유지한다. 그런 다음 공기로 채우고 직접 꺼내어 탈거하여 사이클 효율이 높은 음극 극편을 획득하였다.
상술한 사이클 효율이 높은 음극 극편과 NCA 양극의 극편은 적층, 예비 용접, 용접, 캔에 담기, 액체 주입, 포장, 격납, 성형, 2 차 포장, 절단-접이식 다림질, 용량 등급 매기기 및 노화를 포함하는 18 개의 공정을 거쳐 각 유닛이 42Ah로 설계된 소프트 팩 전지로 준비되었다. 전지는 1 차 효율과 사이클에 대해 테스트되었다.
본 발명의 실시예 4에서 제조된 전지는 1 차 효율이 85.7 %이고, 100 사이클 후 전지의 용량 유지율은 90.7 %이다.
실시예 5
원료 혼합, 교반, 코팅, 롤러 압착, 베이킹 및 다이 커팅에 의해, 리본형 황-탄소 복합 양극의 극편을 획득하였다.
도 1b에 도시된 장치를 사용하여, 황-탄소 복합 양극의 리본형 극편과 구리로 덮인 순수 금속 리튬 리본을 롤러 압착하여 물리적 접착 접촉을 실현하고, -70 KPa의 진공도를 가진 분위기 박스에서 55 ℃로 8 시간 동안 유지한 후, 탈거하고, 감아서 사이클 효율이 높은 양극 극편을 획득하였다.
상술한 사이클 효율이 높은 양극 극편과 흑연 음극의 극편을 적층, 예비 용접, 용접, 캔에 담기, 액체 주입, 포장, 격납, 성형, 2 차 포장, 절단-접이식 다림질, 용량 등급 매기기 및 노화를 포함하는 18 개의 공정을 거쳐 각 유닛이 2Ah로 설계된 소프트 팩 전지로 제조하였다. 전지는 1 차 효율과 사이클에 대해 테스트되었다.
본 발명의 실시예 5에서 제조된 전지는 1 차 효율이 93.5 %이고, 100 사이클 후 전지의 용량 유지율은 96.1 %이다.
실시예 6
원료 혼합, 교반, 코팅, 롤러 압착, 베이킹 및 다이 커팅에 의해, 황-탄소 복합 양극의 리본형 극편을 획득하였다.
도 1b에 도시된 장치를 사용하여, 황-탄소 복합 양극의 리본형 극편과 스테인레스 강 리본 및 금속 리튬의 복합 리본을 롤러 압착하여 물리적 접착 접촉을 실현하고, 불소 가스와 이산화탄소 분위기를 1 : 1의 분위기압으로 도입한 상태에서 진공도 -95KPa의 분위기 박스에서 0 ℃의 온도로 8 시간 동안 유지하고, 탈거하고 감아서 사이클 효율이 높은 양극 극편을 획득하였다.
전술한 사이클 효율이 높은 양극 극편과 흑연 음극의 극편을 적층, 예비 용접, 용접, 캔에 담기, 액체 주입, 포장, 격납, 성형, 2 차 포장, 절단-접이식 다림질, 용량 등급 매기기 및 노화를 포함하는 18 개의 공정을 거쳐 각 유닛이 2Ah로 설계된 소프트 팩 전지로 제조하였다. 전지는 1 차 효율과 사이클에 대해 테스트되었다.
본 발명의 실시예 6에서 제조된 전지는 1 차 효율이 96.5 %이고, 100 사이클 후 전지의 용량 유지율은 98.3 %이다.
전술한 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 사이클 효율이 높은 전극의 제조 방법을 제공하며, 이 방법은, 금속 소스 및 보충될 금속 전극을 롤러 압착, 플랫 압착, 가스 압착 또는 액체 압착하여 물리적 접착 접촉을 실현하는 단계와, 진공 또는 불활성 분위기에서 온도 제어 처리를 수행한 다음 금속 소스를 탈거하여 사이클 효율이 높은 전극을 얻는 단계를 포함하고; 보충될 금속 전극은 금속을 수송할 수 있는 음극 또는 금속을 수송할 수 있는 양극으로부터 선택되고; 금속 소스는 리튬 소스 또는 나트륨 소스이다. 본 발명에서 제공하는 방법은, 금속 소스와 보충될 전극을 물리적 접착 접촉한 다음 진공 또는 불활성 분위기에서 일정 시간 동안 온도 제어 처리를 수행하여 사이클 효율이 높은 전극을 획득할 수 있다. 이 방법은 간단하다. 또한, 보충될 금속 전극은 전자 전도성과 이온 전도성을 모두 가지고 있다. 따라서, 금속 소스는 보충될 금속 전극에 금속 매립 공정을 거치게 될 것이고, 금속 확산 공정은 물리적 접착 접촉 중에도 발생하여 전극이 더 높은 1 차 사이클 효율과 더 우수한 사이클 성능을 나타낸다. 본 발명에서 제공하는 방법에 의해 제조된 전극을 이용하여 제조된 완충 전지는 더 높은 1 차 사이클 효율과 더 높은 용량 유지율을 갖는다. 실험 결과, 본 발명에서 제공하는 제조 방법을 이용하여 제조한 전지는 1 차 사이클 효율이 85.7 - 96.5 %이고, 100 사이클 후 전지의 용량 유지율은 90.7 - 98.3 %임을 알 수 있다.
전술한 설명은 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐이다. 당업자라면 본 발명의 원리를 벗어나지 않고 다양한 개선 및 수정이 이루어질 수 있으며, 이러한 개선 및 수정은 본 발명의 보호 범위 내에 속해야 한다는 점에 유의해야 한다.
Claims (18)
- 사이클 효율이 높은 전극을 제조하기 위한 시스템으로서,
전극 처리 유닛과,
온도 제어 진공 처리 장치 또는 온도 제어 불활성 처리 장치를 포함하며, 상기 전극 처리 유닛과 직렬로 연결된 온도 제어 처리 장치와,
상기 온도 제어 처리 장치와 직렬로 연결된 탈거 유닛(stripping unit) - 상기 탈거 유닛은 압착 롤링 후의 제 1 금속 소스와 압착 롤링 후의 보충될 금속 전극을 분리함 - 을 포함하고,
상기 전극 처리 유닛은, 상기 제 1 금속 소스를 풀기 위한 상기 제 1 금속 소스의 권출 축(unwiding shaft)과, 상기 제 1 금속 소스의 권출 축과 병렬로 연결되며 상기 보충될 금속 전극을 풀기 위한 상기 보충될 금속 전극의 권출 축과, 상기 제 1 금속 소스의 권출 축 및 상기 보충될 금속 전극의 권출 축과 직렬로 연결되며 상기 보충될 금속 전극과 상기 제 1 금속 소스를 압착 롤링하여 복합 전극(composite electrode)으로 만드는 압착 롤러 장치를 포함하는
시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 온도 제어 진공 처리 장치는 진공 오븐 또는 진공 백인
시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 온도 제어 불활성 처리 장치 내부의 분위기는 CO2 분위기 또는 아르곤 가스 분위기인
시스템. - 사이클 효율이 높은 전극을 제조하기 위한 시스템으로서,
내부에 진공 분위기 또는 불활성 분위기 또는 보호 분위기 또는 불활성 분위기-보호 분위기의 혼합 분위기가 존재하는 분위기 박스와,
상기 분위기 박스 내부에 배치된 전극 처리 유닛과,
상기 전극 처리 유닛과 직렬로 연결된 온도 제어 박스와,
상기 온도 제어 박스와 직렬로 연결된 탈거 유닛 - 상기 탈거 유닛은 압착 롤링 후의 제 1 금속 소스와 압착 롤링 후의 보충될 금속 전극을 분리함 - 을 포함하고,
상기 전극 처리 유닛은, 상기 제 1 금속 소스를 풀기 위한 상기 제 1 금속 소스의 권출 축과, 상기 제 1 금속 소스의 권출 축과 병렬로 연결되며 상기 보충될 금속 전극을 풀기 위한 상기 보충될 금속 전극의 권출 축과, 상기 제 1 금속 소스의 권출 축 및 상기 보충될 금속 전극의 권출 축과 직렬로 연결되며 상기 보충될 금속 전극과 상기 제 1 금속 소스를 압착 롤링하여 복합 전극으로 만드는 압착 롤러 장치를 포함하는
시스템. - 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 금속 소스의 권출 축 및 상기 보충될 금속 전극의 권출 축과 병렬로 연결되며 제 2 금속 소스를 풀기 위한 상기 제 2 금속 소스의 권출 축을 더 포함하고,
상기 제 1 금속 소스의 권출 축과 상기 제 2 금속 소스의 권출 축은 각각 상기 보충될 금속 전극의 권출 축의 상측과 하측에 위치하는
시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 금속 소스 및 상기 제 2 금속 소스의 금속은 리튬 또는 나트륨으로부터 선택되는
시스템. - 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 보충될 금속 전극은 흑연 음극, 경질 탄소 음극, 연질 탄소 음극, 중상 탄소 미소 구 음극, 실리콘-탄소 음극, 실리콘-산소-탄소 음극, 실리콘 음극, 실리콘-산소 음극, 리튬 티타네이트 음극, 전이 금속 산화물 음극 또는 황 기반 양극으로부터 선택되는
시스템. - 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 탈거 유닛은 가이드 롤러 축인
시스템. - 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 탈거 유닛과 직렬로 연결된 권취(winding) 유닛을 더 포함하고, 상기 권취 유닛은 탈거 후의 상기 제 1 금속 소스 및 탈거 후의 극편(pole piece)을 감는
시스템. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 사용하여 사이클 효율이 높은 전극을 제조하는 방법으로서,
보충될 금속 전극 및 금속 소스를 롤러 압착, 플랫 압착, 가스 압착 또는 액체 압착하여 물리적 접착 접촉을 달성하는 단계와,
진공 또는 불활성 분위기에서 온도 제어 처리를 한 후 상기 금속 소스를 탈거하여 사이클 효율이 높은 전극을 얻는 단계를 포함하고,
상기 보충될 금속 전극은 금속을 수송할 수 있는 음극(negative electrode) 또는 금속을 수송할 수 있는 양극(positive electrode)으로부터 선택되고,
상기 금속 소스는 리튬 소스 또는 나트륨 소스인
방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 보충될 금속 전극이 흑연 음극, 경질 탄소 음극, 연질 탄소 음극, 중상 탄소 미소 구 음극, 실리콘-탄소 음극, 실리콘-산소-탄소 음극, 실리콘 음극, 실리콘-산소 음극, 리튬 티타네이트 음극, 전이 금속 산화물 음극 또는 황 기반 양극으로부터 선택되는
방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 리튬 소스가 순수 금속 리튬, 리튬 합금 또는 리튬 복합물이고,
상기 나트륨 소스는 순수 금속 나트륨, 나트륨 합금 또는 나트륨 복합물인
방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 온도 제어 처리가 0.1 - 168 h의 지속시간 동안 0 - 150 ℃의 온도에서 수행되는
방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 진공은 -10KPa 내지 -99KPa의 진공도를 갖는
방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 불활성 분위기는 이산화탄소 분위기 또는 아르곤 분위기인
방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 보충될 금속 전극이 시트형 또는 리본형인
방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 보충될 금속 전극 및 상기 금속 소스는 진공 또는 불활성 분위기 또는 보호 분위기 또는 불활성 분위기-보호 분위기의 혼합 분위기에서 롤러 압착, 플랫 압착, 가스 압착 또는 액체 압착되는
방법. - 제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 사이클 효율이 높은 전극을 전지에 사용하는 방법.
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