KR20210141785A - Rechargeable battery cells and packs with high capacity, expandable temperature range, and high tolerance for overcharging and discharging misuse - Google Patents
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Abstract
극한의 온도에서를 포함하는 과방전 및 과충전 조건에서 우수한 오용 관용성을 나타내고, 견고하게 유지되고, 우수한 성능을 갖는 전기화학 2차 전지가 제공된다. 본원에 제공되는 전지는, 화학식 Li1+xMO2+y(여기서, -0.9≤x≤0.3, -0.3≤y≤0.3이고, M은 전체 M을 기준으로 하여 80원자% 이상의 Ni를 포함함)를 포함하는 다결정성 캐소드 전기화학적 활성 물질을 포함하고, 상기 캐소드 전기화학적 활성 물질이 Co의 불균일한 분포를 포함하는, 상기 캐소드 및 화학식 Li4+aTi5O12+b(여기서, -0.3≤a≤3.3, -0.3≤b≤0.3임)의 애노드 전기화학적 활성 물질을 포함하는 애노드를 포함하고, 상기 애노드 및 상기 캐소드는 각각 독립적으로, 알루미늄을 포함하는 집전체 기판을 포함한다.Provided is an electrochemical secondary battery that exhibits excellent misuse tolerance in overdischarge and overcharge conditions including at extreme temperatures, remains robust, and has excellent performance. The battery provided herein has the formula Li 1+x MO 2+y (where -0.9≤x≤0.3, -0.3≤y≤0.3, and M contains 80 atomic% or more of Ni based on the total M ), wherein the cathode electrochemically active material comprises a non-uniform distribution of Co and the cathode and formula Li 4+a Ti 5 O 12+b , wherein -0.3 ≤a≤3.3, -0.3≤b≤0.3) an anode comprising an anode comprising an electrochemically active material, wherein the anode and the cathode each independently comprise a current collector substrate comprising aluminum.
Description
정부 지원 성명Government Support Statement
본 발명은 미국 육군이 수여한 계약인 W56HZV-12-C-0065, 미국 해군이 수여한 계약인 N39430-14-C-1506, 미국이 에너지부가 수여한 계약인 DE-SC0013739 및 미국 국방부 조달청이 수여한 계약인 HQ0147-15-C-8003에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 상기 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 가지고 있다.This invention is awarded by the U.S. Army contract W56HZV-12-C-0065, the U.S. Navy contract N39430-14-C-1506, the U.S. Department of Energy contract DE-SC0013739, and the U.S. Department of Defense Procurement Service. This was done with government support under one contract, HQ0147-15-C-8003. The government has certain rights in this invention.
기술분야technical field
본 발명은, 리튬 이온 2차 전지 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to lithium ion secondary batteries and uses thereof.
리튬 이온 배터리는, 기술과 관련된 높은 에너지 밀도, 높은 비에너지(specific energy) 및 긴 사이클 수명을 포함하여 다양한 이유로 인해 수 많은 휴대용 전자 장치의 주요 전력 공급원이다. 그러나, 상업적으로 입수 가능한 리튬 이온 전지는 특히 기계적으로 남용되는(abused) 경우 안전 문제가 있다. 리튬 이온 배터리는 급속으로 또는 매우 저온에서는 충전할 수 없으며, 일반적으로 저온에서 성능이 불량하다. 리튬 이온 배터리는 특히 내부 단락 회로를 유발하는 기계적 남용을 겪는 경우, 극심한 안전 오류(failure)가 발생할 수 있다. 리튬 이온 배터리는 과방전 및 과충전에 대해 민감하며, 배터리 또는 배터리 전지가 과충전되거나 과방전되는 경우 바람직하지 않은 성능 손실 및 안전하지 않은 이벤트를 나타낼 수 있다. 또한, 상업적으로 입수 가능한 리튬 이온 배터리의 장기 저장 또는 운송은 과방전에 대한 민감성으로 인해 문제가 될 수 있다.BACKGROUND Lithium-ion batteries are the primary power source for many portable electronic devices for a variety of reasons, including the high energy density, high specific energy, and long cycle life associated with the technology. However, commercially available lithium ion batteries pose safety concerns, especially when mechanically abused. Lithium-ion batteries cannot be charged rapidly or at very low temperatures, and generally perform poorly at low temperatures. Lithium-ion batteries can suffer from severe safety failures, especially when subjected to mechanical abuse that causes internal short circuits. Lithium-ion batteries are sensitive to over-discharge and over-charge, and when the battery or battery cell is over-charged or over-discharged, it can exhibit undesirable loss of performance and unsafe events. In addition, long-term storage or transportation of commercially available lithium-ion batteries can be problematic due to their susceptibility to over-discharge.
이러한 및 다른 안전 문제를 방지하기 위해, 현재 이용 가능한 리튬 이온 배터리의 전지가 전자적으로 모니터링되고 이의 충전 상태가 제어되며, 이는 배터리 관리 회로(BMC)를 사용하여 수행될 수 있다. 배터리 관리 회로는, 리튬 이온 전지의 과방전을 방지하고 구리 용해와 같은 분해 메커니즘을 방지하는 것 이외에, 과충전 보호도 제공할 수 있다. 현재의 리튬 이온 배터리에 사용되는 전지 모니터링 및 충전 상태 제어는 종종, 다른 재충전성 배터리 기술, 예를 들면, 납산 또는 니켈 금속 수소화물 배터리에서 사용되는 것보다 더 많으며, 많은 응용 분야에서 배터리 관리 회로가 생략될 수 있다.To avoid these and other safety concerns, the cells of currently available lithium-ion batteries are electronically monitored and their state of charge controlled, which can be done using a battery management circuit (BMC). In addition to preventing overdischarging of lithium ion cells and preventing degradation mechanisms such as copper dissolution, the battery management circuitry can also provide overcharge protection. The cell monitoring and state of charge control used in current lithium-ion batteries is often more than that used in other rechargeable battery technologies such as lead acid or nickel metal hydride batteries, and in many applications, battery management circuitry is required. may be omitted.
이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 현재의 리튬 이온 배터리의 과방전 민감성은 사용되는 흑연 애노드 재료와 구리 집전체 재료의 조합에서 발생하는 것으로 이해된다. 구리는, 흑연의 전기화학적 전위에서의 리튬과의 전기화학적 합금화에 대해 취약하지 않기 때문에 사용된다. 그러나, 애노드가 높은 전위로 구동되면 구리가 산화될 수 있으며, 이는 전지가 과방전되는 경우에 발생할 수 있다. 산화된 구리는 섬유상 형태로 재침착되는 것으로 이해되며, 이는 수명을 제한할 수 있으며, 후속적으로 전지를 재충전하면 잠재적으로 내부 단락 회로가 발생할 수 있다.Without wishing to be bound by theory, it is understood that the overdischarge susceptibility of current lithium ion batteries arises from the combination of the graphite anode material and the copper current collector material used. Copper is used because it is not susceptible to electrochemical alloying with lithium at the electrochemical potential of graphite. However, copper can be oxidized when the anode is driven to a high potential, which can occur if the cell is overdischarged. It is understood that the oxidized copper will redeposit in a fibrous form, which can limit its lifespan, and subsequent recharging of the cell can potentially cause an internal short circuit.
대용량 재충전식 배터리 응용 분야의 경우, 특히 저온 성능 및 매우 빠르게 재충전되는 능력이 바람직하거나, 배터리가 극한의 남용에서 안전하게 생존할 수 있어야 하는 경우, 흑연 또는 기타 저전위 애노드 재료를 사용하는 리튬 이온 전지보다 더 낮은 에너지 밀도 및/또는 더 낮은 비에너지를 제공하는 기술의 사용이 허용될 수 있다. 예를 들면, 납산 배터리는, 리튬 이온 베터리에 의해 제공되는 에너지 밀도 분획 및 비에너지를 제공한다는 사실에도 불구하고, 현재 차량 점화 및 시동-정지 배터리 응용 분야, 예를 들면 "시동-점등-점화"(SLI) 응용 분야에 사용된다. 그러나, 차량 점화 또는 시동-정지 배터리 응용 분야의 듀티 사이클이 확장되고 배터리가 보다 더 큰 충전 상태 범위에 걸쳐 사이클링되는 경우, 응용 분야의 듀티 사이클이 고전적인 SLI 유형의 듀티 사이클 이상으로 확장되기 때문에, 납산 배터리의 성능 및 수명은 부적절할 수 있다.For high-capacity rechargeable battery applications, especially where low temperature performance and ability to recharge very quickly are desirable, or where the battery must be able to safely survive extreme abuse, better than lithium-ion cells using graphite or other low-potential anode materials. The use of techniques that provide lower energy densities and/or lower specific energies may be acceptable. For example, lead-acid batteries, despite the fact that they provide the energy density fraction and specific energy provided by lithium-ion batteries, are currently used in vehicle ignition and start-stop battery applications, such as "start-light-ignition" (SLI) applications. However, when the duty cycle of a vehicle ignition or start-stop battery application is extended and the battery is cycled over a larger range of states of charge, since the duty cycle of the application extends beyond the classic SLI type of duty cycle, The performance and lifespan of lead-acid batteries can be inadequate.
따라서, 긴 사이클 수명과 같은 리튬-이온 배터리의 바람직한 특성, 및 대용량, 급속 재충전 및 저온 성능과 같은 납산 SLI 배터리에 의해 현재 제공되는 특성 중 일부를 제공하는 배터리 기술에 대한 요구가 존재한다. 또한, 예를 들면, 과방전을 보호하기 위한 외부 회로 없이, 극단적인 기계적 남용을 안전하게 견디고 0V까지 안전하게 작동할 수 있는 능력을 포함하여 개선된 안전성을 제공하는 기술이 매우 필요하다.Accordingly, there is a need for battery technologies that provide the desirable characteristics of lithium-ion batteries, such as long cycle life, and some of the characteristics currently provided by lead acid SLI batteries, such as high capacity, fast recharge and low temperature performance. There is also a great need for techniques that provide improved safety, including, for example, the ability to safely withstand extreme mechanical abuse and operate safely down to 0V, without external circuitry to protect against overdischarge.
이하의 내용은 본 발명에 대한 고유한 혁신적인 특징적인 구성들 중 일부의 이해를 용이하게 하기 위해 제공되며, 완전한 설명일 것을 의도하지 않는다. 본 발명의 다양한 측면들에 대한 완전한 이해는 전체 명세서, 청구범위, 도면 및 요약을 전체적으로 취함으로써 얻을 수 있다.The following is provided to facilitate the understanding of some of the unique innovative characteristic features of the present invention, and is not intended to be an exhaustive description. A thorough understanding of the various aspects of the invention can be obtained by taking the entire specification, claims, drawings and abstract as a whole.
견고하고, 매우 안전하고, 높은 전력 전달 및 수용 능력을 나타내고, 긴 사이클 수명을 갖고, 고온 및 저온에서 우수한 성능을 갖고, 기계적 남용에 대해 매우 내성이고, 연장된 기간 동안 저장 가능한 재충전식 리튬 이온 전지 및 팩이 개시된다.Rechargeable lithium ion battery that is robust, very safe, exhibits high power transfer and capacity, has a long cycle life, has good performance at high and low temperatures, is very resistant to mechanical abuse, and can be stored for an extended period of time and packs are disclosed.
놀랍게도, 본 발명의 전기화학 전지는 극단적인 기계적 남용에 대해 내성이며 전기화학 전지로서 계속 기능하는 것으로, 즉, 상기 기계적 남용 후에도 충전 및 방전을 지원하는 것으로 밝혀졌다. 본원에 제공되는 일부 측면의 전지는 극저온에서 방전 및 충전될 수도 있거나, 손상 없이 연장된 시간 기간 동안 0볼트로 저장될 수 있거나, 전지에 대한 손상 없이 과충전에 대해 내성이거나 또는 이들의 조합이다.Surprisingly, it has been found that the electrochemical cells of the present invention are resistant to extreme mechanical abuse and continue to function as electrochemical cells, ie, support charging and discharging even after such mechanical abuse. The cells of some aspects provided herein may be discharged and charged at cryogenic temperatures, stored at zero volts for extended periods of time without damage, are resistant to overcharging without damage to the cell, or a combination thereof.
본원에 제공되는 전지는 화학식 Li1+xMO2+y(여기서, -0.9≤x≤0.3, -0.3≤y≤0.3이고, M은 전체 M을 기준으로 하여 80원자% 이상으로 Ni를 포함함)에 의해 정의되거나 이를 포함하는 다결정성 캐소드 전기화학적 활성 물질로 형성된 캐소드를 포함한다. 또한, 캐소드 전기화학적 활성 물질은 입자 상의, 입자 내의 또는 입자 전체에 걸친 Co의 불균일한 분포를 특징으로 한다. 전지는 화학식 Li4+aTi5O12+b의 애노드 전기화학적 활성 물질을 포함하는 애노드를 추가로 포함하고, 상기 화학식에서, -0.3≤a≤3.3, -0.3≤b≤0.3이고, 상기 애노드 및 상기 캐소드는 각각 독립적으로, 알루미늄으로 형성되거나 알루미늄을 포함하는 집전체 기판을 포함한다.The battery provided herein has the formula Li 1+x MO 2+y (where -0.9≤x≤0.3, -0.3≤y≤0.3, and M contains Ni in 80 atomic% or more based on the total M ) defined by or comprising a polycrystalline cathode comprising a cathode formed of an electrochemically active material. In addition, cathode electrochemically active materials are characterized by a non-uniform distribution of Co on, within or throughout the particles. The cell further comprises an anode comprising an anode electrochemically active material of the formula Li 4+a Ti 5 O 12+b, wherein -0.3≤a≤3.3, -0.3≤b≤0.3, the anode And each of the cathodes independently includes a current collector substrate formed of or including aluminum.
전지는 원통형 또는 파우치 전지와 같은 임의의 구성일 수 있다.The cell may be of any configuration, such as a cylindrical or pouch cell.
애노드 및 캐소드는 분리막(separator)과 이온 접촉하고 분리막에 의해 분리된다. 분리막은 중합체 분리막을 포함할 수 있거나 중합체 분리막일 수 있다. 일부 측면에서, 분리막은 폴리올레핀을 포함할 수 있다. 일부 측면에서, 분리막은 분리막 표면들 중 하나 이상에 코팅된, 또는 임의로 분리막 표면들 중 하나 이상에서 중합체 내에 매립된 세라믹을 추가로 포함할 수 있다. 세라믹은 세라믹 산화물과 같은 세라믹일 수 있다. 일부 측면에서, 분리막은 산화알루미늄이거나 산화알루미늄을 포함한다.The anode and cathode are in ion contact with a separator and are separated by the separator. The separator may include or be a polymeric separator. In some aspects, the separator may include a polyolefin. In some aspects, the separator may further comprise a ceramic coated on one or more of the separator surfaces, or optionally embedded in a polymer on one or more of the separator surfaces. The ceramic may be a ceramic such as a ceramic oxide. In some aspects, the separator is or comprises aluminum oxide.
본 발명의 전지는 애노드 제한 방식(anode limited fashion)으로 구성될 수 있는 능력을 갖는다. 따라서, 캐소드에 대한 애노드의 면적비는 임의로 1 이하이다. 추가로 또는 대안적으로, 캐소드 전기화학적 활성 물질에 대한 애노드 전기화학적 활성 물질의 용량비는 1 이하이다.The cells of the present invention have the ability to be configured in an anode limited fashion. Thus, the area ratio of the anode to the cathode is arbitrarily less than or equal to one. Additionally or alternatively, the capacity ratio of the anode electrochemically active material to the cathode electrochemically active material is 1 or less.
용매 및 염을 포함할 수 있는 전해질이 포함될 수 있다. 임의로 용매는 카보네이트 용매 또는 하나 이상의 카보네이트 용매와 다른 적합한 물질의 조합이다. 염은 임의로 리튬 염, 임의로 프로필렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트 및 메틸 부티레이트의 혼합물 중의 LiPF6 염이다.Solvents and electrolytes that may include salts may be included. Optionally the solvent is a carbonate solvent or a combination of one or more carbonate solvents with other suitable substances. The salt is optionally a lithium salt, optionally a LiPF 6 salt in a mixture of propylene carbonate, ethyl methyl carbonate and methyl butyrate.
애노드 및 캐소드는 애노드 활성 물질, 캐소드 활성 물질과 혼합된 결합제를 포함할 수 있다. 결합제는 임의로 PVdF를 포함하거나 이로 구성되는 임의의 중합체성 결합제이다.The anode and cathode may comprise a binder mixed with the anode active material, the cathode active material. The binder is any polymeric binder optionally comprising or consisting of PVdF.
본 발명에 따른 전기화학 전지는 다양한 양태가 도시되는 첨부 도면을 참조하여 이하에 보다 완전하게 설명될 수 있다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있고, 본원에 제시되는 양태들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려 이러한 양태들은, 본 발명이 철저하고 완전해지고, 본 발명의 범위가 당업자에게 충분히 전달될 수 있도록 제공된다. 동일한 참조 번호는 전체에 걸쳐 동일한 요소를 나타낸다. 본 발명의 상기 및 다른 측면, 이점 및 특징적인 구성은 첨부 도면을 참조하여 이들의 예시적인 양태를 추가로 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이며, 도면에서,
도 1은 우측에 전극들의 스택의 세부사항이 있는 리튬 이온 전지의 일 양태의 개략도이다.
도 2는 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 실온에서의 다양한 속도의 충전 및 방전에 대한 전압(볼트, V) 대 용량(암페어-시간, Ah)을 도시한다.
도 3은 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, -50℃에서의 다양한 속도의 충전 및 방전에 대한 전압(볼트, V) 대 용량(암페어-시간, Ah)을 도시한다.
도 4는 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 2개의 전지의, 45℃에서의 고속 사이클링에 대한 전지 방전 용량(mAh) 대 사이클 수를 도시한다.
도 5는 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 실온에서 다양한 일정한 전력으로의 충전(A) 및 방전(B) 각각에 대한 전압(볼트, V) 대 용량(mAh)을 도시한다.
도 6은 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 실온에서의 전압 역전에 대한 전지 전압(볼트, V) 및 Li 기준에 대한 전극 V(볼트, V) 대 경과 시간(분)을 도시한다.
도 7은 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 역전되기 전 및 후의 실온에서의 방전에 대한 전압(볼트) 대 용량(Ah)을 도시한다.
도 8은 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 역전되기 전 및 후의 -18℃에서 반복된 고속 펄스 방전에 대한 전압(볼트) 대 방전된 용량(mAh)을 도시한다.
도 9는 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 실온에서의 10% 과충전에 대한 전지 전압(볼트, V) 및 Li 기준에 대한 전극 V(볼트, V) 대 경과 시간(분)을 도시한다.
도 10은 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 과충전되기 전 및 후의 실온에서의 방전에 대한 전압(볼트) 대 용량(Ah)을 도시한다.
도 11은 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 과충전되기 전 및 후의 -18℃에서 반복된 고속 펄스 방전에 대한 전압(볼트) 대 방전 용량(mAh)을 도시한다.
도 12는 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 광범위한 사이클링 및 0V 조건에서 후속 저장을 겪기 전 및 후의 실온에서의 다양한 속도의 충전 및 방전에 대한 전압(볼트, V) 대 용량(암페어-시간, Ah)을 도시한다.
도 13은 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 네일 관통 남용 시험 동안의 전압(볼트, V) 및 온도(℃) 대 경과된 시간(초)을 도시한다.
도 14는 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 라운드 바 압궤(round bar crush) 시험을 받기 전 및 후의 실온에서의 방전에 대한 전압(볼트, V) 대 용량(암페어-시간, Ah)을 도시한다.
도 15는 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 다수의 극단적인 기계적 남용을 겪은 후의 무결성 및 계속되는 기능을 나타내는 사진이다.
도 16은 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 다수의 극단적인 기계적 남용을 받기 전 및 후의 실온에서의 방전에 대한 전압(볼트, V) 대 용량(암페어-시간, Ah)을 도시한다.
도 17은 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 전지의, 다수의 극단적인 기계적 남용을 겪은 후의 연속 사이클링에 대한 전지 방전 용량(Ah) 대 사이클 수를 도시한다.An electrochemical cell according to the present invention may be described more fully below with reference to the accompanying drawings in which various aspects are shown. However, this invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the aspects set forth herein. Rather, these aspects are provided so that this will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Like reference numbers refer to like elements throughout. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other aspects, advantages and characteristic features of the present invention will become more apparent by further detailed description of exemplary embodiments thereof with reference to the accompanying drawings, in which:
1 is a schematic diagram of an aspect of a lithium ion cell with details of a stack of electrodes on the right.
2 shows voltage (volts, V) versus capacity (ampere-hours, Ah) for various rates of charging and discharging at room temperature of a cell in accordance with some aspects provided herein.
3 shows voltage (volts, V) versus capacity (ampere-hours, Ah) for various rates of charging and discharging at -50° C. for a cell in accordance with some aspects provided herein.
4 shows cell discharge capacity (mAh) versus cycle number for fast cycling at 45° C. of two cells in accordance with some aspects provided herein.
5 shows voltage (volts, V) versus capacity (mAh) for each of charge (A) and discharge (B) at various constant powers at room temperature, in accordance with some aspects provided herein.
6 depicts cell voltage (volts, V) versus voltage reversal at room temperature and electrode V (volts, V) versus time elapsed in minutes versus Li reference, in accordance with some aspects provided herein.
7 shows voltage (volts) versus capacity (Ah) for discharge at room temperature before and after reversal of a cell in accordance with some aspects provided herein.
8 shows voltage (volts) versus capacity discharged (mAh) for repeated fast pulsed discharges at -18° C. before and after reversal of a cell according to some aspects provided herein.
9 depicts cell voltage (volts, V) for a 10% overcharge at room temperature and electrode V (volts, V) versus time elapsed in minutes versus Li reference, in accordance with some aspects provided herein; .
10 shows voltage (volts) versus capacity (Ah) versus discharge at room temperature before and after overcharge of a cell in accordance with some aspects provided herein.
11 shows voltage (volts) versus discharge capacity (mAh) for repeated fast pulsed discharges at -18°C before and after overcharging of a cell in accordance with some aspects provided herein.
12 shows voltage (volts, V) versus capacity (ampere-hours) for various rates of charge and discharge at room temperature before and after undergoing extensive cycling and subsequent storage at 0V conditions, in accordance with some aspects provided herein; , Ah) is shown.
13 depicts voltage (volts, V) and temperature (° C.) versus time elapsed in seconds during a nail penetration abuse test, in accordance with some aspects provided herein.
14 illustrates voltage (volts, V) versus capacity (ampere-hours, Ah) for discharge at room temperature before and after being subjected to round bar crush testing, in accordance with some aspects provided herein; show
15 is a photograph showing the integrity and continued function of a cell in accordance with some aspects provided herein after undergoing a number of extreme mechanical abuses.
16 shows voltage (volts, V) versus capacity (ampere-hours, Ah) versus discharge at room temperature before and after being subjected to multiple extreme mechanical abuses of a cell in accordance with some aspects provided herein.
17 depicts cell discharge capacity (Ah) versus number of cycles for continuous cycling after undergoing multiple extreme mechanical abuses of a cell according to some aspects provided herein.
놀랍게도, 코발트의 불균일한 분포를 갖는 다결정성 캐소드 전기화학적 활성 물질을 포함하는 양극, 및 리튬에 대해 약 1.55볼트의 전기화학적 산화환원 전위를 임의로 갖는 티탄산리튬(LTO)을 포함하는 음성 전기화학적 활성 물질을 포함하는 음극을 포함하는 본 발명의 리튬 이온 전지가 발견되었으며, 상기 음극 물질 및 알루미늄 집전체에 코팅된 물질은 네일 관통 및 라운드 바 압궤와 같은 극심한 기계적 남용에서 안전하게 생존할 수 있다. 예상외로, 본 발명의 전지는 상기 남용 후에 성능의 상당한 손실 없이 계속 전기화학적으로 기능한다. 또한, 본 발명의 전지는 매우 높은 충전 속도를 수용할 수 있는 고유한 능력을 가지며, 과방전(deep discharge) 상태(예를 들면, 0V)에서 장기간 저장 후 우수한 회복을 가지며, -40℃ 이하와 같은 매우 차가운 온도에서 고속(예를 들면, 1C)으로 충전될 수 있다. 따라서, 본 발명의 전지는, 파우치 전지를 포함하여 많은 전지 유형에서 그리고 많은 상이한 응용 분야에 대해 사용될 수 있는 예외적으로 견고하고 안전한 배터리 시스템을 제공함으로써, 다른 배터리 시스템 및 기술과 관련된 많은 문제를 해결한다.Surprisingly, a positive electrode comprising a polycrystalline cathode electrochemically active material having a non-uniform distribution of cobalt, and a negative electrochemically active material comprising lithium titanate (LTO) optionally having an electrochemical redox potential of about 1.55 volts relative to lithium A lithium ion battery of the present invention has been found comprising an anode comprising Unexpectedly, the cells of the present invention continue to function electrochemically without significant loss of performance after such abuse. In addition, the battery of the present invention has an intrinsic ability to accommodate very high charge rates, has excellent recovery after long-term storage in deep discharge conditions (eg 0V), It can be charged at high speed (eg 1C) at the same very cold temperature. Accordingly, the cells of the present invention solve many of the problems associated with other battery systems and technologies by providing an exceptionally robust and safe battery system that can be used in many cell types, including pouch cells, and for many different applications. .
본원에서 사용되는 "흡수"는 리튬과 활성 물질의 층간 삽입 또는 삽입 또는 전환 합금화 반응을 의미할 수 있다. 흡수는 본원에서 "리튬화"로 나타낼 수 있다.As used herein, “absorption” may refer to an intercalation or intercalation or conversion alloying reaction of lithium with an active material. Absorption may be referred to herein as “lithiation”.
본원에서 사용되는 "탈착"은 리튬과 활성 물질의 층간 탈리 또는 탈리 또는 전환 탈합금화 반응을 의미할 수 있다. 탈착은 본원에서 "탈리튬화"로 나타낼 수 있다.As used herein, “desorption” may refer to interlayer desorption or desorption or conversion dealloying reaction of lithium and an active material. Desorption may be referred to herein as "delithiation".
리튬 이온 전지와 관련하여 본원에서 사용되는 "캐소드"는 양극을 의미하고, "애노드"는 음극을 의미한다.As used herein in reference to a lithium ion battery, "cathode" means a positive electrode and "anode" means a negative electrode.
본원에서 사용되는 "활성 물질"은 예를 들면, 리튬을 흡수 또는 탈착함으로써 전기화학 전지의 전기화학적 충전/방전 반응에 참여하는 물질이다.As used herein, an “active material” is a material that participates in the electrochemical charge/discharge reaction of an electrochemical cell, for example by absorbing or desorbing lithium.
본원에 개시되는 리튬 이온 전지는 이의 성능에 영향을 미치지 않으면서 0V로 안전하게 방전될 수 있다. 또한, 이러한 리튬 이온 전지는 높은 수준의 과충전 및 전압 역전을 안전하게 견딜 수 있으며, 전압 역전을 견디는 성질은 개별 전지를 다루지 않으면서 상기 전지를 직렬로 연결하여 0V로 방전될 수도 있다. 본원에 개시되는 리튬 이온 전지 및 배터리가 0V로 방전될 수 있기 때문에, 많은 이익들이 제공된다. 예를 들면, 본원에 개시되는 리튬 이온 전지 및 배터리는 방전된 상태로 저장 및/또는 운송되어 향상된 안전성을 제공할 수 있다. 전지의 과충전 및 과방전에 대한 높은 내성으로 인해, 상기 전지로 만든 배터리는 배터리 관리의 손실 또는 오류를 견디면서 성능 및 수명을 안전하고 유용한 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 본원에 제공되는 리튬 이온 전지는 이의 안전성, 성능 또는 수명에 영향을 미치지 않으면서 매우 빠르게 저온에서 충전될 수 있으므로, 전기 로드 레벨링 및 시동-정지 차량 배터리와 같은 응용 분야에 대해 매우 적합하게 만든다. 또한, 이러한 리튬 이온 전지는 고온에서의 우수한 안정성 및 매우 저온에서의 우수한 성능을 갖는다.The lithium ion battery disclosed herein can be safely discharged to 0V without affecting its performance. In addition, such a lithium ion battery can safely withstand high levels of overcharge and voltage reversal, and the ability to withstand voltage reversal allows the batteries to be connected in series without handling individual cells and discharged to 0V. Because the lithium ion cells and batteries disclosed herein can be discharged to 0V, many benefits are provided. For example, the lithium ion cells and batteries disclosed herein may be stored and/or shipped in a discharged state to provide improved safety. Due to the high resistance to overcharging and overdischarging of the cell, a battery made from the cell can withstand loss or failure of battery management while maintaining performance and lifespan at safe and useful levels. In addition, the lithium ion cells provided herein can be charged very quickly at low temperatures without affecting their safety, performance or lifespan, making them well suited for applications such as electric load leveling and start-stop vehicle batteries. . In addition, this lithium ion battery has excellent stability at high temperatures and good performance at very low temperatures.
하나의 특정 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니고, 애노드 구조 및 재료의 선택은 본원에 제공되는 전기화학 전지의 몇 가지 고유한 특성을 제공하는 데 크게 도움이 되는 것으로 생각된다. 일반적으로 사용되는 구리 집전체의 분해를 적어도 방지하면서 0볼트로 방전될 수 있거나 방전된 상태로 저장될 수 있는 리튬 이온 배터리를 제공하기 위한 한 가지 전략은, 산화에 대해 덜 민감한 금속, 예를 들면, 티탄 또는 스테인리스 강을 집전체에 사용하는 것이다. 그러나, 티탄 및 스테인리스 강은 구리보다 전도성이 낮다. 예를 들면, 구리의 전도도는 티탄의 20배 이상이다. 결과적으로, 구리 대신 티탄 또는 스테인리스 강을 사용하는 전지의 속도 성능은 구리를 사용하는 경우보다 낮을 수 있다. 따라서, 일부 응용 분야의 경우, 티탄 또는 스테인리스 강 집전체를 사용하는 전지가 제공하는 속도 성능이 충분하지 않다. 티탄 또는 스테인리스 강 집전체의 사용은 개선된 과방전 성능을 제공할 수 있지만, 티탄 또는 스테인리스 강의 사용은, 대용량 성능이 요구되는 응용 분야에 대해 전지를 적합하지 않게 할 수 있다.Without wishing to be bound by any one particular theory, it is believed that the choice of anode structure and material is highly helpful in providing several unique properties of the electrochemical cells provided herein. One strategy for providing lithium ion batteries that can be discharged to zero volts or stored in a discharged state while at least preventing decomposition of commonly used copper current collectors is to , titanium or stainless steel is used for the current collector. However, titanium and stainless steel are less conductive than copper. For example, the conductivity of copper is more than 20 times that of titanium. As a result, the rate performance of a cell using titanium or stainless steel instead of copper may be lower than that using copper. Therefore, for some applications, the rate performance provided by cells using titanium or stainless steel current collectors is not sufficient. The use of a titanium or stainless steel current collector may provide improved overdischarge performance, but the use of titanium or stainless steel may render the cell unsuitable for applications where high capacity performance is required.
본원에 제공되는 바와 같이, 집전체에 일반적으로 사용되는 다른 금속과 관련된 문제는, Li/Li+에 대한 0.5볼트 미만의 전위, Li/Li+에 대한 0.1볼트 내지 0.5볼트 미만의 전위로 리튬과 전기화학적으로 반응성인 금속, 예를 들면 알루미늄을 포함하거나 상기 금속 단독으로 제조되는 음극용 집전체를 포함하는 전기화학 전지를 제공함으로써 해결된다. 제공되는 알루미늄 집전체는, LTO의 전기화학적 전위가 리튬과의 알루미늄 합금에서의 전위보다 높기 때문에, LTO를 포함하는 음극 전기화학적 활성 물질과 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 본원에 제공되는 일부 측면에 따른 LTO는 Li/Li+에 대해 1.55볼트의 전기화학적 산화환원 전위를 가지며, 이러한 산화환원 전위는 리튬과의 알루미늄 합금의 전위인 Li/Li+에 대해 0.4V보다 더 크다. 따라서, 리튬에 대해 1.55볼트의 전기화학적 산화환원 전위를 갖는 LTO가 사용되는 경우, 구리 용해와 같은 구리와 관련된 문제는 음극의 집전체에 알루미늄을 사용함으로써 방지할 수 있다. 또한, 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 전해질 환원 생성물을 포함하는 것으로 이해되는 고체 전해질 계면막(solide electrolyte interphase: SEI)은, 리튬에 비해 높은 전위로 인해, LTO 상에 형성되지 않는 것으로 생각된다. 이러한 성질은 0V로 안전하게 방전되는 능력과 결합하여 예기치 않게 향상된 안전성 및 안정성을 갖춘 리튬 이온 전지를 생성한다.As provided herein, the problems associated with other metals commonly used for the current collector is, with lithium at a potential less than 0.1 volts to 0.5 volts for the electric potential, Li / Li + of less than 0.5 volts to Li / Li + It is solved by providing an electrochemical cell comprising a current collector for a negative electrode comprising an electrochemically reactive metal, for example aluminum, or made of the metal alone. The provided aluminum current collector can be used with a negative electrochemically active material comprising LTO because the electrochemical potential of LTO is higher than that in an aluminum alloy with lithium. For example, LTO according to some aspects provided herein has an electrochemical oxidation-reduction potential of 1.55 volts against Li / Li +, for this oxidation-reduction potential is the potential of Li / Li + of the aluminum alloy with lithium greater than 0.4V. Therefore, when LTO having an electrochemical redox potential of 1.55 volts with respect to lithium is used, problems related to copper such as copper dissolution can be prevented by using aluminum for the current collector of the negative electrode. Also, without wishing to be bound by theory, it is believed that the solid electrolyte interphase (SEI), which is understood to contain electrolyte reduction products, does not form on the LTO due to its higher potential compared to lithium. . This property, combined with the ability to safely discharge to 0V, creates a lithium-ion battery with unexpectedly improved safety and stability.
또한, 리튬에 대해 전기화학적 산화환원 전위가 1.55볼트인 LTO를 포함하는 음극이 용이한 전기화학적 키네틱으로 Li 층간 삽입이 매우 가역적이고, 알루미늄을 포함하는 집전체가 상대적으로 전도성이기 때문에, 이러한 음극을 포함하는 리튬 이온 전지는 충전 및 방전 둘 다에 대한 높은 속도 능력 및 우수한 수명을 제공할 수 있다.In addition, since a negative electrode containing LTO, which has an electrochemical redox potential of 1.55 volts with respect to lithium, is easily electrochemically kinetic, and Li intercalation is very reversible, and a current collector containing aluminum is relatively conductive, such a negative electrode Lithium ion batteries comprising can provide high rate capability for both charging and discharging and excellent lifetime.
이와 같이, 본원에 제공되는 전기화학 전지는 애노드 전기화학적 활성 물질로서 LTO를 포함하는 음극을 포함하며, 상기 LTO는 알루미늄 집전체 상에 코팅된다. 일부 측면에서, 양극은 알루미늄 집전체 상에 코팅된 다결정성 캐소드 전기화학적 활성 물질을 포함한다. 알루미늄 집전체는 임의로 Al 또는 알루미늄 합금으로 형성된 시트 형태이며, 포일, 고체 기판, 다공성 기판, 그리드, 발포체 또는 알루미늄으로 코팅된 발포체 또는 기타 당업계에 공지된 형태일 수 있다. 일부 측면에서, 알루미늄 집전체는 포일이다. 임의로, 그리드는 확장된 금속 그리드 및 천공된 포일 그리드를 포함할 수 있다.As such, the electrochemical cell provided herein includes a negative electrode comprising LTO as an anode electrochemically active material, the LTO being coated on an aluminum current collector. In some aspects, the positive electrode comprises a polycrystalline cathode electrochemically active material coated on an aluminum current collector. The aluminum current collector is optionally in the form of a sheet formed of Al or an aluminum alloy, and may be in the form of a foil, a solid substrate, a porous substrate, a grid, a foam or a foam coated with aluminum, or other forms known in the art. In some aspects, the aluminum current collector is a foil. Optionally, the grid may include an expanded metal grid and a perforated foil grid.
양극은 집전체도 포함한다. 양극용 집전체는 알루미늄, 예를 들면, 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다. 알루미늄 집전체는 임의로 시트 형태이고, 포일, 고체 기판, 다공성 기판, 그리드, 발포체 또는 알루미늄으로 코팅된 발포체 또는 기타 당업계에 공지된 형태일 수 있다. 일부 측면에서, 알루미늄 집전체는 포일이다. 임의로, 그리드는 확장된 금속 그리드 및 천공된 포일 그리드를 포함할 수 있다.The positive electrode also includes a current collector. The current collector for the positive electrode may be formed of aluminum, for example, an aluminum alloy. The aluminum current collector is optionally in the form of a sheet and may be in the form of a foil, a solid substrate, a porous substrate, a grid, a foam or a foam coated with aluminum or other forms known in the art. In some aspects, the aluminum current collector is a foil. Optionally, the grid may include an expanded metal grid and a perforated foil grid.
애노드 또는 캐소드용 집전체는, 사용하기 위해 전지를 회로에 전기적으로 연결하는 데 사용될 수 있는 탭과 임의로 연결된다(associated). 애노드 집전체 및 캐소드 집전체 각각은 탭과 전기적으로 연결될 수 있다. 탭은 알루미늄 또는 기타 당업계에 공지된 재료와 같은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 탭은 임의로 집전체의 코팅되지 않은 영역이다. 다중 애노드 및 캐소드를 갖는 스택 전지의 경우, 탭들을 함께 용접하여 외부 회로와의 연결을 위한 단일 양극 탭 및 단일 음극 탭을 형성할 수 있다.A current collector for the anode or cathode is optionally associated with a tab that can be used to electrically connect the cell to a circuit for use. Each of the anode current collector and the cathode current collector may be electrically connected to the tab. The tab may be made of any suitable material, such as aluminum or other materials known in the art. The tab is optionally an uncoated area of the current collector. For stacked cells with multiple anodes and cathodes, the tabs can be welded together to form a single positive tab and a single negative tab for connection to external circuitry.
본원에 제공되는 전기화학 전지의 캐소드는 양극으로서 역할한다. 캐소드는 Li를 흡수 및 탈착할 수 있는 다결정성 캐소드 전기화학적 활성 물질을 포함한다. 본원에 제공되는 캐소드 전기화학적 활성 물질은 화학식 Li1+xMO2+y의 물질이며, 상기 화학식에서, -0.9≤x≤0.3, -0.3≤y≤0.3이고, M은 전체 M을 기준으로 하여 80원자% 이상의 Ni를 포함한다. 다결정성 재료는 다결정성 재료를 형성하기 위해 복수의 미소 결정(crystallite)의 응집 또는 회합을 포함한다. 다결정성 물질 내에서, 각각의 미소 결정은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있으며, 이는 캐소드 전기화학적 활성 물질의 각각의 2차 입자 내에서 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 각각의 미소 결정들의 형상은 상이한 입자에서 동일하거나 상이할 수 있다. 미소 결정은 이의 결정성 특성으로 인해 패싯(faceted)될 수 있고, 미소 결정은 복수의 편평한 표면을 가질 수 있고, 미소 결정의 형상은 기하학적 형상으로 근사할 수 있다. 미소 결정은 임의로 다면체일 수 있다. 미소 결정은 직선 형상일 수 있으며, 단면에서 볼 때 미소 결정들의 일부 또는 전체가 직선형일 수 있다. 미소 결정은 정사각형, 육각형, 직사각형, 삼각형 또는 이들의 조합일 수 있다.The cathode of the electrochemical cell provided herein serves as the anode. The cathode comprises a polycrystalline cathode electrochemically active material capable of adsorbing and desorbing Li. The cathode electrochemically active material provided herein is a material of the formula Li 1+x MO 2+y , wherein -0.9≤x≤0.3, -0.3≤y≤0.3, and M is based on the total M It contains 80 atomic% or more of Ni. A polycrystalline material includes agglomeration or association of a plurality of crystallites to form a polycrystalline material. Within the polycrystalline material, each crystallite may have any suitable shape, which may be the same or different within each secondary particle of the cathode electrochemically active material. Also, the shape of each crystallite may be the same or different in different particles. The microcrystals may be faceted due to their crystalline properties, the microcrystals may have a plurality of flat surfaces, and the shape of the microcrystals may approximate a geometric shape. The microcrystals may optionally be polyhedral. The microcrystals may have a straight shape, and some or all of the microcrystals may be straight when viewed in cross section. The microcrystals may be square, hexagonal, rectangular, triangular, or combinations thereof.
캐소드 전기화학적 활성 물질은 M 성분의 주성분으로서 Ni를 포함한다. 제1 조성에서 Ni의 양은 임의로 전체 M의 80 내지 100원자%(at%)이다. 임의로, M의 Ni 성분은 80at% 이상이다. 임의로, M의 Ni 성분은 85at% 이상이다. 임의로, M의 Ni 성분은 90at% 이상이다. 임의로, M의 Ni 성분은 95at% 이상이다. 임의로, M의 Ni 성분은 75at% 이상, 76at% 이상, 77at% 이상, 78at% 이상, 79at% 이상, 80at% 이상, 81at% 이상, 82at% 이상, 83at% 이상, 84at% 이상, 85at% 이상, 86at% 이상, 87at% 이상, 88at% 이상, 89at% 이상, 90at% 이상, 91at% 이상, 92at% 이상, 93at% 이상, 94at% 이상, 95at% 이상, 96at% 이상, 97at% 이상, 98at% 이상, 99at% 이상, 99.5at% 이상, 99.9at% 이상 또는 100at% 이상이다.The cathode electrochemically active material contains Ni as a major component of the M component. The amount of Ni in the first composition is optionally 80 to 100 atomic % (at %) of the total M. Optionally, the Ni component of M is at least 80 at%. Optionally, the Ni component of M is at least 85 at%. Optionally, the Ni component of M is at least 90 at%. Optionally, the Ni component of M is at least 95 at%. Optionally, the Ni component of M is at least 75at%, at least 76at%, at least 77at%, at least 78at%, at least 79at%, at least 80at%, at least 81at%, at least 82at%, at least 83at%, at least 84at%, at least 85at% , 86at% or more, 87at% or more, 88at% or more, 89at% or more, 90at% or more, 91at% or more, 92at% or more, 93at% or more, 94at% or more, 95at% or more, 96at% or more, 97at% or more, 98at % or more, 99at% or more, 99.5at% or more, 99.9at% or more, or 100at% or more.
일부 측면에서, M은 Ni 단독 또는 하나 이상의 추가의 원소와 조합된 Ni이다. 추가의 원소는 임의로 금속이다. 임의로, 추가의 원소는 Al, Mg, Co, Mn, Ca, Sr, Zn, Ti, Y, Cr, Mo, Fe, V, Si, Ga 또는 B 중 하나 이상을 포함할 수 있거나 상기 하나 이상일 수 있다. 특정 측면에서, 추가의 원소는 Mg, Co, Al 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 임의로, 추가의 원소는 Mg, Al, V, Ti, B 또는 Mn 또는 이들의 조합일 수 있다. 임의로, 추가의 원소는 Mg, Al, V, Ti, B 또는 Mn으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 임의로, 추가의 원소는 Mg, Co 및 Al로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 임의로, 추가의 원소는 Ca, Co 및 Al로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 일부 측면에서, 추가의 원소는 Mn 또는 Mg 또는 Mn과 Mg 둘 다이다. 임의로, 추가의 원소는 Mn, Co, Al 또는 이들의 임의의 조합이다. 임의로, 추가의 원소는 Co 및 Mn을 포함한다. 임의로, 추가의 요소는 Co 및 Al이다. 임의로, 추가의 원소는 Co이다.In some aspects, M is Ni alone or in combination with one or more additional elements. The further element is optionally a metal. Optionally, the additional element may include or be one or more of Al, Mg, Co, Mn, Ca, Sr, Zn, Ti, Y, Cr, Mo, Fe, V, Si, Ga or B. . In certain aspects, the additional element may include Mg, Co, Al, or combinations thereof. Optionally, the additional element may be Mg, Al, V, Ti, B or Mn or combinations thereof. Optionally, the further element is selected from the group consisting of Mg, Al, V, Ti, B or Mn. Optionally, the further element is selected from the group consisting of Mg, Co and Al. Optionally, the further element is selected from the group consisting of Ca, Co and Al. In some aspects, the additional element is Mn or Mg or both Mn and Mg. Optionally, the additional element is Mn, Co, Al, or any combination thereof. Optionally, the additional elements include Co and Mn. Optionally, further elements are Co and Al. Optionally, the further element is Co.
캐소드 전기화학적 활성 물질 중 M의 추가의 원소는 제1 조성에서 M의 약 0.1 내지 약 20at%, 구체적으로는 약 5 내지 약 20at%, 보다 구체적으로는 약 10 내지 약 20at%의 양으로 존재할 수 있다. 임의로, 추가의 원소는 제1 조성에서 M의 약 1 내지 약 20at%, 구체적으로는 약 2 내지 약 18at%, 보다 구체적으로는 약 4 내지 약 16at%의 양으로 존재할 수 있다. 일부 예시적인 예에서, M은 약 80 내지 100at%의 Ni, 0 내지 15at%의 Co, 0 내지 15at%의 Mn 및 0 내지 10at% 추가의 원소이다.The additional element of M in the cathode electrochemically active material may be present in an amount from about 0.1 to about 20 at%, specifically from about 5 to about 20 at%, more specifically from about 10 to about 20 at% of M in the first composition. have. Optionally, the additional element may be present in an amount from about 1 to about 20 at%, specifically from about 2 to about 18 at%, more specifically from about 4 to about 16 at% of M in the first composition. In some illustrative examples, M is about 80-100 at% Ni, 0-15 at% Co, 0-15 at% Mn, and 0-10 at% additional elements.
본원에 제공되는 전지의 캐소드에서 사용되는 캐소드 전기화학적 활성 물질은 Co를 포함하며, 상기 Co는 캐소드 전기화학적 활성 물질의 2차 입자를 통해, 2차 입자 상에 또는 2차 입자 중에 불균일하게 분포된다. 불균일한 분포는 2차 입자의 일부 또는 전체에 걸쳐 변하는 Co의 분포이다. 일부 측면에서, 다결정성 재료는 2차 입자 내의 인접한 미소 결정들 사이의 결정립계를 포함하며, 여기서 코발트, 알루미늄 또는 이들 둘 다의 농도는 인접한 미소 결정들의 중심에서보다 결정립계에서 더 높다. 이러한 재료는 결정립계가 풍부한 재료로 간주된다. 이러한 결정립계가 풍부한 재료의 예시적인 예는 미국 특허 제9,391,317호 및 미국 특허출원 제16/250,762호에서 확인할 수 있다.The cathode electrochemically active material used in the cathode of the cell provided herein comprises Co, wherein the Co is non-uniformly distributed through, on, or in the secondary particles of the cathode electrochemically active material. . A non-uniform distribution is a distribution of Co that varies over some or all of the secondary particles. In some aspects, the polycrystalline material includes grain boundaries between adjacent crystallites within secondary particles, wherein the concentration of cobalt, aluminum, or both is higher at the grain boundaries than at the centers of the adjacent crystallites. These materials are considered to be grain boundary-rich materials. Illustrative examples of such grain boundary-rich materials can be found in US Pat. No. 9,391,317 and US Pat. No. 16/250,762.
특정 측면에서, 캐소드 전기화학적 활성 물질로서 사용되는 2차 입자는 Co, Al 또는 이들 둘 다가 풍부한 결정립계를 가지며, 임의로 상기 결정립계에서의 Co, Al 또는 이들 둘 다의 몰분율은 임의로 각각의 영역의 합 전체에 걸친 평균으로서 미소 결정에서의 Co, Al 또는 이들 둘 다의 몰분율보다 더 높다.In certain aspects, the secondary particles used as the cathode electrochemically active material have grain boundaries rich in Co, Al, or both, optionally the mole fraction of Co, Al or both at the grain boundaries is optionally the sum of the respective regions. higher than the mole fraction of Co, Al, or both in the crystallites as an average over
미소 결정, 결정립계 영역 또는 이들 둘 다의 조성은 임의로 층상화 α-NaFeO2형 구조, 입방체 구조 또는 이들의 조합을 갖는다. 결정립계가 층상 α-NaFeO2형 구조를 갖는 측면을 구체적으로 언급할 수 있다. 결함이 있는 α-NaFeO2형 구조를 갖는 결정립계가 있는 또 다른 측면이 구체적으로 언급된다. 결정립계의 일부가 입방체 또는 스피넬 구조를 갖는 또 다른 측면이 구체적으로 언급된다.The composition of microcrystals, grain boundary regions, or both optionally has a layered α-NaFeO 2 type structure, a cubic structure, or a combination thereof. The aspect in which the grain boundary has a layered α-NaFeO 2 type structure can be specifically mentioned. Another aspect with grain boundaries with a defective α-NaFeO 2 type structure is specifically mentioned. Another aspect in which some of the grain boundaries have a cubic or spinel structure is specifically mentioned.
결정립계는 임의로 화학식 I Li1+xMO2+y(화학식 1)의 제2 조성으로 형성되며, 상기 화학식에서, -0.9≤x≤0.3, -0.3≤y≤0.3이고, M은 Co, Al 또는 Co와 Al의 조합을 포함한다. 임의로 제2 조성에서 M은 Ni를 추가로 포함한다. 임의로, 제2 조성에서 M의 Ni 성분은 1at% 이하이다. 임의로, M의 Ni 성분은 5at% 이하이다. 임의로, M의 Ni 성분은 10at% 이하이다. 임의로, M의 Ni 성분은 20at% 이하이다. 임의로, M의 Ni 성분은 75at% 이하이다. 임의로, M의 Ni 성분은 80at% 이하이다. 임의로, M의 Ni 성분은 90at% 이하이다. 임의로, M의 Ni 성분은 95at% 이하이다. 임의로, M의 Ni 성분은 98at% 이하이다. 임의로, M의 Ni 성분은 99at% 이하이다.The grain boundaries are optionally formed with a second composition of formula I Li 1+x MO 2+y (formula 1), wherein -0.9≤x≤0.3, -0.3≤y≤0.3, and M is Co, Al or a combination of Co and Al. Optionally in the second composition M further comprises Ni. Optionally, the Ni component of M in the second composition is 1 at% or less. Optionally, the Ni component of M is 5 at% or less. Optionally, the Ni component of M is 10 at% or less. Optionally, the Ni component of M is 20 at% or less. Optionally, the Ni component of M is 75 at% or less. Optionally, the Ni component of M is 80 at% or less. Optionally, the Ni component of M is 90at% or less. Optionally, the Ni component of M is 95 at% or less. Optionally, the Ni component of M is 98 at% or less. Optionally, the Ni component of M is 99 at% or less.
결정립계 풍부 캐소드 전기화학적 활성 물질에서, 결정립계 영역에 걸쳐 평균된 Co, Al 또는 이들 둘 다의 농도는, 미소 결정 영역에 걸쳐 평균된 Co, Al 또는 이들 둘 다의 평균 농도보다 높다. 이와 같이, 결정립계에서의 Co, Al 또는 이들 둘 다의 몰분율은 미소 결정에서의 Co, Al 또는 이들 둘 다의 몰분율보다 높다. 제1 조성에서의 Co, Al 또는 이들 둘 다의 몰분율은, Co, Al 또는 이들 둘 다가 미소 결정에 전혀 존재하지 않는 경우, 정의된 바와 같이 ICP에 의해 측정시, 미소 결정의 조성이, 전체 입자 조성에서 전체 Co 또는 Al의 단독의 또는 결합된 몰분율보다 낮다. 미소 결정에서 Co 및 Al의 단독의 또는 결합된 몰분율은 0일 수 있다. 결정립계에서 정의하는 제2 조성에서 Co 및 Al의 단독의 또는 결합된 몰분율은, ICP에 의해 계측시, 전체 입자에서의 Co 및 Al의 단독의 또는 조합된 몰분율보다 높다. 제2 조성물은 0 내지 8at%, 임의로 3 내지 5at%의 Co로 퐁부화될 수 있고, 임의로 0.01 내지 10at%의 Al, 임의로 1.5at% 이하의 Al로 보충될 수 있다.In a grain boundary rich cathode electrochemically active material, the concentration of Co, Al or both averaged over the grain boundary region is higher than the average concentration of Co, Al or both averaged over the grain boundary region. As such, the mole fraction of Co, Al or both at the grain boundary is higher than the mole fraction of Co, Al or both in the microcrystals. The mole fraction of Co, Al or both in the first composition, as determined by ICP, as defined when Co, Al or both are not present at all in the crystallites, is that the composition of the crystallites is equal to the total particle lower than the single or combined mole fraction of total Co or Al in the composition. The single or combined mole fractions of Co and Al in the microcrystals may be zero. The single or combined mole fraction of Co and Al in the second composition defined at the grain boundary is higher than the single or combined mole fraction of Co and Al in the whole grain, as measured by ICP. The second composition may be enriched with 0 to 8 at%, optionally 3 to 5 at% Co, optionally supplemented with 0.01 to 10 at% Al, optionally up to 1.5 at% Al.
임의로, 제2 조성 및 제1 조성(미소 결정 조성)은 제1 조성에 비해 제2 조성에서 증가된 Co, Al 또는 이들 둘 다의 존재 또는 농도(몰분율)를 제외하고는 동일하다.Optionally, the second composition and the first composition (microcrystalline composition) are identical except for the presence or concentration (mol fraction) of Co, Al or both increased in the second composition relative to the first composition.
캐소드 전기화학적 활성 물질은 임의로 2차 입자 내에 Co의 불균일한 분포를 포함하며, 상기 불균일한 분포는 미소 결정 내에서의, 전체 2차 입자 내에서의 또는 이들의 조합의 Co의 구배 형태이다. 임의로, 미소 결정은 미소 결정의 외주 또는 그 부근에서의 Co의 양이 미소 결정의 중심 또는 그 부근에서의 Co의 농도보다 더 큰 Co 농도 구배를 포함한다. 이러한 물질의 예시적인 예는 문헌[Lim, et al., Adv. Funct. Mater. 2015; 25:4673-4680 or in Lee et al., Journal of Power Sources, 2015; 273:663-669]에서 확인할 수 있다.The cathode electrochemically active material optionally comprises a non-uniform distribution of Co in the secondary particles, wherein the non-uniform distribution is in the form of a gradient of Co within the crystallites, within the overall secondary particles, or combinations thereof. Optionally, the microcrystals include a Co concentration gradient in which the amount of Co at or near the periphery of the microcrystals is greater than the concentration of Co at or near the center of the microcrystals. Illustrative examples of such materials are described in Lim, et al., Adv. Funct. Mater. 2015; 25:4673-4680 or in Lee et al., Journal of Power Sources , 2015; 273:663-669].
일부 측면에서, Co의 불균일한 분포는 미국 특허 제7,381,496호, 미국 특허출원 공개 제2016/0181611호 또는 문헌[Zuo, et al., Journal of Alloys and Compounds, 2017; 706:24-40]에 기재된 바와 같이 코어를 Co로 코팅함으로써 달성된다.In some aspects, the non-uniform distribution of Co is described in U.S. Patent No. 7,381,496, U.S. Patent Application Publication No. 2016/0181611, or Zuo, et al., Journal of Alloys and Compounds , 2017; 706:24-40] by coating the core with Co.
양극은 리튬 니켈 산화물, 도전제 및 결합제를 조합하고, 상기 리튬 니켈 산화물, 도전제 및 결합제를 포함하는 코팅을 집전체 상에 제공함으로써 제공될 수 있다. 도전제는 적절한 특성을 제공하는 임의의 도전제일 수 있고, 비결정성, 결정성 또는 이들의 조합일 수 있다. 도전제는 카본 블랙, 예를 들면, 아세틸렌 블랙 또는 램프 블랙, 메조카본, 흑연, 탄소 섬유, 탄소 나노 튜브, 예를 들면, 단일벽 탄소 나노 튜브 또는 다중벽 탄소 나노 튜브 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The positive electrode may be provided by combining lithium nickel oxide, a conductive agent and a binder, and providing a coating comprising the lithium nickel oxide, a conductive agent and a binder on the current collector. The conductive agent may be any conductive agent that provides suitable properties, and may be amorphous, crystalline, or a combination thereof. The conductive agent may include carbon black, such as acetylene black or lamp black, mesocarbon, graphite, carbon fibers, carbon nanotubes, such as single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes, or combinations thereof. can
애노드 또는 캐소드에서 사용되는 결합제는 적합한 성질을 제공하는 임의의 결합제일 수 있고, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드의 공중합체, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVdF), 헥사플루오로프로필렌, 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 부티랄-co-비닐 알코올-co 비닐 아세테이트), 폴리(메틸메타크릴레이트-co-에틸 아크릴레이트), 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 클로라이드-co-비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리(l-비닐피롤리돈-co-비닐 아세테이트), 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 폴리비닐 에테르, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 설폰화 스티렌/에틸렌-부틸렌/스티렌의 삼중 블록 중합체, 폴리에틸렌 옥사이드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다.The binder used in the anode or cathode may be any binder that provides suitable properties, including polyvinylidene fluoride, copolymers of polyvinylidene fluoride, polyvinylidene difluoride (PVdF), hexafluoropropylene, poly(vinyl acetate), poly(vinyl butyral-co-vinyl alcohol-co vinyl acetate), poly(methylmethacrylate-co-ethyl acrylate), polyacrylonitrile, polyvinyl chloride-co-vinyl acetate, Polyvinyl alcohol, poly(l-vinylpyrrolidone-co-vinyl acetate), cellulose acetate, polyvinylpyrrolidone, polyacrylate, polymethacrylate, polyolefin, polyurethane, polyvinyl ether, acrylonitrile- butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene-styrene, triblock polymers of sulfonated styrene/ethylene-butylene/styrene, polyethylene oxide, or combinations thereof.
양극은 리튬 니켈 산화물, 도전제 및 결합제를 적절한 비로, 예를 들면, 상기 리튬 니켈 산화물, 도전제 및 결합제의 총 중량을 기준으로 하여, 80 내지 98wt%의 리튬 니켈 산화물, 2 내지 20wt%의 도전제 및 2 내지 10wt%의 결합제를 조합하여 제조할 수 있다. 리튬 니켈 산화물, 도전제 및 결합제는 적합한 용매, 예를 들면 N-메틸피롤리디논 또는 기타 적합한 용매에 현탁될 수 있고, 알루미늄 포일과 같은 적합한 기판 상에 배치될 수 있고, 공기 중에서 건조되어 양극을 제공할 수 있다.The positive electrode contains lithium nickel oxide, a conductive agent and a binder in an appropriate ratio, for example, 80 to 98 wt % lithium nickel oxide, 2 to 20 wt % conductivity, based on the total weight of the lithium nickel oxide, conductive agent and binder. agent and 2 to 10 wt % of a binder. The lithium nickel oxide, conductive agent and binder may be suspended in a suitable solvent, for example N-methylpyrrolidinone or other suitable solvent, disposed on a suitable substrate such as aluminum foil, and dried in air to form the positive electrode. can provide
본원에 제공되는 전기화학 전지는 음극을 추가로 포함한다. 음극은 리튬에 대해 약 1.5V의 전기화학적 산화환원 전위를 임의로 갖는 리튬 티탄 산화물(LTO)을 포함한다. 리튬 티탄 산화물은 스피넬형 구조를 가질 수 있다.The electrochemical cells provided herein further include a negative electrode. The negative electrode comprises lithium titanium oxide (LTO) optionally having an electrochemical redox potential of about 1.5 V with respect to lithium. The lithium titanium oxide may have a spinel-type structure.
애노드는 임의로 화학식 Li4+aTi5O12+b (2)의 애노드 전기화학적 활성 물질을 포함할 수 있으며, 상기 화학식에서, -0.3≤a≤3.3, -0.3≤b≤0.3이다. 일부 측면에서, 리튬 티탄 산화물은 화학식 3일 수 있다:The anode may optionally comprise an anode electrochemically active material of the formula Li 4+a Ti 5 O 12+b (2), wherein -0.3≤a≤3.3 and -0.3≤b≤0.3. In some aspects, the lithium titanium oxide can be of Formula 3:
Li4+yTi5O12 (3)Li 4+y Ti 5 O 12 (3)
상기 화학식 3에서, 0≤y≤3, 0.1≤y≤2.8 또는 0≤y≤2.6이다.In
다르게는, 리튬 티탄 산화물은 화학식 4일 수 있다.Alternatively, the lithium titanium oxide may be of formula (4).
Li3+zTi6-zO12 (4)Li 3+z Ti 6-z O 12 (4)
화학식 4에서, 0≤z≤1이다. 임의로 0≤z≤1, 0.1≤z≤0.8 또는 0≤z≤0.5이다. 상기 리튬 티탄 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 애노드 전기화학적 활성 물질들의 조합이 사용될 수 있다. 일부 측면에서, 애노드 전기화학적 활성 물질은 리튬에 대해 약 1.55V의 전기화학적 산화환원 전위를 갖는 Li4Ti5O12를 포함하거나 Li4Ti5O12이다.In the formula (4), 0≤z≤1. optionally 0≤z≤1, 0.1≤z≤0.8, or 0≤z≤0.5. Combinations of anode electrochemically active materials comprising at least one of the lithium titanium oxides may be used. In some aspects, the anode electrochemically active material is including Li 4 Ti 5 O 12 having an electrochemical oxidation-reduction potential of about 1.55V for lithium or Li 4 Ti 5 O 12.
리튬 티탄 산화물은 임의의 적합한 입자 크기, 예를 들면, 약 0.1 내지 약100㎛ 또는 약 1 내지 약 10㎛의 입자 크기를 가질 수 있다.The lithium titanium oxide may have any suitable particle size, for example, from about 0.1 to about 100 μm or from about 1 to about 10 μm.
리튬 티탄 산화물은 높은 비표면적(SSA), 예를 들면, 약 4 내지 약 20m2/g 또는 약 7 내지 약 13m2/g을 가질 수 있다.The lithium titanium oxide may have a high specific surface area (SSA), for example, from about 4 to about 20 m 2 /g or from about 7 to about 13 m 2 /g.
음극은 집전체를 포함한다. 상기 추가로 논의된 바와 같이, 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, Li/Li+에 대한 리튬 티탄 산화물의 전기화학적 전위가 1볼트 초과이므로, 음극 집전체는 구리 이외의 금속을 포함할 수 있는 것으로 이해되는데, 이는 알루미늄 및 티탄과 같은 다른 금속이 Li/Li+에 대해 1볼트 초과의 전기화학적 산화환원 전위를 갖는 리튬 티탄 산화물이 사용되는 경우에 존재하는 전위에서 적절한 안정성을 제공하기 때문이다. 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 알루미늄과 같은 금속은 리튬에 대해 0.1 내지 0.5볼트의 전위에서 리튬과 전기화학적으로 반응성인 반면, 구리는 그렇지 않기 때문에, 흑연을 애노드 재료로서 사용하는 경우에 구리가 집전체 재료로 사용되는 것으로 이해된다. 따라서, 리튬에 대해 0.1 내지 0.5V, 0.15 내지 0.45V 또는 0.2 내지 0.4V의 전위에서 리튬과 전기화학적으로 반응하는 금속을 포함하는 집전체는 흑연 애노드 재료로서 사용할 수 없지만, LTO 애노드 재료에 대해 사용될 수 있다.The negative electrode includes a current collector. As discussed further above, without wishing to be bound by theory, it is believed that since the electrochemical potential of lithium titanium oxide with respect to Li/Li + is greater than 1 volt, the negative electrode current collector may include a metal other than copper. This is understood because other metals such as aluminum and titanium provide adequate stability at the potentials present when lithium titanium oxide with an electrochemical redox potential of greater than 1 volt relative to Li/Li + is used. Without wishing to be bound by theory, when using graphite as the anode material, copper is not, because metals such as aluminum are electrochemically reactive with lithium at potentials of 0.1 to 0.5 volts relative to lithium, whereas copper is not. It is understood to be used as a current collector material. Therefore, a current collector comprising a metal that electrochemically reacts with lithium at a potential of 0.1 to 0.5 V, 0.15 to 0.45 V or 0.2 to 0.4 V with respect to lithium cannot be used as a graphite anode material, but can be used for an LTO anode material. can
애노드, 캐소드 또는 이들 둘 다의 집전체는 알루미늄을 포함할 수 있으며, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 언급된다. 대표적인 알루미늄 합금은 알루미늄 합금 1050, 1100, 1145, 1235, 1350, 3003, 3105, 5052 및 6061을 포함한다.The current collector of the anode, cathode or both may comprise aluminum, reference is made to aluminum or an aluminum alloy. Representative aluminum alloys include aluminum alloys 1050, 1100, 1145, 1235, 1350, 3003, 3105, 5052 and 6061.
음극은 애노드 LTO, 도전제 및 결합제를 조합하고, 상기 LTO, 도전제 및 결합제를 포함하는 코팅을 음극에 대해 선택된 집전체 상에 제공함으로써 형성될 수 있다. 도전제는 적절한 성질을 제공하는 임의의 도전제일 수 있고, 비결정성, 결정성 또는 이들의 조합일 수 있다. 도전제는 카본 블랙, 예를 들면, 아세틸렌 블랙 또는 램프 블랙, 메조카본, 흑연, 탄소 섬유, 탄소 나노 튜브, 예를 들면, 단일벽 탄소 나노 튜브 또는 다중벽 탄소 나노 튜브 또는 이들의 조합일 수 있다. 결합제는 적합한 성질을 제공하는 임의의 결합제일 수 있으며, 폴리비닐리덴 플루오라이드, PVdF, 폴리비닐리덴 플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 부티랄-co-비닐 알코올-co 비닐 아세테이트), 폴리(메틸메타크릴레이트-co-에틸 아크릴레이트), 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 클로라이드-co-비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리(l-비닐피롤리돈-co-비닐 아세테이트), 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 폴리비닐 에테르, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 설폰화 스티렌/에틸렌-부틸렌/스티렌의 삼중 블록 중합체, 폴리에틸렌 옥사이드 또는 이들의 조합 등을 포함할 수 있다.The negative electrode may be formed by combining the anode LTO, the conductive agent and the binder, and providing a coating comprising the LTO, the conductive agent and the binder on the current collector selected for the negative electrode. The conductive agent may be any conductive agent that provides suitable properties, and may be amorphous, crystalline, or a combination thereof. The conductive agent may be carbon black, such as acetylene black or lamp black, mesocarbon, graphite, carbon fibers, carbon nanotubes, such as single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes, or combinations thereof. . The binder may be any binder that provides suitable properties, including polyvinylidene fluoride, PVdF, copolymers of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene, poly(vinyl acetate), poly(vinyl butyral-co- vinyl alcohol-co vinyl acetate), poly(methylmethacrylate-co-ethyl acrylate), polyacrylonitrile, polyvinyl chloride-co-vinyl acetate, polyvinyl alcohol, poly(l-vinylpyrrolidone-co) -vinyl acetate), cellulose acetate, polyvinylpyrrolidone, polyacrylate, polymethacrylate, polyolefin, polyurethane, polyvinyl ether, acrylonitrile-butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene- styrene, a triblock polymer of sulfonated styrene/ethylene-butylene/styrene, polyethylene oxide, or combinations thereof, and the like.
음극은 LTO, 도전제 및 결합제를 적절한 비로, 예를 들면, 상기 LTO, 도전제 및 결합제의 총 중량을 기준으로 하여, 80 내지 98wt%의 LTO, 2 내지 20wt%의 도전제 및 2 내지 10wt%의 결합제를 조합하여 제조할 수 있다. LTO, 도전제 및 결합제는 N-메틸피롤리디논과 같은 적절한 용매에 현탁될 수 있고, 알루미늄, 티탄 또는 스테인리스 강과 같은 적절한 집전체 상에 배치될 수 있고, 공기 중에서 건조되어 음극을 제공할 수 있다.The negative electrode comprises LTO, a conductive agent and a binder in an appropriate ratio, for example, 80 to 98 wt % LTO, 2 to 20 wt % conductive agent and 2 to 10 wt % LTO, based on the total weight of the LTO, conductive agent and binder. It can be prepared by combining the binders of The LTO, conductive agent and binder may be suspended in a suitable solvent such as N-methylpyrrolidinone, placed on a suitable current collector such as aluminum, titanium or stainless steel, and dried in air to provide the negative electrode. .
양극 및 음극은 특정 응용 분야의 요구되는 속도 성능 및 전압 범위에 맞춰진 로딩(집전체의 단위 면적당 코팅된 물질의 질량)으로 제조될 수 있다. 보다 더 높은 전력(고속) 응용 분야는 전극 계면 표면적을 최대화하고 전류 밀도를 최소화하기 위해 보다 더 낮은 로딩 전극을 필요로 하는 반면, 보다 더 높은 에너지 밀도를 필요로 하는 응용 분야는 집전체 및 분리막과 같은 비활성 물질의 전지 함량을 최소화하기 위해 보다 더 높은 로딩 전극을 필요로 한다.The positive and negative electrodes can be fabricated with loadings (mass of coated material per unit area of current collector) tailored to the desired speed performance and voltage range for a particular application. Higher power (higher speed) applications require lower loading electrodes to maximize electrode interface surface area and minimize current density, while applications requiring higher energy densities can be combined with current collectors and separators. A higher loading electrode is required to minimize the cell content of the same inert material.
리튬에 대해 약 1.55볼트의 전기화학적 산화환원 전위를 임의로 갖는 LTO 애노드의 추가의 이점은, 이의 전위가 가장 극단적인 과충전 조건을 제외한 모든 조건 하의 리튬 금속 도금 가능성을 방지하기에 충분히 양성이기 때문에, 애노드 제한 전지 디자인에서 구현될 수 있다는 것이다. 이러한 애노드 제한 전지 디자인은 특정 응용 분야에 필요한 전지당 전압에 상응하는 수준으로 충전된 캐소드의 탈리튬화를 제한함으로써 전지의 과충전 내성 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 본원에 제공되는 전기화학 전지는 임의로 면적, 로딩 또는 기타에서 제한된다.A further advantage of an LTO anode, optionally having an electrochemical redox potential of about 1.55 volts relative to lithium, is that its potential is positive enough to prevent lithium metal plating potential under all but the most extreme overcharge conditions, the anode It can be implemented in a limiting cell design. This anode-limited cell design can improve the overcharge tolerance and stability of the cell by limiting the delithiation of the charged cathode to a level commensurate with the voltage per cell required for a particular application. As such, the electrochemical cells provided herein are optionally limited in area, loading, or otherwise.
임의로, 전기화학 전지는, 캐소드의 기하학적 표면적이 임의로 애노드의 기하학적 표면적보다 크거나 같기 때문에, 애노드가 제한된다. 따라서, 음극 면적을 양극 면적으로 나눈 면적비는 1 이하이다. 임의로, 캐소드에 대한 애노드의 면적비는 0.99 이하, 0.98 이하, 0.97 이하, 0.96 이하, 0.95 이하, 0.94 이하, 0.93 이하, 0.92 이하, 0.91 이하, 0.90 이하, 0.85 이하, 0.80 이하, 0.75 이하, 0.70 이하, 0.65 이하, 0.60 이하, 0.55 이하 또는 0.50 이하이다. 일부 측면에서, 양극 및 음극의 기하학적 면적은 동일하거나 실질적으로 동일하다.Optionally, the electrochemical cell is anode limited because the geometric surface area of the cathode is optionally greater than or equal to the geometric surface area of the anode. Therefore, the area ratio obtained by dividing the area of the cathode by the area of the anode is 1 or less. Optionally, the area ratio of anode to cathode is 0.99 or less, 0.98 or less, 0.97 or less, 0.96 or less, 0.95 or less, 0.94 or less, 0.93 or less, 0.92 or less, 0.91 or less, 0.90 or less, 0.85 or less, 0.80 or less, 0.75 or less, 0.70 or less. , 0.65 or less, 0.60 or less, 0.55 or less, or 0.50 or less. In some aspects, the geometric areas of the anode and cathode are the same or substantially the same.
임의로, 캐소드에 대한 애노드의 용량비는 1 이하이다. 전극 용량비는 양극 용량에 대한 음극 용량의 비이다. 전극의 용량은 종종 단위 면적당 충전 시간의 곱으로 제공된다. 사용되는 충전 및 시간의 단위는 비 계산에서 중요하지 않다. 전극의 용량은 단위 면적당 용량에 전극 면적을 곱한 것과 같다. 따라서, 유사한 면적의 두 전극의 경우, 용량비는 두 전극의 단위 면적당 정전 용량의 비와 같다. 임의로, 캐소드에 대한 애노드의 용량비는 0.99 이하, 0.98 이하, 0.97 이하, 0.96 이하, 0.95 이하, 0.94 이하, 0.93 이하, 0.92 이하, 0.91 이하, 0.90 이하, 0.85 이하, 0.80 이하, 0.75 이하, 0.70 이하, 0.65 이하, 0.60 이하, 0.55 이하 또는 0.50 이하이다.Optionally, the capacity ratio of the anode to the cathode is 1 or less. The electrode capacity ratio is the ratio of the cathode capacity to the anode capacity. The capacity of an electrode is often given as the product of charging time per unit area. The units of charge and time used are not critical in the ratio calculation. The capacitance of the electrode is equal to the capacitance per unit area multiplied by the electrode area. Accordingly, in the case of two electrodes having a similar area, the capacitance ratio is equal to the ratio of the capacitance per unit area of the two electrodes. Optionally, the capacity ratio of anode to cathode is 0.99 or less, 0.98 or less, 0.97 or less, 0.96 or less, 0.95 or less, 0.94 or less, 0.93 or less, 0.92 or less, 0.91 or less, 0.90 or less, 0.85 or less, 0.80 or less, 0.75 or less, 0.70 or less. , 0.65 or less, 0.60 or less, 0.55 or less, or 0.50 or less.
제공되는 전기화학 전지의 일부 측면에서, 유닛 전지는 하나의 애노드, 하나의 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치된 분리막을 포함하고, 여기서 전해질은 상기 애노드 및 캐소드와 이온 접촉하여 제공된다. 임의로, 유닛 전지는 애노드 전기화학적 활성 물질이 집전체의 양 측에 코팅된 이중 측 애노드를 포함하거나, 캐소드는 집전체의 양 측이 캐소드 전기화학적 활성 물질에 의해 코팅된 이중 측 캐소드인 것이다. 2측 전극은 2개의 단일 측 대향 전극 또는 또 다른 대향 이중 측 전극에 의해 양 측 상에 플랭킹(flanked)될 수 있다. 이러한 방식으로, 전극들의 스택이 제공되어 유닛 전지를 형성할 수 있다. 일부 측면에서, 알루미늄 집전체 상에 코팅된 LTO를 포함하는 2개의 단일 측 애노드 전극, 폴리올레핀 분리막, 및 알루미늄 집전체의 양 측 상에 코팅된 이중 측 캐소드 전극이 제공된다. 이러한 유닛 전지를 스택하여 전기화학 전지를 형성한다. 일부 측면에서, 단일 측 애노드 전극은 이러한 스택의 말단에 위치되지만, 스택의 말단 전극은 캐소드일 수 있다는 것이 이해된다.In some aspects of a provided electrochemical cell, the unit cell includes an anode, a cathode, and a separator positioned between the anode and the cathode, wherein an electrolyte is provided in ionic contact with the anode and cathode. Optionally, the unit cell is one comprising a double-sided anode in which the anode electrochemically active material is coated on both sides of a current collector, or the cathode is a double-sided cathode in which both sides of the current collector are coated by a cathode electrochemically active material. The two-side electrode may be flanked on both sides by two single-sided opposite electrodes or another opposite double-sided electrode. In this way, a stack of electrodes may be provided to form a unit cell. In some aspects, two single side anode electrodes comprising LTO coated on an aluminum current collector, a polyolefin separator, and a double side cathode electrode coated on both sides of an aluminum current collector are provided. These unit cells are stacked to form an electrochemical cell. In some aspects, a single side anode electrode is located at the end of such a stack, although it is understood that the end electrode of the stack may be a cathode.
양극, 음극 및 분리막은 하우징에서 결합되어 리튬 이온 전지를 제공할 수 있으며, 이의 일 양태가 도 1에 도시되어 있다. 리튬 이온 전지(100)는, 양극 탭(101')을 갖는 양극(101); 음극 탭(102')을 갖는 음극(102); 및 양극(101)과 음극(102) 사이에 개재된 분리막(103)을 포함한다. 상기 전지는 애노드 및 캐소드 둘 다와 이온 접촉하는 전해질을 포함할 수 있다. 이온 접촉은 전해질이 애노드로부터 캐소드로 또는 캐소드로부터 애노드로 이온을 전달할 수 있음을 의미한다.The positive electrode, the negative electrode and the separator may be combined in a housing to provide a lithium ion battery, one aspect of which is shown in FIG. 1 . The
전기화학 전지는 유닛 전지에 애노드와 캐소드 사이에 위치된 분리막을 포함한다. 분리막은 미세다공성 막, 임의로 폴리올레핀, 예를 들면 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 이들의 조합을 포함하는 다공성 필름으로 형성될 수 있다. 일부 측면에서, 분리막은 세라믹 산화물 재료, 임의로 산화알루미늄의 코팅 또는 미세 미립자 강화 충전제를 추가로 포함할 수 있다. 100cc당 200초 미만의 걸리(Gurley) 공기 투과율을 갖는 고투과성 분리막을 선택하여 전지에 고출력 용량을 제공할 수 있다.An electrochemical cell includes a separator positioned between an anode and a cathode in the unit cell. The separator may be formed of a microporous membrane, optionally a porous film comprising a polyolefin such as polypropylene, polyethylene, or combinations thereof. In some aspects, the separator may further comprise a coating of a ceramic oxide material, optionally aluminum oxide, or a fine particulate reinforcing filler. A high output capacity can be provided to the battery by selecting a high permeability separator having a Gurley air permeability of less than 200 seconds per 100 cc.
애노드, 캐소드, 분리막 및 전해질은 전지 케이스(예를 들면, 하우징)에 하우징될 수 있다. 전지 케이스(110)는 금속 캔일 수 있거나, 라미네이트 필름, 예를 들면 열 밀봉성 알루미늄 포일, 예를 들면 알루미늄 코팅된 폴리프로필렌 필름일 수 있다. 이렇게 하여, 본원에 제공되는 전기화학 전지는 임의의 공지된 전지 형태, 예를 들면 버튼 전지, 파우치 전지, 원통형 전지 또는 다른 적합한 구성일 수 있다. 일부 측면에서, 하우징은 가요성 필름, 임의로 폴리프로필렌 필름 형태이다. 이러한 하우징은 일반적으로 파우치 전지를 형성하는 데 사용된다. 리튬 이온 전지는 임의의 적절한 구성 또는 형상을 가질 수 있으며, 원통형 또는 각기둥일 수 있다.The anode, cathode, separator, and electrolyte may be housed in a battery case (eg, a housing). The
본원에 제공되는 전지는 임의의 회로, 예를 들면 배터리 관리 회로, 또는 충전 속도 또는 충전 또는 방전의 정도를 조절할 수 있고 당업계에서 사용되는 다른 수단을 임의로 배제한다.The cells provided herein are capable of controlling any circuit, such as a battery management circuit, or the rate of charging or the extent of charging or discharging, and optionally excludes other means used in the art.
리튬 이온 전지는 양극(101), 음극(102) 및 분리막(103)과 접촉하는 전해질을 포함한다. 전해질은 유기 용매 및 리튬 염을 포함할 수 있다. 유기 용매는 사이클릭 카보네이트 및 선형 카보네이트 및 에스테르의 혼합물일 수 있다. 대표적인 유기 용매는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 메틸 부티레이트 또는 이들의 조합을 포함한다. 프로필렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트 및 메틸 부티레이트의 혼합물을 들 수 있다.A lithium ion battery includes an electrolyte in contact with a
전해질에 사용되는 대표적인 리튬 염은 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO2C2F5)2, LiSbF6, LiC(CF3SO2)3, LiC4F9SO3 및 LiAlCl4를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 리튬 염은 유기 용매에 용해될 수 있다. 상기 염 중 적어도 하나 및 용매를 포함하는 조합이 사용될 수 있다. 리튬 염의 농도는 전해질 중 0.1 내지 2몰(M)일 수 있다. 1M LiPF6 용액이 언급된다.Representative lithium salts used in the electrolyte are LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiSbF 6 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC 4 F 9 SO 3 and LiAlCl 4 , but are not limited thereto. The lithium salt can be dissolved in an organic solvent. Combinations comprising at least one of the above salts and a solvent may be used. The concentration of the lithium salt may be 0.1 to 2 moles (M) in the electrolyte. A 1M LiPF 6 solution is mentioned.
전해질은 대용량 능력 및 저온 성능을 제공하도록 제형화될 수 있다. 이러한 전해질은 25℃에서 8mS/cm 초과이고 -40℃에서 1mS/cm 초과인 이온 전도도를 가질 수 있다.Electrolytes can be formulated to provide large capacity and low temperature performance. Such electrolytes may have an ionic conductivity greater than 8 mS/cm at 25° C. and greater than 1 mS/cm at −40° C.
리튬 이온 전지로 제조된 배터리는 임의의 적합한 수의 전지, 예를 들면 1 내지 50,000개의 전지, 2 내지 25,000개의 전지, 4 내지 15,000개의 전지, 8 내지 5,000개의 전지, 16 내지 2,000개의 전지 또는 32 내지 1,000개의 전지를 포함할 수 있다. 전지들은 직렬 연결, 병렬 연결 또는 이들의 조합을 포함하는 임의의 적절한 구성으로 연결될 수 있다.Batteries made with lithium ion cells may include any suitable number of cells, such as 1 to 50,000 cells, 2 to 25,000 cells, 4 to 15,000 cells, 8 to 5,000 cells, 16 to 2,000 cells, or 32 to It may contain 1,000 cells. The cells may be connected in any suitable configuration, including a series connection, a parallel connection, or a combination thereof.
전지 및 이들로 제조된 배터리의 충전 및 방전은 임의의 적합한 충전 및 방전 방법을 포함할 수 있고, 임의의 적합한 속도, 예를 들면 1OOC 이하, 10C 이하, 0.01 내지 10C 또는 0.1 내지 1C로 충전 및 방전될 수 있다. C 속도는 전지의 방전 속도로, 전지의 전체 용량을 전체 방전 시간 시간으로 나눈 값이고, 예를 들면, 방전 용량이 1.6암페어-시간인 배터리의 C 속도는 1.6A이다. 방전은 배터리를 1.4V 이하, 임의로 1.3V 이하, 임의로 1.2V 이하, 임의로 1.1V 이하, 임의로 1.0V 이하, 임의로 0.9V 이하, 임의로 0.8V 이하, 임의로 0.7V 이하, 임의로 0.6V 이하, 임의로 0.5V 이하, 임의로 0.4V 이하, 임의로 0.3V 이하, 임의로 0.2V 이하, 임의로 0.1V 이하, 예를 들면, 0.1 내지 0.001V, 0.05 내지 0.005V로 방전시키는 것을 포함한다. 방전은 임의로 0V 이하로의 방전이다.The charging and discharging of cells and batteries made therefrom can include any suitable charging and discharging method, and charging and discharging at any suitable rate, for example 100C or lower, 10C or lower, 0.01 to 10C, or 0.1 to 1C. can be The C rate is the discharge rate of the cell, which is the total capacity of the cell divided by the total discharge time time, for example, the C rate of a battery having a discharge capacity of 1.6 amp-hours is 1.6 A. Discharging the battery to 1.4V or less, optionally 1.3V or less, optionally 1.2V or less, optionally 1.1V or less, optionally 1.0V or less, optionally 0.9V or less, optionally 0.8V or less, optionally 0.7V or less, optionally 0.6V or less, optionally 0.5 V or less, optionally 0.4 V or less, optionally 0.3 V or less, optionally 0.2 V or less, optionally 0.1 V or less, such as 0.1 to 0.001 V, 0.05 to 0.005 V. The discharge is optionally a discharge below 0V.
본 발명의 다양한 측면들은 하기 비제한적인 실시예에 의해 예시된다. 실시예는 예시를 위한 것이며, 본 발명의 임의의 실시에 대한 제한이 아니다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 변형 및 개질이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.Various aspects of the invention are illustrated by the following non-limiting examples. The examples are for illustrative purposes only and are not limiting on any implementation of the present invention. It will be understood that variations and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention.
실시예Example
실시예 1.Example 1.
11.3mg/cm2의 활성 물질 로딩에서, Li1.01Mg0.025Ni0.88Co0.12Al0.0064O2의 공칭 조성을 갖는 코발트 결정립계가 풍부 LNO형 리튬 니켈 산화물(CAMX Power, LLC, Lexington, MA), 아세틸렌 블랙 및 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVdF)의 94:3:3의 중량비의 혼합물을 알루미늄 상에 코팅하여 양극을 제조하였다. 12.7mg/cm2의 활성 물질 로딩에서, 공칭 조성이 Li4Ti5O12이고 비표면적이 10m2/g인 리튬 티탄 산화물, 아세틸렌 블랙 및 PVdF의 90:3:7의 중량비의 혼합물을 알루미늄 상에 코팅하여 음극을 제조하였다. 양극 및 음극 둘 다에 대해, 표면적이 100m2/g인 아세틸렌 블랙(Denka Carbons의 Denka AB-100) 및 분자량이 1,000,000 내지 1,200,000mol/g인 PVdF(Solvay Chemicals의 Solef 5130)를 사용하였다.At an active material loading of 11.3 mg/cm 2 , LNO-type lithium nickel oxide (CAMX Power, LLC, Lexington, MA) rich in cobalt grain boundaries with a nominal composition of Li 1.01 Mg 0.025 Ni 0.88 Co 0.12 Al 0.0064 O 2 , acetylene black and A positive electrode was prepared by coating a mixture of polyvinylidene difluoride (PVdF) in a weight ratio of 94:3:3 on aluminum. At an active material loading of 12.7 mg/cm 2 , a mixture of lithium titanium oxide with a nominal composition Li 4 Ti 5 O 12 and a specific surface area of 10 m 2 /g, acetylene black and PVdF in a weight ratio of 90:3:7 was mixed onto aluminum phase. was coated to prepare a negative electrode. For both the positive and negative electrodes , acetylene black with a surface area of 100 m 2 /g (Denka AB-100 from Denka Carbons) and PVdF with a molecular weight of 1,000,000 to 1,200,000 mol/g (Solef 5130 from Solvay Chemicals) were used.
양극 및 음극은 72.7cm2의 동일한 기하학적 면적을 가졌다. 12개의 이중 측 양극 층과 11개의 이중 측 음극 층 및 2개의 단일 측 음극 층을 Z-폴딩된(folded) 분리막 어셈블리로 스택하였다. 분리막은 걸리 공기 투과율이 110초인 21㎛ 두께의 알루미나 코팅된 폴리올레핀 재료였다. 전극들의 스택 어셈블리를, 패키지의 가장자리 밀봉을 통해 공급되는 전극 탭이 있는 알루미늄 코팅된 폴리프로필렌 봉투에 배치하였고, 프로필렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트 및 메틸 부티레이트의 1:1:2의 중량비의 혼합물 중 1M LiPF6으로 구성되고, 이온 전도도가 25℃에서 11mS/cm이고 -40℃에서 2mS/cm인 전해질을 밀봉 전에 첨가하여, 3암페어-시간(Ah) 라미네이트 패키징된 각기둥 전지를 82g의 중량으로 제공하였다.The anode and cathode had the same geometric area of 72.7 cm 2 . Twelve double side anode layers and 11 double side cathode layers and two single side cathode layers were stacked into a Z-folded separator assembly. The separator was a 21 μm thick alumina-coated polyolefin material with a Gurley air permeability of 110 seconds. The stack assembly of electrodes was placed in an aluminum coated polypropylene envelope with electrode tabs supplied through the edge seal of the package, and 1M LiPF in a mixture of propylene carbonate, ethyl methyl carbonate and methyl butyrate in a 1:1:2 weight ratio. An electrolyte consisting of 6 and having an ionic conductivity of 11 mS/cm at 25° C. and 2 mS/cm at −40° C. was added prior to sealing to give a 3 amp-hour (Ah) laminate packaged prismatic cell weighing 82 g.
상기 전지를 실온에서 2.75V와 1.4V 사이에서 다양한 속도로 사이클링시켰다. 또한, -50℃에서 3.0V와 1.2V 사이에서 다양한 속도로 사이클링시켰다.The cell was cycled at various rates between 2.75V and 1.4V at room temperature. It was also cycled at -50°C at various rates between 3.0V and 1.2V.
도 2는 실온에서 실시된 0.6A 속도에서의 전지의 제1 충전 및 방전, 및 3A 및 9A 속도에서의 후속 충전 및 방전의 전압 프로파일을 예시하는 전지 전압(볼트, V) 대 용량(암페어-시간, Ah)의 그래프이다. 0.6A의 제1 충전 전압 프로파일은 상기 디자인의 애노드 제한 충전 용량 특성인 약 2.55V에서의 상승 전환(upturn)을 나타낸다. 상기 전지는 전류가 0.6A(C/5)에서 9A(3C)로 증가함에 따라 전압 분극이 완만하게 증가하는 것으로 입증되는 바와 같이, 높은 속도 성능을 가지고 있다.2 is cell voltage (volts, V) versus capacity (ampere-hours) illustrating the voltage profiles of a first charge and discharge of a cell at a rate of 0.6 A, and subsequent charges and discharges at rates of 3 A and 9 A, conducted at room temperature; , Ah) is a graph. A first charge voltage profile of 0.6A exhibits an upturn at about 2.55V, which is characteristic of the anode limiting charge capacity of the design. The cell has high rate performance, as evidenced by a gentle increase in voltage polarization as the current increases from 0.6A (C/5) to 9A (3C).
도 3은 -50℃에서 다양한 속도로 충전 및 방전되는 전지에 대한 전압 프로파일을 나타내는 전지 전압(볼트, V) 대 용량(암페어-시간, Ah)의 그래프로서, 기존 리튬 이온 배터리 기술로 접근 가능한 범위를 벗어났다. 전압 제한은 실온에서의 사이클링(도 4)에 대한 제한에 비해 확장되어 상기 극저온에서의 보다 더 높은 전압 분극을 수용한다. 전지는 0.6A로 방전시 이의 용량의 절반 이상을 전달하고, 10C로 방전시 이의 용량의 40% 초과를 전달한다. 놀랍게도, 상기 전지는 3V 충전 전압 제한 내에서 3A(1C)의 속도로 이의 용량의 거의 절반까지 충전할 수 있다.3 is a graph of cell voltage (volts, V) versus capacity (ampere-hours, Ah) showing voltage profiles for cells charged and discharged at various rates at -50°C, in a range accessible with conventional lithium-ion battery technology; got out of The voltage limit is extended compared to the limit for cycling at room temperature (FIG. 4) to accommodate the higher voltage polarization at the cryogenic temperature. The cell delivers more than half of its capacity when discharged to 0.6A and more than 40% of its capacity when discharged to 10C. Surprisingly, the cell can be charged to almost half its capacity at a rate of 3A (1C) within the 3V charging voltage limit.
실시예 2.Example 2.
실시예 1의 재료 및 방법을 사용하지만, 다음과 같은 차이점으로 2개의 120mAh 라미네이트 패키징된 각기둥 전지를 제조했다.Two 120 mAh laminate packaged prismatic cells were prepared using the materials and methods of Example 1, but with the following differences.
양극 활성 물질 로딩은 9.0mg/cm2였고, 음극 활성 물질 로딩은 9.4mg/cm2였다. 개별 캐소드 및 애노드 조각은 둘 다 면적이 10.2cm2였고, 5개의 이중 측 양극 층, 4개의 이중 측 음극 층 + 2개의 단일 측 음극 층으로 스택으로 어셈블리하였다. 전지는 먼저 실온에서 2.43V와 1.33V 사이에서 사이클링시켰으며, 이는 14.6V와 8.0V 사이에서 사이클링되는 6-시리즈 전지 배터리에 해당한다. 이후, 이를 45℃의 오븐에서 1.2A(10C)의 충전 속도 및 1.2A(10C)의 방전 속도로 2.43V와 1.33V 사이에서 1,000회 사이클링시켰다. 상기 전지는 상기 사이클링 동안 가스에 대한 경우 스택 압력을 유지하기 위해 임의의 외부 고정 장치(fixturing) 없는 자유 지지형(free-standing)이었다. 사이클링이 완료된 후 전지를 검사하고 계측한 결과, 어떠한 가스를 방출했다는 증거가 나타나지 않았다.The positive active material loading was 9.0 mg/cm 2 , and the negative active material loading was 9.4 mg/cm 2 . The individual cathode and anode pieces both had an area of 10.2 cm 2 and were assembled into a stack with 5 double side anode layers, 4 double side cathode layers + 2 single side cathode layers. The cell was first cycled between 2.43V and 1.33V at room temperature, corresponding to a 6-series cell battery cycled between 14.6V and 8.0V. It was then cycled 1,000 times between 2.43V and 1.33V in an oven at 45°C with a charge rate of 1.2A (10C) and a discharge rate of 1.2A (10C). The cell was free-standing without any external fixturing to maintain the stack pressure in the case of gas during the cycling. After the cycling was complete, the cells were inspected and measured and showed no evidence of any gas release.
도 4는 45℃에서 사이클링 동안 전지 둘 다에 대한 10C 방전 용량 대 사이클 수의 그래프이며, 상기 전지에 의해 전달되는 용량이 이러한 공격적인 사이클링 레짐(regime) 과정 동안 약 5%만이 감소됨을 나타내며, 이는 상기 전지가 승온 안정성이 우수하고 급속 충전을 반복해도 손상되지 않음을 입증한다.FIG. 4 is a graph of 10C discharge capacity versus number of cycles for both cells during cycling at 45° C., showing that the capacity delivered by the cells only decreases by about 5% during this aggressive cycling regime; It is demonstrated that the battery has excellent temperature-rise stability and is not damaged by repeated rapid charging.
실시예 3Example 3
실시예 1의 재료 및 방법을 사용하지만 다음과 같은 차이점으로, 매우 높은 전력 용량을 위해 디자인된 325mAh 라미네이트 패키징된 각기둥 전지를 제조하였다:A 325 mAh laminate packaged prismatic cell designed for very high power capacity was prepared using the materials and methods of Example 1 but with the following differences:
양극 활성 물질 로딩은 3.6mg/cm2였고, 음극 활성 물질 로딩은 3.7mg/cm2였다. 개별 캐소드 및 애노드 조각은 면적이 10.2cm2였고, 36개의 이중 측 양극 층, 및 35개의 이중 측 음극 층 + 2개의 단일 측 음극 층으로 스택으로 어셈블리하였다. 분리막은 100초의 걸리 공기 투과율을 갖는 6㎛ 두께의 폴리올레핀 물질이었다. 완성된 전지의 중량은 13.5g였고, 용적은 7.2cc였다.The positive electrode active material loading was 3.6mg / cm 2, the anode active material loading was 3.7mg / cm 2. The individual cathode and anode pieces had an area of 10.2 cm 2 and were assembled into a stack with 36 double side anode layers, and 35 double side cathode layers plus 2 single side cathode layers. The separator was a 6 μm thick polyolefin material with a Gurley air permeability of 100 seconds. The weight of the finished battery was 13.5 g, and the volume was 7.2 cc.
상기 전지는 실온에서 2.59V와 1.31V 사이에서 사이클링되었으며, 이는 다양한 일정한 전력 레벨에서 28.5V와 14.4V 사이에서 사이클링되는 11-시리즈 전지 배터리에 해당한다. 도 5는 다양한 전력 레벨에서 전지의 충전 및 방전에 대한 전압(볼트, V) 대 용량(mAh)의 그래프 2개를 각각 나타낸 것으로, 전지의 현저하게 높은 전력 용량을 나타낸다. 5kW/kg 초과의 일정한 비전력 및 11kW/l 초과의 전력 밀도에 해당하는 80W의 일정한 전력에서, 전지는 거의 30초 동안 연속 충전을 유지하고 약 11초 동안 연속 방전을 유지하여, 전지의 용량의 약 45%를 제공하고, 18.5Wh/kg으로 전지의 전체 에너지 함량의 약 35%를 구성한다.The cell was cycled between 2.59V and 1.31V at room temperature, which corresponds to an 11-series cell battery cycled between 28.5V and 14.4V at various constant power levels. 5 shows two graphs, respectively, of voltage (volts, V) versus capacity (mAh) versus charging and discharging of the battery at various power levels, respectively, indicating the significantly higher power capacity of the battery. At a constant specific power of more than 5 kW/kg and a constant power of 80 W, which corresponds to a power density of more than 11 kW/l, the cell maintains a continuous charge for nearly 30 seconds and a continuous discharge for about 11 seconds, resulting in an increase in the capacity of the cell. It provides about 45% and 18.5 Wh/kg constitutes about 35% of the total energy content of the cell.
실시예 4Example 4
실시예 1의 재료 및 방법을 사용하지만 다음과 같은 차이점으로, Li 금속 기준 전극을 포함하는 3-전극의 130mAh 라미네이트-패키징된 각기둥 전지를 제조하였다:A 3-electrode 130 mAh laminate-packaged prismatic cell was prepared using the materials and methods of Example 1 but with a Li metal reference electrode with the following differences:
양극 활성 물질 로딩은 9.1mg/cm2였고, 음극 활성 물질 로딩은 10.0mg/cm2였다. 개별 캐소드 및 애노드 조각은 면적이 10.2cm2였고, 5개의 이중 측 양극 층, 및 4개의 이중 측 음극 층 + 2개의 단일 측 음극 층으로 스택으로 어셈블리하였다.The positive active material loading was 9.1 mg/cm 2 , and the negative active material loading was 10.0 mg/cm 2 . The individual cathode and anode pieces had an area of 10.2 cm 2 and were assembled into a stack with 5 double side anode layers, and 4 double side cathode layers plus 2 single side cathode layers.
실온 및 -18℃에서 2.59V와 1.31V 사이의 연속적인 일정 전류 및 펄스 충전/방전 사이클링에 의해 전지의 성능을 특성 확인했고, 애노드(음극) 전위를 캐소드 전위와 전지 전압의 차이에 의해 계산하여, 전지가 사이클링될 때의 양극 대 Li 금속 기준 전극 전압을 계측함으로써 캐소드의 전위를 모니터링하였다. 이후 상기 전지를 0V로 방전시키고 24시간 동안 상기 전압으로 유지한 후, 0.1C의 속도(즉, 30분 동안 13mA 방전)에서 전지의 용량의 추가의 5%(6.5mAh)만큼 과방전하여 전압 역전을 수행하였다. 역전 후, 전지를 재충전하여 이의 성능을 다시 특성 확인하였다.The performance of the cell was characterized by continuous constant current and pulse charge/discharge cycling between 2.59 V and 1.31 V at room temperature and -18 °C, and the anode (negative) potential was calculated by the difference between the cathode potential and the cell voltage. , the potential of the cathode was monitored by measuring the anode versus Li metal reference electrode voltage when the cell was cycled. The cell was then discharged to 0V and held at that voltage for 24 hours, then overdischarged by an additional 5% (6.5mAh) of the cell's capacity at a rate of 0.1C (i.e., 13mA discharge for 30 minutes) to reverse the voltage. carried out. After reversal, the cell was recharged to re-characterize its performance.
도 6은 개방 회로에서의 30분의 시간의 전지의 과방전 및 후속 30분의 이완에 대한 전극 전위(Li 기준에 대한 V) 및 전지 전압 대 시간(분)의 그래프이다. 상기 그래프는 전지 전압이 역전되어 약 -3.5V에 도달했으며, 캐소드 및 애노드 전위가 각각 약 Li에 대해 1.9V 및 Li에 대해 5.4V에 도달했음을 보여준다. 개방 회로에서, 전지 전압은, 주로 높은 애노드 전위의 급격한 감소로 인해, 급격히 증가되는 반면 낮은 캐소드 전위는 훨씬 더 천천히 상승하여, 과방전 동안 애노드에서의 전압 분극이 캐소드에서의 전압 분극보다 더 큰 것을 보여주며, 과방전 동안 캐소드를 통과한 전하가 가역적인 패러데이 과정과 관련되어 있음을 나타낸다.6 is a graph of electrode potential (V versus Li reference) and cell voltage versus time (in minutes) for overdischarge of the cell at a time of 30 minutes and subsequent relaxation of 30 minutes in open circuit. The graph shows that the cell voltage was reversed and reached about -3.5V, and the cathode and anode potential reached about 1.9V for Li and 5.4V for Li, respectively. In an open circuit, the cell voltage increases rapidly, mainly due to a sharp decrease in the high anode potential, while the low cathode potential rises much more slowly, indicating that the voltage polarization at the anode during overdischarge is greater than the voltage polarization at the cathode. shows that the charge passed through the cathode during overdischarge is related to a reversible Faraday process.
도 7은 전지가 역전되기 전 및 후의 실온에서의 다양한 속도의 방전에 대한 전압(볼트) 대 용량(Ah) 그래프로서, 5% 용량 역전이 실온 방전 특성에 미치는 영향이 최소임을 보여준다.7 is a graph of voltage (volts) versus capacity (Ah) for various rates of discharge at room temperature before and after inversion of the cell, showing that the effect of 5% capacity reversal on room temperature discharge characteristics is minimal.
도 8은 전지가 역전되기 전 및 후의 -18℃에서의 연속적인 10C(1.3A), 30초 지속 펄스 방전에 대한 전압(볼트) 대 용량(mAh)의 그래프이다. 전지는 시험 동안 감지할 수 있을 정도로 자체 발열되지 않음을 보장하도록 각각의 펄스 후 (다음 펄스 전) 30분 동안 개방 회로에서 휴지시켰다. 전지는 역전 전 및 후 둘 다에서 충전 상태 범위(65mAh)의 50%에 걸쳐 상기 공격적인 저온 펄싱을 지원할 수 있었으며, 이는 저온 펄스 전력 성능에 대한 5% 용량 역전의 영향이 최소화되었음을 보여준다.8 is a graph of voltage (volts) versus capacity (mAh) for a continuous 10C (1.3A), 30 second lasting pulse discharge at -18°C before and after the cell was reversed. Cells were rested in open circuit for 30 minutes after each pulse (before the next) to ensure that they did not appreciably self-heat during testing. The cell was able to support the aggressive cold pulsing over 50% of the state of charge range (65 mAh) both before and after reversal, showing that the effect of 5% capacity reversal on cold pulsed power performance was minimal.
실시예 5Example 5
실시예 4의 재료 및 방법을 사용하여 Li 금속 기준 전극을 함유하는 3-전극의 130mAh 라미네이트-패키징된 각기둥 전지를 제조하였다. 전지의 성능을 실온 및 -18℃에서 연속적인 일정 전류 및 2.59V와 1.31V 사이의 펄스 충전/방전 사이클링에 의해 특성 확인했고, 애노드(음극) 전위를 캐소드 전위와 전지 전압의 차이에 의해 계산하여, 전지가 사이클링될 때의 양극 대 Li 금속 기준 전극 전압을 계측함으로써 캐소드의 전위를 모니터링하였다. 이후 상기 전지를 2.59V로 충전한 후, 0.1C의 속도(즉, 60분 동안 13mA 충전)로 전지의 용량의 추가의 10%(13mAh)만큼 과충전하였다. 과충전 후, 전지를 방전하여 이의 성능을 다시 특성 확인하였다.The materials and methods of Example 4 were used to fabricate a 3-electrode 130 mAh laminate-packaged prismatic cell containing a Li metal reference electrode. The performance of the cell was characterized by continuous constant current and pulsed charge/discharge cycling between 2.59 V and 1.31 V at room temperature and -18 °C, and the anode (negative) potential was calculated by the difference between the cathode potential and the cell voltage. , the potential of the cathode was monitored by measuring the anode versus Li metal reference electrode voltage when the cell was cycled. The cell was then charged to 2.59V and then overcharged by an additional 10% (13mAh) of the cell's capacity at a rate of 0.1C (ie, 13mA charge for 60 minutes). After overcharging, the battery was discharged to characterize its performance again.
도 9는 개방 회로에서 60분 지속 시간의 전지 과충전 및 후속 30분의 이완에 대한 전극 전위(Li 기준에 대한 V) 및 전지 전압 대 시간(분)의 그래프이다. 상기 그래프는 과충전된 전지 전압이 약 3.5V에 도달했고, 캐소드 및 애노드 전위가 각각 Li에 대해 약 4.1V 및 Li에 대해 0.6V에 도달했음을 보여준다. 개방 회로에서, 전지 전압은, 애노드 전위의 증가로 인해, 감소한 반면 캐소드 전위는 변화하지 않았으며, 과충전 동안 애노드에서의 전압 분극이 캐소드에서보다 더 큰 것을 보여주며, 약 20%의 과량의 캐소드를 갖는 애노드 제한 전지 디자인에서 예상되는 바와 같이, 과충전 동안 캐소드를 통과한 전하가 정상적인 가역적 패러데이 공정과 관련이 있음을 나타낸다.9 is a graph of electrode potential (V versus Li reference) and cell voltage versus time in minutes for a cell overcharge of a duration of 60 minutes and subsequent relaxation of 30 minutes in open circuit. The graph shows that the overcharged cell voltage reached about 3.5V and the cathode and anode potential reached about 4.1V for Li and 0.6V for Li, respectively. In the open circuit, the cell voltage decreased due to the increase of the anode potential while the cathode potential did not change, showing that the voltage polarization at the anode during overcharging is greater than at the cathode, with about 20% excess of the cathode. This indicates that the charge passed through the cathode during overcharging is associated with a normal reversible Faraday process, as would be expected in the anode-limited cell design with
도 10은 전지가 역전되기 전 및 후의 실온에서의 다양한 속도의 방전에 대한 전압(볼트) 대 용량(Ah)의 그래프이고, 실온 방전 특성에 대한 10% 과충전의 영향이 최소임을 나타낸다. 25C 방전 동안의 전압 분극은 이전보다 과충전 후에 보다 더 컸으며, 이는 과충전이 전지의 임피던스를 약간 증가시켰음을 나타낸다.10 is a graph of voltage (volts) versus capacity (Ah) for various rates of discharge at room temperature before and after the cell is reversed, showing that the effect of 10% overcharge on room temperature discharge characteristics is minimal. The voltage polarization during 25C discharge was larger than before after overcharge, indicating that overcharge slightly increased the impedance of the cell.
도 11은 전지가 과충전되기 전 및 후의 -18℃에서의 연속적인 10C(1.3A), 30초 지속 펄스 방전에 대한 전압(볼트) 대 용량(mAh)의 그래프이다. 전지는 시험 동안 감지할 수 있을 정도로 자체 발열되지 않음을 보장하도록 각각의 펄스 후 (다음 펄스 전) 30분 동안 개방 회로에서 휴지시켰다. 전지는 과충전되기 전에 65mAh 깊이의 방전 범위에 걸쳐 그리고 역전된 후에는 50mAh 깊이의 방전 범위 전반에 걸쳐 상기 저온 펄싱을 지원할 수 있었으며, 펄싱 동안의 전압 분극이 과충전 후에 보다 더 높았다. 이러한 공격적인 저온 펄스 시험의 결과는 전지의 임피던스가 과충전으로 인해 증가했지만 그럼에도 불구하고 높은 수준의 성능을 유지했음을 보여준다.11 is a graph of voltage (volts) versus capacity (mAh) for a continuous 10C (1.3A), 30 second sustained pulse discharge at -18°C before and after the cell was overcharged. Cells were rested in open circuit for 30 minutes after each pulse (before the next) to ensure that they did not appreciably self-heat during testing. The cell was able to support the low temperature pulsing over a discharge range of a depth of 65 mAh before being overcharged and over a discharge range of a depth of 50 mAh after reversing, and the voltage polarization during pulsing was higher than after overcharging. The results of these aggressive low-temperature pulse tests show that the impedance of the cell increased due to overcharging, but nevertheless maintained a high level of performance.
실시예 6Example 6
실시예 1의 재료 및 방법을 사용하지만 다음과 같은 차이점으로, 2.5Ah 라미네이트 패키징된 각기둥 전지를 제조했다.A 2.5 Ah laminate packaged prismatic cell was prepared using the materials and methods of Example 1 but with the following differences.
양극 활성 물질 로딩은 11.2mg/cm2였고, 음극 활성 물질 로딩은 12.6mg/cm2였다. 개별 캐소드 및 애노드 조각의 면적은 72.7cm2였고, 10개의 이중 측 양극 층, 9개의 이중 측 음극 층 + 2개의 단일 측 음극 층으로 스택으로 어셈블리하였다.The positive active material loading was 11.2 mg/cm 2 , and the negative active material loading was 12.6 mg/cm 2 . The area of the individual cathode and anode pieces was 72.7 cm 2 , and they were assembled into a stack with 10 double side anode layers, 9 double side cathode layers + 2 single side cathode layers.
전지를 먼저 0.5A로 2.75V로 충전한 다음, 다양한 속도로 2.75V와 1.4V 사이에서 사이클링시켜 성능을 평가하였다. 이후, 전지를 실온에서 2.5A(1C)의 충전 속도 및 2.5A(1C) 방전 속도로 2.65V와 1.4V 사이에서 1,000회 사이클링시켰다. 상기 사이클링 동안 전지는 2.2Ah 용량을 지속적으로 유지하였다. 1,000사이클 후, 상기 전지를 0V로 방전시키고 실온에서 33개월 동안 저장하였다. 이러한 저장 후, 전지 개방 회로 전압은 0V로 계측되었으며, 이후 전지는 새로(freshly) 구축되었을 때 특성 확인에 사용된 것과 동일한 프로토콜에 따라 충전하고 사이클링하였다.The cell was first charged to 2.75V at 0.5A and then cycled between 2.75V and 1.4V at various rates to evaluate performance. The cell was then cycled 1,000 times between 2.65V and 1.4V at room temperature at a charge rate of 2.5A (1C) and a discharge rate of 2.5A (1C). During the cycling, the cell maintained a continuous capacity of 2.2 Ah. After 1,000 cycles, the cell was discharged to 0V and stored at room temperature for 33 months. After this storage, the cell open circuit voltage was measured to 0V, after which the cell was charged and cycled according to the same protocol used for characterization when freshly built.
도 12는 전지가 1,000회 사이클링된 후 0V 조건에서 33개월간 저장되기 전 및 후에 실온에서의 다양한 속도 방전에 대한 전압(볼트) 대 용량(Ah)의 그래프로서, 전지의 성능이 사이클링 및 연장된 0V 저장에 의해 크게 변하지 않았음을 보여주고 있다. 이러한 결과는 본 발명의 전지 기술에 대한 0V 조건에서의 우수한 사이클링 안정성 및 저장 수명을 입증한다. 상기 도면은 또한 연장된 0V 저장 후 0.5A로의 제1 충전이 새로(freshly) 제조한 전지의 0.5A에서의 제1 충전과 본질적으로 중첩됨을 보여두며, 이는 0V로의 방전이 전지를 만들어진 당시의(as-made) 조건으로 되돌림을 나타낸다.12 is a graph of voltage (volts) versus capacity (Ah) for various rate discharges at room temperature before and after the battery has been cycled 1,000 times and then stored for 33 months at 0V condition, wherein the performance of the battery is cycled and extended at 0V; It shows that it did not change significantly by storage. These results demonstrate excellent cycling stability and shelf life at 0V conditions for the battery technology of the present invention. The figure also shows that the first charge to 0.5A after extended 0V storage essentially overlaps the first charge at 0.5A of a freshly made cell, which indicates that the discharge to 0V was at the time the cell was made ( as-made) indicates a return to the condition.
실시예 7Example 7
실시예 1의 재료 및 방법을 사용하지만 다음과 같은 차이점으로 2.7Ah 라미네이트-패키징된 각기둥 전지를 제조하였다.A 2.7 Ah laminate-packaged prismatic cell was prepared using the materials and methods of Example 1 but with the following differences.
양극 활성 물질 로딩은 8.4mg/cm2였고, 음극 활성 물질 로딩은 9.1mg/cm2였다. 개별 캐소드 및 애노드 조각의 면적은 72.7cm2였고, 15개의 이중 측 양극 층, 및 14개의 이중 측 음극 층 + 2개의 단일 측 음극 층으로 스택으로 어셈블리하였다.The positive active material loading was 8.4 mg/cm 2 , and the negative active material loading was 9.1 mg/cm 2 . The individual cathode and anode pieces had an area of 72.7 cm 2 and were assembled into a stack with 15 double side anode layers, and 14 double side cathode layers plus 2 single side cathode layers.
상기 전지를 먼저 2.65V로 충전한 다음, 1cm/초의 속도로 무딘 2mm 직경의 스테인리스 강 네일을 전지 내로 밀어 넣고 1분 동안 전지에서 유지하여 맞춤 디자인된 장치에서 네일 관통 시험하는 동시에 전지의 전압 및 표면 온도를 기록하였다. 도 13은 네일 관통 시험 전, 시험 동안 및 시헌 후의 전지 전압(V) 및 표면 온도(℃)의 그래프이다. 상기 도면은, 저속 방전(예를 들면, <C/10) 하의 전압 변화와 유사하게, 네일이 전지에 있는 동안 전지의 전압이 매우 느리게 감소함을 보여주며, 이는 연성 단락(soft short)이 발생했음을 나타낸다. 이러한 전압 변화는 네일을 제거했을 때 멈췄으며, 이는 단락이 제거되었음을 나타낸다. 유사하게는, 전지의 표면 온도는 네일 관통 동안 아주 약간만 증가하였다. 이러한 결과는 관통하는 기계적 남용을 겪는 동안 대용량 소실 내부 단락 회로의 발생에 대한 전지 기술의 현저한 저항을 입증한다.The cell was first charged to 2.65V, then a blunt 2mm diameter stainless steel nail was pushed into the cell at a rate of 1 cm/sec and held in the cell for 1 minute to test the nail penetration in a custom designed device while simultaneously testing the voltage and surface of the cell. The temperature was recorded. 13 is a graph of cell voltage (V) and surface temperature (°C) before, during, and after a nail penetration test. The figure shows that the voltage of the cell decreases very slowly while the nail is in the cell, similar to the voltage change under slow discharge (eg <C/10), which causes a soft short. indicates that This voltage change stopped when the nail was removed, indicating that the short was removed. Similarly, the surface temperature of the cells increased only slightly during nail penetration. These results demonstrate the remarkable resistance of the cell technology to the occurrence of large-capacity dissipation internal short circuits while undergoing penetrating mechanical abuse.
실시예 8Example 8
실시예 1의 재료 및 방법을 사용하지만 다음과 같은 차이점으로 4Ah 라미네이트 패키징된 각기둥 전지를 제조하였다.A 4Ah laminate packaged prismatic cell was prepared using the materials and methods of Example 1 but with the following differences.
양극 활성 물질 로딩은 9.3mg/cm2였고, 음극 물질 로딩은 9.0mg/cm2였다.The positive electrode active material loading was 9.3 mg/cm 2 , and the negative electrode material loading was 9.0 mg/cm 2 .
개별 캐소드 및 애노드 조각은 면적이 124.9cm2였고, 12개의 이중 측 양극 층, 및 11개의 이중 측 음극 층 + 2개의 단일 측 음극 층으로 스택으로 어셈블리하였다.The individual cathode and anode pieces had an area of 124.9 cm 2 and were assembled into a stack with 12 double side anode layers, and 11 double side cathode layers plus 2 single side cathode layers.
전지의 성능은 먼저 실온에서 다양한 속도로 2.59V와 1.31V 사이에서 사이클링한 다음, 2.75V로 충전하여 특성 확인하였다. 이후, 충전된 전지를 맞춤형으로 디자인된 장치에서 5분 동안에 걸쳐 10cm의 폭을 가로질러 배치된 1/2" 직경의 스테인리스 강 바 아래에서 압궤하는 동시에 전지의 전압 및 표면 온도를 기록하였다. 압궤 시험 동안, 바에 가해지는 힘을 35kN(3.8ton)으로 증가시켰으며, 압궤 장치로 계측한 변위는 최대 압궤선에서의 전지의 두께가 5mm에서 0.5mm로 감소된 것으로 나타났다. 압궤 이벤트 동안 전지의 전압은 저속 방전에서와 같이 2.556V에서 2.552V로 서서히 떨어졌고 표면 온도는 1℃ 증가하였다. 바 및 전지 상의 압력의 해제시 전압 강하가 정지되었고 온도가 증가가 정지되었다. 이후 전지의 성능을 2.59V와 1.31V 사이에서 사이클링하여 다시 특성 확인하였다.The performance of the battery was characterized by first cycling between 2.59V and 1.31V at various rates at room temperature and then charging to 2.75V. The charged cell was then crushed under a 1/2" diameter stainless steel bar placed across a width of 10 cm over a period of 5 minutes in a custom designed device while the voltage and surface temperature of the cell were recorded. During the crushing event, the force applied to the bar was increased to 35 kN (3.8 ton), and the displacement measured by the crusher showed that the thickness of the cell at the maximum crush line was reduced from 5 mm to 0.5 mm. As in the slow discharge, it gradually dropped from 2.556V to 2.552V and the surface temperature increased by 1° C. When the pressure on the bar and the cell was released, the voltage drop stopped and the temperature stopped increasing. After that, the performance of the cell was reduced to 2.59V and Characterization was again confirmed by cycling between 1.31V.
도 14는 원형 바 압궤를 가하기 전 및 후의 실온에서의 2가지 속도로의 전지의 방전에 대한 전압(Volts) 대 용량(Ah)의 그래프이다. 상기 도면은 전지의 성능이 압궤 시험에 의해 영향을 받지 않았음을 보여주며, 기계적 남용을 겪을 때 대용량 소실 내부 단락 회로의 발생에 대한 전지 기술의 현저한 저항을 추가로 입증한다.14 is a graph of voltage (Volts) versus capacity (Ah) versus discharge of a cell at two rates at room temperature before and after applying a circular bar crush. The figure shows that the performance of the cell was not affected by the crush test, further demonstrating the remarkable resistance of the cell technology to the occurrence of large-capacity dissipation internal short circuits when subjected to mechanical abuse.
실시예 9Example 9
실시예 1의 재료 및 방법을 사용하지만 다음과 같은 차이점으로 5Ah 라미네이트 패키징된 각기둥 전지를 제조하였다.A 5Ah laminate packaged prismatic cell was prepared using the materials and methods of Example 1 but with the following differences.
양극 활성 물질 로딩은 9.5mg/cm2였고, 음극 활성 물질 로딩은 9.1mg/cm2였다. 개별 캐소드 및 애노드 조각은 면적이 141.9cm2였고, 16개의 이중 측 양극 층, 및 15개의 이중 측 음극 층 + 2개의 단일 측 음극 층으로 스택으로 어셈블리하였다.The positive active material loading was 9.5 mg/cm 2 , and the negative active material loading was 9.1 mg/cm 2 . The individual cathode and anode pieces had an area of 141.9 cm 2 and were assembled into a stack with 16 double side anode layers, and 15 double side cathode layers plus 2 single side cathode layers.
본 실시예의 전지는 다음과 같은 핵심 요소를 갖는다.The battery of this embodiment has the following key elements.
a. 알루미늄 집전체 상에 코팅된 리튬 티탄 산화물(LTO)을 포함하는 음극. 코팅은 비표면적이 10m2/g인 LTO, 전도성 첨가제로서의 아세틸렌 블랙, 결합제로서의 PVdF의 90:3:7의 중량비의 혼합물이다. 아세틸렌 블랙의 표면적은 100m2/g(Denka의 Denka AB-100)이고, PVdF(Solvay의 Solef 5130)의 분자량은 1,000,000 내지 1,200,000mol/g의 범위이다. 아세틸렌 블랙 전도성 탄소는 애노드 전극 표면의 5% 미만을 점유한다. 코팅되지 않은 알루미늄 스트립이 음극 탭을 형성한다.a. A negative electrode comprising lithium titanium oxide (LTO) coated on an aluminum current collector. The coating is a mixture of LTO with a specific surface area of 10 m 2 /g, acetylene black as conductive additive and PVdF as binder in a weight ratio of 90:3:7. The surface area of acetylene black is 100 m 2 /g (Denka AB-100 from Denka) and the molecular weight of PVdF (Solef 5130 from Solvay) ranges from 1,000,000 to 1,200,000 mol/g. Acetylene black conductive carbon occupies less than 5% of the anode electrode surface. An uncoated aluminum strip forms the negative electrode tab.
b. 알루미늄 집전체 상에 코팅된 전체 조성이 Li1.01Mg0.025Ni0.88Co0.12Al0.0064O2인 고-니켈 캐소드 재료을 포함하는 양극. 상기 코팅은 아세틸렌 블랙 및 PVdF의 94:3:3의 중량비의 혼합물이다. 아세틸렌 블랙은 표면적이 100m2/g이고, PVdF의 분자량은 1,000,000 내지1,200,000mol/g의 범위이다. 코팅되지 않은 알루미늄 스트립이 양극 탭을 형성한다.b. A positive electrode comprising a high-nickel cathode material having an overall composition of Li 1.01 Mg 0.025 Ni 0.88 Co 0.12 Al 0.0064 O 2 coated on an aluminum current collector. The coating is a mixture of acetylene black and PVdF in a weight ratio of 94:3:3. Acetylene black has a surface area of 100 m 2 /g, and the molecular weight of PVdF ranges from 1,000,000 to 1,200,000 mol/g. An uncoated aluminum strip forms the anode tab.
c. 일 측에 알루미나로 코팅되고 걸리 공기 투과율이 110초인 21㎛ 두께의 폴리올레핀 분리막으로, 상기 알루미나 측이 양극의 반대편에 위치된다.c. A 21 μm thick polyolefin separator coated with alumina on one side and having a Gurley air permeability of 110 seconds, the alumina side being positioned opposite to the anode.
d. 양극 및 음극의 기하학적 면적은 동일하다.d. The geometric areas of the anode and cathode are the same.
e. 이중 측 음극, 분리막 및 이중 측 양극의 스택 배열을 사용하여 전기화학 전지를 어셈블리하였다.e. An electrochemical cell was assembled using a stacked arrangement of a double-sided negative electrode, a separator, and a double-sided positive electrode.
f. 양극 탭들이 서로 중첩되어 서로 그리고 양성 전지 탭에 대해 초음파 웰딩되고(welded), 음극 탭들이 서로 중첩되어 서로 그리고 음성 전지 탭에 대해 초음파 웰딩되도록 스택된다.f. The positive electrode tabs are superimposed and ultrasonically welded to each other and to the positive cell tab, and the negative electrode tabs are stacked to overlap each other and are stacked to be ultrasonically welded to each other and to the negative cell tab.
g. 스택의 말단 층은 음극이다.g. The end layer of the stack is the cathode.
h. 프로필렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트 및 메틸 부티레이트의 1:1:2의 중량비의 혼합물 중 1M LiPF6을 포함하고, 이온 전도도가 25℃에서 11mS/cm이고 -40℃에서 2mS/cm인 전해질.h. An electrolyte comprising 1M LiPF 6 in a mixture of propylene carbonate, ethyl methyl carbonate and methyl butyrate in a weight ratio of 1:1:2, and having an ionic conductivity of 11 mS/cm at 25°C and 2 mS/cm at -40°C.
실온에서 2.65V와 1.5V 사이의 2A 충전, 8A 방전 사이클을, 이후에 2.65V로 충전하여 전지의 성능을 특징 확인하였다. 이후, 충전된 전지는 실시예 7의 방식으로 3회 네일 관통 시험한 뒤, 실시예 8의 방식으로 2회 압궤 시험하였다. 전지의 말단에 걸쳐 접촉된 3개의 병렬 녹색 LED 어레이를 전체 5회의 남용 시험 동안 점등 상태를 유지하였다. 이후, 남용된 전지의 성능을 2.65V와 1.5V 사이의 2A 충전, 8A 방전 사이클을, 이후에 전지를 5A의 충전 및 방전 속도에서 2.65V와 1.4V 사이에서 연속적으로 사이클링하여 다시 특성 확인하였다.The performance of the battery was characterized by charging 2A charge, 8A discharge cycle between 2.65V and 1.5V at room temperature, followed by charging to 2.65V. Thereafter, the charged battery was subjected to a nail penetration test three times in the manner of Example 7, and then subjected to a crush test twice in the manner of Example 8. An array of three parallel green LEDs contacted across the ends of the cell remained lit for a total of five abuse trials. Thereafter, the performance of the abused battery was re-characterized by cycling 2A charge, 8A discharge cycles between 2.65V and 1.5V, and then continuously cycle the battery between 2.65V and 1.4V at a charge and discharge rate of 5A.
도 15는 점등된 LED가 전지의 말단에 걸쳐 여전히 접촉된 상태에서의 남용 시험 후의 전지의 사진이며, 전지의 현저한 오용 관용성을 생생하게 보여준다.15 is a photograph of the cell after abuse testing with the lit LEDs still in contact across the ends of the cell, vividly showing the cell's remarkable misuse tolerance.
도 16은 5회의 남용 시험을 거치기 전 및 후의 실온에서 8A로의 전지의 방전에 대한 전압(볼트) 대 용량(Ah)의 그래프로, 전지의 성능이 반복적인 기계적 남용에 의해 영향을 받지 않음을 보여준다.16 is a graph of voltage (volts) versus capacity (Ah) versus discharge of a cell from room temperature to 8 A before and after five abuse tests, showing that the performance of the cell is not affected by repeated mechanical abuse. .
도 17은 5회의 남용 시험을 거친 후 주변 대기의 실온에서 5A/5A 충전/방전 사이클링될 때의 전지의 방전 용량 대 사이클 수의 그래프이다. 상기 도면은 전지에 의해 전달되는 용량이 처음 5일(50+ 사이클) 동안 감소했음을 보여주며, 이는 아마도 네일 관통으로 인해 만들어진 패키징의 구멍을 통해 전해질이 휘발성 용매 성분을 손실하기 때문일 것이다. 이후, 전지는, 300회 초과의 사이클이 경과할 때까지 추가의 상당한 용량 손실 없이 거의 3주 동안 약 4Ah 용량으로 상당히 안정적으로 사이클링하였으며, 상기 시점에서 전지 성능의 저하는 아마도 패키징의 네일 구멍을 통한 누적된 점진적인 대기 수분의 침투로 인한 것이다. 이러한 결과는 심각한 관통 및 압궤 남용이 전지 성능에 미치는 유일한 영향이 패키징 손상에 기인한다는 것을 나타내며, 이는 본 발명의 전지 기술의 탁월한 견고성을 더욱 입증한다.17 is a graph of the discharge capacity versus number of cycles of a cell when subjected to 5 abuse tests and then cycled 5A/5A charge/discharge at room temperature in ambient atmosphere. The figure shows that the capacity delivered by the cell decreased during the first 5 days (50+ cycles), presumably because the electrolyte loses its volatile solvent components through holes in the packaging made due to nail penetration. The cell then cycled fairly stably at a capacity of about 4 Ah for nearly 3 weeks without further significant capacity loss until more than 300 cycles had elapsed, at which point the degradation in cell performance was probably through the nail holes in the packaging. This is due to the cumulative gradual infiltration of atmospheric moisture. These results indicate that the only impact of severe penetration and crush abuse on cell performance is due to packaging damage, further demonstrating the superior robustness of the cell technology of the present invention.
용어 "제1", "제2", "제3" 등이 본원에서 다양한 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 구성 요소, 영역, 측 및/또는 섹션은 상기 용어로 제한되어서는 안 된다. 상기 용어는 하나의 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션을 또 다른 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 논의되는 "제1 요소", "구성 요소", "영역", "층" 또는 "섹션"은 본 발명의 교시를 벗어나지 않고 제2 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션으로 나타낼 수 있다.Although the terms “first,” “second,” “third,” and the like, may be used herein to describe various elements, components, regions, layers, and/or sections, such elements, components, regions, sides and /or the section should not be limited to the above terms. The term is used only to distinguish one element, component, region, layer or section from another element, component, region, layer or section. Thus, “a first element”, “component”, “region”, “layer” or “section” discussed below may be referred to as a second element, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention. can
본원에 사용되는 용어는 특정 양태를 설명하기 위한 것일 뿐이며 제한하고자 하는 것이 아니다. 본원에서 사용되는 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는, 문맥이 달리 명시하지 않는 한, "적어도 하나"를 포함하는 복수 형태를 포함하고자 한다. "또는"은 "및/또는"을 의미한다. 본원에서 사용되는 용어 "및/또는"은 관련된 열거된 항목들 중 임의의 것 및 상기 항목들 중 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 용어 "포함하다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)" 또는 "포함하다(includes)" 및/또는 "포함하는(including)"은, 본원에서 사용하는 경우, 언급되는 특징적인 구성, 영역, 정수, 단계, 작업, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 지정하지만, 하나 이상의 다른 특징적인 구성, 영역, 정수, 단계, 작업, 요소, 구성 요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않음이 추가로 이해될 것이다. 용어 "또는 이들의 조합"은 이전의 요소들 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 의미한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, the singular forms “a”, “an” and “the” are intended to include the plural forms including “at least one” unless the context dictates otherwise. "or" means "and/or". As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of the related listed items. The terms “comprises” and/or “comprising” or “includes” and/or “including,” as used herein, refer to the characteristic features referred to, Specifies the presence of a region, integer, step, operation, element, and/or component, but not the presence or addition of one or more other characteristic features, region, integer, step, operation, element, component, and/or group thereof. It will be further understood that there is no exclusion. The term “or a combination thereof” means a combination comprising at least one of the preceding elements.
공간적으로 상대적인 용어, 예를 들면 "~의 아래(beneath)", "~의 아래(below)", "~보다 아래(lower)", "~의 위(above)", "~보다 위(upper)" 등은 도면에 도시되는 또 다른 요소(들) 또는 특징적인 구성(들)에 대한 하나의 요소 또는 특징적인 구성의 관계를 설명하기 위한 설명의 편의를 위해 본원에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 방향 이외에 사용 또는 작동 중인 장치의 상이한 방향을 포함하고자 하는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 도면의 장치가 뒤집힌 경우, 다른 요소 또는 특징적인 구성의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 설명되는 요소는 다른 요소 또는 특징적인 구성의 "위"를 향하게 된다. 따라서, 예시적인 용어 "~의 아래"는 위 및 아래의 방향을 둘 다 포함할 수 있다. 그렇지 않으면 장치는 (90도 회전되거나 다른 방향으로) 배향될 수 있고, 본원에서 사용되는 공간적으로 상대적인 설명어는 이에 따라 해석된다.Spatially relative terms such as "beneath", "below", "lower", "above", "upper )" and the like may be used herein for convenience of description to describe the relationship of one element or characteristic component to another element(s) or characteristic component(s) shown in the drawings. It will be understood that spatially relative terms are intended to encompass different orientations of the device in use or operation other than the orientation shown in the drawings. For example, when the device in the figures is turned over, elements described as “beneath” or “beneath” other elements or features face “above” the other elements or features. Thus, the exemplary term “below” can include both directions above and below. The device may otherwise be oriented (rotated 90 degrees or otherwise), and spatially relative descriptors used herein are to be interpreted accordingly.
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 분야에서 숙련가에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어는 관련 기술 및 본원 명세서의 문맥에서의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본원에 명시적으로 정의되지 않는 한 이상적인 의미로 또는 지나치게 형식적인 의미로 해석어서는 안 됨을 이해할 것이다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In addition, commonly used terms as defined in the dictionary are to be construed as having a meaning consistent with that in the context of the relevant art and this specification, and in an ideal or overly formal sense unless explicitly defined herein. It should be understood that it should not be interpreted in a negative sense.
예시적인 양태는 이상화된 양태의 개략도인 단면 도해를 참조하여 본원에 설명된다. 따라서, 예를 들면 제조 기술의 결과로서의 예시의 형태의 변형이 예상된다. 따라서, 본원에 기술된 양태는 본원에 예시되는 영역의 특정 형상으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 예를 들면 제조로부터 초래되는 형상들의 편차를 포함해야 한다. 예를 들면, 편평한 것으로 도시되거나 설명되는 영역은 거칠고/거칠거나 비선형인 특징적인 구성을 가질 수 있다. 또한, 예시되는 뾰족한 각은 둥글어질 수 있다. 따라서, 도면에 예시되는 영역은 본질적으로 도식적이며, 이의 형상은 영역의 정확한 형상을 예시하기 위한 것이 아니며 본 발명의 청구범위의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.Exemplary embodiments are described herein with reference to cross-sectional diagrams that are schematic diagrams of idealized embodiments. Accordingly, variations in the form of the examples, for example as a result of manufacturing techniques, are expected. Accordingly, the aspects described herein should not be construed as limiting to the specific shapes of the regions exemplified herein, but should include, for example, variations in shapes resulting from manufacturing. For example, regions shown or described as being flat may have a characteristic configuration that is rough and/or non-linear. Also, the sharp angles illustrated may be rounded. Accordingly, the regions illustrated in the drawings are schematic in nature, and the shapes thereof are not intended to illustrate the precise shape of the regions and are not intended to limit the scope of the claims of the present invention.
본원 명세서는 예시적인 양태를 설명하지만, 개시되는 양태의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경이 이루어질 수 있고 균등물이 이의 요소들에 대해 대체될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 또한, 본원의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 대해 특정 상황 또는 재료를 적용하기 위해 많은 개질이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은, 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드로서 개시되는 특정 양태로 제한하고자 하는 것이 아니다. 또한, 본원에 개시된 양태는 제한을 위한 것이 아니라 설명적인 의미로만 고려되어야 함을 이해해야 한다. 각각의 양태의 특징적인 구성, 이점 또는 측면에 대한 설명은 다른 유사한 다른 양태의 특징적인 구성, 이점 또는 측면에 대해 적용할 수 있는 것으로 간주되어야 한다.While this specification describes exemplary aspects, it will be understood by those skilled in the art that various changes may be made and equivalents may be substituted for elements thereof without departing from the scope of the disclosed aspects. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the present invention without departing from the scope thereof. Accordingly, the invention is not intended to be limited to the particular embodiments disclosed as the best mode contemplated for carrying out the invention. It is also to be understood that the aspects disclosed herein are to be considered in an illustrative sense only and not in a limiting sense. A description of a characteristic feature, advantage, or aspect of each aspect is to be considered as applicable to the characteristic feature, advantage, or aspect of another similar aspect.
본원에 도시되고 설명된 것 이외에, 본 발명의 다양한 변형이 상기 설명의 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 수정은 또한 첨부되는 청구항의 범위에 속하는 것으로 의도된다.Various modifications of the invention in addition to those shown and described herein will be apparent to those skilled in the art from the foregoing description. Such modifications are also intended to fall within the scope of the appended claims.
달리 명시되지 않는 한, 모든 시약 및 성분은 당업계에 공지된 공급원에 의해 입수 가능하다는 것이 이해된다.Unless otherwise specified, it is understood that all reagents and components are available from sources known in the art.
명세서에 언급된 특허, 간행물 및 특허출원은 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련가의 수준을 나타낸다. 상기 특허, 간행물 및 특허출원은 각각의 개별 특허, 간행물 또는 특허출원이 인용에 의해 구체적이고 개별적으로 본원에 포함되는 것과 동일한 정도로 인용에 의해 본원에 포함된다.The patents, publications and patent applications mentioned in the specification are indicative of the level of skill of those skilled in the art to which this invention pertains. These patents, publications, and patent applications are incorporated herein by reference to the same extent as if each individual patent, publication or patent application was specifically and individually incorporated herein by reference.
상기 설명은 본 발명의 특정 양태를 예시하지만, 본 발명의 실시에 대한 제한을 의미하지 않는다. 다음의 청구범위는 이의 모든 등가물을 포함하여 본 발명의 범위를 정의하기 위한 것이다.The foregoing description illustrates specific embodiments of the invention, but is not meant to limit the practice of the invention. The following claims are intended to define the scope of the invention including all equivalents thereof.
Claims (48)
화학식 Li4+aTi5O12+b(여기서, -0.3≤a≤3.3, -0.3≤b≤0.3임)의 애노드 전기화학적 활성 물질을 포함하는 애노드를 포함하는,
전기화학 전지로서, 상기 애노드 및 상기 캐소드는 각각 독립적으로, 알루미늄을 포함하는 집전체 기판을 포함하는, 전기화학 전지.A polycrystalline cathode comprising the formula Li 1+x MO 2+y (where -0.9≤x≤0.3, -0.3≤y≤0.3, and M contains 80 atomic% or more of Ni based on the total M) a cathode comprising an electrochemically active material, wherein the cathode electrochemically active material comprises a non-uniform distribution of Co; and
comprising an anode comprising an anode electrochemically active material of the formula Li 4+a Ti 5 O 12+b wherein -0.3≤a≤3.3 and -0.3≤b≤0.3;
An electrochemical cell, wherein the anode and the cathode each independently comprise a current collector substrate comprising aluminum.
화학식 Li4+aTi5O12+b(여기서, -0.3≤a≤3.3, -0.3≤b≤0.3임)의 애노드 전기화학적 활성 물질을 포함하는, 둘 이상의 애노드;
다공성 폴리올레핀 분리막(separator) 및
리튬 염 및 카보네이트 용매를 포함하는 전해질을 포함하는,
전기화학 파우치 전지로서,
상기 애노드 및 상기 캐소드는 독립적으로, 상기 애노드 전기화학적 활성 물질 및 상기 캐소드 전기화학적 활성 물질 각각과 혼합된 PVdF 결합제를 추가로 포함하고,
상기 애노드 및 상기 캐소드는 각각 독립적으로, 알루미늄을 포함하는 집전체 기판을 추가로 포함하고, 상기 캐소드 집전체는 양 측에 개별 전기화학적 활성 물질로 코팅되고,
상기 둘 이상의 애노드는 전극들의 스택의 말단 층들이고;
캐소드에 대한 애노드의 면적비는 1 이하이거나, 캐소드에 대한 애노드의 용량비는 1 미만인, 전기화학 파우치 전지.Cathode electrochemical comprising the formula Li 1+x MO 2+y (where -0.9≤x≤0.3, -0.3≤y≤0.3, and M contains 80 atomic% or more of Ni based on the total M) A cathode comprising an active polycrystalline material, wherein the cathode electrochemically active material comprises a plurality of crystallites and grain boundaries between the plurality of crystallites, wherein the concentration of cobalt, aluminum, or both of the grain boundaries is adjacent. higher than at the center of the crystallites, the cathode;
at least two anodes comprising an anode electrochemically active material of the formula Li 4+a Ti 5 O 12+b, wherein -0.3≤a≤3.3 and -0.3≤b≤0.3;
a porous polyolefin separator and
an electrolyte comprising a lithium salt and a carbonate solvent;
An electrochemical pouch cell comprising:
the anode and the cathode independently further comprise a PVdF binder admixed with each of the anode electrochemically active material and the cathode electrochemically active material,
The anode and the cathode each independently further include a current collector substrate comprising aluminum, the cathode current collector being coated on both sides with individual electrochemically active materials,
the two or more anodes are the end layers of the stack of electrodes;
An electrochemical pouch cell, wherein the area ratio of the anode to the cathode is less than or equal to one, or the capacity ratio of the anode to the cathode is less than one.
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