KR20210143777A - 탄성 중합체 결합제를 포함하는 건식 전극 필름을 위한 조성물 및 방법 - Google Patents

탄성 중합체 결합제를 포함하는 건식 전극 필름을 위한 조성물 및 방법 Download PDF

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KR20210143777A
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준 호 신
휘우 민 두옹
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맥스웰 테크놀러지스 인코포레이티드
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Abstract

탄성 중합체 결합제를 포함하는 건식 공정 전극 필름, 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치가 본원에서 제공된다. 일부 구현예에서, 건식 공정 전극 필름은 PTFE-미함유이거나 미미한 양의 PTFE를 포함한다. 전극 필름은 개선된 기계적 및 가공 특성을 나타낸다. 또한, 이러한 탄성 중합체 결합제를 처리하고 전극 필름에 상기 탄성 중합체 결합제를 혼입하는 방법이 제공된다.

Description

탄성 중합체 결합제를 포함하는 건식 전극 필름을 위한 조성물 및 방법
임의의 우선권 출원에 대한 참조로의 포함
본 출원은 2019년 3월 29일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/826,273호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 이는 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
분야
본 발명은 일반적으로 건식 에너지 저장 장치 전극, 이러한 전극을 구현하는 에너지 저장 장치, 및 관련 방법에 관한 것이다.
통상적인 에너지 저장 장치 및 관련 방법은 일반적으로 활성 전극 물질 및 기타 첨가제와 조합되고, 전극 필름을 형성하는 방식으로 처리되는 결합제 물질을 포함한다. 전극 필름은 일반적으로 전극을 형성하기 위해 하나 이상의 다른 재료 층에 적용된다. 일반적으로, 음극(애노드)과 양극(캐소드)은 분리막을 사이에 두고 형성되며, 하우징 내로 전해질과 함께 삽입되어 다양한 형태의 에너지 저장 장치를 형성한다.
에너지 저장 장치 전극 내에 사용되는 전극 필름은 습식 또는 건식 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극 필름을 제조하기 위해 상당한 후속 건조 기술을 필요로 하는 습식 코팅 방법에서 활성 전극 물질은 결합제 물질, 용매 및 기타 첨가제와 조합될 수 있다.
건식 전극 공정은 앞서 언급된 습식 공정에 필요한 시간과 비용이 많이 드는 건조 절차를 줄이기 위해 개발되었다. 예를 들어, 전극 공정은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 결합제를 활성 전극 물질과 조합하는 단계, 및 캘린더링하여 전극 필름을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 그러나, PTFE 결합제를 포함하는 전극을 포함하는 에너지 저장 장치는 산화환원 공정 동안 증가된 비가역적 용량 손실과 같은 바람직하지 않은 장치 성능을 나타낼 수 있다.
본 발명 및 선행 기술에 비해 달성된 이점을 요약할 목적으로, 본 발명의 특정 목적 및 이점이 본 명세서에 설명된다. 이러한 모든 목적 또는 이점이 본 발명의 모든 특정 구현예에서 달성될 수 있는 것은 아니다. 따라서, 예를 들어, 당업자는 본원에 교시되거나 제안될 수 있는 다른 목적 또는 이점을 반드시 달성할 필요 없이 본 명세서에 교시된 이점 또는 이점의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 본 발명이 구현되거나 수행될 수 있음을 인식할 것이다.
제1 측면에서, 에너지 저장 장치의 건식 전극 필름이 제공된다. 건식 전극 필름은 건조 활성 물질 및 탄성 중합체를 포함하는 건조 결합제를 포함하며, 여기서 건조 결합제는 PTFE-미함유이거나 미미한 양의 PTFE를 포함하고, 건식 전극 필름은 프리-스탠딩(free-standing)이다.
일부 구현예에서, 탄성 중합체는 PE, PEO 및 PVDF 중 적어도 하나로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 건식 전극 필름은 약 0 내지 5 중량%의 PE 및 약 0 내지 2 중량%의 PVDF를 포함한다. 일부 구현예에서, 건조 활성 물질은 흑연을 포함한다. 일부 구현예에서, 건식 전극 필름은 약 96 중량%의 흑연 및 약 4 중량%의 PE를 포함한다. 일부 구현예에서, 건식 전극 필름은 약 96 중량%의 흑연, 약 3 중량%의 PE 및 약 1 중량%의 PVDF를 포함한다.
또 다른 측면에서, 에너지 저장 장치에 사용하기 위한 건식 전극 필름이 제공된다. 건식 전극 필름은 건조 활성 물질, 및 탄성 중합체를 포함하는 건조 결합제를 포함하고, 여기서 건식 전극 필름은 프리-스탠딩이고, 기껏해야 미미한 양의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함한다.
일부 구현예에서, 탄성 중합체는 셀룰로오스, 폴리올레핀, 폴리에테르, 폴리에테르 전구체, 폴리실록산, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO), 폴리(페닐렌 옥사이드)(PPO), 폴리에틸렌-블록-폴리(에틸렌 글리콜), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리디메틸실록산-코알킬메틸실록산, 카복시메틸셀룰로오스(CMC), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체는 PE, PEO, PVDF 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 건식 전극 필름은 약 0.5 내지 10 중량%의 탄성 중합체 중량%를 포함한다.
일부 구현예에서, 건식 전극 필름은 PTFE-미함유이다. 일부 구현예에서, 건식 전극 필름에는 공정 용매 잔류물이 없다. 일부 구현예에서, 건식 전극 필름은 적어도 약 95 중량%의 건조 활성 물질 중량%를 포함한다. 일부 구현예에서, 건조 활성 물질은 흑연이다. 일부 구현예에서, 건식 전극 필름은 적어도 약 1 N의 인장 강도를 포함한다. 일부 구현예에서, 건식 전극 필름은 거의 결함이 없다.
일부 구현예에서, 집전 장치 및 건식 전극 필름을 포함하는 전극이 제공된다. 일부 구현예에서, 전극을 포함하는 배터리가 제공된다.
또 다른 측면에서, 건식 전극 필름 제조 공정이 제공된다. 상기 공정은 건조 활성 물질과 건조 결합제 - 상기 건조 결합제는 탄성 중합체를 포함함 -를 혼합하여 건조 제1 혼합물을 형성하는 단계, 및 건조 제1 혼합물을 캘린더링하여 건식 전극 필름을 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 건식 전극 필름은 프리-스탠딩이고, 기껏해야 미미한 양의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함한다.
일부 구현예에서, 혼합은 비파괴 혼합 공정에 의해 수행된다. 일부 구현예에서, 혼합은 고전단 혼합을 포함하지 않는다. 일부 구현예에서, 혼합은 적어도 대략 실온의 온도에서 수행된다.
일부 구현예에서, 건조 활성 물질은 혼합 전의 제1 입자 크기 분포 및 혼합 후의 제2 입자 크기 분포를 가지며, 여기서 제1 및 제2 입자 크기 분포는 실질적으로 유사하다. 일부 구현예에서, 캘린더링은 약 150 내지 250℃의 온도에서 수행된다. 일부 구현예에서, 상기 공정은 건식 전극 필름을 캘린더링하는 단계를 추가로 포함한다.
이들 구현예 모두는 본원에 개시된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 본 발명의 이들 및 다른 구현예는 첨부된 도면을 참조하는 다음의 바람직한 구현예의 상세한 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명백해질 것이며, 본 발명은 개시된 임의의 특정 바람직한 구현예(들)로 제한되지 않는다.
도 1은 탄성 중합체 결합제를 포함하는 전극 필름을 갖는 에너지 저장 장치의 구현예를 도시한다.
도 2a 내지 분말로부터 프리 스탠딩 필름으로 가공된 전극 필름의 구현예의 사진을 보여준다. 도 2a는 가공된 최종 포뮬레이션 분말을 보여준다. 도 2b는 캘린더링 전 두 롤 사이의 최종 분말을 보여준다. 도 2c 내지 2f는 포뮬라 1(도 2c), 포뮬라 4(도 2d), 포뮬라 5(도 2e) 및 포뮬라 6(도 2f)의 캘린더링된 프리 스탠딩 필름을 보여준다. 도 2g 및 2h는 포뮬라 5(도 2g) 및 포뮬라 6(도 2h)에 대한 구부릴 수 있는 프리 스탠딩 필름을 보여준다.
도 3a는 다양한 프리 스탠딩 흑연 전극 필름 구현예에 대한 인장 강도를 보여주는 차트를 제공한다. 도 3b는 다양한 프리 스탠딩 흑연 전극 필름 구현예에 대한 신장을 보여주는 차트를 제공한다.
도 4a는 전해질 A를 사용한 흑연 전극 반쪽 전지 구현예의 충전 및 방전 용량을 보여주는 차트를 제공한다. 도 4b는 전해질 A를 사용한 흑연 전극 반쪽 전지 구현예의 효율을 보여주는 차트를 제공한다.
도 5a는 전해질 B를 사용한 흑연 전극 반쪽 전지 구현예의 용량을 보여주는 차트를 제공한다. 도 5b는 전해질 B를 사용한 흑연 전극 반쪽 전지 구현예의 효율을 보여주는 차트를 제공한다.
도 6a 내지 6c는 전해질 A를 사용한 포뮬라 1(도 6a), 포뮬라 2(도 6b) 및 포뮬라 3(도 6c)의 흑연 전극 반쪽 전지 구현예의 미분 용량을 보여주는 차트를 제공한다.
도 7a 내지 7c는 전해질 B를 사용한 포뮬라 1(도 7a), 포뮬라 2(도 7b) 및 포뮬라 3(도 7c)의 흑연 전극 반쪽 전지 구현예의 미분 용량을 보여주는 차트를 제공한다.
도 8a 내지 8c는 전해질 A를 사용한 포뮬라 1(도 8a), 포뮬라 2(도 8b) 및 포뮬라 3(도 8c)의 흑연 전극 반쪽 전지 구현예의 제1 사이클 전압 프로파일을 보여주는 차트를 제공한다.
도 9a 내지 9c는 전해질 B를 사용한 포뮬라 1(도 9a), 포뮬라 2(도 9b) 및 포뮬라 3(도 9c)의 흑연 전극 반쪽 전지 구현예의 제1 사이클 전압 프로파일을 보여주는 차트를 제공한다.
도 10a 내지 10c는 전해질 B를 사용한 포뮬라 1(도 10a), 포뮬라 2(도 10b) 및 포뮬라 3(도 10c)의 흑연 전극 반쪽 전지 구현예의 0.1C 속도로 연속 사이클이 뒤따르는 제1 형성을 보여주는 차트를 제공한다.
건식 공정을 통해 제조되고, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 결합제를 함유하지 않거나 기껏해야 미미한 양으로 함유하는 리튬 이온 배터리용 프리-스탠딩 전극 필름이 개시된다. 전극 필름은 용매의 사용을 피하는 공정을 통해 제조될 수 있으며, 따라서 "건식" 공정이다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 하기 논의된 바와 같이 건식 제조 공정에서 유용한 것으로 밝혀진 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 중 하나 이상과 같은 대안적인 결합제를 포함한다. 일 구현예에서, PTFE-미함유 전극 필름은 리튬 이온 배터리 또는 기타 전자 저장 장치의 애노드 또는 캐소드 구성 요소를 제조하는 데 사용된다.
정의
"배터리" 및 "커패시터"라는 용어는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 한다. "배터리" 및 "커패시터"라는 용어는 서로 배타적이지 않다. 커패시터 또는 배터리는 단독으로 작동되거나 다중-셀 시스템의 구성 요소로 작동될 수 있는 단일 전기화학 셀을 나타낼 수 있다.
에너지 저장 장치의 전압은 단일 배터리 또는 커패시터 셀의 작동 전압이다. 전압은 정격 전압을 초과하거나 부하 시 또는 제조 공차에 따라 정격 전압 미만일 수 있다.
"자체-지지형" 전극 필름은 필름 또는 층을 지지하고, 전극 필름 또는 층이 자립할 수 있도록 그 형상을 유지하기에 충분한 결합제 매트릭스 구조를 포함하는 전극 필름이다. 에너지 저장 장치에 포함되는 경우, 자체-지지 전극 필름 또는 활성층은 이러한 결합제 매트릭스 구조를 포함하는 것이다. 일반적으로, 그리고 사용된 방법에 따라, 이러한 전극 필름 또는 활성층은 집전 장치 또는 기타 필름과 같은 임의의 외부 지지 요소 없이 에너지 저장 장치 제조 공정에 사용하기에 충분히 강력하다. 예를 들어, "자체-지지" 전극 필름은 다른 지지 요소 없이 전극 제조 공정 내에서 감고, 조작하고, 풀기에 충분한 강도를 가질 수 있다. 캐소드 전극 필름 또는 애노드 전극 필름과 같은 건식 전극 필름은 자체-지지형일 수 있다.
"무용매" 전극 필름은 검출 가능한 공정 용매, 공정 용매 잔류물 및/또는 공정 용매 불순물이 없거나 이들을 실질적으로 함유하지 않는 전극 필름이다. 이러한 "무용매" 전극 필름은 용매-기반 필름이 건조 공정을 거친 후에도 검출 가능하거나 상당한 양의 공정 용매, 공정 용매 잔류물 및/또는 공정 용매 불순물을 함유하는 통상적인 용매-기반 공정에 기초한 통상적인 전극 필름과 구별된다. 캐소드 전극 필름 또는 애노드 전극 필름과 같은 건식 전극 필름은 무용매일 수 있다. 무용매인 건식 전극 필름은 건조 활성 물질 및 건조 결합제(예를 들어, 분말)와 같은 건조 성분으로부터 제조될 수 있으며, 이는 또한 상기 정의된 바와 같이 무용매이다. 일부 구현예에서, 건조 성분은 주변 공기로부터 미미한 양의 습기를 흡수하기 때문에 대기 수분을 어느 정도 함유할 수 있다. 일부 구현예에서, 무용매 성분 및/또는 무용매 전극 필름은 약, 기껏해야, 또는 기껏해야 약 2000 ppm, 1500 ppm, 1000 ppm, 900 ppm, 800 ppm, 700 ppm, 600 ppm, 500 ppm, 400 ppm, 300 ppm, 200 ppm, 100 ppm, 50 ppm 또는 10 ppm, 또는 그 사이의 임의의 값 범위의 수분 함량을 함유한다.
"습식" 전극, "습식 공정" 전극, 또는 슬러리 전극은 활성 물질(들), 결합제(들) 및 선택적으로 첨가제(들)의 슬러리를 포함하는 적어도 하나의 단계에 의해 제조된 전극이다. 습식 전극은 공정 용매, 공정 용매 잔류물, 및/또는 공정 용매 불순물을 포함할 수 있다.
"PTFE-미함유" 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 없는 필름을 나타낸다. "미미한 양의 PTFE"가 있는 필름은 PTFE의 양이, 만약 있더라도, 필름 또는 이러한 필름을 포함하는 전기화학 장치의 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 소량의 PTFE를 갖는 필름을 나타낸다. 예를 들어, 미미한 양 또는 기껏해야 미미한 양의 PTFE를 갖는 필름은 PTFE가 없는 필름을 포함하여, 0.5 중량% 미만의 PTFE를 포함할 수 있다.
"비파괴" 공정은 전극 활성 물질의 표면을 포함하는 전극 활성 물질이 공정 동안 실질적으로 변형되지 않는 공정이다. 따라서, 에너지 저장 장치에 통합하는 것과 같은 응용 분야에서 활성 물질의 분석적 특성 및/또는 성능은 공정을 거치지 않은 것과 동일하거나 거의 동일하다. 예를 들어, 활성 물질 상의 코팅은 공정 동안 방해받지 않거나 실질적으로 방해받지 않을 수 있다. 비파괴 공정의 비제한적인 예는 "비파괴적 혼합 또는 블렌딩", 또는 감압, 증가된 공급 속도, 감소된 속도(예를 들어, 블렌더 속도) 및/또는 활성 물질에 가해지는 전단력이 에너지 저장 장치로 구현될 때, 활성 물질의 분석적 특성 및/또는 성능이 역으로 영향을 받을 수 있는 임계값 미만으로 유지되도록 하는 다른 공정 파라미터(들)에서의 제트 밀링이다. 효과적인 비파괴 혼합 공정의 한 예는 팁 속도가 약 10 미터/분 내지 약 40 미터/분 범위인 블레이드 유형 믹서를 사용하는 것이다. "비파괴" 공정은 전극 활성 물질의 표면과 같은 전극 활성 물질을 실질적으로 변형시키고, 활성 물질의 분석적 특성 및/또는 성능에 실질적으로 영향을 미치는 고전단 공정과 구별될 수 있다. 예를 들어, 고전단 블렌딩 또는 고전단 제트 밀링은 전극 활성 물질의 표면에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 고전단 공정은 결합제 물질의 피브릴화(fibrillization)와 같은 다른 이점을 제공하거나, 그렇지 않으면 자체-지지형 전극 필름을 형성하는 것을 보조하기 위한 결합제/활성 물질 매트릭스를 형성하기 위해 활성 물질 표면 특성을 손상시키면서 구현될 수 있다. 본원의 구현예는 과도한 고전단 공정 사용의 해로운 영향을 피하면서 유사한 이점을 제공할 수 있다. 일반적으로, 본원의 비파괴 공정은 더 높은 공급 속도, 더 낮은 속도 및/또는 더 낮은 압력 중 하나 이상에서 수행되어, 그렇지 않으면 전극 활성 물질을 실질적으로 변형시켜 성능에 영향을 미칠 수 있는 보다 파괴적인 공정보다 더 낮은 전단 공정을 초래한다.
설명
특정 구현예 및 예가 아래에 설명되어 있지만, 당업자는 본 발명이 구체적으로 개시된 구현예 및/또는 용도 및 이의 명백한 변형물 및 등가물을 넘어 확장된다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본원에 개시된 본 발명의 범위는 아래에서 설명되는 임의의 특정 구현예에 의해 제한되지 않아야 하는 것으로 의도된다.
본원에 기재된 바와 같이, 건식 전극 공정은 상기 언급된 습식 공정에 의해 요구되는 시간 및 비용이 많이 드는 건조 절차를 줄이기 위해 개발되었다. 활성 전극 물질을 함께 고정한 다음 캘린더링하여 전극 필름을 형성하기 위해 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 결합제를 사용할 필요가 없는 건식 전극 공정도 개발되었다. 본원에 기재된 구현예는, 예를 들어, 건식 전극 공정에서 전극 결합제로서 PTFE를 단독으로 사용하는 것에 내재하는 상기 언급된 열화 단점 및 비가역적인 용량 손실을 감소시킬 수 있는 전극 필름을 위한 대안적인 결합제 물질을 포함한다. 일부 구현예는 에너지의 상당한 추가 손실을 감소시키거나 사실상 전혀 없이 저전압에서 전기화학적 작동을 허용할 수 있는 전극 결합제 물질을 제공한다. 일부 구현예는 탄성 중합체 결합제를 포함하는 결합제를 갖는 프리-스탠딩 건식 처리된 전극을 제공한다. 일부 구현예에서, 프리-스탠딩 전극은 흑연 활성 물질 및 탄성 중합체 결합제, 예를 들어, 고분자량 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF)를 포함한다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 PTFE-미함유이므로 PTFE가 없다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 미미한 양의 PTFE를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 기껏해야 미미한 양의 PTFE를 포함할 수 있다. 이러한 프리-스탠딩 전극 필름의 기계적 강도 및 전기화학적 성능과 같은 물질 특성이 본원에서 조사된다. 예를 들어, 탄성 중합체 결합제를 갖고 미미한 양의 PTFE를 포함하는 전극 필름은 PTFE를 포함하는 비교용 전극 필름에 비해 동등하거나 더 높은 인장 강도 및/또는 연성을 나타낼 수 있으며, 이는 에너지 저장 장치의 제조를 용이하게 할 수 있다. 구체적으로, 인장 강도 및/또는 연성이 더 높은 전극 필름은 집전 장치 또는 기타 기판에 적용하기 더 쉬울 수 있다. 이러한 인자는 전극 필름이 본원에서 "자체-지지형 필름"으로 추가로 정의되는 프리-스탠딩 필름으로 취급될 수 있기 때문에 건식 전극 처리 기술이 사용될 때 특히 관련될 수 있다.
일 구현예는 PTFE-미함유 결합제 조성물을 포함하는 애노드 및/또는 전극 필름을 형성하기 위한 제조 공정이다. 일부 구현예에서, 제조 공정 또는 제조 공정의 일부는 원하는 전기적 성능을 나타내는 전극의 형성을 용이하게 하기 위해 실온 또는 그 이상에서 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 제조 공정 또는 제조 공정의 일부가 약, 적어도, 또는 적어도 약 18℃, 20℃, 25℃, 30℃, 40℃, 60℃ 또는 80℃, 또는 그 사이의 임의의 값 범위에서 수행된다. 일부 구현예에서, 본원에 기재된 결합제 조성물을 포함하는 애노드 전극 필름을 형성하기 위한 제조 공정이 제공된다. 일부 구현예에서, 애노드 전극 필름 제조 공정은 건식 제조 공정을 사용하여 결함이 감소되거나 거의 결함이 없는 전극 필름의 형성을 용이하게 하기 위해 제트-밀링, 블렌딩, 텀블링 또는 음파(acoustic) 혼합 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 전극 필름 제조 공정은 고전단 혼합 단계(예를 들어 고전단 제트-밀링)를 포함하지 않으며, 건조 전극 성분은 비파괴 혼합 공정과 같은 보다 온화한 조건 하에 혼합되어 건식 제조 공정을 사용하여 결함이 없거나 거의 결함이 없는 전극 필름을 형성할 수 있다. 일부 구현예에서, 전극 필름 제조 공정은 전극 필름이 형성되기 전에 활성 물질과 탄성 중합체 결합제의 단일 혼합 단계로 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있다.
복합 결합제 물질 및 전극 형성에 사용되는 공정을 개발할 때 다른 기계적 및 전기적 특성도 고려될 수 있다. 예를 들어, 결합제 물질의 연성 및/또는 다공성은 전극에 대한 개선된 기계적 완전성 및/또는 이온 전도성을 제공하도록 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 결합제 물질은 결과적으로 바람직한 전기적 특성을 갖는 전극 필름을 제공하는 동시에 전해질과 같은 장치의 하나 이상의 다른 구성 요소와의 원하는 상호작용을 나타내고/내거나 결합제 물질로서 원하는 효과를 제공하도록 선택될 수 있다.
일 구현예에서, 비파괴적으로 처리된 활성 물질, 예를 들어 활성 물질 미립자의 손상되지 않은 및/또는 원시 표면이 전극 필름 혼합물에 통합된다. 손상되지 않은 및/또는 원시 활성 물질은 상업적으로 구입한 물질 및/또는 활성 물질의 이러한 물리적 특성을 변경시킬 수 있는 공정 이전의 물질과 실질적으로 유사한 입자 크기 분포, 표면적 분포, 표면 화학적 재활성화 및/또는 표면 화학적 조성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 감소된 표면 열화 벌크 활성 물질(들)이 제공된다. 일부 구현예에서, 비파괴 혼합은 블렌딩, 텀블링 또는 음파 혼합을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 비파괴적 혼합은 음파 공명 믹서(resonant acoustic mixer)에 의해 수행될 수 있다.
본원에 제공된 재료 및 방법은 다양한 에너지 저장 장치에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 장치는 커패시터, 리튬 이온 커패시터(LIC), 울트라커패시터, 배터리, 또는 하이브리드 에너지 저장 장치 및/또는 전술한 것 중 둘 이상의 측면을 조합한 하이브리드 셀일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 장치는 배터리이다. 에너지 저장 장치는 작동 전압을 특징으로 할 수 있다. 일부 구현예에서, 본원에 기재된 에너지 저장 장치는 작동 전압이 약 0 V 내지 약 5 V일 수 있다. 추가 구현예에서, 작동 전압은 약 2.7 V 내지 약 4.2 V, 3.0 내지 약 4.2 V, 또는 그 사이의 임의의 값일 수 있다.
일 구현예에서, 에너지 저장 장치는 하나 이상의 전극을 포함한다. 전극은 일반적으로 전극 필름 및 집전 장치를 포함한다. 전극 필름은 하나 이상의 결합제 및 하나 이상의 활성 전극 물질(들)의 혼합물로부터 형성될 수 있다. 탄성 중합체 결합제, 및 탄성 중합체 결합제를 포함하는 전극은 하나 이상의 배터리, 커패시터, 커패시터-배터리 하이브리드, 연료 전지, 또는 기타 에너지 저장 시스템 또는 장치, 및 이들의 조합과 같은 다수의 에너지 저장 장치 및 시스템 중 어느 것과 함께 다양한 구현예에서 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 일부 구현예에서, 전극 필름 혼합물, 및 본원에 기재된 전극 필름 혼합물로부터 제조된 전극은 리튬 이온 커패시터, 리튬 이온 배터리, 울트라커패시터, 또는 전술한 것 중 둘 이상의 측면을 조합한 하이브리드 에너지 저장 장치의 구성 요소일 수 있다.
에너지 저장 장치는, 예를 들어 평면형, 나선형으로 감긴 버튼형 또는 파우치와 같은 임의의 적절한 구성일 수 있다. 에너지 저장 장치는 또한 시스템, 예를 들어, 발전 시스템, 무정전 전원 시스템(UPS), 태양광 발전 시스템, 예를 들어 산업 기기 및/또는 운송에 사용하기 위한 에너지 회수 시스템의 구성 요소일 수 있다. 에너지 저장 장치는 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV), 및/또는 전기 자동차(EV)를 포함하는 다양한 전자 장치 및/또는 자동차에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
일 구현예에서, 에너지 저장 장치는 장치의 수명 동안 등가 직렬 저항의 상승 감소를 포함할 수 있다. 이를 통해 장치의 수명 동안 장치의 전력 밀도가 증가할 수 있다. 일부 구현예에서, 이러한 유형의 에너지 저장 장치는 장치 수명 동안 용량 손실이 감소할 수 있다. 이러한 장치는 또한 사이클링 동안 저장 안정성 개선 및 용량 페이드(capacity fade) 감소를 포함하는, 사이클링 성능 개선을 포함할 수 있다.
도 1은 탄성 중합체 결합제를 포함하는 전극 필름을 갖는 에너지 저장 장치(100)의 예의 측단면 개략도를 보여준다. 에너지 저장 장치(100)는, 예를 들어, 커패시터, 배터리, 커패시터-배터리 하이브리드, 또는 연료 전지로 분류될 수 있다. 일부 구현예에서, 장치(100)는 리튬 이온 배터리이다.
상기 장치에는 제1 전극(102), 제2 전극(104), 및 제1 전극(102)과 제2 전극(104) 사이에 위치한 분리기(106)가 있다. 제1 전극(102) 및 제2 전극(104)은 분리기(106)의 각각의 대향 표면에 인접한다. 에너지 저장 장치(100)는 에너지 저장 장치(100)의 전극(102, 104) 사이의 이온 소통을 용이하게 하기 위해 전해질(118)을 포함한다. 예를 들어, 전해질(118)은 제1 전극(102), 제2 전극(104) 및 분리기(106)와 접촉할 수 있다. 전해질(118), 제1 전극(102), 제2 전극(104), 및 분리기(106)는 에너지 저장 장치 하우징(120) 내에 수용된다.
제1 전극(102), 제2 전극(104), 및 분리기(106) 중 하나 이상, 또는 이들의 구성 성분은 다공성 물질을 포함할 수 있다. 다공성 물질 내의 기공은 하우징(120) 내의 전해질(118)과의 접촉을 위한 증가된 표면적 및/또는 봉쇄를 제공할 수 있다. 에너지 저장 장치 하우징(120)은 제1 전극(102), 제2 전극(104) 및 분리기(106) 주위에서 밀폐될 수 있으며, 주변 환경으로부터 물리적으로 밀폐될 수 있다.
일부 구현예에서, 제1 전극(102)은 애노드("음극")일 수 있고 제2 전극(104)은 캐소드("양극")일 수 있다. 분리기(106)는 제1 전극(102) 및 제2 전극(104)과 같은 분리기(106)의 대향 측면에 인접한 두 개의 전극을 전기적으로 절연시키면서 두 개의 인접한 전극 사이의 이온 소통을 허용하도록 구성될 수 있다. 분리기(106)는 적절한 다공성 전기 절연 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 분리기(106)는 중합체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분리기(106)는 셀룰로오스 물질(예를 들어, 종이), 폴리에틸렌(PE) 물질, 폴리프로필렌(PP) 물질, 및/또는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 물질을 포함할 수 있다.
일반적으로, 제1 전극(102) 및 제2 전극(104)은 각각 집전 장치 및 전극 필름을 포함한다. 전극(102 및 104)은 전극 필름(112 및 114)을 포함하고, 여기서 제1 전극 필름(112)은 탄성 중합체 결합제를 포함하는 것으로 묘사되고, 미미한 양의 PTFE를 포함한다. 제2 전극 필름(114)이 탄성 중합체 결합제를 포함하고/하거나 미미한 양의 PTFE를 포함하는 것으로 묘사되지 않더라도, 전극 필름(112 및/또는 114) 중 하나 또는 둘 모두가 탄성 중합체 결합제를 포함할 수 있고/있거나 미미한 양의 PTFE를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 전극(102 및 104)에는 각각, 도시된 바와 같이 단일 전극 필름(112 및 114)이 있지만, 각각의 전극(102 및 104)에 대해 둘 이상의 전극 필름을 사용한 다른 조합이 가능하다. 장치(100)는 단일 전극(102) 및 단일 전극(104)으로 도시되지만, 다른 조합도 가능하다. 전극 필름(112, 114)은 각각 임의의 적합한 형상, 크기 및 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 전극 필름은 각각 약 30 미크론(μm) 내지 약 250 미크론, 예를 들어, 약 또는 적어도 약 50 미크론, 약 100 미크론, 약 150 미크론, 약 200 미크론, 약 250 미크론, 약 300 미크론, 약 400 미크론, 약 500 미크론, 약 750 미크론, 약 1000 미크론, 약 2000 미크론, 또는 그 사이의 임의의 값 범위의 두께를 가질 수 있다. 단일 전극 필름에 대한 추가 전극 필름 두께가 본 개시내용 전체에 걸쳐 기재되어 있다. 전극 필름은 일반적으로 하나 이상의 활성 물질, 예를 들어 애노드 활성 물질 또는 캐소드 활성 물질을 포함한다. 전극 필름(112 및/또는 114)은 감소된 두께, 증가된 전극 필름 밀도, 높은 에너지 밀도, 높은 비에너지 밀도, 면적 에너지 밀도, 면적 용량 또는 비용량을 갖는 건식 및/또는 자체-지지형 전극 필름일 수 있다. 제1 전극 필름(112) 및/또는 제2 전극 필름(114)은 또한 하나 이상의 결합제를 포함할 수 있다. 전극 필름(112 및/또는 114)은 본원에 기재된 바와 같은 공정에 의해 제조될 수 있다. 전극 필름(112 및/또는 114)은 본원에 기재된 습식 또는 자체-지지형 건식 전극일 수 있다.
일부 구현예에서, 활성 물질은 탄소 기반 물질 또는 배터리 물질일 수 있다. 일부 구현예에서, 활성 물질은 리튬 금속 산화물, 황 탄소 복합체 및/또는 황화리튬을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 활성 물질은 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 리튬 망간 산화물(LMO), 리튬 철 인산염(LFP), 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 티타네이트(LTO), 리튬 니켈 망간 산화물(LNMO) 및/또는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 활성 물질은 본원에 기재된 다른 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 활성 물질은 하나 이상의 탄소 물질을 포함할 수 있다. 탄소 물질은, 예를 들어, 흑연 물질, 흑연, 그래핀-함유 물질, 경질 탄소, 연질 탄소, 탄소 나노튜브, 다공성 탄소, 전도성 탄소, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 활성탄은 증기 공정 또는 산/에칭 공정에서 파생될 수 있다. 일부 구현예에서, 흑연 물질은 표면 처리된 물질일 수 있다. 일부 구현예에서, 다공성 탄소는 활성탄을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 다공성 탄소는 계층적으로 구조화된 탄소를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 다공성 탄소는 구조화된 탄소 나노튜브, 구조화된 탄소 나노와이어 및/또는 구조화된 탄소 나노시트를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 다공성 탄소는 그래핀 시트를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 다공성 탄소는 표면 처리된 탄소일 수 있다. 바람직한 구현예에서, 활성 물질은 흑연을 포함하거나, 흑연으로 본질적으로 구성되거나 흑연으로 구성된다.
일반적으로, 본원에 기재된 전극 필름은 변경된 건식 제조 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 본 출원에 설명된 구성 요소를 제조하는 데 사용되는 일부 단계는 미국 특허 공개 번호 제2005/0266298호 및 미국 특허 공개 번호 제2006/0146479호에서 찾을 수 있다. 이들 및 본원의 외부 문서에 대한 임의의 다른 참조는 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 본원에 사용된 바와 같이, 건식 제조 공정은 전극 필름의 형성에 용매가 사용되지 않거나 실질적으로 사용되지 않는 공정을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 탄소 물질 및 결합제를 포함하는 전극 필름의 구성 요소는 건조 입자를 포함할 수 있다. 전극 필름을 형성하기 위한 건조 입자는 조합되어 건조 입자 전극 필름 혼합물을 제공할 수 있다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 전극 필름의 구성 요소의 중량 백분율 및 건조 입자 전극 필름 혼합물의 구성 요소의 중량 백분율이 실질적으로 동일하도록 건조 입자 전극 필름 혼합물로부터 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 건식 제조 공정을 사용하여 건조 입자 전극 필름 혼합물로부터 형성된 전극 필름은 용매 및 그로부터 생성된 용매 잔류물과 같은 임의의 가공 첨가제가 없거나 실질적으로 없을 수 있다. 일부 구현예에서, 생성된 전극 필름은 건조 입자 혼합물로부터 건식 공정을 사용하여 형성된 자체-지지형 전극 필름이다. 일부 구현예에서, 생성된 전극 필름은 건조 입자 혼합물로부터 건식 공정을 사용하여 형성된 프리-스탠딩 전극 필름이다. 전극 필름은 본원에 기재된 바와 같이, 탄성 중합체 결합제를 포함할 수 있고/있거나 미미한 양의 PTFE를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 프리-스탠딩 전극 필름은 집전 장치 없이 형성될 수 있다. 추가 구현예에서, 전극 필름은 자체-지지형 전극 필름일 수 있다. 일부 구현예에서, 건조 입자 전극 필름 혼합물은 제1 캘린더링 공정을 통해 캘린더링되어 전극 필름을 형성한다. 일부 구현예에서, 형성된 전극 필름은 제2 캘린더링 공정을 통해 다시 캘린더링된다. 일부 구현예에서, 캘린더링 공정(예를 들어, 제1 및/또는 제2 캘린더링 공정)은 100℃, 150℃, 165℃, 185℃, 200℃, 215℃, 230℃, 250℃ 또는 280℃, 또는 약 100℃, 150℃, 165℃, 185℃, 200℃, 215℃, 230℃, 250℃ 또는 280℃, 또는 그 사이의 임의의 값 범위에서 수행된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 전극(102) 및 제2 전극(104)은 각각 제1 전극 필름(112)과 접하는 제1 집전 장치(108) 및 제2 전극 필름(114)과 접하는 제2 집전 장치(110)를 포함한다. 제1 집전 장치(108) 및 제2 집전 장치(110)는 각각의 상응하는 전극 필름과 외부 전기 회로(미도시) 사이의 전기적 결합을 용이하게 한다. 제1 집전 장치(108) 및/또는 제2 집전 장치(110)는 하나 이상의 전기 전도성 물질을 포함하고, 상응하는 전극과 외부 회로 사이의 전하 전달을 용이하게 하도록 선택된 임의의 적합한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 집전 장치는 알루미늄, 니켈, 구리, 레늄, 니오븀, 탄탈륨, 및 귀금속 예를 들어 은, 금, 백금, 팔라듐, 로듐, 오스뮴, 이리듐 및 합금 및 전술한 것의 조합을 포함하는 재료와 같은 금속 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 집전 장치(108) 및/또는 제2 집전 장치(110)는, 예를 들어, 알루미늄 호일 또는 구리 호일을 포함할 수 있다. 제1 집전 장치(108) 및/또는 제2 집전 장치(110)는 상응하는 전극과 외부 회로 사이에 전하 전달을 제공하는 크기의 직사각형 또는 실질적으로 직사각형인 형상을 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 에너지 저장 장치(100)는 활성 물질을 포함하는 캐소드를 포함하는 리튬 이온 배터리 또는 하이브리드 에너지 저장 장치이다. 일부 구현예에서, 리튬 이온 배터리는 약 2.5 내지 5 V, 또는 2.7 내지 4.2 V에서 작동하도록 구성된다.
일부 구현예에서, 에너지 저장 장치는 3 볼트 이상에서 작동하도록 구성된다. 추가 구현예에서, 에너지 저장 장치는 2.7 볼트 이상에서 작동하도록 구성된다. 일부 구현예에서, 에너지 저장 장치는 전압 및 온도의 선택된 조건에서 작동하도록 구성된다. 예를 들어, 에너지 저장 장치는 40℃, 45℃, 50℃, 55℃, 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃, 85℃, 90℃, 95℃, 100℃, 또는 더 높은 온도, 또는 그 사이의 임의의 값 범위에서 작동하도록 구성될 수 있다. 에너지 저장 장치는 60 내지 85℃에서 2.7 V, 60 내지 85℃에서 2.8 V, 60 내지 85℃에서 2.9 V, 또는 60 내지 85℃에서 3 V, 또는 임의의 선택한 온도 및 그 사이의 전압 값에서 연속 작동하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 전압 및 온도의 조건은 약 2.7 V 및 약 85℃, 약 2.8 V 및 약 80℃, 약 2.9 V 및 약 75℃, 약 3 V 및 약 70℃, 또는 약 3.1 V 및 약 65℃이다.
리튬 이온 에너지 저장 장치
일부 구현예에서, 에너지 저장 장치(100)는 리튬 이온 커패시터, 리튬 이온 배터리, 또는 하이브리드 리튬 이온 장치와 같은 리튬 이온 에너지 저장 장치일 수 있다. 일부 구현예에서, 리튬 이온 에너지 저장 장치 전극의 전극 필름은 하나 이상의 활성 물질을 포함하고, 탄성 중합체 결합제를 포함하고/하거나 PTFE-미함유이거나 미미한 양의 PTFE를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 리튬 이온 에너지 저장 장치의 전극 필름은 애노드 활성 물질을 포함할 수 있다. 애노드 활성 물질은, 예를 들어, 삽입 물질(예를 들어 탄소, 흑연 및/또는 그래핀), 합금/비합금 물질(예를 들어 규소, 산화규소, 주석 및/또는 산화주석), 금속 합금 또는 화합물(예를 들어 Si-Al, 및/또는 Si-Sn), 및/또는 전환 물질(예를 들어 산화망간, 산화몰리브덴, 산화니켈 및/또는 산화구리)을 포함할 수 있다. 애노드 활성 물질은 단독으로 사용되거나 함께 혼합되어 다중상 물질(예를 들어 Si-C, Sn-C, SiOx-C, SnOx-C, Si-Sn, Si-SiOx, Sn-SnOx, Si-SiOx-C, Sn-SnOx-C, Si-Sn-C, SiOx-SnOx-C, Si-SiOx-Sn, 또는 Sn-SiOx-SnOx)을 형성할 수 있다.
일부 구현예에서, 리튬 이온 에너지 저장 장치의 전극 필름은 활성 캐소드 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 결합제, 및 선택적으로 다공성 탄소 물질, 및 선택적으로 전도성 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전도성 첨가제는 카본 블랙과 같은 전도성 탄소 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 다공성 탄소 물질은 활성탄을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 캐소드 활성 물질은 리튬 금속 산화물 및/또는 황화리튬을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 캐소드 활성 물질은 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 리튬 망간 산화물(LMO), 리튬 철 인산염(LFP), 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 티타네이트(LTO), 리튬 니켈 망간 산화물 및/또는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA)을 포함할 수 있다. 캐소드 활성 물질은 황 또는 황을 포함하는 물질, 예를 들어 황화리튬(Li2S), 또는 다른 황계 물질, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 캐소드 필름은 황 또는 적어도 50 중량% 농도로 황 활성 물질을 포함하는 물질을 포함한다. 일부 구현예에서, 황 또는 황 활성 물질을 포함하는 물질을 포함하는 캐소드 필름은 적어도 10 mAh/cm2의 면적 용량을 갖는다. 일부 구현예에서, 황 또는 황 활성 물질을 포함하는 물질을 포함하는 캐소드 필름은 1 g/cm3의 전극 필름 밀도를 갖는다. 일부 구현예에서, 황 또는 황 활성 물질을 포함하는 물질을 포함하는 캐소드 필름은 결합제를 추가로 포함한다.
일부 구현예에서, 리튬 이온 배터리 또는 하이브리드 에너지 저장 장치의 캐소드 전극 필름은 약 70 중량% 내지 약 96 중량%, 또는 약 70 중량% 내지 약 88 중량%를 포함하여, 약 70 중량% 내지 약 99 중량%의 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 캐소드 전극 필름은 최대 약 5 중량%, 또는 약 1 중량% 내지 약 5 중량%를 포함하여, 최대 약 10 중량%의 다공성 탄소 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 캐소드 전극 필름은 약 1 중량% 내지 약 3 중량%를 포함하여 최대 약 약 5 중량%의 전도성 첨가제를 포함한다. 일부 구현예에서, 캐소드 전극 필름은 최대 약 20 중량%의 결합제, 예를 들어, 약 1.5 중량% 내지 10 중량%, 약 1.5 중량% 내지 5 중량%, 또는 약 1.5 중량% 내지 3 중량%의 결합제를 포함한다. 일부 구현예에서, 캐소드 전극 필름은 약 1.5 중량% 내지 약 3 중량% 결합제를 포함한다.
일부 구현예에서, 애노드 전극 필름은 활성 물질, 결합제, 및 선택적으로 전도성 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전도성 첨가제는 카본 블랙과 같은 전도성 탄소 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 애노드의 활성 물질은 흑연 탄소, 인조 흑연, 천연 흑연, 경질 탄소, 연질 탄소, 그래핀, 메조포러스 탄소, 규소, 산화규소, 주석, 산화주석, 게르마늄, 리튬 티타네이트, 상기 언급된 물질의 혼합물 또는 복합물을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 애노드 전극 필름은 약 90 중량% 내지 약 98 중량%, 또는 약 94 중량% 내지 약 97 중량%를 포함하여, 약 80 중량% 내지 약 99 중량%의 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 애노드 전극 필름은 약 1 중량% 내지 약 3 중량%를 포함하여 최대 약 5 중량%의 전도성 첨가제를 포함한다. 일부 구현예에서, 애노드 전극 필름은 약 1.5 중량% 내지 10 중량%, 약 1.5 중량% 내지 5 중량%, 또는 약 3 중량% 내지 5 중량%를 포함하여, 최대 약 20 중량%의 결합제를 포함한다. 일부 구현예에서, 애노드 전극 필름은 약 4 중량%의 결합제를 포함한다. 일부 구현예에서, 애노드 필름은 전도성 첨가제를 포함하지 않을 수 있다.
일부 구현예에서, 전극 필름은 약, 적어도, 또는 적어도 약 90 중량%, 92 중량%, 94 중량%, 95 중량%, 96 중량%, 97 중량%, 98 중량% 또는 99 중량%, 또는 그 사이의 임의의 값 범위의 활성 물질 중량 백분율을 포함한다.
일부 구현예에서, 리튬 이온 에너지 저장 장치 전극의 전극 필름은 리튬 이온을 가역적으로 삽입하도록 구성된 탄소를 포함하는 전극 필름 혼합물을 포함한다. 일부 구현예에서, 리튬 삽입 탄소는 흑연 탄소, 흑연, 경질 탄소, 연질 탄소 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 전극의 전극 필름은 결합제 물질, 흑연 탄소, 흑연, 그래핀-함유 탄소, 경질 탄소 및 연질 탄소 중 하나 이상, 및 전기 전도성 촉진 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전극은 리튬 금속 및/또는 리튬 이온과 혼합된다.
추가 구현예에서, 에너지 저장 장치(100)는 적절한 리튬-함유 전해질로 충전된다. 예를 들어, 장치(100)는 리튬 염, 및 비수성 또는 유기 용매와 같은 용매를 포함할 수 있다. 일반적으로 리튬 염은 산화환원에 안정한 음이온을 포함한다. 일부 구현예에서, 음이온은 1가일 수 있다. 일부 구현예에서, 리튬 염은 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 과염소산리튬(LiClO4), 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiN(SO2CF3)2, 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(LiSO3CF3), 리튬 비스(옥살라토)보레이트(LiB(C2O4)2), 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiN(SO2F)2, 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(LiC2BF2O4) 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 전해질은 4급 암모늄 양이온 및 헥사플루오로포스페이트, 테트라플루오로보레이트 및 요오다이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 음이온을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 염 농도는 약 0.1 mol/L(M) 내지 약 5 M, 약 0.2 M 내지 약 3 M, 또는 약 0.3 M 내지 약 2 M일 수 있다. 추가 구현예에서, 전해질의 염 농도는 약 0.7 M 내지 약 1 M일 수 있다. 특정 구현예에서, 전해질의 염 농도는 약 0.2 M, 약 0.3 M, 약 0.4 M, 약 0.5 M, 약 0.6 M, 약 0.7 M, 약 0.8 M, 약 0.9 M, 약 1 M, 약 1.1 M, 약 1.2 M, 또는 그 사이의 값일 수 있다.
일부 구현예에서, 에너지 저장 장치는 액체 용매를 포함할 수 있다. 상기 용매는 전해질의 모든 구성 요소를 용해할 필요는 없고, 어떤 구성 요소도 완전히 용해할 필요는 없다. 추가 구현예에서, 용매는 유기 용매일 수 있다. 일부 구현예에서, 용매는 탄산염, 에테르 및/또는 에스테르로부터 선택된 하나 이상의 관능기를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 용매는 탄산염을 포함할 수 있다. 추가 구현예에서, 탄산염은, 예를 들어, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 비닐 에틸렌 카보네이트(VEC), 비닐렌 카보네이트(VC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 및 이들의 조합과 같은 사이클릭 카보네이트, 또는 예를 들어, 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 및 이들의 조합과 같은 비사이클릭 카보네이트로부터 선택될 수 있다. 특정 구현예에서, 전해질은 LiPF6, 및 하나 이상의 탄산염을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 활성 물질은 처리된 탄소 물질을 포함하며, 여기서 처리된 탄소 물질은 미국 특허 공개 번호 제2014/0098464호에 기재된 바와 같이, 수소-함유 관능기, 질소-함유 관능기 및/또는 산소-함유 관능기 수의 감소를 포함한다. 예를 들어, 처리된 탄소 입자는 처리된 탄소의 하나 이상의 표면 상의 하나 이상의 관능기 수의 감소, 예를 들어 처리되지 않은 탄소 표면과 비교하여 하나 이상의 관능기에서 약 20% 내지 약 50%를 포함하여, 약 10% 내지 약 60% 감소를 포함할 수 있다. 처리된 탄소는 감소된 수의 수소-함유 관능기, 질소-함유 관능기, 및/또는 산소-함유 관능기를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 처리된 탄소 물질은 약 0.5% 미만을 포함하여, 수소를 함유하는 약 1% 미만의 관능기를 포함한다. 일부 구현예에서, 처리된 탄소 물질은 약 0.1% 미만을 포함하여, 질소를 함유하는 약 0.5% 미만의 관능기를 포함한다. 일부 구현예에서, 처리된 탄소 물질은 약 3% 미만을 포함하여, 산소를 함유하는 약 5% 미만의 관능기를 포함한다. 추가 구현예에서, 처리된 탄소 물질은 처리되지 않은 탄소 물질보다 약 30% 더 적은 수소-함유 관능기를 포함한다.
탄성 중합체 결합제
탄성 중합체 결합제 물질을 포함하는 하나 이상의 전극 필름을 갖는 애노드 및/또는 캐소드와 같은 전극이 개시된다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 PTFE-미함유이다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 미미한 양의 PTFE를 포함한다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제는 하나 이상의 폴리올레핀 및/또는 이의 공중합체를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제는 셀룰로오스, 폴리올레핀, 폴리에테르, 폴리에테르의 전구체, 폴리실록산, 이들의 공중합체, 및/또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 폴리올레핀은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 이들의 공중합체, 및/또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제는 분지형 폴리에테르, 폴리비닐에테르, 이들의 공중합체 등을 포함할 수 있다. 탄성 중합체 결합제는 폴리실록산과 폴리실록산의 공중합체, 및/또는 폴리에테르 전구체의 공중합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄성 중합체 결합제는 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO), 폴리(페닐렌 옥사이드)(PPO), 폴리에틸렌-블록-폴리(에틸렌 글리콜), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리디메틸실록산-코알킬메틸실록산, 이들의 공중합체 및/또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 폴리올레핀은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 이들의 공중합체, 및/또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 결합제는 셀룰로오스, 예를 들어, 카복시메틸셀룰로오스(CMC)를 포함할 수 있다. 중합체의 혼합물은 상기 언급된 중합체 또는 공중합체의 상호침투 네트워크를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제는 PE, PVDF 및 PEO 중 적어도 하나로부터 선택된 결합제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제는 PE로 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제는 PVDF로 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제는 PEO로 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제는 PE 및 PVDF로 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제는 PE, PVDF 및 PEO로 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제는 입자 형태이다. 일부 구현예에서, 탄성 중합체 결합제 입자는 2μm, 5μm, 10μm, 20μm, 30μm, 40μm, 50μm, 60μm or 100μm, 또는 약 2μm, 5μm, 10μm, 20μm, 30μm, 40μm, 50μm, 60μm or 100μm, 또는 그 사이의 임의의 값 범위의 D50 평균 크기 분포를 갖는다.
전극 필름은 다양한 양의 탄성 중합체 결합제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 8 또는 10 중량%의 탄성 중합체 결합제, 또는 약 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 8 또는 10 중량%의 탄성 중합체 결합제, 또는 그 사이의 임의의 값 범위를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 8 또는 10 중량%의 PE, 또는 약 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 8 또는 10 중량%의 PE, 또는 그 사이의 임의의 값 범위를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 8 또는 10 중량%의 PVDF, 또는 약 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 8 또는 10 중량%의 PVDF, 또는 그 사이의 임의의 값 범위를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전극 필름은 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 8 또는 10 중량%의 PEO, 또는 약 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 8 또는 10 중량%의 PEO, 또는 그 사이의 임의의 값 범위를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 본원에 기재된 탄성 중합체를 포함하는 프리-스탠딩 및/또는 자체-지지형 전극 필름은 인장 강도가 적어도 또는 적어도 약 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5 또는 6 N, 또는 그 사이의 임의의 값 범위일 수 있다. 추가 구현예에서, 인장 강도는 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5 또는 6 N이거나, 약 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5 또는 6 N, 또는 이들 사이의 값 범위일 수 있다.
실시예
전극 재료
SMG-A5 흑연 및 LiNi0 . 6Mn0 . 2Co0 . 2O2(NMC622) 분말은 건조 없이 수령한 대로 사용되었다. 따라서 분말은 대기 수분으로 인해 제한된 잔류 수분을 포함할 수 있다. 탄성 중합체 결합제는 광범위한 분자량을 갖는 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 단독 중합체 및 공중합체를 포함한다. 일부 구현예에서, 결합제 중합체의 입자 크기 및 분포는 프리-스탠딩 전극 필름의 기계적 안정성을 유지하는 역할을 할 수 있다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 결합제도 비교 실시예에서 사용하였다. 표 1은 하기 시험된 활성 물질 및 결합제에 대한 사양을 나타낸다.
Figure pct00001
건식 코팅된 전극 포뮬레이션
표 2는 활성 물질 및 결합제를 포함하는 조사된 전극 포뮬레이션을 제공한다. 건조 분말 공정은 다음의 건식 혼합 공정에 따라 수행되었다: (i) 음파 공명 믹서를 사용하여 5분 동안 60% 강도로 흑연과 결합제를 혼합하는 단계; 및 (ii) 9의 공급 속도에서 40 psi 압력에서 미분화기를 사용하여 혼합 분말을 분쇄하는 단계. PTFE-미함유 포뮬라 4-6의 경우 단계 (ii) 분쇄 공정이 제외되었으며, 이는 단계 (ii)의 제트 밀링 없이 음파 공명 믹서 단계 (i)만을 통해 처리되었다. 포뮬라 3은 PTFE를 포함하며, 비교용으로 제공된다. 도 2a는 PTFE를 함유하는 가공된 분말 포뮬레이션과 달리 분말 및 먼지가 있는 것으로 보이는 가공된 PTFE-미함유 포뮬레이션 분말의 사진을 보여준다. 도 2b에서 보여주는 바와 같이, 가공된 건조 분말을 표 3에 나타낸 캘린더링 공정 조건 하에서 프리 스탠딩 전극 필름으로 전환시켜 전극 필름 포뮬라 1 내지 6 각각에 대한 필름 A 및 필름 B를 형성하였다. 필름 A 필름은 가공된 분말에서 필름으로 직접 전환되는 반면, 필름 B 필름은 목표 두께와 부하량이 달성될 때까지 필름 A 조건 하에 제조된 필름을 다시 캘린더링하여 얻는다. 도 2c 내지 2f는 혼합된 분말로부터 직접 캘린더링된, 각각 포뮬라 1, 4, 5 및 6의 PTFE-미함유 필름 A 필름의 이미지를 보여주며, 이는 프리-스탠딩 흑연 필름이 PTFE 결합제 및 제트 밀링 공정 없이 제조될 수 있음을 입증한다. 본 발명자들은, 포뮬라 1, 2 및 4-6을 사용하면 PTFE를 단독 결합제로 사용하는 통상적인 흑연 전극 필름과 비교하여 가공된 포뮬레이션 분말에서 직접 단 한 번의 캘린더링 패스를 통해 더 얇고 재료 부하량이 더 낮은 흑연 전극 필름을 제조할 수 있다는 점에 주목한다.
Figure pct00002
Figure pct00003
기계적 특성
도 3a 및 3b는 필름 A 및 필름 B 사양으로 캘린더링된 포뮬라 1-3의 프리 스탠딩 흑연 전극 필름의 인장 강도 및 신장 결과를 보여준다. 예기치 않게 그리고 유리하게는, PTFE 결합제가 없는 포뮬라 1 및 2 프리 스탠딩 흑연 전극 필름의 인장 강도는 PTFE 결합제가 있는 포뮬라 3의 것과 비슷하거나 초과하는 것으로 밝혀졌다. 추가로, 포뮬라 1 및 2 필름은 PTFE 결합제를 사용한 포뮬라 3 흑연 전극 필름과 비교하여 필름 신장률을 상당히 감소시켰다. 또한, PE 결합제가 있는 흑연 전극 필름에 PVDF를 첨가한 포뮬라 2는 PE 결합제만 있는 흑연 전극 필름의 포뮬라 1과 유사한 필름 신장성을 유지하면서 인장 강도가 크게 향상됨을 보였다. 본 발명자들은, 표 4에서 볼 수 있듯이, PE 및 PVDF 결합제가 있는 포뮬라 2 흑연 전극 필름이 PTFE 결합제만 있는 포뮬라 3 전극 필름보다 필름 밀도가 더 높다는 점에 주목한다.
Figure pct00004
전기화학 셀 시험
포뮬레이션 1 내지 3을 포함하는 필름 A 및 필름 B의 프리-스탠딩 전극을 185℃에서 캘린더링 공정을 통해 구리 호일 상에 라미네이팅하고, 진공 하에 110℃에서 밤새 건조시킨 후 전기화학적 평가를 위해 전해질이 포함된 파우치 케이스 내의 리튬 금속 전극에 조립하였다. 표 5는 배터리 셀 평가에 사용되는 흑연 전극의 코팅 중량을 제공한다. 표 6은 필름 A 및 B 처리된 전극 필름을 포함하는 배터리 셀용 전해질 조성을 제공한다.
Figure pct00005
Figure pct00006
도 4a 내지 5b는 0.05C 속도로 측정된 전해질 A 및 전해질 B가 있는 건식 흑연 전극 반쪽 전지에 대한 제1 사이클 용량 및 효율 결과를 보여준다. 전해질 조성에 관계없이, 포뮬라 1 및 2의 PTFE-미함유 흑연 전극은, 부분적으로 더 높은 전극 밀도로 인해, 포뮬라 3에 비해 실질적으로 더 낮은 충전 및 방전 용량을 산출하였다. 또한, 포뮬라 1 및 2의 PTFE-미함유 흑연 전극은 상당히 더 높은 제1 사이클 효율과 함께 적정 용량을 나타내었다. 또한, 1 중량% VC를 갖는 전해질 B는 제1 사이클 효율을 유지하면서 충전 및 방전 용량을 모두 억제하는 것으로 관찰되었다. 전해질 A를 사용할 때도 유사한 결과가 나타났다.
도 6a 내지 7c는 전해질 A 및 전해질 B를 사용한 포뮬라 1 내지 3의 건식 흑연 전극 반쪽 전지에 대한 리튬화 공정의 확장된 미분 용량 프로파일을 보여주며, 이는 제1 사이클 효율과 상관관계가 있는 초기 충전 공정 동안 비가역적 SEI 형성 거동을 나타낸다. 이러한 결과는 PTFE의 전기화학적 환원이 약 0.6 V에서 발생했음을 나타내며, 이는 PTFE 결합제가 있는 흑연 전극의 제1 사이클 효율이 낮아진 원인으로 여겨진다. 또한, PTFE 결합제가 있는 포뮬라 3 흑연 전극은 0.2 V 내지 0.6 V 사이의 전압에서 추가 피크를 나타냈다.
도 8a 내지 9c는 0.05C 속도로 시험된 전해질 A 및 전해질 B를 사용한 포뮬라 1 내지 3의 건식 흑연 전극 반쪽 전지의 1차 사이클 전압 프로파일을 보여준다. PE 및/또는 PVDF 결합제가 있는 포뮬라 2 및 3 건식 흑연 전극은 리튬화 동안 0 내지 50 mAh/g 사이에서 더 얕은 니(knee)를 나타냈다. 전해질 A 및 전해질 B 모두에 대해 PTFE 결합제가 있는 포뮬라 3 흑연 전극과 비교될 때 탈리튬화 동안 유사한 프로파일이 발견되었다.
도 9a 내지 9c는 0.1C 속도로 시험된 전해질 B를 사용한 포뮬라 1 내지 3 건식 흑연 전극 반쪽 전지의 초기 사이클링 성능을 보여준다. 포뮬라 1 및 2 PTFE-미함유 흑연 전극 셀은 포뮬라 3 흑연 전극 셀에 비해 더 안정적인 초기 사이클링 거동을 나타냈으며, 이는 흑연 전극과 리튬 금속 전극 사이에 높은 부동태화(passivation) 계면을 발달시키는 PTFE 결합제의 영향 및 전기화학적 불안정성을 반영한다. 포뮬라 2 흑연 전극 셀은 0.1C 속도에서 용량 감소 없이 지속적으로 안정적이고 높은 용량을 나타냈지만, 포뮬라 3 흑연 전극 셀은 0.1C 속도에서 비교적 큰 용량 강하 후 점진적인 용량 증가를 보였다. 이는 PTFE 결합제가 있는 포뮬라 3 전극 셀이 과전위 분극에 의해 유도된 높은 계면 임피던스를 겪고 있음을 나타낸다.
특정 구현예가 설명되었지만, 이들 실시예는 단지 예로서 제시되었으며, 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 실제로, 본원에 기재된 신규한 방법 및 시스템은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 또한, 본원에 기재된 시스템 및 방법의 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 첨부된 청구범위 및 이의 등가물은 본 발명의 범위 및 정신에 속하는 그러한 형태 또는 수정을 포함하도록 의도된다.
특정 측면, 구현예 또는 예와 관련하여 설명된 특징, 재료, 특성 또는 그룹은 양립할 수 없는 경우를 제외하고 이 섹션 또는 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 임의의 다른 측면, 구현예 또는 예에 적용 가능한 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에 개시된 모든 특징(임의의 첨부된 청구범위, 요약 및 도면 포함) 및/또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 공정의 모든 단계는 이러한 특징 및/또는 단계의 적어도 일부가 상호 배타적인 조합을 제외하고는 임의의 조합으로 조합될 수 있다. 보호는 임의의 전술한 구현예의 세부 사항으로 제한되지 않는다. 보호는 본 명세서(임의의 첨부된 청구범위, 요약 및 도면 포함)에 개시된 특징 중 임의의 신규한 것 또는 임의의 신규한 조합, 또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 공정의 단계의 임의의 신규한 것 또는 임의의 신규한 조합으로 확장된다.
또한, 개별 구현의 맥락으로 본 개시내용에 기재된 특정 특징은 또한 단일 구현으로 조합하여 구현될 수 있다. 반대로, 단일 구현의 맥락으로 설명된 다양한 특징은 개별적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 다중 구현으로 구현될 수도 있다. 더욱이, 특징이 특정 조합으로 작용하는 것으로 상기에서 설명될 수 있더라도, 청구된 조합의 하나 이상의 특징이 일부 경우에 조합에서 제거될 수 있으며, 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변형으로 청구될 수 있다.
더욱이, 작업이 도면에 도시되거나 본 명세서에 특정 순서로 설명될 수 있지만, 이러한 작업은 바람직한 결과를 달성하기 위해 도시된 특정 순서 또는 순차적인 순서로 수행되거나 모든 작업을 수행할 필요는 없다. 도시되거나 설명되지 않은 다른 작업은 예시적인 방법 및 공정에 포함될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 작업이 설명된 작업 중 어느 것 이전, 이후, 동시에 또는 사이에 수행될 수 있다. 또한, 작업은 다른 구현에서 재배열되거나 재정렬될 수 있다. 당업자는 일부 구현예에서, 예시 및/또는 개시된 공정에서 취해진 실제 단계가 도면에서 보여주는 단계와 다를 수 있음을 이해할 것이다. 구현예에 따라, 상기 기재된 특정 단계가 제거될 수 있고, 다른 단계가 추가될 수 있다. 또한, 상기 개시된 특정 구현예의 특징 및 속성은 다른 방식으로 조합되어 추가적인 구현예를 형성할 수 있으며, 이들 모두는 본 발명의 범위 내에 속한다. 또한, 상기 기재된 구현에서 다양한 시스템 구성 요소의 분리가 모든 구현에서 이러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 기재된 구성 요소 및 시스템은 일반적으로 단일 제품으로 함께 통합되거나 여러 제품으로 패키징될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 본원에 기재된 에너지 저장 시스템을 위한 임의의 구성 요소는 개별적으로 제공되거나 함께 통합되어(예를 들어, 함께 패키징되거나 함께 부착되어) 에너지 저장 시스템을 형성할 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 특정 측면, 이점 및 신규 특징이 본원에 기재되어 있다. 반드시 이러한 모든 이점이 임의의 특정 구현예에 따라 달성될 수 있는 것은 아니다. 따라서, 예를 들어, 당업자는 본 발명이 본원에 교시되거나 제안될 수 있는 다른 이점을 반드시 달성하지 않으면서 본원에 교시된 바와 같은 하나의 이점 또는 이점의 그룹을 달성하는 방식으로 구현되거나 수행될 수 있음을 인식할 것이다.
"할 수 있다("can", "could", "might" 또는 "may")와 같은 조건부 언어는, 달리 구체적으로 명시되지 않거나 사용된 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, 일반적으로 특정 구현예가 특정 기능, 요소 및/또는 단계를 포함하는 반면, 다른 구현예는 이들을 포함하지 않는다는 것을 전달하는 것으로 의도된다. 따라서, 이러한 조건부 언어는 일반적으로 특징, 요소 및/또는 단계가 하나 이상의 구현예에 대해 어떤 방식으로든 필요하거나 이러한 특징, 요소 및/또는 단계가 임의의 특정 구현예에 포함되거나 수행되어야 하는지 여부를 사용자 입력 또는 프롬프팅(prompting) 유무에 관계없이 결정하기 위한 로직을 반드시 포함한다는 것을 암시하는 것으로 의도되지 않는다.
"X, Y, 및 Z 중 적어도 하나"라는 구와 같은 접속 언어는, 달리 구체적으로 명시되지 않는 한, 항목, 용어 등이 X, Y, 또는 Z 중 하나일 수 있음을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 문맥으로 달리 이해된다. 따라서, 이러한 접속 언어는 일반적으로 특정 구현예가 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나, 및 Z 중 적어도 하나의 존재를 필요로 한다는 것을 암시하는 것으로 의도되지 않는다.
본원에 사용된 용어 "대략", "약", "일반적으로" 및 "실질적으로"와 같은 본원에 사용된 정도의 언어는 여전히 원하는 기능을 수행하거나 원하는 결과를 달성하는 명시된 값, 양 또는 특성에 가까운 값, 양 또는 특성을 나타낸다. 예를 들어, 용어 "대략", "약", "일반적으로" 및 "실질적으로"는 원하는 기능 또는 원하는 결과에 따라, 명시된 양의 10% 미만, 5% 미만, 1% 미만, 0.1% 미만, 0.01% 미만 내에 있는 양을 지칭할 수 있다.
이 문서에 포함된 표제는, 존재한다면, 편의를 위한 것일 뿐이며 본원에 개시된 장치 및 방법의 범위나 의미에 반드시 영향을 미치는 것은 아니다.
본 발명의 범위는 이 섹션 또는 본 명세서의 다른 곳에서 바람직한 구현예의 특정 개시에 의해 제한되는 것으로 의도되지 않으며, 이 섹션 또는 본 명세서의 다른 곳에서 제시되거나 추후 제시되는 청구범위에 의해 한정될 수 있다. 청구범위의 언어는 청구범위에 사용된 언어에 기초하여 광범위하게 해석되어야 하며, 본 명세서에 기재된 예로 제한되거나 출원의 진행 동안 제한되지 않으며, 이러한 예는 배타적이지 않은 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 건조 활성 물질; 및
    탄성 중합체를 포함하는 건조 결합제
    를 포함하는 에너지 저장 장치에 사용하기 위한 건식 전극 필름으로서,
    상기 건식 전극 필름은 프리-스탠딩이고, 기껏해야 미미한 양의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는, 건식 전극 필름.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄성 중합체는 셀룰로오스, 폴리올레핀, 폴리에테르, 폴리에테르 전구체, 폴리실록산, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 건식 전극 필름.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄성 중합체는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO), 폴리(페닐렌 옥사이드)(PPO), 폴리에틸렌-블록-폴리(에틸렌 글리콜), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리디메틸실록산-코알킬메틸실록산, 카복시메틸셀룰로오스(CMC), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 건식 전극 필름.
  4. 제3항에 있어서, 상기 탄성 중합체는 PE, PEO, PVDF 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 건식 전극 필름.
  5. 제1항에 있어서, 상기 건식 전극 필름은 약 0.5 내지 10 중량%의 탄성 중합체 중량%를 포함하는, 건식 전극 필름.
  6. 제1항에 있어서, 상기 건식 전극 필름은 PTFE-미함유인, 건식 전극 필름.
  7. 제1항에 있어서, 상기 건식 전극 필름에는 공정 용매 잔류물이 없는, 건식 전극 필름.
  8. 제1항에 있어서, 상기 건식 전극 필름은 적어도 약 95 중량%의 건조 활성 물질 중량%를 포함하는, 건식 전극 필름.
  9. 제1항에 있어서, 상기 건조 활성 물질은 흑연인, 건식 전극 필름.
  10. 제1항에 있어서, 상기 건식 전극 필름은 적어도 약 1 N의 인장 강도를 포함하는, 건식 전극 필름.
  11. 제1항에 있어서, 상기 건식 전극 필름은 거의 결함이 없는, 건식 전극 필름.
  12. 집전 장치 및 제1항의 건식 전극 필름을 포함하는 전극.
  13. 제12항의 전극을 포함하는 배터리.
  14. 건식 전극 필름 제조 방법으로서, 상기 방법은
    건조 활성 물질과 건조 결합제 - 상기 건조 결합제는 탄성 중합체를 포함함 -를 혼합하여 건조 제1 혼합물을 형성하는 단계, 및
    건조 제1 혼합물을 캘린더링하여 건식 전극 필름을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 건식 전극 필름은 프리-스탠딩이고, 기껏해야 미미한 양의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 것인, 건식 전극 필름 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 혼합은 비파괴 혼합 공정에 의해 수행되는, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 혼합은 고전단 혼합을 포함하지 않는, 방법.
  17. 제14항에 있어서, 혼합은 적어도 대략 실온의 온도에서 수행되는, 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 건조 활성 물질은 혼합 전의 제1 입자 크기 분포 및 혼합 후의 제2 입자 크기 분포를 가지며, 여기서 상기 제1 및 제2 입자 크기 분포는 실질적으로 유사한, 방법.
  19. 제14항에 있어서, 캘린더링은 약 150 내지 250℃의 온도에서 수행되는, 방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 건식 전극 필름을 캘린더링하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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