KR20220051237A - 형성 과정을 통한 규소 애노드 함유 전지의 개선된 성능을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

캐소드, 전해질 및 규소 함유 애노드를 포함할 수도 있는, 형성 과정을 통한 규소 애노드 함유 전지의 개선된 성능을 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 배터리는 하나 이상의 사이클, 즉, 배터리의 전류가 C/20에 도달할 때까지 1C 속도로 3.8V 이상으로 배터리를 충전하는 사이클, 및 2.5V 이하로 배터리를 방전하는 사이클의 하나 이상의 사이클을 포함하는 형성 과정을 겪을 수도 있다. 배터리는 리튬 이온 배터리를 포함할 수도 있다. 전해질은 액체, 고체 또는 겔을 포함할 수도 있다. 애노드는 70% 초과의 규소를 포함할 수도 있다. 배터리는 전류가 0.2C에 도달할 때까지 방전될 수도 있다. 배터리는 1C 속도로 또는 0.2C 속도로 방전될 수도 있다. 배터리는 충전과 방전 간에 휴지 기간이 있을 수도 있다.

Description

형성 과정을 통한 규소 애노드 함유 전지의 개선된 성능을 위한 방법 및 시스템
관련 출원에 대한 상호-참조/참조에 의한 원용
본 출원은 미국 출원 제16/549,926호(출원일: 2019년 8월 23일)의 우선권을 주장하고, 상기 기초출원은 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
분야
본 개시내용의 양상은 에너지 생성 및 저장에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시내용의 특정한 실시형태는 형성 과정을 통한 규소 애노드 함유 전지의 개선된 성능을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
배터리 애노드에 대한 종래의 방식은 비용이 많이 들 수도 있고, 번거로울 수도 있고/있거나 비효율적일 수도 있다-예를 들어, 이 방식은 복잡할 수도 있고/있거나 구현하는 데 시간 소모적일 수도 있고, 배터리 수명을 제한할 수도 있다.
종래의 방식 및 전통적인 방식의 추가의 제한 및 단점은 도면을 참조하여 본 출원의 나머지에 제시된 바와 같이 본 개시내용의 일부 양상과 이러한 시스템의 비교를 통해, 당업자에게 분명해질 것이다.
형성 과정을 통한 규소 애노드 함유 전지의 개선된 성능을 위한 시스템 및/또는 방법은 청구범위에 더 완전히 제시된 바와 같이, 실질적으로 도면 중 적어도 하나의 도면과 연관되어 도시되고/되거나 설명된다.
본 개시내용의 이 장점 및 다른 장점, 양상 및 새로운 특징뿐만 아니라 본 개시내용의 예시된 실시형태의 상세사항은 다음의 설명 및 도면으로부터 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 초고전압의 코발트-무함유 캐소드를 가진 배터리의 도면.
도 2는 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 4.2V와 3.2V 간에 그리고 제1 사이클링 시나리오로 사이클링되는, 종래의 형성 과정을 사용하는 규소 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 사이클링 성능을 예시하는 도면.
도 3은 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 4.2V와 3.2V 간에 그리고 제2 사이클링 시나리오로 사이클링되는, 종래의 형성 과정을 사용하는 규소 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 사이클링 성능을 도시하는 도면.
도 4는 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 규소 애노드를 가진 배터리에 대한 형성 과정의 과정 흐름을 예시하는 도면.
도 5는 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 4.2V와 3.2V 간에 그리고 제1 사이클링 시나리오로 사이클링되는, 새로운 형성 과정을 사용하는 규소 함유 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 사이클링 성능을 예시하는 도면.
도 6은 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 4.2V와 3.2V 간에 그리고 제1 사이클링 시나리오로 사이클링되는, 새로운 형성 과정을 사용하는 규소 함유 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 사이클링 성능을 예시하는 도면.
도 1은 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 배터리의 도면이다. 도 1을 참조하면, 집전기(107A 및 107B)와 함께, 애노드(101)와 캐소드(105) 사이에 개재된 분리기(103)를 포함하는 배터리(100)가 도시된다. 배터리(100)가 방전 모드로 있을 때의 경우를 예시하는 배터리(100)에 결합된 부하(109)가 또한 도시된다. 본 개시내용에서, 용어 "배터리"는 단일의 전기화학 전지, 모듈로 형성된 복수의 전기화학 전지, 및/또는 팩으로 형성된 복수의 모듈을 나타내도록 사용될 수도 있다.
집전기(107A 및 107B)와 함께, 애노드(101) 및 캐소드(105)는 전해질 물질 내에 있거나 또는 이것을 포함하는 플레이트 또는 막을 포함할 수도 있는 전극을 포함할 수도 있고, 플레이트는 전해질을 포함하기 위한 물리적 배리어뿐만 아니라 외부 구조체에 대한 전도성 접점을 제공할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 애노드/캐소드 플레이트는 전해질에 침지되고 반면에 외부 케이싱은 전해질 격납을 제공한다. 애노드(101) 및 캐소드는 전극에 대한 전기적 접점뿐만 아니라 전극을 형성할 때 활성 물질을 위한 물리적 지지를 제공하기 위한 금속 또는 다른 전도성 물질을 포함하는 집전기(107A 및 107B)에 전기적으로 결합된다.
도 1에 도시된 구성은 방전 모드인 배터리(100)를 예시하고, 반면에 충전 구성에서, 부하(107)는 충전기로 대체되어 과정을 반전시킬 수도 있다. 하나의 부류의 배터리에서, 분리기(103)는 일반적으로 이온이 분리기(103)를 통과하게 하도록 충분히 다공성이면서, 예를 들어, 전자가 애노드(101)로부터 캐소드(105)로 또는 그 역으로 흐르는 것을 방지하는, 전기 절연성 폴리머로 이루어진, 막 물질이다. 일반적으로, 분리기(103), 캐소드(105) 및 애노드(101) 물질은 시트, 막 또는 활성 물질 코팅된 포일로 개별적으로 형성된다. 캐소드, 분리기 및 애노드의 시트가 캐소드(105)와 애노드(101)를 분리시키는 분리기(103)와 함께 후속하여 적층되거나 또는 롤링되어 배터리(100)를 형성한다. 일부 실시형태에서, 분리기(103)는 시트이고 일반적으로 분리기의 제작 시 권취 방법 및 적층을 활용한다. 이 방법에서, 애노드, 캐소드 및 집전기(예를 들어, 전극)는 막을 포함할 수도 있다.
예시적인 시나리오에서, 배터리(100)는 고체, 액체 또는 겔 전해질을 포함할 수도 있다. 분리기(103)는 바람직하게는 용해된 LiBF4, LiAsF6, LiPF6 및 LiClO4 등과 함께 에틸렌 카보네이트(EC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 프로필렌 카보네이트(PC), 다이메틸 카보네이트(DMC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 다이에틸 카보네이트(DEC) 등을 포함할 수도 있는 조성물과 같은 일반적인 배터리 전해질에 용해되지 않는다. 분리기(103)는 액체 또는 겔 전해질에 의해 젖거나 또는 적셔지지 않을 수도 있다. 또한, 예시적인 실시형태에서, 분리기(103)는 약 100 내지 120℃ 미만에서 용융되지 않고, 배터리 적용을 위한 충분한 기계적 특성을 나타낸다. 배터리는 작동 시, 애노드 및/또는 캐소드의 팽창 및 수축을 겪을 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 분리기(103)는 결함 없이 적어도 약 5 내지 10%만큼 팽창되고 수축될 수 있고, 또한 휘어질 수도 있다.
분리기(103)가 충분히 다공성일 수도 있어서 일단 분리기가, 예를 들어, 액체 또는 겔 전해질에 의해 젖는다면 이온이 분리기를 통과할 수 있다. 대안적으로(또는 부가적으로), 분리기는 심지어 상당한 다공도 없이 겔화 또는 다른 공정을 통해 전해질을 흡수할 수도 있다. 분리기(103)의 다공도가 또한 일반적으로 너무 다공성이어서 애노드(101) 및 캐소드(105)가 전자를 분리기(103)를 통해 이송하게 한다.
애노드(101) 및 캐소드(105)는 충전 상태 및 방전 상태에서 전하의 이송을 위해 디바이스에 대한 전기적 연결을 제공하는, 배터리(100)를 위한 전극을 포함한다. 예시적인 시나리오에서, 캐소드는 니켈 산화물을 포함할 수도 있다. 애노드(101)는 예를 들어, 규소, 탄소 또는 이 물질의 조합을 포함할 수도 있다. 전형적인 애노드 전극은 집전기, 예컨대, 구리 시트를 포함하는 탄소 물질을 포함한다. 탄소는 이것이 우수한 전기 화학적 성능을 갖고 또한 전기 전도성이기 때문에 종종 사용된다. 재충전 가능한 리튬-이온 전지에서 현재 사용되는 애노드 전극은 일반적으로 대략 200㎃h/g(milliamp hours per gram)의 비정전 용량을 갖는다. 흑연, 즉, 대부분의 리튬 이온 배터리 애노드에서 사용되는 활성 물질은 372㎃h/g의 이론적 에너지 밀도를 갖는다. 비교하면, 규소는 4200㎃h/g의 높은 이론적 정전 용량을 갖는다. 리튬-이온 배터리의 용적 및 중량적 에너지 밀도를 증가시키기 위해, 규소는 캐소드 또는 애노드를 위한 활성 물질로서 사용될 수도 있다. 규소 애노드는 예를 들어, 50% 초과의 규소를 가진, 규소 합성물로 형성될 수도 있다.
예시적인 시나리오에서, 애노드(101)와 캐소드(105)는 전하의 분리를 위해 사용되는 이온, 예컨대, 리튬을 저장한다. 이 실시예에서, 전해질은 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 방전 모드에서 양으로 대전된 리튬 이온을 애노드(101)로부터 캐소드(105)로 그리고 충전 모드에서 분리기(105)를 통해 반대로 운반한다. 리튬 이온의 이동은 양의 집전기(107B)에서 전하를 생성하는 자유 전자를 애노드(101)에서 생성한다. 이어서 전류가 집전기로부터 부하(109)를 통해 음의 집전기(107A)로 흐른다. 분리기(103)는 배터리(100) 내부의 전자의 흐름을 차단한다.
배터리(100)가 방전되고 전류를 제공하는 동안, 애노드(101)가 리튬 이온을 분리기(103)를 통해 캐소드(105)로 방출하여, 하나의 측면으로부터 결합된 부하(109)를 통해 다른 하나의 측면으로의 전자의 흐름을 생성한다. 배터리가 충전될 때, 리튬 이온이 캐소드(105)에 의해 방출되고 애노드(101)에 의해 수용되는 반대의 경우가 발생한다.
애노드(101) 및 캐소드(105)를 위해 선택된 물질은 배터리(100)에 대해 가능한 신뢰도 및 에너지 밀도를 위해 중요하다. 현재의 Li-이온 배터리의 에너지, 전력, 비용 및 안전성은 내연 기관(internal combustion engine: ICE) 기술과 경쟁하고 전기 자동차(electric vehicle: EV)의 광범위한 채택을 허용하기 위해 개선되어야 한다. 리튬-이온 배터리의 높은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도 및 개선된 안정성은 고용량 및 고전압 캐소드, 고용량 애노드 및 고전압 안정성을 가진 기능적으로 비가연성 전해질 및 전극과의 계면 호환성의 발달에 의해 달성된다. 또한, 낮은 유독성을 가진 물질은 공정 비용을 감소시키고 소비자 안정성을 촉진하기 위해 배터리 물질로서 이롭다.
리튬 이온 재충전 가능한 배터리는 일반적으로 애노드(음의 전극), 캐소드(양의 전극), 분리기, 전해질 및 하우징을 포함한다. 일반적으로, 조립 후에, 리튬 이온 배터리는 전지가 공장 외부로 배송되기 전에 느린 충전 또는 특정한 시퀀스의 전기적, 열적, 물리적 작동이 전지에 대해 수행되어 전지를 초기화하는 형성 과정이라 불리는 특정한 과정을 겪는다. 특히, 제1 충전의 하나의 중요한 양상은 이것이 애노드 표면의 전해질의 과도한 감소를 방지하기 위해 애노드 상에 이로운 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI)층을 형성하도록 설계된다는 것이다.
주 애노드 활성 물질로서 흑연을 포함하는 리튬 이온 배터리에 대해, 형성 과정이 일반적으로 4개의 단계로 구성되지만, 많은 형성 과정 체제는 매우 기밀이고 다음의 것보다 더 복잡하다: 흑연 애노드 상의 SEI층 형성 과정을 용이하게 하기 위해 3.5V보다 더 높은 전압으로 느린 충전, 휴지, 전지의 정전 용량을 측정하기 위한 비전압 또는 출하 비전압으로 방전, 및 최종적으로 또 다른 휴지 단계. 흑연 애노드를 가진 리튬 이온 배터리에 대해, 느린 충전의 제1 단계는 우수한 사이클링 및 저장 성능을 가능하게 하는 형성 과정의 가장 중요한 단계로 종종 간주된다. 그러나, 규소를 함유하는 애노드를 가진 리튬 이온 배터리(특히 규소가 유일한 활성 물질 또는 주 활성 물질인 배터리)에 대해, 이러한 종래의 형성 과정은 특정한 사이클링 조건하에서 우수한 성능을 발생시킬 것이다.
도 2는 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 4.2V와 3.2V 간에 그리고 제1 사이클링 시나리오로 사이클링되는, 종래의 형성 과정을 사용하는 규소 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 사이클링 성능을 예시한다. 도 2를 참조하면, 애노드로서 규소를 가진 리튬 이온 배터리의 사이클링 성능이 도시되고, 전지는 종래의 형성 과정을 사용하여 형성된다. 여기서 형성 과정이 4개의 사이클이지만, 가장 상업적인 형성 과정 절차는 1개 이하의 사이클로 수행된다. 이 경우에 형성 과정은 3.3V의 더 낮은 방전 차단 전압으로 수행된다. 각각의 사이클에서, 전지는 전류가 C/20에 도달할 때까지 1C 속도로 4.2V로 충전되고 전지는 3.3V로 방전된다. C-속도는 배터리가 이의 최대 정전 용량에 대해 충전되거나 또는 방전되는 속도의 측정값이다. 1C 방전 속도는 방전 전류가 1시간에 배터리의 공칭 정격 정전 용량을 방전하고, 그래서 100Amp-hr의 정전 용량을 가진 배터리에 대해, 이것이 1시간에 100amp의 방전 전류와 같다는 것을 의미한다. 이 배터리에 대한 5C 속도는 500amp일 것이고, C/2 속도는 50amp일 것이다. 각각의 사이클에서 휴지 기간은 충전 또는 방전이 없는, 즉, 부하가 없는, 시간을 포함하고, 배터리가 정상 상태에 도달하는 임의의 시간량일 수도 있다. 예시적인 시간은 10분, 15분 또는 심지어 30분 이상이다. 또 다른 시나리오에서, 휴지 기간은 수시간 실행될 수도 있다. 적어도 10분은 적합한 최소값이다.
이 예에서 애노드는 규소 풍부 애노드, 예를 들어, 70% 초과의 Si 막이고, 캐소드는 전도성 첨가제 및 PVDF와 혼합된 NCA이고, 전해질은 카보네이트의 혼합물에 용해된 LiPF6이다. 사이클, 즉, 사이클 수명에 따라 방전 정전 용량 저하(discharge capacity fade)를 측정하기 위해, 전지는 4.2V와 3.2V 간에 충전되고 방전된다(시나리오-1). 이 시나리오에서, 리튬 이온 배터리는 200개의 사이클 후 20%까지의 정전 용량 저하를 갖는다. 일반적으로, 500 내지 1000개의 사이클 후 20% 미만의 정전 용량 저하는 대부분의 상업적인 적용을 위해 요망된다.
도 3은 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 4.2V와 3.2V 간에 그리고 제2 사이클링 시나리오로 사이클링되는, 종래의 형성 과정을 사용하는 규소 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 사이클링 성능을 도시한다. 이 시나리오, 즉, 시나리오-2에서, 전지 설계는 시나리오-1과 동일하다. 그러나, 시나리오-2에서, 규소 애노드를 가진 리튬 이온 배터리는 전지가 3.2V 미만의 전압으로 방전될 때, 100개의 사이클마다 정전 용량 회복 및 3.2V로의 사이클링 동안 더 빠른 정전 용량 저하의 독특한 현상을 갖는다.
시나리오-1 및 시나리오-2 둘 다에서, 리튬 이온 배터리가 4.2V와 3.2V 간에 사이클링되지만, 시나리오-2에서, 방전 전압이 3.2V 미만인 경우에 100번째 사이클마다 더 깊은 방전 사이클이 있다는 것에 유의해야 한다. 이 결과는 종래의 형성 과정이 사이클링 성능의 상당한 가변성을 발생시킬 수도 있다는 것을 나타낸다. 시나리오-1 및 시나리오-2 둘 다에서 사이클링 성능은 종래의 형성 과정이 사용될 때 규소를 함유하는 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 조기 고장을 나타낸다. 이러한 성능은 이것이 최종 생성물의 기능의 고장을 발생시킬 수 있기 때문에 실제 적용에서 허용되지 않는다.
도 4는 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 규소 애노드를 가진 배터리에 대한 형성 과정의 과정 흐름을 예시한다. 예시적인 시나리오에서, 캐소드는 니켈 함유 산화물을 포함할 수도 있다. 도 4를 참조하면, 과정은 배터리가 애노드, 캐소드, 분리기, 전해질 및 하우징으로 조립되는 단계(401)에서 시작된다. 위에서 언급된 바와 같이, 용어 "배터리"는 단일의 전기 화학 전지, 모듈로 형성된 복수의 전기 화학 전지 및/또는 팩으로 형성된 복수의 모듈을 나타내도록 사용될 수도 있다.
과정은 배터리가 특정한 전압/전하 초과로 충전되는 단계(403)로 계속되고, 배터리가 문턱값 전압 미만으로 방전되는 단계(407)로 진행되기 전에, 배터리가 시간 간격 동안 충전 또는 방전 없이 휴지 상태에 놓이는 단계(405)가 후속된다. 단계(409)에서, 이 사이클이 최종 사이클이라면, 과정은 최종 단계(411)로 종료되지만, 1개 초과의 사이클이 있다면, 과정은 또 다른 충전/휴지/방전 사이클을 위한 단계(403)로 복귀된다. 표 1은 규소 애노드 배터리를 위해 활용될 수도 있는 상이한 형성 과정 시퀀스를 예시하고, 휴지는 충전/방전 단계의 각각 사이에 활용된다. 과정의 주요 주제는 모든 시퀀스가 전지로 하여금 실질적으로 완전히 방전된 상태(예를 들어 2.5V 또는 니켈 캐소드 기반 시스템)로 방전되게 하는 것이다.
규소 애노드 리튬 이온 배터리의 조기 고장을 방지하는 형성 방법.
사이클의 수 충전 방전
1 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 2.5V
2 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 2.5V
3 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 2.5V
1 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 전류가 0.2C에 도달할 때까지 2.5V 또는 0.2C 내지 2.5V
2 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 전류가 0.2C에 도달할 때까지 2.5V 또는 0.2C 내지 2.5V
3 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 전류가 0.2C에 도달할 때까지 2.5V 또는 0.2C 내지 2.5V
1 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 2.0V
2 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 2.0V
3 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 2.0V
1 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 전류가 0.2C에 도달할 때까지 2.0V 또는 0.2C 내지 2.0V
2 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 전류가 0.2C에 도달할 때까지 2.0V 또는 0.2C 내지 2.0V
3 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 전류가 0.2C에 도달할 때까지 2.0V 또는 0.2C 내지 2.0V
3 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 전류가 0.2C에 도달할 때까지 1.1V 또는 0.2C 내지 1.1V
1 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 전류가 0.2C에 도달할 때까지 0.5V 또는 0.2C 내지 0.5V
1 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 X% 충전 정전 용량, 0.77 ≤ X ≤ 0.99
2 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 X% 충전 정전 용량, 0.77 ≤ X ≤ 0.99
3 1C 내지 전류가 C/20에 도달할 때까지 4.2V 1C 내지 X% 충전 정전 용량, 0.77 ≤ X ≤ 0.99
위의 충전/휴지/방전 사이클의 하나의 양상은 전지가 특정한 양을 넘어 충전되고 이어서 특정한 양을 넘어 완전히 방전되어 사이클링 전에 규소로부터 리튬을 제거할 수도 있다는 것이다. 충전되고 방전되는 양은 전압에 대응할 수도 있다. 충전 전압은 3.8V, 4.0V 또는 4.1V보다 더 높아야 할 수도 있다. 방전 전압은 2.5V보다 더 낮아야 할 수도 있다. 충전 정전 용량은 전지의 총 가역 정전 용량의 80%보다 더 높아야 할 수도 있고 방전 정전 용량은 나머지 정전 용량의 23%보다 더 낮아야 할 수도 있다.
도 5는 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 4.2V와 3.2V 간에 그리고 제1 사이클링 시나리오로 사이클링되는, 새로운 형성 과정을 사용하는 규소 함유 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 사이클링 성능을 예시한다. 도 5를 참조하면, 사이클의 수에 대한 방전 정전 용량의 플롯이 도시된다. 플롯은 위에서 설명된 새로운 형성 방법이 사용될 때 시나리오-1의 사이클링 동안 규소를 함유하는 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 개선된 사이클링 성능을 나타낸다. 종래의 형성 과정에서, 규소 함유 애노드 배터리는 약 200개의 사이클 후에 방전 정전 용량의 20%만큼 감소된다. 그러나, 도 4에 대해 설명된 개선된 형성 과정 사이클에 대해, 배터리는 20% 정전 용량 저하 전에 750개 초과의 사이클을 지속한다. 이것은 사이클 수명의 275% 개선에 대응한다.
도 6은 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 4.2V와 3.2V 간에 그리고 제1 사이클링 시나리오로 사이클링되는, 새로운 형성 과정을 사용하는 규소 함유 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 사이클링 성능을 예시한다. 도 6을 참조하면, 사이클의 수에 대한 방전 정전 용량의 플롯이 도시된다. 도 6은 도 4에 대해 설명된 새로운 형성 방법이 사용될 때 시나리오-2의 사이클링 동안 규소를 함유하는 애노드를 가진 리튬 이온 배터리의 개선된 사이클링 성능을 나타낸다. 시나리오에서, 캐소드는 니켈 함유 산화물을 포함할 수도 있다. 새로운 형성 방법이 사용될 때, 더 빠른 정전 용량 저하 및 정전 용량 회복의 현상이 제거된다. 도 5와 도 6을 비교하면, 시나리오-1과 시나리오-2 간의 사이클링 성능의 변동이 본 개시내용에서 설명된 새로운 형성 방법을 사용함으로써 상당히 감소된다는 것을 이해할 수 있다.
본 개시내용의 예시적인 실시형태에서, 형성 과정을 통한 규소 애노드 함유 전지의 개선된 성능을 위한 방법 및 시스템이 설명된다. 시스템은 캐소드, 전해질 및 규소 함유 애노드를 포함할 수도 있고, 배터리는 하나 이상의 사이클, 즉, 배터리의 전류가 C/20에 도달할 때까지 1C 속도로 3.8V 이상으로 배터리를 충전하는 사이클, 및 배터리를 2.5V 이하로 방전하는 사이클을 포함하는 형성 과정을 겪는다. 배터리는 리튬 이온 배터리를 포함할 수도 있다. 전해질은 액체, 고체 또는 겔을 포함할 수도 있다. 애노드는 70% 초과의 규소를 포함할 수도 있다. 배터리는 전류가 0.2C에 도달할 때까지 방전될 수도 있다. 배터리는 1C 속도로 방전될 수도 있다. 배터리는 0.2C 속도로 방전될 수도 있다. 배터리는 충전과 방전 간에 휴지 기간이 있을 수도 있다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 형성 과정을 통한 규소 애노드 함유 전지의 개선된 성능을 위한 방법 및 시스템이 설명된다. 방법은 규소를 포함하는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하는 배터리에서, 배터리의 전류가 C/20에 도달할 때까지 1C 속도로 4.2V 이상으로 배터리를 충전하는 단계, 및 1C 속도로 충전 정전 용량의 X 비율(X는 0.77 내지 0.99)로 배터리를 방전하는 단계를 포함할 수도 있다. 배터리는 리튬 이온 배터리를 포함할 수도 있다. 전해질은 액체, 고체 또는 겔을 포함할 수도 있다. 애노드는 70% 초과의 규소를 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 활용될 때, 용어 "회로"와 "회로망"은 물리적 전자 부품(즉, 하드웨어) 및 하드웨어를 구성할 수도 있고, 하드웨어에 의해 실행될 수도 있고 그렇지 않으면 하드웨어와 연관될 수도 있는 임의의 소프트웨어 및/또는 펌웨어("코드")를 나타낸다. 본 명세서에서 사용될 때, 예를 들어, 특정한 프로세서와 메모리는 제1 하나 이상의 코드 라인을 실행시킬 때 제1 "회로"를 포함할 수도 있고 제2 하나 이상의 코드 라인을 실행시킬 때 제2 "회로"를 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 활용될 때, "및/또는"은 "및/또는"에 의해 연결된 목록 내 항목의 임의의 하나 이상의 항목을 의미한다. 실시예로서, "x 및/또는 y"는 3개의 구성요소 세트{(x), (y), (x, y)} 중 임의의 구성요소를 의미한다. 즉, "x 및/또는 y"는 "x 및 y 중 하나 또는 둘 다"를 의미한다. 또 다른 실시예로서, "x, y 및/또는 z"는 7개의 구성요소 세트{(x), (y), (z), (x, y), (x, z), (y, z), (x, y, z)} 중 임의의 구성요소를 의미한다. 즉, "x, y 및/또는 z"는 "x, y 및 z 중 하나 이상"을 의미한다. 본 명세서에서 활용될 때, 용어 "예시적인"은 비제한적인 실시예, 경우 또는 예시의 역할을 하는 것을 의미한다. 본 명세서에서 활용될 때, 용어 "예를 들어," 및 "예를 들면"은 하나 이상의 비제한적인 실시예, 경우 또는 예시의 목록을 제시한다. 본 명세서에서 활용될 때, 회로망 또는 디바이스는 (예를 들어, 사용자-구성 가능한 설정, 공장 조정 등에 의해) 기능의 수행이 비활성화되거나 또는 활성화되지 않는지에 관계없이, 회로망 또는 디바이스가 기능을 수행하기 위해 필요한 하드웨어 및 코드(임의의 것이 필요한 경우)를 포함할 때마다 기능을 수행하기 위해 "작동 가능"하다.
본 발명이 특정한 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 다양한 변화가 이루어질 수도 있고 등가물이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 대체될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 많은 변경이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 본 발명의 교시내용에 대해 특정한 상황 또는 물질을 조정하기 위해 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 발명이 개시된 특정한 실시형태로 제한되지 않지만, 본 발명이 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 모든 실시형태를 포함할 것임이 의도된다.

Claims (23)

  1. 배터리로서,
    니켈 함유 캐소드, 전해질 및 규소 함유 애노드를 포함하되, 상기 배터리는 다음의 단계, 즉,
    상기 배터리의 전류가 C/20에 도달할 때까지 1C 속도로 3.8V 이상으로 상기 배터리를 충전하는 단계; 및
    2.5V 이하로 상기 배터리를 방전하는 단계의 하나 이상의 사이클을 포함하는 형성 과정을 겪는, 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 리튬 이온 배터리를 포함하는, 배터리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 액체, 고체 또는 겔을 포함하는, 배터리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 애노드는 50% 초과의 규소를 포함하는, 배터리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 애노드는 70% 초과의 규소를 포함하는, 배터리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 상기 전류가 0.2C에 도달할 때까지 방전되는, 배터리.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 1C 속도로 방전되는, 배터리.
  8. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 0.2C 속도로 방전되는, 배터리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 충전과 방전 간에 휴지 기간이 있는, 배터리.
  10. 배터리를 형성하는 방법으로서,
    규소를 포함하는 애노드, 니켈 산화물 함유 캐소드 및 전해질을 포함하는 배터리에서,
    상기 배터리의 전류가 C/20에 도달할 때까지 1C 속도로 3.8V 이상으로 배터리를 충전하는 단계; 및
    2.5V 미만으로 배터리를 방전하는 단계
    를 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 배터리는 리튬 이온 배터리를 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전해질은 액체, 고체 또는 겔을 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 애노드는 50% 초과의 규소를 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 애노드는 70% 초과의 규소를 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 배터리는 상기 전류가 0.2C에 도달할 때까지 방전되는, 배터리를 형성하는 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 배터리는 1C 속도로 방전되는, 배터리를 형성하는 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 배터리는 0.2C 속도로 방전되는, 배터리를 형성하는 방법.
  18. 제10항에 있어서, 상기 배터리는 충전과 방전 간에 휴지 기간이 있는, 배터리를 형성하는 방법.
  19. 배터리를 형성하는 방법으로서,
    규소를 포함하는 애노드, 니켈 산화물 함유 캐소드 및 전해질을 포함하는 배터리에서,
    상기 배터리의 전류가 C/20에 도달할 때까지 1C 속도로 3.8V 이상으로 상기 배터리를 충전하는 단계; 및
    1C 속도로 충전 정전 용량의 X 비율(X는 0.77 내지 0.99)로 상기 배터리를 방전하는 단계
    를 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 배터리는 리튬 이온 배터리를 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 전해질은 액체, 고체 또는 겔을 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 애노드는 50% 초과의 규소를 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
  23. 제19항에 있어서, 상기 애노드는 70% 초과의 규소를 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
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