KR20220120583A - 낮은 내부 저항을 갖는 금속화 필름 집전체를 갖춘 배터리 - Google Patents

낮은 내부 저항을 갖는 금속화 필름 집전체를 갖춘 배터리 Download PDF

Info

Publication number
KR20220120583A
KR20220120583A KR1020227021902A KR20227021902A KR20220120583A KR 20220120583 A KR20220120583 A KR 20220120583A KR 1020227021902 A KR1020227021902 A KR 1020227021902A KR 20227021902 A KR20227021902 A KR 20227021902A KR 20220120583 A KR20220120583 A KR 20220120583A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
current collector
cathode
anode
storage device
electrode
Prior art date
Application number
KR1020227021902A
Other languages
English (en)
Inventor
브라이언 지. 모린
칼 씨. 후
Original Assignee
소테리아 배터리 이노베이션 그룹 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US16/698,936 external-priority patent/US20210159507A1/en
Priority claimed from US16/732,139 external-priority patent/US11158860B2/en
Application filed by 소테리아 배터리 이노베이션 그룹 인크. filed Critical 소테리아 배터리 이노베이션 그룹 인크.
Publication of KR20220120583A publication Critical patent/KR20220120583A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H01M4/667—Composites in the form of layers, e.g. coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Fuses (AREA)

Abstract

애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 분리막, 전해질, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체를 포함하는 리튬 전기화학 에너지 생성 및 저장 장치가 제공되며, 집전체는 0.005 옴/제곱보다 큰 저항을 나타내며, 전기화학 장치는 0.5 C에서 측정된 용량의 70%보다 더 큰 2C 용량을 나타내며, 집전체는 적어도 하나의 전도성 층으로 코팅된 절연 지지 층을 더 포함하며, 전도성 층은 2 마이크론 미만인 두께를 가진다.

Description

낮은 내부 저항을 갖는 집전기를 갖춘 배터리
본 개시는 표준 재충전 가능한 배터리 유형(예컨대, 일 예로서 고출력 리튬 이온 배터리) 내에서보다 더 낮은 저항을 부여하기 위한 리튬 이온 배터리 물품의 구조적 구성요소 및 물리적 특성의 개선에 관한 것이다. 그러한 구조적 변형은 배터리 전지의 내부 저항 수준을 증가시키고 그에 따른 수용으로서 전극 코팅의 변형을 통해 내부 전지 저항의 수반되는 감소를 증가시키는 더 얇은 금속 집전체 구조에 관한 것이다. 낮은 두께의 전극, 높은 다공성 전극, 높은 전도도의 전극 코팅, 내부에 다양한 수준의 전도성 재료를 포함하는 다층 전극 코팅, 지시된 결과를 위한 다양한 저항 영역을 갖는 패턴 코팅의 활용 모두는 얇은 금속화된 집전체와 관련하여 동시에 기능을 한다. 그러한 개선을 포함하는 배터리 물품 및 그의 사용 방법은 또한 본 개시에 포함된다. 본 기술은 리튬 이온 배터리의 내부 저항을 낮추기 위해 사용되는 낮은 내부 저항을 갖는 금속화 필름 집전체를 갖는 배터리에 관한 것이다.
재충전 가능한 전력 전지(예컨데, 제한 없이 리튬 이온 배터리)는 전 세계적으로 전력 공급원으로 널리 사용되고 있으며 수많은 제품에서 그 중요성이 커지고 있다. 충전식 전동 공구로부터, 전자 자동차, 유비쿼터스(ubiquitous) 휴대폰(태블릿, 휴대용 컴퓨터 등)에 이르기까지 리튬 배터리(다양한 이온 유형)가 신뢰성, 위에서 언급한 재충전성 및 사용 수명으로 인해 1차 전원으로 활용된다. 그러나, 널리 활용되는 그러한 전원으로 인해 특정 문제가 발생하며, 그 중 일부는 점점 더 심각한 것으로 판명되었다. 특히, 초기 제작 문제 또는 시간 관련 성능저하 문제로 인해 그러한 리튬 배터리 내의 특정 결함이 단락 이벤트 동안 발화 가능성에 대한 민감성을 유발하는 안전 문제점이 밝혀졌다. 기본적으로, 전도성 재료의 내부 결함은 그러한 배터리 구조 내에서 바람직하지 않은 고열 및 궁극적으로 발화를 발생시키는 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 휴대용 컴퓨터 장치(하나의 악명 높은 상황으로서, 삼성 갤럭시 노트 7)로부터 전체 항공기(보잉 787)에 이르기까지 리튬 배터리를 활용하는 특정 제품은 그 내부에 사용되고 그와 함께 사용된 손상된 리튬 배터리에 대한 해결책이 제공될 때까지(그리고 삼성 갤럭시 노트 7이 특정 지역의 임의의 항공기에서 금지된 범위까지) 판매 및/또는 사용이 금지되었다. 테슬라(Tesla) 전기 자동차 라인조차도 리튬 배터리 구성요소에 주목할만한 문제점을 드러내 배터리 문제점으로 인해 불덩어리처럼 폭발하는 그러한 고가 차량에 대한 헤드라인 장식 이야기로 이어졌다. 따라서 그러한 리튬 배터리 문제점과 관련하여 광범위한 리콜 또는 전면 금지가 오늘날에도 남아 있어서, 그러한 문제점을 극복해야 할 상당한 필요성을 초래한다.
이들 문제점은 만들어진 그대로의 개별 배터리 구성요소의 측면에서든 그러한 구성요소가 개별 배터리 자체로 구성되든 제작 문제로 인해서 주로 존재한다. 자세히 살펴보면, 리튬 전지는 6 개의 주요 구성요소, 즉 캐소드 재료, 캐소드 재료가 코팅된 캐소드 집전체(예컨대, 알루미늄 호일), 애노드 재료, 애노드 재료가 코팅된 애노드 집전체(예컨대, 구리 호일), 각각의 애노드와 캐소드 층 사이에 위치되고 전형적으로 플라스틱 재료로 만들어진 분리막, 및 다른 재료를 포화시켜 이온이 애노드와 캐소드 사이에서 전도하는 메커니즘을 제공하는 전도성 유기 용매로서의 전해질로 현재 만들어진다. 이들 재료는 전형적으로, 종래 기술인 도 1에 도시된 바와 같이 캔(can)으로 함께 권취되거나 적층된다. 파우치형 전지(pouch cell), 각형 전지, 코인 전지, 원통형 전지, 권취된 각형 전지, 권취된 파우치형 전지 등등을 포함한 그러한 배터리 제조 목적을 위해 활용되고 활용될 수 있는 다른 많은 구성이 있다. 이들 배터리 전지는 올바르게 만들고 부드럽게 다루면 눈에 띄는 어떠한 안전사고 없이도 수천 번의 충전-방전 주기 동안 다양한 용례에 에너지를 제공할 수 있다. 그러나, 위에서 언급한 바와 같이 특정 이벤트, 특히 특정 결함으로 인해 내부 전도성 재료 사이에 내부 단락이 발생하여 열 발생 및 내부 열 폭주(thermal runaway)가 발생할 수 있으며, 이는 이러한 리튬 배터리 내에서 화재 위험의 궁극적인 원인으로 공지되어 있다. 그러한 이벤트는 위에서 언급한 바와 같이, 배터리 내부의 금속 입자 존재, 집전체 재료의 버(bur), 분리막의 얇은 반점 또는 홀(포함되거나 후속 처리 중에 유발되지 여부), 배터리 층의 오정렬(원하지 않는 전도성 발생을 위한 "개구"를 남기김), 배터리를 관통하는 외부 파편(예컨대, 이동 차량에 충격을 주는 도로 파편), 전지 자체의 분쇄 및/또는 불안정화(예컨대, 사고로 인한), 밀폐된 공간에서 전지 충전 등을 포함한 내부 결함에 의해 추가로 유발될 수 있다. 일반적으로 말하면, 이들 유형의 결함은 애노드와 캐소드 사이에 작은 전자 전도성 경로를 생성하는 것으로 공지되어 있다. 그러한 이벤트가 발생할 때, 전지가 충전되면 그러한 전도성 경로는 궁극적으로 과도한 열을 생성하는 전지의 방전을 일으켜, 배터리 구조를 손상시키고 이에 의해 전원이 공급되는 기본 장치를 위태롭게 할 수 있다. 배터리 전해질(일반적으로 배터리 작동에 필수적임)과 같은 가연성 유기 용매 재료의 존재와 결합하여, 그러한 과도한 열은 발화를 유발하여 궁극적으로 매우 위험한 상황을 초래하는 것으로 나타났다. 그러한 문제점은 적어도 일단 시작되면 제어하기 어렵고 소비자에게 심각한 부상을 초래한다. 그러한 잠재적인 재앙 상황은 그러한 방식으로 가연성 유기 전해질을 손상시키지 않으면서 전기 에너지를 전달하는 배터리의 제공을 통해 확실히 방지할 수 있다.
내부적으로 과도한 열이 발생하면 플라스틱 분리막이 더 수축되어 배터리에서 멀어지거나 분리되거나 아니면, 배터리 내 단락 영역이 증가할 수 있다. 그러한 상황에서, 배터리 내의 노출된 짧은 영역이 더 크면 전류가 계속되고 내부 가열이 증가하여, 고온 이벤트가 초래하며 이는 파열, 배출, 및 심지어 화염과 화재를 포함한 심각한 손상을 전지에 유발시킬 수 있다. 그러한 손상은 발화 및 악화 가능성이 빠르게 발생하고 결과적으로 배터리 및 잠재적으로 기본 장치가 폭발을 일으키고 사용자도 심각한 위험에 빠뜨릴 수 있기 때문에 특히 문제가 된다.
(많은 다양한 유형의)리튬 배터리는 특히 단락과 관련된 문제에 민감하다. 통상적인 배터리는 위에서 언급한 바와 같이, 때때로 제어되지 않은(폭주) 플레어링(flaring) 및 발화로 이어지는 고온 노출로 증가된 방전율을 나타내는 경향이 있다. 이들 가능성 때문에, 그러한 배터리 물품의 실제 활용, 보관, 심지어 운송을 다루는 특정 규정이 시행되었다. 단락과 관련된 그러한 폭주 이벤트를 방지하기 위해서 적절한 프로토콜(protocol)을 실행하는 능력은 확실히 매우 중요하다. 그러나 문제점은 특히, 구성요소 제조가 수많은 공급업체와 전 세계 여러 위치에서 제공되는 경우, 그러한 문제를 실제로 억제하는 방법에 관하여 여전히 남아 있다.
일본 특허 출원 번호 11410796호를 포함한 몇몇 선행 개시는 리튬 이온 배터리 내의 집전체 구조로서 금속화된 필름의 이용을 암시하고 있다. 그러한 개시 및 최근에 이루어진 다른 개시는 그에 대한 적응으로서 어떠한 다른 구조적 변형 없이 대상 전력 전지 자체 내의 내부 저항을 제공한다는 점에서 매우 제한적이다. 예를 들어, CATL은 최근에 안전 목적으로 얇은 집전체 필름(금속화)의 활용을 교시했지만; 그러한 활용은 위에서 언급한 바와 같이 높은 내부 저항을 초래하는 매우 얇은 금속 코팅이 필요하다는 효과로 제한되었다. 그 때문에, 본 CATL 개시는 특정 매개변수(이 경우 40)보다 높은 R x CAP의 곱으로서 전지 CAP의 용량과 관련된 전지(R)의 내부 저항의 필요한 레벨을 정의하는 것으로 제한된다. 본 개시에서 그러나 전지의 "용량"이 언급된 모든 경우에, 그러한 측정은 0.2C 이하의 속도로 이루어진다. 그러한 높은 내부 저항은 내부 단락 또는 손상 유도 단락이 있는 경우, 전류 흐름을 감소시킬 수 있는 수준으로 리튬 이온 배터리의 우수한 안전 성능에 기여할 수 있다. 확실히 내부 저항이 높을수록 전류 흐름이 낮아져 그러한 단락으로 인한 열 발생 속도가 감소하므로 결과적으로 전지가 열 폭주 상태가 될 가능성이 감소한다. 따라서 이러한 특정 CATL 교시(높은 저항 결과를 갖는 금속화된 필름에 초박형 금속 코팅의 사용과 관련된 높은 안전성 달성)와는 반대로, 그러한 금속화된 박막 집전체가 낮은 내부 저항을 동시에 나타내는 발전 전지과 관련하여 활용될 수 있다는 사실이 이제 실현되었다는 것은 아주 신규하다.
그 때문에, 감소된 금속량(예를 들어, 모노리스로부터 금속화된 필름으로)은 필연적으로 타겟 전력 전지의 증가된 내부 저항에 기여하여 그 안전성을 향상시키는 것으로 일반적으로 고려된다. 따라서 리튬 이온 배터리 등의 그러한 금속화 필름 활용에 관한 표준은 (예를 들어, 열 폭주 방지하는)그러한 안전 수준을 달성하는 유일한 방법은 내부 저항이 높은 전지를 제공하는 것이며 그러한 높은 수준의 저항은 이와 관련하여 향상된 안전성의 원천이다.
그러나, 본질적으로 개선된 안전성을 허용하지만 동시에 산업 자체 내에서 그러한 재충전 가능한 전지의 생존을 위해 필요한 전력 수준에 따라 고전력을 전달하거나 수신하기 위해서 낮은 내부 저항 전지가 필요하다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, 전기 자동차와 관련하여 제작으로 인한 열 폭주 및/또는 충전식 배터리 자체 내의 손상 유발 단락과 관련된 문제를 나타내는 이벤트가 분명히 있었다. 내부 저항이 높은 금속화 필름 집전체를 사용하면 그러한 열 폭주가 발생하는 경향이 감소하지만 전력 손실이 발생하여 충전 효율성 및/또는 충전된 배터리의 고준위 활성화 및/또는 유용성 지속 기간 및 활용도가 기본적으로 떨어진다. 그러한 전기 자동차 내에서 효과적이고 빠른 충전을 위해서는 기본적으로 고전력 수신이 필요하다. 다시 말하면, 그러한 고전력 배터리 용례 내에서 높은 내부 저항을 제공한다는 유일한 목표로는 안전성과 결합된 활용 가능성을 달성하기가 어렵다. 하이브리드 전기 자동차는 매우 빠른 충전 기능도 필요로 하므로 유사한 고출력 충전 수준이 필요하다(또한, 개선된 안전성도 여전히 필요하다). 드론, 에어 택시 등과 같은 전기 항공기는 최소한 안전을 고려하여 이착륙을 위해서 매우 높은 출력을 필요로 한다. 휴대폰, 랩톱 및 기타 장치 내 배터리의 급속 충전 기능과 관련하여 동일한 문제가 발생하며, 단락 및 열 폭주 가능성으로 인한 안전 문제와 관련이 있음이 분명하다. 즉, 더 얇은 금속 집전체 구조를 통한 안전성의 필요성이 필요하지만, 그러한 제한된 박막 집전체 고려 사항이 재충전 가능한 전력 전지 산업 내에서 그 자체로 해결책이 되기에는 전력 수준이 너무 크게 손상된다는 점에서 최신 기술은 과잉 보상 상태이다.
추가적으로, 초기 집전체 구조적 중량을 감소시키는 능력은 확실히 타겟 전지의 전체 중량 감소를 통해 어떤 면에서 도움이 된다. 다시 말하면, 이러한 제한된 수정은 그러한 구조적 수정이 발전에 대한 추가 보상 없이 타겟 전지에서 높은 내부 저항 생성을 허용하기 때문에 고전력 향상을 허용하지 않는다. 수반되는 중량 감소와 함께 전력 증가를 생성하는 추가 능력은 예상치 못한 추가 개선이 될 것이다. 그러나 지금까지 위에서 언급한 바와 같이, 그러한 전력 전지의 유일한 중량 감소는 높은 내부 저항 증가를 통한 안전성과 관련이 있다. 본 개시는 리튬 배터리 전지를 다중 시장 내의 고전력 장치에 대해 극도로 안전하고, 신뢰성 있고, 실행 가능하게 만드는 매우 바람직한 경화를 제공한다.
따라서, 리튬 이온 배터리에서 내부 저항을 낮추기 위해서 사용될 수 있는 낮은 내부 저항을 갖는 금속화 필름 집전체를 갖는 신규하고 개선된 배터리에 대한 요구가 존재한다. 이와 관련하여, 본 기술은 이러한 요구를 실질적으로 충족시킨다. 이러한 점에서, 본 기술에 따른 낮은 내부 저항을 갖는 금속 필름 집전체를 갖는 전지는 종래 기술의 종래의 개념 및 설계에서 실질적으로 탈피하여, 주로 리튬 이온 배터리의 내부 저항을 낮추기 위한 목적으로 개발된 장치를 제공한다.
공지된 유형의 리튬 배터리 연결에 내재된 전술한 단점의 관점에서, 본 기술은 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에서 개선된 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 제공하고, 전술한 종래 기술의 단점 및 약점을 극복한다. 그 때문에, 이후에 보다 상세히 설명될 본 기술의 일반적인 목적은 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에 새롭고 개선된 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 제공하고 앞서 언급한 종래 기술의 모든 장점 및 종래 기술에 의해 예상, 자백, 제안, 또는 심지어 암시되지 않는 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에서 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 초래하는 많은 신규 특징을 단독으로 또는 이들의 임의의 조합으로 갖는 방법을 제공하는 것이다.
일 양태에 따르면, 본 기술은 애노드, 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 분리막, 전해질, 및 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체를 포함할 수 있는 리튬 전기화학 에너지 생성 및 저장 장치를 포함할 수 있다. 집전체는 0.005 옴/제곱보다 큰 저항을 나타낸다. 전기화학 장치는 0.5 C에서 측정된 용량의 70%보다 더큰 2C 용량을 나타낸다. 집전체는 2 마이크론 미만의 두께를 갖는 적어도 하나의 전도성 층으로 코팅된 절연 지지 층을 더 포함한다.
일 양태에 따르면, 본 기술은 애노드, 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 분리막, 전해질, 및 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체를 포함할 수 있는 리튬 전기화학 에너지 생성 및 저장 장치를 포함할 수 있다. 집전체는 0.005 옴/제곱보다 큰 저항을 나타낸다. 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 a) 70 마이크론 미만의 두께를 나타내는 전극; b) 6 중량% 초과의 전도성 첨가제를 함유하는 전극 코팅; c) 35% 초과의 다공도를 나타내는 전극 코팅; d) 다중 층을 갖는 전극 코팅; 및 e) 코팅 재료의 산재된 패턴을 나타내는 전극 코팅 중 적어도 하나를 포함함으로써 낮은 저항률을 달성하도록 구조화된다. 패턴의 적어도 하나의 구성요소는 고에너지, 더 낮은 전도도 영역을 포함하고 패턴의 적어도 하나의 다른 구성요소는 더 높은 전도도 영역을 포함한다. 전도도는 높은 전도성 재료 함량 또는 높은 다공도 재료의 존재로 인해 발생할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 본 기술은 애노드 및 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 개재된 제 1 분리막, 전해질, 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 제 1 집전체, 제 1 집전체와 대향하는 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 제 2 집전체, 및 제 2 집전체와 접촉하는 제 2 분리막을 포함하는 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 제 1 집전체와 제 2 집전체 중 적어도 하나는 0.005 옴/제곱보다 더 큰 저항률을 나타낸다.
일부 또는 모든 실시예에서, 장치는 15 밀리옴 미만의 저항을 나타낼 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 장치는 4.0 mAh/cm2 미만의 전극 면적 에너지 밀도를 나타낼 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 장치는 용량(CAP)과 저항(R)의 곱을 나타낼 수 있으며, 여기서 CAP x R은 40 mOhm-Ah 미만이다.
일부 또는 모든 실시예는 제 1 집전체에 연결되고 외부 접점과 접촉하도록 구성된 탭을 더 포함할 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 제 1 집전체 및 제 2 집전체 각각은 그 위에 코팅된 금속 필름을 포함한다.
일부 또는 모든 실시예에서, 제 1 집전체의 금속 필름은 제 2 집전체의 금속 필름과 상이한 금속이다.
일부 또는 모든 실시예에서, 제 1 집전체와 제 2 집전체 중 적어도 하나의 금속 필름은 총 5 마이크론 미만의 코팅 두께를 가질 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 애노드 및 캐소드는 적어도 35%의 다공도를 나타내는 다공성일 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 애노드 및 캐소드는 각각 6 중량% 초과의 전도성 첨가제를 함유하는 전극 코팅을 포함할 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 애노드 및 캐소드 각각은 각각의 연속적인 하부 층보다 더 높은 전도도를 갖는 상부 층을 포함하는 다중 층을 가질 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 애노드 및 캐소드 각각은 각각의 연속적인 하부 층보다 더 높은 다공도를 나타내는 상부 층을 포함하는 다중 층을 가질 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 캐소드는 제 2 영역이 산재된 제 1 영역을 포함하는 캐소드의 일부를 갖는 패턴화된 전극이고, 제 1 영역은 제 1 에너지 또는 제 1 전도도 속성을 가지며, 제 2 영역은 제 1 영역보다 더 큰 제 2 에너지 또는 제 2 전도도 속성을 가짐으로써 전도도 구배를 생성한다.
다른 양태에 따르면, 본 기술은 애노드, 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 개재된 제 1 분리막, 전해질, 및 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체를 포함하는 에너지 저장 장치(전력 전지, 충전식 배터리 등)를 포함할 수 있다. 집전체는 0.005 옴/제곱(바람직하게 0.01 초과, 보다 바람직하게 0.015 초과, 가장 바람직하게 적어도 0.025 옴/제곱)보다 더 큰 저항률을 나타낸다. 장치는 용량(CAP)) 및 저항(R)을 나타내어, 그 곱(CAP x R)은 40 mOhm-Ah 미만(바람직하게 35 미만, 더욱 바람직하게 30 미만, 더욱 더 바람직하게 25 미만, 가장 바람직하게 20 mOhm-Ah 미만)이 된다. 전기화학 장치는 0.2 C에서 측정된 용량의 70%(바람직하게 75% 초과, 더욱 바람직하게 80% 초과, 여전히 보다 바람직하게 85% 초과, 가장 바람직하게 90% 초과)보다 큰 2C 용량을 나타낸다(여기서, 2C는 30분 방전을 나타내고 0.2C는 5시간 방전을 나타낸다).
일부 또는 모든 실시예에서, 장치는 15 mOhms 미만(바람직하게 12 mOhms 미만, 보다 바람직하게 10 mOhms 미만, 더욱 더 바람직하게 8 미만, 훨씬 더 바람직하게 6 미만, 가장 바람직하게 4 mOhms 미만)의 저항을 나타낼 수 있다. 물론, 전지가 클수록 내부 저항이 낮아질 수밖에 없으므로 고용량 및 낮은 내부 저항을 갖는 전지를 구현하는 것이 바람직하다. 따라서, 전지는 낮은 저항 타겟과 용량 타겟 모두를 가질 수 있으며, 더 높은 저항은 더 낮은 용량 제한을 허용한다. 용량은 5 Ah 미만, 바람직하게 20 Ah 미만, 보다 바람직하게 40 Ah 미만, 훨씬 더 바람직하게 100 Ah 미만, 가장 바람직하게 200 Ah 미만으로 제한될 수 있다. 그러한 예는 용량이 10 Ah 미만으로 제한되고 저항이 10 mOhms 미만인 전지를 포함할 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 장치는 4.0 mAh/cm2 미만(바람직하게 3.5 미만, 더욱 바람직하게 3.0 미만, 더욱 더 바람직하게 2.5 미만, 훨씬 더 바람직하게 2.0 미만)의 전극 면적 에너지 밀도를 나타낼 수 있지만, 보다 바람직하게는 1.5 미만, 가장 바람직하게는 1.0 mAh/cm2 미만이다. 그러한 독특한 장치에서, 집전체는 특정 증가된 저항을 나타내는 반면에, 전체 장치는 특정 감소된 저항을 나타내거나 대안적으로 과거에 수행되지 않은 특정 제한을 반-직관적으로 충족하는 용량 및/또는 전극 면적 에너지 밀도를 나타낸다. 집전체에 의한 증가된 저항과 전극 구조물(들)과 관련된 장치의 다른 물리적 특성 사이의 그러한 차이는 동시에 높은 저항(낮은 두께와 무게의 집전체)으로 전체 장치에 더 높은 전력(충전 및 방전에 대해)을 부여하는 신규한 측정을 제공한다.
다른 양태에 따르면, 본 기술은 상부 및 하부 표면 각각에 금속 층을 갖는 중합체 필름 또는 직물로서 비전도성 집전체 구성요소를 갖는 전극 구조물을 제공할 수 있으며, 여기서 애노드 및/또는 캐소드(하나는 집전체와 접촉하는 전극으로서)는: a) 적어도 35%(더욱 바람직하게 적어도 40%, 더욱 더 바람직하게 적어도 45%, 훨씬 더 바람직하게 적어도 50%, 가장 바람직하게 적어도 55%))의 다공성을 나타내는 다공성 전극; b) 전극 코팅으로서, 그러한 코팅은 전극 재료 내에 더 높은 로딩 또는 더 높은 전도성 첨가제를 포함하고, 여기서 전도성 첨가제는 흑연, 탄소 등일 수 있고 그의 6 중량% 초과(바람직하게 8 중량% 초과, 더욱 바람직하게 10 중량% 초과, 가장 바람직하게 12 중량% 초과)의 로딩으로 존재하고/하거나, 여기서 고 전도성 재료는 또한 금속 입자 및/또는 고 종횡비 전도성 재료(예컨대, 나노튜브 및/또는 탄소 나노섬유)를 포함할 수 있는, 전극 코팅; c) 상부 층이 각각의 연속적인 하부 층보다 높은 전도성(또는 탄소 함량)을 갖는 다층 전극; d) 상부 층이 각각의 연속적인 하부 층보다 더 높은 다공성을 나타내는 다층 전극; 및 e) 패턴화된 전극으로서, 여기서 전극의 일부는 더 높은 전도도 영역에 산재된 고에너지(낮은 전도도) 영역으로 구성되며, 그러한 전도도 구배는 상이한 전도성 재료 함량 수준 또는 재료 유형에 의해, 또는 그 안에 존재하는 더 높고 더 낮은 구배로 다공도 측정을 상이하게 함으로써 달성되는, 패턴화된 전극과 같은 물리적 구조 중 하나 이상을 제공한다.
일부 또는 모든 실시예에서, 패턴화된 코팅은 당업계에 공지된 바와 같이 상이한 재료의 패턴이 달성되도록 하는 다양한 프린팅 기술에 의해 형성될 수 있다. 그러한 다층 구조는 각각 단일 층을 증착하는 다중 패스에 의해, 또는 대안적으로 단일 오리피스 또는 프린트 헤드를 통한 재료의 다중 층의 공압출(coextrusion)을 통해 생성될 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 본 기술은 (내부 제작 결함, 수지상 돌기 또는 대상 배터리 내에서 내부 단락을 유발하는 외부 이벤트의 영향을 제어 가능하게 에뮬레이트(emulate)하기 위해서)프로브 팁을 통해 타겟 집전체 표면에 인가되는 전류 레벨의 전달 시간을 1초 미만, 바람직하게 0.01초 미만, 더 바람직하게 1 밀리초 미만, 가장 바람직하게 아마도 심지어 특히 훨씬 더 큰 전류의 경우 100 마이크로초 미만으로 극적으로 제한하는 초기 금속 박막 집전체를 제공할 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 전류는 5.0V, 또는 4.5V, 또는 4.2V 미만, 심지어 예컨대 4.0V 또는 3.8V이지만 최소 2.0V인 전지의 내부 전압으로 제한될 것이다.
일부 또는 모든 실시예에서, 20 마이크론 미만, 잠재적으로 바람직하게 15 마이크론 미만, 잠재적으로 더 바람직하게 10 마이크론 미만, 잠재적으로 훨씬 더 바람직하게 8 마이크론 미만, 잠재적으로 훨씬 더 바람직하게 6 마이크론 미만, 잠재적으로 가장 바람직하게 4 마이크론 미만의 (전체 금속화된 중합체 기재의)총 두께를 나타내고, 모두 0.005 옴/제곱 초과(바람직하게 0.01 초과, 보다 바람직하게 0.015 초과, 가장 바람직하게 적어도 0.025 옴/제곱)의 저항률 측정값을 가지는 금속화된 필름 집전체가 제공될 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 얇은 구성요소는 단락이 금속 코팅과 반응하도록 구성될 수 있고 전체 저항 레벨과 관련하여 그러한 단락 동안의 전류 스파이크로 인해 과도하게 높은 온도에 대해서 그로부터 더 이상의 전류 이동을 즉시 방지하는 금속 산화물의 국부적 영역을 생성하도록 구성될 수 있다. 그러나 얇은 구조가 그러한 물리적 결과를 나타내기 때문에 저항 수준은 높게 유지된다.
일부 또는 모든 실시예는 단락 동안 열원으로부터 수축하거나 특정 재료 위치에서 비전도성 재료(예컨데, 일 예로서 알루미늄 집전체로부터의 산화알루미늄)(위에서 다른 방식으로 언급한 대로)로 용이하게 열화시키는 온도 의존성 금속(또는 금속화된) 재료를 포함할 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 집전체는 오늘날 사용되는 알루미늄 및 구리 집전체와 극명하게 대조적으로 열적으로 약해지도록 구성될 수 있으며, 이는 고온에 매우 열적으로 안정하다. 그 결과, 고유 용융 온도가 더 낮은 금속 합금은 더 낮은 단락 전류 밀도에서 열화될 수 있어서, 여기에 개시된 리튬 기반 에너지 장치의 안전성 이점이 향상된다.
일부 또는 모든 실시예에서, 전지는 10 Ah 미만의 용량 및 10 mOhms 미만의 저항으로 제한될 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 집전체는 비교적 낮은 온도에서 비교적 높은 수축률을 나타내는 섬유 또는 필름에 전도성 재료, 예를 들어 구리 또는 알루미늄의 층을 코팅하는 것을 포함할 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 집전체는 250 ℃, 또는 심지어 200 ℃ 미만의 용융 온도를 갖는 열가소성 필름을 포함할 수 있고, 비제한적인 예로서 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함할 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 집전체는 전지의 작동 온도와 비교하여 상대적으로 높지만 열 폭주를 유발할 수 있는 온도에 비해 낮은 온도로 가열될 때 전해질에서 팽창하거나 용해될 수 있는 섬유 또는 필름에 위와 같이, 전도성 재료, 예를 들어 구리 또는 알루미늄의 층을 코팅하는 것을 포함할 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 리튬 이온 전해질에서 팽창하도록 구성된 중합체는 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리 아크릴로니트릴일 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 내부 전기 퓨즈 생성 공정은 리튬 배터리에 대해 일반적으로 사용되는 것보다 훨씬 더 낮은 총 금속 두께로 열 하에서 산화되도록 구성된 금속, 예를 들어 알루미늄을 기판에 코팅할 수 있다. 얇은 알루미늄 집전체는 총 5 마이크론 미만, 2 마이크론 미만, 1 마이크론 미만, 또는 700 nm 미만, 또는 500 nm의 코팅 두께를 포함할 수 있다. 코팅은 전지에 에너지를 공급하는데 충분한 전도성을 제공하기에 충분한 양 또는 두께의 금속을 포함할 수 있다. 두께는 10 nm 초과, 바람직하게 50 nm 초과, 또는 심지어 100 nm 초과, 또는 200 nm 초과일 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 면적 밀도는 30 그램/제곱미터 미만, 바람직하게 25 그램/제곱미터 미만, 보다 바람직하게 20 그램/제곱미터 미만, 가장 바람직하게 15그램/제곱미터 미만일 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 전도성 경로의 차단은 현재 상용 퓨즈에서 발견되는 열화와 유사하게 단락을 둘러싸는 높은 전류 밀도에서 열화될 제한된 전도율을 갖는 집전체를 제공함으로써 달성될 수 있다. 이는 5 밀리옴/제곱 초과, 또는 10 밀리옴/제곱 초과, 또는 잠재적으로 바람직하게 20 밀리옴/제곱 초과, 또는 잠재적으로 더 바람직한 수준인 50 밀리옴/제곱 초과의 저항률을 갖는 박막 금속화 필름 집전체를 제공함으로써 달성될 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 전도성 경로의 차단은 알루미늄보다 낮은 온도에서 비전도성 재료로 산화되는 집전체를 제공함으로써 달성될 수 있으며, 따라서 분리막이 떨어지기 전에 집전체가 단락 영역에서 불활성이 되게 한다.
일부 또는 모든 실시예에서, 얇은 집전체 층 용량의 금속은 금, 은, 바나듐, 루비듐, 이리듐, 인듐, 백금 등을 포함하나 이에 제한되지 않는 전기 전도성을 나타내는 임의의 금속일 수 있다(기본적으로, 매우 얇은 집전체 층을 사용하면 전도도를 희생하지 않으면서 그러한 금속 사용과 관련된 비용을 크게 줄일 수 있지만 단락 또는 유사 이벤트 동안 열 폭주 전위로부터 보호할 수 있다). 또한, 상이한 금속의 층이 이용될 수 있거나, 심지어 분리된 층 구성요소로서 또는 내부에 증착된 금속의 개별 영역이 이용될 수 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 코팅된 집전체 기판의 한 면은 반대 면과 상이한 금속 종을 포함할 수 있고, 또한 비교하여 상이한 층 두께를 가질 수도 있다.
일부 또는 모든 실시예에서, 고전류 흐름을 허용하는 금속화된 기판의 금속과의 인터페이스는 대면 접촉으로 달성될 수 있으며, 케이스를 통한 전기 접촉 수단과 금속화된 기판 사이에 높은 표면적을 제공한다. 표면적은 1 제곱 밀리미터(10 내지 12 제곱 미터) 초과, 또는 3 제곱 밀리미터 초과, 또는 심지어 5 제곱 밀리미터 또는 보다 바람직하게 10 제곱 밀리미터 초과일 수 있다.
본 기술의 다수의 목적, 특징 및 장점은 본 기술의 현재 바람직하지만 그럼에도 불구하고 예시적인 실시예에 대한 상세한 설명을 첨부 도면과 관련하여 읽을 때 당업자에게 용이하게 자명할 것이다. 이와 관련하여, 본 기술의 현재 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 기술은 구성의 세부사항 및 하기 설명에 제시되거나 도면에 예시된 구성요소의 배열에 대한 적용에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 기술은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실행 및 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안 됨을 이해해야 한다.
그 때문에, 당업자는 본 개시의 기초가 되는 개념이 본 기술의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법 및 시스템의 설계를 위한 기초로서 쉽게 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 청구범위가 본 기술의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 한 그러한 등가 구성을 포함하는 것으로 간주되는 것이 중요하다.
본 기술의 다른 목적은 내부 저항이 낮은 금속 필름 집전체를 구비한 신규하고 개선된 전지를 제공하여 용이하고 효율적으로 제작 및 판매할 수 있도록 하는 것이다.
본 기술의 또 다른 목적은 재료 및 노동력 모두에 대해 제조 비용이 낮고 그에 따라 소비 대중에게 낮은 비용으로 판매함으로써 내부 저항이 낮은 금속화 필름 집전체를 가진 배터리를 구매 대중에게 경제적으로 제공하는, 내부 저항이 낮은 금속화 필름 집전체를 갖는 신규하고 개선된 배터리를 제공하는 것이다.
본 기술의 또 다른 목적은 그와 일반적으로 관련되어 있는 일부 단점을 동시에 극복하면서, 종래 기술의 장치 및 방법에 일부 장점을 제공하는 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에 신규한 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 제공하는 것이다.
기술을 특징짓는 신규성의 다양한 특징과 함께 기술의 다른 목적과 함께 이들은 본 개시의 일부를 형성하고 첨부된 청구 범위에서 구체적으로 지적된다. 기술, 그 작동 장점 및 그 사용에 의해 달성되는 특정 목적에 대한 더 나은 이해를 위해서, 기술의 실시예가 예시되는 첨부 도면 및 설명 항목이 참조되어야 한다.
본 기술은 이하의 상세한 설명을 고려하면 더 잘 이해되고 전술한 것 이외의 목적이 자명해질 것이다. 이러한 설명은 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 18650 전지와 같은 권취형 전지의 구조에 대한 종래 기술의 도면이다.
도 2는 얇은 금속화된 필름 집전체에 두꺼운 코팅 전극의 활용에 대한 측면 투시도의 종래 기술의 도면이다.
도 3은 금속 박막 집전체에 적용된 박막 코팅 전극의 본 명세서에 개시된 측면 투시도의 도면이다.
도 4는 도 3의 전극/금속막 집전체를 포함하는 젤리 롤 유형(jelly roll type) 리튬 이온 재충전 가능한 배터리의 상면 단면도이다.
도 5는 금속 박막 집전체에 낮은 다공성 코팅 전극의 활용에 대한 측면 투시도의 종래 기술의 도면이다.
도 6은 금속 박막 집전체에 적용된 고다공도 코팅 전극의 본 명세서에 개시된 측면 투시도의 도면이다.
도 7은 도 6의 고다공도 전극/금속막 집전체를 포함하는 젤리 롤 유형 리튬 이온 재충전 가능한 전지의 상면 단면도이다.
도 8은 금속 박막 집전체에 적용된 다층 전극의 본 명세서에 개시된 측면 투시도의 도면이다.
도 9는 도 8의 다층 전극/금속막 집전체를 포함하는 젤리 롤 유형 리튬 이온 재충전 가능한 전지의 상면 단면도이다.
도 10은 금속 박막 집전체에 적용된 패턴화된 코팅 전극의 본 명세서에 개시된 측면 투시도의 도면이다.
도 11은 도 10의 패턴 전극/금속막 집전체를 포함하는 젤리 롤 유형 리튬 이온 재충전 가능한 전지의 상면 단면도이다.
동일한 참조 부호는 다양한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 지칭한다.
본 개시의 분명한 장점은 내부 단락이 발생할 때 전도성 경로를 차단하는 메커니즘을 제공하는 구조적 구성요소를 통한 능력으로, 타겟 배터리 전지 내에서 열을 생성할 수 있는 전류의 흐름을 중단하거나 크게 감소시킨다.
다른 장점은 리튬 배터리 전지 내에서 그러한 보호 구조 형식을 제공할 수 있는 능력으로, 이는 또한 전체 전지 제작, 운송 및 활용에 유리한 중량 및 비용 개선을 제공한다. 따라서, 다른 장점은 활성화의 필요성이 필요할 때까지 타겟 배터리 전지 내에서 내부 퓨즈 구조를 생성하고 유지하는 것이다. 다른 장점은 단락 또는 유사 이벤트 동안 열 폭주를 방지하는 박막 베이스 집전체의 활용을 통해 더 가벼운 배터리를 제공하는 것이다. 또 다른 장점은 단락 또는 이와 유사한 이벤트 동안 발화에 대해 감지할 수 있는 경향 없이 배터리 내에서 가연성 유기 전해질 재료를 사용할 수 있는 능력이다.
따라서, 본 개시는 애노드, 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 존재하는 하나 이상의 분리막, 전해질, 및 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체를 포함하는 전기화학적 에너지 생성 및 저장 장치(전력 전지, 재충전 가능한 배터리 등)를 포함하며; 여기서 집전체는 0.005 Ohm/square 초과(바람직하게 0.01 Ohm/square 초과, 보다 바람직하게 0.015 Ohms 초과, 가장 바람직하게 0.025 Ohms/square 초과)의 저항을 나타내며; 장치는 용량(CAP) 및 저항(R)을 나타내므로, 그 곱(CAP x R)은 40 mOhm-Ah 미만(바람직하게 35 미만, 더욱 바람직하게 30 미만, 더욱 더 바람직하게 25 미만, 가장 바람직하게 20 mOhm-Ah 미만)이며; 전기화학 장치는 0.2C에서 측정된 용량의 70% 초과(바람직하게 75% 초과, 더 바람직하게 80% 초과, 여전히 보다 바람직하게 85% 초과, 가장 바람직하게 90% 초과)의 2C 용량을 나타낸다(여기서 2C는 30분 방전을 나타내고 0.2C는 5시간 방전을 나타낸다). 대안적으로, 그러한 장치는 15 mOhms 미만(바람직하게 12 mOhms 미만, 보다 바람직하게 10 mOhms 미만, 더욱 더 바람직하게 8 미만, 훨씬 더 바람직하게 6 미만, 가장 바람직하게 4 mOhms 미만)의 저항을 나타낼 수 있다. 물론, 전지가 클수록 내부 저항이 낮아질 수밖에 없으므로, 고용량 및 낮은 내부 저항을 갖는 전지를 구현하는 것이 바람직하다. 따라서, 전지는 낮은 저항 타겟과 용량 타겟 모두를 가질 수 있으며, 더 높은 저항은 더 낮은 용량 제한을 허용한다. 용량은 5 Ah 미만, 바람직하게 20 Ah 미만, 보다 바람직하게 40 Ah 미만, 훨씬 더 바람직하게 100 Ah 미만, 가장 바람직하게 200 Ah 미만으로 제한될 수 있다. 그러한 예는 용량이 10 Ah 미만으로 제한되고 저항이 10 mOhms 미만인 전지를 포함할 수 있다. 대안적으로, 또한, 그러한 장치는 4.0 mAh/cm2 미만(바람직하게 3.5 미만, 보다 바람직하게 3.0 미만, 더욱 더 바람직하게 2.5 미만, 훨씬 더 바람직하게 2.0 미만, 보다 바람직하게 1.5 미만, 가장 바람직하게 1.0 mAh/cm2 미만)의 전극 면적 에너지 밀도를 나타낼 수 있다. 그러한 독특한 장치에서, 집전체는 특정 증가된 저항을 나타내는 반면에, 전체 장치는 특정 감소된 저항을 나타내거나 대안적으로 과거에 수행되지 않은 특정 제한을 반직관적으로 충족하는 용량 및/또는 전극 면적 에너지 밀도를 나타낸다. 집전체에 의한 증가된 저항과 전극 구조물(들)과 관련된 장치의 다른 물리적 특성 사이의 그러한 차이는 동시에 높은 저항(낮은 두께와 무게의 집전체)으로 전체 장치에 더 높은 전력(충전 및 방전에 대해)을 부여하는 신규한 측정을 제공한다.
그러한 전기화학적 전력 생성 및 저장 장치와 관련하여 추가 고려 사항 및 예상치 못한 발견은 상부 및 하부 표면 각각에 금속 층을 갖는 중합체 필름 또는 직물과 같은 비전도성 집전체 구성요소를 갖는 전극 구조를 제공하는 능력이며; 여기서 애노드 및/또는 캐소드(하나는 집전체와 접촉하는 전극으로서)에는: a) 적어도 35%(더 바람직하게 적어도 40%, 여전히 보다 바람직하게 적어도 45%, 더욱 더 바람직하게 적어도 50%, 가장 바람직하게 적어도 55%)의 다공도를 나타내는 다공성 전극; b) 전극 코팅으로서, 그러한 코팅은 전극 재료 내에 더 높은 로딩 또는 더 높은 전도성 첨가제를 포함하고, 전도성 첨가제는 흑연, 탄소 등일 수 있고 그의 6 중량% 초과(바람직하게 8 중량% 초과, 더욱 바람직하게 10 중량% 초과, 가장 바람직하게 12 중량% 초과)의 로딩으로 존재하고/하거나, 고 전도성 재료는 또한 금속 입자 및/또는 고 종횡비 전도성 재료(예컨대, 나노튜브 및/또는 탄소 나노섬유)을 포함할 수 있는, 전극 코팅; c) 상부 층이 각각의 연속적인 하부 층보다 높은 전도성(또는 탄소 함량)을 갖는 다층 전극; d) 상부 층이 각각의 연속적인 하부 층보다 더 높은 다공성을 나타내는 다층 전극; 및 e) 패턴화된 전극으로서, 여기서 전극의 일부는 더 높은 전도도 영역에 산재된 고에너지(낮은 전도도) 영역으로 구성되며, 그러한 전도도 구배는 상이한 전도성 재료 함량 수준 또는 재료 유형에 의해, 또는 그 안에 존재하는 더 높고 더 낮은 구배로 다공도 측정을 상이하게 함으로써 달성되는, 패턴화된 전극과 같은 물리적 구조 중 하나 이상이 제공된다. 그러한 패턴화된 코팅은 당업계에 주지된 바와 같이 상이한 재료의 패턴이 달성되도록 하는 다양한 프린팅 기술에 의해 형성될 수 있다. 그러한 다층 구조는 각각 단일 층을 증착하는 다중 패스에 의해, 또는 대안적으로 단일 오리피스 또는 프린트 헤드를 통한 재료의 다중 층의 공압출을 통해 생성될 수 있다.
따라서, 프로브 팁을 통해 타겟 집전체 표면에 인가되는 전류 레벨의 전달 시간을 (내부 제작 결함, 수지상 돌기, 또는 대상 배터리 내에서 내부 단락을 유발하는 외부 이벤트의 영향을 제어 가능하게 본보기로 삼기 위해)1 초 미만, 바람직하게 0.01 초 미만, 보다 바람직하게 1 밀리초 미만, 가장 바람직하게 특히 훨씬 더 큰 전류의 경우, 아마도 심지어 100 마이크로초 미만으로 극적으로 제한하는 집전체를 배터리에 제공하는 것이 본 개시의 다른 중요한 장점이다. 물론, 그러한 전류는 5.0 V 또는 4.5 V 또는 4.2 V 또는 심지어 그 미만, 예컨대 4.0 V 또는 3.8 V일 수 있지만 최소 2.0 V인 전지의 내부 전압으로 제한된다.
20 마이크론 미만, 잠재적으로 바람직하게 15 마이크론 미만, 잠재적으로 더 바람직하게 10 마이크론 미만, 잠재적으로 훨씬 더 바람직하게 8 마이크론 미만, 잠재적으로 훨씬 더 바람직하게 6 마이크론 미만, 잠재적으로 가장 바람직하게 4 마이크론 미만의 (전체 금속화된 중합체 기재의)총 두께를 나타내고, 모두 0.005 옴/제곱 초과(바람직하게 0.01 초과, 보다 바람직하게 0.015 초과, 가장 바람직하게 적어도 0.025 옴/제곱)의 저항률 측정값을 가지는 그러한 금속화된 필름 집전체가 제공될 수 있다. 전형적인 집전체는 이들 특징을 나타낼 수 있지만 강화 중합체 기판으로 제조된 것보다 훨씬 더 높은 중량에서 그리고 현재 개시된 변형의 고유한 안전 이점 없이 제조된다. 예를 들어, 두께가 10 마이크론인 구리 호일은 90 g/m2의 무게를 가질 수 있다. 그러나 구리 도금 호일은 50 g/m2, 심지어 30 g/m2 또는 심지어 20 g/m2 미만의 무게를 가질 수 있으며, 이 모두는 전지가 기능을 하는데(장치 자체에 대해 높은 내부 저항일지라도) 필요한 적절한 전기적 성능을 제공한다. 그러나 이러한 대안적인 구조에서, 얇은 구성요소는 단락이 금속 코팅과 반응하도록 구성될 수 있고 전체 저항 레벨과 관련하여 그러한 단락 동안의 전류 스파이크로 인해 과도하게 높은 온도에 대해서 그로부터 더 이상의 전류 이동을 즉시 방지하는 금속 산화물의 국부적 영역을 생성하도록 구성될 수 있다.
그러한 신규한 집전체에 대한 다른 가능한 대안은 단락 동안 열원에서 수축하거나 특정 재료 위치에서 비-전도성 재료(예컨대, 일 예로서 그리고 다른 방식으로 위에서 언급한 바와 같은 알루미늄 집전체로부터의 산화알루미늄) 비-전도성 재료로 쉽게 분해되는 온도 의존 금속(또는 금속화된) 재료를 제공하는 것이다. 이러한 방식으로, 집전체는 고온에서 열적으로 매우 안정적인 오늘날 사용되는 알루미늄 및 구리 집전체와 극명하게 대조적으로 열적으로 약해진다. 그 결과, 고유 용융 온도가 더 낮은 금속 합금은 더 낮은 단락 전류 밀도에서 열화될 수 있어서, 본 명세서에 개시된 리튬 기반 에너지 장치의 안전성 장점이 향상된다. 다른 대안은 상대적으로 낮은 온도에서 상대적으로 높은 수축률을 나타내는 섬유 또는 필름에 구리 또는 알루미늄과 같은 전도성 재료 층을 코팅하여 집전체를 제작하는 것이다. 이들의 예는 용융 온도가 250 ℃ 또는 심지어 200 ℃ 미만인 열가소성 필름을 포함하고, 비-제한적인 예로서 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함할 수 있다. 그러한 결과를 달성하는 다른 가능한 방법은 재료가 전지의 작동 온도에 비해 비교적 높지만 열 폭주를 유발할 수 있는 온도에 비해 낮은 온도로 가열될 때 전해질에서 팽창하거나 용해될 수 있는 섬유 또는 필름에 위와 같은 전도성 재료, 예를 들어 구리 또는 알루미늄의 층을 코팅하여 집전체를 제작하는 것이다. 리튬 이온 전해질에서 팽윤할 수 있는 그러한 폴리머의 예는 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리 아크릴로니트릴을 포함하지만, 당업자에게 공지된 다른 것도 있다. 그러한 대안적인 내부 전기 퓨즈 생성 공정을 달성하는 또 다른 방법은 열 하에서 산화될 수 있는 금속, 예를 들어 알루미늄을 리튬 배터리에 일반적으로 사용되는 것보다 훨씬 더 얇은 총 금속 두께로 기판에 코팅하는 것이다. 예를 들어, 오늘날 사용되는 매우 얇은 알루미늄 집전체는 두께가 20 마이크론일 수 있다. 총 5 마이크론 미만의 코팅 두께는 회로를 더 빨리 깨뜨릴 것이며, 2 마이크론 미만 또는 1 마이크론 미만, 심지어 700 nm, 또는 500 nm의 코팅 두께는 회로를 훨씬 더 빨리 깨뜨릴 것이다. 그러한 코팅은 또한, 전지에 에너지를 공급하는데 충분한 전도도를 제공하기에 충분한 금속을 가져야 하며, 따라서 10 nm 초과, 바람직하게 50 nm 초과, 또는 심지어 100 nm 초과, 또는 가장 바람직하게 200 nm 초과의 두께를 가져야 한다. 얇은 전도성 코팅의 그러한 사용은 낮은 두께의 폴리머 기판과 조합될 때 극히 낮은 집전체 면적 밀도를 초래할 것이다. 그 때문에, 면적 밀도는 30 그램/제곱미터 미만, 바람직하게 25 그램 미만, 보다 바람직하게 20 그램 미만, 가장 바람직하게 15 그램/제곱미터 미만일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 전도성 경로의 차단을 달성하는 다른 방법은 현재 상용 퓨즈에서 발견되는 열화와 유사하게 단락을 둘러싸는 높은 전류 밀도에서 열화되는 제한된 전도율을 갖는 집전체를 제공하는 것이다. 이는 5 m옴/제곱, 또는 10 m옴/제곱보다 큰 저항률, 또는 잠재적으로 바람직하게 20 m옴/제곱보다 큰 저항률, 또는 50 m옴/제곱보다 잠재적으로 더 선호되는 수준을 갖는 전류 집전체를 제공함으로써 달성될 수 있다. 그러한 저항은 위에서 언급한 바와 같이 자체적으로 그리고 보상 없이 목표 전지의 전력 생성 및 전달 능력을 손상시킬 수 있는 높은 내부 저항에 다시 기여한다. 그러한 높은 저항 문제를 극복하기 위해서, 과거 수정은 단순히 집전체 저항을 수정했다. 그러한 관련 두께 및 재료는 전극 유형, 두께, 재료의 임의의 변경을 고려하지 않았으며, 그 문제에 대해 저항률은 더 낮은 전력 및 더 높은 에너지를 위해 설계된 전지과 비교하여 상대적으로 낮은 저항을 사용할 수 있는 고전력용으로 설계된 배터리 및/또는 상대적으로 높은 저항을 사용할 수 있는 배터리에 대해 다르게 선택될 수 있다. 전도성 경로의 단절을 달성하는 또 다른 방법은 알루미늄보다 훨씬 낮은 온도에서 비-전도성 재료로 산화되는 집전체를 제공하여 분리막이 열화되기 전에 집전체가 단락 전 단락 영역에서 불활성이 되도록 하는 것이다. 특정 알루미늄 합금은 알루미늄 자체보다 더 빨리 산화되며 이러한 합금은 전도성 경로가 더 빨리 또는 더 낮은 온도에서 악화되게 한다. 가능한 대안으로서, 금, 은, 바나듐, 루비듐, 이리듐, 인듐, 백금 및 다른 것(기본적으로, 매우 얇은 층에서, 그러한 금속 사용과 관련된 비용은 전도도를 희생하지 않고 여전히 단락 또는 유사 이벤트 동안 열 폭주 전위로부터 보호를 허용하면서 극적으로 감소될 수 있다)을 제한 없이 포함하는, 전기 전도성을 나타내는 얇은 층 용량의 임의의 유형의 금속이 사용될 수 있다. 또한, 상이한 금속의 층이 사용될 수 있거나, 심지어 분리된 층 구성요소로서 또는 그 내부에 증착된 금속의 개별 영역이 사용될 수 있다. 물론, 또한, 그러한 코팅된 집전체 기판의 한 면은 반대 면과 상이한 금속 종을 포함할 수 있고, 또한 비교하여 상이한 층 두께를 가질 수도 있다.
여하튼, (두꺼운 금속 구조와 대조적으로)금속화된 필름 집전체를 활용하는 능력은 (예를 들어, 그 전체가 원용에 의해 본 명세서에 포함된, 동시 계류 중인 미국 특허 출원 번호 15 /700,077호에 개시된 바와 같이)재충전 가능한 배터리에 대한 열 폭주 가능성의 감소에 기여한다. 그러나 이전에 언급된 바와 같이, 그러한 얇은 구조는 특정 최종 사용 용례 내에서 필요에 따라 고전력, 빠른 충전 및 빠른 방전을 제공하는 장치 기능을 손상시키는 대상 전기화학 전지(배터리 등)에 대해 높은 저항 수준을 생성한다. 그 때문에, 특히 액체 전해질 전지와 관련하여 장치 자체의 전체 저항을 감소시키는 방식을 제공할 뚜렷한 필요성이 있다. 본 개시는 그러한 점에서 그러한 개선에 관한 것이다. 표준 전기화학 전지는 전하 생성을 위한 집전체 구조, 분리막 및 전극(애노드 및 캐소드)을 포함한다. 집전체로서 금속 박막의 활용은 전형적인 전극 구조 및 분리막과 함께 그러한 표준 구조(위에 인용된 일본 참고문헌 참고)로 제한되었다. 이들 전형적인 전극은 내부적으로 높은 저항 수준을 허용할 뿐만 아니라 전지(장치)에 전반적인 안정성을 제공하기 위해서 상당한 두께의 금속 층으로 되어 있다. 그러나 이들 표준 배터리 전지(전기화학 장치)에 반하여, 금속화된 필름 집전체에 대한 특정 미개척 전극 재료 코팅의 활용이 예기치 않게 발견되었다. 그 때문에, 전류를 신속하게 생성하고 외부 장치로 또한 빠르게 이동하기 위해서 효과적인 저항 하강 구조를 제공하기 위해서 그러한 집전체에 그러한 재료 코팅으로 안전(및 높은 저항 수준)을 위한 얇은 집전체를 제공하는 다양한 방식이 이제 제시된다.
이를 위해서, 위에서 언급한 바와 같이, 그러한 예상하지 않게 그리고 반-직관적으로 사용된 저항-하강 전극과 관련된 재료는 특정 두께, 높은 다공도 수준, 높은 전도도 수준, 내부에 전도도 구배를 갖는 다층 구조, 및 전도도 구배가 다른 영역을 갖는 패턴화된 코팅을 또한 포함하는 금속화된 집전체 필름(들)에 적용된 코팅에 의존하는 것으로 밝혀졌다. 그러한 신규한 접근 방식은 각각의 경우에, 얇은 집전체 금속화 필름과 관련된 증가된 저항에 대한 보상뿐 아니라 또한 전체 전지(장치)에 대한 매력적인 무게 감소를 위해서 타겟 전기화학 전지의 내부 저항을 낮출 뿐만 아니라, 그러한 구조(그러한 측면에서 집전체 필름에 커플링됨)의 중량을 현저히 감소시킬 수 있는 가능성을 부여한다.
그러한 장점은 관련 산업 분야에서 지금까지 존재하지 않았던 경량, 높은 안전성 및 높은 전력 생성(충전 및 방전) 충전식 전기화학 전지(비제한적인 예로서, 리튬 이온 배터리 등)를 허용한다. 본 명세서에 논의된 임의의 대안적인 구성에서, 그러한 금속 박막 집전체는 표면적으로 타겟 에너지 저장 장치(예를 들어, 리튬 배터리, 커패시터 등) 내의 내부 퓨즈로서 기능을 한다. 각각의 경우(대안)에서, 그에 도포된 전극 코팅은 타겟 전지(장치) 내에서 구조적 안정성을 위한 충분한 강도를 제공하지만 동시에 금속 박막 집전체의 저항 증가와 관련하여 전체 전지의 내부 저항을 감소시킬 수 있는 수준으로 전체 얇은 구조를 향상시킨다. 따라서 단락 및 잠재적인 열 폭주 사건과 관련하여 동시에 안전 조치를 제공할 수 있는 능력은 상당한 고전력 생성 결과와 함께 지금까지 탐구되지 않은 요구를 충족한다.
그러한 방법론 및 구조는 아래에서 더 자세히 논의된다.
이온 저장 재료는 예를 들어, 당업계에 주지된 바와 같이 리튬 이온 배터리용 캐소드 또는 애노드 재료일 수 있다. 캐소드 재료는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 철 인산염(LiFePCri), 리튬 망간 산화물(LiMn204), 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LiNixMnyCoz02), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(LiNixCOyAlzO2), 또는 당업계에 공지된 바와 같은 위의 또는 다른 것들의 혼합물을 포함할 수 있다. 애노드 재료는 흑연, 리튬 티탄산염(Li4Ti5012), 경질 탄소, 주석, 규소 또는 이들의 혼합물 또는 당업계에 공지된 다른 것들을 포함할 수 있다. 또한, 이온 저장 재료는 슈퍼커패시터와 같은 다른 에너지 저장 장치에 사용되는 재료를 포함할 수 있다. 그러한 슈퍼커패시터에서 이온 저장 재료는 활성탄, 활성탄 섬유, 탄화물 유도 탄소, 탄소 에어로겔, 흑연, 그래핀, 그래핀 및 탄소 나노튜브를 포함한다.
코팅 공정은 당업계에 일반적으로 공지된 임의의 코팅 공정일 수 있다. Knife-over-roll 및 슬롯 다이는 리튬 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 코팅 공정이지만 무전해 도금을 비롯한 다른 코팅 공정도 사용할 수 있다. 코팅 공정에서 이온 저장 재료는 일반적으로 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 카르복시메틸 전지룰로오스와 같은 결합제 또는 기타 필름 형성 중합체를 비롯한 다른 재료와 혼합된다. 혼합물에 대한 기타 첨가제는 카본 블랙 및 기타 전도성 첨가제를 포함한다.
금속화된 기판과 전기적으로 접촉하는 수단을 연결하는 것은 용접, 테이핑, 클램핑(clamping), 스테이플링(stapling), 리벳팅 또는 기타 기계적 수단과 같은 일반적으로 사용되는 방법을 포함할 수 있다. 금속화된 기판의 금속은 매우 얇을 수 있기 때문에 고전류 흐름을 허용하는 인터페이스를 가능하게 하기 위해서 일반적으로 케이스 및 금속화된 기판을 통해 전기 접촉을 만드는 수단 사이에 높은 표면적을 제공하는 대면 접촉이 필요하다. 충분한 전류를 전달하기 위해서, 이러한 표면적은 1 제곱밀리미터(10-12 제곱미터)보다 높아야 하지만, 3 제곱밀리미터, 또는 5 제곱밀리미터 또는 더 바람직하게 10 제곱밀리미터보다 높아야 할 수도 있다.
액체 전해질은 전형적으로 극성 용매와 리튬 염의 조합/혼합물이다. 일반적으로 사용되는 극성 용매는 위에서 언급한 바와 같이, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트를 포함하지만, 이온성 액체 또는 심지어 물을 포함하는 다른 극성 용매가 사용될 수 있다. 이러한 산업에서 일반적으로 사용되는 리튬 염은 제한 없이, LiPF6, LiPF4, LiBF4, LiC10 및 다른 것들을 포함한다. 전해질은 또한 당업계에 공지된 첨가제를 함유할 수 있다. 많은 경우에, 전해질은 가연성일 수 있고, 여기서 본 발명의 금속화된 기판 집전체의 안전 특징은 화재 그리고 전지와 전지 외부 모두의 손상을 초래하는 위험한 열 폭주 이벤트를 방지하는데 유리할 수 있다.
내부 저항이 낮은 금속화 필름 집전체를 갖는 배터리의 실시예가 상세히 설명하였지만, 이에 대한 수정 및 변형이 가능함은 자명해야 하며, 그 모든 것은 본 기술의 진정한 사상 및 범주 내에 속한다. 위의 설명과 관련하여, 크기, 재료, 형상, 형태, 기능 및 작동 방식, 조립 및 사용의 변형을 포함하는 기술 부품에 대한 최적의 치수 관계는 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 용이하게 자명하고 분명하며, 도면에 예시되고 명세서에 설명된 것들과 동등한 모든 관계는 본 기술에 포함되는 것으로 의도된다는 것을 깨달아야 한다.
다음 설명 및 예는 단지 본 개시의 잠재적인 실시예의 표현일 뿐이다. 그러한 개시의 범주 및 이하의 청구범위와 관련한 본 개시의 범위는 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 의해 잘 이해될 것이다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 개시는 중요한 변화이며 리튬 배터리(및 기타 에너지 저장 장치) 산업 내에서 수행된 모든 사전 이해 및 구제책과 반-직관적이다. 반대로, 본 명세서에 설명된 신규 장치는 이러한 분야 내에서 예상치 못한 것은 물론이고 지금까지 탐구되지 않은 많은 유익한 결과 및 특성을 제공한다. 먼저 비교 예로서, 종래 장치와 현재 개시되고 본 명세서에서 광범위하게 다루어지는 장치 사이에 포함된 뚜렷한 차이점에 주목하는 것이 중요하다.
이와 같이 생성된 그러한 반-직관적 예 및 결과는 전기화학 전지(충전식 배터리, 커패시터 등) 내에서 금속 박막 집전체에 대한 고유한 전극 재료의 지금까지 탐구되지 않은 커플링의 적용 및 활용의 상당한 변화와 관련이 있다. 그러한 신규한 예는 아래에서 상세히 설명된 바와 같이 적어도 5 가지 다른 대안을 포함한다.
대안 1 - 얇은 전극 코팅
전극은 전형적으로 집전체에 전극 재료의 코팅 적용을 통해 제조된다. 전형적으로, 매우 높은 전력의 전지는 두꺼운 금속 포일을 사용하여 전극을 얇게 코팅하여 만들 수 있으며, 따라서 전력을 매우 빠르게 도입 및 제거할 수 있는 수준으로 전지의 내부 저항을 감소시킨다.
그러나, 이와 대조적으로, 금속화된 박막 집전체의 활용 및 전극 재료의 매우 얇은 코팅을 사용한 적용이 본 명세서에 개시된다. 본 개시 전체에 걸쳐 논의된 바와 같이, 그러한 반-직관적인 방법론 및 실행은 특히 두꺼운 금속 집전체로 정상적으로 달성되는 결과와 비교하여 타겟 전지 내부 저항의 예상치 못한 효과적인 감소를 초래한다. 이는 두꺼운 코팅을 얇은 금속판과 조합하여 고에너지 밀도 전지를 제공하고 얇은 코팅을 두꺼운 금속판에 적용하여 고전력 전지를 제공하는 현재의 관행과 반대이다. 따라서, 다시 초박형 집전체 금속 코팅과 얇은 전극 재료의 조합은 현재 기술과 반대되며 매우 높은 전력 전위에 대해 내부 저항이 낮고 예기치 않게 안전한 전지를 생성한다. 또한 최신 기술의 표준 상태의 관점에서 볼 때, 실시는 대상 집전체의 표면적을 줄이기 위해서 두꺼운 코팅을 활용하고 따라서 저장된 에너지의 kWh 측면에서 전지의 총 중량을 감소시키는 것이다. 역-직관적으로 크게 감소된 무게의 집전체를 활용하면, 전극 코팅 두께도 극적으로 감소할 수 있으며, 그 결과 호일 집전체와 비교할 때 타겟 전지의 kWh 당 총 중량의 증가 없이 전술한 전지 내부 저항의 감소가 발생한다는 것이 발견되었다. 그러한 결과는 초박형 집전체를 사용한 얇은 전극 코팅 응용을 통해 달성된 낮은 저항 수준뿐만 아니라 그러한 결과는 임의의 특정 과학 이론에 얽매이지 않고 이온과 전자가 얇은 전극 (전도성)코팅을 통해 빠르게 이동할 수 있는 능력과 분명히 관련이 있어서, 타겟 전지 자체의 필요한 고출력 결과 수준에 대한 저항을 감소시킨다.
그러한 결과를 달성하기 위해서, 금속화된 필름(얇은) 집전체는 0.005 Ohms/square 초과(바람직하게 0.01 초과, 보다 바람직하게 0.015 초과, 가장 바람직하게 0.025 초과, 최대 약 0.5)의 저항률을 나타내야 한다. 따라서 이러한 집전체 저항은 낮은 측정값이 전극 코팅 용례의 추가 조정 및 수정 이전의 시작점인 한, 그러한 집전체가 존재하는 타겟 전기화학 전지의 특성이기도 하다.
그런 다음, 전극 코팅의 적용은 전극 면적 에너지 밀도(4 mAh/cm2 미만, 바람직하게 3.5 미만, 보다 바람직하게 3 미만, 보다 더 바람직하게 3 미만, 여전히 보다 더 바람직하게 2.5 미만, 훨씬 더 바람직하게 2 미만, 보다 더 바람직하게 1.5 미만, 가장 바람직하게는 1 미만), 전극 코팅 두께(바람직하게 70 마이크론 미만, 더욱 바람직하게 60 미만, 더욱 더 바람직하게 50 미만, 심지어 보다 바람직하게 40 마이크론 미만, 가장 바람직하게는 30 마이크론 미만), 및/또는 150 g/m2 미만, 바람직하게 120 g/m2 미만, 더욱 바람직하게 100 g/m2 미만인 전극 코팅 면적 밀도의 관점에서 본 개시의 전지 저항 감소의 대안적인 방법 내에서 수행된다. 즉, 그러한 면적 에너지 밀도, 코팅 두께 및/또는 코팅 면적 밀도를 나타내는 전극 재료의 적용은 고저항 초박형 집전체가 존재하더라도 낮은 내부 전지 저항을 발생시키는 예기치 않은 결과를 제공한다.
초박형 집전체와 매우 얇은 전극 코팅의 이러한 조합은 용량(CAP)과 저항(R)의 곱인 CAP x R이 최대 40 mOhm-Ah(바람직하게 최대 35, 보다 바람직하게 최대 30, 더욱 바람직하게 최대 25, 가장 바람직하게 최대 20)를 나타내는 전기 화학 장치를 제공한다. 다른 초박형 집전체 전기화학 전지 장치는 전지 용량과 관련하여 높은 저항을 요구한다. 그러나, 그러한 종래의 교시와 반대로, 매우 얇은 전극 코팅의 활용은 동시에 존재하는 고저항 초박형 집전체에서도 전반적으로 낮은 저항을 제공한다. 그 때문에, 초박형 집전체 상의 개시된 얇은 전극 코팅은 15 mOhms 미만, 바람직하게 12 미만, 보다 바람직하게 10 미만, 더욱 더 바람직하게 8 미만, 훨씬 더 바람직하게 6 미만, 더욱 더 바람직하게 4 미만, 가장 바람직하게 2 미만의 총(전체) 저항 측정값을 갖는 전기화학 장치를 추가로 생성한다. 마찬가지로, 그러한 고안전성/저저항 전기화학 전지(또는 장치)의 성능에 대한 대안적인 측정은 2C(30분 방전)에서 측정된 용량이 > P * 0.5C 용량(2시간 방전에서 측정)이다(여기서, P는 적어도 90%, 바람직하게 적어도 85%, 보다 바람직하게 적어도 80%, 훨씬 더 바람직하게 적어도 75%, 가장 바람직하게 적어도 70%이다). 또한, 그러한 신규한 고안전성/저저항(고전력) 전기화학 장치의 다른 측정 결과는 4C(15분 방전) 용량 > P * 0.5C 용량이며, 여기서 P는 위와 같은 측정값이다.
더욱 흥미로운 것은 안전을 위해 초박형 집전체를 사용하는 리튬 이온 배터리의 기능이다. 그러나, 위와 같은 구조는 높은 내부 저항과 그에 따른 높은 전류에서의 높은 전압 강하를 겪는다. 위에서 논의된 바와 같이 낮은 코팅 두께 전극의 활용은 그러한 단점을 예기치 않게 그리고 다시 효과적으로 보완한다. 리튬 이온 배터리 전지(C)의 용량으로 전류를 C-비율(일반적으로 1 시간 동안 전지를 방전하는데 필요한 전류와 비교하여 사용된 전류의 비율이라고 함)로 측정할 수 있다. 높은 내부 저항 전지는 1C보다 큰 C 속도에서 제대로 작동하지 않으며 2C 또는 4C에서 측정된 용량이 상당히 낮다. 따라서 2C 또는 4C에서 고용량을 나타내는 매우 얇은 금속 집전체로 만든 전지는 달성하기 어려울 것이다. 그러나 이와는 대조적으로, 초박형 집전체에 얇은 전극 코팅을 적용하는 것은 놀랍게도 반대 효과를 나타내어 대신에 상당히 개선되고 실행 가능한 고용량 측정을 가능하게 한다. 현재까지, 그러한 전지에 대해 본 명세서에 개시된 방법론 및 작업을 통해 감소된 내부 저항을 효과적으로 제공하는 것 이외에는 그러한 결과를 달성하는 다른 방법이 없다.
그러한 측정 및 물리적 특성은 과거에 초박형 집전체와 조합하여 달성되지 않았다. 따라서, 위에서 언급한 바와 같이 그러한 얇은 전극 코팅이 그러한 초박형 집전체에 적용된 경우, 그러한 집전체와 관련된 안전 측면이 유지되나, 대상 전지의 내부 저항은 예상외로 효과적으로 감소되어 지금까지 사용할 수 없었던 최종 사용 재충전 가능한 전기화학 전지에 필요한 고출력 충전 및 방전을 제공한다.
도 2는 초박형 집전체(12)에 적용된 두꺼운 코팅 전극(11)의 종래 기술 구조를 도시한다. 다시 말하면, 그러한 구조는 전기화학 전지(비제한적인 일 예로서, 리튬 이온 배터리) 내에서 내부적으로 높은 저항을 나타낼 것이다.
따라서 도 3은 초박형 집전체(16)에 적용된 전극 코팅 두께(15)의 감소를 도시한다. 위에서 언급한 바와 같이, 이러한 반-직관적인 작동(충전식 전기화학 전지의 상태 및 표준 내에서)은 대상 전지 내에 내부 낮은 저항을 부여함으로써 (도 4에서와 같이)초박형 집전체에 의해 나타나는 높은 저항을 보상한다.
따라서, 도 4는 배터리 전지(20) 내에 그러한 초박형 알루미늄화 필름 집전체(21)의 포함을 도시한다. 집전체(21)에 적용된 것으로 도시된 것은 얇은 캐소드 코팅(22), 제 1 분리막(23) 및 대향하는 얇은 애노드 코팅(24)이다. 또한, 제 2 초박막 구리화 집전체(21a) 및 제 2 분리막(23a)이 존재한다. 알루미나 필름 집전체(21)는 전하 이동을 위한 외부 접점(미도시)과의 접촉을 위한 내부 탭(25)에 연결된다. 그러한 전지(20)는 전체에 걸쳐 언급된 바와 같이, 초박형 집전체 존재와 관련된 안전 수준 및 그러한 집전체 표면 상의 얇은 전극 코팅의 반-직관적 활용 및 적용과 관련된 고전력 능력을 나타낸다.
대안 1에 대한 금속 박막 집전체에 대한 위의 측정, 관심 및 제시는 아래에 제공된 다른 대안에 대해서도 동일하게 이해되어야 한다. 따라서 본 명세서에서 설명된 집전체는 적어도 구조적 및 물리적 특성 측면에서 (특히 위와 동일한 문단을 다시 언급하는 것을 피하기 위해)그러한 모든 대안에 대해 동일한 것으로 간주되어야 한다.
대안 2 - 높은 다공성 전극 코팅
또한, 코팅 두께를 줄임으로써 이온과 전자가 전극 코팅을 통해 이동하는데 필요한 전기 경로 길이를 줄이는 능력은 그러한 초박형 집전체 표면에 높은 다공성 전극 코팅을 적용함으로써 달성될 수 있다는 것이 발견되었다. 그러한 방식으로, 다시 말하면 어떤 과학적 이론에도 특별한 의존을 의도하지 않고, 타겟 전지의 그러한 낮은 총 저항은 전형적인 낮은 다공성 유형과 대조적으로 다공성 구조를 통해 그러한 전극 코팅을 통해 이동 거리의 대부분을 수용하기 위해서 이온과 전자를 통해 달성되는 것으로 보인다. 이러한 구조적 조절은 또한, 더 많은 액체 전해질이 전극 내부로 더 깊숙이 침투할 수 있도록 하여 캐소드 고체를 통한 전자 이송을 감소시키는 동시에 (비록 에너지 저장 코팅이 약간 줄어들 수 있지만)더 두꺼운 코팅과 관련된 높은 에너지 밀도를 유지하도록 허용하는 것으로 보인다.
일반적으로, 리튬 이온 전극 재료의 다공성은 낮은 것이 바람직하다. 높은 다공성은 사용되는 전해질의 양을 증가시키고 주어진 에너지 저장량에 대해 사용되는 부피를 증가시키기 때문이다. 따라서, 오늘날 전형적인 배터리 관행은 높은 코팅 밀도(또는 반대로 낮은 코팅 다공성)를 나타내는 (매우 높은 압력하에서)캘린더링 가동된 전극 코팅이 있는 배터리를 사용한다. 위에서 논의된 전극 코팅에 대해서, 초박형 금속화된 집전체 필름을 사용하는 전형적인 고에너지 밀도 전지는 높은 코팅 밀도(낮은 다공성)를 나타내는 전극(특히 타겟)을 포함한다. 따라서, 높은 다공성을 목표로 하는 전극 코팅은 위와 같이, 얇은 전극 코팅을 사용하여 현재 관행에 따라 직관적이지 않다.
예를 들어, 전극 코팅을 위해 비교적 큰 입자 크기 재료를 사용함으로써 높은 다공성을 달성할 수 있다. 그러한 큰 입자는 입자 사이에 비교적 큰 공간을 생성하여 그러한 고체 코팅 구조의 다공성을 증가시킨다. 더 작은 입자 크기를 사용하여 더 작은 입자 사이의 공간을 달성함으로써 더 낮은 다공성 층을 얻을 수 있다. 대안적으로, 작은 입자를 포함하는 입자 크기의 분포는 또한 낮은 밀도를 달성할 것이다.
그러한 높은 다공성 구조는 그러한 전극 재료의 탭 밀도 및 따라서 그러한 탭 밀도 측정으로부터 계산된 다공성의 관점에서 측정될 수 있다. 실제 밀도는 재료의 이론 밀도 또는 혼합물의 경우 부피 정규화 이론 밀도이다. 탭 밀도는 더 이상 부피 변화가 거의 관찰되지 않을 때까지 샘플이 들어 있는 눈금 실린더를 기계적으로 두드려서(tapping) 얻는다. 분말 다공도는 다음 식 (1)에 의해 계산된다:
분말 다공도 = 1 - 탭 밀도/실제 밀도 (1)
코팅의 부피 밀도는 코팅의 중량/m2를 부피/m2로 나눈 값으로 계산된다. 따라서 20 g/m2를 측정/표시하고 두께가 20 마이크론인 코팅의 벌크 밀도는 1.0 g/cm3이다. 따라서 코팅의 다공도는 다음 식 (2)에 의해 계산된다:
코팅 다공도 = 1 - 벌크 밀도/실제 밀도 (2)
도 5는 초박형 집전체(32)에 적용된 낮은 다공성 코팅 전극(31)의 종래 기술 구조를 도시한다. 또한, 그러한 구조는 전기화학 전지(비-제한적인 일 예로서, 리튬 이온 배터리) 내에서 내부적으로 높은 저항률을 나타낼 것이다.
따라서 도 6은 초박형 집전체(36)에 적용된 전극 코팅 두께(35)의 감소를 돋시한다. 위에서 언급한 바와 같이, 이러한 반-직관적 작동(충전식 전기화학 전지의 상태 및 표준 내에서)은 대상 전지 내에 내부 낮은 저항을 부여함으로써 (도 7에서와 같이)초박형 집전체에 의해 나타나는 높은 저항을 보상한다.
따라서, 도 7은 배터리 전지(40) 내에 그러한 초박형 알루미늄화 필름 집전체(41)를 포함하는 것을 도시한다. 집전체(41)에 적용된 것으로 도시된 것은 고 다공도 캐소드 코팅(44), 제 1 분리막(43) 및 대향하는 고 다공도 애노드 코팅(42)이다. 또한, 제 2 초극박막 구리화 집전체(41a) 및 제 2 분리막(43a)이 존재한다. 알루미나막 집전체(41)에 연결된 것은 전하 이동을 위한 외부 접점(미도시)과의 접촉을 위한 내부 탭(45)이다. 그러한 전지(40)는 전체에 걸쳐 언급된 바와 같이, 초박형 집전체 존재와 관련된 안전 수준 및 그러한 집전체 표면 상의 얇은 전극 코팅의 반직관적 활용 및 적용과 관련된 고전력 능력을 나타낸다.
대안 3 - 고 전도도 전극 코팅
카본 블랙이나 흑연과 같은 전도성 첨가제는 대부분의 전극 재료의 제한된 전기 전도성으로 인해 리튬 이온 배터리의 필수 구성 요소이다. 그러나, 전도성 첨가제 자체는 리튬을 저장하지 않아 전지의 에너지 저장 용량에 기여하지 않기 때문에, NMC 캐소드 재료와 같은 리튬 저장 재료의 최대량을 위한 공간을 만들기 위해 사용을 최소화한다. 최신 리튬 이온 배터리는 코팅에 3% 정도의 전도성 첨가제로 만들어지며 3 내지 5%가 아주 일반적이다.
일반적으로, 전형적인 최첨단 전기화학 전지의 에너지 밀도의 최대화는 낮은 전도성 탄소 함량을 갖는 전술한 낮은 다공성 전극 코팅을 조합한다. 그러한 구조는 위에서 언급한 바와 같이 코팅에서 활성 전도성 재료(예로서, 리튬 이온 구조)을 최대화한다. 초박형 집전체(예로서, 금속화 필름)로 낮은 다공성, 낮은 탄소 함량 전극 코팅을 구현하면 위에서 논의한 것과 동일한 고 저항 전지 결과를 생성할 수 있다. 그러한 높은 내부 저항이 또한 높은 안전 수준으로 이어질 수 있지만(또한, 위에서 논의된 바와 같이), 전지 자체 내에서 낮은 저항의 부족은 최종 사용 능력을 손상시켜 전력 전위를 극적으로 제한할 것이다. 그러나 탄소 함량(전도성 재료 수준)을 증가시키는 능력은 재충전 가능한 전기화학 전지 산업 내에서 수행되지 않았다. 따라서, 고용량 전력 기능에 적합한 낮은 수준의 내부 저항을 달성하는 능력은 그러한 전극 재료 내의 증가된 탄소 함량을 통해 표면적으로 더 빠른 전도도를 수용하는 이러한 대안에 따라 가능할 것이다. 그러한 반직관적인 작업 및 방법론은 코팅에 더 많은 탄소를 사용하고 더 높은 다공성을 갖는 저 저항 전극 재료와 고 저항, 초박형 집전체 구조의 조합을 허용한다.
대안 4 - 적층 전극 코팅
그러한 전기화학 전지에 대한 다른 잠재적인 구조적 개선은 상이한 구배를 갖는 다층 전극의 활용을 포함한다. 정상적인 전극 재료는 집전체에 코팅된 단일 층의 전극 재료로 만들어진다. 단일 얇은 전극 코팅의 상기 언급된 대안은 특히 높은 저항, 안전 수준 부여, 초박형 집전체와 조합하여(및 코팅 적용과 함께) 타겟 전지에 대한 낮은 내부 저항의 예상치 못한 효과적인 결과를 제공한다. 그러나 충전 및 방전 시, 집전체에서 멀리 떨어진 전극 재료의 부분은 집전체에 매우 가까운 전극 재료의 부분보다 더 많은 저항과 옴 가열(ohmic heating)을 유발한다. 따라서, 집전체에 가까운 재료보다 이온 및 전기 전도성이 높은 구성에서 재료를 집전체로부터 멀어지게 하는 것이 유리하다. 그러한 구조는 마찬가지로 타겟 전지 내에서 내부적으로 더 낮은 저항을 부여할 것이다.
이러한 구조적 및 물리적 결과는 다층 코팅 공정으로 달성할 수 있으며, 여기서 적용된 제 1 코팅(초박형 집전체 표면에 가장 근접함)은 다공성 및/또는 전도성 입자(탄소 또는 흑연) 함량이 낮으며, 다공성 및/또는 전도성 입자 함량은 후속 층에서 증가한다(바람직하게, 그러한 다공성 및 전도성 입자 농도는 그러한 후속 층에서 동시에 증가한다). 다공성 증가는 각각의 연속 층에 대한 캘린더링 가공 공정에 사용되는 압력을 줄임으로써 달성할 수 있다. 전도성 입자의 함량은 혼합물에 포함된 전도성 입자의 비율을 증가시킴으로써 증가될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 하나의 구성은 기판(집전체(52))에 가장 가까운 제 1 층(층 1)(51B)이 매우 얇고 높은 전도성을 가지며, 이어서 제 2 층(층(2))(51A)을 갖는 것이다. 낮은 다공성, 낮은 탄소 함량 층, 및 더 높은 전도성 입자 함량 및 심지어 높은 다공성을 갖는 제 3 층(층 3)(51)을 포함한다. 더 많은 층들이 위와 같이 단계적으로 더 높은 전도성 입자 함량 및 더 높은 다공성을 갖는 각각의 후속 층이 유사한 방식으로 적용될 수 있다. 다른 구성에서, 전도성 "프라이머(primer)" 층이 제거되고, 가장 낮은 다공성, 가장 낮은 전도성 입자 함량 층은 층(1)이며, 각각의 후속 층은 다공성 및/또는 전도성 입자 함량이 증가한다.
따라서, 도 9는 배터리 전지(60) 내의 초박형 알루미늄화 필름 집전체(61)에 적용된 다층 캐소드 코팅(64)(도 8, 도 51, 도 51a, 도 51b의 층(1, 2, 3)으로 나타냄)의 활용을 도시한다. 또한, 제 1 분리막(63) 및 대향하는 다층 애노드(64a)(캐소드(64)에 대해 구조화되지만 애노드 재료로 제조되며, 통상의 기술자에 의해 잘 이해됨)가 존재한다. 그러한 애노드는 제 2 초박형 구리화막 집전체(61a) 및 제 2 분리막(63a)에 적용된다. 알루미늄화 필름 집전체(61)에 연결된 것은 전하 이동을 위한 외부 접점(미도시)과의 접촉을 위한 내부 탭(65)이다. 그러한 전지(60)는 전반에 걸쳐 언급된 바와 같이 초박형 집전체 존재와 관련된 안전 수준 및 그러한 집전체 표면 상의 다층, 전도도 구배 전극 코팅의 반직관적 활용 및 적용과 관련된 고전력 능력을 나타낸다.
대안 5 - 패턴화된 전극 코팅
업계에서 일반적으로 수행되는 전극 재료 변형을 통해 낮은 내부 저항을 달성하는 또 다른 방법은 타겟 초박형 집전체 표면과 접촉하는 특정 패턴의 전도성 구조를 갖는데 사용될 수 있는 전극 재료의 적용을 포함한다. 그러한 방식으로, 이러한 방식으로, 제1 코팅이 도포되지 않은 타겟 초박형 집전체 표면의 영역에서 적어도 제2 코팅을 갖는 별개의 영역(선형 행, 선형 기둥, 대각선, 정육면체, 실린더와 같은 스폿이나 임의의 다른 기하학적 3차원 형상 등이든 간에)에 제 1 코팅이 도포될 수 있다. 전극 재료의 그러한 상이한 코팅은 위와 같이 초박형 집전체 자체에 의해 부여되는 높은 저항 수준을 보상하는 구조를 제공하기 위한 필요에 따라서, 높은 다공성을 나타내는 제 1 코팅, 높은 전도성을 나타내는 제 2 코팅, 및 전도성 등에 관한 상이한 물리적 결과를 갖는 임의의 수의 기타 코팅을 제한 없이 포함하는, 위에서 언급한 임의의 구조적 제한 및 요건을 포함할 수 있다. 따라서, 그러한 패턴화된 코팅을 사용하면 그러한 영역에서 저항 측정의 관점에서 다른 구배가 생성될 수 있어서, 특정 영역이 다른 영역보다 이온 및 전자를 더 빠르게 구동할 수 있다.
그 때문에, 더 상세하게 도 10은 3차원 라인으로 제공되고 한 가지 유형의 전극 구성(예컨데, 더 낮은 전도성 입자 함량을 사용하여 만들어진 높은 에너지 밀도, 또는 더 작은 입자 크기 재료와 같은 그러한 수단을 통해 달성된 더 낮은 다공도)를 갖는 제 1 코팅(71), 및 제 1 코팅(72)보다 다른 에너지 밀도 및/또는 더 높은 전도성 입자 농도/함량을 갖는 제 1 코팅(71)에 대한 3차원 교대 라인에 그 사이에 산재된 제 2 코팅(72)에 적용된 초박형 집전체(73)(또한, 타겟 전지에 대해 더 높은 안전 수준을 제공하지만 동시에 낮은 저항도 제공함)를 도시한다. 이러한 경우에, 더 높은 다공성 및/또는 더 높은 전도성 입자 함량 영역은 이온 및 전자에 대한 "초고속도로" 역할을 할 수 있어서, 원하는 경우 특정 목적을 위한 필요에 따라서 낮은 다공성, 더 낮은 전도성 입자 함량 영역의 더 높은 에너지 밀도를 유지하면서 타겟 전지의 내부 전체 저항을 감소시킨다.
따라서, 도 11은 배터리 전지(80) 내에 그러한 초박막 알루미늄화 집전체(81)의 포함을 도시한다. 집전체(81)에 적용된 것으로 도시된 것은 패턴화된 코팅된 캐소드(82), 제 1 분리막(83) 및 대향하는 애노드 코팅(82a)이다. 패턴화된 캐소드 코팅(82)은 위(71 및 72)에서 도 10 내에 정의된 영역을 포함한다. 그러한 애노드는 제 2 초박막 구리화 집전체(84) 및 제 2 분리막(83a)에 적용된다. 알루미나막 집전체(81)에는 전하 이동을 위한 외부 접점(미도시)과의 접촉을 위한 내부 탭(85)이 연결된다. 그러한 전지(80)는 전반에 걸쳐 언급된 바와 같이 초박형 집전체 존재와 관련된 안전 수준 및 그러한 집전체 표면 상의 패턴화된 전극 코팅의 반직관적 활용 및 적용과 관련된 고전력 능력을 나타낸다.
따라서, 위에서 제공된 실시예는 전해질 함유 배터리 내에서 열 폭주를 방지하는데 필요한 바람직한 두께, 금속 코팅 및 전도도 결과를 나타내므로, 훨씬 더 안전하고 신뢰할 수 있는 유형일 뿐만 아니라, 안전성을 희생하지 않고 실제로는 이를 개선하면서 그 어느 때보다 훨씬 적은 내부 중량 구성요소를 요구하는 유형을 제공하는 것으로 나타났다. 그러나, 또한, 관련 전기화학 전지 산업 내에서 지금까지 개시되거나 탐구되지 않은 본 명세서에서 언급된 상이한 유형의 전극의 적용을 통해 그러한 초박형 집전체의 높은 저항 수준을 보상하는 능력이 있다. 그러한 고유한 전극과 초박형 집전체의 조합을 통해 타겟 전지에 내부적으로 그러한 낮은 저항을 부여하는 능력은 충전식 및 유사한 유형의 배터리 및 전력 전지 내의 열 폭주 전위로 인한 안전성 측면에서 뿐만 아니라, 그러한 전기화학 전지의 특정한 최종 용도 용례를 위해 필요에 따라 고전력 충전 및 방전이 손상되지 않게 보장하는 능력 측면에서 상당한 개선을 허용한다.
본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 본 발명에 변형 및 수정을 수행할 것임은 자명하다. 따라서, 본 발명의 범주는 본 명세서에 첨부된 청구범위에 의해서만 결정되어야 한다.
따라서, 전술한 내용은 기술의 원리만을 예시한 것으로 간주된다. 또한, 당업자는 수많은 수정 및 변경을 쉽게 수행할 수 있으므로, 본 기술을 도시되고 설명된 정확한 구성 및 작동으로 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 모든 적합한 수정 및 등가물은 본 기술의 범주에 속하는 것으로 유보될 수 있다.

Claims (15)

  1. 리튬 전기화학 에너지 생성 및 저장 장치로서,
    애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 분리막, 전해질, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체를 포함하며, 상기 집전체는 0.005 옴/제곱보다 큰 저항을 나타내며, 상기 전기화학 장치는 0.5 C에서 측정된 용량의 70%보다 더 큰 2C 용량을 나타내며, 상기 집전체는 적어도 하나의 전도성 층으로 코팅된 절연 지지 층을 더 포함하며, 상기 전도성 층은 2 마이크론 미만인 두께를 가지는,
    리튬 전기화학 에너지 생성 및 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 15 밀리옴 미만의 저항을 나타내는,
    리튬 전기화학 에너지 생성 및 저장 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 4.0 mAh/cm2 미만의 전극 면적 에너지 밀도를 나타내는,
    리튬 전기화학 에너지 생성 및 저장 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 용량(CAP)과 저항(R)의 곱을 나타낼 수 있으며, 여기서 CAP x R은 40 mOhm-Ah 미만인,
    리튬 전기화학 에너지 생성 및 저장 장치.
  5. 리튬 전기화학 에너지 생성 및 저장 장치로서,
    애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 분리막, 전해질, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체를 포함하며, 상기 집전체는 0.005 옴/제곱보다 큰 저항을 나타내며, 상기 애노드 또는 상기 캐소드 중 적어도 하나는:
    a) 70 마이크론 미만의 두께를 나타내는 전극;
    b) 6 중량% 초과의 전도성 첨가제를 함유하는 전극 코팅;
    c) 35% 초과의 다공도를 나타내는 전극 코팅;
    d) 다중 층을 갖는 전극 코팅; 및
    e) 코팅 재료의 산재된 패턴을 나타내는 전극 코팅 중 적어도 하나를 포함함으로써 낮은 저항률을 달성하도록 구조화되며, 코팅 재료의 상기 산재된 패턴의 적어도 하나의 구성요소는 고에너지, 더 낮은 전도도 영역을 포함하고 코팅 재료의 상기 산재된 패턴의 적어도 하나의 다른 구성요소는 더 높은 전도도 영역을 포함하며, 상기 전도도는 높은 전도성 재료 함량 또는 높은 다공도 재료의 존재로 인해 발생하는,
    리튬 전기화학 에너지 생성 및 저장 장치.
  6. 에너지 저장 장치로서,
    애노드 및 캐소드,
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재된 제 1 분리막,
    전해질,
    상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 제 1 집전체,
    상기 제 1 집전체와 대향하는 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 제 2 집전체, 및
    상기 제 2 집전체와 접촉하는 제 2 분리막을 포함하며,
    상기 제 1 집전체와 상기 제 2 집전체 중 적어도 하나는 0.005 옴/제곱보다 더 큰 저항률을 나타내는,
    에너지 저장 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 집전체에 연결되고 외부 접점과 접촉하도록 구성된 탭을 더 포함하는,
    에너지 저장 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 집전체 및 상기 제 2 집전체 각각은 그 위에 코팅된 금속 필름을 포함하는,
    에너지 저장 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 집전체의 금속 필름은 상기 제 2 집전체의 금속 필름과 상이한 금속인,
    에너지 저장 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 집전체와 상기 제 2 집전체 중 적어도 하나의 상기 금속 필름은 총 5 마이크론 미만의 코팅 두께를 가지는,
    에너지 저장 장치.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 애노드 및 상기 캐소드는 적어도 35%의 다공도를 나타내는 다공성인,
    에너지 저장 장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 애노드 및 상기 캐소드는 각각 6 중량% 초과의 전도성 첨가제를 함유하는 전극 코팅을 포함하는,
    에너지 저장 장치.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 애노드 및 상기 캐소드 각각은 각각의 연속적인 하부 층보다 더 높은 전도도를 갖는 상부 층을 포함하는 다중 층을 가지는,
    에너지 저장 장치.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 애노드 및 상기 캐소드 각각은 각각의 연속적인 하부 층보다 더 높은 다공도를 나타내는 상부 층을 포함하는 다중 층을 가지는,
    에너지 저장 장치.
  15. 제 6 항에 있어서,
    상기 캐소드는 상기 제 2 영역이 산재된 제 1 영역을 포함하는 상기 캐소드의 일부를 갖는 패턴화된 전극이며, 상기 제 1 영역은 제 1 에너지 또는 제 1 전도도 속성을 가지며, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다 더 큰 제 2 에너지 또는 제 2 전도도 속성을 가짐으로써 전도도 구배를 생성하는,
    에너지 저장 장치.
KR1020227021902A 2019-11-27 2020-11-10 낮은 내부 저항을 갖는 금속화 필름 집전체를 갖춘 배터리 KR20220120583A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/698,936 2019-11-27
US16/698,936 US20210159507A1 (en) 2019-11-27 2019-11-27 Battery with metallized film current collector having low internal resistance
US16/732,139 2019-12-31
US16/732,139 US11158860B2 (en) 2017-09-09 2019-12-31 Battery connections and metallized film components in energy storage devices having internal fuses
PCT/US2020/059778 WO2021108118A1 (en) 2019-11-27 2020-11-10 Battery with metalized film current collector having low internal resistance

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220120583A true KR20220120583A (ko) 2022-08-30

Family

ID=73699442

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227021914A KR20220122644A (ko) 2019-11-27 2020-11-10 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장장치의 배터리 접점 및 금속화 필름 구성요소
KR1020227021902A KR20220120583A (ko) 2019-11-27 2020-11-10 낮은 내부 저항을 갖는 금속화 필름 집전체를 갖춘 배터리

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227021914A KR20220122644A (ko) 2019-11-27 2020-11-10 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장장치의 배터리 접점 및 금속화 필름 구성요소

Country Status (7)

Country Link
EP (2) EP3853931A1 (ko)
JP (2) JP2023504032A (ko)
KR (2) KR20220122644A (ko)
CN (2) CN113196533A (ko)
AU (2) AU2020391357A1 (ko)
CA (2) CA3162966A1 (ko)
WO (2) WO2021108119A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021108119A1 (en) 2019-11-27 2021-06-03 Soteria Battery Innovation Group Inc. Battery connections and metalized film components in energy storage devices having internal fuses
EP4190504A1 (de) * 2021-12-01 2023-06-07 Hilti Aktiengesellschaft System mit einer werkzeugmaschine und einer energieversorgungsvorrichtung
CN118352745A (zh) * 2022-03-31 2024-07-16 东莞新能安科技有限公司 电化学装置与电子装置

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW560099B (en) * 2001-04-20 2003-11-01 Japan Storage Battery Co Ltd Non-aqueous electrolyte secondary battery
JP5124506B2 (ja) * 2009-02-13 2013-01-23 シャープ株式会社 二次電池および二次電池の製造方法
WO2011109815A1 (en) * 2010-03-05 2011-09-09 A123 Systems, Inc. Design and fabrication of electrodes with gradients
JP2013026057A (ja) * 2011-07-22 2013-02-04 Sharp Corp 集電体および非水系二次電池
DE102013204872A1 (de) * 2013-03-20 2014-09-25 Robert Bosch Gmbh Elektrode und Verfahren zum Herstellen derselben
CN205985173U (zh) * 2016-09-21 2017-02-22 东莞新能源科技有限公司 极耳结构和电池
CN108281662B (zh) * 2017-01-12 2020-05-05 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种集流体，其极片和电池及应用
US11539050B2 (en) * 2017-01-12 2022-12-27 Contemporary Amperex Technology Co., Limited Current collector, electrode plate and battery containing the same, and application thereof
CN106898729A (zh) * 2017-03-27 2017-06-27 浙江大学 柔性集流体、包含该柔性集流体的电极及电池
US10700339B2 (en) * 2017-09-09 2020-06-30 Sateria Battery Innovation Group, Inc. Method of manufacture of an energy storage device having an internal fuse
US11139510B2 (en) * 2017-09-09 2021-10-05 Soteria Battery Innovation Group, Inc. Battery connections and metallized film components in energy storage devices having internal fuses
CN117613398A (zh) * 2017-09-09 2024-02-27 索特利亚电池创新集团公司 具有内部熔断器的锂储能装置
CN108428848B (zh) * 2017-11-22 2021-03-26 宁德时代新能源科技股份有限公司 电极构件、电极组件和充电电池
WO2019113881A1 (zh) * 2017-12-14 2019-06-20 香港纺织及成衣研发中心 集流体、其制备方法及包含它的锂离子电池
CN208433464U (zh) * 2018-02-09 2019-01-25 深圳前海优容科技有限公司 电池、电池电芯及集流体
CN111244388B (zh) * 2018-07-13 2022-02-25 宁德时代新能源科技股份有限公司 极片、极片的制造方法以及二次电池
WO2021108119A1 (en) 2019-11-27 2021-06-03 Soteria Battery Innovation Group Inc. Battery connections and metalized film components in energy storage devices having internal fuses

Also Published As

Publication number Publication date
CN113196532A (zh) 2021-07-30
WO2021108119A1 (en) 2021-06-03
AU2020391357A1 (en) 2022-07-14
JP2023504031A (ja) 2023-02-01
CN113196533A (zh) 2021-07-30
JP2023504032A (ja) 2023-02-01
CA3163083A1 (en) 2021-06-03
EP3853930A1 (en) 2021-07-28
AU2020391409A1 (en) 2022-07-21
KR20220122644A (ko) 2022-09-02
EP3853931A1 (en) 2021-07-28
WO2021108118A1 (en) 2021-06-03
CA3162966A1 (en) 2021-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7396981B2 (ja) 内部ヒューズを有するリチウムエネルギー貯蔵デバイス
KR20220120583A (ko) 낮은 내부 저항을 갖는 금속화 필름 집전체를 갖춘 배터리
US11482711B2 (en) Tabless cell utilizing metallized film current collectors
US20220045403A1 (en) Energy storage device having a current collector with inherent current limitations
US10700339B2 (en) Method of manufacture of an energy storage device having an internal fuse
US11799125B2 (en) Lithium storage device with improved safety architecture
US11139510B2 (en) Battery connections and metallized film components in energy storage devices having internal fuses
US20210159507A1 (en) Battery with metallized film current collector having low internal resistance
CN112997342A (zh) 具有内部熔断器的储能装置中的电池连接器和金属化膜组件
TWI818417B (zh) 使用金屬化膜集流體的無極耳電池
EA046772B1 (ru) Батарея с металлизированным пленочным токосъемником, имеющим низкое внутреннее сопротивление
US20240339652A1 (en) Lithium storage device with improved safety architecture
EA043346B1 (ru) Соединения аккумуляторов и компоненты из металлизированной пленки в устройствах хранения энергии с внутренними предохранителями
EA047792B1 (ru) Соединения аккумуляторов и компоненты из металлизированной пленки в устройствах хранения энергии с внутренними предохранителями
EA043036B1 (ru) Соединения батарей и металлизированные пленочные компоненты в устройствах накопления энергии, имеющих внутренние плавкие предохранители

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination