KR20220152556A - 삽입된 공동 전극 리튬 배터리 - Google Patents

삽입된 공동 전극 리튬 배터리 Download PDF

Info

Publication number
KR20220152556A
KR20220152556A KR1020227034716A KR20227034716A KR20220152556A KR 20220152556 A KR20220152556 A KR 20220152556A KR 1020227034716 A KR1020227034716 A KR 1020227034716A KR 20227034716 A KR20227034716 A KR 20227034716A KR 20220152556 A KR20220152556 A KR 20220152556A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
anode
current collector
lithium
cavities
Prior art date
Application number
KR1020227034716A
Other languages
English (en)
Inventor
슬로보단 페트로빅
Original Assignee
슬로보단 페트로빅
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
Application filed by 슬로보단 페트로빅 filed Critical 슬로보단 페트로빅
Publication of KR20220152556A publication Critical patent/KR20220152556A/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
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/137—Electrodes based on electro-active polymers
    • 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
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • 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
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • 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
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/653—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by electrically insulating or thermally conductive materials
    • 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
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/654—Means for temperature control structurally associated with the cells located inside the innermost case of the cells, e.g. mandrels, electrodes or electrolytes
    • 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
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6567—Liquids
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381—Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382—Lithium
    • 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
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • 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
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/72—Grids
    • H01M4/74—Meshes or woven material; Expanded metal
    • 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
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/76—Containers for holding the active material, e.g. tubes, capsules
    • 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
    • H01M2004/024—Insertable electrodes
    • 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
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0088—Composites
    • H01M2300/0094—Composites in the form of layered products, e.g. coatings
    • 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
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

공극을 갖는 작은 반응 영역을 형성하는 많은 공동을 갖는 배터리. 충전 동안, 애노트 전류 컬렉터 상의 각각의 공동 내에 리튬 금속이 형성된다. 서로 격리된 수천의 작은 공동 각각 내의 리튬 금속의 형성은 한 위치에서 상당한 양의 리튬 금속의 축적을 방지한다. 작은 반응 영역과 공극의 조합은 리튬 금속이 배터리 셀의 구조에 스트레스를 주지 않고 리튬 금속이 형성되도록 한다.

Description

삽입된 공동 전극 리튬 배터리
이 출원은 2020년 3월 7일에 출원된 출원번호 62/986,685에 대한 우선권을 주장한다.
배터리는 화학 반응으로부터 전기 에너지를 생성한다. 많은 상이한 유형의 배터리가 상이한 애플리케이션 및 상이한 요구를 위해 설계되었다. 상이한 물질로 제조된 배터리는 에너지 밀도(와트 시간/리터), 전력 밀도(와트/m3), 사이클 수명, 안전성, 및 비용 측면에서 구분되는 성능 특성을 갖는다.
배터리는 하나 이상의 전기화학 셀을 갖는 디바이스이다. 배터리의 양극 단자는 캐소드이다. 음극 단자, 애노드는 배터리에 연결된 장치에 전력을 공급하고 양극 단자로 돌아오는 외부 회로를 통해 흐르는 전자의 소스이다. 배터리의 방전 시에는 회로에 공급되는 에너지 차이를 전기 에너지로 하여 산화환원 반응이 일어난다.
배터리는 유비쿼터스이다. 전세계의 시장은 매년 1,000억 달러 이상이며 매년 약 8%씩 성장하고 있다.
리튬배터리는 모든 금속 중 리튬이 가장 가볍고(리튬 금속 밀도는 물의 절반 정도), 가장 음인 전기화학 전위(-3.05V)를 갖기 때문에 리튬 배터리는 치열한 연구의 중심이다. 리튬 배터리는 다른 바람직한 특성을 갖는다. 이들은 전형적으로 거의 변동없이 상대적으로 일정한 전압으로 방전한다. 리튬 배터리는 낮은 자가-방전 레이트와 함께 비교적 긴 저장 수명을 갖는다. 리튬 배터리는 또한 높은 쿨롱 효율을 가지며, 대부분의 전하는 전력을 공급하기 위해 방전될 수 있다.
리튬 배터리의 기본 이론은 충전 동안 - 애노드 -음극 전극- 상의 리튬의 산화와 연관있다. 배터리의 방전 동안, 리튬 원자는 회로에 전자를 포기하고 결과적인 Li+ 이온은 전해질을 통해 캐소드로 수송된다. 캐소드는 전형적으로 Li+ 이온이 캐소드 물질의 분자 구조 내의 공간 내로 충전되거나 층간 삽입될 수 있게 하는 층상 또는 벌집 구조(honeycombed structure)이다. 배터리 충전 동안, 전자는 전원 또는 충전기로부터 음극 단자에 공급되고, 리튬 금속 배터리의 경우, 리튬 금속을 형성하기 위해 Li+ 이온과 반응한다.
리튬 배터리의 두 가지 기본 버전: 즉 리튬 금속과 리튬 이온이 있다. 애노드 활성 물질의 성질에 기초하여 리튬 금속과 리튬 이온이 구별된다.
리튬배터리는 1970년대에 처음 개발되어 1980년대에 상용화되었다. 첫번째 리튬 배터리는 리튬 금속 애노드 및 몰리브덴 황화물 캐소드를 갖는 리튬 금속 배터리였다. 배터리 충전 중에 이러한 리튬 금속 배터리에 대한 문제가 발생하였다. 충전 시 애노드에 리튬 금속이 포집되면서 덴드라이트라고 불리는 날카로운 뾰족한 돌기로 형성되는 경향이 나타났다. 이러한 덴드라이트는 성장할 수 있고, 애노드와 캐소드 사이의 세퍼레이터를 통해 천공할 기계적 강도를 가져서, 단락, 열 발생 및 잠재적인 화재를 야기할 수 있다.
첫번째 리튬 금속 배터리들에 대한 이러한 문제들은 그것들을 리튬 이온 배터리들로 대체하게 만들었다. 리튬 이온 배터리는 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 유형의 리튬 배터리이다. 리튬 이온의 경우, 애노드는 충전된 상태에서 리튬의 결합을 가능하게 하는 기계적 지지를 제공하는 구조를 포함한다. 이상적으로, 리튬 이온 배터리에서, 리튬은 금속성 덴드라이트의 형성을 방지하기 위해 결코 금속성 상태로 환원되지 않는다. 여러 물질이 리튬 이온 배터리에서 음극으로서 사용될 수 있지만, 가장 중요한 물질은 흑연이다. 흑연은 탄소 대 탄소 결합의 매트릭스에 리튬 이온 삽입을 허용하는 층상 구조를 갖는다. 방전 동안, 리튬은 전자를 포기하고, 흑연으로부터 분리되고, 전해질을 통해 리튬 이온(Li+)으로서 캐소드로 이동한다. 일단 캐소드에 도달하면, 리튬 이온은 캐소드 물질의 층들 사이에 삽입된다.
리튬 배터리들과의 또 다른 과제는 충전 및 방전 사이클들 동안 애노드의 체적 변화이다. 반복 충전시 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하여 흑연 구조에 걸리면 흑연의 격자가 팽창한다. 시간이 지남에 따라 팽창 및 수축이 반복되어 흑연 구조체 상에 기계적인 응력은 파손 및 결함의 발생을 유발한다. 시간이 지남에 따라, 애노드에서 체적 변화는 리튬 금속 배터리 고장을 야기할 수 있다. 유사하게, 리튬 금속 배터리의 경우에, 애노드는 애노드 상의 리튬 금속 상의 축적에 따라 팽창한다. 새로운 리튬 배터리 설계에 대한 주요 과제 중 하나는 배터리 수명을 증가시키기 위해 양극에서 이러한 체적 팽창을 수용하는 것이다.
전기 에너지를 저장하는 새로운 리튬 금속 배터리를 발견했다. 배터리는 캐소드 및 애노드 둘에 대해 비-전도성 폴리머 기재(base material)에 형성된 과잉의 작은 공동을 이용한다. 애노드는 비-전도성 폴리머 기재 물질 위에 놓인 물질의 쓰루 층들에 의해 형성된 일련의 오목한 벽들을 갖는다. 캐소드 물질은 또한 비-전도성 폴리머 기재 위에 적층되어, 각각의 공동 내에 한정된 애노드 및 캐소드 반응 구역을 생성하고 리튬 금속의 축적을 수용하기 위해 애노드에 공극을 생성한다. 충전 동안, 리튬 금속은 애노드 전류 컬렉터 상의 각각의 공동에 형성된다. 리튬 금속의 형성은 다른 공동들로부터 격리된 수천 개의 작은 공동들 각각에서 발생하여 하나의 위치에서 상당한 양의 리튬의 축적을 방지한다. 리튬 금속 형성의 다수의 분리되고 개별적인 공동들로의 격리는 유해한 덴드라이트의 형성을 방지하기 위해 각각의 공동 내의 작은 반응 구역으로 반응을 제한한다.
공동 내에 매우 얇은 물질 층을 이용하는 설계는 또한 리튬 금속이 증착될 때 애노드에서 발생하는 체적 증가를 수용하는 애노드에 공극을 생성한다. 이는 리튬 이온이 배터리의 구조에 스트레스를 주지 않고 공극을 채우기 위해 리튬 금속으로서 증착될 수 있게 한다. 층들의 가요성은 또한 층이 애노드 상의 리튬 금속의 도금을 수용하기 위해 필요에 따라 구부러지는 것을 허용한다. 충전 동안, 리튬은 애노드 상에 리튬 금속으로서 수집하고, 전류 컬렉터와 고체 전해질 사이의 공극을 쌓고 채운다. 리튬 이온이 캐소드 활성 질량체로 수송됨에 따라 방전 동안 반전이 발생하여, 애노드에 공동을 남기고 캐소드 활성 질량체에 삽입한다. 얇은 층 구조는 리튬 이온이 캐소드로부터 애노드로 그리고 다시 후방으로 이동할 때 층이 호흡할 수 있게 한다.
스택 설계는 다수의 셀들이 특정 애플리케이션의 전력 요구들을 충족시키기 위해 원하는 대로 직렬 또는 병렬로 구성될 수 있게 한다. 스택 설계는 시트로 형성된 배터리를 초래한다. 시트는 당업계에 공지된 바와 같이 롤링되거나 접혀 배터리 패키지를 형성할 수 있다.
공동을 사용하는 스택 설계는 공동이 없는 평평한 스택의 표면적의 여러 배를 갖는 훨씬 더 큰 표면적을 생성한다. 표면적의 증가는 에너지 밀도를 직접적으로 향상시킨다. 더욱이, 리튬 이온 이동에 대한 저항은 더 큰 표면적의 결과로서 더 낮고, 이는 스택의 에너지 밀도를 향상시킨다.
도 1a는 폴리머 시트의 3D 도면이다.
도 1b는 다이를 갖는 폴리머 시트의 측면도이다.
도 2a는 공동을 갖는 폴리머 베이스 층의 단면이다.
도 2b는 공동을 갖는 폴리머 베이스 층의 다른 실시예의 단면이다.
도 2c는 공동을 갖는 폴리머 베이스 층의 평면도이다.
도 3은 금속 전류 컬렉터를 갖는 공동을 갖는 폴리머 베이스 층의 단면이다.
도 4a는 리튬 금속이 증착되지 않은 단일 배터리의 층들의 단면이다.
도 4b는 증착된 리튬 금속을 갖는 단일 배터리의 층들의 단면이다.
도 5는 두개의 셀 시리즈의 층의 단면이다.
도 6은 직렬인 두개의 셀의 층의 대안적인 실시예의 단면이다.
도 7은 평행한 두개의 셀의 층의 단면이다.
도 8은 대면하는 미러 이미지 전극들을 갖는 단일 셀의 단면이다.
새로운 배터리의 어셈블리는 도 1a의 기재로서 얇은 폴리머 시트(101)로 시작한다. 얇은 폴리머 시트는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluorethylene), 폴리비닐덴플루오라이드(polyvinyldene fluoride), 폴리에테르술폰(polyethersulfone) 또는 다른 유사 물질로 이루어질 수 있다. 얇은 폴리머 시트(101)의 두께는 30 미크론 내지 1000 미크론일 수 있다. 얇은 폴리머 시트(101)의 표면적을 향상시키기 위해, 다이(103)가 얇은 폴리머 시트(101) 내로 가압되어 도 1b처럼 변형시키고, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 공극, 딤플, 함몰부(depressions) 또는 포켓으로도 불릴 수 있는 공동(203)의 어레이를 갖는 폴리머 베이스 층(201)을 형성한다. 공동(203)은 행 및 열 또는 벌집 방식과 같은 임의의 방식으로 배열될 수 있고 원하는 패턴에 따라 정사각형 또는 원형 형상을 가질 수 있다. 공동(203)은 1 내지 300 미크론 깊이 및 1 내지 50 미크론 폭의 크기를 가질 수 있다. 공동(203)의 피치가 5 미크론(예를 들어, 1 미크론 벽을 갖는 4 미크론 폭 공동)이면, 선형 센티미터로 대략 2,000개의 공동(203) 또는 제곱 센티미터로 약 4,000,000개의 공동(203)이 있을 것이다. 공동(203)의 피치가 20 미크론이면(예를 들어, 2 미크론 두께인 벽을 가로지르는 공동 18 미크론), 선형 센티미터로 대략 500개의 공동(203) 또는 제곱 센티미터로 약 250,000개의 공동(203)이 있을 것이다.
약 18 미크론 및 100 미크론 깊이의 공동에 대해, 각각의 공동의 내부 표면적은 대략 8 x 10-5cm2이고, 각각의 공동의 체적은 대략 3 x 10-8cm3이다. 250,000개의 공동을 갖는 평방 센티미터의 경우, 공동의 내부 표면적은 대략 19cm2이고, 평방 센티미터에서 250,000개의 공동의 내부 체적은 1 x 10-2cm3이다. 이 예에서, 제곱 센티미터로 250,000개의 공동(203)를 갖는 베이스 층(201)을 형성하도록 폴리머 시트(101)를 변형시킨 것은 표면적을 거의 20배 증가시킨다. 공동의 표면적은 각각의 공동의 바닥에 생성된 2차 리세스(207)로 더 향상될 수 있다.
베이스 층(201)으로부터 시작하여, 매우 얇은 물질 층들을 증착함으로써 배터리 셀이 형성될 수 있다. 도 3을 참조하면, 제1 층은 애노드를 위한 전류 컬렉터(301)이다. 애노드를 위한 전류 컬렉터(301)는 기공들의 내부 표면들 및 기공들의 립(lip)을 전도체의 연속 층으로 코팅하는 베이스 층(201)의 표면 위에 증착된다. 전류 컬렉터를 위한 전도체를 증착하기 위한 프로세스는 공동의 바닥에 더 많은 전도체를 증착하고 립(205)을 회피하도록 튜닝될 수 있다. 전도체 증착물의 두께가 두꺼울수록, 전기 저항이 낮아지고, 리튬 이온에 대한 인력이 커진다. 공동의 바닥에 더 두꺼운 층을 증착하는 것은 리튬 이온이 리튬 금속으로서 도금되기 전에 공동의 바닥으로 이동하는 것을 촉진한다.
애노드를 위한 전류 컬렉터(301)를 위한 증착된 전도체 물질은 Cu, Ni, Ti, TiN, 그래핀, 또는 다른 다양한 전도성 금속 산화물 또는 질화물 또는 전도성 폴리머일 수 있다. 애노드를 위한 전류 컬렉터(301)는 공지된 방법: 무전해 증착, 무전해 증착에 이은 전해 증착, ALD(원자층 증착), PVD(물리적 기상 증착), CVD(화학적 기상 증착) 등과 같은 방법들을 사용하여 증착될 수 있다. 애노드 전류 컬렉터(301)는 공지된 기술에 따라 베이스 층의 에지에서 외부 회로에 연결될 수 있다. 대안적으로, 공동들 중 선택된 적은 공동들이 바닥에서 천공될 수 있어서, 애노드(301)에 대한 전류 컬렉터의 증착이 천공부(303)를 통해 스며들어(bleed) 애노드(301)에 대한 전류 컬렉터와 외부 회로 사이의 베이스 층(201)의 배면 상의 전기적 연결을 허용한다.
전류 컬렉터 및 폴리머 시트를 형성하는 다른 방법은 그래핀이 주입된 폴리머 시트를 생성하는 것이다. 이러한 경우에, 시작 폴리머 층은 이미 전도성이고 후속 전도성 층은 전도성을 추가로 향상시키기 위해 선택적으로 적용될 수 있다. 이러한 경우, 폴리머 시트가 패키징될 때 이를 전기적으로 격리하기 위해 주의를 기울여야 한다. 추가적인 대안으로서, 매우 얇은 폴리머 시트가 그래핀이 주입된 다른 폴리머 층과 적층될 수 있다. 전도성을 더 향상시키기 위해 후속 전도층이 선택적으로 적용될 수 있다.
동작 시, 충전 사이클 동안, 리튬 이온은 애노드 전류 컬렉터(301)로부터의 전자로 환원되어 결과적인 리튬 원자가 애노드 전류 컬렉터(301) 상에 리튬 금속의 층을 형성하게 될 것이다. 이러한 리튬 금속의 대부분은 각각의 공동(203)의 벽 및 바닥에 형성될 것이다. 리튬 금속의 작은 부분이 공동들 사이의 립(205)에서 애노드 전류 컬렉터(301) 상에 형성될 수 있다. 각각의 공동(203)의 내부 부분 상에 리튬 금속의 형성을 추가로 촉진하기 위해, 절연 물질의 선택적인 층(305)이 공동의 립에서 애노드 전류 컬렉터(301) 상에 증착될 수 있다. 절연층은 파랄린(Paralyne)과 같은 다양한 고유전성 폴리머로 제조될 수 있고, ALD 및 그러한 얇은 층의 다른 공지된 증착 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 절연층은 전자가 공동(203)의 립 상의 리튬 이온을 환원시키는 것을 방지할 것이다.
도 4a를 참조하면, 애노드 전류 컬렉터(301)는 이후 10 내지 100 나노미터 두께의 액체 전해질(405)의 얇은 층으로 코팅된다. 적합한 액체 전해질은 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 또는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)와 같은 적합한 유기 용매 중에서 LiPF6와 같은 리튬 이온 배터리에 사용되는 표준 전해질을 포함한다.
셀의 애노드(423)를 완성하기 위해, 10 내지 100 나노미터 두께, 바람직하게는 20 내지 30 나노미터의 고체 전해질의 층(407)이 적용된다. 고체 전해질 층 (407)을 적용하는 첫번째 방법은 원자층 증착 또는 용액 상을 사용하는 것이다. 고체 전해질의 적용은 각각의 공동의 바닥에서 얇은 액체 전해질 층과 고체 전해질 사이에 공극(419)이 남도록 튜닝된다. 공극의 목적은 리튬 금속이 충전 동안 전류 컬렉터 상에 증착될 때 수집하기 위한 공간을 제공하는 것이다. 공극(419)은 거의 공동(203)의 깊이만큼, 즉 전류 컬렉터(301) 및 전해질 층(407)의 두께를 뺀 만큼일 수 있다. 단일 셀에 대해, 고체 전해질(407)은 공동 개구부 위로 신장할 수 있지만, 타이트하지 않고 공동(203)의 바닥을 향해 약간 슬럼핑(slumping)하여, 결과적인 공극은 단일 셀에 대한 공동 체적의 80-90%이다. 고체 전해질(407)은 리튬 금속의 체적 변화를 유연하게 수용할 필요가 있기 때문에 너무 타이트하지 않는 것이 중요하다. 셀의 애노드(423)를 완성하기 위해, 10 내지 100 나노미터 두께, 바람직하게는 20 내지 30 나노미터의 고체 전해질의 층(407)이 적용된다. 이 경우, 고체 전해질(407)은 이미 리튬 금속이 존재하기 때문에 공극을 발생시키지 않고 증착된다.
셀을 제조하는 다른 방법은 먼저 전류 컬렉터(301)를 증착한 다음, 도 4b에 도시된 바와 같이 전류 컬렉터 상의 각각의 셀의 바닥에 리튬 금속(421)을 증착하는 것이다. 리튬(421)의 양은 셀의 설계, 예를 들어, 단일 또는 다중 셀인지에 따라 달라진다. 증착된 리튬(421)의 양은 공동(203)의 체적의 10% 내지 90%로 변할 수 있다. 리튬 금속(421)의 증착 후에, 이는 10 내지 100 나노미터 두께의 액체 전해질(405)의 얇은 층으로 코팅된다.
멀티-셀 어셈블리들의 경우, 각각의 다음 셀이 이전의 것 내부로 진행하고, 각각의 애노드 공극(419)은 셀들의 수에 따라 공동 깊이의 10 내지 50%일 수 있다. 공극(419)은 리튬 금속이 전류 컬렉터 상에 도금되어 충전 동안 공극을 채우기 위한 공간을 제공한다. 또한, 고체 전해질(407)은 졸-겔(sol-gel), 스크린 프린팅(screen printing), 스핀 코팅(spin coating), 핫 프레싱(hot pressing) 및 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)과 같은 공지된 다른 방법을 사용하여 적용될 수 있다. 대안적인 방법은 고체 전해질(407)의 시트를 조립체 위에 놓고 다이 (103)로 아래로 누름으로써 고체 전해질 (407)의 시트를 인덴트(indent)하여 액체 전해질과 고체 전해질 사이의 공동의 바닥에서 공극에게 나노미터를 남기면서 공동의 윤곽을 따르도록 고체 전해질 (407)을 변형시키는 것이다. 셀을 형성하는 프로세스에서의 이 단계 및 다른 단계들은 층들 사이에서 공기를 포획하는 것을 피하기 위해 진공 하에서 행해질 수 있다.
고체 전해질(407)은 전해질 제품들의 이에 제한되지는 않으나, 다음의 타입들 또는 군(family): 나트륨 초이온 전도체(NASICON), 가넷 Li7La3Zr2O12(LLZO), 결정질 페로브스카이트 타입 리튬 란타늄 티타네이트(Li0.5La0.5TiO3)(LLTO), 리튬 초이온 전도체(Li2+2xZn1-xGeO4)(LISICON), LiPON, Li2PO2N, Li3N, 설파이드, 아기로다이트(argyrodite), 및 안티페로브스카이트를 포함하는 전해질 제품으로부터 선택될 수 있다.
대안적으로, 애노드는 얇은 폴리머(101)의 편평한 시트로 시작하여 전술한 방법에 따라 순차적으로 전류 컬렉터 층(301), 액체 전해질 층(405) 및 고체 전해질 층(407)을 증착하도록 구성될 수 있다. 그 다음, 애노드 층의 조립체(101, 301, 405, 407)는 공동(203)를 생성하도록 인덴트(indent)된다. 각각의 공동(203) 내의 액체 전해질 층(405)과 고체 전해질 층(407) 사이의 공극(419)은 툴에 충돌하고 후퇴하는 것을 통해 달성될 것이다. 기판 폴리머 물질과 고체 전해질 물질 사이의 상이한 탄성 계수로 인해, 액체 전해질(405)과 고체 전해질(407) 사이에 공극이 생성된다. 즉, 폴리머 기판은 전류 컬렉터와 함께, 충돌로 인해 변형된 형상을 유지하는 경향이 있을 것인 반면, 고체 전해질 층 내의 인덴트들은 충돌로부터 다소 스프링 백(spring back)하여 각각의 공동(203)에서 액체 전해질과 고체 전해질 사이의 공극들을 남기는 경향이 있을 것이다. 그 다음, 삽입된 캐소드는 각각의 공동(203)에 증착된 추가적인 층들에 의해 형성된다
도 4a 및 4b를 참조하면, 캐소드(425)는 고체 전해질(407)의 상부에 층을 추가함으로써 형성된다. 첫째, 액체 전해질의 얇은 10 내지 100 나노미터 캐소드-측 층(409)이 고체 전해질(407) 위에 증착될 수 있다. 액체 전해질의 캐소드-측 층(409)은 선택적이며, 애노드 전류 컬렉터(301)와 캐소드 활성 질량체(411) 사이의 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는데 사용되는 다른 물질에 따라 요구되지 않을 수 있다. 캐소드 액체 전해질의 층(409)은 애노드측 액체 전해질(405)이 분배된 것과 동일한 방식으로 증착된다.
다음, 캐소드 활성 질량체(411)는 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 방법으로 증착된다. 캐소드 활성 질량체(411)는: 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 망간 산화물(LMO), 리튬 철 인산염(LFP), 리튬 알루미늄 산화물, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 및 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 리튬 배터리용 공지된 물질로부터 제조될 수 있다.
애노드(423)가 공동(419)으로 구성된 경우, 활성 캐소드 물질은 캐소드 활성 질량체(411)에서 느슨하게 결합된 배터리 셀을 위한 리튬을 함유한다. 초기 충전 동안, 캐소드 활성 질량체(411) 내의 리튬은 애노드로 이동할 것이고, 여기서 이는 전자로 환원되어 애노드 전류 컬렉터(301) 상에 리튬 금속층을 형성한다. 애노드(423)가 전류 컬렉터(301) 상에 리튬 금속(421)의 증착물로 구성된 경우, 활성 캐소드 물질은 안정성을 유지하는 데 필요한 소량의 리튬만을 함유할 것이다.
캐소드 활성 질량체(411) 다음에, 캐소드 전류 컬렉터(413)가 활성 캐소드 층(411) 상에 증착된다. 캐소드 전류 컬렉터(413)는 원자층 증착법, 무전해 금속 증착법(electroless metal deposition), 전착(electrodeposition) 및 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다른 방법을 이용하여 증착될 수 있다. 캐소드 전류 컬렉터를 위한 일반적인 물질은 알루미늄, 니켈, 그래핀 또는 다른 다양한 전도 금속 산화물 또는 질화물 또는 전도성 폴리머이다. 전기적 연결은 당업자에게 공지된 전형적인 방법을 사용하여 층의 에지에서 이루어진다.
단지 단일 셀 배터리가 설계 목적이면, 셀은 기재(201)와 동일한 물질의, 얇은 폴리머 시트의 얇은 층으로 이루어진, 상부 층(417)으로 마무리될 수 있다. 상부 층(417)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리비닐덴 플루오라이드, 폴리에테르술폰 또는 다른 유사한 물질로 제조될 수 있다. 상부 층(417)은 120 내지 150 미크론의 두께로 기상, 플라즈마 증착, 화학 기상 증착 및 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다른 방법에 의해 증착될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 셀(501)과 동일한 순서로 얇은 층들을 배치하는 순서를 반복함으로써 제1 셀(501) 상에 다수의 셀들이 삽입될 수 있다. 직렬의 셀들에 대해, 제1 셀(501)의 캐소드 전류 컬렉터(413)는 제1 셀(501)을 제2 셀(505)과 직렬로 연결하는 바이폴라 전극(503)이 된다. 제2 셀을 형성하기 위해, 제2 애노드 액체 전해질 층(507) 및 제2 고체 전해질 층(509)이 공극(517)으로 증착된다. 대안적으로, 제1 배터리와 마찬가지로, 리튬 금속에 대한 공극을 생성하는 대신에, 리튬 금속이 공극 없이 제2 고체 전해질 층(509)이 뒤따르는 바이폴라 전극(503)의 상부에 증착될 수 있다. 다음으로, 임의의 제2 캐소드 액체 전해질 층(511), 제2 캐소드 활물질 질량체(513), 및 캐소드 전류 컬렉터(515)가 제1 셀(501)에 대해 증착된 방식과 동일한 방식으로 제2 셀(505)을 형성하도록 증착된다. 공동 내에 있지 않은 바이폴라 전극(503)의 표면은 공동 외부에서 리튬 금속의 형성을 억제하기 위해 폴리머 절연체(519)로 보호될 수 있다.
셀들의 상부에 셀들을 레이어링(layering)하는 이 프로세스는, 다수의 셀들을 직렬로 생성하기 위해, 여러 번 반복될 수 있다. 캐소드 활성 질량체에 인접한 각각의 중간 전극은 도 5에 도시된 바이폴라 전극(503)과 같은 바이폴라 전극으로서 역할한다. 최상부, 즉 스택 내의 마지막 셀이 증착될 때, 캐소드 활성 질량체에 인접한 전극은 2-셀 구성에 대해 도 5에 도시된 캐소드 전류 컬렉터(515)와 같은 캐소드 전류 컬렉터로서 기능한다. 그 후, 스택 내의 상부 셀은 기재(401)와 동일한 종류의 물질의, 폴리머 시트의 얇은 층으로 이루어진, 상부 층(521)으로 마무리된다. 상부 층(521)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리비닐덴 플루오라이드, 폴리에테르술폰 또는 다른 유사한 물질로 이루어질 수 있다. 상부 층(517)은 120 내지 150 ㎛의 두께로 전술된 동일한 방법들에 의해 증착될 수 있다.㎛
그 후, 셀들의 스택의 상부는 기재(401)와 동일한 종류의 물질의 폴리머 시트의 얇은 층으로 이루어진 상부 층(521)으로 마무리된다. 상부 층(521)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리비닐덴 플루오라이드, 폴리에테르술폰 또는 다른 유사한 물질로 이루어질 수 있다. 상부 층(521)은 120~150 ㎛의 두께로 증착될 수 있다. 선택적으로, 냉각을 위한 열 전달을 용이하게 하기 위해, 열 전도성 액체(601)가 폴리머 층(521, 603) 사이에 증착될 수 있어, 도 6에 도시된 바와 같이 배터리의 스택으로부터 배터리의 작동에 의해 생성된 열의 전달을 개선한다. 열 전달 액체는 물 또는 양호한 열 전달 특성을 갖는 다른 유체일 수 있다. 그 후, 폴리머 층(603)은 동일한 방식으로 추가 셀들을 적층하기 위한 베이스 층이 될 수 있다.
대안적으로, 셀들은 병렬로 적층될 수 있고, 각각의 셀은 각각의 셀을 전기적으로 격리하기 위해 얇은 폴리머 시트에 의해 분리된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 병렬 셀(703)이 제 1 셀(701) 위에 증착될 수 있다. 캐소드 활성 질량체에 인접한 전도층은 캐소드 전류 컬렉터(413)이다. 제1 셀은 폴리머 층(705)으로 제2 병렬 셀(703)로부터 전기적으로 격리된다. 그 후, 제2 셀(703)을 위한 층들은 전술한 바와 동일한 기술들을 사용하여 증착된다. 제2 애노드 전류 컬렉터(707)가 폴리머 층(705) 상에 증착된다. 선택적으로, 절연체(709)로서 기능하기 위한 폴리머 물질의 층이 공동 내에 있지 않은 스택의 부분 상에 증착된다. 제2 셀(711)을 위한 액체 전해질의 얇은 층은 애노드 전류 컬렉터(707) 및 절연체(709)의 상부에 증착된다. 다음으로, 고체 전해질의 층(713)은 공극(517)으로 증착된다. 대안적으로, 공극(517) 대신에 리튬 금속이 증착된다. 선택적으로, 액체 전해질의 다른 층(715)이 고체 전해질(713)의 캐소드 측 상에 증착된다. 이어서, 캐소드 활성 질량체의 층(717)이 증착되고, 이어서 캐소드 전류 컬렉터의 층(719)이 증착된다. 2개의 병렬 셀을 완성하기 위해, 폴리머 층(721)이 증착된다.
전술에 따른 배터리는 하나 이상의 셀을 포함한다. 셀의 수, 및 셀이 직렬 또는 병렬로 구성되는지 여부, 시트의 전체 크기 등과 같은 변수에 대한 삽입된 공동 전극 배터리의 특정 설계는 전력, 용량 및 중량과 같은 특성 사이의 배터리 설계에서 알려진 트레이드오프(tradeoff)에 따라 응용에 의해 결정된다.
공동-볼록(cavity-convexity) 방식으로 셀들을 적층하는 대안적인 실시예는 도 8에 도시된 바와 같이 배터리 셀(801) 미러 이미지 전극들을 생성하는 것이다. 애노드(803)는 공동(809)의 어레이를 갖는 얇은 폴리머 베이스 층(807)을 사용하여 형성된다. 얇은 폴리머 베이스 층(807) 내의 공동들(809)은 얇은 폴리머 시트(101)로부터 전술한 바와 같이 형성된다. 얇은 폴리머 베이스 층(807)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리비닐덴 플루오라이드, 폴리에테르술폰 또는 다른 유사한 물질로 이루어질 수 있다. 공동(809)는 원하는 패턴에 따라 사각형 또는 원형 형상을 가질 수 있다. 공동(809)은 행 및 열 또는 벌집 방식(honeycomb fashion)과 같은 임의의 방식으로 배열될 수 있다. 공동(809)는 120 내지 150 미크론 깊이, 및 10-100 미크론 폭, 전형적으로 20-30 미크론 폭이도록 크기 설정될 수 있다. 공동(809) 사이의 립(811)은 1 내지 5 μm 두께일 수 있다.
애노드를 위한 전류 컬렉터(815)는 기공의 내부 표면 및 기공의 립을 10 - 100 nm 두께, 바람직하게는 20 - 30 nm 두께의 전도체의 연속 층으로 코팅하는 베이스 층(807)의 표면 위에 증착된다. 전류 컬렉터를 위해 증착된 전도체는 공동의 바닥에 더 많은 금속을 증착하도록 튜닝될 수 있다. 금속 증착물의 두께가 두꺼울수록, 전기 저항이 낮아지고, 리튬 이온에 대한 인력이 커진다. 공동의 바닥에 더 두꺼운 층을 증착하는 것은 리튬 금속에서 도금하기 전에 리튬 이온이 공동의 바닥으로 이동하는 것을 촉진한다.
애노드(803)를 위한 전류 컬렉터를 위한 증착된 전도성 물질은 Cu, Ni, Ti, TiN, 그래핀 또는 다른 다양한 전도성 금속 산화물 또는 질화물일 수 있다. 애노드(803)에 대한 전류 컬렉터는 무전해 증착에 이은 전기 증착, ALD(원자 층 증착), PVD(물리적 기상 증착), CVD(화학적 기상 증착) 등과 같은 공지된 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 선택된 수의 공동들(809)의 바닥은 공동들(809)의 바닥에서 천공 개구(813)를 생성하도록 천공되어, 애노드(301)를 위한 전류 컬렉터의 증착이 천공(813)을 통해 스며들어 애노드(803)을 위한 전류 컬렉터와 외부 회로 사이의 베이스 층(807)의 후면 상의 전기적 연결을 허용한다.
이어서, 오목한 애노드 전류 컬렉터(815)는 10 내지 100 nm 두께의 얇은 액체 전해질 층(817)으로 코팅된다. 적합한 액체 전해질은 디메틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 또는 프로필렌 카보네이트와 같은 적합한 유기 용매 중에서 LiPF6와 같은 리튬 이온 배터리에 사용되는 표준 전해질을 포함한다.
캐소드(805)는 유사하게, 천공(813)을 갖는 캐소드 베이스 층(819) 및 캐소드 전류 컬렉터(821)로 형성된다. 캐소드 전류 컬렉터(821)는 원자 층 증착, 무전해 금속 증착, 전착, 및 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 다른 방법에 의해 증착될 수 있다. 캐소드 전류 컬렉터를 위한 일반적인 금속은 알루미늄 또는 니켈이다. 캐소드 전류 컬렉터(821)로의 전기적 접속은 캐소드 베이스 층(819)의 후면 상에서 천공(813)을 통해 스며드는 전류 컬렉터 금속으로 이루어진다.
이어서, 캐소드 전류 컬렉터(821)는 캐소드 활성 질량체(823)의 층으로 코팅된다. 캐소드 활성 질량체(823)는 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 망간 산화물(LMO), 리튬 철 포스페이트(LFP), 리튬 알루미늄 산화물, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 및 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 리튬 배터리들을 위한 공지된 물질들로부터 제조될 수 있다. 이들 활성 캐소드 물질들은 캐소드 활성 질량체(823)에 느슨하게 결합된 배터리 셀을 위한 리튬을 포함한다. 초기 충전 동안, 캐소드 활성 질량체(823) 내의 리튬은 애노드로 이동할 것이고, 여기서 이는 전자로 환원되어 애노드 전류 컬렉터(815) 상에 리튬 금속층을 형성한다.
액체 전해질(825)의 제2 층의 얇은 10 내지 100 nm 층이 캐소드 활성 질량체(823) 위에 증착된다. 액체 전해질(825)의 캐소드 층은 애노드 측 액체 전해질(817)이 분배되는 것과 동일한 방식으로 증착될 수 있다.
그 다음, 애노드(803) 및 캐소드(805)는 고체 전해질(827)의 층에 의해 분래되어 함께 끼워져 있다. 고체 전해질(827)은 나트륨 초이온 전도체(NASICON), 가넷 Li7La3Zr2O12(LLZO), 결정질 페로브스카이트 타입 리튬 란타늄 티타네이트(Li0.5La0.5TiO3)(LLTO), 리튬 초이온 전도체(Li2+2xZn1-xGeO4)(LISICON), LiPON, Li2PO2N, Li3N, 설파이드, 아기로다이트(argyrodite), 및 안티페로브스카이트를 포함하지만 이에 제한되지 않는 전해질 제품들의 다음의 타입들 또는 군(family)들로부터 선택될 수 있다.
리튬과 혼합된 실리케이트 또는 LiSi 합금 및 TiO2를 수반하는 일부 최근의 애노드 물질이 있다. 이들 물질은 또한 개시된 배터리 설계와 함께 리튬 금속에 부가하여 애노드 활성 질량체로서 사용될 수 있다. 삽입된 공동 전극 리튬 배터리 구조는 이들 애노드 화학물질들에 대한 향상된 환경도 제공할 것이다. 예 예를 들어, 실리콘 애노드(LiSi)의 가장 심각한 문제는 리튬이 애노드의 안팎으로 이동할 때, 사이클 동안 보기 드문 팽창 및 수축이다. 이러한 시간에 따른 체적의 큰 변화는 기계적 불안정성을 생성하고 사이클 수명의 손실을 초래한다. 삽입된 공동 전극 리튬 배터리 구조를 사용함으로써, 팽창이 포함되고 수축 동안 형상 및 체적을 유지하는 공동 내부에서 반응이 발생하여 전극에 기계적 안정성을 제공하고 더 긴 사이클 수명을 제공한다.
병렬 또는 직렬로 와이어링된 셀을 갖는 멀티셀 배터리는 리튬 이온 배터리에 사용되는 종래의 방법을 사용하여 생성될 수 있다. 최종 구조는 원하는 형상으로 조립하기 위해 필요한 경우 구부러지거나 또는 종래의 Li-이온 배터리 셀(18650 또는 21700)과 같은 원통형 셀 내로 끼워질 수 있으며, 여기서 처음 두 자리는 직경을 제공하고 마지막 세 자리는 실린더의 길이를 밀리미터로 제공한다.

Claims (16)

  1. 배터리로서,
    비-전도성 폴리머 기재;
    상기 기재는 공동을 갖고;
    상기 기재 상의 애노드 전류 컬렉터 층;
    상기 애노드 전류 컬렉터 층 상의 애노드 액체 전해질의 층;
    상기 애노드 액체 전해질의 상기 층 상의 고체 전해질의 층;
    캐소드 활성 질량체 층; 및
    캐소드 전류 컬렉터를 포함하는,
    배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공동들 중 일부는 천공되는 것을 더 포함하는, 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 액체 전해질 및상기 고체 전해질 사이의 공극을 더 포함하는, 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 공동은 립을 갖고;
    각각의 상기 공동의 상기 립에서 상기 애노드 전류 컬렉터 상의 절연 물질의 층을 더 포함하는, 배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질과 상기 캐소드 활성 질량체 사이의 캐소드 액체 전해질의 층을 더 포함하는, 배터리.
  6. 제1항에 있어서,
    상부 비-전도성 폴리머 층을 더 포함하는, 배터리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캐소드 전류 컬렉터와 상기 상부 비-전도성 폴리머 층 사이의 열 전도성 액체를 더 포함하는, 배터리.
  8. 배터리로서,
    연속적인 비-전도성 폴리머 물질 내에 형성된 공동들의 어레이;
    각각의 상기 공동은 폭이 1 내지 50 마이크론이고;
    상기 공동 각각내에 오목형 애노드; 및
    상기 공동 각각내로 삽입되는 볼록 형상의 캐소드를 포함하는,
    배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공동들 중 일부는 천공되는 것을 더 포함하는, 배터리.
  10. 제8항에 있어서,
    애노드 액체 전해질의 층;
    고체 전해질의 층; 및
    상기 애노드 액체 전해질과 상기 고체 전해질 사이의 공극을 더 포함하는, 배터리.
  11. 제8항에 있어서,
    각각의 상기 공동은 립을 갖고;
    각각의 상기 공동은 애노드 전류 컬렉터를 갖고;
    각각의 상기 공동의 상기 립에서 상기 애노드 전류 컬렉터 상의 절연 물질의 층을 더 포함하는, 배터리.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 볼록형 양극은 양극 활성 질량체를 갖고; 및
    상부 비-전도성 폴리머 층을 더 포함하는, 배터리.
  13. 배터리로서,
    비-전도성 폴리머 기재;
    상기 기재는 공동을 갖고;
    상기 기재 상의 애노드 전류 컬렉터 층;
    상기 애노드 전류 컬렉터 상의 리튬 금속의 층;
    애노드 액체 전해질의 층;
    상기 애노드 액체 전해질의 상기 층 상에 증착된 고체 전해질의 층;
    캐소드 활성 질량체 층; 및
    캐소드 전류 컬렉터를 포함하는,
    배터리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공동들 중 일부는 천공되는 것을 더 포함하는, 배터리.
  15. 제13항에 있어서,
    각각의 상기 공동은 립을 갖고;
    각각의 상기 공동의 상기 립에서 상기 애노드 전류 컬렉터 상의 절연 물질의 층을 더 포함하는, 배터리.
  16. 제13항에 있어서,
    상부 비전도성 폴리머 층을 더 포함하는, 배터리.
KR1020227034716A 2020-03-07 2021-03-05 삽입된 공동 전극 리튬 배터리 KR20220152556A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202062986685P 2020-03-07 2020-03-07
US62/986,685 2020-03-07
PCT/US2021/021247 WO2021183394A1 (en) 2020-03-07 2021-03-05 Inserted cavity electrode lithium battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220152556A true KR20220152556A (ko) 2022-11-16

Family

ID=77556562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227034716A KR20220152556A (ko) 2020-03-07 2021-03-05 삽입된 공동 전극 리튬 배터리

Country Status (6)

Country Link
US (2) US11495786B2 (ko)
EP (1) EP4115461A1 (ko)
JP (1) JP2023516829A (ko)
KR (1) KR20220152556A (ko)
CN (1) CN115917786A (ko)
WO (1) WO2021183394A1 (ko)

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE591690A (ko) 1959-06-10
BE617372A (ko) 1961-05-10
US3793060A (en) 1971-06-03 1974-02-19 Gen Electric Metallized ultrafine porous polymer articles
US5470671A (en) * 1993-12-22 1995-11-28 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell employing ambient air as the oxidant and coolant
US5750289A (en) 1994-07-27 1998-05-12 Kejha; Joseph B. Lightweight current collectors and carriers
US6251540B1 (en) 1996-10-03 2001-06-26 Lithium Technology Corporation Composite electrode for electrochemical devices having a metallized glass or ceramic fiber current collector
US6143445A (en) 1998-08-07 2000-11-07 Ferment; George R. Composite electrodes containing chopped conductive fibers
WO2004036668A2 (en) * 2002-10-17 2004-04-29 Tel-Aviv University Future Technology Development L.P. Thin-film cathode for 3-dimensional microbattery and method for preparing such cathode
US7618748B2 (en) * 2006-03-13 2009-11-17 Tel Aviv University Future Technology Development L.P. Three-dimensional microbattery
US8865345B1 (en) * 2007-01-12 2014-10-21 Enovix Corporation Electrodes for three-dimensional lithium batteries and methods of manufacturing thereof
US7862627B2 (en) * 2007-04-27 2011-01-04 Front Edge Technology, Inc. Thin film battery substrate cutting and fabrication process
US20090136839A1 (en) * 2007-11-28 2009-05-28 Front Edge Technology, Inc. Thin film battery comprising stacked battery cells and method
CN101946404A (zh) * 2008-02-18 2011-01-12 精工电子有限公司 压电振动器的制造方法、压电振动器、振荡器、电子设备及电波钟
FR2933814B1 (fr) * 2008-07-11 2011-03-25 Commissariat Energie Atomique Electrolytes liquides ioniques comprenant un surfactant et dispositifs electrochimiques tels que des accumulateurs les comprenant
US8784511B2 (en) * 2009-09-28 2014-07-22 Stmicroelectronics (Tours) Sas Method for forming a thin-film lithium-ion battery
WO2011154862A1 (en) * 2010-06-06 2011-12-15 Ramot At Tel-Aviv University Ltd Three-dimensional microbattery having a porous silicon anode
JP2013008586A (ja) * 2011-06-24 2013-01-10 Sony Corp リチウムイオン二次電池、リチウムイオン二次電池用負極、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器
US10290841B2 (en) * 2012-01-31 2019-05-14 Johnson Controls Technology Company Cover for battery cell
WO2015038735A1 (en) * 2013-09-11 2015-03-19 Candace Chan Nanowire-based solid electrolytes and lithium-ion batteries including the same
KR101491328B1 (ko) * 2013-10-14 2015-02-06 현대자동차주식회사 차량 전력전자부품 하우징용 구조물
KR101858314B1 (ko) * 2015-03-27 2018-06-28 주식회사 엘지화학 이차 전지용 파우치 외장재 및 이를 포함하는 파우치형 이차 전지
WO2017055984A1 (en) * 2015-09-30 2017-04-06 Ramot At Tel Aviv University Ltd. 3d micro-battery on 3d-printed substrate
US20170222205A1 (en) * 2016-01-29 2017-08-03 Celgard, Llc Separators, batteries, systems, vehicles, and related methods
EP3261157A1 (en) * 2016-06-23 2017-12-27 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO A method of manufacturing a lithium battery
US10923752B2 (en) * 2016-12-29 2021-02-16 Kolon Industries, Inc. Membrane-electrode assembly, method for manufacturing same, and fuel cell comprising same
KR102601605B1 (ko) * 2017-12-27 2023-11-14 삼성전자주식회사 음극, 이를 포함하는 리튬전지 및 음극 제조방법
WO2019164588A2 (en) * 2018-01-05 2019-08-29 University Of Maryland, College Park Multi-layer solid-state devices and methods for forming the same
KR102579828B1 (ko) * 2018-01-11 2023-09-18 삼성전자주식회사 전기화학 디바이스
KR102598534B1 (ko) * 2018-08-20 2023-11-03 현대자동차주식회사 리튬공기전지 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021183394A1 (en) 2021-09-16
US20210280850A1 (en) 2021-09-09
EP4115461A1 (en) 2023-01-11
CN115917786A (zh) 2023-04-04
US11495786B2 (en) 2022-11-08
US20230077777A1 (en) 2023-03-16
JP2023516829A (ja) 2023-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101716574B1 (ko) 애노드 전극
US9673478B2 (en) Multi-layer coatings for bipolar rechargeable batteries with enhanced terminal voltage
KR20110091757A (ko) 통합된 구조물 내에서 다중 전기화학물질 및 에너지 수집 소자의 제조 및 구조화 방법
KR20160002988A (ko) 고체 및 액체 전해질들을 갖는 전기화학 셀
KR20140048197A (ko) 전기화학 시스템들용 신규 세퍼레이터들
US10756336B2 (en) Three-dimensional electrode structure, and secondary battery including the same, and method of manufacturing the three-dimensional structure
EP2308120A1 (en) Three-dimensional solid state battery
KR101532136B1 (ko) 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지
US9281537B2 (en) Method of fabricating thin film electrodes including metal tubes filled with active material
KR20190016341A (ko) 이차전지 및 이차전지의 제조방법
KR20220152556A (ko) 삽입된 공동 전극 리튬 배터리
EP3614463A1 (en) Electrode structure of electrochemical energy storage device and manufacturing method thereof
KR101101546B1 (ko) 전기 화학 커패시터 및 이의 제조방법
US11322749B2 (en) Porous polymer lithium anode
US11527759B2 (en) Dual porosity cathode for lithium-air battery
KR101124154B1 (ko) 2차 전원
KR20210050322A (ko) 이차전지 및 이차전지의 제조방법
US20200067102A1 (en) Electrode structure of electrochemical energy storage device and manufacturing method thereof
WO2022136364A1 (en) Coated three-dimensional electronically conductive network for use as an electrode
CN116706218A (zh) 制造用于电池单体的电极和固体电解质的结合体的方法
JP2021197359A (ja) モノリシックセラミック電気化学電池
KR20210090168A (ko) 방전된 상태로 조립된 금속 전극을 포함하는 재충전 가능한 전기화학 셀