KR20220156571A - 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드 - Google Patents

고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드 Download PDF

Info

Publication number
KR20220156571A
KR20220156571A KR1020227035613A KR20227035613A KR20220156571A KR 20220156571 A KR20220156571 A KR 20220156571A KR 1020227035613 A KR1020227035613 A KR 1020227035613A KR 20227035613 A KR20227035613 A KR 20227035613A KR 20220156571 A KR20220156571 A KR 20220156571A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lithium
battery
anode
solid
framework
Prior art date
Application number
KR1020227035613A
Other languages
English (en)
Inventor
클라우디우 비. 버커
Original Assignee
피어시카 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
Application filed by 피어시카 인크 filed Critical 피어시카 인크
Publication of KR20220156571A publication Critical patent/KR20220156571A/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
    • H01M4/36—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
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/80—Porous plates, e.g. sintered carriers
    • H01M4/806—Nonwoven fibrous fabric containing only fibres
    • 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
    • H01M10/052—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
    • 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
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • 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
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • 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
    • H01M4/136—Electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • 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
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • 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
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • 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
    • 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
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/664—Ceramic materials
    • 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
    • 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
    • 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)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

리튬 이온 배터리를 형성하기 위한 리튬 기반 고체 애노드의 조립. 상기 애노드는 열린 공간과 리튬 친화적 특성을 가진 활성 표면 물질을 갖는 섬유질 세라믹 또는 폴리머 프레임워크로 형성된다. 상기 섬유질 프레임워크 내의 열린 공간 및 상기 섬유질 프레임워크의 표면에 증착된 리튬 친화성 코팅은 고체 리튬 이온의 애노드 내의 자유로운 이동을 허용한다. 고체 상태에서는, 리튬 배터리는 무게별로 보다 높은 용량, 빠른 충전, 및 극단적인 취급과 온도에의 보다 높은 내구성을 달성할 수 있다. 이와 같은 애노드를 갖는 고체 상태 리튬 배터리를 제조하기 위한 방법.

Description

고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드
본 발명은 화학, 특히 전류 생산 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 배터리 전체의 성능, 안전성, 안정성을 증가시키기 위해 애노드의 제조에 특정 개선점을 갖는 배터리 구성요소의 제조에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리, 또는 Li-이온 배터리는 휴대용 전자 제품 및 전기 차량에 흔히 사용되는 유형의 재충전 배터리이다. 이전의 배터리 기술과 비교하면, 리튬 이온 배터리는 보다 빠른 충전, 큰 용량 및 작고 가벼운 패키지에서 높은 성능을 내도록 허용하는 높은 출력 밀도를 제공한다. 배터리 기술에서 리튬이 선호되는 원소가 된 데에는 많은 이유가 있지만, 가장 중요한 이유는 그 원소 구조와 관련이 있다. 리튬은 최외각전자를 쉽게 잃기 때문에 반응성이 높고, 이는 배터리를 통해 전류가 쉽게 흐르도록 허용한다. 가장 가벼운 금속으로서, 리튬은 배터리에 흔히 사용되는 다른 금속(예를 들어, 납)보다 상당히 가볍다. 이러한 특성은 휴대폰과 같은 작은 물체에도 중요하지만, 많은 배터리를 요구하는 자동차에도 중요하다. 마지막으로, 리튬 이온 및 전자는 양극(캐소드)으로 쉽게 돌아오는데, 이는 많은 충전 사이클을 허용한다. 리튬 이온 배터리 기술의 혁신은 전자 제품의 폼 팩터를 최소화하는 동시에 그 능력을 향상시키는 데에 도움을 주었다. 스마트폰, 스마트 워치, 웨어러블 기기 및 다른 현대적 전자적 사치품은 최근 수십 년간의 리튬 이온 배터리의 진보 없이는 불가능했을 것이다.
종래의 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용한다. 액체 전해질 리튬 이온 배터리 내의 액체 전해액은 충전 및 방전 중의 전류 흐름을 조절하는 데에 사용된다. 전류는 배터리 사용자로 하여금 전기적 에너지를 저장하고 이후 배터리에 저장된 에너지를 사용하게 하기 위해 애노드와 캐소드 사이의 액체 전해액을 통과해 “흐른”다. 보다 구체적으로는, 리튬 이온은 방전 동안 음극(애노드)으로부터 전해질을 통해 양극(캐소드)으로 이동하고, 충전 동안은 반대로 이동한다. 이러한 리튬 이온 배터리는 대부분 삽입된 리튬 화합물을 캐소드의 재료로 사용하고, 흑연을 애노드의 재료로 사용한다. LiC6의 완전 리튬화된 상태의 흑연은 372 mAh/g의 최대 용량과 관계된다.
액체 리튬 이온 배터리가 높은 에너지 밀도를 갖고, 기억 효과가 없으며, 낮은 자가방전을 갖지만, 가연성 전해질을 포함하기에 안전에 위험이 될 수 있다. 만약 손상되고 공기에 노출되거나 잘못 충전되었을 때, 이러한 배터리는 폭발 및 화재를 일으키거나 그 원인이 될 수 있다. 화재 위험으로 인한 탈착식 리튬 이온 배터리의 회수는 흔하고 비용이 많이 들며, 심지어 일부 휴대용 전자제품 제조업체는 리튬 이온 화재로 인해 탈착식 배터리가 없는 값비싼 전자 기기를 회수할 수밖에 없었다. 이러한 문제는 전기 차량(EV) 내의 액체 리튬 이온 배터리의 혼입으로 인해 더 우려되고 있다. 사고 도중 또는 직후, EV의 액체 리튬 이온 배터리는 공기 중 수분에 노출되었을 때 쉽게 점화될 수 있고, 따라서 주요한 안전 문제를 제기한다. 전기 차량이 점점 상업적으로 성장하고 보다 널리 사용됨에 따라 이러한 안전 문제의 해결이 점점 중요해지고 있다.
액체 리튬 이온 배터리에 대한 이러한 우려를 해결하기 위한 많은 연구 및 개발은 무액체 애노드를 갖는 배터리의 개발에 집중되어 왔다. 고체 상태의 리튬은 3600 mAh/g 또는 LiC6의 10배 가량의 최대 가능 용량을 갖는다. 그러나, 리튬 금속은 고체 상태에서도 높은 반응성을 가지며, 매우 고르지 못하게 도금된다. 심지어 액체 전해질 리튬 이온 배터리에서도, 도금 비율이 일반적으로 낮은 임계 전류로 간주되는 것(0.5mA/cm2)을 넘어가면, 리튬은 핵을 형성하고, 평활하거나 평평한 도금보다는 덴드라이트 또는 모시(mossy) 구조를 형성할 수 있다. 이것은 많은 경우 액체 리튬 이온 배터리의 스웰링, 확장, 및 심지어는 천공의 원인이 된다. 고체 리튬 포일 애노드 배터리의 레거시 버전에서는, 이 전류 비율은 더욱 작다(0.1 mA/cm2). 그러므로, 액체 전해질 리튬 이온 배터리의 많은 진보가 덴드라이트 또는 모시 구조의 잠재성을 줄였듯이, 이러한 현상을 방지하기 위한 진보는 고체 상태 리튬 이온 애노드의 생산을 하는 경우 더욱 중요하다. 매우 큰 에너지 저장 용량을 가지는 배터리는 충전 및 방전의 비율이 소비자 및 제조업체가 현대의 액체 리튬 이온 배터리에서 기대하는 것과 같은 범위 안에 있다면 유리할 것이다.
그러므로, 고체 상태의 리튬 이온 배터리를 위한 높은 에너지 밀도의 리튬 금속 기반 애노드를 허용하도록 하는 개선의 (인지되었으나 충족되지 않은) 필요성이 있는 것은 명백하다. 본 발명은 위에서 언급된 문제의 요소 중 적어도 일부를 해결하는 동안, 본 명세서에 공개된 애노드를 포함하는 구성요소와 내부 구조의 다양한 개선을 통해 이러한 필요성을 해결하기 위해 설계되었다.
간략히 설명하면, 가능한 바람직한 실시예에서는, 본 발명은 상기 문제점들을 극복하고 고체 전해질(예를 들어, 고체 상태 리튬 이온 애노드)을 갖는 리튬 이온 애노드를 수용하는 배터리의 제조, 구성, 및 설계상의 다양한 개선점을 소개함으로써 이와 같은 애노드의 인지된 필요성을 충족한다. 이러한 것은 개별적으로 또는 조합된 리튬 이온 전도체, 전기 전도체, 혼합 이온/전기 전도체, 리튬 친화성 코팅, 집전체 및 향상된 용접을 일반적으로 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 고체 상태 리튬 이온 애노드를 허용함으로써, 이러한 개선점은 리튬 이온 배터리의 에너지 저장 용량을 액체 전해질 형태의 이론적 최고치에서 보다 에너지 밀도가 높은 고체 형태로 증가시킬 수 있는 잠재성이 있다. 추가적으로, 이러한 개선점은, 홀로 및/또는 조합되어, 리튬 이온 배터리의 확장, 스웰링, 또는 손상을 원인으로 하는 화재와 같은 피해를 줄이는 것을 돕는다. 이러한 개선점은, 홀로 및/또는 조합되어, 충전 속도 및 기기로의 전원 공급이 감소하는 희생 없이 이러한 이득을 허용할 수 있다.
고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 요소 중 하나는 리튬 이온 전도체일 수 있다. 상기 리튬 이온 전도체는 각각 대응하는 장점과 트레이드오프를 갖는 다양한 형태로 제조될 수 있다. 이러한 형태의 다양성은 리튬 이온 전도체의 각각 별개의 실시예로 이해되는 것이 좋을 것이다.
첫 번째 가능한 바람직한 실시예에서는, 리튬 이온 전도체는 세라믹 프레임워크로 구성될 수 있다. 세라믹 프레임워크, 또는 뼈대는, 리튬 이온 전도체의 리튬 금속을 지지하기 위해 활용될 수 있다. 리튬 금속은 고체 세라믹 프레임워크/뼈대가 체적 지지 및 리튬 이온 전도성을 제공할 수 있는 동안 전기 전도성을 제공할 수 있다. 리튬 금속을 세라믹 프레임워크/뼈대와 조합 및/또는 작동 가능하게 결합하는 한 가지 방법은 처리된 세라믹 프레임워크에의 리튬 금속의 용융 주입을 통해서일 수 있다. 처음에는, 오직 적은 양의 리튬 금속이 프리셀 어셈블리에 주입되어야 할 수 있다. 이와 같이 오직 적은 양이 리튬 이온 전도체의 프리셀 어셈블리에 주입되는 경우, 셀에 그 용량을 주는 모든 가역 리튬은 최종 어셈블리에서 캐소드로부터 대신 올 수 있다. 이러한 현상은 인산철리튬(LFP), 리튬 코발트 산화물(LCO), 니켈/망간/코발트(NMC), 이와 유사한 및/또는 조합된 다양한 캐소드와 같은 고전압 삽입 캐소드를 통해 일어날 수 있다. 세라믹 뼈대의 높은 표면적은 편평한 리튬 포일과 비교할 경우 고체 배터리의 높은 작동(리튬의 도금/박리) 비율을 허용할 수 있다. 에너지 밀도의 시점에서는, 세라믹 뼈대의 중요한 필요 조건은 저밀도 세라믹의 사용일 수 있다. 저밀도 경량 세라믹의 제시된 예시로는 Li1+xAlxTi2-xP3O12(LATP)가 있을 수 있다. 리튬 이온 전도체가 세라믹 프레임워크/뼈대를 갖는 이 실시예에서는, 추가적 구성, 제조 방법 및 여러 장점 및 트레이드오프를 포함하는 다른 변형이 있을 수 있다. 이는 활물질 및 기능성 소재 가공의 유형의 선택을 포함할 수 있다. 이러한 구분은 당 분야의 기술자에게는 후술하는 도면의 간단한 설명, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 및 청구범위를 첨부된 도면에 비추어 읽을 때 보다 명백해질 것이다.
고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 리튬 전도체 측면의 두 번째 가능한 바람직한 실시예에서는, 폴리머 프레임워크 또는 뼈대가 선호될 수 있다. 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 리튬 전도체 측면의 폴리머 뼈대/프레임워크는 세라믹 프레임워크/뼈대가 단단하게 묘사되는 것에 비해 유연함이라는 추가적 장점이 있을 수 있다. 폴리머 프레임워크/뼈대의 필요 조건은 (a) 리튬 금속의 녹는점(180℃)보다 높은 녹는점을 가짐, (b) 리튬 이온의 고전도성, 및 (c) 대응하는 리튬염(예를 들어, 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 / LiC2F6NO4S2 / LiTFSI)과 함께인 다른 전도성 폴리머 또는 폴리머에 내장된 및/또는 표면에 박힌 세라믹 입자와 같은 리튬 전도성 물질의 구조에의 주입이다. 폴리머 프레임워크/뼈대를 갖는 리튬 이온 전도체의 이 실시예에서는, 추가적 구성, 제조 방법 및 여러 장점 및 트레이드오프를 포함하는 다른 변형이 있을 수 있다. 이는 폴리이미드, 아라미드 및 폴리이미드 프레임을 더 포함할 수 있는 섬유 매트를 포함할 수 있다. 이러한 구분은 당 분야의 기술자에게는 후술하는 도면의 간단한 설명, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 및 청구범위를 첨부된 도면에 비추어 읽을 때 보다 명백해질 것이다.
고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 리튬 전도체 측면의 세 번째 가능한 바람직한 실시예에서는, 하이브리드 복합 프레임워크 또는 뼈대가 선호될 수 있다. 리튬 이온 전도체가 하이브리드 복합 프레임워크/뼈대를 갖는 이 실시예에서는, 추가적 구성, 제조 방법 및 여러 장점 및 트레이드오프를 포함하는 다른 변형이 있을 수 있다. 이는 흄드 실리카 및 G4/LiTFSA, 질화붕소/질화바나듐 도핑, 다른 질화물 도핑, 그와 유사한 및/또는 그것의 조합을 더 포함할 수 있는 섬유 매트를 포함할 수 있다. 이러한 구분은 당 분야의 기술자에게는 후술하는 도면의 간단한 설명, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 및 청구범위를 첨부된 도면에 비추어 읽을 때 보다 명백해질 것이다.
고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 다른 요소는 전기 전도체이다. 주입된 리튬 금속에 더하여, 전기 전도성 및 충전 도중 균질 도금의 개선을 위하여 전기 전도성 구성요소가 애노드에 요구될 수 있다. 이러한 재료들은 리튬의 덴드라이트 성장을 억제하는 데에 중요한 역할을 할 수 있다. 리튬의 다른 금속과의 공융 혼합물은 소성 흐름의 특성을 갖는 부드러운 리튬 기반 금속 애노드를 제공할 수 있다.
고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 또 다른 요소는 배터리 전극에서의 혼합 이온/전기 전도체(MIEC)의 혼입일 수 있다. 본 발명의 애노드와 조합하여, MIEC는 고체 전극에 있어 매우 유망한 재료일 수 있다. MIEC는 이온에 더해 전자를 스스로 전도한다는 점에서 고체 이온 전도체와 차이가 있다. MIEC는 전기적 및 이온 전도를 둘 모두 요구할 수 있는 전극에 가장 적합할 수 있다. MIEC는 이온 전도성(및 전자 절연)만이 요구될 수 있는 배터리 분리막으로 사용하기엔 적합하지 않을 수 있다.
고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 또 다른 요소는 세라믹 및/또는 폴리머 프레임워크/뼈대의 리튬 친화성 코팅일 수 있다. 리튬 친화성 코팅은 세라믹 또는 폴리머 뼈대의 사용에 있어 중대할 수 있다. 개선되지 않은 상태의 세라믹 및/또는 폴리머 프레임워크/뼈대는 리튬 금속과 좋은 상호작용을 갖지 않을 수 있기 때문에, 리튬 친화적 특성을 가진 코팅을 포함하는 개선점은 이러한 유형의 프레임워크/뼈대의 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드에의 포함에 결정적일 수 있다. 세라믹 및/또는 폴리머 프레임워크/뼈대에 리튬 친화성 코팅을 포함하는 것은 리튬의 도금 동안 덴드라이트 성장을 더 감소시키고/감소시키거나 평활한 도금을 촉진할 수 있다. 세라믹 및/또는 폴리머 프레임워크/뼈대의 리튬 친화성 코팅은 세라믹 또는 폴리머 프레임워크/뼈대를 위한 적절한 선택의 범위를 리튬 친화성 코팅 없이는 리튬과 반응할 수 있는 재료로 확장시킬 수 있고, 이에 따라 특정 세라믹 및/또는 폴리머가 코팅이 없는 상태에서 리튬과 함께 사용되는 것을 방지할 수 있다. 리튬 친화성 코팅은 각각 세라믹 및/또는 폴리머 프레임워크/코팅의 표면에의 분포 및 접착을 위한 자체 프로토콜을 포함할 수 있는 다양한 형태일 수 있다. 상기 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드는, 리튬 친화성 프레임워크를 제작하는 데에 사용된 재료의 리튬 친화적 특성의 장점을 통해 또는 리튬 친화성 코팅의 추가를 통해, 리튬 친화성을 갖는 섬유 매트 또는 폴리머 매트(상기 섬유 매트 또는 폴리머 매트는 리튬 또는 다른 금속이 증착될 수 있는 하나 또는 그 이상의 캐비티를 가짐)인 것으로 이해될 수 있다.
고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 또 다른 요소는 애노드를 위한 집전체일 수 있다. 집전체는 애노드로부터 캐소드로 외부 부하를 통해 전자를 운반하고, 따라서 부하 장치에 전원을 공급하는 전기 전도체이다. 전통적으로, 애노드 집전체를 위해서는 구리 포일이 사용된다. 구리 포일의 사용은 상업용 흑연 애노드를 위한 지지를 더 제공한다. 주입된 리튬 금속을 갖는 세라믹 및/또는 폴리머 프레임워크/뼈대와 잘 결합하는 새로운 유형의 집전체의 개발은 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드에서 요구될 수 있고, 이는 충전 및 배터리가 작동하는 동안 본 발명의 애노드로 하여금 부하를 통해 전자를 운반하도록 하는 집전체일 수 있다.
고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 또 다른 요소는 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드, 그 코팅과 구성, 및 주변 배터리 구성의 융합의 새로운 방법일 수 있다. 구리 집전체는 전류를 배터리 셀 바깥의 버스 바로 운반하기 위해 통상적으로 탭 용접될 수 있다. 본 발명에서는, 리튬 친화성 코팅을 갖는 세라믹 및/또는 폴리머 프레임워크/뼈대에 대해 묘사된 바와 같은 상기 집전체의 탭 용접의 개발 및 고체 리튬 금속과의 조합은 본 발명의 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드를 더 강화하거나, 심지어는 가능하게 만들 수 있다.
단독으로, 또는 조합되어, 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 여러 요소 및 특징은 전통적 액체 전해질 리튬 이온 배터리, 또한 존재하는, 사용 가능한, 실험적인, 및/또는 제안된 고체 상태 리튬 이온 배터리에 대한 이점을 제공할 수 있다. 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 이점은 현재 상업용 흑연 기반 애노드보다 높이 애노드의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 능력일 수 있다. 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 다른 이점은 현재 고체 상태 배터리에서 관측되는 0.1-0.5 mA/cm2 보다 높고 10 mA/cm2에 근접하게 높은 작업의 높은 전류를 제공할 수 있는 능력일 수 있고, 이는 배터리를 30분보다 적은 시간에 충전하기 위해 상업적으로 명백히 중요할 수 있다. 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 다른 특징은 높은 사이클 수명(예를 들어, 4000 사이클보다 높음)의 결과를 가질 수 있고, 전기 차량 및 설치된 배터리의 긴 수명을 요구하는 지속성 제품의 상업적 중요성을 가질 수도 있는 리튬 친화성 중간상을 갖는 안전한 리튬 금속 애노드 구조를 제공할 수 있는 능력일 수 있다. 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 다른 특징은 심지어 현재 사용 가능한 상업용 흑연 기반 애노드(-30℃에서 60℃)보다 넓은 온도 범위(예를 들어, -60℃에서 150℃)에서 작동할 수 있는 능력일 수 있을 것이다. 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 다른 특징은 유연한 애노드를 제공할 수 있는 능력일 수 있다. 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 다른 특징은 상업용 흑연 기반 애노드는 할 수 없는 못 관통시험을 통과할 수 있는 능력일 수 있다. 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 다른 특징은 애노드의 연소 저항 능력일 수 있는데 이는, 예를 들어, 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 가능한 바람직한 실시예의 높은 세라믹 내용물 때문에, 본 발명의 배터리에는 적은 가연성 구성이 존재할 것이다. 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 다른 특징은 대량 생산 가능한 리튬 기반 애노드로 이어지는 다양한 스케일이 가능한 과정일 수 있다.
고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 이러한 그리고 다른 특징들은 당 분야의 기술자에게는 앞선 발명의 내용 및 후술하는 도면의 간단한 설명, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 및 청구범위를 첨부된 도면에 비추어 읽을 때 보다 명백해질 것이다.
상기 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면(반드시 실제 크기에 맞게 그려지지는 않으며, 유사한 참조번호는 유사한 구조를 나타내고 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭함)을 참조하여 읽음으로써 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드의 바람직한 실시예의 한 부분의 투시도이다.
도 2는 선행 기술 배터리의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 배터리의 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드를 제조하는 바람직한 방법을 나타낸 순서도이다.
제시된 도면은 오로지 설명의 목적으로만 의도되었고, 그러므로 본 발명의 도시된 구성의 어떤 또는 모든 정확한 세부사항으로 한정하고자 바라거나 의도되지 않았으나, 청구된 발명에 필수적인 것으로 간주될 수 있는 것들은 예외로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예를 묘사하는 데에 있어, 도면 1-4에서 설명된 바와 같이, 명확성을 위해 특정한 용어가 사용된다. 본 발명은, 그러나, 선택된 상기 특정한 용어에 한정되도록 의도되지 않았으며, 각각의 특정한 요소가 유사한 기능을 수행하기 위하여 유사한 방식으로 작동하는 모든 기술적으로 유사한 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 실시예는, 그러나, 여러 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 명세서에서 제시된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서에서 제시된 예시는 한정시키지 않는 예시이며, 다른 가능한 예시들 중의 예시일 뿐이다. 용어 배터리, 셀, 애노드, 캐소드 및 분리막은, 그 단수 및 복수 형태에 있어, 본 발명의 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 애노드에 관련되어 사용되고, 액체 전해질을 갖는 리튬 이온 배터리를 포함하되 그에 한정되지는 않는 다른 배터리를 묘사하는 데에도 사용된다. 본 명세서에서는 배터리의 하나의 셀이 묘사될 수 있으나, 배터리 제조 분야의 기술자는 배터리의 설계, 구성, 제조 및 조립에 있어 복수의 셀이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이며, 복수의 배터리는 완성된 제조된 제품 내에 배열 및/또는 설치될 수 있을 것이다. 섬유 프레임워크가 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 전체에 걸쳐 꾸준히 사용되는 동안, 이는 섬유질 배터리 뼈대로 이해될 수도 있을 것이다.
예시이고 이에 한정하지 않는 도 1-4를 참조하면, 고체 상태 배터리(100)을 위한 고에너지밀도 리튬 고체 상태 애노드(111)의 도시된 실시예가 있다. 고체 상태 리튬 이온 배터리(100), 액체 전해질 배터리(200), 및 배터리(300)는 본 명세서에서 단지 배터리로 지칭될 수 있다. 고에너지밀도 리튬 금속 기반 고체 상태 애노드(111), 액체 전해질 애노드(211), 및 애노드(311)은 본 명세서에서 단지 애노드로 지칭될 수 있다. 구조, 설계, 구성, 화학 및 조립의 변형이 캐소드(312)와 관련될 수 있는 동안, 도 1-4에 있어 명확성과 일관성을 위해 캐소드(312)에의 모든 참조는 단순히 캐소드고, 다른 관련된 특징들은 고체 상태 배터리(100), 액체 전해질 배터리(200), 배터리(300)과 관련됨에 따라 설명 내에서 참조될 수 있다. 고체 분리막(131), 다공성 분리막(231), 및 고체 분리막(131)은 본 명세서에서 단지 분리막으로 지칭될 수 있다. 고체 상태 배터리(100), 액체 전해질 배터리(200) 및 배터리(300)은 충전기(351)를 통해 충전될 수 있고 기기(352)로 방전될 수 있다. 본 명세서에서 묘사된 바와 같이, 고체 상태 배터리(100), 액체 전해질 배터리(200), 및 배터리(300)은 각각 하나의 셀 또는 애노드(311), 캐소드(312), 및 분리막(331)의 복수의 레이어로 연결되고/연결되거나 조립된 복수의 셀을 가질 수 있다. 리튬, 리튬 금속, 리튬 원소, 및 리튬 이온은 본 명세서에서 서로 바꾸어 참조될 수 있고, 본 발명은 리튬 금속을 전기적 흐름 원소로 갖는 배터리에 한정되지 않는다. 다른 원소는 아연, 나트륨, 코발트, 니켈, 납, 칼륨, 다른 금속, 그 염, 유사물 및/또는 그 조합을 포함할 수 있으나 그에 한정되지는 않는다.
하나의 가능한 선호되는 바람직한 실시예에서는, 고체 상태 배터리(100)는 고체 전해질(112)을 갖는 고체 상태 애노드(111)을 포함하며, 여기서 고체 상태 애노드(111)는 섬유 프레임워크와 금속 이온 증착물(120), 고체 분리막(131), 및 고체 상태 캐소드 집전체(132)를 갖는 캐소드(312)와 함께 도시되어 있다. 액체 전해질 리튬 이온 배터리(200)의 실시예에서는, 액체 전해질 리튬 이온 배터리(200)는, 흑연 애노드 활물질(212) 및 애노드 집전체(233)을 갖는 액체 전해질 애노드(211); 다공성 분리막(231); 및 액체 전해질 캐소드 집전체(233)를 갖는 캐소드(312);를 포함할 수 있다. 배터리(300)의 실시예에서는, 배터리(300)는 애노드(311), 캐소드(312), 분리막(331), 충전기(351), 및 전원이 공급된 장치(352)를 포함할 수 있다..
도 1을 보다 구체적으로 참조하면, 도시된 것은 고체 상태 배터리(100)의 예시이다. 위쪽에서 시작하는 것은 고체 분리막(131)를 고체 상태 애노드(111)의 위 및 아래 모두에 갖는 고체 상태 애노드(111)이다. 고체 상태 애노드(111)는 하나 또는 그 이상의 고체 전해질(112) 레이어로 형성될 수 있고, 상기 고체 전해질(112)의 각 레이어는 섬유 프레임워크로 형성될 수 있다. 일반적으로, 고체 상태 애노드(111)는 전자를 외부 서킷(도 3 참조)으로 방출하고 전기화학적 반응 동안 산화되는 음성 또는 환원 전극으로 이해될 수 있다. 캐소드(312)는 외부 서킷(도 3 참조)으로부터 전자를 획득하고 전기화학적 반응 동안 환원되는 양성 또는 산화 전극으로 이해될 수 있다. 이 가능한 바람직한 실시예에서는, 고체 상태 애노드(111)는 상호 연결된 섬유로 이루어진 프레임워크로 이해될 수 있는 고체 전해질(112)을 포함할 수 있다. 고체 상태 애노드(111) 내의 프레임워크 상호 연결된 섬유는 다양한 특성을 가질 수 있고 유연하거나 단단할 수 있다. 세라믹 섬유 프레임워크의 경우, 세라믹은 구조를 제공하고 고체 상태 애노드(111) 및 고체 상태 배터리(100)를 지지하고, 리튬 또는 다른 금속이 표면에 증착될 수 있도록 활용될 수 있다. 고체 세라믹 프레임워크/뼈대가 체적 지지, 금속 이온 증착물(120)을 위한 표면 레이어, 및 리튬 이온 전도성을 제공할 수 있는 동안, 금속 이온 증착물(120)에서 리튬 금속은 고체 상태 배터리(100)를 위한 전기 전도성을 제공할 수 있다. 고체 상태 배터리(100)의 충전 및 방전 동안, 금속 이온 증착물(120)은 그 크기가 고체 분리막(131)를 향해 자라거나 고체 상태 애노드(111)의 중심을 향해 줄어들 수 있다. 금속 이온 증착물(120)을 고체 전해질(112)의 섬유 프레임워크와 결합, 제조, 및/또는 작동 가능하게 결합하는 하나의 방법은 리튬 금속의 처리된 세라믹 프레임워크로의 용융 주입을 통해서일 수 있다. 처음에는, 오직 적은 양의 리튬 금속만이 고체 상태 애노드(111)의 프리셀 어셈블리로 주입될 필요가 있다. 이렇듯 오직 적은 양만이 고체 상태 애노드(111)의 프리셀 어셈블리에 주입되는 경우, 셀에 그 용량을 주는 대부분의 또는 심지어는 모든 가역적 리튬은 최종 어셈블리에서 캐소드(312)로부터 대신 올 수 있다. 이에 따라, 고체 상태 배터리(100)의 첫 번째 충전 동안 및 모든 후속 충전 동안, 금속 이온 증착물(120)은 고체 상태 애노드(111)의 중심 또는 중심 근처에서 매우 작게 감지되거나 관찰될 수 있다. 고체 상태 배터리(100)의 충전 과정 동안, 금속 이온 증착물(120)의 고체 분리막(131)를 향한, 심지어는 고체 전해질(112)과 함께 고체 상태 애노드(111)의 섬유 프레임워크 내의 모든 공간을 점령하는 성장이 감지되거나 관찰될 수 있다. 리튬 및/또는 다른 금속의 증착은 인산철리튬(LFP), 리튬 코발트 산화물(LCO), 니켈/망간/코발트(NMC), 유사물 및/또는 조합의 캐소드의 변형과 같은 고전압 삽입 캐소드의 일시적 사용을 통해 더 일어날 수 있다. 세라믹 섬유 프레임워크를 갖는 고체 전해질(112)의 높은 표면적은 고체 상태 배터리(100)의 작동(리튬의 도금/박리)을 위한, 편평한 리튬 포일과 비교해 높은 비율을 허용할 수 있다. 하지만, 편평한 리튬 포일 역시 금속 이온 증착물(120)의 초기 형태로 사용될 수 있고, 고체 전해질(112) 내의 고체 상태 애노드(111)의 중심을 따라 용융 주입될 수 있다.
에너지 밀도의 시점에서 보면, 고체 전해질(112)의 세라믹 섬유 프레임워크를 위한 중요한 필수요소는 저밀도 세라믹의 사용일 수 있다. 제시된 저밀도 경량 세라믹의 예시로는 Li1+xAlxTi2-xP3O12(LATP)가 있을 수 있다. 세라믹을 포함하는 고체 전해질(112)을 갖는 고체 상태 애노드(111)의 이 실시예에서는, 추가적 구성, 제조 방법, 및 여러 이점과 트레이드오프를 포함하는 다른 변형이 있을 수 있다. 이는 활물질 및 기능성 소재 가공의 유형의 선택을 포함할 수 있다. 세라믹 버전의 고체 전해질(112)의 잠재적으로 바람직한 실시예에서는, 특정한 금속을 끌어들이는 특성을 가진 코팅 재료는 내적 섬유 프레임워크를 따르는 평활하고 균일한 도금을 유도하는 증가된 이점을 제공할 수 있다. 이러한 것은 고체 전해질(112)을 갖는 고체 상태 애노드(111)를 대략 80-90μm의 총 레이어별 두께, 고체 분리막(131)를 따라 대략 5cm X 5cm의 총 길이 및 너비가 되고, 70%보다 높은 퍼센티지의 내적 섬유 프레임워크의 다공도와 함께, 0.35μm보다 작은 개별 및/또는 평균 직경을 갖고, 1mm보다 큰 개별 및/또는 평균 섬유 길이를 가지며, 대략 10nm의 코팅 두께를 갖고, 산화물, 질화물, 폴리머 또는 세라믹을 포함하는 코팅 재료를 갖도록 가공하는 것을 포함할 수 있다. 고체 전해질(112) 내의 섬유를 위한 산화 코팅 재료는, 예시적이고 한정하지 않는 방향으로, 니오븀, Al2O3 + ZnO (AZO), 알루미늄, 인듐, 아연, 비스무트, 마그네슘, 실리콘, 금, 요오드 및 황 산화물, 이와 유사하고/유사하거나 그 조합인 산화물을 포함한다. 고체 전해질(112) 내의 섬유를 위한 질화 코팅 재료는, 예시적이고 한정하지 않는 방향으로, 붕소, 바나듐 질화물, 그 유사물 및 조합을 포함한다. 고체 전해질(112) 내의 섬유를 위한 폴리머 코팅 재료는, 예시적이고 한정하지 않는 방향으로, 숙시노니트릴(SCN)을 포함한다. 고체 전해질(112) 내의 섬유를 위한 세라믹 코팅 재료는, 예시적이고 한정하지 않는 방향으로, 클로소보레이트(CB), 리튬 인 산질화물(LiPON), 그 유사물 및/또는 조합을 포함한다. 고체 전해질(112)의 세라믹 섬유 구조에 하나 또는 그 이상의 코팅을 사용함으로써, 리튬, 또는 다른 금속에 쉽게 결합하지 않을 수 있는 세라믹이 리튬에 결합하도록 유도될 수 있고, 따라서 리튬 이온을 포함하는 고체 금속이 충전 및 방전 동안 자유롭게 움직일 수 있도록 하는 전해질과 같은 역할을 한다.
고체 상태 배터리(100)를 위한 고체 상태 애노드(111)의 리튬 전도체 측면의 두 번째 가능한 바람직한 실시예에서는, 고체 전해질(112) 내의 폴리머 프레임워크가 선호된다. 고체 상태 애노드(111) 내의 고체 전해질(112)의 폴리머 프레임워크는 앞선 고체 상태 애노드(111) 내의 고체 전해질(112)의 세라믹 섬유 프레임워크가 단단하게 묘사될 수 있는 데에 비해 유연함이라는 추가적인 이점을 제공할 수 있다. 이는 고체 상태 배터리(100)의 개별 셀 또는 레이어 수준에서 다양한 이점 및 트레이드오프를 제공할 수 있고, 또한 고체 상태 배터리(100)가 설치된 전원 공급된 기기(352)에도 다양한 이점 및 트레이드오프를 제공할 수 있다. 고체 상태 애노드(111)의 폴리머 프레임워크의 필수 사항 및 그 안에 증착된 재료는 (a) 리튬 금속의 녹는점(180℃) 이상의 녹는 점을 가지고, (b) 리튬 이온의 비전도성 및 (c) 대응하는 리튬염(예를 들어, 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 / LiC2F6NO4S2 / LiTFSI)과 함께인 다른 전도성 폴리머 또는 폴리머에 내장된 및/또는 표면에 박힌 세라믹 입자와 같은 리튬 전도성 물질의 고체 전해질(112) 구조로의 주입일 수 있다. 고체 전해질(112)의 폴리머 프레임워크를 갖는 고체 상태 애노드(111)의 이 실시예에서는, 추가적 구성, 제조 방법, 및 다양한 이점 및 트레이드오프를 포함하는 다른 변형이 있을 수 있다. 이러한 것은 고체 상태 애노드(111) 및 고체 전해질(112) 전체로 확장되고, 아라미드 및 폴리이미드 프레임을 더 포함할 수 있는 섬유 매트를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 세라믹 섬유 프레임워크를 위한 모든 코팅이 폴리머 또는 폴리머 섬유 프레임워크에 적용될 수 있는 것은 아닌 동안, 또한 세라믹 섬유 프레임워크의 모든 특성 및 특징이 폴리머 또는 폴리머 섬유 프레임워크에 직접 적용될 수 있는 것은 아닌 동안, 일부는 가능할 수 있다. 이러한 것은 고체 전해질(112)을 갖는 고체 상태 애노드(111)를 대략 80-90μm의 총 레이어별 두께, 고체 분리막(131)를 따라 대략 5cm X 5cm의 총 길이 및 너비가 되고, 70%보다 높은 퍼센티지의 내적 섬유 프레임워크의 다공도와 함께, 0.35μm보다 작은 개별 및/또는 평균 직경을 갖고, 1mm보다 큰 개별 및/또는 평균 섬유 길이를 가지며, 대략 10nm의 코팅 두께를 갖고, 산화물, 질화물, 폴리머 또는 세라믹을 포함하는 코팅 재료를 갖도록 가공하는 것을 포함할 수 있다. 고체 전해질(112) 내의 섬유를 위한 산화 코팅 재료는, 예시적이고 한정하지 않는 방향으로, 니오븀, Al2O3 + ZnO (AZO), 알루미늄, 인듐, 아연, 비스무트, 마그네슘, 실리콘, 금, 요오드 및 황 산화물, 이와 유사하고/유사하거나 그 조합인 산화물을 포함한다. 고체 전해질(112) 내의 섬유를 위한 질화 코팅 재료는, 예시적이고 한정하지 않는 방향으로, 붕소, 바나듐 질화물, 그 유사물 및 조합을 포함한다. 고체 전해질(112) 내의 섬유를 위한 폴리머 코팅 재료는, 예시적이고 한정하지 않는 방향으로, 숙시노니트릴(SCN)을 포함한다. 고체 전해질(112) 내의 섬유를 위한 세라믹 코팅 재료는, 예시적이고 한정하지 않는 방향으로, 클로소보레이트(CB), 리튬 인 산질화물(LiPON), 그 유사물 및/또는 조합을 포함한다. 고체 전해질(112)의 세라믹 섬유 구조에 하나 또는 그 이상의 코팅을 사용함으로써, 리튬, 또는 다른 금속에 쉽게 결합하지 않을 수 있는 세라믹이 리튬에 결합하도록 유도될 수 있고, 따라서 리튬 이온을 포함하는 고체 금속이 충전 및 방전 동안 자유롭게 움직일 수 있도록 하는 전해질과 같은 역할을 한다.
고체 상태 애노드(111) 및 고체 전해질(112)의 세라믹 섬유 프레임워크 또는 폴리머 섬유 프레임워크의 잠재적으로 바람직한 실시예에 포함된, 리튬의 초기 증착은 몇몇 이유로 중요할 수 있다. 이러한 것은 초기에 금속 이온 증착물(120)에서 매우 작은, 거의 미미한 양으로 형성될 수 있으나, 크기, 무게, 및 부피에 있어 성장하고 심지어는 고체 상태 애노드(111) 및 고체 전해질(112)의 모든 빈 공간을 차지할 수 있다. 비록 금속을 고체 상태 애노드(111)의 중심 가까이의 고체 전해질(112)의 표면에 초기 증착시키는 데에 잠재적으로 선호되는 과정은 리튬 포일의 용융 주입을 통해서지만, 이는 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.
추가적으로, 섬유 자체의 제조는, 세라믹이든 폴리머든, 구조, 조성 및 고체 전해질(112), 고체 상태 애노드(111) 및 고체 상태 배터리(100)의 전체적인 특성에 다양한 중요한 개선점을 제공할 수 있다. 이러한 기술은 배터리 기술 산업에서 알려진 응용이 적거나 없을 수 있지만, 재료 과학 및 부직포 재료 산업에서는 주요한 응용이 있을 수 있다. 공정 중 하나는 졸겔 공정을 포함할 수 있는데, 이는 바람직하게는 금속 이온 증착물(120)의 증착 이전에 일어날 수 있다. 이러한 화학적 과정에서, 개별 입자에서 연속된 폴리머 네트워크까지의 형태를 갖는 액체상과 고체상을 모두 포함하는 겔과 같은 이상(diphasic) 시스템으로 서서히 진화하는 "졸"(콜로이드 용액)이 형성될 수 있다. 콜로이드의 경우, 입자의 부피 분율은 너무 낮아서 겔과 같은 특성이 인지되기 위해서는 상당한 양의 유체의 초기 제거가 필요할 수 있다. 유체를 제거하는 방법 중 하나로는 단순히 시간을 주어 침강이 일어나도록 하고, 남은 액체를 쏟아내 버리는 것이 있을 수 있다. 상분리를 가속화시키는 데에 원심분리 역시 사용될 수 있다. 남은 액체(용매)상의 제거는 말리는 과정을 필요로 하며, 상당한 양의 수축 및 치밀화로 이어질 수 있다. 용매가 제거될 수 있는 비율은 궁극적으로 겔의 다공도의 분포에 의해 결정된다. 최종 구성의 궁극적 미세구조는 공정 중 이 단계 동안 구조적 템플릿에 적용된 변화에 강하게 영향받을 수 있다. 열처리, 또는 가열 공정은 추가적 중축합을 실행하고 기계적 특성 및 구조적 능력을 최종 소결, 치밀화 및 입자 성장을 통해 강화시키기 위해 자주 필요하다. 보다 전통적인 가공 기술에 대비되는 이러한 방법론을 사용하는 것의 뚜렷한 장점 중 하나는 치밀화가 훨씬 낮은 온도에서 자주 달성된다는 것이다. 전구체 졸은 필름을 형성(예를 들어, 딥 코팅, 스핀 코팅, 또는 전기방사법을 통해)하는 기판에 증착되어 원하는 모양의 용기(예를 들어, 모놀리식 세라믹, 유리, 섬유, 멤브레인, 에어로젤을 획득하기 위함)에 넣어질 수 있거나, 분말(예를 들어, 마이크로스피어, 나노스피어)을 합성하는 데에 사용될 수 있다. 이 기술은, 전기방사법과 조합되어, 금속, 즉 리튬 이온의 증착에 매우 적합한 열린 캐비티를 갖는 종이와 유사한 재료를 제작하는 것으로 알려져 있다. 공개된 세라믹 및 폴리머의 다양한 구성을 사용한 고체 전해질(112)의 공간 채우기 및 열린 캐비티 특징을 더 강화할 수 있는 추가적 공정은 나노 입자의 공동침전, 증발 및 자가 조립, 및 활용을 포함할 수 있다.
고체 전해질(112)의 세라믹 또는 폴리머 실시예에서는, 열린 캐비티를 갖는 섬유질 구조의 재료, 리튬 친화성 코팅을 갖는 섬유 구조는, 고체 상태 애노드(111)를 포함하는 활물질로 간주될 수 있다. 달리 말하면, 고체 상태 애노드(111)의 활물질은 리튬 이온이 옮겨가서 금속 이온 증착물(120)에 모이는 활물질인 고체 전해질(112) 일 수 있다. 고체 상태 애노드(111)를 생성하기 위해 제조되는 활물질은 어느 것이든 이러한 특성을 가지고 고체 상태 배터리(100)의 고체 전해질(112)과 같이 작용하는 기능성 물질로 가공될 수 있다. 이러한 가공의 맨 첫 단계는 LATP, 클로소보레이트, 및 황화 세라믹과 같은 물질을 포함하는 섬유 매트의 합성일 수 있다. 졸겔, 또는 고체 전해질(112)의 열린 공정 구조를 형성하기 위한 다른 공정의 과정은 이종원자가 치환의 구현에 요구되는 가열 온도를 낮추는 것으로 개선될 수 있다. 다른 개선점은 플럭스 첨가제(예를 들어, Li2O, MgO, ZnO, Li3PO4, Li3BO3, B2O3, LiBO2, Al2O3, Ta, Nb, Y, Al, Si, Mg, Ca, YSZ, NiO, Fe2O3, 그 유사물 및/또는 그것의 조합)를 사용한 밀도 최대화를 포함할 수 있다. 고체 전해질(112)의 기능성 물질 가공을 달성하기 위해, 프리 어셈블리 고체 전해질(112)의 활물질은 고체 상태 애노드(111)로 사용하기 위한 견고한 기능성 라미네이트, 시트 또는 매트를 획득하기 위해 필요할 수 있다. 급속 소결 과정 동안 그린 라미네이트를 가공하기 위해 슬러리 첨가제가 추가될 수 있다. 이러한 슬러리 첨가제는 레진, 오일 및 분산제(예를 들어, PAA, 포도당, PVP, 에틸렌 글리콜, 올레산, 초음파 혼, 그 유사물 및/또는 그 조합)를 포함할 수 있되 그에 한정되지는 않는다. 통상의 기술자에게 알려진 전통적 기술을 사용한 그린 재료의 소결은 긴 공정(>10시간)일 수 있고, 고온(>1250℃)에서 일어나야 할 수 있다. 이러한 전통적 필수사항은 작동에 높은 비용을 필요로 할 수 있고, 확장에 어려움이 있으며, 소결 중 증발에 의한 리튬의 원치 않은 손실이 있을 수 있다. 이러한 시간과 온도에서의 리튬의 손실은 합성 동안 여분의 리튬염을 사용하여 역으로 측정될 필요가 있을 수 있고, 이는 오직 비용만이 더 증가한다. 대신, 열린 환경에서 확장 가능한 응용을 허용하고 리튬의 손실 또는 소비를 방지하는 방법은 대체되어야 한다. 결과로써 소결된 그린 라미네이트는 소결 이후의, 실온에서 일어날 수 있는 리튬 금속 용융 주입을 위한 보이드를 함유해야 한다. 보이드는 대신 희생 플라스틱/카본 비드를 사용하여 또는 앞서 설명되었듯 그것을 섬유 매트로 전기방사하여 구축될 수 있다. 결과인 고체 전해질(112)은 금속 이온 증착물(120)을 따른 리튬의 증착에 적합할 수 있다.
고체 전해질(112)의 이러한 특성을 장려하고 그에 따라 최적의 고체 상태 애노드(111)를 생성하는 대안적 조치는, 시작 재료의 반응성 소결, 전기장 내에서의 소결, 마이크로파 소결, SPS 또는 스파크 플라즈마, 용매 증발 및 염류 CSP를 이용한 냉간 소결, 및 고전류를 이용한 플래시 소결을 포함할 수 있되 그에 한정되지는 않는다. 대안적으로는, 또는 고체 전해질(112) 개발의 이러한 기술과 조합되어, 낮은 기화 온도를 갖는 다양한 플라스틱 또는 카본인 제거 및/또는 파괴되어 섬유 매트에 구멍을 남길 수 있는 희생 비드, 또는 전기방사법을 통한 세라믹 섬유 매트의 개발을 사용하여 다공성 시트가 제조될 수 있다. 고체 전해질(112)의 폴리머 섬유 버전에 특히 적용되는 다른 고려된 방법은 리튬 금속의 녹는점(180℃)을 갖는 폴리머의 사용을 포함한다. 이러한 폴리머는, 그러나, 일반적으로 리튬 이온을 전도하지 않으므로, 다른 전도성 폴리머(LiTFSI와 같은 대응하는 리튬염과 함께) 또는 세라믹 입자와 같은 추가적인 리튬 전도성 물질이 주입될 수 있는 구조적 역할을 수행한다. 예를 들어, 예시적이고 한정하지 않는 방향으로, 폴리이미드를 포함하는 섬유 매트(450℃의 녹는점을 가짐)는 용융된 리튬과 함께 주입에 사용되어 코팅의 역할을 할 수 있다. 추가적 예시는 아라미드, 폴리이미드 프레임을 포함한다. 고체 전해질(112)을 위한 적합한 조성을 제공하는 다른 예시는 폴리머 섬유 및 세라믹 섬유의 특성을 둘 다 갖는 하이브리드 복합 구조일 수 있다. 하이브리드 복합 섬유 매트는 흄드 실리카 및 G4/LiTFSA를 붕소/바나듐(또는 다른 질화물)의 표면 도핑과 함께 포함할 수 있다.
고체 전해질(112)의 표면 구조 및 구성에 추가적으로 중요한 것은 단독으로 또는 조합되어, 금속 이온 증착물(120)의 증착, 운동성, 및 평활한 도금에 추가적인 이점을 제공할 수 있는 코팅 대안일 수 있다. 이는 CVD/PVD/PECVD 및/또는 AZO 코팅과 조합된 ALD 증기 증착, I2, Li3N, Li3PO4, LLZO, Li9AlSiO8, Li3OCl, LiI:4CH3OH의 사용, 또는 알루미늄, 인듐, 아연, 마그네슘, 실리콘, 및/또는 금을 포함하되 이에 한정되지는 않는, 리튬과 잘 합금되는 금속의 사용을 포함할 수 있다. 용액 코팅은 고체 전해질(112)의 결정적인 구성요소에 사용 또는 형성될 수도 있고, 이는, 예를 들어, 다황화물, 용해된 황 ZnO 도핑된 아지로다이트 Li6PS5Br, DEGDME 내에 용해된 Li2S3 또는 Li3Si4의 용액과 함께 황 기반 용액 코팅 방법을 사용해 개발될 수 있다. 폴리머 코팅은 추가적으로 고체 전해질(112)에 표면 코팅으로 사용될 수 있고, 이는 SN/FEC를 첨가제 및 염류(예를 들어, CsPF6, CsTFSI, LiNO3, LiF, CuF2), SHP와 같은 엘라스토머, 및 심지어 폴리도파민 및/또는 폴리실록산과 같은 접착제와 함께 포함할 수 있다. 이러한 고체 전해질(112)의 다양한 코팅은 금속 이온 증착물(120) 및 고체 전해질(112)에의 도금 동안 리튬의 덴드라이트 성장의 감소, 다양한 응용을 위한 고체 전해질(112)의 구성을 위한 가능한 선택의 범위의 확장, 및 고체 상태 애노드(111) 및 리튬, 또는 다른, 금속의 구조를 위한 다양한 매우 유용한 재료들 사이의 반응의 방지를 포함한 다양한 이점을 제공할 수 있다.
대안적으로는, 금속 이온 증착물(120)은 고체 전해질(112) 내의 고체 상태 애노드(111) 내에 애노드 집전체로 대체될 수 있다는 것이 여기에서 고려된다. 이러한 것은 금속, 특히 리튬이 증착될 수 있는 포일 또는 코팅을 포함할 수 있다. 고체 전해질(112) 내의 고체 상태 애노드(111) 내에 위치된 애노드 집전체를 위한 바람직한 재료는 질화바나듐, 리튬-알루미늄 합금, 갈륨, 인듐, 및 주석을 포함하는 액체 금속, 그 유사물 및/또는 그 조합을 포함할 수 있되 그에 한정되지 않는다.
도 2를 이제 구체적으로 참조하면, 액체 전해질 리튬 이온 배터리(200)의 셀의 단면도의 예시가 도시되어 있다. 일반적으로, 전통적인 리튬 이온 배터리, 액체 전해질 리튬 이온 배터리(200)는 흑연 애노드 활물질(212) 및 애노드 집전체(233)를 갖는 액체 전해질 애노드(211), 다공성 분리막, 및 액체 전해질 캐소드 집전체(232)를 갖는 캐소드(312)를 포함할 수 있다. 액체 전해질을 갖는 리튬 이온 배터리의 알려진 변형은 275 Wh/kg의 용량을 달성하고 재충전이 가능하지만, 상기 배경기술 부분에서 언급된 바와 같은 심각한 단점이 있다.
만약 본 명세서에서 묘사된 다른 고려사항과 같이, 리튬의 평활한 도금과 구조를 유지하는 동안 충분한 열린 공간이 달성된다면, 고체 상태 배터리(100)는 내구성, 안전성, 빠른 충전, 및 다른 앞서 언급된 이점과 같은 추가적 이점을 허용함과 동시에 대체로 높은 용량을 달성할 수 있다. 예를 들어, 액체 전해질 리튬 이온 배터리(200)의 상기 275 Wh/kg 용량은 다양한 형태와 조합에서 635 Wh/kg 이상을 달성한 본 발명의 고체 상태 배터리(110)와 비교될 수 있다.
도 3을 이제 구체적으로 참조하면, 애노드(311), 캐소드(312), 분리막(331), 충전기(351), 및 전원 공급된 기기(352)를 갖는 배터리(300)의 간단한 블록 다이어그램이 도시되어 있다. 캐소드(312)가 충전기(351)와 전도성 접촉 중일 때, 애노드(311)와 서킷이 형성되고, 이에 따라 배터리(300)을 충전한다. 대안적으로는, 캐소드(312)가 전원 공급된 기기(352)와 전도성 접촉 중일 때, 애노드(311)와 서킷이 형성되고, 전원 공급된 기기(352)에 전원이 공급된다. 각각의 충전 및 전원 공급은 애노드(311)와 캐소드(132) 사이의 어떤 알려진 전기화학적 과정의 형태로든 일어난다. 본 명세서에서 묘사된 고체 상태 배터리(100)의 고체 상태 애노드(111)의 다양한 특징, 구성, 제조 방법, 및 개선점에 더하여, 배터리(300)의 부분 및 특징은 고체 상태 배터리(100)를 온전히 제조 및 사용하는 데에 필요할 수 있다. 뿐만 아니라, 배터리(300)의 부품에의 고체 상태 배터리(100) 제조를 포함하는 배터리 제조 분야에서 알려지고 개발된 다양한 개선점은, 본 명세서에서 묘사된 고체 상태 애노드(111)의 이점을 더 증가시킬 수 있다. 애노드(311)의 고체 상태 애노드(111)로의 단순한 대체는 충분하지 않을 수 있으나, 배터리 설계 및 제조 분야의 기술자는 고체 상태 애노드(111)의 특징을 배터리(300)에 구현 및 적용하여 본 발명의 장점을 온전히 활용할 수 있다.
도 4를 이제 구체적으로 참조하면, 고체 상태 배터리(100)의 고체 상태 애노드(111)의 제조의 예시적 방법의 순서도가 도시되어 있다. 첫 번째 단계(401)부터 시작하면, 섬유질 프레임워크는 활물질인 고체 상태 애노드(111)로 형성된다. 선택적으로는, 섬유질 프레임워크의 추가적인 레이어는 고체 상태 애노드(111)를 형성하기 위해 두 번째 단계(선택사항)(402)에서 조립될 수 있고, 섬유질 프레임워크의 레이어는 세 번째 단계(선택사항)(403)에서 융합될 수 있다. 리튬 친화성 코팅은 고체 상태 애노드(111)에 네 번째 단계(404)에서 적용될 수 있다. 다섯 번째 단계(405)에서는, 리튬 증착물이 고체 상태 애노드(111)로 주입되어 금속 이온 증착물(120)을 형성할 수 있다. 고체 상태 배터리(100)를 형성하기 위해, 고체 상태 애노드(111), 고체 분리막(131), 및 고체 상태 캐소드(312)는 여섯 번째 단계(406)에서 각각 서로와 접촉되어 배치될 수 있고, 그 후 고체 상태 애노드(111)와 고체 상태 캐소드(312)의 연결에 탭 용접이 사용될 수 있다. 도 4에 도시된 방법의 단계들은 당 분야의 기술자가 의도된 효과의 달성을 위해 재정렬, 반복, 및/또는 재배열될 수 있다.
상기 묘사에 대해, 크기, 재료, 형상, 형태, 위치, 기능 및 작동 방식, 조립, 애노드/캐소드/배터리 컨테이너 유형, 연결 유형, 및 사용의 변형을 포함하는 최적의 차원 관계는, 본 발명에 의해 포괄되도록 의도되었다는 것을 깨달아야 할 것이다. 고체 상태 리튬 이온 배터리(고체 상태 배터리(100))를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드, 또는 고체 상태 애노드(111), 및 본 명세서에서 묘사된 다양한 부분 및 구성요소는 고체 상태 애노드(111), 고체 전해질(112), 금속 이온 증착물(120), 고체 분리막(131), 캐소드(312), 캐소드 집전체(132), 그 유사물 및/또는 조합을 포함하되 이에 한정되지는 않는 다양한 부분의 및 다양한 부분을 위한 전체적인 사이즈 및 대응되는 사이즈의 변형을 포함할 수 있음이 본 명세서에서 고려된다. 실제로, 고체 상태 배터리(100)의 이러한 다양한 부분 및 구성은 고체 상태 배터리(100)의 표준 작동 동안 크기, 형상 등에서 차이가 날 수 있다. 고체 상태 배터리(100)를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 고체 상태 애노드(111)의 본 명세서의 설명에는 전기자동차 및 다른 전자기기를 위한 이점이 언급되어 있으나, 본 발명은 그에 한정되지는 않는다. 본 발명의 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드는 다른 차량, 컴퓨터, 사업, 집, 산업 시설, 소비자 및 휴대용 전자제품, 병원, 공장, 창고, 정부 시설, 데이터센터, 비상용 백업, 항공우주, 우주 여행, 로봇 공학, 드론, 그와 유사한 및/또는 그 조합에 전기를 공급하기 위한 응용을 가질 수 있다. 본 명세서에서 제공된 화학식, 금속, 원자 및 분자 구성("공개된 공식")은 오직 예시적인 것이다. 당 분야의 기술자는 공개된 공식의 변형이 본 발명의 고체 상태 배터리(100)을 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 고체 상태 애노드(111)에 트레이드오프를 제공할 수 있고, 본 발명의 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드와 유사한 장점을 성취하기 위해 대체될 수 있다는 것을 알 것이다. 뿐만 아니라, 폴리머, 합금, 금속, 조립, 태빙, 용접, 대기 조성, 그와 유사한 및/또는 그 조합을 포함하되 그에 한정되지는 않는 재료 및 제조 기술의 차이에 의해, 배터리 제조에 관해 다양한 고려사항이 고려될 수 있다. 그러나, 발명자가 보다 큰 질량당 전기 저장 용량(에너지 밀도), 높은 작동 전류 제공, 배터리의 내구성 및 수명의 증가, 배터리가 안정적으로 작동할 수 있는 범위의 증가, 보다 안전한 배터리의 제공, 및 보다 효율적인 생산 방법의 결과를 달성하기 위해 다양한 제조 방법 및 배터리의 조립을 고려했음에도 본 발명은 특정한 구성, 본 명세서에서 언급되고 묘사된 이점, 및/또는 본 명세서에서 언급된 제조 방법에 한정되지 않는다.
앞선 묘사 및 도면은 예시적인 실시예를 포함한다. 이와 같이 설명된 예시적 실시예를 가질 때, 본 발명은 오직 예시적이며, 다양한 대안, 적용 및 수정이 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다는 것이 당 분야의 기술자들에 의해 주목되어야 한다. 방법의 단계의 특정 순서로의 단순한 나열 및 번호 매김은 해당 방법의 단계의 순서에 어떤 한계도 구성하지 않는다. 본 발명과 관련된 당 분야의 기술자에게는 앞선 설명 및 관련 도면에서 보여진 가르침의 이점을 가짐과 관련한 많은 수정 및 다른 실시예가 떠오를 것이다. 비록 본 명세서에서 구체적인 용어가 사용될 수 있지만, 그것은 일반적이고 설명적인 의미로만 사용되며 제한의 목적으로 사용되지 않는다. 이에 따라, 본 발명은 본 명세서에서 설명된 구체적 실시예에 한정되지 않지만, 오직 다음의 청구범위에 의해 한정된다.

Claims (20)

  1. 배터리에 있어서,
    집전체(current collector)를 갖는 적어도 하나의 캐소드;
    리튬 친화성 섬유 프레임워크(fiber framework)를 갖는 적어도 하나의 애노드;
    상기 적어도 하나의 애노드 및 상기 적어도 하나의 캐소드와 접촉하는 적어도 하나의 분리막; 및
    상기 섬유 프레임워크 내에 배치된, 용융 주입된 리튬 포일;
    을 포함하고,
    상기 섬유 프레임워크는, 상기 용융 주입된 리튬 포일과 리튬 금속 증착물을 수용할 수 있는 고체 전해질을 형성하는 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 친화성 섬유 프레임워크는 세라믹 섬유 매트(ceramic fiber mat)를 포함하는 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용융 주입된 리튬 포일이 상기 애노드 내에서 집전체로서 작용하는 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 친화성 섬유 프레임워크는 폴리머 매트를 포함하는 배터리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 폴리머 매트는 전기방사법으로 형성된 배터리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리막은 고체인 배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 친화성 섬유 프레임워크는, 리튬 친화성 표면 코팅이 증착된 섬유 재료를 더 포함하는 배터리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 리튬 친화성 표면 코팅은, 산화물, 질화물, 폴리머, 및 세라믹으로 구성된 코팅 그룹 중 적어도 하나의 코팅인 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산화물은, 산화니오븀, Al2O3 + ZnO (AZO), 산화알루미늄, 산화인듐, 산화아연, 산화비스무트, 산화마그네슘, 산화실리콘, 산화금, 산화요오드, 및 산화황으로 구성된 산화물의 그룹 중 적어도 하나의 산화물인 배터리.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 리튬 친화성 섬유 프레임워크의 적어도 70%의 부피는 리튬 이온으로부터의 고체 리튬 금속을 수용할 수 있는 열린 캐비티를 포함하는 배터리.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 친화성 섬유 프레임워크는, 세라믹 섬유 및 폴리머 섬유로 구성된 재료 그룹 중 적어도 하나의 재료로 형성된 배터리.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 재료는 섬유 그룹을 포함하고, 상기 섬유 그룹은 0.5μm보다 작은 직경, 1mm보다 큰 길이, 대략 10nm의 리튬 친화성 코팅 두께를 갖고, 70%보다 높은 다공도, 대략 86μm의 매트 두께, 및 대략 가로 5cm 세로 5cm의 분리막 접촉 영역을 달성하도록 배열된 배터리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬 이온 고체 상태 배터리이고, 상기 적어도 하나의 애노드 및 상기 적어도 하나의 캐소드는 액체 전해질을 함유하지 않는 배터리.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 친화성 섬유 프레임워크는 고체인 배터리.
  15. 전도성 섬유 프레임워크; 및
    상기 전도성 프레임워크에 증착된 활물질(active material) - 상기 활물질은, 30 질량 퍼센트의 고체 리튬 금속을 수용할 수 있는 리튬 친화적 성질을 가짐 - ;
    을 포함하는 애노드.
  16. 제1항의 상기 적어도 하나의 애노드;
    적어도 하나의 캐소드; 및
    제1항의 상기 적어도 하나의 애노드 및 상기 적어도 하나의 캐소드와 접촉하는 고체 분리막;
    를 포함하는 배터리.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 애노드는, 상기 활물질 내에 배치된 용융 주입된 리튬 포일을 더 포함하는 배터리.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 활물질은 세라믹 섬유 프레임워크인 배터리.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 활물질은 폴리머 섬유 프레임워크인 배터리.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 활물질은, 세라믹 섬유 프레임워크 및 폴리머 섬유 프레임워크로 구성된 활물질 그룹 - 상기 활물질 그룹은 각각 리튬 친화성 코팅을 가짐 - 중 적어도 하나의 활물질인 배터리.
KR1020227035613A 2020-03-18 2021-03-18 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드 KR20220156571A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202062991418P 2020-03-18 2020-03-18
US62/991,418 2020-03-18
PCT/US2021/070290 WO2021189083A1 (en) 2020-03-18 2021-03-18 High energy density lithium metal based anode for solid-state lithium-ion batteries

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220156571A true KR20220156571A (ko) 2022-11-25

Family

ID=77771743

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227035613A KR20220156571A (ko) 2020-03-18 2021-03-18 고체 상태 리튬 이온 배터리를 위한 고에너지밀도 리튬 금속 기반 애노드

Country Status (8)

Country Link
US (2) US11742494B2 (ko)
EP (1) EP4122032A1 (ko)
JP (1) JP2023518060A (ko)
KR (1) KR20220156571A (ko)
CN (1) CN115315832A (ko)
CA (1) CA3171696A1 (ko)
MX (1) MX2022011419A (ko)
WO (1) WO2021189083A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115020641B (zh) * 2022-05-11 2024-06-04 五邑大学 一种锂金属负极片及其制备方法和应用
US12006387B1 (en) 2022-11-14 2024-06-11 Piersica, Inc. Polymer composition and methods for making same

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4315975A (en) 1979-08-15 1982-02-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Solid-state lithium-iodine primary battery
CA1222543A (fr) 1984-04-11 1987-06-02 Hydro-Quebec Anodes denses d'alliages de lithium pour batteries tout solide
CA2110097C (en) * 1992-11-30 2002-07-09 Soichiro Kawakami Secondary battery
US5705293A (en) 1997-01-09 1998-01-06 Lockheed Martin Energy Research Corporation Solid state thin film battery having a high temperature lithium alloy anode
US8765303B2 (en) * 2012-04-02 2014-07-01 Nanotek Instruments, Inc. Lithium-ion cell having a high energy density and high power density
US9318774B2 (en) 2013-06-28 2016-04-19 Google Inc. Substrate for solid-state battery
US10256503B2 (en) 2014-07-11 2019-04-09 Palo Alto Research Center Incorporated High performance all solid lithium sulfur battery with fast lithium ion conduction
US11145851B2 (en) 2015-11-11 2021-10-12 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Composite lithium metal anodes for lithium batteries with reduced volumetric fluctuation during cycling and dendrite suppression
WO2017104878A1 (ko) 2015-12-18 2017-06-22 주식회사 엘지화학 배터리 팩
KR101793168B1 (ko) 2016-02-03 2017-11-20 한국생산기술연구원 Llzo 고체전해질을 포함하는 전고체 리튬이차전지 및 그의 제조방법
US12087933B2 (en) 2016-08-31 2024-09-10 William Marsh Rice University Anodes, cathodes, and separators for batteries and methods to make and use same
KR102699849B1 (ko) 2017-03-29 2024-08-29 유니버시티 오브 매릴랜드, 칼리지 파크 고체 상태 하이브리드 전해질, 이의 제조 방법 및 이의 용도
DE102017219170A1 (de) 2017-10-25 2019-04-25 Robert Bosch Gmbh Lithiumfestkörperbatterie und Verfahren zum Herstellen einer Lithiumfestkörperbatterie
US11309535B2 (en) * 2017-12-18 2022-04-19 The Hong Kong Polytechnic University Electrodes for batteries
US11024843B2 (en) 2018-01-15 2021-06-01 Ford Global Technologies, Llc Lithium titanate anode and fabrication method for solid state batteries
WO2020061565A1 (en) 2018-09-21 2020-03-26 Massachusetts Institute Of Technology Methods and apparatus to facilitate alkali metal transport during battery cycling, and batteries incorporating same
KR102703258B1 (ko) 2018-12-10 2024-09-04 현대자동차주식회사 리튬 음극의 계면이 양호한 전고체 전지의 제조방법
US11329282B2 (en) 2019-02-26 2022-05-10 Bettergy Corp. Rechargeable batteries and methods of making same
CN111952551A (zh) 2019-05-17 2020-11-17 康宁股份有限公司 用于固态锂硫电池的改进复合正极及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023518060A (ja) 2023-04-27
US12095098B2 (en) 2024-09-17
MX2022011419A (es) 2022-12-15
US20230395811A1 (en) 2023-12-07
CA3171696A1 (en) 2021-09-23
US20210384519A1 (en) 2021-12-09
WO2021189083A1 (en) 2021-09-23
CN115315832A (zh) 2022-11-08
EP4122032A1 (en) 2023-01-25
US11742494B2 (en) 2023-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102165543B1 (ko) 고체 상태 전해질 물질을 가진 이온-전도 배터리
US20200067128A1 (en) Hybrid and solid-state battery architectures with high loading and methods of manufacture thereof
TWI646713B (zh) 固態電池組之製造
US9299966B2 (en) High energy high power electrodes and batteries
JP2024073557A (ja) リチウムイオン伝導性固体電解質により被覆された集電体
US20190372155A1 (en) Methods of manufacturing high-active-material-loading composite electrodes and all-solid-state batteries including composite electrodes
WO2020041767A1 (en) Hybrid and solid-state battery architectures with high loading and methods of manufacture thereof
KR20160002988A (ko) 고체 및 액체 전해질들을 갖는 전기화학 셀
US12095098B2 (en) High energy density lithium metal based anode for solid-state lithium-ion batteries
KR20220011158A (ko) 전기적으로 결합된 전극, 및 관련 물품 및 방법
US20210344079A1 (en) Solid-state polymer separator for lithium-ion batteries
KR20170084450A (ko) 전고체 전지용 고체 전해질의 제조방법
KR20230005327A (ko) 분리기와 다공성 전극으로 구성된 조립체를 제조하기 위한 방법, 분리기와 다공성 전극으로 구성된 조립체, 이러한 조립체를 포함하는 마이크로배터리
CN115440945A (zh) 用于制造层状阳极材料的电化学交换
CN114551984B (zh) 具有厚电极的固态双极型电池组
KR20230004825A (ko) 분리기와 다공성 전극으로 구성된 조립체를 제조하기 위한 방법, 분리기와 다공성 전극으로 구성된 조립체, 이러한 조립체를 포함하는 전기화학 장치
He et al. Interface Engineering on Constructing Physical and Chemical Stable Solid‐State Electrolyte Toward Practical Lithium Batteries
WO2020243128A2 (en) Cermet electrode for solid state and lithium ion batteries
Rantalainen Additive manufacturing technologies for lithium-ion battery design
CN117060001A (zh) 锂离子蓄电池的隔板的制造方法