KR20230027231A - 탄소 함유 코팅들을 갖는 전기화학 셀들 및 전극들 및 그들의 생산 방법들 - Google Patents

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나오키 오타
시아오밍 리우
유키 쿠사치
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24엠 테크놀로지즈, 인크.
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Abstract

본원에서 설명되는 실시예들은 일반적으로, 탄소 함유 코팅들을 갖는 전기화학 셀들 및 전극들에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀은 애노드 집전체 상에 배치된 애노드, 캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 세퍼레이터는 캐소드에 인접한 제1 측 및 애노드에 인접한 제2 측을 갖는다. 전기화학 셀은 세퍼레이터 상에 배치된 코팅 층을 더 포함한다. 코팅 층은 전기화학 셀에서의 덴드라이트 형성을 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 코팅 층은 경질 탄소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층은 약 100 nm 내지 약 20 μm의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층은 세퍼레이터의 제1 측에 배치될 수 있다.

Description

탄소 함유 코팅들을 갖는 전기화학 셀들 및 전극들 및 그들의 생산 방법들
본 출원은 2020년 6월 24일자로 출원된 발명의 명칭이 "Electrochemical Cells with Multi-Layered Electrodes and Coated Separators and Methods of Making the Same"인 미국 가출원 제63/043,231호; 2020년 11월 2일자로 출원된 발명의 명칭이 "Electrochemical Cells with Multi-Layered Electrodes and Coated Separators and Methods of Making the Same"인 미국 가출원 제63/108,560호; 2020년 11월 18일자로 출원된 발명의 명칭이 "Electrochemical Cells with Multi-Layered Electrodes and Coated Separators and Methods of Making the Same"인 미국 가출원 제63/115,387호; 및 2021년 3월 8일자로 출원된 발명의 명칭이 "Electrochemical Cells with Multi-Layered Electrodes and Coated Separators and Methods of Making the Same"인 미국 가출원 제63/158,002호에 대한 우선권 및 그들의 이익을 주장하고, 이로써, 그들 각각의 개시내용은 그 전체가 참조로 포함된다.
본원에서 설명되는 실시예들은 일반적으로, 탄소 함유 코팅들을 갖는 전기화학 셀들 및 전극들에 관한 것이다.
본원에서 설명되는 실시예들은 탄소를 갖는 코팅들을 포함하는 전극들 및 전기화학 셀들에 관한 것이다. 전기활성 종은 전극들의 표면들 근처에서 핵형성하여 전기화학 셀들에 덴드라이트들이 형성되게 할 수 있다. 유사한 현상들이 전극들 상의 또는 그 근처의 도금 또는 플레이트 형성을 초래한다. 일부 경우들에서, 덴드라이트들은 핵형성 사이트로 이동하는 리튬 이온들로부터 형성된다. 덴드라이트들은 추가적인 리튬 이온들이 핵형성 사이트로 이동하여 핵형성 사이트에 결합할 때 성장할 수 있다. 덴드라이트 성장 및 도금은 전기화학 셀들의 빠른 충전 및 방전에 의해 악화될 수 있는데, 그 이유는 더 빠른 충전 및 방전이 더 높은 밀도의 이온 이동을 초래하기 때문이다. 덴드라이트 형성은 전기화학 셀들에서 여러 단점들을 갖는다. 덴드라이트들을 형성하는 전기활성 재료가 사용가능하지 않게 되고, 전기활성 재료로부터 유도될 수 있는 에너지가 향후의 사이클들로부터 손실된다. 이는 용량 유지(capacity retention)를 방해한다. 덴드라이트들은 또한 전기화학 셀들에서 단락을 야기할 수 있다. 단락은 전기화학 셀들에 핫 스폿(hot spot)들을 형성하여 궁극적으로 화재들을 초래할 수 있다. 전기화학 셀들 내의 전기활성 종의 이동을 지향시킴으로써, 덴드라이트 형성이 방지될 수 있다.
본원에서 설명되는 실시예들은 일반적으로, 탄소 함유 코팅들을 갖는 전기화학 셀들 및 전극들에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀은 애노드 집전체 상에 배치된 애노드, 캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 세퍼레이터는 캐소드에 인접한 제1 측 및 애노드에 인접한 제2 측을 갖는다. 전기화학 셀은 세퍼레이터 상에 배치된 코팅 층을 더 포함한다. 코팅 층은 전기화학 셀에서의 덴드라이트 형성을 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 코팅 층은 경질 탄소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층은 약 100 nm 내지 약 20 μm의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층은 세퍼레이터의 제1 측에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층은 제1 코팅 층일 수 있고, 전기화학 셀은 제2 코팅 층을 더 포함할 수 있고, 제2 코팅 층은 세퍼레이터의 제2 측에 배치된다. 일부 실시예들에서, 제2 코팅 층은 Al2O3를 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른, 하나 이상의 코팅 층을 갖는 전기화학 셀의 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른, 코팅 층을 갖는 전기화학 셀의 개략도이다.
도 3은 실시예에 따른, 코팅 층을 갖는 전기화학 셀의 개략도이다.
도 4는 실시예에 따른, 다수의 코팅 층들을 갖는 전기화학 셀의 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른, 코팅 층을 갖는 전기화학 셀의 예시들이다.
도 6은 실시예에 따른, 코팅 층을 갖는 전극을 형성하는 방법의 블록도이다.
도 7은 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 초기 용량 손실의 그래프 표현이다.
도 8은 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 용량 유지 대 사이클 수의 그래프 표현이다.
도 9는 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래프 표현이다.
도 10은 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래프 표현이다.
도 11a 및 도 11b는 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 용량 유지 대 사이클 수의 그래프 표현들이다.
도 12는 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래프 표현이다.
도 13은 상이한 전기화학 셀 구성들 사이의 dQ/dV 및 전압 프로파일 비교들의 그래프 표현이다.
도 14a 및 도 14b는 방전 및 급속 충전 동안의 전위 대 거리 플롯들을 도시한다.
도 15는 결합제를 갖지 않는 및 결합제를 갖는 세퍼레이터 상의 경질 탄소 코팅의 사진 비교를 도시한다.
본원에서 설명되는 실시예들은 일반적으로, 탄소 함유 코팅들을 갖는 전기화학 셀들 및 전극들에 관한 것이다. 탄소 함유 코팅들은 덴드라이트 형성이 방지 또는 실질적으로 방지되도록 전기활성 종의 유동을 지향시키는 것을 보조할 수 있다. 임의의 특정 이론에 의해 구속되는 것을 원하지 않으면서, 탄소 함유 층들은 높은 이온 전도도를 갖고, 전기활성 재료들을 용이하게 수송하는 것이 가능하여, 전기활성 재료들이 정지되어 있는 것을 방지하고 더 많은 이온들에 대한 핵형성 사이트들을 생성한다. 일부 실시예들에서, 탄소 함유 코팅이 캐소드 상에 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 탄소 함유 코팅은 애노드 상에 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 탄소 함유 코팅은 캐소드에 인접하게 세퍼레이터 상에 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 탄소 함유 코팅은 애노드에 인접하게 세퍼레이터 상에 코팅될 수 있다. 전기화학 셀에서의 덴드라이트 형성을 감소시킴으로써, 용량 유지가 개선될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 전극들은 반고체 전극들일 수 있다. 종래의 전극들과 비교하여, 반고체 전극들은 (i) 반고체 전극들의 감소된 비틀림(tortuosity) 및 더 높은 전자 전도도로 인해 더 두껍게(예컨대, 약 250 μm보다 더 크고 최대 약 2,000 μm 또는 한층 더 크게) 제조될 수 있고, (ii) 활성 재료들의 더 높은 로딩들로 제조될 수 있고, (iii) 더 적은 장비를 활용하는 단순화된 제조 프로세스로 제조될 수 있고, (iv) 그들의 이론적 충전 용량의 상당한 부분을 유지하면서 넓은 범위의 C-레이트들 사이에서 동작될 수 있다. 이러한 비교적 두꺼운 반고체 전극들은 활성 성분들에 대한 비활성 성분들의 체적, 질량, 및 비용 기여들을 감소시킴으로써, 반고체 전극들로 제조되는 배터리들의 상업적 매력을 향상시킨다. 일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 반고체 전극들은 결합제가 없고/없거나 종래의 배터리 제조에서 사용되는 결합제들을 사용하지 않는다. 대신에, 종래의 전극들에서 결합제들에 의해 일반적으로 점유되는 전극의 체적은 이제, 1) 비틀림을 감소시키고 이온 확산에 이용가능한 전체 염을 증가시킴으로써, 높은 레이트로 사용될 때 두꺼운 종래의 전극들에 대해 전형적인 염 고갈 효과들에 대응하는 효과를 갖는 전해질, 2) 배터리의 충전 용량을 증가시키는 효과를 갖는 활성 재료, 또는 3) 전극의 전자 전도도를 증가시킴으로써, 두꺼운 종래의 전극들의 높은 내부 임피던스에 대응하는 효과를 갖는 전도성 첨가제에 의해 점유된다. 본원에서 설명되는 반고체 전극들의 감소된 비틀림 및 더 높은 전자 전도도는 반고체 전극들로부터 형성되는 전기화학 셀들의 우수한 레이트 능력 및 충전 용량을 생성한다.
본원에서 설명되는 반고체 전극들이 종래의 전극들보다 상당히 더 두껍게 제조될 수 있기 때문에, 활성 재료들(즉, 반고체 캐소드 및/또는 애노드) 대 비활성 재료들(즉, 집전체 및 세퍼레이터)의 비율은 종래의 전극들을 포함하는 전기화학 셀 스택들로부터 형성되는 유사한 배터리에 비해 반고체 전극들을 포함하는 전기화학 셀 스택들로부터 형성된 배터리에서 훨씬 더 높을 수 있다. 이는 본원에서 설명되는 반고체 전극들을 포함하는 배터리의 전체 충전 용량 및 에너지 밀도를 상당히 증가시킨다. 반고체 무결합제 전극들의 사용은 또한 과충전 보호 메커니즘의 포함에 유익할 수 있는데, 그 이유는 생성되는 가스가 전극 내의 가스의 이동을 억제하는 결합제 입자들이 없는 경우 전극/집전체 계면으로 이동할 수 있기 때문이다.
일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 전극 재료들은 유동성 반고체 또는 응축된 액체 조성물일 수 있다. 유동성 반고체 전극은 비수성 액체 전해질 내의 전기화학적 활성 재료(애노드 또는 캐소드 입자들 또는 미립자들) 및 임의로 전자 전도성 재료(예컨대, 탄소)의 현탁액을 포함할 수 있다. 달리 말하면, 활성 전극 입자들 및 전도성 입자들이 액체 전해질에 공동 현탁되어 반고체 전극을 생성할 수 있다. 반고체 및/또는 무결합제 전극 재료를 포함하는 전기화학 셀들의 예들은 2013년 4월 29일자로 출원된 발명의 명칭이 "Semi-solid Electrodes Having High Rate Capability"인 미국 특허 제8,993,159호("'159 특허")에서 설명되고, 그 미국 특허의 개시내용은 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.
일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 전극들은 전극들의 두께를 따라(즉, "z 방향"으로) 농도 기울기를 가질 수 있다. 다수의 층들 및/또는 조성 기울기들을 갖는 전극들의 예들은 2019년 5월 24일자로 출원된 발명의 명칭이 "High Energy-Density Composition Gradient Electrodes and Methods of Making the Same"인 미국 특허 공개 제US 2019/0363351호('351 공개)에서 발견될 수 있고, 그 미국 특허 공개의 전체 개시내용은 참조로 본원에 포함된다.
애노드 및/또는 캐소드에서 다수의 층들 또는 조성 기울기들을 갖는 전기화학 셀들은 높은 용량 및 높은 C-레이트들을 전달할 수 있지만, 높은 C-레이트들에서의 충전은 사이클링 문제들을 초래할 수 있다. 높은 C-레이트들에서의 충전 또는 방전은 리튬 이온들 또는 다른 전기활성 종이 높은 체적의 이온 이동으로 인해 낮은 C-레이트들에서보다 캐소드의 에지들 주위에 더 많이 도금되게 할 수 있다. 추가적으로, 높은 C-레이트들에서의 충전 또는 방전은 동일한 이유들로 덴드라이트 성장을 악화시킬 수 있다. 다수의 사이클들 동안, 덴드라이트들은 전기화학 셀들에서 전기활성 재료 및 전해질을 소비하여, 비가역적인 용량 손실을 야기할 수 있다. 덴드라이트들이 충분히 크게 성장될 때, 그들은 세퍼레이터를 관통하여 전기화학 셀에서 부분 단락 또는 완전 단락을 야기할 수 있다. 단락들은 잠재적으로 전기화학 셀에서 점화 및 화재들을 초래할 수 있기 때문에 안전상 위험할 수 있다.
세퍼레이터 상의 코팅들은 여러 메커니즘들을 통해 도금 및 덴드라이트 성장을 감소시킬 수 있다. 세퍼레이터 다공도는 대개, 전기화학 셀의 화학에 따라 비교적 좁은 작동가능 범위를 갖는 파라미터이다. 이온 혼잡은 세퍼레이터 세공들 근처에서 발생할 수 있다. 높은 다공도 및/또는 높은 표면적 재료가 세퍼레이터를 코팅하기 위해 사용되는 경우, 코팅은 하나의 전극으로부터 다른 전극으로 이동할 때 이온들이 따를 수 있는 가능한 유동 경로의 수를 증가시킬 수 있다. 이는 세퍼레이터 세공들 근처의 이온들의 혼잡을 상당히 감소시킬 수 있는데, 그 이유는 이온들이 단일 파일이 아니라 세공들의 분지된 네트워크를 통해 이동할 수 있기 때문이다. 이온 혼잡의 이러한 감소는 덴드라이트 축적을 방지하는 것을 보조할 수 있고, 그에 의해, 다수의 사이클들에 걸친 전기화학 셀의 용량 유지를 개선할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "조성"은 이방성일 수 있고, 물리적, 화학적, 또는 전기화학적 조성 또는 그들의 조합들을 나타낼 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 집전체의 표면에 바로 인접한 전극 재료는 집전체의 표면으로부터 더 멀리 있는 전극 재료보다 다공도가 더 낮을 수 있다. 임의의 특정 이론에 의해 구속되는 것을 원하지 않으면서, 다공도 기울기의 사용은, 예컨대, 감소된 이온 전도도를 경험하지 않으면서 더 두껍게 제조될 수 있는 전극을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체의 표면에 인접한 전극 재료의 조성은 집전체의 표면으로부터 더 멀리 있는 전극 재료와 화학적으로 상이할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "약" 및 "대략"이라는 용어는 일반적으로, 언급된 값의 플러스 또는 마이너스 10%를 의미하고, 예컨대, 약 250 μm는 225 μm 내지 275 μm를 포함할 것이고, 약 1,000 μm는 900 μm 내지 1,100 μm를 포함할 것이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "반고체"라는 용어는, 예컨대, 입자 현탁액, 콜로이드 현탁액, 에멀션, 겔, 또는 미셀과 같은 액체 상과 고체 상의 혼합물인 재료를 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "활성화된 탄소 네트워크" 및 "네트워크화된 탄소"라는 용어들은 전극의 일반적인 정성적 상태와 관련된다. 예컨대, 활성화된 탄소 네트워크(또는 네트워크화된 탄소)를 갖는 전극은 전극 내의 탄소 입자들이 입자들 사이의 그리고 전극의 두께 및 길이를 통한 전기적 접촉 및 전기 전도성을 용이하게 하는 서로에 대한 개별 입자 형태 및 배열을 가정하도록 이루어진다. 반대로, "비활성화된 탄소 네트워크" 및 "비네트워크화된 탄소"라는 용어들은 탄소 입자들이 전극을 통한 적절한 전기 전도를 제공할 정도로 충분히 연결되지 않을 수 있는 개별 입자 아일랜드들 또는 다중 입자 응집 아일랜드들로서 존재하는 전극과 관련된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "에너지 밀도" 및 "체적 에너지 밀도"라는 용어들은 전극들, 세퍼레이터, 전해질, 및 집전체들과 같은, 전기화학 셀이 동작하도록 포함된 재료들의 단위 체적(예컨대, L)당 전기화학 셀에 저장된 에너지의 양(예컨대, MJ)을 나타낸다. 구체적으로, 전기화학 셀을 패키징하기 위해 사용되는 재료들은 체적 에너지 밀도의 계산으로부터 배제된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "높은 용량 재료들" 또는 "높은 용량 애노드 재료들"과 같은 용어들은 전기활성 종의 흡수를 용이하게 하기 위해 전극에 혼입될 수 있는 300 mAh/g 초과의 비가역적인 용량들을 갖는 재료들을 나타낸다. 예들은 주석, Sn-Fe와 같은 주석 합금, 주석 일산화물, 실리콘, Si-Co와 같은 실리콘 합금, 실리콘 일산화물, 알루미늄, 알루미늄 합금, 일산화물 금속(CoO, FeO 등), 또는 티타늄 산화물을 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "복합 높은 용량 전극 층"이라는 용어는 높은 용량 재료와 전통적인 애노드 재료 둘 모두를 갖는 전극 층, 예컨대, 실리콘-흑연 층을 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "고체 높은 용량 전극 층"이라는 용어는 단일 고체 상 높은 용량 재료, 예컨대, 스퍼터링된 실리콘, 주석, Sn-Fe와 같은 주석 합금, 주석 일산화물, 실리콘, Si-Co와 같은 실리콘 합금, 실리콘 일산화물, 알루미늄, 알루미늄 합금, 일산화물 금속(CoO, FeO 등), 또는 티타늄 산화물을 갖는 전극 층을 나타낸다.
도 1은 애노드 집전체(120) 상에 배치된 애노드 재료(110), 캐소드 집전체(140) 상에 배치된 캐소드 재료(130), 및 그들 사이에 배치된 세퍼레이터(150)를 포함하는 전기화학 셀(100)의 개략도이다. 전기화학 셀(100)은 세퍼레이터(150)의 하나의 측 또는 양 측들에 배치된 코팅 층(160)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 세퍼레이터(150)에 인접하게 애노드 재료(110) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 세퍼레이터(150)에 인접하게 캐소드 재료(130) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 애노드 재료(110)에 인접하게 세퍼레이터(150) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 캐소드 재료(130)에 인접하게 세퍼레이터(150) 상에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, '351 공개에서 설명되는 바와 같이, 애노드 재료(110) 및/또는 캐소드 재료(130)는 다수의 층들 또는 농도 기울기들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110)는 제1 다공도를 갖는 제1 층 및 제2 다공도를 갖는 제2 층을 포함할 수 있고, 제2 다공도는 제1 다공도와 상이하다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110)는 제1 에너지 밀도를 갖는 제1 층 및 제2 에너지 밀도를 갖는 제2 층을 포함할 수 있고, 제2 에너지 층은 제1 에너지 밀도와 상이하다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110)는 제1 표면적을 갖는 제1 층 및 제2 표면적을 갖는 제2 층을 포함할 수 있고, 제2 표면적은 제1 표면적과 상이하다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 제1 다공도를 갖는 제1 층 및 제2 다공도를 갖는 제2 층을 포함할 수 있고, 제2 다공도는 제1 다공도와 상이하다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 제1 에너지 밀도를 갖는 제1 층 및 제2 에너지 밀도를 갖는 제2 층을 포함할 수 있고, 제2 에너지 층은 제1 에너지 밀도와 상이하다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 제1 표면적을 갖는 제1 층 및 제2 표면적을 갖는 제2 층을 포함할 수 있고, 제2 표면적은 제1 표면적과 상이하다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110) 및/또는 캐소드 재료(130)는 '159 특허에서 설명되는 것들과 동일한 또는 실질적으로 유사한 반고체 전극들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 '159 특허에서 설명되는 집전체들과 동일하거나 또는 실질적으로 유사할 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 기판, 시트 또는 포일, 또는 임의의 다른 폼 팩터의 형태의 전도성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 알루미늄, 구리, 리튬, 니켈, 스테인리스 스틸, 탄탈럼, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 또는 그들의 혼합물, 조합들 또는 합금들과 같은 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 탄소, 탄소 나노튜브들, 또는 금속 산화물(예컨대, TiN, TiB2, MoSi2, n-BaTiO3, Ti2O3, ReO3, RuO2, IrO2 등)과 같은 비금속 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 전술된 금속 및 비금속 재료들 중 임의의 것 상에 배치된 전도성 코팅을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전도성 코팅은 복합물들 또는 층상 재료들을 포함하여 탄소계 재료, 전도성 금속, 및/또는 비금속 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드 재료(110) 및/또는 캐소드 재료(130)는 활성 재료, 전도성 재료, 전해질, 첨가제, 결합제, 및/또는 그들의 조합들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 활성 재료는 에너지를 저장하기 위해 패러데이 또는 비-패러데이 반응들을 거칠 수 있는 이온 저장 재료 및/또는 임의의 다른 화합물 또는 이온 복합체일 수 있다. 활성 재료는 또한, 지탱 액체 상과 밀접하게 혼합된 액체 이온 저장 재료를 갖는 미셀들 또는 에멀션들을 포함하는 액체-액체 다상 혼합물들 또는 고체-액체 현탁액들을 포함하는 비-산화환원 활성 상과 혼합된 산화환원 활성 고체를 포함하는 다상 재료일 수 있다. 다양한 작동 이온들을 활용하는 시스템들은 Li+, Na+, 또는 다른 알칼리 이온들, 심지어, Ca2+, Mg2+, 또는 Al3+와 같은 알칼리 토류 작동 이온들이 작동 이온들인 수성 시스템들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 음의 전극 저장 재료와 양의 전극 저장 재료가 전기화학 셀을 형성하기 위해 전기화학적으로 커플링될 수 있고, 음의 전극은 양의 전극보다 더 낮은 절대 전위에서 관심 작동 이온을 저장한다. 셀 전압은 2개의 이온 저장 전극 재료들의 이온 저장 전위들의 차이에 의해 대략적으로 결정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드 재료(110) 및/또는 캐소드 재료(130)의 두께는 적어도 약 30 μm일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110) 및/또는 캐소드 재료(130)는 적어도 약 100 μm, 적어도 약 150 μm, 적어도 약 200 μm, 적어도 약 250 μm, 적어도 약 300 μm, 적어도 약 350 μm, 적어도 약 400 μm, 적어도 약 450 μm, 적어도 약 500 μm, 적어도 약 600 μm, 적어도 약 700 μm, 적어도 약 800 μm, 적어도 약 900 μm, 적어도 약 1,000 μm, 적어도 약 1,500 μm, 및 최대 약 2,000 μm의 두께(그들 사이의 모든 두께 값들을 포함함)를 갖는 반고체 전극을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드 재료(110)는 다수의 전극 재료 층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110)는 반고체 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110)는 종래의 전극 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110)는 고체 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110)는 흑연을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110)는 반고체 흑연 전극 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 '159 특허에서 설명되는 것들과 동일한 또는 실질적으로 유사한 반고체 전극 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 종래의 캐소드 재료(예컨대, 고체 캐소드)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 감람석계 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(110)는 100% 충전 상태(SOC) 근처에서 평탄한 또는 실질적으로 평탄한 전압 프로파일을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 100% SOC 근처에서 평탄한 또는 실질적으로 평탄한 전압 프로파일을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC) 재료의 상단 상의 평탄한 전압 층의 사용은 NMC 재료의 과전위를 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 약 3% 미만 또는 약 5% 미만의 다공도를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 약 20% 내지 약 25%, 약 25% 내지 약 30%, 약 30% 내지 약 35%, 약 35% 내지 약 40%, 약 40% 내지 약 45%, 약 45% 내지 약 50%, 약 50% 내지 약 55%, 또는 약 55% 내지 약 60%의 다공도를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 NMC 캐소드일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 NMC 반고체 캐소드일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 리튬 망간 철 포스페이트(LMFP) 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 단일 전극 재료 층일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 반고체 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 종래의 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 고체 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(130)는 NMC 811을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 셀룰로오스 재료, 임의의 다른 적합한 중합체 재료, 또는 그들의 조합들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)는 2019년 1월 8일자로 출원된 발명의 명칭이 "Electrochemical Cells Including Selectively Permeable Membranes, Systems and Methods of Manufacturing the Same"인 미국 특허 제10,734,672호("'672 특허")에서 설명되는 것들과 동일한 또는 실질적으로 유사한 이온 투과성 멤브레인 세퍼레이터일 수 있고, 이로써, 그 미국 특허의 개시내용은 그 전체가 참조로 포함된다. 일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)는 종래의 세퍼레이터일 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 캐소드 재료(130) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 애노드 재료(110) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 애노드 재료(110)에 인접한 세퍼레이터(150)의 측(즉, 애노드 측)에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 캐소드 재료(130)에 인접한 세퍼레이터(150)의 측(즉, 캐소드 측)에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 세퍼레이터(150)의 애노드 측과 캐소드 측 둘 모두에 배치될 수 있다. 다시 말하면, 제1 코팅 층은 세퍼레이터(150)의 애노드 측에 배치될 수 있고, 제2 코팅 층은 세퍼레이터(150)의 캐소드 측에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층은 경질 탄소를 포함할 수 있는 한편, 제2 코팅 층은 Al2O3를 포함한다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 경질 탄소, 연질 탄소, 비정질 탄소, 흑연 경질 탄소 혼합물, 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 경질 탄소는 리튬 이온들이 경질 탄소 구조 내로 인터칼레이트될 때 흑연보다 덜 팽창할 수 있다. 일부 실시예들에서, 경질 탄소 구조는 이온들(예컨대, Li+ 이온들)이 경질 탄소 구조의 일부 부분들 내로 인터칼레이트되고(즉, C6-Li 구조) 경질 탄소 구조의 다른 부분들 내로 흡수될 수 있도록(즉, C2-Li 구조) 결정질 및 비정질 부분들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 팽윤 중합체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 계면활성제를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 계면활성제 첨가제가 양호하게 분산된 경질 탄소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 계면활성제는 실리콘계 계면활성제(silicone-based surfactant), 탄화수소계 계면활성제, 리튬 알기네이트, 나트륨 알기네이트, 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 계면활성제 첨가제를 함유하는 용액은 잉크젯을 통해 연속적으로 프린팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 계면활성제 첨가제를 함유하는 용액은 또한 경질 탄소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 계면활성제 첨가제 및 경질 탄소를 함유하는 용액은 잉크젯을 통해 연속적으로 프린팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 잉크젯 프린팅은 잉크젯 헤드가 비교적 짧은 시간 기간(예컨대, 5시간 이하, 4시간 이하, 3시간 이하, 2시간 이하, 1시간 이하 등) 이상 동안 막히게 되지 않도록 생산 라인에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 전해질 용매를 포함할 수 있다.
일부 경우들에서, 코팅 층(160)에서의 경질 탄소 코팅은 세퍼레이터(150)에 약하게 본딩될 수 있고, 그에 따라, 부드러운 탭에 의해 경질 탄소 코팅이 떨어질 수 있다. 일부 경우들에서, 경질 탄소의 작은 입자들이 세퍼레이터(150)에 코팅될 수 있는 반면, 경질 탄소의 큰 입자들은 세퍼레이터(150)로부터 떨어진다. 경질 탄소 코팅을 갖는 코팅 층(160) 내로의 결합제의 혼입은 이 문제를 해결할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 결합제를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 경질 탄소 코팅 및 결합제를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 결합제는 전분, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 디아세틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 에틸렌 글리콜, 폴리아크릴레이트들, 폴리(아크릴산), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리에틸렌 산화물, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 고무들, 에틸렌-프로필렌-디엔 단량체(EPDM), 친수성 결합제들, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 스티렌 부타디엔 공중합체들, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(PEDOT:PSS), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(PVDF-HFP), 말레산 무수물-그레이팅-폴리비닐리덴 플루오라이드(MPVDF), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), SBR과 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스의 혼합물들(SBR+CMC), 폴리아크릴로니트릴, 플루오르화 폴리이미드, 폴리(3-헥실티오펜)-b-폴리(에틸렌 산화물), 폴리(1-피렌메틸 메타크릴레이트)(PPy), 폴리(1-피렌메틸 메타크릴레이트-코-메타크릴산)(PPy-MAA), 폴리(1-피렌메틸 메타크릴레이트-코-트리에틸렌 글리콜 메틸 에테르)(PPyE), 폴리아크릴산 및 이 리튬 염(PAA), 나트륨 폴리아크릴레이트, 플루오르화 폴리아크릴레이트, 폴리이미드(PI), 폴리아미드 이미드(PAI), 폴리에테르 이미드(PEI), 전극 재료들에 대해 충분한 기계적 지지를 제공하도록 구성된 다른 적합한 중합체 재료들, 및 그들의 조합들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)에서의 더 큰 세공들은 덴드라이트 형성을 방지하는 것을 보조할 수 있다. 일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)는 적어도 약 50 nm, 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 μm, 적어도 약 1.1 μm, 적어도 약 1.2 μm, 적어도 약 1.3 μm, 적어도 약 1.4 μm, 적어도 약 1.5 μm, 적어도 약 1.6 μm, 적어도 약 1.7 μm, 적어도 약 1.8 μm, 또는 적어도 약 1.9 μm의 세공 크기들을 갖는 세공들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)는 약 2 μm 이하, 약 1.9 μm 이하, 약 1.8 μm 이하, 약 1.7 μm 이하, 약 1.6 μm 이하, 약 1.5 μm 이하, 약 1.4 μm 이하, 약 1.3 μm 이하, 약 1.2 μm 이하, 약 1.1 μm 이하, 약 1 μm 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 약 200 nm 이하, 또는 약 100 nm 이하의 세공 크기들을 갖는 세공들을 포함할 수 있다. 세퍼레이터(150)에서의 위에서 참조된 세공 크기들의 조합들(예컨대, 적어도 약 50 nm 및 약 2 μm 이하 또는 적어도 약 1 μm 및 약 1.5 μm 이하)이 또한 가능하다. 일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)는 약 50 nm, 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 μm, 약 1.1 μm, 약 1.2 μm, 약 1.3 μm, 약 1.4 μm, 약 1.5 μm, 약 1.6 μm, 약 1.7 μm, 약 1.8 μm, 약 1.9 μm, 또는 약 2 μm의 세공 크기들을 갖는 세공들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 경질 탄소는 열 처리를 통해 흑연으로 변환될 수 없는 탄소의 고체 형태를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 경질 탄소는 차(char)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 경질 탄소는 목탄을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 경질 탄소는 산소가 없는 상태에서 탄소 함유 전구체들을 가열함으로써 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전구체들은 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC), 리그닌, 및/또는 수크로오스를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 체적 기준으로 적어도 약 0.1%, 적어도 약 0.2%, 적어도 약 0.3%, 적어도 약 0.4%, 적어도 약 0.5%, 적어도 약 0.6%, 적어도 약 0.7%, 적어도 약 0.8%, 적어도 약 0.9%, 적어도 약 1%, 적어도 약 2%, 적어도 약 3%, 적어도 약 4%, 적어도 약 5%, 적어도 약 6%, 적어도 약 7%, 적어도 약 8%, 적어도 약 9%, 적어도 약 10%, 적어도 약 20%, 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90%, 적어도 약 91%, 적어도 약 92%, 적어도 약 93%, 적어도 약 94%, 적어도 약 95%, 적어도 약 96%, 적어도 약 97%, 적어도 약 98%, 또는 적어도 약 99%의 경질 탄소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 체적 기준으로 약 100% 이하, 약 99% 이하, 약 98% 이하, 약 97% 이하, 약 96% 이하, 약 95% 이하, 약 94% 이하, 약 93% 이하, 약 92% 이하, 약 91% 이하, 약 90% 이하, 약 80% 이하, 약 70% 이하, 약 60% 이하, 약 50% 이하, 약 40% 이하, 약 30% 이하, 약 20% 이하, 약 10% 이하, 약 9% 이하, 약 8% 이하, 약 7% 이하, 약 6% 이하, 약 5% 이하, 약 4% 이하, 약 3% 이하, 약 2% 이하, 약 1% 이하, 약 0.9% 이하, 약 0.8% 이하, 약 0.7% 이하, 약 0.6% 이하, 약 0.5% 이하, 약 0.4% 이하, 약 0.3% 이하, 또는 약 0.2% 이하의 경질 탄소를 포함할 수 있다.
코팅 층(160)에서의 경질 탄소의 위에서 참조된 체적 퍼센트들의 조합들(예컨대, 적어도 약 0.1% 및 약 99% 이하 또는 적어도 약 40% 및 약 80% 이하)이 또한 가능하다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함). 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 체적 기준으로 약 0.1%, 약 0.2%, 약 0.3%, 약 0.4%, 약 0.5%, 약 0.6%, 약 0.7%, 약 0.8%, 약 0.9%, 약 1%, 약 2%, 약 3%, 약 4%, 약 5%, 약 6%, 약 7%, 약 8%, 약 9%, 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 약 91%, 약 92%, 약 93%, 약 94%, 약 95%, 약 96%, 약 97%, 약 98%, 또는 약 99%의 경질 탄소를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 적어도 약 1%, 적어도 약 2%, 적어도 약 3%, 적어도 약 4%, 적어도 약 5%, 적어도 약 6%, 적어도 약 7%, 적어도 약 8%, 적어도 약 9%, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 적어도 약 25%, 적어도 약 30%, 적어도 약 35%, 적어도 약 40%, 적어도 약 45%, 적어도 약 50%, 적어도 약 55%, 적어도 약 60%, 적어도 약 65%, 적어도 약 70%, 적어도 약 75%, 적어도 약 80%, 적어도 약 85%, 또는 적어도 약 90%만큼 세퍼레이터(150)와 캐소드 재료(130) 사이의 계면에서의 과전위 손실들을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 적어도 약 1%, 적어도 약 2%, 적어도 약 3%, 적어도 약 4%, 적어도 약 5%, 적어도 약 6%, 적어도 약 7%, 적어도 약 8%, 적어도 약 9%, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 적어도 약 25%, 적어도 약 30%, 적어도 약 35%, 적어도 약 40%, 적어도 약 45%, 적어도 약 50%, 적어도 약 55%, 적어도 약 60%, 적어도 약 65%, 적어도 약 70%, 적어도 약 75%, 적어도 약 80%, 적어도 약 85%, 또는 적어도 약 90%만큼 세퍼레이터(150)와 애노드 재료(110) 사이의 계면에서의 과전위 손실들을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)에 코팅 층(160)을 도포하는 것은 경질 탄소를 결합제 및/또는 코팅 용매와 혼합하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 경질 탄소는 코팅 용매들의 건조 후에 세퍼레이터(150)에 양호하게 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 용매들은 전해질 용매들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 결합제는 에틸렌 카보네이트(EC)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 용매들은 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 경질 탄소는 세퍼레이터(160)에 도포하기 전에 EC와 먼저 혼합된 후에 DMC/EMC 혼합물과 혼합될 수 있다. 일부 실시예들에서, EC는 전기화학 셀(100)의 조립 후에 용해될 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 세퍼레이터(150)에 도포될 때 체적 기준으로 적어도 약 0.1%, 적어도 약 0.2%, 적어도 약 0.3%, 적어도 약 0.4%, 적어도 약 0.5%, 적어도 약 0.6%, 적어도 약 0.7%, 적어도 약 0.8%, 적어도 약 0.9%, 적어도 약 1.0%, 적어도 약 1.1%, 적어도 약 1.2%, 적어도 약 1.3%, 적어도 약 1.4%, 적어도 약 1.5%, 적어도 약 1.6%, 적어도 약 1.7%, 적어도 약 1.8%, 또는 적어도 약 1.9%의 결합제를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 세퍼레이터(150)에 도포될 때 체적 기준으로 약 2% 이하, 약 1.9% 이하, 약 1.8% 이하, 약 1.7% 이하, 약 1.6% 이하, 약 1.5% 이하, 약 1.4% 이하, 약 1.3% 이하, 약 1.2% 이하, 약 1.1% 이하, 약 1.0% 이하, 약 0.9% 이하, 약 0.8% 이하, 약 0.7% 이하, 약 0.6% 이하, 약 0.5% 이하, 약 0.4% 이하, 약 0.3% 이하, 약 0.2% 이하, 약 0.1% 이하의 결합제를 포함할 수 있다. 세퍼레이터(150)에 도포될 때의 코팅 층(160)에서의 결합제의 위에서 참조된 체적 퍼센트들의 조합들(예컨대, 적어도 약 0.1% 및 약 2% 이하 또는 적어도 약 0.5% 및 약 1% 이하)이 또한 가능하다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함). 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 세퍼레이터(150)에 도포될 때 체적 기준으로 약 0.1%, 약 0.2%, 약 0.3%, 약 0.4%, 약 0.5%, 약 0.6%, 약 0.7%, 약 0.8%, 약 0.9%, 약 1.0%, 약 1.1%, 약 1.2%, 약 1.3%, 약 1.4%, 약 1.5%, 약 1.6%, 약 1.7%, 약 1.8%, 약 1.9%, 또는 약 2%의 결합제를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 활성 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 NMC를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 리튬 망간 철 포스페이트(LMFP)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 리튬 철 포스페이트(LFP)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 리튬 망간 산화물(LMO)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 망간으로 도핑된 리튬 니켈 이산화물(LNO)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)에 LMFP를 포함시키는 것은 코팅 층(160)에 인접한 NMC 전극의 표면 상의 높은 전압에 대한 통로를 제공할 수 있고, NMC 재료에서의 과전위 손실들을 방지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 전기활성 종의 이동에 대한 물리적 배리어로서 작용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 전기활성 종과 화학적으로 반응할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 전기화학 저장 매체로서 작용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)에 인접한 반고체 전극 재료의 사용은 코팅 층(160)에 인접한 종래의 전극 재료의 사용과 비교하여 감소된 과전위 손실들을 가질 수 있다. 종래의 전극 재료들은 대개 결합제들과 혼합되고, 건조되고, 캘린더링된다. 결합제들은 애노드 재료(110)와 코팅 층(160) 사이의 계면 및/또는 캐소드 재료(130)와 코팅 층(160) 사이의 계면에 모일 수 있다. 이는 애노드 재료(110)와 코팅 층(160) 사이 및/또는 캐소드 재료(130)와 코팅 층(160) 사이의 이온 전달에서 비효율들을 야기할 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 덴드라이트 형성이 방지될 수 있도록 코팅 재료(160)에 인접한 전극보다 더 높은 전압 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, 코팅 층(160)이 애노드 재료(110)에 인접하게 배치되고 애노드 재료(110)가 흑연을 포함하는 경우, 코팅 층(160)은 흑연보다 더 높은 전압 재료를 포함할 수 있다. 코팅 층(160)에 더 높은 전압 재료를 포함시키는 것은 이온들을 코팅 층(160) 쪽으로 끌어당겨서 이온들이 덴드라이트들을 형성하고 잠재적으로 단락 이벤트들을 야기하는 것을 방지할 수 있다. 애노드 재료(110) 및/또는 캐소드 재료(130)에 반고체 전극 재료(예컨대, '159 특허에서 설명되는 반고체 전극 재료들)를 사용하는 것은 애노드 재료(110)와 코팅 층(160) 사이의 계면 또는 캐소드 재료(130)와 코팅 층(160) 사이의 계면에서의 이러한 결합제 재료 축적을 방지할 수 있다. 이러한 감소된 축적은 전기화학 셀(100)에서 과전위 손실들을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)의 애노드 측에 배치될 때, 코팅 층(160)은 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 μm, 적어도 약 2 μm, 적어도 약 3 μm, 적어도 약 4 μm, 적어도 약 5 μm, 적어도 약 6 μm, 적어도 약 7 μm, 적어도 약 8 μm, 적어도 약 9 μm, 적어도 약 10 μm, 적어도 약 11 μm, 적어도 약 12 μm, 적어도 약 13 μm, 적어도 약 14 μm, 적어도 약 15 μm, 적어도 약 16 μm, 적어도 약 17 μm, 적어도 약 18 μm, 또는 적어도 약 19 μm의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)의 애노드 측에 배치될 때, 코팅 층(160)은 약 20 μm 이하, 약 19 μm 이하, 약 18 μm 이하, 약 17 μm 이하, 약 16 μm 이하, 약 15 μm 이하, 약 14 μm 이하, 약 13 μm 이하, 약 12 μm 이하, 약 11 μm 이하, 약 10 μm 이하, 약 9 μm 이하, 약 8 μm 이하, 약 7 μm 이하, 약 6 μm 이하, 약 5 μm 이하, 약 4 μm 이하, 약 3 μm 이하, 약 2 μm 이하, 약 1 μm 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 또는 약 200 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 코팅 층(160)의 위에서 참조된 두께의 조합들(예컨대, 적어도 약 100 nm 및 약 20 μm 이하 또는 적어도 약 1 μm 및 약 5 μm 이하)이 또한 가능하다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함). 일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)의 애노드 측에 배치될 때, 코팅 층(160)은 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 μm, 약 2 μm, 약 3 μm, 약 4 μm, 약 5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 약 10 μm, 약 11 μm, 약 12 μm, 약 13 μm, 약 14 μm, 약 15 μm, 약 16 μm, 약 17 μm, 약 18 μm, 약 19 μm, 또는 약 20 μm의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)의 캐소드 측에 배치될 때, 코팅 층(160)은 적어도 약 10 nm, 적어도 약 20 nm, 적어도 약 30 nm, 적어도 약 40 nm, 적어도 약 50 nm, 적어도 약 60 nm, 적어도 약 70 nm, 적어도 약 80 nm, 적어도 약 90 nm, 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 μm, 적어도 약 1.1 μm, 적어도 약 1.2 μm, 적어도 약 1.3 μm, 적어도 약 1.4 μm, 적어도 약 1.5 μm, 적어도 약 1.6 μm, 적어도 약 1.7 μm, 적어도 약 1.8 μm, 또는 적어도 약 1.9 μm의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)의 캐소드 측에 배치될 때, 코팅 층(160)은 약 2 μm 이하, 약 1.9 μm 이하, 약 1.8 μm 이하, 약 1.7 μm 이하, 약 1.6 μm 이하, 약 1.5 μm 이하, 약 1.4 μm 이하, 약 1.3 μm 이하, 약 1.2 μm 이하, 약 1.1 μm 이하, 약 1 μm 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 약 200 nm 이하, 약 100 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 또는 약 20 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 코팅 층(160)의 위에서 참조된 두께의 조합들(예컨대, 적어도 약 10 nm 및 약 2 μm 이하 또는 적어도 약 200 nm 및 약 1.5 μm 이하)이 또한 가능하다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함). 일부 실시예들에서, 세퍼레이터(150)의 캐소드 측에 배치될 때, 코팅 층(160)은 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm, 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 μm, 약 1.1 μm, 약 1.2 μm, 약 1.3 μm, 약 1.4 μm, 약 1.5 μm, 약 1.6 μm, 약 1.7 μm, 약 1.8 μm, 약 1.9 μm, 또는 약 2 μm의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 적어도 약 1.2 g/cc, 적어도 약 1.3 g/cc, 적어도 약 1.4 g/cc, 적어도 약 1.5 g/cc, 적어도 약 1.6 g/cc, 적어도 약 1.7 g/cc, 적어도 약 1.8 g/cc, 또는 적어도 약 1.9 g/cc의 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 약 2 g/cc 이하, 약 1.9 g/cc 이하, 약 1.8 g/cc 이하, 약 1.7 g/cc 이하, 약 1.6 g/cc 이하, 약 1.5 g/cc 이하, 약 1.4 g/cc 이하, 또는 약 1.3 g/cc 이하의 밀도를 가질 수 있다. 코팅 층(160)의 위에서 참조된 밀도들의 조합들(예컨대, 적어도 약 1.2 g/cc 및 약 2 g/cc 이하 또는 적어도 약 1.3 g/cc 및 약 2 g/cc 이하)이 또한 가능하다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함). 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 약 1.2 g/cc, 약 1.3 g/cc, 약 1.4 g/cc, 약 1.5 g/cc, 약 1.6 g/cc, 약 1.7 g/cc, 약 1.8 g/cc, 약 1.9 g/cc, 또는 약 2 g/cc의 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 적어도 약 10 nm, 적어도 약 20 nm, 적어도 약 30 nm, 적어도 약 40 nm, 적어도 약 50 nm, 적어도 약 60 nm, 적어도 약 70 nm, 적어도 약 80 nm, 적어도 약 90 nm, 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 μm, 적어도 약 2 μm, 적어도 약 3 μm, 적어도 약 4 μm, 적어도 약 5 μm, 적어도 약 6 μm, 적어도 약 7 μm, 적어도 약 8 μm, 적어도 약 9 μm, 적어도 약 10 μm, 적어도 약 11 μm, 적어도 약 12 μm, 적어도 약 13 μm, 적어도 약 14 μm, 적어도 약 15 μm, 적어도 약 16 μm, 적어도 약 17 μm, 적어도 약 18 μm, 또는 적어도 약 19 μm의 평균 입자 크기(즉, D50)를 갖는 입자들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 약 20 μm 이하, 약 19 μm 이하, 약 18 μm 이하, 약 17 μm 이하, 약 16 μm 이하, 약 15 μm 이하, 약 14 μm 이하, 약 13 μm 이하, 약 12 μm 이하, 약 11 μm 이하, 약 10 μm 이하, 약 9 μm 이하, 약 8 μm 이하, 약 7 μm 이하, 약 6 μm 이하, 약 5 μm 이하, 약 4 μm 이하, 약 3 μm 이하, 약 2 μm 이하, 약 1 μm 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 약 200 nm 이하, 약 100 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 또는 약 20 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 입자들을 포함할 수 있다.
위에서 참조된 입자 크기들의 조합들(예컨대, 적어도 약 10 nm 및 약 20 μm 이하 또는 적어도 약 1 μm 및 약 5 μm 이하)이 또한 가능하다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함). 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm, 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 μm, 약 2 μm, 약 3 μm, 약 4 μm, 약 5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 약 10 μm, 약 11 μm, 약 12 μm, 약 13 μm, 약 14 μm, 약 15 μm, 약 16 μm, 약 17 μm, 약 18 μm, 또는 약 19 μm, 또는 약 20 μm의 평균 입자 크기를 갖는 입자들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 적어도 약 20 vol%, 적어도 약 25 vol%, 적어도 약 30 vol%, 적어도 약 35 vol%, 적어도 약 40 vol%, 적어도 약 45 vol%, 적어도 약 50 vol%, 적어도 약 55 vol%, 적어도 약 60 vol%, 적어도 약 65 vol%, 적어도 약 70 vol%, 적어도 약 75 vol%, 적어도 약 80 vol%, 또는 적어도 약 85 vol%의 입자 로딩 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 약 90 vol% 이하, 약 85 vol% 이하, 약 80 vol% 이하, 약 75 vol% 이하, 약 70 vol% 이하, 약 65 vol% 이하, 약 60 vol% 이하, 약 55 vol% 이하, 약 50 vol% 이하, 약 45 vol% 이하, 약 40 vol% 이하, 약 35 vol% 이하, 약 30 vol% 이하, 또는 약 25 vol% 이하의 입자 로딩 밀도를 가질 수 있다. 위에서 참조된 입자 로딩 밀도들의 조합들(예컨대, 적어도 약 20 vol% 및 약 90 vol% 이하 또는 적어도 약 30 vol% 및 약 60 vol% 이하)이 또한 가능하다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함). 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 약 20 vol%, 약 25 vol%, 약 30 vol%, 약 35 vol%, 약 40 vol%, 약 45 vol%, 약 50 vol%, 약 55 vol%, 약 60 vol%, 약 65 vol%, 약 70 vol%, 약 75 vol%, 약 80 vol%, 약 85 vol%, 또는 약 90 vol%의 입자 로딩 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 기상 증착 프로세스, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 원자 층 증착, 유기 금속 화학 기상 증착, 질소 플라즈마 보조 증착, 스퍼터 증착, 반응성 스퍼터 증착, 스퍼터링, 용융 퀀칭, 기계적 밀링, 스프레잉, 저온 스프레이 프로세스, 플라즈마 증착 프로세스, 전기화학 증착, 졸 겔 프로세스, 또는 그들의 임의의 조합을 통해 세퍼레이터(150)에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 액체 코팅 프로세스, 고온/저온 프레스 프로세스를 이용하거나 또는 이용하지 않는 압출 프로세스를 통해 세퍼레이터(150)에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 캐스팅, 캘린더링, 드롭 코팅, 프레싱, 롤 프레싱, 테이프 캐스팅, 또는 그들의 임의의 조합을 통해 세퍼레이터에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(160)은 '351 공개 및/또는 '672 특허에서 설명되는 방법들 중 임의의 것을 통해 세퍼레이터(150)에 도포될 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 전기화학 셀(200)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(200)은 애노드 집전체(220) 상에 배치된 애노드 재료(210), 캐소드 집전체(240) 상에 배치된 캐소드 재료(230), 및 애노드 재료(210)와 캐소드 재료(230) 사이에 배치된 세퍼레이터(250)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 코팅 층(260)이 캐소드 재료(230)와 세퍼레이터(250) 사이에 배치된다.
일부 실시예들에서, 애노드 재료(210), 애노드 집전체(220), 캐소드 재료(230), 캐소드 집전체(240), 세퍼레이터(250), 및 코팅 층(260)은 애노드(110), 애노드 집전체(120), 캐소드 재료(130), 캐소드 집전체(140), 세퍼레이터(150), 및 코팅 층(160)과 동일하거나 또는 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드 재료(210), 애노드 집전체(220), 캐소드 재료(230), 캐소드 집전체(240), 세퍼레이터(250), 및 코팅 층(260)의 특정 양태들은 여기서 더 상세히 설명되지 않는다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(260)은 캐소드 재료(230)에서의 덴드라이트들의 형성 및/또는 성장을 억제하는 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(260)은 경질 탄소, 연질 탄소, 비정질 탄소, 흑연 경질 탄소 혼합물, 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(260)은 반고체 캐소드 상의 덴드라이트들의 형성 및/또는 성장을 억제하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(260)은 세퍼레이터(250) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(260)은 애노드 재료(230) 상에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드 재료(230)는 제1 두께를 가질 수 있고, 코팅 층(260)은 제2 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(230) 대 코팅 층(260)의 두께의 비율은 적어도 약 1:1, 적어도 약 2:1, 적어도 약 3:1, 적어도 약 4:1, 적어도 약 5:1, 적어도 약 6:1, 적어도 약 7:1, 적어도 약 8:1, 적어도 약 9:1, 적어도 약 10:1, 적어도 약 20:1, 적어도 약 30:1, 적어도 약 40:1, 적어도 약 50:1, 적어도 약 60:1, 적어도 약 70:1, 적어도 약 80:1, 적어도 약 90:1, 적어도 약 100:1, 적어도 약 200:1, 적어도 약 300:1, 적어도 약 400:1, 적어도 약 500:1, 적어도 약 600:1, 적어도 약 700:1, 적어도 약 800:1, 또는 적어도 약 900:1일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(230) 대 코팅 층(260)의 두께의 비율은 약 1,000:1 이하, 약 900:1 이하, 약 800:1 이하, 약 700:1 이하, 약 600:1 이하, 약 500:1 이하, 약 400:1 이하, 약 300:1 이하, 약 200:1 이하, 약 100:1 이하, 약 90:1 이하, 약 80:1 이하, 약 70:1 이하, 약 60:1 이하, 약 50:1 이하, 약 40:1 이하, 약 30:1 이하, 약 20:1 이하, 약 10:1 이하, 약 9:1 이하, 약 8:1 이하, 약 7:1 이하, 약 6:1 이하, 약 5:1 이하, 약 4:1 이하, 약 3:1 이하, 또는 약 2:1 이하일 수 있다.
위에서 참조된 캐소드 재료(230) 대 코팅 층(260)의 두께의 비율들의 조합들(예컨대, 적어도 약 1:1 및 약 1,000:1 이하 또는 적어도 약 10:1 및 약 100:1 이하)이 또한 가능하다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함). 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(230) 대 코팅 층(260)의 두께의 비율은 약 1:1, 약 2:1, 약 3:1, 약 4:1, 약 5:1, 약 6:1, 약 7:1, 약 8:1, 약 9:1, 약 10:1, 약 20:1, 약 30:1, 약 40:1, 약 50:1, 약 60:1, 약 70:1, 약 80:1, 약 90:1, 약 100:1, 약 200:1, 약 300:1, 약 400:1, 약 500:1, 약 600:1, 약 700:1, 약 800:1, 약 900:1, 또는 약 1,000:1일 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 전기화학 셀(300)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(300)은 애노드 집전체(320) 상에 배치된 애노드 재료(310), 캐소드 집전체(340) 상에 배치된 캐소드 재료(330), 및 애노드 재료(310)와 캐소드 재료(330) 사이에 배치된 세퍼레이터(350)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 코팅 층(360)이 애노드 재료(310)와 세퍼레이터(350) 사이에 배치된다.
일부 실시예들에서, 애노드 재료(310), 애노드 집전체(320), 캐소드 재료(330), 캐소드 집전체(340), 세퍼레이터(350), 및 코팅 층(360)은 애노드(110), 애노드 집전체(120), 캐소드 재료(130), 캐소드 집전체(140), 세퍼레이터(150), 및 코팅 층(160)과 동일하거나 또는 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드 재료(310), 애노드 집전체(320), 캐소드 재료(330), 캐소드 집전체(340), 세퍼레이터(350), 및 코팅 층(360)의 특정 양태들은 여기서 더 상세히 설명되지 않는다.
일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 애노드 재료(310)에서의 덴드라이트들의 형성 및/또는 성장을 억제하는 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 Al2O3를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 베마이트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 경질 탄소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 반고체 애노드 상의 덴드라이트들의 형성 및/또는 성장을 억제하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 세퍼레이터(350) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 애노드 재료(310) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 합금 애노드 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 실리콘, 인듐, 주석, 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 탄소 페이퍼(carbon paper)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(360)은 리튬이 성장하기 위한 버퍼 영역으로서 전해질과 혼합된 전도성 탄소(예컨대, 전해질과 혼합된 케첸(Ketjen) 탄소)를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 코팅 층(360)은 리튬 호스트로서 작용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드 재료(310)는 제1 두께를 가질 수 있고, 코팅 층(360)은 제2 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(310) 대 코팅 층(360)의 두께의 비율은 적어도 약 1:1, 적어도 약 2:1, 적어도 약 3:1, 적어도 약 4:1, 적어도 약 5:1, 적어도 약 6:1, 적어도 약 7:1, 적어도 약 8:1, 적어도 약 9:1, 적어도 약 10:1, 적어도 약 20:1, 적어도 약 30:1, 적어도 약 40:1, 적어도 약 50:1, 적어도 약 60:1, 적어도 약 70:1, 적어도 약 80:1, 적어도 약 90:1, 적어도 약 100:1, 적어도 약 200:1, 적어도 약 300:1, 적어도 약 400:1, 적어도 약 500:1, 적어도 약 600:1, 적어도 약 700:1, 적어도 약 800:1, 또는 적어도 약 900:1일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(310) 대 코팅 층(360)의 두께의 비율은 약 1,000:1 이하, 약 900:1 이하, 약 800:1 이하, 약 700:1 이하, 약 600:1 이하, 약 500:1 이하, 약 400:1 이하, 약 300:1 이하, 약 200:1 이하, 약 100:1 이하, 약 90:1 이하, 약 80:1 이하, 약 70:1 이하, 약 60:1 이하, 약 50:1 이하, 약 40:1 이하, 약 30:1 이하, 약 20:1 이하, 약 10:1 이하, 약 9:1 이하, 약 8:1 이하, 약 7:1 이하, 약 6:1 이하, 약 5:1 이하, 약 4:1 이하, 약 3:1 이하, 또는 약 2:1 이하일 수 있다.
위에서 참조된 애노드 재료(310) 대 코팅 층(360)의 두께의 비율들의 조합들(예컨대, 적어도 약 1:1 및 약 1,000:1 이하 또는 적어도 약 10:1 및 약 100:1 이하)이 또한 가능하다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함). 일부 실시예들에서, 애노드 재료(310) 대 코팅 층(360)의 두께의 비율은 약 1:1, 약 2:1, 약 3:1, 약 4:1, 약 5:1, 약 6:1, 약 7:1, 약 8:1, 약 9:1, 약 10:1, 약 20:1, 약 30:1, 약 40:1, 약 50:1, 약 60:1, 약 70:1, 약 80:1, 약 90:1, 약 100:1, 약 200:1, 약 300:1, 약 400:1, 약 500:1, 약 600:1, 약 700:1, 약 800:1, 약 900:1, 또는 약 1,000:1일 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 전기화학 셀(400)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(400)은 애노드 집전체(420) 상에 배치된 애노드 재료(410), 캐소드 집전체(440) 상에 배치된 캐소드 재료(430), 및 애노드 재료(410)와 캐소드 재료(430) 사이에 배치된 세퍼레이터(450)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1 코팅 층(460a)이 캐소드 재료(430)와 세퍼레이터(450) 사이에 배치되는 한편, 제2 코팅 층(460b)이 애노드 재료(410)와 세퍼레이터(450) 사이에 배치된다.
일부 실시예들에서, 애노드 재료(410), 애노드 집전체(420), 캐소드 재료(430), 캐소드 집전체(440), 및 세퍼레이터(450)는 도 1을 참조하여 위에서 설명된 바와 같은 애노드 재료(110), 애노드 집전체(120), 캐소드 재료(130), 캐소드 집전체(140), 및 세퍼레이터(150)와 동일한 또는 실질적으로 유사한 특성들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a)은 도 2를 참조하여 위에서 설명된 바와 같은 코팅 층(260)과 동일한 또는 실질적으로 유사한 특성들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 코팅 층(460b)은 도 3을 참조하여 위에서 설명된 바와 같은 코팅 층(360)과 동일한 또는 실질적으로 유사한 특성들을 가질 수 있다. 따라서, 애노드 재료(410), 애노드 집전체(420), 캐소드 재료(430), 캐소드 집전체(440), 세퍼레이터(450), 제1 코팅 층(460a), 및 제2 코팅 층(460b)의 특정 양태들은 여기서 더 상세히 설명되지 않는다.
전기화학 셀(400)의 애노드 측의 제1 코팅 층(460a) 및 전기화학 셀(400)의 캐소드 측의 제2 코팅 층(460b)의 포함은 애노드 재료(410)와 캐소드 재료(430) 둘 모두 상의 덴드라이트 형성 및 성장을 방지하는 것을 보조할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a) 및 제2 코팅 층(460b)의 재료들은 전기화학 셀(400)의 화학과의 그들의 양립성에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a)은 제2 코팅 층(460b)과 동일한 또는 실질적으로 유사한 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a)은 제1 재료로 구성될 수 있고, 제2 코팅 층(460b)은 제2 재료로 구성될 수 있고, 제2 재료는 제1 재료와 상이하다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a)은 경질 탄소를 포함할 수 있고, 제2 코팅 층(460b)은 Al2O3를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a) 및 제2 코팅 층(460b)은 동일한 또는 실질적으로 유사한 두께들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a)은 제1 두께를 가질 수 있고, 제2 코팅 층(460b)은 제2 두께를 가질 수 있고, 제2 두께는 제1 두께와 상이하다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a)은 제2 코팅 층(460b)보다 더 두꺼울 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 코팅 층(460b)은 제1 코팅 층(460a)보다 더 두꺼울 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a)의 두께 대 제2 코팅 층(460b)의 두께의 비율은 적어도 약 1:50, 적어도 약 1:40, 적어도 약 1:30, 적어도 약 1:20, 적어도 약 1:10, 적어도 약 1:5, 적어도 약 1:4, 적어도 약 1:3, 적어도 약 1:2, 적어도 약 1:1.9, 적어도 약 1:1.8, 적어도 약 1:1.7, 적어도 약 1:1.6, 적어도 약 1:1.5, 적어도 약 1:1.4, 적어도 약 1:1.3, 적어도 약 1:1.2, 적어도 약 1:1.1, 적어도 약 1:1, 적어도 약 1.1:1, 적어도 약 1.2:1, 적어도 약 1.3:1, 적어도 약 1.4:1, 적어도 약 1.5:1, 적어도 약 1.6:1, 적어도 약 1.7:1, 적어도 약 1.8:1, 적어도 약 1.9:1, 적어도 약 2:1, 적어도 약 3:1, 적어도 약 4:1, 적어도 약 5:1, 적어도 약 6:1, 적어도 약 7:1, 적어도 약 8:1, 적어도 약 9:1, 적어도 약 10:1, 적어도 약 20:1, 적어도 약 30:1, 적어도 약 40:1, 적어도 약 50:1, 적어도 약 60:1, 적어도 약 70:1, 적어도 약 80:1, 또는 적어도 약 90:1일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a)의 두께 대 제2 코팅 층(460b)의 두께의 비율은 약 100:1 이하, 약 90:1 이하, 약 80:1 이하, 약 70:1 이하, 약 60:1 이하, 약 50:1 이하, 약 40:1 이하, 약 30:1 이하, 약 20:1 이하, 약 10:1 이하, 약 9:1 이하, 약 8:1 이하, 약 7:1 이하, 약 6:1 이하, 약 5:1 이하, 약 4:1 이하, 약 3:1 이하, 약 2:1 이하, 약 1.9:1 이하, 약 1.8:1 이하, 약 1.7:1 이하, 약 1.6:1 이하, 약 1.5:1 이하, 약 1.4:1 이하, 약 1.3:1 이하, 약 1.2:1 이하, 약 1.1:1 이하, 약 1:1 이하, 약 1:1.1 이하, 약 1:1.2 이하, 약 1:1.3 이하, 약 1:1.4 이하, 약 1:1.5 이하, 약 1:1.6 이하, 약 1:1.7 이하, 약 1:1.8 이하, 약 1:1.9 이하, 약 1:2 이하, 약 1:3 이하, 약 1:4 이하, 약 1:5 이하, 약 1:6 이하, 약 1:7 이하, 약 1:8 이하, 약 1:9 이하, 약 1:10 이하, 약 1:20 이하, 약 1:30 이하, 또는 약 1:40 이하일 수 있다.
위에서 참조된 제1 코팅 층(460a)의 두께 대 제2 코팅 층(460b)의 두께의 비율들의 조합들(예컨대, 적어도 약 1:50 및 약 100:1 이하 또는 적어도 약 1:1 및 약 10:1 이하)이 또한 가능하다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함). 일부 실시예들에서, 제1 코팅 층(460a)의 두께 대 제2 코팅 층(460b)의 두께의 비율은 약 1:50, 약 1:40, 약 1:30, 약 1:20, 약 1:10, 약 1:5, 약 1:4, 약 1:3, 약 1:2, 약 1:1.9, 약 1:1.8, 약 1:1.7, 약 1:1.6, 약 1:1.5, 약 1:1.4, 약 1:1.3, 약 1:1.2, 약 1:1.1, 약 1:1, 약 1.1:1, 약 1.2:1, 약 1.3:1, 약 1.4:1, 약 1.5:1, 약 1.6:1, 약 1.7:1, 약 1.8:1, 약 1.9:1, 약 2:1, 약 3:1, 약 4:1, 약 5:1, 약 6:1, 약 7:1, 약 8:1, 약 9:1, 약 10:1, 약 20:1, 약 30:1, 약 40:1, 약 50:1, 약 60:1, 약 70:1, 약 80:1, 약 90:1, 또는 약 100:1일 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른 전기화학 셀(500)의 개략도들이다. 도 5a는 전기화학 셀(500)의 단면도를 포함하는 한편, 도 5b는 전기화학 셀(500)의 상면도를 포함한다. 전기화학 셀(500)은 애노드 집전체(520) 상에 배치된 애노드 재료(510), 캐소드 집전체(540) 상에 배치된 캐소드 재료(530), 및 애노드 재료(510)와 캐소드 재료(530) 사이에 배치된 세퍼레이터(550)를 포함한다. 코팅 층(560)이 캐소드 재료(530)와 세퍼레이터(550) 사이에 배치된다. 애노드 재료(510), 애노드 집전체(520), 캐소드 재료(530), 캐소드 집전체(540), 세퍼레이터(550), 및 코팅 층(560)은 파우치(570)에 배치된다. 애노드 집전체(520)는 애노드 탭(525)을 포함한다. 캐소드 집전체(540)는 캐소드 탭(545)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 애노드 재료(510), 애노드 집전체(520), 캐소드 재료(530), 캐소드 집전체(540), 세퍼레이터(550), 및 코팅 층(560)은 애노드(110), 애노드 집전체(120), 캐소드(130), 캐소드 집전체(140), 세퍼레이터(150), 및 코팅 층(160)과 동일하거나 또는 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드 재료(510), 애노드 집전체(520), 캐소드 재료(530), 캐소드 집전체(540), 세퍼레이터(550), 및 코팅 층(560)의 특정 양태들은 여기서 더 상세히 설명되지 않는다.
일부 실시예들에서, 세퍼레이터(550)는 애노드 재료(510) 및 캐소드 재료(530)의 에지들을 넘어서 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(560)은 애노드 재료(510) 및 캐소드 재료(530)의 에지들을 넘어서 연장되는 세퍼레이터(550)의 부분들 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(510) 및 캐소드 재료(530)를 넘어서 연장되는 세퍼레이터(550)의 부분들은 파우치(570)의 부분들에 대해 밀봉될 수 있다. 파우치(570)의 부분들에 대해 세퍼레이터(550)의 부분들을 밀봉하는 것은 코팅 층(560)이 캐소드 재료(530) 또는 인접한 전기화학 셀들로부터의 캐소드들과 접촉하는 것을 방지하는 것을 도울 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층(560)이 세퍼레이터(550)의 캐소드 측에 배치되는 경우, 파우치(570)의 부분들에 대해 세퍼레이터(550)의 부분들을 밀봉하는 것은 코팅 층(560)이 애노드 재료(510) 또는 인접한 전기화학 셀들로부터의 애노드들과 접촉하는 것을 방지하는 것을 도울 수 있다. 이러한 격리 및 접촉 방지는 단락 이벤트들을 방지하는 것을 보조할 수 있다. 격리 및 접촉 방지는 전기화학 셀이 말려서 캔에 배치될 때 특히 유용할 수 있는데, 그 이유는 코팅 층(560)과 캔의 벽들 사이의 접촉이 단락 이벤트를 초래할 수 있기 때문이다. 세퍼레이터의 에지들이 파우치에 대해 밀봉된 전기화학 셀들의 추가의 예들은 발명의 명칭이 "Electrochemical Cells and Methods of Manufacturing the Same"인 미국 특허 제9,178,200호('200 특허)에서 추가로 설명되고, 이로써, 그 미국 특허의 개시내용은 그 전체가 참조로 포함된다. 파우치들에 배치된 단일 전기화학 셀들의 추가의 예들은 발명의 명칭이 "Single Pouch Battery Cells and Methods of Manufacture"인 미국 특허 제10,181,587호('587 특허)에서 추가로 설명되고, 이로써, 그 미국 특허의 개시내용은 그 전체가 참조로 포함된다.
코팅 층(560)과 다른 전기화학 셀들로부터의 전기활성 재료 사이의 접촉을 추가로 제한 또는 방지하기 위해, 애노드 탭(525)과 파우치(570) 사이에 절연체(526)가 도시된다. 절연체(526)는 전기활성 종과의 접촉으로부터 코팅 층(560)을 추가로 격리하여 단락 이벤트들을 추가로 방지한다. 일부 실시예들에서, 절연체(526)는 애노드 탭(525)의 둘레 주위에 배치되어, 애노드 탭(525)과 파우치(570) 사이의 밀봉을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연체(526)는 접착제, 밀봉재, 열 밀봉재, 또는 임의의 다른 적합한 절연 수단을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 탭(545)과 파우치(570) 사이에 절연체가 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 절연체가 애노드 탭(525)과 파우치(570) 사이에 있을 수 있고, 제2 절연체가 캐소드 탭(545)과 파우치(570) 사이에 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드 재료(510)는 반고체 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(510)는 종래의 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(510)는 고체 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(510)는 흑연 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 재료(510)는 반고체 흑연 전극 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드 재료(530)는 반고체 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(530)는 종래의 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(530)는 고체 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 재료(530)는 NMC 811을 포함할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른, 코팅 층을 갖는 전극을 형성하는 방법(10)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 방법(10)은, 단계(11)에서, 집전체 상에 전극 재료를 배치하는 단계를 포함한다. 방법(10)은, 단계(12)에서, 코팅 혼합물을 준비하는 단계를 임의로 포함한다. 방법(10)은, 단계(13)에서, 세퍼레이터 및/또는 전극 재료에 코팅을 도포하는 단계를 더 포함한다. 방법(10)은, 단계(14)에서, 코팅 층을 형성하기 위해 코팅 혼합물을 건조하는 단계를 임의로 포함한다. 이어서, 방법(10)은, 단계(15)에서, 전극을 형성하기 위해 전극 재료 상에 세퍼레이터를 배치하는 단계를 포함한다.
단계(11)에서, 전극 재료는 집전체 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 전극 재료는 애노드 재료일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 재료는 캐소드 재료일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 재료는 반고체 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 재료는 종래의 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 재료는 고체 전극 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 재료는 집전체 상으로 압출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 재료는 2019년 7월 9일자로 출원된 발명의 명칭이 "Continuous and Semi-Continuous Methods of Semi-Solid Electrode and Battery Manufacturing"인 미국 특허 공개 제2020/0014025호("'025 공개")에서 설명되는 방법들 중 임의의 것을 사용하여 배치될 수 있고, 이로써, 그 미국 특허 공개의 개시내용은 그 전체가 참고로 포함된다.
임의적인 단계(12)는 코팅 혼합물을 제조하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 단계(12)는 코팅 재료(예컨대, 도 1을 참조하여 위에서 설명된 바와 같은 코팅 재료(160)에서의 재료들 중 임의의 것)를 용매와 혼합하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 용매는 전해질 용매를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), γ-부티로락톤(GBL), 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 용매의 포함은 결과적인 전극 또는 전기화학 셀의 열 안정성을 개선할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층에서의 전해질 용매의 포함은 세퍼레이터 및/또는 인접 전극에 대한 코팅 층의 습윤을 촉진하여 내부 셀 저항을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층에서의 전해질 용매의 포함은 전해질 염(예컨대, LiPF6)을 통한 전극들의 부식 및 전해질 염 축적을 방지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 층에서의 전해질 용매의 포함은 (예컨대, 전해질 증발로부터의) 코팅 층 아래의 전극의 건조를 방지할 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 혼합물은 결합제를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 결합제는 전분, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 디아세틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 에틸렌 글리콜, 폴리아크릴레이트들, 폴리(아크릴산), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리에틸렌 산화물, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 고무들, 에틸렌-프로필렌-디엔 단량체(EPDM), 친수성 결합제들, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 스티렌 부타디엔 공중합체들, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(PEDOT:PSS), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(PVDF-HFP), 말레산 무수물-그레이팅-폴리비닐리덴 플루오라이드(MPVDF), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), SBR과 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스의 혼합물들(SBR+CMC), 폴리아크릴로니트릴, 플루오르화 폴리이미드, 폴리(3-헥실티오펜)-b-폴리(에틸렌 산화물), 폴리(1-피렌메틸 메타크릴레이트)(PPy), 폴리(1-피렌메틸 메타크릴레이트-코-메타크릴산)(PPy-MAA), 폴리(1-피렌메틸 메타크릴레이트-코-트리에틸렌 글리콜 메틸 에테르)(PPyE), 폴리아크릴산 및 이 리튬 염(PAA), 나트륨 폴리아크릴레이트, 플루오르화 폴리아크릴레이트, 폴리이미드(PI), 폴리아미드 이미드(PAI), 폴리에테르 이미드(PEI), 및/또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 결합제는 결합제 용매에 용해될 수 있다. 일부 실시예들에서, 결합제 용매는 DMC, EMC, 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 재료는 전해질 용매 및 결합제 용매를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 혼합물의 준비는 혼합 프로세스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 혼합 프로세스는 고전단 혼합 프로세스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 혼합 프로세스는 트윈 스크루 압출(twin-screw extrusion)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 혼합 프로세스는 배치 혼합(batch mixing)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 혼합 프로세스는 유성 혼합(planetary mixing), 원심 유성 혼합, 시그마 혼합, 및/또는 롤러 혼합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 혼합물의 준비는 연속 잉크젯 프린팅을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 계면활성제 첨가제를 갖는 용액은 (예컨대, 생산 라인 상에서) 잉크젯을 통해 연속적으로 프린팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 생산 라인 상의 잉크젯의 구현은 비교적 짧은 시간 기간(예컨대, 5시간 이하, 4시간 이하, 3시간 이하, 2시간 이하, 1시간 이하 등) 이상 동안 잉크젯이 막히는 것을 방지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 계면활성제 첨가제를 갖는 용액은 코팅 혼합물을 형성하기 위해 경질 탄소와 혼합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 계면활성제 첨가제를 갖는 용액은 프린팅 전에 경질 탄소와 혼합될 수 있다. 다시 말하면, 계면활성제 첨가제 및 경질 탄소를 포함하는 혼합물이 안정화되어 잉크젯 용액으로서 잉크젯 내로 피드될 수 있다. 잉크젯으로부터, 잉크젯 용액이 세퍼레이터 및/또는 전극 재료 상에 직접 프린팅될 수 있다. 계면활성제는 코팅의 습윤 능력들을 촉진할 수 있다. 계면활성제는 또한, 코팅의 가연성을 감소시킬 수 있다. 계면활성제는 또한, 세퍼레이터 및/또는 전극 재료 상으로의 코팅 혼합물의 접착을 촉진할 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅 혼합물은 EC, PC, 계면활성제, 및 경질 탄소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 혼합물은 체적 기준으로 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 또는 약 40%의 경질 탄소를 포함할 수 있다(그들 사이의 모든 값들 및 범위들을 포함함).
단계(13)는 세퍼레이터 및/또는 전극 재료에 코팅을 도포하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 코팅은 세퍼레이터에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 캐소드 재료에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 애노드 재료에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 (예컨대, 단계(12)에서 준비된 바와 같은) 코팅 혼합물일 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 단일 재료(예컨대, 경질 탄소, 비정질 탄소, 연질 탄소)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 세퍼레이터에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 전극 재료에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 세퍼레이터와 전극 재료 둘 모두에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 혼합물을 도포하는 것은 기상 증착 프로세스, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 원자 층 증착, 유기 금속 화학 기상 증착, 질소 플라즈마 보조 증착, 스퍼터 증착, 반응성 스퍼터 증착, 스퍼터링, 용융 퀀칭, 기계적 밀링, 스프레잉, 저온 스프레이 프로세스, 플라즈마 증착 프로세스, 전기화학 증착, 졸 겔 프로세스, 캐스팅, 캘린더링, 드롭 코팅, 프레싱, 롤 프레싱, 테이프 캐스팅, 액체 코팅 프로세스, 고온/저온 프레스 프로세스를 이용하거나 또는 이용하지 않는 압출 프로세스, 또는 그들의 임의의 조합을 통해 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅이 세퍼레이터 및/또는 전극 재료에 도포된 후에, 전해질 용매(예컨대, 단계(12)를 참조하여 위에서 설명된 전해질 용매들)가 코팅에 추가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 용매는 코팅 상에 스프레잉될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 잉크젯 프린터로부터 도포 또는 프린팅될 수 있다.
임의적인 단계(14)는 코팅 층을 형성하기 위해 코팅 혼합물을 건조하는 것을 포함한다. 단계(13)에서 세퍼레이터 및/또는 전극 재료에 도포된 코팅이 액체들(예컨대, 액체 전해질들)을 포함하는 경우, 단계(14)에서, 코팅은 건조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단계(14)에서의 건조는 열 건조 프로세스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 건조는 코팅으로부터 액체를 끌어당기기 위해 흡수 및/또는 흡착 프로세스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 건조는 진공 건조를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 건조는 코팅에서 화학적 변화를 유발할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 건조 프로세스 동안 경화될 수 있다.
단계(15)는 전극을 형성하기 위해 전극 재료 상에 세퍼레이터를 배치하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 세퍼레이터는 그 세퍼레이터 상에 배치된 코팅 층을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 재료는 그 전극 재료 상에 배치된 코팅 층을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극은 제1 전극일 수 있고, 제2 전극이 제1 전극 상에 배치되어 전기화학 셀를 형성할 수 있다.
예들
도 7은 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 초기 용량 손실의 그래프 표현이다. 이 경우에서 평가되는 셀들은 NMC 811을 갖는 캐소드 및 반고체 흑연 애노드를 포함한다. 코팅을 갖지 않는 종래의 세퍼레이터들을 갖는 베이스라인 경우들과 비교하여, 애노드 측에서 경질 탄소의 두꺼운 코팅(즉, 약 10 μm) 및 얇은 코팅(즉, 5 μm 미만)으로 스프레이 코팅된 폴리에틸렌 세퍼레이터들을 포함하는 셀들은 두께에 따라 약 0.5% 내지 약 0.7%의 초기 용량 손실의 증가를 갖는다. 이는 고체 전해질 계면(SEI) 층이 형성되는 영역의 더 큰 체적 및 표면적으로 인한 것이다. 애노드의 사전 리튬화는 이러한 초기 용량 손실을 잠재적으로 감소 또는 완화할 수 있다.
도 8은 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 용량 유지 대 사이클 수의 그래프 표현이다. 도 7과 유사하게, 도 8은 NMC 811 캐소드, 반고체 흑연 애노드, 및 애노드 측에서 경질 탄소의 얇은 코팅(즉, 5 μm 미만) 및 두꺼운 코팅(즉, 약 10 μm)으로 코팅된 폴리에틸렌 세퍼레이터들을 갖는 전기화학 셀들과 비교되는 NMC 811 캐소드, 반고체 흑연 애노드, 및 종래의 폴리에틸렌 세퍼레이터를 갖는 전기화학 셀을 포함한다. 상단 플롯은 용량의 빠른 감퇴 전에 처음 몇몇 사이클들 동안 용량이 초기에 감소된 후에 회복되는 베이스라인 경우를 도시한다. 경질 탄소 코팅을 갖는 폴리에틸렌 세퍼레이터들은 초기의 약간의 용량 손실 후에 회복되어 26개의 사이클에 걸쳐 약 98% 내지 99% 용량을 유지한다. 하단 플롯은 베이스라인 경우의 쿨롱 효율의 초기 감소 및 대략 12번째 사이클에서의 회복을 도시한다. 하단 플롯은 또한, 세퍼레이터 상의 경질 탄소 코팅을 갖는 셀들이 전체에 걸쳐 높은 쿨롱 효율을 유지하는 것을 도시한다.
도 9는 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래프 표현이다. 각각의 셀은 NMC811 캐소드, Li 금속 애노드, 및 폴리에틸렌 세퍼레이터를 포함한다. 베이스라인 경우는 세퍼레이터 상에 코팅을 포함하지 않는 한편, 다른 경우들은 세퍼레이터 상에 스프레잉 또는 테이프 캐스팅된 경질 탄소를 포함한다. 더 이른 사이클들 동안, C-레이트는 낮고, C-레이트는 18개의 사이클에 걸쳐 증가된다. 경질 탄소로 스프레잉된 세퍼레이터들을 갖는 셀들은 1C에서 약 99% 쿨롱 효율을 갖는 한편, 베이스라인 경우는 약 75%의 쿨롱 효율로 감소되었다. 스프레잉된 경질 탄소 경우들은 4C에서 3개의 사이클 후에 생존한 한편, 베이스라인 경우는 4C에서 1번째 사이클에서 실패했다.
도 10은 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래프 표현이다. 각각의 셀은 NMC811 캐소드, 흑연 애노드, 및 폴리에틸렌 세퍼레이터를 포함한다. 베이스라인 셀은 세퍼레이터 상에 코팅을 포함하지 않는 한편, 다른 셀들은 애노드 측에서 경질 탄소의 얇은 코팅(즉, < 5 μm) 및 경질 탄소의 두꺼운 코팅(즉, 약 10 μm)으로 스프레잉된 세퍼레이터들을 포함한다. 1.4C 충전 레이트에서, 베이스라인 경우의 쿨롱 효율은 약 90%로 떨어진 후에 회복되는 한편, 경질 탄소 코팅된 경우들은 약 99.5% 내지 99.9%로 안정적이다. 베이스라인 경우 용량은 경질 탄소 코팅을 갖는 셀들의 용량들보다 더 빠르게 감퇴된다.
도 11a 및 도 11b는 상이한 전기화학 셀들에서의 용량 유지 대 사이클 수의 그래프 표현들이다. 도 11a의 상단 플롯은 사이클당 절대 용량을 도시하는 한편, 플롯 11b의 상단 플롯은 1번째 사이클에 대한 용량 유지 퍼센트를 도시한다. 도 11a 및 도 11b는 NMC 811 캐소드, 반고체 흑연 애노드, 및 애노드 측에서 경질 탄소의 얇은 코팅(즉, 5 μm 미만) 및 두꺼운 코팅(즉, 약 10 μm)으로 코팅된 폴리에틸렌 세퍼레이터들을 갖는 전기화학 셀들과 비교되는 NMC 811 캐소드, 반고체 흑연 애노드, 및 종래의 폴리에틸렌 세퍼레이터를 갖는 전기화학 셀을 포함한다. 베이스라인 경우는 그의 초기 용량의 약 85%로 감퇴되기 전에, 처음 몇몇 사이클들 동안 용량이 초기에 감소된 후에 약간 회복된다. 경질 탄소 코팅을 갖는 폴리에틸렌 세퍼레이터들은 80개의 사이클 동안 그들의 초기 용량의 약 98% 내지 99%를 유지한다. 도 11a 및 도 11b 둘 모두에서의 하단 플롯은 베이스라인 경우의 쿨롱 효율의 초기 감소 및 대략 12번째 사이클에서의 회복을 도시한다. 하단 플롯은 또한, 세퍼레이터 상의 경질 탄소 코팅을 갖는 셀들이 전체에 걸쳐 높은 쿨롱 효율을 유지하는 것을 도시한다.
도 12는 상이한 전기화학 셀 구성들에서의 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래프 표현이다. 도 12는 NMC 811 캐소드, 반고체 흑연 애노드, 및 애노드 측에서 경질 탄소의 얇은 코팅(즉, 5 μm 미만) 및 두꺼운 코팅(즉, 약 10 μm)으로 코팅된 폴리에틸렌 세퍼레이터들을 갖는 전기화학 셀들과 비교되는 NMC 811 캐소드, 반고체 흑연 애노드, 및 종래의 폴리에틸렌 세퍼레이터를 갖는 전기화학 셀을 포함한다. 더 이른 사이클들 동안, C-레이트는 낮고, C-레이트는 16개의 사이클에 걸쳐 증가된다. 경질 탄소의 얇은 코팅(즉, 5 μm 미만)으로 스프레잉된 세퍼레이터를 갖는 셀은 1C에서 약 99% 쿨롱 효율을 갖는 한편, 베이스라인 경우는 약 75%의 쿨롱 효율로 감소되었다.
도 13은 상이한 전기화학 셀 구성들 사이의 dQ/dV 및 전압 프로파일 비교들의 그래프 표현이다. 좌상단의 플롯은 코팅되지 않은 폴리에틸렌 세퍼레이터를 갖는 베이스라인 경우에 대한 미분 용량 대 전압을 도시한다. 좌하단 플롯은 베이스라인 경우의 충전 및 방전에 대한 전압 대 용량 플롯을 도시한다. 우상단 플롯은 경질 탄소로 코팅된 폴리에틸렌 세퍼레이터를 갖는 셀에 대한 미분 용량 대 전압을 도시한다. 우하단 플롯은 경질 탄소로 코팅된 폴리에틸렌 세퍼레이터를 갖는 셀의 충전 및 방전에 대한 전압 대 용량 플롯을 도시한다. 좌하단 플롯 상의 섹션(1301)은 충전 동안의 전압 증가의 지연을 도시한다. 이는 리튬 도금 및 비가역적인 용량 손실로 인한 것이다. 우하단의 플롯은 이러한 이상을 갖지 않고 더 효율적으로 충전되고 있다.
도 14a 및 도 14b는 방전 및 급속 충전 동안의 반고체 캐소드들을 갖는 전기화학 셀들의 전위 대 거리의 정성적 플롯들이다. 도 14a는 방전 동안의 전위 대 거리의 정성적 플롯을 도시한다. 도 14b는 급속 충전 동안, 특히, 높은 충전 상태에서의 전위 대 거리의 정성적 플롯을 도시한다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 급속 충전 동안, 특히, 높은 충전 상태에서, 반고체 캐소드와 세퍼레이터 사이의 계면에서 높은 전위 영역(1401)이 발생한다. 급속 충전 동안, 특히, 높은 충전 상태에서, 애노드와 세퍼레이터 사이의 계면에서 낮은 전위 영역(1402)이 발생한다. 높은 전위 영역(1401) 및 낮은 전위 영역(1402)은 반고체 캐소드와 세퍼레이터 사이의 계면 또는 애노드와 세퍼레이터 사이의 계면에서 덴드라이트 형성을 초래할 수 있다. 반고체 캐소드는 종래의(고체) 캐소드보다 더 높은 확산성을 갖는다. 이는 반고체 캐소드와 세퍼레이터 사이의 계면에서 더 높은 표면 과전위를 초래한다. 일부 실시예들에서, 반고체 캐소드는 종래의 캐소드보다 더 두꺼울 수 있다. 반고체 캐소드의 두께는 세퍼레이터에 인접한 반고체 캐소드의 표면에서 반고체 캐소드의 전자 전도도를 방해할 수 있다. 이 문제는 높은 전압에서 안정적인 반고체 캐소드 재료를 사용함으로써 해결될 수 있다. 높은 전압에서 안정적인 반고체 캐소드 재료는 반고체 캐소드와 세퍼레이터 사이의 계면에서 표면 과전위를 감소시킬 수 있다. 이러한 과전위 손실들은 또한, 반고체 캐소드와 세퍼레이터 사이의 계면에서 높은 전도성 재료로 반고체 캐소드 또는 세퍼레이터를 코팅함으로써 감소될 수 있다. 과전위 손실들의 이러한 감소 메카니즘들의 예들은 위에서 도 1을 참조하여 전기화학 셀(100)에서 설명된다.
일부 실시예들에서, 낮은 전위 영역(1402)은 애노드와 세퍼레이터 사이의 계면에서 세퍼레이터 및/또는 애노드를 코팅함으로써 완화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 경질 탄소를 포함할 수 있다. 이러한 코팅들의 예들은 위에서 도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 및 도 5a 및 도 5b를 참조하여 전기화학 셀(100, 200, 300, 400, 및 500)에서 설명된다.
도 15는 결합제를 갖지 않는 및 결합제를 갖는 세퍼레이터 상의 경질 탄소 코팅의 사진 비교를 도시한다. 좌측의 이미지에 도시된 바와 같이, 경질 탄소 코팅은 임의의 결합제 프로세싱의 부재로 세퍼레이터로부터 떨어진다. 우측의 이미지에서, 경질 탄소는 세퍼레이터에 도포되기 전에 DMC에 용해된 EC로 처리되었다. 건조 후에, 경질 탄소는 결합제가 없는 경우보다 훨씬 더 안정적으로 세퍼레이터에 접착된다.
다양한 개념들이 하나 이상의 방법으로서 구현될 수 있고, 그들 중 적어도 하나의 예가 제공되었다. 방법의 일부로서 수행되는 행위들은 임의의 적합한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 행위들이 예시된 것과 상이한 순서로 수행되는 실시예들이 구성될 수 있고, 이는, 예시적인 실시예들에서 순차적인 행위들로서 도시되어 있더라도, 일부 행위들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다. 달리 말하면, 이러한 피처들이 반드시 특정 실행 순서로 제한되는 것은 아닐 수 있고, 오히려, 임의의 수의 스레드, 프로세스, 서비스, 서버 등이 본 개시내용에 따른 방식으로, 직렬로, 비동기적으로, 동시적으로, 병렬로, 동시에, 동기적으로, 및/또는 그와 유사하게 실행될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 이러한 피처들 중 일부는 그들이 단일 실시예에서 동시에 존재할 수 없다는 점에서 상호 모순될 수 있다. 유사하게, 일부 피처들은 혁신들의 일 양태에 적용가능하고, 다른 것들에는 적용가능하지 않다.
추가하여, 본 개시내용은 현재 설명되지 않은 다른 혁신들을 포함할 수 있다. 출원인은 그러한 혁신들을 구현할 권리, 그들의 추가적인 출원들, 계속 출원들, 일부 계속 출원들, 분할 출원들 등을 출원할 권리를 포함하여 그러한 혁신들에서 모든 권리들을 보유한다. 따라서, 본 개시내용의 이점들, 실시예들, 예들, 기능적, 피처들, 논리적, 동작적, 조직적, 구조적, 토폴로지적, 및/또는 다른 양태들은 실시예들에 의해 정의되는 바와 같은 본 개시내용에 대한 제한들 또는 실시예들에 대한 등가물들에 대한 제한들로 고려되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다. 개인 및/또는 기업 사용자의 특정 요구들 및/또는 특성들, 데이터베이스 구성 및/또는 관계형 모델, 데이터 타입, 데이터 송신 및/또는 네트워크 프레임워크, 신택스 구조 등에 따라, 본원에서 개시되는 기술의 다양한 실시예들은 본원에서 설명되는 바와 같이 상당한 유연성 및 맞춤화를 가능하게 하는 방식으로 구현될 수 있다.
본원에서 정의 및 사용되는 바와 같은 모든 정의들은 사전 정의들, 참조로 포함된 문서들 내의 정의들, 및/또는 정의된 용어들의 일반적인 의미들을 지배하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 특정 실시예들에서, "약" 또는 "대략"이라는 용어들은, 수치 값에 선행할 때, 값 플러스 또는 마이너스 10%의 범위를 표시한다. 값들의 범위가 제공되는 경우, 그 범위의 상한과 하한 사이의 각각의 개재 값(문맥 상 명확히 달리 지시되지 않는 한 하한의 단위의 10분의 1까지), 및 그 명시된 범위 내의 임의의 다른 명시된 또는 개재 값이 본 개시내용 내에 포함되는 것으로 이해한다. 이러한 더 작은 범위들의 상한 및 하한이 더 작은 범위들에 독립적으로 포함될 수 있다는 것이 또한, 명시된 범위 내의 임의의 구체적으로 배제된 한계를 조건으로 하여, 본 개시내용 내에 포함된다. 명시된 범위가 한계들 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는 경우, 그러한 포함된 한계들 중 어느 하나 또는 둘 모두를 배제하는 범위들이 또한 본 개시내용에 포함된다.
본원의 명세서 및 실시예들에서 사용되는 바와 같은 "및/또는"이라는 문구는 그렇게 결합된 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 모두", 즉, 일부 경우들에서는 결합적으로 존재하고 다른 경우들에서는 분리적으로 존재하는 요소들을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"과 함께 열거된 다수의 요소들은 동일한 방식으로 해석되어야 하는데, 즉, 그렇게 결합된 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별되는 요소들 이외에, 다른 요소들이, 구체적으로 식별되는 이러한 요소들과 관련되든지 또는 관련되지 않든지 간에, 임의로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, 일 실시예에서, A만을 지칭할 수 있고(B 이외의 요소들을 임의로 포함함); 다른 실시예에서, B만을 지칭할 수 있고(A 이외의 요소들을 임의로 포함함); 또 다른 실시예에서, A와 B 둘 모두를 지칭할 수 있는(다른 요소들을 임의로 포함함) 등일 수 있다.
본원의 명세서 및 실시예들에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 위에서 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 리스트에서 아이템들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로 해석될 것인데, 즉, 다수의 또는 리스트의 요소들 중 적어도 하나를 포함할 뿐만 아니라 하나 초과를 포함하는 것으로, 그리고 임의로, 추가적인 열거되지 않은 아이템들을 포함하는 것으로 해석될 것이다. "~중 단지 하나" 또는 "~중 정확히 하나" 또는 실시예들에서 사용될 때 "~로 구성되는"과 같은 명확히 반대로 표시되는 용어들만이 다수의 또는 리스트의 요소들 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본원에서 사용되는 바와 같은 "또는"이라는 용어는, "~중 어느 하나", "~중 하나", "~중 단지 하나", 또는 "~중 정확히 하나"와 같은 배타성 용어들이 선행될 때에만, 배타적인 대안들(즉, "하나 또는 다른 하나이지만 둘 모두는 아님")을 표시하는 것으로 해석될 것이다. "~로 본질적으로 구성되는"은, 실시예들에서 사용될 때, 특허법의 분야에서 사용되는 그의 일반적인 의미를 가질 것이다.
본원의 명세서 및 실시예들에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소의 리스트와 관련된 "적어도 하나"라는 문구는 요소들의 리스트 내의 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 요소들의 리스트 내에 구체적으로 열거된 모든 각각의 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함해야 하는 것은 아니고, 요소들의 리스트 내의 요소들의 임의의 조합들을 배제하는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 이러한 정의는 또한, "적어도 하나"라는 문구가 나타내는 요소들의 리스트 내에서 구체적으로 식별되는 요소들 이외의 요소들이, 구체적으로 식별되는 그러한 요소들과 관련되든지 또는 관련되지 않든지 간에, 임의로 있을 수 있는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A와 B 중 적어도 하나"(또는 동등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 동등하게, "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서, B가 존재하지 않는 상태로 하나 초과의 A를 임의로 포함하는 적어도 하나의 A(그리고 B 이외의 요소들을 임의로 포함함)를 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서, A가 존재하지 않는 상태로 하나 초과의 B를 임의로 포함하는 적어도 하나의 B(그리고 A 이외의 요소들을 임의로 포함함)를 지칭할 수 있고; 또 다른 실시예에서, 하나 초과의 A를 임의로 포함하는 적어도 하나의 A 및 하나 초과의 B를 임의로 포함하는 적어도 하나의 B(그리고 다른 요소들을 임의로 포함함)를 지칭하는 등일 수 있다.
실시예들뿐만 아니라 위의 명세서에서, "포함하는", "구비하는", "보유하는", "갖는", "함유하는", "수반하는", "유지하는", "~로 구성되는" 등과 같은 모든 연결 어구들은 개방형인 것으로 이해되어야 하는데, 즉, 포함하지만 이에 제한되지는 않는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼 섹션 2111.03에서 제시되는 바와 같이, "~로 구성되는" 및 "~로 본질적으로 구성되는"이라는 연결 어구들만이 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 연결 어구들일 것이다.
본 개시내용의 특정 실시예들이 위에서 약술되었지만, 다수의 대안들, 수정들, 및 변형들이 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본원에서 제시되는 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다. 본 개시내용의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경들이 이루어질 수 있다. 위에서 설명된 방법들 및 단계들이 특정 순서로 발생하는 특정 이벤트들을 표시하는 경우, 본 개시내용으로부터 이익을 얻는 관련 기술분야의 통상의 기술자는 특정 단계들의 순서가 수정될 수 있고 그러한 수정이 본 발명의 변형들에 따라 이루어진다는 것을 인식할 것이다. 추가적으로, 특정 단계들은 가능한 경우 병렬 프로세스로 동시에 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 위에서 설명된 바와 같이 순차적으로 수행될 수 있다. 실시예들이 구체적으로 도시 및 설명되었지만, 형태 및 세부사항들의 다양한 변경들이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (36)

  1. 전기화학 셀로서,
    애노드 집전체 상에 배치된 애노드;
    캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드;
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치된 세퍼레이터 ― 상기 세퍼레이터는 상기 캐소드에 인접한 제1 측 및 상기 애노드에 인접한 제2 측을 가짐 ―; 및
    상기 세퍼레이터 상에 배치된 코팅 층
    을 포함하고,
    상기 코팅 층은 상기 전기화학 셀에서의 덴드라이트 형성을 감소시키도록 구성되는, 전기화학 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅 층은 경질 탄소를 포함하는, 전기화학 셀.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코팅 층은 약 100 nm 내지 약 20 μm의 두께를 갖는, 전기화학 셀.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 층은 상기 세퍼레이터의 제1 측에 배치되는, 전기화학 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코팅 층은 제1 코팅 층이고,
    상기 전기화학 셀은 제2 코팅 층을 더 포함하고,
    상기 제2 코팅 층은 상기 세퍼레이터의 제2 측에 배치되는, 전기화학 셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 코팅 층은 Al2O3를 포함하는, 전기화학 셀.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제2 코팅 층은 약 10 nm 내지 약 2 μm의 두께를 갖는, 전기화학 셀.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 및/또는 상기 캐소드는 반고체 전극 재료를 포함하고, 상기 반고체 전극 재료는 액체 전해질 내의 활성 재료 및 전도성 재료를 포함하는, 전기화학 셀.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코팅 층은 활성 재료를 포함하는, 전기화학 셀.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 활성 재료는 리튬 망간 철 포스페이트, 리튬 철 포스페이트, 리튬 망간 산화물, 또는 망간으로 도핑된 리튬 니켈 이산화물 중 적어도 하나를 포함하는, 전기화학 셀.
  11. 전극으로서,
    집전체;
    상기 집전체 상에 배치된 반고체 전극 재료;
    세퍼레이터; 및
    상기 세퍼레이터의 제1 측에 배치된 코팅 층
    을 포함하고,
    상기 코팅 층은 경질 탄소를 포함하고,
    상기 반고체 전극 재료는 상기 세퍼레이터의 제1 측에 배치되고,
    상기 코팅 층은 상기 세퍼레이터와 상기 반고체 전극 재료 사이의 계면에서의 과전위 손실들을 적어도 약 10%만큼 감소시키기에 충분한 양의 경질 탄소를 포함하는, 전극.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 코팅 층은 약 100 nm 내지 약 20 μm의 두께를 갖는, 전극.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 전극 재료는 반고체 전극 재료를 포함하고, 상기 반고체 전극 재료는 액체 전해질 내의 활성 재료 및 전도성 재료를 포함하는, 전극.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    코팅 재료는 결합제를 더 포함하고, 상기 결합제는 상기 코팅 재료가 상기 세퍼레이터로부터 분리되는 것을 방지하도록 구성되는, 전극.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 결합제는 에틸렌 카보네이트를 포함하는, 전극.
  16. 전기화학 셀로서,
    애노드 집전체 상에 배치된 애노드;
    캐소드 집전체 상에 배치된 반고체 캐소드;
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치된 세퍼레이터 ― 상기 세퍼레이터는 상기 애노드에 인접한 제1 측 및 상기 캐소드에 인접한 제2 측을 가짐 ―; 및
    상기 세퍼레이터와 상기 반고체 캐소드 사이의 계면에 배치된 코팅 층
    을 포함하고,
    상기 코팅 층은 상기 세퍼레이터와 상기 반고체 캐소드 사이의 계면에서의 과전위를 적어도 약 10%만큼 감소시키기에 충분한 전도도를 갖는, 전기화학 셀.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 코팅 층은 경질 탄소를 포함하는, 전기화학 셀.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 코팅 층은 질량 기준으로 적어도 약 90%의 경질 탄소를 포함하는, 전기화학 셀.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 층은 약 100 nm 내지 약 20 μm의 두께를 갖는, 전기화학 셀.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 층은 제1 코팅 층이고,
    상기 전기화학 셀은,
    상기 세퍼레이터와 상기 애노드 사이의 계면에 배치된 제2 코팅 층을 더 포함하는, 전기화학 셀.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2 코팅 층은 Al2O3를 포함하는, 전기화학 셀.
  22. 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 층은 상기 세퍼레이터와 상기 반고체 캐소드 사이의 계면에서의 과전위를 적어도 약 20%만큼 감소시키기에 충분한 전도도를 갖는, 전기화학 셀.
  23. 전기화학 셀로서,
    애노드 집전체 상에 배치된 애노드;
    캐소드 집전체 상에 배치된 반고체 캐소드; 및
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치된 세퍼레이터
    를 포함하고,
    상기 세퍼레이터는 상기 애노드에 인접한 제1 측 및 상기 캐소드에 인접한 제2 측을 갖고,
    상기 반고체 캐소드는 상기 세퍼레이터와 상기 반고체 캐소드 사이의 계면에서의 과전위를 적어도 약 10%만큼 감소시키기에 충분한 전압에서 안정적인, 전기화학 셀.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 반고체 캐소드는 상기 세퍼레이터와 상기 반고체 캐소드 사이의 계면에 전도성 재료 층을 포함하는, 전기화학 셀.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 전도성 재료는 경질 탄소를 포함하는, 전기화학 셀.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 전도성 재료 층은 약 100 nm 내지 약 20 μm의 두께를 갖는, 전기화학 셀.
  27. 방법으로서,
    집전체 상에 전극 재료를 배치하는 단계;
    코팅 혼합물을 형성하기 위해 경질 탄소 코팅을 용매와 혼합하는 단계;
    세퍼레이터의 제1 측에 상기 코팅 혼합물을 도포하는 단계;
    코팅 층을 형성하기 위해 상기 코팅 혼합물을 건조하는 단계; 및
    전극을 형성하기 위해 상기 세퍼레이터의 제1 측에 전극 재료를 배치하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 전극은 제1 전극이고,
    상기 방법은,
    전기화학 셀을 형성하기 위해 상기 세퍼레이터의 제2 측에 제2 전극을 배치하는 단계를 더 포함하고,
    상기 세퍼레이터의 제2 측은 상기 세퍼레이터의 제1 측의 반대편에 있는, 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    코팅 재료로 상기 세퍼레이터의 제2 측을 코팅하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 코팅 재료는 Al2O3를 포함하는, 방법.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조하는 단계는 실질적으로 결합제 전부를 기화시키는, 방법.
  32. 제27항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합제는 에틸렌 카보네이트를 포함하는, 방법.
  33. 제27항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용매는 에틸 메틸 카보네이트 또는 디메틸 카보네이트 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  34. 제27항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도포하는 단계는 잉크젯을 통해 이루어지는, 방법.
  35. 제27항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 혼합물은 결합제를 더 포함하는, 방법.
  36. 제27항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 혼합물은 계면활성제를 더 포함하는, 방법.
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