KR20230037652A - 배터리 셀의 제조 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리 셀을 조립하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 상기 방법은 전기 전도성 지지체에 반죽 상태의 전극 층들을 형성하는 단계를 포함하며, 이들 전극 층들은 이온 전도성 액체 전해질, 단량체 또는 중합체 혼합물, 및 단량체 또는 중합체 혼합물의 중합 또는 가교의 개시제를 포함하고, 상기 전극 층들은 이들의 고형화를 개시하는 방사선에 노출된 후, 각각의 고형화 완성 전에 액체 상태의 분리 층과 접촉하도록 배치되어 액체 전해질 배터리에 가까운 성질을 가지는 고체 전해질 배터리 셀을 획득할 수 있다.
Description
본 발명은 배터리 셀(battery cell)의 제조방법 및 장치에 관한 것으로, 더 나아가 여러 셀로 구성된 전기 배터리에 관한 것이다.
각각의 전기 배터리 셀 또는 배터리는 전기 에너지 저장 장치를 구성한다. 배터리는 배터리 셀을 병렬 및/또는 직렬로 배치하여 형성할 수 있다. 각각의 셀은 전류 수집기와 관련된 애노드 및 다른 전류 수집기와 관련된 캐소드를 포함한다. 애노드과 캐소드도 "캐소드(cathode)"와 "애노드(anode)"로 지정된다. 전류 수집기는 셀의 전기 단자를 구성한다.
전극은 각각 "활성(active)"이라 불리고 주어진 이온 유형, 전자 여과제 또는 전류 수집기로부터 관련 전극의 활성 물질로의 전자 통과를 제공하는 탄소 블랙과 같은 전자 전도체 첨가제와 상호작용하고 유지할 수 있는, 전극 물질 및 일반적으로 전극을 기계적으로 고정하고 집전체에 재료를 접착할 수 있는 바인더(binder)를 포함한다.
특히 본 발명은 리튬 이온, 나트륨 이온 또는 황화 리튬 유형 셀에 관한 것이다.
특히 니켈 망간 코발트(NMC), 니켈 코발트 알루미늄(NCA) 또는 황화리튬(Li2S)과 같은 리튬 함유 캐소드 물질과 탄소, 실리카 및 탄소와 결합된 규소를 기반으로 하는 애노드 물질, 전이 금속 또는 전이 금속 합금 또는 전이 금속과 탄소를 합금하는 복합 재료와 결합하는 셀을 포함한다.
보다 일반적으로, 본 발명은 또한 리튬 금속, 나트륨 금속, 알루미늄 금속 및 마그네슘 금속형 셀 및 이의 제조 장치에 관한 것이다.
본 발명은 상당한 표면적을 갖는 액체 전해질의 고형화로부터 생성되는 고체 전해질을 갖는 얇은 배터리 셀을 제조에 대한 적용을 포함한다. 특히 롤-투-롤 방식(roll-to-roll type)의 연속 방식에 따라 길이가 매우 긴 고정 폭 셀의 연속 제조에 적합하다. 본 발명에 따라 제조된 셀은 절단될 수 있고, 예를 들어 적층에 의해 직렬로 및/또는 병렬로 결합될 수 있다. 제한 없이 본 발명은 또한 전기 자동차, 전동 공구, 휴대용 통신 장치, 드론 또는 전기 에너지 저장을 위한 고정 설비에 사용할 수 있는 전기 배터리 제조에도 적용될 수 있다.
본 발명을 위한 장치는 또한 액체 전해질의 고형화에 의해 얻어지는 고체 전해질 슈퍼커패시터 셀을 제조하기 위해 구현될 수 있다.
액체 전해질 배터리 셀이 공지되어 있다.
이러한 셀에서, 액체 전해질은 애노드 전극과 캐소드 전극 사이 및 각각의 전극 내에서 이온 전도를 제공한다. 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에는 전기 절연성 세퍼레이터 필름이 배열되어 있다. 이온의 이동을 허용하면서 캐소드과 애노드 사이의 직접적인 전기적 접촉을 피할 수 있다.
액체 전해질 배터리 셀에는 전해질을 포함할 수 있는 저장소를 형성하는 밀봉된 인클로저(sealed enclosure)가 제공된다. 따라서, 이들 셀 제조의 어려움은 밀봉된 엔클로저의 구현 및 밀봉과 관련이 있다.
또 다른 어려움은 액체 전해질로 셀을 채우는 것과 관련이 있는데, 이는 위험하고 인화성이 있으며 오염 물질인 것으로 판명되었다.
다른 문제는 셀의 온도가 상승할 때 누출 이외의 액체 전해질 발화 위험이 있는 액체 전해질 셀에 나타난다.
마지막으로, 세포에 사용되는 액체 전해질은 일반적으로 전해 증기가 호흡기에 영향을 미칠 수 있기 때문에 건강에 해로운 것으로 입증되었다. 전해질의 독성은 셀 제조시 및 전해질의 재활용시 단점이 된다.
액체 전해질 배터리 셀에서 액체 전해질과 동일한 역할을 하는 고체 전해질, 보다 구체적으로는 고형화 전해질 배터리 셀도 공지되어 있다.
이러한 타입의 셀의 제조는 통상적으로 집전체 기판에 양극의 제조, 또 다른 집전체 기판에 음극의 제조, 고체 전해질로 형성된 분리 층의 제조 후, 배터리 셀에 층의 조립을 포함하고, 다양한 구성요소의 제조, 특히 고체(겔 또는 중합체) 전해질 층의 제조는 가교결합에 의해 또는 자외선 방사의 영향하에서 초기 액체 전해질의 중합에 의해 일어날 수 있다.
유사하게, 양극 및 음극은 전극 잉크로부터 용매를 건조시키거나 자외선 하에서 중합체를 가교결합시키거나 심지어 가열함으로써 얻을 수 있다.
예를 들어, 문서 EP 3,341,987호는 이러한 유형의 배터리 셀의 실례라고 할 수 있다.
문서 US 2006/0016549호는 집전체를 형성할 수 있는 전기 전도성 지지 필름 상에 전극 시트를 적층하기 위한 공정 및 장치를 기술한다. 라미네이션은 지지 필름과 가능하면 전극 시트를 가열하여 연화시키는 방식으로 이루어진다. 가열 후, 압착 롤러 사이를 통과하여 전극 시트와 지지 필름을 조립한다.
문서 US 2005/0236732호는 양극을 형성하는 복합 필름을 압출하고 의도한 두께에 도달하기 위해 필름을 캘린더링(calendering)하는 방법 및 장치를 설명한다. 복합 필름은 활성 전극 물질, 전자 전도성 첨가제 및 이온 전도체 중합체 전해질의 혼합물을 포함한다. 고체 전해질 배터리 셀에서, 양극과 음극을 분리하는 고체 전해질 층은 두 배의 기능을 갖는다. 주요 기능은 배터리 셀의 충전 또는 방전 중에 부호가 반대인 전극 사이의 이온 전도를 보장하는 것이다. 또 다른 기능은 반대 기호의 전극을 분리하여 셀 단락의 결과를 가져올 수 있는 전극 사이의 전자 전도를 방지하는 것이다. 이러한 제 2 기능인 전기적 절연은 액체 전해질 셀의 전기적 분리 필름의 기능에 속하며 전해질 층은 전자가 투과할 수 있다.
그러나, 모든 배터리는 내부 저항을 갖고 있으며 수율을 높이기 위해서는 이를 최대한 줄이는 것이 바람직하다.
또한, 배터리의 제조 비용을 낮추면서 사용상의 신뢰성과 안전성과 수준을 유지 또는 높이는 것도 바람직하다.
본 발명의 목적은 고체 전해질 배터리의 내부 저항을 감소시키고 또한 동일한 유형의 종래 배터리에 비해 감소된 내부 저항을 갖는 고체 전해질 배터리를 제조하기 위한 경제적인 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 전기 화학적 형태의 에너지 저장 셀의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 아래 단계 a1), a2), a3)를 포함하는 제 1 하프-셀(half-cell)을 형성하는 단계로서, a1) 제 1 전기 전도성 지지체를 제공하는 단계; a2) 상기 제 1 전기 전도성 지지체의 표면에, 활성 캐소드 물질, 탄소질 전기 전도성 필러, 제 1 액체 이온 전도성 전해질 혼합물, 제 1 단량체 또는 중합체 혼합물 및 제 1 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 제 1 중합 또는 가교 개시제를 포함하는, 반죽 상태(pasty state)의 캐소드 층을 증착하는 단계, 및 a3) 캐소드 층의 고형화를 시작하도록, 캐소드 층을 제 1 단량체 혼합물을 위한 제 1 중합 또는 가교 개시제에 적합한 제 1 방사선에 의해 반죽 상태로 노출하는 단계인 단계; 아래 단계 b1), b2), b3)를 포함하는 포함하는 제 2 하프-셀을 형성하는 단계로서, b1) 제 2 전기 전도성 지지체를 제공하는 단계; b2) 상기 제 2 전기 전도성 지지체의 표면에, 활성 애노드 물질, 탄소질 전기 전도성 필러, 제 2 액체 이온 전도성 전해질 혼합물, 제 2 단량체 또는 중합체 혼합물 및 제 2 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 중합 또는 가교 개시제를 포함하는, 반죽 상태의 애노드 층을 증착하는 단계, 및 b3) 애노드 층의 고형화를 시작하도록, 애노드 층을 제 2 단량체 혼합물을 위한 제 2 중합 또는 가교 개시제에 적합한 제 2 방사선에 의해 반죽 상태로 노출하는 단계인 단계, 아래 단계 a4), b4), 및 c4) 중 적어도 하나를 구현하는 단계로서, a4) 제 1 노출된 전극 층의 완전한 고형화 전에 노출된 캐소드 층 상에, 제 1 이온 전도성 분리 액체 전해질 혼합물, 제 1 분리 단량체 또는 중합체 혼합물 및 제 1 분리 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 제 1 중합 또는 가교 개시제를 포함하는, 액체 상태로 제 1 분리 혼합물로 형성된 제 1 분리 층을 증착 및 노출시키는 단계, b4) 상기 노출된 애노드 층이 완전히 고형화되기 전 상기 노출된 애노드 층 상에 제 2 이온 전도성 분리액 전해질 혼합물, 제 2 분리 단량체 또는 중합체 혼합물 및 제 2 분리 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 제 2 중합 또는 가교 개시제를 포함하는 액체 상태의 제 2 분리 혼합물로 이루어진 제 2 분리 층을 증착 및 노출시키는 단계; 및 c4) 전기 절연성 그리드 필름상에 제 3 이온 전도성 분리 액체 전해질 혼합물, 제 3 분리 단량체 또는 중합체 혼합물 및 제 3 분리 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 제 3 중합 또는 가교 개시제를 포함하는 액체 상태의 제 3 분리 혼합물로 형성된 제 3 분리 층을 증착 및 노출시키는 단계로서, 여기서 단계 a4), b4), 및 c4)에 대한 노출은 각각의 분리 단량체 또는 중합체 혼합물에 대한 중합 또는 가교 개시제에 적합하고 제 1, 제 2, 및 제 3 분리 층의 고형화를 개시하기에 적합한 제 3 방사에 의해 구현되는 단계,
단계 a4), b4) 및 c4)로부터의 분리 층 중 적어도 하나를 2개의 하프-셀 사이에 삽입함으로써 제 1 하프-셀 및 제 2 하프-셀을 조립하는 단계로서, 여기서 조립은 다음 단계 d1), d2), d3) 및 d4) 중 하나를 포함하고: d1) 노출된 제 1 분리 층과 노출된 제 2 분리 층을 직접 접촉시키는 단계; d2) 노출된 제 1 분리 층을 노출된 애노드 층에 직접 접촉시키는 단계; d3) 노출된 제 2 분리 층을 노출된 캐소드 층과 직접 접촉시키는 단계; 및 d4) 노출된 캐소드 층과 노출된 애노드 층 사이에 노출된 제 3 분리 층을 둘러싸는 단계로서, d1), d2), d3) 및 d4) 단계에서 접촉된 층의 각각의 고형화가 불완전한, 단계를 포함한다.
본 발명자들은 양극과 음극을 서로 기계적으로 그리고 전기적으로 분리하는 고체 전해질로 형성된 분리 층을 통하여 양극과 음극 사이의 불완전한 이온 전도를 관찰한 것에서 출발하여 후속적으로 분리 층이라 명명하였다.
본 발명자들은 또한 통상적으로 전해질과 접촉하는 시트 형태인 활성 전극 물질들 사이의 불충분한 이온 전도를 관찰하였다.
또한, 본 발명의 목적은 전극 층의 활성 물질과 전해질 사이의 계면뿐만 아니라 전극과 분리 층 사이, 그러나 활성 물질과 분리 층 내부의 이온 전도 특성을 향상시키는 배터리 셀의 제조방법을 제안하는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 액체 전해질 셀과 유사한 이온 전도 성능을 갖는 고체 배터리 셀을 얻는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 액체 전해질을 사용하는 셀의 품질과 유사한 전해질 내부의 전자 및 이온 전도 품질을 갖는 고체 전해질을 포함하는 분리 층을 갖는 셀을 얻는 것이다.
본 발명의 목적은 또한 임의의 전자 전도를 피하면서 분리 층을 통해 하나의 전극에서 반대 부호의 전극으로의 이온 전도를 향상시키는 것이다.
본 발명의 목적은 특히 밀봉, 발화 위험 및 건강 위험 측면에서 안전성이 크게 개선된 액체 전해질이 없는 셀을 의미하는 "완전 고체(all solid)" 유형 셀을 제안하는 것이다.
셀의 안전성은 셀의 제조, 사용, 전체 수명 기간 및 재활용을 위한 수명 종료 시에도 적용된다.
또한, 본 발명의 목적은 배터리 셀의 제조 비용을 줄이면서 연속적이고 자동적으로 배터리 셀을 제조할 수 있는 배터리 셀 제조 방법 및 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한 전극이 바인더, 특히 "PVDF"(폴리비닐리덴 플루오라이드) 유형의 바인더를 갖지 않는 개선된 단위 질량당 용량을 갖는 배터리 셀의 제조 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 특히 셀 외부의 연결 링크를 필요로 하지 않는 고체 전해질 셀을 적층함으로써 배터리 제조 방법을 제안하는 것이다. 마지막으로, 본 발명의 목적은 고체 전해질 배터리 셀 제조 장치를 제안하는 것이다.
본 발명은 한쪽의 캐소드 층과 분리 층, 다른 쪽의 애노드 층과 분리 층 사이, 그리고 가능하게는 조합되어 분리 층을 형성하는 하위-층 사이에 우수한 접촉 계면을 보장하는 방법을 구현한다. 또한, 활성 캐소드 및 애노드 물질 및 탄소질 전기 전도성 필러가 캐소드 및 애노드 층의 전해질과 우수한 접촉성을 갖기 때문에 애노드 및 캐소드 층에서 우수한 이온 전도가 보장된다. 실제로, 전극 층을 형성하는 동안 활성 물질 및 탄소질 전기 전도성 필러가 액체 상태의 이온 전도성 전해질 혼합물에 분산되어 있다는 사실은 전해질과의 밀착뿐만 아니라 넓은 접촉 표면적을 보장하고, 전극 층의 고형화 중에 특성이 유지된다.
본 발명의 방법은 애노드 층에만, 캐소드 층에만, 또는 애노드 층과 캐소드 층에 활성 물질 없이 전해질로 이루어진 분리 층을 형성함으로써 구현될 수 있다.
이들을 구별하기 위하여 캐소드 층에 증착된 분리 층을 "제 1 분리 층"이라 하고, 애노드 층에 증착된 것을 "제 2 분리 층"이라 한다.
제 1 분리 층과 제 2 분리 층이 모두 존재하는 경우, 제 1 하프-셀과 제 2 하프-셀의 조립은 이들 두 층을 밀착시켜 이루어진다.
제 1 하프-셀의 캐소드 층 상에 제 1 분리 층만 형성되는 경우, 제 1 분리 층을 제 2 하프-셀의 애노드 층에 접촉시켜 하프-셀의 조립이 이루어진다.
반대로, 제 2 하프-셀의 애노드 층 상에 제 2 분리 층만 형성되는 경우, 제 2 하프-셀의 캐소드 층에 제 2 분리 층을 접촉시켜 하프-셀의 조립이 이루어진다.
모든 경우에 하프-셀의 조립을 위해 접촉된 층은 완전히 고형화되기 전에 위치하여, 나중에 다시 설명하는 바와 같이 재료의 일부 상호 침투 및 층 사이의 긴밀한 접촉을 허용한다.
달리 나타내지 않는 한, 설명의 나머지 부분은 각각의 하프-셀이 활성 물질 없이 전해질 표면 층을 포함하는 실시예를 지칭하며, 여기서 이것은 활성 물질 없이 제 1 및 제 2 전해질 층 중 하나만을 선택할 가능성을 미리 판단하지 않는다.
또한, 제조 방법의 최종 단계에서 생성되는 분리 층은 캐소드 층에서 애노드 층까지 연장되며, 전자는 투과하지 못하나 이온 전도성을 가질 수 있다.
제 1 및 제 2 지지체는 전기 전도체 특성으로 인해 각각 제 1 및 제 2 하프-셀에 대한 집전체를 형성한다. 이 방법에서 단계 a2 및 a3은 제 1 전기 전도성 지지체에 양극(캐소드)을 만드는 것을 목표로 한다. 제 1 전기 전도성 지지체의 기능은 양극용 배터리 셀용 집전체를 형성하는 것이다. 그것은 전기 전도성 물질의 하나 또는 그 초과의 층을 포함할 수 있다. 이러한 전도성 재료는 금속, 전도성 중합체 및 직조 또는 부직 탄소 섬유 필름에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸 및 니켈이 사용될 수 있는 금속으로 나열될 수 있다. 단계 b2 및 b3에서 만들어진 음극(애노드)에 대한 전류를 수집하는 역할을 하는 제 2 전기 전도성 지지체에 동일하게 적용된다. 제 1 전도성 지지체 및 제 2 전도성 지지체는 특히 롤(roll)로부터 풀린 스트립 형태로 공급될 수 있다. 이 양태는 다음에서 더 자세히 설명된다.
동일하게, 시트 또는 플레이트 형태의 제 1 및 제 2 전도성 지지체로부터의 방법의 구현이 배제되지 않으며, 후술하는 롤-투-롤 방법에 대한 대안을 구성할 수 있다.
공정 a1 및 b1을 참조하면, 양극 형성을 위한 활성 캐소드 물질 및 음극 형성을 위한 활성 애노드 물질을 각각 함유하는 캐소드 층 및 애노드 층을 잉크와 유사한 반죽 형태의 도전성 지지체 상에 증착한다. 이러한 일관성은 캐소드 및 애노드 층의 고체 입자 함량 때문이다.
이러한 층은 이온 전도성 액체 전해질 믹스(mix), 단량체 또는 중합체 믹스, 및 단량체 또는 중합체 믹스를 위한 제 1 중합 또는 가교 개시제를 포함하는 혼합물과 같은, 활성 전극 물질(경우에 따라 캐소드 또는 애노드), 탄소 블록, 탄소 나노튜브, 또는 탄소 나노섬유, 그래핀, 또는 그래핀 산화물과 같은 탄소질 전기 전도성 첨가제, 및 이온 전도 특성을 갖는 고형화 가능 액체를 포함하는 혼합물로 보다 정확하게 구성된다. 이 혼합물은 고형화 가능한 전해질 혼합물 또는 더 간단하게 고형화 가능한 전해질로 간주될 수 있다. 일반적으로 액체와 같은 것으로 간주될 수 있는 이러한 혼합물(액체, 반액체 또는 반죽)은 그 구성 요소들 사이에 우수한 응집력을 허용하고, 그 결과 단량체 또는 중합체 혼합물의 중합 또는 가교에 의해 우수한 이온 전도 특성을 갖는 고체 층으로 고형화된다.
예를 들어 각각의 층의 각각의 기능을 최적화하기 위해 캐소드 층, 애노드 층 및 분리 층에 대해 상이한 조성의 고형화 가능 액체 전해질을 사용하는 것이 가능하다.
대안적으로, 함유할 수 있는 첨가제와는 별도로 동일한 고형화 가능 액체 전해질이 방법의 모든 작업에 사용될 수 있으므로 동일한 고형화 가능 액체 전해질이 캐소드 층, 애노드 층 및 분리 층을 형성하는 데 사용된다.
동일한 고형화 가능 액체 전해질을 사용하면 호환성이 향상되고 접촉되는 다양한 층 사이에 균일한 가교가 형성되어 제조 방법을 보다 쉽게 조정하고 생산 비용을 절감할 수 있다.
달리 나타내지 않는 한, 간결하게 설명의 나머지 부분은 이 마지막 경우를 다루며, 이 단일의 고형화 가능 액체 전해질은 "고형화 가능 액체 전해질(the solidifiable liquid electrolyte)"로 지정된다.
제 1 혼합물 및 제 2 혼합물은 혼합기에서, 바람직하게는 중성 분위기 하에서 제조될 수 있는데, 이는 중성 분위기를 구성하는 가스 또는 가스들이 전극의 구성 성분과 화학적으로 상호작용하지 않고, 특히 그 활성 성분과 반응하지 않음을 의미한다.
전기 전도성 첨가제의 기능은 캐소드 및 애노드 층에서 전자의 전도를 향상시키는 것이다. 전기 전도성 첨가제의 비율은 바람직하게는 고려되는 캐소드 또는 애노드 층의 20 질량% 미만일 수 있다. 예를 들어, 탄소 블랙을 포함하는 경우 5 내지 20%, 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유 또는 그래핀을 포함하는 경우 1 내지 5%를 포함한다.
이온 전도는 이온 전도성 염을 포함할 수 있는 전해질에 의해 제공된다.
활성 물질 내에서의 이온 전도 기능 외에, 캐소드 층 및 애노드 층을 형성하기 위한 혼합물의 조성에 들어가는 전해질도 이들 층을 집전체를 형성하는 지지체에 부착시키는 데 관여한다. 여전히 액체인 전해질은 그의 표면 장력에 의해 제 1 지지체 및 제 2 지지체에 대한 습윤제를 구성하고 따라서 이들 지지체에 대한 활성 물질을 포함하는 혼합물의 접착력을 향상시킨다. 그 결과 고형화 후 애노드 및 캐소드 층이 집전체에 잘 부착된다.
"액체(liquid)"라는 용어는 점도를 미리 판단하지 않으며 반죽 또는 반액체 층을 지정하는 역할을 할 수 있음을 나타내는 것이 적절하다. 특히, 애노드 층과 캐소드 층을 형성하기 위해 사용되는 혼합물은 고체 원소의 함량으로 인해 반죽 같은 점조도를 가질 수 있는 반면, 활성 물질이 없고 분리 층을 형성하는 전해질은 보다 얇은 두께로 증착되기 때문에 보다 유동적일 수 있다. 한정 용어 "액체"는 이러한 각각의 층에 적용될 수 있다.
따라서, 애노드 층의 두께 및 애노드 층의 두께는 50㎛ 내지 300㎛를 포함할 수 있고 분리 층의 두께는 20㎛ 내지 60㎛를 포함할 수 있다.
전극 층(캐소드 및 애노드)은 각각 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물로 구성될 수 있으며, 각각은 배터리의 충방전 사이클 동안 전도성 이온을 저장 및 방출하기 위한 전극 활성 물질의 65 내지 80% 포함하고, 층 내 전자의 전도도를 개선하기 위한 1 내지 20% 탄소질 전기 전도성 첨가제 및 10~50% 고형화 액체 전해질은 이동성 이온을 공급하고 따라서 지지체 역할을 하며 백분율은 전극 층의 질량 비율을 나타낸다.
여기서 고형화 가능 액체 전해질인 액체 전해질은 10~30%의 리튬염, 이온이 용해된 탄산염 용매 또는 에테르 용매와 같은 50 내지 75%의 용매, 혼합물로 구성될 수 있다. 10 내지 30%의 단량체 및 전극 층을 고형화시키기 위해 단량체를 가교 또는 중합하기 위한 0.1 내지 5%의 광개시제의 혼합물로 구성될 수 있으며, 백분율은 고형화 가능 액체 전해질의 중량 비율을 나타낸다.
보다 일반적으로, 이 설명에서, 리튬염은 일반적으로 특히 리튬염 및 나트륨염을 포함하는 배터리 전해질 알칼리성 염으로 대체될 수 있다.
단량체는 예를 들어 의도하는 제조 방법에 더 적합한 점도를 얻기 위해 몇 가지 별개의 단량체로 구성된 단량체 혼합물로 선택적으로 대체될 수 있다.
캐소드 및 애노드 층을 형성하는 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물의 조성으로 들어가는 고형화 가능 액체 전해질은 예를 들어 리튬 비스(트리플루오로메탄)술폰이미드(LiTFSI) 유형 리튬 염, 예를 들어, 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드: Solvionic사에서 판매하는 N-부틸-N-메틸피롤리디늄비스(플루오로술포닐)이미드, 또는 탄산염을 포함하는 표준 액체 전해질(1M LiPF6 EC/DMC 또는 EC/DEC)을 갖는 전해질 겔/중합체를 포함할 수 있다.
예를 들어 탄산염 용매, 에테르 또는 이온성 액체 또는 이온 전도성 중합체 또는 이온 전도성 유리 및 세라믹과 결합된 리튬 염을 사용하는 다른 조합은 제외되지 않는다.
단량체는 예를 들어 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트(ETPTA4)일 수 있다.
고형화 가능 액체 전해질의 광개시제는 방사선, 특히 광 방사선에 대한 노출의 영향 하에서 단량체 또는 중합체 각각의 중합 또는 가교를 개시하여 중합체 젤 전해질. 단량체 중합의 경우 라디칼 중합이 수반된다.
예를 들어 Darocur 1173이라는 이름으로 판매되는 HMPP(2-hydroxy-2-methylpropiophenone) 유형 광개시제 또는 심지어 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone(DMPA)이 포함된다.
다른 광개시제는 제외되지 않는다.
캐소드 층으로 사용되는 제 1 혼합물은 NMC(Nickel Manganese Cobalt), NCA(Nickel Cobalt Aluminium), 황 또는 Li2S의 분말 형태 캐소드 활성 물질을 포함할 수 있다.
고형화 가능 액체 전해질은 혼합물의 부피의 10% 내지 50%, 예를 들어 20%의 일부로 제 1 혼합물에 포함된다.
그 비율이 혼합물의 5 내지 15 부피%로 포함될 수 있는 탄소질 전기 전도성 필러는 특히 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유 및/또는 탄소 블랙을 포함할 수 있다.
활성 분말 및 전기 전도성 필러는 고형화 가능 액체 전해질과 혼합된다.
애노드 층에 사용되는 제 2 혼합물은 예를 들어, 고형화 가능 액체 전해질, 및 흑연 입자, LTO(티탄산 리튬) 또는 리튬을 포함하거나 포함하지 않는 실리콘 입자의 애노드 활성 물질을 포함할 수 있다. 이들 입자는 나노튜브 또는 탄소 나노섬유와 같은 탄소질 입자와 결합될 수 있다.
고형화 가능 액체 전해질은 혼합물의 10 부피% 내지 50 부피%, 예를 들어 20 부피%의 일부로 제 2 혼합물에 포함된다.
그 비율이 제 2 혼합물의 5 부피% 내지 15 부피% 사이에 포함될 수 있는 탄소질 전기 전도성 필러는 특히 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유 및/또는 탄소 블랙을 포함할 수 있다.
활성 분말 및 전기 전도성 필러는 고형화 가능 액체 전해질과 혼합된다.
셀의 양극 및 음극 제조와 관련하여 본 발명의 방법이 역전될 수 있음을 명시하는 것이 적절하다.
즉, a2 단계는 음극이 있는 하프-셀을 만들기 위한 활성 애노드 물질로 구현될 수 있고, b2 단계는 양극이 있는 하프-셀을 만들기 위한 활성 캐소드 물질로 구현될 수 있다.
유리하게는, 그리고 캐소드 및 애노드 층을 형성하는 혼합물에서 고형화될 수 있는 전해질의 존재로 인해, 이들 전극은 전극의 기계적 강도를 위한 결합제 형성 첨가제를 사용하지 않고 형성될 수 있다. 특히, 종래 배터리에 일반적으로 사용되는 PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드)계 바인더를 포함하지 않는다. 이는 무게를 줄이고 이들 전극을 사용하는 저장 장치의 단위 질량당 용량을 증가시키며, 이는 단위 질량당 저장할 수 있는 전기 에너지를 의미한다. 동일한 전하 용량에 대해 전극이 PVDF 유형의 바인더를 포함하는 셀과 비교하여 10% 정도의 중량 향상이 얻어질 수 있다.
전기 전도성 기판에 혼합물 층을 증착하는 것은 혼합물이 액체일 때 또는 보다 구체적으로 반죽 상태일 때 발생한다.
층은 특히 표면 코팅 헤드 유형(슬롯 다이 코팅)의 증착 헤드에 의해 수행될 때 전기 전도성 기판의 통과하는 스트립 상에 연속적으로 증착될 수 있다. 압출 헤드를 사용하는 다른 코팅 기술도 배제되지 않는다는 점을 명시해야 합니다.
캐소드 및 애노드 층의 고형화는 고형화 가능 액체 전해질의 광개시제가 민감한 개시제 방사선에 이들을 노출시킴으로써 개시된다.
방사선은 광 방사선일 수 있다. 예를 들어, 여기에는 UV 램프, UV 발광 다이오드, 또는 UV 레이저 빔에 의해 생성되는 자외선(UV)이 포함된다. 광선 방사는 가시광선 또는 근적외선 스펙트럼의 방사일 수도 있다. 광 방사의 기능은 고형화의 시작이지 가열이 아님을 나타내야 한다. 비가열 방사선은 실제로 고형화 가능 액체 전해질의 열적 변경 위험을 피하기 위해 선호된다.
선택된 방사선의 파장은 애노드 또는 캐소드 층을 형성하는 혼합물에 사용되는 고형화 가능 액체 전해질에 함유된 광개시제의 함수이다.
고형화되기 전에 재료에 방사선이 잘 침투하도록 보장하기 위해, 바람직하게는 100nm와 1600nm 사이에 포함된 파장을 가질 수 있다.
고형화는 또한 300keV, 바람직하게는 100kGray 미만의 선량으로 확장되는 높은 에너지 침투를 갖는 전자빔 형태의 방사선에 의해 개시될 수 있어 층의 구성 성분, 특히 단량체의 파괴를 방지한다.
고형화 속도는 고려되는 혼합물의 조성, 이 고형화를 시작하는 방사선 노출량에 따라 달라지므로 이러한 매개변수에 대한 조정은 각 층이 각각의 그것의 완전한 고형화 전에 효과적으로 접촉되도록 보장하기 위해 자연스럽게 수행되어야 합니다.
캐소드 층은 활성 애노드 또는 캐소드 물질 없이 제 1 고형화 가능 액체 전해질 층으로 덮여 있다. 유사하게, 애노드 층은 활성 애노드 또는 캐소드 물질 없이 제 2 고형화 가능 액체 전해질 층으로 덮여 있다.
전술한 바와 같이, 활성 물질이 없고 고형화 가능 액체 전해질 층으로 캐소드 층 및 애노드 층 중 하나만 덮는 것도 가능하다.
이러한 액체 전해질 층은 이전에 언급된 단계 a4 및 b4에 포함된 고형화를 개시하는 방사선에 노출된다. 전해질 층은 제 1 지지체 및 제 2 지지체 상에 캐소드 층 및 애노드 층을 증착시키기 위해 사용된 것과 유사한 증착 헤드에 의해 증착될 수 있다.
증착 헤드의 특징 및 크기는 증착되는 재료의 유체 특성에 따라 조정될 수 있다. 활성 물질이 없는 전해질은 실제로 활성 물질이 없고 전극 층(캐소드 및 아마도 애노드)에서 발견될 수 있는 탄소질 입자가 없기 때문에 캐소드 층과 애노드 층을 형성하는 데 사용되는 혼합물보다 더 유동적이다. 필요에 따라 유동성 조정 무기 필러와 같은 보정 첨가제를 사용하여 활성 물질 없이 전해질의 유동성을 더 반죽처럼 만들어서 조정할 수 있다.
중요한 것은, 활성 물질이 없는 제 1 전해질 층 및/또는 활성 물질이 없는 전해질의 제 2 층을 증착시키는 것은 각각 캐소드 층 및 애노드 층의 고형화가 시작된 후에 그러나 완전히 고형화되기 전에 일어난다는 것이다.
이러한 특징은 활성 물질을 포함하는 하부의 캐소드 및 캐소드 층에 활성 물질 없이 액체 전해질 층의 밀착 및 완벽한 부착을 향상시킨다.
따라서, 이들 층 간의 접촉 품질은 완성된 배터리 셀에서 배터리의 충방전 시 전극과 그 위에 형성된 액체 전해질 층에 의해 형성된 분리 층 사이의 이온 전도를 향상시키는 역할을 한다.
본 발명의 방법은 장벽 또는 계면 없이 재료의 연속성을 보장하는 분리 층과 전극 층 사이의 계면에서 약간의 분자 상호침투를 허용한다.
이는 셀을 이용한 전기에너지 저장장치의 내부 저항 감소, 충방전 속도, 충전 용량 측면에서 개선되는 결과를 가져온다.
선택적으로, 제 1 및 제 2 분리 층을 형성하기 위해 사용되는 고형화 가능 액체 전해질은 활성 물질을 포함하는 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물을 구성하고 애노드 및 캐소드 층을 형성하기 위해 사용되는 것과 동일할 수 있다.
사실, 동일한 고형화 가능 액체 전해질을 사용하면 연속적인 층 사이에서 재료의 매우 우수한 연속성을 쉽게 얻을 수 있다.
이와 같이, 애노드 층을 위한 고형화 가능 액체 전해질, 애노드 층을 위한 고형화 액체 전해질, 제 1 분리 전해질 층을 위한 고형화 가능 액체 전해질 및 제 2 분리 전해질 층을 위한 고형화 가능 액체 전해질은 동일할 수 있으며, 동일한 것이 바람직하다.
동일한 액체 전해질의 사용은 캐소드 층 또는 애노드 층의 조성에 들어갈 수 있는, 증점제 또는 유동화제 또는 이전에 언급한 바와 같은 전기 전도성 나노물질과 같이 성질 또는 비율이 다른 보조제의 다양한 층(애노드 층, 캐소드 층, 분리 층)에서의 가능한 추가를 미리 판단하지 않는다. 이들 보조제는 다양한 층에서의 전해질의 용도 및 층 형성에 대한 유변학적 제약에 따라 상이하거나 상이한 양으로 존재할 수 있다.
특히, 상기 제 1 및 제 2 분리 층은 조립시 부호가 반대인 배터리 셀의 전극간 자가방전 위험을 피하기 위해 활성 물질 및 전기/전자 전도성 첨가제가 없는 액체 전해질로 형성되는 것이 바람직하다.
활성 물질을 포함하는 혼합물 층과 활성 물질이 없는 전해질 층이 제공되는 제 1 및 제 2 지지체는 배터리 셀을 형성하기 위해 조립되는 하프-셀을 구성한다.
활성 물질이 없는 제 1 및 제 2 전해질 층을 접촉시키는 것을 수반하는 조립은 또한 전해질의 고형화 개시 후에, 고형화가 시작될 때 및 어떠한 경우에도 완전히 고형화되기 전에 행해진다.
여기에서도 이 조치는 활성 물질 없이 전해질 층의 밀착 및 완벽한 부착을 향상시킨다.
이 방법을 사용하면 한 전극에서 다른 전극으로 전해질 층을 통한 이온 전도의 연속성이 충전 및 방전 주기 동안 최종 셀에서 보장될 수 있다.
활성 물질이 없는 제 1 전해질 층과 활성 물질이 없는 제 2 전해질 층을 접촉시키는 것은 직접 접촉시키는 것이 바람직하다.
변형으로서, 방법은 그러나 제 1 하프-셀 및 제 2 하프-셀의 조립 동안, 활성 물질이 없는 전해질 층 사이 또는 활성 물질이 없는 전해질 층과 애노드 층 및 캐소드 층 중 하나 사이에 추가적인 전기 절연 그리드 세퍼레이터 필름을 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 이들 층을 접촉시키는 것은 이 필름을 통해 이루어진다.
특히, 활성 물질 없이 제 1 전해질 층과 제 2 전해질 층 사이에 단차가 2~4mm인 성긴 그물망 형태를 갖는 중합체의 전기절연 그리드 분리 필름을 삽입할 수 있다. 세퍼레이터는 고형화될 수 있는 액체 전해질로 침지될 수 있고, 조립 동안 하프-셀 사이에 끼워지기 직전에 액체 전해질의 고형화를 개시하는 방사선에 노출될 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 캐소드 및 애노드 층을 덮는 활성 물질 없이 액체 전해질 층의 구현을 위해 사용되든, 전극 활성 물질 및 탄소질 필러가 없는 동일한 액체 전해질을 포함한다.
그리드 세퍼레이터 필름이 미리 침지되어 있든 없든, 스크린 세퍼레이터 필름의 양면에 위치하는 활성 물질이 없는 액체 상태의 전해질은 그리드형 세퍼레이터 필름을 통과할 수 있다. 이는 그리드 세퍼레이터를 통해 활성 물질 없이 전해질 층의 상호 침투를 허용한다.
활성 물질이 없는 전해질 층의 상호침투는 어셈블리를 구현하는 한 쌍의 롤러 사이에 하프-셀을 통과시킴으로써 향상된다.
활성 물질을 포함하는 혼합물 층의 완전한 고형화 전에 활성 물질 없이 전해질 층을 증착하고 고형화되기 전에 전해질 층을 접촉하게 함으로써 셀 조립 후 고형화를 완료할 수 있다. 이전에 지적한 바와 같이, 배터리 셀의 연속적인 층의 일부 분자 상호침투 및 재료의 연속성은 그 결과이다. 이러한 방법으로, 생성된 배터리 셀의 충전 및 방전 중에 다양한 층 사이의 우수한 이온 전도가 얻어질 수 있다. 애노드과 캐소드 층 사이의 단락도 이런 식으로 피할 수 있다.
단계 a1, a2, a3 및 a4와 단계 b1, b2, b3 및 b4는 동시에 수행될 수 있다. 2개의 하프-셀을 형성하는 단계가 완벽하게 동기화되는 것이 필수불가결한 것은 아니지만, 완전히 고형화되기 전에 층이 결합될 수 있도록 충분히 짧은 시간 내에 수행된다.
이와 관련하여, 단계의 부수적인 특성이 몇 초에 걸쳐 연장되도록 고형화가 시작된 후 몇 초 내에 완료될 수 있음을 알 수 있다.
유리하게는, 상기 방법은 다음을 더 포함할 수 있다:
- 활성 물질 없이 제 1 전해질 층을 각각 증착시키기 전에, 각각 활성 물질 없이 제 2 전해질 층을 증착시키기 전에, 애노드 층의 각각의 캐소드 층의 두께의 크기 조정; 및/또는
- 하프-셀의 조립 전에 활성 물질이 없는 제 1 전해질 층 및 활성 물질이 없는 제 2 전해질 층의 두께 크기 조정.
층의 크기 조정은 지지체의 전체 범위에 걸쳐 그 두께를 균일하게 만드는 역할을 하고 전체 범위에 걸쳐 최종 셀의 전기적 특성을 개선하는 역할을 한다. 또한, 크기 조정은 제조시 하프-셀을 크기 조정 롤러 사이로 통과시켜 이루어지는 경우 층을 압축하여 활성 물질에 전해질이 완전히 침투되도록 하는 역할을 한다. 가능한 바람직하지 않은 다공성도 이러한 방식으로 재흡수될 수 있다.
크기 조정은 아직 고형화되지 않은 층 사이의 양질의 접촉에 필요하지 않지만 추가 품질 및 균일성을 달성하는 데 도움이 될 수 있음을 이해한다.
따라서 크기 조정 롤러는 압연기를 구성할 수도 있다. 롤러는 층의 고형화를 활성화시키는 가열 롤러일 수 있다.
방법의 바람직한 실시예에 따르면, 제 1 지지체 및 제 2 지지체는 각각 제 1 지지 스트립 및 제 2 지지 스트립일 수 있다.
이 경우: 제 1 지지체를 공급하는 단계 및 제 2 지지체를 공급하는 단계는 각각 제 1 풀림 및 제 2 풀림로부터 제 1 지지 스트립의 풀림 및 제 2 지지 스트립의 풀림을 각각 포함할 수 있다.
모든 동작은 풀림 롤러(uncoiling roller)와 권취 롤러(coiling roller) 사이에서 롤-투-롤(roll-to-roll)이라는 방식으로 이루어질 수 있다.
특히, 캐소드 층 증착 및 애노드 층 증착은 제 1 혼합물을 위한 제 1 증착 헤드 및 제 2 혼합물을 위한 제 2 증착 헤드 앞에서 각각 제 1 스트립 및 제 2 스트립의 통과에 의해 연속적으로 일어날 수 있다.
유사하게, 활성 물질 없이 제 1 전해질 층을 증착하는 것과 활성 물질 없이 제 2 전해질 층을 증착하는 것은 각각 제 3 전해질 증착 헤드 앞과 제 4 전해질 증착 헤드 앞에서 제 1 스트립과 제 2 스트립을 통과하면서 연속적으로 일어날 수 있다.
증착 헤드 및 제조 장치의 구성과 방법의 다양한 작업에 해당하는 모듈의 레이아웃이 이후에 설명된다.
전술한 바와 같이, 증착 헤드는 스트립이 증착 헤드 앞의 스트립을 따라 통과할 때 스트립의 폭 전체에 걸쳐 다양한 재료 층을 각각 증착할 수 있는 슬롯-압출 헤드일 수 있다. 다양한 층을 증착하는 순간, 증착 헤드에서 나오는 재료는 다소 유동적인 일관성을 가진 액체이다.
증착 헤드는 또한 리튬-이온 배터리를 구현하기 위해 활성 물질을 증착하기 위한 기계에 일반적으로 사용되는 것과 같은 헤드일 수 있다.
"증착(deposit)" 및 "증착 헤드(depositing head)"라는 용어의 사용은 증착 기술을 미리 판단하지 않는다. 이들 용어는 지지체 상에 물질을 제공하는 기능뿐만 아니라 물질이 증착되는 지지체 표면 상의 물질 분포를 의미하는 지지체를 코팅하는 기능을 포함하는 것으로 이해된다.
또한, 방법의 구현을 위한 특정 가능성에 따라, 캐소드 층 노출 및 애노드 층 노출은 각각 적어도 하나의 제 1 방사선 소스 및 적어도 하나의 제 2 방사선 소스 앞에 제 1 스트립 및 제 2 스트립을 각각의 통과에 의해 발생할 수 있다.
또한, 제 1 분리 층 노출 및 제 2 분리 층 노출은 각각 제 3 방사선 소스 및 제 4 방사선 소스 앞에서 제 1 스트립 및 제 2 스트립이 통과하면서 이루어질 수 있다.
전술한 층을 노출시키는 것은 캐소드 층을 제조하는 역할을 하는 제 1 혼합물의 전해질, 애노드 층을 제조하는 역할을 하는 제 2 혼합물의 전해질 및/또는 활성 물질이 없이 중합 및/또는 가교에 의해 이러한 층의 고형화를 시작하는 역할을 하는 전해질에 각각 함유된 광개시제에 적합한 방사선에 대한 노출로 이해된다.
이전에 언급한 바와 같이, 방사선 소스는 램프, LED일 수 있지만, 고형화될 물질을 스위핑하는 전자빔을 방출할 수 있는 레이저 소스 또는 전자 소스일 수도 있다. 그리고 자외선 스펙트럼뿐만 아니라 가시광선 및 적외선 스펙트럼에서도 방출하는 소스를 포함할 수 있다.
적외선 방사선과 이 스펙트럼에 민감한 광개시제를 사용하면 재료에 방사선이 더 잘 침투할 수 있다.
작업 및 방법의 순서 및 시퀀스는 제 1 지지 스트립 및 제 2 지지 스트립 상에 형성된 하프-셀을 조립하는 풀림 롤러와 프레서 롤러 사이의 제 1 지지 스트립 및 제 2 지지 스트립에 의해 형성된 경로를 따라 재료 증착 헤드 및 방사선 소스의 배치에 의해 설정될 수 있다.
제 1 지지체 및 제 2 지지체가 각각 제 1 지지 스트립 및 제 2 지지 스트립일 때, 캐소드 층의 두께의 크기 조정 및 애노드 층의 크기 조정은 제 1 지지체의 통과에 의해 이루어질 수 있으며, 크기 조정 롤러의 제 1 쌍 및 크기 조정 롤러의 제 2 쌍을 통해 애노드 층이 제공된 제 2 지지 스트립의 캐소드 층을 각각 포함한다. 캐소드 층의 두께와 애노드 층의 두께는 동일하지 않고 서로의 함수일 수 있음을 명시하는 것이 적절하다. 또한, 크기 조정 롤러는 집전체를 구성하는 지지체의 두께를 고려하여 각 층의 두께를 제어하기 위해 제어 컴퓨터에 의해 구동될 수 있다.
또한, 활성 물질이 없는 제 1 전해질 층 및 활성 물질이 없는 제 2 전해질 층의 두께의 크기 조정은 제 3 크기 조정 롤러 쌍 및 제 4 크기 조정 롤러 쌍을 통해 각각의 제 2 하프-셀의 통과에 의해 일어날 수 있다.
두 개의 하프-셀이 조립된 셀은 에너지 저장 장치를 구성한다. 거의 무제한의 에너지 저장 용량을 갖는 큰 치수, 특히 긴 길이를 갖는 스트립의 셀은 설명된 방식으로 롤-투-롤 제조로부터 생성될 수 있다. 이러한 셀은 고정식 전기 에너지 저장 시설을 갖추는 데 유용할 수 있다.
그러나 단순히 세포를 절단하여 더 작은 세포를 얻는 것이 가능하다. 실제로, 방법은 하프-셀의 조립에 후속하여 배터리 셀을 포맷된 셀로 절단하는 것을 포함하는 셀 포맷 작업을 포함할 수 있다. 절단부는 제 1 지지체 및 제 2 지지체를 통과하여 수직으로 연장된다. 직물 절단에 사용되는 것과 유사한 레이저 절단 테이블에서 수행할 수 있다. 레이저 절단은 재료의 국부 용융으로 절단 품질을 허용하고 특히 전류 수집기 사이의 전기 단락 위험을 방지한다. 따라서 하나의 큰 치수 셀로부터 복수의 포맷된 셀이 얻어질 수 있다.
셀에는 액체 전해질이 없기 때문에 전해질 흐름의 위험이 없으며 절단은 전해질과 관련하여 특별한 예방 조치를 요구하지 않는다.
최종적으로 얻어지는 포맷된 셀은 바람직하게는 직사각형 주요 표면을 갖고 모서리의 취약성을 피하기 위해 둥근 모서리를 갖는 셀일 수 있다.
마지막으로, 방법은 포맷된 배터리 셀의 적어도 하나의 측면 에지 위에 전기 절연 재료의 보호 코팅을 배치하는 것을 포함할 수 있다. 셀을 포맷된 셀로 절단하여 발생하는 측면 에지(들)의 보호는 그 자체가 셀의 작동에 필수 불가결한 것은 아닙니다. 그러나 전류 수집기 사이의 예기치 않은 단락의 위험을 피하기 위해 셀의 두께가 수백 미크론 정도로 매우 얇기 때문에 바람직하다. 절단된 측면 에지의 절연 재료는 액체 형태로 배치되어 방사선에 노출되어 고형화될 수 있다. 이 경우 광중합성 전기 절연체가 포함된다.
마지막으로, 포맷된 배터리 셀의 측면 에지는 폭이 셀 또는 여러 적층된 셀의 두께에 해당하는 접착 리본의 측면 에지에 배치하여 보호할 수 있다.
본 발명은 또한 배터리 제조 방법에 관한 것이다. 이 방법은 전술한 방식으로 복수의 포맷된 배터리 셀을 제조하는 단계, 및 포맷된 배터리 셀의 스택을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 스택의 형성은 포맷된 배터리 셀의 제 1 지지체의 자유 전도 표면을 스택의 다음 포맷된 배터리 셀의 제 2 지지체의 자유 전도성 표면과 접촉시키는 단계를 포함한다.
셀의 제 1 지지체는 전류 수집기를 형성하고 캐소드 층과 접촉하는 표면 및 전기적으로 전도성인 반대 표면을 갖는다. 동일한 방식으로, 셀의 제 2 지지체도 전류 수집기를 형성하고 애노드 층과 접촉하는 표면 및 반대 전기 전도성 자유 표면을 갖는다. 여기서, "자유 표면(free surface)"은 전극을 갖지 않는 집전체 지지 표면을 의미하는 것으로 이해된다.
배터리에서 전류 수집기의 자유 표면은 셀의 전기적 상호 연결을 위한 커넥터 역할을 한다.
배터리는 양극 및 음극 활성 물질 층을 갖는 교번하는 하프-셀(교대하는 캐소드 및 애노드를 의미함)과 직렬로 배치된 복수의 포맷된 셀의 스택을 포함할 수 있다. 포멧된 셀을 적층하는 사실은 물리적, 전기적으로 지지체를 형성하는 집전체의 자유면을 배치시켜 이들의 상호접속을 직접적으로 구현하는 역할을 한다.
축전지를 구현하기 위해 포맷된 셀을 직렬 및/또는 병렬로 배치하기 위한 다른 배열도 물론 배제되지 않는다. 셀이 적층되지 않은 경우, 의도된 상호 연결 방식에 따라 셀의 집전체를 전기적으로 연결하기 위해 추가적인 전기 전도체가 제공될 수 있다.
본 발명은 마지막으로 전술한 바와 같은 배터리 셀을 형성하기에 적합한 장치에 관한 것이다. 장치는:
- 제 1 하프-셀을 제조하기 위한 제 1 제조 라인;
- 제 2 하프-셀을 제조하기 위한 제 2 제조 라인;
- 상기 제 1 제조 라인에 형성된 제 1 하프-셀과 상기 제 2 제조 라인에 형성된 제 2 하프-셀의 조립을 위한 한 쌍의 조립 롤러; 및
- 한 쌍의 조립 롤러의 하류에 배치된 배터리-셀 권취 롤러(battery-cell coiling roller)를 포함한다.
권취 롤러는 구동 롤러일 수 있으며, 제 1 제조 라인에서 나오는 하나의 하프-셀과 제 2 제조 라인에서 나오는 제 2 하프-셀로 이루어진 완성된 배터리를 권취하기 위한 것이다.
제 1 제조 라인 및 제 2 제조 라인은 서로 유사하고 2개의 하프-셀의 동시 제조 전용 장치를 위한 동종 설비를 의미하는 것으로 이해된다. 제조 라인은 두 개의 하프-셀이 조립되는 조립 롤러 근처에 모인다.
특히, 제 1 제조 라인 및 제 2 제조 라인 중 적어도 하나는:
지지 스트립을 풀기에 적합한 풀림 롤러 및 풀림 롤러와 한 쌍의 조립 롤러 사이에 순서대로:
- 캐소드 층, 각각 애노드 층을 형성하기에 적합한 제 1 코팅 모듈;
- 제 1 롤링 모듈;
- 활성 물질 없이 전해질 층을 형성하기에 적합한 제 2 코팅 모듈; 및
- 제 2 롤링 모듈을 포함한다.
각각의 모듈은 제조 방법의 하나 또는 그 초과의 작업을 실행하는 데 필요한 구성 요소를 포함한다.
제조 라인을 구성하는 다양한 모듈은 연속 모듈을 분리하는 거리를 각각 조정할 수 있도록 서로 상대적으로 그리고 조립 롤러 쌍에 대해 이동할 수 있다.
이 거리의 수정 및 제어는 지지 스트립과 지지 스트립에 형성된 하프-셀이 고정된 통과 속도로 풀림 롤러와 권취 롤러 사이의 한 모듈에서 다른 모듈로 롤러 대 롤로로 이동한다는 것을 알고 각각의 모듈이 수행하는 작업 사이의 시간을 설정하는 역할을 한다.
따라서, 층을 방사선에 증착 및 노출시키는 것 및 또한 롤링하는 것 사이에 경과하는 시간을 조정하는 것이 가능하다. 이들 층의 고형화를 개시하는 방사선에 층을 증착 및/또는 노출시키는 것과 하프-셀의 조립 사이에 통과하는 시간을 조정하는 것도 가능하다.
제 1 코팅 모듈 및 제 2 코팅 모듈은 각각 캐소드 층 증착 헤드, 각각 애노드 층, 및 증착 헤드와 관련된 적어도 하나의 방사선 소스를 포함한다.
제 1 및 제 2 롤링 모듈은 각각 한 쌍의 크기 조정 롤러 및 한 쌍의 크기 조정 롤러와 각각 연결된 두께 센서를 포함한다. 롤링 모듈에는 여러 기능이 있다. 제 1 기능은 증착된 층의 두께를 설정하는 것이다. 또 다른 기능은 층의 두께를 균일하게 만드는 것이다. 특히 제 2 롤링 모듈에 대한 또 다른 기능은 층의 용접을 개선하기 위해 밑에 있는 캐소드 또는 애노드 층에 대해 활성 물질 없이 전해질 층을 가압하는 것이다. 마지막으로 크기 조정 롤러가 열을 가하면 층의 고형화 속도를 높이는 기능이 있을 수 있다.
롤링 모듈의 크기 조정 롤러와 관련된 두께 센서는 다른 모듈의 다른 두께 센서 또는 풀림 롤러 뒤에 배열된 지지 스트립의 두께 센서와 결합될 수 있는 신호를 생성한다.
계산 유닛에서 이러한 모든 신호의 조합은 다양한 층 또는 그 제조 동안 하프-셀의 두께를 결정하고 필요에 따라 크기 조정 롤러의 간격을 조정하여 사전 결정된 설정 가치를 달성하는 역할을 한다.
지지 밴드의 통과 속도 제어와 결합된 하프-셀의 궤적에서 모듈의 위치 및 간격은 두 개의 개별 작업을 분리하는 시간 간격을 미세하게 제어하여 셀 제조의 후속 작업 전에 액체 또는 반죽 형태에 증착된 층의 고형화 정도를 제어하는 역할을 한다.
특히, (i) 초기 반죽 전극 층을 UV 방사 또는 전자빔에 노출시켜 고형화를 시작하는 단계, 및 (ii) 이 층을 예를 들어 노출된 애노드 또는 캐소드 층에 분리 층을 형성하기 위한 고형화 가능 액체 전해질 층을 증착하는 동안과 같이 다른 층과 접촉시키는 단계를 분리하는 시간 간격을 제어하는 것이 가능하다. 시간 간격의 제어는 두 층 사이의 접촉이 액체 또는 반죽 상태일 때 처음에 수행되어 이들 층 사이에 긴밀한 접촉을 허용하도록 하는 역할을 한다.
노출 후 애노드 층과 캐소드 층 사이에 삽입된 분리 층을 함께 형성하기 위해 활성 물질이 없는 두 전해질 층을 접촉시키는 것도 동일한 원리가 적용된다.
고려된 시간 간격은 지지 스트립의 주어진 위치에서 제조 단계의 적용에 해당하고 통과 속도는 한 모듈에서 배터리 제조 방법의 다른 작업에 각각 해당하는 다른 모듈로 가는 경로를 따라 주어진 위치의 변위 속도에 해당하는 것으로 이해된다. 그런 식으로, 제조 방법의 두 단계의 적용을 분리하는 시간 간격 At는 At = d/V로 추정되며, 여기서 d는 제조 방법의 이러한 두 단계를 구현하기 위해 두 모듈 사이에서 지지 스트립이 이동한 거리이고 V는 지지 스트립의 선형 통과 속도이다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같은 연속 제조 방법에서, 2개의 작업이 연속적으로 적용된다는 것은 이들 2개의 작업이 통과하는 동안 지지체, 스트립 또는 필름의 주어진 위치에서 연속적으로 적용된다는 의미로 이해된다.
코팅 모듈용 방사선 소스는 필요에 따라 고형화될 재료를 더 잘 노출시키기 위해 여러 소스로 분할될 수 있다. 방사선 소스는 또한 층의 통과 방향으로 200mm의 개구부를 갖는 하나의 소스와 동등하게 제공될 수 있으며, 각각은 층의 통과 방향으로 40mm 이상 연장되는 출구 개구부를 갖는 5개의 개별 방사선 소스 세트로 구성된다.
방사선 소스는 예를 들어 자외선, 근적외선 또는 가시광선의 방사선의 소스이며 보다 일반적으로는 고형화될 필요가 있는 액체 물질에 존재하는 광개시제와 양립할 수 있는 소스이다. 추가로, 층의 두께, 층의 구성, 및 밀도, 모듈 앞의 지지 스트립/하프-셀의 통과 속도, 모듈 분리 등과 같은 매개변수의 함수로서 강도를 조정하기 위해 소스에 의해 방출되는 방사선의 조정이 제공될 수 있다.
특히, 탄소질 충전재는 UV 및 전자 방사선을 차단하는 경향이 있기 때문에 층에서 탄소질 충전재의 비율이 증가하면 고형화를 올바르게 시작하기 위해 노출 선량이 증가하고, 여기서 선량은 소스에 의해 조사된 전력, 개수, 및 표면적에 의해 제어되고, 또한 롤-투-롤 제조 동안 드라이버 유닛에 의해 명령되는 지지체의 통과 속도에 의해 결정된다.
적절한 통과 속도는 UV 방사선 노출의 경우 1~10m/min, UV 방사선보다 강력하고 투과성이 높은 전자 빔 노출의 경우 3 내지 30m/min이다.
또한, 장치는 에지 절단 도구를 포함할 수 있다. 각각의 제조 라인의 제 2 롤링 모듈과 한 쌍의 조립 롤러 사이에 각각 배치될 수 있다. 에지 절단 도구는 한 쌍의 조립 롤러 뒤에 배열될 수도 있다. 각각의 절단 도구에는 통과 스트립으로부터 2개의 대향 측면 에지를 동시에 절삭하기 위한 2개의 역회전 블레이드가 제공될 수 있다. 절단은 두 개의 하프-셀을 조립하기 전에 두 개의 하프-셀의 폭을 설정하는 역할을 한다.
변형에 따르면, 날이 있는 에지 절단 도구는 레이저 빔에 의한 장치 절단으로 대체될 수 있다.
제 1 하프-셀의 제조 및 제 2 하프-셀의 제조를 위해 각각 사용되는 2개의 제조 라인은 스트립의 전방 이동의 동기화된 제어와 함께 단일 기계에 통합될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 권취 롤러는 구동 롤러일 수 있다. 권취 롤러에 배터리 셀을 감아 배터리 셀 및 그 구성 요소에 충분한 견인력을 가하여 풀림 롤러로부터 스트립의 풀림 및 풀림 롤러에서 스트립으로부터 형성된 하프-셀 및 스트립의 권취 롤러로의 전방 이동을 유발할 때 권취 롤러를 구동 롤러로 간주한다. 특히, 스트립의 전방 이동은 구동 권취 롤러의 사용에 의해 동기화될 수 있다.
풀림 롤러는 브레이크가 있는 롤러일 수 있다. 특히 구동 권취 롤러와 함께 브레이크가 있는 롤러의 사용은 스트립 및 하프-셀의 특정 장력을 보장하는 역할을 하고 풀림 시 저크를 방지하는 역할을 한다. 풀림 롤러의 제동은 마찰 또는 전자기 제동에 의한 제동일 수 있다.
롤링 모듈 또는 코팅 모듈과 같은 다른 부재는 또한 중앙 구동 장치에 의해 스트립의 전방 이동과 동기화될 수 있다.
중앙 드라이버 유닛은 예를 들어 장치의 다양한 부재를 제어하도록 구성된 전용 전자 드라이버 회로를 포함할 수 있다. 특히, 장치는 권취 롤러, 제 1 코팅 모듈, 제 2 코팅 모듈, 제 1 롤링 모듈 및 제 2 롤링 모듈 중 적어도 하나를 위한 드라이버 유닛을 포함할 수 있다. 드라이버 유닛은 구성요소의 구동 모터 또는 코팅 모듈의 유량을 제어하도록 구성될 수 있다. 드라이버 유닛은 또한 지지 스트립의 장력을 제어하기 위해 풀림 롤러의 제동 강도를 제어하는 데 사용될 수 있다.
드라이버 유닛은 제조 라인에서 하나 또는 그 초과의 롤러와 관련된 하나 또는 그 초과의 회전 속도 센서로부터 신호를 수신할 수 있다. 이들 신호는 스트립 및 하프-셀의 통과 속도를 결정하기 위해 드라이버 유닛에 의해 사용될 수 있다. 신호는 또한 스트립 및 하프-셀에 대한 일정한 통과 속도 및 일정한 장력을 설정하기 위해 권취 롤러의 구동 모터 및/또는 풀림 롤러의 제동을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 장치는 액체 전해질의 고형화로 인한 고체 전해질 배터리 셀을 구현하는 데 적합하다. 또한 롤-투-롤 방식에 따라 액체 전해질의 고형화로 인한 고체 전해질로 대면적 슈퍼커패시터 셀을 구현하는데 적합함을 알 수 있다.
배터리 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 축전지를 형성하는 것처럼 슈퍼커패시터 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 슈퍼커패시터 배터리를 구성할 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 도면을 참조하여 다음 설명으로부터 나타날 것이다. 이 설명은 예시를 위한 것이며 제한 없이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 전지용 제조 장치의 다양한 부재의 개략도이다. 또한 셀 제조 방법의 다양한 단계를 나타낸다.
도 2는 도 1의 것과 유사한 셀용 제조 장치용 제조 라인의 개략도이며 장치의 구성 요소를 모듈로 조직화한 것을 보여준다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 포맷된 배터리 셀의 주면을 따른 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따르고 축전지를 구성하는 제조된 포맷된 셀 스택의 일부에 대한 개략 단면도이다.
도면은 임의의 축척으로 도시된다.
도 2는 도 1의 것과 유사한 셀용 제조 장치용 제조 라인의 개략도이며 장치의 구성 요소를 모듈로 조직화한 것을 보여준다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 포맷된 배터리 셀의 주면을 따른 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따르고 축전지를 구성하는 제조된 포맷된 셀 스택의 일부에 대한 개략 단면도이다.
도면은 임의의 축척으로 도시된다.
이하의 설명에서, 서로 다른 도면의 동일하거나 유사하거나 동등한 부분은 하나의 도면에서 다른 도면으로 참조할 수 있도록 동일한 참조 기호로 참조된다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 셀(10)을 제조하기 위한 장치(100)를 도시한다.
장치(100)에는 동일한 부재를 포함하고 2개의 하프-셀(10a, 10b)을 동시에 형성하도록 의도된 2개의 제조 라인(110a, 110b)이 제공된다. 제조 라인(110a, 110b)은 하프-셀(10a, 10b)로부터 배터리 셀(10)을 형성하도록 의도된 한 쌍의 조립 롤러(142)에서 함께 온다. 2개의 제조 라인(110a, 110b)은 양극(캐소드)을 갖는 하프-셀(10a) 및 음극(애노드)을 갖는 하프-셀(10b)을 각각 형성하도록 구성된다.
그러나 양극 또는 음극으로 하프-셀을 형성하는 선택은 장치가 아니라 사용되는 재료에 따라 달라지므로 양극 또는 음극으로 만들어진 하프-셀의 특성은 제조 라인에 의존하지 않는다. 따라서 제 2 제조 라인(110b)에 애노드가 있는 하프-셀을 구현하고 제 1 제조 라인(110a)에 음극이 있는 셀을 구현하는 것이 가능할 것이다.
각각의 제조 라인(110a, 110b)은 해당 하프-셀로부터 전류를 수집하는 역할을 하는 전기 전도성 지지체를 제공하도록 의도된 풀림 롤러를 포함한다.
따라서 제 1 풀림 롤러(112a)는 제 1 지지 스트립(14a)을 전달하고 제 2 풀림 롤러(112b)는 제 2 지지 스트립(14b)을 전달한다. 제 1 지지체(14a)를 공급하고 제 2 지지체(14b)를 공급하는 동작은 각각 참조부호 214a, 214b와 함께 화살표로 상징적으로 도시되어 있다.
단순화를 위해, 제 1 지지체 및 제 2 지지체 및 이들을 각각 형성하는 스트립은 동일한 참조 부호 14a, 14b로 참조된다. 지지 스트립(14a, 14b)은 배터리 셀(10)의 집전체를 형성하기 위한 것이다. 이들은 금속 필름, 예를 들어 구리, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 니켈, 및 전도성 중합체 필름, 전도성 섬유의 웹일 수 있거나 기계적 강도와 전기 전도 기능을 제공하는 여러 층의 재료를 포함할 수 있다. 지지 스트립의 두께는 대략 10 내지 200㎛일 수 있다.
스트립은 예를 들어 수백 미터로 길 수 있다. 롤러의 크기에 의해 제한되지 않는다. 또한, 설명된 구현예에서 지지 스트립의 폭은 1200mm이다. 더 크거나 작은 다른 폭을 선택할 수 있다.
풀림 롤러(112a, 112b)의 하류에서 각각의 제조 라인은 롤러에 의해 전달되는 지지 스트립(14a, 14b)의 장력을 제어하는 역할을 하는 반환 아이들러 세트(미도시) 및 두께 센서(118a, 118b)를 포함할 수 있다.
제조 라인을 따라 지지 스트립을 지지하기 위해 도시되지 않은 다른 컨베이어 롤러가 제공될 수 있다.
지지 스트립을 지지하기 위해 스테인리스 스틸 또는 PVC 유형의 중합체 시트로 덮힌 컨베이어 테이블도 제공될 수 있다.
지지 스트립(14a, 14b)은 각각 제 1 및 제 2 제조 라인의 제 1 증착 헤드(120a) 및 제 2 증착 헤드(120b)에 각각 연결된다.
이들 증착 헤드에는 캐소드 활성 물질, 탄소질 전기 전도성 필러, 액체 상태의 전해질을 포함하는 제 1 혼합물 및 애노드 활성 물질, 탄소질 전기 전도성 필러 및 액체 상태의 전해질을 포함하는 제 2 혼합물이 각각 공급된다.
또한, 제 1 지지 스트립(14a)이 제 1 증착 헤드(120a) 전방을 통과하고 제 2 지지 스트립(14b)이 제 2 증착 헤드(120b) 전방을 통과함에 따라 애노드 활성 물질을 포함하는 제 1 혼합물의 제 1 층이 제 1 지지 스트립(14a)에 단계적으로 증착되고: 이것은 캐소드 층(16a)이다.
동일한 방식으로, 애노드 활성 물질을 포함하는 제 2 혼합물의 제 2 층이 제 2 지지 스트립(14b) 상에 단계적으로 증착되고: 이것이 애노드 층(16b)이다. 층은 도 1에 자세히 표시되지 않았지만 도 4에서 볼 수 있다.
스트립(122a, 122b)을 위한 리턴 아이들러(return idler)는 지지 스트립(14a, 14b)의 코팅 시에 지지 스트립(14a, 14b)의 우수한 유지를 보장하기 위해 각각의 증착 헤드(120a, 120b)를 향하고 있음을 알 수 있다.
캐소드 및 애노드 층을 형성하는 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물은 증착 헤드를 끈적끈적한 농도로 남겨둔다. 앞서 언급한 활성 물질 및 가능한 탄소질 전기 전도성 필러에 더하여, 이들은 각각 고형화될 수 있는 액체 상태 전해질을 포함한다.
캐소드 층의 두께와 애노드 층의 두께는 50 내지 300㎛ 정도일 수 있다.
캐소드 층 및 애노드 층을 증착하는 작업은 화살표(220a, 220b)로 상징적으로 표시하였다. 증착은 지지 스트립의 전체 폭에 걸쳐 수행될 수 있다. 그러나, 설명된 예에서, 증착은 스트립(14a, 14b)의 에지를 자유롭게 남겨두면서 1160mm의 폭으로 제한된다.
이러한 방식으로 액체 혼합물이 스트립의 측면 에지로 넘칠 위험을 피할 수 있다.
제 1 증착 헤드(120a)의 양측에서, 캐소드 층(16a)의 고형화를 개시하기 위해 방사선을 캐소드 층(16a)에 인가하기 위한 제 1 UV 방사선 소스(124a)가 발견된다. 도 1의 구현예에서, 그것은 캐소드 층(16a)의 양 표면을 노출시키는 분리된 방사선 소스를 포함한다.
층(16a)의 고형화는 그것이 함유하는 고형화 가능 액체 전해질의 고형화로 인한 것이다. 실제로 전해질에는 제 1 방사선 소스(124a)로부터의 방사와 양립할 수 있는 광개시제가 제공된다.
유사하게, 제 2 제조 라인(110b) 상에서 제 2 UV 방사선 소스(124b)는 애노드 층(16b)의 고형화를 개시하기 위해 제 2 증착 헤드(120b)의 양측에 배열된다.
캐소드 층(16a) 및 애노드 층(16b)을 고형화를 개시하는 방사선에 노출시키는 작업은 화살표(224a 및 224b)로 표시된다.
흥미롭게도, 설명된 구현예에서, 층의 조사는 지지 스트립 상에 증착과 동시에 또는 이러한 증착 직후에 일어난다는 것을 알 수 있다.
증착 후 노출도 생각할 수 있지만 증착된 층의 양면에 대한 노출을 허용하지 않는다.
이들 작업 후에, 2개의 제조 라인(110a, 110b)으로부터의 스트립은 각각 제 1 크기 조정 롤러 쌍(126a)과 제 2 크기 조정 롤러 쌍(126b) 사이를 통과한다.
캐소드 층과 애노드 층을 각각 의미하는 활성 전극 물질을 포함하는 층이 제공된 스트립은 혼합물 층의 두께를 정하고 기공을 피하기 위해 캘린더링을 거친다.
전극 층이 제공된 시트의 두께는 두께 센서(128a, 128b)에 의해 크기 조정 롤러로부터의 출력에서 측정된다. 두께 센서는 예를 들어 삼각 광 빔 센서이다.
크기 조정 롤러의 출구에서 두께 센서(128a, 128b)로 이루어진 측정과 풀림 롤러(112a, 112b)의 출구에서 두께 센서(118a, 118b)로 이루어진 측정을 구별함으로써, 혼합물 층의 두께를 알 수 있다.
이 두께는 크기 조정 롤러(126a, 126b) 쌍과 증착 헤드(120a, 120b)의 분리에 결합된 제어를 수행하기 위해 미리 계획된 두께와 비교될 수 있다.
애노드(캐소드)을 형성하는 층의 두께 및 음극을 형성하는 층의 두께는 60 내지 300㎛ 사이에 포함될 수 있다.
캐소드 층(16a) 및 애노드 층(16b)의 두께를 보정하는 동작은 화살표(226a, 226b)로 표시된다.
이러한 제 1 두께 크기 조정 후에, 활성 전극 재료를 포함하는 캐소드(16a) 및 애노드(16b) 층이 제공된 지지 스트립(14a, 14b)은 제 3 증착 헤드(130a) 및 제 4 증착 헤드(130b) 앞을 각각 통과한다. 제 3 증착 헤드(130a)는 제 1 제조 라인(110a)의 일부이고, 제 4 증착 헤드(130b)는 제 2 제조 라인(110b)의 일부이다. 이들 증착 헤드는 각각 제 1 지지 스트립(14a)의 캐소드 층(16a) 상에 활성 물질이 없는 전해질 형태의 제 1 분리 층(18a)을 증착하고, 제 2 지지 스트립(14b)의 애노드 층(16b) 상에 활성 물질 없는 전해질 형태의 제 2 분리 층(18b)을 증착한다.
전해질로 이루어진 분리 층(18a, 18b)을 증착하는 과정을 각각 화살표(230a, 230b)로 나타내었다. 전해질은 바람직하게는 캐소드 층(16a) 및 애노드 층(16b)과 동일한 면적에 액체 형태로 증착된다. 두 제조 라인(110a, 110b) 모두에 분리 층(18a, 18b)을 증착하기 위해 단일의 고형화 가능 액체 전해질이 사용될 수 있다. 이는 특히 밑에 있는 캐소드 층(16a) 및 애노드 층(16b)의 조성에 들어가는 고형화 가능 액체 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 빛 방사의 영향 하에서 전해질의 고형화를 시작하는 광개시제를 포함한다. 예를 들어 자외선, 가시광선, 또는 근적외선일 수 있다.
활성 물질이 없는 전해질 층의 두께는 예를 들어 10 내지 60㎛ 정도이다.
한편으로 제 1 및 제 3 증착 헤드 사이의 거리, 다른 한편으로 제 2 및 제 4 증착 헤드 사이의 거리는 충분히 짧고, 지지 스트립의 통과 속도는 하부 캐소드(16a) 및 애노드(16b) 층의 완전한 고형화 전 분리 층(18a 및 18b)을 증착시키기에 충분히 높다. 층의 고형화는 몇 미터의 제조 라인(110a, 110b)을 따른 스트립의 전진 운동에 대응하는 몇 초 내에 일어날 수 있다.
분리 층(18a, 18b)의 고형화 개시는 광선 방사에 대한 새로운 노출에 의해 증착 직후에 일어난다. 스트립은 각각 제 3 및 제 4 증착 헤드(130a, 130b) 뒤에 배열된 제 3 UV 방사선 소스(134a) 및 제 4 UV 방사선 소스(134b) 앞을 통과한다.
분리 층(18a, 18b)을 노출시키는 것은 화살표(234a, 234b)로 표시된다. 이러한 노출의 효과는 분리 층(18a, 18b)의 고형화를 개시하는 것이다.
이들 작업의 결과, 전술한 층이 제공된 제 1 지지 스트립(14a) 및 제 2 지지 스트립(14b)은 다시 크기 조정 롤러를 통과한다. 보다 정확하게는 제 3 크기 조정 롤러 쌍(136a) 및 제 4 크기 조정 롤러 쌍(136b)을 각각 포함한다.
제 1 및 제 2 크기 조정 롤러 쌍과 마찬가지로, 제 3 크기 조정 롤러 쌍 및 제 4 크기 조정 롤러 쌍 뒤에는 두께 센서(138a, 138b)가 있다. 제 1 및 제 2 크기 조정 롤러와 관련된 센서(128a, 128b)로부터의 측정치와 비교되는 이들 두께 센서로부터의 측정치는 분리 층(18a, 18b)의 두께를 설정하고 필요에 따라 크기 조정 롤러의 분리를 조정하는 역할을 한다.
분리 층(18a, 18b)의 두께를 크기 조정하는 작업은 각각 화살표(236a 및 236b)로 표시된다. 최종 두께는 예를 들어 10 내지 60㎛ 사이에 포함될 수 있다. 바람직하게는 30㎛일 수 있다.
크기 조정 후, 활성 전극 재료를 포함하는 층(16a, 16b) 및 분리 층(18a, 18b)이 각각 제공되는 지지 스트립(14a, 14b)은 하프-셀(10a, 10b)을 형성한다.
이 동작 후에, 스트립의 하프-셀(10a, 10b)은 이미 논의된 한 쌍의 조립 롤러(142)에 도달한다. 하프-셀은 각각의 분리 층(18a, 18b)을 접촉시켜 조립된다. 조립체는 직접적인 조립체이거나 풀림 롤러(112c)로부터 나오는 추가적인 전기 절연 그리드 분리 필름(20) 층의 개재를 수반하는 조립체일 수 있다. 예를 들어 전기 절연 중합체 와이어 그리드가 포함될 수 있다. 하프-셀의 조립 작업은 화살표(242)로 표시되어 있다. 막(20)의 개재는 분리 층(18a 및 18b) 사이의 양호한 접촉 인터페이스를 보장하기 위해 분리 층(18a 및 18b) 사이의 직접적인 접촉을 방해하지 않아야 한다.
선택적으로, 전기 절연성 세퍼레이터 필름(20) 상에 화살표(230c)로 표시된 바와 같이 분리 층(18c)을 증착하는 작업을 진행할 수 있다. 전해질은 바람직하게는 전기 절연 그리드 세퍼레이터 필름(20)의 폭과 동일한 폭에 걸쳐서 제 5 증착 헤드 앞을 통과하면서 필름(20) 상에 제 5 증착 헤드(130c)에 의해 액체 형태로 증착되어 필름(20)을 완전히 침지시킨다. 동일한 액체 전해질이 분리 층(18a, 18b)을 증착하기 위해 사용될 수 있고, 이들 층이 겪은 작업과 유사하게, 필름(20)의 고형화 개시는 광 복사에 노출에 의해 증착 직후에 일어난다. 필름(20)은 화살표(234c)로 표시된 노광 작업 동안 방사선에 노출되기 위해 제 5 증착 헤드(130c) 뒤에 배열된 제 5 UV 방사선 소스(134c) 앞을 통과한다.
조립 롤러(142)를 각각 제 3, 제 4 및 제 5 방사선 소스로부터 분리하는 거리는 충분히 작고 스트립의 통과 속도는 충분히 높아서, 분리 층(18a, 18b 및 가능하게는 18c)의 완전한 고형화 전에 하프-셀의 조립이 일어나며, 그런 식으로 셀 조립 후 몇 분 동안 고형화가 계속된다.
분리 층(18a, 18b 및 18c)은 각각 단독으로 또는 2개의 다른 분리 층 중 하나 또는 다른 것과 조합하여 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 따라서, 2개의 층(18a 및 18b)이 함께 직접 접촉하고, 층(18a, 18b 및 18c) 단독, 층(18c)이 층(18a 및 18b) 중 하나 또는 다른 하나와 조합되거나 두 층(18a 및 18b) 모두와 조합되어 사용될 수 있다. 중요한 것은 캐소드(16a)와 애노드(16b) 층 사이에 분리 층(층(18a, 18b, 18c)의 임의의 조합으로 구성될 수 있음)의 존재와 이들 층 사이의 긴밀한 접촉을 순서대로 보장하여 캐소드과 애노드 사이의 이온 이동에서 우수한 연속성을 보장하도록 한다.
분리 층은 동일한 조성 또는 상이한 조성을 가질 수 있지만, 각각은 이온 전도성 분리 액체 전해질, 분리 단량체 또는 중합체 혼합물 및 제 1 분리 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 중합 또는 가교 개시제를 포함하는 고형화 가능 액체 전해질 혼합물을 포함한다. 캐소드 및 애노드 층과 마찬가지로, 단량체 또는 중합체에 대한 중합 또는 가교 개시제와 함께 단량체 또는 중합체의 존재는 분리 층의 고형화 가능을 보장한다.
조립 롤러(142)를 따르는 두께 센서(144)는 조립된 셀의 두께를 측정하고 필요에 따라 조립 롤러(142)의 분리를 조정하는 역할을 한다.
풀림 롤러(160)에 의해 제공되는 전기 절연막(30)은 제 1 하프-셀과 제 2 하프-셀의 조립 후에 제 1 지지체 또는 제 2 지지체에 적용될 수 있고; 조립된 제 1 하프-셀 및 제 2 하프-셀과 제 1 지지체 또는 제 2 지지체에 서로 절연되도록 도포된 전기 절연막이 권취 롤러(150)에 감길 수 있다. 배터리는 황화나트륨 또는 황화리튬 유형일 때, 배터리는 제조 과정에서 전기적으로 충전되기 때문에 가능한 방전을 방지하기 위해 서로 절연하는 것이 바람직하다.
하프-셀(10a, 10b)의 조립 후, 셀(10)은 에지 커팅을 위한 도구(140)를 통과한다. 여기에는 회전 블레이드 또는 레이저 헤드가 있는 도구가 포함된다. 도면에서 화살표(238)로 표시된 절단은 셀의 측면 에지에서 이루어지며 폭을 설정한다. 이는 셀이 완전하고 거친 에지가 없는 중앙 부분만을 유지하기 위해 활성 전극 재료 및/또는 전해질을 수용하지 않았을 수 있는 지지 스트립(14a, 14b)의 측면 에지를 제거하는 역할을 한다.
이제 조립된 셀(10)은 최종적으로 권취 롤러(150)에 감긴다. 권취 롤러(150)는 여러 기능을 갖는다. 제 1 기능은 조립된 배터리 셀을 감는 것이다. 또 다른 기능은 구동 기능이다. 실제로, 권취 롤러(150)의 회전은 조립된 배터리 셀 및 결과적으로 하프-셀, 지지 스트립, 및 적용 가능한 경우 전기 절연 그리드 분리 필름(20)에 견인력을 가하는 효과를 갖는다. 권취 롤러를 회전시켜 제조 라인을 따라 온-스트립(on-strip) 구성 요소의 전진 동작을 보장한다.
풀림 롤러는 구동 및/또는 제동 롤러이거나 자유롭게 회전하는 롤러일 수 있다. 자유롭게 회전하는 롤러의 경우, 풀림은 단순히 구동 권취 롤러(150)에 의해 가해지는 견인력에 기인한다. 풀림 롤러가 제동되거나 구동될 때, 제동 또는 구동은 구동 권취 롤러(150)의 회전에 구속되어 제조 라인을 따라 통과하는 지지 스트립 및 온 스트립 구성 요소의 장력을 조정한다.
장치용 드라이버 유닛(101)은 권취 속도, 지지 스트립의 장력뿐만 아니라 지지 스트립의 코팅 또는 전술한 캘린더링 작업과 같은 다양한 파라미터를 조정하기 위해 제공될 수 있다. 따라서 드라이버 유닛은 권취 롤러, 제 1 코팅 모듈, 제 2 코팅 모듈, 제 1 롤링 모듈 및 제 2 롤링 모듈 중 적어도 하나를 제어한다.
드라이버 유닛은 예를 들어 구동 모터(M)의 속도 설정의 작동에 의해 구동 권취 롤러(150)를 제어한다.
따라서, 도 1의 화살표로 표시된 단계(248) 동안 드라이버 유닛(101)은 구동 권취 롤러(150)의 권취 속도 제어에 의해 지지 스트립의 통과 속도를 제어함으로써, 지지 스트립의 주어진 위치에서 제조 방법의 2개의 연속 작업의 인가를 분리하는 시간 간격을 제어한다.
(i) 이들 층의 고형화를 개시하는 방사선에 대한 2개의 액체 층의 노출 및 (ii) 이들 2개의 층을 접촉시키는 시간 간격을 제어함으로써, 이들 2개의 층 사이의 액체 계면이 그것의 각각의 완전한 고형화 전에 접촉이 발생하는 배치로 보장될 수 있다.
특히, 단계(248) 동안 드라이버 유닛(101)에 의해 다음 단계들이 구현될 수 있다:
- d1) 제 1 분리 층(18a)을 제 2 분리 층(18b)과 직접 접촉하도록 배치하고 (i) 단계 a3)에서 캐소드 층을 노출시키는 단계와 (ii) 단계 a4)에서 제 1 분리 층을 증착하는 단계를 분리하고 제 1 분리 층을 증착하는 순간에 상기 캐소드 층의 고형화가 완료되지 않도록 하는, 제 1 시간 간격, (i) 단계 b3)에서 애노드 층을 노출시키는 단계와 (ii) 단계 b4)에서 제 2 분리 층을 증착하는 단계를 분리하여 제 2 분리 층 증착 시 애노드 층의 고형화가 완료되지 않도록 하는, 제 2 시간 간격, (i) 단계 a4)에서 제 1 분리 층을 노출시키는 단계와 (a) ii) 단계 d1)에서 접촉 배치하는 단계를 분리하는, 제 3 시간 간격, 및 (i) 단계 b4)에서의 제 2 분리 층을 노출하는 단계 및 (ii) 단계 d1)에서 접촉 배치하는 단계를 분리하는 제 4 시간 간격을 제어하여 제 1 및 제 2 분리 층의 각각의 고형화가 단계 d1)의 접촉 배치 순간에 완료되지 않도록 하는, 단계(248);
- d2) 제 1 분리 층(18a)을 애노드 층(16b)과 직접 접촉시키고 (i) 단계 a3)에서 캐소드 층을 노출시키는 단계와 (ii) 단계 a4)에서 제 1 분리 층을 증착하는 단계를 분리하여 제 1 분리 층을 증착하는 순간에 캐소드 층의 고형화가 완료되지 않도록 하는, 제 1 시간 간격, (i) 단계 a4)에서 제 1 분리 층을 노출시키는 단계와 (ii) 단계 d2)에서 배치하는 단계를 분리하는, 제 2 시간 간격, 및 (i) 단계 b3)에서 애노드 층을 노출시키는 단계 및 (ii) 단계 d2)에서 접촉하는 배치를 분리하는, 제 3 시간 간격을 제어하여, 제 1 분리 층의 고형화가 단계 d2)에서 접촉 배치 순간에 완료되지 않도록 하는, 단계(248);
- d3) 제 2 분리 층(18b)을 캐소드 층(16a)과 직접 접촉시키고 (i) 단계 b3)에서 애노드 층을 노출시키는 단계와 (ii) 단계 b4)에서 제 2 분리 층을 배치하는 단계를 분리하여 상기 애노드 층의 고형화가 제 2 분리 층을 증착시 완료되지 않는, 제 1 시간 간격, (i) 단계 b4)에서 제 2 분리 층을 노출시키는 단계와 (ii) 단계 d3)에서 접촉 배치하는 단계를 분리하는, 제 2 시간 간격, 및 (i) 단계 a3)에서 캐소드 층을 노출시키는 단계와 (ii) 단계 d3)에서 접촉 배치하는 단계를 분리하는, 제 3 시간 간격을 제어하여, 제 2 분리 층의 고형화가 단계 d3)에서 접촉 순간에 완료되지 않도록 하는, 단계(248); 및
- d4) 캐소드 층(16a)과 애노드 층(16b) 사이에 제 3 분리 층(18c)을 둘러싸서 캐소드 층과 애노드 층에 접촉시키고 (i) 단계 a3)에서 캐소드 층을 노출하는 단계와 (ii) 단계 d4)에서 접촉 배치하는 단계를 분리하는, 제 1 시간 간격, (i) 단계 b3)에서 애노드 층을 노출하는 단계와 (ii) 단계 d4)에서 접촉 배치하는 단계를 분리하는, 제 2 시간 간격, 및 (i) 단계 c4)에서 제 3 분리 층을 노출하는 단계 및 (ii) 단계 d4)에서 접촉 배치하는 단계를 분리하는, 제 3 시간 간격을 제어하여, 상기 캐소드 층, 애노드 층 및 제 3 고형화 층의 각각의 고형화가 단계 d4)에서 접촉 배치 순간에 완료되지 않는, 단계(248).
바람직하게는, 셀의 고장을 일으킬 수 있는 공기 중의 수분과 여전히 액체인 전해질의 반응을 피하는 무수 분위기의 실내에 모든 제조 장치가 설치될 수 있다.
도 1을 참조하여 설명된 다양한 부재는 필요에 따라 제조 라인에서의 위치 및 분리가 변경될 수 있는 몇 개의 독립적인 모듈로 그룹화될 수 있다.
모듈은 하프-셀용 하프-제조 기계에 어떤 식으로든 대응하는 제조 라인(110a, 110b) 중 하나를 보여주는 도 2에 표시되어 있다. 장치의 대칭성 및 2개의 제조 라인의 큰 유사성 때문에, 2개의 제조 라인(110a, 110b)에 대한 참조는 도 2의 동일한 도면에 도시되어 있다. 도 2에 따른 하나의 제조 라인은 캐소드를 포함하는 하프-셀 및 애노드를 포함하는 하프-셀 제조에 사용된다.
풀림 롤러(112a, 112b)와 조립 롤러(142) 사이(도 2에는 하나만 도시됨)에서 스트립은 여러 모듈을 통과한다. 순서대로, 제 1 코팅 모듈(320a, 320b), 제 1 롤링 모듈(326a, 326b), 제 2 코팅 모듈(330a, 330b), 및 제 2 롤링 모듈(336a, 336b)이 있다. 제 1 코팅 모듈(320a, 320b)은 도 1을 참조하여 설명한 제 1 코팅 헤드(120a) 또는 제 2 코팅 헤드(120b) 및 이들과 관련된 방사선 소스(124a, 124b)를 포함한다. 제 1 모듈에 대한 코팅 헤드와 관련된 방사선 소스가 분할된다는 점에 유의할 수 있다. 단일 방사선 소스의 사용도 생각할 수 있다.
제 2 코팅 모듈(330a, 330b)은 도 1을 참조하여 설명한 제 3 코팅 헤드(130a) 또는 제 4 코팅 헤드(130b) 및 이와 관련된 방사선 소스(134a, 134b)를 포함한다.
제 1 롤링 모듈(326a, 326b)은 관련된 제조 라인에 따라 애노드 층 또는 캐소드 층의 두께를 설정하도록 의도된 크기 조정 롤러(126a, 126b)를 포함한다. 제 1 롤링 모듈은 또한 크기 조정 롤러의 출력에서 제조 동안 하프-셀의 두께를 측정하기 위해 크기 조정 롤러 뒤에 배치된 두께 센서(128a, 128b)를 포함한다.
제 2 롤링 모듈(336a, 336b)은 활성 물질 없이 전해질 층을 증착한 후 제조 동안 하프-셀의 두께를 설정하도록 의도된 크기 조정 롤러(136a, 136b)를 포함한다. 제 1 롤링 모듈과 마찬가지로, 제 2 롤링 모듈은 크기 조정 롤러 바로 뒤에 배치된 두께 센서(138a, 138b)를 포함한다. 두께 센서는 하프-셀의 조립 직전의 두께를 측정하는 역할을 한다.
다양한 모듈(320a, 320b, 326a, 326b, 330a, 330b, 336a, 336b) 및 풀림 롤러(112a, 112b) 및 권취 롤러(150)는 개략적으로 도시된 바와 같이 다양한 부재를 동기화시키는 역할을 하는 드라이버 유닛(101)에 연결된다.
전술한 바와 같이, 활성 물질 없이 전해질 층으로 애노드 층과 캐소드 층 중 한쪽만을 덮음으로써 본 발명의 구현이 가능하다. 이 경우, 제 2 코팅 모듈(330a, 330b) 중 하나와 제 2 롤링 모듈(336a, 336b) 중 하나는 생략될 수 있다.
권취 롤러(150)는 기호로 표시된 모터(M)에 의해 움직이는 구동 롤러이다.
단순화를 위해 도 2에는 도 1과 관련하여 설명된 몇 가지 선택적 멤버가 표시되지 않았다.
도 3은 포맷된 배터리 셀(1010)을 도시한다. 포맷된 셀은 부호(250)로 기호로 표시된 포맷 작업의 끝에서 도 1로부터 스트립으로 셀(10)로부터 얻어진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 포맷된 셀(1010)의 주변 에지의 절단이다. 셀은 좌우로 절단되는데, 이는 대략 수백 미크론인 셀의 전체 두께를 통해 절단된다는 것을 의미한다.
절단은 유리하게는 레이저 절단 테이블에서 행해질 수 있다. 칼로 자르는 것도 생각할 수 있다.
도 3에 도시된 예에서, 포맷된 셀(1010)은 직사각형 형태의 주요 표면 및 둥근 모서리를 갖는 것으로 도시되어 있다. 예를 들어 장치 전용 공간에 세포를 수용하는 능력을 향상시킬 수 있는 다른 더 복잡한 패턴에 따른 절단이 완전히 가능하다.
셀에는 액체, 특히 액체 전해질이 포함되어 있지 않기 때문에 절단 작업에 특별한 주의가 필요하지 않다. 집전기 역할을 하는 전기 전도성 지지체는 전기적으로 절연된 상태로 유지되며, 이는 고체 전해질 층의 존재로 인해 전자 전류에 의한 전도에 대해 절연됨을 의미한다. 이와 관련하여, 절단은 바람직하게는 층의 완전한 고형화 후에 수행될 수 있다.
도 3의 구현 예에서, 절단으로 인한 포맷된 셀(1010)의 주변 에지는 예를 들어 바니시와 같은 전기 절연 보호 코팅(1024)으로 덮여 있다. 이 바니시는 예를 들어 유리 또는 현무암 섬유로 강화될 수 있다. 보호 코팅은 스택의 측면을 덮도록 동일한 포맷의 셀(1010)을 복수개 적층한 후에 형성하는 것이 바람직하다.
도 4는 도 3에서 볼 수 있는 셀(1010)과 동일한 복수의 포맷된 셀(1011, 1012, 1013, 1014, 1015)의 스택의 일부를 도시한다. 각각의 포맷된 셀은 도 1을 참조하여 논의된 바와 같은 스트립 배터리 셀(10)로 절단될 수 있다. 도 4로부터의 적층은 축전지(1000)를 구성한다.
몇몇 포맷된 전지에 대해, 도 4는 제 1 및 제 2 전기 전도성 지지체(14a, 14b), 캐소드 층(16a) 및 애노드 층(16b), 제 1 분리 층(18a) 및 제 2 분리 층(18b)을 도시한다.
각각의 포맷된 셀을 구성하는 층은 실질적으로 동일하며 동일한 참조로 표시된다. 그러나, 스택의 제 1 포맷된 셀(1011)의 제 1 전기 전도성 지지체(14a) 및 스택에서 마지막 포맷된 셀(1015)의 제 2 전기 전도성 지지체(14b)가 다른 전도성 지지체보다 더 두껍다는 것을 알 수 있다. 이러한 두꺼운 전도성 지지체는 여러 개의 전도성 하위 층으로 구성된다. 전도성 지지체는 더 큰 기계적 강도를 가지며, 이는 배터리(1000)의 외부 엔벨로프로서의 기능에 적합하다. 스택의 제 1 및 마지막 셀에 대한 더 두꺼운 전도성 지지체는 또한 배터리(1000)의 외부 전기 연결 단자를 구성한다.
스택에서 다양한 포맷 셀의 양극 및 음극을 의미하는 캐소드 및 애노드 층이 교대로 배치된다. 따라서 스택의 각각의 셀은 그의 집전체를 형성하는 전도성 지지체(14a, 14b)를 통해 스택의 다른 셀과 직렬로 연결된다. 단부 셀(1011, 1015)의 전도층(14a, 14b)의 단자에서의 전압은 개별 전지의 전압의 합과 동일하며 배터리 전압(1000)에 해당한다.
포맷된 셀의 다른 연결, 특히 병렬 연결 또는 직렬/병렬 또는 병렬/직렬 조합이 가능하다는 것을 지정해야 한다. 이 경우, 포맷된 개별 전지의 전류 수집기를 연결하기 위해 추가 전기 전도체가 제공될 수 있다.
상술한 실시예는 연속 통과 방법을 구현하는 롤-투-롤 유형이다. 또는 개별 플레이트를 제조하여 순차적 제조를 구현할 수 있다. 플레이트의 핸들링은 종래의 방법, 예를 들어 파지 수단이 제공된 로봇 팔에 의해 수행될 수 있다. 이 경우 플레이트를 다루는 순간을 제어함으로써 시간 제어가 보장된다.
본 발명은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 수정을 가할 수 있는 상기 개시된 실시예에 결코 제한될 수 없다.
Claims (22)
- 전기 화학적 형태의 에너지 저장 셀의 제조 방법으로서,
- 제 1 하프-셀(10a)을 형성하는 단계로서:
a1) 제 1 전기 전도성 지지체(14a)를 제공하는 단계(214a);
a2) 상기 제 1 전기 전도성 지지체의 표면에, 활성 캐소드 물질, 탄소질 전기 전도성 필러, 제 1 액체 이온 전도성 전해질 혼합물, 제 1 단량체 또는 중합체 혼합물, 및 제 1 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 제 1 중합 또는 가교 개시제를 포함하는, 반죽 상태(pasty state)의 캐소드 층(16a)을 증착하는 단계(220a); 및
a3) 캐소드 층(16a)의 고형화를 시작하도록, 반죽 상태의 캐소드 층을 제 1 단량체 혼합물을 위한 제 1 중합 또는 가교 개시제에 적합한 제 1 방사선에 의해 노출하는 단계(224a);를 포함하는, 제 1 하프-셀(10a)을 형성하는 단계;
- 제 2 하프-셀(10b)을 형성하는 단계로서:
b1) 제 2 전기 전도성 지지체(14b)를 제공하는 단계(214b);
b2) 상기 제 2 전기 전도성 지지체(14b)의 표면에, 활성 애노드 물질, 탄소질 전기 전도성 필러, 제 2 액체 이온 전도성 전해질 혼합물, 제 2 단량체 또는 중합체 혼합물, 및 제 2 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 제 2 중합 또는 가교 개시제를 포함하는, 반죽 상태의 애노드 층(16b)을 증착하는 단계(220b); 및
b3) 상기 애노드 층(16b)의 고형화를 시작하도록, 반죽 상태의 애노드 층을 제 2 단량체 혼합물을 위한 제 2 중합 또는 가교 개시제에 적합한 제 2 방사선에 의해 노출하는 단계(224b);를 포함하는 제 2 하프-셀(10b)을 형성하는 단계;
- 다음의 a4), b4), c4) 단계들:
a4) 제 1 노출된 전극 층의 완전한 고형화 전에 상기 노출된 캐소드 층 상에, 제 1 이온 전도성 분리 액체 전해질 혼합물, 제 1 분리 단량체 또는 중합체 혼합물, 및 제 1 분리 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 제 1 중합 또는 가교 개시제를 포함하는, 액체 상태의 제 1 분리 혼합물로 형성된 제 1 분리 층(18a)을 증착(230a) 및 노출(234a)하는 단계;
c4) 전기 절연성 그리드 필름(20)상에, 제 3 이온 전도성 분리 액체 전해질 혼합물, 제 3 분리 단량체 또는 중합체 혼합물, 및 제 3 분리 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 제 3 중합 또는 가교 개시제를 포함하는 액체 상태의 제 3 분리 혼합물로 형성된 제 3 분리 층(18c)을 증착(230c) 및 노출(234c)하는 단계;
b4) 상기 노출된 애노드 층의 완전한 고형화 전에 상기 노출된 애노드 층 상에, 제 2 이온 전도성 분리액 전해질 혼합물, 제 2 분리 단량체 또는 중합체 혼합물, 및 제 2 분리 단량체 또는 중합체 혼합물을 위한 제 2 중합 또는 가교 개시제를 포함하는, 액체 상태의 제 2 분리 혼합물로 형성된 제 2 분리 층(18b)을 증착(230b) 및 노출(234b)시키는 단계; 중 적어도 하나를 실행하는 단계로서,
단계 a4), b4), c4)를 위한 노출은, 각각의 분리 단량체 또는 중합체 혼합물에 대한 중합 또는 가교 개시제에 적합하고 제 1, 제 2, 및 제 3 분리 층의 고형화를 개시하기에 적합한 제 3 방사에 의해 실행되는, a4), b4), c4) 단계들 중 적어도 하나를 실행하는 단계;
- 단계 a4), b4), c4)로부터의 분리 층들(18a, 18b, 18c) 중 적어도 하나를 2개의 하프-셀들(10a, 19b) 사이에 삽입함으로써 제 1 하프-셀(10a) 및 제 2 하프-셀(10b)을 조립하는 단계(242)로서, 상기 조립은:
d1) 상기 노출된 제 1 분리 층(18a)을 노출된 제 2 분리 층(18b)에 직접 접촉시키는 단계;
d2) 상기 노출된 제 1 분리 층(18a)을 노출된 애노드 층(16b)에 직접 접촉시키는 단계;
d3) 상기 노출된 제 2 분리 층(18b)을 노출된 캐소드 층(16a)에 직접 접촉시키는 단계; 및
d4) 상기 노출된 캐소드 층(18c)과 노출된 애노드 층(16b) 사이에 노출된 제 3 분리 층(18c)을 둘러싸는 단계;중 하나를 포함하고,
단계 d1), d2), d3), 및 d4)에서, 접촉된 층의 각각의 고형화가 불완전한, 상기 조랍하는 단계(242);
를 포함하는, 제조 방법. - 제1항에 있어서,
- 제 1 분리 층(18a)의 증착(230a) 전에, 각각 제 2 분리 층(18b)의 증착(230b) 전에, 캐소드 층(16a)의 두께, 각각 애노드 층(16b)의 두께의 크기 조정(226a, 226b); 및/또는
- 하프-셀(10a, 10b)의 조립(242) 전에, 제 1 분리 층(18a)의 두께, 각각 제 2 분리 층(18b)의 두께의 크기 조정(236a, 236b);
을 포함하는, 제조 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
제 1 지지체(14a) 및 제 2 지지체(14b)는 각각 제 1 지지 스트립 및 제 2 지지 스트립이며, 여기서:
제 1 지지체(14a)의 공급(214a) 및 제 2 지지체(14b)의 공급(214b)은 각각 제 1 풀림 롤러(112a) 및 제 2 풀림 롤러(112b)로부터 각각 제 1 지지 스트립의 풀림 및 제 2 지지 스트립의 풀림을 포함하는, 제조 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
- 제 1 하프-셀(10a)과 제 2 하프-셀(10b)의 조립 후에, 전기 절연막(30)을 제 1 지지체 또는 제 2 지지체에 적용하는 단계; 및
- 권취 롤러(150) 둘레에, 조립된 제 1 하프-셀(10a)과 제 2 하프-셀(10b), 및 제 1 지지체 또는 제 2 지지체에 적용된 전기 절연막(30)을 감는 단계;
를 포함하는, 제조 방법. - 제3항 또는 제4항에 있어서,
캐소드 층의 증착(220a) 및 애노드 층의 증착(220b)은, 각각 제 1 혼합물을 위한 제 1 증착 헤드(120a) 및 제 2 혼합물을 위한 제 2 증착 헤드(120b) 앞에서 제 1 스트립 및 제 2 스트립의 통과에 의해 연속적으로 일어날 수 있는, 제조 방법. - 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 분리 층(18a)의 증착(230a) 및 제 2 분리 층(18b)의 증착(230b)은, 각각 제 3 전해질 증착 헤드(130a) 앞과 제 4 전해질 증착 헤드(130b) 앞에서 제 1 스트립 및 제 2 스트립의 통과에 의해 연속적으로 일어나는, 제조 방법. - 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
캐소드 층(16a)의 노출(224a) 및 애노드 층(16b)의 노출(224b)은, 각각 적어도 하나의 제 1 방사선 소스(124a) 및 적어도 하나의 제 2 방사선 소스(124b) 앞에서 제 1 스트립 및 제 2 스트립의 각각의 통과에 의해 발생하는, 제조 방법. - 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 분리 층(18a)의 노출(234a) 및 제 2 분리 층(18b)의 노출(234b)은, 제 3 방사선 소스(134a) 및 제 4 방사선 소스(134b) 앞에서 제 1 스트립 및 제 2 스트립의 각각의 통과에 의해 일어나는, 제조 방법. - 제2항에 있어서,
제 1 지지체 및 제 2 지지체는 각각 제 1 지지 스트립 및 제 2 지지 스트립이며, 여기서:
캐소드 층(16a)의 두께의 크기 조정(226a), 각각 애노드 층(16b)의 크기 조정은, 제 1 크기 조정 롤러 쌍(126a) 및 제 2 크기 조정 롤러 쌍(126b)을 통한, 캐소드 층이 제공된 제 1 지지 스트립, 각각 애노드 층이 제공된 제 2 지지 스트립의 통과에 의해 일어나는, 제조 방법. - 제2항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 분리 층(18a)의 두께의 크기 조정(236a), 각각 제 2 분리 층(18b)의 크기 조정(236b)은, 제 3 크기 조정 롤러 쌍(136a) 및 제 4 크기 조정 롤러 쌍(136b)을 통한, 제 1 하프-셀(10a), 각각 제 2 하프-셀(10b)의 통과에 의해 일어나는, 제조 방법. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
a4) 및 b4) 단계들의 실행을 포함하고, 제 1 하프-셀(10a) 및 제 2 하프-셀(10b)의 조립 동안, 분리 층들(18a, 18b) 사이에 전기 절연 그리드 세퍼레이터 필름(20)을 배치하는 단계를 포함하는, 제조 방법. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
하프-셀들의 조립에 후속하여, 배터리 셀을 포맷된 셀들(1010, 1011, 1012, 1013, 1014, 1105)로 절단하는 것을 포함하는 셀 포맷(250) 작업을 포함하는, 제조 방법. - 제12항에 있어서,
포맷된 배터리 셀(1010)의 적어도 하나의 측면 에지 위에 전기 절연 재료의 보호 코팅(1024)을 배치하는 것을 포함하는, 제조 방법. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
캐소드 층(16a)의 제 1 액체 전해질 혼합물, 애노드 층(16b)의 제 2 액체 전해질 혼합물, 제 1 분리 층(18a)의 제 1 액체 전해질 혼합물, 제 2 분리 층(18b)의 제 2 액체 전해질 혼합물, 및 제 3 분리 층(18c)의 제 3 액체 전해질 혼합물은 경우에 따라 동일한, 제조 방법. - 배터리 제조 방법으로서,
제11항 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 복수의 배터리 셀(1011, 1012, 1013, 1014, 1015)을 제조하는 단계, 및 배터리 셀의 스택(1000)을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 스택의 형성은 포맷된 배터리 셀(1011)의 제 1 지지체(14a)의 자유 전도 표면을 스택(1000)의 다음 포맷된 배터리 셀(1012)의 제 2 지지체(14b)의 자유 전도성 표면과 접촉시키는 단계를 포함하는, 제조 방법. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀의 제조를 위한 장치로서,
- 제 1 하프-셀(10a)을 제조하기 위한 제 1 제조 라인(110a);
- 제 2 하프-셀(10b)을 제조하기 위한 제 2 제조 라인(110b);
- 상기 제 1 제조 라인(110a)에 형성된 제 1 하프-셀(10a)과 상기 제 2 제조 라인(110b)에 형성된 제 2 하프-셀(10b)의 조립을 위한 한 쌍의 조립 롤러(142);
- 상기 한 쌍의 조립 롤러(142)의 하류에 배치된 배터리-셀 권취 롤러(150);를 포함하며,
제 1 제조 라인(110a) 및 제 2 제조 라인(110b) 중 적어도 하나는:
- 지지 스트립(14a, 14b)을 풀기 위한 풀림 롤러(112a, 112b); 및, 풀림 롤러와 한 쌍의 조립 롤러(142) 사이에 순서대로:
- 캐소드 층, 각각 애노드 층을 형성하기 위한 제 1 코팅 모듈(320a, 320b);
- 제 1 롤링 모듈(326a, 326b);
- 분리 층(18a, 18b)을 형성하기 위한 제 2 코팅 모듈(330a, 330b); 및
- 제 2 롤링 모듈(336a, 336b);을 포함하고.
제 1 및 제 2 롤링 모듈은 각각 한 쌍의 크기 조정 롤러(126a, 126b, 136a, 136b) 및 각각 한 쌍의 크기 조정 롤러와 연관된 두께 센서(128a, 128b, 138a, 138b)를 포함하며,
제 1 코팅 모듈 및 제 2 코팅 모듈은 각각 증착 헤드(120a, 120b, 130a, 130b), 및 증착 헤드(124a, 124b, 134a, 134b)와 연관된 적어도 하나의 방사선 소스를 포함하는, 장치. - 제16항에 있어서,
권취 롤러(150)는 구동 롤러인, 장치. - 제16항 및 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 제조 라인(110a) 및 제 2 제조 라인(110b) 중 적어도 하나는:
- 지지 스트립(14a, 14b)을 풀기 위한 풀림 롤러(112a, 112b); 및
풀림 롤러와 한 쌍의 조립 롤러(142) 사이에 순서대로:
- 캐소드 층, 각각 애노드 층을 형성하기 위한 제 1 코팅 모듈(320a, 320b);
- 제 1 롤링 모듈(326a, 326b);
- 분리 층(18a, 18b)을 형성하기 위한 제 2 코팅 모듈(330a, 330b); 및
- 제 2 롤링 모듈(336a, 336b);을 포함하는, 장치. - 제18항에 있어서,
상기 풀림 롤러(112a, 112b)는 브레이크 롤러인, 장치. - 제18항 및 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 코팅 모듈 및 제 2 코팅 모듈은 각각 캐소드 층 증착 헤드(120a, 120b, 130a, 130b), 각각 애노드 층, 및 증착 헤드와 연관된 적어도 하나의 방사선 소스를 포함하는, 장치. - 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 및 제 2 롤링 모듈은 각각 한 쌍의 크기 조정 롤러(126a, 126b, 136a, 136b) 및 한 쌍의 크기 조정 롤러와 각각 연관된 두께 센서(128a, 128b, 138a, 138b)를 포함하는, 장치. - 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
권취 롤러(150), 제 1 코팅 모듈(320a, 320b), 제 2 코팅 모듈(330a, 330b), 제 1 롤링 모듈(326a, 326b) 및 제 2 롤링 모듈(336a, 336b) 중 적어도 하나를 위한 드라이버 유닛(101)을 포함하는, 장치.
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