KR20230049703A - 금속 절단용 초음파 블레이드 - Google Patents
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Abstract
금속(예를 들면, 리튬 금속) 및 전극 전구체를 절단(예를 들면, 초음파 절단)하는 것과 관련된 시스템 및 방법이 일반적으로 제공된다. 전극 또는 전극 전구체는 예를 들면, 전기화학 셀 또는 배터리에서 사용하기 위한 리튬 금속 전극 또는 리튬 복합 전극을 포함할 수 있다.
Description
리튬 금속과 같은 금속을 초음파 절단하는 시스템과 방법이 일반적으로 설명된다.
리튬 금속과 같은 금속을 초음파 절단하는 시스템 및 방법이 일반적으로 설명된다. 본 발명의 주제는 일부 경우에, 상호 관련된 제품, 특정 문제에 대한 대안적인 해결책 및/또는 하나 이상의 시스템 및/또는 물품(article)의 복수의 상이한 용도를 포함한다.
일 관점에서는, 블레이드와, 블레이드에 연결된 초음파 공진기와, 영률이 130GPa 이하인 절단될 금속을 포함하는 금속 전극을 절단하는 시스템이 설명된다.
다른 관점에서는, 블레이드와, 블레이드에 인접한 앤빌(anvil)과, 블레이드 또는 앤빌에 연결된 초음파 공진기와, 블레이드와 앤빌 사이에 위치된 금속을 포함하는 금속 전극을 절단하기 위한 시스템이 설명된다.
또 다른 관점에서는, 제 1 중합체 층과, 제 2 중합체 층과, 금속을 포함하는 전기 활성 재료층을 포함하며, 전기 활성 재료층은 상부면, 하부면, 및 상부면과 하부면 사이의 측면을 포함하며, 상부면은 제 1 중합체 층에 인접하고, 하부면은 제 2 중합체 층에 인접하고, 제 1 중합체 층의 적어도 일부, 및/또는 제 2 중합체 층의 적어도 일부는 전기 활성 재료층의 측면의 적어도 일부를 덮는 전극이 설명된다.
또 다른 관점에서, 금속 전극을 절단하는 방법이 설명되는데, 본 발명은 앤빌과 블레이드 사이에 금속을 위치시키는 것으로서, 블레이드 또는 앤빌이 초음파 공진기에 연결되는, 상기 금속을 위치시키는 것과, 블레이드로 금속을 초음파 절단하는 것을 포함한다.
또 다른 관점에서, 전극 스택을 형성하는 방법이 설명되는데, 본 방법은 앤빌과 블레이드 사이에 금속을 위치시키는 것으로서, 블레이드 또는 앤빌이 초음파 공진기에 연결되는, 상기 금속을 위치시키는 것과, 금속 위에 제 1 중합체 층을 위치시키는 것과, 금속 아래에 제 2 중합체 층을 위치시키는 것과, 제 1 중합체 층, 금속 및 제 2 중합체 층을 초음파 절단하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 장점 및 신규한 특징은 첨부 도면과 함께 고려될 때, 본 발명의 다양한 비제한적인 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 명백해진다. 본 명세서 및 참조로서 통합된 문서가 상충 및/또는 일관되지 않은 개시를 포함하는 경우, 본 명세서는 조정된다.
본 발명의 비제한적인 실시예는 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명되고, 이는 개략적이며 축척에 따라 도시되도록 의도되지 않았다. 도면에서, 도시된 각 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 일반적으로 단일 숫자로 나타낸다. 명확성을 위해, 모든 구성요소가 모든 도면에 표시되는 것은 아니며, 본 발명의 각 실시예의 모든 구성요소가 당업자가 본 발명을 이해할 수 있도록 하기 위해 설명이 필요하지 않은 경우에는 도시되지 않는다.
도 1a는 일부 실시예에 따른 Z축, X축 및 Y축을 따라 이동할 수 있고 초음파 모션을 제공할 수 있는 초음파 공진기의 개략도이다.
도 1b는 일부 실시예에 따른 초음파 공진기가 Z축, X축 및 Y축을 따라 블레이드에 모션을 제공하도록 블레이드가 부착된 초음파 공진기의 개략도를 도시한다.
도 1c는 일부 실시예에 따른 초음파 공진을 위해 구성된 앤빌의 개략도이며, 부착된 초음파 공진기가 Z축, X축 및 Y축을 따라 앤빌에 모션을 제공하고, 블레이드와 앤빌 사이의 수직축이 Z축에 평행한 것으로 도시된다.
도 2a 및 도 2b는 일부 실시예에 따른 폐쇄 형상으로 금속을 절단할 수 있는 다이 형태의 블레이드를 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2c는 실시예의 일 세트에 따른 초음파 공진을 위해 구성된 다이를 개략적으로 도시된 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 일부 실시예에 따른 다이로 금속을 초음파 절단하는 시스템 및 방법을 개략적으로 도시된 도면이다.
도 3e는 일 실시예에 따른 금속 위에 배치된 중합체 층을 갖는 금속 절단 시스템의 개략도이다.
도 3f는 일 실시예에 따른 금속 아래에 배치된 중합체 층을 갖는 금속을 절단하는 시스템의 개략도이다.
도 3g은 실시예의 일 세트에 따른 금속 위 및 아래에 배치된 중합체 층을 갖는 금속 절단 시스템의 개략도이다.
도 4a는 일부 실시예에 따른 2개의 중합체 층과 다이로 금속을 절단하는 시스템 및 방법의 개략도이다.
도 4b는 일부 실시예에 따른 도 4a에 도시된 시스템 및 방법에 의해 형성된 금속의 적어도 일부를 컨포멀하게(conformally) 봉입하는 2개의 중합체 층을 포함하는 물품의 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예의 일 세트에 따른 중합체 층을 절단하지 않고 블레이드로 금속을 초음파 절단하는 시스템 및 방법을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 일부 실시예에 따른 금속 절단용 블레이드 및 금속에 인접한 중합체 층의 개략도이다.
도 6c 내지 도 6d는 일부 실시예에 따른 제 1 인터리프 층 및 전극 조립체를 초음파 절단하는 시스템 및 방법을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 일부 실시예에 따른 초음파 절단이 가능한 이형층을 갖는 전극 조립체를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 8은 일부 실시예에 따른 전극 전구체를 형성하기 위해 중합체 층을 접착하는 블레이드의 개략도이다.
도 9a는 일 실시예에 따른 앤빌에 인접한 금속 포일을 초음파 절단하는데 사용되는 초음파 공진기에 연결된 다이의 사진 이미지이다.
도 9b 및 도 9c는 실시예의 일 세트에 따른 폐쇄형 다이에서 초음파 절단된 금속의 사진 이미지이다.
도 1a는 일부 실시예에 따른 Z축, X축 및 Y축을 따라 이동할 수 있고 초음파 모션을 제공할 수 있는 초음파 공진기의 개략도이다.
도 1b는 일부 실시예에 따른 초음파 공진기가 Z축, X축 및 Y축을 따라 블레이드에 모션을 제공하도록 블레이드가 부착된 초음파 공진기의 개략도를 도시한다.
도 1c는 일부 실시예에 따른 초음파 공진을 위해 구성된 앤빌의 개략도이며, 부착된 초음파 공진기가 Z축, X축 및 Y축을 따라 앤빌에 모션을 제공하고, 블레이드와 앤빌 사이의 수직축이 Z축에 평행한 것으로 도시된다.
도 2a 및 도 2b는 일부 실시예에 따른 폐쇄 형상으로 금속을 절단할 수 있는 다이 형태의 블레이드를 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2c는 실시예의 일 세트에 따른 초음파 공진을 위해 구성된 다이를 개략적으로 도시된 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 일부 실시예에 따른 다이로 금속을 초음파 절단하는 시스템 및 방법을 개략적으로 도시된 도면이다.
도 3e는 일 실시예에 따른 금속 위에 배치된 중합체 층을 갖는 금속 절단 시스템의 개략도이다.
도 3f는 일 실시예에 따른 금속 아래에 배치된 중합체 층을 갖는 금속을 절단하는 시스템의 개략도이다.
도 3g은 실시예의 일 세트에 따른 금속 위 및 아래에 배치된 중합체 층을 갖는 금속 절단 시스템의 개략도이다.
도 4a는 일부 실시예에 따른 2개의 중합체 층과 다이로 금속을 절단하는 시스템 및 방법의 개략도이다.
도 4b는 일부 실시예에 따른 도 4a에 도시된 시스템 및 방법에 의해 형성된 금속의 적어도 일부를 컨포멀하게(conformally) 봉입하는 2개의 중합체 층을 포함하는 물품의 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예의 일 세트에 따른 중합체 층을 절단하지 않고 블레이드로 금속을 초음파 절단하는 시스템 및 방법을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 일부 실시예에 따른 금속 절단용 블레이드 및 금속에 인접한 중합체 층의 개략도이다.
도 6c 내지 도 6d는 일부 실시예에 따른 제 1 인터리프 층 및 전극 조립체를 초음파 절단하는 시스템 및 방법을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 일부 실시예에 따른 초음파 절단이 가능한 이형층을 갖는 전극 조립체를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 8은 일부 실시예에 따른 전극 전구체를 형성하기 위해 중합체 층을 접착하는 블레이드의 개략도이다.
도 9a는 일 실시예에 따른 앤빌에 인접한 금속 포일을 초음파 절단하는데 사용되는 초음파 공진기에 연결된 다이의 사진 이미지이다.
도 9b 및 도 9c는 실시예의 일 세트에 따른 폐쇄형 다이에서 초음파 절단된 금속의 사진 이미지이다.
금속을 초음파 절단하는 것과 관련된 시스템 및 방법이 일반적으로 제공된다. 일부 실시예에서, 금속은 리튬 금속과 같은 연성 금속을 포함한다. 전극 및 전극 전구체를 형성하기 위한 시스템 및 방법도 제공된다. 전극 또는 전극 전구체는 예를 들면, 리튬 금속 전극 또는 리튬 복합 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 초음파 절단된 금속은 전기화학 셀 또는 리튬 이온 배터리에 사용될 수 있다.
리튬 금속과 같은 연성 금속은 전기화학 전지 및 배터리의 전극 재료로 사용될 수 있다. 벌크 리튬은 오일의 고체 현탁물(solid suspension)이나 포일로서 시중에서 구입할 수 있다. 또한, 이는 기상 증착, 진공 증착 또는 분자 비임 에피택시 기법과 같은 다양한 기술을 사용하여 기판 상에 증착할 수도 있다. 그러나, 특정 전기화학 응용의 치수에 끼워맞추기 위해, 벌크 리튬을 절단할 필요가 있을 수 있다.
그러나, 리튬 금속과 같은 금속을 절단하는데는 여러 어려움이 있을 수 있다. 예를 들어, 리튬 금속은 부드럽고 유연하여, 절단할 때 끈적끈적하고 절단 기구(예를 들면, 나이프, 블레이드, 다이)에 접착될 수 있다. 이는 절단 기구로 다수 피스의 리튬 금속을 연속적으로 절단할 때, 절단할 때마다 절단 기구를 세척하면, 전극을 준비하는 과정이 느려질 수 있고 절단 기구가 무뎌질 수 있기 때문에, 이러한 문제가 발생할 수 있다. 또한, 리튬 금속을 절단할 때마다 절단 기구에 리튬 금속이 축적되어 배터리 제조에 사용할 수 없기 때문에, 과도한 폐기물이 발생할 수 있다. 기존의 특정 리튬 금속 절단 시스템에서는 리튬 금속이 절단 기구에 직접 접촉하지 않도록 인터리프 사이에 리튬 금속을 위치시킴으로써 이 문제를 회피하려고 시도한다. 그러나, 이러한 기존 시스템에서도, 리튬이 여전히 인터리프에 바람직하지 않게 접착될 수 있어서, 차후에 인터리프로부터 리튬을 제거하기가 어려울 수 있다.
상기 과제를 회피하기 위해, 본 발명자들은 초음파 절단 시스템을 사용하면 금속(예를 들면, 연성 금속, 리튬 금속)을 절단하기 위한 특정 기존 시스템에 비해 여러 이점을 제공할 수 있다는 것을 인식하고 인정하였다. 예를 들어, 블레이드 또는 다이에 초음파 공진기를 구성하여, 초음파 공진기가 없는 블레이드 또는 다이로 절단할 때에 비해 금속을 더 깨끗하게 절단할 수 있다. 더 깨끗한 절단은 절단 후에 블레이드 또는 다이에 접착될 수 있는 금속의 양을 감소시킨다. 게다가, 초음파 절단 기능이 있는 블레이드 또는 다이에 의해 제공되는 깨끗한 절단은 초음파 공진기가 없는 블레이드 또는 다이와 비교할 때 생성되는 금속 폐기물의 양을 감소시키면서 연속적으로 여러 번 반복 절단되게 할 수 있다. 게다가, 초음파 절단된 금속의 에지는 기존의 특정 시스템으로 절단된 금속보다 더 매끄럽고 들쭉날쭉하지 않아서 전기화학 셀의 다른 구성요소(예를 들면, 중합체 층, 배터리 분리기(battery separator))의 찢어짐 및/또는 손상을 줄일 수 있다.
따라서, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 금속(예를 들면, 연성 금속, 리튬 금속)을 절단할 때 초음파 공진기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 초음파 공진기는 압전 결정체(들)에 전압이 인가될 때 진동하는 2개 이상의 고체 물체 사이에 결합된 하나 이상의 압전 결정체를 포함할 수 있는 변환기를 포함할 수 있다. 변환기와 앤빌 또는 변환기와 블레이드(예를 들면, 다이)는 모놀리식 유닛(예를 들면, 혼(horn))을 형성하기 위해 함께 결합될 수 있다. 초음파 공진기는 금속이 절단되는 동안에 금속에 교반을 제공하여, 금속이 절단 기구(예를 들면, 블레이드)에 달라붙는 것을 줄이거나 최소화하거나 제거할 수 있다. 초음파 공진기는 일부 실시예에서, (예를 들면, 20㎑ 이상의) 초음파 주파수 또는 초음파처리를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 초음파 공진기는 적어도 1차원(예를 들면, 2차원, 3차원)으로 이동하도록 구성된다. 예를 들어, 도 1a와 관련하여, 초음파 공진기(110)는 Z축(120), X축(130) 또는 Y축(135)을 따라 모션을 제공할 수 있다. 초음파 공진기는 각각의 이러한 치수 또는 이러한 치수의 조합에서 초음파 동작을 제공할 수 있다. 도 1a에서, 초음파 공진기(110)는 초음파 모션(115)을 제공하며, 이는 Z축(120)에 평행하다. 그러나, 일부 실시예에서, 초음파 공진기는 또한 X축(130) 및/또는 Y축(135)을 따라 초음파 모션을 제공할 수도 있다.
초음파 공진기는 블레이드(예를 들면, 다이)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 예시적으로 도 1b에 도시된 바와 같이, 블레이드(140)는 초음파 공진기(110)에 연결된다(예를 들면, 직접 연결되거나, 나사를 통해 연결된다). 블레이드가 초음파 공진기에 연결되면, 초음파 공진기는 블레이드에 모션을 제공할 수 있다. 도 1b에서, 블레이드(140)는 Z축(120), X축(130) 및/또는 Y축(135)을 따라 이동할 수 있다. 이러한 모션은 블레이드로 금속(예를 들면, 연성 금속)을 초음파 절단하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 초음파 공진기는 블레이드에 간접적으로(예를 들면, 샤프트 또는 구조체와 같은 다른 구성요소를 통해) 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 초음파 공진기 및 블레이드는 하나의 모놀리식 또는 일체형 유닛을 형성한다.
일부 실시예에서, 초음파 공진기는 초음파 절단 시스템의 앤빌에 연결된다. 예를 들어, 도 1c를 참조하면, 초음파 공진기(110)는 앤빌(145)에 연결된다. 앤빌은 편평한 부분 또는 편평한 표면(예를 들면, 편평판)을 가질 수 있고, 그에 따라 블레이드(예를 들면, 다이)가 금속의 절단을 용이하게 하기 위해 앤빌을 향해 또는 앤빌에 대해 가압될 수 있도록 한다. 이하에 추가로 설명되는 바와 같이, 중합체 층(예를 들면, 인터리프 층)은 절단 동안에 블레이드가 앤빌과 직접 접촉하는 것을 방지하기 위해 앤빌에 인접하여 위치될 수 있다. 블레이드에 연결될 때와 마찬가지로, 초음파 공진기가 앤빌에 연결될 때, 초음파 공진기는 앤빌에 모션(예를 들면, 적어도 1차원에서의 모션)을 제공할 수 있다. 도 1c에 예시적으로 도시된 바와 같이, 초음파 공진기(110)는 Z축(120), X축(130) 및/또는 Y축(135)을 따라 앤빌(145)에 모션을 제공할 수 있다. 따라서, 금속 절단을 위한 시스템은 일부 실시예에서, 블레이드(140), 앤빌(145), 및 앤빌에 (예를 들면, 직접 또는 간접적으로) 연결된 초음파 공진기(110)를 포함할 수 있다. 블레이드(140)의 팁은 앤빌(145)의 표면과 수직축(125)을 형성할 수 있다. 수직축(125)은 도 1c에 도시된 바와 같이, Z축(120)에 평행할 수 있다. 이러한 방식으로, 초음파 공진기는 앤빌 및 블레이드에 수직인 축으로 이동하도록 구성될 수 있다.
금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 다양한 주파수에서 초음파 공진을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상술된 바와 같이, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 20㎑ 이상의 주파수에서 작동할 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 15㎑ 이상의 주파수, 20㎑ 이상의 주파수, 25㎑ 이상의 주파수, 30㎑ 이상의 주파수, 35㎑ 이상의 주파수, 40㎑ 이상의 주파수, 45㎑ 이상의 주파수, 또는 50㎑ 이상의 주파수에서 작동한다. 일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 50㎑ 이하의 주파수에서 작동한다. 일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 45㎑ 이하, 40㎑ 이하, 35㎑ 이하, 30㎑ 이하, 25㎑ 이하, 20㎑ 이하 또는 15㎑ 이하의 주파수에서 작동한다. 상기 기준 범위의 조합(예를 들면, 20㎑ 이상 50㎑ 이하)도 가능하다. 다른 범위도 가능하다.
금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 블레이드(예를 들면, 다이) 또는 앤빌에 특정 진폭을 제공하도록 구성될 수 있다. 진폭은 다이를 포함하여 금속 절단을 위한 시스템에 제공될 수 있다. 예를 들어, 초음파 공진기는 다이를 포함하여 절단용 시스템에 10미크론의 진폭을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 10미크론 이상, 15미크론 이상, 20미크론 이상, 25미크론 이상, 30미크론 이상, 40미크론 이상, 50미크론 이상, 60미크론 이상, 70미크론 이상, 80미크론 이상, 90미크론 이상 또는 100미크론 이상의 진폭을 제공하도록 구성될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 100미크론 이하의 진폭을 제공하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 90미크론 이하, 80미크론 이하, 70미크론 이하, 60미크론 이하, 50미크론 이하, 40미크론 이하, 30미크론 이하, 25미크론 이하, 20미크론 이하, 15미크론 이하, 또는 10미크론 이하의 진폭을 제공하도록 구성된다. 상기 기준 범위의 조합(예를 들면, 10미크론 이상 100미크론 이하)도 가능하다. 다른 범위도 가능하다.
일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 특정 출력을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 150W 이상의 전력으로 작동한다. 일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 150W 이상, 200W 이상, 400W 이상, 500W 이상, 600W 이상, 800W 이상, 900W 이상, 1,000W 이상, 1,200W 이상, 1,500W 이상, 1,800W 이상, 2,000W 이상, 2,500W 이상, 3,000W 이상, 3,500W 이상, 4,000W 이상 또는 4,500W 이상의 출력으로 작동한다. 그러나, 일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 4,500W 이하의 전력으로 작동한다. 일부 실시예에서, 금속 절단을 위한 초음파 공진기 및/또는 시스템은 4,500W 이하, 4,000W 이하, 3,500W 이하, 3,000W 이하, 2,500W 이하, 2,000W 이하, 1,800W 이하, 1,500W 이하, 1,200W 이하, 1,000W 이하, 900W 이하, 800W 이하, 700W 이하, 600W 이하, 500W 이하, 400W 이하, 200W 이하, 또는 150W 이하의 전력으로 작동한다. 상기 언급된 범위의 조합(예를 들면, 700W 이상 2,500W 미만)도 가능하다. 다른 범위도 가능하다. 특정 출력을 선택하면, 특정 경도의 특정 금속을 절단하기에 충분한 에너지를 블레이드(예를 들면, 다이)에 유리하게 제공할 수 있으며, 본 개시의 가르침에 기초한 당업자는 금속을 초음파 절단하기 위한 적절한 출력을 선택할 수 있다.
초음파 공진기는 블레이드 또는 다이를 포함하거나 이에 부착될 수 있다. 따라서, 본 시스템 및 방법은 블레이드 또는 다이로 초음파 절단을 수행할 수 있다. 예를 들어, 블레이드 또는 다이에 연결된 초음파 공진기는 블레이드 또는 다이가 초음파 공진에 맞게 조정 및 배열되도록 초음파 절단을 제공할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 앤빌은 블레이드 또는 다이가 금속을 절단하는 동안에 초음파 공진을 제공한다. 블레이드 또는 다이는 예를 들면, 리튬 금속과 같은 금속(예를 들면, 연성 금속)을 절단할 수 있다. 블레이드 또는 다이는 특정 금속을 절단하기 위한 임의의 적절한 형상 또는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 블레이드 또는 다이는 대칭 블레이드일 수 있다. 대칭 블레이드 또는 다이의 일례는 블레이드 또는 다이(140)이며, 이는 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이 초음파 공진기(110)에 연결된다. 도 1b가 대칭 블레이드 또는 다이를 도시하고 있지만, 일부 다른 실시예에서는, 이하의 일부 실시예에 개략적으로 도시된 바와 같이, 비대칭 블레이드 또는 다이가 사용될 수도 있다. 다른 블레이드 구성 및 형상도 가능하다.
상기 언급된 바와 같이, 일부 실시예에서, 블레이드는 다이이다. 이러한 일부 실시예에서, 다이는 금속을 폐쇄 형상으로 절단하도록 구성된다. 예를 들어, 도 2a에서, 다이(200)는 평면도로부터 개략적으로 도시된다. 다이의 개방 부분은 다이 에지(210)로 스텐실형 방식으로 폐쇄 형상(215)을 형성한다. 도 2b는 다이(200)의 개략적인 측면도를 도시한다. 본 관점으로부터, 다이(200)의 절단 에지(220)를 볼 수 있다. 절단 에지(220)가 금속(예를 들면, 연성 금속)에 가압되면, 금속을 폐쇄 형상(215)의 형상으로 플런지 절단(plunge cut)하는데 사용될 수 있다. 도 9a 및 도 9b는 또한 다이에 의해 형성된 폐쇄 형상으로 금속의 절단 부분과 금속의 나머지 절단 부분을 형성하기 위해 다이로 금속을 절단하는 것을 도시한다. 도 2 및 도 9는 폐쇄 형상의 다이 절단(예를 들면, 플런지 절단)을 도시하고 있지만, 일부 실시예에서, 블레이드는 금속의 형상(예를 들면, 폐쇄 형상)을 절단하기 위해 금속의 폐쇄 형상을 추적하거나 패턴화하는데 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이러한 실시예에서, 블레이드(예를 들면, 단일 블레이드) 및/또는 초음파 공진기는 금속 내의 형상을 추적(trace out)할 수 있는 가동 스테이지 상에 장착될 수 있고, 또는 일부 실시예에서, 블레이드는 고정될 수 있고, 금속은 가동 스테이지 상에 배치될 수 있으며, 금속은 금속의 형상을 추적하기 위해 이동될 수 있다.
다이는 초음파 공진기에 연결되고, 그에 따라 다이는 금속을 초음파 절단하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2c에서, 다이(200)는 구조체(230)(예를 들면, 다이 커넥터)를 통해 초음파 공진기(110)에 연결된다. 이는 초음파 공진기(110)가 다이(200)에 모션(예를 들면, 초음파 모션)을 제공하게 한다. 초음파 공진기에 연결된 다이의 또 다른 예가 도 9a에 도시된다. 본 구조체는 금속 절단을 위한 시스템에 공진을 제공하거나 강화하여, 다이 또는 앤빌의 모션을 증가시키도록 구성될 수 있다. 그러나, 앤빌 또는 다이가 초음파 공진기의 직접적인 부분일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 다시 말해서, 구조체(230)는 일부 실시예에서 부재(absent)할 수 있으며, 초음파 공진기는 초음파 공진기의 일부로서 다이를 포함할 수 있다.
이제, 금속을 초음파 절단하는 블레이드(예를 들면, 다이)의 예가 도 3a 내지 도 3d와 관련하여 설명된다. 절단을 위한 시스템(300)이 도 3a에 개략적으로 도시된다. 초음파 공진기(110)는 구조체(예를 들면, 다이 커넥터)를 통해 다이(200)에 연결되고, 금속(310) 및 앤빌(315) 위에 위치된다. 화살표(332 및 324)는 하류측 및 상류측 위치 각각을 나타낸다. 수직축(320)은 다이 에지(210)로부터 앤빌(315)로 형성된다. 수직축(320)은 Z축(120) 및 초음파 공진기(110)와 평행하며, 다이(200)는 Z축(120)을 따라 금속(310)을 향해 이동할 수 있다. 그 다음에, 다이(200)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 초음파 모션(330)으로 금속(310)을 초음파로 플런지 절단할 수 있다. 이 과정에서, 금속(310)은 2개 이상의 피스로 절단될 수 있다. 도 3b에 예시적으로 도시된 바와 같이, 다이(200)는 들어 올려지고, 2개 피스의 금속(310A 및 310B)이 남아있다. 금속(310B)은 다이(200)의 폐쇄 형상(215)과 상보적인 형상을 가지며, 금속(310A)은 폐쇄 형상(215)과 일치하는 개방 공간을 갖는다. 도 3d에 예시적으로 도시된 바와 같이, 금속(310A)은 (예를 들면, 더 상류측 또는 하류측의 위치로) 제거될 수 있고 절단된 금속(310B)은 남는다. 다른 실시예에서, 금속(310B)은 (예를 들면, 더 상류측 또는 하류측의 위치로) 제거될 수 있고, 금속(310A)은 남는다. 일부 실시예에서, 절단된 금속은 리튬 배터리의 애노드와 같은 특정 응용에 사용될 수 있다.
블레이드 또는 다이에 더하여, 일부 실시예는 금속을 초음파 절단하기 전, 도중 또는 후에 금속에 인접한 적어도 하나의 중합체 층(예를 들면, 인터리프 층, 배터리 분리기 층)을 포함할 수 있다. 일부 실시예는 도 3e에 예시적으로 도시된 바와 같이, 금속(예를 들면, 금속층(310)) 위에 중합체 층(340)(예를 들면, 제 1 중합체 층, 제 2 중합체 층)을 위치시키는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 중합체 층은 도 3f에 개략적으로 도시된 바와 같이, 금속 아래에 위치된다. 예를 들어, 도 3f와 관련하여, (하부) 중합체 층(345)은 금속(310)과 앤빌(315) 사이에 위치된다. 일부 실시예에서, 제 2 중합체 층은 금속에 인접하여 위치될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서, (상부) 중합체 층(340)은 금속(310) 위에 위치되는 반면, (하부) 중합체 층(345)은 금속(310) 아래에 위치된다.
일부 실시예에서, 중합체 층(예를 들면, 인터리프 층, 배터리 분리기 재료 층)이 금속에 인접하여 위치될 때, 블레이드 또는 다이가 금속 및 중합체 층을 초음파 절단할 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 다이(400)는 금속(420) 위에 위치되며, 금속(420)은 중합체 층(430) 사이에 위치한다. 도 4a에는, 2개의 중합체 층(430)이 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는, 단 하나의 중합체 층(예를 들면, 금속 위 또는 아래)만 존재한다는 것을 이해해야 한다. 다이(400)는 중합체 층(들)(430) 및 금속(420)을 향해 이동하고, 중합체 층(들)(430) 및 금속(420)을 초음파 절단할 수 있다.
제 1 및 제 2 중합체 층이 존재하는 일부 실시예에서, 제 1 중합체 층 및 제 2 중합체 층은 금속층의 적어도 일부분을 컨포멀하게 봉입한다. 예를 들어, 도 4a에 개략적으로 도시된 초음파 절단 후에, 금속(420)의 일부는 도 4b의 단면에 도시된 바와 같이, 중합체 층(430)에 의해 둘러싸여 있다. 금속(420)의 측면의 전부가 아닌 일부만이 도 4b에서 중합체 층에 의해 덮여 있지만, 다른 실시예에서는, 금속(420)의 측면 전부가 하나 이상의 중합체 층에 의해 둘러싸이거나 봉입될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
상술된 바와 같이, 일부 실시예에서, 초음파 절단은 중합체 층(예를 들면, 인터리프 층)을 절단하지 않는다. 예를 들어, 도 5a는 금속을 절단하기 전의 시스템(500)의 단면을 개략적으로 도시한다. 금속(505)은 제 1 중합체 층(520)과 제 2 중합체 층(525) 사이에 위치된다. 블레이드(510)는 초음파 공진기(110)에 연결되고 제 1 중합체 층(520) 위에 위치되며, 블레이드의 팁을 통과하는 기판에 수직인 라인에 의해 규정되는 축(540)을 따라 기판(530)을 향해 하향으로 이동될 수 있다. 금속은 화살표(542)로 나타낸 바와 같이 상대적으로 상류측에 위치될 수 있고, 절단될 때, 화살표(544)의 하류측 위치에 적어도 부분적으로 하류측에 위치될 수 있다. 블레이드(510)는 도 5b에 예시적으로 도시된 바와 같이, 제 1 중합체 층(520)을 절단하지 않고 금속(505)을 2개의 피스(505A 및 505B)로 초음파 플런지 절단하도록 하강한다. 도 5a 및 도 5b는 비대칭 구성을 갖는 블레이드(510)를 도시하지만, 다른 실시예에서는, 대칭 블레이드 또는 다른 블레이드 구성이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
일부 실시예에서, 블레이드(예를 들면, 다이)는 제 2 중합체 층(예를 들면, 하단 인터리프)을 절단하지 않고 제 1 중합체 층(예를 들면, 상단 인터리프) 및 금속을 초음파 절단할 수 있다. 이제, 도 6a를 참조하면, 블레이드(610)는 초음파 공진기(100)에 연결되고, 제 1 각도(예를 들면, 더 작은 각도)가 상류측 위치(642)를 향해 위치되고, 제 2 각도(예를 들면, 더 큰 각도)가 이제 하류측 위치(644)를 향해 위치되도록 배치된다. 금속(605)은 제 1 중합체 층(620A)과 제 2 중합체 층(630) 사이에 위치한다. 본 구성은 블레이드가 제 1 중합체 층을 초음파 절단하게 할 수 있다. 블레이드는 기판(640)을 향해 하강될 수 있고, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제 1 중합체 층(620A)을 제 1 중합체 층 피스(620B) 및 제 2 중합체 층 피스(620C)로 절단할 수 있다. 게다가, 금속(605)은 금속 피스(605A) 및 금속 피스(605B)로 절단된다. 도 6a는 비대칭 구성을 갖는 블레이드(610)를 도시하고 있지만, 다른 실시예에서는 대칭 블레이드 또는 다른 블레이드 구성이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일부 실시예에서, 선택적인 보호층은 절단될 스택 또는 층(들)에 존재할 수 있다. 이러한 선택적인 보호층은 절단될 금속에 인접(예를 들면, 직접 인접)할 수 있다. 종(예를 들면, 리튬 이온)이 층의 결함이나 개방 공간을 통해 확산되는 경향이 있기 때문에, 보호층은 이러한 종이 전기 활성 재료층(예를 들면, 리튬 금속)으로 직접 흐르는 것을 감소시킴으로써 투과 장벽으로서 작용할 수 있다. 결과적으로, 덴드라이트 형성, 자가 방전 및 사이클 수명 손실은 감소될 수 있다. 일부 실시예에서, 선택적인 보호층은 또한 블레이드에 의해 절단될 수 있다. 예를 들어, 도 6c와 관련하여, 보호층(650)은 금속(605)에 인접한다. 일부 실시예에서, 블레이드 및 초음파 공진기는 제 2 중합체 층을 절단하지 않고 보호층 및 제 1 중합체 층을 초음파 절단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6d에 개략적으로 도시된 바와 같이, 블레이드(610)는 제 2 중합체 층(630)을 절단하지 않고 제 1 중합체 층(620A), 보호층(650) 및 금속(605)을 초음파 절단한다. 도면에는 단일 보호층이 도시되어 있지만, 복수의 보호층 또는 다층 보호층이 사용되는 실시예도 구상된다. 보호층에 관한 추가 상세는 본 명세서의 다른 부분에 설명된다.
일부 실시예에서, 전극 조립체 또는 복합 전극은 제 1 중합체 층과 제 2 중합체 층 사이에 위치될 수 있고, 블레이드는 전기 활성 재료층(예를 들면, 연성 금속)뿐만 아니라 적층 조립체의 일부로서 전기 활성 재료층에 인접한 임의의 층을 절단하는 데 사용될 수 있다. 도 7a의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(710)는 전극(712)(예를 들면, 리튬 전극, 애노드, 캐소드)을 형성하기 위해 함께 적층되는 다수의 층을 포함한다. 예를 들어, 전극(712)은 도면에서 인접한 기판(530)인 제 2 중합체 층(525)의 표면 상에 하나 이상의 이형층(724)을 선택적으로 위치시키거나 증착함으로써 형성될 수 있다. 이하에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 이형층은 전극이 최종 전기화학 셀에 통합되지 않도록 기판으로부터 전극을 후속적으로 이형하는 역할을 한다. 전극을 형성하기 위해, 선택적인 전류 수집기(726)와 같은 전극 구성요소가 이형층에 인접하여 위치되거나 증착될 수 있고, 이형층은 제 2 중합체 층(525) 및/또는 기판에 인접하여 위치될 수 있다. 차후에, 전기 활성 재료층(728)(예를 들면, 금속, 리튬 금속)이 전류 수집기(726)에 인접하여 위치되거나 증착될 수 있다. 본 실시예에서, 전기 활성층의 표면(729)은 제 1 중합체 층에 인접하여 위치될 수 있고, 이형층(724)은 제 2 중합체 및/또는 기판에 인접하여 위치될 수 있다. 본 배열에서, 블레이드는 전기 활성층(728)(예를 들면, 연성 금속)을 포함하는 조립체(712)를 초음파 절단할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 중합체 층은 배터리 분리기 재료이고, 그에 따라 전기 활성층을 절단하면 또한 적어도 제 1 중합체 층을 절단하여, 전기화학 셀 또는 배터리에 적합할 수 있는 전극 조립체 또는 전극 전구체를 생성한다. 도 7a에 이형층이 도시되어 있지만, 일부 실시예에서, 이형층은 적층 조립체로부터 부재할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 전류 수집기(726)가 도 7a에 도시되어 있지만, 다른 실시예에서, 전류 수집기는 적층 조립체로부터 부재하고, 그에 따라 전기 활성 재료층이 이형층(724) 상에 직접 위치될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
전극 조립체(710)가 형성된 후에, 제 2 중합체 층(525)은 이형층(724)의 사용을 통해 전극으로부터 이형될 수 있다. 이형층(724)은 중합체 층과 함께 이형되고, 그에 따라 이형층이 최종 전극 구조체의 일부가 아니거나, 이형층이 최종 전극 구조체의 일부로 유지될 수 있다. 중합체 층으로부터 조립체를 이형하는 동안에 이형층의 위치는 이형층의 화학적 및/또는 물리적 특성을 조정함으로써 변경할 수 있다. 예를 들어, 이형층이 최종 전극 구조체의 일부가 되는 것이 바람직한 경우, 이형층은 제 2 중합체 층(525)에 대한 접착 친화력에 비해 집전기(726)에 대한 접착 친화력이 더 크도록 조정될 수 있다. 반면에, 이형층이 전극 구조체의 일부가 되지 않는 것이 바람직한 경우, 이형층은 집전기(726)에 대한 접착 친화력에 비해 제 2 중합체 층(525)에 대한 접착 친화력이 더 크도록 설계될 수 있다. 후자의 경우, 박리력이 제 2 중합체 층(525)(및/또는 전극)에 가해질 때, 이형층은 전류 수집기(726)로부터 이형되고, 중합체 층(525) 상에 남아있게 된다. 이형층(724)은 도 7a에서, 제 2 중합체 층(525)에 인접하지만, 다른 실시예에서는, 제 2 중합체 층이 부재하여, 이형층(724)이 기판(530)(또는 다른 구성요소) 상에 직접 위치되고, 상술된 이형 특성은 이형층과 기판(또는 다른 구성요소) 사이에 있다는 것을 또한 이해해야 한다. 또한, 집전기(726)가 적층 조립체로부터 부재하는 실시예에서, 이형층(724)은 전기 활성 재료층(728)에 직접 인접하여 위치될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 이러한 일부 실시예에서, 이형층은 전기 활성 재료에 부착된 상태로 유지되고, 그에 따라 이형층이 최종 전극 조립체의 일부일 수 있다. 다른 실시예에서, 이형층은 최종 전극 조립체의 일부를 형성하도록 전기 활성 재료층으로부터 이형될 수 있다.
절단 후, 제 1 중합체 층(520)은 전극 조립체(710)로부터 제거될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 제 1 중합체 층은 절단 전에 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 제 1 중합체 층은 절단 전 및/또는 절단 후에 전극 조립체로부터 제거되지 않는다.
상술된 바와 같이, 일부 실시예에서, 스택 또는 전극 조립체는 2개의 중합체 층 사이에 존재한다. 일부 실시예에서, 블레이드는 스택 또는 전극 조립체를 통해 절단할 수 있으며, 이는 배터리용 사전형성된 전극을 절단하는데 유리하게 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 2개의 중합체 층(예를 들면, 인터리프 층) 사이에 위치된 스택 및/또는 전극 조립체의 두께는 0.5미크론 이상, 1미크론 이상, 5미크론 이상, 10미크론 이상, 15미크론 이상, 20미크론 이상, 25미크론 이상, 30미크론 이상, 40미크론 이상, 50미크론 이상, 60미크론 이상, 70미크론 이상, 80미크론 이상, 90미크론 이상, 100미크론 이상, 200미크론 이상, 250미크론 이상, 500미크론 이상, 750미크론 이상, 1000미크론 이상이다. 일부 실시예에서, 2개의 중합체 층 사이에 위치된 스택 및/또는 전극 조립체의 두께는 1000 미크론 이하, 750미크론 이하, 500미크론 이하, 250미크론 이하, 100미크론 이하, 90미크론 이하, 80미크론 이하, 70미크론 이하, 60미크론 이하, 50미크론 이하, 40미크론 이하, 30미크론 이하, 25미크론 이하, 20미크론 이하, 15미크론 이하 또는 10미크론 이하이다. 상기 언급된 범위의 조합(예를 들면, 0.5미크론 이상 60미크론 이하)도 가능하다. 다른 범위도 가능하다.
블레이드 또는 다이는 코팅으로 구성될 수 있다. 코팅은 예를 들면, 블레이드 또는 다이에 추가적인 비점착 특성을 부여하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 코팅은 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 코팅을 포함한다. 다른 코팅 재료는 질화티타늄 및 다이아몬드 유사 탄소(DLC)가 제한 없이 포함한다. 일부 실시예에서, 블레이드 또는 다이는 세라믹 코팅을 포함한다. 매끄러운 그리고/또는 단단한 비점착성 코팅을 제공하는 임의의 코팅은 블레이드 또는 다이 코팅으로 적합할 수 있다. 그러나, 블레이드 또는 다이의 코팅이 블레이드 또는 다이의 연성 또는 거칠기 증가, 블레이드 또는 다이의 표면 부동태화 또는 다른 목적과 같은 비점착 특성 이외의 다른 목적으로 사용될 수 있음에 유의해야 한다.
블레이드 또는 다이는 1미크론 이하 및 0.5㎚ 이상의 표면 거칠기(예를 들면, 평균 제곱근(RMS) 표면 거칠기)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 층은 1미크론 이하, 500㎚ 이하, 100㎚ 이하, 50㎚ 이하, 25㎚ 이하, 10㎚ 이하, 5㎚ 이하, 1㎚ 이하 또는 0.5㎚ 이하의 RMS 표면 거칠기를 갖는다. 일부 실시예에서, 블레이드 또는 다이는 0.5㎚ 이상, 1㎚ 이상, 5㎚ 이상, 10㎚ 이상, 25㎚ 이상, 50㎚ 이상, 100㎚ 이상, 500㎚ 이상, 또는 1미크론 이상의 RMS 표면 거칠기를 갖는다. 상기 언급된 범위의 조합(예를 들면, 1미크론 이하 및 0.5㎚ 이하)도 가능하다. 다른 범위도 가능하다.
블레이드 또는 다이는 금속(예를 들면, 연성 금속)을 절단하기 위한 임의의 적합한 재료로 구성될 수 있다. 블레이드의 재료는 금속을 절단하기에 적합하게 단단하지만, 블레이드 또는 다이가 초음파 공진기에 의해 제공되는 (예를 들면, 특정 주파수, 전력 또는 진동에서) 초음파 공진이 가능하도록 충분히 가벼울 수 있도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 블레이드 또는 다이는 티타늄, 알루미늄 및/또는 강철과 같은 금속을 포함한다. 블레이드가 금속에 달라붙는 것을 줄이거나 제거하는 블레이드 또는 다이의 재료를 선택하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 블레이드 또는 다이는 PTFE와 같은, 블레이드에 달라붙지 않는 중합체(예를 들면, 경질 중합체)를 포함한다. 일부 실시예에서, 블레이드 또는 다이는 세라믹 재료를 포함한다. 다른 재료도 가능하다. 일부 실시예에서, 블레이드는 톱니형일 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 블레이드는 톱니가 없다.
상기 설명한 바와 같이, 블레이드 또는 다이는 금속을 초음파 처리하는데 사용할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 금속(예를 들면, 금속 포일, 금속 합금)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 금속은 연성 금속이다. 연성 금속의 일부 비제한적인 예로는 리튬 금속과, 나트륨(Na), 칼륨(K), 세슘(Cs) 및 루비듐(Rb)과 같은 다른 알칼리 금속을 포함한다. 리튬 금속은 리튬 금속 합금일 수 있고, 그리고/또는 진공 증착된 리튬 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 연성 금속은 인듐일 수 있거나 인듐을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 설명된 시스템 및 방법은 알루미늄의 금속 포일과 같은 알칼리 금속보다 더 단단한 금속을 절단하는데 적합할 수 있다. 다른 금속도 가능하다. 이러한 일부 실시예에서, 금속 포일은 50미크론 이하의 두께를 갖는다.
일부 실시예에서, 금속은 물리적 기상 증착, 스퍼터링, 화학 증착, 전기화학 증착, 열 증발, 제트 기상 증착, 레이저 어블레이션(laser ablation), 또는 임의의 다른 적절한 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 금속(예를 들면, 전기 활성 재료)은 금속을 보호층에 본딩시킴으로써 보호층 상에 증착된다. 이러한 일부 실시예에서, 임시 본딩 층은 금속층을 본딩하기 전에 보호층 상에 증착될 수 있거나, 금속층은 보호층에 직접 본딩될 수 있다. 일부 실시예에서, 임시 본딩 층은 전기화학 셀에서 전극 구조체의 후속 사이클링 시에 금속층과 함께 합금을 형성할 수 있다. 예를 들어, 은, 및/또는 리튬 금속과 합금할 수 있는 다른 금속이 일부 실시예에서 사용될 수 있다.
절단할 금속(예를 들면, 금속 포일)은 특정 연성을 포함할 수 있다. 금속의 연성은 연성을 측정하기 위한 임의의 적합한 지표를 사용하여 측정할 수 있다. 예를 들어, 금속의 연성은 금속의 영률에 의해 특징화될 수 있다. 일부 실시예에서, 절단될 금속은 130㎬ 이하의 영률을 포함한다. 일부 실시예에서, 절단될 금속은 120㎬ 이하, 110㎬ 이하, 100㎬ 이하, 75㎬ 이하, 50㎬ 이하, 25㎬ 이하, 15㎬ 이하, 12㎬ 이하, 11㎬ 이하, 10㎬ 이하, 8㎬ 이하, 5㎬ 이하, 3㎬ 이하, 2㎬ 이하, 또는 1㎬ 이하의 영률을 포함한다. 일부 실시예에서, 절단될 금속은 1㎬ 이상, 2㎬ 이상, 3㎬ 이상, 5㎬ 이상, 8㎬ 이상, 10㎬ 이상, 11㎬ 이상, 12㎬ 이상, 15㎬ 이상, 25㎬ 이상, 50㎬ 이상, 75㎬ 이상, 100㎬ 이상, 110㎬ 이상, 120㎬ 이상 또는 130㎬ 이상의 영률을 포함한다. 상기 언급된 범위의 조합(예를 들면, 5㎬ 이상 130㎬ 이하)도 가능하다. 다른 범위도 가능하다. 영률은 재료(예를 들면, 금속)의 길이를 취하고 재료를 늘리기 위해 양단부에 힘을 가함으로써 측정될 수 있다. 재료가 늘어나는 양은 재료의 경도에 따라 달라진다. 재료에 가해지는 응력은 단면적에 가해지는 힘, 즉, F/A로 정의할 수 있으며, 여기서 변형률은 재료가 늘어날 때 증가하는 상대적인 길이이다. L0이 재료의 원래 길이이고 Ln이 늘어난 길이인 경우, 변형률은 (Ln-L0)/Lo 로 정의되며, 따라서, 영률은 FL0/A(Ln-L0)로 계산할 수 있다. 기존의 특정 시스템과 방법을 사용하여 금속을 절단하는 것은 금속의 경도로 인해 어려울 수 있으며, 에지가 거칠거나 들쭉날쭉한 절단이 발생할 수 있다. 일부 경우에, 기존의 특정 시스템 및 방법으로 금속을 절단하면, 블레이드가 손상될 수 있다. 그러나, 본 개시의 맥락 내에서 본 발명자들은 금속(예를 들면, 연성 금속)을 블레이드를 손상시키지 않고 에지를 매끄럽게 절단(예를 들면, 초음파 절단)할 수 있다는 것을 인식하고 인정하였다.
절단될 금속은 절단에 적합한 다수의 위치에 위치될 수 있다. 예를 들어, 금속은 도 3a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 블레이드와 앤빌 사이에 위치될 수 있는데, 여기서 리튬 금속(310)은 다이(200)와 앤빌(315) 사이에 위치된다. 금속은 도 3e에 개략적으로 도시된 바와 같이, 중합체 층 아래에 위치될 수 있는데, 여기서 리튬 금속(310)은 상부 중합체 층(340) 아래에 위치된다. 일부 실시예에서, 금속은 도 3f에 도시된 바와 같이, 중합체 층 위에 위치될 수 있는데, 여기서 리튬 금속(310)은 하부 중합체 층(345) 위에 위치된다. 일부 실시예에서, 금속은 제 1 중합체 층과 제 2 중합체 층 사이에 위치된다. 이러한 위치의 일례가 도 3g에 도시되는데, 여기서 리튬 금속(310)은 상부 중합체 층(340)과 하부 중합체 층(345) 사이에 있다. 그러나, 금속의 다른 위치가 가능하다.
금속(예를 들면, 연성 금속, 리튬 금속)의 두께는 예를 들면, 배터리의 전극에 대해 원하는 크기에 따라 선택될 수 있지만, 일반적으로 전극을 형성할 수 있을 정도로 두껍지만 블레이드에 의해 절단될 수 있을 정도로 얇도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 금속의 두께는 0.5미크론 이상, 1미크론 이상, 5미크론 이상, 10미크론 이상, 15미크론 이상, 20미크론 이상, 25미크론 이상, 30미크론 이상, 40미크론 이상, 50미크론 이상, 60미크론 이상, 70미크론 이상, 80미크론 이상, 90미크론 이상, 100미크론 이상, 250미크론 이상, 500미크론 이상, 1000미크론 이상이다. 일부 실시예에서, 금속의 두께는 1000미크론 이하, 500미크론 이하, 250미크론 이하, 100미크론 이하, 90미크론 이하, 80미크론 이하, 70미크론 이하, 60미크론 이하, 50미크론 이하, 40미크론 이하, 30미크론 이하, 25미크론 이하, 20미크론 이하, 15미크론 이하, 10미크론 이하, 5미크론 이하, 1미크론 이하 또는 0.5미크론 이하이다. 상기 언급한 범위의 조합(예를 들면, 0.5미크론 이상 20미크론 이하, 10미크론 이상 50미크론 이하)도 가능하다. 다른 범위도 가능하다.
일부 실시예에서, 금속은 1미크론 이하, 500㎚ 이하, 100㎚ 이하, 50㎚ 이하, 25㎚ 이하, 10㎚ 이하, 5㎚ 이하, 1㎚ 이하 또는 0.5㎚ 이하의 낮은 표면 거칠기, 예를 들면, 평균 제곱근(RMS) 표면 거칠기를 갖는다. 금속의 연성은 일부 실시예에서, 금속의 진공 증착을 제어함으로써 달성될 수 있다. 금속층은 원하는 금속층과 동일하거나 유사한 RMS 표면 거칠기를 갖는 평활면(예를 들면, 평활한 중합체 층, 평활한 전류 수집기 층) 상에 증착될 수 있다. 이러한 방법 및 다른 방법은 상업적으로 이용 가능한 특정 포일보다 적어도 1.5배, 2배, 3배, 4배, 5배 또는 10배 더 평활한 리튬 금속층(들)을 생성하여, 실질적으로 균일하게 평활면을 생성할 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 전기화학 셀을 위해 절단되는 금속은 리튬 금속 이외의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전기 활성 재료 층은 복합 재료(t)이고, 복합 재료(t)는 전기 활성 재료층의 구성요소일 수 있다. 다시 말해서, 일부 실시예에서, 전기 활성 재료층은 금속을 포함한다. 전기 활성 재료층은 전극(예를 들면, 캐소드, 애노드(예를 들면, 리튬 복합 재료)일 수 있다.
일부 실시예에서, 전기 활성 재료층은 상부면, 하부면 및 상부면과 하부면 사이의 측면을 포함한다. 전기 활성 재료는 다양한 위치에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 상부면은 제 1 중합체 층에 인접한다. 일부 실시예에서, 하부면은 제 2 중합체 층에 인접한다.
본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 앤빌을 포함할 수도 있다. 앤빌은 초음파 절단 전, 도중 또는 후에 절단될 금속이 고정될 수 있는 표면을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 앤빌은 블레이드가 금속을 절단하는 동안에 앤빌에 의해 초음파 모션이 제공될 수 있도록 초음파 공진에 맞게 조정 및 배열된다. 초음파 공진을 위해 조정 및 배열된 앤빌의 일례가 도 1c에 도시되어 있으며, 여기서 앤빌(145)은 초음파 공진기(110)에 연결된다. 일부 실시예에서, 앤빌은 블레이드에 인접한다.
앤빌은 절단할 금속을 지지하기에 적합한 다양한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 앤빌은 티타늄으로 구성된다. 다른 재료도 가능하다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 개시된 물품, 시스템 및 방법은 하나 이상의 중합체 층(예를 들면, 제 1 중합체 층, 제 2 중합체 층)을 포함할 수 있다. 중합체 층은 블레이드, 앤빌, 금속, 다른 중합체 층 및/또는 전기 활성 재료층과 같은 다른 구성요소에 인접(예를 들면, 직접 인접) 또는 근접하여 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 중합체 층(예를 들면, 제 1 중합체 층, 제 2 중합체 층)의 적어도 일부는 전기 활성 재료층의 측면의 적어도 일부를 덮는다. 중합체 층은 다양한 재료를 포함할 수 있으며, 그 상세는 이하에 설명된다.
중합체 재료는 하나 이상의 중합체를 포함할 수 있다(예를 들면, 중합체일 수 있고, 하나 이상의 중합체로 형성될 수 있음). 적합한 중합체 재료의 예로는 폴리올레핀(예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리(부텐-1), 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌)과, 폴리아민(예를 들면, 폴리(에틸렌 이민) 및 폴리프로필렌 이민(PPI))과, 폴리아미드(예를 들면, 폴리아미드(나일론), 폴리(ε-카프로락탐)(나일론 6), 폴리(헥사메틸렌 아디파미드)(나일론 66))와, 폴리이미드(예를 들면, 폴리이미드, 폴리니트릴 및 폴리(피로멜리티미드-1,4-디페닐 에테르)(Kapton®(NOMEX®(KEVLAR®))와, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)과, 비닐 중합체(예를 들면, 폴리아크릴아미드, 폴리(2-비닐피리딘), 폴리(N-비닐피롤리돈), 폴리(메틸시아노아크릴레이트), 폴리(에틸시아노아크릴레이트), 폴리(부틸시아노아크릴레이트), 폴리(이소부틸시아노아크릴레이트), 폴리(비닐아세테이트), 폴리(비닐알코올), 폴리(염화비닐), 폴리(불화비닐), 폴리(2-비닐피리딘), 비닐 중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 및 폴리(이소헥실시아노아크릴레이트)와, 폴리아세탈과, 폴리에스테르 (예를 들면, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리하이드록시부티레이트)와, 폴리에테르(폴리(에틸렌옥사이드)(PEO), 폴리(프로필렌옥사이드)(PPO), 폴리(테트라메틸렌옥사이드)(PTMO))와, 비닐리덴 중합체(예를 들면, 폴리이소부틸렌, 폴리(메틸스티렌), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리(염화비닐리덴), 폴리(불화비닐리덴))와, 폴리아라미드(예를 들면, 폴리(이미노-1,3-페닐렌이미노이소프탈로일) 및 폴리(이미노-1,4-페닐렌이미노테레프탈로일)와, 폴리헤테로아로마틱 화합물(예를 들면, 폴리벤지미다졸(PBI), 폴리벤조비스옥사졸(PBO) 및 폴리벤조비스티아졸(PBT))과, 폴리헤테로사이클릭 화합물(예를 들면, 폴리피롤)과, 폴리우레탄과, 페놀계 중합체(예를 들면, 페놀-포름알데히드)와, 폴리알킨(예를 들면, 폴리아세틸렌)과, 폴리디엔(예를 들면, 1,2-폴리부타디엔, 시스 또는 트랜스-1,4- 폴리부타디엔)과, 폴리실록산(예를 들면, 폴리(디메틸실록산)(PDMS), 폴리(디에틸실록산)(PDES), 폴리디페닐실록산(PDPS) 및 폴리메틸페닐실록산(PMPS))과, 무기 중합체(예를 들면, 폴리포스파젠, 폴리포스포네이트, 폴리실란, 폴리실라잔)를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 중합체는 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아미드(예를 들면, 폴리아미드(나일론), 폴리(ε-카프로락탐)(나일론 6), 폴리(헥사메틸렌 아디파미드)(나일론 66)), 폴리이미드(예를 들면, 폴리니트릴, 및 폴리(피로멜리티미드-1,4-디페닐 에테르)(Kapton®)(NOMEX®)(KEVLAR®)), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 중합체 층(예를 들면, 제 1 중합체 층, 제 2 중합체 층)은 인터리프 층(예를 들면, 제 1 인터리프 층, 제 2 인터리프 층)이다. 인터리프 층은 블레이드 및/또는 앤빌이 금속과 직접 접촉하는 양을 방지하거나 감소시키는데 사용될 수 있다. 또한, 인터리프 층은 과도한 금속이 블레이드 상에 축적되는 것을 방지할 수 있다. 일부 실시예에서, 인터리프 층은 상기 및 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 것과 같은 중합체 재료를 포함한다. 일부 실시예에 대해서, 하나 이상의 중합체 층이 제공될 수 있는데, 예를 들면, 2개의 중합체 층(예를 들면, 상부 인터리프 층, 하부 인터리프 층)이 제공될 수 있어서, 상부 중합체 층은 금속의 상부면에 인접하여 위치되고 하부 중합체 층은 금속의 하부면 상에 위치되지만 기판 또는 앤빌 위에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 중합체 층은 초음파 절단 동안에 블레이드에 의해 절단되지 않는다. 다른 실시예에서, 중합체 층은 초음파 절단에 의해 절단될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 중합체 층은 배터리 분리기 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 적어도 2개의 중합체 층(예를 들면, 분리기/분리기 층)은 포함될 수 있고, 금속(예를 들면, 리튬 금속)의 적어도 일부를 컨포멀하게 봉입할 수 있다. 분리기 층(들)은 전기화학 셀의 단락을 초래할 수 있는 2개의 전극 사이(예를 들면, 애노드와 캐소드 사이, 제 1 전극과 제 2 전극 사이)의 물리적 접촉을 억제(예를 들면, 방지)하도록 구성될 수 있다. 분리기는 실질적으로 전자적으로 비전도성이 되도록 구성될 수 있으며, 이는 분리기가 전기화학 셀의 단락을 유발하는 정도를 억제할 수 있다. 일부 실시예에서, 분리기의 전부 또는 일부는 104 이상, 105 이상, 1010 이상, 1015 이상, 또는 1020 이상의 옴미터의 벌크 전자 저항을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 벌크 전자 저항은 실온(예를 들면, 25℃)에서 측정될 수 있다. 이러한 실시예에서, 금속을 초음파 절단하면, 배터리 분리기도 절단할 수 있으며, 이는 전기화학 셀 또는 리튬 배터리를 제조하기 위해 다른 전극 재료(예를 들면, 캐소드)와 쉽게 조립할 수 있는 전극 스택을 유리하게 생성할 수 있다.
일부 실시예에서, 배터리 분리기 재료는 이온 전도성일 수 있고, 다른 실시예에서, 분리기는 실질적으로 이온 비전도성이다. 일부 실시예에서, 분리기의 평균 이온 전도도는 10-7S/㎝ 이상, 10-6S/㎝ 이상, 10-5S/㎝ 이상, 10-4S/㎝ 이상, 10-2S/㎝ 이상, 또는 10-1S/㎝이상이다. 특정 실시예에서, 분리기의 평균 이온 전도도는 1S/㎝ 이하, 10-1S/㎝ 이하, 10-2S/㎝ 이하, 10-3S/㎝ 이하, 10-4S/㎝ 이하, 10-5S/㎝ 이하, 10-6S/㎝ 이하, 10-7S/㎝ 이하, 또는 10-8S/㎝ 이하일 수 있다. 상기 언급된 범위의 조합(예를 들면, 평균 이온 전도도가 10-8S/㎝ 이상 10-1S/㎝ 이하)도 가능하다. 다른 이온 전도도 값도 가능하다.
배터리 분리기 재료의 평균 이온 전도도는 전도도 브리지(즉, 임피던스 측정 회로)를 사용함으로써 압력이 증가함에 따라 분리기의 평균 저항이 변하지 않을 때까지 일련의 증가 압력에서 분리기의 평균 저항을 측정하도록 결정될 수 있다. 이 값은 분리기의 평균 저항으로 간주하고, 그 역을 분리기의 평균 전도도로 간주한다. 전도도 브리지는 1㎑에서 작동할 수 있다. 분리기에 3톤/㎠ 이상의 압력을 가할 수 있는 분리기의 대향 측부에 위치된 2개의 구리 실린더에 의해 분리기에 500㎏/㎝2 증분으로 압력을 가할 수 있다. 평균 이온 전도도는 실온(예를 들면, 25℃)에서 측정할 수 있다.
일부 실시예에서, 배터리 분리기 재료는 고체일 수 있다. 분리기는 전해질 용매가 통과하게 하도록 충분히 다공성일 수 있다. 일부 실시예에서, 분리기는 분리기의 기공을 통과하거나 기공 내에 잔류할 수 있는 용매를 제외하고, 실질적으로 용매를 포함하지 않을 수 있다(예를 들면, 벌크 전체에 걸쳐서 용매를 포함하는 겔과 다를 수 있음). 다른 실시예에서, 분리기는 겔 형태일 수 있다.
일부 실시예에서, 중합체 층(예를 들면, 제 1 중합체 층, 제 2 중합체 층, 인터리프 층)은 금속층 및/또는 중합체 층이 절단되게 하기에 적합한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 중합체 층의 두께는 5미크론 이상, 10미크론 이상, 25미크론 이상, 50미크론 이상, 75미크론 이상, 100미크론 이상, 150미크론 이상, 200미크론 이상, 250미크론 이상이다. 일부 실시예에서, 중합체 층의 두께는 250미크론 이하, 200미크론 이하, 150미크론 이하, 100미크론 이하, 75미크론 이하, 50미크론 이하, 25미크론 이하, 10미크론 이하, 또는 5미크론 이하이다. 상기 언급된 범위의 조합(예를 들면, 5미크론 이상 250미크론 이하)도 가능하다. 다른 범위도 가능하다.
일부 실시예에서, 중합체 층(예를 들면, 인터리프 층)의 두께는 금속의 두께에 상대적인 비율을 갖도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 중합체 층의 두께 대 금속의 두께의 비율은 10:1 이하, 7:1 이하, 5:1 이하, 4:1 이하, 3:1 이하, 2:1 이하, 또는 1:1 이하이다. 일부 실시예에서, 중합체 층의 두께 대 금속의 두께의 비율은 1:1 이상, 2:1 이상, 3:1 이상, 4:1 이상, 5:1 이상, 7:1 이상, 또는 10:1 이상이다. 상기 언급된 범위의 조합(예를 들면, 1:1 이상 5:1 이하)이 가능하다. 다른 범위도 가능하다.
일부 실시예에서, 중합체 층은 1미크론 이하 및 0.5㎚ 이상인 표면 거칠기, 예를 들면, 평균 제곱근(RMS) 표면 거칠기를 갖는다. 일부 실시예에서, 층은 1미크론 이하, 500㎚ 이하, 100㎚ 이하, 50㎚ 이하, 25㎚ 이하, 10㎚ 이하, 5㎚ 이하, 1㎚ 이하, 또는 0.5㎚ 이하의 RMS 표면 거칠기를 갖는다. 일부 실시예에서, 중합체 층은 0.5㎚ 이상, 1㎚ 이상, 5㎚ 이상, 10㎚ 이상, 25㎚ 이상, 50㎚ 이상, 100㎚ 이상, 500㎚ 이상, 또는 1미크론 이상의 RMS 표면 거칠기를 갖는다. 상기 언급된 범위의 조합(예를 들면, 1미크론 이하 및 0.5㎚ 이상)도 가능하다. 다른 범위도 가능하다.
일부 실시예에서, 중합체 층(예를 들면, 이형층)은 하나 이상의 가교제를 포함할 수 있다. 가교제는 하나 이상의 중합체 사슬 사이에 가교 결합을 형성하는 방식으로 중합체 사슬의 작용기와 상호 작용하도록 설계된 반응성 부분(들)을 갖는 분자이다. 본 명세서에 설명된 이형층 및/또는 접착 촉진제에 사용되는 중합체 재료를 가교할 수 있는 가교제의 예로는, 폴리아미드-에피클로로하이드린(polycup 172)과, 알데히드(예를 들면, 포름알데히드 및 요소-포름알데히드)와, 다이알데히드(예를 들면, 글리옥살 글루타르알데히드 및 하이드록시아디프알데히드)와, 아크릴레이트(예를 들면, 에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 디(에틸렌글리콜) 디아크릴레이트, 테트라(에틸렌글리콜) 디아크릴레이트, 메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 디(에틸렌글리콜) 디메타크릴레이트, 트리(에틸렌글리콜) 디메타크릴레이트)와, 아미드(예를 들면, N,N'-메틸렌비스아크릴아미드, N,N'-메틸렌비스아크릴아미드, N,N'-(1,2-디하이드록시에틸렌)비스아크릴아미드, N-(1-하이드록시-2,2-디메톡시에틸)아크릴아미드)와, 실란(예를 들면, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 테트라메톡시실란(TMOS), 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라프로폭시실란, 메틸트리스(메틸에틸데톡심)실란, 메틸트리스(아세톡심)실란, 메틸트리스(메틸이소부틸케톡심)실란, 디메틸디(메틸에틸데톡심)실란, 트리메틸(메틸에틸케톡심)실란, 비닐트리스(메틸에틸케톡심)실란, 메틸비닐디(메틸에틸케톡심)실란, 메틸비닐디(사이클로헥사논옥심)실란, 비닐트리스(메틸이소부틸케톡심)실란, 메틸트리아세톡시실란, 테트라아세톡시실란 및 페닐트리스(메틸에틸케톡심)실란)과, 디비닐벤젠과, 멜라민과, 탄산암모늄 지르코늄과, 디클로헥실카보디이미드/디메틸아미노피리딘(DCC/DMAP)과, 2-클로로피리디늄 이온과, 1-하이드록시시클로헥실페닐케톤과, 아세토페논 디메틸케탈과, 벤조일메틸에테르와, 아릴 트리플루오로비닐에테르와, 벤조사이클로벤텐과, 페놀 수지(예를 들면, 페놀과 포름알데히드 및 메탄올, 에탄올, 부탄올 및 이소부탄올과 같은 저알코올의 축합물), 에폭시드와, 멜라민 수지(예를 들면, 멜라민과 메탄올,에탄올, 부탄올, 및 이소부탄올과 같은 저알코올 및 포름알데히드의 축합물)와, 폴리이소시아네이트와, 다이알데히드와, 당업자에게 공지된 다른 가교제를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
중합체 층이 이형층인 일부 실시예에서, 이형층의 두께는 0.001미크론 이상 내지 50미크론 이하일 수 있다. 일부 실시예에서, 이형층은 0.001미크론 이상, 1미크론 이상, 2미크론 이상, 3미크론 이상, 5미크론 이상, 10미크론 이상, 20미크론 이상, 또는 50미크론 이상의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 이형층의 두께는 50미크론 이하, 20미크론 이하, 10미크론 이하, 5미크론 이하, 3미크론 이하, 2미크론 이하, 1미크론 이하, 또는 0.001미크론 이하이다. 상기 언급된 범위의 조합(예를 들면, 2미크론 이상 및 20미크론 이하)이 가능하다. 다른 범위도 가능하다. 2개 이상의 이형층이 존재하는 실시예에서, 각 이형층은 독립적으로 상기 참조된 범위 중 하나 이상의 두께를 가질 수 있다.
가교 중합체 재료 및 가교제를 포함하는 실시예에서, 중합체 재료 대 가교제의 중량비는 중합체의 작용기 함량, 그 분자량, 가교제의 반응성 및 기능성, 원하는 가교 속도, 중합체 재료에서 원하는 강성/경도의 정도, 및 가교 반응이 발생할 수 있는 온도를, 다양한 이유로 인해 달라질 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 중합체 재료와 가교제 사이의 중량비 범위의 비제한적인 예로는 100:1 내지 50:1, 20:1 내지 1:1, 10:1 내지 2:1, 8:1 내지 4:1로부터 포함된다.
금속층과 중합체 층(예를 들면, 제 1 중합체 층, 제 2 중합체 층, 인터리프 층) 사이, 보호층과 중합체 층 사이, 집전기와 중합체 층 사이, 및/또는 중합체 층과 기판 사이와 같이, 본 명세서에 설명된 2개의 층 사이의 접착 강도는 원하는 대로 조정할 수 있다. 2개의 층 사이의 상대적인 접착 강도를 결정하기 위해, 테이프 테스트를 수행할 수 있다. 간단하게, 테이프 테스트는 감압 테이프(pressure-sensitive tape)를 사용하여, 제 1 층(예를 들면, 인터리프 층)과 제 2 층(예를 들면, 리튬 금속층) 사이의 접착력을 정량적으로 평가한다. 이러한 테스트에서는, 제 1 층을 통해 제 2 층까지 X-컷을 취할 수 있다. 감압 테이프는 절단 영역 위에 도포되고 제거될 수 있다. 제 1 층이 제 2 층 상에 남아 있으면 접착력이 양호하다. 제 1 층이 테이프 스트립과 함께 떨어지면 접착력이 양호하지 않다. 테이프 테스트는 표준 ASTM D3359-02에 따라 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 층(예를 들면, 인터리프 층)과 제 2 층(예를 들면, 리튬 금속층, 집전기, 보호층, 기판) 사이의 접착 강도는 표준 ASTM D3359-02에 따라 테이프 테스트를 통과하며, 이는 테스트 동안에 제 2 층이 제 1 층으로부터 박리되지 않음을 의미한다. 일부 실시예에서, 테이프 테스트는 2층이 5배 이상, 10배 이상, 15배 이상, 20배 이상, 50배 이상, 또는 100배 이상 순환된 셀(예를 들면, 리튬 이온 셀 또는 본 명세서에 설명된 임의의 다른 적절한 셀)에 포함된 후에 수행되고, 2개 층이 셀로부터 제거된 후에 테이프 테스트를 통과한 후에 수행된다(예를 들면, 제 1 층이 테스트 동안에 제 2 층으로부터 박리되지 않음).
박리 시험은 인장 시험 장치 또는 다른 적합한 장치를 사용하여, 제 2 층(예를 들면, 금속, 금속층)의 표면의 단위 면적으로부터 제 1 층(예를 들면, 중합체 층, 인터리프 층)을 제거하는데 필요한 접착력 또는 힘을 측정하는 것을 포함할 수 있으며, 이는 N/m 단위로 측정할 수 있다. 이러한 실험은 선택적으로 용매(예를 들면, 전해질) 또는 다른 구성요소의 존재 하에서 수행하여, 용매 및/또는 구성요소가 접착에 미치는 영향을 결정할 수 있다.
일부 실시예에서, 2개의 층 사이의 접착 강도는 예를 들면, 100N/m 내지 2000N/m의 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 접착 강도는 50N/m 이상, 100N/m 이상, 200N/m 이상, 350N/m 이상, 500N/m 이상, 700N/m 이상, 900N/m 이상, 1000N/m 이상, 1200N/m 이상, 1400N/m 이상, 1600N/m 이상, 1800N/m 이상일 수 있다. 특정 실시예에서, 접착 강도는 2000N/m 이하, 1500N/m 이하, 1000N/m 이하, 900N/m 이하, 700N/m 이하, 500N/m 이하, 350N/m 이하, 200N/m 이하, 100N/m 이하, 또는 50N/m 이하일 수 있다. 상기 언급된 범위의 조합도 가능하다. 다른 강도의 접착 강도도 가능하다.
상술된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 금속(및 선택적으로, 하나 이상의 중합체 층과 같은 금속과 관련된 다른 층)을 절단(예를 들면, 초음파 절단)할 수 있다. 일부 실시예에서, 금속을 초음파 절단하는 것은 초음파 공진기에 연결된 블레이드 또는 다이를 포함한다. 그러나, 일부 실시예에서, 초음파 절단은 앤빌에 연결된 초음파 공진기를 포함하고 앤빌이 초음파로 이동하는 동안에 금속을 절단한다. 일부 실시예에서, 블레이드는 금속을 플런지 절단하기 위해 금속층을 관통한다. 금속은 금속에 인접한 적어도 하나의 중합체 층을 구비할 수 있거나, 인접한 중합체 층은 없을 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 중합체 층(예를 들면, 상부 인터리프 층)은 블레이드가 금속을 절단할 때 제 2 중합체 층과 접촉할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 중합체 층은 이 공정 동안에 절단되지 않는 반면, 금속이 절단된다. 그러나, 다른 실시예에서는, 금속에 더하여, 제 1 중합체 층이 절단된다. 일부 실시예에서, 금속 및/또는 제 1 중합체 층에 대한 블레이드의 관통 깊이는 제 1 중합체 층이 절단되는지 여부를 결정하는데 기여할 수 있다. 당업자는 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법을 고려하여, 제 1 중합체 층을 절단하거나 절단하지 않을 때 블레이드의 적절한 관통 깊이를 결정할 수 있다.
예시적인 예, 그리고 비제한예로서, 블레이드 또는 다이는 제 1 중합체 층(예를 들면, 상부 인터리프 층)을, 제 1 중합체 층의 두께의 5% 이상, 제 1 중합체 층의 두께의 10% 이상, 제 1 중합체 층의 두께의 20% 이상, 제 1 중합체 층의 두께의 40% 이상, 제 1 중합체 층의 두께의 60% 이상, 제 1 중합체 층의 두께의 80% 이상, 제 1 중합체 층의 두께의 90% 이상, 제 1 중합체 층의 두께의 95% 이상, 제 1 중합체 층의 두께의 99% 이상, 또는 제 1 중합체 층의 두께의 100% 이상만큼 관통(예를 들면, 절단)할 수 있다. 일부 실시예에서, 블레이드는 제 1 중합체 층을, 제 1 중합체 층의 두께의 100% 이하, 제 1 중합체 층의 두께의 99% 이하, 제 1 중합체 층의 두께의 95% 이하, 제 1 중합체 층의 두께의 90% 이하, 제 1 중합체 층의 두께의 80% 이하, 제 1 중합체 층의 두께의 60% 이하, 제 1 중합체 층의 두께의 40% 이하, 제 1 중합체 층의 두께의 20% 이하, 제 1 중합체 층의 두께의 10% 이하, 또는 제 1 중합체 층의 두께의 5% 이하만큼 관통(예를 들면, 절단)할 수 있다. 상기 언급된 범위의 조합(예를 들면, 제 1 중합체 층의 두께의 5% 이상 및 제 1 중합체 층의 두께의 80% 이하)도 가능하다. 다른 범위도 가능하다.
일부 실시예에서, 블레이드 또는 다이는 제 2 중합체 층(예를 들면, 하단 인터리프 층)에 접촉하거나, 또는 제 2 중합체 층에 접촉하기 전에 정지할 수 있지만, 절단 단계 동안에 제 2 중합체 층을 절단하지 않는다. 그러나, 다른 실시예에서, 제 2 중합체 층은 블레이드 또는 다이에 의해 절단된다. 일부 실시예에서, 제 2 중합체 층은 제 1 중합체 층에 대한 상기 범위 중 하나 이상의 범위 내의 양만큼 절단된다.
금속을 초음파 절단(예를 들면, 플런지 절단)한 후, 절단된 금속은 적어도 하나의 중합체 층으로 밀봉될 수 있다. 일부 실시예에서, 블레이드 및/또는 블레이드의 모션은 적어도 하나의 중합체 층의 밀봉을 용이하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 중합체 층, 금속 및 제 2 중합체 층은 초음파 절단 후 스택을 형성하도록 밀봉된다. 일부 실시예에서, 밀봉은 금속의 일부를 중합체 층에 적층 또는 접착하는 것을 포함한다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 블레이드(810)는 리튬 금속을 절단하는 반면, 제 1 중합체 층(810) 또는 제 2 중합체 층(820)을 절단하지 않는다. 제 1 중합체 층(810)은 제 2 중합체 층(820)에 접착되고 리튬 금속 피스(805A, 805B, 및 805C)를 밀봉한다. 일부 실시예에서, 밀봉은 제 1 중합체 층 및/또는 제 2 중합체 층의 일부를 용융하고, 제 1 중합체 층을 제 2 중합체 층에 접착하는 것을 포함한다. 밀봉은 금속(예를 들면, 리튬 금속) 주위에 중합체 층을 컨포멀하게 봉입할 수 있다. 예를 들어, 도 8에서, 리튬 금속 피스(805B 및 805C)는 양단부 상에 밀봉되어서 엔벨로프형 구조를 형성한다. 도 8은 리튬 금속 피스(805B 및 805C)의 양단부의 밀봉을 도시하고 있지만, 다른 실시예에서, 금속은 다른 방식으로 밀봉될 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1 중합체 층, 금속 및 제 2 중합체 층은 초음파 절단 후 캐소드(예를 들면, 리튬 층간 화합물)에 인접하여 위치된다. 제 1 중합체 층, 금속 및 제 2 중합체 층을 캐소드에 인접하게 배치하면, 적층 조립체, 전기화학 셀 또는 배터리용 전극 전구체를 형성하는 것이 용이해질 수 있다.
절단된 금속을 블레이드 또는 다이로부터 용이하게 제거하기 위해, 절단 단계 후에 힘을 가할 수 있다. 절단된 금속을 제거하는 것은 예를 들면, 조립 라인업에서 전기화학 셀 또는 배터리의 사전 조립을 돕는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 본 방법은 절단 단계 후에 금속에 힘을 가하는 것을 포함한다. 금속이 금형의 폐쇄 형상 내에 남아 있는 경우에 금속을 제거하기 위해 다양한 힘을 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 힘은 가스(예를 들면, 공기)의 제트이다. 일부 실시예에서, 힘은 초음파 버스트이다. 초음파 버스트를 사용하는 이러한 실시예에서, 초음파 버스트는 초음파 공진기에 의해 생성된다. 일부 실시예에서, 절단된 금속을 이동시키기 위해 유체(예를 들면, 압축 공기, 질소 가스, 아르곤)를 분사할 수 있는 선택적인 송풍기가 존재한다. 그러나, 일부 실시예에서, 금속은 절단 후에 제거하기 위해 추가적인 힘을 필요로 하지 않는다.
일부 실시예에서, 금속을 절단한 후에 금속으로부터 중합체 층을 제거할 수 있다. 중합체 층의 제거는 진공을 사용하는 것을 포함하여 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 일부 경우에, 절단된 금속 피스는 절단된 후에 제거될 수 있다. 예를 들어, 절단된 금속 피스로부터 중합체 층을 제거한 후에 금속을 하류측 위치로 이동시킬 수 있다. 절단된 금속 피스의 제거는 기판, 앤빌 또는 제 2 중합체 층으로부터 금속을 제거하기 위한 임의의 다른 적절한 방법 또는 진공 장치를 사용하여 수행할 수 있다.
상술된 물품, 시스템 및 방법에 대한 추가의 상세는 이하에 제공된다.
일부 실시예에서, 전극 전구체 재료는 블레이드 또는 다이를 사용하여 형성될 수 있다. 블레이드 또는 다이는 중합체 층이 블레이드 또는 다이에 의해 절단되지 않은 상태로 두면서 금속층을 절단하도록 구성될 수 있다. 그 다음에, 블레이드 또는 다이는 (제 1) 중합체 층 및/또는 금속이 (제 2) 중합체 층에 접착되게 할 수 있으며, 그 결과, 절단된 금속층이 중합체 층(들)에 의해 핀칭되거나, 봉입되거나, 및/또는 둘러싸게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 선택적인 보호층이 존재할 수 있다. 이러한 선택적인 보호층은 중합체 층 또는 금속층에 인접할 수 있다. 선택적인 보호층(들)은 하부 전극 구조에 대한 보호층(예를 들면, 리튬 금속층)으로서 작용할 수 있는 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 보호층의 재료는 전기 활성종(예를 들면, 리튬 이온)에 대해 전도성이 있다. 보호층은 일부 경우에서는, "단일 이온 전도성 재료층"으로 지칭될 수도 있다. 일부 실시예에서, 보호층은 고체이다. 일부 실시예에서, 보호층은 비중합체 재료를 포함하거나, 실질적으로 비중합체 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호층은 무기 재료를 포함할 수 있거나, 실질적으로 무기 재료로 형성될 수 있다. 특정 실시예에 따라, 보호층은 전기 절연성 또는 전기 전도성일 수 있다. 일부 실시예에서, 보호층은 세라믹, 유리-세라믹 또는 유리이다. 보호층에 대한 추가적인 적합한 재료는 질화리튬, 규산리튬, 붕산리튬, 리튬 알루미네이트, 인산 리튬, 리튬 인 산질화물, 실리코설파이드 리튬, 게르마노설파이드 리튬, 산화리튬(예를 들면, Li2O, LiO, LiO2, LiRO2, 여기서 R은 희토류 금속), 리튬 란탄 산화물, 리튬 티타늄 산화물, 리튬 보로설파이드, 리튬 알루미노설파이드, 리튬 포스포설파이드(lithium phosphosulfide) 및 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않을 수도 있다.
보호층은 스퍼터링, 전자빔 증착, 진공 열 증착, 레이저 어블레이션, 화학 기상 증착(CVD), 열 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 레이저 강화 화학 기상 증착, 에어로졸 증착 및 제트 기상 증착과 같은 임의의 적절한 방법으로 증착할 수 있다. 사용되는 기술은 증착될 재료의 유형, 층의 두께 등에 따라 달라질 수 있다.
일부 실시예에서, 일부 다공성을 포함하는 보호층은 보호층의 기공(예를 들면, 나노 기공)이 중합체로 채워질 수 있도록 중합체 또는 다른 재료로 처리될 수 있다. 이러한 구조를 형성하는 기술의 예는 2010년 8월 24일에 출원되고 미국 특허 공개 제 2011/0177398 호로 공개된 "Electrochemical Cell"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제 12/862,528 호에 보다 상세하게 설명되며, 이는 본 명세서에 모든 목적을 위해 그 전체가 인용에 의해 포함된다.
게다가 또는 대안적으로, 일부 실시예에서, 보호층은 전기 활성종에 전도성인 중합체 층일 수 있다. 적합한 중합체는 전기 전도성 및 전기 절연성 이온 전도 중합체를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 가능한 전기 전도성 중합체에는 폴리(아세틸렌), 폴리(피롤), 폴리(티오펜), 폴리(아닐린), 폴리(플루오렌), 폴리나프탈렌, 폴리(p-페닐렌 설파이드), 폴리(파라-페닐렌 비닐렌)이 포함되지만 이에 제한되지 않는다. 가능한 전기 절연 중합체는 아크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드, 실리콘 및 폴리염화비닐을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 중합체(들)는 중합체를 포함하는 보호층이 세라믹, 유리 또는 유리-세라믹 층에 의해 전해질(electrolyte)로부터 분리되는 구성과 같이, 비팽창 상태(예를 들면, 박막으로서)로 존재한다. 상기 중합체는 원하는 이온 전도 특성을 제공하거나 향상시키기 위해 이온 전도성 염으로 도핑될 수 있다. 리튬 기반 셀에 적합한 염에는 예를 들면, LiSCN, LiBr, LiI, LiClO4, LiAsF6, LiSO3CF3, LiSO3CH3, LiBF4, LiB(Ph)4, LiPF6, LiC(SO2CF3)3, 및 LiN(SO2CF3)2를 포함하지만, 다른 염을 다른 화학적 특성을 위해 사용될 수 있다. 상기 재료는 스핀 주조, 닥터 블레이드, 플래시 증발 또는 임의의 다른 적절한 증착 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 일부 실시예에서, 보호층은 선택적으로 변경된 분자량, 가교 밀도를 갖는, 그리고/또는 첨가제 또는 다른 구성요소가 추가된 적절한 중합체 재료로 형성되거나 이를 포함한다. 하나 이상의 보호층이 존재하는 실시예에서, 각 보호층은 상기 언급된 재료 중 하나 이상을 각각 독립적으로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 보호층의 두께는 5㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1.5㎛ 이하, 1.4㎛ 이하, 1.3㎛ 이하, 1.2㎛ 이하, 1.1㎛ 이하, 1㎛ 이하, 0.9㎛ 이하, 0.8㎛ 이하, 0.7㎛ 이하, 0.6㎛ 이하, 0.5㎛ 이하, 0.4㎛ 이하, 0.3㎛ 이하, 0.2㎛ 이하, 0.1㎛ 이하, 50㎚ 이하, 30㎚ 이하 또는 임의의 다른 적절한 두께일 수 있다. 대응적으로, 보호층의 두께는 10㎚ 이상, 30㎚ 이상, 50㎚ 이상, 0.1㎛ 이상, 0.2㎛ 이상, 0.3㎛ 이상, 0.4㎛ 이상, 0.6㎛ 이상, 0.8㎛ 이상, 1㎛ 이상, 1.2㎛ 이상, 1.4㎛ 이상, 1.5㎛ 이상이거나, 또는 임의의 다른 적절한 두께일 수 있다. 상기의 조합이 가능하다(예를 들면, 보호층의 두께는 2㎛ 이하 및 0.1㎛ 이상일 수 있음). 다른 범위도 가능하다. 2개 이상의 보호층이 존재하는 실시예에서, 각 보호층은 각각 독립적으로 상기 참조된 범위 중 하나 이상의 두께를 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 층(예를 들면, 보호층, 중합체 층, 금속층, 전기 활성층)이 다른 층 "위에 있는" 또는 "에 인접한" 것으로 언급될 때, 이 층은 다른 층 위에 바로 있거나 인접할 수 있고, 또는 중간층이 존재할 수도 있다. 다른 층 "위에 바로", "에 바로 인접하여", "에 접촉" 또는 "에 컨포멀 접촉"하는 층은 중간층이 존재하지 않음을 의미한다. 마찬가지로, 2개의 층 "사이에" 위치된 층은 2개의 층 사이에 바로 위치되고, 그에 따라 중간층이 존재하지 않거나, 중간층이 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 층(예를 들면, 중합체 층, 보호층)의 일부 및/또는 보호층의 서브층은 에어로졸 증착 공정에 의해 증착될 수 있다. 에어로졸 증착 공정은 당업자에게 알려져 있으며, 일반적으로 입자(예를 들면, 무기 입자, 중합체 입자)를 표면 상에 상대적으로 신속한 속도로 증착(예를 들면, 분사)하는 것을 포함한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 에어로졸 증착은 일반적으로 복수의 입자 중 적어도 일부의 충돌 및/또는 탄성 변형을 야기한다. 일부 관점에서, 에어로졸 증착은 복수의 입자 중 적어도 일부가 복수의 입자 중 적어도 다른 부분과 융합을 일으키기에 충분한 조건(예를 들면, 속도 사용) 하에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 복수의 입자는 상대적으로 신속한 속도로 전기 활성 재료(및/또는 그 위에 배치된 임의의 서브층(들)) 상에 증착되고, 그에 따라 복수의 입자의 적어도 일부가 융합된다(예를 들면, 보호층의 일부 및/또는 서브층을 형성함). 입자 융합에 필요한 속도는 입자의 재료 조성, 입자의 크기, 입자의 영률 및/또는 입자 또는 입자를 형성하는 재료의 항복 강도와 같은 요인에 따라 달라질 수 있다.
일부 실시예에서, 보호층의 평균 이온 전도도(예를 들면, 리튬 이온 전도도)는 10-7S/㎝ 이상, 10-6S/㎝ 이상, 10-5S/㎝ 이상, 10-4S/㎝ 이상, 10-3S/㎝ 이상, 10-2S/㎝ 이상, 10-1S/㎝ 이상, 1S/㎝ 이상, 또는 10S/㎝ 이상이다. 평균 이온 전도도는 20S/㎝ 이하, 10S/㎝ 이하, 또는 1S/㎝ 이하일 수 있다. 전도도는 실온(예를 들면, 섭씨 25도)에서 측정될 수 있다. 2개 이상의 보호층이 존재하는 실시예에서, 각 보호층은 각각 독립적으로 상기 참조된 범위 중 하나 이상에서의 이온 전도도를 가질 수 있다.
도면에는 단일 보호층이 도시되어 있지만, 복수의 보호층 또는 다층 보호층이 사용되는 실시예도 상정된다. 가능한 다층 구조체에는 중합체 층과 단일 이온 전도성 층의 배열이 포함될 수 있으며, 이는 2010년 8월 24일에 출원되고 미국 특허 공개 제 2011/0177398 호로 공개된 "Electrochemical Cell"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제 12/862,528 호에 보다 상세하게 설명되며, 이는 본 명세서에 모든 목적을 위해 그 전체가 인용에 의해 포함된다. 예를 들어, 다층 보호층은 일부 실시예에서 단일 이온 전도성 층(들)과 중합체 층(들)을 교대로 포함할 수 있다. 가능한 다층 구조체의 다른 예 및 구성은 Affinito 등에 의해 2006년 4월 6일에 출원되고 미국 특허 공개 제 2007-0221265 호로 공개된 "Rechargeable Lithium/Water, Lithium/Air Batteries"라는 명칭의 미국 특허 출원 제 11/400,781 호에 보다 상세하게 설명되며, 이는 본 명세서에 모든 목적을 위해 그 전체가 인용에 의해 포함된다.
단일 층 또는 다층 보호층은 이러한 층의 결함이나 개방 공간을 통해 확산되는 경향이 있기 때문에, 전기 활성 재료층으로의 종의 직접적인 유동을 감소함으로써 우수한 투과 장벽 역할을 할 수 있다. 결과적으로, 덴드라이트 형성, 자가 방전 및 사이클 수명 손실을 감소될 수 있다. 보호층의 또 다른 장점으로는 구조의 기계적 특성이 있다. 예를 들어, 중합체 층과 무기 층이 모두 존재하는 경우, 무기 전도성 층에 인접한 중합체 층의 위치는 무기 전도성 층의 균열 경향을 감소시키고, 구조의 장벽 특성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 이러한 라미네이트는 중합체 층이 개입되지 않은 구조체보다 제조 공정 동안에 취급으로 인한 응력에 대해 더 견고할 수 있다. 게다가, 다층 보호층은 셀의 방전 및 충전 주기 동안에 리튬이 전기 활성 재료층으로부터 앞뒤로 이동하는데 수반되는 체적 변화에 대한 허용 오차를 증가시킬 수 있다.
이하의 실시예는 본 발명의 특정 실시예를 예시하기 위한 것이지만, 본 발명의 전체 범위를 예시하는 것은 아니다.
예(1)
이하의 예는 초음파 공진기에 부착된 다이 형태의 블레이드로 리튬 포일의 일부를 초음파 절단하는 시스템 및 방법에 대해 설명한다.
도 9a에 도시된 바와 같이 혼(예를 들면, 초음파 공진기 및 다이)을 프레스에 장착하였다. 프레스는 혼을 위아래로 이동시키는데 사용되고, 그에 따라 이는 앤빌과 접촉하도록 위치되었다. 앤빌은 혼에 인접한 편평한 강판이었다. 앤빌은 중합체 층(예를 들면, 폴리옥시메틸렌 POM, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌)으로 덮여 있어서, 블레이드(다이)가 강철 앤빌 상에서 무뎌지는 것을 방지하였다. 위아래로 움직이는 모션은 다이가 앤빌에 닿는 곳으로부터 수 마일(1마일 내지 5마일) 떨어져 있도록 조정할 수 있다.
절단할 다이 패턴은 대형 다이 블록의 하부 상에 기계가공되었다. 블록/다이는 초음파 공진기와 공진하고 초음파 동작을 증폭하도록 구성되었다. 블록의 크기 때문에, 블록 내로 에너지를 전달하기 위해 더 낮은 주파수(즉, 더 높은 출력)를 사용하였다. 본 경우에, 주파수는 20㎑였다.
앤빌에 인접한 중합체 층의 상부 상에 50미크론 두께의 리튬 포일 피스를 위치시켰다. 재료를 편평하게 유지하기 위해 중합체 층에 약간의 장력을 가했다. 절단에 맞게 전력 공급을 조정하였다. 진폭은 20% 내지 100% 변경할 수 있다. 절단 시간은 0.01초 내지 100초로 변경될 수 있다. 게다가, 지연 및 버스트 후 시간도 설정할 수 있다.
절단은 자동화된 방식으로 이루어졌다. 즉, 시작 버튼이 활성화되고, 프레스에 의해 다이가 아래로 내려오고 포일에 접촉하고, 전력이 개시되어서 프로그래밍된 진폭으로 프로그래밍된 시간 동안 실행되었다. 그 다음에, 다이는 상부 위치로 후퇴하였다. 그 다음에, 포일을 절단한 후, 절단된 중앙 부분(예를 들면, 전극 부분)을 도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 블록의 다이 패턴과 상보적인 절단 형상을 갖는 스크랩 포일로부터 멀리 슬라이딩되었다. 도 9c에서는, 절단된 피스나 그 주변의 포일이 블레이드/다이에 달라붙지 않는 것이 관찰되었다. 또한, 형상을 절단하고 이를 스크랩 포일로부터 제거하면, 스크랩 상에 매우 미세한 재료의 매우 얇은 은이 남아 있으며, 절단 공정 동안에 절단 피스에 달라 붙거나 스크랩 포일로부터 부서지지 않는 것으로 관찰되었다.
그 다음에, 일부 경우에, 절단된 포일의 일부가 다이에 달라붙는 경우, 절단 후 짧은 버스트를 적용하여 절단 부분을 털어낼 수 있다. 이는 0.01초 내지 10초에 발생하도록 프로그래밍(예를 들면, 프레스)할 수도 있으며, 초음파 절단 펄스 후, 그러나 다이가 다시 상부 위치로 올라가기 전에 개시되고, 그에 따라 절단 부분이 앤빌 상에 남아있다.
절단 후에는, 임의의 종류의 적절한 기계 구성요소나 진공으로 절단된 리튬 포일을 집어올려서 그 부분을 셀 스택으로 안전하게 이송할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예가 여기에서 설명되고 예시되었지만, 통상의 기술자는 기능 수행 및/또는 여기에 설명되는 결과 및/또는 하나 이상의 장점을 획득하기 위한 다양한 수단 및/또는 구조를 쉽게 상상할 것이고, 이러한 변형 및/또는 수정 각각은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 통상의 기술자는 여기에서 설명되는 모든 파라미터, 치수, 물질 및 구성이 예시적인 의미라는 것과, 실제 파라미터, 치수, 물질 및/또는 구성이 특정 응용 또는 본 발명의 교시가 사용되는 응용에 의존할 것임을 쉽게 이해할 것이다. 통상의 기술자는, 일상에 지나지 않는 실험을 통하여, 여기에서 설명되는 발명의 특정 실시예의 많은 등가물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시예는 단지 예로서 제시되고, 첨부된 특허청구범위 및 그에 대한 균등물의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해하여야 한다. 본 발명은 여기에서 설명된 각각의 개별적인 기능, 시스템, 물품, 물질 및/또는 방법에 관한 것이다. 추가적으로, 그러한 기능, 시스템, 물품, 물질 및/또는 방법이 상호 모순되지 않는 경우, 그러한 기능, 시스템, 물품, 물질 및/또는 방법 중 둘 이상의 임의의 조합은 본 발명의 범위 내에 포함된다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 바와 같이 부정관사 하나("a" 및 "an")는, 명백하게 반대로 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해해야 한다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 "및/또는"이라는 문구는 그렇게 결합된 요소의 "어느 하나 또는 둘 모두", 즉 일부 경우에는 결합적으로 존재하고 다른 경우에는 분리되어 존재하는 요소를 의미하는 것으로 이해해야 한다. 명확하게 반대로 표시되지 않는 한, 구체적으로 식별된 요소와 관련되거나 안되거나 관계없이, "및/또는" 문구에 의해 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소가 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용되는 경우, 일 실시예에서 B 없는 A를(B 이외의 다른 요소를 선택적으로 포함함), 다른 실시예에서 A 없는 B(A 이외의 다른 요소를 선택적으로 포함함), 또 다른 실시예에서 A와 B 모두(다른 요소를 선택적으로 포함함)를 지칭할 수 있다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 "또는"은, 위에서 규정된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것, 즉 다수의 요소 또는 요소의 목록 중 적어도 하나 - 하나 초과도 포함함 - 및 선택적으로 추가적인 목록에 없는 항목을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "~중 오직 하나(only one of)" 또는 "~중 정확히 하나(exactly one of)", 또는 특허청구범위에서 사용되는 경우, "~로 구성되는(consisting of)"과 같이, 명확하게 대조적으로 표시되는 용어만이 다수의 요소 또는 요소의 목록 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 여기에서 사용되는 용어 "또는"은, "둘 중 어느 하나(either)", "~중 하나(one of)", "~중 오직 하나" 또는 "~중 정확히 하나"와 같은 배타성 용어가 앞에 오는 경우에만, 배타적인 양자택일(즉, "둘 모두는 아닌, 하나 또는 다른 하나")을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. "본질적으로 구성되는(consisting essentially of)"은, 특허청구범위에서 사용되는 경우, 특허법 분야에서 사용되는 일반적인 의미를 갖는다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록과 관련하여 "적어도 하나"라는 문구는, 요소의 목록에서 임의의 하나 이상의 요소로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 의미하나, 요소 목록 내에 구체적으로 나열된 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함해야 하는 것은 아니며, 요소의 목록에서 요소의 임의의 조합을 제외하지도 않는다. 이 정의는 또한, 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있든 없든, 요소 목록 내에서 "적어도 하나"가 지칭하는 요소의 목록 내 구체적으로 식별된 요소 이외에 요소가 선택적으로 존재할 수 있는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예시로서, "A 및 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 않고, 선택적으로 하나 이상을 포함하는, 적어도 하나의 A(그리고 B 이외의 다른 요소를 선택적으로 포함함), 다른 실시예에서 A가 존재하지 않고, 선택적으로 하나 이상을 포함하는, 적어도 하나의 B(그리고 A이외의 다른 요소를 선택적으로 포함함), 또 다른 실시예에서, 선택적으로 하나 이상을 포함하는, 적어도 하나의 A와, 선택적으로 하나 이상을 포함하는, 적어도 하나의 B(그리고 다른 요소를 선택적으로 포함함)를 지칭할 수 있다.
일부 실시예는 방법으로서 구현될 수 있으며, 그 중 다양한 예가 설명되었다. 본 방법의 일부로서 수행되는 행위들은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 행위들이 나타난 것과 상이한 순서로 수행되는 실시예들이 구성될 수 있으며, 이는 설명된 행위들과 상이한(예를 들면, 더 많거나 적은) 행위들을 포함할 수 있고, 그리고/또는 구체적으로 상술된 실시예들에서 행위들이 순차적으로 수행되는 것으로 나타났음에도 불구하고, 일부 행위들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
청구항에서 청구항 요소를 변경하기 위해 "제 1", "제 2", "제 3" 등과 같은 서수 용어를 사용하는 것은 그 자체로 다른 청구항 요소에 대한 한 청구항 요소의 선순위, 선후 관계 또는 순서, 또는 방법의 행위가 수행되는 시간적 순서를 의미하는 것이 아니라, 단지 청구항 요소를 구별하기 위해 특정 이름을 갖는 한 청구항 요소를 동일한 이름을 갖는 다른 요소와 구별하기 위한 (그러나 서수 용어의 사용에 대한) 라벨로 사용되는 것이다.
위의 명세서뿐만 아니라, 특허청구범위에서도, "포함하는(comprising)", "구비하는(including)", "운반하는", "갖는", "함유하는", "수반하는(involving)", "보유하는" 등과 같은 모든 전환 문구(transitional phrase)는 개방형, 즉 포함하지만 이에 제한되지 않음을 의미하는 것으로 이해하여야 한다. 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼, 섹션 2111.03에 명시된 바와 같이 "~로 구성되는" 및 "~로 본질적으로 구성되는"이라는 전환 문구만이 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전환 문구이다.
Claims (32)
- 금속 전극을 절단하는 시스템에 있어서,
블레이드와,
상기 블레이드에 연결된 초음파 공진기와,
영률이 130GPa 이하인 절단될 금속을 포함하는
시스템. - 금속 전극을 절단하는 시스템에 있어서,
블레이드와,
상기 블레이드에 인접한 앤빌과,
상기 블레이드 또는 상기 앤빌에 연결된 초음파 공진기와,
상기 블레이드와 상기 앤빌 사이에 위치된 금속을 포함하는
시스템. - 전극에 있어서,
제 1 중합체 층과,
제 2 중합체 층과,
금속을 포함하는 전기 활성 재료층을 포함하며,
상기 전기 활성 재료층은 상부면, 하부면, 및 상기 상부면과 상기 하부면 사이의 측면을 포함하며, 상기 상부면은 상기 제 1 중합체 층에 인접하고, 상기 하부면은 상기 제 2 중합체 층에 인접하고,
상기 제 1 중합체 층의 적어도 일부, 및/또는 상기 제 2 중합체 층의 적어도 일부는 상기 전기 활성 재료층의 측면의 적어도 일부를 덮는
전극. - 금속 전극을 절단하는 방법에 있어서,
앤빌과 블레이드 사이에 금속을 위치시키는 것으로서, 상기 블레이드 또는 상기 앤빌이 초음파 공진기에 연결되는, 상기 금속을 위치시키는 것과,
상기 블레이드로 상기 금속을 초음파 절단하는 것을 포함하는
방법. - 전극 스택을 형성하는 방법에 있어서,
앤빌과 블레이드 사이에 금속을 위치시키는 것으로서, 상기 블레이드 또는 상기 앤빌이 초음파 공진기에 연결되는, 상기 금속을 위치시키는 것과,
상기 금속 위에 제 1 중합체 층을 위치시키는 것과,
상기 금속 아래에 제 2 중합체 층을 위치시키는 것과,
상기 제 1 중합체 층, 상기 금속 및 상기 제 2 중합체 층을 초음파 절단하는 것을 포함하는
방법. - 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 방법은 초음파 절단 후 스택을 형성하기 위해 상기 제 1 중합체 층, 상기 금속 및 상기 제 2 중합체 층을 밀봉하는 것을 포함하는
방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 밀봉하는 것은 상기 제 1 중합체 층 및/또는 상기 제 2 중합체 층의 적어도 일부를 용융하는 것과, 상기 제 1 중합체 층을 상기 제 2 중합체 층에 접착하는 것을 포함하는
방법. - 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 상기 금속의 적어도 일부를 상기 제 1 중합체 층 및 상기 제 2 중합체 층으로 컨포멀하게 봉입하는 것을 포함하는
방법. - 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 상기 블레이드와 상기 앤빌 사이에 인터리프 층을 위치시키는 것을 포함하는
방법. - 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속을 절단하는 것은 상기 금속을 플런지 절단하는 것을 포함하는
방법. - 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 초음파 절단 후 캐소드 상에 상기 제 1 중합체 층, 상기 금속 및 상기 제 2 중합체 층을 위치시키는 것을 포함하는
방법. - 제 4 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 절단 단계 후에 상기 금속에 힘을 가하는 것을 포함하는
방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 힘은 송풍기에 의해 생성된 가스 또는 공기의 제트, 및/또는 상기 초음파 공진기에 의해 생성된 초음파 버스트를 포함하는
방법. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
절단될 금속의 영률이 5㎬ 이상 및/또는 130㎬ 이하인
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속은 리튬 금속, 리튬 금속 합금, 진공 증착 리튬 금속 및/또는 금속 포일을 포함하는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속과 상기 블레이드 사이에 배치된 제 1 인터리프 층, 및/또는 상기 앤빌과 상기 금속 사이에 배치된 제 2 인터리프 층을 더 포함하는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드는 다이이고, 상기 다이는 선택적으로 금속을 폐쇄 형상으로 절단하도록 구성되는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드는 세라믹 코팅, 중합체 코팅, 및/또는 PTFE 코팅과 같은 코팅을 포함하는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드는 초음파 공진을 위해 구성 및 배열되는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드는 플런지 절단되도록 구성되는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드는 대칭형 블레이드 또는 비대칭형 블레이드인
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드는 티타늄, 알루미늄 및/또는 강철과 같은 금속, 경질 중합체와 같은 중합체, 및/또는 세라믹을 포함하는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드는 톱니가 없는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 앤빌은 초음파 공진을 위해 구성 및 배열되는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 앤빌은 티타늄과 같은 금속을 포함하는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 공진기는 상기 앤빌 및 상기 블레이드에 수직인 축으로 이동하도록 구성되는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 공진기는 3차원으로 이동하도록 구성되는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 공진기는 50㎑ 이하 또는 20㎑ 이하의 주파수에서 작동하는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 공진기는 20㎑ 이상 또는 50㎑ 이상의 주파수에서 작동하는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 공진기는 10미크론 이상 또는 100미크론 이하의 진폭으로 작동하는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 공진기는 700W 이상 또는 2500W 이상의 전력으로 작동하는
시스템 또는 방법. - 제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인터리프 층은 폴리프로필렌과 같은 중합체를 포함하는
시스템 또는 방법.
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