KR20230104649A - 덴드라이트 방지 메커니즘을 갖는 전기화학 셀 및 이의 제조 방법 - Google Patents
덴드라이트 방지 메커니즘을 갖는 전기화학 셀 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230104649A KR20230104649A KR1020237018220A KR20237018220A KR20230104649A KR 20230104649 A KR20230104649 A KR 20230104649A KR 1020237018220 A KR1020237018220 A KR 1020237018220A KR 20237018220 A KR20237018220 A KR 20237018220A KR 20230104649 A KR20230104649 A KR 20230104649A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- current collector
- outer edge
- around
- Prior art date
Links
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 title claims abstract description 267
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 27
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 title abstract description 6
- 230000002265 prevention Effects 0.000 title abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 130
- 239000011263 electroactive material Substances 0.000 claims abstract description 67
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 160
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 155
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 110
- 238000009736 wetting Methods 0.000 claims description 94
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 87
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 78
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 61
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 55
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 52
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 51
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 43
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 30
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 29
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims description 28
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000010405 anode material Substances 0.000 claims description 21
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 claims description 19
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 18
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 14
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 14
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 12
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 11
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 11
- 229920000285 Polydioctylfluorene Polymers 0.000 claims description 10
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 10
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 10
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 10
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 10
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 9
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 9
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 8
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 8
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 8
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 7
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 7
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 7
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N germanium oxide Inorganic materials O=[Ge]=O YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 7
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 7
- 229910000476 molybdenum oxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 7
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- PVADDRMAFCOOPC-UHFFFAOYSA-N oxogermanium Chemical compound [Ge]=O PVADDRMAFCOOPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- PQQKPALAQIIWST-UHFFFAOYSA-N oxomolybdenum Chemical compound [Mo]=O PQQKPALAQIIWST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 claims description 7
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 7
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 6
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims description 5
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 5
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 5
- 229920000734 polysilsesquioxane polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 239000005871 repellent Substances 0.000 claims description 4
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 238000010291 electrical method Methods 0.000 claims 1
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical class [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 391
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 102
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 53
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 47
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 41
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 40
- 230000008859 change Effects 0.000 description 34
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 33
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 31
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 24
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 23
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 23
- 229910001317 nickel manganese cobalt oxide (NMC) Inorganic materials 0.000 description 21
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 19
- 229910021385 hard carbon Inorganic materials 0.000 description 18
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 17
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 14
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 13
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 10
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 9
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 9
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 8
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 8
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 7
- 238000003490 calendering Methods 0.000 description 7
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 7
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 7
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 7
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 7
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 6
- 238000006138 lithiation reaction Methods 0.000 description 6
- QHGNHLZPVBIIPX-UHFFFAOYSA-N tin(II) oxide Inorganic materials [Sn]=O QHGNHLZPVBIIPX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 5
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 5
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 5
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 4
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 4
- DVATZODUVBMYHN-UHFFFAOYSA-K lithium;iron(2+);manganese(2+);phosphate Chemical compound [Li+].[Mn+2].[Fe+2].[O-]P([O-])([O-])=O DVATZODUVBMYHN-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 4
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 4
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 4
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 4
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 4
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002227 LISICON Substances 0.000 description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 3
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 239000002482 conductive additive Substances 0.000 description 3
- 239000006258 conductive agent Substances 0.000 description 3
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 3
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- 229910002102 lithium manganese oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- VLXXBCXTUVRROQ-UHFFFAOYSA-N lithium;oxido-oxo-(oxomanganiooxy)manganese Chemical compound [Li+].[O-][Mn](=O)O[Mn]=O VLXXBCXTUVRROQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 3
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 2
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 2
- XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N Fluoroform Chemical compound FC(F)F XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013063 LiBF 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004697 Polyetherimide Substances 0.000 description 2
- 229910018598 Si-Co Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910008453 Si—Co Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910020900 Sn-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910019314 Sn—Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002174 Styrene-butadiene Substances 0.000 description 2
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 2
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 2
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N ethyl propionate Chemical compound CCOC(=O)CC FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 2
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003949 imides Chemical class 0.000 description 2
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 2
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 239000001989 lithium alloy Substances 0.000 description 2
- GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K lithium iron phosphate Chemical compound [Li+].[Fe+2].[O-]P([O-])([O-])=O GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(fluorosulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FS(=O)(=O)[N-]S(F)(=O)=O VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000000693 micelle Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000001846 repelling effect Effects 0.000 description 2
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- FYSNRJHAOHDILO-UHFFFAOYSA-N thionyl chloride Chemical compound ClS(Cl)=O FYSNRJHAOHDILO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 1,2-butylene carbonate Chemical compound CCC1COC(=O)O1 ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WNXJIVFYUVYPPR-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxolane Chemical compound C1COCO1 WNXJIVFYUVYPPR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 2-methyltetrahydrofuran Chemical compound CC1CCCO1 JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PPDFQRAASCRJAH-UHFFFAOYSA-N 2-methylthiolane 1,1-dioxide Chemical compound CC1CCCS1(=O)=O PPDFQRAASCRJAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SBUOHGKIOVRDKY-UHFFFAOYSA-N 4-methyl-1,3-dioxolane Chemical compound CC1COCO1 SBUOHGKIOVRDKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N Dimethoxyethane Chemical compound COCCOC XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002000 Electrolyte additive Substances 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000807 Ga alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002153 Hydroxypropyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 229910000846 In alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019211 La0.51Li0.34TiO2.94 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003730 Li1.07Al0.69Ti1.46 (PO4)3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009178 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009274 Li1.4Al0.4Ti1.6 (PO4)3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009511 Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910011939 Li2.6 Co0.4 N Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010500 Li2.9PO3.3N0.46 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013936 Li3.25P0.95S4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012316 Li3.6Si0.6P0.4O4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012329 Li3BO3—Li2SO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013188 LiBOB Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013684 LiClO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010941 LiFSI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002997 LiNi0.5Mn1.5 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002995 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910014421 LiNi1/3Mn1/3CO1/3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012305 LiPON Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000572 Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide (NCM) Inorganic materials 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RJUFJBKOKNCXHH-UHFFFAOYSA-N Methyl propionate Chemical compound CCC(=O)OC RJUFJBKOKNCXHH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 1
- 229910016006 MoSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018100 Ni-Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018532 Ni—Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 1
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 229910020807 Sn-Co-C Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018759 Sn—Co—C Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018895 Sn—Fe—C Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008892 Sn—Mg—C Inorganic materials 0.000 description 1
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N Sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GTHSQBRGZYTIIU-UHFFFAOYSA-N [Li].[Ni](=O)=O Chemical compound [Li].[Ni](=O)=O GTHSQBRGZYTIIU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PMIYCBPGIOFXJE-UHFFFAOYSA-N [Mn].[Ni].[Cd] Chemical compound [Mn].[Ni].[Cd] PMIYCBPGIOFXJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FBDMTTNVIIVBKI-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Mn+2].[Co+2].[Ni+2].[Li+] Chemical compound [O-2].[Mn+2].[Co+2].[Ni+2].[Li+] FBDMTTNVIIVBKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- DPXJVFZANSGRMM-UHFFFAOYSA-N acetic acid;2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal;sodium Chemical compound [Na].CC(O)=O.OCC(O)C(O)C(O)C(O)C=O DPXJVFZANSGRMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 229910052768 actinide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001255 actinides Chemical class 0.000 description 1
- 125000002015 acyclic group Chemical class 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 239000006183 anode active material Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- CTZGGNZWFSDEGK-UHFFFAOYSA-N butyl ethyl carbonate Chemical compound [CH2]COC(=O)OCCCC CTZGGNZWFSDEGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FWBMVXOCTXTBAD-UHFFFAOYSA-N butyl methyl carbonate Chemical compound CCCCOC(=O)OC FWBMVXOCTXTBAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VASVAWIFVXAQMI-UHFFFAOYSA-N butyl propyl carbonate Chemical compound CCCCOC(=O)OCCC VASVAWIFVXAQMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 125000002915 carbonyl group Chemical group [*:2]C([*:1])=O 0.000 description 1
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 150000007942 carboxylates Chemical class 0.000 description 1
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000006182 cathode active material Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- QUQFTIVBFKLPCL-UHFFFAOYSA-L copper;2-amino-3-[(2-amino-2-carboxylatoethyl)disulfanyl]propanoate Chemical compound [Cu+2].[O-]C(=O)C(N)CSSCC(N)C([O-])=O QUQFTIVBFKLPCL-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N copper;5,10,15,20-tetraphenylporphyrin-22,24-diide Chemical compound [Cu+2].C1=CC(C(=C2C=CC([N-]2)=C(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(N=2)=C(C=2C=CC=CC=2)C2=CC=C3[N-]2)C=2C=CC=CC=2)=NC1=C3C1=CC=CC=C1 RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 229920005994 diacetyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- QLVWOKQMDLQXNN-UHFFFAOYSA-N dibutyl carbonate Chemical compound CCCCOC(=O)OCCCC QLVWOKQMDLQXNN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VUPKGFBOKBGHFZ-UHFFFAOYSA-N dipropyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OCCC VUPKGFBOKBGHFZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001548 drop coating Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- CYEDOLFRAIXARV-UHFFFAOYSA-N ethyl propyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OCC CYEDOLFRAIXARV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000007756 gravure coating Methods 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000001863 hydroxypropyl cellulose Substances 0.000 description 1
- 235000010977 hydroxypropyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 239000006194 liquid suspension Substances 0.000 description 1
- 150000002641 lithium Chemical group 0.000 description 1
- 229910003473 lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000625 lithium cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001540 lithium hexafluoroarsenate(V) Inorganic materials 0.000 description 1
- FRMOHNDAXZZWQI-UHFFFAOYSA-N lithium manganese(2+) nickel(2+) oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mn+2].[Ni+2].[Li+] FRMOHNDAXZZWQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 1
- ACFSQHQYDZIPRL-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(1,1,2,2,2-pentafluoroethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FC(F)(F)C(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)C(F)(F)F ACFSQHQYDZIPRL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VGYDTVNNDKLMHX-UHFFFAOYSA-N lithium;manganese;nickel;oxocobalt Chemical compound [Li].[Mn].[Ni].[Co]=O VGYDTVNNDKLMHX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N lithium;oxido(oxo)cobalt Chemical compound [Li+].[O-][Co]=O BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N maleic anhydride Chemical compound O=C1OC(=O)C=C1 FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000003701 mechanical milling Methods 0.000 description 1
- 238000007578 melt-quenching technique Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000005641 methacryl group Chemical group 0.000 description 1
- CXHHBNMLPJOKQD-UHFFFAOYSA-M methyl carbonate Chemical compound COC([O-])=O CXHHBNMLPJOKQD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229940017219 methyl propionate Drugs 0.000 description 1
- KKQAVHGECIBFRQ-UHFFFAOYSA-N methyl propyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OC KKQAVHGECIBFRQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000010450 olivine Substances 0.000 description 1
- 229910052609 olivine Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002898 organic sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 description 1
- 229920001495 poly(sodium acrylate) polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 1
- 229920005569 poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) Polymers 0.000 description 1
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 description 1
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 1
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 description 1
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- FVSKHRXBFJPNKK-UHFFFAOYSA-N propionitrile Chemical compound CCC#N FVSKHRXBFJPNKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 description 1
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 description 1
- 230000002940 repellent Effects 0.000 description 1
- 238000000518 rheometry Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- 238000007764 slot die coating Methods 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 235000019812 sodium carboxymethyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 229920001027 sodium carboxymethylcellulose Polymers 0.000 description 1
- NNMHYFLPFNGQFZ-UHFFFAOYSA-M sodium polyacrylate Chemical compound [Na+].[O-]C(=O)C=C NNMHYFLPFNGQFZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910021384 soft carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 229910001251 solid state electrolyte alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N sulfolane Chemical compound O=S1(=O)CCCC1 HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940124530 sulfonamide Drugs 0.000 description 1
- 150000003456 sulfonamides Chemical class 0.000 description 1
- 125000000472 sulfonyl group Chemical group *S(*)(=O)=O 0.000 description 1
- 238000010345 tape casting Methods 0.000 description 1
- ZUHZGEOKBKGPSW-UHFFFAOYSA-N tetraglyme Chemical compound COCCOCCOCCOCCOC ZUHZGEOKBKGPSW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021381 transition metal chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- RIUWBIIVUYSTCN-UHFFFAOYSA-N trilithium borate Chemical compound [Li+].[Li+].[Li+].[O-]B([O-])[O-] RIUWBIIVUYSTCN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BHZCMUVGYXEBMY-UHFFFAOYSA-N trilithium;azanide Chemical compound [Li+].[Li+].[Li+].[NH2-] BHZCMUVGYXEBMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005019 vapor deposition process Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/628—Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/04—Construction or manufacture in general
- H01M10/049—Processes for forming or storing electrodes in the battery container
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
- H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
- H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
- H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
- H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
- H01M50/105—Pouches or flexible bags
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
- H01M50/183—Sealing members
- H01M50/186—Sealing members characterised by the disposition of the sealing members
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
- H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
- H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
- Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
Abstract
본원에 설명된 실시예들은 일반적으로 덴드라이트 방지 메커니즘(dendrite prevention mechanisms)을 갖는 전기화학 셀에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀은 애노드 집전체 상에 배치된 애노드, 캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리막을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며, 제2 부분은 애노드 및/또는 캐소드의 외부 에지 주위에 덴드라이트 형성을 방지하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에서 애노드 집전체 상에 배치된 전기 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에 배치된 전기 활성 물질을 포함할 수 있다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 11월 2일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 제63/108,560호의 이익을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
기술분야
본원에 설명된 실시예들은 일반적으로 덴드라이트 방지 메커니즘(dendrite prevention mechanisms)을 갖는 전기화학 셀에 관한 것이다.
소비자는 빠르게 충전할 수 있고 원하는 만큼 오랫동안 임의의 의도된 애플리케이션을 수행할 수 있는 충분한 에너지를 저장할 수 있는 배터리를 원한다. 원하는 이론적 에너지 밀도를 달성하기 위해, 배터리 제조업체는 전극의 총 이온/전자 저장 용량을 증가시키기 위해 전극의 두께를 늘렸다. 그러나, 이러한 더 두꺼운 전극은 종종 전극 두께의 함수로서 이러한 전극의 일부에 걸쳐 감소된 전도율로 인해 활성 물질의 일부가 이온/전자 저장에 대체로 사용 불가능하게 된다. 배터리 제조업체는 이론적인 에너지 밀도를 높이기 위해 전극(예를 들어, 애노드)에 고용량 물질을 사용하기도 하지만, 이러한 물질은 종종 전극을 사용하는 동안 부피 팽창 및 수축이 발생하여 배터리를 손상시킬 수 있다. 따라서, 전극과 완성된 배터리의 비활성 컴포넌트를 줄이고 에너지 밀도와 전반적인 성능을 높이는 것이 에너지 저장 시스템 개발의 지속적인 목표이다.
추가로, 덴드라이트 형성 및 성장, 뿐만 아니라 도금은 리튬 이온 전기화학 셀에서 경험하는 문제이다. 덴드라이트는 리튬 이온이 전극의 표면(즉, 핵형성 부위)에서 응집되거나 핵형성되기 시작할 때 형성되기 시작할 수 있다. 덴드라이트는 추가 리튬 이온이 핵형성 부위로 마이그레이션하여 핵형성 부위에 결합할 때 성장한다. 덴드라이트 형성 및 도금은 더 빠른 충전 및 방전이 더 높은 이온 이동 밀도로 이어지기 때문에 전기화학 셀의 빠른 충전 및 방전에 의해 악화될 수 있다. 덴드라이트 성장 및 도금은 활성 물질이 비가역적으로 손실될 수 있으므로 전기화학 셀의 순환성에 유해하다. 덴드라이트는 또한 이온의 흐름을 차단하거나 전기화학 셀에서 부분적 또는 전체적 단락 상태를 유발할 수 있다.
본원에 설명된 실시예들은 일반적으로 덴드라이트 방지 메커니즘을 갖는 전기화학 셀에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀은 애노드 집전체 상에 배치된 애노드, 캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리막을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며, 제2 부분은 애노드 및/또는 캐소드의 외부 에지 주위에 덴드라이트 형성을 방지하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에서 애노드 집전체 상에 배치된 전기 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에 배치된 전기 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 캐소드의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에 배치된 비습윤성 코팅을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 본원에 설명된 전기화학 셀은 애노드 집전체 상에 배치된 애노드, 캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드; 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리막을 포함할 수 있다. 분리막은 애노드에 인접한 제1 면 및 캐소드에 인접한 제2 면을 가지며, 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 제2 부분은 애노드 및/또는 캐소드의 외부 에지 주위에 덴드라이트 형성을 방지하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에서 애노드 집전체 상에 배치된 전기 활성 물질을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전기 활성 물질은 LiTO2, TiO2 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에 배치된 전기 활성 물질을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전기 활성 물질은 LiTO2, TiO2 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 캐소드의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에 배치된 비습윤성 코팅을 포함한다.
따라서, 일부 양태에서, 전기화학 셀은,
애노드 집전체 상에 배치된 애노드;
캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드; 및
애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리막으로서, 상기 분리막은 애노드에 인접한 제1 면 및 캐소드에 인접한 제2 면을 갖는, 상기 분리막을 포함하며,
애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며, 제2 부분은 애노드 및/또는 캐소드의 외부 에지 주위에 덴드라이트 형성을 방지하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 제1 부분은 제1 전기 활성 물질이고 제2 부분은 제2 전기 활성 물질이다.
일부 실시예들에서, 제1 일부는 제1 전기 활성 물질이고 제2 부분은 제2 전기 활성 물질이고, 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며, 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에 배치된다.
일부 실시예들에서, 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에 배치된다.
일부 실시예들에서, 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 제2 부분은 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부의 주위의 애노드 집전체 상에 배치된다.
일부 실시예들에서, 상기 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위 및 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부의 주위의 애노드 집전체 상에 배치된다. 선택적으로, 추가 실시예에서, 사용하는 동안, 상기 캐소드의 일부는 캐소드 집전체를 둘러싸는 영역을 마이그레이션하여 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성한다. 선택적으로, 추가 실시예에서, 사용하는 동안, 애노드의 제2 부분은 분리막에 걸쳐 캐소드의 마이그레이션된 부분으로부터 이송된 전자 및/또는 이온을 포획할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅은 캐소드의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅이 존재하는 경우, 사용하는 동안, 비습윤성 코팅은 캐소드의 프래그먼트를 밀어내어 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하거나, 사용하는 동안, 비습윤성 코팅은 위킹 동작(wicking action)을 통해 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 캐소드의 프래그먼트의 이동을 용이하게 한다.
일부 실시예들에서, 제1 일부는 제1 전기 활성 물질이고 제2 부분은 제2 전기 활성 물질이고, 캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며, 제2 부분은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에 배치되거나;
캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 제2 부분은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에 배치되거나;
캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 제2 부분은 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부의 주위의 캐소드 집전체 상에 배치되거나;
애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 제2 부분은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위 및 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부의 주위의 캐소드 집전체 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 사용하는 동안, 애노드의 일부는 애노드 집전체를 둘러싸는 영역을 마이그레이션하여 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성한다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되거나, 비습윤성 코팅은 애노드의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅이 존재하는 경우, 사용하는 동안, 비습윤성 코팅은 애노드의 프래그먼트를 밀어내어 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하거나, 사용하는 동안, 비습윤성 코팅은 위킹 동작을 통해 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 애노드의 프래그먼트의 이동을 용이하게 한다.
일부 실시예들에서, 제1 부분은 제1 전기 활성 물질이고 제2 부분은 제2 전기 활성 물질이며, 제2 전기 활성 물질은 고용량 물질을 포함한다. 추가 실시예에서, 제2 전기 활성 물질은 실리콘, 비스무트, 붕소, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 알루미늄, 티타늄 산화물, 몰리브덴, 게르마늄, 망간, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 철, 구리, 금, 백금, 크롬, 니켈, 코발트, 지르코늄, 이트륨, 몰리브덴 산화물, 게르마늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 전기 활성 물질은 실리콘을 포함한다. 추가 실시예들에서, 제2 전기 활성 물질은 LiTO2, TiO2 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
일부 실시예들에서, 제2 부분의 두께는 집전체의 두께와 동일하다. 일부 실시예들에서, 제1 부분은 제1 전기 활성 물질이고 제2 부분은 제2 전기 활성 물질이며, 제1 전기 활성 물질은 제2 전기 활성 물질과 동일한 물질로 구성되고, 대안으로 제1 전기 활성 물질은 제2 전기 활성 물질과 다른 물질로 구성된다. 일부 실시예들에서, 제2 전기 활성 물질은 제1 전기 활성 물질보다 높거나 낮은 전압 물질이다. 일부 실시예들에서, 제2 전기 활성 물질은 제1 전기 활성 물질보다 높은 전압 물질이다. 일부 실시예들에서, 사용하는 동안, 전자 및/또는 이온은 제2 부분에서 제1 부분으로 또는 제1 부분에서 제2 부분으로 이송되며, 사용하는 동안, 전자 및/또는 이온은 제2 부분에서 제1 부분으로 이송된다.
일부 실시예들에서, 제1 부분은 제1 전기 활성 물질이고, 제1 부분은 제2 전기 활성 물질이며, 비습윤성 코팅이 존재하며, 비습윤성 코팅은 전자 장벽으로 작용하거나 비습윤성 코팅은 전해질로부터의 웨팅(wetting)에 저항한다.
일부 실시예들에서, 제2 부분은 비습윤성 코팅이다. 추가 실시예에서, 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 애노드의 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 배치된다. 추가 실시예에서, 캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 캐소드의 제2 부분은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 배치된다. 추가 실시예에서, 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 애노드의 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되고 캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 캐소드의 제2 부분은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 배치된다. 일 실시예에서, 비습윤성 코팅은 파우치 물질 상에 배치된다. 다른 실시예에서 비습윤성 코팅은 전자 장벽으로 작용하거나 비습윤성 코팅은 전해질로부터의 웨팅에 저항한다.
일부 실시예들에서, 제2 부분은 비습윤성 코팅이고, 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 애노드의 제2 부분은 애노드의 제1 부분의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에 배치되고, 및/또는 캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 캐소드의 제2 부분은 캐소드의 제1 부분의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에 배치된다. 추가 실시예에서, 비습윤성 코팅을 포함하는 제2 부분은 애노드의 제1 부분의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에 배치된다. 추가 실시예에서, 비습윤성 코팅을 포함하는 제2 부분은 캐소드의 제1 부분의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에 배치된다. 다른 실시예에서 비습윤성 코팅은 전자 장벽으로 작용하거나 비습윤성 코팅은 전해질로부터의 웨팅에 저항한다.
일부 실시예들에서, 제2 부분은 비습윤성 코팅이고, 제2 부분은 애노드의 제2 부분이고, 사용하는 동안, 비습윤성 코팅은 애노드의 제1 부분의 프래그먼트를 밀어내어 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하거나, 위킹 동작을 통해 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 애노드의 제1 부분의 프래그먼트의 이동을 용이하게 한다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 비습윤성 코팅이고, 제2 부분은 캐소드의 제2 부분이며, 사용하는 동안, 비습윤성 코팅은 캐소드의 제1 부분의 프래그먼트를 밀어내어 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하거나, 위킹 동작을 통해 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 캐소드의 제1 부분의 프래그먼트의 이동을 용이하게 한다.
일부 실시예들에서, 전기화학 셀은 비습윤성 코팅을 포함하며, 비습윤성 코팅의 두께는 그것이 배치된 애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체의 두께와 동일하다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀은 비습윤성 코팅을 포함하며, 비습윤성 코팅은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 알루미나, 실리카, 퍼플루오로-알킬-폴리아크릴레이트 수지 및 폴리머, 폴리실세스퀴옥산, 폴리디옥틸플루오렌(Polydioctylfluorene; PFO)가 포함된 폴리(비닐 알코올)계 코폴리머, 발유 코팅으로 실리카/알루미나와 결합된 폴리(비닐 알코올)계 코폴리머, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
일부 양태에서, 전기화학 셀은,
애노드 집전체 상에 배치된 애노드;
캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드; 및
애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리막으로서, 상기 분리막은 애노드에 인접한 제1 면 및 캐소드에 인접한 제2 면을 갖는, 상기 분리막을 포함하며,
비습윤성 코팅은 애노드의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에 배치되고, 및/또는 비습윤성 코팅은 캐소드의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에 배치된다.
일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅은 애노드의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에 배치된다. 다른 실시예에서, 비습윤성 코팅은 캐소드의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에 배치된다.
일부 양태에서, 전기화학 셀은,
애노드 집전체 상에 배치된 애노드;
캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드; 및
애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리막으로서, 상기 분리막은 애노드에 인접한 제1 면 및 캐소드에 인접한 제2 면을 갖는, 상기 분리막을 포함하며,
비습윤성 코팅은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되고, 및/또는 비습윤성 코팅은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 배치된다.
일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅은 파우치 물질 상에 배치된다.
일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅은 애노드 집전체 상에 또는 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되며, 사용하는 동안, 비습윤성 코팅은, 애노드의 프래그먼트를 밀어내어 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하거나, 위킹 동작을 통해 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 애노드의 프래그먼트의 이동을 용이하게 한다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅은 캐소드 집전체 상에 또는 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되며, 사용하는 동안, 비습윤성 코팅은 캐소드의 프래그먼트를 밀어내어 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하거나, 위킹 동작을 통해 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 캐소드의 프래그먼트의 이동을 용이하게 한다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅의 두께는 그것이 배치된 캐소드 집전체 또는 애노드 집전체의 두께와 동일하다.
일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 알루미나, 실리카, 퍼플루오로-알킬-폴리아크릴레이트 수지 및 폴리머, 폴리실세스퀴옥산, 폴리디옥틸플루오렌(Polydioctylfluorene; PFO)가 포함된 폴리(비닐 알코올)계 코폴리머, 발유 코팅으로 실리카/알루미나와 결합된 폴리(비닐 알코올)계 코폴리머, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 애노드 및/또는 캐소드의 제1 부분은 반고체 애노드 물질 및/또는 반고체 캐소드 물질이다. 일부 실시예들에서, 적어도 애노드의 제1 부분은 흑연 전극이다. 일부 실시예들에서, 적어도 캐소드의 제1 부분은 NMC(811)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 파우치에는 애노드, 애노드 집전체, 캐소드, 캐소드 집전체, 분리막, 제1 부분 및 제2 부분이 배치된다. 일부 실시예들에서, 분리막의 일부는 애노드 및 캐소드의 에지를 넘어 연장된다. 일부 실시예들에서, 분리막의 일부는 애노드 및 캐소드의 에지를 넘어 연장되며, 파우치에는 애노드, 애노드 집전체, 캐소드, 캐소드 집전체, 분리막, 제1 부분 및 제2 부분이 배치되며, 애노드 및 캐소드의 에지를 넘어 연장되는 분리막의 일부는 파우치의 일부에 밀봉된다.
일부 양태들에서, 전기화학 셀을 제조하는 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 제1 애노드 부분과 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에 애노드의 제2 부분을 증착하는 단계, 및/또는 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제2 부분을 증착하는 단계;
e) 파우치에 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드 및 분리막을 증착하는 단계; 및
f) 파우치를 밀봉하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 양태들에서, 전기화학 셀을 제조하는 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 제1 애노드 부분과 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 파우치에 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드 및 분리막을 증착하는 단계;
e) 애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체 각각의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에 애노드의 제2 부분 및/또는 캐소드의 제2 부분을 증착하는 단계; 및
f) 파우치를 밀봉하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 양태들에서, 전기화학 셀을 제조하는 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 제1 애노드 부분과 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 제1 애노드 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 애노드 집전체 상에 애노드의 제2 부분을 증착하는 단계, 및/또는 제1 캐소드 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제2 부분을 증착하는 단계;
e) 파우치에 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드 및 분리막을 증착하는 단계; 및
f) 파우치를 밀봉하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 양태들에서, 전기화학 셀을 제조하는 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 제1 애노드 부분과 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 애노드 집전체의 외부 에지 주위 및 제1 애노드 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 애노드의 제2 부분을 증착하는 단계, 및/또는 캐소드 집전체의 외부 에지 주위 및 제1 캐소드 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 캐소드의 제2 부분을 증착하는 단계;
e) 파우치에 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드 및 분리막을 증착하는 단계; 및
f) 파우치를 밀봉하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 부분은 제1 전기 활성 물질이고 제2 부분은 제2 전기 활성 물질이다.
일부 실시예들에서, 애노드의 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에, 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에, 애노드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 애노드 집전체 상에, 또는 애노드 집전체의 외부 에지 주위 및 애노드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 배치된다. 추가 실시예에서, 방법은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 비습윤성 코팅을 증착하는 단계 또는 캐소드의 제1 부분의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에 비습윤성 코팅을 증착하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 캐소드의 제2 부분은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에, 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에, 캐소드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 캐소드 집전체 상에, 또는 캐소드 집전체의 외부 에지 주위 및 캐소드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 배치된다. 추가 실시예에서, 방법은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 비습윤성 코팅을 증착하는 단계 또는 애노드의 제1 부분의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에 비습윤성 코팅을 증착하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 애노드의 제2 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에, 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에, 애노드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 애노드 집전체 상에, 또는 애노드 집전체의 외부 에지 주위 및 애노드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 배치되며; 캐소드의 제2 부분은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에, 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에, 캐소드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 캐소드 집전체 상에, 또는 캐소드 집전체의 외부 에지 주위 및 캐소드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 배치된다.
일부 양태들에서, 전기화학 셀을 제조하는 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 제1 애노드 부분과 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 캐소드 집전체 및/또는 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 비습윤성 부분을 증착하는 단계;
e) 파우치에 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드, 분리막 및 비습윤성 부분(들)을 증착하는 단계; 및
f) 파우치를 밀봉하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 양태들에서, 전기화학 셀을 제조하는 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 제1 애노드 부분과 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 캐소드 집전체 및/또는 애노드 집전체 상에 그리고 캐소드 및/또는 애노드의 외부 에지 주위에 비습윤성 부분을 증착하는 단계;
e) 파우치에 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드, 분리막 및 비습윤성 부분(들)을 증착하는 단계; 및
f) 파우치를 밀봉하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 비습윤성 부분은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 또는 캐소드 집전체 상에 그리고 캐소드의 제1 부분의 외부 에지 주위에 배치된다. 추가 실시예에서, 비습윤성 부분은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 또는캐소드 집전체 상에 그리고 캐소드의 제1 부분의 외부 에지 주위에 배치되며, 방법은 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 애노드 집전체 상에, 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에, 애노드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 애노드 집전체 상에, 또는 애노드 집전체의 외부 에지 주위 및 애노드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 애노드의 제2 부분을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 비습윤성 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 또는 애노드 집전체 상에 그리고 애노드의 제1 부분의 외부 에지 주위에 배치된다. 추가 실시예에서, 비습윤성 부분은 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 또는 애노드 집전체 상에 그리고 애노드의 제1 부분의 외부 에지 주위에 배치되며, 방법은 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체 상에, 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에, 캐소드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 캐소드 집전체 상에, 또는 캐소드 집전체의 외부 에지 주위 및 캐소드의 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 캐소드의 제2 부분을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 분리막의 일부는 애노드 및 캐소드의 에지를 넘어 연장된다. 일부 실시예들에서, 방법은 분리막에 파우치를 열 밀봉하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 방법은 서로 파우치의 부분을 열 밀봉하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 적어도 애노드의 제1 부분은 반고체 애노드 물질이고, 및/또는 적어도 캐소드의 제1 부분은 반고체 캐소드 물질이다. 일부 실시예들에서, 적어도 애노드의 제1 부분은 흑연 전극이다. 일부 실시예들에서, 적어도 캐소드의 제1 부분은 NMC(811)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 고용량 물질인 전기 활성 물질이다. 일부 실시예들에서, 제2 부분은 실리콘, 비스무트, 붕소, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 알루미늄, 티타늄 산화물, 몰리브덴, 게르마늄, 망간, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 철, 구리, 금, 백금, 크롬, 니켈, 코발트, 지르코늄, 이트륨, 몰리브덴 산화물, 게르마늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 전기 활성 물질이다. 일 실시예에서, 제4 내지 제9 양태 중 어느 하나의 일 실시예에서, 제2 부분은 LiTO2, TiO2 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 전기 활성 물질이다.
일부 양태들에서, 본 발명은 전술한 임의의 실시예들에서 전술한 바와 같은 전기화학 셀의 사용을 제공한다.
일부 양태들에서, 본 발명은 전술한 임의의 실시예들에서 전술한 바와 같은 적어도 하나의 전기화학 셀을 포함하는 셀 스택을 제공한다. 제11 양태의 일 실시예에서, 셀 스택은 전술한 실시예 중 어느 하나에서 전술한 바와 같이 적어도 두 개의 전기화학 셀을 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 따른, 팽창 영역을 포함하는 전기화학 셀의 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 5는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 6은 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 7a-7b는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 8은 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 9는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 10은 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 11은 상이한 전기화학 셀 구성에서의 초기 용량 손실의 그래픽 표현이다.
도 12는 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수의 그래픽 표현이다.
도 13은 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래픽 표현이다.
도 14는 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래픽 표현이다.
도 15는 상이한 전기화학 셀 구성 사이의 dQ/dV 및 전압 프로파일 비교의 그래픽 표현이다.
도 16은 리튬 망간 철 인산염에 대한 하프 셀 전압 곡선(half cell voltage curves)의 그래픽 표현이다.
도 17a-17b는 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수의 그래픽 표현이다.
도 18은 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 그래픽 표현이다.
도 19는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 그래픽 표현이다.
도 20은 애노드 물질의 증착으로부터 단락이 발생된 전기화학 셀을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 따른, 팽창 영역을 포함하는 전기화학 셀의 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 5는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 6은 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 7a-7b는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 8은 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 9는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 10은 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 개략도이다.
도 11은 상이한 전기화학 셀 구성에서의 초기 용량 손실의 그래픽 표현이다.
도 12는 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수의 그래픽 표현이다.
도 13은 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래픽 표현이다.
도 14는 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래픽 표현이다.
도 15는 상이한 전기화학 셀 구성 사이의 dQ/dV 및 전압 프로파일 비교의 그래픽 표현이다.
도 16은 리튬 망간 철 인산염에 대한 하프 셀 전압 곡선(half cell voltage curves)의 그래픽 표현이다.
도 17a-17b는 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수의 그래픽 표현이다.
도 18은 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 그래픽 표현이다.
도 19는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀의 그래픽 표현이다.
도 20은 애노드 물질의 증착으로부터 단락이 발생된 전기화학 셀을 도시한다.
본원에서 설명된 실시예들은 일반적으로 다층 전극, 코팅 분리막 및/또는 덴드라이트 방지 메커니즘을 갖는 전기화학 셀에 관한 것이다.
기존의 배터리 시스템은 이온 소스와 이온 싱크를 서로 다른 이온 전기화학 전위에서 분리하여 전기화학 에너지를 저장한다. 전기화학 전위의 차이는 양극과 음극 사이에 전압차를 생성하며, 이는 전극이 전도성 요소로 연결되는 경우 전류를 생성한다. 양극과 음극 사이의 전기화학 전위의 차이는 더 높은 에너지 밀도 셀에 기여하는 더 높은 전압 시스템을 생성할 수 있다. 기존의 배터리 시스템에서는, 음극과 양극이 두 개의 전도성 요소의 병렬 구성을 통해 연결된다. 외부 요소는 전자만 전도하지만, 내부 요소는 분리막과 전해질로 분리되어 이온만 전도한다. 외부 및 내부 흐름 스트림은 음극과 양극 사이에 전하 불균형이 지속될 수 없기 때문에 동일한 레이트로 이온과 전자를 공급한다. 생성된 전류는 외부 장치를 구동할 수 있다. 충전식 배터리는 방전 배터리의 방향과 반대 방향으로 전기 및 이온 전류를 유도하는 반대 전압 차이를 적용하여 재충전될 수 있다. 따라서, 충전식 배터리의 활성 물질은 이온을 수용하고 제공하는 능력을 가져야 한다. 증가된 전기화학 전위는 배터리의 캐소드와 애노드 사이에 더 큰 전압 차이를 생성하며, 이는 배터리의 단위 질량당 전기화학적으로 저장된 에너지를 증가시킨다.
소비자용 전자 배터리는 리튬 이온 배터리 기술의 발전과 함께 에너지 밀도가 점차 증가했다. 제조된 배터리의 저장 에너지 또는 충전 용량은, (1) 활성 물질의 고유 충전 용량(mAh/g), (2) 전극의 부피(cm3)(즉, 전극 두께, 전극 면적 및 층(스택) 수의 곱), 및 (3) 전극 매체에 활성 물질의 로딩(예를 들어, 전극 매체 cm3당 활성 물질 그램)의 함수이다. 따라서, 상업적 매력을 높이기 위해(예를 들어, 에너지 밀도 증가 및 비용 절감), 일반적으로 면적 충전 용량(mAh/cm2)을 늘리는 것이 바람직하다. 면적 전하 용량은, 예를 들어 더 높은 고유 전하 용량을 갖는 활성 물질을 이용하고, 전체 전극 제형에서 활성 전하 저장 물질의 상대적인 퍼센티지(즉, "로딩")을 증가시키고, 및/또는 임의의 주어진 배터리 폼 팩터에 사용된 전극 물질의 상대적인 퍼센티지를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 달리 말하면, 활성 전하 저장 컴포넌트(예를 들어, 전극) 대 비활성 컴포넌트(예를 들어, 분리막 및 집전체)의 비율을 늘리면, 배터리의 전반적인 성능에 기여하지 않는 컴포넌트를 제거하거나 줄임으로써 배터리의 전체 에너지 밀도가 증가한다. 면적 충전 용량을 증가시켜 비활성 컴포넌트의 상대적인 퍼센티지를 줄이는 한 가지 방법은 전극의 두께를 증가시키는 것이다.
기존의 전극 조성은 일반적으로 특정 성능 및 제조 제한으로 인해 약 100㎛보다 두껍게 만들 수 없다. 예를 들어, i) 두께가 100㎛(단면 코팅 두께)를 초과하는 기존 전극은 일반적으로 두께가 증가함에 따라 빠르게 증가하는 전극의 두께(예를 들어, 다공성, 비틀림, 임피던스 등)를 통한 확산 제한으로 인해 율속 특성(rate capability)이 크게 감소하고; ii) 두꺼운 기존 전극은 건조 및 예를 들어 용매 제거율, 전극의 균열로 이어지는 건조 중 모세관력, 박리로 집전체에 대한 전극의 접착 불량으로 박리 발생(예를 들어, 기존 전극 제조에 사용되는 고속 롤 투 롤(roll-to-roll) 캘린더링 공정 중), 용매 제거 공정 중 바인더의 마이그레이션 및/또는 후속 압축 공정 중 변형과 같은 후가공 한계로 인해 제작이 어려우며; iii) 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 기존 전극에 사용되는 바인더는 전극의 기공 구조를 방해할 수 있으며 기공의 사용 가능한 부피를 줄이고 전극의 기능적 컴포넌트(즉, 활성 및 전도성 컴포넌트) 사이의 공간의 상당한 부분을 차지하여 비틀림(즉, 유효 경로 길이)을 증가시킴으로써 이온 확산에 대한 저항을 증가시킬 수 있다. 또한, 종래의 전극에 사용되는 바인더는 전극 활성 물질의 표면을 적어도 부분적으로 코팅하여, 활성 물질로의 이온 흐름을 늦추거나 완전히 차단하여, 비틀림을 증가시키는 것으로 알려져 있다.
더욱이, 공지된 종래의 배터리는 고용량 또는 고율 특성(high rate capability)을 갖지만 둘 모두를 갖는 것은 아니다. 제1 C-레이트(예를 들어, 0.5C)에서 제1 충전 용량을 갖는 배터리는 일반적으로 더 높은 제2 C-레이트(예를 들어, 2C)에서 방전될 때 더 낮은 제2 충전 용량을 갖는다. 이는 기존 전극(예를 들어, 바인더를 사용한 고체 전극)의 높은 내부 저항으로 인해 기존 배터리 내부에서 발생하는 더 높은 에너지 손실과 배터리가 로우 엔드 전압 컷 오프(low-end voltage cut-off)에 더 빨리 도달하게 하는 전압 강하 때문이다. 전극이 두꺼우면 일반적으로 내부 저항이 더 높으므로 저율 특성을 갖는다. 예를 들어, 납산 배터리는 1C C-레이트에서 제대로 수행하지 않는다. 이들은 종종 0.2C C-레이트로 평가되며 이 낮은 C-레이트에서도 100% 용량을 달성할 수 없다. 이에 반해, 울트라 커패시터는 매우 높은 C-레이트로 방전될 수 있고 여전히 100% 용량을 유지할 수 있지만, 기존 배터리보다 충전 용량이 훨씬 낮다. 따라서, 보다 두껍게 만들 수 있으면서도 우수한 율속 특성 및 전하 용량과 같은 우수한 성능 특성을 갖는 전극에 대한 필요성이 있다. 물리적 특성 및 조성의 구배는 전기 활성 종의 확산을 도울 수 있다. 조성의 구배는 활성 물질 조성을 포함할 수 있다.
따라서, 본원에 설명된 실시예들은 일반적으로 z 방향("[001] 방향"이라고도 함), 즉 집전체의 표면에 수직인 방향(이하 "전극 두께")으로 조성 구배를 갖는 전극에 관한 것이다. 다시 말해, 전극은 기계적, 화학적 및/또는 전기화학적 성능 향상을 위해 전극을 맞춤화하기 위해 적어도 부분적으로 이방성 및/또는 다종적이 되도록 설계될 수 있다. 다층 및/또는 조성 구배를 갖는 전극의 예는 2019년 5월 24일자로 출원된, "High Energy-Density Composition Gradient Electrodes and Methods of Making the Same"이라는 명칭의 미국 특허 공개 번호 제US 2019/0363351호에서 확인될 수 있으며, 그 전체 개시 내용은 본원에 참조로서 통합된다.
일부 실시예들에서, 본원에 설명된 전극 및/또는 전기화학 셀은 고체 상태 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 애노드는 고체 상태 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 캐소드는 고체 상태 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 전기화학 셀은 애노드 및 캐소드 모두에 고체 상태 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 전기화학 셀은 고체 상태 전해질을 갖는 단위 셀 구조를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고체 상태 전해질 물질은 결합제와 혼합된 다음 처리(예를 들어, 압출, 주조, 습식 주조, 취입 등)되어 고체 상태 전해질 물질 시트를 형성하는 분말일 수 있다. 일부 실시예들에서, 고체 상태 전해질 물질은 가넷(garnet) 구조, 페로브스카이트(perovskite) 구조, 인산계 LISICON(Lithium Super Ionic Conductor) 구조, La0.51Li0.34TiO2.94, Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3, Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3, Li7La3Zr2O12, Li6.66La3Zr1.6Ta0.4O12,9 (LLZO), 50Li4SiO4ㆍ50Li3BO3, Li2.9PO3.3N0.46 (리튬 인산화질화물(lithium phosphorousoxynitride), LiPON), Li3.6Si0.6P0.4O4, Li3BN2, Li3BO3-Li2SO4, Li3BO3-Li2SO4-Li2CO3 (LIBSCO, 유사 3원 시스템)과 같은 유리 구조를 포함하는 산화물계 고체 전해질 물질, 및/또는 티오-LISICON 구조, 유리질 구조 및 Li1.07Al0.69Ti1.46(PO4)3, Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3, Li10GeP2S12 (LGPS), 30Li2Sㆍ26B2S3ㆍ44LiI, 63Li2Sㆍ36SiS2ㆍ1Li3PO4, 57Li2Sㆍ38SiS2ㆍ5Li4SiO4, 70Li2Sㆍ30P2S5, 50Li2Sㆍ50GeS2, Li7P3S11, Li3.25P0.95S4, 및 Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3와 같은 유리-세라믹 구조를 포함하는 황화물 함유 고체 전해질 물질, 및/또는 LiBH4-LiI, LiBH4-LiNH2, LiBH4-P2S5, Li(CB9H10)-LiI와 같은 Li(CBXHX+1)-LiI, 및/또는 리튬 전해질 염 비스(트리플루오로메탄)술폰아미드(TFSI), 비스(펜탈플루오로에탄술포닐)이미드(BETI)), 비스(플루오로설포닐)이미드, 리튬 보레이트 옥살라토 포스핀 옥사이드(LiBOP), 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드, 아미드-보로하이드라이드, LiBF4, LiPF6 LIF와 같은 클로소형(closo-type) 복합수소화물 고체 전해질 또는 이들의 조합 중 하나 이상이다. 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 전극은 약 40 중량% 내지 약 90 중량% 고체 상태 전해질 물질을 포함할 수 있다. 고체 상태 전해질을 포함하는 전기화학 셀 및 전극의 예는 2019년 1월 8일자에 출원된 "Electrochemical Cells Including Selectively Permeable Membranes, Systems and Methods of Manufacturing the Same"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제10,734,672호("'672 특허"에서 설명되어 있으며, 그 개시 내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
애노드 및/또는 캐소드에 다층 또는 조성 구배가 있는 전기화학 셀은 고용량 및 높은 C-레이트를 제공할 수 있지만, 높은 C-레이트로 충전하면 사이클링 문제가 발생할 수 있다. 높은 C-레이트로 충전 또는 방전하면 많은 양의 이온 이동으로 인해, 낮은 C-레이트에서보다 리튬 이온 또는 기타 전기 활성 종이 캐소드 에지 주위에 도금될 수 있다. 추가로, 높은 C-레이트로 충전 또는 방전하면 동일한 이유로 덴드라이트 성장을 악화시킬 수 있다. 여러 사이클에 걸쳐, 덴드라이트는 전기화학 셀에서 전기 활성 물질과 전해질을 소비하여 비가역적 용량 손실을 일으킬 수 있다. 덴드라이트가 충분히 커지면, 분리막을 관통하여, 전기화학 셀에서 부분적 단락 또는 전체 단락을 일으킬 수 있다. 단락은 잠재적으로 전기화학 셀에서 발화 및 화재로 이어질 수 있으므로, 안전상의 위험이 될 수 있다.
분리막의 코팅은 여러 메커니즘을 통해 도금 및 덴드라이트 성장을 감소시킬 수 있다. 분리막 다공성은 종종 전기화학 셀의 화학적 특성에 따라, 상대적으로 좁은 작업 가능 범위를 갖는 파라미터이다. 이온 혼잡은 분리막 기공 근처에서 발생할 수 있다. 높은 다공성 및/또는 높은 표면적 물질이 분리막을 코팅하는 데 사용되는 경우, 코팅은 한 전극에서 다른 전극으로 마이그레이션할 때 이온이 따를 수 있는 가능한 흐름 경로의 수를 증가시킬 수 있다. 이렇게 하면 이온이 단일 파일이 아닌 분기된 기공 네트워크를 통해 마이그레이션할 수 있으므로, 분리막 기공 근처의 이온 혼잡을 크게 줄일 수 있다. 이온 혼잡의 이러한 감소는 덴드라이트 축적을 방지하는 데 도움이 될 수 있으므로, 여러 사이클을 통해 전기화학 셀의 용량 유지를 개선할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "조성"은 이방성일 수 있고, 물리적, 화학적 또는 전기화학적 조성 또는 이들의 조합을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 집전체의 표면에 직접 인접한 전극 물질은 집전체의 표면에서 멀리 떨어진 전극 물질보다 덜 다공성일 수 있다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 예를 들어 다공성 구배를 사용하면 이온 전도율이 감소하지 않으면서 전극을 두껍게 만들 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체의 표면에 인접한 전극 물질의 조성은 집전체의 표면에서 멀리 떨어진 전극 물질과 화학적으로 상이할 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "약" 및 "대략"이라는 용어는 일반적으로 명시된 값의 플러스 또는 마이너스 10%를 의미하며, 예를 들어 약 250㎛는 225㎛ 내지 275㎛를 포함하고, 약 1,000㎛는 900㎛ 내지 1,100㎛를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, "반고체(semi-solid)"라는 용어는 예를 들어 입자 현탁액, 콜로이드 현탁액, 에멀젼, 겔 또는 미셀(micelle)과 같은 액상 및 고상(liquid and solid phases)의 혼합물인 물질을 지칭한다.
본원에 사용된 바와 같이, "활성 탄소 네트워크" 및 "네트워크 탄소"라는 용어는 전극의 일반적인 정성적 상태와 관련이 있다. 예를 들어, 활성 탄소 네트워크(또는 네트워크 탄소)가 있는 전극은 전극 내의 탄소 입자가 입자 간에 그리고 전극의 두께와 길이를 통해 전기 접촉 및 전기 전도율을 용이하게 하는 서로에 대해 개별 입자 모폴로지 및 배열을 가정하도록 한다. 반대로, "비활성 탄소 네트워크" 및 "네트워크 연결되지 않은 탄소"라는 용어는 탄소 입자가 전극을 통해 적절한 전기 전도를 제공하기에 충분히 연결되지 않을 수 있는 개별 입자 아일랜드 또는 다중 입자 응집 아일랜드로 존재하는 전극과 관련이 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "에너지 밀도" 및 "체적 에너지 밀도"라는 용어는 전기화학 셀이 예컨대 전극, 분리막, 전해질 및 집전체를 동작시키기 위해 포함된 물질의 단위 부피(예를 들어, L)당 전기화학 셀에 저장된 에너지의 양(예를 들어, MJ)을 지칭한다. 구체적으로, 전기화학 셀의 패키징에 사용되는 물질은 부피 에너지 밀도 계산에서 제외된다.
본원에 사용된 바와 같이, "고용량 물질" 또는 "고용량 애노드 물질"이라는 용어는 전기 활성 종의 흡수(uptake)를 용이하게 하기 위해 전극에 통합될 수 있는 비가역적 용량이 300mAh/g보다 큰 물질을 지칭한다. 그 예에는 주석, Sn-Fe와 같은 주석 합금, 주석 일산화물, 실리콘, Si-Co와 같은 실리콘 합금, 실리콘 일산화물, 알루미늄, 알루미늄 합금, 일산화금속(CoO, FeO 등) 또는 티타늄 산화물이 포함된다.
본원에 사용된 바와 같이, "복합 고용량 전극층"이라는 용어는 고용량 물질과 전통적인 애노드 물질 모두를 갖는 전극층, 예를 들어 실리콘-흑연층을 지칭한다
본원에 사용된 바와 같이, "고체 고용량 전극층"이라는 용어는 단일 고상 고용량 물질, 예를 들어 스퍼터링된 실리콘, 주석, Sn-Fe와 같은 주석 합금, 주석 일산화물, 실리콘, 실리콘 합금, Si-Co와 같은 실리콘 합금, 실리콘 일산화물, 알루미늄, 알루미늄 합금, 일산화금속(CoO, FeO 등) 또는 티타늄 산화물을 갖는 전극층을 지칭한다.
일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 물질의 임의의 물리적, 화학적 및/또는 전기화학적 특성을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 전극 물질의 다공성 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 활성 물질 또는 활성 물질 농도의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 전도성 물질 또는 전도성 물질 농도의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 전해질 또는 전해질 농도의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 활성 물질(예를 들어, 전해질 첨가제) 또는 첨가제 농도의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 구성 구배는 전극 두께에 걸친 밀도(단위 부피당 단위 질량)의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 물질의 결정도의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸쳐 입방정계, 육방정계, 정방정계, 능면체정, 사방정계, 단사정계 및 삼사정계 결정 구조 중 적어도 하나 사이의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 pH의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 이온 전도율의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 전자 전도율의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 에너지 밀도의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 이론적 에너지 밀도의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 영률(Young's modulus)의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 항복 강도(yield strength)의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 인장 강도(tensile strength)의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전기화학 셀의 동작 동안 전극 두께에 걸친 부피 팽창/수축 가능성의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 구배에 걸친 전극 물질의 소성 변형성의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 전해질 내 활성 물질, 전도성 물질 및 첨가제 중 적어도 하나의 용해도 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 바인더 백분율의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 전극 물질의 작업성의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 전극 물질의 유동성 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 이온 저장 전위의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 초기 충전/방전 사이클링 후에 경험하는 용량 페이드의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 점도의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 밀도의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성 구배는 전극 두께에 걸친 표면적의 변화를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 두께에 걸친 표면적의 변화는 활성 물질 농도(즉, 멀리 있는 것보다 집전체에 더 가까운 활성 물질의 농도가 더 높거나 그 반대도 가능함)의 변화로 인한 것일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 두께에 걸친 표면적의 변화는 활성 물질 조성(즉, 집전체로부터 멀리 떨어진 활성 물질 조성으로부터 집전체에 가까운 상이한 활성 물질 조성)의 변화로 인한 것일 수 있다
일부 실시예들에서, 전극 두께를 통해 조성 구배를 달성하기 위해, 다수의 조성적으로 구별되는 전극 물질이 (예를 들어, 라미네이트 구조로서) 집전체 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구성적으로 구별되는 전극 물질의 수는 그 사이의 모든 값과 범위 포함하는, 1층 초과, 약 2층 초과, 약 3층 초과, 약 4층 초과, 약 5층 초과, 약 6층 초과, 약 7층 초과, 약 8층 초과, 약 9층 초과, 약 10층 초과, 또는 약 15층 초과일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 층은 집전체 상에 배치될 수 있고, 제2 층은 제1 층 상에 배치될 수 있으며, 후속 층은 완성된 전극을 형성하기 위해 최상층이 배치될 때까지 이전 층들 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1의 하나 이상의 층은 임의의 적합한 순서로 임의의 적합한 방법을 사용하여 제2 하나 이상의 다른 층과 결합될 수 있으며, 결합된 층은 완성된 전극을 형성하기 위해 동시에 집전체 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 두께에 걸친 조성 구배(이방성)를 갖는 집전체 상에 단일 전극 물질이 형성될 수 있다.
도 1은 애노드 집전체(120) 상에 배치된, 제1 전극 물질(112) 및 제2 전극 물질(114)을 갖는 애노드(110)를 포함하는 전기화학 셀(100)의 개략도이다. 전기화학 셀(100)은 캐소드 집전체(140) 위에 배치된 캐소드(130) 및 애노드(110)와 캐소드(130) 사이에 배치된 분리막(150)을 더 포함한다. 분리막(150) 위에 코팅층(155)이 배치된다.
도시된 바와 같이, 애노드(110)는 이중층 전극이다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 이중층 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(110) 및 캐소드(130) 모두 이중층 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 이중층 전극은 2013년 4월 29일자로 출원된 "Semi-Solid Electrodes Have High Rate Capability"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제8,993,159호("'159 특허")에 설명된 바와 같은 물질 범위 및 임의의 적절한 폼 팩터를 포함할 수 있으며, 그 전체 개시 내용은 본원에 참조로서 통합된다.
애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)에 대한 가능한 물질, 전기화학적 호환성 특성, 폼 팩터 및 용도의 예는 '159 특허에 더 자세히 설명되어 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 '159 특허에 설명된 집전체와 실질적으로 유사할 수 있으므로, 본원에서는 상세히 설명되지 않는다.
일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 기판, 시트 또는 호일 또는 임의의 다른 폼 팩터 형태의 전도성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 알루미늄, 구리, 리튬, 니켈, 스테인레스 스틸, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 또는 이들의 혼합, 조합 또는 합금과 같은 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 탄소, 탄소 나노튜브 또는 금속 산화물(예를 들어, TiN, TiB2, MoSi2, n-BaTiO3, Ti2O3, ReO3, RuO2, IrO2 등)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 전술한 금속 및 비-금속 물질 중 어느 하나 상에 배치된 전도성 코팅을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전도성 코팅은 복합체 또는 층상 물질을 포함하는, 탄소계 물질, 전도성 금속 및/또는 비-금속 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 전극 물질은 활성 물질, 전도성 물질, 전해질, 첨가제, 바인더 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 활성 물질은 이온 저장 물질 및/또는 에너지를 저장하기 위해 패러데이 또는 비-패러데이 반응을 겪을 수 있는 임의의 다른 화합물 또는 이온 복합체일 수 있다. 활성 물질은 또한 고체-액체 현탁액을 포함하는 비산화환원활성과 혼합된 산화환원 활성 고체를 포함하는 다상 물질, 또는 지원 액상과 밀접하게 혼합된 액체 이온 저장 물질을 갖는 미셀 또는 에멀전을 포함하는 액체-액체 다상 혼합물일 수 있다. 다양한 작동 이온을 이용하는 시스템에는 Li+, Na+ 또는 기타 알칼리 이온이 작동 이온인 수성 시스템, 심지어 Ca2+, Mg2+ 또는 Al3+와 같은 알칼리 토류 작동 이온도 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 음극 저장 물질 및 양극 저장 물질이 전기화학적으로 결합되어 전기화학 셀을 형성할 수 있고, 음극은 관심 양극보다 낮은 절대 전위에서 작동 이온을 저장한다. 셀 전압은 두 이온 저장 전극 물질의 이온 저장 전위차에 의해 대략적으로 결정될 수 있다.
작동 이온을 위한 불용성 저장 호스트인 음이온 및/또는 양이온 저장 물질을 사용하는 전기화학 셀은 작동 이온을 흡수하거나 방출할 수 있는 반면 물질의 다른 모든 구성 요소는 전해질에 실질적으로 불용성으로 남아 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 셀들은 전해질이 전기화학적 조성물 생성물로 오염되지 않기 때문에 특히 유리할 수 있다. 추가로, 음 및/또는 양의 리튬 이온 저장 물질을 사용하는 셀은 비수성 전기화학적 조성물을 사용할 때 특히 유리할 수 있다.
일부 실시예들에서, 이온 저장 산화 환원 조성물은 기존의 리튬 이온 배터리에서 작동하는 것으로 입증된 물질을 포함한다. 일부 실시예들에서, 양극 반고체 전기 활성 물질은 리튬 양극 전기 활성 물질을 포함하고 리튬 양이온은 음극과 양극 사이를 왕복하여, 액체 전해질에 현탁된 고체 호스트 입자로 삽입된다. 일부 실시예들에서, 리튬 양이온은 고체 고용량 물질의 고체 매트릭스에 삽입될 수 있다.
일부 실시예들에서, 산화환원 활성 화합물은 유기 또는 무기일 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니나, 리튬 금속, 나트륨 금속, 리튬-금속 합금, 용해된 리튬이 있거나 없는 갈륨 및 인듐 합금, 용융 전이 금속 염화물, 티오닐 클로라이드 등, 또는 배터리 동작 조건에서 액체일 수 있는 산화환원 폴리머 및 유기물을 포함할 수 있다. 이러한 액체 형태는 또한 희석제 또는 용매인 다른 비산화환원 활성 액체에 의해 희석되거나 이와 혼합될 수 있으며, 이러한 희석제와의 혼합을 포함하여 저융점 액상을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 산화환원 활성 전극 물질은 배터리의 양극 또는 음극에 유용한 전위에서 관심 있는 작동 이온을 저장하는 유기 산화환원 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 유기 산화환원 활성 저장 물질은 폴리아닐린 또는 폴리아세틸렌계 물질, 폴리니트록사이드 또는 유기 라디칼 전극과 같은(H. Nishide 등, Electrochim. Acta, 50, 827 - 831, (2004) 및 K. Nakahara 등, Chem. Phys. Lett., 359, 351-354 (2002)에서 설명된 것과 같은) "p" 도핑된 전도성 폴리머, Li2C6O6, Li2C8H4O4, 및 Li2C6H4O4(예를 들어 M. Armand 등, Nature Materials, DOI: 10.1038/nmat2372 참조)와 같은 화합물 및 유기황 화합물을 포함하는, 카보닐계 유기물, 및 옥소카본 및 카르복실레이트를 포함한다. 일부 실시예들에서, 기존 활성 물질은 코발트, 망간, 니켈-카드뮴-망간, 인산염, 리튬 망간 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 코발트 산화물, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, 리튬 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn0.5, LiNi0.5Mn1.5 등), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(LiNi1/3Mn1/3Co1/3 등), 리튬 금속, 탄소, 리튬 삽입 탄소, 리튬 질화물, 리튬 합금 및 실리콘, 비스무트, 붕소, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 주석 산화물, 안티몬, 알루미늄, 티타늄 산화물, 몰리브덴, 게르마늄, 망간, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 금, 백금, 철, 구리, 크롬, 니켈, 코발트, 지르코늄, 이트륨, 몰리브덴 산화물, 게르마늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드, 및 기타 적절한 화학 물질의 리튬 합금 형성 화합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 전극 물질용 전도성 물질은 예를 들어, 흑연, 탄소 분말, 열분해 탄소, 탄소 블랙, 탄소 섬유, 탄소 마이크로섬유, 탄소 나노튜브(CNT), 단일벽 CNT, 다중벽 CNT, "버키 볼(bucky balls)", 그래핀 시트 및/또는 그래핀 시트 집합체, 임의의 기타 전도성 물질, 금속(Cu, Al, 분말 등), 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 전극 물질용 전해질은 예를 들어 알코올 또는 비양성자성 유기 용매와 같은 극성 용매(polar solvents)를 포함할 수 있는 비수성 액체 전해질을 포함할 수 있다. 많은 유기 용매가 리튬-이온 배터리 전해질의 성분으로 제안되었으며, 특히 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트 및 이들의 염소화 또는 플루오르화 유도체와 같은 사이클릭 카보네이트 에스테르 계열, 및 디메틸카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 부틸메틸 카보네이트, 부틸에틸 카보네이트 및 부틸프로필 카보네이트와 같은 을 비환형 디알킬 카보네이트 에스테르 계열이 제안되었다. 리튬 이온 배터리 전해질 용액의 성분으로 제안된 다른 용매에는 
-부티로락톤, 디메톡시에탄, 테트라히드로푸란, 2-메틸 테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 4-메틸-1,3-디옥솔란, 디에틸 에테르, 술포란, 메틸술포란, 아세토니트릴, 프로피오노니트릴, 에틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 디메틸 카보네이트, 테트라글라임 등이 포함된다. 일부 실시예들에서, 이러한 비수성 용매는 이온 전도율을 제공하기 위해 염이 용해되는 다성분 혼합물로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 리튬 전도율을 제공하기 위한 염은 LiClO4, LiPF6, LiBF4, LiFSI, LiAsF6, LiTFSI, LiBETI, LiBOB 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀은 애노드 측의 전해질 분자로부터 캐소드 측의 전해질 분자를 분리하도록 구성된 선택적 투과성 막을 포함할 수 있다. 이 선택적 투과성 막은 2019년 1월 8일자로 출원된, "Electrochemical Cells Including Selectively Permeable Membranes, Systems and Methods of Manufacturing the Same"라는 명칭의 미국 특허 공개 번호 제US 2019/0348705호("'705 공보")에 설명된 바와 같은, 다중 전해질(즉, 애노드 측의 양극액 및 캐소드 측의 음극액)의 사용을 허용할 수 있으며, 그 개시 내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
일부 실시예들에서, 바인더는 전분, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 디아세틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 에틸렌 글리콜, 폴리아크릴레이트, 폴리(아크릴산), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 친수성 바인더, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 스티렌 부타디엔 코폴리머, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 술포네이트)(PEDOT:PSS), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(PVDF-HFP), 말레산 무수물 강판 폴리비닐리덴 플루오라이드(MPVDF), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), SBR과 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스의 혼합물(SBR+CMC), 폴리아크릴로니트릴, 플루오르화 폴리이미드, 폴리(3-헥실티오펜)-b-폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(1-피렌메틸 메타크릴레이트)(PPy), 폴리(l-피렌메틸 메타크릴레이트-코-메타크릴산)(PPy-MAA), 폴리(l-피렌메틸 메타크릴레이트-코-트리에틸렌 글리콜 메틸 에테르)(PPyE), 폴리아크릴산 및 이 리튬염(PAA), 폴리아크릴산나트륨, 플루오르화 폴리아크릴레이트, 폴리이미드(PI), 폴리아미드 이미드(PAI), 폴리에테르 이미드(PEI), 전극 물질에 대한 충분한 기계적 지지를 제공하도록 구성된 기타 적합한 폴리머 물질, 및 그 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 물질은 그 사이의 모든 값과 범위를 포함한, 약 0.01 중량% 내지 약 30 중량% 사이의 바인더, 약 1 중량% 내지 약 20 중량%, 약 2 중량% 내지 약 19 중량%, 약 3 중량% 내지 약 18 중량%, 약 4 중량% 내지 약 17 중량%, 약 5 중량% 내지 약 16 중량%, 약 6 중량% 내지 약 15 중량%, 또는 약 5 중량% 내지 약 20 중량%를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드(110) 및/또는 캐소드(130)의 두께는 적어도 약 30㎛일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(110) 및/또는 캐소드(130)는 적어도 약 100 ㎛, 적어도 약 150 ㎛, 적어도 약 200 ㎛, 적어도 약 250 ㎛, 적어도 약 300 ㎛, 적어도 약 350 ㎛, 적어도 약 400 ㎛, 적어도 약 450 ㎛, 적어도 약 500 ㎛, 적어도 약 600 ㎛, 적어도 약 700 ㎛, 적어도 약 800 ㎛, 적어도 약 900 ㎛, 적어도 약 1,000 ㎛, 적어도 약 1,500 ㎛, 및 최대 약 2,000 ㎛의 두께를 갖는(이들 사이의 모든 두께를 포함) 반고체 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)의 두께는 애노드(110)의 총 두께의 약 50% 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)의 두께는 애노드(110) 전체 두께의 약 45% 미만, 약 40% 미만, 약 35% 미만, 약 30% 미만, 약 25% 미만, 약 20% 미만, 약 15% 미만, 약 10% 미만, 약 5% 미만 또는 약 3% 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질의 두께는 약 80 ㎛ 미만, 약 70 ㎛ 미만, 약 60 ㎛ 미만, 약 50 ㎛ 미만, 약 40 ㎛ 미만, 약 30 ㎛ 미만, 약 20 ㎛ 미만, 약 10 ㎛ 미만, 약 5 ㎛ 미만, 약 2 ㎛ 미만, 또는 약 1 ㎛ 미만일 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)의 두께는 애노드(110)의 총 두께의 적어도 약 20% 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)의 두께는 애노드(110)의 총 두께의 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 적어도 약 97%, 적어도 약 98%, 또는 적어도 약 99%일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)의 두께는 적어도 약 30㎛일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)의 두께는 적어도 약 50 ㎛, 적어도 약 100 ㎛, 적어도 약 150 ㎛, 적어도 약 200 ㎛, 적어도 약 250 ㎛, 적어도 약 300 ㎛, 적어도 약 350 ㎛, 적어도 약 400 ㎛, 적어도 약 450 ㎛, 적어도 약 500 ㎛, 적어도 약 600 ㎛, 적어도 약 700 ㎛, 적어도 약 800 ㎛, 적어도 약 900 ㎛, 적어도 약 1,000 ㎛, 적어도 약 1,500 ㎛, 및 최대 약 2,000 ㎛(이들 사이의 모든 두께를 포함)일 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 종래의 고체 전극 제조 공정에 따라 제조된 고체 전극 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고체 전극 물질은 용매에 용해 또는 분산된 활성 물질, 전도성 첨가제 및 결합제를 포함하는 슬러리를 형성함으로써 제조될 수 있다. 슬러리가 전기화학 셀 내의 전극 집전체 또는 기타 적합한 구조에 배치된 후, 슬러리가 건조되고(예를 들어, 용매를 증발시킴으로써) 특정 두께로 캘린더링된다. 고체 전극 물질의 제조에는 또한 일반적으로 구축 중인 배터리 아키텍처에 따라 물질 혼합, 주조, 캘린더링, 건조, 슬리팅 및 작업(굽힘, 롤링 등)이 포함될 수 있다. 전극 물질이 건조되고 캘린더링되면, 전극 물질은 (예를 들어, 압력 하에서) 전해질로 웨팅(wetted)될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 기상 증착, 전기 빔 증착, 전기화학 증착, 졸-겔, 스퍼터링 및 물리적 스프레이 방법을 포함하는 증착 공정에 의해 제조된 고체 전극 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 제1 전극 물질(112) 상에 분산된 순수 도전제를 포함할 수 있다. 제1 전극 물질(112) 위에 전도성 슬러리(어떠한 활성 물질도 없는)를 전해질로 코팅하는 것은 기존 셀 생산 공정에서 전해질 방출을 위한 대안적인 방법의 역할을 한다. 도전제는 특히 부피 팽창 물질과 함께 사이클링 동안 제1 전극 물질(112) 내로 흘러 보이드 공간을 채울 수 있다. 즉, 도전제의 사용은 전극의 전자 전도율을 유지하는 데 도움을 주어 제1 전극 물질(112)의 사이클 안정성을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 반고체 전극 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 반고체 전극 물질은, (i) 반고체 전극의 감소된 비틀림 및 더 높은 전자 전도율로 인해 고체 전극 물질보다 두껍게(예를 들어, 250 ㎛ 초과 - 최대 2,000 ㎛ 또는 그 이상)하고, (ii) 기존 전극 물질보다 더 많은 활성 물질 로딩, (iii) 더 적은 장비를 사용하여 단순화된 제조 공정으로 만들어질 수 있다. 이러한 상대적으로 두꺼운 반고체 전극은 활성 컴포넌트에 대한 비활성 컴포넌트의 부피, 질량 및 비용 기여를 감소시켜, 반고체 전극 물질을 포함하는 전극의 상업적 매력을 향상시킨다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 건조 단계 없이 제1 전극 물질(112) 상에 배치될 수 있다. 건조 단계를 제거하면 처리 시간과 생산 비용을 잠재적으로 줄일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 분리막(미도시) 상에 배치될 수 있고, 그런 다음 제2 전극 물질(114)을 갖는 분리막은 애노드 집전체(120) 상에 배치된 제1 전극 물질(112)과 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 바인더를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 실질적으로 바인더가 없을 수 있다.
일부 실시예들에서, 본원에 설명된 반고체 전극 물질은 바인더가 없을 수 있다. 대신, 일반적으로 기존 전극에서 바인더가 차지하는 반고체 전극 물질의 부피는 이제, 1) 비틀림을 줄이고 이온 확산에 사용할 수 있는 총 염을 증가시키는 효과가 있는 전해질, 2) 배터리의 충전 용량을 높이는 효과가 있는 활성 물질, 또는 3) 전극의 전자 전도율을 높이는 효과가 있는 전도성 첨가제에 의해 점유되어, 어 두꺼운 기존 전극의 높은 내부 임피던스에 대응할 수 있다. 본원에 설명된 반고체 전극의 감소된 비틀림 및 더 높은 전자 전도율은 반고체 전극으로부터 형성된 전기화학 셀의 우수한 율속 특성 및 전하 용량을 초래한다.
본원에 설명된 반고체 전극 물질은 종래의 전극 물질보다 실질적으로 더 두껍게 만들어질 수 있으므로, 활성 물질 대 비활성 물질의 비율이 훨씬 높을 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 증가된 활성 대 비활성 물질 비율은 본원에 설명된 반고체 전극 물질을 포함하는 배터리의 전체 충전 용량 및 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 고체 전극 물질은 일반적으로 밀도가 높은(다공성이 더 낮음) 반면 반고체 전극 물질은 일반적으로 밀도가 낮다(다공성이 더 높음). 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 고체 전극 물질의 낮은 다공성은 전극 두께에 걸쳐 증가된 이온 비틀림으로 인해 이용 가능한 활성 물질에 대한 이온 전도율의 가능성을 낮출 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 두께에 걸친 조성 구배가 다공성의 변화를 포함하도록 제1 전극 물질(112)은 고체 전극 물질을 포함할 수 있고 제2 전극 물질(130)은 반고체 전극 물질을 포함할 수 있다. 어떠한 이론에도 얽매이지 않고, 애노드(110)의 두께에 걸쳐 다공성 구배를 생성함으로써, 애노드(110)의 총 이론 에너지 밀도는 종래의 전극 물질의 사용으로 인해 더 높고 이온에 대한 종래 활성 물질의 접근성은 반고체 전극 물질에 걸쳐 높은 이온 플럭스로 인해 높게 유지된다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 고체 전극 물질을 포함하는 것으로 설명되고 제2 전극 물질(114)은 반고체 전극 물질을 포함하는 것으로 설명되지만, 기타 구성 및 화학 물질이 가능하다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 제1 조성을 갖는 반고체 전극 물질을 포함할 수 있고, 제2 전극 물질(114)은 제2 조성을 갖는 반고체 전극 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 제1 다공성을 갖는 반고체 전극 물질을 포함할 수 있고, 제2 전극 물질(114)은 제1 다공성보다 큰 제2 다공성을 갖는 반고체 전극 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 제1 이온 저장 용량을 갖는 반고체 전극 물질을 포함할 수 있고, 제2 전극 물질(114)은 제1 이온 저장 용량보다 작은 제2 이온 저장 용량을 갖는 반고체 전극 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 제1 이온 전도율을 갖는 반고체 전극 물질을 포함할 수 있고, 제2 전극 물질(114)은 제1 이온 전도율보다 큰 제2 이온 전도율을 갖는 반고체 전극 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 제1 다공성을 가질 수 있고, 제2 전극 물질(114)은 제1 다공성보다 작은 제2 다공성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 다공성은 제1 다공성보다 클 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 다공성은 실질적으로 제1 다공성과 같을 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 다공성은 약 3% 미만 또는 약 5% 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 다공성은 약 20% 내지 약 25% 사이, 약 25% 내지 약 30% 사이, 약 30% 내지 약 35% 사이, 약 35% 내지 약 40% 사이, 약 40% 내지 약 45% 사이, 약 45% 내지 약 50% 사이, 약 50% 내지 약 55% 사이, 또는 약 55% 내지 약 60% 사이일 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 다공성은 약 20% 내지 약 25% 사이, 약 25% 내지 약 30% 사이, 약 30% 내지 약 35% 사이, 약 35% 내지 약 40% 사이, 약 40% 내지 약 45% 사이, 약 45% 내지 약 50% 사이, 약 50% 내지 약 55% 사이, 또는 약 55% 내지 약 60% 사이일 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 제1 표면적을 가질 수 있고, 제2 전극 물질(114)은 제1 표면적보다 큰 제2 표면적을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 표면적은 제1 영역보다 작을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 표면적은 실질적으로 제1 표면적과 같을 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 약 1m2/g 미만의 표면적을 갖는 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 약 1m2/g 내지 약 2m2/g 사이, 약 2m2/g 내지 약 3m2/g 사이, 약 3m2/g 내지 약 4m2/g 사이, 약 4m2/g 내지 5m2/g 사이, 또는 약 5m2/g 초과의 표면적을 갖는 활성 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 약 1 m2/g보다 작은 표면적을 갖는 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 약 1 m2/g 내지 약 2 m2/g 사이, 약 2 m2/g 내지 약 3 m2/g 사이, 약 3 m2/g 내지 약 4 m2/g 사이, 약 4 m2/g 내지 약 5 m2/g 사이, 또는 약 5 m2/g 초과의 표면적을 갖는 활성 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기화학 셀의 동작 동안, 이온은 제1 레이트로 제2 전극 물질(114)을 통해 그리고 제1 레이트보다 작은 제2 레이트로 제1 전극 물질(112)로 왕복 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 제1 이온 저장 용량을 가질 수 있고, 제2 전극 물질(114)은 제1 이온 저장 용량보다 작은 제2 이온 저장 용량을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 완성된 전극은 애노드 집전체(120), 제1 전극 물질(112) 및 제2 전극 물질(114)의 두께의 합과 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 완성된 조성 구배 전극의 두께는 제1 전극 물질(112) 단독 또는 제2 전극 물질(114) 단독으로부터 형성되고 완성된 조성 구배 전극과 동일한 두께를 갖는 전극보다 더 큰 전력 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 실리콘계(Si, SiO, Si-합금) 및/또는 주석계(Sn, SnO, Sn-합금) 등과 같은 충전 시(in charging) 고팽창 활성 물질의 제2 전극 물질(114)보다 높은 농도를 포함할 수 있다.
고팽창 활성 물질은 사이클링 시 팽창-압축력으로 인해 충전 및 방전 사이클 이후 작은 입자로 전이될 수 있다. 이러한 힘은 사이클 동안 전자 네트워크를 감소시키는 경향이 있으며, 집전체 근처에 더 많은 고팽창 물질이 전자 경로를 확보할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)로서 반고체 전극을 갖는 것은 이러한 팽창력을 흡수하는 경향이 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)에 높은 팽창성 활성 물질의 높은 다공성을 갖는 것은 제2 층의 높은 전자 전도성 네트워크를 갖는 반고체 전극 및 덜 팽창성인 활성 물질이 다공성 영역으로 이동하여 전자 네트워크를 유지하도록 한다.
일부 실시예들에서, 조성 구배를 갖는(예를 들어, 제1 전극 물질(112) 및 제2 전극 물질(114)를 포함하는) 애노드(110)의 에너지 밀도는 약 0.2 MJ/L, 약 0.25 MJ/L, 약 0.3 MJ/L, 약 0.35 MJ/L, 약 0.4 MJ/L, 약 0.45 MJ/L, 약 0.5 MJ/L, 약 0.55 MJ/L, 약 0.6 J/L, 약 0.65 MJ/L, 약 0.7 MJ/L, 약 0.75 MJ/L, 약 0.8 MJ/L, 약 0.85 MJ/L, 약 0.9 MJ/L, 약 0.95 MJ/L, 약 1.0 MJ/L, 약 1.05 MJ/L, 약 1.1 MJ/L, 약 1.15 MJ/L, 약 1.2 MJ/L, 약 1.25 MJ/L, 약 1.3 MJ/L, 약 1.35 MJ/L, 약 1.4 MJ/L, 약 1.45 MJ/L, 약 1.5 MJ/L, 약 1.55 MJ/L, 약 1.6 MJ/L, 약 1.65 MJ/L, 약 1.7 MJ/L, 약 1.75 MJ/L, 약 1.8 MJ/L, 약 1.85 MJ/L, 약 1.9 MJ/L, 약 1.95 MJ/L, 약 2.0 MJ/L, 약 2.05 MJ/L, 약 2.1 MJ/L, 약 2.15 MJ/L, 약 2.2 MJ/L, 약 2.25 MJ/L, 약 2.3 MJ/L, 약 2.35 MJ/L, 약 2.4 MJ/L, 약 2.45 MJ/L, 약 2.5 MJ/L, 약 2.55 MJ/L, 약 2.6 MJ/L, 약 2.65 MJ/L, 약 2.7 MJ/L, 약 2.75 MJ/L, 약 2.8 MJ/L, 약 2.85 MJ/L, 약 2.9 MJ/L, 약 2.95 MJ/L, 약 3.0 MJ/L, 약 3.5 MJ/L, 약 4.0 MJ/L, 약 4.5 MJ/L, 또는 약 5.0 MJ/L(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함)보다 클 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)의 에너지 밀도는 약 0.2 MJ/L, 약 0.25 MJ/L, 약 0.3 MJ/L, 약 0.35 MJ/L, 약 0.4 MJ/L, 약 0.45 MJ/L, 약 0.5 MJ/L, 약 0.55 MJ/L, 약 0.6 J/L, 약 0.65 MJ/L, 약 0.7 MJ/L, 약 0.75 MJ/L, 약 0.8 MJ/L, 약 0.85 MJ/L, 약 0.9 MJ/L, 약 0.95 MJ/L, 약 1.0 MJ/L, 약 1.05 MJ/L, 약 1.1 MJ/L, 약 1.15 MJ/L, 약 1.2 MJ/L, 약 1.25 MJ/L, 약 1.3 MJ/L, 약 1.35 MJ/L, 약 1.4 MJ/L, 약 1.45 MJ/L, 약 1.5 MJ/L, 약 1.55 MJ/L, 약 1.6 MJ/L, 약 1.65 MJ/L, 약 1.7 MJ/L, 약 1.75 MJ/L, 약 1.8 MJ/L, 약 1.85 MJ/L, 약 1.9 MJ/L, 약 1.95 MJ/L, 약 2.0 MJ/L, 약 2.05 MJ/L, 약 2.1 MJ/L, 약 2.15 MJ/L, 약 2.2 MJ/L, 약 2.25 MJ/L, 약 2.3 MJ/L, 약 2.35 MJ/L, 약 2.4 MJ/L, 약 2.45 MJ/L, 약 2.5 MJ/L, 약 2.55 MJ/L, 약 2.6 MJ/L, 약 2.65 MJ/L, 약 2.7 MJ/L, 약 2.75 MJ/L, 약 2.8 MJ/L, 약 2.85 MJ/L, 약 2.9 MJ/L, 약 2.95 MJ/L, 약 3.0 MJ/L, 약 3.5 MJ/L, 약 4.0 MJ/L, 약 4.5 MJ/L, 또는 약 5.0 MJ/L(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함)보다 클 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)의 에너지 밀도는 약 0.2 MJ/L, 약 0.25 MJ/L, 약 0.3 MJ/L, 약 0.35 MJ/L, 약 0.4 MJ/L, 약 0.45 MJ/L, 약 0.5 MJ/L, 약 0.55 MJ/L, 약 0.6 J/L, 약 0.65 MJ/L, 약 0.7 MJ/L, 약 0.75 MJ/L, 약 0.8 MJ/L, 약 0.85 MJ/L, 약 0.9 MJ/L, 약 0.95 MJ/L, 약 1.0 MJ/L, 약 1.05 MJ/L, 약 1.1 MJ/L, 약 1.15 MJ/L, 약 1.2 MJ/L, 약 1.25 MJ/L, 약 1.3 MJ/L, 약 1.35 MJ/L, 약 1.4 MJ/L, 약 1.45 MJ/L, 약 1.5 MJ/L, 약 1.55 MJ/L, 약 1.6 MJ/L, 약 1.65 MJ/L, 약 1.7 MJ/L, 약 1.75 MJ/L, 약 1.8 MJ/L, 약 1.85 MJ/L, 약 1.9 MJ/L, 약 1.95 MJ/L, 약 2.0 MJ/L, 약 2.05 MJ/L, 약 2.1 MJ/L, 약 2.15 MJ/L, 약 2.2 MJ/L, 약 2.25 MJ/L, 약 2.3 MJ/L, 약 2.35 MJ/L, 약 2.4 MJ/L, 약 2.45 MJ/L, 약 2.5 MJ/L, 약 2.55 MJ/L, 약 2.6 MJ/L, 약 2.65 MJ/L, 약 2.7 MJ/L, 약 2.75 MJ/L, 약 2.8 MJ/L, 약 2.85 MJ/L, 약 2.9 MJ/L, 약 2.95 MJ/L, 약 3.0 MJ/L, 약 3.5 MJ/L, 약 4.0 MJ/L, 약 4.5 MJ/L, 또는 약 5.0 MJ/L(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함)보다 클 수 있다.
일부 실시예들에서, 조성 구배를 갖는(예를 들어, 제1 전극 물질(112) 및 제2 전극 물질(114)를 포함하는) 애노드(110)의 특정 에너지는 약 0.2 MJ/kg, 약 0.25 MJ/kg, 약 0.3 MJ/kg, 약 0.35 MJ/kg, 약 0.4 MJ/kg, 약 0.45 MJ/kg, 약 0.5 MJ/kg, 약 0.55 MJ/kg, 약 0.6 J/kg, 약 0.65 MJ/kg, 약 0.7 MJ/kg, 약 0.75 MJ/kg, 약 0.8 MJ/kg, 약 0.85 MJ/kg, 약 0.9 MJ/kg, 약 0.95 MJ/kg, 약 1.0 MJ/kg, 약 1.05 MJ/kg, 약 1.1 MJ/kg, 약 1.15 MJ/kg, 약 1.2 MJ/kg, 약 1.25 MJ/kg, 약 1.3 MJ/kg, 약 1.35 MJ/kg, 약 1.4 MJ/kg, 약 1.45 MJ/kg, 또는 약 1.5 MJ/kg(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함)보다 클 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)의 특정 에너지는 약 0.2 MJ/kg, 약 0.25 MJ/kg, 약 0.3 MJ/kg, 약 0.35 MJ/kg, 약 0.4 MJ/kg, 약 0.45 MJ/kg, 약 0.5 MJ/kg, 약 0.55 MJ/kg, 약 0.6 J/kg, 약 0.65 MJ/kg, 약 0.7 MJ/kg, 약 0.75 MJ/kg, 약 0.8 MJ/kg, 약 0.85 MJ/kg, 약 0.9 MJ/kg, 약 0.95 MJ/kg, 약 1.0 MJ/kg, 약 1.05 MJ/kg, 약 1.1 MJ/kg, 약 1.15 MJ/kg, 약 1.2 MJ/kg, 약 1.25 MJ/kg, 약 1.3 MJ/kg, 약 1.35 MJ/kg, 약 1.4 MJ/kg, 약 1.45 MJ/kg, 또는 약 1.5 MJ/kg(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함)보다 클 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)의 특정 에너지는 약 0.2 MJ/kg, 약 0.25 MJ/kg, 약 0.3 MJ/kg, 약 0.35 MJ/kg, 약 0.4 MJ/kg, 약 0.45 MJ/kg, 약 0.5 MJ/kg, 약 0.55 MJ/kg, 약 0.6 J/kg, 약 0.65 MJ/kg, 약 0.7 MJ/kg, 약 0.75 MJ/kg, 약 0.8 MJ/kg, 약 0.85 MJ/kg, 약 0.9 MJ/kg, 약 0.95 MJ/kg, 약 1.0 MJ/kg, 약 1.05 MJ/kg, 약 1.1 MJ/kg, 약 1.15 MJ/kg, 약 1.2 MJ/kg, 약 1.25 MJ/kg, 약 1.3 MJ/kg, 약 1.35 MJ/kg, 약 1.4 MJ/kg, 약 1.45 MJ/kg, 또는 약 1.5 MJ/kg(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함)보다 클 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112)은 고용량 애노드 물질의 부피가 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 또는 약 100%를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 바인더를 포함하거나 포함하지 않는 탄소, 흑연 또는 기타 활성 물질과 결합된 고용량 애노드 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 고용량 애노드 물질의 부피가 약 60% 미만, 약 55% 미만, 약 50% 미만, 약 45% 미만, 약 40% 미만, 약 35% 미만, 약 30% 미만, 약 25% 미만, 약 20% 미만, 약 15% 미만, 약 10% 미만, 또는 약 5% 미만을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)은 실질적으로 고용량 물질이 없을 수 있다.
상기에 설명된 바와 같이, 애노드(110)는 두 개의 서로 다른 애노드 물질의 층을 포함한다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 대안으로 둘 이상의 상이한 캐소드 물질의 층을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112) 및/또는 제2 전극 물질(114)은 리튬-이온 배터리에서 캐소드로 사용될 수 있는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 전기화학 셀에 사용될 수 있는 캐소드 물질의 예는 상기 참조로 포함된 '159 특허에 설명되어 있다.
일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(114)의 고용량 애노드 물질의 부피 백분율은 제1 전극 물질(112)의 고용량 애노드 물질의 부피 백분율보다 약 10-80% 작을 수 있다.
일부 실시예들에서, 조성 구배를 갖는(예를 들어, 제1 전극 물질(112) 및 제2 전극 물질(114)를 포함하는) 완료된 애노드(110)의 사이클 수명은 약 200 충전/방전 사이클 초과, 약 250 사이클 초과, 약 300 사이클 초과, 약 350 사이클 초과, 약 400 사이클 초과, 약 450 사이클 초과, 약 500 사이클 초과, 약 550 사이클 초과, 약 600 사이클 초과, 약 650 사이클 초과, 약 700 사이클 초과, 약 750 사이클 초과, 약 800 사이클 초과, 약 850 사이클 초과, 약 900 사이클 초과, 약 950 사이클 초과, 약 1,000 사이클 초과, 약 1,050 사이클 초과, 약 1,100 사이클 초과, 약 1,250 사이클 초과, 약 1,300 사이클 초과, 약 1,350 사이클 초과, 약 1,400 사이클 초과, 약 1,450 사이클 초과, 약 1,500 사이클 초과, 약 1,550 사이클 초과, 약 1,600 사이클 초과, 약 1,650 사이클 초과, 약 1,700 사이클 초과, 약 1,750 사이클 초과, 약 1,800 사이클 초과, 약 1,850 사이클 초과, 약 1,900 사이클 초과, 약 1,950 사이클 초과, 약 2,000 사이클 초과, 약 2,500 사이클 초과, 약 3,000 사이클 초과, 약 5,000 사이클 초과, 또는 약 10,000 사이클 초과일 수 있다.
일부 실시예들에서, 조성 구배를 갖는 전극을 포함하는(예를 들어, 제1 전극 물질(112) 및 제2 전극 물질(114)을 포함하는) 전기화학 셀의 충전율은 1C의 레이트에서 전극 물질 100g당 약 5시간 미만, 약 4.5시간 미만, 약 3시간 미만, 약 3시간 미만, 약 2.5시간 미만, 약 2시간 미만, 약 1.5시간 미만 또는 약 1시간 미만(이들 사이의 모든 값과 범위 포함)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 반고체 전극 제2 전극 물질(114) 및 통상적인(즉, "건조") 제1 전극 물질(112)을 갖는 것은 일반적으로 통상적인 배터리 제조 공정의 마지막 단계인 전해질 충전 공정을 피할 수 있다. 이는 또한 제2 전극 물질(114)에 존재하는 전해질이 제1 전극 물질(112)을 포화시키도록 함으로써 제1 전극 물질(112)에 더 높은 로딩을 초래할 수 있다.
일반적으로, 리튬-이온 배터리에 사용되는 캐소드의 캐소드 집전체(140)는 전도성 탄소로 코팅된 알루미늄으로 만들어진다. 전도성 탄소 코팅은 전기 전도율을 향상시키고 캐소드 집전체(140)의 기계적 강도를 증가시켜, 캐소드 집전체(140)의 균열 가능성을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 제1 캐소드 물질 및 제2 캐소드 물질(미도시)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 캐소드 물질은 전도성 탄소층 대신에 베어(bare) 알루미늄 집전체 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 캐소드 물질은 상술한 바와 같이 애노드(110)와 동일한 방법을 통해 제조 및/또는 증착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 캐소드 물질은 상술한 바와 같이 애노드(110)의 제1 전극 물질(112)의 두께와 동일하거나 유사한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 캐소드 물질은 반고체 캐소드일 수 있고 상술한 바와 같이 애노드에서와 동일한 방법을 통해 증착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 캐소드 물질은 상술한 바와 같이 애노드의 제2 전극 물질(114)의 두께와 유사한 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 '159 특허에 기술된 것과 동일하거나 실질적으로 유사한 반고체 전극 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 기존 캐소드(예를 들어, 고체 캐소드)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 올리빈계 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(110)는 100% 충전 상태(state-of-charge; SOC)에 가까운 편평하거나 실질적으로 편평한 전압 프로파일을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 100% 충전 상태(SOC)에 가까운 편평하거나 실질적으로 편평한 전압 프로파일을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide; NMC) 물질 위에 평평한 전압층을 사용하면 NMC 물질의 과전압을 줄일 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 적어도 약 30㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 적어도 약 100 ㎛, 적어도 약 150 ㎛, 적어도 약 200 ㎛, 적어도 약 250 ㎛, 적어도 약 300 ㎛, 적어도 약 350 ㎛, 적어도 약 400 ㎛, 적어도 약 450 ㎛, 적어도 약 500 ㎛, 적어도 약 600 ㎛, 적어도 약 700 ㎛, 적어도 약 800 ㎛, 적어도 약 900 ㎛, 적어도 약 1,000 ㎛, 적어도 약 1,500 ㎛, 및 최대 약 2,000 ㎛의 두께를 갖는(이들 사이의 모든 두께를 포함) 반고체 전극을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 약 3% 미만 또는 약 5% 미만의 다공성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 약 20% 내지 약 25% 사이, 약 25% 내지 약 30% 사이, 약 30% 내지 약 35% 사이, 약 35% 내지 약 40% 사이, 약 40% 내지 약 45% 사이, 약 45% 내지 약 50% 사이, 약 50% 내지 약 55% 사이, 또는 약 55% 내지 약 60% 사이의 다공성을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 NMC 캐소드일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 NMC 반고체 캐소드일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 리튬 망간 철 인산염(lithium manganese iron phosphate; LMFP) 전극을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 분리막(150)은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 셀룰로오스 물질, 임의의 다른 적합한 폴리머 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리막(150)은 '701 공보에 기술된 것과 동일하거나 실질적으로 유사한 이온 투과성 멤브레인 분리막일 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리막(150)은 기존 분리막일 수 있다.
도시된 바와 같이, 코팅층(155)은 애노드(110)(즉, 애노드 측)에 인접한 분리막(150)의 일 면에 배치된다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 캐소드(130)(즉, 캐소드 측)에 인접한 분리막(150)의 일 면에 배치된다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 분리막(150)의 애노드 측과 캐소드 측 모두에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 경질 탄소, 연질 탄소, 비정질 탄소, 흑연질 경질 탄소 혼합물 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 NMC를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 리튬 망간 철 인산염(LMFP)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 리튬 철 인산염(lithium iron phosphate; LFP)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 리튬 망간 산화물(lithium manganese oxide; LMO)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 망간으로 도핑된 리튬 니켈 이산화물(lithium nickel dioxide; LNO)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)에 LMFP를 포함하는 것은 코팅층(155)에 인접한 NMC 전극의 표면 상에 고전압에 양보할 수 있고 NMC 물질에서의 과전압 손실을 방지할 수 있다.
코팅층(155)의 바인더는 이온(예를 들어, 리튬 이온)의 확산을 방해하고 코팅층(155)의 비틀림을 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 바인더가 없거나 실질적으로 없을 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 약 5 부피% 미만, 약 4 부피% 미만, 약 3 부피% 미만, 약 2 부피% 미만 또는 약 1 부피% 미만의 바인더를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 전기 활성 종의 이동에 대한 물리적 장벽으로 작용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 전기 활성 종과 화학적으로 반응할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 전기화학 저장 매체로 작동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층에 인접한 제2 전극 물질(114)에 반고체 전극 물질을 사용하면 제2 전극 물질(114)에 종래의 전극 물질을 사용하는 것과 비교하여 감소된 과전압 손실을 가질 수 있다. 기존의 전극 물질은 종종 바인더와 혼합되고, 건조되고, 캘린더링된다. 바인더는 제2 전극 물질(114)과 코팅층(155) 사이의 계면에 모일 수 있다. 이는 제2 전극 물질(114)과 코팅층(155) 사이의 이온 전달에 비효율성을 야기할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 덴드라이트 형성이 방지될 수 있도록 코팅 물질(155)에 인접한 전극보다 더 높은 전압 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅층(155)이 애노드(110)에 인접하게 배치되고 애노드(110)가 흑연으로 구성되는 경우, 코팅층(155)은 흑연보다 더 높은 전압 물질을 포함할 수 있다. 코팅층(155)에 고전압 물질을 포함하면 이온을 코팅층(155) 쪽으로 끌어당겨 이온이 덴드라이트를 형성하고 잠재적으로 단락 이벤트를 유발하는 것을 방지할 수 있다. 반고체 전극 물질(예를 들어, '159 특허에 설명된 반고체 전극 물질)을 사용하면 전극 물질(114)와 코팅층(155) 사이의 계면에서 바인더 물질이 축적되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 감소된 축적은 전기화학 셀(100)에서 과전압 손실을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅층(155)의 통합은 전기화학 셀(100)의 방전율에 대한 임의의 변화에 불균형적으로 전기화학 셀(100)의 충전율을 향상시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)의 통합은 전기화학 셀(100)의 방전율을 크게 변화시키지 않으면서 전기화학 셀(100)의 충전율을 향상시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)의 통합은 전기화학 셀(100)의 충전율을 크게 변경하지 않고 전기화학 셀(100)의 방전율을 향상시킬 수 있다. 불균형 충전 및 방전의 일 예는 랩탑 배터리에서 확인될 수 있으며, 이는 종종 약 6-8시간 동안 방전되지만(즉, 약 C/8-C/6의 방전율) 약 1시간 동안 충전된다(즉, 약 1C의 충전율). 일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 전기화학 셀(100)의 충전율보다 낮은 레이트로 방전될 때 충전 용량과 동일하거나 실질적으로 유사한 방전 용량을 얻을 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 전기화학 셀(100)의 충전율보다 높은 레이트로 방전될 때 충전 용량과 동일하거나 실질적으로 유사한 방전 용량을 얻을 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 적어도 약 C/10, 적어도 약 C/9, 적어도 약 C/8, 적어도 약 C/7, 적어도 약 C/6, 적어도 약 C/5, 적어도 약 C/4, 적어도 약 C/3, 적어도 약 C/2, 적어도 약 1C, 적어도 약 2C, 적어도 약 3C, 적어도 약 4C, 적어도 약 5C, 적어도 약 6C, 적어도 약 7C, 적어도 약 8C, 또는 적어도 약 9C의 C-레이트로 충전될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 약 10C 이하, 약 9C 이하,약 8C 이하, 약 7C 이하, 약 6C 이하, 약 5C 이하, 약 4C 이하, 약 3C 이하, 약 2C 이하, 약 1C 이하, 약 C/2 이하, 약 C/3 이하, 약 C/4 이하, 약 C/5 이하, 약 C/6 이하, 약 C/7 이하, 약 C/8 이하, 또는 약 C/9 이하의 C-레이트로 충전될 수 있다. 충전을 위한 상기 언급된 C-레이트의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 적어도 약 C/10 내지 약 10C 이하 또는 적어도 약 C/5 내지 약 1C 이하)(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함). 일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 약 C/10, 약 C/9, 약 C/8, 약 C/7, 약 C/6, 약 C/5, 약 C/4, 약 C/3, 약 C/2, 약 1C, 약 2C, 약 3C, 약 4C, 약 5C, 약 6C, 약 7C, 약 8C, 약 9C, 또는 약 10C의 C-레이트로 충전될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 적어도 약 C/20, 적어도 약 C/19, 적어도 약 C/18, 적어도 약 C/17, 적어도 약 C/16, 적어도 약 C/15, 적어도 약 C/14, 적어도 약 C/13, 적어도 약 C/12, 적어도 약 C/11, 적어도 약 C/10, 적어도 약 C/9, 적어도 약 C/8, 적어도 약 C/7, 적어도 약 C/6, 적어도 약 C/5, 적어도 약 C/4, 적어도 약 C/3, 적어도 약 C/2, 적어도 약 1C, 적어도 약 2C, 적어도 약 3C, 또는 적어도 약 4C의 C-레이트로 방전될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 약 5C 이하, 약 4C 이하, 약 3C 이하, 약 2C 이하, 약 1C 이하, 약 C/2 이하, 약 C/3 이하, 약 C/4 이하, 약 C/5 이하, 약 C/6 이하, 약 C/7 이하, 약 C/8 이하, 약 C/9 이하, 약 C/10 이하, 약 C/11 이하, 약 C/12 이하, 약 C/13 이하, 약 C/14 이하, 약 C/15 이하, 약 C/16 이하, 약 C/17 이하, 약 C/18 이하, 또는 약 C/19 이하의 C-레이트로 방전될 수 있다. 방전을 위한 상기 언급된 C-레이트의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 적어도 약 C/20 내지 약 5C 이하 또는 적어도 약 C/5 내지 약 1C 이하)(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함). 일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 약 C/20, 약 C/19, 약 C/18, 약 C/17, 약 C/16, 약 C/15, 약 C/14, 약 C/13, 약 C/12, 약 C/11, 약 C/10, 약 C/9, 약 C/8, 약 C/7, 약 C/6, 약 C/5, 약 C/4, 약 C/3, 약 C/2, 약 1C, 약 2C, 약 3C, 약 4C, 또는 약 5C의 C-레이트로 방전될 수 있다.
일부 실시예들에서, 분리막(150)의 애노드 측에 배치될 때, 코팅층(155)은 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 ㎛, 적어도 약 2 ㎛, 적어도 약 3 ㎛, 적어도 약 4 ㎛, 적어도 약 5 ㎛, 적어도 약 6 ㎛, 적어도 약 7 ㎛, 적어도 약 8 ㎛, 적어도 약 9 ㎛, 적어도 약 10 ㎛, 적어도 약 11 ㎛, 적어도 약 12 ㎛, 적어도 약 13 ㎛, 적어도 약 14 ㎛, 적어도 약 15 ㎛, 적어도 약 16 ㎛, 적어도 약 17 ㎛, 적어도 약 18 ㎛, 또는 적어도 약 19 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리막(150)의 애노드 측 상에 배치될 때, 코팅층(155)은 약 20 ㎛ 이하, 약 19 ㎛ 이하, 약 18 ㎛ 이하, 약 17 ㎛ 이하, 약 16 ㎛ 이하, 약 15 ㎛ 이하, 약 14 ㎛ 이하, 약 13 ㎛ 이하, 약 12 ㎛ 이하, 약 11 ㎛ 이하, 약 10 ㎛ 이하, 약 9 ㎛ 이하, 약 8 ㎛ 이하, 약 7 ㎛ 이하, 약 6 ㎛ 이하, 약 5 ㎛ 이하, 약 4 ㎛ 이하, 약 3 ㎛ 이하, 약 2 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 또는 약 200 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 코팅층(155)의 상기 언급된 두께의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 적어도 약 100 nm 내지 약 20 ㎛ 이하 또는 적어도 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛ 이하)(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함). 일부 실시예들에서, 분리막(150)의 애노드 측 상에 배치될 때, 코팅층(155)은 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛, 약 10 ㎛, 약 11 ㎛, 약 12 ㎛, 약 13 ㎛, 약 14 ㎛, 약 15 ㎛, 약 16 ㎛, 약 17 ㎛, 약 18 ㎛, 약 19 ㎛, 또는 약 20 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 분리막(150)의 캐소드 측 상에 배치될 때, 코팅층(155)은 적어도 약 10 nm, 적어도 약 20 nm, 적어도 약 30 nm, 적어도 약 40 nm, 적어도 약 50 nm, 적어도 약 60 nm, 적어도 약 70 nm, 적어도 약 80 nm, 적어도 약 90 nm, 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 ㎛, 적어도 약 1.1 ㎛, 적어도 약 1.2 ㎛, 적어도 약 1.3 ㎛, 적어도 약 1.4 ㎛, 적어도 약 1.5 ㎛, 적어도 약 1.6 ㎛, 적어도 약 1.7 ㎛, 적어도 약 1.8 ㎛, 또는 적어도 약 1.9 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리막(150)의 캐소드 측 상에 배치될 때, 코팅층(155)은 약 2 ㎛ 이하, 약 1.9 ㎛ 이하, 약 1.8 ㎛ 이하, 약 1.7 ㎛ 이하, 약 1.6 ㎛ 이하, 약 1.5 ㎛ 이하, 약 1.4 ㎛ 이하, 약 1.3 ㎛ 이하, 약 1.2 ㎛ 이하, 약 1.1 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 약 200 nm 이하, 약 100 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 또는 약 20 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 코팅층(155)의 상기 언급된 두께의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 적어도 약 10 nm 내지 약 2 ㎛ 이하 또는 적어도 약 200 nm 내지 약 1.5 ㎛ 이하)(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함). 일부 실시예들에서, 분리막(150)의 캐소드 측 상에 배치될 때, 코팅층(155)은 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm, 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 ㎛, 약 1.1 ㎛, 약 1.2 ㎛, 약 1.3 ㎛, 약 1.4 ㎛, 약 1.5 ㎛, 약 1.6 ㎛, 약 1.7 ㎛, 약 1.8 ㎛, 약 1.9 ㎛, 또는 약 2 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 적어도 약 1.2 g/cc, 적어도 약 1.3 g/cc, 적어도 약 1.4 g/cc, 적어도 약 1.5 g/cc, 적어도 약 1.6 g/cc, 적어도 약 1.7 g/cc, 적어도 약 1.8 g/cc, 또는 적어도 약 1.9 g/cc의 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 약 2 g/cc 이하, 약 1.9 g/cc 이하, 약 1.8 g/cc 이하, 약 1.7 g/cc 이하, 약 1.6 g/cc 이하, 약 1.5 g/cc 이하, 약 1.4 g/cc 이하, 또는 약 1.3 g/cc 이하의 밀도를 가질 수 있다. 코팅층(155)의 상기 언급된 밀도의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 적어도 약 1.2 g/cc 내지 약 2 g/cc 이하 또는 적어도 약 1.3 g/cc 내지 약 2 g/cc 이하)(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함). 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 약 1.2 g/cc, 약 1.3 g/cc, 약 1.4 g/cc, 약 1.5 g/cc, 약 1.6 g/cc, 약 1.7 g/cc, 약 1.8 g/cc, 약 1.9 g/cc, 또는 약 2 g/cc의 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 적어도 약 10 nm, 적어도 약 20 nm, 적어도 약 30 nm, 적어도 약 40 nm, 적어도 약 50 nm, 적어도 약 60 nm, 적어도 약 70 nm, 적어도 약 80 nm, 적어도 약 90 nm, 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 ㎛, 적어도 약 2 ㎛, 적어도 약 3 ㎛, 적어도 약 4 ㎛, 적어도 약 5 ㎛, 적어도 약 6 ㎛, 적어도 약 7 ㎛, 적어도 약 8 ㎛, 적어도 약 9 ㎛, 적어도 약 10 ㎛, 적어도 약 11 ㎛, 적어도 약 12 ㎛, 적어도 약 13 ㎛, 적어도 약 14 ㎛, 적어도 약 15 ㎛, 적어도 약 16 ㎛, 적어도 약 17 ㎛, 적어도 약 18 ㎛, 또는 적어도 약 19 ㎛의 평균 입자 크기(즉, D50)를 갖는 입자를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 약 20 ㎛ 이하, 약 19 ㎛ 이하, 약 18 ㎛ 이하, 약 17 ㎛ 이하, 약 16 ㎛ 이하, 약 15 ㎛ 이하, 약 14 ㎛ 이하, 약 13 ㎛ 이하, 약 12 ㎛ 이하, 약 11 ㎛ 이하, 약 10 ㎛ 이하, 약 9 ㎛ 이하, 약 8 ㎛ 이하, 약 7 ㎛ 이하, 약 6 ㎛ 이하, 약 5 ㎛ 이하, 약 4 ㎛ 이하, 약 3 ㎛ 이하, 약 2 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 또는 약 200 nm 이하, 약 100 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 또는 약 20 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 입자를 포함할 수 있다.
상기 언급된 입자 크기의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 적어도 약 10 nm 내지 약 20 ㎛ 이하 또는 적어도 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛ 이하)(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함). 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm, 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛, 약 10 ㎛, 약 11 ㎛, 약 12 ㎛, 약 13 ㎛, 약 14 ㎛, 약 15 ㎛, 약 16 ㎛, 약 17 ㎛, 약 18 ㎛, 약 19 ㎛, 또는 약 20 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 입자를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 적어도 약 20 vol%, 적어도 약 25 vol%, 적어도 약 30 vol%, 적어도 약 35 vol%, 적어도 약 40 vol%, 적어도 약 45 vol%, 적어도 약 50 vol%, 적어도 약 55 vol%, 적어도 약 60 vol%, 적어도 약 65 vol%, 적어도 약 70 vol%, 적어도 약 75 vol%, 적어도 약 80 vol%, 또는 적어도 약 85 vol%의 입자 하중 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 약 90 vol% 이하, 약 85 vol% 이하, 약 80 vol% 이하, 약 75 vol% 이하, 약 70 vol% 이하, 약 65 vol% 이하, 약 60 vol% 이하, 약 55 vol% 이하, 약 50 vol% 이하, 약 45 vol% 이하, 약 40 vol% 이하, 약 35 vol% 이하, 약 30 vol% 이하, 또는 약 25 vol% 이하의 입자 하중 밀도를 가질 수 있다. 상기 언급된 입자 하중 밀도의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 적어도 약 20 vol% 내지 약 90 vol% 이하 또는 적어도 30 vol% 내지 약 60 vol% 이하)(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함). 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 약 20 vol%, 약 25 vol%, 약 30 vol%, 약 35 vol%, 약 40 vol%, 약 45 vol%, 약 50 vol%, 약 55 vol%, 약 60 vol%, 약 65 vol%, 약 70 vol%, 약 75 vol%, 약 80 vol%, 약 85 vol%, 또는 약 90 vol%의 입자 하중 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 기상 증착 공정, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 원자층 증착, 전사 필름 증착, 슬롯 다이 코팅, 그라비어 코팅, 금속-유기 화학 기상 증착, 질소-플라즈마 보조 증착, 스퍼터 증착, 반응성 스퍼터 증착, 스패터링(spattering), 용융 억제(melt quenching), 기계적 밀링, 스프레잉, 냉간 스프레이 공정, 플라즈마 증착 공정, 전기화학적 증착, 졸-겔 공정 또는 이들의 임의의 조합을 통해 분리막(150)에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 열/냉간 압착 공정을 포함하거나 포함하지 않는 액상 코팅 공정, 압출 공정을 통해 분리막(150)에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 주조, 캘레더링(caledering), 드롭 코팅, 압착, 롤 프레싱, 캘린더링(calendering), 테이프 주조 또는 이들의 임의의 조합을 통해 분리막에 도포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(155)은 '351 공보 및/또는 '705 공보에 기술된 방법 중 어느 하나를 통해 분리막(150)에 도포될 수 있다.
도시된 바와 같이, 애노드(110)는 제1 전극 물질(112) 및 제2 전극 물질(114)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드(110)는 단일 전극 물질을 포함할 수 있다. 즉, 애노드(110)는 전극 물질의 단일 층일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(110)는 반고체 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(110)는 기존 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(110)는 단일 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(110)는 흑연 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(110)는 반고체 흑연 전극일 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 단일 전극 물질을 포함할 수 있다. 즉, 캐소드(130)는 전극 물질의 단일 층일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 반고체 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 기존 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130)는 고체 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(110)은 NMC(811)를 포함할 수 있다.
전리튬화(Pre-Lithiation)
많은 전극, 예를 들어 리튬-이온 전극, 특히 애노드는 배터리 형성 단계(즉, 전극을 포함하는 전기화학 셀의 충전 및 방전을 포함하는 초기 사이클링 단계)에서 비가역적인 용량 손실을 겪을 수 있다. 비가역적인 용량 손실은 리튬 이온을 고체-전해질 계면(SEI) 층 형성에 사용하는, 애노드에 의한 캐소드 활성 물질로부터 리튬 이온의 소비로 인해 발생할 수 있다. 소비된 리튬의 이 양은 전하 저장에서 후속 사용을 위해 사용할 수 없게 되므로, 바람직하지 않고 비가역적인 용량 손실을 나타낸다. 더욱이, 이러한 비가역적 용량 손실은 애노드 물질에 비가역적으로 포획된 리튬 이온으로 인해 애노드의 부피 팽창이 수반될 수 있다. 이러한 부피 팽창 문제는 흑연과 같은 기존 물질과 비교하여, 고용량 애노드 물질은 더 많은 양의 리튬을 통합(및 더 높은 에너지 셀 설계를 가능하게 함)할 수 있으므로, 고용량 애노드 물질(예를 들어, 실리콘 또는 주석)을 반고체 애노드 제제에 포함하는 반고체 애노드에서 악화된다. 예를 들어, 흑연은 탄소 원자 6개당 약 1개의 리튬 원자를 통합할 수 있는 반면, 실리콘은 이론적으로 모든 실리콘 원자당 약 4.4개의 리튬 원자를 통합할 수 있다.
이러한 더 높은 용량은 기존의 전기화학 셀에 비해 단위 면적당 훨씬 더 높은 충전 용량을 갖는 전기화학 셀의 형성을 허용할 수 있지만, 통합된 리튬 이온의 수가 많을수록 또한 고용량 물질을 포함하는 반고체 애노드가 캐소드에서 더 많은 리튬을 소비하여 SEI 층을 형성하여, 훨씬 더 큰 비가역 용량을 초래한다는 것을 의미한다. 또한, 실리콘은 리튬 이온이 실리콘 원자에 통합되어 있기 대문에 상당한 부피 팽창을 경험한다. 반복되는 부피 변화(즉, 팽창 및/또는 수축)는 충전 용량에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 전기화학 셀의 수명을 단축시킬 수 있는 비가역적인 기계적 손상을 일으킬 수 있다. 실리콘 전극의 응력 및 모폴로지에 대한 리튬화의 효과에 대한 추가 설명은 V. Sethuraman, 등에 의한 "In situ Measurements of Stress Evolution in Silicon Thin Films during Electrochemical Lithiation and Delithiation", Journal of Power Sources 195 (2010) 5062-5066에서 확인될 수 있으며, 그 내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
일부 실시예들에서, 본원에 기술된 전극은 전리튬화된 전극, 예를 들어 반고체 전극 물질의 혼합 동안 전리튬화된 전극 또는 전극 어셈블리 동안 전리튬화된 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 전리튬화는 전기화학 셀 형성 전에 그리고 제1 충전/방전 사이클이 완료되기 전에 전극에 SEI 층을 형성하는 데 도움이 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극의 전리튬화는 애노드의 전리튬화일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전리튬화는 리튬 이온이 배터리 형성 공정에서 보다 쉽고 더 빨리 애노드 활성 물질에 의해 저장되도록 리튬 함유 물질을 애노드에 배치함으로써 수행될 수 있다.
일부 실시예들에서, 분리막에 코팅층을 추가하면 제1 사이클 동안 더 큰 초기 용량 손실을 야기할 수 있다. 이는 전기 활성 종이 초기 사이클 동안 마이그레이션할 수 있는 추가 부위로 인해 발생할 수 있다. 전기화학 셀의 전리튬화는 초기 용량 손실을 완화하는 데 도움이 될 수 있다.
도 2는 애노드 집전체(220) 상에 배치된 애노드(210)를 포함하는 전기화학 셀(200)의 개략도이다. 애노드(210)는 제1 전극 물질(212), 제2 전극 물질(214) 및 리튬 함유 물질(216)을 포함한다. 전기화학 셀(200)은 캐소드 집전체(240) 위에 배치된 캐소드(230) 및 애노드(210)와 캐소드(230) 사이에 배치된 분리막(250)을 더 포함한다. 분리막(250) 위에 코팅층(255)이 배치된다.
일부 실시예들에서, 애노드(210), 제1 전극 물질(212), 제2 전극 물질(214), 애노드 집전체(220), 캐소드(230), 캐소드 집전체(240), 분리막(250) 및 코팅층(255)은 애노드(110), 제1 전극 물질(112), 제2 전극 물질(114), 애노드 집전체(120), 캐소드(130), 캐소드 집전체(140), 분리막(150) 및 코팅층(155)과 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드(210), 제1 전극 물질(212), 제2 전극 물질(214), 애노드 집전체(220), 캐소드(230), 캐소드 집전체(240), 분리막(250) 및 코팅층(255)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다.
일부 실시예들에서, 본원에 기술된 전극 물질은 애노드(210)의 제조 동안 및 전기화학 셀(200)의 형성 전에 리튬 함유 물질(216)로 전리튬화될 수 있으며, 이로써 상기에 논의된 비가역적 용량 손실 및 부피 팽창 문제를 적어도 부분적으로 극복할 수 있다. 본원에 기술된 반고체 전극 물질은 리튬 함유 물질을 반고체 전극 물질에 혼합할 수 있게 한다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 이는 본원에 기술된 반고체 전극 물질이 반고체 전극 조성에 혼합된 전해질을 포함하기 때문에 가능할 수 있다. 전해질은 리튬 함유 물질(216)에 의해 제공된 리튬 이온이 반고체 전극 물질에 포함된 활성 물질, 특히 반고체 애노드 물질에 포함된 활성 물질(예를 들어, 흑연) 또는 고용량 물질(예를 들어, 실리콘 또는 주석)과 상호 작용하는 매질을 제공한다. 이는 혼합 단계 동안 SEI 층이 형성되도록 하여, 이러한 애노드(210)가 전기화학 셀에서 제2 전극(도시되지 않음; 예를 들어 캐소드)과 쌍을 이룰 때, 제2 전극으로부터의 리튬 이온은 애노드(210)에 SEI 층을 형성하는 데 사용되지 않도록 한다. 달리 말하면, 전리튬화 때문에, 제2 전극(예를 들어, 캐소드)으로부터의 리튬 이온은 애노드(210)에서 비가역적 용량 손실에 기여하지 않는다. 일부 실시예들에서, 제2 전극으로부터의 리튬 이온은 애노드(210)에서 비가역적 용량 손실에 기여하지 않기 때문에, 이는 캐소드(230)가 전기화학 셀 형성 후에 초기 용량을 유지하도록 할 수 있다. 더욱이, 애노드(210)에 포함된 전해질은 또한 주변 환경(예를 들어, 주변 환경의 수분 또는 습기)으로부터 리튬 함유 물질(216)을 보호할 수 있고, 이에 따라 리튬 함유 물질(216)이 혼합 공정 동안 안정적으로 유지되도록 한다.
일부 실시예들에서, 전리튬화는 애노드(210)의 제조 동안 일부 시점에서 리튬 함유 물질(216)을 애노드(210)에 배치함으로써 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 리튬 함유 물질(216)은 제1 전극 물질(212)과 제2 전극 물질(214) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 리튬 함유 물질(216)은 애노드 집전체(220)와 제1 전극 물질(212) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 리튬 함유 물질(216)은 제2 전극 물질(214)과 후속 배치된 전극 물질 층(미도시) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 리튬 함유 물질(216)은 제2 전극 물질(214)과 분리막(250) 사이에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 리튬 함유 물질(216)은, 이에 제한되는 것은 아니나, 시트, 슬러리, 현탁액, 복수의 입자, 분말, 합금 용액 및 이들의 조합을 포함하는, 임의의 적합한 폼 팩터에 따라 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 리튬 함유 물질(216)은 리튬 금속 및 바인더를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 리튬 함유 물질(216)은 추가로 탄소질(예를 들어, 흑연질) 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 리튬 함유 물질(216)은 초기에 전극 물질의 건조 동안 제거되는 용매를 포함할 수 있다.
본원에 기술된 반고체 전극의 전리튬화에 의해 제공되는 또 다른 이점은 애노드가 캐소드와 쌍을 이루기 전에 완전히 충전되도록 전리튬화될 수 있다는 것이다. 따라서, 이는 애노드에 SEI 층을 형성하기 위해 어떠한 사용 가능한 리튬도 포함하지 않는 캐소드의 사용을 가능하게 한다. 따라서, 리튬 금속 대신 탄소계 애노드 물질이 사용되어 사이클 안정성과 안전성이 향상될 수 있다. 또한, 애노드에 포함된 고용량 물질로의 리튬 이온의 삽입(intercalation)은 혼합 단계 동안 발생할 수 있으며, 이는 혼합 단계 동안 고용량 물질의 임의의 팽창을 허용한다. 다른 방식으로 말하면, 전리튬화는 반고체 애노드가 전기화학 셀 형성 및 후속 충전/방전 사이클 동안 덜 팽창하도록 반고체 애노드를 사전 팽창할 수 있다. 이러한 방식으로, 반고체 애노드 팽창으로 인한 전기화학 셀에 대한 물리적 손상이 실질적으로 감소되거나 특정 경우 제거될 수 있다. 따라서, 이러한 전리튬화된 반고체 애노드를 포함하는 전기화학 셀은 전리튬화되지 않은 애노드(예를 들어, 반고체 애노드)에 비해 실질적으로 더 높은 기계적 안정성과 더 긴 수명을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 추가 전해질은 전리튬화 공정 이후 또는 도중에 추가될 수 있다. 전리튬화 시, SEI를 생성하기 위해 전해질이 소비되며, 추가 전해질은 전극에서 국소적으로 전해질 없이 전극을 감소시킬 것이다.
전극의 전리튬화를 위한 장치, 방법 및 시스템의 추가 예는 2015년 11월 3일자로 출원된, "Pre-Lithiation of Electrode Materials in a Semi-Solid Electrode"이라는 명칭의 미국 특허 공보 번호 제2016/0126543호("'543 공보")에서 확인될 수 있으며, 이는 그 전체 내용이 본원에 참조로서 통합된다.
도시된 바와 같이, 애노드(210)는 리튬 함유 물질을 갖는 다층 전극으로 도시된다. 일부 실시예들에서, 캐소드(230)는 리튬 함유 물질을 갖는 다층 전극일 수 있다.
고용량 물질
일부 실시예들에서, 더 높은 에너지 밀도 및 용량은 예를 들어 애노드 및/또는 캐소드에 사용되는 물질의 개선 및/또는 애노드/캐소드의 두께 증가(즉, 비활성 물질에 대한 활성 물질의 더 높은 비율)에 의해 달성될 수 있다. 소비자 전자 장치용 애노드에 사용되는 최신 물질 중 하나는 고용량 및 저전압으로 인해 예를 들어 실리콘(Si), 주석(Sn), 실리콘 합금 또는 주석 합금이다. 일반적으로, 이 고용량 활성 물질은 높은 제1 전하 용량 및 관련 제1 전하 불가역적 용량으로 인해 흑연과 혼합된다. 실리콘은 제1 충전 이론 용량은 4,200mAh/g이고 불가역적 용량은 300mAh/g 이상이다. 따라서, Si를 이용하는 일반적인 애노드는 비가역적 용량을 줄이기 위해 실리콘과 흑연의 혼합물을 포함한다. 또한, 실리콘은 리튬 삽입 동안 매우 큰 부피 변화를 겪어 물질의 부피가 300% 이상 증가한다. 이 큰 부피 팽창을 제한하기 위해, 현재 고용량 애노드는 애노드 혼합물에서 10-20% 사이의 실리콘을 사용하여 전체 용량이 약 700 내지 4,200mAh/g인 애노드를 생성한다.
종래의 캐소드 조성은 약 150-200 mAh/g의 용량을 가지며, 고속 롤-투-롤 캘린더링 공정을 사용하여 제조된 종래의 전극은 이들이 약 200 ㎛보다 두껍게 만들어지는 경우 편평한 집전체로부터 박리되는 경향이 있기 때문에 200 ㎛보다 두껍게 만들어질 수 없다. 추가로, 더 두꺼운 전극은 더 높은 셀 임피던스를 가지며, 이는 에너지 효율을 감소시킨다(예를 들어, Yu 등의 "Effect of electrode parameters on LiFePO4 cathodes", J. Electrochem. Soc. Vol. 153, A835-A839 (2006)에 설명되어 있음). 따라서, 기존의 캐소드에 고용량 애노드를 일치시키기 위해, 현재의 첨단 배터리는 애노드의 두께를 줄이는 데 초점을 맞추고 있다. 예를 들어, 두께가 약 40-50㎛이고 심지어 더 얇은 애노드가 개발되고 있다. 이러한 애노드 물질의 이러한 얇은 코팅은 단일 흑연 입자의 두께 수준에 접근하기 시작한다. 기존 코팅 공정의 두께 제한 및 관련 부하 밀도로 인해 고에너지 애노드에서 사용할 수 있는 고용량을 최대한 활용하는 배터리 개발을 방해했다.
고용량 물질이 예를 들어 애노드(110) 또는 애노드(210)에 혼입될 때, 동작 중 관련 스웰링(swelling)은 전극 및 이에 포함된 전기화학 셀에 손상을 일으킬 수 있다. 그러나, 전극에서 고용량 물질과 함께 본원에 기술된 반고체 전극 무질을 사용하는 놀랍고 예상치 못한 결과는 전극이 고용량 물질의 스웰링으로 인한 손상을 덜 겪는다는 것이다.
도 3은 전기화학 셀(300)의 측면도이다. 전기화학 셀(300)은 섹션(312a, 312b, 312c)에서 애노드 집전체 상에 배치된 제1 전극 물질(312)을 갖는 애노드(310) 및 제1 전극 물질(312) 상에 배치된 제2 전극 물질(314)을 포함한다. 전기화학 셀(300)은 캐소드 집전체(340) 위에 배치된 캐소드(330) 및 애노드(310)와 캐소드(330) 사이에 배치된 분리막(350)을 더 포함한다. 분리막(350) 위에 코팅층(355)이 배치된다.
일부 실시예들에서, 애노드(310), 제1 전극 물질(312), 제2 전극 물질(314), 애노드 집전체(320), 캐소드(330), 캐소드 집전체(340), 분리막(350) 및 코팅층(355)은 애노드(110), 제1 전극 물질(112), 제2 전극 물질(114), 애노드 집전체(120), 캐소드(130), 캐소드 집전체(140), 분리막(150) 및 코팅층(155)과 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드(310), 제1 전극 물질(312), 제2 전극 물질(314), 애노드 집전체(320), 캐소드(330), 캐소드 집전체(340), 분리막(350) 및 코팅층(355)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(312) 및/또는 제2 전극 물질(314)은 고체 전극 물질, 반고체 전극 물질, 고용량 물질 및 이들의 조합(집합적으로 "전극 물질") 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(312)의 일부는 애노드 집전체(320)의 일부를 노출시키기 위해 (예를 들어, 레이저 절제에 의해) 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(312)의 일부의 제거는 복수의 팽창 영역(314a, 314b)을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(314)이 제1 전극 물질(312) 상에 배치될 때, 제2 전극 물질(314)의 적어도 일부는 복수의 팽창 영역(314a, 314b) 내에 개재될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 팽창 영역(314a, 314b)을 형성하기 위해 제1 전극 물질(312)의 일부를 제거하는 대신에, 복수의 팽창 영역(314a, 314b)은 제1 전극 물질(312)을 애노드 집전체(320) 상에 선택적으로 증착함으로써 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(320) 상에 제1 전극 물질(312)의 선택적 증착은 애노드 집전체(320) 상에 마스크 물질을 먼저 배치한 다음, 애노드 집전체(320) 상에 제1 전극 물질(312)을 배치하고, 마스크를 제거하여 복수의 팽창 영역(314a, 314b)을 정의함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(112) 및 제2 전극 물질(114) 중 적어도 하나는 고용량 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고용량 물질은 시트, 벌크 물질, 마이크로 스케일 입자, 나노 스케일 입자 또는 이들의 조합과 같은 임의의 적합한 폼 팩터를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 고용량 물질은, 이에 제한되는 것은 아니나, 실리콘, 비스무트, 붕소, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 알루미늄, 티타늄 산화물, 몰리브덴, 게르마늄, 망간, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 철, 구리, 금, 백금, 크롬, 니켈, 코발트, 지르코늄, 이트륨, 몰리브덴 산화물, 게르마늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드, 임의의 다른 고용량 물질 또는 이들의 합금, 및 이들의 임의의 조합을 포함하는, 이온을 저장할 수 있는 임의의 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 66중량% - 70중량% Si, 약 15중량% - 22중량% Co, 및 약 4중량% - 12중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Si, 약 15 중량% - 20 중량% Ni 및 약 10 중량% - 15 중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70중량% Si, 약 15중량% Fe 및 약 15중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Si, 약 20 중량% Ti, 및 약 10 중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Si, 약 15 중량% Mo 및 약 15 중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Si, 약 15 중량% Co, 5 중량% Ni 및 약 10 중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Si, 약 10 중량% Co, 약 10 중량% Ni 및 약 10 중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Si, 약 5 중량% Co, 약 15 중량% Ni 및 약 10 중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Si, 약 5 중량% Fe, 약 10 중량% Ni 및 약 15 중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Si, 약 10 중량% Co 및 약 5 중량% Ni를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 74 중량% Si, 약 2 중량% Sn 및 약 24 중량% Co를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 73 중량% Si, 약 2 중량% Sn 및 약 25 중량% Ni를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Si, 약 10 중량% Fe, 약 10 중량% Ti 및 약 10 중량% Co를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Si, 약 15 중량% Fe, 약 5 중량% Ti 및 약 10 중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 74.67 중량% Si, 약 16 중량% Fe, 5.33 중량% Ti 및 약 4 중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 55 중량% Si, 29.3 중량% Al 및 약 15.7 중량% Fe를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 중량을 기준으로 약 70 중량% Si, 전구체로부터의 약 20 중량% C, 및 약 10 중량% 흑연을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 55 중량% Si, 약 29.3 중량% Al 및 약 15.7 중량% Fe를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 60-62 중량% Si, 약 16-20 중량% Al, 약 12-14 중량% Fe 및 약 8 중량% Ti를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 50중량% Sn, 약 27.3중량% - 35.1중량% Co, 약 5중량% - 15중량% Ti, 및 약 7.7중량% - 9.9중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 70 중량% Sn, 약 39-42.3 중량% Co 및 약 7.7-11 중량% C를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 약 35-70 몰% Si, 약 1 - 45 몰% Al, 약 5 - 25 몰% 전이 금속, 약 1 - 15 몰 % Sn, 약 2 - 15 몰 % 이트륨, 란타나이드 원소, 악티나이드 원소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드(310)는 예를 들어, Sn-Co-C, Sn-Fe-C, Sn-Mg-C, 또는 La-Ni-Sn 합금과 같은 주석 금속 합금을 포함할 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 예를 들어 SnO 또는 SiO 비정질 산화물과 같은 비정질 산화물을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 예를 들어 Sn-Si-Al-B-O, Sn-Sb-S-O, SnO2-P2O5, 또는 SnO-B2O3-P2O5-Al2O3 애노드와 같은 유리질 애노드를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 예를 들어 CoO, SnO2, 또는 V2O5와 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(310)는 예를 들어 Li3N 또는 Li2.6CoO.4N와 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(312)은 고용량 물질을 포함할 수 있고 제2 전극 물질(314)은 반고체 전극 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 팽창 영역(314a, 314b)을 형성하기 위해 제거된 고용량 물질을 포함하는 제1 전극 물질(312)의 부분은 제2 전극 물질(314)이 제1 전극 물질(312) 상에 배치될 때 반고체 전극 물질에 의해 실질적으로 채워질 수 있다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 전기화학 셀이 동작 중일 때, 고용량 물질은 약 400%까지 팽창하여 제1 전극 물질(312)을 팽창시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(314)은 제1 전극 물질(312)이 전기화학 셀(300)의 동작 중에 팽창 및/또는 수축할 때 변형되도록 구성될 수 있다.
도시된 바와 같이, 애노드(310)는 팽창 영역을 갖는 다층 전극으로 도시된다. 일부 실시예들에서, 캐소드(330)는 팽창 영역을 갖는 다층 전극일 수 있다.
도 4는 전기화학 셀(400)의 측면도이다. 전기화학 셀(400)은 애노드 집전체(420) 상의 제1 전극 물질(412) 및 제1 전극 물질(412) 상에 배치된 제2 전극 물질(414)을 갖는 애노드(410)를 포함한다. 전기화학 셀(400)은 캐소드 집전체(440) 위에 배치된 캐소드(430) 및 애노드(410)와 캐소드(430) 사이에 배치된 분리막(450)을 더 포함한다. 분리막(450) 위에 코팅층(455)이 배치된다.
일부 실시예들에서, 애노드(410), 제1 전극 물질(412), 제2 전극 물질(414), 애노드 집전체(420), 캐소드(430), 캐소드 집전체(440), 분리막(450) 및 코팅층(455)은 애노드(110), 제1 전극 물질(112), 제2 전극 물질(114), 애노드 집전체(120), 캐소드(130), 캐소드 집전체(140), 분리막(150) 및 코팅층(155)과 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드(410), 제1 전극 물질(412), 제2 전극 물질(414), 애노드 집전체(420), 캐소드(430), 캐소드 집전체(440), 분리막(450) 및 코팅층(455)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다.
일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(412)은 스퍼터링된 또는 전기 도금된 실리콘을 포함할 수 있는 반면, 제2 전극 물질(414)은 반고체 전극 물질을 포함할 수 있다. 동작 동안, 제1 전극 물질(412)(예를 들어, 스퍼터링된 실리콘 전극)은 사이클링 동안 크랙을 발생시키고 다수의 개별 부분(예를 들어, 412a, 412b, 412c)으로 분할될 수 있다. 이러한 크랙은 수평 방향(예를 들어, x 방향 또는 y 방향)으로의 전자 이동을 잠재적으로 제한할 수 있다. 즉, 전자는 제2 전극 물질(414) 내에서만 효율적으로 수평으로 이동할 수 있다. 이러한 전자 이동도의 감소는 제1 전극 물질(412)을 포함하는 전기화학 셀에서 더 낮은 에너지 밀도 또는 전력 밀도 성능을 야기할 수 있다.
도 5는 전기화학 셀(500)의 측면도이다. 전기화학 셀(500)은 애노드 집전체(520) 상에 제1 전극 물질(512)을 갖는 애노드(510), 제2 전극 물질(514), 및 제1 전극 물질(512)과 제2 전극 물질(514) 사이에 배치된 제3 전극 물질(518)을 포함한다. 전기화학 셀(500)은 캐소드 집전체(540) 상에 배치된 캐소드(530) 및 애노드(510)와 캐소드(530) 사이에 배치된 분리막(550)을 더 포함한다. 분리막(550) 위에 코팅층(555)이 배치된다.
일부 실시예들에서, 애노드(510), 제1 전극 물질(512), 제2 전극 물질(514), 애노드 집전체(520), 캐소드(530), 캐소드 집전체(540), 분리막(550) 및 코팅층(555)은 애노드(110), 제1 전극 물질(112), 제2 전극 물질(114), 애노드 집전체(120), 캐소드(130), 캐소드 집전체(140), 분리막(150) 및 코팅층(155)과 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드(510), 제1 전극 물질(512), 제2 전극 물질(514), 애노드 집전체(520), 캐소드(530), 캐소드 집전체(540), 분리막(550) 및 코팅층(555)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(512)은 스퍼터링된 또는 전기 도금된 실리콘을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 전극 물질(518)은 흑연을 포함할 수 있다. 제1 전극 물질(512)(예를 들어, 실리콘)의 성분은 전기화학 셀 내에서 전해액과 지속적으로 반응할 수 있고, 제1 전극 물질(512) 표면의 SEI의 제어가 어려울 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(512)이 스퍼터링되거나 전기 도금되는 경우, 제1 전극 물질(512)은 낮은 다공성(즉, 전해질과의 반응을 위한 더 적은 표면적)을 갖지만, 화학 반응은 여전히 전해질과의 계면에서 발생할 수 있다. 따라서, 예를 들어 흑연을 포함하는 제3 전극 물질(518)로 제1 전극 물질(512)을 코팅하는 것은 이들 계면 화학 반응을 최소화할 수 있다. 즉, 일부 실시예들에서 제1 전극 물질(512)의 균열이 발생할 수 있지만, 균열은 제3 전극 물질(518)로 코팅함으로써 최소화되거나 감소될 수 있다. 또한, 제3 전극 물질(518) 및 제2 전극 물질(514)의 전도성 물질(예를 들어, 흑연)은 제1 전극 물질(512)의 균열로부터 발달된 간극 영역으로 마이그레이션할 수 있다. 이러한 간극 영역에 전도성 물질이 존재하면 전자의 수직 이동(즉, z 방향으로)을 촉진하고 실리콘 균열로 인한 성능 감소를 해결할 수 있다.
고용량 물질을 포함하는 전극 및 전기화학 셀의 추가 예, 및 이를 제조하는 방법은 2016년 9월 6일자로 출원된 "Asymmetric Battery having a Semi-Solid Cathode and High Energy Density Anode"라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,437,864호에서 확인될 수 있으며, 그 전체 개시 내용은 본원에 참조로서 통합된다.
도 6은 전기화학 셀(600)의 측면도이다. 전기화학 셀(600)은 애노드 집전체(620) 상에 배치된 제1 전극 물질(612) 및 제1 전극 물질(612) 상에 배치된 제2 전극 물질(614)을 갖는 애노드(610)를 포함한다. 전기화학 셀(600)은 캐소드 집전체(640) 상에 배치된 캐소드(630) 및 애노드(610)와 캐소드(630) 사이에 배치된 분리막(650)을 더 포함한다. 제1 코팅층(655)은 분리막(650)의 애노드 측에 배치되는 반면, 제2코팅층(657)은 분리막(650)의 캐소드 측에 배치된다.
일부 실시예들에서, 애노드(610), 제1 전극 물질(612), 제2 전극 물질(614), 애노드 집전체(620), 캐소드(630), 캐소드 집전체(640), 분리막(650) 및 제1 코팅층(655)은 애노드(110), 제1 전극 물질(112), 제2 전극 물질(114), 애노드 집전체(120), 캐소드(130), 캐소드 집전체(140), 분리막(150) 및 코팅층(155)과 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드(610), 제1 전극 물질(612), 제2 전극 물질(614), 애노드 집전체(620), 캐소드(630), 캐소드 집전체(640), 분리막(650) 및 제1 코팅층(655)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다.
일부 실시예들에서, 제2 코팅층(657)은 캐소드(630) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 코팅층(657)은 분리막(650) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 코팅층(657)은 제1 코팅층(655)과 동일하거나 실질적으로 유사한 물질로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 코팅층(657)은 제1 코팅층과 다른 물질로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 코팅층(657)은 캐소드(630) 상에 코팅된 Al2O3 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 코팅층(655)은 분리막(650)의 애노드 측에 경질 탄소 코팅층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 코팅층(657)의 추가는 전기화학 셀(600)의 애노드 측 및 캐소드 측 모두에서 리튬 확산의 균형을 개선할 수 있어, 빠른 충전 능력 및 더 나은 NMC 안정성을 가져온다.
일부 실시예들에서, 제2 코팅층(657)은 적어도 약 10 nm, 적어도 약 20 nm, 적어도 약 30 nm, 적어도 약 40 nm, 적어도 약 50 nm, 적어도 약 60 nm, 적어도 약 70 nm, 적어도 약 80 nm, 적어도 약 90 nm, 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500 nm, 적어도 약 600 nm, 적어도 약 700 nm, 적어도 약 800 nm, 적어도 약 900 nm, 적어도 약 1 ㎛, 적어도 약 1.1 ㎛, 적어도 약 1.2 ㎛, 적어도 약 1.3 ㎛, 적어도 약 1.4 ㎛, 적어도 약 1.5 ㎛, 적어도 약 1.6 ㎛, 적어도 약 1.7 ㎛, 적어도 약 1.8 ㎛, 또는 적어도 약 1.9 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 코팅층(657)은 약 2 ㎛ 이하, 약 1.9 ㎛ 이하, 약 1.8 ㎛ 이하, 약 1.7 ㎛ 이하, 약 1.6 ㎛ 이하, 약 1.5 ㎛ 이하, 약 1.4 ㎛ 이하, 약 1.3 ㎛ 이하, 약 1.2 ㎛ 이하, 약 1.1 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 이하, 약 900 nm 이하, 약 800 nm 이하, 약 700 nm 이하, 약 600 nm 이하, 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 약 200 nm 이하, 약 100 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 또는 약 20 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 제2 코팅층(657)의 상기 언급된 두께의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 적어도 약 10 nm 내지 약 2 ㎛ 이하 또는 적어도 약 200 nm 내지 약 1.5 ㎛ 이하)(이들 사이의 모든 값 및 범위를 포함). 일부 실시예들에서, 제2 코팅층(657)은 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm, 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1 ㎛, 약 1.1 ㎛, 약 1.2 ㎛, 약 1.3 ㎛, 약 1.4 ㎛, 약 1.5 ㎛, 약 1.6 ㎛, 약 1.7 ㎛, 약 1.8 ㎛, 약 1.9 ㎛, 또는 약 2 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
도 7a-7b는 전기화학 셀(700)의 개략도이다. 도 7a는 전기화학 셀(700)의 단면도를 포함하는 반면, 도 7b는 전기화학 셀(700)의 평면도를 포함한다. 전기화학 셀(700)은 애노드 집전체(720) 상에 배치된 애노드(710)를 포함한다. 애노드(710)는 제1 전극 물질(712) 및 제2 전극 물질(714)을 포함한다. 전기화학 셀(700)은 캐소드 집전체(740) 상에 배치된 캐소드(730) 및 애노드(710)와 캐소드(730) 사이에 배치된 분리막(750)을 더 포함한다. 분리막(750) 위에 코팅층(755)이 배치된다. 파우치(760)에는 애노드(710), 애노드 집전체(720), 내소드(730), 캐소드 집전체(740), 분리막(750) 및 코팅층(755)이 배치된다. 애노드 집전체(720)는 애노드 탭(725)을 포함한다. 캐소드 집전체(740)는 캐소드 탭(745)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 애노드(710), 제1 전극 물질(712), 제2 전극 물질(714), 애노드 집전체(720), 캐소드(730), 캐소드 집전체(740), 분리막(750) 및 코팅층(755)은 애노드(110), 제1 전극 물질(112), 제2 전극 물질(114), 애노드 집전체(120), 캐소드(130), 캐소드 집전체(140), 분리막(150) 및 코팅층(155)과 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드(710), 제1 전극 물질(712), 제2 전극 물질(714), 애노드 집전체(720), 캐소드(730), 캐소드 집전체(740), 분리막(750) 및 코팅층(755)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다.
일부 실시예들에서, 분리막(750)은 애노드(710) 및 캐소드(730)의 에지 너머로 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(755)은 애노드(710) 및 캐소드(730)의 에지 너머로 연장되는 분리막(750)의 부분 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리막(750)을 넘어 연장되는 분리막(750)의 부분은 파우치(760)의 부분에 밀봉될 수 있다. 파우치(760)의 부분에 대한 분리막(750)의 밀봉 부분은 코팅층(755)이 캐소드(730) 또는 인접한 전기화학 셀로부터의 캐소드와 접촉하는 것을 방지하는 것을 도울 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅층(755)이 분리막(750)의 캐소드 측에 배치되는 경우, 파우치(760)의 일부에 분리막(750)의 부분을 밀봉하는 것은 코팅층(755)이 애노드(710) 또는 인접한 전기화학 셀로부터의 애노드와 접촉하는 것을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 절연 및 접촉 방지는 단락 이벤트를 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 절연 및 접촉 방지는 코팅층(755)과 캔의 벽 사이의 접촉이 단락 이벤트를 초래할 수 있기 때문에, 전기화학 셀이 말려서 캔에 배치될 때 특히 유용할 수 있다. 분리막의 에지가 파우치에 밀봉되는 전기화학 셀의 추가 예는 "Electrochemical Cells and Methods of Manufacturing the Same"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,178,200호에 추가로 설명되어 있으며, 그 개시 내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 파우치에 배치된 단일 전기화학 셀의 추가 예는 "Single Pouch Battery Cells and Methods of Manufacture"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제10,181,587호('587 특허)에서 추가로 설명되며, 그 개시 내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
코팅층(755)과 다른 전기화학 셀로부터의 전기 활성 물질 사이의 접촉을 추가로 제한하거나 방지하기 위해, 애노드 탭(725)과 파우치(760) 사이에 절연체(726)가 도시되어 있다. 절연체(726)는 코팅층(755)을 전기 활성 종과의 접촉으로부터 추가로 격리하여, 단락 이벤트를 추가로 방지한다. 일부 실시예들에서, 절연체(726)는 애노드 탭(725)의 둘레 주위에 배치되어, 애노드 탭(725)과 파우치(760) 사이에 밀봉을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연체(726)는 접착제, 밀봉재, 열 밀봉재 또는 임의의 다른 적절한 절연 수단을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 탭(745)과 파우치(760) 사이에 절연체가 존재할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 탭(725)과 파우치(760) 사이에 제1 절연체가 존재할 수 있고, 캐소드 탭(745)과 파우치(760) 사이에 제2 절연체가 존재할 수 있다.
도시된 바와 같이, 애노드(710)는 제1 전극 물질(712) 및 제2 전극 물질(714)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드(710)는 단일 전극 물질을 포함할 수 있다. 즉, 애노드(710)는 전극 물질의 단일 층일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(710)는 반고체 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(710)는 기존 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(710)는 단일 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(710)는 흑연 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드(710)는 반고체 흑연 전극일 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드(730)는 단일 전극 물질을 포함할 수 있다. 즉, 캐소드(730)는 전극 물질의 단일 층일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(730)는 반고체 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(730)는 기존 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(730)는 고체 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(710)은 NMC(811)를 포함할 수 있다.
도 8은 전기화학 셀(800)의 측면도이다. 전기화학 셀(800)은 애노드 집전체(820) 상에 배치된 제1 전극 물질(812)(제1 전기 활성 물질인 제1 부분이라고도 함) 및 애노드 집전체(820)의 외부 에지 주위의 파우치(860) 상에 배치된 제2 전극 물질(814)(제2 전기 활성 물질인 제2 부분이라고도 함)를 갖는 애노드(810)를 포함한다. 제1 전극 물질(812) 및 제2 전극 물질(814)은 서로 이온 통신한다(즉, 이온은 제1 전극 물질(812)에서 제2 전극 물질(814)로 흐를 수 있음). 제1 전극 물질(812) 및 제2 전극 물질(814)은 또한 서로 전자 통신한다(즉, 전자는 제1 전극 물질(812)에서 제2 전극 물질(814)로 흐를 수 있음). 전기화학 셀(800)은 캐소드 집전체(840) 상에 배치된 캐소드(830) 및 애노드(810)와 캐소드(830) 사이에 배치된 분리막(850)을 더 포함한다. 분리막(850)은 애노드(810)에 인접한 제1 면 및 캐소드(830)에 인접한 제2 면을 가질 수 있다. 캐소드(830)는 1차 부분(832) 및 마이그레이션된 부분(834)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(820), 캐소드 집전체(840), 분리막(850) 및 파우치(860)는 도 7a-7b를 참조하여 상술된 바와 같이, 애노드 집전체(720), 캐소드 집전체(740), 분리막(750) 및 파우치(760)와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드 집전체(820), 캐소드 집전체(840), 분리막(850) 및 파우치(860)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다.
도시된 바와 같이, 캐소드(830)의 일부는 캐소드 집전체(840)를 둘러싸는 영역으로 마이그레션하여 캐소드(830)의 마이그레이션된 부분(834)을 형성한다. 이는 캐소드(830)가 종래의 고체 전극보다 더 쉽게 흐르고 이동할 수 있도록 반고체 전극 물질로 형성된 캐소드(830) 때문일 수 있다. 애노드 집천체(820)의 외부 에지 주위에 배치될 때, 애노드(810)의 제2 전극 물질(814)은 분리막(850)에 걸쳐 캐소드(830)의 마이그레이션된 부분(834)으로부터 수송된 전자 및/또는 이온을 포획할 수 있다. 일단 제2 전극 물질(814)에 포획되면, 전자 및/또는 이온은 제1 전극 물질(812)로 전달될 수 있다. 제2 전극 물질(814)의 배치는 애노드(810)의 외부 에지 주위에 덴드라이트 형성을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 파우치(860)는 분리막(850)에 열 밀봉될 수 있다. 일부 실시예들에서, 파우치(860)의 일부는 서로 열 밀봉될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(814)은 애노드 집전체(820)의 두께와 동일하거나 실질적으로 유사한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(814)은 제1 전극 물질(812)과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(814)은 제1 전극 물질(812)과 다른 물질로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(814)은 제1 전극 물질(812)보다 더 높은 전압 물질일 수 있다. 다른 방식으로 말하면, 제2 전극 물질(814)은 제1 전극 물질(812)보다 전자 유지에 대해 더 낮은 친화도를 가질 수 있어서, 제2 전극 물질(814)에 의해 포획된 전자 및/또는 이온이 제1 전극 물질(812)로 마이그레이션한다. 일부 실시예들에서, 제1 전극 물질(812)은 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이 제1 전극 물질(112)의 임의의 특성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(814)은 실리콘, 비스무트, 붕소, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 알루미늄, 티타늄 산화물, 몰리브덴, 게르마늄, 망간, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 철, 구리, 금, 백금, 크롬, 니켈, 코발트, 지르코늄, 이트륨, 몰리브덴 산화물, 게르마늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드, 임의의 다른 고용량 물질 또는 이들의 합금, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(814)은 Li2TiO3, TiO2, 또는 전자 및/또는 이온을 제1 전극 물질(812)로 전달하기 위한 임의의 다른 적합한 물질을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 애노드(810)는 제1 전극 물질(812) 및 제2 전극 물질(814)을 포함하고, 캐소드(830)는 1차 부분(832) 및 마이그레이션된 부분(834)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드(810)는 1차 부분 및 마이그레이션된 부분을 포함할 수 있고, 캐소드(830)는 제1 전극 물질 및 제2 전극 물질을 포함할 수 있다.
도 9는 전기화학 셀(900)의 측면도이다. 전기화학 셀(900)은 애노드 집전체(920) 상에 배치된 제1 전극 물질(912)(제1 전기 활성 물질인 제1 부분이라고도 함) 및 제1 전극 물질(912)의 외부 에지 주위의 애노드 집전체(920) 상에 배치된 제2 전극 물질(914)(제2 전기 활성 물질인 제2 부분이라고도 함)를 갖는 애노드(910)를 포함한다. 제1 전극 물질(912) 및 제2 전극 물질(914)은 서로 이온 통신한다(즉, 이온은 제1 전극 물질(912)에서 제2 전극 물질(914)로 흐를 수 있음). 제1 전극 물질(912) 및 제2 전극 물질(914)은 또한 서로 전자 통신한다(즉, 전자는 제1 전극 물질(912)에서 제2 전극 물질(914)로 흐를 수 있음). 전기화학 셀(900)은 캐소드 집전체(940) 상에 배치된 캐소드(930) 및 애노드(910)와 캐소드(930) 사이에 배치된 분리막(950)을 더 포함한다. 분리막(950)은 애노드(910)에 인접한 제1 면 및 캐소드(930)에 인접한 제2 면을 가질 수 있다. 캐소드(930)는 1차 부분(932) 및 마이그레이션된 부분(934)을 포함한다. 파우치(960)에는 애노드(910), 애노드 집전체(920), 캐소드(930), 캐소드 집전체(940) 및 분리막(950)이 배치된다. 일부 실시예들에서, 애노드(910), 제1 전극 물질(912), 제2 전극 물질(914), 애노드 집전체(920), 캐소드(930), 1차 부분(932), 마이그레이션된 부분(934), 캐소드 집전체(940), 분리막(950) 및 파우치(960)는 도 8을 참조하여 상술된 바와 같이, 애노드(810), 제1 전극 물질(812), 제2 전극 물질(814), 애노드 집전체(820), 캐소드(830), 1차 부분(832), 마이그레이션된 부분(834), 캐소드 집전체(840), 분리막(850) 및 파우치(860)와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드(910), 제1 전극 물질(912), 제2 전극 물질(914), 애노드 집전체(920), 캐소드(930), 1차 부분(932), 마이그레이션된 부분(934), 캐소드 집전체(940), 분리막(950) 및 파우치(960)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다.
제1 전극 물질(912)의 외부 주위의 애노드 집전체(920) 상의 제2 전극 물질(914)의 배치는 제2 전극 물질(914)이 파우치(960) 상에 배치되는 경우보다 마이그레이션된 부분(914)에 더 근접하게 제2 전극 물질(914)을 배치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 전극 물질(914)은 제1 전극 물질(912)보다 전자 유지에 대한 친화도가 낮은 물질로 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 애노드(910)는 제1 전극 물질(912) 및 제2 전극 물질(914)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 캐소드(930)는 제1 전극 물질 및 제2 전극 물질을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 캐소드(930)는 1차 부분(932) 및 마이그레이션된 부분(934)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드(910)는 1차 부분 및 마이그레이션된 부분을 포함할 수 있다.
도 10은 전기화학 셀(1000)의 측면도이다. 전기화학 셀(1000)은 애노드 집전체(1020) 상에 배치된 애노드(1000), 캐소드 집전체(1040) 상에 배치된 캐소드(1030), 애노드(1010)와 캐소드(1050) 사이에 배치된 분리막(1050)을 포함한다. 분리막(1050)은 애노드(1010)에 인접한 제1 면 및 캐소드(1030)에 인접한 제2 면을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 파우치(1060)에는 애노드(1010), 애노드 집전체(1020), 캐소드(1030), 캐소드 집전체(1040) 및 분리막(1050)이 배치된다. 도시된 바와 같이, 캐소드(1030)는 1차 부분(1032)(본원에서는 제1 부분이라고도 함) 및 2차 부분(1034)(본원에서는 마이그레이션된 부분이라고도 함)을 포함한다. 비습윤성 코팅(1035)은 캐소드 집전체(1040)의 외부 에지 주위의 파우치(1060) 상에 배치된다. 비습윤성 코팅(1035)은 전자 장벽으로서 작용하여, 1차 부분(1032)을 2차 부분(1034)으로부터 전자적으로 격리시킨다. 일부 실시예들에서, 애노드(1010), 애노드 집전체(1020), 캐소드(1030), 1차 부분(1032), 2차 부분(1034), 캐소드 집전체(1040), 분리막(1050) 및 파우치(1060)는 도 8을 참조하여 상술된 바와 같이, 애노드(810), 애노드 집전체(820), 캐소드(830), 1차 부분(832), 2차 부분(834), 캐소드 집전체(840), 분리막(850) 및 파우치(860)와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드(1010), 애노드 집전체(1020), 캐소드(1030), 1차 부분(1032), 2차 부분(1034), 캐소드 집전체(1040), 분리막(1050) 및 파우치(1060)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다.
일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅(1035)은 전해질로부터의 습윤에 저항할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅(1035)은 비습윤성 코팅(1035)의 외부 에지 주위에 배치된 영역으로 2차 부분(1034)을 형성하기 위해 떨어져 나가는 1차 부분(1032)의 프래그먼트를 밀어낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅(1035)은 위킹 동작을 통해 1차 부분(1032)의 프래그먼트의 이동을 용이하게 할 수 있다. 이러한 위킹 동작은 캐소드 집전체(1034)의 외부 에지에 2차 부분(1034)을 형성할 수 있다. 비습윤성 코팅(1035)의 외부 에지 주위에 형성하기 위해 1차 부분(1034)의 프래그먼트를 밀어내거나(repelling) 푸싱(pushing)함으로써, 1차 부분(1032)은 애노드(1010) 및 애노드 집전체(1020)로부터 충분히 떨어져서 형성될 수 있어, 임의의 물질이 2차 부분(1035)으로부터 분리막(1050)을 통과하여 애노드(1010) 또는 애노드 집전체(1030)와 접촉하지 않는다. 일부 실시예들에서, 1차 부분(1032)의 외부 에지 주위 및/또는 캐소드 집전 장치(1040)의 외부 에지 주위에 비습윤성 코팅(1035)의 배치는 전기화학 셀(1000)로부터 2차 부분(1034) 및/또는 비습윤성 코팅(1035)의 용이한 제거를 허용할 수 있다. 즉, 비습윤성 코팅(1035)은 1차 부분(1032) 및/또는 캐소드 집전체(1040)의 외부 에지로부터 제거되어, 2차 부분(1034)을 비습윤성 코팅(1035)과 함께 제거할 수 있다.
일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅(1035)은 캐소드 집전체(1040)의 두께와 동일하거나 실질적으로 유사한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅(1035)은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 알루미나, 실리카, 퍼플루오로-알킬-폴리아크릴레이트 수지 및 폴리머, 폴리실세스퀴옥산, 폴리디옥틸플루오렌(Polydioctylfluorene; PFO)가 포함된 폴리(비닐 알코올)계 코폴리머, 발유 코팅으로 실리카/알루미나와 결합된 폴리(비닐 알코올)계 코폴리머, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 비습윤성 코팅(1035)은 캐소드 집전체(1040)의 외부 에지 주위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅(1035)은 애노드 집전체(1020)의 외부 에지 주위에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 비슴윤성 코팅(1035)은 캐소드(1030)의 외부 에지 주위의 캐소드 집전체(1040) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 비습윤성 코팅(1035)은 애노드(1010)의 외부 에지 주위의 애노드 집전체(1020) 상에 배치될 수 있다.
도 11은 상이한 전기화학 셀 구성에서의 초기 용량 손실의 그래픽 표현이다. 이 경우에 평가된 셀은 NMC(811)을 포함하는 캐소드 및 반고체 흑연 애노드를 포함한다. 코팅이 없는 기존 분리막이 있는 베이스라인 케이스와 비교하여, 애노드 측에 두꺼운 코팅(즉, 약 10㎛) 및 얇은 코팅(즉, 5㎛ 미만)으로 스프레이 코팅된 폴리에틸렌 분리막을 포함하는 셀은 초기 용량 손실이 두께에 따라 약 0.5% 내지 약 0.7% 증가한다. 이는 고체 전해질 계면(Solid-Electrolyte Interface; SEI) 층이 형성되는 영역의 부피와 표면적이 더 크기 때문이다. 애노드의 전리튬화는 이러한 초기 용량 손실을 잠재적으로 줄이거나 완화시킬 수 있다.
도 12는 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수의 그래픽 표현이다. 도 11과 유사하게, 도 12는 NMC(811) 캐소드, 반고체 흑연 애노드 및 애노드 측 상의 경질 탄소의 얇은 코팅(즉, 5㎛ 미만) 및 두꺼운 코팅(즉, 약 10 ㎛)으로 코팅된 폴리에틸렌 분리막을 갖는 전기화학 셀과 비교하여 NMC(811) 캐소드, 반고체 흑연 애노드 및 기존 폴리에틸렌 분리막을 갖는 전기화학 셀을 포함한다. 상단 플롯은 처음 몇 사이클 동안 용량이 초기 감소한 다음 용량이 빠르게 페이드되기 전에 복구되는 베이스라인 케이스를 보여준다. 경질 탄소 코팅이 된 폴리에틸렌 분리막은 초기에 약간의 용량 손실이 있은 다음 회복되어, 26 사이클 동안 약 98%-99% 용량을 유지한다. 하단 플롯은 베이스라인 케이스의 쿨롱 효율의 초기 감소와 12번째 사이클 주변의 회복을 보여준다. 하단 플롯은 또한 전반에 걸쳐 높은 쿨롱 효율을 유지하는 분리막에 경질 탄소 코팅이 된 셀을 보여준다.
도 13은 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래픽 표현이다. 각 셀은 NMC(811) 캐소드, Li 금속 애노드 및 폴리에틸렌 분리막을 포함한다. 베이스라인 케이스에는 분리막에 코팅이 없는 반면, 다른 사례에서는 분리막에 스프레이 또는 테이프 주조된 경질 탄소가 포함된다. 초기 사이클 동안, C-레이트가 낮고, 18 사이클 동안 C-레이트가 증가한다. 경질 탄소가 스프레이된 분리막이 있는 셀은 1C에서 약 99%의 쿨롱 효율을 갖는 반면, 기준 사례는 약 75%의 쿨롱 효율로 감소했다. 스프레이된 경질 탄소 사례는 4C에서 3회 사이클 후에도 살아남았지만, 베이스라인 케이스는 4C에서 첫 번째 사이클에서 실패했다.
도 14는 상이한 전기화학 셀 구성에서 용량 유지 대 사이클 수 및 C-레이트의 그래픽 표현이다. 각 셀은 NMC(811) 캐소드, 흑연 애노드 및 폴리에틸렌 분리막을 포함한다. 베이스라인 셀은 분리막에 코팅을 포함하지 않는 반면, 다른 셀은 경질 탄소의 얇은 코팅(즉, < 5㎛)과 애노드 측 상의 경질 탄소의 두꺼운 코팅(즉, 약 10㎛)으로 스프레이된 분리막을 포함한다. 1.4C 충전율에서, 베이스라인 케이스의 쿨롱 효율은 약 90%로 떨어졌다가 복구되는 반면, 경질 탄소 코팅 사례는 약 99.5%-99.9%에서 안정적이다. 베이스라인 케이스 용량은 경질 탄소 코팅이 된 셀의 용량보다 더 빨리 페이드된다.
도 15는 상이한 전기화학 셀 구성 사이의 dQ/dV 및 전압 프로파일 비교의 그래픽 표현이다. 왼쪽 상단의 플롯은 코팅되지 않은 폴리에틸렌 분리막이 있는 베이스라인 케이스의 차동 용량 대 전압을 보여준다. 왼쪽 하단 플롯은 베이스라인 케이스의 충전 및 방전에 대한 전압 대 용량 플롯을 보여준다. 오른쪽 상단 플롯은 경질 탄소로 코팅된 폴리에틸렌 분리막이 있는 셀의 차등 용량 대 전압을 보여준다. 오른쪽 하단 플롯은 경질 탄소로 코팅된 폴리에틸렌 분리막이 있는 셀의 충전 및 방전에 대한 전압 대 용량 플롯을 보여준다. 왼쪽 하단 플롯의 섹션(1501)은 충전 동안 전압 증가의 지연을 보여준다. 이는 리튬 도금 및 비가역적인 용량 손실 때문이다. 오른쪽 하단의 플롯에는 이러한 이상(anomaly)이 없으며 더 효율적으로 충전되고 있다.
도 16은 리튬 망간 철 인산염(LMFP)에 대한 하프 셀 전압 곡선(half cell voltage curves)의 그래픽 표현이다. LMFP는 약 4.15V에서 평탄한 전압 프로파일을 갖는다. NMC 전극 표면에서, LMFP 코팅은 NMC 물질의 과전압 손실을 방지할 수 있다.
도 17a-17b는 상이한 전기화학 셀에서 용량 유지 대 사이클 수의 그래픽 표현이다. 도 17a의 상부 플롯은 사이클당 절대 용량을 나타내는 반면, 플롯 17b의 상부 플롯은 제1 사이클에 대한 용량 유지율을 나타낸다. 도 17a-17b는 NMC(811) 캐소드, 반고체 흑연 애노드 및 애노드 측 상의 경질 탄소의 얇은 코팅(즉, 5㎛ 미만) 및 두꺼운 코팅(즉, 약 10 ㎛)으로 코팅된 폴리에틸렌 분리막을 갖는 전기화학 셀과 비교하여 NMC(811) 캐소드, 반고체 흑연 애노드 및 기존 폴리에틸렌 분리막을 갖는 전기화학 셀을 포함한다. 베이스라인 케이스는 처음 몇 사이클 동안 용량이 초기 감소한 다음 초기 용량의 약 85%로 페이드되기 전에 약간 회복된다. 경질 탄소 코팅이 된 폴리에틸렌 분리막은 80 사이클 동안 초기 용량의 약 98%-99%를 유지한다. 도 17a 및 도 17b 둘 모두의 하단 플롯은 베이스라인 케이스의 쿨롱 효율의 초기 감소와 12번째 사이클 주변의 회복을 보여준다. 하단 플롯은 또한 전반에 걸쳐 높은 쿨롱 효율을 유지하는 분리막에 경질 탄소 코팅이 된 셀을 보여준다.
도 18은 전기화학 셀(1800)의 측면도이다. 전기화학 셀(1800)은 애노드 집전체(1820) 상에 배치된 제1 전극 물질(1812)(제1 전기 활성 물질인 제1 부분이라고도 함) 및 애노드 집전체(820)의 외부 에지 주위의 파우치(1860) 상에 배치된 제2 전극 물질(1814)(제2 전기 활성 물질인 제2 부분이라고도 함)를 갖는 애노드(1810)를 포함한다. 제1 전극 물질(1812) 및 제2 전극 물질(1814)은 서로 이온 통신한다(즉, 이온은 제1 전극 물질(1812)에서 제2 전극 물질(1814)로 흐를 수 있음). 제1 전극 물질(1812) 및 제2 전극 물질(1814)은 또한 서로 전자 통신한다(즉, 전자는 제1 전극 물질(1812)에서 제2 전극 물질(1814)로 흐를 수 있음). 전기화학 셀(1800)은 캐소드 집전체(1840) 상에 배치된 캐소드(1830) 및 애노드(1810)와 캐소드(1830) 사이에 배치된 분리막(1850)을 더 포함한다. 분리막(1850)은 애노드(1810)에 인접한 제1 면 및 캐소드(1830)에 인접한 제2 면을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 캐소드(1830)는 1차 부분(1832)(본원에서는 제1 부분이라고도 함) 및 2차 부분(1834)(본원에서는 마이그레이션된 부분이라고도 함)을 포함한다. 비습윤성 코팅(1835)은 캐소드 집전체(1840)의 외부 에지 주위의 파우치(1860) 상에 배치된다. 비습윤성 코팅(1835)은 전자 장벽으로서 작용하여, 1차 부분(1832)을 2차 부분(1834)으로부터 전자적으로 격리시킨다. 일부 실시예들에서, 애노드(1810), 제1 전극 물질(1812), 제2 전극 물질(1814), 애노드 집전체(1820), 캐소드(1830), 1차 부분(1832), 2차 부분(1834), 캐소드 집전체(1840), 분리막(1850) 및 파우치(1860)는 도 8을 참조하여 상술된 바와 같이, 애노드(810), 제1 전극 물질(812), 제2 전극 물질(1814), 애노드 집전체(820), 캐소드(830), 1차 부분(832), 2차 부분(834), 캐소드 집전체(840), 분리막(850) 및 파우치(860)와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드(1810), 제1 전극 물질(812), 제2 전극 물질(814), 애노드 집전체(1820), 캐소드(1830), 1차 부분(1832), 2차 부분(1834), 캐소드 집전체(1840), 분리막(1850) 및 파우치(1860)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다. 도 18은 제1 전극 물질(1812) 및 제2 전극 물질(1814)이 애노드 측에 있고 비습윤성 코팅(1835)이 캐소드 측에 있는 전기화학 셀을 나타내지만, 일부 실시예들에서, 캐소드(1830)는 제1 전극 물질 및 제2 전극 물질을 포함할 수 있고, 비습윤성 코팅(1835)은 애노드 집전체(1820)의 외부 에지 주위의 파우치(1860) 상에 배치될 수 있다.
도 19는 전기화학 셀(1900)의 측면도이다. 전기화학 셀(1900)은 애노드 집전체(1920) 상에 배치된 제1 전극 물질(1912)(제1 전기 활성 물질인 제1 부분이라고도 함) 및 제1 전극 물질(1912)의 외부 에지 주위의 애노드 집전체(1920) 상에 배치된 제2 전극 물질(1914)(제2 전기 활성 물질인 제2 부분이라고도 함)를 갖는 애노드(1910)를 포함한다. 제1 전극 물질(1912) 및 제2 전극 물질(1914)은 서로 이온 통신한다(즉, 이온은 제1 전극 물질(1912)에서 제2 전극 물질(1914)로 흐를 수 있음). 제1 전극 물질(1812) 및 제2 전극 물질(1814)은 또한 서로 전자 통신한다(즉, 전자는 제1 전극 물질(1812)에서 제2 전극 물질(1814)로 흐를 수 있음). 전기화학 셀(1900)은 캐소드 집전체(1940) 상에 배치된 캐소드(1930) 및 애노드(1910)와 캐소드(1930) 사이에 배치된 분리막(1950)을 더 포함한다. 분리막(1950)은 애노드(1910)에 인접한 제1 면 및 캐소드(1930)에 인접한 제2 면을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 캐소드(1930)는 1차 부분(1932)(본원에서는 제1 부분이라고도 함) 및 2차 부분(1934)(본원에서는 마이그레이션된 부분이라고도 함)을 포함한다. 비습윤성 코팅(1935)은 캐소드 집전체(1940)의 외부 에지 주위의 파우치(1960) 상에 배치된다. 비습윤성 코팅(1935)은 전자 장벽으로서 작용하여, 1차 부분(1932)을 2차 부분(1934)으로부터 전자적으로 격리시킨다. 일부 실시예들에서, 애노드(1910), 제1 전극 물질(1912), 제2 전극 물질(1914), 애노드 집전체(1920), 캐소드(1930), 1차 부분(1932), 2차 부분(1934), 캐소드 집전체(1940), 분리막(1950) 및 파우치(1960)는 도 9를 참조하여 상술된 바와 같이, 애노드(910), 제1 전극 물질(912), 제2 전극 물질(914), 애노드 집전체(920), 캐소드(830), 1차 부분(932), 2차 부분(934), 캐소드 집전체(940), 분리막(950) 및 파우치(960)와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 애노드(1910), 제1 전극 물질(1912), 제2 전극 물질(1914), 애노드 집전체(1920), 캐소드(1930), 1차 부분(1932), 2차 부분(1934), 캐소드 집전체(1940), 분리막(1950) 및 파우치(1960)의 특정 양태는 본원에서 더 상세히 설명되지 않는다. 도 19는 제1 전극 물질(1912) 및 제2 전극 물질(1914)이 애노드 측에 있고 비습윤성 코팅(1935)이 캐소드 측에 있는 전기화학 셀을 나타내지만, 일부 실시예들에서, 캐소드(1930)는 제1 전극 물질 및 제2 전극 물질을 포함할 수 있고, 비습윤성 코팅(1935)은 애노드 집전체(1920)의 외부 에지 주위의 파우치(1960) 상에 배치될 수 있다.
도 20은 단락 이벤트를 겪는 종래의 전기화학 셀을 도시한다. 전기화학 셀의 단락 이벤트는 종종 캐소드 근처에 애노드 물질이 증착되거나 앤노드 근처에 캐소드 물질이 증착(이는 덴드라이트 형성이라고도 함)하여 발생될 수 있다. 충분한 양의 애노드 물질이 캐소드 근처에 쌓이면(또는 그 반대의 경우도 마찬가지), 애노드 물질과 캐소드 물질 사이의 물리적 접촉으로 인해 단락 이벤트가 발생할 수 있다. 도 20은 애노드 집전체(2020) 상에 배치된 애노드(2010), 캐소드 집전체(2040) 상에 배치된 캐소드(2030), 및 애노드(2010)와 캐소드(2030) 사이에 배치된 분리막(2050)을 갖는 전기화학 셀(2000)을 도시한다. 애노드 집전체(2020) 및 캐소드 집전체(2040)는 모두 파우치 물질(2060) 상에 배치된다. 도시된 바와 같이, 캐소드(2030)는 제1 섹션(2032) 및 제2 섹션(2034)을 갖는다. 제1 섹션(2032)은 애노드(2010)와 인라인(in-line)인 반면, 제2 섹션(2034)은 애노드(2010)와 인라인이 아니다. 즉, 이온은 라인 A를 통해 제1 섹션(2032)에서 애노드(2010)로 마이그레이션한다. 이온은 라인 B를 통해 제2 섹션(2034)으로부터 마이그레이션하지만, 제2 섹션(2034)이 애노드(2010)와 인라인이 아니기 때문에, 애노드 집전체(2020)의 표면 또는 파우치 물질(2060)의 표면 상의 애노드(2010) 근처에 캐소드 물질 증착물(2036)이 형성된다. 캐소드 물질 증착물(2036)이 애노드(2010)와 물리적으로 접촉하기에 충분히 클 때, 부분적 또는 전체적 단락 이벤트가 발생할 수 있다. 추가로, 캐소드 물질 증착물(2036)은 전기화학 셀(2000)의 사이클링에 더 이상 사용될 수 없도록 캐소드(2030)로부터 분리된 물질을 나타낸다. 이는 전기화학 셀(2000)의 사이클링 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
도 8, 9, 18 및 19를 참조하여 전술한 바와 같이 제2 애노드 전극 물질(814, 914, 1814, 1914)의 존재는 도 20에 설명된 것과 같이 캐소드 증착물이 - 특히 도 8, 9, 18 및 19의 캐소드(834, 934, 1834, 1934)의 마이그레이션된 부분으로부터 비롯되는 캐소드 증착물 - 이 우선적으로 형성되거나 형성되는 것이 방지될 전기화학 셀의 부위를 제공한다. 제2 전극 물질(814, 914, 1814, 1914)은 동일한 리튬화 단계에서 제1 전극 물질(812, 912, 1812, 1912)에 비해 더 높은 전위를 가지며, 이는 제1 전극 물질(812, 912, 1812, 1912)의 에지에서 덴드라이트 성장을 차단한다. 제2 전극 물질(814, 914, 1814, 1914)은 제1 전극 물질(812, 912, 1812, 1912)(예를 들어, 흑연)보다 더 높은 리튬 저장 전위(즉, 리튬화 전위)를 갖는다. 일부 경우에, 제2 전극 물질(814, 914, 1814, 1914) 상에 형성되는 캐소드 증착물은 제1 전극 물질(812, 912, 1812, 1912) 및/또는 애노드 집전체(820, 920, 1820, 1920)와 물리적으로 접촉하는 것이 방지되며, 따라서 부분 또는 전체 단락 이벤트가 방지된다. 실시예들이 애노드의 일부를 형성하는 제1 및 제2 전극 물질 및 캐소드 증착물 형성에 대해 설명되지만, 상기 설명은 제1 및 제2 전극 물질이 캐소드의 일부를 형성하고 애노드 증착물이 형성되는 경우에도 적용된다.
상기의 도 10, 18 및 19를 참조하여 설명된 바와 같이, 비습윤성 코팅(1035, 1835, 1935)의 외부 에지 주위에 마이그레이션된 부분(1034, 1834, 1934)을 형성하기 위해 1차 부분(1032, 1832, 1932)의 프래그먼트를 밀어내거나(repelling) 푸싱(pushing)함으로써, 마이그레이션된 부분(1034, 1834, 1934)은 애노드(1010, 1810, 1910) 및 애노드 집전체(1020, 1820, 1920)로부터 충분히 멀리 떨어져 형성될 수 있어서 마이그레이션된 부분(1034, 1834, 1934)으로부터 분리막(1050, 1850, 1950)을 통과하는 임의의 캐소드 물질이 애노드(1010, 1810, 1910) 또는 애노드 집전체(1030, 1830, 1930)와 접촉하지 않는다. 전술한 바와 같이 비습윤성 코팅(1035, 1835, 1935)은 또한 캐소드(1032, 1832, 1932)의 1차 부분 또는 캐소드 집전체(1040, 1840, 1940) 상에 애노드 증착물이 형성되는 것을 방지하는 물리적 장벽을 제공할 수 있다. 비습윤성 코팅은 애노드의 일부를 통과할 수 없으며, 따라서 마이그레이션된 부분(1034, 1834, 1934) 상에 형성되는 임의의 애노드 증착물은 캐소드(1032, 1832, 1932) 또는 캐소드 집전체(1040, 1840, 1940)의 1차 부분과 물리적으로 접촉하는 것이 방지되며, 따라서 부분 또는 전체 단락도 방지된다. 실시예들이 제1 및 제2 캐소드 부분 및 애노드 증착물 형성에 대해 설명되지만, 비습윤성 코팅이 애노드 또는 애노드 집전체의 1차 부분을 캐소드 증착물로부터 분리하는 경우에도 상기 설명이 적용된다.
다양한 개념이 하나 이상의 방법으로 구현될 수 있으며, 그 중 적어도 하나의 예가 제공되었다. 방법의 일부로 수행되는 행위는 임의의 적절한 방식으로 명령될 수 있다. 따라서, 실시예들은 행위가 도시된 것과 다른 순서로 동작이 수행되도록 구성될 수 있으며, 이는 예시적인 실시예들에서 순차적인 행위로 도시되더라도 일부 행위를 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다. 달리 표현하면, 이러한 특징은 반드시 특정 실행 순서로 제한되지 않고, 오히려 직렬, 비동기, 동시, 병렬, 동시, 동기 등으로 본 개시와 일치하는 방식으로 실행될 수 있는 임의의 여러 스레드, 프로세스, 서비스, 서버 등으로 제한될 수 있음을 이해해야 한다. 이와 같이, 이들 특징 중 일부는 단일 실시예에서 동시에 존재할 수 없다는 점에서 상호 모순될 수 있다. 유사하게, 일부 특징은 혁신의 한 측면에 적용할 수 있고 다른 측면에는 적용할 수 없다.
추가로, 본 개시는 현재 설명되지 않은 다른 혁신을 포함할 수 있다. 출원인은 이러한 혁신을 구현하고, 추가 출원, 계속 출원, 계속 부분 출원, 분할 출원 등을 할 수 있는 권리를 포함하여 이러한 혁신에 대한 모든 권리를 보유한다. 이와 같이, 본 개시의 이점, 실시예, 예, 기능적, 특징, 논리적, 운영적, 조직적, 구조적, 토폴로지 및/또는 기타 양태는 실시예들에 의해 정의된 바와 같이 본 개시에 대한 제한 또는 실시예들에 등가물에 대한 제한으로 간주되지 않음을 이해해야 한다. 개인 및/또는 기업 사용자, 데이터베이스 구성 및/또는 관계형 모델, 데이터 유형, 데이터 전송 및/또는 네트워크 프레임워크, 구문 구조 등의 특정 요구 사항 및/또는 특성에 따라, 본원에 설명된 기술의 다양한 실시예들이 본원에 설명된 바와 같이 상당한 유연성 및 커스텀화를 가능하게 하는 방식으로 구현될 수 있다.
본원에서 정의되고 사용된 모든 정의는 사전 정의, 참조로 포함된 문서의 정의 및/또는 정의된 용어의 일반적인 의미를 제어하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 사용된 바와 같이, 특정 실시예들에서, 수치 값 앞의 "약" 또는 "대략"이라는 용어는 10%의 범위를 더하거나 뺀 값을 나타낸다. 값들의 범위가 제공되는 경우, 문맥상 명확하게 달리 지시하지 않는 한 하한 단위의 10분의 1까지, 해당 범위의 상한 및 하한과 해당 언급된 범위 내의 임의의 기타 언급된 또는 중간 값 사이의 각 중간 값은 본 개시에 포함되는 것으로 이해된다. 이러한 더 작은 범위의 해당 상한 및 하한은 더 작은 범위에 독립적으로 포함될 수 있으며 또한 언급된 범위에서 임의의 구체적으로 배제된 제한에 따라 본 개시에 포함된다. 언급된 범위가 제한 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 경우, 포함된 제한 중 하나 또는 둘 다를 제외한 범위들도 본 개시에 포함된다.
본 명세서 및 실시예들에서 사용된 "및/또는"이라는 문구는 이렇게 결합된 요소, 즉 어떤 경우에는 결합적으로 존재하고 다른 경우에는 이접적으로 존재하는 요소 중 "하나 또는 둘 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 나열된 여러 요소는 동일한 방식으로, 즉 결합된 요소 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있든 없든, "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소가 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, 일 실시예에서는 A만(선택적으로 B 이외의 요소를 포함함)을 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서는 B만(선택적으로 A 이외의 요소를 포함함)을 지칭할 수 있고; 또 다른 실시예에서는 A 및 B 모두(선택적으로 다른 요소를 포함함); 등을 지칭할 수 있다.
본 명세서 및 실시예들에서 사용된 바와 같이, "또는"은 위에서 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목을 구분할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 적어도 하나를 포함할 뿐만 아니라, 여러 개의 요소 또는 목록 및 선택적으로 추가의 나열되지 않은 항목 중 하나 이상을 포함하는 해석해야 한다. "하나만" 또는 "정확히 하나의" 또는 실시예에서 사용될 때 "로 구성된"과 같이 명확하게 반대되는 용어만이 숫자 또는 목록의 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본원에서 사용된 "또는"이라는 용어는 "둘 중 하나", "~ 중 하나", "~ 중 하나만" 또는 "~중 정확히 하나"와 같은 배타적 용어가 선행하는 경우에만 배타적 대안(즉, "둘 중 하나이지만 둘 다는 아님")을 나타내는 것으로 해석되어야 헌다. "필수적으로 구성되는"은, 실시예들에서 사용되는 경우, 특허법 분야에서 사용되는 일반적인 의미를 갖는다.
본원에 사용된 바와 같이 명세서에서 및 실시예들에서, 하나 이상의 요소 목록과 관련하여 "적어도 하나"라는 문구는 요소 목록에 있는 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 하지만, 반드시 요소 목록 내에 구체적으로 나열되고 요소 목록에 있는 임의의 요소 조합을 제외하지 않는 각 요소 및 모든 요소 중 적어도 하나를 포함할 필요는 없다. 이 정의는 또한 "적어도 하나"라는 문구가, 특별히 식별된 요소와 관련이 있는지 여부에 관계없이, 언급하는 요소 목록 내에서 특별히 식별된 요소 이외의 요소가 선택적으로 존재할 수 있음을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "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 실시예에서는 적어도 하나, 선택적으로는 하나 이상 A(B 없음)를 포함(및 선택적으로는, B 이외의 요소를 포함)하는 것을 지칭하고; 다른 실시예들에서, 적어도 하나, 선택적으로는 하나 이상의 B(A 없음)을 포함(및 선택적으로는 A 이외의 요소를 포함)하는 것을 지칭하고; 도 다른 예에서는, 적어도 하나, 선택적으로는 하나 이상의 A, 및 적어도 하나, 선택적으로 하나 이상의 B; 등을 포함(및 선택적으로는 다른 요소를 포함)하는 것을 지칭할 수 있다.
실시예들에서, 상기 명세서에서 뿐만 아니라 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "운반하는(carrying)", "가지는(having)", "함유하는(containing)", "연관하는(involving)", "유지하는(holding)", "구성되는(composed of)" 등과 같은 모든 과도기적 문구는 개방형으로 이해되는 것, 즉 포함하지만 이에 제한되지 않는 것을 의미한다. 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼 섹션 2111.03에 명시된 바와 같이, "~로 이루어진" 및 "본질적으로 이루어진" 과도기적 문구만이 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 과도기적 문구여야 한다.
본 개시의 특정 실시예들이 위에서 개략적으로 설명되었지만, 많은 대안, 수정 및 변형이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본원에 명시된 실시예들은 예시를 위한 것이며 제한적이지 않는 것으로 의도된다. 다양한 변경들이 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 위에서 설명한 방법 및 단계가 특정 순서로 발생하는 특정 이벤트를 나타내는 경우, 본 개시의 혜택을 받는 당업자는 특정 단계의 순서가 수정될 수 있으며 이러한 수정은 본 발명의 변형에 따른 것이라는 것을 인식할 것이다. 따라서, 특정 단계는 가능한 경우 병렬 프로세스에서 동시에 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 위에서 설명된 대로 순차적으로 수행될 수 있다. 상기 실시예들이 구체적으로 도시되고 설명되었으나, 형태 및 세부사항에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
Claims (91)
- 전기화학 셀에 있어서,
애노드 집전체 상에 배치된 애노드;
캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드; 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치된 분리막으로서, 상기 분리막은 상기 애노드에 인접한 제1 면 및 상기 캐소드에 인접한 제2 면을 갖는, 상기 분리막을 포함하며,
상기 애노드 또는 상기 캐소드 중 적어도 하나는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며, 상기 제2 부분은 상기 애노드 및/또는 상기 캐소드의 외부 에지 주위에 덴드라이트 형성(dendrite formation)을 방지하도록 구성되는, 전기화학 셀. - 제1항에 있어서, 상기 제1 부분은 제1 전기 활성 물질이고 상기 제2 부분은 제2 전기 활성 물질인, 전기화학 셀.
- 제2항에 있어서, 상기 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에 배치되거나;
상기 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에 배치되거나;
상기 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부의 주위의 상기 애노드 집전체 상에 배치되거나;
상기 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위 및 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부의 주위의 상기 애노드 집전체 상에 배치되는, 전기화학 셀. - 제3항에 있어서, 사용하는 동안, 상기 캐소드의 일부는 상기 캐소드 집전체를 둘러싸는 영역을 마이그레이션하여 상기 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하는, 전기화학 셀.
- 제4항에 있어서, 사용하는 동안, 상기 애노드의 상기 제2 부분은 상기 분리막에 걸쳐 상기 캐소드의 상기 마이그레이션된 부분으로부터 이송된 전자 및/또는 이온을 포획할 수 있는, 전기화학 셀.
- 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 비습윤성 코팅은 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 비습윤성 코팅은 상기 캐소드의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 사용하는 동안, 상기 비습윤성 코팅은 상기 캐소드의 프래그먼트를 밀어내어 상기 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 상기 캐소드의 상기 마이그레이션된 부분을 형성하는, 전기화학 셀.
- 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 사용하는 동안, 상기 비습윤성 코팅은 위킹 동작(wicking action)을 통해 상기 캐소드의 상기 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 상기 캐소드의 프래그먼트의 이동을 용이하게 하는, 전기화학 셀.
- 제2항에 있어서, 상기 캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 배치되거나;
상기 캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 파우치 물질 상에 배치되거나;
상기 캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부의 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 배치되거나;
상기 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위 및 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부의 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 배치되는, 전기화학 셀. - 제10항에 있어서, 사용하는 동안, 상기 애노드의 일부는 상기 애노드 집전체를 둘러싸는 영역을 마이그레이션하여 상기 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하는, 전기화학 셀.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 비습윤성 코팅은 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 비습윤성 코팅은 상기 애노드의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제12항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 사용하는 동안, 상기 비습윤성 코팅은 상기 애노드의 프래그먼트를 밀어내어 상기 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 상기 애노드의 상기 마이그레이션된 부분을 형성하는, 전기화학 셀.
- 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 사용하는 동안, 상기 비습윤성 코팅은 위킹 동작을 통해 상기 애노드의 상기 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 상기 애노드의 프래그먼트의 이동을 용이하게 하는, 전기화학 셀.
- 제2항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전기 활성 물질은 고용량 물질을 포함하는, 전기화학 셀.
- 제2항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전기 활성 물질은 실리콘, 비스무트, 붕소, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 알루미늄, 티타늄 산화물, 몰리브덴, 게르마늄, 망간, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 철, 구리, 금, 백금, 크롬, 니켈, 코발트, 지르코늄, 이트륨, 몰리브덴 산화물, 게르마늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 전기화학 셀.
- 제17항에 있어서, 상기 제2 전기 활성 물질은 실리콘을 포함하는, 전기화학 셀.
- 제2항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전기 활성 물질은 LiTO2, TiO2 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 전기화학 셀.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 부분의 두께는 상기 집전체의 두께와 동일한, 전기화학 셀.
- 제2항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전기 활성 물질은 상기 제2 전기 활성 물질과 동일한 물질로 구성되는, 전기화학 셀.
- 제2항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전기 활성 물질은 상기 제2 전기 활성 물질과 다른 물질로 구성되는, 전기화학 셀.
- 제22항에 있어서, 상기 제2 전기 활성 물질은 상기 제1 전기 활성 물질보다 높거나 낮은 전압 물질인, 전기화학 셀.
- 제23항에 있어서, 상기 제2 전기 활성 물질은 상기 제1 전기 활성 물질보다 높은 전압 물질인, 전기화학 셀.
- 제23항 또는 제24항에 있어서, 사용하는 동안, 전자 및/또는 이온은 상기 제2 부분에서 상기 제1 부분으로 또는 상기 제1 부분에서 상기 제2 부분으로 이송되는, 전기화학 셀.
- 제25항에 있어서, 사용하는 동안, 전자 및/또는 이온은 상기 제2 부분에서 상기 제1 부분으로 이송되는, 전기화학 셀.
- 제6항 내지 제9항 또는 제12항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 전자 장벽으로 작용하는, 전기화학 셀.
- 제6항 내지 제9항 또는 제12항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 전해질로부터의 웨팅(wetting)에 저항하는, 전기화학 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 부분은 비습윤성 코팅인, 전기화학 셀.
- 제29항에 있어서, 상기 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 애노드의 상기 제2 부분은 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 캐소드의 상기 제2 부분은 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 파우치 물질 상에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제31항에 있어서, 상기 애노드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 애노드의 상기 제2 부분은 상기 애노드의 상기 제1 부분의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에 배치되고, 및/또는 상기 캐소드는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 캐소드의 상기 제2 부분은 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제33항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅을 포함하는 상기 제2 부분은 상기 애노드의 상기 제1 부분의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제33항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅을 포함하는 상기 제2 부분은 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제29항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 전자 장벽으로 작용하는, 전기화학 셀.
- 제29항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 전해질로부터의 웨팅에 저항하는, 전기화학 셀.
- 제29항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 애노드의 제2 부분이고, 사용하는 동안, 상기 비습윤성 코팅은,
상기 애노드의 상기 제1 부분의 프래그먼트를 밀어내어 상기 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 상기 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하거나,
위킹 동작을 통해 상기 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 상기 애노드의 상기 제1 부분의 프래그먼트의 이동을 용이하게 하는, 전기화학 셀. - 제29항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 캐소드의 제2 부분이고, 사용하는 동안, 상기 비습윤성 코팅은,
상기 캐소드의 상기 제1 부분의 프래그먼트를 밀어내어 상기 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 상기 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하거나,
위킹 동작을 통해 상기 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 프래그먼트의 이동을 용이하게 하는, 전기화학 셀. - 제6항 내지 제9항 또는 제12항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅의 두께는 그것이 배치된 상기 애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체의 두께와 동일한, 전기화학 셀.
- 제6항 내지 제9항 또는 제12항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 알루미나, 실리카, 퍼플루오로-알킬-폴리아크릴레이트 수지 및 폴리머, 폴리실세스퀴옥산, 폴리디옥틸플루오렌(Polydioctylfluorene; PFO)가 포함된 폴리(비닐 알코올)계 코폴리머, 발유 코팅으로 실리카/알루미나와 결합된 폴리(비닐 알코올)계 코폴리머, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 전기화학 셀.
- 전기화학 셀에 있어서,
애노드 집전체 상에 배치된 애노드;
캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드; 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치된 분리막으로서, 상기 분리막은 상기 애노드에 인접한 제1 면 및 상기 캐소드에 인접한 제2 면을 갖는, 상기 분리막을 포함하며,
비습윤성 코팅은 상기 애노드의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에 배치되고, 및/또는 비습윤성 코팅은 상기 캐소드의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 배치되는, 전기화학 셀. - 제42항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 상기 애노드의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제42항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 상기 캐소드의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 배치되는, 전기화학 셀.
- 전기화학 셀에 있어서,
애노드 집전체 상에 배치된 애노드;
캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드; 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치된 분리막으로서, 상기 분리막은 상기 애노드에 인접한 제1 면 및 상기 캐소드에 인접한 제2 면을 갖는, 상기 분리막을 포함하며,
비습윤성 코팅은 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되고, 및/또는 비습윤성 코팅은 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되는, 전기화학 셀. - 제45항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제45항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제45항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 파우치 물질 상에 배치되는, 전기화학 셀.
- 제3항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 전자 장벽으로 작용하는, 전기화학 셀.
- 제42항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 전해질로부터의 웨팅에 저항하는, 전기화학 셀.
- 제42항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 상기 애노드 집전체 상에 또는 상기 애노드 집전체의 상기 외부 에지 주위에 배치되며, 사용하는 동안, 상기 비습윤성 코팅은,
상기 애노드의 프래그먼트를 밀어내어 상기 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 상기 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하거나,
위킹 동작을 통해 상기 애노드의 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 애노드의 프래그먼트의 이동을 용이하게 하는, 전기화학 셀. - 제42항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 상기 캐소드 집전체 상에 또는 상기 캐소드 집전체의 상기 외부 에지 주위에 배치되며, 사용하는 동안, 상기 비습윤성 코팅은,
상기 캐소드의 프래그먼트를 밀어내어 상기 비습윤성 코팅을 둘러싸는 외부 영역에 상기 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하거나,
위킹 동작을 통해 상기 캐소드의 마이그레이션된 부분을 형성하기 위해 캐소드의 프래그먼트의 이동을 용이하게 하는, 전기화학 셀. - 제42항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅의 두께는 그것이 배치된 상기 캐소드 집전체 또는 애노드 집전체의 두께와 동일한, 전기화학 셀.
- 제42항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비습윤성 코팅은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 알루미나, 실리카, 퍼플루오로-알킬-폴리아크릴레이트 수지 및 폴리머, 폴리실세스퀴옥산, 폴리디옥틸플루오렌(Polydioctylfluorene; PFO)가 포함된 폴리(비닐 알코올)계 코폴리머, 발유 코팅으로 실리카/알루미나와 결합된 폴리(비닐 알코올)계 코폴리머, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 전기화학 셀.
- 제1항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 애노드 및/또는 캐소드의 상기 제1 부분은 반고체 애노드 물질 및/또는 반고체 캐소드 물질인, 전기화학 셀.
- 제1항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 애노드의 상기 제1 부분은 흑연 전극인, 전기화학 셀.
- 제1항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 캐소드의 상기 제1 부분은 NMC(811)를 포함하는, 전기화학 셀.
- 제1항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 파우치에는 상기 애노드, 애노드 집전체, 캐소드, 캐소드 집전체, 분리막, 제1 부분 및 제2 부분이 배치되는, 전기화학 셀.
- 제1항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리막의 일부는 상기 애노드 및 캐소드의 상기 에지를 넘어 연장되는, 전기화학 셀.
- 제59항에 있어서, 파우치에는 상기 애노드, 애노드 집전체, 캐소드, 캐소드 집전체, 분리막, 제1 부분 및 제2 부분이 배치되며, 상기 애노드 및 캐소드의 상기 에지를 넘어 연장되는 상기 분리막의 상기 일부는 상기 파우치의 일부에 밀봉되는, 전기화학 셀.
- 전기화학 셀을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 상기 제1 애노드 부분과 상기 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에 상기 애노드의 제2 부분을 증착하는 단계, 및/또는 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 상기 캐소드의 제2 부분을 증착하는 단계;
e) 파우치에 상기 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드 및 분리막을 증착하는 단계; 및
f) 상기 파우치를 밀봉하여 상기 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 전기화학 셀을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 상기 제1 애노드 부분과 상기 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 파우치에 상기 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드 및 분리막을 증착하는 단계;
e) 상기 애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체 각각의 외부 에지 주위의 상기 파우치 물질 상에 상기 애노드의 제2 부분 및/또는 상기 캐소드의 제2 부분을 증착하는 단계; 및
f) 상기 파우치를 밀봉하여 상기 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 전기화학 셀을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 상기 제1 애노드 부분과 상기 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 상기 제1 애노드 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 상기 애노드 집전체 상에 상기 애노드의 제2 부분을 증착하는 단계, 및/또는 상기 제1 캐소드 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 상기 캐소드의 제2 부분을 증착하는 단계;
e) 파우치에 상기 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드 및 분리막을 증착하는 단계; 및
f) 상기 파우치를 밀봉하여 상기 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 전기화학 셀을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 상기 제1 애노드 부분과 상기 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위 및 상기 제1 애노드 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 상기 애노드의 제2 부분을 증착하는 단계, 및/또는 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위 및 상기 제1 캐소드 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 상기 캐소드의 제2 부분을 증착하는 단계;
e) 파우치에 상기 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드 및 분리막을 증착하는 단계; 및
f) 상기 파우치를 밀봉하여 상기 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부분은 제1 전기 활성 물질이고 상기 제2 부분은 제2 전기 활성 물질인, 방법.
- 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드의 상기 제2 부분은 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에, 상기 애노드 집전체의 상기 외부 에지 주위의 상기 파우치 물질 상에, 상기 애노드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 상기 애노드 집전체 상에, 또는 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위 및 상기 애노드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 배치되는, 방법.
- 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드의 상기 제2 부분은 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에, 상기 캐소드 집전체의 상기 외부 에지 주위의 상기 파우치 물질 상에, 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 상기 캐소드 집전체 상에, 또는 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위 및 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 배치되는, 방법.
- 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드의 상기 제2 부분은 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에, 상기 애노드 집전체의 상기 외부 에지 주위의 상기 파우치 물질 상에, 상기 애노드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 상기 애노드 집전체 상에, 또는 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위 및 상기 애노드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 배치되며; 상기 캐소드의 상기 제2 부분은 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에, 상기 캐소드 집전체의 상기 외부 에지 주위의 상기 파우치 물질 상에, 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 상기 캐소드 집전체 상에, 또는 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위 및 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 배치되는, 방법.
- 제66항에 있어서, 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 비습윤성 코팅을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제67항에 있어서, 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 비습윤성 코팅을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제66항에 있어서, 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에 비습윤성 코팅을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제67항에 있어서, 상기 애노드의 상기 제1 부분의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에 비습윤성 코팅을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 전기화학 셀을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 상기 제1 애노드 부분과 상기 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 상기 캐소드 집전체 및/또는 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 비습윤성 부분을 증착하는 단계;
e) 파우치에 상기 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드, 분리막 및 비습윤성 부분(들)을 증착하는 단계; 및
f) 상기 파우치를 밀봉하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 전기화학 셀을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
a) 애노드 집전체 상에 애노드의 제1 부분을 증착하는 단계;
b) 캐소드 집전체 상에 캐소드의 제1 부분을 증착하는 단계;
c) 상기 제1 애노드 부분과 상기 제1 캐소드 부분 사이에 분리막을 증착하는 단계;
d) 상기 캐소드 집전체 및/또는 애노드 집전체 상에 그리고 상기 캐소드 및/또는 애노드의 외부 에지 주위에 비습윤성 부분을 증착하는 단계;
e) 파우치에 상기 애노드 집전체, 애노드, 캐소드 집전체, 캐소드, 분리막 및 비습윤성 부분(들)을 증착하는 단계; 및
f) 상기 파우치를 밀봉하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 제73항 또는 제74항에 있어서, 상기 비습윤성 부분은 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위에 또는 상기 캐소드 집전체 상에 그리고 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 외부 에지 주위에 배치되는, 방법.
- 제73항 또는 제74항에 있어서, 상기 비습윤성 부분은 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위에 또는 상기 애노드 집전체 상에 그리고 상기 애노드의 상기 제1 부분의 외부 에지 주위에 배치되는, 방법.
- 제75항에 있어서, 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위의 상기 애노드 집전체 상에, 상기 애노드 집전체의 상기 외부 에지 주위의 상기 파우치 물질 상에, 상기 애노드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 상기 애노드 집전체 상에, 또는 상기 애노드 집전체의 외부 에지 주위 및 상기 애노드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 상기 애노드의 제2 부분을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위의 상기 캐소드 집전체 상에, 상기 캐소드 집전체의 상기 외부 에지 주위의 상기 파우치 물질 상에, 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위의 상기 캐소드 집전체 상에, 또는 상기 캐소드 집전체의 외부 에지 주위 및 상기 캐소드의 상기 제1 부분의 외부 에지의 적어도 일부 주위에 상기 캐소드의 제2 부분을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제61항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리막의 일부는 상기 애노드 및 캐소드의 상기 에지를 넘어 연장되는, 방법.
- 제61항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리막에 상기 파우치를 열 밀봉하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제61항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 상기 파우치의 일부를 열 밀봉하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제60항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 애노드의 상기 제1 부분은 반고체 애노드 물질이고, 및/또는 적어도 상기 캐소드의 상기 제1 부분은 반고체 캐소드 물질인, 방법.
- 제61항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 애노드의 상기 제1 부분은 흑연 전극인, 방법.
- 제61항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 캐소드의 상기 제1 부분은 NMC(811)를 포함하는, 방법.
- 제61항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 부분은 고용량 물질인 전기 활성 물질인, 방법.
- 제61항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 부분은 실리콘, 비스무트, 붕소, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 알루미늄, 티타늄 산화물, 몰리브덴, 게르마늄, 망간, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 철, 구리, 금, 백금, 크롬, 니켈, 코발트, 지르코늄, 이트륨, 몰리브덴 산화물, 게르마늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 전기 활성 물질인, 방법.
- 제86항에 있어서, 상기 전기 활성 물질은 실리콘을 포함하는, 방법.
- 제61항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 부분은 LiTO2, TiO2 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 전기 활성 물질인, 방법.
- 제1항 내지 제60항 중 어느 한 항에서 정의된 전기화학 셀의 사용법.
- 제1항 내지 제60항 중 어느 한 항에 정의된 적어도 하나의 전기화학 셀을 포함하는 셀 스택.
- 제90항에 있어서, 상기 셀 스택은 제1항 내지 제60항 중 어느 한 항에 정의된 적어도 두 개의 전기화학 셀을 포함하는, 셀 스택.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202063108560P | 2020-11-02 | 2020-11-02 | |
| US63/108,560 | 2020-11-02 | ||
| PCT/US2021/057727 WO2022094466A1 (en) | 2020-11-02 | 2021-11-02 | Electrochemical cells with dendrite prevention mechanisms and methods of making the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230104649A true KR20230104649A (ko) | 2023-07-10 |
Family
ID=78821883
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020237018220A KR20230104649A (ko) | 2020-11-02 | 2021-11-02 | 덴드라이트 방지 메커니즘을 갖는 전기화학 셀 및 이의 제조 방법 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230335748A1 (ko) |
| EP (1) | EP4238167A1 (ko) |
| JP (1) | JP2023549673A (ko) |
| KR (1) | KR20230104649A (ko) |
| CN (1) | CN116583978A (ko) |
| WO (1) | WO2022094466A1 (ko) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111712942A (zh) | 2018-01-08 | 2020-09-25 | 24M技术公司 | 包括选择性渗透膜的电化学电芯、系统及其制造方法 |
| US11631920B2 (en) | 2019-06-27 | 2023-04-18 | 24M Technologies, Inc. | Dual electrolyte electrochemical cells, systems, and methods of manufacturing the same |
| US20220278317A1 (en) * | 2021-02-26 | 2022-09-01 | Nissan North America, Inc. | Rechargeable Alloy Battery for Electric Vehicles |
| KR20220137426A (ko) * | 2021-04-02 | 2022-10-12 | 삼성에스디아이 주식회사 | 전고체 전지용 복합양극활물질, 그 제조방법, 전고체 전지용 양극층 및 이를 포함하는 전고체 전지 |
| US12100816B2 (en) | 2022-12-16 | 2024-09-24 | 24M Technologies, Inc. | Systems and methods for minimizing and preventing dendrite formation in electrochemical cells |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100709860B1 (ko) * | 2005-07-22 | 2007-04-23 | 삼성에스디아이 주식회사 | Ｓｉ함유 물질층 및 다공성막을 포함하는 전극 및 이를채용한 리튬 전지 |
| JP2011081931A (ja) * | 2009-10-05 | 2011-04-21 | Hitachi Maxell Ltd | リチウムイオン二次電池 |
| KR101246827B1 (ko) * | 2010-11-01 | 2013-03-28 | 주식회사 아모그린텍 | 전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지와 그의 제조방법 |
| US9178200B2 (en) | 2012-05-18 | 2015-11-03 | 24M Technologies, Inc. | Electrochemical cells and methods of manufacturing the same |
| US8993159B2 (en) | 2012-12-13 | 2015-03-31 | 24M Technologies, Inc. | Semi-solid electrodes having high rate capability |
| EP2973798B1 (en) | 2013-03-15 | 2020-07-15 | 24M Technologies, Inc. | Asymmetric battery having a semi-solid cathode and high energy density anode |
| EP4037007A1 (en) | 2014-11-03 | 2022-08-03 | 24M Technologies, Inc. | Battery cell comprising a semi-solid electrode |
| AU2016280285B2 (en) | 2015-06-18 | 2021-07-01 | 24M Technologies, Inc. | Single pouch battery cells and methods of manufacture |
| KR20180049401A (ko) * | 2016-11-01 | 2018-05-11 | 주식회사 아모그린텍 | 전극 및 이를 이용한 이차전지와 전극의 제조방법 |
| KR102617864B1 (ko) * | 2017-03-10 | 2023-12-26 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 탄소계 박막이 형성된 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 |
| DE102017218282A1 (de) * | 2017-10-12 | 2019-04-18 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Lithium-Ionen-Zelle für einen elektrischen Energiespeicher, Energiespeicher |
| CN111712942A (zh) | 2018-01-08 | 2020-09-25 | 24M技术公司 | 包括选择性渗透膜的电化学电芯、系统及其制造方法 |
| JP7535948B2 (ja) | 2018-05-24 | 2024-08-19 | ２４エム・テクノロジーズ・インコーポレイテッド | 高エネルギー密度の組成勾配電極およびその製造方法 |
-
2021
- 2021-11-02 JP JP2023525990A patent/JP2023549673A/ja active Pending
- 2021-11-02 CN CN202180079564.7A patent/CN116583978A/zh active Pending
- 2021-11-02 EP EP21820026.9A patent/EP4238167A1/en active Pending
- 2021-11-02 KR KR1020237018220A patent/KR20230104649A/ko unknown
- 2021-11-02 WO PCT/US2021/057727 patent/WO2022094466A1/en active Application Filing
-
2023
- 2023-04-28 US US18/140,883 patent/US20230335748A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4238167A1 (en) | 2023-09-06 |
| JP2023549673A (ja) | 2023-11-29 |
| CN116583978A (zh) | 2023-08-11 |
| WO2022094466A1 (en) | 2022-05-05 |
| US20230335748A1 (en) | 2023-10-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7535948B2 (ja) | 高エネルギー密度の組成勾配電極およびその製造方法 | |
| KR102650964B1 (ko) | 음극 활물질 복합체, 상기 복합체를 포함하는 음극, 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지, 및 상기 복합체의 제조방법 | |
| JP7312700B2 (ja) | リチウム二次電池用ハイブリッド固体電解質 | |
| US20230335748A1 (en) | Electrochemical cells with dendrite prevention mechanisms and methods of making the same | |
| CN108475808B (zh) | 用于锂二次电池的固态电解质 | |
| JP7111468B2 (ja) | 半固体電極中の電極材料のプレリチオ化 | |
| KR20230027231A (ko) | 탄소 함유 코팅들을 갖는 전기화학 셀들 및 전극들 및 그들의 생산 방법들 | |
| JP2022118733A (ja) | 半固体正極及び高エネルギー密度負極を有する非対称型電池 | |
| US20170033390A1 (en) | Semi-solid electrodes having high rate capability | |
| JP2019505964A (ja) | 高体積および重量エネルギー密度を有するアルカリ金属−硫黄電池 | |
| JP7551169B2 (ja) | リチウム２次電池 | |
| Kou et al. | Asymmetry-structure electrolyte with rapid Li+ transfer pathway towards high-performance all-solid-state lithium–sulfur battery | |
| Kang et al. | Highly stable lithium metal anode enabled by constructing lithiophilic 3D interphase on robust framework | |
| EP4207362A2 (en) | Negative electrode for secondary battery and secondary battery including the same | |
| TW202404156A (zh) | 用於鋰硫電池組之具有嵌入材料摻合物之陰極組合物 | |
| TW202406188A (zh) | 用於鋰硫電池組之無碳陰極 | |
| WO2024064268A2 (en) | 3d structured electrodes for electrochemical cells | |
| JP2021086687A (ja) | 全固体電池 |