KR20230164111A - 저전압 희생 전극 - Google Patents

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장 판
크리스토퍼 콤펠라
린화 후
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아메리칸 리튬 에너지 코포레이션
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Abstract

배터리 셀은 양극 집전체와 커플링된 양극 및 음극 집전체와 커플링된 음극을 포함할 수 있다. 배터리 셀은 음극과 커플링하나 양극과 커플링하지 않는 희생 전극을 추가로 포함할 수 있다. 희생 전극은 음극 집전체를 형성하는 제2 물질보다 낮은 분해 전압을 갖는 제1 물질로부터 형성될 수 있다. 이에 따라, 희생 전극이 음극 집전체 대신에 분해되어 배터리 셀이 배터리 셀의 최저 전압 미만으로 방전될 수 있다. 이렇게 함으로써, 희생 전극은 배터리 셀이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태로 방전되는 경우에도 배터리 셀의 용량 및 사이클 수명을 보존할 수 있다.

Description

저전압 희생 전극
본 출원은 그 개시내용 전체가 본원에 참조로 포함되어 있는, "저전압 희생 전극"이라는 명칭으로 2021년 3월 29일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/167,570호, "저전압 희생 전극"이라는 명칭으로 2021년 11월 12일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/279,019호, 및 "저전압 희생 전극"이라는 명칭으로 2021년 11월 30일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/284,438호에 대한 우선권을 주장한다.
본원에 기재된 발명은 일반적으로 배터리 기술에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 저전압 노출 또는 제로 전압 노출을 적용받는 배터리 셀에 대한 보호 메커니즘에 관한 것이다.
리튬 (Li) 이온 배터리 셀과 같은 금속 이온 배터리 셀의 고에너지 밀도 및 고전류 출력은 금속 이온 배터리 셀이 다양한 고에너지 및 고전력 응용 분야에 적합할 수 있음을 의미한다. 그러나, 금속 이온 배터리 셀은 금속 이온 배터리 셀의 충방전 과정 동안 발생하는 기생 반응으로 인해 내부 형태 변형이 발생하기 쉽다. 내부 형태 변형이 발생하면 금속 이온 배터리 셀의 용량 및 사이클 수명이 줄어들 수 있다. 게다가, 금속 이온 배터리 셀의 전극에 덴드라이트가 형성되는 것과 같은 일부 내부 형태 변형은 심각한 안전 위험을 초래할 수 있다.
배터리 및 배터리 구성요소를 포함하는 시스템, 방법 및 제조품이 제공된다. 본 발명의 일부 구현예에서는, 저전압 희생 전극을 갖는 배터리가 제공된다. 배터리는 하기: 양극 집전체와 커플링된 양극; 음극 집전체와 커플링된 음극; 및 음극과 커플링되나 양극과는 커플링되지 않은 희생 전극을 포함할 수 있고, 상기 희생 전극은, 배터리 셀이 배터리 셀의 최소 전압 미만으로 방전되는 동안, 희생 전극이 음극 집전체 대신에 분해되도록, 음극 집전체를 형성하는 제2 물질보다 낮은 분해 전압을 갖는 제1 물질로부터 형성된다.
일부 변형예에서, 하기 특징을 포함하여 본원에 개시된 하나 이상의 특징은 선택적으로 임의의 실현 가능한 조합에 포함될 수 있다. 음극 집전체는 구리 (Cu)를 포함할 수 있다.
일부 변형예에서, 희생 집전체는 크롬 (Cr), 철 (Fe), 주석 (Sn), 납 (Pb), 아연 (Zn), 알루미늄 (Al), 리튬 (Li), 리튬 (Li) 합금, 마그네슘 알루미늄 합금 (MgAl), 마그네슘 티타늄 (MgTi), 칼슘 마그네슘 (CaMg), 리튬화 실리카 산화물, 전도성 중합체 또는 전도성 중합체 복합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 변형예에서, 희생 전극은 양극을 구성하는 제1 물질 층, 음극을 구성하는 제2 물질 층, 및 제1 물질 층과 제2 물질 층 사이에 개재된 세퍼레이터를 구성하는 제3 물질 층을 권취함으로써 형성된 젤리롤의 중심에 있는 공동 내에 배치될 수 있다.
일부 변형예에서, 희생 전극을 구성하는 제1 물질은 음극 집전체를 구성하는 제2 물질의 제1 부분 상에 코팅될 수 있는 반면, 음극을 구성하는 제3 물질은 음극 집전체를 구성하는 제2 물질의 제2 부분 상에 코팅될 수 있다.
일부 변형예에서, 희생 전극을 구성하는 제1 물질은 음극을 구성하는 제3 물질과 혼합되어 음극 집전체를 구성하는 제2 물질 상에 코팅되는 혼합물을 형성할 수 있다.
일부 변형예에서, 배터리 셀은 희생 전극의 분해에 의해 희생 전극으로부터 고갈된 금속 이온을 수용하도록 구성된 보조 전극을 추가로 포함할 수 있다.
일부 변형예에서, 보조 전극을 구성하는 제3 물질은 양극 집전체를 구성하는 제4 물질의 제1 부분 상에 코팅될 수 있고, 양극을 구성하는 제5 물질은 양극 집전체를 구성하는 제4 물질의 제2 부분 상에 코팅될 수 있다.
일부 변형예에서, 보조 전극은 코발트 산화물 (CoO), 니켈 산화물 (NiO), 구리 산화물 (CuO), 철 산화물, 망간 산화물 (MnO2), 주석 산화물 (예를 들어, SnO, SnO2 등), 철 황화물 (FeS), 또는 니켈인 (NiP) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 변형예에서, 양극은 고니켈 리튬 니켈 망간 코발트 산화물, 도핑된 리튬 니켈 산화물, 도핑된 또는 순수한 리튬 망간 산화물, 리튬 철, 바나듐 인산염, 도핑된 또는 순수한 리튬 코발트 산화물 (LiCoO2), 리튬 바나듐 산화물 또는 리튬 플루오린 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 변형예에서, 음극은 규소, 규소 산화물, 흑연, 탄소, 주석, 주석 산화물, 게르마늄, 질산염, 또는 리튬 티타늄 산화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 변형예에서, 양극 집전체 및/또는 음극 집전체는 다공성 물질로부터 형성될 수 있다.
일부 변형예에서, 다공성 물질은 팽창된 금속 호일, 천공된 호일, 또는 복합 탄소계 호일 중 하나 이상을 포함한다.
일부 변형예에서, 배터리 셀은 프리즘형 배터리 셀 또는 원통형 배터리 셀일 수 있다.
일부 변형예에서, 배터리 셀은 전해질; 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터; 양극 집전체와 커플링된 양극, 음극 집전체와 커플링된 음극, 세퍼레이터, 및 전해질을 둘러싸는 케이스; 양극과 커플링되며 배터리 셀의 헤더에 용접된 양극 탭; 및 음극과 커플링되며 케이스에 용접된 음극 탭을 추가로 포함할 수 있다.
일부 변형예에서, 배터리 셀은 고체 전해질 계면 (SEI) 안정화제를 추가로 포함할 수 있다.
일부 변형예에서, 고체 전해질 계면 (SEI) 안정화제는 플루오린계 화합물을 포함할 수 있다.
일부 변형예에서, 희생 전극의 제1 물질은 음극의 제2 물질의 표면에 용접될 수 있다.
일부 변형예에서, 희생 전극의 제1 물질은 음극의 제2 물질의 하나 이상의 단부에 용접될 수 있다.
일부 변형예에서, 희생 전극은 음극 집전체의 제1 표면 및/또는 배터리 셀의 케이스의 제2 표면에 제1 물질을 분무함으로써 형성될 수 있다.
일부 변형예에서, 희생 전극은 음극에 커플링된 배터리 셀의 금속 케이스에 커플링됨으로써 음극에 커플링될 수 있다.
본원에 기재된 발명의 하나 이상의 변형예의 세부사항은 첨부 도면 및 하기 기재내용에 기재되어 있다. 본원에 기재된 발명의 다른 특징 및 장점은 기재내용, 및 도면, 및 청구범위로부터 명백해질 것이다. 현재 개시된 발명의 특정 특징은 예시의 목적으로 기재되지만, 그러한 특징은 제한하려는 의도가 아니라는 것이 쉽게 이해되어야 한다. 본 개시내용을 따르는 청구범위는 보호 대상의 범위를 정의하기 위한 것으로 의도된다.
본원 발명에 포함되고 그의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본원에 개시된 발명의 특정 측면을 나타내고, 기재내용과 함께 개시된 구현예와 연관된 원리 중 일부를 설명하는 데 도움을 준다. 도면에서,
도 1a는 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀의 예의 수평 단면도를 도시하고;
도 1b는 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀의 예의 수직 단면도를 도시하고;
도 1c는 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀의 예의 투시도를 도시하고;
도 2a는 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀의 또 다른 예의 수평 단면도를 도시하고;
도 2b는 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀의 또 다른 예의 단면의 사시도를 도시하고;
도 2c는 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀의 또 다른 예의 수직 단면도를 도시하고;
도 3a는 본 발명의 구현예에 따른 젤리롤의 예의 사시도를 도시하고;
도 3b는 본 발명의 구현예에 따른 젤리롤의 또 다른 예의 사시도를 도시하고;
도 4a는 본 발명의 구현예에 따른 양극 및 음극의 예를 도시하고;
도 4b는 본 발명의 구현예에 따른 양극 및 음극의 또 다른 예를 도시하고;
도 4c는 본 발명의 구현예에 따른 양극 및 음극의 또 다른 예를 도시하고;
도 5는 본 발명의 구현예에 따른 다공성 집전체를 갖는 전극의 예의 단면도를 도시하고;
도 6a는 본 발명의 구현예에 따른 확산 경로의 예를 예시하는 배터리 셀의 단면도를 도시하고;
도 6b는 본 발명의 구현예에 따른 확산 경로의 또 다른 예를 예시하는 배터리 셀의 단면도를 도시하고;
도 7은 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀을 조립하는 과정을 예시하는 흐름도를 도시하고;
도 8a는 본 발명의 구현예에 따른 제로 전압 노출 전후의 배터리 셀의 예의 용량 및 직류 저항 (DCR)을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 8b는 본 발명의 구현예에 따른 제로 전압 노출을 적용받는 배터리 셀의 예의 전압 프로파일을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 8c는 본 발명의 구현예에 따른 제로 전압 노출을 적용받는 배터리 셀의 예의 수명 사이클을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 9a는 본 발명의 구현예에 따른 제로 전압 노출 전후의 배터리 셀의 또 다른 예의 용량 및 직류 저항 (DCR)을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 9b는 본 발명의 구현예에 따른 제로 전압 노출을 적용받는 배터리 셀의 또 다른 예의 전압 프로파일을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 9c는 본 발명의 구현예에 따른 제로 전압 노출을 적용받는 배터리 셀의 또 다른 예의 수명 사이클을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 10은 본 발명의 구현예에 따른 희생 전극을 갖거나 갖지 않는 예시적인 배터리 셀에 대한 용량 대 전압의 미분 분석을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 11a는 본 발명의 구현예에 따른 고니켈 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 분말의 에너지 분산 분광법 (EDS) 스펙트럼을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 11b는 본 발명의 구현예에 따른 제로 전압 노출 및 사이클링을 적용받는 배터리 셀의 양극의 에너지 분산 분광법 (EDS) 스펙트럼을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 11c는 본 발명의 구현예에 따른 제로 전압 노출 및 사이클링을 적용받는 배터리 셀의 음극의 에너지 분산 분광법 (EDS) 스펙트럼을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 11d는 본 발명의 구현예에 따른 제로 전압 노출 및 사이클링을 적용받는 배터리 셀의 세퍼레이터의 에너지 분산 분광법 (EDS) 스펙트럼을 예시하는 그래프를 도시하고; 및
도 12a는 제로 전압 노출 전후에 상업용 3.5Ah 18650 배터리 셀의 예의 전압, 용량, 및 직류 저항 (DCR)을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 12b는 제로 전압 노출을 적용받는 상업용 3.5Ah 18650 배터리 셀의 예의 전압 프로파일을 예시하는 그래프를 도시하고; 및
도 12c는 제로 전압 노출을 적용받는 상업용 3.5Ah 18650 배터리 셀의 예의 수명 사이클을 예시하는 그래프를 도시한다.
실제로 유사한 참조 번호는 유사한 구조, 특징 또는 요소를 나타낸다.
리튬 (Li) 이온 배터리 셀과 같은 금속 이온 배터리 셀은 금속 이온 배터리 셀이 최소 전압을 넘어 방전되는 경우 과방전될 수 있다. 기존의 금속 이온 배터리 셀에 과방전 (또는 심방전)을 적용하면 금속 이온 배터리 셀이 불안정해질 수 있다. 예를 들어, 기존의 금속 이온 배터리 셀이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태로 방전되면, 금속 이온 배터리 셀 내부에 존재하는 고체 전해질 계면 (SEI)이 분해되기 시작할 수 있다. 고체 전해질 계면 (SEI)은 금속 이온 (예를 들어 리튬 (Li) 이온 등)의 이동을 가능하게 하면서 전자의 이동 및 전해질과 음극 사이의 추가 반응을 차단함으로써 금속 이온 배터리 셀 내에서 전해질 분해를 방지하고 전기화학 반응을 지속시킬 수 있다. 이와 같이, 저하된 고체 전해질 계면 (SEI)은 금속 이온 배터리 셀에서의 비가역적인 용량 손실에 기여할 수 있다. 게다가, 고체 전해질 계면 (SEI)이 저하된 금속 이온 배터리 셀은 보다 높은 임피던스를 나타낼 수 있으며, 이에 따라 금속 이온 배터리 셀의 내부 저항에 의해 보다 많은 전력이 열로 소멸되기 때문에 로딩에 보다 적은 전력을 제공할 수 있다.
기존의 금속 이온 배터리 셀을 저전압 상태 또는 제로 전압 단계로 방전하는 것은 또한 금속 이온 배터리 셀의 음극 집전체가 양극 부식을 겪는 것을 유발할 수 있으며, 이는 음극 집전체로부터 금속 이온을 고갈시킨다. 음극 집전체로부터의 금속 이온은 금속 이온 배터리 셀의 전해질에 용해되어 세퍼레이터를 통과하여 금속 이온 배터리 셀의 양극에 축적될 수 있다. 한편, 후속적인 배터리 셀의 재충전 동안, 고갈된 금속 이온은 음극 표면에 침착되기 전에 다시 전해질에 용해될 수 있다. 이에 따라, 음극에 금속 이온이 축적되어 형성된 금속 덴드라이트를 포함하는 금속 이온 배터리 셀의 내부 형태 변화로 인해 금속 이온 배터리 셀의 용량이 저하될 수 있다. 게다가, 음극 표면에 형성된 금속 덴드라이트가 세퍼레이터를 뚫고 금속 이온 배터리 셀의 양극과 접촉하면 금속 이온 배터리 셀 내에서 내부 단락이 발생할 수 있다.
저전압 또는 제로 전압에서의 불안정성은 금속 이온 배터리 셀이 장기간 보관될 수 있는 응용 분야에 해로울 수 있다. 예를 들어, 적극적으로 사용하지 않는 경우에도, 자기 방전, 배터리 관리 시스템에 의한 전력 소모, 및/또는 기생 로딩으로 인해 금속 이온 배터리 셀의 전압이 줄어들 수 있다. 다른 경우에는 직렬로 연결된 금속 이온 배터리 셀 클러스터의 불균형으로 인해 클러스터의 금속 이온 배터리 셀 중 하나 이상이 의도치 않게 과방전될 수 있다. 리튬 (Li) 이온 배터리 셀의 음극을 사전 리튬화하는 것과 같은 일부 조치는, 단지 제조 과정 동안 발생하는 리튬 손실을 상쇄할 뿐이다. 그러나, 음극 표면에 리튬 분말을 도포하는 것과 같은 기존의 사전 리튬화 기술은, 음극의 반응성을 높임에 따라 불활성 제조 환경 (예를 들어, 건조실)을 요구한다. 게다가, 제조 복잡성 및 안전 위험성에도 불구하고, 리튬 이온 배터리 셀의 음극을 사전 리튬화하는 것은 리튬 이온 배터리 셀이 장기간 동안 저전압 또는 제로 전압 상태에 있을 때 양극 부식으로부터 음극을 보호하지 못한다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리 셀은 초기 충방전 사이클 동안 손실되는 리튬을 보상하기 위해 20% 미만의 추가 리튬으로 사전 리튬화될 수 있다. 제1 충방전 사이클 동안 손실될 수 있는 것보다 더 많은 리튬으로 리튬 이온 배터리 셀을 사전 리튬화하면 리튬 이온 배터리 셀이 리튬 금속 배터리 셀로 변환될 위험이 있을 수 있다. 그러나, 리튬 이온 배터리 셀을 초기 충방전 사이클 동안 손실될 수 있는 리튬만으로 사전 리튬화할 경우, 잔류 리튬이 소모되면, 음극 집전체가 보호되지 않은 상태로 유지된다. 이와 같이, 리튬 이온 배터리 셀을 사전 리튬화하는 것만으로는 초기 충방전 사이클 이후 음극을 부식으로부터 보호하기에는 충분하지 않다.
본 발명의 일부 구현예에서, 금속 이온 배터리 셀은 저전압 상태 또는 제로 전압 상태에서 금속 이온 배터리 셀의 안정성을 개선시키도록 구성된 하나 이상의 희생 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 희생 전극은 금속 이온 배터리 셀의 음극 집전체를 형성하는 제2 물질보다 낮은 분해 전압을 갖는 제1 물질로부터 형성될 수 있다. 금속 이온 배터리 셀의 음극 집전체가 구리 (Cu)로부터 형성되는 하나의 예에서, 희생 전극은 아연 (Zn), 알루미늄 (Al), 리튬 (Li), 리튬 (Li) 합금, 산화물 등 중 하나 이상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 하나 이상의 희생 전극은 금속 이온 배터리 셀의 양극이 아닌 음극에 전기적으로 커플링됨으로써 금속 이온 배터리 셀에 통합될 수 있다. 예를 들어, 금속 이온 배터리 셀의 금속 케이스가 음극에 커플링되는 경우, 하나 이상의 희생 전극은 금속 이온 배터리 셀의 음극, 또는 금속 이온 배터리 셀의 금속 케이스에 커플링될 수 있다. 희생 전극은 금속 이온 배터리 셀이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태일 때 음극 집전체 및/또는 고체 전해질 계면 (SEI)의 분해를 방지할 수 있다. 예를 들어, 금속 이온 배터리 셀이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태에 있을 때, 희생 전극은 음극 집전체 및/또는 고체 전해질 계면 (SEI) 대신 분해되어 음극 집전체 및 이에 따른 금속 이온 배터리 셀의 내부 형태를 보존할 수 있다. 용해된 희생 전극이 양극 표면 (배터리 셀의 방전 동안) 또는 음극 표면 (배터리 셀의 재충전 동안)에 축적되는 경우에도, 희생 전극을 형성하는 물질들이 보다 균일하게 축적되며 이에 따라 전극 표면에 덴드라이트가 형성되는 것을 방지한다. 이와 같이 희생 전극은 배터리 셀의 형태를 보존함으로써 금속 이온 배터리 셀이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태로 방전되는 경우, 예컨대 금속 이온 배터리 셀을 장기간 보관하는 경우에도 금속 이온 배터리 셀의 용량 및 사이클 수명을 유지할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 금속 이온 배터리 셀은 하나 이상의 다공성 집전체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 이온 배터리 셀의 음극 집전체 및/또는 양극 집전체는 팽창된 금속 호일, 천공된 호일, 또는 복합 탄소계 호일 (예를 들어, 탄소섬유, 그래핀 등)과 같은 다공성 물질로부터 형성될 수 있다. 하나 이상의 희생 전극은 예를 들어 금속 이온 배터리 셀의 양극, 음극, 및 세퍼레이터를 권취함으로써 형성된 원통형 또는 편평한 젤리롤을 중심에 배치하는 것을 포함하여 다양한 방식으로 금속 이온 배터리 셀에 통합될 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 희생 전극은 금속 이온 배터리 셀의 음극 집전체 상에 코팅될 수 있다. 집전체의 다공성은 적어도 희생 전극으로부터의 금속 이온이 집전체 및 전극의 길이를 따라 확산되도록 강제되기보다는 집전체 및 전극의 층을 가로질러 확산될 수 있기 때문에 확산 길이를 수 자릿수 만큼 감소시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀(100)의 예를 도시한다. 배터리 셀(100)은 예를 들어 리튬 (Li) 이온 배터리 셀, 나트륨 (Na) 이온 배터리 셀, 마그네슘 (Mg) 이온 배터리 셀, 알루미늄 (Al) 이온 배터리 셀 등을 포함하는 금속 이온 배터리 셀일 수 있다. 도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 배터리 셀(100)은 케이스(120) 내부에 배치되는 젤리롤(110)을 포함할 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에 나타난 예에서, 배터리 셀(100)은 원통형 배터리 셀일 수 있다. 이에 따라, 젤리롤(110)은 실질적으로 원통형 형상일 수 있다. 젤리롤(110)은 각각이 배터리 셀(100)의 구성요소에 상응하는 물질을 여러 층 권취함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1a 내지 도 1c에 나타난 바와 같이, 젤리롤(110)은 양극(114)과 음극(116) 사이에 개재된 세퍼레이터(112)를 포함할 수 있다. 젤리롤(110)의 표면은 전형적으로 금속성인 케이스(120), 양극(114) 및 음극(116) 사이의 의도치 않은 접촉이 배터리 셀(100) 내에서 내부 단락을 형성할 수 있기 때문에, 케이스(120)의 내부 측벽에 직접 접촉되지 않을 수 있다. 대신에, 도 1a는 젤리롤(110)의 외부 측 표면과 케이스(120)의 내부 측벽 사이의 갭(125)를 나타낸다. 게다가, 젤리롤(110)과 케이스(120) 사이에 절연체(118)이 배치되어 젤리롤(110)과 케이스(120) 사이의 의도치 않은 접촉을 방지할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 배터리 셀(100)은 예를 들어 희생 전극(130)과 같은 하나 이상의 희생 전극을 포함할 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에 나타난 예에서, 희생 전극(130)은 젤리롤(110) 중심의 공동(135) 내에 배치될 수 있다. 공동(135)는 세퍼레이터(112), 양극(114) 및 음극(116)을 권취하여 젤리롤(110)을 형성한 후 생성될 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터(112), 양극(114) 및 음극(116)을 맨드릴 주위에 권취하여 젤리롤(110)을 형성할 수 있다. 젤리롤(110)의 중심으로부터 맨드릴을 제거하여 희생 전극(130) 삽입을 위한 공동(135)를 생성할 수 있다. 대안적으로, 희생 전극(130) 주위에 세퍼레이터(112), 양극(114) 및 음극(116)을 권취하여 젤리롤(110)을 형성할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)의 음극(116)과 커플링될 수 있다. 대안적으로, 도 1b에 나타난 바와 같이, 희생 전극(130)은 예를 들어 케이스(120)에 용접됨으로써 케이스(120)와 커플링될 수 있으며, 이는 차례로 음극(116)과 커플링된다. 어느 구성에서든, 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)의 양극(114)가 아니라 음극(116)과 전기적으로 커플링될 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터(112)는 희생 전극(130)이 양극(114)과 접촉하는 것을 방지하는 것인 절연을 제공할 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 보호 층 (예를 들어, 중합체 필름, 세라믹 코팅 등)은 희생 전극(130)이 양극(114)과 접촉하는 것을 방지하기 위해 희생 전극(130)의 외부 표면 및/또는 공동(135)의 내부 표면 주위에 배치될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 본 발명의 일부 구현예에서, 희생 전극(130)은 희생 전극 조립체(140)의 일부일 수 있다. 도 1c에 나타난 바와 같이, 희생 전극 조립체(140)은 하나 이상의 충전제(145) (예를 들어, 전해질 등)로 둘러싸인 희생 전극(130)을 포함할 수 있다. 게다가, 배터리 셀(100)은 도 1a 내지 도 1c에 나타난 희생 전극(130) (또는 희생 전극 조립체(140)) 외에 추가적인 희생 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 젤리롤(110)의 중심에 배치되는 희생 전극(130) (또는 희생 전극 조립체(140))에 더하여, 배터리 셀(100)은 젤리롤(110)의 외부 표면 및/또는 케이스(120)의 내부 표면에 도포되는 희생 전극을 포함할 수 있다. 일부 프리즘형 셀 및 대형 원통형 셀에서와 같이 케이스(120)이 중성인 경우, 이러한 구성은 사용자가 희생 전극(130)이 방전되는 시간과 마찬가지로 방전되는 희생 전극(130)의 양을 제어할 수 있게 하는 3전극 셀을 생성할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)이 최소 전압을 넘어 방전되는 경우 발생할 수 있는 저전압 또는 제로 전압 상태에서 배터리 셀(100)의 안정성을 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)의 음극 집전체를 형성하는 제2 물질보다 낮은 분해 전압을 갖는 제1 물질로부터 형성될 수 있다. 금속 이온 배터리 셀의 음극 집전체가 구리 (Cu)로부터 형성되는 하나의 예에서, 희생 전극(130)은 아연 (Zn), 알루미늄 (Al), 리튬 (Li), 리튬 (Li) 합금, 산화물 등으로 형성될 수 있다. 희생 전극(130)은 또한 리튬화 실리콘 (Si), 사전 리튬화 흑연 I, 리튬 티타네이트 산화물 (LTO), 리튬 주석 산화물 (LiSnO2) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태에 있는 경우 예를 들어 산화를 통해 분해될 수 있다. 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)의 음극 집전체 및/또는 고체 전해질 계면 (SEI) 대신에 분해됨에 따라 심지어 배터리 셀(100)이 장기간 보관될 때와 같이 배터리 셀(100)이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태로 방전되는 경우에도 배터리 셀(100)의 용량 및 사이클 수명을 보존할 수 있다.
도 1b를 다시 참조하면, 배터리 셀(100)은 배터리 셀(100)의 하나의 단부에 양극 캡(142) 및 배터리 셀(100)의 다른 단부에 음극 캡을 추가로 포함할 수 있다. 양극(114)는 양극(114)를 외부 회로에 양극 캡(142)를 통해 커플링되도록 구성된 양극 탭(152)를 포함할 수 있다. 추가로, 음극(116)은 음극 캡을 통해 음극(116)을 외부 회로에 커플링하도록 구성된 음극 탭(154)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 배터리 셀(100)은 금속 이온 확산을 투과시키는 프라이머 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프라이머 층은 희생 전극(130)으로부터 금속 이온의 보다 빠른 확산을 위한 이온 전도성을 제공하기 위해 전해질을 흡수할 수 있는 중합체를 포함할 수 있다. 이러한 프라이머 층은 특히 배터리 셀(100)이 다공성 집전체를 포함하는 경우 배터리 셀(100)의 제조를 더욱 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 양극(114) 및/또는 음극(116)을 형성하는 슬러리를 상응하는 집전체 위에 코팅하는 코팅 과정 동안, 프라이머 층이 집전체에 존재하는 기공을 막아 그에 따라 슬러리가 코팅 과정 동안 기공을 통해 누출되는 것을 방지할 수 있다. 프라이머 층은 또한 배터리 셀(100)에서의 과도한 전압, 압력 및/또는 온도에 반응하도록 구성된 하나 이상의 보호 구성요소 또는 물질을 함유할 수 있다.
도 1b를 다시 참조하면, 배터리 셀(100)은 배터리 셀(100)의 폭발을 유발할 수 있는 가스를 방출함으로써 배터리 셀(100) 내의 과도한 압력 상승을 완화하도록 구성된 벤트 플레이트(144) 및 개스킷(146)을 추가로 포함할 수 있다. 배터리 셀(100)은 전도성이 배터리 셀(100)의 온도에 반비례하는 정온도 계수 (PTC) 소자(162)를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 정온도 계수 소자(162)는 예를 들어, 폴리에틸렌 (PE) 및 카본 블랙, 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 및 카본 블랙, 무기 전도성 세라믹 (예를 들어 바륨 티타늄 산화물 (BaTiO3) 등) 및 폴리에틸렌 (PE)과 같은 하나 이상의 정온도 계수 물질을 포함할 수 있다. 배터리 셀(100)의 온도가 상승할 때, 정온도 계수 소자(162)의 전도성이 감소하므로, 정온도 계수 소자(162)는 배터리 셀(100)의 온도가 상승하는 경우 배터리 셀(100) 내부의 전류 흐름을 감소시키는 역할을 할 수 있다. 배터리 셀(100)의 온도가 정상화되면, 정온도 계수 소자(162)는 높은 전도성으로 돌아올 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 배터리 셀(100)은 배터리 셀(100)이 과도한 전류, 압력 및/또는 전압을 적용받을 때 배터리 셀(100) 내의 전류 흐름을 영구적으로 차단할 수 있는 퓨즈일 수 있는 전류 차단기(164)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 희생 전극(130)은 희생 전극(130)을 형성하는 하나 이상의 물질 (예를 들어, 금속, 금속 합금 등)을 음극 집전체의 표면 및/또는 케이스(120)의 내부 표면에 분무함으로써 형성될 수 있다 (희생 전극(130)이 케이스(120)을 통해 음극(116)과 커플링되는 경우). 금속 분무는 용융된 금속 (또는 금속 합금)을 표면에 분무하여 코팅을 형성하는 과정이다. 예를 들어, 용융된 금속 (또는 금속 합금)은 압축 공기의 폭발에 적용될 수 있으며, 이로 인해 작은 금속 방울이 생성되어 코팅할 표면을 향해 돌출되는 결합 효과가 있다. 최종 결과는 집전체의 표면 및/또는 케이스(120)의 내부 표면에의 고체 금속 코팅이다. 금속 코팅의 두께는 도포된 층의 양에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 우수하고 견고한 장벽을 형성하지만 약한 부식성 조건에서는 비활성화될 수 있는 알루미늄 (Al), 또는 침식 또는 기계적 손상에 대해 열악한 장벽을 형성하는 아연 (Zn) 중 하나 이상의 층을 분무함으로써 형성될 수 있는 희생 전극(130)은 거의 항상 희생적으로 작용할 수 있다. 일부 경우에, 희생 전극(130)은 알루미늄 (Al) 및 아연 (Zn)의 각각의 장점을 나타내는 알루미늄-아연-인듐(Al-Zn-In) 합금과 같은 금속 합금의 하나 이상의 층을 분무함으로써 형성될 수 있다. 합금은 합금이 아연 (Zn)보다 밀도가 훨씬 낮도록 (예를 들어, 아연 (Zn) 밀도의 40%) 중알루미늄 기반 (예를 들어 95% 알루미늄 (Al))일 수 있다. 희생 반응은 순수 알루미늄 (Al)과 마찬가지로 3개의 전자의 손실을 수반할 수 있지만, 알루미늄-아연-인듐 (Al-Zn-In) 합금은 이미 아연 (Zn)보다 단단한 순수 알루미늄 (Al)보다도 훨씬 단단한다. 소량의 아연 (Zn) 및 인듐 (In)을 포함하는 것은 배터리 셀(100)의 부식성 환경 (예를 들어, 염화물 이온이 존재하는 경우)에서 합금을 희생적으로 유지한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀(100)의 또 다른 예를 도시한다. 배터리 셀(100)은 예를 들어 리튬 (Li) 이온 배터리 셀, 나트륨 (Na) 이온 배터리 셀, 마그네슘 (Mg) 이온 배터리 셀, 알루미늄 (Al) 이온 배터리 셀 등을 포함하는 금속 이온 배터리일 수 있다. 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 배터리 셀(100)은 케이스(120) 내부에 배치되는 젤리롤(110)을 포함할 수 있다. 도 2a 내지 도 2c에 나타난 예에서, 배터리 셀(100)은 프리즘형 배터리 셀일 수 있다. 이와 같이, 젤리롤(110)은 편평한 젤리롤, 예를 들어 실질적으로 타원형 원통 형상인 젤리플랫일 수 있다. 젤리롤(110)은 각각이 배터리 셀(100)의 구성요소에 상응하는 물질을 여러 층 권취함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 내지 도 2c에 나타난 바와 같이, 젤리롤(110)은 양극(114)과 음극(116) 사이에 개재된 세퍼레이터(112)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 배터리 셀(100)은 또한 젤리롤(110) 중심의 공동(135)에 배치된 희생 전극(130)과 같은 하나 이상의 희생 전극을 포함할 수 있다. 공동(135)는 세퍼레이터(112), 양극(114) 및 음극(116)을 권취하여 젤리롤(110) 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 젤리롤(110)은 세퍼레이터(112), 양극(114) 및 음극(116)을 맨드릴 주위에 권취함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 맨드릴을 제거하면 희생 전극(130) 삽입을 위한 공동(135)가 형성된다. 대안적으로, 희생 전극(130) 주위에 세퍼레이터(112), 양극(114) 및 음극(116)이 권취될 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)의 음극(116)과 커플링될 수 있다. 예를 들어, 도 2c에 나타난 예에서, 희생 전극(130)은 음극(116)의 음극 탭(154)와 커플링될 수 있다. 대안적으로, 도 2b에 나타난 바와 같이, 희생 전극(130)은 예를 들어 케이스(120)에 용접됨으로써 케이스(120)와 커플링될 수 있으며, 이는 차례로 음극(116)과 커플링된다. 어떠한 구현예에서도, 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)의 양극(114)가 아닌 음극(116)과 전기적으로 커플링될 수 있다. 게다가, 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)의 최소 전압을 넘어 방전 시 발생할 수 있는 저전압 또는 제로 전압 상태에서 배터리 셀(100)의 안정성을 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 희생 전극(130)은 예를 들어 배터리 셀(100)이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태인 경우, 산화를 통해 분해될 수 있다. 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)의 음극 집전체 및/또는 고체 전해질 계면 (SEI) 대신에 분해되어, 그에 따라 심지어 배터리 셀(100)이 장기간 보관될 때와 같이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태로 방전되는 경우에도 배터리 셀(100)의 용량 및 사이클 수명을 유지한다.
도 2a 내지 도 2c에 나타나지 않았지만, 배터리 셀(100)은 배터리 셀(100)에서의 과도한 전압, 압력 및/또는 온도에 반응하기 위한 하나 이상의 보호 메커니즘을 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(100)은 프라이머 층뿐만 아니라 배터리 셀(100)의 폭발을 유발할 수 있는 가스를 방출하는 것을 포함하여 배터리 셀(100) 내의 과도한 압력 상승을 완화하도록 구성된 벤트 플레이트 및 개스킷을 포함할 수 있다. 배터리 셀(100)은 또한 배터리 셀(100)의 온도에 반비례하는 전도성을 갖는 정온도 계수 (PTC) 소자를 포함할 수 있다. 정온도 계수 소자의 전도성은 배터리 셀(100)의 온도가 상승함에 따라 감소하므로, 정온도 계수 소자는 배터리 셀(100)이 온도 상승을 겪을 때 배터리 셀(100) 내의 전류 흐름을 감소시키는 역할을 할 수 있다. 정온도 계수 소자는 배터리 셀(100)의 온도가 정상화되면 높은 전도성으로 돌아올 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 배터리 셀(100)은 배터리 셀(100)이 과도한 전류, 압력 및/또는 전압을 적용받을 때 배터리 셀(100) 내의 전류 흐름을 영구적으로 차단할 수 있는 퓨즈일 수 있는 전류 차단기를 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀(100)의 젤리롤(110)의 예를 도시한다. 예를 들어, 도 3a에 나타낸 젤리롤(110)의 예는 실질적으로 타원형 원통형 형상인 젤리플랫인 반면, 도 3b에 나타난 젤리롤(110)의 예는 실질적으로 원통형 형상이다. 도 3a 및 도 3b에 나타난 바와 같이, 젤리롤(110)은 각각이 배터리 셀(100)의 구성 요소에 상응하는 여러 층의 물질을 권취함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 젤리롤(110)은 양극(114)과 음극(116) 사이에 개재된 세퍼레이터(112)를 포함할 수 있다. 게다가, 도 3a 및 3b에 나타난 바와 같이, 젤리롤(110)은 희생 전극(130)과 마찬가지로 보조 전극(150)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 희생 전극(130)은 배터리 셀(100)의 음극(116)과 커플링될 수 있다. 도 3a 및 도 3b에 나타난 젤리롤(110)의 예에서, 희생 전극(130)에 상응하는 제1 물질 층은 배터리 셀(100)의 음극 집전체에 상응하는 제2 물질 층의 표면에 직접 도포될 수 있다. 게다가, 보조 전극(150)에 상응하는 제3 물질 층은 희생 전극(130)에 상응하는 제1 물질 층과 직접적으로 접촉할 수 있다. 그러나, 보조 전극(150)은 배터리 셀(100)의 양극(114) 및 음극(116)으로부터 분리될 수 있다. 보조 전극(150)은 예를 들어, 배터리 셀(100)이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태일 때 희생 전극(130)으로부터 고갈된 금속 이온을 수용하도록 구성될 수 있다. 보조 전극(150)을 형성하는 물질의 예는 코발트 산화물 (CoO), 니켈 산화물 (NiO), 구리 산화물 (CuO), 철 산화물, 망간 산화물 (MnO2), 주석 산화물 (예를 들어, SnO, SnO2 등), 철 황화물 (FeS) 및 니켈인 (NiP)을 포함한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀(100)의 양극(114) 및 음극(116)의 예를 도시한다. 도 4a 및 도 4b에 나타난 음극(116)의 예에서, 음극(116)에 상응하는 제1 물질 및 희생 전극(130)에 상응하는 제2 물질(시트 형태)은 배터리 셀(100)의 음극 집전체에 상응하는 제3 물질의 표면에 교대로 초음파 용접 또는 코팅될 수 있다. 일부 경우에, 희생 전극(130)에 상응하는 제1 물질 (예를 들어, 분말 형태)은 음극(116)에 상응하는 제2 물질과 혼합된 후, 혼합물이 배터리 셀(100)의 음극 집전체에 상응하는 제3 물질의 표면에 코팅될 수 있다. 한편, 도 4b는 배터리 셀(100)의 양극 집전체에 상응하는 제3 물질의 표면에 양극(114)에 상응하는 제1 물질 및 보조 전극(150)에 상응하는 제2 물질을 교대로 코팅한 양극(114)의 예를 나타낸다.
이제 도 4c를 참조하면, 배터리 셀(100)의 음극 집전체에 상응하는 제3 물질의 하나의 면 또는 양면에 배터리 셀(100)의 음극(116)에 상응하는 제1 물질이 코팅될 수 있다. 도 4c에 나타난 예에서, 음극 집전체를 형성하는 제3 물질은 구리 (Cu)인 반면, 음극 탭(154)은 니켈 (Ni)로부터 형성될 수 있다. 한편, 배터리 셀(100)의 양극(114)에 상응하는 제1 물질은 배터리 셀(100)의 양극 집전체에 상응하는 제3 물질의 양 표면에 코팅될 수 있다. 도 4c에 나타난 예에서, 양극 집전체를 형성하는 제3 물질은 알루미늄 (Al)일 수 있는 반면, 양극 탭(152)은 또한 알루미늄 (Al)으로부터 형성될 수 있다.
일부 예시적 실시양태에서, 희생 전극(130)을 형성하는 제2 물질은 하나 이상의 금속 및/또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 제2 물질의 예는 리튬염 및 음극을 형성하는 금속보다 낮은 분해 전압을 갖는 기타 화합물 (예를 들어, 리튬 (Li), 나트륨 (Na), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al) 등)을 포함한다. 예를 들어, 제2 물질은 크롬(Cr), 철 (Fe), 주석(Sn), 납 (Pb), 알루미늄 (Al), 리튬화 실리카 산화물 (예를 들어, Li2Si2O5, Li2SiO3, LiSiO4, Li2O, Li12Si3, Li13Si4, LiSnO3 등), 마그네슘 알루미늄 합금 (MgAl), 마그네슘 티타늄 (MgTi), 칼슘 마그네슘 (CaMg), 아연 (Zn), 및 마그네슘 (Mg) 기반 합금, 및 구리 (Cu)보다 낮은 분해 전압을 갖는 일부 잠재적 전도성을 갖는 중합체 또는 복합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전도성 중합체의 예는 폴리아세틸렌 (PA), 폴리아닐린 (PANI), 폴리피롤 (PPy), 폴리티오펜 (PTH), 폴리(파라-페닐렌) (PPP), 폴리(페닐렌비닐렌) (PPV), 및 폴리푸란 (PF)을 포함한다.
도 5는 본 발명의 구현예에 따른 다공성 집전체를 갖는 전극(500)의 예의 단면도를 도시한다. 도 5에 나타난 바와 같이, 전극(500)은 전극 물질(510)의 2개의 층 사이에 배치된 집전체(520)을 포함할 수 있다. 전극(500)은 예를 들어 도 1a 내지 도 1c 및 도 2a 내지 도 2c에 나타낸 배터리 셀(100)의 예시적인 양극(114) 및/또는 음극(116)을 구현할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 집전체(520)은 다공성 집전체일 수 있다. 즉, 집전체(520)은 다수의 기공을 갖는 금속 호일 (예를 들어, 구리 (Cu) 호일, 알루미늄 (Al) 호일 등)일 수 있으며, 이는 적어도 집전체(520)을 통과하는 통로를 제공함으로써 금속 이온 (예를 들어, 리튬 (Li) 이온 등)의 확산 경로를 단축시킨다. 추가로 예시하기 위해, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 구현예에 따른 확산 경로의 다양한 예를 예시하는 배터리 셀(100)의 단면도를 도시한다. 도 6a는 비-다공성 집전체를 포함하도록 형성된 배터리 셀(100)의 변형예에서 금속 이온의 확산 경로(점선으로 나타냄)를 도시한다. 대조적으로, 도 6b는 예를 들어 집전체(520)과 같은 다공성 집전체를 포함하도록 형성된 배터리 셀(100)의 또 다른 변형예에서 금속 이온의 확산 경로(점선으로 나타냄)를 도시한다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 다공성 집전체를 포함하면 금속 이온의 확산 경로가 단축될 수 있다. 예를 들어, 비-다공성 집전체는 금속 이온이 젤리롤(110)의 각 나선형을 따라 이동하도록 강제할 수 있는 반면, 다공성 집전체는 금속 이온이 젤리롤(100)의 층을 통해 통과하도록 허용할 수 있다. 이렇게 함으로써 다공성 집전체는 불균형적으로 높은 농도의 금속 이온이 젤리롤(110)의 중심을 향해 응집되는 구배의 형성을 방지할 수 있다. 대신에, 다공성 집전체를 사용하면, 예를 들어 희생 전극(130)으로부터의 금속 이온이 젤리롤(110)의 중심을 향해 균일하게 방출될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 집전체(520)의 다공성은 또한 집전체(520)이 예를 들어 전극 물질(510)을 형성하는 슬러리를 포함하는 다른 물질을 통과할 수 있게 만들 수 있다. 따라서, 도 5에 나타낸 예에서, 전극(500)은 전극 물질(510)을 형성하는 슬러리를 도포하기 전에 집전체(520) 상에 배치되는 프라이머 층(530)을 추가로 포함할 수 있다. 프라이머 층(530)은 적어도 집전체(520)에 존재하는 기공을 통해 슬러리의 누출을 방지하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 프라이머 층(530)은 과도한 전압, 압력 및/또는 온도에 반응하도록 구성된 하나 이상의 보호 구성요소 및/또는 물질을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 프라이머 층(530)은 전도성이 배터리 셀(100)의 온도에 반비례하는 정온도 계수 물질 (예를 들어, 폴리에틸렌 (PE) 및 카본 블랙, 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 및 카본 블랙), 무기 전도성 세라믹 (예를 들어, 바륨 티타늄 산화물 (BaTiO3) 등 및 폴리에틸렌 (PE))을 포함할 수 있다. 대안적으로, 프라이머 층(530)은 집전체(520)과 전극 물질(510)의 하나 이상의 층 사이의 비전도성 갭을 생성시켜 과도한 전압, 압력 및/또는 온도에 반응하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프라이머 층(530)은 과도한 전압, 압력 및/또는 온도에 노출될 때 가스로 추가로 전이되는 가스 및/또는 액체를 생성할 수 있다. 가스는 적어도 전극 물질(510)과 집전체(520) 사이의 층간박리를 야기함으로써 비전도성 갭을 생성할 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 가스 및/또는 액체는 적어도 전극 물질(510)의 적어도 일부를 분해함으로써 비전도성 갭을 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 구현예에 따른 배터리 셀을 조립하기 위한 과정(700)을 예시하는 흐름도를 도시한다. 도 1a 내지 도 1c, 도 2a 내지 도 2c, 도 3a 및 도 3b, 도 4a 및 도 4b, 도 5 및 도 7을 참조하면, 과정(700)은 예를 들어 배터리 셀(100)을 형성하기 위해 수행될 수 있다.
배터리 셀의 음극 및 양극은 전극 물질 시트를 적절한 형상 및/또는 크기의 조각으로 펀칭하여 형성될 수 있다(702). 예를 들어, 양극 물질 및/또는 음극 물질의 시트는 전극 탭을 사용하여 적절한 형상 및/또는 크기의 조각으로 펀칭될 수 있다. 배터리 셀의 음극 및 양극을 건조시킬 수 있다(704). 예를 들어, 배터리 셀의 양극은 125℃에서 10시간 동안 건조될 수 있는 반면, 배터리 셀의 음극은 140℃에서 10시간 동안 건조될 수 있다.
세퍼레이터 층은 양극과 음극 사이에 개재되어 시트를 형성할 수 있다(706). 예를 들어, 세퍼레이터 층이 배터리 셀의 양극 및 음극에 적층되어 시트를 형성할 수 있다. 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 시트를 권취하여 하나 이상의 희생 전극 및/또는 보조 전극을 갖는 젤리롤을 형성할 수 있다(708). 본 발명의 일부 구현예에서, 희생 전극은 배터리 셀의 공동 내부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 시트를 맨드릴 주위에 권취할 수 있다. 맨드릴을 젤리롤의 중심으로부터 제거하여 희생 전극 삽입을 위한 공동을 형성할 수 있다. 대안적으로, 희생 전극은 배터리 셀의 음극 집전체 표면에 코팅될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀의 음극 집전체에 상응하는 제3 물질의 표면에 음극에 상응하는 제1 물질 및 희생 전극에 상응하는 제2 물질을 교대로 코팅할 수 있다. 한편, 배터리 셀의 양극 집전체에 상응하는 제3 물질의 표면에 양극에 상응하는 제1 물질 및 보조 전극에 상응하는 제2 물질이 교대로 코팅될 수 있다. 어느 구성이든, 희생 전극은 배터리 셀의 음극과 커플링될 수 있지만 배터리 셀의 양극과는 커플링되지 않아 배터리 셀이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태로 방전될 때 배터리 셀의 음극에서 희생 전극이 분해되어 음극 집전체 및 고체 전해질 계면 (SEI)을 보존할 수 있다.
젤리롤은 케이스에 배치될 수 있다(710). 예를 들어, 단계(708)에서 형성된 편평한 젤리롤은 금속 (예를 들어, 알루미늄 (Al)) 케이스 내부에 배치될 수 있다. 젤리롤은 케이스 내부에서 건조될 수 있다(712). 예를 들어, 케이스 내부의 편평한 젤리롤은 70℃에서 10시간 동안 건조될 수 있다. 케이스에 전해질을 채우고 밀봉하여 배터리 셀의 조립을 완성할 수 있다(714).
조립된 배터리 셀은 에이징될 수 있다(716). 예를 들어, 단계 (714)에서 형성된 배터리 셀은 36시간 동안 에이징될 수 있다. 조립 및 에이징된 배터리 셀이 활성화될 수 있다(718). 예를 들어, 배터리 셀은 배터리 셀의 화학 성분을 활성화하도록 구성된 제어된 충방전 사이클을 배터리 셀에 적용하는 형성 과정을 거쳐 활성화될 수 있다. 이러한 형성 과정은 배터리 셀 내의 전압 상승이 점진적으로 이루어지도록 일정한 전류 대신 점진적으로 증가하는 전류에 노출됨으로써 배터리 셀이 충전되는 것을 요구한다.
샘플 셀 I
샘플 셀 I의 양극은 N-메틸피롤리돈(NMP)에 일정량의 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF)를 용해시켜 8% 중합체 용액을 제조함으로써 형성될 수 있다. 일정량의 카본 블랙을 8% 중합체 용액에 첨가하고 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합하여 슬러리를 형성할 수 있다. 일정량의 고니켈 리튬 니켈 망간 코발트 산화물을 슬러리에 첨가하고 점도를 조정하기 위해 첨가된 추가 N-메틸피롤리돈(NMP)과 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합하여 유동성 슬러리를 수득할 수 있다. 유동성 슬러리는 제1 가열 구역이 약 80℃로 설정되고 제2 가열 구역이 약 130℃로 설정된 자동 코팅 기계를 사용하여 알루미늄 (Al) 호일 (예를 들어, 15-μm 알루미늄 호일) 상에 코팅되어 N-메틸피롤리돈(NMP)을 증발시킬 수 있다. 이어서, 슬러리로 코팅된 알루미늄 (Al) 호일을 목표 두께로 압축하고 목표 폭 (예를 들어, 56mm)으로 절단하여 샘플 셀 I의 양극을 형성할 수 있다. 양극 탭은 예를 들어 양극의 중심에 있는 무질량 영역에 용접될 수 있다.
샘플 셀 I의 음극은 탈이온수에 일정량의 바인더를 용해시킨 후 전도성 첨가제를 첨가하고 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합함으로써 형성될 수 있다. 생성된 용액에 규소 (Si)/실리카 산화물 (SiO) 및 탄소 복합체를 첨가하고 분당 6500회전으로 60분 동안 혼합할 수 있다. 추가 물을 첨가하여 점도를 조정하고 유동성 슬러리를 형성할 수 있다. 이어서, 자동 코팅기를 사용하여 슬러리를 구리 (Cu) 호일 (예를 들어, 9-μm 두께의 구리 호일) 위에 코팅할 수 있다. 샘플 셀 I의 음극은 슬러리가 코팅된 구리 (Cu) 호일을 목표 두께로 압축하고, 목표 폭 (예를 들어, 58mm)으로 절단하여 형성될 수 있다. 희생 전극에 상응하는 아연 (Zn) 호일 (예를 들어 약 0.025mm 아연 호일)은 샘플 셀 I의 원하는 구성에 따라 음극의 무질량 영역 (또는 음극 집전체 Cu 호일)의 헤더 또는 테일에 용접 (예를 들어 초음파 용접에 의해)될 수 있다. 하나 이상의 음극 탭을 샘플 셀 I의 음극의 무질량 영역에 용접할 수 있다.
샘플 셀 I의 젤리롤은 예를 들어 권취기를 사용하여 양극, 세퍼레이터 및 음극을 권취함으로써 형성될 수 있다. 젤리롤은 예를 들어 금속 케이스, 소프트 파우치 등의 케이스에 삽입될 수 있다. 음극 탭 중 하나는 케이스에 용접될 수 있는 반면, 양극 탭은 예를 들어 레이저 용접에 의해 샘플 셀 I의 헤더에 용접될 수 있다. 미완성 샘플 셀 I은 80℃에서 적어도 12시간 동안 건조된 후 건조된 샘플 셀 I에 전해질이 채워지고 압착될 수 있다. 샘플 셀 I은 실온에서 24시간 동안 에이징된 후 형성 과정을 거칠 수 있다. 예를 들어, 1KHz에서 샘플 셀 I의 평균 개방 회로 전압 (OCV) 및 임피던스는 각각 약 0.70V 및 약 19mΩ일 수 있다. 샘플 셀 I은 C/40에서 300mAh (mAh)로 충전한 다음 비교적 높은 속도로 4.2V까지 충전한 후 실온에서 7일 동안 에이징시켜 형성될 수 있다.
샘플 셀 I의 제로 전압 노출 전후의 용량, 직류 저항 (DCR), 및 사이클 수명을 테스트할 수 있다. 샘플 셀 I의 용량 및 직류 저항 (DCR)을 테스트하기 위해, 샘플 셀 I을 2시간 동안 휴지시킨 후 C/5-4.4V에서 정전류 및 정전압 (CC-CV)으로 C/20까지 충전할 수 있다. 일단 충전되면 샘플 셀 I은 10분 동안 휴지된 후 C/2에서 정전류(CCD)로 5분 동안 약 95% 충전 상태(SOC)까지 방전될 수 있다. 제1 전압 측정(V1) 및 전류 측정(I1)은 방전 종료 10초 전에 이루어질 수 있다. 샘플 셀 I은 다시 1분 동안 C/5에서 정전류 방전(CCD)을 적용받은 후 제2 전압 측정(V2)될 수 있으며 전류 측정(I2)은 제2 방전 10초 후에 이루어질 수 있다. 95% 충전 상태(SOC)에서 샘플 셀 I의 직류 저항 (DCR)은 DCR95%SOC=|(V2-V1)/(I2-I1)|에 상응할 수 있다.
샘플 셀 I은 약 50% 충전 상태(SOC)에 도달하기 위해 다시 C/2에서 54분 동안 정전류 방전(CCD)을 적용받을 수 있다. 제3 전압 측정(V2) 및 전류 측정(I3)은 방전 종료 10초 전에 수행될 수 있다. 샘플 셀 I은 1분 동안 C/5에서 정전류 방전(CCD)을 적용받은 후 제4 전압 측정(V4)될 수 있고 전류 측정(I4)은 상기 방전 10초 후에 수행된다. 50% 충전 상태(SOC)에서 샘플 셀 I의 직류 저항은 DCR50%SOC=|(V4-V3)/(I4-I3)|에 상응할 수 있다.
샘플 셀 I은 C/2에서 36분 동안 다시 정전류 방전(CCD)을 적용받아 약 20% 충전 상태(SOC)에 도달할 수 있다. 제5 전압 측정(V5) 및 전류 측정(I5)은 방전 종료 10초 전에 수행될 수 있다. 그런 다음 샘플 셀 I은 C/5에서 1분 동안 정전류 방전(CCD)을 적용받아 제6 전압 측정(V6)될 수 있고 전류 측정(I6)은 상기 방전 약 10초 후에 수행된다. 20% 충전 상태에서 샘플 셀 I의 직류 저항 (DCR)은 DCR20%SOC=|(V6-V5)/(I6-I5)|에 상응할 수 있다. 샘플 셀 I의 방전 용량/에너지, 쿨롱/에너지 효율 및 직류 저항 (DCR)이 기록될 수 있다.
샘플 셀 I의 40% 방전심도(DOD)에서의 사이클 수명은 샘플 셀 I에서 2시간 동안의 제1 휴지에 의해 결정될 수 있다. 샘플 셀 I은 C/5-4.4V에서 정전류 및 정전압 (CC-CV)으로 < C/20까지 충전될 수 있다. 충전된 샘플 셀 I을 C/1.5에서 35분 동안 정전류 방전(CCD)을 적용하여 40% 방전심도(DOD)에 도달시킬 수 있다. 이 시점에서, 샘플 셀 I은 다시 정전류로 C/2.25에서 65분 동안 충전된 후 정전류로 방전될 수 있다. 샘플 셀 I의 충방전은 샘플 셀 I이 2.5V의 방전 종료 전압(EODV)을 나타낼 때까지 반복될 수 있다. 20℃에서 샘플 셀 I의 용량 및 그의 DCR(직류 저항)은 200 사이클마다 테스트할 수 있다.
샘플 셀 I의 100% 방전심도(DOD)에서의 사이클 수명은 2시간 동안의 제1 휴지에 의해 결정될 수 있다. 샘플 셀 I은 C/3-4.4V에서 정전류 및 정전압 (CC-CV)으로 < C/20까지 충전하고, 10분 동안 휴지하고, C/5-2.5V에서 정전류(CCD)로 방전하고, 30분 동안 휴지할 수 있다. 샘플 셀 I은 샘플 셀 I의 용량이 80%가 될 때까지 충방전을 반복할 수 있다.
제로 전압 노출 (ZVE)에 대한 샘플 셀 I의 반응은 샘플 셀 I의 초기 20℃ 용량 및 직류 저항 (DCR)을 측정함으로써 결정될 수 있다. 이후 샘플 셀 I은 C/5-4.4V에서 정전류 및 정전압 (CC-CV)으로 < C/20까지 방전되고, 10분 동안 휴지하고, C/5-2.5V에서 정전류 (CCD)로 방전되고, 30분 동안 휴지하고, C/5-0V에서 정전류 (CCD)로 방전되고, 7일 동안 0V에서 20Ω이 추가로 방전되었다. 그 후, 샘플 셀 I을 C/5-3.8V에서 정전류 및 정전압 (CC-CV)으로 충전한 후 24시간 동안 휴지시킬 수 있다. 이 시점에서 샘플 셀 I의 20℃ 용량 및 직류 저항 (DCR)이 결정될 수 있다. 하기 표 1은 제로 전압 노출 (ZVE) 전후의 샘플 셀 I의 용량 및 직류 저항 (DCR)을 비교 분석한 것을 도시한다. 도 8a는 제로 전압 노출 (ZVE) 전후의 샘플 셀 I의 용량 및 직류 저항 (DCR)을 예시하는 그래프(800)를 도시한다. 표 1 및 도 8a에 나타난 바와 같이, 샘플 셀 I의 용량-시간 프로파일은 제로 전압 노출 (ZVE) 전후에 실질적으로 동일하다. 샘플 셀 I의 방전 용량은 제로 전압 노출 (ZVE) 전 3.717Ah이고, 제로 전압 노출 (ZVE) 후 3.713Ah로, 약 0.123%의 손실을 나타낸다. 95%, 50%, 및 20% 충전 상태에서의 직류 저항 (DCR) 또한 제로 전압 노출 (ZVE) 후에도 거의 변화를 나타내지 않는다.
<표 1>
도 8b는 샘플 셀 I이 20Ω에서 7일 동안 제로 전압 노출을 적용받는 동안 샘플 셀 I의 전압-시간 프로파일을 예시하는 그래프(825)를 도시한다. 샘플 셀 I의 방전 용량은 4.4V에서 2.5V까지 3.749Ah, 2.5V에서 0V까지 0.425Ah, 0V에서 0.396Ah이다. 샘플 셀 I의 심방전은 0.821Ah를 방출하여 총 방전 용량은 4.57Ah가 되었다. 따라서 제로 전압 노출은 샘플 셀 I의 방전 용량의 약 21.89% 변화에 기여했다. 도 8c는 샘플 셀 I이 20Ω에서 7일 동안 제로 전압 노출 (ZVE)을 적용받은 후 샘플 셀 I의 사이클 수명을 예시하는 그래프(850)를 도시한다. 도 8c에 나타난 바와 같이, 샘플 셀 I의 방전 에너지 보유율은 270 사이클 이후 98.7%이다. 게다가, 샘플 셀 I은 사이클링 후 단지 1.3%의 에너지 손실을 나타냈다.
샘플 셀 II
샘플 셀 II는 샘플 셀 II가 저전압 상태 또는 제로 전압 상태에 있는 동안 용량 및 사이클 수명을 보존하기 위한 희생 전극이 없는 기본 배터리 셀이다. 샘플 셀 II의 양극은 N-메틸피롤리돈(NMP)에 일정량의 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF)를 용해시켜 8% 중합체 용액을 제조하는 것을 포함하는 샘플 셀 I의 양극과 동일한 방식일 수 있다. 일정량의 카본 블랙을 8% 중합체 용액에 첨가하고 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합하여 슬러리를 형성할 수 있다. 일정량의 고니켈 리튬 니켈 망간 코발트 산화물을 슬러리에 첨가하고 점도를 조정하기 위해 첨가된 추가 N-메틸피롤리돈(NMP)과 분당 6500회전에서 30분 동안 혼합하여 유동성 슬러리를 수득할 수 있다. 유동성 슬러리는 제1 가열 구역이 약 80℃로 설정되고 제2 가열 구역이 약 130℃로 설정된 자동 코팅 기계를 사용하여 알루미늄 (Al) 호일 (예를 들어, 15-μm 알루미늄 호일) 상에 코팅되어 N-메틸피롤리돈(NMP)을 증발시킬 수 있다. 이어서, 슬러리로 코팅된 알루미늄 (Al) 호일을 목표 두께로 압축하고 목표 폭 (예를 들어, 56mm)으로 절단하여 샘플 셀 II의 양극을 형성할 수 있다. 양극 탭은 예를 들어 양극의 중심에 있는 무질량 영역에 용접될 수 있다.
샘플 셀 II의 음극은 일정량의 바인더를 탈이온수에 용해시킨 후 전도성 첨가제를 첨가하고 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합함으로써 형성될 수 있다. 생성된 용액에 규소 (Si)/실리카 산화물 (SiO) 및 탄소 복합체를 첨가하고 분당 6500회전으로 60분 동안 혼합할 수 있다. 추가 물을 첨가하여 점도를 조정하고 유동성 슬러리를 형성할 수 있다. 이어서, 자동 코팅기를 사용하여 슬러리를 구리 (Cu) 호일 (예를 들어, 9-μm 두께의 구리 호일) 위에 코팅할 수 있다. 샘플 셀 I의 음극은 슬러리가 코팅된 구리 (Cu) 호일을 목표 두께로 압축하고, 목표 폭 (예를 들어, 58mm)으로 절단하여 형성될 수 있다. 하나 이상의 음극 탭이 샘플 셀 II 음극의 무질량 영역에 용접될 수 있다. 언급한 바와 같이, 샘플 셀 II는 샘플 셀 I에 존재하는 희생 전극 없이 형성된 기준 셀이다.
샘플 셀 II의 젤리롤은 예를 들어 권취기를 사용하여 양극, 세퍼레이터 및 음극을 권취함으로써 형성될 수 있다. 젤리롤은 예를 들어 금속 케이스, 소프트 파우치 등의 케이스에 삽입될 수 있다. 음극 탭 중 하나는 케이스에 용접될 수 있는 반면, 양극 탭은 예를 들어 레이저 용접에 의해 샘플 셀 II의 헤더에 용접될 수 있다. 미완성 샘플 셀 II는 80℃에서 적어도 12시간 동안 건조된 후 건조된 샘플 셀 II에 전해질이 채워지고 압착될 수 있다. 샘플 셀 II는 실온에서 24시간 동안 에이징된 후 형성 과정을 거칠 수 있다. 예를 들어, 1kHz에서 샘플 셀 II의 개방 회로 전압(OCV) 및 임피던스는 각각 약 0.7V 및 약 19mΩ일 수 있다. 샘플 셀 II는 C/40에서 300mAh로 충전한 후 실온에서 7일 동안 에이징시켜 형성될 수 있다.
샘플 셀 II는 샘플 셀 I과 동일한 방식으로 제로 전압 노출 (ZVE) 전후의 용량, 직류 저항 (DCR) 및 사이클 수명을 테스트할 수 있다. 하기 표 2는 제로 전압 노출 (ZVE) 전후의 샘플 셀 II 용량 및 직류 저항 (DCR)을 비교 분석한 것을 도시한다. 도 9a는 제로 전압 노출 (ZVE) 전후의 샘플 셀 II의 전압, 용량 및 직류 저항 (DCR)을 예시하는 그래프(900)를 도시한다. 표 2 및 도 9a에 나타난 바와 같이, 샘플 셀 II의 용량, 전압-시간 프로파일은 제로 전압 노출 (ZVE) 전후에 실질적으로 동일하게 유지되었다. 샘플 셀 II의 방전 용량은 제로 전압 노출 (ZVE) 전 3.932Ah이고, 제로 전압 노출 후 3.891Ah로, 약 1.06%의 손실을 나타낸다. 한편, 샘플 셀 II의 직류 저항 (DCR)은 95%, 50%, 및 20% 충전 상태(SOC)에서 약간의 변화를 나타내었다.
<표 2>
도 9b는 샘플 셀 II가 20Ω에서 7일 동안 제로 전압 노출을 적용받는 동안 샘플 셀 II의 전압-시간 프로파일을 예시하는 그래프(925)를 도시한다. 샘플 셀 II의 방전 용량은 4.4V에서 2.5V까지 3.967Ah, 2.5V에서 0V까지 0.466Ah, 및 0V에서 0.346Ah이다. 샘플 셀 II의 심방전은 0.812Ah를 방출하여 총 방전 용량은 4.779Ah가 되었다. 따라서 제로 전압 노출 (ZVE)은 샘플 셀 II의 방전 용량의 약 20.46% 변화에 기여했다. 도 9c는 샘플 셀 II가 20Ω에서 7일 동안 제로 전압 노출 (ZVE)을 적용받은 후 샘플 셀 II의 사이클 수명을 예시하는 그래프(950)를 도시한다. 도 9c에 나타난 바와 같이, 샘플 셀 II의 방전 에너지 보유율은 260 사이클 후 86.3%이다. 따라서 샘플 셀 II는 13.7%의 에너지 손실을 나타냈는데, 이는 270사이클 후 샘플 셀 I에 존재하는 에너지 손실의 거의 10배에 해당한다. 샘플 셀 I(아연 (Zn) 호일 희생 전극 포함)과 샘플 셀 II(희생 전극 없음)의 비교는 희생 금속 호일의 존재가 샘플 셀 I이 0V로 과방전되는 경우 음극 집전체를 보호함으로써 샘플 셀 I의 용량을 보존한다는 것을 나타낸다.
샘플 셀 III
샘플 셀 III의 양극은 샘플 셀 II의 양극과 동일한 방식으로 형성될 수 있으며, 이는 N-메틸피롤리돈(NMP)에 일정량의 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF)를 용해시켜 8% 중합체 용액을 제조하는 단계를 포함한다. 일정량의 카본 블랙을 8% 중합체 용액에 첨가하고 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합하여 슬러리를 형성할 수 있다. 일정량의 고니켈 리튬 니켈 망간 코발트 산화물을 슬러리에 첨가하고 점도를 조정하기 위해 첨가된 추가 N-메틸피롤리돈(NMP)과 분당 6500회전에서 30분 동안 혼합하여 유동성 슬러리를 수득할 수 있다. 유동성 슬러리는 제1 가열 구역이 약 80℃로 설정되고 제2 가열 구역이 약 130℃로 설정된 자동 코팅 기계를 사용하여 알루미늄 (Al) 호일 (예를 들어, 15-μm 알루미늄 호일) 상에 코팅되어 N-메틸피롤리돈(NMP)을 증발시킬 수 있다. 이어서, 슬러리로 코팅된 알루미늄 (Al) 호일을 목표 두께로 압축하고 목표 폭 (예를 들어, 56mm)으로 절단하여 샘플 셀 III의 양극을 형성할 수 있다. 양극 탭은 예를 들어 양극의 중심에 있는 무질량 영역에 용접될 수 있다.
샘플 셀 III의 음극은 샘플 셀 II의 음극과 동일한 방식으로 형성될 수 있으며, 이는 일정량의 바인더를 탈이온수에 용해시킨 후 전도성 첨가제를 첨가하고 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합하는 단계를 포함한다. 생성된 용액에 규소 (Si)/실리카 산화물 (SiO) 및 탄소 복합체를 첨가하고 분당 6500회전으로 60분 동안 혼합할 수 있다. 추가 물을 첨가하여 점도를 조정하고 유동성 슬러리를 형성할 수 있다. 이어서, 자동 코팅기를 사용하여 슬러리를 구리 (Cu) 호일 (예를 들어, 9-μm 두께의 구리 호일) 위에 코팅할 수 있다. 샘플 셀 III의 음극은 슬러리가 코팅된 구리 (Cu) 호일을 목표 두께로 압축하고, 목표 폭 (예를 들어, 58mm)으로 절단하여 형성될 수 있다.
샘플 셀 III은 샘플 셀 II와 동일한 방식으로 조립될 수 있다. 예를 들어, 샘플 셀 III의 젤리롤은 예를 들어 권취기를 사용하여 양극, 세퍼레이터 및 음극을 권취함으로써 형성될 수 있다. 젤리롤은 예를 들어 금속 케이스, 소프트 파우치 등의 케이스에 삽입될 수 있다. 음극 탭 중 하나는 케이스에 용접될 수 있는 반면, 양극 탭은 예를 들어 레이저 용접에 의해 샘플 셀 III의 헤더에 용접될 수 있다. 미완성 샘플 셀 III은 80℃에서 적어도 12시간 동안 건조된 후 건조된 샘플 셀 III에 전해질이 채워지고 압착될 수 있다. 샘플 셀 III은 실온에서 24시간 동안 에이징된 후 형성 과정을 거칠 수 있다. 예를 들어, 1KHz에서 샘플 셀 III의 개방 회로 전압(OCV) 및 임피던스는 각각 약 1.1V 및 약 23mΩ일 수 있다. 샘플 셀 III은 100mA에서 300mAh로 형성되고 4.2V로 충전된 후 실온에서 7일 동안 에이징될 수 있다. 도 10은 용량 대 전압의 미분 분석을 예시하는 그래프(1000)를 도시한다. 도 10에 나타난 바와 같이, 샘플 셀 III (예를 들어 ALE24-1, ALE24-2, ALE24-3, ALE24-5 및 ALE24-6)은 초기 충전 동안 약 3.172V, 약 3.256V 및 3.309V에서 3개의 피크를 나타낸다.
샘플 셀 IV
샘플 셀 IV의 양극은 샘플 셀 I의 양극과 동일한 방식으로 형성될 수 있으며, 이는 N-메틸피롤리돈(NMP)에 일정량의 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF)를 용해시켜 8% 중합체 용액을 제조하는 단계를 포함한다. 일정량의 카본 블랙을 8% 중합체 용액에 첨가하고 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합하여 슬러리를 형성할 수 있다. 일정량의 고니켈 리튬 니켈 망간 코발트 산화물을 슬러리에 첨가하고 점도를 조정하기 위해 첨가된 추가 N-메틸피롤리돈(NMP)과 분당 6500회전에서 30분 동안 혼합하여 유동성 슬러리를 수득할 수 있다. 유동성 슬러리는 제1 가열 구역이 약 80℃로 설정되고 제2 가열 구역이 약 130℃로 설정된 자동 코팅 기계를 사용하여 알루미늄 (Al) 호일 (예를 들어, 15-μm 알루미늄 호일) 상에 코팅되어 N-메틸피롤리돈(NMP)을 증발시킬 수 있다. 이어서, 슬러리로 코팅된 알루미늄 (Al) 호일을 목표 두께로 압축하고 목표 폭 (예를 들어, 56mm)으로 절단하여 샘플 셀 IV의 양극을 형성할 수 있다. 양극 탭은 예를 들어 양극의 중심에 있는 무질량 영역에 용접될 수 있다.
샘플 셀 IV의 음극은 샘플 셀 I의 음극과 동일한 방식으로 형성될 수 있으며, 이는 일정량의 바인더를 탈이온수에 용해시킨 후 전도성 첨가제를 첨가하고 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합하는 단계를 포함한다. 생성된 용액에 규소 (Si)/실리카 산화물 (SiO) 및 탄소 복합체를 첨가하고 분당 6500회전으로 60분 동안 혼합할 수 있다. 추가 물을 첨가하여 점도를 조정하고 유동성 슬러리를 형성할 수 있다. 이어서, 자동 코팅기를 사용하여 슬러리를 구리 (Cu) 호일 (예를 들어, 9-μm 두께의 구리 호일) 위에 코팅할 수 있다. 샘플 셀 IV의 음극은 슬러리가 코팅된 구리 (Cu) 호일을 목표 두께로 압축하고, 목표 폭 (예를 들어, 58mm)으로 절단하여 형성할 수 있다. 희생 전극에 상응하는 순수 아연 (Zn) 호일은 샘플 셀 VI의 원하는 구성에 따라 음극의 헤더 또는 테일에 용접 (예를 들어 초음파 용접에 의해)될 수 있다. 하나 이상의 음극 탭을 샘플 셀 VI 음극의 무질량 영역에 용접할 수 있다.
샘플 셀 IV을 샘플 셀 I과 동일한 방식으로 조립할 수 있다. 예를 들어, 샘플 셀 IV의 젤리롤은 예를 들어 권취기를 사용하여 양극, 세퍼레이터 및 음극을 권취함으로써 형성될 수 있다. 젤리롤은 예를 들어 금속 케이스, 소프트 파우치 등의 케이스에 삽입될 수 있다. 음극 탭 중 하나는 케이스에 용접될 수 있는 반면, 양극 탭은 예를 들어 레이저 용접에 의해 샘플 셀 IV의 헤더에 용접될 수 있다. 미완성 샘플 셀 IV는 80℃에서 적어도 12시간 동안 건조된 후 건조된 샘플 셀 IV에 전해질이 채워지고 압착될 수 있다. 샘플 셀 IV는 실온에서 24시간 동안 에이징된 후 형성 과정을 거칠 수 있다. 용량 대 전압의 미분 분석을 도시하는 도 10을 다시 참조하면, 샘플 셀 IV (예를 들어 ALE25-1, ALE25-2, ALE25-3 및 ALE25-5)는 약 3.240V 및 약 3.323V에서 2개의 피크를 나타낸 반면, 샘플 셀 III은 3개의 피크를 나타낸다. 샘플 셀 IV에서 나타나는 전압 피크가 더 적은 것은 순수 아연 (Zn) 희생 전극의 존재 때문일 수 있다.
샘플 셀 V
샘플 셀 V의 양극은 N-메틸피롤리돈(NMP)에 일정량의 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF)를 용해시켜 8% 중합체 용액을 제조함으로써 형성될 수 있다. 일정량의 카본 블랙을 8% 중합체 용액에 첨가하고 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합하여 슬러리를 형성할 수 있다. 일정량의 고니켈 리튬 니켈 망간 코발트 산화물을 슬러리에 첨가하고 점도를 조정하기 위해 첨가된 추가 N-메틸피롤리돈(NMP)과 분당 6500회전에서 30분 동안 혼합하여 유동성 슬러리를 수득할 수 있다. 유동성 슬러리는 제1 가열 구역이 약 80℃로 설정되고 제2 가열 구역이 약 130℃로 설정된 자동 코팅 기계를 사용하여 알루미늄 (Al) 호일 (예를 들어, 15-μm 알루미늄 호일) 상에 코팅되어 N-메틸피롤리돈(NMP)을 증발시킬 수 있다. 이어서, 슬러리로 코팅된 알루미늄 (Al) 호일을 목표 두께로 압축하고 목표 폭 (예를 들어, 56mm)으로 절단하여 샘플 셀 V의 양극을 형성할 수 있다. 양극 탭은 예를 들어 양극의 중심에 있는 무질량 영역에 용접될 수 있다.
샘플 셀 V의 음극은 음극 집전체의 제2 물질보다 낮은 분해 전압을 갖는 제1 물질을 음극의 제3 물질에 직접 혼입시켜 형성될 수 있다. 샘플 셀 V의 음극은 일정량의 바인더를 탈이온수에 용해시킨 후 전도성 첨가제를 첨가하고 분당 6500회전으로 30분 동안 혼합하여 형성될 수 있다. 소량의 아연 (Zn) 분말 (예를 들어, 1μm 내지 5μm)(음극의 전체 고체 중량의 2%)을 생성된 슬러리에 첨가하고 분당 3000회전으로 혼합할 수 있다. 규소 (Si)/실리카 산화물 (SiO) 및 탄소 복합체를 아연 (Zn) 슬러리에 첨가하고 분당 6500회전으로 60분 동안 혼합하여 유동성 슬러리를 형성할 수 있으며, 물을 첨가하여 매끄러운 코팅을 달성하기 위해 필요한 점도를 조정한다. 생성된 슬러리는 자동 코팅기를 사용하여 구리 (Cu) 호일 (예를 들어, 8-μm 두께의 Cu 호일) 위에 코팅될 수 있다. 샘플 셀 V의 음극은 원하는 두께로 압축되고 목표 폭 (예를 들어 58mm)으로 슬라이스될 수 있다. 하나 이상의 음극 탭이 샘플 셀 V의 음극의 무질량 영역에 용접될 수 있다.
샘플 셀 V의 조립은 예를 들어 권취기를 사용하여 양극, 세퍼레이터, 및 음극을 권취하여 젤리롤을 형성하는 단계를 포함한다. 젤리롤은 예를 들어 금속 케이스, 소프트 파우치 등의 케이스에 삽입될 수 있다. 음극 탭 중 하나는 케이스에 용접될 수 있는 반면, 양극 탭은 예를 들어 레이저 용접에 의해 샘플 셀 V의 헤더에 용접될 수 있다. 미완성 샘플 셀 V는 80℃에서 적어도 12시간 동안 건조된 후 건조된 샘플 셀 V에 전해질이 채워지고 압착될 수 있다. 샘플 셀 V는 실온에서 24시간 동안 에이징된 후 형성 과정을 거칠 수 있다. 예를 들어, 1KHz에서 샘플 셀 V의 개방 회로 전압(OCV) 및 임피던스는 대략 0.765V 및 19mΩ일 수 있다. 샘플 셀 V는 C/40에서 300mAh로 충전한 후 실온에서 7일 동안 에이징시켜 형성될 수 있다.
샘플 셀 VI
샘플 셀 VI의 양극에는 망간 이산화물 (MnO2)이 포함되어 샘플 셀 VI가 제로 전압 노출을 겪을 때 음극 집전체의 분해를 방지하는 추가 보호를 제공할 수 있다. 샘플 셀 VI의 양극은 200g의 리튬 코발트 산화물 (LiCoO2) 활성 물질 및 3g의 JD-600 카본 블랙을 100g의 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF) 및 N-메틸피롤리돈(NMP) 바인더 용액 (예를 들어 8% PVDF NMP 용액)에 혼합하여 형성할 수 있다. 망간 이산화물 (MnO2) 분말 (예를 들어, MnO2 분말 2g)을 생성된 슬러리에 첨가하고 분당 4000회전으로 30분 동안 혼합할 수 있다. 슬러리의 점도는 21mg/cm2의 로딩량으로 알루미늄 호일 (예를 들어 16μm 두께의 알루미늄 호일)에 코팅되기 전에 N-메틸피롤리돈(NMP)을 첨가하여 조정할 수 있다. 리버스 롤 코터를 사용하여 용매를 증발시킨 후 양극이 목표 두께 (예를 들어, 138μm)로 캘린더링되고 원하는 치수 (예를 들어, 폭 56mm 및 길이 700mm)로 슬라이스될 수 있다. 양극 탭 (예를 들어, 알루미늄 (Al) 탭)은 초음파 용접기를 이용하여 예를 들어 양극 중심에 있는 무질량 영역에 용접될 수 있다.
샘플 셀 VI의 음극은 음극 집전체의 제2 물질보다 낮은 분해 전압을 갖는 제1 물질을 음극의 제3 물질에 직접 혼입시켜 형성될 수 있다. 샘플 셀 VI의 음극은 200g의 흑연 음극 활성 물질과 3g의 카본 블랙을 150g의 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 물 바인더 용액 (예를 들어 1.5% CMC 수용액)에 혼합한 후 50g의 물 및 2g의 아연 (Zn) 분말을 첨가하고 분당 4000회전으로 30분 동안 혼합하여 형성될 수 있다. 현탁 용액 (예를 들어, 고체 함량이 48%인 스티렌-부타디엔-고무(SBR) 현탁 용액 8g)을 필요에 따라 물을 첨가하여 점도를 조정하면서 슬러리에 첨가할 수 있다. 생성된 슬러리는 10 mg/cm2의 로딩량으로 구리 (Cu) 호일 (예를 들어, 8-μm 두께의 구리 호일) 위에 코팅된 후 리버스 롤 코터를 사용하여 건조하여 용매를 제거할 수 있다. 음극은 목표 두께 (예를 들어, 148μm)로 캘린더링되고 원하는 치수 (예를 들어, 폭 58mm 및 길이 650mm)로 슬라이스될 수 있다. 하나 이상의 음극 탭 (예를 들어, 하나 이상의 니켈 (Ni) 탭)은 음극의 무질량 영역에 용접될 수 있다.
샘플 셀 VI의 조립은 예를 들어 권취기를 사용하여 양극, 세퍼레이터, 및 음극을 권취하여 젤리롤을 형성하는 단계를 포함한다. 젤리롤은 예를 들어 금속 케이스, 소프트 파우치 등의 케이스에 삽입될 수 있다. 음극 탭 중 하나는 케이스에 용접될 수 있는 반면, 양극 탭은 예를 들어 레이저 용접에 의해 샘플 셀 VI의 헤더에 용접될 수 있다. 미완성 샘플 셀 VI는 80℃에서 최소 48시간 동안 건조된 후 건조된 샘플 셀 VI에 5.5g의 전해질을 채우고 압착될 수 있다. 샘플 셀 VI는 실온에서 24시간 동안 에이징될 수 있으며, 이후 샘플 셀 VI을 C/50-4.2V에서 충전하고, 10분 동안 휴지한 후, 샘플 셀 VI을 C/5-3V에서 방전하는 단계를 포함하는 형성 과정을 거치게 된다. 배터리 셀의 세퍼레이터, 양극, 및 음극에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 분석을 수행하여 배터리 셀이 저전압 상태 또는 제로 전압 상태로 방전될 때 희생 전극이 배터리 셀의 음극 집전체를 양극 부식으로부터 보존한다는 것을 입증할 수 있다. 표 3 및 도 11a에 도시된 그래프(1100)는 배터리 셀의 양극을 형성하는데 사용되는 고니켈 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 분말의 원소 조성을 예시한다. 표 3 및 그래프(1100)에 나타난 바와 같이, 배터리 셀의 양극을 형성하기 위해 사용되는 고니켈 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 분말에는 아연 (Zn) 또는 구리 (Cu)가 함유되어 있지 않다.
<표 3>
표 4 및 도 11b에 도시된 그래프(1125)는 배터리 셀이 제로 전압 노출 (ZVE) 및 사이클링을 적용받은 후 배터리 셀로부터 수집된 양극의 원소 조성을 예시한다. 표 4 및 그래프(1125)에 나타난 바와 같이, 배터리 셀의 양극에서는 약 1.85 중량%의 아연 (Zn)이 검출되었으나, 구리 (Cu)는 전혀 발견되지 않았다. 아연 (Zn)의 존재 및 구리 (Cu)의 부재는 구리 (Cu) 집전체를 양극 부식으로부터 보호하기 위해 아연 (Zn) 희생 전극이 분해되었음을 나타낸다.
<표 4>
표 5 및 도 11c에 도시된 그래프(1150)은 배터리 셀이 제로 전압 노출 (ZVE) 및 사이클링을 적용받은 후 배터리 셀로부터 수집된 음극의 원소 조성을 예시한다. 표 5 및 그래프(1150)은 제로 전압 노출 후 배터리 셀의 음극에서 니켈 (Ni), 망간 (Mn), 코발트 (Co) 또는 아연 (Zn)의 양이 검출되지 않았음을 나타낸다. 이러한 결과는 양극의 아연 (Zn)이 전해질에 크게 용해되지 않아 음극 표면에서 환원이 발생하지 않는 것을 유발한다는 것을 의미한다. 아연 (Zn) 희생 전극은 구리 (Cu) 음극 집전체를 양극 부식으로부터 보호하지만, 음극 표면에서 자체적으로 환원되지는 않았다. 따라서, 아연 (Zn) 희생 전극의 용해는 적어도 용해된 아연 (Zn)이 리튬 (Li) 또는 구리 (Cu)와 같은 음극 표면에 덴드라이트를 형성하지 않기 때문에 안전성 문제가 되지 않는다.
<표 5>
표 6 및 도 11d에 도시된 그래프(1175)는 배터리 셀이 제로 전압 노출 및 사이클링을 적용받은 후 배터리 셀로부터 수집된 세퍼레이터의 원소 조성을 예시한다. 표 6 및 그래프(1175)에 나타난 바와 같이, 세퍼레이터에서 니켈 (Ni), 망간 (Mn), 코발트 (Co), 및 아연 (Zn)의 양이 검출되지 않았다. 양극에 존재하는 아연 (Zn)은 전해질에 용해되지 않으므로 세퍼레이터의 기공을 통해 이동하지 않는다. 따라서, 아연 (Zn) 희생 전극의 용해는 적어도 용해된 아연 (Zn)이 리튬 (Li) 또는 구리 (Cu)와 같은 음극 표면에 덴드라이트를 형성하지 않기 때문에 안전성 문제가 되지 않는다.
<표 6>
샘플 셀 VII
상업용 3.5Ah 18650 셀을 샘플 셀 I 및 II의 제로 전압 노출 (ZVE)에 대해 동일한 테스트 순서에 따라 테스트하였다.
샘플 셀 VII의 100% 방전심도(DOD)에서의 사이클 수명은 2시간 동안의 제1 휴지에 의해 결정될 수 있다. 샘플 셀 VII는 C/3-4.2V에서 정전류 및 정전압 (CC-CV)으로 C/20까지 충전하고, 10분 동안 휴지하고, C/5-2.5V에서 정전류(CCD)로 방전하고, 30분 동안 휴지할 수 있다. 샘플 셀 VII는 용량 보유율이 약 80%가 될 때까지 충방전을 반복할 수 있다.
제로 전압 노출 (ZVE)에 대한 샘플 셀 VII의 반응은 샘플 셀 VII의 초기 20℃ 용량 및 직류 저항 (DCR)을 측정하여 결정할 수 있다. 이후 샘플 셀 VII은 C/5-4.2V에서 정전류 및 정전압 (CC-CV)으로 < C/20까지 방전되고, 10분 동안 휴지하고, C/5-4.2V에서 정전류(CCD)로 방전되고, 30분 동안 휴지하고, C/5-0V에서 정전류(CCD)로 방전되고, 7일 동안 0V에서 20Ω을 추가로 방전되었다. 그 후, 샘플 셀 VII를 C/5-3.8V에서 정전류 및 정전압 (CC-CV)으로 충전한 후 24시간 동안 휴지시킬 수 있다. 이 시점에서 샘플 셀 VII의 20℃ 용량 및 직류 저항 (DCR)을 결정할 수 있다.
아래 표 7은 제로 전압 노출 (ZVE) 전후의 샘플 셀 VII의 용량 및 직류 저항 (DCR)을 비교 분석한 것을 도시한다. 도 12a는 제로 전압 노출 (ZVE) 전후의 샘플 셀 VII의 전압, 용량 및 직류 저항 (DCR)을 예시하는 그래프(1200)을 도시한다. 표 7 및 도 12a의 그래프(1200)에 도시된 바와 같이, 샘플 셀 VII의 용량-시간 프로파일은 제로 전압 노출 (ZVE) 전후에 실질적으로 동일하다. 샘플 셀 VII의 방전 용량은 제로 전압 노출 (ZVE) 전 3.24Ah이고, 제로 전압 노출 (ZVE) 후 3.16Ah로, 약 2.46%의 손실을 나타낸다. 95%, 50%, 및 20% 충전 상태에서의 직류 저항 (DCR) 또한 제로 전압 노출 (ZVE) 후에 약 10% 변화를 나타낸다.
<표 7>
도 12b는 샘플 셀 VII가 20Ω에서 7일 동안 제로 전압 노출 (ZVE)을 적용받는 동안 샘플 셀 VII의 전압-시간 프로파일을 예시하는 그래프(1225)를 도시한다. 샘플 셀 VII의 방전 용량은 4.2V에서 2.5V까지 3.278Ah, 2.5V에서 0V까지 0.194Ah, 및 0V에서 0.277Ah이다. 샘플 셀 VII의 심방전은 0.471Ah를 방출하여 총 방전 용량은 3.749Ah가 되었다. 따라서 ZVE(제로 전압 노출)는 샘플 셀 VII의 방전 용량의 약 14.36% 변화에 기여했다. 도 12c는 샘플 셀 VII가 20Ω에서 7일 동안 제로 전압 노출 (ZVE)을 적용받은 후 샘플 셀 VII의 사이클 수명을 예시하는 그래프(1250)를 도시한다. 도 12c에 나타난 바와 같이, 샘플 셀 VII의 방전 에너지 보유율은 130 사이클 후에 약 91%이고 200 사이클 후에는 오직 약 78%이다. 게다가, 참조로서 제로 전압 노출이 없는 샘플 셀 VII는 130 사이클 후 사이클링 후 약 94.5%의 용량 손실을 나타낸다. 제로 전압 노출 (ZVE)은 상업용 18650 셀의 사이클 수명에 심각한 손상을 초래한다.
상기 상세한 설명 및 청구범위에서, "적어도 하나" 또는 "중 하나 이상"과 같은 문구 뒤에는 요소 또는 특징의 결합 목록이 나타날 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 2개 이상의 요소 또는 특징의 목록에서도 나타날 수 있다. 그것이 사용된 문맥에 의해 달리 묵시적으로 또는 명시적으로 모순되지 않는 한, 그러한 문구는 나열된 요소 또는 특징 중 임의의 것을 개별적으로 의미하거나, 또는 언급된 요소 또는 특징 중 임의의 다른 인용된 요소 또는 특징과 조합된 것을 의미하도록 의도된다. 예를 들어, "A 및 B 중 적어도 하나"; "A 및 B 중 하나 이상"; 및 "A 및/또는 B"라는 문구는 각각 "A 단독, B 단독 또는 A와 B 함께"를 의미하도록 의도된다. 3개 이상의 항목을 포함하는 목록에도 유사한 해석이 또한 의도된다. 예를 들어, "A, B, 및 C 중 적어도 하나"; "A, B, 및 C 중 하나 이상"; 및 "A, B 및/또는 C"라는 문구는 각각 "A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 함께, A와 C 함께, B와 C 함께, 또는 A 및 B 및 C 함께"를 의미하도록 의도된다. 상기 및 청구범위에서 "~에 기초하여"라는 용어를 사용하는 것은 "적어도 부분적으로 ~에 기초하여"를 의미하여, 인용되지 않은 특징 또는 요소 또한 허용되도록 의도된다.
본원에 기재된 발명은 원하는 구성에 따라 시스템, 장치, 방법 및/또는 물품으로 구현될 수 있다. 상기 기재내용에 기재된 구현예는 본원에 기재된 발명에 따른 모든 구현예를 나타내는 것은 아니다. 대신에, 이들은 단지 기재된 발명과 관련된 측면에 따른 일부 예일 뿐이다. 상기에는 몇 가지 변형이 자세히 기재되어 있지만, 다른 수정 또는 추가도 가능하다. 특히, 본원에 기재된 것 외에 추가적인 특징 및/또는 변형이 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 기재된 구현예는 개시된 특징의 다양한 조합 및 하위 조합 및/또는 상기 개시된 여러 추가 특징의 조합 및 하위 조합에 관한 것일 수 있다. 추가로, 첨부된 도면에 도시되고/거나 본원에 기재된 논리 흐름은 바람직한 결과를 달성하기 위해 나타난 특정 순서 또는 순차적 순서를 반드시 필요로 하는 것은 아니다. 다른 구현예는 하기 청구범위의 범위 내에 있을 수 있다.

Claims (21)

  1. 배터리 셀로서,
    양극 집전체와 커플링된 양극;
    음극 집전체와 커플링된 음극; 및
    음극과 커플링되나 양극과는 커플링되지 않은 희생 전극
    을 포함하며,
    상기 희생 전극은, 배터리 셀이 배터리 셀의 최소 전압 미만으로 방전되는 동안, 희생 전극이 음극 집전체 대신에 분해되도록, 음극 집전체를 형성하는 제2 물질보다 낮은 분해 전압을 갖는 제1 물질로부터 형성된 것인,
    배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서, 음극 집전체가 구리 (Cu)를 포함하는 것인 배터리 셀.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 희생 집전체가 크롬 (Cr), 철 (Fe), 주석 (Sn), 납 (Pb), 아연 (Zn), 알루미늄 (Al), 리튬 (Li), 리튬 (Li) 합금, 마그네슘 알루미늄 합금 (MgAl), 마그네슘 티타늄 (MgTi), 칼슘 마그네슘 (CaMg), 리튬화 실리카 산화물, 전도성 중합체 또는 전도성 중합체 복합체 중 하나 이상을 포함하는 것인 배터리 셀.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 희생 전극이, 양극을 구성하는 제1 물질 층, 음극을 구성하는 제2 물질 층, 및 제1 물질 층과 제2 물질 층 사이에 개재된 세퍼레이터를 구성하는 제3 물질 층을 권취함으로써 형성된 젤리롤의 중심에 있는 공동 내에 배치된 것인 배터리 셀.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 희생 전극을 구성하는 제1 물질이, 음극 집전체를 구성하는 제2 물질의 제1 부분 상에 코팅되고, 한편, 음극을 구성하는 제3 물질은 음극 집전체를 구성하는 제2 물질의 제2 부분 상에 코팅된 것인 배터리 셀.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 희생 전극을 구성하는 제1 물질이 음극을 구성하는 제3 물질과 혼합되어 혼합물을 형성하고, 혼합물이, 음극 집전체를 구성하는 제2 물질 상에 코팅된 것인 배터리 셀.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 희생 전극의 분해에 의해 희생 전극으로부터 고갈된 금속 이온을 수용하도록 구성된 보조 전극을 추가로 포함하는 배터리 셀.
  8. 제7항에 있어서, 보조 전극을 구성하는 제3 물질이, 양극 집전체를 구성하는 제4 물질의 제1 부분 상에 코팅되고, 양극을 구성하는 제5 물질이 양극 집전체를 구성하는 제4 물질의 제2 부분 상에 코팅된 것인 배터리 셀.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 보조 전극이 코발트 산화물 (CoO), 니켈 산화물 (NiO), 구리 산화물 (CuO), 철 산화물, 망간 산화물 (MnO2), 주석 산화물 (예를 들어, SnO, SnO2 등), 철 황화물 (FeS), 또는 니켈인 (NiP) 중 하나 이상을 포함하는 것인 배터리 셀.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 양극이 고니켈 리튬 니켈 망간 코발트 산화물, 도핑된 리튬 니켈 산화물, 도핑된 또는 순수한 리튬 망간 산화물, 리튬 철, 바나듐 인산염, 도핑된 또는 순수한 리튬 코발트 산화물 (LiCoO2), 리튬 바나듐 산화물 또는 리튬 플루오린 중 하나 이상을 포함하는 것인 배터리 셀.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 음극이 규소, 규소 산화물, 흑연, 탄소, 주석, 주석 산화물, 게르마늄, 질산염, 또는 리튬 티타늄 산화물 중 하나 이상을 포함하는 것인 배터리 셀.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 양극 집전체 및/또는 음극 집전체가 다공성 물질로부터 형성된 것인 배터리 셀.
  13. 제12항에 있어서, 다공성 물질이 팽창된 금속 호일, 천공된 호일, 또는 복합 탄소계 호일 중 하나 이상을 포함하는 것인 배터리 셀.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 프리즘형 배터리 셀 또는 원통형 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    전해질;
    양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터;
    양극 집전체와 커플링된 양극, 음극 집전체와 커플링된 음극, 세퍼레이터, 및 전해질을 둘러싸는 케이스;
    양극과 커플링되며 배터리 셀의 헤더에 용접된 양극 탭; 및
    음극과 커플링되며 케이스에 용접된 음극 탭
    을 추가로 포함하는 배터리 셀.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 전해질 계면 (SEI) 안정화제를 추가로 포함하는 배터리 셀.
  17. 제17항에 있어서, 고체 전해질 계면 (SEI) 안정화제가 플루오린계 화합물을 포함하는 것인 배터리 셀.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 희생 전극을 구성하는 제1 물질이 음극을 구성하는 제2 물질의 표면에 용접된 것인 배터리 셀.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 희생 전극을 구성하는 제1 물질이 음극을 구성하는 제2 물질의 하나 이상의 단부에 용접된 것인 배터리 셀.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 희생 전극이, 음극 집전체의 제1 표면 및/또는 배터리 셀의 케이스의 제2 표면에 제1 물질을 분무함으로써 형성된 것인 배터리 셀.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 희생 전극이, 음극에 커플링된 배터리 셀의 금속 케이스에 커플링됨으로써 음극에 커플링된 것인 배터리 셀.
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