KR20240000416U - 리튬 이온 배터리 - Google Patents

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토마스 게른하르트 빌헬름 다미츠
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토마스 게른하르트 빌헬름 다미츠
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Abstract

리튬 이온 배터리가 개시된다. 리튬 이온 배터리는: 양극 활성 재료가 표면에 배치되는, 양극 집전체; 음극 집전체 - 음극 활성 재료가 표면에 배치되고, 음극 집전체가 양극 집전체에 대향되어 배치됨 -; 양극 활성 재료와 음극 활성 재료 사이에 배치된 분리막 및 전해질; 양극 집전체와 전기 접촉되는 양극 컬럼; 음극 집전체와 전기 접촉되는 음극 컬럼; 및 양극 집전체, 음극 집전체, 분리막 및 전해질을 둘러싸는 외부 하우징 - 양극 컬럼 및 음극 컬럼이 외부 하우징을 통과함 - 을 포함하고; 양극 집전체의 표면 및 음극 집전체의 표면이 규칙적으로 및/또는 무작위적으로 텍스처 가공된 구조물을 포함한다.

Description

리튬 이온 배터리
본원은 배터리 분야, 그리고 특히 리튬 이온 배터리에 관한 것이다.
재충전 가능 리튬 이온 배터리는 일반적으로 하나 이상의 전기화학적 전지를 가지며 각각의 전기화학적 전지는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에서 리튬 이온을 전달하기 위한 전해질을 갖는다. 액체 전해질 용액으로 습윤된 다공성 분리막이 음극과 양극 사이에 개재되어, 자유로운 이온 유동을 허용하면서 전극들을 서로 물리적으로 분리하고 전기적으로 절연시킬 수 있다. 음극 및 양극의 각각은 일반적으로 금속 집전체 상에 수반되거나 그에 연결된다. 집전체들은 중단 가능 외부 회로에 의해서 서로 연결될 수 있고, 배터리의 충전 및 방전 중에, 이러한 외부 회로를 통해 전자가 하나의 전극으로부터 다른 전극으로 통과할 수 있고, 동시에 리튬 이온은 전기화학적 전지를 통해서 반대 방향으로 이동할 수 있다.
방전 중에, 음극은 비교적 높은 농도의 삽입된 리튬(intercalated lithium)을 가지며, 이는 리튬 이온 및 전자로 산화된다. 리튬 이온은 전해질을 통해서(즉, 다공성 분리막을 통해서) 음극(캐소드)으로부터 양극(애노드)으로 이동한다. 동시에, 전자는 외부 회로를 통해서 음극으로부터 양극으로 전달된다. 리튬 이온은 전기화학적 환원 반응에 의해서 양극의 재료에 동화된다(assimilated). 배터리는 그 이용 가능한 용량의 부분적인 또는 완전한 방전 후에 외부 전원에 의해서 재충전될 수 있고, 이러한 재충전은 방전 중에 발생되는 전기화학적 반응의 반대로 이루어 진다.
재-충전 중에, 양극 내의 삽입된 리튬은 리튬 이온 및 전자로 산화된다. 리튬 이온은 전해질을 경유하여(즉, 다공성 분리막을 통해) 양극으로부터 음극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해서 음극으로 전달된다. 리튬 양이온은 음극에서 원소 리튬으로 환원되고, 재사용을 위해서 음극의 재료 내에서 저장된다.
본원은 리튬 이온 배터리를 제공하고, 이러한 리튬 이온 배터리는 양극 집전체와 음극 집전체의 접촉 표면적을 증가시키고, 그에 의해서 양극 집전체 및 음극 집전체의 내부 전도 저항을 감소시키며, 양극 집전체 및 음극 집전체의 전기 전도도를 높인다. 또한, 양극 집전체 및 음극 집전체 상에 전도성 재료를 각각 코팅하는 것에 의해서, 내부 전도 저항이 더 감소될 수 있고 전기 전도도가 더 증가될 수 있다.
본원의 양태에서, 리튬 이온 배터리가 제공된다. 리튬 이온 배터리는: 양극 집전체 - 양극 활성 재료가 양극 집전체의 표면에 배치됨 -; 음극 집전체 - 음극 활성 재료가 음극 집전체의 표면에 배치되고, 음극 집전체는 상기 양극 집전체에 대향되어 배치됨 -; 양극 활성 재료와 음극 활성 재료 사이에 배치된 분리막 및 전해질; 양극 집전체와 전기 접촉되는 양극 컬럼; 음극 집전체와 전기 접촉되는 음극 컬럼; 및 양극 집전체, 음극 집전체, 분리막 및 전해질을 둘러싸는 외부 하우징 - 양극 컬럼 및 음극 컬럼이 외부 하우징을 통과함 - 을 포함하고; 양극 집전체의 표면 및 음극 집전체의 표면이 규칙적으로 및/또는 무작위적으로 텍스처 가공된 구조물(textured structure)을 포함한다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 두께가 0.5 미크론 내지 2 미크론 범위인 전도성 재료 층이 양극 집전체와 양극 활성 재료 사이에, 그리고 음극 집전체와 음극 활성 재료 사이에 각각 배치된다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 전도성 재료 층은 그래핀 및/또는 탄소 나노튜브로 형성된다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 양극 집전체는 두께가 12 미크론 내지 25 미크론인 알루미늄 호일로 제조된다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 음극 집전체는 두께가 6 미크론 내지 18 미크론인 구리 호일로 제조된다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 양극 활성 재료는 리튬 망가나이트(LiMn2O4), 리튬 코발테이트(LiCoO2), 및 리튬 철 포스페이트(LiFePO4) 중 적어도 하나를 포함한다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 음극 활성 재료는 흑연, 흑연 및 규소의 혼합물, 티타늄 디옥시드(TiO2), 및 리튬 티타네이트(Li4Ti5O12) 중 적어도 하나를 포함한다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 텍스처 가공된 구조물은 표면 내의 복수의 딤플을 포함한다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 복수의 딤플의 각각은 0 초과 및 5 미크론 이하의 깊이, 및 0 초과 및 100 미크론 이하의 개구부 직경을 갖는다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 양극 집전체의 표면 및 음극 집전체의 표면 그리고 복수의 딤플의 표면은 표면 조질화(surface roughening)에 의해서 획득된 무작위적으로 텍스처 가공된 구조물을 더 포함한다.
본원의 실시형태의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해서, 실시형태의 설명에서 사용되는 도면을 이하에서 간략히 소개한다. 물론, 이하의 설명의 도면은 본원의 일부 실시형태에 불과하며, 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 창작적인 작업을 하지 않고도 이러한 도면에 따른 다른 도면을 얻을 수 있을 것이다.
도 1은 본원의 실시형태에 따른 리튬 이온 배터리의 개략적 구조도이다.
도 2는 도 1에 도시된 리튬 이온 배터리 내의 집전체의 개략적 구조도이다.
도 3은 평면(F)을 따라서 취한 그리고 방향(A-A)을 따라 관찰되는, 도 2에 도시된 집전체의 횡단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 집전체를 표면 조질화로 처리한 후의 상황을 개략적으로 도시한다.
도면은 단지 실시형태를 설명하기 위해서 사용된 것이고, 그에 따라 반드시 실제 축척이지는 않다는 것을 이해하여야 한다. 도면에서 유사한 참조 부호들은 동일하거나 유사한 구성요소, 요소, 및 부품을 나타낸다.
이하에서, 본원의 실시형태의 도면과 함께, 본원의 실시형태의 기술적 해결책을 명확하고 완전하게 설명할 것이다. 물론, 설명된 실시형태는 단지 본원의 일부 실시형태이고, 그 모든 실시형태인 것은 아니다. 본원의 실시형태에 기초하여, 창작적인 작업을 하지 않고도 관련 기술 분야의 통상의 기술자가 획득할 수 있는 모든 다른 실시형태가 본원의 보호 범위에 포함될 것이다.
본원의 양태에서, 리튬 이온 배터리가 제공된다. 도 1을 참조하면, 리튬 이온 배터리(100)는: 양극 집전체(101) - 양극 활성 재료(102)가 양극 집전체(101)의 표면에 배치됨 -; 음극 집전체(104) - 음극 활성 재료(107)가 음극 집전체(104)의 표면에 배치되고, 음극 집전체(104)는 양극 집전체(101)에 대향되어 배치됨 -; 양극 활성 재료(102)와 음극 활성 재료(107) 사이에 배치된 분리막 및 전해질(103); 양극 집전체(101)와 전기 접촉되는 양극 컬럼(106); 음극 집전체(104)와 전기 접촉되는 음극 컬럼(105); 및 양극 집전체(101), 음극 집전체(104), 분리막 및 전해질(103)을 둘러싸는 외부 하우징(108) - 양극 컬럼(102) 및 음극 컬럼(104)이 외부 하우징(108)을 통과함 -; 양극 집전체(101)의 표면 및 음극 집전체(104)의 표면이 규칙적으로 및/또는 무작위적으로 텍스처 가공된 구조물을 포함한다. 분리막 및 전해질(103)은 양극 집전체(101)와 음극 집전체(104) 사이에서 일련의 ""형상으로 연장되고, 그에 의해서 양극 집전체(101) 및 음극 집전체(104)를 둘러싸고, 양극 집전체(101) 및 음극 집전체(104)를 서로 분리한다. 본 개시 내용에서, "규칙적으로 텍스처 가공된 구조물"이라는 용어는, 이하에서 도 2를 참조하여 설명되는 바와 같이, 특정 형상 및 구조를 갖는 미세구조물을 특정 규칙에 따른 어레이의 형태로 배열시키는 것에 의해서 집전체의 표면 상에 형성된 텍스처 가공된 구조물을 지칭하고, "무작위적으로 텍스처 가공된 구조물"이라는 용어는 특정 형상 및 구조가 없는 미세구조물을 어떠한 규칙도 없이 배열하는 것에 의해서 집전체의 표면에 형성된 텍스처 가공된 구조물을 지칭한다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 개시 내용에서, "무작위적으로 텍스처 가공된 구조물"이라는 용어는 또한 적절한 표면 조질화 처리에 의해서 집전체의 표면에 형성된 조질화된 표면의 텍스처 가공된 표면을 포함한다.
본원의 실시형태에서, 양극 집전체(101)는 두께가 12 미크론 내지 25 미크론인 알루미늄 호일로 제조될 수 있다. 본원의 다른 실시형태에서, 음극 집전체는 두께가 6 미크론 내지 18 미크론인 구리 호일로 제조될 수 있다. 본원의 리튬 이온 배터리(100)에서, 양극 집전체(101)를 표면-처리하는 것에 의해서, 그 표면적이 원래의 기초의 적어도 1.5배 만큼 증가되고, 그에 의해서 알루미늄 호일의 내부 전도 저항을 감소시키고 그 전도도를 증가시키며; 또한, 음극 집전체(104)를 표면-처리하는 것에 의해서, 그 표면적이 원래의 기초의 적어도 1.3배 만큼 증가되고, 그에 의해서 구리 호일의 내부 전도 저항을 감소시키고 그 전기 전도도를 증가시킨다. 그에 의해서, 리튬 이온 배터리(100)의 고속 충전 및 방전 능력이 실현될 수 있다.
본원의 실시형태에서, 두께가 0.5 미크론 내지 2 미크론인 전도성 재료 층이 양극 집전체(101)와 양극 활성 재료(102) 사이에 배치될 수 있다. 선택적으로, 두께가 0.5 미크론 내지 2 미크론인 전도성 재료 층이 음극 집전체(104)와 음극 활성 재료(107) 사이에 또한 배치될 수 있다. 본원의 실시형태에서, 전도성 재료 층은 그래핀 및/또는 탄소 나노튜브로 형성된다.
알루미늄은 2.83×10-8 Ωm의 비저항을 갖고, 구리는 1.75×10-8 Ωm의 비저항을 가지며, 그래핀 및 탄소 나노튜브는 더 작은 비저항을 갖는다. 따라서, 그래핀 및/또는 탄소 나노튜브에 의해서 형성된 전도성 재료 층을 제공함으로써, 양극 집전체(101) 및 음극 집전체(104)의 내부 전도 저항을 더 감소시킬 수 있고, 그에 따라 그 전기 전도도를 증가시킬 수 있다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 양극 활성 재료(102)는 리튬 망가나이트(LiMn2O4), 리튬 코발테이트(LiCoO2), 및 리튬 철 포스페이트(LiFePO4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
선택적으로, 일부 실시형태에서, 음극 활성 재료(107)는 흑연, 흑연 및 규소의 혼합물, 티타늄 디옥시드(TiO2), 및 리튬 티타네이트(Li4Ti5O12) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 도시된 리튬 이온 배터리 내의 집전체(101 및 104)의 구조를 개략적으로 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 집전체(101, 104)는 제1 표면(301), 및 대향하는 제2 표면(302)을 갖는다. 복수의 원형 딤플(303)이 제1 표면(301) 상에 제공되어 텍스처 가공된 구조물을 표면에 형성할 수 있다. 딤플(303)의 형상이 또한 임의의 다른 적합한 형상, 예를 들어 삼각형, 직사각형, 타원형 등일 수 있고, 딤플(303)의 형상이 본원에서 구체적으로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 선택적으로, 일부 실시형태에서, 복수의 딤플(303)이 또한 제2 표면(302)에 제공될 수 있다.
도 2와 함께 도 3을 참조하면, 평면(F)을 따라서 취한 그리고 방향(A-A)을 따라 관찰되는, 도 2의 집전체(101, 104)의 횡단면도가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 딤플(303)은 깊이(h) 및 개구부 직경(W)을 갖는다. 선택적으로, 일부 실시형태에서, 깊이(h)는 0 초과 및 5 미크론 이하의 범위일 수 있고, 개구부 폭(W)은 0 초과 및 100 미크론 이하의 범위일 수 있다. 도 2 및 도 3이 단지 집전체의 표면 상의 텍스처 가공된 구조물의 예시적인 실시형태를 도시하고, 본원에 따른 집전체의 표면 상의 텍스처 가공된 구조물이 그러한 것으로 제한되지 않는다는 것에 유의하여야 한다. 예를 들어, 제1 표면(301) 및/또는 제2 표면(302)은, 대안적으로 또는 부가적으로, 복수의 돌출부, 복수의 오목-볼록 스트라이프, 및 복수의 그리드 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 4는 표면 조질화 처리가 도 2에 도시된 집전체(101, 104)에서 수행된 후의 상황을 개략적으로 도시한다. 제1 표면(301) 및/또는 제2 표면(302)이 복수의 딤플(303)을 갖는 경우, 집전체(101, 104)는 적절한 화학적 시약에 의해서 표면 조질화 처리될 수 있고, 그에 따라 제1 표면(301), 제2 표면(302), 및 복수의 딤플(303)의 표면이 조질화되어 무작위적으로 텍스처 가공된 구조물을 추가적으로 획득하고, 그에 따라 집전체(101 및 104)의 특정 표면적이 더 증가될 수 있고, 그 내부 전도 저항이 더 감소될 수 있고, 그 전도 능력이 더 증가될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시형태에서, 화학적 시약은 염산 또는 황산일 수 있다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은 부정관사("a" 및 "an")는, 반대로 명시적으로 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은 "및/또는"이라는 문구는, 그렇게 결합된 요소, 즉 일부 경우에 결합적으로 존재하고 다른 경우에 분리적으로 존재하는 요소의 "어느 하나 또는 양자 모두"를 의미하는 것으로 이해하여야 한다. "및/또는"으로 나열된 여러 요소가 동일한 방식으로 해석되어야 하고, 즉 요소의 "하나 이상이" 그렇게 결합된 것으로 해석되어야 한다. "및/또는" 문구에 의해서 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소가, 구체적으로 식별된 요소와 관련되거나 관련되지 않든 간에, 선택적으로 존재할 수 있을 것이다. 그에 따라, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, "포함하는"과 같은 개방형(open-ended) 언어와 함께 사용될 때, 일 실시형태에서, A 만을(선택적으로 B 이외의 요소를 포함한다) 지칭할 수 있고; 다른 실시형태에서 B 만을(선택적으로 A 이외의 요소를 포함한다) 지칭할 수 있으며; 또 다른 실시형태에서 A 및 B 모두(선택적으로 다른 요소를 포함한다); 등을 지칭할 수 있다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록에 대한 언급에서 "적어도 하나"라는 문구는 요소의 목록 내의 임의의 하나 이상의 요소로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로, 그러나 요소의 목록 내에 구체적으로 나열된 각각의 그리고 모든 요소의 적어도 하나를 반드시 포함하여야 하는 것이 아니고 요소의 목록 내의 요소의 임의 조합을 배제하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 이러한 정의는 또한, 요소가, 구체적으로 식별된 해당 요소와 관련되든지 또는 관련되지 않든지 간에, "적어도 하나의"라는 문구가 인용된 요소의 목록 내에서 구체적으로 식별된 요소 이외로 선택적으로 존재할 수 있는 것을 허용한다. 그에 따라, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 균등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나" 또는, 균등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는: 일 실시형태에서, B는 존재하지 않는(그리고 선택적으로 B 이외의 요소를 포함하는), (선택적으로 하나 초과의 A를 포함하는) 적어도 하나의 A를 지칭할 수 있고; 다른 실시형태에서, A는 존재하지 않는(그리고 선택적으로 A 이외의 요소를 포함하는), (선택적으로 하나 초과의 B를 포함하는) 적어도 하나의 B를 지칭할 수 있고; 또 다른 실시형태에서, (선택적으로 하나 초과의 A를 포함하는) 적어도 하나의 A, 그리고 (선택적으로 하나 초과의 B를 포함하는)(그리고 선택적으로 다른 요소를 포함하는) 적어도 하나의 B; 등을 지칭할 수 있다.
청구범위에서, 그리고 전술한 명세서에서, "포함한다", "갖는다", "수반한다", "구비한다", "내장한다", "관련된다", "유지한다", "~으로 구성되어 있다" 등과 같은 모든 전이적인 문구는 개방적인 것으로, 즉 포함하나 그러한 것으로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. "~으로 이루어진" 및 "~으로 본질적으로 이루어진"이라는 전이적 문구만이 각각 폐쇄적 또는 반-폐쇄적 전이 문구일 것이다.
전술한 것은 본원의 실시형태에 불과하며, 본원의 보호 범위는 이에 한정되지 않는다. 본 기술분야에 익숙한 임의의 기술자는 본원에 의해서 개시된 기술 범위 내에서, 본원의 보호 범위에 포함되어야 하는 변경 또는 치환을 용이하게 생각할 수 있을 것이다. 따라서, 본원의 보호 범위는 청구범위의 보호 범위를 기준으로 해야 한다.

Claims (10)

  1. 리튬 이온 배터리이며:
    양극 집전체 - 양극 활성 재료가 양극 집전체의 표면에 배치됨 -;
    음극 집전체 - 음극 활성 재료가 음극 집전체의 표면에 배치되고, 음극 집전체는 양극 집전체에 대향되어 배치됨 -;
    상기 양극 활성 재료와 음극 활성 재료 사이에 배치된 분리막 및 전해질;
    상기 양극 집전체와 전기 접촉되는 양극 컬럼;
    상기 음극 집전체와 전기 접촉되는 음극 컬럼; 및
    상기 양극 집전체, 음극 집전체, 분리막 및 전해질을 둘러싸는 외부 하우징 - 상기 양극 컬럼 및 음극 컬럼이 상기 외부 하우징을 통과함 - 을 포함하고;
    상기 양극 집전체의 표면 및 상기 음극 집전체의 표면이 규칙적으로 및/또는 무작위적으로 텍스처 가공된 구조물을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    두께가 0.5 미크론 내지 2 미크론 범위인 전도성 재료 층이 상기 양극 집전체와 상기 양극 활성 재료 사이에, 그리고 상기 음극 집전체와 상기 음극 활성 재료 사이에 각각 배치되는, 리튬 이온 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 재료 층이 그래핀 및/또는 탄소 나노튜브로 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극 집전체는 두께가 12 미크론 내지 25 미크론인 알루미늄 호일로 제조되는, 리튬 이온 배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음극 집전체는 두께가 6 미크론 내지 18 미크론인 구리 호일로 제조되는, 리튬 이온 배터리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양극 활성 재료는 리튬 망가나이트, 리튬 코발테이트, 및 리튬 철 포스페이트 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 음극 활성 재료는 흑연, 흑연 및 규소의 혼합물, 티타늄 디옥시드, 및 리튬 티타네이트 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 텍스처 가공된 구조물이 표면 내의 복수의 딤플을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 딤플의 각각은 0 초과 및 5 미크론 이하의 깊이, 그리고 0 초과 및 100 미크론 이하의 개구부 직경을 갖는, 리튬 이온 배터리.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 양극 집전체의 표면 및 상기 음극 집전체의 표면 그리고 상기 복수의 딤플의 표면이 표면 조질화에 의해서 획득된 무작위적으로 텍스처 가공된 구조물을 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
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