KR20240005710A - 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀, 및 이의 생성 방법 - Google Patents

다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀, 및 이의 생성 방법 Download PDF

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KR20240005710A
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쥔정 천
나오키 오타
제프리 디스코
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24엠 테크놀로지즈, 인크.
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Abstract

본 명세서에서 설명되는 실시예들은 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀, 및 이의 생성 방법에 관한 것이다. 전기화학 셀을 생성하는 방법은 애노드 집전체(anode current collector) 상에 애노드 물질을 배치하는 단계, 애노드 물질 상에 제1 분리막(separator)을 배치하는 단계, 캐소드 집전체 상에 캐소드 물질을 배치하는 단계, 캐소드 물질 상에 제2 분리막을 배치하는 단계, 및 제2 분리막 상에 제1 분리막을 배치하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 애노드 물질 및/또는 캐소드 물질은 활물질(active material), 전도성 물질, 및 일정 부피의 액체 전해질을 포함하는 반고체 전극 물질일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀의 형성 동안 액체 전해질의 약 10 부피% 미만이 증발한다. 일부 실시예들에서, 본 방법은 제2 분리막에 제1 분리막을 결합하기 전에, 제1 분리막 및/또는 제2 분리막을 전해질 용액으로 습윤시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀, 및 이의 생성 방법
관련 출원 상호 참조
본 출원은 2021년 4월 29일에 출원된 "Electrochemical cells with Multiple Separators and Methods of Producing the Same"이라는 명칭의 미국 가출원 제63/181,721호의 우선권 및 이익을 주장하며, 이의 전체 개시내용이 본 명세서에 참조로 통합된다.
기술분야
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀, 및 이의 생성 방법에 관한 것이다.
전기화학 셀의 생성 동안 전극에 전해질이 첨가된다. 전해질은 보통 전해질 염이 용해된 전해질 용매의 형태이다. 기존 전기화학 셀 생성 공정은 고체 전극을 형성하는 단계, 이를 컨테이너에 배치하는 단계, 및 컨테이너에 전해질을 첨가하는 단계를 포함한다. 그러나 반고체 전극의 형성은 활물질과 전도성 물질에 전해질 용액을 첨가하여 슬러리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 생성 동안, 슬러리는 한 곳에서 다른 곳으로 이동될 수 있고, 전해질 용매는 슬러리로부터 증발할 수 있다. 이러한 용매는 교체 비용이 많이 들 수 있다. 증발된 용매를 교체하기보다는 용매 증발을 막음으로써 전기화학 셀의 생성과 연관된 비용을 상당히 줄일 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀, 및 이의 생성 방법에 관한 것이다. 전기화학 셀을 생성하는 방법은 애노드 집전체(anode current collector) 상에 애노드 물질을 배치하는 단계, 애노드 물질 상에 제1 분리막(separator)을 배치하는 단계, 캐소드 집전체 상에 캐소드 물질을 배치하는 단계, 캐소드 물질 상에 제2 분리막을 배치하는 단계, 및 제2 분리막 상에 제1 분리막을 배치하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 애노드 물질 및/또는 캐소드 물질은 활물질(active material), 전도성 물질, 및 일정 부피의 액체 전해질을 포함하는 반고체 전극 물질일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀의 형성 동안 액체 전해질의 약 10 부피% 미만이 증발한다. 일부 실시예들에서, 본 방법은 제2 분리막에 제1 분리막을 결합하기 전에, 제1 분리막 및/또는 제2 분리막을 전해질 용액으로 습윤시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 습윤시키는 단계는 분무(spraying)를 통해 이루어진다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀의 형성 동안 전해질 용액의 약 10 부피% 미만이 증발한다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀의 형성 동안 전해질 용액과 액체 전해질의 조합의 총 부피의 약 10% 미만이 증발힐 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막 및/또는 제2 분리막은 약 1% 미만의 공극률을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 집전체, 캐소드 물질, 및 제2 분리막은 공동으로 캐소드를 형성할 수 있고, 본 방법은 캐소드를 캐소드 컨베이어를 따라 수송하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체, 애노드 물질, 및 제1 분리막은 공동으로 애노드를 형성할 수 있고, 본 방법은 애노드를 애노드 컨베이어를 따라 수송하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드 컨베이어는 캐소드 컨베이어와 동일한 컨베이어일 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 컨베이어는 캐소드 컨베이어와 상이한 컨베이어일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른, 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀의 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른, 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀의 예시이다.
도 3은 실시예에 따른, 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀을 제조하는 방법의 블록도이다.
도 4a 내지 도 4c는 다양한 실시예들에 따른, 전극의 수송 방법들을 도시한다.
도 5는 실시예에 따른, 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀의 예시이다.
도 6은 실시예에 따른, 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀의 예시이다.
도 7은 실시예에 따른, 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀의 예시이다.
도 8a 내지 도 8b는 단일 분리막을 갖는 제어 전기화학 셀과 두 개의 분리막 및 그 사이에 배치된 경질 탄소의 층을 갖는 전기화학 셀의 비교를 나타낸다.
도 9a 내지 도 9b는 단일 분리막을 갖는 제어 전기화학 셀과 두 개의 분리막 및 그 사이에 배치된 경질 탄소의 층을 갖는 전기화학 셀의 비교를 나타낸다.
본 명세서에서 설명된 실시예들은 다중 분리막 전기화학 셀 및 시스템, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 전기화학 셀의 분리막은 애노드를 캐소드로부터 물리적으로 격리시켜, 단락을 막고 애노드와 캐소드 사이의 전압차를 유지한다. 분리막의 공극은 전기활성 종이 통과할 수 있게 한다. 분리막은 제조 동안 전해질 용액의 증발을 차단하는 추가적인 이점을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 전극은 반고체 전극일 수 있다. 기존의 전극과 비교하여, 반고체 전극은 (i) 반고체 전극의 비틀림(tortuosity)이 감소하고 전자전도도가 더 높아서 더 두껍고(예를 들어, 약 250 μm 초과 - 약 2,000 μm까지 또는 그 이상), (ii) 활물질의 로딩(loading)이 더 높고, (iii) 설비를 덜 이용하여 제조 공정이 간략화되고, (iv)이론적 충전 용량의 상당 부분을 유지하면서 광범위한 C-레이트 사이에서 동작될 수 있다. 이러한 비교적 두꺼운 반고체 전극은 활성 성분에 대한 비활성 성분의 부피, 질량 및 비용 기여도를 감소시켜, 반고체 전극으로 제조된 전지의 상업적 흥미를 높인다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 반고체 전극에는 결합제가 없고/거나 기존 전지 제조에 사용되는 결합제를 사용하지 않는다. 대신에, 기존 전극에서 결합제에 의해 정상적으로 점유되는 전극의 부피는, 이제: 1) 비틀림이 감소하고 이온 확산에 이용가능한 총 염을 증가시켜, 높은 레이트로 사용될 때 기존 두꺼운 전극의 통상적인 염 고갈 효과를 상쇄시키는 효과를 갖는 전해질, 2) 전지의 충전 용량을 증가시키는 효과를 갖는 활물질, 또는 3) 전극의 전자전도도를 증가시켜, 기존 두꺼운 전극의 높은 내부 임피던스를 상쇄시키는 효과를 갖는 전도성 첨가제에 의해 점유된다. 본 명세서에서 설명된 반고체 전극의 감소된 비틀림과 높아진 전자전도도는 반고체 전극으로 형성된 전기화학 셀의 우수한 레이트 성능 및 충전 용량을 초래한다.
본 명세서에서 설명된 반고체 전극은 기존 전극보다 상당히 더 두꺼워서, 기존 전극을 포함하는 전기화학 셀 스택으로 형성된 유사한 전지와 비교하여 반고체 전극을 포함하는 전기화학 셀 스택으로 형성된 전지에서 활물질(즉, 반고체 캐소드 및/또는 애노드) 대 비활물질(즉, 집전체 및 분리막)의 비가 훨씬 더 높을 수 있다. 이는 본 명세서에서 설명된 반고체 전극을 포함하는 전지의 전체 충전 용량 및 에너지 밀도를 상당히 증가시킨다. 반고체의 무결합제 전극의 사용은 또한 과충전 보호 메커니즘의 통합에도 유리할 수 있는데, 이는 발생된 가스가 전극 내의 가스 이동을 저해하는 결합제 입자 없이 전극/집전체 계면으로 이동할 수 있기 때문이다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 전극 물질은 유동성 반고체 또는 응축된 액체 조성물일 수 있다. 유동성 반고체 전극은 비수성(non-aqueous) 액체 전해질에 전기화학적 활물질(애노드 또는 캐소드 입자 또는 미립자), 그리고 선택사항으로서 전기 전도성 물질(예를 들어, 탄소)의 현탁액을 포함할 수 있다. 달리 말하면, 활성 전극 입자와 전도성 입자가 액체 전해질에 공동으로 현탁되어 반고체 전극을 생성한다. 반고체 및/또는 무결합제 전극 물질을 포함하는 전기화학 셀의 예는 2013년 4월 29일에 출원된 "Semi-solid Electrodes Having High Rate Capability"라는 명칭의 미국 특허 제8,993,159호("'159 특허")에서 설명되며, 이의 개시내용은 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합된다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 전극 물질은 유동성 반고체 또는 응축된 액체 조성물일 수 있다. 일부 실시예들에서, 유동성 반고체 전극은 비수성 액체 전해질에 전기화학적 활물질(애노드 또는 캐소드 입자 또는 미립자), 그리고 선택사항으로서 전기 전도성 물질(예를 들어, 탄소)의 현탁액을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 활성 전극 입자와 전도성 입자가 전해질에 공동으로 현탁되어 반고체 전극을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 전극 물질은 (예를 들어, 리튬 금속을 포함하는) 기존 전극 물질을 포함할 수 있다.
반고체 전극에는 기존 전극보다 제조 공정의 더 긴 동안 액체 전해질이 통합되어, 전극이 완전히 형성된 후 전해질 용액이 첨가된다. 즉, 액체 전해질이 전도성 물질 및/또는 활물질에 첨가되어 반고체 전극 물질을 형성한다. 반고체 전극 물질이 추가 처리를 받는 동안, 액체 전해질 용매는 반고체 전극 물질로부터 증발할 수 있다. 이러한 증발은 전해질 용액 내의 전해질 염의 몰농도를 높일 수 있어, 잠재적으로 염의 축적을 야기한다. 축적된 염은 반고체 전극 물질을 통한 전기활성 종의 통과를 막을 수 있다. 즉, 반고체 전극 물질의 공극을 통한 전기활성 종의 이동은 염 이온이 축적되어 유로를 차단할 때 더 어려울 수 있다. 또한, 전해질 용액의 증발은 반고체 전극 물질이 덜 유동성 및/또는 덜 전성(malleable)이 되도록 할 수 있다. 반고체 전극 물질 내의 액체 유로는 건조되어, 전기활성 종의 이동의 비틀림을 증가시킬 수 있다.
생성 동안 전해질 용매를 첨가하면 이러한 문제점들 중 일부를 해결할 수 있지만, 보충 전해질 용매는 제조 공정에 상당한 비용을 부가할 수 있다. 전기화학 셀의 생성 동안 애노드 및/또는 캐소드에 분리막을 결합시키면 생성 동안 전해질 용매의 증발을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 분리막은 2020년 11월 2일 출원된 "Electrochemical Cells with Separator Seals, and Methods of Manufacturing the Same" 명칭의 PCT 출원 US2020/058564("'564 출원")에서 설명된 것과 동일하거나 실질적으로 유사한 기하구조 및 일반적인 속성을 가질 수 있으며, 이의 개시내용은 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합된다.
도 1은 실시예에 따른, 다수의 분리막을 갖는 전기화학 셀(100)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(100)은 애노드 집전체(120) 상에 배치된 애노드 물질(110) 및 캐소드 집전체(140) 상에 배치된 캐소드 물질(130)을 포함하며, 이들 사이에 제1 분리막(150a) 및 제2 분리막(150b)(총칭하여 "분리막(150)"이라 함)이 배치된다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질(110) 및/또는 캐소드 물질(130)은 반고체 전극 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질(110) 및/또는 캐소드 물질(130)은 '159 특허에서 설명된 반고체 전극의 임의의 속성을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드 물질(110) 및/또는 캐소드 물질(130)은 액체 전해질 용액의 약 0.1 부피% 이상, 약 0.2 부피% 이상, 약 0.3 부피% 이상, 약 0.4 부피% 이상, 약 0.5 부피% 이상, 약 0.6 부피% 이상, 약 0.7 부피% 이상, 약 0.8 부피% 이상, 약 0.9 부피% 이상, 약 1 부피% 이상, 약 2 부피% 이상, 약 3 부피% 이상, 약 4 부피% 이상, 약 5 부피% 이상, 약 6 부피% 이상, 약 7 부피% 이상, 약 8 부피% 이상, 약 9 부피% 이상, 약 10 부피% 이상, 약 11 부피% 이상, 약 12 부피% 이상, 약 13 부피% 이상, 약 14 부피% 이상, 약 15 부피% 이상, 약 16 부피% 이상, 약 17 부피% 이상, 약 18 부피% 이상, 약 19 부피% 이상, 약 20 부피% 이상, 약 21 부피% 이상, 약 22 부피% 이상, 약 23 부피%, 또는 약 24 부피% 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질(110) 및/또는 캐소드 물질(130)은 액체 전해질 용액의 약 25 부피% 이하, 약 24 부피% 이하, 약 23 부피% 이하, 약 22 부피% 이하, 약 21 부피% 이하, 약 20 부피% 이하, 약 19 부피% 이하, 약 18 부피% 이하, 약 17 부피% 이하, 약 16 부피% 이하, 약 15 부피% 이하, 약 14 부피% 이하, 약 13 부피% 이하, 약 12 부피% 이하, 약 11 부피% 이하, 약 10 부피% 이하, 약 9 부피% 이하, 약 8 부피% 이하, 약 7 부피% 이하, 약 6 부피% 이하, 약 5 부피% 이하, 약 4 부피% 이하, 약 3 부피% 이하, 약 2 부피% 이하, 약 1 부피% 이하, 약 0.9 부피% 이하, 약 0.8 부피% 이하, 약 0.7 부피% 이하, 약 0.6 부피% 이하, 약 0.5 부피% 이하, 약 0.4 부피% 이하, 약 0.3 부피%, 또는 약 0.2 부피% 이하를 포함할 수 있다.
애노드 물질(110) 및/또는 캐소드 물질(130) 중의 액체 전해질 용액의 위에서 언급된 부피 백분율들의 조합도 또한 가능하다(예를 들어, 약 0.1 부피% 이상 약 25 부피% 이하, 또는 약 5 부피% 이상 약 10 부피% 이하)(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함). 일부 실시예들에서, 애노드 물질(110) 및/또는 캐소드 물질(130)은 액체 전해질 용액의 약 0.1 부피%, 약 0.2 부피%, 약 0.3 부피%, 약 0.4 부피%, 약 0.5 부피%, 약 0.6 부피%, 약 0.7 부피%, 약 0.8 부피%, 약 0.9 부피%, 약 1 부피%, 약 2 부피%, 약 3 부피%, 약 4 부피%, 약 5 부피%, 약 6 부피%, 약 7 부피%, 약 8 부피%, 약 9 부피%, 약 10 부피%, 약 11 부피%, 약 12 부피%, 약 13 부피%, 약 14 부피%, 약 15 부피%, 약 16 부피%, 약 17 부피%, 약 18 부피%, 약 19 부피%, 약 20 부피%, 약 21 부피%, 약 22 부피%, 약 23 부피%, 약 24 부피%, 또는 약 25 부피%를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 구리, 알루미늄, 티타늄, 또는 리튬, 탄소와 합금 또는 금속간 화합물을 형성하지 않는 다른 금속, 및/또는 또 다른 전도체 상에 배치된 이와 같은 물질을 포함하는 코팅으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 약 1 μm 이상, 약 5 μm 이상, 약 10 μm 이상, 약 15 μm 이상, 약 20 μm 이상, 약 25 μm 이상, 약 30 μm 이상, 약 35 μm 이상, 약 40 μm, 또는 약 45 μm 이상의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 약 50 μm 이하, 약 45 μm 이하, 약 40 μm 이하, 약 35 μm 이하, 약 30 μm 이하, 약 25 μm 이하, 약 20 μm 이하, 약 15 μm 이하, 약 10 μm, 또는 약 5 μm 이하의 두께를 가질 수 있다. 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)의 위에서 언급된 두께들의 조합도 또한 가능하다(예를 들어, 약 1 μm 이상 약 50 μm 이하, 또는 약 10 μm 이상 약 30 μm 이하)(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함). 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(120) 및/또는 캐소드 집전체(140)는 약 1 μm, 약 5 μm, 약 10 μm, 약 15 μm, 약 20 μm, 약 25 μm, 약 30 μm, 약 35 μm, 약 40 μm, 약 45 μm, 또는 약 50 μm의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드 물질(110)은 제1 전해질을 포함할 수 있고, 캐소드 물질(130)은 제2 전해질을 포함할 수 있다. 즉, 애노드 물질(110)은 애노드액을 포함할 수 있고, 캐소드 물질(130)은 캐소드액을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 분리막(150)의 애노드 측에 배치된 애노드액을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 분리막(150)의 캐소드 측에 배치된 캐소드액을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 선택적으로 투과가능한 막을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 선택적으로 투과가능한 막은 제1 분리막(150a)과 제2 분리막(150b) 사이에 배치될 수 있다. 애노드액, 캐소드액, 및/또는 선택적으로 투과가능한 막을 갖는 전기화학 셀은 2019년 1월 8일에 출원된 "Electrochemical Cells Including Selectively Permeable Membranes, Systems and Methods of Manufacturing the Same"라는 명칭의 미국 특허 제10,734,672호("'672 특허")에서 설명되며, 이의 개시내용은 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합된다.
도시된 바와 같이, 제1 분리막(150a)은 애노드 물질(110) 상에 배치되고, 제2 분리막(150b)은 캐소드 물질(130) 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 분리막들(150)은 전기화학 셀(100)의 생성 동안 각자의 전극들 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리스티렌, 열경화성 폴리머, 경질 탄소, 열경화성 수지, 폴리이미드, 세라믹 코팅된 분리막, 무기 분리막, 셀룰로오스, 유리 섬유, 리튬 전도성을 제공하기 위해 리튬 염이 착화된 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 폴리머, 양성자 전도체인 NationTM 멤브레인, 또는 임의의 다른 적절한 분리막 물질, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)은 '564 출원에서 설명된 임의의 분리막 물질로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a)은 제2 분리막(150b)과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a)은 제2 분리막(150b)과 상이한 물질로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)에는 '564 출원에서 설명된 임의의 프레이밍 부재가 없을 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)은 약 5 부피% 이상, 약 10 부피% 이상, 약 15 부피% 이상, 약 20 부피% 이상, 약 25 부피% 이상, 약 30 부피% 이상, 약 35 부피% 이상, 약 40 부피% 이상, 약 45 부피% 이상, 약 50 부피% 이상, 약 55 부피% 이상, 약 60 부피% 이상, 약 65 부피% 이상, 약 70 부피% 이상, 약 75 부피% 이상, 약 80 부피%, 또는 약 85 부피% 이상의 공극률을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)은 약 90 부피% 이하, 약 85 부피% 이하, 약 80 부피% 이하, 약 75 부피% 이하, 약 70 부피% 이하, 약 65 부피% 이하, 약 60 부피% 이하, 약 55 부피% 이하, 약 50 부피% 이하, 약 45 부피% 이하, 약 40 부피% 이하, 약 35 부피% 이하, 약 30 부피% 이하, 약 25 부피% 이하, 약 20 부피% 이하, 약 15 부피%, 또는 약 10 부피% 이하의 공극률을 가질 수 있다.
제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)의 위에서 언급된 공극률 백분율들의 조합도 또한 가능하다(예를 들어, 약 5 부피% 이상 약 90 부피%, 또는 약 20 부피% 이상 약 40 부피% 이하)(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함). 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)은 약 5 부피%, 약 10 부피%, 약 15 부피%, 약 20 부피%, 약 25 부피%, 약 30 부피%, 약 35 부피%, 약 40 부피%, 약 45 부피%, 약 50 부피%, 약 55 부피%, 약 60 부피%, 약 65 부피%, 약 70 부피%, 약 75 부피%, 약 80 부피%, 약 85 부피%, 또는 약 90 부피%의 공극률을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a)은 제2 분리막(150b)과 상이한 공극률을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및 제2 분리막(150b)의 공극률들은 애노드액과 캐소드액의 차이를 기준으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 캐소드액이 애노드액보다 더 높은 증기압과 더 빠른 증발 속성을 가진다면, 제2 분리막(150b)은 제1 분리막(150a)보다 더 낮은 공극률을 가질 수 있다. 제2 분리막(150b)의 더 낮은 공극률은 생성 동안 캐소드액이 증발하는 것을 적어도 부분적으로 막을 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a)은 제2 분리막(150b)과 상이한 물질로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및 제2 분리막(150b)의 물질은 제1 분리막(150a)과 애노드액 및 제2 분리막(150b)과 캐소드액(150)의 습윤을 용이하게 하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 에틸렌 카보네이트/프로필렌 카보네이트계 캐소드액은 물질의 분자 속성에 기초하여, 폴리이미드 분리막보다 더 양호하게 폴리에틸렌 분리막을 습윤시킬 수 있다. 에틸렌 카보네이트/디-메틸 카보네이트계 애노드액은 폴리에틸렌 분리막보다 더 양호하게 폴리이미드 분리막을 습윤시킬 수 있다. 제1 분리막(150a) 및 제2 분리막(150b)의 완전한 습윤은 분리막(150)을 통한 전기활성 종의 더 양호한 수송을 위한 방식을 제공할 수 있다. 이러한 수송은 특히 제1 분리막(150a)이 제2 분리막(150b)과 물리적으로 접촉할 때 용이하게 될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)은 분리막 시일(seal)(예를 들어, '564 출원에서 설명된 분리막 시일)이 없을 수 있다. 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(100)은 두 개의 분리막(150)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀(100)은 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개, 또는 약 10개 초과의 분리막(150)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a)과 제2 분리막(150b) 사이에는 액체 전해질의 층(도시되지 않음)이 배치될 수 있다. 액체 전해질의 층은 분리막들(150) 간의 더 양호한 접착을 촉진할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)은 약 1 μm 이상, 약 2 μm 이상, 약 3 μm 이상, 약 4 μm 이상, 약 5 μm 이상, 약 6 μm 이상, 약 7 μm 이상, 약 8 μm 이상, 약 9 μm 이상, 약 10 μm 이상, 약 20 μm 이상, 약 30 μm 이상, 약 40 μm 이상, 약 50 μm 이상, 약 60 μm 이상, 약 70 μm 이상, 약 80 μm 이상, 약 90 μm 이상, 약 100 μm 이상, 약 110 μm 이상, 약 120 μm 이상, 약 130 μm 이상, 약 140 μm 이상, 약 150 μm 이상, 약 160 μm 이상, 약 170 μm 이상, 약 180 μm, 또는 약 190 μm 이상의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)은 약 200 μm 이하, 약 190 μm 이하, 약 180 μm 이하, 약 170 μm 이하, 약 160 μm 이하, 약 150 μm 이하, 약 140 μm 이하, 약 130 μm 이하, 약 120 μm 이하, 약 110 μm 이하, 약 100 μm 이하, 약 90 μm 이하, 약 80 μm 이하, 약 70 μm 이하, 약 60 μm 이하, 약 50 μm 이하, 약 40 μm 이하, 약 30 μm 이하, 약 20 μm 이하, 약 10 μm 이하, 약 9 μm 이하, 약 8 μm 이하, 약 7 μm 이하, 약 6 μm 이하, 약 5 μm 이하, 약 4 μm 이하, 약 3 μm, 또는 약 2 μm 이하의 두께를 가질 수 있다. 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)의 위에서 언급된 두께들의 조합도 또한 가능하다(예를 들어, 약 1 μm 이상 약 200 μm 이하, 또는 약 50 μm 이상 약 100 μm 이하)(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함). 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)은 약 1 μm, 약 2 μm, 약 3 μm, 약 4 μm, 약 5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 약 10 μm, 약 20 μm, 약 30 μm, 약 40 μm, 약 50 μm, 약 60 μm, 약 70 μm, 약 80 μm, 약 90 μm, 약 100 μm, 약 110 μm, 약 120 μm, 약 130 μm, 약 140 μm, 약 150 μm, 약 160 μm, 약 170 μm, 약 180 μm, 약 190 μm, 또는 약 200 μm의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a)은 제2 분리막(150b)의 두께와 동일하거나 실질적으로 유사한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a)은 제2 분리막(150b)의 두께보다 더 크거나 더 작은 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a)은 제2 분리막(150b)에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(150a) 및/또는 제2 분리막(150b)은 제1 분리막(150a)과 제2 분리막(150b) 사이의 밀착(clinging)을 촉진하기 위해 습윤될 수 있다. 즉, 제1 분리막(150a)은 표면 장력 및/또는 모세관력을 통해 제2 분리막(150b)에 홀딩될 수 있다.
일부 실시예들에서, 조립 전에, 애노드 물질(110), 애노드 집전체(120), 및 제1 분리막(150a)은 제1 컨테이너에 패키징될 수 있는 한편, 캐소드 물질(130), 캐소드 집전체(140), 및 제2 분리막(150b)은 제2 컨테이너에 패키징될 수 있다. 즉, 전기화학 셀(100)은 애노드 키트(애노드 물질(110), 애노드 집전체(120), 및 제1 분리막(150a)을 포함함) 및 캐소드 키트(캐소드 물질(130), 캐소드집전체(140), 제2 분리막(150b)을 포함함)를 통해 조립될 수 있다. 애노드 물질(110), 애노드 집전체(120), 및 제1 분리막(150a)은 제1 컨테이너로부터 제거될 수 있고, 캐소드 물질(130), 캐소드 집전체(140), 및 제2 분리막(150b)은 제2 컨테이너로부터 제거될 수 있다. 그 후, 제1 분리막(150a)은 제2 분리막(150b) 상에 배치되어, 전기화학 셀(100)을 형성할 수 있다.
도 2는 실시예에 따른, 전기화학 셀(200)의 예시를 도시한다. 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(200)은 애노드 집전체(220) 상에 배치된 애노드 물질(210), 캐소드 집전체(240) 상에 배치된 캐소드 물질(230), 애노드 물질(210) 상에 배치된 제1 분리막(250a), 캐소드 물질(230) 상에 배치된 제2 분리막(250b), 및 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이에 배치된 중간층(260)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질(210), 애노드 집전체(220), 캐소드 물질(230), 캐소드 집전체(240), 제1 분리막(250a), 및 제2 분리막(250b)은 도 1을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 애노드 물질(110), 애노드 집전체(120), 캐소드 물질(130), 캐소드 집전체(140), 제1 분리막(150a), 및 제2 분리막(150b)과 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 이에 따라, 애노드 물질(210), 애노드 집전체(220), 캐소드 물질(230), 캐소드 집전체(240), 제1 분리막(250a), 및 제2 분리막(250b)의 특정 양태들은 여기서 더 이상 상세히 설명하지 않는다.
일부 실시예들에서, 중간층(260)은 전해질 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 액체 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 예를 들어, 덴드라이트 성장을 막기 위해, 고체 상태 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 제1 분리막(250a) 및/또는 제2 분리막(250b)(총칭하여 분리막(250)이라 함)을 부분적으로 또는 완전히 포화시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 제1 분리막(250a)을 제2 분리막(250b)에 접합하도록 도울 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 표면 장력을 생성하여 제1 분리막(250a)을 제2 분리막(250b)에 접합할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 애노드 물질(210)과 캐소드 물질(230) 사이의 전기활성 종의 이동을 용이하게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 중간층(260)은 약 500 nm 이상, 약 1 μm 이상, 약 2 μm 이상, 약 3 μm 이상, 약 4 μm 이상, 약 5 μm 이상, 약 6 μm 이상, 약 7 μm 이상, 약 8 μm 이상, 약 9 μm 이상, 약 10 μm 이상, 약 20 μm 이상, 약 30 μm 이상, 약 40 μm 이상, 약 50 μm 이상, 약 60 μm 이상, 약 70 μm 이상, 약 80 μm, 또는 약 90 μm 이상의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층(260)은 약 100 μm 이하, 약 90 μm 이하, 약 80 μm 이하, 약 70 μm 이하, 약 60 μm 이하, 약 50 μm 이하, 약 40 μm 이하, 약 30 μm 이하, 약 20 μm 이하, 약 10 μm 이하, 약 9 μm 이하, 약 8 μm 이하, 약 7 μm 이하, 약 6 μm 이하, 약 5 μm 이하, 약 4 μm 이하, 약 3 μm 이하, 약 2 μm, 또는 약 1 μm 이하의 두께를 가질 수 있다. 중간층(260)의 위에서 언급된 두께들의 조합도 또한 가능하다(예를 들어, 약 500 nm 이상 약 100 μm 이하, 또는 약 2 μm 이상 약 30 μm 이하)(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함). 일부 실시예들에서, 중간층(260)은 약 500 nm, 약 1 μm, 약 2 μm, 약 3 μm, 약 4 μm, 약 5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 약 10 μm, 약 20 μm, 약 30 μm, 약 40 μm, 약 50 μm, 약 60 μm, 약 70 μm, 약 80 μm, 약 90 μm, 또는 약 100 μm의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 중간층(260)은 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이에 배치된 반고체 전극층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반고체 전극 물질의 층은 전해질 층에 더하여 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 반고체 전극층은 금속 리튬과 반응하는 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 반고체 전극층은 경질 탄소, 그래파이트, 또는 임의의 다른 적절한 전극 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질(210)이 덴드라이트를 형성하여 제1 분리막(250a)을 침투하기 시작한다면, 덴드라이트 물질은 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 반고체 전극층과 반응하여서, 덴드라이트가 소실됨에 따라, 단락 회로를 막을 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층(260)은 단일 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층(260)은 이중 층 구조를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 반고체 전극층을 포함하는 제1 층(예를 들어, 무결합제 카본 슬러리), 및 고체 상태 전해질을 포함하는 제2 층(예를 들어, LLZO, LLTO, LATP, 황화물, 폴리머 겔 전해질 등)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 반고체 전극층은 분리막들(250)에 걸쳐 전기활성 종을 수송하도록 도울 수 있다. 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 반고체 전극층은 기존 전극 물질에 비해 감소된 비틀림과 더 양호한 리튬 이온 확산을 제공할 수 있다. 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 반고체 전극층의 조성은 이온 이동을 용이하게 하도록 미세 조정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 반고체 전극층은 오염된 금속 분말(예를 들어, 철, 크롬, 니켈, 알루미늄, 구리)을 제거, 용해, 및/또는 침식하는 촉매 효과를 가질 수 있다. 이와 같은 경우들에서, 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 반고체 전극층은 금속 오염 제거 버퍼층으로서의 역할을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 반고체 전극층은 전해질과 조합되어 정렬된 공극 구조, 높은 표면적, 및/또는 확산 구조를 갖는 비리튬 이온 반고체 슬러리를 포함할 수 있다. 이와 같은 물질은 MOF(metal-organic framework), 카본 블랙, AAO(anode aluminum oxide) 템플릿, 및/또는 실리카를 포함할 수 있다. 이와 같은 경우들에서, 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 반고체 전극층은 덴드라이트 제거 촉매를 위한 매립 베이스 및/또는 전해질 저장소로서의 역할을 할 수 있다. 이와 같은 물질은 또한, 전기화학 셀(200)에서의 전류 분포를 개선시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 덴드라이트 제거 촉매는 산화환원 반응 촉진을 위한 금속 베이스 및/또는 폴리머 베이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 덴드라이트 제거 촉매는 불소, 황화물, 또는 임의의 다른 적절한 촉매 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 촉매는 베이스 폴리머 코팅 혼합물 또는 탄소 혼합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 중간층(260)은 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이에 배치될 수 있는 기존(즉, 고체) 전극층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(250a)과 제2 분리막(250b) 사이의 기존 전극층은 결합제(예를 들어, 고체 결합제 또는 겔 결합제)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 중간층(260)은 폴리올레핀, 고체 상태 전해질 시트, 및/또는 폴리머 전해질 시트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층(260)은 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(PVDF-HFP), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 폴리아크릴산(PAA), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 또는 이들의 임의들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 중간층(260)은 캐소드를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층(260) 내의 캐소드는 LTO(lithium titanate), 경질 탄소(hard carbon, HC), 및/또는 고임피던스 연결을 갖는 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, LTO는 Li4+xTi5O12 및/또는 Li4Ti5O12-x와 같은 전자전도성 LTO를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층(260)은 고임피던스 연결을 갖는 LFP(lithium iron phosphate)를 포함할 수 있다. LFP는 덴드라이트 형성을 모니터링하기 위한 안전한 화학물질로 고려될 수 있다. 전극들 중 어느 한쪽에 덴드라이트가 형성되고 중간층(260)으로 침투한다면, 덴드라이트가 소모될 것이다. 또한, 도시된 바와 같이, 중간층(260)과 애노드 집전체(220) 사이에서 전압이 모니터링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층(260)과 캐소드 집전체(240) 사이에서 전압이 모니터링될 수 있다. 이러한 전압 모니터링은 덴드라이트가 중간층(260)에 도달했는지를 검출할 수 있다.
중간층(260)과 애노드 집전체(220) 및/또는 캐소드 집전체(240) 사이의 전압 측정은 특히 다수의 셀을 갖는 모듈에서, 전체 전기화학 셀(200)에 걸쳐(즉, 애노드 집전체(220)와 캐소드 집전체(240) 사이에서) 측정하는 것보다 전기화학 셀(200)에서 결함을 검출하는 더 효율적인 방법일 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 전기화학 셀은 병렬 및/또는 직렬로 연결되어, 셀 모듈을 생성할 수 있다. 예를 들어, 셀이 3 Ah의 용량을 가진다면, 50개의 이와 같은 셀들은 병렬로 연결되어, 150 Ah의 용량을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모듈은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 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, 약 20, 약 25, 약 30, 약 35, 약 40, 약 45, 약 50, 약 55, 약 60, 약 65, 약 70, 약 75, 약 80, 약 85, 약 90, 약 95, 또는 약 100개(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함)의 전기화학 셀을 포함할 수 있다. 중간층(260)과 애노드 집전체(220) 및/또는 캐소드 집전체(240)에 걸친 전압을 모니터링할 시, 중간층(260)은 기준 전극으로서의 역할을 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 모듈 내의 개별 전기화학 셀은 약 0.5 Ah, 약 1 Ah, 약 2 Ah, 약 3 Ah, 약 4 Ah, 약 5 Ah, 약 6 Ah, 약 7 Ah, 약 8 Ah, 약 9 Ah, 또는 약 10 Ah의 용량(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 모듈은 약 10 Ah, 약 20 Ah, 약 30 Ah, 약 40 Ah, 약 50 Ah, 약 60 Ah, 약 70 Ah, 약 80 Ah, 약 90 Ah, 약 100 Ah, 약 110 Ah, 약 120 Ah, 약 130 Ah, 약 140 Ah, 약 150 Ah, 약 160 Ah, 약 170 Ah, 약 180 Ah, 약 190 Ah, 약 200 Ah, 약 210 Ah, 약 220 Ah, 약 230 Ah, 약 240 Ah, 약 250 Ah, 약 260 Ah, 약 270 Ah, 약 280 Ah, 약 290 Ah, 또는 약 300 Ah(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함)의 용량을 가질 수 있다.
기존 전지 관리 시스템(battery management system, BMS) 및 셀 모듈에서는, 각 전기화학 셀의 상태를 진단할 수 있는 능력이 제한된다. 각 셀의 상태를 모니터링하기 위해, 셀 전압의 작은 변화를 구분하기 위해 국부 전압 및/또는 전류 측정이 사용된다. 개별 셀들에 걸친 전압 측정은 개별 셀 상태와의 직접적인 상관관계를 거의 제공하지 않는다. 모듈에 차동 전류 측정을 추가하는 것은 측정 시스템의 전체 시스템 복잡도와 비용에 악영향을 미친다. 반대로, 각 병렬 전기화학 셀에 대해 중간층(260)과 집전체 사이의 전압이 측정된다면, 그 전압의 상대적 차이는 애노드 물질(210) 및/또는 캐소드 물질(230)의 상대적인 상태(즉, 임피던스)와 전기화학 셀(200) 자체 내의 상대적인 임피던스의 직접적인 측정이다. 이와 같은 배열에서는, (직접적인 측정에 의해) 전기화학 셀(200)이 평행한 스트링이나 팩 시스템에서의 다른 전기화학 셀에 비해 통상적으로 거동하는지를 결정하는 것이 가능하다. 대량 데이터 수집을 통해, 대규모 전기화학 셀 컬렉션으로부터의 추세 데이터가 더 큰 셀 모집단에 비한 그룹 또는 로트, 또는 개별 셀 일련 번호의 분석을 조율하기 위해 사용될 수 있다.
극대형 포맷 셀의 경우, 추가적인 2-3 차분 전압을 측정하기 위해 추가되는 복잡도는 예를 들어, 등가 고이득 전류 측정 채널을 추가하는 것 또는 홀 효과 타입 센서를 추가하는 것의 추가되는 복잡도보다 더 낮다. 이렇게 하여, 평행한 셀 그룹의 개별 셀 상태가 직접 측정될 수 있다. 직렬로 연결된 나머지 셀에 대한 추가적인 진단은 SOC(state-of-charge) 및 SOH(state-of-health) 알고리즘들에 기초하여 평가될 수 있다. 이는 고장이 통상적으로 검출되기 전까지 시스템 장애에 대한 조기 통지를 가능하게 한다. 이러한 정밀도는 또한, 장애일의 예측 및 어드밴스드 플래닝(advanced planning)을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 장애를 예상하여 전기화학 셀 모듈에 물질이 적절히 위치될 수 있다. 또한, OEM(original equipment manufacturer) 플릿 또는 개별 소비자에게 고장이 통지되기 전에 공급망 이슈가 고려될 수 있다. 중간층(260)과 애노드 집전체(220) 및/또는 캐소드 집전체(240) 사이의 전압 측정이 소프트 단락 회로를 검출한 후에, 셀 모듈의 외부 단락이 트리거되어 방전될 수 있다.
일부 실시예들에서, 중간층(260)은 버퍼층에 의해 셔틀링 및 금속 오염(예를 들어, 철 오염, 아연 오염, 구리 오염)을 통해 덴드라이트 성장으로부터 위험한 단락 회로 사고를 막을 수 있다. 이와 같은 경우에서, 철 덴드라이트가 성장하고 중간층(260) 내의 경질 탄소, 그래파이트, 및/또는 다른 탄소 함유 물질과 접촉할 수 있으며, 중간층(260)은 캐소드 전위를 갖는다. 철 덴드라이트가 중간층(260) 내의 경질 탄소, 그래파이트 및/또는 다른 탄소 함유 물질과 접촉하면, 캐소드 전위 하에서 철이 용해되지만, 전기화학 셀(200)을 통해 이동하는 고전류는 다이오드나 고저항을 통한 연결을 통해 지속된다. 위험한 단락 회로 사고를 막는 데 금속 오염이 사용될 때, 중간층(260)과 애노드 집전체(220) 및/또는 캐소드 집전체(240) 사이(또는 중간층(260)과 애노드 물질(210) 및/또는 캐소드 물질(230) 사이)에서 전압이 모니터링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상당한 전압 강하(예를 들어, 약 0.5 V 이상, 약 1 V 이상, 약 1.5 V 이상, 약 2 V 이상, 약 2.5 V 이상, 약 3 V 이상, 약 3.5 V 이상, 약 4 V 이상, 약 4.5 V 이상, 약 5 V(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함))가 검출된다면, BMS에 의해 추가적인 안전 조치가 트리거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층(260)은 전기화학 셀(200) 외부의 전기적 연결 또는 감지 시스템과의 결합을 가능하게 하는 탭을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 전기화학 셀이 중간층(260)에 연결된 탭과 병렬로 연결될 수 있다. 다이오드 또는 고저항 저항기가 많은 캐소드에 연결될 수 있고(예를 들어, 많은 탭이 캐소드 집전체(240)에 연결됨), 많은 중간층에 연결될 수 있다(예를 들어, 많은 탭이 중간층(260)에 연결됨).
일부 실시예들에서, 중간층(260)은 리튬 인터칼레이션을 통해 리튬 덴드라이트로부터 위험한 단락 이벤트를 막을 수 있다. 예를 들어, 리튬 덴드라이트는 성장하여 제1 분리막(250a) 또는 제2 분리막(250b)을 침투하고, 중간층(260) 내의 경질 탄소, 그래파이트, 및/또는 탄소 함유 물질과 접촉할 수 있다. 리튬 덴드라이트가 중간층(260) 내의 경질 탄소, 그래파이트, 및/또는 탄소 함유 물질과 접촉하면, 리튬은 탄소, 그래파이트, 및/또는 탄소 함유 물질 내로 인터칼레이트된다. 경질 탄소, 그래파이트, 및/또는 임의의 탄소 함유 물질이 리튬 인터칼레이션을 용이하게 할 수 있지만, 리튬과 반응하는 임의의 물질이 이러한 리튬 인터칼레이션 기능을 달성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층(260)은 실리콘, 알루미늄, 은 텅스텐, 주석, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른, 전기화학 셀을 형성하는 방법(10)의 블록도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 방법(10)은 애노드 집전체 상에 애노드 물질을 배치하는 단계(단계 11), 및 애노드 물질 상에 제1 분리막을 배치하는 단계(단계 12)를 포함한다. 본 방법(10)은 선택사항으로서, 애노드 집전체, 애노드 물질, 및 제1 분리막(총칭하여 "애노드"라고 함)을 수송하는 단계(단계 13)를 포함한다. 방법(10)은 캐소드 집전체 상에 캐소드 물질을 배치하는 단계(단계 14) 및 캐소드 물질 상에 제2 분리막을 배치하는 단계(단계 15)를 더 포함한다. 방법(10)은 선택사항으로서, 캐소드 집전체, 캐소드 물질, 및 제2 분리막(총칭하여 "캐소드"라고 함)을 수송하는 단계(단계 16) 및 제1 분리막 및/또는 제2 분리막을 습윤시키는 단계(단계 17)를 포함한다. 방법(10)은 제1 분리막을 제2 분리막에 결합시켜, 전기화학 셀을 형성하는 단계(단계 18)를 포함한다.
단계 11은 애노드 집전체 상에 애노드 물질을 배치하는 단계를 포함한다. 애노드 물질 및 애노드 집전체는 도 1을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 애노드 물질(110) 및 애노드 집전체(120)의 임의의 속성(예를 들어, 두께, 조성)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질은 애노드 집전체 상에 (예를 들어, 이축 압출성형기를 통해) 압출성형될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질은 노즐을 통해 분배될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질의 분배는 2020년 11월 18일에 출원된 "Methods of Continuous and Semi-Continuous Production of Electrochemical Cells"라는 명칭의 미국 가출원 제63/115,293호(이하, "'293 출원")에서 설명된 방법들 중 어느 하나를 통해 이루어질 수 있으며, 이의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 통합된다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질의 분배는 2019년 7월 9일에 출원된 "Continuous and Semi-Continuous Methods of Semi-Solid Electrode and Battery Manufacturing"라는 명칭의 미국 특허 공보 제2020/0014025호(이하, ‘025 공보)에서 설명된 방법들 중 어느 하나를 통해 이루어질 수 있으며, 이의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 통합된다.
단계 12는 애노드 물질 상에 제1 분리막을 배치하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막은 분배 전에 전해질 용액으로 사전 침지되거나 사전 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막은 기계에 의해 애노드 물질 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막은 하나 이상의 롤러를 통해, 분리막 물질을 수송하여 애노드 물질 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리막은 ‘293 출원 및/또는 ‘025 공보에서 설명된 방법들 중 어느 하나를 통해 애노드 물질 상에 배치될 수 있다.
단계 13은 선택사항으로서, 애노드를 수송하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 수송은 컨베이어 벨트와 같은 수송 디바이스 상에서 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 수송은 애노드로부터 전해질 용액의 증발을 제한하기 위해 터널을 통해 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드는 약 1초 이상, 약 5초 이상, 약 10초 이상, 약 20초 이상, 약 30초 이상, 약 40초 이상, 약 50초 이상, 약 1분 이상, 약 5분 이상, 약 10분 이상, 약 20분 이상, 약 30분 이상, 약 40분 이상, 약 50분 이상, 약 1시간 이상, 약 2시간 이상, 약 3시간 이상, 약 4시간 이상, 약 5시간 이상, 약 10시간 이상, 약 15시간, 또는 약 20시간 이상 동안 수송 디바이스 상에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드는 약 1일 이하, 약 20시간 이하, 약 15시간 이하, 약 10시간 이하, 약 5시간 이하, 약 4시간 이하, 약 3시간 이하, 약 2시간 이하, 약 1시간 이하, 약 50분 이하, 약 40분 이하, 약 30분 이하, 약 20분 이하, 약 10분 이하, 약 5분 이하, 약 4분 이하, 약 3분 이하, 약 2분 이하, 약 1분 이하, 약 50초 이하, 약 40초 이하, 약 30초 이하, 약 20초 이하, 약 10초, 또는 약 5초 이하 동안 수송 디바이스 상에 있을 수 있다.
애노드가 수송 디바이스 상에 남아 있는 위에서 언급된 기간들의 조합(예를 들어, 약 1초 이상 약 1일 이하, 또는 약 5분 이상 약 2시간 이하)(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함)도 또한 가능하다. 일부 실시예들에서, 애노드는 약 1초, 약 5초, 약 10초, 약 20초, 약 30초, 약 40초, 약 50초, 약 1분, 약 5분, 약 10분, 약 20분, 약 30분, 약 40분, 약 50분, 약 1시간, 약 2시간, 약 3시간, 약 4시간, 약 5시간, 약 10시간, 약 15시간, 약 20시간, 또는 약 1일 동안 수송 디바이스 상에 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드는 약 1 cm 이상, 약 2 cm 이상, 약 3 cm 이상, 약 4 cm 이상, 약 5 cm 이상, 약 10 cm 이상, 약 20 cm 이상, 약 30 cm 이상, 약 40 cm 이상, 약 50 cm 이상, 약 60 cm 이상, 약 70 cm 이상, 약 80 cm 이상, 약 90 cm 이상, 약 1 m 이상, 약 2 m 이상, 약 3 m 이상, 약 4 m 이상, 약 5 m 이상, 약 6 m 이상, 약 7 m 이상, 약 8 m 이상, 약 9 m 이상, 약 10 m 이상, 약 20 m 이상, 약 30 m 이상, 약 40 m 이상, 약 50 m 이상, 약 60 m 이상, 약 70 m 이상, 약 80 m, 또는 약 90 m의 거리가 수송될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드는 약 100 m 이하, 약 90 m 이하, 약 80 m 이하, 약 70 m 이하, 약 60 m 이하, 약 50 m 이하, 약 40 m 이하, 약 30 m 이하, 약 20 m 이하, 약 10 m 이하, 약 9 m 이하, 약 8 m 이하, 약 7 m 이하, 약 6 m 이하, 약 5 m 이하, 약 4 m 이하, 약 3 m 이하, 약 2 m 이하, 약 1 m 이하, 약 90 cm 이하, 약 80 cm 이하, 약 70 cm 이하, 약 60 cm 이하, 약 50 cm 이하, 약 40 cm 이하, 약 30 cm 이하, 약 20 cm 이하, 약 10 cm 이하, 약 9 cm 이하, 약 8 cm 이하, 약 7 cm 이하, 약 6 cm 이하, 약 5 cm 이하, 약 4 cm 이하, 약 3 cm, 또는 약 2 cm 이하의 거리가 수송될 수 있다. 위에서 언급된 수송 거리들의 조합도 또한 가능하다(예를 들어, 약 1 cm 이상 약 100 m 이하 또는 약 50 cm 이상 약 20 m 이하)(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함). 일부 실시예들에서, 애노드는 약 1 cm, 약 2 cm, 약 3 cm, 약 4 cm, 약 5 cm, 약 10 cm, 약 20 cm, 약 30 cm, 약 40 cm, 약 50 cm, 약 60 cm, 약 70 cm, 약 80 cm, 약 90 cm, 약 1 m, 약 2 m, 약 3 m, 약 4 m, 약 5 m, 약 6 m, 약 7 m, 약 8 m, 약 9 m, 약 10 m, 약 20 m, 약 30 m, 약 40 m, 약 50 m, 약 60 m, 약 70 m, 약 80 m, 약 90 m, 또는 약 100 m가 수송될 수 있다.
애노드 물질을 코팅하는 분리막은 전해질이 수송 동안 또는 생성 공정의 다른 부분들에서 증발하는 것을 막을 수 있다. 애노드 집전체 원위의 애노드 물질의 표면을 커버함으로써, 상당한 백분율(예를 들어, 90-95%)의 애노드 물질의 표면이 주변 환경에 노출되지 않는다. 이에 따라, 증발을 위한 통로의 상당한 부분이 제한된다.
단계 14는 캐소드 집전체 상에 캐소드 물질을 배치하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 캐소드 물질의 분배는 단계 11에서 애노드 물질을 참조하여 위에서 설명된 것과 동일하거나 실질적으로 유사한 속성을 가질 수 있다. 단계 15는 캐소드 물질 상에 제2 분리막을 배치하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 캐소드 물질 상의 제2 분리막의 배치는 단계 12에서 제1 분리막을 참조하여 위에서 설명된 것과 동일하거나 실질적으로 유사한 속성을 가질 수 있다.
단계 16은 선택사항으로서, 캐소드를 수송하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 캐소드의 수송 기간 및 거리는 단계 13을 참조하여 애노드의 수송 기간 및 거리와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드는 애노드와 동일한 컨베이어 상에서 수송될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드는 제1 컨베이어 상에서 수송될 수 있고, 캐소드는 제2 컨베이어 상에서 수송될 수 있으며, 제2 컨베이어는 제1 컨베이어와 상이하다.
단계 17은 선택사항으로서, 제1 분리막 및/또는 제2 분리막을 습윤시키는 단계를 포함한다. 습윤은 습윤제를 통해 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 습윤제는 전해질 염 없이 전해질 용매를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 습윤제는 전해질 용액을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 습윤제는 희석된 전해질 용액(즉, 완성된 전기화학 셀에서 타겟으로 하는 염 농도보다 더 낮은 염 농도를 갖는 전해질 용액)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 습윤제는 약 0.1 M 이상, 약 0.2 M 이상, 약 0.3 M 이상, 약 0.4 M 이상, 약 0.5 M 이상, 약 0.6 M 이상, 약 0.7 M 이상, 약 0.8 M, 또는 약 0.9 M 이상의 전해질 염 농도를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 습윤제는 약 1 M 이하, 약 0.9 M 이하, 약 0.8 M 이하, 약 0.7 M 이하, 약 0.6 M 이하, 약 0.5 M 이하, 약 0.4 M 이하, 약 0.3 M 이하, 약 0.2 M 이하의 전해질 염 농도를 가질 수 있다. 습윤제 중의 전해질 염의 위에서 언급된 농도들의 조합도 또한 가능하다(예를 들어, 약 0.1 M 이상 약 1 M 이하, 또는 약 0.4 M 이상 약 0.6 M 이하)(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함). 일부 실시예들에서, 습윤제는 약 0.1 M, 약 0.2 M, 약 0.3 M, 약 0.4 M, 약 0.5 M, 약 0.6 M, 약 0.7 M, 약 0.8 M, 약 0.9 M, 또는 약 1 M의 전해질 염 농도를 가질 수 있다.
일부 구현예들에서, 전해질 용매는 에틸 메틸 카르보네이트(EMC), 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), 디메틸 카르보네이트(DMC), 부틸렌 카르보네이트, 및 이들의 염소화된 또는 불소화된 유도체, 및/또는 비환형 디알킬 카르보네이트 에스테르의 군, 이를테면 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카르보네이트, 디프로필 카르보네이트, 메틸 프로필 카르보네이트, 에틸 프로필 카르보네이트, 디부틸 카르보네이트, 부틸메틸 카르보네이트, 부틸에틸 카르보네이트 및 부틸프로필 카르보네이트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 용매는 감마-부티로락톤(GBL), 디메톡시에탄, 테트라히드로푸란, 2-메틸 테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 1,4-디옥산, 4-메틸-1,3-디옥솔란, 디에틸 에테르, 설포란, 메틸설포란, 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 에틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 디메틸 카르보네이트, 테트라글라임, 모노글라임, 디옥산, 또는 임의의 다른 적절한 전해질 용매를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 염은 LiClO4, LiPF6, LiBF4, LiTFSI, LiBETI, LiBOB, 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(LIODFB), 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(LiFSI), 또는 임의의 다른 적절한 전해질 염을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 습윤제는 제1 분리막 및/또는 제2 분리막 상에 분무될 수 있다. 일부 실시예들에서, 습윤제는 제1 분리막 및/또는 분리막 상에 브러싱될 수 있다. 일부 구현예들에서, 습윤제는 제1 방법을 통해 제1 분리막에 적용될 수 있고, 제2 방법은 제2 방법을 통해 제2 분리막에 적용될 수 있으며, 제2 방법은 제1 방법과 상이하다. 일부 실시예들에서, 습윤제는 분리막을 자신의 각 전극 물질에 접착시키도록 도울 수 있다.
일부 실시예들에서, 방법 10의 실행 동안 습윤제의 약 20 부피% 미만, 약 19 부피% 미만, 약 18 부피% 미만, 약 17 부피% 미만, 약 16 부피% 미만, 약 15 부피% 미만, 약 14 부피% 미만, 약 13 부피% 미만, 약 12 부피% 미만, 약 11 부피% 미만, 약 10 부피% 미만, 약 9 부피% 미만, 약 8 부피% 미만, 약 7 부피% 미만, 약 6 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 4 부피% 미만, 약 3 부피% 미만, 약 2 부피%, 또는 약 1 부피% 미만이 증발로 손실될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 방법의 실행 동안 애노드 물질 중의 전해질 용액의 약 20 부피% 미만, 약 19 부피% 미만, 약 18 부피% 미만, 약 17 부피% 미만, 약 16 부피% 미만, 약 15 부피% 미만, 약 14 부피% 미만, 약 13 부피% 미만, 약 12 부피% 미만, 약 11 부피% 미만, 약 10 부피% 미만, 약 9 부피% 미만, 약 8 부피% 미만, 약 7 부피% 미만, 약 6 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 4 부피% 미만, 약 3 부피% 미만, 약 2 부피%, 또는 약 1 부피% 미만이 증발로 손실될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 방법의 실행 동안 캐소드 물질 중의 전해질 용액의 약 20 부피% 미만, 약 19 부피% 미만, 약 18 부피% 미만, 약 17 부피% 미만, 약 16 부피% 미만, 약 15 부피% 미만, 약 14 부피% 미만, 약 13 부피% 미만, 약 12 부피% 미만, 약 11 부피% 미만, 약 10 부피% 미만, 약 9 부피% 미만, 약 8 부피% 미만, 약 7 부피% 미만, 약 6 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 4 부피% 미만, 약 3 부피% 미만, 약 2 부피%, 또는 약 1 부피% 미만이 증발로 손실될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 방법의 실행 동안 애노드 물질 중의 전해질 용액, 캐소드 물질 중의 전해질 용액, 및 습윤제의 조합의 약 20 부피% 미만, 약 19 부피% 미만, 약 18 부피% 미만, 약 17 부피% 미만, 약 16 부피% 미만, 약 15 부피% 미만, 약 14 부피% 미만, 약 13 부피% 미만, 약 12 부피% 미만, 약 11 부피% 미만, 약 10 부피% 미만, 약 9 부피% 미만, 약 8 부피% 미만, 약 7 부피% 미만, 약 6 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 4 부피% 미만, 약 3 부피% 미만, 약 2 부피%, 또는 약 1 부피% 미만이 증발로 손실될 수 있다.
일부 실시예들에서, 애노드 물질, 애노드 집전체, 및 제1 분리막은 애노드 키트로서 제1 패키지에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 물질, 캐소드 집전체, 및 제2 분리막은 캐소드 키트로서 제2 패키지에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막은 제1 패키지에 배치 전에 습윤될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 분리막은 제2 패키지에 배치 전에 습윤될 수 있다.
단계 18은 제1 분리막을 제2 분리막에 결합시켜, 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 결합은 제1 분리막을 제2 분리막에 접착시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막 및/또는 제2 분리막은 제1 분리막을 제2 분리막에 접착시키는 것을 용이하게 하기 위해 습윤될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질, 애노드 집전체, 및 제1 분리막은 제1 분리막을 제2 분리막에 결합시켜 전기화학 셀을 형성하기 전에, 제1 패키지로부터 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 물질, 캐소드 집전체, 및 제2 분리막은 제1 분리막을 제2 분리막에 결합시키기 전에, 제2 패키지로부터 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막을 제2 분리막에 결합하기 전에 반고체 전극 물질이 제1 분리막 및/또는 제2 분리막에 적용될 수 있어서, 반고체 전극 물질이 전기화학 셀에서 제1 분리막과 제2 분리막 사이에 배치된다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막을 제2 분리막에 결합하기 전에 기존 전극 물질이 제1 분리막 및/또는 제2 분리막에 적용될 수 있어서, 기존 전극 물질이 전기화학 셀에서 제1 분리막과 제2 분리막 사이에 배치된다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막을 제2 분리막에 결합하기 전에 고체 상태 전해질이 제1 분리막 및/또는 제2 분리막에 적용될 수 있어서, 고체 상태 전해질이 전기화학 셀에서 제1 분리막과 제2 분리막 사이에 배치된다.
도 4a 내지 도 4c는 다양한 실시예들에 따른, 전극의 수송을 도시한다. 도 4a 내지 도 4c는 애노드 물질(410)이 애노드 집전체(420) 상에 배치되고 제1 컨베이어(90a)에 의해 수송되는 것과, 캐소드 물질(430)이 캐소드 집전체(440) 상에 배치되고 제2 컨베이어(90b)에 의해 수송되는 것을 도시한다. 도 4a는 분리막이 위에 배치되지 않은 전극들을 도시한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 전극들 둘 모두로부터 전해질 용매(electrolyte solvent, ES)가 증발한다. 도 4b는 제1 분리막(450a)이 애노드 물질(410) 상에 배치된 것을 도시한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 캐소드 물질(430)로부터 전해질 용매(ES)가 증발하지만, 애노드 물질(410)로부터의 전해질 용매(ES)의 증발이 제거되거나 상당히 감소된다. 도 4b는 제1 분리막(450a)이 애노드 물질(410) 상에 배치된 것과, 제2 분리막(450b)이 캐소드 물질(430) 상에 배치된 것을 도시한다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 애노드 물질(410)과 캐소드 물질(430) 둘 모두로부터의 전해질 용매(ES)의 증발이 제거되거나 상당히 감소된다. 도시된 바와 같이, 제1 컨베이어(90a)는 제2 컨베이어(90b)와 별개의 컨베이어이다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질(410), 애노드 집전체(420), 캐소드 물질(430), 및 캐소드 집전체(440)는 모두 동일한 컨베이어 상에서 수송될 수 있다.
도 5는 실시예에 따른, 전기화학 셀(500)의 예시를 도시한다. 전기화학 셀(500)은 전기화학 셀(200)과 실질적으로 유사하고, 전기화학 셀(200)에 대해 본 명세서에서 전술된 바와 같은 애노드 물질(210), 애노드 집전체(220), 캐소드 물질(230), 캐소드 집전체(240), 제1 분리막(250a) 및 제2 분리막(250b)과 각각 실질적으로 유사할 수 있는 애노드 집전체(520) 상에 배치된 애노드 물질(510), 캐소드 집전체(540) 상에 배치된 캐소드 물질(530), 애노드 물질(510) 상에 배치된 제1 분리막(550a), 및 캐소드 물질(530) 상에 배치된 제2 분리막(550b)를 포함한다.
그러나, 전기화학 셀(200)과 상이하게, 전기화학 셀(500)은 제1 분리막(550a)와 제2 분리막(550b) 사이에 배치된 제3 분리막(550c)을 또한 포함한다. 제1 분리막(550a)과 제3 분리막(550c) 사이에 제1 중간층(560a)이 배치되고, 제2 분리막(550b)과 제3 분리막(550c) 사이에 제2 중간층(560b)이 배치된다. 제3 분리막(550c)은 전기화학 셀(200)에 대해 상세히 설명된 바와 같은 제1 분리막(250a) 및/또는 제2 분리막(250b)과 실질적으로 유사할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 중간층(560a) 및/또는 제2 중간층(560b)은 도 2에 대해 상세히 설명된 바와 같은 전해질 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 제1 분리막(550a), 제2 분리막(550b), 및/또는 제3 분리막(550)(총칭하여 분리막(550)이라 함)을 부분적으로 또는 완전히 포화시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 제1 분리막(550a) 및 제2 분리막(550b)을 제3 분리막(550c)에 접합하도록 도울 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 표면 장력을 생성하여 제1 분리막(550a) 및 제2 분리막(550b)을 제3 분리막(550c)에 접합할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전해질 층은 애노드 물질(510)과 캐소드 물질(530) 사이의 전기활성 종의 이동을 용이하게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 중간층(560a) 및/또는 제2 중간층(560b)은 전기화학 셀(200)의 중간층(260)에 대해 상세히 설명된 바와 같은 임의의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 중간층(560a) 및 제2 중간층은 각각, 제1 분리막(550a)과 제3 분리막(550c), 그리고 제2 분리막(550b)과 제3 분리막(550c) 사이에 배치된 반고체 전극층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반고체 전극 물질의 층은 전해질 층에 더하여 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(550a)과 제3 분리막(550c) 사이 그리고/또는 제2 분리막(550b)과 제3 분리막(550c) 사이의 반고체 전극층은 금속 리튬과 반응하는 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(550a)과 제3 분리막(550c) 사이 그리고/또는 제2 분리막(550b)과 제3 분리막(550c) 사이의 반고체 전극층은 경질 탄소, 그래파이트, 또는 임의의 다른 적절한 전극 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질(510)이 덴드라이트를 형성하여 제1 분리막(550a)을 침투하기 시작한다면, 덴드라이트 물질은 제1 분리막(550a)과 제3 분리막(550b) 사이의 반고체 전극층과 반응하여서, 덴드라이트가 소실됨에 따라, 단락 회로를 막을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(550a), 제2 분리막(550b), 및 제3 분리막(550c) 중 하나 이상은 고체 상태 전해질 시트를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 반고체 전극층은 분리막(550)에 걸쳐 전기활성 종을 수송하도록 도울 수 있고/거나, 기존 전극 물질에 비해 감소된 비틀림 및 더 양호한 리튬 이온 확산을 제공할 수 있다. 반고체 전극층(들)의 조성은 이온 이동을 용이하게 하기 위해 미세 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막(550a)과 제3 분리막(550c)과 그리고/또는 제2 분리막(550b)과 제3 분리막(550c) 사이의 반고체 전극층은 오염된 금속 분말(예를 들어, 철, 크롬, 니켈, 알루미늄, 구리)을 제거, 용해, 및/또는 침식하는 촉매 효과를 가질 수 있다. 이와 같은 경우들에서, 반고체 전극층(들)은 금속 오염 제거 버퍼층으로의 역할을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반고체 전극층(들)은 전해질과 조합되어 정렬된 공극 구조, 높은 표면적, 및/또는 확산 구조를 갖는 비리튬 이온 반고체 슬러리를 포함할 수 있다. 이와 같은 물질은 MOF(metal-organic framework), 카본 블랙, AAO(anode aluminum oxide) 템플릿, 및/또는 실리카를 포함할 수 있다. 이와 같은 경우들에서, 반고체 전극층(들)은 덴드라이트 제거 촉매를 위한 매립 베이스 및/또는 전해질 저장소로서의 역할을 할 수 있다. 이와 같은 물질은 또한, 전기화학 셀(250)에서의 전류 분포를 개선시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 덴드라이트 제거 촉매는 산화환원 반응 촉진을 위한 금속 베이스 및/또는 폴리머 베이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 덴드라이트 제거 촉매는 불소, 황화물, 또는 임의의 다른 적절한 촉매 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 촉매는 베이스 폴리머 코팅 혼합물 또는 탄소 혼합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 중간층(560a 및/또는 560b)은 각각, 제1 분리막(550a)과 제3 분리막(550c) 그리고/또는 제2 분리막(550b)과 제3 분리막(550c) 사이에 배치된 기존(즉, 고체) 전극층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각 분리막들(550) 사이의 기존 전극층은 결합제(예를 들어, 고체 결합제 또는 겔 결합제)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 중간층들(560a 및/또는 560b)은 폴리올레핀, 고체 상태 전해질 시트, 및/또는 폴리머 전해질 시트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층들(560a 및/또는 560b)은 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(PVDF-HFP), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 폴리아크릴산(PAA), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 또는 이들의 임의들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 중간층들(560a 및/또는 560b)은 캐소드를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층들(560a 및/또는 560b) 내의 캐소드는 LTO(lithium titanate), 경질 탄소(hard carbon, HC), 및/또는 고임피던스 연결을 갖는 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, LTO는 Li4+xTi5O12 및/또는 Li4Ti5O12-x와 같은 전자전도성 LTO를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층들(560a 및/또는 560b)은 고임피던스 연결을 갖는 LFP(lithium iron phosphate)를 포함할 수 있다. LFP는 덴드라이트 형성을 모니터링하기 위한 안전한 화학물질로 고려될 수 있다. 전극들 중 어느 한쪽에 덴드라이트가 형성되고 중간층들(560a 및/또는 560b)로 침투한다면, 덴드라이트가 소모될 것이다. 또한, 도시된 바와 같이, 제1 중간층(560a)과 애노드 집전체(520) 사이에서 전압이 모니터링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 중간층(560b)과 캐소드 집전체(540) 사이에서 전압이 모니터링될 수 있다. 이러한 전압 모니터링은 덴드라이트가 중간층들(560a 및/또는 560b)에 도달했는지를 검출할 수 있다.
제1 중간층(560a)과 애노드 집전체(520) 그리고/또는 제2 중간층(560b)과 캐소드 집전체(540) 사이의 전압 측정은 특히 다수의 셀을 갖는 모듈에서, 전체 전기화학 셀(500)에 걸쳐(즉, 애노드 집전체(520)와 캐소드 집전체(540) 사이에서) 측정하는 것보다 전기화학 셀(500)에서 결함을 검출하는 더 효율적인 방법일 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 전기화학 셀은 병렬 및/또는 직렬로 연결되어, 셀 모듈을 생성할 수 있다. 예를 들어, 셀이 3 Ah의 용량을 가진다면, 50개의 이와 같은 셀들은 병렬로 연결되어, 150 Ah의 용량을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모듈은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 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, 약 20, 약 25, 약 30, 약 35, 약 40, 약 45, 약 50, 약 55, 약 60, 약 65, 약 70, 약 75, 약 80, 약 85, 약 90, 약 95, 또는 약 100개(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함)의 전기화학 셀을 포함할 수 있다. 제1 중간층(560a)과 애노드 집전체(520) 그리고/또는 제2 중간층(560b)과 캐소드 집전체(540)에 걸친 전압을 모니터링할 시, 중간층들(560a 및/또는 560b)은 기준 전극으로서의 역할을 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 모듈 내의 개별 전기화학 셀은 약 0.5 Ah, 약 1 Ah, 약 2 Ah, 약 3 Ah, 약 4 Ah, 약 5 Ah, 약 6 Ah, 약 7 Ah, 약 8 Ah, 약 9 Ah, 또는 약 10 Ah의 용량(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 모듈은 약 10 Ah, 약 20 Ah, 약 30 Ah, 약 40 Ah, 약 50 Ah, 약 60 Ah, 약 70 Ah, 약 80 Ah, 약 90 Ah, 약 100 Ah, 약 110 Ah, 약 120 Ah, 약 130 Ah, 약 140 Ah, 약 150 Ah, 약 160 Ah, 약 170 Ah, 약 180 Ah, 약 190 Ah, 약 200 Ah, 약 210 Ah, 약 220 Ah, 약 230 Ah, 약 240 Ah, 약 250 Ah, 약 260 Ah, 약 270 Ah, 약 280 Ah, 약 290 Ah, 또는 약 300 Ah(그 사이의 모든 값 및 범위를 포함함)의 용량을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 중간층(560a) 및 제2 중간층(560b) 중 하나만 전기 공급원 또는 싱크에 연결되거나 결합될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제1 중간층(560a)(예를 들어, 그래파이트층, 경질 탄소층, 또는 본 명세서에서 설명된 임의의 다른 물질)은 캐소드, 중성, 또는 접지와 연결되지 않을 수 있는 한편, 제2 중간층(560b)(예를 들어, 그래파이트층, 경질 탄소층, 또는 본 명세서에서 설명된 임의의 다른 물질)은 (예를 들어, 다이오드 또는 고저항을 통해) 캐소드 또는 중성에 결합되거나 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 임의의 다른 층의 집전체가 제1 분리막(550a)과 제2 분리막(550b) 사이에서 연장되어 제3 분리막(550c)으로서의 역할을 할 수 있으며, 임의의 것이 셧다운 분리막으로서 채용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다른 층의 집전체는 알루미늄, 금, 백금, 스테인리스 스틸, 티타늄 호일, 전도성 잉크 등으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집전체는 라미네이션, 프린팅(예를 들어, 잉크젯 프린팅, 그라비어 프린팅, 스크린 프린팅 등), 스퍼터링, 분무 코팅, 또는 증착, 또는 분리막 상의 임의의 다른 적절한 방법 또는 임의의 다른 적절한 방법에 의해 형성되거나 처리될 수 있다. 일부 실시예들에서, 탭은 중간층들(560a/b) 중 하나를 형성하는 집전체에 결합되거나, 집전체(예를 들어, 그래파이트 또는 경질 탄소층)를 포함하는 중간층(560a 또는 560b)에 직접 결합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 탭은 일부분이 전기화학 셀(500) 외부에 배치된 집전체 또는 그 외 중간층(560)과 일체형으로 형성될 수 있다.
도 6은 실시예에 따른, 전기화학 셀(600)의 예시를 도시한다. 전기화학 셀(600)은 전기화학 셀(200)과 실질적으로 유사하고, 애노드 집전체(620) 상에 배치된 애노드 물질(610), 캐소드 집전체(640) 상에 배치된 캐소드 물질(630), 애노드 물질(610) 상에 배치된 제1 분리막(650a), 캐소드 물질(630) 상에 배치된 제2 분리막(650b), 및 제1 분리막(650a)과 제2 분리막(650b) 사이에 배치된 중간층(660)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질(610), 애노드 집전체(620), 캐소드 물질(630), 캐소드 집전체(640), 및 중간층(660)은 도 2를 참조하여 위에서 설명된 바와 같은 애노드 물질(210), 애노드 집전체(220), 캐소드 물질(230), 캐소드 집전체(240), 및 중간층(260)과 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 이에 따라, 애노드 물질(610), 애노드 집전체(620), 캐소드 물질(630), 캐소드 집전체(640), 및 중간층(660)의 특정 양태들은 여기서 더 이상 상세히 설명하지 않는다.
전기화학 셀(200)과 상이하게, 제1 분리막(650a) 및/또는 제2 분리막(650b)은 다수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(650a)은 상이한 물질들(예를 들어, 분리막들(260a 및 260b)에 대해 설명된 임의의 물질)로 형성된 제1 분리막 제1 층(650a1) 및 제1 분리막 제2 층(650a2)을 포함한다. 유사하게, 제2 분리막(650b)은 상이한 물질들(예를 들어, 분리막들(260a 및 260b)에 대해 설명된 임의의 물질)로 형성된 제2 분리막 제1 층(650b1) 및 제2 분리막 제2 층(650b2)을 포함한다. 제1 분리막 제2 층(650a2) 및 제2 분리막 제2 층(650b2)은 중간층(660)에 근접하게 배치되어서, 제1 분리막 제2 층(650a2)과 제2 분리막 제2 층(650b2) 사이에 중간층(660)이 개재된다. 중간층(660)은 반고체 중간층을 포함할 수 있거나, 결합제를 포함할 수 있거나, 중간층(260)에 대해 설명된 바와 같은 임의의 다른 중간층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막 제1 층(650a1) 및 제2 분리막 제1 층(650b1)은 폴리프로필렌으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분리막 제2 층(650a2) 및 제2 분리막 제2 층(650b2)은 폴리에틸렌으로 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 분리막 제1 및/또는 제2 층들(650a1 및 650a2) 및/또는 제2 분리막 제1 및 제2 층들(650b1 및/또는 650b2)은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 임의의 다른 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간층(660)의 축방향 범위를 넘어 연장되는 제1 분리막(650a) 및/또는 제2 분리막(650b)의 축방향 단부 영역들(670)은 중간층(660)이 내부에 배치된 시일된 포켓 또는 공동을 형성하기 위해 서로 접합, 접착, 용접, 또는 달리 결합될 수 있다. 이는 바람직하게는, 반고체 또는 슬러리 기반의 중간층(660)이 제1 분리막(650a)과 제2 분리막(650b) 사이에서 누출되는 것을 막을 수 있다.
도 7은 실시예에 따른, 전기화학 셀(700)의 예시를 도시한다. 전기화학 셀(700)은 전기화학 셀(200)과 실질적으로 유사하고, 애노드 집전체(720) 상에 배치된 애노드 물질(710), 캐소드 집전체(740) 상에 배치된 캐소드 물질(730), 애노드 물질(710) 상에 배치된 제1 분리막(750a), 캐소드 물질(730) 상에 배치된 제2 분리막(750b), 및 제1 분리막(750a)과 제2 분리막(750b) 사이에 배치된 중간층(760)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드 물질(710), 애노드 집전체(720), 캐소드 물질(730), 캐소드 집전체(740), 제2 분리막(750a), 및 제2 분리막(750b)은 도 1을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 애노드 물질(210), 애노드 집전체(220), 캐소드 물질(230), 캐소드 집전체(240), 제1 집전체(250a), 및 제2 집전체(250b)와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 이에 따라, 애노드 물질(710), 애노드 집전체(720), 캐소드 물질(730), 캐소드 집전체(740), 제1 분리막(750a), 및 제2 분리막(750b)의 특정 양태들은 여기서 더 이상 상세히 설명하지 않는다.
일부 실시예들에서, 중간층(760)은 다층 구조이다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 중간층(760)은 고체 상태 전해질, 예를 들어, 도 2에 대해 설명된 바와 같은 고체 전해질 중 어느 하나를 포함할 수 있는 제1 층(760a)을 포함한다. 중간층(760)은 선택사항으로서, 제1 층(760a)과 제1 분리막(750a) 사이에 배치된 제2 층(760b), 및 제1 층(760a)과 제2 분리막(750b) 사이에 배치된 제3 층(760c)을 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 층(760b) 및/또는 제3 층(760c)은 도 2에 대해 상세히 설명된 바와 같이, 캐소드, 예를 들어, LTO, 경질 탄소, LFP, 및/또는 고임피던스 연결을 갖는 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 층(760b)은 경질 탄소를 포함할 수 있고, 제3 층(760c)은 LFP를 포함할 수 있다. 제2 층(760b)은 제1 방전 보호 성분(780a)(예를 들어, 다이오드, 고저항 저항기, 또는 임의의 다른 적절한 구조)을 통해 애노드 집전체(720)에 결합될 수 있고, 제3 층(760c)은 제2 방전 보호 성분(780b)(예를 들어, 다이오드, 고저항 저항기, 또는 다른 적절한 구조)을 통해 캐소드 집전체(740)에 결합될 수 있다. 전술된 바와 같이, 철 덴드라이트가 성장하고 중간층(760) 내의 경질 탄소, 그래파이트, 및/또는 다른 탄소 함유 물질과 접촉할 수 있으며, 중간층(760)은 제2 층(760b) 내에서 애노드 전위를 갖고 제3 층(760c) 내에서 캐소드 전위를 갖는다. 철 덴드라이트가 중간층(760) 내의 경질 탄소, 그래파이트 및/또는 다른 탄소 함유 물질과 접촉하면, 캐소드 전위 하에서 철이 용해되지만, 전기화학 셀(700)을 통해 이동하는 고전류는 방전 보호 성분들(780a 및 780b)을 통한 연결을 통해 지속된다. 위험한 단락 회로 사고를 막는 데 금속 오염이 사용될 때, 도 2에 대해 설명된 바와 같이, 중간층(760)과 애노드 집전체(720) 및/또는 캐소드 집전체(740) 사이에서 전압이 모니터링될 수 있다.
예들
비교예 1: 리튬-구리 셀(본 명세서에서 "비교예 1"이라 함)을 구성하였다. 리튬을 구리 호일 상에 도금하였다. 셀을 200 psig의 압력 하에 25°C에서 1시간 동안 1 mA/cm2에서 사이클링시켰다. 구리 호일의 스트리핑을 1V 컷오프에 이를 때까지 계속하였다. 리튬 호일 애노드와 구리 호일 캐소드 사이에 단일 층(즉, 단일 분리막)을 포함하는 표준 분리막을 배치하였다.
예 1: 리튬-구리 셀(본 명세서에서 "예 1"이라 함)을 구성하였다. 리튬을 구리 호일 상에 도금하였다. 셀을 200 psig의 압력 하에 25°C에서 1시간 동안 1 mA/cm2에서 사이클링시켰다. 구리 호일의 스트리핑을 1V 컷오프에 이를 때까지 계속하였다. 경질 탄소층(Kuraray HC, 2-3 μm)으로 코팅된 분리막을 표준 분리막에 결합하고 리튬 호일 애노드와 구리 호일 캐소드 사이에 배치하였으며, 경질 탄소층은 애노드에 면한다. 경질 탄소 코팅된 분리막을 리튬 호일 표면으로부터 돌출된 임의의 수지상 리튬과 리튬화 및/또는 복합화하는 수단으로서 구현하여, 애노드 상에 리튬 도금을 하는 것으로부터 단락을 막는 안전성 특징을 가능하게 할 수 있다.
비교예 1과 예 1 둘 모두는 구리 호일로부터 리튬을 스트리핑한 해체 전 32 사이클을 거쳐, 예 1 셀에서 리튬이 경질 탄소와 착화될 수 있게 하였다. 리튬의 활성 영역에 있는 경질 탄소는 빛나는 것으로 나타났으며, 이는 경질 탄소의 리튬화를 나타낸다. 리튬 호일 접촉 영역 외부에 있던 경질 탄소는 색이 흐려졌으며, 이는 리튬화되지 않았다는 것을 시사한다. 사이클링된 리튬 호일 애노드는 또한 자연 그대로 깨끗하게 나타났으며, 이는 리튬이 경질 탄소 상에 도금되었음을 나타낸다. 포일 상에서는 모자이크 또는 수지상 리튬이 관찰되지 않았다. 도 8a 내지 도 8b는 비교예 1(도 8a) 대 예 1(도 8b)의 과전위의 차이를 강조한 지원 전압 프로파일들을 도시한다. 도시된 바와 같이, 두 개의 분리막들 사이에 경질 탄소층을 갖는 예 1은 비교예 1보다 덜 현저한 과전위 손실을 경험한다.
비교예 2: 리튬-구리 셀(본 명세서에서 "비교예 2"라 함)을 구성하였고, 비교예 2를 7.5 mA/cm2에서 75 부피% 리튬 이온 사용량으로 사이클링시킨 것을 제외하고는, 비교예 1과 유사하게 동작시켰다.
예 2: 리튬-구리 셀(본 명세서에서 "예 2"라 함)을 구성하였고, 예 2를 7.5 mA/cm2에서 75 부피% 리튬 이온 사용량으로 사이클링시킨 것을 제외하고는, 예 1과 유사하게 동작시켰다. 도 9a 및 도 9b는 비교예 2와 예 2의 과전위의 차이를 강조한 지원 전압 프로파일들을 도시한다. 중간층을 포함하지 않은 비교예 2 셀은 22시간 이내에 11 사이클로 단락된 한편, 경질 탄소 중간층을 포함한 실시예 2 셀은 최소한의 과분극으로 25 사이클 후에도 통상적으로 동작을 계속했다. 이는 중간층이 빠른 리튬 도금, 저장, 및 덴드라이트가 분리막을 통해 돌출되는 것을 막기 위한 전류 분포를 평활화 또는 평준화한다는 것을 나타낸다.
본 명세서에서 사용될 때, 단수 형태들은 구체적으로 또한, 그 내용이 명백하게 달리 서술하지 않는 한, 이들이 지칭하는 용어들의 복수 형태들을 포괄한다. 이에 따라, 예를 들어, "부재"라는 용어는 단일 부재 또는 부재들의 조합을 의미하는 것으로 의도되며, "물질"이라는 용어는 하나 이상의 물질, 또는 이들의 조합을 의미하는 것으로 의도된다.
"실질적으로"라는 용어는 "원통형", "선형", 및/또는 다른 기하학적 관계와 관련하여 사용될 때, 그렇게 정의된 구조가 공칭상 원통형, 선형 등임을 전달하려는 것으로 의도된다. 일례로서, "실질적으로 선형"인 것으로서 설명되는 지지 부재의 일부분은 그 부분의 선형성이 바람직하지만, "실질적으로 선형"인 부분에서는 어느 정도 비선형성이 발생할 수 있음을 전달하려는 것으로 의도된다. 이와 같은 비선형성은 제조 공차, 또는 (예를 들어, 지지 부재에 가해지는 압력 또는 힘과 같은) 다른 실제적인 고려사항으로부터 기인할 수 있다. 이에 따라, "실질적으로"라는 용어에 의해 수식되는 기하학적 구성은 언급된 기하학적 구성의 플러스 또는 마이너스 5%의 공차 이내의 이와 같은 기하학적 속성을 포함한다. 예를 들어, "실질적으로 선형"인 부분은 선형의 플러스 또는 마이너스 5% 이내인 축 또는 중심선을 정의하는 일부분이다.
본 명세서에서 사용될 때, "집합" 및 "복수"라는 용어는 다수의 특징부 또는 다수의 부분을 갖는 단수의 특징부를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 전극들의 집합을 지칭할 때, 전극들의 집합은 다수의 부분을 갖는 하나의 전극인 것으로 고려될 수 있거나, 또는 전극들의 집합은 다수의 별개의 전극인 것으로서 고려될 수 있다. 또한, 예를 들어, 복수의 전기화학 셀을 지칭할 때, 복수의 전기화학 셀은 다수의 별개의 전기화학 셀, 또는 다수의 부분을 갖는 하나의 전기화학 셀인 것으로서 고려될 수 있다. 이에 따라, 부분들의 집합 또는 복수의 부분은 서로 연속적이거나 불연속적인 다수의 부분을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 입자 또는 복수의 물질은 별도로 생성되고 이후에 (예를 들어, 혼합, 접착제, 또는 임의의 적절한 방법에 의해) 함께 합쳐지는 다수의 물품으로 제조될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "반고체"라는 용어는 예를 들어, 입자 현탁액, 슬러리, 콜로이드 현탁액, 에멀젼, 겔, 또는 미셀과 같은 액체상과 고체상의 혼합물인 물질을 의미한다.
적어도 하나의 예가 제공된 하나 이상의 방법으로서 다양한 개념이 구현될 수 있다. 본 방법의 일부로서 수행되는 동작들은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 이에 따라, 예시적인 실시예들에서 순차적인 동작들로서 도시되더라도, 일부 동작들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 예시된 것과 상이한 순서로 동작들이 수행되는 실시예들이 구성될 수 있다. 다르게 말하면, 이와 같은 특징들은 반드시 실행의 특정 순서로 제한될 필요는 없으며, 임의의 수의 스레드, 프로세스, 서비스, 서버, 및/또는 기타가 본 개시와 일치하는 방식으로 직렬, 비동기, 동시, 병렬, 동시, 동기, 및/또는 기타를 실행할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 이와 같이, 이러한 특징들 중 일부는 단일의 실시예에서 동시에 존재할 수 없다는 점에서 상호 모순될 수 있다. 유사하게, 일부 특징들은 본 사상의 일 양태에 적용 가능하고, 다른 양태들에는 적용 불가능할 수 있다.
또한, 본 개시는 현재 설명되지 않은 다른 사상을 포함할 수 있다. 출원인은 이와 같은 사상의 실시권을 포함하여, 이와 같은 사상의 모든 권리를 보유하고, 추가 출원, 계속, 부분 계속, 분할, 및/또는 기타 출원을 한다. 이와 같이, 본 개시의 장점, 실시예, 예, 기능, 특징, 논리적, 동작적, 조직적, 구조적, 위상적, 그리고/또는 다른 양태는 실시예 또는 실시예와 균등한 것에 의해 정의되는 본 개시의 제한인 것으로 고려되어서는 안 된다는 것이 이해되어야 한다. 개인 및/또는 기업 사용자의 특정 욕구 및/또는 특성, 데이터베이스 구성 및/또는 관계 모델, 데이터 유형, 데이터 송신 및/또는 네트워크 프레임워크, 신택스 구조, 및/또는 기타에 따라, 본 명세서에서 개시된 본 기술의 다양한 실시예들은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 상당한 유연성과 맞춤화를 가능하게 하는 방식으로 구현될 수 있다.
본 명세서에서 정의되고 사용된 바와 같은 모든 정의는 사전적 정의, 참조로 통합된 문헌에서의 정의, 및/또는 정의된 용어의 통상적인 의미에 대한 통제인 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용될 때, "약" 또는 "대략"이라는 용어들은 수치에 선행할 때, 값 플러스 또는 마이너스 10% 범위를 나타낸다. 값의 범위가 제공되는 경우, 문맥상 달리 서술하지 않는 한, 그 범위의 상한과 하한 사이의 하한의 단위의 1/10에 해당하는 각 개재 값과 명시된 범위 내의 임의의 다른 명시된 개재 값이 본 개시 내에 포괄되는 것으로 이해된다. 독립적으로 이러한 더 작은 범위들에 포함될 수 있는 더 작은 범위들의 상한들과 하한들은 명시된 범위에서 임의의 구체적으로 배제된 제한을 조건으로, 본 개시 내에 포함된다. 명시된 범위가 상한과 하한 둘 모두를 포함하는 경우, 이러한 포함된 상한과 하한 중 어느 하나 또는 둘 모두를 배제한 범위 또한 본 개시 내에 포함된다.
"및/또는"이라는 어구는 본 명세서 및 실시예들에서 사용될 때, 그렇게 연결된 요소들, 즉 일부 경우들에서는 연결하여 존재하고 다른 경우들에서는 분리하여 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"과 함께 나열되는 다수의 요소는 동일한 방식으로, 즉 그렇게 연결된 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별된 요소들 이외에 다른 요소들은 구체적으로 식별된 요소들과 관련이 있든 없든 관계없이, 선택사항으로서 존재할 수 있다. 이에 따라, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 언급은 "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, 일 실시예에서, A만(선택사항으로서 B 이외의 요소들을 포함함), 다른 실시예에서, B만(선택사항으로서 A 이외의 요소들을 포함함), 또 다른 실시예에서, A와 B 둘 모두(선택사항으로서 다른 요소들을 포함함)를 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 그리고 다른 실시예들에서 사용될 때, "또는"은 위에서 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록 내의 항목들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것, 즉 다수의 요소들 또는 요소들의 목록 중, 적어도 하나를 포함, 그러나 또한 하나보다 많은 요소들, 그리고 선택사항으로서, 나열되지 않은 추가적인 항목들도 포함하는 것으로서 해석되어야 한다. "~ 중 단지 하나" 또는 "~ 중 정확히 하나", 또는 실시예들에서 사용될 때 "~로 이루어진"과 같이, 반대로 명시된 용어들만이 다수의 요소들 또는 요소들의 목록 중 정확히 하나의 요소의 포함을 지칭할 것이다. 일반적으로, "또는"이라는 용어는 본 명세서에서 사용될 때, "~ 중 어느 하나", "~ 중 하나", "~ 중 단지 하나", 또는 "~ 중 정확히 하나"와 같이 배타적인 용어들이 선행될 때 배타적인 대안들(즉, "하나 또는 다른 하나, 그러나 둘 모두는 아님")을 나타내는 것으로서만 해석되어야 한다. "본질적으로 ~로 이루어진"이라는 표현은 실시예들에서 사용될 때, 특허법 분야에서 사용되는 바와 같은 통상적인 의미를 가질 것이다.
본 명세서 및 실시예들에서 사용될 때, 하나 이상의 요소의 목록을 참조하는 "적어도 하나"라는 어구는 요소들의 목록 내의 요소들 중 임의의 하나 이상의 요소로부터 선택되는 하나의 요소를 의미하지만, 반드시 요소들의 목록 내에 구체적으로 나열된 각 요소 및 모든 요소 중 적어도 하나를 포함할 필요는 없으며, 요소들의 목록 내의 요소들의 임의의 조합들을 배제하지 않는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 정의는 또한, "적어도 하나"라는 어구가 지칭하는 요소들의 목록 내에서 구체적으로 식별된 요소들 이외의 요소들이 구체적으로 식별된 그러한 요소들과 관련되든 관련되지 않든, 선택사항으로서 존재할 수 있다는 것을 허용한다. 이에 따라, 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 실시예에서, B 없이 하나보다 많은 A(그리고 선택사항으로서 B 이외의 요소들을 포함함)를 선택사항으로서 포함하여, 적어도 하나; 다른 실시예에서, A 없이 하나보다 많은 B(그리고 선택사항으로서 A 이외의 요소들을 포함함)를 선택사항으로서 포함하여, 적어도 하나;
또 다른 실시예에서, 하나보다 많은 A를 선택사항으로서 포함하는 적어도 하나, 그리고 하나보다 많은 B를 선택사항으로서 포함하는 적어도 하나(그리고 선택사항으로서 다른 요소들을 포함함); 등을 지칭할 수 있다.
실시예들, 뿐만 아니라, 상기한 명세서에서, "포함하는", "포함한", "가지는", "갖는", "함유하는", "수반하는", "보유하는", "~로 구성된" 등의 모든 전이구는 개방형, 즉 ~을 포함하지만 이에 제한되지 않는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "~로 이루어진" 및 "본질적으로 ~로 이루어진"이라는 전이구만 United States Patent Office Manual of Patent Examining Procedures, Section 2111.03에서 제시된 바와 같이, 각각, 폐쇄형 또는 준폐쇄형 전이구가 되어야 한다.
이상에서 본 개시의 구체적인 실시예들을 개략적으로 설명하였지만, 많은 대안, 수정, 및 변형이 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서에서 제시된 실시예들은 제한적인 것이 아니라, 예시적인 것으로 의도된다. 본 개시의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 위에서 설명된 방법들 및 단계들이 특정 순서로 발생하는 특정 사건들을 나타내는 경우, 당업자들은 특정 단계들의 순서가 수정될 수 있고, 이와 같은 수정이 본 발명의 변형에 따른 것임을 인식할 것이다. 또한, 단계들 중 특정 단계들은 위에서 설명된 바와 같이 순차적으로 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 가능할 때 병렬 프로세스로 동시에 수행될 수도 있다. 실시예들을 구체적으로 제시하고 설명하였지만, 이는 형태 및 세부사항들에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (27)

  1. 전기화학 셀을 형성하는 방법으로서,
    애노드 집전체(anode current collector) 상에 애노드 물질을 배치하는 단계;
    상기 애노드 물질 상에 제1 분리막(separator)을 배치하는 단계;
    캐소드 집전체 상에 캐소드 물질을 배치하는 단계;
    상기 캐소드 물질 상에 제2 분리막을 배치하는 단계; 및
    상기 제2 분리막 상에 상기 제1 분리막을 배치하여 상기 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 애노드 물질 또는 상기 캐소드 물질 중 적어도 하나는 활물질(active material), 전도성 물질, 및 일정 부피의 액체 전해질을 포함하는 반고체 전극 물질이고,
    상기 전기화학 셀의 형성 동안 상기 액체 전해질의 약 10 부피% 미만이 증발하는 것인, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 분리막 상에 상기 제1 분리막을 배치하기 전에, 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막 중 적어도 하나를 전해질 용액으로 습윤시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 분리막 및 제2 분리막 중 적어도 하나를 습윤시키는 단계는 분무(spraying)를 통해 이루어지는 것인, 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전기화학 셀의 형성 동안 상기 전해질 용액의 약 10 부피% 미만이 증발하는 것인, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전기화학 셀의 형성 동안 상기 전해질 용액과 상기 액체 전해질의 조합의 총 부피의 약 10% 미만이 증발하는 것인, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 분리막 또는 제2 분리막 중 적어도 하나는 약 1% 미만의 공극률을 갖는 물질로 구성된 것인, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 집전체, 상기 캐소드 물질, 및 제2 분리막은 공동으로 캐소드를 형성하며, 상기 방법은:
    상기 캐소드를 컨베이어를 따라 수송하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 애노드 집전체, 상기 애노드 물질, 및 상기 제1 분리막은 공동으로 애노드를 형성하고, 상기 컨베이어는 제1 컨베이어이며, 상기 방법은:
    상기 애노드를 제2 컨베이어를 따라 수송하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 애노드 집전체, 상기 애노드 물질, 및 상기 제1 분리막은 공동으로 애노드를 형성하며, 상기 방법은:
    상기 애노드를 상기 컨베이어를 따라 수송하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 반고체 전극 물질은 제1 반고체 전극 물질이며, 상기 방법은:
    상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막 사이에 제2 반고체 전극 물질을 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 반고체 전극 물질과 상기 애노드 집전체 또는 상기 캐소드 집전체 중 적어도 하나 사이의 전압을 측정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 전기화학 셀을 형성하는 방법으로서,
    캐소드 집전체 상에 반고체 캐소드 물질을 배치하는 단계 ― 상기 반고체 캐소드 물질은 활물질, 전도성 물질, 및 일정 부피의 비수성(non-aqueous) 액체 전해질을 포함함 ―,
    애노드 집전체 상에 애노드 물질을 배치하는 단계;
    상기 반고체 캐소드 상에 제1 분리막을 배치하는 단계;
    상기 애노드 물질 상에 제2 분리막을 배치하는 단계;
    상기 제1 분리막 또는 상기 분리막 중 적어도 하나 상에 전해질 용액을 분배하는 단계; 및
    상기 제2 분리막 상에 상기 제1 분리막을 배치하여 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전기화학 셀의 형성 동안 상기 비수성 액체 전해질의 약 10 부피% 미만이 증발하는 것인, 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 전해질 용액을 분배하는 단계는 분무를 통해 이루어지는 것인, 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 전기화학 셀의 형성 동안 상기 전해질 용액과 상기 비수성 액체 전해질의 조합의 총 부피의 약 10% 미만이 증발하는 것인, 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 전해질 용액은 고체 상태 전해질을 포함하는 것인, 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 제1 분리막 또는 제2 분리막 중 적어도 하나는 약 1% 미만의 공극률을 갖는 것인, 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 캐소드 집전체, 상기 캐소드 물질, 및 상기 제2 분리막은 공동으로 캐소드를 형성하고, 상기 애노드 집전체, 상기 애노드 물질, 및 상기 제1 분리막은 공동으로 애노드를 형성하며, 상기 방법은:
    상기 캐소드 또는 상기 애노드 중 적어도 하나를 컨베이어를 따라 수송하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 전기화학 셀로서, 애노드 집전체 상에 배치된 애노드 ― 상기 애노드는 애노드 활물질 및 애노드액을 포함함 ―;
    캐소드 집전체 상에 배치된 캐소드 ― 상기 캐소드는 캐소드 활물질 및 캐소드액을 포함함 ―;
    상기 애노드 상에 배치된 제1 분리막 ― 상기 제1 분리막은 제1 물질로 구성되고, 제1 공극률을 가짐 ―; 및
    상기 캐소드 상에 배치된 제2 분리막 ― 상기 제2 분리막은 제2 물질로 구성되고, 제2 공극률을 가지며, 상기 제2 공극률은 상기 제1 공극률과 상이함 ― 을 포함하는, 전기화학 셀.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 물질은 상기 제1 물질과 상이한 것인, 전기화학 셀.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2 물질은 폴리이미드를 포함하고, 상기 제1 물질은 폴리에틸렌을 포함하는 것인, 전기화학 셀.
  22. 제21항에 있어서, 상기 애노드액은 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트를 포함하는 것인, 전기화학 셀.
  23. 제19항에 있어서, 상기 제1 분리막은 상기 제2 분리막과 물리적으로 접촉하는 것인, 전기화학 셀.
  24. 제19항에 있어서, 상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막 사이에 배치된 중간을 더 포함하며, 상기 중간층은 반고체 전극 물질, 고체 전극 물질, 또는 고체 상태 전해질 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 전기화학 셀.
  25. 제24항에 있어서, 상기 중간층은 반고체 전극 물질을 포함하는 것인, 전기화학 셀.
  26. 제24항에 있어서, 상기 중간층은 LTO(lithium titanate)를 포함하고, 상기 캐소드는 NMC를 포함하는 것인, 전기화학 셀.
  27. 제24항에 있어서, 상기 중간층은 LFP(lithium iron phosphate)를 포함하고, 상기 캐소드는 NMC를 포함하는 것인, 전기화학 셀.
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