KR20240027703A - 보조 전극을 활용한 이차 전지의 캐리어 이온 로딩 - Google Patents
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Abstract
보조 전극은 X-Y 평면의 제1 주 표면을 갖는 전도성 층을 포함하며, 전도성 층은 전기 전도성이고 제1 표면적을 갖는다. 보조 전극은 제1 캐리어 이온 공급 층 및 제2 캐리어 이온 공급 층을 포함하며, 각각의 캐리어 이온 공급 층은 이차 전지의 전극용 캐리어 이온을 공급하는 물질을 포함한다. 제1 캐리어 이온 공급 층은 전도성 층의 제1 주 표면의 제1 영역을 커버하고 제2 캐리어 이온 공급 층은 전도성 층의 제1 주 표면의 제2 영역을 커버한다. 제1 및 제2 영역은 제3 영역에 의해 분리되고, 제3 영역은 제1 영역과 제2 영역이 실질적으로 평행하도록 접히도록 구성되며, 제3 영역은 접힌 구성에서 제1 및 제2 영역과 실질적으로 수직이다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 6월 30일에 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 제63/216,656호에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시내용은 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.
기술분야
본 개시의 분야는 일반적으로 이차 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 형성 동안 또는 형성 후에 이차 전지의 캐리어 이온 로딩에 관한 것이다.
로킹 체어(rocking-chair) 전지 셀에서는, 이차 전지의 양극과 음극 모두는 캐리어 이온, 예컨대, 리튬이 삽입 및 추출되는 물질을 포함한다. 전지가 방전됨에 따라, 캐리어 이온은 음극으로부터 추출되어 양극에 삽입된다. 전지가 충전됨에 따라, 캐리어 이온은 양극으로부터 추출되어 음극에 삽입된다.
실리콘은 그 높은 비용량으로 인해 애노드로서 탄소질 물질을 대체할 유망한 후보가 되었다. 예를 들어, LiC6로 형성된 흑연 애노드는 약 370mAh/g(milli-amp hours per gram)의 비용량을 가질 수 있는 반면, Li15Si4로 형성된 결정질 실리콘 애노드는 흑연 애노드에 비해 거의 10배 증가한 약 3600mAh/g의 비용량을 가질 수 있다. 그러나, Li 캐리어 이온이 실리콘 애노드에 삽입될 때, 실리콘의 큰 체적 변화(예를 들어, 300%)로 인해 실리콘 애노드의 사용은 제한되어 왔다. 충전 및 방전 사이클과 연관된 균열 및 분쇄와 함께 이러한 체적 증가로 인해 실제로 실리콘 애노드의 사용이 제한되었다. 또한, 실리콘 애노드는 그 불량한 ICE(initial columbic efficiency)로 인해 사용이 제한되어 왔으며, 이는 실리콘 애노드를 사용하는 이차 전지의 초기 형성 동안 용량 손실을 초래한다.
따라서 실리콘 기반 양극을 활용하는 이차 전지의 성능을 향상시키는 것이 바람직하며, 보다 구체적으로는 실리콘 양극이 열악한 ICE와 관련하여 나타내는 문제를 완화하는 것이 바람직하다.
일 양태에서, 이차 전지용 보조 전극은 전도성 층, 제1 캐리어 이온 공급 층 및 제2 캐리어 이온 공급 층을 포함한다. 전도성 층은 X-Y 평면의 제1 주 표면을 가지며, 전도성 층은 전기 전도성인 물질을 포함하고 제1 표면적을 갖는다. 제1 캐리어 이온 공급 층 및 제2 캐리어 이온 공급 층 각각은 이차 전지의 전극용 캐리어 이온을 공급하는 물질을 포함한다. 제1 캐리어 이온 공급 층은 전도성 층의 제1 주 표면의 제1 영역을 커버하고 제2 캐리어 이온 공급 층은 전도성 층의 제1 주 표면의 제2 영역을 커버한다. 제1 영역 및 제2 영역은 제1 영역과 제2 영역 사이에서 연장되는 전도성 층의 제3 영역에 의해 분리된다. 제3 영역은 접힌 구성에서, 제1 영역과 제2 영역이 실질적으로 평행하도록 Y축 방향을 따라 접히도록 구성된다. 제3 영역은 접힌 구성에서 제1 영역 및 제2 영역에 실질적으로 수직이다.
다른 양태에서, 버퍼링 시스템은 이차 전지, 보조 전극 및 인클로저를 포함한다. 이차 전지는 서로 대향되는 주 표면 및 전기 단자를 가지며, 전기 단자 각각은 이차 전지의 양극 및 음극 중 하나에 결합된다. 이차 전지는 음극과 양극 사이에 음극 및 양극과 이온 접촉된 전해질이 침투되는 미세다공성 분리막을 포함한다. 음극은 애노드 활성 실리콘 또는 그 합금을 포함하고, 음극은 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 갖는다. 양극은 캐소드 활물질을 포함하고, 양극은 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 갖는다. 음극 쿨롱 용량은 양극 쿨롱 용량을 초과한다. 보조 전극은 이차 전지의 주 표면과 접촉한다. 보조 전극은 제1 분리막층, 전도성 층, 캐리어 이온 공급층의 집단, 제2 분리막층 및 전도성 탭을 포함한다. 제1 분리막 층은 이온 투과성인 물질을 포함한다. 전도성 층은 전기 전도성인 물질을 포함하고, 전도성 층은 제1 분리막 층과 접촉하는 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는다. 제2 표면은 전도성 층의 제1 단부에 배치된 제1 영역, 제1 단부에 대향하는 전도성 층의 제2 단부에 배치된 제2 영역, 및 제1 영역과 제2 영역 사이에 배치된 제3 영역으로 세그먼트화된다. 캐리어 이온 공급 층의 집단은 각각 이차 전지의 양극에 캐리어 이온을 공급하는 물질을 포함한다. 캐리어 이온 공급 층의 각각의 층은 전도성 층의 제1 영역 및 제2 영역 내에 배치된다. 제2 분리막 층은 이온 투과성인 물질을 포함한다. 제2 분리막 층은 전도성 층의 제1 영역 및 제2 영역 내에서 캐리어 이온 공급 층을 이차 전지의 주 표면으로부터 분리한다. 전도성 탭은 전기 전도성인 물질을 포함한다. 전도성 탭은 전도성 층의 제3 영역 내에서 전도성 층의 제2 표면에 결합된 제1 단부 및 제1 단부에서 원위에 있는 제2 단부를 갖는다. 인클로저는 보조 전극 및 이차 전지를 캡슐화하고, 전기 단자 및 전도성 탭의 제2 단부가 인클로저의 주연부로부터 전기적으로 연장된다.
또 다른 양태에서, 보조 전극을 사용하여 캐리어 이온으로 이차 전지를 버퍼링하는 방법이 제공된다. 이차 전지는 서로 대향되는 주 표면 및 전기 단자를 갖는다. 상기 방법은 보조 전극을 이차 전지의 주 표면과 접촉되도록 배치하여 보조 서브조립체를 형성하는 단계를 포함한다. 전기 단자 각각은 이차 전지의 양극 및 음극 중 하나에 결합된다. 이차 전지는 음극과 양극 사이에 음극 및 양극과 이온 접촉된 전해질이 침투되는 미세다공성 분리막을 포함한다. 음극은 애노드 활성 실리콘 또는 그 합금을 포함하고, 음극은 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 갖는다. 양극은 캐소드 활물질을 포함하고, 양극은 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 갖는다. 음극 쿨롱 용량은 양극 쿨롱 용량을 초과한다. 보조 전극은 전기 전도성 층, 이차 전지의 주 표면에 근접한 전기 전도성 층 상에 배치된 캐리어 이온 공급 층, 이차 전지의 주 표면과 캐리어 이온 공급 층 사이에 배치된 분리막 층, 및 전기 전도성 층에 결합된 전기 전도성 탭을 포함한다. 상기 방법은 인클로저에 보조 서브조립체를 설치하는 단계를 더 포함하며, 이차 전지의 전기 단자 및 보조 전극의 전기 전도성 탭은 인클로저의 주연부로부터 전기적으로 연장된다. 상기 방법은 또한 이차 전지의 전기 단자에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 캐리어 이온을 양극으로부터 음극으로 전달하여 이차 전지를 적어도 부분적으로 충전하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 보조 전극의 전기 전도성 탭 및 이차 전지의 전기 단자 중 하나 이상에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 음극이 캐리어 이온으로서 저장된 양극 쿨롱 용량의 100%를 초과할 때까지 이차 전지의 전기 단자에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 캐리어 이온을 양극으로부터 음극으로 전달하여 이차 전지를 충전하는 단계를 더 포함한다.
위에서 언급된 양태들과 관련하여 언급된 특징들에 대한 다양한 개선이 존재한다. 추가 특징이 또한 상기 언급된 양태들에 포함될 수 있다. 이러한 개선 사항과 추가 특징은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예 중 임의의 것과 관련하여 아래에서 논의되는 다양한 특징은 앞서 설명된 임의의 양태에 단독으로 또는 임의의 조합으로 통합될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예의 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지용 유닛 셀을 도시한다.
도 3은 도 2의 유닛 셀에 대한 캐소드 구조를 도시한다.
도 4는 도 2의 유닛 셀에 대한 애노드 구조를 도시한다.
도 5는 예시적인 실시예의 버퍼 시스템의 사시도를 도시한다.
도 6은 도 5의 버퍼 시스템의 분해도를 도시한다.
도 7은 예시적인 실시예의 보조 전극의 사시도를 도시한다.
도 8은 도 7의 보조 전극의 분해도를 도시한다.
도 9는 도 7의 보조 전극의 조립 공정의 스테이지에서의 도 7의 보조 전극의 사시도이다.
도 10은 도 7의 보조 전극을 위한 조립 공정의 또 다른 스테이지에서의 도 7의 보조 전극의 사시도이다.
도 11은 도 7의 보조 전극에 연장 탭을 추가하는 조립 공정의 또 다른 스테이지에서의 도 7의 보조 전극의 사시도이다.
도 12는 버퍼 시스템을 위한 조립 공정의 한 스테이지에서의 도 5의 버퍼 시스템의 사시도이다.
도 13은 버퍼 시스템을 위한 조립 공정의 또 다른 스테이지에서의 도 5의 버퍼 시스템의 사시도이다.
도 14는 버퍼 시스템을 위한 조립 공정의 또 다른 스테이지에서의 도 5의 버퍼 시스템의 사시도이다.
도 15는 도 14의 버퍼 시스템의 일부의 단면도이다.
도 16은 버퍼 시스템을 위한 조립 공정의 또 다른 스테이지에서의 도 5의 버퍼 시스템의 사시도이다.
도 17은 이차 전지에 대한 버퍼 공정을 수행한 이후의 도 5의 버퍼 시스템의 사시도이다.
도 18은 예시적인 실시예의 보조 전극을 사용하여 캐리어 이온으로 이차 전지를 버퍼링하는 방법의 흐름도이다.
도 19는 도 18의 방법의 추가 세부사항을 도시하는 흐름도이다.
도 20은 도 18의 방법의 추가 세부사항을 도시하는 흐름도이다.
도 21은 도 18의 방법의 추가 세부사항을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지용 유닛 셀을 도시한다.
도 3은 도 2의 유닛 셀에 대한 캐소드 구조를 도시한다.
도 4는 도 2의 유닛 셀에 대한 애노드 구조를 도시한다.
도 5는 예시적인 실시예의 버퍼 시스템의 사시도를 도시한다.
도 6은 도 5의 버퍼 시스템의 분해도를 도시한다.
도 7은 예시적인 실시예의 보조 전극의 사시도를 도시한다.
도 8은 도 7의 보조 전극의 분해도를 도시한다.
도 9는 도 7의 보조 전극의 조립 공정의 스테이지에서의 도 7의 보조 전극의 사시도이다.
도 10은 도 7의 보조 전극을 위한 조립 공정의 또 다른 스테이지에서의 도 7의 보조 전극의 사시도이다.
도 11은 도 7의 보조 전극에 연장 탭을 추가하는 조립 공정의 또 다른 스테이지에서의 도 7의 보조 전극의 사시도이다.
도 12는 버퍼 시스템을 위한 조립 공정의 한 스테이지에서의 도 5의 버퍼 시스템의 사시도이다.
도 13은 버퍼 시스템을 위한 조립 공정의 또 다른 스테이지에서의 도 5의 버퍼 시스템의 사시도이다.
도 14는 버퍼 시스템을 위한 조립 공정의 또 다른 스테이지에서의 도 5의 버퍼 시스템의 사시도이다.
도 15는 도 14의 버퍼 시스템의 일부의 단면도이다.
도 16은 버퍼 시스템을 위한 조립 공정의 또 다른 스테이지에서의 도 5의 버퍼 시스템의 사시도이다.
도 17은 이차 전지에 대한 버퍼 공정을 수행한 이후의 도 5의 버퍼 시스템의 사시도이다.
도 18은 예시적인 실시예의 보조 전극을 사용하여 캐리어 이온으로 이차 전지를 버퍼링하는 방법의 흐름도이다.
도 19는 도 18의 방법의 추가 세부사항을 도시하는 흐름도이다.
도 20은 도 18의 방법의 추가 세부사항을 도시하는 흐름도이다.
도 21은 도 18의 방법의 추가 세부사항을 도시하는 흐름도이다.
정의
본원에 사용된 바와 같은, 부정관사 및 정관사("a", "an" 및 "the")(즉, 단수 형태)는 문맥에서 달리 명확하게 명시되지 않는 한, 복수의 대상을 의미한다. 예를 들어, 한 경우에, "전극"에 대한 지칭은 단일 전극 및 복수의 유사한 전극 둘 모두를 포함한다.
본원에 사용된 "약" 및 "대략"은 명시된 값의 ±10%, 5% 또는 1%를 지칭한다. 예를 들어, 일부 경우에, 약 250 마이크로미터(μm)는 225 μm 내지 275 μm을 포함할 것이다. 추가 예로서, 한 경우에, 약 1,000 μm는 900 μm 내지 1,100 μm를 포함할 것이다. 달리 명시하지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 사용된 양(예를 들어, 측정값 등) 등을 표현하는 모든 숫자는 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 명시되지 않는 한, 다음 명세서 및 첨부된 청구범위에 명시된 수치 파라미터는 근사치이다. 각 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 자릿수를 고려하고 일반적인 반올림 기술을 적용하여 해석되어야 한다.
이차 전지와 관련하여 본원에 사용된 "애노드"는 이차 전지의 음극을 지칭한다.
본원에서 사용된 바와 같은 "애노드 물질" 또는 "애노드 활성"은 이차 전지의 음극으로 사용하기에 적합한 물질을 의미한다.
이차 전지와 관련하여 본원에 사용된 바와 같은 "캐소드"는 이차 전지에서 양극을 지칭한다.
본원에 사용된 바와 같은 "캐소드 물질" 또는 "캐소드 활성"은 이차 전지의 양극으로 사용하기에 적합한 물질을 의미한다.
"전환 화학 활물질" 또는 "전환 화학 물질"은 이차 전지의 충방전 사이클 동안 화학 반응을 일으키는 물질을 지칭한다.
본원에 사용된 바와 같이 "상대 전극"은 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 이차 전지의, 전극과 반대쪽의, 음극 또는 양극(애노드 또는 캐소드)를 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "상대 전극 집전체"는 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 전극 집전체와 반대되는, 이차 전지의 음극 또는 양극(애노드 또는 캐소드) 집전체를 지칭할 수 있다.
충전 상태와 방전 상태 사이의 이차 전지의 사이클링과 관련하여 본원에 사용된 "사이클"은 배터리를 충전 상태 또는 방전 상태 중 어느 하나인 제1 상태로부터 제1 상태의 반대인 제2 상태(즉, 제1 상태가 방전된 경우 충전 상태, 또는 제1 상태가 충전된 경우 방전 상태)까지 주기적으로 순환시킨 다음, 배터리를 다시 제1 상태로 순환시켜 사이클을 완성하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 충전 상태와 방전 상태 사이의 이차 전지의 단일 사이클은, 충전 사이클에서와 같이, 배터리를 방전 상태에서 충전 상태로 충전한 다음, 다시 방전 상태로 방전하여 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다. 단일 사이클은 또한, 방전 사이클에서와 같이, 배터리를 충전 상태에서 방전 상태로 방전한 다음, 다시 충전 상태로 충전하여 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "전기화학적 활물질"은 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같은 "전극"은 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 이차 전지의 음극 또는 양극(애노드 또는 캐소드)을 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "전극 집전체"는 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 이차 전지의 음극 또는 양극(애노드 또는 캐소드) 집전체를 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "전극 물질"은 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 애노드 물질 또는 캐소드 물질을 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "전극 구조체"는 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 배터리에 사용하도록 적응된 애노드 구조체(예를 들어, 음극 구조체) 또는 캐소드 구조체(예를 들어, 양극 구조체)를 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "용량" 또는 "C"는 문맥상 명백히 달리 나타내지 않는 한, 전지(또는 이중층을 형성하는 전극 구조 및 상대 전극 구조의 하나 이상의 쌍을 포함하는 전지의 하위 부분)가 미리 정의된 전압에서 전달할 수 있는 전하의 양을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같은, "전해질"은 문맥상 명백히 달리 나타내지 않는 한, 전지에 사용하도록 구성된 이온의 이동에 의해 전류가 전달되는 비금속 액체, 겔 또는 고체 물질을 의미한다.
이차 전지의 상태와 관련하여 본원에 사용된 바와 같은, "충전된 상태"는 문맥상 명백히 달리 나타내지 않는 한, 이차 전지가 그 정격 용량의 적어도 75%까지 충전된 상태를 의미한다. 예를 들어, 전지는 정격 용량의 적어도 80%, 정격 용량의 적어도 90%, 및 심지어 정격 용량의 적어도 95%(예컨대 정격 용량의 100%)까지 충전될 수 있다.
음극과 관련하여 본원에 사용된 바와 같은, "방전 용량"은 문맥상 명백히 달리 나타내지 않는 한, 미리 결정된 셀 세트에서 충전 종료 및 방전 종료 전압 제한 사이에서 전지 셀의 방전 동작 동안 음극으로부터의 추출 및 양극으로의 삽입에 사용 가능한 캐리어 이온의 양을 의미한다.
이차 전지의 상태에 관련하여 본원에 사용된 바와 같은, "방전 상태"라는 용어는 문맥상 명백히 달리 나타내지 않는 한, 이차 전지가 그 정격 용량의 25% 미만으로 방전된 상태를 의미한다. 예를 들어, 전지는 정격 용량의 20% 미만(예컨대 정격 용량의 10% 미만), 및 심지어 정격 용량의 5% 미만(정격 용량의 0%)까지 방전될 수 있다.
전극(즉, 양극, 음극 또는 보조 전극)과 관련하여 본원에 사용된 바와 같은, "가역적 쿨롱 용량"은 상대 전극과의 가역적 교환에 사용 가능한 캐리어 이온에 대한 전극의 총 용량을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같은 "세로 축", "가로 축" 및 "수직 축"은 상호 수직 축(즉, 각각이 서로 직교함)을 지칭한다. 예를 들어, 본원에 사용된 바와 같은 "세로 축", "가로 축" 및 "수직 축"은 3차원 측면 또는 배향을 정의하는 데 사용되는 데카르트 좌표계와 유사하다. 이와 같이, 본원의 개시된 주제의 요소에 대한 설명은 요소의 3차원 배향을 설명하는 데 사용되는 특정 축 또는 축들로 제한되지는 않는다. 대안적으로 말하면, 축들은 개시된 주제의 3차원적 측면을 참조할 때 상호 교환 가능할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은, "복합 물질" 또는 "복합물"은 문맥상 달리 명확하게 나타내지 않는 한 2개 이상의 구성 물질을 포함하는 물질을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같은, "공극률" 또는 "다공성" 또는 "공극 체적 분율"은 물질의 공극(즉, 빈) 공간의 측정치를 의미하며, 물질의 총 체적으로 나눈 공극 체적의 분율이고, 0과 1 사이 또는 0%와 100% 사이의 백분율로 표시된다.
본원에 사용된 바와 같은, "폴리머"는 문맥상 명확히 달리 나타내지 않는 한, 거대분자의 반복적인 서브유닛으로 구성된 물질 또는 재료를 의미할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은, "미세구조"는 문맥상 명확히 달리 표시되지 않는 한, 약 25x 배율을 초과한 광학현미경에 의해 드러난 물질의 표면 구조를 의미할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은, "미세다공성"은 문맥상 달리 명확하게 나타내지 않는 한 약 2 나노미터 미만의 직경을 갖는 공극을 함유하는 물질을 의미할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은, "거대다공성"은 문맥상 달리 명확하게 나타내지 않는 한 약 50 나노미터보다 더 큰 직경을 갖는 공극을 함유하는 물질을 의미할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은, "나노규모" 또는 "나노스코픽 규모"는 약 1 나노미터 내지 약 100 나노미터 범위의 길이 규모를 갖는 구조를 의미할 수 있다.
상세한 설명
본 개시의 일부 실시예는 초기 전지 형성 동안 및/또는 이후에 추가적인 캐리어 이온을 제공하는 이차 전지와 전기화학적으로 결합된 보조 애노드를 사용하여 이차 전지의 실리콘 기반 애노드와 연관된 열악한 ICE의 완화 또는 개선과 같은 이점을 제공할 수 있다. 보조 애노드를 사용하면 초기 형성 동안 이차 전지 내 캐리어 이온의 초기 손실을 완화시키고, 이에 의해, 예를 들어, 형성 후 이차 전지의 용량을 증가시키는 기술적 이점을 제공할 수 있다. 또한, 전지 형성 후 캐리어 이온을 추가 도입하는 것은 전형적으로 2차 반응을 통해 손실되는 캐리어 이온의 사이클 기반 감소를 완화하고, 이에 의해, 이차 전지의 사이클별 용량 손실을 감소시킬 수 있는 기술적 이점을 제공한다. 또한, 전지 형성 후 추가적인 캐리어 이온의 도입은 애노드가 추가적인 캐리어 이온을 포함하기 때문에 방전시 이차 전지의 애노드를 더 낮은 전위 전압으로 유지함으로써 이차 전지의 사이클링 성능을 개선시킨다. 일부 실시예에서, 이차 전지 형성 후 보조 애노드가 제거되고, 이에 의해, 전지의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 기술적 이점을 제공할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예의 이차 전지(100)의 사시도이고, 도 2는 이차 전지(100)용 유닛 셀(200)을 도시한다. 도 1의 이차 전지(100)는 아래에 추가로 설명되는 바와 같이 이차 전지의 내부 구조 중 일부를 보여주는 노출된 부분을 갖는다.
도 1에 예시된 바와 같이, 이차 전지(100)는 인접하는 복수의 전극 서브-유닛(102)을 포함한다. 각각의 전극 서브-유닛(102)은 각각 X축, Y축 및 Z축의 치수를 갖는다. X축, Y축 및 Z축은 데카르트 좌표계와 유사하게 서로 수직이다. 본원에 사용된 바와 같이, Z축으로의 각 전극 서브 유닛(102)의 치수는 "높이"로 지칭될 수 있고, X축으로의 치수는 "길이"로 지칭될 수 있으며, Y축으로의 치수는 "폭"으로 지칭될 수 있다. 전극 서브-유닛(102)은 하나 이상의 유닛 셀(200)로 조합될 수 있다(도 2 참조). 각각의 유닛 셀(200)은 적어도 하나의 애노드 활물질 층(104) 및 적어도 하나의 캐소드 활물질 층(106)을 포함한다. 애노드 활물질 층(104)과 캐소드 활물질 층(106)은 분리막 층(108)에 의해 서로 전기적으로 절연된다. 본 개시의 적절한 실시예에서, 이차 전지(100)에 1개 내지 200개 이상의 전극 서브-유닛(102)과 같은 임의 개수의 전극 서브-유닛(102)이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1을 참조하면, 이차 전지(100)는 각각의 전극 서브-유닛(102)의 애노드 활물질 층(104) 및 캐소드 활물질 층(106)에 각각 전극 탭(114)을 통해 전기적으로 접촉되는 제1 버스바(110) 및 제2 버스바(112)를 포함한다. 전극 탭(114)은 도 1에서 이차 전지(100)의 제1 측면(120)에서만 볼 수 있지만, 전극 탭(114)의 다른 세트가 이차 전지의 제2 측면(121)에 존재한다. 이차 전지(100)의 제1 측면(120)의 전극 탭(114)은 애노드 버스바라고 지칭될 수 있는 제1 버스바(110)와 전기적으로 결합된다. 이차 전지(100)의 제2 측면(121)(도 1에서는 보이지 않음)의 전극 탭(114)은 캐소드 버스바라고 지칭될 수 있는 제2 버스바(112)에 전기적으로 결합된다. 본 실시예에서, 제1 버스바(110)는 전기 전도성인 이차 전지(100)의 제1 전기 단자(124)와 전기적으로 결합된다. 제1 버스바(110)가 이차 전지(100)용 애노드 버스바를 포함하는 경우, 제1 전기 단자(124)는 이차 전지(100)용 음극 단자를 포함한다. 또한, 본 실시예에서, 제2 버스바(112)는 전기 전도성인 이차 전지(100)의 제2 전기 단자(125)와 전기적으로 결합된다. 제2 버스바(112)가 이차 전지(100)용 캐소드 버스바를 포함하는 경우, 제2 전기 단자(125)는 이차 전지(100)용 양극 단자를 포함한다.
일 실시예에서, 제약부(constraint)라고 지칭될 수 있는 케이싱(116)은 이차 전지(100)의 X-Y 표면 중 하나 또는 양자 모두에 걸쳐 적용될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 케이싱(116)은 이차 전지(100)가 완전히 조립되면 전해질 용액의 분배 또는 유동을 용이하게 하기 위해 복수의 천공(118)을 포함한다. 일 실시예에서, 케이싱(116)은 SS301, SS316, 440C 또는 440C 경질(hard)과 같은 스테인리스 강을 포함한다. 다른 실시예에서, 케이싱(116)은 알루미늄(예를 들어, 알루미늄 7075-T6, 경질 H18 등), 티타늄(예를 들어, 6Al-4V), 베릴륨, 베릴륨 구리(경질), 구리(O2 없음, 경질), 니켈, 다른 금속 또는 금속 합금, 복합재, 폴리머, 세라믹(예를 들어, 알루미나(예를 들어, 소결 또는 Coorstek AD96), 지르코니아(예를 들어, Coorstek YZTP), 이트리스안정화된 지르코니아(예를 들어, ENrG E-Strate®)), 유리, 강화 유리, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)(예를 들어, Aptiv 1102), 탄소 함유 PEEK(예를 들어, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 탄소 함유 폴리페닐렌 설파이드(PPS)(예를 들어, Tepex Dynalite 207), 30% 유리 함유 폴리에테르에테르케톤(PEEK)(예를 들어, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 폴리이미드(예를 들어, Kapton®), E Glass Std 패브릭/에폭시, 0도, E Glass UD/에폭시, 0도, Kevlar Std 패브릭/에폭시, 0도, Kevlar UD/에폭시, 0도, Carbon Std 패브릭/에폭시, 0도, Carbon UD/에폭시, 0도, Toyobo Zylon® HM 섬유/에폭시, Kevlar 49 Aramid 섬유, S 유리 섬유, 탄소 섬유, Vectran UM LCP 섬유, Dyneema, Zylon 또는 기타 적합한 물질을 포함한다.
일부 실시예들에서, 케이싱(116)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터(μm) 범위의 두께를 갖는 시트를 포함한다. 일 실시예에서, 케이싱(116)은 약 30 μm의 두께를 갖는 스테인리스 강 시트(예를 들어, SS316)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 케이싱(116)은 약 40 μm의 두께를 갖는 알루미늄 시트(예를 들어, 7075-T6)를 포함한다. 다른 실시예에서, 케이싱(116)은 약 30 μm의 두께를 갖는 지르코니아 시트(예를 들어, Coorstek YZTP)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 케이싱(116)은 약 75 μm의 두께를 갖는 E Glass UD/Epoxy 0 deg 시트를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 케이싱(116)은 >50% 패킹 밀도의 12 μm 탄소 섬유를 포함한다.
본 실시예에서, 이차 전지(100)는 제1 주 표면(126) 및 제1 주 표면(126)에 대향하는 제2 주 표면(127)을 포함한다. 이차 전지(100)의 주 표면(126, 127)은 일부 실시예에서 실질적으로 평면일 수 있다.
도 1의 절단선 D-D를 따라 이차 전지(100)를 도시하는 도 2를 참조하면, 전극 서브-유닛(102)과 동일하거나 유사할 수 있는 유닛 셀(200)의 개별 층이 도시되어 있다. 유닛 셀(200) 각각에 대해, 일부 실시예들에서, 분리막 층(108)은 이차 전지의 분리막으로서 사용하기에 적절한 이온 투과성 미세다공성 폴리머 물질이다. 일 실시예에서, 분리막 층(108)은 한 면 또는 양면이 세라믹 입자로 코팅된다. 본 실시예에서, 유닛 셀(200)은 중앙에 애노드 집전체(202)를 포함하고, 이는 이차 전지(100)의 측면(120, 121) 중 하나에 전극 탭(114) 중 하나를 포함하거나 이와 전기적으로 결합될 수 있다(도 1 참조). 유닛 셀(200)은 애노드 활물질 층(104), 분리막 층(108), 캐소드 활물질 층(106) 및 캐소드 집전체(204)를 적층된 형태로 더 포함한다. 캐소드 집전체(204)는 애노드 집전체(202)와는 다른 이차 전지(100)의 측면(120, 121) 중 하나에 전극 탭(114) 중 하나를 포함하거나 이와 전기적으로 결합될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 캐소드 활물질 층(106)과 애노드 활물질 층(104)의 배치는 캐소드 활물질 층이 중앙을 향하고 애노드 활물질 층이 캐소드 활물질 층에 대해 원위에 위치되도록 스왑(swapped)될 수 있다. 일 실시예에서, 유닛 셀(200A)은 좌측에서 우측으로 애노드 집전체(202), 애노드 활물질 층(104), 분리막 층(108), 캐소드 활물질 층(106) 및 캐소드 집전체(204)를 연속 적층 상태로 포함한다. 대안적인 실시예에서, 유닛 셀(200B)은 좌측에서 우측으로 분리막 층(108), 캐소드 활물질 층(106)의 제1 층, 캐소드 집전체(204), 캐소드 활물질 층(106)의 제2 층, 분리막 층(108), 애노드 활물질 층(104)의 제1 층, 애노드 집전체(202), 애노드 활물질 층(104)의 제2 층, 및 분리막 층(108)을 연속 적층 상태로 포함한다.
도 2에서, 캐소드 활물질 층(106) 및 캐소드 집전체(204)를 포함하는 층상 구조는 캐소드 구조(206)로 지칭될 수 있는 반면, 애노드 활물질 층(104) 및 애노드 집전체(202)를 포함하는 층상 구조는 애노드 구조(207)로 지칭될 수 있다. 집합적으로, 이차 전지(100)에 대한 캐소드 구조(206)의 집단은 집합적으로 이차 전지(100)의 양극(208)이라 지칭될 수 있고, 이차 전지(100)에 대한 애노드 구조(207)의 집단(애노드 구조(207) 중 하나만이 도 2에 도시됨)은 이차 전지(100)의 음극(209)으로 지칭될 수 있다.
전압차(V)가 인접한 캐소드 구조(206)와 애노드 구조(207) 사이에 존재하며, 이 인접한 구조는 일부 실시예들에서 이중층으로 고려된다. 각각의 이중층은 캐소드 구조(206) 및 애노드 구조(207)의 조성 및 구성에 의해 결정되는 용량(C)을 갖는다. 본 실시예에서, 각각의 이중층은 약 4.35V의 전압차를 생성한다. 다른 실시예에서, 각각의 이중층은 약 0.5V, 약 1.0V, 약 1.5V, 약 2.0V, 약 2.5V, 약 3.0V, 약 3.5V, 약 4.0V, 4.5V, 약 5.0V, 4 내지 5V 사이 또는 임의의 다른 적절한 전압의 전압차를 갖는다. 충전 상태와 방전 상태 사이를 사이클링하는 동안, 전압은 예를 들어 약 2.5V와 약 4.35V 사이에서 변할 수 있다. 본 실시예에서, 이중층의 용량 C는 약 3.5 밀리암페어-시간(mAh)이다. 다른 실시예에서, 이중층의 용량 C는 약 2mAh, 5mAh 미만, 또는 임의의 다른 적절한 용량이다. 일부 실시예에서, 이중층의 용량 C는 최대 약 10mAh일 수 있다.
캐소드 집전체(204)는 알루미늄, 니켈, 코발트, 티타늄 및 텅스텐, 또는 이들의 합금, 또는 캐소드 집전체 층으로 사용하기에 적절한 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로, 캐소드 집전체(204)는 적어도 약 103 지멘스(Siemens)/cm의 전기 전도성을 가질 것이다. 예를 들어, 한가지 이러한 실시예에서, 캐소드 집전체(204)는 적어도 약 104 지멘스/cm의 전도성을 가질 것이다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 캐소드 집전체(204)는 적어도 약 105 지멘스/cm의 전도성을 가질 것이다. 일반적으로, 캐소드 집전체(204)는 알루미늄, 탄소, 크롬, 금, 니켈, NiP, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 실리콘과 니켈의 합금, 티타늄, 또는 이들의 조합과 같은 금속을 포함할 수 있다(문헌 [A. H. Whitehead 및 M. Schreiber의 "Current collectors for positive electrodes of lithium-based batteries", Journal of the Electrochemical Society, 152(11) A2105-A2113 (2005)] 참조). 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집전체(204)는 금 또는 금 실리사이드와 같은 그 합금을 포함한다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집전체(204)는 니켈 또는 니켈 실리사이드와 같은 그 합금을 포함한다.
캐소드 활물질 층(106)은 인터칼레이션형 화학 활물질, 전환 화학 활물질, 또는 이들의 조합일 수 있다.
본 개시에 유용한 예시적인 전환 화학 물질은, 이에 제한되는 것은 아니나, S(또는 리튬화 상태의 Li2S), LiF, Fe, Cu, Ni, FeF2, FeOdF3.2d, FeF3, CoF3, CoF2, CuF2, NiF2(여기서 0 ≤ d ≤ 0.5) 등을 포함한다.
예시적인 캐소드 활물질 층(106)은 또한 광범위한 인터칼레이션형 캐소드 활물질 중 임의의 것을 포함한다. 예를 들어, 리튬 이온 전지의 경우, 캐소드 활물질은 전이 금속 산화물, 전이 금속 황화물, 전이 금속 질화물, 리튬 전이 금속 산화물, 리튬 전이 금속 황화물, 및 리튬 전이 금속 질화물로부터 선택된 캐소드 활물질을 포함할 수 있으며, 이들이 선택적으로 사용될 수 있다. 이들 전이 금속 산화물, 전이 금속 황화물, 전이 금속 질화물의 전이 금속 원소는 d-쉘(shell) 또는 f-쉘을 갖는 금속 원소를 포함할 수 있다. 이러한 금속 원소의 구체적인 예로는 Sc, Y, 란타노이드, 악티노이드, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pb, Pt, Cu, Ag 및 Au이 있다. 추가적인 캐소드 활물질은 LiCoO2, LiNi0.5Mn1.5O4, Li(NixCoyAlz)O2, LiFePO4, Li2MnO4, V2O5, 몰리브덴 옥시황화물, 포스페이트, 실리케이트, 바나데이트, 황, 황 화합물, 산소(공기), Li(NixMnyCoz)O2 및 이들의 조합을 포함한다.
일반적으로, 캐소드 활물질 층(106)은 적어도 약 20 μm의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 활물질 층(106)은 적어도 약 40 μm의 두께를 가질 것이다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 캐소드 활물질 층(106)은 적어도 약 60 μm의 두께를 가질 것이다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 캐소드 활물질 층(106)은 적어도 약 100 μm의 두께를 가질 것이다. 전형적으로, 캐소드 활물질 층(106)은 약 90 μm 미만 또는 약 70 μm 미만의 두께를 가질 것이다.
도 3은 도 2의 캐소드 구조(206) 중 하나를 도시한다. 각각의 캐소드 구조(206)는 세로 축(ACE)을 따라 측정된 길이(LCE), 폭(WCE) 및 길이(LCE) 및 폭(WCE) 각각의 측정 방향에 수직인 방향으로 측정한 높이(HCE)를 갖는다.
캐소드 구조(206)의 길이(LCE)는 이차 전지(100) 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 각각의 캐소드 구조(206)는 전형적으로 약 5밀리미터(mm) 내지 약 500 mm 범위의 길이(LCE)를 가질 것이다. 예를 들어, 한가지 이러한 실시예에서, 각각의 캐소드 구조(206)는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이(LCE)를 갖는다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서 각각의 캐소드 구조(206)는 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이(LCE)를 갖는다. 일 실시예에 따르면, 캐소드 구조(206)는 제1 길이를 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 길이와 다른 제2 길이를 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재와 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 서로 다른 길이는 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상을 따라 서로 다른 길이를 갖는 전극 조립체 형상과 같은 전극 조립체에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록 및/또는 이차 전지(100)에 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
또한, 캐소드 구조(206)의 폭(WCE)은 이차 전지(100) 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 캐소드 구조(206)는 전형적으로 약 0.01 mm 내지 2.5 mm 범위 내의 폭(WCE)을 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조(206)의 폭 WCE는 약 0.025 mm 내지 약 2 mm 범위일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조(206)의 폭 WCE은 약 0.05 mm 내지 약 1 mm 범위일 것이다. 일 실시예에 따르면, 캐소드 구조(206)는 제1 폭을 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 폭과 다른 제2 폭을 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재와 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 서로 다른 폭은 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상을 따라 서로 다른 폭을 갖는 조립체와 같은 이차 전지(100)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록 및/또는 이차 전지(100)에 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
또한, 캐소드 구조(206)의 높이(HCE)는 이차 전지(100) 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 캐소드 구조(206)는 전형적으로 약 0.05 mm 내지 약 25 mm 범위 내의 높이 HCE를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조(206)의 높이 HCE는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm 범위일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조(206)의 높이 HCE는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm 범위일 것이다. 일 실시예에 따르면, 캐소드 구조(206)는 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 캐소드 부재, 및 제1 높이와 다른 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 캐소드 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 캐소드 부재와 하나 이상의 제2 캐소드 부재에 대한 서로 다른 높이는 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상을 따라 서로 다른 높이를 갖는 형상과 같은 이차 전지(100)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록 및/또는 이차 전지(100)에 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 각각의 캐소드 구조(206)는 그 폭 WCE보다 실질적으로 더 크고 그 높이 HCE보다 실질적으로 더 큰 길이 LCE를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조(206)에 대해, WCE 및 HCE 각각에 대한 LCE의 비율은 각각 적어도 5:1이다(즉, LCE 대 WCE의 비율은 각각 적어도 5:1이고 LCE 대 HCE 의 비율은 각각 적어도 5:1이다). 추가적인 예로서, 일 실시예에서 WCE 및 HCE 각각에 대한 LCE의 비율은 각각의 캐소드 구조(206)에 대해 적어도 10:1이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, WCE 및 HCE 각각에 대한 LCE의 비율은 각각의 캐소드 구조(206)에 대해 적어도 15:1이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, WCE 및 HCE 각각에 대한 LCE의 비율은 각각의 캐소드 구조(206)에 대해 적어도 20:1이다.
일 실시예에서, 캐소드 구조(206)의 높이 HCE 대 폭 WCE의 비율은 각각 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비율은 각각의 캐소드 구조(206)에 대해 각각 적어도 2:1일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비율은 각각의 캐소드 구조(206)에 대해 각각 적어도 10:1일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비율은 각각의 캐소드 구조(206)에 대해 각각 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 일반적으로 HCE 대 WCE의 비율은 전형적으로 각각의 캐소드 구조(206)에 대해 각각 1,000:1 미만이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비율은 각각의 캐소드 구조(206)에 대해 각각 500:1 미만일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비율은 각각 100:1 미만일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비율은 각각 10:1 미만일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조(206)에 대해, HCE 대 WCE의 비율은 각각 약 2:1 내지 약 100:1 범위일 것이다.
애노드형 구조 및 물질
다시 도 2를 참조하면, 유닛 셀(200)의 애노드 집전체(202)는 구리, 탄소, 니켈, 스테인리스 강, 코발트, 티타늄, 텅스텐 및 이들의 합금과 같은 전도성 물질, 또는 애노드 집전체 층으로서 적절한 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로, 애노드 집전체(202)는 적어도 약 103 지멘스/cm의 전기 전도성을 가질 것이다. 예를 들어, 한가지 이러한 실시예에서, 애노드 집전체(202)는 적어도 약 104 지멘스/cm의 전도성을 가질 것이다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 애노드 집전체(202)는 적어도 약 105 지멘스/cm의 전도성을 가질 것이다.
일반적으로, 유닛 셀(200)의 애노드 활물질 층(104)은 (a) 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 카드뮴(Cd); (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Ni, Co 또는 Cd와 기타 원소의 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 또는 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물 및 이들의 혼합물, 복합재 또는 리튬 함유 복합재; (d) Sn의 염 및 수산화물; (e) 티탄산리튬, 망간산리튬, 알루민산리튬, 리튬 함유 티타늄 산화물, 리튬 전이 금속 산화물, ZnCo2O4; (f) 흑연 및 탄소의 입자; (g) 리튬 금속; 및 (h) 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
예시적인 애노드 활물질 층(104)은 흑연 및 연질 또는 경질 탄소와 같은 탄소 물질, 또는 그래핀(예를 들어, 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브), 또는 리튬을 삽입하거나 리튬과 합금을 형성할 수 있는 임의의 범위의 금속, 반금속, 합금, 산화물, 질화물 및 화합물을 포함한다. 애노드 물질을 구성할 수 있는 금속 또는 반금속의 특정 예는 흑연, 주석, 납, 마그네슘, 알루미늄, 붕소, 갈륨, 실리콘, Si/C 복합재, Si/흑연 블렌드, 실리콘 산화물(SiOx), 다공성 Si, 금속간 Si 합금, 인듐, 지르코늄, 게르마늄, 비스무트, 카드뮴, 안티몬, 은, 아연, 비소, 하프늄, 이트륨, 리튬, 나트륨, 흑연, 탄소, 티탄산리튬, 팔라듐 및 이들의 혼합물을 포함한다. 한 가지 예시적인 실시예에서, 애노드 활물질은 알루미늄, 주석, 실리콘, 또는 이들의 산화물, 이들의 질화물, 이들의 불화물, 또는 다른 이들의 합금을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 실리콘 또는 그 합금 또는 산화물을 포함한다.
일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 리튬 이온(또는 다른 캐리어 이온)이 이차 전지(100)에 대한 충전 및 방전 프로세스 동안 애노드 활물질 층(104)에 통합되거나 빠져나감에 따라 체적 팽창 및 수축을 수용하기 위해 상당한 공극 체적 분율을 제공하도록 미세구조화된다. 일반적으로, 애노드 활물질 층(104)(각각)의 공극 체적 분율은 적어도 0.1이다. 그러나, 전형적으로 애노드 활물질 층(104)(각각)의 공극 체적 분율은 0.8 이하이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)(각각)의 공극 체적 분율은 약 0.15 내지 약 0.75이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)(각각)의 공극 체적 분율은 약 0.2 내지 약 0.7이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)(각각)의 공극 체적 분율은 약 0.25 내지 약 0.6이다.
미세구조화된 애노드 활물질 층(104)의 조성 및 이들의 형성 방법에 따라, 미세구조화된 애노드 활물질 층(104)은 거대다공성, 미세다공성, 또는 중간다공성 물질 층 또는 이들의 조합, 예컨대, 미세다공성과 중간다공성의 조합 또는 중간다공성과 거대다공성의 조합을 포함할 수 있다. 미세다공성 물질은 전형적으로 10 나노미터(nm) 미만의 공극 치수, 10 nm 미만의 벽 치수, 1 μm 내지 50 μm의 공극 깊이 및 일반적으로 "해면질" 및 불규칙한 모습, 매끄럽지 않은 벽, 그리고, 분지형 공극을 특징으로 하는 공극 형태를 특징으로 한다. 중간다공성 물질은 전형적으로 10 nm 내지 50 nm의 공극 치수, 10 nm 내지 50 nm의 벽 치수, 1 μm 내지 100 μm의 공극 깊이, 그리고 일반적으로 다소 잘 정의된 또는 수지상의 공극인, 분지형 공극을 특징으로 하는 공극 형태를 특징으로 한다. 거대다공성 물질은 전형적으로 50 nm을 초과하는 공극 치수, 50 nm을 초과하는 벽 치수, 1 μm 내지 500 μm의 공극 깊이 및 가변형, 직선형, 분지형 또는 수지상일 수 있고, 벽이 매끄럽거나 거칠 수 있는 공극 형태를 특징으로 한다. 추가적으로, 공극 체적은 개방형 또는 폐쇄형 공극, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 공극 체적은 개방형 공극을 포함하며, 즉, 애노드 활물질 층(104)은 리튬 이온(또는 다른 캐리어 이온)이 진입하거나 빠져나갈 수 있는 개구를 애노드 활물질 층의 측면 표면에 갖는 공극을 함유한다. 예를 들어, 리튬 이온은 캐소드 활물질 층(106)을 빠져나간 후 공극 개구를 통해 애노드 활물질 층(104)으로 진입할 수 있다. 다른 실시예에서, 공극 체적은 폐쇄형 공극을 포함하며, 즉, 애노드 활물질 층(104)은 봉쇄된 공극을 함유한다. 일반적으로, 개방형 공극은 캐리어 이온에 대해 더 큰 계면 표면적을 제공할 수 있는 반면에, 폐쇄형 공극은 SEI 형성에 덜 민감한 경향이 있으며, 이들 각각은 캐리어 이온의 진입시 애노드 활물질 층(104)의 팽창을 위한 공간을 제공한다. 따라서, 특정 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 개방형 공극과 폐쇄형 공극의 조합을 포함하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 다공성 알루미늄, 주석 또는 실리콘 또는 이들의 합금, 산화물 또는 질화물을 포함한다. 다공성 실리콘 층은 예를 들어 양극산화, 에칭(예를 들어, 단결정 실리콘의 표면에 금, 백금, 은 또는 금/팔라듐과 같은 귀금속을 퇴적하고 불화수소산과 과산화수소의 혼합물로 표면을 에칭함으로써), 또는 패턴화된 화학적 에칭과 같은 본 기술 분야에 알려진 다른 방법에 의해 형성될 수 있다. 추가로, 다공성 애노드 활물질 층(104)은 일반적으로 적어도 약 0.1이지만 0.8 미만인 공극 분율을 갖고 약 1 μm 내지 약 100 μm의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 다공성 실리콘을 포함하고, 약 5 μm 내지 약 100 μm의 두께를 갖고, 약 0.15 내지 약 0.75의 공극 분율을 갖는다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 다공성 실리콘을 포함하고, 약 10 μm 내지 약 80 μm의 두께를 갖고, 약 0.15 내지 약 0.7의 공극 분율을 갖는다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 다공성 실리콘을 포함하고, 약 20 μm 내지 약 50 μm의 두께를 갖고, 약 0.25 내지 약 0.6의 공극 분율을 갖는다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 다공성 실리콘 합금(니켈 실리사이드와 같은)을 포함하고, 약 5 μm 내지 약 100 μm의 두께를 갖고, 약 0.15 내지 약 0.75의 공극 분율을 갖는다.
다른 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 이들의 합금의 섬유를 포함한다. 개별 섬유는 약 5 nm 내지 약 10,000 nm의 직경(두께 치수) 및 애노드 활물질 층(104)의 두께에 일반적으로 대응하는 길이를 가질 수 있다. 실리콘의 섬유(나노와이어)는 예를 들어 화학 기상 증착 또는 증기 액체 고체(VLS) 성장 및 고체 액체 고체(SLS) 성장과 같은 본 기술 분야에 알려진 다른 기술에 의해 형성될 수 있다. 추가로, 애노드 활물질 층(104)은 일반적으로 적어도 약 0.1이지만 0.8 미만의 공극 분율을 갖고 약 1 μm 내지 약 200 μm의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 실리콘 나노와이어를 포함하고, 약 5 μm 내지 약 100 μm의 두께 및 약 0.15 내지 약 0.75의 공극 분율을 갖는다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 실리콘 나노와이어를 포함하고, 약 10 μm 내지 약 80 μm의 두께 및 약 0.15 내지 약 0.7의 공극 분율을 갖는다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 실리콘 나노와이어를 포함하고, 약 20 μm 내지 약 50 μm의 두께 및 약 0.25 내지 약 0.6의 공극 분율을 갖는다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 실리콘 합금(예컨대, 니켈 실리사이드)의 나노와이어를 포함하고, 약 5 μm 내지 약 100 μm의 두께 및 약 0.15 내지 약 0.75의 공극 분율을 갖는다.
또 다른 실시예에서, 애노드 활물질 층(104)은 안정화된 리튬 금속 입자, 예를 들어 탄산리튬으로 안정화된 리튬 금속 분말, 규산리튬으로 안정화된 리튬 금속 분말, 또는 안정화된 리튬 금속 분말 또는 잉크의 다른 소스로 구성된 그룹으로부터 선택된 미립자 리튬 물질로 코팅된다. 미립자 리튬 물질은 약 0.05 mg/cm2 내지 5 mg/cm2, 예를 들어, 약 0.1 mg/cm2 내지 4 mg/cm2, 또는 심지어 약 0.5 mg/cm2 내지 3 mg/cm2의 로딩 양으로 애노드 활물질 층(104) 상에 리튬 미립자 물질을 분무, 로딩 또는 달리 배치함으로써 애노드 활물질 층(104) 상에 적용될 수 있다. 리튬 미립자 물질의 평균 입자 크기(D50)는 5 μm 내지 200 μm, 예를 들어 약 10 μm 내지 100 μm, 20 μm 내지 80 μm, 또는 심지어 약 30 μm 내지 50 μm일 수 있다. 평균 입자 크기(D50)는 누적 체적 기반 입자 크기 분포 곡선에서 50%에 대응하는 입자 크기로 정의될 수 있다. 평균 입자 크기(D50)는 예를 들어 레이저 회절법을 사용하여 측정할 수 있다.
일 실시예에서, 애노드 집전체(202)는 그 연관된 애노드 활물질 층(104)의 전기 전도도보다 실질적으로 더 큰 전기 전도도를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 이차 전지(100)에 에너지를 저장하기 위해 전류가 인가되거나 또는 이차 전지(100)를 방전시키도록 부하가 인가되는 경우, 애노드 집전체(202)의 전기 전도도 대 애노드 활물질 층(104)의 전기 전도도의 비율은 적어도 100:1이다. 추가적인 예로서, 일부 실시예에서, 이차 전지(100)에 에너지를 저장하기 위해 전류가 인가되거나 또는 이차 전지(100)를 방전시키도록 부하가 인가되는 경우, 애노드 집전체(202)의 전기 전도도 대 애노드 활물질 층(104)의 전기 전도도의 비율은 적어도 500:1이다. 추가적인 예로서, 일부 실시예에서, 이차 전지(100)에 에너지를 저장하기 위해 전류가 인가되거나 또는 이차 전지(100)를 방전시키도록 부하가 인가되는 경우, 애노드 집전체(202)의 전기 전도도 대 애노드 활물질 층(104)의 전기 전도도의 비율은 적어도 1000:1이다. 추가적인 예로서, 일부 실시예에서, 이차 전지(100)에 에너지를 저장하기 위해 전류가 인가되거나 또는 이차 전지(100)를 방전시키도록 부하가 인가되는 경우, 애노드 집전체(202)의 전기 전도도 대 애노드 활물질 층(104)의 전기 전도도의 비율은 적어도 5000:1이다. 추가적인 예로서, 일부 실시예에서, 이차 전지(100)에 에너지를 저장하기 위해 전류가 인가되거나 또는 이차 전지(100)를 방전시키도록 부하가 인가되는 경우, 애노드 집전체(202)의 전기 전도도 대 애노드 활물질 층(104)의 전기 전도도의 비율은 적어도 10,000:1이다.
도 4는 예시적인 실시예의 도 2의 애노드 구조(207) 중 하나를 도시한다. 각각의 애노드 구조(207)는 전극의 세로 축(AE)을 따라 측정된 길이(LE), 폭(WE), 길이(LE)와 폭(WE)의 각각의 측정 방향에 직교하는 방향으로 측정한 높이(HE)를 갖는다.
애노드 구조(207)의 길이(LE)는 이차 전지(100) 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 애노드 구조(207)는 전형적으로 약 5 밀리미터(mm) 내지 약 500 mm 범위의 길이(LE)를 가질 것이다. 예를 들어, 한가지 이러한 실시예에서, 애노드 구조(207)는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이(LE)를 갖는다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 애노드 구조(207)는 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이(LE)를 갖는다. 일 실시예에 따르면, 애노드 구조(207)는 제1 길이를 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 길이와 다른 제2 길이를 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재와 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 서로 다른 길이는 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상을 따라 서로 다른 길이를 갖는 형상과 같은 이차 전지(100)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록 및/또는 이차 전지(100)에 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
또한, 애노드 구조(207)의 폭(WE)은 이차 전지(100) 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 각각의 애노드 구조(207)는 전형적으로 약 0.01 mm 내지 2.5 mm 범위 내의 폭(WE)을 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조(207)의 폭(WE)은 약 0.025 mm 내지 약 2 mm 범위일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조(207)의 폭(WE)은 약 0.05 mm 내지 약 1 mm 범위일 것이다. 일 실시예에 따르면, 애노드 구조(207)는 제1 폭을 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 폭과 다른 제2 폭을 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재와 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 서로 다른 폭은 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상을 따라 서로 다른 폭을 갖는 형상과 같은 이차 전지(100)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록 및/또는 이차 전지(100)에 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
또한, 애노드 구조(207)의 높이(HE)는 이차 전지(100) 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 애노드 구조(207)는 전형적으로 약 0.05 mm 내지 약 25 mm 범위 내의 높이(HE)를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조(207)의 높이(HE)는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm 범위일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조(207)의 높이(HE)는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm 범위일 것이다. 일 실시예에 따르면, 애노드 구조(207)는 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 높이와 다른 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재와 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 서로 다른 높이는 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상을 따라 서로 다른 높이를 갖는 형상과 같은 이차 전지(100)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록 및/또는 이차 전지(100)에 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 애노드 구조(207) 각각은 그 폭(WE) 및 그 높이(HE) 각각보다 실질적으로 더 큰 길이(LE)를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조(207)에 대해, WE 및 HE 각각에 대한 LE의 비율은 각각 적어도 5:1이다(즉, LE 대 WE의 비율은 각각 적어도 5:1이고 LE 대 HE 의 비율은 각각 적어도 5:1이다). 추가적인 예로서, 일 실시예에서, WE 및 HE 각각에 대한 LE의 비율은 적어도 10:1이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, WE 및 HE 각각에 대한 LE의 비율은 적어도 15:1이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조(207)에 대해, WE 및 HE 각각에 대한 LE의 비율은 적어도 20:1이다.
일 실시예에서, 애노드 구조(207)의 높이(HE) 대 폭(WE)의 비율은 각각 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비율은 각각의 애노드 구조(207)에 대해 각각 적어도 2:1일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비율은 각각 적어도 10:1일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비율은 각각 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 일반적으로 HE 대 WE의 비율은 전형적으로 각각 1,000:1 미만이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비율은 각각 500:1 미만일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비율은 각각 100:1 미만일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비율은 각각 10:1 미만일 것이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조(207)에 대해, HE 대 WE의 비율은 각각 약 2:1 내지 약 100:1 범위일 것이다.
분리막 구조, 분리막 물질 및 전해질
도 2를 다시 참조하면, 분리막 층(들)(108)은 애노드 구조(207)로부터 캐소드 구조(206)를 분리한다. 분리막 층(108)은 전기적으로 절연되지만 이온 투과성인 분리막 물질로 제조된다. 분리막 층(108)은 복수의 애노드 구조(207)의 각각의 부재로부터 복수의 캐소드 구조(206)의 각각의 부재를 전기적으로 분리하도록 구성된다. 각각의 분리막 층(108)은 전형적으로 비수성 전해질이 침투될 수 있는 미세다공성 분리막 물질을 포함할 것이며; 예를 들어, 일 실시예에서 미세다공성 분리막 물질은 직경이 적어도 50 옹스트롬(Å), 더욱 전형적으로는 약 2,500 Å 범위이고, 다공성이 약 25% 내지 약 75% 범위, 보다 전형적으로 약 35% 내지 55% 범위인 공극을 포함한다.
일반적으로, 분리막 층(108)은 각각 적어도 약 4 μm의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 분리막 층(108)은 적어도 약 8 μm의 두께를 가질 것이다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 분리막 층(108)은 적어도 약 12 μm의 두께를 가질 것이다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 분리막 층(108)은 적어도 약 15 μm의 두께를 가질 것이다. 일부 실시예에서, 분리막 층(108)은 최대 25 μm, 최대 50 μm, 또는 임의의 다른 적절한 두께의 두께를 가질 것이다. 그러나, 전형적으로 분리막 층(108)은 약 12 μm 미만 또는 약 10 μm 미만의 두께를 가질 것이다.
일반적으로, 분리막 층(108)의 물질은 유닛 셀(200)의 애노드 활물질 층(104)과 캐소드 활물질 층(106) 사이에서 캐리어 이온을 전도하는 능력을 갖는 광범위한 물질로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 분리막 층(108)은 액체, 비수성 전해질이 침투될 수 있는 미세다공성 분리막 물질을 포함할 수 있다. 대안적으로, 분리막 층(108)은 유닛 셀(200)의 애노드 활물질 층(104)과 캐소드 활물질 층(106) 사이에서 캐리어 이온을 전도할 수 있는 겔 또는 고체 전해질을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 분리막 층(108)은 폴리머 기반 전해질을 포함할 수 있다. 예시적인 폴리머 전해질은 PEO 기반 폴리머 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질을 포함한다.
다른 실시예에서, 분리막 층(108)은 산화물 기반 전해질을 포함할 수 있다. 예시적인 산화물 기반 전해질은 리튬 란타늄 티타네이트(Li0.34La0.56TiO3), Al 도핑된 리튬 란타늄 지르코네이트(Li6.24La3Zr2Al0.24O11.98), Ta 도핑된 리튬 란타늄 지르코네이트(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12), 및 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3)를 포함한다.
다른 실시예에서, 분리막 층(108)은 고체 전해질을 포함할 수 있다. 예시적인 고체 전해질은 황화물 기반 전해질, 예컨대, 리튬 주석 인 황화물(Li10SnP2S12), 리튬 인 황화물(β-Li3PS4) 및 리튬 인 황 염화 요오드화물 (Li6PS5Cl0.9I0.1)을 포함한다.
일부 실시예에서, 분리막 층(108)은 리튬 함유 가넷(lithium-stuffed garnet)과 같은 고상(solid-state) 리튬 이온 전도성 세라믹을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 분리막 층(108)은 미립자 물질 및 결합제를 포함하는 미세다공성 분리막 물질을 포함하며, 미세다공성 분리막 물질은 적어도 약 20 체적%의 다공성(공극률)을 갖는다. 미세다공성 분리막 물질의 공극은 직경이 적어도 50 Å일 것이며 전형적으로 약 250 Å 내지 약 2,500 Å 범위에 속할 것이다. 미세다공성 분리막 물질은 전형적으로 약 75% 미만의 다공성을 가질 것이다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 물질은 적어도 약 25체적%의 다공성(공극률)을 갖는다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 물질은 약 35-55%의 다공성을 가질 것이다.
미세다공성 분리막 물질용 결합제는 광범위한 무기 또는 폴리머 물질로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 결합제는 실리케이트, 포스페이트, 알루미네이트, 알루미노실리케이트, 및 수산화마그네슘, 수산화칼슘 등과 같은 수산화물로 구성된 그룹으로부터 선택된 유기 물질이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 결합제는 비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜 등을 함유하는 단량체로부터 유도된 플루오로폴리머이다. 다른 실시예에서, 결합제는 임의의 다양한 범위의 분자량 및 밀도를 갖는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리부텐과 같은 폴리올레핀이다. 다른 실시예에서, 결합제는 에틸렌-디엔-프로펜 삼원공중합체, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 결합제는 메틸 셀룰로스, 카르복시메틸 셀룰로스, 스티렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 및 폴리에틸렌 옥사이드로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 결합제는 아크릴레이트, 스티렌, 에폭시 및 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 결합제는 앞서 설명한 폴리머 중 2개 이상의 공중합체 또는 블렌드이다.
미세다공성 분리막 물질을 포함하는 미립자 물질은 또한 광범위한 물질로부터 선택될 수 있다. 일반적으로, 이러한 물질은 동작 온도에서 상대적으로 낮은 전자 및 이온 전도성을 가지며, 미세다공성 분리막 물질과 접촉하는 전지 전극 또는 집전체의 동작 전압 하에서 부식되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 미립자 물질은 1×10-4 지멘스/cm(S/cm) 미만의 캐리어 이온(예를 들어, 리튬)에 대한 전도성을 갖는다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 미립자 물질은 캐리어 이온에 대한 전도성이 1×10-5 S/cm 미만이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 미립자 물질은 캐리어 이온에 대한 전도성이 1×10-6 S/cm 미만이다. 예시적인 미립자 물질은 미립자 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, TiO2-폴리머 복합재, 실리카 에어로겔, 흄드 실리카, 실리카겔, 실리카 히드로겔, 실리카 크세로겔, 실리카 졸, 콜로이드 실리카, 알루미나, 티타니아, 마그네시아, 카올린, 활석, 규조토, 규산칼슘, 규산알루미늄, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 미립자 물질은 미립자 산화물 또는 질화물, 예컨대, TiO2, SiO2, Al2O3, GeO2, B2O3, Bi2O3, BaO, ZnO, ZrO2, BN, Si3N4, 및 Ge3N4를 포함한다. 예를 들어, 문헌 [P. Arora 및 J. Zhang의, "Battery Separators" Chemical Reviews 2004, 104,4419-4462]를 참조한다. 일 실시예에서, 미립자 물질은 약 20 nm 내지 2 μm, 보다 전형적으로 200 nm 내지 1.5 μm의 평균 입자 크기를 가질 것이다. 일 실시예에서, 미립자 물질은 약 500 nm 내지 1 μm의 평균 입자 크기를 가질 것이다.
대안 실시예에서, 미세다공성 분리막 물질에 포함된 미립자 물질은 전지 기능을 위한 이온 전도성을 제공하기 위해 전해질 유입에 필요한 공극률을 유지하면서 소결, 결합, 경화 등과 같은 기술에 의해 결합될 수 있다.
이차 전지(100)(도 1 참조)에서, 분리막 층(108)의 미세다공성 분리막 물질은 이차 전지 전해질로 사용하기에 적절한 비수성 전해질이 침투된다. 전형적으로, 비수성 전해질은 유기 용매 및/또는 용매 혼합물에 용해된 리튬 염 및/또는 염들의 혼합물을 포함한다. 예시적인 리튬 염은 무기 리튬 염, 예컨대, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiCl 및 LiBr; 및 유기 리튬 염, 예컨대, LiB(C6H5)4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF3)3, LiNSO2CF3, LiNSO2CF5, LiNSO2C4F9, LiNSO2C5F11, LiNSO2C6F13, 및 LiNSO2C7F15를 포함한다. 리튬 염을 용해시키기 위한 예시적인 유기 용매는 환형 에스테르, 사슬형 에스테르, 환형 에테르 및 사슬형 에테르를 포함한다. 환형 에스테르의 특정 예는 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부티로락톤, 비닐렌 카보네이트, 2-메틸-γ-부티로락톤, 아세틸-γ-부티로락톤, γ-발레로락톤을 포함한다. 사슬형 에스테르의 특정 예는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 에틸 카보네이트, 메틸 부틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 부틸 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸 프로필 카보네이트, 알킬 프로피오네이트, 디알킬 말로네이트, 및 알킬 아세테이트를 포함한다. 환형 에테르의 특정 예는 테트라히드로푸란, 알킬테트라히드로푸란, 디알킬테트라히드로푸란, 알콕시테트라히드로푸란, 디알콕시테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 알킬-1,3-디옥솔란, 1,4-디옥솔란을 포함한다. 사슬형 에테르의 특정 예는 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시탄, 디에틸에테르, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 디에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디알킬 에테르를 포함한다.
본 개시의 추가적인 실시예
이차 전지를 조립할 때, 애노드와 캐소드 사이의 사이클링에 사용 가능한 캐리어 이온의 양은 초기에 캐소드에 제공되는 경우가 많으며, 그 이유는 리튬 코발트 산화물과 같은 캐소드 활물질이 리튬화 흑연과 같은 리튬화된 애노드 물질에 비교하여 주변 공기에서 상대적으로 안정적이기 때문이다(예를 들어, 산화에 저항함). 이차 전지를 처음 충전할 때, 캐리어 이온은 캐소드로부터 추출되어 애노드로 도입된다. 그 결과, 애노드 전위가 (캐리어 이온의 전위를 향해) 크게 낮아지고, 캐소드 전위는 증가한다(훨씬 더 양성이됨). 이러한 전위 변화는 캐소드와 애노드 모두에서 기생 반응을 야기할 수 있지만 때때로 애노드에서 더 심각할 수 있다. 예를 들어, 고체 전해질 간기(solid electrolyte interphase, SEI)로 알려진 리튬(또는 다른 캐리어 이온)과 전해질 컴포넌트를 포함하는 분해 생성물이 탄소 애노드의 표면에 쉽게 형성될 수 있다. 이러한 표면 또는 덮개 층은 캐리어 이온 전도체로서 애노드와 전해질 사이에 이온 연결을 설정하고 반응이 더 이상 진행되는 것을 방지한다.
SEI 층의 형성은 애노드와 전해질을 포함하는 하프셀 시스템의 안정성을 위해 바람직하지만, 캐소드를 통해 셀에 도입된 캐리어 이온의 일부는 비가역적으로 결합되고, 따라서, 순환 동작, 즉, 사용자가 사용할 수 있는 용량에서 제거된다. 그 결과, 초기 방전 동안, 초기 충전 동작 동안 캐소드에 의해 초기에 제공되었던 것보다 더 적은 양의 캐리어 이온이 애노드로부터 캐소드로 복귀되어 비가역적인 용량 손실을 초래한다. 각각의 후속 충전 및 방전 사이클 동안, 애노드 및/또는 캐소드의 기계적 및/또는 전기적 열화로 인한 용량 손실은 사이클당으로는 훨씬 더 적은 경향이 있지만 사이클당 상대적으로 작은 캐리어 이온 손실이라도 전지가 노화함에 따라 에너지 밀도 및 사이클 수명의 감소에 용량 감소에 크게 기여한다. 또한, 전극에서 화학적, 전기화학적 열화가 또한 발생하여 용량 손실이 발생할 수 있다. SEI(또는 음극의 기계적 및/또는 전기적 열화와 같은 다른 캐리어 이온 소모 메커니즘)의 형성을 보상하기 위해, 전지 형성 후 보조 전극으로부터 추가 또는 보충 캐리어 이온이 제공될 수 있다.
일반적으로, 이차 전지(100)의 양극(208)(예를 들어, 이차 전지(100)의 캐소드 구조(206)의 집합적 집단)은 음극(209)(예를 들어, 이차 전지(100)의 애노드 구조(207)의 집합적 집단)의 방전 용량에 일치하는 가역적 쿨롱 용량을 갖는 것이 바람직하다. 달리 말해서, 이차 전지(100)의 양극(208)은 음극(209)의 방전 용량에 대응하는 가역적 쿨롱 용량을 갖도록 크기 설정되고, 이는 결국 음극(209) 방전 종료 전압의 함수이다.
일부 실시예에서, 이차 전지(100)의 음극(209)(예를 들어, 이차 전지(100)의 애노드 구조(207)의 집합적 집단)은 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량을 초과하는 가역적 쿨롱 용량을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 음극(209)의 가역적 쿨롱 용량 대 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 비율은 각각 적어도 1.2:1이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 음극(209)의 가역적 쿨롱 용량 대 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 비율은 각각 적어도 1.3:1이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 음극(209)의 가역적 쿨롱 용량 대 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 비율은 각각 적어도 2:1이다. 추가적인 예로서, 일 실시예에서, 음극(209)의 가역적 쿨롱 용량 대 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 비율은 각각 적어도 3:1이다. 추가적인 예로서, 음극(209)의 가역적 쿨롱 용량 대 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 비율은 각각 적어도 4:1이다. 추가적인 예로서, 음극(209)의 가역적 쿨롱 용량 대 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 비율은 각각 적어도 5:1이다. 유리하게는, 음극(209)의 과잉 쿨롱 용량은 애노드 활물질의 소스를 제공하여 이차 전지(100)가, 사이클링의 결과로서 음극(209)의 사이클 수명을 감소시키는 음극(209) 상의 결정상(캐리어 이온을 포함함)의 형성을 억제하는 지정된 전압 내에서 가역적으로 동작할 수 있게 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 초기 충전/방전 사이클 동안 SEI가 형성되면 가역적 사이클링에 사용할 수 있는 캐리어 이온의 양이 감소한다. 이차 전지(100)의 사이클링 동안 음극(209)의 기계적 및/또는 전기적 열화는 가역적 사이클링에 사용 가능한 캐리어 이온의 양을 추가로 감소시킬 수 있다. 따라서, SEI의 형성(또는 음극의 기계적 및/또는 전기적 열화와 같은 다른 캐리어 이온 소모 메커니즘)을 보상하기 위해, 이차 전지(100) 형성 후 보조 전극으로부터 추가 또는 보충 캐리어 이온이 제공될 수 있다. 본 개시의 실시예에서, 보조 전극은 형성 중 및/또는 형성 후에 이차 전지(100)의 양극(208) 및/또는 음극(209)에 추가적인 캐리어 이온을 전기화학적으로 전달하기 위해 사용된다. 일 실시예에서는, 보조 전극은 그 최종 형태의 이차 전지의 에너지 밀도를 개선시키기 위해 추가 캐리어 이온을 이차 전지(100)로 전달한 후 제거된다.
도 5는 예시적인 실시예의 버퍼 시스템(500)의 사시도이고, 도 6은 버퍼 시스템(500)의 분해도이다. 일반적으로, 버퍼 시스템(500)은 이차 전지(100)의 초기 형성 동안 또는 그 이후에 일시적으로 조립될 수 있으며, 버퍼 시스템(500)은 보조 전극(502)(도 6 참조)을 사용하여 이차 전지(100)의 양극(208) 및/또는 음극(209)에 추가 캐리어 이온을 도입하는 데 사용된다. 본 실시예에서, 버퍼 시스템(500)은 인클로저(504)의 주연부(506) 내에 보조 전극(502)(도 6 참조) 및 이차 전지(100)를 캡슐화하는 인클로저(504)를 포함한다. 도 5에서, 이차 전지(100)의 전기 단자(124, 125) 및 전도성 탭(508-1)의 세그먼트는 인클로저(504)의 주연부(506)로부터 연장되어, 보조 전극(502) 및 이차 전지(100)에 전기적 연결을 제공한다. 본 실시예에서, 인클로저(504)는 함께 결합되어 인클로저(504)를 형성하는 제1 인클로저 층(510) 및 제2 인클로저 층(511)을 포함한다.
도 6을 참조하면, 제1 인클로저 층(510)은 주연부(512)를 갖고, 제2 인클로저 층(511)은 주연부(513)를 갖는다. 인클로저 층(510, 511) 각각은 알루미늄, 폴리머, 얇은 필름의 가요성 금속 등과 같은 가요성 또는 반-가요성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 인클로저 층(510, 511) 중 하나 이상은 다층 알루미늄 폴리머 물질, 플라스틱 등을 포함한다. 다른 실시예에서, 인클로저 층(510, 511) 중 하나 이상은 알루미늄과 같은 금속 기판에 적층된 폴리머 물질을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 인클로저 층(510)은 이차 전지(100)의 외부 표면 크기 및 형상과 일치하는 크기 및 형상을 갖는 파우치(514)(예를 들어, 만입부)를 포함한다.
보조 전극(502)은 버퍼 시스템(500) 내에서 이차 전지(100)를 부분적으로 둘러싸며, 형성 후 이차 전지(100)의 손실된 에너지 용량을 보충하기 위해(즉, 이차 전지(100)의 최초 충전 및/또는 방전 사이클에서 SEI 형성시 캐리어 이온의 손실 및 기타 캐리어 이온 손실)을 보상하기 위해 캐리어 이온 소스를 함유한다. 실시예에서, 보조 전극(502)은 금속 형태의 캐리어 이온 포일(예를 들어, 리튬, 마그네슘 또는 알루미늄 포일), 또는 그 캐리어 이온 함유 형태의 캐소드 활물질 층(106) 및/또는 애노드 활물질 층(104)(도 2 참조)에 사용되는 이전에 언급된 물질 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조 전극(502)은 리튬화 실리콘 또는 리튬화 실리콘 합금을 포함할 수 있다. 버퍼 시스템(500)이 조립될 때, 보조 서브조립체(516)(도 6 참조)로 지칭될 수 있는 보조 전극(502)과 이차 전지(100)의 조합이 파우치(514)에 삽입되고, 인클로저 층(510, 511)은 함께 밀봉되어 도 5에 도시된 바와 같은 버퍼 시스템(500)을 형성한다. 버퍼 시스템(500)의 조립 공정의 구체적인 세부사항과 이차 전지(100)로의 캐리어 이온 전달 공정 동안 버퍼 시스템(500)이 어떻게 사용되는 지는 아래에서 더 구체적으로 설명될 것이다. 본 실시예에서 보조 전극(502)은 전기 전도성 탭(508)을 포함하며, 이는 예를 들어 제조의 용이성을 위해 도 5에 도시된 바와 같이 인클로저(504)에 의해 덮이는 전도성 탭(508-2)과 인클로저에 의해 부분적으로 노출되는 전도성 탭(508-1)으로 분할될 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 보조 전극(502)의 사시도이고, 도 8은 보조 전극의 분해도이다. 도 7을 참조하면, 보조 전극(502)은 일반적으로 전도성 층(704) 및 캐리어 이온 공급 층(706)을 덮는 분리막(702)을 포함한다. 보조 전극(502)이 도 6에 도시된 형상으로 형성될 때, 캐리어 이온 공급 층(706)은 이차 전지(100)의 주 표면(126, 127)에 근접하게 위치되고(도 1 참조), 분리막(702)은 전도성 층(704)과 캐리어 이온 공급 층(706)으로부터 이차 전지(100)의 케이싱(116)을 절연시킨다. 분리막(702)은 버퍼 공정 동안 캐리어 이온 공급 층(706)으로부터 이차 전지(100)로 캐리어 이온의 전달을 용이하게 하는 전해질을 포함한다.
도 8을 참조하면, 보조 전극(502)은 도 8의 아래에서 위로 분리막(702), 전도성 층(704) 및 캐리어 이온 공급 층(706)의 집단을 포함한다. 본 실시예의 보조 전극(502)은 전도성 탭(508-2)을 더 포함하고, 이는 전기 전도성이며 전도성 층(704)과 전기적으로 결합된다. 전도성 탭(508-2)은 보조 전극(502)과의 전기적 연결을 제공한다. 일반적으로, 보조 전극(502)은 이차 전지(100) 형성 동안 또는 형성 후에 캐리어 이온 공급 층(706)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208) 및/또는 음극(209)으로 캐리어 이온을 전달하기 위해 버퍼 공정 동안 사용된다.
분리막(702)은 이차 전지(100)의 분리막 층(108)과 관련하여 앞서 설명된 물질 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 분리막(702)에는 캐리어 이온 공급 층(706)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208) 및/또는 이차 전지의 음극(209)으로 캐리어 이온을 전도시키는 매질 역할을 하는 전해질이 침투될 수 있다. 전해질은 이차 전지(100)와 관련하여 앞서 설명된 물질 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
본 실시예의 분리막(702)은 제1 표면(802) 및 제1 표면(802)에 대향하는 제2 표면(803)을 포함한다. 분리막(702)의 표면(802, 803)은 분리막(702)의 주 표면을 형성하고 도 8의 X-Y 평면에 배치된다. 본 실시예의 분리막(702)은 Y-축 방향으로 연장되는 폭(804)을 갖는다. 본 실시예의 분리막(702)은 폭(804)이 제1 부분(805)과 제2 부분(806)으로 분할된다. 일부 실시예에서, 분리막(702)은 제1 부분(805)에 대응하는 제1 분리막 층(702-1) 및 제2 부분(806)에 대응하는 제2 분리막 층(702-2)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 분리막(702)의 폭(804)은 약 34 mm이다. 다른 실시예에서, 분리막의 폭(804)은 약 30 mm, 약 35 mm, 또는 다른 적절한 값이다. 일부 실시예에서, 분리막(702)의 폭(804)은 약 10 mm 내지 약 200 mm의 값 범위, 또는 분리막(702)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 범위에 있다.
일 실시예에서 분리막(702)은 X-축 방향으로 연장되는 길이(808)를 갖는다. 실시예에서, 분리막(702)의 길이(808)는 약 72 mm이다. 다른 실시예에서, 분리막(702)의 길이(808)는 약 65 mm, 약 70 mm, 약 75 mm, 또는 분리막(702)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 값이다. 일부 실시예에서, 분리막(702)의 길이(808)는 약 30 mm 내지 약 200 mm의 값 범위, 또는 분리막(702)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 값 범위에 있다.
일 실시예에서, 분리막(702)은 Z-축 방향으로 연장되는 두께(810)를 갖는다. 일반적으로, 두께(810)는 분리막(702)의 제1 표면(802)으로부터 분리막의 제2 표면(803)(및 이를 포함함)까지의 거리이다. 일 실시예에서, 분리막(702)의 두께(810)는 약 0.025 mm이다. 다른 실시예에서, 분리막(702)의 두께(810)는 약 0.015 mm, 약 0.02 mm, 약 0.03 mm, 약 0.035 mm, 또는 일부 다른 적절한 값이다. 일부 실시예에서, 분리막(702)의 두께(810)는 약 0.01 mm 내지 약 1.0 mm의 값 범위, 또는 분리막(702)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 값 범위에 있다.
전도성 층(704)은 전기 전도성이고, 금속, 금속화된 필름, 전도성 물질이 적용된 절연 베이스 물질, 또는 일부 다른 유형의 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 층(704)은 구리를 포함한다. 다른 실시예에서, 전도성 층(704)은 알루미늄 또는 다른 금속을 포함한다. 본 실시예에서는 전도성 층(704)은 전도성 탭(508-2)과 전기적으로 결합되며, 전도성 탭 또한 전기 전도성이다. 전도성 탭(508-2)은 전도성 층(704)에 근접하게 배치된 제1 단부(812) 및 제1 단부(812)에 대향하는 전도성 층(704)에 대해 원위에 배치된 제2 단부(813)를 갖는다. 전도성 탭(508-2)의 제1 단부(812)는 전도성 층(704)에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 전도성 탭(508-2)의 제1 단부(812)는 전도성 층(704)에 점 용접된다. 다른 실시예에서, 전도성 탭(508-2)의 제1 단부(812)는 전도성 층(704)에 납땜된다. 일반적으로, 전도성 탭(508-2)은 전도성 층에 대한 기계적 연결 및 전기적 연결을 보장하는 임의의 적절한 수단을 사용하여 제1 단부(812)에서 전도성 층(704)에 부착될 수 있다. 전도성 탭(508-2)은 원하는 바에 따라 임의의 유형의 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 탭(508-2)은 금속을 포함한다. 이러한 실시예에서, 전도성 탭(508-2)은 니켈, 구리, 알루미늄, 또는 전도성 탭(508-2)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 다른 적절한 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다.
본 실시예의 전도성 층(704)은 제1 표면(814) 및 제1 표면(814)에 대향하는 제2 표면(815)을 포함한다. 전도성 층(704)의 표면(814, 815)은 전도성 층(704)의 주 표면을 형성하고 도 8의 X-Y 평면에 배치된다. 본 실시예의 전도성 층(704)은 Y-축 방향으로 연장되는 폭(816)을 갖는다. 실시예에서, 전도성 층(704)의 폭(816)은 약 15 mm이다. 다른 실시예에서, 전도성 층(704)의 폭(816)은 약 10 mm, 약 20 mm, 또는 전도성 층(704)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 값이다.
일부 실시예에서, 전도성 층(704)의 폭(816)은 약 5 mm 내지 약 100 mm의 값 범위, 또는 전도성 층(704)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 값 범위에 있다. 본 실시예에서 전도성 층(704)의 제1 표면(814)은 전도성 층(704)의 제1 단부(820)에 근접하게 배치된 제1 구역(818-1), 전도성 층(704)의 제2 단부(821)에 근접하게 배치된 제2 구역(818-2) 및 제1 구역(818-1)과 제2 구역(818-2) 사이에 배치된 제3 구역(818-3)으로 분할된다.
전도성 층(704)은 X-축 방향으로 연장되는 길이(822)를 갖는다. 일 실시예에서, 전도성 층(704)의 길이(822)는 약 70 mm이다. 다른 실시예에서, 전도성 층(704)의 길이(822)는 약 60 mm, 약 65 mm, 약 75 mm, 또는 전도성 층(704)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 값이다. 일부 실시예에서, 전도성 층(704)의 길이(822)는 약 30 mm 내지 약 200 mm의 값 범위, 또는 전도성 층(704)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 값 범위에 있다.
전도성 층(704)은 Z-축 방향으로 연장되는 두께(824)를 갖는다. 일반적으로, 두께(824)는 전도성 층(704)의 제1 표면(814)으로부터 전도성 층(704)의 제2 표면(815)(및 이를 포함함)까지의 거리이다. 일 실시예에서, 전도성 층(704)의 두께(824)는 약 0.1 mm이다. 다른 실시예에서, 전도성 층(704)의 두께(824)는 약 0.005 mm, 약 0.15 mm, 또는 약 0.2 mm이다. 일부 실시예에서, 전도성 층(704)의 두께(824)는 약 0.01 mm 내지 약 1.0 mm의 값 범위, 또는 전도성 층(704)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 두께에 대한 임의의 다른 적절한 범위에 있다.
실시예에서 캐리어 이온 공급 층(706)의 집단을 포함하는 캐리어 이온 공급 층(706)은 이차 전지(100)의 양극(208) 및/또는 음극(209)에 캐리어 이온을 공급하는 데 사용될 수 있는 앞서 설명된 임의의 캐리어 이온 함유 물질을 포함한다. 캐리어 이온 공급 층(706)은 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 칼슘 이온, 마그네슘 이온 및 알루미늄 이온의 하나 이상의 소스를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)은 전도성 층(704)의 제1 구역(818-1) 및 제2 구역(818-2) 내에 배치된다. 일부 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)은 또한 전도성 층(704)의 제3 구역(818-3)에도 배치된다.
본 실시예의 캐리어 이온 공급 층(706)은 제1 표면(826) 및 제1 표면(826)에 대향하는 제2 표면(827)을 포함한다. 캐리어 이온 공급 층(706)의 표면(826, 827)은 캐리어 이온 공급 층(706)의 주 표면을 형성하고 도 8의 X-Y 평면에 배치된다. 본 실시예의 캐리어 이온 공급 층(706)은 Y-축 방향으로 연장되는 폭(828)을 갖는다. 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)의 폭(828)은 약 15 mm이다. 다른 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)의 폭(828)은 약 10 mm, 약 20 mm, 또는 캐리어 이온 공급 층(706)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 값이다. 일부 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)의 폭(828)은 약 5 mm 내지 약 100 mm의 값 범위, 또는 캐리어 이온 공급 층(706)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 값 범위에 있다.
일 실시예에서 캐리어 이온 공급 층(706)은 X-축 방향으로 연장되는 길이(830)를 갖는다. 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)의 길이(830)는 약 23 mm이다. 다른 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)의 길이(830)는 약 15 mm, 약 20 mm, 약 25 mm, 또는 캐리어 이온 공급 층(706)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 길이이다. 일부 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)의 길이(830)는 약 10 mm 내지 약 100 mm의 값 범위, 또는 캐리어 이온 공급 층(706)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 일부 다른 적절한 값 범위에 있다.
캐리어 이온 공급 층(706) 각각은 Z-축 방향으로 연장되는 두께(832)를 갖는다. 일반적으로, 두께(832)는 캐리어 이온 공급 층(706)의 제1 표면(826)과 캐리어 이온 공급 층(706)의 제2 표면(827) 사이의 거리이다. 일 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)의 두께(832)는 약 0.13 mm이다. 다른 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)의 두께(832)는 약 0.005 mm, 약 0.15 mm, 또는 약 0.2 mm이다. 일부 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)의 두께(832)는 약 0.01 mm 내지 약 1.0 mm의 값 범위, 또는 캐리어 이온 공급 층(706)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하도록 허용하는 두께(832)에 대한 임의의 다른 적절한 값 범위에 있다.
본 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)은 제3 구역(818-3)에 대응하는 거리(834)만큼 서로 분리되어 있다. 일 실시예에서, 거리(834)는 약 23 mm이다. 다른 실시예에서, 거리(834)는 약 15 mm, 약 20 mm, 약 25 mm, 또는 약 30 mm이다. 일부 실시예에서, 거리(834)는 약 10 mm 내지 약 50 mm의 값 범위, 또는 캐리어 이온 공급 층(706)이 본원에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 적절한 값 범위에 있다.
일 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 적어도 15%를 제공할 수 있는 크기를 갖는다. 예를 들어, 한가지 이러한 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 적어도 30%를 제공하기에 충분한 캐리어 이온(예를 들어, 리튬, 마그네슘, 또는 알루미늄 이온)을 함유하도록 크기가 결정된다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 적어도 100%를 제공하기에 충분한 캐리어 이온을 함유하도록 크기가 결정된다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 적어도 200%를 제공하기에 충분한 캐리어 이온을 함유하도록 크기가 결정된다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 적어도 300%를 제공하기에 충분한 캐리어 이온을 함유하도록 크기가 결정된다. 추가적인 예로서, 한가지 이러한 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 100% 내지 약 200%를 제공하기에 충분한 캐리어 이온을 함유하도록 크기 설정된다.
보조 전극(502)을 위한 조립 공정 동안, 분리막(702)은 도 8에 도시된 바와 같이 폭(804) 및 길이(808)를 달성하도록 원자재(stock material)로부터 절단되거나 미리 제조될 수 있다. 전도성 층(704)은 도 8에 도시된 폭(816) 및 길이(822)를 달성하도록 원자재로부터 절단되거나 미리 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 층(704)은 도 8에 도시된 바와 같이 전도성 층(704)에 기계적으로 및 전기적으로 부착된 제1 단부(812)를 갖는 전도성 탭(508-2)을 포함하도록 미리 제조된다. 다른 실시예에서, 전도성 탭(508-2)은 원자재로부터 절단되고 (예를 들어, 제1 단부(812)를 전도성 층(704)에 점 용접 또는 납땜함으로써) 전도성 층(704)과 기계적 및 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 캐리어 이온 공급 층(706)은 원자재로부터 크기에 맞게 절단되고, 도 8에 도시된 배향을 달성하도록 전도성 층(704)에 접합되거나 또는 달리 (예를 들어, 캐리어 이온 공급 층(706)을 전도성 층(704) 상에 냉간 용접함으로써) 적층되고, 캐리어 이온 공급 층(706)의 제2 표면(827)이 전도성 층(704)의 제1 표면(814)과 접촉한다. 예를 들어, 캐리어 이온 공급 층(706)을 형성하는 데 사용되는 물질(예를 들어, 리튬)은 크기에 맞게 절단된 리튬 시트 롤과 같은 원자재 형태로 존재할 수 있다.
다른 실시예에서, 전도성 층(704)은 도 8에 도시된 배향으로 배열된 캐리어 이온 공급 층(706)을 포함하도록 미리 제조된다. 본 실시예에서, 전도성 층(704)은 X-축 방향으로 분리막(702)의 제1 부분(805) 내에 배치되고, 전도성 층(704)의 제2 표면(815)은 분리막(702)의 제1 표면(802)과 접촉한다.
도 9는 보조 전극 제조 공정의 중간 스테이지에서의 보조 전극(502)의 사시도이다. 이 스테이지에서, 전도성 층(704)은 분리막(702)의 제1 부분(805) 상에 배치되고, 전도성 탭(508-2)은 전도성 층(704)에 부착된 제1 단부(812)로부터 도 9의 좌측(Y-축 방향으로)으로, 분리막(702) 및 전도성 층(704)으로부터 멀어지는 방향으로 제2 단부(813)를 향해 연장한다. 분리막(702)의 제1 표면(802)은 분리막(702)의 제1 부분(805) 내의 전도성 층(704)에 의해 덮여 있는 반면, 분리막의 제1 표면(802)은 분리막(702)의 제2 부분(806) 내에 덮이지 않은 채로 유지된다.
보조 전극(502)의 제조 공정을 계속하기 위해, 일 실시예에서, 분리막(702)의 제2 부분(806)은 도 9에서 좌측을 향해 화살표(902) 방향으로 (X-축에 평행한 축을 중심으로) 절첩되고, 따라서, 분리막(702)의 제2 부분(806) 내의 제1 표면(802)은 캐리어 이온 공급 층(706)의 제1 표면(826) 및 캐리어 이온 공급 층(706) 사이에 노출된 전도성 층(704)의 제1 표면(814)과 접촉한다. 분리막(702)이 제1 분리막 층(702-1)과 제2 분리막 층(702-2)을 포함하는 경우, 제2 분리막 층은 제2 분리막 층의 제1 표면(802)이 캐리어 이온 공급 층(706)의 제1 표면(826) 및 캐리어 이온 공급 층(706) 사이에 노출된 전도성 층(704)의 제1 표면(814)과 접촉하도록 배치될 수 있다.
도 10은 앞서 설명한 바와 같이 분리막(702)의 제2 부분(806)을 절첩한 후, 제조 공정의 또 다른 중간 스테이지에서의 보조 전극(502)의 사시도이다. 이 스테이지에서, 분리막(702)은 전도성 탭(508-2)의 제1 단부(812)와 전도성 탭(508-2)의 제2 단부(813) 사이의 부분이 분리막(702)에 의해 덮이지 않은 채로 남겨두고, 전도성 층(704)과 캐리어 이온 공급 층(706)을 캡슐화한다. 그 다음, 분리막(702)은 분리막의 제1 표면(802)(도 10에는 보이지 않음)을 따라 분리막의 제1 부분(805) 및 분리막의 제2 부분(806) 내에 전도성 층(704)을 캡슐화하기 위해 분리막의 외부 주연부(1002)의 적어도 일부를 따라 자체적으로 접합될 수 있다.
일 실시예에서, 분리막(702)은 핫 멜트 공정, 용접 공정, 접합 공정 등을 사용하여 분리막의 외부 주연부(1002)의 적어도 일부를 따라 자체적으로 접합된다. 도 10에서, 이 스테이지의 보조 전극(502)은 제1 측면(1004) 및 제1 측면(1004)에 대향하는 제2 측면(1005)을 포함한다. 제1 측면(1004)은 분리막(702)의 제2 표면(803)을 포함하고, 이는 전도성 층(704)(도 10에서는 보이지 않음)의 제1 단부(820)에 근접한 제1 구역(818-1) 및 전도성 층(704)(이 도면에서는 보이지 않음)의 제2 단부(821)에 근접한 제2 구역(818-2)의 캐리어 이온 공급 층(706)을 덮는다. 도 10에서, 제1 구역(818-1)은 전도성 탭(508-2)의 제1 단부(812)에 근접하고, 제2 구역(818-2)은 전도성 탭(508-2)의 제1 단부(812)로부터 멀리 배치된다. 전도성 탭(508-2)의 제1 단부(812)는 전도성 층(704)의 제3 구역(818-3) 내의 전도성 층(704)에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 전도성 탭(508)은 (예를 들어, 조립 후 보조 전극(502)을 도시하는 도 11에 도시된 바와 같이 전도성 탭(508-1)을 사용하여) 연장될 수 있다.
보조 전극(502) 제조에 응답하여, 버퍼 시스템(500)(도 6 및 도 7 참조)에 대한 제조 공정의 수행은 다음과 같이 계속된다. 도 12 내지 도 16은 제조 공정의 다양한 스테이지 동안의 버퍼 시스템(500)의 사시도이다. 도 12를 참조하면, 보조 전극(502)의 제2 구역(818-2)은 제1 인클로저 층(510)의 파우치(514) 내에 삽입되고, 보조 전극의 제2 측면(1005)은 파우치(514) 내의 제1 인클로저 층(510)을 향해 배치되고, 보조 전극의 제1 측면(1004)은 파우치(514) 내의 제1 인클로저 층(510)으로부터 멀리 배치된다. 보조 전극(502)의 제3 구역(818-3) 및 제1 구역(818-1)은 Y-축 방향으로 파우치(514)로부터 멀어지는 방향으로 연장된다.
도 12에 도시된 바와 같이 보조 전극(502)이 파우치(514) 내에 배향된 상태에서, 이차 전지(100)는 보조 전극(502)의 제2 구역(818-2)에 대응하는 파우치(514) 내의 보조 전극(502) 상에 배치된다(도 13 참조). 본 실시예에서, 이차 전지(100)의 제1 주 표면(126)(도 1 참조, 도 13에는 보이지 않음)은 파우치(514) 내의 보조 전극(502)과 접촉하고, 이차 전지의 제2 주 표면(127)은 보조 전극(502)으로부터 멀리 배치된다. 이차 전지(100)의 전기 단자(124, 125)는 도 13에서 Y-축 방향으로 파우치(514)로부터 멀어지는 방향으로 연장되어 전기 단자를 제1 인클로저 층(510)의 주연부(512) 외부에 배치한다. 버퍼 시스템(500)을 위한 제조 공정의 이 스테이지에서, 일 실시예에서, 전해질이 파우치(514)에 추가된다. 다른 실시예에서, 보조 전극(502)의 분리막(702)은 전해질로 사전 함침된다.
파우치(514) 내부의 보조 전극(502)의 제2 구역(818-2) 상에 이차 전지(100)가 탑재된 상태에서, 보조 전극(502)의 제1 구역(818-1)의 제1 측면(1004)을 이차 전지(100)의 제2 주 표면(127)과 접촉하도록 위치시키기 위해, 보조 전극(502)이 화살표(1302)방향으로 절첩되고, 그 결과가 도 14에 도시되어 있다. 이러한 구성에서, 분리막(702)(도 7 내지 도 11 참조) 및 이차 전지(100)의 각각의 주 표면(126, 127)과 캐리어 이온 공급 층(706) 사이에 배치된 전해질을 사용하여 이차 전지(100)(도 1 참조)의 양쪽 주 표면(126, 127)은 보조 전극(502)의 캐리어 이온 공급 층(706)과 전기화학적으로 결합된다.
도 15는 도 14의 절단선 A-A를 따른 버퍼 시스템(500)의 단면도이다. 이 도면에서, 제1 인클로저 층(510)의 파우치(514)에 있는 버퍼 시스템(500)의 층을 볼 수 있다. 특히, 도 15는 파우치(514) 내부의 이차 전지(100)와 보조 전극(502)의 배치, 구체적으로는 위에서 아래로 연속 적층 상태의, 분리막(702), 전도성 층(704), 캐리어 이온 공급 층(706) 중 하나, 분리막(702) 및 케이싱(116)에 있는 이차 전지(100)의 제2 주 표면(127)을 예시하고 있다. 도 15는 아래에서 위로 연속 적층 상태의, 제1 인클로저 층(510), 분리막(702), 전도성 층(704), 캐리어 이온 공급 층(706) 중 하나, 분리막(702), 및 케이싱(116)에 있는 이차 전지(100)의 제1 주 표면(126)을 추가로 예시한다.
도 15에 예시된 바와 같이 이차 전지(100)가 파우치(514) 내의 보조 전극(502)에 의해 개재된 상태에서, 도 16에 도시된 바와 같이 제2 인클로저 층(511)은 제1 인클로저 층(510)에 정렬된다. 제1 인클로저 층(510)에 대해 제2 인클로저 층(511)을 적절하게 배치한 후, 인클로저 층(510, 511)은 밀봉 라인(1602)(도 16에서 점선으로 표시됨)을 따라 밀봉되어 인클로저(504)를 형성한다. 인클로저 층(510, 511)은 용접, 열 밀봉, 접착제, 이들의 조합 등에 의해 밀봉 라인(1602)을 따라 밀봉될 수 있다. 다른 실시예에서, 인클로저 층(510, 511)은 내부에 포켓을 생성하는 밀봉 라인(1602)의 3개의 측면을 따라 밀봉될 수 있다. 본 실시예에서는 이차 전지(100)가 포켓 내부에 배치될 수 있으며, 이어서 밀봉 라인(1602)의 최종 에지가 밀봉된다. 일 실시예에서, 밀봉 라인(1602)은 밀봉 라인(1602)에 제어된 온도 및 압력을 인가하여 인클로저 층(510, 511)이 밀봉 라인(1602)을 따라 함께 접착 또는 융합되게 하는 고온 프레스를 사용하여 밀봉된다. 다른 실시예에서, 공기 또는 다른 가스에 의해 점유된 임의의 과잉 체적을 배기하기 위해 밀봉 공정 동안 이차 전지(100)에 진공이 인가된다. 밀봉 라인(1602)이 고온 프레스에 적용되는 시간은 제어될 수 있으며, 인클로저 층(510, 511)에 대해 선택된 물질에 따라 달라진다. 이차 전지(100) 위에 밀봉되고 나면, 밀봉된 인클로저 층(510, 511)은 버퍼 시스템(500)을 형성한다. 밀봉 시, 버퍼 시스템(500)은 원하는 응용에 따라 액밀 및/또는 기밀이다. 이차 전지(100)의 전기 단자(124, 125)와 전도성 탭(508-1)은 노출된 상태로 유지되며, 인클로저 층(510, 511)에 의해 덮이지 않아 이차 전지(100)에 후속 버퍼 공정이 적용될 수 있게 한다.
이차 전지(100)와 보조 전극(502)(도 16에서는 보이지 않음)의 캐리어 이온 공급 층(706)이 버퍼 시스템(500)의 인클로저(504) 내에서 함께 전기화학적으로 결합된 상태에서, 이차 전지(100)의 초기 형성 동안 또는 이후에 캐리어 이온 버퍼 공정이 이차 전지(100)에서 수행된다. 일반적으로, 이러한 캐리어 이온 버퍼 공정은 보조 전극(502)의 캐리어 이온 공급 층(706)으로부터 이차 전지(100)의 제1 주 표면(126) 및 이차 전지(100)의 제2 주 표면(127) 각각으로 캐리어 이온을 전달한다(도 15 참조). 일반적으로, 도 15에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)의 양쪽 주 표면(126, 127)으로부터 이차 전지(100)로 캐리어 이온을 전달하는 것은 더 많은 캐리어 이온이 이차 전지(100)의 애노드 및/또는 캐소드에 로딩됨에 따라 애노드 및/또는 캐소드 팽창에 의해 생성된 힘을 더 균일하게 이차 전지(100)의 케이싱(116)에 걸쳐 분배하는 기술적 이점을 제공한다.
이차 전지(100)를 버퍼 시스템(500)에 삽입하기 전에 또는 그 후에, 이차 전지의 캐소드 구조(206)로부터 이차 전지의 애노드 구조(207)로 캐리어 이온을 전달함으로써 이차 전지(100)가 (예를 들어, 전기 단자(124, 125)를 통해) 충전된다. 이차 전지(100)의 양극(208)이 그 충전 종료 설계 전압에 도달하면 충전이 중단될 수 있다. 초기 충전 사이클 동안, 이차 전지(100)의 애노드 구조(207) 표면에 SEI가 형성될 수 있다. SEI로의 캐리어 이온의 손실을 보상하고, 부반응으로 인해 캐리어 이온이 손실되는 사이클링 동안 장기간의 2차 반응을 완화하도록 추가적인 캐리어 이온을 추가로 제공하기 위해, 이차 전지(100)의 양극(208) 및/또는 음극(209)은 보조 전극(502)과 캐소드 구조(206) 및/또는 애노드 구조(207)에 걸쳐 (예를 들어, 보조 전극(502)의 전도성 탭(508-1) 및 전기 단자(124, 125) 중 하나를 통해) 전압을 인가하여 보조 전극(502)의 캐리어 이온 공급 층(706)으로부터 이차 전지(100)의 캐소드 구조(206) 및/또는 애노드 구조(207)로 캐리어 이온을 구동함으로써 보충될 수 있다. 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)로 캐리어 이온의 전달이 완료되면, 이차 전지(100)의 음극(209)은 이번에는 이차 전지(100)의 캐소드 구조(206)로부터 이차 전지의 애노드 구조(207)로 전달된 캐리어 이온으로 다시 충전된다.
일 실시예에서, 버퍼 공정 동안 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)로 전달되는 캐리어 이온의 양은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 50%이다. 다른 실시예에서, 버퍼 공정 동안 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)로 전달되는 캐리어 이온의 양은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 55%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 또는 약 100%이다. 일부 실시예에서, 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)로 전달되는 캐리어 이온의 양은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 1% 내지 약 100% 값 범위에 있다. 하나의 특정 실시예에서, 이차 전지(100)의 음극(209)은 이차 전지(100)가 충전될 때, 캐리어 이온으로 저장되는 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 170%, 및 이차 전지(100)가 방전될 때 캐리어 이온으로서 저장되는 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 70%를 갖는다. 버퍼 공정 동안, 이차 전지(100)의 음극(209)에 과잉 캐리어 이온을 제공함으로써 초기 형성 시 SEI로 인한 이차 전지(100)의 캐리어 이온 손실을 완화할 수 있는 기술적 이점을 제공한다. 또한, 버퍼 공정 동안 제공된 이차 전지(100)의 음극(209)의 과잉 캐리어 이온은 이차 전지(100)가 사용 동안 사이클링됨에 따라 이차 전지(100) 내의 캐리어 이온을 고갈시키는 부반응으로 인한 이차 전지(100)의 캐리어 이온 손실을 완화할 수 있는 기술적 이점을 제공하며, 이는 시간 경과에 따른 이차 전지(100)의 용량 손실을 감소시킨다.
일부 실시예에서, 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)로 캐리어 이온을 전달하는 것은 이차 전지(100)의 초기 형성과 동시에(예를 들어, 이차 전지(100)의 최초 충전 동안) 및/또는 초기 형성 이후 이차 전지(100)의 후속 충전 동안 발생할 수 있다. 이러한 실시예에서, 캐리어 이온은 이차 전지(100)의 양극(208)으로부터 이차 전지(100)의 음극(209)으로 전달된다. 시간적 지연 또는 시간적 패턴과 동시에 또는 이에 기초하여, 캐리어 이온은 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208) 및/또는 음극(209)으로 전달된다.
또 다른 실시예에서, 이차 전지(100)의 양극(208)으로부터 이차 전지(100)의 음극(209)으로 캐리어 이온을 또한 전달하면서, 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208)으로 캐리어 이온을 동시에 전달함으로써 양극(208)에 캐리어 이온이 보충될 수 있다. 도 6을 참조하면, 이차 전지(100)의 전기 단자(124, 125)에 걸쳐 전압이 인가되어 이차 전지(100)의 양극(208)에서 음극(209)으로 캐리어 이온을 구동시킨다. 캐리어 이온이 양극(208)에서 음극(209)으로 전달되는 동안, 보조 전극(502)의 전도성 탭(508-1)과 이차 전지(100)의 양극(208)에 걸쳐 전압이 인가되어 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208)으로 캐리어 이온을 구동시킨다. 따라서, 캐리어 이온이 이차 전지(100)의 양극(208)에서 음극(209)으로 전달됨과 동시에 보조 전극(502)에서 이차 전지(100)의 양극(208)으로 캐리어 이온이 전달되게 된다. 즉, 이차 전지(100)의 양극(208)과 음극(209)에 걸쳐, 이차 전지(100)의 양극(208)에서 음극(209)으로 캐리어 이온을 구동시키기에 충분한 전압이 유지되고, 동시에, 보조 전극(502)의 전도성 탭(508-1)과 이차 전지(100)의 양극(208)에 걸쳐 보조 전극(502)에서 양극(208)으로 캐리어 이온을 구동시키기에 충분한 전압이 유지된다. 다른 실시예에서, 이차 전지(100)의 보조 전극(502)에서 양극(208)으로의 캐리어 이온 전달의 시작은 이차 전지(100)의 양극(208)에서 음극(209)으로의 캐리어 이온의 전달 시작과 동시에 시작될 수 있다. 일 실시예에서, 이차 전지(100)의 양극(208)에서 음극(209)으로의 캐리어 이온의 전달 속도는 이차 전지(100)의 보조 전극(502)에서 양극(208)으로의 캐리어 이온의 전달 속도 이상이며, 따라서, 양극(208)을 통해 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)의 음극(209)으로의 캐리어 이온의 양호한 전체 전달 속도가 유지될 수 있다. 즉, 이차 전지(100)의 양극(208)과 음극(209), 그리고 보조 전극(502)과 양극(208) 사이의 상대적인 전달 속도는 추가 캐리어 이온에 대한 양극(208)의 전체 용량이 초과되지 않도록 유지될 수 있다. 따라서, 양극(208)은 보조 전극(502)으로부터 새로운 캐리어 이온을 수용할 수 있는 능력을 갖는 상태로 유지될 수 있으며, 이는 후속적으로 이차 전지(100)의 음극(209)으로의 캐리어 이온의 후속 전달을 가능하게 할 수 있다.
일 실시예에서는, 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 캐리어 이온은 (보조 전극(502)으로부터 이차 전지의 음극(209)으로 직접 전달하는 것과는 반대로) 이차 전지(100)의 음극(209)의 보충의 일부로서 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208)으로 전달되며, 이는 양극(208)이 그 표면에 걸쳐 캐리어 이온을 보다 균일하게 수용할 수 있고, 따라서, 캐리어 이온이 이차 전지(100)의 양극(208)과 음극(209) 사이의 그 전달에 보다 균일하게 참여할 수 있게 하기 때문이다.
버퍼 시스템(500)을 사용하여 이차 전지(100)에 버퍼 공정을 수행한 후, 보조 전극(502)은 그 최종 형태의 이차 전지(100)의 에너지 밀도를 개선시키기 위해 버퍼 시스템(500)에서 제거될 수 있다. 예를 들어, 버퍼 공정 후, 캐리어 이온 공급 층(706)(도 7 참조)은 전도성 층(704)으로부터 제거되어 이차 전지(100)에 전기화학적으로 전달될 수 있다. 따라서, 보조 전극(502)은 이 시점에서 불필요할 수 있다. 버퍼 공정이 수행된 후, 인클로저(504)로부터 보조 전극(502)을 제거하기 위해, 인클로저의 인클로저 층(510, 511)은 도 17에 실선으로 예시된 절단선(1702)을 따라 절단될 수 있으며, 이는 인클로저 층(510, 511)이 보조 전극(502)에 근접하게 접어올려질 수 있게 한다. 보조 전극(502)은 버퍼 시스템(500)의 인클로저(504)로부터 제거되는 반면, 이차 전지(100)는 파우치(514) 내에 유지된다(도 12 참조). 이어서, 인클로저 층(510, 511)은 점선으로 예시된 최종 밀봉 라인(1704)을 따라 재밀봉되어 이차 전지(100)를 사용하기 전에 그 최종 형태의 인클로저(504)를 형성할 수 있다. 이러한 재밀봉은 제1 인클로저 층(510)과 제2 인클로저 층(511)을 함께 밀봉하기 위해 앞서 설명된 공정 중 임의의 것을 사용하여 수행될 수 있다.
도 18은 예시적인 실시예의 보조 전극을 사용하여 캐리어 이온으로 이차 전지를 사전 리튬화하는 방법(1800)의 흐름도이고, 도 19 내지 도 21은 방법(1800)의 추가 세부사항을 도시하는 흐름도이다. 방법(1800)은 도 1 내지 도 17의 이차 전지(100), 버퍼 시스템(500) 및 보조 전극(502)에 관해 설명될 것이지만, 방법(1800)은 도시되지 않은 다른 시스템에도 적용될 수 있다. 방법(1800)의 단계는 모두를 포함하는 것은 아니며, 방법(1800)은 도시되지 않은 다른 단계를 포함할 수 있다. 또한, 방법(1800)의 단계는 대체 순서로 수행될 수 있다.
본 실시예에서, 이차 전지(100)(도 1 참조)는 서로 대향하는 주 표면(126, 127) 및 전기 단자(124, 125)를 갖는다. 전기 단자(124, 125)는 이차 전지(100)의 양극(208)(예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 이차 전지(100)의 캐소드 구조(206)의 집단) 및 이차 전지(100)의 음극(209)(예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 이차 전지(100)의 애노드 구조(207)의 집단) 중 하나에 결합된다. 이차 전지(100)는 음극(209)과 양극(208) 사이에 음극(209) 및 양극(208)과 이온 접촉하는 전해질이 침투되는 미세다공성 분리막 층(108)(도 2 참조)을 포함한다. 음극(209)은 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 갖는 실리콘 또는 그 합금과 같은 애노드 활물질(104)을 포함한다. 양극(208)은 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 갖는 캐소드 활물질(106)을 포함하고, 음극(209) 쿨롱 용량은 양극(208) 쿨롱 용량을 초과한다.
보조 전극(502)(도 6 참조)은 이차 전지(100)의 주 표면(126, 127)과 접촉하여 배치되어 보조 서브조립체(516)를 형성하고, 보조 전극(502)은 전기 전도성 층(704), 이차 전지(100)의 주 표면(126, 127)에 근접한 전도성 층(704) 상에 배치된 캐리어 이온 공급 층(706), 캐리어 이온 공급 층(706)과 이차 전지의 주 표면(126, 127) 사이에 배치된 분리막(702) 및 전도성 층(704)에 결합된 전기 전도성 탭(508)을 포함한다(도 18의 단계 1802 및 도 12 내지 도 15 참조).
보조 서브조립체(516)는 인클로저(504)에 설치되며, 이차 전지(100)의 전기 단자(124, 125)와 보조 전극(502)의 전기 전도성 탭(508)은 인클로저(504)의 주연부(506)로부터 전기적으로 연장된다(단계 1804 및 도 16 참조).
캐리어 이온은 전기 단자(124, 125)에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 이차 전지(100)의 양극(208)에서 이차 전지(100)의 음극(209)으로 전달되어 이차 전지(100)를 적어도 부분적으로 충전한다(단계 1806 참조). 이차 전지(100)의 양극(208)이 그 충전 종료 설계 전압에 도달하면 충전이 중단될 수 있다. 초기 충전 사이클 동안, 이차 전지(100)의 음극(209)의 내부 구조 표면에 SEI가 형성될 수 있다.
SEI로의 캐리어 이온의 손실을 보상하고, 부반응으로 인해 캐리어 이온이 손실되는 사이클링 동안 장기간의 2차 반응을 완화하도록 추가적인 캐리어 이온을 추가로 제공하기 위해, 캐리어 이온은 보조 전극(502)의 전기 전도성 탭(508)과 이차 전지(100)의 전기 단자(124, 125) 중 하나 이상에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 보조 전극(502)의 캐리어 이온 공급 층(706)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208) 및/또는 음극(209)으로 전달된다(단계 1808, 도 16 참조). 일반적으로, 이러한 캐리어 이온 버퍼 공정은 보조 전극(502)의 캐리어 이온 공급 층(706)으로부터 이차 전지(100)의 제1 주 표면(126) 및 이차 전지(100)의 제2 주 표면(127) 각각으로 캐리어 이온을 전달한다(도 15 참조). 일반적으로, 도 15에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)의 양쪽 주 표면(126, 127)으로부터 이차 전지(100)로 캐리어 이온을 전달하는 것은 더 많은 캐리어 이온이 이차 전지(100)의 캐소드 및/또는 애노드에 로딩됨에 따라 애노드 및/또는 캐소드 팽창에 의해 생성된 힘을 더 균일하게 이차 전지(100)의 케이싱(116)에 걸쳐 분배하는 기술적 이점을 제공한다.
일 실시예에서, 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)로 전달되는 캐리어 이온의 양은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 50%이다. 다른 실시예에서, 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)로 전달되는 캐리어 이온의 양은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 55%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 또는 약 100%이다. 일부 실시예에서, 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)로 전달되는 캐리어 이온의 양은 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 1% 내지 약 100% 값 범위에 있다. 하나의 특정 실시예에서, 이차 전지(100)의 음극(209)은 이차 전지(100)가 충전될 때, 캐리어 이온으로 저장되는 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 170%, 및 이차 전지(100)가 방전될 때 캐리어 이온으로서 저장되는 이차 전지(100)의 양극(208)의 가역적 쿨롱 용량의 약 70%를 갖는다. 버퍼 공정 동안, 이차 전지(100)의 음극(209)에 과잉 캐리어 이온을 제공함으로써 초기 형성 시 SEI로 인한 이차 전지(100)의 캐리어 이온 손실을 완화할 수 있는 기술적 이점을 제공한다. 또한, 버퍼 공정 동안 제공된 이차 전지(100)의 음극(209)의 과잉 캐리어 이온은 이차 전지(100)가 사용 동안 사이클링됨에 따라 이차 전지(100) 내의 캐리어 이온을 고갈시키는 부반응으로 인한 이차 전지(100)의 캐리어 이온 손실을 완화할 수 있는 기술적 이점을 제공하며, 이는 시간 경과에 따른 이차 전지(100)의 용량 손실을 감소시킨다.
일부 실시예에서, 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)로 캐리어 이온을 전달하는 것은 이차 전지(100)의 초기 형성과 동시에(예를 들어, 이차 전지(100)의 최초 충전 동안) 및/또는 초기 형성 이후 이차 전지(100)의 후속 충전 동안 발생할 수 있다. 이러한 실시예에서, 캐리어 이온은 이차 전지(100)의 양극(208)으로부터 이차 전지(100)의 음극(209)으로 전달된다. 시간적 지연 또는 시간적 패턴과 동시에 또는 이에 기초하여, 캐리어 이온은 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208) 및/또는 음극(209)으로 전달된다.
음극(209)이 캐리어 이온으로서 저장된 양극(208) 쿨롱 용량의 100%보다 더 큰 쿨롱 용량을 가질 때까지 이차 전지(100)의 전기 단자(124, 125)에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써, 캐리어 이온이 이차 전지(100)의 양극(208)에서 이차 전지(100)의 음극(209)으로 다시 전달되어 이차 전지(100)를 충전한다(단계 1810 참조).
또 다른 실시예에서, 이차 전지(100)의 양극(208)으로부터 이차 전지(100)의 음극(209)으로 캐리어 이온을 또한 전달하면서, 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208)으로 캐리어 이온을 동시에 전달함으로써 양극(208)에 캐리어 이온이 보충될 수 있다. 도 6을 참조하면, 이차 전지(100)의 전기 단자(124, 125)에 걸쳐 전압이 인가되어 이차 전지(100)의 양극(208)에서 음극(209)으로 캐리어 이온을 구동시킨다. 캐리어 이온이 양극(208)에서 음극(209)으로 전달되는 동안, 보조 전극(502)의 전도성 탭(508-1)과 이차 전지(100)의 양극(208)에 걸쳐 전압이 인가되어 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208)으로 캐리어 이온을 구동시킨다. 따라서, 캐리어 이온이 이차 전지(100)의 양극(208)에서 음극(209)으로 전달됨과 동시에 보조 전극(502)에서 이차 전지(100)의 양극(208)으로 캐리어 이온이 전달되게 된다. 즉, 이차 전지(100)의 양극(208)과 음극(209)에 걸쳐, 이차 전지(100)의 양극(208)에서 음극(209)으로 캐리어 이온을 구동시키기에 충분한 전압이 유지되고, 동시에, 보조 전극(502)의 전도성 탭(508-1)과 이차 전지(100)의 양극(208)에 걸쳐 보조 전극(502)에서 양극(208)으로 캐리어 이온을 구동시키기에 충분한 전압이 유지된다. 다른 실시예에서, 이차 전지(100)의 보조 전극(502)에서 양극(208)으로의 캐리어 이온 전달의 시작은 이차 전지(100)의 양극(208)에서 음극(209)으로의 캐리어 이온의 전달 시작과 동시에 시작될 수 있다. 일 실시예에서, 이차 전지(100)의 양극(208)에서 음극(209)으로의 캐리어 이온의 전달 속도는 이차 전지(100)의 보조 전극(502)에서 양극(208)으로의 캐리어 이온의 전달 속도 이상이며, 따라서, 양극(208)을 통해 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)의 음극(209)으로의 캐리어 이온의 양호한 전체 전달 속도가 유지될 수 있다. 즉, 이차 전지(100)의 양극(208)과 음극(209), 그리고 보조 전극(502)과 양극(208) 사이의 상대적인 전달 속도는 추가 캐리어 이온에 대한 양극(208)의 전체 용량이 초과되지 않도록 유지될 수 있다. 따라서, 양극(208)은 보조 전극(502)으로부터 새로운 캐리어 이온을 수용할 수 있는 능력을 갖는 상태로 유지될 수 있으며, 이는 후속적으로 이차 전지(100)의 음극(209)으로의 캐리어 이온의 후속 전달을 가능하게 할 수 있다.
일 실시예에서는, 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 캐리어 이온은 (보조 전극(502)으로부터 이차 전지의 음극(209)으로 직접 전달하는 것과는 반대로) 이차 전지(100)의 음극(209)의 보충의 일부로서 보조 전극(502)으로부터 이차 전지(100)의 양극(208)으로 전달되며, 이는 양극(208)이 그 표면에 걸쳐 캐리어 이온을 보다 균일하게 수용할 수 있고, 따라서, 캐리어 이온이 이차 전지(100)의 양극(208)과 음극(209) 사이의 그 전달에 보다 균일하게 참여할 수 있게 하기 때문이다.
방법(1800)의 일부 실시예에서, 인클로저(504)는 개방되고(도 19의 단계 1902 참조), 보조 전극(502)은 인클로저(504)로부터 제거된다(단계 1904 참조). 인클로저(504)로부터 보조 전극(502)을 제거하는 것에 응답하여, 인클로저는 사용을 위해 이차 전지(100)를 캡슐화하기 위해 최종 형태로 재밀봉된다(단계 1906 참조).
위에서 상세히 설명된 단계 1804와 관련하여 앞서 설명한 바와 같이 인클로저(504)에 보조 서브조립체(516)를 설치하지만, 하나의 특정 실시예는 제1 인클로저 층(510)에 보조 서브조립체(516)를 설치하는 단계를 포함한다(도 20의 단계 2002 참조). 제2 인클로저 층(511)은 제1 인클로저 층(510) 상에 설치되고(단계 2004 참조), 제1 인클로저 층(510)과 제2 인클로저 층(511)이 밀봉 라인(1602)을 따라 함께 밀봉되어 인클로저(504)를 형성한다(단계 2006 참조).
인클로저 층(510, 511)은 용접, 열 밀봉, 접착제, 이들의 조합 등에 의해 밀봉 라인(1602)(도 16 참조)을 따라 밀봉될 수 있다. 다른 실시예에서, 인클로저 층(510, 511)은 내부에 포켓을 생성하는 밀봉 라인(1602)의 3개의 측면을 따라 밀봉될 수 있다. 본 실시예에서는 이차 전지(100)가 포켓 내부에 배치될 수 있으며, 이어서 밀봉 라인(1602)의 최종 에지가 밀봉된다. 일 실시예에서, 밀봉 라인(1602)은 밀봉 라인(1602)에 제어된 온도 및 압력을 인가하여 인클로저 층(510, 511)이 밀봉 라인(1602)을 따라 함께 접착 또는 융합되게 하는 고온 프레스를 사용하여 밀봉된다. 다른 실시예에서, 공기 또는 다른 가스에 의해 점유된 임의의 과잉 체적을 배기하기 위해 밀봉 공정 동안 이차 전지(100)에 진공이 인가된다. 밀봉 라인(1602)이 고온 프레스에 적용되는 시간은 제어될 수 있으며, 인클로저 층(510, 511)에 대해 선택된 물질에 따라 달라진다. 이차 전지(100) 위에 밀봉되고 나면, 밀봉된 인클로저 층(510, 511)은 버퍼 시스템(500)을 형성한다. 밀봉 시, 버퍼 시스템(500)은 원하는 응용에 따라 액밀 및/또는 기밀이다. 이차 전지(100)의 전기 단자(124, 125)와 전도성 탭(508)은 노출된 상태로 유지되며, 인클로저 층(510, 511)에 의해 덮이지 않는다.
제1 인클로저 층(510)이 파우치(514)를 포함하는 실시예에서, 인클로저(504) 내에 보조 서브조립체(516)를 설치하는 것은 초기에 파우치(514) 내에 보조 서브조립체(516)를 배치하는 것을 포함한다(도 21의 단계 2102 참조). 일부 실시예에서, 전해질이 (예를 들어, 파우치(514)에 보조 서브조립체(516)를 설치하기 이전 또는 이후에) 파우치(514)에 추가되고, 그에 후속하여, 제1 인클로저 층(510)과 제2 인클로저 층(511)을 밀봉 라인(1602)을 따라 함께 밀봉함으로써 인클로저(504)가 형성된다.
본 개시의 실시예들은 이차 전지의 초기 형성 동안 또는 그 이후에 이차 전지에 캐리어 이온을 전달하거나 버퍼링하기 위해 보조 전극을 사용한다. 캐리어 이온을 이차 전지로 전달 또는 버퍼링하는 것은 형성 동안 예를 들어 SEI로 인한 캐리어 이온 손실을 완화시키고, 이에 의해, 이차 전지의 용량을 개선시키는 기술적 이점을 제공한다. 또한, 캐리어 이온을 이차 전지로 전달 또는 버퍼링하는 것은 이차 전지의 양극의 쿨롱 용량을 초과하는 추가 캐리어 이온을 이차 전지의 음극에 제공하고, 이에 의해 이차 전지의 사이클 수명에 걸쳐 추가 캐리어 이온의 저장소를 제공하고, 사이클링 중 캐리어 이온의 가용성을 제거하는 부반응으로 인한 사이클링 중 캐리어 이온 손실을 추가로 완화한다. 음극에서의 추가 캐리어 이온의 결과는 한 번의 방전-충전 사이클로부터 다음 사이클까지 이차 전지의 용량 손실의 양을 감소시키고, 이에 의해, 그 사이클 수명 동안 이차 전지의 전체 용량을 개선시키는 추가적인 기술적 이점을 제공한다.
다음 실시예들은 본 개시의 다양한 양태를 예시하기 위해 제공된다. 다음의 실시예들은 제한되는 것으로 의도되는 것은 아니며, 따라서 본 개시는 아래에 구체적으로 제공되지 않는 다른 양태들 및/또는 실시예들을 추가로 지원한다.
실시예 1: 이차 전지용 보조 전극으로서, 보조 전극은 이온 투과성인 물질을 포함하는 제1 분리막 층, 전기 전도성인 물질을 포함하고 제1 분리막 층과 접촉하는 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 전도성 층으로서, 제2 표면은 전도성 층의 제1 단부에 배치된 제1 영역, 제1 단부에 대향하는 전도성 층의 제2 단부에 배치된 제2 영역, 및 제1 영역과 제2 영역 사이에 배치된 제3 영역으로 세그먼트화되는, 상기 전도성 층, 캐리어 이온 공급 층의 집단으로서, 각각은 이차 전지의 전극에 캐리어 이온을 공급하는 물질을 포함하고, 캐리어 이온 공급 층의 각각의 층은 전도성 층의 제1 영역 및 제2 영역 내에 배치되는, 상기 캐리어 이온 공급 층의 집단, 및 이온 투과성이고 전도성 층의 제1 영역 및 제2 영역 내에서 캐리어 이온 공급 층과 접촉되는 물질을 포함하는 제2 분리막 층을 포함한다.
실시예 2: 실시예 1의 보조 전극으로서, 제2 분리막 층은 전도성 층의 제3 영역 내에서 전도성 층의 제2 표면과 접촉한다.
실시예 3: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역은 전도성 층의 길이에 걸쳐 배치된다.
실시예 4: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 제1 분리막 층 및 제2 분리막 층은 제1 분리막 층 및 제2 분리막 층의 주연부의 적어도 일부 주위에 함께 기계적으로 접합된다.
실시예 5: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 제1 분리막 층 및 제2 분리막 층은 연속 분리막 물질로 형성되고, 제1 분리막 층은 연속 분리막 물질의 제1 부분을 포함하고, 제2 분리막 층은 연속 분리막 물질의 제2 부분을 포함하고, 제2 부분은 전도성 층의 제1 영역 및 제2 영역 내에서 캐리어 이온 공급 층의 표면과 접촉하도록 제1 부분 위로 접혀진다.
실시예 6: 실시예 5의 보조 전극으로서, 연속 분리막 물질은 약 0.01 밀리미터 내지 약 1 밀리미터의 범위의 두께를 갖는다.
실시예 7: 실시예 6의 보조 전극으로서, 연속 분리막 물질의 두께는 약 0.025 밀리미터이다.
실시예 8: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 제1 분리막 층 및 제2 분리막 층은 약 0.01 밀리미터 내지 약 1 밀리미터의 값의 범위의 두께를 갖는다.
실시예 9: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 제2 분리막 층의 두께는 약 0.025 밀리미터이다.
실시예 10: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 전도성 층은 구리 및 알루미늄 중 하나, 또는 구리와 알루미늄의 합금을 포함한다.
실시예 11: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 전도성 층은 구리를 포함한다.
실시예 12: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 전도성 층은 약 0.01 밀리미터 내지 약 1 밀리미터의 값의 범위의 두께를 갖는다.
실시예 13: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 전도성 층은 약 0.1 밀리미터의 두께를 갖는다.
실시예 14: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 캐리어 이온 공급 층은 약 0.05 밀리미터 내지 약 1 밀리미터의 값의 범위의 두께를 갖는다.
실시예 15: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 캐리어 이온 공급 층은 약 0.15 밀리미터의 두께를 갖는다.
실시예 16: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 캐리어 이온 공급 층은 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온, 알루미늄 이온 및 칼슘 이온의 하나 이상의 소스를 포함한다.
실시예 17: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 캐리어 이온 공급 층은 리튬 이온의 소스를 제공한다.
실시예 18: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 캐리어 이온 공급 층은 전도성 층의 제1 영역 및 제2 영역 내에서 전도성 층에 냉간 용접된다.
실시예 19: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 전기 전도성이고 전도성 층의 제3 영역 내에서 전도성 층의 제2 표면에 결합된 물질을 포함하는 전도성 탭을 더 포함한다.
실시예 20: 실시예 19의 보조 전극으로서, 전도성 탭은 전도성 층에 결합된 제1 단부 및 전도성 층으로부터 멀리 돌출된 제1 단부에서 원위에 있는 제2 단부를 포함한다.
실시예 21: 실시예 20의 보조 전극으로서, 전도성 탭은 니켈, 구리 및 알루미늄 중 하나 또는 구리, 니켈 및 알루미늄의 합금을 포함한다.
실시예 22: 실시예 21의 보조 전극으로서, 전도성 탭은 니켈을 포함한다.
실시예 23: 서로 대향되는 주 표면 및 전기 단자를 갖는 이차 전지를 포함하는 버퍼링 시스템으로서, 전기 단자 각각은 이차 전지의 양극 및 음극 중 하나에 결합되고, 이차 전지는 음극과 양극 사이에 음극 및 양극과 이온 접촉되는 전해질이 침투되는 미세다공성 분리막으로서, 음극은 애노드 활성 실리콘 또는 그 합금을 포함하고 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 가지며, 양극은 캐소드 활물질을 포함하고 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 가지며, 음극 쿨롱 용량은 양극 쿨롱 용량을 초과하는, 상기 미세다공성 분리막, 이차 전지의 주 표면과 접촉하는 보조 전극으로서, 보조 전극은 이온 투과성인 물질을 포함하는 제1 분리막 층을 포함하는, 상기 보조 전극, 전기 전도성인 물질을 포함하고 제1 분리막 층과 접촉하는 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 전도성 층으로서, 제2 표면은 전도성 층의 제1 단부에 배치된 제1 영역, 제1 단부에 대향하는 전도성 층의 제2 단부에 배치된 제2 영역, 및 제1 영역과 제2 영역 사이에 배치된 제3 영역으로 세그먼트화되는, 상기 전도성 층, 이차 전지의 양극에 캐리어 이온을 공급하는 물질을 각각 포함하는 캐리어 이온 공급 층의 집단으로서, 캐리어 이온 공급 층의 각각의 층은 전도성 층의 제1 영역 및 제2 영역 내에 배치되는, 상기 캐리어 이온 공급 층의 집단, 이온 투과성인 물질을 포함하는 제2 분리막 층으로서, 제2 분리막 층은 전도성 층의 제1 영역 및 제2 영역 내에서 캐리어 이온 공급 층을 이차 전지의 주 표면으로부터 분리되는, 상기 제2 분리막 층, 및 전기 전도성인 물질을 포함하는 전도성 탭으로서, 전도성 탭은 전도성 층의 제3 영역 내에서 전도성 층의 제2 표면에 결합된 제1 단부 및 제1 단부에서 원위에 있는 제2 단부를 갖는, 상기 전도성 탭을 포함한다.
실시예 24: 실시예 23의 버퍼링 시스템으로서, 인클로저는 제1 인클로저 층 및 제2 인클로저 층을 포함하며, 보조 전극 및 이차 전지는 제1 인클로저 층에 형성된 파우치 내에 배치된다.
실시예 25: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 제2 분리막 층에 침투되는 전해질을 더 포함한다.
실시예 26: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 캐리어 이온 공급 층은 이차 전지의 양극용 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온, 알루미늄 이온 및 칼슘 이온의 하나 이상의 소스를 포함한다.
실시예 27: 임의의 이전 실시예의 보조 전극으로서, 캐리어 이온 공급 층은 이차 전지의 양극용 리튬 이온의 소스를 포함한다.
실시예 28: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 캐리어 이온 공급 층은 이차 전지의 양극용 나트륨 이온의 소스를 포함한다.
실시예 29: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 캐리어 이온 공급 장치는 이차 전지의 양극용 칼륨 이온의 소스를 포함한다.
실시예 30: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 캐리어 이온 공급 층은 이차 전지의 양극용 마그네슘 이온의 소스를 포함한다.
실시예 31: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 캐리어 이온 공급 층은 이차 전지의 양극용 알루미늄 이온의 소스를 포함한다.
실시예 32: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 캐리어 이온 공급 층은 이차 전지의 양극용 칼슘 이온의 소스를 포함한다.
실시예 33: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 캐리어 이온 공급 층은 약 0.05 밀리미터 내지 약 1 밀리미터의 값의 범위의 두께를 갖는다.
실시예 34: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 캐리어 이온 공급 층은 약 0.15 밀리미터의 두께를 갖는다.
실시예 35: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 제2 분리막 층은 약 0.01 밀리미터 내지 약 1 밀리미터의 값의 범위의 두께를 갖는다.
실시예 36: 임의의 이전 실시예의 버퍼링 시스템으로서, 제2 분리막 층의 두께는 약 0.025 밀리미터이다.
실시예 37: 보조 전극을 사용하여 캐리어 이온으로 이차 전지를 버퍼링하는 방법으로서, 이차 전지는 서로 대향되는 주 표면 및 전기 단자를 가지며, 전기 단자 각각은 이차 전지의 양극 및 음극 중 하나에 결합되고, 이차 전지는 음극과 양극 사이에 음극 및 양극과 이온 접촉되는 전해질이 침투되는 미세다공성 분리막으로서, 음극은 애노드 활성 실리콘 또는 그 합금을 포함하고 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 가지며, 양극은 캐소드 활물질을 포함하고 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 가지며, 음극 쿨롱 용량은 양극 쿨롱 용량을 초과하는, 상기 미세다공성 분리막을 포함하며, 상기 방법은 이차 전지의 주 표면과 접촉하는 보조 전극을 배치하여 보조 서브조립체를 형성하는 단계로서, 보조 전극은 전기 전도성 층, 이차 전지의 주 표면에 근접한 전기 전도성 층 상에 배치된 캐리어 이온 공급 층, 이차 전지의 주 표면과 캐리어 이온 공급 층 사이에 배치된 분리막 층, 및 전기 전도성 층에 결합된 전기 전도성 탭을 포함하는, 상기 형성하는 단계, 인클로저에 보조 전극을 설치하는 단계로서, 전기 단자 및 보조 전극의 전기 전도성 탭은 인크로저의 주연부로부터 전기적으로 연장되는, 상기 설치하는 단계, 이차 전지의 전기 단자에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 캐리어 이온을 양극으로부터 음극으로 전달하여 이차 전지를 적어도 부분적으로 충전하는 단계, 전기 전도성 탬 및 이차 전지의 전기 단자 중 하나 이상에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계, 및 음극이 캐리어 이온으로서 저장된 양극 쿨롱 용량의 100%를 초과할 때ㄲK지 이차 전지의 전기 단자에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 캐리어 이온을 이차 전지의 양극으로부터 음극으로 전달하는 단계를 포함한다.
실시예 38: 실시예 37의 방법으로서, 이차 전지로부터 보조 전극을 제거하는 단계, 및 이차 전지를 캡슐화하기 위해 인클로저를 재밀봉하는 단계를 더 포함한다.
실시예 39: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 인클로저는 제1 인클로저 층 및 제2 인클로저 층을 포함하고, 인클로저에 보조 서브조립체를 설치하는 다게는 제1 인클로저 층 상에 보조 서브조립체를 설치하는 단계, 제1 인클로저 층 상에 제2 인클로저 층을 설치하는 단계, 및 밀봉 라인을 따라 제2 인크로저 층에 제1 인클로저 층을 밀봉하여 인클로저를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예 40: 실시예 39의 방법으로서, 제1 인클로저 층은 파우치를 포함하고, 제1 인클로저 층 상에 보조 서브조립체를 설치하는 단계는 파우치에 보조 서브조립체를 설치하는 단계를 포함한다.
실시예 41: 실시예 40의 방법으로서, 파우치에 전해질을 추가하는 단계를 더 포함한다.
실시예 42: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 1.2:1이다.
실시예 43: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 1.3:1이다.
실시예 44: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 1.5:1이다.
실시예 45: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 2:1이다.
실시예 46: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 3:1이다.
실시예 47: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 4:1이다.
실시예 48: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 5:1이다.
실시예 49: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 2:1이다.
실시예 50: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 3:1이다.
실시예 51: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 4:1이다.
실시예 52: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 양극 쿨롱 용량에 대한 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 적어도 5:1이다.
실시예 53: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 음극은 실리콘을 포함하고 이차 전지의 충전 및 방전 사이클 동안 음극에 캐리어 이온이 통합되거나 그로부터 빠져나가는 것에 따른 체적 팽창 및 수축을 수용하기 위해 공극 체적 분율을 함유하는 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 54: 실시예 53의 방법으로서, 애노드 활물질의 공극 체적 분율은 적어도 0.1이다.
실시예 55: 실시예 53의 방법으로서, 애노드 활물질의 공극 체적 분율은 0.8 이하이다.
실시예 56: 실시예 53의 방법으로서, 애노드 활물질의 공극 체적 분율은 약 0.15 내지 약 0.57이다.
실시예 57: 실시예 53의 방법으로서, 애노드 활물질의 공극 체적 분율은 약 0.2 내지 약 0.7이다.
실시예 58: 실시예 53의 방법으로서, 애노드 활물질의 공극 체적 분율은 약 0.25 내지 약 0.6이다.
실시예 59: 실시예 53의 방법으로서, 애노드 활물질은 거대다공성, 미세다공성 또는 중간다공성 층 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예 60: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 50%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 포함한다.
실시예 61: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 55%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시예 62: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 60%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시예 63: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 65%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시예 64: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 70%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시예 65: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 75%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시예 66: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 80%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 포함한다.
실시예 67: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 85%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시예 68: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 90%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시예 69: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 95%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시예 70: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 100%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시예 71: 임의의 이전 실시예의 방법으로서, 캐리어 이온을 보조 전극의 캐리어 이온 공급 층으로부터 이차 전지의 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는 캐리어 이온의 양극 쿨롱 용량의 약 1% 내지 100%를 양극 및 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시예 72: 임의의 이전 실시예의 분리막 층, 분리막 물질 또는 전해질은 PEO 기반 폴리머 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질, 및 폴리머-세라믹 복합 전해질 중 하나 이상으로부터 선택된 폴리머 기반 전해질을 더 포함한다.
실시예 73: 임의의 이전 실시예의 분리막 층, 분리막 물질 또는 전해질은 리튬 란타늄 티타네이트(Li0.34La0.56TiO3), Al 도핑된 리튬 란타늄 지르코네이트(Li6.24La3Zr2Al0.24O11.98), Ta 도핑된 리튬 란타늄 지르코네이트(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12), 및 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3) 중 하나 이상으로부터 선택된 산화물 기반 전해질을 더 포함한다.
실시예 74: 임의의 이전 실시예의 분리막 층, 분리막 물질 또는 전해질은 리튬 주석 인 황화물(Li10SnP2S12), 리튬 인 황화물(β-Li3PS4), 및 리튬 인 황 염화 요오드화물(Li6PS5Cl0.9I0.1) 중 하나 이상으로부터 선택된 고체 전해질을 더 포함한다.
실시예 75: 임의의 이전 실시예의 분리막 층, 분리막 물질 또는 전해질은 고상(solid-state) 리튬 이온 전도성 세라믹을 더 포함한다.
실시예 76: 임의의 이전 실시예의 분리막 층, 분리막 물질 또는 전해질은 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiCl, 및 LiBr; 및 유기 리튬 염, 예컨대, LiB(C6H5)4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF3)3, LiNSO2CF3, LiNSO2CF5, LiNSO2C4F9, LiNSO2C5F11, LiNSO2C6F13, 및 LiNSO2C7F15 중 하나 이상으로부터 선택된 비수성 전해질을 더 포함한다.
실시예 77: 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 음극은 (a) 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 및 카드뮴(Cd); (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Ni, Co 또는 Cd와 기타 원소의 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 또는 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물, 및 이들의 혼합물, 복합재, 또는 리튬 함유 복합재; (d) Sn의 염 및 수산화물; (e) 티탄산리튬, 망간산리튬, 알루민산리튬, 리튬 함유 티타늄 산화물, 리튬 전이 금속 산화물, ZnCo2O4; (f) 흑연 및 탄소 입자; (g) 리튬 금속; 및 (h) 이들의 조합으로터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 78: 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 음극은 흑연, 연질 탄소, 경질 탄소, 그래핀, 또는 리튬을 삽입하거나 또는 리튬과 합금을 형성할 수 있는 임의의 범위의 금속, 반금속, 합금, 산화물, 질화물 및 화합물로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 79: 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 음극은 주석, 납, 마그네슘, 알루미늄, 붕소, 갈륨, 실리콘, Si/C 복합재, Si/흑연 블렌드, 실리콘 산화물(SiOx), 다공성 Si, 금속간 Si 합금, 인듐, 지르코늄, 게르마늄, 비스무트, 카드뮴, 안티몬, 은, 아연, 비소, 하프늄, 이트륨, 리튬, 나트륨, 흑연, 탄소, 티탄산리튬, 팔라듐 및 이들의 혼합물로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 80: 임의의 이전 실시예의 이자 전지로서, 음극은 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 이들의 산화물, 이들의 질화물, 이들의 불화물, 또는 이들의 다른 합금으로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 81: 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 음극은 알루미늄, 주석 또는 실리콘의 섬유, 또는 이들의 합금으로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 82: 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 음극은 안정화된 리튬 금속 입자로부터 선택된 미립자 리튬 물질로 코팅된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 83: 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 캐소드 활물질은 인터칼레이션형 화학 활물질, 전환 화학 활물질, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예 84: 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 캐소드 활물질은 S, LiF, Fe, Cu, Ni, FeF2, FeOdF3.2d, FeF3, CoF3, CoF2, CuF2, NiF2 중 하나 이상으로부터 선택된 전환 화학 물질을 포함하며, 여기서 0 ≤ d ≤ 0.5이다.
실시예 85: 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 캐소드 활물질은 전이 금속 산화물, 전이 금속 황화물, 전이 금속 질화물, 리튬 전이 금속 산화물, 리튬 전이 금속 황화물, 및 리튬 전이 금속 질화물 중 하나 이상을 포함한다.
실시예 86: 이차 전지용 보조 전극으로서, 보조 전극은 X-Y 평면의 주 표면을 가지는 전도성 층으로서, 전도성 층은 전기 전도성인 물질을 포함하고 제1 표면적을 갖는, 상기 전도성 층, 제1 캐리어 이온 공급 층 및 제2 캐리어 이온 공급 층으로서, 제1 캐리어 이온 공급 층 및 제2 캐리어 이온 공급 층 각각은 이차 전지의 전극에 캐리어 이온을 공급하는 물질을 포함하고, 제1 캐리어 이온 공급 층은 전도성 층의 제1 주 표면의 제1 영역을 커버하고 제2 캐리어 이온 공급 층은 전도성 층의 제2 영역을 커버하는, 상기 제1 캐리어 이온 공급 층 및 상기 제2 캐리어 이온 공급 층을 포함하며; 제1 영역 및 제2 영역은 제1 영역과 제2 영역 사이에서 연장되는 제3 영역에 의해 분리되고; 제3 영역은 접힌 구성에서 제1 영역 및 제2 영역이 실질적으로 평행하도록 Y축 방향을 따라 접히도록 구성되고; 제3 영역은 접힌 구성에서 제1 영역 및 제2 영역과 실질적으로 수직이다.
실시예 87. 실시예 87의 보조 전극으로서, 접힌 구성에서 제1 캐리어 이온 공급 층의 주연부는 제2 캐리어 이온 공급 층의 주연부와 실질적으로 정렬된다.
실시예 88. 임의의 이전 실시예에 따른 보조 전극으로서, 제1 캐리어 이온 공급 층과 제2 캐리어 이온 공급 층의 결합된 표면적은 제3 영역의 표면적보다 크다.
실시예 89. 임의의 이전 실시예에 따른 보조 전극으로서, 제1 캐리어 이온 공급 층 상에 배치되고 이와 동일한 공간을 차지하는 제1 분리막 층을 더 포함한다.
실시예 90. 임의의 이전 실시예에 따른 보조 전극으로서, 제2 캐리어 이온 공급 층 상에 배치되고 이와 동일한 공간을 차지하는 제2 분리막 층을 더 포함한다.
실시예 91. 임의의 이전 실시예에 따른 보조 전극으로서, 제3 분리막 층을 더 포함하며, 제3 분리막 층은 제1 주 표면에 대향하는 전도성 층의 제2 주 표면 상에 배치된다.
실시예 92. 임의의 이전 실시예에 따른 보조 전극으로서, 제1 분리막 층, 제2 분리막 층 및 제3 분리막 층은 연속적이다.
실시예 93. 임의의 이전 실시예에 따른 보조 전극으로서, 제1 분리막 층 및 제3 분리막 층은 제1 분리막 층 및 제2 분리막 층의 주연부의 적어도 일부 주위에 함께 기계적으로 접합된다.
실시예 94. 임의의 이전 실시예에 따른 보조 전극으로서, 제2 분리막 층 및 제3 분리막 층은 제2 분리막 층 및 제3 분리막 층의 주연부의 적어도 일부 주위에 함께 기계적으로 접합된다.
실시예 95. 임의의 이전 실시예에 따른 보조 전극으로서, 전도성 층은 구리 및 알루미늄 중 하나, 또는 구리와 알루미늄의 합금을 포함한다.
실시예 96. 임의의 이전 실시예에 따른 보조 전극으로서, 제1 및 제2 캐리어 이온 공급 층은 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온, 알루미늄 이온 및 칼슘 이온의 하나 이상의 소스를 포함한다.
실시예 97. 임의의 이전 실시예에 따른 보조 전극으로서, 전기 전도성이고 전도성 층의 제3 영역 내에서 전도성 층에 결합된 물질을 포함하는 전도성 탭을 더 포함한다.
이 서면 설명은 예를 사용하여 최상의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하고, 또한 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정의되며, 당업자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는 청구범위의 문자 그대로의 언어와 다르지 않은 구조적 요소를 갖고 있거나, 청구범위의 문자 그대로의 언어와 실질적으로 다르지 않은 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
Claims (34)
- 이차 전지용 보조 전극에 있어서, 상기 보조 전극은,
X-Y 평면의 제1 주 표면을 갖는 전도성 층으로서, 상기 전도성 층은 전기 전도성인 물질을 포함하고 제1 표면적을 갖는, 상기 전도성 층,
제1 캐리어 이온 공급 층 및 제2 캐리어 이온 공급 층으로서, 상기 제1 캐리어 이온 공급 층 및 상기 제2 캐리어 이온 공급 층 각각은 상기 이차 전지의 전극에 캐리어 이온을 공급하는 물질을 포함하며, 상기 제1 캐리어 이온 공급 층은 상기 전도성 층의 상기 제1 주 표면의 제1 영역을 커버하고 상기 제2 캐리어 이온 공급 층은 상기 전도성 층의 상기 제1 주 표면의 제2 영역을 커버하는, 상기 제1 캐리어 이온 공급 층 및 상기 제2 캐리어 이온 공급 층을 포함하며;
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에서 연장되는 상기 전도성 층의 제3 영역에 의해 분리되고; 상기 제3 영역은 접힌 구성에서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역이 실질적으로 평행하도록 Y축 방향을 따라 접히도록 구성되고; 상기 제3 영역은 상기 접힌 구성에서 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에 실질적으로 수직인, 보조 전극. - 제1항에 있어서, 상기 접힌 구성에서 상기 제1 캐리어 이온 공급 층의 주연부는 상기 제2 캐리어 이온 공급 층의 주연부와 실질적으로 정렬되는, 보조 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 캐리어 이온 공급 층과 상기 제2 캐리어 이온 공급 층의 결합된 표면적은 상기 제3 영역의 표면적보다 큰, 보조 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 캐리어 이온 공급 층 상에 배치되고 이와 동일한 공간을 차지하는 제1 분리막 층을 더 포함하는, 보조 전극.
- 제4항에 있어서, 상기 제2 캐리어 이온 공급 층 상에 배치되고 이와 동일한 공간을 차지하는 제2 분리막 층을 더 포함하는, 보조 전극.
- 제5항에 있어서, 제3 분리막 층을 더 포함하며, 상기 제3 분리막 층은 상기 제1 주 표면에 대향하는 상기 전도성 층의 제2 주 표면 상에 배치되는, 보조 전극.
- 제6항에 있어서, 상기 제1 분리막 층, 상기 제2 분리막 층 및 상기 제3 분리막 층은 연속적인, 보조 전극.
- 제6항에 있어서, 상기 제1 분리막 층 및 상기 제3 분리막 층은 상기 제1 분리막 층 및 상기 제2 분리막 층의 주연부의 적어도 일부 주위에 함께 기계적으로 접합되는, 보조 전극.
- 제6항에 있어서, 상기 제2 분리막 층 및 상기 제3 분리막 층은 상기 제2 분리막 층 및 상기 제3 분리막 층의 주연부의 적어도 일부 주위에 함께 기계적으로 접합되는, 보조 전극.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 층은 구리 및 알루미늄 중 하나, 또는 구리와 알루미늄의 합금을 포함하는, 보조 전극. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 캐리어 이온 공급 층은 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온, 알루미늄 이온 및 칼슘 이온의 하나 이상의 소스를 포함하는, 보조 전극. - 제1항에 있어서,
전기 전도성이고 상기 전도성 층의 상기 제3 영역 내에서 상기 전도성 층에 결합된 물질을 포함하는 전도성 탭을 더 포함하는, 보조 전극. - 버퍼링 시스템에 있어서,
서로 대향하는 주 표면 및 전기 단자를 갖는 이차 전지로서, 상기 전기 단자 각각은 상기 이차 전지의 양극 및 음극 중 하나에 결합되고, 상기 이차 전지는 상기 음극과 상기 양극 사이에 상기 음극 및 상기 양극과 이온 접촉되는 전해질이 침투되는 미세다공성 분리막을 포함하고, 상기 음극은 애노드 활성 실리콘 또는 그 합금을 포함하고 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 가지며, 상기 양극은 캐소드 활물질을 포함하고 상기 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 가지며, 상기 음극 쿨롱 용량은 상기 양극 쿨롱 용량을 초과하는, 상기 이차 전지;
상기 이차 전지의 상기 주 표면과 접촉하는 보조 전극으로서, 상기 보조 전극은,
이온 투과성인 물질을 포함하는 제1 분리막 층;
전기 전도성인 물질을 포함하고 상기 제1 분리막 층과 접촉하는 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 전도성 층으로서, 상기 제2 표면은 상기 전도성 층의 제1 단부에 배치된 제1 영역, 상기 제1 단부에 대향하는 상기 전도성 층의 제2 단부에 배치된 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 배치된 제3 영역으로 세그먼트화되는, 상기 전도성 층;
상기 이차 전지의 상기 양극에 상기 캐리어 이온을 공급하는 물질을 각각 포함하는 캐리어 이온 공급 층의 집단으로서, 상기 캐리어 이온 공급 층의 각각의 층은 상기 전도성 층의 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 내에 배치되는, 상기 캐리어 이온 공급 층의 집단;
이온 투과성인 물질을 포함하는 제2 분리막 층으로서, 상기 제2 분리막 층은 상기 전도성 층의 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 내에서 상기 캐리어 이온 공급 층을 상기 이차 전지의 상기 주 표면으로부터 분리하는, 상기 제2 분리막 층; 및
전기 전도성인 물질을 포함하는 전도성 탭으로서, 상기 전도성 탭은 상기 전도성 층의 상기 제3 영역 내에서 상기 전도성 층의 상기 제2 표면에 결합된 제1 단부 및 상기 제1 단부에서 원위에 있는 제2 단부를 갖는, 상기 전도성 탭을 포함하는, 상기 보조 전극; 및
상기 보조 전극 및 상기 이차 전지를 캡술화하는 인클로저로서, 상기 전기 단자 및 상기 전도성 탭의 상기 제2 단부는 상기 인클로저의 주연부로부터 전기적으로 연장되는, 상기 인클로저를 포함하는, 버퍼링 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 인클로저는 제1 인클로저 층 및 제2 인클로저 층을 포함하고;
상기 보조 전극 및 상기 이차 전지는 상기 제1 인클로저 층에 형성된 파우치 내에 배치되는, 버퍼 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제2 분리막 층에 침투되는 전해질을 더 포함하는, 버퍼 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 캐리어 이온 공급 층은 상기 이차 전지의 양극용 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온, 알루미늄 이온 및 칼슘 이온의 하나 이상의 소스를 포함하는, 버퍼 시스템. - 보조 전극을 사용하여 캐리어 이온으로 이차 전지를 버퍼링하는 방법으로서, 상기 이차 전지는 서로 대향되는 주 표면 및 전기 단자를 가지며, 상기 전기 단자 각각은 상기 이차 전지의 양극 및 음극 중 하나에 결합되고, 상기 이차 전지는 상기 음극과 상기 양극 사이에 상기 음극 및 상기 양극과 이온 접촉되는 전해질이 침투되는 미세다공성 분리막을 포함하고, 상기 음극은 애노드 활성 실리콘 또는 그 합금을 포함하고 상기 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 가지며, 상기 양극은 캐소드 활물질을 포함하고 상기 캐리어 이온에 대한 쿨롱 용량을 가지며, 상기 음극 쿨롱 용량은 상기 양극 쿨롱 용량을 초과하며, 상기 방법은,
상기 이차 전지의 상기 주 표면과 접촉되게 상기 보조 전극을 배치하여 보조 서브조립체를 형성하는 단계로서, 상기 보조 전극은 전기 전도성 층, 상기 이차 전지의 상기 주 표면에 근접한 상기 전기 전도성 층 상에 배치된 캐리어 이온 공급 층, 상기 이차 전지의 상기 주 표면과 상기 캐리어 이온 공급 층 사이에 배치된 분리막 층, 및 상기 전기 전도성 층에 결합된 전기 전도성 탭을 포함하는, 상기 형성하는 단계;
인클로저에 상기 보조 서브조립체를 설치하는 단계로서, 상기 이차 전지의 상기 전기 단자 및 상기 보조 전극의 상기 전기 전도성 탭은 상기 인클로저의 주연부로부터 전기적으로 연장되는, 상기 설치하는 단계;
상기 이차 전지의 상기 전기 단자에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 상기 캐리어 이온을 상기 양극으로부터 상기 음극으로 전달하여 상기 이차 전지를 적어도 부분적으로 충전하는 단계;
상기 보조 전극의 상기 전기 전도성 탭 및 상기 이차 전지의 상기 전기 단자 중 하나 이상에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 상기 캐리어 이온을 상기 보조 전극의 상기 캐리어 이온 공급 층으로부터 상기 이차 전지의 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계; 및
상기 음극이 상기 캐리어 이온으로서 저장된 상기 양극 쿨롱 용량의 100%를 초과할 때까지 상기 이차 전지의 상기 전기 단자에 걸쳐 전위 전압을 인가함으로써 상기 캐리어 이온을 상기 양극으로부터 상기 음극으로 전달하여 상기 이차 전지를 충전하는 단계를 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서,
상기 인클로저를 개방하는 단계;
상기 이차 전지로부터 상기 보조 전극을 제거하는 단계; 및
상기 이차 전지를 캡슐화하기 위해 상기 인클로저를 재밀봉하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서,
상기 인클로저는 제1 인클로저 층 및 제2 인클로저 층을 포함하고;
상기 인클로저에 상기 보조 서브조립체를 설치하는 단계는,
상기 제1 인클로저 층 상에 상기 보조 서브조립체를 설치하는 단계;
상기 제1 인클로저 층 상에 상기 제2 인클로저 층을 설치하는 단계; 및
상기 인클로저를 형성하기 위해 밀봉 라인을 따라 상기 제1 인클로저 층을 상기 제2 인클로저 층에 밀봉하는 단계를 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서,
상기 제1 인클로저 층은 파우치를 포함하고;
상기 제1 인클로저 층 상에 상기 보조 서브조립체를 설치하는 단계는,
상기 파우치에 상기 보조 서브조립체를 설치하는 단계를 포함하는, 방법. - 제20항에 있어서,
상기 파우치에 전해질을 추가하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서,
상기 양극 쿨롱 용량에 대한 상기 음극 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 약 1.2:1 내지 약 5:1의 범위에 있는, 방법. - 제17항에 있어서,
상기 양극 쿨롱 용량에 대한 상기 보조 전극의 쿨롱 용량의 비율은 상대 전극에 대해 순환될 때 각각 약 2:1 내지 약 5:1의 범위에 있는, 방법. - 제17항에 있어서,
상기 음극은 실리콘을 포함하고 상기 이차 전지의 충전 및 방전 사이클 동안 상기 음극에 상기 캐리어 이온이 통합되거나 그로부터 빠져나가는 것에 따른 체적 팽창 및 수축을 수용하기 위해 공극 체적 분율을 함유하는 애노드 활물질을 포함하는, 방법. - 제24항에 있어서,
상기 애노드 활물질의 상기 공극 체적 분율은 약 0.1 내지 약 0.7인, 방법. - 제25항에 있어서,
상기 애노드 활물질은 거대다공성, 미세다공성 또는 중간다공성 물질 층 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 캐리어 이온을 상기 보조 전극의 상기 캐리어 이온 공급 층으로부터 상기 이차 전지의 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는,
상기 캐리어 이온의 상기 양극 쿨롱 용량의 약 50%를 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 캐리어 이온을 상기 보조 전극의 상기 캐리어 이온 공급 층으로부터 상기 이차 전지의 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는,
상기 캐리어 이온의 상기 양극 쿨롱 용량의 약 60%를 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 캐리어 이온을 상기 보조 전극의 상기 캐리어 이온 공급 층으로부터 상기 이차 전지의 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는,
상기 캐리어 이온의 상기 양극 쿨롱 용량의 약 70%를 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 캐리어 이온을 상기 보조 전극의 상기 캐리어 이온 공급 층으로부터 상기 이차 전지의 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는,
상기 캐리어 이온의 상기 양극 쿨롱 용량의 약 80%를 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 캐리어 이온을 상기 보조 전극의 상기 캐리어 이온 공급 층으로부터 상기 이차 전지의 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는,
상기 캐리어 이온의 상기 양극 쿨롱 용량의 약 90%를 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 캐리어 이온을 상기 보조 전극의 상기 캐리어 이온 공급 층으로부터 상기 이차 전지의 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는,
상기 캐리어 이온의 상기 양극 쿨롱 용량의 약 100%를 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 캐리어 이온을 상기 보조 전극의 상기 캐리어 이온 공급 층으로부터 상기 이차 전지의 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계는,
상기 캐리어 이온의 상기 양극 쿨롱 용량의 약 1% 내지 약 100%를 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 캐리어 이온 공급 층은 상기 이차 전지의 양극용 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온, 알루미늄 이온 및 칼슘 이온의 하나 이상의 소스를 포함하는, 방법.
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