KR20240040623A - 블렌딩된 활성 재료를 포함하는 전극 - Google Patents

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Abstract

제1 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료; 및 제2 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하는, 리튬 이온 배터리용 전극이 제공되며, 여기서 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료 둘 모두는 LiMPO4(여기서, M은 철(Fe) 또는 망간(Mn) 중 하나 이상임)이고, 제1 리튬 금속 인산염 재료는 제2 리튬 금속 인산염 재료와 1:1 초과의 중량비로 블렌딩된다.

Description

블렌딩된 활성 재료를 포함하는 전극{ELECTRODES COMPRISING BLENDED ACTIVE MATERIAL}
본 발명은 일반적으로 캐소드 활성 재료에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 리튬 이온 배터리를 위한 캐소드 활성 재료를 블렌딩하는 것에 관한 것이다.
활성 재료 블렌드, 블렌딩된 활성 재료를 포함하는 캐소드, 블렌딩된 활성 재료를 포함하는 캐소드를 갖는 리튬 이온 배터리, 및 블렌딩된 활성 재료를 포함하는 캐소드를 갖는 리튬 이온 배터리를 포함하는 전기 차량이 제공된다. 구체적으로, 기재된 실시 형태는 제1 복수의 입자를 포함하는 제1 리튬 인산염 재료 및 제2 복수의 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 1:1 초과의 중량비로 블렌딩하는 것을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제2 복수의 입자는 1차 입자의 응집체를 포함하는 2차 입자를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제2 리튬 금속 인산염 재료는 2차 입자 및 1차 입자 둘 모두를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료 둘 모두는 1차 입자만 포함한다.
제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료 둘 모두는 하기 화학식 LiMPO4(여기서, M은 망간(Mn) 또는 철(Fe) 중 하나 이상임)이다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 재료 및 제2 리튬 금속 재료는 상이한 화학식을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료의 화학식은 동일할 수 있다.
본 명세서에 기재된 활성 재료 블렌드는 높은 에너지 밀도, 높은 고형물, 높은 레이트 성능(rate performance), 높은 출력 밀도, 및/또는 저온 성능과 같은 특정 성능 특성을 달성하도록 제형화된다. 이러한 활성 재료 블렌드는 원통형, 각형, 및/또는 파우치형 구조를 갖는 리튬 이온 배터리에 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 블렌딩된 활성 재료는 전기 차량에 사용하기 위한 재충전가능한 리튬 이온 배터리를 위한 캐소드를 제조하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 제1 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료; 및 제2 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하는, 리튬 이온 배터리용 전극이 제공되며, 여기서 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료 둘 모두는 LiMPO4(여기서, M은 철(Fe) 또는 망간(Mn) 중 하나 이상임)이고, 제1 리튬 금속 인산염 재료는 제2 리튬 금속 인산염 재료와 1:1 초과의 중량비로 블렌딩된다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료의 제1 복수의 활성 재료 입자의 활성 재료 입자의 D50은 제2 리튬 금속 인산염 재료의 제2 복수의 활성 재료 입자의 활성 재료 입자의 D50 미만이다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 복수의 활성 재료 입자는 1차 활성 재료 입자를 포함한다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제2 복수의 활성 재료 입자는 1차 활성 재료 입자 및 2차 활성 재료 입자를 포함한다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제2 리튬 금속 인산염 재료의 2차 활성 재료 입자는 1차 활성 재료 입자의 응집체를 포함한다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료는 동일한 LiMPO4이다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료의 제1 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자의 D50은 150 나노미터 내지 2 마이크로미터이다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제2 리튬 금속 인산염 재료의 제2 복수의 활성 재료 입자의 2차 활성 재료 입자의 D50은 1 내지 20 마이크로미터이다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 리튬 금속 인산염 재료의 블렌드는 0.5 내지 3 중량%의 탄소를 포함한다.
전극의 일부 실시 형태에서, 전극은 저항률이 600 ohm-cm 이하이다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 리튬 금속 인산염 재료의 블렌드는 탭 밀도(tap density)가 0.8 g/cc 이상이다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료는 제2 리튬 금속 인산염 재료와 3:2 초과의 중량비로 블렌딩된다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료는 제2 리튬 금속 인산염 재료와 3:1 초과의 중량비로 블렌딩된다.
전극의 일부 실시 형태에서, 전극은 전극 프레스 밀도(press density)가 1.8 내지 2.8 g/cc이다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료의 제1 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자의 D50은 150 나노미터 이상이고, 제1 리튬 금속 인산염 재료의 제1 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자의 표면적은 15 m2/g 이하이다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료의 제1 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자 또는 제2 리튬 금속 인산염 재료의 제2 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자 중 적어도 하나의 D50은 350 나노미터 이하이다.
전극의 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료의 제1 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자의 D50은 350 나노미터 이하이다.
일부 실시 형태에서, 재충전가능한 리튬 이온 배터리가 제공되며, 배터리는 제1 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료; 및 제2 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하는 전극을 포함하고, 여기서 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료 둘 모두는 LiMPO4(여기서, M은 철(Fe) 또는 망간(Mn) 중 하나 이상임)이고, 제1 리튬 금속 인산염 재료는 제2 리튬 금속 인산염 재료와 1:1 초과의 중량비로 블렌딩된다.
일부 실시 형태에서, 전기 차량 시스템이 제공되며, 전기 차량 시스템은 제1 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료; 및 제2 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하는 전극을 포함하는 재충전가능한 리튬 이온 배터리를 포함하고, 여기서 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료 둘 모두는 LiMPO4(여기서, M은 철(Fe) 또는 망간(Mn) 중 하나 이상임)이고, 제1 리튬 금속 인산염 재료는 제2 리튬 금속 인산염 재료와 1:1 초과의 중량비로 블렌딩된다.
상기에 개시된 실시 형태는 단지 예이며, 본 발명의 범위는 이로 한정되지 않는다. 특정 실시 형태는 상기에 개시된 실시 형태의 구성요소, 요소, 특징, 기능, 동작, 또는 단계 중 전부 또는 일부를 포함할 수 있거나 어느 것도 포함하지 않을 수 있다. 첨부된 청구범위의 종속 관계 또는 재인용(reference back)은 단지 형식적인 이유로 선택된다. 그러나, 임의의 선행 청구항에 대한 의도적인 재인용(특히 다중 종속 관계)으로 인한 임의의 청구요지(subject matter)는 또한 청구항 및 이의 특징의 임의의 조합이 개시되도록 청구될 수 있으며, 첨부된 청구범위에서 선택된 종속 관계에 관계없이 청구될 수 있다. 청구될 수 있는 청구요지는 첨부된 청구범위에 설명된 바와 같은 특징들의 조합뿐만 아니라 청구범위에서의 특징들의 임의의 다른 조합을 포함하며, 청구범위에서 언급된 각각의 특징은 청구범위에서의 임의의 다른 특징 또는 다른 특징들의 조합과 조합될 수 있다. 더욱이, 본 명세서에 기재되거나 도시된 임의의 실시 형태 및 특징은 별도의 청구항에서, 및/또는 본 명세서에 기재되거나 도시된 임의의 실시 형태 또는 특징과의 또는 첨부된 청구범위의 임의의 특징과의 임의의 조합으로 청구될 수 있다.
도 1a는 일부 실시 형태에 따른, 1차 입자만 포함하는 활성 재료의 주사 전자 현미경 이미지를 도시한다.
도 1b는 일부 실시 형태에 따른, 1차 입자로 만들어진 2차 구형 입자를 포함하는 활성 재료의 주사 전자 현미경 이미지를 도시한다.
도 1c는 일부 실시 형태에 따른, 제1 입자만 포함하는 제1 활성 재료 및 2차 구형 입자를 포함하는 제2 활성 재료를 포함하는 블렌딩된 활성 재료의 주사 전자 현미경 이미지를 도시한다.
도 2a는 일부 실시 형태에 따른, 1차 입자만 포함하는 활성 재료를 포함하는 코팅 층을 도시한다.
도 2b는 일부 실시 형태에 따른, 2차 입자를 포함하는 활성 재료를 포함하는 코팅 층을 도시한다.
도 2c는 일부 실시 형태에 따른, 1차 입자만 포함하는 제1 활성 재료와 2차 입자를 포함하는 제2 활성 재료의 블렌드를 포함하는 코팅 층을 도시한다.
도 3a는 일부 실시 형태에 따른, 더 높은 탭 밀도 및/또는 전극 밀도를 초래하는 작은 1차 입자 및 큰 2차 입자를 포함하는 전극의 도를 도시한다.
도 3b는 일부 실시 형태에 따른, 더 높은 다공도를 초래하는, 2차 입자 및 도 3a의 입자에 비해 더 큰 1차 입자를 포함하는 전극의 도를 도시한다.
도 4a는 일부 실시 형태에 따른, 4가지 상이한 등급의 리튬 철 인산염 재료에 대한 슬러리 내의 고체 함량과 캐소드 활성 재료의 표면적 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 일부 실시 형태에 따른, 4가지 상이한 등급의 리튬 철 인산염 재료에 대한 탭 밀도와 탄소 함량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4c는 일부 실시 형태에 따른, 4가지 상이한 등급의 리튬 철 인산염 재료에 대한 전기 저항률과 탄소 함량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 금속 리튬 애노드를 갖는 코인 반전지를 사용하는 4가지 상이한 리튬 이온 배터리의 실온 전기화학 성능을 나타내는 그래프이다.
도 6은 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 저온(-10℃) 및 높은 C-레이트(2 C)에서 흑연 애노드를 갖는 완전 전지를 사용하는 4가지 상이한 리튬 이온 배터리에 대한 방전 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 저온(-10℃) 및 낮은 C-레이트(0.1 C, 10시간 방전)에서 흑연 애노드를 갖는 완전 전지를 사용하는 4가지 상이한 리튬 이온 배터리에 대한 다양한 방전율 성능을 나타내는 그래프이다.
도 7b는 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 저온(-10℃) 및 정상 작동 C-레이트(0.33 C, 3시간 방전)에서 흑연 애노드를 갖는 완전 전지를 사용하는 4가지 상이한 리튬 이온 배터리에 대한 다양한 방전율 성능을 나타내는 그래프이다.
도 7c는 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 저온(-10℃) 및 더 높은 C-레이트(1 C, 1시간 방전)에서 흑연 애노드를 갖는 완전 전지를 사용하는 4가지 상이한 리튬 이온 배터리에 대한 다양한 방전율 성능을 나타내는 그래프이다.
도 7d는 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 저온(-10℃) 및 더 높은 C-레이트(2 C, 30분 방전)에서 흑연 애노드를 갖는 완전 전지를 사용하는 4가지 상이한 리튬 이온 배터리에 대한 다양한 방전율 성능을 나타내는 그래프이다.
도 8은 일부 실시 형태에 따른, 전형적인 배터리 셀 제조 공정에 대한 흐름도를 예시한다.
도 9는 일부 실시형태에 따른, 원통형 배터리 셀의 단면도의 예시적인 예를 도시한다.
도 10은 일부 실시형태에 따른, 각형 배터리 셀의 단면도의 예시적인 예를 도시한다.
도 11은 일부 실시형태에 따른, 파우치형 배터리 셀의 단면도의 예시적인 예를 도시한다.
도 12는 일부 실시 형태에 따른, 배터리 모듈 및 팩을 형성하기 위해 프레임 내로 삽입되는 원통형 배터리 셀을 예시한다.
도 13은 일부 실시 형태에 따른, 배터리 모듈 및 팩을 형성하기 위해 프레임 내로 삽입되는 각형 배터리 셀을 예시한다.
도 14는 일부 실시 형태에 따른, 배터리 모듈 및 팩을 형성하기 위해 프레임 내로 삽입되는 파우치형 배터리 셀을 예시한다.
도 15는 일부 실시 형태에 따른, 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 전기 차량의 단면도의 예를 예시한다.
활성 재료 블렌드, 활성 재료 블렌드를 포함하는 캐소드, 블렌딩된 활성 재료를 포함하는 캐소드를 갖는 리튬 이온 배터리, 블렌딩된 활성 재료를 포함하는 캐소드를 갖는 리튬 이온 배터리를 포함하는 전기 차량, 및 캐소드 활성 재료를 블렌딩하는 방법이 본 명세서에서 제공된다.
대부분의 전기 차량은 주요 전력원으로서 재충전가능한 리튬 이온 배터리에 의존한다. 재충전가능한 리튬 이온 배터리의 캐소드, 및 더 구체적으로는 재충전가능 리튬 이온 배터리의 전기화학적 특성은 배터리의 성능(예컨대, 에너지 밀도, 사이클 수명)에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 재충전가능한 리튬 이온 배터리를 위해 일반적으로 사용되는 캐소드 재료 중 하나는 리튬 금속 인산염 재료(LiMPO4)이며, 여기서 M은 철(Fe) 또는 망간(Mn), 또는 Fe와 Mn 둘 모두의 혼합물일 수 있다.
일반적으로 말해서, 상이한 등급의 리튬 금속 인산염 재료들이 특정 목표 배터리 특성을 달성하는 데 사용된다. 예를 들어, 고전력 응용의 경우, 더 작은 입자를 갖는 리튬 금속 인산염 재료가 일반적으로 이용된다. 높은 에너지 밀도 응용의 경우, 더 큰 입자를 갖는 리튬 금속 인산염 재료가 일반적으로 이용된다. 그러나, 적합한 출력 및 적합한 에너지 밀도 둘 모두를 갖는 배터리를 달성하기 위해, 예를 들어, 전극은 본 명세서에 기재된 바와 같이 둘 이상의 리튬 금속 인산염 재료의 블렌드를 사용하여 제조될 수 있다.
리튬 이온 배터리(및 그러한 리튬-온 배터리에 의해 전력을 공급 받는 전기 차량)의 성능 특성은 본 명세서에 기재된 바와 같은 특정 비에 따라 캐소드 활성 재료를 블렌딩함으로써 최적화될 수 있는 것으로 결정되었다.
일부 실시 형태에서, 블렌딩된 활성 재료는 제1 복수의 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 복수의 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료의 제1 복수의 입자는 D50이 150 나노미터(nm) 내지 2 마이크로미터(μm)이다. 일부 실시 형태에서, 제2 리튬 금속 인산염 재료의 제2 복수의 입자는 D50이 1 내지 20 μm이다. 일부 실시 형태에서, 제2 복수의 입자는 1차 입자의 응집체이고, 분무 건조에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 2차 입자의 D50은 1차 입자의 D50보다 더 크다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "D50"은 입자 크기 분석기(PSA)로 측정된 중위 입자 크기, 또는 누적 분포에서 50%의 입자 크기(직경)를 지칭한다. 1차 입자는 특히 나노크기의 분말에서 서로 응집하는 경향이 있기 때문에, PSA 측정 값(예를 들어, D10, D50, D90, D100)이 항상 단결정 입자의 크기를 나타내는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "D10"은 누적 분포에서 10%의 입자 크기(직경)를 지칭하고, "D90"은 누적 분포에서 90%의 입자 크기(직경)를 지칭한다.
제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 금속 인산염 재료 둘 모두는 화학식 LiMPO4를 가지며, 여기서, M은 철(Fe) 또는 망간(Mn) 중 하나 이상이다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료 둘 모두는 동일한 화학식을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료는 상이한 화학식을 가질 수 있다.
캐소드에 사용하기 위한 블렌딩 활성 재료를 형성하기 위해, 제1 리튬 금속 인산염 재료는 제2 리튬 금속 인산염 재료와 1:1 초과의 중량비로 블렌딩된다(즉, 제1 복수의 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료의 총 중량은 제2 복수의 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료의 총 중량보다 크다). 정확한 블렌드 비는, 하기에 더 상세히 기재되는 바와 같이, 목표 성능 특성에 기초하여 결정될 수 있다.
도 1a는 일부 실시 형태에 따른, 1차 입자만 포함하는 활성 재료의 주사 전자 현미경 이미지를 도시한다. 도 1a에 도시된 이러한 재료는 본 명세서에 기재된 바와 같은 "제1 리튬 금속 인산염 재료" 및/또는 "제2 리튬 금속 인산염 재료"일 수 있다. 도 1a의 재료는 또한 LiMPO4 재료일 수 있으며, 여기서 M은 철(Fe) 또는 망간(Mn) 중 하나 이상이다.
일부 실시 형태에서, 1차 입자는 형상이 대략 구형이다. 도면에 제공된 척도에 의해 나타낸 바와 같이, 도 1a에 도시된 재료의 1차 입자는 나노미터 단위로 측정된다(즉, 도시된 바와 같이 1 마이크로미터보다 상당히 더 작다). 그러나, 도 1a에 도시된 입자의 크기는 적합한 입자 크기의 단지 일 예이다. 본 명세서에 기재된 블렌딩 활성 재료의 상이한 실시 형태는 도면에 도시된 것과는 상이한 크기의 1차 입자를 포함하는 리튬 금속 인산염 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 바와 같은 블렌딩된 활성 재료를 위한 리튬 금속 인산염 재료의 1차 입자의 D50은 300 나노미터(nm) 내지 2 마이크로미터(μm), 또는 150 nm 내지 1 μm일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 리튬 금속 인산염 재료의 1차 입자의 D50은 2 μm, 1 μm, 750 nm, 500 nm, 또는 250 nm 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 리튬 금속 인산염 재료의 1차 입자의 D50은 150 nm, 250 nm, 500 nm, 750 nm, 또는 1 μm 이상일 수 있다. "D50"은 입자 크기 분석기(PSA)로 측정된 중위 입자 크기를 지칭하며; 따라서, D10은 D50 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 리튬 금속 인산염 재료는 1차 입자만을 포함하고 2차 입자는 포함하지 않는다. 더 작은 1차 입자는 충전 및 방전 공정 동안 리튬 이온 확산을 위한 경로가 더 짧은데, 이는 더 작은 1차 입자가 높은 C-레이트 충전/방전 공정을 위해 전형적으로 더 좋다는 것을 의미한다. 또한, 저온 작동에서는, 리튬 확산이 방해된다. 따라서, 더 작은 1차 입자는 저온 작동 동안 더 많은 리튬을 끌어들일/빼낼 가능성이 더 높다.
일부 실시 형태에서, 리튬 금속 인산염 재료의 1차 입자는 입자 크기(D10 내지 D90을 포함함)가 20 나노미터(nm) 내지 100 마이크로미터(μm)이다. 일부 실시 형태에서, 리튬 금속 인산염 재료의 1차 입자는 입자 크기(D10 내지 D90을 포함함)가 100 μm, 50 μm, 1 μm, 750 nm, 500 nm, 250 nm, 또는 100 nm 이하이다. 일부 실시 형태에서, 리튬 금속 인산염 재료의 1차 입자는 입자 크기(D10 내지 D90을 포함함)가 20 nm, 100 nm, 250 nm, 500 nm, 750, 1 μm, 또는 50 μm 이상이다.
일부 실시 형태에서, 도 1a의 재료는 양호한 탭 밀도 및 패킹 밀도를 달성하는 데 최적이 아닐 수 있다. 이는 크기가 유사한 비교적 작은 입자들 사이에 비교적 많은 양의 공극 공간을 갖기 때문이다. 더 큰 입자 크기 분포를 갖는 것이 더 우수한 탭 밀도 및 패킹 밀도를 달성하는 데 도움이 된다. 일부 실시 형태에서, 이러한 재료는, 특히 1차 입자 크기가 너무 클 경우, 저온 성능이 덜 최적일 수 있다.
도 1b는 2차 구형 입자를 포함하는 활성 재료의 주사 전자 현미경 이미지를 도시한다. 특히, 도면에 나타나 있는 2차 입자는 더 작은 1차 입자를 포함한다. 도 1b에 도시된 이러한 재료는 본 명세서에 기재된 바와 같은 "제2 리튬 금속 인산염 재료"일 수 있다. 도 1b의 재료는 또한 LiMPO4 재료일 수 있으며, 여기서 M은 철(Fe) 또는 망간(Mn) 중 하나 이상이다.
도 1b에 도시된 재료는 1차 입자(104)가 내장된 2차 구형 입자(102)이다. 1차 입자는 일반적으로 단결정인 반면, 2차 입자는 분무-건조 기술을 사용하여 의도적으로 형성된 일차(단결정) 입자들의 응집체이다. 도 1b에 도시된 실시 형태에서, 2차 입자는 일반적으로 도 1a 및 도 1b 둘 모두에서 1차 입자보다 더 크다. 그러나, 항상 그런 것은 아닐 수도 있다. 또한, 도 1b의 1차 입자는 (예를 들어, 화학식, 결정 구조 등에 기초하여) 도 1a의 1차 입자와 반드시 동일하지는 않다. 1차 입자는 더 높은 열처리 온도에서 및/또는 더 큰 전구체를 사용하여 상당히 더 큰 크기(즉, 최대 10 내지 25 마이크로미터 정도)로 제조될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 2차 입자는 1 마이크로미터만큼 작게 분무-건조될 수 있다.
도 1b에 도시된 1차 입자 및 2차 입자 둘 모두의 크기는 적합한 입자 크기의 단지 일 예이다. 본 명세서에 기재된 블렌딩 활성 재료의 상이한 실시 형태는 도면에 도시된 것과는 상이한 입자 크기 분포를 갖는 1차 입자 또는 2차 입자를 포함하는 리튬 금속 인산염 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 블렌딩 활성 재료를 위한 리튬 금속 인산염 재료의 2차 입자의 D50은 1 내지 100 또는 1 내지 50 마이크로미터(μm)일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 리튬 금속 인산염 재료의 2차 입자의 D50은 100, 50, 40, 30, 20, 10, 또는 5 μm 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 2차 리튬 금속 인산염 재료의 2차 입자의 D50은 1, 5, 10, 20, 30, 40, 또는 50 μm 이상일 수 있다. 더 넓은 범위의 2차 입자 크기를 포함하는 리튬 금속 인산염 재료는 재료의 프레스 밀도를 개선할 수 있으며, 이는 결국 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 블렌딩 활성 재료를 위한 리튬 금속 인산염 재료의 2차 입자는 입자 크기(D10 내지 D90)가 1 내지 100 마이크로미터(μm)일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 블렌딩 활성 재료를 위한 리튬 금속 인산염 재료의 2차 입자는 입자 크기(D10 내지 D90)가 100, 75, 50, 또는 25 μm 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 블렌딩 활성 재료를 위한 리튬 금속 인산염 재료의 2차 입자는 입자 크기(D10 내지 D90)가 1, 25, 50, 또는 75 μm 이상일 수 있다.
도 1b에 나타나 있는 1차 입자의 D50은 300 나노미터(nm) 내지 2 마이크로미터(μm), 또는 150 nm 내지 1 μm일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 1차 입자의 D50은 2 μm, 1 μm, 750 nm, 500 nm, 또는 250 nm 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 1차 입자의 D50은 150 nm, 250 nm, 500 nm, 750 nm, 또는 1 μm 이상일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 1차 입자는 입자 크기(D10 내지 D90을 포함함)가 20 나노미터(nm) 내지 100 마이크로미터(μm)이다. 일부 실시 형태에서, 1차 입자는 입자 크기(D10 내지 D90을 포함함)가 100 μm, 50 μm, 1 μm, 750 nm, 500 nm, 250 nm, 또는 100 nm 이하이다. 일부 실시 형태에서, 리튬 금속 인산염 재료의 1차 입자는 입자 크기(D10 내지 D90을 포함함)가 20 nm, 100 nm, 250 nm, 500 nm, 750, 1 μm, 또는 50 μm 이상이다.
일부 실시 형태에서, 제2 리튬 금속 인산염 재료의 입자의 D50은 제1 리튬 금속 인산염 금속 재료의 D50보다 크다. 일부 실시 형태에서, 제2 리튬 금속 인산염 재료의 입자의 D50은 제1 리튬 금속 인산염 재료의 입자의 D50보다 1.1 내지 350배 더 크다. 일부 실시 형태에서, 제2 리튬 금속 인산염 재료의 입자의 D50은 제1 리튬 금속 인산염 재료의 입자의 D50보다 350, 300, 250, 200, 150, 100, 75, 50, 25, 10, 또는 5배 이하로 더 크다. 일부 실시 형태에서, 제2 리튬 금속 인산염 재료의 입자의 D50은 제1 리튬 금속 인산염 재료의 입자의 D50보다 1.1, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 또는 300배 이상으로 더 크다.
일부 실시 형태에서, 도 1b의 재료는, 특히 2차 입자 내의 1차 입자가 매우 작은(200 nm 미만인) 경우, 레이트 성능 및 저온 성능이 최적일 수 있다. 2차 입자 크기가 서로 유사하면, 이 재료는 에너지 밀도가 덜 최적일 수 있는데, 그 이유는 유사한 크기의 2차 입자들 사이에서 제조된 전극을 프레싱할 때 공극 공간이 있을 것이기 때문이다. 그러나 이는 2차 입자 크기 분포가 다양하여 공극 공간이 감소하는 경우 최적화될 수 있다.
도 1c는 일부 실시 형태에 따른, 제1 입자만 포함하는 제1 활성 재료(예를 들어, 도 1a에 도시된 것) 및 2차 구형 입자를 포함하는 제2 활성 재료(예를 들어, 도 1b에 도시된 것)를 포함하는 블렌딩된 활성 재료의 주사 전자 현미경 이미지를 도시한다. 도면에 나타낸 바와 같이, 블렌딩된 재료는 단지 제1 리튬 금속 인산염 재료 또는 제2 리튬 금속 인산염 재료만의 것보다 매우 다양한 입자 및 입자 크기를 포함한다.
하기는 3가지 재료 사이의 예시적인 특성 차이를 보여주는 표이다. "큰 2차" 컬럼은 제2 리튬 금속 인산염 재료(예를 들어, 도 1b의 재료)를 나타낼 수 있고, "작은 입자" 컬럼은 제1 리튬 금속 인산염 재료(예를 들어, 도 1a의 재료)를 나타낼 수 있고, "블렌딩됨" 컬럼은 제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 리튬 금속 인산염 재료의 블렌드를 포함하는 블렌딩된 활성 재료(예를 들어, 도 1c의 재료)를 나타낼 수 있다.
제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 리튬 금속 인산염 재료의 특정 블렌딩 비는 활성 재료 및/또는 블렌딩된 활성 재료로 제조되는 전극을 포함하는 배터리의 목표 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 금속 인산염 재료 사이의 중량비는 1:1 초과이다(즉, 제1 리튬 금속 인산염 재료의 총 중량은 제2 리튬 금속 인산염 재료의 총 중량보다 크다). 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 금속 인산염 재료 사이의 중량비는 1:1 내지 9.5:1, 3:2 내지 9:1, 또는 2:1 내지 4:1이다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 금속 인산염 재료 사이의 중량비는 3:2, 2:1, 7:3, 3:1, 4:1, 9:1, 또는 9.5:1 초과이다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 금속 인산염 재료 사이의 중량비는 9.5:1, 9:1, 4:1, 3:1, 7:3, 2:1, 또는 3:2 이하이다. 일반적으로, 높은 에너지 밀도를 필요로 하는 전기 차량 응용의 경우, 500 nm 내지 1 μm에 근접하는 D50을 갖는 더 큰 리튬 금속 인산염 1차 입자가 더 높은 에너지 로딩 목표를 달성하는 데 가장 유리하다. 그러나, 더 큰 입자는 레이트 성능 및 저온 성능이 감소된다. 1차 입자로서의 또는 2차 입자 내에 있는 매우 작은 1차 입자(즉, 300 nm 미만)는 레이트 성능 및 저온 성능을 개선하는 데 유익하다.
도 2a는 일부 실시 형태에 따른, 1차 입자만 포함하는 활성 재료를 포함하는 헤그만 게이지 시험을 도시한다. 도시된 바와 같이, 작은 1차 입자는 그라인도미터(grindometer) 게이지의 우측에 너무 많은 응집체를 나타내지 않으면서 깨끗하고 매끄러운 코팅을 제공할 수 있다(단위: μm). 도 2b는 일부 실시 형태에 따른, 2차 입자를 포함하는 활성 재료를 포함하는 헤그만 게이지 시험을 도시한다. 이 재료의 더 큰 응집체 입자는 코팅 층에 비일관성(inconsistency) 또는 결함을 야기할 수 있으며, 이 코팅 층에서 큰 응집체는 "드래깅 라인"(dragging line)을 야기할 수 있거나 "스폿"(spot)으로 보여질 수 있다. 그러나, 도 2c는 일부 실시 형태에 따른, 제1 활성 재료와 제2 활성 재료의 블렌드를 포함하는 헤그만 게이지 시험을 도시한다. 이러한 블렌딩된 재료는 헤그만 게이지 시험에서 허용가능한 물리적 특성을 갖는 재료를 형성하는 데 사용될 수 있다(예를 들어, 대량 생산 규모에서 추가적인 여과 단계로 코팅될 수 있는 30 μm 스케일 바에서 "드래깅 라인"이 나타나는 도 2b의 것과 비교하여 비일관성 또는 결함이 더 적다).
도 3a는 일부 실시 형태에 따른, 더 높은 탭 밀도 및/또는 전극 밀도를 초래하는 작은 1차 입자 및 큰 2차 입자를 포함하는 전극의 도를 도시하고, 도 3b는 일부 실시 형태에 따른, 더 큰 다공도를 초래하는, 2차 입자 또는 도 3a의 입자에 비해 더 큰 1차 입자를 포함하는 전극의 도를 도시한다. 도 3a에 나타낸 바와 같이, 더 작은 1차 입자는 더 큰 2차 입자에 의해 형성된 간극을 채울 수 있다. 따라서, 더 작은 나노미터-크기의 입자(예를 들어, 더 작은 1차 입자) 및 약간 더 큰 마이크로미터-(마이크로미터 미만-)크기의 입자 둘 모두를 포함하는 전극은 더 균일한 입자 크기를 갖는 재료의 패킹 밀도보다 더 큰 패킹 밀도를 가질 것이다(더 균일한 입자 크기를 갖는 재료가 1차 입자 및/또는 2차 입자를 포함하는지 여부에 관계없이).
일반적으로, 더 좁은 입자 분포(즉, 더 균일한 입자 크기)를 갖는 재료를 포함하는 전극은 더 낮은 탭 밀도/패킹 밀도를 야기할 것이다. 대조적으로, 제1 복수의 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 복수의 입자를 갖는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 갖는 블렌딩된 재료의 패킹 밀도는 더 클 수 있는데, 제1 재료와 제2 재료 사이의 입자 크기 편차가 단일 리튬 금속 인산염 재료의 입자 크기 편차보다 더 크기 때문이다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 블렌딩된 재료의 패킹 밀도는 1.5 내지 3 g/cc일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 블렌딩된 재료의 패킹 밀도는 3, 2.9, 2.8, 2.7, 2.6, 2.5, 2.4, 2.3, 2.2, 2.1, 2, 1.9, 1.8, 1.7, 또는 1.6 g/cc 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 블렌딩된 재료의 패킹 밀도는 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 또는 3 g/cc 이상일 수 있다. 더 큰 패킹 밀도는 주어진 배터리 셀, 모듈, 및 팩의 부피 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 리튬 금속 인산염 재료를 블렌딩하는 방법
일부 실시 형태에서, 전술한 블렌딩 활성 재료는 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료를 미리 결정된 중량비로 블렌딩함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 리튬 금속 인산염 재료는 제2 리튬 금속 인산염 재료와 4:1의 블렌딩 중량비로 블렌딩될 수 있다. 2가지 재료를 함께 적절하게 블렌딩하여 블렌딩된 재료를 얻기 위해, 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 리튬 금속 인산염 재료를 단순 블렌딩, 건식 밀링, 또는 습식 밀링에 의해 함께 블렌딩할 수 있다. 단순 블렌딩은 슬러리 제조 단계 동안 2가지 재료를 함께 예비-혼합하는 것을 포함한다. 건식 밀링은 용매를 사용하지 않는 볼 밀링 공정을 포함한다. 습식 밀링은 수용액(예컨대 H2O), 아이소프로필 알코올, 에탄올, 아세톤, 임의의 다른 유기 용매, 또는 이들의 임의의 혼합물과 같은 용매를 사용하는 볼 밀링 공정이다.
다른 블렌딩 방법을 사용하여 제1 리튬 금속 인산염 재료와 제2 금속 인산염 재료를 혼합할 수 있다. 예를 들어, 적합한 방법은 단순 블렌딩, 볼 밀링, 또는 기계화학적 혼합을 포함할 수 있다.
실시예 :
실시예 1: 슬러리 고형물 함량 및 표면적
도 4a는 일부 실시 형태에 따른, 4가지 상이한 등급의 리튬 철 인산염 재료에 대한 고체 함량과 표면적 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 더 높은 표면적을 갖는 샘플(예를 들어, 도 4a의 LFP 4)이 일반적으로 더 높은 탄소 함량 및/또는 매우 작은 입자 크기를 갖는다. 일반적으로, 더 높은 탄소 함량(및 더 높은 표면적)을 갖는 것은 LFP 입자가 동일한 크기인 경우에도 LFP/C의 총 표면적을 증가시킬 수 있다. 더 높은 표면적의 LFP/C는 더 많은 용매를 필요로 할 것이며, 이는 고형물 함량을 낮출 것인데, 슬롯 다이 코팅기에서 "코팅 가능할" 수 있는 슬러리의 점도를 낮추기 위해 습윤 공정에 더 많은 용매(예를 들어, n-메틸-2-피롤리돈 또는 NMP)가 필요할 것이기 때문이다. 예를 들어, 9 m2/g에서 15 m2/g로 되면 활성 재료 1 그램당 표면적이 6 m2 증가할 것이다. 10 그램의 LFP/C의 경우, 활성 표면적의 증가는 60 m2일 것이고, 1 kg의 경우에 6,000 m2, 1 톤의 경우에 6,000,000 m2일 것이다.
제1 복수의 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 복수의 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하는 블렌딩된 재료의 경우, 입자의 표면적은 3 내지 30 또는 5 내지 15 m2/g일 수 있다. 전술한 바와 같이, 더 작은 입자는 Li+ 확산을 돕기에 우수하지만(더 우수한 레이트, 더 우수한 저온 성능), 가공성 및 비용(즉, 더 많은 NMP를 필요함)의 관점에서, 감소된 표면적을 갖는 재료가 더 우수하다. 예를 들어, 블렌딩된 LFP에 대한 최대 목표 표면적은 가공성에 대한 우려로 18 m2/g까지 감소되어야 한다. 일부 실시 형태에서, 제1 복수의 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하는 블렌딩된 재료의 입자의 표면적은 30, 25, 20, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 또는 5 m2/g 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 복수의 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 제2 복수의 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하는 블렌딩된 재료의 입자의 표면적은 3, 5, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 또는 25 m2/g 이상일 수 있다. 더 높은 표면적을 갖는 입자를 포함하는 재료는 더 많은 용매를 필요로 한다. 또한, 벌크의 MO6 팔면체와 비교하여, 특히 표면 M-O 팔면체가 덜 배위된 경우(예를 들어, MO5, MO4 등), 더 높은 표면적을 갖는 입자를 갖는 배터리의 전해질에 의한 활성 재료의 용해 가능성이 증가된다.
실시예 2: 탭 밀도 및 탄소 함량
도 4b는 일부 실시 형태에 따른, 4가지 상이한 등급의 리튬 철 인산염 재료에 대한 탭 밀도와 탄소 함량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 4가지 상이한 등급의 리튬 철 인산염 재료는 도 4a에 나타나 있는 것과는 상이함에 유의한다. 일반적으로, 그리고 그래프에 나타나 있는 바와 같이, 더 높은 탄소 함량을 갖는 리튬 철 인산염 재료는 더 낮은 탭 밀도를 갖는다. 또한, 전극 로딩 수준 및 프레스 밀도가 높은 경우, 더 높은 탄소 함량을 갖는 리튬 철 인산염 재료는 알루미늄 집전체에 대해 또한 일반적으로 더 낮은 접착 강도를 갖는다. 전형적으로, 코팅의 강도는 활성 재료 코팅의 표면 품질에 의해 결정된다. 주어진 전극에서, 결합제는 입자를 전도성 제제뿐만 아니라 집전체와 연결하는 접착제의 역할을 한다. 증가된 탄소 함량은 표면적을 증가시킬 것이며, 이는 계면에서 결합제 함량의 커버리지를 감소시킨다. 이를 방지하기 위해, 전극과 포일 사이의 계면을 변경하는 C-코팅된 포일(탄소 코팅 층과 결합제를 포함함)을 사용해야만 하며, 이는 일반적인 Al 포일보다 더 고가이다.
1차 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 2차 입자를 갖는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하는 블렌딩된 재료의 경우, 탄소 함량은 전극 재료의 0.5 내지 3 중량% 또는 0.8 내지 1.6 중량%일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 탄소 함량은 전극 재료의 3, 2.5, 2, 1.5, 또는 1 중량% 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 탄소 함량은 전극 재료의 0.5, 1, 1.5, 2, 또는 2.5 중량% 이상일 수 있다. 리튬 금속 인산염 재료의 탄소 함량이 증가함에 따라, 일반적으로 바람직하지 않은 총 BET(Brunauer, Emmett 및 Teller) 표면적이 너무 증가한다. 더 높은 탄소 함량은 또한 전술한 바와 같이 일반적으로 탭 밀도를 감소시킨다. 반대로, 불충분한 탄소 함량은 낮은 전기 전도도 및 불량한 전기화학 성능을 야기할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 1차 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 2차 입자를 갖는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하는 블렌딩된 재료는 탭 밀도가 0.8 내지 1.5 g/cc일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 탭 밀도는 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 또는 1.0 g/cc 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 탭 밀도는 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2. 또는 1.3 g/cc 이상일 수 있다. 더 높은 탭 밀도는 전극의 더 양호한 패킹과 관련된다.
실시예 3: 저항률 및 탄소 함량
도 4c는 일부 실시 형태에 따른, 4가지 상이한 등급의 리튬 철 인산염 재료에 대한 저항률과 탄소 함량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 4c의 4가지 상이한 등급의 리튬 철 인산염 재료는 도 4a 및 도 4b에 나타나 있는 재료와는 상이함에 유의한다. 그래프에 나타나 있는 바와 같이, 더 큰 탄소 함량을 갖는 리튬 철 인산염 재료는 일반적으로 더 낮은 전기 저항률을 갖는다.
일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료를 갖는 블렌딩된 활성 재료는 저항률이 100 내지 700 ohm-cm일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료를 갖는 블렌딩된 활성 재료는 저항률이 700, 600, 500, 400, 300, 200, 또는 100 ohm-cm 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 리튬 금속 인산염 재료를 갖는 블렌딩된 활성 재료는 저항률이 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90 ohm-cm 이상일 수 있다.
실시예 4: 실온 성능
도 5는 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 4가지 상이한 리튬 이온 반전지 배터리의 실온 성능을 나타내는 그래프이다. 시험된 각각의 배터리의 특성이 하기 표에 제공되어 있다:
또한, 샘플 1은 작은 크기 내지 중간 크기 내지 큰 크기의 1차 입자만 포함하였으며, 샘플 2는 매우 작은 1차 입자가 내장된 중간 내지 큰 마이크로미터-크기의 2차 입자를 포함하였고, 샘플 3은 작은, 중간, 및 큰 1차 입자만 포함하였고, 샘플 4는 (샘플 3과 비교하여) 더 좁은 대역의 1차 입자만 포함하였다.
도 5의 그래프에 나타나 있는 바와 같이, 샘플 1, 샘플 2, 및 샘플 3 사이에는 유의미한 차이가 없다. 그러나, 샘플 4는 샘플 1, 샘플 2, 및 샘플 3보다 약간 더 낮은 방전 용량을 초래한다. 시험이 실온에서 낮은 레이트로 수행되므로, 시험 조건은 대부분의 Li+ 이온이 캐소드 전극 안으로 들어가고 밖으로 빠져나가기에 충분한 시간을 제공하기 때문에, 변동은 그다지 크지 않다.
실시예 5: 방전
도 6은 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 4가지 상이한 리튬 이온 배터리에 대한 방전 곡선을 나타내는 그래프이다. 배터리는 캐소드 재료를 제외하고는 동일한 전극 중량 제형(활성 재료 : 전도성 탄소 : 결합제 함량), 동일한 흑연 애노드, 동일한 분리막, 및 동일한 조건을 사용하였으며, 상기에 기재되어 있다. (도 6의 샘플 1 내지 샘플 4는 도 5의 샘플 1 내지 샘플 4와 동일하다.)
도 6에 수행되고 도시된 시험은 모두 저온에서 높은 레이트에서의 작은 파우치형 충전 셀 시험이었다. 이러한 조건에서는 Li 이온 확산 속도가 매우 느리기 때문에, 전압 평탄역이 (도 5와 비교하여) 흑연 대비 3.2 V에서 더 이상 평평한 선이 아닌 것으로 나타난다. 도 5로부터의 셀 데이터는 반전지 시험 구성으로부터의 것이기 때문에, 흑연 대비 3.2 V와 동등한 Li/Li+ 대비 3.4 V에서는 평평한 선이 존재함을 이해해야 한다.
실시예 6: 방전율
도 7a는 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 4가지 상이한 리튬 이온 배터리에 대한 다양한 방전율 성능을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 7a에 나타낸 시험은 -10℃ 및 0.1 C에서 수행되었다. 샘플 1은 작은 크기 내지 중간 크기 내지 큰 크기의 1차 입자를 포함하였다. 블렌딩 관점에서, 이러한 시험 조건에서는 더 큰 입자가 용량에 기여하지는 않을 것이다. 샘플 2는 더 큰 2차 입자이지만, 이러한 시험 조건에서 방전 용량에 기여하는 작은 1차 입자를 포함한다. 샘플 3의 경우는 샘플 1과 유사하지만 훨씬 더 작은 입자를 가지며 큰 입자는 너무 크지 않다. 중간 내지 큰 입자만 함유하는 샘플 4는 이러한 시험 조건에서 최저 용량을 초래한다. (도 7a의 샘플 1 내지 샘플 4는 도 5 및 도 6의 샘플 1 내지 샘플 4와 동일하다.)
실시예 7: 방전율
도 7b는 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 4가지 상이한 리튬 이온 배터리에 대한 다양한 방전율 성능을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 7b에 나타낸 시험은 -10℃ 및 0.33C에서 수행되었다. 도 7a와 유사한 경향이 나타나지만, 시험이 3시간 방전 조건(0.33 C)으로 수행되기 때문에, 전체 용량이 더 작고 공칭 전압이 더 낮다. (도 7b의 샘플 1 내지 샘플 4는 도 5, 도 6, 및 도 7a의 샘플 1 내지 샘플 4와 동일하다.)
실시예 8: 방전율
도 7c는 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 4가지 상이한 리튬 이온 배터리에 대한 다양한 방전율 성능을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 7c에 나타낸 시험은 -10℃ 및 1 C에서 수행되었다. C-레이트가 더 높기 때문에, 공칭 전압 및 용량 저하가 더 현저하다. (도 7c의 샘플 1 내지 샘플 4는 도 5, 도 6, 도 7a, 및 도 7b의 샘플 1 내지 샘플 4와 동일하다)
실시예 9: 방전율
도 7d는 일부 실시 형태에 따른, 상이한 활성 재료 또는 활성 재료 블렌드를 각각 포함하는, 4가지 상이한 리튬 이온 배터리에 대한 다양한 방전율 성능을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 7d에 나타낸 시험은 -10℃ 및 2 C에서 수행되었다. C-레이트가 더 높기 때문에, 공칭 전압 및 용량 저하가 더 현저하다. 샘플 4의 경우, (170 mAh/g 이론적 용량의) 단지 20 mAh/g만이 회수된다. (도 7d의 샘플 1 내지 샘플 4는 도 5, 도 6, 도 7a, 도 7b, 및 도 7c의 샘플 1 내지 샘플 4와 동일하다)
배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 전기 차량 시스템
전술한 블렌딩된 활성 재료, 특히 1차 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 2차 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하는 블렌딩된 활성 재료가 전극의 제조에 사용될 수 있다. 더욱 구체적으로, 본 명세서에 기재된 블렌딩 활성 재료는 배터리 셀, 배터리 모듈, 및/또는 배터리 팩을 형성하는 데 사용될 수 있는 캐소드의 제조에 사용될 수 있다. 이어서, 본 명세서에 기재된 블렌딩된 활성 재료를 사용하여 제조된 캐소드를 포함하는 배터리 셀, 배터리 모듈, 및/또는 배터리 팩은 전기 차량에서 전력원으로서 사용될 수 있다. 이들 실시 형태는 하기에 상세히 기재된다.
이제 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 그러한 배터리 셀, 배터리 모듈, 및 배터리 팩을 제조하는 방법의 다양한 태양 및 변형의 구현 형태 및 실시 형태가 참조될 것이다. 배터리 셀, 모듈, 팩, 및 이들의 제조 방법의 몇몇 예시적인 변형이 본 명세서에 기재되어 있지만, 배터리 셀, 모듈, 팩 및 방법의 다른 변형은 기재된 태양들 중 전부 또는 일부의 조합을 갖는 임의의 적합한 방식으로 조합된 본 명세서에 기재된 배터리 셀, 모듈, 팩 및 방법의 태양을 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 구성요소, 시스템, 방법, 장치, 디바이스, 조성물 등의 임의의 부분 또는 임의의 것은 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 이러한 배터리 셀, 배터리 모듈, 및 배터리 팩을 제조하는 방법으로 구현될 수 있다.
도 8은 전형적인 배터리 셀 제조 공정(1000)에 대한 흐름도를 예시한다. 이들 단계를 총망라한 것이 아니며 다른 배터리 셀 제조 공정은 추가 단계를 포함할 수 있거나 이들 단계의 서브세트만 포함할 수 있다. 단계(1001)에서, 전극 전구체(예를 들어, 결합제, 활성 재료, 전도성 탄소 첨가제)가 제조될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이 단계는 전극 재료(예를 들어, 활성 재료, 더 구체적으로, 본 명세서에 기재된 블렌딩된 활성 재료)를 추가 성분(예를 들어, 결합제, 용매, 전도성 첨가제 등)과 혼합하여 전극 슬러리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이 단계는 전극 재료 자체를 합성하는 단계를 포함할 수 있다.
단계(1002)에서, 전극이 형성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이 단계는 전극 슬러리(즉, 본 명세서에 기재된 실시 형태에 따른 블렌딩된 활성 재료를 포함하는 전극 슬러리)를 집전체 상에 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 코팅 후에, 코팅된 집전체를 건조시켜 임의의 용매를 증발시킬 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이 단계는 코팅된 집전체를 캘린더링하는 것을 포함할 수 있다. 캘린더링은 전극의 물리적 특성(예를 들어, 접합, 전도도, 밀도, 다공도 등)을 조정할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전극은 전극을 적절한 크기 및/또는 형상으로 절단하기 위해 슬리팅 및/또는 노칭 기계를 통해 크기 설정될 수 있다.
단계(1003)에서, 배터리 셀이 조립될 수 있다. 전극, 분리막 및/또는 전해질이 제조된 후에, 배터리 셀이 조립/제조될 수 있다. 이 단계에서, 분리막 및/또는 전해질 층은 애노드 층과 캐소드 층 사이에 적층되어 배터리 셀의 내부 구조를 형성할 수 있다. 이들 층은 둥근 권선 또는 각형/편평형 권선, 적층 방법, 또는 z-폴딩 방법과 같은 권선 방법에 의해 적층될 수 있다. 이어서, 조립된 셀 구조체를 셀 하우징 내에 삽입할 수 있으며, 이는 이어서 부분적으로 또는 완전히 밀봉된다. 또한, 조립된 구조체는 (용접 공정을 통해) 단자 및/또는 셀 탭에 연결될 수 있다. 액체 전해질을 이용하는 배터리 셀의 경우, 내부에 전극 구조체를 갖는 하우징된 셀이 또한 전해질로 충전되고 후속적으로 밀봉될 수 있다.
배터리 셀은 다양한 폼팩터(form factor), 형상 또는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(및 그의 하우징/케이싱)은 특히 원통형, 직사각형, 정사각형, 입방형, 편평형 또는 각형 폼팩터를 가질 수 있다. 배터리 셀의 4가지 주요 유형이 있다: (1) 버튼 또는 코인 셀; (2) 원통형 셀; (3) 각형 셀; 및 (4) 파우치형 셀. 배터리 셀은 예를 들어 권선 및/또는 적층 전극 롤(예컨대, 젤리롤)을 배터리 셀 케이싱 또는 하우징에 삽입함으로써 조립될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 권선 또는 적층 전극 롤은 전해질 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전해질 재료는 전극 롤과 별개로 배터리 케이싱 또는 하우징에 삽입될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전해질 재료는 캐소드와 애노드 사이의 전하의 흐름(즉, 이온 수송)을 허용할 수 있는 이온 전도성 유체 또는 다른 재료(예컨대, 층)를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 일부 실시 형태에서, 전해질 재료는 비수성 극성 용매(예를 들어, 카르보네이트, 예컨대 에틸렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트, 다이에틸 카르보네이트, 에틸 메틸 카르보네이트, 다이메틸 카르보네이트, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 혼합물)를 포함할 수 있다. 전해질은 또한 비닐리덴 카르보네이트, 플루오로에틸렌 카르보네이트, 에틸 프로피오네이트, 메틸 프로피오네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 혼합물과 같은 다른 첨가제를 포함할 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 전해질의 리튬 염은 리튬 퍼클로레이트, 리튬 헥사플루오로포스페이트, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드, 리튬 비스(트라이플루오로설포닐)이미드, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 혼합물을 포함하지만 이로 한정되지 않는, 리튬 배터리 구조물에 사용되는 임의의 것일 수 있다. 또한, 염은 전해질에 0 M 초과 내지 약 0.5 M으로 존재할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 고체 전해질 필름은 고체 전해질의 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 고체 전해질 층의 고체 전해질 재료는 무기 고체 전해질 재료(예를 들어, 산화물, 황화물, 인화물, 세라믹), 고체 중합체 전해질 재료, 하이브리드 고체 상태 전해질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 고체 전해질 층은 다가음이온성 또는 산화물계 전해질 재료(예를 들어, 리튬 초이온 전도체(LISICON), 나트륨 초이온 전도체(NASICON), 화학식 ABO3(A = Li, Ca, Sr, La, 및 B = Al, Ti)을 갖는 페로브스카이트, 화학식 A3B2(XO4)3 (A = Ca, Sr, Ba 및 X = Nb, Ta)을 갖는 가넷-유형, 리튬 인 옥시질화물(LixPOyNz)을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 고체 전해질 층은 유리질, 세라믹 및/또는 결정질 황화물계 전해질(예를 들어, Li3PS4, Li7P3S11, Li2S-P2S5, Li2S-B2S3, SnS-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-P2S5, Li2S-GeS2, Li10GeP2S12) 및/또는 화학식 Li6PS5X (X = Cl, Br)를 갖는 황화물계 리튬 아지로다이트, 예컨대 Li6PS5Cl을 포함할 수 있다. 또한, 고체 전해질 층은 특히 중합체 전해질 재료(예를 들어, 하이브리드 또는 슈도-고체 상태 전해질), 예를 들어 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리메틸-메타크릴레이트(PMMA), 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 포함할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 애노드 활성 재료는 흑연 탄소(예를 들어, sp2 혼성화를 갖는 질서 있는 또는 무질서한 탄소, 인공 또는 천연 흑연, 또는 블렌딩된 것), Li 금속 애노드, 규소계 애노드(예를 들어, 규소계 탄소 복합재 애노드, 규소 금속, 산화물, 탄화물, 전리튬화된 것), 규소계 탄소 복합재 애노드, 리튬 합금(예를 들어, Li-Mg, Li-Al, Li-Ag 합금), 리튬 티타네이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 애노드 재료가 집전체 재료 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극은 집전체(예를 들어, 구리 포일)와 함께 분리막 또는 고체-상태 전해질에 대면하는 집전체의 표면 상의 원위치(in situ)-형성된 애노드(예를 들어, Li 금속)를 포함할 수 있다. 그러한 예에서, 조립된 셀은 하전되지 않은 상태의 애노드 활성 재료를 포함하지 않는다.
캐소드 활성 재료에 더하여(또는 심지어 애노드 활성 재료에 대해), 전극은 전도성 첨가제, 일반적으로 흑연, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 수퍼 P 카본 블랙 재료, 케첸 블랙(Ketjen Black), 아세틸렌 블랙, SWCNT, MWCNT, 탄소 나노섬유, 그래핀, 및 이들의 조합을 포함할 수 있는 전도성 탄소 재료를 포함할 수 있다. 캐소드 활성 재료에 더하여(또는 심지어 애노드 활성 재료에 대해), 전극은 집전체 포일에 대한 캐소드(또는 애노드) 활성 재료의 접착성을 개선하기 위해 결합제 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 결합제는 폴리비닐리덴플루오라이드("PVDF"), 폴리비닐피롤리돈("PVP"), 스티렌-부타디엔 또는 스티렌-부타디엔 고무("SBR"), 폴리테트라플루오로에틸렌("PTFE")을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 추가 성분(예를 들어, 결합제, 용매, 전도성 첨가제 등)을 갖는 전극 재료(예를 들어, 활성 재료, 더 구체적으로 본 명세서에 기재된 블렌딩된 활성 재료)를 용매와 혼합하여 전극 슬러리를 형성할 수 있다.
캐소드 활성 재료(또는 심지어 애노드 활성 재료)는 탄소 코팅을 포함할 수 있다. 일반적으로 리튬 금속 인산염은 활성 재료의 전도도를 개선하기 위한 표면 탄소 코팅을 포함한다. 탄소 코팅 공정은 리튬 금속 인산염의 생성 동안 또는 이후에 수행될 수 있으며, 예를 들어, 승온에서의 리튬 금속 인산염 입자 상의 유기 물질의 열분해는 탄소 코팅을 갖는 활성 재료를 생성할 수 있고, 일부 경우에 활성 재료에 2차 전도성 상이 형성될 수 있다.
캐소드 활성 재료는 탄소 코팅, 예를 들어, 활성 재료의 0.5 내지 3 중량% 또는 0.8 내지 1.6 중량%의 C-코팅을 포함할 수 있다. 예를 들어, 1 중량%의 탄소 코팅 재료가 99 중량%의 리튬 금속 인산염 활성 재료 상에 있다. 이어서, 이러한 활성 재료를, 전극을 제조하는 데 사용되는 전극 슬러리에서 탄소 전도성 첨가제 와 혼합할 수 있다(예를 들어, 3 중량%의 전도성 탄소 첨가제와 97 중량%의 활성 재료).
도 9는 원통형 배터리 셀(100)의 단면도의 예시적인 예를 도시한다. 원통형 배터리 셀은 애노드 층(10), 분리막 및/또는 전해질 층(20), 및 캐소드 층(30)의 층(예컨대, 시트-유사 층)을 포함할 수 있다.
배터리 셀은 하우징/케이싱의 공극 내에 배치될 수 있는 적어도 하나의 애노드 층을 포함할 수 있다. 배터리 셀은 또한 적어도 하나의 캐소드 층을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 캐소드 층은 또한 하우징/케이싱 내에 배치될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배터리 셀이 방전될(즉, 전류를 제공할) 때에는, 적어도 하나의 애노드 층이 적어도 하나의 캐소드 층으로 이온(예컨대, 리튬 이온)을 방출하여 하나의 면으로부터 다른 면으로의 전자의 흐름을 생성한다. 반대로, 일부 실시 형태에서, 배터리 셀이 충전될 때에는, 적어도 하나의 캐소드 층이 이온을 방출할 수 있고 적어도 하나의 애노드 층이 이들 이온을 수용할 수 있다.
이들 층(캐소드, 애노드, 분리막/전해질 층)은 원통-형상의 케이싱(40)(예를 들어, 금속 캔)의 공동 내에 개재, 롤 업 및/또는 패킹될 수 있다. 케이싱/하우징은 예를 들어 금속 또는 경질 플라스틱으로 제조된 것과 같이 강성일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 분리막 층(및/또는 전해질 층)(20)이 애노드 층(10)과 캐소드 층(30) 사이에 배열되어 애노드 층(20)과 캐소드 층(30)을 분리할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배터리 셀 내의 층들은 분리막 층(및/또는 전해질 층)이 캐소드 층으로부터 애노드 층을 분리하도록 교번할 수 있다. 다시 말하면, 배터리 전극의 층들은 (순서대로) 분리막 층, 애노드/캐소드 층, 분리막 층, 반대편의 다른 애노드/캐소드 층 등일 수 있다. 분리막 층(및/또는 전해질 층)(20)은 셀에서 이온(예컨대, 리튬 이온) 수송을 용이하게 하면서 애노드 층과 캐소드 층 사이의 접촉을 방지할 수 있다. 배터리 셀은 또한 적어도 하나의 단자(50)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 단자는 부하 또는 충전기를 배터리 셀에 연결하는 데 사용되는 전기 접점일 수 있다. 예를 들어, 단자는 배터리 셀로부터 본 명세서에 추가로 논의된 바와 같은 전기 차량의 구성요소 또는 시스템과 같은 전기 부하로 전류를 전달하기 위해 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다.
도 10은 각형 배터리 셀(200)의 단면도의 예시적인 예를 도시한다. 각형 배터리 셀은 애노드 층(10), 분리막 및/또는 전해질 층(20), 및 캐소드 층(30)의 층(예컨대, 시트-유사 층)을 포함할 수 있다. 원통형 배터리 셀과 유사하게, 각형 배터리 셀의 층들은 입방체 또는 직육면체(예컨대, 초직사각형(hyperrectangle)) 형상의 케이싱/하우징(40) 내에 끼워맞춤되도록 개재, 롤링, 및/또는 프레싱될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 층들은 젤리 롤링보다는 층 적층에 의해 조립될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 케이싱 또는 하우징은 금속 및/또는 경질 플라스틱으로 제조된 것과 같이 강성일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 각형 배터리 셀(200)은 하나 초과의 단자(50)를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이들 단자 중 하나는 양단자일 수 있고 다른 것은 음단자일 수 있다. 이들 단자는 부하 또는 충전기를 배터리 셀에 연결하는 데 사용될 수 있다.
도 11은 파우치형 배터리 셀(300)의 단면도의 예시적인 예를 도시한다. 파우치형 배터리 셀은 강성 인클로저를 갖지 않고, 대신에 케이싱/하우징(40)을 위한 가요성 재료를 사용한다. 이러한 가요성 재료는 예를 들어 밀봉된 가요성 포일일 수 있다. 파우치형 배터리 셀은 애노드 층(10), 분리막 및/또는 전해질 층(20), 및 캐소드 층(30)의 층(예컨대, 시트-유사 층)을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이들 층은 케이싱/하우징에 적층된다. 일부 실시 형태에서, 파우치형 배터리 셀(200)은 하나 초과의 단자(50)를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이들 단자 중 하나는 양단자일 수 있고 다른 것은 음단자일 수 있다. 이들 단자는 부하 또는 충전기를 배터리 셀에 연결하는 데 사용될 수 있다.
배터리 셀의 하우징/케이싱은 다양한 전기 전도도 또는 열 전도도, 또는 이들의 조합을 갖는 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배터리 셀의 하우징/케이싱을 위한 전기 전도성 및 열 전도성 재료는, 특히, 알루미늄, 구리, 규소, 주석, 마그네슘, 망간 또는 아연과의 알루미늄 합금(예를 들어, 알루미늄 1000, 4000 또는 5000 시리즈), 철, 철-탄소 합금(예를 들어, 강철), 은, 니켈, 구리, 및 구리 합금과 같은 금속성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배터리 셀의 하우징을 위한 전기 전도성 및 열 전도성 재료는, 특히, 세라믹 재료(예를 들어, 특히, 질화규소, 탄화규소, 탄화티타늄, 이산화지르코늄, 산화베릴륨) 및/또는 열가소성 재료(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드 또는 나일론)를 포함할 수 있다.
단계(1004)에서, 배터리 셀이 마무리될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이 단계는 배터리 셀에 대한 제1 충전 및 방전 공정이 일어나는 형성 공정을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 이러한 초기 충전 및 방전은 전해질과 전극 사이에 고체 전해질 계면을 형성할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이 단계는 셀의 일부가 탈기 공정에서 배터리 셀로부터 제거될 수 있는 가스를 생성하게 할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이 단계는 배터리 셀을 에이징하는 단계를 포함한다. 에이징은 고정된 기간에 걸쳐 셀 특성 및 성능을 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이 단계는 또한 엔드-오브-라인(EOL) 테스트 장비에서 셀을 테스트하는 것을 포함할 수 있다. EOL 테스트는 출하 충전 상태로의 배터리 셀의 방전, 펄스 테스트, 내부 저항 측정 테스트, OCV 테스트, 누출 테스트 및/또는 결함에 대한 배터리 셀의 광학적 검사를 포함할 수 있다.
복수의 배터리 셀(100, 200 및/또는 300)은 동일한 하우징, 프레임, 또는 케이싱에 함께 조립 또는 패키징되어 배터리 모듈 및/또는 팩을 형성할 수 있다. 배터리 모듈의 배터리 셀들은 소정 양의 전기 에너지를 생성하도록 전기적으로 연결될 수 있다. 이들 다수의 배터리 셀은 균일한 경계를 통해 하우징, 프레임, 또는 케이싱의 외부에 연결될 수 있다. 배터리 모듈의 배터리 셀들은 배터리 셀들의 병렬, 직렬, 또는 직렬-병렬 조합일 수 있다. 하우징, 프레임, 또는 케이싱은 다양한 위험(예컨대, 외부 요소, 열, 진동 등)으로부터 배터리 셀을 보호할 수 있다. 도 12는 프레임 내에 삽입되어 배터리 모듈(110)을 형성하는 원통형 배터리 셀(100)을 예시한다. 도 13은 프레임 내에 삽입되어 배터리 모듈(110)을 형성하는 각형 배터리 셀(200)을 예시한다. 도 14는 프레임 내에 삽입되어 배터리 모듈(110)을 형성하는 파우치형 배터리 셀(300)을 예시한다. 일부 실시 형태에서, 배터리 팩은 모듈을 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩은 배터리 셀이 모듈로 조립되지 않고 배터리 팩 내에 직접 배열되는 "모듈-프리"(module-free) 또는 셀-투-팩(cell-to-pack) 구성을 가질 수 있다.
도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이 복수의 배터리 모듈(110)이 다른 하우징, 프레임, 또는 케이싱 내에 배치되어 배터리 팩(120)을 형성할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 배터리 셀이 하우징, 프레임, 또는 케이싱 내에 조립, 패킹, 배치되어 배터리 팩(도시되지 않음)을 형성할 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 배터리 팩은 배터리 모듈을 포함하지 않을 수 있다(예를 들어, 모듈-프리). 예를 들어, 배터리 팩은 배터리 셀이 배터리 모듈로 조립되지 않고 배터리 팩 내에 직접 배열되는 셀-투-팩 구성을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배터리 팩의 배터리 셀들은 다른 시스템(예컨대, 전기 차량)에 제공될 소정 양의 전기 에너지를 생성하도록 전기적으로 연결될 수 있다.
배터리 팩의 배터리 모듈들은 다른 시스템(예컨대, 전기 차량)에 제공될 소정 양의 전기 에너지를 생성하도록 전기적으로 연결될 수 있다. 배터리 팩은 또한 예를 들어 배터리 팩(및 개별 모듈 및 배터리 셀)의 온도를 조절하도록 구성된 열교환기 시스템(예를 들어 냉각 시스템) 및 배터리 팩의 전압을 제어하도록 구성된 배터리 관리 시스템과 같은 다양한 제어 및/또는 보호 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배터리 팩 하우징, 프레임, 또는 케이싱은 배터리 모듈을 외부 요소로부터 보호하기 위해 배터리 모듈의 하부 또는 아래에 실드를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배터리 팩은 적어도 하나의 열교환기(예를 들어, 배터리 팩을 통해 유체를 분배하도록 구성된 냉각 라인 또는 열/온도 제어 또는 열교환의 일부로서의 냉각판)를 포함할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 배터리 모듈은 배터리 모듈을 구성하는 개별 배터리 셀로부터 전류 또는 전력을 수집할 수 있으며 배터리 팩으로부터의 출력으로서 전류 또는 전력을 제공할 수 있다. 배터리 모듈은 임의의 수의 배터리 셀을 포함할 수 있고, 배터리 팩은 임의의 수의 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩은 하우징/프레임/케이싱에 배치된 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개 또는 다른 개수의 배터리 모듈을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배터리 모듈은 다수의 서브모듈을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이들 서브모듈은 개별 배터리 모듈의 온도를 조절 또는 제어하도록 구성된 열교환기에 의해 분리될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈은 상부 배터리 서브모듈 및 하부 배터리 서브모듈을 포함할 수 있다. 이들 서브모듈은 상부 배터리 서브모듈과 하부 배터리 서브모듈 사이의 냉각판과 같은 열교환기에 의해 분리될 수 있다.
배터리 팩은 모든 형상 및 크기로 될 수 있다. 예를 들어, 도 12 내지 도 14는 3가지의 상이하게 형상화된 배터리 팩(120)을 예시한다. 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(120)은 배터리 모듈의 위치설정을 위해 복수의 영역, 슬롯, 홀더, 용기 등을 포함하거나 한정할 수 있다. 배터리 모듈은 모든 형상 및 크기로 될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈은 정사각형, 직사각형, 원형, 삼각형, 대칭 또는 비대칭일 수 있다. 일부 예에서, 단일 배터리 팩 내의 배터리 모듈들은 상이하게 형상화될 수 있다. 유사하게, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 위한 복수의 영역, 슬롯, 홀더, 용기 등을 포함하거나 한정할 수 있다.
도 15는 적어도 하나의 배터리 팩(120)을 포함하는 전기 차량(705)의 단면도(700)의 예를 예시한다. 전기 차량은, 다른 가능성들 중에서도, 전기 트럭, 전기 스포츠 유틸리티 차량(SUV), 전기 배달 밴, 전기 자동차, 전기차, 전기 오토바이, 전기 스쿠터, 전기 승용 차량, 전기 승용 또는 상용 트럭, 하이브리드 차량, 또는 기타 차량, 예컨대 해상 또는 항공 수송 차량, 비행기, 헬리콥터, 잠수함, 보트 또는 드론을 포함할 수 있다. 전기 차량은 완전 전기 또는 부분 전기(예를 들어, 플러그인 하이브리드) 차량일 수 있고, 또한 전기 차량은 완전 자율형, 부분 자율형 또는 무인형일 수 있다. 전기 차량은 또한 인간이 작동하거나 비자율형일 수 있다.
전기 차량(705)에는 전기 차량에 전력을 공급하기 위한 배터리 셀(100, 200, 및/또는 300)을 갖는 배터리 모듈(110)을 포함하는 (또는 다른 실시 형태에서, 모듈로의 배열 없이) 배터리 팩(120)이 설치될 수 있다. 전기 차량(705)은 차대(725)(예를 들어, 프레임, 내부 프레임 또는 지지 구조)를 포함할 수 있다. 차대(725)는 전기 차량(705)의 다양한 구성요소를 지지할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 차대(725)는 전기 차량(705)의 전면부(730)(예를 들어, 후드 또는 보닛 부분), 차체부(735) 및 후면부(740)(예를 들어, 트렁크, 페이로드 또는 부트(boot) 부분)에 걸쳐 있을 수 있다. 배터리 팩(120)은 전기 차량(705) 내에 설치 또는 배치될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(120)은 전면부(730), 차체부(735) 또는 후면부(740) 중 하나 이상 내 전기 차량(705)의 차대(725) 상에 설치될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배터리 팩(120)은 적어도 하나의 버스바(busbar), 예를 들어 집전 소자를 포함하거나 그와 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 버스바(745) 및 제2 버스바(750)는 전기 차량(705)의 다양한 시스템 또는 구성요소에 전력을 제공하기 위한 배터리 팩(120)(및/또는 배터리 모듈(110) 또는 배터리 셀(100, 200, 및/또는 300))을 전기 차량(705)의 다른 전기 구성요소와 연결하거나 그렇지 않으면 전기적으로 결합하기 위해 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배터리 팩(120)은 전기 차량 대신에 또는 그에 더하여, 주거용 주택 또는 상업용 건물과 같은 건물에 전력을 공급하기 위한 에너지 저장 시스템으로도 사용될 수 있다.
본 명세서에서, "또는"은 명백히 달리 표시되거나 문맥에 의해 달리 표시되지 않는 한 포괄적인 것이며 배타적인 것이 아니다. 따라서, 본 명세서에서, "A 또는 B"는 명백히 달리 표시되거나 문맥에 의해 달리 표시되지 않는 한 "A, B, 또는 둘 모두"를 의미한다. 더욱이, 명백히 달리 표시되거나 문맥에 의해 달리 표시되지 않는 한 "및"은 공동(joint) 및 단독(several) 둘 모두이다. 따라서, 본 명세서에서, "A 및 B"는 명백히 달리 표시되거나 문맥에 의해 달리 표시되지 않는 한 "공동 또는 단독으로 A 및 B"를 의미한다.
본 발명의 범위는 당업자가 이해할 수 있는, 본 명세서에 기재되거나 예시된 예시적인 실시 형태에 대한 모든 변화, 대체, 변형, 변경 및 수정을 포함한다. 본 발명의 범위는 본 명세서에 기재되거나 예시된 예시적인 실시 형태로 제한되지 않는다. 또한, 본 개시 내용은 특정 구성요소, 요소, 특징, 기능, 동작 또는 단계를 포함하는 것으로 본 명세서의 각각의 실시 형태를 기재 및 예시하지만, 이들 실시 형태 중 임의의 실시 형태는 당업자가 이해할 수 있는, 본 명세서의 어느 곳에서나 기재 또는 예시된 구성요소, 요소, 특징, 기능, 동작 또는 단계의 임의의 조합 또는 배열(permutation)을 포함할 수 있다. 더욱이, 첨부된 청구항에서 특정 기능을 수행하도록 개조되거나, 배열되거나, 가능하거나, 구성되거나, 활성화되거나, 작동가능하거나 또는 작동되는 장치 또는 시스템, 또는 장치 또는 시스템의 구성요소에 대한 언급은 해당 장치, 시스템 또는 구성요소가 그렇게 개조되거나, 배열되거나, 가능하거나, 구성되거나, 활성화되거나, 작동가능하거나 또는 작동되는 한, 해당 장치, 시스템, 구성요소 또는 그 특정 기능이 활성화되거나, 작동되게 하거나 또는 풀리게 되는지 여부에 관계없이 해당 장치, 시스템, 구성요소를 포함한다. 추가적으로, 본 개시 내용은 특정 이점들을 제공하는 것으로서 특정 실시 형태를 기재하거나 예시하지만, 특정 실시 형태는 이들 이점 중 어느 것도 제공하지 않거나, 이들 이점 중 일부 또는 전부를 제공할 수 있다.

Claims (19)

  1. 리튬 이온 배터리용 전극으로서,
    제1 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료; 및
    제2 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료를 포함하며,
    상기 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료 둘 모두는 LiMPO4(여기서, M은 철(Fe) 또는 망간(Mn) 중 하나 이상임)이고,
    상기 제1 리튬 금속 인산염 재료는 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료와 1:1 초과의 중량비로 블렌딩되는, 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료의 상기 제1 복수의 활성 재료 입자의 활성 재료 입자의 D50은 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료의 상기 제2 복수의 활성 재료 입자의 활성 재료 입자의 D50 미만인, 전극.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 복수의 활성 재료 입자는 1차 활성 재료 입자를 포함하는, 전극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 복수의 활성 재료 입자는 1차 활성 재료 입자 및 2차 활성 재료 입자를 포함하는, 전극.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료의 상기 2차 활성 재료 입자는 1차 활성 재료 입자의 응집체를 포함하는, 전극.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료는 동일한 LiMPO4인, 전극.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료의 상기 제1 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자의 D50은 150 나노미터 내지 2 마이크로미터인, 전극.
  8. 제2항에 있어서, 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료의 상기 제2 복수의 활성 재료 입자의 2차 활성 재료 입자의 D50은 1 내지 20 마이크로미터인, 전극.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료와 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료의 블렌드는 0.5 내지 3 중량%의 탄소를 포함하는, 전극.
  10. 제1항에 있어서, 저항률이 600 ohm-cm 이하인, 전극.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료와 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료의 블렌드는 탭 밀도(tap density)가 0.8 g/cc 이상인, 전극.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료는 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료와 3:2 초과의 중량비로 블렌딩되는, 전극.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료는 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료와 3:1 초과의 중량비로 블렌딩되는, 전극.
  14. 제1항에 있어서, 전극 프레스 밀도(press density)가 1.8 내지 2.8 g/cc인, 전극.
  15. 제2항에 있어서, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료의 상기 제1 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자의 D50은 150 나노미터 이상이고, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료의 상기 제1 복수의 활성 재료 입자의 상기 1차 활성 재료 입자의 표면적은 15 m2/g 이하인, 전극.
  16. 제2항에 있어서, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료의 상기 제1 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자 또는 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료의 상기 제2 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자 중 적어도 하나의 D50은 350 나노미터 이하인, 전극.
  17. 제2항에 있어서, 상기 제1 리튬 금속 인산염 재료의 상기 제1 복수의 활성 재료 입자의 1차 활성 재료 입자의 D50은 350 나노미터 이하인, 전극.
  18. 재충전가능한 리튬 이온 배터리로서,
    제1 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제1 리튬 금속 인산염 재료; 및
    제2 복수의 활성 재료 입자를 포함하는 제2 리튬 금속 인산염 재료
    를 포함하는 전극을 포함하며,
    상기 제1 리튬 금속 인산염 재료 및 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료 둘 모두는 LiMPO4(여기서, M은 철(Fe) 또는 망간(Mn) 중 하나 이상임)이고,
    상기 제1 리튬 금속 인산염 재료는 상기 제2 리튬 금속 인산염 재료와 1:1 초과의 중량비로 블렌딩되는, 재충전가능한 리튬 이온 배터리.
  19. 제18항의 재충전가능한 리튬 이온 배터리를 포함하는 전기 차량 시스템.
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