KR102399403B1 - 집전 장치 또는 바인더가 없는 자립형 전극에 배터리 탭 부착물을 매립하는 방법 - Google Patents

집전 장치 또는 바인더가 없는 자립형 전극에 배터리 탭 부착물을 매립하는 방법 Download PDF

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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 바인더가 없고 집전체 포일이 없는, 전극 활물질 및 탄소 나노튜브의 복합체 내에 배터리 탭 부착 구조체를 매립하는 방법, 및 생성된 자립형 전극에 관한 것이다. 이러한 방법 및 생성된 자립형 전극은 배터리 및 전력 적용 분야에서 그러한 복합체의 사용을 용이하게 할 수 있다.

Description

집전 장치 또는 바인더가 없는 자립형 전극에 배터리 탭 부착물을 매립하는 방법{METHOD FOR EMBEDDING A BATTERY TAB ATTACHMENT IN A SELF-STANDING ELECTRODE WITHOUT CURRENT COLLECTOR OR BINDER}
본 출원은 사건 관리 번호가 037110.01018인 2017년 9월 15일자로 출원된 발명의 명칭이 "집전 장치 또는 바인더가 없는 자립형 전극에 대한 배터리 탭 부착을 위한 방법 및 구조체"인 미국 특허 출원 제62/559,254호에 대해 우선권을 주장하고, 이 특허는 참조에 의해 그 전체 내용이 본원에 포함된다.
리튬 이온 배터리는 2개의 전극(애노드 및 캐소드), 캐소드로부터 애노드를 분리하는 막 및 전해질로 구성된다. 전극은 활물질, 바인더, 탄소계 첨가제 및 집전 장치로 구성된다. 알루미늄/구리 포일은 리튬 이온 배터리에 대한 전형적인 집전 장치이다. 통상적으로, 활물질은 활물질, 첨가제, 바인더 및 적절한 용매로 구성된 슬러리를 사용하여 집전 장치의 표면 상에 인쇄된다. 전극을 준비한 후, 전기 전도성 탭이 집전 장치에 부착되어 전류를 배터리에서 방출한다. 일반적으로, 탭은 전극의 집전 장치 포일에 용접된 알루미늄/구리 포일의 스트립이다.
활물질 분말 및 탄소 나노튜브 매트릭스만을 포함하고 집전체 포일이 존재하지 않는 자립형 전극의 경우, 전극으로부터 전류를 수송하기 위한 방법이 필요하다. 다시 말하면, 임의의 집전 장치 포일을 갖지 않는 전극에 대한 탭 부착의 문제를 해결할 필요가 있다.
다음은 이러한 양태들의 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 개시의 하나 이상의 양태의 단순화된 요약을 제공한다. 본 요약은 모든 고려된 양태의 광범위한 개요가 아니며, 모든 양태의 핵심 요소 또는 임계 요소를 식별하거나 또는 임의의 또는 모든 양태의 범위를 설명하도록 의도되지는 않는다. 그 목적은 하나 이상의 양태에 대한 몇 가지 개념을 나중에 제시되는 보다 상세한 설명의 서론으로서 단순화된 형태로 제시하는 것이다.
일부 실시예에서, 본 개시는 전극 활물질 및 탄소 나노튜브로 이루어진 복합체; 및 상기 복합체에 매립된 배터리 탭 부착 구조체를 포함하고, 상기 전극은 전체 길이, 전체 폭 및 전체 두께를 가지며, 상기 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 약 1 % 내지 약 100 %인 폭을 갖는 자립형 전극에 관한 것이다.
일부 실시예에서, 본 개시는 무(無)바인더, 무집전체 자립형 전극의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 전극 활물질을 에어로졸화 또는 유동화하여 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질을 생성하는 단계; 및 상기 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 제1 다공성 표면 및 이 제1 다공성 표면 위로 이격된 배터리 탭 부착 구조체 상에 공성막하여(co-depositing), 상기 배터리 탭 부착 구조체가 매립된, 탄소 나노튜브의 3차원 네트워크 내의 상기 전극 활물질의 복합체인 자립형 전극 재료를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전극은 전체 길이, 전체 폭 및 전체 두께를 가지며, 상기 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 약 1 % 내지 약 100 %인 폭을 갖는다.
본 발명의 이들 및 다른 양태는 하기 상세한 설명의 검토에 의해 더욱 완전히 이해될 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 개시의 일부 양태에 따른 자립형 전극에 대한 배터리 탭 부착 방법의 개략도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 양태에 따른 탭 부착물의 이미지의 예를 도시한다.
첨부된 도면과 관련하여 이하에 설명되는 상세한 설명은 다양한 구성의 설명으로 의도되며, 여기에 설명된 개념이 실시될 수 있는 유일한 구성을 제시하기 위한 것이 아니다. 상세한 설명은 다양한 개념에 대한 철저한 이해를 돕기 위한 구체적인 세부 정보를 포함하고 있다. 그러나, 당업자라면 이러한 개념들이 이러한 특정 세부 사항들 없이도 실시될 수 있다는 것을 알 것이다.
본 개시는 배터리 탭 부착 구조체가 매립된, 탄소 나노튜브 및 전극 활물질의 복합체를 포함하는 자립형 전극 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.
일부 실시예에서, 본 개시는 자립형 전극에 관한 것으로서, 전극 활물질 및 탄소 나노튜브의 복합체; 및 상기 복합체 내에 매립된 배터리 탭 부착 구조체를 포함하며, 상기 전극은 전체 길이, 전체 폭 및 전체 두께를 가지며, 상기 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 약 1 % 내지 약 100 %인 폭을 갖는다. 일부 양태에서, 상기 배터리 탭 부착 구조체 폭은 전극의 전체 폭의 약 10 % 내지 약 75 %이다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "전극 활물질"은 전극 내의 도전성 물질을 지칭한다. 용어 "전극"은 이온 및 전자가 전해질 및 외부 회로와 교환되는 전기 전도체를 지칭한다. "양극(positive electrode)" 및 "캐소드(cathode)"는 본 명세서에서 동의어로 사용되며, 전기 화학 셀에서 더 높은(즉, 음극보다 더 높은) 전극 전위를 갖는 전극을 지칭한다. "음극(Negative electrode)" 및 "애노드(anode)"는 본 명세서에서 동의어로 사용되며, 전기 화학 셀에서 보다 낮은(즉, 양극보다 더 낮은) 전극 전위를 갖는 전극을 지칭한다. 캐소드 환원은 화학 종의 전자(들)를 얻는 것을 의미하며, 애노드 산화는 화학 종의 전자(들)를 잃는 것을 의미한다.
비-제한적인 실시예에서, 전극 활물질은 에어로졸화될 수 있는 임의의 고체 금속 산화물 분말일 수 있다. 예시적인 예에서, 금속 산화물은 배터리의 캐소드에 사용하기 위한 재료이다. 금속 산화물의 비-제한적인 예는 Ni, Mn, Co, Al, Mg, Ti 및 이들의 임의의 혼합물의 산화물을 포함한다. 금속 산화물은 리튬화될 수 있다. 예시적인 예에서, 금속 산화물은 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LiNiMnCoO2)이다. 금속 산화물 분말은 약 1 나노미터 내지 약 100 미크론 범위 내로 한정된 입자 크기를 가질 수 있다. 비-제한적인 예에서, 금속 산화물 입자는 약 1 nm 내지 약 10 nm의 평균 입자 크기를 갖는다. 일부 양태에서, 전극 활물질은 흑연, 경질 탄소, 규소, 규소 산화물, 리튬 금속 산화물, 리튬 철 인산염 및 리튬 금속으로부터 선택된다.
본 개시에 따른 리튬 금속 산화물의 금속은 하나 이상의 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 알루미늄, 또는 전이후 금속, 및 이들의 수화물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
"알칼리 금속"은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 또는 프란슘과 같은 원소 주기율표의 Ⅰ족의 금속이다.
"알칼리 토금속"은 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 또는 라듐과 같은 원소 주기율표의 Ⅱ족의 금속이다.
"전이 금속"은 란타나이드 및 악티나이드 계열을 포함하는 원소 주기율표의 d-블록의 금속이다. 전이 금속은 스칸듐, 티타튬, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 테크네튬, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 란타늄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬, 하프늄, 탄탈룸, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금, 수은, 악티늄, 토륨, 프로택티늄, 우라늄, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘, 퀴륨, 버켈륨, 칼리포르늄, 아인시타이늄, 페르뮴, 멘델레븀, 노벨륨 및 로렌슘을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
"전이후 금속"은 갈륨, 인듐, 주석, 탈륨, 납, 비스무스 또는 폴로늄을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전극 활물질 및 단일 벽 탄소 나노튜브"의 적합한 복합체는 사건 관리 번호가 037110.00687인 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "자립형 전극 및 그 제조 방법"인 미국 특허 출원 제15/665,171호, 및 사건 관리 번호가 037110.00688인 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "탄소 나노튜브를 첨가제로 사용하여 리튬-이온 배터리를 위한 무바인더 및 무집전체 자립형 전극의 연속 제조"인 미국 특허 출원 제15/665,142호에 개시된 것들과 같은 자립형 전극을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 이들 각각의 출원은 참조에 의해 그 전체 내용이 본원에 포함된다. 일부 양태에서, 전극 활물질은 흑연, 경질 탄소, 리튬 금속 산화물 및 리튬 철 인산염으로부터 선택된다.
일부 양태에서, 배터리 탭 부착 구조체는 금속을 포함한다. 일부 양태에서, 금속은 구리, 알루미늄, 니켈 또는 스테인레스강이다. 비-제한적인 예에서, 스테인레스강은 SS304 및 SS316을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 당업계에 공지된 임의의 스테인레스강일 수 있다. 일부 양태에서, 배터리 탭 부착 구조체는 도전성 탄소 구조체를 포함한다. 도전성 탄소 구조체는 탄소 나노튜브, 그래핀(예를 들어 그래핀 발포체와 같은 2차원 및 3차원 그래핀 형태), 탄소 섬유, 흑연, 또는 임의의 다른 도전성 탄소 동소체, 또는 이들의 조합물, 또는 이들의 복합체를 포함할 수 있다. 탄소 나노튜브는 단일, 또는 소수(few), 또는 다중 벽 탄소 나노튜브 또는 이들의 조합일 수 있으며, 단일 벽 탄소 나노튜브가 바람직하다. 탄소 나노튜브 및/또는 탄소 섬유가 사용되는 경우, 탄소 나노튜브 및/또는 탄소 섬유는 나노튜브 얀, 나노튜브 스레드(threads), 나노튜브 클로스(cloth), 나노튜브 와이어, 나노튜브 종이(즉, 버키 페이퍼), 나노튜브 매트, 나노튜브 시트 또는 나노튜브 펠트의 형태일 수 있다. 배터리 탭 부착 구조체는 포일, 스트립, 와이어, 그리드, 로프, 메시 포일, 천공된 포일, 클로스, 거즈 또는 메시를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 임의의 고체의 물리적 형태로 이루어질 수 있다. 배터리 탭 부착 구조체는 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및 단일 벽 탄소 나노튜브를 배터리 탭 부착 구조체가 그 위에 이격되어 있는 제1 다공성 표면 상에 공성막하는 공정에 의해 복합체 내에 매립될 수 있다. 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및 단일 벽 탄소 나노튜브는 함께 혼합물 내에 존재할 수 있거나 또는 공성막 단계 또는 공성막 전에 서로 접촉하지 않을 수 있다. 적합한 공성막 방법 및 장치는 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 2017년 7월 31일 출원된 발명의 명칭이 "자립형 전극 및 그 제조 방법"인 미국 특허 출원 제15/665,171호, 및 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "탄소 나노튜브를 첨가제로 사용하여 리튬-이온 배터리를 위한 무바인더 및 무집전체 자립형 전극의 연속 제조"인 미국 특허 출원 제15/665,142호에 설명된 것들을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 이들 각각의 출원은 참조에 의해 그 전체 내용이 본원에 포함된다.
본 개시의 자립형 전극은 복합체 및 그 안에 매립된 배터리 탭 부착 구조체 모두를 포함하는, 전체 길이, 전체 폭, 및 전체 두께를 특징으로 할 수 있다. 일부 양태에서는, 전극의 전체 두께는 약 10 ㎛ 내지 약 5000 ㎛, 예를 들어 약 20 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 또는 그 사이의 임의의 정수 또는 부분 범위이다. 일부 양태에서는, 전극은 약 20 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 전체 두께를 갖는다. 일부 양태에서는, 전극은 약 20 ㎛ 내지 약 75 ㎛의 전체 두께를 갖는다. 전극은 약 20 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 전체 두께를 갖는다. 전극은 약 20 ㎛ 내지 약 40 ㎛의 전체 두께를 갖는다.
본 개시에 따르면, 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 약 10 % 내지 약 75 %의 폭을 갖는다. 일부 양태에서는, 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 약 10 % 내지 약 50 %의 폭을 갖는다. 일부 양태에서는, 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 약 10 % 내지 약 30 %의 폭을 갖는다. 일부 양태에서는, 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 약 3 % 내지 약 10 %의 폭을 갖는다.
다른 실시예에서, 본 개시는 무바인더, 무집전체 자립형 전극의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 전극 활물질을 에어로졸화 또는 유동화하여 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질을 생성하는 단계; 및 상기 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 제1 다공성 표면 및 이 제1 다공성 표면 위로 이격된 배터리 탭 부착 구조체 상에 공성막하여, 상기 배터리 탭 부착 구조체가 매립된, 탄소 나노튜브의 3차원 네트워크 내의 상기 전극 활물질의 복합체인 자립형 전극 재료를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전극은 전체 길이, 전체 폭 및 전체 두께를 가지며, 상기 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 약 1 % 내지 약 100 %인 폭을 갖는다. 자립형 전극과 관련하여 기술된 모든 양태는 무바인더, 무집전체 자립형 전극의 제조 방법에 동일한 효력으로 적용되며, 그 반대도 마찬가지이다. 탄소 나노튜브는 단일 벽, 소수 벽 또는 다중 벽일 수 있거나 또는 이들의 조합일 수 있다.
일부 양태에서, 상기 에어로졸화 또는 유동화된 활물질 및 탄소 나노튜브를 상기 제1 다공성 표면 및 이 제1 다공성 표면 위로 이격된 상기 배터리 탭 부착 구조체 상에 공성막하는 단계는 상기 제1 다공성 표면 및 이 제1 다공성 표면 위로 이격된 배터리 탭 부착 구조체와 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 동시에 접촉시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브는 이전에 서로 접촉되어 있지 않았다. 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및 단일 벽 탄소 나노튜브가 동시 성막 전에 서로 접촉하지 않는, 동시 성막을 위한 전극 활물질의 에어로졸화 또는 유동화 및 탄소 나노튜브의 생성을 위한 적합한 방법 및 장치는 사건 관리 번호가 037110.00688인 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "탄소 나노튜브를 첨가제로 사용하여 리튬-이온 배터리를 위한 무바인더 및 무집전체 자립형 전극의 연속 제조"인 미국 특허 출원 제15/665,142호에 기술된 것을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 당업자에게 알려져 있는 것들을 포함하며, 상기 출원은 참조에 의해 그 전체 내용이 본원에 포함된다.
일부 양태에서, 상기 에어로졸화 또는 유동화된 활물질 및 탄소 나노튜브를 상기 제1 다공성 표면 및 이 제1 다공성 표면 위로 이격된 상기 배터리 탭 부착 구조체 상에 공성막하는 단계는 상기 에어로졸화된 전극 활물질의 분말을 캐리어 가스 중의 탄소 나노튜브와 접촉시켜, 탄소 나노튜브와 에어로졸화된 전극 활물질 분말의 혼합물을 형성하는 단계; 상기 제1 다공성 표면 및 이 제1 다공성 표면 위로 이격된 배터리 탭 부착 구조체 상에 혼합물을 수집하는 단계; 및 상기 캐리어 가스를 제거하는 단계를 포함한다. 에어로졸화된 전극 활물질의 분말을 캐리어 가스 중의 탄소 나노튜브와 접촉시켜 단일 벽 탄소 나노튜브 및 에어로졸화된 전극 활물질 분말의 혼합물을 형성하기 위한 적절한 방법 및 장치, 적절한 다공성 표면, 및 캐리어 가스를 제거하기 위한 적절한 방법 및 장치는 당업자에게 공지되어 있으며, 사건 관리 번호가 037110.00687인 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "자립형 전극 및 그 제조 방법"인 미국 특허 출원 제15/665,171호에 개시된 것들을 포함하지만 이에 한정되지는 않고, 상기 출원은 참조에 의해 그 전체 내용이 본원에 포함된다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일부 양태에 따른 자립형 전극에 대한 배터리 탭 부착 방법의 개략도를 도시한다. 배터리 탭 부착 구조체(101)는 하나 이상의 스페이서(103)를 제1 다공성 표면(102) 상으로 위치시키는 단계 및 배터리 탭 부착 구조체(101)를 하나 이상의 스페이서(103) 상으로 위치시키는 단계를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 당업계의 숙련자에게 공지된 바와 같은 임의의 적절한 수단을 사용하여 제1 다공성 표면 위로 이격될 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 스페이서(103)는 다공성 표면(102) 상에 위치되고, 배터리 탭 부착 구조체(101)는 하나 이상의 스페이서(103) 상에 위치되어, 배터리 탭 부착 구조체(101)의 길이의 일 부분에 대해 배터리 탭 부착 구조체(101)와 제1 다공성 표면(102) 사이에 수직 간격(h)을 남기므로, 에어로졸화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브는 배터리 탭 부착 구조체(101)의 위 및 아래에, 즉 배터리 탭 부착 구조체(101)의 위 그리고 제1 다공성 표면(102)의 위, 그러나 배터리 탭 부착 구조체(101) 아래에 공성막될 수 있다. 수직 간격(h)은 배터리 탭 부착 구조체(101) 두께에 대해 임의의 크기일 수 있다. 배터리 탭 부착 구조체(101)는 약 5 ㎛ 내지 약 2000 ㎛, 예를 들어 약 10 ㎛ 내지 약 290 ㎛, 예를 들어 약 100 ㎛ 또는 약 15 ㎛, 또는 이 범위 사이의 임의의 다른 정수 또는 부분 범위와 같은 임의의 두께일 수 있다. 탭 부착 구조체의 폭 및 두께는 전극의 크기 및 그 안의 활물질의 무게 및 이에 따라, 탭이 운반해야 하는 전류에 따라 달라진다. 탭 부착 구조체 및 탭 재료의 컨덕턴스 및 운반해야 하는 전류에 기초하여, 최소 탭 부착 구조체의 기하학적 구조(특히 단면적)가 계산될 수 있다. 배터리 탭 부착 구조체는 임의의 깊이에서 복합체 내에 매립될 수 있다. 일부 양태에서는, 자립형 전극의 전체 두께의 중간 정도의 깊이에 매립된다.
일부 양태에서, 2개의 스페이서(103)가 사용될 수 있다. 적합한 스페이서 재료는 종이, 셀룰로오스 및 중합체 재료를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 하나 이상의 스페이서(103)는 다공성 표면(102) 및/또는 배터리 탭 부착 구조체(101)에 대해 임의의 치수 및 형상일 수 있지만, 바람직하게는 하나 이상의 스페이서(103)는 공성막 후에 자립형 전극 재료의 제거를 용이하게 하기 위해 배터리 탭 부착 구조체보다 더 넓다.
공성막은 임의의 지속 시간에 걸쳐 수행될 수 있다. 임의의 특정 이론에 구속됨을 원하지 않고, 자립형 전극의 전체 두께는 공성막 지속 시간, 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및/또는 단일 벽 탄소 나노튜브의 유속, 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및/또는 단일 벽 탄소 나노튜브의 농도, 배터리 탭 부착 구조체의 두께, 및 수직 간격(h)의 크기를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 하나 이상의 인자에 의해 결정될 수 있다. 일부 양태에서, 약 20 분의 공성막에 의해 전체 두께가 약 30 ㎛인 자립형 전극이 형성될 수 있다. 일부 양태에서, 약 2 시간의 공성막에 의해 전체 두께가 약 100 ㎛인 자립형 전극이 형성될 수 있다. 당업자는 전하 또는 에너지 전하와 같은 원하는 두께 및/또는 다른 특성의 자립형 전극을 얻기 위해 이들 인자를 변화시킬 수 있을 것이다. 예를 들어, 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및/또는 단일 벽 탄소 나노튜브의 유속 및/또는 농도는 사건 관리 번호가 037110.00687인 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "자립형 전극 및 그 제조 방법"인 미국 특허 출원 제15/665,171호, 및 사건 관리 번호가 037110.00688인 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "탄소 나노튜브를 첨가제로 사용하여 리튬-이온 배터리를 위한 무바인더 및 무집전체 자립형 전극의 연속 제조"인 미국 특허 출원 제15/665,142호에 개시된 방법 및 장치를 사용하여 변경될 수 있다. 이들 각각의 출원은 참조에 의해 그 전체 내용이 본원에 포함된다.
또한, 자립형 전극의 전체 두께는 가압에 의해 변형될 수 있으며, 이는 전체 두께를 절반만큼 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 전체 두께가 100 ㎛인 자립형 전극이 50 ㎛의 두께로 가압될 수 있다. 가압은 또한 복합체 및/또는 배터리 탭 부착 구조체의 밀도를 변경시킬 수도 있다. 전극을 가압하기 위한 적절한 방법 및 장치는 당해 분야에 공지되어 있으며, 사건 관리 번호가 037110.00687인 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "자립형 전극 및 그 제조 방법"인 미국 특허 출원 제15/665,171호, 및 사건 관리 번호가 037110.00688인 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "탄소 나노튜브를 첨가제로 사용하여 리튬-이온 배터리를 위한 무바인더 및 무집전체 자립형 전극의 연속 제조"인 미국 특허 출원 제15/665,142호에 개시된 것들을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 이들 각각의 출원은 참조에 의해 그 전체 내용이 본원에 포함된다.
예
좁고 얇은 도전성 스트립/와이어/그리드가 그 형성 동안 자립형 전극 내로 매립된다(도 1a 내지 도 1d). 이러한 목적을 위해, 얇은 알루미늄 또는 구리 스트립, 와이어 또는 메시일 수 있는 금속 피스(101)가 전극 활물질 분말 및 탄소 나노튜브 첨가제의 혼합물의 동시 성막을 위한 기판/필터로서 작용하는 (스페이서(103)를 사용하여) 프릿 또는 메시(102) 위에 거리(h)만큼 이격되었다(도 1a 및 도 1b). 비-제한적인 예에서, 탄소 나노튜브 첨가제는 단일 벽 탄소 나노튜브, 다중 벽 탄소 나노튜브 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 스트립 또는 와이어(101)의 치수는 전극 크기에 비해 매우 작을 수 있다. 전극 필름을 형성하도록 혼합물(104)을 성막하는 동안, 전극 활물질 및 탄소 나노튜브 첨가제는 금속 스트립, 와이어 또는 메시(101) 주위에, 아래에, 위에 그리고/또는 그 상에서 성장하여, 이들 금속 구조체(들)(101)를 전극 활물질과 탄소 나노튜브 첨가제의 혼합물 내부에 캡슐화한다(도 1c 내지 도 1d). 또한, 프릿(102)은 방향(105)으로 가스를 필터링하기 위한 필터로서 작용한다. 그 후, 내부에 금속 구조체(101)를 갖는 전극 필름(106)은 롤러 밀 또는 다른 방법을 사용하여 원하는 밀도로 가압됨으로써, 금속 구조체가 그 안에 매립되어 있는 자립형 복합체 전극을 얻게 된다. 금속 구조체(101)(포일, 스트립, 와이어, 메시, 그리드 등)는 전극(106)의 외부로 돌출하여, 전기 탭 부착 지점을 제공할 수 있다. 탭은 용접 또는 다른 방법으로 부착될 수 있다. 이 방법의 변형예로서, 매립된 도전성 구조체는 그 자체가 전극 형성/성막을 위한 기판/필터로서 작용하는 금속 메시 또는 도전성 투과성 막(예를 들어, 도전성 중합체로 제조됨)일 수 있다. 이는 기체상으로부터의 전극 성장(예를 들어, 에어로졸) 또는 액상으로부터의(예를 들어 혼합물 또는 서스펜션으로부터의) 성막을 위해 사용될 수 있다. 그 다음, 도전성 기판/필터는 전술한 바와 같이 가압 과정에 의해 재료 내로 매립된다. 도 2a는 프릿 상의 알루미늄 메시(101)의 예를 도시한다. 도 2b는 탄소 나노튜브(CNT)와 전극 활물질의 혼합물의 성막 시의 도 2a의 예를 도시한다. 도 2c는 자립형 전극 내에 매립된 알루미늄 메시(101)의 예를 도시한다.
이 서술된 설명은 바람직한 실시예를 포함하여 본 발명을 개시하고, 또한 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여, 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 하는 예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자에게 발생할 수 있는 다른 예를 포함할 수도 있다. 이러한 다른 예는 사실상 청구범위와 다르지 않은 구조적 요소를 갖는 경우, 또는 사실상 청구범위와 실질적으로 다른 차이를 갖지만 동등한 구조적 요소를 포함하는 경우, 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 설명된 다양한 실시예로부터의 양태뿐만 아니라, 각각의 그러한 양태에 대한 다른 기지의 동등물도 본 출원의 원리에 따라 추가의 실시예 및 기술을 구성하기 위해 당업자에 의해 혼합되고 매칭될 수 있다.

Claims (22)

  1. 자립형 전극으로서,
    전극 활물질과, 탄소 나노튜브로 이루어진 3차원 네트워크의 복합체를 포함하는 자립형 전극 재료; 및
    상기 자립형 전극 재료에 매립된 배터리 탭 부착 구조체
    를 포함하고, 바인더 및 집전체를 포함하지 않는 자립형 전극이며,
    상기 배터리 탭 부착 구조체는 제1 표면과, 이 제1 표면 반대측의 제2 표면과, 상기 자립형 전극의 외부로 돌출하는 탭 부착 지점을 갖고,
    상기 제1 표면과 제2 표면 각각의 적어도 일부가 자립형 전극 재료와 접촉하는 것인, 자립형 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 활물질은 흑연, 경질 탄소, 규소, 규소 산화물, 리튬 금속 산화물 및 리튬 철 인산염으로부터 선택되는 것인, 자립형 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 탭 부착 구조체는 금속을 포함하는 것인, 자립형 전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속은 구리, 알루미늄, 니켈 또는 스테인레스강인 것인, 자립형 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 10 ㎛ 내지 5000 ㎛의 전체 두께를 갖는 것인, 자립형 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 20 ㎛ 내지 100 ㎛의 전체 두께를 갖는 것인, 자립형 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 10 % 내지 50 %의 폭을 갖는 것인, 자립형 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 10 % 내지 30 %의 폭을 갖는 것인, 자립형 전극.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 3 % 내지 10 %의 폭을 갖는 것인, 자립형 전극.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 탭 부착 구조체는 도전성 탄소 구조체를 포함하는 것인, 자립형 전극.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 도전성 탄소 구조체는 탄소 나노튜브, 그래핀(graphene), 탄소 섬유, 흑연 또는 임의의 다른 도전성 탄소 동소체, 또는 이들의 조합, 또는 이들의 복합체를 포함하는 것인, 자립형 전극.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 도전성 탄소 구조체의 탄소 나노튜브 및/또는 탄소 섬유는 나노튜브 얀(yarn), 나노튜브 스레드(threads), 나노튜브 클로스(cloth), 나노튜브 와이어, 나노튜브 종이, 나노튜브 매트, 나노튜브 시트 또는 나노튜브 펠트의 형태인 것인, 자립형 전극.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전극은 전체 길이, 전체 폭 및 전체 두께를 가지며, 상기 배터리 탭 부착 구조체는 전극의 전체 폭의 1 % 내지 50 %인 폭을 갖는, 자립형 전극.
  14. 제1항에 있어서, 상기 자립형 전극 재료는
    전극 활물질을 에어로졸화 또는 유동화하여, 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질을 생성하는 것;
    상기 에어로졸화 또는 유동화된 전극 활물질과, 탄소 나노튜브를 제1 다공성 표면 상에 공성막(co-depositing)하여, 배터리 탭 구조체가 내부에 매립된 자립형 전극 재료를 형성하는 것; 및
    상기 제1 다공성 표면으로부터 자립형 전극 재료를 제거하는 것
    에 의해 형성되는, 자립형 전극.
  15. 삭제
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