KR102528704B1 - 자립형 전극에 대한 배터리 탭 부착 방법 - Google Patents

자립형 전극에 대한 배터리 탭 부착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 포함하고 포일 기반 집전체를 포함하지 않는 바인더가 없고, 집전체가 없는 자립형 전극에 배터리 탭 구조체를 고정시키는 방법, 및 생성된 배터리 탭 고정 전극에 관한 것이다. 이러한 방법 및 생성된 배터리 탭 고정 전극은 배터리 및 전력 적용 분야에서 그러한 복합체의 사용을 용이하게 할 수 있다.

Description

자립형 전극에 대한 배터리 탭 부착 방법{METHOD FOR BATTERY TAB ATTACHMENT TO A SELF-STANDING ELECTRODE}
본 출원은 대리인 문서 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, 이는 본 명세서에 그 전체가 참고 문헌으로 인용된다.
리튬 이온 배터리는 2개의 전극(애노드 및 캐소드), 캐소드로부터 애노드를 분리하는 막 및 전해질로 구성된다. 전극은 활물질, 바인더, 탄소 기반 첨가제 및 집전 장치로 이루어진다. 알루미늄/구리 포일은 리튬 이온 배터리에 대한 전형적인 집전 장치이다. 통상적으로, 활물질은 활물질, 첨가제, 바인더 및 적절한 용매로 이루어진 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/니켈 포일의 스트립이다.
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.
바인더가 없고 탄소 나노튜브 매트릭스 내에 활물질 분말을 포함하고, 집전체 포일이 존재하지 않는 자립형 전극의 경우, 전극으로부터 전류를 수송하기 위한 방법이 필요하다. 다시 말하면, 임의의 집전체 포일을 갖지 않는 전극에 대한 탭 부착의 문제를 해결할 필요가 있다.
일부 실시예에서, 본 발명은 자립형 전극에 관한 것으로서: 탄소 나노튜브의 3차원 가교 결합 네트워크 내에 전극 활물질 입자를 갖는 복합 재료를 포함하는 본체; 상기 본체로부터 외측으로 연장되고, 상기 복합 재료를 포함하는 부재; 및 상기 부재에 고정된 배터리 탭을 포함한다.
일부 실시예에서, 본 발명은 자립형 전극을 제조하는 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 공성막(co-depositing)하여 자립형 전극을 형성하는 단계; 및 상기 전극의 적어도 제1 면 및 제2 면 각각이 배터리 탭과 접촉하도록 상기 배터리 탭을 상기 전극에 고정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 본 발명은 자립형 전극에 관한 것으로서, 바인더가 없고, 탄소 나노튜브의 3차원 가교 결합 네트워크 내에 전극 활물질 입자를 갖는 복합 재료를 포함하는 자립형 본체 - 상기 자립형 본체는 제1 면 및 상기 제1 면과 반대측인 제2 면을 포함함 - ; 및 상기 자립형 본체에 고정된 배터리 탭을 포함하고, 상기 배터리 탭은 본체; 상기 배터리 탭의 상기 본체로부터 연장되는 제1 레그; 및 상기 배터리 탭의 상기 본체로부터 연장되는 제2 레그를 포함하고, 상기 자립형 전극 본체는 상기 제1 레그와 상기 제2 레그 사이에 위치되고, 상기 제1 레그는 상기 자립형 본체의 상기 제1 면과 접촉하고, 상기 제2 레그는 상기 자립형 본체의 상기 제2 면과 접촉한다.
본 발명의 이들 및 다른 양태는 하기 상세한 설명의 검토에 의해 더욱 완전하게 이해될 것이다.
도 1a는 본 발명의 일부 양태에 따른 자립형 전극의 돌출 부재에 부착된 배터리 탭의 개략도를 도시한다.
도 1b는 탭 부착 공정의 제1 단계를 도시하는, 본 발명의 일부 양태에 따른 도 1a의 배터리 탭 고정 전극의 확대도를 도시하며: 탭은 자립형 전극 위에 접혀 있다.
도 1c는 탭 부착 공정의 제2 단계를 도시하는, 본 발명의 다른 양태에 따른 도 1a의 배터리 탭 고정 전극의 확대도를 도시하며: 탭 및 자립형 전극을 통해 끝까지 용접부가 제조된다(또는 리벳 또는 스테이플이 삽입되어 고정됨).
도 1d는 탭 부착 공정의 제3 단계를 도시하는, 본 발명의 다른 양태에 따른 도 1a의 배터리 탭 고정 전극의 확대도를 도시하며: 탭이 적절하게 벤딩되어 있다.
도 1e는 탭 부착 공정의 제4(선택적) 단계를 도시하는, 본 발명의 다른 양태에 따른 도 1a의 배터리 탭 고정 전극의 확대도를 도시하며: 원하는 경우, 벤딩된 탭은 추가의 용접부(또는 리벳)에 의해 고정된다.
도 2a는 본 발명의 일부 양태에 따른 리벳 또는 스테이플을 사용하는 자립형 전극의 돌출 부재에 부착된 배터리 탭의 개략도를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일부 양태에 따른 클램프를 사용하는 자립형 전극의 돌출 부재에 부착된 배터리 탭의 개략도를 도시한 측면도이다.
도 2c는 도 2b에 도시된 측면도의 평면도이다.
도 2d는 도 2b 및 도 2c에 도시된 전극의 정면도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일부 양태에 따라 자립형 전극에 대한 탭 부착의 다양한 다른 변형예를 도시한다. 도 3d 및 도 3e는 도 3c의 라인(308)을 따른 단면도이다. 도 3g는 도 3f의 라인(309)을 따른 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일부 양태에 따른 다층 탭 부착 방법의 개략도를 도시한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일부 양태에 따라 자립형 전극을 제조하기 위한 예시적인 장치를 도시하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일부 양태에 따른 자립형 전극을 제조하기 위한 장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따라 사용하기 위한 처리된 자립형 전극의 확대된 측면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 처리된 자립형 전극의 확대된 상면도이다.
도 10a 내지 도 10e는 본 발명의 일부 양태에 따라, 자립형 전극에 대한 배터리 탭 부착물의 예시적인 기하학적 구조의 개략도를 도시한다.
또한, 도 10f 내지 도 10k는 본 발명의 일부 양태에 따라, 자립형 전극에 배터리 탭을 고정하는 예에 대한 개략도를 도시한다. 도 10h 및 도 10i는 도 3c에 도시된 개념을 더 설명한다. 도 10j는 도 10h에 도시된 개략도의 단면도를 도시한다. 도 10k는 도 10i에 도시된 개략도의 단면도를 도시한다. 도 10l은 도 4a 내지 도 4d에 도시된 개념을 더 설명한다. 도 10m은 도 3f에 도시된 개념을 더 설명한다. 도 10n은 도 10l에 도시된 개략도의 라인(409)을 따른 단면도를 도시한다. 도 10o는 도 10m에 도시된 개략도의 라인(309)을 따른 단면도를 도시한다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 다양한 양태에 따른 탭 및 전극 부착의 단면의 개략도를 도시한다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 다양한 양태에 따른 배터리 인클로저의 히트 시일에서의 탭-대-전극 부착 결합의 상이한 개략도를 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 도 4a 내지 도 4d에 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 발명은 외부에 고정된 배터리 탭을 갖는, 탄소 나노튜브 및 전극 활물질의 복합체를 포함하는 자립형 전극 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.
일부 실시예에서, 본 발명은 자립형 전극에 관한 것으로서, 탄소 나노튜브의 3차원 가교 결합 네트워크 내에 전극 활물질을 갖는 복합 재료를 포함하는 본체; 상기 본체로부터 외측으로 연장되고, 상기 복합 재료를 포함하는 부재; 및 상기 부재에 고정된 배터리 탭을 포함한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "전극 활물질"은 전극 내의 리튬을 호스팅하는 물질을 지칭한다. 용어 "전극"은 이온 및 전자가 전해질 및 외부 회로와 교환되는 전기 전도체를 지칭한다. "양극(positive electrode)" 및 "캐소드"은 본 명세서에서 동의어로 사용되며, 전기 화학 셀에서 더 높은 전극 전위를 갖는(즉, 음극보다 더 높은) 전극을 지칭한다. "음극(negative electrode)" 및 "애노드"는 본 명세서에서 동의어로 사용되며, 전기 화학 셀에서 보다 낮은 전극 전위(즉, 양극보다 더 낮은)를 갖는 전극을 지칭한다. 캐소드 환원은 화학 종의 전자(들)를 얻는 것을 의미하며, 애노드 산화는 화학 종의 전자(들)를 잃는 것을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 당업자가 이해하는 것과 거의 유사한 것으로 정의된다. 하나의 비제한적인 실시예에서, 용어 "약"은 10% 이내, 바람직하게는 5% 이내, 보다 바람직하게는 1% 이내, 가장 바람직하게는 0.5% 이내로 정의된다.
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 비제한적인 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 1000 미크론의 범위 또는 그 사이의 임의의 정수 또는 부분 범위 내로 한정된 입자 크기를 가질 수 있다. 비제한적인 예에서, 금속 산화물 입자는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는다. 비제한적인 예에서, 금속 산화물 입자는 약 1 ㎚ 내지 약 10 ㎚의 평균 입자 크기를 갖는다. 본 발명에 따른 리튬 금속 산화물의 금속은 하나 이상의 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 알루미늄 또는 전이후 금속 및 이들의 수화물을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
"알칼리 금속"은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 또는 프란슘과 같은 원소 주기율표의 제Ⅰ족의 금속이다.
"알칼리 토금속"은 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 또는 라듐과 같은 원소 주기율표의 제Ⅱ족의 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, 큐륨, 버클륨, 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 탄소 나노튜브"의 적합한 복합체 또는 혼합물은 그 전체가 본 명세서에 참조로 인용되는 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "자립형 전극 및 그 제조 방법"인 미국 특허 출원 제15/665,171호에 개시된 것과 같은 자립형 전극을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 일부 양태에서, 전극 활물질은 흑연, 경질 탄소, 규소, 규소 산화물, 리튬 금속 산화물, 리튬 철 인산염, 황 및 리튬 금속 입자로부터 선택된다. 일부 양태에서, 전극 활물질은 흑연, 경질 탄소, 규소, 규소 산화물, 리튬 금속 산화물, 리튬 금속 및 리튬 철 인산염으로부터 선택된다.
일부 양태에서, 배터리 탭은 금속(금속 합금을 포함함)을 포함한다. 본 발명에 따른 배터리 탭의 금속은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 알루미늄, 및 전이후 금속 및 이들을 포함하는 합금을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
일부 양태에서, 금속은 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 팔라듐, 백금 또는 이들의 합금일 수 있다. 일부 양태에서, 금속은 구리 또는 알루미늄일 수 있다. 배터리 탭은 포일, 스트립, 와이어, 로드, 그리드 또는 메시를 포함하되 이에 국한되지 않는 임의의 고상 물리적 형태로 있을 수 있다. 일부 양태에서, 배터리 탭은 약 5 ㎛ 내지 약 2000 ㎛의 두께 또는 그 사이의 임의의 정수 또는 부분 범위의 두께를 갖는다. 일부 양태에서, 배터리 탭은 약 100 ㎛의 두께를 갖는다. 일부 양태에서, 배터리 탭은 약 15 ㎛의 두께를 갖는다. 일부 양태에서, 배터리 탭은 약 0.001 ㎝ 내지 약 100 ㎝의 폭, 또는 그 사이의 임의의 부분 범위를 갖는다. 일부 양태에서, 배터리 탭은 약 0.5 ㎝의 폭을 갖는다. 탭 너비와 두께는 전극 크기와 그 안에 포함된 활물질의 중량에 따라 달라지므로 탭이 전달해야 하는 전류에 따라 달라진다. 탭 재료, 그것이 전달해야 하는 전류의 컨덕턴스에 기초하여, 최소한의 탭 형상(특히 단면 영역)을 계산할 수 있다. 동일한 고려 사항이 돌출된 "부재"의 크기에 적용되고, 큰 전극의 경우, 전극의 메인 본체에 탭을 (특히, 도 2d 및 도 10k에 도시된 바와 같이 에지 중 하나를 따라) 직접 부착하는 것이 선호될 수 있다. 일부 경우에, 기계적 강도 고려 사항이 탭 형상 및 "부재" 형상을 선택하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 탭 길이는 탭이 도달해야 하는 위치에 도달하도록 적절하게 선택된다. 비제한적인 예로서, 탭은 상업적으로 이용 가능할 수 있고, 탭은 적절하게는 5 ㎜ 폭 및 100 ㎛ 두께일 수 있다. 다른 일반적이고 적합한 상업적으로 이용 가능한 크기는 3, 4 및 8 ㎜ 폭, 100 ㎛ 두께를 포함한다. 일부 양태에서, 배터리 탭 구조는 전극의 전체 폭의 약 0.01% 내지 약 100%의 폭 또는 그들 사이의 임의의 정수 또는 부분 범위를 갖는다.
일부 양태에서, 상기 부재는 적어도 제1 면 및 제2 면을 가지며, 상기 제1 면 및 제2 면 각각은 적어도 5 ㎜ × 5 ㎜의 표면적을 갖는다. 부재 또는 돌출부는 탭과 동일하거나 더 넓거나 더 좁은 폭일 수 있다.
예를 들어, 도 1a에서, 자립형 전극 본체(102)는 그로부터 돌출하는 부재(104)를 가지며, 이는 탭(101)보다 넓다.
또 다른 비제한적 예로서, 도 3c는 부재(104)가 탭(101)보다 좁은 자립형 전극 본체(102)로부터 돌출된 부재(104)를 도시한다.
일부 양태에서, 자립형 전극 본체는 부재 또는 돌출부를 갖지 않고, 탭은 전극의 메인 본체에 직접 부착될 수 있다. 예를 들어, 도 3a 및 도 3f는 배터리 탭(301 또는 307)이 자립형 전극 본체(302 또는 310)에 (각각) 직접 부착된 것을 도시한다. 또 다른 비제한적인 예로서, 도 10a 내지 도 10g는 하나 이상의 배터리 탭이 자립형 전극 본체에 부착된 것을 도시하며, 이는 이후에 더 상세히 설명될 것이다.
탭은 돌출 부재(예를 들어, 도 1a 내지 도 1e, 도 2c, 도 3c 참조)를 완전히 또는 부분적으로 둘러싸거나 둘러싸지 못할 수 있다. 비제한적인 예로서, 도 1a는 자립형 전극(102)으로부터 돌출된 부재(104)의 개략도를 도시하고, 탭(101)은 돌출 부재(104)를 부분적으로 둘러싼다. 일부 양태에서, 제2 면은 제1 면의 반대편에 있다. 일부 양태에서, 제2 면은 제1 면에 대향하지 않는다. 일부 양태에서, 상기 부재에 고정된 상기 배터리 탭은 상기 부재의 제1 면 및 제2 면과 접촉하는 단일 금속 시트를 포함한다.
일부 양태에서, 부재의 제1 면과 접촉하는 단일 금속 시트의 제1 부분은 하나 이상의 용접부, 리벳, 스테이플, 클램프 또는 클립을 통해 부재의 제2 면과 접촉하는 단일 금속 시트의 제2 부분에 연결된다. 일부 양태에서, 하나 이상의 용접부 또는 리벳은 제1 면에서 제2 면으로 부재를 통과할 수 있다. 용접부 또는 리벳의 수는 어떤 방식으로도 제한되지 않는다. 다른 양태에서는, 용접부 또는 리벳이 사용되지 않을 수 있다. 도 1a 내지 도 1e, 도 2a 내지 도 2d 및 도 3b 내지 도 3c는 스폿 용접부, 리벳, 스테이플 또는 클램프를 갖는 자립형 전극의 돌출 부재에 대한 배터리 탭의 부착 예를 도시하며, 이하에서 더 상세히 논의될 것이다.
일부 양태에서, 배터리 탭은 약 5 내지 약 200 ㎛, 또는 그 사이의 임의의 정수 또는 부분 범위의 두께, 및 약 1 ㎝ 미만의 폭, 또는 그 사이의 임의의 정수 또는 부분 범위를 갖는다. 배터리 탭 두께 및 폭은 전극의 크기 및 형상, 활물질의 중량, 활물질의 유형 및 전극이 제조되는 재료의 전도도 및 배터리의 다른 파라미터에 따라 적절히 좌우되므로, 전류는 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이 생성/소비된다. 전류에 영향을 미치는 다른 배터리 파라미터는 활물질의 입자 크기 및 형상; 전해질 조성 및 농도[즉, 사용되는 용매(들)에서 사용되는 염(들)의 비율 및 농도]; 액체, 겔 또는 고체 전해질(및 고체 전해질의 종류)인지의 여부; 세퍼레이터 막(존재하는 경우)의 조성 및 형상, 배터리의 전극 배치, 및 기타 여러 설계 및 제조 파라미터뿐만 아니라 관련된 모든 조성의 품질을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일부 양태에서, 배터리 탭 두께는 약 10 내지 약 150 ㎛이고, 배터리 탭 폭은 약 0.5 ㎝이다. 일부 양태에서, 배터리 탭은 탭 부착 부위로부터 배터리 인클로저(예를 들어, 파우치일 수 있음)를 지나 전극까지 연장하도록, 즉, 상기 탭의 일 단부가 상기 배터리 내부의 전극에 부착되고; 다른 단부가 배터리의 외부에 있도록 충분하게 적절히 길어서, 외부 부하를 전기적으로 접속할 수 있다. 일부 경우에, 다중 또는 복합 전극을 갖는 배터리에서와 같이, 탭은 다른 전극 또는 다른 탭에의 부착 지점에 도달하거나 배터리 하우징에 부착되기에 충분하도록 적절히 길다(예를 들어, 원통형 또는 각형 배터리). 본 발명의 전극 및 방법과 함께 사용하기에 적합한 시판되는 탭의 전형적인 길이는 약 10 ㎝ 이하이다.
전극은 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎜ 또는 그 사이의 임의의 정수 또는 부분 범위와 같은 임의의 두께일 수 있다. 일부 양태에서, 전극은 약 10 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 두께를 갖는다. 일부 양태에서, 전극은 약 20 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 두께를 갖는다. 일부 양태에서, 전극은 약 20 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 두께를 갖는다. 적절한 전극 두께는 당업자에게 공지된 바와 같이 전극에 대한 적용예에 좌우될 수 있다. 비제한적인 예에서, 자동차 배터리의 적절한 전극 두께는 약 300 ㎛일 수 있다. 비제한적인 예에서, 센서에 대한 적절한 전극 두께는 약 10 ㎛ 내지 약 20 ㎛일 수 있다. 또한, 임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 전극의 에너지 밀도 및/또는 전하 밀도는 전극 두께에 의존할 수 있다.
일부 양태에서, 부재에 고정된 배터리 탭은 부재의 제1 면 및 제2 면과 접촉하고 하나 이상의 용접부, 리벳, 스테이플, 클램프 또는 클립을 통해 서로 연결되는 2개의 금속 시트를 포함한다. 일부 양태에서, 2개의 시트는 하나의 용접부 또는 리벳을 통해 서로 연결된다. 일부 양태에서, 2개의 시트는 2개 이상의 용접부 또는 리벳을 통해 서로 연결된다. 주어진 전극 및/또는 그 적용에 있어서, 용접부 또는 리벳의 수를 변경 및/또는 최적화하는 것은 당업자의 수준 이내이다. 일부 양태에서, 하나 이상의 용접부 또는 리벳은 부재를 통해 이동한다. 일부 양태에서, 상기 부재의 제1 면은 제2 면의 반대편에 있다. 용접부 및 리벳 체결을 위한 공구, 재료 및 방법은 당업자에게 공지된 것을 포함한다. 리벳 및 클램프(예를 들어, 스프링 압축 클램프)는 탭과 동일한 재료로 적절히 제조된다. 탭을 위한 재료는 배터리의 특정 화학적 성질에 기초하여, 그리고 그것이 부착되는 전극의 전기 화학적 전위에 기초하여 적절하게 선택된다. 리튬 배터리에서, 캐소드 탭은 일반적으로 알루미늄이며 애노드 탭은 일반적으로 구리 또는 니켈이지만, 배터리의 다른 화학 물질에 대해서 다른 금속을 사용할 수 있다. 예를 들어, 리벳, 스테이플 또는 클립은 매우 전기 화학적으로 비활성인 금속(예를 들어, 금 또는 백금과 같은 귀금속)으로 제조될 수 있다. 다른 비제한적인 예에서, 특정 등급의 스테인리스 강이 또한 배터리의 특정 화학적 성질(즉, 어느 활물질 및 어느 전해질이 사용되는지)에 따라 사용될 수 있다. 용접은 스폿 용접 또는 초음파 용접을 포함하지만 이에 한정되지 않는 당업계에 공지된 임의의 적합한 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 스테이플, 리벳 및 클램프는 당업계에 공지된 임의의 적합한 방법을 사용하여 설치될 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 자립형 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 전극 활물질을 에어로졸 또는 유동화시켜 에어로졸화 또는 유동화된 전극 활물질을 생성하는 단계; 에어로졸화 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 공성막하여 자립형 전극을 형성하는 단계; 및 상기 전극의 적어도 제1 면 및 제2 면 각각이 배터리 탭과 접촉하도록 상기 배터리 탭을 상기 전극에 고정하는 단계를 포함한다. 전극과 관련하여 기술된 모든 양태는 동일한 힘을 갖는 방법에 적용된다. 일부 양태에서, 이 공성막은 다공성 표면 상에 있을 수 있다. 일부 양태에서, 본 방법은 배터리 탭을 전극에 고정하기 전에, 자립형 전극을 성형하여 본체 및 본체로부터 외향으로 연장되는 부재를 형성하는 단계를 더 포함하고, 배터리 탭은 부재에 고정된다.
일부 양태에서, 배터리 탭은 금속을 포함한다. 일부 양태에서, 금속은 알루미늄 또는 구리이다. 금속은 하나 이상의 와이어, 그리드, 메시, 포일, 로드 또는 시트를 포함하되 이에 국한되지 않는 임의의 고상 물리적 형태로 있을 수 있다.
일부 양태에서, 상기 고정 단계는, 상기 단일 시트가 상기 전극 또는 그로부터 돌출하는 부재의 적어도 제1 면 및 제2 면과 접촉하도록, 그로부터 돌출된 전극 또는 부재 위에 단일 금속 시트 시트를 접는 단계(도 1b)를 포함한다. 도 1b에서, 탭(101)은 부재(104) 위로 접힌다. 일부 양태에서, 제2 면은 제1 면에 대향하여 있다. 단일 시트는 전극의 적어도 제1 면 및 제2 면과의 접촉을 성립시키기 위해 임의의 적절한 수단에 의해 접힐 수 있다. 일부 양태에서, 상기 고정 단계는 전극을 통한 하나 이상의 용접부(도 1c 내지 도 1e) 또는 리벳(도 2a)을 통해 전극의 적어도 2개의 면과 접촉하는 단일 시트의 부분을 서로 연결하는 단계를 더 포함한다. 하나의 비제한적인 예에서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 스폿 용접부(103)는 부재(104)를 관통하여 탭(101)을 고정시킨다. 다른 비제한적인 예에서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 탭(101)의 과도한 길이(즉, 용접 이후)는 부재(104)와의 접촉으로부터 뒤로 접힌다. 다른 비제한적인 예에서, 도 1e에 도시된 바와 같이, 추가 용접부(105)가 탭(101)의 과도한 길이를 그 자체를 관통하는 스폿 용접부(103)에 의해 부재(104)의 부분에 고정하도록 추가된다. 또 다른 비제한적인 예에서, 도 2a는 스테이플 또는 리벳일 수 있는 하나 이상의 체결구(206)와 결합하여 접음으로써 부재(104)에 고정되는 탭(101)을 갖는 부재(104)를 도시한다.
일부 양태에서, 하나 이상의 용접부 또는 리벳은 전극을 통해 이동한다. 일부 양태에서, 적어도 2개의 면들은 적어도 2개의 대향하는 면이다. 일부 양태에서, 상기 고정 단계는 상기 전극의 2개의 면 각각을 각각의 금속 시트와 접촉시키는 단계; 하나 이상의 용접부, 리벳, 스테이플, 클램프 또는 클립을 통해 각각의 금속 시트를 서로 연결하는 단계를 포함한다.
임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 용접 또는 리벳팅은 전극의 두께에 제한을 두지 않는다고 믿어진다. 예를 들어, 용접 또는 리벳팅은 약 1 ㎛ 내지 약 5000 ㎛의 범위를 갖는 두께 또는 그 사이의 임의의 정수 또는 부분 범위를 갖는 전극에 사용될 수 있다. 바람직하게는, 용접 또는 리벳팅은 약 10 ㎛ 내지 약 300 ㎛ 범위의 두께를 갖는 전극에 사용된다. 일부 양태에서, 상기 접힘 단계는 약 10 ㎛ 내지 약 5000 ㎛ 범위의 두께 또는 그 사이의 임의의 정수 또는 부분 범위의 전극에 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 접힘 단계는 약 100 ㎛ 내지 약 300 ㎛ 범위의 두께를 갖는 전극과 함께 사용된다.
사용되는 용접 또는 체결의 특정 모드는 탭 재료 및 두께뿐만 아니라 전극의 두께에 좌우될 수 있고, 당업자에 의해 결정될 수 있다. 비제한적인 예에서, 매우 두꺼운 전극(즉, 200 내지 5000 ㎛)에 대해, 전극을 통한 용접부의 유무에 관계없이 클램프(도 2b 내지 도 2d) 또는 리벳/스테이플(도 2a) 또는 "용접 구성 주위의 래핑"을 사용하는 것이 바람직할 수 있다(도 10h, 도 10i). 다른 비제한적인 실시예에서, 용접부, 리벳, 스테이플 및 클램프/클립의 조합이 사용될 수 있다: 예컨대 도 10h 또는 도 10i에 도시된 바와 같이 두꺼운 전극의 "부재 돌출부" 위로 탭을 접거나, "부재" 주위에 탭 포일을 용접하거나, 그 후 "부재" 위에 클램프를 놓거나, 또는 탭 포일의 양쪽 층 및 부재의 본체를 통해 리벳/스테이플을 구동한다.
하나의 비제한적인 예에서, 도 2b는 클램프(207)를 사용하여 부재(104)에 고정되는 탭(101)을 갖는 부재(104)를 도시한다. 또 다른 비제한적인 예에서, 도 2c는 부재(104)가 자립형 전극 본체(102)로부터 돌출된 도 2b에 도시된 예에 대한 평면도이다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 부재(104)는 탭(101)보다 넓다. 도 2d는 도 2c에 도시된 도면의 정면도를 도시한다.
특정 이론에 구애됨 없이, 용접 또는 리벳팅은 배터리 탭 고정 자립형 전극의 접촉 저항을 낮출 수 있다고 믿어진다; 즉 용접 또는 리벳팅은 계면에서 전극과 배터리 탭 사이의 접촉 정도를 증가시킬 수 있다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 접촉 정도가 낮을수록 접촉 저항이 높아지고 에너지 손실 정도가 커진다. 예를 들어 계면에서 전극과 배터리 탭 사이의 접촉 정도를 증가시킴으로써 에너지 손실의 정도를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 더 두꺼운 전극의 경우, 용접, 리벳팅 또는 당업계에 공지된 다른 적절한 수단에 의해 배터리 탭 고정 자립형 전극의 접촉 저항을 낮추는 것이 바람직할 수 있다.
일부 양태에서, 상기 방법은 배터리 탭을 전극에 고정하기 전에 자립형 전극을 성형하여 본체 및 본체로부터 외향으로 연장되는 부재를 형성하는 단계를 더 포함하며, 배터리 탭은 부재에 고정된다. 전극 본체에 전극 탭이 부착되는 양태는 동일한 힘으로 전극 부재에 배터리 탭을 부착할 때 적용되며 반대의 경우도 마찬가지이다.
배터리 탭은 배터리 탭의 폭이 전극 본체 또는 부재의 폭을 초과하지 않도록 크기가 결정될 수 있다. 일부 양태에서, 배터리 탭의 폭은 전극 본체 또는 부재의 폭보다 약 50 ㎜ 미만, 예컨대 약 40 ㎜ 미만, 약 30 ㎜ 미만, 약 20 ㎜ 미만 또는 약 10 ㎜ 미만 또는 그 사이의 임의의 정수 또는 부분 범위로 작다. 배터리 탭과 전극 본체 또는 부재 사이의 폭의 차이는 전극 활물질 및/또는 배터리 탭에 사용되는 금속 및/또는 배터리 탭 고정 전극의 적용에 좌우될 수 있다. 일부 양태에서, 본체를 형성하기 위한 자립형 전극 및 본체로부터 외향으로 연장되는 부재의 성형 단계는 본체로부터 외향으로 연장되는 부재를 남기도록 자립형 전극을 절단하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 전극은 (에어로졸화된 성분들의 혼합물로부터) (모든 원하는 돌출부 등을 가지는) 전극의 최종 형상으로 형성된 다공성 표면 상에 성막될 수 있고, 추가 성형/절단이 필요하지 않다.
도 3a 내지 도 3g는 배터리 탭이 전극에 부착되는 예시적인 구조를 도시한다. 도 3a에서, 탭(301)은 자립형 전극 본체(302)에 수직 또는 비스듬히 부착된다. 탭(301)은 일부 양태에서 탭(101)과 유사할 수 있다. 자립형 전극 본체(302)는 일부 양태에서 자립형 전극 본체(102)와 유사할 수 있다. 도 3b에서, 탭(101)은 부재(104)를 캡슐화하지 않고 자립형 전극 본체(102)로부터 돌출하는 (일반적으로 탭보다 넓거나 유사한 폭의) 부재(104)에 부착된다. 도 3c에서, 탭(101)은 본체(102)로부터 돌출된 부재(104)에 부착되고, 여기서 부재(104)는 탭(101)보다 좁다. 부재(104)는 탭(101)에 의해 완전히 또는 부분적으로 캡슐화될 수 있다. 도 3d 및 도 3e는 도 3c의 라인(308)을 따른 단면도를 도시한다. 탭(101)은 부재(104)를 통한 스폿 용접(103)에 의해 한 조각(도 3e) 또는 두 조각(도 3d)에 부재(104)를 래핑할 수 있다. 도 3f에서, 접힌 탭(307)은 자립형 전극 본체(310)의 에지(또는 돌출부의 에지)를 둘러싼다. 도 3g는 도 3f의 라인(309)을 따른 단면도로서, 자립형 전극 본체(310)를 통해 접힌 탭(307)을 자체에 연결시키는 스폿 용접부(303)를 도시한다. 자립형 전극 본체(310)는 일부 양태에서 자립형 전극 본체(102)와 유사할 수 있다. 탭(307)은 일부 양태에서 탭(101)과 유사할 수 있다.
일부 양태에서, 배터리 탭 부착은 도 4a 내지 도 4d 에 도시한 바와 같이, 다층 배터리 탭 부착일 수 있다. 다층 배터리 탭 부착물은 탄소-코팅된 금속 포일과 같은 적절하게 얇은 포일인 하나 이상의 금속 포일 시트 이외에 전술한 바와 같은 탭을 적절하게 사용한다. 도 4a는 탭(401)과 적절하게 동일한 금속(즉, 캐소드용 알루미늄 및 애노드용 구리)인 얇은(5 내지 25 ㎛) 금속 포일(425)을 갖는 자립형 전극 재료(422)를 (부분적으로 또는 완전히) 둘러싸는 것을 도시하며, 탭 부착 및/또는 용접 전에 그렇게 하는 것은 취급 및 용접 중에 전극 재료 손상을 감소시킨다. 탭 포일(401)은 얇은 포일(425)(도 4b) 위에 적합하게 배치되고, 용접은 모든 층들(도 4c)을 통해 이루어지며, 즉 하나 이상의 스폿 용접부(403)는 얇은 금속 포일(425)을 통해, 자립형 전극 본체(422)를 통해, 얇은 금속 포일(425)의 제2 레그를 통해 탭(401)을 탭(401)의 제2 레그에 연결한다. 얇은 금속 포일(425)이 탄소-코팅되면, 전극 재료(422)와 탭(401)의 접착성을 향상시킬 수 있고, 따라서 탭(401)과 전극(422) 사이의 전기 접촉을 향상시킬 수 있다. 과도한 얇은 포일(425)은 필요하다면 당업계에 공지된 임의의 적절한 수단을 사용하여 탭(401) 용접 및 벤딩(도 4d) 후에 제거될 수 있다.
일부 양태에서, 에어로졸화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 공성막하는 단계는 캐리어 가스 중에서 에어로졸화된 전극 활물질 분말을 탄소 나노튜브와 접촉시켜 탄소 나노튜브 및 에어로졸화된 전극 활물질 분말의 혼합물을 형성하는 단계; 다공성 표면 상에 혼합물을 수집하는 단계; 및 캐리어 가스를 제거하는 단계를 포함한다. 에어로졸화된 전극 활물질 분말을 캐리어 가스 내의 탄소 나노튜브와 접촉시켜 탄소 나노튜브 및 에어로졸화된 전극 활물질 분말의 혼합물, 적절한 다공성 표면 및 캐리어 가스를 제거하기 위한 적절한 방법 및 장치를 형성하기 위한 적절한 방법 및 장치는 당업자에게 공지되어 있으며, 그 전문이 본원에 참조로 통합된 2017년 7월 31일자로 출원된 대리인 문서 번호가 037110.00687인 "자립형 전극 및 그 제조 방법(Self Standing Electrodes and Making for Making Thereof)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제15/665,171호에 개시된 것들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 방법에 사용하기에 적합한 탄소 나노튜브는 단일 벽 나노튜브, 소수 벽 나노튜브 및 다중 벽 나노튜브를 포함한다. 일부 양태에서, 탄소 나노튜브는 단일 벽 나노튜브이다. 소수 벽 나노튜브 및 다중 벽 나노튜브는 단일 벽 나노튜브에 사용되는 것을 포함하여, 당업자에게 공지된 임의의 적합한 방법 및 장치를 사용하여 합성되고, 특성화되고, 공성막되고 수집될 수 있다.
일부 양태에서, 공성막은 에어로졸화 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 다공성 표면 상에 공성막하여 바인더 없는 자립형 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
에어로졸화된 탄소 나노튜브 및 전극 활물질의 혼합물을 제공하기 위한 장치는 어떠한 방식으로도 제한되지 않는다. 도 5에 도시된 예시적인 예에서, 자립형 전극 제조 장치(5)가 제공된다. 탄소 나노튜브 및 전극 활물질은 용기(10)에 추가된다. 탄소 나노튜브 및 전극 활물질은 각각의 제조 공정으로부터 개별적으로 수집될 수 있거나, 또는 이러한 공정으로부터 자립형 전극에 대한 원하는 비율로 용기(10) 내로 직접 또는 간접적으로 도입될 수 있다. 하나 이상의 캐리어 가스(20)는 이후 나노튜브 및 전극 활물질의 혼합물을 에어로졸화하기 위해 용기(10)로 도입될 수 있다. 캐리어 가스에 동반된 나노튜브 및 전극 활물질을 포함하여 생성된 혼합 에어로졸화된 스트림(30)은 필터와 같은 다공성 기재(40)로 유도된다. 캐리어 가스는 가스 스트림(50)으로서 다공성 기재(40)를 통과하며, 나노튜브 및 전극 활물질의 혼합물은 다공성 기재(40)의 표면 상에 포획되어 자립형 전극(60)을 형성한다. 자립형 전극(60)은 그것이 원하는 두께에 도달할 때 다공성 기재(40)로부터 제거될 수 있다.
선택적으로, 장치(5)는 자립형 전극(60, 61)의 연속적인 생산을 허용하기 위해 복수의 다공성 기재(40, 41)를 포함할 수 있다. 2개의 다공성 기재만이 도시되어 있지만, 임의의 수의 다공성 기재가 상기 장치(5)에 포함될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 비제한적인 실시예에서, 다공성 기재(40)를 가로지르는 혼합 에어로졸화된 스트림(30)의 유동이 원하는 두께의 자립형 전극(60)을 생성할 때, 밸브(33)는 혼합 에어로졸화된 스트림(30)의 유동을 제2 다공성 기재(41)로 전달하도록 조정될 수 있다. 자립형 전극(60)은 다공성 기재(41) 상에 자립형 전극(61)을 형성하는 동안 제1 다공성 기재(40)로부터 제거될 수 있다. 제2 다공성 기재(41)를 가로지르는 혼합 에어로졸화된 스트림(30)의 유동이 원하는 두께의 자립형 전극(61)을 생성할 때, 밸브(33)는 혼합된 에어로졸화된 스트림(30)의 유동을 제1 다공성 기재(40)로 다시 전달하도록 조정될 수 있다. 자립형 전극(61)의 두께 및/또는 단면적은 자립형 전극(60)의 단면적과 동일하거나 상이할 수 있다. 예컨대, 자립형 전극(61)은 자립형 전극(60)보다 더 큰 두께 및/또는 횡단면을 가질 수 있다.
하나의 다공성 기재로부터 다른 다공성 기재로의 혼합된 에어로졸화된 스트림(30)의 유동을 재배향시키기 위해 밸브(33)를 자동으로 전환하는 다양한 상이한 방법이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 혼합된 에어로졸화된 스트림(30)의 흐름을 재배향시키기 위해 밸브(33)를 조절하는데 사용될 수 있는 시스템의 예시적인 예는 자립형 전극(60 및 61)의 두께를 검출하기 위한 하나 이상의 센서, 자립형 전극(60 및 61)의 원하는 두께에 대응하는 다공성 기재(40 및 41)를 가로지르는 압력 강하를 모니터링하기 위한 하나 이상의 압력 센서, 혼합된 에어로졸화된 스트림(30)의 주어진 유량에 대해 자립형 전극(60, 61)의 원하는 두께에 대응하는 설정 시간 이후 밸브(33)를 전환하는 타이머 및 이들의 임의의 조합을 포함하고, 하나 이상의 압력 센서가 다공성 기재(40 또는 41) 상의 자립형 전극(60 또는 61)의 원하는 두께와 관련된 압력 강하를 측정한 후에, 또는 하나 이상의 두께 센서가 다공성 기재(40 또는 41) 상의 자립형 전극(60 또는 61)의 원하는 두께를 검출한 후에, 또는 타이머가 다공성 기재(40 또는 41) 상의 원하는 두께의 자립형 전극(60 또는 61)에 대응하는 설정 시간을 측정한 후에, 혼합물은 하나의 다공성 기재로부터 다른 다공성 기재로 재배향된다. 또한, 다공성 기재(40 및/또는 41)는 자립형 전극(60 및/또는 61)으로 제조될 배터리 셀에 사용하기 위해 요구되는 바람직한 단면적과 일치하는 단면적을 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 자립형 전극(60 및/또는 61)은 최종 배터리 셀에 조립되기 전에 절단과 같은 단면 영역을 더 이상의 처리가 필요가 없다. 용기(10)의 형상은 어떠한 방식으로도 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 나노튜브 및 전극 활물질은 혼합 전에 개별적으로 에어로졸화될 수 있다. 예를 들면, 용기(10A) 내에 나노튜브가 제공되고, 용기(10B) 내에 전극 활물질이 제공될 수 있다. 하나 이상의 캐리어 가스(20A)가 나노튜브를 에어로졸화하기 위해 용기(10A)에 도입될 수 있고, 하나 이상의 캐리어 가스(20B)가 전극 활물질을 에어로졸화하기 위해 용기(10B)로 도입될 수 있다. 에어로졸화된 스트림(25A)은 용기(10A)에 도입된 캐리어 가스(20A)에 동반된 나노튜브를 포함하고, 에어로졸화된 스트림(25B)은 용기(10B)로 도입된 캐리어 가스(20B)에 동반된 전극 활물질을 포함한다. 에어로졸화된 스트림(25A)은 접합부(27)에서 에어로졸화된 스트림(25B)과 혼합된다. 접합부(27)는 에어로졸화된 스트림(25A) 및 에어로졸화된 스트림(25B)을 캐리어 가스에 동반된 나노튜브 및 전극 활물질의 혼합물을 포함하는 혼합된 에어로졸화된 스트림(30)에 조합할 수 있는 임의의 구성을 가질 수 있다. 혼합된 에어로졸화된 스트림(30)은 다공성 기재(40)로 유도된다. 캐리어 가스는 가스 스트림(50)으로서 다공성 기재(40)를 통과하면서 나노튜브 및 전극 활물질의 혼합물이 다공성 기재(40)의 표면 상에 포획되어 자립형 전극(60)을 형성한다. 자립형 전극(60)은 그것이 원하는 두께에 도달할 때 다공성 기재(40)로부터 제거될 수 있다. 캐리어 가스(20A 및 20B)는 동일하거나 상이할 수 있으며, 동일하거나 상이한 유속으로 도입될 수 있다. 예를 들어, 캐리어 가스(20A 및 20B)의 유속은 생성된 자립형 전극(60)에서 전극 활물질에 대한 나노튜브의 원하는 비율을 달성할 수 있도록, 필요한 개별 유속으로 나노튜브 및 전극 활물질을 접합부(27)에 공급하도록 조정될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 하나 이상의 다공성 기재(40)가 도 5에 대해 설명된 바와 같이 제공될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 나노튜브는 소스(106)로부터의 전극 활물질의 에어로졸화된 스트림(25B)과 혼합하기 위한 나노튜브 합성 반응기로서 구성된 용기(10A)로부터 에어로졸화된 스트림(25A)에 직접 제공될 수 있다. 따라서, 에어로졸화된 스트림(25A)은 나노튜브 합성 반응기를 빠져 나가는 생성물 스트림일 수 있다. 예를 들어, 탄소 소스 또는 탄소 전구체(130)는 하나 이상의 캐리어 가스(20A)의 존재 하에 용기(10A)에 도입되어 탄소 나노튜브를 형성할 수 있다. 에어로졸화된 탄소 나노튜브의 스트림(25A)은 반응기 출구(175)를 빠져 나와 파이프 또는 튜브(412)를 지나서 에어로졸화된 탄소 나노튜브가 전극 활물질의 에어로졸화된 스트림(25B)과 혼합되는 접합부(27)로 이동한다. 접합부(27)를 형성하는 파이프가 90도의 교차각(α)으로 교차하지만, 다른 교차각(α)이 형성될 수 있다. 비제한적인 예에서, 교차각(α)은 생성된 혼합 에어로졸화된 스트림(30)이 접합부(27)로부터 다공성 기재(40)로 유동하는 것을 용이하게 하는 예각일 수 있다. 도시되지는 않았지만, 하나 이상의 다공성 기재(40)(및 수집 용기(170))가 도 5와 관련하여 설명된 바와 같이 제공될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
전극 활물질이 나노튜브가 형성된 후에 나노튜브와 혼합되는 상술한 특정 장치에 대한 대안으로서, 전극 활물질은 나노튜브가 형성될 때 나노튜브와 함께 유동화된 베드 반응기 또는 챔버의 제 위치에서 혼합될 수 있다.
일부 양태에서, 에어로졸화 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 공성막하는 단계는 에어로졸화 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 다공성 표면과 동시에 접촉시키는 단계를 포함하며, 에어로졸화 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브는 이전에 서로 접촉되어 있지 않았다.
공성막은 임의의 지속 시간에 걸쳐 발생할 수 있다. 임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 바인더가 없고 집전체가 없는 자립형 전극의 두께는 공성막의 지속 시간, 탄소 나노튜브와 에어로졸화된 전극 활물질 분말의 혼합물의 유속 및 에어로졸화된 전극 활물질 및/또는 탄소 나노튜브의 농도를 포함하나 이에 한정되지 않는 하나 이상의 인자들에 의해 결정될 수 있다. 일부 양태에서, 약 20분의 공성막이 약 30 ㎛의 두께를 갖는 바인더가 없고 집전체가 없는 자립형 전극을 생성할 수 있다. 일부 양태에서, 약 2시간의 공성막은 약 100 ㎛의 두께를 갖는 바인더가 없고 집전체가 없는 자립형 전극을 생성할 수 있다. 당업자는 원하는 두께 및/또는 전기 전하 또는 에너지 전하와 같은 다른 특성의 자립형 전극을 얻기 위해 이들 인자를 변화시킬 수 있을 것이다. 예를 들어, 전술한 유량 및/또는 농도는 그 전문이 본원에 참조로 통합된 2017년 7월 31일자로 출원된 대리인 문서 번호가 037110.00687인 "자립형 전극 및 그 제조 방법"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제15/665,171호에 개시된 방법 및 장치를 사용하여 변화될 수 있다. 일부 양태에서, 전극의 전체 두께는 약 10 ㎛ 내지 약 5000 ㎛이다. 일부 양태에서, 전극의 전체 두께는 약 20 ㎛ 내지 약 100 ㎛이다.
일부 양태에서, 상기 고정 단계는 상기 전극의 2개의 면 각각을 각각의 금속 시트와 접촉시키는 단계; 하나 이상의 용접부, 리벳, 스테이플, 클램프 또는 클립을 통해 각각의 금속 시트를 서로 연결하는 단계를 포함한다. 일부 양태에서, 2개의 면은 대향하는 2개의 면이다. 일부 양태에서, 하나 이상의 용접부, 리벳 또는 스테이플은 전극을 통해 이동한다.
또한, 바인더가 없고 집전체가 없는 자립형 전극의 두께는, 전체 두께를 5배만큼, 예를 들어 약 4배, 약 절반, 약 1.5배, 또는 그 사이의 임의의 범위만큼 감소시킬 수 있는 가압에 의해 변형될 수 있다. 예를 들면, 100 ㎛ 두께의 바인더가 없고 집전체가 없는 자립형 전극을 50 ㎛의 두께로 가압할 수 있거나(즉, 전체 두께를 절반으로 감소시킴), 또는 500 ㎛의 두께의 바인더가 없고 집전체가 없는 자립형 전극을 100 ㎛의 두께로 가압할 수 있다(즉, 전체 두께를 5배 감소시킴). 일부 양태에서, 가압은 전체 두께를 절반으로 줄인다. 일부 양태에서, 가압은 전체 두께를 약 1.5배 내지 약 3배 정도 감소시킨다. 가압은 또한 전극의 밀도를 변경시킬 수 있다. 당업계에 공지된 전극을 가압하기 위한 적절한 방법 및 장치는, 그 전문이 본원에 참조로 통합된 2017년 7월 31일자로 출원된 대리인 문서 번호가 037110.00687인 "자립형 전극 및 그 제조 방법"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제15/665,171호에 개시된 것을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
당업자에게 공지된 바와 같이, 가압 또는 압축은 배터리 탭과 복합체 사이의 전기적 및/또는 기계적 접촉을 향상시킬 수 있으며 복합체를 기계적으로 더 강하게 만들 수도 있다. 그러나, 너무 강한 압축 또는 가압은 전극의 내부 부분에 대한 전해질 접근을 방해할 수 있고, 전극 내외로의 리튬 이온의 이동을 복잡하게 하여 배터리 동적 특성을 악화시킨다. 대안적으로, 너무 두꺼운 전극이 충분한 에너지를 보유할 수 있지만, 에너지를 생성하기에는 너무 느리거나 적절하게 융통성이 없을 수도 있다. 대안적으로, 균열 및/또는 박리의 형성 없이 가요성인 전극 포일을 얻는 것이 바람직할 수 있다. 반면, 전극이 너무 얇으면 에너지 생성이 빠를 수 있지만 충분한 에너지가 생산되지 않을 수 있다. 또한, 롤링 프레스 또는 캘린더링 기계의 롤들 또는 롤러들 사이의 거리 또는 압반 프레스의 판들 사이의 거리를 조절하는 것이 바람직할 수 있다. 전극에서 요구되는 특성에 기초하여 최적의 가압 두께를 결정하는 것은 당업자의 지식 범위 내에 있다.
본 발명의 방법 또는 장치에서 사용하기에 적합한 바인더가 없고 집전체가 없는 자립형 전극은 가요성이 있거나 또는 가요성이 없을 수도 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "가요성"인 전극은 균열 또는 파손 없이 벤딩될 수 있는 것이다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 가요성은 조성 및 압축 정도를 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 이상의 화학적 및/또는 재료 요인에 의해 좌우될 수 있다. 예를 들어, 매우 강하게 압축된 전극은 매우 단단하여 부서지기 쉽다. 마찬가지로, 낮은 나노튜브 함유 전극은 기계적으로 약하여 활물질의 입자를 떨어지게 할 수 있다. 그러나, 비제한적인 다른 예에서, 자립형 전극 재료는 재료가 쉽게 주름지거나, 접히거나 롤링하는 경우 너무 가요성이 있을 수 있어, 스트레칭을 복잡하게 하고, 예컨대 배터리 층 스태킹 중 또는 인클로저에 삽입 중에 원하는 영역에 걸쳐 스프레딩될 수 있다. 높은 나노튜브 함유량은 가요성과 기계적 강도에 기여한다. 도 8은 본 발명에 따른 사용을 위한 전극의 측면도이다. 도 8은 두께 60 ㎛의 자립형 전극(60)을 도시한다. 도 8에 도시된 자립형 전극(가압 후)은 가요성이 있고 도시된 코너에서 상향으로 벤딩된다. 이는 도 9에 도시된 평면도(가압 후)에 도시된 바와 같이 탄소 나노튜브에 의해 형성된 웨브형 또는 부직 섬유 시트에 기인한 것이다. 탄소 나노튜브 웨브는 LiNiMnCoO2 입자를 감싸서, 자립형 전극의 벤딩을 허용하는 가요성 있는 방식의 바인더 없이 그 내부에 LiNiMnCoO2 입자를 보유한다.
일부 실시예에서, 본 개시는 자립형 전극에 관한 것으로서, 바인더가 없고, 탄소 나노튜브의 3차원 가교 결합 네트워크에 전극 활물질 입자를 갖는 복합 재료를 포함하는 자립형 본체로서, 상기 자립형 본체는 제1 면 및 상기 제1 면과 반대측인 제2 면을 포함하는 자렵형 본체; 및 본체, 상기 배터리 탭의 본체로부터 연장되는 제1 레그, 및 상기 배터리 탭의 본체로부터 연장되는 제2 레그를 포함하는 자립형 본체에 고정된 배터리 탭을 포함하며, 상기 자립형 전극 본체는 상기 제1 레그와 상기 제2 레그 사이에 위치하고, 제1 레그는 자립형 본체의 제1 면에 접촉하고, 제2 레그는 자립형 본체의 제2 면과 접촉한다. 전술한 실시예와 관련하여 설명된 모든 양태는 동일한 힘을 갖는 본원의 실시예에 적용되며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
배터리 탭 본체는 배터리 탭의 자립형 전극과 접촉하지 않는 부분을 지칭한다. 배터리 탭의 제1 및 제2 레그는 각각 자립형 전극의 제1 및 제2 면과 직접 접촉하는 배터리 탭의 부분이다.
일부 양태에서, 제1 레그는 자립형 본체의 제1 면의 표면적의 50% 미만을 커버하고, 제2 레그는 자립형 본체의 제2 면의 표면적의 50% 미만을 커버한다.
일부 양태에서, 제1 레그는 자립형 본체의 제1 면의 표면적의 33% 미만을 커버하고, 제2 레그는 자립형 본체의 제2 면의 표면적의 33% 미만을 커버한다.
일부 양태에서, 제1 레그는 자립형 본체의 제1 면의 표면적의 25% 미만을 커버하고, 제2 레그는 자립형 본체의 제2 면의 표면적의 25% 미만을 커버한다.
도 10a 내지 도 10e는 자립형 전극 본체에 대한 배터리 탭의 부착의 예시적인 형상을 도시한다. 도 10a에서, 배터리 탭(1001)은 자립형 전극 본체(1002)의 코너에 부착되고, 배터리 탭(1001)은 자립형 전극 본체(1002)와 부분적으로 중첩된다. 도 10b에 있어서, 배터리 탭(1001)은 배터리 탭(1001)의 폭과 1차원의 자립형 전극 본체(1002)로 정의되는 중첩 영역을 가지고 자립형 전극 본체(1002)의 에지에 부착된다. 다수의 배터리 탭(1001)은 또한 단일 자립형 전극(1002)에 부착될 수 있다. 도 10c에서, 두 개의 탭(1001)은, 자립형 전극 본체(1002)의 대향하는 2개의 에지 각각에 1개씩 도 10b에 도시된 바와 같은 형상으로 부착되고, 제3 탭(1001)은 2개의 제1 탭들(1001) 사이의 거리에서 자립형 전극 본체(1002)에 부착된다. 다수의 탭(1001)은 동일하거나 상이한 길이 및/또는 폭을 가질 수 있다. 도 10d에서, 배터리 탭(301)은 도 10c의 제3 탭(1001)과 동일한 위치에 부착된다. 또한, 자립형 전극(302)은 도 10e에 도시된 바와 같은 원형과 같은 임의의 형상일 수 있다. 탭(1001 및 1101)은 탭(101 또는 307)과 일부 양태에서 유사할 수 있다. 자립형 전극 본체(1002, 1102 및 1202)는 일부 양태에서 자립형 전극 본체(102 또는 310)와 유사할 수 있다.
배터리 탭은, 접기, 스폿 용접 또는 리벳팅과 같이 자립형 전극 본체로부터 돌출하는 부재에 배터리 탭을 고정하기 위해 기술된 것을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 임의의 적절한 수단에 의해 자립형 전극 본체에 고정될 수 있다. 스폿 용접 또는 리벳팅은 당업자에게 공지된 방법 및 장치를 사용하여 수행될 수 있으며, 스폿 용접 또는 리벳팅은 자립형 전극 본체와 배터리 탭을 배터리 탭을 자립형 전극 본체에 고정하기에 적합한 임의의 수 및 패턴 또는 어레이로 연결하도록 적용될 수 있다. 도 10f 및 도 10g는, 배터리 탭의 제1 레그로부터 자립형 전극을 통해 배터리 탭의 제2 레그로, 배터리 탭(1001)을 자립형 전극 본체(1002)에 연결하는 연결부(1003)에 대한 패턴 또는 어레이의 비제한적인 예를 도시한다. 커넥터(1003)는 일부 양태에서 스폿 용접부(103)와 유사할 수 있다. 탭(1001)은 탭(101 또는 301)과 일부 양태에서 유사할 수 있다. 자립형 전극 본체(1002)는 일부 양태에서 자립형 전극 본체(102 또는 302)와 유사할 수 있다. 도 10h 및 도 10i는, 도 3d 및 도 3e와 각각 일치하는 횡단면(각각 도 10j 및 도 10k 참조)과 함께 자립형 전극 본체(102)로부터 돌출된 부재(104)에 배터리 탭(101)을 연결하는 커넥터(103)에 대한 패턴 또는 어레이의 비제한적인 예를 도시한다. 도 10l은, 도 4d에 도시된 라인(409)을 따른 단면(도 10n 참조)과 함께, 배터리 탭(401)과 탄소-코팅된 얇은 포일(425)을 자립형 전극 본체(422)에 연결하는 커넥터(403)에 대한 패턴 또는 어레이의 비제한적 예를 도시한다. 도 10m은 도 3g에 도시된 라인(309)을 따른 단면(도 10o 참조)과 함께, 배터리 탭(307)을 자립형 전극 본체(310)에 연결하는 커넥터들(303)에 대한 패턴 또는 어레이의 비제한적인 예를 도시한다.
일부 양태에서, 제1 레그 및 제2 레그는 각각 배터리 탭의 본체로부터 외향으로 연장되고, 적어도 제1 연결부는 제1 레그로부터 자립형 본체를 통해 제2 레그로 연장되고, 자립형 본체의 제1 부분은 배터리 탭의 본체와 제1 연결부 사이에 위치된다. 일부 양태에서, 제2 연결부는 제1 레그로부터 자립형 본체를 통해 제2 레그로 연장되고, 자립형 본체의 제2 부분은 제1 연결부와 제2 연결부 사이에 위치된다. 일부 양태에서, 제1 연결부 및 제2 연결부는 스폿 용접부이다. 다른 양태에서, 제1 연결부 및 제2 연결부는 리벳이다. 일부 양태에서, 제1 연결부 및 제2 연결부는 초음파 용접부이다. 일부 양태에서, 탭은 자립형 본체에 직접 부착된다. 일부 양태에서, 탭은 전극의 메인 본체의 에지에 수직하게 부착된다. 일부 양태에서, 탭은 에지에 비스듬히 부착된다. 일부 양태에서, 탭은 전극 위에 접힌 단일 금속 시트를 포함한다. 일부 양태에서, 탭은 2개의 시트를 포함하고, 각각은 전극의 대향하는 면 상에 배치된다. 일부 양태에서, 탭은 본체로부터의 돌출부에 부착되고, 돌출부는 탭보다 넓거나 또는 탭과 거의 동일한 폭을 갖는다. 일부 양태에서, 탭은 본체로부터의 돌출부에 부착되고, 돌출부는 탭보다 더 좁다. 일부 양태에서, 탭은 전극의 메인 본체의 에지 또는 그로부터의 돌출부 위로 접혀지고, 탭은 용접부, 리벳, 스테이플, 클램프 또는 클립에 의해 고정된다. 일부 양태에서, 제1 레그 및 제2 레그 각각은 2개 이상의 금속 포일 층을 포함한다. 일부 양태에서, 배터리 탭은 전극 위에 접힌 2개의 금속 시트를 포함한다.
또한, 도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일부 양태에 따른 탭 및 전극 부착부의 단면의 개략도를 도시한다. 도 11a에 도시된 양태들에서, 탭(1111)은 벌크 나노튜브 함량, 예컨대 0.5 내지 10 중량%의 나노튜브를 함유하는 벌크 전극(1114)을 샌드위치한다.
일부 바람직한 양태에서, 도 11b에 도시된 바와 같이, 벌크 전극(1114)은 5 내지 100 중량%의 나노튜브와 같이 증가된 나노튜브 함유 전극 재료를 함유하는 영역(1113)에 의해 샌드위치된다. 그 후, 영역(1113)-벌크 전극(1114)-영역(1113)의 샌드위치 부분은 탭(1111)에 의해 더 샌드위치된다.
다른 바람직한 양태에서, 도 11c에 도시된 바와 같이, 벌크 전극(1114)은 먼저 탄소 코팅(1112)(탄소-코팅된 금속 포일일 수 있음)에 의해 샌드위치되고, 탄소 코팅(1112)-벌크 전극(1114)-탄소 코팅(1112)의 샌드위치 부분은 탭(1111)에 의해 더 샌드위치된다. 탄소 코팅(1112)은 일부 양태에서 얇은 금속 포일(425)과 유사할 수 있다.
더욱 바람직한 양태에서, 도 11d에 도시된 바와 같이, 벌크 전극(1114)은 먼저 영역(1113)에 의해 샌드위치되고, 다음으로 탄소 코팅(1112)(탄소-코팅된 포일일 수 있음)에 의해, 그리고 마지막으로 탭(1111)에 의해 샌드위치된다.
도 11a 내지 도 11d에 도시된 양태에서, 벌크 전극(1114) 및 영역(1113)은 일부 양태에서 부재(104), 자립형 전극 본체(302), 자립형 전극 본체(310), 자립형 전극 본체(422), 자립형 전극 본체(1002), 자립형 전극 본체(1102), 자립형 전극 본체(1202)와 유사할 수 있다.
임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 도 11b에 도시된 바와 같이, 탭과 자립형 전극 본체(또는 그로부터 돌출하는 부재) 사이의 기계적 접착 및 전기적 접촉을 개선하기 위해, 탭에 대향하는 자립형 전극 본체(또는 그로부터 돌출하는 부재)의 면 상에 증가된 나노튜브 함량을 갖는 것이 유익하다고 믿어진다. 또한, 도 11c, 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 탭과 전극 사이의 기계적 접착 및 전기적 접촉을 개선하기 위해, 자립형 전극 본체(또는 그로부터 돌출하는 부재)와 대향하는 탭(또는 추가의 금속 시트)의 표면을 탄소 코팅되게 하는 것이 유익하다고 믿어진다. 도 11d에 도시된 바와 같이, 탭(또는 추가 금속 시트)과 자립형 전극 본체(또는 그로부터 돌출하는 부재) 사이의 기계적 접착 및 전기적 접촉을 개선하기 위해, 자립형 전극 본체(또는 그로부터 돌출하는 부재)에 대향하는 탭(또는 추가적인 금속 시트)의 표면을 탄소 코팅하고, 탭(또는 추가적인 금속 시트)에 대향하는 자립형 전극 본체(또는 그로부터 돌출하는 부재)의 면 상에 증가된 나노튜브 함량을 갖는 것이 가장 유익하다고 믿어진다.
본 발명의 전극은 가요성 파우치 셀과 같은 파우치 셀에 사용될 수 있다. 전극이 파우치 셀(가요성 파우치 셀 포함)에 사용되는 경우, 도 12a 내지 도 12d에 도시된 바와 같이, 파우치 셀 조립 동안 탭과 전극 사이의 접촉 영역의 적어도 일부가 인클로저의 히트 시일 내에 위치되는 경우, 탭과 자립형 전극 사이의 전기적 접촉의 품질(및 접속의 기계적 강도)이 개선될 수 있다. 이것은 이전에 기술된 체결구(용접부, 리벳, 스테이플, 클립 또는 클램프)를 사용하여 상기 양태에서 설명된 사전 제작된 접촉으로 또는 체결되지 않은 자립형 전극 위에의 단지 접힌 탭으로 수행될 수 있다. 후자의 경우, 히트 시일은 체결구로서 작용한다.
당업자에게 공지된 바와 같이, 전형적인 인클로저는 폴리머-코팅된 금속 포일로 제조된다. 하나는, 폴리머는 열가소성(일반적으로 폴리에틸렌의 일부 형태)이고, 다른 하나는 열적으로 안정한 폴리머다. 적합한 포일은, 그 전문이 본원에 참조로 통합된 2018년 9월 6일자로 출원된 대리인 문서 번호가 037110.01158인 "가요성 리튬-이온 배터리(Flexible Lithium-Ion Battery)"라는 명칭의 미국 특허 출원 제62/727,922호에 개시된 것들을 포함하는 상업적으로 이용 가능한 포일을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 셀은 인클로저 포일의 열가소성 폴리머 측면이 서로 대향하도록 조립된다. 그 후, 히트 시일러(sealer)가 사용된다. 히트 시일러는 미리 가열된 다이들 사이에서 2개의 인클로저 포일을 압착하고 사전 설정된 시간 동안 압력하에서 유지한다. 열가소성 폴리머는 용융된다. 다이가 방출된 후, 열가소성 수지는 인클로저 포일과 함께 고형화되어 유지된다. 소위 소프트 시일 공정에서, 금속 다이는 약간의 연질 재료로 커버되며, 이는 탭 포일 및/또는 와이어를 시일로 시일링하기에 충분한 양을 갖는다. 히트 시일의 일반적인 폭은 4 내지 6 ㎜이다. 본 발명에 따라 탭을 자립형 전극에 연결할 때, 히트 시일 공정 동안의 추가적인 압착은 탭과 전극 사이의 접촉을 향상시킬 것이며, 고형화된 열 폴리머는 이 둘이 분리되는 것을 방지할 뿐만 아니라 탭이 전극으로부터 이탈하는 것을 방지할 수 있는 측면 이동을 방지할 것이다. 어떤 경우에는(특히 두꺼운 전극 및 탭의 경우) 적절한 시일링을 위해 추가적인 히트 시일 폴리머(스트립으로 시판됨)가 필요할 수 있다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 다양한 양태에 따른 배터리 인클로저의 히트 시일에서의 탭-전극 부착 통합의 개략적인 상이한 도면을 도시한다. 도 12a에서, 탭(1201)이 부착된 자립형 전극 본체(1202)는 히트 시일(1204)을 사용하여 파우치 배터리(1203)에 넣어진다. 도 12b는 도 12a에 도시된 도면의 평면도를 도시한다. 히트 시일(1204)은 전극(1202)을 샌드위치한 탭(1202) 일부분의 전부 또는 일부를 덮을 수 있다. 도 12c는 도 12b에 도시된 전극의 종단면도를 도시하고, 도 12d는 그것의 측면도를 도시한다. 도 12c 내지 도 12d에 도시된 바와 같이, 자립형 전극 본체(1202)를 통해 그 자체에 연결 탭(1201)을 통과하는 하나 이상의 용접부(103)가 사용될 수 있다.
예
자립형 전극의 돌출부(돌출 부재, 또한 "부재"로도 지칭됨)는 탭 부착용 스폿으로 작용할 수 있다(도 1a). 탭은 탭 포일의 금속 시트 사이 또는 자체에 접힌 포일 사이의 돌출부를 조여서 부착될 수 있다(도 1b). 스폿 용접은 이 "샌드위치"를 통해 적용되어 금속이 전극 재료를 완전히 관통하는 스폿을 만들어 내게 한다(도 1c). 도 13a 내지 도 13b는 연장된 전극 상에 직접 부착된 탭의 예를 도시한다. 자립형 전극 및/또는 돌출부가 내부에 매립된 하나 이상의 금속 스트립, 와이어 또는 그리드를 포함할 수 있거나 또는 포함하지 않을 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 자립형 전극에 하나 이상의 금속 스트립, 와이어 또는 그리드를 매립하는 방법은, 그 전문이 본원에 참조로 통합된 2018년 9월 6일자로 출원된 대리인 문서 번호가 037110.01039인 "집전 장치 또는 바인더 없이 자립형 전극에 배터리 탭 부착부를 매립하기 위한 방법(Method for Embedding a Battery Tab Attachment in a Self-Standing Electrode without Current Collector or Binder)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제16/123,872호에 개시된 것들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 13a 및 도 13b는 도 1a 내지 도 1e 및 도 4a 내지 도 4d에 도시된 양태에 따른 탭 부착 이미지의 예를 도시한다. 도 13a 및 도 13b에 도시된 전극은 동일한 방법으로 제조되었으며; 유일한 차이점은 탭이 전극의 더 짧은 또는 더 긴 에지에 부착된다는 것이다.
도 13a 및 도 13b에 도시된 전극은 탄소-코팅된 포일(133)의 추가적인 층을 사용하여 도 4에 기재된 방법을 사용하여 제조되었다. 도 13a 및 도 13b 사이의 유일한 차이점은 도 13a에서 돌출부가 전극의 보다 짧은(30 ㎜) 측면 상에 있고, 도 13b에서 돌출부가 전극의 더 긴(40 ㎜) 측면 상에 있다는 것이다. 도 13b에서, 탭(131)은 접힌 섹션(132) 및 포일(133)(양 측면에 탄소-코팅된 15 ㎛ 두께의 포일로서 시판됨)을 갖는 100 ㎛의 두께, 5 ㎜의 폭의 알루미늄 포일(시판 중)이다. 자립형 캐소드(134)는 용접부(103)를 더 포함한다. 포일(133)은 포일이 트리밍된 후에도 대부분의 돌출부를 커버한다.
두께 15 ㎛의 시판 중인 탄소-코팅된 포일을 전극의 에지 위로 접고, 이 "샌드위치" 구조를 사용하여 모든 추가 작업을 수행하였다. 알루미늄 탭(직선 에지, 100 ㎛ 두께, 5 ㎜ 폭)을 "샌드위치"의 에지 위로 접고, 몇몇의 스폿 용접을 모든 층에 걸쳐 형성했다. 그 후, 탭을 전극으로부터 외향으로 접고 부가적인 스폿 용접으로 고정시켰다. 그 후, 과도하게 탄소-코팅된 포일을 트리밍한다.
이 개시된 설명은 바람직한 실시예를 포함하는 발명을 개시하고, 당업자가 임의의 장치 또는 시스템을 제작 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위한 예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구 범위에 의해 한정되며, 당업자에게 발생할 수 있는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는 청구항의 문자와 다른 구조적 요소를 갖는 경우 또는 청구항의 문자와 실질적으로 다른 차이를 갖는 동등한 구조 요소를 포함하는 경우 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 설명된 다양한 실시예로부터의 양태뿐만 아니라 각각의 그러한 양태에 대한 다른 공지된 등가물은 본 출원의 원리에 따라 추가 실시예 및 기술을 구성하기 위해 당업자에 의해 혼합되고 매칭될 수 있다.

Claims (10)

  1. 자립형 전극을 제조하는 방법으로서,
    전극 활물질을 에어로졸화 또는 유동화하여 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질을 생성하는 단계; 및
    상기 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 공성막(co-depositing)하여 자립형 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 전극의, 상기 탄소 나노튜브의 3차원 가교 결합 네트워크 내에 상기 전극 활물질을 갖는 적어도 제1 면 및 제2 면 각각이 배터리 탭과 접촉하도록 배터리 탭을 상기 전극에 고정하는 단계
    를 포함하는 자립형 전극 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정하는 단계는, 단일 금속 시트가 상기 전극의 적어도 상기 제1 면 및 상기 제2 면과 접촉하도록, 상기 전극 위로 상기 단일 금속 시트를 접는(folding) 단계를 포함하는 것인 자립형 전극 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 면은 상기 제1 면과 반대측인 것인 자립형 전극 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 고정하는 단계는, 상기 전극을 통과하는 하나 이상의 용접부 또는 리벳을 통해 상기 전극의 상기 적어도 2개의 면과 접촉하는 상기 단일 금속 시트의 부분들을 서로 연결하는 단계를 더 포함하는 것인 자립형 전극 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 에어로졸화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 공성막하는 단계는:
    상기 에어로졸화된 전극 활물질 분말을 캐리어 가스 중의 상기 탄소 나노튜브와 접촉시켜 상기 탄소 나노튜브와 상기 에어로졸화된 전극 활물질 분말의 혼합물을 형성하는 단계;
    다공성 표면 상에 상기 혼합물을 수집하는 단계; 및
    상기 캐리어 가스를 제거하는 단계
    를 포함하는 것인 자립형 전극 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전극의 전체 두께는 10 ㎛ 내지 5000 ㎛인 것인 자립형 전극 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전극의 상기 전체 두께는 20 ㎛ 내지 100 ㎛인 것인 자립형 전극 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고정하는 단계는:
    상기 전극의 2개의 면의 각각을 각각의 금속 시트와 접촉시키는 단계; 및
    하나 이상의 용접부, 리벳, 스테이플, 클램프 또는 클립을 통해 상기 각각의 금속 시트를 서로 연결하는 단계
    를 포함하는 것인 자립형 전극 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 배터리 탭을 상기 전극에 고정하는 단계 이전에,
    탄소 나노튜브의 3차원 가교 결합 네트워크 내에 전극 활물질 입자를 갖는 복합 재료를 포함하는 본체 및 상기 본체로부터 외측으로 연장되고, 상기 복합 재료를 포함하는 부재를 형성하도록 상기 자립형 전극을 성형하는 단계를 더 포함하고,
    상기 배터리 탭은 상기 부재에 고정되는 것인 자립형 전극 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 공성막하는 단계는, 상기 에어로졸화된 또는 유동화된 전극 활물질 및 탄소 나노튜브를 다공성 표면 상에 공성막하여 바인더 없는 자립형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것인 자립형 전극 제조 방법.
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