KR20140035902A - 전해질 배터리들의 개선 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리의 전해질에 인접하고 유체-전도성 채널 구조체가 구비된 표면을 갖는 층을 포함하는 전해질 배터리 전극 컴포넌트에 관한 것이다. 이와 관련하여, 유체-전도성 구조체가 10 내지 200 ㎛ 및/또는 활성층의 두께의 적어도 50%의 범위의 채널 깊이들 갖는 채널들을 포함한다는 것이 관찰된다.

Description

전해질 배터리들의 개선{ON IMPROVEMENTS IN ELECTROLYTE BATTERIES}
본 발명은 전제부에 청구된 것에 관한 것이고, 따라서 에너지 저장의 분야에 관한 것이다.
휴대 전기 디바이스들, 기계들 및 차량들에 전기 에너지의 양질의 공급을 제공할 수 있도록 하기 위해, 고-성능 에너지 저장 수단들이 요구된다. 이런 에너지 저장 수단들에 대한 수요는 새로운 애플리케이션들을 이용할 수 있도록 하기 위한 또는 더 고-성능 장비를 제공할 수 있도록 하기 위한 요구와 함께, 예를 들면, 전기/하이브리드 자동차들에 대하여 증가하고 있다. 에너지 저장 수단들은 전형적으로 재충전 가능한 배터리들이고, 이는 또한 축배터리 또는 2차 배터리로 지칭된다.
이론상으로, 배터리들은 2개의 상이한 전극들로 구성되는데, 이들 사이에 전해질이 있다. 리튬 이온 배터리들의 경우, 예를 들면, 하나의 전극, 즉 음극은 그래파이트로 형성되는 반면, 양극은 리튬 금속 산화물로 형성될 수 있다. 일반적으로, 오랜 기간에 걸쳐 큰 전류들을 에너지 저장 수단들로부터 추출할 수 있는 것이 바람직하다. 이를 보증하기 위해, 전극들은 얇게 만들어지고 서로 가까이 배치된다. 전극들 사이에, 특히 낮은 전극 분리를 갖는 소형 배터리들의 경우에, 특히, 전해질의 이온들에 대한 투과성의 전기 절연 분리막이 있는데, 이는 내부 단락을 방지한다.
얇은 전극을 형성할 수 있도록 하기 위해, 전극 시작 물질은 분말 형태로 제공될 수 있고, 전극은 필름 캐스팅(film casting)에 의해 이런 시작 물질로부터 생성될 수 있음이 이미 알려져 있다. 필름 캐스팅은 얇고 대면적 세라믹 필름들의 생산을 위한 주요한 성형 프로세스인데, 이 프로세스에서 세라믹 분말 - 여기서 리튬-함유 세라믹 분말 -은 자유-유동 캐스팅 조각(slip)을 제공하기 위해 적합한 물질들 및 첨가물들의 도움으로 처리된다. 필름 캐스팅 시스템에서, 이런 세라믹 조각은, 예를 들면, 연속한 금속박(metal foil)에 도포되고, 코팅 바 아래에서 연속적으로 평탄화될 수 있다. 이렇게 획득된 조각 층은 건조되고, 추가로 처리될 수 있다.
이런 전극들의 장점은 전해질로 충진한 후에, 전극 물질로부터 전해질로의 전하 캐리어들의 낮은 최대 확산 경로들을 초래하는 고 다공성이고, 따라서 배터리의 급속 충전 및 방전이다.
그 안에서 대응하는 전극들이 사용되는 배터리의 전기화학 특성들의 개선을 위해, 짧은 UV 레이저 펄스들을 이용하여 HF 마그네트론 스퍼터링에 의해 생산할 수 있는 바와 같이, 얇은 전극 층들, 예를 들면, 5 ㎛ 미만의 두께들을 갖는 층들을 이용하는 제안들이 이미 있었다. 이는 추가 원뿔 기공들을 물질 안으로 도입한다. 이런 소형 막 층들에 의해 전기화학 배터리 특성들에서 달성된 개선은 리튬 이온들의 물질을 통한 전해질로의 확산 경로가 레이저 구조화 때문에 단축된다는 사실에 기인하는데, 이는 배터리 셀의 더 급속한 충전 및 방전을 가능하게 한다.
상기 문헌은 또한 용어 "3차원 배터리"를 이용한 배터리 특성들의 개선을 위한 박막 전극들의 표면적들의 증가를 설명한다. 이와 관련하여, 기판의 사전구조화(prestructuring) 및 획득된 기판 구조체들 상의 전극들의 연이은 증착의 연구가 이미 있어 왔다. 예를 들면, J. W. LONG 등에 의한 "Three-dimensional Battery Architectures", Chem. Ref. 2004, 104, 4463-4492의 리뷰 논문(review article)에 대한 참조가 이루어질 것이다.
언급된 알려진 기법들에 관하여, R. KOHLER 등에 의한 "Laser annealing of textured thin film cathode material for lithium ion batteries", Laser-based Micro- and Nano-Packaging and Assembly IV, Proceedings of SPIE, Volume 7585, p. 758500-11의 논문에 대한 참조가 이루어질 것이다. 또한 R. KOHLER 등에 의한 "Laser-assisted structuring and modification of LiCo02 thin films", Proceedings of the SPIE (2009), Volume 7202, p. 720207-720207-11의 논문, 및 R. KOHLER 등에 의한 "Patterning and annealing of nano-crystalline LiCo02 thin films", Journal of Optoelectronics and 25 Advanced Materials, Volume 12, No. 3, March 2010, pages 547-552의 논문에 대한 참조가 이루어질 것이다.
전기화학 컴포넌트들에 대한 필름들 및 이의 생산을 위한 프로세스들에 관하여, 단지 예로서 EP 1 230 708 B1에 대한 참조가 이루어질 것이다.
또한 DE 699 27 556 T2 및 LOIC BAGGETTO 등에 의한 "High Energy Density All-Solid-State Batteries: A Challenging Concept towards 3D Integration", Advanced Functional Materials 18 (2008), 1057-1066의 논문들, 및 P. G. BRUCE 등에 의한 "Nanomaterials for rechargeable lithium batteries", Angewandte Chemie-International Edition, 2008, 47(16), p. 2930-2946의 논문, 및R. W. HART 등에 의한 "3D Micro Batteries", Electrochemistry Communications 5 (2003), p. 120-123의 논문에 대한 참조가 이루어질 것이다.
고-성능 에너지 저장 수단들의 경우에서 특정한 문제는 셀의 생산에서 발생한다. 이와 관련하여, 전해질이 전극들 사이에서 균질하게 분포된다는 것이 보장되어야 한다. 이것이 보장되지 않으면, 전해질이 셀 조립 동안 균질하지 않게 분포됨을 의미하고, 전해질에 의해 젖지 않은 전극의 면적은 전하의 저장을 위해 이용될 수 없다; 셀은 명시된 용량에 도달하지 않고, 조기에 고장날 수 있다. 셀 생산 동안 균질한 전해질 분포의 달성은 따라서 품질-결정 프로세스 단계이다. 이런 이유 때문에, 종래 기술에 따른 셀의 충진은 셀 패키지와 전극 스택 사이의 공간에서 진공의 교번하는 생성에 의한 다수의 충진 및 몇 시간 동안의 연이은 에이징(aging)을 관찰하는 프로세스에서 수행된다. 이런 동작은 유난히 시간소모가 크고 다양한 수동 동작 단계들과 관련되며 따라서 비용이 많이 든다.
특히, 전해질과 접촉하는 낮은 간극을 갖는 대면적 엘리먼트들이 배터리 안으로 도입되는 경우, 배터리의 특성들을 개선할 수 있는 것이 바람직하다. 더 특별히, 배타적으로는 아니지만, 분말상(pulverulent) 물질로 형성된, 및/또는 10 ㎛보다 큰 활성 물질의 두께를 갖는 전극들의 특성들을 개선하는 것이 바람직하다.
US 제2005/0053833 A1호는 전극 배열이 양극 물질이 양극 전류 컬렉터의 적어도 하나의 표면 상에 형성되는 고-밀도 양극을 갖고, 양극과 음극 사이에 개재된 분리막이 구비되며, 전극 배열이 비수성 전해질과 함께 형성되는 구조체가 형성되고, 여기서, 양극 전극의 활성 물질 층의 활성 물질의 층의 단위 면적당 특정 표면적이 그 사이의 분리막에 의해 양극과 대향하는 음극의 활성 물질의 층의 단위 면적당 특정 표면적의 0.5 내지 1.0배인 비수성(nonaqueous) 전해질 배터리를 개시한다.
DE 제103 43 535 C5호는 프로파일된 표면을 갖는 리튬-폴리머 배터리들용 분리막을 개시하고, 여기서 분리막은 10 내지 40 ㎛이며, 프로파일된 표면은 3 내지 5 ㎛의 프로파일 깊이를 갖는다.
DE 제10 2006 033 468 A1호는 구조화된 표면을 갖는 전기 에너지 저장 수단용, 더 특별히, 리튬 이온 배터리들용 수정된 전극들의 제공을 개시한다. 이 경우, 목적은 캐소드 전극을 구조화하는 것이고, 이런 구조화는 라미네이터(laminator)에서의 생산 중에서 동시에 달성된다. 캡필러리들이 생성된다. 셀들의 충진 중에서, 이런 캡필러리들은 이들 캡필러리 작용의 결과로서, 전해질을 이어서 감겨진 캐소드 전극들의 중간으로, 즉, 셀의 중간으로 전도하는 것이 추측된다. 이는 단일 단계에서 리튬 이온 셀들의 충진을 가능하게 한다.
본 발명의 목적은 상업용의 신규한 것을 제공하는 것이다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에서 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 또한 더 특별히, 균질한 그리고 재생할 수 있는 셀 충진을 위한 유체-전도성 구조체들의 도입에 의해 전해질 배터리들의 충진, 조립 및 성능의 유리한 효과를 갖는 생산 프로세스에 관한 것이고, 이런 맥락에서, 다공성 비수성 전극 물질들의 구조화가 특히 고 충전 및 방전 율들에서, 전해질 배터리의 순환(cycling) 안정성을 개선하고 전해질 저장소들의 도입에 의해 셀 수명을 증가시킨다는 것이 언급될 것이다.
본 문맥에서, 우선 설명되는 것은 배터리의 전해질에 인접하고 표면 구조체가 구비되었던 표면을 갖는 전해질 배터리 컴포넌트이다. 이와 관련하여, 표면은 셀 c충진 중에서 전해질 유체 이송을 촉진하기 위해 유체-전도성 구조체가 구비되었다는 것이 관찰된다. 따라서, 전극의 전체 면적이 전해질에 의해 적셔지기 때문에, 신뢰성은 추가로 증가한다.
더 특별히, 본 발명의 첫 번째 기본 개념에 따르면, 배터리의 전해질에 인접하고 유체-전도성 채널 구조체가 구비된 표면을 갖는 층을 포함하는 전해질 배터리 전극 컴포넌트가 제안되는데, 상기 유체-전도성 구조체는 상당히 깊게 되었던, 즉, 기판 캐리어에 이르기까지 적어도 상기 활성층의 두께의 적어도 50%, 더 바람직하게는 적어도 2/3, 특히 바람직하게는 적어도 75% 깊게 되었던 채널들로, 즉, 10 내지 200 ㎛ 범위의 채널 깊이를 갖는 채널들로 형성되었다.
따라서, 본 발명에 따르면, 유체-전도성 구조체는 표면 상에 생성되는데, 이는 액체 전해질에 의한 셀의 충진 과정만큼 조기에 전극들 또는 전극과 분리막 사이의 공간의 더 빠르고 대면적 및 더 균질한 습윤(wetting)을 초래한다. 장점들은, 전극 및 분리막 중 하나가 유체-전도성 구조체들을 따라 그리고 모세관력(capillary force)들 및 습윤 특성들(이웃한 표면 에너지를 통한)에 의한 전극 물질 또는 분리막의 근접한 다공성들로 가속화된 액체 이송을 야기하도록 본 발명에 따라 구조화되는 경우, 이미 달성될 수 있다. 본 발명의 구조화는 배터리 에이징 시간들의 감소에 의해 배터리 생산을 위해 필요한 처리 시간들의 감소에 기여하는 급속 습윤을 위한 전제조건을 생성하는 것뿐만 아니라, 건배터리 구역들이 회피되기 때문에 본 발명에 따라 가능하게 되는 더 균질한 습윤에 의해 배터리 성능의 장기 개선, 및 따라서 수명의 연장을 달성한다. 따라서, 균질화를 위한 종래 기술에 필요한 몇 시간의 에이징 기간의 단축에도 불구하고, 성능 개선들은 표면 구조체를 위한 적합한 기하형상 선택을 통하여 본 발명에 의해 달성된다.
실제적인 시험들에서, 최근 사용되는 액체 전해질들과 함께 10 내지 200 ㎛ 범위의 채널 폭들 또는 깊이들을 갖는 마이크로채널 구조체들이 특히 유리하다는 것이 발견되었다. 전형적으로, 마이크로채널 구조체들과 같은 다수의 유체-전도성 구조체들은 본 발명에 따른 대면적 전해질 배터리 컴포넌트 상에 제공될 것이다. 이런 채널들 사이의 거리 또는 그밖에 유사한 것은 반드시 정확하게 등거리일 필요가 없다; 그것은 바람직하게는 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 구역일 것이다. 거리들이 너무 큰 경우, 그렇지 않으면 가능한 본 발명의 이점들은 원하는 그리고 가능한 정도로 생기지 않는다. 거리들이 너무 작은 경우, 하나의 가능한 역효과는 처리 중에서 기계적 불안정성이다. 덧붙여 말하면, 용제로서 1:1의 비율의 에틸렌 카보네이트 및 디메틸 카보네이트 및 전도성 염(conductive salt)으로서 LiPF6을 사용한 표준 전해질에 의한 실제 시험들은 달성 가능한 상승 높이들의 최대값이 액체-전도성 구조체들에 의해 50 ㎛보다 작거나 같은 전극 물질의 채널 폭에 대하여 달성되는 것을 나타낸다. 그러나, 아마도 분리막들 또는 전극들의 표면 특성들, 및 사용된 전해질들의 특성들에 따라, 상이한 설계들이 각 경우에 특히 유리하다는 것이 발견될 것이라고 기대될 것이다. 그러나, 특히, 또한 이런 배경과 대조적으로, 100 ㎛에 이르기까지 또는 그 미만의 채널 폭들이 바람직하다고 여겨지고, 더 바람직하게는 80 ㎛에 이르기까지 또는 그 미만, 특히 바람직하게는 60 ㎛에 이르기까지 또는 그 미만이다. 따라서, 주어진 표면-전해질 쌍들에 대한 상승 높이 결정들에 의해 유리한 치수들을 결정할 가능성에 대하여 참조가 이루어질 것이다.
본 발명에 따른 깊은 프로파일링은 또한 종래 기술에서 이미 알려진 구조체들 및 특정 정도에 비하여 충진을 개선하고, 시간 소모가 큰 셀들의 열처리를 생략하는데 , 이는 그렇지 않으면 아마도 전해질 점도들을 낮춤으로써 전극에서 전해질 습윤의 균질화가 필요하다. 게다가, 활성 물질의 표면-대-체적 비율이 증가하고, 따라서 전해질과 활성 물질 사이의 경계면이 확장되며, 그래서 셀들의 전기화학 순환력(cyclability)이 특히 고 충전-방전 전류들에서 개선된다.
본 발명의 개선은, 또한 아마도 전기화학 순환 중에서, 고체-액체상(고체 전해질 경계면, SEI(solid electrolyte interface))이 형성되며, 이는 전해질 손실들을 초래할 수 있다는 사실에 기인한다. 본 발명의 깊은 유체-전도성 구조체들은 활성 물질 층의 체적에 의해 비교적 큰 비율에 가까운 전해질 저장소를 제공함으로써 그 결과로서 기인하는 전해질 손실들을 적어도 부분적으로 보상할 수 있고, 아마 동작 중에서도, 물질과 동떨어진 저장소로부터 활성층으로 유동하는 전해질의 더 우수한 분포를 가능하게 한다.
게다가, 본 발명의 설계에 의해, 동일한 셀 수명에 대하여 더 높은 충전 및 방전 율들을 달성하는 것이 가능하다. 게다가, 또한, 충전 및 방전 중에서 활성 물질의 팽창 및 수축을 각각 초래하는 Li 삽입(intercalation)/탈삽입(deintercalation) 프로세스들의 결과로 전극 물질들에서 발생하는 기계적 응력들을 감소하는 것이 가능하기 때문에, 셀이 전체로서 고장날 위험이 감소한다. 더 깊은 채널들 때문에 더 낮은 감소된 기계적 응력들은 층 물질이 외부 전도체로부터 분리될 감소된 확률을 초래하고, 전극 층 내의 균열들의 감소된 형성 및 감소된 확산을 초래하며, 균열들이 층의 활성 입자들 사이의 전기적 전도 경로들을 차단하고, 따라서 셀 동작에 대해 매우 적합하지 않기 때문에, 감소된 균열 길이들이 유리하다. 깊은 구조화에 상관없이, 균열들이 종종 활성층의 상부 구역들을 출력 전도체로의 효과적인 전기 연결과 분리하기 때문에, 이런 점에서 개선된 특성들이 성립되는 것이 발견되었다. 고체-액체 상의 형성 및 따라서 원하지 않는 전해질 및 활성 물질의 소모를 촉진하는 고체 상태와 전해질 사이의 새로운 접촉면을 크랙들이 추가적으로 초래하기 때문에, 본 발명의 깊은 유체-전도성 구조체들은 균열 형성이 먼저 감소하고, 언급된 바와 같이, 전해질 저장소가 두 번째로 제공된다는 이런 점에서 역효과들에 대한 이중 작용을 갖고, 그래서, 내부 저항의 원하지 않는 점진적인 증가가 발생하지 않거나, 적어도 빠르게 그리고 종래 기술에서 알려진 정도로 발생하지 않으며, 그 결과 셀에서의 증가된 열 응력들은 어느 것도 고려될 필요 없고, 또는 적어도 통상의 정도로 필요 없고, 열 폭주(thermal runway)가 해소된다. 따라서, 본 발명의 깊은 구조화는 또한 셀 신뢰성을 개선한다.
특히, 이들은 층 물질로부터의 원하는 더 빠른 리튬 삽입 및 탈삽입 및 더 깊은 전극 층들 안으로 및 밖으로의 리튬의 이송을 개선하기 때문에, 계층적 구조체들의 도입이 아마도 이점일 수 있고, 필요한 확산 경로 길이들이 단축되며, 리튬 확산 횡단면들이 증가하기 때문에, 이는 리튬 확산을 효과적으로 개선한다는 것이 개시될 것이다.
특히, 다수의 독립적으로 사용 가능한 전해질 배터리 컴포넌트들을 많은 구조체 물질로부터 획득하기 위해 구조화 다음에 분할이 이어는 경우, 유체-전도성 구조체들로서 병렬 채널들을 제공하는 것이 특히 간단하지만, 균질 습윤을 달성하기 위해 메쉬 구조체들, 분기 또는 격자 구조체들과 같은 기하형상들을 사용하는 것이 또한 가능하다는 것이 언급될 것이다.
따라서, 그것은 다수의 채널들이 서로에 나란히 제공되거나, 분기 구조체 및/또는 기둥-같은 구조체가 본 발명의 깊은 유체-전도성 구조체들에 대해 제공되는 경우 바람직하다. 이는 전해질의 주입이 전형적으로 전-영역 전해질 충진보다 점 또는 모서리로부터 초래되기 때문에 유리하다. 심지어 사실상 단일 점의 주입의 경우에도, 예를 들면, 잎맥(leaf-vein) 구조체 설계에 따른 유체-전도성 구조체들의 혈관 같은(vein-like) 분기는 충진 주입에 대하여 수직 및 수평 양쪽으로 전극들의 전해질 균질화를 개선한다. 또한 이런 구조체들이 예를 들면, 엠보싱 롤링(embossing rolling) 또는 레이저 구조화에 의해 직접 도입될 수 있다는 것이 언급될 것이다.
그러나, 본 발명은 단순히 유체-전도성 구조체들이 잎맥 설계들에 한정되지 않는다는 것이 언급될 것이다. 대신, 임의의 계층적 구조체들이 유리하고 바람직할 수 있다.
따라서, 모세관력 등에 의한 액체 분포의 균질화는 구조체 기하형상들의 변형에 의해 제어된 방식으로 확립될 것이다. 덧붙여 말하면, 전극들 및 분리막 물질의 진성 다공성이 전체 물질 두께에 걸쳐 표면들을 균질하게 그리고 빠르게 적시는 전해질의 분포를 촉진할 수 있다는 것이 언급될 것이다.
그것은, 전극 물질에서의 채널 구조체들; 근접 표면(near-surface) 기둥 구조체들; 전극 표면 상의 원뿔 표면 구조체들; 전극 표면의 세공(micropore)들의 그룹 중에서 상이한 구조체 형상들이 결합되고, 즉, 이런 그룹 중에서 적어도 2개 엘리먼트들이 제어된 구조화에 의해 함께 제공되는 경우, 특히 바람직하다. 언급된바와 같이, 채널 구조체들은, 그것들이 전극들의 빠른 그리고 균질한 습윤을 가능하게 하고, 전해질 저장소로서 기능하며, 진동들에 의해 초래되는 바와 같이, 충전-방전 순환 동안, 조립 프로세스에 의해, 이송에 의해, 또는 동작시와 같은 초소형(microscopic) 레벨에서 발생하는 기계적 응력들에 대해 보상하기 때문에 유리하다. 원뿔 표면 구조체들은 표면에 더 가까이에서 전해질 습윤을 개선한다. 기둥 구조체들은, 기둥들에 대한 1 내지 10 ㎛의 바람직한 폭들을 갖는 초소형 치수들 및 1 내지 10의 전형적으로 바람직한 종횡비들에 의해, 기둥 구조체들이 충전 또는 방전 중에서 짧은 전류 피크들을 가능하게 하는데 특히 적합하기 때문에, 바람직하다. 초소형 구조체들은 추가적으로 균열들의 전파를 특히 능률적으로 방지하고, 심지어 미소 규모(micro scale)에 대한 임계 기계적 응력들을 보상하는데 적합하다. 상술한 그룹 중에서 적어도 2개의 엘리먼트들, 바람직하게는 모든 컴포넌트들의 조합에 의해, 언급된 이점들이 전형적으로 함께 획득될 수 있다. 예를 들면, 기둥들을 도입하기 위해, 적합하다면, 미세 다공성(microporosity)을 생성하기 위해, 채널-형상 유체-전도성 구조체들을 심지어 혈관들의 방식으로 더 넓은 채널로부터 더 좁은 채널들로 분기하는 유체-전도성 구조체와 함께, 표면 가까이에 원뿔 구조체들을 제공하는 미세구조체들과 함께 중첩하는 것이 또한 가능하다. 미세 기공들은 여기서 추가 전해질이 전극 물질 내에 저장되는 것으로 기능할 수 있는데, 이는 고체 상태와 전해질 사이의 전기화학 반응 경계면들로의 새로운 전해질의 연속한 운반을 보장한다. 500 ㎚ 내지 10 ㎛의 직경들 및 3 ㎛ 내지 100 ㎛의 깊이들을 갖는 미세 기공들이 전형적으로 도입된다. 그것들이 충진 동작 및 습윤을 추가로 개선한다는 것이 언급될 것이다.
본 발명은 특히 저온들에서 사용될 배터리들에 대하여 특히 유리하다. 더 특별히, 본 발명은 -5 ℃ 미만, 바람직하게는 - 20 ℃의 온도들에서 사용되거나 명시되어야 하는 전극 컴포넌트들 또는 전해질 배터리들에 대하여 이용가능하다. 이런 저온들에서, 본 발명은 점도의 증가에 대하여 더 불량한 이동도 및 더 불량한 전도도와 같은 액체 전해질의 변화들에 의한 성능 특성들의 저하를 효과적으로 대응할 수 있다. 제안된 깊은 구조화는, 특히, 애노드에서 금속 리튬의 증착의 위험이 애노드 결정 구조체로부터의 리튬의 불충분하게 급속한 흡수의 결과로서 두렷하게 감소하기 때문에, 이를 특히 효율적으로 대응한다. 여기서 특히 효율적인 효과를 갖는 것은 그것이고, 구조체들이 물질 안으로 깊이 들어는 경우이고, 그래서 달성할 수 있는 것은 충진 동안의 습윤의 개선뿐만 아니라, 활성층 안으로 및 밖으로의 물질 교환이 또한 상당히 촉진된다.
특히 바람직한 변형예에서, 본 발명의 깊은 유체-전도성 구조체들이 도입되는 활성 전극 물질의 층 두께는 30 내지 50 ㎛일 것이다. 그것은 활성 전극 물질의 층 두께가 40 내지 120 ㎛인 경우에 특히 바람직하다. 이런 두께들은 제조 기술에 의해 효과적으로 생산될 수 있고, 전형적으로 바람직한 특성들을 갖는 전해질 배터리들을 생산하기에 적합하다. 유체-전도성 구조체들은 그 다음 이런 두께의 전극 층들 안으로 도입되고, 이들은 전형적으로 전극 층 두께들의 70 내지 100 %이다. 전체 배터리의 생산 중에서 달성할 수 있는 습윤을 위해 사용된 측정이 구조화된 전극들에서의 전해질 유체의 최대 상승 높이인 경우, 좁은 채널들의 경우에는, 상승 높이의 개선이 관찰될 수 있고, 이는 물질 제거 깊이에 의해 증가하는 반면, 더 넓은 채널들의 경우에는, 상승 높이는 약 70% 정도까지 선형 방식으로 증가하며, 그 후에 상승 높이의 추가 상승은 물질의 제거 깊이에 의해 평평해지는 것이 발견된다. 상승 높이 특성들의 이런 결정에 의해, 채널 폭들 및 물질 두께들의 주어진 조합들이 최적 채널 깊이들, 즉, 습윤에 대한 최적 깊이들을 결정하는 것이 직접 가능하다. 심지어 상승 높이가 추가로 깊어지게 함으로써 임의의 상당한 정도로 거의 증가하지 않아도, 더 깊은 구조체들이 유리할 수 있다는 것이 언급될 것이다. 여기서 하나의 주목할 만한 관찰은 습윤에 관한 추가의 긍정적 영향이 발생한다는 것이다; 또한 동일한 것이 바람직하게는 100 ㎛에 이르기까지 또는 그 미만, 특히 바람직하게는 80 ㎛에 이르기까지 또는 그 미만, 훨씬 더 바람직하게는 60 ㎛에 이르기까지 또는 그 미만의 채널 폭들에 적용된다. 원하는 효과 또는 원하는 효과 조합에 따라, 상이한 채널 폭들이 선택될 수 있다.
이런 점에서, 층 두께들 > 10 ㎛을 사용하는 것이 특히 바람직하다는 것이 언급될 것이다.
본 발명은 또한 안정성 이유들을 위해 엄격하게 준수되어야 하는 (전압) 스위치-오프 상한을 갖는 전해질 배터리들에 대하여 특히 유리하다. 예를 들면, 자동차 산업에서, 스위치-오프는 특정 부하 전압(캐소드 물질로서 Li2MnO4를 갖는 배터리들에 대하여 4.2 볼트와 같은)에서 셀의 과부하를 방지하기 위해, 특정 애플리케이션들에 대해 필요하다. 그러나, 이런 물질은 4.05 볼트 및 4.15 볼트에서 전압 안정기들(plateaus)을 충전하는 특성을 갖고, 따라서 순환의 결과로서 이런 전압 안정기에서 더 높은 전압들로 시프트하며, 저하는 셀의 사용 연한을 단축한다. 따라서, 심지어 시스템-관련 경계 조건들을 준수하는 본 발명의 구조화는 셀들에 대한 더 많은 수의 순환들을 가능하게 한다. 이는 충전이 높은 충전율들로 달성될 경우 특히 사실이다. 상부 전압 안정기가 4.15 볼트로부터 그것이 4.2 볼트보다 크지 않은 충전의 경우에 더 이상 사용될 수 없는 이런 정도까지 시프트된다는 것이 종래 기술에서 발생할 수 있다. 따라서, 물질 특성들 및 충전-방전 전압은 단지 더 깊은 구조화에 의한 본 발명에 따라 유사하게 상당히 개선된다.
본 발명에 따른 전해질 배터리 컴포넌트는 바람직하게는 특히, LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2, LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, 그래파이트, 도핑에 의해 대응하는 물질들 중 적어도 하나로 구성되는, 분리막 또는 전극, 특히 박막 및/또는 분말-기반 전극과 같은 캐소드일 수 있다는 것이 언급될 것이다.
더 특별히, 막박- 및/또는 분말-기반 전극을 구조화하는 것이 본 발명에 따라 가능하다. 현재의, 그러나 비-한정적인 결과들에 따라, 본 발명의 구조화를 위한 분말-기반 전극들의 적합한 전극 물질들은 특히 LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2, LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, 그래파이트, 도핑에 의해 대응하는 물질들이다.
애노드들 및/또는 분리막들이 또한 구조화될 수 있다는 것이 언급될 것이다. 캐소드들 및/또는 애노드들에 더하여 구조화를 갖는 분리막들을 제공하는 것이 특히 가능한데, 이 경우에, 애노드들 또는 캐소드들은 본 발명의 깊은 구조화가 구비되는 반면, 분리막들은 유체-전도성 구조체들을 갖는 매우 깊은 구조화가 반드시 구비되지는 않는다.
또한, 본 발명에 따른 컴포넌트를 갖는 전해질 배터리에 대한 보호가 요구된다.
본 발명의 전해질 배터리는 또한 더 특별히 도전성 염으로서 리튬 염을 갖는 무수(anhydrous) 전해질을 전형적으로 가질 것이고, 그것은 바람직하게는 리튬 이온 배터리가며, 이에 대하여 가능한 전도성 염이 특히 LiPF6인 것을 의미한다는 것이 언급될 것이다. 본 발명의 전해질 배터리에 대한 바람직한 용제로서, 특히 1:1 또는 그에 근접한 비율로 에틸렌 카보네이트 및/또는 디메틸 카보네이트를 사용하는 것이 가능하다. 본 발명과 함께 사용하기 위한 실제 시험들에서 적합하다는 것이 발견되었던 용제의 사양은 이런 물질들에 대해서만 드러난 사실의 제약을 구성하도록 의도되지 않거나, 바람직한 전도성 염, 더 특별히 바람직한 리튬 염의 사양도 아니라는 것이 언급될 것이다. 대신, 본 발명은 종래 기술에서, 특히 교과서들에서 이미 설명된 바와 같이, 다수의 상이한 전도성 염들, 더 특별히 상이한 리튬 염들 및/또는 상이한 용제들 또는 용제 혼합물들과 함께 사용될 수 있다는 것이 언급될 것이다.
본 발명의 전해질 배터리 컴포넌트들이 특히 캐스트 필름들을 이용하여 현재 생산되는 바와 같은 대면적 배터리들에서 장점을 제공하는 것은 분명하다. 그러나, 또한 본 발명의 전해질 배터리 컴포넌트들을 포함하는 임의의 다른 전해질 배터리들에 대한 보호가 요구된다. 그것은 전해질 배터리가 분말상의 전극 물질들이 사용되는 리튬 이온 배터리인 경우에 특히 유리하다.
이런 분말-기반 전극 물질들이 사용되는 전해질 배터리들의 애플리케이션들로서, 정적 에너지 저장 수단들 및 미래의 자동차용 EV 또는 HEV 에너지 저장 수단이 언급으로 이루어질 것이다. 여기서 제안된 구조화는, 특히 큰 전해질 배터리 컴포넌트 면적들이 구조화되어야 하고, 본 발명의 유체-전도성 구조체들이 대면적들에 대한 어떤 문제없이 매우 높은 프로세스 속도로 적용될 수 있기 때문에, 이런 배터리들에 대하여 특히 유리하다.
본 발명이 구조체들을 갖는 표면들을 패시베이션하는데 적합하다는 것이 또한 언급될 것이다. 패시베이션은 구조화에 의해 병렬로 또는 다운스트림 처리 단계에서 달성될 수 있다. 패시베이션을 위하여, ITO, 아연 산화물들 등과 같은 세라믹 산화물들을 사용하는 것이 특히 가능하며, 이것에 이해 활성 물질과 액체 전해질 사이의 경계면을 최적화하는 것이 가능하다; 효과적으로 형성되는 것은 합성 활성 물질-전해질 경계면이다. 본 발명에 의해 가능한 패시베이션은 전해질 배터리의 화학적 저하를 감소시키고, 따라서 이미 언급된 이점들을 더 개선한다. 본 발명의 전해질 배터리 컴포넌트를 캘린더링(calendering), 엠보싱함으로써 또는 레이저에 의해 수행하는 것이 바람직하다.
전극들 또는 분리막들의 직접 구조화를 위해, 사용된 레이저 빔 소스들은, 예를 들면, Yb:YAG 레이저들 또는 Nd:YAG 레이저들 및/또는 고-주파수 초단파 펄스 레이저들과 같은 고체-상태 레이저들일 수 있다. 이런 점에 대하여, 적합한 전해질 배터리 컴포넌트들을 이용하여, 배터리 시험들에서 우수한 결과들을 재현가능하게 초래했던 시험 셀들 및 파우치 셀(pouch cell)들을 생산하는 것이 가능했다는 것이 언급될 것이다.
한편으로는 UV 레이저 방사에 의한 구조화가, 다른 한편으로는 예를 들면, NIR 고체-상태 레이저들에 의한 구조화가 레이저 구조화의 경우에 가능하다는 것이 언급될 것이다. UV 레이저 방사에 의해, 박막 물질들 및 분말-기반 물질들 모두가 구조화되는 것이 가능하다는 것이 언급될 것이다.
펄스화된 고체-상태 레이저들, 특히 약 1 ㎛ 파장을 갖는 Yb:YAG와 같은 광섬유 레이저들의 사용에 의해, 정의된 물질 제거가 분말상 전극 물질의 처리 중에서 초점 렌즈의 초점에서 달성된다는 것이 더 언급될 것이다. 이와 관련하여, 레이저 물질 제거 프로세스 동안, 임의의 잔해 침전물들이 거의 생기지 않고, 그래서 구조화되지 않은 물질 구역들은 여전히 매우 많이 영향을 받지 않는다는 것이 발견되었다.
이 점에서, 심지어 다공성 분말상 전극 물질의 사용의 경우에도, Yb:YAG 레이저 방사에 의해서와 같은 제어된 물질의 제거에 의한 순환 안정도의 개선은 특히 놀라운 것으로 간주되어야 한다.
직접 레이저 구조화는, 레이저 구조화가 전극 물질의 건조를 촉진하고, 따라서 그럼에도 불구하고 다운스트림으로 뒤따를 수 있는 종래의 전극 건조 단계들이 감소된 비용으로 수행될 수 있기 때문에, 바람직하게는 전극 물질 층의 형성 직후에 수행된다. 먼저, 레이저 구조화는 에너지를 물질 안으로 도입하고, 에너지 입력은 레이저 펄스 지속기간, 펄스 주파수, 펄스 에너지 밀도 및 파장에 의존한다. 게다가, 확산이 또한 건조 중에서 촉진되고, 결과적으로 전체적으로 비용이 절약되기 때문에, 구조화는 물질로부터 물의 방전 및 아마도 전극 물질로부터 용제 잔유물들의 제거를 촉진한다.
예를 들면, 표면 구조체들이 랜드(land)들의 모양으로 레이저에 의해 생산되는 경우, 이제 달성할 수 있는 펄스화된 레이저들의 고 펄스율들이 물질 표면의 구조화에서 매우 높은 스캔율들을 가능하게 하고, 분말 형태의 물질이 이런 처리 중에서 보호되며, 생성된 채널 구조체들의 측면들에서의 구조화가 이온 전도체로서 전해질과 직접 접촉할 수 있는, 기판만큼 멀리 연장하는 추가 응집물(agglomerate)의 추가 노출을 초래한다는 것이 발견되었기 때문에, 레이저 빔들과 같은 방사 소스들에 의한 직접 구조화가 따라서 가능하고, 높은 프로세스 속도로 수행될 수 있다고 해도, 다른 구조화 프로세스들이 또한 가능하다는 것이 언급될 것이다.
예를 들면, 본 발명에 따라, 더 특별히, 넓은 영역에 걸쳐 분산된 전극 물질의 구조화는 캘린더링에 의해 수행될 수 있다. 캘린더링 프로세스 중에서 전도된 물질 채움(compaction)은 이미 대면적 전극들을 위한 생산 프로세스의 일부이다. 특히 유리하게, 이런 프로세스는 예를 들면, 구조화된 캘린더 롤에 의해 이제 본 발명에 따라 달성될 수 있는데, 이 경우, 캘린더 롤 구조체는 캘린더링 프로세스에 의해 전극 표면으로 모사되는 선형 구조체들을 포함할 수 있다. 따라서, 물질의 채움 및 구조화는 하나의 그리고 동일 프로세스 단계에서 수행될 수 있다.
캘린더링 프로세스에서 캘린더 롤에 의한 구조체 모사를 위해 필요한 음의(negative) 구조체들은 따라서 바람직하게는 캘린더 롤 자체에 구비된다. 예를 들면, 엠보싱 프로세스들이 또한 가능할 것이라고 언급될 것이다. 이들은 다른 구조화 방법들에 더하여 또는 그 대신에 사용될 수 있다.
전해질 배터리 컴포넌트들 및 셀들 및 그것들을 사용하는 전해질 배터리들에 대한 보호에 더하여, 따라서 또한 전해질 배터리 컴포넌트들을 생산하기 위한 프로세스에 대한 보호가 요구되는데, 이 프로세스에서 전해질 유체-전도성 구조체는 바람직하게는 캘린더 롤에 의해 및/또는 엠보싱 프로세스에 의해 및/또는 레이저에 의해 구조화함으로써 적용된다.
본 발명은 종래의 필름 캐스팅에 의해 현재 생산되고 있는 바와 같이, 그것이 대면적 배터리들을 위해 사용되는 경우, 특히 이점들을 제공하고, 특성들의 개선은 본 발명의 구조화, 특히 레이저 구조화에 의해 가능하다는 것이 언급될 것이다. 리튬 이온 배터리들과 같은 배터리들에 대한 전극 물질들의 활용의 개선은 분말상 전극 물질의 직접 구조화의 가능성으로 채널들을 갖거나 적절하게 배열되고, 형성된 기둥들을 선택적으로 갖는 표면 구조체들에 의해 개선될 수 있다는 것이 또한 언급될 것이다.
본 발명은 이하 단지 예로서 도면에 의해 도시된다.
도 1은 구조화된 전극의 개략적 다이어그램이고;
도 2는 좌측에 구조화되지 않은 전극 물질을, 우측에 상세한 확대를 갖는(아래) 구조화된 전극을 도시하는 전극 물질이며;
도 3은 좌측에 종래 기술에 따른 구조화되지 않은 전극 상에 그리고 우측에 본 발명에 따라 구조화된 전극 상에 드롭 방식(dropwise) 전해질 도포 후 전해질 분포의 개략적 다이어그램이고;
도 4는 도 3의 도식에 따라 좌측에 종래 기술에 따른 구조화되지 않은 전극 표면 그리고 우측에 구조화된 전극 표면의 표면에 한 방울의 전해질 액체의 도포 직후 전해질 액체의 분포이며;
도 5a는 캐스트 전극 물질 안으로 도입된 구조체의 채널 폭의 함수로서 전극 표면상의 전해질의 상승 높이이고;
도 5b는 100 ㎛(도 5c) 및 45 ㎛(도 5d)의 상이한 깊이들 및 채널 폭들로 통합된 채널들에 대한 상승 높이들을 갖는 도 5a의 다이어그램이며;
도 5c 및 도 5d는 상이한 폭의 채널들에 대하여 상이한 물질 제거 깊이들에 대한 상대 상승 높이들이고;
도 6은 다양한 유체-전도성 구조체들에 대한 순환의 수의 함수로서 ㎃h/g의 방전 용량이며;
도 7은 계층적 잎맥 채널 배열에서 점 공급의 경우에 전극 분포이다.
도 1에서, 일반적으로 1로 표시된 전해질 배터리 컴포넌트(1)는 전해질 배터리를 위해 의도된 전극으로서 그 자체가 알려진 필름 캐스팅 프로세스에 의해 분말상 물질로 형성된다. 전해질 배터리 컴포넌트의 표면(2)은 유체-전도성 구조체로서, 전해질 배터리 셀이 배터리 생산 동안 액체 절해질로 충진되는 경우, 화살표 A로 표시된, 도면의 상부의 충진 위치로부터의 전해질 유체 이송을 가속화할 수 있는 표면 구조체(2)가 구비된다.
이 경우에서, 전극(1)은 따라서 분말-기반 전극이고, 사용 가능한 분말은, 예를 들면, LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2, LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, 그래파이트, 및 도핑을 갖는 적합한 물질들 중 적어도 하나이다. 층 물질은 그 자체가 알려진 방식으로 출력 전도체(1a)를 갖는 기판 캐리어 상에 배치된다.
리튬 이온 배터리에 사용된 액체 전해질은 전도성 염으로서 리튬 염, 특히 LiPF6, 및 1:1 비율의 에틸렌 카보네이트 및 디메틸 카보네이트 기반 용제를 포함하는 전해질일 수 있다. 전극의 본 발명의 채널 구조체들 및 전극들의 및 선택적으로 또한 본 발명에 따라 구조화된 분리막들의 선택적으로 대응하는 채널 구조체들을 제외하고, 전극(1)이 형성된 배터리는 그렇지 않으면 종래의 것이며, 전극 물질들에 대해서도 전해질에 대해서도 아닌 예로서 명시된 물질들에 한정된다.
도 1에서 단지 개략적으로 나타낸 채널 구조체들은, 도 5를 참조하여 앞으로 설명될 바와 같이, 정확하게 이들 값들에 대해 한정되지 않고, 바람직하게는 40 내지 150 ㎛의 폭을 갖는다.
도시된 작동 예에서, 그 자체가 관례적으로 생산된 전극들 안으로 본 발명에 따라 도입된 본 발명의 유체-전도성 구조체들은, 정의된 물질 제거가 고체-상태 광섬유 레이저의 초점 렌즈의 초점에서 생기는 전극 표면에 걸친 레이저 빔의 이런 높은 스캔율의 선택으로, 적합한 에너지의 펄스화된 Yb:YAG 고체-상태 광섬유 레이저 및 약 1 ㎛의 레이저 파장을 갖는 투사에 의해 생산된다.
도 2는 먼저 본 발명의 유체-전도성 구조체들이 구비된 전극 표면의 표면과 비교하여 구조화되지 않은 전극 물질의 전자 현미경 사진을 도시한다. 임의의 잔해 침전물들이 레이저 물질 제거 프로세스 동안 물질 표면 상에 거의 생기지 않고, 그래서 구조화되지 않은 물질 구역들을 실질적으로 영향을 받지 않게 남기는 것이 가능하다는 것이 발견된다.
설명된 바와 같은 본 발명의 유체-전도성 구조체가 도입되는 전극은 이제 본 발명의 유체-전도성 구조체가 구비되지 않은 전극과 비교될 것이다. 비교를 위해, 리튬 이온 배터리들에 대하여 사용된 바와 같은 그리고 위에서 명시된 바와 같은 종래의 전해질은 드롭 방식으로 전극들에 도포되고, 전극 상의 유체의 분포가 도포 동안 및 그 즉시 관찰된다. 대응하는 결과가 도 3에 개략적으로 도시된다.
본 발명의 유체-전도성 구조체를 갖는 전극 및 구조화되지 않은 전극으로의 드롭 방식 도포의 비교는, 여기서 본 발명의 유체-전도성 구조체가 채널 구조체들의 형태로 액체 모사가 구조화되지 않은 전극 표면 상의 분포에 비하여 더 특별히 매우 급속하게 채널 구조체들을 따라 진행되는 전해질 분포에 영향일 미치는 것을 나타내고, 액체 전해질에 의해 전극의 급속한 습윤을 먼저 관찰하고, 게다가 다음으로 더 균질한 습윤을 관찰하는 것이 가능하다는 것을 나타낸다.
실제로, 개선된 식별성(discernibility)을 위해 도 3에서 단지 개략적으로 도시된 상황에 대하여, 전해질의 특정한 작은 방울(droplet) 체적을 갖는 전극 물질들에 대한 습윤 실험들에서, 작은 방울이 전극에 접촉한 직후, 예를 들면, 사진들에 의해 검출할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 유체-전도성 구조체가 구비된 전극 상에 작은 물방울 접촉은 구조화되지 않은 전극 상에서보다 상당히 더 균질한 그리고 더 빠른 습윤을 초래한다는 것이 발견된다.
채널 폭들이 특히 유리하다는 것이 발견되는 것을 수량화하기 위해, 상이한 폭들의 채널들은 그 다음 유체-전도성 구조체들로서 전극 물질 시료들 안으로 도입되었고, 상술한 전해질의 상승 높이가 주어진 제한 시간 내에서 결정되었다. 채널 폭의 함수로서 달성할 수 있는 상승 높이가 도 5에 도시된다. 최대 상승 높이가 약 50 ㎛ 채널 폭의 구역에서 달성되고, 즉, 특히 유리한 유체-전도성 특성들이 획득된다는 것이 발견된다.
동시에, 활성 전극 층이 적절하게 깊은 구조체, 즉, 실질적으로 또는 완전히 제거되는 경우, 특히 높은 상승 높이들이 달성되었다는 것을 수량화하는 것이 가능하다. 이는 100 ㎛의 활성 전극 물질의 층 두께에 대하여 도 5b, 도 5c, 도 5d에 도시된다. 전형적인 전해질 액체들의 경우에 충분한 상승 높이 및 관련된 점도들의 달성을 위해, 채널 폭은 바람직하게는 적어도 약 35 내지 40 ㎛의 상당히 아래가 아니어야 한다는 것을 먼저 알 수 있다. 게다가, 높은 상대적인 층 제거, 즉, 더 특별히, 기판에 이르기까지의 제거는 특히 높은 상승 높이들을 초래하는 반면, 단지 낮은 상승 높이들은 상대적으로 낮은 층 제거의 경우에 달성되는 것이 도 5a로부터 분명하고, 도 5a에서 개별 점들은 상이한 깊이의 물질 제거에 대하여 그려진다. 이는 먼저 약 100 ㎛ 및 다음 약 45 ㎛의 채널 폭의 상이한 채널 폭 범위들에 대하여 도 5c 및 도 5d에서 대응하는 데이터로 도시된다. 약 35 내지 60 ㎛의 채널 폭들을 선택하는 것이 유체 분포에 대하여 바람직하지만, 더 큰 채널 폭들은 아마도 상당히 바람직할 수 있다. 이들은 먼저 셀의 동작시 이용 가능한 전해질의 저장소를 증가시키고, 게다가 그들은 계층적 구조화 또는 혈관 같은 유체-전도성 구조체들이 선택되는 경우 유리하다. 이것의 일 예가 도 7에 도시되고, 화살표들은 충진 또는 적하점(dripping point)으로부터 떨어진 유체 분포를 도시한다.
도 5의 편집을 위해 연구되었던 전극 물질에서의 유체-전도성 구조체들은, 유기체, 비교적 휘발성 용제들의 제거를 위한 첫 번째 부분 건조 동작 다음에 캘린더링 및 물을 제거하기 위한 연이은 추가 건조가 뒤따랐던 제조 시퀀스의 선택과 함께, 캘린더링에 의해 생산되었다는 것이 언급될 것이다. 연구된 LiMn2O4 물질의 다공성은 약 20%이었다.
그 다음, 실험들이 도 8 에 도시된 바와 같이, 상이한 유체-전도성 구조체들로 수행되었다. 도 8 은 상이한 C 속도들을 갖는 순환(전체로 약 250 순환이 도시됨) 후에 달성될 수 있는 전극 물질의 ㎃h/g으로 방전 용량을 도시한다. 순환의 수가 증가하면서, 본 발명의 깊은 유체-전도성 구조체들에 의해, 구조화되지 않은 물질의 것보다 큰 방전 용량이 규칙적으로 포함되는 것이 분명하다.
구조화가 처음에는 방전 용량들이 구조화되지 않은 표면에 의해 달성 가능한 방전 용량들 위에 있는 결과를 규칙적으로 초래한다는 것이 추가로 분명하다. 메쉬 구조화와 같은 구조화의 적합한 선택에 의해, 방전 용량들이 훨씬 더 향상될 수 있다는 것이 더 분명하다.
전형적으로, 일반적으로 다공성 층 물질이 기판에 약 100 ㎛의 두께로 도포된다.
이는 종래 기술에서 필요한 값비싼 셀 저장, 진공 프로세스들, 및 셀들의 다운스트림 시간 소모가 큰 열처리를 생략하는 것이 가능하게 하는데, 이는 전해질 점도를 낮춤으로써 전극의 전해질 습윤의 균질화를 위해 필요하다. 본 발명의 추가 장점은 활성 물질의 표면-대-체적 비의 증가, 및 증가된 전해질-활성 물질 경계면의 생성, 및 특히 높은 충전/방전 전류들에서 결과로 초래된 셀들의 개선된 전기화학 순환능력(cyclability)이다.

Claims (12)

  1. 전해질 배터리 전극 컴포넌트로서,
    상기 배터리의 전해질에 인접하고 유체-전도성 채널 구조체가 구비된 표면을 갖는 층을 포함하고,
    상기 유체-전도성 구조체 는 10 내지 200 ㎛ 및/또는 상기 활성층 의 두께의 적어도 50%의 범위의 채널 깊이들 갖는 채널들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해질 배터리 전극 컴포넌트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    10 ㎛보다 큰 층 두께들을 갖는, 전해질 배터리 전극 컴포넌트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 채널 구조체 는 적어도 근본적으로 기판까지 연장하는, 전해질 배터리 전극 컴포넌트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 채널들은 서로 나란히 및/또는 서로 교차로 구비되고, 및/또는 전해질 유체 유입 위치로부터 분기하는 구조체 및/또는 기둥상(column-like) 구조체가 형성되어 있는, 전해질 배터리 전극 컴포넌트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질 배터리 컴포넌트는 특히 LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2, LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, 그래파이트, 및 도핑에 의해 대응하는 물질들 중 적어도 하나로 구성되는, 분리막 또는 전극, 특히 캐소드, 바람직하게는 막박- 및/또는 분말-기반 전극을 구성하는 것을 특징으로 하는, 전해질 배터리 컴포넌트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 채널 깊이는 상기 층 두께의 50%보다 큰, 바람직하게는 적어도 70%, 특히 적어도 90%인, 전해질 배터리 컴포넌트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 채널 폭은 적어도 35㎛인 것을 특징으로 하는, 전해질 배터리 컴포넌트.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 채널 폭은 150 ㎛보다 작고, 바람직하게는 100 ㎛보다 작으며, 특히 바람직하게는 80 ㎛보다 작고, 더욱 바림직하게는 60 ㎛보다 작은, 전해질 배터리 컴포넌트.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 전해질 배터리 컴포넌트를 갖는 셀.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 컴포넌트를 갖는 특히 2차 부재인, 전해질 배터리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    무수 전해질, 특히 전도체 염(conductor salt)으로서 리튬 염(lithium salt), 바람직하게는 LiPF6 및/또는 특히 1:1의 비율의 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate) 및/또는 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate)를 함유하는 용제를 갖는, 전해질 배터리.
  12. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 전해질 배터리 컴포넌트를 생성하기 위한 프로세스로서,
    상기 구조화(structuring)는 캘린더 롤(calender roll) 및 엠보싱(embossing) 프로세스 및/또는 레이저에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 전해질 배터리 컴포넌트를 생성하기 위한 프로세스.
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