KR20190122873A - 개선된 배터리 세퍼레이터, 전극, 전지, 리튬 배터리 및 관련 방법 - Google Patents

개선된 배터리 세퍼레이터, 전극, 전지, 리튬 배터리 및 관련 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20190122873A
KR20190122873A KR1020197030850A KR20197030850A KR20190122873A KR 20190122873 A KR20190122873 A KR 20190122873A KR 1020197030850 A KR1020197030850 A KR 1020197030850A KR 20197030850 A KR20197030850 A KR 20197030850A KR 20190122873 A KR20190122873 A KR 20190122873A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
anode
cathode
less
separator
twist
Prior art date
Application number
KR1020197030850A
Other languages
English (en)
Inventor
젱밍 장
웨이펑 팡
Original Assignee
셀가드 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 셀가드 엘엘씨 filed Critical 셀가드 엘엘씨
Priority to KR1020247005763A priority Critical patent/KR20240028556A/ko
Publication of KR20190122873A publication Critical patent/KR20190122873A/ko

Links

Images

Classifications

    • H01M2/16—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0567—Liquid materials characterised by the additives
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0569—Liquid materials characterised by the solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/387—Tin or alloys based on tin
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0048—Molten electrolytes used at high temperature
    • H01M2300/0051—Carbonates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/403—Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/403—Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
    • H01M50/406—Moulding; Embossing; Cutting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491—Porosity
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Cell Separators (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

적어도 선택된 구체예에 따르면, 본 개시 또는 발명은 신규한 또는 개선된 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 배터리, 전지, 시스템, 및/또는 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 전지, 시스템 등의 설계, 이해, 제조 및/또는 사용 방법, 특히 이차 리튬 이온 배터리, 및/또는 CE, ESS, 및/또는 EDV 배터리와 같은 이차 리튬 배터리에 관한 것이다. 적어도 특정 구체예에 따르면, 본 개시 또는 발명은 이러한 새로운 사고, 정의 및/또는 데이터를 사용하여 비틀림도, 기공률, 리튬 증착, 및 전지 디자인을 고려하거나 정의하는 신규한 또는 개선된 방법에 관한 것이다. 또한, 배터리 수명 향상, 배터리 고장 감소, 덴드라이트 감소, 리튬 증착 감소, 충전 및 방전 속도 유지, 개선된 구성, 개선된 성능 등을 위한 방법, 시스템 및 배터리 구성 요소가 본원에 개시된다. 적어도 특정 구체예에 따르면, 본 개시 또는 발명은 전해질로 습윤될 때 다음 특성 중 적어도 하나를 갖는 다공성 멤브레인을 포함하는 개선된 배터리 세퍼레이터에 관한 것이다: 없거나 낮은 부피를 가짐; 없거나 낮은 질량을 가짐; 가능한 많은 액체 전해질을 적심(soak); 전해질에 어떠한 유해 물질을 차단하거나 제거함; 어떠한 고온에서도 용해되지 않음; 어떠한 조건에서도 캐소드 또는 애노드와 반응하지 않음; 강(steel) 이상의 기계적 강도를 가짐; 어떠한 조건에서도 전기 절연체임; 금속 덴드라이트(dendrite) 성장을 차단함. 또한, 높은 충전 속도에서도 리튬 증착이 일어나지 않는 에너지 전지가 본원에 개시된다. 상기 에너지 전지는 본원에 개시된 개선된 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 상기 에너지 전지는 리튬을 포함하는 애노드 및 일부 구체예에서, 탄소질 물질을 포함하는 캐소드를 추가 포함한다. 또한 에너지 전지와 별개인 애노드 및 캐소드가 본원에 개시되지만, 본원에 개시된 에너지 전지에 사용될 수 있다.

Description

개선된 배터리 세퍼레이터, 전극, 전지, 리튬 배터리 및 관련 방법
본 출원은 35 U.S.C. § 119(e)(1)에 의거하여 2017년 03월 18일에 출원된 미국 가출원 제62/473,596호에 대한 이익과 우선권을 주장한다. 이 미국 가출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
적어도 선택된 구체예에 따르면, 본 개시 또는 발명은 신규한 또는 개선된 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 배터리, 전지, 시스템, 및/또는 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 전지, 시스템 등의 설계, 이해, 제조 및/또는 사용 방법, 특히 이차 리튬 이온 배터리, 및/또는 CE, ESS, 및/또는 EDV 배터리와 같은 이차 리튬 배터리에 관한 것이다. 적어도 특정 구체예에 따르면, 본 개시 또는 발명은 이러한 새로운 사고, 정의 및/또는 데이터를 사용하여 비틀림도, 기공률, 리튬 증착, 및 전지 디자인을 고려하거나 정의하는 신규한 또는 개선된 방법에 관한 것이다. 또한, 배터리 수명 향상, 배터리 고장 감소, 덴드라이트 감소, 리튬 증착 감소, 충전 및 방전 속도 유지, 개선된 구성, 개선된 성능 등을 위한 방법, 시스템 및 배터리 구성 요소가 본원에 개시된다.
덴드라이트(dendrite)를 차단하고 고온에서도 녹지 않는 개선된 배터리 세퍼레이터, 특히 리튬 이온 배터리 세퍼레이터가 필요하다.
리튬 이온 배터리에서, 탄소질(carbonaceous)은 리튬 이온 배터리의 애노드 물질로서 일반적으로 사용되어왔다. 탄소질의 에너지 밀도는 매우 높지만, 충전 및 방전 전압은 리튬 증착의 에너지 밀도에 매우 가깝다. 따라서, 리튬 증착은 과전압, 특히 높은 충전 속도에서 발생할 수 있으며, 이는 큰 분극(polarization)을 야기한다. 상기 배터리 내에 리튬 금속의 증착은 심각한 안전 문제가 발생하여 열 발생, 열 폭주 또는 폭발로 이어질 수 있다. 따라서, 높은 충전 속도에서도 리튬 증착이 일어나지 않는 리튬 이온 배터리 또는 전지가 필요하다.
적어도 선택된 구체예에 따르면, 본 개시 또는 발명은 상기 필요성, 주제(issue) 또는 문제점을 해결할 수 있고, 및/또는 신규한 또는 개선된 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 배터리, 전지, 시스템, 및/또는 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 전지, 시스템 등의 설계, 이해, 제조 및/또는 사용 방법, 특히 이차 리튬 이온 배터리, 및/또는 CE, ESS, 및/또는 EDV 배터리와 같은 이차 리튬 배터리에 관한 것이다. 적어도 특정 구체예에 따르면, 본 개시 또는 발명은 이러한 새로운 사고, 정의 및/또는 데이터를 사용하여 비틀림도, 기공률, 리튬 증착, 및 전지 디자인을 고려하거나 정의하는 신규한 또는 개선된 방법에 관한 것이다. 또한, 배터리 수명 향상, 배터리 고장 감소, 덴드라이트 감소, 리튬 증착 감소, 충전 및 방전 속도 유지, 개선된 구성, 개선된 성능 등을 위한 방법, 시스템 및 배터리 구성 요소가 본원에 개시된다.
일 측면에서, 본 출원은 개선된 배터리 세퍼레이터에 관한 것이다. 상기 개선된 세퍼레이터는 전해질로 습윤될 때 다음 특성 중 적어도 하나를 갖는다: 없거나 낮은 부피를 가짐; 없거나 낮은 질량을 가짐; 가능한 많은 액체 전해질을 적심(soak); 전해질에 어떠한 유해 물질을 차단하거나 제거함; 어떠한 고온에서도 용해되지 않음; 어떠한 조건에서도 캐소드 또는 애노드와 반응하지 않음; 강(steel) 이상의 기계적 강도를 가짐; 어떠한 조건에서도 전기 절연체임; 금속 덴드라이트(dendrite) 성장을 차단함. 일부 구체예에서, 상기 세퍼레이터는 전술한 특성 중 하나 이상을 갖는다. 일부 구체예에서, 상기 세퍼레이터는 전술한 특성 중 2 개 이상을 갖는다. 일부 구체예에서, 상기 세퍼레이터는 전술한 특성 중 3 개 이상을 갖는다. 상기 세퍼레이터는 전술한 특성 중 4 개 이상을 갖는다. 상기 세퍼레이터는 전술한 특성 중 5 개 이상을 갖는다. 상기 세퍼레이터는 전술한 특성 중 6 개 이상을 갖는다. 상기 세퍼레이터는 전술한 특성 중 7 개 이상을 갖는다. 상기 세퍼레이터는 전술한 특성 중 8 개 이상을 갖는다. 상기 세퍼레이터는 전술한 특성 중 9 개 모두를 갖는다.
일부 구체예에서, 전술된 배터리 세퍼레이터는 다공성(porous), 마이크로다공성(microporous) 또는 나노다공성(nanoporous) 배터리 세퍼레이터이며, 상기 배터리 세퍼레이터의 기공(pore)은 이온 전도성 매질(medium)로 채워진다. 일부 구체예에서, 상기 이온 전도성 매질로 채워진 기공을 갖는 배터리 세퍼레이터는 건조할 때 (첨가된 전해질 없음), 전해질로 습윤될 때, 또는 건조할 때 (첨가된 전해질 없음)나 전해질로 습윤될 때 모두 리튬 이온으로 전도된다.
또 다른 측면에서, 리튬 증착 없이 3.0C (1C=2.3mA/cm2) 이상의 충전 속도로 충전될 수 있는 에너지 전지이다. 일부 구체예에서, 상기 전지는 3.5C 이상, 4.0C 이상, 4.5C 이상, 또는 3.0C 이상이며, 5.0C 미만인 충전 속도로 충전될 수 있다.
상기 에너지 전지는 적어도 다음을 포함한다: 리튬을 포함하는 애노드; 및 캐소드.
일부 구체예에서, 상기 리튬을 포함하는 애노드는 약 50 내지 약 200 마이크론(micron) 두께를 갖는다. 상기 두께는 또한 약 60 내지 약 200 마이크론, 또는 약 60 내지 약 125 마이크론일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 애노드의 기공률(porosity)은 15% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 또는 40% 이상일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 애노드 기공률은 15% 이상이며, 50% 이하일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 애노드 비틀림도는 2.0 이하, 1.7 이하, 1.5 이하, 1.3 이하, 또는 1.2 이하일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 비틀림도는 1.0 내지 2.0이고, 바람직하게는 1.2 내지 2.0이다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 애노드 비틀림도는 1.2 이상이며 1.3 이하일 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 리튬을 포함하는 애노드는 다음으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 제조된다: 리튬 코발트 옥사이드 (LCO); 리튬 망간 옥사이드 (LMO); 리튬 철 포스페이트 (LFP); (Li(NixMnyCoz)O2), 여기서 0.33 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; NCA (Li(NixCoyAlz)O2), 여기서 0.8 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; 및 이들의 조합들.
일부 구체예에서, 본원에 기술된 에너지 전지의 캐소드는 약 50 내지 약 200 마이크론, 약 75 내지 약 200 마이크론 또는 약 75 내지 약 150 마이크론 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 상기 캐소드의 기공률은 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 또는 10% 이상이며, 40% 미만일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 캐소드의 비틀림도는 2.0 이하, 1.7 이하, 1.5 이하, 1.3 이하, 또는 1.2 이하일 수 있다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 캐소드 비틀림도는 1.0 이상이며 2.0 이하일 수 있다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 캐소드 비틀림도는 1.2 이상이며 1.5 이하일 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 에너지 전지의 캐소드는 다음으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 제조될 수 있다: 천연 흑연; 인조 흑연; 비정질 탄소; 주석 및/또는 실리콘을 포함하는 합금; 스피넬 리튬 티타늄 옥사이드; 및 이들의 조합들.
또한, 리튬을 포함하는 애노드 및 캐소드에 추가하여, 본원에 기술된 에너지 전지는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 전해질은 다음으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다: 에틸렌 카보네이트 (EC); 에틸 메틸 카보네이트 (EMC); 디에틸 카보네이트 (DEC); 디메틸 카보네이트 (DMC); 프로필렌 카보네이트 (PC); 및 이들의 조합들. 일부 구체예에서, 상기 전해질은 전해질 첨가제를 포함할 수 있다.
일부 추가 구체예에서, 본원에 기술된 에너지 전지는 본원에 기술된 개선된 세퍼레이터를 포함하는 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 에너지 전지는 리튬을 포함하는 애노드, 캐소드 및 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 일부 다른 구체예에서, 상기 에너지 전지는 리튬을 포함하는 애노드, 캐소드, 전해질 및 세퍼레이터를 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 에너지 전지는 일차 또는 이차 에너지 전지일 수 있다.
또 다른 측면에서, 리튬을 포함하는 애노드는 본원에 기술된다. 일부 구체예에서, 상기 리튬을 포함하는 애노드는 약 50 내지 약 200 마이크론 두께를 갖는다. 또한, 상기 두께는 약 60 내지 약 200 마이크론 또는 약 60 내지 약 125 마이크론일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 애노드의 기공률은 15% 이상, 20% 이상, 30% 이상 또는 40% 이상일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 애노드 기공률은 15% 이상이며 50% 이하일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 애노드 비틀림도는 2.0 이하, 1.7 이하, 1.5 이하, 1.3 이하, 또는 1.2 이하일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 비틀림도는 1.0 내지 2.0이고, 바람직하게는 1.2 내지 2.0이다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 애노드 비틀림도는 1.2 이상이며 1.3 이하일 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 리튬을 포함하는 애노드는 다음으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 제조된다: 리튬 코발트 옥사이드 (LCO); 리튬 망간 옥사이드 (LMO); 리튬 철 포스페이트 (LFP); (Li(NixMnyCoz)O2), 여기서 0.33 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; NCA (Li(NixCoyAlz)O2), 여기서 0.8 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; 및 이들의 조합들.
일부 구체예에서, 상기 캐소드에서 공극(void)은 이온 전도성 매질을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서, 본원에 기술된 에너지 전지에서 사용될 수 있는 캐소드가 개시된다. 일부 구체예에서, 상기 캐소드는 약 50 내지 약 200 마이크론, 약 75 내지 약 200 마이크론 또는 약 75 내지 약 150 마이크론 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 상기 캐소드의 기공률은 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 또는 10% 이상이며 40% 미만일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 캐소드의 비틀림도는 2.0 이하, 1.7 이하, 1.5 이하, 1.3 이하, 또는 1.2 이하일 수 있다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 캐소드 비틀림도는 1.0 이상이며 2.0 이하일 수 있다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 캐소드 비틀림도는 1.2 이상이며 1.5 이하일 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 에너지 전지의 캐소드는 다음으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 제조될 수 있다: 천연 흑연; 인조 흑연; 비정질 탄소; 주석 및/또는 실리콘을 포함하는 합금; 스피넬 리튬 티타늄 옥사이드; 및 이들의 조합들.
일부 구체예에서, 캐소드의 공극은 이온 전도성 매질 (ICM)을 포함할 수 있다.
도 1은 이온 전달, 비틀림도 및 걸리를 나타낸다.
도 2는 이온 전달 및 비틀림도를 나타낸다.
도 3은 예시적인 리튬-이온 전지 설계 원리를 나타낸다.
도 4는 리튬-이온 전지 분극을 나타낸다.
도 5는 고전류 방전 후 전극 입자에서의 리튬 농도를 보여준다.
도 6은 전기화학 모델, 열 모델 및 화학 모델을 나타낸다.
도 7은 기본적인 전기화학 방정식을 나타낸다.
도 8은 평형, 충전 및 방전에서 리튬 이온의 전압에 대한 결과를 나타낸다.
도 9는 패러데이 반응 법칙(Faradaic reaction law)에 따른 다공성 리튬-이온 전지 100%에서 리튬 농도 분포의 그래프이다.
도 10은 충전 및 방전 시 전해질의 리튬 농도를 나타내는 그래프를 포함한다.
도 11은 방전 시 캐소드 전압 강하(potential drop)를 나타내는 그래프 및 그 그래프의 확대된 부분을 포함한다.
도 12는 4C 방전 시 애노드 전압 증가를 나타내는 그래프 및 그 그래프의 확대된 부분을 포함한다.
도 13은 4C 충전 시 애노드에서의 전극 전압 강하를 나타내는 2 개의 그래프를 포함한다.
도 14는 4C 충전 시 애노드 전압 강하를 나타내는 그래프 및 그 그래프의 일부를 포함한다.
도 15는 4C 충전에서 캐소드 전압 증가를 나타내는 그래프 및 그 그래프의 확대된 부분을 포함한다.
도 16은 시간에 따른 전지 전압을 나타내는 DCIR 측정으로부터의 그래프를 포함한다.
도 17은 시작 상태 (t=0)에서 1X 및 2X의 2 개의 상이한 두께를 갖는 전극에서 두께 x(m)에 대한 전압 (V)/SOC를 나타내는 2 개의 그래프를 포함한다.
도 18은 동적 상태 (t>0)에서 2 개의 상이한 두께를 갖는 전극에서 두께 x(m)에 대한 2 개의 전압 (V)/SOC 그래프를 포함한다.
도 19는 두께가 다른 전극에 대해 서로 다른 충전 속도가 사용될 경우 리튬 증착이 시작될 때를 나타내는 그래프이다.
도 20은 다른 기공률 값을 갖는 전극에 대해 상이한 충전 속도가 사용될 경우 리튬 증착이 시작될 때를 나타내는 그래프이다.
도 21은 다른 비틀림 값을 갖는 전극에 대해 상이한 충전 속도가 사용될 경우 리튬 증착이 시작될 때를 나타내는 그래프이다.
도 22는 리튬 증착이 없는 전지에 대한 베이스라인(baseline) 전지 파라미터를 포함하는 그래프이다.
본원에 기술된 구체예는 다음의 상세한 설명, 예시 및 도면을 참조함으로써 보다 쉽게 이해될 수 있다. 그러나, 본원에 기술된 요소, 장치 및 방법은 상세한 설명, 예시 및 도면에 제시된 특정 구체예에 한정되지 않는다. 이들 구체예는 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것으로 인식되어야 한다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 당업자에게는 다양한 수정 및 개조가 쉽게 명백해질 것이다.
또한, 본원에 개시된 모든 범위는 그 안에 포함되는 임의의 및 모든 부분 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "1.0 내지 10.0"의 명시된 범위는 최소값 1.0 이상으로 시작하여 최대값 10.0 이하로 끝나는 모든 하위 범위, 예를 들어, 1.0 내지 5.3, 또는 4.7 내지 10.0, 또는 3.6 내지 7.9를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
본원에 개시된 모든 범위는 또한 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 범위의 종점을 포함하는 것으로 고려된다. 예를 들어, "5와 10 사이", "5에서 10" 또는 "5-10"의 범위는 일반적으로 종점 5와 10을 포함하는 것으로 간주된다.
또한, "~까지(up to)"라는 문구가 총계(amount) 또는 양(quantity)과 관련하여 사용되는 경우, 그 양은 적어도 검출 가능한 총계(amount) 또는 양(quantity)이라는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 특정 양의 "최대(up to)" 양으로 존재하는 물질은 검출 가능한 양과 지정된 양을 포함하여 존재할 수 있다.
적어도 선택된 구체예에 따르면, 개선된 배터리 세퍼레이터, 선택적으로 개선된 배터리 세퍼레이터를 포함하는 개선된 에너지 전지, 및/또는 선택적으로 개선된 배터리 세퍼레이터 또는 본원에 기술된 개선된 에너지 전지와 함께 사용하기 위한 개선된 애노드 및 캐소드가 본원에 기술된다.
배터리 세러페이터
특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 본원에 기술된 멤브레인(membrane) 또는 배터리 세퍼레이터는 이에 제한되지 않는다. 일부 구체예에서, 상기 배터리 세퍼레이터는 전해질로 습윤될 때 다음 특성 중 적어도 하나를 갖는 다공성 멤브레인을 포함하는 개선된 배터리 세퍼레이터일 수 있다: 없거나 낮은 부피를 가짐; 없거나 낮은 질량을 가짐; 가능한 많은 액체 전해질을 적심; 전해질에 어떠한 유해 물질을 차단하거나 제거함; 어떠한 고온에서도 용해되지 않음; 어떠한 조건에서도 캐소드 또는 애노드와 반응하지 않음; 강(steel) 이상의 기계적 강도를 가짐; 어떠한 조건에서도 전기 절연체 (전기 전도 없음)임; 금속 덴드라이트 성장을 차단함.
전술한 특성 중 일부를 부여하는 한 가지 방법은 배터리 세퍼레이터에 세라믹을 포함시키는 것이다. 예를 들어, 일부 구체예에서, 세라믹 코팅은 배터리 세퍼레이터의 일부인 다공성 멤브레인의 하나 이상의 표면에 적용될 수 있다. 일부 구체예에서, 세라믹 물질이 마이크로다공성 멤브레인에 포함될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인이 Celgard® 건식-연신 공정과 같은 건식 공정에 의해 형성되는 경우, 세라믹 물질은 멤브레인을 형성하기 위해 사용되는 중합체, 예를 들어, 폴리올레핀 중합체로 압출될 수 있다. 일부 구체예에서, 멤브레인이 Celgard® 건식-연신 공정과 같은 건식 공정에 의해 형성된 다층 멤브레인인 경우, 세라믹 물질은 다른 층이 아닌 일부 층에만 존재할 수 있다. 세라믹 물질은 상기 층의 일부를 형성하기 위해 사용된 중합체로 세라믹 물질을 압출함으로써 다른 층이 아닌 일부 층으로 혼입될 수 있지만, 다른 층을 형성하기 위해 사용된 중합체로는 혼입되지 않는다.
많은 세라믹은 액체보다 더 나은 이온을 전도할 수 있다. 예를 들어, 그 전문이 본원에 참조로 포함된 미국 특허 제 6,432,586 호의 개시를 참조한다. 또한, 세라믹은 전해질의 유해 물질을 차단하거나 제거할 수도 있다. 세라믹은 매우 높은 온도에서 녹지 않으며 대부분의 조건에서 대부분의 애노드 또는 캐소드 물질과 반응하지 않는다. 세라믹은 기계적으로 강하다. 따라서, 세라믹은 본원에 기술된 개선된 배터리 세퍼레이터의 일부 특성을 제공하기 위한 하나의 바람직한 물질이다.
다공성 멤브레인
특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 본원에 기술된 다공성 멤브레인은 이에 제한되지 않는다. 나노다공성, 마이크로다공성 또는 매크로다공성일 수 있다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 다공성 멤브레인은 마이크로다공성이다.
본원에 사용된 마이크로다공성이란, 상기 멤브레인이 마이크로-기공 또는 마이크로미터 크기의 기공을 포함하는 것을 의미한다. 일부 구체예에서, 마이크로다공성 멤브레인의 평균 기공 크기는 2 마이크론 미만이고, 바람직한 구체예에서, 평균 기공 크기는 1 마이크론 미만이다. 일부 구체예에서, 평균 기공 크기는 0.01 내지 1 마이크론, 바람직하게는 0.01 내지 0.08 마이크론, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.06 마이크론, 및 일부 구체예에서 0.01 내지 0.04 마이크론, 0.01 내지 0.03 마이크론, 또는 0.1 내지 0.02 마이크론이다.
일부 바람직한 구체예에서, 예를 들어 세라믹 코팅과 같은 어떠한 코팅도 없는 마이크로다공성 멤브레인 자체는 2 내지 50 마이크론, 4 내지 40 마이크론, 4 내지 30 마이크론, 4 내지 20 마이크론, 4 내지 10 마이크론, 또는 10 마이크론 미만 범위의 두께를 갖는다. 두께는 Emveco Microgage 210-A 마이크로미터 두께 테스터 및 테스트 절차 ASTM D374를 사용하여 마이크로 미터, μm로 측정될 수 있다. 얇은 마이크로다공성 멤브레인은 일부 용도로 바람직하다. 예를 들어, 배터리 세퍼레이터로서 사용될 때, 더 얇은 세퍼레이터 멤브레인은 배터리에서 더 많은 애노드 및 캐소드 물질로 사용할 수 있게 하고, 결과적으로 더 높은 에너지 및 더 높은 전력 밀도 배터리 결과를 초래한다.
일부 바람직한 구체예에서, 마이크로다공성 멤브레인은 약 40 내지 약 70%, 때때로 약 40 내지 약 65%, 때때로 약 40 내지 약 60%, 때때로 약 40 내지 약 55%의 다공성, 예를 들어 표면 다공성을 가지며, 때때로 약 40 내지 약 50%, 때때로 약 40 내지 약 45% 등의 기공률, 예를 들어, 표면 기공률을 갖는다. 일부 구체예에서, 특정 적용에 바람직한 경우, 상기 기공률은 70% 초과 또는 40% 미만일 수 있지만, 40 내지 70%의 범위는 배터리 세퍼레이터의 작동 범위이며, 이는 개시된 마이크로다공성 멤브레인이 사용될 수 있는 하나의 방법이다. 기공률은 ASTM D-2873을 사용하여 측정되며, 기판의 기계 방향 (MD) 및 횡 방향 (TD)으로 측정된 마이크로다공성 멤브레인의 영역에서 공극 공간(void space), 예를 들어, 기공의 백분율로 정의된다.
일부 바람직한 구체예에서, 상기 마이크로다공성 멤브레인은 50 내지 300, 75 내지 300 및/또는 100 내지 300 범위의 JIS 걸리(Gurley) 범위를 가질 수 있다. 그러나, 특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 상기 JIS 걸리 값은 이에 제한되지 않고, 예를 들어, 300 초과로 더 높지 않고, 또는 예를 들어, 50 미만으로 더 낮지 않으며, JIS 걸리 값은 상이한 목적을 위해 바람직할 수 있다. 걸리(Gurley)는 본원에서 일본 산업 표준 (JIS Gurley)으로 정의되고 본원에서 OHKEN 투과성 테스터를 사용하여 측정된다. JIS 걸리는 100 cc의 공기가 4.9 인치의 물의 일정한 압력에서 1 평방 인치의 필름을 통과하는데 필요한 초 단위의 시간으로 정의된다.
상기 마이크로다공성 멤브레인은 본원에 언급된 목표와 상반되지 않는 임의의 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 일부 바람직한 구체예에서, 마이크로다공성 멤브레인은 건식-공정 마이크로다공성 멤브레인이며, 이는 용매의 사용 없이 상기 필름이 형성되었음을 의미한다. 예시적인 건식-공정은 건식-연신 공정이 있으며, 상기 건식-연신 공정은 비다공성(nonporous) 전구체 필름을 형성하기 위해 중합체를 압출하고, 다른 것 보다도 기공을 형성하기 위해 전구체 필름을 연신하는 단계를 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 본질적으로 이루어진다. 예시적인 건식-연신 공정은 Celgard® 건식-연신 공정이 있다. 일부 구체예에서, 상기 압출 단계는 서로 동일하거나 상이할 수 있는 둘 이상의 중합체 혼합물이 공압출되는 공압출을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 마이크로다공성 멤브레인은 입자 연신 제조 공정 및 베타-조핵된 이축 배향(beta-nucleated biaxially-oriented) (BN-BOPP) 제조 공정에 의해 제조될 수 있다. 대안적으로, 다른 구체예에서, 상기 다공성 기재는 습식 공정에 의해 제조될 수 있으며, 이는 대한민국의 셀가드 코리아(Celgard Korea), 일본의 아사히 카세이(Asahi Kasei) 및/또는 일본의 토넨(Tonen)의 때때로 상(phase) 분리 또는 추출 공정으로 알려진 용매 및/또는 오일의 사용을 포함할 수 있다. 대안적으로, 다른 구체예에서, 마이크로다공성 멤브레인은 직포(woven) 또는 부직포(non-woven)형 멤브레인일 수 있다. 예를 들어, 일부 구체예에서, 상기 마이크로다공성 멤브레인은 전기방사 코팅 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 전기방사 공정은 나노스케일(nanoscale) 섬유 자체가 다공성이 아닌 나노스케일 섬유 형태의 중합체 조성물을 적용하는 방법을 제공한다. 상기 섬유 사이의 공간은 전기방사 코팅 또는 층에서 필요한 개구(opening) 또는 기공률(porosity)을 제공한다.
일부 구체예에서, 상기 마이크로다공성 멤브레인은 단일층, 이중층 또는 다층 멤브레인일 수 있다. 본원에 사용된 용어 "층(layer)" (예를 들어, "단일층", "이중층" 또는 "다층")은 2 내지 50 마이크론의 두께를 갖는 단일-압출(mono extrude) 또는 단일-캐스트(mono-cast) 층을 포함한다. 단일층은 2 내지 50 마이크론의 두께를 갖는 단일-압출 또는 단일-캐스트 층일 수 있다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 단일-압출 층은 어떠한 다른 층이 아니라 그 자체로 압출된 층이다. 또한, 공압출된 이중층 또는 다층 마이크로다공성 멤브레인의 층은 각각 본원에서 사용되는 "층"인 것으로 간주된다. 공압출된 이중층에서 층의 수는 2 개이고 공압출된 다층 필름의 층의 수는 3 개 이상일 것이다. 이중층 또는 다층 공압출 필름에서 정확한 층수는 다이(die) 디자인에 의해 좌우되며 공압출된 필름을 형성하기 위해 공압출되는 물질일 필요는 없다. 예를 들어, 공압출된 2 층 또는 다층 필름은 2 개 또는 3 개 이상의 층 각각을 형성하기 위해 동일한 물질을 사용하여 형성될 수 있으며, 이들 층들은 각각이 동일한 물질로 제조되더라도 여전히 별도의 층으로 간주될 것이다. 정확한 수는 다시 다이 설계에 의해 좌우된다. 공압출된 이중층 또는 다층 필름의 층은 각각 0.1 내지 20 마이크론, 바람직하게는 0.1 내지 5 마이크론, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 3 마이크론, 0.1 내지 2 마이크론, 0.1 내지 1 마이크론, 0.1 내지 0.9 마이크론, 0.1 내지 0.8 마이크론, 0.1 내지 0.7 마이크론, 0.1 내지 0.6 마이크론, 0.1 내지 0.5 마이크론, 0.1 내지 0.4 마이크론, 0.1 내지 0.3 마이크론 또는 0.1 내지 0.2 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 또한, 단일층 마이크로다공성 멤브레인은 어떠한 다른 층과 함께 압출 또는 캐스트되지 않은 단일 압출 또는 캐스트 층으로 구성된다. 단일층은 예를 들어, 2 내지 50 마이크론의 두께를 가질 수 있다.
다른 구체예에서, 상기 마이크로다공성 멤브레인은 이중층 마이크로다공성 멤브레인일 수 있고, 상기 이중층 마이크로다공성 멤브레인은 함께 적층된 2 개의 단일 압출(single extrude) (mono-extrude) 또는 캐스트 (단일-캐스트) 필름 또는 상이하거나 동일한 2 개의 중합체 조성물을 공압출함으로써 제조된 공압출된 이중층으로 구성된다. 상기 이중층 마이크로다공성 멤브레인의 총 두께 (이중층 멤브레인을 구성하는 개별 층의 두께와는 상이함)는, 예를 들어, 0.2 내지 50 마이크론일 수 있다. 상기 이중층 마이크로다공성 멤브레인을 구성하는 2 개의 필름의 두께는 0.1 내지 25 마이크론일 수 있다. 상기 공압출 방법은 압출 및 적층법 보다 얇은 층을 형성할 수 있게 한다.
다른 구체예에서, 마이크로다공성 멤브레인은 다층 마이크로다공성 멤브레인, 예를 들어, 3 개 이상의 층을 포함하는 멤브레인일 수 있다. 다층 마이크로다공성 멤브레인은 3층, 4층, 5층, 6층, 7층, 8층, 9층 또는 10층 멤브레인일 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 멤브레인은 11 내지 100 개의 층을 포함할 수 있다. 다층 마이크로다공성 멤브레인은 3 개 이상의 단일층을 개별적으로 형성 (예를 들어, 압출 (예를 들어, 단일-압출) 또는 캐스팅 (예를 들어, 단일-캐스팅)에 의해 형성)한 후 이들을 함께 적층함으로써 형성될 수 있다. 이들 구체예에서, 다층 마이크로다공성 멤브레인의 두께는 6 내지 100 마이크론일 수 있고, 다층 마이크로다공성 멤브레인의 각 층의 두께는 2 내지 30 마이크론이다. 다른 구체예에서, 다층 마이크로다공성 멤브레인은 동일하거나 상이할 수 있는 3 개 이상의 중합체 조성물을 공압출함으로써 형성될 수 있다. 이 구체예에서, 다층 마이크로다공성 멤브레인의 두께는 1 마이크론만큼 얇거나 50 마이크론만큼 두꺼울 수 있다. 개별 층은 0.1 내지 20 마이크론의 두께를 가질 수 있다.
다른 구체예에서, 다층 마이크로다공성 멤브레인은 다음의 조합에 의해 형성될 수 있다: 단일 압출 또는 단일 캐스트 층을 형성하는 단계; 2 개 이상의 층을 공압출하는 단계; 및 라미네이션 단계. 예를 들어, 단일층이 압출 또는 캐스트될 수 있고, 그 다음에 두 개의 중합체 조성물이 압출되어 공압출된 이중층을 형성할 수 있으며, 그런 다음 상기 단일층과 및 상기 이중층이 함께 적층되어 다층 마이크로다공성 멤브레인을 형성할 수 있다. 일부 구체예에서, 2 개 또는 3 개 이상의 공압출된 이중층 또는 다층이 함께 적층되어 다층 마이크로다공성 멤브레인을 형성한다. 일부 구체예에서, 다층 마이크로다공성 멤브레인은 블로운-필름(blown-film) (또는 버블(bubble)) 공압출 방법을 사용하여 형성될 수 있으며, 여기서 상기 버블은 자체적으로 붕괴된다. 이 방법은 2 (이중층), 4, 6, 8, 10, 12 또는 다른 짝수의 층을 갖는 다층 마이크로다공성 멤브레인을 형성할 수 있다. 이 방법은 3, 5 (5층(pentalayer)), 7, 9, 11 또는 다른 홀수의 층을 갖는 마이크로다공성 멤브레인을 형성하지 않는다.
예를 들어, 마이크로다공성 멤브레인은 PCT 공보 WO/2017/083633에 기술된 바와 같이 마이크로다공성 멤브레인일 수 있으며, 이는 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
본원에 기술된 구체예에서, 라미네이션은 열, 압력 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 적용하여 별도의 필름 또는 층을 부착시키는 것을 포함할 수 있다. 본원에 기재된 이중층 또는 다층 마이크로다공성 멤브레인을 형성하기 위해 적층된 필름 또는 층은 적층 전 및/또는 후에 어닐링, MD-연신, TD-연신, 캘린더링(calendered), 열 경화 및 이들의 조합들 중 적어도 하나일 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 이들 필름 또는 층을 적층함으로써 형성된 적층물은 어닐링, MD-연신, TD-연신, 캘린더 및 이들의 조합들 중 적어도 하나일 수 있다. 이 경우, 적층 후에 어닐링, MD-연신, TD-연신 및 캘린더링 중 적어도 하나가 발생한다.
특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 본원에 기술된 다공성 멤브레인의 조성은 이에 제한되지 않는다. 일부 구체예에서, 상기 다공성 멤브레인은 임의의 압출할 수 있는 중합체로 구성될 수 있다. 일부 바람직한 구체예에서, 압출할 수 있는 중합체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 이들의 혼합물을 포함하는 폴리올레핀이다.
일부 구체예에서, 본원에 기술된 다공성 멤브레인의 기공 (예를 들어, 나노기공, 마이크로기공 또는 매크로기공)은 이온 전도성 매질 (ionic conductive medium, ICM)로 채워질 수 있다. ICM은 중합체 및 용매 전해질을 포함한다. 예를 들어, 상기 ICM은 PVDF와 같은 중합체 및 전해질을 포함할 수 있다. 리튬 이온은 ICM에서 또는 기공 내의 액체 전해질에서 전도될 것이다. 상기 마이크로다공성 멤브레인이 전해질로 습윤(wet)되지 않더라도 (건조하더라도), 상기 기공이 ICM으로 채워지면 이온을 전도할 것이다. 상기 기공 내에 중합체 (예를 들어, ICM으로부터의 중합체)를 갖는 마이크로다공성 멤브레인은 무한 걸리 (10,000 이상)를 갖는다. 다음을 포함하는 다양한 전해질이 있다: 순수한 액체 전해질--- 많은 것은 겔 전해질을 형성하기 위해 중합체 필름 (걸리 = 무한대)에 적셔질 수 있고(soaked), 많은 것은 상기 다공성 필름의 기공 (특정 값을 갖는 걸리)에 적셔질 수 있다. 배터리는 두 가지 유형의 중합체 필름 모두에서 잘 작동한다. 실제로, 액체 전해질이 중합체를 만나면, 상기 액체 전해질의 적어도 일부가 어떻게든 중합체에 적셔지게 (습윤, 팽윤 또는 겔화)될 것이다. 액체 전해질에 적셔지는 양에 따라, 겔 전해질 또는 중합체 전해질이라고 부를 수 있다. 100% "순수한 액체 전해질" (은 중합체가 액체를 흡수하기 때문에 셀에 종종 존재하지 않을 수 있다). ICM에 대한 비틀림도(tortuosity)의 새로운 수학적 정의는 상기 층의 성능을 전체적으로 설명할 수 있다.
도 1에 설명된 바와 같이, 이온 전도성 매질에서의 Li 이온 전달은 본원에 기술된 다공성 멤브레인과 같은 다공성 물질을 통한 유체 흐름, 예를 들어 액체 전해질의 유체 흐름과는 완전히 다르다. 이온 전도성 매질은 흐르지 않는다. 비틀림도는 하기 식 (1)에 도시된 MacMullin Number (Nm)로 나타낸 전해질의 저항률 (ρe)에 대한 세퍼레이터 멤브레인의 저항률(resistivity) (ρs)의 비이며, 여기서 ε는 기공률이다.
(ρs)/ (ρe)=Nm=τ2/ε (1)
상기 이온 전도성 매질은 고체 상태 전해질, 겔 전해질 또는 무한 걸리를 갖는 액체 전해질 흡수 중합체 중 적어도 하나일 수 있지만, 여전히 이온을 전달할 수 있고 그것의 τ 또는 비틀림도는 항상 1이다. 비틀림도 (τ)는 하기 화학식 2로 표시된다:
τ=L/x (2)
식 (2)에서, L은 기공의 실제 길이이고, x는 기공의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지의 직선 거리이다. L과 x는 모두 도 1에 나와있다.
에너지 전지
특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 본원에 기술된 에너지 전지는 이에 제한되지 않으며 일차 또는 이차 에너지 전지일 수 있다. 예를 들어, 바람직한 구체예에서, 상기 에너지 전지는 전기화학 에너지 전지이다. 에너지 전지는 또한 일차 또는 이차 전지일 수 있다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 일차 전지는 한 번 사용되도록 설계되어 이차 전지 또는 재충전 가능한 배터리와 같이 전기로 재충전 및 재사용되지 않는다. 일반적으로, 일차 전지에서의 전기화학 반응은 가역적이지 않지만, 이차 전지에서의 전기화학 반응은 가역적이다. 바람직한 구체예에서, 본원의 에너지 전지는 이차 전기화학 에너지 전지이다.
상기 에너지 전지의 구조 또한 이에 제한되지 않는다. 이는 애노드, 캐소드, 전해질 및 세퍼레이터를 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 본질적으로 이루어질 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 에너지 전지는 애노드, 캐소드 및 고체 전해질을 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 본질적으로 이루어질 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 에너지 전지는 애노드, 캐소드, 세퍼레이터 및 전해질을 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 본질적으로 이루어질 수 있다. 상기 세퍼레이터는 본원에 기재된 바와 같은 세퍼레이터일 수 있다.
적어도 하나의 바람직한 구체예에서, 본원의 에너지 전지는 다음을 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 본질적으로 이루어진다: 리튬을 포함하는 애노드, 캐소드, 및 전해질 및 세퍼레이터, 고체 전해질 및 세퍼레이터 또는 단지 고체 전해질 중 적어도 하나.
특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 상기 애노드의 물질은 이에 제한되지 않으며, 애노드 물질로서 사용하기에 공지되거나 허용되는 것으로 발견된 임의의 물질일 수 있다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 애노드 물질은 또한 리튬을 포함하는 애노드 물질로서 사용하기에 알려져 있거나 허용되는 것으로 밝혀진 물질이다. 예를 들어, 상기 리튬을 포함하는 애노드는 다음으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있다: 리튬 코발트 옥사이드 (LCO); 리튬 망간 옥사이드 (LMO); 리튬 철 포스페이트 (LFP); (Li(NixMnyCoz)O2), 여기서 0.33 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; NCA (Li(NixCoyAlz)O2), 여기서 0.8 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; 및 이들의 조합들.
또한, 상기 캐소드 물질은 이에 제한되지 않으며, 캐소드 물질로서 사용하기에 공지되거나 허용되는 것으로 발견된 임의의 물질일 수 있다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 캐소드는 다음으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한다: 천연 흑연; 인조 흑연; 비정질 탄소; 주석 및/또는 실리콘을 포함하는 합금; 스피넬 리튬 티타늄 옥사이드; 및 이들의 조합들.
특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 상기 애노드의 두께는 이에 제한되지 않는다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 애노드의 두께는 약 50 내지 약 200 마이크론, 약 55 내지 200 마이크론, 약 60 내지 200 마이크론, 약 65 내지 200 마이크론, 약 70 내지 200 마이크론, 약 75 내지 200 마이크론, 약 80 내지 200 마이크론, 약 85 내지 200 마이크론, 약 90 내지 200 마이크론, 약 90 내지 200 마이크론, 약 100 내지 200 마이크론, 약 105 내지 200 마이크론, 약 110 내지 200 마이크론, 약 115 내지 200 마이크론, 약 120 내지 200 마이크론, 약 125 내지 200 마이크론, 약 130 내지 200 마이크론, 약 135 내지 200 마이크론, 약 140 내지 200 마이크론, 약 145 내지 200 마이크론 마이크론, 약 150 내지 200 마이크론, 약 155 내지 200 마이크론, 약 160 내지 200 마이크론, 약 170 내지 200 마이크론, 약 180 내지 200 마이크론, 또는 약 200 마이크론이다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 애노드 두께는 약 61 마이크론 이상이다. 일부 바람직한 구체예에서, 두께는 약 90 마이크론 이상이다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 두께는 약 122 마이크론 이상이다. 도 19는 상기 전극 두께가 약 61 마이크론 이상, 약 90 마이크론 이상 또는 약 122 마이크론 이상인 경우, 심지어 충전이 3.5C (1C=2.3mA/cm2) 이상인 경우에도 리튬 증착이 시작되지 않는 경우를 나타낸다. 일부 구체예에서, Li 증착은 5.0C 이상, 6.0C 이상, 7.0C 이상, 8.0C 이상, 또는 9.0C 이상의 충전 속도에서도 회피될 수 있다. 상기 애노드의 두께를 언급할 때, "약(about)"이라는 단어는 ±5 마이크론을 의미한다.
상기 캐소드의 두께 또한 이에 제한되지 않는다. 상기 캐소드의 두께는 약 50 내지 약 200 마이크론, 약 60 내지 200 마이크론, 약 70 내지 200 마이크론, 약 80 내지 200 마이크론, 약 90 내지 200 마이크론, 약 100 내지 200 마이크론, 약 110 내지 200 마이크론, 약 120 내지 200 마이크론, 약 130 내지 200 마이크론, 약 140 내지 200 마이크론, 약 150 내지 200 마이크론, 약 160 내지 200 마이크론, 약 170 내지 200 마이크론, 약 180 내지 200 마이크론, 또는 약 190 내지 200 마이크론이다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 캐소드의 두께는 약 74 마이크론 이상, 약 111 마이크론 이상, 또는 약 148 마이크론 이상일 수 있다. 도 19는 상기 전극 두께가 약 74 마이크론 이상, 약 111 마이크론 이상 또는 약 148 마이크론 이상인 경우, 심지어 충전이 3.5C (1C=2.3mA/cm2) 이상인 경우에도 리튬 증착이 시작되지 않는 경우를 나타낸다. 일부 구체예에서, Li 증착은 5.0C 이상, 6.0C 이상, 7.0C 이상, 8.0C 이상 또는 9.0C 이상의 충전 속도에서도 회피될 수 있다. 상기 캐소드의 두께를 언급할 때, "약"이라는 단어는 ±5 마이크론을 의미한다.
충전 중 두께 및 Li 증착 (안전성). 두께 및 전지 방전 용량 상수 충전 용량(cell rate capability constant charge capacity). 상기 방전 및 충전 동역학은 유사하다. 충전 동역학에 중점을 둔다. 주어진 전기화학 시스템, 고정 화학, 물질의 입자 크기 및 기타 첨가제에 대해, 효과적인 전기화학 반응 영역이 상대적으로 고정되어 있다고 가정한다. 도 17은 시작 상태 (t=0)에서 전극 두께 1X 및 2X에 대한 4C 충전 속도 시스템을 나타낸다. 도 18은 동적 상태 (t>0)에서 전극 두께 1X 및 2X에 대한 4C 충전 속도 시스템을 나타낸다.
특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 상기 애노드의 기공률은 이에 제한되지 않는다. 일부 구체예에서, 상기 애노드의 기공률은 약 15% (0.15) 이상, 일부 구체예에서, 약 20% (0.2) 이상, 일부 바람직한 구체예에서, 약 30% (0.3) 이상, 일부 더욱 바람직한 구체예에서는 약 40% (0.4) 이상이다. 애노드 기공률을 언급할 때 용어 "약"은 ±5%를 의미한다. 도 20에 나타낸 바와 같이, 상기 애노드 기공률이 약 15% 이상, 약 20% 이상, 약 30% 이상, 또는 약 40% 이상인 경우, 심지어 충전 속도가 3.0C 이상일 경우에도 전지에서 리튬 증착이 시작되지 않는다. 일부 구체예에서, Li 증착은 3.5C, 4.0C, 4.5C, 5.0C, 6.0C, 7.0C, 또는 그 이상의 충전 속도에서도 시작되지 않을 수 있다. 도 20에서, 상기 전극의 두께는 각각의 실시예가 동일한 양의 활물질을 갖도록 변하므로, 변수가 결과에 영향을 미치지 않는다.
상기 캐소드의 기공률 또한 이에 제한되지 않는다. 일부 구체예에서, 약 10% (0.1) 이상, 또는 바람직한 구체예에서, 약 15% (0.15) 이상, 약 20% (0.20) 이상, 또는 약 30% (0.3) 이상이다. 캐소드 기공률을 언급할 때 용어 "약"은 ±5%를 의미한다. 도 20에 나타낸 바와 같이, 상기 캐소드 기공률이 약 10% 이상, 약 15% 이상, 약 20% 이상 또는 약 30% 이상인 경우, 심지어 충전 속도가 3.5C 이상인 경우에도 전지에서 리튬 증착이 시작되지 않는다. 일부 구체예에서, Li 증착은 3.5C, 4.0C, 4.5C, 5.0C, 6.0C, 7.0C 또는 그 이상의 충전 속도에서도 시작되지 않을 수 있다. 도 20에서, 상기 전극의 두께는 각각의 실시예가 동일한 양의 활물질을 갖도록 변하므로, 변수가 결과에 영향을 미치지 않는다.
특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 상기 애노드의 비틀림도는 이에 제한되지 않는다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 애노드 비틀림도는 약 1.2 이하, 약 1.3 이하, 약 1.5 이하, 또는 약 1.7 이하이다. 일부 구체예에서, 상기 애노드 비틀림도는 1.0 이상이며 2.0 이하이다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 애노드 비틀림도는 약 1.0 내지 약 1.3, 또는 1.0 내지 1.3이다. 애노드 비틀림도를 언급할 때, "약"은 ±0.2를 의미한다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 상기 애노드 비틀림도가 1.0 내지 1.3 인 경우, 심지어 충전 속도가 3.5C 이상인 경우에도 전지에서 리튬 증착이 시작되지 않는다. 상기 비틀림도가 1.0 내지 1.7 인 경우, 심지어 충전 속도가 3.0C 이상인 경우에도 전지에서 리튬 증착이 시작되지 않는다. 일부 구체예에서, 리튬 증착은 4.0C, 4.5C, 5.0C, 6.0C, 또는 7.0C 초과의 충전 속도에서도 시작되지 않을 수 있다.
마찬가지로, 특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 상기 캐소드의 비틀림도는 이에 제한되지 않는다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 캐소드 비틀림도는 약 1.7 이하, 약 1.5 이하, 약 1.3 이하, 또는 약 1.2 이하이다. 일부 구체예에서, 상기 캐소드 비틀림도는 1.0만큼 낮거나 또는 약 2.0만큼 높을 수 있다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 캐소드 비틀림도는 약 1.0 내지 약 1.5 또는 약 1.2 내지 약 2.5이다. 캐소드 비틀림도를 언급할 때, "약"은 ±0.2를 의미한다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 상기 캐소드 비틀림도가 1.0 내지 1.3 인 경우, 심지어 충전 속도가 3.5C 이상인 경우에도 전지에서 리튬 증착이 시작되지 않는다. 상기 비틀림도가 1.0 내지 1.7 인 경우, 심지어 충전 속도가 3.0C 이상인 경우에도 전지에서 리튬 증착이 시작되지 않는다. 일부 구체예에서, 리튬 증착은 4.0C, 4.5C, 5.0C, 6.0C 또는 7.0C 초과의 충전 속도에서도 시작되지 않을 수 있다.
상기 애노드 및 캐소드 물질은 상기 기술된 바와 같다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 애노드 및 캐소드 물질은 바인더(binder)와 결합되어 애노드 및 캐소드를 형성한다. 특정 구체예에서 달리 설명되지 않는 한, 이러한 조합에서 애노드 또는 캐소드 물질 및 바인더의 상대적인 양은 이에 제한되지 않는다. 일부 바람직한 구체예에서, 활물질 (즉, 캐소드 또는 애노드 물질)의 양은 80 중량% 내지 99.9 중량%이다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 양은 90 내지 99.9 중량%이고, 일부 다른 바람직한 구체예에서, 상기 양은 95 내지 99.9 중량%이다.
도 22에서, 본 개시에 따른 예시적인 전지가 제공된다.
상기 애노드 및 캐소드에 추가하여, 본원의 에너지 전지는 전해질 또는 전해질 및 세퍼레이터를 포함할 수 있다.
특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 상기 세퍼레이터는 이에 제한되지 않으며, 본원에 기술된 임의의 세퍼레이터일 수 있다. 특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 상기 전해질은 이에 제한되지 않으며 일차 또는 이차 에너지 전지에서 유용한 것으로 공지되거나 발견된 임의의 전해질일 수 있다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 전해질은 다음으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다: 에틸렌 카보네이트 (EC); 에틸 메틸 카보네이트 (EMC); 디에틸 카보네이트 (DEC); 디메틸 카보네이트 (DMC); 프로필렌 카보네이트 (PC); 및 이들의 조합들.
일부 구체예에서, 상기 전해질은 이에 첨가된 전해질 첨가제를 포함할 수 있다.
본원에 기술된 바와 같은 전해질 첨가제는 상기 전해질이 본원에 언급된 목표와 일치하는 한 이에 제한되지 않는다. 상기 전해질 첨가제는 배터리 제조업체에 의해 전형적으로 첨가되는 임의의 첨가제일 수 있고, 특히 배터리 성능을 향상시키기 위한 리튬 배터리 제조업체일 수 있다. 예를 들어, 예시적인 전해질 첨가제는 A Review of Electrolyte Additives for Lithium-Ion Batteries, J. of Power Sources, vol. 162, issue 2, 2006 pp. 1379-1394에 개시된 것일 수 있고, 이는 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 일부 바람직한 구체예에서, 상기 전해질 첨가제는 SEI 개선제(SEI improving agent), 캐소드 보호제(cathode protection agent), 난연 첨가제(flame retardant additive), LiPF6 염 안정제(LiPF6 salt stabilizer), 과충전 방지제(overcharge protector), 알루미늄 부식 억제제(aluminum corrosion inhibitor), 리튬 증착제(lithium deposition agent) 또는 개선제(improver), 또는 용매화 증강제 (solvation enhancer), 알루미늄 부식 억제제(aluminum corrosion inhibitor), 습윤제(wetting agent) 및 점도 향상제(viscosity improver)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나이다. 일부 구체예에서, 상기 첨가제는 하나 초과의 특성을 가질 수 있으며, 예를 들어, 습윤제 및 점도 향상제일 수 있다.
예시적인 SEI 개선제는 VEC (비닐 에틸렌 카보네이트), VC (비닐렌 카보네이트), FEC (플루오로에틸렌 카보네이트), LiBOB (리튬 비스(옥살라토(oxalato)) 보레이트)를 포함한다. 예시적인 캐소드 보호제는 N,N'-디시클로헥실카르보디이미드, N,N-디에틸아미노 트리메틸실란, LiBOB를 포함한다. 예시적인 난연 첨가제는 TTFP (트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트), 불화 프로필렌 카보네이트, MFE (메틸 노나플루오로부틸 에테르)를 포함한다. 예시적인 LiPF6 염 안정화제는 LiF, TTFP (트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스파이트), 1-메틸-2-피롤리디논, 불화 카르바메이트, 헥사메틸-포스포르아미드를 포함한다. 예시적인 과충전 보호제는 크실렌, 시클로헥실벤젠, 비페닐, 2,2-디페닐프로판, 페닐-tert-부틸 카보네이트를 포함한다. 예시적인 Li 증착 개선제는 AlI3, SnI2, 세틸트리메틸암모늄 클로라이드, 퍼플루오로폴리에테르, 긴 알킬 사슬을 갖는 테트라알킬암모늄 클로라이드를 포함한다. 예시적인 이온성 용매화 증강제는 12-크라운(crown)-4, TPFPB(트리스(펜타플루오로페닐))를 포함한다. 예시적인 Al 부식 억제제는 LiBOB, LiODFB, 예를 들어 붕산염을 포함한다. 예시적인 습윤제 및 점도 희석제(diluter)는 시클로헥산 및 P2O5를 포함한다.
애노드 또는 캐소드
특정 구체예에서 달리 기술되지 않는 한, 본원에 기술된 애노드 또는 캐소드는 이에 제한되지 않으며, 본원에 기술된 에너지 전지에 포함된 것과 유사할 수 있다. 그러나, 이 표제(heading) 하에 기술된 애노드 및 캐소드는 에너지 전지에 포함되지 않지만, 향후에 포함될 수 있다.
복합체, 차량 또는 장치
전술한 바와 같은 배터리 세퍼레이터 및 상기 배터리 세퍼레이터와 직접 접촉하는 하나 이상의 전극, 예를 들어 애노드, 캐소드, 또는 애노드 및 캐소드를 포함하는 복합체. 상기 전극의 종류는 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 전극은 리튬 이온 이차 배터리에서 사용하기에 적합한 것일 수 있다.
적합한 애노드는 372 mAh/g 이상, 바람직하게는 ≥700 mAh/g 이상, 가장 바람직하게는 ≥1000 mAH/g의 에너지 용량을 가질 수 있다. 상기 애노드는 리튬 금속 호일 또는 리튬 합금 호일 (예를 들어, 리튬 알루미늄 합금), 또는 리튬 금속 및/또는 리튬 합금과 탄소 (예를 들어, 코크스(coke), 흑연), 니켈, 구리와 같은 물질의 혼합물로 구성된다. 상기 애노드는 리튬을 함유하는 층간 화합물 또는 리튬을 함유하는 삽입 화합물로만 제조된 것은 아니다.
적합한 캐소드는 애노드와 양립 가능한 임의의 캐소드일 수 있고, 층간 화합물, 삽입 화합물, 또는 전기화학적 활성 중합체를 포함할 수 있다. 적합한 층간 물질은 예를 들어, MoS2, FeS2, MnO2, TiS2, NbSe3, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, V6O13, V2O5 및 CuCl2를 포함한다. 적합한 중합체는 예를 들어, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린 및 폴리티오펜을 포함한다.
전술된 임의의 세퍼레이터, 에너지 전지, 또는 애노드 또는 캐소드는 전원이 완전히 또는 부분적으로 전지로 공급되는 임의의 차량, 예를 들어 e-차량, 또는 장치, 예를 들어 휴대전화 또는 랩탑(laptop)에 도입될 수 있다.
적어도 선택된 구체예, 측면 또는 목적에 따르면, 본 개시 또는 발명은 신규한 또는 개선된 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 배터리, 전지, 시스템, 및/또는 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 전지, 시스템 등의 설계, 이해, 제조 및/또는 사용 방법, 특히 이차 리튬 이온 배터리, 및/또는 CE, ESS, 및/또는 EDV 배터리와 같은 이차 리튬 배터리를 제공할 수 있거나 또는 관한 것이다. 적어도 특정 구체예에 따르면, 본 개시 또는 발명은 이러한 새로운 사고, 정의 및/또는 데이터를 사용하여 비틀림도, 기공률, 리튬 증착, 및 전지 디자인을 고려하거나 정의하는 신규한 또는 개선된 방법에 관한 것이다. 또한, 배터리 수명 향상, 배터리 고장 감소, 덴드라이트 감소, 리튬 증착 감소, 충전 및 방전 속도 유지, 개선된 구성, 개선된 성능 등을 위한 방법, 시스템 및 배터리 구성 요소가 본원에 개시된다.
적어도 선택된 구체예, 측면 또는 목적에 따르면, 본 개시 또는 발명은 신규한 또는 개선된 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 배터리, 전지, 시스템, 및/또는 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 전지, 시스템 등의 설계, 이해, 제조 및/또는 사용 방법, 특히 이차 리튬 이온 배터리, 및/또는 CE, ESS, 및/또는 EDV 배터리와 같은 이차 리튬 배터리를 제공할 수 있거나 또는 관한 것이고, 예를 들어, 다음을 포함한다:
전해질로 습윤될 때 다음 특성 중 적어도 하나를 갖는 다공성 멤브레인을 포함하는 개선된 다공성 멤브레인 또는 배터리 세퍼레이터:
없거나 낮은 부피를 가짐;
없거나 낮은 질량을 가짐;
가능한 많은 액체 전해질을 적심;
전해질에 어떠한 유해 물질을 차단하거나 제거함;
어떠한 고온에서도 용해되지 않음;
어떠한 조건에서도 캐소드 또는 애노드와 반응하지 않음;
강(steel) 이상의 기계적 강도를 가짐;
어떠한 조건에서도 전기 절연체임;
금속 덴드라이트 성장을 차단함.
전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 없거나 낮은 부피를 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 없거나 낮은 질량을 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 가능한 많은 액체 전해질을 적시는 상기 배터리 세퍼레이터.
전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 덴트라이트를 차단하는 상기 배터리 세퍼레이터.
전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 어떠한 고온에서도 용해되지 않는 상기 배터리 세퍼레이터.
전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 어떠한 조건에서도 캐소드 또는 애노드와 반응하지 않는 상기 배터리 세퍼레이터.
전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 강(steel) 이상의 기계적 강도를 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 어떠한 조건에서도 전기 절연체인 상기 배터리 세퍼레이터.
전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 금속 덴드라이트 성장을 차단하는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 적어도 2 개 이상의 특성을 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 적어도 3 개 이상의 특성을 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 적어도 4 개 이상의 특성을 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 적어도 5 개 이상의 특성을 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 적어도 6 개 이상의 특성을 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 적어도 7 개 이상의 특성을 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 적어도 8 개 이상의 특성을 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 적어도 9 개 이상의 특성을 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 배터리 세퍼레이터는 매크로다공성, 마이크로다공성 또는 나노다공성이며, 상기 기공은 이온 전도성 매질로 채워지는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 건조할 때 (전해질 없음) 및/또는 전해질로 습윤될 때 리튬 이온으로 전도되는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 무한 걸리 값을 가지는 것 중 적어도 하나를 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 무한 걸리 값을 가지는 것 중 적어도 하나를 갖는 상기 배터리 세퍼레이터.
리튬 증착 없이 3.0C (1C=2.3mA/cm2) 이상의 충전 속도로 충전될 수 있는 에너지 전지이고, 상기 에너지 전지는 다음을 포함한다:
리튬을 포함하는 애노드; 및
캐소드.
상기 충전 속도는 3.5 C 이상인 상기 에너지 전지.
상기 충전 속도는 4.0 C 이상인 상기 에너지 전지.
상기 충전 속도는 4.5 C 이상인 상기 에너지 전지.
상기 충전 속도는 3.0 C 이상, 5.0 C 미만인 상기 에너지 전지.
상기 애노드의 두께는 약 50 내지 약 200 마이크론인 상기 에너지 전지.
상기 애노드의 두께는 약 60 내지 약 200 마이크론인 상기 에너지 전지.
상기 애노드의 두께는 약 60 내지 약 125 마이크론인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드의 두께는 약 50 내지 약 200 마이크론인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드의 두께는 약 75 내지 약 200 마이크론인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드의 두께는 약 75 내지 약 150 마이크론인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 기공률은 15% 이상인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 기공률은 20% 이상인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 기공률은 30% 이상인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 기공률은 40% 이상인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 기공률은 15% 이상, 50% 이하인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 기공률은 10% 이상인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 기공률은 15% 이상인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 기공률은 20% 이상인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 기공률은 30% 이상인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 기공률은 10% 이상, 40% 미만인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 비틀림도는 2.0 이하인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 비틀림도는 1.7 이하인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 비틀림도는 1.5 이하인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 비틀림도는 1.3 이하인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 비틀림도는 1.2 이하인 상기 에너지 전지.
상기 애노드 비틀림도는 1.2 이상, 1.3 이하인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 비틀림도는 2.0 이하인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 비틀림도는 1.7 이하인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 비틀림도는 1.5 이하인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 비틀림도는 1.3 이하인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 비틀림도는 1.2 이하인 상기 에너지 전지.
상기 캐소드 비틀림도는 1.2 이상이며 1.5 이하인 상기 에너지 전지.
상기 리튬을 포함하는 애노드는 다음으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 상기 에너지 전지: 리튬 코발트 옥사이드 (LCO); 리튬 망간 옥사이드 (LMO); 리튬 철 포스페이트 (LFP); (Li(NixMnyCoz)O2), 여기서 0.33 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; NCA (Li(NixCoyAlz)O2), 여기서 0.8 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; 및 이들의 조합들.
상기 캐소드는 다음으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 상기 에너지 전지: 천연 흑연; 인조 흑연; 비정질 탄소; 주석 및/또는 실리콘을 포함하는 합금; 스피넬 리튬 티타늄 옥사이드; 및 이들의 조합들.
전해질을 추가 포함하는 상기 에너지 전지.
상기 전해질은 다음으로 이루어진 군으로부터 선택되는 상기 에너지 전지: 에틸렌 카보네이트 (EC); 에틸 메틸 카보네이트 (EMC); 디에틸 카보네이트 (DEC); 디메틸 카보네이트 (DMC); 프로필렌 카보네이트 (PC); 및 이들의 조합들.
상기 전해질은 전해질 첨가제를 포함하는 상기 에너지 전지.
리튬을 포함하는 애노드.
약 50 내지 약 200 마이크론 두께를 갖는 상기 애노드.
상기 애노드의 두께는 약 60 내지 약 200 마이크론인 상기 애노드.
상기 애노드의 두께는 약 60 내지 약 125 마이크론인 상기 애노드.
상기 애노드의 기공률은 15% 이상인 상기 애노드.
상기 애노드의 기공률은 20% 이상인 상기 애노드.
상기 애노드의 기공률은 30% 이상인 상기 애노드.
상기 애노드의 기공률은 40% 이상인 상기 애노드.
상기 애노드의 기공률은 15% 이상, 50% 이하인 상기 애노드.
상기 애노드 비틀림도는 2.0 이하인 상기 애노드.
상기 애노드 비틀림도는 1.7 이하인 상기 애노드.
상기 애노드 비틀림도는 1.5 이하인 상기 애노드.
상기 애노드 비틀림도는 1.3 이하인 상기 애노드.
상기 애노드 비틀림도는 1.2 이하인 상기 애노드.
상기 애노드 비틀림도는 1.0 이상, 2.0 이하인 상기 애노드.
상기 애노드 비틀림도는 1.2 이상, 1.3 이하인 상기 애노드.
캐소드.
상기 캐소드의 두께는 약 50 내지 약 200 마이크론인 상기 캐소드.
상기 캐소드의 두께는 약 75 내지 약 200 마이크론인 상기 캐소드.
상기 캐소드의 두께는 약 75 내지 약 150 마이크론인 상기 캐소드.
상기 캐소드 기공률은 10% 이상인 상기 캐소드.
상기 캐소드 기공률은 15% 이상인 상기 캐소드.
상기 캐소드 기공률은 20% 이상인 상기 캐소드.
상기 캐소드 기공률은 30% 이상인 상기 캐소드.
상기 캐소드 기공률은 10% 이상, 40% 미만인 상기 캐소드.
상기 캐소드 비틀림도는 2.0 이하인 상기 캐소드.
상기 캐소드 비틀림도는 1.7 이하인 상기 캐소드.
상기 캐소드 비틀림도는 1.5 이하인 상기 캐소드.
상기 캐소드 비틀림도는 1.3 이하인 상기 캐소드.
상기 캐소드 비틀림도는 1.2 이하인 상기 캐소드.
상기 캐소드 비틀림도는 1.2 이상이며 1.5 이하인 상기 캐소드.
상기 리튬을 포함하는 애노드는 다음으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 상기 리튬을 포함하는 애노드: 리튬 코발트 옥사이드 (LCO); 리튬 망간 옥사이드 (LMO); 리튬 철 포스페이트 (LFP); (Li(NixMnyCoz)O2), 여기서 0.33 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; NCA (Li(NixCoyAlz)O2), 여기서 0.8 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; 및 이들의 조합들.
상기 캐소드는 다음으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 상기 애노드: 천연 흑연; 인조 흑연; 비정질 탄소; 주석 및/또는 실리콘을 포함하는 합금; 스피넬 리튬 티타늄 옥사이드; 및 이들의 조합들.
신규한 또는 개선된 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 배터리, 전지, 시스템, 및/또는 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 전지, 시스템 등의 설계, 이해, 제조 및/또는 사용 방법, 특히 이차 리튬 이온 배터리, 및/또는 CE, ESS, 및/또는 EDV 배터리와 같은 이차 리튬 배터리; 이러한 새로운 사고, 정의 및/또는 데이터를 사용하여 비틀림도, 기공률, 리튬 증착, 및 전지 디자인을 고려하거나 정의하는 신규한 또는 개선된 방법; 배터리 수명 향상, 배터리 고장 감소, 덴드라이트 감소, 리튬 증착 감소, 충전 및 방전 속도 유지, 개선된 구성, 개선된 성능 및/또는 이들의 조합을 위한 신규한 또는 개선된 방법, 시스템 및 배터리 구성 요소; 및/또는 본원에 도시되거나, 개시되거나, 청구된 것과 같은 것.
적어도 선택된 구체예에 따르면, 본 개시 또는 발명은 상기 필요성, 이슈 또는 문제점을 해결할 수 있고, 및/또는 신규한 또는 개선된 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 배터리, 전지, 시스템, 및/또는 세퍼레이터, 배터리 세퍼레이터, 전극, 캐소드, 애노드, 전지, 시스템 등의 설계, 이해, 제조 및/또는 사용 방법, 특히 이차 리튬 이온 배터리, 및/또는 CE, ESS, 및/또는 EDV 배터리와 같은 이차 리튬 배터리에 관한 것이다. 적어도 특정 구체예에 따르면, 본 개시 또는 발명은 이러한 새로운 사고, 정의 및/또는 데이터를 사용하여 비틀림도, 기공률, 리튬 증착, 및 전지 디자인을 고려하거나 정의하는 신규한 또는 개선된 방법에 관한 것이다. 또한, 배터리 수명 향상, 배터리 고장 감소, 덴드라이트 감소, 리튬 증착 감소, 충전 및 방전 속도 유지, 개선된 구성, 개선된 성능 등을 위한 방법, 시스템 및 배터리 구성 요소가 본원에 개시된다.
적어도 특정 구체예에 따르면, 전해질로 습윤될 때 다음 특성 중 적어도 하나를 갖는 다공성 멤브레인을 포함하는 개선된 배터리 세퍼레이터가 본원에 개시된다: 없거나 낮은 부피를 가짐; 없거나 낮은 질량을 가짐; 가능한 많은 액체 전해질을 적심(soak); 전해질에 어떠한 유해 물질을 차단하거나 제거함; 어떠한 고온에서도 용해되지 않음; 어떠한 조건에서도 캐소드 또는 애노드와 반응하지 않음; 강(steel) 이상의 기계적 강도를 가짐; 어떠한 조건에서도 전기 절연체임; 금속 덴드라이트(dendrite) 성장을 차단함. 또한, 높은 충전 속도에서도 리튬 증착이 일어나지 않는 에너지 전지가 본원에 개시된다.
상기 에너지 전지는 본원에 개시된 개선된 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 일 구체예에서, 상기 에너지 전지는 리튬을 포함하는 애노드 및 탄소질(carbonaceous) 물질을 포함하는 캐소드를 추가 포함한다. 또한 에너지 전지와 별개인 애노드 및 캐소드가 본원에 개시되지만, 본원에 개시된 에너지 전지에 사용될 수 있다.
구조 및 방법의 상술된 설명은 단지 설명의 목적으로만 제시되었다. 실시예는 최선의 모드를 포함하는 예시적인 구체예를 개시하고, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하며, 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 한다. 이러한 실시예들은 본 발명을 개시된 정확한 단계들 및/또는 형태로 포괄하거나 제한하고자 하는 것이 아니며, 상기 교시에 비추어 많은 수정 및 변형이 가능하다. 본 명세서에 개시된 특징들은 임의의 조합으로 조합될 수 있다. 본원에 기술된 방법의 단계는 물리적으로 가능한 임의의 순서로 수행될 수 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되며, 당업자에게 발생할 수 있는 다른 예시를 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예는 특허청구범위의 문자 그대로 언어와 다르지 않는 구조적 요소를 갖는 경우, 또는 특허청구범위의 문자 그대로 언어와 실질적으로 차이점이 없는 동등한 구조 요소를 포함하는 경우 특허청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
첨부된 특허청구범위의 조성물 및 방법은 본원에 기술된 특정 조성물 및 방법에 의해 그 범위가 제한되지 않는다. 본 명세서에 도시되고 기재된 것 이외의 조성물 및 방법의 다양한 수정은 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 속한다. 또한, 본원에 개시된 단지 특정의 대표 조성 및 방법 단계만은 구체적으로 기재되어 있으나, 상기 조성물 및 방법이 구체적으로 언급되지 않을 지라도, 상기 조성물 및 방법 단계의 다른 조합 또한 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다. 따라서, 비록 단계들 (steps), 요소들 (elements), 성분들 (components) 또는 구성요소들 (constituents)의 조합은 본 명세서에서 명시적으로 언급될 수도 있으나, 명시적으로 언급되지 않더라도 단계들, 요소들 성분들 및 구성요소들의 다른 조합은 포함된다.
명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수 대상을 포함한다. 범위는 본 명세서에서 "약 (about)" 또는 "대략 (approximately)" 하나의 특정값부터 및/또는 "약 (about)" 또는 "대략 (approximately)" 다른 특정값까지로 표현될 수 있다. 그러한 범위가 표현될 때, 다른 구체예는 하나의 특정값부터 및/또는 다른 특정값까지를 포함한다. 유사하게, 값이 근사값으로 표현될 때, 선행하는 "약"의 사용에 의해 특정값이 또 다른 구체예를 형성한다는 것으로 이해될 것이다. 범위의 각 종점 (endpoints)은 다른 종점과 관련하여, 및 다른 종점과 독립적으로 중요하다는 것이 보다 이해될 것이다.
"선택적 (optional)" 또는 "선택적으로 (optionally)"은 연속하여 기재된 사건 또는 상황이 발생할 수도 있고, 발생하지 않을 수도 있음을 의미하고, 상기 기재에는 사건 또는 상황이 발생하는 사례 및 발생하지 않는 사례가 포함됨을 의미한다.
본 명세서의 상세한 설명 및 특허청구범위에서, 단어 "구성하다 (comprise)" 및 "구성하는 (comprising)" 및 "구성하다 (comprises)"와 같은 단어의 변형은 "포함하지만 이에 제한되지 않는"을 의미하고, 예를 들어 다른 첨가제들, 구성요소들, 정수들 또는 단계들을 배제하려는 것이 아니다. 용어 "본질적으로 이루어진 (consisting essentially of)" 및 "이루어진 (consisting of)"은 본 발명의 보다 구체적인 구체예를 제공하기 위해 "구성하는 (comprising)" 및 "포함하는 (including)" 대신에 사용될 수 있고, 또한 개시된다. "예시적인 (exemplary)" 또는 "예를 들어 (for example)"은 "~의 예 (an example of)"를 의미하고, 바람직한 또는 이상적인 구체예에 대한 표시를 전달하기 위한 것은 아니다. 유사하게, "~와 같은 (such as)"는 제한적인 의미로 사용되는 것이 아니라, 설명 또는 모범 사례로 사용된다.
언급된 경우를 제외하고, 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 기하학적 구조, 치수 등을 나타내는 모든 숫자는 최소한으로 이해되어야 하고, 청구범위의 등가물에 대한 교리의 적용을 제한하려는 시도는 아니며, 유효 숫자의 수와 통상적인 반올림 접근법에 비추어 해석된다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 개시된 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 인용된 간행물과 인용된 자료는 참조로서 구체적으로 포함된다.
또한, 예시적으로 본 명세서에 개시된 본 발명은 구체적으로 개시되지 암의의 요소가 없는 경우에 적합하게 실시될 수 있다.

Claims (20)

  1. 전해질로 습윤될 때 하기 특성 중 적어도 하나를 갖는 다공성 멤브레인을 포함하는 개선된 배터리 세퍼레이터:
    없거나 낮은 부피를 가짐;
    없거나 낮은 질량을 가짐;
    가능한 많은 액체 전해질을 적심(soak);
    전해질에 어떠한 유해 물질을 차단하거나 제거함;
    어떠한 고온에서도 용해되지 않음;
    어떠한 조건에서도 캐소드 또는 애노드와 반응하지 않음;
    강(steel) 이상의 기계적 강도를 가짐;
    어떠한 조건에서도 전기 절연체임;
    금속 덴드라이트(dendrite) 성장을 차단함.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 없거나 낮은 부피를 가지고,
    전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 없거나 낮은 질량을 가지며,
    전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 가능한 많은 액체 전해질을 적시고,
    전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 덴트라이트를 차단하며,
    전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 어떠한 고온에서도 용해되지 않고,
    전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 어떠한 조건에서도 캐소드 또는 애노드와 반응하지 않으며,
    전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 강(steel) 이상의 기계적 강도를 가지고,
    전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 어떠한 조건에서도 전기 절연체이며,
    및,
    전해질로 습윤될 때, 상기 세퍼레이터는 금속 덴드라이트 성장을 차단하는 것 중 적어도 하나를 갖는 배터리 세퍼레이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 적어도 2 개 이상의 특성을 갖는 배터리 세퍼레이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 적어도 3 개 이상의 특성을 갖는 배터리 세퍼레이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 적어도 4 개 이상의 특성을 갖는 배터리 세퍼레이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 적어도 5 개 이상의 특성을 갖는 배터리 세퍼레이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 적어도 6 개 이상의 특성을 갖는 배터리 세퍼레이터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 적어도 7 개 이상의 특성을 갖는 배터리 세퍼레이터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 적어도 8 개 이상의 특성을 갖는 배터리 세퍼레이터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 적어도 9 개 이상의 특성을 갖는 배터리 세퍼레이터.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 세퍼레이터는 매크로다공성(macroporous), 마이크로다공성(microporous), 또는 나노다공성(nanoporous)이며, 상기 베터리 세퍼레이터의 복수의 기공(pore)은 이온 전도성 매질(medium)로 채워지고,
    상기 세퍼레이터는 건조할 때 (전해질 없음) 및/또는 전해질로 습윤될 때 리튬 이온으로 전도되고,
    및,
    상기 세퍼레이터는 무한 걸리(Gurley) 값을 가지는 것 중 적어도 하나를 갖는 배터리 세퍼레이터.
  12. 리튬 증착 없이 3.0 C (1C=2.3mA/cm2) 이상의 충전 속도로 충전될 수 있는 에너지 전지로서,
    리튬을 포함하는 애노드; 및
    캐소드를 포함하는 에너지 전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 충전 속도는 3.5 C 이상이고,
    상기 충전 속도는 4.0 C 이상이며,
    상기 충전 속도는 4.5 C 이상이고,
    상기 충전 속도는 3.0 C 이상, 5.0 C 미만이며,
    상기 애노드의 두께는 약 50 내지 약 200 마이크론(micron)이고,
    상기 애노드의 두께는 약 60 내지 약 200 마이크론이며,
    상기 애노드의 두께는 약 60 내지 약 125 마이크론이고,
    상기 캐소드의 두께는 약 50 내지 약 200 마이크론이며,
    상기 캐소드의 두께는 약 75 내지 약 200 마이크론이고,
    상기 캐소드의 두께는 약 75 내지 약 150 마이크론이며,
    상기 애노드 기공률(porosity)은 15% 이상이고,
    상기 애노드 기공률은 20% 이상이며,
    상기 애노드 기공률은 30% 이상이고,
    상기 애노드 기공률은 40% 이상이며,
    상기 애노드 기공률은 15% 이상, 50% 이하이고,
    상기 캐소드 기공률은 10% 이상이며,
    상기 캐소드 기공률은 15% 이상이고,
    상기 캐소드 기공률은 20% 이상이며,
    상기 캐소드 기공률은 30% 이상이고,
    상기 캐소드 기공률은 10% 이상, 40% 미만이며,
    상기 애노드 비틀림도(tortuosity)는 2.0 이하이고,
    상기 애노드 비틀림도는 1.7 이하이며,
    상기 애노드 비틀림도는 1.5 이하이고,
    상기 애노드 비틀림도는 1.3 이하이며,
    상기 애노드 비틀림도는 1.2 이하이고,
    상기 애노드 비틀림도는 1.2 이상, 1.3 이하이며,
    상기 캐소드 비틀림도는 2.0 이하이고,
    상기 캐소드 비틀림도는 1.7 이하이며,
    상기 캐소드 비틀림도는 1.5 이하이고,
    상기 캐소드 비틀림도는 1.3 이하이며,
    상기 캐소드 비틀림도는 1.2 이하이고,
    상기 캐소드 비틀림도는 1.2 이상, 1.5 이하이며,
    상기 애노드는 리튬을 포함하고 리튬 코발트 옥사이드 (LCO); 리튬 망간 옥사이드 (LMO); 리튬 철 포스페이트 (LFP); (Li(NixMnyCoz)O2), 여기서 0.33 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; NCA (Li(NixCoyAlz)O2), 여기서 0.8 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하고,
    상기 캐소드는 천연 흑연; 인조 흑연; 비정질 탄소; 주석 및/또는 실리콘을 포함하는 합금; 스피넬 리튬 티타늄 옥사이드; 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며,
    전해질을 추가 포함하고, 상기 전해질은 에틸렌 카보네이트 (EC); 에틸 메틸 카보네이트 (EMC); 디에틸 카보네이트 (DEC); 디메틸 카보네이트 (DMC); 프로필렌 카보네이트 (PC); 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고,
    및,
    상기 전해질은 전해질 첨가제를 포함하는 에너지 전지.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    제 1 항의 세퍼레이터를 추가 포함하는 에너지 전지.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    약 50 내지 200 마이크론의 두께를 갖는 애노드,
    상기 애노드의 두께는 약 60 내지 약 200 마이크론이고,
    상기 애노드의 두께는 약 60 내지 약 125 마이크론이며,
    상기 애노드 기공률은 15% 이상이고,
    상기 애노드 기공률은 20% 이상이며,
    상기 애노드 기공률은 30% 이상이고,
    상기 애노드 기공률은 40% 이상이며,
    상기 애노드 기공률은 15% 이상, 50% 이하이고,
    상기 애노드 비틀림도는 2.0 이하이고,
    상기 애노드 비틀림도는 1.7 이하이며,
    상기 애노드 비틀림도는 1.5 이하이고,
    상기 애노드 비틀림도는 1.3 이하이며,
    상기 애노드 비틀림도는 1.2 이하이고,
    상기 애노드 비틀림도는 1.0 이상, 2.0 이하이며,
    및,
    상기 애노드 비틀림도는 1.2 이상이며 1.3 이하인 것 중 적어도 하나를 갖는 에너지 전지.
  16. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 캐소드의 두께는 약 50 내지 약 200 마이크론이고,
    상기 캐소드의 두께는 약 75 내지 약 200 마이크론이며,
    상기 캐소드의 두께는 약 75 내지 약 150 마이크론이고,
    상기 캐소드 기공률은 10% 이상이고,
    상기 캐소드 기공률은 15% 이상이며,
    상기 캐소드 기공률은 20% 이상이고,
    상기 캐소드 기공률은 30% 이상이며,
    상기 캐소드 기공률은 10% 이상, 40% 미만이고,
    상기 캐소드 비틀림도는 2.0 이하이며,
    상기 캐소드 비틀림도는 1.7 이하이고,
    상기 캐소드 비틀림도는 1.5 이하이며,
    상기 캐소드 비틀림도는 1.3 이하이고,
    상기 캐소드 비틀림도는 1.2 이하이며,
    및,
    상기 캐소드 비틀림도는 1.2 이상이며 1.5 이하인 것 중 적어도 하나를 갖는 캐소드인 에너지 전지.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 애노드는 리튬 코발트 옥사이드 (LCO); 리튬 망간 옥사이드 (LMO); 리튬 철 포스페이트 (LFP); (Li(NixMnyCoz)O2), 여기서 0.33 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; NCA (Li(NixCoyAlz)O2), 여기서 0.8 > x > 0.9 및 x + y + z = 1; 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 에너지 전지.
  18. 제 12 항 또는 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드는 천연 흑연; 인조 흑연; 비정질 탄소; 주석 및/또는 실리콘을 포함하는 합금; 스피넬 리튬 티타늄 옥사이드; 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 에너지 전지.
  19. 제 12 항 또는 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이차 리튬 배터리를 포함하거나 또는 이차 리튬 배터리에 포함되는 에너지 전지.
  20. 리튬 배터리 또는 전지에서, 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 세퍼레이터를 포함하는 개선.

KR1020197030850A 2017-03-20 2018-03-19 개선된 배터리 세퍼레이터, 전극, 전지, 리튬 배터리 및 관련 방법 KR20190122873A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020247005763A KR20240028556A (ko) 2017-03-20 2018-03-19 개선된 배터리 세퍼레이터, 전극, 전지, 리튬 배터리 및 관련 방법

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762473596P 2017-03-20 2017-03-20
US62/473,596 2017-03-20
PCT/US2018/023107 WO2018175300A1 (en) 2017-03-20 2018-03-19 Improved battery separators, electrodes, cells, lithium batteries and related methods

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247005763A Division KR20240028556A (ko) 2017-03-20 2018-03-19 개선된 배터리 세퍼레이터, 전극, 전지, 리튬 배터리 및 관련 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20190122873A true KR20190122873A (ko) 2019-10-30

Family

ID=63584708

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247005763A KR20240028556A (ko) 2017-03-20 2018-03-19 개선된 배터리 세퍼레이터, 전극, 전지, 리튬 배터리 및 관련 방법
KR1020197030850A KR20190122873A (ko) 2017-03-20 2018-03-19 개선된 배터리 세퍼레이터, 전극, 전지, 리튬 배터리 및 관련 방법

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247005763A KR20240028556A (ko) 2017-03-20 2018-03-19 개선된 배터리 세퍼레이터, 전극, 전지, 리튬 배터리 및 관련 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20200044278A1 (ko)
EP (1) EP3602652A4 (ko)
JP (2) JP2020511766A (ko)
KR (2) KR20240028556A (ko)
CN (1) CN110770942A (ko)
WO (1) WO2018175300A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021118085A1 (ko) * 2019-12-12 2021-06-17 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11870051B2 (en) * 2018-07-18 2024-01-09 Global Graphene Group, Inc. Method of improving fast-chargeability of a lithium-ion battery
US20200028205A1 (en) * 2018-07-18 2020-01-23 Nanotek Instruments, Inc. Fast-chargeable lithium battery electrodes
JP7365890B2 (ja) * 2019-12-18 2023-10-20 株式会社デンソー リチウムイオン二次電池及びその製造方法
CN111430647A (zh) * 2020-05-08 2020-07-17 曹亚琼 一种高性能锂离子电池隔膜及制备方法
CN111430784B (zh) * 2020-05-08 2021-08-20 泰州衡川新能源材料科技有限公司 一种综合性能优良的锂离子电池隔膜
CN115832166B (zh) * 2021-09-23 2024-01-12 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6432A (en) 1849-05-08 Improvement in saw-mills
US586A (en) 1838-01-27 Island
US5952120A (en) * 1997-04-15 1999-09-14 Celgard Llc Method of making a trilayer battery separator
US6432586B1 (en) * 2000-04-10 2002-08-13 Celgard Inc. Separator for a high energy rechargeable lithium battery
JP4055642B2 (ja) * 2003-05-01 2008-03-05 日産自動車株式会社 高速充放電用電極および電池
JP4665931B2 (ja) * 2007-03-29 2011-04-06 Ｔｄｋ株式会社 アノード及びリチウムイオン二次電池
KR20120039334A (ko) * 2010-10-15 2012-04-25 성균관대학교산학협력단 전기화학소자용 분리막 및 이의 제조방법
JP5147976B2 (ja) * 2010-11-01 2013-02-20 帝人株式会社 連結多孔質シート及びその製造方法、非水系二次電池用セパレータ、及び非水系二次電池及びその製造方法
US20120231321A1 (en) * 2011-03-11 2012-09-13 GM Global Technology Operations LLC Integral bi-layer separator-electrode construction for lithium-ion batteries
WO2014025868A1 (en) * 2012-08-07 2014-02-13 Celgard Llc Improved separator membranes for lithium ion batteries and related methods
CN103682209A (zh) * 2012-09-05 2014-03-26 中国科学院大连化学物理研究所 一种锂空气电池用复合膜
KR20150058316A (ko) * 2012-09-20 2015-05-28 셀가드 엘엘씨 박형 배터리 분리막 및 방법
KR102212373B1 (ko) * 2012-12-13 2021-02-03 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 배터리 분리막들 상의 세라믹 코팅
CN103117410B (zh) * 2013-02-01 2015-10-07 北京好风光储能技术有限公司 一种1.5v可充电锂电池及其制备方法
US9711771B2 (en) * 2013-09-18 2017-07-18 Celgard, Llc Porous membranes filled with nano-particles, separators, batteries, and related methods
US20160240885A1 (en) * 2013-09-30 2016-08-18 Hitachi Chemical Company, Ltd. Lithium ion secondary battery
CN106063012B (zh) * 2014-02-19 2019-08-16 锡安能量公司 使用抑制电解质的离子导体的电极保护
EP3866244A1 (en) * 2014-12-05 2021-08-18 Celgard, LLC Improved coated separators for lithium batteries and related methods
CN105990546A (zh) * 2015-01-28 2016-10-05 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 复合隔膜、其制备方法以及其在锂离子电池中的应用
CN104577005A (zh) * 2015-01-28 2015-04-29 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种陶瓷复合隔膜及其制备方法
US20160248066A1 (en) * 2015-02-25 2016-08-25 Celgard, Llc Separators for high voltage rechargeable lithium batteries and related methods
US11056750B2 (en) 2015-11-11 2021-07-06 Celgard, Llc Microlayer membranes, improved battery separators, and methods of manufacture and use
CN205985153U (zh) * 2016-07-11 2017-02-22 东莞市魔方新能源科技有限公司 一种隔离膜

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021118085A1 (ko) * 2019-12-12 2021-06-17 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지

Also Published As

Publication number Publication date
US20200044278A1 (en) 2020-02-06
JP2023058647A (ja) 2023-04-25
EP3602652A4 (en) 2020-12-09
EP3602652A1 (en) 2020-02-05
CN110770942A (zh) 2020-02-07
JP2020511766A (ja) 2020-04-16
WO2018175300A1 (en) 2018-09-27
KR20240028556A (ko) 2024-03-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20190122873A (ko) 개선된 배터리 세퍼레이터, 전극, 전지, 리튬 배터리 및 관련 방법
CN109526240B (zh) 可再充电电池
JP5477985B2 (ja) 非水電解質電池用セパレータおよび非水電解質電池
KR102063594B1 (ko) 비수계 이차전지용 세퍼레이터 및 비수계 이차전지
KR102151509B1 (ko) 비수계 이차전지용 세퍼레이터 및 비수계 이차전지
JP5158678B2 (ja) 非水電解質電池用セパレータおよび非水電解質電池
US10193117B2 (en) Separator for nonaqueous secondary battery, and nonaqueous secondary battery
JP6738339B2 (ja) 電気化学素子用セパレータ、その製造方法および電気化学素子の製造方法
KR102129497B1 (ko) 리튬 이온 2차 전지
KR102086416B1 (ko) 비수 전해질 전지용 세퍼레이터 및 비수 전해질 전지
KR101602867B1 (ko) 비수 전해질 전지용 세퍼레이터 및 비수 전해질 전지
KR20150091471A (ko) 비수계 이차전지용 세퍼레이터 및 비수계 이차전지
KR101847322B1 (ko) 리튬 이온 이차 전지
KR20180077190A (ko) 비수계 이차전지용 세퍼레이터 및 비수계 이차전지
JP5882549B1 (ja) 非水系二次電池用セパレータ、その製造方法及び非水系二次電池
KR102235277B1 (ko) 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지
EP3923372A1 (en) Separator stacked body for lithium secondary battery, and electrode assembly and lithium secondary battery comprising same
KR102420011B1 (ko) 이차 전지
KR102209675B1 (ko) 패턴이 형성된 전극 및 이를 포함하는 이차전지
KR20160115557A (ko) 세퍼레이터 및 이를 이용한 이차 전지
JP2009032444A (ja) リチウム二次電池
KR20230164111A (ko) 저전압 희생 전극
JP7191414B2 (ja) リチウム二次電池用分離膜、その製造方法、およびそれを含むリチウム二次電池
KR101658575B1 (ko) 무기물 코팅층을 포함하는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
US20230138132A1 (en) Separator with organic/inorganic porous coating layer for electrochemical device, and electrochemical device including same

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
AMND Amendment
E90F Notification of reason for final refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X601 Decision of rejection after re-examination
A107 Divisional application of patent