KR20210049114A - 재충전가능 리튬 배터리들용 고체 중합체 매트릭스 전해질 (pme), 및 그를 사용하여 제조된 배터리들 - Google Patents

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Abstract

재충전가능 리튬 배터리가 제공된다. 배터리는, 애노드 결합제 중합체 및 애노드 활성 재료를 포함하는 애노드; 캐소드 결합제 중합체 및 캐소드 활성 재료를 포함하는 캐소드; 및 전해질 중합체, 리튬 염 및 전해질 용매를 포함하는 중합체-매트릭스 전해질 (PME)을 포함한다. 중합체-매트릭스 전해질은 애노드와 캐소드 사이에 위치하며, 애노드 및 캐소드와 직접 접촉하여 배터리 셀을 형성한다. 중합체-매트릭스 전해질이 인접 애노드 및 캐소드로 상호침투하여 일체형 구조를 형성한다.

Description

재충전가능 리튬 배터리들용 고체 중합체 매트릭스 전해질 (PME), 및 그를 사용하여 제조된 배터리들
<관련 특허 출원에 대한 상호 참조>
본 출원은 2018년 8월 8일자 출원된 미국 특허 가출원 일련 번호 62/715,829를 우선권 주장하며, 이의 개시내용은 완전히 기술되는 것처럼 본원에 포함된다.
<기술분야>
본 출원은 일반적으로 리튬 배터리 기술, 특히 재충전가능 리튬 배터리들을 위한 개선된 고체 전해질들 및 그를 사용하여 제조된 배터리들에 관한 것이다.
리튬 배터리 기술은 집중적인 연구 대상이다. 새로운 연구에 의해 개선시키고자 하는 주요 배터리 특징들은 크기, 중량, 에너지 밀도, 용량, 보다 낮은 자가-방전율, 비용, 고속 충전 및 환경적 안전성이다. 목표는 제작 기술을 단순화하고 층간 접착을 개선시켜, 작고 경량이며 유효 수명이 길고 에너지 밀도가 더 높으며 폐기시 환경에 유입될 수 있는 독성 화합물을 거의 내지는 전혀 함유하지 않는 건전지 배터리를 생성하는 것이다. 리튬 배터리는 휴대폰, 스마트 카드, 계산기, 휴대용 컴퓨터, 및 전기 용품을 위한 전력 공급기와 같은 많은 적용예에 유용하다. 리튬 배터리는 또한 하이브리드 전기 차량 (HEV) 및 배터리 전기 차량 (EV)에서 사용될 수 있다.
따라서, 에너지 밀도, 용량, 보다 낮은 자가-방전율, 비용, 고속 충전 및 환경적 안전성을 포함한 개선된 특징들을 갖는 리튬 배터리에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
애노드 결합제 중합체-매트릭스 전해질 (PME) 및 애노드 활성 재료를 포함하는 애노드;
캐소드 결합제 중합체-매트릭스 전해질 (PME) 및 캐소드 활성 재료를 포함하는 캐소드; 및
적어도 전해질 중합체, 리튬 염 및 전해질 용매 또는 가소제를 포함하는 중합체-매트릭스 전해질 (PME)
을 포함하고;
중합체-매트릭스 전해질은 애노드와 캐소드 사이에 있고, 애노드 및 캐소드와 직접 접촉하여 배터리 셀을 형성하고;
중합체-매트릭스 전해질이 인접 애노드 및 캐소드로 상호침투하여 일체형 구조를 형성하는,
재충전가능 리튬 배터리가 제공된다.
본 교시내용의 상기 및 다른 특징들은 본원에 기술된다.
관련 기술분야의 통상의 기술자라면 하기 기재된 도면들이 단지 예시 목적을 위한 것임을 이해할 것이다. 도면은 어떠한 식으로든 본 교시내용의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리의 사시도이다.
도 2는 라인 II-II를 따라 취한 도 1의 배터리의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시양태에 따른, 패키징 준비된 전기화학 바이셀(bi-cell)의 형성을 위한 어셈블리 공정을 나타낸다.
도 4a는, 리튬 염, 중합체, 및 리튬 염을 위한 용매 또는 가소제를 포함하는 중합체 매트릭스 전해질 (PME) 내에 분산된 전도성 첨가제의 입자들 및 전극 활성 재료의 입자들을 포함하는 배터리용 전극을 나타내는 개략도이다.
도 4b는, 전극 활성 재료 및 전도성 첨가제가 없는 중합체 매트릭스 전해질 (PME)의 세퍼레이터 층과 통합된 도 4a에 도시된 바와 같은 전극을 나타내는 개략도이다.
도 4c는 배터리용 제2 전극과 통합된 도 4b의 전극/세퍼레이터 어셈블리를 나타내는 개략도이며, 여기서 제2 전극은, 리튬 염, 중합체, 및 리튬 염을 위한 용매 또는 가소제를 포함하는 중합체 매트릭스 전해질 (PME) 내에 분산된 전도성 첨가제의 입자들 및 전극 활성 재료의 입자들을 포함한다.
도 4d는 활성 금속 전극 층과 통합된 도 4b의 전극/세퍼레이터 어셈블리를 나타내는 개략도이다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 수치 값을 변경하기 위해 사용될 때 그 수치 값의 10% 이내 (즉, +/- 10%)인 값을 의미한다.
본 발명의 배터리는, 탁월한 층간 접착을 나타내고, 환경적으로 안전하며, 하기 표 1에 예시된 바와 같이, 광범위한 온도 및 압력에 걸쳐 높은 이온 전도도를 갖는 PME를 함유한다.
Figure pct00001
표 1
배터리는 적어도 1개의 애노드, 적어도 1개의 캐소드, 및 각 애노드와 각 캐소드 사이에 배치된 적어도 1개의 전해질을 포함한다. 배터리는 플렉시블(flexible)한 박막 배터리일 수 있다. 애노드, 캐소드 및 전해질은 매우 얇은 층들, 또는 두께가 1 mil 미만인 층들로서 적용될 수 있다. 이와 같은 능력으로 인해 애노드, 캐소드 및 전해질은 다수의 층으로 스택킹될 수 있다. 또한, 본원에 기재된 배터리들의 구성요소들은 다음을 포함한 다양한 조합으로 배열될 수 있다: 1) 애노드, 전해질 및 캐소드; 2) 2개의 애노드, 2개의 전해질 및 1개의 캐소드; 3) 2개의 캐소드, 2개의 전해질 및 1개의 애노드; 4) 복수의 애노드, 복수의 전해질 및 복수의 캐소드; 또는 5) 바이폴라(bipolar) 구성 예컨대 1개의 캐소드가 애노드 주위로 폴딩되며 애노드는 전해질에 의해 둘러싸였음. 선택된 구성은 배터리에 대해 원하는 적용예에 따라 좌우된다.
일부 실시양태에 따라, 이차 (즉, 재충전가능) 리튬 배터리용 고체-상태 중합체 매트릭스 전해질 (PME)이 제공된다. 중합체 매트릭스 전해질 (PME)은 적어도 용매 또는 가소제, 중합체 및 리튬 염을 포함한다. PME는 액체 또는 겔이 아니며, 그보다는 고체-상태 재료이다. 또한, 종래의 겔 또는 액체 전해질들과 달리, 모든 PME 성분들 (즉, 용매, 중합체 및 리튬 염)은 이온 전도에 가담할뿐만 아니라 기계적 지지를 제공한다.
일부 실시양태에 따라, PME는 캐소드에 직접 접합되어, 더 얇은 층들이 가능하고, 데드 스페이스(dead space)가 없으며, 보다 높은 에너지 밀도가 제공된다. 배터리는 PME/캐소드 어셈블리와 애노드를 조합함으로써 어셈블리될 수 있다. 2 구성요소 어셈블리는 종래의 3 구성요소 어셈블리에 비해 배터리 제조를 단순화할 수 있다. 일부 실시양태에 따라, PME는 인접 애노드 및 캐소드 구조로 상호침투하여 연속 구조를 갖는 배터리를 형성한다. PME는 애노드와 캐소드 사이에서 접착제로서 작용을 한다. 이와 같은 상호침투 구조는 계면 저항 및 임피던스를 감소시킨다.
PME를 포함하는 배터리는 다양한 구성으로 사용될 수 있다. 도 1은, 배터리의 재충전 또는 전압 및 전류의 전달과 원하는 회로에의 연결을 위해 배터리의 본체 부분으로부터 돌출된 애노드 집전체(11) 및 캐소드 집전체(12)를 포함하는 배터리(10)에 대한 예시적 구성을 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본체 부분은 커버 필름(13) 내에 감싸이며, 커버 필름은 기체 또는 액체에 불투과성일 수 있는 단일층 또는 다층 필름일 수 있다. 바람직하게는, 커버 필름은 배터리의 형성과 관련하여 쉽게 가공가능하고 적용예에 적합한 유형의 매우 얇은 고 차단 라미네이팅 포일 필름이다. 이들 커버 필름은 관련 기술분야에 널리 공지되어 있으며, 카팍(KAPAK) KSP-150 또는 KSP-120 트리-라미네이트 필름 (카팍 인크.(Kapak, Inc.)에 의해 생산)과 같은 재료들을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 대안적으로, 다층 48-게이지 PET/LDPE/0.000285 포일 필름 (씰라이트 플렉시블 패키징 그룹(Sealright Flexible Packaging Group)에 의해 생산)이 또한 사용될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 라인 II - II를 따른 도 1의 배터리(10)의 대표적인 단면이 제시되어 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 애노드(14)는 애노드 집전체(11)를 포함한다. 애노드(14)는 또한 제1 PME, 전자 전도성 충전제 및 층간삽입 재료를 포함할 수 있다. 애노드 집전체(11)는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 재료로부터 제조될 수 있다. 일부 실시양태에 따라, 애노드 집전체(11)는 금속으로 제조된 전기 전도성 부재이다. 사용될 수 있는 금속들의 예시적인 비제한적 예는 구리를 포함한다. 일부 실시양태에 따라, 애노드 집전체(11)는 메쉬 또는 스크린에서 발견되는 것과 같이, 그 안에 규칙적인 천공부들을 갖는 얇은 (예를 들어, 대략 0.25 - 1.0 mil) 팽창 포일이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 애노드 집전체(11)의 제1 부분이 배터리(10)의 본체로부터 연장되어 외부 연결 수단들을 제공할 수 있고, 애노드 집전체(11)의 제2 부분은 커버(13) 내에 위치하고 애노드 복합 재료(21) 내에 감싸인다.
일부 실시양태에 따라, 애노드 복합 재료(21)는 애노드 결합제 PME, 전자 전도성 충전제, 및 층간삽입 재료를 포함할 수 있다. 애노드 결합제 PME는, 캐소드 및 전해질에서 각각 사용되는 PME, 및 캐소드 결합제 PME와 동일한 화학적 조성을 갖거나 상이한 화학적 조성을 가질 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 전자 전도성 충전제를 애노드 결합제 PME, 애노드 활성 재료, 및 용매와 블렌딩하여 슬러리를 형성할 수 있다. 전자 전도성 충전제의 예는 전도성 탄소, 카본 블랙, 흑연, 흑연 섬유, 및 흑연 종이를 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 전자 전도성 충전제 외에도, 층간삽입 재료가 또한 애노드의 일부를 형성할 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 층간삽입 재료가 사용될 수 있다. 층간삽입 재료의 예시적인 비제한적 예는 탄소, 활성 탄소, 흑연, 석유 코크스, 리튬 합금, 니켈 분말, 및 저전압 리튬 층간삽입 화합물을 포함한다. 대안적인 실시양태로서, 애노드는 리튬 염을 추가로 포함할 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 리튬 염이 사용될 수 있으나, 특히 LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO4), Li(BF4), Li(PF6), Li(AsF6), Li(CH3CO2), Li(CF3SO3), Li(CF3SO2)2N, Li(CF3SO2)3, Li(CF3CO2), Li(B(C6H5)4), Li(SCN), LiBOB, 및 Li(NO3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 것들이 사용될 수 있다. 가장 바람직하게는, 리튬 염은 Li(PF6)이다. 애노드에 리튬 염을 첨가하면 이온 전도도의 증가가 초래될 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 캐소드(15)는 캐소드 집전체(12)를 포함한다. 애노드 집전체와 마찬가지로, 캐소드 집전체(12)의 일부가 배터리(10)의 본체로부터 연장되어 외부 연결 수단들을 제공한다. 그러나, 캐소드 집전체(12)의 일부는 커버(13) 내에 위치하고, 캐소드 복합 재료(22) 내에 감싸인다. 캐소드 집전체(12)는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 캐소드 집전체이다. 예시적인 캐소드 집전체 재료는, 그 안에 천공부들을 갖는 얇은 (예를 들어, 약 0.25 - 1.0 mil의 범위) 팽창 금속 포일을 포함한다. 금속은 알루미늄일 수 있다. 천공부들은 통상 메쉬 또는 스크린에서 발견되는 것과 같이 규칙적인 구성을 갖는다. 캐소드 복합 재료(22)는 적어도 캐소드 결합제 PME, 전자 전도성 충전제, 및 캐소드 활성 재료를 포함할 수 있다. 캐소드 결합제 PME는, 애노드 및 전해질에서 각각 사용되는 애노드 결합제 및 전해질 PME와 동일한 화학적 조성을 갖거나 갖지 않을 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 전자 전도성 충전제를 캐소드 결합제 및 용매 또는 가소제와 블렌딩하여 슬러리를 형성할 수 있다. 이러한 전자 전도성 충전제의 예는 전도성 탄소, 카본 블랙, 흑연, 흑연 섬유, 및 흑연 종이를 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 또한, 캐소드는 금속 산화물 또는 다른 캐소드 활성 재료(들)를 포함한다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 예시적인 금속 산화물은 LiCoO2; LiMnO2; LiNiO2; V6O13; V2O5; 및 LiMn2O4를 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 또한 Li-Ni-Mn-Co 산화물 (여기서, Ni, Mn 및 Co 비는 총 1임)을 포함하나 이에 제한되지는 않는 기타 착물 리튬화 금속 산화물이 사용될 수 있다. 일부 실시양태에 따라, 캐소드는 하나 이상의 리튬 염을 추가로 포함할 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 리튬 염이 사용될 수 있다. 예시적인 리튬 염은 LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO4), Li(BF4), Li(PF6), Li(AsF6), Li(CH3CO2), Li(CF3SO3), Li(CF3SO2)2N, Li(CF3SO2)3, Li(CF3CO2), Li(B(C6H5)4), Li(SCN), LiBOB, 및 Li(NO3)을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 애노드와 마찬가지로, 캐소드에 리튬 염을 첨가하면 이온 전도도의 증가가 초래될 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, PME(16)는 애노드(14)와 캐소드(15) 사이에 배치된다. PME(16)는 적어도 전해질 중합체 및 리튬 염(23)을 포함한다. 전해질 중합체는, 애노드 및 캐소드 각각에서 사용되는 애노드 및 캐소드 결합제 중합체들과 동일한 화학적 조성을 갖거나 갖지 않을 수 있다. 전해질에서 사용되는 리튬 염은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 리튬 염일 수 있다. 예시적인 리튬 염은 LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO4), Li(BF4), Li(PF6), Li(AsF6), Li(CH3CO2), Li(CF3SO3), Li(CF3SO2)2N, Li(CF3SO2)3, Li(CF3CO2), Li(B(C6H5)4), Li(SCN), LiBOB, 및 Li(NO3)을 포함하나 이에 제한되지는 않는다.
애노드 결합제, 캐소드 결합제 및 전해질 중합체들의 화학적 조성은 다양한 조합으로 존재할 수 있다. 일부 실시양태에 따라, 애노드 결합제, 캐소드 결합제 및 전해질 중합체들은 동일할 수 있다. 대안적으로, 기타 조합이 다음과 같이 존재할 수 있다: 1) 애노드 결합제 및 캐소드 결합제 중합체들이 동일하고 전해질 중합체는 상이한 중합체임; 2) 애노드 결합제 및 전해질 중합체들이 동일하고 캐소드 결합제 중합체는 상이한 중합체임; 3) 캐소드 결합제 및 전해질 중합체들이 동일하고 애노드 결합제 중합체는 상이한 중합체임; 또는 4) 애노드 결합제, 캐소드 결합제 및 전해질 중합체들이 상이한 중합체임.
본원에 기재된 바와 같은 배터리의 제조 방법이 또한 제공된다. 일부 실시양태에 따라, 제1 PME 용액, 전자 전도성 충전제, 및 층간삽입 재료를 포함하는 애노드 슬러리를 제조한다. 제1 PME 용액은 제1 중합체를 용매와 혼합함으로써 제조될 수 있다. 제1 중합체 용액에 임의로 이온성 액체 (즉, 리튬 염 및 용매 또는 가소제를 포함하는 리튬 염 용액)를 첨가할 수 있다. 일부 실시양태에 따라, 제1 PME 용액은 약 8% 내지 약 20% (중량 기준)의 제1 중합체를 약 8% 내지 약 20%의 염 및 용매/가소제 및 약 60% 내지 약 84% (중량 기준)의 용매와 혼합함으로써 제조될 수 있다.
제2 PME 용액; 전자 전도성 충전제; 및 활성 캐소드 재료 또는 금속 산화물을 포함하는 캐소드 슬러리를 제조한다. 제2 중합체 용액은 제2 중합체를 용매와 혼합함으로써 제조될 수 있다. 일부 실시양태에 따라, 제2 PME 용액은 약 8% 내지 약 20% (중량 기준)의 제2 중합체를 약 80% 내지 약 92% (중량 기준)의 용매와 혼합함으로써 제조될 수 있다. 제2 중합체 용액에 임의로 리튬 염을 첨가할 수 있다.
제3 중합체 및 리튬 염을 포함하는 중합체 매트릭스 전해질 (PME) 용액을 제조한다. PME 용액은 제3 중합체를 용매와 혼합함으로써 제조된다. 일부 실시양태에 따라, 제3 중합체 용액은 약 8% 내지 약 20% (중량 기준)의 제3 중합체를 약 80% 내지 약 92% (중량 기준)의 용매와 혼합함으로써 제조될 수 있다. 리튬 염을 용매 또는 가소제 중에 용해시켜 리튬 염 용액을 형성한다. 일부 실시양태에 따라, 약 20% 내지 약 35% (중량 기준)의 리튬 염을 약 65% 내지 약 80% (중량 기준)의 용매 중에 용해시켜 리튬 염 용액을 형성한다. 이어서, 리튬 염 용액을 제3 중합체 용액과 혼합하여 PME 용액을 형성한다. 일부 실시양태에 따라, PME 용액은 약 2% (중량 기준) 내지 약 10% (중량 기준)의 제3 중합체 및 약 1% (중량 기준) 내지 약 12% (중량 기준)의 리튬 염을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 중합체 매트릭스 전해질 (PME) 층은 PME 용액의 필름을 캐스팅함으로써 형성될 수 있다. PME 필름은, 용액을 두께가 약 0.25 mil 내지 약 20 mil 범위인 필름으로 드로우 다운(draw down)하는 닥터 블레이드를 사용하거나 스핀 캐스팅과 같은 표준 박막 방법을 사용하여 캐스팅될 수 있다. 이어서, 전해질 층은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 방법을 사용하여 건조시킬 수 있다. 예시적이고 비제한적인 건조 방법은 약 70 내지 약 150℃의 오븐에서 약 20 내지 약 60분 동안 건조시켜 용매를 제거하는 것을 포함한다. 전해질 층은 약 150℃의 오븐에서 약 30 내지 60분 동안 완전히 건조시킬 수 있다.
애노드는 애노드 슬러리를 제1 집전체 상에 코팅함으로써 형성될 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 코팅 기술이 사용될 수 있다 (단, 라미네이팅은 아님). 이러한 코팅 기술은 증착, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스크린 코팅, 및 브러쉬 코팅을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 일부 실시양태에 따라, 집전체의 제조가 필요하지 않다. 애노드 슬러리는 비교적 얇은 층으로 제1 집전체에 도포될 수 있다. 애노드 슬러리는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 방법을 사용하여 건조시킬 수 있고, 특히, 용매를 제거하고 점착성 필름이 남도록 중력 흐름 오븐에서 대략 70 내지 150℃에서 약 20 내지 약 60분 동안 건조시킬 수 있다. 바람직하게는, 애노드는 약 150℃의 오븐에서 약 30 내지 60분 동안 완전히 건조시킬 수 있다. 상기 기술된 바와 같이, 염은, PME 결합제를 포함하는 애노드 슬러리 내로 혼입될 수 있다. 대안적으로, 애노드는 애노드를 리튬 염 용액에 (예를 들어, 1 몰 Li 염 용액에 약 20 내지 약 45분 동안) 침지시킴으로써 리튬 이온들이 로딩될 수 있다. 리튬 염 용액은, 에틸렌 카르보네이트 (EC)/프로필렌 카르보네이트 (PC)의 50/50 블렌드 중에 용해된 리튬 염일 수 있다. 애노드가 침지 마무리된 후, 이를 닦아서 건조시켜 과잉의 용액을 제거할 수 있다.
캐소드는 캐소드 슬러리를 제2 집전체 상에 코팅함으로써 형성될 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 코팅 기술이 사용될 수 있다. 이러한 코팅 기술은 증착, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스크린 코팅, 및 브러쉬 코팅을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 애노드와 마찬가지로, 집전체의 제조가 필요하지 않다. 캐소드 슬러리는 비교적 얇은 층으로 제2 집전체에 도포될 수 있다. 캐소드는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 방법을 사용하여 건조시킬 수 있고, 특히, 용매를 제거하고 점착성 필름이 남도록 오븐에서 대략 70 내지 150℃에서 약 20 내지 약 60분 동안 건조시킬 수 있다. 캐소드는 약 150℃의 오븐에서 약 30 내지 60분 동안 완전히 건조시킬 수 있다.
애노드, 전해질 층 및 캐소드를 어셈블리하여 배터리를 형성한다. 어셈블리 공정은 여러 방법을 사용하여 실시될 수 있다. 일부 실시양태에 따라, 전해질 용액을 애노드의 표면에 도포하고 애노드 위에 전해질 층을 위치시켜 전해질 용액이 그 사이에 배치되도록 한다. 이어서, 전해질 용액을 캐소드의 밑면에 또는 애노드 반대측의 전해질 층 측면에 도포할 수 있다. 그런 다음, 애노드 반대측의 전해질 층 측면 위에 캐소드를 위치시켜 전해질 용액이 캐소드와 전해질 층 사이에 배치되도록 하여 배터리 어셈블리를 형성할 수 있다. 이어서, 어셈블리를 전해질 용액을 건조시키기에 충분한 온도에서 가열할 수 있으며, 여기서 각각의 제1, 제2 및 제3 중합체들은 연화 또는 용융 유동을 겪는다. 중합체의 연화는 층들 사이에 긴밀한 측면 접촉이 일어나게 하여, 궁극적으로 중간층들 간에 탁월한 접착을 나타내고 자가-접합되는 균일한 어셈블리를 형성한다. 어셈블리를 가열한 후, 이를 실온으로 냉각시킬 수 있다. 부가적인 단계로서, 어셈블리를 보호 케이싱에 넣고, 정전압 또는 정전류를 사용하여 충전시킬 수 있다.
어셈블리에 대한 대안적 방법으로서, 전해질 층, 애노드 및 캐소드를 점성이 있는 상태로 건조시킬 수 있다. 이어서, 애노드를 제공하고, 애노드 위에 전극 층을 위치시키고, 전해질 층 위에 캐소드를 위치시켜 어셈블리를 형성함으로써 배터리를 어셈블리할 수 있다. 그런 다음, 어셈블리에 압력을 가할 수 있다. 가해지는 압력의 양은 단지 층들을 함께 수동으로 또는 프레스에서 압력을 가하여 가압하는 정도로 극미할 수 있다. 필요한 압력의 양은 층들 사이에 긴밀한 접촉이 이루어지게 할 만큼 충분해야 한다. 임의적인 추가의 단계에서, 어셈블리를 각각의 제1, 제2 및 제3 중합체들이 용융 유동을 겪는 온도로 가열할 수 있다. 이어서, 어셈블리를 실온으로 냉각시킬 수 있다. 그런 다음, 어셈블리를 보호 케이싱 내에 봉입하고, 정전압 또는 정전류를 사용하여 충전시킬 수 있다. 이 공정으로부터 초래된 PME 배터리는 탁월한 층간 접착을 나타내고, 플렉시블하며, 광범위한 온도에 걸쳐 이온 전도도를 나타낸다.
일부 실시양태에 따라, 2-구성요소 배터리 어셈블리 공정이 제공된다. 2-구성요소 어셈블리는 전극을 PME로 오버코팅하여 전극/세퍼레이터를 형성하는 것, 및 애노드와의 후속 어셈블리를 포함한다. 2-구성요소 배터리 어셈블리의 경우, 캐소드 활성 재료 및 캐소드 중합체 결합제를 포함하는 캐소드 슬러리를 벌크 용매 중에 혼합한다. 캐소드 슬러리를 금속 집전체 기판 상에 코팅하고, 용매를 제거할 수 있다 (예를 들어, 건조를 통해). 후속적으로, 코팅된 캐소드를 전해질 중합체와 리튬 염과 용매의 혼합물을 포함하는 PME로 오버코팅한 다음 건조시켜, 전도도 목적을 위해 보유되는 용매의 유효량 (예컨대, 중합체(들) 플러스 리튬 염 대비 5 내지 50 중량%)으로 용매를 제거할 수 있다. 이 시점에서, 오버코팅된 캐소드는 캐소드 및 PME 세퍼레이터 둘 다가 되었다. 이어서, PME 코팅된 캐소드 위에 애노드 층을 배치하여, 2가지 구성요소로부터 제조된 배터리 어셈블리를 제공할 수 있다.
2-구성요소 배터리 어셈블리 공정의 또 다른 실시양태에서, 코팅된 애노드를 PME로 오버코팅하여 애노드/세퍼레이터 앙상블(ensemble)을 형성할 수 있다. 이어서, PME 코팅된 애노드 위에 캐소드 층을 배치하여, 2가지 구성요소로부터 제조된 배터리 어셈블리를 제공할 수 있다.
도 3은 상기 기재된 2-구성요소 배터리 어셈블리 공정 중 하나와 관련된 어셈블리 "폴딩" 공정을 나타낸다. 먼저 캐소드 집전체 상의 PME 코팅된 캐소드를 상기 기재된 바와 같이 제공한다. PME 세퍼레이터/캐소드 상에 애노드를 배치하기 전에, 단계(710)에서, PME 오버코팅된 캐소드의 표면에 접착 및 셀 활성화 목적을 위해 소량의 용매를 분사한다. 이어서, 단계(720)에서, PME 코팅된 캐소드 상에 Li 금속 스트립과 같은 Li 애노드를 배치한다. 대안적으로, 흑연 애노드의 경우, PME 코팅된 캐소드 상에 애노드를 또한 코팅하고 건조시킨 다음, 오버코팅할 수 있다. 이어서, 단계(730)에서 애노드 상에 니켈 탭과 같은 애노드 탭을 배치한다. 그런 다음, 단계(740)에서 도 7에 나타낸 바와 같이 캐소드 위에 PME 코팅된 애노드를 랩핑함으로써 셀 폴드를 수행하여, 패키징 준비된 애노드 탭(750)을 갖는 바이셀 배터리를 형성한다. 바이셀은 종래의 셀과 동일한 풋프린트를 가지면서 종래의 셀들의 용량의 2배를 제공한다. 이어서, 캐소드 상에 캐소드 탭 (나타내지 않음)을 배치할 수 있다.
도 3에 바이셀이 나타나 있지만, 셀이 바이셀 구성일 필요는 없다. 다른 예시적이고 비제한적인 구성은, 단일 애노드/PME/캐소드 층들이 있는 단일 셀; 애노드/PME/캐소드 어셈블리가 롤로 권취된 "젤리롤(jellyroll)" 구성; 또는 다수의 애노드/PME/캐소드 어셈블리들이 함께 스택킹되어 다층 셀을 형성하는 스택킹 구성을 포함한다.
이어서, 생성된 셀은 상부 및 하부 패키징 재료 사이에 배치될 수 있으며, 이는 배터리 셀의 둘레 주위로 밀봉되어 패키징 배터리를 형성할 수 있다.
도 4a는, 중합체 매트릭스 전해질 (PME)(406) 중에 분산된 전도성 첨가제(402)의 입자들 및 전극 활성 재료(404)의 입자들을 포함하는 배터리용 전극(400)을 나타내는 개략도이다. PME는 리튬 염, 중합체, 및 리튬 염을 위한 용매 또는 가소제를 포함할 수 있다.
도 4b는, 전극 활성 재료 또는 전도성 첨가제를 함유하지 않는 중합체 매트릭스 전해질 (PME)의 세퍼레이터 층(412)과 통합된 도 4a에 도시된 바와 같은 전극(400)을 포함하는 전극/세퍼레이터 어셈블리(410)를 나타내는 개략도이다.
도 4c는, 제2 전극(422)과 통합된 세퍼레이터(412) 및 도 4b의 전극(400)을 포함하는 배터리(420)의 개략도이며, 여기서 제2 전극은 중합체 매트릭스 전해질 (PME)(436) 중에 분산된 전도성 첨가제(432)의 입자들 및 전극 활성 재료(434)의 입자들을 포함한다. PME는 리튬 염, 중합체, 및 리튬 염을 위한 용매 또는 가소제를 포함할 수 있다.
도 4d는 활성 금속 전극 층(432)과 통합된 세퍼레이터(412) 및 도 4b의 전극(400)을 나타내는 배터리(430)의 개략도이다.
일부 실시양태에 따라, 하나 이상의 Li 염과 함께 고체 매트릭스로서의 하나 이상의 중합체 호스트에 의해 형성되는 고체 중합체 매트릭스 전해질 (PME)이 제공된다. 전해질에 대한 예시적인 중합체 호스트는 폴리(에틸렌 옥시드) (PEO), 폴리(프로필렌 옥시드) (PPO), 폴리(아크릴로니트릴) (PAN), 폴리(메틸 메타크릴레이트) (PMMA), 폴리(비닐 클로라이드) (PVC), 폴리(비닐리덴 플루오라이드) (PVdF), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌) (PVdF-HFP), 폴리이미드 (PI), 폴리우레탄 (PU), 폴리아크릴아미드 (PAA), 폴리(비닐 아세테이트) (PVA), 폴리비닐피롤리디논 (PVP), 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 (PEGDA), 폴리에스테르 (PET), 폴리프로필렌 (PP), 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN), 폴리카르보네이트 (PC), 폴리페닐렌 술피드 (PPS), 및 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 또는 이들 중 둘 이상의 조합 중합체 블렌딩 또는 공중합 기술에 의해 이온 전도도, 기계적 강도, 열 안정성 및 전기화학적 창 간에 균형 특성을 달성하도록 특정 중합체를 포함하나 이에 제한되지는 않는다.
중합체 전해질은 전해질 염, 전해질 중합체, 및 전해질 염이 용해되는 전해질 용매를 포함한다. 전해질 중합체의 예는 에테르-기반 중합체, 예컨대 폴리에틸렌 옥시드 및 가교된 폴리에틸렌 옥시드, 폴리메타크릴레이트 에스테르-기반 중합체, 아크릴레이트-기반 중합체 등을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 이들 중합체는 단독으로, 또는 둘 이상의 혼합물 또는 공중합체의 형태로 사용될 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 전해질 중합체는 플루오로탄소 중합체일 수 있다. 플루오로탄소 중합체의 예시적인 비제한적 예는 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF), 폴리비닐리덴-코(co)-헥사플루오로프로필렌 (PVDF-HFP) 등을 포함한다.
일부 실시양태에 따라, 전해질 중합체는 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리아크릴로니트릴의 공중합체일 수 있다. 아크릴로니트릴을 사용한 공중합을 위해 사용되는 단량체 (비닐 기반 단량체)의 비제한적 예는 비닐 아세테이트, 메틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 이타콘산, 수소화된 메틸 아크릴레이트, 수소화된 에틸 아크릴레이트, 아크릴아미드, 비닐 클로라이드, 비닐리덴 플루오라이드, 및 비닐리덴 클로라이드를 포함하나 이에 제한되지는 않는다.
일부 실시양태에 따라, 중합체 전해질에 사용되는 중합체 화합물은 폴리페닐렌 술피드 (PPS), 폴리(p-페닐렌 옥시드) (PPO), 액정 중합체 (LCP), 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK), 폴리프탈아미드 (PPA), 폴리피롤, 폴리아닐린, 및 폴리술폰일 수 있다. 열거된 중합체들 및 이들 중합체의 혼합물들의 단량체들을 포함한 공중합체들이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, p-히드록시벤조산의 공중합체는 적절한 액정 중합체 베이스 중합체, 예컨대 폴리(비닐 아세탈), 폴리(아크릴로니트릴), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리에스테르 (PET), 폴리프로필렌 (PP), 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN), 폴리카르보네이트 (PC), 폴리페닐렌 술피드 (PPS), 및 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 또는 이들 중 둘 이상의 조합일 수 있다. 후반 군 중의 특정 중합체, 및 블렌드 중의 그의 농도를 선택하여, 베이스 중합체 재료의 적어도 하나의 원하는 특성을 조절한다.
일부 실시양태에 따라, 베이스 중합체 재료는 기타 물질, 예컨대 아크릴레이트, 폴리에틸렌 옥시드 (PEO), 폴리프로필렌 옥시드 (PPO), 폴리(비스(메톡시-에톡시-에톡시드))-포스파젠 (MEEP), 폴리아크릴로니트릴 (PAN), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 폴리메틸-아크릴로니트릴 (PMAN) 등을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 전해질 중합체 재료는 아미노 기와 같은 염기성 기를 갖는 중합체를 포함할 수 있다. 전해질 중합체는 폴리비닐-계열 화합물 및 폴리아세틸렌-계열 중합체 화합물을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 전해질에 대한 베이스 중합체 재료는 폴리이미드 중합체를 포함할 수 있다. 적합한 폴리이미드 중합체는 미국 특허 제5,888,672호, 미국 특허 제7,129,005호 및 미국 특허 제7,198,870호에 기재되어 있다. 각각의 상기한 특허들은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
일부 실시양태에 따라, 베이스 중합체 재료는 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF), 폴리우레탄, 폴리에틸렌 옥시드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐피롤리디논, 폴리테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 이들 중 임의의 것의 공중합체, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 중합체를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 전해질 용매는 선형 또는 시클릭 구조를 갖는 카르본산의 하나 이상의 유기 에스테르, 즉, 디알킬 및 알켄 카르보네이트 (이는 실제로 이 목적을 위해서만 사용됨)를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 전해질 용매는 시클릭 구조를 갖는 에틸렌 카르보네이트 (EC), 및 선형 구조를 갖는 하나 이상의 디알킬 카르보네이트를 포함할 수 있다. 예시적인 디알킬 카르보네이트는 디메틸 카르보네이트 (DMC), 디에틸 카르보네이트 (DEC), 및 에틸메틸 카르보네이트 (EMC)를 포함한다. 혼합 용매 조성물이 다양한 구조를 갖는 에테르 또는 카르복실산 에스테르에 의해 보충될 수 있으나, 후자는 부착적인 역할을 한다.
하기 표 2에는, 사용될 수 있는 혼합 전해질 용매의 주요 성분들의 핵심 특성 및 구조가 나타나 있다. 혼합 용매 중의 리튬-염 용액의 이온 전도도 (σ)는 실온 근처에서 (1-10) x 10-3 S cm-1의 수준이어야 하며, 이는 -30 내지 +60℃의 온도에서 작동할 수 있는 리튬 이온 배터리를 제공한다.
표 2
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예시적인 전해질 용액은 에틸렌 카르보네이트 (EC), 디메틸 카르보네이트 (DMC), 디에틸 카르보네이트 (DEC), 및 에틸-메틸 카르보네이트 (EMC)를 포함한 알킬 카르보네이트와 LiPF6의 혼합물을 전해질 용액으로서 포함한다. 바람직하게는 이 군에 테트라메틸 포스페이트 (TMP)와 같은 난연성인 용매들이 포함된다.
연구를 통해, 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)아미드 (LiTFSA, LiN(SO2CF3)2)와 우레아 (둘 모두 실온에서 고체임)의 고농축 혼합물은 실온 용융 염처럼 거동하는 것으로 나타났다. 우레아 유도체, 아세트아미드, 및 2-옥사졸리디논과 LiTFSA 염에 기반한 유사한 시스템이 또한 사용될 수 있다.
가장 낮은 격자 에너지의 염들 중 하나인 Li[CF3SO2)2N] (LiTFSI), 및 1,3-디옥솔란 (DOL):디메톡시에탄 (DME) (1:1 부피 기준)을 전해질 용매로서 포함하는 전해질 시스템이 사용될 수 있다. 일부 실시양태에 따라, 이 전해질 시스템은 황을 캐소드 활성 재료로서 포함하는 Li 배터리 (즉, Li-S 배터리)에 사용될 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 전해질 용액은 리튬 염 (예를 들어, LiPF6)을, 에틸렌 카르보네이트 (EC)와 비-시클릭 카르보네이트, 예컨대 디메틸 카르보네이트 (DMC), 에틸 (메틸) 카르보네이트 (EMC) 또는 디에틸 카르보네이트 (DEC)와의 혼합물인 2원 또는 3원 용매 내로 용해시킴으로써 제조될 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 프로필렌 카르보네이트 (PC)는, EC가 있는 용매의 공융점을 낮출 수 있는 낮은 융점 (약 -48.8℃)으로 인해, 특히 저온 작동을 위한 리튬 이온 배터리용 비수성 전해질을 위한 전해질 용매로서 사용될 수 있다. 유감스럽게도, PC는 리튬 이온 배터리 내의 용매 성분으로서 널리 사용되지 않는데, 그 이유는 PC가 흑연 전극 표면 상에서 쉽게 분해될 수 있고 리튬 이온들과 흑연 전극 내로 공동 삽입되어, 흑연 전극이 유의하게 박락되게 하고 흑연 전극의 가역 용량을 감소시키거나 또는 심지어 흑연 전극의 사이클링 수행이 용량 손실을 유발하기 때문이다.
Li 염을 함유하는 메틸 프로필 카르보네이트 (MPC) 용액은 에틸렌 카르보네이트 (EC)의 첨가 없이 단일-용매 전해질로서 사용될 수 있다. 흑연 전극은 LiPF6 및 LiAsF6을 함유하는 MPC 용액에서 높은 가역 용량으로 사이클링될 수 있다. Li-이온 기반 전해질에서 MPC 및 에틸 메틸 카르보네이트 (EMC)와 같은 비-시클릭 비대칭 알킬 카르보네이트 용매를 사용하면 흑연 전극의 안정성이 증가한다. 흑연 전극 상에서 안정한 표면 필름을 얻기 위해 EMC 용액에서 공용매로서 소량의 EC가 여전히 필요하지만, MPC 용액 (EC 미첨가) 중에서 흑연 상에 생성된 표면 필름은 매우 안정하여 가역적 Li-이온 층간삽입이 가능하다. 이러한 추세를 이해하기 위해, 본 발명자들은 전기화학 연구와 함께 MPC 용액 중에서 리튬 및 탄소 전극들 상에 전개된 표면 화학을 조사하였다.
4급 암모늄 양이온 및 이미드 음이온을 함유하는 일부 실온의 이온성 액체를 제조하고, 전기화학적으로 평가하고, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 양이온을 갖는 종래의 실온 이온성 액체 시스템과 비교하였다. 리튬 배터리 시스템의 전해질 베이스로서의 염의 능력은 염의 캐소드 안정성에 의해 적어도 부분적으로 설명되었다. 그러나, 다른 특성들 또한 영향을 미칠 수 있다. 이와 같은 유형의 예시적인 비제한적 염은 N-메틸-N-프로필피페리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드를 포함한다.
열, 이온 또는 기타 특성이 개선된 염들을 설계하려는 시도로 최근 몇 해 LiPF6 및 LiBF4를 모방한 여러 염들이 합성된 바 있다. 예를 들어, 중심 원자 주위의 리간드들로 구성된 음이온 (예를 들어, PF6-, ClO4-)에서부터, 큰 착물 음이온, 예를 들어 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 (TFSI 또는 경우에 따라서는 TFSA) 및 유기 리간드 기반 음이온, 예를 들어 비스(옥살레이트)보레이트 (BOB)까지 진화가 있었다. LIB에 대해 종합적으로 연구된 Li-염들의 한 범주는 술포닐 기를 함유한다. 트리플레이트는 이 부류에서 가장 단순한 음이온이지만, 2개의 x-플루오로술포닐 (x=1-5) 기를 갖는 이미드-기반 음이온, 예컨대 비스(플루오로술포닐)이미드 (FSI), TFSI, 및 비스(퍼플루오로에탄술포닐)이미드 (BETI 또는 경우에 따라서는 PFSI)가 최근 더 많은 주목을 받고 있다. 이들 음이온의 보편적인 문제는 이의 전해질에 의한 알루미늄 부식이지만, 적절한 전해질 용매 또는 첨가제를 적용하여 부식을 감소시킬 수 있다. 또한, 이 부류의 두개의 새로운 Li-염, 즉, 리튬시클로-디플루오로메탄-1,1-비스(술포닐)이미드 (LiDMSI) 및 리튬-시클로-헥사플루오로프로판1,1-비스(술포닐)이미드 (LiHPSI)는 흑연 애노드 상에서 안정한 SEI를 형성하고 Al 집전체를 LiTFSI보다 유의하게 더 우수하게 부동태화시키는 것으로 보고된 바 있다. 그 밖의 도출물들은, 이와 같은 더 큰 벌크 음이온 성분을 위한 화학 성분, 예컨대 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트 (FAP) (PF6 -로부터 모방 및 유래됨), 퍼플루오로알킬트리플루오로보레이트 CnF(2n+1)BF3 (여기서, n=1-4)의 부류 (BF4 -의 대안으로서), 및 리튬 디플루오로(옥살레이토)보레이트 (LiDFOB)와, 플루오린 및 옥살레이트의 상이한 리간드들의 조합과의 혼합물 둘 모두가 조합된 화합물들을 포함한다. 이들 염 중 임의의 것이 본원에 기재된 PME에서 사용될 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드 (LiFSI)가 리튬-이온 배터리용 리튬 염으로서 사용될 수 있다. 순수한 LiFSI 염은 145℃의 융점을 나타내며, 200℃까지 열적으로 안정하다. 그것은 LiPF6보다 가수분해에 대해 훨씬 더 우수한 안정성을 나타낸다. 에틸렌 카르보네이트 (EC)/에틸 메틸 카르보네이트 (EMC) (3:7, v/v)의 혼합물 중의 1.0 M (= mol dm-3)의 농도로 연구된 다양한 리튬 염들 중에는 LiFSI > LiPF6 > Li[N(SO2CF3)2] (LiTFSI) > LiClO4 > LiBF4의 순서로 LiFSI가 가장 높은 전도도를 나타낸다.
비스(옥살레이토)보레이트 (BOB) 및 보다 최근의 F-무함유 음이온, 예컨대 테트라시아노보레이트 (바이슨(Bison)) 및 디시아노트리아졸레이트 (DCTA 또는 경우에 따라서는 TADC)가 LIB에 대한 흥미로운 후보물들이다. 이들 예는 특유하고 고유한 이점들을 갖지만, 이들이 LiPF6을 대체할 수 없다는 결점을 갖는다. BOB 음이온은 애노드 및 캐소드 둘 모두 상에서 상계면(interphase)의 형성에 가담하여 셀 성능을 개선시키는 것으로 알려져 있으나, LiBOB는 대부분의 비양성자성 용매에서 제한된 용해도를 갖는다. 바이슨 및 DCTA는 둘 모두 높은 열 안정성을 갖지만, 이들의 Li-염 전해질의 이온 전도도가 낮고 산화 전위가 비교적 낮다. 증가된 안전 위험 및 생산 비용의 희생으로 F 종들을 첨가함으로써 이들 염의 특성을 개선시키려는 시도가 있어 왔다. BOB 음이온의 특성을 조정하기 위해 비스(플루오로말로네이토)보레이트 (BFMB)를 포함한 여러 보레이트-기반 음이온이 합성된 바 있다. 유사하게, 디시아노-트리플루오로메틸-이미다졸 (TDI) 및 디시아노-펜타플루오로에틸이미다졸 (PDI)뿐만 아니라 기타 이미다졸 또는 벤즈이미다졸 기반 음이온이 DCTA에 비해 더 유망한 것으로 나타났다.
본원에 기재된 바와 같은 배터리의 캐소드는 캐소드 또는 정극(positive) 활성 재료를 포함한다. 다양한 예시적인 캐소드 활성 재료는 하기에 기재된다. 하기 설명은 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 다른 캐소드 활성 재료들이 사용될 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 캐소드 활성 재료는 하기 화학식 LixNiaMnbCocO의 화합물일 수 있으며, 여기서 x는 약 0.05 내지 약 1.25의 범위이고, c는 약 0.1 내지 약 0.4의 범위이고, b는 약 0.4 내지 약 0.65의 범위이고, a는 약 0.05 내지 약 0.3의 범위이다.
일부 실시양태에 따라, 캐소드 활성 재료는 하기 화학식 LixAyMaM'bO2의 화합물일 수 있으며, 여기서 M 및 M'은 철, 망가니즈, 코발트 및 마그네슘으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 구성원이고; A는 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 니켈 및 니오븀으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 구성원이고; x는 약 0.05 내지 1.25의 범위이고; y는 0 내지 1.25의 범위이고, M은 Co, Ni, Mn, Fe이고; a는 0.1 내지 1.2의 범위이고; b는 0 내지 1의 범위이다.
일부 실시양태에 따라, 캐소드 활성 재료는 화학식 LixAyMaM'bPO4로 나타내어지는 올리빈 화합물일 수 있으며, 여기서 M 및 M'은 독립적으로 철, 망가니즈, 코발트 및 마그네슘으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 구성원이고; A는 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 니켈 및 니오븀으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 구성원이고; x는 약 0.05 내지 1.25의 범위이고; y는 0 내지 1.25의 범위이고; a는 0.1 내지 1.2의 범위이고; b는 0 내지 1의 범위이다. 일부 실시양태에 따라, M은 Fe 또는 Mn일 수 있다. 일부 실시양태에 따라, 올리빈 화합물은 LiFePO4 또는 LiMnPO4 또는 이들의 조합들이다. 일부 실시양태에 따라, 올리빈 화합물은 탄소와 같이 높은 전기 전도도를 갖는 재료로 코팅된다. 일부 실시양태에 따라, 코팅된 올리빈 화합물은 탄소-코팅된 LiFePO4 또는 탄소-코팅된 LiMnPO4일 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 캐소드 활성 재료는 LiMn2O4의 실험식으로 나타내어지는 망가네이트 스피넬(spinel)일 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 캐소드 활성 재료는 화학식 LixAyMaM'bO4로 나타내어지는 스피날(spinal) 재료일 수 있으며, 여기서 M 및 M'은 독립적으로 철, 망가니즈, 코발트 및 마그네슘으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 구성원이고; A는 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 니켈 및 니오븀으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 구성원이고; x는 약 0.05 내지 1.25이고; y는 0 내지 1.25이고; a는 0.1 내지 1.2이고; b는 0 내지 1의 범위이다.
일부 실시양태에 따라, 리튬 이온 배터리는 기준 균질 전기활성 리튬 금속 산화물 조성에 비해 리튬 풍부한 양극 활성 재료를 사용할 수 있다. 이론에 의해 제한하고자 하는 의도는 없지만, 적절하게 형성된 리튬-풍부 리튬 금속 산화물은, 예를 들어 Li2MnO3이 층상 LiMnO2 구성요소 또는 스피넬 LiMn2O4 구성요소, 또는 망가니즈 이온이 등가 산화 상태를 갖는 다른 전이 금속 이온으로 치환된 유사한 복합 조성과 구조적으로 통합된 복합 결정 구조를 갖는다고 생각된다. 일부 실시양태에서, 양극 재료는 xLiMO2·(1-x)Li2M'O3으로서 두 구성요소 표기로 나타낼 수 있으며, 여기서 M은 적어도 1개의 이온이 Mn3+, Co3+ 또는 Ni3+인 3가 금속 이온들 중 하나 이상이고, M'은 하나 이상의 4가 금속 이온이고, 0 <x<1이다.
일부 실시양태에 따라, 리튬 이온 배터리는 황, 고분자황(polysulfur), 및 금속의 술피드 및 금속의 폴리술피드 중 적어도 하나의 형태의 황을 포함하는 활성 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 양극 활성 재료를 사용할 수 있다.
본 발명의 배터리에서 사용되는 캐소드 또는 양극은 비교적 낮은 당량을 갖는 황-기반 재료를 포함할 수 있다. 복합재일 수 있는 전극은 그의 이론적으로 완전히 충전된 상태의 황 및 전자 전도성 재료를 포함한다. 일부 방전 상태에서, 양극은 술피드 및 폴리술피드 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이는 음극에서 발견되는 금속 또는 금속들의 술피드 및 폴리술피드이다. 일부 실시양태에 따라, 완전히 충전된 전극은 또한 소정량의 그러한 술피드 및/또는 폴리술피드를 포함할 수 있다.
본원에 기재된 바와 같은 배터리의 애노드는 애노드 또는 부극(negative) 활성 재료를 포함한다. 다양한 예시적인 애노드 활성 재료는 하기에 기재된다. 하기 설명은 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 다른 애노드 활성 재료들이 사용될 수 있다.
부극 또는 애노드 활성 재료는 리튬이 재료 내에 삽입되거나 그로부터 제거되는 것을 가능케 하는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료의 예는 탄소질 재료, 예를 들어 비-흑연 탄소, 인공 탄소, 인공 흑연, 천연 흑연, 열분해성 탄소, 코크스, 예컨대 피치(pitch) 코크스, 니들(needle) 코크스, 석유 코크스, 흑연, 유리질 탄소, 또는 열처리된 유기 중합체 화합물 (페놀 수지, 푸란 수지, 또는 유사물의 탄화에 의해 수득), 탄소 섬유, 및 활성 탄소를 포함한다. 일부 실시양태에 따라, 금속 리튬, 리튬 합금, 및 이들의 합금 또는 화합물이 부극 활성 재료로서 사용될 수 있다. 리튬과 합금 또는 화합물을 형성하기 위해 사용된 금속 원소 또는 반도체 원소는 예컨대 규소 또는 주석 (예를 들어, 전이 금속으로 도핑된 비결정질 주석)을 포함하나 이에 제한되지는 않으나 IV족 금속 원소 또는 반도체 원소일 수 있다. 일부 실시양태에 따라, 애노드 활성 재료는, 흑연, 또는 상기한 탄소질 재료들 중 임의의 것, 코발트 또는 철/니켈로 도핑된 비결정질 주석 또는 규소를 포함한다. 일부 실시양태에 따라, 애노드 재료는, 리튬이 비교적 낮은 전위에서 산화물 내에 삽입되거나 그로부터 제거되는 것을 가능케 하는 산화물들을 포함할 수 있다. 예시적인 산화물은 철 산화물, 루테늄 산화물, 몰리브데넘 산화물, 텅스텐 산화물, 티타늄 산화물, 및 주석 산화물을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 규소 산화물 및 질화물이 또한 부극 활성 재료로서 사용될 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 부극 또는 애노드 활성 재료는 리튬 티타네이트 (LTO)를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 유리 매트릭스 음극, 예컨대 Li/SnO 및 Li/SiO가 또한 본 발명의 배터리에서 사용될 수 있다.
상기 명세서에는 예시를 목적으로 제공된 예들과 함께 본 발명의 원리들이 교시되어 있지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자라면 상기 개시내용을 읽음으로써, 본 발명의 진정한 범주로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부사항에서 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 인지할 것이다.

Claims (20)

  1. 재충전가능 리튬 배터리로서,
    애노드 결합제 중합체 및 애노드 활성 재료를 포함하는 애노드;
    캐소드 결합제 중합체 및 캐소드 활성 재료를 포함하는 캐소드; 및
    전해질 중합체, 리튬 염, 및 전해질 용매 및/또는 가소제를 포함하는 중합체-매트릭스 전해질 (PME)
    을 포함하고,
    중합체-매트릭스 전해질은 애노드와 캐소드 사이에 있고, 애노드 및 캐소드와 직접 접촉하여 배터리 셀을 형성하고;
    중합체-매트릭스 전해질이 인접 애노드 및 캐소드로 상호침투하여 일체형 구조를 형성하는, 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 전해질 용매가 알킬 카르보네이트를 포함하는, 배터리.
  3. 제1항에 있어서, 전해질 용매가 에틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸-메틸 카르보네이트, 메틸 프로필 카르보네이트, 디메틸아세트아미드 (DMAc), 디메톡시에탄 (DME), 난연성 용매, 및 이들의 조합들 중 하나 이상을 포함하는, 배터리.
  4. 제1항에 있어서, 리튬 염이 LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO4), Li(BF4), LiPF6, Li(AsF6), Li(CH3CO2), Li(CF3SO3), Li(CF3SO2)2N, Li(CF3SO2)3, Li(CF3CO2), Li(B(C6H5)4), Li(SCN), LiB(C2O4)2, Li(NO3), 리튬 비스(트리플루오로술포닐)이미드 (LiTFSI) 및 리튬 비스(옥살레이토)보레이트 (LiBOB) 중 하나 이상을 포함하는, 배터리.
  5. 제4항에 있어서, 리튬 염이 LiPF6 또는 Li(CF3SO2)2N인, 배터리.
  6. 제1항에 있어서, 캐소드 활성 재료가
    하기 화학식 LixNiaMnbCocO의 화합물 - x는 약 0.05 내지 약 1.25이고, c는 약 0.0 내지 약 0.4이고, b는 약 0.0 내지 약 0.65이고, a는 약 0.05 내지 약 1.0임 -;
    하기 화학식 LixAyMaM'bO2의 화합물 - M 및 M'은 철, 망가니즈, 코발트, 알루미늄 및 마그네슘으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 구성원이고; A는 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 니켈 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고; x는 약 0.05 내지 1.25이고; y는 0 내지 1.25이고, M은 Co, Ni, Mn, Fe이고; a는 0.1 내지 1.2의 범위이고; b는 0 내지 1의 범위임 -;
    화학식 LixAyMaM'bPO4로 나타내어지는 올리빈 화합물 - M 및 M'은 독립적으로 철, 망가니즈, 코발트 및 마그네슘으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 구성원이고; A는 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 니켈 및 니오븀으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 구성원이고; x는 약 0.05 내지 1.25이고; y는 0 내지 1.25이고; a는 0.1 내지 1.2이고; b는 0 내지 1임 -;
    LiMn2O4의 실험식으로 나타내어지는 망가네이트 스피넬(spinel) 화합물; 및
    화학식 LixAyMaM'bO4 로 나타내어지는 스피날(spinal) 화합물 - M 및 M'은 독립적으로 철, 망가니즈, 코발트 및 마그네슘으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 구성원이고; A는 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 니켈 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고; x는 약 0.05 내지 1.25이고; y는 0 내지 1.25이고; a는 0.1 내지 1.2이고; b는 0 내지 1임 -
    중 하나 이상을 포함하는 군으로부터 선택된, 배터리.
  7. 제1항에 있어서, 캐소드 활성 재료가 하기 화학식:
    LixAyMaM'bPO4
    로 나타내어지는 올리빈 화합물이고,
    M은 Fe 또는 Mn인, 배터리.
  8. 제7항에 있어서, 캐소드 활성 재료가 LiFePO4 또는 LiMnPO4 또는 이들의 조합들을 포함하는, 배터리.
  9. 제7항에 있어서, 캐소드 활성 재료가 탄소-코팅된 LiFePO4 또는 탄소-코팅된 LiMnPO4를 포함하는, 배터리.
  10. 제1항에 있어서, 애노드 활성 재료가
    탄소질 재료들;
    규소 또는 주석으로 도핑된 탄소질 재료들;
    금속 리튬, 리튬 합금들 또는 리튬 화합물;
    코발트 또는 철/니켈로 도핑된 비결정질 주석;
    철 산화물, 루테늄 산화물, 몰리브데넘 산화물, 텅스텐 산화물, 티타늄 산화물 및 주석 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물;
    규소 산화물들; 및
    규소 질화물들
    중 하나 이상을 포함하는, 배터리.
  11. 제10항에 있어서, 애노드 활성 재료가 탄소질 재료인, 배터리.
  12. 제10항에 있어서, 애노드 활성 재료가 비-흑연 탄소, 인공 탄소, 인공 흑연, 천연 흑연, 열분해성 탄소들 및 활성 탄소 중 하나 이상을 포함하는, 배터리.
  13. 제10항에 있어서, 애노드 활성 재료가 리튬 및 규소 또는 주석의 화합물을 포함하는, 배터리.
  14. 제1항에 있어서, 애노드 활성 재료가 흑연이고, 캐소드 활성 재료가 하기 화학식
    LixNiyCoaMnbO2
    의 화합물이고,
    x는 약 0.05 내지 1.25이고;
    y는 0 내지 1.25이고;
    a는 0.1 내지 1.2이고;
    b는 0 내지 1인, 배터리.
  15. 제1항에 있어서, 애노드 활성 재료가 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2인, 배터리.
  16. 제1항에 있어서, 전해질 중합체, 캐소드 결합제 중합체 및 애노드 결합제 중합체가 각각 독립적으로 플루오로탄소 중합체; 폴리아크릴로니트릴 중합체; 폴리페닐렌 술피드 (PPS); 폴리(p-페닐렌 옥시드) (PPE); 액정 중합체 (LCP); 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK); 폴리프탈아미드 (PPA); 폴리피롤; 폴리아닐린; 폴리술폰; 아크릴레이트 중합체; 폴리에틸렌 옥시드 (PEO); 폴리프로필렌 옥시드 (PPO); 폴리(비스(메톡시-에톡시-에톡시드))-포스파젠 (MEEP); 폴리아크릴로니트릴 (PAN); 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA); 폴리메틸-아크릴로니트릴 (PMAN); 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 (PEGDA); 폴리이미드 중합체; 이들 중합체들의 단량체들을 포함하는 공중합체들; 및 이들 중합체들의 혼합물들 중 하나 이상을 포함하는 군으로부터 선택된, 배터리.
  17. 제16항에 있어서, 전해질 중합체, 캐소드 결합제 중합체 및 애노드 결합제 중합체 각각이 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 및 폴리비닐리덴-코(co)-헥사플루오로프로필렌 (PVDF-HFP) 및 이들의 조합들 중 하나 이상을 포함하는, 배터리.
  18. 제16항에 있어서, 전해질 중합체, 캐소드 결합제 중합체 및 애노드 결합제 중합체 각각이 플루오로탄소 중합체와 폴리이미드의 혼합물을 포함하는, 배터리.
  19. 제18항에 있어서, 전해질 중합체, 캐소드 결합제 중합체 및 애노드 결합제 중합체 각각이 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF)와 폴리이미드의 혼합물을 포함하는, 배터리.
  20. 제1항에 있어서,
    캐소드 활성 재료가 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2이고;
    애노드 활성 재료가 흑연이고;
    리튬 염이 LiPF6 또는 Li(CF3SO2)2N이고;
    전해질 용매가 에틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸-메틸 카르보네이트, 메틸 프로필 카르보네이트, 디메틸아세트아미드 (DMAc), 디메톡시에탄 (DME) 및 이들의 조합들 중 하나 이상을 포함하고;
    전해질 중합체, 캐소드 결합제 중합체 및 애노드 결합제 중합체 각각이 독립적으로 플루오로탄소 중합체, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 포함하는, 배터리.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024054017A1 (ko) * 2022-09-06 2024-03-14 주식회사 엘지에너지솔루션 전극 조립체 및 리튬 이차 전지

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11715863B2 (en) 2018-08-08 2023-08-01 Brightvolt, Inc. Solid polymer matrix electrolytes (PME) and methods and uses thereof
US11855258B2 (en) * 2020-06-08 2023-12-26 Cmc Materials, Inc. Secondary battery cell with solid polymer electrolyte
EP4226439A1 (en) * 2020-10-06 2023-08-16 BrightVolt, Inc. Solid polymer matrix electrolytes (pme) and methods and uses thereof
GB2601480A (en) * 2020-11-26 2022-06-08 Dyson Technology Ltd Composite cathode material
US20220399571A1 (en) * 2021-06-10 2022-12-15 Brightvolt, Inc. Processes for making batteries comprising polymer matrix electrolytes
CN113394376B (zh) * 2021-06-16 2022-07-01 哈尔滨工业大学 一种耐高压固态电池复合正极及其制备方法
CN114976229B (zh) * 2022-05-25 2024-04-19 济南大学 一种制备锂电池用四氟乙烯基聚合物电解质的方法
WO2023249834A1 (en) * 2022-06-20 2023-12-28 Pacific Industrial Development Corporation Hybrid batteries with ionic conductive electrodes

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7579112B2 (en) * 2001-07-27 2009-08-25 A123 Systems, Inc. Battery structures, self-organizing structures and related methods
JP4674660B2 (ja) * 2003-03-31 2011-04-20 パイオトレック株式会社 複合高分子電解質組成物
KR100570677B1 (ko) * 2003-09-26 2006-04-12 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지
US7649730B2 (en) * 2007-03-20 2010-01-19 Avx Corporation Wet electrolytic capacitor containing a plurality of thin powder-formed anodes
US9368831B2 (en) * 2013-06-10 2016-06-14 Nanotek Instruments, Inc. Lithium secondary batteries containing non-flammable quasi-solid electrolyte
FR3010236B1 (fr) * 2013-09-05 2017-01-13 Arkema France Additifs pour ameliorer la conductivite ionique des electrodes de batteries li-ion
JP6553078B2 (ja) * 2014-10-31 2019-07-31 三洋電機株式会社 電池
US10745526B2 (en) * 2014-11-03 2020-08-18 Hydro-Quebec Crosslinked polymer based on a random copolymer and a volatile polyaminated crosslinking agent and processes for producing same
CN107112603B (zh) * 2015-09-16 2019-10-01 株式会社东芝 组电池及电池包

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024054017A1 (ko) * 2022-09-06 2024-03-14 주식회사 엘지에너지솔루션 전극 조립체 및 리튬 이차 전지

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