KR102625464B1 - 에너지 저장 장치, 그 애노드 및 에너지 저장 장치의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
에너지 저장 장치는 캐소드, 애노드, 및 캐소드와 애노드 사이의 세퍼레이터를 포함할 수 있고, 애노드는 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 포함한다. 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분은 경질 탄소를 포함하고, 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분은 흑연 또는 연질 탄소를 포함할 수 있다. 경질 탄소 대 흑연 또는 경질 탄소 대 연질 탄소의 비는 1:19 내지 19:1일 수 있다. 애노드는 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분, 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분을 포함할 수 있다. 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분은 경질 탄소를 포함할 수 있고, 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분은 연질 탄소를 포함할 수 있고, 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분은 흑연을 포함할 수 있다.
Description
관련 출원 상호 참조
본 출원은 2014년 4월 8일에 출원된, "FORMULATIONS FOR AND METHODS OF FABRICATING ENERGY STORAGE DEVICE ELECTRODES"을 명칭으로 하는, 미국 가 특허 출원 제61/976977호의 이익을 주장하고, 개시 내용은 본원에 전체 참조로 포함되어 있다.
임의의 우선권 출원의 참조에 의한 포함
본 출원에 의해 제출된 출원 데이터 시트에서 해외 또는 미국 우선권 주장이 확인되는 모든 출원은 37 CFR 1.57하에서 본원에 참조로 포함되어 있다.
기술분야
본 발명은 에너지 저장 장치, 구체적으로 에너지 저장 장치 전극의 조성물 및 제조 방법에 관한 것이다.
다양한 형태의 에너지 저장 장치는, 예를 들면, 캐패시터, 배터리, 캐패시터-배터리 하이브리드 및/또는 연료 전지를 포함하는 전자 장치를 구동하기 위해서 사용될 수 있다. 개선된 전극 제형 및/또는 제작 공정을 사용하여 제조된 전극을 갖는 에너지 저장 장치, 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터는, 개선된 캐패시터 전기적 성능을 촉진할 수 있다. 개선된 전극 제형 및/또는 제조 공정을 사용해서 제조된 전극을 갖는 리튬 이온 캐패시터는, 개선된 사이클링 성능, 감소한 등가 직렬 저항(ESR), 증가한 파워 밀도 성능 및/또는 증가한 에너지 밀도 성능을 입증할 수 있다. 개선된 전극 제형 및/또는 제조 공정에 의해 에너지 저장 장치의 제조 비용 감소를 촉진할 수 있다.
실시형태는 캐소드, 애노드, 및 애노드와 캐소드 사이의 세퍼레이터를 포함한다. 애노드는 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 에너지 저장 장치는 리튬 이온 캐패시터를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 에너지 저장 장치는 리튬 이온 배터리의 애노드 및 캐소드를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분은 경질 탄소일 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분은 연질 탄소 또는 흑연일 수 있다.
에너지 저장 장치는 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분은 연질 탄소 또는 흑연 중 다른 하나일 수 있다.
일 실시형태에서, 애노드는 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 약 1:19 내지 약 19:1의 비로 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 비는 약 1:1이다. 일 실시형태에서, 애노드는, 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 약 80 중량% 내지 약 97 중량% 포함한다.
일 실시형태에서, 에너지 저장 장치의 애노드는 에너지 저장 장치의 전기 전도도를 개선하기 위해서 구성되는 전도성 첨가제를 포함할 수 있다.
실시형태는 에너지 저장 장치의 애노드를 포함하고, 애노드는 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 에너지 저장 장치는 리튬 이온 캐패시터를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분은 경질 탄소일 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분은 연질 탄소 또는 흑연일 수 있다.
애노드는 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 애노드는 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 약 1:19 내지 약 19:1의 비로 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 애노드는 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 약 80 중량% 내지 약 97 중량% 포함할 수 있다.
실시형태는 에너지 저장 장치의 제조 방법을 포함하고, 상기 방법은 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분을 제공하는 단계; 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 제공하는 단계; 피브릴화 가능한 바인더 성분을 제공하는 단계; 및 상기 피브릴화 가능한 바인더 성분, 상기 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 합하여 전극을 형성하는 전극 필름 혼합물을 제공하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분은 경질 탄소일 수 있고 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분은 연질 탄소 또는 흑연일 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분은 연질 탄소일 수 있고 전극 필름 혼합물은 경질 탄소 및 연질 탄소를 약 1:1의 비로 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분을 제공하는 단계를 포함할 수 있고, 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분은 흑연일 수 있다.
일 실시형태에서, 전극 혼합물은, 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분, 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분을 약 80 중량% 내지 약 97 중량% 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 방법은, 피브릴화된 바인더 성분(fibrillized binder component) 및 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 포함하는 전극 혼합물을 제공하기 위해, 피브릴화 가능한 바인더 성분을 피브릴화하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 방법은, 전극 필름을 형성하기 위해, 피브릴화된 바인더 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 포함하는 전극 필름 혼합물을 압축하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 방법은, 전도성 탄소 성분을 제공하는 단계, 및 전도성 탄소 성분을 피브릴화 가능한 바인더 성분, 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분과 합하여 전극 필름 혼합물을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 에너지 저장 장치는 리튬 이온 캐패시터를 포함할 수 있고, 전극은 리튬 이온 캐패시터의 애노드를 포함할 수 있다.
본 발명 및 종래 기술에서 얻어진 이점을 요약하기 위해서, 특정한 목적 및 이점이 본원에 기재되어 있다. 물론, 임의의 특정 실시형태에 따라서 이러한 모든 목적 또는 이점이 반드시 달성될 필요는 없는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들면, 당업자는, 하나의 이점 또는 이점의 그룹을 달성하거나 최적화하고, 반드시 그 외의 목적 또는 이점을 달성해야 하는 것은 아닌 방법으로 구현되거나 수행될 수 있는 것을 인식할 것이다.
이러한 모든 실시형태는 본원에 개시된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 이러한 및 그 외의 실시형태는 첨부된 도면을 참조하고 상세한 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명확하게 되며, 본 발명이 임의의 특정한 개시된 실시형태로 제한되지 않는 것으로 의도된다.
본 개시 내용의 이러한 및 기타 특성, 형태, 및 이점은 특정한 실시형태의 도면을 참조해서 기재되고, 특정한 실시형태를 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
도 1은 일 실시형태에 따른 에너지 저장 장치의 실시예의 개략 측단면도를 도시한다.
도 2는 에너지 저장 장치의 애노드의 제조 공정의 실시예를 도시한다.
도 3은 에너지 저장 장치의 실시예의 전기용량 및 등가 직렬 저항(ESR)의 성능이 표로 열거된다.
도 4a 및 4b는 에너지 저장 장치의 실시예의 전기화학적 임피던스 분광법 성능을 도시한다.
도 5는 에너지 저장 장치의 실시예의 사이클링 성능을 도시한다.
도 6은 에너지 저장 장치의 실시예의 전기용량 및 등가 직렬 저항(ESR) 성능이 표로 열거된다.
도 7은 에너지 저장 장치의 실시예의 사이클링 성능을 도시한다.
도 8은 에너지 저장 장치의 실시예의 전기용량 및 등가 직렬 저항(ESR) 성능이 표로 열거된다.
도 9는 에너지 저장 장치의 실시예의 전기용량 및 등가 직렬 저항(ESR) 성능이 표로 열거된다.
도 10은 에너지 저장 장치의 실시예의 전기용량 및 등가 직렬 저항(ESR) 성능이 표로 열거된다.
도 1은 일 실시형태에 따른 에너지 저장 장치의 실시예의 개략 측단면도를 도시한다.
도 2는 에너지 저장 장치의 애노드의 제조 공정의 실시예를 도시한다.
도 3은 에너지 저장 장치의 실시예의 전기용량 및 등가 직렬 저항(ESR)의 성능이 표로 열거된다.
도 4a 및 4b는 에너지 저장 장치의 실시예의 전기화학적 임피던스 분광법 성능을 도시한다.
도 5는 에너지 저장 장치의 실시예의 사이클링 성능을 도시한다.
도 6은 에너지 저장 장치의 실시예의 전기용량 및 등가 직렬 저항(ESR) 성능이 표로 열거된다.
도 7은 에너지 저장 장치의 실시예의 사이클링 성능을 도시한다.
도 8은 에너지 저장 장치의 실시예의 전기용량 및 등가 직렬 저항(ESR) 성능이 표로 열거된다.
도 9는 에너지 저장 장치의 실시예의 전기용량 및 등가 직렬 저항(ESR) 성능이 표로 열거된다.
도 10은 에너지 저장 장치의 실시예의 전기용량 및 등가 직렬 저항(ESR) 성능이 표로 열거된다.
하기에 특정 실시형태 및 실시예가 기재되어 있지만, 당업자는 본 발명이 특정하게 개시된 실시형태 및/또는 사용, 그 명백한 변경 및 상응 부분을 넘어서 확장되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본원에 개시된 본 발명의 범위가 하기 기재된 임의의 특정한 실시형태로 한정되지 않는 것으로 의도된다.
일 실시형태에서, 개선된 전기적 성능 특징을 갖는, 에너지 저장 장치, 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터 (LiC)가 제공된다. 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터는 2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분, 예를 들면, 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분, 및 리튬이 삽입된 제1 탄소 성분과 상이한 물질인 추가의 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 포함하는 애노드를 가질 수 있다. 예를 들면, 리튬이 삽입된 제1 탄소 성분은 경질 탄소일 수 있다. 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분은 연질 탄소 또는 흑연일 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터는 3개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 사용하여 제조된 애노드를 가질 수 있다. 예를 들면, 애노드는 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분으로서 경질 탄소, 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분으로서 연질 탄소, 및 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분으로서 흑연을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드는 3개 초과의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 포함할 수 있다.
2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 갖는 애노드는, 2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 서로에 대해 다양한 비로 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 애노드는 2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 약 1:9 내지 약 9:1의 비로 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 비는 약 1:1일 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 비는 약 7:3 또는 약 3:7일 수 있다. 3개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 갖는 애노드는 3개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 서로에 대해 다양한 비로 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 애노드는 3개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 약 1:1:1의 비로 포함할 수 있다.
본원에 사용된 연질 탄소는, 열분해 공정을 수행하는 경우 열분해되기 전에 용융된 흑연화 가능한 탄소 전구체로부터 형성된 탄소 물질을 의미하는 당해 분야의 용어이다. 예를 들면, 연질 탄소는, 흑연화 가능한 탄소 전구체 물질을, 산소에 노출하지 않거나 실질적으로 노출하지 않고, 상승 온도, 예를 들면, 약 600 ℃ 내지 약 2,500℃의 온도에서 행함으로써 형성되는 흑연 구조체를 포함하는 탄소 물질을 의미한다. 흑연화 가능한 탄소 전구체는, 탄소 전구체가 열분해 공정 중에 약 600 ℃ 내지 약 2,500℃의 온도로 가열될 때, 약 200℃ 내지 약 500℃의 온도에서 용융되거나 유체 상태를 나타낼 수 있다. 연질 탄소는, 흑연 (예를 들면, 천연 흑연 또는 합성 흑연)보다 짧은 장거리 구조 질서(long range structural order)를 갖는 흑연 구조체를 나타낼 수 있다. 일 실시형태에서, 연질 탄소 석유 코크스 및/또는 안트라센으로부터 형성된 하나 이상의 탄소 물질을 포함할 수 있다.
본원에 사용된 경질 탄소는, 열분해 공정을 수행하는 경우 전구체로서 차(char)가 열분해되는, 비-흑연화 가능한 탄소 전구체로부터 형성된 탄소물질을 의미하는 당해 분야의 용어이다. 예를 들면, 경질 탄소는, 흑연 구조체를 나타내지 않고, 산소 부재 또는 실질적으로 산소 부재시, 상승 온도, 예를 들면, 약 600℃ 내지 약 2,500℃의 온도에 노출된 비-흑연화 가능한 탄소 전구체로부터 형성된 탄소 물질을 의미한다. 일 실시형태에서, 경질 탄소는, 석유 피치 및/또는 수크로오스로부터 형성된 하나 이상의 탄소 물질을 포함할 수 있다.
본원에 사용된, 흑연은 많은 천연 발생 및/또는 합성 흑연을 의미하는 당해 분야의 용어이다. 일 실시형태에서, 천연 발생 흑연은 플레이크 흑연 및/또는 우수하게 배향된 열분해 흑연을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 합성 흑연은 유기 전구체를 약 3000℃ 이상의 온도로 가열하여 형성된 흑연을 포함할 수 있다. 예를 들면, 합성 흑연은 석유 코크스 및/또는 콜타르 피치를 약 3000℃ 이상의 온도로 가열하여 형성된 흑연을 포함할 수 있다.
2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 포함하는 리튬 이온 캐패시터는, 예를 들면, 감소한 등가 직렬 저항(ESR), 많은 충방전 사이클 후 감소한 전기용량 페이드(fade), 증가한 파워 밀도, 및/또는 증가한 에너지 밀도를 포함하는 개선된 전기적 성능을 가질 수 있다. 이러한 구성을 갖는 리튬 이온 캐패시터는, 전도성 첨가제, 예를 들면, 전도성 탄소 첨가제를 포함하지 않을 수 있다. 일 실시형태에서, 이러한 구성을 갖는 리튬 이온 캐패시터는 적은 비용으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 경질 탄소의 양을 연질 탄소 및/또는 흑연으로 대체하면, 리튬 이온 캐패시터의 제조 비용이 감소될 수 있다.
본원에서 전극 및 에너지 저장 장치는 리튬 이온 캐패시터에 관련해서 기재될 수 있지만, 실시형태는 많은 에너지 저장 장치 및 시스템 중 어느 하나, 예를 들면, 배터리, 캐패시터, 캐패시터-배터리 하이브리드, 연료전지, 이들의 조합 중 하나 이상으로 구현될 수 있는 것이 이해된다.
도 1은, 에너지 저장 장치(100)의 실시예의 개략 측 단면도를 도시한다. 에너지 저장 장치(100)는 리튬 이온 캐패시터일 수 있다. 특히, 그 외의 에너지 저장 장치는, 본 발명의 범위 내에 있고, 배터리, 캐패시터-배터리 하이브리드, 및/또는 연료전지를 포함할 수 있는 것이 인식되어야 한다. 에너지 저장 장치(100)는 제1전극(102), 제2전극(104), 및 제1전극(102)과 제2전극(104) 사이에 위치한 세퍼레이터(106)를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1전극(102) 및 제2전극(104)은 세퍼레이터(106)의 각각의 대면하는 표면과 인접하도록 배치될 수 있다. 제1전극(102)은 캐소드를 포함할 수 있고 제2전극(104)은 애노드를 포함할 수 있고, 또는 그 반대이다. 에너지 저장 장치(100)는 에너지 저장 장치(100)의 전극(102, 104) 사이의 이온 교환(ionic communication)을 촉진하기 위한 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전해질은 제1전극(102), 제2전극(104) 및 세퍼레이터(106)와 접촉될 수 있다. 전해질, 제1전극(102), 제2전극(104), 및 세퍼레이터(106)는 에너지 저장 장치 하우징(120) 내에 수용될 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장 장치 하우징(120)은 제1전극(102), 제2전극(104) 및 세퍼레이터(106)의 삽입 단계, 및 에너지 저장 장치(100)를 전해질과의 함침 단계 후 실링될 수 있고, 제1전극(102), 제2전극(104), 세퍼레이터(106), 및 전해질은 하우징의 외부 환경으로부터 물리적으로 실링될 수 있다.
세퍼레이터(106)는, 2개의 인접한 전극 사이의 이온 교환을 허용하면서 세퍼레이터(106)와 대면하는 측에 인접한 2개의 전극, 예를 들면, 제1전극(102) 및 제2전극(104)을 전기적으로 절연하기 위해 구성될 수 있다. 세퍼레이터(106)는 다양한 다공성 전기적 절연 물질을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 세퍼레이터(106)는 폴리머 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 세퍼레이터(106)는 셀룰로오스 물질 (예를 들면, 종이), 폴리에틸렌 (PE) 물질, 폴리프로필렌 (PP) 물질, 및/또는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 물질을 포함할 수 있다.
에너지 저장 장치(100)는 많은 상이한 형태의 전해질 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 장치(100)는 리튬 이온 캐패시터 전해질을 포함할 수 있고, 리튬 소스, 예를 들면, 리튬 염, 및 용매, 예를 들면, 유기 용매를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 염은 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트 (LiBF4), 리튬 퍼클로레이트 (LiClO4), 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 (LiN(SO2CF3)2), 리튬 트리플루오로메탄술포네이트 (LiSO3CF3), 이들의 조합, 등을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 전해질 용매는 하나 이상 에테르 및/또는 에스테르를 포함할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터 전해질 용매는 에틸렌 카보네이트 (EC), 디메틸 카보네이트 (DMC), 디에틸 카보네이트 (DEC), 에틸 메틸 카보네이트 (EMC), 비닐 카보네이트 (VC), 프로필렌 카보네이트 (PC), 이들의 조합, 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전해질은 LiPF6, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 및 디에틸 카보네이트를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된, 제1전극(102) 및 제2전극(104)은, 제1집전기(108), 및 제2집전기(110)를 각각 포함한다. 제1집전기(108) 및 제2집전기(110)는 상응하는 전극 및 외부 회로 (미도시) 사이의 전기적 결합을 용이하게 할 수 있다. 제1집전기(108) 및/또는 제2집전기(110)는 하나 이상 전기적 전도성 물질을 포함할 수 있고, 및/또는 상응하는 전극과 에너지 저장 장치(100)를 외부 전기적 회로를 포함하는 외부 단자와 결합하기 위한 단자 사이에 전기적 전하의 전달을 촉진하기 위해 구성된 다양한 형상 및/또는 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 집전기는 금속 물질, 예를 들면, 알루미늄, 니켈, 구리, 은, 이들의 합금, 등을 포함하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1집전기(108) 및/또는 제2집전기(110)는 직사각형 또는 실질적으로 직사각형 형상을 갖는 알루미늄 호일을 포함할 수 있고, (예를 들면, 집전기 플레이트 및/또는 전극과 외부 전기적 회로 사이의 전기적 교환을 제공하기 위해 구성된 또 다른 에너지 저장 장치 성분을 통해)상응하는 전극과 외부 전기적 회로 사이에 바람직한 전기적 전하의 전달을 제공하기 위한 치수를 가질 수 있다.
제1전극(102)은 제1집전기(108)의 제1면 (예를 들면, 제1집전기(108)의 상면) 상의 제1전극 필름(112) (예를 들면, 상부 전극 필름) 및 제1집전기(108)의 대면하는 제2면 (예를 들면, 제1집전기(108)의 하면) 상의 제2전극 필름(114) (예를 들면, 하부 전극 필름)을 가질 수 있다. 마찬가지로, 제2전극(104)은 제2집전기(110)의 제1면(예를 들면, 제2집전기(110)의 상면) 상의 제1전극 필름(116) (예를 들면, 상부 전극 필름), 및 제2집전기(110)의 대면하는 제2면 (예를 들면, 제2집전기(110)의 하면) 상의 제2전극 필름(118)을 가질 수 있다. 예를 들면, 제2집전기(110)의 제1면은, 세퍼레이터(106)가 제1전극(102)의 제2전극 필름(114) 및 제2전극(104)의 제1전극 필름(116)에 인접하도록, 제1집전기(108)의 제2면에 대향할 수 있다.
전극 필름(112, 114, 116 및/또는 118)은 다양한 적합한 형상, 크기, 및/또는 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 전극 필름은, 두께가 약 30 마이크론 (㎛) 내지 약 250 마이크론이고, 약 100 마이크론 내지 약 250 마이크론을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 본원에 기재된 하나 이상 전극 필름은 건식 제조 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 본원에 사용된, 건식 제조 공정은, 전극 필름의 형성시 용매가 사용되지 않거나 실질적으로 사용되지 않는 공정을 의미할 수 있다. 예를 들면, 전극 필름의 성분은 건조 입자를 포함할 수 있다. 전극 필름을 형성하기 위해 건조 입자가 합쳐져 건조 입자 전극 필름 혼합물을 제공할 수 있다. 일 실시형태에서, 전극 필름은, 전극 필름 성분의 중량 백분율 및 건조 입자 전극 필름 혼합물 성분의 중량 백분율이 유사하거나 동일하도록 건식 제조 공정을 사용해서 건조 입자 전극 필름 혼합물로부터 형성될 수 있다.
일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 전극의 전극 필름 혼합물은 하나 이상의 피브릴화 가능한 바인더 성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극 필름을 형성하는 공정은, 전극 필름이 피브릴화된 바인더를 포함하도록 피브릴화 가능한 바인더 성분을 피브릴화하는 단계를 포함할 수 있다. 바인더 성분은 복수의 피브릴을 제공하기 위해 피브릴화될 수 있고, 피브릴은 필름의 하나 이상의 기타 성분에 대한 바람직한 기계적 지지체일 수 있다. 예를 들면, 피브릴의 매트릭스, 격자 및/또는 웹은 구조체는, 전극 필름의 바람직한 기계적 구조체를 제공하기 위해 형성될 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터의 캐소드 및/또는 애노드는 하나 이상의 피브릴화된 바인더 성분을 포함하는 하나 이상 전극 필름을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 바인더 성분은, 다양한 적합한 피브릴화 가능한 폴리머 물질 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 초-고분자량 폴리에틸렌 (UHMWPE), 및/또는 그 외의 적합한 피브릴화 가능한 물질이 단독으로 또는 조합해서 사용될 수 있다.
일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 전극의 전극 필름 혼합물은, 혼합물로부터 형성된 전극 필름의 전기전도도를 개선하기 위한 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터의 캐소드 또는 애노드 전극 필름을 형성하기 위한 전극 필름 혼합물은, 전도성 탄소 성분 첨가제, 예를 들면, 다양한 시판되는 탄소 블랙 물질을 포함하는 전도성 탄소 블랙을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터의 캐소드의 전극 필름은, 예를 들면, 다공성 탄소 물질, 예를 들면, 활성 탄소를 포함하는 하나 이상 탄소 기반 전자 활성 성분을 포함하는 전극 필름 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터의 캐소드의 전극 필름은, 약 50% 내지 약 99 중량% (예를 들면, 약 85% 내지 약 90 중량%)의 활성 탄소, 약 20 중량% 이하 (예를 들면, 약 0.5% 내지 약 15 중량%를 포함, 약 5% 내지 약 10 중량%을 포함)의 바인더 물질, 및 약 25 중량% 이하(예를 들면, 약 0.5% 내지 약 10%를 포함)의 전기전도도 촉진 첨가제를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드 전극 필름은 전도성 첨가제를 바람직하게 포함하지 않을 수 있다. 예를 들면, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 갖는 애노드 전극 필름의 전극 필름 혼합물은, 원하는 전기용량을 유지하면서 원하는 전기 저항 성능을 달성하기 위한 추가의 전도성 첨가제를 포함하지 않기 때문에, 캐패시터의 중량 및/또는 비용 감소를 촉진할 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터의 애노드의 전극 필름 혼합물은, 필름의 전기전도도를 개선하기 위한 첨가제를 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않는다. 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터의 애노드의 전극 필름 혼합물은, 전도성 탄소 성분, 예를 들면, 전도성 탄소 블랙을 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않는다.
일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드의 전극 필름은, 리튬 이온을 삽입하기 위해 구성된 2개 이상 탄소 성분을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 제1전극(102)은 리튬 이온 캐패시터 캐소드이고, 제2전극(104)은 리튬 이온 캐패시터 애노드이다. 이 실시형태에서, 제2전극(104)의 제1전극 필름(116) 및 제2전극 필름(118) 중 적어도 하나는, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1전극 필름(116) 및 제2전극 필름(118) 중 적어도 하나는, 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분으로서 경질 탄소, 및 연질 탄소 및 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상 추가의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드는, 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터 애노드의 전극 필름은, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소, 및 연질 탄소 또는 흑연을 포함할 수 있다. 예를 들면, 애노드 전극 필름은, 2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소 및 흑연을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 애노드 전극 필름은, 2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소 및 연질 탄소를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드의 전극 필름은, 리튬 이온을 삽입하기 위해 구성된 3개의 탄소 성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극 필름은 경질 탄소, 연질 탄소 및 흑연을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드의 전극 필름은, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 약 80 중량% 내지 약 97 중량% 포함할 수 있고, 약 90 중량% 내지 약 97 중량% 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드 필름은 바인더 성분을 약 10 중량% 이하로 포함할 수 있고, 약 4 중량% 내지 약 10 중량%로 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드 필름은 전도성 첨가제를 약 5 중량% 이하로 포함할 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터의 애노드의 전극 필름은 전도성 첨가제를 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않을 수 있다. 이러한 실시형태에서, 전극 필름은 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 약 97 중량% 이하로 포함할 수 있고, 남은 부분은 바인더 성분으로 채워진다. 예를 들면, 전극 필름은 바인더 성분을 약 3 중량% 내지 약 10 중량%(약 3 중량% 내지 약 5 중량%, 또는 약 5 중량% 내지 약 10 중량%를 포함)로 포함할 수 있다.
리튬 이온 캐패시터 애노드 전극 필름은 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분의 다양한 적합한 비를 갖는 혼합물을 포함할 수 있다. 애노드 전극 필름은 원하는 캐패시터 성능, 예를 들면, 원하는 리튬 이온 캐패시터 전기용량 및/또는 등가 직렬 저항을 용이하게 하기 위해 구성된 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분의 조성물을 포함하는 혼합물을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 조성물은 원하는 캐패시터 에너지 밀도 성능, 및/또는 라이프 사이클 성능을 촉진하기 위해 선택될 수 있다.
일 실시형태에서, 2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분 시스템에서 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분은, 경질 탄소를 적어도 약 5 중량% 포함할 수 있다(약 10% 이상을 포함하고, 약 5% 내지 약 95%를 포함한다). 일 실시형태에서, 2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분 시스템에서 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분은, 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 적어도 약 5 중량% 포함할 수 있다(약 10% 이상을 포함하고, 약 5% 내지 약 95%를 포함한다). 예를 들면, 2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분 시스템 중의 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 대 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분의 비는 약 1:19 내지 약 19:1일 수 있다(약 1:9 내지 약 9:1를 포함한다). 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드 전극 필름은 경질 탄소 대 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분의 비가 약 1:9 내지 약 9:1인 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터 애노드 전극 필름은 경질 탄소 대 흑연의 비가 약 1:9 내지 약 9:1인 것을 포함할 수 있다(약 3:7, 약 7:3, 또는 약 1:1를 포함). 일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드 전극 필름은 경질 탄소 대 연질 탄소의 비가 약 1:9 내지 약 9:1인 것을 포함할 수 있다(약 3:7, 약 7:3, 또는 약 1:1을 포함).
일 실시형태에서, 리튬 이온 캐패시터 애노드 전극 필름은 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소, 연질 탄소 및 흑연을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 3개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분 시스템에서 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분은, 경질 탄소를 적어도 약 5 중량% 포함하고, 약 10% 이상, 또는 약 5% 내지 약 95%를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 3개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분 시스템에서 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분은, 연질 탄소를, 적어도 약 5 중량% 포함할 수 있고, 약 10% 이상, 또는 약 5% 내지 약 95%를 포함한다. 일 실시형태에서, 3개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분 시스템에서 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분은, 흑연을 적어도 약 5 중량% 포함하고, 약 10% 이상, 또는 약 5% 내지 약 95%를 포함할 수 있다. 예를 들면, 남은 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분은 연질 탄소 및 흑연을 다양한 비로 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극 필름 혼합물은 경질 탄소 대 흑연 대 연질 탄소의 비가 약 1:1:1인 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극 필름 혼합물은 경질 탄소 대 흑연 대 연질 탄소의 비가 약 2:9:9, 약 1:5:4, 또는 약 3:2:5인 것을 포함할 수 있다.
2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 포함하는 리튬 이온 캐패시터는, 개선된 장치 성능을 바람직하게 입증할 수 있고, 및/또는 제조비용이 저렴하게 될 수 있다. 일 실시형태에서, 3개의 리튬 이온이 삽입된 성분을 포함하는 애노드는, 전극 필름의 원하는 가공성을 제공하면서, 개선된 캐패시터 사이클링 성능, 파워 밀도 성능, 에너지 밀도 성능, 및/또는 등가 직렬 저항(ESR) 성능을 촉진할 수 있다. 임의의 특정 이론 또는 작동 모드로 제한되지 않고, 일 실시형태에서, 추가의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분은, 개선된 캐패시터 성능을 촉진하기 위해, 원하는 리튬 이온이 삽입된 위치의 조합을 제공하기 위해 구성된 삽입 위치를 제공할 수 있다. 예를 들면, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분에 의해서 제공된 삽입 위치 특징의 조합은, 원하는 전기용량 성능을 유지하면서 사이클링 성능에서 증가한 안정성, 감소한 캐패시터 ESR을 촉진하기 위해 원하는 리튬 이온의 삽입을 제공할 수 있다. 리튬 이온이 삽입된 성분의 비는, 원하는 전극 필름의 제조 용이성을 유지하면서 원하는 장치 전기적 성능을 제공하기 위해서 선택될 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분이 약 30 중량% 내지 약 70 중량%의 경질 탄소인 애노드 전극 필름을 포함하는 리튬 이온 캐패시터는, 원하는 전극 필름의 제조 용이성을 유지하면서 원하는 장치 전기적 성능을 제공할 수 있다.
일 실시형태에서, 리튬 이온을 삽입하기 위해 구성된 2개 이상의 탄소 성분을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터는, 바람직하게 1개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터(예를 들면, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분이 경질 탄소인 애노드를 포함하는 리튬 이온 캐패시터)에 비해, ESR의 예를 들면, 약 10% 내지 약 20%의 감소를 포함하는, 감소한 등가 직렬 저항(ESR)을 입증할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소 및 연질 탄소, 및/또는 경질 탄소 및 흑연을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터는, 바람직하게 예를 들면, ESR의 약 10%, 약 15%, 및 약 20% 이하의 감소를 포함하는, 감소한 ESR을 입증할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소, 흑연 및/또는 연질 탄소를 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터는, 원하는 전기용량을 유지하면서 감소한 ESR을 바람직하게 입증할 수 있다. 예를 들면, 3개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소, 흑연, 및 연질 탄소를 약 1:1:1의 비로 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터는 ESR 성능이 약 35% 감소하는 것을 입증할 수 있다.
일 실시형태에서, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 갖는 애노드를 포함하는 리튬 이온 캐패시터는, 증가한 캐패시터 에너지 밀도 성능을 촉진할 수 있다. 예를 들면, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 갖는 애노드를 포함하는 리튬 이온 캐패시터는, 원하는 전기용량을 유지하면서 애노드의 전도도를 개선할 수 있다. 이러한 전기전도도의 개선에 의해, 리튬 이온 캐패시터의 원하는 전기전도도를 제공하기 위해 사용되는 애노드에서 첨가제 성분의 양을 줄일 수 있다. 애노드에서 사용되는 이러한 첨가제의 양을 줄임으로써, 캐패시터 중량 감소 및/또는 캐패시터 에너지 밀도 증가가 실현될 수 있다. 일 실시형태에서, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 갖는 애노드는 리튬 이온 캐패시터의 전기전도도를 개선하기 위해 구성된 첨가제 성분을 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않고, 예를 들면, 전도성 탄소 첨가제 성분을 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않고 제조될 수 있다.
일 실시형태에서, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 갖는 애노드를 포함하는 리튬 이온 캐패시터는, 1개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분, 예를 들면, 경질 탄소를 갖는 애노드를 갖는 캐패시터에 비해, 개선된 캐피시터 사이클링 성능을 입증할 수 있다. 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 성분을 갖는 리튬 이온 캐패시터는 충방전 사이클링 중 감소한 전압 스윙을 입증할 수 있고, 예를 들면, 증가한 사이클링 성능 안정성을 제공하고 및/또는 캐패시터의 수명을 늘린다. 일 실시형태에서, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 성분을 갖는 리튬 이온 캐패시터는 많은 충방전 사이클 후 감소한 전기용량 페이드 성능을 입증할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터는 많은 충방전 사이클(예를 들면, 약 2,000 사이클, 약 4,000 사이클, 및 약 6,000 사이클) 후 전기용량 페이드 성능의 약 5% 내지 약 20% 감소를 입증할 수 있다.
도 2는, 에너지 저장 장치 전극, 예를 들면, 도 1에 도시된 에너지 저장 장치(100)의 전극 필름(112, 114, 116 및 118) 중 하나 이상을 제조하기 위한 제조 공정(200)의 실시예를 도시한다. 예를 들면, 전극 제조 공정(200)은 에너지 저장 장치의 애노드를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 전극 제조 공정(200)은 리튬 이온 캐패시터 및/또는 리튬 이온 배터리의 전극, 예를 들면, 애노드의 형성에 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 제조 공정(200)은 건식 제조 공정을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극 제조 공정(200)은 건조 입자 전극 필름을 포함하는 전극을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
블록(202)에서, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분이 제공될 수 있다. 예를 들면, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분은 경질 탄소, 및 연질 탄소 및 흑연 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분이 제공될 수 있다. 일 실시형태에서, 3개의 이온이 삽입된 탄소 성분이 제공될 수 있다.
블록(204)에서, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분은 바인더 성분과 합쳐져 전극 필름 혼합물을 제공할 수 있다. 일 실시형태에서, 하나 이상 추가의 성분은 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분 및 바인더 성분과 합쳐져 전극 필름 혼합물, 예를 들면, 전도성 첨가제 성분을 제공할 수 있다. 전극 필름 혼합물의 성분은 혼합 장치에서 합쳐져 전극 필름 혼합물을 제공할 수 있다. 일 실시형태에서, 애노드의 성분, 예를 들면, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분, 전도성 탄소 첨가제 및 바인더는, 전극 필름 혼합물을 제공하기 위해 혼합 장치에서 합쳐질 수 있다. 건식 가공에서, 예를 들면, 전극 필름의 성분은 혼합 장치에서 혼합되어 혼합물을 형성할 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합 장치는 원하는 건조 입자의 혼합을 제공하기 위해 구성되는 임의의 장치를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 건조 입자를 포함하는 전극 필름 성분은 혼합 장치에서 합쳐져 균질 또는 실질적으로 균질 건조 입자 전극 필름 혼합물이 제공된다.
블록(206)에서, 전극 필름 혼합물에서 바인더 성분은 피브릴화될 수 있다. 예를 들면, 2개 이상의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 포함하는 애노드 필름 혼합물의 바인더 성분이 피브릴화될 수 있다. 일 실시형태에서, 바인더 성분을 포함하는 전극 필름 혼합물은 바인더 물질에 전단력을 적용하기 위해 구성된 장치에 도입되고 바인더 물질은 높은 전단 응력 하에서 피브릴의 및/또는 피브릴의 웹을 형성할 수 있다. 예를 들면, 바인더 물질을 피브릴화하기 위한 적합한 장치는 바인더 물질에 충분한 전단력을 적용하기 위해 구성된 임의의 개수의 장치, 예를 들면, 제트 밀, 등을 포함할 수 있다. 피브릴, 및/또는 피브릴의 웹은, 전극 필름의 하나 이상 기타 성분, 예를 들면, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분, 및/또는 전도성 탄소 블랙을 지지하기 위한 매트릭스형 구조체를 제공할 수 있다. 피브릴화 공정에 의해 형성된 피브릴은, 프리-스탠딩(free-standing) 건조 입자 필름의 일련의 형성을 용이하게 하기 위해 증가한 구조적 지지체를 제공할 수 있다. 일 실시형태에서, 전극 필름 혼합물의 피브릴화 단계는 예를 들면, 전극 필름 혼합물의 성분의 혼합 단계에 의해 전극 필름 혼합물이 피브릴화되도록 혼합 장치에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 블록(204) 및 블록(206)은 동일한 공정의 일부로서 수행될 수 있다. 예를 들면, 전극 필름의 성분을 합하는 단계 및 전극 필름의 바인더 성분의 피브릴화 단계는 필름 혼합물의 성분을 혼합하고 필름 혼합물의 바인더 성분을 피브릴화하기 위해 구성된 단일 장치에서 달성될 수 있다. 일 실시형태에서, 바인더 성분의 피브릴화 단계는, 초기에 전극 필름 성분을 혼합하기 위해 사용되는 혼합 장치와 상이한 장치에서 수행될 수 있다.
블록(208)에서, 피브릴화된 바인더 성분을 포함하는 전극 필름 혼합물은, 필름형 구조체를 형성하기 위해 압축될 수 있다. 예를 들면, 피브릴화된 바인더 성분을 포함하는 전극 필름 혼합물은, 전극 필름을 형성하기 위해서 캘린더링될 수 있다. 캘린더링된 전극 필름은 프리-스탠딩 또는 사실상 프리-스탠딩 건조 입자 필름을 포함할 수 있다. 캘린더링된 전극 필름이, 예를 들면, 적층 공정을 통해 집전기에 부착될 수 있다. 예를 들면, 도 1의 제2전극(104)의 제1전극 필름(116) 및/또는 제2전극 필름(118)은 전극 제조 공정(200)을 사용하여 제조될 수 있다. 전극 제조 공정(200)을 사용하여 제조된 제1전극 필름(116) 및/또는 제2전극 필름(118)은 캘린더링 공정을 통해 제2전극(104)의 집전기(110)에 부착될 수 있다. 일 실시형태에서, 캘린더링은 전극 필름을 에너지 저장 장치의 집전기에 부착하기 위한 공정과 동시에 또는 실질적으로 동시에 수행될 수 있다.
도 3 내지 10은, 2개의 또는 3개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분을 서로에 대해 및 하나의 탄소성분만을 갖는 일부 장치의 성능에 대해 다양한 비로 제조된 애노드를 포함하는 리튬 이온 캐패시터의 다양한 실시형태의 전기화학적 성능을 입증하고 비교하기 위해 다양한 표 및 그래프를 도시한다. 표 및 그래프에서 도시된 다양한 값의 평균은 "Ave"로 약칭된다. 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터 애노드는 2개의 또는 3개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분, 하나 이상 전도성 탄소 첨가제, 및 하나 이상 바인더를 소정의 비로 포함하는 전극 필름 혼합물을 사용해서 제조될 수 있다. 도 3 내지 10에 도시된 전기화학 성능에 상응하는 리튬 이온 캐패시터의 캐소드는, 약 85% 내지 약 90 중량%의 활성 탄소, 약 5% 내지 약 10 중량%의 바인더 성분, 및 약 0.5% 내지 약 10 중량%의 전기전도도 촉진 첨가제, 예를 들면, 탄소 블랙을 포함할 수 있다. 합리적으로 유사한 성능의 전해질은, 도 3 내지 10의 각각의 다양한 실험 및 대조군에서 사용되었다. 캐소드는 건식 제조 공정을 사용해서 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 기재된 조성물을 포함하는 캐소드 전극 필름 혼합물은 건조 입자 혼합물로서 제공될 수 있다. 캐소드 전극 필름 혼합물에서 바인더 성분은 피브릴화될 수 있고, 피브릴화된 바인더 성분을 포함하는 캐소드 전극 필름 혼합물은 캐소드 전극 필름을 형성하기 위해서 캘린더링될 수 있다. 일 실시형태에서, 캐소드 전극 필름은 캐소드의 집전기의 표면에, 예를 들면, 적층 공정을 통해 부착되어 캐소드를 형성할 수 있다.
도 3은, 경질 탄소를 포함하는 전극 필름 혼합물을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터, 및 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 1:1의 비로 포함하는 전극 필름 혼합물을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터의 성능인, 페러데이(F)로 표시되는 전기용량, 및 옴(Ω)으로 표시되는 등가 직렬 저항(ESR)을 열거하는 표가 도시되어 있다. 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분이 경질 탄소만을 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 캐패시터는, 평균 전기 용량 약 17.51 F, 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.40Ω인 것을 입증했다. 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 1:1의 비로 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 캐패시터는, 평균 전기용량 약 18.58 F 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.31 Ω인 것을 입증했다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연질 탄소 및 경질 탄소를 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용해서 제조된 애노드를 포함하는 리튬 이온 캐패시터는, 경질 탄소만을 갖는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 비해, 감소한 (및 개선된) ESR 성능을 입증하면서 원하는 전기용량을 입증했다. 일 실시형태에서, ESR 약 30% 이하의 개선이 입증되었다. 일 실시형태에서, 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 1:1로 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터는, 경질 탄소만을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 비해, ESR 약 15% 내지 약 30%의 감소를 입증하고, 약 20% 내지 약 30%를 포함한다.
도 4a 및 4b는, 리튬 이온 캐패시터의 사이클링 전후에 밀리옴(mΩ)으로 표시된 다양한 리튬 이온 캐패시터의 전기화학적 임피던스 분광 (EIS) 성능 곡선을 도시한다. 임피던스의 가상 성분은 y-축 (Zim)에 도시되고 임피던스의 실제 성분은, x-축 (Zre)에 도시된다. 도 4a 및 4b의 리튬 이온 캐패시터는, 경질 탄소만, 연질 탄소만, 또는 경질 탄소 및 연질 탄소 둘 다를 포함하는 애노드 전극 필름을 포함하는 애노드를 사용하여 제조되었다. 애노드는 본원에 기재된 하나 이상의 공정에 따라 제조될 수 있다. 도 4a는, 각각의 리튬 이온 캐패시터의 사이클링 전에 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소를 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터의 EIS 성능 곡선(402A), 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 연질 탄소를 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터의 EIS 성능 곡선(404A), 및 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소 및 연질 탄소를 약 1:1 비로 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터의 EIS 성능 곡선(406A)을 도시한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, EIS 성능 곡선(404A 및 406A)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터는, EIS 성능 곡선(402A)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터에 비해, 사이클링 전에 낮은 임피던스를 입증했다. 예를 들면, EIS 성능 곡선(404A 및 406A)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터는 약 250 mΩ의 임피던스를 입증하고, EIS 성능 곡선(402A)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터는 사이클링 전에 약 350 mΩ의 임피던스를 입증했다. 사이클링 전에 낮은 임피던스를 입증하는 리튬 이온 캐패시터는 낮은 등가 직렬 저항(ESR)을 입증할 수 있다.
도 4b는, 1,000 충방전 사이클에 대해 각각의 리튬 이온 캐패시터의 사이클링 후, EIS 성능 곡선(402A)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터의 EIS 성능 곡선(402B), EIS 성능 곡선(404A)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터의 EIS 성능 곡선(404B), EIS 곡선(406A)의 리튬 이온 캐패시터에 상응하는 EIS 성능 곡선(406B)을 도시한다. 각 충방전 사이클에서, 리튬 이온 캐패시터는 약 20℃ 내지 약 25℃의 온도에서 약 4.2 볼트(V)의 전압에서 충전하고 약 2.2 V의 전압에서 방전되었다. 리튬-이온 캐패시터는 30C의 C-레이트를 갖는 전류(약 1시간에 캐패시터의 최대 용량을 완전히 또는 실질적으로 완전히 충전 또는 방전하기 위해 필요로 되는 약 30 회의 전류)를 사용하여 충전되고 방전되었다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 전기화학적 임피던스 분광법 성능 곡선(404B)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터 또는 경질 탄소 및 연질 탄소를 포함하는 애노드를 갖는 캐패시터는, 사이클링 후 낮은 임피던스를 갖는 것이 발견되고, 따라서 사이클링 후 낮은 등가 직렬 저항(ESR)을 입증할 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, EIS 성능 곡선(406B)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터는, 약 250 mΩ의 임피던스를 입증하고, 예를 들면, 사이클링 전에 입증된 것에 필적할 만한 임피던스인 것을 입증한다. 한편, EIS 성능 곡선(404B)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터는 약 300 mΩ의 임피던스를 입증하고, EIS 성능 곡선(402B)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터는 약 400 mΩ의 ESR을 입증했다.
도 4a 및 4b에서 리튬 이온 캐패시터의 성능과 비교하면, 캐패시터의 사이클링 전후, 연질 탄소 및 경질 탄소를 포함하는 리튬 이온 캐패시터는, 감소한 전체 시스템 저항 및/또는 감소한 저항 성능의 시프트를 입증했다. 예를 들면, 도 4b를 참조하면, 고체-전해질 계면(SEI)의 저항 특징에 상응하는 곡선(406B)의 부분은, 사이클링 후에 크기 및/또는 형상에서의 감소한 시프트를 나타낼 수 있고, 예를 들면, 약 50 mΩ과 약 170 mΩ사이의 곡선(406B)의 부분은, 곡선(404B 및 402B)의 상응하는 부분이다. 곡선의 일부분의 크기 및/또는 형상의 감소한 시프트는 애노드에서 연질 탄소 및 경질 탄소를 포함하는 리튬 이온 캐패시터가 개선된 안정성을 갖는 고체-전해질 계면 (SEI)를 제공할 수 있는 것을 나타낸다.
도 5는 2개의 리튬 이온 캐패시터의 사이클링 성능을 도시한다. 도 5에서의 그래프는 사이클의 수를 x-축, 및 초기 캐패시터 전기용량의 백분율로서 전기용량을 y-축에 도시한다. 도 5에 도시된 사이클링 성능 곡선(502)은, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소 및 연질 탄소를 갖는 전극 필름 혼합물을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 상응하고, 사이클링 성능 곡선(504)은, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 갖는 전극 필름 혼합물을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 상응한다. 사이클링 성능 곡선(502)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터의 애노드에서 경질 탄소 대 연질 탄소의 비는, 약 1:1이다. 각 사이클에서, 리튬 이온 캐패시터는 약 20℃ 내지 약 25℃의 온도, 및 약 30C의 C-레이트를 갖는 전류에서 약 4.2 볼트(V)의 전압으로 충전하고 약 2.2 V의 전압으로 방전되었다. 도 5는, 경질 탄소 및 연질 탄소를 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐피시터에 의해서 개선된 라이프 사이클 성능을 도시한다. 경질 탄소 및 연질 탄소를 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터는, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 갖는 리튬 이온 캐패시터에 비해, 많은 충방전 사이클 후 감소한 전기용량, 또는 전기용량 페이드 성능 감소를 입증했다. 예를 들면, 사이클링 성능 곡선(502)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터는 약 2,000 충방전 사이클, 약 4,000 충방전 사이클, 및/또는 약 6,000 충방전 사이클 후 감소한 전기용량 페이드 성능을 입증할 수 있다. 도 5에서 성능 실험에 의해서 입증된 바와 같이, 일 실시형태에서, 경질 탄소 및 연질 탄소를 갖는 캐패시터는, 약 4,000 충방전 사이클, 및 약 6,000 충방전 사이클 후를 포함하는 많은 충방전 사이클 후 전기용량 페이드의 약 5% 이하의 감소를 제공할 수 있다.
도 6은, 경질 탄소를 포함하는 전극 필름 혼합물을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터 및 경질 탄소 및 흑연을 약 1:1의 비로 포함하는 전극 필름 혼합물을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터의, 페러데이(F)로 표시되는 전기용량 성능, 및 옴(Ω)으로 표시되는 등가 직렬 저항(ESR) 성능이 열거된 표로 도시된다. 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분이 경질 탄소만을 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 캐패시터는, 평균 전기용량 약 16.89 F, 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.40 Ω인 것을 입증했다. 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 흑연 및 경질 탄소를 약 1:1비로 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조되는 캐패시터는 평균 전기용량 약 16.72 F 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.36 Ω인 것을 입증했다. 도 6은, 경질 탄소 및 흑연을 사용하여 제조된 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터는 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 사용하여 제조된 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 비해, 개선된 감소한 ESR을 갖는 유사한 전기 용량 성능을 도시한다. 도 6에서 ESR 성능에 의해 입증된 바와 같이, 일 실시형태에서, ESR의 감소는 약 15% 이하일 수 있고, 약 10%, 및 약 12%를 포함한다. 예를 들면, 2개의 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분, 예를 들면, 경질 탄소 및 흑연을 사용해서 제조된 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터는, 감소한 ESR을 입증하면서 원하는 전기용량을 유지하거나 실질적으로 유지할 수 있다.
도 7은 2개의 리튬 이온 캐패시터의 사이클링 성능을 도시한다. 도 7에서의 그래프는, x-축은 사이클의 수, y-축은 초기 캐패시터 전기용량의 백분율로서의 전기용량을 도시한다. 사이클링 성능 곡선(702)은 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소 및 흑연을 갖는 전극 필름 혼합물을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 상응한다. 사이클링 성능 곡선(704)은 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소를 갖는 전극 필름 혼합물을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 상응한다. 사이클링 성능 곡선(702)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터의 경질 탄소 대 흑연의 비는 약 1:1이다. 각 사이클에서, 리튬 이온 캐패시터는 약 20℃ 내지 약 25℃의 온도 및 약 30C의 C-레이트를 갖는 전류에서 약 4.2 볼트 (V)의 전압에서 충전되고 약 2.2 V의 전압에서 방전되었다.
도 7은, 경질 탄소 및 연질 탄소를 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터의 개선된 라이프 사이클 성능을 도시하고, 예를 들면, 많은 충방전 사이클 후 초기 전기용량의 백분율로 표시되는, 감소한 전기용량 페이드 성능을 입증한다. 예를 들면, 사이클링 성능 곡선(702)에 상응하는 리튬 이온 캐패시터는, 약 2,000 충방전 사이클, 약 4,000 충방전 사이클, 및 6,000 충방전 사이클 후 지속되는 감소한 전기용량 페이드 (및 따라서 개선된 캐패시터 성능)을 입증했다. 따라서, 도 7은, 일 실시형태에서, 경질 탄소 및 흑연을 갖는 캐패시터는, 약 2,000 충방전 사이클을 포함하는 많은 충방전 사이클 후 전기용량 페이드 약 10% 이하 감소를 입증할 수 있는 것을 입증한다. 도 7의 성능 실험에 의해서 입증된 바와 같이, 일 실시형태에서, 경질 탄소 및 흑연을 갖는 캐패시터는, 약 4,000 충방전 사이클, 및 약 6,000 충방전 사이클을 포함하는 많은 충방전 사이클 후, 전기용량 페이드 약 15% 이하의 감소를 입증할 수 있다. 도 5 및 7을 참조하면, 경질 탄소 및 흑연을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터는, 경질 탄소 및 연질 탄소를 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 비해, 증가한 전기용량 페이드 성능의 개선을 입증했다.
도 8은, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 포함하는 전극 필름 혼합물을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터, 및 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 9:1 내지 약 1:9의 비로 포함하는 전극 필름 혼합물을 포함하는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터의 페러데이(F)로 표시되는 전기용량 성능, 및 옴(Ω)으로 표시되는 등가 직렬 저항(ESR) 성능을 열거하는 표를 도시한다.
리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 포함하는 애노드 필름 혼합물을 포함하는 캐패시터는 평균 전기용량 약 17.51 F, 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.40 Ω인 것을 입증했다. 한편, 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 9:1의 비로 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 캐패시터는, 평균 전기용량 약 18.61 F 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.31 Ω인 것을 입증했다. 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 1:9의 비로 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 캐패시터는 평균 전기용량 약 18.46 F 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.33 Ω인 것을 입증했다.
도 8은, 경질 탄소 및 연질 탄소를 약 1:9 및 9:1로 갖는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터가, 원하는 전기용량 성능을 입증하면서 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 갖는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 비해, 감소한 ESR 성능을 나타내는 것을 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 1:9, 또는 더 바람직하게는, 9:1의 비로 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 리튬 이온 캐패시터는, 경질 탄소만을 포함하는 캐패시터에 비해, 낮은 ESR (및 따라서 개선된 전기적 성능)을 입증할 수 있다. 도 8은, 예를 들면, 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 9:1의 비로 포함하는 애노드 필름 혼합물을 포함하는 리튬 이온 캐패시터에 의해서 입증된 ESR 성능의 개선은, 경질 탄소만을 포함하는 애노드 필름 혼합물을 포함하는 리튬 이온 캐패시터에 비해, 약 30% 이하이고, 약 20% 내지 약 30%, 또는 약 25% 내지 약 30%를 포함할 수 있는 것을 도시한다. 예를 들면, 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 1:9의 비로 포함하는 애노드 필름 혼합물을 포함하는 리튬 이온 캐패시터에 의해 입증된 ESR의 개선은, 경질 탄소만을 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 리튬 이온 캐패시터에 비해, 약 20% 이하이고, 약 10% 내지 약 20%, 또는 약 15% 내지 약 20%를 포함할 수 있다.
도 9는, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 포함하는 전극 필름 혼합물로부터 제조된 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터 및 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 7:3의 비로 포함하는 전극 필름 혼합물로부터 제조되는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터의 페러데이(F)로 표시되는 전기용량 성능, 및 옴(Ω)으로 표시되는 등가 직렬 저항(ESR) 성능을 열거한 표로 도시된다.
리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 캐패시터는 평균 전기용량 약 17.51 F, 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.40 Ω을 입증했다. 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 7:3의 비로 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 캐패시터는 평균 전기용량 약 18.21 F 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.33 Ω인 것을 입증했다. 도 9는, 연질 탄소 및 경질 탄소를 약 7:3의 비로 갖는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터가, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 갖는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 비해, 감소한 ESR (및 따라서 개선된 캐패시터 성능)을 나타내는 것을 입증한다. 도 9는, 예를 들면, 이러한 ESR의 개선은 약 20% 이하이고, 약 10% 내지 약 20%, 약 15% 내지 약 20%, 예를 들면, 약 17%을 포함할 수 있는 것을 도시한다.
도 10은, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 포함하는 전극 필름 혼합물로부터 제조된 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터, 및 경질 탄소, 연질 탄소 및 흑연을 약 1:1:1의 비로 포함하는 전극 필름 혼합물로부터 제조된 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터의 페러데이(F)로 표시되는 전기용량 성능, 및 옴(Ω)으로 표시되는 등가 직렬 저항(ESR) 성능을 열거하는 표를 도시한다.
리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 캐패시터는, 평균 전기용량 약 16.58 F, 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.52 Ω인 것을 입증했다. 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소, 연질 탄소 및 흑연을 약 1:1:1의 비로 포함하는 애노드 필름 혼합물을 사용하여 제조된 캐패시터는 평균 전기용량 약 18.02 F 및 평균 등가 직렬 저항 약 0.35 Ω인 것을 입증했다. 도 10은, 경질 탄소, 연질 탄소 및 흑연을 약 1:1:1의 비로 갖는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터가, 리튬 이온이 삽입된 탄소 성분으로서 경질 탄소만을 갖는 애노드를 갖는 리튬 이온 캐패시터에 비해, 감소한 ESR (및 따라서 개선된 캐패시터 성능)을 나타내는 것을 도시한다. 예를 들면, ESR의 개선은 약 35% 이하이고, 약 10% 내지 약 35%, 또는 약 25% 내지 약 35%를 포함한다.
본 발명은 특정한 실시형태 및 실시예의 문맥에서 개시되어 있지만, 당업자는 본 발명의 또 다른 실시형태 및/또는 사용 및 그 명백한 변형 또는 상당물에 대해 구체적으로 개시된 실시형태를 넘어서 확장되는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시형태의 여러 변형이 상세하게 표시되고 기재되지만, 본 발명의 범위 내에서 그 외의 변형은 본 개시내용에 기초해서 당업자에게 용이하게 명백하게 될 것이다. 실시형태의 특정한 특징 및 형태의 다양한 조합 또는 하위 조합이 이루어지고 본 발명의 범위 내에서 있는 것으로 여겨진다. 본 발명의 실시형태의 다양한 모드를 형성하기 위해 개시된 실시형태의 다양한 특징 및 형태는 그 외의 것과 조합되거나 대체될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본원에 개시된 본 발명의 범위는 상기 기재된 특정 실시형태에 의해 제한되지 않아야 하는 것으로 의도된다.
본원에 제공된 표제는 필요에 따라 편이를 위한 것으로 반드시 본원에 개시된 장치 및 방법의 범위 또는 의미에 영향을 미치는 것은 아니다.
Claims (22)
- 에너지 저장 장치의 무용매(solvent-free) 애노드 전극 필름으로서,
리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분; 및
리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분;을 포함하고,
상기 애노드 전극 필름은 전도성 탄소를 포함하지 않고,
상기 애노드 전극 필름은 건식 프리-스탠딩(free-standing) 전극 필름인,
무용매 애노드 전극 필름.
- 제1항에 있어서,
상기 애노드 전극 필름은 리튬 이온 배터리 활성 물질을 포함하는, 무용매 애노드 전극 필름.
- 제1항에 있어서,
상기 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분은 경질 탄소를 포함하는 것인, 무용매 애노드 전극 필름.
- 제3항에 있어서,
상기 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분은 연질 탄소 또는 흑연을 포함하는 것인, 무용매 애노드 전극 필름.
- 제4항에 있어서,
상기 애노드 전극 필름은 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분을 더 포함하고, 상기 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분은 연질 탄소 또는 흑연 중 다른 하나를 포함하는 것인, 무용매 애노드 전극 필름.
- 제1항에 있어서,
상기 애노드 전극 필름은 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분을 더 포함하는, 무용매 애노드 전극 필름.
- 제1항에 있어서,
상기 애노드 전극 필름은 상기 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분과 상기 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 1:19 내지 19:1의 비로 포함하는, 무용매 애노드 전극 필름.
- 제7항에 있어서,
상기 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분과 상기 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분의 비는 1:1인 것인, 무용매 애노드 전극 필름.
- 제1항에 있어서,
상기 애노드 전극 필름은 상기 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분과 상기 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 80 중량% 내지 97 중량% 포함하는, 무용매 애노드 전극 필름.
- 제1항에 있어서,
상기 애노드 전극 필름은 상기 건식 프리-스탠딩 전극 필름에 구조적 지지체를 제공하는 피브릴화된 바인더 매트릭스를 포함하는 것인, 무용매 애노드 전극 필름.
- 집전기와 접촉하는 제1항의 애노드 전극 필름을 포함하는, 애노드.
- 캐소드, 제11항의 애노드, 및 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이의 세퍼레이터를 포함하는, 에너지 저장 장치.
- 제12항에 있어서,
상기 캐소드는 리튬 이온 배터리 활성 물질을 포함하는 것인, 에너지 저장 장치.
- 제12항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는 리튬 이온 배터리를 포함하는, 에너지 저장 장치.
- 무용매 애노드 전극 필름의 제조 방법으로서,
리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분을 제공하는 단계;
리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 제공하는 단계;
피브릴화 가능한 바인더 성분을 제공하는 단계;
상기 피브릴화 가능한 바인더 성분, 상기 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분 및 상기 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분을 합하여, 전극 필름 혼합물을 제공하는 단계; 및
상기 전극 필름 혼합물로부터 애노드 전극 필름을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 애노드 전극 필름은 전도성 탄소를 포함하지 않고;
상기 애노드 전극 필름은 건식 프리-스탠딩 전극 필름인 것인, 무용매 애노드 전극 필름의 제조 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분은 경질 탄소를 포함하고 상기 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분은 연질 탄소 또는 흑연을 포함하는 것인, 무용매 애노드 전극 필름의 제조 방법.
- 제16항에 있어서,
상기 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분은 연질 탄소를 포함하고 상기 전극 필름 혼합물은 경질 탄소 및 연질 탄소를 1:1의 비로 포함하는 것인, 무용매 애노드 전극 필름의 제조 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 방법은 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분은 흑연을 포함하는 것인, 무용매 애노드 전극 필름의 제조 방법.
- 제18항에 있어서,
상기 전극 필름 혼합물은 상기 리튬 이온이 삽입된 제1 탄소 성분, 상기 리튬 이온이 삽입된 제2 탄소 성분 및 상기 리튬 이온이 삽입된 제3 탄소 성분을 80 중량% 내지 97 중량% 포함하는 것인, 무용매 애노드 전극 필름의 제조 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 방법은, 상기 피브릴화 가능한 바인더 성분의 적어도 일부가 피브릴화된 바인더 성분을 포함하도록 피브릴화 가능한 바인더 성분을 피브릴화하는 단계를 더 포함하는, 무용매 애노드 전극 필름의 제조 방법.
- 제20항에 있어서,
상기 전극 필름 혼합물로부터 애노드 전극 필름을 형성하는 단계는 상기 전극 필름 혼합물을 압축하는 단계를 더 포함하는 것인, 무용매 애노드 전극 필름의 제조 방법.
- 에너지 저장 장치의 제조 방법으로서,
캐소드를 제공하는 단계, 15항의 애노드 전극 필름을 제공하는 단계, 및 상기 애노드 전극 필름 및 상기 캐소드 사이에 세퍼레이터를 제공하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 장치의 제조 방법.
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