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KR-20260061461-A - USE OF SILICON WITH IMPURITIES IN SILICON-DOMINANT ANODE CELLS

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Abstract

규소 풍부 애노드 전지 내 불순물을 가진 규소의 용도를 위한 시스템 및 방법은 캐소드, 전해질, 및 활성 물질을 포함하는 애노드를 포함할 수도 있고, 애노드 활성 물질은 규소를 포함하고, 규소의 불순물 수준은 400ppm 초과일 수도 있다. 규소의 불순물 수준은 600ppm 초과이다. 불순물 수준은 원자 번호 2 내지 42를 가진 원소에 대한 것일 수도 있다. 규소는 99.90% 이하의 순도를 가질 수도 있다. 4㎜ 두께 및 15㎜ 직경 펠릿으로 가압될 때 규소의 저항은 25㏀ 이하일 수도 있다. 활성 물질은 금속 집전기 상의 열분해된 폴리머 및 규소를 포함할 수도 있다. 금속 집전기는 활성 물질과 전기적으로 접촉하는 구리 또는 니켈 포일을 포함할 수도 있다. 활성 물질은 50% 초과의 규소를 포함할 수도 있다.

Inventors

  • 브라운 이안
  • 박 벤자민
  • 페스타나 질

Assignees

  • 에네베이트 코포레이션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20201030
Priority Date
20191107

Claims (15)

  1. 배터리로서, 캐소드, 전해질, 및 활성 물질을 포함하는 애노드를 포함하되, 애노드 활성 물질은 규소를 포함하고, 상기 규소의 불순물 수준은 400ppm 초과이며, 상기 규소의 불순물 수준은 1200ppm 미만이고, 상기 불순물은 B, Na, Mg, P, S, Cl, Ti, V, Cr, Co, Cu, Ge, Br, 및 Zr 중 적어도 하나를 포함하는, 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 규소의 상기 불순물 수준은 600ppm 초과인, 배터리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 규소는 99.90% 이하의 순도를 갖는, 배터리.
  4. 제1항에 있어서, 4㎜ 두께 및 15㎜ 직경 펠릿으로 가압될 때 상기 규소의 저항은 25㏀ 이하인, 배터리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 애노드 활성 물질은 금속 집전기 상의 열분해된 폴리머 및 규소를 포함하는, 배터리.
  6. 제5항에 있어서, 상기 애노드 활성 물질은 전도성 탄소를 포함하는, 배터리.
  7. 제1항에 있어서, 금속 집전기는 상기 활성 물질과 전기적으로 접촉하는 구리 또는 니켈 포일을 포함하는, 배터리.
  8. 제1항에 있어서, 상기 애노드 활성 물질은 20% 초과의 규소를 포함하는, 배터리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 애노드 활성 물질은 50% 초과의 규소를 포함하는, 배터리.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 액체, 고체 또는 겔을 포함하는, 배터리.
  11. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 리튬 이온 배터리를 포함하는, 배터리.
  12. 배터리를 형성하는 방법으로서, 캐소드, 전해질, 및 활성 물질을 포함하는 애노드를 포함하는 배터리를 제조하는 단계를 포함하되, 애노드 활성 물질은 규소를 포함하고, 상기 규소의 불순물 수준은 400ppm 초과이며 상기 규소의 불순물 수준은 1200ppm 미만이고, 상기 불순물은 B, Na, Mg, P, S, Cl, Ti, V, Cr, Co, Cu, Ge, Br, 및 Zr 중 적어도 하나를 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 규소의 상기 불순물 수준은 600ppm 초과인, 배터리를 형성하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 규소는 99.90% 이하의 순도를 갖는, 배터리를 형성하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 배터리는 리튬 이온 배터리를 포함하고 상기 전해질은 액체, 고체 또는 겔을 포함하는, 배터리를 형성하는 방법.

Description

규소 풍부 애노드 전지 내 불순물을 가진 규소의 용도 {USE OF SILICON WITH IMPURITIES IN SILICON-DOMINANT ANODE CELLS} 관련 출원에 대한 상호 참조/참조에 의한 원용 위에서 언급된 출원은 미국 특허 출원 제16/676,686호(출원일: 2019년 11월 7일)의 우선권을 주장한다. 분야 본 개시내용의 양상은 에너지 생성 및 저장에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시내용의 특정한 실시형태는 규소 풍부 애노드 전지(silicon-dominant anode cell) 내 불순물을 가진 규소의 용도를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 배터리 전극에 대한 종래의 방식은 비용이 많이 들 수도 있고, 번거로울 수도 있고/있거나 비효율적일 수도 있다-예를 들어, 이 방식은 복잡할 수도 있고/있거나 구현하는 데 시간 소모적일 수도 있고, 배터리 수명을 제한할 수도 있다. 종래의 방식 및 전통적인 방식의 추가의 제한 및 단점은 도면을 참조하여 본 출원의 나머지에 제시된 바와 같이 본 개시내용의 일부 양상과 이러한 시스템의 비교를 통해, 당업자에게 분명해질 것이다. 규소 풍부 애노드 전지 내 불순물을 가진 규소의 용도를 위한 시스템 및/또는 방법은 청구범위에 더 완전히 제시된 바와 같이, 실질적으로 도면 중 적어도 하나의 도면과 연관되어 도시되고/되거나 설명된다. 본 개시내용의 이 장점 및 다른 장점, 양상 및 새로운 특징뿐만 아니라 본 개시내용의 예시된 실시형태의 상세사항은 다음의 설명 및 도면으로부터 더 완전히 이해될 것이다. 도 1은 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 규소 풍부 애노드를 가진 배터리의 도면. 도 2는 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 리튬화 동안 애노드를 예시하는 도면. 도 3은 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 규소 풍부 애노드 내 활성 물질을 위해 사용되는 규소 입자 및 다양한 공급원의 입자 크기 분포를 도시하는 도면. 도 4는 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 전지를 제조하기 위한 과정의 흐름도. 도 5는 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 전지를 제조하기 위한 대안적인 과정의 흐름도. 도 6은 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 규소 풍부 애노드 내 상이한 규소 공급원을 가진 전지에 대한 전지 정전 용량 유지를 예시하는 도면. 도 1은 본 개시내용의 예시적인 실시형태에 따른, 규소 풍부 애노드를 가진 배터리의 도면이다. 도 1을 참조하면, 집전기(107A 및 107B)와 함께, 애노드(101)와 캐소드(105) 사이에 개재된 분리기(103)를 포함하는 배터리(100)가 도시된다. 배터리(100)가 방전 모드에 있을 때의 경우를 예시하는 배터리(100)에 결합된 부하(109)가 또한 도시된다. 본 개시내용에서, 용어 "배터리"는 단일의 전기화학 전지, 모듈로 형성된 복수의 전기화학 전지, 및/또는 팩으로 형성된 복수의 모듈을 나타내도록 사용될 수도 있다. 휴대용 전자 디바이스의 발달 및 수송 수단의 전화는 고성능의 전기화학 에너지 저장을 위한 필요성을 발생시킨다. 소규모(100Wh 미만) 내지 대규모(10㎾h 초과)의 디바이스는 주로 이들의 고성능에 기인하여 다른 재충전 가능한 배터리 화학반응에 비해 리튬 이온(Li-ion) 배터리를 사용한다. 집전기(107A 및 107B)와 함께, 애노드(101) 및 캐소드(105)는 전해질 물질 내에 있거나 또는 이것을 포함하는 플레이트 또는 막을 포함할 수도 있는 전극을 포함할 수도 있고, 플레이트는 전해질을 포함하기 위한 물리적 배리어뿐만 아니라 외부 구조체에 대한 전도성 접점을 제공할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 애노드/캐소드 플레이트는 전해질에 침지되고 반면에 외부 케이싱은 전해질 격납을 제공한다. 애노드(101) 및 캐소드는 전극에 대한 전기적 접점뿐만 아니라 전극을 형성할 때 활성 물질을 위한 물리적 지지를 제공하기 위한 금속 또는 다른 전도성 물질을 포함하는 집전기(107A 및 107B)에 전기적으로 결합된다. 도 1에 도시된 구성은 방전 모드인 배터리(100)를 예시하고, 반면에 충전 구성에서, 부하(107)는 충전기로 대체되어 과정을 반전시킬 수도 있다. 하나의 부류의 배터리에서, 분리기(103)는 일반적으로 이온이 분리기(103)를 통과하게 하도록 충분히 다공성이면서, 예를 들어, 전자가 애노드(101)로부터 캐소드(105)로 또는 그 역으로 흐르는 것을 방지하는, 전기 절연성 폴리머로 이루어진, 막 물질이다. 일반적으로, 분리기(103), 캐소드(105) 및 애노드(101) 물질은 시트, 막 또는 활성 물질 코팅된 포일로 개별적으로 형성된다. 캐소드, 분리기 및 애노드의 시트가 캐소드(105)와 애노드(101)를 분리시키는 분리기(103)와 함께 후속하여 적층되거나 또는 롤링되어 배터리(100)를 형성한다. 일부 실시형태에서, 분리기(103)는 시트이고 일반적으로 분리기의 제작 시 권취 방법 및 적층을 활용한다. 이 방법에서, 애노드, 캐소드 및 집전기(예를 들어, 전극)는 막을 포함할 수도 있다. 예시적인 시나리오에서, 배터리(100)는 고체, 액체 또는 겔 전해질을 포함할 수도 있다. 분리기(103)는 바람직하게는 용해된 LiBF4, LiAsF6, LiPF6 및 LiClO4 등과 함께 에틸렌 카보네이트(EC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 프로필렌 카보네이트(PC), 다이메틸 카보네이트(DMC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 다이에틸 카보네이트(DEC) 등을 포함할 수도 있는 조성물과 같은 일반적인 배터리 전해질에 용해되지 않는다. 분리기(103)는 액체 또는 겔 전해질에 의해 젖거나 또는 적셔지지 않을 수도 있다. 또한, 예시적인 실시형태에서, 분리기(103)는 약 100 내지 120℃ 미만에서 용융되지 않고, 배터리 적용을 위한 충분한 기계적 특성을 나타낸다. 배터리는 작동 시, 애노드 및/또는 캐소드의 팽창 및 수축을 겪을 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 분리기(103)는 결함 없이 적어도 약 5 내지 10%만큼 팽창되고 수축될 수 있고, 또한 휘어질 수도 있다. 분리기(103)가 충분히 다공성일 수도 있어서 일단 분리기가, 예를 들어, 액체 또는 겔 전해질에 의해 젖는다면 이온이 분리기를 통과할 수 있다. 대안적으로(또는 부가적으로), 분리기는 심지어 상당한 다공도 없이 겔화 또는 다른 공정을 통해 전해질을 흡수할 수도 있다. 분리기(103)의 다공도가 또한 일반적으로 너무 다공성이어서 애노드(101) 및 캐소드(105)가 전자를 분리기(103)를 통해 이송하게 한다. 애노드(101) 및 캐소드(105)는 충전 상태 및 방전 상태에서 전하의 이송을 위해 디바이스에 대한 전기적 연결을 제공하는, 배터리(100)를 위한 전극을 포함한다. 애노드(101)는 예를 들어, 규소, 탄소 또는 이 물질의 조합을 포함할 수도 있다. 전형적인 애노드 전극은 집전기, 예컨대, 구리 시트를 포함하는 탄소 물질을 포함한다. 탄소는 이것이 우수한 전기 화학적 성능을 갖고 또한 전기 전도성이기 때문에 종종 사용된다. 재충전 가능한 리튬 이온 전지에서 현재 사용되는 애노드 전극은 일반적으로 대략 200㎃h/g(milliamp hours per gram)의 비정전 용량을 갖는다. 흑연, 즉, 대부분의 리튬 이온 배터리 애노드에서 사용되는 활성 물질은 372㎃h/g의 이론적 에너지 밀도를 갖는다. 비교하면, 규소는 4200㎃h/g의 높은 이론적 정전 용량을 갖는다. 리튬 이온 배터리의 용적 및 중량적 에너지 밀도를 증가시키기 위해, 규소는 캐소드 또는 애노드를 위한 활성 물질로서 사용될 수도 있다. 규소 애노드는 예를 들어, 50% 초과의 규소를 가진, 규소 합성물로 형성될 수도 있다. 예시적인 시나리오에서, 애노드(101)와 캐소드(105)는 전하의 분리를 위해 사용되는 이온, 예컨대, 리튬을 저장한다. 이 실시예에서, 전해질은 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 방전 모드에서 양으로 대전된 리튬 이온을 애노드(101)로부터 캐소드(105)로 그리고 충전 모드에서 분리기(105)를 통해 반대로 운반한다. 리튬 이온의 이동은 양의 집전기(107B)에서 전하를 생성하는 자유 전자를 애노드(101)에서 생성한다. 이어서 전류가 집전기로부터 부하(109)를 통해 음의 집전기(107A)로 흐른다. 분리기(103)는 배터리(100) 내부의 전자의 흐름을 차단하고, 리튬 이온의 흐름을 허용하고, 전극 간의 직접적인 접촉을 방지한다. 배터리(100)가 방전되고 전류를 제공하는 동안, 애노드(101)가 리튬 이온을 분리기(103)를 통해 캐소드(105)로 방출하여, 하나의 측면으로부터 결합된 부하(109)를 통해 다른 하나의 측면으로의 전자의 흐름을 생성한다. 배터리가 충전될 때, 리튬 이온이 캐소드(105)에 의해 방출되고 애노드(101)에 의해 수용되는 반대의 경우가 발생한다. 애노드(101) 및 캐소드(105)를 위해 선택된 물질은 배터리(100)에 대해 가능한 신뢰도 및 에너지 밀도를 위해 중요하다. 현재의 Li-이온 배터리의 에너지, 전력, 비용 및 안전성은 예를 들어, 내연 기관(internal combustion engine: ICE) 기술과 경쟁하고 전기 자동차(electric vehicle: EV)의 광범위한 채택을 허용하기 위해 개선되어야 한다. 리튬 이온 배터리의 높은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도 및 개선된 안정성은 고용량 및 고전압 캐소드, 고용량 애노드 및 고전압 안정성을 가진 기능적으로 비가연성 전해질 및 전극과의 계면 호환성의 발달에 의해 달성된다. 또한, 낮은 유독성을 가진 물질은 공정 비용을 감소시키고 소비자 안정성을 촉진하기 위해 배터리 물질로서 이롭다. 전기화학 전극의 성능(많은 요인에 의존적임)은 전극 입자 간, 뿐만 아니라 집전기와 전극 입자 간의 전기 접점의 견고성에 크게 의존적이다. 규소 애노드 전극의 전기 전도도는 상이한 형태학적 특성을 가진 전도성 첨가제를 포함시킴으로써 조작될 수도 있다. 카본 블랙(Super P), 기상 성장 탄소 섬유(vapor grown carbon fiber: VGCF), 및 이 2개의 혼합물이 이전에 애노드 전극에 별도로 포함되서, 애노드의 성능을 개선시켰다.