KR-20260061475-A - ADVANCED LITHIUM-ION ENERGY STORAGE DEVICE

Abstract

리튬 이온 커패시터는 결합제-무함유 양극 및 음극 활성층을 포함한다. 커패시터는 높은 에너지 밀도, 전력 밀도 및 사이클 수명을 나타내며, 전기 이중층 커패시터와 리튬 이온 배터리 사이의 우수한 성능 절충안을 제공한다.

Inventors

• 천 지
• 차오 완쥔 벤
• 박 기태
• 브램빌라 니콜로 엠
• 얀 진
• 하이드 존
• 캐쉬 맥켄지

Assignees

• 나노라믹, 인크.

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20211019

Priority Date

20201019

Claims (1)

1. 리튬 이온 커패시터 장치로서, 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소의 네트워크를 포함하는 양극; 세퍼레이터에 의해 상기 양극으로부터 분리되는, 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소의 네트워크를 포함하는 음극; 및 커패시터의 사전 리튬화를 제공하기 위해 상기 음극 상에 배치된 리튬 막 을 포함하되; 상기 양극 및 음극 중 적어도 하나는, 상기 네트워크 내에서 빈 공간을 한정하는 고애스펙트비(high aspect ratio) 탄소 요소의 네트워크; 상기 네트워크 내의 상기 빈 공간에 배치되고 상기 네트워크에서 얽힌 복수의 전극 활성 재료 입자 를 포함하고, 상기 네트워크는 적어도 90 중량%의 탄소인, 장치.

Description

고급 리튬 이온 에너지 저장 디바이스{ADVANCED LITHIUM-ION ENERGY STORAGE DEVICE} 관련 문헌에 대한 상호 참조 본 출원은, 미국 특허 가출원 제63/093441호(발명의 명칭: "Advanced Lithium-Ion Energy Storage Device", 출원일: 2020년 10월 19일), 미국 특허 가출원 제63/021492호(발명의 명칭: "Wide Temperature Electrolyte", 출원일: 2020년 5월 8일); 미국 특허 제10,600,582호(발명의 명칭: "Composite Electrode", 등록일: 2020년 3월 24일); 미국 특허 제9,001,495호(발명의 명칭: "High power and high energy electrodes using carbon nanotubes", 등록일: 2015년 4월 7일), 또한 미국 특허 제9,218,917호(발명의 명칭: "Energy storage media for ultracapacitors", 등록일: 2015년 12월 22일)와 관련되며, 이들의 전체 개시내용은 어떤 목적으로든 참조에 의해 본 명세서에 원용된다. 발명의 기술분야 본 명세서에 개시된 발명은 에너지 저장 디바이스에 관한 것으로, 특히 실질적으로 결합제 재료 없이 제조되는 리튬 함유 전극에 관한 것이다. 리튬(Li)-이온 배터리(LiB) 및 전기 이중층 커패시터(EDLC)는 널리 사용되는 두 가지 전기화학적 에너지 저장 디바이스이다. 전형적인 LiB는 리튬(Li) 삽입 애노드와 Li 금속 산화물 캐소드(따라서 에너지 저장의 환원 공정 또는 패러데이 메커니즘)로 만들어지는 반면, EDLC는 애노드 및 캐소드 모두에 대해 고표면적 활성탄(AC)으로 만들어진다(따라서 이중층 커패시턴스 또는 비패러데이 형태의 에너지 저장에 의존한다). 상이한 에너지 저장 메커니즘의 결과로서, 이들 디바이스는 그 에너지 및 전력 성능이 구별된다. LiB는 예를 들어 100 내지 250 Wh/㎏의 높은 비에너지를 나타내며; 그러나, LiB는 또한 0.5 ㎾/㎏ 미만의 낮은 비출력과 5,000 사이클 미만의 열악한 사이클 수명을 갖는다. EDLC는 10 ㎾/㎏의 높은 비출력과 100,000 사이클 이상의 긴 사이클 수명을 가지며; 그러나, EDLC는 6 Wh/㎏ 미만의 훨씬 더 낮은 비에너지를 나타낸다. LiB와 EDLC의 장점을 단일 형태로 조합할 수 있는 에너지 저장 디바이스가 매우 바람직하다. 차세대의 슈퍼커패시터로서, Li-이온 커패시터(LiC)는 EDLC 캐소드와 사전 리튬화된 애노드를 포함하는 고급 에너지 저장 디바이스이며, 이온은 충전 및 방전 과정동안 캐소드와 애노드 사이를 오간다. 사전 리튬화되고 낮은 표면 애노드 재료를 사용하기 때문에, LiC는 EDLC보다 훨씬 높고 LiB와 비슷한 4.0V의 높은 전압으로 충전될 수 있다. LiC가 LiB보다 훨씬 높은 전력 밀도를 달성할 수 있을지라도, LiC의 에너지 밀도는 약 10 내지 20 Wh/㎏이며, 이는 여전히 LiB보다 훨씬 낮다. 그러므로, LiC 에너지 저장 디바이스의 에너지 밀도는 더욱 향상될 필요가 있다. 필요한 것은 LiC 기술의 가능성을 개선하기 위한 방법 및 장치이다. 바람직하게, 방법 및 장치는 또한 제조에 요구되는 비용 및 시간을 감소시킨다. 일 실시형태에서, 리튬 이온 커패시터 장치가 제공된다. 장치는 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소의 네트워크를 포함하는 양극; 세퍼레이터에 의해 양극으로부터 분리되는, 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소의 네트워크를 포함하는 음극; 및 커패시터의 사전 리튬화를 제공하기 위해 음극 상에 배치된 리튬 막을 포함하고; 양극 및 음극 중 적어도 하나는: 네트워크 내에서 빈 공간을 한정하는 고애스펙트비 탄소 요소의 네트워크; 네트워크 내의 빈 공간에 배치되고 네트워크에서 얽힌 복수의 전극 활성 재료 입자를 포함한다. 일부 실시형태에서, 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함하고, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 보조 치수의 길이 비율의 적어도 100배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 보조 치수의 길이 비율의 적어도 1,000배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 2개의 주요 치수 및 1개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10,0000배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이 비율의 적어도 100배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이의 적어도 1,000배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 각각 하나의 주요 치수 및 2개의 보조 치수를 갖는 요소를 포함할 수 있으며, 각각의 주요 치수의 길이 비율은 각각의 보조 치수의 길이 비율의 적어도 10,000배이다. 고애스펙트비 탄소 요소는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 번들을 포함할 수 있다. 고애스펙트비 탄소 요소는 그래핀 박편(graphene flake)을 포함할 수 있다. 전극 활성층은 빈 공간에 배치된 10 중량% 미만의 중합체 결합제를 함유할 수 있다. 전극 활성층은 빈 공간에 배치된 1 중량% 미만의 중합체 결합제를 함유할 수 있다. 전극 활성층은 빈 공간에 배치된 1 중량% 미만의 중합체 결합제를 함유할 수 있다. 전극 활성층은 표면 처리 이외에 실질적으로 중합체 재료가 없을 수 있다. 전극 활성층은 실질적으로 중합체 재료가 없을 수 있다. 네트워크는 적어도 90 중량%의 탄소일 수 있다. 네트워크는 적어도 95 중량%의 탄소일 수 있다. 네트워크는 적어도 99 중량%의 탄소일 수 있다. 네트워크는 적어도 99.9 중량%의 탄소일 수 있다. 네트워크는 삼투 임계값 이상에서 연결성을 나타내는 탄소 요소의 전기적으로 상호 연결된 네트워크를 포함할 수 있다. 네트워크는 하나 이상의 높은 전기 전도성 경로를 한정할 수 있다. 경로는 100㎛보다 긴 길이를 가질 수 있다. 경로는 1,000㎛보다 긴 길이를 가질 수 있다. 경로는 10,000㎛보다 긴 길이를 가질 수 있다. 네트워크는 탄소 요소로 형성된 하나 이상의 구조를 포함할 수 있으며, 상기 구조는 탄소 요소의 최대 치수의 길이의 적어도 10배인 전체 길이를 포함한다. 네트워크는 탄소 요소로 형성된 하나 이상의 구조를 포함할 수 있으며, 상기 구조는 탄소 요소의 최대 치수 길이의 적어도 100배인 전체 길이를 포함한다. 네트워크는 탄소 요소로 형성된 하나 이상의 구조를 포함할 수 있으며, 상기 구조는 탄소 요소의 최대 치수 길이의 적어도 1,000배인 전체 길이를 포함한다. 양극은 활성탄, 카본블랙, 흑연, 경질 탄소, 연질 탄소, 나노폼 탄소, 고애스펙트비 탄소 및 이들의 혼합물로 이루어진 리스트로부터 적어도 하나를 포함하는 전극 활성 재료를 포함할 수 있다. 양극은 1000 내지 3000 ㎡/g의 범위에 있는 비표면적을 갖는 활성탄(AC)을 포함하는 전극 활성 재료를 포함할 수 있다. 양극은 D50≤10㎛의 입자 크기를 갖는 활성탄(AC)을 포함하는 전극 활성 재료를 포함할 수 있다. 음극은 D50≤10㎛의 입자 크기를 갖는 전극 활성 재료를 포함할 수 있다. 양극은 활성탄(AC), 카본블랙(BC) 및 고애스펙트비 탄소를 포함하는 전극 활성 재료를 포함할 수 있으며, 활성 재료와 고애스펙트비 탄소 사이의 질량비는 80:20 내지 99:1의 범위에 있다. 양극과 리튬 막의 조합된 총 두께는 40㎛ 내지 450㎛의 범위일 수 있다. 음극의 총 두께는 20㎛ 내지 350㎛의 범위일 수 있다. 양극 활성층의 총 두께 대 음극 활성층의 총 두께의 두께비는 1:2 내지 3:1의 범위일 수 있다. 양극 활성층 대 음극 활성층의 용량비는 1:12 내지 1:2의 범위에 있다. 리튬 막은 정공을 포함하는 초박형 리튬 막을 포함할 수 있다. 음극 활성층의 측면에서의 리튬 소스의 단위 면적당 질량은 0.1 ㎎/cm2 내지 3 ㎎/㎠의 범위일 수 있다. 음극 활성 전극층의 측면에서의 리튬 소스의 두께는 2 내지 50㎛의 범위일 수 있다. 리튬 막의 표면적은 음극의 측면의 표면적의 25% 내지 100%일 수 있다. 리튬 막은 정공을 포함할 수 있고, 상기 정공의 면적 크기 백분율 범위는 막의 총 면적의 약 0.01% 내지 약 75%의 범위이다. 다른 실시형태에서, 리튬 이온 커패시터를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 에너지 저장 셀을 제공하는 단계로서, 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소 네트워크를 포함하는 양극을 선택하는 단계; 세퍼레이터에 의해 상기 양극으로부터 분리된, 실질적으로 결합제 재료가 없는 탄소 네트워크를 포함하는 음극을 선택하는 단계; 및 커패시터의 사전 리튬화를 제공하기 위해 상기 음극 상에 리튬 막을 배치하는 단계에 의해 제공되는, 상기 에너지 저장 셀 제공 단계; 커패시터를 제공하기 위해 하우징에서 상기 에너지 저장 셀 및 전해질을 밀봉하는 단계를 포함한다. 리튬 이온 커패시터는 상술한 장치를 포함할 수 있다. 본 발명의 특징 및 장점은 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 설명으로부터 명백하다: 일련의 현미경 사진, 흐름도 및 성능 그래픽이 제공된다. 본 명세서에서 에너지 저장 디바이스에서 유용한 하이브리드 결합제-무함유 전극을 제조하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 유리하게, 전극의 구성에서 통상적으로 사용되는 실질적으로 결합제 재료가 없는 결과로서, 본