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KR20120081085A - 리튬 이온 배터리 부품의 직접 열 스프레이 합성 - Google Patents

리튬 이온 배터리 부품의 직접 열 스프레이 합성 Download PDF

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Publication number
KR20120081085A
KR20120081085A KR1020127006002A KR20127006002A KR20120081085A KR 20120081085 A KR20120081085 A KR 20120081085A KR 1020127006002 A KR1020127006002 A KR 1020127006002A KR 20127006002 A KR20127006002 A KR 20127006002A KR 20120081085 A KR20120081085 A KR 20120081085A
Authority
KR
South Korea
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precursor
solution
source
coating layer
heat treating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020127006002A
Other languages
English (en)
Inventor
프라반수 에스. 모한티
니콜라스 안톤 모로즈
사티쉬 비. 칙칸나나바
라메쉬 쿠마 구두루
Original Assignee
더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시건
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
Priority claimed from US12/772,342 external-priority patent/US8294060B2/en
Application filed by 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시건 filed Critical 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시건
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Abstract

전구체에 용해된 적어도 하나의 성분을 갖는 전구체를 제공하는 단계; 및 적어도 하나의 성분이 기판에 도포되기 전에 열 스프레이 내에서 합성되도록 코팅층을 형성하기 위해 기판에 전구체를 열 스프레이 도포하는 단계를 포함하는 전구체로부터 배터리 부재를 제조하는 방법.

Description

리튬 이온 배터리 부품의 직접 열 스프레이 합성{DIRECT THERMAL SPRAY SYNTHESIS OF Li ION BATTERY COMPONENTS}
본 발명은 미국 해군에 의해 수여된 보조금 제 N00244-07-P-0553 하에서 정부 지원으로 만들어졌다. 미국 정부는 본 발명에 특정 권리를 갖는다.
본 출원은 2010년 8월 13일에 출원된 미국 출원 제 12/855,789의 우선권을 주장하고, 2009년 8월 14일에 출원된 미국 가출원 제 61/233,863의 이익을 주장한다. 본 출원은 또한 2009년 5월 1일에 출원된 미국 가출원 제 61/174,576의 이익을 주장하는 2010년 5월 3일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/772,342의 일부 계속 출원이다.
본 명세서는 리튬-이온 배터리의 제조에 관련되고, 보다 상세하게는, 열원과 현장에서(in situ) 미세 구조 변형을 결합한 열 스프레이 공정을 이용하여 전극 물질 및 부품의 직접 합성을 위한 도포 장치, 방법 및 방안에 관한 것이다.
본 세션은 필수적인 종래 기술이 아닌 본 명세서에 관련된 배경 정보를 제공한다.
재충전 가능한 리튬 이온 배터리는 자동차, 전자, 생물 의학 시스템, 우주 항공 시스템 및 다른 개인적인 응용에서 많은 응용을 갖는다. 더 좋은 비용량(specific capacity) 및 사이클링 특성을 달성하기 위해 리튬 이온 배터리의 전극 특성을 개선하기 위한 필요는 이전부터 구체화되었다. 수년 동안 연구자들은 더 좋은 성능을 달성하기 위해 화학 물질, 미세 구조 및 입자 크기를 제어하는데 초점을 맞추어 왔다.
도 1을 특정하여 참조하면, 리튬 이온 배터리 셀은 일반적으로 배터리 작동을 위해 양극, 세퍼레이터(seperator), 음극 및 양극과 음극 사이에 이온 통신을 가능하게 하는 전해질을 포함한다. 다양한 물질이 산업에서 이러한 부품을 위해 시험되었다. 예를 들면, LiFePO4, LiCoO2, LiMn2O3 및 Li[NixCo1-2xMnx]O2와 같은 화학 물질들이 음극을 위해 실험되었다. 흑연, 실리콘이 코팅된 탄소, Li4Ti5O12, Co3O4, 및 Mn3O4와 같은 화학 물질들은 양극을 위해 실험되었다. 전해질은 액체 또는 고체 또는 이들의 조합 중 하나일 수 있다.
음극을 위해 사용되는 다양한 물질 중에서, Fe계 인산염(Fe-based phosphate)은 낮은 가격 및 무독성 때문에 매력적인 물질이다. 올리빈(olivine) 구조의 LiFePO4는 1996년에 John Goodenough et al.에 의해 Uiversity of Texas에서 처음 개발되었다. 그 이후, 다양한 개선이 입자의 표면적을 증가하고 증강된 전자 및 이온 전달을 위한 전도성 채널을 제공하기 위해 LiFePO4의 생산에 만들어졌다.
LiFePO4는 고온 고체 상태 화학 반응, 솔-겔(sol-gel) 공정, 수열 합성(hydrothermal synthesis), 또는 스프레이 열분해(spray pyrolysis)와 같은 다양한 접근 중 하나를 이용하여 합성될 수 있다. 올리빈 위상을 합성하는 것은 상대적으로 용이하지만, 이들 방법 각각은 철질 층(ferric layer)(Fe2 +의 산화에 기인한)을 제거하고 철 원자를 정확하게 배열시켜 충전/방전 과정 동안 리튬 이온의 분산을 차단하지 않도록 불활성 공기에 약 700℃로 물질을 최종 신터링(sintering)하는 것을 또한 요구한다. 이러한 최종 단계는 적은 양의 물질에도 완료하기까지 수 시간이 일반적으로 걸릴 수 있다.
LiFePO4는 매우 높은 이론적 비용량을 갖지 않지만, 이 물질은 실온에서 매우 낮은 전도성을 보인다. Ravet et al.에 의해 제안된 옵션은 탄소와 같은 전도성 물질로 LiFePO4의 입자를 코팅하는 것이었다. Song et al.은 아세틸렌 블랙(acetylene black)으로 입자를 단순히 볼밀링(ball milling)하여 LiFePO4의 입자에 탄소를 추가할 수 있었다. 이러한 공정은 8배로 샘플의 전도성을 증가시켰다. Bewlay et al.은 LiCO3, FeC2O4.2H2O, 및 NH4H2PO4의 직접 분해 반응에 수크로오스(sucrose)를 추가하여 탄소로 LiFePO4 입자를 코팅했다. 탄소는 또한 프로판과 같은 탄화수소를 통해 LiFePO4 용액을 열분해하여 또한 첨가되었다. 작은 양의 니오븀, 티타늄 및 마그네슘과 같은 다른 첨가물은 또한 LiFePO4의 전도성을 성공적으로 신장시켰다.
음극 또는 양극 물질과 상관없이, 입자 크기, 구조, 위상 및 첨가물은 최적의 배터리 성능을 위해 조심스럽게 제어되어야 할 필요가 있는 중요한 특성이다. 높은 표면적으로, 적절한 격자 구조를 갖는 나노 입자 물질은 리튬 이온의 용이한 삽입 및 추출을 가능하게 하고 배터리 작동 동안 유발되는 심각한 부담을 효과적으로 수용한다. 또한, 탄소계 첨가물은 증강된 충전/방전 성능을 보였다. 모든 합성 과정의 최종 산물은 일반적으로 전도성 첨가물 및 바인더와 실질적으로 섞인 분말이다. 그리고, 슬러리 혼합물은 전극을 형성하기 위해 필름으로서 전하 컬렉터(charge collector) 상에 도포된다. 그러므로, 분말 생산은 일반적으로 배치오프(batch off) 셀 어셈블리 라인에서 된다.
또는, 펄스 레이저 도포 및 전파 마그네톤 스퍼터링과 같은 기술은 전극 상에 직접 원하는 필름을 달성하기 위해 사용되었지만, 공정은 일반적으로 원하는 전극 물질의 사전에 제공된 타겟으로부터 시작하고 일반적으로 nm/min 정도의 매우 느린 필름 성장률을 제공한다.
연구자들은 또한 플라즈마 스프레이 공정과 같은 큰 부피 도포 공정을 이용하여 특히 양극을 위한 사전에 합성된 분말을 도포하기 위한 접근을 시도하였다. 큰 부피 도포 공정이 달성되었지만, 분말 물질은 아직도 상술한 통상적인 접근에 의해 합성될 필요가 있다.
전해질을 고려하면, 액체 전해질은 일반적으로 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC) 및 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC)에 용해된 LiPF6를 포함한다. 또는, EC/DMC 혼합물의 비스(트리플루오로메탄)술포니마이드 리튬 염(Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt)는 또한 액체 전해질로서 사용된다. 액체 전해질은 액체 전해질이 고온 작동을 견딜 수 없기 때문에 일반적으로 저온 공정인 셀 어셈블리 동안 셀 내로 첨가된다.
Li1 + xAlxTi2 -x(PO4)3[LATP](x : 0.2-0.5)에 기초한 고체 전해질은 리튬 이온 재충전 배터리에서 사용에 대해 연구되었다. 이러한 물질은 NASICON 타입 구조 및 리튬 이온을 위한 높은 이온 전도성을 갖고 상승된 온도에서 작동에 매우 적합하다. 고체 전해질의 대부분은 음극 물질과 같이 고체 상태 또는 솔-겔 방법을 통해 합성되고 유리질 위상 분말은 고온 강화 상태로부터 급속한 담금질(quenching)을 통해 달성된다.
음극, 양극 및 전해질과 별개로, 세퍼레이터는 리튬 이온 배터리의 성능에 중요한 역할을 한다. 높은 표면적, 공극율 및 좋은 기계적 강도를 갖는 세퍼레이터는 최고의 성능을 위해 바람직하다. 과거 수년 동안 연구자들은 폴리프로필렌(polypropylene)에 기초한 현존 물질에 상대적으로 더 뛰어난 성능을 갖는 세퍼레이터를 위해 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)계 막에 초점을 맞추었다.
따라서, 현재 연구되는 산업 배터리 제조 기술은 다중-단계 물질 합성, 부품 제작 및 어셈블리 공정을 포함한다. 예를 들면, 음극 제조에 관련된 일반적인 단계는 도 2a에 개략적으로 도시된다. 결과적으로, 현재 리튬 배터리의 가격($/kwh)은 매우 높다. 또한, 합성 및 어셈블리 공정은 또한 배터리 셀의 기하학적 자유도를 제한한다.
본 섹션은 본 개시의 일반적인 요약을 제공하고, 전체 범위의 종합적인 개시 또는 그 특징의 모두를 제공하지는 않는다.
본 명세서는 화학적/열적 처리 및 배터리 셀의 원하는 부품 층 내의 강화를 위해 뜨거운 기체 흐름으로 주입되는 배터리 물질을 위한 적절한 전구체의 사용을 포함하는 장치, 방법 및 방안을 제공한다. 스프레이/도포 공정은 리튬 이온 배터리 부품을 위해 요구되는 다른 물질 조합을 직접 달성하기 위해 분말/액체/기체 전구체 또는 이들의 조합을 이용한다. 원하는 경우, 레이저 빔 또는 열원과 같은 열원은 배터리의 최적 성능을 위해 요구되는 미세 구조 및 위상 제어를 위해 도포된 물질 층의 현장 열처리를 더 제공한다. 접근은 공정 단계 삭제, 기하학적 자유도의 측면에서 특유의 장점을 제공하고 방법은 넓은 면적 전극 제조를 위해 확장 가능하며 따라서 산업 분야 규모 생산에 실행 가능하다.
본 명세서의 특정 실시예에서, 전류 컬렉터, 전극, 전해질과 함께 세퍼레이터 부재 및/또는 이들의 조합은 본 사상의 원칙에 따라 제조되고, 전체 배터리 셀의 모든 부품을 한 층 한 층 제조하는 것을 가능하게 한다. 그러므로, 복잡한 배터리 구조는 물질의 합성 및 셀의 결합이 즉시로 수행되는 경우 달성될 수 있다.
적용 가능성의 추가 영역은 여기에 제공되는 기술로부터 명백해질 것이다. 본 요약의 기술 및 특정 예는 설명의 목적만을 위한 것이고 본 명세서의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
여기에 기술된 도면은 모든 가능한 구현이 아닌 선택된 실시예의 예시 목적만을 위한 것이고, 본 명세서의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 명백함의 목적을 위해, 모든 부품이 모든 도면에서 참조되거나 도시된 도면의 각 실시예의 모든 부품이 참조되지 않는다.
도 1은 본 명세서의 다양한 예시 실시예에 따른 리튬-이온 배터리 셀 부품을 도시하는 개략도이다.
도 2a는 리튬-이온 배터리 음극을 만들기 위한 다중-단계의 통상적인 공정 접근을 도시하는 개략적인 흐름도이다.
도 2b는 본 명세서의 원칙에 따라 리튬-이온 배터리 음극을 만들기 위한 직접 합성 및 강화 접근을 도시하는 개략적인 흐름도이다.
도 3a는 도 2b의 공정 장치 어셈블리를 포함하는 본 명세서의 예시 실시예의 개략도이다.
도 3b는 직접 열 소스와 함께 DC 플라즈마 시스템을 포함하는 도 3a의 스프레이 장치의 예시 실시예의 개략도이다.
도 3c는 연소 화염 시스템을 포함하는 도 3a의 스프레이 장치의 예시 실시예의 개략도이다.
도 3d는 혼합 및 펌핑 시스템을 갖는 3개 액체 전구체 저장부를 포함하는 도 3a의 전구체 공급 장치의 예시 실시예의 개략도이다.
도 3e는 액체 및 고체 전구체 저장부를 포함하는 도 3a의 전구체 공급 장치의 예시 실시예의 개략도이다.
도 4a는 본 명세서의 원칙에 따른 액체 전구체로부터 합성된 분말을 위한 수집 장치의 개략도이다.
도 4b는 본 명세서의 원칙에 따른 액체 및/또는 기체 전구체로부터 합성된 이용 입자가 도포된 전극 물질 필름의 개략도이다.
도 4c는 본 명세서의 원칙에 따른 고체/액체 및/또는 기체 전구체로부터 합성된 이용 입자가 도포된 전극 물질 필름의 개략도이다.
도 4d는 본 명세서의 원칙에 따라 도포되고 현장에서 처리된 전극 물질 필름의 개략도이다.
도 5a는 본 명세서의 원칙에 따라 합성된 다양한 형태학 패턴 및 물질을 도시하는 예시 음극의 사시도이다.
도 5b는 본 명세서의 원칙에 따라 액체 전구체로부터 직접 합성된 LiFePO4 음극 필름의 TEM 이미지이다.
도 5c는 본 명세서의 원칙에 따라 액체 전구체로부터 직접 합성된 LiFePO4 음극 필름의 XRD 패턴이다.
도 5d는 본 명세서의 원칙에 따라 액체 전구체로부터 직접 제조된 LiFePO4 음극의 주기적 커패시티 도표이다.
도 5e는 본 명세서의 원칙에 따라 Co 필름 도포 및 현장 리튬 치환(lithiation)에 의해 제조된 LiCoO2 음극의 주기적 충전/방전 도표이다.
도 6a는 본 명세서의 원칙에 따라 합성된 다양한 형태학적 패턴 및 물질을 도시하는 예시 양극의 사시도이다.
도 6b는 본 명세서의 원칙에 따라 Co 분말 전구체로부터 그리고 현장 산화로 직접 합성된 Co3O4 양극 필름의 XRD 패턴이다.
도 6c는 본 명세서의 원칙에 따라 제조된 도 6b의 Co3O4 양극의 주기적 충전/방전 도표이다.
도 7은 다중 도포 시스템을 포함하는 부품 층의 롤-투-롤(roll-to-roll) 제조를 도시하는 본 명세서의 원칙에 따른 시스템의 사시도이다.
도 8a는 본 명세서의 원칙에 따라 제조된 예시 고체 전해질 층의 XRD 패턴이다.
도 8b는 본 명서에의 원칙에 따라 층별로 제조된 예시 배터리 셀의 사시도이다.
도 8c는 다른 층을 도시하는 도 8a의 예시 배터리 셀의 전개도이다.
도 9a는 본 명세서의 원칙에 따라 비행기 날개에 층별로 도포된 예시 배터리 셀의 사시도이다.
도 9b는 본 명세서의 원칙에 따라 태양 전지 하에 층별로 도포된 예시 배터리 셀의 사시도이다.
도 9c는 본 명세서의 원칙에 따라 자동차 구조에 층별로 도포된 예시 배터리 셀의 사시도이다.
해당하는 참조 부호는 수개의 도면을 통해 해당하는 부분을 나타낸다.
본 사상의 비-제한적인 실시예는 개략적이고 비율에 맞춰 도시되지는 않은 첨부한 도면을 참조하여 예시의 방법으로 기술될 것이다.
우선 도 2a를 참조하면, 배터리 전극의 준비를 위해 적용되는 현재 합성 접근은 많은 공정 단계와 관련되고 수 시간의 처리 시간을 요구한다. 처리 시간을 감소시킬 수 있고 동시에 화학 물질 및 형태에 대해 적절한 제어를 제공하는 새로운 합성 전략은 매우 중요하다.
도 2b를 특별히 참조하면, 본 명세서는 화학적/열적 처리를 위해 뜨거운 기체 흐름에 주입되는 적절한 유체 전구체(precursor)를 이용하여 전극 및/또는 다른 부품을 제작하는 제조 방법 및 전극 어셈블리의 원하는 활성층 내의 강화를 제공한다. 뜨거운 기체 내로 주입되는 유체 전구체는 흐름 내에서 열분해하여 필름 형태 내로 강화되는 원하는 물질의 미세한 녹은/반-녹은 액적을 야기한다. 또한, 필요한 때, 열원은 증강된 배터리 성능을 위해 화학, 위상 및 형태를 최적화하기 위해 필름의 현장(in situ) 열처리를 제공한다.
또한, 본 사상의 새로운 제조 방법은 화학적 전구체로부터 직접 원하는 형태학적 특성, 위상 및 성분을 갖는 필름을 제공하여, 산업에서 현재 사용되는 처리 단계를 제거한다. 또한, 본 사상의 스프레이 도포 기술은 기하학적으로 복잡한 전극의 생성을 가능하게 한다. 현재 방법에 따른 스프레이 합성 및 강화는 제재에서 특정 성분의 원하지 않는 화학적 전환을 방지하기 위해 제어된 환경(예를 들면, N2 또는 N2/H2) 하에서 수행될 수 있다. 특정 실시예에서, 재료 성분이 완전히 용해된 상태인 유체 전구체의 사용은 재료 요소의 균일성을 가능하게 하고 통상적인 공정에서 일반적으로 수행되는 고체 상태 반응에 비교하여 반응률을 증대하여, 처리 시간을 감소시킬 수 있다.
도 3a에 도시되는 바와 같은 본 사상의 특정 실시예에서, 제조 장치 어셈블리(100)는 타겟(400)에 균일한 필름을 형성하기 위해 펌핑 시스템(310)을 통해 측정된 양으로 저장부(300)로부터 유체 전구체를 이용하는 스프레이 장치(200)를 기계적으로 이동시키는 모션 시스템(110)을 포함한다. 특정 실시예에서, 타겟(400)은 유체 흐름(410)에 의해 후면으로부터 냉각된다. 장치 어셈블리(100)는 불활성 환경에 설치될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 특정 실시예에서, 스프레이 장치(200)는 유체 전구체 주입 부품(202 및/또는 205 및/또는 206)을 갖는 플라즈마 건(201)을 포함할 수 있다. 이러한 접근을 이용하여, 다중 전구체는 플라즈마 흐름(207) 내로 효과적으로 결합될 수 있다; 그러나, 주어진 시간에 모든 유체 주입 부품을 적용하는 것은 필수적이지 않다. 부품(202)은 플라즈마 장치의 음극으로서 전기적으로 충전될 수 있고, 부품(203)은 양극으로서 충전될 수 있다. 이러한 구성에서, 플라즈마는 일반적으로 주지된 바와 같이 직류 플라즈마 또는 DC 플라즈마의 원리에 따라 생성된다. 반대로, 특정 실시예에서, 부품(202)은 전기적으로 중성으로 남고 주입기/분무기로서만 작동할 수 있다. 이러한 구성에서, 플라즈마는 일반적으로 주지된 바와 같이 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma) 또는 ICP에 따른 주위의 RF 인덕션 코일(단순함을 위해 미도시)에 의해 생성된다.
또한, 특정 실시예에서, 도 3b의 유체 전구체 주입 부품(202)은 기체 및 고체 전구체를 이용하기 위해 사용된다. 액체 전구체의 경우, 2개 액체 분무기(205")는 뜨거운 기체 흐름 내로 혼입되는 충분히 미세한 액적 내로 액체를 분무하기 위해 사용된다. 다른 실시예에서, 액체 전구체 입력부(300) 및 기체 입력부(205')를 갖는 분무기 어셈블리(206)는 양극의 하류 위치에 전구체의 액적을 도입하기 위해 집합적으로 결합된다. 분무된 전구체 액적은 플라즈마 경로를 통해 나오는 플라즈마 제트(207)에 의해 이차 분무화를 겪고 물질 합성 및 기판 또는 타겟(400)의 도포를 위한 미세한 액적을 유발한다. 분무기 어셈블리(206)는 액체 또는 기체 전구체 또는 이들의 조합을 위해 바람직하게 사용된다. 추가로, 분무기 어셈블리(206)가 적용되는 때의 특정 실시예에서, 전구체 주입 부품(202)은 DC 플라즈마 구성의 음극으로서 작용하는 고체 부품으로 대체될 수 있다.
본 사상의 특정 실시예에서, 출구 노즐(204)은 플라즈마 주입구(209), 플라즈마 배출구(210) 및 기체 전구체 입구(211)를 포함한다. 기체 전구체 입구(211)는 도포 전에 원하는 물질로 녹은 입자를 코팅하거나 도핑하기 위해 아세틸렌(acetylene)과 같은 기체를 유입할 수 있다. 이러한 특정 접근은 전도성을 증대하기 위해 요구되는 탄소 도핑에 이롭다. 플라즈마 배출구(210)는 원, 타원 및 직사각형과 같은 다른 단면 프로파일을 가정할 수 있다. 이러한 연출은 합성 특성을 증대하기 위해 분무된 액적에서 입자 크기 분포를 제어하는데 이롭다.
도 3b를 참조하면, 주입 부품(205)은 플라즈마 흐름에 방사상으로 전구체를 유입하고 방사 주입기로서 통상적으로 주지된다. 이러한 주입기는 고체/액체/기체 전구체(212) 또는 이들의 조합을 주입하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이는 본 사상에서 후술될 바와 같이 폴리머와 같은 낮은 열 입구를 필요로 하는 전구체를 위해 또는 비행 중 또는 타겟(400)에서 지연된 화학 활성을 위해 바람직하게 적용된다. 특정 주입기 또는 특정 전구체를 위한 이들의 조합의 사용은 제한되지 않는 것은 명백하다.
이러한 설계는 더 높은 도포 효율 및 균일한 입자 특성을 이끄는 플라즈마 흐름(207)의 모든 전구체의 흡기를 가능하게 한다. 또한, 이러한 디자인은 벌크 매트릭스 내로의 나노 입자의 내재를 가능하게 하여 합성 필름을 야기한다.
본 사상의 원칙에 따르면, 도 3b에 도시되는 바와 같은 스프레이 장치(200)는 층들이 기판에 플라즈마 흐름(207)에 의해 도포되는 것과 거의 동시에 층별로 도포된 물질을 처리할 수 있는 열원(208)이 제공될 수 있다. 에너지 소스는 레이저, 플라즈마, 복사 또는 대류 열원일 수 있다. 즉, 열원(208)으로부터의 에너지 방출은 여기에서 제시하는 방법을 이용하여 기판에 도포되는 코팅으로 향할 수 있다. 이를 고려하여, 기판의 각각의 얇게 도포된 층은 단순하고 동시의 방법으로 열원(208)에 의해 즉시 변형되거나, 조정되거나, 또는 다른 방식으로 처리될 수 있다. 특히, 열원(208)은 처리되는 기판에 에너지를 전달하기 위해 스프레이 장치(200)에 인접하여 위치하거나 집적되어 형성된다. 본 사상의 특정 실시예에서, 에너지 빔은 가우시안(Gaussian) 에너지 분포 또는 직사각형 에너지 분포 중 하나를 가정할 수 있다.
스프레이 장치(250)의 특정 실시예에서, 도 3c에서 도시되는 바와 같이, 연소 화염이 플라즈마 대신에 사용된다. 연소 장치는 충분히 뜨거운 화염(257)을 생성하기 위해 산소 또는 공기(253)와 함께 탄화수소 또는 수소(252)와 같은 연료를 이용할 수 있다. 전구체 물질은 여기에서 제시되는 본 사상의 원칙에 따라 원하는 물질을 합성하고 타겟(400)의 도포 내로 이들을 강화하기 위해 주입기 부품(254)을 통해 축 방향으로 그리고/또는 주입기 부품(254')을 통해 방사 방향으로 주입될 수 있다. 화염의 화학적 환경은 연료-공기 비율을 조정하여 산소 과다 또는 산소 부족 중 하나로 조정될 수 있다. 이러한 조정은 타겟 물질의 화학을 제어할 수 있다. 이러한 도포된 필름의 현장 열처리는 본 사상에 설명된 원칙에 따라 열원(208)을 이용하여 수행될 수 있다.
특정 실시예에서, 스프레이 장치(250)는 타겟(400)에 강화되는 미세 액적 내로 전구체를 분무하기 위해 사전에 가열된 기체 흐름을 이용할 수 있다. 전구체로부터의 습기 손실은 비행 중에 발생할 수 있지만, 원하는 화학, 위상 및 입자 형태로의 원하는 변환은 여기에서 제시되는 본 사상의 원칙에 따라 현장 열 처리에 의해 주로 타겟에 발생한다.
도 3d를 참조하면, 전구체 공급 어셈블리(300)는 기계적 펌프(310)를 통해 스프레이 장치(200) 내로 펌핑되는 혼합 챔버(302) 내로 공급하는 제한되지 않은 전구체 저장부(301, 301' 및 301")를 포함할 수 있다. 또한, 도 3e에 도시되는 바와 같이, 공급 어셈블리(350)는 혼합 챔버(352) 및 펌프(354)를 통해 스프레이 장치(200)로 펌핑되는 슬러리를 형성하는 액체 전구체 라인 내로 고체 분말 전구체를 추가하기 위해 기계적 공급기(353)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 고체 전구체는 또한 스프레이 장치로 직접 운반체 기체를 통해 독립적으로 공급될 수 있다. 이러한 연출의 이익은 본 사상에서 후술될 것이다.
도 4a 내지 4d는 타겟(400)에 스프레이 장치(200)로부터의 스프레이 합성 물질을 위한 방법 집합의 다양한 비-제한적인 실시예들을 대략적으로 도시하고 현장 열 처리를 제공한다. 도 4a를 참조하면, 필름 형태 내에서 입자를 강화하는 대신에, 물질은 분말(402)을 생산하기 위해 비행 중 담금질되어 챔버(401) 내로 수집된다. 다르게 말하자면, 본 사상의 원칙은 배터리 전극 및 전해질의 통상적인 제조 방법을 위한 다양한 배터리 물질 화합물의 분말을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 도 4b는 전류 컬렉터(451)의 필름 형태(452)에 화학 전구체로부터 합성된 전극 물질(220)의 직접 강화를 도시한다. 또한, 도 4c는 화합물 코팅을 야기하는 액체 또는 기체 전구체의 부유하는 합성-이전의 입자를 포함하는 혼합물로부터의 도포 기술을 개략적으로 도시한다. 추가적으로, 다른 전구체는 전류 컬렉터(461)의 필름(462)을 강화하기 위해 외부 주입기(465)로부터 이용될 수 있다. 현장 열처리는 도 4d에 도시되는 바와 같이 도 4a 내지 4c에 도시되는 실시예에 열원(208)을 이용하여 필름(472)에 제공될 수 있다.
본 사상의 원칙에 따르면, 특히 열원(208)을 갖는, 스프레이 장치(200)는 적절한 전구체를 이용하여 직접 배터리 부품의 생성을 위해 효과적으로 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 전류 컬렉터, 음극, 전해질, 세퍼레이터 및 양극 층은 고체 전구체, 액체 전구체, 기체 전구체, 또는 이들의 조합 중 하나를 이용하여 스프레이 장치(200)에 의해 도포될 수 있다. 층의 현장 변형은 열원(208)으로 달성된다. 열원 특성 및 파워를 조심스럽게 변경하여, 이온 삽입을 증강하기 위해 층 및 이의 경계를 가로질러 밀도를 그레이딩지게 할 수 있다. 특정 실시예에서, 스프레이 장치(200)는 음극, 전해질 및 양극 변형에 관련되어 여기서 개진된 내용을 더 포함할 수 있다.
여기에서 기술된 바와 같은 스프레이 장치를 이용하여 용액 전구체로부터 원하는 화학, 위상 및 형태로의 필름의 집적 달성은 종래 기술에서 이루어지지 않았다. 또한, 본 사상의 원칙에 따른 가능한 도포율은 통상적인 박막 도포 기술보다 한 자릿수 높다. 직접 합성 접근은 비행 중에 그리고 현장에서 전극의 화학을 조정하는 능력을 준다. 이러한 기술은 여기서 설명된 예시 물질 시스템에 제한되지 않고 많은 다른 물질 시스템에 사용될 수 있다.
혁신적인 음극 제조:
LiFePO4, LiCoO2 및 Li[NixCo102xMnx]O2 등과 같이 현재 연구된 많은 음극 화학 물질이 있다. 본 사상의 원칙에 따르면, 액체 전구체(화학 용액 및 캐리어 용액의 부유액)은 원하는 화학 물질, 위상 및 형태를 합성하기 위해 도 3a의 스프레이 시스템(20)으로 유입되고, 도 5a에 도시된 바와 같은 전류 컬렉터(501)에 고유의 방법으로 음극 필름(502)을 직접 형성한다. 공정은 일반적으로 도 2b에 개시되고, 종래 기술의 공정 단계들은 생략된다. 또한, 열원(208)은 원하는 경우 층 또는 필름을 더 처리하기 위해 이용될 수 있는 것이 이해될 것이다. 도 5a는 본 사상의 원칙에 따라 획득되는 LiFePO4(502'), LiCoO2(502") 및 LiMn2O3(502"') 음극 필름의 형태를 도시한다.
LiFePO4/C 합성물 음극을 위한 예시 전구체는 pH 조정된 용액의 물, 철 옥살레이트(Iron Oxalate), LiOH, 암모늄 포스페이트(Ammonium Phosphate), 및 설탕을 포함한다. pH 조정된 용액을 획득하기 위해, 산성 또는 염기성(초기 산도 또는 염기도에 따라)의 첨가물이 사용될 수 있는 것이 인지되어야 한다. 특정 실시예에서, 용액은 이에 포함된 성분들이 용액에 완전히 용해된 균일한 용액을 얻기 위해 pH 조정될 수 있다. 또한, Zr 및 Mn과 같은 도펀트(dopant)는 적절한 질산염(nitrate) 전구체를 이용하여 추가될 수 있다. 특정 실시예에서, 축 방향 분무 주입기(205" 또는 206)는 도 3b의 플라즈마 장치(201)에 이용된다. 분무기는 전구체 용액을 약 1-50 마이크로미터 크기의 액적으로 분쇄하기 위해 압력을 가한 기체 흐름을 이용하는 2개 유체 방법을 이용한다. 분무화는 용액 액적이 연기 기둥 내로 직접 주입되는 용액 흐름에 비교하여 더 낮은 온도에서 LiFePO4 입자로 완전히 열분해되도록 한다. 또한, 도포율을 증대하기 위해 여기에 기술된 용액 전구체와 함께 플라즈마 내로 사전-합성된 LiFePO4 고체 분말을 또한 분사할 수 있다. 야기되는 녹은/반-녹은 LiFePO4 입자는 도 5a에 도시되는 바와 같은 알루미늄 포일과 같은 전류 컬렉터(501) 상에 필름(502')으로서 도포된다. 추가 탄소는 본 사상에 기술된 바와 같이 기체 전구체를 통해 필름에 추가될 수 있다.
본 사상의 원칙에 따라 획득된 음극 필름은 산업 분야에서 사용되는 통상적인 음극과 같은 어떠한 폴리머 바인더를 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다. 바인더 없는 음극은 더 높은 온도에서 작동할 수 있다. 그러나, 여기에 개시된 원칙은 폴리머 바인더를 갖는 음극의 제조를 제한하지 않는다. 용액 전구체를 동시에 분무하여 PVDF 및 PAA와 같은 폴리머를 추가하는 것이 가능하다.
용액 전구체는 개방된 환경에서 기판 상으로 성공적으로 열분해되고 도포된다. 도 5b는, 무정형 탄소로 코팅된 LiFePO4의 나노 구조 입자를 도시하는, 필름의 TEM 사진을 도시한다. 또한 도 5c에 도시된 XRD는 필름의 LiFePO4의 올리빈(olivine) 위상을 확인시킨다. 탄소로 코팅된 나노 구조 올리빈 입자는 음극 필름에 바람직하고 따라서 여기서 개시된 원칙은 산업 분야 응용에서 일반적으로 채택되는 중간 공정 단계를 제거하여 직접 원하는 음극을 성공적으로 생성할 수 있는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 사상의 청구항을 추가로 지지하는 획득된 음극 필름의 방전 커패시티는 도 5d에 도시된다.
LiCoO2/C 합성물 음극을 위한 예시 전구체는 pH 조정된 용액의 물, LiOH, 코발트-니트레이트(Co-nitrate), 및 설탕을 포함한다. 또한, 알루미나(alumina) 또는 알루미늄 포스페이트(aluminium phosphate)와 같은 첨가물은 용액의 알루미늄-니트레이트(Al-nitrate) 및 암모늄 포스페이트(ammonium phosphate)를 이용하여 추가될 수 있다. 용액의 설탕 성분은 필름의 LiCoO2 합성물의 화학량적인(stoichiometric) 균형에 중요한 역할을 한다. 야기된 녹은/반-녹은 LiCoO2 입자는 도 3b의 플라즈마 장치(201)를 이용하여 도 5a에 도시되는 바와 같은 알루미늄 포일과 같은 전류 컬렉터(501) 상에 필름(502)으로서 도포된다. 용액 전구체는 탄소로 코팅된 LiCoO2의 미세 입자를 야기하며 개방된 환경에서 기판 상에 성공적으로 열분해되고 도포된다. 추가 탄소는 본 사상에 기술된 바와 같이 기체 전구체(211)를 통해 필름에 추가될 수 있다. 특정 실시예에서, 필름은 또한 여기서 기술된 액체 전구체 및 도 3c의 연소 장치(251)를 이용하여 본 사상의 원칙에 따라 획득될 수 있다. 플라즈마 또는 연소 화염 사이의 선택은 필름에서 원하는 밀도 및 미립자에 기초한다.
Li(NiCoMn)0.33O2/C 합성물 음극을 위한 예시 전구체는 pH 조정된 용액의 물, LiOH, 니켈-니트레이트(Ni-nitrate), 코발트-니트레이트(Co-nitrate), 망간-니트레이트(Mn-nitrate), 및 설탕을 포함한다. 또한, 알루미나(alumina) 또는 알루미늄 포스페이트(aluminium phosphate)와 같은 첨가물은 용액의 알루미늄-니트레이트(Al-nitrate) 및 암모늄 포스페이트(ammonium phosphate)를 이용하여 첨가될 수 있다. 야기되는 녹은/반-녹은 Li(NiCoMn)0.33O2 입자는 도 3b의 플라즈마 장치(201)를 이용하여 도 5a에 도시되는 바와 같은 알루미늄 포일과 같은 전류 컬렉터(501) 상에 필름(502)으로서 도포된다. 용액 전구체는 탄소로 코팅된 Li(NiCoMn)0.33O2의 나노 구조 박막 미립자를 야기하며 개방된 환경에서 기판 상에 성공적으로 열분해되고 도포된다. 추가 탄소는 본 사상에 기술된 바와 같이 기체 전구체(211)를 통해 필름에 추가될 수 있다. 특정 실시예에서, 필름은 또한 여기서 기술된 액체 전구체 및 도 3c의 연소 장치(251)를 이용하여 본 사상의 원칙에 따라 획득될 수 있다. 또한, Ni 풍분한 그리고 Ni 부족한 층들의 대체 층은 증강된 전극 성능을 위해 용액 전구체의 화학을 변경하여 달성될 수 있다.
본 사상의 원칙에 따라 음극 필름을 직접 제조하기 위한 예제 및 비-제한적인 변경은 도 3b의 플라즈마 장치(201)를 이용하여 금속 코발트 필름의 도포로 시작하고, 코발트의 고체 분말 전구체는 필름 상에 직접 LiOH 액체 전구체의 분사 및 동시에 현장 처리를 따른다. LiCoO2(502") 음극 필름은 본 사상에 따라 전류 컬렉터(501)에 직접 성장한다. 획득된 음극 필름의 충전/방전 특성은 리튬-이온 하프 셀 배터리 작동에서 이러한 필름의 기능을 도시하는 도 5e에 도시된다. 또한, 여기에서 기술된 변형은 도 5a에 도시된 LiMn2O3(502"')와 같은 다른 음극 필름에도 적용될 수 있다.
여기에 기술된 예시 음극 필름은 예시 목적만을 위한 것이고 본 사상의 원칙에 따라 획득되며, 이들은 본 사상의 원칙에 따라 합성될 수 있는 가능한 물질 시스템의 전체 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
혁신적인 양극 제조:
흑연, 탄소-실리콘, Li4Ti5O12, Co3O4, 및 Mn3O4와 같은 다양한 화학 물질은 양극을 위해 연구되었고, 흑연은 오늘날 산업 분야에서 가장 널리 사용된다. 많은 전류 배터리 제조 기술은 다양한 분말 물질의 양극 필름을 성장하기 위해 폴리머 바인더의 사용을 이용한다. 참조를 위하여, 열 스프레이 기술은 또한 사전-합성된 분말을 이용하는 다양한 산화물의 필름을 도포하기 위해 사용된다.
도 6a를 참조하면, 다양한 물질의 양극 필름(601)은 또한 여기서 개시되는 원칙에 따라 현장 열처리가 동반되어 고체 또는 용액 또는 기체 전구체 또는 이들의 조합으로부터 전류 컬렉터(501)에 직접 제작된다. Co3O4/C 합성물 양극을 위한 예시 전구체는 pH 조정된 용액의 물, 코발트-니트레이트(Co-nitrate), 및 설탕을 포함한다. 용액은 전류 컬렉터의 양극 필름 상에 강화될 수 있는 Co3O4 입자 내로 액적을 열분해하기 위해 플라즈마 또는 연소 화염에 분무될 수 있다. 또한 현장 열 처리는 필름의 위상, 화학 및 형상을 변형하기 위해 적용될 수 있다.
양극 필름을 직접 제작하기 위한 본 사상의 예시 및 비-제한적인 변형은 도 3b의 플라즈마 장치(201)를 이용하여 금속 코발트 필름의 도포로 시작하고 코발트의 고체 분말 전구체는 산소의 존재에서 동시에 현장 열처리를 따른다. Co3O4(510") 양극 필름은 도 6a에 도시되는 바와 같이 본 사상에 따라 전류 컬렉터(501)에 직접 획득된다. 도 6b에 도시되는 XRD 패턴은 필름의 원하는 위상을 확인한다. 또한, 획득된 양극 필름의 충전/방전 특성은 리튬-이온 하프 셀 배터리 작동에서 이러한 필름의 기능을 도시하는 도 6c에 도시된다. 또한, 여기에 기술된 원칙은 Mn 및 Ti와 같은 많은 천이 금속에 기초한 다른 양극 필름에 적용될 수 있다.
열 스프레이 공정의 장점은 큰 스루아웃 및, 다음 단계, 즉, 현장 산화/리튬 치환 공정에서 더 빠른 반응/산화 속도를 위한 더 큰 표면적을 제공하는, 다공성 코팅을 포함한다. 또한, Co 및 Mn 시트 금속과 같은 천이 금속은 그들의 분말에 비하여 비싸고(분말은 자주 그들의 추출 공정, 예를 들면 Mn의 전해 채취(electrowinning)의 최종 산물임) 플라즈마 도포는 분말 전구체를 이용한다. 따라서, 플라즈마 분사 다공성 코딩에서 반응 속도는 벌크 시트 금속의 경우에 비하여 매우 빠르다. 자주 부피에 관련된 변형에 기인한 벌크 금속 벗겨짐으로 발전되는 산화 스케일은 플라즈마 분사 다공성 코팅이 변형을 강화하고 기판에 접착되어 머무를 수 있는 동안 변한다. 그러므로, 뛰어난 충전/방전 주기성 및 비용량을 갖는 나노 구조 필름은 비용 효율적으로 제작될 수 있다. 또한, 폴리머 또는 바인더의 부존재는 이러한 전극을 고온 배터리 응용에 적합하게 만든다.
수년 동안, Si 나노 와이어 및 나노 입자는 양극을 위한 매우 높은 비용량을 가지는 것으로 보였다. 이러한 물질의 심각한 제한은 나노 구조가 전극 주기 동안 저하되어(반복적인 리튬 이온의 주입 및 추출에 기인하여), 커패시티에서 급격한 하강 및 이에 따른 장치 저하를 만드는 것이다. 이러한 물질 저하를 극복하기 위해, 탄소 코팅은 Si 나노 입자에 사용되었다. 탄소 코팅은 표면을 보호하고 전극 주기 시험 동안 나노 구조를 온전하게 유지하는 것으로 보였다. 실리콘 나노 구조는 일반적으로 CVD와 같은 낮은 부피 공정에 의해 달성된다.
그러나, 전류 컬렉터(501)에 직접 전류 플라즈마 장치(201)에 의한 실리콘 코팅을 도포하고 이어서 나노 구조 표면(501')을 만들기 위해 레이저 소스(208)를 이용하는 현장에서 처리하는 능력은 넓은 영역 양극이 단순하고 비용 효율적인 방법으로 생산되게 한다. 본 사상의 특정 실시예에서, 이어지는 현장에서 처리에 의해 나노 구조 표면을 달성하기 위해 실리콘 코팅 및 촉매층을 도포하는 플라즈마 장치(201)를 이용할 수 있다.
본 사상의 특정 실시예에서, 실리콘을 포함하는 기체 전구체는 실리콘 나노 미립자에 기반한 양극(510"')을 제조하기 위해 전류 컬렉터(501)에 나노 입자를 도포하기 위해 플라즈마 장치에 이용될 수 있다. 또한, 이러한 실리콘 나노 미립자는 아세틸렌(acetylene)과 같은 적절한 기체 전구체를 동시에 이용하여 탄소로 코팅될 수 있다. 또한, 탄소 코팅된 실리콘 나노 미립자는 계층적 양극 구조를 생성하기 위해 여기서 기술된 나노 구조 실리콘 또는 금속 표면(현장 레이저 처리에 의해 획득되는)에 도포될 수 있다. 또는, 양극을 형성하기 위해 다공성 전해 도포된 구리에 이러한 탄소 코팅된 실리콘 나노 입자를 도포할 수 있다.
본 사상의 특정 실시예에서, 다수의 스프레이 장치는 도 7에 도시되는 바와 같이 롤투롤(roll to roll) 제조 구성(600)에서 본 사상의 원칙에 따라 전류 컬렉터의 양측에 전극 물질을 도포하기 위해 결합될 수 있다. 이러한 실시예에서, 스프레이 장치는 공통 노즐(601) 내로 합성된 물질을 분포시킨다. 또한, 롤(603)은 전극 물질의 다공성 구조를 제어하기 위해 현장 처리 후에 필름을 압축할 수 있다. 이러한 실시예는 산업 배터리 조립 공정에 음극 및 양극 모두를 위해 적용될 수 있고, 세퍼레이터 및 전해질 층은 전체 셀을 형성하기 위해 결합된다.
혁신적인 전해질 제조:
고체 전해질은 상승된 온도에서 배터리 작동에 적당하다. 또한 이는 안전한 작동 환경을 제공한다. 고체 전해질의 대부분은 고체 상태 또는 솔-겔 방법을 통해 합성되고 유리질 위상은 고온 가열 상태로부터 급속 냉각을 거쳐 달성된다.
여기서 개시되는 전구체 용액으로부터의 직접 합성의 원칙에 따르면, 적절한 액체 전구체는 원하는 물질 화학, 위상 및 형상을 갖는 전극에 고체 상태 전해질을 직접 합성하기 위해 도 3b의 플라즈마 장치(201) 내로 유입된다. 이러한 능력은 활성 전극 및 고체 전해질이 순차적으로 플라즈마 스프레이 장치를 이용하여 모두 도포될 수 있어, 공정 단계 및 배터리 셀 제조 가격을 감소시킨다.
목표를 달성하기 위해, 액체 전구체를 이용하는 Li1 + xAlxTi2 -x(PO4)3[LATP] (x : 0.2-0.5)에 기초한 예시 고체 전해질은 본 사상의 원칙에 따라 직접 합성된다. 예시 용액 전구체는 LiOH, 알루미늄-니트레이트(Al-nitrate), 티타늄-이소프로폭사이드(Ti-isopropoxide) 및 암모늄 포스페이트(ammonium phosphate)를 포함한다. 여기에 기술된 도포된 LATP 필름의 X-선 분산 패턴은, 고체 전해질의 무정형 및 수정체 구조 모두를 달성할 가능성을 도시하는, 도 8a에 도시된다. 현장 열처리는 필름의 위상을 효과적으로 제어할 수 있다. 여기서 개시된 합성 방법에서 가능한 화합물 변경의 유연성을 이용하여, 전해질 화합물은 훌륭한 이온성 전도성을 지지하는 넓은 범위에서 변경될 수 있다. 유사한 방식으로, Li1 + xAlxTi2 -x(PO4)3[LATP]에 기초한 고체 전해질은 또한 용액에서 티타늄-이소프로폭사이드(Ti-isopropoxide)를 게르마늄-이소프로폭사이드(Ge-isopropoxide)로 대체하여 여기서 성립된 스프레이 합성 원칙을 이용하여 합성될 수 있다.
혁신적인 세퍼레이터 제조:
높은 표면적, 다공성 및 훌륭한 기계적 강도를 갖는 세퍼레이터는 최적의 성능을 위해 바람직하다. 본 사상의 원칙을 적용하여, 스프레이 도포 장치는 전극 또는 고체 전해질에 직접 세퍼레이터를 도포하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 접근을 따라, 다양한 용매에 용해된 PVDF는 박막 형태로 성공적으로 도포된다. 용매는 n-메틸피로리디논(n-methylpyrrolidinone)(NMP), 아세톤(acetone), 메탄올(methanol) 등을 포함한다. 스프레이 방법은 선천적으로 다공성 및 연속성 필름 구조를 유발하므로, 스프레이 제조된 막은 배터리 조합에 매우 적절할 수 있다. 또한, 섬유 또는 나노 튜브와 같은 강화체는 강화된 기계적 강도를 위해 세퍼레이터 층을 제조하기 위한 용액 내로 결합될 수 있다.
혁신적인 리튬 이온 배터리 제조:
본 명세서에 개시된 사상에 따라, 연속적인 음극, 양극, 고체 전해질 및 세퍼레이터의 직접 제작은 통상적인 배터리 산업 분야에서 드문 단일체 배터리를 만드는 고유의 장점을 제공한다. 도 8b 및 8c를 참조하면, 특정 예시 실시예에서, 전류 컬렉터(501), 음극(502), 전해질(511), 선택적 세퍼레이터(512), 양극(510) 및 제 2 전류 컬렉터(501)를 포함하는 전체 배터리 셀(700)은 단일체 구조 내로 순차적으로 제작된다. 전류 컬렉터는 플라즈마 스프레이 장치에 의해 Al, Cu, 또는 스테인레스 스틸과 같은 전도성 금속의 고체 전구체 분말을 이용하여 제작될 수 있다. 이러한 능력은 여기에 개시된 제조 기술에 대단한 기하학적 및 기능적 가능성을 제공한다.
도 9a를 참조하면, 복잡한 배터리 셀(602)은, 본 사상의 원칙에 따라, 스프레이 장치(200)에 의해 구조물의 윤곽에 일치하며 비행기의 날개 또는 프레임 상에 제작될 수 있다. 이러한 배터리 셀은 공간을 절약하고 항공 우주 시스템에 큰 저장 능력을 제공할 수 있다. 이러한 성질의 저장 시스템은 구조 및 공간에 중대한 교체 없이 전체 항공기 시스템을 위한 파워를 제공할 수 있다.
또한, 도 9b에 도시되는 바와 같은 본 사상의 특정 실시예에서, 단일체 배터리는 국부 저장 능력을 제공하기 위해 태양 전지 하에 제작될 수 있다. 이러한 능력은 중앙 저장 유닛에 대한 요구를 제거할 수 있다. 또한, 이러한 배터리의 열 관리는 배터리의 개방 구조에 기인하여 용이하게 될 수 있다.
특정 실시에에서, 도 9c에 도시되는 바와 같이, 본 사상에 따른 단일체 배터리는 자동차 본체 구조 상에 제작될 수 있다. 현재 전기 자동차는 배터리 팩의 가용한 형태에 맞춰 설계된다. 여기서 기술된 바와 같이 가능한 형태적 자유도로, 자동차 구조는 기능적 및 스타일 요구에 따라 설계될 수 있고 배터리는 가용한 공간에 수용되도록 제작될 수 있다.
여기에 기술된 예시 구성은 설명의 목적만을 위한 것이고 본 명세서의 원칙에 따라 달성될 수 있는 가능한 구성 및 조합의 전체 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 사상의 원칙은 전극 또는 전해질 또는 세퍼레이터 또는 이들의 조합과 같은 개별 부품에 적용될 수 있다.
상술한 실시예의 기술은 설명 및 기술의 목적을 위해 제공된다. 이는 완결적이거나 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 특정 실시예의 개별 요소 또는 특징은 일반적으로 그 특정 실시예에 제한되지 않고, 적용 가능한 경우, 특별히 도시되거나 기술되지 않은 경우에도, 교체 가능하고 선택된 실시예에서 사용될 수 있다. 동일한 것은 또한 다양한 방법으로 변경될 수 있다. 이러한 변경은 본 발명으로부터 벗어나는 것으로 여겨지지 않고, 모든 이러한 변경은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 고려된다.
예시 실시예는 본 명세서가 철저하도록, 그리고 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 범위를 전체적으로 전달하도록 제공된다. 다양한 특정한 상세한 기술이 본 명세서의 실시예의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 부품, 장치, 및 방법의 예로서 개시된다. 특정한 상세는 이용될 필요가 없고, 그 예시 실시예는 많은 다양한 형태로 구체화될 수 있으며 아무것도 본 명세서의 범위를 제한하도록 해석되지 않아야 하는 것이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 특정 예시 실시예에서, 주지된 공정, 주지된 장치 구조, 및 주지된 기술은 상세하게 기술되지 않는다.
여기서 사용된 용어는 특정 예시 실시예를 기술하기 위한 목적만을 위한 것이고 제한을 위한 것이 아니다. 여기서 사용된 바와 같은, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문장이 명백하게 다르게 표시하지 않으면 복수 형태를 포함하기 위한 것일 수 있다. 표현 "포함한다", "포함하는", 및 "갖는"은 포괄적이고 그러므로 명시된 특징, 정수, 단계, 작동, 성분 및/또는 부품의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 성분, 부품, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 불가능하게 하지 않는다. 여기에 기술된 방법 단계, 공정, 및 작동은 특별히 수행의 순서가 식별되지 않으면 개시되거나 도시된 특정 순서로 그 수행을 필수적으로 요구하는 것으로 해석되지 않는다. 추가 또는 대체 단계가 이용될 수 있는 것이 또한 이해될 것이다.
요소 또는 층이 다른 요소 또는 층"~에", "~에 맞물리는", "~에 연결된", 또는 "~에 결합된" 것으로 불릴 때, 이는 다른 요소 또는 층에 직접 맞물리거나, 연결되거나, 또는 결합될 수 있고, 또는 중간 요소 또는 층이 존재할 수 있다. 대조적으로, 요소가 다른 요소 또는 층"~에 직접", "~에 직접 맞물리는", "~에 직접 연결된", 또는 "~에 직접 결합된" 것으로 불릴 때, 중간 요소 또는 층이 존재하지 않을 수 있다. 요소 사이의 관계를 기술하기 위해 사용되는 다른 단어는 유사한 방식으로 해석될 것이다(예를 들면, "사이의"와 "사이에 직접", "인접한"과 '직접 인접한", 등). 여기서 사용된 바와 같이, 표현 "및/또는"은 관련되어 나열된 아이템의 하나 이상의 어떠한 것 및 모든 조합을 포함한다.
표현 제1, 제2, 제3, 등은 다양한 요소, 부품, 영역, 층, 및/또는 세션을 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 부품, 영역, 층 및/또는 세션은 이러한 표현에 제한되지 않아야 한다. 이러한 표현은 하나의 요소, 부품, 영역, 층 또는 세션을 다른 영역, 층 또는 세션으로부터 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. 여기서 사용될 때 "제1", "제2"와 같은 표현 및 다른 숫자 표현은 문맥에 의해 명백하게 표현되지 않는다면 연속성 또는 순서를 나타내지 않는다. 그러므로, 이하에 기술된 제 1 요소, 부품, 영역, 층 또는 세션은 예시 실시예의 사상으로부터 벗어나지 않고 제 2 요소, 부품, 영역, 층 또는 세션으로 표현될 수 있다.
"내부의", "외부의", "아래의", "하측", "위의", "상측" 등과 같은 공간에 관련된 표현은 도면에 도시된 바와 같이 다른 요소 또는 특징에 대한 하나의 요소 또는 특징의 관계를 기술하기 위해 기술의 용이함을 위해 여기에서 사용될 수 있다. 공간 관계 표현은 도면에 도시된 방향에 추가하여 사용 또는 작동 중에 장치의 다른 방향을 포함하고자 할 수 있다. 예를 들면, 도면의 장치가 뒤집히는 경우, 다른 성분 또는 특징의 "아래"로 표현되는 성분은 다른 성분 또는 특징의 "위"에 위치할 수 있다. 그러므로, 예시 표현 "아래"는 위 및 아래 방향 모두를 포함할 수 있다. 장치는 다른 방향일 수 있고(90도 회전된 또는 다른 방향인) 여기서 사용된 공간 관계 표현은 이에 따라 해석된다.

Claims (28)

  1. 전구체로부터 배터리 부재를 제작하는 방법으로서,
    전구체에 용해된 적어도 하나의 성분을 갖는 전구체를 제공하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 성분이 기판에 도포되기 전에 열 스프레이(thermal spray) 내에서 합성되도록 코팅층을 형성하기 위해 상기 기판에 상기 전구체를 열원 분사 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전구체에 용해된 적어도 하나의 성분을 갖는 전구체를 제공하는 단계는 상기 전구체 용액에 화학적으로 용해된 적어도 하나의 성분을 갖는 전구체를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    소정의 화학, 위상, 또는 형태를 달성하기 위해 상기 코팅층을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 코팅층을 열처리하는 단계는 레이저 소스를 이용하여 상기 코팅을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 코팅층을 열처리하는 단계는 플라즈마 소스를 이용하여 상기 코팅을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 코팅층을 열처리하는 단계는 연소 화염을 이용하여 상기 코팅을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 코팅층을 열처리하는 단계는 화로를 이용하여 상기 코팅을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 코팅층을 열처리하는 단계는 유도 가열을 이용하여 상기 코팅을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 다음 코팅층의 도포 이전에 적어도 일부 완료되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    전구체에 용해된 적어도 하나의 성분을 갖는 전구체를 제공하는 단계는 액체 전구체를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    전구체에 용해된 적어도 하나의 성분을 갖는 전구체를 제공하는 단계는 기체 전구체를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 pH 조정된 용액의 물, 철 옥살레이트(Iron Oxalate), LiOH, 암모늄 포스페이트(Ammonium Phosphate), 및 설탕을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 pH 조정된 용액의 물, LiOH, 코발트-니트레이트(Co-nitrate), 및 설탕을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 pH 조정된 용액의 물, LiOH, 니켈-니트레이트(Ni-nitrate), 코발트-니트레이트(Co-nitrate), 망간-니트레이트(Mn-nitrate), 및 설탕을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 pH 조정된 용액의 물, LiOH, 알루미늄-니트레이트(Al-nitrate), 티타늄-이소프로폭사이드(Ti-isopropoxide), 및 암모늄 포스페이트(ammonium phosphate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 pH 조정된 용액의 물, LiOH, 알루미늄-니트레이트(Al-nitarate), 게르마늄-이소프로폭사이드(Ge-isopropoxide), 및 암모늄 포스페이트(ammonium phosphate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 스프레이는 플라즈마 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 스프레이는 연소 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 스프레이는 예열된 기체 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    소정의 pH 레벨을 얻기 위해 상기 전구체에 산 또는 염기 중 하나를 추가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 원하는 음극 합성물을 위한 기본 소스 및 탄소 소스를 포함하는 완전한 용액인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 원하는 양극 합성물을 위한 기본 소스 및 탄소 소스를 포함하는 완전한 용액인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 원하는 전해질 화합물을 위한 기본 소스를 포함하는 완전한 용액인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 원하는 세퍼레이터(seperator) 화합물을 위한 기본 소스를 포함하는 완전한 용액인 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 원하는 음극 합성물을 위한 부유 입자 및 용액을 포함하는 슬러리인 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 원하는 양극 합성물을 위한 부유 입자 및 용액을 포함하는 슬러리인 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 원하는 전해질 합성물을 위한 부유 입자 및 용액을 포함하는 슬러리인 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체는 원하는 세퍼레이터 합성물을 위한 부유 입자 및 용액을 포함하는 슬러리인 것을 특징으로 하는 방법.
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