KR102434617B1 - Method for manufacturing an electrode precursor and electrode precursor and method for manufacturing an electrode paste - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극 전구체(11, 12)의 제조 방법에 관한 것으로서,
- 전극 페이스트(20)를 혼합하거나 또는 획득하는 단계, 및
- 전극 전구체(11, 12)를 획득하기 위해 전극 페이스트(20)를 열처리하는 단계(S12, S14, S22, S24)
를 적어도 포함하고,
열처리 단계(S12, S14, S22, S24) 이전에, 열처리 단계(S12, S14, S22, S24)를 통해 탈기되고 및/또는 연소되는 기공 형성 입자(60)를 전극 페이스트(20)에 제공하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method of manufacturing an electrode precursor (11, 12),
- mixing or obtaining the electrode paste 20, and
- heat-treating the electrode paste 20 to obtain the electrode precursors 11 and 12 (S12, S14, S22, S24)
at least comprising
Prior to the heat treatment steps S12, S14, S22, and S24, the electrode paste 20 is provided with pore-forming particles 60 that are degassed and/or burned through the heat treatment steps S12, S14, S22, and S24. characterized.
Description
본 발명은 본원의 청구항 제1항의 전제부에 따른 전극 전구체의 제조 방법 및 청구항 제12항에 따른 전극 전구체에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본원의 청구항 제13항에 따른 전극 페이스트를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an electrode precursor according to the preamble of
리튬 이온 배터리는 엔터테인먼트 산업 및 전기 자동차에서 에너지원으로서 종종 사용된다. 여기서 특히, 고체 배터리는 높은 안전성, 수명 및 에너지 밀도를 보장한다. 고체 배터리 전극은 일반적으로 활물질, 고체 전해질, 바인더 및 전도성 첨가제로 제조되며, 이들은 우선 "슬러리"로 또한 지칭되는 전극 페이스트로 혼합된 후, 이어서 도체 필름 상에 제공되고, 그런 다음 제조될 전극을 위해 추가 처리된다. 그러나, 그 성능은 현재 아직 제한되어 있다. 이것은 특히 지금까지 공지된 제조 방법에서 설정되는, 고체 배터리 전극에서의 높은 공극율에 기인한다. 무엇보다도, 상기 높은 공극율은 고체 전해질과 활물질 사이의 높은 계면 저항을 유도하고, 그리고 전극에 존재하는 활물질 및 고체 전해질의 감소를 초래하며, 이것은 특히 제조된 배터리의 감소된 커패시턴스뿐만 아니라 감소된 에너지 밀도로도 이어진다.Lithium-ion batteries are often used as energy sources in the entertainment industry and electric vehicles. Here, in particular, solid-state batteries ensure high safety, longevity and energy density. Solid battery electrodes are generally made of an active material, a solid electrolyte, a binder and a conductive additive, which are first mixed into an electrode paste, also referred to as a “slurry,” and then provided on a conductor film, and then for the electrode to be manufactured. further processed. However, its performance is still limited at present. This is due in particular to the high porosity in the solid battery electrode, which is established in the hitherto known manufacturing methods. Above all, the high porosity leads to a high interfacial resistance between the solid electrolyte and the active material, and leads to a decrease in the active material and the solid electrolyte present in the electrode, which in particular reduces the capacitance as well as the reduced energy density of the manufactured battery. also leads to
예를 들어 문헌 US 2015 056 520 A1호에 개시된 바와 같이, 종래 기술은 현재, 예를 들어 고체 배터리의 특성값을 개선하기 위해, 전극 페이스트 내에서 고체 전해질에 대한 활물질의 비의 최적화에 초점을 맞추고 있다.As disclosed for example in document US 2015 056 520 A1, the prior art currently focuses on the optimization of the ratio of active material to solid electrolyte in the electrode paste, for example, in order to improve the characteristic values of solid batteries and have.
또한 문헌 DE 10 2016 220 675 A1호로부터, 활성 물질이 배터리 전극 전구체의 사이 공간 내에 도입되는 것이 공지되어 있다.It is also known from the
본 발명의 과제는 종래 기술의 언급된 단점들을 적어도 부분적으로 극복하는 것이다.The object of the present invention is to at least partially overcome the mentioned disadvantages of the prior art.
이러한 과제는 본원의 청구항 제1항 및 제13항에 따른 특징을 갖는 방법 및 청구항 제12항에 따른 전극 전구체에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 개발예는 종속 청구항에서 나타난다. 청구항에 개별적으로 열거된 특징들은 기술적으로 의미 있는 방식으로 서로 조합될 수 있고, 상세한 설명으로부터 설명될 사실 및/또는 도면의 세부 사항을 통해 보완될 수 있고, 여기서 본 발명의 다른 변형 실시예가 도시된다.This task is achieved by a method having the features according to
본 발명에 따른 방법은 전극 전구체의 제조 방법이고,The method according to the present invention is a method for preparing an electrode precursor,
- 전극 페이스트를 혼합하거나 또는 획득하는 단계, 및- mixing or obtaining an electrode paste, and
- 전극 전구체를 획득하기 위해 전극 페이스트를 열처리하는 단계- heat-treating the electrode paste to obtain an electrode precursor
를 적어도 포함한다.includes at least
본 방법은 열처리 단계 이전에, 이러한 열처리 단계를 통해 탈기되고 및/또는 연소되는 기공 형성 입자를 전극 페이스트에 제공하는 것을 특징으로 한다.The method is characterized in that, prior to the heat treatment step, the electrode paste is provided with pore-forming particles that are degassed and/or burned through the heat treatment step.
본 경우에, 전극 전구체라 함은 제조 중인 배터리 전극으로 이해되어야 한다. 본 발명에 따르면, 배터리 전극의 제조는 배터리 셀 내에 배터리 전극을 설치하기 직전 또는 상기 배터리 전극의 설치와 함께 종료된다. 그러나, 제조는 이러한 설치에 대해 약간의 시간 전에 완전히 종료되는 것으로 또한 고려될 수 있다. 본 발명에 따른 의미에서, 전극 전구체라 함은, 특히 전극 페이스트가 도체 필름, 예를 들어 구리 또는 알루미늄 상에 이미 도포되어 있는, 전극 제조 공정의 중간 생성물인 것으로 이해되어야 한다. 바람직하게는, 또한 이미 건조 공정을 수행한 전극 제조 공정의 중간 생성물, 특히 바람직하게는 배터리 셀에 설치하기 바로 직전에 존재하는 배터리 전극 제조 공정의 중간 생성물이다.In the present case, an electrode precursor is to be understood as a battery electrode being manufactured. According to the present invention, the production of the battery electrode is terminated immediately before or with the installation of the battery electrode in the battery cell. However, it can also be considered that manufacturing is completely finished some time before this installation. Electrode precursors in the sense of the present invention are to be understood as intermediate products of the electrode manufacturing process, in particular in which electrode pastes have already been applied onto a conductor film, for example copper or aluminum. Preferably, it is also an intermediate product of an electrode manufacturing process that has already undergone a drying process, particularly preferably an intermediate product of a battery electrode manufacturing process that is present immediately before installation in a battery cell.
본 발명에서 기공 형성 입자라 함은, 예컨대 정해진 직경을 갖고 및/또는 형상이 다르게 정의되어, 연소 및/또는 탈기 시 전극 전구체 내에 정해진 공간을 남겨놓는 입자인 것으로 이해되어야 한다. 공극율 생성을 위해 입자를 사용하는 것은, 공극율이 제조 공정의 범위에서 능동적으로 설정될 수 있다는 이점을 갖는다.In the present invention, it should be understood that pore-forming particles are, for example, particles having a defined diameter and/or differently defined in shape, leaving a defined space in the electrode precursor upon combustion and/or degassing. The use of particles for porosity generation has the advantage that the porosity can be actively set over the range of the manufacturing process.
전극 페이스트 내에 기공 형성 입자를 제공한다는 것은, 본 발명에 따른 의미에서, 내부가 기공 형성 입자가 존재하는 전극 페이스트가 획득되고 및/또는 선택되고 및/또는 능동적으로 혼합된다는 것을 의미할 수 있다.Providing the pore-forming particles in the electrode paste may mean, in the sense according to the invention, that an electrode paste with pore-forming particles therein is obtained and/or selected and/or actively mixed.
열처리 단계 후에 또는 열처리 단계 중에 탈기된 및/또는 연소된 입자는 전극 전구체에 정해진 기공을 남겨 놓는다. 입자 현탁액의 가능한 추후 침투에 의해, 이러한 기공은 특히 적합한 공간 사용 하에 채워질 수 있다. 따라서, 기공 형성 입자를 선택할 때, 입자 현탁액의 성질, 특히 함유된 입자의 크기 및/또는 형상이 고려될 수 있다.After or during the heat treatment step, the outgassed and/or burned particles leave defined pores in the electrode precursor. By possible subsequent penetration of the particle suspension, these pores can be filled with particularly suitable use of space. Accordingly, when selecting the pore-forming particles, the nature of the particle suspension, in particular the size and/or shape of the particles contained may be taken into account.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 전극 페이스트는 활물질 입자를 함유하고, 제조 방법은,In one embodiment of the method according to the invention, the electrode paste contains particles of active material, the method comprising:
- 고체 전해질 재료 입자 현탁액을 침투시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.- impregnating the solid electrolyte material particle suspension.
이는 전극 전구체를 제조하는 데 사용되는 전극 페이스트가 활물질을 함유하는 것으로 이해되어야 한다. 제조 동안, 이러한 전극 페이스트로부터, 실질적으로 활물질 입자로 이루어진 다공성의 매트릭스가 생성될 수 있으며, 이어서 이러한 다공성 매트릭스 내에는 고체 전해질 재료 입자를 갖는 현탁액이 침투된다. 특히 유리하게는, 전극 페이스트 내의 기공 형성 입자는 고체 전해질 재료 입자의 크기 및 형상으로 조정되므로, 고체 전해질 재료 입자가 기공을 완전히 또는 실질적으로 완전히 채울 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 기공 형성 입자의 크기 및 형상은 실질적으로 고체 전해질 재료 입자의 크기 및 형상 및/또는 그의 정수배에 대응한다. 이를 통해, 제조 공정의 끝에서 특히 낮은 공극율을 갖는 전극 전구체가 생성된다.It should be understood that the electrode paste used to prepare the electrode precursor contains an active material. During manufacture, from this electrode paste, a porous matrix consisting essentially of particles of the active material can be produced, which is then impregnated with a suspension with particles of solid electrolyte material. Particularly advantageously, the pore-forming particles in the electrode paste are tailored to the size and shape of the solid electrolyte material particles, so that the solid electrolyte material particles can completely or substantially completely fill the pores. In a particularly preferred embodiment, the size and shape of the pore-forming particles substantially correspond to the size and shape of the solid electrolyte material particles and/or integer multiples thereof. This results in an electrode precursor with a particularly low porosity at the end of the manufacturing process.
추가의 실시예에서, 전극 페이스트는 고체 전해질 재료 입자를 함유하고, 제조 방법은,In a further embodiment, the electrode paste contains solid electrolyte material particles, and the method comprises:
- 활물질 입자 현탁액을 침투시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.- It characterized in that it further comprises the step of permeating the active material particle suspension.
이러한 경우에, 제조 단계에서 전극 페이스트로부터, 실질적으로 고체 전해질 재료로 이루어진 다공성의 매트릭스가 생성되고, 이어서 이러한 다공성의 매트릭스 내에는 활물질 입자를 갖는 현탁액이 침투된다. 이 경우, 특히 유리하게는 기공 형성 입자는 현탁액에서의 활물질 입자의 크기 및 형상으로 적응된다. 특히 바람직한 실시예에서, 기공 형성 입자의 크기 및 형상은 실질적으로 활물질 입자의 크기 및 형상 및/또는 그의 정수배에 대응한다. 따라서, 제조 공정의 끝에서 특히 낮은 공극율을 갖는 전극 전구체가 생성된다.In this case, from the electrode paste in the manufacturing step, a porous matrix consisting substantially of a solid electrolyte material is produced, and the suspension with active material particles is then impregnated into this porous matrix. In this case, particularly advantageously, the pore-forming particles are adapted to the size and shape of the active material particles in suspension. In a particularly preferred embodiment, the size and shape of the pore-forming particles substantially correspond to the size and shape of the active material particles and/or integer multiples thereof. Thus, an electrode precursor with a particularly low porosity is produced at the end of the manufacturing process.
본 발명에 따르면, 고체 전해질 입자는 또한 고체 전해질 전구체 재료, 예를 들어 Li2S 및/또는 P2S5로 이루어진 입자일 수 있으며, 이는 고체 전해질 재료를 형성하도록 추가의 제조 단계, 특히 열처리 단계에서만 반응한다.According to the present invention, the solid electrolyte particles may also be particles consisting of a solid electrolyte precursor material, for example Li 2 S and/or P 2 S 5 , which is subjected to a further manufacturing step, in particular a heat treatment step, to form a solid electrolyte material. react only in
활물질로서는 예를 들어 LCO, NCM LFP 또는 HV.스피넬이 사용될 수 있다. 활물질 입자에는 예를 들어 LiNbO3 및/또는 NCM으로 이루어진 코팅이 또한 제공될 수 있다.As the active material, for example, LCO, NCM LFP or HV. spinel may be used. The active material particles may also be provided with a coating, for example consisting of LiNbO 3 and/or NCM.
특히 바람직한 실시예에서, 침투시키는 단계는 진공에서 수행된다. 여기서 진공이라 함은, 작업물에, 즉 제조 중인 전극 전구체에 주위 압력보다 더 낮은 압력이 존재하는 상태인 것으로 이해되어야 한다.In a particularly preferred embodiment, the infiltrating step is carried out in vacuum. A vacuum is to be understood herein as a state in which a pressure lower than ambient pressure is present in the workpiece, ie in the electrode precursor being produced.
추가의 실시예에서, 현탁액에 전도성 첨가제가 제공될 수 있다. 전도성 첨가제는 배터리 전극에서 활물질과 고체 전해질 사이의 계면 저항을 감소시킨다. 고체 전해질 현탁액 또는 활물질 현탁액이 침투될 때, 이는 기공 형성 입자의 크기의 설계 및/또는 선택 시에 고려될 수 있다. 따라서, 전도성 첨가제는 제조 공정 중에 활물질과 고체 전해질 사이에 최적으로 추가될 수 있다. 전도성 첨가제로서, 예를 들어 카본 블랙 또는 아세틸렌 블랙이 사용될 수 있다.In a further embodiment, the suspension may be provided with a conductive additive. Conductive additives reduce the interfacial resistance between the active material and the solid electrolyte in the battery electrode. When the solid electrolyte suspension or the active material suspension is impregnated, this may be taken into account in the design and/or selection of the size of the pore-forming particles. Therefore, the conductive additive can be optimally added between the active material and the solid electrolyte during the manufacturing process. As the conductive additive, for example, carbon black or acetylene black can be used.
제조 방법의 일 실시예에서, 열처리 단계는 실질적으로 기공 형성 입자의 분해 임계값 초과의 온도 및/또는 활물질 및/또는 고체 전해질 재료의 분해 임계값 미만의 온도에서 수행된다. 이를 통해, 기공 형성 입자는 열처리 단계 중에 분해되고, 기공 형성 입자의 크기 및 형상 및/또는 그의 정수배에 실질적으로 대응할 수 있는 기공을 형성한다. 활물질 및/또는 고체 전해질의 분해 임계값 미만의 온도에서 처리 단계를 수행함으로 인해, 이러한 재료들이 열처리 단계 중에 분해되고 및/또는 화학적으로 변환되는 것이 유리하게 방지된다.In one embodiment of the method of manufacture, the thermally treating step is performed substantially at a temperature above the decomposition threshold of the pore-forming particles and/or below the decomposition threshold of the active material and/or the solid electrolyte material. Thereby, the pore-forming particles decompose during the heat treatment step and form pores that can substantially correspond to the size and shape of the pore-forming particles and/or integer multiples thereof. By carrying out the treatment steps at a temperature below the decomposition threshold of the active material and/or the solid electrolyte, these materials are advantageously prevented from decomposing and/or chemically converting during the heat treatment step.
실시예들의 그룹에서, 전극 페이스트는 바인더 재료를 함유한다. 이러한 경우, 열처리 단계는 또한 실질적으로 바인더 재료의 분해 임계값을 초과하는 온도에서 수행될 수 있다. 이를 통해 유리하게는, 바인더는 전극 전구체로부터 배출되고, 이에 의해 전극 전구체에서 전기 화학적 비활성 재료의 성분이 감소된다. 특히 바람직하게는, 바인더 재료는 전도성 첨가제로서 작용하는 재료를 함유하고, 상기 재료는 바인더의 분해 후에 남아 있고 및/또는 분해 중에 전도성 첨가제로서 작용하는 재료를 형성한다. 예를 들어 셀룰로오스에 기초한 바인더의 연소에 의해 전도성 카본 블랙이 생성될 수 있다.In a group of embodiments, the electrode paste contains a binder material. In this case, the heat treatment step may also be performed at a temperature substantially above the decomposition threshold of the binder material. This advantageously results in the binder being discharged from the electrode precursor, thereby reducing the composition of the electrochemically inactive material in the electrode precursor. Particularly preferably, the binder material contains a material which acts as a conductive additive, said material remains after decomposition of the binder and/or forms a material which acts as a conductive additive during decomposition. Conductive carbon black can be produced, for example, by combustion of a cellulose-based binder.
바람직하게는, 열처리 단계는 소결 공정 단계로서 수행된다. 이를 통해, 추후에 전극 전구체의 구조를 구성하는 전극 페이스트에 존재하는 입자가 서로 결합된다. 이를 통해, 바인더가 완전히 또는 부분적으로 사용될 수 없게 된다. 특히 바람직하게는, 소결 공정 단계는 바인더의 분해 임계값 초과의 온도에서 수행되므로, 추후에 전극 전구체의 구조를 구성하는 재료들의 결합과 실질적으로 동시에, 이 경우 사용되지 않는 바인더가 전극 전구체로부터 제거되고, 이에 의해 전극 전구체에 의해 제조된 배터리 셀의 에너지 밀도가 추가로 증가될 수 있다.Preferably, the heat treatment step is carried out as a sintering process step. Through this, the particles present in the electrode paste constituting the structure of the electrode precursor are later combined with each other. This makes the binder completely or partially unusable. Particularly preferably, the sintering process step is carried out at a temperature above the decomposition threshold of the binder, so that substantially simultaneously with the subsequent bonding of the materials constituting the structure of the electrode precursor, in this case the unused binder is removed from the electrode precursor and , whereby the energy density of the battery cell prepared by the electrode precursor can be further increased.
다른 바람직한 실시예에서, 열처리 단계는 열 프레스 단계로서 수행된다. 이러한 단계는 또한 이미 수행된 본 발명에 따른 열처리 단계에 대해 추가적으로 수행될 수 있다. 열 프레스 단계로서 수행하는 것은 전극 전구체를 압축하여 잔류 공극율을 훨씬 더 감소시키기 위해, 이러한 단계가 또한 전극 제조 중에 종종 기본적으로 사용된다는 이점을 갖는다. 따라서, 단지 열 프레스 단계의 공정 파라미터가, 예를 들어 기공 형성 입자에 적응되는 것이 필요할 뿐이다.In another preferred embodiment, the heat treatment step is carried out as a hot press step. This step can also be carried out in addition to the heat treatment step according to the invention that has already been carried out. Carrying out as a heat press step has the advantage that this step is also often basically used during electrode fabrication, in order to compress the electrode precursor even further to reduce the residual porosity. Accordingly, it is only necessary that the process parameters of the hot press step be adapted to, for example, the pore-forming particles.
실시예들의 그룹에서, 기공 형성 입자는 고분자 기반 입자이다. 이는 배터리 제조에서 고분자 기반 재료를 사용하는 것이 공지되어 있고, 따라서 제조 공정으로의 통합이 특히 간단히 구현될 수 있다는 이점을 갖는다.In a group of embodiments, the pore-forming particle is a polymer-based particle. This has the advantage that it is known to use polymer-based materials in the manufacture of batteries, so that their integration into the manufacturing process can be implemented particularly simply.
기공 형성 입자는 실질적으로 또는 완전히The pore-forming particles may be substantially or completely
- 셀룰로오스- Cellulose
- 사카라이드- saccharide
- 그래파이트- Graphite
- 탄소 섬유- carbon fiber
- 전도성 카본 블랙- Conductive Carbon Black
중 하나 이상의 재료로 이루어지는 입자인 것이 또한 가능하다.It is also possible for the particles to be made of one or more of the following materials.
이러한 재료들은 전극 제조 시 사용되는 것으로 입증되었고, 따라서 제조 공정에 특히 양호하게 통합될 수 있다.These materials have proven to be used in the manufacture of electrodes and can therefore be particularly well integrated into the manufacturing process.
본 발명은 또한 전술한 청구항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되고 및/또는 제조될 수 있는 애노드 또는 캐소드의 전극 전구체에 관한 것이다.The invention also relates to an electrode precursor for an anode or cathode, which is prepared and/or can be prepared with a method according to any one of the preceding claims.
또한, 본 발명은 전극 페이스트의 제조 방법에 관한 것이고,The present invention also relates to a method for producing an electrode paste,
- 활물질 입자 직경의 크기에 따라, 고체 전해질 재료에 대한 활물질의 최소비를 확인하는 단계,- according to the size of the particle diameter of the active material, confirming the minimum ratio of the active material to the solid electrolyte material;
- 제조될 전극 페이스트에 의해 제조 가능한 전극의 예상되는 공극율에 대한 값을 획득하는 단계,- obtaining a value for the expected porosity of the electrode manufacturable by the electrode paste to be produced;
- 추가로 상기 예상되는 공극율에 기초하여, 고체 전해질 재료에 대한 활물질의 목표비를 확인하는 단계,- further identifying a target ratio of the active material to the solid electrolyte material based on the expected porosity;
- 활물질의 목표량을 결정하는 단계,- determining the target amount of the active material;
- 적어도 활물질의 목표량 및 고체 전해질 재료에 대한 활물질의 목표비에 따라, 기공 형성 입자의 목표량 및 목표 유형을 확인하는 단계, 및- identifying a target amount and target type of pore-forming particles, at least according to a target amount of active material and a target ratio of active material to solid electrolyte material, and
- 활물질 및 기공 형성 입자의 확인된 목표량과 전극 페이스트를 혼합하는 단계- Mixing the electrode paste with the identified target amount of active material and pore-forming particles
를 적어도 포함한다.includes at least
이러한 방법은 전극 전구체를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법에 특히 적합한 전극 페이스트를 생성한다. 이 경우 무엇보다도, 제조될 전극 페이스트에 의해 제조 가능한 전극의 예상되는 공극율에 대한 값에 기초하여, 고체 전해질에 대한 활물질의 비가 전극 전구체의 제조 공정에서 결정된다. 이 경우, 제조될 전극 페이스트에 의해 제조 가능한 전극의 예상되는 공극율이라 함은, 전극 전구체를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법이 특정 세트의 공정 파라미터로 수행될 때, 본 발명에 따른 전극 전구체의 제조 공정의 끝에서 설정되는 것으로 예상되는 공극율인 것으로 이해되어야 한다. 이러한 값은 예를 들어 이미 제조된 전극에 의한 일련의 측정으로부터 및/또는 모델에 기초하여 확인될 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 값은 입력 파라미터로서 본 방법에 도입된다. 그러나, 공극율은 그 대신에 방법 단계에서 전극 전구체를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 공지된 공정 파라미터에 기초하여 결정되는 것도 또한 가능하다.This method produces an electrode paste which is particularly suitable for the method according to the invention for preparing electrode precursors. In this case, among other things, the ratio of the active material to the solid electrolyte is determined in the manufacturing process of the electrode precursor, based on the value for the expected porosity of the electrode producible by the electrode paste to be manufactured. In this case, the expected porosity of the electrode manufacturable by the electrode paste to be produced means the production of the electrode precursor according to the invention when the method according to the invention for producing the electrode precursor is carried out with a specific set of process parameters. It should be understood to be the porosity expected to be established at the end of the process. These values can be ascertained, for example, from a series of measurements with electrodes already manufactured and/or on the basis of models. According to the invention, said value is introduced into the method as an input parameter. However, it is also possible for the porosity to be determined instead on the basis of the known process parameters of the method according to the invention for preparing the electrode precursor in a method step instead.
이 경우, 최소비는 적어도 전극 페이스트에 어느 정도의 활물질의 농도가 존재해야 하는지를 결정하고, 이 경우 목표비는 - 확인된 최소비에 의해 한정되어 - 어느 정도의 활물질의 농도가 실제로 설정되는지를 나타낸다. 최소비 및 목표비에 대해 확인된 값은 오직 지정된 변수에 따라 결정될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 변수에 의해서도 또한 결정될 수도 있다.In this case, the minimum ratio determines at least what concentration of active material should be present in the electrode paste, in which case the target ratio - defined by the identified minimum ratio - indicates what concentration of active material is actually set. . The values identified for the minimum ratio and the target ratio may not only be determined according to the specified variable, but may also be determined by other variables as well.
고체 전해질 재료에 대한 활물질의 최소비 및/또는 목표비에 대한 값은, 예를 들어 모델 또는 특성 맵에 의해 확인될 수 있다. 이러한 실시예는 특히 신속하게 결과를 공급하고, 실행될 컴퓨터 시스템에 낮은 리소스 소비를 제공하므로, 따라서 배터리 제조에 특히 시간 절약적으로 그리고 비용 효율적으로 통합될 수 있다는 이점을 갖는다.Values for the minimum and/or target ratio of active material to solid electrolyte material may be ascertained, for example, by means of a model or a property map. Such an embodiment has the advantage that it provides results particularly quickly and provides a low resource consumption for the computer system to be executed, and thus can be integrated particularly time-savingly and cost-effectively in the manufacture of batteries.
바람직한 실시예에서, 본 방법은 제조될 전극 페이스트에 의해 제조 가능한 배터리 셀의 에너지 밀도에 대한 값을 획득하는 단계, 및 추가로 이러한 에너지 밀도에 따라 고체 전해질 재료에 대한 활물질의 목표비를 확인하는 단계를 특징으로 한다. 이 경우, 에너지 밀도는 일반적으로 전극 페이스트를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 전극 페이스트로부터 제조될 수 있는 배터리 셀의 중량 또는 부피당 저장 가능한 전기 에너지로서 정량적으로 지정된다. 그러나, 에너지 밀도는 또한 정성적인 표현으로서 이해될 수도 있고 및/또는 획득될 수 있다. 따라서, 예를 들어 "에너지 셀"로서, 즉 특히 더 높은 전력을 제공하는 것보다는, 특히 많은 전기 에너지를 저장하도록 설계된 배터리 셀로서 분류되거나, 또는 "전력 셀"로서, 즉 특히 많은 전기 에너지를 저장하는 것보다는, 특히 더 높은 전력을 제공하도록 설계된 배터리 셀로서 분류되는 것도 또한 가능하다.In a preferred embodiment, the method comprises the steps of obtaining a value for the energy density of a battery cell producible by the electrode paste to be produced, and further identifying a target ratio of the active material to the solid electrolyte material according to this energy density. is characterized by In this case, the energy density is generally specified quantitatively as the storable electrical energy per weight or volume of a battery cell that can be produced from an electrode paste produced by the method according to the invention for producing an electrode paste. However, energy density may also be understood and/or obtained as a qualitative expression. Thus, for example, they are classified as “energy cells”, ie battery cells designed to store in particular large amounts of electrical energy rather than providing in particular higher power, or as “power cells”, ie storing particularly large amounts of electrical energy. It is also possible to classify as a battery cell specifically designed to provide higher power than
또한, 전극 페이스트의 제조 방법은 활물질 입자 직경의 크기로부터 퍼콜레이션(percolation) 임계값에 대한 값을 확인하는 단계, 및 추가로 퍼콜레이션 임계값에 따라 고체 전해질 재료에 대한 활물질의 목표비를 확인하는 단계를 특징으로 할 수 있다. 퍼콜레이션 임계값이라 함은, 이러한 맥락에서 전극 전구체 및/또는 그로부터 제조된 전극의 이온 및/또는 전자 전도도가 급격히 증가하는 전극 전구체 내의 활물질의 농도로 이해될 수 있다. 이러한 실시예에서, 고체 전해질 재료에 대한 활물질의 목표비는 예를 들어 에너지 밀도로서 "에너지 셀" 정보가 획득되는 경우, 실질적으로 퍼콜레이션 임계값 초과의 활물질 농도가 선택되는 방식으로 결정될 수 있는데, 왜냐하면 높은 활물질 농도는 일반적으로 배터리 셀 내에서의 에너지 밀도 증가와 함께 발생하기 때문이다. 반대로, 에너지 밀도로서 "전력 셀" 정보가 획득되는 경우, 실질적으로 퍼콜레이션 임계값에 놓인 활물질 농도가 선택될 수 있는데, 왜냐하면 여기에서는 높은 활물질 농도가 덜 중요하기 때문이다.In addition, the method for manufacturing the electrode paste includes the steps of: confirming a value for a percolation threshold from the size of the particle diameter of an active material, and further confirming a target ratio of the active material to the solid electrolyte material according to the percolation threshold It can be characterized as a step. The percolation threshold may be understood in this context as the concentration of active material in the electrode precursor at which the ionic and/or electronic conductivity of the electrode precursor and/or the electrode prepared therefrom increases rapidly. In such an embodiment, the target ratio of active material to solid electrolyte material may be determined in such a way that an active material concentration substantially above the percolation threshold is selected, for example when "energy cell" information is obtained as the energy density, This is because high active material concentrations generally occur with increasing energy density within the battery cell. Conversely, when “power cell” information is obtained as energy density, an active material concentration that is substantially at the percolation threshold may be selected, since a higher active material concentration is less important here.
본 발명의 다른 이점 및 유리한 실시예 및 개발예는 도면을 참조하여 이하의 설명에 기초하여 설명된다.Other advantages and advantageous embodiments and developments of the present invention are explained on the basis of the following description with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 실시예의 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예의 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 3은 제조될 전극 페이스트에 의해 제조 가능한 전극의 예상되는 공극율에 따른, 고체 전해질에 대한 활물질의 목표비의 확인 규칙을 개략적으로 도시한다.
도 4는 활물질 입자 직경의 크기에 따른, 고체 전해질 재료에 대한 활물질의 최소비의 확인 규칙을 개략적으로 도시한다.1 shows an exemplary process of an embodiment of a method according to the invention;
2 shows an exemplary process of another embodiment of the method according to the present invention.
Fig. 3 schematically shows the confirmation rule of the target ratio of the active material to the solid electrolyte, depending on the expected porosity of the electrode producible by the electrode paste to be produced.
Fig. 4 schematically shows the confirmation rule of the minimum ratio of the active material to the solid electrolyte material according to the size of the particle diameter of the active material.
도면을 참조하여, 본 발명에 따른 방법의 실시예가 도시된다.With reference to the drawings, an embodiment of the method according to the invention is shown.
도 1은 본 발명의 가능한 실시예에 대한 예시적인 프로세스를 도시한다. 이 경우, 제1 건조 단계(S11)에서, 활물질(40) 그리고 바인더(90) 및 기공 형성 재료(60)를 함유하고, 추가로 이미 도체 필름(30) 상에 도포되어 있는 전극 페이스트(20)로부터 전극 전구체 프리-스테이지(10)가 제조된다. 이어서, 이러한 전극 전구체 프리-스테이지는 추가 방법 단계(S12)에서 소결되고 베이크-아웃(bake-out)된다. 이 경우, 예를 들어 온도와 같은 공정 파라미터는 활물질 입자(40)가 서로 소결된 매트릭스를 형성하는 동시에, 기공 형성제(60) 및 바인더(90)가 분해되거나 또는 탈기되는 방식으로 설정된다. 이어서, 침투 단계(S13)에서 고체 전해질 재료 현탁액(70)이 생성된 매트릭스에 진공 하에 침투된다. 기공 형성 입자(60)의 크기 및 형상은 고체 전해질 재료 현탁액(70)에 존재하는 입자에 적응되기 때문에, 고체 전해질 입자(50)는 기공을 거의 완전히 채운다. 마지막으로, 선택적으로 수행되는 공정 단계(S14)에서 전극 전구체(11)는 열 프레스에 의해 또 한 번 압축되고, 나머지 기공은 축소되거나 또는 실질적으로 폐쇄되므로, 본 발명에 따른 낮은 다공성을 갖는 전극 전구체(12)가 생성된다.1 shows an exemplary process for a possible embodiment of the present invention. In this case, in the first drying step ( S11 ), the
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 대한 다른 예시적인 프로세스를 도시한다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 다르게, 활물질 대신에 고체 전해질 재료(50)를 함유하는 전극 페이스트(20)가 사용된다. 방법 단계(S21 내지 S24)의 공정 파라미터는 이에 따라 전극 페이스트(20)의 변경된 조성에 적응된다. 마지막으로, 침투 단계(S23)에서 고체 전해질 재료 현탁액(70) 대신에, 활물질 현탁액(71)이 침투된다. 전극 페이스트(20) 내의 기공 형성 입자(60)의 크기 및 형상, 그리고 활물질 현탁액(71) 내의 활물질 입자(40)의 크기 및 형상이 또한 서로 조정된다.2 depicts another exemplary process for another embodiment of the present invention. In this case, unlike shown in FIG. 1 , the
도 3은 제조될 전극 페이스트에 의해 제조 가능한 전극의 예상되는 공극율에 따른, 고체 전해질에 대한 활물질의 목표비의 확인 규칙을 도시한다. 이 경우, 5%의 공극율(111), 10%의 공극율(112) 그리고 20%의 공극율(113)이 제공되며, 여기서 가능한 가장 조밀한 패킹의 영역(110)은 전극 내에서 기술적으로 구현될 수 없다. 이 경우, 비표면적(120)에 따라, 주어진 공극율(111, 112, 113)에서 고체 전해질 재료에 대한 활물질의 목표비(100)가 선택될 수 있다. 비표면적(120) 및 공극율(110, 111, 112, 113)에 대해 도시된 크기는 모두 특성값을 나타내고, 이 특성값은, 전극 전구체를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법이 특정 세트의 공정 파라미터에 의해 수행되는 경우, 본 발명에 따른 전극 전구체의 제조 공정의 끝에서 설정되는 것으로 예상되며, 사전 설정된 공정 파라미터로서 전극 페이스트를 제조하기 위한 방법으로 도입된다. 고체 전해질 재료에 대한 활물질의 결과적인 비(100)는 예를 들어 도시된 관계가 저장되어 있는 특성 맵으로부터 판독될 수 있다.Fig. 3 shows a confirmation rule of the target ratio of the active material to the solid electrolyte according to the expected porosity of the electrode that can be produced by the electrode paste to be produced. In this case, a
도 4는 활물질 입자 직경의 크기에 따른, 고체 전해질 재료에 대한 활물질의 최소비의 확인 규칙을 더 도시한다. 전극 페이스트(20)를 제조하기 위해 제공되는 활물질 입자(40)의 직경(130)에 따른 허용 오차 범위를 갖는 퍼콜레이션 임계값(140, 150)이 도시되어 있다. 도시된 관계는 고체 전해질 재료(50)에 대한 활물질(40)의 최소비를 결정하기 위해, 전극 페이스트(20)를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있다. 이 경우, "에너지 셀"을 위한 설계에서는 허용 오차 범위의 상한의 값이 선택될 수 있고, "전력 셀"을 위한 설계에서는 허용 오차 범위의 하한의 값이 선택될 수 있다.Fig. 4 further shows the confirmation rule of the minimum ratio of the active material to the solid electrolyte material according to the size of the particle diameter of the active material.
S11 : 건조하는 단계 S12 : 소결 및 베이크-아웃하는 단계
S13 : 침투시키는 단계 S14 : 가열/열 프레스하는 단계
S21 : 건조하는 단계 S22 : 소결 및 베이크-아웃하는 단계
S23 : 침투시키는 단계 S24 : 가열/열 프레스하는 단계
10 : 전극 전구체 프리-스테이지
11 : 침투시키는 단계 이후의 전극 전구체
12 : 가열/열 프레스하는 단계 이후의 전극 전구체
20 : 전극 페이스트 30 : 도체 필름
40 : 활물질 50 : 고체 전해질
60 : 기공 형성제 70 : 고체 전해질 재료 현탁액
71 : 활물질 입자 현탁액 80 : 전도성 첨가제
90 : 바인더
100 : 고체 전해질에 대한 활물질의 비 [부피 %]
110 : 조밀한 패킹 111 : 5% 공극율
112 : 10% 공극율 113 : 20% 공극율
120 : 비표면적 [105 ㎡/㎥] 130 : 입자 직경 [㎛]
140 : 퍼콜레이션 임계값 [부피 % 활물질]S11: drying step S12: sintering and baking-out step
S13: infiltrating step S14: heating/heat pressing step
S21: drying step S22: sintering and baking-out step
S23: Infiltrating step S24: Heating/heat pressing step
10: electrode precursor pre-stage
11: Electrode precursor after the step of infiltrating
12: electrode precursor after heating / heat pressing
20: electrode paste 30: conductor film
40: active material 50: solid electrolyte
60: pore former 70: solid electrolyte material suspension
71: active material particle suspension 80: conductive additive
90: binder
100: ratio of active material to solid electrolyte [volume %]
110: dense packing 111: 5% porosity
112: 10% porosity 113: 20% porosity
120: specific surface area [10 5 m2/m3] 130: particle diameter [㎛]
140: percolation threshold [volume % active material]
Claims (15)
- 전극 페이스트(20)를 혼합하거나 또는 획득하는 단계, 및
- 상기 전극 전구체(11, 12)를 획득하기 위해 상기 전극 페이스트(20)를 열처리하는 단계(S12, S14, S22, S24)
를 적어도 포함하는, 상기 전극 전구체의 제조 방법에 있어서,
상기 열처리 단계(S12, S14, S22, S24) 이전에, 상기 열처리 단계(S12, S14, S22, S24)를 통해 탈기 또는 연소되는 기공 형성 입자(60) 및 바인더 재료(90)를 상기 전극 페이스트(20)에 제공하며, 상기 바인더 재료(90)는 전도성 첨가제(80)로서 작용하는 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.A method for producing an electrode precursor (11, 12), comprising:
- mixing or obtaining the electrode paste 20, and
- heat-treating the electrode paste 20 to obtain the electrode precursors 11 and 12 (S12, S14, S22, S24)
In the manufacturing method of the electrode precursor comprising at least,
Before the heat treatment step (S12, S14, S22, S24), the pore-forming particles 60 and the binder material 90, which are degassed or burned through the heat treatment step (S12, S14, S22, S24), the electrode paste ( 20), wherein the binder material (90) contains a material that acts as a conductive additive (80).
상기 제조 방법은
- 고체 전해질 재료 입자 현탁액(70)을 침투시키는 단계(S13, S23)
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the electrode paste (20) contains active material particles (40),
The manufacturing method is
- impregnating the solid electrolyte material particle suspension 70 (S13, S23)
Manufacturing method, characterized in that it further comprises.
상기 제조 방법은
- 활물질 입자 현탁액(71)을 침투시키는 단계(S13, S23)
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the electrode paste (20) contains solid electrolyte material particles (50),
The manufacturing method is
- Infiltrating the active material particle suspension 71 (S13, S23)
Manufacturing method, characterized in that it further comprises.
- 셀룰로오스
- 사카라이드
- 그래파이트
- 탄소 섬유
- 전도성 카본 블랙
중 하나 이상의 재료로 이루어지는 입자인 것을 특징으로 하는 제조 방법.According to any one of claims 1 to 3, wherein the pore-forming particles (60),
- Cellulose
- saccharide
- Graphite
- carbon fiber
- Conductive Carbon Black
A manufacturing method, characterized in that the particles are made of one or more of the materials.
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