CN1819321A - 고배율 리튬 이온 배터리

2006년 당시 상용 리튬 이온 배터리는 일반적으로 1~3C의 연속 방전율을 유지할 수 있었습니다. 전동 공구에는 5C, 비행 모형에는 7C, RC 모형 항공기에는 12C 이상의 방전율이 필요했습니다. 이러한 격차 때문에 무겁고 부피가 크며 메모리 효과라는 단점을 가진 니켈-카드뮴 및 니켈-금속 수소화물 배터리 팩이 고방전 배터리를 여전히 지배하고 있었습니다.

2006년 3월 6일에 출원된 특허 출원 CN1819321A는 특수 소재 없이 이러한 격차를 해소했습니다. 기존의 LiCoO₂ 및 탄소 화학을 사용하여 12~15°C의 온도를 달성했으며, 대신 다른 방식을 사용했습니다.슬러리가 혼합되기 전에 전도성 물질이 어떻게 분포되는지20년 후, 바로 그 원리, 즉 불활성 가스 하에서의 건식 분말 사전 혼합 방식은 TOB NEW ENERGY가 오늘날 제작하는 건식 전극 처리 장비의 기반이 되고 있습니다.

Ⅰ. 특허 정보

Ⅱ. 2006년에 이것이 중요했던 이유

리튬 이온 배터리는 1990년대 대량 생산으로 휴대용 전자 기기 시장을 장악하며 휴대전화, 노트북, PDA, 캠코더, 디지털 카메라 등에서 납축전지, 니켈수소 배터리, 니켈카드뮴 배터리를 밀어냈습니다. 하지만 한 분야는 예외였습니다. 바로 고전력 공구와 모형 항공기였습니다.

물리적 조건은 가혹했습니다. 대략 3C 이상의 전류에서는 2006년 당시의 일반적인 배터리로는 제대로 작동할 수 없었습니다. 내부 저항이 증가하고, 부하 시 전압이 떨어지며, 사용 가능한 용량이 감소했습니다. 무선 공구 제조업체들은 무게, 부피, 환경 비용, 메모리 효과에도 불구하고 니켈-카드뮴 배터리를 계속 사용했는데, 리튬 기반 배터리로는 필요한 전류에서 전압을 유지할 수 없었기 때문입니다.

두 가지 길이 있었습니다. 첫 번째는 새로운 음극 화학 물질과 새로운 전도성 구조를 개발하는 것이었는데, 이는 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 들며 생산까지 수년이 걸릴 것으로 예상되었습니다. CN1819321A는 두 번째 길을 택했습니다. 즉, 검증된 재료를 유지하고 문제를 해결하는 것이었습니다.전극 미세구조대신에.

Ⅲ. 핵심 통찰: 건조 분말 사전 혼합

기존의 슬러리 제조 방법은 결합제를 용매에 용해시킨 후 활성 물질과 전도성 물질을 함께 습식 혼합물에 첨가하는 것입니다. 전도성 탄소는 액상 전체에 분산되지만, 분산되는 방식이 다릅니다.무작위로그중 일부는 활성 입자를 연결하는 데 사용되지만, 대부분은 그렇지 않습니다.

CN1819321A는 순서를 반전시킵니다. 청구항 10은 다음을 명시합니다.활성 물질과 전도성 물질은 용매를 첨가하기 전에 건조 분말 형태로 미리 혼합됩니다.불활성 가스 보호 하에.

설명된 효과는 직접적입니다. 전도성 물질이 각 활성 입자의 표면으로 이동하여 표면을 가로지릅니다.첫 번째결합제 용액을 나중에 첨가할 때, 전도성 코팅은 이미 형성된 상태입니다. 그 결과, 탄소가 용매 전체에 통계적으로 분산되는 것이 아니라, 각 입자를 감싸는 연속적인 전도성 네트워크가 만들어집니다.

입자 표면의 낮은 전자 저항이 바로 세포가 12°C를 견딜 수 있는지 아니면 3°C에서 붕괴되는지를 결정하는 핵심 요소입니다.

이 사양은 다음과 같은 세 가지 보조 조치를 함께 제시합니다.

• 폴리머 코팅 분리막- PVDF-HFP 점성 입자가 PP-PE-PP 3중층 또는 단층 PE 필름에 코팅되어 있으며, 두께는 0.016~0.025mm, 다공성은 40~55%입니다.
• 제어된 전극 압축- 70-150 μm, 권선형 및 적층형 전극 그룹 모두에 적용 가능
• 전도성 전해질 첨가제청구항에 [(CF₃)CHO]₃B로 표기된 붕산염 화합물로서, LiPF₆ 또는 LiBF₄ 탄산염 전해질에 0.1~0.5 중량% 함유

Ⅳ. 기술 사양

음극 - 양극 (알루미늄 호일 전류 집전체)

• 활성 물질: 하나 이상의 리튬 삽입 산화물 - LiCoO₂, LiMn₂O₄ 또는 LiCo₁/₃Ni₁/₃Mn₁/₃O₂
• 전도성 물질: 아세틸렌 블랙, 슈퍼 P, 전도성 흑연(KS-6) 또는 증기 성장 탄소 섬유(VGCF)
• 접합재: PVDF 단일중합체 또는 PVDF-HFP 공중합체

양극 - 음극 (구리박 전류 수집기)

• 활성 물질: 변형된 천연 구형 흑연, 메조카본 미세구슬(CMS) 또는 메조상 피치계 탄소섬유(MCF)
• 전도성 물질: 슈퍼 P, 전도성 흑연(SFG-6/SFG-15) 또는 VGCF
• 접합재: 수성 SBR + CMC 또는 유성 PVDF

예시 - 실시예 1 (100-2500 mAh 셀, 권선형)

• 음극: LiCoO₂ : Super P : KS-6 : PVDF : NMP = 80 : 7 : 7 : 6 : 55
• 양극: CMS : Super P : SFG-6 : SBR : CMC : H₂O = 94 : 1 : 1 : 2 : 2 : 130
• 프로세스배치 → 코팅 → 롤 프레스 → 시트 성형 및 권취 → 케이싱 → 전해액 충전 → 성형 → 용량 등급 분류

본 명세서에서는 적층 구조 변형( 실시예 2), MCF 음극을 갖는 LiCoO₂/LiMn₂O₄ 혼합 양극( 실시예 3), 그리고 VGCF 기반 전도성 시스템( 실시예 4)에 대해서도 추가로 기술하고 있다.

Ⅴ. 측정된 성능

사양서에 명시된 1C 방전에 대한 용량 유지율:

15°C에서 공칭 용량의 86%를 유지하고 4분 만에 완전히 방전되는 이 설계는 현재 상용 배터리 셀의 1~3°C 한계를 훨씬 뛰어넘고 모형 항공기 응용 분야에서 요구하는 12°C 임계값도 상회합니다.

공개된 도면에는 셀 구조 개략도(그림 1), 권선 전극 형상(그림 2-3) 및 적층 전극 형상(그림 4-5)과 함께 7C(그림 6), 10C(그림 7) 및 12C(그림 8)에서의 측정 방전 곡선이 포함되어 있습니다.

Ⅵ. 2006년 특허부터 2026년 생산 설비까지

청구항 10의 건식 프리믹스 원리는 2006년에만 머물러 있지 않았습니다.

활성 입자 전체에 전도성 물질을 분산시키는 것~ 전에용매 접촉은 현재 업계에서 사용하는 개념의 선조입니다.건식 전극 공정- 현재 고에너지 전지 및 고체 전지용으로 규모 확장이 진행 중인 용매 사용량 감소 및 무용매 공정.

TOB NEW ENERGY는 오늘날 바로 그러한 과정을 위한 장비를 제작합니다.

• 건식 전극 필름 솔루션- 건식 공정 전극막 형성
• 전극 준비- 혼합, 코팅, 캘린더링
• 고체 배터리 장비- 건식 가공이 사실상 필수적인 경우

2006년 이 접근 방식을 공동 개발한 엔지니어가 현재 해당 장비 사양을 정하는 팀을 이끌고 있습니다. 2006년 연구실에서의 통찰력과 2026년 생산 하드웨어의 연속성이 바로 고객이 TOB를 선택할 때 얻는 가치입니다.

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Ⅶ. 자주 묻는 질문

Ⅷ. 공식 기록 및 도면

• 구글 특허 - CN1819321A(전문, 주장, 11개의 인용문)
• 모든 도면이 포함된 공식 PDF 파일입니다.
• 에스파스넷 기록