리튬 이온 배터리를 높은 용량에 레이저로 전극 통째로 구멍 가공

리튬 이온 배터리를 높은 용량에 레이저로 전극 통째로 구멍 가공

「프리도핑」를쉽게 실현할

니케이 일렉트로닉스 2018 년 10 월호

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미세 가공 기술을 자랑으로 하는 벤처 기업의 WIRED Co.,Ltd 는 리튬 (Li) 이온 2 차 전지 전극 재료에 레이저로 많은 작은 구멍을 순차적으로 열기 기술을 개발 했다 (그림 1).
구멍 가공 한 전극 재를 사용함으로써, 차세대 Li 이온 2 차 전지의 고용량화에 빠뜨릴 수 없다고하는 Li 이온 “프리도핑”이쉽게 실현할 수있다.

그림 1: 전극에 레이저 가공에서 구멍 가공

Si 양극 스테인레스 강재에 코팅 한 전극에 레이저로 구멍을 교 련 했다.전극의 뒤에서 빛을 비추면 빛이 투 하 되어 있음을 알 수 있다.

고용량화의 과제를 해소

프리도핑 는 충 방전에 따른 Li 이온 건전지의 사용에 따라 감소 하는 과제의 해결을 목표로 한 기술 이다.
이 문제가 해결 되지 않는 경우, 모처럼 고용량 화가 가능한 전극 재료를 조합 했다고 해도 그 잠재력에 도달 하는 용량을 얻을 수 없게 된다.
Li 이온 건전지에서 충 방전에 따른 Li 이온이 감소 하는 것은 초기 충전시에 Li와 화합물을 전극에서 생성 된 데 따른 것이다.
화합물에 포함 된 Li는 충 방전을해도 이온화하지 않으므로 용량이 감소 해 버린다. 즉 비가역 용량이 커진다.
이번 프리도핑 는 Li 이온의 공급원이되는 Li 박을 미리 셀에 놓아 둔다.
Li 호일은 음극과 셀 외부에서 단락시켜 Li 이온이 세포 내에서 이동할 수 있도록한다 (그림 2).
프리도핑 의실현에 의해, 지금까지 대용량 실용에 이르고 있지 않은 전극 재료의 사용을 확대할 수 있는 가능성이 있다.
비가역 용량이 큰 재료 나 Li 화합물이 아니다 고용량 의 재료 등이다.

 

Li 이온 건전지에서 충 방전에 따른 Li 이온이 감소 하는 것은 초기 충전시에 Li와 화합물을 전극에서 생성 된다.화합물에 포함 된 Li는 충 방전 하는 이온화 되지 않아 용량이 감소 하 게 된다.즉 돌이킬 수 없는 공간이 된다.

이번 프레 진한는 Li 이온의 감소를 예상, Li 이온의 감소를 예상, Li 이온의 원천이 되는 Li 포 일을 미리 셀에 놓아 둔다.Li 포 일은 음극과 외부에 단락 시켜, Li 이온 셀 내에서 이동할 수 있도록 한다 (그림 2).

프리 진한 실현에 의해, 지금까지 대용량 + 실용에 이르고 있지 않은 전극 재료의 사용을 확대할 수 있는 가능성이 있다.돌이킬 수 없는 큰 물자 및 Li 화합물이 아닌 고용량 양극 재료 등 이다.

Si 음극 스테인레스 집합체로 가공

WIRED 은 먼저 고용량의 음극 재료로서 보급이 기대되는 Si (실리콘) 음극에 적용을 노린다.
Si 음극은 이론 용량이 4200mAh / g으로 기존의 흑연 음극에 비해 10 배 이상 높지만, 프리도핑 를 해　야 초기 충전 효율이 약 80 %로 떨어 버리는 문제가 있기 때문이다.
게다가 Si 음극은 자사가 강점으로하는 가공 기술을 살려 쉽다.
충 방전시의 팽창 / 수축의 변화가 크기 때문에 전극 집 전체는 Cu (구리) 호일이 아닌 고강도 스테인레스 까다로운 채용이 검토되고있는 데 따른 것이다.
스테인레스 강재는 pre-dope하기위한 미세한 관통 어렵고, 구멍이 생겨도 발리 등에 의한 내부 단락의 우려가 있었다.
회사의 가공 기술을 사용하여 Si 음극을 스테인리스 강재에 도포 한 후 전극에 임의의 개구율에 구멍 가공이있다 (그림 3).
여러 소재를 거듭 한 복합물에 단번에 관통 구멍을 여는 때문이다. 이 때문에 종래의 전극 제조 공정에 구멍 공정을 추가하면된다.

그림3 : 일정한 개구율에서 레이저 전극

왼쪽은 삼원 계 양극 재료, 개구율 1.5 %에서 구멍 가공, 오른쪽은 Si 음극 재, 개구율 0.5 %로 구멍 가공을 한 모습

회사의 구멍 가공 기술은 레이저 광을 조사하여 초당 4000 ~ 30 만개의 관통된다.
기존의 레이저 가공 기술과 비교해도 고속이다. 구멍의 직경은 3μm ~ 20μm이며, 기존 레이저보다 작은 관통된다.
발리가 발생하지 않는다고고한다. 펀치 프레스 및 에칭과 비교해도 고속이며, 소경이다.

1Ah 급의 라미네이트 형 셀을 시작

이번에 회사는 전기 자동차 용 배터리를 개발하고있다 야마가타 대학의 협력으로 1Ah 급의 라미네이트 형 셀을 시작하고 시험했다.
Ni (니켈), Mn (망간), Co (코발트)를 주원료로하는 삼원 계 양극 재와 Si 음극의 각각에 레이저로 구멍을 적층 한 전극의 양측에 Li 박을 배치, 또한 음극과 Li 박을 외부에서 단락시킨 (그림 4).
음극에 Li 이온을 뿌레도뿌하는 데 성공하고 초기 충 방전 효율을 93 %로 증가되었다.
이 일련의 기술은 신 에너지 · 산업 기술 종합 개발기구 (NEDO)의 조성 사업의 성과의 일부를 활용하고있다.

그림 4 : 프리 도핑서 충 방전 효율이 93 %에

Si 음극을 이용한 1Ah 급의 전지를 제작 한 (왼쪽). Li 금속과 부극을 외부 단락시켜 뿌리도뿌을 실현했다. 뿌리도뿌 후 시험에서 초기 충 방전 효율 93 %를 달성했다 (오른쪽).

WIRED은 향후 레이저의 연속 처리 시간의 단축과 비용 절감을 목표로한다.
또한 Pre-Dope 이외의 응용도 검토 중이다. 예를 들어, 전극 표면에 레이저로 오목를 붙이는 것으로, 셀의 고출력 화가 가능할 것으로 본다.

일경 XTECH 게재 기사는이 쪽 으로부터

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