컬렉터용 보호 장벽층을 포함하는 전력 저장 장치 document_id A220623107458

일반적으로, 이러한 장치는 전극층 (양극 및 음극), 및 상기 전극 사이에 삽입된 분리층을 포함하는 다층 일체형 어셈블리를 포함한다. 상기 장치는 또한 하나 또는 그 이상의 컬렉터층을 포함하고, 각각의 컬렉터층은 전극층과 접촉된다. 액체 전해질 장치의 경우, 상기 분리층 (세퍼레이터)은 다공성 물질로 형성되고, 다른 층들이 액체 전해질 용액 내 침지된다. 고체 전해질 장치의 경우, 상기 분리층은 고체 전해질 층으로 구성된다. 상기 분리층의 기능은 각각 소정 거리 이격되어 전극층을 지지하여 전해질을 통한 전극층 사이에 이온 전류의 설정이 이루어지는 동안 전기화학적 장치의 단락을 방지한다. 각각의 컬렉터층의 기능은 이와 접속된 전극으로부터 발생하는 전류를 수집하고 전달한다. 일예로, 리튬 폴리머 배터리의 저장 장치에서, 상기 양극층 (양극층들)은 폴리머와 활성 전하의 혼합물을 포함하는 조성물로부터 제조된다. 상기 폴리머 혼합물은 일반적으로 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)과 같은 불소화된 폴리머를 포함한다. 상기 활성 전하는 일예로 리튬 화합물의 활성 탄소 또는 인터칼레이션 화합물로 이루어진다. 상기 장치는 하나 또는 그 이상의 양극층 (양극층들)과 접속된 하나 또는 그 이상의 컬렉터층 (컬렉터층들)을 포함한다. 상기 컬렉터층 또는 컬렉터층들은 알루미늄 또는 구리와 같은 금속으로 형성된다. 수퍼커패시터 타입의 저장 장치에서, 상기 전극층 또는 전극층들은 폴리머와 활성 전하의 혼합물을 포함하는 조성물로부터 제조된다. 상기 폴리머 혼합물은 일반적으로 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)과 같은 불소화된 폴리머를 포함한다. 상기 활성 전하는 일예로 리튬 화합물의 활성 탄소으로 이루어진다. 상기 장치는 하나 또는 그 이상의 양극층 (양극층들)과 접속된 하나 또는 그 이상의 컬렉터층 (컬렉터층들)을 포함한다. 상기 컬렉터층 또는 컬렉터층들은 알루미늄 또는 구리와 같은 금속으로 형성된다. 상기 금속 컬렉터층 또는 컬렉터층들은 본질적으로 이들의 표면에서 표면 산화막을 형성하는 경향이 있다. 이에 알루미늄 컬렉터층은 그 표면에 알루미나 (Al2O3)막을 형성한다. 양극층 상에 컬렉터층의 기계적인 어셈블리 동안, 상기 컬렉터층과 양극층 사이의 계면에 위치한 산화막이 깨진다. 전기화학적 장치가 작동하는 동안, 전해질의 이온은 양극을 통과하여 컬렉터까지 확산된다. 상기 전해질의 이온은 컬렉터의 금속과 반응하여 부동태 (passivation)막을 형성한다. 이에 산화막은 전해질 내 함유된 이온과 컬렉터의 금속 간 반응에 의해 얻어지는 부동태막으로 점차적으로 대체되거나 첨가된다. 알루미늄 컬렉터의 경우, 불소 이온 (F)의 존재하에 상기 부동태막은 일반적으로 알루미늄 플루오라이드 (AlF3) 또는 알루미늄 하이드록사이드 (Al(OH)3)를 포함한다. 리튬 이온 (Li+)의 존재 하에, 원래의 산화막을 대체하여 리튬 옥사이드 (Li2O) 또는 리튬 하이드록사이드 (LiOH) 막의 형성이 관찰된다. 일단 형성된 후, 상기 부동태막은 컬렉터층까지 전해질의 이온 확산을 방지하여 컬렉터를 보호하는 장벽층을 형성한다. 그러나 상기 부동태막의 형성은 전해질 내 함유된 이온의 소비를 야기하고 컬렉터층을 침범한다. 게다가, 하전된 전극에 있어 부동태막의 국소 파열 (일예로, 쇼크 또는 충격, 스크래치 또는 화학적 용해)이 발생하는 경우, 전극 내 흑연 전하의 존재로 인해 금속을 용해하여 컬렉터층이 없어지는 전기화학적 반응을 유도한다. 이러한 반응들은 또한 전기화학적 배터리-전지 효과에 의해 잠재적으로 위험한 가스 (특히 수소)를 생성시킨다. 마지막으로, 알루미늄 컬렉터층과 폴리머 전극층의 경우, 상기 컬렉터층의 표면에서 알루미나의 존재로 상기 컬렉터층에 대한 전극층의 낮은 접착 특성이 야기된다. 이러한 모든 현상은 전력 저장 장치의 수명 동안 컬렉터층의 소비를 야기하여 상기 장치 구동시 특성을 심각하게 손상시킨다.