특허 분석] CATL, 단결정입자 활용, 전극설계 최적화, 공극률제어

■ 특허 핵심 요약

이 특허의 핵심은 단결정 양극 활성 물질을 활용한 고에너지 밀도 배터리의 성능 개선에 있습니다. 주요 기술 포인트는 다음과 같습니다:

1. 단결정 입자 활용: 양극 활성 물질에서 단결정 입자의 비율을 50% 이상으로 유지하여 충방전 과정에서의 입자 파손을 최소화하고, 전해질과의 부반응을 억제합니다.
2. 전극 설계 최적화: 양극판의 **길이와 너비 비율(m)**과 **압축 밀도(ρ)**를 최적화하여 전류 분포 균형과 전극 저항 감소를 실현합니다.
3. 고니켈 삼원계 소재 사용: 고니켈 계열 삼원계(NCM, NCA) 양극 소재를 사용하여 높은 에너지 밀도와 출력 성능을 확보합니다.
4. 공극률 제어: 양극 활성 물질 층의 **공극률을 23%~33%**로 유지하여, 전극의 이온 전달 효율과 전지 셀의 동역학적 성능을 개선합니다.

이 기술은 고성능 전지의 전극 저항을 줄이고, 충방전 효율을 높이며, 다양한 고출력 및 고에너지 응용 분야에서의 사용을 가능하게 합니다.

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1. 발명 기업

• 발명 기업: 宁德时代新能源科技股份有限公司 (CATL)
• 소재지: 중국, 福建省宁德市蕉城区

2. 특허 등록일 및 국가

• 특허 신청일: 2024년 4월 30일
• 특허 공개일: 2024년 5월 31일
• 특허 번호: CN118117036A
• 등록 국가: 중국 (CN)

3. 발명 배경

• 본 발명은 전지 기술 분야에 속하며, 특히 전지 단위체, 배터리, 전력 장치, 전지 셀에 관련된 발명입니다.
• 고에너지 밀도의 전지 셀에서 전극의 저항 증가 문제와 전류 분포 불균형 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다.
• 기존의 전극 구조에서는 압축 밀도가 높아질수록 전류 흐름에 문제가 발생하고, 전극 저항이 증가하며, 전지의 동역학적 성능이 악화되는 한계가 있었습니다.

4. 발명의 특징

1. 단결정 양극 활성 물질의 사용:
   • 양극 활성 물질에서 단결정 입자의 질량 비율이 50% 이상으로 설정되었습니다.
   • 기존의 다결정 입자에 비해 단결정 입자는 충격과 장기적인 충·방전 사이클에서 더 높은 안정성을 보입니다. 단결정은 파편화에 강하여 새로운 전기화학적 반응 표면이 드러나지 않으며, 전해질과의 부반응을 줄일 수 있습니다.
   • 이를 통해 전극 저항 증가 억제 및 전지 셀의 내구성 향상에 기여합니다.
2. 양극판 설계 최적화:
   • 양극판의 **길이와 너비 비율(m)**이 1에서 6 사이, **압축 밀도(ρ)**는 3.3g/cm³에서 3.7g/cm³ 사이로 설계되었습니다.
   • 이와 같은 설계는 전극의 물리적 균형을 유지하면서도, 압축 밀도가 높아지는 경우 전극의 성능이 저하되지 않도록 하는 것이 특징입니다.
   • 또한, m × ρ ≥ 3 조건을 만족시키는 경우, 단결정 입자의 질량 비율이 50% 이상 유지되도록 설계하여 내부 전도 네트워크를 개선합니다.
3. 공극률 최적화:
   • 양극 활성 물질 층의 공극률은 23%에서 33% 사이로 제어됩니다. 이는 전극이 전해질에 의해 충분히 적셔질 수 있도록 하여, 전극의 이온 전달 효율과 동역학적 성능을 향상시킵니다.
   • 공극률이 너무 낮아지면 전해질의 분포가 불균형해지고, 이로 인해 전기화학적 극화가 발생할 수 있습니다. 본 발명에서는 이를 개선하여 전극 저항을 감소시키는 동시에 에너지 밀도를 유지합니다.
4. 고니켈 삼원계 소재의 사용:
   • 본 발명에서는 고니켈 계열(NCM, NCA) 삼원계 소재를 사용한 양극 활성 물질을 채택하였습니다.
   • LixNiCoMO2-yAy 화합물로 구성된 양극 활성 물질은, 니켈(Ni) 함량이 높아 고에너지 밀도와 높은 용량을 제공합니다. 니켈 함량이 0.8 이상일 경우, 고용량과 안정성을 동시에 확보할 수 있습니다.

• 본 발명은 고성능 배터리의 전극 설계와 소재 최적화에 초점을 맞추고 있으며, 특히 단결정 양극 활성 물질을 활용한 기술적 특징이 두드러집니다.

5. 발명의 효과

• 본 발명은 고에너지 밀도 전지에서의 전극 저항을 감소시키고, 충전 및 방전 효율을 개선합니다.
• 단결정 입자를 사용함으로써, 전해질과의 부반응을 최소화하고, 전극 저항의 증가를 억제할 수 있습니다.
• 전극 저항 감소로 인해 전류 분포의 균형이 개선되며, 전지의 에너지 밀도와 출력 성능이 향상됩니다.

6. 발명의 자세한 내용 

1. 양극 활성 물질 구조와 조성:
   • 본 발명은 양극 활성 물질로서 단결정과 다결정 입자의 혼합 사용을 제안합니다. 단결정 입자는 파손이 적고, 다결정 입자는 높은 전도성을 제공하므로 두 가지를 조합함으로써 전극의 최적 성능을 달성할 수 있습니다.
   • 특히, m × ρ 값이 3에서 5 사이일 때 단결정 입자와 다결정 입자를 함께 사용하되, 다결정 입자의 질량 비율을 50% 이하로 제한합니다. 이를 통해 전극의 전류 분포 균일화 및 전지 셀의 저항 감소가 이루어집니다.
2. 전지 셀의 설계 개선:
   • 전지 셀의 양극판 길이와 너비 비율(m)과 압축 밀도(ρ)가 m × ρ ≥ 5일 경우, 단결정 입자만 사용하여 전극 저항을 더욱 효과적으로 줄입니다.
   • 또한, 양극판과 극귀의 연결 설계에서, 양극판의 넓이와 연결 부위의 길이 비율(W1)이 W와 같거나 더 길도록 설계함으로써 전류 흐름 개선 및 전극 저항 최소화를 실현하였습니다.
3. 전지 셀의 최적화된 조립 구조:
   • 전지 셀에는 양극판, 음극판, 격리막이 포함되며, 양극판의 정밀한 압축 밀도 제어와 공극률 조정을 통해 전지의 성능을 최적화합니다.
   • 음극 활성 물질로는 그래픽 및 실리콘 혼합 재료를 사용하며, 실리콘의 질량 비율은 **5%에서 15%**로 설정되어 있습니다. 이로 인해 음극의 용량 증가와 전지 밀도 개선이 이루어집니다.
4. 단결정 입자의 표면 설계:
   • 단결정 입자 표면의 니켈 함량이 내부보다 낮도록 설계하여, 계면 부반응을 줄이고 입자의 수명과 성능을 개선합니다.
   • 대단결정과 소단결정을 조합하여, 대단결정의 중간 입자 크기(Dv50)가 5~10μm, 소단결정은 1~3.5μm로 유지합니다. 이를 통해 입자 분포와 슬러리 안정성을 동시에 확보할 수 있습니다.
5. 용도 및 응용 분야:
   • 본 발명은 고성능 전지 셀을 다양한 전력 장치에 적용할 수 있으며, 특히 전기차, 에너지 저장 시스템, 항공기 및 군사 장비 등 고출력, 고에너지 요구 분야에서 탁월한 성능을 발휘할 수 있습니다.
   • 또한, **소형 전자기기(스마트폰, 노트북 등)**에도 적용 가능하여, 배터리 수명 연장 및 에너지 효율 향상에 기여할 수 있습니다.

이와 같이, 본 발명은 전지의 성능 및 수명을 크게 향상시키기 위해 소재와 설계 측면에서 혁신적인 접근을 시도하였으며, 고성능 배터리 시장에서 경쟁력을 강화할 수 있는 기술적 기반을 제공합니다.