KR101192079B1 - 박막 배터리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캐소드, 애노드, 캐소드와 애노드 사이의 분리막에 의해 형성되는 패키지와, 상기 패키지 둘레를 따라 뻗어가는 밀폐 프레임, 애노드와 접촉하는 제 1 전류 컬렉터, 그리고, 캐스도와 접촉하는 제 2 전류 컬렉터를 포함하는 편평형 배터리에 관한 것이다. 제 1, 2 전류 컬렉터 각각은 패키지에 인접한 존에서 밀폐 프레임을 부분적으로 커버한다. 본 발명에 따르면, 배터리는 제 1 전류 컬렉터 상에 배열되는 제 1 폴리머 재킷층과, 제 2 전류 컬렉터 상에 배열되는 제 2 폴리머 재킷층들을 포함하고, 제 1, 2 폴리머 재킷층들은 전류 컬렉터 너머로, 그리고 밀폐 프레임 너머로 둘레를 따라 뻗어가고 함께 밀폐되어, 배터리에 대한 외측 재킷을 형성한다. 더욱이, 본 발명은 이러한 배터리의 제조 방법에 또한 관련된다.
Description
본 발명은 박막 1차 전지에 관한 것이다.
전기화학 요소, 즉, 전지는 다양한 물리적 형태로 알려져 이다. 대부분의 경우에, 이들은 기계적으로 견고한 하우징을 가지며, 둥글거나 버튼형, 또는 프리즘 모양의 셀 형태를 취한다. 양극, 음극, 분리막, 그리고 전해질이 이러한 셀 내에 배열된다. 이러한 타입의 셀들의 하우징은 일반적으로 스틸, 스테인레스강 합금, 또는 알루미늄으로 구성된다.
그러나, 소정의 애플리케이션의 경우에 가요성 하우징을 가진 매우 얇은 배터리들이 필요하다. 이러한 애플리케이션들은 RFID 태그, PCMCIA 카드, 스마트 카드, 등을 포함한다. 이러한 애플리케이션에 사용되는 전지는 가요성을 가진 얇은 것이어야 하고, 높은 에너지 밀도 및 비에너지를 낮은 자체 방전율로 전달할 수 있어야 하며, 신뢰할 수 있는 밀폐 기능을 갖추어야 한다. 밀폐는 특히 중요하다. 왜냐하면, 수분이 전지 내로 유입되어 배출 및 자체 방전되는 것을 방지하여야 하며, 심지어 전지가 변형되거나 기계적 응력 하에 놓일 때, 수분 유입으로 전해질 내 유기 용매가 유리되어 날라가는 것을 방지하여야 하기 때문이다.
종래 기술로부터 여러가지 박막 전지들이 알려져 있으며, 그 대부분은 리튬을 애노드 물질로 사용한다.
US 5,989,751 호에서는 가요성의 컴팩트한 설계를 가진 1차 리튬 전지를 개시하고 있다. 이 셀에는 전해질-함유 컴포지트 캐소드가 제공된다. 스페이서 및 폴리머 시트를 이용한 패키징이 제공된다.
US 2003/0228517 A1 호에서는 두개의 플라스틱 시트를 서로 밀폐시킴으로써 형성되는 패키징을 가진 얇은 셀을 도시한다. 본 문헌에서 개시되는 얇은 셀들이 적층되어 더 큰 전기화학 요소를 형성할 수 있다. 소정 영역에서 플라스틱 시트들을 금속화하여 셀의 전극들과의 전기적 접점을 형성할 수 있다.
US 2005/0239917 호에서는 리튬 금속 분말 기반 잉크를 이용하여 구리 전류 컬렉터 상에 애노드가 인쇄되는 박막 리튬 배터리를 또한 개시하고 있다. 애노드 및 캐소드 전류 컬렉터들이 폴리에스테르 실런트 프레임에 의해 배터리의 둘레를 따라 밀폐된다.
US 6,752,842 B2 호는 여러개의 층들을 서로 위에 인쇄함으로써 제작되는 박막 셀을 개시하고 있다.
제작시 밀폐 품질 및 비용의 경제성 측면에서 위 언급된 배터리들은 완성도가 높지 못하다.
본 발명은 캐소드, 애노드, 그리고 캐소드와 애노드 사이에 삽입되는 분리막에 의해 형성되는 패키지를 포함하는 편평형 배터리에 관한 것이다. 밀폐 프레임은 상기 패키지의 둘레를 따라 뻗어간다. 배터리는 애노드와 접촉하는 제 1 전류 컬렉터와, 캐소드와 접촉하는 금속 포일 재질의 제 2 전류 컬렉터를 더 포함하며, 제 1 및 2 전류 컬렉터 각각은 패키지에 인접한 영역에서 밀폐 프레임을 부분적으로 커버한다.
상기 배터리는 제 1 전류 컬렉터 상에 배열되는 제 1 폴리머 재킷층과, 제 2 전류 컬렉터 상에 배열되는 제 2 폴리머 재킷층을 포함하며, 상기 제 1 및 2 폴리머 재킷층들은 상기 제 1 및 2 전류 컬렉터들 너머로, 그리고 밀폐 프레임 너머로 둘레를 따라 뻗어가고, 함께 밀폐되어 배터리에 대한 외측 재킷을 형성한다.
본 발명은 아래의 단계들을 포함하는 배터리 제조 방법에 또한 관련된다.
a) 제 1 폴리머 재킷층을 형성하는 단계와,
b) 제 1 전류 컬렉터를 형성하여 제 1 폴리머 재킷층 상에 배열하는 단계와,
c) 제 1 전류 컬렉터 상에 애노드 물질을 도포하는 단계와,
d) 제 2 폴리머 재킷층을 형성하는 단계와,
e) 제 2 전류 컬렉터를 형성하여 상기 제 2 폴리머 재킷층 상에 배열하는 단계와,
f) 제 1 전류 컬렉터 상에 분리막과 애노드 물질의 외측 윤곽에 실질적으로 대응하는 내측 윤곽을 가진 밀폐 프레임을 제공하는 단계와,
g) 전류 컬렉터 중 하나의 외측 둘레부를 덮도록 상기 밀폐 프레임을 상기 전류 컬렉터 중 하나 상에 배열하는 단계와,
h) 캐소드 물질을 형성하여 제 2 전류 컬렉터 상에 도포하는 단계와,
i) 분리막을 형성하여 캐소드 물질 상에 배열하는 단계와,
j) 두 폴리머 재킷층들 중 하나를 뒤집어서 나머지 하나의 폴리머 재킷층 상에 배열함으로써, 캐소드 물질과 애노드 물질 사이에 분리막이 배열되고, 밀폐 프레임은 애노드 물질, 캐소드 물질, 그리고 분리막 둘레를 따라 뻗어가도록, 편평형 배터리를 조립하는 단계와,
k) 전류 컬렉터 너머로 둘레를 따라 뻗어가는 존에서 제 1, 2 폴리머 재킷층을 함께 밀폐시켜서 배터리 패키지에 대한 외측 재킷을 형성하는 단계.
함께 밀폐되어 배터리에 대한 외측 재킷을 형성하는 제 1, 2 폴리머 재킷층들은, 물이나 다른 액체가 셀에 유입되어 높은 자체-방전율을 나타낼 수 있는 전도성 경로를 형성하는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 전해질이 배터리로부터 빠져나갈 수 없게 되며, 따라서, 배터리가 건조되는 현상을 방지할 수 있다. 애노드, 캐소드, 분리막, 그리고 전해질에 의해 형성되는 패키지 둘레를 따라 뻗어가는 밀폐 프레임은 고품질 밀폐에 추가적으로 기여하게 된다. 밀폐 프레임이 패키지 둘레를 따라 뻗어가고 제 1, 2 폴리머 시트들은 프레임 너머로 둘레를 따라 뻗어가기 때문에, 이중 밀폐가 제공된다. 밀폐 프레임을 커버하는 전류 컬렉터들이 제 1 밀폐 존을 형성하고, 상기 밀폐 영역 너머로 둘레를 따라 뻗어가는 폴리머 시트들이 추가적인 제 2 밀폐 존을 형성한다.
본 발명의 선호 실시예에 따르면, 밀폐 프레임이 고온 경화 물질로 코팅된다. 밀폐 프레임 자체는 나일론, 폴리에스테르(PET), 폴리프로필렌같은 폴리머, 또는 임의의 적절한 폴리머, 가령, PET(폴리(에틸렌테레프팔레이트), 폴리머 계열의 수지)로 제조될 수 있다. 이 코팅은 고온 용융 접착 EVA(에틸렌비닐아세테이트) 또는 EMA(에틸메틸아크릴레이트), 또는 그외 다른 적절한 열-밀폐형 물질로 구성될 수 있다. 이러한 코팅으로 인해, 프레임이 전류 컬렉터 및 폴리머 시트에 대해 용이하게 밀폐될 수 있다. 밀폐 프레임이 두개의 프레임 요소로 구성될 수도 있으며, 각각의 프레임 요소가 하나의 프레임을 형성하게 된다. 일반적으로, 배터리 조립 중 이러한 하나의 프레임 요소가 캐소드 측에 배열될 것이고, 또다른 하나가 애노드 측에 배열될 것이며, 최종 조립 단계 중 두개의 프레임 요소들이 함께 본딩되어 하나의 프레임을 형성할 것이다. 두개의 프레임 요소를 이용하는 경우에, 분리막이 두개의 프레임 요소 사이에 놓인 둘레 부분의 에지와 함께 정렬될 수 있다. 따라서, 두개의 프레임 요소들이 함께 본딩될 때 상기 분리막이 두개의 프레임 요소들에 의해 제 자리에 유지될 것이며, 애노드 물질과 캐소드 간의 임의의 접촉이 매우 신뢰적이고 간단한 방식으로 방지될 수 있다.
제 1, 2 폴리머 재킷층들이 각각 제 1, 2 전류 컬렉터 상에 놓인 측부 상에서 고온 용융 접착제로 코팅될 수 있다. 따라서 적층 작업 중 열을 가함으로써 두개의 폴리머 재킷층들이 함께 밀폐되어 외측 재킷층을 형성할 수 있다.
폴리머 재킷층들은 그 기반이 되는 전류 컬렉터의 표면보다 큰 표면을 가지는 간단한 폴리머 시트일 수 있다. 완전한 전류 컬렉터는 그후 폴리머 시트로 덮힐 것이며, 두 폴리머 시트에 의해 형성되는 재킷이 두개의 접촉 탭을 빼고는, 액세스가능한 배터리 부분을 남기지 않게 될 것이다.
대안으로서, 폴리머 재킷층들이, 폴리머 시트로부터 잘려진, 그리고 그 기반이 되는 전류 컬렉터의 외측 윤곽을 덮는, 폴리머 프레임에 의해 형성될 수도 있다. 이러한 프레임을 이용함으로써, 완전한 시트가 사용되는 경우에 비해 전체 배터리가 더 얇아질 것이며, 추가적인 밀폐는, 이러한 밀폐가 정말로 중요한 영역만으로, 즉, 전류 컬렉터의 외측 윤곽 부분으로 제한될 것이다. 다른 한편, 한개의 프레임을 이용하는 경우에 비해 전체 시트를 이용할 때 배터리에 대한 소정의 요망 표면 성질을 얻는 것이 더 쉽다.
전류 컬렉터들은 금속 포일인 것이 선호되며, 특히 구리 포일인 것이 바람직하다. 외부로부터 배터리에 접촉하기 위한 접촉 탭들은 이러한 구리 포일과 일체형으로 형성될 수 있고, 따라서, 추가적인 접점이 필요치 않다. 그러나, 금속 포일 대신에 금속화된 폴리머 필름이나 시트를 이용하는 것 역시 가능하다. 본 발명의 선호 실시예에 따르면, 전류 컬렉터들 중 적어도 하나가 중앙 영역에 오목부가 형성된 프리폼(preformed) 금속 포일이다. 이러한 오목부는 캐소드 믹스처가 전류 컬렉터에 도포될 때 캐소드 믹스처에 대한 리셉터클을 형성할 수 있고, 따라서 배터리 조립을 촉진시킬 것이다.
애노드 물질이 리튬인 것이 선호된다. 그러나, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 수소 흡수 합금, 또는 애노드용의 그외 다른 적절한 물질과 같은 다른 물질을 이용하는 것도 가능하다.
본 발명의 선호 실시예에 따르면, 캐소드는 활성 물질로 망간다이옥사이드(MnO2)를 포함한다. 일반적으로, 전해질 망간다이옥사이드 또는 EMD가 이 용도로 사용될 것이다. 그러나, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 니켈하이드록사이드, 실버옥사이드, 카본모노플로라이드, 또는 캐소드용의 그외 다른 적절한 물질과 같은 다른 물질을 이용하는 것 역시 가능하다.
제 1, 2 폴리머 재킷층들이 중간 부위가 접힌 단일한 시트로 만들어져 외측 재킷을 형성하고 배터리를 밀폐시킬 수 있다. 이러한 솔루션의 장점은 폴딩 라인이, 완전하게 밀폐되는 한쪽 측부를 이미 제공한다는 점이다.
본 발명은 청구범위 제12항에 따른 배터리 제조 방법에 또한 관련된다. 이 방법의 선호 실시예들은 아래 제시되는 두개의 선호 실시예의 설명으로부터, 그리고 그 종속항들로부터 나타날 것이다.
본 발명은 다음과 같은 도면을 참조하여 아래의 설명에서 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 평편형 배터리의 단면도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 편평형 배터리의 단면도.
도 3a는 도 1의 편평형 배터리의 제 1 일부 조립부의 평면도.
도 3b는 도 1의 편평형 배터리의 제 2 일부 조립부의 평면도.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 평편형 배터리의 단면도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 편평형 배터리의 단면도.
도 3a는 도 1의 편평형 배터리의 제 1 일부 조립부의 평면도.
도 3b는 도 1의 편평형 배터리의 제 2 일부 조립부의 평면도.
도 1은 본 발명에 따른 편평형 배터리의 단면도로서, 도 3a 및 3b 각각은 도 1에 도시된 편평형 배터리의 일부 조립부의 평면도다. 특히, 도 3a는 도 1에 도시된 배터리의 상부층을, 그리고 도 3b는 도 1에 도시된 배터리의 하부층을 도시한다.
도 3a 및 3b를 참조하여, 도 1에 도시된 형태의 배터리를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법이 지금부터 설명될 것이다.
먼저, 도 3b에 도시된 하부층들의 조립이 설명될 것이다.
제 1 단계에서, 한쪽에서 열-밀폐형 물질로 코팅된 제 1 장방형 폴리머 시트(24)가 제공된다. 장방형 구성요소들이 여기서 설명되는 실시예들을 위해 선택되었으나, 개별적인 구성요소들과, 조립되는 배터리가 임의의 요망 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 둥근 에지를 가진 장방형, 타원형, 원형, 등의 형태를 취할 수 있다. 상기 제 1 장방형 폴리머 시트(24)의 열-밀폐형 물질로 코팅된 쪽에 제 1 전류 컬렉터(18)가 배열된다. 상기 제 1 전류 컬렉터(18)는 장방형 구리 포일, 또는 또다른 적절한 금속 포일로 만들어지며, 가령, 모든 변에 대해 수 밀리미터만큼, 폴리머 시트(24)의 둘레보다 작은 둘레를 가진다. 한쪽에서는 폴리머 시트(24)의 외측 윤곽 너머로 뻗어가는 접촉 탭(17)이 제공된다. 전류 컬렉터(18)는 제 1 폴리머 시트(24)의 중앙에 배열되어, 폴리머 시트(24)의 프레임-형 외측 존이 덮히지 않은 상태로 유지되게 된다(도 3b 참조).
다음 단계에서, 제 1 폴리머 시트(24)와 제 1 전류 컬렉터(18) 상에 제 1 프레임 요소(22a)가 배열될 것이다. 이러한 프레임 요소는 약 100 um 수준의 두께를 가지는 장방형 폴리에스테르 프레임으로서, 그 윗면과 아랫면이 고온 용융 접착 EVA(즉, 에틸렌비닐아세테이트)로 코팅된다. 이 프레임 요소(22a)의 외측 둘레는 폴리머 시트(240의 둘레보다 작고, 전류 컬렉터(18)의 둘레보다는 크다. 하지만, 프레임 요소(22a)의 내측 둘레는 전류 컬렉터(18)의 둘레보다 작다. 프레임 요소(22a)는 모든 구성요소들의 중앙에 대해 대칭으로 폴리머 시트(24) 및 전류 컬렉터(18) 상에 배열되어, 프레임 요소(22a)의 내측 영역이 전류 컬렉터(18) 상에 놓이게 되고, 프레임 요소(22a)의 외측 영역이 폴리머 시트(24) 바로 위에 놓이게 된다.
이 세가지 요소들, 즉, 제 1 폴리머 시트(24), 제 1 전류 컬렉터(18), 그리고 제 1 프레임 요소(22a)는 서로 본딩될 것이다. 이를 위해, 열 및 압력을 가하면 충분하다. 가령, 가열 블록을 붙임으로서, 폴리머 시트와 프레임 요소(22a) 상의 고온 용융 코팅이 녹아서 중앙에 놓인 금속 포일에 달라붙게 된다. 대안으로서, 이 세가지 요소들을 일부 선택 지점들에 가열 핀을 붙임으로써 일시적으로만 함께 본딩할 수도 있다.
다음 단계에서는 전류 컬렉터 구리 포일(18) 상에, 애노드(12)를 형성하는 리튬 포일이 배열된다. 이는 리튬 보호를 위해 저습도 환경에서 이루어지는 것이 일반적이다. 애노드 리튬 포일(12)은 장방형으로서, 그 표면은 전류 컬렉터(18) 표면보다 약간 작다. 전류 컬렉터(18)의 중앙에 대칭으로 배열되는 것이 선호되며, 따라서, 전류 컬렉터(18)의 프레임-형 외측 영역을 덮히지 않은 상태로 남기게 된다.
도 3a와 관련하여, 앞서와 동일한 방식으로, 제 1 폴리머 시트(24)와 동일한 제 2 폴리머 시트(26)가, 역시 열-밀폐성 물질로 코팅되어, 제공될 것이다. 제 1 전류 컬렉터(18) 상에 배열되는 제 1 폴리머 시트(24)에 대해 앞서 설명한 바와 동일한 방식으로 제 2 폴리머 시트(26) 상에 제 2 접촉 탭(19)을 구비한 제 2 전류 컬렉터(20)가 배열될 것이다. 다음 단계에서는 앞서 설명한 제 1 프레임 요소(22a)와 동일한 제 2 프레임 요소(22b)가 앞서 설명한 것과 동일하게 제 2 폴리머 시트(26)와 제 2 전류 컬렉터(20) 상에 배열될 것이다. 도 3b와 관련하여 앞서 설명한 것처럼, 제 2 폴리머 시트(26), 제 2 전류 컬렉터(20), 그리고 제 2 프레임 요소(22b)가 그후 서로 본딩된다.
프레임 요소(22b)가 전류 컬렉터(20)를 형성하는 구리 포일 상에 놓여서 구리 포일 상에 그리고 폴리머 시트(26) 상에 앞서 설명한 바와 같이 본딩되면, 애노드(12)를 형성하는 리튬 포일 대신에, 캐소드(16)를 형성할 믹스처가 전류 컬렉터(20)의 중앙 존에 부착될 것이다. 이 중앙 존은 믹스처를 제 자리에 고정하기 위한 벽체를 형성하는 프레임 요소(22b)에 의해 경계를 형성하게 된다. 상기 믹스처는 활성 캐소드 물질로 망간다이옥사이드를 함유하는 것이 선호되지만, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 적절한 캐소드 물질이 선택될 수도 있다. 활성 캐소드 물질에 추가하여, 믹스처는 PC:EC(프로필렌카보네이트: 에틸렌카보네이트), EC:DME(에틸렌카보네이트: 디메톡시에탄), 또는 EC:DMC(에틸렌카보네이트:디메틸카보네이트)와 같은 비양성자성(aprotic) 솔벤트의 믹스처에, 리튬페르클로레이트(LiClO4), 리튬헥사플로로포스페이트(LiPF6), 또는 리튬트리플레이트(LiCF3SO3)와 같은 일반적으로 리튬염인 전해질을 더 포함한다. 다른 적절한 전해질이 사용될 수도 있다. 더욱이, 캐소드 믹스처는 전도성 상을 포함하여 전기 전도도를 증진시키고, 전도성 카본, 그래파이트, 또는 또다른 적절한 물질과 같은 활성 물질의 이용을 개선시킨다. 믹스처는 PTFE(폴리테트라플로로에틸렌) 또는 PVDF와 같은, 여러 구성요소들을 함께 보지하기 위한 바인더로 기능하는 물질을 더 포함한다.
컴포지트 캐소드(16)를 형성하는 캐소드 믹스처를 부착 후, 당 분야에 잘 알려진 PE 또는 PP 필름같이 분리막(14)으로 기능하는 다공질 필름이 캐소드(16) 상에 배열된다. 여기서 도시되는 예에서, 분리막(14)의 외측 윤곽은 두 프레임 요소(22a, 22b)의 내측 윤곽에 대응한다. 이 분리막은 캐소드보다 큰 표면을 가질 수 있고, 캐소드 너머로 둘레를 따라 뻗어갈 수 있다. 이러한 솔루션이 일반적으로 선호된다. 왜냐하면, 캐소드와 애노드가 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 위치 변동을 막기 위해, 외곽 둘레 상에서 앞서 설명한 두 프레임 요소들 사이에 분리막이 배열될 수 있다.
제 1 폴리머 시트(24), 제 1 전류 컬렉터(18), 프레임 요소(22a), 그리고 애노드(12)를 포함하는 도 3b의 일부 조립 상태의 유닛이 도 3a에 도시된 일부 조립 상태의 유닛과 이제 결합될 수 있다. 이를 위해, 두 일부 조립 유닛들 중 하나가 뒤집어져서 두개가 서로 위에 배열되어, 두 프레임 요소(22a, 22b)들이 서로 정렬되고 하나의 프레임(22)을 형성하게 된다. 애노드(12)는 따라서 분리막(14)과 접촉하게 되고, 두 폴리머 시트(24, 26)의 외측 윤곽들은 이제 서로 위에 놓이게 된다. 여기서 설명되는 두 프레임 요소들을 포함하는 프레임 대신에, 한 조각으로 이루어진 단일 프레임을 이용하는 것 역시 가능하다. 이러한 프레임은, 도 3a 및 3b에 도시된 두 유닛들이 서로에 대해 결합되기 전에, 도 2에 도시된 제 2 실시예들에 대해 아래에서 설명되는 바와 같이, 캐소드 측 상에 배열되는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 애노드(12), 분리막(14), 그리고 캐소드(16)는 배터리의 중앙에 실질적으로 블록-형태의 패키지(10)를, 상기 패키지(10)를 둘러싸는 프레임 요소(22a, 22b)들에 의해 형성되는 프레임(22)과 함께, 형성한다. 프레임(22)의 내측 윤곽은 패키지(10)의 외측 윤곽에 대응하고, 프레임(22)의 높이 h는 애노드(12), 캐소드(16), 그리고 분리막(14)에 의해 형성되는 패키지(10)의 높이 h에 대응한다. 애노드(12) 너머로 뻗어가는 전류 컬렉터(18)의 둘레 방향 외측 영역은 패키지(10)에 인접하게 위치한 영역(즉, 프레임(22)의 둘레 방향 내측 영역)의 밀폐 프레임(22) 상에 놓여, 프레임을 부분적으로 덮게 된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 프레임(22) 표면의 대략 절반이 전류 컬렉터(18, 20)에 의해 덮히며, 반면에 프레임(22)의 둘레 방향 외측 영역은 전류 컬렉터(18, 20)으로 덮히지 않으며 배터리가 조립될 때 폴리머 시트(24, 26)과 직접 접촉하게 된다.
적층 작업에서, 프레임 요소(22a, 22b)의 접촉면 상의 고온 용융 접착 코팅이 용융되어, 두 프레임 요소(22a, 22b)들이 이제 확실하게 본딩되어 하나의 프레임(22)을 형성하게 된다. 이러한 접합이 미리 이루어지지 않을 경우, 프레임 요소(22a, 22b)들이 전류 컬렉터(18, 20)에 역시 본딩될 것이다. 이와 동시에, 서로 접촉하는 내측부 상에서 고온 밀폐형 물질로 코팅되는 두 폴리머 시트(24, 26)들이 폭 W를 가진 외측 밀폐 영역에서 외측 둘레 상에서 함께 밀폐된다. 외측 재킷 형성을 위해 폴리머 재킷층으로 기능하는 폴리머 시트(24, 26)들은 통상적으로 50-75 um의 두께를 가진다. 이러한 적층 작업은 제 1 단계에서 배터리의 세 측부만으로 제한될 수 있고, 제 4 측부는 일시적으로 비-밀폐 상태로 남겨지게 된다. 이 경우에, 다음 단계에서 진공 처리가 이루어져서 배터리로부터 공기, 증기, 습기, 등이 제거되게 된다. 이러한 진공 처리시, 제 4 측부는 배터리를 완전히 밀폐시키도록 적층될 것이다. 일 단계에서 모든 측부들을 밀폐시키면서 이와 동시에 배터리를 진공화시키는 것 역시 가능하지만, 이러한 작업은 취급하기가 조금 더 어렵다. 이러한 진공화 작업이 앞서 설명한 조립 단계들에 비해 더 오래 걸릴 수 있기 때문에, 이전 조립 단계들이 개별적으로, 가령, 회전 조립체 다이오드 또는 컨베이어 벨트 상에서, 수행되었다고 할지라도, 배터리들이 진공화 과정 중, 그리고 제 4 측부의 밀폐 중 그룹형성될 수 있다.
두개의 시트(24, 26) 대신에 단일 폴리머 시트를 이용하는 것 역시 가능하다. 이 경우에, 제 1 전류 컬렉터(18), 제 1 프레임 요소(22a), 그리고 애노드(12)가 앞서 설명한 바와 같이 단일 폴리머 시트의 절반에 부착되고, 제 2 전류 컬렉터(20), 캐소드(16), 제 2 프레임 요소(22b), 그리고 분리막(14)이 두 시트(24, 26)에 대해 앞서 설명한 바와 마찬가지로 또다른 절반 상에 배열될 것이다. 그후 폴리머 시트를 중간에서 접어 배터리를 조립하게 되고, 상술한 바와 같이 적층 작업을 진행한다. 이 방법의 한가지 장점은 한 측부, 즉, 접혀지는 측부를 밀폐시킬 필요가 없다는 것이고, 그리고, 배터리를 형성하는 두개의 절반부를 서로 정렬시키는 것이 용이하다는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리의 제 2 실시예를 도시한다. 동일한 부분들은 동일한 도면 부호들을 이용하여 표시되며, 제 1 실시예와의 차이점만이 다음에서 설명될 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 폴리머 시트(24, 26) 대신에, 폴리머 프레임(24', 26')들이 사용된다. 이 폴리머 프레임들은 제 1 실시예의 폴리머 시트(24, 26)와 동일한 기능을 가진다. 폴리머 프레임(24', 26')들은 제 1 실시예의 폴리머 시트(24, 26)용으로 사용되기 때문에 하나의 폴리머 시트에서 잘려질 수 있고, 따라서, 일반적으로 50-75 um의 두께를 가질 것이다. 도 2에 도시된 폴리머 프레임(24', 26')의 외측 윤곽은 도 1에 도시된 제 1 실시예에 사용된 폴리머 시트(24, 26)의 외측 윤곽에 대응한다. 폴리머 프레임(24', 26')의 내측 윤곽은 전류 컬렉터(18', 20')의 외측 윤곽보다 약간 작아서, 배터리 조립 후 전류 컬렉터(18', 20')의 외측 윤곽이 폴리머 프레임(24', 26')으로 덮히게 된다. 따라서 두 폴리머 프레임(24', 26')에 의해 형성되는 외측 재킷이 완전히 닫히지 않으며, 전류 컬렉터(18', 20')들이 그 중앙에서 덮히지 않는다. 덮히지 않은 중앙부는 점점으로 기능할 수 있고, 따라서, 완전한 시트들 대신에 프레임이 재킷 형성에 사용될 때, 도 3a 및 3b에 도시된 접촉 탭들이 반드시 필요한 것이 아니게 된다.
전류 컬렉터(18', 20')들은 제 1 실시예에서처럼 구리 포일이지만, 제 2 전류 컬렉터(20')에는 그 중앙에 오목부가 제공된다. 이러한 오목부는 도 2에 도시되는 바와 같이 캐소드 믹스처(16')를 위한 리셉터클을 형성한다. 제 1 전류 컬렉터(18')에도 애노드(12')를 형성하는 리튬 포일을 수용하기 위한 오목부가 제공될 수 있으나, 애노드의 두께가 캐소드의 두께에 비해 훨씬 작기 때문에, 리튬 측부 상의 이러한 오목부의 장점은 캐소스 믹스처에 대한 리셉터클을 형성하는 캐소드 측부 상의 오목부의 경우에 비해 덜 드러난다.
프레임(22')은 제 1 실시예에서 설명한 두개의 프레임 요소(22a, 22b)에 의해 형성되는 것이 아니라, 단일 프레임에 의해 형성된다. 이 프레임은 제 1 실시예와 관련하여 앞서 설명한 바와 마찬가지로 제 2 전류 컬렉터(202')와 폴리머 프레임(26') 상에, 즉, 캐소드 측 상에 배열될 것이며, 캐소드 믹스처(16')가 부착되기 전에 이러한 세개의 부분들이 함께 본딩될 것이다. 프레임(22')의 총 두께는 활성 물질에 의해 형성되는 패키지(10')의 두께보다 작으며, 분리막(14)의 두께와 패키지(10)의 두께 사이에 놓일 수 있다. 최종 적층 단계에서, 양측에 고온 용융된 접착제로 코팅된 프레임(22')은 외측 재킷을 형성하는 폴리머 프레임(24', 26')과 제 1 전류 컬렉터(18')에 본딩될 것이다.
도 2에 도시된 실시예를 이용함으로써, 도 1의 실시예로 달성할 수 있는 두께보다 작은 총 두께를 가진 배터리를 얻을 수 있다.
여기서 개시되는 배터리의 여러 장점들 중 하나는 복수의 밀폐 존이다. 도 1 및 도 2에 도시되는 바와 같이, 프레임(22, 22')의 둘레 방향 내측부가 두 전류 컬렉터(18, 18', 20, 20') 사이에 놓여, 프레임(22, 22')의 용용된 고온 용융 접착 코팅을 통해 전류 컬렉터(18, 18', 20, 20')에 본딩된다. 따라서, 전류 컬렉터(18, 18', 20, 20') 및 이들 사이의 프레임(22)은, 패키지(10, 10')를, 따라서, 배터리의 에노드 및 캐소드를 수분으로부터 보호하는 반구형으로 밀폐된 "하우징"을 형성한다.
전류 컬렉터(18, 18', 20, 20')로 밀폐된 프레임(22, 22')에 의해 제공되는 이러한 내측 밀폐부에 추가하여, 제 1 실시예에서는 두개의 폴리머 재킷층에 의해, 즉, 폴리머 시트(24, 26)에 의해 외측 밀폐 재킷이 형성되고, 제 2 실시예에서는 폴리머 프레임(24', 26')에 의해 외측 밀폐 재킷이 형성된다. 이들은 그 외측 둘레를 따라 서로 밀폐된다. 이 재킷은 전류 컬렉터(18, 18', 20, 20')를 포함하는, 완전한 배터리에 대해 추가적인 보호 수단을 형성한다. 더욱이, 폴리머 재킷층(24, 24', 26, 26')들은 전류 컬렉터(18, 18', 20, 20')의 둘레 방향 외측으로 놓이는 영역에서 프레임(22, 22')에 대해 또한 밀폐된다. 마지막으로, 폴리머 재킷층(24, 24', 26, 26')들이 이러한 전류 컬렉터들의 완전한 표면 상에서 전류 컬렉터(18, 18', 20, 20')에 대해 밀폐된다. 폴리머 재킷층, 전류 컬렉터, 활성 물질, 그리고 프레임의 단일층들의 두께가 작기 때문에, 전체 배터리가 완전하게 밀폐되면서도 가요성을 유지할 것이다. 둘레 방향 내측 영역에서 전류 컬렉터들 사이에 놓인, 그리고, 재킷과 함께 외측 영역에서 두개의 폴리머 재킷층 사이에 놓이는 프레임의 조합은, 본 발명에 따른 배터리의 우수한 밀폐 성능을 제공한다.
10, 10': 패키지
12, 12': 애노드
14, 14': 분리막
16, 16': 캐소드
17: 접촉탭
19: 접촉 탭
18, 18': 제 1 전류 컬렉터
20, 20': 제 2 전류 컬렉터
22, 22': 프레임
22a, 22b: 프레임 요소
24, 24': 제 1 폴리머 재킷층
26, 26': 제 2 폴리머 재킷층
h: 높이
W: 폭
12, 12': 애노드
14, 14': 분리막
16, 16': 캐소드
17: 접촉탭
19: 접촉 탭
18, 18': 제 1 전류 컬렉터
20, 20': 제 2 전류 컬렉터
22, 22': 프레임
22a, 22b: 프레임 요소
24, 24': 제 1 폴리머 재킷층
26, 26': 제 2 폴리머 재킷층
h: 높이
W: 폭
Claims (16)
- 편평형 배터리에 있어서, 상기 배터리는,
캐소드(16), 애노드(12), 그리고 캐소드(16)와 애노드(12) 사이에 배치된 분리막(14)에 의해 형성되는 패키지(10)와,
상기 패키지(10) 둘레를 따라 뻗어가는 밀폐 프레임(22, 22')과,
애노드(12, 12')와 접촉하는 제 1 전류 컬렉터(18, 18')와,
캐소드(16, 16')와 접촉하는 제 2 전류 컬렉터(20, 20')
를 포함하되,
상기 제 1 및 제 2 전류 컬렉터(18, 18'; 20, 20')들 각각은 패키지(10, 10')에 인접하여 위치한 존에서 밀폐 프레임(22, 22')을 부분적으로 덮고, 밀폐 프레임(22, 22') 둘레의 외측 영역은 전류 컬렉터(18, 20)으로 덮히지 않고 배터리가 조립될 때 폴리머 시트(24, 26)와 직접 접촉하며,
상기 배터리는 제 1 전류 컬렉터(18) 상에 배열되는 제 1 폴리머 재킷층(24, 24')과, 제 2 전류 컬렉터(20, 20') 상에 배열되는 제 2 폴리머 재킷층(26, 26')을 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 폴리머 재킷층(24, 24'; 26, 26')은 전류 컬렉터(18, 18'; 20, 20') 너머로, 그리고 밀폐 프레임(22, 22') 너머로 둘레를 따라 뻗어가고 함께 밀폐되어 상기 배터리에 대한 외측 재킷을 형성하며,
상기 폴리머 재킷층(24, 24'; 26, 26')들이, 전류 컬렉터(18, 18'; 20, 20')들의 외측으로 둘레를 따라 놓인 영역에서 밀폐 프레임(22, 22')에 대해 또한 밀폐되는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리. - 제 1 항에 있어서, 상기 밀폐 프레임(22, 22')이 열-밀폐형 물질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리.
- 제 2 항에 있어서, 상기 밀폐 프레임(22)이 폴리머로 제조되고, 상기 폴리머는 PET를 포함하는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리.
- 제 2 항에 있어서, 상기 밀폐 프레임(22)은 두개의 프레임 요소(22a, 22b)들을 포함하고, 상기 두개의 프레임 요소(22a, 22b)들 중 하나가 상기 두개의 프레임 요소들 중 다른 하나 위에 배열되는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리.
- 제 2 항에 있어서, 제 1, 2 폴리머 재킷층(24, 24'; 26, 26')들이 각각 제 1, 2 전류 컬렉터(18, 18'; 20, 20') 상에 놓인 측부에서 고온 용융 접착제로 코팅되는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리.
- 제 5 항에 있어서, 제 1, 2 폴리머 재킷층(24, 26)들은 제 1, 2 폴리머 재킷층들을 지지하는 전류 컬렉터(18, 20)들을 완전히 덮는 폴리머 시트인 것을 특징으로 하는 편평형 배터리.
- 제 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1, 2 폴리머 재킷층(24', 26')들은 제 1, 2 폴리머 재킷층(24', 26')들을 지지하는 전류 컬렉터(18, 20)들의 외측 윤곽을 덮는 폴리머 프레임인 것을 특징으로 하는 편평형 배터리.
- 제 7 항에 있어서, 전류 컬렉터(18') 중 적어도 하나가 중앙부에 오목부를 구비한 프리폼(preformed) 금속 포일인 것을 특징으로 하는 편평형 배터리.
- 제 8 항에 있어서, 애노드(12)는 활성 물질로 리튬을 포함하는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리.
- 제 8 항에 있어서, 캐소드(16)는 활성 물질로 마그네슘다이옥사이드(MnO2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리.
- 제 2 항에 있어서, 제 1, 2 폴리머 재킷층(24, 26)들은 중간부가 접힌 단일한 시트로 구성되어, 외측 재킷을 형성하는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리.
- a) 제 1 폴리머 재킷층(24, 24')을 형성하는 단계와,
b) 제 1 전류 컬렉터(18)를 형성하여 제 1 폴리머 재킷층(24) 상에 배열하는 단계와,
c) 제 1 전류 컬렉터(18) 상에 애노드 물질(12)을 도포하는 단계와,
d) 제 2 폴리머 재킷층(26)을 형성하는 단계와,
e) 금속 포일로 제조된 제 2 전류 컬렉터(20)를 형성하여 상기 제 2 폴리머 재킷층(26) 상에 배열하는 단계와,
f) 제 1 전류 컬렉터(18) 상에 분리막(14)과 애노드 물질(12)의 외측 윤곽에 대응하는 내측 윤곽을 가진 밀폐 프레임(22)을 형성하는 단계와,
g) 전류 컬렉터의 외측 둘레부를 덮도록 밀폐 프레임(22)을 상기 전류 컬렉터 중 하나(20) 상에 배열하는 단계와,
h) 캐소드 물질(16)을 형성하여 제 2 전류 컬렉터(20) 상에 도포하는 단계와,
i) 분리막(14)을 형성하여 캐소드 물질(12) 상에 배열하는 단계와,
j) 두 폴리머 재킷층(24; 26)들 중 하나를 뒤집어서 나머지 하나의 폴리머 재킷층(26; 24) 상에 배열함으로써, 캐소드 물질(16)과 애노드 물질(14) 사이에 분리막(14)이 배열되고, 밀폐 프레임(22)은 애노드 물질(12), 캐소드 물질(16), 그리고 분리막(14)의 둘레를 따라 뻗어가도록, 편평형 배터리를 조립하는 단계와,
k) 전류 컬렉터(18, 20) 너머로 둘레를 따라 뻗어가는 존에서 제 1, 2 폴리머 재킷층(24, 26)을 함께 밀폐시켜서 배터리 패키지에 대한 외측 재킷을 형성하고, 제 1, 2 폴리머 재킷층(24, 24'; 26, 26')들은 전류 컬렉터(18, 18'; 20, 20')들의 외측으로 둘레를 따라 놓인 영역에서 밀폐 프레임(22, 22')에 대해 또한 밀폐되는 단계
를 포함하는 편평형 배터리 제조 방법. - 제 12 항에 있어서, 밀폐 프레임(22)은 단계 h)가 수행되기 전에 제 2 전류 컬렉터(20) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 밀폐 프레임(22)은 두개의 밀폐 프레임 요소(22a, 22b)들로 구성되고,
단계 c)의 실행 이전에 제 1 전류 컬렉터(18) 상에 제 1 프레임 요소(22a)가 도포되고,
단계 h)의 실행 이전에 제 2 전류 컬렉터(20) 상에 제 2 프레임 요소(22b)가 도포되며,
단계 k)의 실행에 따라 두개의 프레임 요소(22a, 22b)가 함께 본딩되어 밀폐 프레임(22)을 형성하는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리 제조 방법. - 제 14 항에 있어서, 각각의 프레임 요소(22a, 22b), 각각의 프레임 요소(22a, 22b)를 지지하는 전류 컬렉터(18, 20), 그리고, 각각의 전류 컬렉터(18, 20)를 지지하는 폴리머 재킷층(24, 26)들이 각각 단계 c)와 단계 h) 이전에 서로 본딩되는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서, 밀폐 프레임(22)은 고온 밀폐형 물질로 코팅되고, 단계 j) 실행 이전에 밀폐 프레임(22)을 지지하는 전류 컬렉터(20)에 본딩되는 것을 특징으로 하는 편평형 배터리 제조 방법.
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