KR101253793B1 - 내부 접촉이 향상된 전기화학 셀 - Google Patents

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Abstract

전지의 전극 중 하나와 전지 용기의 측부 사이의 전기적 접촉을 위한 전기적 리드를 갖는 전기화학 전지 셀. 전극 어셈블리 및 용기의 측벽 사이에 배치된 리드의 일부는 전지 내에서 부분적으로 변형되고 압축된 형태인 초기 비평면 형상을 포함하고, 리드를 용기의 측벽의 내부 면에 대해 바이어스되게 함으로써, 충분한 힘을 가하여 전극과 용기 사이의 우수한 전기 접촉을 제공한다. 초기 비평면 형상은 하나 이상의 V형 또는 원호형 그루브를 포함할 수 있고, 상기 그루브는 전극 어셈블리의 세로축과 평행하게 배치될 수 있다. 또한 이러한 전지 제조 방법을 개시한다.

Description

내부 접촉이 향상된 전기화학 셀{ELECTROCHEMICAL CELL WITH IMPROVED INTERNAL CONTACT}
본 발명은 스트립형 전극을 갖고, 전극 중 하나로부터의 리드(lead)와 셀 용기의 측벽 사이에 압력 접촉을 보유하는 전기화학 전지 셀에 관한 것이다.
인접하는 양극 및 음극 스트립을 갖는 셀은 우수하고 높은 방전율 성능을 제공하는데 사용될 수 있다. 이러한 스트립을 포함하는 전극 어셈블리는 하나 이상의 쌍의 판형(flat), 접이형(folded) 또는 나선 권취형(spirally wound) 양극 및 음극을 포함할 수 있다. 셀은 전극 중 하나와 전기적으로 접촉하는 전기 전도성 금속으로 만들어진 용기를 포함하는 하우징을 보유할 수 있다. 이러한 셀에서, 셀 용기는 외부 접촉 단자에 대한 전기적 접촉으로 작용하거나 외부 접촉 단자에 대한 전기적 접촉을 제공할 수 있다.
전기 전도성 리드는 전극과 다른 셀 구성요소, 예를 들어, 용기 또는 용기의 일부를 덮는 커버와의 사이에 전기적 접촉을 형성하는데 사용될 수 있다. 리드는 예를 들어, 와이어, 스트립 및 스프링과 같은 다양한 형태 및 형상일 수 있고, 리드는 고정(예를 들어, 용접) 및 압력에 의한 것을 포함하여 다양한 방식으로 용기 또는 커버와 연결될 수 있다.
전극 리드가 전극 집전 장치의 노출된 모서리(edge) 또는 표면에 용접된 셀의 예가 참조로서 본 명세서에 통합된 미국특허 제4,554,227호, 및 심사되지 않은 일본특허공개 제05-121064호 및 제09-035739에 나타난다. 각각에서, 리드는 용접에 의해 외부 단자와 전기적으로 연결된다. US 4,554,227에서, 리드는 전극 집전 장치의 노출된 상부 모서리에 대한 용접력을 향상하기 위해 구부려진다.
전극 어셈블리 중심에서 전극 집전 장치 노출 부분과 리드 사이의 압력 접촉이 사용되는 셀의 예는 참조로서 본 명세서에 통합된 미국특허 제3,245,837호 및 제5,021,306호에 나타난다. US 3,245,837에서 리드는 커버 플레이트 및 외부 단자에 고정된 전기 전도성 스트립이다. US 5,021,306에서, 리드는 금속 부목이고, 용기의 개방된 단부 위의 캡에 용접된 리프 스프링(leaf spring)이 부목과의 압력 접촉을 형성한다.
다수의 전극으로부터 돌출된 집전 장치의 그대로의 일부인 리드를 갖는 셀의 예는 참조로서 본 명세서에 통합된 미국특허공개 US 2002/0094478 A1에 나타난다. 다수의 리드는 구부려지고 함께 용접되고, 그 후 셀 커버에 고정된다. 리드 내의 굽어짐은 우수한 용접력을 제공한다.
전극 어셈블리의 바닥으로부터 연장되고 용기의 바닥에 용접된 리드를 갖는 셀의 예는 심사되지 않은 일본특허공개 제09-330697호에 나타난다. V-형 그루브(groove)가 용기에 용접된 리드의 일부에 형성되어 우수한 용접력을 제공한다.
하나의 전극과 셀 용기 사이의 전기적 접촉 및 다른 전극과 용기를 덮는 커버 사이의 전기적 접촉을 제공하는 리드를 갖는 셀의 예는 참조로서 본 명세서에 통합된 미국특허 제6,451,473호, 제5,418,084호 및 제4,963,446호; 심사되지 않은 일본특허공개 제58-119154호; 및 본 명세서의 도 1 및 도 2에 나타난다. 상기 셀은 나선 권취형 전극 어셈블리를 갖는 실린더형 셀이다. 도 1 및 도 2에 대한 참조와 함께 하기에서 더욱 자세히 기술되는 바와 같이, 각각의 셀에서, 스프링은 양극 및 셀 커버 사이의 전기적 접촉을 제공하고, 금속 스트립 리드는 음극 및 용기 측벽 사이의 전기적 접촉을 제공한다. 스프링은 셀 커버에 고정되고 전극 어셈블리의 상부에서 노출된 양극 집전 장치와의 압력 접촉을 형성한다. 금속 스트립 리드는 음극에 고정되고, 용기 측벽의 내부 면과의 압력 접촉을 형성한다. 제조시의 일반적 범위의 변동하에서 리드와 용기 사이의 확실한 압력 접촉이 요구된다.
도 1 및 도 2의 셀과 같은 셀에서, 선행기술에 따라 제조되는 경우, 용기 측벽 및 전극 어셈블리 사이의 리드는 용기 내 전극 어셈블리가 꼭 끼게 맞음으로써 압력 접촉이 유지된다. 확실한 전기적 접촉을 위해, 용기의 내경(inside diameter) 및 전극 어셈블리의 외경(outside diameter)의 변동은 작아야만 한다. 전극 어셈블리 외경의 작은 변동을 달성하는 한 방법은 전극 스트립의 두께를 꼭 맞게 제어하는 것이다. 다른 방법은 직경의 차이를 야기할 수 있는 전극 두께의 변동을 보상하기 위해 전극 어셈블리의 외측면을 둘러싸는 물질의 스트립 길이를 변화시키는 것이다. 이러한 물질의 외부 스트립은 본 명세서에 참조로서 통합된 미국특허 제4,963,445호에 개시하는 바와 같은, 하나 이상의 분리막 스트립이거나 오버랩된 물질의 격리 스트립일 수 있다.
본 발명의 목적은 전극 리드와 셀 용기의 측벽 사이에 확실한 압력 접촉을 제공하는 것이다. 본 발명의 추가적 이점은 향상된 접촉 신뢰도, 제조시 변동의 증가된 내성, 셀 구성요소의 감소한 수, 향상된 제조 편리성, 감소한 제조 스크랩 및 감소된 제조 비용을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
요약
따라서, 본 발명의 일 형태는 하우징, 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하는 전기화학 전지 셀에 관한 것으로서, 상기 전극 어셈블리는 음극 스트립, 양극 스트립 및 음극 및 양극 사이에 배치된 하나 이상의 분리막 스트립을 포함하고; 상기 하우징은 하나 이상의 측벽 및 바닥벽을 보유하는 용기를 포함하고; 상기 전극 어셈블리는 용기 측벽에 인접하는 전기적으로 비전도성인 외측면 및 용기 바닥벽에 인접하는 바닥을 보유하고; 음극 및 양극 중 하나는 전극 어셈블리로부터 연장되는 전기적 리드를 통해 용기 측벽과 전기적으로 접촉하고, 상기 리드의 적어도 일부가 전극 어셈블리 측면과 용기 측벽 사이에 배치되고; 상기 리드는 압력에 의해서만 용기 측벽과 물리적으로 접촉하고; 그리고 전극 어셈블리 측면 및 용기 측벽 사이의 리드의 일부는 용기 측벽의 내부 면에 대해 바이어스된, 변형된 초기 비평면 형상을 포함한다.
본 발명의 다른 형태는 하우징, 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하는 전기화학 전지 셀에 관한 것으로서, 상기 전극 어셈블리는 음극 스트립, 양극 스트립 및 음극 및 양극 사이에 배치된 하나 이상의 분리막 스트립을 포함하고; 상기 하우징은 하나 이상의 측벽 및 바닥벽을 보유하는 용기를 포함하고; 상기 전극 어셈블리는 용기 측벽에 인접하는 전기적으로 비전도성인 외측면 및 용기 바닥벽에 인접하는 바닥을 보유하고; 음극 및 양극 중 하나는 전극 어셈블리로부터 연장되는 전기적 리드를 통해 용기 측벽과 전기적으로 접촉하고, 상기 리드의 적어도 일부가 전극 어셈블리 측면과 용기 측벽 사이에 배치되고; 상기 리드는 압력에 의해서만 용기 측벽과 물리적으로 접촉하고; 그리고 전극 어셈블리 측면 및 용기 측벽 사이의 리드의 일부가 두 개의 모서리 및 용기 측벽의 내부 면에 대해 바이어스된, 변형된 초기 그루브 형상을 포함하고, 상기 그루브는 전극 어셈블리의 세로축과 평행하게 배치되고, 상기 모서리는 전극 어셈블리 측면을 향하지 않는다.
본 발명의 또 다른 형태는 하우징, 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하는 전기화학 전지 셀에 관한 것으로서, 상기 셀은 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된다:
a. 음극 스트립, 양극 스트립 및 하나 이상의 분리막 스트립을 제공하는 단계;
b. 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 전도성 금속 스트립을 포함하는 전기적 리드를 제공하는 단계;
c. 리드의 제1 단부를 음극 및 양극 중 하나에 고정하는 단계;
d. 음극, 양극 및 분리막 스트립을 바닥 및 하나 이상의 측면을 포함하는 전극 어셈블리 내로 함께 결합시키는 단계로서, 측면은 전기적으로 비전도성이고, 리드의 제2 단부는 전극 어셈블리로부터 연장되는 것인 단계;
e. 상기 전극 어셈블리를 용기 내로 삽입하기 전에, 전극 어셈블리로부터 연장되는 적어도 일부의 리드를 성형하여 초기 비평면 형상을 생성하는 단계;
f. 비평면 형상을 보유하는 리드의 일부를 전극 어셈블리의 전기적으로 비전도성인 측면에 인접하게 위치시키는 단계;
g. 개구를 통한 용기 내로의 전극 어셈블리 삽입이 용이하도록 비평면 형상을 변형시키는 단계;
h. 개구를 통해 용기 내로 전극 어셈블리를 삽입하는 단계; 및
i. 전기적 접촉용 용기의 측벽에 대한 충분한 힘을 가하도록, 리드의 변형된 비평면 형상을 초기 비평면 형상으로 부분적으로 복구되도록 하는 단계.
본 발명의 이러한 특성 및 다른 특성, 이점 및 목적이 하기 설명, 청구항 및 첨부 도면을 참조하여 당업자에게 더욱 이해될 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 용기와 셀 전극 사이의 전기적 접촉을 형성하기 위한, 용기 벽의 측부와 용기 외부 면 사이에 배치된 리드를 갖는 전기화학 전지 셀의 세로 단면도이고;
도 2는 용기와 접촉하는 전극 리드의 위치를 나타내는 도 1의 셀의 일부 확대도이고;
도 3A는 단일 V형 그루브를 갖는 전극 리드의 단자 부분의 가로 단면도이고;
도 3B는 단일 원호형 그루브를 갖는 전극 리드의 단자 부분의 가로 단면도이고;
도 4A는 V형 전극 리드를 갖는 전극 어셈블리의 세로축에 대한 수직 단면도이고;
도 4B는 원호형 전극 리드를 갖는 전극 어셈블리의 세로축에 대한 수직 단면도이고;
도 5A는 전극 어셈블리가 캔 내로 삽입된 후의 도 4A의 전극 어셈블리 및 리드의 단면도이고;
도 5B는 전극 어셈블리가 캔 내로 삽입된 후의 도 4B의 전극 어셈블리 및 리드의 단면도이고;
도 6A는 캔에 대한 리드의 스프링력 측정에 사용된 모델 내의 출발 위치를 나타내는 전극 어셈블리, 평면 전극 리드 및 캔의 단면도이고;
도 6B는 캔에 대한 리드의 스프링력 측정에 사용된 모델 내의 출발 위치를 나타내는 전극 어셈블리, V형 전극 리드 및 캔의 단면도이고;
도 6C는 캔에 대한 리드의 스프링력 측정에 사용된 모델 내의 출발 위치를 나타내는 전극 어셈블리, 원호형 전극 리드 및 캔의 단면도이고;
도 7은 두께 0.051 mm, 폭 4.75 mm의 판형 전극 리드에서, 전극 어셈블리 변위의 함수로 스프링력을 나타내는 컴퓨터 모델을 통해 만든 그래프이고;
도 8은 두께 0.051 mm, 폭 4.75 mm의 금속 스트립으로 만든 90°의 다리각(leg angle)을 갖는 V형 전극 리드에서, 전극 어셈블리 변위의 함수로 스프링력을 나타내는 컴퓨터 모델을 통해 만든 그래프이고;
도 9는 두께 0.051 mm, 폭 4.75 mm의 금속 스트립으로 만든 1.78 mm 원호 반경을 갖는 원호형 전극 리드에서, 전극 어셈블리 변위의 함수로 스프링력을 나타내는 컴퓨터 모델을 통해 만든 그래프이고;
도 10은 두께 0.051 mm, 폭 4.75 mm의 금속 스트립으로 만든 1.91 mm 원호 반경을 갖는 원호형 전극 리드에서, 전극 어셈블리 변위의 함수로 스프링력을 나타내는 컴퓨터 모델을 통해 만든 그래프이고;
도 11은 두께 0.051 mm, 폭 4.75 mm의 금속 스트립으로 만든 2.29 mm 원호 반경을 갖는 원호형 전극 리드에서, 전극 어셈블리 변위의 함수로 스프링력을 나타내는 컴퓨터 모델을 통해 만든 그래프이고;
도 12는 두께 0.051 mm, 폭 3.175 mm의 판형 전극 리드에서, 전극 어셈블리 변위의 함수로 스프링력을 나타내는 컴퓨터 모델을 통해 만든 그래프이고;
도 13은 두께 0.051 mm, 폭 3.175 mm의 금속 스트립으로 만든 90°의 다리각을 갖는 V형 전극 리드에서, 전극 어셈블리 변위의 함수로 스프링력을 나타내는 컴퓨터 모델을 통해 만든 그래프이고;
도 14는 두께 0.051 mm, 폭 3.175 mm의 금속 스트립으로 만든 1.40 mm 원호 반경을 갖는 원호형 전극 리드에서, 전극 어셈블리 변위의 함수로 스프링력을 나타내는 컴퓨터 모델을 통해 만든 그래프이다.
상세한 설명
본 발명은 도 1 및 도 2를 참조하면 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다. 셀(10)은 FR6형의 실린더형 Li/FeS2 전지 셀이다. 셀(10)은 폐쇄된 바닥 및 셀 커버(14)와 가스켓(16)으로 폐쇄되는 개방 상단부를 갖는 캔(12) 형태의 용기를 포함하는 하우징을 보유한다. 상기 캔(12)은 가스켓(16) 및 커버(14)를 지지하기 위한 상단부 근처의 직경이 감소된 축받이(step) 또는 비드(bead)를 가진다. 가스켓(16)은 캔(12)과 커버(14) 사이에서 압축되어 셀(10) 내 애노드(18), 캐소드(20) 및 전해질을 밀봉한다. 애노드(18), 캐소드(20) 및 분리막(26)은 전극 어셈블리 내로 나선형으로 서로 권취된다. 캐소드(20)는 금속 집전 장치(22)를 보유하고, 이는 전극 어셈블리의 상단부로부터 연장되고 접촉 스프링(24)과 함께 커버(14)의 내부 면에 연결된다. 애노드(18)는 금속 리드(또는 탭)(36)에 의해 캔(12)의 내부 면에 전기적으로 연결된다(도 2). 상기 리드(36)는 애노드(18)에 고정되고, 전극 어셈블리의 바닥으로부터 연장되고, 전극 어셈블리의 측부를 따라 상하를 가로질러 접힌다. 리드(36)는 캔(12)의 측벽의 내부 면과 압력 접촉을 형성한다. 전극 어셈블리가 권취된 후, 제조 방법을 조절함으로써 삽입 전에 함께 유지될 수 있고, 또는 물질의 외부 단부(예를 들어, 분리막 또는 폴리머 필름 외부 랩(38))가 예를 들어, 열 밀봉, 점착 또는 테이핑에 의해 고정될 수 있다.
절연 콘(insulating cone)(46)은 전극 어셈블리 상부의 주변부 둘레에 위치함으로써 캐소드 집전 장치(22)가 캔(12)과 접촉을 형성하는 것을 방지하고, 그리고 캐소드(20)의 바닥 모서리와 캔(12)의 바닥 사이의 접촉은 캔(12)의 바닥에 위치한 전기 절연성 바닥 디스크(44) 및 분리막(26)의 안쪽으로 접힌 확장부에 의해 방지된다.
셀(10)은 별도의 양극 단자 커버(40)를 보유하고, 이는 가스켓(16) 및 캔(12)의 안쪽으로 굴절된 상부 모서리에 의해 제자리를 유지하고, 하나 이상의 벤트 틈(vent apertures)(도시하지 않음)을 보유한다. 캔(12)은 음극 접촉 단자로서 작용한다. 절연 재킷, 예를 들어 점착 라벨(48)이 캔(12)의 측벽에 사용될 수 있다.
단자 커버(40) 및 셀 커버(14)의 주변 플랜지 사이에 배치된 것은 과부하 전기 조건 하의 전류의 흐름을 실질적으로 제한하는 정 온도 계수(PTC) 장치(42)이다. 또한 셀(10)은 압력 릴리프 벤트(pressure relief vent)를 포함한다. 셀 커버(14)는 웰(28)의 바닥에 벤트 구멍(vent hole)(30)을 갖는 안쪽으로 돌출된 중앙 벤트 웰(vent well)(28)을 포함하는 틈을 가진다. 이 틈은 벤트 볼(vent ball)(32) 및 얇은 벽 열가소성 부싱(bushing)(34)에 의해 밀봉되어 있고, 이는 벤트 웰(28)의 수직벽과 벤트 볼(32)의 주변 사이에서 압축된다. 셀 내부 압력이 소정의 수준을 초과할 때, 벤트 볼(32), 또는 볼(32)과 부싱(34) 모두는 셀(10)로부터 가압 가스를 방출하도록 틈 외부로 밀려난다.
본 발명에 따른 셀에서, 전극 어셈블리 측부 및 캔의 측벽 사이에 배치된 전극 리드의 단자 부분은 초기 비평면이다. 본 명세서에서 사용된 초기 비평면은 전극 어셈블리를 캔 내로 삽입하기 전에 비평면임을 의미한다. 전극 어셈블리 삽입 전에, 리드의 단자 부분은 캔의 측벽과의 향상된 압력 접촉을 제공할 수 있는 비평면 형상을 형성하도록 성형 된다. 비평면 형상은 리드의 단자 부분에서 스프링 유사 특성을 제공하여 리드 단자 부분에 의한 힘을 작용시켜 리드를 캔 측벽에 대해 바이어스되도록 하여, 전극 어셈블리의 측부 및 캔의 측벽 사이의 주어진 갭에서 향상된 압력 접촉을 제공하고, 우수한 전기적 접촉이 유지될 수 있게 하는 최대 가능 갭을 증가시킨다. 하나 이상의 V, 원호 등과 이의 조합을 보유하는 단면을 갖는 형상을 포함하여 다양한 비평면 형상이 사용될 수 있다. 단일 V형 및 원호형 그루브를 갖는 리드의 예는 각각 도 3A 및 도 3B에 나타내고, 여기서 그루브(152, 252)는 리드(136, 236)의 단자 부분 내에 바닥(154, 254) 및 모서리(156, 256)를 보유한다.
셀 제조 과정에서, 리드 단자 부분의 형상은 예를 들어, 전극 어셈블리의 측부를 향해 변형되어 이의 캔 내로의 삽입을 촉진할 수 있고, 이어서 리드의 단자 부분이 초기 비평면 형상을 향해 부분적으로 뒤로 밀려날 수 있지만, 캔의 측벽의 내부 면에 대한 힘을 사용하기 위해 적어도 부분적으로 압축된 것이 유지되어, 캔과의 우수한 물리적 접촉 및 전기적 접촉을 형성한다. 도 4A 및 도 4B는 리드(136, 236)의 단자 부분(도 3A 및 도 3B)이 전극 어셈블리(150, 250)의 외측면에 인접하는 위치 내로 굽어진 후의 전극 어셈블리(150, 250) 및 리드(136, 236)의 단자 부분의 단면 형상이다. 도 5A 및 도 5B는 캔(112, 212) 내로 삽입한 후의 전극 어셈블리(150, 250) 및 리드(136, 236)의 단자 부분을 나타낸다. 비록 전극 어셈블리(150, 250)의 측면과 캔(112, 212)의 측벽 사이에 갭(158, 258)이 존재하지만, 리드(136, 236)의 단자 부분은 이의 삽입 전 형상과 비교하여 부분적으로 고정되어, 캔(112, 212)의 내부 면에 대한 스프링력을 사용한다.
리드의 단자 부분에 형성되는 형상은 셀의 전기적 특성 또는 방전 특성에 바람직하지 않은 영향을 줄 수 있다는 점에서 전극 어셈블리, 리드 또는 캔을 손상시키지 않으면서 전극 어셈블리가 캔 내로 삽입될 수 있게 하는 어떠한 방법으로도 배향될 수 있다. 그루브가 전극 어셈블리의 세로축에 대해 평행하게 위치할 수 있도록 리드 단자 부분 형상을 배향함으로써, 캔 내로의 삽입 전에 리드의 변형을 촉진할 수 있고, 유해한 손상을 야기하지 않고 삽입 후에 리드를 뒤로 밀려나도록 촉진할 수 있다. 또한, 리드의 단자 부분의 모서리가 전극 어셈블리의 안쪽을 향하지 않도록 리드를 배향함으로써, 전극 어셈블리의 손상 위험이 감소할 수 있다. 예를 들어, 단일 그루브를 갖는 리드는 그루브의 바닥이 전극 어셈블리의 안쪽을 향하고, 그루브의 모서리는 캔 측벽의 바깥쪽을 향하도록 배향할 수 있다.
캔과 리드 사이의 접촉의 감소 없이 적합할 수 있는 최대 갭, 또는 전극 어셈블리의 외경과 캔의 내경 사이의 차이는 각각 식 1 및 식 2를 사용하여, 단일 V형 그루브를 갖는 리드 및 리드의 전체 폭을 가로질러 연장되는 단일 원호형 그루브를 갖는 리드에 대하여 계산될 수 있다(전극 어셈블리 및 캔에 의해 구속되지 않는 경우, 변형된 리드의 단자 부분이 원래의 형상대로 완전히 뒤로 밀려나도록 할 수 있다고 가정함).
Figure 112007062726273-pct00001
상기 식에서, W = 이로부터 리드가 제조되는 판형 스트립의 폭, t = 리드 스트립 두께, θ = V 다리각(도 3A 참조), ID = 캔 내경이고, 0°≤θ≤ 180°. 이러한 계산은 V의 다리가 마주치는 경우 반경이 없는 것으로 가정하고; 반경이 있는 경우, 최대 갭은 계산치보다 작을 것이다.
Figure 112007062726273-pct00002
상기 식에서, W = 이로부터 리드가 제조되는 판형 스트립의 폭, t = 리드 스트립 두께, R = 원호 반경, ID = 캔 내경이고, (W/R)≤π.
리드 물질의 특성과 치수 및 전극 어셈블리와 캔의 치수와 같은 것을 고려하여, 컴퓨터 모델링이 리드 단자 부분의 형상 및 리드와 캔 측벽 사이의 물리적 접촉을 가져오고 형성되는 동안의 리드 손상을 방지해주는 리드 형성의 도구의 개발에 사용될 수 있다. 컴퓨터 모델링은 또한 목적하는 형상으로의 리드 단자 부분을 형성시켜 리드의 손상(예를 들어, 금속 내의 찢어짐, 구멍 및 주름 그리고 리드 표면으로부터의 도금의 마모)을 방지하는 도구를 고안하는데 사용될 수 있다. 컴퓨터 모델링에 사용가능한 상업적으로 구입가능한 소프트웨어의 예는 ABAQUS(Hibbit, Karlsson & Sorensen, Inc., Pawtucket, RI, USA) 및 MARC K 7.3(MSC.Software, Los Angeles, CA, USA)를 포함한다.
리드의 단자 부분에서 형성되는 형상은 어떠한 다양한 방식에서도 이점이 될 수 있다. 예를 들어, 전극 어셈블리를 캔 내로 삽입하기 전의 판형 단자 부분을 갖는 리드와 비교하여, 형상을 갖는 단자 부분은 더 나은 스프링 특성을 제공할 수 있고, 전극 어셈블리의 측부 및 캔의 측부 사이의 직경의 더 큰 차이를 용인할 수 있고, 그리고 리드 물질의 형태 및 치수에 있어 더욱 자유로운 선택을 가능하게 한다. 이러한 이점은 향상된 셀 특성, 셀 제조의 더 큰 용이성 및/또는 감소된 셀 제조 비용을 야기할 수 있다.
셀 용기는 흔히 도 1의 캔과 같은 폐쇄된 바닥을 갖는 금속 캔이다. 캔 물질은 셀에 사용되는 활성 물질 및 전해질에 따라 좌우될 것이다. 일반적인 물질 종류는 강철(steel)이다. 예를 들어, 캔은 강철로 제조되고, 부식으로부터 캔의 외부를 보호하기 위해 적어도 외부가 니켈로 도금되어 있다. 도금의 유형은 내부식성의 다양한 정도를 제공하기 위해 또는 목적하는 외형을 제공하기 위해 변경될 수 있다. 강철의 유형은 용기가 성형되는 방식에 따라 부분적으로 좌우될 것이다. 연신된(drawn) 캔의 경우, 강철은 ASTM 9 내지 11의 입도 및 약간 연장된 입자 형상의 등방성인 확산 어닐링, 저탄소, 알루미늄 제거(aluminium killed), SAE 1006 또는 균등 강철일 수 있다. 스테인리스 강철과 같은 기타 강철은 특별한 요구에 부응하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 캔이 캐소드와 전기적 접촉 상태에 있을 때, 스테인리스 강철은 캐소드 및 전해질에 의한 내부식성 향상을 위해 사용될 수 있다.
셀 커버는 금속일 수 있다. 니켈 도금된 강철이 사용될 수 있으나 스테인리스 강철이 흔히 바람직하고, 이는 커버가 캐소드와 전기적 접촉 상태인 경우 특히 그러하다. 커버 형상의 복잡성도 물질 선택의 요소일 것이다. 셀 커버는 두꺼운, 평면 디스크와 같이 간단한 형상을 가질 수 있고, 또는 도 1에 도시한 커버와 같이 더 복잡한 형상을 가질 수 있다. 커버가 도 1과 같은 복잡한 형상을 가지는 경우, 목적하는 내부식성 및 금속 성형의 용이함을 제공하는데 ASTM 8-9 입도를 갖는 304형(type 304) 연화 어닐링된 스테인리스 강철이 사용될 수 있다. 성형된 커버도 예컨대 니켈로 도금될 수 있다.
단자 커버는 주위 환경에서 물에 대한 양호한 내부식성, 우수한 전기 전도성 및, 소비자용 전지로 시판되는 경우 매력적인 외관을 가져야 한다. 단자 커버는 니켈 도금된 냉연 강철(cold rolled steel) 또는 커버가 성형된 후 니켈 도금된 강철로부터 흔히 생성된다. 단자가 압력 릴리프 벤트 위에 위치하는 경우, 일반적으로 단자 커버는 하나 이상의 구멍을 가져 셀 통기를 촉진한다.
가스켓은 목적하는 밀봉 특성을 제공하는 임의의 적합한 열가소성 물질로부터 제조된다. 물질 선택은 전해질 조성에 일부분 기초한다. 적합한 물질의 예는 폴리프로필렌, 폴리페닐렌 설파이드, 테트라플루오라이드-퍼플루오로알킬 비닐에테르 공중합체, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 이의 조합을 포함한다. 바람직한 가스켓 물질은 폴리프로필렌(예를 들어, Basell Polyolefins, Wilmington, DE, USA의 PRO-FAX? 6524), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(예를 들어, Ticona-US, Su㎜it, NJ, USA의 CELANEX? PBT, grade 1600A) 및 폴리페닐렌 설파이드(예를 들어, Boedeker Plastics, Inc., Shiner, TX, USA의 TECHTRON? PPS)를 포함한다. 다른 중합체, 보강 무기 충전재 및/또는 유기 화합물의 소량이 또한 가스켓의 베이스 수지에 첨가될 수 있다.
가스켓은 최선의 밀봉을 제공하는 밀봉재로 코팅될 수 있다. 에틸렌 프로필렌디엔 삼원공중합체(EPDM)가 적합한 밀봉 물질이나, 다른 적합한 물질이 사용될 수 있다.
벤트 부싱은 고온(예, 75℃)에서 냉류에 저항하는 열가소성 물질로 제조된다. 열가소성 물질은 에틸렌-테트라플루오로에틸렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리프탈아미드, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시알칸, 플루오르화 퍼플루오로에틸렌 폴리프로필렌 및 폴리에테르에테르 케톤과 같은 베이스 수지를 포함한다. 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 및 폴리프탈아미드가 바람직하다. 수지는 고온에서 목적하는 밀봉 및 통기 특성을 갖는 벤트 부싱을 제공하기 위해 열안정화 충전재를 첨가함으로써 변성될 수 있다. 부싱은 열가소성 물질로부터 사출 몰드될 수 있다. TEFZEL? HT2004(25 중량 퍼센트의 초핑 가공된 유리 충전재를 갖는 ETFE 수지)가 바람직한 열가소성 물질이다.
벤트 볼은 셀 내용물과 안정하게 접촉하고, 목적하는 셀 밀봉 및 통기 특성을 제공하는 임의의 적합한 물질로부터 제조될 수 있다. 유리, 또는 스테인리스 강철과 같은 금속이 사용될 수 있다.
애노드는 때때로 리튬 호일로 지칭되는 리튬 금속의 스트립을 포함한다. 전지 등급 리튬 순도가 항상 높을지라도, 리튬의 조성은 다양할 수 있다. 리튬은 목적하는 셀 전기 성능을 제공하기 위해 알루미늄과 같은 다른 금속과 합금될 수 있다. 0.5 중량 퍼센트의 알루미늄을 함유하는 전지 등급 리튬-알루미늄 호일은 Chemetall Foote Corp., Kings Mountain, NC, USA로부터 입수 가능하다.
애노드는 금속성 리튬 내 또는 표면상에 집전 장치를 가질 수 있다. 도 1 내의 셀에서와 같이, 리튬이 높은 전기 전도성을 갖기 때문에 개별 집전 장치가 필요하지 않을 수 있으나, 예를 들어, 리튬이 소비됨에 따라 방전 과정에서 애노드 내의 전기적 연속성을 유지하기 위해 집전 장치가 포함될 수 있다. 애노드가 집전 장치를 포함하는 경우, 이의 전도성 때문에 구리로 제조될 수 있으나, 셀 내에서 안정하다면 다른 전도성 금속이 사용될 수도 있다.
전기적 리드가 셀 단자의 하나(도 1에 도시된 FR6 셀의 경우의 캔)에 애노드와 연결된 얇은 금속 스트립으로부터 제조될 수 있다. 금속 스트립은 흔히 니켈 또는 니켈 도금된 강철로부터 제조되고, 리튬에 직접적으로 붙는다. 이는 애노드의 일부 내에 리드의 단부를 삽입함으로써 또는 리튬 호일의 표면상에 리드의 단부를 간단하게 압축함으로써 달성될 수 있다.
캐소드는 보통 미립자 형태인, 하나 이상의 전기화학적 활성 물질을 포함하는 혼합물 및 집전 장치를 포함하는 스트립 형태이다. 이황화 철(FeS2)이 바람직한 활성 물질이다. Li/FeS2 셀에서, 활성 물질은 50 중량 퍼센트 초과의 FeS2을 포함한다. 캐소드는 또한 목적하는 셀 전기 및 방전 특성에 따라 하나 이상의 추가적 활성 물질을 포함할 수 있다. 추가적 활성 캐소드 물질은 임의의 적합한 활성 캐소드 물질일 수 있다. 예는 Bi2O3, C2F, CFx, (CF)n, CoS2, CuO, CuS, FeS, FeCuS2, MnO2, Pb2Bi2O5 및 S를 포함한다. 더욱 바람직하게는 Li/FeS2 셀 캐소드용 활성 물질은 95 중량 퍼센트 이상의 FeS2, 보다 더욱 바람직하게는 99 중량 퍼센트 이상의 FeS2를 포함하고, 그리고 가장 바람직하게는 FeS2가 유일한 활성 캐소드 물질이다. 95 중량 퍼센트 이상의 순도를 갖는 전지 등급 FeS2는 American Minerals, Inc., Camden, NJ, USA; Chemetall GmbH, Vienna, Austria; 및 Kyanite Mining Corp., Dillwyn, VA, USA로부터 입수 가능하다.
활성 물질에 더하여, 캐소드 혼합물은 다른 물질을 포함한다. 바인더는 일반적으로 미립자 물질을 함께 고정시키고, 집전 장치에 대해 혼합물을 부착하는 데 이용된다. 금속, 흑연 및 카본 블랙 파우더와 같은 하나 이상의 전도성 물질이 첨가되어 혼합물에 대해 향상된 전기 전도성을 제공할 수 있다. 사용되는 전도성 물질의 양은 활성 물질 및 바인더의 전기 전도성, 집전 장치상 혼합물의 두께 및 집전 장치 디자인과 같은 요소에 좌우될 수 있다. 또한 다양한 첨가제의 소량이 캐소드 제조 및 셀 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 이하는 Li/FeS2 셀 캐소드용 활성 물질 혼합물의 예이다. 흑연: Timcal America, Westlake, OH, USA로부터의 KS-6 및 TIMREX? MX15 grade 합성 흑연. 카본 블랙: Chevron Phillips Company LP, Houston, TX, USA로부터의 Grade C55 아세틸렌 블랙. 바인더: Polymont Plastics Corp.(이전 Polysar, Inc.)에 의해 제조되고, Harwick Standard Distribution Corp., Akron, OH, USA로부터 입수 가능한 에틸렌/프로필렌 공중합체(PEPP); 비이온 수용성 폴리에틸렌 산화물(PEO): Dow Chemical Company, Midland, MI, USA로부터의 POLYOX?; 및 Kraton Polymer, Houston, TX로부터의 G1651 grade 스티렌-에틸렌/부틸렌-스티렌(SEBS) 블록 공중합체. 첨가제: Micro Powders Inc., Tarrytown, NY, USA 제조의 FLUO HT? 마이크론화 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)(Dar-Tech Inc., Cleveland, OH, USA로부터 상업적으로 입수 가능함) 및 Degussa Corporation Pigment Group, Ridgefield, NJ로부터의 AEROSIL? 200 grade 건식(fumed) 실리카.
집전 장치는 캐소드 표면 내에 배치되거나 또는 캐소드 표면 내로 삽입될 수 있고, 또는 캐소드 혼합물은 얇은 금속 스트립의 한면 또는 양면 모두에 코팅될 수 있다. 알루미늄이 일반적으로 사용되는 물질이다. 집전 장치는 캐소드 혼합물을 함유하는 캐소드의 일부를 넘어 연장될 수 있다. 집전 장치의 이 연장된 부분은 양극 단자에 연결되는 전기적 리드와 접촉하기 편리한 영역을 제공할 수 있다. 집전 장치의 연장된 부분의 부피를 최소로 유지하여 활성 물질 및 전해질에 이용 가능한 셀의 내부 부피의 크기만큼으로 제조하는 것이 바람직하다.
FeS2 캐소드의 바람직한 제조 방법은 고 휘발성 유기 용매(예를 들어, 트리클로로에틸렌) 내의 활성 물질 혼합물 물질의 슬러리를 알루미늄 호일 시트의 양면 상에 회전 코팅하는 단계, 코팅을 건조시켜 용매를 제거하는 단계, 코팅된 호일을 캘린더 가공하여 코팅을 압축하는 단계, 코팅된 호일을 목적하는 폭으로 쪼개는 단계, 쪼개진 캐소드 물질의 스트립을 목적하는 길이로 절단하는 단계이다. 작은 입자 크기를 갖는 캐소드 물질을 이용하여 분리막에 구멍이 나는 위험을 최소화하는 것이 바람직하다. 예를 들어, FeS2는 바람직하게는 사용되기 전 230 메쉬(62 ㎛) 스크린을 통해 체질(sieve)된다.
캐소드는 셀의 양극 단자에 전기적으로 연결된다. 이는 흔히 얇은 금속 스트립 또는 도 1에 도시한 바와 같은 스프링 형태의 전기적 리드로 달성될 수 있다. 상기 리드는 흔히 니켈 도금 스테인레스 강철로 제조된다.
분리막은 이온-투과성이고 전기적으로 비전도성인 얇은 미세공막(microporous membrane)이다. 분리막의 기공 내에 적어도 얼마간의 전해질을 보유할 수 있다. 분리막은 애노드 및 캐소드의 인접하는 표면 사이에 배치되어 서로 간에 전극을 전기적으로 절연시킨다. 또한 분리막의 일부는 셀 단자와의 전기적 접촉으로 다른 성분을 절연시켜서, 내부 단락을 방지할 수 있다. 분리막의 모서리는 흔히 하나 이상의 전극의 모서리를 넘어 연장되어, 서로 완벽하게 배열되어 있지 않더라도 애노드와 캐소드의 전기적 접촉이 일어나지 않도록 한다. 그러나, 전극을 넘어 연장되는 분리막의 양을 최소화하는 것이 바람직하다.
우수한 고 전력 방전 성능을 제공하기 위해, 분리막이 1994년 3월 1일 등록되고 본 명세서에 참조로서 통합된 미국특허 제5,290,414호에 개시된 특성(0.005 ㎛ 이상의 최소 치수, 5 ㎛ 이하의 최대 치수를 갖는 기공, 30 내지 70 퍼센트 범위의 다공도, 2 내지 15 ohm-cm2의 면적 비저항(area specific resistance) 및 2.5 미만의 비틀림도(tortuosity))을 갖는 것이 바람직하다.
적합한 분리막 물질은 내부 단락을 야기할 수 있는 찢김, 쪼개짐, 구멍 또는 기타 갭 발생 없이 셀 방전 동안 이에 가해질 수 있는 셀 제조 공정 및 압력을 견딜 수 있을 정도로 충분히 강해야 한다. 셀 내의 총 분리막 부피를 최소화하기 위해, 분리막은 가능한 얇아야 하고, 바람직하게는 25 ㎛ 미만의 두께이고, 더욱 바람직하게는 20 ㎛ 또는 16 ㎛와 같은 22 ㎛ 이하의 두께이다. 높은 인장 응력이 바람직하고, 제곱 센티미터 당 바람직하게는 800 kgf/cm2 이상, 더욱 바람직하게는 1000 kgf/cm2 이상이다. FR6형 셀에서 바람직한 인장 응력은 기계 방향에서 1500 kgf/cm2 이상이고, 횡단 방향에서 1200 kgf/cm2 이상이고, FR03형 셀에서 바람직한 인장 강도는 기계 및 횡단 방향에서 각각 1300 kgf/cm2 및 1000 kgf/cm2 이다. 바람직한 평균 유전성 파괴 전압은 2000 볼트 이상, 더욱 바람직하게는 2200 볼트 이상, 그리고 가장 바람직하게는 2400 볼트 이상일 것이다. 바람직한 최대 유효 기공 크기는 0.08 ㎛ 내지 0.40 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 0.20 ㎛ 이하이다. 바람직하게는 BET 비표면적이 40 ㎡/g 이하, 더욱 바람직하게는 15 ㎡/g 이상, 그리고 가장 바람직하게는 25 ㎡/g 이상일 것이다. 바람직하게는 면적 비저항이 4.3 ohm-㎠ 이하, 더욱 바람직하게는 4.0 ohm-㎠ 이하, 그리고 가장 바람직하게는 3.5 ohm-㎠ 이하이다. 이러한 특성은 본 명세서에 참조로 통합되고 2005년 5월 26일자 미국특허 공개 2005/0112462 A1에 더 자세히 기술된다.
리튬 전지 내 사용하기 위한 분리막의 막은 흔히 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 초고분자량 폴리에틸렌이고, 폴리에틸렌이 바람직하다. 분리막은 이축 배향 미소공 막의 단일 층일 수 있고, 또는 목적하는 인장 강도를 제공하기 위해 2 이상의 층이 직교하는 방향으로 서로 적층될 수 있다. 비용을 최소화하기 위해 단일 층이 바람직하다. 적합한 단일 층 이축 배향 폴리에틸렌 미소공 분리막은 Tonen Chemical Corp., EXXON Mobile Chemical Co., Macedonia, NY, USA로부터 입수 가능하다. Setela F20DHI grade 분리막은 20 ㎛의 공칭 두께를 가지고, 그리고 Setela 16MMS grade는 16 ㎛의 공칭 두께를 가진다.
애노드, 캐소드 및 분리막 스트립은 전극 어셈블리 내에서 서로 조합된다. 전극 어셈블리는 도 1에 도시한 바와 같이 주축 주위에 캐소드의 스트립, 분리막, 애노드 및 분리막을 교대로 감는 나선형으로 권취된 디자인일 수 있고, 이는 권취가 완료될 때 전극 어셈블리로부터 추출된다. 분리막의 하나 이상의 층 및/또는 전기적 절연성 필름(예를 들어, 폴리프로필렌)의 하나 이상의 층이 일반적으로 전극 어셈블리의 외부를 감싸고 있다. 이는 다수의 목적을 수행한다: 어셈블리를 함께 유지하는 데 도움을 주고, 목적하는 치수로 어셈블리의 폭 또는 직경을 조절하는 데 이용될 수 있다. 분리막의 최외측의 단부 또는 다른 외부 필름 층은 접착 테이프의 조각 또는 가열 밀봉에 의해 누를 수 있다. 애노드는 도 1에서 도시한 바와 같이 최외측 전극일 수 있고, 또는 캐소드가 최외측 전극일 수 있다. 전극 중 어느 쪽도 셀 용기와 전기적으로 접촉될 수 있지만, 최외측 전극이 캔과의 전기적 접촉을 이루고자 한 전극과 동일한 전극인 경우 최외측 전극과 용기의 측벽 사이의 내부 단락을 피할 수 있다.
나선형으로 권취되는 대신, 전극 어셈블리는 전극 및 분리막 스트립을 서로 접음으로써 형성될 수 있다. 스트립은 이의 길이를 따라 배열될 수 있고, 그리고 나서 주름지게 접고, 또는 애노드와 하나의 전극 스트립이 캐소드와 다른 전극 스트립에 대해 수직으로 놓일 수 있고, 전극은 하나에 대해 다른 하나가 교차(직교하는 배향)하여 교대로 접혀 양자의 경우 모두 교대하는 애노드와 캐소드의 적층을 형성한다.
전극 어셈블리는 하우징 용기 내로 삽입된다. 실린더형 또는 각기둥형 용기이든, 나선형으로 권취된 전극 어셈블리의 경우에서, 전극의 주 표면은 용기의 측벽(들)에 대해 수직이다(즉, 전극 어셈블리의 중심 핵은 셀의 세로축에 평행하다). 접힌 전극 어셈블리는 각기둥형 셀에서 전형적으로 이용된다. 주름지게 접힌 전극 어셈블리에서, 어셈블리는 전극 층의 적층의 반대 단부에서 판형 전극 표면이 용기의 반대 면에 인접하도록 배향된다. 이러한 형태에서, 애노드의 주 표면의 전체 면적의 대부분은 분리막을 통해 캐소드의 주 표면의 전체 면적의 대부분에 인접하고, 전극 주 표면의 최외측 부분은 용기의 측벽에 인접한다. 이 방법에서, 애노드 및 캐소드의 두께의 조합의 증가로 인한 전극 어셈블리의 팽창이 용기 측벽(들)에 의해 구속된다.
오염 물질로서 매우 적은 양의 물만을 함유하는 비수성 전해질(예를 들어,사용되는 전해질 염에 따라 약 500 중량 ppm 이하이다)이 본 발명의 전지 셀에서 사용된다. 리튬 및 활성 환원 캐소드 물질로의 사용에 적합한 임의의 비수성 전해질이 사용될 수 있다. 전해질은 유기 용매에 용해된 하나 이상 전해질 염을 함유한다. Li/FeS2 셀에 대해, 적합한 염의 예는 브롬화 리튬, 과염소산 리튬, 리튬 헥사플루오로인산염, 칼륨 헥사플루오로인산염, 리튬 헥사플루오로비산염, 리튬 트리플루오로메탄술폰산염 및 요오드화 리튬을 포함하고; 그리고 적합한 유기 용매는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 메틸 포르메이트, γ-부티로락톤, 술포란, 아세토니트릴, 3,5-디메틸이속사졸, n,n-디메틸 포름아미드 및 에테르 중 하나 이상을 포함한다. 염/용매 조합은 충분한 전기 분해성 및 전기 전도성을 제공하여 목적하는 온도 범위에서 셀 방전 요건을 만족시킬 것이다. 에테르는 흔히 이의 일반적으로 낮은 점도, 우수한 습윤 성능, 우수한 낮은 온도 방전 성능 및 우수한 고율 방전 성능 때문에 바람직하다. 이는 MnO2 캐소드에서보다 에테르가 더 안정하기 때문에 Li/FeS2 셀에서 특히 그러하고, 그래서 더 높은 에테르 수준이 이용될 수 있다. 적합한 에테르는 이에 제한되지는 않으나 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 디(메톡시에틸)에테르, 트리글라임, 테트라글라임 및 디에틸 에테르와 같은 비환형 에테르; 및 1,3-디옥솔란, 테트라히드로퓨란, 2-메틸 테트라히드로퓨란 및 3-메틸-2-옥사졸리디논과 같은 환형 에테르를 포함한다.
상기 참조한 미국특허공개 2005/0112462 A1에 개시된 바와 같이, 특정 애노드, 캐소드 및 전해질 조성물 및 그 양은 목적하는 셀 제조, 성능 및 저장 특성을 제공하기 위해 조절될 수 있다.
셀은 임의의 적합한 방법을 이용하여 폐쇄 및 밀봉될 수 있다. 이러한 방법은 비제한적이나, 크림핑(crimping), 재연신(redrawing), 콜릿(colleting) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 셀에서, 전극과 절연 콘이 삽입된 후에 비드가 캔 내에서 성형되고, 그리고 가스켓과 커버 어셈블리(셀 커버, 접촉 스프링 및 벤트 부싱을 포함)는 캔의 개방 단부에 위치한다. 가스켓과 커버 어셈블리가 비드에 대하여 아래로 밀릴 때, 셀은 비드에서 지지된다. 비드 위의 캔의 상부 직경은 분절된 콜렛으로써 감소하여 셀 내에 가스켓과 커버 어셈블리가 위치하도록 유지시킨다. 벤트 부싱과 커버 내 틈을 통하여 전해질을 셀 내로 분배하고, 벤트 볼을 부싱 내로 삽입하여 셀 커버 내 틈을 밀봉한다. PTC 장치와 단자 커버를 셀 커버 위로 셀에 위치시키고, 그리고 캔의 상부 모서리는 크림핑 다이(die)로써 안쪽으로 구부려 가스켓, 커버 어셈블리, PTC 장치 및 단자 커버를 보존하고 가스켓에 의해 캔의 개방 단부의 밀봉을 완료한다.
상기 기술은 스위스, 제네바 소재의 국제전기기술위원회에 의해 공개된 국제 규격 IEC 60086-1 및 IEC 60086-2에 정의된 바와 같은 FR6형 및 FR03형과 같은 실린더형 Li/FeS2 셀에 특히 관련이 있다. 그러나, 본 발명은 또한 다른 셀 크기 및 형상 그리고 다른 전극 조립체, 하우징, 밀봉 및 압력 릴리프 벤트 디자인을 갖는 셀에 적합화될 수 있다. 본 발명이 사용할 수 있는 다른 셀 유형은 1차 및 재충전가능한 수용성 알칼리 셀, 예를 들어, 아연/망간 이산화물, 아연/니켈 산화수산화물, 니켈/카드뮴 및 니켈/금속 수소화물 전지뿐 아니라, 1차 및 재충전 가능한 비수용성 전지, 예를 들어, 리튬/망간 이산화물 및 리튬 이온 전지를 포함한다. 전극 어셈블리 형태도 다양할 수 있다. 예를 들어, 상기한 바와 같은 나선형으로 권취된 전극, 접힌 전극, 또는 스트립의 적층(예를 들어, 평면 플레이트)일 수 있다. 셀 형상 또한 다양할 수 있고 예를 들어, 실린더형 및 각기둥형 형상을 포함한다.
본 발명의 특색 및 이의 이점은 하기 실시예로 더욱 설명된다.
실시예 1
도 1에 도시한 것과 비슷한 전극 어셈블리를 갖는 FR6 및 FR03 셀에 사용하기 적합한 몇몇의 음극 리드 디자인을 평가하기 위하여 컴퓨터 모델링을 사용하였다. 도 1 및 도 2의 음극 리드와 유사한 리드의 단자 부분에 의해 발생할 수 있는 스프링력을 측정하기 위해 상기 모델을 사용하였다. 측정된 스프링력은 리드의 단자 부분에 의해 발생하는 캔의 측벽의 내부 면에 대한 힘의 양에 근접할 것이다.
상기 모델은 리드용 0.051 mm (0.002 인치) 두께로 니켈 도금된 냉연 강철 스트립에 대해 하기 물질 특성을 사용하였다: 영률(Young's modulus) = 2.07 x 108 Pa (3.00 x 107 lb./in2), 푸아송비(Poisson's ratio) = 0.285 및 초기항복강도(initial yield strength) = 251,000 Pa (36,400 lb./in2).
리드의 단자 부분(전극 어셈블리의 외부 면에 인접하는 부분, 전극 어셈블리의 바닥 주위의 굽어짐 위, 전극 어셈블리의 캔 내로의 삽입 전)에 대해 세 가지 다른 형상을 평가하였다: V형 및 원호형 리드의 그루브가 스트립의 단자 부분의 중앙을 따라 세로로 위치하여, 전극 어셈블리가 캔 내로 삽입된 후 그루브가 셀의 세로축과 평행하게 배치되는 판형, V형(도 4A) 및 원호형(도 4B).
상기 모델에서, 초기 리드 형상 및 치수를 사용하여, 전극 어셈블리의 외경의 단면 및 리드의 단자 부분은 캔의 내경의 단면과 겹쳐진다. 12.90 mm (0.508 인 치)의 전극 어셈블리 직경, 13.44 mm (0.529 인치)의 캔 내경, 및 4.75 mm (0.187 인치)의 리드 스트립 폭이 FR6 셀 평가에 사용되고; 9.25 mm (0.364 인치)의 전극 어셈블리 직경, 9.70 mm (0.382 인치)의 캔 내경 및 3.18 mm (0.125 인치)의 리드 스트립 폭이 FR03 셀 평가에 사용된다. 각각의 셀 크기에서, 캔에 대한 전극 어셈블리 및 리드의 출발 위치는 각 경우에 동일하였고, 도 6B(일정 비율 아님)에 도시한 것과 같이 90°의 다리각을 갖는 V형으로 초기 성형되는 리드에 따라 수행되었다. 리드의 모서리(60)는 캔(12)과 접촉하여 위치하고, 전극 어셈블리는 점(62)에서 V의 베이스와 접촉하여 위치한다. 평가된 각 경우의 출발 위치에서, 리드의 모서리(60)는 캔(12)과 접촉하여 위치하고, 전극 어셈블리 위의 점(62)부터 리드의 중앙을 지나 캔(12)까지 사이의 거리(64)는 FR6 셀의 경우 1.88 mm (0.074 인치)였고, FR03 셀의 경우 1.24 mm (0.049 인치)였다. 도 6A 및 도 6C는 도 6B의 V형 리드와 동일한 물질로 제조된, 판형 및 원호형 리드를 갖는 FR6 셀에서 각각의 출발 위치를 나타낸다. 거리(64)가 일정하게 유지되므로, 도 6A 및 도 6C의 리드와 전극 어셈블리 사이에 갭이 존재한다. 상기 모델에서, 전극 어셈블리의 위치는 오른쪽으로 이동하여(도 6A-도 6C) 거리(64)가 단축되고, 캔에 대한 리드의 스프링력은 점(62)의 우측 변위 함수로 계산된다. 점(62)과 리드 사이에 갭이 존재하는 경우, 전극이 충분히 이동하여 접촉하고 리드를 밀어낼 때까지 스프링력이 존재하지 않는다.
모델링의 결과를 도 7 내지 도 14에 도시하며, 출발점으로부터의 전극 어셈블리의 변위(mm) 함수로서 캔에 대한 리드의 스프링력(리드의 형상 부분의 길이의 g/cm)을 나타낸다; 표 1에 각 도면을 대표하는 셀 유형 및 리드 형상을 요약하였다.
도 셀 유형 리드 형상
7 FR6 판형
8 FR6 V형, 90°다리각
9 FR6 원호형, 1.78 mm (0.070 인치)원호 반경
10 FR6 원호형, 1.91 mm (0.075 인치)원호 반경
11 FR6 원호형, 2.29 mm (0.090 인치)원호 반경
12 FR03 판형
13 FR03 V형, 90°다리각
14 FR03 원호형, 1.40 mm (0.055 인치)원호 반경
도 7-14의 그래프는 전극 어셈블리가 우측으로 이동함에 따른 스프링력의 변화를 나타낸다. 12.90 mm 직경의 전극 어셈블리를 갖는 FR6 셀 및 9.25 mm 전극 어셈블리를 갖는 FR03 셀에서 캔의 내부 좌측면에 대해 전극 어셈블리의 좌측부(점(62)의 반대편)에 위치하는 출발 위치로부터의 변위량(도 6A-6C)은 라인 E로 표시한다. 전극 어셈블리가 가능한 좌측으로 가장 멀리 있는 경우, 이는 캔 내로 삽입 후의 전극 어셈블리의 위치와 상응한다. 더 작거나 더 큰 직경을 갖는 전극 어셈블리에 있어서, 라인 E는 왼쪽 또는 오른쪽으로 각각 이동할 것이다. 캔의 내부 우측면에 대해 위치하는 것인 점(62)에서의 변위량은 라인 F로 표시한다. 출발 위치에서 리드와 전극 어셈블리 사이에 갭이 없는 경우(도 8 및 도 13), 스프링력은 우측으로의 전극 어셈블리의 변위 및 상응하는 리드의 압축(초기 리드 형상의 변형)에 따라 곧 증가하기 시작한다. 다른 경우에는, 갭이 존재하지 않게 될 때까지 스프링력이 0을 넘어 증가하지 않는다. 점 A1, B1, C1 및 D1은 FR6 셀에서 0.127 mm (0.005 인치) 증가한 변위에서의 스프링력, FR03 셀에서 0.102 mm (0.004 인치) 증가한 변위에서의 스프링력을 나타낸다. 점 A2, B2, C2 및 D2는 각각 점 A1, B1, C1 및 D1으로 초기에 우측으로 이동한 후에, 전극 어셈블리가 다시 좌측(FR6 셀에서 0.127 mm (0.005 인치) 및 FR03 셀에서 0.102 mm (0.004 인치))으로 이동되는 경우의 스프링력의 변화를 나타낸다. 이는 전극 어셈블리가 캔 내로 삽입되는 과정에서 발생하는 것과 상응하고, 리드가 과압축(전극 어셈블리가 캔의 내경과 맞는데 요구되는 최소한도보다 더욱 변형됨)되고, 그 후 캔에 대해 다시 뒤로 밀려날 수 있는 경우가 그 예이다. 리드의 일부에서 초과되는 리드의 항복 강도로 인한, 리드의 부분적 영구적 변형 때문에 스프링력은 더 낮다. 일반적으로, 전극 어셈블리의 주어진 변위량에서, V형 및 원호형 리드는 판형 리드보다 더 큰 스프링력을 제공한다.
도 7(판형 리드를 갖는 FR6 셀)에서, 출발점에서와 전극 어셈블리가 1.42 mm (0.056 인치)를 초과하여 우측으로 이동할 때까지의 스프링력은 0이다. 전극 어셈블리가 라인 E를 넘어서 이동할 때까지는 스프링력이 0을 넘어 증가하지 않기 때문에, 12.90 mm 이하의 전극 어셈블리 직경에 대해, 리드와 캔 사이에 스프링력이 없다. 즉, 12.90 mm의 전극 어셈블리 직경으로는, 리드와 캔 사이에 스프링력이 없다. 12.98 mm (0.511 인치) 이상의 전극 어셈블리 직경에 상응하는 0.076 mm (0.003 인치)의 추가적 변위가 요구된다.
도 8(90°V형 리드를 갖는 FR6 셀)에서, 전극 어셈블리의 우측으로의 변위가 시작되자마자 스프링력은 증가하기 시작한다. 전극 어셈블리가 충분히 이동되어, 전극 어셈블리의 좌측부가 캔의 내부 좌측면에 있는 경우, 스프링력은 167 g/cm이다(라인 E와 그래프의 교차점에 상응). 이는 12.90의 직경의 전극 어셈블리를 갖는 셀에서, 리드가 매우 과압축되지 않는 한, 리드와 캔 사이에 스프링력이 존재함을 의미한다. 극도의 과압축은 점 C1을 넘어선 변위를 야기하여, 변형된 리드 및 캔 사이에 접촉하는 다수의 점이 존재하고, 리드 물질의 항복 강도가 초과되어 스프링력이 급격히 증가하고(그래프 벗어남), 적은양으로 뒤로 밀려난 후에 스프링력이 0으로 떨어진다. 도 8은 약 11.55 mm (도 7에 나타낸 최소 전극 직경보다 1.35 mm 더 작음)와 같이 작은 전극 어셈블리 직경이 13.44 mm의 캔 내경 및 이 평가에 사용된 리드를 갖는 셀 내에 사용될 수 있음을 나타낸다.
도 9(1.78 mm 반경 원호형 리드를 갖는 FR6 셀)에서, 모델의 출발점에서는 전극 어셈블리와 리드 사이에 작은 갭이 존재하지만, 캔의 내부 좌측면에 대해 위치한 12.90 mm 직경의 전극 어셈블리에 상응하는 변위에서 스프링력은 0을 넘는다. 라인 E는 1.07 mm (0.042 인치)까지 그리고 0을 넘는 스프링력을 갖고 있는 때까지 좌측으로 이동될 수 있어, 비교적 작은 직경(11.83 mm 이상)의 전극 어셈블리가 상기 리드로 사용될 수 있다.
도 10의 그래프는 도 9의 것과 비슷하다. 점 A1, B1, C1 및 D1이 일반적으로 도 9의 상응점보다 더 높기 때문에, 전극 어셈블리의 캔 내로의 삽입 과정에서 리드의 과압축이 없는 경우, 1.78 mm 원호 반경에서보다 1.91 mm 원호 반경에서의 스프링력이 더 높을 것이다. 상기 리드 디자인으로 사용 가능한 최소 전극 어셈블리는 도 9에 측정된 것보다 약간만 크다.
도 11의 그래프는 도 9 및 도 10과 유사하다. 비교하면, 점 B1을 넘는 변위(점 D1은 도 11에 도시하는 최대 스프링력을 초과함)에서 2.29 mm의 원호 반경이 더 높은 스프링력을 야기하지만, 과압축으로부터 야기되는 스프링력의 감소가 조금 있고, 사용 가능한 최소 전극 어셈블리 직경은 1.91 mm 및 1.78 mm 원호 반경을 갖는 리드보다 약간 더 크다는 것을 알 수 있다.
도 12, 13 및 14에서 FR03 셀이 나타내는 형태는 도 7-11과 유사하다. V형 리드의 과도한 압축은 리드의 약화 및 스프링력 감소를 야기할 수 있다. 도 12에 나타낸 판형 전극 리드로 사용가능한 최소 전극 직경은 약 9.40 mm (0.370 인치)이고, 도 14에 나타내는 1.40 mm 반경 원호형 리드의 경우 최소가 약 8.64 mm (0.340 인치)이고, 도 13에 나타내는 90°V형 리드의 경우 최소가 약 8.46 mm (0.333 인치)이다.
실시예 2
도 1 및 도 2의 셀(10)과 유사한 FR6 셀의 10개의 로트가 셀 특성 및 성능을 평가하기 위해 제조되었다. 로트 1 및 로트 2의 각 셀은 전극 어셈블리 주위를 둘러싼 폴리에틸렌 필름의 0.0254 mm (0.001 인치) 두께의 스트립이다. 평균 전극 어셈블리 외경(폴리에틸렌 필름의 스트립 포함)은 13.06 mm (0.514 인치)였다. 로트 3-10의 각 셀은 폴리에틸렌 필름의 외부 랩을 갖지 않고, 전극 어셈블리의 평균 외경은 12.95 mm (0.510 인치)였다. 모든 로트에서, 캔의 평균 내경은 13.41 mm (0.528 인치)였다. 모든 로트에서 음극 리드는 4.75 mm (0.187 인치) 폭의 전도성 금속의 얇은 스트립으로 제조되고, 55.9 mm (2.20 인치) 길이로 절단되었다. 도 2에 도시한 바와 같이, 리드의 한쪽 단부를 외부 단부 근처의 리튬 음극에 부착시켜, 조립된 전극 어셈블리의 바닥 단부로부터 튀어나온 리드의 단자 부분이 바깥쪽으로 굽고 그 후 위쪽으로 굽어, 리드의 단자 부분이 세로축으로 평행하고, 전극 어셈블리의 외부 면과 인접하도록 하였다.
음극 리드는 표 2에 나타낸 바와 같이 각각의 로트에서 달랐다. 단자 부분이 전극 어셈블리의 측부를 따라 굽는 경우 비평면 리드는 단일 V형 또는 원호형 그루브를 갖고, 전극 어셈블리의 세로축과 평행하였다. 표 2에 나타낸 V 다리각, 원호 길이 및 원호 반경은 형상을 만드는데 사용된 도구의 치수이고, 실제 형성된 리드에서는 편차 및 변동이 있었다. 그루브는 리드의 단자 부분으로부터 연장되는 약 12.7 mm (0.50 인치) 길이였고, V형 또는 원호형 부분으로부터 평면 부분에 이르기까지 전위 구역을 갖는다.
각 로트로부터의 샘플 셀은 60℃에서 60일간 보관하기 전 및 후에, 개로 전압, AC 임피던스 및 전류량을 시험하였다. 각 로트의 샘플 셀은 또한 방전 변동, 물리적 과부하 및 전기적 과부하를 시험하였다. 로트간에 예상한 변동을 넘어선 실질적 차이는 없었다.
로트 리드 물질 리드 형상
1 니켈 도금 냉연 강철,
0.051 mm(0.002 인치) 두께 		판형
2 니켈 도금 냉연 강철,
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 V형 그루브,
90°다리각
3 니켈 도금 냉연 강철,
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 원호형 그루브, 90°원호,
1.91mm(0.075 인치) 반경
4 니켈 ,
0.076 mm(0.003 인치) 두께		 V형 그루브,
90°다리각
5 니켈 ,
0.076 mm(0.003 인치) 두께		 원호형 그루브, 90°원호,
1.91mm(0.075 인치) 반경
6 니켈 도금 냉연 강철,
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 판형
7 니켈 도금 냉연 강철,
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 V형 그루브,
73°다리각
8 니켈 도금 냉연 강철
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 원호형 그루브, 90°원호,
1.50mm(0.059 인치) 반경
9 구리-니켈 합금
(Olin Brass 합금 7025)
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 V형 그루브,
73°다리각
10 구리-니켈 합금
(Olin Brass 합금 7025)
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 원호형 그루브, 90°원호,
1.50mm(0.059 인치) 반경
개시되는 진의를 벗어나지 않는 한 다양한 변형 및 향상이 본 발명에 이루어질 수 있음을 본 발명을 실시하는 사람들 및 당업자가 이해할 것이다. 보호되는 영역은 청구항 및 법이 허용하는 해석 범위에 의해 결정된다.

Claims (30)

  1. 내부 직경(inner diameter), 하나 이상의 측벽 및 바닥벽을 갖는 실린더형 용기;
    음극 스트립, 양극 스트립, 및 음극과 양극 사이에 배치된 하나 이상의 분리막 스트립을 갖는 실린더형 전극 어셈블리로서, 상기 전극 어셈블리는 용기의 측벽에 인접하는 비전도성 외측면에 의해 구획되는 바닥 및 외부 직경을 갖는 전극 어셈블리; 및
    전해질
    을 포함하는 전기화학 셀로서,
    상기 음극 또는 양극 중 하나는 전극 어셈블리로부터 연장되는 전기적 리드(lead)를 통해 용기 측벽과 전기적으로 접촉하고, 상기 리드의 적어도 일부가 전극 어셈블리 측면과 용기 측벽 사이에 배치되며;
    상기 리드는 압력에 의해서만 용기 측벽과 물리적으로 접촉하고;
    전극 어셈블리 측면 및 용기 측벽 사이의 리드의 일부는 전극 어셈블리의 세로축에 평행하게 배치된 그루브(groove)를 포함하며;
    용기 내부 직경과 전극 어셈블리 직경 사이의 최대 차이는 하기로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 식으로 정의되는 것인 전기화학 셀:
    Figure 112012095885192-pct00024
    i)
    상기 식에서, W는 리드의 표면을 따라 측정된 리드의 폭이고, t는 리드의 물질 두께이고, R은 리드의 두 세로 모서리 사이에 형성된 원호의 반경이고, ID는 용기의 내부 직경이고, 그리고 (W/R)≤π임; 및
    Figure 112012095885192-pct00025
    ii)
    상기 식에서, W는 리드의 표면을 따라 측정된 리드의 폭이고, t는 리드의 물질 두께이고, θ는 리드의 두 세로 모서리에 의해 정의되는 0 내지 180도의 각이며, ID는 캔의 내부 직경임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극 어셈블리가 전극 어셈블리 측면의 적어도 일부를 덮는 전기적 절연 물질의 스트립을 더 포함하는 것인 것인 셀.
  3. 제1항에 있어서, 상기 그루브의 적어도 일부가 V형인 것인 셀.
  4. 제1항에 있어서, 상기 그루브의 적어도 일부가 원호형인 것인 셀.
  5. 제1항에 있어서, 전극 어셈블리 측면 및 용기 측벽 사이의 리드 일부가 전극 어셈블리 측면쪽으로 안쪽을 향하지 않는 모서리를 보유하는 것인 셀.
  6. 제1항에 있어서, 전극 스트립 및 분리막 스트립이 나선형으로 권취된 형태인 것인 셀.
  7. 하우징, 전극 어셈블리 및 전해질을 포함하는 전기화학 전지 셀로서,
    상기 전극 어셈블리는 음극 스트립, 양극 스트립, 및 음극 및 양극 사이에 배치된 하나 이상의 분리막 스트립을 포함하고;
    상기 하우징은 하나 이상의 측벽 및 바닥벽을 보유하는 용기를 포함하며;
    상기 전극 어셈블리는 용기 측벽에 인접하는 비전도성 외측면 및 용기 바닥벽에 인접하는 바닥을 보유하고;
    상기 음극 및 양극 중 하나는 전극 어셈블리로부터 연장되는 전기적 리드를 통해 용기 측벽과 전기적으로 접촉하고, 상기 리드의 적어도 일부가 전극 어셈블리 측면과 용기 측벽 사이에 배치되며;
    상기 리드는 압력에 의해서만 용기 측벽과 물리적으로 접촉하고;
    전극 어셈블리 측면 및 용기 측벽 사이의 리드의 일부는 용기 측벽의 내부 면에 대해 바이어스된, 전극 어셈블리 및 두 그루브 모서리의 세로축에 평행하게 배치된 단일 그루브를 갖는 형상을 포함하며,
    용기 내부 직경과 전극 어셈블리 직경 사이의 최대 차이는 하기로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 식으로 정의되는 것인 전기화학 전지 셀:
    Figure 112012095885192-pct00026
    i)
    상기 식에서, 그루브는 원호형이며, W는 리드의 표면을 따라 측정된 리드의 폭이고, t는 리드의 물질 두께이고, R은 리드의 두 세로 모서리 사이에 형성된 원호의 반경이고, ID는 용기의 내부 직경이고, 그리고 (W/R)≤π 임; 및
    Figure 112012095885192-pct00027
    ii)
    상기 식에서, 그루브는 V형이며, W는 리드의 표면을 따라 측정된 리드의 폭이고, t는 리드의 물질 두께이고, θ는 리드의 두 세로 모서리에 의해 정의되는 0 내지 180도의 각이며, ID는 캔의 내부 직경임.
  8. 제7항에 있어서, 전극 어셈블리는 전극 어셈블리 측면의 적어도 일부를 덮는 전기적 절연 물질의 스트립을 더 포함하는 것인 셀.
  9. 제7항에 있어서, 다수의 양극 스트립, 다수의 음극 스트립 및 분리막 스트립이 적층된 형태인 것인 셀.
  10. 제7항에 있어서, 전극 스트립 및 분리막 스트립이 접힌 형태인 것인 셀.
  11. 제7항에 있어서, 셀은 각기둥형 셀인 것인 셀.
  12. 제7항에 있어서, 전극 어셈블리가 비실린더형인 것인 셀.
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