KR101626939B1 - 전기 화학 전지용 저 증기 투과율을 지닌 클로저 어셈블리 - Google Patents

전기 화학 전지용 저 증기 투과율을 지닌 클로저 어셈블리 Download PDF

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Abstract

전해질 증기 투과율로 인해 전기 화학 전지의 질량 손실 및 중량 손실을 최소화하기 위해 컨테이너와 컨테이너의 개구 단부를 시일링하기는 단부 어셈블리를 포함하는 전기 화학 전지용 클로저 어셈블리가 개시되었다. 단부 어셈블리에는 전기 화학 전지내의 압력이 소정 한계값을 초과할 때 유체를 배출시킬 수 있는 배출구; 단부 어셈블리의 도전성 콘택트와 전기 화학 전지의 전극의 전류 집전자와 동작적으로 전기 접촉하는 콘택트 부재; 상이한 극성을 갖는 클로저 어셈블리의 적어도 도전 컴포넌트들간에 배치된 절연성의 폴리머 시일 부재가 구비되어 있다. 바람직한 실시예에서, 시일 부재는 시일 부재를 통하는 전해질의 증기 투과율을 최소화하도록 선택된 치수 비율을 갖는다.

Description

전기 화학 전지용 저 증기 투과율을 지닌 클로저 어셈블리{CLOSURE ASSEMBLY WITH LOW VAPOR TRANSMISSION FOR ELECTROCHEMICAL CELL}
본 발명은 전해질 증기 투과율로 인해 전기 화학 전지의 질량 손실 및 중량 손실을 최소화하기 위해 컨테이너와 컨테이너의 개구 단부를 시일링하는 단부 어셈블리를 포함하는 전기 화학 전지용 클로저 어셈블리에 관한 것이다. 단부 어셈블리에는 전기 화학 전지내의 압력이 소정 한계값을 초과할 때 유체를 배출시킬 수 있는 배출구 부재; 단부 어셈블리의 도전성 콘택트와 전기 화학 전지의 전극의 전류 집전자와 동작적으로 전기 접촉하는 콘택트 부재; 상이한 극성을 갖는 클로저 어셈블리의 적어도 도전 컴포넌트들 간에 배치된 절연성의 폴리머 시일 부재가 구비되어 있다. 바람직한 실시예에서, 시일 부재는 시일 부재를 통한 전해질의 증기 투과율을 최소화하도록 선택된 치수 비율을 갖는다.
전기 화학적으로 활성인 물질로서 리튬 금속 또는 합금을 함유하는 전기 화학 전지는 여러 전자 디바이스에 전력을 공급하기 위해 이용된다. 전자 디바이스 제조자들은 흔히 "AA" 또는 "AAA" 크기와 같은 여러 표준화된 컨테이너 외부 크기, 또는 ANSI 명명법에 따른 R6 또는 R03 크기의 컨테이너를 갖는 전기 화학 전지를 수용하도록 전자 디바이스를 설계한다. UN(United Nations) 및 DOT(Departmenet of Transportation)와 같은 규제 기관들은 리튬을 함유하는 전기 화학 전지의 운송에 관한 규정을 규정하고 있다. 특정한 전지 유형에 대한 최대 리튬 함유량을 규정하는 외에, UN/DOT 규정은 리튬 함유 전지가 질량 손실 테스트, 예로서, T1 고도 시뮬레이션 테스트 및 T2 열순환 테스트를 통과할 것을 필요요건으로 한다.
전기 화학 전지의 질량 손실 및 중량 손실은 전기 화학 전지의 시일링 부재를 통한 전해질 배출의 확산 및, 특히 온도 순환 동안, 시일링 인터페이스에서의 전해질 누설과 같은 원인에 기인할 수 있다. 확산 중량 손실은 한 실시예에서 시일링 부재의 증기 투과율과 시일링 부재의 치수 비율 및 시간의 곱으로 계산될 수 있다. 치수 비율은 전해질이 확산하는 단면적 영역을 증기가 이동하는 경로 길이로 나눔으로써 계산될 수 있다. 전지의 크기가 감소함에 따라, 경로 길이에 대한 단면적 영역의 비율은 전지의 체적 또는 질량만큼 빠르게 감소하지 않는다. 그러므로, 상대적으로 소형인 전지는 대형 전지 보다 높은 백분율의 질량 손실을 갖는 경향이 있고, 소형 전지가 UN/DOT 질량 손실 규정을 충족시키는 것이 더 어려운 것으로 여겨진다.
또한, 전기 화학적으로 활성인 리튬을 함유한 전지와 같은 전기 화학 전지는 흔히 비수용성 전해질 용액을 이용하고 휘발성 및/또는 반응성을 가질 수 있는 소금을 이용한다. 이러한 관점에서 볼 때, 증기 투과율로 인한 질량 손실을 최소화하는 전기화학전지를 구성하는 것이 해결해야 할 과제이다.
또다른 과제는 전지에 정상적인 방전 또는 저장 상태에 있는 동안 시일링을 유지하면서 내부 압력의 증대를 제한하도록 전지 내부로부터 유체를 배출 또는 방출하기 위한 압력 해제 벤트 부재가 구비되도록 하는 것이다. 벤트 부재 없이는, 전지는 고장나거나, 부풀어 오르거나, 누설하거나 및/또는 분해될 수도 있다.
다양한 압력 해제 벤트 부재 및 클로저 어셈블리 구성이 전기 화학 전지에 사용되어 왔다.
미국 특허 제 3,279,953호의 발명은 시일링된 전지의 금속 케이싱에 대한 절연 시일에 관한 것이다. 상세히는, 관형 금속 시이트 케이싱의 개구 단부와, 유사한 시일링된 케이싱이 또한 다른 응용분야에 사용된 경우에도, 예를 들어 플래시라이트에서, 시일링된 전지의 두 개의 반대 극성 단자를 구성하는 금속 시트 커버 인클로저간의 절연성 시트 접합에 관한 것이다.
미국 특허 제 3,852,117호의 발명은 실린더 벽과 원통형 컨테이너의 한 단부에 있는 클로저 디스크 사이에 위치된 전기 화학 전지등을 위한 시일에 관한 것이다. 이 시일은 실린더 벽의 변형에 의해 형성된 대향하는 원형 시일링 부재를 포함하는 데, 이는 자신의 림 주위에 디스크의 대향면을 갖고 있다. 이 시일은 실린더 벽의 변형이 시일링 부재를 형성하게 하고 그러한 부재가 클로저 디스크를 가압하게 하는 실린더 벽의 측방향 압력에 의해 폐쇄된다.
미국 특허 제 5,876,868호의 발명은 배터리의 내부 압력의 비정상적 증가로 인한 배터리 폭발을 방지하는 폭발 방지 기능과 배터리 어셈블리 동작 효율의 개선에 기여할 수 있는 매우 양호한 배터리 시일링에 관한 것이다.
미국 특허 제 6,207,320호의 발명은 전해질로 충전된 캔 및 전극 어셈블리를포함하는 배터리에 관한 것이다. 캡 어셈블리는 캡 어셈블리와 캔의 상부 단부사이에 개재된 가스킷을 갖춘 캔의 상부 단부에 기밀하게 장착된다. 캡 어셈블리는 안전 홈이 구비된 플레이트, 이 플레이트에 배치된 전류 제어 부재, 전류 제어 부재에 배치된 캡 커버, 및 플레이트의 하부에 있고 지지 플레이트에 의해 지지되는 회로 차단기를 제공한다. 또한, 적어도 하나의 상기 플레이트, 전류 제어 부재 및 캡 커버의 외주 에지는 지지 플레이트 주위로 구부러진다.
미국 특허 제 6,620,544호의 발명은 발전기를 수용하는 캔을 포함하는 시일링된 배터리; 캔의 개구부에 크림핑되고 발전기의 양극 및 음극 중 하나에 연결된 시일링 부재; 캔과 시일링 부재 사이에 배치된 가스킷; 커버 캡과 시일링 부재 사이에 배치된 절연 부재를 갖춘 시일링 부재에 배치된 커버 캡; 배터리의 온도가 허용가능한 정도 이상으로 증가할 때 전류의 흐름을 차단하기 위해 커버 캡과 시일링 부재사이에 배치된 전류 제어 부재, 및 전류 제어 부재에 직접적으로 전달되는 충격을 방지하기 위해 커버 캡과 전류 제어 부재사이에 배치된 충격 흡수기를 포함하는 시일링된 배터리에 관한 것이다.
미국 특허 제 6,777,128호의 발명은 양극 플레이트, 음극 플레이트 및 이들사이에 개재된 세퍼레이터를 갖는 배터리 유닛, 배터리 유닛을 수용하는 캔, 캡 커버, 안전 배출구 및 가스킷을 갖는 캡 어셈블리를 포함하는 2차 전지 및 2차 전지의 제조 방법에 관한 것으로, 안전 배출구의 단부는 안전 배출구가 안전한 방식으로 가스킷에 삽입되도록 안전 배출구의 외주부를 따라 제공된 가스킷으로 채워지도록 그 내부로 구부러진다.
미국 특허 공보 제 2005/0244706호의 발명은 전지 컨테이너의 개구 단부를 시일링하기 위한 콜렉터 어셈블리를 갖춘 전기 화학 전지에 관한 것이다. 콜렉터 어셈블리는 리테이너 및 주변 플랜지를 갖춘 콘택트 스프링을 포함하는 데, 리테이너와 콘택트 스프링은 각각 그 내부에 중앙 개구를 갖는다. 리테이너 및 주변 플랜지를 갖춘 콘택트 스프링 사이에 배치된 압력 해제 벤트 부재는 정상적인 상태하에선 콘택트 스프링과 리테이너의 개구를 시일링하고 내부 압력이 소정 한계를 넘을 때에는 전지 내부로부터의 압력을 배출시키기 위해 파열된다.
미국 특허 공보 제 2006/0228620호의 발명은 전기 화학 전지에서의 사용을 위해 응용된 클로저 어셈블리 및 파열가능한 배출구 시일에 관한 발명이다. 배출 시일은 폴딩된 부분이 주름지거나 겹치지 않고서도 배출구의 적합한 시일링이 보장되도록 하기 위해 폴딩될 수 있는 일련의 주변 돌출부를 포함한다.
미국 특허 공보 제 2007/0015046호의 발명은 전지 내부에서 발생되는 가스, 및 전해질이 누설되지 않도록 안전 배출구와 접촉하는 가스킷의 표면에 형성된 돌출부 또는 공핍부를 가짐으로써, 전지의 안전성을 향상시키는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
미국 특허 출원 제 2008/0070109호의 발명은 대향하는 세퍼레이터가 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 한편 이들 양극과 음극에 의해 형성된 전극 본체, 전극 본체를 수용하는 외부 케이스, 외부 케이스의 개구 및 외부 케이스 내부에 위치된 시일링 플레이트의 단부를 시일링하기 위한 시일링 플레이트를 포함하는 편평한 형상의 비수용성 전해질 2차전지에 관한 것이다. 또한, 시일링 플레이트는 양극 단자로서의 기능을 하고, 외부 케이스는 음극 단자로서의 기능을 하고, 양극과 접촉하는 시일링 플레이트의 표면층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 된 금속 층으로 형성된다.
일본 특허공보 제 10-340714호의 발명은 전해질이 누설되지 않도록 하고 가해진 충격에 대한 배터리 저항성을 증가시키는 구조를 갖춘 비수용성 2차 전지에 관한 것이다.
일본 특허공보 제 09/274900호의 발명은 폭발 방지 밸브 본체의 파괴를 방지하고 단자 캡 보다 안쪽에 폭발 방지 밸브 본체를 배열하고 전극 리드를 용접 플레이트를 통해 폭발 방지 밸브 본체에 연결함으로써 폭발 방지 밸브 본체의 파괴 방지 기능을 개발하는 것에 관한 것이다.
일본 특허공보 제 2007-141673호의 발명은 장기간 사용 및 보존될 수 있는 양극에 대한 재료로서 니켈 도금된 스틸 플레이트를 사용하여 비용을 절감할 수 있는 보빈타입의 리튬 일차 전지에 관한 것이다.
상기 설명한 개시 문헌을 고려할 때, 비상시 필요에 따라 배출구 부재를 통해 배출될 수 있도록 하면서 증기 투과율에 대한 바람직한 장벽 특성을 나타내는 단부 어셈블리를 갖는 클로저 어셈블리를 갖는 전기 화학 전지를 제공하는 것이 요망된다.
상기 종래 기술을 고려할 때, 본 발명의 목적은 전해질 증기 투과율, 따라서 질량 손실에 대한 효과적인 장벽을 형성하는 단부 어셈블리에 의해 시일링된 개구 단부를 갖춘 컨테이너를 포함하는 클로저 어셈블리를 갖는 전기 화학 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단부 어셈블리에 의해 폐쇄된 개구 단부를 갖는 컨테이너를 갖는 전기 화학 전지를 제공하는 것으로서, 상기 컨테이너는 누설을 억제하기 위해 단부 어셈블리에 축방향 힘 및 반경 방향 힘을 분배한다. 바람직한 실시예에서, 컨테이너는 원통형이고 비드의 상부 벽과 컨테이너의 상부에 있는 내향으로 크림핑된 단부 사이에 위치된 단부 어셈블리의 일부에 의해 컨테이너가 상기 상부 벽과 크림핑된 단부 사이에서 축 방향으로 압축될 수 있도록 이격된 관계를 이루어 유지되는 원주부 비드의 상부 벽과 하부 벽을 갖춘, 컨테이너 개구를 향해 내향 및 상향으로 돌출하는 측벽에서 주위부 비드를 갖는다.
본 발명의 또다른 목적은 증기 투과율에 대해 증가된 경로 길이를 제공하는 클로저 어셈블리를 갖는 전기 화학 전지를 제공하는 것으로, 상기 경로 길이는 한 실시예에서 비교적 깊게 내향으로 돌출하는 깊이를 갖는 비드를 컨테이너에 제공함으로써 증가한다. 비드 구성은 잠재적인 전해질 증기 배출구의 단면적 영역을 최소화하기 위해 단부 어셈블리의 컴포넌트와 비드사이에 비교적 작은 두께를 갖는 시일 부재를 수반할 수 있다.
본 발명의 또다른 목적은 소정의 내부 압력으로 배출시킬 수 있는 배출구 부재를 포함하는 단부 어셈블리를 갖는 전기 화학 전지를 제공하는 것으로, 상기 배출구 부재는 전해질 증기 투과에 저항할 수 있고 예를 들어, 포일 배출구 또는 볼 배출구일 수 있다.
본 발명의 또다른 목적은 컨테이너를 포함하는 클로저 어셈블리 및 상기 컨테이너와 상이한 극성을 갖는 단부 어셈블리의 적어도 전기적으로 도전성을 갖는 컴포넌트로부터 측벽을 전기적으로 절연시키는 시일 부재를 포함하는 단부 어셈블리를 갖는 전기 화학 전지를 제공하는 것으로, 상기 단부 어셈블리는, 바람직하게는 스프링 형상 특징을 갖는 내부 콘택트 부재로서, 증기 투과율을 감소시키기 위해 전기 화학 전지에 대한 축방향 시일링 및 반경 방향 시일링 모두를 제공하기 위해 컨테이너 측벽과 시일 부재와 조합하여 작용하는 주변 플랜지를 갖는 콘택트 부재를 이용하여, 압력 해제 벤트 부재에 연결되는, 상기 내부 콘택트 부재를 포함한다.
본 발명의 또다른 목적은 콘택트 부재와 컨테이너 측벽 사이에 배치된 시일 부재를 이용하여, 콘택트 부재와 컨테이너 측벽사이에 반경 방향 압력을 제공하는 데에 도움을 주는 두 개의 분리된 축방향 세그먼트를 포함하는 주변 플랜지를 갖는 콘택트 부재를 포함하는 클로저 어셈블리를 갖는 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 전해질로부터 클로저 어셈블리의 절연성, 폴리머 시일 부재를 차폐시키는 데에 도움을 주는 클로저 어셈블리를 갖는 전기 화학 전지를 제공하는 것으로, 상기 클로저 어셈블리는 내부 커버에 전기적으로 연결된 콘택트 부재를 포함하고, 또한 콘택트 부재와 컨테이너의 비드의 내부 사이에 위치되고 및 이들과 접촉하고 있는 절연 부재를 더 포함하며, 상기 절연 부재는 전류 집전자와는 상이한 극성을 갖는 컨테이너와 전지의 전극의 전류 집전자 사이의 접촉을 방지하는 기능을 한다.
본 발명의 또다른 목적은 특히, 전기 화학 전지에 대한 컨테이너를 포함하는, 전기 화학 전지를 형성하는 방법으로서, 전해질 증기의 누설에 기인한 질량 손실을 최소화하는, 향상된 축방향 및 반경 방향 시일링 력을 제공하기 위해, 컨테이너 측벽에 신장되고 상향으로 테이퍼 진 비드 상부 벽을 형성하는 것을 포함하는, 상기 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에서, 전기 화학 전지가 개시되는 데, 이 전기 화학 전지는 폐쇄된 바닥 단부, 측벽 및 개방 단부, 컨테이너 내부에 배치된 나선형으로 감긴 전극 어셈블리를 갖는 금속 컨테이너와, 컨테이너의 개방 단부를 폐쇄하는 단부 어셈블리를 포함하고, 상기 전극 어셈블리는 포지티브 전극, 본질적으로 리튬 또는 리튬 합금으로 이루어진 네거티브 전극, 포지티브 전극과 네거티브 전극 사이에 배치된 세퍼레이터, 및 비수용성 휘발성 전해질, 측벽내의 원주방향 내부 돌출부를 포함하며, 천이 부재에 의해 연결된 상부벽 및 하부벽을 가지며, 상기 상부 벽은 상기 전지의 반경 방향 중심을 향하여 상향으로 경사져 있고, 상기 상부 벽은 각각의 길이를 따라 하부 벽으로부터 이격되어 있으며, 상기 단부 어셈블리는 소정 내부 압력으로 배출시킬 수 있는 벤트 부재, 전류 제한 또는 차단 부재, 단부 어셈블리의 도전성 콘택트와 컨테이너 사이에 위치된 절연성의 폴리머 시일 부재를 포함하며, 상기 도전성 콘택트는 포지티브 전극 또는 네거티브 전극과 동작적으로 전기 연결된다.
본 발명의 또다른 양상에서, 전기 화학 전지를 형성하는 방법이 개시되는 데는 데, 이 방법은 폐쇄된 바닥 단부, 측벽 및 개방 단부를 갖는 실린더형 컨테이너를 제공하는 단계, 전극 어셈블리를 상기 컨테이너에 삽입한 후 초기 비드를 컨테이너의 측벽에 형성하는 단계, 단부 어셈블리의 주변부가 초기 비드의 상부벽에 놓이도록 단부 어셈블리를 컨테이너에 삽입하는 단계, a) 컨테이너의 바닥부에, b) 비드 지지체를 갖춘 초기 비드에, 및 c) 컨테이너의 개방 단부에 지지체를 제공하고 상부 벽을 상기 전지의 반경 방향 중심을 향하여 상향으로 테이퍼지도록 하는 단계, 및 컨테이너 측벽의 개방 단부를 크림핑하고 시일링된 전지를 형성하도록 상향으로 테이퍼진 상부벽의 일부분과 크림핑된 단부 사이에 단부 어셈블리를 고정시키는 단계를 포함하고, 상기 초기 비드는 전극 어셈블리 보다 높은 전지 축방향 높이에 위치되고, 상기 비드의 상향으로 테이퍼진 상부벽은 시일링된 전지에서 비드의 하부 벽으로부터 이격된다.
본 발명의 또다른 양상에서, 전기 화학 전지를 형성하는 방법이 개시되는데, 이 방법은 폐쇄된 바닥 단부, 단부 어셈블리에 의해 시일링된 개방 단부, 폐쇄된 바닥 단부와 상기 개방 단부 사이에서 뻗는 측벽을 갖는 실린더형 도전성 컨테이너 및 포지티브 전극, 네거티브 전극 및 포지티브 전극과 네거티브 전극 사이에 배치된 세퍼레이터 및 전해질을 갖는 전극 어셈블리, 및 상기 측벽을 제2 극성을 갖는 단부 어셈블리의 전기적으로 도전성의 컴포넌트로부터 전기적으로 분리시키는 시일 부재를 포함하는 상기 단부 어셈블리를 포함하고, 실린더형 도전성 컨테이너는 제1 극성을 띄게 되고 단부 어셈블리는 제 2 극성의 콘택트 어셈블리를 갖게 되고, 상기 측벽은 내향으로 뻗는 비드를 가지며, 상기 전극 중의 하나의 전극은 컨테이너와 동작적으로 전기적으로 연결되고 다른 하나의 전극은 단부 어셈블리의 콘택트 어셈블리와 동작적으로 전기적으로 연결되며, 상기 콘택트 어셈블리는 압력 해제 벤트 부재에 연결된 주변 플랜지를 갖는 도전성 콘택트 부재를 포함하고, 상기 압력 해제 벤트 부재는 물질이 압력 해제 벤트 부재를 통해 빠져나갈 수 있도록, 적어도 소정 완화 압력 만큼 높은 내부 전지 압력에 응답하여 파열될 수 있고, 상기 주변 플랜지는 인접한 측벽의 세그먼트에 실질적으로 평행한 축방향 거리로 뻗는 축방향 세그먼트를 포함하고, 상기 주변 플랜지는 실질적으로 반경 방향에서 상기 축방향 세그먼트로부터 뻗는 반경 방향 세그먼트 및 비드 위에서 축방향으로 위치된 부분을 포함하며, 상기 주변 플랜지는 축방향 세그먼트로부터 실질적으로 축방향으로 뻗는 제2의 하부 축방향 세그먼트로 천이하며, 상기 시일 부재는 적어도 (a) 측벽과 주변 플랜지 축방향 세그먼트 사이에서, (b) 비드와 반경 방향의 세그먼트 사이에서, 및 (c) 비드와 제2의 하부 축방향의 세그먼트 사이에서 압축상태에 있다.
전해질 증기 투과율로 인해 전기 화학 전지의 질량 손실 및 중량 손실을 최소화하기 위해 컨테이너와 컨테이너의 개구 단부를 시일링하기는 단부 어셈블리를 포함하는 전기 화학 전지용 클로저 어셈블리가 제공될 수 있다.
본 발명은 첨부 도면과 함께, 발명의 상세한 설명을 읽음으로써 더욱 잘 이해되고 기타 특징 장점들이 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 전기 화학 전지의 한 실시예에 대한 부분적인 단면 입면도이다.
도 2는 상향으로 경사진 상부벽을 지닌 내부 돌출부를 가는 컨테이너의 일부분의 한 실시예에 대한 부분적인 단면 입면도이다.
도 3은 본 발명의 전기 화학 전지의 클로저 어셈블리의 또다른 한 실시예에 대한 부분적인 단면 입면도이다.
도 4는 본 발명의 전기 화학 전지의 클로저 어셈블리의 또다른 한 실시예에 대한 부분적인 단면 입면도이다.
본 발명은 전지의 내부 압력이 소정 압력 이상일 때 배출시킬 수 있는 압력 해제 벤트 부재를 포함하는 단부 어셈블리에 의해 시일링된 개방 단부를 갖는 실린더형 컨테이너를 포함하는 전지 클로저 어셈블리를 갖춘, 바람직하게는 전기 화학적으로 활성인 물질로서 리튬 또는 리튬 합금 및 비수용성 전해질을 함유하는, 전기 화학 전지에 관한 것이다. 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 잘 이해될 수 있을 것이다. 도 1은 본 발명의 실린더형 전기 화학 전지(10)를 나타낸다. 전지(10)는 일차전지 FR6 타입 실린더형 Li/FeS2 전지이다. 그러나, 본원에 설명되는 바와 같이, 본원은 기타 전지 유형, 물질 및 구성요소에도 적용될 수 있음을 알아야 한다.
전지(10)는 폐쇄된 바닥부 및 개방된 최상부 단부를 갖는 캔 형태의 컨테이너(14)를 포함하는 하우징(12)을 갖는다. 개방된 최상부 단부는 개방된 최상부 단부와 협력하는 단부 어셈블리(30)로 폐쇄된다. 컨테이너(14)는 단부 어셈블리(30)의 일부분을 지지하는 컨테이너(14)의 최상부 단부 가까이에 원주방향 내부 돌출부 또는 비드(16)를 갖는다. 비드(16)는 일반적으로 컨테이너의 최상부와 바닥부를 분리시키는 것으로 간주된다. 컨테이너(14) 및 단부 어셈블리(30)를 포함하는 클로저 어셈블리는 컨테이너(14)의 바닥부내에서 전극 어셈블리(60)를 시일링한다. 전극 어셈블리(60)는 애노드 또는 네거티브 전극(anode or negative electrode)(62), 캐쏘드 또는 포지티브 전극(cathode or positive electrode)(64) 및 애노드 또는 네거티브 전극(62)과 캐쏘드 또는 포지티브 전극(64) 사이에 배치된 세퍼레이터(66)를 포함한다. 전해질은 또한 컨테이너(14)의 바닥부에 배치된다. 도 1에 도시된 예에서, 애노드 또는 네거티브 전극(62), 캐쏘드 또는 포지티브 전극(64) 및 세퍼레이터(66)는 각각, "젤리롤(jellyroll)" 구성으로도 알려진, 나선형으로 함께 감긴 비교적 얇은 구성으로 되어 있다. 도시된 바와 같은, 전기 화학 전지(10)는 실린더형이지만, 당업자는 본 발명의 대안 실시예가 다른 형상의 전지 및 전극을 포함할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 컨테이너(14)는 예를 들어, 클로저 어셈블리에 관한 기술사상이 후속하여 설명된다면, 각기둥 형상 및 장방형 형상의 컨테이너와 같은 단부가 개방된 여러 기하학적 형상 컨테이너 중 하나일 수 있다. 단부가 개방된 실린더형 전지의 시일링이 시일을 생성하는 데에 필요로 되는 반경 방향 및 축방향 힘에 관해 해결해야 할 과제를 제시함에 따라, 증기 투과율을 최소화하기 위해 컨테이너(14)와 협동하는 시일링된, 단부 어셈블리(30)는 실린더형 컨테이너에 대해 특별한 응용을 가질 것으로 예상된다.
컨테이너(14)는 바람직하게는, 일체형으로 된 폐쇄된 바닥부를 갖는 금속 캔이다. 그러나, 양 단부에서 초기에 개방되는 금속 튜브가 일부 실시예에서 사용될 수 있다. 한 실시예에서 컨테이너(14)는 예를 들어, 컨테이너의 노출 표면을 부식으로부터 보호하기 위해 그리고 원하는 외양을 제공하기 위해 적어도 외부에 니켈로 선택적으로 도금되는 강철이다. 한 실시예에서 컨테이너(14)는 드로잉 공정을 이용하여 형성되고 ASTM 9 내지 11인 입자 크기를 지니고 약간 신장된 입자 형태에 등거리 축을 이룬, 확산 방식으로 어닐링되고, 저 탄소를 가지며, 알루미늄으로 탈산한, SAE 2006 또는 이와 등가인 강으로 제조될 수 있다. 기타 금속도 대안 실시예에서, 예를 들어, 전지의 개방 회로 전압이 약 3 볼트 보다 높도록 설계되었거나, 상기 전지가 충전가능한 경우에, 상대적으로 더 큰 내부식성을 제공하기 위해, 대안 실시예에서 사용될 수 있다. 대안 컨테이너 재료의 예로는 스테인리스강, 니켈도금된 스테인리스강, 니켈 클래딩된 스테인리스강, 알루미늄 및 알루미늄의 합금을 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다.
도1 및 도 2에 예시된 바와 같이, 비드(16)는 바람직하게는 실린더형 컨테이너 둘레에서 원주 방향으로 뻗는 내부 돌출부이다. 비드(16)는 상부벽(18), 하부벽(20) 및 상부벽(18)을 하부벽(20)에 연결하는 천이 부재(22)를 갖는다. 상부벽(18)은 전지의 반경 방향 중심을 향해 상향으로 경사지고 비드(16)의 상부벽(18)과 컨테이너(14)의 크림핑된 단부(24) 사이에 원하는 축방향 압력을 제공하는 데에 도움을 준다. 도 2에 상세히 나타낸 바와 같이, 상부벽(18)은 최하위 지점(27)과 최하위 지점(27)과 비교했을 때 전지(1)의 중심에 대해 반경 방향으로 더 근접하게 위치된 최상위 지점(28)을 포함한다. 원하는 축방향 시일링 힘을 제공하기 위해, 그리고 누설로 인한 질량 손실의 최소화를 위해, 상부벽(18)은 바람직한 각도로 테이퍼진다. 도 2에 도시된 바와 같이 더욱 상세하게는, 상부벽의 최하위 지점(27)을 통해 뻗는 가상 수평선 즉, 전지의 축방향에 수직인 선과 적어도 1˚, 일반적으로는 약 1˚ 또는 약 2˚내지 약 30˚,바람직하게는 약 3˚ 또는 약 5˚내지 약 20˚인 상부벽의 최상위 지점(28)과 상부벽의 최하위 지점(27) 사이에 그려진 가상 선간에 각도 α가 존재한다. 최상위 지점(28)과 최하위 지점(27) 사이에 위치된 상부벽 표면의 실제 윤곽은 변동할 수 있고, 예를 들어 만곡되거나 선형일 수 있다. 마찬가지로, 도 1에 도시된 바와 같이, 전지 하부 벽(20)도 전지의 반경 방향 중심을 향하여 소정 방향으로 뻗는 상향으로 경사진 테이퍼를 포함할 수 있다. 천이 부재(22)는 바람직하게는 라운드 형태로 되거나 만곡되고 상부 벽(18)과 하부 벽(20)사이에 원하는 간격을 유지할 수 있다. 상부 벽(18)과 하부 벽(20)사이의 간격은 폐쇄 공정 동안 이용된 지지 툴을 삽입 및 제거할 수 있도록 한다.
비드(16)는 증기 이동이 저속으로 일어나도록, 전해질 증기 이동에 대한 증가된 경로 길이를 제공하는, 상대적으로 깊은 깊이를 갖는다. 상대적으로 깊은 비드 깊이는 또한 전지(10)에 소망하는 반경 방향 시일링 힘을 제공한다. 본원에 정의된 바와 같은 비드 깊이는 상부 벽(26)의 최대 반경으로부터 축방향으로 또는 수직방향으로 뻗는 가상선상에 위치된 지점과 천이 부재(22)의 가장 크게 반경 방향으서 내향으로 뻗는 외부 표면부 사이의 수평방향 또는 반경 방향 거리로서 컨테이너(14)의 외부에서 측정된다. 하부 벽(29)은 도 1에 도시된 바와 같이, 비드(16) 아래에 위치되어 있다. 비드는 바람직하게는 전극 어셈블리가 컨테이너의 하부에 위치된 후 컨테이너 측벽에 형성된다.
바람직한 실시예에서, 비드 깊이는 바람직하게는, R6 크기 전지에 대해선 1.5mm 보다 크고, R03 타입 전지에 대해선 1.1mm 보다 크다. 다르게 설명하면, 비드 깊이는 R6 또는 R03 크기 전지 또는 기타 전지 크기에 대해 전지 컨테이너(14)의 최대 반경의 적어도 22%, 바람직하게는 적어도 26%, 더바람직하게는 30%이다.
단부 어셈블리(30)는 컨테이너(14)의 최상부에 배치되고 도전성 콘택트 부재(32), 선택적으로는, 전류 제한 또는 차단 부재(34), 압력 해제 벤트 부재(36), 시일 부재(40) 및 개구를 정의하는 콘택트 스프링 또는 부재(50)를 포함한다. 단부 어셈블리(30)는 선택사항으로서 개구부를 정의하는 리테이너(42)를 포함한다. 절연성의 폴리머 시일 부재(40)는 단부 어셈블리와 접촉할 수도 있는 컨테이너(14)의 극성과는 상이한 극성을 갖는 단부 어셈블리(30)의 적어도 컴포넌트들 사이에 배치된다. 전류 제한 또는 차단 부재(34)는 전극 어셈블리(60)의 포지티브 전극(64)과 도전성 접촉 단자(32) 사이의 전류 경로에 배치된다. 도전성 접촉 단자(32)는 바람직하게는 컨테이너(14)의 단부 위로 돌출하고 두 컴포넌트들간의 전기 접촉을 방지하고 그들 사이에 배치된 시일 부재(40)로 컨테이너(14)의 내향으로 크림핑된 단부(24)에 의해 제위치에 유지된다. 도전성 접촉 단자(32)에는 방출 부재(36)가 파열되었다면 유체를 배출할 수 있도록 하기 위한 하나 이상의 벤트 애퍼어처(33)가 구비되어 있다. 리테이너(42)는 벤트 부재(36)가 파열 또는 구멍이 생겼다면 유체가 흐를 수 있는 애퍼어처를 포함하는 와셔로서 도시되어 있다. 콘택트 부재(50)는 전류 제한 또는 차단 부재(34)를 통하여 도시된 바와 같이 직접적으로 또는 간접적으로 도전성 콘택트 부재(32)에 동작적으로 전기적으로 연결된다.
콘택트 부재(50)는 증기 투과율을 최소화하는 소망하는 시일을 제공하기 위해 상부 측벽(26)과 컨테이너 비드(16)와 시일 부재(40)와 협동하는 형태를 갖는다. 전극 어셈블리(60)의 포지티브 전극(64)은 리드를 통하여 직접적으로 또는 간접적으로 콘택트 부재(50)에 전기적으로 연결된다. 콘택트 부재(50)는 바람직하게는 전극 어셈블리(60)의 최상부에 배치된 포지티브 전극의 전류 집전자(65)의 상부 단부와 접촉하는 적어도 하나의 탭(51)을 갖는다. 포지티브 전극(64)의 전류 집전자(65)는, 포지티브 전극 재료가 배치되는, 예로서, 금속 기판과 같은 전기적으로 도전성의 기판이고 포지티브 전극 재료와 세퍼레이터(66)를 넘어 뻗는다. 전류 집전자(65)는, 예를 들어, 구리, 알루미늄, 또는 기타 금속 또는 이들의 합금이 전지 내부에서 안정 상태이고 이용된 재료와 양립할 수 있는 한 상기 재료들로 제작될 수 있다. 전류 집전자(65)는 바람직한 실시예에서 얇은 시트, 포일, 스크린 또는 펴진 금속 형태일 수 있다.
콘택트 부재(50)는, 원하는 컴포넌트와 충분한 전기적 접촉을 이루고 유지하는 임의의 컴포넌트가 이용될 수 있는 경우에도, 바람직하게는, 예를 들어, 형상 기억 합금 또는 두 가지 금속과 같은 하나 이상의 도전성 재료 스프링 형상 특징을 갖는 재료로 제작될 수 있다.
단부 어셈블리(30)가 어셈블리 동안 컨테이너(14)내에 배치되었을 때, 전류 집전자(65)는, 상기에서 설명한 바와 같이, 힘에 대해 저항하거나 및/또는 탄성력을 갖는 콘택트 부재(50)의 탭(51)에 대해 바이어스된다. 탭(51)의 특징은 콘택트 부재(50)와 전류 집전자(65)간에 접촉을 유지하는데에 도움을 준다. 선택사항으로서, 탭(51)은 탭(51) 및 전류 집전자(65) 양자 모두에 용접될 수 있는 와이어 또는 좁은 금속 스트립과 같은, 전기적으로 도전성의 리드를 통해 연결되거나 전류 집전자(65)에 용접될 수 있다. 용접에 의한 연결은 특히, 상대적으로 힘든 처리, 저장 및 사용 조건하에서 더욱 신뢰성이 있을 수 있지만, 압력 연결은 추가적인 어셈블리 동작 및 장비를 필요로 하지 않는다.
콘택트 부재(50)는 증기 투과율을 최소화하는 것을 목표로 하여 인접한 컨테이너 측벽의 형태에 상보적으로 구성된 탭(51)에 연결된 주변 플랜지를 갖는다. 콘택트 부재(50)는 탭(51)에 연결된 축방향 세그먼트(52) 및 축방향 세그먼트(52)로부터 반경 방향 외향으로 뻗는 반경 방향 세그먼트(53) 및 내향으로 폴딩된 단부(55) 안으로 천이하는 반경 방향 세그먼트(53)로부터 반경 방향 외향으로 위치된 또다른 축방향 세그먼트(54)를 갖는다. 하부에 있는 축방향 세그먼트(52)는 축방향 세그먼트(52)와 비드(16)간에 소망하는 압축력을 제공하기 위해 비드(16)의 벽(18)의 최상부 지점(28) 아래로 뻗는다. 두 개의 축방향 세그먼트(52 및 54)는 반경 방향 세그먼트(53)에 의해 분리되고 축방향 세그먼트(54)에 비해 전지의 반경 방향 중심에 더 가까이 위치되는 축방향 세그먼트(52)에 의해 서로로부터 상이한 반경 방향 거리로 배치된다. 축방향 세그먼트(52 및 54)와 반경 방향 세그먼트(53)는 완전한 선형이 아닐수도 있고 각각의 길이를 따라 형태면에서 변동할 수 있음을 알아야 한다. 표시한 축방향 세그먼트(52 및 54)와 반경 방향 세그먼트(53)는 축방향 세그먼트에 대해 수직방향으로부터 및 반경 방향 세그먼트에 대해 수평방향으로부터 최대 약 45˚의 각도로 각각의 축방향 또는 반경 방향으로부터의 길이를 따라 변동할 수 있다.
콘택트 부재 축방향 또는 반경 방향 세그먼트의 구성은 a) 시일 부재(40)가 컨테이너 상부 측벽(26)과 주변 플랜지 축방향 세그먼트(54) 사이에서, b) 비드 상부벽(18)의 일부분과 반경 방향 세그먼트(53) 사이에서, 및 c) 비드(16)와 축방향 세그먼트(52)사이에서 압축될 수 있도록 한다. 컨테이너와 콘택트 부재 사이에 배치된 시일 부재를 갖춘 컨테이너와 콘택트 부재 사이의 다수의 반경 방향 및 축방향 압축 영역은 전해질 증기가 전지로부터 탈출하는 능력을 감소시키도록 설계된다. 콘택트 부재의 설계는 시일 부재의 두께가 감소될 수 있도록 하는 한 요인이고, 따라서 시일 부재를 통한 증기 투과율에 대한 평균 단면영역을 최소화한다. 이 구성은 또한 전해질 증기가 전지로부터 탈출하기 위해 반드시 이동하는 비교적 긴 경로를 제공한다. 콘택트 부재는 반경 방향 및 축방향 시일링 힘에 견디도록 반경 방향 및 축방향의 구조적 강도를 제공한다. 일부 실시예에서, 콘택트 부재는 방출 부재를 시일링하는 데에 참여한다.
시일 부재(40)는 측벽 컨테이너(14)와 단부 어셈블리(30)의 다른 컴포넌트들간에 시일을 제공한다. 한 실시예에서, 시일 부재는 비드(16)의 상부 벽(18) 아래로부터 바람직하게는 천이 부재(22)의 아래 또는 천이 부재와 적어도 인접하여 뻗으며 일반적으로 비드(16) 아래에서 컨테이너의 측벽으로부터 전류 집전자(65)의 일부를 물리적으로 분리시키는 절연 부재(68)에 인접한 곳 까지, 컨테이너(14)의 최상부의 크림핑된 단부(24)에 까지 또는 이 단부를 지나서 까지 뻗는다. 비드(16)는 단부 어셈블리(30)에 대한 착석 표면을 제공한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 시일 부재(40)는 컨테이너(14)로부터 단부 어셈블리의 적어도 도전성 컴포넌트를 물리적으로 분리시키고 또한 이들 컴포넌트들간에 전해질의 누출 및 부식을 방지하기 위해 단부어셈블리(30)의 컴포넌트의 주변 에지를 시일링한다. 시일 부재(40)는 클로저 어셈블리를 컨테이너(14)에 삽입하고 컨테이너의 최상부를 폐쇄 또는 크림핑할 때, 시일 부재가 시일 부재와 컨테이너(14) 사이에서뿐만 아니라 단부 어셈블리(30)의 기타 인접한 면경계 표면과 시일 부재(40) 사이에서 시일을 생성하기 위해 압축되도록 하는 크기로 된다. 시일 부재의 최초 벽 두께는 그 경로 길이를 따라 하나 이상의 위치에서 상이할 수 있다. 한 실시예에서, 폐쇄 공정에 의한 감소 후 시일 부재의 평균 두께는 R6 크기의 전지에 대해 0.55mm 미만이고 R03 및 R8 크기의 전지에 대해 0.37mm 미만이다. 바람직한 실시예에서, 시일 부재(40)는 전지의 폐쇄시 적어도 단면 영역에서 적어도 10% 감소되었고, 이는 일반적으로 부분적인 치수의 임의의 변동을 흡수하는 데에 충분하고 전지가 종속되는 조건의 범위하에서 압축을 유지하기에 충분하다.
본 발명의 목표는 일부 실시예에서 중량 손실이 비교적 고온에서 시일 부재를 통한 확산에 기여할 수 있으므로 전해질에 노출된 시일 부재의 표면 영역을 최소화하는 것이다. 시일 부재(40)는 다른 시일 컴포넌트와 압축 시일을 형성할 수 있는 재료 조성물로 이루어질 수 있고 또한, 예를 들어, 전기화학 전지에서 전해질의 손실 및 전기화학 전지 내부로의 워터의 입력 등을 최소화하기 위해 낮은 증기 투과율을 갖는다. 시일 부재(40)는 예를 들어, 열가소성 또는 열경화성 폴리머인 폴리머 조성물을 포함할 수 있고, 이 조성물은 전극 어셈블리의 컴포넌트들, 즉 네거티브 전극(62), 포지티브 전극(64), 뿐만 아니라 전기화학 전지(10)에서 사용된 비수용성 전해질과 같은, 전해질과의 화학적 양립성과 같은 인자에 부분적으로 기초한다. 시일 부재는 소망한 시일링 및 절연 특성을 제공하는 임의의 적합한 재료로 이루어 진다. 이러한 재료의 예들로는 폴리프로필렌, 폴리페닐렌 설파이드, 테트라플루오라이드퍼플루오로알킬 비닐 에테르 코폴리머, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌 테트라플루오로에틸렌, 폴리프탈아미드, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아니다. 바람직한 가스켓의 재료로는 폴리프로필렌(예로서, 미국 델라웨어 윌밍톤 소재의 Basell Polyolefin사의 PRO-FAX® 6524), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(예로서, 미국 뉴저지 서밋 소재의 Ticona-U.S.사의 CELANEX® PBT 등급 1600A), 폴리에틸렌 설파이드(예로서, 미국 텍사스 시너 소재의 Boedeker Plastics, Inc사의 TECHTRON® PPS), 및 폴리프탈아미드(예로서, 미국 조지아 알파레타 소재의 Solvay Advanced Polymers사의 Amodel® ET 1001 L)를 포함한다. 시일 부재 조성물은 선택적으로, 무기질 필러 및/또는 유기질 필러와 같은 강화 필러를 포함할 수 있다.
시일 부재(40)는 시일링 특성을 더욱 향상시키기 위해 시일런트로 코팅될 수 있다. 에틸렌 프로필렌 디엔 테르폴리머(EPDM)는 적합한 시일런트 재료이긴 하지만, 기타 적합한 재료도 사용될 수 있다.
도 1로부터 명백한 바와 같이, 콘택트 부재(50)는 전지 내부의 전해질에 노출될 수도 있는 시일 부재(40)의 표면 영역의 비교적 많은 부분을 시일링하도록 설계될 수 있다. 시일 부재 두께는 증기 투과율에 대해 비교적 작은 단면영역을 제공하기 위해 작고, 그 결과 증기 투과율을 최소화한다.
본 발명의 시일 부재는 전지내부에 증기를 함유하는 목표를 충족시키기 위해 다수의 상이한 구성을 가질 수 있다. 도 1에 예시된 시일 부재는 축방향 길이를 따라 여러 반경 방향 치수를 갖는 중공형태의 실린더 또는 환형으로 형성될 수 있다. 폐쇄 후, 시일 부재는 컨테이너(14)의 크림핑된 단부(24)의 하부에 위치된, 실질적으로 반경 방향으로 뻗는 상부 반경 방향 세그먼트를 갖는다. 적어도 상부 반경 방향 세그먼트의 일부분은 전지 폐쇄 또는 시일링 공정 동안 축방향으로 압축되는 크림핑된 단부(24)와 비드(16) 사이에 위치되기 때문에 축방향으로 압축 상태하에 있다. 상부 반경 방향 세그먼트가 컨테이너 상부 측벽(26)에 인접한 축방향으로 실질적으로 뻗는 상부 축방향 세그먼트 내부로 천이한다. 상부 축방향 세그먼트는 일반적으로 비드(16)의 상부벽(18)과 크림핑된 단부(24) 사이에서 뻗는다. 접촉 단자(32), 전류 제한 및 차단 부재(34) 및 콘택트 부재(50)의 주변부들은 상부 축방향 세그먼트와 상부 측벽(26) 사이의 반경 방향 압축 상태하에 있는, 상부 축방향 세그먼트와 인접해 있다. 시일 부재는 비드(16)의 상부벽(18)을 따라 실질적으로 반경 방향으로 뻗는 하부에 있는 반경 방향 세그먼트로 천이한다. 하부에 있는 반경 방향 세그먼트는 상부벽(26)과 크림핑된 단부(24) 사이에 위치되는, 축방향 압축 상태하에 있는 부분을 갖는다. 시일 부재(40)는 또한 하부에 있는 반경 방향 세그먼트의 내부 단부로부터 실질적으로 축방향으로 뻗는 하부에 있는 축방향 세그먼트를 갖는다. 하부에 있는 축방향 세그먼트는 콘택트 부재(50)의 축방향 세그먼트(52)와 비드(16)의 천이 부재(22) 사이에서 반경 방향으로 압축되는 부분을 갖는다. 상기에서 설명한 바와 같이, 시일 부재 하부에 있는 하부 축방향 세그먼트는 상부 축방향 세그먼트에 비해 전지의 반경 방향 중심에 더 가까이 위치된다.
본원에 설명된 바와 같이, 일부 실시예에서, T2 테스트와 같은 온도 순환 테스트 동안 중량 손실의 주 요인은 시일 부재를 통한 전해질 증기 전도일 수 있다. T2 테스트 절차에 따라, 테스트 전지 및 배터리는, 그들의 초기 중량을 결정한 후, 75 ± 2℃와 동일한 테스트 온도에서 적어도 6시간 동안 저장되고, 후속하여 -40 ± 2℃와 동일한 테스트 온도에서 적어도 6시간 동안 저장된다. 테스트 온도 최고치들간의 최대 시간 간격은 30분이다. 이 테스트 절차는 모든 전지 및 배터리가 주위 온도(20 ± 5℃)에서 24시간 동안 저장되고 후속하여 중량을 재측정한 후, 10회 반복된다. 중량 손실은 초기 중량과 테스트 후 중량간의 차이이다. 시일 부재를 통한 확산에 의한 중량 손실은 증기 투과율과 시일 부재와 시간의 치수 비를 승산함으로써 계산될 수 있다. 확산 중량 손실은 치수비와 증기 투과율을 하나 이상 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 중량 손실을 감소시키기 위해, 치수비는 단면 영역을 감소시키거나 경로 길이를 증가시키거나 또는 이들을 조합함으로써 감소될 수 있다.
전해질으로 충전된 컨테이너의 개방 단부 위에 위치된 균등한 재료에 대해, 치수 비는 용이하게 계산될 수 있다. 여기서 단면 영역은 전해질 증기에 노출된 멤브레인의 표면 영역이고 경로 길이는 멤브레인의 두께이다. 시일 부재의 불규칙적인 형태로 인해, 치수 비의 계산은 더욱 어렵다. 본 발명에서 이용될 때, 유한 요소 확산 분석이 치수 비의 계산에 사용된다. 유한 요소 확산 분석에서, 시일 부재에서의 확산 계수와 전해질에 노출된 시일 부재 내부 표면에서의 증기 농도가 유닛(unit)이어야 하는 것으로 가정되고 주위에 노출된 시일 부재 외부 표면에서의 증기 농도가 제로이어야 하는 것으로 가정된다면 시일링된 표면에 의해 본딩된 단면 영역에 걸쳐 통합된 플럭스는 치수비이다. 또한 전류 제한 또는 차단 부재와 콘택트 부재 또는 내부 커버사이의 인터페이스가 시일링되지 않는 것으로 가정되며, 따라서, 인터페이스에 인접한 시일 부재 표면에서의 증기 농도는 제로인 것으로 가정된다. 확산 분석 모델링을 수행하기 위해 이용될 수 있는 상용으로 구입할 수 있는 소프트웨어의 샘플들로는 캘리포니아 로스 엔젤레스 소재의 MSC.Software사로부터 구입할 수 있는 MSC,MARC 2005r3, 및 RI 프로비던스 소재의 SIMULIA사로부터 구입할 수 있는 ABAQUS 가 있다. 본원에 제시된 치수 비 계산에는 MSC,MARC가 이용되었다. 도 1에 나타낸 바와 같은 R6 크기의 전지에 대해, 계산된 치수 비는 0.279cm(0.110 인치)이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 구성된 R6 크기의 리튬-이황화철 전지에 대해, 시일 부재의 치수 비는 일반적으로 1.14cm(0.45 인치) 미만, 바람직하게는 0.86cm(0.34 인치) 미만, 더 바람직하게는 0.51cm(0.20 인치) 미만이다. 마찬가지로, R03 및 R8 (AAAA) 크기의 전지에 대해, 시일 부재의 치수비는 일반적으로 0.86cm(0.34 인치) 미만, 바람직하게는 0.48cm(0.19 인치) 미만, 더 바람직하게는 0.30cm(0.12 인치) 미만이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 최종 구성된 전지를 형성하기 위한 폐쇄 공정은 여러 영역에서 시일 부재 벽 두께를 감소시킨다. 바람직한 실시예에서, 가스킷의 최소 단면 영역은 증기 경로의 입구, 예를 들어, 비드(16)의 천이 부재(22)와 콘택트 부재(50)의 축방향 세그먼트(52) 사이에 위치된 시일 부재의 일부분에 인접한 가스킷의 베이스 가까이에 위치된다. 콘택트 부재와 비드간의 단면 영역은 R6 크기의 전지에 대해 12.5㎟ 미만이고 R03 크기의 전지에 대해 6.3㎟ 미만이다. 즉, 시일링된 R6 크기의 전지에 대해 콘택트 부재(50)의 축방향 세그먼트(52)는 한 실시예에서, 비드(16)의 상부벽 최상위 지점(28) 하부에서 축방향으로, 바람직하게는 비드의 천이 부재(22)의 아래에서, 적어도 0.25mm 뻗는다.
도 1에 나타낸 실시예에서, 벤트 부재(36)는 콘택트 부재(50)의 주변 플랜지에 의해 정의된 개구부에 배치된다. 더욱 상세히는, 벤트 부재(36) 주변부는 콘택트 부재(50)의 주변 플랜지의 폴딩된 단부(55)와 축방향 세그먼트(53) 사이에서 고정된다. 나타낸 실시예에서, 리테이너(42)도 콘택트 부재(50)의 주변 플랜지의 폴딩된 단부(55)와 축방향 세그먼트(53) 사이에서 고정된다. 벤트 부재(36)와 콘택트 부재(50) 사이의 시일은 경계부 표면에서 기밀하게 압력 접촉하게 될 수 있고, 이것은, 일부 실시예에서, 벤트 부재(36)의 주변부의 압축에 의해 향상될 수 있다. 선택사항으로서, 접착제 또는 시일런트가 벤트 부재(36)를 콘택트 부재(50)에 연결시키기 위해 소망하는 경계부 표면에 인가될 수 있고 이에 따라 소망하는 시일을 형성한다. 어셈블리 동안 컨테이너(14)의 폐쇄 또는 크림핑 동안 발생된 축방향 힘은 도 1에 나타낸 바와 같이 벤트 부재(36)를 포함하는 단부 어셈블리(30)의 컴포넌트의 주변부들상에 가해진다.
가스들은 온도와 같은 환경적 조건에 기인하여 전지내에서 발생되며, 어떤 경우엔 화학 반응을 통해 정상 동작 동안 발생된다. 전지 함유물은 실질적으로 소정 압력 이하로 벤트 부재의 압력을 해제시킴으로써 전기 화학 전지내에 포함된다. 압력 해제 벤트 부재(36) 주변부는 전지 내부 압력이 소정 완화 압력 미만일 때 콘택트 부재(50)에 의해 정의된 개구부에 애퍼어처를 형성하기 위해 압력 해제 벤트 부재가 내향으로 크리핑되는 것을 방지하는 데에 충분한 양 만큼 압축된다. 전기 화학 전지 내부의 압력이 적어도 소정 완화 압력만큼 높을 때, 벤트 부재(36)는 파괴되고 전지 내부의 액체 또는 가스 또는 이들의 조합한 형태의 유체가 벤트 부재(36)의 개구부를 통해 탈출할 수 있도록 한다. 전지 내부의 유체는 도전성 접촉 단자(32)에서 하나 이상의 벤트 애퍼어처를 통해 탈출할 수 있다. 소정 완화 압력은 전지의 화학 조성에 따라 변동할 수 있다. 소정 완화 압력은 정상적인 처리 및 사용 또는 주위 분위기에 노출됨으로 인한 배출 실패를 방지하게 될 압력 이상이 바람직하다. 예를 들어, FR-6 타입 리튬 함유 전기 화학 전지에서, 소정 완화 압력 예를 들어, 벤트 부재(36)가 예를 들어, 파열을 통해 개구부를 생성할 수 있는 압력은 약 10.5kg/㎠(150 lbs/in2) 내지 약 112.6kg/㎠(1600 lbs/in2) 일 수 있고 일부 실시예에선, 약 21℃의 실온에서, 약 14.1kg/㎠(200 lbs/in2) 내지 약 56.3kg/㎠(800 lbs/in2) 일 수 있다. 압력 해제 벤트 부재(36)가 파열하는 압력은 예를 들어, 컨테이너에 천공된 홀을 통해, 전지를 가압하는 것에 의해 결정될 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전기화학 전지(10)는 선택적으로, 도전성 접촉 단자(32)와 포지티브 전극(64)의 전류 집전자(65) 사이의 전기 경로에 배치된 전류 제한 또는 차단 부재(34)를 포함한다. 전류 제한 또는 차단 부재(34)는, 내부 회로 단락, 비정상적 충전 및 강제적인 깊은 방전과 같은, 전기적 남용에 의한 결과에 따라 발생할 수 있는 상태들인, 계속되는 전지 내부 가열 및 압력 증강을 느리게 하거나 방지할 수 있고 및/또는 전류 흐름을 방지할 수 있다. 그러나, 내부 압력이 소정 완화 압력으로 증가한다면, 압력 해제 벤트 부재(36)는 내부 압력을 해제시키기 위해 파열된다. 전류 제한 또는 차단 부재(34)는 예를 들어, 포지티브 온도 계수(PTC) 디바이스일 수 있거나 또는 본원에 그 전체가 참조로 포함되어 있는 것으로 하는, 미국 특허출원 제 11/787,436호에 개시된 바와 같은, 열 전류 차단 스위치일 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 벤트 부재(36)는 예를 들어, 포일 배출구 또는 볼 벤트일 수 있다.
본 발명의 전기 화학 전지(100)의 추가 실시예가 도 3에 나타나 있다. 전지(100)는, 전기 화학 전지(100)의 내부에, 압력 해제 벤트 부재(136)를 포함하는 단부 어셈블리 및 포지티브 접촉 단자(132)로부터 하향으로 돌출하는 벤트 웰(137)을 갖는 도전성 내부 커버(151)를 포함하는 콘택트 부재 어셈블리를 포함한다. 한 실시예에서, 상기 내부 커버는 콘택트 부재에 대해 설명한 바와 같은 재료로 형성된다. 벤트 웰(137)은 벤트 부싱(141)이 배출 볼(139)과 벤트 웰(137)의 수직벽 사이에서 압축되도록 부싱(141)과 배출 볼(139)이 벤트 웰(137)에 놓일 때 이들에 의해 시일링되어 내부에 형성된 벤트 애퍼어처(138)를 갖는다. 한 실시예에서 벤트 부싱(141)은 열가소성이다. 전기 화학 배터리 전지(100)의 내부 압력이 소정 레벨을 초과할 때, 가압된 유체를 전지(100)의 벤트 애퍼어처(138)를 통해 완화시키기 위해 배출 볼(139) 및 어떤 경우엔 부싱(141)과 배출 볼(139) 모두가 벤트 애퍼어처(138)로부터 멀어지도록 강제되고 벤트 웰(137)로 부터 적어도 일부가 멀어지도록 강제된다. 도 3에 예시된 전지는 또한 내부 커버(151)에 전기적으로 연결된 도전성 탭 콘택트 부재(150)를 포함한다. 내부 커버는 내부 축방향 세그먼트(152) 및 외부 축방향 세그먼트(154)를 갖는 U자형 주변부 벽을 포함하는 데, 상기 내부 및 외부 축방향 세그먼트는 실질적으로 동일한 높이, 즉, 일반적으로는 20% 미만인 차이, 바람직하게는 10% 미만인 차이를 가지며, 두 세그먼트 모두는 실질적으로 전지(10)의 축방향으로 뻗는다. 축방향 세그먼트(152 및 154)는 이 실시예에서 반경 방향으로 뻗는 세그먼트(153)에 의해 연결된다. 내부 커버(151)의 구성은 시일 부재(140) 및 컨테이너 상부 측벽(126)과 조합하여 전해질 이동 장벽을 형성하는데에 도움이 된다. 내부 커버(151)의 반경 방향으로 뻗는 세그먼트(153)가, 전지의 폐쇄 동안, 시일 부재(140)와 함께 그들 사이에 위치된 부분을 갖는 비드(116) 위에 위치됨에 따라, 시일 부재(140)는 비드(166)와 내부 커버(151) 사이에서 축방향으로 압축된다. 또한, 축방향으로 뻗는 세그먼트(152 및 154)는 시일 부재(140)도 축방향 세그먼트(154)와 측벽(126) 사이에 위치된 부분을 포함하기 때문에 컨테이너의 인접한 측벽(126)과 연계하여 시일 부재(140)의 반경 방향 압축을 제공하는데에 도움을 준다. 전지(100)는 또한 내부 롤백 커버(151)와 접촉 단자(132) 사이에 배치된 전류 제한 또는 차단 부재(134)를 포함한다. 또한, 도 3에 예시된 전지는 도 1과 관련하여 하기에 설명되는 바와 같이, 전지의 반경 방향 중심을 향하여 상향으로 경사진 상부벽(18)을 갖는 내향으로 돌출하는 비드(116)를 포함하고, 또한 천이 세그먼트(122) 및 하부 벽(120)을 포함한다.
도 3에 예시된 시일 부재(140)는 "C" 형태의 수직 단면부를 갖는 환형으로 형성된다. 폐쇄 후, 시일 부재는 실질적으로 반경 방향으로 뻗고, 컨테이너(114)의 상부 측벽(126)의 크림핑된 단부의 하부에 위치된, 상부 반경 방향 세그먼트를 갖는다. 상부 반경 방향 세그먼트의 적어도 일부는 전지의 폐쇄 또는 시일링 공정 동안 축방향으로 압축되는 크림핑된 단부와 비드(116) 사이에 위치됨에 따라 축방향 압축하에 있게 된다. 상부 반경 방향 세그먼트는 실질적으로 컨테이너 상부 측벽(126)에 인접한 축방향으로 뻗는 외부 축방향 세그먼트로 천이한다. 외부 축방향 세그먼트는 일반적으로 비드(116)의 상부벽(118)과 크림핑된 단부 사이에서 뻗는다. 접촉 단자(132), 전류 제한 또는 차단 부재(134) 및 내부 커버(151)의 주변부들은 외부 축방향 세그먼트에 인접해 있는 데, 이 세그먼트는 상기 요소들과 상부 측벽(116) 사이에서 반경 방향 압축상태에 있다. 시일 부재 외부 축방향 세그먼트는 비드(116)의 상부벽(118)을 따라 실질적으로 반경 방향으로 뻗는 하부 반경 방향 세그먼트로 천이한다. 하부 반경 방향 세그먼트는 상부벽(118)과 측벽(126)의 크림핑된 부분 사이에 위치되는, 마찬가지로 축방향 압축 상태에 있는 부분을 갖는다. 시일 부재는 하부 반경 방향 세그먼트로부터 내부 커버(151)의 내부 축방향 세그먼트(152)와 콘택트 부재(150) 사이에서 상향으로 일정 거리만큼 뻗는 내부 축방향 세그먼트로 상향으로 천이한다.
시일 부재(140)를 통한 전해질 이동에 추가적인 방해물을 제공하기 위해, 시일 부재(140)는 내부 커버(151), 콘택트 부재(150) 및 절연 부재(168)에 의해 전해질과 전극 어셈블리를 포함하는 전지의 내부 부분으로부터 차폐된다. 절연 부재(168)는 콘택트 부재(132)에 전기적으로 연결된 전극의 전류 집전자가 컨테이너(114)의 측벽과 접촉하는 것을 방지하도록 할 뿐만 아니라, 설명한 바와 같이 전해질 이동에 대한 장벽의 일부분을 제공하는 이중의 목적을 갖는다. 바람직한 실시예에서 절연 부재(168)의 일부분은 비드(116)와 콘택트 부재(150) 사이에서 양자 모두와 접촉하여 배치됨으로써, 전해질 이동을 저속으로 하거나 방지하는 추가적인 시일을 형성한다.
볼 벤트를 갖는 전기 화학 전지에 대한 추가적인 실시예가 도 4에 나타나 있다. 도 4는 전지(200)의 상부 부분을 나타내고 있지만, 전지(200)의 하부 부분은 도 1에 도시된 것과 유사할 수 있다. 전지(200)은 압력 해제 벤트 부재(236), 볼 벤트를 포함한다. 전지(200)은 포지티브 접촉 단자(232)로부터 하향으로 돌출하는 벤트 웰(237)을 갖는, 내부 커버(251)를 포함하는 도전성 콘택트 부재 어셈블리를 포함한다. 벤트 웰(237)은 벤트 부싱(241)이 벤트 웰(237)의 수직벽과 배출 볼(239) 사이에서 압축되도록 배출 볼(239)과 벤트 부싱(241)이 벤트 웰(237)에 우치되는 경우에, 배출 볼(239)과 벤트 부싱(241)에 의해 시일링되는 벤트 애퍼어처(238)가 내부에 형성되어 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 전지(200)의 내부 압력이 소정 레벨을 초과할 때, 압력 해제 벤트 부재(236)는 벤트 애퍼어처(238)를 통해 배출될 수 있도록 그리고 접촉 단자(232)의 벤트 애퍼어처(233)를 통해 배출될 수 있도록 한다. 전지는 또한 전류 제한 또는 차단 부재(234)를 포함한다.
전지(200)는 또한 포지티브 전극의 전류 집전자와의 접촉을 위해 내부 커버(251)에 전기적으로 연결된 탭 타입의 콘택트 부재(250)를 포함한다. 내부 커버(251)는 벤트 웰(237)을 형성하는 내부 커버(251)의 일부분으로부터 반경 방향 외향으로 위치된 주변 플랜지를 갖는다. 주변 플랜지는 전해질 이동 장벽 및 적합한 전지 시일을 제공하기 위해 컨테이너(214)와 시일 부재(240)와 협동한다. 시일 부재(240)는 본원에 설명되고 도 1에 도시된 시일 부재(40)와 유사한 구성을 갖는다. 주변 플랜지는 반경 방향으로 뻗는 세그먼트(253) 및 축방향으로 뻗는 세그먼트(252)를 포함한다. 시일 부재(40)는 축방향 세그먼트(252)의 일부분과 비드(216), 상세하게는, 비드(216)의 천이 세그먼트(222)사이에서, 반경 방향으로 압축되며 뿐만 아니라 반경 방향 세그먼트(253)의 단부와 컨테이너(214)의 상부 측벽(226) 사이에서 반경 방향으로 압축된다. 시일 부재(40)의 축방향 압축 구역은 내부 커버(251)의 반경 방향 세그먼트(253)와 비드(216)의 상부벽(218) 사이에 형성된다. 예시된 바와 같이, 전지(200)의 비드(216)는 도 1과 관련하여 상기에서 설명한 바와 같이, 전지의 반경 방향 중심을 향하여 상향으로 경사진 상부벽(218)을 갖는 내향으로 돌출하는 비드이다. 상부벽(218)은 소망하는 축방향 압축을 전지(200)의 클로저 어셈블리에 부여하기 위해 하부벽(220)으로부터 이격된다.
벤트 부싱(241)은 고온(예로서, 75℃)에서 냉각 흐름에 견딜 수 있는 열가소성 재료로 이루어진다. 열가소성 재료는 에틸렌-테트라플루오로에틸렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리프탈아미드, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시-알칸, 플루오르화 퍼플루오로에틸렌 폴리프로필렌 및 폴리에테르에테르 케톤과 같은 베이스 수지를 포함한다. ETFE(Ethyylene-tetrafluoroethylene copolymer), PPS(polyphenylene sulfide), PBT(polybutylene terephthalate) 및 폴리프탈아미드가 바람직하다. 상기 수지는 벤트 부싱에 고온에서 소망하는 시일링 및 배출 특성을 제공하기 위해 열 안정화 필러를 첨가함으로써 수정될 수 있다. 상기 부싱은 열가소성 재료로 사출 성형될 수 있다. TEFZEL® HT2004(25 중량 퍼센트의 쵸핑된 유리 필러를 갖춘 ETFE 수지)가 바람직한 열가소성 재료이다.
배출 볼은 전지 함유물과 접촉하여 안정하고 소망하는 전지 시일링 및 배출 특성을 제공하는 임의의 적합한 재료로 제작될 수 있다. 유리 또는 스테인리스강과 같은 금속이 사용될 수 있다.
도 1에 도시한 실시예에서, 압력 해제 벤트 부재(36)는 리테이너(42)와 콘택트 부재(50) 사이에 배치된 포일 타입 배출구로서 금속, 폴리머 또는 이들의 혼합물의 조성물로 된 적어도 한 층을 포함한다. 압력 해제 벤트 부재(36)는 또한 상이한 재료의 조성물로 된 두 개 이상의 층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제1 층과 상이한 조성을 갖는 제2 층은 압력 해제 벤트 부재(36)를 리테이너(42)에 또는 콘택트 부재(50)에 본딩할 목적으로 사용될 수 있다. 다른 예에서, 제1 층과 상이한 조성을 갖는 제2 층 및 제3 층이 리테이너(42) 및 콘택트 부재(50) 모두에 압력 해제 벤트 부재(36)를 본딩할 목적으로 사용될 수 있다. 또한 두 개 이상의 상이한 조성을 갖는 다수의 층들이 압력 해제 벤트 부재(36)의 예를 들어, 강도 및 가요성과 같은 성능 특성을 맞춤화하기 위해 사용될 수 있다. 이상적으로는, 개별 층들이, 전해질과의 양립성, 증기 투과율 및/또는 단부 어셈블리내에서 벤트 부재(36)의 시일링 특성을 향상시키는 능력을 기초로하여 제공될 것이다. 예를 들어, 본원에 개시된 요소들과 양립할 수 있는 접착제 분야에서 폴리머 또는 기타 공지된 재료와 같은, 압력, 초음파 및/또는 열에 의해 활성화되는 접착제는, 단부 어셈블리내에서 벤트 부재를 본딩하기 위해 벤트 부재(36)의 층으로서 제공될 수 있다.
포일 타입 압력 해제 벤트 부재(36)에 사용하기에 적합한 조성물은 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스강 및 이들의 합금; 및 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PBT(polybutylene terephthalate), PET(polyetylene terephthalate), 에틸렌 아크릴 산, 에틸렌 메타크릴 산, 폴리에틸렌 메타크릴 산, 및 이들의 혼합물과 같은 폴리머 재료를 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다. 압력 해제 벤트 부재(36)의 조성물은 또한 금속이 강화된 폴리머, 뿐만 아니라 단일 층 또는 금속또는 폴리머 또는 이들 모두의 다층 라미네이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단일 층은 금속 포일, 바람직하게는 알루미늄 포일일 수 있고, 예를 들어, SiOx 또는 Al2O3와 같은, 증기 전도를 방지하는 산화된 재료로 된 층으로 코팅된 폴리머의 비금속화된 막, 또는 워터, 탄소 이산화물 및 전해질이 실질적으로 투과할 수 없다. 압력 해제 벤트 부재(36)는 또한 예를 들어, 폴리우레탄과 같은 접촉식 본딩 접착제 재료, 또는 열, 압력 및/또는 초음파로 활성화되는 예를 들어, 저농도 폴리오레핀과 같은 재료를 함유하는 접착층을 포함할 수 있다. 대안으로서, 이들 또는 기타 접착제 또는 시일런트 재료는 콜렉터 어셈블리내에서 시일링을 향상시키기 위해 압력 해제 벤트 부재의 일부분(예로서, 리테이너(42) 및/또는 스프링(50)과 접촉하게 되는 외부 주변부), 리테이너(42), 스프링(50) 또는 이들의 임의의 조합에 개별적으로 응용될 수 있다. 바람직한 라미나 배출구 구성은 이축연신 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 알루미늄 포일 및 저농도 폴리에틸렌으로 이루어 진 4개 층을 가질 것이다.
조성과 무관하게, 압력 해제 벤트 부재(36)는 전지(10)에 함유된 전해질에 화학적으로 견딜수 있어야 하고 주위 온도의 넓은 범위에 걸쳐 전지(10)에 대한 낮은 중량 손실율을 제공하도록 낮은 증기 투과율(VTR; vapor transmission rate)을 가져야 한다. 예를 들어, 압력 해제 벤트 부재(36)는 증기 투과를 통과시키지 않는 금속인 경우에, 압력 해제 벤트 부재(36)의 두께를 통과하는 VTR은 실질적으로 제로이다. 그러나, 압력 해제 벤트 부재(36)가 리테이너(42)와 콘택트 부재(50)중의 적어도 하나와 압력 해제 벤트 부재(36)사이의 시일을 달성하기 위해 예를 들어, 탄성중합체 층으로서 또는 접착제층으로서 기능할 수 있는, 상기에서 설명한 바와 같이, 예를 들어 폴리머 재료인 적어도 하나의 증기 투과성 재료를 포함할 수 있다.
소정 완화 압력, 또는 압력 해제 벤트 부재(36)가 파열되길 의도하는 압력은 그것의 물리적 특성(예, 강도), 그것의 물리적 치수(예, 두께) 및 리테이너(42)에 의해 정의된 개구부의 영역과 이보다 작은, PTC 디바이스에 의해 정의된 개구부의 영역의 함수이다. 압력 해제 벤트 부재(36)의 노출 영역이 클수록, 전기 화학 배터리 전지(10)의 내부 가스에 의해 여기되 전체 힘이 커짐으로 인해 소정 완화 압력은 더욱 낮아질 것이다. 결과적으로, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 벤트 부재를 갖춘 단부 어셈블리가 되도록 하기 위해 상기 설명한 변수들 중 임의의 것에 대한 조정이 행해질 수 있다.
리테이너(42)에 의해 정의된 개구부에 대한 벤트 부재(36)의 노출 영역에 좌우되어, 압력 해제 벤트 부재(36)의 두께는 약 0.254mm(0.010인치) 미만, 및 일부 실시예에선 약 0.0254mm(0.001인치) 내지 약 0.127mm(0.005인치), 또다른 실시예에선 약 0.0254mm(0.001인치) 내지 약 0.05mm(0.002인치)일 수 있다. 압력 해제 벤트 부재(36)의 조성 및 두께는 증기 투과율(VTR) 및 소정 압력 완화 요건의 관점에서 볼 때, 당업자에 의해 결정될 수 있다.
압력 해제 벤트 부재는 금속, 폴리머, 이들의 혼합물을 함유하는 조성물의 적어도 한 층을 포함할 수 있다. 압력 해제 벤트 부재에 사용될 수 있는 적합한 3층 라미네이트는 미국 위스콘신 소재의 Curwood of Oshkosh사로부터 구입할 수 있는 LIQUIFLEX® Grade 05396 35C-501C인 PET/알루미늄/EAA 코폴리머이다. 이축연신 PP/PE/알루미늄/LPDE으로 된 적합한 4층 재료는 미국 뉴저지 프린스톤 소재의 Tyco International, Ltd.사의 자회사인 미국 조지아주 소재의 Ludlow Coated Products of Columbus사로부터도 구입할 수 있는 FR-2175이다. 적합한 5층 라미네이트는 미국 조지아주소재의 Ludlow Coated Products od Columbus사로부터 구입할 수 있는 BF-48인 PET/PP/PE/알루미늄/PE/LL-DPE이다. 그러나, 상기에서 알 수 있는 바와 같이, 증기 투과율을 방지하는 산화된 재료의 층(예로서, SiOX 또는 Al2OX) 및/또는 알루미늄 기반 포일로 코팅된 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 비금속화된 폴리머막에 대한 라미네이트의 임의의 조합도 특별히 고려된다.
네거티브 전극은 리튬 포일로도 지칭되는, 리튬 금속 스트립을 포함한다. 리튬의 조성은, 배터리 등급 리튬에 대해 순도가 항상 높을지 라도, 변동할 수 있다. 리튬은 소망하는 전지 전기 성능을 제공하기 위해, 알루미늄과 같은, 기타 금속과 합금으로 될 수 있다. 0.5 중량 퍼센트의 알루미늄을 함유하는 배터리 등급 리튬-알루미늄 포일은 미국 노쓰캐롤라이나 킹스 마우누틴 소재의 Chemetall Foote Corp.사로부터 구입할 수 있다.
네거티브 전극은, 일부 실시예에서, 금속 리튬의 표면상에 또는 그 내부에, 비소모성 전류 집전자를 가질 수 있다. 도 1의 전지에서와 같이, 리튬은 높은 전기 전도도를 가지므로, 별개의 전류 집전자가 필요하지 않을 수도 있지만, 전류 집전자는, 리튬이 소모됨에 따라, 방전 동안 네거티브 전극 내부에서 예를 들어, 전기 연속성을 유지하기 위해 포함되어질 수 있다. 네거티브 전극이 비소모성 전류 집전자를 포함하고 있는 경우, 그것은 전도도로 인해 구리로 제작될 수 있지만, 기타 도전성 금속도 전지 내부에서 안정상태를 유지하는 한 이용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 애노드 또는 네거티브 전극은 별개의 전류 집전자 및 하나 이상의 스트립이 없거나 리튬 또는 리튬 함유 합금의 비교적 높은 전도도로 인해 전류 집전자로서의 역할만 하는 리튬 금속 또는 리튬 함유 합금의 포일이다. 전류 집전자를 이용하지 않음으로써, 활성 재료와 같은 기타 컴포넌트에 대해 컨테이너내부에서 더 많은 공간을 이용할 수 있다. 네거티브 전극이 없는 전류 집전자의 제공은 전지 비용도 감소시킬 수 있다. 바람직하게는 리튬 또는 리튬 함유 합금의 스트립 또는 단일 층이 네거티브 전극으로서 이용된다.
전기 리드는 바람직하게 애노드 또는 네거티브 전극을 전지 컨테이너에 연결한다. 이것은 네거티브 전극의 일부분내에 리드의 단부를 매입시킴으로써 또는 리드의 단부와 같은 일부분을 리튬 포일의 표면에 단순히 가압시킴으로써 달성될 수 있다. 리튬 또는 리튬 합금은 접착 특성을 가지며 일반적으로 리드와 전극간의 약간의, 충분한 압력 또는 접촉은 컴포넌트들을 함께 용접합 것이다. 한 바람직한 실시예에서, 네거티브 전극에는 젤리 롤 구성으로 감기기 이전에 리드가 구비된다.예를 들어, 제조 중에, 리튬 또는 리튬 함유 합금으로 된 적어도 하나의 네거티브 전극을 포함하는 밴드는 리드 연결 스테이션에 제공되고 여기서 리드는 소망하는 위치에서 전극의 표면상에 용접된다. 탭 구성으로 된 전극은, 원한다면, 전극에 연결되지 않은 리드의 자유 단부를 형성하기 위해, 리드가 코인되도록 후속하여 처리된다. 이어서, 네거티브 전극은 포지티브 전극 및 세퍼레이터와 같은, 전극 어셈블리의 나머지 소망하는 컴포넌트와 조합되고, 젤리 롤 구성으로 감겨진다. 감김 동작이 수행된 후, 자유 네거티브 전극 리드 단부는 또한, 전지 컨테이너에 삽입되기 이전에 소망하는 구성으로 구부러짐으로써, 처리된다.
전기적으로 도전성인 네거티브 전극 리드는 리드를 통해 충분한 전류가 전달될 수 있도록 하기 위해 충분히 낮은 저항을 가지며 전지의 서비스 수명에 최소로 영향을 미치거나 거의 영향을 미치지 않는다. 소망하는 저항은 탭의 폭과 두께를 증대시킴으로써 달성될 수 있다.
포지티브 전극은 일반적으로 전류 집전자 및 하나 이상의 전기 화학적으로 활성인 물질을, 통상적으로는 특정한 형태로 포함하는 혼합물을 포함하는 스트립 형태이다. 이황화철(FeS2)는 바람직한 활성 물질이다. Li/FeS2 전지에서, 활성 물질은 50 중량 퍼센트 보다 많은 FeS2를 포함한다. 포지티브 전극은 또한 소망하는 전지 전기 및 방전 특성에 좌우되어, 하나 이상의 추가적인 활성 재료도 포함할 수 있다. 추가적인 활성의 포지티브 전극 재료는 임의의 적합한 활성의 포지티브 전극 재료일 수 있다. 예로는 Bi2O3, C2F, CFx, (CF)n, CoS2, CuO, CuS, FeS, FeCuS2, MnO2, Pb2Bi2O5 및 S들을 포함한다. 바람직하게는, Li/FeS2 전지 포지티브 전극에 대한 활성 재료는 적어도 95 중량 퍼센트의 FeS2, 더욱 바람직하게는, 99 중량 퍼센트의 FeS2, 및 가장 바람직하게는, FeS2만으로 된 활성 전극 재료이다. 적어도 95 중량 퍼센트의 순도 레벨을 갖는 FeS2는 미국 매사추세츠 노쓰 그라프톤 소재의 Washington Mills사; 오스트리아 비엔나 소재의 Chemetall GmbH사; 및 미국 버지니아 딜윈 소재의 Kyanite Mining Corp.사로부터 구입할 수 있다.
활성 재료외에, 포지티브 전극 혼합물은 다른 재료를 포함한다. 바인더는 일반적으로 입자성 물질 재료를 함께 유지시키고 혼합물을 전류 집전자에 접착시키는 데에 사용된다. 금속, 그래파이트 및 카본 블랙 파우더와 같은 하나 이상의 도전성 재료는 향상된 전기 전도도를 혼합물에 제공하기 위해 첨가될 수 있다. 사용되는 도전성 재료의 양은 활성 재료 및 바인더의 전기 전도도, 전류 집전자상의 혼합물의 두께 및 전류 집전자 설계와 같은 요인들에 좌우될 수 있다. 소량의 다양한 첨가제는 하기의 예들은 포지티브 전극 제작 및 전지 성능을 향상시키는데에 이용될 수 있다. Li/FeS2 전지 포지티브 전극에 대한 활성 혼합물 재료의 예들이다. 그래파이트:미국 오하이오 웨스트레이크 소재의 Timcal America사의 KS-6 및 TIMREX® MX15 등급 합성 그래파이트. 카본 블랙: 미국 텍사스 휴스톤 소재의 Chevron Phillips Company LP사의 C55등급의 아세틸렌 블랙. 바인더: 미국 오하이오 아크론 소재의 Harwick Standard Distribution Corp.사 및 (이전엔 Polysar, Inc사)인 Polymont Plastics Corp.에 의해 제작된 에틸렌/프로필렌 코폴리머(PEPP); 비이온 수용성 폴리에틸렌 옥사이드(PEO): 미국 미시건 미드랜드 소재의 Dow Chemical Company사의 POLYOX®; 및 텍사스 휴스톤 소재의 Kraton Polymers사의 G1651 등급의 SEBS(stylene-etylene/butylene-stylene) 블록 코폴리머. 첨가제: 미국 뉴욕 태리타운 소재의 Micro Powders Inc.사 제조의 FLUO HT ®마이크나이즈드 PTFE(polytetrafluoroetylene)(미국 오하이오 클리블랜드 Dar-Tech Inc.사로부터 구입할 수 있음) 및 뉴저지 리지필드 소재의 Degussa Corporation Pigment Group사의 AEROSIL® 200 등급의 퓸 실리카.
전류 집전자는 포지티브 전극 내부에 배치되거나 포지티브 전극 표면에 임베디드될 수 있거나, 포지티브 전극 혼합물은 얇은 금속 스트립의 한측부 또는 양측부에 코팅될 수 있다. 알루미늄은 일반적으로 사용되는 재료이다. 전류 집전자는 포지티브 전극 혼합물을 함유하는 포지티브 전극의 부분을 넘어 뻗을 수 있다. 전류 집전자의 뻗는 부분은 포지티브 단부에 연결된 전기 리드와 접촉을 이루기 위한 적합한 영역을 제공할 수 있다. 전류 집전자의 뻗는 부분은 활성 재료 및 전해질이 있을 수 있는 전지의 내부 용적 만큼 최소로 유지시키는 것이 바람직하다.
FeS2 포지티브 전극을 제작하는 바람직한 방법은 알루미늄 포일의 시트의 양측부에 고 후발성의 유기 용제(예로서, 트리클로로에틸렌)에 활성 재료 혼합물 재료의 슬러리를 롤 코팅하고, 용제를 제거하기 위해 상기 코팅을 건조시키고, 상기 코팅을 압축하기 위해 코팅된 포일을 캘린더에 걸고, 코팅된 포일을 소망하는 폭으로 슬릿화하고 슬릿 포지티브 전극 재료의 스트립을 소망하는 길이로 절단하는 것으로 이루어 진다. 세퍼레이터를 천공시킬 위험을 최소화하기 위해 작은 입자 크기를 갖는 포지티브 전극 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, FeS2는 사용 전에 230 메시(62㎛) 스크린을 통해 걸러지는 것이 바람직하다.
세퍼레이터는 이온 투과성 및 전기적으로 비도전성인 얇은 미소다공성 멤브레인이다. 이것은 세퍼레이터의 포어내에서 적어도 일부 전해질을 유지할 수 있다. 세퍼레이터는 포지티브 및 네거티브 전극을 서로로부터 절연시키기 위해 이들의 인접한 표면 사이에 배치된다. 세퍼레이터의 부분들은 또한 내부 단락 회로를 방지하기 위해 전지 단자와 전기적으로 접촉하는 다른 컴포넌트를 절연시킨다. 세퍼레이터의 에지는 흔히 포지티브 및 네거티브 전극이 서로에 대해 완전하게 정렬되지 않은 경우에도 전기적으로 접촉되지 않도록 보장하기 위해 적어도 하나의 전극의 에지를 넘어 뻗는다. 그러나, 전극을 넘어 뻗는 세퍼레이터의 부분들을 최소화하는 것이 요망된다.
양호한 고전력 방전 성능을 제공하기 위해, 세퍼레이터는, 본원에 참조로서 포함된 것으로 하는, 1994년 5월 1일 특허 허여된 미국 특허 제 5,290,414호에 개시된 특성(적어도 0.005㎛의 최소 치수 및 5㎛에 불과한 최대 치수, 30 내지 70 퍼센트 범위의 다공성 비율, 2 내지 15 옴-㎠의 특정한 저항을 갖는 영역 및 2.5 미만의 비틀림 정도)을 갖는 것이 요망된다.
적합한 세퍼레이터 재료는 내부 단락 회로를 초래할 수 있는 찢어짐, 분리, 홀 또는 기타 갭들이 전개되지 않고 전지 방전 동안 세퍼레이터에 가해질 수 있는 압력 뿐만 아니라 전지 제작 공정에 견딜 수 있을 정도로 충분히 강해야 한다. 전지에서 전체 세퍼레이터 용적을 최소화하기 위해, 세퍼레이터는 가능한 한 얇게, 바람직하게는 25㎛ 두께 미만, 더욱 바람직하게는 20㎛ 또는 16㎛와 같은 단지 22㎛ 보다 얇아야 한다. 고 인장 응력, 바람직하게는 적어도 800 kgf/㎠, 더욱 바람직하게는 적어도 1000 kgf/㎠이 요망된다. FR6 타입 전지에 대해, 바람직한 인장 응력은 머신 방향에서 적어도 1500 kgf/㎠이고 횡방향에서 적어도 1200 kgf/㎠이고 FR03 타입 전지에 대해, 머신 방향 및 횡방향에서 바람직한 인장 응력은 각각 1300 kgf/㎠ 및 1000 kgf/㎠이다. 평균 유전체 파괴 전압은 바람직하게는 적어도 2000 볼트이고, 더욱 바람직하게는 적어도 2200 볼트이고, 가장 바람직하게는 적어도 2400 볼트이다. 바람직한 최대 유효 포어 사이즈는 0.08㎛ 내지 0.40㎛이고, 더욱 바람직하게는 0.20㎛를 넘지 않는다. 특정한 영역 저항은 바람직하게는 4.3 옴-㎠를 넘지 않고, 더욱 바람직하게는 4.0 옴-㎠를 넘지 않고, 가장 바람직하게는 3.5 옴-㎠를 넘지 않는다. 이 특성들은 본원에 참조로서 포함된 것으로 하는, 2003년 11월 21일 특허 출원된 미국 특허 출원 제 10/719,425호에 더욱 상세히 설명되어 있다.
리튬 배터리에 사용하기 위한 세퍼레이터 멤브레인은 흔히 폴리프로필렌, 또는 폴리에틸렌 또는 초고분자 중량 폴리에틸렌으로 이루어 진 폴리머 세퍼레이터이고, 폴리에틸렌으로 이루어 지는 것이 바람직하다. 세퍼레이터는 양축방향으로 배향된 미소다공성 멤브레인의 단일 층일 수 있거나 직교 방향으로 바람직한 인장 강도를 제공하기 위해 두 개 이상의 층이 라미네이팅될 수 있다. 단일 층은 비용을 최소화하기 위해 바람직하다. 양축방향으로 배향된 폴리에틸렌 미소다공성세퍼레이터의 적합한 단일층은, 미국 뉴욕 마세도니아 소재의 EXXON Mobile Chemical Co.사 및 Tonen Chemical Corp.사로부터 구입할 수 있다. 세텔라 F20DHI등급 세퍼레이터는 20㎛인 정상 두께를 갖고, 세텔라 16MMS등급 세퍼레이터는 16㎛ 정상 두께를 갖는다.
포지티브 전극, 네거티브 전극 및 세퍼레이터 스트립들은 전극 어셈블리에서 함께 조합된다. 전극 어셈블리는 도 1에 도시된 바와 같은, 나선형으로 감긴 디자인일 수 있고, 감는 것이 완료되었을 때 전극 어셈블리로부터 추출되는, 만드렐 둘레에 포지티브 전극, 세퍼레이터, 네거티브 전극, 및 세퍼레이터를 교번하여 감음으로써 제작된다. 세퍼레이터의 적어도 한 층 및/또는 전기적으로 절연성 막의 적어도 한 층은 일반적으로 전극 어셈블리의 외부를 둘러싼다. 이것은, 어셈블리를 함께 유지시키고 어셈블리의 폭 또는 직경을 소망하는 치수로 조정하는 데에 사용될 수 있는 다수의 목적에 기여한다. 세퍼레이터의 최외각 단부 또는 기타 외부 막 층은 접착 테이프의 한 조각으로 또는 가열 시일링에 의해 유지될 수 있다. 네거티브 전극이 도 1에 도시된 바와 같이, 최외각 전극일 수 있거나, 포지티브 전극이 최외각 전극일 수 있다. 상기 전극은 전지 컨테이너와 전기적으로 접촉할 수 있지만, 전지 컨테이너의 측벽과 최외각 전극간의 내부 단락 회로는 최외각 전극이 캔과 전기적으로 접촉되어야 할 것으로 의도되는 동일 전극일 경우엔 방지될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 전극 어셈블리는 네거티브 전극의 전기 화학적으로 활성인 재료의 효율적인 이용 및 개선된 서비스를 위해 선택적으로 증착되어 있는 전기 화학적으로 활성인 재료를 갖는 포지티브 전극으로 형성된다. 포지티브 전극상에서 전기 화학적으로 활성인 재료의 선택적 증착 구성에 대한 비제한적인 예, 및 포지티브 컨테이너를 포함하는 전기 화학 전지는 본원에 참조로서 포함된 것으로 하는, 2008년 1월 31일 공개된 미국 특허 공보 제 2008/0026288호 및 2008년 1월 31일 공개된 미국 특허 공보 제 2008/0026293호에 개시되어 있다.
나선형으로 감겨지기 보단, 전극 어셈블리는 전극 및 세퍼레이터 스트립을 함께 폴딩시킴으로써 형성될 수 있다. 스트립들은 그들의 길이를 따라 정렬되어 아코디온 방식으로 폴딩될 수 있고, 또는 네거티브 전극 및 하나의 전극 스트립은 포지티브 전극 및 다른 전극 스트립에 대해 수직으로 놓일 수 있고 전극들은 하나가 다른 하나를 가로질러 교대로 폴딩될 수 있는 데, 두 경우 모두에서 네거티브 전극과 포지티브 전극이 교번하는 스택을 형성한다.
전극 어셈블리는 하우징 컨테이너에 삽입된다. 나선형으로 감긴 전극 어셈블리의 경우에, 원통형 또는 각기둥 형상 컨테이너에서, 전극의 주 표면들은 컨테이너의 측벽에 수직이다(다른 말로 하면, 전극 어셈블리의 중앙 코어는 전지의 종축에 대해 평행하다). 폴딩된 전극 어셈블리는 일반적으로 각기둥 형상의 전지에 사용된다. 아코디온 형태로 폴딩된 전극 어셈블리의 경우에, 어셈블리는 전극 층의 스택의 대향 단부들의 편평한 전극 표면들이 컨테이너의 대향 측부에 인접하도록 배향된다. 이들 구성에서, 네거티브 전극의 주요 표면의 전체 영역의 대부분은 세퍼레이터를 통해 포지티브 전극의 주요 표면의 전체 영역의 대부분에 인접하고, 전극 주 표면의 최외각부분은 컨테이너의 측벽에 인접한다. 이러한 방식으로, 네거티브 전극과 포지티브 전극의 조합된 두께의 증가로 인한 전극 어셈블리의 팽창은 컨테이너 측벽에 의해 억제된다.
오염물(예로서, 사용되는 전해질 솔트에 좌우되어, 약 500ppm 중량 퍼센트에 불과함)로서 매우 소량의 워터를 함유하는, 비수용성 전해질이 본 발명의 바람직한 전기 화학 전지에 사용된다. 리튬 및 활성인 포지티브 전극 재료에 사용하기에 적합한 임의의 비수용성 전해질이 사용될 수 있다. 이 전해질은 유기 용제에 용해된 하나 이상의 전해질 솔트를 함유한다. Li/FeS2 전지에 대해, 적합한 솔트의 예들로는 리튬 브로마이드, 리튬 퍼클로레이트, 리튬 헥사플루오로포스페이트, 포타슘 헥사플루오로포스페이트, 리튬 헥사플루오로아르세네이트, 리튬 트리플루오로메탄설포네이트 및 리튬 요딘을 포함하고, 적합한 유기 용제는, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 메틸 포메이트, γ-부틸로락톤, 설포란, 아세토니트릴, 3,5-디메틸이소옥사졸, n,n-디메틸 포름아미드 및 에테르 중 하나 이상을 포함한다. 솔트/솔벤트 조합은 소망하는 온도 범위에 걸쳐서 전지 방전 요건을 충족시키기 위해 충분한 전해질 및 전기 전도도를 제공할 것이다. 에테르는 흔히 낮은 점도, 양호한 습식 능력, 양호한 저온 방전 성능 및 양호한 고방전율 성능들로 인해 바람직하다. 에테르는 MnO2 포지티브 전극 보다 더욱 안정하기 때문에 이것은 특히 Li/FeS2 전지에 대해 맞으므로, 더욱 높은 에테르 레벨이 사용될 수 있다. 적합한 에테르로는 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 디(메톡시에틸) 에테르, 트리글림, 테트라글림, 및 디에틸 에테르와 같은 아크릴 에테르; 및 1,3-디옥소란, 테트라히드로푸란, 2-메틸 테트라히드로푸란 및 3-메틸 -2-옥사졸리디논과 같은 사이클릭 에테르를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.
특정한 네거티브 전극, 포지티브 전극 및 전해질 조성물 및 양은 상기에서 참조된, 미국 특허 출원 제 10/719,425호에 개시된, 소망하는 전지 제작, 성능 및 저장 특성을 제공하도록 조정될 수 있다.
본 발명의 전기 화학 전지의 어셈블리에 대한 방법은 전극 어셈블리를 바람직하게는 절연 부재를 전지 컨테이너에 삽입하는 것을 포함한다. 초기 비드는 컨테이너의 측벽에 형성된다. 비드는 한 실시예에서 포밍 휠을 상기 영역에서 컨테이너의 측벽에 대해 가압함으로써 형성되는 데 캔이 자신의 축 방향 둘레로 회전되는 동안 비드가 형성될 것이 요망된다. 전해질은, 포일 배출구가 이용될 때, 단부 어셈블리를 컨테이너에 삽입하기 전에 컨테이너에 분배된다. 대안으로서, 볼 벤트가 단부 어셈블리에 이용된다면, 전해질은 전지를 볼 벤트의 볼로 내부 시일링하기에 앞서 추가될 수 있다. 단부 어셈블리의 주변부는 형성된 초기 비드의 상부벽에 놓인다. 추가 단계에서, 컨테이너는 초기 비드에서 지지된다. 비드 지지체는 비드에 삽입된 돌출 레지를 갖는다. 한 실시예에서 비드 지지체는 비드가 전지의 둘레에서 완전하게 지지되고 지지체가 공정에서 개방 및 폐쇄되도록 비드 둘레에 각각이 바람직하게는 180˚로 뻗는 두 개의 반절부분들로 이루어진다. 컨테이너는 또한 컨테이너의 바닥부에서도 지지된다. 반경 방향 및 반경 방향에 수직인 방향, 즉 축방향의 여러 시일 부재 표면들은 폐새 공정 동안 클로저 어셈블리의 기타 인접한 컴포넌트에 대해 유익하게 시일링된다. 전지를 폐쇄하고 상향으로 경사진 비드를 형성하는 추가 단계들은 레드로우 또는 콜렛 공정에 의해 상부 측벽의 직경 감소를 수반한다. 이 공정에서, 컨테이너는 최상부 단부 및 바닥부 모두에서 지지되거나 억제된다. 일부 실시예에서, 컨테이너 바닥부의 지지체는 직경 감소 공정 동안 상향으로 리프팅될 수 있다. 직경 감소 및 바닥부 리프팅은 추가의 재료 흐름이 반경 방향에서 내향으로 작동되거나 변형된 비드로 흐르도록 하며 비드는 소망하는 상향으로 경사지고 내향으로 돌출하는 상부벽을 형성한다. 직경 감소 후에, 컨테이너의 상부 단부는 크림핑된 단부를 형성하도록 내향으로 폴딩되고 축방향 힘은 비드와 크림핑된 단부 사이에 인가된다. 크림핑 공정에서, 컨테이너도 바닥부에서 지지된다. 반경 방향 압축은 바람직하게 컨테이너의 상부 단부의 크림핑 동안 적어도 상부 측벽에 유지된다.
전지 형성 및 폐쇄 공정의 결과는 도면에 나타나 있다. 부품 및 폐쇄 공정의 기하학적 특징들은 시일 부재와 컨테이너간에, 시일 부재와 전류 제한 또는 차단 부재간에, 및 시일 부재와 콘택트 부재 또는 내부 커버 외부 직경간에 소망하는 인터페이스가 모두 시일링되는 것을 보장한다. 콘택트 부재 및/또는 내부 커버는 전해질에 노출될 수도 있는 시일 부재 표면 영역의 많은 부분을 시일링하도록 설계된다. 가스켓 두께는 최소화된다. 비교적 깊은 비드 깊이 및 비교적 작은 시일 부재 두께는 증기 투과율을 최소화하고 증기 투과율에 대한 경로 길이를 증가시키는 데에 도움을 준다. 원주부에서 상향으로 테이퍼진 내부 비드 돌출은 향상된 시일링 힘을 제공하고 전기 화학 전지이 누설할 기회를 더욱 감소시킨다. 이것은 특히 폴리머 시일 부재에서, 전지이 전지 컴포넌트의 팽창 및 수축을 야기하는 온도 변동에 노출될 때 특히 옳다. 상향으로 테이퍼진 내부 비드 상부벽은 팽창 후엔 본래 위치 보다 뒤로 물러나는 경향을 더 많이 나타낸다.
상기한 설명은 스위스 제네바 소재의 International Electrochemical Commission에 의해 발행된 국제 표준 IEC 60086-1 및 IEC 60086-2에서 정의된 바와 같이,FR6 및 FR03 타입과 같은, 실린더형 Li/FeS2 전지와 특히 관련된다. 그러나, 본 발명은 기타 전지 크기 및 형태에 적응될 수 있고 기타 전극 어셈블리, 하우징, 시일 및 압력 해제 벤트 부재 설계를 갖춘 전지에 적응될 수 있다. 본 발명이 사용될 수 있는 기타 전지 타입은 리튬/망간 다이옥사이드 및 리튬 이온 전지와 같은 일차 및 충전식 비수용성 전지를 포함한다. 전극 어셈블리 구성도 변동될 수 있다. 예를 들어, 상기에서 설명한 바와 같이, 나선형으로 감기 전극, 폴딩된 전극, 또는 스트립의 스택(예, 편평형 플레이트)을 가질 수 있다. 전지 형태는 예를 들어, 원통형 및 직각기둥 형태를 포함하도록 변동될 수 있다. Li/SO2, Li/AgCl, Li/V2O5, Li/MnO2, Li/Bi2O3를 포함하지만 이에 제한되지 않는 기타 전지 화학이 이용될 수 있다. 이 배터리들은 2.0V 및 3.0V와 같은 1.5V 보다 높은 공칭 전압을 가질 수 있다.
당업자는 개시된 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 본 발명을 실시할 수 있음을 알게 될 것이다. 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위 및 법률에 의해 허용되는 해석 폭에 의해 결정되어야 한다.

Claims (53)

  1. 전기 화학 전지에 있어서,
    폐쇄된 바닥 단부, 측벽 및 개방 단부를 갖는 실린더형 금속 컨테이너;
    상기 컨테이너내에 배치된 나선형으로 감긴 전극 어셈블리로서, 포지티브 전극, 네거티브 전극, 상기 포지티브 전극과 상기 네거티브 전극 사이에 배치된 세퍼레이터 및 비수용성 휘발성 전해질을 포함하는 상기 전극 어셈블리;
    상기 측벽내의 원주 방향의 내향 돌출부로서, 천이 부재에 의해 연결된 상부벽 및 하부벽을 갖고, 상기 상부벽은 상기 전기 화학 전지의 방사 중심을 향해 상향으로 경사지고, 상기 상부벽과 상기 하부벽은 각자의 길이를 따라 서로 이격되어 있는 것인, 상기 내향 돌출부; 및
    상기 컨테이너의 개방 단부를 폐쇄하는 단부 어셈블리로서, 상기 단부 어셈블리는 미리 결정된 내부 압력에서 배출이 가능한 벤트 부재, 전류 제한 또는 차단 부재, 및 상기 단부 어셈블리의 도전성 콘택트와 상기 컨테이너 사이에 위치된 절연성의 폴리머 밀봉 부재를 포함하고, 상기 도전성 콘택트는 상기 포지티브 전극 또는 상기 네거티브 전극에 동작가능하게 전기적으로 연결되는 것인, 상기 단부 어셈블리
    를 포함하고,
    상기 내향 돌출부의 상부벽은 상부벽 최상위 지점으로부터 방사상으로 외향하여 위치된 최하위 지점을 갖고, 상부벽 최하위 지점을 지나서 뻗는 가상의 수평선과, 상부벽 최하위 지점과 상부벽 최상위 지점간의 가상선 사이의 각도는 1˚ 내지 30˚이며,
    상기 내향 돌출부는 상기 컨테이너의 최대 반경의 적어도 22%인 깊이를 갖고,
    상기 단부 어셈블리는 압력 해제 벤트 부재에 연결된 주변 플랜지를 갖는 도전성 콘택트 부재를 더 포함하고, 상기 압력 해제 벤트 부재는 물질이 상기 벤트 부재를 통해 탈출할 수 있도록, 적어도 미리 결정된 해제 압력만큼 높은 압력인 내부 전지 압력에 응답하여 파열될 수 있고, 상기 주변 플랜지는 인접해 있는 측벽의 세그먼트에 평행한 축방향 거리 만큼 뻗는 축방향 세그먼트를 포함하고, 상기 주변 플랜지는 방사 방향에서 상기 축방향 세그먼트로부터 뻗는 방사상 세그먼트를 포함하고 상기 내향 돌출부 위에서 축방향으로 위치된 부분을 포함하며, 상기 주변 플랜지는 상기 방사상 세그먼트로부터 축방향으로 뻗는 제2의 하부 축방향 세그먼트로 천이하며, 상기 밀봉 부재는 적어도, (a) 상기 측벽과 주변 플랜지의 축방향 세그먼트 사이, (b) 상기 내향 돌출부와 상기 방사상 세그먼트 사이, 및 (c) 상기 내향 돌출부와 상기 제2의 하부 축방향 세그먼트 사이에서 압축되는 것인, 전기 화학 전지.
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  3. 제1 항에 있어서, 상기 콘택트 부재는 상기 축방향 세그먼트로부터 뻗는 내향 폴딩된 단부를 가지며, 상기 전지내에 개구부를 정의하는 리테이너가 존재하고, 상기 리테이너의 일부분과 상기 벤트 부재의 일부분은 상기 콘택트 부재의 내향 폴딩된 단부와 상기 방사상 세그먼트 사이에서 압축되는 것인, 전기 화학 전지.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 전지는, 상기 콘택트 부재와 접촉하고 상기 내향 돌출부 아래에서 상기 컨테이너의 측벽과 접촉하는 절연 부재를 더 포함하여, 상기 밀봉 부재의 일부분이 상기 콘택트 부재, 상기 절연 부재 및 상기 내향 돌출부에 의해 바인딩되는 것인, 전기 화학 전지.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 밀봉 부재는 상기 컨테이너의 크림핑된(crimped) 단부 아래에 놓인 방사 방향으로 뻗는 상부 방사상 세그먼트를 갖고, 상기 밀봉 부재의 상기 상부 방사상 세그먼트는 상기 컨테이너 측벽 및 상기 주변 플랜지의 축방향 세그먼트와 접촉하고 축방향으로 뻗는 밀봉 부재의 상부 축방향 세그먼트에 연결되고, 상기 밀봉 부재의 상부 축방향 세그먼트는 상기 내향 돌출부의 상부벽과 상기 크림핑된 단부 사이에서 뻗으며, 상기 밀봉 부재는 상기 밀봉 부재의 상부 축방향 세그먼트에 연결되고 상기 밀봉 부재의 상부 축방향 세그먼트로부터 내향하여 뻗는 하부 방사상 세그먼트를 포함하고, 상기 밀봉 부재의 하부 방사상 세그먼트는 상기 주변 플랜지의 방사상 세그먼트에 접촉하고 상기 방사상 세그먼트를 따라 거리를 갖고 뻗어 있으며, 상기 밀봉 부재의 하부 축방향 세그먼트는 상기 밀봉 부재의 하부 방사상 세그먼트에 연결되고 상기 밀봉 부재의 하부 방사상 세그먼트로부터 축방향으로 하향으로 뻗으며, 상기 상부 방사상 세그먼트와 상기 하부 방사상 세그먼트는 상기 컨테이너의 크림핑된 단부와 상기 내향 돌출부의 상부벽 사이에서 압축되며, 상기 밀봉 부재의 하부 축방향 세그먼트는 상기 내향 돌출부의 천이 부재와 상기 콘택트 부재의 하부 축방향 세그먼트 사이에서 압축되는 것인, 전기 화학 전지.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 밀봉 부재는 상기 컨테이너의 크림핑된 단부 아래에 놓인 방사 방향으로 뻗는 상부 방사상 세그먼트를 갖고, 상기 밀봉 부재의 상부 방사상 세그먼트는 상기 컨테이너 측벽과 접촉하고 축방향으로 뻗는 상기 밀봉 부재의 상부 축방향 세그먼트에 연결되고, 상기 상부 축방향 세그먼트는 상기 내향 돌출부의 상부벽과 상기 크림핑된 단부 사이에서 뻗으며 내부 커버의 축방향 세그먼트와 접촉하고, 상기 밀봉 부재는 상기 밀봉 부재의 상부 축방향 세그먼트에 연결되고 상기 상부 축방향 세그먼트로부터 방사상으로 내향하여 뻗는 하부 방사상 세그먼트를 포함하고, 상기 밀봉 부재의 하부 방사상 세그먼트는 상기 내부 커버의 방사상 세그먼트와 접촉하고 상기 내향 돌출부의 상부벽과 상기 내부 커버 사이에서 압축되며, 상기 밀봉 부재의 상부 방사상 세그먼트는 상기 컨테이너의 상기 크림핑된 단부와 상기 내향 돌출부의 상부벽 사이에서 압축되며, 상기 밀봉 부재는 상기 전지의 콘택트 부재와 상기 내부 커버의 축방향 세그먼트 사이에서 방사상으로 상향하여 뻗는 상기 밀봉 부재의 하부 방사상 세그먼트에 연결되는 내부 축방향 세그먼트를 더 포함하는 것인, 전기 화학 전지.
  7. 전기 화학 전지에 있어서,
    폐쇄된 바닥 단부, 측벽 및 개방 단부를 갖는 실린더형 금속 컨테이너;
    상기 컨테이너내에 배치된 나선형으로 감긴 전극 어셈블리로서, 포지티브 전극, 네거티브 전극, 상기 포지티브 전극과 상기 네거티브 전극 사이에 배치된 세퍼레이터 및 비수용성 휘발성 전해질을 포함하는 상기 전극 어셈블리;
    상기 측벽내의 원주 방향의 내향 돌출부로서, 천이 부재에 의해 연결된 상부벽 및 하부벽을 갖고, 상기 상부벽은 상기 전기 화학 전지의 방사 중심을 향해 상향으로 경사지고, 상기 상부벽과 상기 하부벽은 각자의 길이를 따라 서로 이격되어 있는 것인, 상기 내향 돌출부; 및
    상기 컨테이너의 개방 단부를 폐쇄하는 단부 어셈블리로서, 상기 단부 어셈블리는 미리 결정된 내부 압력에서 배출이 가능한 벤트 부재, 전류 제한 또는 차단 부재, 및 상기 단부 어셈블리의 도전성 콘택트와 상기 컨테이너 사이에 위치된 절연성의 폴리머 밀봉 부재를 포함하고, 상기 도전성 콘택트는 상기 포지티브 전극 또는 상기 네거티브 전극에 동작가능하게 전기적으로 연결되는 것인, 상기 단부 어셈블리
    를 포함하고,
    상기 내향 돌출부의 상부벽은 상부벽 최상위 지점으로부터 방사상으로 외향하여 위치된 최하위 지점을 갖고, 상부벽 최하위 지점을 지나서 뻗는 가상의 수평선과, 상부벽 최하위 지점과 상부벽 최상위 지점간의 가상선 사이의 각도는 1˚ 내지 30˚이며,
    상기 내향 돌출부는 상기 컨테이너의 최대 반경의 적어도 22%인 깊이를 갖고,
    상기 단부 어셈블리는 상기 도전성 콘택트와 동작적으로 전기 접촉하는 도전성 내부 커버를 더 포함하고, 상기 내부 커버는 방사상 세그먼트 및 축방향 세그먼트를 가지며, 상기 밀봉 부재는 상기 내향 돌출부의 상부벽과 상기 방사상 세그먼트 사이에서 압축되고, 상기 밀봉 부재는 상기 내부 커버의 축방향 세그먼트와 상기 컨테이너의 상부 측벽 사이에서 압축되는 것인, 전기 화학 전지.
  8. 제7 항에 있어서, 도전성 콘택트 부재가 상기 내부 커버에 연결되고 상기 포지티브 전극의 전류 집전자에 동작적으로 전기적 연결되며, 상기 전지는 상기 컨테이너의 측벽과 포지티브 전극의 전류 집전자의 일부분간의 접촉을 방지하는 절연 부재를 더 포함하고, 상기 절연 부재의 일부분은 상기 내향 돌출부 및 상기 콘택트 부재와 접촉한 상태에서 상기 내향 돌출부와 상기 콘택트 부재사이에서 배치되는 것인, 전기 화학 전지.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 벤트 부재는 볼 타입 벤트 부재인 것인, 전기 화학 전지.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 단부 어셈블리는 도전성 내부 커버를 더 포함하고, 상기 내부 커버는 볼 벤트 어셈블리의 일부분을 형성하는 세그먼트를 포함하고, 상기 내부 커버는 방사상 세그먼트와 축방향 세그먼트를 갖는 주변 플랜지를 포함하고, 상기 방사상 세그먼트는 상기 축방향으로 뻗는 세그먼트로부터 방사상으로 외향하여 위치하고, 상기 밀봉 부재는 상기 내부 커버의 축방향 세그먼트와 상기 내향 돌출부의 천이 부재 사이에서 압축되고, 상기 밀봉 부재는 상기 내부 커버의 방사상 세그먼트와 상기 내향 돌출부의 상부벽 사이에서 압축되는 것인, 전기 화학 전지.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 밀봉 부재는 상기 컨테이너의 크림핑된 단부 아래에 놓인 방사 방향으로 뻗는 상부 방사상 세그먼트를 갖고, 상기 밀봉 부재의 상부 방사상 세그먼트는 상기 컨테이너 측벽과 접촉하고 축방향으로 뻗는 밀봉 부재의 상부 축방향 세그먼트에 연결되고, 상기 밀봉 부재의 상부 축방향 세그먼트는 상기 내향 돌출부의 상부벽과 상기 크림핑된 단부 사이에서 뻗으며, 상기 밀봉 부재는 상기 상부 축방향 세그먼트에 연결되고 상기 상부 축방향 세그먼트로부터 방사상으로 내향하여 뻗는 하부 방사상 세그먼트를 포함하고, 상기 밀봉 부재의 하부 축방향 세그먼트는 상기 하부 방사상 세그먼트에 연결되고 상기 하부 방사상 세그먼트로부터 축방향으로 하향하여 뻗으며, 상기 밀봉 부재의 상부 방사상 세그먼트와 하부 방사상 세그먼트는 상기 컨테이너의 크림핑된 단부와 상기 내향 돌출부의 상부벽 사이에서 압축되며, 상기 밀봉 부재의 하부 축방향 세그먼트는 상기 천이 부재와 내부 커버 또는 콘택트 부재 사이에서 압축되는 것인, 전기 화학 전지.
  12. 제1 항에 있어서, 상기 포지티브 전극은 FeS2를 포함하고, 상기 네거티브 전극은 리튬 또는 리튬 합금으로 이루어진 것인, 전기 화학 전지.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 내향 돌출부의 깊이는 상기 컨테이너의 반경의 적어도 30%인 것인, 전기 화학 전지.
  14. 제1 항에 있어서, 상기 각도는 3˚ 내지 20˚인 것인, 전기 화학 전지.
  15. 제1 항에 있어서, 상기 포지티브 전극은 이황화철을 포함하고, (a) 상기 전지가 R6 사이즈 전지인 경우, 상기 밀봉 부재는 1.14cm 미만인 치수비를 갖거나; 또는 (b) 상기 전지가 R03 또는 R8 사이즈 전지인 경우, 상기 밀봉 부재는 0.86cm 미만인 치수비를 갖는 것이 적용되는 것인, 전기 화학 전지.
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