KR101720889B1 - 가변형 배터리를 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

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노키아 테크놀로지스 오와이
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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 장치가 개시된다. 장치는 단일 배터리 리본(14)과 진공 포장을 포함한다. 단일 배터리 리본은 제 1 부분(22), 제 2 부분(22) 및 제 1 부분(22)과 제 2 부분(22) 사이에 상호연결 부분(15)을 포함한다. 제 1 부분(22), 제 2 부분(22) 및 상호연결 부분(15)은 양극(16) 및 음극(20)을 포함하는 연속적인 단일 층을 형성한다. 진공 포장은 단일 배터리 리본(14)을 둘러싼다. 진공 포장은 상호연결 부분(15)의 제 1 측과 상호연결 부분(15)의 대향하는 제 2 측을 연결하는 중간 연결 부분을 포함한다.

Description

가변형 배터리를 위한 방법 및 디바이스{METHOD AND APPARATUS FOR FLEXIBLE BATTERY}
본 발명은 가변형 배터리(flexible battery)에 관한 것이며, 보다 상세하게 가변형 배터리 폼 팩터(form factors)에 관한 것이다.
전자 디바이스가 계속적으로 보다 정교해짐에 따라, 이러한 디바이스는 더 많은 양의 기능 및 특성을 제공하고, 또한 부가적으로 이러한 디바이스는 예컨대 동적 가변형 디바이스 또는 기계적으로 편리한 디바이스 등과 같이 다양한 형태를 갖추고 있다. 소비자가 전자 디바이스로부터 더 많은 기능을 요구함에 따라, 강건하고 신뢰성 있는 제품 구성을 유지하면서도 더 큰 처리 능력을 갖는 향상된 디바이스를 제공하는 것이 필요하다.
본 발명의 다양한 예시적인 양태가 청구항에 기재된다.
본 발명의 첫 번째 양태에 따라, 장치가 개시된다. 장치는 단일 배터리 리본과 진공 포장을 포함한다. 단일 배터리 리본은 제 1 부분, 제 2 부분 및 제 1 부분과 제 2 부분 사이에 상호연결 부분을 포함한다. 제 1 부분은 제 1 블럭을 포함한다. 제 2 부분은 제 2 블럭을 포함한다. 제 1 부분, 제 2 부분 및 상호연결 부분은 양극 및 음극을 포함하는 연속적인 단일 층을 형성한다. 진공 포장은 단일 배터리 리본을 둘러싼다. 진공 포장은 상호연결 부분의 제 1 측과 상호연결 부분의 대향하는 제 2 측을 연결하는 중간 연결 부분을 포함한다.
본 발명의 두 번째 양태에 따라, 방법이 개시된다. 배터리 리본이 기계적인 롤러(mechanical rollers)로 그리핑된다. 배터리 리본 섹션은 롤러로 롤링된다. 진공 포장이 롤링된 배터리 리본 섹션에 적용된다. 롤링된 배터리 리본 섹션 사이에 핀칭인(pinching in)된다. 진공 프로세스가 진공 포장에 수행된다.
본 발명의 세 번째 양태에 따라, 방법이 개시된다. 제 1 부분, 제 2 부분 및 제 1 부분과 제 2 부분 사이에 상호연결 부분을 포함하는 단일 배터리 리본이 제공된다. 제 1 부분은 제 1 롤링 블럭을 포함한다. 제 2 부분은 제 2 롤링 블럭을 포함한다. 제 1 부분, 제 2 부분 및 상호연결 부분은 양극 및 음극을 포함하는 연속적인 단일 층을 형성한다. 단일 배터리 리본을 둘러싸는 진공 포장이 제공된다. 진공 포장은 상호연결 부분의 제 1 측과 상호연결 부분의 대향하는 제 2 측을 연결하는 중간 연결 부분을 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 대한 보다 완벽한 이해를 위해, 첨부된 도면과 관련되어 하기 상세한 설명이 참조된다.
도 1은 발명의 특징이 통합된 가변형 배터리의 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가변형 배터리의 '스위스 롤' 구조체를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 가변형 배터리의 '스위스 롤' 구조체의 다른 예시를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 가변형 배터리의 롤링 구조체의 다른 예시를 도시하는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 가변형 배터리의 단일 리본의 평면도이다.
도 6은 '구부려진' 부분의 가변형 배터리의 측면도이다.
도 7은 가변형 배터리를 제조하는 일 예시적인 방법을 제시하는 가변형 배터리의 예시적인 제조 방법의 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 예시적인 방법의 블럭도이다.
도 9는 도 1에 도시된 가변형 배터리의 두 개의 롤링 구조체 사이의 갭을 도시하는 부분도이다.
도 10은 도 1에 도시된 가변형 배터리의 에너지 저장 감소의 예시적인 도표이다.
도 11은 도 1에 도시된 가변형 배터리의 다른 예시적인 스택을 도시하는 도면이다.
도 12는 도 1에 도시된 가변형 배터리의 다른 예시적인 스택을 도시하는 도면이다.
도 13은 도 1에 도시된 가변형 배터리의 다른 예시적인 스택을 도시하는 도면이다.
도 14는 도 1에 도시된 가변형 배터리의 다른 예시적인 스택을 도시하는 도면이다.
도 15는 도 1에 도시된 가변형 배터리의 다른 예시적인 스택을 도시하는 도면이다.
도 16은 도 1에 도시된 가변형 배터리의 다른 예시적인 방법의 블럭도이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 대한 보다 완벽한 이해와 그에 따른 부수적인 장점이 도면의 도 1 내지 도 16을 참조함으로써 이해된다.
도 1을 참조하면, 발명의 특징이 통합된 가변형 배터리(10)의 측면도가 제시된다. 비록 본 발명이 도면에 도시된 예시적인 실시예와 관련되어 설명될 것이지만, 본 발명은 실시예의 많은 대안적인 형태로 실시될 수 있음이 이해되어야만 한다. 부가적으로, 임의의 적합한 크기, 형태 또는 유형의 요소 또는 재료가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 예시에 따라, 가변형 배터리(10)는 다기능 휴대용 전자 디바이스에서 사용될 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 본 발명의 다양한 실시예의 특징이 예컨대 휴대 전화, 게임기, 음악 재생기, 노트북 컴퓨터 또는 PDA(personal digital assistant)와 같은 임의의 적합한 유형의 휴대용 전자 디바이스에서 사용될 수 있다. 또한, 본 기술 분야에 널리 알려진 바와 같이, 휴대용 전자 디바이스는 예컨대 카메라, 음악 재생기, 게임기 또는 인터넷 브라우저와 같은 다수의 기능및 애플리케이션을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 휴대용 전자 디바이스는 본 기술 분야에서 널리 알려진 임의의 적합한 유형의 기능을 구비할 수 있음을 주목해야 한다.
가변형 배터리(10)는 전극 스택(12)을 포함한다. 전극 스택(12)은 일반적으로 양극(16), 분리막(18) 및 음극(20)을 갖는 단일 배터리 리본(14)을 포함한다. 양극(16) 및 음극(20)은 일반적으로 (예컨대, 탄소 또는 리튬 금속 산화물과 같은) 전극 활성 물질(active electrode materials)로 각각 코팅된 집전체(current collector)로서 동작하는 (예컨대, 구리 또는 알루미늄과 같은) 금속 박판(thin metal foils)이다. 전극 스택(12)은 세 개의 롤링 구조체(22)를 갖는 '스위스 롤(swiss roll)' 구조체를 포함한다. 가변형 배터리는 전극 스택(12)을 둘러싸는 (진공 포장을 위한) 파우치 셀(pouch cell)(24)을 더 포함한다. 그러나, 전극 스택(12)이 세 개의 롤링 구조를 가질 필요는 없으며, 대안적인 실시예에서 임의의 적합한 수의 롤링 구조를 포함할 수 있음을 주목해야 한다. 본 발명의 다양한 예시적인 실시예는 전극 물질의 특정 세트에 제한되지 않으며, 임의의 적합한 배터리 화학에 적용가능한 일반적인 구조체의 더 많은 세트일 수 있다.
도 2를 또한 참조하면, 진공 포장되기 전의 전극 스택(12)의 '스위스 롤' 구조체를 도시한다. 본 발명의 일 예시에 따라, '스위스 롤' 구조체는 기존의 블럭 Li-이온 배터리 구조체와 유사한 구성을 포함하지만, 단일 두께(또는 단일 층)의 리본(14)으로 서로 연결된 다수의 롤(또는 롤링 구조체)(22)로 더 구성된다. 롤링 구조체(22)를 함께 연결하는 단일 두께의 리본(14)은 롤링 구조체(22) 사이에 단일 리본 연결(또는 상호연결 리본)(15)을 형성한다. 단일 층 또는 단일 두께의 리본(14)은 일반적으로 단일 스택의 양극, 분리막 및 음극을 지칭한다. 도 2에 도시된 바와 같이, '다수의 스위스 롤 구조체'는 배터리(또는 디바이스)의 전체적인 가변성을 제어하도록 허용된 가변 지점을 갖는 다수의 롤로 롤링된 연속적인 양극/분리막/음극 스택에 의해 형성된다. 비록 본 발명의 다양한 예시적인 실시예가 양극, 음극 및 양극과 음극 사이의 분리막과 관련되어 설명되지만, 당업자는 양극과 음극을 신뢰성 있게 기계적으로 분리할 수 있는 임의의 적합한 유형의 음극과 양극 사이의 물리적 분리막이 제공될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
비록 본 발명의 다양한 예시적인 실시예가 각각 대체로 원통형 형태를 갖는 세 개의 롤링 구조체(또는 블럭)와 관련되어 설명되지만, 임의의 다른 적합한 숫자의 롤링 구조체가 제공될 수 있다. 부가적으로, 임의의 다른 적합한 형태의 롤링 구조체가 제공될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 가변형 배터리는 도 3에 도시된 바와 같이 네 개의 롤링 구조체(22)를 갖는 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 가변형 배터리는 도 4에 도시된 바와 같이 대체로 직사각형 형태를 갖는 두 개의 롤링 구조체(23)를 갖는 스택을 포함할 수 있다. 그러나, 이들은 비-제한적인 예시를 제공할 뿐이며, 임의의 다른 적합한 형태 및/또는 숫자의 롤링 구조체가 제공될 수 있다.
롤링 구조체를 상호연결하는 단일 층은 그 지점(들)에서 전체 구조체에 가변성을 부여하는 기계적 변형(flexure)을 허용한다. 각각의 감겨진(wound) 롤링 구조체 간의 분리는 특정 디바이스의 요건에 맞도록 조절될 수 있다(예를 들어, 두 개의 롤링 구조체/포개진 부분(folds)이 디바이스의 종단으로 분리되어, 중앙 부분이 구부러져서 부가적인 구성 끼워질 수 있음). 상호연결 층은 아주 얇아서 결과적으로 전체 스택보다 작은 압력(stress)을 겪기 때문에 더 큰 변형을 견딜 수 있다. 주어진 층(layer)이 겪는 압력은 구부림(bending)과 관련된 중앙 평면(neutral plane)과 그 층 사이의 거리에 따라 결정된다. 일반적으로, 가변 연결체(flexible linkers)는 서로 동일 평면상에 위치되어, 전체 벤딩 디바이스의 중앙 평면을 형성하고 압력을 최소화한다.
비록 본 발명의 다양한 예시적인 실시예가 일반적으로 전극 스택에 제한적인 꼬임(twist)을 제공하는 배터리 롤(또는 롤링 구조체)과 동일한 폭을 갖는 상호연결 리본(롤링 구조체 사이의 리본의 일부분)(15)과 관련되어 설명되지만, 본 발명의 일부 다른 실시예는 적용례에 따라 필요한 양의 꼬임을 허용하는 감소된 폭을 갖는 상호연결 리본을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 배터리 롤(또는 롤링 구조체)(22, 23) 사이에 구부림 및 꼬임을 허용하는 감소된 폭을 갖는 상호연결 단일 리본(또는 상호연결 리본)(26)을 갖는 단일 리본의 평면도가 제시된다.
일반적으로, 배터리 리본의 최소 내-변형성 부분(the least flexure-tolerant parts)은 양극과 음극 상에 코팅된 활성 물질이다. 이러한 물질은 상대적으로 부서지기 쉽고(brittle), 반복적인 변형에 따라 금속성 집전체로부터 떨어져 나올(delaminate) 수 있으며, 이는 가변형 배터리의 주요한 고장 메커니즘이다. 이를 완화하기 위해, 배터리의 가변성 영역(예컨대, 감소된 폭을 갖는 상호연결 리본(26)) 내의 양극과 음극은 활성 코팅 없이 그 사이에 분리막을 갖는 금속 집전체만을 포함할 수 있다. 이는 일반적으로 배터리의 저장 능력에 별다른 영향을 미치지 않으면서도 내-변형성을 증가시키게 된다.
도 6을 참조하면, '구부려진' 부분의 가변형 배터리(10)의 측면도가 도시된다. 파우치 셀(26)은 전극 스택을 둘러싸는 진공 포장을 제공하고, 스택을 외부 환경(예컨대, 수분과 산소와 같은)으로부터 보호하기 위해서 스택은 일반적으로 단단히 포장된다. 진공 포장(또는 파우치 셀)(24)은 또한 내부 저항을 최소화하기 위해 전극을 함께 누르는 압력을 제공한다. 진공 포장(24)은 도 1에 도시된 두 개의 원통(22)의 각각의 중간 부분에서 서로 만나도록 함께 눌려진 중간 연결 부분(28)을 포함한다. 진공 포장은 롤링 구조체(22) 사이의 '홈(grooves)'이 기계적인 변형을 허용하도록 진공 포장에 의해 후속되는 방식으로 전극 스택에 적용되며, 진공 포장은 (배터리 리본의 상호연결 부분(15)을 제외한 원통의 전체 둘레를 감싸는 것에 의해) 원통의 전체 둘레를 실질적으로 둘러싸도록 허용된다. 이러한 중간 연결 부분(28)은 배터리 리본과 (포장이 어떤 간섭 없이 원통 주변에 형성되는 경우와 같은) 진공 포장 간에 큰 갭(gap)을 남겨 전체 디바이스의 가변성을 감소시키는 종래 방법의 진공 포장과 비교될 때, (도 6에 도시된 바와 같이) 포장된 디바이스에 보다 나은 가변성을 허용한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 가변형 배터리(10)를 제조하는 일 예시적인 방법이 도시된다. 배터리 리본은 크기대로 재단되어 로봇식의 기계 롤러에 의해 그립(grip)된다(도 7의 101 및 도 8의 블럭(102) 참조). 배터리 리본 섹션은 장력이 가해진 상태에서 함께 잡아당기는(drawing) 롤러에 의해 동시에 롤링된다(도 7의 103 및 도 8의 블럭(104) 참조). 진공 포장이 디바이스에 가해진다(도 7의 105 및 도 8의 블럭(106) 참조). 배터리와 포장은 디바이스를 그 최종 길이까지 잡아당기는(pulling) 롤링 구조체 사이에 기계적으로 핀칭인(pinching in)된다(도 7의 107 및 도 8의 블럭(108) 참조). 진공 포장의 중간 연결 부분이 (도 7에 도시된 바와 같이) 상호연결 부분(15)의 제 1 측과 상호연결 부분(15)의 제 2 측에 접하도록 구성된다. 포장이 반강체의(semi rigid) 디바이스를 형성하기 위해 진공된다(evacuated)(도 7의 109 및 도 8의 블럭(110) 참조). '반강체의 디바이스'라는 용어는 비-제한적인 용어로서 제시되며, 본 발명의 일부 예시적인 실시예에 따라 각각의 롤링 구조체(22) 자체는 단단한 반면에 전체 배터리는 상호연결 부분(15)에 인접한 영역에서는 실질적으로 가변적인 가변형 구조체인 것을 설명하기 위해 제시됨을 주목해야한다.
"배터리 리본"을 다수의 롤링 구조체로 만드는 것에 의해 형성된 홈은 기존의 방식으로 구성된 배터리에 비해(즉, 다수의 롤링 구조체를 완전히 에워싸는 최소 크기의 직육면체에 비해) 에너지 저장에 기여하는 부피의 감소와 관련되는 것을 의미한다. 다수의 롤링 구조체에 대한 부피 감소와 실현 가능한 구부림 반경(bending radius)을 추정하기 위해서, 일반적으로 홈의 기하학적 형태를 고려하는 것이 필요하다. 롤링 구조체의 모서리가 각진 것은 바람직하지 않으며, (노키아 BL-5J 배터리와 같은 기존의 배터리의 모서리가 그러하듯이) 반 구형인 것이 더 바람직하다. 이러한 경우에, (도 9에 도시된 바와 같이) 양측이 서로 잘 굴러갈 수 있기 때문에, 두 개의 롤링 구조체 사이에 매우 작은 갭(gap)만이 필요하게 된다. 일반적으로, 다수의 인접하는 롤링 구조체를 채택하는 것은 필연적으로 유효한 전체 배터리 부피의 감소를 수반하는 홈 형성(groove formation)을 초래한다. 도 9에 도시된 (분리 갭[w]을 갖는 배터리 섹션의 두 개의 롤링 구조체의 모서리의) 표현은 홈이 구조체에 추가되는 경우 밀봉된 디바이스의 부피 감소에 대한 추산(assessment)을 허용한다. 부피 감소는 저장될 수 있는 에너지의 감소와 직접적으로 비례관계에 있는 것으로 고려될 수 있다. 도 9는 두 개의 롤링 구조체 사이의 접합 부분(join)을 도시한다. 홈에 따른 부피 감소(Vr)는 하기의 등식(1)에 의해 기술된다.
Figure 112015027653766-pct00001
여기서, R = 롤링 구조체의 모서리의 반경 (m), W = 분리부(갭)의 폭 (m), L = 홈의 길이 (m).
배터리 부피의 전체 변화는 그러므로 하기의 등식(2)에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112015027653766-pct00002
Figure 112015027653766-pct00003
여기서, V1 = 직육면체의 배터리의 초기 부피,
V2 = 홈 추가 후의 부피,
N = 롤링 구조체의 수.
도 10을 참조하면, 가변형 배터리(10)에 대한 에너지 저장 감소의 도표를 도시한다. 도표는 상이한 홈의 수와 롤링 구조체 사이의 간격에 따른 배터리의 에너지 저장 감소의 백분율 분석을 포함한다. 본 섹션은 스위스 롤 설계의 두 유형(예를 들어, 도 2 및 도 4에 도시된 스위스 롤 구성)에 따른 둥근 모서리를 갖는 홈을 추가함으로써 배터리에 가변성을 더하는 것에 대한 에너지 저장 페널티를 간략하게 추산한다. 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따라, 가변형 배터리 또는 디바이스의 부피는 T(두께) × L(길이) × W(폭) = 6 × 58 × 37 = 12876 mm3 이 된다. 도 10의 도표는 상기 치수를 갖는 배터리의 폭에 위치된 홈의 수에 대한 잠재적인 에너지 감소를 도시한다. 필요한 홈의 수는 전체 휴대용 디바이스의 설계에 따라 결정된다. 그러나, 도 3에 도시된 스위스 롤 구성에 대해서, 대략 아홉 개의 홈이 필요할 것이며, 대략 20 %의 에너지 감소가 발생한다(w=0, 도 10으로부터). 그러나, 각각의 롤이 구형이 아니라 납작하게 형성되는 경우에, 단단한 부분의 길이가 증가하더라도 에너지 감소는 최소화될 수 있다. 전체 가변성/에너지 밀도는 특정 디바이스의 함수일 것이다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 도 3에 도시된 구성이 최적의 설계를 제공하지만, 홈의 수는 배터리가 장착될 전체 디바이스에 따라 구체적으로 결정된다.
비록 본 발명의 다양한 예시적인 실시예가 도 1 내지 도 4에 도시된 롤링 구조체(또는 블럭)와 관련되어 설명되지만, 임의의 다른 적합한 유형의 롤링 구조체가 제공될 수 있다. 예를 들어, 배터리 리본을 구부리거나 접는 다양한 다른 방법이 상기 설명된 진공 포장 방법과 호환가능할 수 있다. 부가적으로, 양극/분리막/음극 스택을 접는 다른 가능한 방법이 단단한 구조체 내에 기계적으로 가변 지점을 허용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 가변형 배터리는 도 11에 도시된 바와 같이 접힌 단일 층을 갖는 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 가변형 배터리는 도 12에 도시된 바와 같이 중앙 평면에 접힌 부분을 갖는 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 가변형 배터리는 도 13에 도시된 바와 같이 롤의 상부에 롤링 구조체를 갖는 스택을 포함할 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 일부 다른 실시예에 따라, 비틀림(torsion)을 제공하기 위해서 배터리 리본을 롤링하는 추가적인 방법과, 꼬임과 구부림에 따른 압력을 최소화하기 위해서 그 안에 위치될 수 있는 양극/분리막/음극 스택과 홈/절개를 접는 추가적인 방법이 제공된다. 빔 분석(beam analysis)을 고려하면, 일반적으로 더 좁은(또는 더 얇은) 횡단면이 더 넓은(또는 더 두꺼운) 횡단면보다 향상된 비틀림을 제공한다. 예를 들어, 일부 실시예에 따라, 가변형 배터리는 도 14에 도시된 바와 같이 향상된 비틀림 능력을 갖춘 얇은 중앙 횡단면을 제공하기 위해서 각진 절개부(angled cut section)(압력 완화 홀)를 갖는 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에 따라, 가변형 배터리는 도 15에 도시된 바와 같이 향상된 비틀림 능력을 갖춘 얇은 중앙 횡단면을 제공하기 위해서 측면 모서리에 평행한 절개부를 갖는 스택을 포함할 수 있다.
도 16은 방법(200)을 도시한다. 방법(200)은 제 1 부분, 제 2 부분 및 제 1 부분과 제 2 부분 사이에 상호연결 부분을 포함하는 단일 배터리 리본을 제공하는 단계를 포함하고, 제 1 부분은 제 1 롤링 블럭을 포함하고, 제 2 부분은 제 2 롤링 블럭을 포함하고, 제 1 부분, 제 2 부분 및 상호연결 부분은 양극과 음극을 포함하는 연속적인 단일 층을 형성한다(블럭 202). 단일 배터리 리본을 둘러싸는 진공 포장을 제공하는 단계를 포함하고, 진공 포장은 상호연결 부분의 제 1 측과 상호연결 부분의 반대편의 제 2 측을 연결하는 중간 연결 부분을 포함한다(블럭 204). 특정 순서의 블럭의 도시가 블럭의 필수적인 또는 선호되는 순서를 의미하는 것이 아니며 블럭의 순서 및 배치가 달라질 수 있음을 주목해야 한다. 아울러 일부 블럭은 삭제되는 것이 가능할 수 있다.
하기의 청구항의 범위, 해석 및 적용에 대한 어떠한 한정 없이, 본 명세서에 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예의 기술적 효과는 배터리의 활성층의 손상 없이 디바이스를 구부리거나 비트는 것을 허용하는 (예를 들어, 롤링 구조체와 같은)다수의 상이한 단단한 부분을 갖는 단일 리본 배터리를 제공하는 것이다. 본 명세서에 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예의 다른 기술적 효과는 배터리 리본의 연결 부분에서 양극, 음극 및 분리막이 연속적이지만 활성 물질이 제거되고 유전 물질로 대체될 수 있는 배터리를 제공하는 것이다. 본 명세서에 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예의 다른 기술적 효과는 배터리 리본의 연결 부분에서 양극, 음극 및 분리막이 연속적이지만 활성 물질이 배터리 리본의 상호연결 부분의 (모서리 부분에서 떨어진)중앙 부분에만 제공될 수 있는 배터리를 제공하는 것이다. 본 명세서에 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예의 다른 기술적 효과는 연결 리본의 폭이 (적용례에서 필요한 경우) 배터리의 비틀림을 허용할 수 있도록 축소될 수 있는 것이다. 본 명세서에 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예의 다른 기술적 효과는 파우치 셀이 배터리 리본의 진공 포장에 사용되고, 제조과정 동안 배터리 리본의 연결 부분과 파우치 셀 층이 함께 진공과정을 통해 압축되어 변형과 비틀립을 견딜 수 있는 얇은 합성막을 형성하는 것이다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예의 기술적 효과는 가변성을 제공하면서도, 예컨대 가변 프레임에 저장된 다수의 둥근 셀을 갖는 기존의 구성과 비교하여 포장 비용을 줄일 수 있다. 부가적으로 기존의 배터리와 같은 많은 기존의 에너지 저장 디바이스들은 용적형 에너지 밀도를 최대화하기 위해서 일반적으로 단단하게 감겨진(tightly wound) 전극 층으로 구성되었고, 이는 필연적으로 배터리가 단단한 블럭으로 형성되는 것을 초래한다. 이렇게 부피가 큰 물체를 수용하는 것은 새로운 형태의 디바이스 설계에 커다란 제한요소가 되며, 새로운 애플리케이션에는 이러한 전통적인 배터리(단단한 블럭) 폼 팩터가 사용될 수 없는 경우도 있다. 하나의 특정 예시는 전체적인 디바이스 변형에 맞추도록 에너지 저장소가 가변될 필요가 있는 동적 가변형 디바이스와 관련된다. 기존의 배터리의 개별 층은 그 자체로는 상대적으로 가변적이나, 구부림 동안의 층간 마찰로 인한 압력과 층간 결합(interlayer binding)이 전체 구조체의 가변성을 제한한다.
부가적으로, 기존 배터리를 개선하기 위한 일부 시도는 얇고 가변적인 배터리를 생산하였으나, 그러한 가변성은 매우 얇은 단일 층 구조에 인한 것으로서, 매우 제한된 저장 용량(일반적으로 수십 mAh)만을 제공할 뿐이며, 이는 일반적으로 휴대 전화의 중요한 애플리케이션을 수행하기에 충분하지 않다.
또한, 일부 기존의 배터리는 배터리의 포장 부피를 줄이는 파우치 셀 배터리 포장을 포함하여 호일 멤브레인(foil membrane)을 갖는 외부 케이스를 대체하였으나, 높은 포장 밀도는 배터리를 단단하게 한다.
부가적으로, 기존 배터리를 개선하기 위한 일부 시도는 비록 가변성은 크게 개선하지 못하지만 전극 스택을 개선하는 방향으로 이루어졌다. 예컨대 일부 기존의 구성은 각각의 양극과 음극을 접히는 경우에 스택을 형성하는 형태로 포함하였다. 그러나, 첫째로, 양극과 음극이 접혀서 배터리 스택을 형성하도록 하는 것은 제조 과정을 복잡하게 한다. 더욱 중요히, 둘째로, 이러한 공정의 결과물인 셀은 단단한 블럭 셀이 된다.
다른 기존의 배터리 예시에서, 기존의 설계에서 각각의 스택은 롤링되지만 단단한 셀을 형성한다.
다른 기존의 배터리 예시에서, 이산적인 노드(셀)의 어레이가 요구되는 출력의 다양한 조합을 획득하기 위해 전기적으로 직렬/병렬로 연결될 수 있다. 비록 일정 수준의 기계적 가변성이 제공되지만, 구조체는 심각한 에너지 밀도 손실(>70% 정도로 추정됨)을 겪게 된다. 결과적으로, 전체 에너지는 휴대용 애플리케이션을 수행하기에 너무 낮다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예의 기술적 효과는 하나의 단일 배터리를 포함하는 단일 블럭 셀을 제공하지만, 높은 에너지와 기계적 가변성을 허용하도록 설계된다. 본 명세서에 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예의 다른 기술적 효과는 다수의 단단하고도 가변적인 부분으로 나누어진 단일의 연속적인 셀을 제공하는 것이다. 본 명세서에 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예의 다른 기술적 효과는 최첨단의 활성 물질의 사용을 허용하되 큰 압력을 견딜 수 있는 물질에 의존하지는 않으며, 예를 들어 다양한 예시적인 실시예는 최신의 물질과 호환가능하며 미래의 물질과 호환가능할 것이다. 특히, 리프 스프링 구조체(leaf spring structure)는 전체적으로 단단한 부분을 포함하지 않는 가변형 디바이스를 생성하지만, 전체 에너지 밀도를 감소시키는 탄소중합체(elastomer)를 층간에 포함해야만 한다. 스위스 롤 구조체의 대부분은 단단한 부분에서 에너지 밀도를 유지하면서도 구부림을 허용할 수 있는 단일 또는 다수의 구부림 지점(points of bending)을 제공한다. 이는 반강체 디바이스 설계를 허용하지만, 한 방향으로의 구부림에만 제한될 수 있다. 비틀림(torsion) 설계는 각각의 단단한(solid) 블럭에서 에너지 밀도를 유지하면서도 두 방향으로의 구부림(즉, 꼬임(twisting))을 허용한다.
본 발명의 다양한 예시적인 실시예는 기계적 가변성을 허용하고 기계적으로 편리한 디바이스 폼 팩터에서의 사용을 가능하게 하는 대안적인 배터리 설계를 제공한다. 본 명세서에 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예의 기술적 효과는 표준적인 배터리 물질의 기계적 설계의 변형을 통해 기계적 내-변형성 배터리를 제공하는 것이다. 본 발명의 다양한 예시적인 실시예는 배터리의 활성층의 손상 없이 디바이스를 구부리고 비트는 것을 허용하는 방식으로 상이한 숫자의 단단한 부분으로 구성된 단일 리본 배터리를 제공하는 것이다.
본 발명의 구성 요소는 동작적으로 연결되거나 접속될 수 있으며, 임의 숫자 또는 조합의 중간 구성 요소가 존재할 수 있음(중간 구성 요소를 포함하지 않을 수 있음)을 주목해야 한다. 접속은 직접 또는 간접적일 수 있으며, 또한 구성 요소 간에 기능적 관계만이 존재할 수 있다.
하기에서 다양한 비-제한적이고 예시적인 실시예에 대한 추가적인 기술이 제공된다. 하기 기술된 예시적인 실시예는 하나 이상의 다른 양태 또는 예시적인 실시예와 함께 실시될 수 있다. 즉, 하기에 기술되는 것과 같은 본 발명이 예시적인 실시예는 임의의 조합(예컨대, 적합한, 실시 가능한 및/또는 실현 가능한 임의의 조합)으로 구현되고, 실시되고 또는 활용될 수 있으며, 본 명세서에서 설명되는 이러한 조합 및/또는 첨부된 청구 범위에 포함된 것에 한정되는 것은 아니다.
일 예시적인 실시예에서, 장치는 제 1 부분, 제 2 부분 및 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분 사이에 상호연결 부분을 포함하는 단일 배터리 리본 - 상기 제 1 부분은 제 1 블럭을 포함하고, 상기 제 2 부분은 제 2 블럭을 포함하고, 상기 제 1 부분, 상기 제 2 부분 및 상기 상호연결 부분은 양극 및 음극을 포함하는 연속적인 단일 층을 형성함 - 과, 상기 단일 배터리 리본을 둘러싸는 진공 포장 - 상기 진공 포장은 상기 상호연결 부분의 제 1 측과 상기 상호연결 부분의 대향하는 제 2 측을 연결하는 중간 연결 부분을 포함함 - 을 포함한다.
상기 장치는 기계적 내-변형성(mechanical flexure tolerant) 배터리를 포함한다.
상기 장치에서, 상기 단일 배터리 리본은 상기 양극과 상기 음극 사이에 분리막을 더 포함한다.
상기 장치에서, 상기 상호연결 부분은 임의의 활성 물질을 포함하지 않는다.
상기 장치에서, 상기 제 1 블럭 및 상기 제 2 블럭은 각각 스위스 롤 구조체(swiss roll structure)를 포함한다.
상기 장치에서, 상기 제 1 블럭 및 상기 제 2 블럭은 각각 접힌(folded) 스택 구조체를 포함한다.
상기 장치에서, 상기 단일 배터리 리본은 상기 연속적인 단일 층을 형성하기 위해서 N 개의 블럭과 N-1 개의 상호연결 부분을 포함한다.
상기 장치에서, 상기 진공 포장의 중간 연결 부분은 진공 과정 중에 상기 단일 배터리 리본의 상호연결 부분과 함께 압축된다.
상기 장치에서, 상기 상호연결 부분은 상기 제 1 블럭 및 상기 제 2 블럭보다 좁은 폭을 포함한다.
상기 장치에서, 상기 상호연결 부분은 상기 단일 배터리 리본의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분보다 작은 횡단면을 포함한다.
상기 장치에서, 상기 제 1 블럭 및 상기 제 2 블럭은 일반적인 원통 형태(cylindrical shape)를 포함한다.
상기 장치에서, 상기 제 1 블럭 및 상기 제 2 블럭은 일반적인 직사각 형태(rectangular shape)를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에서, 방법은 배터리 리본 섹션을 상기 롤러로 롤링하는 단계와, 롤링된 상기 배터리 리본 섹션을 진공 포장을 적용하는 단계와, 상기 롤링된 배터리 리본 섹션 사이에 핀칭인(pinching in) 하는 단계와, 상기 진공 포장에 진공 프로세스(evacuation process)를 수행하는 단계를 포함한다.
상기 방법에서, 상기 배터리 리본 섹션은 동시에 롤링된다.
상기 방법에서, 상기 핀칭인 하는 단계는 상기 롤링된 배터리 리본 섹션 사이에 기계적으로 핀칭인 하는 단계를 포함한다.
상기 방법에서, 상기 진공 프로세스는 파우치 셀(pouch cell)로부터 공기를 빼낸다.
상기 방법에서, 상기 진공 포장은 상기 롤링된 배터리 리본 섹션의 전체 둘레를 실질적으로 둘러싼다.
다른 예시적인 실시예에서, 방법은 제 1 부분, 제 2 부분 및 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분 사이에 상호연결 부분을 포함하는 단일 배터리 리본 - 상기 제 1 부분은 제 1 블럭을 포함하고, 상기 제 2 부분은 제 2 블럭을 포함하고, 상기 제 1 부분, 상기 제 2 부분 및 상기 상호연결 부분은 양극 및 음극을 포함하는 연속적인 단일 층을 형성함 - 을 제공하는 단계와, 상기 단일 배터리 리본을 둘러싸는 진공 포장 - 상기 진공 포장은 상기 상호연결 부분의 제 1 측과 상기 상호연결 부분의 대향하는 제 2 측을 연결하는 중간 연결 부분을 포함함 - 을 제공하는 단계를 포함한다.
상기 방법에서, 상기 단일 배터리 리본은 제 3 부분과 상기 제 3 부분과 상기 제 2 부분 사이에 다른 상호연결 부분을 더 포함하고, 상기 제 3 부분은 제 3 롤링 블럭을 포함하고, 상기 제 1 부분, 상기 제 2 부분, 상기 상호연결 부분, 상기 제 3 부분 및 상기 다른 상호연결 부분은 상기 연속적인 단일 층을 형성한다.
상기 방법에서, 상기 상호연결 부분은 상기 단일 배터리 리본의 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분보다 작은 횡단면을 포함한다.
다른 예시적인 실시예에서, 방법은 기계적 내-변형성 배터리를 제공하는 단계를 개시한다. 단일 리본 배터리는 배터리의 활성층의 손상 없이 디바이스를 구부리고 비트는 것을 허용하는 방식으로 상이한 숫자의 단단한 부분으로 형성된다. 배터리 리본의 연결 부분에서 양극, 음극 및 분리막이 연속적이지만 활성 물질이 제거되고 유전 물질로 대체될 수 있다. 연결 리본의 폭은 배터리를 비틀 수 있을 정도로 줄어든다. 파우치 셀은 배터리 리본을 진공 포장하는데 사용된다. 배터리 리본의 연결 부분과 파우치 셀 층이 함께 진공과정을 통해 압축되어 변형과 비틀림을 견딜 수 있는 얇은 합성막을 형성한다.
필요한 경우에, 본 명세서에서 논의된 상이한 기능들이 서로 상이한 순서 및/또는 동시에 수행될 수 있다. 아울러, 필요한 경우에, 하나 이상의 상기 설명된 기능들은 선택적일 수 있고 결합될 수 있다.
비록 본 발명의 다양한 양태가 독립적인 청구항으로 기재되었으나, 본 발명의 다른 양태는 설명된 실시예의 구성 요소 및/또는 독립 청구항의 구성 요소를 포함하는 종속 청구항의 다른 조합을 포함하며, 청구 범위에 기재된 조합만을 포함하지 않는다.
상기 설명된 본 발명의 예시적인 실시예가 본 명세서에 기재되었으나, 이러한 설명은 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다. 오히려, 첨부된 청구항에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다양한 변형 및 수정이 가능하다.

Claims (20)

  1. 제 1 부분, 제 2 부분 및 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분 사이에 상호연결 부분을 포함하는 단일 배터리 리본 - 상기 제 1 부분은 제 1 블럭을 포함하고, 상기 제 2 부분은 제 2 블럭을 포함하고, 상기 제 1 부분, 상기 제 2 부분 및 상기 상호연결 부분은 양극(anode) 및 음극(cathode)을 포함하도록 통합되어 있으며, 상기 단일 배터리 리본을 둘러싸는 진공 포장이 제공됨 - 을 포함하며,
    상기 진공 포장은 상기 제 1 부분에 대향하는 상기 상호연결 부분의 제 1 측과 상기 제 2 부분에 대향하는 상기 상호연결 부분의 제 2 측을 연결하는 중간 연결 부분을 포함하고,
    상기 단일 배터리 리본은 상기 제 1 블럭과 상기 제 2 블럭을 포함하는 3개 이상의 블록을 가지며, 상기 3개 이상의 블록의 각 이웃하는 블록들 사이에 상호연결 부분을 포함하는
    가변형 배터리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 물리적인 변형을 허용하는 (mechanical flexure tolerant) 배터리를 포함하는
    가변형 배터리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단일 배터리 리본은 상기 양극과 상기 음극 사이에 분리막을 더 포함하는
    가변형 배터리 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상호연결 부분은 임의의 활성 물질을 포함하지 않는
    가변형 배터리 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 블럭 및 상기 제 2 블럭은 각각 스위스 롤 구조체(swiss roll structure)를 포함하는
    가변형 배터리 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 블럭 및 상기 제 2 블럭은 각각 접힌(folded) 스택 구조체를 포함하는
    가변형 배터리 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상호연결 부분은 상기 제 1 블럭 및 상기 제 2 블럭보다 상기 단일 배터리 리본에서 좁은 폭을 포함하는
    가변형 배터리 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상호연결 부분은 상기 단일 배터리 리본의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분보다 상기 단일 배터리 리본에서 작은 횡단면을 포함하는
    가변형 배터리 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 3개 이상의 블록은 원통 형태(cylindrical shape)를 포함하는
    가변형 배터리 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 3개 이상의 블록은 직지각 입체 형태(rectangular solid shape)를 포함하는
    가변형 배터리 장치.
  13. 배터리 리본의 적어도 두 부분을 기계적인 롤러(mechanical rollers)의 그립(grip)에 의하여 그리핑(grip)하는 단계와,
    상기 기계적인 롤러를 이용하여 상기 그리핑된 적어도 두 부분을 중심으로 상기 배터리 리본을 롤링(rolling)하여, 적어도 두 개의 롤링된 배터리 리본 섹션을 형성하는 단계와,
    상기 적어도 두 개의 롤링된 배터리 리본 섹션에 진공 포장을 위한 포장재를 적용하는 단계와,
    상기 적어도 두 개의 롤링되고 포장된 배터리 리본 섹션의 사이의 배터리 리본 및 포장재를 핀칭인(pinching in) 하는 단계와,
    상기 진공 포장을 위한 포장재를 진공 처리하는(evacuation process) 단계를 포함하며,
    상기 배터리 리본 섹션은 블록을 구성하는
    방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 배터리 리본 섹션은 모두가 동시에 롤링되는
    방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 핀칭인 하는 단계는 기계적인 핀칭 도구(mechanical pinching tool)를 사용하여 상기 적어도 두 개의 롤링된 배터리 리본 섹션 사이를 핀칭인 하는 단계를 포함하는
    방법.
  16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 진공 처리는 파우치 셀(pouch cell)로부터 공기를 빼내는
    방법.
  17. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 진공 포장은 상기 적어도 두 개의 롤링된 배터리 리본 섹션의 전체 둘레를 실질적으로 둘러싸는
    방법.
  18. 제 1 부분, 제 2 부분 및 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분 사이에 상호연결 부분을 포함하는 단일 배터리 리본 - 상기 제 1 부분은 제 1 롤링 블럭을 포함하고, 상기 제 2 부분은 제 2 롤링 블럭을 포함하고, 상기 제 1 부분, 상기 제 2 부분 및 상기 상호연결 부분은 양극(anode) 및 음극(cathode)을 포함하도록 통합되어 있으며, 포장재를 사용하여 상기 단일 배터리 리본을 둘러싸는 진공 포장이 제공됨 - 을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 포장재는 상기 제 1 부분을 향하는 상기 상호연결 부분의 제 1 측면 및 상기 제 2 부분을 향하는 상기 상호연결 부분의 제 2 측면에 접하는 중간 연결 부분을 포함하고,
    상기 단일 배터리 리본은 상기 제 1 블럭과 상기 제 2 블럭을 포함하는 3개 이상의 블록을 가지며, 상기 3개 이상의 블록의 각 이웃하는 블록들 사이에 상호연결 부분을 포함하는
    방법.
  19. 삭제
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 상호연결 부분은 상기 단일 배터리 리본의 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분보다 상기 단일 배터리 리본에서 작은 횡단면을 포함하는
    방법.
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