KR101833964B1 - 배터리 셀용 진성 과충전 보호 - Google Patents

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Abstract

배터리 셀, 배터리 및 배터리 셀 제조 방법이 기재되어 있다. 배터리 셀은 적어도 하나의 폴리머 필름에 의해 격리되어 있는 양 전극과 음 전극을 포함한다. 본 발명에 따르면, 음 전극과 적어도 하나의 폴리머 필름 사이에 전기적으로 반도체성이고, 이온 전도성의 N-도핑 필름과 전기적으로 반도체성이고, 이온 전도성의 P-도핑 필름을 배치함으로써 형성되는 진성 과충전 보호를 배터리 셀에 제공한다. 또한, 적어도 하나의 폴리머 필름은 전기적으로 전도성이고, 그 내에 분산되어 있는 이온 전도성 전해질을 구비한다. 배터리 셀을 제조할 때, 양 전극은 적어도 하나의 폴리머 필름에 접합된다. 이들 층들은 또한 전기적으로 반도체성이고, 이온 전도성의 N-도핑 필름과 접합된다. 이들 층들은 전기적으로 반도체성이고, 이온 전도성의 P-도핑 필름과 접합된다. 이들 층들은 음 전극과 접합된다.

Description

배터리 셀용 진성 과충전 보호 {INTRINSIC OVERCHARGE PROTECTION FOR BATTERY CELL}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 배터리 셀과, 청구항 16의 전제부에 따른 배터리에 관한 것이다. 본 발명은 청구항 18의 전제부에 따른 배터리 셀의 제조 방법에도 관한 것이다.
아래의 배경에 관한 기재는 본 발명의 배경을 설명하는 것으로, 반드시 선행 기술을 구성하는 것은 아니다.
현재 차량, 선박 같은 다양한 장치 및 예컨대 컴퓨터, 이동전화기 및 장난감 같은 다양한 전자장치에 배터리가 사용되고 있다. 일반적으로, 대부분의 전자기기에 배터리가 있으며, 이러한 배터리는 적어도 부분적으로는 파워 네트워크에 연결되지 않고 사용될 수 있도록 설계되고 있다. 이러한 적용 분야에서, 배터리들은 주로 차량용으로 사용된다. 그러나, 이러한 배터리들이 배터리를 포함하는 선박이나 다른 전자장치들에도 사용될 수 있음은 물론이다.
배터리는 하나 혹은 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 셀은 다양하게 설계될 수 있으며, 복수의 다른 물질들 및/또는 화합물을 포함한다.
통상의 기술자라면 배터리가 사용될 때 배터리/어큐뮬레이터가 드레인되고 및/또는 배터리가 사용되지 않는 경우에는 오랜 시간에 걸쳐 전하를 상실한다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 배터리가 드레인될 때, 배터리 내에서 화합물의 실질적으로 가역적인 변환이 일어난다. 예를 들어, 배터리 내에 포함되어 있는 전극 물질들이 하나의 화합물에서 다른 화합물로 변환될 수 있다.
예컨대 차량 혹은 선박 내의 제너레이터 혹은 배터리 폴에 연결되어 있는 몇몇 형태의 배터리 충전기 같은 외부 전원을 통해 배터리/어큐뮬레이터가 다시 충전될 수 있다. 배터리의 폴에 외부 전압을 가하여, 폴의 화학 성분이 복원되고 배터리가 다시 충전된다.
아연 이온, 나트륨 이온 및/또는 리튬 이온을 포함하는 전해질과 같은 유기 전해질을 포함하는 배터리는 고온 및 고 전압에서 매우 민감하여 배터리의 노화가 촉진된다. 또한, 이들 전해질은 가연성이 매우 크다. 예를 들면, 약 55℃를 상회하는 온도 및/또는 약 4.2V를 상회하는 셀 전압에서 리튬 이온 배터리의 노화가 가속된다. 셀 전압이 높은 상태에서, 가스 발생의 위험성이 있으며, 배터리 셀 성능이 저하되고 및/또는 배터리 셀 내에서 발화 위험성이 있다.
종래에는, 배터리 내에 폴리에틸렌옥사이드 내에 용해되어 있는 리튬 염(salt)과 같은 고체 상태의 전해질을 도입하거나, 및/또는 충전 시에 셀 전압의 전압 모니터링 같은 하나 혹은 복수의 외부 서포팅 기능을 사용하여 이러한 문제점들을 해결하고자 하였다. 고체 상태의 전해질의 가연성이 일반적으로 매우 크지는 않지만, 이들은 진성 과충전 보호되지 않기 때문에 여전히 배터리 셀이 과열될 위험성이 있다. 이에 따라, 이러한 종래 기술에 의한 해법이 사용되는 경우에는, 충전 시에 강력한 서포팅 기능들이 필요하게 된다.
배터리 노화의 가속 및/또는 파손을 방지하기 위해, 배터리 충전 시에 전자 모니터링 같은 서포팅 기능을 사용하게 되면, 예컨대 배터리가 사용되는 차량 같은 장치가 복잡해지고, 제조비용이 커지게 된다.
종래 기술의 해법은, 배터리의 양 전극과 음 전극 사이에 전기화학적으로 활성인(active) 물질을 사용함으로써, 과충전 보호에 따른 복잡성의 증가와 결부된 문제를 해결하고자 노력하였다. 그러나, 이들 전기화학적으로 활성인 물질들은, 과충전 보호가 기동될 때 이온들을 흡수 및/또는 방출하며, 이는 소재를 변화시킴으로써 시간이 지날수록 기능이 저하된다. 이들 전기화학적 물질들을 사용하는 종래 기술에 의한 과충전 보호는 어느 정도의 시간 동안 과충전 보호로 기능한 후에 점차 느려진다. 이에 따라, 시간이 지날수록 과충전에 의해 배터리가 손상될 위험성이 증대된다.
종래 기술은 또한 이산(discrete) 입자들 및/또는 이산 부품들을 과충전 보호로 기능하는 배터리 셀 내에 첨가하여, 과충전과 결부된 문제를 해결하고자 노력하였다. 그러나, 이산 입자들 및/또는 이산 부품들의 사용은 전류 흐름이 이들 이산 입자들 및/또는 이산 부품들에 집중된다는 것을 의미한다. 예를 들어 각 입자들이 있는 지점에서 혹은 이산 과충전 부품들이 배터리 셀에 연결되는 지점에서 전류 흐름이 집중되어, 열이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명의 하나의 목적은 이들 문제들을 적어도 부분적으로 해결하는 배터리 셀, 배터리 및 배터리 셀 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적은 청구항 1의 특징부에 따른 전술한 배터리 셀을 통해, 그리고 청구항 16의 특징에 따른 전술한 배터리를 통해 달성된다. 본 발명의 목적은 청구항 18의 특징부에 따른 전술한 배터리 셀 제조 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 배터리 셀은 적어도 하나의 폴리머 필름에 의해 격리되어 있는 양 전극과 음 전극을 포함하며, 배터리 셀 내에는 이온 전도성 전해질이 분산되어 있으며, 전기적으로 반도체성이며 이온 전도성의 P-도핑 필름과, 전기적으로 반도체성이며 이온 전도성의 N-도핑 필름을 구비한다.
보다 상세하게는, 배터리 셀은 아래의 층들을 아래의 순서에 따라 구비하여, 진성 과충전 보호를 형성한다.
- 양 전극; 이어서,
- 적어도 하나의 폴리머 필름; 이어서,
- 전기적으로 반도체성이고, 이온 전도성의 N-도핑 필름; 이어서,
- 전기적으로 반도체성이고, 이온 전도성의 P-도핑 필름; 이어서,
- 음 전극.
본 발명에 따르면, 배터리 셀 설계를 통해, 배터리 셀에 대해 배터리 셀에 지나치게 큰 충전 전압이 가해지지 않도록 하는 진성(intrinsic)/화학적(chemical) 과충전 보호가 제공된다.
진성/화학적 과충전 보호는, 외부의 전압 모니터링 장치를 사용하지 않고서도 배터리 셀의 내부를 자동적으로 보호하게 된다. 이는, 예컨대 배터리가 사용되는 차량 같은 장치의 복잡성을 증가시키지 않고 및/또는 제조비용을 증가시키지 않으면서 배터리 셀 성능의 저하가 방지된다는 것을 의미한다. 또한, 과충전 보호가 전기적으로 활성이지만 전기화학적으로는 활성이 아니므로, 과충전 보호가 기동되더라도 이에 의해 배터리 셀의 기능이 저하되지 않는다.
배터리 제조 단계에서 이미 하나 혹은 복수의 배터리 셀들에 과충전 보호를 통합함으로써, 전기차 혹은 하이브리드 차량 같은 적어도 부분적으로 전기로 구동되는 차량 내에 배터리 충전기 내의 모니터링 전자장치 및/또는 다른 배터리 모니터링 시스템에 대한 복잡성(complexity)을 줄일 수 있게 된다. 이에 따라 배터리 시스템의 총 단가가 낮춰지게 된다.
적어도 3개의 층 즉 적어도 하나의 폴리머 필름과, P-도핑 필름 및 N-도핑 필름이 서로 나란하게 배치되게 하는 개념은, P-도핑 필름 및 N-도핑 필름이 적어도 하나의 폴리머 필름에 비해 이온 전도 능력이 더 열악해도 된다는 이점을 가진다. 적어도 하나의 폴리머 필름이, 배터리 셀의 수명이 유지되는 중에 배터리 셀이 내부적으로 단락되지 않도록 하는 충분한 두께를 가지고 있는 한은, P-도핑 필름 및 N-도핑 필름은 배터리 셀의 내부 저항에 상당한 영향을 주지 않을 정도의 얇은 두께로 제작될 수 있다.
본 발명에 의하면, 예컨대 리튬 이온 배터리는 점점 단순해지고, 동시에 이전에 통상적으로 사용되고 있는 재충전용 니켈-하이브리드 배터리에 상당하는 신뢰성을 가지게 된다.
본 발명에 따른 배터리 셀은 90℃ 내지 100℃ 근방의 고온에서 사용될 수 있다는 점에서 유리하며, 또한 예컨대 실온 같은 낮은 온도에서도 우수한 성능을 나타낸다.
복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결되어 모듈을 구성하여, 전압을 나타내는 배터리에서, 본 발명에 따른 과충전 보호는 충전할 때에 배터리 내의 배터리 셀들 사이에 진성 액티브 밸런싱 기능도 제공한다. 이는 예를 들어 하이브리드 차량과 전기차 같은 전자장치에 밸런싱을 간단하게 제공하게 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 과충전 보호는 제너-다이오드와 유사한 특성을 구비한다. 이는, 진성 과충전 보호가 매우 신속하게 기동하여 신속한 전압 시퀀스 중에 그리고 전압이 변화하는 중에 배터리 셀을 보호한다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 진성 과충전 보호가 배터리 셀 내에 균질하게 통합되어 있다. 즉, 적어도 하나의 폴리머 필름이 균질하게 분산되어 있는 전기적 전도성 물질을 구비하고, P-도핑 필름과 N-도핑 필름은 균질하게 분산되어 있는 전기적으로 반도체성 물질을 구비한다. 이에 따라, 배터리 셀에 걸친 전압 U가 제너-다이오드의 항복 전압의 절대값 |Uz|보다 큰 경우, U>|Uz|인 경우, 단락이 일어났을 때에 파워가 고르게 분산되어 있는 배터리 셀이 형성된다. 단락 파워가 체적 전체에 걸쳐 고르게 분산되기 때문에, 열 형성이 발생하는 것을 손상하지 않으면서도 배터리 셀이 큰 단락 전류를 취급할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 신뢰성 있는 과충전 보호를 포함하며, 제조가 용이한 매우 컴팩트한 배터리 셀이 제공된다.
이하에서 첨부된 도면들과 함께 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 사용하였다.
도 1은 본 발명이 구현될 수 있는 예시적 차량을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 셀을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 셀이 사용된, 다이오드 특성을 보여주고 있다.
도 1은 본 발명을 포함할 수 있는, 예시적 차량(100)을 개략적으로 보여주고 있다. 승용차, 트럭, 버스 혹은 다른 종류의 차량일 수 있는 차량(100)은, 차량(100) 내에서 동력을 구동휠(110, 111)로 전달할 수 있는 구동 라인을 포함한다. 구동 라인은 통상적인 방식의 엔진(101)을 포함하며, 엔진(101) 상의 출력 샤프트(102)를 통해 엔진이 클러치(106)를 통해 기어박스(103)에 연결되어 있다. 엔진(101)은 예를 들어 전기 엔진, 하이브리드 엔진 혹은 연소 엔진일 수 있다. 차량의 구동 라인은 통상적인 수동 기어박스 혹은 자동 트랜스미션 같은 여러 방식으로 배치될 수 있으며, 구동 라인은 하이브리드 구동 라인 등일 수 있다.
차량은 적어도 하나의 배터리(120)를 포함한다. 엔진(101)이 전기 엔진인 경우, 배터리(120)는 적어도 부분적으로 엔진(101)을 구동하는 데에 사용된다. 엔진(101)이 연료에 의해 구동되는 순수한 연소 엔진인 경우, 배터리(120)는 무엇보다도 엔진(101) 내에서 시동 엔진을 구동하는 데에 사용되며, 엔진의 점화 시스템에 동력을 제공한다.
배터리(120)는 차량 내에서 전기 장치(130)를 작동시키기 위한 동력도 제공한다. 이러한 전기 장치(130)는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 전기 장치(130)는 헤드라이트 및 다른 라이트, 다양한 기구들, 와이퍼, 시트 히터, 스테레오 장비, 비디오 장비, 시가 라이터 및 차량에 연결되어 있는 외부 장비용 소켓을 포함할 수 있다.
기어박스(103)로부터 출력 샤프트(107)는 예컨대 통상의 차동장치 같은 최종 드라이브(108)를 통해 바퀴(110, 111)를 구동하며, 상기 최종 드라이브(108)에 연결되어 있는 주행 샤프트(104, 105)를 구동한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 배터리 셀(200)이 제공된다.
배터리 셀(200)은 적어도 하나의 폴리머 필름(203)에 의해 격리되어 있는 양 전극(201)과 음 전극(202)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 배터리 셀의 과충전에 의한 전술한 가속 노화(accelerated ageing)가 발생하지 않도록 하는 배터리 셀용 진성/화학적 과충전 보호가 제공된다.
본 발명에 따르면, 진성 과충전 보호는, 음 전극(202)과 적어도 하나의 폴리머 필름(203) 사이에 P-도핑 되어 있으며 전기 반-전도성이고 이온 전도성 필름(204)과, N-도핑 되어 있으며, 전기 반-전도성이고 이온 전도성 필름(205)을 배치함으로써 달성된다. 또한, 적어도 하나의 폴리머 필름(203)은 전기 전도성이며, 폴리머 필름 내에 이온 전도성 전해질이 분포되어 있다.
이에 따라, 본 발명에 따르면 배터리 셀(200)은 아래의 층들을 아래의 순서대로 구비하여, 이들 층들이 진성 과충전 보호를 하게 된다:
- 양 전극(201); 이어서
- 적어도 하나의 폴리머 필름(203); 이어서
- N-도핑되고, 전기적으로 반도체이고 이온 전도성인 필름(205); 이어서
- P-도핑되고, 전기적 반도체이며 이온 전도성인 필름(204); 이어서
- 음 전극(202).
또한, 배터리 셀은 복수의 소재들 예컨대 알루미늄으로 구성될 수 있는 전류 피더(current feeder)(206)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 하나 혹은 복수의 배터리 셀(200)은 본 발명에 따른 배터리(120) 내에 포함될 수 있다. 배터리(120) 내의 배터리 셀의 수량은 배터리(120)가 공급할 전압 및/또는 파워에 따라 달라진다.
배터리 셀 내에 전술한 층들이 전술한 순서에 따라 배치됨에 따라, 배터리 셀 내에서 아래에서 상세하게 설명하고 있는 진성/화학적 과충전 보호가 이루어진다. 배터리 셀 내에서의 진성/화학적 과충전 보호는 배터리 셀, 이에 따라 배터리 셀이 포함되어 있는 배터리가 자동적으로 그리고 복잡한 전압 모니터링 기기가 개재되지 않으면서도 위험스런 셀의 고전압이 일어나지 않도록 하는 내부적으로 과충전으로부터 보호된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 예컨대 배터리가 사용되는 차량과 같은 기기의 제조 비용 및/또는 복잡성을 높이지 않으면서도, 배터리 셀과 배터리의 가속 노화 및/또는 파손이 방지된다.
배터리 셀의 양 전극(201)은 통상적으로 액체-형, 젤-형 혹은 고체-형의 이온 전도성 전해질 즉, 이온 전도성 고상 혹은 이온 전도성 액상의 전해질로 이루어져 있는 전해질로 둘러싸여 있는 다공성 구조의 금속산화물 혹은 금속 인산염으로 구성된다.
적어도 하나의 박형의 폴리머 필름(203)은 소위 세퍼레이터로 이루어져 있을 수 있다. 세퍼레이터는 양 전극(201)과 음 전극(202)을 격리시키며, 예를 들어 얇은 포일 형태의 리튬 금속 혹은 다공성 흑연 구조물로 구성될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, P-도핑 필름(204)과 N-도핑 필름(205) 사이의 NP-트랜지션은 다이오드로 기능한다. 즉, PN-트랜지션은 배터리가 정상적으로 작동하는 영역 내에서 N-도핑 필름(205)에서 P-도핑 필름(204) 방향인 다이오드의 역방향으로 전류 I가 흐르지 않도록 하는 기능을 한다. 이에 따라 배터리가 정상적으로 작동하는 영역 내에서 전류 I가 양 전극(201)으로부터 음 전극(202)으로 흐르지 않게 된다.
일 실시형태에 따르면, 본 발명에 따른 배터리 셀(200) 내에서의 과충전 보호는, 음 전극(202)과 적어도 하나의 폴리머 필름(203) 사이에 배치되어 있는 P-도핑 필름(204)과 N-도핑 필름(205)에 다이오드 특성을 제공한다. 이것이, 배터리 셀(200) 내의 과충전 보호가 양 전극/전류 피더(211)와 음 전극/전류 피더(212) 사이에 배치되어 있는 다이오드(210)로 표기되어 있는 개략적인 전기 다이어그램을 사용하여 도 2의 좌측에 도시되어 있다.
다이오드(210)는 제너-기능을 포함하는 다이오드 특성을 구비할 수 있다. 다이오드 특성은 P-도핑 필름(204)과 N-도핑 필름(205)의 최적화를 통해 얻어지며, 이에 따라 제너-기능 내의 항복 전압 Uz가 P-도핑 필름(204)과 N-도핑 필름(205)에 대한 하나 혹은 다수의 특징의 선택을 통해 결정된다.
도 3은 다이오드에 걸쳐 전압 U의 함수로써 제너-다이오드에 대한 전류 특성 I의 일 실시예를 보여주고 있다. 도 3의 예시적 특성곡선에 도시되어 있는 바와 같이, 전압이 0 볼트에서 도 3에서는 약 -4.2V인 제너-다이오드의 항복 전압 Uz 사이에서 다이오드(210)를 통해 전류 I가 실질적으로 흐르지 않는다. 제너-다이오드(210)는 배터리 셀(200)에서 역방향 바이어스 되어 있기 때문에, 이는, 예컨대 다이오드(210)가 역방향 바이어스 되어 있기 때문에, 도 3에서 약 -2V 내지 약 -4V를 나타내는 약 2V 내지 약 4V 간격일 수 있는, 배터리 셀이 정상적으로 작동하는 영역에서 과충전 보호를 통해 전류가 실질적으로 흐르지 않는다는 것을 의미한다. 이에 따라, 배터리 셀(200)이 정상적으로 동작하는 전압 인터벌 내에서 P-도핑 필름(204)과 N-도핑 필름(205) 사이의 PN-트랜지션을 통해 전류 I가 실질적으로 흐르지 않게 된다.
그 대신, 정상 사용 상태에서, 배터리 셀(200)에 걸쳐 있는 전압 U가 제너-기능/특성에 대한 항복 전압의 절대값 |Uz| 미만일 때; U<|Uz|일 때, 이온들을 통해 배터리 셀(200) 내에서 전류 I가 내부적으로 흐르게 된다.
다른 한편으로, 배터리 셀 전압 U가 제너-기능/특성에 대한 항복 전압의 절대값 |Uz| 보다 클 때; U>|Uz|일 때, P-도핑 필름(204)와 N-도핑 필름(205) 사이의 PN-트랜지션이 전기적으로 전도성이 된다. 이에 따라, 전류 I가 허용된다. 즉, 배터리 셀(200)에 걸친 전압 U가 제너 다이오드의 항복 전압의 절대값 |Uz| 보다 클 때; U>|Uz|일 때, 배터리 셀(200) 내에서 전자가 내부적으로 이동하여 전류가 양 전극(201)으로부터 음 전극(202)으로 흐르게 된다. 양 전극(201)으로부터 음 전극(202)으로 흐르는 전류 I가 음 전극(202)으로부터 양 전극(201)으로 이동하는 전자들에 의해 보상된다는 점은 통상의 기술자에게는 주지되어 있는 사실이다.
도 3에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 제너-다이오드에 대한 특성은 매우 가파르다. 이는, 본 발명에 따른 진성 과충전 보호가 매우 신속하게 작동하여 배터리 셀을 보호한다는 것을 의미한다. 이에 따라, 본 발명은 전압 피크, 전압 스텝 혹은 다른 신속 공정과 같이 전압이 급격하게 변화하는 것에 대해 우수한 보호를 제공할 수 있다.
다시 말하면, 배터리 전압 U가 제너 다이오드의 항복 전압의 절대값 |Uz|을 초과할 때, 예컨대 배터리 전압 U가 도 3에 도시되어 있는 다이오드 특성치인 약 4.2 V를 초과할 때, 반도체성 필름(204, 205)을 통해 배터리 셀(200)에 전류 I가 흐를 수 있다. 제너 다이오드의 항복 전압의 절대값 |Uz|에 상응하는, 최대 배터리 전압 Umax에 외부적 영향을 주지 않으면서; Umax=|Uz|에서, 배터리 셀을 충전하는 배터리 전압 U가 제한된다. 이와 같이, 배터리 셀(200)에 대한 충전 전압 및/또는 충전 전류의 크기와는 무관하게, 본 발명에 따르면, 배터리 전압 U가 제너 다이오드의 항복 전압의 절대값 |Uz|과 같거나 그 미만으로 자동적으로 제한된다.
전자의 이동을 통한 액상 내부 전자 전류 I는 충전이 유지되는 동안에 배터리 셀이 전기적으로 단락된다는 것을 의미한다. 이는 또한 배터리 셀 내에서 적어도 하나의 화학 반응 및/또는 전기화학 반응이 감소된다는 것을 의미한다. 배터리 셀에서 문제가 되는 화학 반응들은, 반응물들이 활성 상태를 유지하도록 하기 위해, 배터리 셀에 걸친 배터리 전압 U가 증가될 것을 요구한다. 배터리 전압 U가 더 이상 증가하지 않을 때, 이들 화학 반응이 정지하게 된다. 과충전에 의한 배터리 셀(200)의 미성숙한 노화가 효과적이면서 신뢰성 있게 방지되게 된다.
PN-트랜지션 즉 P-도핑 필름(204)과 N-도핑 필름(205) 사이의 트랜지션이 대면적을 구비하기 때문에, 제너-항복점에서 진성 과충전 보호를 통하는 전류가 대면적에 걸쳐 분포되어, 과충전 시 배터리 셀 내에 고르게 되며 그리고 열 발생이 작아지게 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 과충전 보호가 적어도 하나의 폴리머 필름(203)용의 체적 내에 균질하게 통합되어 있다. 이러한 통합은 해당 체적 내에서 분자 수준으로 다운시키는 방식으로 균질할 수 있으며(homogeneous), 혹은 적어도 실질적으로 균질하게 할 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(200)에 대한 전압 U가 제너 다이오드의 항복 전압의 절대값 |Uz| 보다 클 때; U>|Uz|일 때 단락된 경우, 파워가 고르게 분산되는 즉, 파워 흐름이 실질적으로 고르게 분산되는 배터리 셀이 발생된다. 단락 파워가 체적 전체에 걸쳐 분산되기 때문에, 본 발명에 따른 배터리 셀에 의해 열 형성 상승에 아무런 손상을 주지 않으면서 큰 단락 전류가 취급될 수 있다.
이러한 점은, 파워 흐름이 이산되어 있는 어느 입자들 및/또는 부품들 주위로 집중되어 배터리 셀 내에서 과충전 보호로 작용하여, 상대적으로 강력하면서도 파워 분산의 집중 부위에서 적어도 부분적으로 가열에 손상을 주는, 종래 기술의 해법에 비해 상당한 장점이 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 진성 과충전 보호 내의 적어도 하나의 전기 전도성 폴리머 필름(203) 내에 분산되어 있는 이온 전도성 전해질이 유기 전해질로 구성되며, 상기 유기 전해질은 고체 상태, 액체 상태 혹은 젤-형태일 수 있으며, 이러한 이온 전도성 전해질은,
- 아연 이온을 포함하는 이온 전도성 용액;
- 나트륨 이온을 포함하는 이온 전도성 용액;
- 리튬 이온을 포함하는 이온 전도성 용액;
- 아연 이온을 포함하는 이온 폴리머 필름;
- 나트륨 이온을 포함하는 이온 폴리머 필름; 및
- 리튬 이온을 포함하는 이온 폴리머 필름; 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 배터리 셀(200)은 리튬 이온 배터리 셀일 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 폴리머 필름(203)은, 전기 전도성이며 리튬 이온 전도성인 세퍼레이터로 구성되어 있다. P-도핑 필름(204) 및 N-도핑 필름(205)은 리튬 이온 전도성이며 전기적으로 반도체성 폴리머 필름이다. 일 실시형태에 따른 리튬 이온 배터리들은 무엇보다도 많은 이점들을 가지고 있다. 리튬 이온 배터리들은 일례로 하이브리드 자동차에 적용되는 것과 같이 약 90℃ 내지 100℃ 사이의 온도의 고온에서도 제대로 기능한다. 리튬 이온 배터리들은 에너지 밀도가 높고 환경에 상대적으로 무해하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, P-도핑 필름(204)과 N-도핑 필름(205) 각각은 다음 소재들 중 하나 혹은 그 이상 및/또는 이들 소재들이 조합된 소재들을 포함한다.
- NTCDA (나프탈렌-1, 4, 5, 8-테트라-카르복시산 디아니드라이드; n-형);
- Ppy (폴리피롤; p-형);
- PEDT:PSS 폴리(3, 4-에틸렌-디옥시티오펜):폴리(스틸렌설페이트); p-형);
- PTCDA (페릴렌 3, 4, 9, 10-테트라카르복시산 디아니드라이드; n-형);
- PTCDI (페릴렌 3, 4, 9, 10-테트라카르복시산 디이미드; n-형).
통상의 기술자라면 알고 있는 바와 같이, 하나의 배터리로 적당한 정도의 총 전압을 제공하기 위해, 복수의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있을 수 있다. 적어도 2개의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는 배터리에서, 본 발명에 따른 과충전 보호는, 배터리를 충전할 때 배터리 내에서 배터리 셀들 사이에 진성 액티브 밸런싱(active balancing) 기능을 제공할 수도 있다. 이는, 예컨대 하이브리드 차량 및 전기차 혹은 배터리를 충전하는 다른 장치들에서 전자기기 밸런싱의 단순화를 용이하게 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 배터리 셀(200)을 제조하는 방법을 게공한다. 배터리 셀(200)은 양 전극(201), 음 전극(202) 및 상기 양 전극(201)과 음 전극(202) 사이에 배치되어 이들 전극들을 격리시키는 적어도 하나의 폴리머 필름(203)을 포함한다.
본 발명 방법에 따르면, 배터리 셀(200)에는 적어도 하나의 전기 전도성 폴리머 필름(203) 내에 이온 전도성 전해질을 분산시키고, 상기 음 전극(202)과 적어도 하나의 폴리머 필름(203) 사이에 전기적으로 반도체성이고 이온 전도성의 P-도핑 필름(204)과 전기적으로 반도체성이고 이온 전도성의 N-도핑 필름(205)을 배치시킴으로써 진성 과충전 보호가 장착된다. 배터리 셀(200)을 제조할 때, 양 전극(201)은 적어도 하나의 폴리머 필름(203)과 접합할 수 있다. 이들 층들은 전기적으로 반도체성이고 이온 전도성의 P-도핑 필름(204)과도 접합할 수 있다. 이들 층들은 음 전극(202)과도 접합되어 있다.
이러한 방식으로, 위에서 상세하게 설명되어 있는 배터리 셀이 제작될 수 있으며, 전술한 이점들을 구비하는 배터리 셀(200)이 제작된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 폴리머 필름(203) 체적 내에 이온 전도성 전해질이 균질하게 분산되어 있다. 다시 말하면, 전기 전도성 물질이 적어도 하나의 폴리머 필름(203) 체적 내에 균질하게 분산되어 있다. 또한, P-도핑 필름(204)과 N-도핑 필름(205) 내에 전기적으로 반도체성 물질이 균질하게 분산되어 있다. 전기적으로 전도성이며 전기적으로 반도체성 물질들이 균일하게 분산되어 있다는 것은, 진성 과충전 보호가 배터리 셀(200)의 분자 수준으로 낮추는 방식으로 균질하게 통합되어서, 실질적으로 과충전 보호의 히팅에 손상을 주지 않으면서도 큰 단락 전류가 다루어질 수 있다는 것을 의미한다. 이는 전류의 흐름이 체적 전체에 걸쳐 분산되기 때문이다.
과충전 보호에 있어서 제너-특성을 갖는 하나의 기능은 PN-트랜지션을 통해 발생될 수 있다. 즉, P-도핑 필름(204)과 N-도핑 필름(205)의 조합을 통해 발생될 수 있다. 이에 따라, 제너-기능에 대해 적당한 크기의 항복 전압 Vz이 선택되어, 배터리 셀이 정상적으로 동작하는 영역 내에서 충전이 이루어지지만, 배터리 셀이 정상적으로 동작하지 않는 영역에서의 충전은 효율적이면서도 신뢰성 있게 방지되게 된다.
이온 전도성 전해질은 고체 상태, 액체 상태 혹은 젤-형태일 수 있으며, 아연 이온, 나트륨 이온 혹은 리튬 이온을 포함하는 이온 전도성 용액과 같은 유기 전해질로 구성될 수도 있다. 이온 전도성 전해질은 아연 이온, 나트륨 이온 혹은 리튬 이온을 포함하는 이온 전도성 폴리머 필름으로 구성될 수도 있다.
전술한 P-도핑 필름(204) 및 N-도핑 필름(205) 각각은 전술한 물질들 중 어느 하나 혹은 복수의 물질들, 또는 이들 물질들의 조합으로 제조될 수 있다. 즉,
- NTCDA (나프탈렌-1, 4, 5, 8-테트라-카르복시산 디아니드라이드; n-형);
- Ppy (폴리피롤; p-형);
- PEDT:PSS 폴리(3, 4-에틸렌-디옥시티오펜):폴리(스틸렌설페이트); p-형);
- PTCDA (페릴렌 3, 4, 9, 10-테트라카르복시산 디아니드라이드; n-형);
- PTCDI (페릴렌 3, 4, 9, 10-테트라카르복시산 디이미드; n-형).
배터리 셀(200)을 제조할 때, 양 전극(201)은 적어도 하나의 폴리머 필름(203)과 접합될 수 있다. 이들 층들은 전기적으로 반도체성이고 이온 전도성의 N-도핑 필름(205)과도 접합될 수 있다. 이들 층들은 전기적으로 반도체성이고 이온 전도성의 P-도핑 필름(204)과도 접합될 수 있다. 이들 층들은 음 전극(202)과 접합되어 있다. 접합되어 있는 이들 모든 층들이 복수의 층들로 된 필름을 구성하며, 포텐셜 크로핑(potential cropping)과 다른 조정 과정을 거쳐, 이들로부터 배터리 셀과 배터리 셀의 진성 과충전 보호가 얻어진다. 예를 들면, 복수의 층들로 이루어진 필름이 감겨질 수 있고(roll up), 혹은 층들이 서로 위에 위치할 수 있으며, 배터리 셀(200)에 적당한 크기로 크로핑될 수 있다.
본 발명에 따르면, 적어도 부분적으로 균질할 수 있는 박막 필름을 사용하기 위해, 진성 과충전 보호의 형성이 현재 배터리 셀 제조 공정과 양립될 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명에 따른 배터리 셀/배터리를 제조하기 위해, 현재의 제조 공정이 쉽게 변형될 수 있다. 이에 따라, 비용을 거의 증가시키지 않고서도, 신뢰성 있는 과충전 보호가 되는 배터리 셀/배터리를 대량 생산할 수 있게 된다.
이와 같이, 신뢰성 있고, 신속하며 정확하게 과충전 보호되며, 또한 제조가 용이한 매우 컴팩트한 배터리 셀을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 제조 방법은, 과충전 보호를 위해 별도의 개별 부품들을 사용하는 기존의 종래 기술이 가지고 있는 제조상의 문제를 해결한다. 이러한 개별 부품들은 배터리 셀에 연결하기가 매우 어렵고, 개별의 과충전 보호를 사용하게 되면, 복수의 층들로 이루어진 필름이 감겨져서 컴팩트한 배터리 셀을 형성하는 전술한 제조 공정을 실시할 수 없다.
본 발명이 전술한 본 발명의 실시형태들로 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 첨부되어 있는 독립 청구항들의 보호 범위에 속하고, 또한 보호 범위 내의 모든 실시형태들을 포함한다.

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 폴리머 필름(203)에 의해 격리되어 있는 하나의 양 전극(201)과, 하나의 음 전극(202)을 포함하는 배터리 셀(200)에 있어서,
    아래의 층들을 아래의 순서대로 포함하는 배터리 셀(200)에 의해 달성되는 진성 과충전 보호를 특징으로 하는 배터리 셀.
    - 상기 양 전극(201);
    - 전기 전도성이며, 내부에 하나의 이온 전도성 전해질이 분산되어 있는 상기 적어도 하나의 폴리머 필름(203);
    - 전기적으로 반도체성이고, 이온 전도성의 N-도핑 필름(205);
    - 전기적으로 반도체성이고, 이온 전도성의 P-도핑 필름(204); 및
    - 음 전극(202).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 폴리머 필름(203) 체적 내에 전기 전도성 물질이 균질하게 분산되어 있고, 상기 P-도핑 필름(204) 및 N-도핑 필름(205) 내에 전기적으로 반도체성 물질이 균질하게 분산되어서, 상기 진성 과충전 보호가 균질하게 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 폴리머 필름(203) 위에서의 상기 진성 과충전 보호의 균질한 통합은 상기 체적 내에서 분자 수준으로 하향되어 균질한 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    P-도핑 필름(204) 및 N-도핑 필름(205)이 다이오드 특성을 제공하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다이오드 특성은 제너-기능을 포함하고, 배터리 셀(200)에 걸쳐 있는 전압 U가 제너-기능에 대한 항복 전압의 절대값 |Uz| 미만일 때; U<|Uz|일 때, 이온들을 통해 배터리 셀(200) 내에서 전류 I가 내부적으로 흐르는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 다이오드 특성이 제너-기능을 포함하고, 배터리 셀(200)에 걸쳐 있는 전압 U가 제너-기능에 대한 항복 전압의 절대값 |Uz| 보다 클 때; U>|Uz|일 때, 전자들을 통해 상기 배터리 셀(200) 내에서 양 전극(201)에서부터 음 전극(202)으로 전류 I가 내부적으로 흐르는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    전자들을 통한 상기 내부 전류 I가 충전이 손상되지 않으면서 상기 배터리 셀이 전기적으로 단락되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  8. 제6항에 있어서,
    전자들을 통한 상기 내부 전류 I가 상기 배터리 셀(200) 내에서 적어도 하나의 화학 반응 및/또는 전기화학 반응이 약화되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제너-기능에 대한 항복 전압 Uz의 크기가 P-도핑 필름(204) 및 N-도핑 필름(205)에 대한 하나 혹은 복수의 특징들의 선택에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀(200)이 리튬 이온 배터리 셀이고,
    - 상기 적어도 하나의 폴리머 필름(203)은 전기 전도성이며 리튬 이온 전도성인 세퍼레이터를 구성하고; 및
    - 상기 P-도핑 필름(204) 및 N-도핑 필름(205)은 전기적으로 반도체성이며 리튬 이온 전도성의 폴리머 필름인 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 전도성 전해질이 유기 전해질로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유기 전해질이,
    - 아연 이온을 포함하는 이온 전도성 용액;
    - 나트륨 이온을 포함하는 이온 전도성 용액;
    - 리튬 이온을 포함하는 이온 전도성 용액;
    - 아연 이온을 포함하는 이온 전도성 폴리머 필름;
    - 나트륨 이온을 포함하는 이온 전도성 폴리머 필름; 및
    - 리튬 이온을 포함하는 이온 전도성 폴리머 필름; 중 하나 혹은 복수 개를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 유기 전해질이,
    - 이온 전도성 고체 상태; 및
    - 이온 전도성 액체 상태;로 이루어진 그룹 중 어느 한 상태인 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  14. 제11항에 있어서,
    P-도핑 필름(204) 및 N-도핑 필름(205) 각각이,
    - NTCDA (나프탈렌-1, 4, 5, 8-테트라-카르복시산 디아니드라이드; n-형);
    - Ppy (폴리피롤; p-형);
    - PEDT:PSS 폴리(3, 4-에틸렌-디옥시티오펜):폴리(스틸렌설페이트); p-형);
    - PTCDA (페릴렌 3, 4, 9, 10-테트라카르복시산 디아니드라이드; n-형);
    - PTCDI (페릴렌 3, 4, 9, 10-테트라카르복시산 디이미드; n-형);로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 혹은 복수의 물질들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀(200)을 적어도 하나 포함하는 배터리.
  16. 직렬로 연결되어 있는 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 따른 적어도 두 개의 배터리 셀(200)들을 포함하고, 충전하는 중에 상기 진성 과충전 보호가 상기 적어도 두 개의 배터리 셀(200) 사이에 진성 액티브 밸런싱 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  17. 적어도 하나의 폴리머 필름(203)에 의해 격리되어 있는 하나의 양 전극(201)과, 하나의 음 전극(202)을 포함하는 배터리 셀(200) 제조 방법에 있어서,
    아래의 층들을 아래의 순서대로 접합하여 배터리 셀(200)에 진성 과충전 보호가 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 제조 방법.
    - 상기 양 전극(201);
    - 전기 전도성이며, 내부에 하나의 이온 전도성 전해질이 분산되어 있는 상기 적어도 하나의 폴리머 필름(203);
    - 전기적으로 반도체성이고, 이온 전도성의 N-도핑 필름(205);
    - 전기적으로 반도체성이고, 이온 전도성의 P-도핑 필름(204); 및
    - 음 전극(202).
  18. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 폴리머 필름(203) 체적 내에 전기 전도성 물질이 균질하게 분산되어서, 상기 진성 과충전 보호가 상기 배터리 셀(200)에 걸쳐 분자 수준으로 하향되어 균질하게 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 제조 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    P-도핑 필름(204) 및 N-도핑 필름(205)에 대한 하나 혹은 복수의 특징들이 선택되어, 항복 전압 Uz인 제너-기능에 배터리 셀(200)을 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 제조 방법.
  20. 제17항 또는 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    이온 전도성 전해질이 다음으로 구성된 그룹으로부터 선택된 유기 전해질로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 제조 방법.
    - 아연 이온을 포함하는 이온 전도성 용액;
    - 나트륨 이온을 포함하는 이온 전도성 용액;
    - 리튬 이온을 포함하는 이온 전도성 용액;
    - 아연 이온을 포함하는 이온 전도성 폴리머 필름;
    - 나트륨 이온을 포함하는 이온 전도성 폴리머 필름; 및
    - 리튬 이온을 포함하는 이온 전도성 폴리머 필름.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 유기 전해질이,
    - 이온 전도성 고체 상태; 및
    - 이온 전도성 액체 상태;로 이루어진 그룹 중 어느 한 상태인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 제조 방법.
  22. 제17항 또는 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    P-도핑 필름(204) 및 N-도핑 필름(205) 각각이,
    - NTCDA (나프탈렌-1, 4, 5, 8-테트라-카르복시산 디아니드라이드; n-형);
    - Ppy (폴리피롤; p-형);
    - PEDT:PSS 폴리(3, 4-에틸렌-디옥시티오펜):폴리(스틸렌설페이트); p-형);
    - PTCDA (페릴렌 3, 4, 9, 10-테트라카르복시산 디아니드라이드; n-형);
    - PTCDI (페릴렌 3, 4, 9, 10-테트라카르복시산 디이미드; n-형);로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 혹은 복수의 물질들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 제조 방법.
  23. 제17항 또는 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    접합에 의해 복수의 층들로 된 필름이 형성되고, 필름이 감겨져서 혹은 층들이 서로의 위에 위치해지고, 상기 배터리 셀(200)로 적당한 크기로 크로핑되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 제조 방법.
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