KR101955179B1 - 통합된 레이트 부스터를 갖는 고체 상태 배터리 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따라, 고체-상태 배터리 시스템은, 제 1 애노드, 제 1 캐소드, 제 1 애노드와 제 1 캐소드 사이에 위치된 제 1 고체-상태 전해질 층, 제 1 애노드, 제 1 캐소드, 및 제 1 고체-상태 전해질 층을 둘러싸는 하우징, 및 하우징 내에 위치되고 하우징 내 온도를 변경하도록 구성된 적어도 하나의 열 제어 배선을 포함한다.
Description
교차 참조
본 출원은, 그 전체 내용들이 참조로서 여기에 통합된, 2013년 8월 28일에 출원된 미국 가출원 제 61/870,817 호의 이익을 주장한다.
본 개시의 분야
본 개시는 배터리들에 관한 것이고, 특히 고체 상태 배터리들에 관한 것이다.
배터리들은 다수의 시스템들로 통합될 수 있는 저장된 에너지의 유용한 소스이다. 재충전가능한 리튬-이온("Li-이온") 배터리들은 다른 전기 화학 에너지 저장 디바이스들에 비하여 그들의 높은 비에너지 때문에 휴대용 전자기기들, 전기 및 하이브리드-전기 차량들에 대해 매력적인 에너지 저장 시스템들이다. 특히, 음극으로 통합된 리튬 금속의 한 형태를 갖는 배터리들은 종래의 탄소계 음극들을 갖는 배터리들에 비하여 특히 높은 비에너지(Wh/㎏로 측정됨) 및 에너지 밀도(Wh/L로 측정됨)를 제공한다.
리튬과 같은 높은 비용량 음극들이 배터리에 사용될 때, 종래 시스템들에 비해 용량 증가의 최대 이익은 높은 용량 음극 활성 재료가 또한 사용될 때 실현된다. 종래의 리튬-삽입 산화물들(예를 들면, LiCoO2, LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2, 및 Li1.1Ni0.3Co0.3Mn0.3O2)은 일반적으로 ~280 mAh/g의 이론적 용량(리튬 산화물의 질량에 기초하여) 및 180 내지 250 mAh/g의 실제 용량으로 제한된다. 비교하여 볼 때, 리튬 금속의 비용량은 약 3863 mAh/g이다. 리튬 이온 음극에 대해 달성 가능한 가장 높은 이론적 용량은 1168 mAh/g이고(리튬화된 재료들의 질량에 기초하여), 이는 Li2S 및 Li2O2에 의해 공유된다. BiF3(303 mAh/g, 리튬화됨) 및 FeF3(712 mAh/g, 리튬화됨)을 포함한 다른 고용량 재료들은 Amatucci, G.G. and N. Pereira의 "Fluoride based electrode materials for advanced energy storage devices"(Journal of Fluorine Chemistry, 2007. 128(4): p. 243-262)에서 식별된다. 그러나, 전술한 재료들 모두는 종래의 산화물 양극들에 비해 더 낮은 전압에서 리튬과 반응하고, 따라서, 이론적인 비에너지를 제한한다. 그러나, 전술한 재료들의 이론적인 비에너지들은 매우 높다(> 800 Wh/㎏, 리튬 음극 및 종래의 산화물 양극들을 갖는 셀에 대해 최대 ~ 500 Wh/㎏에 비교하여).
따라서, Li 금속 음극을 사용하는 이점은 흑연 또는 다른 삽입 음극들을 갖는 셀들과 비교할 때 전체 셀의 훨씬 더 높은 에너지 밀도이다. 순수한 Li 금속의 사용의 불리한 점은 리튬이 고반응성이라는 것이다. 따라서, 리튬 금속은 형태 변화들을 격는 경향을 갖고, 이는 셀이 충전되고 있을 때 음극상 및 음극 주변에 높은 표면적을 갖는 구조들이 형성되게 한다. 예시적인 높은 표면적 구조들은 덴드라이트들 및 태상 구조들(mossy structure)을 포함한다.
덴드라이트들은 Li 금속 애노드들을 갖는 셀들에 대해 가장 흔한 장애 모드이다. 덴드라이트들은 바늘형 구조로 형성되고 셀의 충전 동안 격리판을 통해 성장할 수 있어서, 내부 단락을 야기한다. 빠르게 소실되는 "소프트 단락들"은 셀의 일시적인 자체 방전을 야기하지만, 더 크고 더 안정된 접촉 면적으로 구성된 "강한 단락들"은 셀의 완전한 방전, 셀 장애, 및 심지어 열 폭주(thermal runaway)를 초래할 수 있다. 덴드라이트들이 일반적으로 충전 동안 격리판을 통해 성장하지만, 단락들은 또한 음극 및 양극 모두에서 발생하는 내부 체적 변경들 및/또는 셀상에 놓인 외부 압력에 의존하여 방전 동안 발생할 수 있다.
Li 금속이 높은 전기 전도성이기 때문에, Li의 표면은 금속이 도금되고 벗겨질 때 거칠어지는 경향이 있다. 표면에서 피크들은 충전 동안 덴드라이트들로서 성장한다. 방전 동안, 덴드라이트들의 일부 평탄화가 발생한다. 그럼에도 불구하고, 일반적으로 충전의 종료시 남아 있는 약간의 거칠음이 존재한다. 방전의 깊이에 의존하여, 전체 거칠음은 하나의 주기로부터 다음 주기로 증폭될 수 있다. 금속이 반드시 줄곧 동일한 전기 화학적 전위이기 때문에, 전해질에서 전위 및 그보다 적게, 농도 기울기들은 형태의 변경을 유도한다.
덴드라이트의 개시 및 성장에 관련된 것은 Li 형태 구조의 전개이고, 사이클링에 따라 전극 표면적을 증가시키고, 새로운 패시배이션 층들을 생성하기 위해 용제를 소비하는 경향이 있다. 높은 표면적 형태 Li의 형성은, 특히 소금 농도가 높은 경우, 액체 전해질로부터 낮은 레이트 침착 동안 발생하기 쉽다. Li의 높은 반응성 및 유기 용제의 가연성과 조합된 높은 표면적은 다양한 반응성 및 위험한 셀을 형성한다.
Li 금속 애노드를 통합한 상업적으로 실용적인 배터리를 실현할 때 다른 중요한 도전 과제는 높은 Li 금속 계면 저항, 및 Li 금속을 함유하는 고체 상태 셀에 일반적으로 존재하는 재료들에서 Li의 느린 수송, 뿐만 아니라 셀의 캐소드 측 상의 상들(phases) 사이에 Li 수송의 동역학이다. 예를 들면, 일반적인 고체 상태 전해질 재료들은 10-3 S/㎝까지의 실온에서 최대 이온 전도성들을 갖는다. 이는 10-2 S/㎝보다 큰 이온 전도성들을 요구하는 것들과 같은 전력 요구 애플리케이션들에 대해 불충분하다.
더욱이, 자동 애플리케이션들에서 배터리 또는 배터리 시스템의 몇몇 동작 모드들은 가속을 위해 또는 빠른 충전을 위해 제동 에너지를 흡수하기 위해 높은 전력 출력/입력을 실현하도록 더 높은 전도성들을 요구할 수 있다. 이들 상황들은 동작 동안 제한된 시간 동안 반복적으로 발생할 수 있고, 전해질의 전도성을 빠르게 증가시키는 것이 필요할 수 있다.
증가된 온도들이 전해질들의 전도성을 증가시키는 것으로 알려져 있지만, 완전한 배터리 팩의 높은 열용량은 필요할 때 전체 시스템을 빠르게 가열하는 것을 실행할 수 없게 한다. 또한, 높은 온도(>80℃)로 배터리를 영구적으로 유지하기 위해 요구된 에너지는 시스템을 너무 비효율적이게 한다. 이러한 상승된 온도들은 또한 상승된 온도들에 민감할 수 있는 특정 셀, 스택, 및 팩 구성 요소들의 사용에 영향을 주고 및/또는 그의 사용을 제한할 수 있다.
따라서, 상기 식별된 문제들 중 하나 이상을 처리하는 고체 상태 전기 화학 셀이 필요하다.
일 실시예에 따라, 고체-상태 배터리 시스템은 제 1 애노드, 제 1 캐소드, 제 1 애노드와 제 1 캐소드 사이에 위치된 제 1 고체-상태 전해질 층, 제 1 애노드, 제 1 캐소드, 및 제 1 고체-상태 전해질 층을 둘러싸는 하우징, 및 하우징 내에 위치되고 하우징 내 온도를 변경하도록 구성되는 적어도 하나의 열 제어 배선을 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 열 제어 배선은 제 1 고체-상태 전해질 층 내에 위치된다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 열 제어 배선은 저항성 배선을 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 열 제어 배선은 열전 재료를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 열 제어 배선은 제 1 애노드 및 제 1 캐소드와 전기적으로 연결된다.
하나 이상의 실시예들에서, 배터리 시스템은, 가변 저항성 부하로서, 적어도 하나의 열 제어 배선이 가변 저항성 부하를 통해 제 1 애노드와 전기적으로 연결되는, 상기 가변 저항성 부하, 및 제 1 고체 상태 전해질 층에서 온도를 변경하기 위해 가변 저항성 부하를 제어하도록 구성된 배터리 관리 시스템을 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 배터리 관리 시스템은 또한 셀의 장애를 식별하고, 식별된 장애에 응답하여 적어도 하나의 열 제어 배선을 사용하여 제 1 고체 상태 전해질 층을 냉각하도록 구성된다.
하나 이상의 실시예들에서, 배터리 시스템은 제 1 캐소드에 동작 가능하게 연결된 제 1 집전 장치를 포함하고, 적어도 하나의 열 제어 배선은 또한 제 1 집전 장치 및 제 1 캐소드의 인터페이스에 위치된다.
하나 이상의 실시예들에서, 배터리 시스템은 제 1 애노드에 동작 가능하게 연결된 제 2 집전 장치를 포함하고, 적어도 하나의 열 제어 배선은 또한 제 2 집전 장치 및 제 1 애노드의 인터페이스에 위치된다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 열 제어 배선은 제 1 집전 장치를 냉각하고 제 1 고체-상태 전해질 층을 가열하도록 구성된다.
하나 이상의 실시예들에서, 배터리 시스템은 하우징 내에서 기저층에 의해 제 1 캐소드로부터 떨어져 이격된 제 2 애노드, 제 2 캐소드, 및 제 2 애노드와 제 2 캐소드 사이에 위치된 제 2 고체-상태 전해질 층을 포함하고, 적어도 하나의 열 제어 배선은 제 2 고체-상태 전해질 층 내에 위치된다.
하나 이상의 실시예들에서, 고체-상태 배터리 시스템을 형성하는 방법은 하우징 내에 제 1 애노드를 제공하는 단계, 하우징 내에 제 1 캐소드를 제공하는 단계, 하우징 내에서 제 1 애노드와 제 1 캐소드 사이에 제 1 고체-상태 전해질 층을 위치시키는 단계, 하우징 내에 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계, 및 하우징 내 온도를 변경하기 위해 적어도 하나의 열 제어 배선을 구성하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 하우징 내에 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계는 제 1 고체 상태 전해질 층 내에 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 하우징 내에 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계는 제 1 고체 상태 전해질 층 내 채널에 열전기 세라믹을 소결시키는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 하우징 내에 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계는 적어도 하나의 열 제어 배선을 제 1 애노드 및 제 1 캐소드와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 열 제어 배선을 제 1 애노드와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 적어도 하나의 열 제어 배선을 가변 저항성 부하를 통해 제 1 애노드와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 제 1 고체 상태 전해질 층에서 온도를 변경하기 위해 가변 저항성 부하를 제어하도록 배터리 관리 시스템을 구성하는 단계를 추가로 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 배터리 관리 시스템을 구성하는 단계는 셀의 장애를 식별하도록 배터리 관리 시스템을 구성하는 단계, 및 식별된 장애에 응답하여 적어도 하나의 열 제어 배선을 사용하여 제 1 고체-상태 전해질 층의 냉각을 제어하도록 배터리 관리 시스템을 구성하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계는 제 1 집전 장치 및 제 1 캐소드의 인터페이스에 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계는 제 2 집전 장치 및 제 1 애노드의 인터페이스에 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 하우징 내 온도를 변경하기 위해 적어도 하나의 열 제어 배선을 구성하는 단계는 제 2 집전 장치를 냉각하기 위해 적어도 하나의 열 제어 배선을 구성하는 단계, 및 제 1 고체-상태 전해질 층을 가열하기 위해 적어도 하나의 열 제어 배선을 구성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 개선된 고체 상태 배터리 시스템 및 고체 상태 배터리 시스템을 형성하는 방법을 제공한다.
도 1은 전기 화학 셀의 간략화된 횡단면도.
도 2는 열 제어 배선을 갖는 격리판을 도시하는 도 1의 전지의 부분적인 측면 사시도.
도 3은 시누소이드 위치된 열 제어 배선을 도시하는 도 2의 캐소드의 조감도.
도 4는 격리판을 통해 채널들에 연장하는 열전기 재료의 형태의 열 제어 배선들을 포함하는 격리판의 상면도.
도 5는 격리판과 셀의 다른 구성 요소 사이에 위치된 열전기 재료의 형태의 열 제어 배선들을 포함하는 셀의 상면도.
도 6은 셀이 전해질의 온도를 제어하도록 전류를 제공하기 위해 사용되는 배터리 제어 시스템을 포함하는 시스템의 개략도.
도 7은 외부 소스가 전해질의 온도를 제어하기 위해 전류를 제공하기 위해 사용되는 배터리 제어 시스템을 포함하는 시스템의 개략도.
도 2는 열 제어 배선을 갖는 격리판을 도시하는 도 1의 전지의 부분적인 측면 사시도.
도 3은 시누소이드 위치된 열 제어 배선을 도시하는 도 2의 캐소드의 조감도.
도 4는 격리판을 통해 채널들에 연장하는 열전기 재료의 형태의 열 제어 배선들을 포함하는 격리판의 상면도.
도 5는 격리판과 셀의 다른 구성 요소 사이에 위치된 열전기 재료의 형태의 열 제어 배선들을 포함하는 셀의 상면도.
도 6은 셀이 전해질의 온도를 제어하도록 전류를 제공하기 위해 사용되는 배터리 제어 시스템을 포함하는 시스템의 개략도.
도 7은 외부 소스가 전해질의 온도를 제어하기 위해 전류를 제공하기 위해 사용되는 배터리 제어 시스템을 포함하는 시스템의 개략도.
본 개시의 원리들의 이해를 촉진하기 위한 목적을 위해, 도면들에 도시되고 다음에 기재된 설명에 기술된 실시예들에 대해 참조가 지금 행해질 것이다. 그에 의해 본 개시의 범위에 대한 제한이 의도되지 않는 것이 이해된다. 본 개시는 도시된 실시예들에 대한 임의의 교체들 및 변경들을 포함하고 본 개시가 속하는 기술 분야의 숙련자에게 통상 떠오르는 본 개시의 원리들의 다른 적용들을 포함한다는 것이 또한 이해된다.
도 1은 전기 화학 배터리(100)를 도시한다. 전기 화학 배터리(100)는 패키징(104) 또는 전기적으로 절연되고 (선택적으로) 열 전도성 둘 모두인 다른 주변 환경 내의 다수의 셀들 또는 셀 스택들(102x)을 포함한다. 패키징(104)은 전기 화학 배터리(100)의 안전성을 개선한다.
도 3의 바이폴라 설계에서 셀들(102x)을 적층시킴으로써, 배터리(100)의 동작 전압은 원하는 전압으로 변경될 수 있다. 예로서, 각각의 셀(102x)이 ~4V의 동작 전압을 갖는 경우, 100 개의 셀들(102x)은 ~400V의 동작 전압을 갖는 디바이스를 생성하기 위해 적층될 수 있다. 이러한 방식으로, 주어진 전력이 달성될 수 있고 동시에 셀들(102x)의 각각을 통해 낮은 전류를 통과시킨다. 따라서, 셀들(102x)의 배선은 작은 직경의 전기 전도체들로 달성될 수 있고 동시에 높은 에너지 효율을 유지한다. 따라서, 배터리(100)는 5 V보다 큰 동작 전압을 제공하고, 몇몇 실시예들에서 50 V보다 큰 동작 전압을 제공한다.
셀들(102x)의 각각은 애노드(106x), 격리판(108x), 및 캐소드(110x)를 포함한다. 일반적으로 구리와 같은 금속이고 집적 회로 또는 멀티플렉서(114)에 대한 피드스루뿐만 아니라 집전 장치의 역할을 할 수 있는 기저층(112x)은 애노드(106x)에 인접하고 애노드(106x)와 인접한 캐소드 사이에 위치된다. 예를 들면, 기저층(1121)은 애노드(1061)와 캐소드(110x) 사이에 위치된다.
멀티플렉서(114)가 패키징(104) 내에 도시되지만, 몇몇 실시예들에서, 멀티플렉서(114)는 패키징(104)의 외부에 제공된다. 멀티플렉서(114)는 멀티플렉서(114)를 기저층들(112x)에 연결하는 전기 리드들(116x) 사이에 절연 재료를 갖는 고체-상태 디바이스일 수 있다. 셀 스택의 각각의 단자에 접촉하는 멀티플렉서(114)의 리드들(116x)은 리드들의 각각을 통해 전류를 모니터링 및 제어하기 위해 사용된 전기 회로에 대해 셀의 상부로 연장할 수 있다. 절연체들(118x)은 리드들(116x) 및 애노드들(106x), 격리판들(108x), 및 캐소드들(110x)의 단부들 사이에 위치된다.
애노드들(106x)은 Li 금속 또는 Li 이온들을 가역적으로 삽입하고 전기 화학적으로 Li 이온들을 추출할 수 있는 몇몇 다른 Li-삽입 재료를 포함한다. 애노드들(106x)은 그들이 적어도 연관된 캐소드(110x)만큼의 용량을 갖고, 바람직하게는 적어도 10% 초과 용량을 갖고, 몇몇 실시예들에서 50%보다 큰 용량까지를 갖도록 제작된다.
다수의 실시예들에서 캐소드들(110x)은 황 또는 황 함유 재료(예를 들면, PAN-S 화합물 또는 Li2S); 공기 전극 또는 Li2O2 함유 전극; NCM, LiNi0 .5Mn1 .5O4, Li이 풍부한 층상형 산화물들, LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4와 같은 Li-삽입 재료들; Li이 풍부한 NCM, NCA, 및 다른 Li 삽입 재료들, 또는 그의 혼합물들, 또는 Li 양이온들 및/또는 전해질 음이온들과 반응 및/또는 그를 삽입하는 임의의 다른 활성 재료 또는 재료들의 혼합물을 포함한다. 캐소드들(110x)은 완전히 밀집형일 수 있다. 캐소드들(110x)은 Li-전도성 폴리머, 세라믹 또는 다른 고체, 비폴리머 전해질을 포함할 수 있다. 캐소드 Li-삽입 재료들은, T. Ohtomo외, Journal of Power Sources 233 (2013) 231-235에 기재된 바와 같이, Li-삽입 재료들과 고체 전해질 사이에 이온들의 흐름을 개선하기 위해서 LiNbO3과 같은 재료로 추가로 코팅될 수 있다(예를 들면, 스프레이 코팅을 통해). 캐소드들(110x)에서 고체-전해질 재료들은 리튬 전도성 가닛들, 리튬 전도성 황화물들(예를 들면, Li2S-P2S5) 또는 인산염들, Li3P, LIPON, Li-전도성 폴리머(예를 들면, PEO), 전체 내용이 여기에 참조로서 통합되는, Wiers 외, "A Solid Lithium Electrolyte via Addition of Lithium Isopropoxide to a Metal-Organic Framework with Open Metal Sites"(Journal of American Chemical Society, 2011, 133 (37), pp 14522-14525)에 의해 기술된 것과 같은 Li-전도성 금속-유기 프레임워크들, 티오-LISiCONs, Li-전도성 NaSICONs, Li10GeP2S12, 리튬 다황화인산염들, 또는 다른 고체 Li-전도성 재료를 추가로 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 다른 고체 전해질 재료들은 전체 내용들이 여기에 참조로서 통합된 Christensen 외, "A critical Review of Li/Air Batteries"(Journal of the Electrochemical Society 159(2) 2012)에 기술된다. 캐소드들(110x)에서 다른 재료들은 Li7 - xLa3TaxZr2 - xO12(0≤X≤2), 카본 블랙과 같은 전기 전도성 첨가물들, 및 바인더 재료를 포함할 수 있다. 캐소드 재료들은 원하는 설계를 위해 충분한 전해질-캐소드 계면 면적을 허용하도록 설계된다.
격리판들(108x)은 전기적으로 절연하는 Li-전도성 고체 전해질이다. 격리판들(108x)은 LiPON, Li-전도성 가닛(예를 들면, 합성물 Li7 - xLa3TaxZr2 - xO12(x=0 내지 x=2)를 갖는 재료), Li-전도성 황화물(예를 들면, Li2S-P2S5), Li-전도성 폴리머(예를 들면, PEO), Li-전도성 금속 유기 프레임워크들, Li3N, Li3P, 티오-LISiCON들, Li-전도성 NaSICON들, Li10GeP2S12, 리튬 다황화인산염들, 또는 다른 고체 Li-전도성 재료를 포함할 수 있는 하나 이상의 성분들로 구성된다. 격리판들(108x)은 열 제어 배선들(120x)을 포함한다. 열 제어 배선들(120x)은 실질적으로 동일하고, 도 2 및 도 3에 도시된 열 제어 배선(1201)을 더 참고하여 논의된다.
열 제어 배선(1201)은 격리판(1081)을 형성하기 위해 사용된 재료(1221) 내에 임베딩되는 시누소이드 배선이다. 열 제어 배선(1201)은 전해질 벌크 재료(1221)로 적층된 또는 소결된 저항성 배선이다. Li-이온들은 벌크 재료(1221)를 통해 흐르고 도 2의 배향에서 수직 방향으로 열 제어 배선(1201)을 통과한다. 열 제어 배선(1201)의 작은 두께 때문에(약 수 미크론들), 전해질의 이용가능한 이온 전도성 면적/체적이 방해받지 않은 수송을 위해 충분하다.
몇몇 실시예들에서, 열 제어 배선은 냉각 옵션을 허용하기 위한 열전기 재료이다. 예를 들면, 도 4는 전해질 재료(134)에서 채널들 내 열 전기 재료의 형태로 열 제어 배선들(132)을 갖는 격리판(130)을 도시한다. 열 전기 세라믹들은 소결되고 전해질(134)을 통해 채널들에 포함될 수 있다. 도 5는 층(140)과 다른 층(144) 사이의 인터페이스에서 열전기 열 제어 배선들(142)을 포함하는 대안적인 실시예를 도시한다. 상이한 실시예들에서, 열 제어 배선들은, 격리판에서 열 제어 배선을 위치시키는 대안으로서 또는 그에 추가로, 애노드 및 애노드 집전 장치, 캐소드 및 캐소드 집전 장치, 캐소드 및 격리판, 및 애노드 및 격리판 중 하나 이상 사이에 위치된다. 상이한 실시예들에서 열 전기 재료들은 Bi2Te3, Bi2Se3, PbTe, PbTe1 - xSex, Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Ge 및 다른 것들을 포함한다.
열 제어 배선들(132/142)은 재료를 통한 전기 전류 방향에 의존하여 규정된 방향으로 열 흐름을 생성하는 열 전기 효과에 의해 특정 셀 체적의 로컬 가열 또는 냉각을 허용한다. 열전기 재료가 전극과 집전 장치 사이의 인터페이스에 위치되는 실시예들에 대하여, 열전기 재료는 셀의 내부 이온 수송부들(전극 및 전해질)을 가열하기 위해 사용될 수 있고, 반면에 집전 장치는 동시에 냉각될 수 있다. 이는 이온 전도성이 더 높은 온도에서 증가하기 때문에 이온 수송이 상당히 개선된다는 것을 의미한다. 동시에, 열전기 수송들이 셀 내부로 열을 수송하기 때문에, 집전 장치는 냉각된다. 이는, 금속들에서 전기 전도성의 온도 의존성이 이온 전도체들의 거동에 완전히 반대이기 때문에, 금속성 집전 장치의 전기 전도성이 또한 개선된다는 것을 의미한다. 결과로서 집전 장치들은 더 작은 두께로 설계될 수 있지만 높은 레이트 용량을 위해 충분한 전류를 여전히 전달할 수 있다.
열전기 배선을 통해 전류 방향을 반전시킴으로써, 열 흐름은 반전될 수 있고 셀의 내부 층들은 냉각되고 집전 장치들은 히트 싱크의 역할을 한다. 따라서, 고체 박막 전해질(약 수십 미크론의 두께)은 빠르게 냉각되고 그의 이온 전도성은 급격히 낮아진다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 특징/동작 모드는 감지된 장애의 경우에 셀을 셧 다운하기 위해 사용된다.
도 6은 열 제어(저항성 배선 또는 열전기 재료와 같은)에 전력을 공급하는 일 실시예를 도시한다. 도 6에서, 셀(150)은 애노드(152), 캐소드(154), 및 격리판(156)을 포함한다. 집전 장치(158)는 애노드(152)에 제공되고 반면에 집전 장치(160)는 캐소드(154)에 제공된다. 이러한 실시예에서 저항성 배선이지만 다른 실시예들에서 열 전기 재료인 열 제어 배선(162)은 격리판(156) 내에 제공된다. 열 제어 배선(162)의 하나의 단부는 캐소드 집전 장치(160)에 접속되고 반면에 열 제어 배선(162)의 다른 단부는 가변 저항성 부하(164)를 통해 애노드 집전 장치(158)에 연결된다. 가변 저항성 부하(164)는 배터리 관리 시스템(BMS; 166)에 의해 제어된다. BMS는 그 안에 저장된 프로그램 명령들을 갖는 메모리, 및 메모리에 동작가능하게 연결되고 배터리(100)의 구성 요소들 중 하나 이상에 원하는 온도를 달성하기 위해 저항성 부하(164)를 제어하기 위해 프로그램 명령들을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
다른 실시예들에서, 열 제어 배선(162)은 BMS에 의해 제어되지 않는다. 이러한 실시예들에서, 열 제어 배선(162)의 하나의 리드는 캐소드 또는 애노드에 연결되고 반면에 다른 리드는 외부 회로를 통해 애노드 또는 캐소드에 각각 다시 연결된다. 이는 열 제어 배선(162)을 통한 전류가 배터리를 통한 전류에 비례하고 시스템이 직접적으로 결합된다는 것을 의미한다.
다른 실시예들에서, 외부 소스는 열 제어 배선을 사용하여 가열/냉각을 제공하기 위해 사용된다. 예를 들면, 도 7은 애노드(172), 캐소드(174), 및 격리판(176)을 포함하는 셀을 도시한다. 집전 장치(178)가 애노드(172)에 대해 제공되지만, 집전 장치(180)는 캐소드(174)에 대해 제공된다. 본 실시예에서 저항성 배선이지만 다른 실시예들에서 열전기 재료인 열 제어 배선(182)은 격리판(176) 내에 제공된다. 애노드 집전 장치(178) 및 캐소드 집전 장치(180)는 외부 부하(184)에 연결되지만, 열 제어 배선은 BMS(186)에 동작 가능하게 연결된다. BMS는 배선 또는 열 전기 재료를 통해 전류의 크기 및 방향을 드라이브 또는 제어하고 배터리의 원하는 동작 모드에 의존하여 제어한다.
다수의 상이한 실시예들이 상기에 기술되었지만, 다수의 실시예들의 특징들 및 요소들은 몇몇 애플리케이션들의 다른 실시예들의 특징들 및 요소들과 함께 사용될 수 있다.
상기 기술된 실시예들은 고체 전해질의 온도의 지역적인 변경을 허용하는 열 제어 배선들을 제공하고, 따라서 배터리 시스템의 더 많은 전력 요구 동작 모드들에 대해 필요할 때 그의 전도성을 증가시킨다. 열 제어 배선들은 배터리 관리 시스템(BMS)에 의해 제어될 수 있고 배터리 시스템에 의해 또는 개별적인 외부 에너지 소스에 의해 직접 전력 공급될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 고체 상태 셀, 스택 또는 팩 내 열을 재분배할 수 있는 열 전기 전도체는 이온 전도체들의 로컬 온도를 증가시키고(이온 전도성을 증가시킨다) 동시에 금속성 집전 장치들 및 다른 전기 전도체들을 냉각시키기 위해(냉각은 전기 저항성을 감소시킨다) 제공된다.
상기 기술된 실시예들은 람다 센서들(lambda sensors)에서 히터 요소들에 대해 개발된 것들과 같은 기존 기술을 사용하여(즉, 금속성 과거 인쇄의 사용, 전도성 재료들의 소결) 쉽게 제작될 수 있다. 실시예들은 알루미늄, 백금, 니켈과 같은 저항성 히터, 및 다른 것들 중에서 AlNiCo 및 콘스탄탄과 같은 합금들로서 간단한 금속성 재료들을 사용하여 행해질 수 있다.
이롭게는, 상기 기술된 실시예들은 큰 열 용량을 갖는 완전한 스택 또는 팩을 가열시키는 것 보다 더 낮은 에너지 소비를 나타낸다. 기술된 실시예들은, 단지 얇은 전해질 층(낮은 열 용량)이 가열되어야 하기 때문에, 시스템의 빠른 응답을 제공한다.
더욱이, 기술된 실시예들은, 그들이 전체 증가된 시스템 온도에 의해 영향을 받지 않기 때문에, 캐소드 및 애노드의 화학적 성질들에 적은 영향을 갖는다. BMS는 실시예들의 간단한 제어를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 저항성 배선으로서 구현될 때, 저항성 히터(저항 = R)는 전류(I)의 제곱에 비례하는 가열 전력(P)을 초래하는 외부 부하와 배터리 사이의 회로에 직접 연결될 수 있다. 이는 배터리 관리 시스템(BMS)의 사용 없이 배터리를 통해 전류에 가열 특징의 직접 접속을 요구하는 애플리케이션들에 유용할 수 있다.
기술된 실시예들은 순전히 저항성 히터 대신에 열전기 재료들의 통합에 의해 냉각 특징(예를 들면, 이온들을 정지시키는 것에 의한 배터리의 긴급 셧다운에 대하여)을 제공할 수 있다. 열전기 히터를 통한 전류의 방향은 셀 내 특정 영역이 가열되는지 또는 냉각되는지를 결정한다.
본 개시는 도면들 및 전술한 설명에 상세히 도시 및 기술되었지만, 동일물은 예시적이고 특성에서 제한적이 아닌 것으로 생각되어야 한다. 바람직한 실시예들만이 제시되었고, 본 개시의 정신 내에 있는 모든 변경들, 변형들 및 다른 적용들이 보호되는 것이 요망된다는 것이 이해된다.
100 : 전기 화학 배터리 102x : 셀들
104 : 패키징 106x : 애노드
108x : 격리판 110x : 캐소드
112x : 기저층 114 : 멀티플렉서
116x : 전기 리드들 118x : 절연체들
120x : 열 제어 배선들
104 : 패키징 106x : 애노드
108x : 격리판 110x : 캐소드
112x : 기저층 114 : 멀티플렉서
116x : 전기 리드들 118x : 절연체들
120x : 열 제어 배선들
Claims (20)
- 고체-상태 배터리 시스템에 있어서:
제 1 애노드;
제 1 캐소드;
가변 저항성 부하;
상기 제 1 애노드와 상기 제 1 캐소드 사이에 위치된 제 1 고체-상태 전해질 층;
상기 제 1 애노드, 상기 제 1 캐소드, 및 상기 제 1 고체-상태 전해질 층을 둘러싸는 하우징;
상기 제 1 고체-상태 전해질 층 내에 위치되는 적어도 하나의 열 제어 배선으로서, 상기 적어도 하나의 열 제어 배선은 열전 재료를 포함하고, 상기 가변 저항성 부하를 통해 상기 제 1 애노드와 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 캐소드와 전기적으로 연결되고, 상기 하우징 내 온도를 변경하도록 구성되는, 상기 적어도 하나의 열 제어 배선; 및
상기 제 1 고체-상태 전해질 층에서 온도를 변경하기 위해 상기 가변 저항성 부하를 제어하고, 셀의 장애를 식별하고, 상기 식별된 장애에 응답하여 상기 적어도 하나의 열 제어 배선을 사용하여 상기 제 1 고체-상태 전해질 층을 냉각하도록 구성된 배터리 관리 시스템을 포함하는, 고체-상태 배터리 시스템. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 캐소드에 동작가능하게 접속된 제 1 집전 장치를 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 열 제어 배선은 상기 제 1 집전 장치 및 상기 제 1 캐소드의 인터페이스에 위치되는, 고체-상태 배터리 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 애노드에 동작가능하게 접속된 제 2 집전 장치를 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 열 제어 배선은 상기 제 2 집전 장치 및 상기 제 1 애노드의 인터페이스에 위치되는, 고체-상태 배터리 시스템. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 하우징 내에 있고 기저층에 의해 상기 제 1 캐소드로부터 떨어져 이격된 제 2 애노드;
제 2 캐소드; 및
상기 제 2 애노드와 상기 제 2 캐소드 사이에 위치된 제 2 고체-상태 전해질 층으로서, 상기 적어도 하나의 열 제어 배선은 상기 제 2 고체-상태 전해질 층 내에 위치되는, 상기 제 2 고체-상태 전해질 층을 추가로 포함하는, 고체-상태 배터리 시스템. - 고체-상태 배터리 시스템을 형성하는 방법에 있어서:
하우징 내에 제 1 애노드를 제공하는 단계;
상기 하우징 내에 제 1 캐소드를 제공하는 단계;
상기 하우징 내 상기 제 1 애노드와 상기 제 1 캐소드 사이에 제 1 고체-상태 전해질 층을 위치시키는 단계;
상기 제 1 고체-상태 전해질 층 내에 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계로서,
상기 적어도 하나의 열 제어 배선을 상기 제 1 캐소드와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계, 및
상기 적어도 하나의 열 제어 배선을 가변 저항성 부하를 통해 상기 제 1 애노드와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하는, 상기 제 1 고체-상태 전해질 층 내에 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계;
상기 하우징 내 온도를 변경하도록 상기 적어도 하나의 열 제어 배선을 구성하는 단계;
상기 제 1 고체-상태 전해질 층에서 온도를 변경하기 위해 상기 가변 저항성 부하를 제어하도록 배터리 관리 시스템을 구성하는 단계;
셀의 장애를 식별하도록 상기 배터리 관리 시스템을 구성하는 단계; 및
상기 식별된 장애에 응답하여 상기 적어도 하나의 열 제어 배선을 사용하여 상기 제 1 고체-상태 전해질 층의 냉각을 제어하도록 상기 배터리 관리 시스템을 구성하는 단계를 포함하는, 고체-상태 배터리 시스템을 형성하는 방법. - 삭제
- 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 고체-상태 전해질 층 내에 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계는:
상기 제 1 고체-상태 전해질 층의 채널 내의 열전 세라믹을 소결시키는 단계를 포함하는, 고체-상태 배터리 시스템을 형성하는 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 12 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계는:
제 1 집전 장치 및 상기 제 1 캐소드의 인터페이스에 상기 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계를 포함하는, 고체-상태 배터리 시스템을 형성하는 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계는:
제 2 집전 장치 및 상기 제 1 애노드의 인터페이스에 상기 적어도 하나의 열 제어 배선을 위치시키는 단계를 포함하는, 고체-상태 배터리 시스템을 형성하는 방법. - 삭제
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