KR102053407B1 - 리튬 축전 배터리용 터미널 형성용 부싱 및 관련된 축전 배터리 - Google Patents

리튬 축전 배터리용 터미널 형성용 부싱 및 관련된 축전 배터리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2 개의 대향하는 표면들을 포함하는 벽의 양측에 연결되는 개구를 통하여 만들어지는, 축전 배터리를 위한 터미널을 형성하는 부싱에 관한 것으로서, 이것은: 2 개의 전기 절연성 워셔들로서, 각각은 벽의 표면들중 하나에 대하여 압력하에서 표면이 놓이는 베어링 부분 및, 베어링 부분으로부터 돌출되고 압력하에 개구의 가장자리에 대하여 놓이는 안내 부분을 포함하는 2 개의 절연성 워셔; 및, 2 개의 전기 도전성 부분으로서, 수컷 부분은 암컷 부분 안에 클램핑되게 조절되고 부분들중 각각은 압력하에 워셔들중 베어링 부분에 대하여 표면이 놓이는 베어링 부분을 포함하고, 암컷 부분은 워셔들중 안내 부분들에 대하여 압력하에 그것의 표면이 놓이는, 2 개의 전기 도전성 부분;을 포함한다. 100 A 보다 작지 않은 값을 가진 전류가 흐를 수 있도록 부분들의 재료(들)이 끼워지고 그것들의 단면적의 크기가 정해진다.

Description

리튬 축전 배터리용 터미널 형성용 부싱 및 관련된 축전 배터리{Bushing forming a terminal for a lithium storage battery and related storage battery}
본 발명은 리튬 이온 축전 배터리와 같은 리튬 이온 배터리를 위한 터미널을 형성하는 부싱에 관한 것이며, 또한 그러한 축전 배터리에 관한 것이다.
본 발명은 통상적으로 10 amphere-hours (Ah) 를 초과하는 고용량을 가지고, 통상적으로 100 A 를 초과하는 높은 전류 흐름을 위한 성능을 가지는 리튬 이온(Li-ion) 축전 배터리에 관한 것이다.
본 발명은 특히 높은 전류(heavy current)를 전달할 수 있도록 고용량 리튬 이온 축전 배터리에 설치할 수 있게 하는 부싱의 제조에 관한 것이다.
"부싱"에 의하여, 통상적인 의미가 의도되는데, 즉, 도전체를 벽에서 절연시키면서, 벽을 통하여 전기 도전 요소를 통과시키도록 이용되는 소자를 의미한다.
개략적으로 설명하면, 리튬 이온 배터리 또는 축전 배터리는 통상적으로 적어도 하나의 전기화학적 전지(cell)를 포함하여, 상기 전지는 양의 전극 또는 캐소드와 음의 전극 또는 애노드 사이의 전해질 성분, 캐소드에 연결된 집전체, 애노드에 연결된 집전체 및, 집전체들중 일부가 통과되면서 누설 방지 방식으로 전기 화학적 전지를 포함하도록 의도된 패키지로 이루어진다.
전해질 성분은 고체, 액체 또는 젤의 형태일 수 있다. 액체 또는 젤의 형태일 경우에, 상기 성분은 폴리머 또는 미세공동 복합체(microporous composite)로 만들어진 세퍼레이터를 포함할 수 있으며, 상기 세퍼레이터는 유기 유형 또는 이온 액체 유형의 전해질로 충만되며, 이는 리튬 이온이 충전을 위하여 캐소드로부터 애노드로 움직이고 방전을 위하여 역 방향으로 움직이는 것을 허용하고, 방전에는 전류를 발생시킨다. 전해질은 일반적으로 유기 용매의 혼합물이고, 예를 들어 리튬염, 통상적으로 LiPF6 가 추가되는 탄산염이다.
양의 전극 또는 캐소드는 리튬 양이온 인터칼레이션(intercalation)을 가진 물질로 이루어지며, 이것은 일반적으로 LiFePO2, LiCoO2, LiNi0 .33Mn0 .33Co0 .33O2 와 같은 복합체이다.
음의 전극 또는 애노드는 종종 흑연 탄소 또는 Li4TiO5O12 (티탄산염 물질)로 이루어지며, 선택적으로 이것은 실리콘 또는 실리콘-베이스 복합체에 기한 것이다.
양의 전극에 연결된 집전체는 일반적으로 알루미늄으로 제작된다.
음의 전극에 연결된 집전체는 일반적으로 구리, 니켈 도금 구리 또는 알루미늄으로 제작된다.
리튬 이온 배터리 또는 축전 배터리는 물론 서로 적층되는 복수개의 전기화학적 전지들을 포함할 수 있다.
전통적으로, 리튬 이온 배터리 또는 축전 배터리는 애노드 및 캐소드에서 재료의 페어링(pairing)을 이용하여 통상적으로 3.6 볼트와 같은 높은 전압 수준으로 작동되는 것을 허용한다.
리튬 이온 배터리 또는 축전 배터리는, 계획된 적용예가 튼튼하고 오랜 수명을 필요로 할 때, 예를 들어 통상적으로 10-8 mbar.l/s 미만이거나 또는 항공 또는 우주 공간과 같이 매우 가혹한 환경에서 더욱 엄격한 누설 방지의 수준이 필요하고 훨씬 높은 압력을 견뎌야할 때, 단단한 패키지를 포함한다.
더욱이, 오늘날까지 단단한 패키지는 금속 하우징으로 이루어져 왔으며, 통상적으로 스테인레스 스틸(inox 316L 또는 inox 304), 알루미늄(Al 1050 또는 Al3003) 또는 티타늄으로 이루어졌다.
현재, 2 가지 유형의 단단한 하우징이 제조된다.
제 1 유형은 기계 가공된 저부 및 덮개로 제작된 단단한 하우징으로 이루어지는데, 이들은 그 주위에서 서로 레이저 용접된다. 집전체들은 부분적으로 금속 와이어 또는 핀들로 이루어진다. 핀 또는 핀들은 전기 용접 또는 초음파 용접에 의해 해당 집전체 부분에 용접되는데, 집전체 부분 자체는 전기화학적 전지 또는 전기화학적 전지의 적층체의 전극들중 하나에 연결된다. 금속 핀과 하우징의 금속 덮개 사이의 전기 절연을 확립하기 위하여, 글래스 비드(glass bead)는 핀을 엔캡슐레이션하며, 따라서 글래스/금속 부싱(GMB)으로서 통상적으로 지칭되는 것을 구성한다. 더욱이, 하우징 덮개와의 누설 밀폐를 확립하기 위하여, 글래스 비드 둘레에 있으면서 일반적으로 하우징과 같은 금속으로 만들어진 링이 하우징에 용접된다. 특정의 구성들이 단일의 GMB 를 사용할 수 있게 하는데, 하우징은 축전 배터리의 폴(pole)로서 지칭되기도 하는 다른 터미널을 구성한다.
제 2 유형은 크림핑(crimping)된 컵 및 덮개로 만들어진 단단한 하우징으로 이루어지며, 이들은 그 주위에서 서로 레이저 용접된다. 역으로, 집전체는 부싱을 포함하는데, 부싱은 하우징의 상부로부터 돌출된 부분을 가지며 이것은 배터리의 폴로서 지칭되기도 하는 돌출 터미널을 형성한다.
하우징의 덮개(3) 및 집전체(2)를 가진 터미널을 형성하는 부싱(1)의 조립체의 제 1 예가 도 1 에 도시되어 있다:내측으로 나사가 형성된 수컷 부재 형태인, 통상적으로 구리로 만들어진 집전체(2)는 M5 또는 M8 유형의 너트(2)의 도움으로 나사 결합에 의해 고정된다. 2 개의 워셔(5A,5B)들은 통상적으로 폴리프로필렌인 전기 절연 재료로 만들어지고, 서로의 위에 배치되며, 워셔(5A)는 덮개(3)와 너트(4)의 다른 베어링 워셔(6) 사이에 배치되고, 다른 워셔(5B)는 덮개(3)와 집전체(2) 사이에 배치된다. 워셔(5A,5B)들은 하우징 덮개(3)에 대한 집전체(2)의 전기 절연 및 누설 밀폐를 확립한다. 보다 정확하게는, 도시된 제 1 예에서, 2 개의 절연 워셔(5A,5B)들이 동일하고 그 각각은 베어링 부분(50A,50B)과 안내 및 센터링 부분(51A,51B)을 포함한다. 베어링 부분(50A)은 그것의 표면이 덮개(3)의 벽의 면(30) 및 너트(4)의 베어링 워셔(6)에 대하여 모두 압력하에 있으면서 지탱된다. 마찬가지로, 베어링 부분(50B)은 그것의 표면이 덮개(3)의 대향하는 면(31) 및 집전체(2)의 베어링 부분(20)에 반하면서 지탱된다. 안내 및 센터링 부분(51A,51B)은 그들의 일부에서 표면이 덮개(2)를 통과하는 오리피스(32)의 가장자리에 대하여 그리고 집전체(2)에 대하여 모두 압력하에 있으면서 지탱된다. 상기 안내 및 센터링 부분(51A,51B)은 관통 오리피스(32) 안에서의 워셔(5A,5B) 및, 상기 워셔(5A,5B) 안에서의 수컷 집전체(2)의 안내 및 센터링을 가능하게 한다.
하우징(3)을 가지고 집전체(2)를 가지는 터미널을 형성하는 부싱(2)의 조립체의 제 2 예는 도 2 에 도시되어 있다. 내측으로 나사가 형성된 수컷 부재의 형태인, 통상적으로 구리로 만들어진 집전체(2)는 베어링 워셔(6)상에 집전체를 크림핑함으로써 고정된다. 여기에는 전기 절연 재료로 만들어진 2 개의 워셔(5A,5B)들이 있는데, 이들은 베어링 부분(50A,50B)과 안내 및 센터링 부분(51A,51B)들을 가지는 것으로서, 이들은 제 1 예와 동일한 기능을 수행하고 동일한 방식으로 배치된다. 역으로, 제 2 예에 따라서 크림핑에 의한 고정은 제 1 예의 나사 결합 너트(2)와 같은 추가적인 부재를 사용하지 않으면서 수행된다. 이것은 크림핑이 집전체(2)의 실린더형 부분의 외측상에 배치된 크림핑 부분(21)을 베어링 워셔(6)에 대하여 기계적으로 눌러서(crushing) 수행되기 때문이다.
부싱의 덮개를 가지고 집전체를 가진 터미널을 형성하는 부싱의 조립체의 제 3 예는 프랑스 특허 출원 FR2798227 에 설명되어 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 리튬 이온 배터리 또는 축전 배터리는 애노드 및 캐소드에서 재료의 페어링(paring)을 이용하여 통상적으로 3.6 볼트와 동등한 고전압 레벨에서 작동될 수 있게 한다.
저전압 레벨을 전달하는 다른 재료의 페어링이 가능하다. 예를 들어, LiFePO2/흑연의 재료 페어링은 작동중에 3.0 내지 3.2 볼트 사이의 중간 전압 레벨을 전달한다. 또한 일 예로서, LiFePO4/Li4TiO5O12 의 재료 페어링은 작동중에 1.6 내지 1.8 볼트 사이의 중간 전압 레벨을 전달한다.
본 발명자들은 연결 터미널들을 가진 하우징이 제공된 리튬 이온 축전 배터리를 제안할 필요성에 직면하였는데, 상기 연결 터미널은 통상적으로 이용되는 3.6 볼트와 같은 전압 레벨보다 낮은 중간 전압 레벨을 가지는, 통상적으로 100 A 보다 큰 매우 높은 전류를 통과시킬 수 있어야 한다. 이것은 소위 전력의 인가를 위하여, 고용량 축전 배터리가 그것의 터미널들에서 매우 높은 전력을 인가하여야 하기 때문이며, 즉, 매우 높은 전압 및 전류의 곱을 인가하여야 하기 때문이다. 그러나, 낮은 전압 레벨들의 페어링(paring)의 사용 때문에, 전통적인 것보다 높은 전류(heavier current)를 인가할 필요가 있다.
본 발명자들은 위에서 언급된 리튬 이온 축전 배터리의 패키지 하우징을 통하여, 종래 기술에서 제안된 그 어떤 부싱도, 통상적으로 100 A 보다 큰 매우 높은 전류를 통과시키기에 적절하지 않다는 결론에 도달하였다. 특히, 상기 언급된 프랑스 출원 FR 2798227 에서 제안된 해법이 높은 전류를 통과시키기에 적절하지 않은데, 왜냐하면 그렇게 함으로써 가열중에 수컷 부재와 암컷 부재 사이의 점착 분리(decohesion)에 의해 접촉 손실을 발생을 수반하게 되어 열팽창으로 이어지기 때문이며, 특히 이것은 상기 부재들의 기하 형상 및 레이저 용접의 부재(不在) 때문이다.
더욱이, 그 어떤 조립체의 유형이 구상되더라도, 부싱의 완벽한 누설 방지를 제공할 필요가 있으며, 통상적으로 5 년 보다 오래인 리튬 이온 축전 배터리의 작동 수명에 걸쳐 그럴 필요가 있다.
따라서 리튬 이온 축전 배터리를 위한 터미널을 형성하고 축전 배터리의 하우징을 통해 형성된 부싱을 향상시킬 필요성이 있으며, 특히 상기 부싱이 설치된 고용량 축전 배터리가 높은 전류를 인가할 수 있고, 부싱의 완벽한 누설 밀폐를 얻을 수 있으며 작동 수명 전체를 통하여 높은 전류를 인가하고 누설 밀폐를 이룰 수 있을 목적으로 부싱을 향상시킬 필요성이 있다.
이러한 목적을 위하여, 본 발명의 하나의 양상에 따르면, 본 발명은 리튬 이온(Li-ion) 축전 배터리를 위한 터미널을 형성하고 2 개의 대향하는 면들을 가진 벽의 양측에 오리피스 개구를 통하여 형성된 부싱에 관한 것으로서, 이것은,
벽의 면들중 하나에 대하여 표면이 압력하에 있으면서 지탱되는 베어링 부분 및, 베어링 부분으로부터 돌출되고 벽의 오리피스의 가장자리에 대하여 압력을 가지고 지탱되는 안내 부분을 각각 가지는, 2 개의 전기 절연 워셔 및,
전기 도전성 수컷 부재는 전기 도전성 암컷 부재 안에 단단하게 끼워지고, 전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재 각각은 그것의 표면이 워셔들의 베어링 부분에 대하여 압력하에 있으면서 지탱되고, 전기 도전성 암컷 부재는 그것의 표면이 워셔들의 안내 부분들에 대하여 압력하에 있으면서 지탱되는, 전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재;를 포함하고,
상기 부싱에서, 100A 와 적어도 같은 값을 가진 전기 전류가 흐를 수 있도록 하기 위하여, 전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재의 재료들이 적합화되고 단면의 크기가 정해진다.
즉, 본 발명에 따라서, 다음과 같은 단계들이 조합되어 수행된다:
수컷 전기 연결 부재와 암컷 전기 연결 부재 사이에서의 밀폐 억지 끼움의 단계로서, 이것은 2 개의 절연 워셔들의 (부싱의 축을 따른) 축방향 압축 및 오리피스의 가장자리와 암컷 부재 사이에서 2 개의 절연 워셔들의 반경 방향 조임 및 수컷 부재와 암컷 부재 사이에서 서로의 조임을 허용하여, 완벽한 누설 밀폐 및 벽에 대한 부싱의 매우 우수한 기계적 고정을 보장하는, 밀폐 억지 끼움의 단계; 및,
매우 높은 전류가 부싱을 통과할 수 있도록 하기 위하여 수컷 부재 및 암컷 부재의 재료 및 그들의 단면적의 선택 단계.
"완벽한 누설 밀폐"라는 용어는 통상적으로 헬륨에 대하여 10-8 mbar.l/s 미만으로 요구되는, 가장 엄격한 수준에서의 누설 밀폐를 의미하도록 의도된다.
유리하게는, 높으면 500 A 와 같은 값을 가진 전류가 흐를 수 있도록 하기 위하여 부재들의 재료가 적합화될 수 있고, 그들의 단면들의 치수가 정해진다.
유리한 실시예에 따르면, 암컷 부재는 개방되고 연속 용접 비드에 의해 수컷 부재의 떠오름 단부상에서 수컷 부재에 용접된다. "떠오름 단부(emergent end)"라는 용어는 억지 끼움이 수행되었을 때 암컷 부재의 측에서 보이는 수컷 부재의 단부를 의미하도록 의도된다. 용접은 전기 또는 레이저를 이용하여 수행될 수 있다. 그러한 실시예는 암컷 부재의 베이스와 수컷 부재의 단부 사이에서 기계적 연결의 영구적인 강화를 허용하기 때문에 유리하다. 더욱이, 연속적인 용접 비드는 완벽하게 누설 밀폐되며 본 발명에 따라서 벽의 부싱의 완벽한 누설 밀폐를 보장하고, 리튬 이온 축전 배터리의 작동 수명 전체에 걸쳐 그렇게 할 것이다. 누설 밀폐에 더하여, 높은 전류의 효과하에서 터미널의 가열에 의해 야기되는 열팽창과 관련된 기계적인 점착(cohesion)이 용접에 의해 보장될 것이다. 바람직스럽게는, 유리한 실시예에 따라서, 수컷 부재가 암컷 부재에 비하여 돌출되든 또는 후퇴되든 간에, 수컷 부재의 단부와 암컷 부재의 단부 사이의 높이 차이가 0.3 mm 보다 작도록 수컷 부재 및 암컷 부재가 구성된다. 특히, 수컷 부재 및 암컷 부재의 단부들이 평탄 표면을 형성하도록 유리하게 이루어지는데, 즉, 수컷 부재와 암컷 부재 사이에 실질적으로 제로의 높이 차이가 있다. 매우 작은 높이 차이를 가지는 그러한 구성은 한편으로 수컷 부재와 암컷 부재의 서로에 대한 용접을 증진시킬 수 있고, 다른 한편으로 연결 수단의 차후 용접을 증진시킬 수 있다.
바람직스럽게는, 수컷 부재 및 암컷 부재가 동일한 재료로 제작된다. 이들은 전해질 구리 CuAl 또는 텔루륨으로 약하게 합금된 구리로 만들어질 수 있다.
절연 워셔들이 유리하게는 폴리에테르이미드(PEI)로 만들어질 수 있으며, 그것의 기계적 특성 및 열적 특성은 높은 전류의 흐름과 양립될 수 있다.
바람직스럽게는, 수컷 부재와 암컷 부재 사이의 접촉 단면적(S1)이 8 mm2 보다 크고, 바람직스럽게는 10 mm2 보다 크다.
또한 바람직스럽게는, 수컷 부재의 가장 작은 단면적(S2)은 8 mm2 보다 크고, 바람직스럽게는 10 mm2 보다 크다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 본 발명은 리튬 이온(Li-ion) 축전 배터리의 터미널을 형성하고 2 개의 대향하는 면들을 가진 벽의 양측상의 오리피스 개구를 통해 형성된 부싱에 관한 것으로서,
벽의 면들중 하나에 대하여 표면이 압력하에 있으면서 지탱되는 베어링 부분 및, 베어링 부분으로부터 돌출되고 벽의 오리피스의 가장자리에 대하여 압력을 가지고 지탱되는 안내 부분을 각각 가지는, 2 개의 전기 절연 워셔 및,
전기 도전성 수컷 부재는 전기 도전성 암컷 부재 안에 단단하게 끼워지고, 전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재 각각은 그것의 표면이 워셔들의 베어링 부분에 대하여 압력하에 있으면서 지탱되는 베어링 부분을 구비하고, 전기 도전성 암컷 부재는 그것의 표면이 워셔들의 안내 부분들에 대하여 압력하에 있으면서 지탱되는, 전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재;를 포함하고
부싱에서 암컷 부재는 개방되고, 연속적인 용접 비드에 의하여 수컷 부재의 떠오름 단부상에서 수컷 부재에 용접된다.
다른 양상에 따르면, 본 발명은 덮개를 가진 하우징을 포함하는 리튬 이온(Li-ion) 배터리 또는 축전 배터리에 관한 것으로서, 위에서 설명된 부싱은 덮개를 통하여 형성된다.
일 특징에 따르면, 수컷 부재는 내측으로 나사가 형성된 유형이고 하우징 외부로 돌출한다.
덮개는 알루미늄으로 만들어질 수 있고, 예를 들어 알루미늄 1050 또는 알루미늄 3003 으로 만들어질 수 있다.
음극(들)의 재료는 흑연, 리튬, 티탄산염 산화물(Li4TiO5O12)을 포함하는 그룹으로부터 선택되고; 양극(들)의 재료는 LiFePO4, LiCoO2, LiNi0 .33Mn0 .33Co0 .33O2 를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
마지막으로, 본 발명은 위에서 설명된 부싱의 제조 방법에 관한 것으로서,
(a) 워셔들의 안내 부분들중 하나를 벽의 2 개의 대향하는 면 각각으로부터 오리피스를 통하여, 벽의 오리피스의 가장자리에 대하여 지탱되는 방식으로, 삽입하는 단계;
(b) 벽의 일 면으로부터 암컷 부재를 워셔들중 하나로 삽입하는 단계;
(c) 벽의 대향하는 면으로부터 수컷 부재를 억지 끼우는(force-fitting) 단계로서, 수컷 부재 및 암컷 부재의 베어링 부분들 각각은 그것의 표면이 워셔들의 베어링 부분에 대한 압력하에 지탱되고, 베어링 부분 자체는 오리피스의 가장자리에 대한 압력과 함께 지탱되고, 암컷 부재는 워셔들의 안내 부분들에 대한 압력을 가지고 지탱되고, 안내 부분들 자체는 표면이 벽의 오리피스의 가장자리에 대한 압력하에 있으면서 지탱되는, 억지 끼움 단계;를 수행함으로써 이루어진다.
단계(c)를 따라서 압력을 가지고 지탱됨을 허용하는 억지 끼움이 유리하게는 1 metric tonne-force 이상의 힘으로 누름으로써 수행된다.
본 발명의 다른 장점들 및 특징들은 본 발명의 예시적인 실시예들에 대한 상세한 설명을 통하여 보다 명확해질 것이며, 상기 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 제한됨을 의미하지 않으면서 일 예로서 제공된다.
도 1 은 종래 기술의 일 예에 따른 Li-ion 축전 배터리의 터미널을 형성하는 부싱의 축방향 단면에서의 도면이다.
도 2 는 종래 기술의 일 예에 다른 Li-ion 축전 배터리의 터미널을 형성하는 부싱의 축방향 단면에서의 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 일 예의 Li-ion 축전 배터리의 터미널을 형성하는 부싱의 축방향 단면에서의 사시도이다.
도 4 는 도 3 의 예에 따라서 상이한 치수들 및, 시간의 함수로서의 온도 변화에 대한 커브를 도시한다.
도 4a 는 도 4 의 확대도이다.
도 5 는 덮개를 가진 Li-ion 축전 배터리의 실린더형 하우징의 사시도이며, 본 발명에 따른 터미널을 형성하는 부싱은 덮개를 통하여 형성된다.
도 5a 및 도 5b 는 도 5 의 하우징에 고정된 원형 단면을 가진 덮개의 위 및 아래로부터 각각 도시한 사시도이다.
도 5c 는 도 5 에 따른 것과 같은 하우징에 고정된 원형 단면을 가진 덮개의 아래로부터의 사진을 재현한 것이다.
도 6 은 덮개를 가진, Li-ion 축전 배터리의 프리즘 형상의 하우징의 사시도이며, 본 발명에 따른 터미널을 형성하는 부싱은 덮개를 통하여 형성된다.
도 1 및 도 2 는 종래 기술에 따른 Li-이온 축전 배터리의 터미널을 형성하는 2 개의 상이한 예에 관한 것이다. 상기 도 1 및 도 2 는 도입부에 이미 설명되었으며, 따라서 아래에 설명되지 않는다.
명확성을 위하여, 도 1 내지 도 6 의 모든 도면에서 종래 기술 및 본 발명에 따른 부싱의 동일한 요소들은 동일한 참조 번호로 표시된다.
본 출원의 나머지 부분에서, "하부", "상부", "낮은", "높은", "아래" 및 "위"와 같은 용어들은 덮개가 상부에 있고 부싱이 하우징의 밖에서 위로 돌출되게 수직으로 위치된 리튬 이온 축전 배터리 하우징과 관련되는 것으로 이해되어야 한다.
도 3 은 본 발명에 따른 리튬 이온 축전 배터리의 터미널(1)을 형성하는 부싱의 예를 도시한다.
본 발명에 따른 부싱(1)은 리튬 이온 축전 배터리 하우징의 덮개(3)의 양측에서 개방된 오리피스(32)를 통하여 형성된다. 상기 덮개는 2 개의 대향면(30,31)들을 포함한다. 부싱(1)은 리튬 이온 축전 배터리의 하우징 축에 평행한 축(X)을 따라서 연장된다.
본 발명에 따른 부싱(1)은 우선 2 개의 동일한 전기 절연 워셔(5A,5B)를 포함한다. 도시된 워셔(washer, 5A,5B)는 높은 전기 저항 계수를 가지며, 1.1015 μohm.cm 보다 큰 전기 저항 계수를 가진다. 이들은 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI)로 만들어질 수 있다. 베어링 부분(50A,50B) 및 안내 부분(51A,51B)을 포함하는 각각의 워셔는 베어링 부분으로부터 돌출한다. 상부 워셔(5A)의 베어링 부분은 그것의 표면이 덮개(3)의 상부면(30)에 대하여 압력하에 있으면서 지탱되고, 그것의 안내 부분(51A)은 덮개(3)의 오리피스(32)의 가장자리에 대한 압력을 가지고 지탱된다. 마찬가지로, 하부 워셔(5B)의 베어링 부분은 그것의 표면이 덮개(3)의 하부면(30)에 대하여 압력하에 있으면서 지탱되고 그것의 안내 부분(51B)은 덮개(3)의 오리피스(32)의 가장자리에 대한 압력을 가지고 지탱된다.
본 발명에 따른 부싱(1)은 암컷 부재(8)에 단단하게 끼워진 수컷 부재(7)를 포함한다. 수컷 부재(7)는 내부에 나사가 형성되며, 통상적으로 M5 유형의 직경(Φ)에 따라서 나사가 형성된다. 수컷 부재(7) 및 암컷 부재(8)는 전기적으로 도전성이다. 즉, 이들은 낮은 전기 저항 계수를 가지며, 통상적으로 1.7 내지 1.9 μohm.cm 사이의 전기 저항 계수를 가진다. 이들은 전해질 구리 CuAl 또는 텔루륨(tellurium)으로 약하게 합금된 구리 CuTe 로 만들어질 수 있다. 이들은 또한 덮개(3)와 같은 재료로 이루어질 수 있으며, 통상적으로 알루미늄 1050 또는 3003 으로 이루어질 수 있고, 그것의 전기 저항 계수는 2.6 μohm.cm 의 정도이다. 이러한 경우에, 물론 하우징 안에 포함된 리튬 이온 축전 배터리의 전기화학적 셀(cell) 또는 셀들을 구성하는 재료들과 상기 재료가 화학적으로 양립하도록 주의해야 한다. 바람직스럽게는, 수컷 부재(7) 및 암컷 부재(8)는 동일한 재료로 만들어진다.
수컷 부재(7) 및 암컷 부재 각각은 베어링 부분(70,80)을 포함한다. 수컷 부재(7)의 베어링 부분(70)은 그것의 표면이 상부 워셔(5A)의 베어링 부분(50A)에 대하여 압력하에 있으면서 지탱되고, 암컷 부재의 베어링 부분(80)은 하부 워셔(5B)의 베어링 부분(50B)에 대한 압력하에 있는 표면을 가지고 지탱된다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 암컷 부재(8)는 그것의 표면이 워셔들의 안내 부분(51A,51B)에 대하여 압력하에 있으면서 지탱된다.
본 발명에 따르면, 수컷 부재(7) 및 암컷 부재(8)의 재료는 적어도 100 A 와 동등한 값을 가진 전류가 흐를 수 있도록 선택되고 단면들의 치수가 정해진다. 본 발명에 따른 부싱(1)을 통하여 흐를 수 있는 중전류(heavy current)는 적어도 3 분의 지속 기간 동안의 연속적인 전류이다.
본 발명에 따른 부싱(1)을 통한 100 A 보다 큰 전류(I)의 경로는 검은 화살표로 표시되어 있다.
도 3 에 표시된 수컷 부재(7) 및 암컷 부재(8)의 치수 선정은 수컷 부재(7) 및 암컷 부재(8) 각각의 길이 치수, 점선의 사각형으로 표시된 단면(S1)을 형성하는 2 개 부재(7,8)들 사이의 접촉 높이(H) 및, 점선의 원으로 표시된 단면(S2)을 한정하는 암컷 부재(8)상의 벽 두께에 관한 것이다. 단면(S1)은 수컷 부재(7)의 주위에 있는 높이(H)의 밴드이고, 즉, S1=π*H*D 이다. 마찬가지로, S2 는 수컷 부재(7)의 가장 작은 단면에 대응하며, 즉, 직경(Φ)의 보어의 높이에서 축(X)에 횡방향이다.
바람직스럽게는, S1 은 8 mm2 보다 크고, 보다 바람직스럽게는 10 mm2 보다 크다. 바람직스럽게는, S2 는 8 mm2 보다 크고, 보다 바람직스럽게는 10 mm2 보다 크다.
복수개의 부싱(1)은 도 3 에 도시된 바와 같이 생산되었지만, 아래의 1 내지 4 의 예의 상이한 치수들에 따라서 생산되었다. 부싱(1)을 통해 흐를 수 있는 전류(I)의 다양한 값들 뿐만 아니라, 이들 치수들은 아래의 표에 표시되며, 이것이 한편으로는 직경(D)이 암컷 부재(7)와의 접촉 높이(H)를 한정하는 수컷 부재(8)의 부분의 치수에 대응하며, 다른 한편으로는 전류(I)가 적어도 3 분의 지속 기간 동안 연속적이어야 한다는 전제를 가진다.
본 발명에 따른 부싱의 치수 No. 1 2 3 4
직경 D (mm) 6.0 7.0 8.0 9.0
단면 S1(mm2) 14.3 26.0 40.5 56
단면 S2(mm2) 40 52 60 67
전류 I (A) 200-230 320-360 450-500 >500
치수 No. 1 을 가진 부싱에서 테스트가 수행되었는데, 즉, 단면의 치수 및 재료의 선택을 확실하게 하기 위하여 직경(D)이 6 mm 와 같은 부싱을 테스트하였다. 상기 테스트들은 다양한 전류 레벨 흐름을 만드는 것으로 이루어지는데, 각각 50 내지 500 A 범위에서 하나의 레벨에서 다른 레벨로 변화시키도록 50A 의 간격을 증가시켰다. 다음에 시간의 함수로서 부싱에서 관찰되는 가열에 대한 측정이 이루어졌으며, 즉, 전류(I)가 암컷 부재(8)를 통해 전달되고 도 3 에 표시된 바와 같이 흐르는 초기 순간으로부터 온도 상승이 측정되었다. 이러한 테스트는 네가티브 터미널(negative terminal)을 형성하는 본 발명의 부싱(1)에 대하여 수행되었다는 점이 지적되어야 한다. 이러한 테스트들에 대하여, 수컷 부재(7) 및 암컷 부재는 CuA1 으로 제작되고, 워셔들은 PEI 로 제작되고, 벽(3)은 알루미늄 1050 으로 제작된다.
도 4 및 도 4a 에 도시된 다양한 곡선들은 이러한 가열 측정들의 결과를 나타낸다.
이러한 곡선들로부터, 200A 의 전류로써 측정된 온도 상승은 대략 30℃ 이고, 250A 의 전류로써 온도 상승은 대략 50℃ 라는 점을 알 수 있다.
결론으로서, 이러한 측정 결과들이 나타내는 것은 치수 No. 1 을 부싱에 대하여:
-적어도 500 A 까지의 중전류(heavy current)를 수행할 수 있고;
- 과도한 온도 상승 없이 결과적인 지속 기간 동안 200 내지 250 A 의 중전류를 연속하여 수행할 수 있고, 이는 특정의 시간 이후에 안정화되는 경향을 가진다.
본 발명에 따른 부싱을 제조하기 위하여, 다음의 단계들이 수행된다.
워셔(5A,5B)의 안내 부분(51A,51B)들중 하나를, 덮개(3)의 2개 면(30,31)들 각각으로부터 오리피스(32)를 통해 삽입하는데, 이들 면들이 오리피스(32)의 가장자리에 대하여 지탱되는 방식으로 삽입된다.
암컷 부재(8)는 덮개(3)의 하부면(31)으로부터 하부 워셔(5B) 안으로 삽입된다.
수컷 부재(7)는 덮개(3)의 하부면(31)에 대향하는 상부면(30)으로부터 억지 끼움(force-fit)된다. 억지 끼움은 수컷 부재(7) 및 암컷 부재(8)의 베어링 부분(70,80)들 각각이 그것의 표면으로써 워셔(5A,5B)들의 베어링 부분(50A,50B)에 대하여 압력하에 있도록 지탱될 수 있게 하고, 베어링 부분 자체는 오리피스(32)의 가장자리에 대하여 압력하에 지탱될 수 있게 한다. 더욱이, 암컷 부재(8)는 워셔(5A,5B)의 안내 부분(51A,51B)에 대하여 압력하에 지탱되고, 안내 부분 자체는 표면이 오리피스(32)의 가장자리에 대하여 압력하에 지탱된다.
억지 끼움에 대하여 가해지는 다양한 힘들을 가지고 압력하의 다양한 테스트들이 수행되었다. 한편으로는 부재(7,8)와 워셔(5A,5B)와 덮개(3) 사이에 완벽한 누설 밀폐를 달성하기 위하여, 다른 한편으로는 수컷 부재(7)와 암컷 부재(8) 사이에 매우 강력한 기계적 냉간 조임(cold mechanical tightening)을 달성하기 위하여, 1 metric ton-force 와 적어도 같은 억지 끼움의 힘을 적용하는 것이 바람직스럽다는 점을 상기 테스트들이 나타내었다.
본 발명에 따른 부싱(1)은 실린더형 기하 형상(도 5 내지 도 5c)에 따라서 그리고 프리즘 기하 형상(도 6)에 따라서 리튬 이온 축전 배터리의 하우징(10)의 덮개(3) 상에 형성될 수 있다. 이들 다양한 형상들에서, 본 발명에 따른 터미널(1)은 예를 들어 네가티브인데, 포지티브 터미널(11)이 제작될 수 있으며, 예를 들어 도 5 내지 도 6 에 도시된 바와 같이 덮개(3)상에서 용접에 의해 직접적으로 제작될 수 있다.
수컷 부재(7)와 암컷 부재(8) 사이에 기계적인 연결을 더욱 강화시키기 위하여, 도 5c 에 도시된 바와 같이 수컷 부재(7)의 떠오름 단부(emergent end, 71)에서 그리고 주위에서 연속적인 누설 밀폐 용접 비드(weld bead, 12)를 형성하는 것이 유리하다. 이러한 연속적인 비드(12)는 전기 용접 또는 레이저 용접에 의해 제작될 수 있다. 이러한 연속적인 비드(12)는 본 발명에 따른 부싱(1)의 완벽한 누설 밀폐를 보장하고 보충하며, 리튬 이온 축전 배터리의 작동 수명을 통해 그렇게 하며, 작동 수명이 바람직스럽게는 5 년을 넘는다.
위에서 설명되지 않았을지라도, 암컷 부재(8)의 베이스, 즉, 베어링 표면(80)을 한정하는 단면은, 하우징에 대하여 내부의 연결 수단을 전기적으로 연결할 수 있게 하고, 또한 하나 이상의 전기 화학적 셀들로 이루어지는, 통상적으로 다발(bundle)로 지칭되는 전기 화학적 조립체에 자체를 전기적으로 연결할 수 있게 하는 충분한 면적을 가진다. 암컷 부재의 베이스(80)와 내부 연결 수단 사이의 전기적 연결은 용접에 의해 제작될 수 있다.
본 발명은 위에서 설명된 예에만 제한되지 않는다; 특히 도시된 예들의 특징은 도시되지 않은 변형예들의 범위에서 서로 조합될 수 있다.
"하나를 포함하는"이라는 표현은 반대로 적시되지 않는 한 "적어도 하나를 포함하는"이라는 표현과 유사한 것으로 해석되어야 한다.
7. 수컷 부재 8. 암컷 부재
70.80. 베어링 부분

Claims (14)

  1. 2 개의 대향면(30,31)을 가진 벽(3)의 양측에서 개방된 오리피스(32)를 통해 형성된, 리튬 이온(Li-ion) 축전 배터리의 터미널 형성용 부싱(1)으로서,
    벽의 대향면(30,31)들중 하나에 대하여 표면이 압력하에 있으면서 지탱되는 베어링 부분(50A,50B) 및, 베어링 부분으로부터 돌출되고 벽의 오리피스(32)의 가장자리에 대하여 압력으로써 지탱되는 안내 부분(51A,51B)을 각각 가지는, 2 개의 전기 절연 워셔(5A,5B) 및,
    전기 도전성 수컷 부재(7)는 전기 도전성 암컷 부재(8) 안에 단단하게 끼워지고, 전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재 각각은 그것의 표면이 절연 워셔들의 베어링 부분(50A,50B)에 대하여 압력하에 있으면서 지탱되는 베어링 부분(70,80)을 구비하고, 전기 도전성 암컷 부재는 그것의 표면이 절연 워셔들의 안내 부분(51A,51B)들에 대하여 압력하에 있으면서 지탱되는, 전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재;를 포함하고,
    상기 부싱에서, 100A 와 적어도 같은 값을 가진 전기 전류가 흐를 수 있도록 하기 위하여, 전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재의 재료들이 적합화되고 단면의 크기가 정해지는, 리튬 이온 축전 배터리의 터미널 형성용 부싱.
  2. 제 1 항에 있어서,
    많아도 500A 와 같은 값을 가진 전기 전류가 흐를 수 있도록 하기 위하여, 전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재의 재료들이 적합화되고 단면의 크기가 정해지는, 리튬 이온 축전 배터리의 터미널 형성용 부싱.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전기 도전성 암컷 부재는 개방되고, 연속적인 용접 비드(12)에 의해 전기 도전성 수컷 부재의 떠오름 단부(emergent end)상에서 전기 도전성 수컷 부재에 용접되는, 리튬 이온 축전 배터리의 터미널 형성용 부싱.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재는 동일한 재료로 만들어지는, 리튬 이온 축전 배터리의 터미널 형성용 부싱.
  5. 제 4 항에 있어서,
    전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재는 전해질 구리(CuAl) 로 만들어지거나 또는 텔루륨(tellurium)으로 약하게 합금된 구리(CuTe)로 만들어지는, 리튬 이온 축전 배터리의 터미널 형성용 부싱.
  6. 제 1 항에 있어서,
    절연 워셔(insulating washer)들은 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI)로 만들어지는, 리튬 이온 축전 배터리의 터미널 형성용 부싱.
  7. 제 1 항에 있어서,
    전기 도전성 수컷 부재(7)와 전기 도전성 암컷 부재(8) 사이의 접촉 단면(S1)은 8 mm2 보다 큰, 리튬 이온 축전 배터리의 터미널 형성용 부싱.
  8. 제 1 항에 있어서,
    수컷 부재(7)의 가장 작은 단면(S2)은 8 mm2 보다 큰, 리튬 이온 축전 배터리의 터미널 형성용 부싱.
  9. 덮개(3)를 가진 하우징(10)을 포함하는 리튬 이온(Li-ion) 배터리 또는 축전 배터리로서, 상기 덮개(3)를 통하여 제 1 항에 따른 부싱(1)이 형성하는, 리튬 이온 배터리 또는 축전 배터리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    전기 도전성 수컷 부재(7)는 내측으로 나사가 형성된 유형이고 하우징(10)의 외측으로 돌출되는, 리튬 이온 배터리 또는 축전 배터리.
  11. 제 9 항에 있어서,
    덮개는, 알루미늄 1050 또는 알루미늄 3003 과 같은, 알루미늄으로 만들어지는, 리튬 이온 배터리 또는 축전 배터리.
  12. 제 9 항에 있어서,
    음극(들)의 재료는 흑연, 리튬, 티탄산염 산화물(Li4TiO5O12)를 포함하는 그룹으로부터 선택되고,
    양극(들)의 재료는 LiFePO4, LiCoO2, LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 리튬 이온 배터리 또는 축전 배터리.
  13. 제 1 항에 따른 부싱의 제조 방법으로서,
    (a) 워셔(5A,5B)들의 안내 부분(51A,51B)들중 하나를 벽(3)의 2 개의 대향하는 면(30,31) 각각으로부터 오리피스(32)를 통하여, 벽의 오리피스(32)의 가장자리에 대하여 지탱되는 방식으로, 삽입하는 단계;
    (b) 벽의 일 면(31)으로부터 전기 도전성 암컷 부재(8)를 워셔(5B)들중 하나로 삽입하는 단계;
    (c) 벽의 대향하는 면(30)으로부터 전기 도전성 수컷 부재(7)를 억지 끼우는(force-fitting) 단계로서, 전기 도전성 수컷 부재 및 전기 도전성 암컷 부재의 베어링 부분(70,80)들 각각은 그것의 표면이 워셔들의 베어링 부분(50A,50B)에 대한 압력하에 지탱되고, 베어링 부분 자체는 오리피스의 가장자리에 대한 압력과 함께 지탱되고, 전기 도전성 암컷 부재는 워셔들의 안내 부분(51A,51B)들에 대한 압력을 가지고 지탱되고, 안내 부분들 자체는 표면이 벽의 오리피스의 가장자리에 대한 압력하에 있으면서 지탱되는, 억지 끼움 단계;를 수행하는, 부싱의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    단계(c)에 따른 억지 끼움은 1 metric ton-force 이상의 힘으로써 누름으로써 수행되는, 부싱의 제조 방법.
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