KR102082864B1 - 오믹 조절형 배터리 - Google Patents

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Abstract

오믹 저항이 온도에 따라 조절되는 재충전 가능한 배터리가 개시된다.

Description

오믹 조절형 배터리{OHMICALLY MODULATED BATTERY}
본 출원은 2014년 5월 1일 자로 출원된 미국 출원 제14/267,648호, 2013년 10월 11일 자로 출원된 미국 가출원 제61/890,012호의 우선권 주장 출원이며, 이들 출원 둘 다는 본원에서 참조로 병합된다.
본 발명은 일반적으로 재충전 가능한 배터리들에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 2 개 이상의 내부 저항 레벨들을 가지기 위해 가공된 재충전 가능한 배터리에 관한 것이다. 내부 저항 레벨은 온도와 함께 실질적으로 변화된다. 상기와 같은 배터리들은 개선된 성능 및 안전성을 가질 수 있으며, 그리고 전자 기기들, 차량들 및 그리드 (grid) 에너지 저장을 위한 리튬-이온 배터리들을 포함할 수 있다.
전자 기기, 이송 및 그리드 에너지 저장부용 에너지-밀집 재충전 가능한 배터리들은 일반적으로 저온에서 저 성능을 겪고 고온에서 안전성 문제를 겪는다. 저온에서, 특히 빙점하의 온도에서, 재충전 가능한 배터리들, 특히 리튬-이온 배터리들은 부진한 전기 화학 운동 및 배터리 전지에서 일어나는 운반 과정으로 인해 매우 낮은 파워 성능 및 저 에너지를 보인다. 고온에서, 리튬-이온 배터리들은 열 폭주를 받게 되는 강한 경향을 가져 상당히 위험하다.
저온에서 성능이 개선되고 그리고/또는 고온에서도 안전성이 개선된 재충전 가능한 배터리들이 필요하다.
본원의 이점은 배터리 온도와 함께 실질적으로 변화할 수 있는 2 개 이상의 내부 저항 레벨들을 가지기 위해 가공된 리튬 이온 배터리와 같은 오믹 조절형 (ohmically modulated) 재충전 가능한 배터리이다. 오믹 조절 메커니즘은 능동 또는 수동 구성에 의해 구현될 수 있다. 바람직하게, 상기와 같은 배터리들은 일 측 온도 범위에 걸쳐 일 측 내부 저항 레벨로 동작될 수 있고, 타 측 온도들 또는 범위들에서 타 측 내부 저항 레벨들로 동작될 수 있다. 다양한 내부 저항 레벨들 사이의 차이는 2 내지 50 또는 그 초과의 팩터일 수 있다. 본원의 실시예들에서, 다양한 내부 저항 레벨들 사이의 차이는 2 내지 500, 예컨대 2 내지 100 또는 2 내지 50의 팩터일 수 있다. 서로 다른 저항 레벨들 사이의 스위칭은 성능을 개선할 수 있으며, 재충전 가능한 배터리들의 안전성을 개선할 수 있다. 예를 들면, 배터리 온도가 정상 동작 범위, 예컨대, 약 45 ℃ 내지 55 ℃ 이상을 초과하여 상승할 시에, 배터리의 내부 오믹 저항은 급격하게 증가될 수 있고, 그 결과 최대 충전/방전 전류는 가능한 낮은 레벨로 유지되고, 이는 결과적으로 내부 열 발생을 실질적으로 감소시킨다. 매우 낮은 최대 가능한 전류 및 매우 낮은 내부 열 발생 비율의 조합은 고온에서 배터리 안전성을 촉진시킨다.
이들 및 다른 이점들은 재충전 가능한 배터리에 의해 적어도 부분적으로 만족되고, 이때 상기 재충전 가능한 배터리는 제 1 온도 (T1) 내지 제 2 온도 (T2)의 배터리의 온도 범위에 걸친 제 1 레벨의 내부 저항 (R1), 및 T1 또는 T2 밖에서의 제 2 레벨의 내부 저항 (R2)을 포함하고, T1보다 약 2 ℃ 낮은 온도에서의 R2의 값은 T1에서의 R1의 값의 적어도 2 배이거나, 또는 T2보다 약 2 ℃ 높은 온도에서의 R2의 값은 T2에서의 R1의 값의 적어도 2 배이다. 재충전 가능한 배터리는 추가 저항 레벨들, 예컨대, 제 3 온도 (T3)에 연관되거나 또는 제 3 온도 범위 (T3, T4)에 걸친 제 3 저항 레벨 (R3) 등을 가질 수 있다. 바람직하게, T1보다 약 2 ℃ 낮은 온도에서의 R2의 값은 T1에서의 R1의 값의 적어도 2 배 내지 50 배이며, 그리고 T2보다 약 2 ℃ 높은 온도에서의 R2의 값은 T2에서의 R1의 값의 적어도 2 배 내지 50 배이다. 본원의 실시예들에서 포함되는 바와 같이, R2의 값이 T1보다 약 2 ℃ 낮은 온도에서 결정되고, R1이 T1에서 결정될 시에, R2/R1의 값은 2 내지 500, 예컨대, R2/R1의 값은 2 내지 100, 또는 2 내지 50이다. 추가적이거나 대안적인 실시예들에서 포함되는 바와 같이, R2의 값이 T2보다 약 2 ℃ 높은 온도에서 결정되고, R1이 T2에서 결정될 시에, R2/R1의 값은 2 내지 500, 예컨대, R2/R1의 값은 2 내지 100, 또는 2 내지 50이다. 배터리의 오믹 조절은 바람직하게 가역적이고, 즉, 내부 저항은 T1 내지 T2에서 R2로부터 R1으로 다시 스위칭될 수 있다.
본원의 소정의 양태들에서, 재충전 가능한 배터리는 R1로 배터리를 동작시키는 단자들, 예컨대, R1로 배터리를 동작시키는 양의 및 음의 단자; R2로 배터리를 동작시키는 적어도 하나의 고 저항 단자; 및 상기 배터리의 온도가 T1 또는 T2 밖에 있을 시에 R2를 활성화시키는 스위치를 포함한다. 상기 고 저항 단자는 상기 배터리의 전지 내의, 또는 상기 배터리의 전지들 사이의 적어도 하나의 저항기 시트와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기와 같은 배터리의 실시예들에서 포함되는 바와 같이, 적어도 하나의 저항기 시트는 2 개의 탭들을 가지도록 구성되고, 상기 2개의 탭들 중 일 측의 탭은 저-저항 단자를 형성하기 위해 상기 배터리에서 다른 전극 탭들과 전기적으로 연결되며, 그리고 상기 적어도 하나의 저항기 시트 중 타 측 탭은 상기 적어도 하나의 고-저항 단자를 형성하고, 또는 상기 적어도 하나의 저항기 시트는 배터리 전지에 사용된 2 개의 금속 전류 콜렉터들 중 어느 하나 또는 둘 다, 또는 2 개의 금속 전류 콜렉터들의 일부와 동일하다.
예를 들면, 상기 재충전 가능한 배터리는 종래의 배터리의 전극-세퍼레이터 시트들의 스택들 또는 젤리-롤들 내에 매립된 하나 이상의 저항기 시트들 및 상기 배터리를 동작시키는 3 개의 단자들을 포함할 수 있다. 상기 단자들은 저-저항 레벨 (R1) 또는 고-저항 레벨 (R2)로 상기 배터리의 동작을 허용한다. 상기 3 개의 단자들은 하나의 양의 단자 및 2 개의 음의 단자들 또는 2 개의 양의 단자들 및 하나의 음의 단자를 포함할 수 있다. 전자 쪽의 구성이 바람직하다. 2 개의 동일-극성 단자들은 열로 자가 활성화되거나 (self-activated), 또는 온도 제어기에 의해 구동되는 스위치에 의해 더 연결될 수 있고, 그 결과 상기 배터리는, 배터리 온도가 임계 값을 초과할 시에, R1로 배터리를 동작시키는 단자들과 R2로 배터리를 동작시키는 단자들 사이를 스위칭한다.
본원의 또 다른 실시예는 배터리 전지의 탭들, 또는 배터리의 탭들의 서브그룹들, 또는 다수의 배터리 전지들의 탭들 사이에서 개재된 하나 이상의 저항기 시트들을 가진 재충전 가능한 배터리를 포함한다. 이러한 구성은 저항기들 상에 발생된 Joule 열이 배터리 전지들의 활성 물질들 및 전해액들로부터 단열되는 이익을 가진다.
본원의 또 다른 실시예는 하나 이상의 양의 온도 계수 (PTC) 물질들을 포함한 하나 이상의 전극들을 가진 재충전 가능한 배터리를 포함한다. PTC 물질은, 함께 연결되기 전에, 전극 슬러들과 혼합된 도전제, 또는 활성 전극 물질들의 표면 상의 박형 코팅, 또는 활성 전극 물질들과 전류-수집 호일 사이에 개재된 계면 코팅, 또는 탭들 상의 코팅에 포함될 수 있다. 본원의 PTC 물질들은 소정의 온도를 초과하여, 예컨대, 약 80 ℃를 초과하여 10의 몇 승 정도의 저항 증가를 보임으로써, 배터리 안전성을 더 향상시킨다. PTC 물질들의 비선형 행동은 바람직하게 소정의 온도들을 초과하여 내부 저항에서의 실질적인 증가를 일으키고, 이는 배터리 온도를 낮출 시에 반대로 될 수 있다.
본원의 또 다른 실시예는 전극들을 만드는 바인더, 또는 활성 물질들과 전류-수집 호일 사이의 계면을 위한 전도성 글루를 만드는 바인더, 또는 다공성 전극들용 다공성 필러로서, 하나 이상의 열 팽창 가능한 폴리머들을 포함한 하나 이상의 전극들을 가진 재충전 가능한 배터리를 포함한다. 이러한 폴리머들은 가할 시에, 급격하게 팽창되고, 이로 인해, 바인더들로서 사용될 시에 전기 저항에서의 큰 증가 또는 다공성 필러들로서 사용될 시에 이온 저항에서의 큰 증가가 일어난다 (다공성 볼륨을 제한하고 이온 이송에 대한 다공성 비틀림을 증가시키는 것으로 인함). 둘 다는, 배터리 온도가 충분하게 높을 시에 배터리 저항에서의 급격한 증가를 초래한다.
본원의 또 다른 양태는 2 개 이상의 임계 온도에서 단계 변화를 갖는 배터리 저항의 다-레벨 프로파일을 가진 재충전 가능한 배터리를 포함한다. 상기와 같은 프로파일은 다수의 방어 층들을 제공할 수 있다.
본 발명의 추가적인 이점들은 기술 분야의 통상의 기술자에게 다음의 상세한 설명으로부터 손쉽게 명백해 질 것이며, 단지 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명을 수행할 시에 고려된 최적의 모드의 설명 방식으로 간단하게 도시 및 기술된다. 인식될 바와 같이, 본 발명은 다른 및 서로 다른 실시예들을 가능케 하며, 그리고 그의 여러 개의 세부 사항들은 본 발명으로부터 전혀 벗어남 없이 다양한 명백한 사항들로 수정될 수 있다. 이에 따라서, 도면 및 설명은 사실상 제한적이지 않고 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
첨부된 도면에서 참조가 이루어지고, 동일한 참조 번호 지정을 가진 요소들은 유사한 요소들로 전부 나타내며, 도면에서:
도 1은 본원의 실시예에 따른, 오믹 조절형 재충전 가능한 배터리 (OMB)의 저항 특성을 도시하고, 이때 배터리 저항은 열 폭주에 대한 잠재성을 최소화시키고, 배터리 안전성을 촉진시키기 위하여, 임계 온도 (T2)에서 내부 저항의 급격한 증가를 가지기 위해 조절된다.
도 2는 본원의 실시예에 따른, 임계 온도 (T2)에서 배터리 저항에서의 10 배 점프를 한 OMB의 단계적 메커니즘 (step-by-step mechanism)의 개략적인 도시이다.
도 3a-3c는 본원의 실시예들에 따른, 오믹 조절형 재충전 가능한 배터리의 온도의 함수로서 내부 저항의 관계를 도시한 그래프를 도시한다. 도 3a는 욕조 프로파일로서 OMB의 내부 저항 대 온도 관계를 도시하며, 그리고 도 3b는 계단 함수로서 OMB의 내부 저항 대 온도 관계를 도시한다. 도 3c는 본원의 실시예에 따른, OMB에 연관된 저항 레벨들 및 온도에 대한 온도 변화 (
Figure 112016039059625-pct00001
)에 대한 내부 저항 백분율 변화를 보여준 차트이다.
도 4는 본원의 실시예에 따른, OMB의 내부 저항 대 온도 관계를 도시하고, 이때 배터리 저항은 제 3 온도 (T3) 주위에서 또 다른 레벨 (R3)로 증가한다.
도 5는 본원의 실시예에 따른, 전극-세퍼레이터 (separator) 조립체들의 스택 내에 매립된 여러 개의 저항기 시트들/호일들 (foils), 하나의 고-저항 음의 단자 HiR (-) 및 하나의 저-저항 음의 단자 LoR (-), 하나의 양의 단자 (+), 및 HiR (-) 및 LoR (-) 단자들을 연결하는 열 활성화 스위치를 가진 OMB의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본원의 실시예에 따른, 전극-세퍼레이터 조립체의 스택의 중간에 매립된 하나의 저항기 시트로 구성된 또 다른 OMB를 도시한다.
도 7a-7f는 본원의 실시예들에 따른, 2 개의 탭들을 갖는 저항기 시트들의 6 개의 설계들을 도시한다. 일 측의 탭은 LoR (-) 단자를 형성하기 위해 음의 전극 시트들의 모든 탭들에 전기적으로 연결 또는 용접되며, 그리고 타 측의 탭은 HiR (-) 단자에 연결된다. 도 7a는 2 개의 탭들 사이의 저항 경로를 제어하기 위해 중간에서 작은 컷에 의해 분리된 시트의 동일 측면 상에 위치된 2 개의 탭들을 도시하고; 도 7b는 서로 마주하는 측면 상에 위치된 2 개의 탭들을 도시하고; 도 7c는 외부 에지들을 향하여 동일 측면 상에 위치된 2 개의 탭들을 도시하고; 도 7d는 외부 에지들을 향하여 서로 마주하는 측면 상에 위치된 2 개의 탭들을 도시하고; 도 7e는 패턴화된 저항기 시트를 도시하고; 도 7f는 선택적인 코팅을 갖는 저항기 시트를 도시한다.
도 8은 본원의 실시예에 따른, 배터리 전지의 2 개의 전극들의 탭들 사이에 개재된 저항기 시트를 도시한다.
도 9는 본원의 실시예에 따른, 2 개의 전지들 사이에, 즉 배터리 전해액과 직접적인 접촉 없이 각각의 전지 케이스 외부에 하나의 저항기 시트/호일을 갖는 트윈-전지 배터리 모듈의 구성을 도시한다.
도 10은 본원의 실시예에 따른, 하드 케이스 내에 삽입되기 전에, 또는 파우치 전지에 패키징되기 전에, 하나의 저항기 시트/호일이 개재된 한 쌍의 젤리 롤들을 도시한다.
도 11은 본원의 실시예에 따른, 파우치 전지에 포함되어 펼쳐진 젤리 롤을 개략적으로 도시한 것으로, 이때 양의 전극 시트는 양의 단자 (+)를 형성하기 위해 함께 용접되고 밀접하게 이격된 다수의 탭들을 가지며, 음의 전극 시트는 저-저항 단자 LoR (-)를 형성하기 위해 함께 용접되고 밀접하게 이격된 일부 탭들, 나아가 고-저항 단자 HiR (-)을 형성하는 멀리 있는 탭을 가진다. LoR (-) 단자는 열 활성화 스위치에 의해 HiR (-) 단자와 연결된다.
도 12는 본원의 실시예에 따른, 다수의 밀접하게 이격된 탭들 및 멀리 있는 탭을 특징으로 하는 양의 및 음의 전극 시트들 둘 다를 각각 가져 펼쳐진 젤리 롤의 서로 다른 설계를 도시한다. 이러한 설계는 전지 케이스 외부의 4 개의 단자들, 즉 2 개의 양의 LoR (+) 및 HiR (+), 및 2 개의 음의 LoR (-) 및 HiR (-)을 가진다. 두 측면들 상의 2 개의 스위치들은 배터리 온도 및 스위칭 알고리즘에 따라 3 개 이상의 레벨들의 내부 저항을 제공한다.
도 13, 14 및 15는 본원의 실시예들에 따른, 하나 이상의 저항기 시트들을 가진 평탄한 젤리 롤 전극 조립체들을 도시한다.
도 16a-16b는 본원의 실시예에 따라 구성된 OMB와 종래의 리튬-이온 배터리 (LiB)의 외부 단락 실험들에서의 전기 전류 및 전지 온도 응답들을 비교한다. 도 16a는 OMB와 종래의 LiB의 단락 전류 응답들을 비교한다. 도 16b는 OMB와 종래의 LiB의 배터리 온도 응답들을 비교한다.
본원은 온도에 따라 내부 저항을 조절할 수 있는 재충전 가능한 배터리에 관한 것이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 재충전 가능한 배터리의 오믹 조절 또는 오믹 조절형 재충전 가능한 배터리 (OMB) 용어는, 실질적으로 배터리 온도와 함께 변화할 수 있는 2 개 이상의 내부 저항 레벨들을 가지기 위해 가공된 재충전 가능한 배터리를 의미한다.
바람직하게, 재충전 가능한 배터리는 제 1 온도 (T1) 내지 제 2 온도 (T2)의 배터리의 온도 범위에 걸친 제 1 레벨의 내부 저항 (R1), T1 또는 T2 밖에 있는 제 2 레벨의 내부 저항 (R2)을 포함할 수 있다. 바람직하게 R2의 값은 계단 함수와 같이 급격하게 변화하거나, 또는 연속되지만, T1 주위 미만 및/또는 T2 주위 초과에서 저항의 빠른 변화와 같이 가파르게 변화한다. 예를 들면, T1보다 약 2 ℃ 낮은 온도에서의 R2의 값은 T1에서의 R1의 값의 적어도 두 배가 되거나, 또는 T2보다 약 2 ℃ 높은 온도에서의 R2의 값은 T2에서의 R1의 값의 적어도 두 배가 된다. 바람직하게, T1보다 약 2 ℃ 낮은 온도에서의 R2의 값은 T1에서의 R1의 값의 적어도 두 배 내지 오십 배이며, 그리고 T2보다 약 2 ℃ 높은 온도에서의 R2의 값은 T2에서의 R1의 값의 적어도 두 배 내지 오십 배이다. 본원의 실시예들에서 포함된 바와 같이, R2의 값이 T1보다 약 2 ℃ 낮은 온도에서 결정되고 R1이 T1에서 결정될 시에, R2/R1의 값은 2 내지 500이고, 예컨대, R2/R1의 값은 2 내지 100, 또는 2 내지 50이다. 추가적인 또는 대안적인 실시예들에서 포함되는 바와 같이, R2의 값이 T2보다 약 2 ℃ 높은 온도에서 결정되고 R1이 T2에서 결정될 시에, R2/R1의 값은 2 내지 500이고, 예컨대, R2/R1의 값은 2 내지 100, 또는 2 내지 50이다. 배터리의 오믹 조절은 가역적이고, 즉, 내부 저항은 T1 내지 T2에서 R2로부터 R1으로 다시 스위칭될 수 있다.
오믹 조절형 재충전 가능한 배터리의 실시예에서, 온도 변화에 대한 내부 저항 변화의 비율 (
Figure 112016039059625-pct00002
)은 섭씨 온도당 10%보다 크고, 예컨대 섭씨 온도당 20%, 30%, 40%, 또는 50%보다 크지만, 섭씨 온도당 200,000%보다 작고, 예컨대 섭씨 온도당 100,000%, 50,000%보다 작다. 본원의 일 양태에서, 온도 변화에 대한 내부 저항 변화의 비율 (
Figure 112016039059625-pct00003
)은 섭씨 온도당 약 50% 보다 크고 5,000%보다 작다. 종래의 리튬-이온 배터리들은 섭씨 온도마다 몇 퍼센트를 초과한 만큼 내부 저항을 변화시키지 않고, 500,000%보다 매우 클 것 같은 내부 저항의 변화 비율을 초래하는 단락 회로 또는 세퍼레이터 셧 다운 외에는 또 다른 내부 저항 레벨로 실질적으로 변화시킬 수 없다. 배터리 내부 저항 (R)은 불연속 온도 (discrete temperatures)에서 표준 DC 또는 AC 방법을 사용하여 측정될 수 있으며, 그리고 그 이후에 도함수 dR/dT는 R 대 T 곡선으로부터 계산될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 재충전 가능한 배터리 또는 배터리는 하나 이상의 전기 화학 전지들을 포함하는 임의의 재충전 가능한 전기 화학 에너지 저장 디바이스를 나타내기 위해 사용된다. 배터리 전지의 기본 요소들은 전류 콜렉터 상에 코팅된 애노드 전극, 세퍼레이터, 또 다른 전류 콜렉터 상에 코팅된 캐소드 전극, 및 전해액을 포함한다.
본원의 배터리 구성은 리튬-이온, 리튬-폴리머, 납-산, 니켈-수소 합금 (nickel-metal hydride), 니켈-망간-코발트, 리튬-황, 리튬-에어 및 모든 솔리드-스테이트 배터리들 등을 포함하지만 이에 제한되지 않은 다양한 배터리들에 적용될 수 있다. 상기와 같은 배터리들은 수송, 항공우주, 군사 및 고정 에너지 저장 적용들에 대해 유용하다.
본원의 실시예에서, 재충전 가능한 배터리는 배터리의 온도에 의존하여 적어도 2 개 레벨의 내부 저항을 가질 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 배터리의 온도는 배터리의 내부 온도 또는 외부 표면 온도일 수 있다. 본 실시예의 재충전 가능한 배터리는, 배터리의 내부 온도가 최적 온도 미만, 예컨대 T1 미만일 시에, 보다 높은 저항 레벨로 동작하여, 배터리를 가열시키고 배터리 성능을 개선시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 배터리의 내부 온도가 정상 범위 미만, 예컨대 정상 동작 온도 미만, 예를 들면, 약 5 ℃ 미만 또는 빙점하의 환경 (약 0 ℃ 미만의 온도, 예컨대, 약 -10 또는 -20 ℃ 미만의 온도)에 있을 시에, 배터리의 내부 저항은 배터리가 정상 온도 범위 (약 40 Ω㎠ 내지 약 200 Ω㎠의 범위에 있음)에서 동작할 시보다 몇 배 높게 (several-fold higher) 된다. 그 결과, 내부 가열 (배터리의 열 발생이 그의 내부 저항에 비례하기 때문임)이 더 강해지고, 이는 배터리의 내부 온도를 빨리 상승시킨다. 최종적으로 이는, 빙점하의 환경에서 동작하는 동안, 배터리의 파워 및 에너지 출력을 빠르게 개선시킨다.
본원의 재충전 가능한 배터리는 또한 배터리의 내부 온도가 정상 동작 범위의 상한치 (high end)를 초과하면, 예컨대 T2를 초과하면, 고 내부 저항으로 스위칭하도록 구성될 수 있다. 정상 동작 범위를 초과하는 온도는 배터리 유형을 포함한 여러 개의 팩터들에 의존한다. 상기와 같은 상한치 온도는 예를 들면, 약 45 ℃ 초과, 예를 들면, 약 50 ℃, 60 ℃, 70 ℃ 초과, 약 130 ℃만큼 높은 온도를 포함한다. 상기와 같은 보다 높은 내부 온도는 오용 또는 잘못된 이벤트 동안에 일어날 수 있다. 고 내부 저항은 전지 과충전 경우에 매우 커진 전지 전압 오버슈트 (overshoot)를 일으키고, 이로써, 전지가 열 폭주 조건 (thermal runaway condition)에 들어가기 전에, 외부 충전 시스템의 초기 검출 및 셧 다운을 크게 용이하게 한다. 단락 회로 경우에서, 예를 들면, 보다 큰 내부 저항은 보다 천천히 그리고 제어된 비율로 배터리 에너지를 방출함으로써, 전지 온도 상승의 비율을 천천히 하고, 전지를 열 폭주로부터 보호할 것이다. 정상 온도 범위의 상한치에서 이러한 고 내부 저항 특징은 배터리의 고유 안전성 (inherent safety)을 용이하게 할 수 있다.
본원의 오믹 조절형 배터리의 이점은, 배터리 온도가 도 1에 도시된 바와 같이, 임계 지점 (T2)에 도달하게 될 시에, 배터리의 내부 저항이 급격하게 점프할 수 있다는 점이다. 저항 점프는 방전/충전 전류를 빠르게 억제하고, 그 이후에 내부 열 발생을 현저하게 감소시킨다. 이는 도 2에 도시된 바와 같이 도시될 수 있다. 상기 도면에서 도시된 바와 같이, 임계 온도 (T2)로 배터리 저항에서의 10-배 점프 (도 2a)는 전류 (도 2b) 및 열 발생 (도 2c)에서 현저한 강하를 일으키고, 최종적으로 온도 상승 비율을 느리게 한다 (도 2d). T2에서의 증가된 배터리 저항은 배터리 온도 상승의 비율을 줄이고, 이로 인해, 열 폭주를 최소화 또는 방지하며, 그리고 임의의 오용 조건 하에 배터리 안전성을 촉진시킨다. T2는 약 45 ℃ 내지 약 130 ℃의 범위 내, 예컨대 약 60 ℃ 내지 약 100 ℃의 범위 내의 값을 가진 온도로 바람직하게 설정된다.
오믹 조절형 배터리는 고-온 안전성에 대한 임계 온도 (T2)에서 저항 점프를 가지는 것에 제한되지 않고, 또한, 빙점하의 주변 온도에서 동작될 시에, 내부 열을 발생시키고, 고 파워 출력을 제공하기 위해, 영하 온도에서, 또는 영하 온도 정도에서 저온 (T1)에서 일어나는 저항 증가를 가질 수 있다. 단일 재충전 가능한 배터리가 고온 및 저온 둘 다에서 고 내부 저항을 가지도록 구성되는 것이 바람직하고, 예컨대, R2는 T1 미만, 및 T2 초과 둘 다에서 변화한다. 그 후에, 상기와 같은 재충전 가능한 배터리는 저온에서의 고 파워 및 고온에서의 고 안전성 둘 다를 가질 수 있다.
2 개의 저항 레벨들을 가진 상기와 같은 재충전 가능한 배터리의 온도 관계에 대한 이상적인 저항의 예시는 개략적으로 도 3a 및 3b에 도시된다. 도 3a는 욕조 프로파일 (bathtub profile)로서 OMB의 내부 저항 대 온도 관계를 도시하며, 그리고 도 3b는 계단 함수로서 OMB의 내부 저항 대 온도 관계를 도시한다. 이러한 도면에서, 배터리의 내부 저항은 배터리의 열을 빨리 오르게 하기 위하여, 저온 (T1) 미만의 고 레벨로 조절되고, 이로써 동작 온도 미만에서 고 파워 출력을 제공하고, 배터리의 내부 저항은 고온에서 상당하게 개선된 안전성을 제공하기 위해, 고온 (T2) 초과의 고 레벨로 조절된다.
상기 도면에서 도시된 바와 같이, 정상 동작 온도 범위, 예컨대, T1 < T < T2 동안, T1은 약 0 ℃이며, 그리고 T2는 약 50 ℃이고, 예를 들면, 배터리는 예컨대, 리튬-이온 배터리 등의 종래의 재충전 가능한 배터리에서 겪게 되는 내부 저항과 유사한 저 내부 저항 (R1)을 포함한다. 그러나, 이러한 동작 온도 범위 밖에서, 배터리의 내부 저항은 보다 높은 레벨 (R2)로 점프하고, 이때 R2는 R2에 대한 값이 T1 및/또는 T2의 약 2 ℃ 내에서 결정될 시에, 바람직하게 R1의 적어도 2 내지 5 배, 예컨대 R1의 값의 적어도 10, 20 배이거나, 또는 50 배만큼 크다. 본원의 실시예들에서 포함되는 바와 같이, R2의 값이 T1보다 약 2 ℃ 낮은 온도에서 결정되고 R1이 T1에서 결정될 시에, R2/R1의 값은 2 내지 500이고, 예컨대, R2/R1의 값은 2 내지 100, 또는 2 내지 50이다. 추가적인 또는 대안적인 실시예들에서 포함되는 바와 같이, R2의 값이 T2보다 약 2 ℃ 높은 온도에서 결정되고 R1이 T2에서 결정될 시에, R2/R1의 값은 2 내지 500이고, 예컨대, R2/R1의 값은 2 내지 100, 또는 2 내지 50이다.
도 3c는 본원의 실시예에 따른, OMB에 연관된 저항 레벨들 및 온도들에 대한 온도 변화 (
Figure 112016039059625-pct00004
)에 대한 내부 저항의 백분율 변화를 도시한 차트이다. 이러한 도면에서, 온도 변화 (
Figure 112016039059625-pct00005
)에 대한 내부 저항의 백분율 변화는 ℃당 10% 내지 70%이다. 배터리 저항 (R)은 다양한 불연속 온도에서 표준 DC 또는 AC 방법에 의해 측정된다. 그 다음에, dR/dT는 R 대 T 관계의 도함수를 취함으로써 계산된다.
본원의 또 다른 양태에서, OMB는, 배터리가 제 3 온도 (T3)에 이르게 될 시에, 제 3 레벨의 내부 저항 (R3)을 포함할 수 있다. 바람직하게, R3의 값은 T3을 초과하여 급격하게 또는 가파르게 변화하고, 예컨대 T3보다 약 2 ℃ 높은 온도에서의 R3의 값은 T3에서의 R2의 값의 적어도 2 배, 예컨대 적어도 5 배, 10 배, 20 배이거나 또는 그보다 높다. 본원의 일 양태에서, T3은 약 80 ℃ 내지 약 130 ℃의 범위 내에 있는 값을 가진 온도이다.
도 4는 3 개의 저항 레벨들을 가진 재충전 가능한 배터리를 도시한다. 상기 도면에서 도시된 바와 같이, 재충전 가능한 배터리는 서로 다른 온도에서 동작되는 3 개의 내부 저항 레벨들을 가진다. 배터리 온도가 보다 높은 임계 지점 (T3)을 통과한 이후에, 배터리는 제 3 레벨의 저항 (R3)에서 동작된다. 상기와 같은 배터리는 배터리에 대한 이중 방어 메커니즘 (double defense mechanism)을 제공하며, 그리고 상승 온도에서 배터리의 안전성을 개선시킨다.
바람직하게, 본원의 재충전 가능한 배터리는 소정의 실시예들에서 최소 변형으로 종래의 재충전 가능한 배터리 컴포넌트들로 손쉽게 구성될 수 있다. 일반적인 말로, 리튬-이온 배터리와 같은 종래의 배터리는, 파우치 커버 또는 하드 케이스로 패키지화된 젤리 롤로 스택화되거나 권취되는 하나 이상의 애노드 전극들, 세퍼레이터들 및 캐소드 전극들의 시트들을 포함한다. 그 후에, 파우치 또는 케이스는 전해액으로 충전된다. 캐소드 활성 물질들은 리튬 코발트 산화물, 리튬 인산철 (iron phosphate), 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈-코발트-망간 산화물들, 리튬-풍부 층 산화물들, 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다. 애노드 활성 물질들은 그라파이트, 실리콘, 실리콘 합금들, 리튬 금속, 리튬 합금들 예를 들면, 리튬 티탄산염, 이들의 혼합물들 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 종래의 리튬-이온 배터리는 양의 전극, 음의 전극, 세퍼레이터, 양의 전극 전류 콜렉터, 음의 전극 전류 콜렉터, 전해액 및 배터리 커버 또는 캔을 포함한다. 하나의 전류 수집 호일 (예컨대 Al 호일) 상에 코팅된 양의 전극 및 또 다른 전류 수집 호일 (예컨대 Cu 호일) 상에 코팅된 음의 전극은 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 스택화되거나 권취되며, 그리고 전해액이 솔벤트에서 용해되는 전해액 용액은 세퍼레이터 및 2 개의 다공성 전극들에 스며들게 된다.
양의 및 음의 전극들 둘 다는 필요하면 상술된 활성 물질들, 바인더들 및 도전제들 (conducting agents)을 포함한다. 공통 바인더들은 PVDF (Polyvinylidene fluoride) 및 SBR (styrene-butadiene rubber) 및 CMC (carboxymethyl cellulose)의 소듐 염을 포함한다. 도전제들은 일반적으로 탄소를 기반으로 하고 활성 물질들과 혼합되어, 전극 전도도를 증가시킨다.
리튬 염들 예를 들면 LiPF6, LiBF4 등은 전해액으로서 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 연쇄형 카보네이트 (chained carbonate), 환형 카보네이트, 환형 에스테르, 니트로 화합물 등은 리튬 염들을 용해시키기 위해 사용된 솔벤트로서 사용될 수 있다. 그의 특정 예시들은 에틸렌 카보네이트 (ethylene carbonate, EC), 에틸 메틸 카보네이트 (ethyl methyl carbonate, EMC), 디메틸 카보네이트 (dimethyl carbonate, DMC), 프로필렌 카보네이트 (propylene carbonate, PC), 디에틸 카보네이트, 디메톡시에탄 (dimethoxyethane) 등을 포함한다. 추가로, 폴리머-젤 전해액 또는 솔리드 전해액이 전해액으로서 사용될 수 있다.
본원의 재충전 가능한 배터리는 재충전 가능한 배터리의 종래의 컴포넌트들을 포함하며, 그리고 배터리의 내부 저항을 조절하기 위한 하나 이상의 컴포넌트들을 추가적으로 포함할 수 있다. 바람직하게, 본원의 재충전 가능한 배터리들은 온도와 함께 배터리의 내부 저항을 변화시키기 위한 전압 부스터들 (voltage boosters)을 필요로 하지 않는다. 예를 들면, 본원의 재충전 가능한 배터리들은 실시예로서 온도와 함께 배터리의 내부 저항을 변화시키기 위한 저항기에 파워를 제공하는 트랜스포머 또는 DC/DC 컨버터를 포함하지 않는다.
예를 들면, 본원의 오믹 조절형 재충전 가능한 배터리는 T1 내지 T2에서, R1로, 예컨대 저 내부 저항 레벨 (LoR)로 배터리를 동작시키는 적어도 하나의 음의 단자 및 적어도 하나의 양의 단자, 및 배터리 온도가 T1 또는 T2 밖에 있게 될 시에 R2로, 예컨대 고 내부 저항 레벨 (HiR)로 배터리를 동작시키는 적어도 하나의 고 저항 단자를 포함할 수 있다. 고 저항 단자는 추가적인 음의 단자 (즉, HiR (-)) 또는 추가적인 양의 단자 (즉, HiR (+))일 수 있다.
상기와 같은 재충전 가능한 배터리는 배터리의 저항 레벨들을 스위칭하는 스위치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 스위치는 배터리의 온도가 T1 내지 T2에 있을 시에, 배터리를 동작시키기 위해, 배터리의 저 저항 단자들, 예컨대, LoR (-) 및/또는 LoR (+)과 맞닿을 수 있으며, 그리고 배터리 온도가 T1 또는 T2 밖에 있을 시에, 하나 이상의 고 저항 단자, 예컨대, HiR (-) 및/또는 HiR (+)과 맞닿을 수 있다.
본원의 스위치는, 예를 들면 결빙될 시에 팽창하고 스위치 열림을 푸싱하는 (push) 글리콜-물 (glycol-water) 액체 캡슐, T1 또는 T2, 또는 둘 다에서 상 전이 (phase transition) 및 주목할 만한 볼륨 변화를 겪게 되는 상-변화 (phase-change) 물질, 또는 바이메탈 (bimetal) 스위치, 또는 볼륨이 온도 T1 또는 T2, 또는 둘 다에서 주목할 정도로 팽창되는 솔리드 물질과 같은 열 감지 디바이스들에 의해 활성화된 스위치를 포함할 수 있다.
본원의 스위치는 전기 기계 릴레이 및 온도 제어기, 또는 온도 센서를 갖는 솔리드-스테이트 릴레이, 온도 센서를 갖는 파워 MOSFET, 또는 온도 센서를 갖는 고-전류 스위치로 구성될 수 있다. 대안적으로, LoR (-) 및 HiR (-) 단자들을 연결하는 스위치는 배터리 관리 시스템에서 전기 회로 및 전지 온도 센서를 가진 제어기에 의해 수행될 수 있다.
본원의 실시예에서, 상기 재충전 가능한 배터리는 고 저항 단자에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 저항기 시트를 포함한다. 상기 적어도 하나의 저항기 시트는 배터리 전지 (전해액에 노출됨) 내부에, 또는 2 개의 배터리 전지들 외부에 그리고 상기 2 개의 배터리 전지들 사이에, 또는 전지들 내부의 일부 저항기 시트들과 전지들 외부의 그리고 전지들 사이의 일부 저항기 시트들의 조합에 위치될 수 있다. 추가로, 배터리의 전지로 구성된 저항기 시트는 배터리의 전지의 전극의 전류 콜렉터의 일체형 부분일 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 저항기 시트는 배터리 전극의 변형되지 않은 전류-수집 호일에 대해 유사하거나 낮은 전기 전도도를 가지지만, 배터리 동작 동안 활성화될 시에 배터리의 내부 전기 저항에 상당한 증가를 일으키는 물질이다. 저항기 시트는 바람직하게 0.1 내지 5를 배터리의 용량 Ah (Amp-hours)로, 예컨대 약 0.5 내지 2의 수치 값을 배터리의 용량 Ah로 나눈 값인 Ohm 단위의 저항치를 가진다. 예를 들면, 20 Ah 배터리용 저항기 시트는 바람직하게, 약 0.005 Ohm (0.1을 20으로 나눔) 내지 약 0.25 Ohm (5를 20으로 나눔), 예컨대 약 0.025 Ohm (0.5를 20으로 나눔) 내지 약 0.1 Ohm (2를 20으로 나눔)이다.
본원의 저항기 시트들은, 배터리 전해액에 노출될 시에 안정되며 그리고 저항기 시트가 상기와 같은 환경에 노출될 시에 재충전 가능한 배터리의 전기 화학 전압 창 (window) 내에 있는 임의의 충분한 물질일 수 있다. 상기와 같은 저항기 시트들은 예를 들면, 그라파이트, 고 방향 피롤리틱 그라파이트 (highly ordered pyrolytic graphite, HOPG), 스테인리스 강, 니켈, 크롬, 니크롬, 구리, 알루미늄, 티타늄, 또는 그의 조합들로 구성될 수 있다. 배터리 전지들 외부에서 그리고 모듈 내의 2 개의 인접한 전지들 사이에서 사용되는 경우, 저항기 시트들은 내부식성일 필요가 없으며, 이로써, 추가 물질들이 본원의 저항기 시트들로서 사용되기에 이용 가능하다. 소정의 실시예들에서, 본원의 저항기 시트는 바람직하게 평탄하고 표면적이 크고, 그 결과 인접한 배터리 컴포넌트들과 우수한 접촉을 할 수 있다. 본원의 저항기 시트들은 약 1 마이크로미터 내지 약 150 마이크로미터의 두께, 바람직하게는 약 5 내지 약 60 마이크로미터의 두께 범위를 가질 수 있다. 큰 전기 저항, 높은 열 전도도, 및 작은 열 용량을 가진 저항기 시트들은 본원의 소정의 실시예들에 대해 유용하다.
저항기 시트의 저항은 시트를 패턴화함으로써, 즉 저항기 시트로부터 물질을 제거함으로써 조정될 수 있다. 패턴화는 저항기 시트가 기계적 강도 및 용접성에 대해 충분한 두께를 가지지만 감소된 저항을 가지도록 한다. 원형 코너들을 가진 패턴들은 패턴의 코너에서 온도 증가 (build-up)를 줄이는 이점을 가진다. 패턴화된 저항기 시트들은 포토 에칭, 방전 가공, 워터 제트 컷팅, 레이저 컷팅, 스탬핑 등에 의해 제조될 수 있다.
일부 실시예들에서, 저항기 시트 표면의 실질적인 부분은 전해액과의 원치 않는 화학 반응 또는 전기 연결을 방지하기 위해 코팅될 수 있다. 예를 들면, 저항기 시트들은 선택적으로 코팅될 수 있고, 이때 그들의 표면 일부는 다른 탭들 또는 단자들과 전기 연결을 위해 코팅되지 않고, 표면의 나머지는 코팅되고, 이로써, 전기적으로 그리고 화학적으로 격리된다. 보호 코팅은 시작 시에 저항기 시트들의 전체 표면을 완전하게 덮기 위해 적용될 수 있고, 그 이후에 소정의 구역에서의 코팅은 다른 탭들 또는 단자들과의 필요한 전기 연결을 허용하기 위해 선택적으로 제거될 수 있다. 보호 코팅은 열 전도성이 있고, 전기적으로 절연되고, 배터리 전지 내에서 화학적으로 안정되어야 한다. 보호 코팅은 폴리머들, 금속 산화들, 및 다른 것들로 구성될 수 있다. 보호 코팅에 대한 폴리머 물질들의 예시들은 다음을 포함한다: 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염소화 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리이미드, PVDF, PTFE, 나일론, 또는 이들의 코-폴리머들. 보호 코팅에 대한 금속 산화 물질들의 예시들은 Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, 및 그의 조합물의 산화물들을 포함한다. 보호 코팅은 고 유전율 (dielectric constant)을 가지는 것이 바람직하다. 일부 실시예들에서, 접착제는 저항기 시트들과 보호 코팅 사이에서 사용될 수 있다. 보호 코팅의 두께는 10nm 내지 100um, 바람직하게 10 nm 내지 50 um일 수 있다. 코팅은 우수한 열 전달을 허용하지만 배터리 전지 내부의 전해액과 저항기 시트가 접촉되는 것을 보호하기 위해 불침투성이기에 충분히 얇아야 한다. 보호 코팅은 테이핑, 라미네이팅, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스프레잉 코팅, 화학 증기 증착, 원자 층 증착, 용해 주조, 전착 (electrodeposition), 자가-조립 모노층, 스테레오리소그라피 (stereolithography), 표면 산화 및 기타 등등과 같은 방법에 의해 저항기 시트들 상에 도포될 수 있다.
본원의 소정의 구성들에서, 재충전 가능한 배터리는 하나 이상의 고 저항 탭들 또는 단자들 및 하나 이상의 저 저항 탭들 또는 단자들을 포함한다. 고 저항 단자들 전기적으로 하나 이상의 저항 시트들을 연결하며, 그리고 저 저항 탭들 또는 단자들은 저 내부 저항 모드로 배터리를 동작시키기 위해 구성된다.
도 5 및 6은 본원의 추가 실시예들을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 재충전 가능한 배터리 (110)는 전극-세퍼레이터 조립체들의 스택 내에 매립된 여러 개의 저항기 시트들 (112)을 가진다. 전극-세퍼레이터 조립체들은 애노드 탭들 (114a)을 가진 애노드 전극들 (114), 세퍼레이터들 (116) 및 캐소드 탭들 (118a)을 가진 캐소드 전극들 (118)을 포함한다. 배터리 (110)는 하나의 저-저항 음의 단자 LoR (-) (120) 및 하나의 고-저항 음의 단자 HiR (-) (122), 스위치 (124) 및 양의 단자 (+) (126)를 더 포함한다.
이러한 실시예에서, 각각의 저항기 시트는 용접에 의해 부착될 수 있는 2 개의 탭들 (112a, 112b)을 가진다. 저항기 탭 (112a) 및 애노드 전극들 (114)의 애노드 탭들 (114a)은 저 전기 저항 회로를 형성하기 위해 저-저항 음의 단자 LoR (-) (120)에 전기적으로 연결된다. 저항기 탭 (112b)은 스위치 (124)에 의해 활성화되는 고 전기 저항 레벨 회로를 형성하기 위해 고-저항 음의 단자 HiR (-) (122)에 전기적으로 연결된다. 캐소드 전극들 (118)의 캐소드 탭들 (118a)은 함께 양의 단자 (126)에 전기적으로 연결된다. 이러한 특정 예시에서, 스위치 (124)는 LoR (-) 단자 (120) 및 HiR (-) 단자 (122)를 전기적으로 연결 또는 분리시킬 수 있는 열 활성화 (thermally activated) 스위치이다.
애노드-세퍼레이터-캐소드-저항기 시트 조립체는 적절한 패키지에, 예컨대 파우치 전지의 케이스에 위치되어 전해액으로 충전될 수 있다. 이러한 실시예에서, 애노드-세퍼레이터-캐소드-저항기 시트 조립체는 케이스 (140)에 포함된다. 음의 및 양의 단자들은 외부 회로 (128a 및 128b)에 전기적으로 연결될 수 있다.
요약해서 말하면, 도 5에 도시된 재충전 가능한 배터리는 케이스 (140)의 외부 상의 3 개의 단자들, 2 개의 음의 단자들 (LoR (-) 및 HiR (-)), 및 하나의 양의 단자 (+)의 특징을 이룬다. 2 개의 음의 단자들 (LoR (-) 및 HiR (-))은 배터리의 외부에서 온도-감지 스위치에 의해 즉각적으로 더 연결된다. 동작 시에, 배터리 온도가 제 1 온도 (T1) 내지 제 2 온도 (T2)로 정의된 정상 동작 범위 내에 있을 시에, 스위치는 닫히게 되며 (CLOSED), 그리고 배터리 전류는 저항기 시트들을 우회하는데, 이는 전류가 저-저항 회로를 통해 흐르는 것을 선호하기 때문이다. 이러한 경우에, 배터리는 단자들 (+)과 LoR (-) 사이에서 동작되어, 저 내부 저항을 보인다. 배터리 온도가 T1 및 T2의 정상 범위를 벗어날 시에, 스위치는 열리게 되어 (OPEN), 단자들 (+) 및 HiR (-)가 동작하게 된다. 이는 배터리 전류가 저항기 시트들을 통해 흐르도록 힘이 가해지며, 이로써, 고 내부 저항을 보인다. 예를 들면, 배터리 온도가 정상 범위를 초과할 시에, 예를 들면 약 45 ℃ 초과할 시에, 배터리의 내부 저항은 전류 흐름 경로에 저항기 시트들의 존재로 인해, 몇 배 높게 된다.
도 6은 배터리의 내부 저항을 증가시키기 위해 전극-세퍼레이터 조립체들의 스택 사이에 삽입된 적어도 하나의 저항기 시트들을 가진 재충전 가능한 배터리의 또 다른 구성을 도시한다. 이러한 실시예에서, 재충전 가능한 배터리 (210)는 2 개의 전극-세퍼레이터 조립체들 (213a 및 213b) 사이에 위치된 저항기 시트 (212)를 포함한다. 저항기 시트는 전극들의 스택의 중간에 바람직하게 위치되며, 그리고 세퍼레이터들 (216)과 동일하거나 서로 다를 수 있는 세퍼레이터들 (217)에 의해 개재될 수 있다. 각각의 전극-세퍼레이터 조립체는 애노드 전극들 (214), 세퍼레이터들 (216) 및 캐소드 전극들 (218)을 포함한다. 배터리 (210)는 하나의 저-저항 음의 단자 LoR (-) (220), 하나의 고-저항 음의 단자 HiR (-) (222), 스위치 (224) 및 양의 단자 (+) (226)를 더 포함한다.
이러한 실시예에서, 저항기 시트 (212)는 용접에 의해 부착될 수 있는 2 개의 탭들 (212a, 212b)을 가진다. 저항기 탭 (212a) 및 애노드 전극들 (214)의 애노드 탭들 (214a)은 저 전기 저항 회로를 형성하기 위해 저-저항 음의 단자 LoR (-) (220)에 전기적으로 연결된다. 저항기 탭 (212b)은 스위치 (224)에 의해 활성화되는 고 전기 저항 레벨 회로를 형성하기 위해 고-저항 음의 단자 HiR (-) (222)에 전기적으로 연결된다. 캐소드 전극들 (218)의 캐소드 탭들 (218a)은 함께 양의 단자 (226)에 전기적으로 연결된다. 이러한 특정 예시에서, 스위치 (224)는 LoR (-) 단자 (220) 및 HiR (-) 단자 (222)를 전기적으로 연결 또는 분리시킬 수 있는 열 활성화 스위치이다.
애노드-세퍼레이터-캐소드-저항기 시트 조립체는 적절한 패키지에, 예컨대 파우치 전지의 케이스에 위치되어 전해액으로 충전될 수 있다. 이러한 실시예에서, 애노드-세퍼레이터-캐소드-저항기 시트 조립체는 케이스 (240)에 포함된다. 음의 및 양의 단자들은 외부 회로 (228a 및 228b)에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 6의 재충전 가능한 배터리 (210)는 도 5에 대해 기술된 바와 동일한 방식으로 동작될 수 있다.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 구성들에 포함되는, 본원의 재충전 가능한 배터리들에 사용될 수 있는 서로 다른 저항기 시트 구성들을 도시한다. 각각의 저항기 시트 (310, 320, 330, 340, 350, 360)는 용접에 의해 부착될 수 있는 2 개의 탭들을 가진다. 다양한 저항기 시트들 상의 탭들은 도 7에 도시된 바와 같이, 다양한 구성들에 위치될 수 있다. 이러한 구성들은 다음을 포함한다: (a) 컷 (314)에 의해 분리된 동일 측면 상의 2 개의 탭들 (311, 312); (b) 저항기 시트의 서로 마주하는 측면 상에 있고 에지의 중간 가까이에 위치된 2 개의 탭들 (321, 322); (c) 및 (e) 동일 측면 상에 있지만, 저항기 시트의 외부 에지들 상에 있고 컷 (334)에 의해 분리된 2 개의 탭들 (331, 332); 및 (d) 및 (f) 저항기 시트의 서로 마주하는 측면 상에 있지만 외부 에지들 상에 있는 2 개의 탭들 (341, 342).
일부 실시예들에서, 저항기 시트의 저항은 패턴화 (patterning)를 통해 조정될 수 있다. 상기와 같은 패턴화는, 시트를 보다 얇게 하여 시트의 저항을 조정하는 경우 (다른 탭들과의 저항기 시트의 기계적 강도 또는 용접성 (weldability)에 악영향을 줄 수 있음)보다 더 저항기 시트를 두껍게 하는 것을 허용한다. 패턴화할 시에, 핫 스팟들을 최소화시키기 위해, 원형 코너들이 직선 코터들에 비해 선호된다. 패턴화된 저항기 시트들은 포토 에칭 (photo etching), 방전 가공 (electrical discharge machining), 워터 제트 컷팅 (water jet cutting), 레이저 컷팅 (laser cutting), 스탬핑 등에 의해 제조될 수 있다. 도 7e는 본원의 재충전 가능한 배터리들에 사용될 수 있는 패턴화된 저항기 시트를 도시한다. 도 7e는 동일 측면 상에 있지만 저항기 시트의 외부 에지들 상에 있는 2 개의 탭들 (331, 332)을 도시하며, 또한 원형 코너들 (354)과 함께 시트의 내부 (즉, 일반적인 패턴 (352))로부터 제거된 물질을 도시한다. 다른 실시예들에서 또는 다른 실시예들과 조합하여, 저항기 시트는, 배터리 전지 내에서 열 전도성이고, 전기적으로 절연되며, 화학적으로 안정된 폴리머 또는 산화 박형 (thin) 층으로 코팅될 수 있다. 도 7f는 시트의 두 주요 측면들 상에 코팅을 가진 저항기 시트를 도시한다. 이러한 특정 실시예에서, 코팅은 저항기 시트 (364)를 완전하게 둘러싸지만 탭들 (341, 342)을 노출시킨 라미네이트 (laminate) (362)이다.
본원의 일 실시예에서, 도 7에 도시된 저항기 시트들 중 하나 이상은 도 5 또는 도 6의 구성들에 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 7에서의 임의의 저항기 시트에 대해, 탭 1로 라벨링된 탭들은 배터리에서 애노드 전극 시트들의 모든 탭들과 연결될 수 있다 (예컨대 용접될 수 있다). 함께, 그들은 도 5 또는 도 6에서의 저-저항 단자 LoR (-)를 형성한다. 도 7에 도시된 바와 같은 탭들 (2)은 도 5 또는 도 6에서의 고-저항 단자 HiR (-)를 형성하기 위해 함께 용접될 수 있다.
본원의 또 다른 실시예는 배터리 전지의 탭들 또는 배터리의 탭들의 서브그룹들, 또는 다수의 배터리 전지들의 탭들 사이에 개재된 하나 이상의 저항기 시트들을 가진 재충전 가능한 배터리를 포함한다. 이러한 실시예에서의 설계는 임의의 종래의 재충전 가능한 배터리로 사용될 수 있다. 도 8은 배터리 전지에서의 전극들의 탭들 사이에 개재된 저항기 시트를 가진 재충전 가능한 배터리의 실시예를 도시한다. 이러한 도면은 2 개의 전극들 (814 및 816)의 탭들 (814a 및 816a) 사이에 개재된 저항기 시트 (812)를 도시한다. 저항기 시트 탭 (812a)은 전극들 (814 및 816), 예컨대, 전지의 애노드 전극들의 탭들 (814a 및 816a)에 그리고 저-저항 음의 단자 LoR (-) (미도시)에 전기적으로 연결되어, 저 전기 저항 회로를 형성한다. 저항기 시트 (812)의 탭 (812b)은 고 전기 저항 레벨 회로를 형성하기 위해 전기적으로 고-저항 음의 단자 HiR (-) (미도시)에 연결된다. 이러한 실시예에서 재충전 가능한 배터리는 또한 LoR (-) 단자 및 HiR (-) 단자를 전기적으로 연결 또는 분리시킬 수 있는 스위치를 포함하며, 그리고 이러한 구성을 가진 배터리는 도 5에 대해 기술된 바와 동일한 방식으로 동작될 수 있다.
도 8에서의 배터리 구성이 2 개의 전극들 사이에 개재된 하나의 저항기 시트로 도시되었지만, 추가 저항기 시트들은 고 저항 내부 레벨의 배터리를 형성하기 위해 추가 전극들 사이에서 개재될 수 있다. 배터리 전지의 탭들 사이에 개재된 하나 이상의 저항기 시트들의 사용은 저항기 시트의 활성 시 발생된 Joule 열이 배터리 전지들의 전극의 활성 물질들 및 전해액으로부터 단열되어 배터리 안전성을 더 증대시키는 이익을 가진다. 본원의 일 실시예에서, 도 8에 도시된 저항기 시트 중 하나 이상은 도 5 또는 도 6의 구성들에 사용될 수 있다.
본원의 다른 실시예들에서, 재충전 가능한 배터리는 배터리의 전지 외부에 하나 이상의 저항기 시트들을 위치시킴으로써 구성될 수 있다. 예를 들면, 다수의 전지들을 포함한 배터리 모듈에서, 하나 이상의 저항기 시트들은 배터리 모듈 내의 2 개의 인접한 전지들 사이에 개재될 수 있다. 도 9는 상기와 같은 실시예를 도시한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈 (410)은 2 개의 전지들 (413a 및 413b) 사이에 위치된 저항기 시트 (412)를 포함한다. 저항기 시트는 배터리 모듈의 전지들 사이에 바람직하게 위치되고, 예를 들면, 2 개의 전지들 사이에서 단단하게 개재된다. 각각의 전지는 애노드 전극들 (414), 세퍼레이터들 (416) 및 캐소드 전극들 (418)을 포함한다. 배터리 모듈 (410)은 상기 모듈의 각 전지에 전기적으로 연결된 하나의 저-저항 음의 단자 LoR (-) (420), 및 저항기 시트에 전기적으로 연결된 하나의 고-저항 음의 단자 HiR (-) (422)을 더 포함한다. 배터리 모듈은 또한 스위치 (424) 및 양의 단자들 (+) (426a 및 426b)을 포함한다. 음의 및 양의 단자들은 외부 회로 (428a 및 428b)에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 9의 재충전 가능한 배터리 모듈 (410)은 도 5에 대해 기술된 바와 같이 동일한 방식으로 동작될 수 있다.
도 9에서의 배터리 모듈 (410)이 2 개의 전지들 사이에 하나의 저항기 시트를 갖는 트윈-전지 모듈로서 도시되지만, 본원의 배터리 모듈들은 3 개 이상의 전지들을 가질 수 있고, 그리고/또는 전지 모듈들의 중간에 위치된 2 개 이상의 저항기 시트들을 가질 수 있다. 예를 들면, 배터리 모듈은, 전지들 사이에, 그리고 상기 전지들 근방의 다른 위치들 주위에 위치된 하나 이상의 저항기 시트들을 갖는 4 개, 5 개 또는 6 개의 전지들을 가질 수 있다.
본원의 일 실시예에서, 도 7 및/또는 도 8에 도시된 저항기 시트들 중 하나 이상은 도 9의 구성들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 7에서의 임의의 저항기 시트에 대해, 탭 1로 라벨링된 탭들은 전지들의 음의 단자들에 연결되어, 배터리 모듈용 저-저항 단자 LoR (-)를 형성할 수 있다. 도 7에 도시된 저항기 시트들 중 어느 것의 탭 (2)은 배터리 모듈의 고 저항 단자 HiR (-)를 형성하기 위해 함께 용접될 수 있다. 상기와 같은 배터리 모듈의 활성 및 동작은 처음에 기술된 단일 전지와 동일하다.
본원의 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 저항기 시트들은 재충전 가능한 배터리의 전극-세퍼레이터 조립체의 2 개의 젤리 롤들 사이에 개재될 수 있다. 도 10은 상기와 같은 실시예를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 저항기 시트 (512)는 2 개의 젤리 롤들 (513a, 513b) 사이에 개재된다. 이러한 실시예에서의 설계는 젤리 롤 전극 조립체들을 포함한 임의의 종래의 재충전 가능한 배터리로 사용될 수 있다. 도 10에 더 도시된 바와 같이, 전기 저항기 시트 (512)는 용접에 의해 부착될 수 있는 2 개의 탭들 (512a, 512b)을 가진다. 저항기 탭 (512a)은 젤리 롤의 애노드 전극들 (설명 편의를 위해 미도시)의 애노드 탭들 (514a)에, 그리고 저-저항 음의 단자 LoR (-) (미도시)에 전기적으로 연결되어, 저 전기 저항 회로를 형성한다. 저항기 탭 (512b)은 고-저항 음의 단자 HiR (-) (미도시)에 전기적으로 연결되어, 고 전기 저항 레벨 회로를 형성한다. 젤리 롤의 캐소드 전극들의 캐소드 탭들 (518a)은 함께, 그리고 양의 단자 (설명 편의를 위해 미도시)에 전기적으로 연결된다. 이러한 실시예에서 재충전 가능한 배터리는 또한 LoR (-) 단자 및 HiR (-) 단자를 전기적으로 연결 또는 분리시킬 수 있는 배터리 외부에서 스위치를 포함할 수 있다. 도 10의 재충전 가능한 배터리 (510)는 도 5에 대해 기술된 바와 같이 동일한 방식으로 동작될 수 있다.
도 10에서의 배터리 구성이 2 개의 젤리 롤들 사이에서 하나의 저항 시트를 갖는 2 개의 젤리 롤들로 도시되지만, 본원의 재충전 가능한 배터리들은 3 개 이상의 젤리 롤들 및/또는 상기 젤리 롤의 중간에 위치된 2 개 이상의 저항기 시트를 가질 수 있다. 추가적으로, 하나 이상의 저항기 시트들은 폴리머 또는 산화물의 박형 층으로 코팅되어, 배터리 내의 전해액으로부터 상기 시트를 격리시킬 수 있다. 예를 들면, 배터리는 한 쌍의 젤리 롤들 사이에, 그리고/또는 상기 젤리 롤들 각각 또는 일부 근방의 다른 위치들 주위에 위치된 하나 이상의 저항기 시트들을 갖는 3 개 또는 그 초과의 젤리 롤들을 가질 수 있다.
본원의 일 실시예에서, 도 7 및/또는 도 8에 도시된 저항기 시트들 중 하나 이상은 도 10의 구성들에 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 7에서의 임의의 저항기 시트에 대해, 탭 1로 라벨링된 탭들은 전지들의 음의 단자들에 연결되어, 배터리용 저-저항 단자 LoR (-)를 형성할 수 있다. 도 7에 도시된 저항기 시트들 중 어느 것의 탭 (2)은 배터리의 고 저항 단자 HiR (-)를 형성하기 위해 함께 용접될 수 있다. 상기와 같은 배터리의 활성 및 동작은 도 5의 배터리에 대해 기술된 바와 동일하다.
본원의 실시예에서, 재충전 가능한 배터리는 고 전기 내부 저항 레벨의 배터리를 만들어 내기 위해 별개의 저항기 시트를 사용함 없이 구조화될 수 있다. 예를 들면, 고 전기 저항 회로는 배터리의 전지의 전극의 전류 콜렉터의 일체형 부분 (integrally part)으로 구성될 수 있다. 본원의 일 실시예에서, 재충전 가능한 배터리는 T1 및 T2에 걸친 R1로 배터리를 동작시키는 적어도 하나의 음의 단자 및 적어도 하나의 양의 단자; T1 또는 T2 밖에서는 R2로 배터리를 동작시키는 적어도 하나의 고 저항 단자 (예컨대, 추가 음의 또는 양의 단자); 및 배터리의 온도가 T1 또는 T2 밖에 있을 시에, R2를 활성화시키는 스위치를 포함하며, 상기 적어도 하나의 고 저항 단자는 배터리의 전지 내의 적어도 하나의 저항기 시트에 전기적으로 연결되며, 그리고 적어도 하나의 저항기 시트는 배터리의 전지의 전극의 전류 콜렉터의 일체형 부분이다. 도 11은 상기와 같은 실시예를 도시한다.
도 11은 애노드 전극 (614), 세퍼레이터 (616) 및 캐소드 전극 (618)을 포함한 조립체를 도시한다. 이러한 조립체는 전지 케이스에서 젤리 롤 설계와 같은 매우 다양한 재충전 가능한 배터리 구성들에 적용 가능하다. 이러한 실시예에서, 캐소드 (양의) 전극 (618)은 단자 (+) (626)를 형성하기 위해 전기적으로 연결되고 (예컨대, 함께 용접된), 밀접하게 (closely) 이격된 다수의 탭들 (618a)을 포함한다. 다른 한편으로는, 애노드 (음의) 전극 (614)은 단자 LoR (-) (620)을 형성하기 위해 함께 전기적으로 연결되고, 밀접하게 이격된 소수의 탭들 (614a), 및 가장 가까운 탭 (614a)으로부터 떨어져 있는 탭 (614b)을 포함한다. 탭 (614b)은 고 전기 저항 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 예시에서, 탭 (614b)은 고 전기 저항 단자 HiR (-)를 형성한다.
이러한 설계에서, 탭 (614b) (멀리 있는 탭) 및 가장 가까이에 있는, 밀접하게 이격된 탭 (탭 (614a)) 사이에서, 음의 전극 호일의 부분, 즉 Cu 호일은 배터리 온도가 정상 범위 미만일 시, 즉 T1 미만일 시에 동작되기 위해 큰 저항으로 작동한다. 다시 말하면, 탭들 (614a 및 614b) 사이의 물질 (630으로 지정)은 이러한 배터리 설계를 위한 저항기 시트로서 작동된다. 전지 케이스 외부 상에서, 단자들 LoR (-) 및 HiR (-)은 스위치 (624), 예컨대, 온도-감지 스위치를 통해 전기적으로 연결 및 분리될 수 있다. 도 11에 도시된 구성을 갖는 배터리의 활성 및 동작은 도 5에서의 배터리에 대해 기술된 바와 같은 동일한 방식으로 이행될 수 있다.
630의 전기 저항은 다른 것들 중에서, 탭 (614b)과 가장 가까운 탭 (614a) 사이의 거리, 전류 콜렉터를 형성하기 위해 사용된 물질, 예컨대 호일의 조성물, 및 2 개의 탭들 사이의 호일 상의 임의의 물질 및 고 저항 단자의 원하는 저항 레벨에 의존할 것이다. 재충전 가능한 배터리의 전극들은 바인더 (binder) 및/또는 전도성 희석액 (conductive diluent)을 갖거나 가지지 않은 하나 이상의 전기 화학 활성 물질들을 전류 콜렉터 상에 코팅함으로써 통상적으로 형성된다. 상기와 같은 물질들은 또한 630의 전기 저항에 영향을 미칠 수 있다.
도 12는 배터리의 전지의 전극의 전류 콜렉터의 일체형 부분인 저항기 시트를 포함한 본원의 재충전 가능한 배터리의 또 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 애노드 전극 (714), 세퍼레이터 (716) 및 캐소드 전극 (718)을 포함한 조립체가 도시된다. 도 10의 구성에 대해 설명된 바와 같이, 도 12에 도시된 조립체는 매우 다양한 재충전 가능한 배터리 구성들에 적용 가능하다. 이러한 예시에서, 캐소드 및 애노드 전극들 둘 다는 단자들 LoR (+) 및 LoR (-)을 형성하기 위해 전기적으로 연결되고 밀접하게 이격된 다수의 탭들, 나아가, HiR (+) 및 HiR (-)을 형성하기 위한 멀리 있는 탭들을 가진다. 특히, 캐소드 (양의) 전극 (718)은 단자 (+) (726)를 형성하기 위해 전기적으로 연결되고 밀접하게 이격된 다수의 탭들 (718a) 및 고 전기 저항 단자 HiR (+)을 형성하고 가장 가까운 탭 (718a)으로부터 떨어져 있는 탭 (718b)을 포함한다. 애노드 (음의) 전극 (714)은 단자 LoR (-) (720)를 형성하기 위해 함께 전기적으로 연결되고 밀접하게 이격된 소수의 탭들 (714a) 및 고 전기 저항 단자 HiR (-)를 형성하고 가장 가까운 탭 (714a)으로부터 떨어져 있는 탭 (714b)을 포함한다.
이러한 설계에서, 밀접하게 이격된 탭 그룹과 멀리 있는 탭 사이에서 음의 전극 호일의 부분 (즉 Cu) 및 양의 전극 호일의 부분 (즉 Al)은, 배터리 온도가 정상 범위 미만, 즉 T1 미만일 시에 동작되기 위해 큰 저항으로 작동한다. 다시 말하면, 탭들 (714a 및 714b) 사이의 물질 (730a로 지정) 및 탭들 (718a 및 718b) 사이의 물질 (730b로 지정)은 이러한 배터리 설계에 대한 저항기 시트들로서 작동한다.
전지 케이스 (740)의 외부 상에서, 2 개의 독립적인 스위치들 (724a, 724b) 각각은 단자 LoR (+)와 HiR (+)를 연결시키기 위해, 그리고 LoR (-)와 HiR (-)를 연결시키기 위해 사용될 수 있다. 2 개의 스위치들은 동시에 동작될 수 있거나, 또는 서로 독립적으로 동작될 수 있거나, 또는 배터리 온도의 함수로서 알고리즘에 따라 동작될 수 있다. 그렇지 않으면, 도 12에 도시된 구성을 갖는 배터리의 활성 및 동작은 도 5에서의 배터리에 대해 기술된 바와 같은 동일한 방식으로 이행될 수 있다.
재충전 가능한 배터리의 젤리 롤 구성에 대한 보다 많은 탭 설계들은, 탭들의 일 측 그룹이 저 저항을 제공하고, 탭들의 타 측 그룹이 고 저항을 제공하는 한 가능하다.
본원의 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 저항기 시트들은 재충전 가능한 배터리의 롤링된 전극 조립체로 포함될 수 있다. 도 13, 14 및 15는 하나 이상의 저항기 시트들을 가진 젤리 롤형 전극 조립체의 실시예들을 도시한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 저항기 시트 (812)는 젤리 롤 조립체의 중앙 주위 내에 포함된다. 이러한 실시예에서, 저항기는 임의의 전극과 직접적으로 접촉하지 않으며, 그리고 전지의 용량에 악 영향을 미치지 않아야 한다. 저항기 시트는, 젤리 롤이 조립된 후에, 또는 젤리 롤을 조립하는 동안에 삽입될 수 있다. 저항기 시트는 또한 젤리 롤 조립체에 대한 구조적 지지체로서 바람직하게 작동될 수 있다. 이러한 실시예에서의 설계는 젤리 롤 전극 조립체들을 포함한 임의의 종래의 재충전 가능한 배터리로 사용될 수 있다. 도 13에 더 도시된 바와 같이, 젤리 롤 조립체 (813)는 전류 콜렉터 (815) 상의 애노드 전극 (814), 예컨대, 구리 호일, 제 1 세퍼레이터 (816a), 전류 콜렉터 (819) 상의 캐소드 전극 (818), 예컨대, 알루미늄 호일, 제 2 세퍼레이터 (816b)를 더 포함한다. 젤리 롤 조립체의 중앙 부근 (more or less)에 저항기 시트를 가지는 것과 더불어, 저항기 시트는 젤리 롤의 최외곽 층 상에 포함될 수 있다. 젤리 롤은 도 13에 도시된 바와 같이 형상이 평탄화될 수 있거나, 원통형이 될 수 있다.
도 14는 저항기 시트를 가진 젤리 롤 전극 조립체의 또 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 일련의 저항기 시트들은 일련의 젤리 롤 조립체들 주위에서 랩핑된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 저항기 시트들 (912a 및 912b)은 젤리 롤 조립체들 (913a 및 913b) 주위에서 랩핑된다. 도 14는 외부 원주 상에서 저항기 시트를 가진 2 개의 젤리 롤 조립체들 각각을 도시한다. 이러한 구성은 추가적인 젤리 롤 조립체들로 확장될 수 있으며, 이때 상기 추가적 젤리 롤 조립체들 일부 또는 모두는 일련의 젤리 롤 조립체들 주위에서 랩핑된 일련의 저항기 시트들을 가진 젤릴 롤 조립체를 형성하기 위해 외부 원주 상에 저항기 시트를 가진다. 상기와 같은 조립체는 젤리 롤 조립체를 권취하고, 그 후에 외부 원주 상에 저항기 시트를 랩핑하고, 그 다음에 저항기 시트들을 갖거나 가지지 않은 추가적 젤리 톨 조립체들을 권취함으로써 제조될 수 있다.
젤리 롤 조립체들 각각은 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 세퍼레이터를 포함한다. 예를 들면 젤리 롤 조립체들 (913a 및 913b)은 전류 콜렉터 (915) 상의 애노드 전극 (914), 예컨대, 구리 호일, 제 1 세퍼레이터 (916a), 전류 콜렉터 (919) 상의 캐소드 전극 (918), 예컨대, 알루미늄 호일을 포함한다. 도면에서 도시되지 않은 제 2 세퍼레이터는 전류 콜렉터 (919) 다음에 포함될 수 있다. 젤리 롤의 최외곽 층 주위에 랩핑된 저항기 시트들을 가지는 것과 더불어, 저항기 시트는 최내곽 젤리 롤 조립체의 중앙 부근에 포함될 수 있다.
도 15는 저항기 시트를 가진 젤리 롤 전극 조립체의 또 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 젤리 롤 조립체 또는 조립체들을 유지하는 컨테이너는 시트의 형상이 아닐지라도 저항기 시트로서 작동될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 저항기 시트 (1012)는 2 개의 젤리 롤 조립체들 (1013a 및 1013b)를 둘러싼다. 저항기 시트 (1012)는 젤리 롤 조립체들의 최외곽 층의 실질적인 부분과 접촉하는 내부 표면 (1012a)을 가진다. 저항기 시트는 조립체들을 유지하는 컨테이너, 예컨대 스틸 캔 (steel can)일 수 있다. 이러한 실시예에서, 저항기 시트 (1012)는 2 개의 젤리 롤 조립체들을 유지하기 위해 2 개의 격실들 (compartments)을 가지는 것으로 형상화되지만, 그러나 이러한 실시예는 저항기 시트 (1012)의 내부 표면이 젤리 롤 조립체들 중 적어도 하나의 실질적인 부분과 접촉하는 한, 상기와 같은 형상에 제한되지 않으며, 저항기 시트는 본원에 기술된 바와 같은 기능을 할 수 있다. 추가로, 도 15의 구성은 추가적인 젤리 롤 조립체들로 확장될 수 있으며, 이때 상기 추가적 젤리 롤 조립체들 일부 또는 모두는 하나 이상의 격실들에 위치되거나, 또는 저항기 시트와 접촉된다.
각각의 젤리 롤 조립체들은 애노드 전극, 제 1 세퍼레이터, 캐소드 전극, 및 제 2 세퍼레이터를 포함한다. 예를 들면, 젤리 롤 조립체들 (1013a 및 1013b)은 전류 콜렉터 (1015) 상의 애노드 전극 (1014), 예컨대, 구리 호일, 제 1 세퍼레이터 (1016a), 전류 콜렉터 (1019) 상의 캐소드 전극 (1018), 예컨대 알루미늄 호일을 포함한다. 도면에서 도시되지 않은 제 2 세퍼레이터는 전류 콜렉터 (919) 다음에 포함될 수 있다. 저항기 시트 (1012)와 더불어, 저항기 시트는 이러한 실시예에서 젤리 롤 조립체들 중 하나 또는 모두의 중앙 부근에 포함될 수 있다.
도 13, 14 및 15에서의 배터리 구성들이 비대칭 형상을 가진 젤리 롤들로서 도시되었지만, 젤리 롤들 및 저항기 시트들은 해당 원통형 저항기 시트들을 갖는 원통형 젤리 롤 조립체들과 같이 대칭적으로 이루어질 수 있다.
도 13, 14, 15에 도시된 요소들과 더불어, 설명 편의를 위해 미도시된 추가 요소들은 도 13, 14 및 15의 구성들을 갖는 워킹 배터리들을 형성하기 위해 포함된다. 이러한 요소들은 예를 들면, 고 전기 저항 레벨 회로의 일부로서 저항기 시트에 전기적으로 연결된 고 저항 단자; 저 전기 저항 회로를 형성하기 위해, 저항기 시트에 그리고 전극들 중 하나에 예컨대, 애노드 또는 캐소드 전극들에 전기적으로 연결된 저 저항 단자; 저 저항 및 고 저항 단자들을 전기적으로 연결 또는 분리시킬 수 있는 스위치를 포함한다. 도 13, 14 및 15 각각의 재충전 가능한 배터리 (810, 910 및 1010)는 예를 들면, 도 5에 대해 기술된 바와 같은 동일한 방식으로으로 동작될 수 있다.
본원의 또 다른 실시예에서, 도 7 또는 8에 도시된 저항기 시트들 중 하나 이상은 도 13, 14 및 15의 구성들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 7에서의 임의의 저항기 시트에 대해, 탭 1로 라벨링된 탭들은 전지들의 음의 단자들에 연결되어, 배터리용 저-저항 단자 LoR (-)를 형성할 수 있다. 도 7에 도시된 저항기 시트들 중 어느 것의 탭 (2)은 배터리의 고 저항 단자 HiR (-)를 형성하기 위해 함께 용접될 수 있다. 상기와 같은 배터리의 활성 및 동작은 도 5의 배터리에 대해 기술된 바와 동일하다.
상술된 모든 배터리 설계들은 재충전 가능한 배터리들, 예를 들면, 리튬-이온 (Li-ion), 니켈-수소 합금, 납-산 등에 적용 가능하다. 바람직하게, 본원의 재충전 가능한 배터리는 모든 배터리 화학적 성질, 예를 들면 재충전 가능한 리튬 이온, 니켈-수소 합금, 또는 고급 리튬 배터리들, 예를 들면 리튬-황, 리튬-폴리머, 리튬-에어 배터리들 또는 모든 솔리드-스테이트 배터리들에 대해, 그리고 모든 형태의 팩터들, 파우치형, 원통형, 각기둥형, 또는 각진 형태에 대해 구현될 수 있다. 도 5-15에 대해 상기에서 기술된 전지 설계들 및 컴포넌트들은 일 세트의 단자들용 저 내부 저항 (R1) 및 제 2 세트의 단자들용 고 내부 저항 (R2)을 갖는 오믹 조절형 재충전 가능한 배터리를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 전지 구조체는 다른 설계들 중에서, 롤링형 전극 및 스택형 전극 설계들을 수용할 수 있다.
오믹 조절형 재충전 가능한 배터리를 구현하는 추가적인 구성이 또한 본원에서 기술된다. 이러한 추가적인 구성들은 단독으로 또는 상술된 구성들과 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 오믹 조절형 재충전 가능한 배터리는 임계 온도에서 배터리의 내부 저항을 변화시키기 위해, 하나 이상의 양의 온도 계수 (PTC) 물질들을 별도로 또는 추가적으로 포함할 수 있다. PTC 물질들은, 소정의 온도가 통상적으로 약 80-130 ℃의 범위에서 초과될 시에, 전기 저항에서 급격한 증가에 의해 특징이 지어진다. 상기와 같이, 이들은 오믹 조절형 재충전 가능한 배터리에 사용되기에 적합하다. OMB에 사용되기에 적합한 다른 PTC 물질들 중에서, 폴리머 PTC들, 예를 들면 에폭시-탄소 화합물들, 세라믹 PTC들, 예를 들면 티탄산바륨 (barium titanate) 등을 함유한 도핑 다결정 세라믹이 있다.
본원의 또 다른 실시예에서, OMB는 하나 이상의 PTC 물질들을 포함한 전극, 캐소드 또는 애노드 전극으로 구성된다. 바람직하게, 하나 이상의 PTC 물질들은, 전극을 제조할 시의 전극 슬러리 (slurry)와 혼합된 도전제, 또는 전극의 하나 이상의 활성 물질들의 표면 상의 박형 코팅, 또는 활성 물질들과 전극의 전류-수집 호일 사이에 개재된 계면 코팅으로서 전극에 포함될 수 있다. PTC 물질은 또한 전극을 조립하기 이전에 탭들을 코팅하여 전극의 탭들에 PTC의 층을 포함함으로써, 전극의 탭들 상의 코팅으로서 포함될 수 있다.
예를 들면, OMB에 대한 전극은, PVdF 바인더 및 NMP 솔벤트를 더 포함한 하나 이상의 PTC 물질들 예를 들면, 에폭시-탄소 화합물들과 캐소드 전극을 제조하는 슬러리를 혼합함으로써 제조될 수 있다. 하나 이상의 PTC 물질들, 예를 들면 에폭시-탄소 화합물들 또는 티탄산바륨을 함유한 도핑 다결정 세라믹을 포함한 애노드 전극은 또한 PTC 물질과 SBR/CMC 바인더를 혼합시킴으로써 제조될 수 있다. 건조 후에, PTC 도전제는 온도의 정상 동작 범위에 큰 전극 전도도를 제공하지만, 배터리 온도가 T2를 넘어 진행할 시에 저항에서 10의 몇 승 정도 (several orders of magnitude)만큼 점프한다. 하나 이상의 PTC 물질들은 전체 전극 슬러리에 대해 약 0.5-5 중량%의 범위로 전극에 바람직하게 포함된다.
본원의 또 다른 양태는 활성 물질들과 전류-수집 호일 사이에 개재된 활성 물질 입자들의 표면 상의 박형 코팅, 또는 계면 코팅으로서 PTC 물질들을 사용하는 것이다. 상기와 같은 구성에서 PTC 물질 양은 바람직하게 0.5-5 wt%이다.
여전히 본원의 또 다른 양태는 PTC 물질들이 함께 가압되기 전에, 모든 탭들 상의 또는 일부 탭들 상의 박형 코팅으로서 PTC 물질들을 사용하기 위한 것이다. 내부 단락이 일어날 시에, 강한 열을 발생시키고 T2를 초과하여 탭 온도를 상승시키는, 탭들을 통해 흐르는 큰 전류가 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 배터리의 내부 저항 레벨은 보다 높은 제 2 내부 저항으로 급격하게 점프한다. 그 이후에, 탭들 사이의 계면 저항은 탭들을 통해 흐르는 전류를 효과적으로 억제하고 이로써 열 폭주를 최소화시키는 PTC 물질 특성으로 인해 급격하게 증가한다.
본원의 또 다른 실시예에서, OMB는 하나 이상의 열 팽창 가능한 폴리머들을 포함한 전극, 캐소드 또는 애노드 전극으로 구성된다. 상기와 같은 열 팽창 가능한 폴리머들은 폴리 (에틸렌)를 포함한다. 이러한 폴리머들은 가열될 시에 급격하게 팽창되어, 바인더들로서 사용될 시에 저항에서의 큰 증가 또는 다공성 필러들 (filler)로서 사용될 시에 이온 저항에서의 큰 증가가 일어난다 (다공성 볼륨을 제한하고 이온 이송에 대한 다공성 비틀림을 증가시키는 것으로 인함). 둘 다는, 배터리 온도가 충분하게 높을 시에 배터리 저항에서의 급격한 증가를 초래한다. 상기와 같이, 이러한 열 팽창 가능한 폴리머들은 본원의 OMB에 사용되기에 적합한다. 본 실시예는 폴리머의 녹음을 통한 종래의 세퍼레이터 셧 다운과는 반대로 전극들을 셧 다운하는 것으로 의도된다. 전극들을 셧 다운하는 것이 매우 효과적이고, 이때 에너지 소스들이 있고, 전극들의 심지어 부분적인 셧 다운은 오용 조건들 동안 방출가능한 총 에너지가 감소되기 때문에 배터리 안전성을 향상시키는데 도움을 줄 수 있다. 그에 반해서, 큰 표면적에 대한 세퍼레이터들의 부분적인 셧 다운은 충분하게 작동되지 않는데, 이는 이온 전류가 셧-다운 스팟들 (spots)을 우회하고 배터리가 오용 조건들 하에 에너지를 연속적으로 방출하도록 할 수 있기 때문이다.
본원의 일 양태는 활성 물질들과 전류-수집 호일 사이의 계면에 코팅을 하기 위해 전도성 글루 (conductive glue)를 만드는 바인더 또는 전극에서의 바인더로서 열 팽창 가능한 폴리머들을 사용하는 것이다.
여전히, 본원의 또 다른 양태는 다공성 전극들에 대한 다공성 필러로서 열 팽창 가능한 폴리머들을 사용하기 위한 것이다. 온도 (T2)로 가열될 시에, 폴리머는 실질적으로 팽창되어, 이온 전도 경로를 급격하게 제한시키고 OMB의 오믹 저항을 증가시킬 것이다.
본원의 또 다른 양태는 2 개 이상의 임계 온도에서 단계 변화를 갖는 배터리 저항의 다-레벨 프로파일을 가진 재충전 가능한 배터리를 포함한다. 상기와 같은 프로파일은 다수의 방어 층들을 제공할 수 있다. 상기와 같은 프로파일은 상술된 모든 구성들의 조합을 사용함으로써 만들어질 수 있다.
예를 들면, 재충전 가능한 배터리는 저 저항 (R1)으로부터 고 저항 (R2)으로 단계 증가에 영향을 미치기 위해, T2로 설정된 고-전류 스위치를 갖는 하나 이상의 저항기 시트들을 포함하도록 구성될 수 있다. 배터리에 PTC 물질을 추가 통합시키는 것은 보다 높은 임계 온도 (T3)에서 R2로부터 보다 높은 저항 (R3)으로 제 2 저항을 점프시키는 것을 일으킬 수 있다. T3 초과의 추가 저항 레벨은 배터리에 대해 이중 방어 메커니즘을 제공하고, 상승 온도에서 배터리의 안전성을 개선시킨다.
도 4에 도시된 바와 같은 프로파일을 가진 OMB의 또 다른 실시예는 저항 점프 △R12=R2-R1에 영향을 미치기 위해 내부 저항기 시트에 대한 것이지만, 저항 점프 △R23=R3-R2에 영향을 미치기 위한 외부 저항기 시트를 사용하기 위한 것이다. 더욱이, 외부 저항기 시트는 배터리 전지로부터 단열되고, 그 결과 외부 저항기 시트 내에 발생된 열은 배터리 전지로 전달되지 않는다. 이는 배터리 안전성을 더 향상시킨다. 또한, 2 개의 독립적인 제어 스위치들이 사용될 수 있되: 일 측은 저항 점프 △R12를 활성화시키기 위해, 그리고 타 측은 저항 점프 △R23를 활성화시키기 위해 사용될 수 있다.
본원의 또 다른 실시예는, 제어 전략들이 배터리 안전성을 향상시키기 위해 온도를 이용한 오믹 조절의 원리에 기반하여 구현된 배터리 시스템이다. 하나의 제어 전략은, 특이하게 높은 배터리 저항이 전기적으로 검출되면, 전기 시스템은 완전하게 셧 다운되며, 그리고 냉각 시스템은 추가 온도 상승을 억제하기 위해 활성화될 것이라는 점이다. 본원의 일 양태에서, 재충전 가능한 배터리는 배터리의 온도가 T1 내지 T2에 있을 시에 R1로 동작되며, 그리고 배터리의 온도가 T1 또는 T2 밖에 있을 시에 R2를 활성화시키는 스위치를 활성화시킴으로써, T1 또는 T2 밖에서 R2로 동작된다.
예시
다음 예시는 본 발명의 소정의 바람직한 실시예들을 더 도시하기 위한 것으로 의도되며, 그리고 사실상 제한되지 않는다. 기술 분야의 통상의 기술자라면 단지 일상적인 실험을 사용하여, 본원에서 기술된 특정 물질 및 절차에 대한 다수의 균등물을 인식하거나 또는 확인할 수 있을 것이다.
파우치 전지의 형태를 하고 리튬-니켈-망간-코발트 (NMC) 캐소드 및 그라파이트 애노드로 구성된 26Ah의 시험적 생산 (pilot-production) 배터리는 도 5에 기술된 구조에 따라 개발되었다. 저항기 시트는 25 cm 길이, 6 cm 폭 및 100 um 두께를 가진 스테인리스 강 호일이다. 그의 저항은 대략 0.05 Ohm이며, 그리고 그의 무게는 총 배터리 무게의 약 2.3%인 ~13 그램이다. LoR (-) 단자와 HiR (-) 단자 사이의 스위치는 ~45 ℃에서 OPEN으로 설정된 온도 제어기에 의해 구동된 전기 기계 릴레이에 의해 이행된다. 8 mΩ 저항기에 의해 완전하게 충전된 OMB의 외부 단락은 수행되며, 그리고 배터리 전류 및 온도가 기록된다. OMB 특징들이 없지만 동일한 상태에 있는 베이스라인 전지는 또한 비교 연구를 위해 테스트된다.
8 mΩ 외부 단락에서 OMB (도 16에서 OMB로 라벨링됨) 및 베이스 라인 배터리 (도 13에서 conv. LiB로 라벨링됨)의 테스트 결과들은 도 16a 및 도 16b에 도시된다. OMB의 경우에, 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, 배터리 저항이 ~45 ℃에서 보다 높은 값 R2로 스위칭될 시에, 단락 전류는 ~370 A로부터 ~60 A로 갑자기 떨어진다. 이는 단락 전류에서 거의 6.2 배 감소이고 이로 인해 보다 개선된 안전 특성들을 제공한다. 도 16b는 OMB 및 베이스라인 배터리의 배터리 온도 응답을 비교한다. 다시, 볼 수 있는 바와 같이, OMB의 배터리 온도는, 45 ℃에서 저항 점프 이후에, conv. LIB의 배터리 온도보다 낮게 된다. 그러므로 OMB는 열 폭주의 경향이 덜하다.
상술된 외부 단락 결과들이 리튬-이온 배터리에 대해 도시되었지만, 고급 리튬-이온 배터리들, 니켈-수소 합금 (Ni-MH), 납-산 (Pb-acid) 및 다른 배터리 화학적 성질에 기반한 오믹 조절형 배터리들은 동일한 이점을 가지는 것으로 여겨진다.
단지 본 발명의 바람직한 실시예 및 다용도 목적의 예시들이 본원에 도시 및 기술된다. 이해되어야 하는 바와 같이, 본 발명은 다양한 다른 조합들 및 환경들에 사용될 수 있고 본원에 나타낸 바와 같은 독창적인 개념의 권리 범위 내에 변화 또는 수정될 수 있다. 이로써, 예를 들면, 기술 분야의 통상의 기술자라면, 단지 일상적인 실험을 사용하여, 본원에서 기술된 특정 물질, 절차 및 배치에 대한 다수의 균등물을 인식하거나 또는 확인할 수 있을 것이다. 상기와 같은 균등물들은 본 발명의 권리 범위 내에 있는 것으로 고려되며, 그리고 다음 청구항들에 의해 포괄된다.

Claims (25)

  1. 오믹으로 조절되는 재충전 가능한 배터리에 있어서,
    제 1 온도 (T1) 내지 제 2 온도 (T2)의 배터리의 온도 범위에 걸친 제 1 레벨의 내부 저항 (R1)으로 상기 배터리를 동작시키는 적어도 하나의 음의 단자 및 적어도 하나의 양의 단자;
    T1 미만 또는 T2 초과 시에 제 2 레벨의 내부 저항 (R2)으로 상기 배터리를 동작시키기 위해 상기 배터리의 전지 내의, 또는 상기 배터리의 전지들 사이의 적어도 하나의 저항기 시트와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 고 저항 단자;
    상기 배터리의 온도가 T1 미만 또는 T2 초과 시에 R2를 활성화시키는 스위치를 포함하며,
    T1보다 2 ℃ 낮은 온도에서의 R2의 값은 T1에서의 R1의 값의 2 내지 500의 팩터이거나, 또는 T2보다 2 ℃ 높은 온도에서의 R2의 값은 T2에서의 R1의 값의 2 내지 500의 팩터인, 재충전 가능한 배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    T2는 45 ℃ 내지 130 ℃의 범위 내에 있는 값을 가진 온도인, 재충전 가능한 배터리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    T1보다 2 ℃ 낮은 온도에서의 R2의 값은 T1에서의 R1의 값의 2 내지 50의 팩터이거나, 또는 T2보다 2 ℃ 높은 온도에서의 R2의 값은 T2에서의 R1의 값의 2 내지 50의 팩터인, 재충전 가능한 배터리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고 저항 단자는 상기 배터리의 전지 내의 적어도 하나의 저항기 시트와 전기적으로 연결되는, 재충전 가능한 배터리.
  5. 청구항 1에 있어서,
    R2로 배터리를 동작시키는 적어도 하나의 고 저항 단자는 추가적인 음의 단자인, 재충전 가능한 배터리.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치는 R1로 상기 배터리를 동작시키는 단자들과, R2로 상기 배터리를 동작시키는 단자들 사이를 스위칭하는 온도 센서에 의해 구동되는, 재충전 가능한 배터리.
  7. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치는 R1로 상기 배터리를 동작시키는 단자들과, R2로 상기 배터리를 동작시키는 단자들 사이를 스위칭하기 위해 열로 자가 활성화되는 (self-activated), 재충전 가능한 배터리.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 자가 활성화된 스위치는: 결빙될 시에 팽창하고, 스위치 열림을 푸싱하는 (push) 물-기반 (water-based) 캡슐, T1 또는 T2 또는 둘 다에서 상 전이 (phase transition) 및 볼륨 변화를 겪게 되는 상-변화 물질, 바이메탈 스위치, 또는 볼륨이 온도 T1 또는 T2 또는 둘 다에서 팽창되는 솔리드 물질 중에서 선택된 스위치인, 재충전 가능한 배터리.
  9. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치는 전기 기계 릴레이 및 온도 제어기, 또는 온도 센서를 갖는 솔리드-스테이트 릴레이, 온도 센서를 갖는 파워 MOSFET, 또는 온도 센서를 갖는 고-전류 스위치로 구성되는, 재충전 가능한 배터리.
  10. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 시트는 그라파이트 (graphite), 고 방향 피롤리틱 그라파이트 (highly ordered pyrolytic graphite, HOPG), 스테인리스 강, 니켈, 크롬, 니크롬, 구리, 알루미늄, 티타늄, 또는 그의 조합들로 구성되는, 재충전 가능한 배터리.
  11. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 시트는, 0.1 내지 5의 수치 값을 배터리의 용량 Ah (Amp-hours)로 나눈 값인 Ohm 단위의 저항치를 가지는, 재충전 가능한 배터리.
  12. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 시트는 전극-세퍼레이터 스택 또는 젤리 롤 내부에 개재되는, 재충전 가능한 배터리.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 시트는 배터리 전지의 탭들, 또는 배터리의 탭들의 서브그룹들, 또는 다수의 배터리 전지들의 탭들 사이에서 개재되는, 재충전 가능한 배터리.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 시트는 배터리 모듈 내의 전지들 사이에 위치되는, 재충전 가능한 배터리.
  15. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 시트는 2 개의 탭들을 가지도록 구성되고,
    상기 2개의 탭들 중 일 측의 탭은 저-저항 단자를 형성하기 위해 상기 배터리에서 다른 전극 탭들과 전기적으로 연결되며, 그리고
    상기 적어도 하나의 저항기 시트 중 타 측 탭은 상기 적어도 하나의 고-저항 단자를 형성하는, 재충전 가능한 배터리.
  16. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 시트는 상기 저항기 시트의 표면 상에서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염소화 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리이미드, PVDF, PTFE, 나일론, 또는 이들의 코-폴리머들로부터 선택된 보호 코팅을 포함하는, 재충전 가능한 배터리.
  17. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 시트는 구리 또는 알루미늄으로 구성되는, 재충전 가능한 배터리.
  18. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 배터리는 리튬 이온 배터리인, 재충전 가능한 배터리.
  19. 청구항 1 또는 2에 따른 오믹으로 조절되는 재충전 가능한 배터리, 및 R1로 배터리를 동작시키는 것과 R2로 배터리를 동작시키는 것 사이를 스위칭할 수 있는 제어기를 포함하는, 배터리 시스템.
  20. 청구항 19에 있어서,
    T1 및 T2의 온도를 결정하는 온도 센서를 더 포함하는, 배터리 시스템.
  21. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 따른 오믹으로 조절되는 재충전 가능한 배터리를 동작시키는 방법에 있어서,
    상기 배터리의 온도가 제 1 온도 (T1) 내지 제 2 온도 (T2)에 있을 시에 상기 배터리를 제 1 레벨의 내부 저항 (R1)으로 동작시키는 단계, 및 상기 배터리의 온도가 T1 미만 또는 T2 초과에 있을 시에, 제 2 레벨의 내부 저항 (R2)을 활성화시키는 스위치를 활성화함으로써, 상기 배터리를 R2로 동작시키는 단계를 포함하는, 재충전 가능한 배터리 동작 방법.
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