KR102361438B1 - 에너지 저장 장치 - Google Patents

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Abstract

에너지 저장 장치(1)는 용기(2), 맨드렐(3), 세퍼레이터 재료의 적어도 하나의 시트(4), 및 2 개 이상의 전극(5)을 포함한다. 용기(2)는 적어도 하나의 내벽(10) 및 베이스(7)에 의해 형성되는 내부 공간(9)을 포함한다. 맨드렐(3)은 종축선(L)을 포함하며, 종축선(L)이 내부 공간(9)과 베이스(7)를 통과하도록 용기(2) 내에 위치된다. 세퍼레이터 재료(4)의 시트는 맨드렐(3)의 주위에 배치되어 종축선(L)에 수직인 패킹 방향(P)으로 이격된 복수의 개별 세퍼레이터 층을 제공한다. 적어도 하나의 전극(5)이 각각의 개별 세퍼레이터 층들 사이에 제공되고, 맨드렐(3)은 종축선(L)의 길이를 따라 연장되는 적어도 하나의 빈 컬럼을 가지며, 이 빈 컬럼을 통해 베이스(7)의 일부에 접근가능하다.

Description

에너지 저장 장치
본 발명은 에너지 저장 장치용 용기에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 전기화학 셀용 용기에 관한 것이다.
에너지 저장 장치 내에 수용된 전기화학 셀은 반응성의 유해한 물질을 포함하며, 이것은 제품의 안전을 보장하기 위해 신중하게 설계된 패키징을 필요로 한다. 패키징은 유해한 물질을 봉쇄할 수 있어야 하며, 또한 셀의 충전 및 방전에 따라 온도 및 체적의 변화에도 대응해야 한다. 원하는 견고성을 가질 뿐만 아니라, 패키징은 에너지 저장 장치의 전체 에너지 밀도를 감소시키지 않도록 낮은 중량 및 체적 효율을 가져야 한다. 패키징의 설계는 에너지 저장 장치에 어떤 불필요한 저항을 가하는 것도 방지해야 한다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 용기, 맨드렐, 세퍼레이터 재료의 적어도 하나의 시트, 및 2 개 이상의 개별 전극을 포함하는 에너지 저장 장치로서, 상기 용기는 적어도 하나의 내벽 및 베이스에 의해 형성되는 내부 공간을 포함하고, 상기 맨드렐은 종축선을 포함하며, 상기 맨드렐은 상기 종축선이 상기 내부 공간 및 상기 베이스를 통과하도록 상기 용기 내에 위치되고, 상기 세퍼레이터 재료의 시트는 상기 맨드렐의 주위에 배치되어 복수의 개별 세퍼레이터 층을 제공하며, 상기 세퍼레이터 층은 상기 종축선에 수직인 패킹 방향으로 이격되어 있고, 적어도 하나의 전극이 각각의 개별 세퍼레이터 층들 사이의 공간을 점유하도록 제공되고, 상기 맨드렐은 상기 종축선의 길이를 따라 연장되는 적어도 하나의 빈 컬럼을 가지며, 상기 빈 컬럼을 통해 기 베이스의 일부에 접근가능한 에너지 저장 장치가 제공된다.
맨드렐의 설계는 용기의 베이스의 내면에 대한 접근을 가능하게 한다. 셀은 복수의 세트의 전극을 포함할 수 있으며, 각각의 전극은 용기의 베이스 또는 캡에 연결하기 위한 탭을 갖는다. 제조 중에, 개별 전극은 맨드렐의 주위의 세퍼레이터 재료 내에 제공된다. 다음에 이 셀은 용기 내에 설치될 수 있고, 용기의 베이스에 연결하거나 용접하기 위한 탭은 맨드렐의 빈 컬럼을 통해 접근가능하다.
본 발명의 개별 전극 시트 및 압축성 맨드렐의 조합으로 인해 셀은 세퍼레이터 재료 내에 권취된 애노드/캐소드 전극 재료의 연속 시트에 의존하는 전형적인 권취 셀과 대조적으로 탄성 보호 용기 내에 격납된 효율적으로 연결된 높은 에너지 밀도 전극의 스택을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 장치는 2 개 이상의 개별 양극 및 2 개 이상의 개별 음극을 포함할 수 있다.
용기는 원통형일 수 있고, 맨드렐은 권취 축선을 따라 타원형 단면을 가질 수 있다. 바람직하게는, 맨드렐은 제조 비용을 저감시키기 위해 단일 재료로 제작되며, 용기의 패킹 축선의 방향으로 탄성적으로 바이어싱되도록 형성된다. 맨드렐은 대체로 2개의 면과 연결 암을 갖는 "S"자 형상을 취할 수 있다. 이 경우, 이들 면과 연결 암 사이의 사공간(dead space) 내에 빈 컬럼이 형성될 수 있다. 에너지 저장 장치 용기 내의 사공간은 추가의 셀을 수용할 수 있는 용적을 형성하며, 종래의 소프트 팩 셀(soft-pack cell) 및 각주형 셀 설계보다 공간의 체적의 사용 효율이 낮은 것으로 볼 수 있다. 그러나, 빈 컬럼은 제조 공정을 향상시킬 수 있다.
맨드렐의 면은 만곡될 수 있다. 맨드렐의 만곡면은 패키징 내의 전극의 표면에 균일한 스택 압력을 제공할 수 있다. 또한, 맨드렐의 표면은 셀의 팽창 중에 임의의 압력의 축적을 완화시키기 위해 그 형상을 효과적으로 조정할 수 있다. 또한, 맨드렐은 셀의 임의의 추가의 팽창을 흡수하기 위해 종축선에 수직인 패킹 방향으로 압축될 수 있다. 본 발명은 맨드렐 주위에 감겨질 전기화학 셀의 구성요소에 의존하지 않고, 맨드렐의 주요 기능은 충전 또는 방전 중의 전극 체적에 따라 수축 또는 팽창함으로써 용기의 내면에 세퍼레이터 재료를 지지하는 것이다.
세퍼레이터 재료는 맨드렐의 주위에 권취될 수 있다. 이로 인해 에너지 저장 장치의 제작이 단순화될 수 있다. 또한, 용기는 맨드렐의 형상에 기초하여 권취된 세퍼레이터 재료 및 전극을 수용하는 형상을 가질 수 있다. 다시 말하면, 맨드렐 및 용기의 대체적인 형상은 대체로 서로 동심이며, 세퍼레이터 및 전극 매트릭스는 맨드렐과 용기 내벽 사이의 공동을 채운다.
맨드렐의의 종축선은 용기의 베이스의 중심과 정렬될 수 있다. 맨드렐은 캔의 베이스의 적어도 일부에 접근할 수 있는 하나를 초과하는 빈 컬럼을 가질 수 있다. 전극은 각각 용기의 베이스에의 용접용 탭을 가질 수 있으므로 빈 컬럼은 베이스에 탭을 용접하기 위해 다수의 지점에 접근을 가능하게 하며, 이는 베이스의 일부에만 탭 및 용접 재료가 축적되는 것을 방지한다.
본 발명을 더 잘 이해하기 위해, 그리고 본 발명이 실시될 수 있는 방법을 더 명확하게 보여주기 위해, 본 발명을 일례로서 이하의 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 에너지 저장 장치의 개략 분해도이고;
도 2a 내지 도 2d는 에너지 저장 장치 내의 세퍼레이터 재료 및 맨드렐의 대안적인 레이아웃의 개략도이고;
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 에너지 저장 장치의 대안적인 실시형태의 개략도이고;
도 4a 및 도 4b는 대안적인 용기 형상의 어레이의 개략도이다.
도 1은 용기(2), 압축성 맨드렐(3), 세퍼레이터 재료(4), 및 개별 전극(5)을 포함하는 에너지 저장 장치(1)를 도시한다. 용기(2)는 케이싱(6), 베이스(7) 및 캡(8)을 가지며, 이들은 함께 에너지 저장 장치(1)의 셸을 형성한다. 케이싱(6)은 외부 물체에 의해 본 장치(1)가 관통되거나 파열되는 것을 방지하도록 견고한 재료로 형성된다. 케이싱(6)은 베이스(7) 및 캡(8)과 함께 전기화학 셀 구성요소, 즉 압축성 맨드렐(3), 세퍼레이터 재료(4), 및 전극(5)를 수용하기 위한 내부 공간(9)을 형성하도록 딥드로잉/압연/셰이핑(shaping) 및 포밍(forming)될 수 있다. 케이싱(6)은 공간(9)을 향하는 내면(10)을 갖는다. 베이스(7) 및 캡(8)이 용기(2) 내에 전기화학 셀 구성요소(3, 4, 5)를 둘러싸도록 케이싱(6)의 개방 단부 상에 제공된다. 베이스(7)와 캡(8)이 케이싱(6)과는 별개의 부품으로서 도시되어 있으나, 케이싱(6)은 사전형성된 베이스(7) 및 캡(8)을 포함하거나 그것들에 부착될 수 있음을 생각할 수 있다.
맨드렐(3)은 암(13)에 의해 연결된 제 1 맨드렐 표면(11) 및 제 2 맨드렐 표면(12)을 갖는다. 맨드렐(3)은 플라스틱 또는 금속과 같은 단일 부재의 유연성 재료로 형성된다. 맨드렐(3)의 단면은 대체로 S자 형상이며, 그 윤곽은 타원형이다. 맨드렐(3)은 만곡면(11, 12) 및 암(13)에 의해 형성된 S자 형상에 수직인 종축선(L)을 갖는다. 맨드렐(3)은 길이가 용기(2)의 길이와 유사하도록 그 종축선(L)을 따라 연장된다. 맨드렐(3)의 대체적인 단면 형상은 그 종축선(L)의 전체 길이를 따라 동일하다.
맨드렐(3)은 용기(2)의 내부 공간(9) 내에 배치될 수 있도록 형성된다. 맨드렐(3)이 내부 공간(9) 내에 위치되었을 때, 맨드렐 표면(11, 12)과 용기(2)의 내면(10) 사이에 공동(9a)이 남는다. 맨드렐(3)의 형상으로 인해, 종축선(L)을 따라 연장되는 맨드렐 표면(11, 12)과 암(13) 사이에 사공간인 빈 컬럼이 존재한다. 이 빈 컬럼은, 전기화학 셀 구성요소(3, 4, 5)를 용기(2) 내에 배치할 때, 맨드렐(3)이 압착될 수 있는 공간 뿐만 아니라 베이스(7)의 적어도 일부에 용접하기 위해 접근할 수 있는 공간을 제공한다.
맨드렐(3)은 패킹 축선의 방향으로 압축가능하며, 이에 대해서는 세퍼레이터 재료(4)와 관련하여 더 상세히 설명할 것이다. 일반적으로, 맨드렐(3)은 대체로 타원형인 그 단면 윤곽의 크기가 감소되도록 압착 및/또는 변형될 수 있다. 맨드렐(3)이 점유하는 공간(9)의 용적은 맨드렐(3)이 압착됨에 따라 감소된다. 또한, 맨드렐 표면(11, 12)은 그 표면에 가해지는 압축력에 따라 곡률 또는 원호가 변할 수 있도록 극단의 압력 하에서 변형될 수 있다.
도 1에 제시된 세퍼레이터 재료(4)는 전자 절연성 다공질 재료의 연속 시트이다. 세퍼레이터 재료(4)는 롤링(rolling)되어 용기(2)와 맨드렐(3) 사이의 공동(9a) 내에 위치된다. 세퍼레이터 재료(4)는, 전기화학 셀 용기(1)가 그 완전한 형태를 이루었을 때, 맨드렐(3)의 종축선(L) 상에 위치하는 권취 축선(W)을 중심으로 맨드렐(3)의 주위에 권취된다. 세퍼레이터 재료(4)의 시트가 권취 축선(W)을 중심으로 권취될 때, 그 시트가 감겨 적층됨에 따라 세퍼레이터 재료(4)의 층이 형성된다. 완성된 에너지 저장 장치(1)에서, 세퍼레이터 재료(4)는 용기(2) 내에 배치되어 패킹 축선(P)을 따라 배치된 복수의 세퍼레이터 층을 제공한다. 이것은 세퍼레이터 재료(4)의 층들 사이에 공간(14)을 생성하며, 이 공간은 전극에 의해 점유된다.
전극(5)은 권취된 세퍼레이터 재료(4)의 공간(14) 내에 패킹 축선(P)을 따라 위치된다. 간단히 하기 위해, 도 1에서는 2 개의 전극(5)(셀을 형성하는 세퍼레이터 재료(4)를 따라 하나의 애노드 및 하나의 캐소드)만이 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 전기화학 셀 용기(1)는 많은 전극(5)을 수용하여 다수의 전기화학 셀을 형성할 수 있다.
전극(5)은 각각 베이스(7) 및 캡(8)의 내면에 고정될 수 있는 탭(15a, 15b)을 포함한다. 각각의 전극(5) 상에 탭(15a, 15b)을 제공함으로써 각각의 전극(5)에 대한 전류 경로 길이가 감축되고, 셀의 내부 저항이 감소된다.
셀이 충전/방전됨에 따라, 전극(5)은 팽창 및 수축될 수 있다. 전극(5)이 팽창하여 내부 공간(9) 내의 더 많은 용적을 차지함에 따라 맨드렐(3)은 압착된다. 유사하게, 전극이 수축하면, 맨드렐(3)은 팽창하여 용적을 다시 점유하고, 세퍼레이터 재료(4)와 전극(5) 사이에 패킹 축선(P)을 따라 일정한 압축력을 제공한다. 만곡된 맨드렐 표면(11, 12)은 전극(5)의 표면 상에 균일한 압력이 유지되도록 한다.
본 발명의 범위 내에 있는 다양한 대안적인 전기화학 셀 용기(1)의 구성이 도 2a 내지 도 2d에 개략적으로 도시되어 있다. 이 전기화학 셀 용기(1)는 간단히 하기 위해 전극(5)이 없는 상태로 맨드렐(3)의 종축선(L)을 따라 단면으로 도시되어 있다. 각각의 전기화학 셀 용기(1)는 사각형 용기(2)와 같은 매우 단순화된 방식으로 도시되어 있다. 그러나, 용기(2)의 내부 공간(9)을 점유하기 위해 만곡될 수 있다는 것이 이해된다.
도 2a에서, 두 시트의 세퍼레이터 재료(4)가 맨드렐(3)의 주위에 권취되어 있다. 맨드렐(3)은 세퍼레이터 재료(4)의 권취 축선(W)을 따라 위치된다. 세퍼레이터 재료(4)의 시트는 맨드렐(3)의 종축선(L)을 중심으로 동심이다. 권취된 세퍼레이터 재료(4)의 층들 사이에 전극(5)을 수용하기 위한 다수의 층(14)이 제공된다. 전극(5)은 패킹 축선(P)을 따라 배치된다.
도 2b에서, 맨드렐(3)에는 단일의 만곡면(11)이 제공된다. 맨드렐 암(13)은 용기(2)의 내면(10)에 지지된다. 하나의 시트의 세퍼레이터 재료(4)가 내부 공간(9)에 제공되며, 권취 축선(W)을 중심으로 권취되어 있다. 권취 축선(W)은 맨드렐(3)의 종축선(L) 상에 위치하지 않는다. 세퍼레이터 재료(4)의 롤 내에는 전극을 수용하기 위한 개별 층(14)이 제공된다. 전극(5)은 패킹 축선(P)을 따라 배치된다.
도 2c 및 도 2d는 본 발명의 추가의 대안례를 예시한 것이며, 여기서 롤링되거나 절첩된 세퍼레이터 재료의 시트(4)는 맨드렐(3)을 중심으로 공동(9a) 내에 위치되며, 세퍼레이터(4)는 맨드렐(3)을 중심으로 권취되어 있지 않다. 도 2c의 장치는 각각의 공동(9a) 내에 2 개의 롤링된 시트의 세퍼레이터 재료(4)를 포함한다. 도 2d에서, 세퍼레이터 재료(4)의 시트는 공동(9a) 내에 절첩되어 있다. 전극(5)은 세퍼레이터 재료(4)의 나선층 또는 절첩부 내에 배치될 수 있다. 이들 경우에, 맨드렐(3)은 장치(1) 내에서 전극(5)의 팽창을 흡수하는 기능만을 가지며, 재료(4, 5)가 권취되는 보빈(bobbin)을 제공하지는 않는다.
도 1의 용기(2)는 원통형으로서 도시되어 있으나, 임의의 각주형 셀의 형상을 취할 수도 있다. 도 3a 내지 도 3c에는 본 발명의 장치(1)의 개략 단면도가 도시되어 있다. 세퍼레이터 재료(4)의 층은 단지 도면을 단순화하기 위해 공동(9a) 내의 연속적인 롤링 시트 대신 동심의 링으로서 도시되어 있다. 전극(5)은 점선으로 개략적으로 도시되어 있으며, 세퍼레이터 재료(4)의 롤링된 시트들 사이의 층(14) 내의 임의의 위치에 배치될 수 있다. 도 3a는 완성된 도 1의 장치(1)의 단순화된 단면도를 도시한다. 내면(10)은 하나의 연속 표면이며, 맨드렐 표면(11, 12)은 동일한 내면(10)의 상이한 영역과 대면한다.
도 3b는 대체로 장방체 형상의 용기(2)를 갖는 장치(1)를 도시하며, 여기서 맨드렐 면(11, 12)을 향하는 내면(10)은 오목하다. 세퍼레이터 재료(4)는 맨드렐 표면(11, 12)과 용기(2)의 내면(10) 사이의 공동(9b)을 채우도록 절첩되거나 권취된다. 세퍼레이터 재료(4)는 패킹 축선(P)을 따라 층(14)을 제공하도록 배치되며, 이 층은 전극(5)에 의해 채워진다. 오목한 내면(10)의 곡률은 세퍼레이터 재료(4)의 층(14) 내에서 전극(5)의 표면의 전체에 걸쳐 균일한 압력이 가해지도록 맨드렐 표면(11, 12)의 곡률과 유사하다.
도 3c는 대체로 장방체 형상의 용기(2)를 갖는 장치(1)를 도시한 것이며, 여기서 장치(1)는 전기화학 셀로 채워진 하나의 공동(9c)만을 갖고 있다. 맨드렐 면(11)을 향하는 내면(10)은 오목하다. 세퍼레이터 재료(4)는 맨드렐 표면(11, 12)과 용기(2)의 내면(10) 사이의 공동(9c)을 채우도록 절첩되거나 권취된다. 세퍼레이터 재료(4)는 패킹 축선(P)을 따라 층(14)을 제공하도록 배치되며, 이 층은 전극(5)에 의해 채워진다. 오목한 내면(10)의 곡률은 세퍼레이터 재료(4)의 층(14) 내에서 전극(5)의 표면의 전체에 걸쳐 균일한 압력이 가해지도록 맨드렐 표면(11, 12)의 곡률과 유사하다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 실시례에서, 외부 케이싱의 곡률은 내면(10)의 오목한 형상과 일치하며, 외부 케이싱은 외부의 장방체 형상을 제공하도록 평탄화될 수 있다. 그러나, 케이싱(6)의 곡률을 유지하는 것이 유리할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 3b 및 도 3c에 따른 에너지 저장 장치(1)의 어레이를 도시한다. 케이싱(6)의 곡률은 어레이로 배치되었을 때 용기(2)들 사이에 간극(16)을 허용한다. 만곡된 케이싱(6)에 의해 인접한 용기(2)들 사이의 물리적인 접촉이 확실하게 감소된다. 용기(2)들 사이의 간극(16)에는 공기와 같은 유체가 제공될 수 있다. 용기(2)들 사이의 접촉이 감소됨으로써 인접한 장치(1) 사이의 열전달이 확실히 낮아진다. 또한, 유체는 용기의 어레이에 걸쳐 자유롭게 흐르고, 냉각제로서 작용하여 장치(1) 내의 셀에 의해 방출된 과도한 열을 제거한다.

Claims (7)

  1. 용기, 맨드렐, 세퍼레이터 재료의 적어도 하나의 시트, 및 2 개 이상의 개별 전극을 포함하는 에너지 저장 장치로서,
    상기 용기는 적어도 하나의 내벽 및 베이스에 의해 형성되는 내부 공간을 포함하고,
    상기 맨드렐은 종축선을 포함하며, 상기 맨드렐은 상기 종축선이 상기 내부 공간 및 상기 베이스를 통과하도록 상기 용기 내에 위치되고,
    상기 세퍼레이터 재료의 시트는 상기 맨드렐의 주위에 배치되어 복수의 개별 세퍼레이터 층을 제공하며, 상기 세퍼레이터 층은 상기 종축선에 수직인 패킹 방향으로 이격되어 있고,
    상기 맨드렐은 전극의 에너지 밀도가 증가함에 따라 전극의 팽창을 흡수하도록 압축가능하고, 적어도 하나의 전극이 각각의 개별 세퍼레이터 층들 사이의 공간을 점유하도록 제공되고, 상기 맨드렐은 상기 종축선의 길이를 따라 연장되는 적어도 하나의 빈 컬럼을 가지며, 상기 빈 컬럼을 통해 상기 베이스의 일부에 접근가능한, 에너지 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용기는 원통형이고, 상기 맨드렐은 권취 축선을 따라 타원형 단면을 갖는, 에너지 저장 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터 재료는 상기 맨드렐의 주위에 권취된, 에너지 저장 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전극들 중 적어도 하나는 상기 용기의 베이스에의 용접을 위한 탭(tab)을 갖는, 에너지 저장 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 맨드렐의 종축선은 상기 용기의 베이스의 중심과 정렬되는, 에너지 저장 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 맨드렐은 상기 종축선에 수직인 패킹 방향으로 압축가능한, 에너지 저장 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 장치는 2 개 이상의 개별 양극 및 2 개 이상의 개별 음극을 포함하는, 에너지 저장 장치.
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