KR102364225B1 - 배터리 구조체 - Google Patents
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Abstract
배터리 구조체가 개시된다. 배터리 구조체는 제 1 집전층, 제 1 활성 물질층, 스페이서 층, 제 1 플라스틱 프레임, 제 2 활성 물질층 및 제 2 집전층을 포함한다. 제 1 활성 물질층은 제 1 집전층상에 배치된다. 스페이서 층은 제 1 활성 물질상에 배치되고, 제 1 활성 물질층의 상부 표면을 완전히 덮는다. 제 1 플라스틱 프레임은 스페이서 층의 측벽상에 배치되고, 제 1 플라스틱 프레임의 상부는 스페이서의 상부 표면까지 연장되는 돌출부를 갖는다. 제 2 활성 물질층은 스페이서 층 및 돌출부상에 배치된다. 제 2 활성 물질은 공간 층 및 돌출부를 통해 제 1 활성 물질로부터 절연된다. 제 2 집전층은 제 2 활성 물질층상에 배치된다.
Description
본 발명은 배터리 구조체, 특히 보호 절연 구조를 갖는 리튬 배터리에 관한 것이다.
휴대용 전자 제품은 건강, 오락 등과 같은 다양한 산업에서 사용된다. 이들 산업 분야의 휴대용 전자 제품은 가볍고 휴대 가능하며 다용도성인 것이 요구된다. 이들 전자 제품에 사용되는 배터리는 외부 패키지 크기, 형상 등과 같은 휴대용 전자 제품의 외관에 따라 설계되는 것이 요구된다. 따라서 가요성 배터리의 유연성은 중요한 역할을 한다. 도 1은 종래의 가요성 리튬 배터리의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가요성 리튬 배터리(10)는 주로 상부 집전층(12), 하부 집전층(14), 및 상부 집전층(12)과 하부 집전층(14) 사이에 배치된 외부 패키지(16)를 포함한다. 상부 집전층(12), 하부 집전층(14) 및 외부 패키지(16)는 밀폐 공간(18)을 형성한다. 제 1 활성 물질층(20), 스페이서 층(22) 및 제 2 활성 물질층(24)은 이 밀폐 공간(18)에 이 순서로 배치되어 전기 화학적 시스템 층을 형성한다. 제 1 활성 물질(20)은 상부 집전층(12)과 접촉하고, 제 2 활성 물질층(24)은 하부 집전층(14)과 접촉한다. 가요성 리튬 배터리(10)의 특성은 전체가 동적으로 구부러질 수 있다는 점이다.
또한, 리튬 배터리의 구조 설계에서, 캐소드가 애노드의 수용 가능한 리튬이온을 초과하여 방출할 때 리튬 덴드라이트를 형성하는 과도한 리튬 증착을 회피하기 위하여, 캐소드의 수평면의 면적은 애노드의 수평면의 면적보다 작아야만 한다. 리튬 덴드라이트는 절연 층을 관통하여 배터리가 단락되게 할 수 있다. 상술한 문제를 해결하는 본 방법은 공정에서 캐소드 및 음극의 수평면의 면적을 제어하는 것이다. 다시 확인하는 다른 방법은 없다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 종래 기술의 상술한 문제점을 해결하기 위한 배터리 구조체를 제공한다.
본 발명의 주된 목적은, 제 1 활성 물질층 및 제 2 활성 물질층에 대응하는 스페이서 층의 일부 면적을 덮기 위해 제 1 플라스틱 프레임을 사용하여 리튬 배터리의 A/C 비율을 유지하고 리튬 덴드라이트 형성 확률 및 정도를 줄이는 배터리 구조를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 배터리 구조체를 제공한다. 배터리 구조체는 제 1 집전층, 제 1 활성 물질층, 스페이서 층, 제 1 플라스틱 프레임, 제 2 활성 물질층 및 제 2 집전층을 포함한다. 제 1 활성 물질층은 제 1 집전층 상에 배치된다. 스페이서 층은 제 1 활성 물질상에 배치되고 제 1 활성 물질층의 상부 표면을 완전히 덮는다. 제 1 플라스틱 프레임은 스페이서 층의 측벽 상에 배치되고, 제 1 플라스틱 프레임의 상부는 스페이서의 상부 표면으로 연장되는 돌출부를 갖는다. 제 2 활성 물질층은 스페이서 층 및 돌출부 상에 배치되고, 공간 층 및 돌출부를 통해 제 1 활성 물질로부터 절연된다. 제 2 집전층은 제 2 활성 물질층 상에 배치된다.
이하, 도면을 참조하여 실시예들이 상세히 설명되어, 본 발명의 기술적 내용, 특징 및 성취가 쉽게 이해될 수 있게 된다.
도 1은 종래의 가요성 배터리의 단면도.
도 2는 본 발명의 배터리 구조체의 부분 단면의 개략도.
도 3은 본 발명의 배터리 구조체의 부분 단면의 다른 개략도.
도 4는 본 발명의 배터리 구조체의 단면의 개략도.
도 5는 본 발명의 배터리 구조체의 단면의 개략도.
도 6은 본 발명의 배터리 구조체의 단면의 개략도.
도 7은 본 발명의 배터리 구조체의 부분 단면의 다른 개략도.
도 8은 본 발명의 배터리 구조체의 부분 단면의 또 다른 개략도.
도 2는 본 발명의 배터리 구조체의 부분 단면의 개략도.
도 3은 본 발명의 배터리 구조체의 부분 단면의 다른 개략도.
도 4는 본 발명의 배터리 구조체의 단면의 개략도.
도 5는 본 발명의 배터리 구조체의 단면의 개략도.
도 6은 본 발명의 배터리 구조체의 단면의 개략도.
도 7은 본 발명의 배터리 구조체의 부분 단면의 다른 개략도.
도 8은 본 발명의 배터리 구조체의 부분 단면의 또 다른 개략도.
도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 배터리 구조체의 부분 단면도이다. 리튬 배터리(30)는 제 1 집전층(32), 제 1 활성 물질층(34), 스페이서 층(36) 및 플라스틱 프레임(38)을 포함한다. 제 1 활성 물질층(34)은 제 1 집전층(32) 상에 배치된다. 제 1 활성 물질층(34)의 수평면의 면적은 제 1 집전층(32)보다 작아서, 제 1 집전층(32)의 일부가 제 1 활성 물질층(34)의 외부로 노출된다. 스페이서 층(36)은 제 1 활성 물질층(34) 상에 배치되고, 제 1 활성 물질층(34)의 상부 표면을 완전히 덮는다. 플라스틱 프레임(38)은 스페이서 층(36)의 측벽 상에 배치되고, 스페이서 층(36)의 상부 표면으로 연장되어, 돌출부(381)를 형성한다. 제 1 활성 물질층(34)과 접촉하지 않는 스페이서 층(36)의 모서리는 플라스틱 프레임(38)으로 덮인다.
또한, 스페이서 층(36)의 측벽을 덮는 플라스틱 프레임(38)의 일부는 제 1 활성 물질층(34)의 측벽으로 추가로 연장된다. 예를 들면, 스페이서 층(36)의 측벽을 덮는 플라스틱 프레임(38)의 일부는, 도 3에 도시된 바와 같이, 아래로 연장되어 제 1 활성 물질층(34)의 측벽을 완전히 덮는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배터리 구조체는 제 2 활성 물질층(40), 제 2 집전층(42) 및 제 2 플라스틱 프레임(46)을 더 포함한다. 제 2 활성 물질층(40)은 스페이서 층(36) 및 돌출부(381)의 표면 위에 제공된다. 제 2 활성 물질층(40)은 스페이서 층(36) 및 돌출부(381)에 의해 제 1 활성 물질층(34)으로부터 절연된다. 제 2 집전층(42)은 제 2 활성 물질층(40) 상에 배치된다. 제 2 플라스틱 프레임(46)의 상부는 제 2 집전층(42)상에 배치되어 제 2 활성 물질층(40)의 주변을 둘러싼다. 제 2 플라스틱 프레임(46)의 바닥은 제 1 플라스틱 프레임(38)에 연결된다, 보다 구체적으로 제 2 플라스틱 프레임(46)의 바닥은 제 1 플라스틱 프레임(38)의 돌출부(381)와 직접 접촉한다.
일반적으로 배터리 설계에서 애노드/캐소드 비는 일반적으로 화학적 처방, 전극의 코팅 면적 또는 전극의 코팅 밀도를 제어하여, 리튬 덴드라이트를 형성할 확률 및 정도를 감소시킨다. 그러나 위의 해결책에 덧붙여 본 발명은 제 1 활성 물질층을 마스킹하는 돌출부(381)를 사용하여 A/C 비를 제어하고 안전성 및 전기적 성능을 유지한다.
위의 언급에 덧붙여, 제 1 플라스틱 프레임(38)의 돌출부(381)는 리튬 배터리(30)의 구조적 안정성을 향상시키는 스페이서 층(36)의 상부 표면의 가장자리로 연장된다. 예를 들어, 가요성 배터리에서, 스페이서 층(36)은 일반적으로 몇 번 굽혀진 후에 만곡되거나 변형되고, 심지어 내부 단락을 야기한다. 그러나 스페이서 층(36)과 제 1 활성 물질층(34) 사이 또는 스페이서 층(36)과 제 2 활성 물질층(40) 사이의 접촉은 효과적으로 유지될 수 있고, 돌출부(381)가 중합체 스페이서 층, 특수 효과 코팅을 갖는 중합체 스페이서 층 또는 세라믹 스페이서 층에 상관없이 스페이서 층(36)의 상부 표면의 가장자리로 연장될 때, 스페이서 층(36)의 가장자리의 변형은 방지될 수 있다. 돌출부(381)는 특히 세라믹 스페이서에서 스페이서 층(36)의 가장자리의 구조 강도를 효과적으로 향상시킨다.
또한, 위의 구조에서, 제 1 플라스틱 프레임의 돌출부(381) 및 스페이서 층(36)은 제 1 활성 물질층(34)을 제 2 활성 물질층(40)으로부터 절연시키는 새로운 하이브리드 절연 구조를 형성한다. 제 1 집전층(32) 또는 제 2 집전층(42)은 회로 기판의 전도성 표면일 수 있다.
또한, 제 1 집전층(32) 및/또는 상기 제 2 집전층(42)의 외측 표면은 보호 층(50)을 더 구비한다. 보호 층(50)은 외부 환경과 제 1 집전층(32) 및/또는 상기 제 2 집전층(42)의 접촉을 방지할 수 있다. 보호 층(50)은 리튬 배터리(30)를 구부리는 동안 제 1 집전층(32) 및/또는 제 2 집전층(42)을 파열로부터 보호할 수 있다.
리튬 배터리(30)를 알루미늄 호일 백(44) 안에 채우는 도 5를 참조하면, 알루미늄 호일 백(44)은 전해액의 누출을 방지할 수 있고, 외부 환경으로부터 습기 및 산소를 차단할 수 있다.
본 발명의 다른 배터리 구조체를 도시한 도 6을 참조한다. 리튬 배터리(30)는 제 3 플라스틱 프레임(48)을 더 포함하고, 제 2 플라스틱 프레임(46)의 바닥은 제 3 플라스틱 프레임(48)의 상부에 연결되고, 제 3 플라스틱 프레임(48)의 바닥은 제 1 플라스틱 프레임(38)의 상부에 연결된다. 제 1 플라스틱 프레임(38)과 제 2 플라스틱 프레임(46)은 제 3 플라스틱 프레임(48)보다 더 양호한 이종(heterogeneous)의 표면 접착성을 가지며, 제 3 플라스틱 프레임(48)은 제 1 플라스틱 프레임(38), 제 2 플라스틱 프레임(46) 및 제 3 플라스틱 프레임(48)의 가장 양호한 동종(homogeneous)의 표면 접착성을 갖는다. 제 3 플라스틱 프레임(48)은 제 1 플라스틱 프레임(38)과 제 2 플라스틱 프레임(46)을 단단히 결합시킨다.
또한, 제 1 플라스틱 프레임(38), 제 2 플라스틱 프레임(46), 제 3 플라스틱 프레임(48) 및 보호 층(50)은 제 1 집전층(32) 및 제 2 집전층(42)의 가장자리를 추가로 덮을 수 있다. 리튬 배터리(30)를 구부리는 동안 제 1 집전층(32)과 제 2 집전층(42)의 접촉에 의해 야기되는 외부 단락 상황은, 제 1 플라스틱 프레임(38), 제 2 플라스틱 프레임(46), 제 3 플라스틱 프레임(48) 및 보호 층(50)의 절연 특성을 통해 줄어들 수 있다. 보호 층(50)은 배터리 설계 또는 공정 요건에 따라 상이한 구조로 제 1 집전층(32) 및 제 2 집전층(42)의 가장자리를 코팅할 수 있다. 보호 층(50)은 단층 코팅 및 다층 코팅일 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 7은 본 발명의 배터리 구조체의 다른 부분 개략도이다. 도 7과 도 2의 차이점은 스페이서 층이 제 1 활성 물질층의 측벽으로 더 연장된다는 점이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 배터리 구조체의 다른 부분 개략도이다. 도 8과 도 3의 차이점은 스페이서 층이 제 1 활성 물질층의 측벽으로 더 연장된다는 점이다.
제 1 플라스틱 프레임(38), 제 2 플라스틱 프레임(46), 제 3 플라스틱 프레임(48) 및 보호 층(50)의 재료는 폴리이미드, 에폭시, 아크릴 수지 및 실리콘과 같은 전기 절연성 중합체로부터 선택된다. 스페이서 층(36)의 재료는 중합체 재료, 세라믹 재료, 유리 세라믹 재료 또는 유리 섬유 재료로부터 선택된다. 제 1 활성 물질층(34), 제 2 물질층(40) 및 스페이서 층(36)은 전해질을 흡수한다. 전해질은 액체 전해질, 겔형 전해질 또는 고체 전해질이다.
요약하면, 리튬 배터리의 A/C 비는 제 1 플라스틱 프레임의 돌출부에 의해 효과적으로 제어되어, 리튬 덴드라이트 형성의 확률 및 정도를 감소시킨다.
기술된 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명에 의해 개시된 형상, 구조, 특징 또는 사상에 따른 임의의 균등한 수정 또는 변형도 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다.
Claims (16)
- 배터리 구조체로서,
제 1 집전층;
상기 제 1 집전층 상에 배치된 제 1 활성 물질층;
상기 제 1 활성 물질층 상에 배치되고, 상기 제 1 활성 물질층의 상부 표면을 완전히 덮는 스페이서 층;
상기 스페이서 층의 측벽 상에 배치되고, 돌출부를 갖는 제 1 플라스틱 프레임으로서, 상기 돌출부는 상기 스페이서 층의 상부 표면에 접촉한 상태로 상기 스페이서 층의 상부 표면을 따라 가장자리로부터 안쪽으로 연장되는, 제 1 플라스틱 프레임;
상기 스페이서 층 및 상기 돌출부 상에 배치되고, 상기 스페이서 층 및 상기 돌출부를 통해 상기 제 1 활성 물질층으로부터 절연된, 제 2 활성 물질층; 및,
제 2 활성 물질층 상에 배치된, 제 2 집전층을 포함하되,
상기 돌출부의 적어도 일부는 상기 제 2 활성 물질층과 상기 스페이서 층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 배터리 구조체. - 제 1 항에 있어서, 상기 스페이서 층의 측벽을 덮는 상기 제 1 플라스틱 프레임의 일부분은 상기 제 1 활성 물질층의 측벽으로 더 연장되는, 배터리 구조체.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 활성 물질층의 수평면의 면적은 상기 제 1 집전층의 수평면보다 작아, 상기 제 1 집전층의 일부분을 노출시키는, 배터리 구조체.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 플라스틱 프레임의 바닥은 상기 제 1 활성 물질층으로부터 노출된 상기 제 1 집전층에 부착되고, 상기 제 1 플라스틱 프레임은 상기 스페이서 층의 측벽 및 상기 제 1 활성 물질의 측벽을 둘러싸는, 배터리 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 제 2 플라스틱 프레임을 더 포함하고, 상기 제 2 플라스틱 프레임의 상부는 상기 제 2 집전층에 연결되고, 상기 제 2 플라스틱 프레임은 상기 제 2 활성 물질층의 주변을 둘러싸고, 상기 제 2 플라스틱 프레임의 바닥은 상기 제 1 플라스틱 프레임에 연결되는, 배터리 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 제 2 플라스틱 프레임과 제 3 플라스틱 프레임을 추가로 포함하고, 상기 제 2 플라스틱 프레임은 상기 제 2 활성 물질층의 주변을 둘러싸고, 상기 제 2 플라스틱 프레임의 바닥은 상기 제 3 플라스틱 프레임의 상부에 연결되고, 상기 제 3 플라스틱 프레임의 바닥은 상기 제 1 플라스틱 프레임의 상부에 연결되는, 배터리 구조체.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 플라스틱 프레임 및 상기 제 2 플라스틱 프레임은 상기 제 3 플라스틱 프레임보다 양호한 이종(heterogeneous)의 표면 접착성을 갖고, 상기 제 3 플라스틱 프레임은 상기 제 1 플라스틱 프레임, 상기 제 2 플라스틱 프레임 및 상기 제 3 플라스틱 프레임과 가장 양호한 동종(homogeneous)의 표면 접착성을 갖는, 배터리 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 집전층 또는 상기 제 2 집전층은 회로 기판의 도전성 표면인, 배터리 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 플라스틱 프레임의 재료는 폴리이미드, 에폭시, 아크릴 수지 또는 실리콘으로부터 선택되는, 배터리 구조체.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 플라스틱 프레임 및 상기 제 2 플라스틱 프레임의 재료는 폴리이미드, 에폭시, 아크릴 수지 또는 실리콘으로부터 선택되는, 배터리 구조체.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 플라스틱 프레임, 상기 제 2 플라스틱 프레임 및 상기 제 3 플라스틱 프레임의 재료는 폴리이미드, 에폭시, 아크릴 수지 또는 실리콘으로부터 선택되는, 배터리 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 스페이서 층의 재료는 중합체 재료, 세라믹 재료, 유리 세라믹 재료 또는 유리 섬유 재료로부터 선택되는, 배터리 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 활성 물질층, 상기 제 2 물질층 및 상기 스페이서 층은 전해질을 흡수하고, 상기 전해질은 액체 전해질, 겔형 전해질 또는 고체 전해질인, 배터리 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 배터리를 수용하고 둘러싸는 알루미늄 호일 주머니(pouch)를 더 포함하는, 배터리 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 집전층 및 상기 제 2 집전층의 외측 표면은 보호 층을 더 갖는, 배터리 구조체.
- 제 15 항에 있어서, 상기 보호 층의 재료는 폴리이미드, 에폭시, 아크릴 수지 또는 실리콘으로부터 선택되는, 배터리 구조체.
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