KR102554895B1 - 3차원 배터리들에 대한 치수 구속부들 - Google Patents

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Abstract

충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 이차 배터리가 제공되고, 이차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질, 및 전극 구속부들의 세트를 포함한다. 전극 구속부들의 세트는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들 및 적어도 하나의 1차 연결 부재를 포함하는 1차 구속 시스템을 포함하며, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 종방향으로 서로 분리되고, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다. 전극 구속부들의 세트는 적어도 하나의 2차 연결 부재에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들을 포함하는 2차 구속 시스템을 추가로 포함하며, 2차 구속 시스템은 이차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 적어도 부분적으로 저지한다.

Description

3차원 배터리들에 대한 치수 구속부들{DIMENSIONAL CONSTRAINTS FOR THREE-DIMENSIONAL BATTERIES}
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2016년 5월 13일자로 출원된 미국 특허 출원 제62/335,912호로부터의 우선권의 이익을 주장하고 2016년 11월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 제62/422,958호로부터의 우선권의 이익을 주장하는 PCT 출원이며, 이 미국 특허 출원들 둘 다는 이로써 그 전체가 참고로 본 명세서에 원용된다.
발명의 분야
본 개시내용은 일반적으로 에너지 저장 디바이스들에서 사용하기 위한 구조체들, 그러한 구조체들을 이용하는 에너지 저장 디바이스들, 및 그러한 구조체들 및 에너지 디바이스들을 제조하는 방법들에 관한 것이다.
락킹 체어(rocking chair) 또는 삽입 이차 배터리들은, 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘 또는 마그네슘 이온들과 같은, 캐리어 이온들이 전해질을 통해 양전극과 음전극 사이를 이동하는 에너지 저장 디바이스의 일종이다. 이차 배터리는 단일 배터리 셀, 또는 배터리를 형성하기 위해 전기적으로 커플링된 2개 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있으며, 각각의 배터리 셀은 양전극, 음전극, 미세다공성 분리막(microporous separator) 및 전해질을 포함한다.
락킹 체어 배터리 셀들에서, 양전극 및 음전극 둘 다는 캐리어 이온이 삽입 및 추출되는 재료들을 포함한다. 셀이 방전될 때, 캐리어 이온들이 음전극으로부터 추출되어 양전극에 삽입된다. 셀이 충전될 때, 정반대 프로세스가 일어난다: 캐리어 이온이 양전극으로부터 추출되어 음전극에 삽입된다.
캐리어 이온들이 전극들 사이를 이동할 때, 지속적인 과제들 중 하나는 배터리가 반복하여 충전되고 방전될 때 전극들이 팽창하고 수축하는 경향이 있다는 사실에 있다. 사이클링 동안의 팽창 및 수축은 전극들이 팽창할 때, 전기적 단락들 및 배터리 고장들이 발생하기 때문에 배터리의 신뢰성 및 사이클 수명에 대해 문제가 되는 경향이 있다.
따라서, 배터리의 신뢰성 및 사이클 수명을 개선시키기 위해 배터리 사이클링 동안 전극들의 팽창 및 수축을 제어할 필요가 있다.
따라서, 간략히 말하면, 본 개시내용의 일 양태는 전극의 거시적 팽창(macroscopic expansion)을 완화하거나 방지함으로써 배터리들의 에너지 밀도, 신뢰성, 및 사이클 수명을 개선시키기 위한 구속 구조체들(constraint structures)의 구현(implementation)에 관한 것이다.
일 양태에 따르면, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 이차 배터리가 제공되고, 이차 배터리는 배터리 인클로저(battery enclosure), 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질, 및 전극 구속부들(electrode constraints)의 세트를 갖는다. 전극 어셈블리는 상호 수직인 종축, 횡축, 및 수직축, 종방향으로 서로 분리된 제1 종방향 단부 표면 및 제2 종방향 단부 표면, 그리고 전극 어셈블리 종축 AEA를 둘러싸고 제1 및 제2 종방향 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면을 갖고, 측방 표면은 종축의 양측에(on opposite sides) 있고 종축에 직교하는 제1 방향으로 분리된 대향하는 제1 및 제2 영역들을 가지며, 전극 어셈블리는 종방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방 표면에 의해 경계지어지고 횡방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방 표면에 의해 경계지어지고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, LEA 및 WEA 각각 대 HEA의 비는, 제각기, 2:1 이상이다. 전극 어셈블리는 전극 구조체들의 집단, 상대 전극 구조체들의 집단, 그리고 전극 및 상대 전극 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리시키는 전기 절연성 미세다공성 분리막 재료를 가지며, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들의 멤버들은 종방향으로 교대하는 시퀀스로 배열된다. 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 전극 활성 재료의 층을 갖고, 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 상대 전극 활성 재료의 층을 포함하며, 여기서 전극 활성 재료는 이차 배터리가 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전될 때 전극 활성 재료 1 몰당(per mole of electrode active material) 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는다. 전극 구속부들의 세트는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(primary growth constraints) 및 적어도 하나의 1차 연결 부재(primary connecting member)를 포함하는 1차 구속 시스템(primary constraint system)을 포함하며, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 종방향으로 서로 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 부재는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들을 연결시키며, 여기서 1차 구속 시스템은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경(Feret diameter)의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지(restrain)시킨다. 전극 구속부들의 세트는 제2 방향으로 분리되고 적어도 하나의 2차 연결 부재(secondary connecting member)에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(secondary growth constraints)을 포함하는 2차 구속 시스템(secondary constraint system)을 추가로 포함하며, 여기서 2차 구속 시스템은 이차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 적어도 부분적으로 저지하며, 제2 방향은 종방향에 직교한다. 충전된 상태는 이차 배터리의 정격 용량(rated capacity)의 75% 이상이고, 방전된 상태는 이차 배터리의 정격 용량의 25% 미만이다.
다른 양태에 따르면, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 이차 배터리가 제공되고, 이차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질, 및 전극 구속부들의 세트를 갖는다. 전극 어셈블리는 상호 수직인 종축, 횡축, 및 수직축, 종방향으로 서로 분리된 제1 종방향 단부 표면 및 제2 종방향 단부 표면, 그리고 전극 어셈블리 종축 AEA를 둘러싸고 제1 및 제2 종방향 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면을 갖고, 측방 표면은 종축의 양측에 있고 종축에 직교하는 제1 방향으로 분리된 대향하는 제1 및 제2 영역들을 가지며, 전극 어셈블리는 종방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방 표면에 의해 경계지어지고 횡방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방 표면에 의해 경계지어지고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, LEA 및 WEA 각각 대 HEA의 비는, 제각기, 2:1 이상이다. 전극 어셈블리는 전극 구조체들의 집단, 상대 전극 구조체들의 집단, 그리고 전극 및 상대 전극 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리시키는 전기 절연성 미세다공성 분리막 재료를 추가로 포함하며, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들의 멤버들은 종방향으로 교대하는 시퀀스로 배열된다. 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 전극 활성 재료의 층을 갖고, 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 상대 전극 활성 재료의 층을 포함하며, 여기서 전극 활성 재료는 이차 배터리가 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전될 때 전극 활성 재료 1 몰당 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는다. 전극 구속부들의 세트는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들 및 적어도 하나의 1차 연결 부재를 포함하는 1차 구속 시스템을 포함하며, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 종방향으로 서로 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 부재는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들을 연결시키며, 여기서 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다. 충전된 상태는 이차 배터리의 정격 용량의 75% 이상이고, 방전된 상태는 이차 배터리의 정격 용량의 25% 미만이다.
본 개시내용의 다른 양태들, 특징들 및 실시예들이, 부분적으로, 논의될 것이고, 부분적으로, 하기의 설명 및 도면에서 명백할 것이다.
도 1은 전극 어셈블리와 함께 이용되는 구속 시스템의 일 실시예의 사시도이다.
도 2a는 3차원 전극 어셈블리의 일 실시예의 개략도이다.
도 2b 및 도 2c는 구속된 및 팽창된 구성들에서의 애노드 구조체 집단 멤버들을 묘사하는, 3차원 전극 어셈블리의 일 실시예의 개략도들이다.
도 3a 내지 도 3h는 전극 어셈블리에 대한 상이한 형상들 및 크기들의 예시적인 실시예들을 도시하고 있다.
도 4a는 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들의 요소들을 추가로 예시하고 있다.
도 4b는 도 1에 도시된 바와 같은 라인 B-B'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들의 요소들을 추가로 예시하고 있다.
도 4c는 도 1에 도시된 바와 같은 라인 B-B'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들의 요소들을 추가로 예시하고 있다.
도 5는 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A1'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 6a는 전극 어셈블리 위의 다공성 2차 확장 구속부의 평면도(top view)의 일 실시예 및 2차 확장 구속부를 전극 어셈블리에 접착시키는 것에 대한 일 실시예를 예시하고 있다.
도 6b는 전극 어셈블리 위의 다공성 2차 확장 구속부의 평면도의 일 실시예 및 2차 확장 구속부를 전극 어셈블리에 접착시키는 것에 대한 다른 실시예를 예시하고 있다.
도 6c는 전극 어셈블리 위의 다공성 2차 확장 구속부의 평면도의 일 실시예 및 2차 확장 구속부를 전극 어셈블리에 접착시키는 것에 대한 또 다른 실시예를 예시하고 있다.
도 6d는 전극 어셈블리 위의 다공성 2차 확장 구속부의 평면도의 일 실시예 및 2차 확장 구속부를 전극 어셈블리에 접착시키는 것에 대한 또 다른 실시예를 예시하고 있다.
도 7은 1차 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 8a 및 도 8b는 전극 구속부들의 세트에 의해 전극 어셈블리에 가해지는 힘들은 물론, 전극 어셈블리를 포함하는 배터리의 반복 사이클링 시에 전극 구조체들에 의해 가해지는 힘들을 보여주는, 일 실시예에 따른, 힘 개략도들을 예시하고 있다.
도 9a는 상대 전극 백본들이 전극 구속부들의 세트를 어셈블링(assembling)하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 9b는 상대 전극 전류 컬렉터들이 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 다른 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 다른 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 9c는 상대 전극 전류 컬렉터들이 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 또 다른 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 또 다른 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 10은 상대 전극 전류 컬렉터들이 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 또 다른 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 또 다른 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 11a는 상대 전극 백본들이 노치들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 11b는 상대 전극 백본들이 노치들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 다른 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 다른 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 11c는 상대 전극 백본들이 노치들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 또 다른 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 또 다른 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 12a는 상대 전극 전류 컬렉터들이 노치들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 12b는 상대 전극 전류 컬렉터들이 노치들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 다른 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 다른 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 12c는 상대 전극 전류 컬렉터들이 노치들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 또 다른 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 또 다른 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 13a는 상대 전극 백본들이 슬롯들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 13b는 상대 전극 백본들이 슬롯들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 도 13a로부터의 인셋 단면(inset cross-section)을 예시하고 있다.
도 13c는 상대 전극 백본들이 슬롯들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 도 13a로부터의 인셋 단면을 예시하고 있다.
도 14는 상대 전극 전류 컬렉터들이 슬롯들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 15a는 전극 백본들이 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 15b는 전극 전류 컬렉터들이 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 16a는 전극 전류 컬렉터들이 노치들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 16b는 전극 전류 컬렉터들이 노치들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 다른 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 다른 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 16c는 전극 전류 컬렉터들이 노치들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 또 다른 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 또 다른 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 17은 전극 전류 컬렉터들이 슬롯들을 통해 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 18a는 1차 확장 구속 시스템이 2차 확장 구속 시스템과 혼성되고(hybridized) 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 18b는 1차 확장 구속 시스템이 2차 확장 구속 시스템과 혼성되고 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 다른 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 다른 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 19는 1차 확장 구속 시스템이 2차 확장 구속 시스템과 융착되고(fused) 전극 구속부들의 세트를 어셈블링하는 데 사용되는 1차 확장 구속 시스템의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템의 일 실시예를 포함하는 전극 구속부들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 전극 어셈블리의 일 실시예의 단면을 예시하고 있다.
도 20은 확장 구속부들의 세트의 일 실시예를 이용하는 에너지 저장 디바이스 또는 이차 배터리의 일 실시예의 분해도를 예시하고 있다.
도 21은 확장 구속부들의 세트의 일 실시예를 이용하는 에너지 저장 디바이스 또는 이차 배터리의 일반적인 조립(general assembly)에 대한 플로차트의 일 실시예를 예시하고 있다.
발명 주제(inventive subject matter)의 다른 양태들, 실시예들 및 특징들은 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 첨부 도면들이 개략적이고 일정한 축척으로 그려져 있는 것으로 의도되어 있지 않다. 명확함을 위해, 모든 요소 또는 컴포넌트가 모든 도면에 라벨링되어 있는 것은 아니며, 본 기술분야의 통상의 기술자가 발명 주제를 이해할 수 있게 해주기 위해 예시가 필요하지 않은 경우 발명 주제의 각각의 실시예의 모든 요소 또는 컴포넌트가 도시되어 있는 것은 아니다.
정의들
"한(a)", "한(an)", 및 "그(the)"(즉, 단수 형태들)는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한, 복수의 지시대상들을 지칭한다. 예를 들어, 하나의 경우에서, "한 전극"에 대한 언급은 단일의 전극 및 복수의 유사한 전극들 둘 다를 포함한다.
"약(about)" 및 "대략(approximately)"은, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 언급된 값의 ± 10%, 5% 또는 1%를 지칭한다. 예를 들어, 하나의 경우에서, 약 250 μm는 225 μm 내지 275 μm를 포함할 것이다. 추가 예로서, 하나의 경우에서, 약 1,000 μm는 900 μm 내지 1,100 μm를 포함할 것이다. 달리 지시되지 않는 한, 명세서 및 청구항들에서 사용되는 양들(예컨대, 측정치들, 및 이와 유사한 것) 등을 표현하는 모든 숫자들은, 모든 경우들에서, "약"이라는 용어에 의해 수식된 것으로 이해되어야 한다. 그에 따라, 반대로 지시되지 않는 한, 하기의 명세서 및 첨부된 청구항들에 기재된 수치 파라미터들은 근사치들이다. 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자들의 개수를 고려하여 그리고 통상의 반올림 기법들을 적용하여 해석되어야 한다.
"충전된 상태"는, 이차 배터리의 상태의 맥락에서 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 이차 배터리가 그의 정격 용량의 75% 이상으로 충전되는 상태를 지칭한다. 예를 들어, 배터리는 그의 정격 용량의 80% 이상, 그의 정격 용량의 90% 이상, 그리고 심지어, 그의 정격 용량의 100%와 같은, 그의 정격 용량의 95% 이상으로 충전될 수 있다.
"C-레이트(C-rate)"는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 이차 배터리가 방전되는 레이트의 척도를 지칭하며, 방전 전류를 배터리가 1 시간 내에 그의 공칭 정격 용량을 전달할 이론적인 전류 소모(current draw)로 나눈 것으로서 정의된다. 예를 들어, 1C의 C-레이트는 1 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 나타내고, 2C의 레이트는 1/2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 나타내며, C/2의 레이트는 2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 나타내고, 기타 등등이다.
"방전된 상태"는, 이차 배터리의 상태의 맥락에서 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 이차 배터리가 그의 정격 용량의 25% 미만으로 방전된 상태를 지칭한다. 예를 들어, 배터리는, 그의 정격 용량의 10% 미만과 같은, 그의 정격 용량의 20% 미만, 그리고 심지어, 그의 정격 용량의 0%와 같은, 그의 정격 용량의 5% 미만으로 방전될 수 있다.
"사이클"은, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 사이클링의 맥락에서 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 배터리를 사이클에서 충전된 상태 또는 방전된 상태 중 어느 하나인 제1 상태로부터 제1 상태의 반대인 제2 상태(즉, 제1 상태가 방전된 상태였다면 충전된 상태, 또는 제1 상태가 충전된 상태였다면 방전된 상태)로 이동시키고 이어서 배터리를 다시 제1 상태로 이동시켜 사이클을 완료하기 위해 배터리를 충전 및/또는 방전시키는 것을 지칭한다. 예를 들어, 충전된 상태와 방전된 상태 사이의 이차 배터리의 단일 사이클은, 충전 사이클에서와 같이, 배터리를 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전시키고 이어서 다시 방전된 상태로 방전시켜 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다. 단일 사이클은 또한, 방전 사이클에서와 같이, 배터리를 충전된 상태로부터 방전된 상태로 방전시키고 이어서 다시 충전된 상태로 충전시켜 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다.
"페렛 직경(Feret diameter)"은, 전극 어셈블리와 관련하여 본 명세서에서 지칭되는 바와 같이, 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면 사이의, 2개의 평면에 수직인 방향으로 측정되는, 거리로서 정의된다. 예를 들어, 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경은 종방향에 수직인 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면 사이의, 종방향으로 측정되는 바와 같은, 거리이다. 다른 예로서, 횡방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경은 횡방향에 수직인 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면 사이의, 횡방향으로 측정되는 바와 같은, 거리이다. 또 다른 예로서, 수직 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경은 수직 방향에 수직인 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면 사이의, 수직 방향으로 측정되는 바와 같은, 거리이다.
"종축(longitudinal axis)", "횡축(transverse axis)", 및 "수직축(vertical axis)"은, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상호 수직인 축들(즉, 각각이 서로 직교임)을 지칭한다. 예를 들어, "종축", "횡축", 및 "수직축"은, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 3차원 방위(aspect)들 또는 배향들을 정의하는 데 사용되는 직교 좌표계(Cartesian coordinate system)와 유사하다. 이에 따라, 본 명세서에서의 발명 주제의 요소들에 대한 설명은 요소들의 3차원 배향들을 기술하는 데 사용되는 특정의 축 또는 축들로 제한되지 않는다. 대안적으로 말하면, 발명 주제의 3차원 방위들을 지칭할 때 축들이 상호교환가능할 수 있다.
"종방향(longitudinal direction)", "횡방향(transverse direction)", 및 "수직 방향(vertical direction)"은, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상호 수직인 방향들(즉, 각각이 서로 직교임)을 지칭한다. 예를 들어, "종방향", "횡방향", 및 "수직 방향"은, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 3차원 방위들 또는 배향들을 정의하는 데 사용되는 직교 좌표계의 종축, 횡축 및 수직축에, 제각기, 일반적으로 평행할 수 있다.
"반복 사이클링(repeated cycling)"은, 이차 배터리의 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 사이클링의 맥락에서 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 방전된 상태로부터 충전된 상태로 또는 충전된 상태로부터 방전된 상태로 1번 초과 사이클링하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 반복 사이클링은, 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전시키고, 다시 방전된 상태로 방전시키며 또다시 충전된 상태로 충전시키고, 최종적으로 다시 방전된 상태로 방전시키는 것에서와 같이, 방전된 상태로부터 충전된 상태로 2번 이상 사이클링하는 것을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 2번 이상의 반복 사이클링은 충전된 상태로부터 방전된 상태로 방전시키고, 다시 충전된 상태에 이르기까지 충전시키며, 또다시 방전된 상태로 방전시키고 최종적으로 다시 충전된 상태에 이르기까지 충전시키는 것을 포함할 수 있다. 추가 예로서, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 반복 사이클링은 방전된 상태와 충전된 상태 사이에서의 5번 이상의 사이클링, 그리고 심지어 10번 이상의 사이클링을 포함할 수 있다. 추가의 예로서, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 반복 사이클링은 방전된 상태와 충전된 상태 사이에서의 25번, 50번, 100번, 300번, 500번 그리고 심지어 1000번 이상의 사이클링을 포함할 수 있다.
"정격 용량"은, 이차 배터리의 맥락에서 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 표준 온도 조건(25℃) 하에서 측정되는 바와 같은, 일정 시간 기간에 걸쳐 규정된 전류를 전달하는 이차 배터리의 용량을 지칭한다. 예를 들어, 정격 용량은, 규정된 시간에 대해 전류 출력을 결정하고 전류와 시간의 곱을 취하는 것에 의해 또는 규정된 전류에 대해 그 전류가 출력될 수 있는 시간을 결정하고 전류와 시간의 곱을 취하는 것에 의해, 암페어·시(Amp·hour)의 단위로 측정될 수 있다. 예를 들어, 정격이 20 암페어·시인 배터리의 경우, 전류가 정격으로서 2 암페어로 규정되면, 배터리는 10 시간 동안 그 전류 출력을 제공하게 될 배터리로 이해될 수 있으며, 반대로 시간이 정격으로서 10 시간으로 규정되면, 배터리는 10 시간 동안 2 암페어를 출력하게 될 배터리로 이해될 수 있다. 특히, 이차 배터리의 정격 용량은, C-레이트와 같은, 규정된 방전 전류에서의 정격 용량으로서 주어질 수 있는데, 여기서 C-레이트는 배터리가 그의 용량에 대해 방전되는 레이트의 척도이다. 예를 들어, 1C의 C-레이트는 1 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 나타내고, 2C는 1/2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 나타내며, C/2는 2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 나타내고, 기타 등등이다. 따라서, 예를 들어, 정격이 1C의 C-레이트에서 20 암페어·시인 배터리는 1 시간 동안 20 암페어의 방전 전류를 제공할 것인 반면, 정격이 2C의 C-레이트에서 20 암페어·시인 배터리는 1/2 시간 동안 40 암페어의 방전 전류를 제공할 것이고, 정격이 C/2의 C-레이트에서 20 암페어·시인 배터리는 2 시간에 걸쳐 10 암페어의 방전 전류를 제공할 것이다.
"최대 폭"(WEA)은, 전극 어셈블리의 치수의 맥락에서 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 종방향으로 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들의 대향하는 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 가장 큰 폭에 대응한다.
"최대 길이"(LEA)는, 전극 어셈블리의 치수의 맥락에서 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 횡방향으로 전극 어셈블리의 측방 표면의 대향하는 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 가장 큰 길이에 대응한다.
"최대 높이"(HEA)는, 전극 어셈블리의 치수의 맥락에서 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 횡방향으로 전극 어셈블리의 측방 표면의 대향하는 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 가장 큰 높이에 대응한다.
상세한 설명
일반적으로, 본 개시내용은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는, 예를 들어, 도 2a 및/또는 도 20에 도시된 바와 같은, 이차 배터리(102)와 같은, 에너지 저장 디바이스(100)에 관한 것이다. 이차 배터리(102)는 배터리 인클로저(104), 전극 어셈블리(106), 캐리어 이온들, 및 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 포함한다. 이차 배터리(102)는 또한 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지하는 전극 구속부들의 세트(108)를 포함한다. 구속되는 전극 어셈블리(106)의 확장은 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 치수의 거시적 증가일 수 있다.
게다가, 일반적으로, 본 개시내용의 다양한 양태들은 배터리들, 커패시터들, 연료 전지들, 및 이와 유사한 것과 같은 에너지 저장 디바이스들(100)에 통합(incorporate)될 때 특정의 장점들을 제공하는 3차원 구속 구조체들을 포함한다. 일 실시예에서, 구속 구조체들은 이차 배터리(102)가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 반복하여 사이클링될 때 그렇지 않았으면 발생할 수 있는 전극 어셈블리(106)의 확장, 팽윤(swelling), 및/또는 팽창 중 적어도 하나에 저항하도록 선택되는 구성 및/또는 구조를 갖는다. 특히, 방전된 상태로부터 충전된 상태로 이동할 때, 예를 들어, 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘 및 마그네슘 중 하나 이상과 같은 캐리어 이온들이 배터리 내의 양전극과 음전극 사이에서 이동한다. 전극에 도달할 때, 캐리어 이온들은 이어서 전극 재료 내로 인터칼레이트(intercalate)되거나 합금화(alloy)됨으로써, 그 전극의 크기 및 부피를 증가시킬 수 있다. 반대로, 충전된 상태로부터 방전된 상태로 이동하기 위해 역으로 행하는 것(reversing)은 이온들이 디-인터칼레이트(de-intercalate)되거나 탈합금화(de-alloy)되게 함으로써, 전극을 수축시킬 수 있다. 이러한 합금화(alloying) 및/또는 인터칼레이션(intercalation) 및 탈합금화(de-alloying) 및/또는 디-인터칼레이션(de-intercalation)은 전극에 상당한 체적 변화를 야기할 수 있다. 따라서, 충전 및 방전 시의 전극들의 반복된 팽창 및 수축은 전극 어셈블리(106)에 스트레인(strain)을 야기할 수 있으며, 이는 이차 배터리의 저하된 성능 및 궁극적으로 심지어 고장을 가져올 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 전극 어셈블리(106)의 반복된 팽창 및/또는 수축의 효과들이 기술될 수 있다. 도 2a는 전극 구조체들의 집단(110) 및 상대 전극 구조체들의 집단(112)(예컨대, 제각기, 애노드 및 캐소드 구조체들의 집단)을 갖는 3차원 전극 어셈블리(106)의 일 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서의 3차원 전극 어셈블리(106)는 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 구조체들(110)과 상대 전극 구조체들(112)의 교대하는 세트를 제공하고, 도 2a에 도시된 실시예에서, Y 축에 평행한 종축 AEA, X 축에 평행한 횡축(도시되지 않음), 및 Z 축에 평행한 수직축(도시되지 않음)을 갖는다. 본 명세서에 도시된 X, Y 및 Z 축들은 축들이 기준 공간에서 서로 상호 수직인 기본 세트(basis set)를 보여주기 위한 것으로만 의도된 임의의 축들이고, 본 명세서에서의 구조들을 특정 배향으로 제한하는 것으로 결코 의도되어 있지 않다. 전극 어셈블리(106)를 갖는 이차 배터리(102)의 충전 및 방전 사이클링 시에, 캐리어 이온들은, 도 2a에 묘사된 실시예에 도시된 바와 같이 일반적으로 Y 축에 평행한 방향으로와 같이, 전극 및 상대 전극 구조체들(제각기, 110, 112) 사이에서 이동(travel)하고, 이동 방향(direction of travel) 내에 위치되는 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112) 중 하나 이상의 전극 재료 내로 인터칼레이트될 수 있다. 전극 재료 내로의 캐리어 이온들의 인터칼레이션 및/또는 합금화의 효과는 도 2b 및 도 2c에 예시된 실시예들에서 볼 수 있다. 특히, 도 2b는, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리(106)의 반복 싸이클링 이전과 같은, 상대적으로 팽창되지 않은 상태에 있는 전극 구조체들(110)을 갖는 전극 어셈블리(106)의 일 실시예를 묘사하고 있다. 그에 비해, 도 2c는 미리 결정된 수의 사이클 동안 이차 배터리의 반복 사이클링 이후의 전극 구조체들(110)을 갖는 전극 어셈블리(106)의 일 실시예를 묘사하고 있다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 전극 구조체들(110)의 치수들이, 전극 재료 내로의 캐리어 이온들의 인터칼레이션 및/또는 합금화로 인해, 적층 방향(예컨대, Y- 방향)에서 상당히 증가할 수 있다. 전극 구조체들(110)의 치수들이 또한, Z-방향(도 2c에 도시되지 않음)에서와 같은, 다른 방향에서 상당히 증가할 수 있다. 게다가, 전극 구조체들(110)의 크기의 증가는, 전극 구조체들(110)에서의 팽창을 수용하기 위해, 어셈블리에서의 상대 전극 구조체들(112) 및 분리막(130)의 변형(deformation)과 같은, 전극 어셈블리 내부의 구조체들의 변형을 초래할 수 있다. 전극 구조체들(110)의 팽창은 궁극적으로, 도 2c에 도시된 실시예에 묘사된 바와 같이, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들에(이는 물론 Z-방향에서의 상부 및 하부 표면들에서와 같은 다른 방향들에서) 전극 어셈블리(106)의 벌징(bulging) 및/또는 워핑(warping)을 초래할 수 있다. 그에 따라, 일 실시예에 따른 전극 어셈블리(106)는, 충전 및 방전 프로세스 동안 캐리어 이온들의 인터칼레이션 및 디-인터칼레이션으로 인해, 어셈블리(106)의 종축(Y 축)은 물론 다른 축을 따라서 상당한 팽창 및 수축을 나타낼 수 있다.
따라서, 일 실시예에서, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 종방향에서의(즉, Y 축과 평행한 방향에서의) 전극 어셈블리(106)의 확장, 팽창, 및/또는 팽윤 중 적어도 하나를 완화시키고/거나 감소시키기 위해 1차 확장 구속 시스템(151)이 제공된다. 예를 들어, 1차 확장 구속 시스템(151)은 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118)에서의 팽창에 대향함으로써 확장을 구속하도록 구성된 구조체들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은, 종방향으로 서로 분리되고 그리고 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)을 함께 연결시키는 적어도 하나의 1차 연결 부재(162)와 함께 동작하여 전극 어셈블리(106)에서의 확장을 저지하는, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)을 포함한다. 예를 들어, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)은 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118)을 적어도 부분적으로 커버할 수 있고, 1차 확장 구속부들(154, 156)을 서로 연결시키는 연결 부재들(162, 164)과 함께 동작하여, 충전 및/또는 방전의 반복 사이클들 동안 발생하는 전극 어셈블리(106)에서의 임의의 확장에 대항하여 그를 저지할 수 있다. 1차 확장 구속 시스템(151)의 실시예들 및 동작에 대한 추가 논의가 이하에서 보다 상세히 제공된다.
그에 부가하여, 이차 배터리(102)에서의 충전 및 방전 프로세스들을 통한 반복 사이클링은 전극 어셈블리(106)의 종방향(예컨대, 도 2a에서의 Y-축)에서의 확장 및 스트레인을 유도할 수 있을 뿐만 아니라, 횡방향 및 수직 방향(예컨대, 도 2a에서, 제각기, X 축 및 Z 축)과 같은, 앞서 논의된 바와 같은, 종방향에 직교하는 방향들에서의 확장 및 스트레인도 유도할 수 있다. 게다가, 특정 실시예들에서, 하나의 방향에서의 확장을 억제(inhibit)하기 위해 1차 확장 구속 시스템(151)의 통합은 심지어 하나 이상의 다른 방향에서의 확장 및/또는 팽윤을 악화시킬 수 있다. 예를 들어, 1차 확장 구속 시스템(151)이 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지하기 위해 제공되는 경우에, 충전 및 방전의 사이클들 동안의 캐리어 이온들의 인터칼레이션 및 전극 구조체들의 결과적인 팽윤은 하나 이상의 다른 방향에서의 스트레인을 유도할 수 있다. 특히, 일 실시예에서, 전극 확장/팽윤과 종방향 확장 구속부들의 조합에 의해 발생된 스트레인은 수직 방향(예컨대, 도 2a에 도시된 바와 같은 Z 축)에서의, 또는 심지어 횡방향(예컨대, 도 2a에 도시된 바와 같은 X 축)에서의 전극 어셈블리(106)의 좌굴(buckling) 또는 다른 고장(들)을 초래할 수 있다.
그에 따라, 본 개시내용의 일 실시예에서, 이차 배터리(102)는 1차 확장 구속 시스템(151)뿐만 아니라, 1차 확장 구속 시스템(151)과 함께 동작하여 전극 어셈블리(106)의 다수의 축들을 따른 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있는 적어도 하나의 2차 확장 구속 시스템(152)도 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 1차 확장 구속 시스템(151)과 인터로킹(interlock)하도록 또는 1차 확장 구속 시스템(151)과 다른 방식으로 상승적으로(synergistically) 동작하도록 구성될 수 있음으로써, 전극 어셈블리(106)와 1차 및 2차 확장 구속 시스템(제각기, 151 및 152)을 갖는 이차 배터리의 개선된 성능 및 감소된 고장 발생률을 제공하도록 전극 어셈블리(106)의 전체적인 확장이 저지될 수 있다. 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151 및 152) 사이의 상호관계 및 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지하기 위한 그들의 동작의 실시예들에 대한 추가 논의가 이하에서 보다 상세히 제공된다.
전극 어셈블리(106)의 확장을 구속한다는 것은, 앞서 논의된 바와 같이, 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 치수의 전체적인 거시적 증가가 구속된다는 것을 의미한다. 즉, 전극 어셈블리(106) 내의 하나 이상의 전극의 체적의 변화가 그럼에도 불구하고 충전 및 방전 사이클들 동안 보다 작은(예컨대, 미시적) 스케일로 발생할 수 있을지라도, (X, Y, 및 Z 축들)을 따른 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 치수의 증가가 제어되도록 전극 어셈블리(106)의 전체적인 확장이 구속될 수 있다. 전극 체적의 미시적 변화는, 예를 들어, SEM(scanning electron microscopy)을 통해 관찰가능할 수 있다. 전극 구속부들의 세트(108)가 미시적 레벨의 얼마간의 개별 전극 확장을 억제할 수 있는 반면, 얼마간의 확장이 여전히 발생할 수 있지만, 그 확장이 적어도 저지될 수 있다. 충전/방전 시의 개별 전극들에서의 체적 변화는, 그것이 각각의 개별 전극에 대해 미시적 레벨의 작은 변화일 수는 있지만, 그럼에도 불구하고 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 사이클링 시에 전체적인 전극 어셈블리(106)에 대한 거시적 레벨에서 상대적으로 보다 큰 체적 변화를 초래하는 상가 효과(additive effect)를 가질 수 있음으로써, 어쩌면 전극 어셈블리(106)에 스트레인을 야기할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)의 애노드에 대응하는 전극 구조체(110)에 사용되는 전극 활성 재료는 이차 배터리(102)의 충전 동안 전극 활성 재료 내로의 캐리어 이온들의 삽입 시에 팽창하는 재료를 포함한다. 예를 들어, 전극 활성 재료들은 이차 배터리의 충전 동안, 전극 활성 재료의 체적의 증가를 발생시키기에 충분한 양으로, 캐리어 이온들과 인터칼레이트하는 것 또는 캐리어 이온들과 합금화하는 것에 의하는 것과 같이, 캐리어 이온들을 수용하는 애노드 활성 재료들(anodically active materials)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 활성 재료는, 이차 배터리(102)가 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전될 때, 전극 활성 재료 1 몰당 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 추가 예로서, 전극 활성 재료는, 전극 활성 재료 1 몰당 2.0 몰 이상의 캐리어 이온과 같은, 전극 활성 재료 1 몰당 1.5 몰 이상의 캐리어 이온, 그리고, 전극 활성 재료 1 몰당 3.5 몰 이상의 캐리어 이온과 같은, 전극 활성 재료 1 몰당 심지어 2.5 몰 이상의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 전극 활성 재료에 의해 수용되는 캐리어 이온은 리튬, 칼륨, 나트륨, 칼슘, 및 마그네슘 중 적어도 하나일 수 있다. 그러한 체적 변화를 제공하기 위해 팽창하는 전극 활성 재료들의 예들은 실리콘, 알루미늄, 주석, 아연, 은, 안티몬, 비스무트, 금, 백금, 게르마늄, 팔라듐, 및 이들의 합금들 중 하나 이상을 포함한다.
전극 어셈블리
도 2a를 또다시 참조하면, 일 실시예에서, 서로 맞물린(interdigitated) 전극 어셈블리(106)는 전극 구조체들의 집단(110), 상대 전극 구조체들의 집단(112), 및 전극 구조체들(110)을 상대 전극 구조체들(112)로부터 전기적으로 절연시키는 전기 절연성 미세다공성 분리막(130)을 포함한다. 일 실시예에서, 전극 구조체들(110)은, 도 7에 묘사된 실시예에 도시된 바와 같이, 전극 활성 재료 층(132), 전극 활성 재료 층(132)을 지지하는 전극 백본(134), 및, 이온들이 통과할 수 있게 해주는 이온 다공성 전류 컬렉터일 수 있는, 전극 전류 컬렉터(136)를 포함한다. 예를 들어, 전극 구조체(110)는, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료 층(anodically active material layer), 애노드 백본, 및 애노드 전류 컬렉터를 갖는, 애노드 구조체를 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 일 실시예에서, 상대 전극 구조체들(112)은, 예를 들어, 도 7에 묘사된 실시예에 도시된 바와 같이, 상대 전극 활성 재료 층(138), 상대 전극 전류 컬렉터(140), 및 상대 전극 전류 컬렉터(140) 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138) 중 하나 이상을 지지하는 상대 전극 백본(141)을 포함한다. 예를 들어, 상대 전극 구조체(112)는, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(cathodically active material layer), 캐소드 전류 컬렉터, 및 캐소드 백본을 포함하는 캐소드 구조체를 포함할 수 있다. 전기 절연성 미세다공성 분리막(130)은 캐리어 이온들이 충전 및/또는 방전 프로세스들 동안 통과하여, 전극 어셈블리(106)에서의 전극 구조체들(110)과 상대 전극 구조체들(112) 사이를 이동할 수 있게 해준다. 게다가, 전극 및 상대 전극 구조체들(제각기, 110 및 112)이 본 명세서에 기술된 특정 실시예들 및 구조들로 제한되지 않으며, 본 명세서에 구체적으로 기술된 것들 이외의 다른 구성들, 구조들, 및/또는 재료들이 또한 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)을 형성하도록 제공된다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 백본들을 포함할 전극 및/또는 상대 전극 구조체들(110, 112)의 영역이 그 대신에 전극 활성 재료 및/또는 상대 전극 활성 재료로 이루어지는 경우에서와 같이, 전극 및 상대 전극 구조체들(110, 112)은 구조체들이 임의의 전극 및/또는 상대 전극 백본들(134,141)을 실질적으로 갖지 않는 형태로 제공될 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같은 실시예에 따르면, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들(제각기, 110 및 112)의 멤버들은 교대하는 시퀀스로 배열되고, 교대하는 시퀀스의 방향은 적층 방향 D에 대응한다. 이 실시예에 따른 전극 어셈블리(106)는 상호 수직인 종축, 횡축, 및 수직축을 추가로 포함하고, 종축 AEA는 일반적으로 전극 및 상대 전극 구조체 집단들의 멤버들의 적층 방향 D에 대응하거나 그에 평행하다. 도 2a에서의 실시예에 도시된 바와 같이, 종축 AEA는 Y 축에 대응하는 것으로 묘사되고, 횡축은 X 축에 대응하는 것으로 묘사되며, 수직축은 Z 축에 대응하는 것으로 묘사되어 있다.
게다가, 전극 어셈블리(106)는 종방향으로(즉, y-축을 따라) 측정되는 최대 폭 WEA, 측방 표면에 의해 경계지어지고 횡방향으로(즉, x-축을 따라) 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방 표면에 의해 역시 경계지어지고 수직 방향으로(즉, z-축을 따라) 측정되는 최대 높이 HEA를 갖는다. 최대 폭 WEA는, 전극 어셈블리가 종방향으로 가장 넓은, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118)의 대향하는 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리(106)의 가장 큰 폭에 대응하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서의 전극 어셈블리(106)의 실시예를 참조하면, 최대 폭 WEA는 종방향으로 측정되는 바와 같은 어셈블리(106)의 폭에 단순히 대응하는 것으로 이해될 수 있다. 그렇지만, 도 3h에 도시된 전극 어셈블리(106)의 실시예를 참조하면, 최대 폭 WEA가, 전극 어셈블리(106)가 보다 좁은, 대향하는 지점들(301a, 301b)로부터 측정되는 바와 같은 폭이 아니라, 전극 어셈블리가 종방향으로 가장 넓은, 2개의 대향하는 지점(300a, 300b)으로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 폭에 대응한다는 것을 알 수 있다. 이와 유사하게, 최대 길이 LEA는, 전극 어셈블리가 횡방향으로 가장 긴, 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 대향하는 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 가장 큰 길이에 대응하는 것으로 이해될 수 있다. 도 2a에서의 실시예를 또다시 참조하면, 최대 길이 LEA가 단순히 전극 어셈블리(106)의 길이로서 이해될 수 있는 반면, 도 3h에 도시된 실시예에서, 최대 길이 LEA는, 전극 어셈블리가 보다 짧은, 대향하는 지점들(303a, 303b)로부터 측정되는 바와 같은 길이가 아니라, 전극 어셈블리가 횡방향으로 가장 긴, 2개의 대향하는 지점(302a, 302b)으로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 길이에 대응한다. 이와 유사한 방식으로(along similar lines), 최대 높이 HEA는, 전극 어셈블리가 수직 방향으로 가장 높은, 전극 어셈블리의 측방 표면(143)의 대향하는 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 가장 큰 높이에 대응하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 도 2a에 도시된 실시예에서, 최대 높이 HEA는 단순히 전극 어셈블리의 높이이다. 도 3h에 도시된 실시예에 구체적으로 묘사되어 있지 않지만, 전극 어셈블리가 종방향 및 횡방향 중 하나 이상을 따라서 있는 지점들에서 상이한 높이들을 갖는 경우, 전극 어셈블리의 최대 높이 HEA는, 최대 폭 WEA 및 최대 길이 LEA에 대해 유사하게 기술된 바와 같이, 전극 어셈블리가 보다 짧은, 대향하는 지점들로부터 측정되는 바와 같은 높이가 아니라, 전극 어셈블리가 수직 방향에서 가장 높은 2개의 대향하는 지점으로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 높이에 대응하는 것으로 이해될 것이다. 전극 어셈블리(106)의 최대 길이 LEA, 최대 폭 WEA, 및 최대 높이 HEA는 에너지 저장 디바이스(100) 및 그의 의도된 용도에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 종래의 이차 배터리 치수들을 대표하는 최대 길이들 LEA, 폭들 WEA, 및 높이들 HEA를 포함할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 박막 배터리 치수들을 대표하는 최대 길이들 LEA, 폭들 WEA, 및 높이들 HEA를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 치수들 LEA, WEA, 및 HEA는, 수직축(Z 축)을 따른 최대 높이 HEA보다 더 긴, 횡축(X 축)을 따른 최대 길이 LEA 및/또는 종축(Y 축)을 따른 최대 폭 WEA를 갖는 전극 어셈블리(106)를 제공하도록 선택된다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 실시예에서, 치수들 LEA, WEA, 및 HEA는 전극 구조체 적층 방향 D와 직교하는 횡축(X 축)을 따라서는 물론, 전극 구조체 적층 방향 D와 일치하는 종축(Y 축)을 따라서 가장 큰 치수를 갖는 전극 어셈블리(106)를 제공하도록 선택된다. 즉, 최대 길이 LEA 및/또는 최대 폭 WEA가 최대 높이 HEA보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비는 2:1 이상일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비는 5:1 이상일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비는 10:1 이상일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비는 15:1 이상일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비는 20:1 이상일 수 있다. 상이한 치수들의 비들은 활성 재료들의 양을 최대화함으로써 에너지 밀도를 증가시키기 위해 에너지 저장 디바이스 내에서의 최적의 구성들을 참작할 수 있다.
일부 실시예들에서, 최대 폭 WEA는 최대 높이 HEA보다 더 큰 전극 어셈블리(106)의 폭을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비는 2:1 이상일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비는 5:1 이상일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비는 10:1 이상일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비는 15:1 이상일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비는 20:1 이상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비는 최적의 구성을 제공하는 미리 결정된 범위 내에 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비는 1:5 내지 5:1의 범위에 있을 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비는 1:3 내지 3:1의 범위에 있을 수 있다. 다른 추가 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비는 1:2 내지 2:1의 범위에 있을 수 있다.
도 2a에 도시된 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 제1 종방향 단부 표면(116) 및 종축 AEA를 따라서 제1 종방향 단부 표면(116)으로부터 분리되는 대향하는 제2 종방향 단부 표면(118)을 갖는다. 전극 어셈블리(106)는 종축 AEA를 적어도 부분적으로 둘러싸고 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118)을 연결시키는 측방 표면(142)을 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 최대 폭 WEA는 제1 종방향 단부 표면(116)으로부터 제2 종방향 단부 표면(118)까지 측정되는 바와 같은 종축 AEA를 따른 치수이다. 이와 유사하게, 최대 길이 LEA는 측방 표면(142)에 의해 경계지어질 수 있으며, 일 실시예에서, 종축에 직교하는 횡축을 따라서 측방 표면(142)의 대향하는 제1 및 제2 영역들(144, 146)로부터 측정되는 바와 같은 치수일 수 있다. 최대 높이 HEA는, 일 실시예에서, 측방 표면(142)에 의해 경계지어질 수 있으며 종축에 직교하는 수직축을 따라서 측방 표면(142)의 대향하는 제1 및 제2 영역들(148, 150)로부터 측정될 수 있다.
명확함을 위해, 도 2a에 도시된 실시예에는 4개의 전극 구조체(110) 및 4개의 상대 전극 구조체(112)만이 예시되어 있다. 예를 들어, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들(제각기, 110 및 112)의 멤버들의 교대하는 시퀀스는, 에너지 저장 디바이스(100) 및 그의 의도된 용도에 따라서, 각각의 집단에 대한 임의의 수의 멤버들을 포함할 수 있고, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들(110 및 112)의 멤버들의 교대하는 시퀀스는, 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 서로 맞물릴 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 구조체들의 집단(110)의 각각의 멤버는, 교대하는 시퀀스가 적층 방향 D를 따라서 종단(terminate)될 때를 제외하고는, 상대 전극 구조체들의 집단(112)의 2개의 멤버 사이에 존재할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 구조체들의 집단(112)의 각각의 멤버는, 교대하는 시퀀스가 적층 방향 D를 따라서 종단될 때를 제외하고는, 전극 구조체들의 집단(110)의 2개의 멤버 사이에 존재할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 그리고 보다 일반적으로 말하면, 전극 구조체들의 집단(110)과 상대 전극 구조체들의 집단(112) 각각은 N개의 멤버를 가지며, N-1개의 전극 구조체 멤버(110) 각각은 2개의 상대 전극 구조체 멤버(112) 사이에 있고, N-1개의 상대 전극 구조체 멤버(112) 각각은 2개의 전극 구조체 멤버(110) 사이에 있으며, N은 적어도 2이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 4이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 5이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 10이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 25이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 50이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 100 이상이다. 일 실시예에서, 전극 및/또는 상대 전극 집단들의 멤버들은 가상 백플레인(imaginary backplane)(예컨대, 전극 어셈블리의 표면과 실질적으로 일치하는 평면)에서의 멤버들의 기하학적 풋프린트(즉, 투영)의 2배보다 더 큰 표면적(다공성을 무시함)을 갖기 위해 백플레인으로부터 충분히 연장된다. 특정 실시예들에서, 가상 백플레인에서의 비층상(non-laminar)(즉, 3차원) 전극 및/또는 상대 전극 구조체의 기하학적 풋프린트에 대한 그의 표면적의 비는 약 5 이상, 약 10 이상, 약 50 이상, 약 100 이상, 또는 심지어 약 500 이상이다. 그렇지만, 일반적으로, 그 비는 약 2 내지 약 1000일 것이다. 하나의 그러한 실시예에서, 전극 집단의 멤버들은 본질적으로 비층상이다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 상대 전극 집단의 멤버들은 본질적으로 비층상이다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 전극 집단의 멤버들 및 상대 전극 집단의 멤버들은 본질적으로 비층상이다.
일 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리(106)가 종단되는 종방향 단부들(117, 119)을 갖는다. 일 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)에서의 전극 및 상대 전극 구조체들(제각기, 110, 112)의 교대하는 시퀀스는, 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 각각의 단부(117, 119)에서의 전극 구조체(110)들에서 또는 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 각각의 단부(117, 119)에서의 상대 전극 구조체들(112)에서와 같이, 종방향을 따라서 대칭 방식으로 종단된다. 다른 실시예에서, 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)의 교대하는 시퀀스는, 종축 AEA의 한쪽 단부(117)에서의 전극 구조체(110), 및 종축 AEA의 다른 쪽 단부(119)에서의 상대 전극 구조체(112)에서와 같이, 종방향을 따라서 비대칭 방식으로 종단될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 단부(117,119)에서의 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112) 중 하나 이상의 서브구조체(substructure)로 종단될 수 있다. 예로서, 일 실시예에 따르면, 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)의 교대하는 시퀀스는, 전극 백본(134), 상대 전극 백본(141), 전극 전류 컬렉터(136), 상대 전극 전류 컬렉터(140), 전극 활성 재료 층(132), 상대 전극 활성 재료 층(138), 및 이와 유사한 것을 포함한, 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)의 하나 이상의 서브구조체에서 종단될 수 있고, 또한 분리막(130)과 같은 구조체로 종단될 수 있으며, 전극 어셈블리(106)의 각각의 종방향 단부(117, 119)에서의 구조체가 동일(대칭)하거나 상이(비대칭)할 수 있다. 전극 어셈블리(106)의 종방향 말단 단부들(longitudinal terminal ends)(117, 119)은 전극 어셈블리(106)의 전체적인 확장을 구속하기 위해 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)에 의해 접촉되는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118)을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 전극 및/또는 상대 전극 구조체들(110, 112)을 로드(load) 및/또는 전압 공급원(voltage supply)(도시되지 않음)에 전기적으로 연결시키는 데 사용될 수 있는 하나 이상의 전극 및/또는 상대 전극 탭(190, 192)(예컨대, 도 20을 참조)과 접촉할 수 있는 제1 및 제2 횡방향 단부들(145, 147)(예컨대, 도 2a를 참조)을 갖는다. 예를 들어, 전극 어셈블리(106)는, 각각의 전극 구조체(110)에 연결될 수 있고 그리고 전극 구조체들의 집단(110)의 각각의 멤버로부터의 전류를 풀링(pool)하는, 전극 버스(194)(예컨대, 도 2a를 참조)를 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 전극 어셈블리(106)는, 각각의 상대 전극 구조체(112)에 연결될 수 있고 그리고 상대 전극 구조체들의 집단(112)의 각각의 멤버로부터의 전류를 풀링하는, 상대 전극 버스(196)를 포함할 수 있다. 전극 및/또는 상대 전극 버스들(194, 196) 각각은 방향 D로 측정되는 길이를 가지며, 서로 맞물린 일련의 전극 구조체들(110, 112)의 실질적으로 전체 길이에 연장되어 있다. 도 20에 예시된 실시예에서, 전극 탭(190) 및/또는 상대 전극 탭(192)은, 전극 및/또는 상대 전극 버스(194, 196)와 전기적으로 연결되고 그리고 전극 및/또는 상대 전극 버스(194, 196)의 실질적으로 전체 길이에 뻗어 있는(run), 전극 탭 연장부들(191, 193)을 포함한다. 대안적으로, 전극 및/또는 상대 전극 탭들(190, 192)은 탭 연장부들(191, 193)을 필요로 하지 않고, 예를 들어, 버스들(194, 196)의 길이를 따라서 그의 단부 또는 중간 위치에서, 전극 및/또는 상대 전극 버스(194, 196)에 직접 연결될 수 있다. 그에 따라, 일 실시예에서, 전극 및/또는 상대 전극 버스들(194, 196)은 횡방향으로 전극 어셈블리(106)의 말단 단부들(145, 147)의 적어도 일부분을 형성할 수 있고, 로드 및/또는 전압 공급원(도시되지 않음)에의 전기적 연결을 위해 전극 어셈블리를 탭들(190, 192)에 연결시킬 수 있다. 게다가, 또 다른 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 수직(Z) 축을 따라서 배치된 제1 및 제2 말단 단부들(149, 153)을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면, 각각의 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112)는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 분리막 재료의 상부 및 하부 코팅을 구비하며, 여기서 코팅들은 수직 방향으로 전극 어셈블리(106)의 말단 단부들(149, 153)을 형성한다. 분리막 재료의 코팅으로 형성될 수 있는 말단 단부들(149, 153)은 수직 방향에서의 확장을 구속하기 위해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)과 접촉하게 배치될 수 있는 수직축을 따른 측방 표면(142)의 제1 및 제2 표면 영역들(148, 150)을 포함할 수 있다.
일반적으로, 전극 어셈블리(106)는 평면(planar)이거나, 동일 평면(co-planar)이거나, 비-평면(non-planar)인 종방향 단부 표면들(116, 118)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 대향하는 종방향 단부 표면들(116, 118)은 볼록할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 대향하는 종방향 단부 표면들(116, 118)은 오목할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 대향하는 종방향 단부 표면들(116, 118)은 실질적으로 평면이다. 특정 실시예들에서, 전극 어셈블리(106)는 평면 상으로 투영될 때 임의의 범위의 2차원 형상들을 갖는 대향하는 종방향 단부 표면들(116, 118)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 종방향 단부 표면들(116, 118)은 독립적으로 매끄러운 곡선 형상(예컨대, 원형, 타원형, 쌍곡선 또는 포물선)을 가질 수 있거나, 독립적으로 일련의 선들 및 정점들(예컨대, 다각형)을 포함할 수 있거나, 독립적으로 매끄러운 곡선 형상을 포함하고 하나 이상의 선 및 정점을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)은 매끄러운 곡선 형상일 수 있거나(예컨대, 전극 어셈블리(106)는 원형, 타원형, 쌍곡선 또는 포물선 단면 형상을 가질 수 있음), 측방 표면(142)은 정점들에서 연결된 2개 이상의 선들을 포함할 수 있다(예컨대, 전극 어셈블리(106)는 다각형 단면을 가질 수 있음). 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 원통형, 타원 원통형, 포물선 원통형, 또는 쌍곡선 원통형 형상을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는, 동일한 크기 및 형상의 대향하는 종방향 단부 표면들(116, 118) 및 평행사변형 형상인 측방 표면(142)(즉, 대향하는 종방향 단부 표면들(116 및 118) 사이에 연장되는 면들(faces))을 갖는, 프리즘 형상을 가질 수 있다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 삼각형 프리즘에 대응하는 형상을 갖고, 전극 어셈블리(106)는 2개의 대향하는 삼각형 종방향 단부 표면들(116 및 118) 및 2개의 종방향 단부들 사이에 연장되는 3개의 평행사변형(예컨대, 직사각형)으로 이루어진 측방 표면(142)을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 직사각형 프리즘에 대응하는 형상을 갖고, 전극 어셈블리(106)는 2개의 대향하는 직사각형 종방향 단부 표면(116 및 118) 및 4개의 평행사변형(예컨대, 직사각형) 면을 포함하는 측방 표면(142)을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 오각형 프리즘, 육각형 프리즘 등에 대응되는 형상을 갖고, 여기서 전극 어셈블리(106)는 2개의 오각형, 육각형 등(제각기)의 대향하는 종방향 단부 표면들(116 및 118) 및 5개, 6개 등(제각기)의 평행사변형(예컨대, 직사각형) 면들을 포함하는 측방 표면을 갖는다.
이제 도 3a 내지 도 3h를 참조하면, 전극 어셈블리(106)에 대한 몇몇 예시적인 기하학적 형상들이 개략적으로 예시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 3a에서, 전극 어셈블리(106)는 종축 AEA를 따라서 분리된 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118), 및 종방향 단부 표면들(116, 118)을 연결시키고 종축 AEA 주위에 있는 3개의 직사각형 면을 포함하는 측방 표면(142)을 갖는 삼각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3b에서, 전극 어셈블리(106)는 종축 AEA를 따라서 분리된 대향하는 제1 및 제2 평행사변형 종방향 단부 표면들(116, 118), 및 2개의 종방향 단부 표면들(116, 118)을 연결시키고 종축 AEA를 둘러싸는 4개의 평행사변형 형상의 면을 포함하는 측방 표면(142)을 갖는 평행육면체 형상을 갖는다. 도 3c에서, 전극 어셈블리(106)는 종축 AEA를 따라서 분리된 대향하는 제1 및 제2 직사각형 종방향 단부 표면들(116, 118), 및 2개의 종방향 단부 표면들(116, 118)을 연결시키고 종축 AEA를 둘러싸는 4개의 직사각형 면을 포함하는 측방 표면(142)을 갖는 직사각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3d에서, 전극 어셈블리(106)는 종축 AEA를 따라서 분리된 대향하는 제1 및 제2 오각형 종방향 단부 표면들(116, 118), 및 2개의 종방향 단부 표면들(116, 118)을 연결시키고 종축 AEA를 둘러싸는 5개의 직사각형 면을 포함하는 측방 표면(142)을 갖는 오각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3e에서, 전극 어셈블리(106)는 종축 AEA를 따라서 분리된 대향하는 제1 및 제2 육각형 종방향 단부 표면들(116, 118), 및 2개의 종방향 단부 표면들(116, 118)을 연결시키고 종축 AEA를 둘러싸는 6개의 직사각형 면을 포함하는 측방 표면(142)을 갖는 육각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3e에서, 전극 어셈블리는 종축 AEA를 따라서 분리된 대향하는 제1 및 제2 정사각형 종방향 단부 표면들(116, 118), 및 2개의 종방향 단부 표면들(116, 118)을 연결시키고 종축 AEA를 둘러싸는 4개의 사다리꼴 면을 포함하는 측방 표면(142)을 갖는 정사각형 피라미드 절두체 형상을 가지며, 사다리꼴 면들은 제1 표면(116)에서의 보다 큰 치수로부터 제2 표면(118)에서의 보다 작은 치수로 종축을 따라서 치수가 테이퍼링하고, 제2 표면의 크기는 제1 표면의 크기보다 더 작다. 도 3f에서, 전극 어셈블리는 종축 AEA를 따라서 분리된 대향하는 제1 및 제2 정사각형 종방향 단부 표면들(116, 118), 및 2개의 종방향 단부 표면들(116, 118)을 연결시키고 종축 AEA를 둘러싸는 5개의 사다리꼴 면을 포함하는 측방 표면(142)을 갖는 오각형 피라미드 절두체 형상을 가지며, 사다리꼴 면들은 제1 표면(116)에서의 보다 큰 치수로부터 제2 표면(118)에서의 보다 작은 치수로 종축을 따라서 치수가 테이퍼링하고, 제2 표면의 크기는 제1 표면의 크기보다 더 작다. 도 3h에서, 전극 및 상대 전극 구조체들(110, 112)이 종축 상의 전극 어셈블리(106)의 중앙 가까이에서의 제1 길이로부터 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117, 119)에서의 제2 길이들까지 감소하는 길이들을 갖는 것에 의해, 전극 어셈블리(106)는 종방향으로 피라미드 형상을 갖는다.
전극 구속부들
일 실시예에서, 예를 들어, 도 1에 예시된 바와 같이, 전극 어셈블리(106)의 전체적인 거시적 확장을 저지하는 전극 구속부들의 세트(108)가 제공된다. 전극 구속부들의 세트(108)는, 전극 어셈블리(106)의 팽윤 및 변형을 감소시키고 그로써 전극 구속부들의 세트(108)를 갖는 에너지 저장 디바이스(100)의 신뢰성 및 사이클링 수명을 개선시키기 위해서와 같이, 하나 이상의 차원을 따른 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 임의의 하나의 특정 이론으로 제한되지 않으면서, 이차 배터리(102)의 충전 및/또는 방전 동안 전극 구조체들(110)과 상대 전극 구조체들(112) 사이에서 이동하는 캐리어 이온들이 전극 활성 재료에 삽입될 수 있어, 전극 활성 재료 및/또는 전극 구조체(110)를 팽창시키는 것으로 생각된다. 전극 구조체(110)의 이러한 팽창은 전극들 및/또는 전극 어셈블리(106)를 변형 및 팽윤시킬 수 있으며, 그로써 전극 어셈블리(106)의 구조적 무결성을 손상시키고/시키거나 전기적 단락 또는 다른 고장들의 가능성을 증가시킬 수 있다. 일 예에서, 에너지 저장 디바이스(100)의 사이클링 동안 전극 활성 재료 층(132)의 과도한 팽윤 및/또는 팽창 및 수축은 전극 활성 재료의 단편들을 전극 활성 재료 층(132)으로부터 이탈(break away)시키고/시키거나 박리(delaminate)시킬 수 있으며, 그로써 에너지 저장 디바이스(100)의 효율 및 사이클링 수명을 손상시킬 수 있다. 또 다른 예에서, 전극 활성 재료 층(132)의 과도한 팽윤 및/또는 팽창 및 수축은 전극 활성 재료로 하여금 전기 절연성 미세다공성 분리막(130)을 균열(breach)시키게 할 수 있으며, 그로써 전극 어셈블리(106)의 전기적 단락 및 다른 고장들을 야기할 수 있다. 그에 따라, 전극 구속부들의 세트(108)는 에너지 저장 디바이스(100)의 신뢰성, 효율, 및/또는 사이클링 수명을 개선시키기 위해 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 사이클링에서 그렇지 않았으면 발생할 수 있는 이러한 팽윤 또는 확장을 억제한다.
일 실시예에 따르면, 전극 구속부들의 세트(108)는 전극 어셈블리(106)의 종축(예컨대, 도 1에서의 Y-축)을 따른 확장 및/또는 팽윤을 저지하기 위한 1차 확장 구속 시스템(151)을 포함한다. 다른 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 수직축(예컨대, 도 1에서의 Z-축)을 따른 확장을 저지하는 2차 확장 구속 시스템(152)을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 횡축(예컨대, 도 4c에서의 X-축)을 따른 확장을 저지하는 3차 확장 구속 시스템(155)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는, 종축 및 수직축(예컨대, Y 축 및 Z 축)을 따라, 그리고 심지어 종축, 수직축, 및 횡축(예컨대, Y 축, Z 축 및 X 축) 전부를 따라서 동시에와 같이, 하나 이상의 방향에서의 확장을 동시에 저지하기 위해 협력하여 동작하는 1차 확장 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152), 및 심지어 3차 확장 구속 시스템(155)을 포함한다. 예를 들어, 1차 확장 구속 시스템(151)은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 사이클링 동안 전극 어셈블리(106)의 적층 방향 D를 따라서 그렇지 않았으면 발생할 수 있는 확장을 저지할 수 있는 반면, 2차 확장 구속 시스템(152)은, 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 좌굴 또는 다른 변형을 방지하기 위해, 수직축을 따라서 발생할 수 있는 팽윤 및 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 1차 확장 구속 시스템(151)에 의해 부과된 확장에 대한 저지에 의해 그렇지 않았으면 악화될 수직축을 따른 팽윤 및/또는 팽창을 감소시킬 수 있다. 3차 확장 구속 시스템(155)은 또한 사이클링 프로세스들 동안 발생할 수 있는 횡축을 따른 팽윤 및/또는 팽창을 임의로 감소시킬 수 있다. 즉, 일 실시예에 따르면, 1차 확장 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152) 그리고 임의로 3차 확장 구속 시스템(155)은 전극 어셈블리(106)의 다차원 확장을 협력적으로 저지하기 위해 함께 동작할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 전극 어셈블리(106)에 대한 1차 확장 구속 시스템(151) 및 2차 확장 구속 시스템(152)을 갖는 전극 구속부들의 세트(108)의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 4a는, 결과적인 2-D 단면이 수직축(Z 축) 및 종축(Y 축)으로 예시되도록, 종축(Y 축)을 따라서 취해진 도 1에서의 전극 어셈블리(106)의 단면을 도시하고 있다. 도 4b는, 결과적인 2-D 단면이 수직축(Z 축) 및 횡축(X 축)으로 예시되도록, 횡축(X 축)을 따라서 취해진 도 1에서의 전극 어셈블리(106)의 단면을 도시하고 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 1차 확장 구속 시스템(151)은 종방향(Y 축)을 따라서 서로 분리되는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)을 일반적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)은 전극 어셈블리(106)의 제1 종방향 단부 표면(116)을 적어도 부분적으로 또는 심지어 전체적으로 커버하는 제1 1차 확장 구속부(154), 및 전극 어셈블리(106)의 제2 종방향 단부 표면(118)을 적어도 부분적으로 또는 심지어 전체적으로 커버하는 제2 1차 확장 구속부(156)를 포함한다. 또 다른 버전에서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156) 중 하나 이상은, 1차 확장 구속부들 중 하나 이상이 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체를 포함할 때와 같이, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부(117, 119)의 내부에 있을 수 있다. 1차 확장 구속 시스템(151)은, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)을 연결시키고 그리고 종방향에 평행한 주축(principal axis)을 가질 수 있는, 적어도 하나의 1차 연결 부재(162)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 1차 확장 구속 시스템(151)은, 이 실시예에 묘사된 바와 같은 수직축(Z 축)을 따라서와 같이, 종축에 직교하는 축을 따라서 서로 분리되는 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164)은 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)을 서로 연결시키고 그리고, 전극 어셈블리(106)의 종축을 따른 확장을 저지하기 위해, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)을 서로 장력을 받도록 유지하는 역할을 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1차 확장 구속 시스템(151)을 포함하는 전극 구속부들의 세트(108)는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향(즉, 전극 적층 방향 D)에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)을 포함하는 전극 구속부들의 세트(108)는 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)을 포함하는 전극 구속부들의 세트(108)는 이차 배터리의 5번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)을 포함하는 전극 구속부들의 세트(108)는 이차 배터리의 사이클당 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 5번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
충전된 상태라는 것은 이차 배터리(102)가, 그의 정격 용량의 80% 이상과 같은, 그의 정격 용량의 75% 이상, 그리고 심지어, 그의 정격 용량의 95% 이상과 같은, 그의 정격 용량의 90% 이상, 그리고 심지어 그의 정격 용량의 100%로 충전된다는 것을 의미한다. 방전된 상태라는 것은 이차 배터리가, 그의 정격 용량의 20% 미만과 같은, 그의 정격 용량의 25% 미만, 그리고 심지어, 그의 정격 용량의 5% 미만과 같은, 그의 정격 용량의 10% 미만, 그리고 심지어 그의 정격 용량의 0%로 방전된다는 것을 의미한다. 게다가, 이차 배터리(102)의 실제 용량이 시간 경과에 따라 그리고 배터리가 겪은 사이클들의 수에 따라 변할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 즉, 이차 배터리(102)가 초기에는 그의 정격 용량에 가까운 실제 측정 용량을 나타낼 수 있지만, 배터리의 실제 용량은 시간 경과에 따라 감소할 것이고, 실제 용량이 충전된 상태로부터 방전된 상태로 가면서 측정되는 바와 같이 정격 용량의 80% 미만으로 떨어질 때 이차 배터리(102)는 그의 수명을 다한 것으로 간주된다.
도 4a 및 도 4b에 추가로 도시된 바와 같이, 전극 구속부들의 세트(108)는, 도시된 바와 같은 실시예에서 수직축(Z 축)을 따라서와 같이, 종방향에 직교하는 제2 방향을 따라서 서로 분리되는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 일반적으로 포함할 수 있는 2차 확장 구속 시스템(152)을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 2차 확장 구속부(158)는 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 제1 영역(148)을 가로질러 적어도 부분적으로 연장되고, 제2 2차 확장 구속부(160)는 제1 영역(148)과 반대쪽에 있는 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 제2 영역(150)을 가로질러 적어도 부분적으로 연장된다. 또 다른 버전에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(154, 156) 중 하나 이상은, 2차 확장 구속부들 중 하나 이상이 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체를 포함할 때와 같이, 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 내부에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 수직축과 같은, 제2 방향에 평행한 주축을 가질 수 있는 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)에 의해 연결된다. 2차 연결 부재(166)는, 예를 들어, 수직 방향에서의(예컨대, Z 축을 따른) 확장을 저지하기 위해서와 같이, 종방향에 직교하는 방향을 따른 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지하기 위해, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 연결시켜 서로 장력을 받도록 유지하는 역할을 할 수 있다. 도 4a에 묘사된 실시예에서, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156) 중 적어도 하나에 대응할 수 있다. 그렇지만, 2차 연결 부재(166)가 이에 한정되지 않으며, 대안적으로 및/또는 부가적으로 다른 구조들 및/또는 구성들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 2차 확장 구속 시스템(152)을 포함하는 구속부들의 세트는, 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 수직 방향(Z 축)과 같은, 종방향에 직교하는 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(151)은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)을 포함하는 구속부들의 세트는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)을 포함하는 구속부들의 세트는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 5번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)을 포함하는 구속부들의 세트는 이차 배터리의 사이클당 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 5번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(151)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
도 4c는, 횡방향(X 방향)과 같은, 종방향 및 제2 방향에 직교하는 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 구속하기 위해 3차 확장 구속 시스템(155)을 추가로 포함하는 전극 구속부들의 세트(108)의 일 실시예를 도시하고 있다. 3차 확장 구속 시스템(155)은, 3개의 차원에서의 전극 어셈블리(106)의 전체적인 확장을 구속하기 위해, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152)에 부가하여 제공될 수 있고/있거나, 2개의 차원에서의 전극 어셈블리(106)의 전체적인 확장을 구속하기 위해, 1차 또는 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152) 중 하나와 조합하여 제공될 수 있다. 도 4c는, 결과적인 2-D 단면이 수직축(Z 축) 및 횡축(X 축)으로 예시되도록, 횡축(X 축)을 따라서 취해진 도 1에서의 전극 어셈블리(106)의 단면을 도시하고 있다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 3차 확장 구속 시스템(155)은 횡방향(X 축)과 같은 제3 방향을 따라서 서로 분리되는 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(제각기, 157, 159)을 일반적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 3차 확장 구속부(157)는 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 제1 영역(144)을 가로질러 적어도 부분적으로 연장되고, 제2 3차 확장 구속부(159)는 횡방향에서 제1 영역(144)과 반대쪽에 있는 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 제2 영역(146)을 가로질러 적어도 부분적으로 연장된다. 또 다른 버전에서, 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(157, 159) 중 하나 이상은, 3차 확장 구속부들 중 하나 이상이 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체를 포함할 때와 같이, 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 내부에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(제각기, 157, 159)은 제3 방향에 평행한 주축을 가질 수 있는 적어도 하나의 3차 연결 부재(165)에 의해 연결된다. 3차 연결 부재(165)는, 예를 들어, 횡방향에서의(예컨대, X 축을 따른) 확장을 저지하기 위해서와 같이, 종방향에 직교하는 방향을 따른 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지하기 위해, 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(제각기, 157, 159)을 연결시켜 서로 장력을 받도록 유지하는 역할을 할 수 있다. 도 4c에 묘사된 실시예에서, 적어도 하나의 3차 연결 부재(165)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160) 중 적어도 하나에 대응할 수 있다. 그렇지만, 3차 연결 부재(165)가 이에 한정되지 않으며, 대안적으로 및/또는 부가적으로 다른 구조들 및/또는 구성들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 3차 연결 부재(165)는, 일 실시예에서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156) 중 적어도 하나에 대응할 수 있다(도시되지 않음).
일 실시예에 따르면, 3차 확장 구속 시스템(155)을 갖는 구속부들의 세트는, 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 횡방향(X 축)과 같은, 종방향에 직교하는 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)을 갖는 구속부들의 세트는 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)을 갖는 구속부들의 세트는 이차 배터리의 5번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)을 갖는 구속부들의 세트는 이차 배터리의 사이클당 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 5번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 200번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 300번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 500번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(152)은 이차 배터리의 800번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 2000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 3000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 5000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 8000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 이차 배터리의 10,000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1차 확장 구속 시스템(151)의 부분들이 2차 확장 구속 시스템(152)의 일부로서 협력하여 기능하고/하거나, 2차 확장 구속 시스템(152)의 부분들이 1차 확장 구속 시스템(151)의 일부로서 협력하여 기능하며, 1차 및/또는 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152) 중 임의의 것의 부분들이 또한 3차 확장 구속 시스템의 일부로서 협력하여 기능하고 그리고 그 반대이도록, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152) 및 임의로 3차 확장 구속 시스템(155)은 협력하여 동작하도록 구성된다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b에 도시된 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164)은 종방향에 직교하는 제2 방향에서의 확장을 구속하는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158. 160)의 적어도 일부분으로서, 또는 심지어 그의 구조체 전체로서 역할할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 앞서 언급된 바와 같이, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156) 중 하나 이상은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 연결시키는 하나 이상의 2차 연결 부재(166)로서 역할할 수 있다. 이와 달리, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 적어도 일부분이 1차 확장 구속 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164)로서 기능할 수 있고, 2차 확장 구속 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)는, 일 실시예에서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156) 중 하나 이상으로서 기능할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164), 및/또는 2차 확장 구속 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)의 적어도 일부분은 종방향에 직교하는 횡방향에서의 확장을 구속하는 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(제각기, 157. 159)의 적어도 일부분으로서, 또는 심지어 그의 구조체 전체로서 역할할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156) 및/또는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 중 하나 이상은 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(제각기, 157, 159)을 연결시키는 하나 이상의 3차 연결 부재(166)로서 역할할 수 있다. 이와 달리, 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(제각기, 157, 159)의 적어도 일부분이 1차 확장 구속 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164), 및/또는 2차 확장 구속 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)로서 기능할 수 있고, 3차 확장 구속 시스템(155)의 적어도 하나의 3차 연결 부재(165)는, 일 실시예에서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156) 중 하나 이상, 및/또는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 중 하나 이상으로서 기능할 수 있다. 대안적으로 그리고/또는 부가적으로, 1차 및/또는 2차 및/또는 3차 확장 구속부들은 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지하기 위해 협력하는 다른 구조체들을 포함할 수 있다. 그에 따라, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152) 그리고 임의로 3차 확장 구속 시스템(155)은 전극 어셈블리(106)의 확장에 대한 저지를 가하기 위한 컴포넌트들 및/또는 구조체들을 공유할 수 있다.
일 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 1차 및 2차 확장 구속부들, 및, 배터리 인클로저(104)의 외부 및/또는 내부에 있거나 배터리 인클로저(104) 자체의 일부일 수 있는 구조체들인, 1차 및 2차 연결 부재들과 같은 구조체들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극 구속부들의 세트(108)는 배터리 인클로저(104)는 물론 다른 구조적 컴포넌트들을 포함하는 구조체들의 조합을 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 배터리 인클로저(104)는 1차 확장 구속 시스템(151) 및/또는 2차 확장 구속 시스템(152)의 컴포넌트일 수 있고; 달리 말하면, 일 실시예에서, 배터리 인클로저(104)는, 단독으로 또는 하나 이상의 다른 구조체(배터리 인클로저(104) 안에 및/또는 그 밖에 있음, 예를 들어, 1차 확장 구속 시스템(151) 및/또는 2차 확장 구속 시스템(152))와 조합하여, 전극 적층 방향 D에서의 및/또는 적층 방향 D에 직교하는 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 예를 들어, 1차 확장 구속부들(154, 156) 및 2차 확장 구속부들(158, 160) 중 하나 이상은 전극 어셈블리의 내부에 있는 구조체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151) 및/또는 2차 확장 구속 시스템(152)은 배터리 인클로저(104)를 포함하지 않고, 그 대신에 배터리 인클로저(104) 이외의 (배터리 인클로저(104) 안에 및/또는 그 밖에 있는) 하나 이상의 개별 구조체(discrete structure)가 전극 적층 방향 D에서의 및/또는 적층 방향 D와 직교하는 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리(106)를 갖는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리의 반복 사이클링 동안 전극 어셈블리(106)의 확장 및/또는 팽윤에 의해 가해지는 압력보다 더 큰 압력으로 전극 구속부들의 세트(108)에 의해 저지될 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 전극 어셈블리(106)의 일부로서 전극 구조체(110)를 갖는 이차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 적층 방향 D로 전극 구조체(110)에 의해 발생되는 압력을 초과하는 압력을 가하는 것에 의해 적층 방향 D에서의 전극 구조체(110)의 확장을 저지하는 배터리 인클로저(104) 내의 하나 이상의 개별 구조체(들)를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 전극 어셈블리(106)의 일부로서 상대 전극 구조체(112)를 갖는 이차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 적층 방향 D로 상대 전극 구조체(112)에 의해 발생되는 압력을 초과하는 적층 방향 D로의 압력을 가하는 것에 의해 적층 방향 D에서의 상대 전극 구조체(112)의 확장을 저지하는 배터리 인클로저(104) 내의 하나 이상의 개별 구조체를 포함한다. 2차 확장 구속 시스템(152)은, 이와 유사하게, 전극 또는 상대 전극 구조체들(제각기, 110, 112)을 갖는 이차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 제2 방향으로 전극 또는 상대 전극 구조체(제각기, 110, 112)에 의해 발생되는 압력을 초과하는 제2 방향으로의 압력을 가하는 것에 의해, 수직축(Z 축)을 따라서와 같은, 적층 방향 D에 직교하는 제2 방향에서의 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112) 중 적어도 하나의 확장을 저지하는 배터리 인클로저(104) 내의 하나 이상의 개별 구조체를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)은 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)에 의해, 횡축 및/또는 수직축을 따라서 있는 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 대향하는 제1 및 제2 영역들과 같은, 종방향에 직교하는 방향으로 있을 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들에 가해지는 압력을 초과하는 압력을 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118)에 - 종방향으로를 의미함 - 가함으로써 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 즉, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)은, 횡(X 축) 방향 및 수직(Z 축) 방향과 같은, 종방향(Y 축)에 직교하는 방향들로 그것들에 의해 발생된 압력을 초과하는 압력을 종방향(Y 축)으로 가할 수 있다. 예를 들어, 하나의 그러한 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 1차 확장 구속 시스템(151)에 의해 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 3배 이상 초과하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118)에 대한(즉, 적층 방향 D로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 1차 확장 구속 시스템(151)에 의해 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 4배 이상 초과하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118)에 대한(즉, 적층 방향 D로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 5배 이상 초과하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118)에 대한(즉, 적층 방향 D로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다.
이와 유사하게, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 의해 제2 방향에 직교하는 방향으로 있을 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들에 가해지는 압력을 초과하는 압력을, 수직축을 따라(즉, 수직 방향으로) 대향하는 제1 및 제2 표면 영역들(제각기, 148, 150)에와 같이, 종방향에 직교하는 제2 방향으로 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 대향하는 제1 및 제2 영역들에 가하는 것에 의해 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 즉, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 횡(X 축) 방향 및 종(Y 축) 방향과 같은, 수직 방향(Z 축)에 직교하는 방향들로 그것들에 의해 발생된 압력을 초과하는 압력을 수직 방향(Z 축)으로 가할 수 있다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 수직 방향에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 2차 확장 구속 시스템(152)에 의해 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 3배 이상 초과하는 대향하는 제1 및 제2 표면 영역들(제각기, 148, 150)에 대한(즉, 수직 방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 수직 방향에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 2차 확장 구속 시스템(152)에 의해 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 4배 이상 초과하는 대향하는 제1 및 제2 표면 영역들(제각기, 148, 150)에 대한(즉, 수직 방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 수직 방향에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 5배 이상 초과하는 대향하는 제1 및 제2 표면 영역들(제각기, 148, 150)에 대한(즉, 수직 방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다.
또 다른 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)의 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(제각기, 157, 159)은 3차 확장 구속 시스템(155)에 의해 횡방향에 직교하는 방향으로 있을 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들에 가해지는 압력을 초과하는 압력을, 횡축을 따라(즉, 횡방향으로) 대향하는 제1 및 제2 표면 영역들(제각기, 161, 163)에와 같이, 종방향 및 제2 방향에 직교하는 방향으로 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 대향하는 제1 및 제2 영역들에 가하는 것에 의해 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 즉, 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(제각기, 157, 159)은, 수직(Z 축) 방향 및 종(Y 축) 방향과 같은, 횡방향(X 축)에 직교하는 방향들로 그것들에 의해 발생된 압력을 초과하는 압력을 횡방향(X 축)으로 가할 수 있다. 예를 들어, 하나의 그러한 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 횡방향에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 3차 확장 구속 시스템(155)에 의해 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 3배 이상 초과하는 대향하는 제1 및 제2 표면 영역들(144, 146)에 대한(즉, 횡방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 횡방향에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 3차 확장 구속 시스템(155)에 의해 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 4배 이상 초과하는 대향하는 제1 및 제2 표면 영역들(제각기, 144, 146)에 대한(즉, 횡방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 3차 확장 구속 시스템(155)은 횡방향에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 5배 이상 초과하는 대향하는 제1 및 제2 표면 영역들(제각기, 144, 146)에 대한(즉, 횡방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지한다.
일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151), 2차 확장 구속 시스템(152), 및 임의로 3차 확장 구속 시스템(155)을 포함할 수 있는 전극 구속부들의 세트(108)는, 종방향에 직교하는 방향들(예컨대, Z 및 X 방향들) 중 임의의 것으로 전극 구속부들의 세트(108)에 의해 가해지는 임의의 압력(들)보다 더 큰 압력이 전극 구속부들의 세트(108)에 의해 종방향으로 가해지는 것으로, 전극 어셈블리(106)의 2개 이상의 차원을 따라(예컨대, 종방향 및 수직 방향을 따라서 그리고 임의로 횡방향을 따라서) 전극 어셈블리(106)에 압력을 가하도록 구성된다. 즉, 전극 구속부들의 세트(108)를 이루고 있는 1차, 2차, 및 임의로 3차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152, 155)에 의해 가해지는 압력(들)이 함께 합산될 때, 종축을 따라서 전극 어셈블리(106)에 가해지는 압력은 종축에 직교하는 방향들로 전극 어셈블리(106)에 가해지는 압력(들)을 초과한다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 전극 구속부들의 세트(108)에 의해 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 3배 이상 초과하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118)에 대한(즉, 적층 방향 D로의) 압력을 가한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 전극 구속부들의 세트(108)에 의해 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 4배 이상 초과하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118)에 대한(즉, 적층 방향 D로의) 압력을 가한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 5배 이상 초과하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118)에 대한(즉, 적층 방향 D로의) 압력을 가한다.
일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118)은 전극 어셈블리(106) 전체의 전체적인 표면적의 미리 결정된 양 미만인 조합 표면적(combined surface area)을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118) 및 단부 표면들(제각기, 116, 118) 사이에 연장되는 측방 표면(142)을 갖는 직사각형 프리즘의 형상에 대응하는 기하학적 형상을 가질 수 있으며, 측방 표면(142)은 전극 어셈블리(106)의 나머지 표면을 이루고 있으며 그리고 X 방향에서의 대향하는 표면 영역들(144, 146)(즉, 직사각형 프리즘의 측면 표면들) 및 Z 방향에서의 대향하는 표면 영역들(148, 150)(즉, 직사각형 프리즘의 상부 및 하부 표면들, 여기서 X, Y 및 Z는, 제각기, X 축, Y 축, 및 Z 축에 대응하는 방향들에서 측정되는 치수들임)을 가진다. 전체적인 표면적은 따라서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118)의 표면적에 가산된, 측방 표면(142)에 의해 커버되는 표면적(즉, X 및 Z에서의 대향하는 표면들(144, 146, 148, 및 150)의 표면적)의 합이다. 본 개시내용의 일 양태에 따르면, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118)의 표면적들의 합은 전극 어셈블리(106)의 총 표면의 표면적의 33% 미만이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118)의 표면적들의 합은 전극 어셈블리(106)의 총 표면의 표면적의 25% 미만이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118)의 표면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면적의 20% 미만이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118)의 표면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면적의 15% 미만이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118)의 표면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면적의 10% 미만이다.
또 다른 실시예에서, 적층 방향(즉, 종방향)에 직교하는 평면에서의 전극 어셈블리(106)의 투영의 표면적이 다른 직교 평면들 상으로의 전극 어셈블리(106)의 투영들의 표면적들보다 더 작도록 전극 어셈블리(106)가 구성된다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 전극 어셈블리(106) 실시예(예컨대, 직사각형 프리즘)를 참조하면, 적층 방향에 직교하는 평면(즉, X-Z 평면) 내로의 전극 어셈블리(106)의 투영의 표면적이 LEA x HEA에 대응한다는 것을 알 수 있다. 이와 유사하게, Z-Y 평면 내로의 전극 어셈블리(106)의 투영은 WEA x HEA에 대응하고, X-Y 평면 내로의 전극 어셈블리(106)의 투영은 LEA x WEA에 대응한다. 그에 따라, 적층 방향이 가장 작은 표면적을 갖는 투영이 놓이는 평면과 교차하도록 전극 어셈블리(106)가 구성된다. 그에 따라, 도 2a에서의 실시예에서, 적층 방향이 HEA x LEA에 대응하는 가장 작은 표면적 투영이 놓이는 X-Z 평면과 교차하도록 전극 어셈블리(106)가 배치된다. 즉, 가장 작은 표면적을 갖는 투영(예컨대, HEA x LEA)이 적층 방향에 직교하도록 전극 어셈블리가 배치된다.
또 다른 실시예에서, 이차 배터리(102)는, 전극 스택을 형성하도록 함께 적층되고 그리고 하나 이상의 공유 전극 구속부에 의해 구속될 수 있는, 복수의 전극 어셈블리들(106)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151) 및 2차 확장 구속 시스템(152) 중 하나 이상의 적어도 일부분은 전극 어셈블리 스택을 형성하는 복수의 전극 어셈블리들(106)에 의해 공유될 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 어셈블리 스택을 형성하는 복수의 전극 어셈블리들이 스택의 상부 전극 어셈블리(106)에 있는 제1 2차 확장 구속부(158) 및 스택의 하부 전극 어셈블리(106)에 있는 제2 2차 확장 구속부(160)를 갖는 2차 확장 구속 시스템(152)에 의해 수직 방향으로 구속될 수 있으며, 그로써 스택을 형성하는 복수의 전극 어셈블리들(106)이 공유 2차 확장 구속 시스템에 의해 수직 방향으로 구속된다. 이와 유사하게, 1차 확장 구속 시스템(151)의 부분들이 또한 공유될 수 있다. 그에 따라, 일 실시예에서, 앞서 기술된 단일 전극 어셈블리와 유사하게, 적층 방향(즉, 종방향)에 직교하는 평면에서의 전극 어셈블리들(106)의 적층의 투영의 표면적은 다른 직교 평면들 상으로의 전극 어셈블리들(106)의 스택의 투영들의 표면적들보다 더 작다. 즉, 복수의 전극 어셈블리들(106)은 적층 방향(즉, 종방향)이 전극 어셈블리 스택의 다른 직교 투영들 전부 중 가장 작은 전극 어셈블리들(106)의 스택의 투영을 갖는 평면과 교차하고 그에 직교하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 적층 방향(즉, 종방향)에 직교하는 평면 내로의 전극 구조체들(110)의 투영의 표면적이 다른 직교 평면들 상으로의 전극 구조체들(100)의 투영들의 표면적들보다 더 크도록 구성된 전극 구조체들(110)을 추가로 포함한다. 예를 들어, 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같은 실시예들을 참조하면, 전극들(110) 각각은 횡방향으로 측정되는 길이 LES, 종방향으로 측정되는 폭 WES, 및 수직 방향으로 측정되는 높이 HES를 갖는 것으로 이해될 수 있다. X-Z 평면 내로의 투영은, 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 따라서 표면적 LES x HES를 갖고, Y-Z 평면 내로의 투영은 표면적 WES x HES를 가지며, X-Y 평면 내로의 투영은 표면적 LES x WES를 갖는다. 이들 중에서, 가장 큰 표면적을 갖는 투영에 대응하는 평면은 적층 방향에 직교하도록 선택되는 것이다. 이와 유사하게, 전극들(110)은 또한 적층 방향에 직교하는 평면 내로의 전극 활성 재료 층(132)의 투영의 표면적이 다른 직교 평면들 상으로의 전극 활성 재료 층의 투영들의 표면적들보다 더 크도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 7에 도시된 실시예들에서, 전극 활성 재료 층은 횡방향으로 측정되는 길이 LA, 종방향으로 측정되는 폭 WA, 및 수직 방향으로 측정되는 높이 HA를 가질 수 있고, 이들로부터 투영들의 표면적들이 계산될 수 있다(전극 구조체 및/또는 전극 활성 재료 층(132)의 치수들이 하나 이상의 축을 따라서 변하는 경우에, LES, LA, WES, WA, HES 및 HA는 또한 이 치수들 중 최댓값에 대응할 수 있다). 일 실시예에서, 전극 구조체(100) 및/또는 전극 활성 재료 층(132)의 가장 높은 투영 표면적을 갖는 평면이 적층 방향에 직교하도록 전극 구조체들(110)을 배치하는 것에 의해, 전극 활성 재료의 가장 큰 표면적을 갖는 전극 구조체(110)의 표면이 캐리어 이온들의 이동 방향 쪽을 향하고, 따라서 인터칼레이션 및/또는 합금화로 인해 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 사이클링 동안 가장 큰 확장을 경험하는 구성이 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 전극 구조체(110) 및 전극 어셈블리(106)는 전극 구조체(110) 및/또는 전극 활성 재료 층(132)의 가장 큰 표면적 투영, 및 전극 어셈블리(106)의 가장 작은 표면적 투영이 적층 방향에 직교하는 평면에 동시에 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전극 활성 재료 층(132)의 X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층(132)의 투영(LA x HA)이 가장 높은 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같은 경우에, 전극 구조체(110) 및/또는 전극 활성 재료 층(132)은 전극 어셈블리의 가장 작은 표면적 투영(LEA x HEA)에 대해 양쪽 투영에 대한 투영 평면이 적층 방향에 직교하도록 배치된다. 즉, 전극 구조체(110) 및/또는 전극 활성 재료의 가장 큰 표면적 투영을 갖는 평면은 전극 어셈블리(106)의 가장 작은 표면적 투영을 갖는 평면에 평행하다(그리고/또는 그와 동일한 평면에 있다). 이러한 방식으로, 일 실시예에 따르면, 가장 높은 체적 확장을 경험할 가능성이 가장 많은 전극 구조체들의 표면들, 즉 가장 높은 함량의 전극 활성 재료 층을 갖는 표면들, 및/또는 이차 배터리의 충전/방전 동안 캐리어 이온들의 이동 방향과 교차하는(예컨대, 그에 직교하는) 표면들은 가장 낮은 표면적을 갖는 전극 어셈블리(106)의 표면들과 마주한다. 그러한 구성을 제공하는 것의 장점은 이러한 가장 큰 확장 방향으로, 예컨대, 종축을 따라서 구속하는 데 사용되는 확장 구속 시스템이 그 자체가, 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들의 면적에 비해, 상대적으로 작은 표면적을 갖는 확장 구속부들로 구현될 수 있음으로써, 전극 어셈블리의 확장을 저지하도록 구속 시스템을 구현하는 데 요구된 체적을 감소시킬 수 있다는 것이다.
일 실시예에서, 구속 시스템(108)은 전극 어셈블리(106) 및 구속 시스템(108)의 조합 체적(combined volume)의 상대적으로 낮은 체적 %(volume %)를 점유한다. 즉, 전극 어셈블리(106)는 그의 외측 표면들에 의해 경계지어지는 체적(즉, 변위 체적(displacement volume)), 즉 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116,118) 및 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면(42)에 의해 인클로징된 체적을 갖는 것으로 이해될 수 있다. 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)이 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117, 119)에 위치되고 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)이 측방 표면(142)의 대향하는 단부들에 있는 경우와 같은, 전극 어셈블리(106)의 외부에(즉, 종방향 단부 표면들(116, 118) 및 측방 표면의 외부에) 있는 구속 시스템(108)의 부분들인, 구속 시스템(108)의 부분들은 이와 유사하게 구속 시스템 부분들의 변위 체적에 대응하는 체적을 점유한다. 그에 따라, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)의 외부 부분들(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156) 및 적어도 하나의 1차 연결 부재 중 임의의 것, 또는 그의 외부 부분들)은 물론, 2차 확장 구속 시스템(152)의 외부 부분들(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160) 및 적어도 하나의 2차 연결 부재 중 임의의 것, 또는 그의 외부 부분들)을 포함할 수 있는, 전극 구속부들의 세트(108)의 외부 부분들은 전극 어셈블리(106) 및 전극 구속부들의 세트(108)의 외부 부분의 총 조합 체적의 80% 이하를 점유한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 구속부들의 세트의 외부 부분들은 전극 어셈블리(106) 및 전극 구속부들의 세트의 외부 부분들의 총 조합 체적의 60% 이하를 점유한다. 다른 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(106)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 전극 구속부들의 세트의 외부 부분의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다. 다른 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(106)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 전극 구속부들의 세트의 외부 부분의 총 조합 체적의 20% 이하를 점유한다. 또 다른 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)의 외부 부분(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156) 및 적어도 하나의 1차 연결 부재 중 임의의 것, 또는 그의 외부 부분들)은 전극 어셈블리(106) 및 1차 확장 구속 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 1차 확장 구속 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 30% 이하를 점유한다. 다른 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 1차 확장 구속 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 20% 이하를 점유한다. 다른 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 1차 확장 구속 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 10% 이하를 점유한다. 또 다른 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)의 외부 부분(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160) 및 적어도 하나의 2차 연결 부재 중 임의의 것, 또는 그의 외부 부분들)은 전극 어셈블리(106) 및 2차 확장 구속 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 2차 확장 구속 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 30% 이하를 점유한다. 또 다른 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 2차 확장 구속 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 20% 이하를 점유한다. 또 다른 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 2차 확장 구속 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 10% 이하를 점유한다.
일 실시예에 따르면, 전극 구속부들의 세트(108)의 부분들에 의해 점유되는 상대적으로 낮은 체적에 대한 이론적 근거(rationale)는 도 8a 및 도 8b에 도시된 힘 개략도들을 참조함으로써 이해될 수 있다. 도 8a는, 전극 활성 재료 층들(132)의 체적의 증가로 인해, 이차 배터리(102)의 사이클링 시에 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)에 가해지는 힘들을 보여주는 일 실시예를 묘사하고 있다. 화살표들(198b)은 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창 시에 그에 의해 가해지는 힘들을 묘사하며, 여기서 w는, 전극 활성 재료 층들(132)의 확장으로 인해, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)에 인가되는 하중을 나타내고, P는 전극 활성 재료 층들(132)의 체적의 증가의 결과로서 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)에 인가되는 압력을 나타낸다. 이와 유사하게, 도 8b는, 전극 활성 재료 층들(132)의 체적의 증가로 인해, 이차 배터리(102)의 사이클링 시에 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)에 가해지는 힘들을 보여주는 일 실시예를 묘사하고 있다. 화살표들(198a)은 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창 시에 그에 의해 가해지는 힘들을 묘사하며, 여기서 w는, 전극 활성 재료 층들(132)의 확장으로 인해, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)에 인가되는 하중을 나타내고, P는 전극 활성 재료 층들(132)의 체적의 증가의 결과로서 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)에 인가되는 압력을 나타낸다. 이차 배터리의 사이클링 동안, 전극 활성 재료가 등방성으로(즉, 모든 방향으로) 팽창하고, 그리고 따라서 각각의 방향에서의 압력 P가 동일하지만, 각각의 방향으로 가해지는 하중 w는 상이하다. 설명으로서, 도 8a 및 도 8b에 묘사된 실시예를 참조하면, 제1 또는 제2 1차 확장 구속부(154, 156)에 대한 X-Z 평면에서의 하중이 P x LES x HES에 비례한다는 것이 이해될 수 있고, 여기서 P는 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 1차 확장 구속부들(154, 156)에 가해지는 압력이고, LES는 횡방향에서의 전극 구조체들(110)의 길이이며, HES는 수직 방향에서의 전극 구조체들(110)의 높이이다. 이와 유사하게, 제1 또는 제2 2차 확장 구속부(158, 160)에 대한 X-Y 평면에서의 하중이 P x LES x WES에 비례하고, 여기서 P는 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 2차 확장 구속부들(158, 160)에 가해지는 압력이고, LES는 횡방향에서의 전극 구조체들(110)의 길이이며, WES는 종방향에서의 전극 구조체들(110)의 폭이다. 3차 구속 시스템이 제공되는 경우에, 제1 또는 제2 3차 확장 구속부(157, 159)에 대한 Y-Z 평면에서의 하중이 P x HES x WES에 비례하며, 여기서 P는 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 3차 확장 구속부들(157, 159)에 가해지는 압력이고, HES는 수직 방향에서의 전극 구조체들(110)의 높이이며, WES는 종방향에서의 전극 구조체들의 폭이다. 그에 따라, LES가 WES 및 HES 둘 다보다 더 큰 경우에, Y-Z 평면에서의 하중이 가장 작을 것이고, HES > WES인 경우에, X-Y 평면에서의 하중이 X-Z 평면에서의 하중보다 더 작을 것이며, 이는 X-Z 평면이 직교 평면들 중에서 수용될 가장 높은 하중을 갖는다는 것을 의미한다.
게다가, 일 실시예에 따르면, X-Y 평면에 1차 구속부를 제공하는 것과는 반대로, X-Z 평면에서의 하중이 가장 큰 경우에 1차 구속부가 X-Z 평면에 제공되면, X-Z 평면에 있는 1차 구속부는 1차 구속부가 만약 X-Y 평면에 있었다면 가질 필요가 있을 것보다 훨씬 더 낮은 체적을 필요로 할 수 있다. 이러한 이유는 1차 구속부가 X-Z 평면 대신에 X-Y 평면에 있었다면, 필요하게 될 확장에 대비한 강성(stiffness)을 갖기 위해 구속부가 훨씬 두꺼울 필요가 있을 것이기 때문이다. 특히, 본 명세서에서 이하에 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 1차 연결 부재들 사이의 거리가 증가함에 따라, 좌굴 편향(buckling deflection)이 또한 증가할 수 있고, 응력(stress)이 또한 증가한다. 예를 들어, 1차 확장 구속부들(154, 156)의 굽힘(bending)으로 인한 편향을 지배하는 방정식은 다음과 같이 쓰여질 수 있고:
δ= 60wL4/Eh3
여기서 w = 전극 팽창으로 인해 1차 확장 구속부(154, 156)에 인가된 총 분포 하중이고; L = 수직 방향을 따른 1차 연결 부재들(158, 160) 사이의 거리이며; E = 1차 확장 구속부들(154, 156)의 탄성 계수이고, h = 1차 확장 구속부들(154, 156)의 두께(폭)이다. 전극 활성 재료(132)의 팽창으로 인한 1차 확장 구속부들(154, 156)에 대한 응력은 하기의 방정식을 사용하여 계산될 수 있으며:
σ= 3wL2/4h2
여기서 w = 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 1차 확장 구속부들(154, 156)에 인가된 총 분포 하중이고; L = 수직 방향을 따른 1차 연결 부재들(158, 160) 사이의 거리이며; h = 1차 확장 구속부들(154, 156)의 두께(폭)이다. 따라서, 1차 확장 구속부들이 X-Y 평면에 있는 경우, 그리고 1차 연결 부재들이 1차 구속부가 그렇지 않고 X-Z 평면에 있었을 경우보다 (예컨대, 종방향 단부들에서) 훨씬 더 멀리 떨어진 경우, 이것은 1차 확장 구속부들이 그렇지 않고 X-Z 평면에 있었을 경우보다 더 두꺼울 필요가 있고 따라서 더 큰 체적을 점유할 것이다.
일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(116, 118) 상으로의 전극 및 상대 전극 집단들의 멤버들의 투영은 제1 및 제2 투영된 구역들(2002a, 2002b)을 한정(circumscribe)한다. 일반적으로, 제1 및 제2 투영된 구역들(2002a, 2002b)은 전형적으로 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 122, 124)의 표면적의 상당 부분(significant fraction)을 포함할 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 투영된 구역들 각각은, 제각기, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적의 50% 이상을 포함한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 투영된 구역들 각각은, 제각기, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적의 75% 이상을 포함한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 투영된 구역들 각각은, 제각기, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적의 90% 이상을 포함한다.
특정 실시예들에서, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118)은 상당한 압축 하중 하에 있을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118) 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된) 0.7 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118) 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된) 1.75 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118) 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된) 2.8 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118) 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된) 3.5 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118) 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된) 5.25 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118) 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된) 7 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118) 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된) 8.75 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118)은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된) 약 10 kPa 이하의 압축 하중 하에 있을 것이다. 종방향 단부 표면들 상으로의 전극 및 상대 전극 집단들의 멤버들의 투영과 일치하는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면의 영역들(즉, 투영된 표면 영역들)은 또한 (각각의 투영된 표면 영역의 총 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된 바와 같은) 상기 압축 하중들 하에 있을 수 있다. 전술한 예시적인 실시예들 각각에서, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118)은 전극 어셈블리(106)를 갖는 에너지 저장 디바이스(100)가 그의 정격 용량의 약 80% 이상으로 충전될 때 그러한 압축 하중들을 경험할 것이다.
일 실시예에 따르면, 2차 확장 구속 시스템(152)은 미리 결정된 값의 저지력(restraining force)을 인가하는 것에 의해 그리고 확장 저지들의 과도한 스큐(skew) 없이 수직 방향(Z 방향)에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 1000 psi 초과의 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것 및 0.2 mm/m 미만의 스큐에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 10,000 psi 이하에서의 5% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 10,000 psi 이하에서의 3% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 10,000 psi 이하에서의 1% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 50번의 배터리 사이클 이후에 10,000 psi 이하에서의 15% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 수직 방향으로 인가하는 것에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은 150번의 배터리 사이클 이후에 10,000 psi 이하에서의 5% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 전극 구속부들의 세트(108)를 갖는 전극 어셈블리(106)의 일 실시예가, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 A-A'을 따라서 취해진 단면으로, 도시되어 있다. 도 5에 도시된 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118)에 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)을 포함할 수 있고, 2차 확장 구속 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 대향하는 제1 및 제2 표면 영역들(148, 150)에 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)을 포함한다. 이 실시예에 따르면, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)을 연결시키고 확장 구속부들을 종방향에 직교하는 제2 방향(즉, 수직 방향)으로 서로 장력을 받도록 유지하기 위해 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)로서 역할할 수 있다. 그렇지만, 부가적으로 및/또는 대안적으로, 2차 확장 구속 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118) 이외의 영역에 위치되는 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)는, 전극 어셈블리의 종방향 단부들(116, 118)의 내부에 있고 그리고 확장을 저지하기 위해 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부(116, 118)에서의 1차 확장 저지 및/또는 다른 내부 1차 확장 저지와 함께 기능할 수 있는, 제1 및 제2 1차 확장 구속부(154, 156) 중 적어도 하나로서 기능하는 것으로 이해될 수 있다. 도 5에 도시된 실시예를 참조하면, 전극 어셈블리(106)의 중심 영역을 향해서와 같이, 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118)로부터 멀어지는 쪽으로 종축을 따라서 이격된 2차 연결 부재(166)가 제공될 수 있다. 2차 연결 부재(166)는 전극 어셈블리 단부 표면들(116, 118)로부터 내부 위치에서 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 연결시킬 수 있고, 그 위치에서 2차 확장 구속부들(158, 160) 사이의 장력 하에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 종방향 단부 표면들(116, 118)에 있는 1차 확장 구속부들(154, 156)로서 역할하는 2차 연결 부재들(166)과 같은, 전극 어셈블리 단부 표면들(116, 118)에 제공되는 하나 이상의 2차 연결 부재(166)에 부가하여, 단부 표면들(116, 118)로부터 내부 위치에서 2차 확장 구속부들(158, 160)을 연결시키는 2차 연결 부재(166)가 제공된다. 다른 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)은, 종방향 단부 표면들(116, 118)에 2차 연결 부재들(166)을 갖거나 갖지 않으면서, 종방향 단부 표면들(116, 118)로부터 이격된 내부 위치들에서 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)과 연결되는 하나 이상의 2차 연결 부재(166)를 포함한다. 내부 2차 연결 부재들(166)은 또한, 일 실시예에 따른, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)로서 기능하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 내부 2차 연결 부재들(166) 중 적어도 하나는, 이하에서 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 전극 또는 상대 전극 구조체(110, 112)의 적어도 일부분을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 5에 도시된 실시예와 관련하여, 2차 확장 구속 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 상부 영역(148) 위에 놓이는(overlies) 제1 2차 확장 구속부(158), 및 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 하부 영역(150) 위에 놓이는 대향하는 제2 2차 확장 구속부(160)를 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)은 수직 방향으로(즉, Z-축을 따라) 서로 분리되어 있다. 부가적으로, 2차 확장 구속 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118)로부터 이격된 적어도 하나의 내부 2차 연결 부재(166)를 추가로 포함할 수 있다. 내부 2차 연결 부재(166)는 Z 축에 평행하게 정렬될 수 있고, 확장 구속부들을 서로 장력을 받도록 유지하기 위해 그리고 2차 구속 시스템(152)의 적어도 일부분을 형성하기 위해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)을 연결시킨다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 내부 2차 연결 부재(166)는, 단독으로 또는 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부 표면들(116, 118)에 위치된 2차 연결 부재들(166)과 함께, 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 감소시키기 위해, 전극 어셈블리(106)를 갖는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102)의 반복된 충전 및/또는 방전 동안, 수직 방향으로(즉, Z 축을 따라) 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160) 사이에서 장력 하에 있을 수 있다. 게다가, 도 5에 도시된 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 전극 어셈블리(106)의 상부 및 하부 측방 표면 영역들(제각기, 148, 150)에서 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164)에 의해 연결되는 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117, 119)에 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)을 갖는 1차 확장 구속 시스템(151)을 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 2차 내부 연결 부재(166)는 그 자체가, 내부 2차 연결 부재(166)와 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)이 위치될 수 있는 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117, 119) 사이에 종방향으로 놓인 전극 어셈블리(106)의 각각의 부분에 구속 압력(constraining pressure)을 가하기 위해, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156) 중 하나 이상과 협력하여 기능하는 것으로 이해될 수 있다.
일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151) 및 2차 확장 구속 시스템(152) 중 하나 이상은 복수의 구속 부재들을 포함하는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156) 및/또는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 포함한다. 즉, 1차 확장 구속부들(154, 156) 및/또는 2차 확장 구속부들(158, 160) 각각은 단일 일체형 부재(single unitary member)일 수 있거나, 복수의 부재들이 확장 구속부들 중 하나 이상을 이루는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 전극 어셈블리 측방 표면(142)의 상부 및 하부 표면 영역들(제각기, 148, 150)을 따라서 연장되는 단일 구속 부재들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 측방 표면의 대향하는 표면 영역들(148, 150)을 가로질러 연장되는 복수의 부재들을 포함한다. 이와 유사하게, 1차 확장 구속부들(154, 156)은 또한 복수의 부재들로 이루어질 수 있거나, 각각이 각각의 전극 어셈블리 종방향 단부(117, 119)에 단일 일체형 부재를 포함할 수 있다. 1차 확장 구속부들(154, 156)과 2차 확장 구속부들(158, 160) 각각 사이에 장력을 유지하기 위해, 확장 구속부들 사이의 전극 어셈블리(106)에 압력을 가하는 방식으로 확장 구속부들을 포함하는 하나 또는 복수의 부재들을 대향하는 확장 구속 부재들에 연결시키기 위한 연결 부재들(예컨대, 162, 164, 165, 166)이 제공된다.
일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)는 확장 구속부들을 서로 장력을 받도록 유지하기 위해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)과의 접촉 구역들(168, 170)을 형성한다. 접촉 구역들(168, 170)은, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)의 단부에 있는 표면이 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 접착되거나 점착되는(glued) 구역들과 같은, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)의 단부들(172, 174)에 있는 표면들이 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 터치하고/하거나 그와 접촉하는 그 구역들이다. 접촉 구역들(168, 170)은 각각의 단부(172, 174)에 있을 수 있고, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)의 표면 구역을 가로질러 연장되어 그 사이의 양호한 접촉을 제공할 수 있다. 접촉 구역들(168, 170)은 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160) 사이의 종방향(Y 축)으로의 접촉을 제공하며, 접촉 구역들(168, 170)은 또한 양호한 접촉 및 연결을 제공하여 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)을 서로 장력을 받도록 유지하기 위해 횡방향(X-축)으로 연장될 수 있다. 일 실시예에서, 접촉 구역들(168, 170)은 1% 이상인, 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA당, 종방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적(예컨대, 모든 구역들(168)의 합, 및 모든 구역들(170)의 합)의 비를 제공한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA당, 종방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적의 비는 2% 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA당, 종방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적의 비는 5% 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA당, 종방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적의 비는 10% 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA당, 종방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적의 비는 25% 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA당, 종방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적의 비는 50% 이상이다. 일반적으로, 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA당, 종방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적의 비는, 90% 미만, 그리고 심지어 75% 미만과 같은, 100% 미만일 것인데, 그 이유는 하나 이상의 연결 부재(166)가 전형적으로 종축 전체를 가로질러 연장되는 접촉 구역(168, 170)을 갖지 않기 때문이다. 그렇지만, 일 실시예에서, 2차 연결 부재들(166)과 확장 구속부들(158, 160)의 접촉 구역(168, 170)은 횡축(X 축)의 상당 부분을 가로질러 연장될 수 있으며, 심지어 횡방향으로 전극 어셈블리(106)의 LEA 전체를 가로질러 연장될 수 있다. 예를 들어, 횡방향에서의 전극 어셈블리(106)의 LEA당, 횡방향(X 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적(예컨대, 모든 구역들(168)의 합, 및 모든 구역들(170)의 합)의 비는 약 50% 이상일 수 있다. 추가 예로서, 횡방향(X-축)에서의 전극 어셈블리(106)의 LEA당, 횡방향(X 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적의 비는 약 75% 이상일 수 있다. 추가 예로서, 횡방향(X 축)에서의 전극 어셈블리(106)의 LEA당, 횡방향(X 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적의 비는 약 90% 이상일 수 있다. 추가 예로서, 횡방향(X 축)에서의 전극 어셈블리(106)의 LEA당, 횡방향(X 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160)의 총 접촉 면적의 비는 약 95% 이상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하나 이상의 2차 연결 부재(166)와 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 사이의 접촉 구역들(168, 170)은 전극 어셈블리(106)를 갖는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102)의 사이클링 동안 확장 구속부들(158, 160) 사이에 적절한 홀드(hold) 및 장력을 제공하기에 충분히 크다. 예를 들어, 접촉 구역들(168, 170)은, 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 표면적의 10% 이상, 및 심지어 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 표면적의 20% 이상과 같은, 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 표면적의 2% 이상을 이루고 있는 각각의 확장 구속부(158, 160)와의 접촉 구역을 형성할 수 있다. 추가 예로서, 접촉 구역들(168, 170)은 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 표면적의 35% 이상, 및 심지어 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 표면적의 40% 이상을 이루고 있는 각각의 확장 구속부(158, 160)와의 접촉 구역을 형성할 수 있다. 예를 들어, 대향하는 상부 및 하부 표면 영역들(제각기, 148, 150)을 갖는 전극 어셈블리(106)의 경우, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)는, 대향하는 상부 및 하부 표면 영역들(제각기, 148, 150)의 표면적의 10% 이상, 그리고 심지어 대향하는 상부 및 하부 표면 영역들(제각기, 148, 150)의 표면적의 20% 이상을 따라서와 같이, 대향하는 상부 및 하부 표면 영역들(제각기, 148, 150)의 표면적의 5% 이상을 따라서 확장 구속부들(158, 160)과의 접촉 구역들(168, 170)을 형성할 수 있다. 추가 예로서, 대향하는 상부 및 하부 표면 영역들(제각기, 148, 150)을 갖는 전극 어셈블리(106)의 경우, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)는, 대향하는 상부 및 하부 표면 영역들(제각기, 148, 150)의 표면적의 50% 이상을 따라서와 같이, 대향하는 상부 및 하부 표면 영역들(제각기, 148, 150)의 표면적의 40% 이상을 따라서 확장 구속부들(158, 160)과의 접촉 구역들(168, 170)을 형성할 수 있다. 전극 어셈블리(106)의 총 표면적에 비해 최소 표면적을 이루고 있는 적어도 하나의 연결 부재(166)와 확장 구속부들(158, 160) 사이의 콘택트를 형성함으로써, 확장 구속부들(158, 160) 사이의 적절한 장력이 제공될 수 있다. 게다가, 일 실시예에 따르면, 접촉 구역들(168, 170)이 단일 2차 연결 부재(166)에 의해 제공될 수 있거나, 총 접촉 면적이, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117, 119)에 위치된 하나 또는 복수의 2차 연결 부재(166), 및/또는 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117, 119)로부터 이격된 하나 또는 복수의 내부 2차 연결 부재(166)와 같은, 복수의 2차 연결 부재들(166)에 의해 제공되는 다수의 접촉 구역들(168, 170)의 합일 수 있다.
게다가 또한, 일 실시예에서, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152)(및 임의로 3차 확장 구속 시스템)은, 전극 어셈블리의 체적 확장 %(volume growth %)를 저지하기 위해, 종방향 및, 수직 방향(Z 축)과 같은, 종방향에 직교하는 제2 방향 둘 다에서의(그리고 임의로, X 축을 따라서와 같은, 제3 방향에서의) 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지할 수 있다.
특정 실시예들에서, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152) 중 하나 이상은, 다공성 재료로 이루어진 부재와 같은, 그 안에 기공들을 갖는 부재를 포함한다. 예를 들어, 전극 어셈블리(106) 위의 2차 확장 구속부(158)의 평면도를 묘사하는 도 6a를 참조하면, 2차 확장 구속부(158)는, 2차 확장 구속부(158)에 의해 적어도 부분적으로 커버되는 전극 어셈블리(106)에 접근하기 위해, 전해질이 통과할 수 있게 해주는 기공들(176)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 그 안에 기공들(176)을 갖는다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156) 그리고 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 각각은 그 안에 기공들(176)을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 중 하나만 또는 일부분만이 그 안에 기공들을 포함한다. 다른 추가 실시예에서, 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164) 중 하나 이상, 및 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)는 그 안에 기공들을 포함한다. 기공들(176)을 제공하는 것은, 예를 들어, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102)가, 전해질이 도 20에 묘사된 실시예에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 이차 배터리(102) 내의 상이한 전극 어셈블리들(106) 사이를 흐를 수 있게 해주기 위해, 배터리 인클로저(104) 내에 함께 적층된 복수의 전극 어셈블리들(106)을 포함할 때 유리할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 1차 및 2차 확장 구속 시스템(제각기, 151, 152)의 적어도 일부분을 이루고 있는 다공성 부재는 0.25 이상의 보이드 분율(void fraction)을 가질 수 있다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152)의 적어도 일부분을 이루고 있는 다공성 부재는 0.375 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152)의 적어도 일부분을 이루고 있는 다공성 부재는 0.5 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152)의 적어도 일부분을 이루고 있는 다공성 부재는 0.625 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152)의 적어도 일부분을 이루고 있는 다공성 부재는 0.75 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 1차 확장 구속 시스템(151)의 컴포넌트들을 2차 확장 구속 시스템(152)의 컴포넌트들에 접착, 본딩, 및/또는 점착시키는 것 중 적어도 하나에 의해 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지하도록 어셈블링되고 고정(secure)될 수 있다. 예를 들어, 1차 확장 구속 시스템(151)의 컴포넌트들이 2차 확장 구속 시스템(152)의 컴포넌트들에 점착되거나, 용접되거나, 본딩되거나, 다른 방식으로 접착되고 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)로서도 역할할 수 있는 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164)에 접착될 수 있다. 이와 달리, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 150)은, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117, 119)에 있는 확장 구속부들과 같은, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156) 중 적어도 하나로서 역할하는 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)에 접착될 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 또한 종방향 단부들(117, 119)로부터 이격된 내부 연결 부재(166)인 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)에 접착될 수 있다. 일 실시예에서, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152)의 부분들을 서로에 고정시킴으로써, 전극 어셈블리(106) 확장의 협력적 저지가 제공될 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 중 하나 이상을 하나 이상의 2차 연결 부재(166)에 고정시키는 것에 대한 실시예들을 예시하고 있다. 도 6a 내지 도 6d는 전극 어셈블리(106)의 측방 표면(142)의 상부 표면 영역(148) 위에 제1 2차 확장 구속부(158)를 갖는 전극 어셈블리(106)의 일 실시예의 평면도를 제공한다. 종축(Y 축)을 따라서 이격된 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)이 또한 도시되어 있다. 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112)의 적어도 일부에 대응할 수 있는 2차 연결 부재(166)가 또한 도시되어 있다. 도시된 바와 같은 실시예에서, 제1 2차 확장 구속부(158)는 전해질 및 캐리어 이온들이 전극 구조체(110) 및 상대 전극 구조체(112)에 도달할 수 있게 해주기 위해 그 안에 기공들(176)을 갖는다. 앞서 기술된 바와 같이, 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 연결시키는 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)로서 역할할 수 있다. 따라서, 도시된 바와 같은 버전에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 전극 어셈블리(106)의 주변부(periphery)에서 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)에 연결될 수 있다. 그렇지만, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 또한 내부 2차 연결 부재(166)인 2차 연결 부재(166)를 통해 연결될 수 있다. 도시된 바와 같은 버전에서, 제1 2차 확장 구속부(158)는 확장 구속부(158)가 아래에 있는 내부 2차 연결 부재(166)에 본딩되어 있는 본딩된 영역들(178)을 포함하고, 확장 구속부(158)가 아래에 있는 2차 연결 부재(166)에 본딩되어 있지 않은 비-본딩된 영역들(180)을 추가로 포함하여, 비-본딩된 영역들(180)의 구역들과 교대로 있는 본딩된 영역들(178)의 칼럼들(columns)의 형태로 확장 구속부(158)와 아래에 있는 2차 연결 부재(166) 사이에 접촉 구역들(168)을 제공한다. 일 실시예에서, 비-본딩된 영역들(180)은 전해질 및 캐리어 이온들이 통과할 수 있는 열린 기공들(open pores)(176)을 추가로 포함한다. 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 전극 구조체(110) 또는 상대 전극 구조체(112)의 적어도 일부분, 또는 전극 어셈블리(106)의 다른 내부 구조체를 포함하는 2차 연결 부재(166)에 접착된다. 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 일 실시예에서, 상대 전극 구조체들(112) 또는 2차 연결 부재(166)를 형성하는 다른 내부 구조체들의 상부 및 하부 단부들에 접착되어, 구속부가 상대 전극 구조체(112) 또는 다른 내부 구조체에 접착되는 곳에 대응하는 접착된 구역들(178)의 칼럼들, 및 상대 전극 구조체들(112) 또는 다른 내부 구조체들 사이의 비-접착된 구역들(180)의 칼럼들을 형성할 수 있다. 게다가, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 기공들(176)이 적어도 비-본딩된 구역들(180)에서 열린 채로 있도록, 상대 전극 구조체(112) 또는 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)를 형성하는 다른 구조체에 본딩되거나 접착될 수 있고, 또한 전해질 및 캐리어 이온들이 통과할 수 있게 해주기 위해 본딩된 영역들(178) 내의 기공들(176)이 상대적으로 열린 채로 있을 수 있도록 접착될 수 있다.
도 6b에 도시된 바와 같은 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 전극 어셈블리(106)의 주변부에서 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)에 연결되고, 또한 내부 2차 연결 부재(166)인 2차 연결 부재(166)를 통해 연결될 수 있다. 도시된 바와 같은 버전에서, 제1 2차 확장 구속부(158)는 확장 구속부(158)가 아래에 있는 내부 2차 연결 부재(166)에 본딩되어 있는 본딩된 영역들(178)을 포함하고, 확장 구속부(158)가 아래에 있는 2차 연결 부재(166)에 본딩되어 있지 않은 비-본딩된 영역들(180)을 추가로 포함하여, 비-본딩된 영역들(180)의 구역들과 교대로 있는 본딩된 영역들(178)의 로우들(rows)의 형태로 확장 구속부(158)와 아래에 있는 2차 연결 부재(166) 사이에 접촉 구역들(168)을 제공한다. 이러한 본딩된 및 비-본딩된 영역들(제각기, 178, 180)은, 이 실시예에서, 도 6a에서와 같이 종방향(Y 축)으로가 아니라, 도 6b에 도시된 바와 같이 횡방향(X 축)으로 있을 수 있는 2차 연결 부재(166)의 차원을 가로질러 연장될 수 있다. 대안적으로, 본딩된 및 비-본딩된 영역들(제각기, 178, 180)이 미리 결정된 패턴으로 종방향 및 횡방향 둘 다를 가로질러 연장될 수 있다. 일 실시예에서, 비-본딩된 영역들(180)은 전해질 및 캐리어 이온들이 통과할 수 있는 열린 기공들(176)을 추가로 포함한다. 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 일 실시예에서, 상대 전극 구조체들(112) 또는 2차 연결 부재(166)를 형성하는 다른 내부 구조체들의 상부 및 하부 단부들에 접착되어, 확장 구속부가 상대 전극 구조체(112) 또는 다른 내부 구조체에 접착되는 곳에 대응하는 접착된 구역들(178)의 로우들, 및 상대 전극 구조체들(112) 또는 다른 내부 구조체들 사이의 비-접착된 구역들(180)의 로우들을 형성할 수 있다. 게다가, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 기공들(176)이 적어도 비-본딩된 구역들(180)에서 열린 채로 있도록, 상대 전극 구조체(112) 또는 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)를 형성하는 다른 구조체에 본딩되거나 접착될 수 있고, 또한 전해질 및 캐리어 이온들이 통과할 수 있게 해주기 위해 본딩된 영역들(178) 내의 기공들(176)이 상대적으로 열린 채로 있을 수 있도록 접착될 수 있다.
도 6c에 도시된 바와 같은 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속 부재들(제각기, 158, 160)을 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)에 연결시키는 것에 대한 대안의 구성이 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 2차 확장 구속부들(158, 160)의 본딩된 및 비-본딩된 영역들(제각기, 178, 180)은 종방향(Y 축)에서 전극 어셈블리(106)의 중앙 가까이에 위치된 접착축 AG를 중심으로 대칭인 것으로 도시되어 있다. 이 실시예에서 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 전극 구조체(110), 상대 전극 구조체(112), 또는 다른 내부 전극 어셈블리 구조체를 포함하는 2차 연결 부재(166)의 단부들에 부착되지만, 본딩된 및 비-본딩된 구역들의 칼럼들이 동일한 크기가 아니다. 즉, 확장 구속부들(158, 160)은, 예를 들어, 전해질의 통과를 위해 열려 있는 적절한 수의 기공들(176)을 제공하기 위해 비-본딩된 구역(180)의 양이 본딩된 구역(178)의 양을 초과하도록, 교대하는 또는 다른 시퀀스로 내부 2차 연결 부재들(166)에 선택적으로 본딩될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 제공될 본딩된 영역 대 비-본딩된 영역의 면적에 따라, 하나 걸러 하나의 상대 전극 구조체(112) 또는 2차 연결 부재들(166)을 이루고 있는 다른 내부 구조체에, 또는 매 1+n개의 구조체(예컨대, 상대 전극(112)) 중 하나에 본딩될 수 있다.
도 6d는 제1 및 제2 2차 확장 구속 부재들(제각기, 158, 160)을 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)에 연결시키는 것에 대한 대안의 구성의 또 다른 실시예를 예시하고 있다. 이 버전에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 본딩된 및 비-본딩된 영역들(제각기, 178, 180)은 접착축 AG를 중심으로 칼럼들의 비대칭 패턴을 형성한다. 즉, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 랜덤한 또는 다른 비-대칭 패턴에 따라 내부 구조체들에 대한 접착을 스킵하는 것에 의하는 것과 같이, 비-대칭인 패턴으로 전극 구조체(110) 또는 상대 전극 구조체(112) 또는 다른 내부 구조체에 대응하는 2차 연결 부재(166)에 접착될 수 있다. 도시된 바와 같은 실시예에서의 패턴에서, 본딩된 및 비-본딩된 영역들(제각기, 178, 180)은 접착축 AG를 중심으로 대칭이 아닌 상이한 폭들을 갖는 교대하는 칼럼들을 형성한다. 게다가, 접착축 AG가 본 명세서에서 종방향(Y 축)으로 놓여 있는 것으로 도시되어 있지만, 접착축 AG가 또한 횡방향(X 축)을 따라서 놓여 있을 수 있거나, 종방향 및 횡방향을 따라서 2개의 접착축이 있을 수 있으며, 이 축을 중심으로 본딩된 및 비-본딩된 영역들(제각기, 178, 180)의 패턴들이 형성될 수 있다. 이와 유사하게, 도 6a 내지 도 6d와 관련하여 기술되고/되거나 도시된 각각의 패턴에 대해, 종방향(Y 축)을 따라서 도시된 패턴이 그 대신에 횡방향(X 축)을 따라서 형성될 수 있거나, 또는 그 반대일 수 있거나, 또는 양쪽 방향의 패턴들의 조합이 형성될 수 있다는 것이 이해된다.
일 실시예에서, 구속부를 따라서 있는 본딩된 및 비-본딩된 영역들의 총 면적에 대한, 임의의 2차 연결 부재(166)를 따라서 있는 그리고/또는 제1 또는 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156) 중 적어도 하나를 따라서 있는 제1 또는 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 본딩된 영역(178)의 면적은, 75% 이상과 같은, 50% 이상 그리고 심지어, 100%와 같은, 90% 이상이다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 본딩된 영역들(178) 내의 기공들(176)이 열린 채로 있는 방식으로, 전극 구조체(110) 또는 상대 전극 구조체(112) 또는 전극 어셈블리(106)의 다른 내부 구조체에 대응하는 2차 연결 부재(166)에 접착될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 확장 구속부들 내의 기공들(176)이 확장 구속부(들)를 연결 부재(들)에 접착하는 데 사용되는 임의의 접착제 또는 다른 수단에 의해 폐색되지 않도록, 2차 연결 부재(166)에 본딩될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은, 확장 구속부들(158, 160)의 면적의 5% 이상의 기공들(176)을 갖는 열린 구역(open area), 그리고 심지어 확장 구속부들(158, 160)의 면적의 10% 이상의 기공들(176)을 갖는 열린 구역, 그리고 심지어, 확장 구속부들(158, 160)의 면적의 50% 이상의 기공들(176)을 갖는 열린 구역과 같은, 확장 구속부들(158, 160)의 면적의 25% 이상의 기공들(176)을 갖는 열린 구역을 제공하도록, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)에 연결된다.
앞서 기술된 실시예들이 Y 축을 따라서 칼럼들로서 정렬된 기공들(176)로 특징지어질 수 있지만, 기공들(176)이 도 6a 내지 도 6d에서 X 축을 따라서 로우들로 배향되는 것으로서도 특징지어질 수 있고, 접착제 또는 다른 접착 수단이 전극 구속부들의 세트(108)를 어셈블링하기 위해 수평으로 또는 X 축을 따라서 도포될 수 있다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 게다가, 접착제 또는 다른 본딩 수단이 메시와 유사한 공기 기공들(mesh-like air pores)(176)을 생성하도록 도포될 수 있다. 게다가, 접착축 AG는, 앞서 기술된 바와 같이, 또한 유사한 대칭 및 비대칭 접착 및/또는 본딩 패턴들을 제공하도록 수평으로 또는 X 축을 따라서 배향될 수 있다.
게다가, 기공들(176) 및 비-본딩된 영역들(180)이 Y 축을 따라서 칼럼들로 그리고 X 축을 따라서 로우들로(즉, 선형 방식으로) 정렬되는 것으로 앞서 기술되었지만, 기공들(176) 및/또는 비-본딩된 영역들(180)이 비선형 방식으로 배열될 수 있다는 것이 추가로 생각되어 왔다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 기공들(176)은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 표면 전체에 걸쳐 비-조직화된(non-organized) 또는 랜덤한 방식으로 분포될 수 있다. 그에 따라, 일 실시예에서, 결과적인 구조체가 과도하게 폐색되지 않은 적절한 기공들(176)을 가지며, 비-폐색된 기공들(176)을 갖는 비-본딩된 영역들(180)을 포함하는 한, 접착제 또는 다른 접착 수단이 임의의 방식으로 도포될 수 있다.
2차 구속 시스템 서브-아키텍처
일 실시예에 따르면, 앞서 논의된 바와 같이, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 중 하나 이상은, 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112)의 일부와 같은, 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체의 일부인 2차 연결 부재(166)를 통해 함께 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106) 내의 구조체들을 통해 구속부들 간의 연결을 제공하는 것에 의해, 전극 구조체(110)의 확장에 의해 야기된 스트레인을 적절히 보상하는 단단히 구속된 구조체(tightly constrained structure)가 실현될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 전극 구조체(110) 또는 상대 전극 구조체(112)의 일부인 연결 부재(166)를 통한 연결을 통해 서로 장력을 받음으로써, 수직 방향과 같은, 종방향에 직교하는 방향에서의 확장을 구속할 수 있다. 다른 추가 실시예에서, 전극 구조체(110)(예컨대, 애노드 구조체)의 확장은 2차 연결 부재(166)로서 역할하는 상대 전극 구조체(112)(예컨대, 캐소드)를 통한 2차 확장 구속부들(158, 160)의 연결에 의해 대항(counter)될 수 있다.
일반적으로, 특정 실시예들에서, 1차 확장 구속 시스템(151) 및 2차 확장 구속 시스템(152)의 컴포넌트들은 전극 어셈블리(106) 내의 전극 구조체들(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)에, 제각기, 부착될 수 있고, 2차 확장 구속 시스템(152)의 컴포넌트들은 또한, 전극 어셈블리(106)를 갖는 에너지 저장 디바이스(110) 또는 이차 배터리(102)의 크기를 과도하게 증가시키는 일 없이 효과적인 저지를 제공할 뿐만 아니라 전극 어셈블리(106)의 체적을 보다 효율적으로 이용하기 위해, 전극 어셈블리(106) 내에 전극 구조체들(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)로서, 제각기, 구체화될(embodied) 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151) 및/또는 2차 확장 구속 시스템(152)은 하나 이상의 전극 구조체(110)에 부착될 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151) 및/또는 2차 확장 구속 시스템(152)은 하나 이상의 상대 전극 구조체(112)에 부착될 수 있다. 추가 예로서, 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)는 전극 구조체들의 집단(110)으로서 구체화될 수 있다. 추가 예로서, 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)는 상대 전극 구조체들의 집단(112)으로서 구체화될 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한(co-parallel) 적층 방향 D의 표기(designation)를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 7은, 1차 확장 구속 시스템(151)의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템(152)의 일 실시예 둘 다를 포함한, 전극 구속부들의 세트(108)의, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하고 있다. 1차 확장 구속 시스템(151)은, 앞서 기술된 바와 같은, 제1 1차 확장 구속부(154) 및 제2 1차 확장 구속부(156), 그리고, 앞서 기술된 바와 같은, 제1 1차 연결 부재(162) 및 제2 1차 연결 부재(164)를 포함한다. 2차 확장 구속 시스템(152)은 제1 2차 확장 구속부(158), 제2 2차 확장 구속부(160), 및 전극 구조체들의 집단(110) 및/또는 상대 전극 구조체들의 집단(112)으로서 구체화된 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)를 포함하고; 따라서, 이 실시예에서, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166), 전극 구조체들(110), 및/또는 상대 전극 구조체들(112)은 상호교환가능한 것으로 이해될 수 있다. 게다가, 분리막(130)이 또한 2차 연결 부재(166)의 일부분을 형성할 수 있다. 게다가, 이 실시예에서, 제1 1차 연결 부재(162)와 제1 2차 확장 구속부(158)는, 앞서 기술된 바와 같이, 상호교환가능하다. 게다가 또한, 이 실시예에서, 제2 1차 연결 부재(164)와 제2 2차 확장 구속부(160)는, 앞서 기술된 바와 같이, 상호교환가능하다. 보다 구체적으로는, 전극 구조체(110) 또는 상대 전극 구조체(112)에 대응하는 2차 연결 부재(166)와 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 플러시 연결(flush connection)의 일 실시예가 도 7에 예시되어 있다. 플러시 연결은 제1 2차 확장 구속부(158)와 2차 연결 부재(166) 사이의 글루 층(layer of glue)(182), 및 제2 2차 확장 구속부(160)와 2차 연결 부재(166) 사이의 글루 층(182)을 추가로 포함할 수 있다. 글루 층들(182)은 제1 2차 확장 구속부(158)를 2차 연결 부재(166)에 부착(affix)시키고, 제2 2차 확장 구속부(160)를 2차 연결 부재(166)에 부착시킨다.
또한, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156), 제1 및 제2 1차 연결 부재들(162, 164), 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160), 및 적어도 하나의 2차 연결 부재(166) 중 하나 이상이 단일 부재를 형성하도록 함께 접합(join)될 수 있는 복수의 세그먼트들(1088) 또는 파트들의 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 예시된 바와 같은 실시예에 도시된 바와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158)는 메인 중간 세그먼트(main middle segment)(1088a) 및 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117,119) 가까이에 위치된 제1 및 제2 단부 세그먼트들(1088b)의 형태로 제공되고, 중간 세그먼트(1088a)는, 세그먼트들(1088)을 서로 접합시키기 위해 상호연결될 수 있는 세그먼트들(1088)에 형성된 노치들과 같은, 세그먼트들(1088)을 연결시키기 위해 제공되는 연결 부분(1089)에 의해 각각의 제1 및 제2 단부 세그먼트(1088b)에 연결된다. 제2 2차 확장 구속부(160)도 이와 유사하게, 도 7에 도시된 바와 같이, 구속부를 형성하기 위해 함께 연결될 수 있는 복수의 세그먼트들(1088)의 형태로 유사하게 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 2차 확장 구속부들(158, 160) 중 하나 이상, 적어도 하나의 1차 연결 부재(162), 및/또는 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)가 또한 완성된 부재를 형성하기 위해 노치들과 같은 연결 부분들을 통해 함께 연결될 수 있는 복수의 세그먼트들(1088)의 형태로 제공될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 노치 또는 다른 연결 부분을 통해 세그먼트들(1088)을 함께 연결시키는 것은 세그먼트들이 연결될 때 복수의 세그먼트들로 형성된 부재의 프리텐셔닝(pre-tensioning)을 제공할 수 있다.
게다가, 일 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132), 이온 다공성 전극 전류 컬렉터(136), 및 전극 활성 재료 층(132) 및 전극 전류 컬렉터(136)를 지지하는 전극 백본(134)을 갖는 전극 집단(110)의 멤버들이 도 7에 예시되어 있다. 이와 유사하게, 일 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138), 상대 전극 전류 컬렉터(140), 및 상대 전극 활성 재료 층(138) 및 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 지지하는 상대 전극 백본(141)을 갖는 상대 전극 집단(112)의 멤버들이 도 7에 예시되어 있다.
(예컨대, 도 7에서와 같이) 임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 특정 실시예들에서, 전극 집단(110)의 멤버들은 전극 활성 재료 층(132), 전극 전류 컬렉터(136), 및 전극 활성 재료 층(132) 및 전극 전류 컬렉터(136)를 지지하는 전극 백본(134)을 포함한다. 이와 유사하게, 특정 실시예들에서, 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 상대 전극 활성 재료 층(138), 상대 전극 전류 컬렉터(140), 및 상대 전극 활성 재료 층(138) 및 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 지지하는 상대 전극 백본(141)을 포함한다.
전극 집단(110)의 멤버들이 전극 백본(134)에 바로 인접한 전극 활성 재료 층(132), 그리고 전극 백본(134) 및 전극 활성 재료 층(132)에 바로 인접하고 이들을 효과적으로 둘러싸는 전극 전류 컬렉터(136)를 포함하는 것으로 본 명세서에 예시되고 기술되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 전극 집단(110)의 다른 배열들이 생각되어 왔다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 일 실시예(도시되지 않음)에서, 전극 집단(110)은 전극 전류 컬렉터(136)에 바로 인접한 전극 활성 재료 층(132), 및 전극 백본(134)에 바로 인접한 전극 전류 컬렉터(136)를 포함할 수 있다. 대안적으로 말하면, 전극 백본(134)은 전극 전류 컬렉터(136)에 의해 효과적으로 둘러싸일 수 있고, 전극 활성 재료 층(132)은 전극 전류 컬렉터(136)에 플랭킹하고(flanking) 그에 바로 인접해 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 전극 활성 재료 층(132)이 분리막(130)을 통해 상대 전극 활성 재료 층(138)으로부터 분리되는 한, 전극 집단(110) 및/또는 상대 전극 집단(112)의 임의의 적합한 구성이 본 명세서에 기술된 발명 주제에 적용가능할 수 있다. 또한, 전극 전류 컬렉터(136)가 전극 활성 재료 층(132)과 분리막(130) 사이에 위치되는 경우 전극 전류 컬렉터(136)는 이온 침투성이 있어야(ion permeable) 하고; 상대 전극 전류 컬렉터(140)가 상대 전극 활성 재료 층(138)과 분리막(130) 사이에 위치되는 경우 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 이온 침투성이 있어야 한다.
예시의 편의를 위해, 전극 집단(110)의 3개의 멤버 및 상대 전극 집단(112)의 4개의 멤버만이 묘사되어 있지만; 실제로, 본 명세서에서의 발명 주제를 사용하는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102)는, 앞서 기술된 바와 같이, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102)의 응용분야에 따라 전극 집단(110) 및 상대 전극 집단(112)의 부가의 멤버들을 포함할 수 있다. 게다가 또한, 전극 활성 재료 층(132)을 상대 전극 활성 재료 층(138)으로부터 전기적으로 절연시키는 미세다공성 분리막(130)이 도 7에 예시되어 있다.
앞서 기술된 바와 같이, 특정 실시예들에서, 전극 구조체들의 집단(110)의 각각의 멤버는 전극 구조체들(110) 내로의 전해질(도시되지 않음) 내의 캐리어 이온들(도시되지 않음)의 삽입 시에 팽창하고, 전극 구조체들(110)로부터의 캐리어 이온들의 추출 시에 수축할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 구조체들(110)은 애노드 활성일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 구조체들(110)은 캐소드 활성일 수 있다.
게다가, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 연결시키기 위해, 구속부들(158, 160)이 도시된 바와 같이 점착에 의해서와 같이, 적합한 수단에 의해, 또는 대안적으로, 전류 컬렉터들(136, 140)에 용접되는 것에 의해서와 같이, 용접되는 것에 의해 적어도 하나의 연결 부재(166)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 제1 및/또는 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 접착, 점착, 본딩, 용접, 및 이와 유사한 것 중 적어도 하나에 의해, 전극 및/또는 상대 전극 백본(제각기, 134, 141), 전극 및/또는 상대 전극 전류 컬렉터(제각기, 136, 140) 중 적어도 하나와 같은, 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112) 중 적어도 하나에 대응하는 2차 연결 부재(166)에 부착될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전극 구조체들(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)의 하나 이상의 단부를 제1 및/또는 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 중 적어도 하나에 접착시키는 데 글루 또는 다른 접착 재료를 사용하면서, 제1 및/또는 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)이 제1 및/또는 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을, 전극 구조체들의 집단(100) 및/또는 상대 전극 구조체들의 집단(112)의 단부들과 같은, 하나 이상의 2차 연결 부재(166)의 단부에 기계적으로 프레싱(pressing)하는 것에 의해 2차 연결 부재(166)에 부착될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 전극 구속부들의 세트(108)에 의해 전극 어셈블리(106)에 가해지는 힘들은 물론, 전극 어셈블리(106)를 포함하는 이차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 전극 구조체들(110)에 의해 가해지는 힘들을 보여주는, 일 실시예에 따른, 힘 개략도들을 묘사하고 있다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 이차 배터리(102)의 충전 및 방전을 통한 반복 사이클링은, 전극 구조체들(110)의 전극 활성 재료 층들(132) 내로의 이온들(예컨대, Li)의 인터칼레이션 및/또는 합금화로 인해, 전극 구조체들(110)의 전극 활성 재료 층들(132)에서와 같은, 전극 구조체들(110)에서의 확장을 야기할 수 있다. 따라서, 전극 구조체(110)의 체적의 확장으로 인해, 전극 구조체들(110)은 수직 방향으로 반대 힘들(opposing forces)(198a)은 물론, 종방향으로 반대 힘들(198b)을 가할 수 있다. 구체적으로 도시되어 있지는 않지만, 전극 구조체(110)는 또한 체적의 변화로 인해 횡방향으로 반대 힘들을 가할 수 있다. 이러한 힘들에 대항하기 위해, 그리고 전극 어셈블리(106)의 전체적인 확장을 저지하기 위해, 일 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 전극 구조체(110)에 의해 가해지는 종방향 힘들(198b)에 대항하기 위해 종방향으로 힘들(200a)을 가하는, 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117, 119)에 있는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)을 갖는 1차 확장 구속 시스템(151)을 포함한다. 이와 유사하게, 일 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 전극 구조체(110)에 의해 가해지는 수직 힘들(198a)에 대항하기 위해 수직 방향으로 힘들(200b)을 가하는, 전극 어셈블리(106)의 수직 방향을 따라서 있는 대향하는 표면들에 있는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 갖는 2차 확장 구속 시스템(152)을 포함한다. 게다가, 전극 어셈블리(106) 내의 전극 구조체들(110)의 체적 변화들에 의해 가해지는 횡방향 힘들에 대항하기 위해 횡방향으로 반력들(counter forces)을 가하기 위해, 3차 확장 구속 시스템(155)(도시되지 않음)이 또한, 대안적으로 또는 부가적으로, 제1 및 제2 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152) 중 하나 이상에 제공될 수 있다. 그에 따라, 전극 어셈블리(106)의 전체적인 거시적 확장이 제어되고 저지될 수 있도록, 전극 구속부들의 세트(108)는 충전과 방전 사이에서의 사이클링 동안 전극 구조체(110)의 체적 변화에 의해 전극 구조체(110)에 의해 가해지는 힘들에 적어도 부분적으로 대항할 수 있다.
전극 구조체들의 집단
도 7을 또다시 참조하면, 전극 구조체들의 집단(110)의 각각의 멤버는 또한 제1 2차 확장 구속부(158)에 인접한 상부(1052), 제2 2차 확장 구속부(160)에 인접한 하부(1054), 및 Z 축에 평행한 수직축 AES(표시되지 않음)를 둘러싸는 측방 표면(표시되지 않음)을 포함할 수 있으며, 측방 표면은 상부(1052)와 하부(1054)를 연결시킨다. 전극 구조체들(110)은 길이 LES, 폭 WES, 및 높이 HES를 추가로 포함한다. 길이 LES는 측방 표면에 의해 경계지어지고 X 축을 따라서 측정된다. 폭 WES는 측방 표면에 의해 경계지어지고 Y 축을 따라서 측정되며, 높이 HES는 수직축 AES 또는 Z 축을 따라서 상부(1052)로부터 하부(1054)까지 측정된다.
전극 집단(110)의 멤버들의 LES는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 집단(110)의 멤버들은 전형적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LES를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 그러한 실시예에서, 전극 집단(110)의 멤버들은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LES를 갖는다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 전극 집단(110)의 멤버들은 약 20 mm 내지 약 100 mm의 LES를 갖는다.
전극 집단(110)의 멤버들의 WES가 또한 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 집단(110)의 각각의 멤버는 전형적으로 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위 내의 WES를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 집단(110)의 각각의 멤버의 WES는 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단(110)의 각각의 멤버의 WES는 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
전극 집단(110)의 멤버들의 HES가 또한 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 집단(110)의 멤버들은 전형적으로 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위 내의 HES를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 집단(110)의 각각의 멤버의 HES는 약 0.05　mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단(110)의 각각의 멤버의 HES는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
다른 실시예에서, 전극 구조체들의 집단(110)의 각각의 멤버는 Z 축에 평행한 수직축 AESB를 갖는 전극 구조체 백본(134)을 포함할 수 있다. 전극 구조체 백본(134)은 또한 수직축 AESB를 중심으로 전극 구조체 백본(134)을 둘러싸는 전극 활성 재료 층(132)을 포함할 수 있다. 대안적으로 말하면, 전극 구조체 백본(134)은 전극 활성 재료 층(132)에 대한 기계적 안정성을 제공하고, 1차 확장 구속 시스템(151) 및/또는 2차 구속 시스템(152)에 대한 부착 지점을 제공할 수 있다. 특정 실시예들에서, 전극 활성 재료 층(132)은 전극 활성 재료 층(132) 내로의 캐리어 이온들의 삽입 시에 팽창하고, 전극 활성 재료 층(132)으로부터의 캐리어 이온들의 추출 시에 수축한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)은 애노드 활성일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)은 캐소드 활성일 수 있다. 전극 구조체 백본(134)은 또한 제1 2차 확장 구속부(158)에 인접한 상부(1056), 제2 2차 확장 구속부(160)에 인접한 하부(1058), 및 수직축 AESB를 둘러싸고 상부(1056)와 하부(1058)를 연결시키는 측방 표면(표시되지 않음)을 포함할 수 있다. 전극 구조체 백본(134)은 길이 LESB, 폭 WESB, 및 높이 HESB를 추가로 포함한다. 길이 LESB는 측방 표면에 의해 경계지어지고 X 축을 따라서 측정된다. 폭 WESB는 측방 표면에 의해 경계지어지고 Y 축을 따라서 측정되며, 높이 HESB는 Z 축을 따라서 상부(1056)로부터 하부(1058)까지 측정된다.
전극 구조체 백본(134)의 LESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 구조체 백본(134)은 전형적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LESB를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 그러한 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LESB를 가질 것이다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 약 20 mm 내지 약 100 mm의 LESB를 가질 것이다. 일 실시예에 따르면, 전극 구조체 백본(134)은 적어도 하나의 연결 부재(166)로서 기능하는 전극 구조체(110)의 서브구조체일 수 있다.
전극 구조체 백본(134)의 WESB가 또한 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 각각의 전극 구조체 백본(134)은 전형적으로 1 마이크로미터 이상의 WESB를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 전극 구조체 백본(134)의 WESB는 실질적으로 더 두꺼울 수 있지만, 일반적으로 500 마이크로미터를 초과하는 두께를 갖지 않을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 각각의 전극 구조체 백본(134)의 WESB는 약 1 내지 약 50 마이크로미터의 범위에 있을 것이다.
전극 구조체 백본(134)의 HESB가 또한 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 구조체 백본(134)은 전형적으로 약 50 마이크로미터 이상, 보다 전형적으로 약 100 마이크로미터 이상의 HESB를 가질 것이다. 게다가, 일반적으로, 전극 구조체 백본(134)은 전형적으로 약 10,000 마이크로미터 이하, 그리고 보다 전형적으로 약 5,000 마이크로미터 이하의 HESB를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 전극 구조체 백본(134)의 HESB는 약 0.05　mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 각각의 전극 구조체 백본(134)의 HESB는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 각각의 전극 구조체 백본(134)의 HESB는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
응용분야에 따라, 전극 구조체 백본(134)은 전기 전도성 또는 절연성일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 전기 전도성일 수 있고, 전극 활성 재료(132)에 대한 전극 전류 컬렉터(136)를 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 약 103 Siemens/cm 이상의 전도도(conductivity)를 갖는 전극 전류 컬렉터(136)를 포함한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 약 104 Siemens/cm 이상의 전도도를 갖는 전극 전류 컬렉터(136)를 포함한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 약 105 Siemens/cm 이상의 전도도를 갖는 전극 전류 컬렉터(136)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 전극 구조체 백본(134)은 상대적으로 비전도성이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 10 Siemens/cm 미만의 전기 전도도를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 1 Siemens/cm 미만의 전기 전도도를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 10-1 Siemens/cm 미만의 전기 전도도를 갖는다.
특정 실시예들에서, 전극 구조체 백본(134)은, 금속들, 반도체들, 유기물들, 세라믹들, 및 유리들과 같은, 성형될(shaped) 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 재료들은 실리콘 및 게르마늄과 같은 반도체 재료들을 포함한다. 그렇지만, 대안적으로, 탄소계 유기 재료들, 또는, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 텅스텐과 같은, 금속들이 또한 전극 구조체 백본(134)에 혼입(incorporate)될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 실리콘을 포함한다. 실리콘은, 예를 들어, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 또는 이들의 조합일 수 있다.
특정 실시예들에서, 전극 활성 재료 층(132)은 1 마이크로미터 이상의 두께를 가질 수 있다. 그렇지만, 전형적으로, 전극 활성 재료 층(132)의 두께는 200 마이크로미터를 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)은 약 1 내지 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)은 약 2 내지 약 75 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)은 약 5 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
특정 실시예들에서, 전극 전류 컬렉터(136)는 분리막(130)으로부터 전극 활성 재료 층(132)으로의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하기 위해 캐리어 이온들에 대한 충분한 이온 침투성(ionic permeability)을 가지며 전류 컬렉터로서 역할할 수 있게 해주기에 충분한 전기 전도성을 가지는 이온 침투성 도전체 재료를 포함한다. 전극 활성 재료 층(132)과 분리막(130) 사이에 배치될 때, 전극 전류 컬렉터(136)는 전극 전류 컬렉터(136)로부터의 전류를 전극 활성 재료 층(132)의 표면을 가로질러 분산시킴으로써 보다 균일한 캐리어 이온 수송을 용이하게 할 수 있다. 이것은, 차례로, 사이클링 동안 캐리어 이온들의 보다 균일한 삽입 및 추출을 용이하게 하고 그로써 전극 활성 재료 층(132)에서의 응력을 감소시킬 수 있으며; 전극 전류 컬렉터(136)가 분리막(130)과 마주하는 전극 활성 재료 층(132)의 표면으로 전류를 분산시키기 때문에, 캐리어 이온 농도가 가장 큰 곳에서 캐리어 이온들에 대한 전극 활성 재료 층(132)의 반응성이 가장 클 것이다.
전극 전류 컬렉터(136)는 이온 전도성이기도 하고 전기 전도성이기도 한 이온 침투성 도전체 재료를 포함한다. 달리 말하면, 전극 전류 컬렉터(136)는 전기화학적 스택 또는 전극 어셈블리(106)에서 이온 침투성 도전체 층의 한쪽 측면 상의 바로 인접한 전극 활성 재료 층(132)과 전극 전류 컬렉터(136)의 다른 쪽 측면 상의 바로 인접한 분리막 층(130) 사이의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 두께, 전기 전도도, 및 캐리어 이온들에 대한 이온 전도도를 갖는다. 상대적으로(on a relative basis), 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)는 그의 이온 컨덕턴스(ionic conductance)보다 더 큰 전기 컨덕턴스(electrical conductance)를 갖는다. 예를 들어, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는 전형적으로, 제각기, 1,000:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 5,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 10,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136) 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 50,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 100,000:1 이상이다.
일 실시예에서, 그리고 이차 배터리(102)가 충전 또는 방전되고 있을 때와 같이, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때, 전극 전류 컬렉터(136)는 인접한 분리막 층(130)의 이온 컨덕턴스와 비슷한 이온 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때, 전극 전류 컬렉터(136)는 분리막 층(130)의 이온 컨덕턴스의 50%(즉, 제각기, 0.5:1의 비) 이상인 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스를 갖는다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 1:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 1.25:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 1.5:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 2:1 이상이다.
일 실시예에서, 전극 전류 컬렉터(136)는 또한 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스보다 실질적으로 더 큰 전기 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비는 100:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비는 500:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비는 1000:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비는 5000:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 전극 전류 컬렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비는 10,000:1 이상이다.
전극 전류 컬렉터 층(136)의 두께(즉, 분리막(130)과, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료 층(예컨대, 전극 활성 재료 층(132)) - 이들 사이에 전극 전류 컬렉터 층(136)이 샌드위치되어 있음 - 사이의 최단 거리)는, 특정 실시예들에서, 층(136)의 조성 및 전기화학적 스택에 대한 성능 규격들에 의존할 것이다. 일반적으로, 전극 전류 컬렉터 층(136)이 이온 침투성 도전체 층일 때, 그것은 약 300 옹스트롬 이상의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 그것은 약 300 내지 800 옹스트롬의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 그렇지만, 보다 전형적으로, 그것은 약 0.1 마이크로미터 초과의 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 이온 침투성 도전체 층은 약 100 마이크로미터 이하의 두께를 가질 것이다. 따라서, 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 전류 컬렉터 층(136)은 약 0.1 내지 약 10 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 전극 전류 컬렉터 층(136)은 약 0.1 내지 약 5 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 전극 전류 컬렉터 층(136)은 약 0.5 내지 약 3 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 전극 전류 컬렉터 층(136)의 두께가 대략 균일한 것이 바람직하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 전류 컬렉터 층(136)이 약 25% 미만의 두께 불균일성(thickness non-uniformity)을 갖는 것이 바람직하다. 특정 실시예들에서, 두께 변동이 훨씬 더 적다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 전극 전류 컬렉터 층(136)은 약 20% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 전극 전류 컬렉터 층(136)은 약 15% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 일부 실시예들에서는, 이온 침투성 도전체 층은 약 10% 미만의 두께 불균일성을 갖는다.
일 실시예에서, 전극 전류 컬렉터 층(136)은 이온 침투성 및 전기 전도도에 기여하는 전기 전도성 컴포넌트 및 이온 전도성 컴포넌트를 포함하는 이온 침투성 도전체 층이다. 전형적으로, 전기 전도성 컴포넌트는 연속적인 전기 전도성 재료(예컨대, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 구성하는 메시 또는 패터닝된 표면, 막, 또는 복합 재료의 형태의 연속적인 전기 전도성 재료(예컨대, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 포함할 것이다. 부가적으로, 이온 전도성 컴포넌트는 전형적으로 기공들, 예를 들어, 메시의 간극들, 패턴화된 금속 또는 금속 합금 함유 재료 층 사이의 공간들, 금속 막에서의 기공들, 또는 캐리어 이온들에 대해 충분한 확산도(diffusivity)를 갖는 고체 이온 도전체(solid ion conductor)를 포함할 것이다. 특정 실시예들에서, 이온 침투성 도전체 층은 퇴적된 다공성 재료, 이온 수송 재료, 이온 반응성 재료, 복합 재료, 또는 물리적 다공성 재료(physically porous material)를 포함한다. 예를 들어, 다공성인 경우, 이온 침투성 도전체 층은 약 0.25 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다. 그렇지만, 일반적으로, 보이드 분율은 전형적으로 약 0.95를 초과하지 않을 것이다. 보다 전형적으로, 이온 침투성 도전체 층이 다공성일 때, 보이드 분율은 약 0.25 내지 약 0.85의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 이온 침투성 도전체 층이 다공성일 때, 보이드 분율은 약 0.35 내지 약 0.65의 범위에 있을 수 있다.
도 7에 예시된 실시예에서, 전극 전류 컬렉터 층(136)이 전극 활성 재료 층(132)에 대한 유일한 애노드 전류 컬렉터이다. 달리 말하면, 전극 구조체 백본(134)은 애노드 전류 컬렉터를 포함할 수 있다. 그렇지만, 특정 다른 실시예들에서, 전극 구조체 백본(134)은 임의로 애노드 전류 컬렉터를 포함하지 않을 수 있다.
상대 전극 구조체들의 집단
도 7을 또다시 참조하면, 상대 전극 구조체들의 집단(112)의 각각의 멤버는 또한 제1 2차 확장 구속부(158)에 인접한 상부(1068), 제2 2차 확장 구속부(160)에 인접한 하부(1070), 및 Z 축에 평행한 수직축 ACES(표시되지 않음)를 둘러싸는 측방 표면(표시되지 않음)을 포함할 수 있으며, 측방 표면은 상부(1068)와 하부(1070)를 연결시킨다. 상대 전극 구조체들(112)은 길이 LCES, 폭 WCES, 및 높이 HCES를 추가로 포함한다. 길이 LCES는 측방 표면에 의해 경계지어지고 X 축을 따라서 측정된다. 폭 WCES는 측방 표면에 의해 경계지어지고 Y 축을 따라서 측정되며, 높이 HCES는 수직축 ACES 또는 Z 축을 따라서 상부(1068)로부터 하부(1070)까지 측정된다.
상대 전극 집단(112)의 멤버들의 LCES는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 전형적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LCES를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 그러한 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LCES를 갖는다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 약 25 mm 내지 약 100 mm의 LCES를 갖는다.
상대 전극 집단(112)의 멤버들의 WCES가 또한 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 상대 전극 집단(112)의 각각의 멤버는 전형적으로 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위 내의 WCES를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 각각의 멤버의 WCES는 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 각각의 멤버의 WCES는 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
상대 전극 집단(112)의 멤버들의 HCES가 또한 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 전형적으로 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위 내의 HCES를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 각각의 멤버의 HCES는 약 0.05　mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 각각의 멤버의 HCES는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
다른 실시예에서, 상대 전극 구조체들의 집단(112)의 각각의 멤버는 Z 축에 평행한 수직축 ACESB를 갖는 상대 전극 구조체 백본(141)을 포함할 수 있다. 상대 전극 구조체 백본(141)은 또한 수직축 ACESB를 중심으로 상대 전극 구조체 백본(141)을 둘러싸는 상대 전극 활성 재료 층(138)을 포함할 수 있다. 대안적으로 말하면, 상대 전극 구조체 백본(141)은 상대 전극 활성 재료 층(138)에 대한 기계적 안정성을 제공하고, 1차 확장 구속 시스템(151) 및/또는 2차 확장 구속 시스템(152)에 대한 부착 지점을 제공할 수 있다. 특정 실시예들에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 상대 전극 활성 재료 층(138) 내로의 캐리어 이온들의 삽입 시에 팽창하고, 상대 전극 활성 재료 층(138)으로부터의 캐리어 이온들의 추출 시에 수축한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 애노드 활성일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 캐소드 활성일 수 있다. 상대 전극 구조체 백본(141)은 또한 제1 2차 확장 구속부(158)에 인접한 상부(1072), 제2 2차 확장 구속부(160)에 인접한 하부(1074), 및 수직축 ACESB를 둘러싸고 상부(1072)와 하부(1074)를 연결시키는 측방 표면(표시되지 않음)을 포함할 수 있다. 상대 전극 구조체 백본(141)은 길이 LCESB, 폭 WCESB, 및 높이 HCESB를 추가로 포함한다. 길이 LCESB는 측방 표면에 의해 경계지어지고 X 축을 따라서 측정된다. 폭 WCESB는 측방 표면에 의해 경계지어지고 Y 축을 따라서 측정되며, 높이 HCESB는 Z 축을 따라서 상부(1072)로부터 하부(1074)까지 측정된다.
상대 전극 구조체 백본(141)의 LCESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 상대 전극 구조체 백본(141)은 전형적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LCESB를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 그러한 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LCESB를 가질 것이다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 약 20 mm 내지 약 100 mm의 LCESB를 가질 것이다.
상대 전극 구조체 백본(141)의 WCESB가 또한 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)은 전형적으로 1 마이크로미터 이상의 WCESB를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)의 WCESB는 실질적으로 더 두꺼울 수 있지만, 일반적으로 500 마이크로미터를 초과하는 두께를 갖지 않을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)의 WCESB는 약 1 내지 약 50 마이크로미터의 범위에 있을 것이다.
상대 전극 구조체 백본(141)의 HCESB가 또한 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 상대 전극 구조체 백본(141)은 전형적으로 약 50 마이크로미터 이상, 보다 전형적으로 약 100 마이크로미터 이상의 HCESB를 가질 것이다. 게다가, 일반적으로, 상대 전극 구조체 백본(141)은 전형적으로 약 10,000 마이크로미터 이하, 그리고 보다 전형적으로 약 5,000 마이크로미터 이하의 HCESB를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)의 HCESB는 약 0.05　mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)의 HCESB는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)의 HCESB는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
응용분야에 따라, 상대 전극 구조체 백본(141)은 전기 전도성 또는 절연성일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 전기 전도성일 수 있고, 상대 전극 활성 재료(138)에 대한 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 약 103 Siemens/cm 이상의 전도도를 갖는 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 포함한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 약 104 Siemens/cm 이상의 전도도를 갖는 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 포함한다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 약 105 Siemens/cm 이상의 전도도를 갖는 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 상대적으로 비전도성이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 10 Siemens/cm 미만의 전기 전도도를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 1 Siemens/cm 미만의 전기 전도도를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 10-1 Siemens/cm 미만의 전기 전도도를 갖는다.
특정 실시예들에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은, 금속들, 반도체들, 유기물들, 세라믹들, 및 유리들과 같은, 성형될 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 재료들은 실리콘 및 게르마늄과 같은 반도체 재료들을 포함한다. 그렇지만, 대안적으로, 탄소계 유기 재료들, 또는, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 텅스텐과 같은, 금속들이 또한 상대 전극 구조체 백본(141)에 혼입될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 실리콘을 포함한다. 실리콘은, 예를 들어, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 또는 이들의 조합일 수 있다.
특정 실시예들에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 1 마이크로미터 이상의 두께를 가질 수 있다. 그렇지만, 전형적으로, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 두께는 200 마이크로미터를 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 약 1 내지 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 약 2 내지 약 75 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 약 5 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
특정 실시예들에서, 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 분리막(130)으로부터 상대 전극 활성 재료 층(138)으로의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하기 위해 캐리어 이온들에 대한 충분한 이온 침투성을 가지며 전류 컬렉터로서 역할할 수 있게 해주기에 충분한 전기 전도성을 가지는 이온 침투성 도전체를 포함한다. 상대 전극 활성 재료 층(138)과 분리막(130) 사이에 배치되는지 여부에 관계없이, 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 상대 전극 전류 컬렉터(140)로부터의 전류를 상대 전극 활성 재료 층(138)의 표면을 가로질러 분산시킴으로써 보다 균일한 캐리어 이온 수송을 용이하게 할 수 있다. 이것은, 차례로, 사이클링 동안 캐리어 이온들의 보다 균일한 삽입 및 추출을 용이하게 하고 그로써 상대 전극 활성 재료 층(138)에서의 응력을 감소시킬 수 있으며; 상대 전극 전류 컬렉터(140)가 분리막(130)과 마주하는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 표면으로 전류를 분산시키기 때문에, 캐리어 이온 농도가 가장 큰 곳에서 캐리어 이온들에 대한 상대 전극 활성 재료 층(138)의 반응성이 가장 클 것이다.
상대 전극 전류 컬렉터(140)는 이온 전도성이기도 하고 전기 전도성이기도 한 이온 침투성 도전체 재료를 포함한다. 달리 말하면, 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 전기화학적 스택 또는 전극 어셈블리(106)에서 이온 침투성 도전체 층의 한쪽 측면 상의 바로 인접한 상대 전극 활성 재료 층(138)과 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 다른 쪽 측면 상의 바로 인접한 분리막 층(130) 사이의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 두께, 전기 전도도, 및 캐리어 이온들에 대한 이온 전도도를 갖는다. 상대적으로, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 그의 이온 컨덕턴스보다 더 큰 전기 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는 전형적으로, 제각기, 1,000:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 5,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 10,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140) 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 50,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 100,000:1 이상이다.
일 실시예에서, 그리고 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102)가 충전 또는 방전되고 있을 때와 같이, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때, 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 인접한 분리막 층(130)의 이온 컨덕턴스와 비슷한 이온 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때, 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 분리막 층(130)의 이온 컨덕턴스의 50%(즉, 제각기, 0.5:1의 비) 이상인 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스를 갖는다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 1:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 1.25:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 1.5:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층(130)의 ((애노드 전류 컬렉터 층) 캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 2:1 이상이다.
일 실시예에서, 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 또한 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스보다 실질적으로 더 큰 전기 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 전기 컨덕턴스 대 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비는 100:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 전기 컨덕턴스 대 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비는 500:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 전기 컨덕턴스 대 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비는 1000:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 전기 컨덕턴스 대 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비는 5000:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 전기 컨덕턴스 대 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비는 10,000:1 이상이다.
상대 전극 전류 컬렉터 층(140)의 두께(즉, 분리막(130)과, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(예컨대, 상대 전극 활성 재료 층(138)) - 이들 사이에 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)이 샌드위치되어 있음 - 사이의 최단 거리)는, 특정 실시예들에서, 층(140)의 조성 및 전기화학적 스택에 대한 성능 규격들에 의존할 것이다. 일반적으로, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)이 이온 침투성 도전체 층일 때, 그것은 약 300 옹스트롬 이상의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 그것은 약 300 내지 800 옹스트롬의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 그렇지만, 보다 전형적으로, 그것은 약 0.1 마이크로미터 초과의 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 이온 침투성 도전체 층은 약 100 마이크로미터 이하의 두께를 가질 것이다. 따라서, 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)은 약 0.1 내지 약 10 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)은 약 0.1 내지 약 5 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)은 약 0.5 내지 약 3 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)의 두께가 대략 균일한 것이 바람직하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)이 약 25% 미만의 두께 불균일성을 갖는 것이 바람직하다. 특정 실시예들에서, 두께 변동이 훨씬 더 적다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)은 약 20% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)은 약 15% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)은 약 10% 미만의 두께 불균일성을 갖는다.
일 실시예에서, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)은 이온 침투성 및 전기 전도도에 기여하는 전기 전도성 컴포넌트 및 이온 전도성 컴포넌트를 포함하는 이온 침투성 도전체 층이다. 전형적으로, 전기 전도성 컴포넌트는 연속적인 전기 전도성 재료(예컨대, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 구성하는 메시 또는 패터닝된 표면, 막, 또는 복합 재료의 형태의 연속적인 전기 전도성 재료(예컨대, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 포함할 것이다. 부가적으로, 이온 전도성 컴포넌트는 전형적으로 기공들, 예를 들어, 메시의 간극들, 패턴화된 금속 또는 금속 합금 함유 재료 층 사이의 공간들, 금속 막에서의 기공들, 또는 캐리어 이온들에 대해 충분한 확산도를 갖는 고체 이온 도전체를 포함할 것이다. 특정 실시예들에서, 이온 침투성 도전체 층은 퇴적된 다공성 재료, 이온 수송 재료, 이온 반응성 재료, 복합 재료, 또는 물리적 다공성 재료를 포함한다. 예를 들어, 다공성인 경우, 이온 침투성 도전체 층은 약 0.25 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다. 그렇지만, 일반적으로, 보이드 분율은 전형적으로 약 0.95를 초과하지 않을 것이다. 보다 전형적으로, 이온 침투성 도전체 층이 다공성일 때, 보이드 분율은 약 0.25 내지 약 0.85의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 이온 침투성 도전체 층이 다공성일 때, 보이드 분율은 약 0.35 내지 약 0.65의 범위에 있을 수 있다.
도 7에 예시된 실시예에서, 상대 전극 전류 컬렉터 층(140)이 상대 전극 활성 재료 층(138)에 대한 유일한 캐소드 전류 컬렉터이다. 달리 말하면, 상대 전극 구조체 백본(141)은 캐소드 전류 컬렉터(140)를 포함할 수 있다. 그렇지만, 특정 다른 실시예들에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 임의로 캐소드 전류 컬렉터(140)를 포함하지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160) 각각은 z-축을 따라서 분리된 내측 표면(제각기, 1060 및 1062) 및 대향하는 외측 표면(제각기, 1064 및 1066)을 포함할 수 있으며, 그로써 제1 2차 확장 구속부(158) 높이 H158 및 제2 2차 확장 구속부(160) 높이 H160을 정의한다. 본 개시내용의 양태들에 따르면, 제1 및/또는 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이들을 증가시키는 것은 구속부들의 강성을 증가시킬 수 있지만, 또한 증가된 체적을 요구할 수 있고, 따라서 전극 어셈블리(106) 및 구속부들의 세트(108)를 포함하는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102)에 대한 에너지 밀도의 감소를 야기할 수 있다. 그에 따라, 구속부들(158, 160)의 두께는 구속부 재료 속성들(constraint material properties), 전극(100)의 미리 결정된 팽창으로부터의 압력을 상쇄(offset)시키는 데 요구되는 구속부의 강도, 및 다른 인자들에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들(제각기, H158 및 H160)은 높이(HES)의 50% 미만일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들(제각기, H158 및 H160)은 높이(HES)의 25% 미만일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들(제각기, H158 및 H160)은 높이(HES)의 10% 미만일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들(H158 및 H160)은 높이(HES)의 약 5% 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 2차 확장 구속부 높이 H158 및 제2 2차 확장 구속부 높이 H160이 상이할 수 있고, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160) 각각에 대해 사용되는 재료들이 또한 상이할 수 있다.
특정 실시예들에서, 내측 표면들(1060 및 1062)은 전극 구조체들의 집단(110) 및/또는 상대 전극 구조체들의 집단(112)을 그에 부착시키는 데 알맞은(amenable) 표면 피처들을 포함할 수 있으며, 외측 표면들(1064 및 1066)은 복수의 구속된 전극 어셈블리들(106)을 적층시키는 데 알맞은 표면 피처들을 포함할 수 있다(즉, 도 7 내에서 추측되지만, 명확함을 위해 도시되지 않음). 예를 들어, 일 실시예에서, 내측 표면들(1060 및 1062) 또는 외측 표면들(1064 및 1066)은 평면일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 내측 표면들(1060 및 1062) 또는 외측 표면들(1064 및 1066)은 비-평면일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 내측 표면들(1060 및 1062) 및 외측 표면들(1064 및 1066)은 평면일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 내측 표면들(1060 및 1062) 및 외측 표면들(1064 및 1066)은 비-평면일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 내측 표면들(1060 및 1062) 및 외측 표면들(1064 및 1066)은 실질적으로 평면일 수 있다.
본 명세서의 다른 곳에서 기술되는 바와 같이, 전극 구조체들(110) 및/또는 상대 전극들(112)로서 구체화된 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)를 내측 표면들(1060 및 1062)에 부착시키기 위한 모드들은 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 달라질 수 있다. 도 7에 도시된 하나의 예시적인 실시예에서, 전극 구조체들의 집단(110)(즉, 도시된 바와 같이, 전극 전류 컬렉터(136))의 상부(1052) 및 하부(1054) 그리고 상대 전극 구조체들의 집단(112)(즉, 도시된 바와 같이, 상대 전극 전류 컬렉터(140))의 상부(1068) 및 하부(1070)는 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다. 이와 유사하게, 제1 1차 확장 구속부(154)의 상부(1076) 및 하부(1078) 그리고 제2 1차 확장 구속부(156)의 상부(1080) 및 하부(1082)는 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다.
대안적으로 말하면, 도 7에 도시된 실시예에서, 전극 구조체들의 집단(110)의 상부(1052) 및 하부(1054)는 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062) 둘 다와 사실상 만나는 높이 HES를 포함하고, 플러시 실시예(flush embodiment)에서 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다. 그에 부가하여, 플러시 실시예에서 상대 전극 구조체들의 집단(112)의 상부(1068) 및 하부(1070)는 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062) 둘 다와 사실상 만나는 높이 HCES를 포함하고, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다.
게다가, 다른 예시적인 실시예에서, 전극 백본들(134)의 상부(1056) 및 하부(1058) 그리고 상대 전극 백본들(141)의 상부(1072) 및 하부(1074)는 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다(예시되지 않음). 이와 유사하게, 제1 1차 확장 구속부(154)의 상부(1076) 및 하부(1078) 그리고 제2 1차 확장 구속부(156)의 상부(1080) 및 하부(1082)는 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다(이 단락에 기술된 실시예와 관련하여 예시되지 않음). 대안적으로 말하면, 플러시 실시예에서 전극 백본들(134)의 상부(1056) 및 하부(1058)는 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062) 둘 다와 사실상 만나는 높이 HESB를 포함하고, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다. 그에 부가하여, 플러시 실시예에서 상대 전극 백본들(141)의 상부(1072) 및 하부(1074)는 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062) 둘 다와 사실상 만나는 높이 HCESB를 포함하고, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다.
그에 따라, 일 실시예에서, 분리막(130), 및/또는 전극 구조체들(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 적어도 일부분은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 2차 확장 구속 시스템(152)에서 서로 연결시키기 위한 하나 이상의 2차 연결 부재(166)로서 역할할 수 있음으로써, 전극 어셈블리(106)의 사이클링 동안 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지하는 콤팩트하고 공간 효율적인 구속 시스템을 제공할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 분리막(130), 및/또는 전극 구조체들(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)의 임의의 부분은, 충전 및 방전 사이클들에 따라 체적이 팽윤하는 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112)의 임의의 부분을 제외하고는, 하나 이상의 2차 연결 부재(166)로서 역할할 수 있다. 즉, 전극 어셈블리(106)에서의 체적 변화의 원인인, 전극 활성 재료(132)와 같은, 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112)의 그 부분은 전형적으로 전극 구속부들의 세트(108)의 일부로서 역할하지 않을 것이다. 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)의 일부로서 제공되는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)은 종방향에서의 확장을 추가로 억제하고, 또한 2차 확장 구속 시스템(152)의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 연결시키는 2차 연결 부재(166)로서 역할하여, 전극 확장/팽윤의 저지를 위한 협력적, 상승적 구속 시스템(즉, 전극 구속부들의 세트(108))을 제공할 수 있다.
상대 전극 구조체들을 통한 연결들
이제 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 분리막(130), 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한 적층 방향 D의 표기를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 9a 내지 도 9c 각각은, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하며, 여기서 각각의 제1 1차 확장 구속부(154) 및 각각의 제2 1차 확장 구속부(156)는, 앞서 기술된 바와 같이, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 도 9a 내지 도 9c 각각에 도시된 바와 같이, 비-부착된(non-affixed) 전극 구조체들(110)은 그들의 상부들과 제1 2차 확장 구속부(158) 사이에, 그리고 그들의 하부들과 제2 2차 확장 구속부(160) 사이에 전극 갭들(electrode gaps)(1084)을 포함할 수 있다. 대안적으로 말하면, 특정 실시예들에서, 각각의 전극 구조체(110)의 상부 및 하부(제각기, 1052, 1054)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 사이에 갭을 가질 수 있다. 게다가, 도 9c에 도시된 바와 같은 특정 실시예들에서, 전극 구조체(110)의 상부(1052)는 제1 2차 확장 구속부(158)와 접촉하지만 그에 부착되지 않을 수 있고, 전극 구조체(110)의 하부(1054)는 제2 2차 확장 구속부(160)와 접촉하지만 그에 부착되지 않을 수 있거나, 또는 전극 구조체(110)의 상부(1052)는 제1 2차 확장 구속부(158)와 접촉하지만 그에 부착되지 않을 수 있고, 전극 구조체(110)의 하부(1054)는 제2 2차 확장 구속부(160)와 접촉하지만 그에 부착되지 않을 수 있다(예시되지 않음).
보다 구체적으로는, 도 9a에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 백본들(141)은 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1160) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 백본들(112)은 부착된 상대 전극 백본들(141)과 관련하여 점착축(gluing axis) AG를 중심으로 한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 백본들(141)은 부착된 상대 전극 백본들(141)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 비대칭 또는 랜덤한 패턴을 포함할 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개의 상대 전극 백본(141)을 포함할 수 있고, 여기서 2개의 부착된 상대 전극 백본(141)은 하나의 전극 구조체(110)에 플랭킹한다. 그에 따라, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개의 상대 전극 백본(141)을 포함할 수 있고, 2개의 부착된 상대 전극 백본(141)은 2개 이상의 전극 구조체(110) 및 하나 이상의 비-부착된 상대 전극 백본(141)에 플랭킹한다. 그에 따라, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 다른 예시적인 대칭 부착 패턴 유닛들이 생각되어 왔다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 비대칭 또는 랜덤한 부착 패턴은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개 이상의 상대 전극 백본(141)을 포함할 수 있으며, 여기서 2개 이상의 부착된 상대 전극 백본(141)은 부착된 상대 전극 백본(141A), 부착된 상대 전극 백본(141B), 부착된 상대 전극 백본(141C), 및 부착된 상대 전극 백본(141D)으로서 개별적으로 표기될 수 있다. 부착된 상대 전극 백본(141A) 및 부착된 상대 전극 백본(141B)은 (1+x)개의 전극 구조체(110)에 플랭킹할 수 있고, 부착된 상대 전극 백본(141B) 및 부착된 상대 전극 백본(141C)은 (1+y)개의 전극 구조체(110)에 플랭킹할 수 있으며, 부착된 상대 전극 백본(141C) 및 부착된 상대 전극 백본(141D)은 (1+z)개의 전극 구조체(110)에 플랭킹할 수 있고, 여기서 임의의 2개의 부착된 상대 전극 백본(141A 내지 141D) 사이의 전극 구조체들(110)의 총량(즉, x, y, 또는 z)은 동일하지 않고(즉, x ≠ y ≠ z), 비-부착된 상대 전극 백본들(141)에 의해 추가로 분리될 수 있다. 대안적으로 말하면, 임의의 수의 상대 전극 백본(141)이, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있으며, 그로써 임의의 2개의 부착된 상대 전극 백본(141)은 비-부착된 상대 전극 백본들(141)에 의해 분리된 임의의 비동등(non-equivalent) 수의 전극 구조체(110)를 포함할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 다른 예시적인 비대칭 또는 랜덤한 부착 패턴들이 생각되어 왔다.
보다 구체적으로는, 도 9b에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1160) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158 및 160)에 부착된 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 부착된 상대 전극 전류 컬렉터들(140)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158 및 160)에 부착된 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 부착된 상대 전극 전류 컬렉터들(140)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 비대칭 또는 랜덤한 패턴을 포함할 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개의 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 포함할 수 있고, 여기서 2개의 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 하나의 전극 구조체(110)에 플랭킹한다. 그에 따라, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개의 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 포함할 수 있고, 2개의 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 2개 이상의 전극 구조체(110) 및 하나 이상의 비-부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140)에 플랭킹한다. 그에 따라, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 다른 예시적인 대칭 부착 패턴 유닛들이 생각되어 왔다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 비대칭 또는 랜덤한 부착 패턴은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개 이상의 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 포함할 수 있으며, 여기서 2개 이상의 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140A), 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140B), 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140C), 및 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140D)로서 개별적으로 표기될 수 있다. 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140A) 및 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140B)는 (1+x)개의 전극 구조체(110)에 플랭킹할 수 있고, 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140B) 및 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140C)는 (1+y)개의 전극 구조체(110)에 플랭킹할 수 있으며, 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140C) 및 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140D)는 (1+z)개의 전극 구조체(110)에 플랭킹할 수 있고, 여기서 임의의 2개의 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140A 내지 140D) 사이의 전극 구조체들(110)의 총량(즉, x, y, 또는 z)은 동일하지 않고(즉, x ≠ y ≠ z), 비-부착된 상대 전극 전류 컬렉터들(140)에 의해 추가로 분리될 수 있다. 대안적으로 말하면, 임의의 수의 상대 전극 전류 컬렉터(140)가, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있으며, 그로써 임의의 2개의 부착된 상대 전극 전류 컬렉터(140)는 비-부착된 상대 전극 전류 컬렉터들(140)에 의해 분리된 임의의 비동등 수의 전극 구조체(110)를 포함할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 다른 예시적인 비대칭 또는 랜덤한 부착 패턴들이 생각되어 왔다.
이제 도 10을 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한 적층 방향 D의 표기를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 10은, 앞서 기술된 바와 같이, 글루(182)를 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 166)을 갖는, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하고 있다. 게다가, 일 실시예에서, 글루(182)를 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)이 예시되어 있다. 보다 구체적으로는, 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 구근형(bulbous) 또는 도그본 형상의(dogbone shaped) 단면을 포함할 수 있다. 대안적으로 말하면, 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 상대 전극 백본(141)의 상부(1072)와 하부(1074) 사이의 중간지점 근방에서의 전류 컬렉터(140)의 폭에 비해 상대 전극 백본(141)의 상부(1072)와 하부(1074) 근방에서 증가된 전류 컬렉터(140)의 폭을 가질 수 있다. 즉, 전류 컬렉터(140)의 상부 가까이에서의 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 폭의 구근형 단면은 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 중앙을 향해 테이퍼링될 수 있고, 또다시 증가하여 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 하부 가까이에서 구근형 단면을 제공한다. 그에 따라, 글루(182)의 도포는, 앞서 기술된 바와 같이, 상대 전극 전류 컬렉터(140)의 구근형 또는 도그본 부분들을 둘러싸고 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착시킬 수 있다. 이 실시예에서, 구근형 또는 도그본 형상의 상대 전극 전류 컬렉터(140)는, 본 명세서에 기술된 다른 실시예들과 비교하여, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 대한 증가된 부착 강도를 제공할 수 있다. 각각이 앞서 기술된 바와 같은, 대응하는 전극 갭들(1084)을 갖는 전극 구조체들(110), 및 분리막들(130)이 또한 도 10에 예시되어 있다. 게다가, 이 실시예에서, 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)이 앞서 기술된 바와 같이 대칭 또는 비대칭 패턴으로 부착될 수 있다. 게다가 또한, 이 실시예에서, 전극 구조체들(110)이, 앞서 기술된 바와 같이, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)과 접촉하지만 그에 부착되지 않을 수 있다.
글루(182)를 통해 상대 전극 구조체들(112)을 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착하기 위한 다른 모드는 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062) 내의 노치들의 사용을 포함한다. 이제 도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 분리막(130), 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한 적층 방향 D의 표기를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 11a 내지 도 11c 각각은, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하며, 여기서 각각의 제1 1차 확장 구속부(154) 및 각각의 제2 1차 확장 구속부(156)는, 앞서 기술된 바와 같이, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 도 11a 내지 도 11c 각각에 도시된 바와 같이, 비-부착된 전극 구조체들(110)은, 앞서 보다 상세히 기술된 바와 같이, 그들의 상부들과 제1 2차 확장 구속부(158) 사이에, 그리고 그들의 하부들과 제2 2차 확장 구속부(160) 사이에 전극 갭들(1084)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 11a에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 백본들(141)은 노치(1060a 및 1062a) 및 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다. 그에 따라, 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 노치들(1060a, 1062a)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 백본들(141)은 부착된 상대 전극 백본들(141)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 노치들(1060a, 1062a)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 백본들(141)은 부착된 상대 전극 백본들(141)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 비대칭 또는 랜덤한 패턴을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 노치들(1060a, 1062a)은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 노치(1060a 또는 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 25%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 추가 예로서, 일 실시예에서, 노치(1060a 또는 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 50%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 추가 예로서, 일 실시예에서, 노치(1060a 또는 1060b)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 75%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 추가 예로서, 일 실시예에서, 노치(1060a 또는 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 90%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 대안적으로 말하면, 복수의 상대 전극 백본들(141)의 각각의 멤버는 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062) 둘 다와 사실상 만나고 그 내로 연장되는 높이 HCESB를 포함할 수 있고, 노치형 실시예(notched embodiment)에서 글루(182)를 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 노치(1060a) 내로 그리고 제2 2차 확장 구속부(160)의 노치(1062a) 내로 부착될 수 있다.
게다가, 도 11a 내지 도 11c는 또한 노치형 실시예에서 복수의 상대 전극 백본들(141)을 점착시키는 것에 대한 상이한 실시예들을 묘사하고 있다. 예를 들어, 도 11a에 묘사된 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 백본들(141)은 상대 전극 백본 상부(1072) 및 상대 전극 백본 하부(1074)를 통해 점착(182)될 수 있다. 추가 예로서, 도 11b에 묘사된 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 백본들(141)은 상대 전극 백본들(141)의 측방 표면들을 통해 점착(182)될 수 있다. 추가 예로서, 도 11c에 묘사된 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 백본들(141)은 상부(1072), 하부(1074), 및 상대 전극 백본들(141)의 측방 표면들을 통해 점착(182)될 수 있다.
게다가, 글루(182)를 통해 상대 전극 구조체들(112)을 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착하기 위한 다른 모드는, 다시 말하지만, 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062) 내의 노치들(1060a 및 1062a)의 사용을 포함한다. 이제 도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 분리막(130), 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한 적층 방향 D의 표기를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 12a 내지 도 12c 각각은, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하며, 여기서 각각의 제1 1차 확장 구속부(154) 및 각각의 제2 1차 확장 구속부(156)는, 앞서 기술된 바와 같이, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 도 12a 내지 도 12c 각각에 도시된 바와 같이, 비-부착된 전극 구조체들(110)은, 앞서 보다 상세히 기술된 바와 같이, 그들의 상부들(1052)과 제1 2차 확장 구속부(158) 사이에, 그리고 그들의 하부들(1054)과 제2 2차 확장 구속부(160) 사이에 전극 갭들(1084)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 12a에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 노치(1060a 및 1062a) 및 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다. 그에 따라, 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 노치들(1060a, 1062a)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 부착된 상대 전극 전류 컬렉터들(140)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 노치들(1060a, 1062a)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 부착된 상대 전극 전류 컬렉터들(140)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 비대칭 또는 랜덤한 패턴을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 노치들(1060a, 1062a)은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 노치(1060a 또는 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 25%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 추가 예로서, 일 실시예에서, 노치(1060a 또는 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 50%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 추가 예로서, 일 실시예에서, 노치(1060a 또는 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 75%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 추가 예로서, 일 실시예에서, 노치(1060a 또는 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 90%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 대안적으로 말하면, 노치형 실시예에서 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)의 각각의 멤버는 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062) 둘 다와 사실상 만나고 그 내로 연장될 수 있고(앞서 기술된 바와 같이, 높이 HCESB와 유사함), 글루(182)를 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 노치(1060a) 내로 그리고 제2 2차 확장 구속부(160)의 노치(1062a) 내로 부착될 수 있다.
게다가, 도 12a 내지 도 12c는 또한 노치형 실시예에서 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)을 점착시키는 것에 대한 상이한 실시예들을 묘사하고 있다. 예를 들어, 도 12a에 묘사된 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 상대 전극 전류 컬렉터 상부(1486) 및 상대 전극 전류 컬렉터 하부(1488)를 통해 점착(182)될 수 있다. 추가 예로서, 도 12b에 묘사된 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 (앞서 기술된 바와 같은, 상대 전극 백본들(141)의 측방 표면들과 유사한) 상대 전극 전류 컬렉터들(140)의 측방 표면들을 통해 점착(182)될 수 있다. 추가 예로서, 도 12c에 묘사된 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 상부(1486), 하부(1488), 및 상대 전극 전류 컬렉터들(140)의 측방 표면들을 통해 점착(182)될 수 있다.
특정 실시예들에서, 인터로킹 연결(interlocking connection) 실시예를 통해, 복수의 상대 전극 백본들(141) 또는 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160) 각각에서의 슬롯을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 이제 도 13a 내지 도 13c 및 도 14를 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 분리막(130), 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한 적층 방향 D의 표기를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 13a 내지 도 13c 및 도 14 각각은, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하며, 여기서 각각의 제1 1차 확장 구속부(154) 및 각각의 제2 1차 확장 구속부(156)는, 앞서 기술된 바와 같이, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 도 13a 내지 도 13c 및 도 14 각각에 도시된 바와 같이, 비-부착된 전극 구조체들(110)은, 앞서 보다 상세히 기술된 바와 같이, 그들의 상부들(1052)과 제1 2차 확장 구속부(158) 사이에, 그리고 그들의 하부들(1054)과 제2 2차 확장 구속부(160) 사이에 전극 갭들(1084)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 13a에 도시된 일 실시예에서, 복수의 상대 전극 백본들(141)은 슬롯(1060b 및 1062b) 및 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 그에 따라, 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 슬롯들(1060b 및 1062b)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 백본들(141)은 부착된 상대 전극 백본들(141)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 슬롯들(1060b 및 1062b)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 백본들(141)은 부착된 상대 전극 백본들(141)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 비대칭 또는 랜덤한 패턴을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 인터로킹된(interlocked) 실시예에서 복수의 상대 전극 백본들(141)을 수용하기 위해, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160) 각각에서의 슬롯들(1060b 및 1062b)은, 제각기, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)를 통해 연장될 수 있다. 대안적으로 말하면, 복수의 상대 전극 백본들(141)은, 앞서 기술된 바와 같이 슬롯(1060b)을 통해, 제1 2차 확장 구속부 높이 H158 그리고, 앞서 기술된 바와 같이 슬롯(1062b)를 통해, 제2 2차 확장 구속부 높이 H160 둘 다와 만나고 그들 전체를 통해 연장되는 높이 HCESB를 포함하며, 그로 인해 인터로킹된 실시예에서 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160) 둘 모두와 인터로킹한다. 특정 실시예들에서, 글루(182)는 복수의 상대 전극 백본들(141)의 측방 표면들과 슬롯들(제각기, 1060b, 1062b) 사이의 인터로킹 연결을 부착시키거나 보강하는 데 사용될 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 13b 및 도 13c에 의해 예시된 바와 같이, 슬롯들(1060b 및 1062b)은 종횡비로 특징지어질 수 있다. 예를 들어, 도 13b에 예시된 바와 같은 특정 실시예들에서, 슬롯(1060b)은, 앞서 기술된 바와 같이, 상대 전극 백본(141)의 상부(1072)와 제1 2차 확장 구속부(158)의 외측 표면(1064) 사이의 거리로서 정의되는 제1 치수 S1, 및 상대 전극 백본(141)의 2개의 측방 표면 사이의 거리로서 정의되는 제2 치수 S2를 포함할 수 있다. 그에 따라, 예를 들어, 일 실시예에서, S1은 앞서 기술된 2차 확장 구속부 높이들 H158 및 H160과 동일하고/하거나 유사한 치수일 수 있고, 이는 차례로 상대 전극 구조체 높이 HCES와 관련하여 선택된 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, S1은 상대 전극 높이 HCES의 50% 미만일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, S1은 상대 전극 높이 HCES의 25% 미만일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, S1은, 상대 전극 높이 HCES의 5% 미만과 같은, 상대 전극 높이 HCES의 10% 미만일 수 있다. 그에 따라, 0.05 mm 내지 10 mm의 범위에 있는 상대 전극 높이 HCES에 대해, S1은 0.025 mm 내지 0.5 mm의 범위에 있는 값을 가질 수 있다. 게다가, 일 실시예에서, S2는 1 마이크로미터 이상일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, S2는 일반적으로 500 마이크로미터를 초과하지 않을 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, S2는 1 내지 약 50 마이크로미터의 범위에 있을 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 일 실시예에서, 종횡비 S1:S2는 0.05 내지 500의 범위에 있을 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 종횡비 S1:S2는 0.5 내지 100의 범위에 있을 수 있다.
게다가, 도 13c에 예시된 바와 같이, 슬롯(1062b)은, 앞서 기술된 바와 같이, 상대 전극 백본(141)의 하부(1074)와 제2 2차 확장 구속부(160)의 외측 표면(1066) 사이의 거리로서 정의되는 제1 치수 S3, 및 상대 전극 백본(141)의 2개의 측방 표면 사이의 거리로서 정의되는 제2 치수 S4를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, S3은 앞서 기술된 2차 확장 구속부 높이들 H158 및 H160과 동일하고/하거나 유사한 치수일 수 있고, 이는 차례로 상대 전극 높이 HCES와 관련하여 선택된 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, S3은 상대 전극 높이 HCES의 50% 미만일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, S3은 상대 전극 높이 HCES의 25% 미만일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, S3은, 상대 전극 높이 HCES의 5% 미만과 같은, 상대 전극 높이 HCES의 10% 미만일 수 있다. 게다가, 일 실시예에서, S2는 1 마이크로미터 이상일 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, S2는 일반적으로 500 마이크로미터를 초과하지 않을 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, S2는 1 내지 약 50 마이크로미터의 범위에 있을 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 일 실시예에서, 종횡비 S3:S4는 0.05 내지 500의 범위에 있을 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 종횡비 S3:S4는 0.5 내지 100의 범위에 있을 수 있다.
이제 도 14를 참조하면, 다른 실시예에서, 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 슬롯(1060b 및 1062b) 및 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 그에 따라, 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 슬롯들(1060b, 1062b)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 부착된 상대 전극 전류 컬렉터들(140)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 슬롯들(1060b, 1062b)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 부착된 상대 전극 전류 컬렉터들(140)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 비대칭 또는 랜덤한 패턴을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 다른 인터로킹된 실시예에서 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)을 수용하기 위해, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160) 각각에서의 슬롯들(1060b, 1062b)은, 제각기, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)를 통해 연장될 수 있다. 대안적으로 말하면, 다른 인터로킹된 실시예에서 복수의 상대 전극 전류 컬렉터들(140)은 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160) 둘 다와 사실상 만나고 그들 전체를 통해 연장될 수 있으며(앞서 기술된 바와 같이, 높이 HCESB와 유사함), 글루(182)를 통해 슬롯들(1060b 및 1062b) 내로 부착될 수 있다.
전극 구조체들을 통한 연결들
이하에서 기술되는 대안의 실시예들에서, 전극 구조체들(110)이 또한 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 독립적으로 부착될 수 있다. 이제 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 분리막(130), 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한 적층 방향 D의 표기를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 15a 및 도 15b 각각은, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하며, 여기서 각각의 제1 1차 확장 구속부(154) 및 각각의 제2 1차 확장 구속부(156)는, 앞서 기술된 바와 같이, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 도 15a 및 도 15b 각각에 도시된 바와 같이, 비-부착된 상대 전극 구조체들(112)은 그들의 상부들(1068)과 제1 2차 확장 구속부(158) 사이에, 그리고 그들의 하부들(1070)과 제2 2차 확장 구속부(160) 사이에 상대 전극 갭들(counter-electrode gaps)(1086)을 포함할 수 있다. 대안적으로 말하면, 특정 실시예들에서, 각각의 상대 전극 구조체(112)의 상부(1068) 및 하부(1070)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 사이에 갭(1086)을 가질 수 있다. 게다가, 도 15a 및 도 15b에 또한 도시된 특정 실시예들에서, 상대 전극 구조체(112)의 상부(1068)는 제1 2차 확장 구속부(158)와 접촉하지만 그에 부착되지 않을 수 있고, 상대 전극 구조체(112)의 하부(1070)는 제2 2차 확장 구속부(160)와 접촉하지만 그에 부착되지 않을 수 있거나, 또는 상대 전극 구조체(112)의 상부(1068)는 제1 2차 확장 구속부(158)와 접촉하지만 그에 부착되지 않을 수 있고, 상대 전극 구조체(112)의 하부(1070)는 제2 2차 확장 구속부(160)와 접촉하지만 그에 부착되지 않을 수 있다(예시되지 않음).
보다 구체적으로는, 도 15a에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 복수의 전극 백본들(134)은 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 전극 백본들(134)은 부착된 전극 백본들(134)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 전극 백본들(134)은 부착된 상대 전극 백본들(134)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 비대칭 또는 랜덤한 패턴을 포함할 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개의 전극 백본(134)을 포함할 수 있고, 여기서 2개의 부착된 전극 백본(134)은 하나의 상대 전극 구조체(112)에 플랭킹한다. 그에 따라, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개의 전극 백본(134)을 포함할 수 있고, 2개의 부착된 전극 백본(134)은 2개 이상의 상대 전극 구조체(112) 및 하나 이상의 비-부착된 전극 백본(134)에 플랭킹한다. 그에 따라, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 다른 예시적인 대칭 부착 패턴 유닛들이 생각되어 왔다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 비대칭 또는 랜덤한 부착 패턴은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개 이상의 전극 백본(134)을 포함할 수 있으며, 여기서 2개 이상의 부착된 전극 백본(134)은 부착된 전극 백본(134A), 부착된 전극 백본(134B), 부착된 전극 백본(134C), 및 부착된 전극 백본(134D)으로서 개별적으로 표기될 수 있다. 부착된 전극 백본(134A) 및 부착된 전극 백본(134B)은 (1+x)개의 상대 전극 구조체(112)에 플랭킹할 수 있고, 부착된 전극 백본(134B) 및 부착된 전극 백본(134C)은 (1+y)개의 상대 전극 구조체(112)에 플랭킹할 수 있으며, 부착된 전극 백본(134C) 및 부착된 전극 백본(134D)은 (1+z)개의 상대 전극 구조체(112)에 플랭킹할 수 있고, 여기서 임의의 2개의 부착된 전극 백본(134A 내지 134D) 사이의 상대 전극 구조체들(112)의 총량(즉, x, y, 또는 z)은 동일하지 않고(즉, x ≠ y ≠ z), 비-부착된 전극 백본들(134)에 의해 추가로 분리될 수 있다. 대안적으로 말하면, 임의의 수의 전극 백본(134)이, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있으며, 그로써 임의의 2개의 부착된 전극 백본(134)은 비-부착된 전극 백본들(134)에 의해 분리된 임의의 비동등 수의 상대 전극 구조체(112)를 포함할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 다른 예시적인 비대칭 또는 랜덤한 부착 패턴들이 생각되어 왔다.
보다 구체적으로는, 도 15b에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 부착된 전극 전류 컬렉터들(136)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 부착된 전극 전류 컬렉터들(136)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 비대칭 또는 랜덤한 패턴을 포함할 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개의 전극 전류 컬렉터(136)를 포함할 수 있고, 여기서 2개의 부착된 전극 전류 컬렉터(136)는 하나의 상대 전극 구조체(112)에 플랭킹한다. 그에 따라, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개의 전극 전류 컬렉터(136)를 포함할 수 있고, 2개의 부착된 전극 전류 컬렉터(136)는 2개 이상의 상대 전극 구조체(112) 및 하나 이상의 비-부착된 전극 전류 컬렉터(136)에 플랭킹한다. 그에 따라, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102) 및 그들의 의도된 용도(들)에 따라서 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 다른 예시적인 대칭 부착 패턴 유닛들이 생각되어 왔다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 비대칭 또는 랜덤한 부착 패턴은, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착된 2개 이상의 전극 전류 컬렉터(136)를 포함할 수 있으며, 여기서 2개 이상의 부착된 전극 전류 컬렉터(136)는 부착된 전극 전류 컬렉터(136A), 부착된 전극 전류 컬렉터(136B), 부착된 전극 전류 컬렉터(136C), 및 부착된 전극 전류 컬렉터(136D)로서 개별적으로 표기될 수 있다. 부착된 전극 전류 컬렉터(136A) 및 부착된 전극 전류 컬렉터(136B)는 (1+x)개의 상대 전극 구조체(112)에 플랭킹할 수 있고, 부착된 전극 전류 컬렉터(136B) 및 부착된 전극 전류 컬렉터(136C)는 (1+y)개의 상대 전극 구조체(112)에 플랭킹할 수 있으며, 부착된 전극 전류 컬렉터(136C) 및 부착된 전극 전류 컬렉터(136D)는 (1+z)개의 상대 전극 구조체(112)에 플랭킹할 수 있고, 여기서 임의의 2개의 부착된 전극 전류 컬렉터(136A 내지 136D) 사이의 상대 전극 구조체들(112)의 총량(즉, x, y, 또는 z)은 동일하지 않고(즉, x ≠ y ≠ z), 비-부착된 전극 전류 컬렉터들(136)에 의해 추가로 분리될 수 있다. 대안적으로 말하면, 임의의 수의 전극 전류 컬렉터(136)가, 상기와 같이, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있으며, 그로써 임의의 2개의 부착된 전극 전류 컬렉터(136)는 비-부착된 전극 전류 컬렉터들(136)에 의해 분리된 임의의 비동등 수의 상대 전극 구조체(112)를 포함할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 다른 예시적인 비대칭 또는 랜덤한 부착 패턴들이 생각되어 왔다.
글루(182)를 통해 전극 구조체들(110)을 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착하기 위한 다른 모드는 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062) 내의 노치들(1060a, 1062a)의 사용을 포함한다. 이제 도 16a 내지 도 16c를 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 분리막(130), 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한 적층 방향 D의 표기를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 16a 내지 도 16c 각각은, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하며, 여기서 각각의 제1 1차 확장 구속부(154) 및 각각의 제2 1차 확장 구속부(156)는, 앞서 기술된 바와 같이, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 도 16a 내지 도 16c 각각에 도시된 바와 같이, 비-부착된 상대 전극 구조체들(112)은, 앞서 보다 상세히 기술된 바와 같이, 그들의 상부들(1068)과 제1 2차 확장 구속부(158) 사이에, 그리고 그들의 하부들(1070)과 제2 2차 확장 구속부(160) 사이에 상대 전극 갭들(1086)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 16a에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 노치(1060a 및 1062a) 및 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062)에 부착될 수 있다. 그에 따라, 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 노치들(1060a, 1062a)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 부착된 전극 전류 컬렉터들(136)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 노치들(1060a, 1062a)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 부착된 전극 전류 컬렉터들(136)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 비대칭 또는 랜덤한 패턴을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 노치들(1060a, 1062a)은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 노치(1060a, 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 25%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 추가 예로서, 일 실시예에서, 노치(1060a, 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 50%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 추가 예로서, 일 실시예에서, 노치(1060a, 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 75%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 추가 예로서, 일 실시예에서, 노치(1060a, 1062a)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)의 높이의 90%인 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 내에서의 깊이를 가질 수 있다(즉, 이 실시예에서의 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 높이들은, 앞서 기술된 바와 같은, H158 및 H160과 유사할 수 있다). 대안적으로 말하면, 노치형 실시예에서 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)의 각각의 멤버는 제1 2차 확장 구속부(158)의 내측 표면(1060) 및 제2 2차 확장 구속부(160)의 내측 표면(1062) 둘 다와 사실상 만나고 그들 내로 연장될 수 있으며(앞서 기술된 바와 같이, 높이 HCESB와 유사함), 글루(182)를 통해 제1 2차 확장 구속부(158)의 노치(1060a) 내로 그리고 제2 2차 확장 구속부(160)의 노치(1062a) 내로 부착될 수 있다.
게다가, 도 16a 내지 도 16c는 또한 노치형 실시예에서 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)을 점착시키는 것에 대한 상이한 실시예들을 묘사하고 있다. 예를 들어, 도 16a에 묘사된 일 실시예에서, 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 전극 전류 컬렉터 상부(1892) 및 전극 전류 컬렉터 하부(1894)를 통해 점착(182)될 수 있다. 추가 예로서, 도 16b에 묘사된 일 실시예에서, 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 (앞서 기술된 바와 같은, 전극 백본들(134)의 측방 표면들과 유사한) 전극 전류 컬렉터들(136)의 측방 표면들을 통해 점착(182)될 수 있다. 추가 예로서, 도 16c에 묘사된 일 실시예에서, 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 상부(1892), 하부(1894), 및 전극 전류 컬렉터들(136)의 측방 표면들을 통해 점착(182)될 수 있다.
특정 실시예들에서, 인터로킹 연결 실시예를 통해, 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160) 각각에서의 슬롯(1060b, 1062b)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 이제 도 17을 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 분리막(130), 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한 적층 방향 D의 표기를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 17은, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하며, 여기서 제1 1차 확장 구속부(154) 및 제2 1차 확장 구속부(156)는, 앞서 기술된 바와 같이, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 도 17에 도시된 바와 같이, 비-부착된 상대 전극 구조체들(112)은, 앞서 보다 상세히 기술된 바와 같이, 그들의 상부들(1068)과 제1 2차 확장 구속부(158) 사이에, 그리고 그들의 하부들(1070)과 제2 2차 확장 구속부(160) 사이에 상대 전극 갭들(1086)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 17에 도시된 일 실시예에서, 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 슬롯(1060b 및 1062b) 및 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 그에 따라, 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 슬롯들(1060b, 1062b)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 부착된 전극 전류 컬렉터들(136)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 슬롯들(1060b, 1062b)을 통해 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 부착된 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 부착된 전극 전류 컬렉터들(136)과 관련하여 점착축 AG를 중심으로 한 비대칭 또는 랜덤한 패턴을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 인터로킹된 실시예에서 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)을 수용하기 위해, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160) 각각에서의 슬롯들(1060b, 1062b)은, 제각기, 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)를 통해 연장될 수 있다. 대안적으로 말하면, 다른 인터로킹된 실시예에서 복수의 전극 전류 컬렉터들(136)은 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160) 둘 다와 사실상 만나고 그들 전체를 통해 연장될 수 있으며(앞서 기술된 바와 같이, 높이 HCESB와 유사함), 글루(182)를 통해 슬롯들(1060b 및 1062b) 내로 부착될 수 있다.
1차 확장 구속부들을 통한 연결들
다른 실시예에서, 구속된 전극 어셈블리(106)는 전극 구속부들의 세트(108)를 포함할 수 있고, 여기서 2차 연결 부재(166)는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)을 포함하고, 앞서 기술된 바와 같이, 종방향(즉, Y 축을 따라서) 및/또는 적층 방향 D, 및 수직 방향(즉, Z 축을 따라서) 둘 다에서 동시에 전극 어셈블리(106)의 확장을 여전히 저지한다. 이제 도 18a 및 도 18b를 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 분리막(130), 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한 적층 방향 D의 표기를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 18a 및 도 18b 각각은, 1차 확장 구속 시스템(151)의 일 실시예 및 2차 확장 구속 시스템(152)의 일 실시예 둘 다를 포함한, 전극 구속부들의 세트(108)의, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하고 있다. 1차 확장 구속 시스템(151)은, 앞서 기술된 바와 같은, 제1 1차 확장 구속부(154) 및 제2 1차 확장 구속부(156), 그리고, 앞서 기술된 바와 같은, 제1 1차 연결 부재(162) 및 제2 1차 연결 부재(164)를 포함한다. 2차 확장 구속 시스템(152)은 제1 2차 확장 구속부(158), 제2 2차 확장 구속부(160), 및 제1 1차 확장 구속부(154) 및/또는 제2 1차 확장 구속부(156)로서 구체화된 2차 연결 부재(166)를 포함하고; 따라서, 이 실시예에서, 2차 연결 부재(166), 제1 1차 확장 구속부(154), 및 제2 1차 확장 구속부(156)는 상호교환가능하다. 게다가, 이 실시예에서, 제1 1차 연결 부재(162)와 제1 2차 확장 구속부(158)는, 앞서 기술된 바와 같이, 상호교환가능하다. 게다가 또한, 이 실시예에서, 제2 1차 연결 부재(164)와 제2 2차 확장 구속부(160)는, 앞서 기술된 바와 같이, 상호교환가능하다.
제1 1차 확장 구속부(154) 및 제2 1차 확장 구속부(156)는, 앞서 기술된 바와 같이, 글루 층(182)을 통해 제1 2차 확장 구속부(158) 및 제2 2차 확장 구속부(160)에 부착될 수 있다. 대안적으로 말하면, 도 18a 및 도 18b에 도시된 실시예들에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 혼성된 실시예에서 제1 2차 확장 구속부(158)일 수 있는 제1 1차 연결 부재(162), 및 혼성된 실시예에서 제2 2차 확장 구속부(160)일 수 있는 제2 1차 연결 부재(164)를 포함한다. 이에 따라, 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164)은 종방향에서의 확장을 저지할 때 장력을 받을 수 있고, 또한 수직 방향에서의 확장을 저지할 때 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)(즉, 압축 부재들)로서 기능할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 18a에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 비-부착된 전극 구조체들(110) 및 비-부착된 상대 전극 구조체들(1128)는, 앞서 상세히 기술된 바와 같이, 그들의 상부들(즉, 제각기, 1052 및 1068) 각각과 제1 2차 확장 구속부(158) 사이에 그리고 그들의 하부들(즉, 제각기, 1054 및 1070)과 제2 2차 확장 구속부(160) 사이에 대응하는 전극 갭들(1084) 및 대응하는 상대 전극 갭들(1086)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 18b에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 전극 구속부들의 세트(108)는 혼성된 제1 2차 확장 구속부(158)/제1 1차 연결 부재(162) 및 혼성된 제2 2차 확장 구속부(160)/제2 1차 연결 부재(164) 둘 다에 인접한 제2 분리막(130a)을 추가로 포함한다.
융착형 구속 시스템
일부 실시예들에서, 전극 구속부들의 세트(108)가 함께 융착될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)이 2차 확장 구속 시스템(152)과 융착될 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 2차 확장 구속 시스템(152)이 1차 확장 구속 시스템(151)과 융착될 수 있다. 대안적으로 말하면, 단일체 타입 시스템(unibody-type system)에서 1차 확장 구속 시스템(151)의 양태들(예컨대, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156))은 2차 확장 구속 시스템(152)의 양태들(예컨대, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160))과 공존할 수 있다(즉, 융착될 수 있다). 이제 도 19를 참조하면, 수직축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있음 - ; 분리막(130), 및, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한 적층 방향 D의 표기를 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 19는, 2차 확장 구속 시스템(152)의 일 실시예와 융착된 1차 확장 구속 시스템(151)의 일 실시예를 포함한, 융착된 전극 구속부(108)의, 도 1에서와 같은 라인 A-A'을 따른, 단면을 도시하고 있다.
일 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132) 및 전극 전류 컬렉터(136)를 갖는 전극 집단(110)의 멤버들이 도 19에 추가로 예시되어 있다. 이와 유사하게, 일 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138) 및 상대 전극 전류 컬렉터(140)를 갖는 상대 전극 집단(112)의 멤버들이 도 19에 예시되어 있다. 예시의 편의를 위해, 전극 집단(110)의 2개의 멤버 및 상대 전극 집단(112)의 3개의 멤버만이 묘사되어 있지만; 실제로, 본 명세서에서의 발명 주제를 사용하는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102)는, 앞서 기술된 바와 같이, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 이차 배터리(102)의 응용분야에 따라 전극 집단(110) 및 상대 전극 집단(112)의 부가의 멤버들을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는, 도 19의 융착된 실시예에 예시된 바와 같이, 2차 연결 부재(166)는, 앞서 기술된 바와 같이, 전극 및/또는 상대 전극 백본들(제각기, 134, 141)로서 구체화될 수 있지만, 각각이, 앞서 기술된 바와 같이, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160) 각각에 융착될 수 있다. 이와 유사하게, 제1 1차 확장 구속부(154) 및 제2 1차 확장 구속부(156)는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)에 융착될 수 있으며, 그로써 궁극적으로 융착된 또는 단일체 구속부(108)를 형성할 수 있다.
이차 배터리
이제 도 20을 참조하면, 본 개시내용의 복수의 전극 구속부 세트들(108a)을 갖는 이차 배터리(102)의 일 실시예의 분해도가 예시되어 있다. 이차 배터리(102)는 배터리 인클로저(104) 및 배터리 인클로저(104) 내의 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 포함하며, 전극 어셈블리들(106) 각각은, 앞서 기술된 바와 같이, 제1 종방향 단부 표면(116), 대향하는 제2 종방향 단부 표면(118)(즉, 도시된 직교 좌표계의 Y 축을 따라서 제1 종방향 단부 표면(116)으로부터 분리됨)을 포함한다. 각각의 전극 어셈블리(106)는 적층 방향 D로 전극 어셈블리들(106) 각각 내에서 서로에 대해 적층된, 전극 구조체들의 집단(110) 및 상대 전극 구조체의 집단(112)을 포함하고; 달리 말하면, 전극 구조체들의 집단(110) 및 상대 전극 구조체들의 집단(112)은 전극들(110)과 상대 전극들(112)의 교대하는 시리즈(series)로 배열되고, 이 시리즈는, 앞서 기술된 바와 같이, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118) 사이에서 적층 방향 D로 나아간다(예컨대, 도 2a를 참조; 도 2a 및 도 20에 예시된 바와 같이, 적층 방향 D는 도시된 직교 좌표계(들)의 Y 축과 평행하다). 그에 부가하여, 개별 전극 어셈블리(106) 내에서의 적층 방향 D는 세트(106a) 내의 전극 어셈블리들(106)의 집합체의 적층 방향(즉, 전극 어셈블리 적층 방향)에 수직이며; 달리 말하면, 전극 어셈블리들(106)은 개별 전극 어셈블리(106) 내에서의 적층 방향 D에 수직인 방향으로 세트(106a) 내에서 서로에 대해 배치된다(예컨대, 전극 어셈블리 적층 방향은 도시된 직교 좌표계의 Z 축 방향에 대응하는 방향으로 있는 반면, 개별 전극 어셈블리들(106) 내에서의 적층 방향 D는 도시된 직교 좌표계의 Y 축에 대응하는 방향으로 있다).
도 20에 도시된 실시예에 묘사된 전극 어셈블리들의 세트(106a)는 동일한 일반 크기를 갖는 개별 전극 어셈블리들(106)을 포함하지만, 개별 전극 어셈블리들(106) 중 하나 이상은 또한 그리고/또는 대안적으로 세트(106a) 내의 다른 전극 어셈블리들(106)과, 그의 적어도 하나의 차원에서, 상이한 크기들을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면, 이차 배터리(102)에 제공되는 세트(106a)를 형성하기 위해 함께 적층되는 전극 어셈블리들(106)은 각각의 어셈블리(106)의 종방향(즉, 적층 방향 D)으로 상이한 최대 폭들 WEA를 가질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 이차 배터리(102)에 제공되는 적층된 세트(106a)를 이루고 있는 전극 어셈블리들(106)은 종축에 직교하는 횡축을 따라서 상이한 최대 길이들 LEA를 가질 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 이차 배터리(102)에 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 형성하기 위해 함께 적층되는 각각의 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리들(106)이 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 형성하기 위해 함께 적층되는 방향을 따라서 감소하는 LEA x WEA의 면적을 제공하도록 선택되는 종축을 따른 최대 폭 WEA 및 횡축을 따른 최대 길이 LEA를 갖는다. 예를 들어, 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 갖는 이차 배터리(102)를 피라미드 형상으로 형성하기 위해 전극 어셈블리들(106)이 함께 적층되도록, 각각의 전극 어셈블리(106 )의 최대 폭 WEA 및 최대 길이 LEA는 어셈블리들(106)이 적층되는 제1 방향에서는 그것에 인접한 전극 어셈블리(106)의 것보다 더 작도록, 그리고 제1 방향과 반대인 제2 방향에서는 그것에 인접하는 전극 어셈블리(106)의 것보다 더 크도록 선택될 수 있다. 대안적으로, 각각의 전극 어셈블리(106)에 대한 최대 길이들 LEA 및 최대 폭들 WEA는 적층된 전극 어셈블리 세트(106a)에 대한 상이한 형상들 및/또는 구성들을 제공하도록 선택될 수 있다. 전극 어셈블리들(106) 중 하나 이상에 대한 최대 수직 높이 HEA는 또한 그리고/또는 대안적으로 세트(106a) 내의 다른 어셈블리들(106)과 상이하도록 그리고/또는 미리 결정된 형상 및/또는 구성을 갖는 적층된 세트(106a)를 제공하도록 선택될 수 있다.
탭들(190, 192)은 배터리 인클로저(104) 밖으로 돌출하고, 세트(106a)의 전극 어셈블리들(106)과 에너지 공급원 또는 소비자(도시되지 않음) 사이의 전기적 연결을 제공한다. 보다 구체적으로는, 이 실시예에서, 탭(190)은 (예컨대, 전기 전도성 글루(electrically conductive glue)를 사용하여) 탭 연장부(191)에 전기적으로 연결되고, 탭 연장부(191)는 전극 어셈블리들(106) 각각에 포함된 전극들(110)에 전기적으로 연결된다. 이와 유사하게, 탭(192)은 (예컨대, 전기 전도성 글루(electrically conductive glue)를 사용하여) 탭 연장부(193)에 전기적으로 연결되고, 탭 연장부(193)는 전극 어셈블리들(106) 각각에 포함된 상대 전극들(112)에 전기적으로 연결된다.
도 20에 예시된 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(106)는 종방향(즉, 적층 방향 D)에서의 팽창을 저지하기 위해 관련 1차 확장 구속 시스템(151)을 갖는다. 대안적으로, 일 실시예에서, 세트(106a)를 이루고 있는 복수의 전극 어셈블리들(106)은 1차 확장 구속 시스템(151)의 적어도 일부분을 공유할 수 있다. 도시된 바와 같은 실시예에서, 각각의 1차 확장 구속 시스템(151)은, 앞서 기술된 바와 같이, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118) 위에 놓일 수 있는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156); 및 앞서 기술된 바와 같이, 측방 표면들(142) 위에 놓일 수 있는 제1 및 제2 대향하는 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164)을 포함한다. 제1 및 제2 대향하는 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164)은 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)을 서로를 향해 당기거나, 대안적으로 말하면, 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지하는 것을 보조할 수 있고, 1차 확장 구속부들(154, 156)은 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(제각기, 116, 118)에 압축력 또는 저지력(compressive or restraint force)을 인가할 수 있다. 그 결과, 배터리(102)의 형성 및/또는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 배터리(102)의 사이클링 동안 종방향에서의 전극 어셈블리(106)의 팽창이 억제된다. 부가적으로, 1차 확장 구속 시스템(151)은 서로 상호 수직이고 종방향에 수직인 2개의 방향 중 어느 한 방향으로 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 초과하는 종방향(즉, 적층 방향 D)으로의 전극 어셈블리(106)에 대한 압력을 가한다(예컨대, 예시된 바와 같이, 종방향은 Y 축의 방향에 대응하고, 서로 상호 수직이고 종방향에 수직인 2개의 방향은 예시된 직교 좌표계의 X 축 및 Z 축의 방향들에, 제각기, 대응한다).
게다가, 도 20에 예시된 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(106)는 수직 방향에서의 확장(즉, 수직 방향에서의(즉, 직교 좌표계의 Z 축을 따른) 전극 어셈블리(106), 전극들(110), 및/또는 상대 전극들(112)의 팽창)을 저지하기 위한 관련 2차 확장 구속 시스템(152)을 갖는다. 대안적으로, 일 실시예에서, 세트(106a)를 이루고 있는 복수의 전극 어셈블리들(106)은 2차 확장 구속 시스템(152)의 적어도 일부분을 공유한다. 각각의 2차 확장 구속 시스템(152)은 대응하는 측방 표면들(142) 위에, 제각기, 놓일 수 있는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160), 및 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)를 포함하며, 각각은 앞서 보다 상세히 기술되어 있다. 2차 연결 부재들(166)은 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)을 서로를 향해 당기거나, 대안적으로 말하면, 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 확장을 저지하는 것을 보조할 수 있고, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(제각기, 158, 160)은 측방 표면들(142)에 압축력 또는 저지력을 인가할 수 있으며, 각각은 앞서 보다 상세히 기술되어 있다. 그 결과, 배터리(102)의 형성 및/또는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 배터리(102)의 사이클링 동안 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 팽창이 억제된다. 부가적으로, 2차 확장 구속 시스템(152)은 서로 상호 수직이고 수직 방향에 수직인 2개의 방향 중 어느 한 방향으로 전극 어셈블리(106)에 대해 유지되는 압력을 초과하는 수직 방향(즉, 직교 좌표계의 Z 축에 평행함)으로의 전극 어셈블리(106)에 대한 압력을 가한다(예컨대, 예시된 바와 같이, 수직 방향은 Z 축의 방향에 대응하고, 서로 상호 수직이고 수직 방향에 수직인 2개의 방향은 예시된 직교 좌표계의 X 축 및 Y 축의 방향들에, 제각기, 대응한다).
게다가 또한, 도 20에 예시된 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(106)는, 앞서 보다 상세히 기술된 바와 같이, 종방향 및 수직 방향에서의 확장을 저지하기 위한 관련 1차 확장 구속 시스템(151) - 및 관련 2차 확장 구속 시스템(152) - 을 갖는다. 게다가, 특정 실시예들에 따르면, 전극 및/또는 상대 전극 탭들(제각기, 190, 192) 및 탭 연장부들(191, 193)은 3차 확장 구속 시스템(155)의 일부로서 역할할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 탭 연장부들(191, 193)은, 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(157, 159)과 같은, 3차 구속 시스템(155)의 일부로서 기능하도록 대향하는 횡방향 표면 영역들(144, 146)을 따라서 연장될 수 있다. 1차 확장 구속부들(154, 156)이 전극 어셈블리(106)를 횡방향을 따라서 압축(compress)하기 위해 탭 연장부들(191, 193)을 서로 장력을 받게 하는 적어도 하나의 3차 연결 부재(165)로서 역할하고, 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(제각기, 157, 159)로서 기능하도록, 탭 연장부들(191, 193)은 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117, 119)에서 1차 확장 구속부들(154, 156)에 연결될 수 있다. 이와 달리, 탭들(190, 192) 및/또는 탭 연장부들(191, 193)이 또한, 일 실시예에 따라, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(제각기, 154, 156)에 대한 제1 및 제2 1차 연결 부재들(제각기, 162, 164)로서 역할할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 2차 확장 구속부들(158, 160)을 연결시키는 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)의 일부를 형성하는 것에 의하는 것과 같이, 탭들(190, 192) 및/또는 탭 연장부들(191, 193)이 2차 확장 구속 시스템(152)의 일부로서 역할할 수 있다. 그에 따라, 탭들(190, 192) 및/또는 탭 연장부들(191, 193)은 1차 및 2차 구속 시스템들(제각기, 151, 152) 중 하나 이상의 일부로서 역할하는 것, 및/또는 1차 및 2차 확장 구속 시스템들(제각기, 151, 152) 중 하나 이상에 의해 구속되는 방향에 직교하는 방향에서 전극 어셈블리(106)를 구속하기 위해 3차 확장 구속 시스템(155)의 일부를 형성하는 것 중 어느 하나에 의해 전극 어셈블리(106)의 전체적인 거시적 확장을 저지하는 것을 보조할 수 있다.
이차 배터리(102)의 조립을 완료하기 위해, 배터리 인클로저(104)는 비-수성 전해질(도시되지 않음)로 충전되고(filled) 리드(lid)(104a)는 (접힘 선(FL)을 따라서) 상부 표면(104b) 위로 폴딩되어 상부 표면(104b)에 실링(seal)된다. 완전하게 조립될 때, 실링된 이차 배터리(102)는 그의 외측 표면들에 의해 경계지어지는 체적(즉, 변위 체적)을 점유하고, 이차 배터리 인클로저(104)는 (리드(104a)를 포함하는) 배터리의 변위 체적에 대응하는 체적에서 그의 내부 체적(interior volume)(즉, 내측 표면들(104c, 104d, 104e, 104f, 104g) 및 리드(104a)에 의해 경계지어지는 프리즘 체적)을 뺀 것을 점유하며, 세트(106a)의 각각의 확장 구속부(151, 152)는 그 각자의 변위 체적에 대응하는 체적을 점유한다. 조합하여, 따라서, 배터리 인클로저(104) 및 확장 구속부들(151, 152)은 배터리 인클로저(104)의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적(즉, 배터리의 변위 체적)의 75% 이하를 점유한다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 확장 구속부들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저(104)의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 60% 이하를 점유한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저(104)의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 45% 이하를 점유한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저(104)의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 30% 이하를 점유한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 20% 이하를 점유한다.
도 20에서 예시의 편의를 위해, 이차 배터리(102)는 전극 어셈블리들(106)의 하나의 세트(106a)만을 포함하고, 세트(106a)는 6개의 전극 어셈블리(106)만을 포함한다. 실제로, 이차 배터리(102)는 하나 초과의 전극 어셈블리 세트(106a)를 포함할 수 있으며, 세트들(106a) 각각은 서로에 대해 측방으로(예컨대, 도 20의 직교 좌표계의 X-Y 평면 내에 놓이는 상대 방향(relative direction)으로) 또는 서로에 대해 수직으로(예컨대, 도 20의 직교 좌표계의 Z 축에 실질적으로 평행한 방향으로) 배치된다. 부가적으로, 이 실시예들 각각에서, 전극 어셈블리 세트들(106a) 각각은 하나 이상의 전극 어셈블리(106)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 이차 배터리(102)는 1개, 2개, 또는 그 이상의 전극 어셈블리 세트(106a)를 포함할 수 있고, 각각의 그러한 세트(106a)는 하나 이상의 전극 어셈블리(106)(예컨대, 각각의 그러한 세트(106a) 내의 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 10개, 15개, 또는 그 이상의 전극 어셈블리(106))를 포함하며, 배터리(102)가 2개 이상의 그러한 세트(106a)를 포함할 때, 세트들(106a)은 이차 배터리(102)에 포함된 다른 전극 어셈블리 세트들(106a)에 대해 측방으로 또는 수직으로 배치될 수 있다. 이 다양한 실시예들 각각에서, 각각의 개별 전극 어셈블리(106)는, 앞서 기술된 바와 같이, 그 자신의 확장 구속부(들)를 가질 수 있고(즉, 전극 어셈블리들(106)과 구속부들(151, 152) 사이의 1:1 관계), 2개 이상의 전극 어셈블리(106)는, 앞서 기술된 바와 같은, 공통 확장 구속부(들)(151, 152)(즉, 2개 이상의 전극 어셈블리(106)에 대한 구속부들의 세트(108))를 가질 수 있거나, 2개 이상의 전극 어셈블리(106)는 확장 구속부(들)(151, 152)의 컴포넌트들을 공유할 수 있다(즉, 앞서 기술된 바와 같이, 2개 이상의 전극 어셈블리(106)는, 예를 들어, 융착된 실시예에서와 같이, 공통 압축 부재(예컨대, 제2 2차 확장 구속부(158)) 및/또는 인장 부재들(166)을 가질 수 있다).
다른 배터리 컴포넌트들
특정 실시예들에서, 앞서 기술된 바와 같이, 1차 확장 구속 시스템(151) 및 2차 확장 구속 시스템(152)을 포함하는, 전극 구속부들의 세트(108)는, 예를 들어, 도 20에 도시된 바와 같이, 길이 L1, 폭 W1, 및 두께 t1을 갖는 시트(2000)로부터 얻어질(derived) 수 있다. 보다 구체적으로는, 1차 확장 구속 시스템(151)을 형성하기 위해, 시트(2000)가 전극 어셈블리(106)를 인클로징하기 위해 전극 어셈블리(106)에 랩어라운드되고 에지들(2001)에서 폴딩될 수 있다. 대안적으로, 일 실시예에서, 시트(2000)는 전극 어셈블리 세트(106a)를 형성하도록 적층되는 복수의 전극 어셈블리들(106)에 랩어라운드될 수 있다. 시트의 에지들은 서로 오버랩할 수 있고, 제1 1차 확장 구속부(154) 및 제2 1차 확장 구속부(156)를 포함하는 1차 확장 구속 시스템(151), 및 제1 1차 연결 부재(162) 및 제2 1차 연결 부재(164)를 형성하기 위해 서로에 용접, 점착, 또는 다른 방식으로 고정된다. 이 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 시트(2000)의 변위 체적(즉, L1, W1 및 t1의 곱셈 곱(multiplication product))에 대응하는 체적을 갖는다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 1차 연결 부재는 부재가 장력을 받도록 하기 위해 적층 방향 D으로 신장되고, 이는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들에 의해 압축력이 가해지게 한다. 대안적으로, 적어도 하나의 2차 연결 부재는 부재가 장력을 받도록 하기 위해 제2 방향으로 신장될 수 있고, 이는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들에 의해 압축력이 가해지게 한다. 대안의 실시예에서, 연결 부재들이 장력을 받도록 하기 위해 그들을 신장시키는 대신에, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들 중 하나 이상의 연결 부재들 및/또는 확장 구속부들 또는 다른 부분이 전극 어셈블리 위에 그리고/또는 전극 어셈블리 내에 설치되기 전에 프리텐셔닝될 수 있다. 다른 대안의 실시예에서, 1차 및 2차 확장 구속 시스템들 중 하나 이상의 연결 부재들 및/또는 확장 구속부들 및/또는 다른 부분들이 전극 어셈블리 내에 그리고/또는 전극 어셈블리 위에 설치될 때 처음에는 장력을 받지 않지만, 오히려 배터리의 형성이 전극 어셈블리를 팽창시키고 연결 부재들 및/또는 확장 구속부들과 같은 1차 및/또는 2차 확장 구속 시스템들의 부분들에 장력을 유도한다. (즉, 자기 텐셔닝(self-tensioning)).
시트(2000)는 전극 어셈블리(106)에 원하는 힘을 인가할 수 있는 광범위한 상용성 재료들(compatible materials) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 1차 확장 구속 시스템(151)은 전형적으로, 10,000 psi 이상(70 MPa 초과)의 최대 인장 강도를 가지며, 배터리 전해질과 상용성이 있고, 배터리(102)의 부동 또는 애노드 전위에서 상당히 부식되지는 않으며, 45°C, 그리고 심지어 최대 70°C에서 상당히 반응하지는 않거나 기계적 강도를 상실하지는 않는, 재료를 포함할 것이다. 예를 들어, 1차 확장 구속 시스템(151)은 광범위한 금속들, 합금들, 세라믹들, 유리, 플라스틱들, 또는 이들의 조합(즉, 복합재(composite)) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 스테인리스강(예컨대, SS 316, 440C 또는 440C 경질(hard)), 알루미늄(예컨대, 알루미늄 7075-T6, 경질 H18), 티타늄(예컨대, 6Al-4V), 베릴륨, 베릴륨 구리(경질), 구리(O2 미포함(O2 free), 경질), 니켈과 같은 금속을 포함하지만; 일반적으로 1차 확장 구속 시스템(151)이 금속을 포함할 때, 부식을 제한하고 전극들(110)과 상대 전극들(112) 사이에 전기적 단락을 생성하는 것을 제한하는 방식으로 그것이 혼입되는 것이 일반적으로 바람직하다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 알루미나(예컨대, 소결(sintered) 또는 Coorstek AD96), 지르코니아(예컨대, Coorstek YZTP), 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia)(예컨대, ENrG E-Strate®)와 같은 세라믹을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 Schott D263 강화 유리(tempered glass)와 같은 유리를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 폴리에테르에테르케톤(PEEK)(예컨대, Aptiv 1102), 탄소를 갖는 PEEK(예컨대, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 탄소를 갖는 폴리페닐렌 설파이드(PPS)(예컨대, Tepex Dynalite 207), 30% 유리를 갖는 폴리에테르에테르케톤(PEEK)(예컨대, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 폴리이미드(예컨대, Kapton®)와 같은 플라스틱을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 E Glass Std Fabric/Epoxy, 0 deg, E Glass UD/Epoxy, 0 deg, Kevlar Std Fabric/Epoxy, 0 deg, Kevlar UD/Epoxy, 0 deg, Carbon Std Fabric/Epoxy, 0 deg, Carbon UD/Epoxy, 0 deg, Toyobo Zylon® HM Fiber/Epoxy와 같은 복합재를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 Kevlar 49 아라미드 섬유(Aramid Fiber), S 유리 섬유들, 탄소 섬유들, Vectran UM LCP 섬유들, 다이니마(Dyneema), 자일론(Zylon)과 같은 섬유들을 포함한다.
1차 확장 구속 시스템(151)의 두께(t1)는, 예를 들어, 1차 확장 구속 시스템(151)의 구성 재료(material of construction)(들), 전극 어셈블리(106)의 전체 치수, 및 배터리 애노드 및 캐소드의 조성을 비롯한 다양한 인자들에 의존할 것이다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 1차 확장 구속 시스템(151)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 시트를 포함할 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 약 30 μm의 두께를 갖는 스테인리스강 시트(예컨대, SS316)를 포함한다. 추가 예로서, 다른 그러한 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 약 40 μm의 두께를 갖는 알루미늄 시트(예컨대, 7075-T6)를 포함한다. 추가 예로서, 다른 그러한 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 약 30 μm의 두께를 갖는 지르코니아 시트(예컨대, Coorstek YZTP)를 포함한다. 추가 예로서, 다른 그러한 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 약 75 μm의 두께를 갖는 E Glass UD/Epoxy 0 deg 시트를 포함한다. 추가 예로서, 다른 그러한 실시예에서, 1차 확장 구속 시스템(151)은 50% 초과의 패킹 밀도로 12 μm 탄소 섬유들을 포함한다.
어떤 특정의 이론에도 구애됨이 없이, 점착 방법들은, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 점착, 솔더링, 본딩, 소결(sintering), 프레스 콘택팅(press contacting), 브레이징(brazing), 열 스프레잉 접합(thermal spraying joining), 클램핑(clamping), 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 점착은 전도성 에폭시들, 전도성 엘라스토머들과 같은 전도성 재료들, 니켈 충전 에폭시(nickel filled epoxy), 탄소 충전 에폭시(carbon filled epoxy) 등과 같은, 전도성 금속들로 충전된 절연성 유기 글루의 혼합물들로 재료들을 접합시키는 것을 포함할 수 있다. 전도성 페이스트들이 재료들을 함께 접합시키는 데 사용될 수 있고, 접합 강도는 온도(소결), 광(UV 경화, 가교 결합), 화학적 경화(촉매 기반 가교 결합)에 의해 조정될(tailored) 수 있다. 본딩 프로세스들은 와이어 본딩, 리본 본딩, 초음파 본딩을 포함할 수 있다. 용접 프로세스들은 초음파 용접, 저항 용접, 레이저 빔 용접, 전자 빔 용접, 유도 용접, 및 냉간 용접을 포함할 수 있다. 이 재료들의 접합은 또한 재료들을 함께 접합시키기 위해 플라스마 스프레잉, 플레임 스프레잉(flame spraying), 아크 스프레잉과 같은 열 스프레이 코팅과 같은 코팅 프로세스를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 니켈 또는 구리 메시는 니켈의 열 스프레이를 글루로서 사용하여 니켈 버스 상에 접합될 수 있다.
전극 집단(110) 및 상대 전극 집단(112)의 멤버들은, 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 또는 알루미늄 이온들과 같은, 캐리어 이온을 흡수 및 방출할 수 있는 전기활성 재료를 포함한다. 일부 실시예들에서, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들은 애노드 활성 전기활성 재료(anodically active electroactive material)(때때로 음전극이라고 지칭됨)를 포함하고, 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들은 캐소드 활성 전기활성 재료(cathodically active electroactive material)(때때로 양전극이라고 지칭됨)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들은 캐소드 활성 전기활성 재료를 포함하고, 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들은 애노드 활성 전기활성 재료를 포함한다. 이 단락에서 열거된 실시예들 및 예들 각각에서, 음전극 활성 재료는 미립자 응집체 전극(particulate agglomerate electrode) 또는 모놀리식 전극(monolithic electrode)일 수 있다.
예시적인 애노드 활성 전기활성 재료들은 그라파이트 및 연질 또는 경질 탄소들과 같은 탄소 재료들, 또는 리튬과 합금을 형성할 수 있는 다양한 금속들, 반금속들(semi-metals), 합금들, 산화물들 및 화합물들 중 임의의 것을 포함한다. 애노드 재료를 구성할 수 있는 금속들 또는 반금속들의 특정 예들은 주석, 납, 마그네슘, 알루미늄, 붕소, 갈륨, 실리콘, 인듐, 지르코늄, 게르마늄, 비스무트, 카드뮴, 안티몬, 은, 아연, 비소, 하프늄, 이트륨, 및 팔라듐을 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 애노드 활성 재료는 알루미늄, 주석, 또는 실리콘, 또는 이들의 산화물, 또는 이들의 질화물, 이들의 플루오르화물, 또는 이들의 다른 합금을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 애노드 활성 재료는 실리콘 또는 그의 합금을 포함한다.
예시적인 캐소드 활성 재료들은 광범위한 캐소드 활성 재료들 중 임의의 것을 포함한다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리의 경우, 캐소드 활성 재료는, 선택적으로 사용될 수 있는, 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 전이 금속 질화물들, 리튬-전이 금속 산화물들, 리튬-전이 금속 황화물들, 및 리튬-전이 금속 질화물들 중에서 선택된 캐소드 재료를 포함할 수 있다. 이 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 및 전이 금속 질화물들의 전이 금속 원소들은 d-셸(d-shell) 또는 f-셸(f-shell)을 갖는 금속 원소들을 포함할 수 있다. 이러한 금속 원소의 구체적인 예들은 Sc, Y, 란타노이드들(lanthanoids), 악티노이드들(actinoids), Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pb, Pt, Cu, Ag, 및 Au이다. 부가 캐소드 활성 재료들은 LiCoO2, LiNi0.5Mn1.5O4, Li(NixCoyAl2)O2, LiFePO4, Li2MnO4, V2O5, 몰리브덴 산황화물들, 포스페이트들, 실리케이트들, 바나데이트들 및 이들의 조합들을 포함한다.
일 실시예에서, 충전 및 방전 프로세스들 동안 리튬 이온들(또는 다른 캐리어 이온들)이 음전극 활성 재료 내로 혼입되거나 음전극 활성 재료로부터 이탈할 때 체적 팽창 및 수축을 수용하기 위해 애노드 활성 재료는 상당한 보이드 체적 분율(void volume fraction)을 제공하도록 미세구조화된다. 일반적으로, 음전극 활성 재료의 보이드 체적 분율은 0.1 이상이다. 그렇지만, 전형적으로, 음전극 활성 재료의 보이드 체적 분율은 0.8 이하이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 음전극 활성 재료의 보이드 체적 분율은 약 0.15 내지 약 0.75이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음전극 활성 재료의 보이드 체적 분율은 약 0.2 내지 약 0.7이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음전극 활성 재료의 보이드 체적 분율은 약 0.25 내지 약 0.6이다.
미세구조화된 음전극 활성 재료의 조성 및 그의 형성 방법에 따라, 미세구조화된 음전극 활성 재료는 거대다공성(macroporous), 미세다공성(microporous), 또는 메소다공성(mesoporous) 재료 층들 또는, 미세다공성과 메소다공성의 조합 또는 메소다공성과 거대다공성의 조합과 같은, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 미세다공성 재료는 10 nm 미만의 기공 치수(pore dimension), 10 nm 미만의 벽 치수(wall dimension), 1 내지 50 마이크로미터의 기공 깊이(pore depth), 그리고 "해면질(spongy)"이고 불규칙한 외관, 매끄럽지 않은 벽들 및 가지형 기공들(branched pores)에 의해 일반적으로 특징지워지는 기공 형태(pore morphology)에 의해 전형적으로 특징지워진다. 메소다공성 재료는 10 내지 50 nm의 기공 치수, 10 내지 50 nm의 벽 치수, 1 내지 100 마이크로미터의 기공 깊이, 그리고 얼마간 잘 정의된 가지형 기공들 또는 수지상 기공들(dendritic pores)에 의해 일반적으로 특징지워지는 기공 형태에 의해 전형적으로 특징지워진다. 거대다공성 재료는 50 nm 초과의 기공 치수, 50 nm 초과의 벽 치수, 1 내지 500 마이크로미터의 기공 깊이, 그리고 가지각색의, 직선의, 가지형 또는 수지상, 그리고 매끄러운 또는 거친 벽을 가질 수 있는 기공 형태에 의해 전형적으로 특징지워진다. 그에 부가하여, 보이드 체적은 열린(open) 또는 닫힌(closed) 보이드들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 보이드 체적은 열린 보이드들을 포함하며, 즉 음전극 활성 재료는 음전극 활성 재료의 측방 표면에 개구부들을 갖는 보이드들을 함유하며, 이 개구부들을 통해 리튬 이온들(또는 다른 캐리어 이온들)이 음전극 활성 재료에 들어가거나 그로부터 빠져나갈 수 있고; 예를 들어, 리튬 이온들은 양전극 활성 재료로부터 빠져나간 후에 보이드 개구부들을 통해 음전극 활성 재료에 들어갈 수 있다. 다른 실시예에서, 보이드 체적은 닫힌 보이드들을 포함하며, 즉 음전극 활성 재료는 음전극 활성 재료에 의해 인클로징된 보이드들을 함유한다. 일반적으로, 열린 보이드들은 캐리어 이온들에 대한 보다 큰 계면 표면적을 제공할 수 있는 반면, 닫힌 보이드들은 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface)에 덜 취약한 경향이 있지만 각각이 캐리어 이온들의 진입 시의 음전극 활성 재료의 팽창을 위한 공간(room)을 제공한다. 특정 실시예들에서, 따라서, 음전극 활성 재료가 열린 및 닫힌 보이드들의 조합을 포함하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 음전극 활성 재료는 다공성 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 이들의 합금을 포함한다. 다공성 실리콘 층들은, 예를 들어, 양극산화(anodization)에 의해, 에칭에 의해(예컨대, 금, 백금, 은 또는 금/팔라듐과 같은 귀금속들을 단결정 실리콘의 표면 상에 퇴적시키고 이 표면을 불화수소산과 과산화수소의 혼합물로 에칭하는 것에 의해), 또는 패터닝된 화학적 에칭(patterned chemical etching)과 같은 본 기술분야에 공지된 다른 방법들에 의해 형성될 수 있다. 부가적으로, 다공성 음전극 활성 재료는 일반적으로 약 0.1 이상 0.8 미만의 다공성 분율(porosity fraction)을 갖고 약 1 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 음전극 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공성 분율을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음전극 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공성 분율을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 음전극 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공성 분율을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음전극 활성 재료는 (니켈 실리사이드와 같은) 다공성 실리콘 합금을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공성 분율을 갖는다.
다른 실시예에서, 음전극 활성 재료는 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 이들의 합금의 섬유들을 포함한다. 개개의 섬유들은 약 5 nm 내지 약 10,000 nm의 직경(두께 치수) 및 음전극 활성 재료의 두께에 일반적으로 대응하는 길이를 가질 수 있다. 실리콘의 섬유들(나노와이어들)은, 예를 들어, 화학적 기상 퇴적 또는 기상 액상 고상(vapor liquid solid, VLS) 성장 및 고상 액상 고상(solid liquid solid, SLS) 성장과 같은 본 기술분야에 공지된 다른 기법들에 의해 형성될 수 있다. 부가적으로, 음전극 활성 재료는 일반적으로 약 0.1 이상 0.8 미만의 다공성 분율을 갖고 약 1 내지 약 200 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 음전극 활성 재료는 실리콘 나노와이어들을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공성 분율을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음전극 활성 재료는 실리콘 나노와이어들을 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공성 분율을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 음전극 활성 재료는 실리콘 나노와이어들을 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공성 분율을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음전극 활성 재료는 (니켈 실리사이드와 같은) 실리콘 합금의 나노와이어들을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공성 분율을 갖는다.
일 실시예에서, 전극(110) 집단의 각각의 멤버는 하부, 상부, 및 그의 하부로부터 상부로 그리고 전극 구조체들(110)과 상대 전극 구조체들(112)의 교대하는 시퀀스가 나아가는 방향에 일반적으로 수직인 방향으로 연장되는 종축(AE)을 갖는다. 부가적으로, 전극(110) 집단의 각각의 멤버는 전극의 종축(AE)을 따라서 측정된 길이(LE), 전극 구조체들과 상대 전극 구조체들의 교대하는 시퀀스가 나아가는 방향으로 측정된 폭(WE), 및 길이(LE) 및 폭(WE)의 측정 방향들 각각에 수직인 방향으로 측정된 높이(HE)를 갖는다. 전극 집단의 각각의 멤버는 또한 그의 종축에 수직인 평면에서의 전극의 투영의 측면(들)의 길이(들)의 합에 대응하는 둘레(perimeter)(PE)를 갖는다.
전극 집단의 멤버들의 길이(LE)는 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 집단의 멤버들은 전형적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 길이(LE)를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 그러한 실시예에서, 전극 집단의 멤버들은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이(LE)를 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단의 멤버들은 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이(LE)를 갖는다.
전극 집단의 멤버들의 폭(WE)이 또한 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 집단의 각각의 멤버는 전형적으로 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위 내의 폭(WE)을 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 폭(WE)은 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 폭(WE)은 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
전극 집단의 멤버들의 높이(HE)가 또한 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 집단의 멤버들은 전형적으로 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위 내의 높이(HE)를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 높이(HE)는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 높이(HE)는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다. 일 실시예에 따르면, 전극 집단의 멤버들은 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재 및 제1 높이와 상이한 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재는 전극 부재들이 2차 구속 시스템의 일부분과 수직 방향(Z 축)으로 접촉할 수 있게 해주도록 선택된 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극 부재들 중 적어도 하나 또는 그의 서브구조체가 2차 연결 부재(166)로서 역할할 때와 같이, 제1 전극 부재들이 수직축을 따라서 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160) 사이에서 연장되고 그 둘 다와 접촉하도록 하나 이상의 제1 전극 부재의 높이가 충분할 수 있다. 게다가, 일 실시예에 따르면, 예를 들어, 하나 이상의 제2 전극 부재가 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160) 둘 다와 접촉하도록 완전히 연장(fully extend)되지 않도록, 하나 이상의 제2 전극 부재는 하나 이상의 제1 전극 부재보다 더 작은 높이를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재 및 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 상이한 높이들은, 종축 및/또는 횡축 중 하나 이상을 따라서 상이한 높이들을 갖는 전극 어셈블리 형상과 같은, 전극 어셈블리(106)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록, 그리고/또는 이차 배터리에 미리 결정된 성능 특성들을 제공하도록 선택될 수 있다.
전극 집단의 멤버들의 둘레(PE)도 이와 유사하게 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 집단의 멤버들은 전형적으로 약 0.025 mm 내지 약 25 mm의 범위 내의 둘레(PE)를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 둘레(PE)는 약 0.1 mm 내지 약 15 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 둘레(PE)는 약 0.5 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다.
일반적으로, 전극 집단의 멤버들은 그의 폭(WE) 및 그의 높이(HE) 각각보다 실질적으로 더 큰 길이(LE)를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 WE 및 HE 각각의 비는, 제각기, 5:1 이상이다(즉, LE 대 WE의 비는, 제각기, 5:1 이상이고, LE 대 HE의 비는, 제각기, 5:1 이상이다). 추가 예로서, 일 실시예에서, LE 대 WE 및 HE 각각의 비는 10:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, LE 대 WE 및 HE 각각의 비는 15:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 WE 및 HE 각각의 비는 20:1 이상이다.
부가적으로, 전극 집단의 멤버들이 그의 둘레(PE)보다 실질적으로 더 큰 길이(LE)를 갖는 것이 일반적으로 바람직하고; 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 PE의 비는, 제각기, 1.25:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 PE의 비는, 제각기, 2.5:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 PE의 비는, 제각기, 3.75:1 이상이다.
일 실시예에서, 전극 집단의 멤버들의 높이(HE) 대 폭(WE)의 비는, 제각기, 0.4:1 이상이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HE 대 WE의 비는, 제각기, 2:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비는, 제각기, 10:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비는, 제각기, 20:1 이상일 것이다. 그렇지만, 전형적으로, HE 대 WE의 비는, 제각기, 일반적으로 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비는, 제각기, 500:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비는, 제각기, 100:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비는, 제각기, 10:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HE 대 WE의 비는, 제각기, 약 2:1 내지 약 100:1의 범위에 있을 것이다.
상대 전극 집단의 각각의 멤버는 하부, 상부, 및 그의 하부로부터 상부로 그리고 전극 구조체들과 상대 전극 구조체들의 교대하는 시퀀스가 나아가는 방향에 일반적으로 수직인 방향으로 연장되는 종축(ACE)을 갖는다. 부가적으로, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 종축(ACE)을 따라서 측정된 길이(LCE), 전극 구조체들과 상대 전극 구조체들의 교대하는 시퀀스가 나아가는 방향으로 측정된 폭(WCE), 및 길이(LCE) 및 폭(WCE)의 측정 방향들 각각에 수직인 방향으로 측정된 높이(HCE)를 갖는다. 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 또한 그의 종축에 수직인 평면에서의 상대 전극의 투영의 측면(들)의 길이(들)의 합에 대응하는 둘레(PCE)를 갖는다.
상대 전극 집단의 멤버들의 길이(LCE)는 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 전형적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 길이(LCE)를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 그러한 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이(LCE)를 갖는다. 추가 예로서, 하나의 그러한 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이(LCE)를 갖는다.
상대 전극 집단의 멤버들의 폭(WCE)이 또한 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 상대 전극 집단의 멤버들은 전형적으로 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위 내의 폭(WCE)을 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 폭(WCE)은 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 폭(WCE)은 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
상대 전극 집단의 멤버들의 높이(HCE)가 또한 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 상대 전극 집단의 멤버들은 전형적으로 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위 내의 높이(HCE)를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 높이(HCE)는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 높이(HCE)는 약 0.1　mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다. 일 실시예에 따르면, 상대 전극 집단의 멤버들은 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 상대 전극 부재 및 제1 높이와 상이한 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 상대 전극 부재를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 하나 이상의 제1 상대 전극 부재는 상대 전극 부재들이 2차 구속 시스템의 일부분과 수직 방향(Z 축)으로 접촉할 수 있게 해주도록 선택된 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 상대 전극 부재들 중 적어도 하나 또는 그의 서브구조체가 2차 연결 부재(166)로서 역할할 때와 같이, 제1 상대 전극 부재들이 수직축을 따라서 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160) 사이에서 연장되고 그 둘 다와 접촉하도록 하나 이상의 제1 상대 전극 부재의 높이가 충분할 수 있다. 게다가, 일 실시예에 따르면, 예를 들어, 하나 이상의 제2 상대 전극 부재가 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160) 둘 다와 접촉하도록 완전히 연장되지 않도록, 하나 이상의 제2 상대 전극 부재는 하나 이상의 제1 상대 전극 부재보다 더 작은 높이를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 상대 전극 부재 및 하나 이상의 제2 상대 전극 부재에 대한 상이한 높이들은, 종축 및/또는 횡축 중 하나 이상을 따라서 상이한 높이들을 갖는 전극 어셈블리 형상과 같은, 전극 어셈블리(106)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록, 그리고/또는 이차 배터리에 미리 결정된 성능 특성들을 제공하도록 선택될 수 있다.
상대 전극 집단의 멤버들의 둘레(PCE)가 또한 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 상대 전극 집단의 멤버들은 전형적으로 약 0.025 mm 내지 약 25 mm의 범위 내의 둘레(PCE)를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 둘레(PCE)는 약 0.1 mm 내지 약 15 mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 둘레(PCE)는 약 0.5 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다.
일반적으로, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 폭(WCE)보다 실질적으로 더 크고 그의 높이(HCE)보다 실질적으로 더 큰 길이(LCE)를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비는, 제각기, 5:1 이상이다(즉, LCE 대 WCE의 비는, 제각기, 5:1 이상이고, LCE 대 HCE의 비는, 제각기, 5:1 이상이다). 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비는 10:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비는 15:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비는 20:1 이상이다.
부가적으로, 상대 전극 집단의 멤버들이 그의 둘레(PCE) 보다 실질적으로 더 큰 길이(LCE)를 갖는 것이 일반적으로 바람직하고; 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 PCE의 비는, 제각기, 1.25:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 PCE의 비는, 제각기, 2.5:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 PCE의 비는, 제각기, 3.75:1 이상이다.
일 실시예에서, 상대 전극 집단의 멤버들의 높이(HCE) 대 폭(WCE)의 비는, 제각기, 0.4:1 이상이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 제각기, 2:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 제각기, 10:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 제각기, 20:1 이상일 것이다. 그렇지만, 전형적으로, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 제각기, 일반적으로 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 제각기, 500:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비는, 제각기, 100:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비는, 제각기, 10:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 제각기, 약 2:1 내지 약 100:1의 범위에 있을 것이다.
일 실시예에서, 음전극 집단의 각각의 멤버에 포함된 음전극 전류 도전체 층(136)은 그러한 음전극 전류 컬렉터를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 50% 이상인 길이 LNC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음전극 집단의 각각의 멤버에 포함된 음전극 전류 도전체 층(136)은 그러한 음전극 전류 컬렉터를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 60% 이상인 길이 LNC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음전극 집단의 각각의 멤버에 포함된 음전극 전류 도전체 층(136)은 그러한 음전극 전류 컬렉터를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 70% 이상인 길이 LNC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음전극 집단의 각각의 멤버에 포함된 음전극 전류 도전체 층(136)은 그러한 음전극 전류 컬렉터를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 80% 이상인 길이 LNC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음전극 집단의 각각의 멤버에 포함된 음전극 전류 도전체(136)는 그러한 음전극 전류 컬렉터를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 90% 이상인 길이 LNC를 갖는다.
일 실시예에서, 양전극 집단의 각각의 멤버에 포함된 양전극 전류 도전체(140)는 그러한 양전극 전류 컬렉터를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 50% 이상인 길이 LPC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 양전극 집단의 각각의 멤버에 포함된 양전극 전류 도전체(140)는 그러한 양전극 전류 컬렉터를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 60% 이상인 길이 LPC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 양전극 집단의 각각의 멤버에 포함된 양전극 전류 도전체(140)는 그러한 양전극 전류 컬렉터를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 70% 이상인 길이 LPC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 양전극 집단의 각각의 멤버에 포함된 양전극 전류 도전체(140)는 그러한 양전극 전류 컬렉터를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 80% 이상인 길이 LPC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 양전극 집단의 각각의 멤버에 포함된 양전극 전류 도전체(140)는 그러한 양전극 전류 컬렉터를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 90% 이상인 길이 LPC를 갖는다.
일 실시예에서, 음전극 전류 컬렉터 층(136)은 이온 전도성이기도 하고 전기 전도성이기도 한 이온 침투성 도전체 재료를 포함한다. 달리 말하면, 음전극 전류 컬렉터 층은 전기화학적 스택에서 이온 침투성 도전체 층의 한쪽 측면 상의 바로 인접한 전극 활성 재료 층과 음전극 전류 컬렉터 층의 다른 쪽 측면 상의 바로 인접한 분리막 층 사이의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 두께, 전기 전도도, 및 캐리어 이온들에 대한 이온 전도도를 갖는다. 상대적으로, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터 층은 그의 이온 컨덕턴스보다 더 큰 전기 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는 전형적으로, 제각기, 1,000:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 5,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 10,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 50,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 100,000:1 이상이다.
음전극 전류 컬렉터(136)가 이온 전도성이기도 하고 전기 전도성이기도 한 이온 침투성 도전체 재료를 포함하는 그 실시예들에서, 이차 배터리가 충전 또는 방전 중일 때와 같이, 디바이스에 에너지를 저장하는 전류가 인가되거나 디바이스를 방전시키는 로드가 인가될 때, 음전극 전류 컬렉터(136)는 인접한 분리막 층의 이온 컨덕턴스와 비슷한 이온 컨덕턴스를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때, 음전극 전류 컬렉터(136)는 분리막 층의 이온 컨덕턴스의 50%(즉, 제각기, 0.5:1의 비) 이상인 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스를 갖는다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 1:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 1.25:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 1.5:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리막 층의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비는 2:1 이상이다.
일 실시예에서, 음전극 전류 컬렉터(136)는 또한 음전극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스보다 실질적으로 더 큰 전기 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 음전극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스의 비는 100:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 음전극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스의 비는 500:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 음전극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스의 비는 1000:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 음전극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스의 비는 5000:1 이상이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 음전극 전류 컬렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 음전극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스의 비는 10,000:1 이상이다.
음전극 전류 컬렉터(136)의 두께(즉, 분리막과 음전극 활성 재료 층 - 이들 사이에 음전극 전류 컬렉터 층(136)이 샌드위치되어 있음 - 사이의 최단 거리)는, 이 실시예에서, 층의 조성 및 전기화학적 스택에 대한 성능 규격들에 의존할 것이다. 일반적으로, 음전극 전류 컬렉터 층이 이온 침투성 도전체 층일 때, 그것은 약 300 옹스트롬 이상의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 그것은 약 300 내지 800 옹스트롬의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 그렇지만, 보다 전형적으로, 그것은 약 0.1 마이크로미터 초과의 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 이온 침투성 도전체 층은 약 100 마이크로미터 이하의 두께를 가질 것이다. 따라서, 예를 들어, 일 실시예에서, 음전극 전류 컬렉터(136)는 약 0.1 내지 약 10 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 음전극 전류 컬렉터(136)는 약 0.1 내지 약 5 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 음전극 전류 컬렉터(136)는 약 0.5 내지 약 3 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 음전극 전류 컬렉터(136)의 두께가 대략 균일한 것이 바람직하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 음전극 전류 컬렉터(136)가 약 25% 미만의 두께 불균일성을 갖는 것이 바람직하고, 여기서 두께 불균일성은 층의 최대 두께에서 층의 최소 두께를 뺀 것을 평균 층 두께로 나눈 것의 양으로서 정의된다. 특정 실시예들에서, 두께 변동이 훨씬 더 적다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 음전극 전류 컬렉터(136)는 약 20% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 음전극 전류 컬렉터(136)는 약 15% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 일부 실시예들에서는, 이온 침투성 도전체 층은 약 10% 미만의 두께 불균일성을 갖는다.
하나의 바람직한 실시예에서, 음전극 전류 컬렉터(136)는 이온 침투성 및 전기 전도도에 기여하는 전기 전도성 컴포넌트 및 이온 전도성 컴포넌트를 포함하는 이온 침투성 도전체 층이다. 전형적으로, 전기 전도성 컴포넌트는 (연속적인 금속 또는 금속 합금과 같은) 연속적인 전기 전도성 재료를 구성하는 메시 또는 패터닝된 표면, 막, 또는 복합 재료의 형태의 (연속적인 금속 또는 금속 합금과 같은) 연속적인 전기 전도성 재료를 포함할 것이다. 부가적으로, 이온 전도성 컴포넌트는 전형적으로 기공들, 예컨대, 메시의 간극들, 패턴화된 금속 또는 금속 합금 함유 재료 층 사이의 공간들, 금속 막에서의 기공들, 또는 캐리어 이온들에 대해 충분한 확산도를 갖는 고체 이온 도전체를 포함할 것이다. 특정 실시예들에서, 이온 침투성 도전체 층은 퇴적된 다공성 재료, 이온 수송 재료, 이온 반응성 재료, 복합 재료, 또는 물리적 다공성 재료를 포함한다. 예를 들어, 다공성인 경우, 이온 침투성 도전체 층은 약 0.25 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다. 그렇지만, 일반적으로, 보이드 분율은 전형적으로 약 0.95를 초과하지 않을 것이다. 보다 전형적으로, 이온 침투성 도전체 층이 다공성일 때, 보이드 분율은 약 0.25 내지 약 0.85의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 이온 침투성 도전체 층이 다공성일 때, 보이드 분율은 약 0.35 내지 약 0.65의 범위에 있을 수 있다.
음전극 활성 재료 층과 분리막 사이에 배치될 때, 음전극 전류 컬렉터(136)는 음전극 전류 컬렉터로부터의 전류를 음전극 활성 재료 층의 표면을 가로질러 분산시킴으로써 보다 균일한 캐리어 이온 수송을 용이하게 할 수 있다. 이것은, 차례로, 캐리어 이온들의 보다 균일한 삽입 및 추출을 용이하게 하고 그로써 사이클링 동안 음전극 활성 재료에서의 응력을 감소시킬 수 있으며; 음전극 전류 컬렉터(136)가 분리막과 마주하는 음전극 활성 재료 층의 표면으로 전류를 분산시키기 때문에, 캐리어 이온 농도가 가장 큰 곳에서 캐리어 이온들에 대한 음전극 활성 재료 층의 반응성이 가장 클 것이다. 또 다른 실시예에서, 음전극 전류 컬렉터(136)와 음전극 활성 재료 층의 위치들이 반대로 될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 양전극들의 각각의 멤버는, 예를 들어, 양전극 백본과 양전극 활성 재료 층 사이에 배치될 수 있는 양전극 전류 컬렉터(140)를 갖는다. 게다가, 음전극 전류 컬렉터(136) 및 양전극 전류 컬렉터(140) 중 하나 이상은 알루미늄, 탄소, 크롬, 금, 니켈, NiP, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 실리콘과 니켈의 합금, 티타늄, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다(["Current collectors for positive electrodes of lithium-based batteries" by A. H. Whitehead and M. Schreiber, Journal of the Electrochemical Society, 152(11) A2105-A2113 (2005)]를 참조). 추가 예로서, 일 실시예에서, 양전극 전류 컬렉터(140)는 금 또는 금 실리사이드와 같은 그 합금을 포함한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 양전극 전류 컬렉터(140)는 니켈 또는 니켈 실리사이드와 같은 그 합금을 포함한다.
대안의 실시예에서, 예를 들어, 양전극 전류 컬렉터 층이 분리막 층과 양전극 활성 재료 층 사이에 배치되도록, 양전극 전류 컬렉터 층과 양전극 활성 재료 층의 위치들이 반대로 될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 바로 인접한 양전극 활성 재료 층에 대한 양전극 전류 컬렉터(140)는 음전극 전류 컬렉터 층과 관련하여 기술된 바와 같은 조성 및 구조를 갖는 이온 침투성 도전체를 포함하며; 즉, 양전극 전류 컬렉터 층은 이온 전도성이기도 하고 전기 전도성이기도 한 이온 침투성 도전체 재료의 층을 포함한다. 이 실시예에서, 양전극 전류 컬렉터 층은 전기화학적 스택에서 양전극 전류 컬렉터 층의 한쪽 측면 상의 바로 인접한 양전극 활성 재료 층과 양전극 전류 컬렉터 층의 다른 쪽 측면 상의 바로 인접한 분리막 층 사이의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 두께, 전기 전도도, 및 캐리어 이온들에 대한 이온 전도도를 갖는다. 상대적으로, 이 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 양전극 전류 컬렉터 층은 그의 이온 컨덕턴스보다 더 큰 전기 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 양전극 전류 컬렉터 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는 전형적으로, 제각기, 1,000:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 양전극 전류 컬렉터 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 5,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 양전극 전류 컬렉터 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 10,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 양전극 전류 컬렉터 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 50,000:1 이상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하는 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 양전극 전류 컬렉터 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비는, 제각기, 100,000:1 이상이다.
전기 절연성 분리막 층들(130)은 전극 구조체(110) 집단의 각각의 멤버를 둘러싸서 이를 상대 전극 구조체(112) 집단의 각각의 멤버로부터 전기적으로 격리시킨다. 전기 절연성 분리막 층들(130)은 전형적으로 비-수성 전해질이 침투되어 있을 수 있는 미세다공성 분리막 재료를 포함할 것이고; 예를 들어, 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료는 50Å 이상의, 보다 전형적으로는 약 2,500Å의 범위에 있는 직경, 및 약 25% 내지 약 75%의 범위에 있는, 보다 전형적으로는 약 35 내지 55%의 범위에 있는 기공률(porosity)을 포함한다. 부가적으로, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 인접한 멤버들 사이에서의 캐리어 이온들의 전도를 가능하게 하기 위해 미세다공성 분리막 재료는 비-수성 전해질이 침투되어 있을 수 있다. 특정 실시예들에서, 예를 들어, 그리고 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 충전 또는 방전 동안의 이온 교환을 위한 전극 구조체(110) 집단의 멤버와 상대 전극 구조체(112) 집단의 최근접 멤버(들)(즉, "인접 쌍") 사이의 전기 절연성 분리막 재료의 70 체적% 이상이 미세다공성 분리막 재료이고; 달리 말하면, 미세다공성 분리막 재료가 전극 구조체(110) 집단의 멤버와 상대 전극 구조체(112) 집단의 최근접 멤버 사이의 전기 절연성 재료의 70 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가, 제각기, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들과 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 75 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가, 제각기, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들과 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 80 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가, 제각기, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들과 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 85 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가, 제각기, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들과 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 90 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가, 제각기, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들과 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 95 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가, 제각기, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들과 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 99 체적% 이상을 구성한다.
일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료는 미립자 재료(particulate material) 및 바인더를 포함하고, 약 20 체적% 이상의 기공률(보이드 분율)을 갖는다. 미세다공성 분리막 재료의 기공들은 50Å 이상의 직경을 가질 것이고 전형적으로 약 250 내지 2,500Å의 범위 내에 있을 것이다. 미세다공성 분리막 재료는 전형적으로 약 75% 미만의 기공률을 가질 것이다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료는 약 25 체적% 이상의 기공률(보이드 분율)을 갖는다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료는 약 35 내지 55%의 기공률을 가질 것이다.
미세다공성 분리막 재료에 대한 바인더는 광범위한 무기 또는 중합체 재료들 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 바인더는 실리케이트들, 포스페이트들, 알루미네이트들, 알루미노실리케이트들, 및 수산화마그네슘, 수산화칼슘 등과 같은 수산화물들로 이루어진 그룹 중에서 선택된 유기 재료이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 바인더는 플루오로화 비닐리덴, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜 등을 함유하는 단량체들로부터 유도된 플루오로중합체이다. 다른 실시예에서, 바인더는 일정 범위의 다양한 분자량들 및 밀도들 중 임의의 것을 갖는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리부텐과 같은, 폴리올레핀이다. 다른 실시예에서, 바인더는 에틸렌-디엔-프로펜 삼원공중합체, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈, 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트로 이루어진 그룹 중에서 선택된다. 다른 실시예에서, 바인더는 메틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 스티렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 및 폴리에틸렌 옥사이드로 이루어진 그룹 중에서 선택된다. 다른 실시예에서, 바인더는 아크릴레이트들, 스티렌들, 에폭시들, 및 실리콘들으로 이루어진 그룹 중에서 선택된다. 다른 실시예에서, 바인더는 전술한 중합체들 중 2개 이상의 중합체의 공중합체 또는 블렌드(blend)이다.
미세다공성 분리막 재료에 포함된 미립자 재료가 또한 광범위한 재료들 중에서 선택될 수 있다. 일반적으로, 이러한 재료들은 동작 온도들에서 비교적 낮은 전자 및 이온 전도도를 갖고 미세다공성 분리막 재료와 접촉하는 배터리 전극 또는 전류 컬렉터의 동작 전압들 하에서 부식되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 미립자 재료는 캐리어 이온들(예컨대, 리튬)에 대한 전도도가 1 x 10-4 S/cm 미만이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미립자 재료는 캐리어 이온들에 대한 전도도가 1 x 10-5 S/cm 미만이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미립자 재료는 캐리어 이온들에 대한 전도도가 1 x 10-6 S/cm 미만이다. 예시적인 미립자 재료는 미립자 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, TiO2-중합체 복합재, 실리카 에어로겔, 흄드 실리카(fumed silica), 실리카 겔, 실리카 하이드로겔, 실리카 크세로겔, 실리카 졸, 콜로이달 실리카, 알루미나, 티타니아(titania), 마그네시아(magnesia), 카올린(kaolin), 탈크(talc), 규조토, 규산 칼슘, 규산 알루미늄, 탄산 칼슘, 탄산 마그네슘, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 미립자 재료는, TiO2, SiO2, Al2O3, GeO2, B2O3, Bi2O3, BaO, ZnO, ZrO2, BN, Si3N4, Ge3N4와 같은, 미립자 산화물 또는 질화물을 포함한다. 예를 들어, [P. Arora and J. Zhang, "Battery Separators" Chemical Reviews 2004, 104, 4419-4462]를 참조한다. 일 실시예에서, 미립자 재료는 약 20 nm 내지 2 마이크로미터, 보다 전형적으로는 200 nm 내지 1.5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다. 일 실시예에서, 미립자 재료는 약 500 nm 내지 1 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다.
대안의 실시예에서, 배터리가 기능하기 위한 이온 전도도를 제공하기 위해 전해질 침투(electrolyte ingress)에 요망되는 보이드 분율을 유지하면서, 소결, 결합(binding), 경화 등과 같은 기법들에 의해, 미세다공성 분리막 재료에 포함된 미립자 재료가 결합될 수 있다.
예를 들어, 입자들이 정전기적 인력 또는 반데르발스 힘과 같은 표면 에너지에 의해 합체(coalesce)되는 미립자 분리막 재료의 전기영동 퇴적, 미립자 분리막 재료의 슬러리 퇴적(스핀 또는 스프레이 코팅을 포함함), 스크린 인쇄, 딥 코팅(dip coating), 및 정전 스프레이 퇴적에 의해 미세다공성 분리막 재료들이 퇴적될 수 있다. 바인더들이 퇴적 공정에 포함될 수 있고; 예를 들어, 미립자 재료는 용매 증발시 석출되는 용해된 바인더로 슬러리 퇴적되거나, 용해된 바인더 재료의 존재 시에 전기영동적으로 퇴적되거나, 바인더 및 절연 입자들 등으로 동시 전기영동적으로(co-electrophoretically) 퇴적될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 입자들이 전극 구조체 내에 또는 그 상에 퇴적된 후에 바인더들이 첨가될 수 있고; 예를 들어, 미립자 재료가 유기 바인더 용액 중에 분산되어 딥 코팅 또는 스프레이 코팅될 수 있으며, 뒤이어서 접착 강도를 제공하기 위해 바인더 재료를 건조, 용융, 또는 가교 결합(cross-link)시킬 수 있다.
어셈블링된 에너지 저장 디바이스에서, 미세다공성 분리막 재료는 이차 배터리 전해질로서 사용하기에 적합한 비-수성 전해질이 침투되어 있다. 전형적으로, 비-수성 전해질은 유기 용매 중에 용해된 리튬 염을 포함한다. 예시적인 리튬 염들은 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiCl, 및 LiBr과 같은 무기 리튬 염들; 및LiB(C6H5)4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF3)3, LiNSO2CF3, LiNSO2CF5, LiNSO2C4F9, LiNSO2C5F11, LiNSO2C6F13, 및 LiNSO2C7F15와 같은 유기 리튬 염들을 포함한다. 리튬 염을 용해시키는 예시적인 유기 용매들은 고리형 에스테르들, 사슬 에스테르들, 고리형 에테르들, 및 사슬 에테르들을 포함한다. 고리형 에스테르들의 구체적인 예들은 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부티로락톤, 비닐렌 카보네이트, 2-메틸-γ-부티로락톤, 아세틸-γ-부티로락톤, 및 γ-발레로락톤을 포함한다. 사슬 에스테르들의 구체적인 예들은 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 에틸 카보네이트, 메틸 부틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 부틸 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸 프로필 카보네이트, 알킬 프로피오네이트들, 디알킬 말로네이트들, 및 알킬 아세테이트들을 포함한다. 고리형 에테르들의 구체적인 예들은 테트라하이드로푸란, 알킬테트라하이드로푸란들, 디알킬테트라하이드로푸란들, 알콕시테트라하이드로푸란, 디알콕시테트라하이드로푸란, 1,3-디옥솔란, 알킬-1,3-디옥솔란들, 및 1,4-디옥솔란을 포함한다. 사슬 에테르들의 구체적인 예들은 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 디에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르들, 디에틸렌 글리콜 디알킬 에테르들, 트리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르들, 및 테트라에틸렌 글리콜 디알킬 에테르들을 포함한다.
게다가, 일 실시예에 따르면, 이차 배터리(102)의 충전 및 방전 동안 전극 활성 재료(132)의 팽창이 발생하는 경우에도, 미세다공성 분리막(130) 및 다른 전극 구조체들(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)을 포함하는 이차 배터리(102)의 컴포넌트들은 컴포넌트들이 기능할 수 있게 해주는 구성 및 조성을 포함한다. 즉, 컴포넌트들이 그의 충전/방전 동안 전극 활성 재료(132)의 팽창으로 인한 컴포넌트들의 고장이 허용가능 한계들 내에 있도록 구조화될 수 있다.
전극 구속부 파라미터들
일 실시예에 따르면, 전극 구속부들의 세트(108)의 설계는: (i) 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 전극 구속부들의 세트(108)의 컴포넌트들에 가해지는 힘; 및 (ii) 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창에 의해 가해지는 힘에 대항하는 데 요구되는 전극 구속부들의 세트(108)의 강도를 포함한 파라미터들에 의존한다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면, 전극 활성 재료의 팽창에 의해 시스템에 가해지는 힘들은 특정의 방향을 따른 단면 전극 면적에 의존한다. 예를 들어, 종방향으로 가해지는 힘은 전극의 길이(LE)와 전극의 높이(HE)를 곱한 것에 비례할 것이고; 수직 방향에서, 힘은 전극의 길이(LE)와 전극의 폭(WE)을 곱한 것에 비례할 것이며, 횡방향에서의 힘은 전극의 폭(WE)과 전극의 높이(HE)를 곱한 것에 비례할 것이다.
1차 확장 구속부들(154, 156)의 설계는 다수의 변수들에 의존할 수 있다. 1차 확장 구속부들(154, 156)은 종방향에서의 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인한 전극 어셈블리(106)의 거시적 확장을 저지한다. 도 8a에 도시된 바와 같은 실시예에서, 1차 확장 구속부들(154, 156)은, 전극 활성 재료 층들(132)을 갖는 전극 구조체들(110)의 확장을 저지하기 위해, 적어도 하나의 1차 연결 부재(158)(예컨대, 제1 및 제2 1차 연결 부재들(158 및 160))와 협력하여 기능한다. 확장을 저지하는 데 있어서, 1차 확장 구속부들(154, 156)이 전극 활성 재료 층들(132)의 확장에 의해 가해지는 힘들에 대항할 압축력을 가하도록, 적어도 하나의 연결 부재(158)는 1차 확장 구속부들(154, 156)이 서로 장력을 받도록 한다. 일 실시예에 따르면, 1차 확장 구속부들(154, 156)에 힘이 가해질 때, 1차 연결 부재들(158)의 인장 강도에 따라, 1차 확장 구속부들(154, 156)은 힘을 수용하기 위해: (i) 서로로부터 멀어지도록 이동(translate)하는 것(종방향으로 떨어지게 움직이는 것); (ii) 두께가 압축되는 것; 및 (iii) 종방향을 따라서 구부러지고/지거나 편향되는 것 중 적어도 하나를 행한다. 1차 확장 구속부들(154, 156)이 서로로부터 멀어지게 이동하는 정도는 1차 연결 부재들(158, 160)의 설계에 의존할 수 있다. 1차 확장 구속부들(154, 156)이 압축될 수 있는 양은 1차 확장 구속부 재료 속성들, 예컨대, 1차 확장 구속부들(154, 156)을 형성하는 재료의 압축 강도의 함수이다. 일 실시예에 따르면, 1차 확장 구속부들(154, 156)이 구부러질 수 있는 양은 다음과 같은 것: (i) 종방향에서의 전극 구조체들(110)의 확장에 의해 가해지는 힘; (ii) 1차 확장 구속부들(154, 156)의 탄성 계수; (iii) 수직 방향에서의 1차 연결 부재들(158, 160) 사이의 거리; 및 (iv) 1차 확장 구속부들(154, 156)의 두께(폭)에 의존할 수 있다. 일 실시예에서, 1차 확장 구속부들(154, 156)의 최대 편향은 1차 연결 부재들(158, 160) 사이의 수직 방향에서의 확장 구속부들(154, 156)의 중간 지점에서 발생할 수 있다. 편향은 수직 방향을 따른 1차 연결 부재들(158, 160) 사이의 거리의 4제곱에 따라 증가하고, 구속부 재료 계수(constraint material modulus)에 따라 선형적으로 감소하고, 1차 확장 구속부 두께(폭)의 3제곱에 따라 감소한다. 1차 확장 구속부들(154, 156)의 굽힘으로 인한 편향을 지배하는 방정식은 다음과 같이 쓰여질 수 있고:
δ= 60wL4/Eh3
여기서 w = 전극 팽창으로 인해 1차 확장 구속부(154, 156)에 인가된 총 분포 하중이고; L = 수직 방향을 따른 1차 연결 부재들(158, 160) 사이의 거리이며; E = 1차 확장 구속부들(154, 156)의 탄성 계수이고, h = 1차 확장 구속부들(154, 156)의 두께(폭)이다.
일 실시예에서, 전극 활성 재료(132)의 팽창으로 인한 1차 확장 구속부들(154, 156)에 대한 응력은 하기의 방정식을 사용하여 계산될 수 있으며:
σ= 3wL2/4h2
여기서 w = 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 1차 확장 구속부들(154, 156)에 인가된 총 분포 하중이고; L = 수직 방향을 따른 1차 연결 부재들(158, 160) 사이의 거리이며; h = 1차 확장 구속부들(154, 156)의 두께(폭)이다. 일 실시예에서, 1차 확장 구속부들(154, 156)에 대한 최고 응력은 1차 연결 부재들(158, 160)에 대한 1차 확장 구속부들(154, 156)의 부착 지점에서 있다. 일 실시예에서, 응력은 1차 연결 부재들(158, 160) 사이의 거리의 제곱에 따라 증가하고, 1차 확장 구속부들(154, 156)의 두께의 제곱에 따라 감소한다.
1차 연결 부재 설계에 영향을 미치는 변수들
다수의 변수들이, 도 8a에 묘사된 실시예에 도시된 바와 같은 제1 및 제2 1차 연결 부재들(158, 160)과 같은, 적어도 하나의 1차 연결 부재(158)의 설계에 영향을 미칠 수 있다. 일 실시예에서, 1차 연결 부재들(158, 160)은 그렇지 않았으면 1차 확장 구속부들(154, 156)이 서로로부터 멀어지게 이동하는(떨어지게 움직이는) 것을 초래할 수 있을 힘들에 대항하기에 충분한 저항을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 1차 연결 부재들(158, 160)에 대한 인장 응력을 지배하는 방정식은 다음과 같이 쓰여질 수 있고:
σ=PL/2t
여기서 P = 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 1차 확장 구속부들에 인가되는 압력이고; L = 수직 방향을 따른 1차 연결 부재들(158, 160) 사이의 거리이며, t = 수직 방향에서의 연결 부재들(158, 160)의 두께이다.
2차 확장 구속부 설계에 영향을 미치는 변수들
다수의 변수들이, 도 8b에 묘사된 실시예에 도시된 바와 같은, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(158, 160)의 설계에 영향을 미칠 수 있다. 일 실시예에서, 2차 확장 구속부들(158, 160)의 설계에 영향을 미치는 변수들은 1차 확장 구속부들(154, 156)의 설계에 영향을 미치는 변수들과 유사하지만, 직교 방향으로 변환(translate)된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 2차 확장 구속부들(158, 160)의 굽힘으로 인한 편향을 지배하는 방정식은 다음과 같이 쓰여질 수 있고:
δ= 60wy4/Et3
여기서 w = 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 2차 확장 구속부들(158, 160)에 인가된 총 분포 하중이고; y = 종방향에서의 (2차 연결 부재들(166)로서 기능하는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(154, 156)과 같은) 2차 연결 부재들(166) 사이의 거리이며; E = 2차 확장 구속부들(158, 160)의 탄성 계수이고, t = 2차 확장 구속부들(158, 160)의 두께이다. 다른 실시예에서, 2차 확장 구속부들(158, 160)에 대한 응력은 다음과 같이 쓰여질 수 있고:
σ= 3wy2/4t2
여기서 w = 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 2차 확장 구속부들(158, 160)에 인가된 총 분포 하중이고; y = 종방향을 따른 2차 연결 부재들(154, 156) 사이의 거리이며; t = 2차 확장 구속부들(158, 160)의 두께이다.
2차 연결 부재 설계에 영향을 미치는 변수들
다수의 변수들이, 도 8b에 묘사된 실시예에 도시된 바와 같은, 제1 및 제2 2차 연결 부재들(154, 156)과 같은, 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)의 설계에 영향을 미칠 수 있다. 일 실시예에서, 2차 연결 부재들(154, 156)에 대한 인장 응력은 다음과 같이 1차 연결 부재들(158, 160)에 대한 것과 유사하게 쓰여질 수 있고:
σ=Py/2h,
여기서 P = 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 2차 확장 구속부들(158, 160)에 인가되는 압력이고; y = 종방향을 따른 연결 부재들(154, 156) 사이의 거리이며; h = 종방향에서의 2차 연결 부재들(154, 156)의 두께이다.
일 실시예에서, 2차 확장 구속부들(158, 160)에 대한 적어도 하나의 연결 부재(166)는 전극 어셈블리(106)의 종방향 단부들(117, 119)에 위치되지 않고, 그 대신에 전극 어셈블리(106) 내부에 위치될 수 있다. 예를 들어, 상대 전극 구조체들(112)의 일부분은 2차 확장 구속부들(158, 160)을 서로 연결시키는 2차 연결 부재들(166)로서 기능할 수 있다. 적어도 하나의 2차 연결 부재(166)가 내부 부재이고 2차 연결 부재(166)의 양측에서 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창이 발생하는 그러한 경우에, 내부 2차 연결 부재들(166)에 대한 인장 응력은 다음과 같이 계산될 수 있고:
σ=Py/h
여기서, P = 전극 활성 재료의 팽창으로 인해 내부 제1 및 제2 2차 연결 부재들(166)(예컨대, 종방향으로 서로 분리된 상대 전극 구조체들(112)) 사이에 있는 2차 확장 구속부들(158, 160)의 영역들에 인가되는 압력이며; y = 종방향을 따른 내부 2차 연결 부재들(166) 사이의 거리이고, h = 종방향에서의 내부 2차 연결 부재들(166)의 두께이다. 이 실시예에 따르면, 내부 2차 연결 부재(166)(예컨대, 상대 전극 구조체(112))의 두께의 절반만이 한쪽 측면 상의 전극 활성 재료로 인한 팽창을 저지하는 데 기여하고, 내부 2차 연결 부재(166)의 두께의 나머지 절반은 다른 쪽 측면 상의 전극 활성 재료로 인한 팽창을 저지하는 데 기여한다.
예들
예 1
본 예는 구속부들의 세트(108)의 세트를 갖는 전극 어셈블리(106)를 제조하는 방법의 일 예를 설명한다. 도 21은 본 명세서에서 본 방법의 일 실시예로서 지칭된다.
이 예에서, 단계(S1)에서, 애노드 및 캐소드 백본들(제각기, 134, 141)이 제조된다. 단계(S2)에 도시된 바와 같이, 실리콘 함유 재료와 같은, 애노드 활성 재료(132)를 애노드 백본들(134) 상에 형성함으로써 애노드들(110)이 이어서 제조된다. 단계(S3)에서, 애노드 및 캐소드 전류 컬렉터들(제각기, 136, 140)이 제조된다. 단계(S4)에서와 같이, 구속부들의 세트(108)가 제조된다. 단계(S5)에서, 분리막들(130)을 형성하기 위한 재료가 애노드 전류 컬렉터들(136)의 측면들 상에 퇴적된다. 단계(S6)에서, 캐소드 활성 재료(138)가 재료를 애노드 구조체들(110)과 캐소드 백본(141) 사이에 퇴적시킴으로써 형성된다. 마지막으로, 단계(S7)에서, 전극 어셈블리(106)가 탭들에 연결되고, 패키징되며, 전해질로 충전되고 실링된다. 일 실시예에 따르면, 단계들(S5 및 S6)에서 분리막(130) 및/또는 캐소드 활성 재료(138)가 퇴적되기 전에 단계(S4)에서 구속부들의 세트(108)를 제조하는 것은, 분리막(130) 및/또는 캐소드 활성 재료(138)가 전극 어셈블리(106)에 제공된 후에 구속부들의 세트(108)가 형성된 경우, 그렇지 않았으면 남아 있을 수 있는 과도한 잔류물 없이, 구속부들의 세트(108)에 대한 애노드 구조체(110)의 개선된 접착을 제공할 수 있다.
이하의 실시예들이 본 개시내용의 양태들을 예시하기 위해 제공되지만, 실시예들이 제한하는 것으로 의도되어 있지 않고 다른 양태들 및/또는 실시예들이 또한 제공될 수 있다.
실시예 1. 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 이차 배터리로서, 이차 배터리는 배터리 인클로저(battery enclosure), 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질, 및 전극 구속부들(electrode constraints)의 세트를 포함하며,
전극 어셈블리는 상호 수직인 종축, 횡축, 및 수직축, 종방향으로 서로 분리된 제1 종방향 단부 표면 및 제2 종방향 단부 표면, 그리고 전극 어셈블리 종축 AEA를 둘러싸고 제1 및 제2 종방향 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면을 갖고, 측방 표면은 종축의 양측에(on opposite sides) 있고 종축에 직교하는 제1 방향으로 분리된 대향하는 제1 및 제2 영역들을 가지며, 전극 어셈블리는 종방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방 표면에 의해 경계지어지고 횡방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방 표면에 의해 경계지어지고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, LEA 및 WEA 각각 대 HEA의 비는, 제각기, 2:1 이상이며,
전극 어셈블리는 전극 구조체들의 집단(population), 상대 전극 구조체들의 집단, 그리고 전극 및 상대 전극 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리시키는 전기 절연성 미세다공성 분리막 재료(electrically insulating microporous separator material)를 추가로 포함하고, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들의 멤버들은 종방향으로 교대하는 시퀀스로(in an alternating sequence) 배열되며,
전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 전극 활성 재료의 층을 포함하고, 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 상대 전극 활성 재료의 층을 포함하며, 전극 활성 재료는 이차 배터리가 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전될 때 전극 활성 재료 1 몰당(per mole of electrode active material) 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 가지며,
전극 구속부들의 세트는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(primary growth constraints) 및 적어도 하나의 1차 연결 부재(primary connecting member)를 포함하는 1차 구속 시스템(primary constraint system)을 포함하며, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 종방향으로 서로 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 부재는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들을 연결시키며, 1차 구속 시스템은 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경(Feret diameter)의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지(restrain)시키며,
전극 구속부들의 세트는 제2 방향으로 분리되고 적어도 하나의 2차 연결 부재(secondary connecting member)에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(secondary growth constraints)을 포함하는 2차 구속 시스템(secondary constraint system)을 추가로 포함하며, 2차 구속 시스템은 이차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 적어도 부분적으로 저지하며, 제2 방향은 종방향에 직교하고,
충전된 상태는 이차 배터리의 정격 용량(rated capacity)의 75% 이상이고, 방전된 상태는 이차 배터리의 정격 용량의 25% 미만이다.
실시예 2. 실시예 1의 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이(primary constraint array)는 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 3. 실시예 1의 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 4. 실시예 1의 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 5. 실시예 1의 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 20% 미만으로 저지한다.
실시예 6. 실시예 1의 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 1000번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 7. 실시예 1 내지 실시예 6 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 8. 실시예 1 내지 실시예 7 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 9. 실시예 1 내지 실시예 8 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 10. 실시예 1 내지 실시예 9 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 11. 실시예 1 내지 실시예 10 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 12. 실시예 1 내지 실시예 11 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 100번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 13. 실시예 1 내지 실시예 12 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 5번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 14. 실시예 1 내지 실시예 13 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 15. 실시예 1 내지 실시예 14 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 16. 실시예 1 내지 실시예 15 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 30번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 17. 실시예 1 내지 실시예 16 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 50번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 18. 실시예 1 내지 실시예 17 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 80번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 19. 실시예 1 내지 실시예 18 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 사이클당 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 20. 실시예 1 내지 실시예 19 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 2차 확장 구속 시스템은 이차 배터리의 반복 사이클링 시에 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 21. 실시예 1 내지 실시예 20 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 2차 확장 구속 시스템은 이차 배터리의 10번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 22. 실시예 1 내지 실시예 21 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 2차 확장 구속 시스템은 이차 배터리의 5번의 연속적인 사이클에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 23. 실시예 1 내지 실시예 22 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 2차 확장 구속 시스템은 이차 배터리의 사이클당 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 24. 실시예 1 내지 실시예 23 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 1차 확장 구속부는 전극 어셈블리의 제1 종방향 단부 표면을 적어도 부분적으로 커버하고, 제2 1차 확장 구속부는 전극 어셈블리의 제2 종방향 단부 표면을 적어도 부분적으로 커버한다.
실시예 25. 실시예 1 내지 실시예 24 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 적층 방향에 직교하는 평면에서의 전극 어셈블리의 투영의 표면적은 다른 직교 평면들 상으로의 전극 어셈블리의 투영들의 표면적들보다 더 작다.
실시예 26. 실시예 1 내지 실시예 25 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 적층 방향에 직교하는 평면에서의 전극 구조체의 투영의 표면적은 다른 직교 평면들 상으로의 전극 구조체의 투영들의 표면적들보다 더 크다.
실시예 27. 실시예 1 내지 실시예 26 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 확장 구속 시스템의 적어도 일부분은, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 사이클링 이전에, 전극 어셈블리의 적어도 일부분에 종방향으로 압축력(compressive force)을 가하도록 프리텐셔닝(pre-tension)된다.
실시예 28. 실시예 1 내지 실시예 27 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 1차 구속 시스템은 제1 방향으로 서로 분리되고 제1 및 제2 1차 확장 구속부들을 연결시키는 제1 및 제2 1차 연결 부재들을 포함한다.
실시예 29. 실시예 1 내지 실시예 28 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 1차 연결 부재는 제1 2차 확장 구속부이고, 제2 1차 연결 부재는 제2 2차 확장 구속부이며, 제1 1차 확장 구속부 또는 제2 1차 확장 구속부는 제1 2차 연결 부재이다.
실시예 30. 실시예 1 내지 실시예 29 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 적어도 하나의 2차 연결 부재는 종축을 따라서 전극 어셈블리의 제1 및 제2 종방향 단부들의 내부에 있는 부재를 포함한다.
실시예 31. 실시예 1 내지 실시예 30 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 적어도 하나의 2차 연결 부재는 전극 및 상대 전극 구조체들 중 하나 이상의 적어도 일부분을 포함한다.
실시예 32. 실시예 1 내지 실시예 31 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 적어도 하나의 2차 연결 부재는 전극 백본 구조체 및 상대 전극 백본 구조체 중 적어도 하나의 일부분을 포함한다.
실시예 33. 실시예 1 내지 실시예 32 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 적어도 하나의 2차 연결 부재는 전극 전류 컬렉터 및 상대 전극 전류 컬렉터 중 하나 이상의 일부분을 포함한다.
실시예 34. 실시예 1 내지 실시예 33 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들 중 적어도 하나는 종축을 따라서 전극 어셈블리의 제1 및 제2 종방향 단부들의 내부에 있다.
실시예 35. 실시예 1 내지 실시예 34 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들 중 적어도 하나는 전극 및 상대 전극 구조체들 중 하나 이상의 적어도 일부분을 포함한다.
실시예 36. 실시예 1 내지 실시예 35 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들 중 적어도 하나는 전극 백본 구조체 및 상대 전극 백본 구조체 중 적어도 하나의 일부분을 포함한다.
실시예 37. 실시예 1 내지 실시예 36 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들 중 적어도 하나는 전극 전류 컬렉터 및 상대 전극 전류 컬렉터 중 하나 이상의 일부분을 포함한다.
실시예 38. 실시예 1 내지 실시예 37 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제3 방향으로 분리되고 적어도 하나의 3차 연결 부재(tertiary connecting member)에 의해 연결되는 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(tertiary growth constraints)을 포함하는 3차 구속 시스템(tertiary constraint system)을 추가로 포함하고, 3차 구속 시스템은 이차 배터리를 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전시킬 때 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지하며, 제3 방향은 종방향 및 제2 방향과 직교한다.
실시예 39. 실시예 1 내지 실시예 38 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 전극 활성 재료는 애노드 활성(anodically active)이고 상대 전극 활성 재료는 캐소드 활성(cathodically active)이다.
실시예 40. 실시예 1 내지 실시예 39 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 백본을 포함한다.
실시예 41. 실시예 1 내지 실시예 40 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 백본을 포함한다.
실시예 42. 실시예 1 내지 실시예 41 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 2차 구속 시스템은 1000 psi 초과의 저지력(restraining force) 및 0.2 mm/m 미만의 스큐(skew)로 수직 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 43. 실시예 1 내지 실시예 42 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 2차 확장 구속부는 10,000 psi 이하에서의 5% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 수직 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 44. 실시예 1 내지 실시예 43 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 2차 확장 구속부는 10,000 psi 이하에서의 3% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 수직 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 45. 실시예 1 내지 실시예 44 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 2차 확장 구속부는 10,000 psi 이하에서의 1% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 수직 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 46. 실시예 1 내지 실시예 45 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 2차 확장 구속부는 50번의 배터리 사이클 이후에 10,000 psi 이하에서의 15% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 수직 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 47. 실시예 1 내지 실시예 46 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 2차 확장 구속부는 150번의 배터리 사이클 이후에 10,000 psi 이하에서의 5% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 수직 방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지한다.
실시예 48. 실시예 1 내지 실시예 47 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 상대 전극 구조체들의 집단의 멤버들은 제1 2차 확장 구속부에 인접한 상부(top), 제2 2차 확장 구속부에 인접한 하부(bottom), 수직 방향에 평행하게 그리고 수직 방향으로 상부로부터 하부로 연장되는 수직축 ACES, 수직축 ACES를 둘러싸고 상부와 하부를 연결시키는 측방 전극 표면 - 측방 전극 표면은 수직축의 양측에 있고 수직축에 직교하는 제1 방향으로 분리된 대향하는 제1 및 제2 영역들을 가짐 -, 길이 LCES, 폭 WCES, 및 높이 HCES를 포함하며, 길이 LCES는 측방 전극 표면에 의해 경계지어지고 횡방향으로 측정되며, 폭 WCES는 측방 전극 표면에 의해 경계지어지고 종방향으로 측정되며, 높이 HCES는 수직축 ACES의 방향으로 상부로부터 하부까지 측정되고,
제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각은 내측 표면 및 대향하는 외측 표면을 포함하며, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면 및 외측 표면은 실질적으로 동일 평면이고(co-planar), 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면과 대향하는 외측 표면 사이의 거리는 수직 방향으로 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면으로부터 외측 표면까지 측정되는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 높이를 정의하며, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 전극 구조체들의 집단의 상부 및 하부에 부착(affix)된다.
실시예 49. 실시예 1 내지 실시예 48 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 노치(notch)를 포함하고, 상대 전극 구조체들의 집단의 높이 HCES는 노치 내로 연장되어 노치 내에 부착되고, 노치는 수직 방향을 따라서 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들의 25%로 정의된 깊이를 갖는다.
실시예 50. 실시예 1 내지 실시예 49 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 노치를 포함하며, 상대 전극 구조체들의 집단의 높이 HCES는 노치 내로 연장되어 노치 내에 부착되고, 노치는 수직 방향을 따라서 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들의 50%로 정의된 깊이를 갖는다.
실시예 51. 실시예 1 내지 실시예 50 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 노치를 포함하며, 상대 전극 구조체들의 집단의 높이 HCES는 노치 내로 연장되어 노치 내에 부착되고, 노치는 수직 방향을 따라서 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들의 75%로 정의된 깊이를 갖는다.
실시예 52. 실시예 1 내지 실시예 51 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 노치를 포함하며, 상대 전극 구조체들의 집단의 높이 HCES는 노치 내로 연장되어 노치 내에 부착되고, 노치는 수직 방향을 따라서 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들의 90%로 정의된 깊이를 갖는다.
실시예 53. 실시예 1 내지 실시예 52 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각은 슬롯을 포함하고, 상대 전극 구조체들의 집단의 높이는 슬롯을 통해 연장되어 슬롯 내에 부착되어, 전극 구조체들의 집단과 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각 사이의 인터로킹 연결(interlocking connection)을 형성한다.
실시예 54. 실시예 1 내지 실시예 53 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 전극 구조체들의 집단의 멤버들은 제1 2차 확장 구속부에 인접한 상부, 제2 2차 확장 구속부에 인접한 하부, 수직 방향에 평행하게 그리고 수직 방향으로 상부로부터 하부로 연장되는 수직축 AES, 수직축 AES를 둘러싸고 상부와 하부를 연결시키는 측방 전극 표면 - 측방 전극 표면은 수직축의 양측에 있고 수직축에 직교하는 제1 방향으로 분리된 대향하는 제1 및 제2 영역들을 가짐 -, 길이 LES, 폭 WES, 및 높이 HES를 포함하며, 길이 LES는 측방 전극 표면에 의해 경계지어지고 횡방향으로 측정되며, 폭 WES는 측방 전극 표면에 의해 경계지어지고 종방향으로 측정되며, 높이 HES는 수직축 AES의 방향으로 상부로부터 하부까지 측정되고,
제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각은 내측 표면 및 대향하는 외측 표면을 포함하며, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면 및 외측 표면은 실질적으로 동일 평면이고, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면과 대향하는 외측 표면 사이의 거리는 수직 방향으로 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면으로부터 외측 표면까지 측정되는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 높이를 정의하며, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 전극 구조체들의 집단의 상부 및 하부에 부착된다.
실시예 55. 실시예 1 내지 실시예 54 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 노치를 포함하며, 전극 구조체들의 집단의 높이 HES는 노치 내로 연장되어 노치 내에 부착되고, 노치는 수직 방향을 따라서 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들의 25%로 정의된 깊이를 갖는다.
실시예 56. 실시예 1 내지 실시예 55 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 노치를 포함하며, 전극 구조체들의 집단의 높이 HES는 노치 내로 연장되어 노치 내에 부착되고, 노치는 수직 방향을 따라서 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들의 50%로 정의된 깊이를 갖는다.
실시예 57. 실시예 1 내지 실시예 56 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 노치를 포함하며, 전극 구조체들의 집단의 높이 HES는 노치 내로 연장되어 노치 내에 부착되고, 노치는 수직 방향을 따라서 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들의 75%로 정의된 깊이를 갖는다.
실시예 58. 실시예 1 내지 실시예 57 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 노치를 포함하며, 전극 구조체들의 집단의 높이 HES는 노치 내로 연장되어 노치 내에 부착되고, 노치는 수직 방향을 따라서 제1 및 제2 2차 확장 구속부 높이들의 90%로 정의된 깊이를 갖는다.
실시예 59. 실시예 1 내지 실시예 58 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각은 슬롯을 포함하고, 전극 구조체들의 집단의 높이는 슬롯을 통해 연장되어 슬롯 내에 부착되어, 전극 구조체들의 집단과 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각 사이의 인터로킹 연결을 형성한다.
실시예 60. 실시예 1 내지 실시예 59 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 전극 구속부들의 세트는 제2 방향으로 분리되고 적어도 하나의 제1 2차 연결 부재와 융착되는(fused) 제1 및 제2 2차 확장 구속부들을 포함하는 융착형 2차 구속 시스템(fused secondary constraint system)을 추가로 포함한다.
실시예 61. 실시예 1 내지 실시예 60 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 상대 전극 구조체들의 집단의 멤버들은 제1 2차 확장 구속부에 인접한 상부, 제2 2차 확장 구속부에 인접한 하부, 수직 방향에 평행하게 그리고 수직 방향으로 상부로부터 하부로 연장되는 수직축 ACES, 수직축 ACES를 둘러싸고 상부와 하부를 연결시키는 측방 전극 표면 - 측방 전극 표면은 수직축의 양측에 있고 수직축에 직교하는 제1 방향으로 분리된 대향하는 제1 및 제2 영역들을 가짐 -, 길이 LCES, 폭 WCES, 및 높이 HCES를 포함하며, 길이 LCES는 측방 전극 표면에 의해 경계지어지고 횡방향으로 측정되며, 폭 WCES는 측방 전극 표면에 의해 경계지어지고 종방향으로 측정되며, 높이 HCES는 수직축 ACES의 방향으로 상부로부터 하부까지 측정되고,
제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각은 내측 표면 및 대향하는 외측 표면을 포함하며, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면 및 외측 표면은 실질적으로 동일 평면이고, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면과 대향하는 외측 표면 사이의 거리는 수직 방향으로 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면으로부터 외측 표면까지 측정되는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 높이를 정의하며, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 상대 전극 구조체들의 집단의 상부 및 하부에 융착된다.
실시예 62. 실시예 1 내지 실시예 61 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 전극 구조체들의 집단의 멤버들은 제1 2차 확장 구속부에 인접한 상부, 제2 2차 확장 구속부에 인접한 하부, 수직 방향에 평행하게 그리고 수직 방향으로 상부로부터 하부로 연장되는 수직축 AES, 수직축 AES를 둘러싸고 상부와 하부를 연결시키는 측방 전극 표면 - 측방 전극 표면은 수직축의 양측에 있고 수직축에 직교하는 제1 방향으로 분리된 대향하는 제1 및 제2 영역들을 가짐 -, 길이 LES, 폭 WES, 및 높이 HES를 포함하며, 길이 LES는 측방 전극 표면에 의해 경계지어지고 횡방향으로 측정되며, 폭 WES는 측방 전극 표면에 의해 경계지어지고 종방향으로 측정되며, 높이 HES는 수직축 AES의 방향으로 상부로부터 하부까지 측정되고,
제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각은 내측 표면 및 대향하는 외측 표면을 포함하며, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면 및 외측 표면은 실질적으로 동일 평면이고, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면과 대향하는 외측 표면 사이의 거리는 수직 방향으로 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면으로부터 외측 표면까지 측정되는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 높이를 정의하며, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각의 내측 표면들은 전극 구조체들의 집단의 상부 및 하부에 융착된다.
실시예 63. 실시예 1 내지 실시예 62 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 전극 구조체 및 상대 전극 구조체 중 적어도 하나는 제1 2차 확장 구속부에 인접한 상부, 제2 2차 확장 구속부에 인접한 하부, 수직 방향에 평행하게 그리고 수직 방향으로 상부로부터 하부로 연장되는 수직축 AES, 수직축을 둘러싸고 상부와 하부를 연결시키는 측방 전극 표면 - 측방 전극 표면은 측방 표면에 의해 경계지어지고 종방향으로 측정되는 폭 WES를 가짐 - 을 포함하며,
폭 WES는 수직축을 따라서 상부와 하부 사이의 한 영역에서 상부에 인접한 제1 폭으로부터 제1 폭보다 더 작은 제2 폭으로 테이퍼링한다.
실시예 64. 실시예 1 내지 실시예 63 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 적어도 하나의 2차 연결 부재는 전극 어셈블리의 종방향 단부들에 있는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들 중 적어도 하나에 대응한다.
실시예 65. 실시예 1 내지 실시예 64 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 전기 절연성 미세다공성 분리막 재료는 미립자 재료(particulate material) 및 바인더(binder)를 포함하고, 20 체적%(vol.%) 이상의 보이드 분율(void fraction)을 가지며, 비-수성 액체 전해질이 침투되어 있다.
실시예 66. 실시예 1 내지 실시예 65 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 캐리어 이온들은 리튬, 칼륨, 나트륨, 칼슘, 및 마그네슘으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
실시예 67. 실시예 1 내지 실시예 66 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 비-수성 액체 전해질은 유기 용매 중에 용해된 리튬 염을 포함한다.
실시예 68. 실시예 1 내지 실시예 67 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각은 전극 또는 상대 전극 높이의 50% 미만인 두께를 포함한다.
실시예 69. 실시예 1 내지 실시예 68 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각은 전극 또는 상대 전극 높이의 20% 미만인 두께를 포함한다.
실시예 70. 실시예 1 내지 실시예 69 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각은 전극 또는 상대 전극 높이의 10% 미만인 두께를 포함한다.
실시예 71. 실시예 1 내지 실시예 70 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 전극 구속부들의 세트는 SEM(scanning electron microscopy)에 의해 측정되는 바와 같은 캐리어 이온들의 전극 활성 재료 내로의 삽입 시의 수직 방향에서의 전극 활성 재료 층들의 팽창을 저지한다.
실시예 72. 실시예 1 내지 실시예 71 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은, 제1 및 제2 종방향 단부들의 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된, 0.7 kPa 이상의 평균 압축력(average compressive force)을 제1 및 제2 종방향 단부들 각각에 가한다.
실시예 73. 실시예 1 내지 실시예 72 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은, 제1 및 제2 종방향 단부들의 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된, 1.75 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 종방향 단부들 각각에 가한다.
실시예 74. 실시예 1 내지 실시예 73 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은, 제1 및 제2 종방향 단부들의 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된, 2.8 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 종방향 단부들 각각에 가한다.
실시예 75. 실시예 1 내지 실시예 74 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은, 제1 및 제2 종방향 단부들의 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된, 3.5 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 종방향 단부들 각각에 가한다.
실시예 76. 실시예 1 내지 실시예 75 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은, 제1 및 제2 종방향 단부들의 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된, 5.25 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 종방향 단부들 각각에 가한다.
실시예 77. 실시예 1 내지 실시예 76 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은, 제1 및 제2 종방향 단부들의 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된, 7 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 종방향 단부들 각각에 가한다.
실시예 78. 실시예 1 내지 실시예 77 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은, 제1 및 제2 투영된 종방향 단부들의 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된, 8.75 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 종방향 단부들 각각에 가한다.
실시예 79. 실시예 1 내지 실시예 78 중 어느 한 실시예에서와 같은 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은, 제1 및 제2 종방향 단부들의 표면적에 걸쳐, 제각기, 평균된, 10 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 종방향 단부들 각각에 가한다.
실시예 80. 실시예 1 내지 실시예 79 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 25% 미만이다.
실시예 81. 실시예 1 내지 실시예 80 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 20% 미만이다.
실시예 82. 실시예 1 내지 실시예 81 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 15% 미만이다.
실시예 83. 실시예 1 내지 실시예 82 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 10% 미만이다.
실시예 84. 실시예 1 내지 실시예 83 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부 및 인클로저는 배터리 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 60% 미만인 조합 체적(combined volume)을 갖는다.
실시예 85. 실시예 1 내지 실시예 84 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부 및 인클로저는 배터리 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 45% 미만인 조합 체적을 갖는다.
실시예 86. 실시예 1 내지 실시예 85 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부 및 인클로저는 배터리 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 30% 미만인 조합 체적을 갖는다.
실시예 87. 실시예 1 내지 실시예 86 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부 및 인클로저는 배터리 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 20% 미만인 조합 체적을 갖는다.
실시예 88. 실시예 1 내지 실시예 87 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 이차 배터리가 자신의 정격 용량의 80% 이상으로 충전될 때 제1 및 제2 종방향 단부 표면들은 압축 하중(compressive load) 하에 있다.
실시예 89. 실시예 1 내지 실시예 88 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 이차 배터리는 전극 어셈블리들의 세트를 포함하고, 이 세트는 적어도 2개의 전극 어셈블리를 포함한다.
실시예 90. 실시예 1 내지 실시예 89 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리는 적어도 5개의 전극 구조체 및 적어도 5개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 91. 실시예 1 내지 실시예 90 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리는 적어도 10개의 전극 구조체 및 적어도 10개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 92. 실시예 1 내지 실시예 91 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리는 적어도 50개의 전극 구조체 및 적어도 50개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 93. 실시예 1 내지 실시예 92 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리는 적어도 100개의 전극 구조체 및 적어도 100개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 94. 실시예 1 내지 실시예 93 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리는 적어도 500개의 전극 구조체 및 적어도 500개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 95. 실시예 1 내지 실시예 94 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 10,000 psi 이상(70 MPa 초과)의 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)를 갖는 재료를 포함한다.
실시예 96. 실시예 1 내지 실시예 95 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 배터리 전해질과 상용성이 있는(compatible) 재료를 포함한다.
실시예 97. 실시예 1 내지 실시예 96 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 배터리에 대한 부유 또는 애노드 전위에서 상당히 부식되지는 않는 재료를 포함한다.
실시예 98. 실시예 1 내지 실시예 97 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 45 ℃에서 상당히 반응하지는 않거나 기계적 강도를 상실하지는 않는 재료를 포함한다.
실시예 99. 실시예 1 내지 실시예 98 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 70 ℃에서 상당히 반응하지는 않거나 기계적 강도를 상실하지는 않는 재료를 포함한다.
실시예 100. 실시예 1 내지 실시예 99 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 금속, 금속 합금, 세라믹, 유리, 플라스틱, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예 101. 실시예 1 내지 실시예 100 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 재료 시트(sheet of material)를 포함한다.
실시예 102. 실시예 1 내지 실시예 101 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 약 30 내지 약 75 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 재료 시트를 포함한다.
실시예 103. 실시예 1 내지 실시예 102 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 50% 초과의 패킹 밀도(packing density)로 탄소 섬유들을 포함한다.
실시예 104. 실시예 1 내지 실시예 103 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 상호 수직이고 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 전극 어셈블리에 대해 유지된 압력을 3배 이상 초과하는 압력을 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 가한다.
실시예 105. 실시예 1 내지 실시예 104 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 상호 수직이고 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 전극 어셈블리에 대해 유지된 압력을 3배 이상 초과하는 압력을 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 가한다.
실시예 106. 실시예 1 내지 실시예 105 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 상호 수직이고 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 전극 어셈블리에 대해 유지된 압력을 4배 이상 초과하는 압력을 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 가한다.
실시예 107. 실시예 1 내지 실시예 106 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 상호 수직이고 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 전극 어셈블리에 대해 유지된 압력을 5배 이상 초과하는 압력을 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 가한다.
실시예 108. 실시예 1 내지 실시예 107 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리의 외부에 있는 전극 구속부들의 세트의 부분들은 전극 어셈블리 및 전극 구속부들의 외부 부분들의 총 조합 체적의 80% 이하를 점유한다.
실시예 109. 실시예 1 내지 실시예 108 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리의 외부에 있는 1차 확장 구속 시스템의 부분들은 전극 어셈블리 및 1차 확장 구속 시스템의 외부 부분들의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다.
실시예 110. 실시예 1 내지 실시예 109 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리의 외부에 있는 2차 확장 구속 시스템의 부분들은 전극 어셈블리 및 2차 확장 구속 시스템의 외부 부분들의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다.
실시예 111. 실시예 1 내지 실시예 110 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제1 종방향 단부 표면 상으로의 투영은 제1 투영된 구역(projected area)을 한정(circumscribe)하고, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제2 종방향 단부 표면 상으로의 투영은 제2 투영된 구역을 한정하며, 제1 및 제2 투영된 구역들 각각은, 제각기, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적의 50% 이상을 포함한다.
실시예 112. 실시예 1 내지 실시예 111 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 하기의 식에 따라 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 반복 사이클링 시에 편향(deflect)되고:
δ= 60wL4/Eh3,
w는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 반복 싸이클링 시에 제1 및 제2 1차 확장 구속부들에 인가되는 총 분포 하중(total distributed load)이고, L은 수직 방향에서의 제1 및 제2 1차 연결 부재들 사이의 거리이며, E는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들의 탄성 계수(elastic modulus)이고, h는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들의 두께이다.
실시예 113. 실시예 1 내지 실시예 112 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 반복 사이클링 시의 제1 및 제2 1차 확장 구속부들에 대한 응력은 다음과 같고:
σ= 3wL2/4h2
w는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 반복 싸이클링 시에 제1 및 제2 1차 확장 구속부들에 인가되는 총 분포 하중이고, L은 수직 방향에서의 제1 및 제2 1차 연결 부재들 사이의 거리이며, h는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들의 두께이다.
실시예 114. 실시예 1 내지 실시예 113 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 1차 연결 부재들에 대한 인장 응력은 다음과 같고:
σ=PL/2t
P는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 반복 싸이클링 시에 제1 및 제2 1차 확장 구속부들로 인해 인가되는 압력이고, L은 수직 방향을 따른 제1 및 제2 1차 연결 부재들 사이의 거리이며, t는 수직 방향에서의 제1 및 제2 1차 연결 부재들의 두께이다.
실시예 115. 실시예 1 내지 실시예 114 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들은 하기의 식에 따라 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 반복 사이클링 시에 편향되고:
δ= 60wy4/Et3,
w는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 반복 싸이클링 시에 제1 및 제2 2차 확장 구속부들에 인가되는 총 분포 하중이고, y는 종방향에서의 제1 및 제2 2차 연결 부재들 사이의 거리이며, E는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 탄성 계수이고, t는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 두께이다.
실시예 116. 실시예 1 내지 실시예 115 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 확장 구속부들에 대한 응력은 다음과 같고:
σ= 3wy2/4t2
w는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 반복 싸이클링 시에 제1 및 제2 2차 확장 구속부들에 인가되는 총 분포 하중이고, y는 종방향을 따른 제1 및 제2 2차 연결 부재들 사이의 거리이며, t는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들의 두께이다.
실시예 117. 실시예 1 내지 실시예 116 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 2차 연결 부재들에 대한 인장 응력은 다음과 같고:
σ=Py/2h,
P는 이차 배터리의 반복 싸이클링 시에 제1 및 제2 2차 확장 구속부들에 인가되는 압력이고, y는 종방향을 따른 제1 및 제2 2차 연결 부재들 사이의 거리이며, h는 종방향에서의 제1 및 제2 2차 연결 부재들의 두께이다.
실시예 118. 실시예 1 내지 실시예 117 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 내부 2차 연결 부재들에 대한 인장 응력은 다음과 같고:
σ=Py/h
P는, 내부 제1 및 제2 2차 연결 부재들 사이에 있는 영역들 상의 전극 활성 재료의 팽창으로 인해, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 사이클링 시에 제1 및 제2 2차 확장 구속부들에 인가되는 압력이고, y는 종방향을 따른 내부 제1 및 제2 2차 연결 부재들 사이의 거리이며, h는 종방향에서의 내부 제1 및 제2 2차 연결 부재들의 두께이다.
실시예 119. 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 이차 배터리로서, 이차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질, 및 전극 구속부들의 세트를 포함하며,
전극 어셈블리는 상호 수직인 종축, 횡축, 및 수직축, 종방향으로 서로 분리된 제1 종방향 단부 표면 및 제2 종방향 단부 표면, 그리고 전극 어셈블리 종축 AEA를 둘러싸고 제1 및 제2 종방향 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면을 갖고, 측방 표면은 종축의 양측에 있고 종축에 직교하는 제1 방향으로 분리된 대향하는 제1 및 제2 영역들을 가지며, 전극 어셈블리는 종방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방 표면에 의해 경계지어지고 횡방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방 표면에 의해 경계지어지고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, LEA 및 WEA 각각 대 HEA의 비는, 제각기, 2:1 이상이며,
전극 어셈블리는 전극 구조체들의 집단, 상대 전극 구조체들의 집단, 그리고 전극 및 상대 전극 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리시키는 전기 절연성 미세다공성 분리막 재료를 추가로 포함하고, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들의 멤버들은 종방향으로 교대하는 시퀀스로 배열되며,
전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 전극 활성 재료의 층을 포함하고, 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 상대 전극 활성 재료의 층을 포함하며, 전극 활성 재료는 이차 배터리가 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전될 때 전극 활성 재료 1 몰당 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 가지며,
전극 구속부들의 세트는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들 및 적어도 하나의 1차 연결 부재를 포함하는 1차 구속 시스템을 포함하며, 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 종방향으로 서로 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 부재는 제1 및 제2 1차 확장 구속부들을 연결시키며, 1차 구속 어레이는 이차 배터리의 20번의 연속적인 사이클에 걸쳐 종방향에서의 전극 어셈블리의 페렛 직경의 임의의 증가가 20% 미만이도록 종방향에서의 전극 어셈블리의 확장을 저지하고,
충전된 상태는 이차 배터리의 정격 용량의 75% 이상이고, 방전된 상태는 이차 배터리의 정격 용량의 25% 미만이다.
참조에 의한 원용
이하에 열거된 그 항목들을 포함하여, 본 명세서에서 언급된 모든 간행물들 및 특허들은 각각의 개별 간행물 또는 특허가 참고로 구체적으로 그리고 개별적으로 원용된 것처럼 모든 목적들을 위해 이로써 그 전체가 참고로 원용된다. 충돌들의 경우에, 본 명세서에서의 임의의 정의들을 포함한, 본 출원이 우선시될 것이다.
등가물들
특정 실시예들이 논의되었지만, 상기 명세서는 예시적이고 제한적이지 않다. 많은 변형들이 본 명세서의 검토 시에 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 실시예들의 전체 범주는 청구항들을, 등가물들의 그 전체 범주와 함께, 그리고 명세서를, 그러한 변형들과 함께, 참조하여 결정되어야 한다.
달리 지시되지 않는 한, 명세서 및 청구항들에서 사용되는 구성요소들의 양들, 반응 조건들 등을 표현하는 모든 숫자들은, 모든 경우들에서, "약"이라는 용어에 의해 수식된 것으로 이해되어야 한다. 그에 따라, 반대로 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 첨부된 청구항들에 기재된 수치 파라미터들은 획득하고자 하는 원하는 속성들에 따라 변할 수 있는 근사치들이다.

Claims (32)

  1. 에너지 저장 디바이스에 사용되는 구조로서, 상기 구조는 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 상기 전극 어셈블리를 구속하는 전극 구속부들(electrode constraints)의 세트를 포함하며,
    상기 전극 어셈블리는 상호 수직인 종축, 횡축, 및 수직축, 종방향으로 서로 분리된 제1 종방향 단부 표면 및 제2 종방향 단부 표면, 그리고 전극 어셈블리 종축 AEA를 둘러싸고 상기 제1 및 제2 종방향 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면을 갖고,
    상기 전극 어셈블리는 전극 구조체들의 집단(population), 상대 전극 구조체들(counter-electrode structures)의 집단, 그리고 상기 전극 및 상대 전극 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리시키는 전기 절연성 분리막(electrically insulating separator)를 추가로 포함하고, 상기 전극 및 상대 전극 구조체 집단들의 멤버들은 상기 종방향으로 교대하는 시퀀스로(in an alternating sequence) 배열되며,
    상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 전극 활성 재료의 층을 포함하고, 상기 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 상대 전극 활성 재료의 층을 포함하며,
    상기 전극 구속부들의 세트는,
    - 제1 및 제2 1차 확장 구속부들(primary growth constraints) 및 적어도 하나의 1차 연결 부재(primary connecting member)를 포함하는 1차 구속 시스템(primary constraint system)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은 상기 종방향으로 서로 분리되고, 상기 적어도 하나의 1차 연결 부재는 상기 제1 및 제2 1차 확장 구속부들을 연결시키며, 상기 1차 구속 시스템은 상기 종방향에서의 상기 전극 어셈블리의 확장을 저지(restrain)시키며,
    - 수직 방향으로 분리되고 적어도 하나의 2차 연결 부재(secondary connecting member)에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 확장 구속부들(secondary growth constraints)을 포함하는 2차 구속 시스템(secondary constraint system)을 추가로 포함하며, 상기 2차 구속 시스템은 상기 구조의 사이클링 시에 상기 수직 방향에서의 상기 전극 어셈블리의 확장을 적어도 부분적으로 저지하며,
    상기 제1 및 제2 2차 확장 구속부들은 상기 전극 구조체들의 집단, 상기 전기 절연성 분리막, 및 상기 상대 전극 구조체들의 집단 중 적어도 하나에 부착되는, 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구조는 횡방향으로 분리되는 제1 및 제2 3차 확장 구속부들(tertiary growth constraints)을 포함하는 3차 구속 시스템(tertiary constraint system)을 추가로 포함하며, 상기 3차 구속 시스템은 상기 구조의 사이클링 시에 상기 횡방향에서의 상기 전극 어셈블리의 확장을 적어도 부분적으로 저지하는, 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 전극 전류 컬렉터를 포함하고, 상기 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 상대 전극 전류 컬렉터를 포함하며, 상기 제1 및 제2 2차 확장 구속부들은 상기 전극 전류 컬렉터 및 상기 상대 전극 전류 컬렉터 중 적어도 하나에 부착되는, 구조.
  4. 제2항에 있어서, 상기 3차 구속 시스템은 상기 제1 및 제2 3차 확장 구속부들을 연결시키는 적어도 하나의 3차 연결 부재를 포함하는, 구조.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 3차 확장 구속부는 상기 전극 어셈블리의 상기 측방 표면의 제1 영역을 가로질러 적어도 부분적으로 연장되고, 상기 제2 3차 확장 구속부는 상기 횡방향에서 상기 제1 영역과 반대쪽에 있는 상기 전극 어셈블리의 상기 측방 표면의 제2 영역을 가로질러 적어도 부분적으로 연장되는, 구조.
  6. 제3항에 있어서, 상기 전극 전류 컬렉터가 상기 구조의 일측에서 전기적으로 연결되고 상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버로부터의 전류를 풀링(pool)하는 전극 버스 및 상기 상대 전극 전류 컬렉터가 상기 구조의 타측에서 전기적으로 연결되고 상기 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버로부터의 전류를 풀링하는 상대 전극 버스를 추가로 포함하고, 상기 전극 및 상대 전극 버스들은 상기 종방향을 따라 연장되는, 구조.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 2차 확장 구속부들은 상기 전극 전류 컬렉터 및 상기 상대 전극 전류 컬렉터 중 적어도 하나에 부착되고, 상기 전극 및 상대 전극 버스들은 횡방향에서 상기 전극 어셈블리의 말단 단부들의 적어도 일부분을 형성하는, 구조.
  8. 제6항에 있어서, 상기 전극 버스와 전기적으로 연결되고 상기 전극 버스의 전체 길이에 뻗어 있는(run) 전극 탭 연장부 및 상기 상대 전극 버스와 전기적으로 연결되고 상기 상대 전극 버스의 전체 길이에 뻗어 있는 상대 전극 탭 연장부를 추가로 포함하는, 구조.
  9. 제2항에 있어서, 상기 구조의 일측에 전기적으로 연결되고 상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버로부터의 전류를 풀링(pool)하는 전극 버스 및 상기 구조의 타측에 전기적으로 연결되고 상기 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버로부터의 전류를 풀링하는 상대 전극 버스를 추가로 포함하고, 상기 전극 및 상대 전극 버스들은 상기 종방향을 따라 연장되며, 상기 3차 구속 시스템은 상기 전극 버스와 전기적으로 연결되고 상기 전극 버스의 전체 길이에 뻗어 있는(run) 전극 탭 연장부 및 상기 상대 전극 버스와 전기적으로 연결되고 상기 상대 전극 버스의 전체 길이에 뻗어 있는 상대 전극 탭 연장부를 포함하는, 구조.
  10. 제1항에 있어서, 상기 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 10,000 psi 이상의 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)를 갖는 재료를 포함하는, 구조.
  11. 제1항에 있어서, 상기 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 금속, 금속 합금, 세라믹, 유리, 플라스틱, 또는 이들의 조합을 포함하는, 구조.
  12. 제1항에 있어서, 상기 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 스테인리스강, 알루미늄, 티타늄, 베릴륨, 베릴륨 구리, 구리, 니켈, 또는 이들의 조합을 포함하는, 구조.
  13. 제1항에 있어서, 상기 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 알루미나, 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia), 유리, 또는 이들의 조합을 포함하는, 구조.
  14. 제1항에 있어서, 상기 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 탄소를 갖는 PEEK, 탄소를 갖는 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 유리를 갖는 PEEK, 폴리이미드, 또는 이들의 조합을 포함하는, 구조.
  15. 제1항에 있어서, 상기 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 아라미드 섬유(Aramid Fiber), 유리 섬유들, 탄소 섬유들, 또는 이들의 조합을 포함하는, 구조.
  16. 제1항에 있어서, 상기 1차 및 2차 구속 시스템들 중 적어도 하나는 유리, 아라미드, 및 에폭시를 갖는 탄소 중 적어도 하나의 복합재를 포함하는, 구조.
  17. 제1항의 구조를 제조하는 방법으로서,
    (a) 전극 전류 컬렉터 및 상대 전극 전류 컬렉터를 각각 제조하는 단계;
    (b) 상기 전극 전류 컬렉터 상에 전극 활성 재료를 형성함으로써 전극 구조체를 제조하는 단계;
    (c) 전극 구속부들의 세트를 제조하는 단계;
    (d) 상기 상대 전극 전류 컬렉터 상에 상대 전극 활성 재료를 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 전극 구조체와 전극 탭 및 상대 전극 탭을 연결하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 2차 확장 구속부들을 상기 전극 구조체들의 집단, 상기 전기 절연성 분리막, 및 상기 상대 전극 구조체들의 집단 중 적어도 하나에 부착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 전극 구속부들의 세트를 제조하는 단계 이후, 상기 전극 구조체와 상기 상대 전극 구조체들 사이에 전기 절연성 분리막을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 전극 어셈블리는 상기 종방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 상기 측방 표면에 의해 경계지어지고 횡방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 상기 측방 표면에 의해 경계지어지고 상기 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, LEA 및 WEA 각각 대 HEA의 비는, 제각기, 2:1 이상인, 구조.
  21. 제1항에 있어서, 적층 방향에 직교하는 평면에서의 상기 전극 어셈블리의 투영의 표면적은 다른 직교 평면들 상으로의 상기 전극 어셈블리의 투영들의 표면적들보다 더 작은, 구조.
  22. 제1항에 있어서, 상기 1차 구속 시스템의 적어도 일부분은, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 상기 구조의 사이클링 이전에, 상기 전극 어셈블리의 적어도 일부분에 상기 종방향으로 압축력(compressive force)을 가하도록 프리텐셔닝(pre-tension)되는, 구조.
  23. 제1항에 있어서, 상기 1차 구속 시스템은 상기 수직 방향으로 서로 분리되고 상기 제1 및 제2 1차 확장 구속부들을 연결시키는 제1 및 제2 1차 연결 부재들을 포함하는, 구조.
  24. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 1차 연결 부재는 제1 및 제2 1차 연결 부재를 포함하고, 상기 적어도 하나의 2차 연결 부재는 제1 2차 연결 부재를 포함하며, 상기 제1 1차 연결 부재는 상기 제1 2차 확장 구속부이고, 상기 제2 1차 연결 부재는 상기 제2 2차 확장 구속부이며, 상기 제1 1차 확장 구속부 또는 상기 제2 1차 확장 구속부는 상기 제1 2차 연결 부재인, 구조.
  25. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 1차 확장 구속부들 중 적어도 하나는 상기 종축을 따라서 상기 전극 어셈블리의 제1 및 제2 종방향 단부들의 내부에 있는, 구조.
  26. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 2차 확장 구속부들 각각은 상기 전극 구조체 또는 상기 상대 전극 구조체의 높이의 20% 미만인 두께를 포함하는, 구조.
  27. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 상기 전극 어셈블리의 표면적의 25% 미만인, 구조.
  28. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 1차 확장 구속부들은, 상호 수직이고 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 상기 전극 어셈블리에 대해 유지된 압력을 3배 이상 초과하는 압력을 상기 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 가하는, 구조.
  29. 제1항에 있어서, 상기 전극 어셈블리의 외부에 있는 상기 전극 구속부들의 세트의 부분들은 상기 전극 어셈블리 및 상기 전극 구속부들의 외부 부분들의 총 조합 체적의 80% 이하를 점유하는, 구조.
  30. 제1항에 있어서, 상기 전극 활성 재료는 실리콘 및 그라파이트 중 적어도 하나를 포함하는, 구조.
  31. 제1항에 있어서, 배터리 인클로저(battery enclosure) 및 상기 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 더 포함하는, 구조.
  32. 제1항에 있어서, 상기 전극 활성 재료는 상기 구조가 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전될 때 전극 활성 재료 1 몰당(per mole of electrode active material) 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 가지는, 구조.
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