KR102626007B1 - 전기화학적 에너지 저장 셀 - Google Patents

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Abstract

케이싱(3) 내에 수용된 셀 와인딩(2)을 포함하고, 상기 케이싱(3)이 적어도 한 단부면(4)에서 커버(5)에 의해 폐쇄되고, 상기 커버(5)는 상기 커버(5)를 상기 케이싱(3)에 고정시키기 위한 고정부(6) 및 상기 셀 와인딩(2)의 컨덕터(8)와 접촉하기 위한 극부(7)를 가지며, 상기 고정부(6)와 상기 극부(7)가 보상 요소(9)에 의해 서로 연결되고, 상기 보상 요소(9)는 탄성을 가지되 전기적으로 절연성인, 전기화학적 에너지 저장 셀(1).

Description

전기화학적 에너지 저장 셀
본 발명은 케이싱에 수용되는 셀 와인딩을 포함하는 전기화학적 에너지 저장 셀에 관한 것으로, 상기 케이싱은 적어도 하나의 단부면 상에서 커버에 의해 폐쇄되고, 상기 커버는 상기 케이싱에 상기 커버를 고정하기 위한 고정부 및 상기 셀 와인딩의 컨덕터와 접촉하기 위한 극부(pole portion)를 갖는다.
이러한 타입의 에너지 저장 셀은 예를들어 DE 10 2008 025 884 A1에 공지되어 있고 이 분야에서 다양한 방식으로 사용되고 있다. 이러한 에너지 저장 셀은 위에서 봤을 때 흔히 원형이므로 원형 셀이라고도 알려져 있다. 원형 셀은 예를들어 배터리-작동식 핸드 툴의 전원으로 사용된다. 한편, 전기차에 에너지를 공급하기에 적합한 단일 유닛으로 다수의 원형 셀들을 병합하는 것도 공지되어 있다.
현재 공지된 원형 셀에서, 커버의 극부가 외측 원주면 상에서 링모양의 플라스틱 요소에 수용되고, 이 링모양 요소의 영역에서 커버의 극부 및 링모양 요소가 적어도 부분적으로 케이싱에 의해 둘러싸이도록 케이싱이 형성되어 있다. 상기 링모양 요소는 케이싱에 대해 상기 극부의 전기적 절연을 형성한다. 이것은 상기 극부가 셀 와인딩의 컨덕터를 수용하고 전극을 형성하며, 상기 에너지 저장 셀 케이싱이 제2 컨덕터를 수용하고 다른 전극을 형성할 때 특히 중요하다. 이 설계에서, 극부와 케이싱 사이에 결함있는 전기전도성 접촉이 항상 방지되어야만 한다. 케이싱의 변형은 주로 크림핑(crimping)에 의해 이루어진다. 오작동으로 인해 케이싱 내부에 허용되지 않을 정도의 고압이 발생하는 것을 방지하기 위해, 이러한 고압의 발생시 주변환경(environment) 쪽으로 압력 균등화를 일으키는 메커니즘이 상기 커버에 제공된다. 또한, 미리설정된 내부 과압(overpressure)이 초과되면, 셀 와인딩과 극부 사이의 전기 접촉이 중단될 정도까지 커버가 변형된다.
커버를 해결하기(fix) 위해 크림핑 프로세스 동안 요구되는 케이싱의 변형으로 인해, 케이싱의 구조적 높이 전체가 셀 와인딩에 대해 이용가능하지 않게 된다; 커버를 수용하기 위해 그리고 변형을 수용하기 위해 충분히 높은 데드 스페이스(dead space)가 이용가능해야 한다. 또한, 절연체를 형성하는 링모양 요소가 상기 성형 프로세스에 의해 손상될 수 있고, 이로 인해 에너지 저장 셀의 고장이 초래된다는 문제점이 발생한다.
본 발명의 목적은 컴팩트한 설계를 갖는, 그리고 케이싱에 대한 극부의 신뢰성있는 전기 절연이 제공되는 에너지 저장 셀을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 이용하여 해결된다. 종속항들은 유리한 실시예들을 참조한다.
상기 목적을 해결하기 위해, 고정부 및 극부가 보상 요소(compensating element)를 통해 서로 연결되며, 상기 보상 요소는 탄성적이고 전기적으로 절연될 수 있도록 형성된다. 따라서, 상기 고정부, 극부, 및 보상 요소는 커버의 일체형 부분을 형성한다. 원형 셀의 경우, 위에서 봤을 때 커버가 원형이다. 상기 극부는 상기 커버의 중심에 위치하고, 상기 보상 요소에 의해 둘러싸인다. 상기 고정부는 상기 커버의 외측 원주부에 위치한다. 상기 극부 및 고정부는 전기적으로 절연인 보상 요소에 의해 서로 연결되기 때문에, 상기 극부는 동시에 케이싱으로부터 전기적으로 절연된다. 이것은 커버와 케이싱 사이의 전기적 절연을 위해 부가적인 요소의 필요성을 제거해준다. 이것은 이전에, 역시 절연 요소로 작용하는, 링모양 밀봉 요소를 이용하여 형성되었다. 상기 보상 요소는 바람직하게는 플라스틱, 이를테면 사출성형 가능한 플라스틱 재료로 이루어진다. 상기 고정부 및 상기 극부는 금속성 재료로 이루어질 수 있으며, 극부는 전기 전도성 물질로 이루어진다.
상기 보상 요소는 탄성중합체(elastomer) 재료로 제조될 수 있다. 이것은 상기 보상 요소가 가역적으로 변형되도록 허용하며, 케이싱의 내부와 주변환경 사이의 압력 보상에 특히 유리하다.
대안적 실시예에 따르면, 상기 보상 요소는 또한 얼마간의 탄성을 제공하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 보상 요소는 탄성적으로 이동가능하도록 형성될 수 있다. 이 목적을 위해, 예를들어 극부로 하여금 축방향으로 이동할 수 있도록 하는 상기 보상 요소 내로 원주방향의 비딩(beading)이 삽입될 수 있다. 상기 보상 요소는 또한, 적어도 부분적으로, 벨로우즈의 형태인 것으로 고려될 수 있다. 상기 보상 요소는 또한 필름 힌지(film hinge)의 형상으로 형성된 부분을 가질 수 있다. 상기 탄성적으로 형성된 영역들은 상기 보상 요소 내로 동축으로 삽입될 수 있다.
탄성적으로 유연한 형상(elastically yielding shaping)으로 인해, 열가소성 재료로부터 상기 보상 요소를 형성하는 것이 가능하다. 열가소성 탄성중합체의 사용 이외에도, 특히 저가의 열가소성 재료, 가령 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리프로필렌(PP)이 사용될 수 있다. 이러한 열가소성 재료는 단지 비교적 낮은 탄성을 갖지만, 보상 요소에 대해 요구되는 전반적인 탄성 및 가역적인 이동성이 보상 요소의 탄성적 형상(elastic shaping)에 의해 충족된다.
대안적으로, 보상 요소는 탄성적 형상을 가질뿐 아니라, 탄성 재료, 이를테면 탄성중합체로 형성될 수도 있다.
미리정해진 파괴 지점(breaking point)이 보상 요소에 포함될 수 있다. 불완전한 프로세스 또는 재료의 결함에 의해 케이싱 내부의 압력이 허용 레벨을 초과하면, 소정의 파괴 지점이 개방되어 제어된 압력 보상을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에 따르면, 극부가 셀 와인딩으로부터 이격되도록 보상 요소가 변형될 때까지 상기 소정의 파괴 지점이 개방되지 않는다. 이것은 컨덕터가 극부로부터 분리되어, 외부에서 볼 때 에너지 저장 셀이 비활성화되도록 한다. 상기 소정의 파괴 지점은 바람직하게는 상기 보상 요소가 비가역적으로 개방되도록 하는 방식으로 설계된다. 이는 손상된 에너지 저장 셀이 계속 작동되는 것을 막을 수 있다.
상기 소정의 파괴 지점은 홈의 형태일 수 있다. 케이싱의 내부 압력이 소정의 레벨을 초과하면, 상기 소정의 파괴 지점을 따라 보상 요소가 파괴되고 개방되어, 셀 내부의 과도한 압력이 목표한 방식에 따라 저하되도록 한다. 상기 홈은 V자형이며 링모양일 수 있고 상기 보상 요소의 케이싱 반대쪽을 향하는 측면으로부터 내부로 연장될 수 있다.
상기 커버는 재료-접합 방식으로 케이싱에 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 제1 실시예에 따르면, 링모양 엣지가 케이싱의 링모양 엣지 상에 놓일 수 있다. 제2 바람직한 실시예에 따르면, 고정부가 케이싱을 개구 영역에서 원주방향으로 둘러싸는 원통부를 포함한다. 상기 재료-접합 연결은 접착제 연결 또는 용접 연결일 수 있다. 상기 재료-접합 연결의 장점은 특히 작은 공간을 요한다는 점이다.
커버는 전자기적 펄스 형성(electromagnetic pulse forming)에 의해 케이싱에 고정될 수 있다. 전자기적 펄스 형성 동안, 에너지 저장 셀의 커버 및 케이싱은 펄스형 자기장(pulsating magnetic field)에 노출되어, 커버와 케이싱이 서로 접촉한 표면을 따라 가열되고 또한 국부적으로 변형되게 한다. 상기 가열 및 국부 변형은 커버와 케이싱 간의 재료-접합된 단단한 연결을 가져온다. 여기서의 장점은 단지 소량의 변형이 발생하기 때문에 크림핑에 의한 성형에 비해 변형을 위한 별도의 공간을 마련할 필요가 없다는 것이다. 또한 커버와 케이싱의 결합은 맞대어진 엣지들을 따라 수행될 수도 있다.
셀 와인딩과 커버 사이에 절연 요소가 배치될 수 있다. 절연 요소는 셀 와이딩의 성분들이 극부와 접촉하게 되는 것을 방지할 수 있다.
상기 절연 요소는 탄성중합체 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 절연 요소는 상기 극부와 셀 와인딩 사이의 공간을 거의 완전히 채우는 방식으로 설계될 수 있다. 이는 셀 와인딩과 극부 간의 접촉을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 절연 요소는 실리콘 재료로 형성될 수 있다. 실리콘 재료는 케이싱 내에서 셀 와인딩 옆에 존재하여 셀 와인딩을 둘러싸는 전해질과 반응한다. 실리콘 재료의 전해질과의 반응으로 인해, 상기 절연 요소가 부풀어 올라 부피가 증가한다. 이는 셀 와인딩과 극부 사이의 공간이 상기 절연 요소로 완전히 채워지게 한다.
상기 절연 요소는 열전도성 입자들을 구비할 수 있다. 지금까지는 열을 셀 와인딩의 내부로부터 이동시키는 것이 어렵다는 문제점이 있었다. 상기 절연 요소는 열전도성 입자들로 인해 전체적으로 열전도성을 가지므로, 케이싱 내부 또는 셀 와인딩 내부에 생성되는 열이 외부로 발산될 수 있다. 이는 에너지 저장 셀의 냉각을 향상시킬 수 있고, 이는 효율의 증대를 수반한다.
케이싱의 바닥과 셀 와인딩 사이에 추가의 절연 요소가 배치되면, 에너지 저장 셀의 냉각이 더욱 향상될 수 있다. 이 실시예에서, 셀 와인딩은 두 개의 열전도성 절연 요소 사이에 위치된다. 열의 이동이 셀 와인딩, 두 개의 절연 요소와 케이싱의 재킷, 또는 커버와 케이싱의 바닥 사이에서 발생한다.
본 발명에 따른 에너지 저장 셀의 일부 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 하기에 보다 상세히 설명된다. 이들은 각 경우에 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1은 에너지 저장 셀의 상부 프로파일을 나타낸 것이다.
도 2는 에너지 저장 셀의 커버를 나타낸 것이다.
도 3은 컨덕터를 구비한 커버를 나타낸 것이다.
도 4는 소정의 파괴 지점을 구비한 커버를 나타낸 것이다.
도 5는 손상된 상태의 커버를 나타낸 것이다.
도 6은 소정의 파괴 지점이 파괴된 커버를 나타낸 것이다.
도 7은 절연 요소를 구비한 에너지 저장 셀을 나타낸 것이다.
도 8은 바닥과 커버에 절연 요소를 구비한 에너지 저장 셀을 나타낸 것이다.
도 9는 탄성적 형상을 구비한 보상 요소를 나타낸 것이다.
이 도면들은 전기화학적 에너지 저장 셀(1)을 원형 셀의 형태로 나타낸 것이다. 에너지 저장 셀(1)은 케이싱(3) 내에 수용된 셀 와인딩(2)을 포함한다. 에너지 저장 셀(1)이 리튬-이온 배터리의 형태인 경우, 셀 와인딩(2)은 두 개의 컨덕터와 두 개의 분리막을 포함하고, 컨덕터들은 분리막에 의해 서로 분리된다. 활물질(active material)이 컨덕터에 가해지고 분리막에 의해 분리된 두 개의 컨덕터가 둥근 형태로 권취된다. 케이싱(3)은 금속성 재료로 이루어지고 원통 모양을 갖는다. 한 단부면에서, 케이싱(3)이 원통형 벽(15)과 일체이고 동일 재료로 이루어진 바닥(13)을 갖는다. 한 단부면(4)에서 케이싱(3)이 커버(5)에 의해 덮여 있다.
커버(5)는 커버(5)를 케이싱(3)에 고정시키는 고정부(6)를 갖는다. 또한, 커버(5)는 셀 와인딩(2)의 컨덕터(8)와 접촉하는 극부(7)를 갖는다. 셀 와인딩(2)의 제2 컨덕터가 케이싱(3)의 바닥(13)과 연계되어 있다.
고정부(6)와 극부(7)는 보상 요소(9)를 통해 서로 연결되어 있다. 보상 요소(9)는 탄성을 가지며 전기 절연성이다. 이 경우, 보상 요소(9)는 탄성중합체 재료로 이루어진다.
위에서 봤을 때, 커버(5)는 원형이다. 극부(7)는 커버(5)의 중앙에 위치되고 보상 요소(9)로 둘러싸인다. 보상 요소(9)는 극부(7)에 단단하게 그리고 재료적으로 연결된다. 상기 고정부(6)는 보상 요소(9) 및 극부(7)가 배열되는 개구를 구비한 디스크 모양 부분을 가진다. 상기 보상 요소(9)는 상기 고정부(6)의 상기 개구의 엣지 영역에 재료-접합 방식으로 고정된다. 상기 고정부(6)는 케이싱(3)의 단부면의 엣지에 놓이는 원통형 부분을 더 포함한다. 두 개의 접촉하는 엣지 영역에서, 커버(5)와 케이싱(3)이 전자기적 펄스 성형에 의해 재료-접합 방식으로 결합된다.
도 1은 원형 셀 형태의 전기화학적 에너지 저장 셀(1)의 상부를 나타낸 것이다. 셀 와인딩(2)의 중심부에서 컨덕터(8)가 셀 와인딩(2)의 전극에 연결된다. 보상 요소(9)는 디스크 모양이고 탄성중합체 재료로 이루어져서 탄성을 갖는다. 이는 케이싱의 내압에 따라 극부(7)가 축방향으로 이동할 수 있게 해준다. 보상 요소(9)는 극부(7)와 고정부(6) 사이에 전기적 절연을 형성한다. 이런 식으로, 케이싱(3)이 고정부(6)와 함께 두번째 극을 형성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 커버를 상세히 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 커버를, 극부(7)에 전기 전도되게 부착된 컨덕터(8)와 함께 상세히 나타낸 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 커버의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 이 실시예에서, 보상 요소(9)에 소정의 파괴 지점(10)이 구비된다. 도 4는 두 가지 상이한 구성의 파괴 지점(10)을 나타낸다. 중심 라인 우측의 실시예에서, 소정의 파괴 지점(10)이 바깥으로부터 보상 요소(9) 내로 제공된다. 중심 라인 좌측의 실시예에서, 소정의 파괴 지점(10)이 보상 요소(9)의 셀 와인딩(2)을 향하는 측면에 제공된다. 두 실시예에서, 소정의 파괴 지점(10)은 극부(7)를 동축으로 둘러싸는 V자형 홈의 형태이다.
도 5는 도 4에 도시된 커버(5)를, 케이싱(3) 내부의 증가된 압력으로 인해 극부(7)가 셀 와인딩(2)으로부터 축방향으로 이격된 상태로 나타낸 것이다. 이 경우, 극부(7)가 셀 와인딩(2)으로부터 전기적으로 절연되도록 컨덕터(8)가 두 부분(8', 8")로 잘려 있다. 이런 식으로, 이 실시예에서 에너지 저장 셀(1)의 전원이 끊어진다. 이는 에너지 저장 셀(1) 내부의 압력 증가후 특히 유해할 수 있는, 에너지 저장 셀(1)의 추가적인 충전을 방지할 수 있다. 도 5에 도시된 실시예에서, 오직 보상 요소(9)의 변형만이 발생한다. 소정의 파괴 지점(10)은 여전히 온전한 상태이다.
도 6에 따른 실시예에서, 도 5에 도시된 실시예에 비해 케이싱(3) 내부의 압력이 다시 한번 증가되었다. 이 경우, 허용 내부 압력이 소정의 레벨을 초과하고 상기 소정의 파괴 지점(10)이 개방된다. 이는 케이싱(3)의 내부로부터 가스가 빠져나가도록 하여, 내부 압력이 목표한 그리고 제어된 방식으로 감소된다. 이런 식으로, 소정의 파괴 지점(10)을 개방함으로써, 에너지 저장 셀(1)의 목표한 파괴가 발생하고 에너지 저장 셀(1)의 폭발성 파괴가 예방될 수 있다.
도 7은 도 1에 따른 에너지 저장 셀(1)에서 절연 요소(11)가 셀 와인딩(2)과 커버(5) 사이에 배치된 상태를 나타낸 것이다. 절연 요소(11)는 탄성중합체 물질, 이 경우에는 실리콘 물질로 이루어진다. 절연 요소(11)에는 열전도성 입자들(12)이 제공된다. 조립 후 절연 요소(11)가 셀 와인딩(2)의 전해질과 접촉하게 되어, 절연 요소(11)가 부풀어 오르게 한다. 그 결과 절연 요소(11)가 셀 와인딩(2)과 커버(5) 사이의 공간을 채운다. 상기 열 전도성 입자들은 전기적으로 비전도성인 무기물 입자(mineral particle)들이다. 유리한 열전도성 입자는(12)로는 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 알루미늄 수산화물 (AlOOH), 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)2) 또는 질화 붕소(BN)를 포함한다.
도 8은 도 7에 도시된 에너지 저장 셀(1)의 추가적인 전개를 나타낸 것이다. 이 실시예에서, 추가적인 절연 요소(14)가 케이싱(3)의 바닥(13)과 셀 와인딩(2) 사이에 배열된다. 상기 추가 절연 요소(14) 또한 열전도성 입자들(12)를 구비하며 실리콘 재료로 이루어진다.
다음 재료는 특히 보상 요소(9)의 재료로 고려될 수 있다: 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체(EPDM), 메틸 고무(IIR), 불소 고무(FPM), 폴리아크릴레이트 고무(ACM), 실리콘 고무(VMQ) 또는 플루오르화 실리콘 고무(F-VMQ).
그러나, 이론상, 열가소성 엘라스토머(TPE) 또는 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP)과 같은 열가소성 물질로부터 보상 요소(9)를 형성하는 것도 생각할 수 있다. 이 실시예에서, 보상 요소(9)는 바람직하게는 비딩(beading), 필름 힌지 등과 같이 탄성적으로 이동가능하는 부분을 포함할 수 있다.
이와 같이 탄성적 형상을 구비한 보상 요소(9)가 도 9에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 보상 요소(9)의 탄성 및 연성(softness)은 원주방향으로, 동축으로 배열된 비딩에 의해 제공될 수 있다. 그 결과, 보상 요소(9)가 벨로우즈 모양의 멤브레인과 같은 형상을 가져서 극부(7)가 축방향으로 이동할 수 있다.

Claims (12)

  1. 케이싱(3) 내에 수용된 셀 와인딩(2)을 포함하고, 상기 케이싱(3)이 적어도 한 단부면(4)에서 커버(5)에 의해 폐쇄되고, 상기 커버(5)는 상기 커버(5)를 상기 케이싱(3)에 고정시키기 위한 고정부(6) 및 상기 셀 와인딩(2)의 컨덕터(8)와 접촉하기 위한 극부(7)를 가지며, 상기 고정부(6)와 상기 극부(7)가 보상 요소(9)에 의해 서로 연결되고, 상기 보상 요소(9)는 탄성을 가지되 전기적으로 절연성이고, 상기 보상 요소(9)에 소정의 파괴 지점(10)이 마련된, 전기화학적 에너지 저장 셀(1).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보상 요소(9)가 탄성중합체 물질로 이루어진, 전기화학적 에너지 저장 셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 보상 요소(9)가 탄성적으로 이동가능한 형상을 갖는, 전기화학적 에너지 저장 셀.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 파괴 지점(10)이 홈의 형태인, 전기화학적 에너지 저장 셀.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 커버(5)가 재료-접합 방식으로 상기 케이싱(3)에 연결된, 전기화학적 에너지 저장 셀.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 커버(5)가 전자기적 펄스 성형에 의해 상기 케이싱(3)에 고정되는, 전기화학적 에너지 저장 셀.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 셀 와인딩(2)과 상기 커버(5) 사이에 절연 요소(11)가 배열된, 전기화학적 에너지 저장 셀.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 절연 요소(11)가 탄성중합체 물질로 형성된, 전기화학적 에너지 저장 셀.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 절연 요소(11)가 실리콘 물질로 형성된, 전기화학적 에너지 저장 셀.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 절연 요소(11)가 열전도성 입자들(12)을 구비한, 전기화학적 에너지 저장 셀.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 케이싱(3)의 바닥(13)과 상기 셀 와인딩(2) 사이에 추가적인 절연 요소(14)가 배열된, 전기화학적 에너지 저장 셀.
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