KR102658953B1 - 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들 - Google Patents

에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들 Download PDF

Info

Publication number
KR102658953B1
KR102658953B1 KR1020237002823A KR20237002823A KR102658953B1 KR 102658953 B1 KR102658953 B1 KR 102658953B1 KR 1020237002823 A KR1020237002823 A KR 1020237002823A KR 20237002823 A KR20237002823 A KR 20237002823A KR 102658953 B1 KR102658953 B1 KR 102658953B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
electrode assembly
end surfaces
longitudinal end
members
Prior art date
Application number
KR1020237002823A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230020563A (ko
Inventor
로버트 에스. 부사카
아쇼크 라히리
무랄리 라마서브라마니안
브루노 에이. 발데스
가드너 씨. 데일스
크리스토퍼 제이. 스핀드트
제프리 엠. 호
해롤드 존스 러스트 3세
제임스 디. 윌콕스
존 에프. 바르니
김한 리
니라브 샤아
리차드 제이. 콘트레라스
린 반 에르덴
켄 에스. 마츠바야시
제레미 제이. 달톤
Original Assignee
에노빅스 코오퍼레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에노빅스 코오퍼레이션 filed Critical 에노빅스 코오퍼레이션
Priority to KR1020247012318A priority Critical patent/KR20240054401A/ko
Publication of KR20230020563A publication Critical patent/KR20230020563A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102658953B1 publication Critical patent/KR102658953B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0468—Compression means for stacks of electrodes and separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/202—Casings or frames around the primary casing of a single cell or a single battery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/233—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by physical properties of casings or racks, e.g. dimensions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/446—Composite material consisting of a mixture of organic and inorganic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/471—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491—Porosity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/417—Polyolefins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/426—Fluorocarbon polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/497—Ionic conductivity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/543—Terminals
    • H01M50/547—Terminals characterised by the disposition of the terminals on the cells
    • H01M50/55—Terminals characterised by the disposition of the terminals on the cells on the same side of the cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/543—Terminals
    • H01M50/552—Terminals characterised by their shape
    • H01M50/553—Terminals adapted for prismatic, pouch or rectangular cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 에너지 저장 디바이스로서, 에너지 저장 디바이스는 인클로저, 인클로저 내의 전극 어셈블리 및 비-수성 액체 전해질, 및 에너지 저장 디바이스가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지하는 구속부를 포함한다.

Description

에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들{LONGITUDINAL CONSTRAINTS FOR ENERGY STORAGE DEVICES}
본 개시내용은 일반적으로 에너지 저장 디바이스들에서 사용하기 위한 구조체들, 이러한 구조체들을 포함하는 에너지 저장 디바이스들, 및 이러한 구조체들 및 에너지 디바이스들을 제조하는 방법에 관한 것이다.
흔들 의자 또는 삽입 이차 배터리들은, 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 또는 알루미늄 이온들과 같은, 캐리어 이온들이 전해질을 통해 양전극과 음전극 사이를 이동하는 에너지 저장 디바이스의 일종이다. 이차 배터리는 단일 배터리 셀, 또는 배터리를 형성하기 위해 전기적으로 결합된 2개 이상의 배터리 셀들을 포함할 수 있으며, 각각의 배터리 셀은 양전극, 음전극, 미세다공성 분리막(microporous separator) 및 전해질을 포함한다.
흔들 의자 배터리 셀들에서, 양전극 구조체 및 음전극 구조체 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.
도 1은, 비-수성 이차 배터리(non-aqueous, secondary battery)와 같은, 기존의 에너지 저장 디바이스의 전기화학적 스택(electrochemical stack)의 단면도를 도시하고 있다. 전기화학적 스택(1)은 양전극 전류 컬렉터(current collector)(3), 양전극 활성 재료 층(5), 미세다공성 분리막(7), 음전극 활성 재료 층(9), 및 음전극 전류 컬렉터(11)를, 적층된 배열로, 포함한다. 층들의 각각의 층은, 전극 적층 방향으로(즉, 도 1에 예시된 바와 같이 양전극 전류 컬렉터(3)로부터 음전극 전류 컬렉터(11)로의 방향으로) 측정된, 높이를 가지며, 이 높이는, 상호 수직이고 전극 적층 방향에 수직인 방향들에서, 각각, 측정된, 층들의 각각의 층의 길이 및 폭보다 상당히 더 작다(예컨대, 10배 이상 더 작다). 이제 도 2를 참조하면, 전기화학적 스택을 중심 축(19)을 중심으로 감는 것에 의해 상부(15) 및 하부(17)를 갖는 롤(13)(때때로 "젤리 롤(jelly roll)"이라고 지칭됨)이 형성되고; 이차 배터리를 조립하기 위해 롤(13)이 이어서 캔(can)(도시되지 않음) 내에 스터핑(stuff)되고 비-수성 전해질로 채워진다. 도 2에 예시된 바와 같이, 층들의 전극 적층 방향은 중심 축(19)에 직교이다.
배터리들, 연료 전지(fuel cell)들, 및 전기화학적 캐패시터들과 같은, 기존의 에너지 저장 디바이스들은 전형적으로 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이 2차원 층상 아키텍처(laminar architecture)들(예컨대, 평면상 또는 나선형 권회식(spiral-wound) 라미네이트들)을 가지며, 각각의 라미네이트의 표면적은 (다공성 및 표면 거칠기를 무시하면) 그의 기하학적 풋프린트(geometrical footprint)와 거의 같다. 배터리 용량 및 활성 재료 이용률을 향상시키는 방법들로서 문헌에서 3차원 배터리들이 제안되었다. 2차원 층상 배터리 아키텍처와 비교하여 더 높은 표면적 및 더 높은 에너지를 제공하기 위해 3차원 아키텍처가 사용될 수 있다고 제안되어 왔다. 작은 기하학적 면적으로부터 획득될 수 있는 에너지의 양의 증가로 인해 3차원 에너지 저장 디바이스를 만드는 것에 대한 이점이 있다. 예컨대, Rust et al., WO2008/089110 및 Long et. al, "Three-Dimensional Battery Architectures," Chemical Reviews, (2004), 104, 4463-4492를 참조한다.
종래의 권회식 배터리들(예컨대, 미국 특허 제6,090,505호 및 제6,235,427호 및 도 2를 참조)은 전형적으로 셀 조립 이전에 단일 포일 상에 코팅되어 압축된 전극 재료들(활성 재료들, 바인더(binder), 전도 보조제(conductivity aid))을 갖는다. 전극이 코팅되는 포일은 전형적으로 전류 집전 경로(current collection path)의 일부이다. 18650 또는 프리즘 형상의 셀(prismatic cell)들과 같은 단일 젤리 롤 배터리들에서, 전류 컬렉터 포일(current collector foil)은 전류를 활성 재료들로부터, 전류 컬렉터 포일들 및 탭들을 통해, 배터리의 외부로 전달하는 전극 버스들, 탭들, 태그들 등에 초음파 용접된다(ultrasonically welded). 설계에 따라, 단일 젤리 롤을 따라 다수의 곳들에, 또는 전류 컬렉터 포일의 한쪽 단부 또는 양쪽 단부들에서 한 곳을 따라 탭들이 있을 수 있다. 종래의 적층된 배터리 파우치 셀(battery pouch cell)들은 차후에 모아져 한꺼번에 탭에 용접되는 각각의 포일의 상부에 있는 구역들을 갖는 활성 재료의 다수의 플레이트들(또는 포일들)을 가지며; 이 탭은 전류를 배터리 파우치의 외부로 전달한다(예컨대, 미국 특허 공보 제2005/0008939호를 참조).
그렇지만, 이차 배터리와 연관된 문제들 중 하나는 배터리의 신뢰성과 사이클 수명이다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리의 전극 구조체들은 배터리가 반복하여 충전 및 방전될 때 팽창(팽윤(swell)) 및 수축하는 경향이 있으며, 이는 차례로 디바이스의 전기적 단락 및 고장을 초래할 수 있다.
본 개시내용의 다양한 양태들에서, 배터리들, 연료 전지들, 및 전기화학적 캐패시터들과 같은, 에너지 저장 디바이스들에서 사용하기 위한 3차원 구조체들이 제공된다. 유리하게도, 본 개시내용의 일 양태에 따르면, 에너지 저장 디바이스의 다른 성분들, 즉 에너지 저장 디바이스의 비활성 재료 성분들에 대한 전극 활성 재료의 비율이 증가될 수 있다. 그 결과, 본 개시내용의 3차원 구조체들을 포함하는 에너지 저장 디바이스들은 증가된 에너지 밀도를 가질 수 있다. 그들은 또한, 양전극과 음전극 사이의 전자 및 이온 수송을 위한 수송 거리를 최소화하거나 감소시키는 것 등에 의해, 특정의 저장된 에너지 양에 대해 2차원 에너지 저장 디바이스들보다 더 높은 에너지 회수율을 제공할 수 있다. 이 디바이스들은 소형화에 보다 적당하고 디바이스에 이용가능한 기하학적 면적이 제한되고 그리고/또는 에너지 밀도 요구사항이 층상 디바이스(laminar device)로 달성될 수 있는 것보다 더 높은 적용분야들에 보다 적당할 수 있다.
간략히 말하면, 따라서, 본 개시내용의 일 양태에 따르면, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 에너지 저장 디바이스가 제공된다. 에너지 저장 디바이스는 인클로저, 인클로저 내의 전극 어셈블리 및 비-수성 액체 전해질(non-aqueous liquid electrolyte), 및 에너지 저장 디바이스가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지하는 구속부(constraint)를 포함한다. 전극 어셈블리는 전극 구조체들의 집단(population), 상대 전극 구조체들의 집단 및 전극 집단과 상대 전극 집단의 멤버들 사이의 전기 절연성 미세다공성 분리막 재료(electrically insulating microporous separator material)를 갖는다. 전극 어셈블리는 종축을 따라 분리된 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들, 및 종축을 둘러싸고 제1 및 제2 종방향 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면을 가지며, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적(combined surface area)은 측방 표면과 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적의 33% 미만이다. 전극 집단의 멤버들과 상대 전극 집단의 멤버들은 전극 어셈블리 내에서 종축과 평행한 적층 방향으로 교대하는 시퀀스로(in an alternating sequence) 배열된다. 구속부는 적어도 하나의 인장 부재(tension member)에 의해 연결된 제1 및 제2 압축 부재(compression member)들 - 인장 부재는 압축 부재들을 서로를 향해 당김 - 을 포함하며, 구속부는 상호 수직이고 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 전극 어셈블리에 대해 유지되는 압력을 초과하는 적층 방향에서의 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지한다.
본 개시내용의 또 다른 양태에 따르면, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 이차 배터리가 제공되고, 이차 배터리는 배터리 인클로저, 배터리 인클로저 내의 전극 어셈블리 및 비-수성 액체 전해질, 및 이차 배터리가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지하는 구속부를 갖는다. 전극 어셈블리는 전극 구조체들의 집단, 상대 전극 구조체들의 집단 및 전극 집단과 상대 전극 집단의 멤버들 사이의 전기 절연성 미세다공성 분리막 재료를 갖는다. 전극 어셈블리는 종축을 따라 분리된 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들, 및 종축을 둘러싸고 제1 및 제2 종방향 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면을 가지며, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 33% 미만이다. 전극 집단의 멤버들과 상대 전극 집단의 멤버들은 전극 어셈블리 내에서 종축과 평행한 적층 방향으로 교대하는 시퀀스로 배열된다. 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제1 종방향 표면 상으로의 투영은 제1 투영된 구역(projected area)을 한정(circumscribe)하고, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제2 종방향 표면 상으로의 투영은 제2 투영된 구역을 한정한다. 구속부는 제1 및 제2 투영된 구역들 위에, 각각, 놓이는 제1 및 제2 압축 부재들을 갖고, 압축 부재들은, 전극 어셈블리의 측방 표면 위에 놓이고 압축 부재들을 서로를 향해 당기는 인장 부재들에 의해, 연결되고, 구속부는 상호 수직이고 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 전극 어셈블리에 대해 유지되는 압력을 초과하는 적층 방향에서의 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지한다.
다른 목적들 및 특징들은 일부는 명백하고 일부는 이하에서 언급될 것이다.
도 1은, 리튬 이온 배터리와 같은, 종래 기술의 2차원 에너지 저장 디바이스의 전기화학적 스택의 셀의 단면도.
도 2는, 리튬 이온 배터리와 같은, 종래 기술의 2차원 에너지 저장 디바이스의 권회식 전기화학적 스택(wound electrochemical stack)의 셀의 단면도.
도 3a는 삼각형 프리즘 형상을 갖는 본 개시내용의 전극 어셈블리의 일 실시예의 개략도.
도 3b는 평행육면체 형상을 갖는 본 개시내용의 전극 어셈블리의 일 실시예의 개략도.
도 3c는 직사각형 프리즘 형상을 갖는 본 개시내용의 전극 어셈블리의 일 실시예의 개략도.
도 3d는 오각형 프리즘 형상을 갖는 본 개시내용의 전극 어셈블리의 일 실시예의 개략도.
도 3e는 육각형 프리즘 형상을 갖는 본 개시내용의 전극 어셈블리의 일 실시예의 개략도.
도 4는 본 개시내용의 이차 배터리의 일 실시예의 개략 분해도.
도 5a는 도 4의 이차 배터리의 전극 어셈블리의 한쪽 단부의 개략 단부도(schematic end view).
도 5b는 도 5a의 전극 어셈블리의 대향 단부의 개략 단부도.
도 5c는 도 5a의 전극 어셈블리의 측방 표면의 개략 평면도.
도 5d는 도 5a의 전극 어셈블리의 대향 측방 표면의 개략 저면도.
도 6a는 도 4의 이차 배터리의 구속부의 개략 사시도.
도 6b는 내부 압축 부재를 갖는 구속부를 갖는 전극 어셈블리의 단면의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 6c는 복수의 내부 압축 부재들을 갖는 구속부를 갖는 전극 어셈블리의 단면의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 본 개시내용의 이차 배터리의 대안의 실시예의 개략 분해도.
도 8은 펼쳐진 형태(unfolded form)로 있는 본 개시내용의 이차 배터리의 전극 어셈블리에 대한 구속부의 대안의 실시예의 개략도.
도 9는, 폴딩 이후의, 도 8의 구속부의 개략도.
도 10a는 본 개시내용의 이차 배터리의 구속부 및 전극 어셈블리의 대안의 실시예의 개략도.
도 10b는 도 10a의 구속부 및 전극 어셈블리의 확대도.
도 11a는 본 개시내용의 이차 배터리의 전극 어셈블리에 대한 구속부의 대안의 실시예의 개략도.
도 11b는 도 11a의 구속부의 확대도.
도 12a는 내부 구조를 보여주기 위해 일부들이 파단(broken away)되어 있는, 본 개시내용의 이차 배터리의 전극 어셈블리의 일 실시예의 사시도.
도 12b는 도 12a의 전극 어셈블리의 한쪽 단부의 단부도.
도 12c는 도 12a의 전극 어셈블리의 대향 단부의 단부도.
도 13은 내부 구조를 보여주기 위해 일부들이 파단되어 있는, 본 개시내용의 이차 배터리의 하나의 대안의 실시예의 사시도.
도 14는 내부 구조를 보여주기 위해 일부들이 파단되어 있는, 본 개시내용의 이차 배터리의 하나의 대안의 실시예의 사시도.
도 15는 내부 구조를 보여주기 위해 일부들이 파단되어 있는, 본 개시내용의 이차 배터리의 하나의 대안의 실시예의 사시도.
도 16은 본 개시내용의 구속부 및 전극 어셈블리의 하나의 대안의 실시예의 단면도.
도면들 전체에 걸쳐, 대응하는 참조 문자들은 대응하는 부분들을 가리킨다.
"한(a)", "어떤(an)", 및 "그(the)"(즉, 단수 형태들)는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 문맥이 명백히 달리 언급하지 않는 한, 복수의 지시대상들을 지칭한다. 예를 들어, 하나의 경우에서, "한 전극"이라는 언급은 단일의 전극 및 복수의 유사한 전극들 둘 다를 포함한다.
"약(about)" 및 "대략(approximately)"은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 언급된 값의 ± 10%, 5% 또는 1%를 지칭한다. 예를 들어, 하나의 경우에서, 약 250 ㎛는 225 ㎛ 내지 275 ㎛를 포함할 것이다. 추가 예로서, 하나의 경우에서, 약 1,000 ㎛는 900 ㎛ 내지 1,100 ㎛를 포함할 것이다. 달리 지시되지 않는 한, 명세서 및 청구항들에서 사용되는 양들(예컨대, 측정치들 등) 등을 표현하는 모든 숫자들은, 모든 경우들에서, "약"이라는 용어에 의해 수식된 것으로 이해되어야 한다. 그에 따라, 그와 달리 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 상태와 관련하여 본원에서 사용되는 바와 같이, 이차 배터리가 그의 정격 용량의 75% 이상으로 충전된 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.
"방전된 상태"는, 이차 배터리의 상태와 관련하여 본원에서 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 사이클링과 관련하여 본원에서 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 사이클을 완료하기 위해 배터리를 다시 제1 상태로 이동시키기 위해 배터리를 충전 및/또는 방전시키는 것을 지칭한다. 예를 들어, 충전된 상태와 방전된 상태 사이의 이차 배터리의 단일 사이클은 배터리를 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전시키고 이어서 다시 방전된 상태로 방전시켜 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다. 단일 사이클은 또한 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 본원에서 지칭되는 바와 같이, 2개의 평면들에 수직인 방향에서 측정된 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이의 거리로서 정의된다.
"종축(longitudinal axis)", "횡축(transverse axis)", 및 "수직 축(vertical axis)"은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 상호 수직인 축들(즉, 각각이 서로 직교임)을 지칭한다. 예를 들어, "종축", "횡축", 및 "수직 축"은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 3차원 방위(aspect)들 또는 배향들을 정의하는 데 사용되는 직교 좌표계(Cartesian coordinate system)와 유사하다. 이에 따라, 본원에서의 발명 요지의 요소들에 대한 설명은 요소들의 3차원 배향들을 기술하는 데 사용되는 특정의 축 또는 축들로 제한되지 않는다. 달리 말하면, 발명 요지의 3차원 방위들을 지칭할 때 축들이 서로 바꾸어 사용될 수 있다.
"종방향(longitudinal direction)", "횡방향(transverse direction)", 및 "수직 방향(vertical direction)"은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 상호 수직인 방향들(즉, 각각이 서로 직교임)을 지칭한다. 예를 들어, "종방향", "횡방향", 및 "수직 방향"은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 3차원 방위들 또는 배향들을 정의하는 데 사용되는 직교 좌표계의 종축, 횡축 및 수직 축에, 각각, 일반적으로 평행할 수 있다.
"반복 사이클링(repeated cycling)"은, 이차 배터리의 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 사이클링과 관련하여 본원에서 사용되는 바와 같이, 방전된 상태로부터 충전된 상태로 또는 충전된 상태로부터 방전된 상태로 1회 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 2회 이상 사이클링하는 것을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 2회 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. 추가의 예로서, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 반복 사이클링은 방전된 상태와 충전된 상태 사이에서의 5회 이상의 사이클링, 그리고 심지어 10회 이상의 사이클링을 포함할 수 있다. 추가의 예로서, 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 반복 사이클링은 방전된 상태와 충전된 상태 사이에서의 25회, 50회, 100회, 300회, 500회 그리고 심지어 1000회 이상의 사이클링을 포함할 수 있다.
"정격 용량"은, 이차 배터리와 관련하여 본원에서 사용되는 바와 같이, 표준 온도 조건(25℃) 하에서 측정되는 바와 같은, 어떤 기간에 걸쳐 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.
일반적으로, 본 개시내용의 이차 배터리는 배터리 인클로저, 배터리 인클로저 내의 전극 어셈블리 및 비-수성 액체 전해질, 및 이차 배터리가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지하는 구속부를 포함한다. 이전에 살펴본 바와 같이, 이차 배터리의 형성 및/또는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 이차 배터리의 차후의 사이클링 동안, 전극 어셈블리 내의 전극 및/또는 상대 전극들은 전극들 및 상대 전극들의 적층 방향(즉, 전극 적층 방향)으로 팽창할 수 있다. 이러한 팽창은 전극 어셈블리가 수십개(또는 심지어 그 이상)의 적층된 전극들과 상대 전극들을 포함할 때 문제들을 제기한다. 유리하게도, 본 개시내용의 구속부는 배터리의 형성 동안 그리고/또는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 배터리의 후속 사이클링 동안 (적층 방향에서의) 전극 어셈블리의 팽창을 억제하는 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지한다. 그에 부가하여, 구속부는 구속부에 의해 전극 어셈블리의 상이한 표면들에 가해지는 압력의 차이로 인해 어쩌면 생길 수 있는 전극 어셈블리의 좌굴을 추가로 억제한다.
본 개시내용의 구속부는, 예를 들어, 배터리 인클로저 자체, 배터리 인클로저 외부에 있는 구조체들, 배터리 인클로저 내부에 있는 구조체들, 또는 심지어 배터리 인클로저, 배터리 인클로저 내부에 있는 구조체들 및/또는 배터리 인클로저 외부에 있는 구조체들의 조합을 비롯한 다양한 구조체들 중 임의의 것에 구현될 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 배터리 인클로저는 구속부의 컴포넌트이고; 달리 말하면, 이 실시예에서, 배터리 인클로저는, 단독으로 또는 (배터리 인클로저 안에 있는 그리고/또는 그 밖에 있는) 하나 이상의 다른 구조체들과 조합하여, 상호 수직이고 전극 적층 방향에 수직인 방향들에서 전극 구조체에 가해지는 압력보다 더 큰 전극 적층 방향에서의 전극 구조체에 대한 압력을 가한다. 다른 실시예에서, 구속부는 배터리 인클로저를 포함하지 않고, 배터리 인클로저 이외의 (배터리 인클로저 안에 있는 그리고/또는 그 밖에 있는) 하나 이상의 개별 구조체들은 전극 적층 방향에 수직이고 상호 수직인 방향들에서 전극 구조체에 가해지는 압력보다 더 큰 전극 적층 방향에서의 전극 구조체에 대한 압력을 가한다.
하나의 예시적인 실시예에서, 구속부는, 전극 적층 방향에 수직이고 상호 수직인 2개의 방향에서 전극 구조체에 가해지는 압력을 초과하는 전극 적층 방향에서의 전극 구조체에 대한 압력을 가하는, 배터리 인클로저 안에 있는 하나 이상의 개별 구조체(들)을 포함한다.
하나의 예시적인 실시예에서, 구속부는 배터리 인클로저 안에 있고, 전극 적층 방향에 수직이고 상호 수직인 2개의 방향에서 전극 구조체에 가해지는 압력을 초과하는 전극 적층 방향에서의 전극 구조체에 대한 압력을 가한다.
하나의 예시적인 실시예에서, 구속부는, 전극 적층 방향에 수직이고 상호 수직인 2개의 방향에서 전극 구조체에 가해지는 압력을 초과하는 전극 적층 방향에서의 전극 구조체에 대한 압력을, 조합하여, 가하는, 배터리 인클로저 밖에 있는 하나 이상의 개별 구조체(들) 및 배터리 인클로저 안에 있는 하나 이상의 개별 구조체들을 포함한다.
구속부의 위치(예컨대, 배터리 인클로저 내부 또는 외부, 및/또는 인클로저에 포함됨)와 관계없이, 구속부 및 배터리 인클로저는, 조합하여, 바람직하게는 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적(즉, 배터리의 변위 체적(displacement volume))의 75% 이상을 차지한다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부 및 배터리 인클로저는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 60% 이상을 차지한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부 및 배터리 인클로저는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 45% 이상을 차지한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부 및 배터리 인클로저는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 30% 이상을 차지한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부 및 배터리 인클로저는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 20% 이상을 차지한다.
본 개시내용의 전극 어셈블리는 일반적으로 (전극 어셈블리의 종축을 따라 분리되는) 2개의 대향하는 종방향 단부 표면들 및 2개의 대향하는 종방향 단부 표면들 사이에 연장되는 (종축을 둘러싸는) 측방 표면을 포함한다. 일반적으로, 종방향 단부 표면들은 평면 또는 비평면일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 대향하는 종방향 단부 표면들이 볼록하다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 대향하는 종방향 단부 표면들이 오목하다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 대향하는 종방향 단부 표면들이 실질적으로 평면이다.
대향하는 종방향 단부 표면들이 또한 평면 상으로 투영될 때 다양한 2차원 형상들 중 임의의 것을 가질 수 있다. 예를 들어, 종방향 단부 표면들은 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, 매끄러운 곡선 형상을 포함하고 하나 이상의 선들 및 정점들을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 전극 어셈블리의 측방 표면은 매끄러운 곡선 형상일 수 있거나(예컨대, 전극 어셈블리는 원형, 타원형, 쌍곡선 또는 포물선 단면 형상을 가짐), 측방 표면은 정점들에서 연결된 2개 이상의 면(face)들을 포함할 수 있다(예컨대, 전극 어셈블리는 다각형 단면을 가질 수 있음). 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 어셈블리는 원통형, 타원 원통형, 포물선 원통형 또는 쌍곡선 원통형 형상을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리는, 동일한 크기 및 형상의 대향하는 종방향 단부 표면들 및 평행사변형 형상인 측방 표면(즉, 대향하는 종방향 단부 표면들 사이에 연장되는 면들)을 갖는, 프리즘 형상을 가질 수 있다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리는 삼각형 프리즘에 대응하는 형상을 갖고, 전극 어셈블리는 2개의 대향하는 삼각형 종방향 단부 표면들 및 2개의 종방향 단부들 사이에 연장되는 3개의 평행사변형(예컨대, 직사각형)으로 이루어진 측방 표면을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리는 직사각형 프리즘에 대응하는 형상을 갖고, 전극 어셈블리는 2개의 대향하는 직사각형 종방향 단부 표면 및 4개의 평행사변형(예컨대, 직사각형) 면을 포함하는 측방 표면을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리는 오각형 프리즘, 육각형 프리즘 등에 대응되는 형상을 갖고, 여기서 전극 어셈블리는 2개의 오각형, 육각형 등(각자별로)의 대향하는 종방향 단부 표면들 및 5개, 6개 등(각자별로)의 평행사변형(예컨대, 직사각형) 면들을 포함하는 측방 표면을 갖는다.
이제 도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 전극 어셈블리(120)에 대한 몇몇 예시적인 기하학적 형상들이 개략적으로 예시되어 있다. 도 3a에서, 전극 어셈블리(120)는, 종축 A를 따라 분리된, 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124), 및 종방향 단부 표면들을 연결시키고 종축 A를 둘러싸는 3개의 직사각형 면들을 포함하는 측방 표면(도면부호가 표시되지 않음)을 갖는 삼각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3b에서, 전극 어셈블리(120)는, 종축 A를 따라 분리된, 대향하는 제1 및 제2 평행사변형 종방향 단부 표면들(122, 124), 및 2개의 종방향 단부 표면들을 연결시키고 종축 A를 둘러싸는 4개의 평행사변형 형상의 면들을 포함하는 측방 표면(도면부호가 표시되지 않음)을 갖는 평행육면체 형상을 갖는다. 도 3c에서, 전극 어셈블리(120)는, 종축 A를 따라 분리된, 대향하는 제1 및 제2 직사각형 종방향 단부 표면들(122, 124), 및 2개의 종방향 단부 표면들을 연결시키고 종축 A를 둘러싸는 4개의 직사각형 면들을 포함하는 측방 표면(도면부호가 표시되지 않음)을 갖는 직사각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3d에서, 전극 어셈블리(120)는, 종축 A를 따라 분리된, 대향하는 제1 및 제2 오각형 종방향 단부 표면들(122, 124), 및 2개의 종방향 단부 표면들을 연결시키고 종축 A를 둘러싸는 5개의 직사각형 면들을 포함하는 측방 표면(도면부호가 표시되지 않음)을 갖는 오각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3e에서, 전극 어셈블리(120)는, 종축 A를 따라 분리된, 대향하는 제1 및 제2 육각형 종방향 단부 표면들(122, 124), 및 2개의 종방향 단부 표면들을 연결시키고 종축 A를 둘러싸는 6개의 직사각형 면들을 포함하는 측방 표면(도면부호가 표시되지 않음)을 갖는 육각형 프리즘 형상을 갖는다.
전극 어셈블리의 전체적인 기하학적 형태와 무관하게, 전극 어셈블리의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들은 전극 어셈블리의 총 표면적의 50% 미만인 조합 표면적을 갖는다(즉, 총 표면적은 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적과 전극 어셈블리의 측방 표면의 표면적의 합이다). 예를 들어, 도 3a 내지 도 3e 각각의 전극 어셈블리(120)의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124)은 삼각형 프리즘(도 3a), 평행육면체(도 3b), 직사각형 프리즘(도 3c), 오각형 프리즘(도 3d) 또는 육각형 프리즘(도 3e)의 총 표면적의 50% 미만인 조합 표면적(즉, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적의 합)을 갖는다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들은 전극 어셈블리의 총 표면적의 33% 미만인 표면적을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들은 전극 어셈블리의 총 표면적의 25% 미만인 표면적을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들은 전극 어셈블리의 총 표면적의 20% 미만인 표면적을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들은 전극 어셈블리의 총 표면적의 15% 미만인 표면적을 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들은 전극 어셈블리의 총 표면적의 10% 미만인 표면적을 갖는다.
일부 실시예들에서, 전극 어셈블리는 직사각형 프리즘이고, 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들은 측방 표면의 적어도 2개의 대향 면들의 조합 표면적(즉, 대향하는 종방향 단부 표면들을 연결시키는 2개의 대향하는 직사각형 측면(side face)들의 표면적들의 합)보다 더 작은 조합 표면적을 갖는다. 일부 실시예들에서, 전극 어셈블리는 직사각형 프리즘이고, 직사각형 프리즘은 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 및 2쌍의 대향 표면들(면들)을 포함하는 측방 표면을 가지며, 2개의 대향하는 종방향 단부 표면들은 측방 표면에 포함된 2쌍의 대향 면들 중 적어도 하나의 쌍의 조합 표면적보다 더 작은 조합 표면적을 갖는다. 일부 실시예들에서, 전극 어셈블리는 직사각형 프리즘이고, 직사각형 프리즘은 2개의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 및 2쌍의 대향 표면들(면들)을 포함하는 측방 표면을 가지며, 2개의 대향하는 종방향 단부 표면들은 측방 표면에 포함된 2쌍의 대향 면들의 각각의 쌍의 조합 표면적보다 더 작은 조합 표면적을 갖는다.
일반적으로, 전극 어셈블리는 전극 어셈블리의 종축과 일치하는 방향(즉, 전극 적층 방향)으로 적층된 전극들의 집단 및 상대 전극들의 집단을 포함한다(예컨대, 도 3a 내지 도 3e를 참조). 달리 말하면, 전극들 및 상대 전극들이 전극 어셈블리의 제1 종방향 단부 표면으로부터 제2 대향하는 종방향 단부 표면으로 연장되는 방향으로 적층된다. 일 실시예에서, 전극 집단의 멤버들 및/또는 상대 전극 집단의 멤버들은 본질적으로 층상(laminar)이다(예컨대, 도 1 및 도 2를 참조). 다른 실시예에서, 전극 집단의 멤버들 및/또는 상대 전극 집단의 멤버들은 본질적으로 비층상(non-laminar)이고; 달리 말하면, 일 실시예에서, 전극 집단 및/또는 상대 전극 집단의 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(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 약 500 이상이다. 그렇지만, 일반적으로, 그 비는 약 2 내지 약 1000일 것이다. 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단의 멤버들은 본질적으로 비층상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 집단의 멤버들은 본질적으로 비층상이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단의 멤버들 및 상대 전극 집단의 멤버들은 본질적으로 비층상이다.
전극 어셈블리를 포함하는 이차 배터리의 형성 동안 그리고/또는 사이클링 동안, 종방향으로의(예컨대, 도 3a 내지 도 3e 각각에서 종축 A에 평행한 방향으로의) 전극 어셈블리의 팽창이 본 개시내용의 구속부에 의해 억제될 수 있다. 일반적으로, 구속부는 (전극 어셈블리의 측방 표면 위에 놓이도록 되어 있는) 인장 부재들에 의해 연결되는 (각각, 제1 및 제2 투영된 구역들 위에 놓이도록 되어 있는) 압축 부재들를 포함한다. 인장 부재들은 압축 부재들을 서로를 향해 당기고 그로써 전극 어셈블리의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 압축력을 가하는 경향이 있으며, 이는, 차례로, (본원에 추가로 기술되는 바와 같이 전극 적층 방향과 일치하는) 종방향으로의 전극 어셈블리의 팽창을 억제한다. 그에 부가하여, 배터리 형성 이후에, 구속부는 서로 상호 수직이고 종방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 전극 어셈블리에 대해 유지되는 압력을 초과하는 종방향(즉, 전극 적층 방향)에서의 전극 어셈블리에 대한 압력을 가한다.
이제 도 4를 참조하면, 전체적으로 100으로 표시되어 있는, 본 개시내용의 이차 배터리의 일 실시예의 분해도를 볼 수 있다. 이차 배터리는 배터리 인클로저(102) 및 배터리 인클로저(102) 내의 전극 어셈블리들(120)의 세트(110)를 포함하고, 전극 어셈블리들 각각은 제1 종방향 단부 표면(122), 대향하는 제2 종방향 단부 표면(124)(도 4의 가상 직교 좌표계의 "Y-축"과 평행한 종축(도시되지 않음)을 따라 제1 종방향 단부 표면(122)과 분리됨), 및 측방 면들(123, 125, 126, 127)(도 12a를 참조)을 포함하는 측방 표면을 포함한다. 각각의 전극 어셈블리는 전극 적층 방향 D로 전극 어셈블리들 각각 내에서 서로에 대해 적층된(예컨대, 도 12a를 참조), 전극 구조체들의 집단 및 상대 전극 구조체의 집단을 포함하고; 달리 말하면, 전극 구조체들 및 상대 전극 구조체들의 집단들은 전극들과 상대 전극들의 교대하는 시리즈(series)로 배열되고, 이 시리즈는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124) 사이에서 방향 D로 나아간다(예컨대, 도 12a를 참조; 도 4에 예시된 바와 같이, 전극 적층 방향 D는 도 4의 가상 직교 좌표계의 Y-축과 평행하다). 그에 부가하여, 개개의 전극 어셈블리(120) 내에서의 전극 적층 방향 D는 세트(110) 내의 전극 어셈블리들(120)의 집합체의 적층 방향(즉, 전극 어셈블리 적층 방향)에 수직이며; 달리 말하면, 전극 어셈블리들은 개개의 전극 어셈블리 내에서의 전극 적층 방향 D에 수직인 방향으로 세트(110) 내에서 서로에 대해 배치된다(예컨대, 전극 어셈블리 적층 방향은 가상 직교 좌표계의 Z-축 방향에 대응하는 방향으로 있는 반면, 개개의 전극 어셈블리들 내에서의 전극 적층 방향 D는 가상 직교 좌표계의 Y-축에 대응하는 방향으로 있다).
탭들(141,142)은 배터리 인클로저 밖으로 돌출하고, 세트(110)의 전극 어셈블리들과 에너지 공급원 또는 소비자(도시되지 않음) 사이의 전기적 연결을 제공한다. 보다 구체적으로는, 이 실시예에서, 탭(141)은 (예를 들어, 전기 전도성 글루(electrically conductive glue)를 사용하여) 탭 연장부(143)에 전기적으로 연결되고, 탭 연장부(143)는 전극 어셈블리들(120) 각각에 포함된 전극들에 전기적으로 연결된다. 이와 유사하게, 탭(142)은 (예를 들어, 전기 전도성 글루를 사용하여) 탭 연장부(144)에 전기적으로 연결되고, 탭 연장부(144)는 전극 어셈블리들(120) 각각에 포함된 상대 전극들에 전기적으로 연결된다.
도 4에 예시된 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(120)는 종방향(즉, 전극 적층 방향 D)에서의 팽창을 억제하기 위해 관련 구속부(130)를 갖는다. 각각의 구속부(130)는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124) 위에, 각각, 놓이는 압축 부재들(132, 134)(도 5a 및 도 5b를 참조) 및 측방 면들(123, 125) 위에, 각각, 놓이는 인장 부재들(133, 135)(도 5c 및 도 5d를 참조)을 포함한다. 인장 부재들(133, 135)은 압축 부재들(132, 134)을 서로를 향해 당기고, 압축 부재들(132, 134)은 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124)에 압축력을 가한다. 그 결과, 배터리의 형성 및/또는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서의 배터리의 사이클링 동안 종방향으로의 전극 어셈블리의 팽창이 억제된다. 그에 부가하여, 구속부(130)는 서로 상호 수직이고 종방향에 수직인 2개의 방향 중 어느 한 방향으로 전극 어셈블리에 대해 유지되는 압력을 초과하는 종방향(즉, 전극 적층 방향 D)으로의 전극 어셈블리에 대한 압력을 가한다(예시된 바와 같이, 종방향은 "Y"축의 방향에 대응하고, 서로 상호 수직이고 종방향에 수직인 2개의 방향은 예시된 가상 직교 좌표계의 X-축 및 Z-축의 방향들에, 각각, 대응한다).
이제 도 5a, 도 5b, 도 5c, 및 도 5d를 참조하면, 도 4의 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(120)는 X1 x Z1의 치수들을 갖는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124), X1 x Y1의 치수들을 갖는 측방 면들(123, 125) 및 Y1 x Z1의 치수들을 갖는 측방 면들(126, 127)을 갖는 직사각형 프리즘의 기하학적 형상에 대응하는 기하학적 형상을 갖는다(여기서 X1, Y1 및 Z1은, 각각, 직교 좌표계의 X-축, Y-축 and Z-축에 대응하는 방향들에서 측정된 치수들이다). 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124)은 따라서 X1과 Z1의 곱셈 곱(multiplication product)에 대응하는 표면적을 갖고, 측방 면들(123, 125) 각각은 X1과 Y1의 곱셈 곱에 대응하는 표면적을 가지며, 측방 면들(126, 127) 각각은 Y1과 Z1의 곱셈 곱에 대응하는 표면적을 갖는다. 본 개시내용의 일 양태에 따르면, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면적의 33% 미만이고, 여기서 전극 어셈블리는 직사각형 프리즘이고 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적은 (X1 * Z1) + (X1 * Z1)이며 측방 표면의 표면적은 (X1 * Y1) + (X1 * Y1) + (Y1 * Z1) + (Y1 * Z1)이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면적의 25% 미만이고, 여기서 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적은 (X1 * Z1) + (X1 * Z1)이며 전극 어셈블리의 총 표면적은 (X1 * Y1) + (X1 * Y1) + (Y1 * Z1) + (Y1 * Z1) + (X1 * Z1) + (X1 * Z1)이다.
이 실시예에서의 각각의 구속부(130)는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124) 위에, 각각, 놓이는 압축 부재들(132, 134) 및 압축 부재들을 서로를 향해 당기는 적어도 하나의 인장 부재를 포함한다. 예를 들어, 구속부는 측방 표면의 측방 면들(123, 125) 위에, 각각, 놓이는 인장 부재들(133, 135)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 압축 부재들(132, 134)은 전극 어셈블리의 측방 면들(123, 125)에 대해 그리고 측방 면들(126, 127)에 대해 (즉, 서로 상호 수직이고 전극 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각으로) 유지된 압력을 초과하는 압력을 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124)에 (즉, 전극 적층 방향 D로) 가한다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부는 전극 적층 방향에 수직이고 상호 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 전극 어셈블리에 대해 유지되는 압력을 3배 이상 초과하는 압력을 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124)에 (즉, 전극 적층 방향 D로) 가한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부는 전극 적층 방향에 수직이고 상호 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 전극 어셈블리에 대해 유지되는 압력을 4배 이상 초과하는 압력을 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124)에 (즉, 전극 적층 방향 D로) 가한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부는 전극 적층 방향에 수직이고 상호 수직인 2개의 방향 중 적어도 하나 또는 심지어 둘 다로 전극 어셈블리에 대해 유지되는 압력을 5배 이상 초과하는 압력을 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124)에 (즉, 전극 적층 방향 D로) 가한다.
이제 도 6a를 참조하면, 일 실시예에서, 구속부(130)는 길이 L1, 폭 W1 및 두께 t1을 갖는 시트(107)로부터 얻어질 수 있다. 구속부를 형성하기 위해, 시트(107)가 전극 구조체를 인클로징하기 위해 전극 구조체(120)에 단순히 랩어라운드(wrap around)되고(도 4 및 도 5a 내지 도 5d를 참조) 접힘 선(fold line)들(113)에서 폴딩된다. 압축 부재들(132, 134) 및 인장 부재들(133, 135)을 포함하는 구속부를 형성하기 위해 에지들(115, 117)이 서로 오버랩(overlap)하고 서로에 용접, 점착(glue) 또는 다른 방식으로 고정된다(에지들(115, 177)이 서로에 고정되면 압축 부재(134)는 오버랩하는 에지들(115, 177)을 포함함). 이 실시예에서, 구속부는 시트(107)의 변위 체적(즉, L1, W1 및 t1의 곱셈 곱)에 대응하는 체적을 갖는다.
시트(107)는 전극 구조체에 원하는 힘을 가할 수 있는 광범위한 상용성 재료(compatible material)들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 구속부는 전형적으로, 10,000 psi 이상(70 MPa 초과)의 최대 인장 강도를 가지며, 배터리 전해질과 상용성이 있고, 배터리의 부동 또는 애노드 전위에서 그다지 부식되지 않으며, 45　℃에서 그다지 반응하지 않거나 기계적 강도를 상실하지 않는, 재료를 포함할 것이다. 예를 들어, 구속부는 광범위한 금속들, 합금들, 세라믹들, 유리, 플라스틱들, 또는 이들의 조합(즉, 복합재(composite)) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 구속부는 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 구속부가 금속을 포함할 때, 부식을 제한하고 전극들과 상대 전극들 사이에 전기적 단락을 생성하지 않는 방식으로 혼입(incorporate)되는 것이 일반적으로 바람직하다. 다른 예시적인 실시예에서, 구속부는 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, 구속부는 Schott D263 강화 유리(tempered glass)와 같은 유리를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 구속부는 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, 구속부는 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, 구속부는 Kevlar 49 아라미드 섬유(Aramid Fiber), S 유리 섬유들, 탄소 섬유들, Vectran UM LCP 섬유들, 다이니마(Dyneema), 자일론(Zylon)과 같은 섬유들을 포함한다.
구속부의 두께(t1)는, 예를 들어, 구속부의 구성 재료(material of construction)(들), 전극 어셈블리의 전체 치수, 및 배터리 애노드 및 캐소드의 조성을 비롯한 다양한 인자들에 의존할 것이다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 구속부는 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 시트를 포함할 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부는 약 30 ㎛의 두께를 갖는 스테인리스강 시트(예컨대, SS316)를 포함한다. 추가 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 구속부는 약 40 ㎛의 두께를 갖는 알루미늄 시트(예컨대, 7075-T6)를 포함한다. 추가 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 구속부는 약 30 ㎛의 두께를 갖는 지르코니아 시트(예컨대, Coorstek YZTP)를 포함한다. 추가 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 구속부는 약 75 ㎛의 두께를 갖는 E Glass UD/Epoxy 0 deg 시트를 포함한다. 추가 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 구속부는 50% 초과의 패킹 밀도로 12 ㎛ 탄소 섬유들을 포함한다.
특정 실시예들에서, 구속부의 압축 부재들 및/또는 인장 부재들은 다공성 재료를 포함한다. 일반적으로, 다공성 재료는 전해질이 전극 어셈블리들에 쉽게 접근할 수 있게 할 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 압축 부재(들) 및/또는 인장 부재(들)는 0.25 이상의 보이드 분율(void fraction)을 가질 수 있다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 압축 부재(들) 및/또는 인장 부재(들)는 0.375 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 압축 부재(들) 및/또는 인장 부재(들)는 0.5 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 압축 부재(들) 및/또는 인장 부재(들)는 0.625 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 압축 부재(들) 및/또는 인장 부재(들)는 0.75 이상의 보이드 분율을 가질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 구속부(130)는 전극 어셈블리(120) 내부에 있는 하나 이상의 압축 부재들을 포함한다. 예를 들어, 이제 도 6b를 참조하면, 구속부(130)가 내부 압축 부재(132a)를 갖는 전극 어셈블리(120)의 일 실시예의 단면이 도시되어 있다. 도 6b에 도시된 실시예에서, 구속부(130)는 전극 어셈블리(120)의 종방향 단부 표면들(122, 124)에, 각각, 제1 및 제2 압축 부재들(132, 134)을 포함할 수 있다. 그렇지만, 그에 부가하여 그리고/또는 대안적으로, 구속부(130)는 종방향 단부 표면들(122, 124) 이외의 전극 어셈블리의 내부 영역에 위치되는 적어도 하나의 내부 압축 부재(132a)를 추가로 포함할 수 있다. 내부 압축 부재(132a)는 내부 압축 부재(132a)와, 전극 어셈블리(120)의 종방향 단부 표면들(122, 124)에 있는 그리고/또는 하나 이상의 다른 내부 압축 부재들(132)을 갖는 압축 부재들(132, 134) 중 하나 이상과 같은, 다른 압축 부재 사이의 전극 어셈블리(120)의 일부분에 압축 압력을 가하기 위해 인장 부재들(133, 135)에 연결될 수 있다. 도 6b에 도시된 실시예를 참조하면, 전극 어셈블리(120)의 중심 영역 쪽으로와 같은, 전극 어셈블리(120)의 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124)로부터, 각각, 멀어지는 쪽으로 종축(적층 방향 D)을 따라 이격된 내부 압축 부재(132a)가 제공될 수 있다. 내부 압축 부재(132a)는 전극 어셈블리 단부 표면들(122, 124)로부터 안쪽 위치(interior position)에서 인장 부재들(133, 135)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 전극 어셈블리 단부 표면들(122, 124)에 제공된 압축 부재들(132, 134)에 부가하여, 단부 표면들(122, 124)로부터 안쪽 위치에 있는 적어도 하나의 내부 압축 부재(132a)가 제공된다. 다른 실시예에서, 구속부(130)는, 종방향 단부 표면들(122, 124)에 압축 부재들(132, 134)을 갖거나 갖지 않으면서, 종방향 단부 표면들(122, 124)로부터 안쪽으로 이격된 전극 어셈블리(120)의 안쪽 위치들에 내부 압축 부재(132a)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 구속부(130)는, 종방향 단부 표면들(122, 124)에 압축 부재(132, 134)를 갖지 않으면서, 종방향 단부 표면들(122, 124)로부터 안쪽으로 이격된 전극 어셈블리의 안쪽 위치들에 내부 압축 부재(132a)를 포함한다. 일 실시예에서, 내부 압축 부재(132a)는, 내부 압축 부재(132a)와 압축 부재들(132, 134)이 위치될 수 있는 전극 어셈블리(120)의 종방향 표면들(122, 124) 사이에서 종방향으로 놓이는 전극 어셈블리(120)의 각각의 부분에 압축 압력을 가하기 위해 그리고/또는 내부 압축 부재(132a)와 다른 내부 압축 부재(132a) 사이에서 종방향으로 놓이는 전극 어셈블리(120)의 일부분에 압축 압력을 가하기 위해, 압축 부재들(132, 134) 중 하나 이상 및/또는 다른 내부 압축 부재(132a)와 협력하여 작용하는 것으로 이해될 수 있다. 하나의 버전에서, 내부 압축 부재들(132a) 중 적어도 하나는, 이하에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 전극 또는 상대 전극 구조체(151, 152)의 적어도 일부분을 포함한다. 예를 들어, 내부 압축 부재(132a)는 상대 전극 활성 재료, 분리막, 전극 전류 컬렉터, 상대 전극 전류 컬렉터, 전극 백본(electrode backbone) 및 상대 전극 백본(counter-electrode backbone)의 적어도 일부분을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 앞서 논의된 바와 같이, 구속부(130)는, 전극 구조체(151) 및/또는 상대 전극 구조체(152)의 일부와 같은, 전극 어셈블리(106)의 안쪽 구조체(interior structure)의 일부인 내부 압축 부재(132a)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전극 어셈블리(120) 내의 구조체들 간에 압축을 제공하는 것에 의해, 전극 구조체(120)의 확장(growth)에 의해 야기된 변형(strain)을 적절히 보상하는 단단히 구속된 구조체(tightly constrained structure)가 실현될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 하나 이상의 내부 압축 부재들(132)은, 연결 인장 부재들(133, 135)을 통해 서로 인장 상태에 놓이는(placed in tension) 것에 의해, 종방향에 평행한 방향으로의 확장을 제약하기 위해, 전극 어셈블리(120)의 종방향 단부 표면들(122, 124)에 있는 압축 부재들(132, 134)과 협력하여 작용할 수 있다. 다른 추가 실시예에서, 인장 부재들(133, 135)을 통해 서로 인장 상태에 놓이는 상대 전극 구조체들(152)(예컨대, 캐소드)의 부분들에 대응하는 하나 이상의 내부 압축 부재들(132a)을 통한 압축에 의해 전극 구조체(151)(예컨대, 애노드 구조체)의 확장이 저지(counter)될 수 있다.
일반적으로, 특정 실시예들에서, 구속부(130)의 컴포넌트들은, 전극 어셈블리(120)를 갖는 이차 배터리의 크기를 과도하게 증가시키는 일 없이 효과적인 구속(restraint)을 제공할 뿐만 아니라 전극 어셈블리(120)의 체적을 보다 효율적으로 이용하기 위해, 전극 어셈블리(120) 내에 전극 구조체들(151) 및/또는 상대 전극 구조체들(152)로서, 각각, 구현될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 구속부(130)는 내부 압축 부재(132a)로서 역할하는 하나 이상의 전극 구조체들(151) 및/또는 상대 전극 구조체들(152)에 부착된 인장 부재들(133, 135)을 포함할 수 있다. 추가 예로서, 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 내부 압축 부재(132a)는 전극 구조체들(151)의 집단으로서 구현될 수 있다. 추가 예로서, 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 내부 압축 부재(132a)는 상대 전극 구조체들(152)의 집단으로서 구현될 수 있다.
이제 도 6c를 참조하면, 수직 축(Z 축), 종축(Y 축), 및 횡축(X 축)을 갖는 직교 좌표계가 참조를 위해 도시되어 있고; 여기서 X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되어 있으며; 적층 방향 D의 지정은, 앞서 기술된 바와 같이, Y 축과 상호 평행(co-parallel)이다. 보다 구체적으로는, 도 7은 전극 어셈블리(120)의 종방향 표면들에 있는 압축 부재들(132, 134) 및 적어도 하나의 내부 압축 부재(132a)를 갖는 구속부(130)를 갖는 전극 어셈블리(120)의 단면을 도시하고 있다. 구속부(130)는 압축 부재들(132, 134)은 물론, 전극 구조체들(151)의 집단 및/또는 상대 전극 구조체들(152)의 집단으로서 구현된 내부 압축 부재를 포함하고; 따라서, 이 실시예에서, 적어도 하나의 내부 압축 부재(132a), 전극 구조체들(151), 및/또는 상대 전극 구조체들(152)은 서로 바꾸어 사용될 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 게다가, 분리막(150)이 또한 내부 압축 부재(132a)의 일부분을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로는, 전극 구조체(151) 또는 상대 전극 구조체(152)에 대응하는 내부 압축 부재(132a)의 플러시 연결(flush connection)의 일 실시예가 도 6c에 예시되어 있다. 플러시 연결은 인장 부재들(133, 135)과 내부 압축 부재(132a) 사이에 다른 접착 수단인 글루 층(layer of glue)(182)을 추가로 포함할 수 있다. 내부 압축 부재(132a)가, 다른 내부 압축 부재들 또는 전극 어셈블리(120)의 종방향 단부 표면들에 있는 압축 부재들과 같은, 다른 압축 부재들과 인장 상태에 유지될 수 있도록, 글루 층들(182)은 내부 압축 부재(132a)를 인장 부재들(133, 135)에 부착시킨다.
도 6c에 추가로 예시된 바와 같이, 일 실시예에서, 전극 집단(151)의 멤버들은 전극 활성 재료 층(160), 전극 전류 컬렉터(163)(이온 다공성 전극 전류 컬렉터(ionically porous electrode current collector) 등), 및 전극 활성 재료 층(160) 및 전극 전류 컬렉터(163)를 지지하는 전극 백본(165)을 갖는다. 이와 유사하게, 일 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(167), 상대 전극 전류 컬렉터(169), 및 상대 전극 활성 재료 층(167) 및 상대 전극 전류 컬렉터(169)를 지지하는 상대 전극 백본(171)을 갖는 상대 전극 집단(152)의 멤버들이 도 6c에 예시되어 있다.
(예컨대, 도 6c에서와 같이) 임의의 특정 이론에 구애받지 않고, 특정 실시예들에서, 전극 집단(151)의 멤버들은 전극 활성 재료 층(160), 전극 전류 컬렉터(163), 및 전극 활성 재료 층(160) 및 전극 전류 컬렉터(163)를 지지하는 전극 백본(165)을 포함한다. 이와 유사하게, 특정 실시예들에서, 상대 전극 집단(152)의 멤버들은 상대 전극 활성 재료 층(167), 상대 전극 전류 컬렉터(169), 및 상대 전극 활성 재료 층(167) 및 상대 전극 전류 컬렉터(169)를 지지하는 상대 전극 백본(171)을 포함한다. 일 실시예에서, 전류 컬렉터들(163, 169), 백본들(165, 171), 상대 전극 활성 재료 층(167)은 물론 분리막(130)과 같은, 전극 및 상대 전극 구조체들(151, 152) 중 임의의 것의 적어도 일부분은, 인장 부재들(133, 135)에 연결되거나 다른 방식으로 하나 이상의 다른 내부 또는 외부 압축 부재들(132, 134)과 인장 상태에 놓이는 것 등에 의해, 내부 압축 부재(132a)의 일부 또는 전체로서 역할할 수 있다. 일 실시예에서, 내부 압축 부재들(132a)은, 점착, 용접, 본딩, 접착 또는 유사한 연결 수단 중 적어도 하나에 의해, 인장 부재들(133, 135)에 연결될 수 있다. 도 6c에 도시된 실시예가 전극 및 상대 전극 구조체들(151, 152) 둘 다에 대응하는 내부 압축 부재들(132a)을 도시하고 있지만(즉, 전극 및 상대 전극 구조체들 둘 다가 인장 부재들(133, 135)에 연결되는 것에 의해 서로 인장 상태에 놓임), 대안의 실시예에서, 전극 및/또는 상대 전극 구조체들 중 하나만이 내부 압축 부재들(132a)로서 역할하고, 그리고/또는 전극 또는 상대 전극 구조체(151, 152)의 일부분만이, 인장 부재들(133, 135)에 접착되는 것 등에 의해, 내부 압축 부재(132a)로서 역할할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 전류 컬렉터(163) 및/또는 상대 전극 전류 컬렉터(152) 중 적어도 하나와 같은, 전류 컬렉터는, 인장 부재들(133, 135)에 접착되는 것 등에 의해, 내부 압축 부재(132)로서 역할할 수 있다.
도 4를 또다시 참조하면, 이차 배터리(100)의 제조를 완료하기 위해, 배터리 인클로저(102)는 비-수성 전해질(도시되지 않음)로 채워지고 리드(lid)(104)는 (접힘 선(106)을 따라) 상부 표면(108) 위로 폴딩되어 상부 표면(108)에 실링(seal)된다. 완전하게 조립될 때, 실링된 이차 배터리는 그의 외측 표면들에 의해 경계지어지는 체적(즉, 변위 체적)을 차지하고, 이차 배터리 인클로저(102)는 (리드(104)를 포함하는) 배터리의 변위 체적에 대응하는 체적에서 그의 내부 체적(interior volume)(즉, 내측 표면들(103A, 103B, 103C, 103D, 103E) 및 리드(104)에 의해 경계지어지는 프리즘 체적)을 뺀 것을 차지하며, 세트(110)의 각각의 구속부(130)는 그 각자의 변위 체적에 대응하는 체적을 차지한다. 조합하여, 따라서, 배터리 인클로저 및 구속부들은 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적(즉, 배터리의 변위 체적)의 75% 이하를 차지한다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부들 및 배터리 인클로저는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 60% 이상을 차지한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부 및 배터리 인클로저는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 45% 이상을 차지한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부 및 배터리 인클로저는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 30% 이상을 차지한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 구속부 및 배터리 인클로저는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외측 표면에 의해 경계지어지는 체적의 20% 이상을 차지한다.
도 4에서 예시의 편의를 위해, 이차 배터리(100)는 하나의 전극 어셈블리 세트(110)만을 포함하고, 이 세트는 단지 6개의 전극 어셈블리들(120)을 포함한다. 실제로, 이차 배터리는 하나 초과의 전극 어셈블리 세트를 포함할 수 있으며, 각각의 세트는 서로에 대해 측방으로(예컨대, 도 4의 직교 좌표계의 X-Y 평면 내에 놓이는 상대 방향(relative direction)으로) 또는 서로에 대해 수직으로(예컨대, 도 4의 직교 좌표계의 Z-축에 실질적으로 평행한 방향으로) 배치된다. 그에 부가하여, 이 실시예들 각각에서, 전극 어셈블리 세트들 각각은 하나 이상의 전극 어셈블리들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 이차 배터리는 1개, 2개 또는 그 이상의 전극 어셈블리 세트들을 포함할 수 있고, 각각의 이러한 세트는 하나 이상의 전극 어셈블리들(예컨대, 각각의 이러한 세트 내의 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 10개, 15개 또는 그 이상의 전극 어셈블리들)을 포함하며, 배터리가 2개 이상의 이러한 세트들을 포함할 때, 세트들은 이차 배터리에 포함된 다른 전극 어셈블리 세트들에 대해 측방으로 또는 수직으로 배치될 수 있다. 이 다양한 실시예들 각각에서, 각각의 개별 전극 어셈블리가 그 자체의 구속부를 가질 수 있거나(즉, 전극 어셈블리들과 구속부들 간의 1:1 관계), 2개 이상의 전극 어셈블리들이 공통 구속부를 가질 수 있거나(즉, 2개 이상의 전극 어셈블리들에 대한 단일 구속부), 2개 이상의 전극 어셈블리들이 구속부의 컴포넌트들을 공유할 수 있다(즉, 2개 이상의 전극 어셈블리들이 공통 압축 부재 및/또는 인장 부재들을 가질 수 있다).
이제 도 12a를 참조하면, 하나의 예시적인 실시예에서, 전극 어셈블리(120)는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(121, 122) 및 측방 면들(123, 124, 125, 126)을 포함하는 측방 표면을 포함한다. 전극 어셈블리(120)는 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(121, 122) 사이에 연장되는 종축 A와 평행한 전극 적층 방향 D로 적층되는 전극 구조체들(151)의 집단 및 상대 전극 구조체들(152)의 집단을 추가로 포함한다. 전극 및 상대 전극 구조체들(151, 152)은 교대하는 시퀀스로 적층되어(예컨대, 서로 맞물림(interdigitated)), 전극 집단의 실질적으로 각각의 멤버는 상대 전극 집단의 2개의 멤버들 사이에 있고 상대 전극 집단의 실질적으로 각각의 멤버는 전극 집단의 2개의 멤버들 사이에 있다. 예를 들어, 교대하는 시리즈에서의 첫 번째 및 마지막 전극 또는 상대 전극 구조체를 제외하고는, 일 실시예에서, 교대하는 시리즈에서의 각각의 전극 구조체는 2개의 상대 전극 구조체들 사이에 있고 시리즈에서의 각각의 상대 전극 구조체는 2개의 전극 구조체들 사이에 있다. 그에 부가하여, 가상 백플레인(예컨대, 각각, 측방 면들(126, 127))에서의 비층상 전극 및/또는 상대 전극 구조체들 각자의 기하학적 풋프린트에 대한 그들의 표면적의 비는, 이전에 살펴본 바와 같이, 약 5 이상, 약 10 이상, 약 50 이상, 약 100 이상, 또는 약 500 이상이다.
도 12a에 예시된 바와 같이, 하나를 제외하고는, 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버(151)가 상대 전극 집단의 2개의 멤버들(152) 사이에 있고, 하나를 제외하고는, 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버(152)가 전극 구조체들의 집단의 2개의 멤버들(151) 사이에 있다. 보다 일반적으로 말하면, 일 실시예에서 전극 집단 및 상대 전극 집단 각각은 N개의 멤버들을 갖고, N-1개의 전극 집단 멤버들 각각은 2개의 상대 전극 구조체들 사이에 있으며, N-1개의 상대 전극 집단 멤버들 각각은 전극 구조체들 사이에 있고, N은 2 이상이다. 예를 들어, 일 실시예에서, N은 (도 4에 예시된 바와 같이) 4 이상, 5 이상, 10 이상, 25 이상, 50 이상 또는 심지어 100 이상이다.
이제 도 12b 및 도 12c를 참조하면, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제1 종방향 단부 표면(122) 상으로의 투영은 제1 투영된 구역(162)을 한정하고, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제2 종방향 단부 표면(124) 상으로의 투영은 제2 투영된 구역(164)을 한정한다. 일반적으로, 제1 및 제2 투영된 구역들(162, 164)은 전형적으로, 각각, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124)의 표면적의 상당 부분을 포함할 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 투영된 구역들 각각은, 각각, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적의 50% 이상을 포함한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 투영된 구역들 각각은, 각각, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적의 75% 이상을 포함한다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 투영된 구역들 각각은, 각각, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적의 90% 이상을 포함한다.
전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들은, 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 또는 알루미늄 이온들과 같은, 캐리어 이온을 흡수 및 방출할 수 있는 전기활성 재료를 포함한다. 일부 실시예들에서, 전극 구조체 집단의 멤버들(151)은 애노드 활성 전기활성 재료(anodically active electroactive material)(때때로 음전극이라고 지칭됨)를 포함하고, 상대 전극 구조체 집단의 멤버들(152)은 캐소드 활성 전기활성 재료(cathodically active electroactive material)(때때로 양전극이라고 지칭됨)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 전극 구조체 집단의 멤버들(151)은 캐소드 활성 전기활성 재료를 포함하고, 상대 전극 구조체 집단의 멤버들(152)은 애노드 활성 전기활성 재료를 포함한다. 이 단락에서 인용된 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, 반금속(semi-metal)들, 합금들, 산화물들 및 화합물들 중 임의의 것을 포함한다. 애노드 재료를 구성할 수 있는 금속들 또는 반금속들의 구체적인 예들은 주석, 납, 마그네슘, 알루미늄, 붕소, 갈륨, 규소, 인듐, 지르코늄, 게르마늄, 비스무트, 카드뮴, 안티몬, 은, 아연, 비소, 하프늄, 이트륨, 및 팔라듐을 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 애노드 활성 재료는 알루미늄, 주석, 또는 규소, 또는 이들의 산화물, 또는 이들의 질화물, 이들의 플루오르화물, 또는 이들의 다른 합금을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 애노드 활성 재료는 규소 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, 란타노이드(lanthanoid)들, 악티노이드(actinoid)들, 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, 인산염들, 규산염들, 바나듐산염들 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 기공(branched pore)들에 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 기공(dendritic pore)들에 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 규소, 또는 이들의 합금을 포함한다. 다공성 규소 층들은, 예를 들어, 양극산화(anodization)에 의해, 에칭에 의해(예컨대, 금, 백금, 은 또는 금/팔라듐과 같은 귀금속들을 단결정 규소의 (100) 표면 상에 퇴적시키고 이 표면을 불화수소산 및 과산화수소의 혼합물로 에칭하는 것에 의해), 또는 패터닝된 화학적 에칭(patterned chemical etching)과 같은 본 기술분야에 공지된 다른 방법들에 의해 형성될 수 있다. 그에 부가하여, 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 규소를 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 규소를 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 규소를 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 규소 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 규소, 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. 규소의 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. 그에 부가하여, 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) 규소 합금의 나노와이어들을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공성 분율을 갖는다.
일 실시예에서, 전극 집단의 멤버들은 전극 활성 재료 층, 전극 전류 컬렉터, 및 전극 활성 재료 층 및 전극 전류 컬렉터를 지지하는 전극 백본을 포함한다. 이와 유사하게, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 멤버들은 상대 전극 활성 재료 층, 상대 전극 전류 컬렉터, 및 상대 전극 활성 재료 층 및 상대 전극 전류 컬렉터를 지지하는 상대 전극 백본을 포함한다.
일 실시예에서, 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(AE)을 갖는다. 그에 부가하여, 전극 집단의 각각의 멤버는 종축(AE)을 따라 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 이러한 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.
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, 각각, 5:1 이상이다(즉, LE 대 WE의 비는, 각각, 5:1 이상이고, LE 대 HE의 비는, 각각, 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.
그에 부가하여, 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, 각각, 1.25:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 PE의 비는, 각각, 2.5:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 PE의 비는, 각각, 3.75:1 이상이다.
일 실시예에서, 전극 집단의 멤버들의 높이(HE) 대 폭(WE)의 비는, 각각, 0.4:1 이상이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HE 대 WE의 비는, 각각, 2:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비는, 각각, 10:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비는, 각각, 20:1 이상일 것이다. 그렇지만, 전형적으로, HE 대 WE의 비는, 각각, 일반적으로 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비는, 각각, 500:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비는, 각각, 100:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비는, 각각, 10:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HE 대 WE의 비는, 각각, 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. 그에 부가하여, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 종축(ACE)을 따라 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 이러한 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이(LCE)를 갖는다. 추가 예로서, 하나의 이러한 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.
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, 각각, 5:1 이상이다(즉, LCE 대 WCE의 비는, 각각, 5:1 이상이고, LCE 대 HCE의 비는, 각각, 5:1 이상임). 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.
그에 부가하여, 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, 각각, 1.25:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 PCE의 비는, 각각, 2.5:1 이상이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 PCE의 비는, 각각, 3.75:1 이상이다.
일 실시예에서, 상대 전극 집단의 멤버들의 높이(HCE) 대 폭(WCE)의 비는, 각각, 0.4:1 이상이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 각각, 2:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 각각, 10:1 이상일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 각각, 20:1 이상일 것이다. 그렇지만, 전형적으로, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 각각, 일반적으로 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 각각, 500:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비는, 각각, 100:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비는, 각각, 10:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비는, 각각, 약 2:1 내지 약 100:1의 범위에 있을 것이다.
도 12a를 또다시 참조하면, 전기 절연성 분리막 층(153)은 전극 구조체 집단의 각각의 멤버(151)를 둘러싸서 이를 상대 전극 구조체 집단의 각각의 멤버(152)로부터 전기적으로 격리시킨다. 전기 절연성 분리막 층(153)은 전형적으로 비-수성 전해질이 침투될 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. 그에 부가하여, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 인접한 멤버들 사이에서의 캐리어 이온들의 전도를 가능하게 하기 위해 미세다공성 분리막 재료는 비-수성 전해질이 침투되어 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 충전 또는 방전 동안의 이온 교환을 위한 전극 구조체 집단의 멤버(151)와 상대 전극 구조체 집단의 최근접 멤버(들)(152) 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층(153)(즉, "인접 쌍")의 70 체적% 이상이 미세다공성 분리막 재료이고; 달리 말하면, 미세다공성 분리막 재료가 전극 구조체 집단의 멤버(151)와 상대 전극 구조체 집단의 최근접 멤버(152) 사이의 전기 절연성 재료의 70 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가 전극 구조체 집단의 멤버들(151)과 상대 전극 구조체 집단의 멤버들(152)의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 75 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가 전극 구조체 집단의 멤버들(151)과 상대 전극 구조체 집단의 멤버들(152)의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 80 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가 전극 구조체 집단의 멤버들(151)과 상대 전극 구조체 집단의 멤버들(152)의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 85 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가 전극 구조체 집단의 멤버들(151)과 상대 전극 구조체 집단의 멤버들(152)의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 90 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가 전극 구조체 집단의 멤버들(151)과 상대 전극 구조체 집단의 멤버들(152)의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 95 체적% 이상을 구성한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료의 다공성을 무시하면, 미세다공성 분리막 재료가 전극 구조체 집단의 멤버들(151)과 상대 전극 구조체 집단의 멤버들(152)의 인접 쌍들 사이의 전기 절연성 분리막 재료 층의 99 체적% 이상을 구성한다.
일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료는 미립자 재료 및 바인더를 포함하고, 약 20 체적% 이상의 기공률(보이드 분율)을 갖는다. 미세다공성 분리막 재료의 기공들은 50 Å 이상의 직경을 가질 것이고 전형적으로 약 250 내지 2,500 Å의 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 규산염들, 인산염들, 알루민산염들, 알루미노규산염들, 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 중합체들의 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. 예컨대, P. Arora and J. Zhang, "Battery Separators" Chemical Reviews 2004, 104, 4419-4462를 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 그에 부가하여, 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.
조립된 에너지 저장 디바이스에서, 미세다공성 분리막 재료는 이차 배터리 전해질로서 사용하기에 적당한 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; 및 LiB(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.
도 12a, 도 12b 및 도 12c를 또다시 참조하면, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 종방향 단부 표면들(162, 164) 상으로의 투영(즉, "투영된 표면 영역들")과 일치하는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들(122, 124)의 영역들은, 각각, 구속부(130)에 의해 가해지는 상당한 압축 하중 하에 있을 것이다(도 4를 참조). 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 종방향 단부 표면들 상으로의 투영과 일치하는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들의 영역들 각각은 (제1 및 제2 투영된 표면 영역들 각각의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 0.7 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 종방향 단부 표면들 상으로의 투영과 일치하는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들의 영역들 각각은 (제1 및 제2 투영된 표면 영역들 각각의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 1.75 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 종방향 단부 표면들 상으로의 투영과 일치하는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들의 영역들 각각은 (제1 및 제2 투영된 표면 영역들 각각의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 2.8 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 종방향 단부 표면들 상으로의 투영과 일치하는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들의 영역들 각각은 (제1 및 제2 투영된 표면 영역들 각각의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 3.5 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 종방향 단부 표면들 상으로의 투영과 일치하는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들의 영역들 각각은 (제1 및 제2 투영된 표면 영역들 각각의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 5.25 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 종방향 단부 표면들 상으로의 투영과 일치하는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들의 영역들 각각은 (제1 및 제2 투영된 표면 영역들 각각의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 7 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 종방향 단부 표면들 상으로의 투영과 일치하는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들의 영역들 각각은 (제1 및 제2 투영된 표면 영역들 각각의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 8.75 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 종방향 단부 표면들 상으로의 투영과 일치하는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들의 영역들 각각은 (제1 및 제2 투영된 표면 영역들 각각의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 약 10 kPa 이하의 압축 하중 하에 있을 것이다. 전술한 예시적인 실시예들 각각에서, 본 개시내용의 이차 배터리의 종방향 단부 표면들은 배터리가 그의 정격 용량의 약 80% 이상으로 충전될 때 이러한 압축 하중들을 경험할 것이다.
특정 실시예들에서, 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들의 거의 전체가 상당한 압축 하중 하에 있을 것이다(제1 및 제2 투영된 표면 영역들만이 꼭 그러한 것은 아님). 예를 들어, 일부 실시예들에서, 일반적으로, 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 0.7 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 1.75 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 2.8 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 3.5 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 5.25 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 7 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들 각각은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 8.75 kPa 이상의 압축 하중 하에 있을 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들은 (종방향 단부 표면들 각각의 총 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된) 약 10 kPa 이하의 압축 하중 하에 있을 것이다. 전술한 예시적인 실시예들 각각에서, 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들은 배터리가 그의 정격 용량의 약 80% 이상으로 충전될 때 이러한 압축 하중들을 경험할 것이다.
일 실시예에서, 전극 어셈블리의 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 100 psi(689 kPa) 이상의 압축 하중 하에 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 200 psi(1379 kPa) 이상의 압축 하중 하에 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 300 psi(2068 kPa) 이상의 압축 하중 하에 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 400 psi(2758 kPa) 이상의 압축 하중 하에 있다. 다른 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 500 psi(3447 kPa) 이상의 압축 하중 하에 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 600 psi(4137 kPa) 이상의 압축 하중 하에 있다. 또 다른 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 700 psi(4826 kPa) 이상의 압축 하중 하에 있다. 또 다른 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 800 psi(5516 kPa) 이상의 압축 하중 하에 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 900 psi(6205 kPa) 이상의 압축 하중 하에 있다. 또 다른 예에서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 1000 psi(6895 kPa) 이상의 압축 하중 하에 있다.
도 4와, 도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d를 또다시 참조하면, 그리고 본 개시내용의 일 양태에 따르면, 인장 부재들(133, 135)은 바람직하게는 종방향 단부 표면들에 가해지는 압축력에 따른 전극 어셈블리의 좌굴을 억제하기 위해 측방 표면에 비교적 가까이 있다. 도 5a 내지 도 5d에 예시된 실시예에서, 예를 들어, 인장 부재들(133, 135)은, 각각, 측방 면들(123, 125)과 접촉한다. 그렇지만, 다른 실시예들에서, 인장 부재들과 측방 표면 사이에 갭이 있을 수 있다. 그렇지만, 일반적으로, 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 50% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 40% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 30% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 20% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 10% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다. 추가 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 5% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다.
이제 도 7을 참조하면, 전체적으로 100으로 표시되어 있는, 본 개시내용의 이차 배터리의 하나의 대안의 실시예의 분해도를 볼 수 있다. 이차 배터리는 배터리 인클로저(102) 및 배터리 인클로저(102) 내의 전극 어셈블리들(120)의 세트(110)를 포함하고, 전극 어셈블리들 각각은 제1 종방향 단부 표면(122), 대향하는 제2 종방향 단부 표면(124)(도 7의 가상 직교 좌표계의 "Y-축"과 평행한 종축(도시되지 않음)을 따라 제1 종방향 단부 표면(122)과 분리됨), 및 측방 면들(123, 125, 126, 127)(도 4를 참조)을 포함하는 측방 표면을 포함한다. 도 4에 예시된 실시예와 달리, 이 실시예에서, 개개의 구속부(130)는 세트(110)의 전극 어셈블리들의 각각의 전극 어셈블리의 제1 및 제2 종방향 표면들에 압축력을 가한다. 이전에 기술된 바와 같이, 세트(110) 내의 각각의 전극 어셈블리의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적은, 각각, 세트 내의 전극 어셈블리들의 각각의 전극 어셈블리의 총 표면적의 50% 미만이다. 구속부(130)의 인장 부재들은 압축 부재들을 서로를 향해 당기고 그로써 세트(110) 내의 각각의 전극 어셈블리의 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각에 압축력을 가하는 경향이 있으며, 이는, 차례로, (본원에 이전에 기술된 바와 같이 각각의 전극 어셈블리의 전극 적층 방향과 일치하는) 종방향으로의 세트(110) 내의 각각의 전극 어셈블리의 팽창을 억제한다. 그에 부가하여, 배터리 형성 이후에, 구속부는 서로 상호 수직이고 종방향에 수직인 2개의 방향들 중 어느 하나에서 각자의 전극 어셈블리 각각에 대해 유지되는 압력을 초과하는 압력을 종방향(즉, 전극 적층 방향)으로 세트(110) 내의 각각의 전극 어셈블리에 가한다.
이제 도 8, 도 9, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 하나의 대안의 실시예에서, 구속부(130)는 슬롯들(109), 연결 영역들(111), 및 접힘 영역(fold region)들(113)을 포함하는 시트(107)로 형성된다. 구속부를 형성하기 위해, 시트(107)가 전극 구조체(120)(도 9에서는 전극 구조체(120) 없이 예시됨)에 단순히 랩어라운드되고, 접힘 영역들(113)을 따라 폴딩되며, 압축 부재들(132, 134) 및 인장 부재들(133, 135)을 포함하는 구속부를 형성하기 위해 오버랩하는 에지들(115, 117)이 서로에 용접, 점착 또는 다른 방식으로 고정된다(에지들(115, 177)이 서로에 고정되면 압축 부재(134)는 오버랩하는 에지들(115, 177)을 포함함). 하나의 이러한 실시예에서, 연결 영역들(111)을 인장 상태 하에 두기 위해 구속부(130)가 적층 방향 D로 신장되고, 이는 차례로, 압축력이 종방향 단부 표면들(122, 124)에 가해지게 한다. 대안의 실시예에서, 연결 영역들(111)을 인장 상태에 두기 위해 그들을 신장시키는 대신에, 연결 영역들이 전극 어셈블리 상에 설치되기 전에 프리텐션(pre-tension)된다. 다른 대안의 실시예에서, 연결 영역들(111)은 초기에 전극 어셈블리 상에 설치될 때 인장 상태에 있지 않으며, 오히려 배터리의 형성이 전극 어셈블리를 팽창시키고 연결 인장 부재들에 인장을 유도하게 한다(즉, 자기 텐셔닝(self-tensioning)).
이제 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 하나의 대안의 실시예에서, 구속부(130)는, 슬롯들(109) 및 연결 영역들(111)에 부가하여, 하나 이상의 사형(serpentine) 인장 부재들(121)을 포함한다. 사형 인장 부재들(121)은 사이클링 동안보다는 형성 동안에 힘이 더 큰 그 실시예들에서 2차 인장력(secondary tensioning force)을 제공한다. 이러한 실시예들에서, 직선 부재(straight member)들은 형성 동안에 보다 큰 저항력(resistance) 및 항복(yield)을 제공하는 반면, 사형 인장 부재들은 사이클링 동안에 보다 작은 인장력을 가한다. 이전에 기술된 바와 같이, 시트(107)를 전극 구조체(120)에 랩어라운드하고, 시트(107)를 접힘 영역들(113)을 따라 폴딩하며, 오버랩하는 에지들(115,117)을 고정시키는 것에 의해 구속부(130)가 형성될 수 있다(도 11a 및 도 11b에서는 전극 구조체 (20) 없이 예시됨). 시트(107)가 전극 구조체에 랩어라운드될 때, 구속부(130)는 적층 방향 D로 신장되어 연결 영역들(111) 및 사형 인장 부재들(121)를 인장 상태 하에 두고, 이는 차례로 전극 구조체(120)에 적층 방향 D로 압축력을 가한다.
일반적으로, 높은 강도(strength) 및 강성(stiffness)을 갖는 구속부는 배터리의 형성 동안 전극 어셈블리의 급격한 확장을 억제할 수 있는 반면, 훨씬 더 낮은 강도 및 강성을 갖는 구속부는 상이한 충전 상태들에서 봉착되는 리튬화의 변동으로 인한 전극 어셈블리 체적의 변화를 허용한다. 그에 부가하여, 보다 낮은 강성 및 높은 예비 하중(preload)(또는 시작 하중(starting load))을 갖는 구속부는 캐소드와 애노드 사이에 최소한의 힘을 유지하는 것에 의해 셀 임피던스(cell impedance)를 제어하는 데 도움을 준다. 본 개시내용의 일 실시예에 따라 이 경합하는 요구사항들을 해결하기 위한 하나의 접근법은 구속부를 2개의 컴포넌트들로 구성하는 것이다. 이 컴포넌트들은 원하는 강성을 달성하기 위해 (i) 상이한 기하학적 형태들을 갖는 유사한 재료들 또는 (ii) 상이한 탄성 계수(elastic modulus) 및 동일한 기하학적 형태를 갖는 재료들, (iii) 탄성 계수와 기하학적 형태 속성들의 어떤 조합 중 어느 하나로 제조될 수 있다. 양쪽 사례들에서, 제1 컴포넌트("요소 1")는 제2 컴포넌트("요소 2")보다 더 높은 강성 설계(재료 또는 기하학적 형태 기반)를 사용하고, 탄성적으로(elastically) 그리고 이어서 소성적으로(plastically) 변형되지만, 배터리 형성 동안 그가 경험하는 하중들 하에서 파단(fracture)되지 않는다. 요소 2는 바람직하게는 탄성적으로만 변형할 것이다. 양쪽 사례들에서, 제1 요소는 제2 요소를 캡슐화하는 것 또는 제2 요소를 다른 방식으로 지지하는 것 중 어느 하나에 의해 제2 요소가 그 자체적으로 변위하는 것보다 더 많이 변위하지 못하게 해야만 한다.
일 실시예에서, 구속부는 전극 어셈블리의 종방향 표면(들)과 압축 부재 사이에 위치된 탄성 변형가능 재료(elastically deformable material)를 포함한다. 이 실시예에서, 탄성 변형가능 재료는 전극들의 팽창을 수용하도록 탄성적으로 변형되고 전극들이 수축될 때 그의 원래의 두께 및 형상으로 탄성적으로 복귀한다. 그 결과, 이차 배터리의 사이클링 동안 전극들 및/또는 상대 전극들이 팽창하고 수축할 때 전극 어셈블리에 대해 종방향으로 최소한의 힘이 유지될 수 있다.
이제 도 16을 참조하면, 하나의 예시적인 실시예에서, 구속부(130)는 제1 및 제2 요소들(136, 137)을 포함한다. 이 실시예에서, 압축 부재(132)는 종방향 단부 표면(122) 위에 놓이는 제1 및 제2 요소들(136, 137)의 압축 영역들(각각, 132A, 132B)을 포함하고, 압축 부재(134)는 종방향 단부 표면(124) 위에 놓이는 제1 및 제2 요소들(136, 137)의 압축 영역들(각각, 134A, 134B)을 포함한다. 그에 부가하여, 인장 부재(133)는 측방 면(123) 위에 놓이는 제1 및 제2 요소들(136, 137)의 인장 부재 영역들(각각, 133A, 133B)을 포함하며, 인장 부재(135)는 측방 면(125) 위에 놓이는 제1 및 제2 요소들(136, 137)의 인장 부재 영역들(각각, 135A, 135B)을 포함한다. 이 예시적인 실시예에서, 제1 요소(136)는 셀 형성 또는 셀 사이클링 동안 전극 어셈블리의 최대 확장을 제한하는 데 사용되는 반면, 요소(137)는 방전된 상태 동안 전극 적층 방향 D의 방향으로 예비 하중을 유지하는 데 사용된다. 이 예시적인 실시예에서, 요소(136)는 형성 이전에 어떤 예비 하중도 갖지 않는다(전극 어셈블리에 어떤 힘도 가하지 않는다). 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(122, 124)에 압축력을 가하기 위해 요소(137)가 전극 어셈블리에 대해 예비 하중 인가(preload)된다. 전극 어셈블리가 팽창할 때(예컨대, 충전 단계 동안 캐리어 이온들의 혼입 시에 규소 함유 애노드가 팽창할 때), 요소(136)에 대한 힘은 그의 높은 강성으로 인해 급격히 증가하는 반면, 보다 낮은 강성의 요소(137)에 대한 힘은 서서히 상승하는데 그 이유는 그의 변위가 요소(136)에 의해 제한되기 때문이다. 특정 힘을 초과하면, 요소(136)는 항복이 시작되거나 탄성 변형으로부터 소성(영구적) 변형으로 넘어가는 반면, 요소(137)는 탄성 범위에 남아 있다. 힘이 계속해서 상승함에 따라, 요소(136)는 길이가 영구적으로 증가한다. 그 후에, 힘이 보다 작은 값으로 감소할 때(예컨대, 방전 단계 동안 캐리어 이온들의 탈리(deinsertion) 시에 실리콘 함유 애노드가 수축함에 따라), 요소(136)는 영구적으로 변형되어 더 이상 전극 어셈블리(120)와 접촉할 수 없지만 요소(137)는 그의 초기 예비 하중 레벨 근방으로 복귀할 수 있다.
이제 도 13을 참조하면, 하나의 대안의 실시예에서, 이차 배터리(100)는 배터리 인클로저(102), 및 배터리 인클로저(102) 내의 전극 어셈블리들(120)의 세트를 포함한다. 이전에 기술된 바와 같이, 전극 어셈블리들 각각은 종축을 따라 분리된 제1 종방향 단부 표면 및 대향하는 제2 종방향 단부 표면, 및 종축을 둘러싸는 측방 표면을 갖는다(도 4 및 도 12a를 참조). 그에 부가하여, 세트는, 세트 내의 전극 어셈블리들의 각각의 전극 어셈블리의 전극 적층 방향 D로의 팽창을 억제하기 위해, 상부 구속 부재(130T) 및 하부 구속 부재(130B)를 포함하는 관련 구속부(130)를 갖는다. 상부 구속 부재(130T) 및 하부 구속 부재(130B)는, 조합하여 압축 부재(132)를 구성하는, 인터로킹 탭(interlocking tab)들(132D, 132C)을, 각각, 포함한다. 상부 구속 부재(130T) 및 하부 구속 부재(130B)는, 조합하여 압축 부재(134)를 구성하는, 인터로킹 탭들을, 각각, 포함한다(도시되지 않음). 다른 실시예들에서와 같이, 압축 부재들 각각은 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 압축력을 가하고, 인장 부재들은 이전에 기술된 바와 같은 슬롯들(109) 및 연결 영역들(111)을 포함한다.
이제 도 14를 참조하면, 하나의 대안의 실시예에서, 이차 배터리(100)는 배터리 인클로저(102), 배터리 인클로저(102) 내의 전극 어셈블리들의 세트(도시되지 않음), 및 전극 적층 방향으로의 세트 내의 전극 어셈블리들의 각각의 전극 어셈블리의 팽창을 억제하는 관련 구속부(130)를 포함한다. 구속부(130)는 전극 어셈블리들의 세트의 제1 및 제2 종방향 반부(half)들을, 각각, 봉입(envelope)하는 제1 및 제2 셸(shell)들(130R, 130L)을 포함한다. 다른 실시예들에서와 같이, 요소들(132E 및 132F)을 포함하는 제1 압축 부재(132)는 세트 내의 전극 어셈블리들의 제1 종방향 단부 표면들(도시되지 않음) 위에 놓이고, 제2 압축 부재(도시되지 않음)는 세트 내의 전극 어셈블리들의 제2 종방향 단부 표면들 위에 놓이며, 인장 부재들은 전극 어셈블리들의 측방 표면 위에 놓인다. 다른 실시예들에서와 같이, 이전에 기술된 바와 같이, 압축 부재들 각각은 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 압축력을 가하고, 인장 부재들은 슬롯들(109) 및 연결 영역들(111)을 포함한다.
이제 도 15를 참조하면, 하나의 대안의 실시예에서, 이차 배터리(100)는 배터리 인클로저(102), 배터리 인클로저(102) 내의 전극 어셈블리들(120)의 세트, 및 전극 적층 방향으로의 세트 내의 전극 어셈블리들의 각각의 전극 어셈블리의 팽창을 억제하는 관련 구속부(130)를 포함한다. 구속부(130)는 전극 어셈블리들 각각을 에워싸는(encircle) 일련의 밴드들(151) 및 밴드들(151)과 세트 내의 각각의 전극 어셈블리(120)의 제1 및 제2 종방향 단부 표면들(도시되지 않음) 사이에 개재된 캡(cap)(153)을 포함한다. 이 실시예에서, 종방향 단부 표면들 및 캡들 위에 놓이는 밴드들의 부분은 본 개시내용의 압축 부재를 구성하고, 전극 어셈블리들의 측방 표면 위에 놓이는 밴드들의 부분은 인장 부재들을 구성한다. 다른 실시예들에서와 같이, 압축 부재들 각각은, 이전에 기술된 바와 같이, 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 압축력을 가한다.
추가 실시예들에서, 본 개시내용의 이하의 제1 양태 내지 제122 양태는 하기를 포함한다:
실시예 1. 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 이차 배터리로서, 이차 배터리는 배터리 인클로저, 배터리 인클로저 내의 전극 어셈블리 및 비-수성 액체 전해질(non-aqueous liquid electrolyte), 및 이차 배터리가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지하는 구속부(constraint)를 포함하고, 전극 어셈블리는 전극 구조체들의 집단, 상대 전극 구조체들의 집단 및 전극 집단과 상대 전극 집단의 멤버들 사이의 전기 절연성 미세다공성 분리막 재료(electrically insulating microporous separator material)를 포함하며,
전극 어셈블리는 종축을 따라 분리된 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들, 및 종축을 둘러싸고 제1 및 제2 종방향 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면을 가지며, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 33% 미만이고,
전극 집단의 멤버들과 상대 전극 집단의 멤버들은 전극 어셈블리 내에서 종축과 평행한 적층 방향으로 교대하는 시퀀스로 배열되고,
전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제1 종방향 표면 상으로의 투영은 제1 투영된 구역(projected area)을 한정(circumscribe)하고, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제2 종방향 표면 상으로의 투영은 제2 투영된 구역을 한정하며,
구속부는 제1 및 제2 투영된 구역들 위에, 각각, 놓이는 제1 및 제2 압축 부재들을 포함하고, 압축 부재들은, 전극 어셈블리의 측방 표면 위에 놓이고 압축 부재들을 서로를 향해 당기는 인장 부재들에 의해, 연결되며,
구속부는 상호 수직이고 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 전극 어셈블리에 대해 유지되는 압력을 초과하는 적층 방향에서의 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지한다.
실시예 2. 실시예 1의 이차 배터리로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 0.7 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 3. 실시예 1의 이차 배터리로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 1.75 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 4. 실시예 1의 이차 배터리로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 2.8 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 5. 실시예 1의 이차 배터리로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 3.5 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 6. 실시예 1의 이차 배터리로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 5.25 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 7. 실시예 1의 이차 배터리로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 7 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 8. 실시예 1의 이차 배터리로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 8.75 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 9. 실시예 1의 이차 배터리로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 10 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 10. 실시예 1 내지 실시예 9 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 25% 미만이다.
실시예 11. 실시예 1 내지 실시예 10 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 20% 미만이다.
실시예 12. 실시예 1 내지 실시예 11 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 15% 미만이다.
실시예 13. 실시예 1 내지 실시예 12 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 10% 미만이다.
실시예 14. 실시예 1 내지 실시예 13 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부 및 인클로저는 배터리 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 60% 미만인 조합 체적(combined volume)을 갖는다.
실시예 15. 실시예 1 내지 실시예 14 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부 및 인클로저는 배터리 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 45% 미만인 조합 체적을 갖는다.
실시예 16. 실시예 1 내지 실시예 15 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부 및 인클로저는 배터리 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 30% 미만인 조합 체적을 갖는다.
실시예 17. 실시예 1 내지 실시예 16 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부 및 인클로저는 배터리 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 20% 미만인 조합 체적을 갖는다.
실시예 18. 실시예 1 내지 실시예 17 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 집단의 각각의 멤버는 하부, 상부, 길이 LE, 폭 WE, 높이 HE, 및 각각의 이러한 멤버의 하부로부터 상부로 그리고 적층 방향에 대해 일반적으로 횡방향인 방향으로 연장되는 중심 종축 AE를 포함하며, 전극 집단의 각각의 멤버의 길이 LE는 그의 중심 종축 AE의 방향에서 측정되고, 전극 집단의 각각의 멤버의 폭 WE는 적층 방향에서 측정되며, 전극 집단의 각각의 멤버의 높이 HE는 각각의 이러한 멤버의 중심 종축 AE에 그리고 적층 방향에 수직인 방향에서 측정되고, 전극 집단의 각각의 멤버에 대한 LE 대 WE 및 HE 각각의 비는, 각각, 5:1 이상이며, 전극 집단의 각각의 멤버에 대한 HE 대 WE의 비는, 각각, 0.4:1 내지 1000:1이다.
실시예 19. 실시예 1 내지 실시예 18 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 미세다공성 분리막 재료는 미립자 재료 및 바인더(binder)를 포함하고, 20 체적% 이상의 보이드 분율(void fraction)을 가지며, 비-수성 액체 전해질이 침투되어 있다.
실시예 20. 실시예 1 내지 실시예 19 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 이차 배터리가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 전극 어셈블리의 좌굴(buckling)을 억제하기 위해 인장 부재들이 측방 표면에 충분히 근접해 있다.
실시예 21. 실시예 1 내지 실시예 20 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경(smallest Feret diameter)의 50% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다.
실시예 22. 실시예 1 내지 실시예 21 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 40% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다.
실시예 23. 실시예 1 내지 실시예 22 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 30% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다.
실시예 24. 실시예 1 내지 실시예 23 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 20% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다.
실시예 25. 실시예 1 내지 실시예 24 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 10% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다.
실시예 26. 실시예 1 내지 실시예 25 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 5% 미만이고, 페렛 직경은 인장 부재들과 전극 어셈블리의 측방 표면 사이의 거리와 동일한 방향에서 측정된다.
실시예 27. 실시예 1 내지 실시예 26 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 100 psi 이상의 압축 하중(compressive load) 하에 있다.
실시예 28. 실시예 1 내지 실시예 27 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 200 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 29. 실시예 1 내지 실시예 28 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 300 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 30. 실시예 1 내지 실시예 29 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 400 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 31. 실시예 1 내지 실시예 30 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 500 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 32. 실시예 1 내지 실시예 31 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 600 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 33. 실시예 1 내지 실시예 32 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 700 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 34. 실시예 1 내지 실시예 33 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 800 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 35. 실시예 1 내지 실시예 34 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 900 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 36. 실시예 1 내지 실시예 35 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 1000 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 37. 실시예 1 내지 실시예 36 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 이차 배터리는 정격 용량을 가지며, 이차 배터리가 그의 정격 용량의 80% 이상으로 충전될 때 제1 및 제2 종방향 단부 표면들은 이러한 압축 하중 하에 있다.
실시예 38. 실시예 1 내지 실시예 37 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 구조체들은 애노드 활성 전기활성 재료(anodically active electroactive material)를 포함하고, 상대 전극 구조체들은 캐소드 활성 전기활성 재료(cathodically active electroactive material)를 포함한다.
실시예 39. 실시예 1 내지 실시예 38 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 구조체들은 규소를 포함하는 애노드 활성 전기활성 재료를 포함하고, 상대 전극 구조체들은 캐소드 활성 전기활성 재료를 포함한다.
실시예 40. 실시예 1 내지 실시예 39 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 이차 배터리는 전극 어셈블리들의 세트를 포함하고, 이 세트는 적어도 2개의 전극 어셈블리들을 포함한다.
실시예 41. 실시예 1 내지 실시예 39 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 이차 배터리는 적어도 2개의 전극 어셈블리들의 세트를 포함하고, 이차 배터리가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 구속부는 이 세트 내의 전극 어셈블리들에 대한 압력을 유지한다.
실시예 42. 실시예 1 내지 실시예 39 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 이차 배터리는 적어도 2개의 전극 어셈블리들의 세트를 포함하고, 이차 배터리는 대응하는 수의 구속부들을 포함하며, 이차 배터리가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 구속부들 각각은 이 세트 내의 전극 어셈블리들 중 하나의 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지한다.
실시예 43. 실시예 1 내지 실시예 42 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리는 적어도 5개의 전극 구조체 및 적어도 5개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 44. 실시예 1 내지 실시예 43 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리는 적어도 10개의 전극 구조체 및 적어도 10개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 45. 실시예 1 내지 실시예 44 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리는 적어도 50개의 전극 구조체 및 적어도 50개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 46. 실시예 1 내지 실시예 45 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리는 적어도 100개의 전극 구조체 및 적어도 100개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 47. 실시예 1 내지 실시예 46 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 전극 어셈블리는 적어도 500개의 전극 구조체 및 적어도 500개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 48. 실시예 1 내지 실시예 47 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부는 10,000 psi 이상(70 MPa 초과)의 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)를 갖는 재료를 포함한다.
실시예 49. 실시예 1 내지 실시예 48 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부는 배터리 전해질과 상용성이 있는(compatible) 재료를 포함한다.
실시예 50. 실시예 1 내지 실시예 49 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부는 배터리에 대한 부유 또는 애노드 전위에서 그다지 부식되지 않는 재료를 포함한다.
실시예 51. 실시예 1 내지 실시예 50 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부는 45 ℃에서 그다지 반응하지 않거나 기계적 강도를 상실하지 않는 재료를 포함한다.
실시예 52. 실시예 1 내지 실시예 51 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부는 금속, 금속 합금, 세라믹, 유리, 플라스틱, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예 53. 실시예 1 내지 실시예 52 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부는 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 재료 시트(sheet of material)를 포함한다.
실시예 54. 실시예 1 내지 실시예 53 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부는 약 30 내지 약 75 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 재료 시트를 포함한다.
실시예 55. 실시예 1 내지 실시예 54 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 구속부는 50% 초과의 패킹 밀도(packing density)로 탄소 섬유들을 포함한다.
실시예 56. 실시예 1 내지 실시예 55 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 압축 부재들은 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 57. 실시예 1 내지 실시예 56 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 압축 부재들은 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 58. 실시예 1 내지 실시예 57 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 압축 부재들은 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 59. 실시예 1 내지 실시예 58 중 어느 한 실시예의 이차 배터리로서, 압축 부재들은 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 60. 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 에너지 저장 디바이스로서, 에너지 저장 디바이스는 인클로저, 인클로저 내의 전극 어셈블리 및 비-수성 액체 전해질, 및 에너지 저장 디바이스가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지하는 구속부를 포함하고, 전극 어셈블리는 전극 구조체들의 집단, 상대 전극 구조체들의 집단 및 전극 집단과 상대 전극 집단의 멤버들 사이의 전기 절연성 미세다공성 분리막 재료를 포함하며,
전극 어셈블리는 종축을 따라 분리된 대향하는 제1 및 제2 종방향 단부 표면들, 및 종축을 둘러싸고 제1 및 제2 종방향 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면을 가지며, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적(combined surface area)은 측방 표면과 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적의 33% 미만이고,
전극 집단의 멤버들과 상대 전극 집단의 멤버들은 전극 어셈블리 내에서 종축과 평행한 적층 방향으로 교대하는 시퀀스로 배열되고,
구속부는 적어도 하나의 인장 부재에 의해 연결된 제1 및 제2 압축 부재들 - 인장 부재는 압축 부재들을 서로를 향해 당김 - 을 포함하며,
구속부는 상호 수직이고 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 전극 어셈블리에 대해 유지되는 압력을 초과하는 적층 방향에서의 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지한다.
실시예 61. 실시예 60의 에너지 저장 디바이스로서, 에너지 저장 디바이스는 이차 배터리이다.
실시예 62. 실시예 60의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는 전극 어셈블리의 종방향 단부 표면들 위에 놓이는 제1 및 제2 압축 부재들을 포함한다.
실시예 63. 실시예 60 내지 실시예 62 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는 종방향 단부 표면들 내부에 있는 적어도 하나의 압축 부재를 포함한다.
실시예 64. 실시예 60 내지 실시예 63 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제1 종방향 표면 상으로의 투영은 제1 투영된 구역을 한정하고, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제2 종방향 표면 상으로의 투영은 제2 투영된 구역을 한정하며, 제1 및 제2 투영된 구역들 각각은, 각각, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 표면적의 50% 이상을 포함한다.
실시예 65. 실시예 60 내지 실시예 64 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제1 종방향 표면 상으로의 투영은 제1 투영된 구역을 한정하고, 전극 집단 및 상대 전극 집단의 멤버들의 제2 종방향 표면 상으로의 투영은 제2 투영된 구역을 한정하며, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 0.7 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 66. 실시예 60 내지 실시예 65 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 1.75 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 67. 실시예 60 내지 실시예 66 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 2.8 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 68. 실시예 60 내지 실시예 67 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 3.5 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 69. 실시예 60 내지 실시예 68 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 5.25 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 70. 실시예 60 내지 실시예 69 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 7 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 71. 실시예 60 내지 실시예 70 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 8.75 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 72. 실시예 60 내지 실시예 71 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는, 제1 및 제2 투영된 구역들의 표면적에 걸쳐, 각각, 평균된, 10 kPa 이상의 평균 압축력을 제1 및 제2 투영된 구역들 각각에 가한다.
실시예 73. 실시예 60 내지 실시예 72 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 25% 미만이다.
실시예 74. 실시예 60 내지 실시예 73 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 20% 미만이다.
실시예 75. 실시예 60 내지 실시예 74 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 15% 미만이다.
실시예 76. 실시예 60 내지 실시예 75 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적은 전극 어셈블리의 표면적의 10% 미만이다.
실시예 77. 실시예 60 내지 실시예 76 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부 및 인클로저는 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 60% 미만인 조합 체적을 갖는다.
실시예 78. 실시예 60 내지 실시예 77 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부 및 인클로저는 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 45% 미만인 조합 체적을 갖는다.
실시예 79. 실시예 60 내지 실시예 78 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부 및 인클로저는 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 30% 미만인 조합 체적을 갖는다.
실시예 80. 실시예 60 내지 실시예 79 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부 및 인클로저는 인클로저에 의해 인클로징된 체적의 20% 미만인 조합 체적을 갖는다.
실시예 81. 실시예 60 내지 실시예 80 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 전극 집단의 각각의 멤버는 하부, 상부, 길이 LE, 폭 WE, 높이 HE, 및 각각의 이러한 멤버의 하부로부터 상부로 그리고 적층 방향에 대해 일반적으로 횡방향인 방향으로 연장되는 중심 종축 AE를 포함하며, 전극 집단의 각각의 멤버의 길이 LE는 그의 중심 종축 AE의 방향에서 측정되고, 전극 집단의 각각의 멤버의 폭 WE는 적층 방향에서 측정되며, 전극 집단의 각각의 멤버의 높이 HE는 각각의 이러한 멤버의 중심 종축 AE에 그리고 적층 방향에 수직인 방향에서 측정되고, 전극 집단의 각각의 멤버에 대한 LE 대 WE 및 HE 각각의 비는, 각각, 5:1 이상이며, 전극 집단의 각각의 멤버에 대한 HE 대 WE의 비는, 각각, 0.4:1 내지 1000:1이다.
실시예 82. 실시예 60 내지 실시예 81 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 미세다공성 분리막 재료는 미립자 재료 및 바인더를 포함하고, 20 체적% 이상의 보이드 분율을 가지며, 비-수성 액체 전해질이 침투되어 있다.
실시예 83. 실시예 60 내지 실시예 82 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 에너지 저장 디바이스가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 전극 어셈블리의 좌굴을 억제하기 위해 인장 부재들이 측방 표면에 충분히 근접해 있다.
실시예 84. 실시예 60 내지 실시예 83 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 50% 미만이다.
실시예 85. 실시예 60 내지 실시예 84 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 40% 미만이다.
실시예 86. 실시예 60 내지 실시예 85 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 30% 미만이다.
실시예 87. 실시예 60 내지 실시예 86 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 20% 미만이다.
실시예 88. 실시예 60 내지 실시예 87 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 10% 미만이다.
실시예 89. 실시예 60 내지 실시예 88 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 인장 부재들과 측방 표면 사이의 거리는 전극 어셈블리의 최소 페렛 직경의 5% 미만이다.
실시예 90. 실시예 60 내지 실시예 89 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 100 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 91. 실시예 60 내지 실시예 90 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 200 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 92. 실시예 60 내지 실시예 91 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 300 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 93. 실시예 60 내지 실시예 92 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 400 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 94. 실시예 60 내지 실시예 93 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 500 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 95. 실시예 60 내지 실시예 94 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 600 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 96. 실시예 60 내지 실시예 95 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 700 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 97. 실시예 60 내지 실시예 96 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 800 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 98. 실시예 60 내지 실시예 97 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 900 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 99. 실시예 60 내지 실시예 98 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 1000 psi 이상의 압축 하중 하에 있다.
실시예 100. 실시예 60 내지 실시예 99 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 에너지 저장 디바이스는 정격 용량을 가지며, 에너지 저장 디바이스가 그의 정격 용량의 80% 이상으로 충전될 때 제1 및 제2 종방향 단부 표면들은 이러한 압축 하중 하에 있다.
실시예 101. 실시예 60 내지 실시예 100 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 전극 구조체들은 애노드 활성 전기활성 재료를 포함하고, 상대 전극 구조체들은 캐소드 활성 전기활성 재료를 포함한다.
실시예 102. 실시예 60 내지 실시예 101 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 전극 구조체들은 규소를 포함하는 애노드 활성 전기활성 재료를 포함하고, 상대 전극 구조체들은 캐소드 활성 전기활성 재료를 포함한다.
실시예 103. 실시예 60 내지 실시예 102 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 에너지 저장 디바이스는 전극 어셈블리들의 세트를 포함하고, 이 세트는 적어도 2개의 전극 어셈블리들을 포함한다.
실시예 104. 실시예 60 내지 실시예 103 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 에너지 저장 디바이스는 적어도 2개의 전극 어셈블리들의 세트를 포함하고, 에너지 저장 디바이스가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 구속부는 이 세트 내의 전극 어셈블리들에 대한 압력을 유지한다.
실시예 105. 실시예 60 내지 실시예 103 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 에너지 저장 디바이스는 적어도 2개의 전극 어셈블리들의 세트를 포함하고, 에너지 저장 디바이스는 대응하는 수의 구속부들을 포함하며, 에너지 저장 디바이스가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 구속부들 각각은 이 세트 내의 전극 어셈블리들 중 하나의 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지한다.
실시예 106. 실시예 60 내지 실시예 105 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 전극 어셈블리는 적어도 5개의 전극 구조체 및 적어도 5개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 107. 실시예 60 내지 실시예 106 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 전극 어셈블리는 적어도 10개의 전극 구조체 및 적어도 10개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 108. 실시예 60 내지 실시예 107 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 전극 어셈블리는 적어도 50개의 전극 구조체 및 적어도 50개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 109. 실시예 60 내지 실시예 108 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 전극 어셈블리는 적어도 100개의 전극 구조체 및 적어도 100개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 110. 실시예 60 내지 실시예 109 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 전극 어셈블리는 적어도 500개의 전극 구조체 및 적어도 500개의 상대 전극 구조체를 포함한다.
실시예 111. 실시예 60 내지 실시예 110 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는 10,000 psi 이상(70 MPa 초과)의 최대 인장 강도를 갖는 재료를 포함한다.
실시예 112. 실시예 60 내지 실시예 111 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는 전해질과 상용성이 있는 재료를 포함한다.
실시예 113. 실시예 60 내지 실시예 112 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는 에너지 저장 디바이스에 대한 부유 또는 애노드 전위에서 그다지 부식되지 않는 재료를 포함한다.
실시예 114. 실시예 60 내지 실시예 113 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는 45 ℃에서 그다지 반응하지 않거나 기계적 강도를 상실하지 않는 재료를 포함한다.
실시예 115. 실시예 60 내지 실시예 114 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는 금속, 금속 합금, 세라믹, 유리, 플라스틱, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예 116. 실시예 60 내지 실시예 115 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 재료 시트를 포함한다.
실시예 117. 실시예 60 내지 실시예 116 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는 약 30 내지 약 75 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 재료 시트를 포함한다.
실시예 118. 실시예 60 내지 실시예 117 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 구속부는 50% 초과의 패킹 밀도로 탄소 섬유들을 포함한다.
실시예 119. 실시예 60 내지 실시예 118 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 압축 부재들은 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 120. 실시예 60 내지 실시예 119 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 압축 부재들은 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 121. 실시예 60 내지 실시예 120 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 압축 부재들은 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 122. 실시예 60 내지 실시예 121 중 어느 한 실시예의 에너지 저장 디바이스로서, 압축 부재들은 상호 수직이고 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 전극 어셈블리에 대해 유지된 압력을 5배 이상 초과하는 압력을 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 가한다.
본 개시내용의 범주를 벗어나지 않으면서 이상의 물품들, 조성들 및 방법들에 다양한 변경들이 이루어질 수 있기 때문에, 이상의 설명에 포함되고 첨부 도면들에 도시된 모든 내용이 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 해석되어야 하는 것으로 의도되어 있다.
상부, 하부, 좌측, 우측 등과 같은, 모든 방향 기술자(directional descriptor)들은 도면들과 관련하여 참조의 편의를 위해서만 사용되며 제한으로서 의도되어 있지 않다.

Claims (14)

  1. 에너지 저장 디바이스에서 사용하기 위한 구조체로서,
    상기 구조체는 전극 어셈블리(120) 및 상기 에너지 저장 디바이스가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 상기 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지하는 구속부(130)를 포함하고,
    상기 전극 어셈블리는 전극 구조체들의 집단(151), 상대 전극 구조체들의 집단(152) 및 상기 전극 구조체들의 집단의 멤버 및 상기 상대 전극 구조체들의 집단의 멤버 사이의 전기 절연성 분리막 재료를 포함하고,
    상기 전극 어셈블리는 종축을 따라 분리된 대향하는 제1(122) 및 제2(124) 종방향 단부 표면들, 및 상기 종축을 둘러싸고 상기 제1 및 제2 종방향 단부 표면들을 연결시키는 측방 표면(123, 125, 126, 127)을 가지며, 상기 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적(combined surface area)은 상기 측방 표면과 상기 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적의 33% 미만이고,
    상기 전극 구조체들의 집단의 멤버들과 상기 상대 전극 구조체들의 집단의 멤버들은 상기 전극 어셈블리 내에서 상기 종축과 평행한 적층 방향으로 교대하는 시퀀스로 배열되고,
    상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 하부, 상부, 길이 LE, 폭 WE, 높이 HE, 및 각각의 이러한 멤버의 상기 하부로부터 상기 상부로 그리고 상기 적층 방향에 대해 횡방향인 방향으로 연장되는 중심 종축 AE를 갖고, 상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버의 상기 길이 LE는 그의 중심 종축 AE의 방향에서 측정되고, 상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버의 상기 폭 WE는 상기 적층 방향에서 측정되며, 상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버의 상기 높이 HE는 각각의 이러한 멤버의 상기 중심 종축 AE에 그리고 상기 적층 방향에 수직인 방향으로 측정되고, 상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버에 대한 LE 대 WE 및 HE 각각의 비(ratio of LE to each of WE and HE)는, 각각, 5:1 이상이며, 상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버에 대한 HE 대 WE의 비는, 각각, 0.4:1 내지 1000:1이고,
    상기 구속부는 상기 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 위에 놓이는 제1(132) 및 제2(134) 압축 부재들 및 상기 종방향 단부 표면들 내부에 있는 적어도 하나의 압축 부재(132a)를 포함하고, 상기 압축 부재들은 상기 제1 및 제2 압축 부재들을 서로를 향해 당기는 적어도 하나의 인장 부재(133, 135)에 의해 연결되며,
    상기 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 전극 전류 컬렉터(163)를 포함하고, 상기 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 상대 전극 전류 컬렉터(152)를 포함하며, 상기 적어도 하나의 내부 압축 부재(132a)는 상기 전극 전류 컬렉터(163) 및 상기 상대 전극 전류 컬렉터(152) 중 적어도 하나의 일부분을 포함하고,
    상기 구속부는 상기 적층 방향에서 상기 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지하는, 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 종방향 단부 표면들의 조합 표면적은 상기 전극 어셈블리의 표면적의 25% 미만, 20% 미만, 15% 미만, 또는 10% 미만인, 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 종방향 단부 표면들 각각은 689 kPa 이상, 1379 kPa 이상, 2068 kPa 이상, 2758 kPa 이상, 3447 kPa 이상, 4137 kPa 이상, 4826 kPa 이상, 5516 kPa 이상, 6205 kPa 이상, 또는 6895 kPa 이상의 압축 하중(compressive load) 하에 있는, 구조체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, (i) 상기 전극 어셈블리는 적어도 5개의 전극 구조체 및 적어도 5개의 상대 전극 구조체를 포함하거나, (ii) 상기 전극 어셈블리는 적어도 10개의 전극 구조체 및 적어도 10개의 상대 전극 구조체를 포함하거나, (iii) 상기 전극 어셈블리는 적어도 50개의 전극 구조체 및 적어도 50개의 상대 전극 구조체를 포함하거나, (iv) 상기 전극 어셈블리는 적어도 100개의 전극 구조체 및 적어도 100개의 상대 전극 구조체를 포함하거나, 또는 (v) 상기 전극 어셈블리는 적어도 500개의 전극 구조체 및 적어도 500개의 상대 전극 구조체를 포함하는, 구조체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구속부는 68.94 MPa 초과의 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)를 갖는 재료를 포함하는, 구조체.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구속부는 금속, 금속 합금, 세라믹, 유리, 플라스틱, 또는 이들의 조합을 포함하는, 구조체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구속부는 10 내지 100 마이크로미터 또는 30 내지 75 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 재료 시트(sheet of material)를 포함하는, 구조체.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상호 수직이고 상기 적층 방향에 수직인 2개의 방향 각각에서 상기 전극 어셈블리에 대해 유지된 상기 압력을 3배 이상, 4배 이상, 또는 5배 이상 초과하는 압력을 상기 제1 및 제2 압축 부재들이 상기 제1 및 제2 종방향 단부 표면들에 가하는, 구조체.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극 구조체들은 실리콘을 포함하는 애노드 활성 전기활성 재료를 포함하고, 상기 상대 전극 구조체들은 캐소드 활성 전기활성 재료를 포함하는, 구조체.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구속부는 45 ℃에서 반응하지 않거나 기계적 강도를 상실하지 않는 재료를 포함하는, 구조체.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기 절연성 분리막 재료는 미세다공성 분리막 재료를 포함하는, 구조체.
  12. 제1항 또는 제2항의 구조체를 포함하는, 이차 배터리.
  13. 제12항에 있어서, 배터리 인클로저(102) 및 상기 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 추가로 포함하고, 상기 구속부(130)는 상기 이차 배터리가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링될 때 상기 전극 어셈블리에 대한 압력을 유지하는, 이차 배터리.
  14. 제13항에 있어서, 상기 구속부 및 상기 배터리 인클로저는 상기 배터리 인클로저에 의해 둘러싸인 체적의 60% 미만, 45% 미만, 30% 미만, 또는 20% 미만인 조합 체적(combined volume)을 갖는, 이차 배터리.
KR1020237002823A 2015-05-14 2016-05-13 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들 KR102658953B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020247012318A KR20240054401A (ko) 2015-05-14 2016-05-13 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562161621P 2015-05-14 2015-05-14
US62/161,621 2015-05-14
KR1020177036166A KR102493260B1 (ko) 2015-05-14 2016-05-13 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들
PCT/US2016/032284 WO2016183410A1 (en) 2015-05-14 2016-05-13 Longitudinal constraints for energy storage devices

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177036166A Division KR102493260B1 (ko) 2015-05-14 2016-05-13 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247012318A Division KR20240054401A (ko) 2015-05-14 2016-05-13 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230020563A KR20230020563A (ko) 2023-02-10
KR102658953B1 true KR102658953B1 (ko) 2024-04-18

Family

ID=57248580

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177036166A KR102493260B1 (ko) 2015-05-14 2016-05-13 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들
KR1020237002823A KR102658953B1 (ko) 2015-05-14 2016-05-13 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들
KR1020247012318A KR20240054401A (ko) 2015-05-14 2016-05-13 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177036166A KR102493260B1 (ko) 2015-05-14 2016-05-13 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247012318A KR20240054401A (ko) 2015-05-14 2016-05-13 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들

Country Status (9)

Country Link
US (3) US10283807B2 (ko)
EP (5) EP4113683A1 (ko)
JP (3) JP6877041B2 (ko)
KR (3) KR102493260B1 (ko)
CN (3) CN108028419B (ko)
ES (1) ES2956858T3 (ko)
HK (1) HK1255235A1 (ko)
TW (3) TWI715576B (ko)
WO (1) WO2016183410A1 (ko)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102480368B1 (ko) 2012-08-16 2022-12-23 에노빅스 코오퍼레이션 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
KR102659783B1 (ko) 2013-03-15 2024-04-22 에노빅스 코오퍼레이션 3차원 배터리들을 위한 분리기들
TWI715576B (zh) 2015-05-14 2021-01-11 美商易諾維公司 用於能量儲存裝置之縱向約束
TWI739830B (zh) 2016-05-13 2021-09-21 美商易諾維公司 用於三維電池之尺寸拘束件
US11063299B2 (en) 2016-11-16 2021-07-13 Enovix Corporation Three-dimensional batteries with compressible cathodes
US10720611B2 (en) * 2017-08-01 2020-07-21 Physical Optics Corporation Non-electrical battery based on plastic strings and membranes
WO2019099642A2 (en) 2017-11-15 2019-05-23 Enovix Corporation Electrode assembly, secondary battery, and method of manufacture
US10256507B1 (en) 2017-11-15 2019-04-09 Enovix Corporation Constrained electrode assembly
US11211639B2 (en) 2018-08-06 2021-12-28 Enovix Corporation Electrode assembly manufacture and device
KR20200058136A (ko) 2018-11-19 2020-05-27 주식회사 엘지화학 배터리 모듈
CN110299574B (zh) * 2019-05-21 2021-11-12 重庆交通大学 电池过充保护装置
US11658300B2 (en) 2019-08-13 2023-05-23 Graphenix Development, Inc. Anodes for lithium-based energy storage devices, and methods for making same
US11489154B2 (en) 2019-08-20 2022-11-01 Graphenix Development, Inc. Multilayer anodes for lithium-based energy storage devices
CA3148530A1 (en) 2019-08-20 2021-02-25 Graphenix Development, Inc. Structured anodes for lithium-based energy storage devices
US11495782B2 (en) 2019-08-26 2022-11-08 Graphenix Development, Inc. Asymmetric anodes for lithium-based energy storage devices
JP2023547993A (ja) 2020-09-18 2023-11-15 エノビクス・コーポレイション 電池に使用する電極の製造のための装置、システム、及び方法
US20220115693A1 (en) * 2020-10-08 2022-04-14 Ut-Battelle, Llc Method of manufacturing a thin film composite solid electrolyte
TW202240960A (zh) 2020-11-18 2022-10-16 美商易諾維營運公司 用於電極之間隔物、電極堆疊及電池與其系統及方法
KR20230122050A (ko) 2020-12-09 2023-08-22 에노빅스 코오퍼레이션 2차 배터리용 전극 조립체의 제조를 위한 방법 및 장치
CN116470193A (zh) * 2022-01-11 2023-07-21 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池单体及其制造方法和制造系统、电池以及用电装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005285378A (ja) * 2004-03-26 2005-10-13 Sanyo Electric Co Ltd アルカリ二次電池およびその製造方法

Family Cites Families (172)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3563805A (en) 1969-02-20 1971-02-16 Union Carbide Corp Thin,flat primary cells and batteries
FI64482C (fi) * 1974-09-27 1983-11-10 Raychem Corp Vaermeaoterhaemtbar anordning och anordning av densamma foer en kabelskarv
US4260455A (en) * 1978-03-14 1981-04-07 The United States Of America As Represented By The Unites States Department Of Energy Mirror plasma apparatus
US4587182A (en) 1984-12-11 1986-05-06 Moli Energy Limited Constant volume lithium battery cell and process
JPH0690934B2 (ja) 1987-08-07 1994-11-14 日本電信電話株式会社 二次電池およびその製造方法
US5294504A (en) 1988-08-30 1994-03-15 Osaka Gas Company, Ltd. Three-dimensional microstructure as a substrate for a battery electrode
US5709962A (en) 1991-01-31 1998-01-20 Eveready Battery Company, Inc. Cell tester device employing spaced apart electrochromic electrodes
US5238759A (en) 1992-04-01 1993-08-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Flexible solid electrolyte for use in solid state cells and solid state cell including said flexible solid electrolyte
JP3364264B2 (ja) 1993-02-09 2003-01-08 ティーディーケイ株式会社 積層型電池とその製造方法
US5350645A (en) 1993-06-21 1994-09-27 Micron Semiconductor, Inc. Polymer-lithium batteries and improved methods for manufacturing batteries
FR2746934B1 (fr) 1996-03-27 1998-05-07 Saint Gobain Vitrage Dispositif electrochimique
CN1145231C (zh) 1997-01-28 2004-04-07 佳能株式会社 电极结构体、可充电电池及其制造方法
DE69814232T2 (de) 1997-06-03 2004-04-08 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma Negative Elektrodenaktivmaterialen für nicht-wässerige Elektrolyt Sekundärbatterien und entsprechenden Batterien
AU8168198A (en) 1997-06-27 1999-01-19 Lynntech, Inc. Method and apparatus for injecting hydrogen into a catalytic converter
US6235427B1 (en) 1998-05-13 2001-05-22 Fuji Photo Film Co., Ltd. Nonaqueous secondary battery containing silicic material
JP2948205B1 (ja) 1998-05-25 1999-09-13 花王株式会社 二次電池用負極の製造方法
US6855378B1 (en) 1998-08-21 2005-02-15 Sri International Printing of electronic circuits and components
EP1028476A4 (en) 1998-09-08 2007-11-28 Sumitomo Metal Ind NEGATIVE ELECTRODE MATERIAL FOR NONAQUEOUS ELECTRODE SECONDARY ACCUMULATOR AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF
US6083640A (en) 1998-09-22 2000-07-04 Samsung Display Device Co., Ltd. Secondary battery with electrode assembly fixing device
JP4116718B2 (ja) 1998-11-05 2008-07-09 日本リーロナール有限会社 無電解金めっき方法及びそれに使用する無電解金めっき液
JP4457429B2 (ja) 1999-03-31 2010-04-28 パナソニック株式会社 非水電解質二次電池とその負極
KR100289542B1 (ko) * 1999-04-09 2001-05-02 김순택 각형 리튬 2차 전지의 제조 방법
KR100500344B1 (ko) 1999-10-22 2005-07-12 산요덴키가부시키가이샤 리튬 전지용 전극 및 리튬 2차전지
US7464053B1 (en) 1999-10-26 2008-12-09 Pylant Jeffrey D Buyer-driven purchasing loyalty system and method using an electronic network
US6372371B1 (en) 1999-10-29 2002-04-16 Eontech Group, Inc Ecologically clean mechanically rechargeable air-metal current source
JP4126715B2 (ja) 1999-11-22 2008-07-30 ソニー株式会社 負極材料の製造方法および二次電池の製造方法
US7066971B1 (en) 1999-11-23 2006-06-27 Sion Power Corporation Methods of preparing electrochemical cells
JP4461541B2 (ja) 1999-12-28 2010-05-12 株式会社ジーエス・ユアサコーポレーション 非水電解質二次電池
KR100497147B1 (ko) 2000-02-08 2005-06-29 주식회사 엘지화학 다중 중첩 전기화학 셀 및 그의 제조방법
US20020013986A1 (en) 2000-04-17 2002-02-07 Ahn Tae-Yong Apparatus and method of manufacturing current collector for secondary battery
NL1015956C2 (nl) 2000-08-18 2002-02-19 Univ Delft Tech Batterij en werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke batterij.
EP1339115B1 (en) * 2000-10-05 2010-12-15 Panasonic Corporation Flat battery and production method therefor
AU2002241629A1 (en) 2000-10-20 2002-06-03 Massachusetts Institute Of Technology Reticulated and controlled porosity battery structures
US6525391B1 (en) 2001-02-06 2003-02-25 Advanced Micro Devices, Inc. Nickel silicide process using starved silicon diffusion barrier
JP4236390B2 (ja) 2001-04-19 2009-03-11 三洋電機株式会社 リチウム二次電池
JPWO2003028142A1 (ja) 2001-09-19 2005-01-13 川崎重工業株式会社 三次元電池及びその電極構造並びに三次元電池の電極材の製造方法
KR100403675B1 (ko) 2001-11-30 2003-10-30 학교법인 포항공과대학교 초소형 전지-축전기 하이브리드 소자 및 그 제조방법
JP4377565B2 (ja) 2002-05-07 2009-12-02 富士重工業株式会社 板状電池の接続構造
WO2003105258A1 (en) 2002-06-08 2003-12-18 Kejha Joseph B Lithium based electrochemical devices having a ceramic separator glued therein by an ion conductive adhesive
KR100472504B1 (ko) 2002-06-17 2005-03-10 삼성에스디아이 주식회사 보강구조가 개선된 파우치형 이차전지
GB2395059B (en) 2002-11-05 2005-03-16 Imp College Innovations Ltd Structured silicon anode
AU2003302519A1 (en) 2002-11-29 2004-06-23 Mitsui Mining And Smelting Co., Ltd. Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary cell and method for manufacture thereof, and non-aqueous electrolyte secondary cell
US20040214085A1 (en) 2003-01-06 2004-10-28 Kyou-Yoon Sheem Negative active material for rechargeable lithium battery, method of preparing same, and rechargeable lithium battery
US20040185336A1 (en) 2003-02-18 2004-09-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. All solid-state thin-film cell and application thereof
WO2004097867A2 (ja) 2003-03-31 2004-11-11 Kanebo Ltd 有機電解質キャパシタ
JP2004311141A (ja) 2003-04-04 2004-11-04 Sony Corp 電極およびそれを用いた電池
JP2004351500A (ja) 2003-05-30 2004-12-16 Toppan Forms Co Ltd 巻取りシートの横ミシン目形成方法
JP4186115B2 (ja) 2003-06-11 2008-11-26 ソニー株式会社 リチウムイオン二次電池
JP4238645B2 (ja) 2003-06-12 2009-03-18 日産自動車株式会社 バイポーラ電池
JP2005149891A (ja) 2003-11-14 2005-06-09 Nissan Motor Co Ltd バイポーラ電池、及びそれを用いた組電池
US20050130383A1 (en) 2003-12-10 2005-06-16 International Business Machines Corporation Silicide resistor in beol layer of semiconductor device and method
US7282295B2 (en) 2004-02-06 2007-10-16 Polyplus Battery Company Protected active metal electrode and battery cell structures with non-aqueous interlayer architecture
KR20070021192A (ko) 2004-04-27 2007-02-22 텔 아비브 유니버시티 퓨쳐 테크놀로지 디벨롭먼트 엘.피. 인터레이스식 마이크로컨테이너 구조 기반의 3차원마이크로배터리
US8187740B2 (en) 2004-04-27 2012-05-29 Tel Aviv University Future Technology Development L.P. 3-D microbatteries based on interlaced micro-container structures
US7638230B2 (en) 2004-09-03 2009-12-29 Panasonic Corporation Lithium ion secondary battery
US7662509B2 (en) 2004-10-29 2010-02-16 Medtronic, Inc. Lithium-ion battery
JP4734912B2 (ja) 2004-12-17 2011-07-27 日産自動車株式会社 リチウムイオン電池およびその製造方法
JP2006236768A (ja) 2005-02-24 2006-09-07 Seiko Epson Corp スリット形成方法、電子放出素子の製造方法、及び電子デバイス
JP5070680B2 (ja) 2005-03-31 2012-11-14 大日本印刷株式会社 非水電解液二次電池用電極板、その製造方法、および非水電解液二次電池
WO2008030215A2 (en) 2005-07-12 2008-03-13 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for high surface area carbon structures with minimized resistance
US8080334B2 (en) 2005-08-02 2011-12-20 Panasonic Corporation Lithium secondary battery
EP1917689B1 (en) 2005-08-09 2017-11-08 Polyplus Battery Company Compliant seal structures for protected active metal anodes
US20110171518A1 (en) 2005-08-12 2011-07-14 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Three dimensional Battery Architectures and Methods of Making Same
US7593154B2 (en) 2005-10-11 2009-09-22 Sage Electrochromics, Inc. Electrochromic devices having improved ion conducting layers
JP5135678B2 (ja) 2005-11-24 2013-02-06 日産自動車株式会社 電池構造体、組電池、およびこれらを搭載した車両
KR100763892B1 (ko) 2006-01-20 2007-10-05 삼성에스디아이 주식회사 음극 활물질, 그 제조 방법, 및 이를 채용한 음극과 리튬전지
GB0601319D0 (en) 2006-01-23 2006-03-01 Imp Innovations Ltd A method of fabricating pillars composed of silicon-based material
US8129048B2 (en) 2006-02-21 2012-03-06 Panasonic Corporation Method for producing rectangular flat secondary battery
JP5135822B2 (ja) 2006-02-21 2013-02-06 日産自動車株式会社 リチウムイオン二次電池およびこれを用いた組電池
KR100949331B1 (ko) * 2006-06-09 2010-03-26 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지 모듈
US7726975B2 (en) 2006-06-28 2010-06-01 Robert Bosch Gmbh Lithium reservoir system and method for rechargeable lithium ion batteries
US8062486B2 (en) 2006-07-27 2011-11-22 Jx Nippon Mining & Metals Corporation Lithium-containing transition metal oxide target, process for producing the same and lithium ion thin film secondary battery
WO2008019398A1 (en) 2006-08-10 2008-02-14 The Regents Of The University Of California Electrodeposition of a polymer film as a thin film polymer electrolyte for 3d lithium ion batteries
JP2008078119A (ja) 2006-08-25 2008-04-03 Ngk Insulators Ltd 全固体蓄電素子
JP5456954B2 (ja) 2006-11-30 2014-04-02 日産自動車株式会社 双極型二次電池のモジュール構造
JP2008171732A (ja) 2007-01-12 2008-07-24 Sumitomo Electric Ind Ltd 薄型電池
US8865345B1 (en) 2007-01-12 2014-10-21 Enovix Corporation Electrodes for three-dimensional lithium batteries and methods of manufacturing thereof
US8999558B2 (en) 2007-01-12 2015-04-07 Enovix Corporation Three-dimensional batteries and methods of manufacturing the same
EP2124273A4 (en) 2007-03-13 2013-12-04 Panasonic Corp NEGATIVE ELECTRODE FOR A LITHIUM SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF AND LITHIUM SECONDARY BATTERY WITH A NEGATIVE ELECTRODE FOR A LITHIUM SECONDARY BATTERY
US20080233455A1 (en) 2007-03-21 2008-09-25 Valadoula Deimede Proton conductors based on aromatic polyethers and their use as electolytes in high temperature pem fuel cells
US8119269B2 (en) 2007-05-10 2012-02-21 Enovix Corporation Secondary battery with auxiliary electrode
KR20100017919A (ko) 2007-05-25 2010-02-16 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지 전지 및 그의 사용을 위한 전극
GB0713898D0 (en) 2007-07-17 2007-08-29 Nexeon Ltd A method of fabricating structured particles composed of silcon or a silicon-based material and their use in lithium rechargeable batteries
US8999585B2 (en) 2007-07-18 2015-04-07 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Nonaqueous electrolyte secondary battery
US7816031B2 (en) 2007-08-10 2010-10-19 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Nanowire battery methods and arrangements
EP2201628B1 (en) 2007-08-21 2015-02-18 A123 Systems, Inc. Separator for electrochemical cell and method for its manufacture
US20090068567A1 (en) 2007-09-12 2009-03-12 Sony Corporation Anode for secondary battery, method of manufacturing it, and secondary battery
US20090123847A1 (en) 2007-11-12 2009-05-14 Kyushu University All-solid-state cell
US8193770B2 (en) 2007-12-25 2012-06-05 BYD Co. Ltd Battery system for a vehicle having an over-current/over-temperature protective feature
JP5334420B2 (ja) 2008-01-16 2013-11-06 三洋電機株式会社 バッテリシステム
JP4587055B2 (ja) 2008-03-06 2010-11-24 トヨタ自動車株式会社 組電池
JP4535157B2 (ja) 2008-03-28 2010-09-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US8367244B2 (en) 2008-04-17 2013-02-05 Enovix Corporation Anode material having a uniform metal-semiconductor alloy layer
US8133613B2 (en) 2008-04-17 2012-03-13 Enovix Corporation Nonaqueous electrolyte secondary battery anode material with a uniform metal-semiconductor alloy layer
CN102007625B (zh) 2008-04-17 2014-03-12 易诺维公司 具有均匀的金属-半导体合金层的阳极材料
US8192788B1 (en) 2008-04-17 2012-06-05 Enovix Corporation Single step current collector deposition process for energy storage devices
US8475957B2 (en) 2008-04-17 2013-07-02 Enovix Corporation Negative electrode structure for non-aqueous lithium secondary battery
US8454918B2 (en) 2008-06-10 2013-06-04 Nanotune Technologies Corp. Nanoporous materials and related methods
US8722226B2 (en) 2008-06-12 2014-05-13 24M Technologies, Inc. High energy density redox flow device
KR101558537B1 (ko) 2008-08-26 2015-10-08 삼성전자주식회사 다공성 애노드 활물질, 그 제조방법, 이를 포함한 애노드 및 리튬 전지
US8580439B1 (en) * 2008-09-22 2013-11-12 Greatbatch Ltd. Insulator component design for maintaining electrode assembly compression in prismatic medical cells
US20100266907A1 (en) 2008-11-04 2010-10-21 Rachid Yazami Metal air battery system
JP5400370B2 (ja) 2008-12-16 2014-01-29 公立大学法人首都大学東京 非水電解液系二次電池用負極およびそれを用いたリチウムイオン二次電池
CN102379050B (zh) 2009-02-04 2014-06-11 应用材料公司 用于电池和超电容器的多孔三维铜、锡、铜锡、铜锡钴、及铜锡钴钛电极
KR20110128855A (ko) 2009-02-10 2011-11-30 프라운호퍼-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 안게반텐 포르슝에.파우. 전기화학 에너지 저장기를 위한 출력 최적화 및 에너지 밀도 최적화 평면 전극
US8940438B2 (en) 2009-02-16 2015-01-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Negative electrode including group 14 metal/metalloid nanotubes, lithium battery including the negative electrode, and method of manufacturing the negative electrode
JP5449814B2 (ja) * 2009-03-25 2014-03-19 三洋電機株式会社 組電池
JP2010262752A (ja) 2009-04-30 2010-11-18 Furukawa Electric Co Ltd:The リチウムイオン二次電池用の負極、それを用いたリチウムイオン二次電池、リチウムイオン二次電池用の負極の製造方法
JP5313761B2 (ja) 2009-05-08 2013-10-09 パナソニック株式会社 リチウムイオン電池
CN102460772A (zh) 2009-05-26 2012-05-16 奥普图多特公司 利用直接涂覆在纳米孔隔板上的电极的电池
JP2010278125A (ja) 2009-05-27 2010-12-09 Nippon Zeon Co Ltd 電気化学素子用電極の製造方法及び電気化学素子
US20110020701A1 (en) 2009-07-16 2011-01-27 Carbon Micro Battery Corporation Carbon electrode structures for batteries
US20110129732A1 (en) 2009-12-01 2011-06-02 Applied Materials, Inc. Compressed powder 3d battery electrode manufacturing
KR101040875B1 (ko) * 2009-12-31 2011-06-16 삼성에스디아이 주식회사 이차전지
JP2011171029A (ja) * 2010-02-17 2011-09-01 Sanyo Electric Co Ltd 電池モジュール
DE102010029282A1 (de) 2010-05-25 2011-12-01 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschichtbatterie
US9123954B2 (en) 2010-06-06 2015-09-01 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Three-dimensional microbattery having a porous silicon anode
EP2586084A2 (en) 2010-06-22 2013-05-01 K2 Energy Solutions, Inc. Lithium ion battery
US20120052341A1 (en) * 2010-09-01 2012-03-01 Duk-Jung Kim Rechargeable battery
US8481212B2 (en) * 2010-09-14 2013-07-09 Hitachi Maxell, Ltd. Non-aqueous secondary battery
CN103119775B (zh) 2010-09-30 2015-06-10 川崎重工业株式会社 以质子为嵌入物的二次电池用负极及具备该负极的二次电池
US9343772B2 (en) 2010-10-08 2016-05-17 Samsung Sdi Co., Ltd. Rechargeable battery
JP5664114B2 (ja) * 2010-10-20 2015-02-04 住友電気工業株式会社 溶融塩電池
KR101858282B1 (ko) 2010-10-22 2018-05-15 암프리우스, 인코포레이티드 껍질에 제한된 고용량 활물질을 함유하는 복합 구조물
WO2012054767A2 (en) 2010-10-22 2012-04-26 Amprius Inc. Battery electrode structures for high mass loadings of high capacity active materials
JP5561191B2 (ja) 2011-02-01 2014-07-30 株式会社Ｉｈｉ 電極積層体の製造装置および製造方法
JP5554757B2 (ja) 2011-07-28 2014-07-23 矢崎総業株式会社 電池パック
JP2013048061A (ja) * 2011-08-29 2013-03-07 Sony Corp 二次電池、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器
TWI456817B (zh) * 2011-09-27 2014-10-11 Au Optronics Corp 電池裝置
JP5433669B2 (ja) * 2011-11-30 2014-03-05 三菱重工業株式会社 電池モジュール及び電池システム
DE102011120511A1 (de) * 2011-12-07 2013-06-13 Daimler Ag Batterie und Zellblock für eine Batterie
US8841030B2 (en) 2012-01-24 2014-09-23 Enovix Corporation Microstructured electrode structures
CN104115325B (zh) 2012-01-24 2017-02-22 艾诺维克斯公司 用于能量存储装置的离子透过结构
US9300002B2 (en) 2012-03-03 2016-03-29 Illinois Institute Of Technology Three-dimensional supercapacitors and batteries with high energy densities
AT512601B1 (de) * 2012-03-05 2014-06-15 Chemiefaser Lenzing Ag Verfahren zur Herstellung einer Cellulosesuspension
KR101561445B1 (ko) 2012-03-16 2015-10-21 주식회사 엘지화학 신규한 구조의 전극 제조장치
EP2690689A1 (en) 2012-07-25 2014-01-29 Umicore Low cost Si-based negative electrodes with enhanced cycling performance
KR20130118716A (ko) 2012-04-20 2013-10-30 주식회사 엘지화학 전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀 및 디바이스
KR20130133640A (ko) 2012-05-29 2013-12-09 주식회사 엘지화학 코너부 형상이 다양한 단차를 갖는 전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스
JP2015172997A (ja) 2012-07-13 2015-10-01 三洋電機株式会社 バッテリシステム及びバッテリシステムを備える車両並びに蓄電装置
JP6193236B2 (ja) 2012-08-09 2017-09-06 三洋電機株式会社 電池パックの製造方法
KR102480368B1 (ko) 2012-08-16 2022-12-23 에노빅스 코오퍼레이션 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
US9312522B2 (en) * 2012-10-18 2016-04-12 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US8993159B2 (en) 2012-12-13 2015-03-31 24M Technologies, Inc. Semi-solid electrodes having high rate capability
KR102659783B1 (ko) 2013-03-15 2024-04-22 에노빅스 코오퍼레이션 3차원 배터리들을 위한 분리기들
KR101637659B1 (ko) 2013-06-28 2016-07-07 주식회사 엘지화학 세퍼레이터 절단공정을 포함하는 전극조립체의 제조방법
KR101794265B1 (ko) 2013-07-18 2017-11-07 삼성에스디아이 주식회사 보강 비드부를 포함하는 배터리 팩
WO2015026202A1 (ko) 2013-08-23 2015-02-26 주식회사 엘지화학 연결 구조의 변경이 용이한 적층형 전지모듈
KR20150031861A (ko) * 2013-09-17 2015-03-25 삼성에스디아이 주식회사 배터리 모듈
JP6166994B2 (ja) 2013-09-24 2017-07-19 日立オートモティブシステムズ株式会社 組電池
KR101784739B1 (ko) 2013-12-10 2017-10-12 삼성에스디아이 주식회사 이차전지 및 그 제조방법
JP6306431B2 (ja) 2014-05-21 2018-04-04 日立オートモティブシステムズ株式会社 電池モジュール
CN104347856A (zh) 2014-10-14 2015-02-11 东莞新能源科技有限公司 锂离子电池
JP6416281B2 (ja) 2014-11-28 2018-10-31 三洋電機株式会社 組電池及びそれを搭載した車両
US10390871B2 (en) 2015-02-20 2019-08-27 Galil Medical Inc. Cryoneedle
TWI715576B (zh) 2015-05-14 2021-01-11 美商易諾維公司 用於能量儲存裝置之縱向約束
KR102156012B1 (ko) 2016-01-06 2020-09-16 오.엠.씨. 가부시키가이샤 탭 부착 전극 시트의 제조 방법과 그 장치
TWI739830B (zh) 2016-05-13 2021-09-21 美商易諾維公司 用於三維電池之尺寸拘束件
WO2018020906A1 (ja) 2016-07-27 2018-02-01 日立オートモティブシステムズ株式会社 角形二次電池
US11063299B2 (en) 2016-11-16 2021-07-13 Enovix Corporation Three-dimensional batteries with compressible cathodes
US10784477B2 (en) 2016-11-28 2020-09-22 Viking Power Systems Pte. Ltd. Rechargeable battery with elastically compliant housing
DE102016125168A1 (de) 2016-12-21 2018-06-21 Fortu New Battery Technology Gmbh Wiederaufladbare elektrochemische Zelle mit keramischer Separatorschicht und Indikatorelektrode
US10256507B1 (en) 2017-11-15 2019-04-09 Enovix Corporation Constrained electrode assembly
WO2019099642A2 (en) 2017-11-15 2019-05-23 Enovix Corporation Electrode assembly, secondary battery, and method of manufacture
DE102018203033A1 (de) 2018-03-01 2019-09-05 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Fließfertigen von Elektroden für eine Batterie
US11211639B2 (en) 2018-08-06 2021-12-28 Enovix Corporation Electrode assembly manufacture and device
JP2022130757A (ja) 2019-07-31 2022-09-07 京セラ株式会社 電子素子搭載用パッケージ及び電子装置
WO2022021056A1 (zh) 2020-07-28 2022-02-03 朱士伟 一种太阳能热水器夜间保温装置
WO2022060703A1 (en) 2020-09-18 2022-03-24 Enovix Operations Inc. Processes for delineating a population of electrode structures in a web using a|laser beam
TW202240960A (zh) 2020-11-18 2022-10-16 美商易諾維營運公司 用於電極之間隔物、電極堆疊及電池與其系統及方法
KR20230122050A (ko) 2020-12-09 2023-08-22 에노빅스 코오퍼레이션 2차 배터리용 전극 조립체의 제조를 위한 방법 및 장치
CN117561626A (zh) 2021-06-15 2024-02-13 艾诺维克斯公司 用于为电化学电池外壳提供保护的间隔件以及其系统和方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005285378A (ja) * 2004-03-26 2005-10-13 Sanyo Electric Co Ltd アルカリ二次電池およびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20220149423A1 (en) 2022-05-12
EP3828976C0 (en) 2023-07-05
JP7200287B2 (ja) 2023-01-06
EP3828976A1 (en) 2021-06-02
TW202337065A (zh) 2023-09-16
WO2016183410A1 (en) 2016-11-17
KR20230020563A (ko) 2023-02-10
EP3800730B1 (en) 2022-08-24
EP3800730A1 (en) 2021-04-07
KR102493260B1 (ko) 2023-01-31
US10283807B2 (en) 2019-05-07
CN108028419A (zh) 2018-05-11
CN113299967A (zh) 2021-08-24
US11239488B2 (en) 2022-02-01
JP2021120950A (ja) 2021-08-19
EP3295507A1 (en) 2018-03-21
EP3828976B1 (en) 2023-07-05
US20180145367A1 (en) 2018-05-24
JP2023052009A (ja) 2023-04-11
EP4113682A1 (en) 2023-01-04
JP2018523259A (ja) 2018-08-16
US11894512B2 (en) 2024-02-06
KR20170142212A (ko) 2017-12-27
TWI793480B (zh) 2023-02-21
CN108028419B (zh) 2021-06-15
TWI715576B (zh) 2021-01-11
EP3295507B1 (en) 2020-08-19
TW202115954A (zh) 2021-04-16
JP6877041B2 (ja) 2021-05-26
EP3295507A4 (en) 2018-09-26
ES2956858T3 (es) 2023-12-29
EP4113683A1 (en) 2023-01-04
CN113422097A (zh) 2021-09-21
HK1255235A1 (zh) 2019-08-09
US20190221878A1 (en) 2019-07-18
TW201711264A (zh) 2017-03-16
KR20240054401A (ko) 2024-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102658953B1 (ko) 에너지 저장 디바이스들에 대한 종방향 구속부들
US11600864B2 (en) Constrained electrode assembly
JP7086978B2 (ja) 圧縮性カソードを備えた３次元電池
US11699830B2 (en) Spacers for providing protection of electrochemical battery enclosures and systems and methods therefor
US20220320639A1 (en) Protection layer for electrochemical batteries and systems and methods therefor
US20220320694A1 (en) Reinforcement for electrical interconnect systems of electrochemical batteries and systems and methods therefor
WO2015077686A1 (en) High capacity lithium ion battery button cells
EP4364224A1 (en) Carrier ion loading of secondary batteries utilizing auxiliary electrodes

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant