KR20010072615A - 다중셀 나선 감김형 전극 어셈블리를 갖는 배터리 - Google Patents

다중셀 나선 감김형 전극 어셈블리를 갖는 배터리 Download PDF

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KR20010072615A
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Abstract

본 발명은 직렬로 연결된 적어도 2개의 나선 감김형의 전기 화학적인 셀을 포함한다. 2개의 셀은 2개의 셀 사이에 배치된 폴리머 전해질로 감겨진 극성층들을 포함한다. 각각의 연속적인 셀 층들은 이전 셀 층들의 주위에 감겨져서 절연층에 의하여 각각의 셀로부터 분리되는 것이 바람직하다. 폴리머 전해질을 사용함으로써, 고비용의 소형 유공 분리증들을 사용할 필요가 없어지게 되고, 개별적으로 밀봉된 컨테이너를 제공할 필요가 생기므로 다중 셀 배터리를 구성한다. 따라서, 저비용의 그리고 공간 활용이 효율적인 다중 셀 나선 감김형 전극 구조를 얻어 내었다.

Description

다중셀 나선 감김형 전극 어셈블리를 갖는 배터리{BATTERY INCLUDING A MULTI-CELL SPIRAL-WOUND ELECTRODE ASSEMBLY}
배터리는 나선 감김형 전극 어셈블리(젤리 롤 어셈블리로 알려져 있음) 내에 감겨져 있는 양전극 및 음전극의 전기 화학적 셀을 포함하는 것으로 익히 알려져 있다. 이들 형태의 배터리 내에 있는 양전극 및 음전극은 통상적으로 양면이 피복된 활성 전기 화학 재료를 포함하는 재료들의 혼합물을 갖는 알루미늄 또는 구리로 이루어진 연장된 전도성 포일 스트립으로 구성된다. 양전극 및 음전극은 전극층들 사이에 배치된 분리 재료의 층을 갖는 맨드릴로 감겨져서 양전극과 음전극간의 물리적 접촉을 방지한다. 나성 감김형 전극 어셈블리가 맨드릴에 대해 감겨진 이후에, 나선 감김형 전극 어셈블리는 제거되어 실린더 형태 또는 프리즘 형태의 금속 셀 하우징의 개방 종단 내에 삽입되고, 연속하여 전해질이 셀 아우징의 개방 종단 내에 분포된다. 나선 감김형 전극 어셈블리 주위 및 그 내부의 액체 전해질 흐름은양전극 및 음전극 사이의 분리층 내부로 흡수되어 양전극 및 음전극 사이의 이온의 전송이 가능하게 된다.
셀 아우징이 전해질이 셀 아우징 내부로 분포된 이후에, 셀 아우징은 덮개 어셈블리를 개방 종단 내부로 삽입함으로써 밀봉되어 덮개 어셈블리가 2개의 전극들 중의 어느 하나의 전극에 전기적으로 연결되고, 셀 하우징을 구부러지게 하여 덮개 어셈블리를 본래의 장소에 유지시킨다. 덮개 어셈블리는 셀 하우징으로부터 전기적으로 절연되어 덮개 어셈블리 및 셀 하우징 각각어 서로 반대되는 극성을 갖는 전기적인 접촉 터미널로서 동작하도록 한다.
이들 나선 감김형 전극 형태의 셀들은 통상적으로 조립되어, 예컨대 비디오 카메라, 셀룰러 전화, 휴대용 컴퓨터 등의 재충전 가능 배터리 팩에 사용된다. 이들 형태의 배터리 팩은 높은 출력 전압을 필요로 하기 때문에, 통용되는 셀들은 통상적으로 3V 이상의 셀 전압을 갖는다. 이들 전기 화학적인 셀을 구성하는 데에 사용되는 소자들은 통상적으로 고가이며 보다 안정된 전해질 및 전기 화학적인 재료를 전도성 전극 스트립에 접합하는 접합제를 필요로 한다.
또한, 전술한 바와 같이 나선 감김형 전극 형태의 전기 화학 셀의 구성을 갖는 셀의 문제점은 소형 유공성 분리자의 사용에 기인한다. 이들 소형 유공성 분리자는 전해 전지의 값비싼 소자들 중의 하나이다. 또한 이들 분리자는 통상적으로 셀의 내부 저항을 증가시켜, 그 결과로서 셀의 성능을 높은 비율로 감소시킬 수 있다. 또한, 분리자 자체는 전기 화학적으로 활성 소자이고, 활성 소자가 아니었다면, 전기 화학적인 활성 소자로 채워질 수도 있는 셀 아우징 내에서 공간을 소비하게 될 것이다.
알카라인 배터리에 있어서, 복수의 직렬 연결된 저전압 전기 화학 셀을 사용하여 고전압 배터리를 구성하는 기술이 잘 알려져 있다. 예컨대, 종래의 9V 배터리는 6개의 1.5V 셀들을 직렬로 연결하여 구성한다. 이들 다중 셀 배터리는 통상적으로 각각 밀봉된 하우징을 갖는 전기 화학 셀을 사용하여 구성되고 각각의 다른 셀로부터 액체 전해질이 하우징 내에 포함되어 유지되도록 한다. 액체 전해질이 셀들 사이를 자유롭게 흐르도록 하게 되면, 셀간의 누설 전류가 결과로 발생할 것이다. 각각의 밀봉될 셀을 포함하는 배터리 하우징 내에 이들 공간이 필요하기 때문에, 이들 배터리들은 모든 배터리 용적을 사용할 수는 없다. 결과적으로, 저전압 셀은 고전압 배터리 구조에는 적합하지 않다.
본 발명은 하나 또는 그 이상의 전기 화학적 셀을 갖는 배터리에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기 화학적 셀의 양전극 및 음전극의 맨드릴에 나선형으로 감겨진 나선 감김형 전극 어셈블리를 구비한 전기 화학적 셀을 갖는 배터리에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 배터리의 투시도.
도 2는 도 1에서 평면 Ⅱ-Ⅱ를 따라 취하여 배터리의 단면을 도시한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 배터리를 평면 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취하는 경우에 나타나는 바와 같이, 본 발명에 따라 구성된 나선 감김형 전극 어셈블리의 단면을 간략화시켜 도시한 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 단면도 내의 Ⅳ 부분과 일치하는 일부분의 나선 감김형 전극 어셈블리의 단면을 확대하여 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따라 구성된 나선 감김형 전극 어셈블리를 부분적으로 잘라 펼쳐 도시한 투시도.
도 6은 도 5에 도시된 도면의 반대편에서 투시한 본 발명에 따라 구성된 나선 감김형 전극 어셈블리를 부분적으로 잘라 펼쳐 도시한 투시도.
도 7은 본 발명에 따라 구성된 밀봉되지 않은 프리즘 형태의 배터리의 투시도.
놀랍게도, 본 발명에서는 다중 셀, 폴리머 전해질을 사용하여 각각의 셀에 대하여 각각 밀봉된 컨테이너를 필요로 하지 않는 나선 감김형 전극 형태 구조, 또는 유사하게, 자유 액체 전해질을 필요로 하지 않는 배터리를 제공하는 것이 가능하도록 하고, 고가이며 공간 소비적인 분리자를 사용하여 비용이 절감되록 한다.
따라서, 제1 특징에서 본 발명은 하우징을 포함하는 배터리를 제공하고, 여기서, 하우징은 적어도 나선 감김형 전극 어셈블리를 포함하는 직렬로 연결된 2개의 셀을 구비하도록 하고, 각각의 어셈블리는 폴리머 전해질에 의해 분리된 양전극 층 및 음전극 층을 포함하도록 한다.
상기 셀은 적절한 방법으로 구성될 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.상기 어셈블리들은 적절한 지향 방향으로 배열되어 있어서, 일반적인 동심원 방식으로 공용축에 따라 다른 소정의 셀에 대하여 하나의 셀을 감는 것 또는 셀을 스택하여 전술한 형태의 지향 방향의 조합들이 동일하게 정렬하도록 하는 것이 일반적으로 쉽게 이해될 것이다.
폴리머 전해질이 사용된다는 사실로 인하여 자유 액체 전해질이 없다는 사실을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 쇼트를 방지하기 위하여 다른 셀로부터 소정의 셀을 분리하는 것이 필요하지만, 각각의 셀들을 컨테이너에 담을 필요는 없다. 일반적으로 단순 절연막이면 충분하므로 공간 및 비용을 절약할 수 있다.
배터리 내의 각각의 셀들이 셀의 모든 특성을 갖도록 상이하게 구성될 수도 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 일반적으로, 전극 활성 재료를 통해 부셀들과 주셀을 혼합하는 것은 바람직하지 않은 반면에, 각각의 전극 어셈블리의 조성, 예컨대 폴리머 전해질을 통해 변경시키는 것은 완벽한 배터리의 특성을 보다 정확하게 정의할 수 있도록 작용할 수도 있다.
셀들간의 연결은, 예컨대 탭 또는 리드선과 같은 편리한 또는 적합한 수단에 의해 연결될 수도 있으며, 소정의 적절한 방법으로 구성될 수도 있다. 이와 같이, 배터리의 나머지 부분들은 당업자에 의해 적합하다고 여겨지는 방법에 의해 구성될 수 있다.
또 다른 특징에 있어서,
하우징과, 상기 하우징 내부에 배치되며, 전기적으로 직렬로 연결된 적어도 2개의 동심의 전기 화학 셀을 정의하며, 상기 각각의 셀은 양전극 층, 음전극 층및 상기 양전극 층과 음전극 층 사이에 배치된 폴리머 전해질을 포함하는 것인 배터리를 제공한다.
일실시예에서, 본 발명에 따라 구성된 배터리는 하우징 및 하우징 내에 배치된 나선 감김형 전극 어셈블리를 포함하고, 전기적으로 직렬로 연결된 적어도 2개의 동심 전기 화학 셀을 한정한다. 각각의 셀들은 양전극, 음전극 및 상기 양전극과 상기 음전극 층들 사이에 배치된 폴리머 전해질의 감겨진 층을 포함한다. 상기 셀은 인접한 서로 다른 셀의 전극 층들 사이에 감겨진 절연층을 제공함으로써, 다른 셀로부터 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다.
특히, 전술한 구조에서 셀은 인접한 서로 다른 셀의 전극 층들 사이에 감겨진 절연층에 의해 다른 셀로부터 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다.
셀들 간의 전기적인 연결은 소정의 셀의 양전극과 다른 셀의 음전극 사이의 전기적인 연결 스트립에 이웃해 있는 것이 바람직하다.
재충전 가능한 전극 어셈블리에서, 상기 음전극은 리튬 삽입 가능 카본 함유 활성 재료를 포함하여, 상기 양전극은 리튬화 금속 산화물 활성 재료를 포함하는 것이 바람직하다.
1차 배터리에 있어서, 상기 음전극은 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하며, 양전극은 금속 산호물 또는 금속 황화물을 포함하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 양전극 및 음전극 중의 적어도 하나, 바람직하게는 2개 전극이 양면이 활성 재료로 피복된 연장된 전도성 스트립을 포함한다.
이 하우징은 실린더 형태이며, 나선 감김형 실린더 형태의 어셈블리이거나,프리즘 형태이며, 나선 감김형 실린더 형태가 아닌 어셈블리일 수 있다.
본 발명은 다음의 장치들을 포함하는 배터리를 제공한다. 다음의 장치는 다음과 같다.
하우징과,
하우징 내부에 배치되어 전기적으로 직렬로 연결된 제1 및 제2 전기 화학 셀을 포함하고, 상기 2개의 셀은 양전극 및 음전극이 감겨있는 층들을 포함하며, 폴리머 전해질은 양전극 층 및 음전극 층의 사이에 배치된 감김형 전극 어셈블리를 포함하고, 여기서, 상기 제2 셀의 층은 상기 제1 셀의 층에 감겨 있다. 상기 배터리는 본 발명의 이전 실시예/특징 마다 적합하게 특성화될 수 있다.
본 발명은 다음의 단계를 포함하는 다중 셀 배터리를 조합하는 방법을 제공한다. 다음의 방법은 다음과 같다.
양전극, 음전극 및 폴리머 전해질의 층을 교대료 감아 제1 전기 화학 셀을 형성하는 단계와,
제1 셀의 양전극 및 음전극 중 어느 하나의 전극을 제2 전해질 셀의 반대 극성의 전극에 전기적으로 연결시키는 단계와,
양전극, 음전극 및 폴리머 전해질의 층을 바람직하게는 상기 제1 셀의 감겨진 층들 주위로 교대료 감아 제2 전기 화학 셀을 형성하는 단계와,
제1 및 제2 감겨진 셀을 배터리 하우징 내에 배치시키는 단계를 포함한다.
상술한 방법에서, 제2 셀을 감는 단계 이전에 제1 감겨진 셀 주위에 절연층을 감는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 전기적으로 제1 및 제2 셀의 전극을접합하는 단계는 제1 셀을 감는 단계 이전에 수행되는 것이 바람직하다.
상기 방법은 양전극 층, 제1 폴리머 전해질 층, 음전극 층 및 제2 폴리머 전해질 층을 순차적으로 감아 제1 셀을 형성하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 상술한 방법에서 제1 셀의 전극과 제2 셀의 반대 전극을 연결하는 단계는 전극들 사이에 전기적인 연결을 형성하기 위한 연결 스트립을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 장점은 고가의 분리자를 사용할 필요가 없는 나선 감김형 전극 형태의 구조를 갖는 배터리를 제공한다는 것이다. 본 발명의 또 다른 장점은 3V 이상의 셀 전압을 발생시킬 수 있는 배터리를 제공하는 반면에, 저가의 저전압 소자를 사용할 수 있다는 것이다. 또한 본 발명은 종래의 전극 감기 장비를 사용하여 비교적 생산하기 쉬운 다중 셀 구조를 제공한다.
폴리머 전극을 사용함으로써, 전해질은 셀들 사이에서 흐르지 않게 되어 셀들 간의 누설 전류를 생성하지 않게 된다. 따라서, 각각 밀봉된 용기를 제거할 필요가 없어지게 된다. 배터리 하우징 내의 밀봉된 용기의 필요성을 제거함으로써, 이 전기 화학 셀은 가장 효율적으로 공간 활용 방법에 의해 배터리 하우징 내에 배치될 수 있다. 또한, 폴리머 전해질을 사용함으로써, 소형 유공 분리층들을 사용할 필요가 없어지므로, 폴리머 전해질은 양전극 층과 음전극 층 사이의 물리적인 접촉을 방지하게 된다.
본 명세서에 사용된 "폴리머 전해질"이라는 용어는 이온적인 전송성을 갖지만, 실질적으로 물리적으로는 움직일 수 없으므로, 캐소드와 애노드 사이의 배치된채로 남아 있게 된다. 이들 폴리머 전해질들의 합성물은 저분자 중량의 가소제를 갖지 않는 고분자 중량 폴리머 내에 염분에서부터 전해질 염분, 다량의 하나 이상의 저분자 중량의 용매 및 고정하기에 충분한 폴리머 또는 겔, 저분자 중량 용매를 포함하는 합성물의 범위까지 일 수 있다.
또한, 다중 셀, 즉 나선 감김형 전극 어셈블리의 생성을 가능하게 함으로써, 고전압 배터리들이 저전압 셀들을 사용하여 구성되어 저가의 저전압 소자를 사용할 수 있다.
적합한 폴리머 전해질 재료들이 미국 특허 제5,409,786호(A)에 개시되어 있다. 바람직한 폴리머 전해질 재료는 하기에 논의하기로 한다.
폴리머 전해 전지를 제조하는 데에 있어서 몇몇 중요한 고려점들이 있다. 이는 (1) 적합한 양전극 패킹을 획득하는 단계, (2) 이온적으로 적합한 전도성을 갖지만, 기계적으로는 안정된 전해질/분리자를 제공하는 단계 및 (3) 쇼트에 대한 사전적으로 계속적인 채크 없이 전기가 통하는 고영역 셀을 조립하는 것과 관련된 안정성 문제를 피하는 방법 등이다.
양전극을 패킹함에 따라, 이들 폴리머 전해 전지의 양전극을 생성하는 일반적인 방법은 양전극 활성 재료, 전자 전도체(예컨대, 카본 블랙, 흑연, 금속 가루 또는 이와 유사한 재료) 및 휘발성의 용매 내의 중합재 전해질을 주조하는 방법을 포함한다. 이들 혼합물은 금속 캐리어에 사용되어 휘발성 용매를 제거함으로써 건조될 수 있다.
원리상으로 높은 패킹의 양전극이 상기와 같은 방법으로 형성될 지라도, 실제로 양전극의 집적도는 "머드 크랙(mud cracks)의 형성의 영향으로 인하여 낮아지게 된다. 또한, 큰 부피의 유독성 물질 및/또는 가연성 용매가 필요할 수도 있다. 머드 크랙 및 용매 문제를 방지하는 공정은 폴리머 전해질 단량체, 전해질 염분, 중합제 가소제, 전기 전도체 및 양전극 활성 재료의 혼합물을 생성시키게 된다. 이 혼합 공정은 압출 또는 높은 점성의 접착제를 양전극의 박막으로 변환시킬 수 있는 다른 방법에 의해 금속 캐리어에 도포될 수 있다. 이 접착체가 캐리어에 도포되면, 전자 빔 또는 유사한 높은 에너지 방사 등을 사용하는 가열 방법에 의해서 본래의 위치에서 폴리머화된다. 그러나, 이 방법에 의해 생성된 양전극은 접착제의 점도를 공정을 진행하기에 충분히 낮도록 유지하기 위하여 높은 레벨의 전해질을 필요로 한다. 이와 같은 이유로하여, 양전극 활성 재료를 패킹하는 것은 부피 단위로 40% 이하로 한정된다. 55% 이상의 패킹은 높은 에너지 농도 셀의 용으로는 바람직하다.
이들 양전극 문제는 최근에 AA크기의 Li/FeS2셀을 갖는 양전극을 생산하는 데에 사용되는 변형된 버전의 롤 피복 공정을 사용함으로써 회피할 수 있다. 이 공정에서, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리에틸렌-폴리프로필렌 폴리머, 폴리에틸렌 산화물 등의 폴리머 접합제의 혼합물, 양전극 활성 재료, 전자 전도체 및 (혼합물의 점성을 감소시키기 위한) 휘발성 용매가 생성된다. 이 혼합물은 알루미늄 포일 상에 롤피복되어 평탄한 균일 전극을 형성하도록 롤링된다. 양전극은 55% 이상의 활성 재료 질량을 갖는 이 공정에 의해 제조되어 높은 에너지 밀도의 셀을 제조하는 용도에 적합하게 된다.
높은 에너지 밀도의 폴리머 전해 전지용으로 적합한 양전극이 전술한 양전극 혼합물을 생성함으로써 제조될 수 있지만, 접합제용으로 전해질 폴리머 및 단일체의 혼합물을 대체하고, 적어도 대부분의 휘발성 용매 대신에 적합한 폴리머 전해질 가소체를 대신 사용하며, 마지막으로 가열 단계 동안 단일체가 폴리머화되도록 하기 위한 열적 개시 인자를 포함한다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 적합한 단일체는 폴리에틸렌 글리콜 아크릴레이트, 디아크릴레이트 및 8 내지 10개의 폴리에틸렌 글리콜 단일체를 포함하는 트리아크릴레이트를 포함한다. 적합한 열적 폴리머의 개시 인자는 2,2'-아조비스소부틸로나이트릴이다. 리튬 시스템과 화학적으로 양립할 수 있는 가소제는 리튬 및 리튬 이온 배터리 액체 전해질을 생성하는 데에 공통적으로 상용되는 용매를 포함한다. 예컨대, 디글림(diglyme)(디에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르), 테트라글림(테트라에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르), 에틸렌 카보나이트, 디메틸 카보나이트, 디에틸 카보나이트, 디메틸옥실레인, 메틸에틸 카보나이트, 프로필렌 카보나이트 및 이와 유사물 들이 단일로 또는 조합되어 사용될 수 있다.
전해질 염분이 롤피복 혼합물에 포함될 수도 있지만, 음전극, 양전극 및 폴리머 전해질/분리층을 조립하면 바로 셀이 활성화되는 것을 방지하기 위하여 조립 이후에 제거되어 셀 내부로 유입되는 것이 바람직하다.
폴리머 전해 전지를 제조하는 데에 있어서 중요한 고려해야 할 점 중의 또 다른 하나는 음전극 층 및 양전극 층 사이에 폴리머 전해질 층을 도포해야 하는 것이다. 폴리머 전해질 층은 셀이 여전히 기계적인 특성을 갖고 높은 속도로 동작 가능하게 하기 위하여 충분한 이온 전도성을 가지며, 물리적으로 또한 전기적으로 분리된 채로 남아 있는 양전극 층을 모두 구비해야만 한다. 높은 이온 전도성을 갖는 전해질은 50%의 부피 이상의 가소제(용매)를 함유하며, 플라스틱 박막 보다는 겔에 가까운 물리적인 특성을 갖는다. 맨 마지막 종단에서, 감소된 가소제 레벨 및 양호한 물리적 특성을 갖는 폴리머 박막은 유기 액체 전해질 및 높게 가소화된 폴리머 전해질의 크기 등급 아래의 2-3 정도의 이온 전도성 등급을 갖는다.
폴리머 전해 전지는 전술한 바와 같은 양전극 제조 공정에 의해 제조될 수 있으며, 음전극에 대하여 양전극이 이들 사이에 있는 폴리머 전해질 층과 쌍을 이루도록 한다. 이 셀은 조립되는 즉시 활성화된다. 상기 소자에 있는 결함 또는 기계적 구조를 조합한 셀의 결함으로 인하여 전기적인 쇼트가 발생할 수 있다. 쇼트된 셀은 급격하게 가열되어 불이 날 수도 있다.
전해질의 구조적인 특성 및 전기가 통하는 셀을 조립하는 것과 관련한 안전성 문제 모두는 대부분의 전해질 가소제 및 바람직하게는 폴리머 전해질/분리층으로부터 전해질 염분을 제거함으로써 방지할 수 있다. 다량의 가소제가 없는 경우, 전해질이 겔보다는 가소성 박막에 가까운 특성을 갖게 될 것이다. 또한, 전해질 염분이 없다면, 이 박막은 실질적으로 어떤 이온 전도성을 갖지 않게 되어 이 박막에 의해 조립된 셀에 전기가 통하지 않게 될 것이다. 소정의 셀의 쇼트 또는 기계적인 결함은 단순히 셀을 계속적으로 검사함으로써 검출할 수 있다.
셀이 조립되고 체크되면, 가소제 내에 전해질 염분의 용액이 첨가된다. 이 과정은 전해질 용매 내에서와 동일한 방법으로 수행될 수 있고, 염분이 종래의 조립된 액체 전해 전지에 첨가된다. 이 용액은 가소성 박막/분리 레2버(laver)에 담궈져서 소정의 양전극 내에 소정의 공극이 남아 있게 된다. 전해질/분리층이 부풀어 올라 이온 전도성을 획득할 것이다. 부풀기는 양호한 전극/전해질 계면성 접합을 제공한다. 마지막 전해질/분리층은 강하게 가소화된 겔 전해질과 같이 동일한 조성, 이온 전도성 및 기계적인 특성을 갖게 될 것이다. 이와 같은 방법으로, 완전히 폴리머화된 전해질과 관련하여 안전성 및 조작 문제를 피할 수 있다.
셀간의 전류를 제거하기 위하여 배터리는 자유 초과 액체 전해질이 존재하지 않도록 설계되어 생산되어야 한다. 이는 가소제 박막/분리자용의 전해질을 계속적으로 빨아 들이는 폴리머를 선택함으로써, 그리고 전해질의 양을 완전히 흡수되어 버릴 양만큼을 첨가하도록 제한함으로써 성취될 수 있다. 배터리 구성은 초과 전해질을 첨가함에 의하여 생성된 셀들 간의 이온 경로의 저항을 최대화시켜 초과 전해질의 영향을 최소화시키도록 의도되는 것이 바람직하다. 예컨대, 이온들을 따라 있는 경로는 소정의 셀로부터 다른 셀을 획득하기 위하여 흘러야만 하는 이온을 따라 있는 경로로 하여금 셀을 빈틈이 없게 배치시키도록 하고, 엔클로저(예컨대, 가열 수축 튜브)를 전기적으로 절연시키며, 초과 전해질에 의해 점유된 소정의 공동의 교차 영역이 최소화되록 한다.
전술한 바와 같이, 전해질은 고체이며, 폴리머 전해질을 사용하는 것은 셀 대 셀 밀봉 문제를 해결할 수 있으므로, 배터리 내의 이웃한 셀들 간에 흐름이 발생하지 않는다. 개별적으로 밀봉된 셀 또는 이와 다르게 개별적인 셀들을 분리시켜 구성하지 않고은 채로, 셀간의 누설 전류가 없는 폴리머 전류가 단일 감겨진 젤리 롤 내에서 복수의 전해질 기반 전극을 사용하여 생성될 수 있도록 한다. 본래의 위치에 액체 전해질 내의 폴리머 전해질을 사용하는 것은 제조하기 쉬운 단순 구조가 되도록 하여 에너지 밀도를 향상시킨다. 또한, 본 발명의 배터리는 개별적으로 밀봉된 컨테이너를 제거함으로써, 다중 셀 액체 전해질 배터리에 필요한 전해질을 분리시킬 수 있다. 따라서, 추가적인 구조적 복잡성, 관련 비용 및 이들 분리된 콘테이너용으로 사용되는 컨테이너 부피가 본 발명에 따른 이들 배터리를 구성함으로써 방지될 수 있다.
복수의 저전압 셀이 직렬로 연결된 나선 감김형 전극 어셈블리를 갖는 배터리를 생성함으로써, 저비용 저전압 소자들이 셀을 구성하는 데에 사용될 수 있다. 예컨대, 2 셀의 알카라인 망간 다이옥사이드 폴리머 배터리는 단일 셀 리튬 망간 다이옥사이드 배터리를 액체 전해질로 대체하여 실질적으로 저비용으로 동일한 배터리 전압을 제공할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 첨부된 도면에 대하여 더 상세하게 설명될 것이다.
본 발명에 따라 구성된 배터리(5)가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 배터리(5)는 폐쇄 종단(12) 및 개방 종단(14)을 갖는 하우징(10)을 포함한다. 하우징(10)은 화학적으로는 불할성이며, 전기적으로 전도성의 구조적으로 견고한 재료로 구성된다. 아우징(10)은 실린더형 또는 프리즘 형태일 수 있다. 하기에 보다 상세하게 기술되는 바와 같이, 배터리(5)는 하우징(10) 내에 배치되고 절연층(45)에 의해 분리된 적어도 제1 전기 화학 셀 및 제2 전기 화학 셀을 갖는 나선 감김형 전극 어셈블리(30)를 포함한다. 또한, 하기에 기술되는 바와 같이, 제1 및 제2 셀(50, 80)은 양전극 층, 음전극 층 및 양전극과 음전극이 교대로 놓여진 층들 사에에 폴리머 전해질 층이 감겨져 배치되도록 구성된다. 나선 감김형 전극 어셈블리(30)가 감겨져 하우징(10)의 개방 종단(14) 내에 배치된 이후에, 코어 핀(40)이 나선 감김형 전극 어셈블리(30)의 중심으로 선택적으로 삽입될 수 있도록 하여 이벤트 하우징(10) 내부에 있을 지도 모르는 내부 회로의 쇼트 가능성을 감소시킨다.
본 명세서에 사용된 "전기 화학 셀" 또는 단순히 "셀"은 전극들 및 전해질/분리자의 조합을 포함하는 화학 에너지를 직접 변환함에 의하여 전기 에어지원을 제공하는 기초적인 기능 단위를 나타낸다. 하기에 더 상세하게 기술되는 바와 같이, 다중셀 구조 중의 각각의 "셀"은 자신의 콘테이너를 포함하는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 기술되는 바와 같이, "배터리"라는 용어는 2개의 외부 접촉 터미널을 제공하는 배터리 하우징 내에 배치된 셀의 조합을 나타낸다.
하우징(10)은 개방 종단(14)에 근접하여 형성된 외부 비드(16)를 갖는다. 비드(16)는 덮개 어셈블리가 개방 종단(14)에 삽입되는 경우에 릿지 위에 덮개 어셈블리(20)가 남아 있도록 형성된다. 덮개 어셈블리(20)가 한번 삽입되면, 덮개어셈블리(20)는 소정의 종래 기술을 사용함으로써 정위치에 틀이 잡히게 될 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 나선 감김형 전극 어셈블리(30)는 외부로 나선형인 양전극과 음전극을 교대로 형성하기 위하여 맨드릴 주위로 양전극(52) 및 음전극(60)을 감아 형성시킨 제1 셀(50)을 포함한다. 제1 셀이 감겨진 이후에, 전기적인 절연층(45)은 제1 셀(50)의 외측층 주위에 감겨진다. 이어서, 교대로 있는 양전극(90) 및 음전극(82) 층을 포함하는 제2 셀은 절연층(45) 위의 맨드릴 주위에 감겨진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 음전극 층(60)은 이의 측면(65, 66) 중 하나 이상의 측면에 피복된 혼합물을 갖는 전도성 포일 스트립(61)을 포함하고, 제2 음전극(82)은 이의 측면(83, 85) 중 하나 이상의 측면에 피복된 혼합물을 갖는 전도성 포일 스트립(81)을 포함한다. 전도성 포일 (61, 81) 상에 피복된 혼합물은 유사한 형태의 음전극 상에서 종래에 사용되었던 전기적인 활성 재료 및 이들 활성 재료와 함께 사용되는 종래의 접합제 및 전도제를 포함한다. 또한, 각각의 양전극(52, 90)은 각각의 측면(53, 55, 95, 96)들 중 하나 이상의 측면에 혼합물이 피복된 전도성 포일(51, 91)의 연장된 스트립을 포함한다. 전도성 포일(51, 91) 상에 피복된 혼합물은 유사한 형태의 양전극 상에서 종래에 사용되었던 전기 화학적인 활성 재료 및 적절한 종래의 접합제 및 전도제를 포함한다. 양전극 및 음전극을 더욱 바람직하게 피복하는 방법은 본 발명에 따른 배터리의 물리적인 구조를 설명하는 상세한 설명의 하기의 나머지 설명에서 보다 상세하게 설명하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 양전극(52)의 금속 포일의 전단 종단(54)은 피복되지 않은 채로 남아 노출되어 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이 나선 감김형 전극 어셈블리(30)들 중 어느 하나로부터 확장된 전도성 탭(56)이 이곳에 접합될 것이다. 전도성 탭(56)은 덮개 어셈블리(20)의 외부 접합 터미널이 전기적으로 연결되도록 구성되는 것이 바람직하다. 유사하게, 음전극의 전도성 포일의 후단 종단(84)이 노출된 채로 남아 전도성 탭(56)이 이곳에 접합될 것이다. 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이 제2 전도성 탭(86)은 나선 감김형 전극 어셈블리(30)의 반대편 종단으로부터 연장되어 하우징(10)의 폐쇄 종단(12)에 전기적으로 연결된다. 이 방법에서, 접합 터미널은 배터리(5)의 반대 종단에 제공되어 하우징(10) 내의 반대 극성의 전극들에 연결될 수 있다. 또한, 제1 셀의 음전극(60)의 노출된 전도성 포일(63)을 제2 셀의 양전극(90)의 노출된 전도성 포일(93)에 전기적으로 연결하기 위하여 전기 접속 스트립(47)을 제공함으로써, 제1 및 제2 셀(50, 80)이 전기적으로 직렬로 접속될 수 있다. 이와 같은 방법에서, 양전극(90)이 전도성 탭(86) 및 하우징(10)을 통해 배터리(5)의 음전극 접합 터미널에 접합되고, 제2 셀의 음전극 및 전도성 탭(56) 및 덮개 어셈블리(20)를 통해 배터리(5)의 포지티브 외부 접합 터미널에 접합되는 경우, 배터리(5)의 외부 포지티브 터미널 및 네가티브 터미널 사이에 발생하는 전압은 제1 셀 및 제2 셀의 셀 전압들을 합산한 값과 동일하게 될 것이다.
단순화하기 위하여, 셀(50, 80)의 음전극 및 양전극 상이에 배치된 폴리머 전해질 재료의 층들은 도 3에는 도시되어 있지 않다. 그러나, 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 제1 셀(50)은 양전극 및 음전극(52, 60)을 따라 있는 맨드릴 주위로 감겨진 연장된 스트립의 형태로 제공되는 폴리머 전해질(70, 72)의 제1 및 제2 층을 사용사여 구성된다. 전해질 층(70, 72)은 감김 공정 동안 오정렬이 발생하는 이벤트 내에서 층들 간의 불량한 접촉이 발생하는 것을 방지하기 위하여 양전극 및 음전극 보다 조금 더 광폭인 것이 바람직하다. 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 양전극(52)은 선단 종단(54)(도 3)를 제외하고는 양전극 모든 길이에 걸쳐 활성 재료 혼합물로 피복되는 것이 바람직하다. 음전극(60)은 후단 종단(62)(도 3)중의 어느 한 측면을 제외하고는 음전극 모든 길이에 걸쳐 활성 재료 혼합물로 피복되는 것이 바람직하다. 노출된 전도성 포일(63)은 전기적인 접합 스트립(47)과 전기적으로 접합되도록 한다. 유사한 방법으로, 양전극은 선단 종단 상에 전합 스트립(47)을 접속하기 위한 노출된 포일 부분(93)을 포함한다. 이 방법에서, 제1 셀(50)의 음전극(60)의 전도성 포일은 제2 셀(80)의 양전극(90)의 전도성 포일에전기적으로 접속된다. 분리된 접합 스트립(47)을 사용하는 것이 개시되었지만, 당업자라면 이 전극들의 전도성 포일들이 직렬 연결을 사용하기 위하여 분리된 소자를 사용하지 않고 집적 접속을 제공할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 4 냅지 도 6에 도시된 바와 같이, 접합 스트립(47)이 전기 절연층(45) 상에 또는 전단에 형성될 수 있다. 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 그 위에 조립된 접속 스트립(47)을 갖는 절연층(45)은 양전극 층(90) 및 폴리머 전해질 층(99) 사이에 삽입되어 접합 스트립(47)이 양전극(90)의 포일의 노출된 영역(93)에 접속될 수 있다. 일부분의 접합 스트립(47)이 양전극의 선단 엣지 및 제2 폴리머 전해질 층(97)을 넘어 연장하는 경우, 절연층(45)은 일부분의 접속 스트립(47)이 음전극(60)의 노출된 포일 영역(63)에 정렬된 제2 셀 층의 선단 엣지를 넘어 연장됨에 따라 제1 셀의 음전극(60) 상에 도포될 수 있다. 절연층(45)은 제1 셀(50)의 주변 길이 보다 조금더 길은 것이 바람직하다. 이 방법에서, 절연층(45)은 소정의 제2 셀의 층이 감겨지는 단계 이전에 제1 셀(50)의 최외각 층 주위로 완전히 감겨질 것이다.
절연층을 또는 소정의 제2 셀(80)의 층을 도포하기 이전에 맨드릴 주위에 제1 셀(50)이 감겨질다는 것을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 이와 달리, 절연층(45)은 감기 단계 이전에 1 셀(50) 층의 후단 종단에 접속된 후에 제2 셀(80)의 선단 종단에 접속될 수 있도록 하여 나선 감김형 전극 어셈블리가 완전히 감겨지기 전까지 감김 공정이 끊이지 않도록 한다.
2개의 셀이 나선 감김형 전극 어셈블리(30)의 구조로 개시되었지만, 당업자라면 전술한 바와 같은 동일한 방법으로 인접한 셀의 셀의 양전극 및 음전극을 갖는 하나의 셀의 음전극 및 양전극을 접속시킴으로써 추가적인 셀들이 포함될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 나선 감김형 전극 내의 층들을 정렬이 전해질 층이 양전극 및 음전극 층 사이에 감겨져 있는 범위 내에서 변경될 수 있다. 또한, 셀이 나선 감김형 전극 어셈블리 내에서 또 다른 셀로부터 절연되는 상기 방법 및 셀이 전기적으로 직렬로 접속되는 방법은 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 한은 상기 설명된 특정 실시예로부터 변형이 발생할 수 있다.
전술한 바와 같이, 이들 고체 또는 반고체 전해질은 소형 유공 분리자를 사용할 필요가 없으며, 액체 전해질이 없는 최종 생산물을 제공하므로, 폴리머 전해질을 사용하는 것은 매우 효과적이다. 따라서, 소형 유공 분리자를 제거함으로써, 배터리의 모든 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 이들 분리자에 의해 발생된 셀의 내부 저항의 증가를 감소시킬 수 있으므로, 결과적으로 셀의 고효율 성능을 감소시킬 수 있다.
전술한 배터리 구조는 실린더 형태의 하우징을 가지며, 하우징 내부에 배치된 실린더형 나선 감김형 전극 어셈블리를 갖는 실린더형 배터리에 관하여 설명하였지만, 도 7에 도시된 프리즘형 배터리(100)와 같이 본 발명은 프리즘형 배터리 또는 이의 유사물로도 구현될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 평탄 표면을 갖는 배터리 하우징(110)을 포함한다. 나선 감김형 전극 어셈블리(130)는 패들형 맨드릴 주위에 감겨져 프리즘형 배터리 하우징(110)의 형태에 더 효율적으로 적합할 수 있다. 따라서, 이 구성에 따라, 나선 감김형 전극 어셈블리는 실린더 형태가 아닐 수 있다.
상기 다중셀 배터리 구조는 폴리머 전해질용으로 가장 적합한 전기 화학 시스템에 사용되는 1차 및 2차 (재충전 가능) 배터리 모두를 구성하는 데에 사용된다. 본 발명에 따라 사용될 가능성이 있는 전기 화학 시스템의 형태의 실시예는 알카라인 망간 다이옥사이드, 니켈 카듀뮴, 액체 전해질을 갖는 니켈 금속 하이드라이드와 아연 공기 시스템, 및 액체가 아닌 전해질을 갖는 리튬 및 리튬 이온 형태를 포함한다. 리튬 배터리는 1차 배터리가 바람직하며, 배터리 내부의 리튬과 리튬의 합금은 바람직한 음전극 활성 재료이며, MnO2, FeS2, (C2F)n, (CF2)n, CuS 및 CuS2등이 바람직한 양전극 활성 재료이다. 리튬 이온 배터리는 보조 배터리인 것이 바람직하며, 배터리 내에서 리튬 삽입 가능하/삽인된 재료가 음전극 및 양전극으로 재료로서 사용된다. 음전극 재료용의 재료로는, 예컨대 흑연, 비결정질 카본 및 준결정상 카본, 전이 금속 산화물 및 황화물 및 실리콘 및/또는 주석을 함유하는 비결정질 금속 산화물 등과 같은 카본 함유 재료인 것이 바람직하다. 양전극용의 재료는 특히 코발트 니켈 또는 망간등을 함유하는 산화 리튬화 금속 산화물인 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 LiCoO2및 LiMn2O4를 포함한다. 통상적으로 리튬 및 리튬 이온 셀에 사용되는 전해질 염분은 LiPF6, LiAsF6, LiBF4, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N 및 LiI을 포함한다. 바람직한 전해질 용매는 하기에 기술된 바와 같이, 액체의 형태가 아닌 용매이며, 액체 내의 전해질 염분은 용해 가능하며, 또한 폴리머 전해질 분리자용의 가소제로서 작용한다.
본 발명에 사용되는 전극들은 전극 어셈블리 내에 나선형으로 감겨진 전극을 생산하기에 적합한 주지의 방법에 의해 제조될 수 있다. 이들 방법들은 피복, 탄력성 있는 전기적인 전도성 기질, 예컨대, 활성 전극 재료를 갖는 금속 포일, 스크린 또는 거품, 관통된 금속막 또는 펼쳐진 금속막을 피복, 적층 또는 침투시키는 방법을 포함한다. 활성 재료 및 접합재의 슬러리를 박막 금속 포일에 롤피복하는 방법은 리튬 및 리튬 이온 셀용의 전극을 생성시키는 것이 바람직하다. 제1 및 재충전 가능한 셀에 대하여 포일 상의 음전극은 구리로 생성되는 것이 바람직하며, 양전극용의 포일은 알루미늄으로 생성되는 것이 바람직하다. 몇몇 셀 구조에서, 음전극 또는 양전극 중의 어느 하나는 전도성 포일을 사용하지 않고 형성될 수 있다. 이와 같은 결과에서, 연결 스트립(47)은 이들 전극의 활성 재료를 직접 접촉시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 하우징을 포함하는 배터리에 있어서,
    상기 하우징은 나선형으로 감겨진 전극 어셈블리를 구비하는 직렬로 연결된 적어도 2개의 셀을 포함하며, 각각의 어셈블리는 폴리머 전해질에 의해 분리된 양전극 및 음전극 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어셈블리는 다른 어셈블리의 주변에 감겨있는 것인 배터리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어셈블리는 다른 어렘블리 상에 적층되어 있는 것인 배터리.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 직렬 연결부를 제외하고는 상기 셀은 다른 각각의 셀에 대하여 절연되어 있는 것인 배터리.
  5. 하우징과,
    상기 하우징 내부에 배치되며, 적어도 2개의 직렬 연결된 동심 전기 화학 셀을 정의하는 나선형 감김 전극 어셈블리를 포함한 배터리로서, 상기 각각의 셀이 양전극, 음전극 및 이들 전극 사이에 제공된 폴리머 전극의 층을 포함하는 것인 배터리.
  6. 제5항에 있어서, 상기 셀들은 서로 간에 인접한 셀의 전극층들 사이에 감겨진 절연층에 의해 서로 전기적으로 절연되는 것인 배터리.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀은 소정의 셀의 양전극과 다른 셀의 음전극 사이의 전기적인 연결 스트립에 의해 전기적으로 직렬로 연결되는 것인 배터리.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 재충전 가능한 것인 배터리.
  9. 제8항에 있어서, 상기 음전극은 리튬 삽입 가능 카본 함유 활성 재료를 포함하고, 상기 양전극은 리튬화 금속 산화물 활성 재료를 포함하는 것인 배터리.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 1차 배터리인 것인 배터리.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 음전극은 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하며, 양전극은 산화 금속 또는 황화 금속을 포함하는 것인 배터리.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양전극 및 상기 음전극 중 적어도 하나의 전극은 활성 재료로 양면 상에 피복된 연장된 전도성 스트립을 포함하는 것인 배터리.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 양전극 및 음전극은 양면 상에 활성 재료로 양면 상에 피복된 연장된 전도성 스트립을 포함하는 것인 배터리.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은 실린더 형태이며, 나선 감김형 전극 어셈블리는 실린더 형태인 것인 배터리.
  15. 제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은 프리즘 형태이며, 나선 감김형 전극 어셈블리는 실린더 형태가 아닌 것인 배터리.
  16. 다중셀 배터리를 조립하는 방법에 있어서,
    양전극, 음전극 및 폴리머 전해질의 층을 교대료 감아 제1 전기 화학 셀을 형성하는 단계와;
    제1 셀의 양전극 및 음전극 중 어느 하나의 전극을 제2 전기 화학 셀의 반대 극성의 전극에 전기적으로 연결시키는 단계와;
    양전극, 음전극 및 폴리머 전해질의 층을 교대료 감아 제2 전기 화학 셀을 형성하는 단계와;
    상기 제1 및 제2 감겨진 셀을 배터리 하우징 내에 배치시키는 단계를 포함하는 것인 배터리 조립 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2 셀은 상기 제1 셀의 감겨진 층들 주위로 감겨지는 것인 배터리 조립 방법.
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