KR20070064555A - 저 임피던스 적층 배터리 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

저 임피던스 적층 배터리 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20070064555A
KR20070064555A KR1020067025106A KR20067025106A KR20070064555A KR 20070064555 A KR20070064555 A KR 20070064555A KR 1020067025106 A KR1020067025106 A KR 1020067025106A KR 20067025106 A KR20067025106 A KR 20067025106A KR 20070064555 A KR20070064555 A KR 20070064555A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sheet
electrode
end cap
active material
guide wire
Prior art date
Application number
KR1020067025106A
Other languages
English (en)
Inventor
길버트 닐 릴레이
제임스 리보디
Original Assignee
에이일이삼 시스템즈 인코포레이티드
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 에이일이삼 시스템즈 인코포레이티드 filed Critical 에이일이삼 시스템즈 인코포레이티드
Publication of KR20070064555A publication Critical patent/KR20070064555A/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
    • H01M10/0431—Cells with wound or folded electrodes
    • 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
    • H01M10/0404—Machines for assembling batteries
    • H01M10/0409—Machines for assembling batteries for cells with wound electrodes
    • 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
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound 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
    • H01M10/24—Alkaline accumulators
    • H01M10/28—Construction or manufacture
    • H01M10/286—Cells or batteries with wound or folded electrodes
    • 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
    • H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H01M10/38—Construction or manufacture
    • 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
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • 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
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/64—Heating or cooling; Temperature control characterised by the shape of the cells
    • H01M10/643—Cylindrical cells
    • 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
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • 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
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6551—Surfaces specially adapted for heat dissipation or radiation, e.g. fins or coatings
    • 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
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/533—Electrode connections inside a battery casing characterised by the shape of the leads or tabs
    • 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
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/534—Electrode connections inside a battery casing characterised by the material of the leads or tabs
    • 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
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/536—Electrode connections inside a battery casing characterised by the method of fixing the leads to the electrodes, e.g. by welding
    • 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
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/538—Connection of several leads or tabs of wound or folded electrode stacks
    • 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
    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/04—Cells with aqueous electrolyte
    • H01M6/06—Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid
    • H01M6/10—Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid with wound or folded electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/42—Grouping of primary cells into batteries
    • 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
    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/609—Arrangements or processes for filling with liquid, e.g. electrolytes
    • H01M50/627—Filling ports
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Primary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 전기 화학적 축전 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 일부 태양에서, 가이드 와이어는 시트 또는 리본형 전극 재료와 함께 권선되고, 그래서 가이드 와이어와 전극 재료의 콜렉터 돌출부 사이에 접촉이 이루어져 낮은 임피던스 및 높은 열 싱크 능력을 갖는 엔드캡을 형성한다. 일 실시예에서, 축전 장치는 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 가진 음극 시트, 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 가진 양극 시트, 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 음극 시트의 엣지 주변에 배치된 제1 도전성 가이드 와이어, 및 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 양극 시트의 엣지 주변에 배치된 제2 도전성 가이드 와이어를 포함한다. 제1 도전성 가이드 와이어와 상기 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 음극 시트의 엣지는 제1 전극 엔드캡을 구성하고, 제2 도전성 가이드 와이어와 상기 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 양극 시트의 엣지는 제2 전극 엔드캡을 구성한다. 전극 엔드캡은 외부 회로의 단자에 접속가능한 축전 장치의 단자에 접속된다.
축전, 배터리

Description

저 임피던스 적층 배터리 장치 및 그 제조 방법{LOW IMPEDANCE LAYERED BATTERY APPARATUS AND METHOD FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 전기-화학적 축전 장치(배터리)의 구성 및 사용에 관한 것이고, 특히 저 임피던스 배터리 장치와 그 제조 및 사용 방법에 관한 것이다.
전력을 저장하고 공급하기 위한 장치가 오랫동안 사용되어 왔다. 일반적으로, 설명어 "배터리"라고 하면 적어도 한 세트의 단자 사이에서 전위를 공급하는 전기 화학적 전지(electro-chemical cell) 및 전지들의 집합을 포함하는 장치를 의미한다. 단자들은 전기적(예를 들면 직류(DC)) 부하에 접속되어 그 부하에 에너지 즉 전압을 제공할 수 있다. 배터리는 건전지, 습전지(예를 들면, 납-산(lead-acid) 전지), 및 일반적으로 화학적으로 이용가능한 기전력을 전류로 변환하는 기타 유형의 장치를 포함한다.
배터리는 가끔 "1차" 및 "2차" 유형으로 분류된다. 1차 배터리는 한정된 전기 화학적 용량이 제조업자로부터 제공되고 사용 후 소모되어 버려지는 1회용 장치이다. 2차 배터리는 사용 후 "재충전" 될 수 있고, 그 용량이 무한정은 아니지만 어느 정도까지 방전 처리를 역으로 행함으로써 동일 전지의 반복적 사용이 가능하다.
배터리의 용량을 증가시키기 위해, 전지는 전지의 애노드(음극) 요소와 캐소드(양극) 요소 사이에서 큰 표면적의 장점을 취하도록 구성되고 있다. 이러한 설계 중의 하나는 많은 평행한 판(plate)들을 전해질 용액에 넣어서 애노드와 캐소드 사이에서 이온 전달이 이루어질 수 있게 하는 것을 수반한다. 다른 하나의 설계는 다공성 막으로 애노드 재료와 캐소드 재료의 평면 적층 시트들을 분리시키고, 그 다음에 그 층들을 롤 형태로 감아서("젤리 롤"이라고 부름) 소형이면서 기계적으로 안정된 배터리를 제공하는 것이다. 롤 배터리 설계에서는 애노드, 격리판(separator), 및 캐소드 재료의 다중 교호 시트가 배터리의 공간적 제약을 고려하여 사용되는데, 애노드 시트는 애노드 단자에 집합적으로 접속되고 캐소드 시트는 캐소드 단자에 집합적으로 접속된다. 장치는 원주형으로 또는 프리즘 구성(prismatic configuration)이라고 알려져 있는 다른 기하학적 구성으로 롤 될 수 있다.
전체 장치는 견고한 인클로저, 일반적으로는 원통형 캔 내에 패키지된다. 애노드 및 캐소드 재료 및 단자들은, 의도된 단자를 통하여 이 의도된 단자에 접속된 전기적 부하에 접속되는 것을 제외하고, 배터리의 단락 회로 또는 방전을 방지하기 위해 전기적 접촉이 이루어지는 것이 금지된다.
종래의 배터리 설계에서 나타나는 한가지 문제점은 배터리의 전력 손실 및 내부적인 열소산을 야기하는 배터리 자체의 전기적 임피던스에 있다. 현행 배터리 설계의 다른 하나의 문제점은 일반적으로 전지의 단부들이 원주형 배터리 설계의 어느 한쪽 단부에서 발견되는 애노드 및 캐소드 단자로 잘 일체화되지 않는다는 것 이다. 현행 배터리 설계의 또다른 결점은 특히 고전력 응용에서 양호한 열 응답 및 히트 싱크(heat sink) 능력을 제공할 수 없다는 것이다. 추가적으로, 콜렉터 시트를 이용하는 현행의 배터리 설계에서는 복수의 애노드 또는 캐소드 콜렉터를 함께 접속하는 방법을 제공하지 못한다.
본 발명의 일 태양은 음극 시트와 양극 시트를 포함하고 음극 시트와 양극 시트 사이에 격리판 시트가 배치되며, 양극 시트와 음극 시트 중의 적어도 하나는 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 가진 코일 배터리 어셈블리를 포함하는 전기 화학적 축전 장치를 제공한다. 도전성 가이드 와이어(guidewire)은 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 따라 배치되고, 이로써 전기 화학 축전 장치의 전극 단자와 접속하기에 적합한 전극 엔드캡(endcap)을 형성한다.
본 발명의 다른 하나의 태양은 음극 시트와 양극 시트 사이에 격리판 시트가 배치된 코일 배터리 어셈블리를 형성하도록 음극 시트, 격리판 시트 및 양극 시트를 동축으로 감는 단계를 포함하고, 여기에서 상기 양극 시트와 음극 시트 중의 적어도 하나는 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 것인, 전기 화학 축전 장치를 제조하는 방법을 제공한다. 도전성 가이드 와이어는 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지와 나란하게 배치되어 적어도 그 일부분과 접촉한다. 일단 조립되면, 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지와 가이드 와이어은 전기 화학 축전 장치의 전극 단자에 접속하기에 적합한 전극 엔드캡을 형성한다.
본 발명의 또다른 태양은 적어도 2개의 전기적으로 상보형인 전극 시트를 구비하고 2개의 전기적으로 상보형인 전극 시트 사이에 격리판 시트가 배치되며, 상기 전극 시트 중의 적어도 하나가 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 갖고, 도전성 가이드 와이어가 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 따라 놓여져서 전극 단자와의 접속에 적합한 엔드캡을 형성하는 어셈블리를 포함한 전기 화학 축전 장치를 제공한다. 이 장치는 롤형 또는 스택형 또는 샌드위치형 어셈블리로서 구성될 수 있다.
본 발명의 또다른 태양은 적어도 2개의 전기적으로 상보형인 전극 시트를 구비하고 상기 2개의 전기적으로 상보형인 전극 시트 사이에 격리판 시트가 배치되며, 상기 전극 시트 중의 적어도 하나가 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 가진 적어도 하나의 어셈블리를 포함한 배터리 팩을 제공한다. 상기 어셈블리는 또한 적어도 하나의 전극 시트의 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 따라 놓여지고 그 엣지의 적어도 일부분과 실질적으로 접촉하여 전극 단자와의 접속에 적합한 엔드캡을 형성하는 도전성 가이드 와이어를 포함한다.
본 발명의 여러 가지 목적, 특징 및 장점들은 동일한 참조 부호가 동일한 요소를 나타내고 있는 첨부 도면과 연계한 이하의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 첨부 도면들은 단지 설명을 위한 것이지 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구 범위에 의해 정해진다.
도 1은 종래 기술에 따른 롤형 전기 화학 축전 장치를 나타낸 도이다.
도 2는 도 1의 롤형 장치의 일단부에서 다중 탭이 돌출되어 있는 상태를 보 인 도이다.
도 3은 롤형 장치의 탭 삽입과 함께 종래 기술에 따른 도 1 및 도 2의 장치를 함께 감는(co-wind) 방법을 보인 개략도이다.
도 4는 각종 시트 전극, 격리판 및 가이드 와이어가 롤형으로 함께 감겨진 본 발명의 실시형태에 따른 장치를 일부 절개하여 보인 도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 롤형 전기 화학 축전 장치의 다른 예시적인 모양을 보여주는 도이다.
도 6은 시트 재료의 배열 및 함께 감긴 가이드 와이어를 보여주는 본 발명의 실시형태에 따른 배터리의 애노드 단부의 일부분의 횡단면도이다.
도 7은 캔 및 커버 장치뿐만 아니라 엔드캡(endcap) 및 이 엔드캡 부품을 유지하는 용접을 함께 보여주는, 본 발명의 실시형태에 따른 배터리 장치의 전개도이다.
도 8은 절연 테이프뿐만 아니라 엔드캡 및 그 내부에 구성되는 용접을 캔 안에 롤형 장치를 삽입하는 방법과 함께 보여주는 도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 롤형 전기 화학 축전 장치를 조립 및 제조하는 장치 및 방법의 개념적 예를 보여주는 도이다.
도 10은 실질적으로 평탄한 스택형 또는 샌드위치형 장치를 보여주는 도이다.
도 11은 스택형 장치의 절첩식 또는 아코디언 형의 격리판 부분을 보여주는 도이다.
이하에서는 여기에서 설명하는 방법 및 장치에 도달하기에 적합한 몇가지 실시예를 상세히 설명하는데, 이 설명은 전체적, 총괄적 또는 제한적으로 해석되어서는 안된다.
앞에서 언급한 바와 같이, 배터리는 활성 재료(애노드, 캐소드)와 격리용 박막층을 관련 응용 분야에서 요구되는 각종 기하학적 형상으로 함께 감음(co-winding)으로써 형성되었다. 일부는 원주 형상으로 롤(roll) 되고, 다른 일부는 직사각형 또는 다른 단면 형상을 갖도록 감겨지는데, 이는 "각주" 구성(prismatic configuration)을 갖는다고 말한다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 장치(100)의 일부분을 도시한 것이다. 애노드(104) 및 캐소드(108)의 스트립 또는 시트는 격리판 박막(106)에 의해 분리된다. 애노드(104)와 캐소드(108)의 요소는 특수한 배터리 유형에 따라 정해지고, 전기 전도성 기판 상에 전기 활성 물질, 예를 들면 흑연, 금속 및 기타 물질의 층을 포함한다. 기판은 전류 콜렉터로서 사용된다. 리튬(Li) 이온 배터리에서, 전기 활성 캐소드 물질은 통상적으로 LiCoO2, LiMn2O4, Li(Fe,Mn)PO4, 또는 (Li,Nb)(Fe,Mn)PO4이다. 격리판 박막(106)은 다공성으로 구성되어 애노드(104)와 캐소드(108) 사이에서 이온이 투과할 수 있지만, 전기적으로는 절연되어 2개의 전극을 서로로부터 절연하기 위해 사용된다.
장치(100)는 리본형 재료(102)를 "젤리 롤"(jelly roll)(110) 형태로 함께 감음으로써 형성된다. 배터리 단자들에 전기적 접속을 제공하기 위해, 다수의 도전성 탭(112, 114)이 롤업되기 전에 구조물 내에서 신중하게 선택된 간격으로 용접 또는 다른 접속에 의해 삽입된다. 제1 세트의 탭(112)들은 애노드 재료(104)와 접촉하고, 롤 부분(110)의 일단부에서 그 외향으로 돌출하여 배터리 장치의 애노드 단자를 형성한다. 제2 세트의 탭(114)들은 캐소드 재료(108)와 접촉하고 롤 부분(110)의 다른 단부에서 그 외향으로 돌출하여 배터리 장치의 캐소드 단자를 형성한다. 복수의 돌출된 애노드(112) 및 캐소드(114) 탭 또는 돌출부가 서로에게 및 배터리의 다른 부분에 접속되는 방법은 설계상의 문제이다. 이러한 태양의 롤 배터리에 대한 종래의 설계는 많은 단점이 있었고, 그 단점들 중의 일부는 앞에서 언급하였다. 그 단점들은 예를 들자면 열악한 전기적 특성(예를 들면, 고 임피던스), 열악한 열적 특성(열 소산이 나쁨) 및 열악한 기계적 및 제조상의 특성 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 종래 기술에 따른 장치의 애노드부를 도시한 것으로서, 배터리 장치의 롤 부(110)로부터 돌출한 일군의 콜렉터 탭(112)이 도시되어 있다. "캔"(120)은 젤리 롤 어셈블리 전체를 내장하고 어셈블리에 대한 기계적 보호를 제공하고, 오염을 방지하며 히트 싱크로서 작용하고 캐소드 단자(미도시)를 제공한다. 또한, 종래에도 애노드 돌출부(112)에 접속하기 위한 몇가지 방법이 사용되었지만, 양호한 전기적, 열적 및 기계적 특성을 제공하는 만족할만한 방법은 없었다.
도 3은 도 1의 구조를 생성하기 위해 리본형 재료를 함께 감는(co-wind) 한가지 방법을 도시한 것이다. 일반적으로, 각 구성 재료의 롤이 적당한 공급 속도 로 스풀(spool)되고 전술한 롤 배터리 구조로 함께 감겨진다. 애노드, 캐소드 및 격리판 재료들이 각각의 스풀(404, 406, 402)로부터 공급된다. 애노드 및 캐소드 탭은 예를 들면 감겨진 어셈블리(110)에 적당한 간격으로 탭을 용접하는 장치(408)를 이용하여 삽입된다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 롤 배터리 장치(200)의 예를 도시한 것이다. 롤 부분(210)은 설명을 위하여 일부 절개하여 도시하였다. 롤 부분(210)은 시트 또는 리본형 요소(202)로 형성된다. 캐소드(204)와 애노드(208)의 교호 시트(alternating sheet)들은 격리판 박막 시트(206)에 의해 분리된다. 도 4의 장치(200)는 단일 캐소드(204)와 단일 애노드(208)를 포함하고 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 장치(200)는 다수 개의 캐소드(204) 및 애노드(208)를 포함할 수 있다. 애노드(208)는 전기 전도성 기판, 예를 들면 전류 콜렉터 위에 배치된 전기 활성 물질층을 포함한다. 예를 들면, 리튬 이온 배터리의 애노드 층을 형성하기 위해 종래에 사용되었던 물질들을 본 발명의 설계에서도 사용할 수 있다. 각 애노드(208)는 애노드(208)의 활성 부분으로부터 돌출한 애노드 돌출부(214)를 포함한다. 애노드 돌출부(214)는 애노드(208)와 일체형으로 되거나 애노드(208)에 접착 또는 부착될 수 있다. 애노드 돌출부(214)는 도전성이고 애노드(208)에 대한 전기적 및 열적 접속을 위한 통로를 제공한다. 각 캐소드(204)도 또한 마찬가지로 캐소드(204)의 활성 부분으로부터 돌출한 캐소드 돌출부(212)를 포함한다. 캐소드 돌출부(212)는 캐소드(204)와 일체형으로 되거나 캐소드(204)에 접착 또는 부착될 수 있다. 캐소드(204)는 전기 전도성 기판 위에 배치된 전기 활성 물질층을 포함 한다. 예를 들면, 리튬 이온 배터리의 캐소드 층을 형성하기 위해 종래에 사용되었던 물질들을 본 발명의 설계에서도 사용할 수 있다. 애노드 돌출부(214) 및 캐소드 돌출부(212)는 배터리 장치(200)의 대향 단부에 위치된다. 격리판 박막(206)은 전술한 바와 같이 이온 전도성을 제공하지만 전기 전도는 금지한다.
장치(200)의 일단부에서, 제1 도전성 가이드 와이어(226)가 도전성 애노드 돌출부(214)의 일부분 부근에 배치된다. 가이드 와이어(226)는, 롤 구조물(210)이 코일형 가이드 와이어(226) 및 애노드 돌출부(214)로 구성된 실질적으로 단단하고 콤팩트한 애노드 인터페이스 표면(222)(즉, 애노드 엔드캡(222))을 형성하는 치수를 갖는다. 제2 도전성 가이드 와이어(220)도 마찬가지로 도전성 캐소드 돌출부(212)의 일부분 부근에 배치된다. 조립되었을 때, 가이드 와이어(220)와 캐소드 돌출부(212)는 캐소드 인터페이스 표면(228), 즉 캐소드 엔드캡(228)을 형성한다.
애노드 돌출부(214), 캐소드 돌출부(212) 및 가이드 와이어(220, 226)를 포함한 애노드(208), 캐소드(204) 및 격리판 시트(206)는 중심축(224)을 중심으로 함께 권선되어 롤 구조물(210)을 형성한다. 배터리 전지를 구성하기 위한 임의의 권선(winding) 또는 적층(stacking) 또는 레이어링(layering) 방법 및 설계가 사용될 수 있다. 예시적인 권선 방법 및 장치는 도 9에 도시되어 있으며, 그에 대한 상세는 뒤에서 설명한다. 그러나, 실질적으로 평평한(샌드위치된) 층, 또는 아코디온형 또는 절첩형 또는 팬형 구성으로 형성된 층들이 본 명세서의 교시에 따라 또한 구성될 수 있다. 도 4의 롤 구조물(210)은 중심축(224)을 중심으로 권선된다. 따라서, 각각의 시트형 재료들이 동일한 중심축(224)에 대하여 나선형(단면에서 보았 을 때)을 형성한다.
일단 롤 형태로 권선되면, 애노드 돌출부(214)는 제1 가이드 와이어(226)에 고정된다. 예를 들면, 레이저 용접선 또는 심(seam)이 애노드 돌출부(214)와 제1 가이드 와이어(226)를 기계적, 열적 및 전기적으로 접속하기 위해 적용된다. 캐소드 돌출부도 유사하게 처리된다. 일 실시형태에서, 제1 가이드 와이어(226)는 애노드 돌출부(214)를 제작하는 재료와 동일한 재료로 선택된다. 동일 재료로 이루어진 가이드 와이어와 돌출부를 사용하여, 양호하고 안정된 특성 및 용접 능력을 제공할 수 있다. 애노드 콜렉터 돌출부(214)와 애노드 가이드 와이어(226)는 예를 들면 알루미늄, 구리, 티타늄, 탄소 또는 니켈로 제작될 수 있고, 캐소드 콜렉터 돌출부(212)와 캐소드 가이드 와이어(220)는 알루미늄 또는 기타 적당한 물질로 제작될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 물질의 선택으로 제한되는 것이 아니고, 돌출부(212, 214)와 가이드 와이어(220, 226) 사이에 각각 존재하는 열적, 전기적 및 기계적 특성을 개선하기에 바람직한 기타의 촉매 또는 헬퍼층(helper layer) 및 물질들이 또한 사용될 수 있다.
또한, 가이드 와이어(220, 226)의 형상 및 치수는 설계에 의해 선택된다. 예를 들면, 가이드 와이어(220, 226)는 가이드 와이어가 주변 전지 요소 돌출부와 충분한 전기 기계적 접촉을 제공하도록 롤 구조물(210)에서 엔드캡을 형성하기에 충분한 두께를 가진 직사각형 또는 기타의 단면을 가질 수 있다. 또한, 가이드 와이어(220, 226)는 가이드 와이어의 일부분 및 인접하는 전지 요소 돌출부 사이에 유체의 통과를 가능하게 하는 프로파일을 갖도록 임의의 적당한 방향으로 세로홈이 파이거나(flute), 형상을 갖거나, 노치가 새겨질 수 있다. 특정 실시형태에서, 가이드 와이어(220, 226)는 그 내부에 형성된 홈 또는 노치 컷, 또는 그 외주면에 형성된 나선형 홈을 포함할 수 있다. 홈 또는 노치는 특정 동작 조건 하에서 전지로부터 가스가 빠져나갈 수 있게 하고, 또한 홈 또는 노치(미도시)는 전해질 용액을 배터리 장치의 몸체에 채우거나 또는 가압하는 것을 허용한다.
가이드 와이어(220, 226)는 배터리(200)의 단자와 이 단자가 접속되는 외부 회로 사이에서 저 임피던스 전기 접속을 제공한다.
도 5는 전기 화학 축전 장치(배터리)(200)의 일부에 대한 다른 예를 도시한 것이다. 장치는 명확히 하기 위해 일부는 롤(210) 상태로 도시하고 일부는 언롤(unroll)(202) 상태로 도시하였다. 애노드(208)는 전술한 바와 같이 애노드로부터 돌출한 도전성 콜렉터 돌출부(214)를 가지며, 이 돌출부(214)는 실질적으로 전극 활성 물질이 없고 애노드(208)의 하부 엣지를 따라 연장된다. 캐소드(204)는 유사하게 구성되고(애노드(208)와 물질에만 차이가 있음) 캐소드(204)의 상부 엣지를 따라 연장되는 도전성 콜렉터 돌출부(214)를 갖는다. 일부 실시형태에서, 애노드 콜렉터 돌출부(214)가 돌출되는 애노드(208)의 엣지와, 배터리 장치의 대향하는 단부에 위치하는 캐소드 콜렉터 돌출부(212)가 돌출하는 캐소드(204)의 엣지를 갖는다.
애노드(208), 캐소드(204) 및 격리판 시트(206)를 포함하는 시트 층들은 중심축(224)을 중심으로 함께 권선된다. 애노드 가이드 와이어(226) 및 애노드 돌출부(214)는 다른 시트 재료와 함께 권선되어 롤 구조물(210)의 단부(230)에서 애노 드 도전성 엔드캡(222)을 형성하고, 한편, 캐소드 가이드 와이어(220) 및 캐소드 돌출부(212)는 다른 시트 재료와 함께 유사하게 권선되어 롤 구조물(210)의 대향 단부(232)에서 캐소드 도전성 엔드캡(228)을 형성한다.
시트를 함께 권선한다는 개념은 포괄적으로 해석되어야 한다는 점에 주목한다. 즉, 가이드 와이어(220, 226) 뿐만 아니라 하나 이상의 시트 또는 시트형 재료의 층은 스풀 상에 또는 서로에 대하여 함께 권선되어 각 재료가 나선 구성으로 형성되고, 그 내부에 다른 재료들이 군데군데 넣어진다. 최종적으로 얻어진 결과물은 그 형상이 반드시 원통형일 필요는 없고, 다른 각주 단면 구성을 갖는 것일 수도 있다. 또한 중심축(224)을 중심으로 권취(coiled)되거나 롤(rolled)되거나 권선된다는 것은 층들이 중심축(224)을 중심으로 정확히 원형층을 형성한다는 것을 의미하는 것은 아니다. 다른 롤링 또는 스태킹 구조를 고려할 수 있다. 일부 실시형태에서, 롤은 반경이 일정한 원형 링이라기 보다는 반경이 증가하는 나선 구조를 형성한다.
도 6은 본 발명에 따라 구성된 애노드 돌출부(214) 및 애노드 가이드 와이어(226)를 도시하는 롤형 전기 화학적 축전 장치(배터리)의 단면도의 일부이다. 캐소드 가이드 와이어(220)과 캐소드 돌출부(212)의 부분은 명확성을 위해 생략하였다. 도 6은 설명의 목적으로만 제공된 것이고 그 축척을 정확히 한 것이 아니다. 도 6을 참조하면, 흑연 애노드 활성 물질(208b)은 구리 애노드 콜렉터(208a)를 둘러싼다. 애노드 활성 물질(208b)과 애노드 기판(208a)은 종합하여 애노드(208)라고 부른다. 애노드 돌출부(214)는 애노드 기판(208a)에 접속되고(또는 일체형으로 되고) 코팅된 활성 애노드 물질(208b)을 넘어서 연장한다. 애노드 돌출부(214)는 가이드 와이어(226)와 활성 물질 전극 또는 격리판 시트(206)의 다른 층들 사이에 전기적 접촉이 없이 콜렉터 돌출부(214)의 연속적인 권선 사이에서 가이드 와이어(226)의 설치를 가능하게 하는 충분한 간격만큼 코팅 활성 애노드 요소(204)를 넘어서 연장한다. 도면에서 가이드 와이어(226)과 다른 시트 재료들 사이에는 높이 간격 "z"가 주어진다.
가이드 와이어(226)는 구리로 만들어지고, 치수가 "x"와 "y"인 직사각형 단면을 갖는다. 치수 "x"와 "y"는 여러가지 인자에 의존하지만, 하나 이상의 실시형태에서 "x"는 약 300 마이크로미터이고 "y"는 약 1. 5 mm이다. 일부 실시형태에서는 치수 "y"를, 또는 치수 "z"를, 또는 이들 둘 다를 최소화하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 전형적으로 가이드 와이어(226)의 두께(치수 "x")는 애노드 구리 콜렉터 돌출부(214)의 연속적인 권선 간의 간격과 대략 동일하게 하는 것이 유용하다. 이러한 방법으로, 콜렉터 돌출부(214)와 가이드 와이어(226) 간에 전기적 및 기계적 접촉이 이루어진다. 일부 실시형태에서, 전지 내에서 전극의 전체 용적을 증가시키기 위해 치수 "y"를 최소화하는 것이 바람직하다. 대안적으로, 치수 "y"는 고속 권선 중에 기계적 안정성을 제공하고 가이드 와이어(226)이 전류 콜렉터 돌출부(214)에 접속되는 동작시의 젤리 롤에 대한 손상을 방지할 정도로 충분히 크다. 열적 보호의 향상을 요구하는 실시형태에서, 치수 "y"는 전지를 과열로부터 보호하는데 필요한 원하는 열 성분을 만족시키도록 열용량 생성을 증가시키기 위해, 증가될 수 있다.
캐소드 활성 재료(204b)는 알루미늄 캐소드 콜렉터(204a)를 둘러싼다. 캐소드 활성 재료(204b)와 캐소드 기판(204a)은 종합하여 캐소드(204)라고 부른다. 알루미늄으로 구성되는 캐소드 돌출부(212)는 캐소드 기판(204a)에 접속되고(또는 일체형으로 되고) 코팅된 활성 캐소드 재료(204b)를 넘어서 연장한다. 캐소드 돌출부(212)는 가이드 와이어(220)와 활성 물질 전극 또는 격리판 시트(206)의 다른 층들 사이에 전기적 접촉이 없이 콜렉터 돌출부(212)의 연속적인 권선 사이에서 가이드 와이어(220)의 설치를 가능하게 하는 충분한 간격만큼 코팅 활성 캐소드 재료(204b)를 넘어서 연장한다. 비록 도 6에 도시하지는 않았지만, 가이드 와이어(220)는 가이드 와이어(226)와 관련하여 앞에서 설명한 것과 유사한 방법으로 캐소드 돌출부(212) 및 캐소드(204)에 대하여 구성되고 배열된다. 가이드 와이어(220)는 캐소드 돌출부(212)를 형성하기 위해 사용된 것과 동일한 물질인 알루미늄으로 제조된다.
전극 콜렉터 돌출부(212, 214)와 가이드 와이어(220, 226) 사이에서 바람직한 전기적, 열적 및 기계적 접속의 형성을 돕기 위하여, 캐소드 돌출부(212)와 가이드 와이어(220)의 연속된 부분을 가로질러 용접 결합이 제공되어 캐소드 엔드캡(228)을 형성하고, 애노드 돌출부(214)와 가이드 와이어(226)의 연속된 부분을 가로질러 다른 용접 결합이 유사하게 적용되어 애노드 엔드캡(222)을 형성한다.
도 7은 롤 배터리 장치(200)의 캐소드 엔드캡(228)을 구조적으로 유지하기 위해 용접이 어떻게 제공되는지를 도시한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 요소(202)들을 롤링함으로써 캐소드 엔드캡(228)을 형성한 후, 엔드캡(228)의 동일하게 이격 된 사분면을 형성하는 2개의 방사상 용접(302)을 캐소드 돌출부(212) 및 가이드 와이어(220)(개별적으로 도시되어 있지 않음)의 연속된 부분을 가로질러 적용한다. 비록, 도 7에서는 엔드캡(228)을 형성하기 위해 2개의 용접(302)이 사용되는 것으로 도시되어 있지만, 엔드캡(228)을 적절히 고정하기 위해 임의 갯수의 용접이 적절히 사용될 수 있다. 애노드 캡(222)은 유사한 용접(302)(미도시)을 사용함으로써 고정될 수 있다.
용접(302)이 적용된 후에, 캐소드 엔드캡(228)은 커버(310)에 접속된다. 커버(310)는 배터리를 외부 전기 회로에 접속하는데 사용되는 도전성 중앙 단자(304)를 갖는다. 도전성 중앙 단자(304)는 이것에 접속된 전극 엔드캡의 가이드 와이어, 예를 들면 캐소드 엔드캡(228)의 가이드 와이어(220)를 형성하는데 사용된 것과 동일한 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 커버(310)는 중앙 단자(304) 주변에 배치된 절연 링(308)과 외부 도전성 링(306)을 더 포함한다. 일단 조립되면, 롤 어셈블리(210)의 캐소드 엔드캡(228)과 커버(310)의 중앙 단자(304) 사이에 전기 전도성 통로가 존재한다. 그 다음에, 롤 어셈블리(210)는 도전성 캔(120)에 삽입되고 애노드 엔드캡(222)은 애노드 엔드캡(222)의 일부를 예컨대 캔(120)의 내측 단부에 용접함으로써 금속 캔(120)에 접속된다. 그 다음에, 커버(310)가 예를 들면 용접에 의해 캔(120)에 부착된다. 전해질은 커버(310)가 캔(120)에 부착된 후에 캔(120)과 커버(310)에 의해 형성되는 내부 용적에 포트(도시 생략됨)를 통해 도입된다. 포트는 용적이 충분히 채워진 후에 메꿔진다. 포트는 커버(310)에 설치되거나, 또는 대안적으로 캔(120)에 설치될 수 있다. 대안적으로, 전해질은 커 버(310)를 부착하기 전에 캔(120)의 내부 용적에 도입될 수 있다. 조립 후에는 롤 어셈블리(210)의 애노드 엔드캡(222)과 캔(120) 사이에 전기 전도성 통로가 존재한다. 대조적으로, 캐소드 엔드캡(228)은 캔(120)으로부터 전기적으로 격리된다. 캔(120)과 커버(310)의 구성 및 기타의 상세는 배터리가 설계되는 응용 분야에 따라 달라질 수 있다.
일부 실시형태에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 캐소드 엔드캡(228)이 금속 캔(120)으로부터 전기적으로 격리되는 것을 더욱 보장하기 위해 절연 테이프(320)를 사용한다. 도 8은 캐소드 콜렉터 돌출부(212)의 나선형으로 권선된 층들 및 엔드캡(228)의 표면에 구성된 용접 결합(302)에 의해 부착된 가이드 와이어(220)를 포함하는, 엔드캡(228)의 최종 모양을 또한 보여주고 있다.
용접 결합(302)은 유사한 응용을 행할 수 있는 임의의 적당한 방법에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들면, 레이저 용접, 스폿 용접, 초음파 용접 또는 다른 유형의 부착이 사용될 수 있다. 또한, 용접 결합(302)은 엔드캡(228)의 표면을 가로질러 모든 방향으로 연장될 필요는 없고, 예를 들면 엔드캡(228)의 방사상 스팬을 엇갈리게 교차하는 소형 용접과 같이, 실질적으로 동일한 효과를 달성하는 복수의 별도의 용접으로 구성될 수도 있다.
도 9는 여기에서 설명하는 롤 배터리 장치를 제조하기 위한 장치 및 방법을 예시적으로 도시한 것이다. 스풀(403, 407)은 격리판 박막 시트(206)를 고정한다. 스풀(405)은 애노드 전극 시트 재료(208)를 고정하고, 스풀(409)은 캐소드 전극 시트 재료(204)를 고정한다. 스풀(411)은 가이드 와이어(226)를 고정하고 스풀(413) 은 캐소드 가이드 와이어(220)를 고정한다.
시트 및 가이드 와이어 재료들은 스풀(415)에 함께 권선되고, 다른 처리 장치 및 단계들이 배터리의 롤 부분(210)의 제조를 완성하기 위해 필요에 따라 부가될 수 있다.
일단 롤(210)이 형성되면, 그 엔드캡(222, 228)이 전술한 바와 같이 용접되고 롤 구조물(210)이 예를 들면 알루미늄 캔(120)인 금속 캔에 삽입된다. 엔드캡(222, 228)은 캔(120) 또는 커버(310)에 추가로 용접되거나 적당히 부착될 수 있다. 만일 알루미늄 캔이 리튬 이온 화학 성질에 사용되면, 캐소드 엔드캡(228)이 캔(120)에 부착되고 애노드 엔드캡(222)이 커버(310)의 중앙 단자(304)에 부착될 수 있다. 그러나, 스틸이 사용되면, 애노드 엔드캡(222)은 대안적으로 캔에 접속될 수 있고 캐소드 엔드캡(228)은 커버의 단자에 접속될 수 있다.
전해질 충전재 용액 및 겔(gel)은 진공 배면 충전(vacuum back-filling)과 같은 공지 기술을 이용하여 기형성된 배터리 롤에 삽입할 수 있다. 배터리 롤(210)이 이와 같이 충전될 수 있는 하나의 방법은 배터리의 충전 및 방전 중에 가스 교환을 또한 허용한다. 이것은 가이드 와이어 또는 콜렉터 돌출부가 그 내부에 형성된 홈 또는 노치를 갖고 있어서 기밀 봉합이 형성되는 것을 방지하고 상기 홈 및 노치를 통하여 용액 또는 가스가 통과할 수 있게 함으로써 가능해진다.
추가적인 전기적, 열적 및 기계적 유용성을 제공하기 위해, 가요성의 도전성 요소를 엔드캡(222, 228)과 각각의 외부 배터리 케이싱 요소, 예를 들면, 캔(120)과 커버(310) 사이에 삽입될 수 있다. 예를 들면, 용접되거나 압축 고정되는 스프 링 부하식 격리판(spring-loaded separator)이 사용될 수 있다. 일부 예에서, 엔드캡과 외부 배터리 케이싱 요소 사이의 필요한 결합을 제공하기 위해 파형 와셔(wavy-washer)형 장치가 사용될 수 있다. 다른 예에서, 도전성 및 가요성의 넓은 스트랩이 엔드캡과 배터리 캔 또는 단자에 용접되고, 그 자체를 위로 구부려서 전기적 코넥터와 스프링(동적 힘)을 제공할 수 있다.
종래의 배터리 설계가 원하는 결과를 갖는 고전력 응용을 제공하기 위해 현재 분투하고 있지만, 여기에서 설명하는 실시형태에는 감소된 임피던스 설계가 가능해서 고전력 및 고전류 응용을 위한 개선된 전기적 특성을 제공할 수 있다. 배터리 전지 내부 요소 및 엔드캡의 낮은 저항성은 배터리로부터의 열 발생 및 소산을 또한 감소시킨다. 여기에서 설명한 엔드캡 및 콜렉터 돌출부에 대한 그 부착 방법은 외부 배터리 요소에 대한 양호한 히트 싱크를 제공하고 배터리 내에서의 바람직하지 않은 열 발생을 방지한다.
고전력용으로 구성된 LiFePO4 흑연 화학 조성을 가진 리튬 이온 전지에서, 전극들은 전류 콜렉터의 양 측면을 전기 활성 물질로 코팅하는 종래의 처리법을 이용하여 제조된다. 하나 이상의 실시형태에서, 양측의 캐소드 및 애노드의 두께는 각각 200 미크론 및 100 미크론이다. 애노드 및 캐소드 전류 콜렉터의 두께는 약 12 미크론이다. 격리판의 두께는 약 25 미크론이다. 약 0. 16×0. 32 mm(횡단면)의 치수를 가진 알루미늄 및 구리의 가이드 와이어는 롤 배터리 구성, 예를 들면 "18650" 구성으로 동심적으로 권선된다.
캐소드와 애노드의 길이는 각각 약 55cm와 61cm이다. 레이저 용접은 애노드 및 캐소드의 돌출된 전류 콜렉터에 가이드 와이어를 접속하기 위해 사용된다. 구리 및 알루미늄 스트랩(8mm×0. 1mm×2. 0cm)은 스틸 캔 및 헤더에 젤리 롤을 각각 접합하기 위해 사용된다. 전지의 기동 후, 18650 기반 구성의 1000Hz 임피던스는 약 10. 5 밀리옴(milliohm)이었다. 전지는 고전류 또는 계속적인 고전류 방전에서 펄스될 때 낮은 자기 발열(self-heating)을 나타내었다. 이 임피던스는 전지에서 사용된 전극의 길이와 관련이 있고, 유사한 구성을 가진 "26650" 구성 전지의 1000Hz 임피던스는 약 8. 5 밀리옴이었다.
도 10은 본 발명에 따라 구성된 전기 화학 축전 장치의 스택형 실시형태를 도시한 것이다. 전극들(204a, 208a) 사이에는 2개의 격리판 시트(206a)가 위치된다. 가이드 와이어(220a, 226a)는 각각 돌출부(212a, 214a) 부근에 위치된다. 최종 제품은 격리판과 전극 재료의 비교적 평평한 스택형 시트를 포함하고, 가이드 와이어도 역시 평면 스택형 시트의 직선 프로파일과 일치하도록 직선으로 된다.
도 11은 격리판 시트(2006)가 접힘부(2006a, 2006b)를 포함하는 아코디언 형식으로 접어진다. 전극 재료의 다른 시트(2004, 2008)들은 접어진 격리판(2006)에 의해 만들어진 형상의 서로 대향하게 위치된다. 그 다음에, 엔드캡과 단자 접속이 어셈블리에 추가되어 배터리 장치를 형성한다. 이 구성은 도 10의 스택형 구성과 마찬가지로, 관련 설계에서 필요에 따라 다수의 층들을 포함하도록 확장될 수 있다(도시 생략됨).
상기 실시형태의 설명에 비추어서, 당업자라면 본 발명의 범위에서 벗어남 없이, 상기 설명된 각종 태양의 유용한 수정 및 등가적인 교체를 생각해 낼 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명한 특정 실시예로 제한되는 것이 아니다.

Claims (31)

  1. 전기 화학 축전 장치에 있어서,
    음극 시트, 양극 시트 및 음극 시트와 양극 시트 사이에 배치된 격리판 시트를 포함하고, 양극 시트와 음극 시트 중의 적어도 하나는 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 갖는 것인 코일형 어셈블리;
    실질적으로 전극 활성 물질이 없는 전극 시트의 엣지 주변에 배치된 도전성 가이드 와이어를 포함하며,
    상기 도전성 가이드 와이어와 상기 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지는 전극 엔드캡을 구획하는 것인 전기 화학 축전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 가이드 와이어의 두께는 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 전극 시트의 엣지의 인접하는 부분들 사이에 존재하는 방사상 간극(spacing)과 실질적으로 동일한 것인 전기 화학 축전 장치.
  3. 제1항에 있어서, 가이드 와이어의 물리적 치수는 선택된 열적 히트 용량을 제공하도록 선택되는 것인 전기 화학 축전 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극 시트 중의 하나는 전류 콜렉터 시트의 대향면의 일부분에 배치된 활성 물질층을 가진 전류 콜렉터 시트를 포함하는 것인 전기 화학 축전 장치.
  5. 제1항에 있어서, 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 가진 음극 시트;
    실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 가진 양극 시트;
    실질적으로 전극 활성 물질이 없는 음극 시트의 엣지 주변에 배치된 제1 도전성 가이드 와이어;
    실질적으로 전극 활성 물질이 없는 양극 시트의 엣지 주변에 배치된 제2 도전성 가이드 와이어를 더 포함하며,
    상기 제1 도전성 가이드 와이어와 상기 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 음극 시트의 엣지는 제1 전극 엔드캡을 구획하고, 상기 제2 도전성 가이드 와이어와 상기 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 양극 시트의 엣지는 제2 전극 엔드캡을 구획하는 것인 전기 화학 축전 장치.
  6. 제5항에 있어서, 제1 전극 엔드캡과 제2 전극 엔드캡은 코일형 어셈블리의 서로 대향하는 단부에 배치되는 것인 전기 화학 축전 장치.
  7. 제5항에 있어서, 제1 전극 엔드캡은 캐소드 엔드캡을 구획하고 제2 전극 엔드캡은 애노드 엔드캡을 구획하는 것인 전기 화학 축전 장치.
  8. 제7항에 있어서, 도전성 부분을 가진 하우징 및 도전성 단자를 가진 커버를 더 포함하고,
    캐소드 엔드캡은 커버의 도전성 단자에 전기적으로 접속되고 애노드 엔드캡은 하우징의 도전성 부분에 전기적으로 접속되는 것인 전기 화학 축전 장치.
  9. 제8항에 있어서, 캐소드 엔드캡을 커버에 전기적으로 접속하는 가요성의 도전성 부재를 더 포함하는 전기 화학 축전 장치.
  10. 제7항에 있어서, 도전성 부분을 가진 하우징 및 도전성 단자를 가진 커버를 더 포함하고,
    애노드 엔드캡은 커버의 도전성 단자에 전기적으로 접속되고 캐소드 엔드캡은 하우징의 도전성 부분에 전기적으로 접속되는 것인 전기 화학 축전 장치.
  11. 제10항에 있어서, 애노드 엔드캡을 커버에 전기적으로 접속하는 가요성의 도전성 부재를 더 포함하는 전기 화학 축전 장치.
  12. 제5항에 있어서, 음극 시트와 제1 도전성 가이드 와이어는 모두 알루미늄으로 구성되고, 양극 시트와 제2 도전성 가이드 와이어는 모두 구리로 구성되는 것인
    전기 화학 축전 장치.
  13. 제1항에 있어서, 전극 엔드캡의 표면의 일부에 배치된 용접부를 더 포함하는 전기 화학 축전 장치.
  14. 제13항에 있어서, 용접부는 레이저 용접에 의해 형성되는 것인 전기 화학 축전 장치.
  15. 제13항에 있어서, 용접부는 전극 엔드캡을 구획하는 전극 시트의 엣지와 도전성 가이드 와이어의 연속적인 권선을 통하여 전기적 접속을 형성하는 것인 전기 화학 축전 장치.
  16. 제13항에 있어서, 용접부는 전극 엔드캡의 표면에서 방사상으로 배치되는 것인 전기 화학 축전 장치.
  17. 제1항에 있어서, 음극 시트, 양극 시트, 격리판 시트 및 도전성 가이드 와이어는 공통 축을 중심으로 권취되어 실질적으로 원주형 프로파일을 가진 실질적으로 동심 권선을 형성하는 것인 전기 화학 축전 장치.
  18. 제1항에 있어서, 음극 시트, 양극 시트, 격리판 시트 및 도전성 가이드 와이어는 공통 축을 중심으로 권취되어 실질적으로 각주형 프로파일을 가진 실질적으로 동심 권선을 형성하는 것인 전기 화학 축전 장치.
  19. 제1항에 있어서, 전극 엔드캡은 유체 통로를 더 포함하는 것인 전기 화학 축전 장치.
  20. 전기 화학 축전 장치의 제조 방법에 있어서,
    음극 시트와 양극 시트 사이에 격리판 시트를 배열하고, 상기 양극 시트와 음극 시트 중의 적어도 하나는 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 영역을 갖는 것인 배열 단계;
    실질적으로 전극 활성 물질이 없는 전극 시트의 영역 주변에 도전성 가이드 와이어를 배치하고, 상기 도전성 가이드 와이어와 상기 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 전극 시트의 영역은 전극 엔드캡을 형성하는 것인 배치 단계
    를 포함하는 것인 전기 화학 축전 장치 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 음극 시트, 격리판 시트, 양극 시트 및 도전성 가이드 와이어를 공통 축을 중심으로 권취하여 코일형 어셈블리를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 전기 화학 축전 장치의 제조 방법.
  22. 제20항에 있어서, 격리판 시트를 음극 시트와 양극 시트 사이에 배열하는 단계는 스택형 어셈블리를 형성하도록 격리판 시트를 음극 시트와 양극 시트 사이에 적층하는 것을 포함하는 것인 전기 화학 축전 장치의 제조 방법.
  23. 제20항에 있어서, 가이드 와이어를 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 전극 시트의 영역에 고정하도록 전극 엔드캡의 표면의 적어도 일부를 가로질러 용접을 제공하는 단계를 더 포함하는 전기 화학 축전 장치의 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서, 용접부는 전극 엔드캡의 표면의 일부분에 방사상으로 배치되는 것인 전기 화학 축전 장치의 제조 방법.
  25. 제20항에 있어서, 전극 엔드캡을 외부 회로의 단자에 접속될 수 있는 전기 화학 축전 장치의 단자에 전기적으로 접속하는 단계를 더 포함하는 것인 전기 화학 축전 장치의 제조 방법.
  26. 전기 화학 축전 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    실질적으로 전극 활성 물질이 없는 영역을 가진 음극 시트를 제공하는 단계;
    실질적으로 전극 활성 물질이 없는 영역을 가진 양극 시트를 제공하는 단계;
    음극 시트와 양극 시트 사이에 격리판 시트를 배열하는 단계;
    제1 도전성 가이드 와이어를 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 음극 시트의 영역 주변에 배치하는 단계;
    제2 도전성 가이드 와이어를 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 양극 시트의 영역 주변에 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 도전성 가이드 와이어와 상기 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 음극 시트의 영역은 제1 전극 엔드캡을 구획하고, 상기 제2 도전성 가이드 와이어와 상기 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 양극 시트의 영역은 제2 전극 엔드캡을 구획하는 것인 전기 화학 축전 장치의 제조 방법.
  27. 제26항에 있어서, 제1 가이드 와이어를 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 음극 시트의 영역에 고정하도록 제1 전극 엔드캡의 표면의 적어도 일부를 가로질러 용접을 제공하는 단계와;
    제2 가이드 와이어를 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 양극 시트의 영역에 고정하도록 제2 전극 엔드캡의 표면의 적어도 일부를 가로질러 용접부를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 전기 화학 축전 장치의 제조 방법.
  28. 제26항에 있어서, 제1 전극 엔드캡을 전기 화학 축전 장치의 제1 단자에 전기적으로 접속하는 단계와;
    제2 전극 엔드캡을 전기 화학 축전 장치의 제2 단자에 전기적으로 접속하는 단계를 더 포함하고, 상기 전기 화학 축전 장치의 제1 및 제2 단자는 외부 회로의 단자에 접속가능한 것인
    전기 화학 축전 장치의 제조 방법.
  29. 배터리 팩 장치에 있어서,
    2개의 전기적 상보형 전극 시트 사이에 배치된 격리판 시트를 갖고, 적어도 하나는 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지를 갖는 것인 적어도 2개의 전기적 상보형 전극 시트를 포함하는 적어도 하나의 어셈블리;
    실질적으로 전극 활성 물질이 없는 전극 시트의 엣지 부근에 배치된 도전성 가이드 와이어를 또한 포함하며, 상기 가이드 와이어와 상기 실질적으로 전극 활성 물질이 없는 엣지는 전극 단자를 구획하는 것인 적어도 하나의 어셈블리를 포함하는 것인 배터리 팩 장치.
  30. 제29항에 있어서, 제1 어셈블리와 제2 어셈블리는 전기적으로 직렬 접속된 것인 배터리 팩 장치.
  31. 제29항에 있어서, 제1 어셈블리와 제2 어셈블리는 전기적으로 병렬 접속된 것인 배터리 팩 장치.
KR1020067025106A 2004-04-30 2005-04-28 저 임피던스 적층 배터리 장치 및 그 제조 방법 KR20070064555A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US56688804P 2004-04-30 2004-04-30
US60/566,888 2004-04-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070064555A true KR20070064555A (ko) 2007-06-21

Family

ID=34967608

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067025106A KR20070064555A (ko) 2004-04-30 2005-04-28 저 임피던스 적층 배터리 장치 및 그 제조 방법

Country Status (9)

Country Link
US (1) US7867651B2 (ko)
EP (1) EP1743393A1 (ko)
JP (1) JP5014982B2 (ko)
KR (1) KR20070064555A (ko)
CN (1) CN100541881C (ko)
AU (1) AU2005241927B2 (ko)
CA (1) CA2564978A1 (ko)
TW (1) TWI369013B (ko)
WO (1) WO2005109551A1 (ko)

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101174681B (zh) 2006-10-30 2010-05-12 比亚迪股份有限公司 极片复合体、电芯和锂离子电池
US20080240480A1 (en) * 2007-03-26 2008-10-02 Pinnell Leslie J Secondary Batteries for Hearing Aids
US20080248375A1 (en) * 2007-03-26 2008-10-09 Cintra George M Lithium secondary batteries
US20080241645A1 (en) * 2007-03-26 2008-10-02 Pinnell Leslie J Lithium ion secondary batteries
JP5205805B2 (ja) * 2007-05-16 2013-06-05 ソニー株式会社 バッテリパック
EP2001073B1 (en) 2007-06-06 2012-02-22 Nissan Motor Co., Ltd. Secondary battery and method of producing the secondary battery
CN101409347B (zh) * 2007-10-11 2011-01-12 比亚迪股份有限公司 一种锂离子电池负极片及其制备方法
CN101453002A (zh) * 2007-11-29 2009-06-10 比亚迪股份有限公司 一种电池及其制备方法
CN201146200Y (zh) * 2007-12-18 2008-11-05 比亚迪股份有限公司 一种电池组用壳体及包括该壳体的电池组
US8420254B2 (en) * 2007-12-25 2013-04-16 Byd Co. Ltd. End cover assembly for an electrochemical cell
US8276695B2 (en) * 2007-12-25 2012-10-02 Byd Co. Ltd. Battery electrode sheet
US8092936B2 (en) * 2007-12-25 2012-01-10 Byd Co. Ltd. Electrochemical cell having a coiled core
US20090159354A1 (en) * 2007-12-25 2009-06-25 Wenfeng Jiang Battery system having interconnected battery packs each having multiple electrochemical storage cells
CN101740747B (zh) * 2008-11-27 2012-09-05 比亚迪股份有限公司 一种硅负极和含有该硅负极的锂离子电池
CN201436692U (zh) * 2009-02-12 2010-04-07 上海比亚迪有限公司 一种圆柱形锂二次电池盖帽组件及使用该盖帽组件的电池
CN101859885A (zh) * 2009-04-09 2010-10-13 上海比亚迪有限公司 一种电池极片,其制备方法及包含该极片的二次电池
CN201397857Y (zh) * 2009-05-07 2010-02-03 东莞新能源科技有限公司 具有散热性能的动力型锂离子电池
KR20130108387A (ko) * 2010-10-15 2013-10-02 에이일이삼 시스템즈 인코포레이티드 일체형 배터리 탭
US20140193682A1 (en) * 2011-08-30 2014-07-10 Shinji Suzuki Lithium ion secondary battery and method for manufacturing lithium ion secondary battery
JP2016505084A (ja) 2013-01-23 2016-02-18 カラーマトリックス ホールディングス インコーポレイテッドＣｏｌｏｒｍａｔｒｉｘ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ，Ｉｎｃ． ポリマー材料
TWI500200B (zh) * 2014-04-21 2015-09-11 Amita Technologies Inc Ltd 用於電極片的貼膠方法及其裝置
WO2020096973A1 (en) * 2018-11-05 2020-05-14 Tesla, Inc. A cell with a tabless electrode
EP3916869A1 (de) * 2020-05-29 2021-12-01 VARTA Microbattery GmbH Lithium-ionen-zelle mit hoher spezifischer energiedichte
EP3916841B1 (de) * 2020-05-29 2022-09-14 VARTA Microbattery GmbH Lithium-ionen-zelle mit hoher spezifischer energiedichte
EP3916877A1 (de) * 2020-05-29 2021-12-01 VARTA Microbattery GmbH Energiespeicherzelle und herstellungsverfahren
EP3916827A1 (de) * 2020-05-29 2021-12-01 VARTA Microbattery GmbH Lithium-ionen-zelle mit hoher energiedichte
EP3916868A1 (de) * 2020-05-29 2021-12-01 VARTA Microbattery GmbH Energiespeicherzelle und herstellungsverfahren
US20230238569A1 (en) * 2020-06-09 2023-07-27 Varta Microbattery Gmbh Lithium-ion cell with a high specific energy density
US20230223658A1 (en) * 2020-06-19 2023-07-13 Varta Microbattery Gmbh Lithium-ion cell with a high specific energy density
WO2022034156A1 (de) * 2020-08-11 2022-02-17 Varta Microbattery Gmbh Energiespeicherzelle und herstellungsverfahren
WO2023275696A1 (en) * 2021-06-27 2023-01-05 Abhishek Kumar Tiwari High energy battery with low thermal resistance and improved temperature control
EP4117106A1 (de) 2021-07-09 2023-01-11 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Gemeinnützige Stiftung Elektrochemische zelle mit verlustarmem anschluss zwischen elektrode und gehäuse
EP4336632A1 (de) 2022-09-07 2024-03-13 VARTA Microbattery GmbH Energiespeicherelement und verfahren zum herstellen eines solchen energiespeicherelements

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS606073B2 (ja) * 1979-11-07 1985-02-15 松下電器産業株式会社 渦巻電極体を備えた電池の製造法
US5439760A (en) * 1993-11-19 1995-08-08 Medtronic, Inc. High reliability electrochemical cell and electrode assembly therefor
JP3707109B2 (ja) * 1995-09-27 2005-10-19 ソニー株式会社 二次電池
JP3633056B2 (ja) * 1995-09-27 2005-03-30 ソニー株式会社 二次電池
JP3470470B2 (ja) * 1995-09-27 2003-11-25 ソニー株式会社 円筒形二次電池
JPH0992335A (ja) * 1995-09-27 1997-04-04 Sony Corp 円筒形二次電池
US5849431A (en) 1995-09-27 1998-12-15 Sony Corporation High capacity secondary battery of jelly roll type
ZA986942B (en) * 1997-08-08 1999-02-08 Duracell Inc Reinforced coiled electrode assemblies and methods of producing same
JPH1197068A (ja) * 1997-09-22 1999-04-09 Toray Ind Inc 電 池
JP3831525B2 (ja) * 1998-06-30 2006-10-11 三洋電機株式会社 電池
JP2000243396A (ja) * 1999-02-23 2000-09-08 Hitachi Ltd リチウム二次電池とその製造方法及びその負極材並びに電気機器
JP3334683B2 (ja) * 1999-06-28 2002-10-15 エヌイーシートーキン株式会社 非水電解液二次電池およびその製造方法
JP2004071577A (ja) * 2003-08-22 2004-03-04 Ube Ind Ltd 非水電解質

Also Published As

Publication number Publication date
CN100541881C (zh) 2009-09-16
US7867651B2 (en) 2011-01-11
US20050277019A1 (en) 2005-12-15
CA2564978A1 (en) 2005-11-17
JP5014982B2 (ja) 2012-08-29
CN1998101A (zh) 2007-07-11
AU2005241927A1 (en) 2005-11-17
JP2007535796A (ja) 2007-12-06
TW200537721A (en) 2005-11-16
WO2005109551A1 (en) 2005-11-17
AU2005241927B2 (en) 2010-10-28
TWI369013B (en) 2012-07-21
EP1743393A1 (en) 2007-01-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20070064555A (ko) 저 임피던스 적층 배터리 장치 및 그 제조 방법
KR102084659B1 (ko) 일체형 배터리 탭
RU2510547C2 (ru) Батарея
US7824794B2 (en) Battery having simplified arrangement for insulating electrode assembly
CA2297845C (en) Thermal conductor for high-energy electrochemical cells
CN113273020B (zh) 具有带槽的垫片的助听器
US8734983B2 (en) Housing for electrochemical devices
US6858345B2 (en) Wound bipolar lithium polymer batteries
JP4672678B2 (ja) 電池モジュール
KR20080005623A (ko) 이차전지용 안전부재
CN118137034A (zh) 能量存储模块
US20240055741A1 (en) Electrode assembly and secondary battery comprising the same
KR20160129571A (ko) 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지
JP2005166664A (ja) 二次電池
KR100515832B1 (ko) 이차전지의 전극 조립체
KR100960619B1 (ko) 전극조립체 전극 리드 연결부를 포함하는 전극조립체 및 이를 포함하고 있는 전기화학셀
JP3588264B2 (ja) 二次電池
CN109643821A (zh) 电极组件以及包括该电极组件的可再充电电池
KR102232115B1 (ko) 버스바를 적용한 배터리 셀
CN117855737A (zh) 具有壳体、电池元件复合体和导引元件的电池
US20050266308A1 (en) Conductive element between terminal and collector

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid