KR20100070358A - 내부 접촉이 개선된 전기 화학 전지 - Google Patents

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데이비드 에이 캐플린
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에버레디 배터리 컴퍼니, 인크.
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Abstract

본 발명은 스트립형 전극을 구비하고 전극 중 하나의 리드 및 전지 용기의 측벽 사이에 압력 접촉을 갖는 전기 화학 배터리 전지에 관한 것이다. 상기 전기 화학 전지는 별도의 집전 장치를 포함하지 않는 리튬 호일 음극과 직접 압력 접촉하고 전지 용기의 내부와 접촉하는 내부 리드를 갖는 나선형으로 권취된 전극 어셈블리를 구비하며, 상기 리드 및 리튬 호일 사이의 특별한 접촉은 용기 및 호일 사이에 전류 흐름을 제공한다.

Description

내부 접촉이 개선된 전기 화학 전지{ELECTROCHEMICAL CELL WITH IMPROVED INTERNAL CONTACT}
본 발명은 스트립형 전극을 구비하고 전극 중 하나의 리드 및 전지 용기의 측벽 사이에 압력 접촉을 갖는 전기 화학 배터리 전지에 관한 것이다. 추가의 실시양태에서, 본 발명은 별도의 집전 장치를 포함하지 않는 리튬 호일 음극과 직접 압력 접촉하고 전지 용기의 내부와 접촉하는 내부 리드를 갖는 나선형으로 권취된 전극 어셈블리를 구비한 전기 화학 전지에 관한 것으로, 상기 리드 및 리튬 호일 사이의 특별한 접촉은 용기 및 호일 사이에 전류 흐름을 제공한다.
인접하는 양극 및 음극 스트립을 구비하는 전지는 양호한 고속 방전 성능을 제공하는 데 사용될 수 있다. 이러한 스트립을 포함하는 전극 어셈블리는 하나 이상의 평면형, 폴드형 또는 나선 권취형 양극 및 음극 쌍을 포함할 수 있다. 전지는 전극 중 하나와 전기적으로 접촉하는 전기 전도성 금속으로 제조된 용기를 포함하는 하우징을 가질 수 있다. 이러한 전지에서 전지 용기는 외부 접촉 단자에 대한 전기 접촉으로서 작용하거나 또는 이러한 전기 접촉을 제공할 수 있다.
전기 전도성 리드는 전극 및 용기 또는 용기의 일부를 덮는 커버와 같은 또다른 전지 부품 사이에 전기 접촉을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 리드는 와이어, 스트립 및 스프링과 같은 다양한 형태 및 형상일 수 있으며 고정(예컨대, 용접) 및 압력에 의한 것과 같은 다양한 방법으로 용기 또는 커버에 연결될 수 있다.
미국 특허 출원 공보 2004/0185332호, 2005/0238956호 및 2006/0147792호는 음극에 리드를 연결하기 위한 다양한 구성을 갖는 전기 화학 전지에 관한 것이다.
전극 리드를 전극 집전 장치의 표면 또는 노출된 에지에 용접한 전지의 예는 본원에 참고 문헌으로 포함된 미국 특허 4,554,227호 및 미심사 일본 특허 공보 05-121064호 및 09-035739호에 나와 있다. 이들 각각에서 리드는 용접에 의하여 외부 단자에 전기적으로 연결된다. U.S. 4,554,227호에서는 전극 집전 장치의 노출된 상부 에지에 대한 용접의 강도를 개선시키기 위하여 리드를 구부린다.
전극 어셈블리의 코어에서 전극 집전 장치의 노출된 부분과 리드 사이에 압력 접촉을 사용한 전지의 예는 본원에 참고 문헌으로 포함된 미국 특허 3,245,837호 및 5,021,306호에 나와 있다. US 3,245,837호에서 리드는 커버 플레이트 및 외부 단자에 고정된 전기 전도성 스트립이다. US 5,021,306호에서, 리드는 금속 스플린트이며 용기의 개방 단부 상의 캡에 용접된 리프 스프링이 상기 스플린트와 압력 접촉을 형성한다.
복수의 전극으로부터 돌출하는 집전 장치의 노출 부분인 리드를 갖는 전지의 예는 본원에 참고 문헌으로 포함되어 있는 미국 특허 공보 U.S. 2002/0094478 Al호에 나와 있다. 복수의 리드를 구부려 함께 용접한 다음 전지 커버에 고정한다. 리드를 구부리는 것은 양호한 용접 강도를 제공한다.
전극 어셈블리의 기저로부터 연장되어 용기의 기저에 용접되는 리드를 구비하는 전지의 예는 미심사 일본 특허 공보 09-330697호에 나와 있다. 양호한 용접 강도를 제공하기 위하여 용기에 용접된 리드의 일부에 V-형상 그루브를 형성한다.
전극 및 전지 용기 사이에 그리고 다른 전극 및 용기를 덮는 커버 사이에 전기 접촉을 제공하는 리드를 구비한 전지의 예는 본원에 참고 문헌으로 포함된 미국 특허 5,418,084호 및 4,963,446호 그리고 본원의 도 1 및 2에 나와 있다. 전지는 나선형으로 권취된 전극 어셈블리를 구비하는 원통형 전지이다. 도 1 및 2를 참조하여 이하에 더 상세히 개시하는 바와 같이, 각 전지에서 스프링은 양극 및 전지 커버 사이에 전기 접촉을 제공하며, 금속 스트립 리드는 음극 및 용기의 측벽 사이에 전기 접촉을 제공한다. 스프링은 전지 커버에 고정되어 전극 어셈블리의 상부에 노출된 양극 집전 장치와 압력 접촉을 형성한다. 금속 스트립 리드는 음극에 고정되어 용기 측벽의 내면과 압력 접촉을 형성한다. 통상적인 범위의 다양한 제조에서 리드 및 용기 사이에 신뢰할 만한 압력 접촉이 필요하다.
도 1 및 2의 전지와 같은 전지에서, 종래 기술에 따라 제조시 용기 측벽 및 전극 어셈블리 사이의 리드는 용기 내에 전극 어셈블리가 꼭 맞음으로써 압력 접촉하에 유지된다. 확실한 전기 접촉을 위하여, 용기의 내경 및 전극 어셈블리의 외경의 변동은 작아야 한다. 한 방법은 전극 어셈블리의 외측면을 둘러싸는 물질의 스트립 길이를 변화시켜 직경의 차이를 야기할 수 있는 전극 두께의 변동을 보상하는 것이다. 이러한 물질의 외부 스트립은 본원에 참고 문헌으로 포함된 미국 특허 4,963,445호에 개시된 바와 같은, 하나 이상의 분리막 스트립이거나 또는 별도의 오버랩 물질 스트립일 수 있다.
금속 리튬 및 리튬 합금은 다양한 전지 제조에서 음극 활성 물질로서 사용되며 리튬은 전지 방전 동안의 반응에 의하여 소모된다. 방전 동안 내내 음극의 전도성을 유지하기 위하여, 더 높은 캐소드에 대한 애노드의 계면 이론 입력 용량비(A/C), 즉 리튬 이론 용량의 오버밸런스를 사용하고 집전 장치를 사용하는 것을 포함하는 다양한 방법이 제안되었다. 다수의 상이한 유형 및 스타일의 집전 장치가 사용되어 왔으며, 예컨대 리튬 시트, 전도성 호일 및 제2 리튬 시트의 샌드위치 구성(전도성 호일이 제1 및 제2 리튬 시트 사이에 배치됨)을 개시한 미국 특허 5,368,958호를 참조하기 바란다. 유의적으로, 리튬 애노드가 방전 동안 소모되므로, 언더밸런스의 리튬을 포함하면, 전극에 임의의 비유사성이 존재하는 경우 애노드가 비연결될 수 있음을 의미한다. 이러한 비연결은 전자가 애노드를 거쳐 적절한 집전 장치로 이동하는 것을 방해하므로 다수의 종래 기술 방법에서는 애노드의 길이 및/또는 폭을 지속시키기 위하여 집전 장치가 필요하다.
예컨대 폴딩되거나 또는 젤리롤 형태로 압연될 수 있는 스트립형 음극과 관련하여 길이 방향으로 또는 폭 방향으로 연장되는 리튬 또는 리튬 합금 음극의 리드 또는 집전 장치가 개시되었다. 모두 본원에 참고 문헌으로 완전히 포함된 미국 특허 출원 공보 2005/0238956호 및 미국 특허 출원 공보 2006/0172190호는 나선형으로 권취된 음극의 일부를 따라 폭 방향으로, 즉 축상으로 전극의 축방향 높이 또는 폭의 약 90% 연장되고 권취된 전극 어셈블리의 외주 근처에 배치되는 음극 리드를 개시한다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 전극 리드 및 전지 용기의 측벽 사이에 신뢰성 있는 압력 접촉을 제공하는 것이다. 본 발명의 추가의 이점은 접촉 신뢰성 개선, 제조에서 변동 허용 증대, 전지 부품수 감소, 제조 용이성 개선, 제조 잔해 감소 및 제조 비용 감소를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 또다른 목적은 예상밖으로 실질적으로 길이 방향으로 또는 폭 방향으로 집전 접촉을 제공할 필요 없이 전지 용기의 전도성 부품에 전극을 전기적으로 연결하기 위한 리드가 제공될 수 있는 리튬 또는 리튬 합금으로 이루어진 음극을 포함하는 전기 화학 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 별도의 집전 장치를 포함하지 않는 리튬 음극 및 상기 리튬 전극과 전지 용기의 일부에 직접 연결된 비교적 짧은 길이의 리드를 구비하는 전기 화학 전지를 제공하여 바람직하게는 활성 물질을 위하여 이용될 수 있는 내부 면적이 증가된 전지를 제공하는 것이다.
또다른 목적은, 실질적으로 전지 수명을 손상시키는 일 없이 전극의 폭과 접촉하는 리드의 길이 또는 거리를 감소시킴으로써 구현되는 것과 같은, 리튬 호일 전극과의 비교적 작은 접촉 면적을 갖는 음극 리드를 제공하는 것이다.
또다른 목적은 방전 동안 리튬이 리드로부터 분리되는 것(이것은 리튬의 소비를 막고 전지 수명을 감소시킬 수 있음)을 방지하는 설계를 갖는 1차 전지의 리튬 호일 전극에 연결된 음극 리드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 캐소드에 대한 애노드의 이론적 계면 입력 용량비가 1.0 (A/C<1) 미만이고 음극 리드가 리튬 또는 리튬 합금으로 이루어지며 별도의 집전 장치를 포함하지 않는 음극과 비교적 작은 접촉 면적을 갖는 전극 어셈블리를 포함한 전기 화학 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 애노드를 포함하지 않고 캐소드에 대한 애노드의 이론적 계면 입력 용량비가 1.0 미만인 전기 화학 전지를 제공하는 것으로, 여기서는 집전 장치를 포함하지 않는 음극과의 접촉 면적이 비교적 작은 음극 리드를 사용하는 경우에도 실질적으로 모든 계면 배향된 음극 활성 물질이 실질적인 성능 손실 없이 소비된다.
본 발명의 또다른 측면은 폐쇄 단부, 단부 어셈블리로 밀봉된 개방 단부 및 상기 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에서 연장되는 측벽을 갖는 실질적으로 원통형인 전도성 용기, 이황화철을 포함하는 양극, 90 중량% 이상의 리튬을 갖고 누적 표면적을 갖는 실질적으로 리튬 또는 리튬 합금으로 이루어진 음극, 분리막, 비수성 유기 전해질, 용기 내에 위치하고 음극과 전기 접촉하는 내부 리드를 포함하는 전기 화학 전지에 관한 것으로, 상기 리드는 음극의 누적 표면적의 0.7% 미만 연결되는 표면적을 가지며, 상기 양극, 음극 및 분리막은 상기 내부 리드가 용기 또는 단부 어셈블리와 전기적 접촉을 형성하도록 젤리롤 전극 어셈블리로 권취되고, 상기 전지의 캐소드에 대한 애노드의 이론적인 계면 입력 용량비는 1.0 미만이다.
본 발명의 추가의 측면은 폐쇄 단부, 단부 어셈블리로 밀봉된 개방 단부 및 상기 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에서 연장되는 측벽을 갖는 실질적으로 원통형인 전도성 용기, 상기 용기 내에 배치되고 음극, 양극, 유기 비수성 전해질 및 음극과 양극 사이에 배치된 중합체 분리막을 포함하는 나선형으로 권취된 전극 어셈블리 및 상기 용기 내에 배치되어 상기 용기에 상기 음극을 전기적으로 연결하는 내부 리드를 포함하는 전기 화학 전지에 관한 것으로, 상기 음극은 실질적으로 소정의 길이 및 소정의 폭을 갖는 하나 이상의 리튬 또는 리튬 합금 층으로 이루어지고, 별도의 집전 장치를 포함하지 않으며, 상기 리드의 일단부는 하나 이상의 리튬 또는 리튬 합금 층에 직접 연결되고, 상기 리드는 음극의 폭 방향 일단으로부터 측정된 거리가 연결 위치에서 전지의 종축에 평행하게 측정된 리튬 또는 리튬 합금 층의 폭의 10% 내지 88% 미만 연장된다.
본 발명의 추가의 측면은 폐쇄 단부, 단부 어셈블리로 밀봉된 개방 단부 및 상기 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에서 연장되는 측벽을 갖는 실질적으로 원통형인 전도성 용기, 상기 용기 내에 배치되고 실질적으로 누적 표면적을 형성하는 소정의 길이 및 소정의 폭을 갖는 리튬 또는 리튬 합금으로 이루어지는 음극 스트립, 양극 스트립, 유기 비수성 전해질 및 상기 음극 스트립과 양극 스트립 사이에 배치된 분리막을 구비하는 나선형으로 권취된 전극 어셈블리, 및 상기 용기 내에 배치되어 상기 용기에 상기 음극을 전기적으로 연결하는 내부 리드를 포함하는 전기 화학 전지에 관한 것으로, 상기 리드의 일단부는 리튬 또는 리튬 합금에 연결되고, 용기의 측벽 및 음극 또는 양극 사이에 직접적인 전기 접촉이 없으며, 상기 리드는 음극의 기저부를 따라 연결되고 전극 어셈블리 외부로 연장되어 용기의 측벽 또는 바닥벽과 압력 접촉하며, 상기 리드는 음극의 누적 표면적의 0.7% 미만 연결되는 표면적을 가지며 음극의 폭 방향 일단으로부터 측정된 거리가 전지의 종축에 평행하게 측정된 음극의 폭의 10% 내지 88% 미만 연장된다.
본 발명의 이들 특징 및 다른 특징, 이점 및 목적은 이하의 명세서, 특허청구범위 및 첨부 도면을 참조함으로써 당업자에게 더 이해될 것이다.
도면의 간단한 설명
도면과 함께 취급된 본 발명의 상세한 설명을 읽으면 본 발명이 더 잘 이해될 것이고 다른 특징 및 이점이 명백해질 것이다.
도 1은 용기와 전지 전극 사이의 전기적 접촉을 형성하기 위한, 용기 벽의 측부와 용기 외부 면 사이에 배치된 리드를 갖는 전기 화학 배터리 전지의 종단면도이다.
도 2는 용기와 접촉하는 전극 리드의 위치를 나타내는 도 1의 전지의 일부 확대도이다.
도 3A는 단일 V형 그루브를 갖는 전극 리드의 단자 부분의 횡단면도이다.
도 3B는 단일 원호형 그루브를 갖는 전극 리드의 단자 부분의 횡단면도이다.
도 4A는 V형 전극 리드를 갖는 전극 어셈블리의 종축에 대한 수직 단면도이다.
도 4B는 원호형 전극 리드를 갖는 전극 어셈블리의 종축에 대한 수직 단면도이다.
도 5A는 전극 어셈블리가 캔 내로 삽입된 후의 도 4A의 전극 어셈블리 및 리드의 단면도이다.
도 5B는 전극 어셈블리가 캔 내로 삽입된 후의 도 4B의 전극 어셈블리 및 리드의 단면도이다.
도 6A는 캔에 대한 리드의 스프링력 측정에 사용된 모델에서의 출발 위치를 나타내는 전극 어셈블리, 평면형 전극 리드 및 캔의 단면도이다.
도 6B는 캔에 대한 리드의 스프링력 측정에 사용된 모델에서의 출발 위치를 나타내는 전극 어셈블리, V형 전극 리드 및 캔의 단면도이다.
도 6C는 캔에 대한 리드의 스프링력 측정에 사용된 모델에서의 출발 위치를 나타내는 전극 어셈블리, 원호형 전극 리드 및 캔의 단면도이다.
도 7은 두께 0.051 mm 폭 4.75 mm의 평면형 전극 리드에 대하여 전극 어셈블리 변위의 함수로서 스프링력을 나타낸, 컴퓨터 모델로 생성한 그래프이다.
도 8은 두께 0.051 mm 폭 4.75 mm의 금속 스트립의 스트립으로 제조한 레그 앵글 90도의 V형 전극 리드에 대하여 전극 어셈블리 변위의 함수로서 스프링력을 나타낸, 컴퓨터 모델로 생성한 그래프이다.
도 9는 두께 0.051 mm 폭 4.75 mm의 금속 스트립의 스트립으로 제조한 호 반경 1.78 mm의 원호형 전극 리드에 대하여 전극 어셈블리 변위의 함수로서 스프링력을 나타낸, 컴퓨터 모델로 생성한 그래프이다.
도 10은 두께 0.051 mm 폭 4.75 mm의 금속 스트립의 스트립으로 제조한 호 반경 1.91 mm의 원호형 전극 리드에 대하여 전극 어셈블리 변위의 함수로서 스프링력을 나타낸, 컴퓨터 모델로 생성한 그래프이다.
도 11은 두께 0.051 mm 폭 4.75 mm의 금속 스트립의 스트립으로 제조한 호 반경 2.29 mm의 원호형 전극 리드에 대하여 전극 어셈블리 변위의 함수로서 스프링력을 나타낸, 컴퓨터 모델로 생성한 그래프이다.
도 12는 두께 0.051 mm 폭 3.175 mm의 평면형 전극 리드에 대하여 전극 어셈블리 변위의 함수로서 스프링력을 나타낸, 컴퓨터 모델로 생성한 그래프이다.
도 13은 두께 0.051 mm 폭 3.175 mm의 금속 스트립의 스트립으로 제조한 레그 앵글 90도의 V형 전극 리드에 대하여 전극 어셈블리 변위의 함수로서 스프링력을 나타낸, 컴퓨터 모델로 생성한 그래프이다.
도 14는 두께 0.051 mm 폭 3.175 mm의 금속 스트립의 스트립으로 제조한 호 반경 1.40 mm의 원호형 전극 리드에 대하여 전극 어셈블리 변위의 함수로서 스프링력을 나타낸, 컴퓨터 모델로 생성한 그래프이다.
도 15는 리튬 호일 전극의 길이 단부에 연결되고 전극의 폭을 따라 비교적 짧은 거리에 연장되는 음극 리드의 일 실시양태의 개략적인 입면도로서 부분적으로 비권취 형태로 도시된다.
도 16은 도 15에 도시된 실시양태의 측면 입면도로서, 리튬 호일 전극에 연결되지 않은 리드의 자유 단부는 전극의 바닥 폭 단부 주위에서 폴딩되며 전극 어셈블리의 측을 따라 상방으로 연장되고 이격되어 전지 용기의 내부와 접촉하도록 된 부분을 포함한다.
도 17은 애노드 및 캐소드 및 계면 전극 폭 "A"를 도시한 것이다.
도 18은 별도의 집전 장치를 포함하지 않는 음극에 연결된 성형된 음극 리드의 한 연결 실시양태를 도시한 것이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 도 1 및 2를 참조하면 더 잘 이해될 것이다. 전지(10)는 FR6형 원통형 Li/FeS2 배터리 전지이다. 전지(10)는 폐쇄된 기저부 및 개스킷(16) 및 전지 커버(14)로 폐쇄되는 개방된 정상부를 갖는 캔(12) 형태의 용기를 포함하는 하우징을 구비한다. 캔(12)은 개스킷(16) 및 커버(14)를 지지하기 위하여 정상부 단부 근처에 비드를 구비하거나 또는 직경 감소 단계를 거친다. 개스킷(16)은 캔(12) 및 커버(14) 사이에서 압착되어 애노드 또는 음극(18), 캐소드 또는 양극(20) 및 전지(10) 내부의 전해질을 밀봉한다. 애노드(18), 캐소드(20) 및 분리막(26)은 함께 전극 어셈블리로 나선형으로 권취된다. 캐소드(20)는 전극 어셈블리의 정상부 단부로부터 연장되어 접촉 스프링(24)으로 커버(14)의 내면에 연결되는 금속 집전 장치(22)를 구비한다. 애노드(18)는 금속 리드(또는 탭)(36)에 의하여 캔(12)의 내면에 전기적으로 연결된다(도 2). 리드(36)는 애노드(18)에 고정되고 전극 어셈블리의 기저로부터 연장되어 기저에 걸쳐 그리고 전극 어셈블리의 측부를 따라 폴딩된다. 리드(36)는 캔(12)의 측벽의 내면과 압력 접촉을 형성한다. 전극 어셈블리의 권취 후, 이것은 제조 공정에서 공구 세공에 의한 삽입 전에 함께 유지되거나 또는 재료의 외부 단부[예컨대, 분리막 또는 중합체 필름 외부 랩(38)]가 예컨대 열밀봉, 접착 또는 테이핑에 의하여 고정될 수 있다.
절연 콘(46)은 캐소드 집전 장치(22)가 캔(12)과의 접촉을 형성하는 것을 방지하기 위하여 전극 어셈블리 정상부의 주변부 주위에 배치되며, 캐소드(20)의 기저부 에지 및 캡의 기저부 사이의 접촉은 분리막(26)의 내측으로 접힌 연장부 및 캔(12)의 기저부에 배치된 전기 절연성 기저 디스크(44)에 의하여 방해된다.
전지(10)는 별도의 양극 단자 커버(40)를 보유하고, 이것은 가스켓(16) 및 캔(12)의 안쪽으로 굴절된 상부 모서리에 의해 제자리를 유지하고, 하나 이상의 벤트 환기공(vent apertures)(도시하지 않음)을 보유한다. 캔(12)은 음극 접촉 단자로서 작용한다. 절연 재킷, 예컨대 점착 라벨(48)이 캔(12)의 측벽에 적용될 수 있다.
단자 커버(40) 및 전지 커버(14)의 주변 플랜지 사이에는 과부하 전기 조건 하의 전류의 흐름을 실질적으로 제한하는 정 온도 계수(PTC) 소자(42)가 배치된다. 전지(10)는 또한 압력 이완 벤트를 포함한다. 전지 커버(14)는 웰(28)의 바닥에 환기공(vent hole)(30)을 갖는 안쪽으로 돌출된 중앙 벤트 웰(vent well)(28)을 포함하는 천공을 가진다. 상기 천공은 벤트 볼(vent ball)(32) 및 벤트 웰(28)의 수직벽과 벤트 볼(32)의 주변 사이에서 압축되는 얇은 벽 열가소성 부싱(bushing)(34)에 의해 밀봉되어 있다. 전지 내부 압력이 소정의 수준을 초과할 때, 벤트 볼(32), 또는 볼(32)과 부싱(34) 모두는 전지(10)로부터 가압 가스를 방출하도록 천공 외부로 밀려난다. 다른 실시양태에서, 압력 이완 벤트는 본원에 참고 문헌으로서 완전히 포함된 미국 특허 출원 공보 2005/024470호에 개시된 바와 같은 파열형 멤브레인에 의하여 폐쇄되는 천공 또는 밀봉 플레이트 또는 용기 벽과 같이 인열 또는 파괴되어 전지의 일부에 환기공을 형성할 수 있는 주조 그루브와 같은 비교적 얇은 영역일 수 있다.
본 발명에 따른 전지의 일 실시양태에서, 전극 어셈블리 측부 및 캔의 측벽 사이에 배치된 전극 리드의 단자 부분은 초기 비평면이다. 본원에서 사용된 초기 비평면은 전극 어셈블리를 캔 내로 삽입하기 전에 비평면임을 의미한다. 전극 어셈블리 삽입 전에, 리드의 단자 부분은 캔의 측벽과의 개선된 압력 접촉을 제공할 수 있는 비평면 형상을 형성하도록 성형된다. 비평면 형상은 리드의 단자 부분에서 스프링 유사 특성을 제공하여 리드 단자 부분에 의한 힘을 작용시켜 리드를 캔 측벽에 대해 바이어스되도록 함으로써, 전극 어셈블리의 측부 및 캔의 측벽 사이의 주어진 갭에서 개선된 압력 접촉을 제공하고, 우수한 전기적 접촉이 유지될 수 있게 하는 최대 가능 갭을 증가시킨다. 하나 이상의 V, 원호 등과 이의 조합을 갖는 단면을 갖는 형상을 포함하여 다양한 비평면 형상이 사용될 수 있다. 단일 V형 및 원호형 그루브를 갖는 리드의 예는 각각 도 3A 및 도 3B에 도시되며, 여기서 그루브(152, 252)는 리드(136, 236)의 단자 부분에서 바닥(154, 254) 및 모서리(156, 256)를 보유한다.
전지 제조 동안, 리드 단자 부분의 형상은 예컨대, 전극 어셈블리의 측부를 향해 변형되어 이의 캔 내로의 삽입을 촉진할 수 있고, 이어서 리드의 단자 부분이 초기 비평면 형상을 향해 부분적으로 후퇴할 수 있지만, 적어도 부분적으로 압축 상태로 유지되어 캔의 측벽의 내부 면에 힘을 인가함으로써, 캔과의 우수한 물리적 접촉 및 전기적 접촉을 형성한다. 도 4A 및 도 4B는 리드(136, 236)의 단자 부분(도 3A 및 도 3B)이 전극 어셈블리(150, 250)의 외측면에 인접하는 위치 내로 구부러진 후의 전극 어셈블리(150, 250) 및 리드(136, 236)의 단자 부분의 단면 형상이다. 도 5A 및 도 5B는 캔(112, 212) 내로 삽입한 후의 전극 어셈블리(150, 250) 및 리드(136, 236)의 단자 부분을 나타낸다. 전극 어셈블리(150, 250)의 측면과 캔(112, 212)의 측벽 사이에 갭(158, 258)이 존재하는 경우일지라도, 리드(136, 236)의 단자 부분은 이의 삽입 전 형상과 비교하여 부분적으로 압착되어, 캔(112, 212)의 내부 면에 대해 스프링력을 인가한다.
리드의 단자 부분에 형성되는 형상(들)은 전지의 전기적 특성 또는 방전 특성에 바람직하지 않은 영향을 줄 수 있다는 점에서 전극 어셈블리, 리드 또는 캔을 손상시키지 않으면서 전극 어셈블리가 캔 내로 삽입될 수 있게 하는 어떠한 방법으로도 배향될 수 있다. 그루브가 전극 어셈블리의 종축에 대해 평행하게 배향될 수 있도록 리드 단자 부분 형상을 배향함으로써, 캔 내로의 삽입 전에 리드의 변형을 촉진할 수 있고, 유해한 손상을 야기하지 않고 삽입 후에 리드의 후퇴를 촉진할 수 있다. 또한, 리드의 단자 부분의 모서리가 전극 어셈블리의 안쪽을 향하지 않도록 리드를 배향함으로써, 전극 어셈블리의 손상 위험이 감소할 수 있다. 예컨대, 단일 그루브를 갖는 리드는 그루브의 바닥이 전극 어셈블리를 향하여 안쪽으로 면하고, 그루브의 모서리는 캔 측벽의 바깥쪽을 향하여 바깥쪽으로 향할 수 있다.
캔과 리드 사이의 접촉의 감소 없이 수용될 수 있는 최대 갭, 또는 전극 어셈블리의 외경과 캔의 내경 사이의 차이는 각각 하기 방정식 1 및 방정식 2를 사용하여, 단일 V형 그루브를 갖는 리드 및 리드의 전체 폭을 가로질러 연장되는 단일 원호형 그루브를 갖는 리드에 대하여 계산될 수 있다(전극 어셈블리 및 캔에 의해 구속되지 않는 경우, 리드의 변형된 단자 단부가 원래의 형상으로 완전히 후퇴될 수 있다고 가정함).
Figure pct00001
상기 식에서, W = 이로부터 리드가 제조되는 평면형 스트립의 폭, t = 리드 스트립 두께, θ = V 레그 앵글(도 3A 참조), ID = 캔 내경이고, 0°≤θ≤ 180°. 이러한 계산은 V의 다리가 마주치는 경우 반경이 없는 것으로 가정하고; 반경이 있는 경우, 최대 갭은 계산치보다 작을 것이다.
Figure pct00002
상기 식에서, W = 이로부터 리드가 제조되는 평면형 스트립의 폭, t = 리드 스트립 두께, R = 원호 반경, ID = 캔 내경이고, (W/R)≤π.
리드 물질의 특성과 치수 및 전극 어셈블리와 캔의 치수와 같은 것을 고려하여, 컴퓨터 모델링이 리드 단자 단부의 형상 및 리드와 캔 측벽 사이의 물리적 접촉을 가져오고 형성되는 동안의 리드 손상을 방지해주는 리드 형성의 도구의 개발에 사용될 수 있다. 컴퓨터 모델링은 또한 리드 단자 부분을 목적하는 형상으로 형성시켜 리드의 손상(예컨대, 금속 내의 인열, 구멍 및 주름 그리고 리드 표면으로부터의 도금의 마모)을 방지하는 도구를 고안하는데 사용될 수 있다. 컴퓨터 모델링에 사용가능한 상업적으로 구입가능한 소프트웨어의 예는 ABAQUS(Hibbit, Karlsson & Sorensen, Inc., Pawtucket, RI, USA) 및 MARC K 7.3(미국 캘리포니아주 로스 엔젤레스 소재 MSC.Software사)를 포함한다.
리드의 단자 부분에서 형성되는 형상은 임의의 다수의 방식에서 유리할 수 있다. 예컨대, 전극 어셈블리를 캔 내로 삽입하기 전의 평면형 단자 부분을 갖는 리드와 비교하여, 성형된 단자 부분은 더 나은 스프링 특성을 제공할 수 있고, 전극 어셈블리의 측부 및 캔의 측부 사이의 직경의 더 큰 차이를 용인할 수 있고, 그리고 리드 물질의 유형 및 치수에 있어 더욱 자유로운 선택을 가능하게 한다. 이러한 이점은 개선된 전지 특성, 전지 제조의 더 큰 용이성 및/또는 전지 제조 비용 감소 야기할 수 있다.
전지 용기는 흔히 도 1의 캔과 같은 폐쇄된 바닥을 갖는 금속 캔이다. 캔 물질은 부분적으로 전지에 사용되는 활성 물질 및 전해질에 따라 좌우될 것이다. 일반적인 물질 유형은 강철이다. 예컨대, 캔은 강철로 제조되고, 부식으로부터 캔의 외부를 보호하기 위해 적어도 외부가 니켈로 도금되어 있을 수 있다. 도금의 유형은 다양한 내부식도를 제공하기 위해 또는 목적하는 외관을 제공하기 위해 달라질 수 있다. 강철의 유형은 용기가 성형되는 방식에 따라 부분적으로 좌우될 것이다. 인발된 캔의 경우, 강철은 ASTM 9 내지 11의 입도 및 약간 연장된 입자 형상의 등방성인 확산 어닐링된, 저탄소, 알루미늄 제거된, SAE 1006 또는 동등 강철일 수 있다. 특별한 요구에 부응하기 위해 스테인리스 스틸과 같은 기타 강철이 사용될 수 있다. 예컨대, 캔이 캐소드와 전기적 접촉 상태에 있을 때, 스테인리스 스틸은 캐소드 및 전해질에 의한 내부식성 개선을 위해 사용될 수 있다.
전지 커버는 금속일 수 있다. 니켈 도금된 강철이 사용될 수 있으나 특히 커버가 캐소드와 전기적 접촉 상태인 경우 스테인리스 강철이 흔히 바람직하다. 커버 형상의 복잡성도 물질 선택의 요소일 것이다. 전지 커버는 두꺼운, 평면 디스크와 같이 간단한 형상을 가질 수 있고, 또는 도 1에 도시된 커버와 같이 더 복잡한 형상을 가질 수 있다. 커버가 도 1과 같은 복잡한 형상을 가지는 경우, 원하는 내부식성 및 금속 성형의 용이함을 제공하기 위하여 ASTM 8-9 입도를 갖는 304형 연화 어닐링된 스테인리스 강철이 사용될 수 있다. 성형된 커버도 예컨대 니켈로 도금될 수 있다.
단자 커버는 주위 환경에서 물에 의한 부식에 대해 양호한 내성, 양호한 전기 전도성 및, 소비자용 배터리 상에서 가시화되는 경우 매력적인 외관을 가져야 한다. 단자 커버는 흔히 니켈 도금된 냉연 강철 또는 커버가 성형된 후 니켈 도금된 강철로부터 제조된다. 단자가 압력 이완 벤트 위에 위치하는 경우, 일반적으로 단자 커버는 전지 통기를 촉진하기 위하여 하나 이상의 구멍을 구비한다.
가스켓은 원하는 밀봉 특성을 제공하는 임의의 적합한 열가소성 물질로부터 제조된다. 물질 선택은 부분적으로 전해질 조성에 기초한다. 적합한 물질의 예는 폴리프로필렌, 폴리페닐렌 설파이드, 테트라플루오라이드-퍼플루오로알킬 비닐에테르 공중합체, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 이의 조합을 포함한다. 바람직한 가스켓 물질은 폴리프로필렌(예컨대, 미국 델라웨어주 윌밍톤에 소재하는 Basell Polyolefins사의 PRO-FAX® 6524), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(예컨대, 미국 뉴저지주 서밋에 소재하는 Ticona-US사의 CELANEX® PBT, 1600A 등급) 및 폴리페닐렌 설파이드(예컨대, 미국 텍사스주 샤이너에 소재하는 Boedeker Plastics, Inc사의 TECHTRON® PPS)를 포함한다. 소량의 다른 중합체, 보강 무기 충전재 및/또는 유기 화합물이 또한 가스켓의 베이스 수지에 첨가될 수 있다.
가스켓은 최선의 밀봉을 제공하는 밀봉재로 코팅될 수 있다. 에틸렌 프로필렌 디엔 삼원공중합체(EPDM)가 적합한 밀봉 물질이나, 다른 적합한 물질이 사용될 수 있다.
벤트 부싱은 고온(예, 75℃)에서 냉류에 대해 내성인 열가소성 물질로 제조된다. 열가소성 물질은 에틸렌-테트라플루오로에틸렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리프탈아미드, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시알칸, 플루오르화 퍼플루오로에틸렌 폴리프로필렌 및 폴리에테르에테르 케톤과 같은 베이스 수지를 포함한다. 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 및 폴리프탈아미드가 바람직하다. 수지는 고온에서 원하는 밀봉 및 통기 특성을 갖는 벤트 부싱을 제공하기 위해 열안정화 충전재를 첨가함으로써 변성될 수 있다. 부싱은 열가소성 물질로부터 사출 성형될 수 있다. TEFZEL® HT2004(25 중량 퍼센트의 초핑 가공된 유리 충전재를 갖는 ETFE 수지)가 바람직한 열가소성 물질이다.
벤트 볼은 전지 내용물과 안정하게 접촉하고, 원하는 전지 밀봉 및 통기 특성을 제공하는 임의의 적합한 물질로부터 제조될 수 있다. 유리, 또는 스테인리스 강철과 같은 금속이 사용될 수 있다.
애노드는 때때로 리튬 호일로 지칭되는 리튬 금속의 스트립을 포함한다. 배터리 등급 리튬 순도가 항상 높을지라도, 리튬의 조성은 다양할 수 있다. 리튬은 원하는 전지 전기 성능을 제공하기 위해 알루미늄과 같은 다른 금속과 합금될 수 있다. 0.5 중량 퍼센트의 알루미늄을 함유하는 배터리 등급 리튬-알루미늄 호일은 미국 노스 캐롤라이나주 킹즈 마운틴에 소재하는 Chemetall Foote Corp사로부터 입수 가능하다.
애노드는 금속성 리튬의 표면 상에 또는 내부에 집전 장치를 가질 수 있다. 도 1의 전지에서와 같이, 리튬이 높은 전기 전도성을 갖기 때문에 별도의 집전 장치가 필요하지 않을 수 있으나, 예컨대, 리튬이 소모됨에 따라 방전 동안 애노드 내의 전기적 연속성을 유지하기 위해 집전 장치가 포함될 수 있다. 애노드가 집전 장치를 포함하는 경우, 전도성 때문에 구리로 제조될 수 있으나, 전지 내에서 안정하다면 다른 전도성 금속이 사용될 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 애노드 또는 음극은 별도의 집전 장치를 포함하지 않으며 리튬 금속 또는 리튬-함유 합금으로 된 하나 이상의 스트립 또는 호일이 단독으로 리튬 또는 리튬-함유 합금의 비교적 높은 전도성으로 인하여 집전 장치 역할을 한다. 집전 장치를 사용하지 않음으로써, 활성 물질과 같은 다른 성분을 위해 더 많은 공간을 용기 내에서 이용할 수 있다. 애노드 집전 장치를 포함하지 않는 전지를 제공하는 것도 전지 비용을 감소시킬 수 있다. 바람직하게는 리튬 또는 리튬-함유 합금의 단일 층 또는 스트립을 음극으로서 이용한다.
전기적 리드는 전지 단자의 하나(도 1에 도시된 FR6 전지의 경우의 캔)에 애노드 또는 음극을 연결하는 금속 스트립으로부터 제조될 수 있다. 이것은 리드의 일단을 애노드의 일부에 삽입하거나 또는 간단히 리드의 일단과 같은 일부를 리튬 호일의 표면 상에서 압착함으로써 달성할 수 있다. 리튬 또는 리튬-함유 합금은 접착 특성을 가지며 일반적으로 리드 및 전극 사이의 적어도 약간의 충분한 압력 또는 접촉으로 부품들이 함께 용접된다. 한 바람직한 실시양태에서, 음극에는 젤리롤 구성으로 권취하기 전에 리드가 제공된다. 예컨대, 제조 동안, 리튬 또는 리튬-함유 합금으로 이루어지는 1 이상의 음극을 포함하는 밴드는 리드가 소정 위치에서 전극의 표면에 용접되는 리드 연결 스테이션에 제공된다. 필요할 경우 리드의 자유 단부가 전극에 연결되지 않게 성형하기 위하여 리드를 주조하도록 탭 전극을 추후 가공한다. 이어서, 음극을 양극 및 분리막과 같은 전극 어셈블리의 나머지 소정 부품과 통합하고 젤리롤 구성으로 권취한다. 바람직하게는 권취 조작을 실시한 후에, 음극 리드 자유 단부를 전지 용기에 삽입하기 전에 도 16에 도시된 바와 같은 구성으로 구부림으로써 더 가공한다.
금속 스트립은 종종 니켈 또는 니켈 도금 강철로부터 제조되며 리튬에 직접 고정된다. 다른 적당한 음극 리드 물질의 예는 비제한적으로 구리, 구리 합금, 예컨대 구리 합금 7025, 약 3%의 니켈, 약 0.65%의 규소 및 약 0.15%의 망간을 포함하고 나머지는 구리와 소량의 불순물인 구리, 니켈 합금; 및 구리 합금 110; 및 스테인레스 스틸을 포함한다. 리드 물질은 조성물이 비수성 전해질을 포함하는 전기 화학 전지 내에서 안정하도록 선택되어야 한다. 회피하여야 하지만 비교적 소량의 불순물로서 존재할 수 있는 금속의 예는 일반적으로 알루미늄, 철 및 아연이다.
전기 전도성 음극 리드는 리드를 통하여 전류를 충분히 전달하고 전지 수명에 최소의 충격을 주거나 충격을 주지 않을 수 있기에 충분히 낮은 저항을 가진다. 리드의 저항은 일반적으로 15 mΩ/cm 미만, 바람직하게는 4.5 mΩ/cm 미만이다. 두께 0.102 mm (0.004 인치), 폭 4.750 mm (0.187 인치)의 304 스테인레스 스틸로 광범위가 달성될 수 있다. 예컨대, 0.056 mm (0.0022 인치) 두께 및 4.750 mm (0.187 인치) 폭의 니켈 도금된 냉연 강철 [즉, 0.051 mm (0.002 인치) 두께의 냉연 강철 및 2 층의 0.0025 mm (0.0001 인치) 두께의 니켈]은 4.9 mΩ/cm의 저항을 가진다. 니켈 도금된 냉연 강철보다 더 전도성인 리드 물질을 이용함으로써, 두께 및 폭과 같은 리드 치수를 감소시킬 수 있다. 그러나, 지나치게 얇거나 좁은 리드는 리드/용기 접촉 내성을 증가시킬 수 있고, 이 때문에 전지 전압이 더욱 불규칙해질 수 있다. 원하는 음극 리드 저항값을 제공하는 적당한 리드 물질의 예는 1.8 mΩ/cm의 탭 저항을 제공하는 0.051 mm (0.002 인치)의 두께 및 4.750 mm (0.187 인치)의 폭을 갖는 구리 합금 7025, 2.8 mΩ/cm의 탭 저항을 제공하는 0.034 mm (0.00133 인치) 두께 및 4.750 mm (0.187 인치)의 폭을 갖는 구리 합금 7025, 3.6 mΩ/cm의 탭 저항을 제공하는 0.025 mm (0.001 인치) 두께 및 4.750 mm (0.187 인치)의 폭을 갖는 구리 합금 7025 및 4.0 mΩ/cm의 탭 저항을 제공하는 0.0338 mm (0.00133 인치) 두께 및 3.175 mm (0.125 인치)의 폭을 갖는 구리 합금 7025를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 배경에서 상기 개시한 바와 같이, 여러 종래 기술 문헌은 음극과 용기 또는 단자와 같은 또다른 전지 부품 간의 전기적 경로 부분을 제공하기 위하여 음극의 길이 방향 또는 폭 방향으로 실질적으로 전체 길이에 연장되는 금속 집전 장치 및/또는 리드 또는 이의 조합을 이용한다. 본 발명의 중요한 측면은, 리튬 또는 리튬-함유 합금으로 이루어지는 음극은 전지 내에서의 화학 반응 동안 리튬 또는 리튬-함유 합금이 고갈(이로써 전극 활성 물질에 걸친 잠재적 전자 전도 경로가 감소 또는 제거)될 때조차도 임의의 주요 축상 접촉 또는 방사상 접촉이 필요하지 않을 정도로 충분히 전도성이라는 발견이다. 또한, 더욱 예기치않게도, 음극의 축 방향 또는 폭 방향으로 연장되는 음극 리드의 길이는 음극과의 접촉 길이가 음극의 축 거리 또는 폭 거리의 50% 이하일 경우 효과적이라는 것을 발견하였다. 또한 예상밖으로, 전지가 리튬의 계면 언더밸런스를 갖는 경우에도 별도의 집전 장치 없이 리드와 음극의 실질적인 축상 또는 방사상 접촉이 실질적으로 제거될 수 있다.
특히, 상기 언급된 리튬의 언더밸런스는 공지되고 본원에서 이론적 계면 A/C 비로 일컬어지는 캐소드에 대한 애노드의 이론적 계면 입력 용량비에 대한 것이다. 전극, 즉 음극 또는 양극의 이론적 계면 입력 용량은, 모든 활성 물질의 완전 반응을 가정하여 전체 전지 방전 반응 메카니즘 및 대향 전극의 활성 물질에 인접하는 활성 물질 혼합물 부분에 함유된 활성 물질의 총량을 기초로 한, 전극의 계면에 정렬된 전기 화학적 활성 물질의 전지 이론적 방전 용량에 대한 전체 기여이다. 입력 용량은 일반적으로 Ah 또는 mAh로 표현된다. 전극의 두 주요 표면 중 하나만이 대향 전극의 활성 물질에 인접하는 경우, 그 전극면의 활성 물질만이 이론적 계면 입력 용량의 측정에 포함된다. 전극쪽 활성 물질만이, 바람직한 실시양태에서 음극이 집전 장치를 포함하지 않으므로 본 발명의 양극의 경우 솔리드 집전 장치 시트 쪽의 물질이 또는 솔리드 집전 장치 시트가 없는 전극의 두께의 반의 물질이 이론적 계면 입력 용량의 측정에 포함된다.
본 발명에 사용될 때 캐소드에 대한 애노드의 이론적 계면 입력 용량비는 다음과 같이 계산된다:
선형 인치당 애노드 용량 / 선형 인치당 캐소드 용량.
각 전극 용량은, 바람직하게는 물질의 전체 밀도를 측정하고 물질의 이론 용량을 기초로 용량을 계산함으로써, 표준화된 단위 면적 기준으로 제공된 전기화학적 물질의 양을 기초로 계산할 수 있다. 용량은 또한 전극(예컨대, 캐소드에서 FeS2 또는 애노드에서 Li)의 표준화된 면적에서 주요 원소 화학종이 전기화학적 활성 물질을 차지한다고 가정하고 유사한 방식으로 계산하여 상기 원소 화학종의 양을 정량적으로 측정함으로써 측정할 수 있다. 이론적 계면 A/C 비를 계산하는 또다른 실험적 수단은 본원에 참고 문헌으로 포함된 미국 특허 6,849,360호에서 찾아볼 수 있다.
본원에 개시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시양태에서, 캐소드에 대한 애노드의 이론적 계면 입력 용량비는 일반적으로 1 미만, 바람직하게는 0.99 미만, 바람직하게는 0.95 미만이다.
본 발명의 다양한 실시양태에서 바람직한 바와 같이 집전 장치가 음극에 사용되지 않는 경우, 리튬이 소모될 때조차도 전지 방전 동안 전기적 연속성이 유지되어야 하므로 특히 1차 전지에서 리드에 의한 용기 및 리튬-함유 층의 연결이 중요하다. 전기적 연속성 유지 문제의 측면에서, 예상밖으로, 종래 기술 실시양태를 기초로 하는 전지의 수명을 실질적으로 유지 또는 심지어 연장하면서 리튬 호일, 즉 리튬 또는 리튬 함유 합금으로 이루어지고 별도의 집전 장치를 포함하지 않는 음극과 리드의 접촉 면적이 감소될 수 있음을 발견하였다. 본 발명의 발견에서, 리드를 음극과 실질적으로 길이 방향 또는 폭 방향으로 접촉시킬 필요가 없어진다. 리드에 사용되는 물질은 또한 니켈 도금된 강철에 비하여 전도성을 개선 또는 유지시킬 수 있다.
부품들이 조립 전지에 존재하는 경우 또는 추가의 가공 동안 리드와 음극이 분리되는 것을 방지하기 위하여 리드 및 음극 간의 충분한 용접을 형성하기에 충분한 면적을 리드가 보유하도록 리튬 또는 리튬-함유 합금으로 이루어지는 음극에 음극 리드를 연결하기만 하면 된다고 밝혀졌다. 음극에 대한 리드의 연결 위치는 한정되지 않으며 음극의 임의의 원하는 위치에 리드를 연결할 수 있음을 발견하였다. 따라서, 젤리롤 전극과 같은 구성에서, 음극 리드는 음극의 길이를 따라 어디에서나, 일반적으로 권취된 전극 어셈블리의 내부 단부를 따른 위치로부터 권취된 어셈블리의 외주를 따른 위치 또는 외주 근처의 위치에서 음극에 연결될 수 있다. 음극 리드는 일반적으로 전극의 길이 및 폭에 대하여 임의의 방식으로 배향될 수 있다. 일 실시양태에서, 음극의 비계면 부분, 즉 전극의 플래그(flag) 부분과 같이 고속 반응에 참여하지 않는 음극 부분에 음극 리드를 용접하는 것이 바람직하다.
일 실시양태에서, 음극이 별도의 집전 장치를 포함하지 않는 경우, 음극 리드와 음극 사이의 접촉은 접촉 면적으로 특성화된다. 본원에서 정의되는 바와 같은 면적 또는 접촉 면적은 리튬 또는 리튬 합금 음극의 표면과 접촉하는 음극 리드의 하나 이상의 2차원 영역, 즉 길이 x 폭을 기하학적으로 측정한 것을 의미하며, 여기서 제3 치수, 예컨대 표면 거칠기는 고려되지 않는다. 따라서, 음극 리드 및 음극 리튬 또는 리튬-함유 합금 사이의 연결은 특정 형상 또는 디자인을 갖는 음극 리드에 한정되지 않는다. 마찬가지로, 음극 표면에 리드를 위치는 것은 중요하지 않다. 또한, 음극 리드의 접촉 면적은 음극의 면적에 대하여 실질적으로 무관한 것으로 나타났다. 즉, 비교적 큰 면적(예컨대 길이 x 폭)을 갖는 음극이 리튬 또는 리튬-함유 합금의 전도성으로 인하여 반드시 전극과의 최소 접촉 면적을 갖는 음극 리드를 필요로 하는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시양태에서, 음극과 접촉하는 음극 리드의 면적은 일반적으로 약 5.0 mm2 내지 약 160 mm2 미만, 바람직하게는 약 8 mm2 내지 약 111 mm2, 바람직하게는 약 10 mm2 내지 약 92.6 mm2 범위이다. 예컨대, 폭이 4.75 mm (0.187 인치)이고 음극과의 접촉 면적이 92.6 mm2인 음극 리드는 L91형 전지에서 젤리롤 전극 어셈블리의 일 실시양태의 리튬 음극 폭의 약 50%를 연장시킬 뿐이다. 이에 비해, 종래 기술 음극 리드 폭의 다양한 실시양태는 리튬 폭의 88% 이상, 예컨대 약 96%이므로, 음극 리드의 음극과의 접촉 면적은 각각 163.9 mm2 또는 약 177.6 mm2였다.
추가의 실시양태에서, 리드 및 음극 간의 접촉은 전체 접촉 표면적으로 특성화된다. 리드 접촉 면적은 상기 개시한 바와 같이 계산된다. 음극의 면적은 예컨대 길이와 폭을 곱함으로써 전극의 각 표면에 대하여 기하학적으로 계산되는데, 스트립형 음극의 경우 전극의 각 면의 면적을 계산하고 합산하여 전극의 전체 누적 표면적을 정하며, 스트립의 두께는 고려하지 않는다. FR6형 원통형 LiFeS2 전기 화학 전지의 일 실시양태에서, 다른 어셈블리 부품과 함께 젤리롤 전극 어셈블리로 권취되는 음극 스트립은 전극의 양 면을 고려하고 전극 스트립의 두께를 배제하여 24,370 mm2의 전체 표면적을 제공하는 일 면에서 길이가 약 312.5 mm이고 폭이 38.99 mm이다. 따라서, 상기 음극 스트립과의 접촉 면적이 5.0 mm2인 음극 리드는 리드와 음극 사이에 0.0205%의 전체 접촉 표면적을 제공하고, 상기 음극과의 접촉 면적이 160 mm2인 리드는 리드와 음극 사이에 0.656%의 전체 접촉 표면적을 제공한다.
따라서, 본 발명의 일 실시양태에서, 리드와 음극 사이의 전체 접촉 표면적은 일반적으로 음극의 누적 표면적의 0.0205% 내지 약 0.70% 또는 약 0.60%; 바람직하게는 약 0.0328% 내지 약 0.46% 또는 약 0.50%, 바람직하게는 약 0.0410% 내지 약 0.38% 범위이다.
일 실시양태에서, 리드(36)는 도 15에 도시된 바와 같이 리튬 호일 음극(18)의 길이 단부에 연결된다. 다른 부착 위치가 가능할지라도, 젤리롤 또는 나선형으로 권취된 전극 어셈블리의 외측 단부 근처에서 음극(18)의 길이 단부에 리드(36)를 부착시키는 것이 바람직하다. 음극(18)의 외측 길이 단부에 리드를 부착시키는 것은 이러한 리드 배치가 음극의 다른 위치에 리드를 부착시키는 것에 비하여 비교적 제조를 용이하게 할 수 있으므로 바람직하다. 음극 리드는 전극 길이의 외측 단부로부터 임의의 거리, 예컨대 약 2.2 mm에 위치될 수 있다. 물론, 다른 실시양태에서는 음극의 다른 면에 연결될 수 있음을 이해할 것이다.
도 15에 도시된 바와 같은 일 실시양태에서, 리드는 음극의 폭을 따라 소정의 거리에 걸쳐 연장된다. 즉, 본 발명의 목적에서 직방형 또는 정방형 전극의 경우 폭은 음극 길이에 대하여 수직이고, 바람직한 전도성을 얻기 위하여 폭은 전극 어셈블리가 삽입된 후, 바람직하게는 젤리롤 구성으로 권취된 후 일반적으로 원통형 전지의 종축 또는 축방향에 대하여 실질적으로 평행하며, 리드의 거리는 리드가 연결되는 폭 부분을 따라 측정하여 일반적으로 음극 폭의 약 10% 내지 88% 미만, 바람직하게는 약 10% 내지 약 60% 또는 약 80%, 바람직하게는 약 10% 내지 50% 연장된다. 전극 폭에 대하여 측정된 리드 접촉 거리가 88% 이상인 경우, 상기 배열은 임의의 실질적인 이점을 제공하지 않으므로 전지의 비용이 증가할 수 있다. 전극 폭에 대하여 측정된 리드 접촉 거리가 약 10% 미만인 경우, 음극 리드 및 음극 자체 사이에 충분한 용접을 얻는 것이 곤란할 수 있다. 그러나, 리드 및 음극 사이에 충분한 용접 또는 접촉이 유지될 수 있는 한 리드는 음극 폭의 10% 미만의 거리만큼 연장될 수 있다.
도 18에 도시된 바와 같은 추가의 실시양태에서, 음극(18)에 연결된 음극 리드(36) 부분은, 예컨대 음극 리드 및 용기 사이의 바람직한 접촉을 촉진하거나 전지 용기로의 삽입 후의 또다른 접촉을 촉진하기 위하여 성형된 리드를 형성하고 및/또는 자유 단부를 구부리는 것과 같이, 리드의 자유 단부의 추가 형성 동안 음극으로부터의 분리 방지를 돕기 위하여 음극 하부 에지를 향햐여 배치된 더 넓은 부분의 용접 리드를 갖는 "T"-형상 구조를 나타낸다. 음극과 접촉하는 추가의 음극 리드 부분의 예는 평면형 리드 스톡에 용접될 수 있는 스페이드 형상의 리드 단부 및 와이어 필라멘트 등을 포함한다
용기의 일부를 접촉시키기 위하여, 리드의 제2 자유 단부가 전극과 접촉하는 리드 부분으로부터 연장된다. 바람직한 실시양태에서는, 도 15에 도시된 바와 같은 자유 단부가 호일 음극의 하단부로부터 연장되어 나오도록 음극에 리드를 연결하나, 다른 구성도 이용될 수 있다. 리드 자유 단부는 원하는 대로 조작될 수 있다. 즉, 용기에 삽입하기 전에, 바람직하게는 본원에 개시된 바와 같이 리드를 포함하는 음극, 양극 및 분리막을 전극 어셈블리에 나선형으로 권취한 후에, 리드 자유 단부를 배치하거나, 구부리거나, 변형하거나 등의 하나 이상의 조작을 할 수 있다. 따라서, 리드 자유 단부에 대하여 본원에 개시된 임의의 확실한 압력 접촉 구조를 이용하여 음극 리드 및 용기 일부, 바람직하게는 측벽 사이에 접촉을 제공할 수 있다.
도 16은 성형된 리드(36)의 일 실시양태를 도시하며, 여기서 도시된 바와 같이 리드의 약 50%는 리튬 전극에 압력 용접되고, 음극의 폭 방향 하단으로부터 연장되는 리드의 자유 단부는 전극과 접촉하는 부분으로부터의 거리만큼 자체적으로 뒤로 폴딩되어, 폭 단부 에지의 일부에 걸쳐 연장되고 이것을 커버하며 전극의 측을 따라 상방으로 더 연장된다. 또한, 단자 리드 자유 단부가 전지 용기내 삽입 후 용기 측벽과 바람직한 압력 접촉을 형성하도록 리드를 크림핑하여 전극의 축방향에 평행하게 연장되는 스프링과 같은 부분을 형성한다. 폴딩된 리드 단부는 전극 용접된 리드 부분과 겹치며, 바람직한 실시양태에서, 권취된 전극의 외주부는 전극 어셈블리의 삽입 동안 임의의 노출된 리튬이 용기에 부착하는 것을 방지하여 음극의 가능한 인열을 방지하기 위하여 사용될 수 있는 커버 랩 및 분리막 중 하나 이상을 포함한다.
캐소드는 보통 미립자 형태인, 하나 이상의 전기화학적 활성 물질을 포함하는 혼합물 및 집전 장치를 포함하는 스트립 형태이다. 이황화철(FeS2)이 바람직한 활성 물질이다. Li/FeS2 전지에서, 활성 물질은 50 중량 퍼센트 초과의 FeS2을 포함한다. 캐소드는 또한 목적하는 전지 전기 및 방전 특성에 따라 하나 이상의 추가적 활성 물질을 포함할 수 있다. 추가적 활성 캐소드 물질은 임의의 적합한 활성 캐소드 물질일 수 있다. 예는 Bi2O3, C2F, CFx, (CF)n, CoS2, CuO, CuS, FeS, FeCuS2, MnO2, Pb2Bi2O5 및 S를 포함한다. 더욱 바람직하게는 Li/FeS2 전지 캐소드용 활성 물질은 95 중량 퍼센트 이상의 FeS2, 보다 더욱 바람직하게는 99 중량 퍼센트 이상의 FeS2를 포함하고, 그리고 가장 바람직하게는 FeS2가 유일한 활성 캐소드 물질이다. 95 중량 퍼센트 이상의 순도 레벨을 갖는 FeS2는 미국 메사추세츠주 노스 그래프톤에 소재하는 Washington Mills사; 오스트리아 비엔나에 소재하는 Chemetall GmbH사; 및 미국 버지니아주 딜윈에 소재하는 Kyanite Mining Corp사로부터 입수 가능하다.
활성 물질에 더하여, 캐소드 혼합물은 다른 물질을 포함한다. 바인더는 일반적으로 미립자 물질을 함께 유지하고, 혼합물을 집전 장치에 부착하기 위하여 이용된다. 금속, 흑연 및 카본 블랙 파우더와 같은 하나 이상의 전도성 물질을 첨가하어 혼합물에 개선된 전기 전도성을 제공할 수 있다. 사용되는 전도성 물질의 양은 활성 물질 및 바인더의 전기 전도성, 집전 장치상 혼합물의 두께 및 집전 장치 디자인과 같은 요소에 좌우될 수 있다. 또한 소량의 다양한 첨가제도 캐소드 제조 및 전지 성능을 증대시키기 위하여 사용될 수 있다. 이하는 Li/FeS2 전지 캐소드용 활성 물질 혼합물의 예이다. 흑연: 미국 오하이오주 웨스트레이크에 소재하는 Timcal America사로부터의 KS-6 및 TIMREX® MX15 등급 합성 흑연. 카본 블랙: 미국 텍사스주 휴스톤에 소재하는 Chevron Phillips Company LP사로부터의 등급 C55 아세틸렌 블랙. 바인더: Polymont Plastics Corp사(이전 Polysar, Inc사)에 의해 제조되고, 미국 오하이오주 아크론에 소재하는 Harwick Standard Distribution Corp사로부터 입수 가능한 에틸렌/프로필렌 공중합체(PEPP); 비이온성 수용성 폴리에틸렌 산화물(PEO): 미국 미시건주 미드랜드에 소재하는 Dow Chemical Company사로부터의 POLYOX®; 및 미국 텍사스주 휴스턴에 소재하는 Kraton Polymer사로부터의 G1651 등급 스티렌-에틸렌/부틸렌-스티렌(SEBS) 블록 공중합체. 첨가제: 미국 뉴욕주 테리타운에 소재하는 Micro Powders Inc사 제조의 FLUO HT® 마이크론화 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)(미국 오하이오주 클리브랜드에 소재하는 Dar-Tech Inc사로부터 상업적으로 입수 가능함) 및 미국 뉴저지주 리지필드에 소재하는 Degussa Corporation Pigment Group사로부터의 AEROSIL® 200 등급 발연 실리카.
집전 장치는 캐소드 표면 내에 배치되거나 또는 캐소드 표면 내로 삽입될 수 있고, 또는 캐소드 혼합물은 얇은 금속 스트립의 한면 또는 양면 모두에 코팅될 수 있다. 알루미늄이 통상적으로 사용되는 물질이다. 집전 장치는 캐소드 혼합물을 함유하는 캐소드 부분을 넘어 연장될 수 있다. 집전 장치의 이러한 연장부는 양극 단자에 연결되는 전기적 리드와 접촉을 형성하기 편리한 영역을 제공할 수 있다. 집전 장치의 연장부의 부피를 최소로 유지하여 그만큼의 전지의 내부 부피를 활성 물질 및 전해질에 이용가능하게 하는 것이 바람직하다.
FeS2 캐소드의 바람직한 제조 방법은 고 휘발성 유기 용매(예컨대, 트리클로로에틸렌) 내의 활성 물질 혼합물 물질의 슬러리를 알루미늄 호일 시트의 양면 상에 회전 코팅하는 단계, 코팅을 건조시켜 용매를 제거하는 단계, 코팅된 호일을 캘린더 가공하여 코팅을 압축하는 단계, 코팅된 호일을 원하는 폭으로 쪼개는 단계, 쪼개진 캐소드 물질의 스트립을 원하는 길이로 컷팅하는 단계이다. 작은 입도를 갖는 캐소드 물질을 사용하여 분리막에 구멍이 나는 위험을 최소화하는 것이 바람직하다. 예컨대, FeS2는 바람직하게는 사용 전에 230 메쉬(62 ㎛) 스크린을 통해 체로 걸러진다.
캐소드는 전지의 양극 단자에 전기적으로 연결된다. 이것은 흔히 도 1에 도시된 바와 같이 얇은 금속 스트립 또는 스프링 형태의 전기적 리드로 달성될 수 있다. 상기 리드는 흔히 니켈 도금 스테인레스 스틸로 제조된다.
분리막은 이온-투과성이고 전기적으로 비전도성인 얇은 미세공막(microporous membrane)이다. 분리막의 기공 내에 적어도 얼마간의 전해질을 유지할 수 있다. 분리막은 애노드 및 캐소드의 인접하는 표면 사이에 배치되어 전극을 서로 전기적으로 절연시킨다. 분리막의 일부는 또한 전지 단자와의 전기적 접촉으로 다른 성분을 절연시켜서, 내부 단락을 방지할 수 있다. 분리막의 모서리는 흔히 하나 이상의 전극의 모서리를 넘어 연장되어, 서로 완벽하게 배열되어 있지 않더라도 애노드와 캐소드의 전기적 접촉이 일어나지 않도록 한다. 그러나, 전극을 넘어 연장되는 분리막의 양을 최소화하는 것이 바람직하다.
우수한 고 전력 방전 성능을 제공하기 위해, 분리막이 1994년 3월 1일 등록되고 본원에 참고 문헌으로 포함된 미국 특허 5,290,414호에 개시된 특성(0.005 ㎛ 이상의 최소 치수, 5 ㎛ 이하의 최대 치수를 갖는 기공, 30 내지 70 퍼센트 범위의 다공도, 2 내지 15 ohm-cm2의 면적 비저항 및 2.5 미만의 비틀림도)을 갖는 것이 바람직하다.
적합한 분리막 물질은 내부 단락을 야기할 수 있는 인열, 쪼개짐, 구멍 또는 기타 갭 발생 없이 전지 방전 동안 이에 가해질 수 있는 압력 및 전지 제조 공정을 견딜 수 있을 정도로 충분히 강해야 한다. 전지 내의 총 분리막 부피를 최소화하기 위해, 분리막은 가능한 얇아야 하고, 바람직하게는 25 ㎛ 미만의 두께이고, 더욱 바람직하게는 20 ㎛ 또는 16 ㎛와 같은 22 ㎛ 이하의 두께이다. 높은 인장 응력이 바람직하고, 제곱 센티미터당 바람직하게는 800 kgf/cm2 이상, 더욱 바람직하게는 1000 kgf/cm2 이상이다. FR6형 전지에서 바람직한 인장 응력은 기계 방향에서 1500 kgf/cm2 이상이고, 횡단 방향에서 1200 kgf/cm2 이상이고, FR03형 전지에서 바람직한 인장 강도는 기계 및 횡단 방향에서 각각 1300 kgf/cm2 및 1000 kgf/cm2 이다. 바람직한 평균 유전성 파괴 전압은 2000 볼트 이상, 더욱 바람직하게는 2200 볼트 이상, 그리고 가장 바람직하게는 2400 볼트 이상일 것이다. 바람직한 최대 유효 기공 크기는 0.08 ㎛ 내지 0.40 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 0.20 ㎛ 이하이다. 바람직하게는 BET 비표면적이 40 ㎡/g 이하, 더욱 바람직하게는 15 ㎡/g 이상, 그리고 가장 바람직하게는 25 ㎡/g 이상일 것이다. 바람직하게는 면적 비저항이 4.3 ohm-㎠ 이하, 더욱 바람직하게는 4.0 ohm-㎠ 이하, 그리고 가장 바람직하게는 3.5 ohm-㎠ 이하이다. 이러한 특성은 본 명세서에 참조로 통합되고 2003년 11월 21일자 미국 특허 출원 10/719,425호에 더 자세히 기술된다.
리튬 배터리에서 사용하기 위한 분리막 멤브레인은 흔히 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 초고분자량 폴리에틸렌이고, 폴리에틸렌이 바람직하다. 분리막은 이축 배향 미세다공성 멤브레인의 단일 층일 수 있고, 또는 목적하는 인장 강도를 제공하기 위해 2 이상의 층이 직교하는 방향으로 함께 적층될 수 있다. 비용을 최소화하기 위해 단일 층이 바람직하다. 적합한 단일 층 이축 배향 폴리에틸렌 미소다공성 분리막은 Tonen Chemical Corp사, 미국 뉴욕주 마세도니아에 소재하는 EXXON Mobile Chemical Co사로부터 입수 가능하다. Setela F20DHI 등급 분리막은 20 ㎛의 공칭 두께를 가지며, Setela 16MMS 등급은 16 ㎛의 공칭 두께를 가진다.
애노드, 캐소드 및 분리막 스트립은 함께 전극 어셈블리 내에 통합된다. 전극 어셈블리는 도 1에 도시한 바와 같이 주축 주위에 캐소드, 분리막, 애노드 및 분리막의 스트립을 교대로 권취함으로써 제조되는 나선형으로 권취된 디자인일 수 있으며 이것은 권취가 완료될 때 전극 어셈블리로부터 추출된다. 분리막의 하나 이상의 층 및/또는 전기적 절연성 필름(예컨대, 폴리프로필렌)의 하나 이상의 층이 일반적으로 전극 어셈블리의 외부를 감싸고 있다. 이것은 다수의 목적을 수행한다. 즉, 어셈블리를 함께 유지하는 데 도움을 주고, 목적하는 치수로 어셈블리의 폭 또는 직경을 조절하는 데 이용될 수 있다. 분리막의 최외측의 단부 또는 다른 외부 필름 층은 접착 테이프 조각으로 또는 가열 밀봉에 의해 고정될 수 있다. 애노드는 도 1에서 도시한 바와 같이 최외측 전극일 수 있고, 또는 캐소드가 최외측 전극일 수 있다. 어느 전극도 전지 용기와 전기적으로 접촉될 수 있지만, 최외측 전극이 캔과의 전기적 접촉을 이루고자 한 전극과 동일한 전극인 경우 최외측 전극과 용기의 측벽 사이의 내부 단락을 피할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시양태에서, 전극 어셈블리는 음극의 전기화학적 활성 물질의 더 효율적인 이용 및 수명 개선을 위해 전기화학적 활성 물질이 상부에 선택적으로 증착된 양극으로 형성된다. 양극 및 나아가 양극 용기를 포함하는 전기 화학 전지 상에 전기화학적 활성 물질의 선택적 증착 구성의 비제한적 실시예는 본원에 참조로 통합된 2006년 7월 26일자 미국 특허 출원 10/493,314호 및 상기 출원의 일부 계속 출원인 2006년 10월 17일자 미국 특허 출원 11/581,992호에 개시된다.
일 실시양태에서, 1차 전기 화학 전지는 두 전극 사이에 배치된 분리막과 함께 젤리롤 구성으로 권취되는 비삽입형 리튬 음극 및 이황화철 양극을 포함한다. 젤리롤은 비수성 유기 전해질과 함께 원통형 하우징에 배치된다. 특히, 이황화철은 기판에 코팅되지만, 기판의 한 축방향 에지로부터 대향 축방향 에지를 향하여 연장되는 캐리어 일측의 부분 미코팅 부분을 남겨두는 방식으로 코팅된다. 젤리롤이 형성될 때 미코팅 부분은 젤리롤/전지 용기의 높이를 따라 종축을 따른다. 제2의 부분적 미코팅 부분은 바람직하게는 기판의 대향측에 제공되어 제2의 종축을 형성할 수 있다. 이들 종축은 서로 중첩되거나(즉, 서로 직접적으로 근접하지만 기판의 반대측에 있음) 또는 오프셋될 수 있다. 이후 미코팅 부분은 젤리롤의 외주 및/또는 최내 코어에 정렬되어, 미코팅 부분(둘)에 인접한 리튬을 대체할 필요가 없으며, 필요한 리튬의 양을 감소시키고 일반적으로 전지의 제조시 비용을 절약할 수 있다,
추가의 실시양태에서, 전극 어셈블리는 호일 캐리어에 전기화학적 활성 물질이 코팅된 양극 및 리튬 음극을 포함한다. 여기서도, 전극은 분리막과 함께 젤리롤로 나선형으로 권취되고 비수성 전해질과 함께 원통형 용기에 배치된다. 이 경우, 전도성 캐리어는 바람직하게는 젤리롤의 상단에서 배향된 각 측에 코팅 없이 호일의 일단으로부터 타단까지 연장되는 길이 방향 구간을 가진다. 상기와 같이, 1 이상의 비코팅 부분은 호일 캐리어의 폭을 따라 연장된다. 젤리롤이 권취될 때, 젤리롤의 최외주에서 미코팅 부분을 배향시키는 것이 바람직하다. 다중 미코팅 부분이 제공될 경우, 제1 및 제2 미코팅 부분은 부분적으로 또는 완전히 중첩될 수 있다(즉, 서로 근접하지만 호일 캐리어의 대향측에 있음). 그러나, 코팅 부분에 의하여 제3의 미코팅 부분이 제공되는 경우(즉, 미코팅 길이 방향 구간은 제외), 제1 및 제3 구간은 그 사이에 코팅된 부분을 가져야 한다.
패턴화된 양극에 관한 다양한 코팅 패턴 및 추가의 교시는 통합된 참조 문헌에 개시된다.
나선형으로 권취되는 대신, 전극 어셈블리는 전극 및 분리막 스트립을 함께 폴딩함으로써 형성될 수 있다. 스트립을 이의 길이를 따라 정렬한 다음 아코디언 방식으로 폴딩하거나, 또는 애노드와 하나의 전극 스트립을 캐소드와 다른 전극 스트립에 대해 수직으로 놓고, 전극을 하나에 대해 다른 하나를 교차시켜(직교 배향) 교대로 폴딩할 수 있는데 양자의 경우 모두 교대하는 애노드 및 캐소드 층이 교대 적층을 형성한다.
전극 어셈블리는 하우징 용기 내로 삽입된다. 실린더형 또는 각기둥형 용기이든, 나선형으로 권취된 전극 어셈블리의 경우에서, 전극의 주 표면은 용기의 측벽(들)에 대해 수직이다(즉, 전극 어셈블리의 중심 코어는 전지의 종축에 평행하다). 폴딩형 전극 어셈블리가 일반적으로 각기둥형 전지에 이용된다. 아코디언과 같이 폴딩된 전극 어셈블리에서, 어셈블리는 전극 층의 적층의 대향 단부에서 평면형 전극 표면이 용기의 대향 면에 인접하도록 배향된다. 이러한 구성에서, 애노드의 주 표면의 전체 면적의 대부분은 분리막을 통해 캐소드의 주 표면의 전체 면적의 대부분에 인접하고, 전극 주 표면의 최외측 부분은 용기의 측벽에 인접한다. 이러한 방식에서, 애노드 및 캐소드의 두께의 합의 증가로 인한 전극 어셈블리의 팽창이 용기 측벽(들)에 의해 구속된다.
오염 물질로서 매우 적은 양의 물만을 함유하는 비수성 전해질(예컨대,사용되는 전해질 염에 따라 약 500 중량 ppm 이하임)이 본 발명의 배터리 전지에서 사용된다. 리튬 및 활성 캐소드 물질과 사용하기 적합한 임의의 비수성 전해질이 사용될 수 있다. 전해질은 유기 용매에 용해된 하나 이상 전해질 염을 함유한다. Li/FeS2 전지에 대해, 적합한 염의 예는 브롬화 리튬, 과염소산 리튬, 리튬 헥사플루오로인산염, 칼륨 헥사플루오로인산염, 리튬 헥사플루오로비산염, 리튬 트리플루오로메탄술폰산염 및 요오드화 리튬을 포함하고; 적합한 유기 용매는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 메틸 포르메이트, γ-부티로락톤, 술포란, 아세토니트릴, 3,5-디메틸이속사졸, n,n-디메틸 포름아미드 및 에테르 중 하나 이상을 포함한다. 염/용매 조합은 충분한 전기 분해성 및 전기 전도성을 제공하여 목적하는 온도 범위에서 전지 방전 요건을 만족시킬 것이다. 에테르는 흔히 이의 일반적으로 낮은 점도, 양호한 습윤 성능, 양호한 저온 방전 성능 및 양호한 고율 방전 성능 때문에 바람직하다. 이것은 에테르가 MnO2 캐소드에서보다 더 안정하여 더 높은 에테르 수준이 이용될 수 있기 때문에 Li/FeS2 전지에서 특히 그러하다. 적합한 에테르는 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 디(메톡시에틸)에테르, 트리글라임, 테트라글라임 및 디에틸 에테르와 같은 비환형 에테르; 및 1,3-디옥솔란, 테트라히드로퓨란, 2-메틸 테트라히드로퓨란 및 3-메틸-2-옥사졸리디논과 같은 환형 에테르를 포함하나 이에 한정되지 않는다.
상기 참조한 미국 특허 출원 10/719,425호에 개시된 바와 같이, 특정 애노드, 캐소드 및 전해질 조성물 및 그 양은 목적하는 전지 제조, 성능 및 저장 특성을 제공하기 위해 조절될 수 있다.
전지는 임의의 적합한 방법을 이용하여 폐쇄 및 밀봉될 수 있다. 이러한 방법은 크림핑(crimping), 재인발(redrawing), 콜릿(colleting) 및 이들의 조합을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 1의 전지에서, 전극과 절연 콘이 삽입된 후에 비드가 캔 내에서 성형되고, 그리고 가스켓과 커버 어셈블리(전지 커버, 접촉 스프링 및 벤트 부싱 포함)는 캔의 개방 단부에 위치한다. 가스켓과 커버 어셈블리가 비드에 대하여 아래로 밀릴 때, 전지는 비드에서 지지된다. 비드 위의 캔의 상부 직경은 분절된 콜렛으로써 감소하여 전지 내에 가스켓과 커버 어셈블리가 위치하도록 유지시킨다. 벤트 부싱과 커버 내 천공을 통하여 전해질을 전지 내로 분배한 후, 벤트 볼을 부싱 내로 삽입하여 전지 커버 내 천공을 밀봉한다. PTC 장치와 단자 커버를 전지 커버 위로 전지에 위치시키고, 그리고 캔의 상부 모서리는 크림핑 다이로 안쪽으로 구부려 가스켓, 커버 어셈블리, PTC 장치 및 단자 커버를 유지 보존하고 가스켓에 의해 캔의 개방 단부의 밀봉을 완료한다.
상기 기술은 스위스, 제네바 소재의 국제 전기 기술 위원회에 의해 공개된 국제 규격 IEC 60086-1 및 IEC 60086-2에 정의된 바와 같은 FR6형 및 FR03형과 같은 실린더형 Li/FeS2 전지에 특히 관련이 있다. 그러나, 본 발명은 또한 다른 전지 크기 및 형상 그리고 다른 전극 조립체, 하우징, 밀봉 및 압력 이완 벤트 디자인을 갖는 전지에 적합화될 수 있다. 본 발명이 사용할 수 있는 다른 전지 유형은 1차 및 재충전 가능한 비수용성 전지, 예컨대, 리튬/망간 이산화물 및 리튬 이온 전지를 포함한다. 전극 어셈블리 형태도 다양할 수 있다. 예컨대, 상기한 바와 같은 나선형으로 권취된 전극, 폴드형 전극, 또는 스트립의 적층(예컨대, 평면 플레이트)일 수 있다. 전지 형상 또한 다양할 수 있고 예컨대, 실린더형 및 각기둥형 형상을 포함한다.
본 발명의 특색 및 이의 이점은 하기 실시예로 더욱 설명된다.
실시예 1
도 1에 도시한 것과 비슷한 전극 어셈블리를 갖는 FR6 및 FR03 전지에 사용하기 적합한 몇몇의 음극 리드 디자인을 평가하기 위하여 컴퓨터 모델링을 사용하였다. 도 1 및 도 2의 음극 리드와 유사한 리드의 단자 단부에 의해 인가될 수 있는 스프링력을 측정하기 위해 상기 모델을 사용하였다. 측정된 스프링력은 캔의 측벽의 내부 면에 대하여 리드의 단자 부분에 의해 인가되는 힘의 양에 근접하여야 한다.
상기 모델은 리드용 0.051 mm (0.002 인치) 두께로 니켈 도금된 냉연 강철 스트립에 대해 하기 물질 특성을 사용하였다: 영률(Young's modulus) = 2.07 x 108 Pa (3.00 x 107 lb./in2), 푸아송비(Poisson's ratio) = 0.285 및 초기 항복 강도(initial yield strength) = 251,000 Pa (36,400 lb./in2).
리드의 단자 부분(전극 어셈블리의 외부 면에 인접하는 부분, 전극 어셈블리의 바닥 주위의 굽어짐 위, 전극 어셈블리의 캔 내로의 삽입 전)에 대해 세 가지 다른 형상을 평가하였다: 전극 어셈블리가 캔 내로 삽입된 후 그루브가 전지의 종축과 평행하게 배치되도록 V형 및 원호형 리드의 그루브를 스트립 단자 부분의 중앙을 따라 세로로 위치시킨 평면형, V형(도 4A) 및 원호형(도 4B).
상기 모델에서, 초기 리드 형상 및 치수를 사용하여, 전극 어셈블리의 외경의 단면 및 리드의 단자 부분은 캔의 내경의 단면과 겹쳐진다. 12.90 mm (0.508 인치)의 전극 어셈블리 직경, 13.44 mm (0.529 인치)의 캔 내경, 및 4.75 mm (0.187 인치)의 리드 스트립 폭이 FR6 전지 평가에 사용되고; 9.25 mm (0.364 인치)의 전극 어셈블리 직경, 9.70 mm (0.382 인치)의 캔 내경 및 3.18 mm (0.125 인치)의 리드 스트립 폭이 FR03 전지 평가에 사용된다. 각각의 전지 크기에서, 캔에 대한 전극 어셈블리 및 리드의 출발 위치는 각 경우에 동일하였고, 도 6B(실제 규모 아님)에 도시한 것과 같이 90°의 레그 앵글을 갖는 V형으로 초기 성형되는 리드에 기초하여 설정되었다. 리드의 모서리(60)는 캔(12)과 접촉하여 위치하고, 전극 어셈블리는 점(62)에서 V의 베이스와 접촉하여 위치한다. 평가된 다른 각 경우의 출발 위치에서, 리드의 모서리(60)는 캔(12)과 접촉하여 위치하고, 전극 어셈블리 위의 점(62)부터 리드의 중앙을 지나 캔(12)까지 사이의 거리(64)는 FR6 전지의 경우 1.88 mm (0.074 인치)였고, FR03 전지의 경우 1.24 mm (0.049 인치)였다. 도 6A 및 도 6C는 도 6B의 V형 리드와 동일한 물질로 제조된, 평면형 및 원호형 리드를 갖는 FR6 전지에서 각각의 출발 위치를 나타낸다. 거리(64)가 일정하게 유지되므로, 도 6A 및 도 6C의 리드와 전극 어셈블리 사이에 갭이 존재한다. 상기 모델에서, 전극 어셈블리의 위치는 오른쪽으로 이동하여(도 6A-도 6C) 거리(64)가 단축되고, 캔에 대한 리드의 스프링력은 점(62)의 우측 변위 함수로 계산된다. 점(62)과 리드 사이에 갭이 존재하는 경우, 전극이 접촉하기에 충분히 이동하여 리드를 밀어낼 때까지 스프링력이 존재하지 않았다.
모델링의 결과를 도 7 내지 도 14에 도시하며, 출발점으로부터의 전극 어셈블리의 변위(mm) 함수로서 캔에 대한 리드의 스프링력(리드의 성형된 부분의 길이의 g/cm)을 나타낸다; 표 1에 각 도면을 대표하는 전지 유형 및 리드 형상을 요약하였다.
도 전지 유형 리드 형상
7 FR6 평면형
8 FR6 V형, 90°레그 앵글
9 FR6 원호형, 1.78 mm (0.070 인치)원호 반경
10 FR6 원호형, 1.91 mm (0.075 인치)원호 반경
11 FR6 원호형, 2.29 mm (0.090 인치)원호 반경
12 FR03 평면형
13 FR03 V형, 90°레그 앵글
14 FR03 원호형, 1.40 mm (0.055 인치)원호 반경
도 7-14의 그래프는 전극 어셈블리가 우측으로 이동함에 따른 스프링력의 변화를 나타낸다. 12.90 mm 직경의 전극 어셈블리를 갖는 FR6 전지 및 9.25 mm 전극 어셈블리를 갖는 FR03 전지에서 캔의 내부 좌측면에 대해 전극 어셈블리의 좌측부(대향점 62)에 위치하는 출발 위치로부터의 변위량(도 6A-6C)은 라인 E로 표시한다. 전극 어셈블리가 가능한 좌측으로 가장 멀리 있는 경우, 이것은 캔 내로 삽입 후의 전극 어셈블리의 위치와 상응한다. 더 작거나 더 큰 직경을 갖는 전극 어셈블리에 있어서, 라인 E는 왼쪽 또는 오른쪽으로 각각 이동할 것이다. 캔의 내부 우측면에 대해 위치하는 것인 점(62)에서의 변위량은 라인 F로 표시된다. 출발 위치에서 리드와 전극 어셈블리 사이에 갭이 없는 경우(도 8 및 도 13), 스프링력은 우측으로의 전극 어셈블리의 변위 및 상응하는 리드의 압축(초기 리드 형상의 변형)에 따라 곧 증가하기 시작한다. 다른 경우에는, 갭이 존재하지 않게 될 때까지 스프링력이 0을 넘어 증가하지 않는다. 점 A1, B1, C1 및 D1은 FR6 전지에서 0.127 mm (0.005 인치) 증가한 변위에서의 스프링력, FR03 전지에서 0.102 mm (0.004 인치) 증가한 변위에서의 스프링력을 나타낸다. 점 A2, B2, C2 및 D2는 각각 점 A1, B1, C1 및 D1으로 초기에 우측으로 이동한 후에, 전극 어셈블리가 다시 좌측[FR6 전지에서 0.127 mm (0.005 인치) 및 FR03 전지에서 0.102 mm (0.004 인치)]으로 이동되는 경우의 스프링력의 변화를 나타낸다. 이것은 전극 어셈블리가 캔 내로 삽입되는 과정에서 발생하는 것과 상응하고, 리드가 과압축(전극 어셈블리가 캔의 내경과 맞는데 요구되는 최소한도보다 더욱 변형됨)되고, 그 후 캔에 대해 다시 뒤로 밀려날 수 있는 경우가 그 예이다. 리드의 일부에서 초과되는 리드의 항복 강도로 인한, 리드의 부분적 영구적 변형 때문에 스프링력은 더 낮다. 일반적으로, 전극 어셈블리의 주어진 변위량에서, V형 및 원호형 리드는 평면형 리드보다 더 큰 스프링력을 제공한다.
도 7(평면형 리드를 갖는 FR6 전지)에서, 출발점에서와 전극 어셈블리가 1.42 mm (0.056 인치)를 초과하여 우측으로 이동할 때까지의 스프링력은 0이다. 전극 어셈블리가 라인 E를 넘어서 이동할 때까지는 스프링력이 0을 넘어 증가하지 않기 때문에, 12.90 mm 이하의 전극 어셈블리 직경에 대해, 리드와 캔 사이에 스프링력이 없다. 즉, 12.90 mm의 전극 어셈블리 직경으로는, 리드와 캔 사이에 스프링력이 없다. 12.98 mm (0.511 인치) 이상의 전극 어셈블리 직경에 상응하는 0.076 mm (0.003 인치)의 추가적 변위가 요구된다.
도 8(90°V형 리드를 갖는 FR6 전지)에서, 전극 어셈블리의 우측으로의 변위가 시작되자마자 스프링력은 증가하기 시작한다. 전극 어셈블리가 충분히 이동되어, 전극 어셈블리의 좌측부가 캔의 내부 좌측면에 있을 때, 스프링력은 167 g/cm이다(라인 E와 그래프의 교차점에 상응). 이것은 12.90의 전극 어셈블리 직경을 갖는 전지에서, 리드가 매우 과압축되지 않는 한, 리드와 캔 사이에 스프링력이 존재함을 의미한다. 극도의 과압축은 점 C1을 넘어선 변위를 야기하여, 변형된 리드 및 캔 사이에 접촉하는 다수의 점이 존재하고, 리드 물질의 항복 강도가 초과되어 스프링력이 급격히 증가하고(그래프 벗어남), 단지 적은 양의 후퇴 후에 스프링력이 0으로 떨어진다. 도 8은 약 11.55 mm (도 7에 나타낸 최소 전극 직경보다 1.35 mm 더 작음)와 같이 작은 전극 어셈블리 직경이 13.44 mm의 캔 내경 및 이 평가에 사용된 리드를 갖는 전지 내에 사용될 수 있음을 나타낸다.
도 9(1.78 mm 반경 원호형 리드를 갖는 FR6 전지)에서, 모델의 출발점에서는 전극 어셈블리와 리드 사이에 작은 갭이 존재하지만, 캔의 내부 좌측면에 대해 위치한 12.90 mm 직경의 전극 어셈블리에 상응하는 변위에서 스프링력은 0을 넘는다. 라인 E는 1.07 mm (0.042 인치)만큼 그리고 0을 넘는 스프링력을 갖고 있는 때까지 좌측으로 이동될 수 있어, 더 작은 직경(11.83 mm 초과)의 전극 어셈블리가 상기 리드로 사용될 수 있다.
도 10의 그래프는 도 9의 그래프와 유사하다. 점 A1, B1, C1 및 D1이 일반적으로 도 9의 상응점보다 더 높기 때문에, 전극 어셈블리의 캔 내로의 삽입 과정에서 리드의 과압축이 없는 경우, 1.78 mm 원호 반경에서보다 1.91 mm 원호 반경에서의 스프링력이 더 높을 것이다. 상기 리드 디자인으로 사용 가능한 최소 전극 어셈블리는 도 9에 측정된 것보다 약간만 크다.
도 11의 그래프는 도 9 및 도 10의 그래프와 유사하다. 비교하면, 점 B1을 넘는 변위(점 D1은 도 11에 도시하는 최대 스프링력을 초과함)에서 2.29 mm의 원호 반경이 더 높은 스프링력을 야기하지만, 과압축으로부터 야기되는 스프링력의 감소가 조금 있고, 사용 가능한 최소 전극 어셈블리 직경은 1.91 mm 및 1.78 mm 원호 반경을 갖는 리드보다 약간 더 크다는 것을 알 수 있다.
도 12, 13 및 14에서 FR03 전지가 나타내는 형태는 도 7-11과 유사하다. V형 리드의 과도한 압축은 리드의 약화 및 스프링력 감소를 야기할 수 있다. 도 12에 나타낸 평면형 전극 리드로 사용가능한 최소 전극 직경은 약 9.40 mm (0.370 인치)이고, 도 14에 나타내는 1.40 mm 반경 원호형 리드의 경우 최소가 약 8.64 mm (0.340 인치)이고, 도 13에 나타내는 90°V형 리드의 경우 최소가 약 8.46 mm (0.333 인치)이다.
실시예 2
도 1 및 도 2의 전지(10)과 유사한 FR6 전지의 10개의 로트가 전지 특성 및 성능을 평가하기 위해 제조되었다. 로트 1 및 로트 2의 각 전지는 전극 어셈블리 주위를 둘러싼 0.0254 mm (0.001 인치) 두께의 폴리에틸렌 필름 스트립이다. 평균 전극 어셈블리 외경(폴리에틸렌 필름의 스트립 포함)은 13.06 mm (0.514 인치)였다. 로트 3-10의 각 전지는 폴리에틸렌 필름의 외부 랩을 갖지 않고, 전극 어셈블리의 평균 외경은 12.95 mm (0.510 인치)였으며, 모든 로트에서, 캔의 평균 내경은 13.41 mm (0.528 인치)였다. 모든 로트에서 음극 리드는 4.75 mm (0.187 인치) 폭의 전도성 금속의 얇은 스트립으로 제조되고, 55.9 mm (2.20 인치) 길이로 컷팅되었다. 도 2에 도시한 바와 같이, 리드의 한쪽 단부를 외부 단부 근처의 리튬 음극에 부착시켜, 조립된 전극 어셈블리의 바닥 단부로부터 튀어나온 리드의 단자 단부가 바깥쪽으로 굽고 그 후 위쪽으로 굽어, 리드의 단자 부분이 종축에 대해 평행하고, 전극 어셈블리의 외부 면과 인접하도록 하였다.
음극 리드는 표 2에 나타낸 바와 같이 각각의 로트에서 상이하였다. 단자 부분이 전극 어셈블리의 측부를 따라 굽는 경우 비평면 리드는 단일 V형 또는 원호형 그루브를 갖고, 전극 어셈블리의 종축과 평행하였다. 표 2에 나타낸 V 레그 앵글, 원호 길이 및 원호 반경은 형상을 만드는데 사용된 도구의 치수이고, 실제 형성된 리드에서는 편차 및 변동이 있었다. 그루브는 리드의 단자 부분으로부터 연장되는 약 12.7 mm (0.50 인치) 길이였고, V형 또는 원호형 부분으로부터 평면 부분에 이르기까지 전이 구역을 갖는다.
각 로트로부터의 샘플 전지는 60℃에서 60일간 보관하기 전 및 후에, 개로 전압, AC 임피던스 및 전류량을 시험하였다. 각 로트의 샘플 전지에 대하여 또한 방전 변동, 물리적 과부하 및 전기적 과부하를 시험하였다. 로트간에 예상한 변동을 넘어선 실질적 차이는 없었다.
로트 리드 물질 리드 형상
1 니켈 도금 냉연 강철,
0.051 mm(0.002 인치) 두께 		평면형
2 니켈 도금 냉연 강철,
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 V형 그루브,
90°레그 앵글
3 니켈 도금 냉연 강철,
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 원호형 그루브, 90°원호,
1.91mm(0.075 인치) 반경
4 니켈 ,
0.076 mm(0.003 인치) 두께		 V형 그루브,
90°레그 앵글
5 니켈 ,
0.076 mm(0.003 인치) 두께		 원호형 그루브, 90°원호,
1.91mm(0.075 인치) 반경
6 니켈 도금 냉연 강철,
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 평면형
7 니켈 도금 냉연 강철,
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 V형 그루브,
73°레그 앵글
8 니켈 도금 냉연 강철
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 원호형 그루브, 90°원호,
1.50mm(0.059 인치) 반경
9 구리-니켈 합금
(Olin Brass 합금 7025)
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 V형 그루브,
73°레그 앵글
10 구리-니켈 합금
(Olin Brass 합금 7025)
0.051 mm(0.002 인치) 두께		 원호형 그루브, 90°원호,
1.50mm(0.059 인치) 반경
실시예 3
전지의 평균 수명을 측정하기 위하여 도 1 및 2에 도시된 전지(10)와 유사한 FR6 전지의 6개 로트를 제작하였다. 각 로트의 전지는 이론적 계면 A/C 입력 용량비가 0.92였다.
대조군 로트 1 및 로트 11-14 각각은 이하에서 설명되는 바와 같은 음극 리드를 제외하고 동일하였다. 음극은 약 0.5 중량%의 알루미늄 함량을 갖는 리튬 합금 호일로 이루어졌다. 대조군 로트 1의 전지는 리튬 호일의 폭의 96%에 용접된 니켈 도금 냉연 강철 음극 리드를 포함하였고 전체 길이는 55.80 mm (2.200 인치)였다. 로트 11의 전지는 리튬 호일의 폭의 50%에 직접 연결된 애노드 리드를 구비하였고 전체 길이는 37.97 mm (1.495 인치)였다. 로트 12의 전지는 리튬 호일의 폭의 25%에 연장된 니켈 도금 냉연 강철 음극 리드를 구비하였고 전체 길이는 28.22 mm (1.111 인치)였다. 로트 13의 전지는 리튬 호일의 폭의 96%에 연장된 길이를 갖는 구리 합금 7025 음극 리드를 구비하였고 전체 길이는 55.80 mm (2.200 인치)였다. 로트 14의 전지는 리튬 호일의 폭의 50%에 연장된 길이를 갖는 구리 합금 7025 음극 리드를 구비하였고 전체 길이는 37.97 mm (1.495 인치)였다.
대조군 로드 2 및 로트 15의 전지는 다음과 같은 음극 리드를 제외하고 동일하였다. 대조군 로트 2 및 로트 15 및 16의 전지는 약 0.5 중량%의 알루미늄 함량을 갖는 리튬 합금 호일로 이루어지는 음극을 포함하여 형성되었다. 양극은 양극 집전 장치의 임의의 측에 선택적으로 증착된 전기화학적 활성 물질 혼합물로 패턴화된 전극으로서 형성되었다. 대조군 로트 2의 전지는 리튬 호일의 폭의 96%에 용접된 니켈 도금 냉연 강철 음극 리드를 포함하였고 전체 길이는 55.80 mm (2.20 인치)였다. 로트 15의 전지는 리튬 호일의 폭의 25%에 연장된 니켈 도금 냉연 강철 음극 리드를 포함하였고 전체 길이는 37.97 mm (1.495 인치)였다. 로트 16의 전지는 리튬 호일의 폭의 16%에 구리 합금 7025 음극 리드를 사용하였고 전체 길이는 25.32 mm (0.997 인치)였다.
리튬 호일 음극과 접촉하는 음극 리드의 표면적은 리튬의 96% 연장된 리드를 갖는 전지에 대하여 177.6 mm2이었고 리튬 폭의 50% 연장된 전지에 대하여 92.6 mm2였으며 리튬 폭의 25% 연장된 전지에 대하여 46.3 mm2, 리튬 폭의 16% 연장된 전지에 대하여 29.6 mm2였다.
각 로트에서 음극 리드는 압력 본딩에 의하여 음극 리튬 호일에 광접촉을 통하여 압력 용접되었다. 모든 로트에서, 음극 리드는 외부 길이 단부 근처에서 그리고 상기 길이 단부로부터 2.2 mm에서 리튬 호일 음극에 결합되어, 리드의 말단이 조립된 젤리롤 전극 어셈블리의 하단으로부터 돌출되며, 이것은 외부로 구부러진 다음 위로 구부러져 리드의 말단이 종축에 대하여 실질적으로 평행하고 전극 어셈블리의 외측면에 인접하였다. 권취된 전극 어셈블리의 외주는 전지 분리막으로 커버되었다. 리튬 음극에 연결되지 않은 리드의 하나 이상의 부분은 전지의 용기와 압력 접촉된다.
지시된 로트의 대조군 및 실시예 전지는 표 3 및 4에 개시된 시험에 따라 수명 시험을 하였다. 표에 열거된 결과는 보정된 입력 변동을 나타낸다. 연속 시험에서는, 지시된 전압 컷오프에 주어진 속도에서 연속적으로 전지를 방전시켰다. DSC 시험은 "고속" 시험으로 간주되며 에컨대 디지털 카메리와 같은 장치에서와 같은 고속 사용에 대한 전지 성능을 나타낸다. DSC 시험은 두 펄스, 2초간 1500 mW에서의 제1 펄스 및 이어서 28초간 650 mW에서 제2 펄스를 사용하는 전기 화학 전지를 순환한다. 펄스 순서는 10회 반복되며 55분간의 휴지기가 이어진다. 이후, 펄스 순서 및 휴지기는 소정의 컷오프 전압, 본원에서 실시된 시험에 대해서는 1.05 볼트까지 반복된다.
Figure pct00003
Figure pct00004
표 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 예상밖으로, 별도의 집전 장치를 포함하지 않는 리튬 함유 음극의 폭의 96% 미만에 연결된 음극 리드는 종래 기술의 대조군 전지의 로트에 비하여 전지 수명에 거의 영향을 주지 않는 것으로 밝혀졌다. 결과의 차이는 제조 동안 발생할 수 있는 소량의 변동 및 전지에 사용되는 천연 재료의 변동으로 인한 것으로 생각된다. 예상밖으로, 음극의 리튬은 단축된 음극 리드를 사용하는 경우 지나치게 절연되지 않았다. 또한, 결과는 전지 수명에 실질적으로 영향을 주지 않고 단축된 음극 리드가 상이한 유형의 전지 구성과 함께 이용될 수 있음을 나타낸다
본 발명의 실시자 및 당업자는 개시된 개념의 범위에서 일탈하지 않고 본 발명에 대하여 여러 변경 및 개선이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 보호 범위는 청구범위에 의하여 그리고 법에 의하여 허용되는 해석 범위에 의하여 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 폐쇄 단부, 단부 어셈블리로 밀봉된 개방 단부 및 상기 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에서 연장되는 측벽을 갖는 실질적으로 원통형인 전도성 용기;
    이황화철을 포함하는 양극;
    90 중량% 이상의 리튬을 갖고 누적 표면적을 갖는 실질적으로 리튬 또는 리튬 합금으로 이루어진 소정 길이와 소정 폭을 갖는 음극;
    분리막;
    비수성 유기 전해질;
    용기 내에 위치하고 음극과 전기 접촉하는 내부 리드
    를 포함하는 전기 화학 전지로서, 상기 리드는 음극의 누적 표면적의 0.7% 미만 연결되는 표면적을 가지며, 상기 양극, 음극 및 분리막은 상기 내부 리드가 용기 또는 단부 어셈블리와 전기적 접촉을 형성하도록 젤리롤 전극 어셈블리로 권취되고, 상기 전지의 캐소드에 대한 애노드의 이론적인 계면 입력 용량비는 1.0 미만인 것인 전기 화학 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음극과 접촉하는 리드 표면적은 0.5% 미만인 것인 전기 화학 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 리드는 15 mΩ/cm 길이 미만의 저항을 갖는 것인 전기 화학 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 리드는 니켈 도금된 냉연 강철, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금 또는 스테인레스 스틸인 것인 전기 화학 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 음극의 표면과 접촉하는 상기 리드의 면적은 5.0 mm2 내지 160 mm2인 것인 전기 화학 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 음극과 접촉하는 상기 리드 표면적은 0.02% 내지 0.5%이고, 캐소드에 대한 애노드의 이론적인 계면 입력 용량비는 0.95 미만인 것인 전기 화학 전지.
  7. 제1항에 있어서, 용기의 측벽 및 음극 또는 양극 접촉 간에는 직접적인 전기 접촉이 존재하지 않는 것인 전기 화학 전지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 리드는 음극의 기저부에 연결되고 전극 어셈블리의 외부 권취의 하단 주위에서 연장되며 용기의 측벽 또는 바닥벽과 압력하에 접촉되는 것인 전기 화학 전지.
  9. 제7항에 있어서, 상기 음극과 접촉하는 표면적은 0.02% 내지 0.5%인 것인 전기 화학 전지.
  10. 폐쇄 단부, 단부 어셈블리로 밀봉된 개방 단부 및 상기 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에서 연장되는 측벽을 갖는 실질적으로 원통형인 전도성 용기;
    상기 용기 내에 배치되고 음극, 양극, 유기 비수성 전해질 및 상기 음극과 양극 사이에 배치된 분리막을 포함하는 나선형으로 권취된 전극 어셈블리; 및
    상기 용기 내에 배치되어 상기 용기에 상기 음극을 전기적으로 연결하는 내부 리드
    를 포함하는 전기 화학 전지로서,
    상기 음극은 실질적으로 소정의 길이 및 소정의 폭을 갖는 하나 이상의 리튬 또는 리튬 합금 층으로 이루어지고, 별도의 집전 장치를 포함하지 않으며,
    상기 리드의 일단부는 하나 이상의 리튬 또는 리튬 합금 층에 직접 연결되고, 상기 리드는 음극의 폭 방향 일단으로부터 측정된 거리가 연결 위치에서 전지의 종축에 평행하게 측정된 리튬 또는 리튬 합금 층의 폭의 10% 내지 88% 미만 연장되는 것인 전기 화학 전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 리드는 음극의 폭 방향 일단으로부터 측정된 거리가 리튬 또는 리튬 합금 층의 폭의 10% 내지 60% 연장되며, 전지에서 캐소드에 대한 애노드의 이론적인 계면 입력 용량 비가 1.0 미만인 것인 전기 화학 전지.
  12. 제11항에 있어서, 상기 리드는 음극의 폭 방향 일단으로부터 측정된 거리가 리튬 또는 리튬 합금 층의 폭의 10% 내지 50% 연장되며 15 mΩ/cm 길이 미만의 저항을 갖는 것인 전기 화학 전지.
  13. 제11항에 있어서, 상기 음극의 표면과 접촉하는 상기 리드의 면적은 5.0 mm2 내지 160 mm2인 것인 전기 화학 전지.
  14. 제13항에 있어서, 상기 리드는 음극의 기저부에 연결되고 전극 어셈블리의 외부 권취의 하단 주위에서 연장되며 용기의 측벽 또는 바닥벽과 압력 접촉되는 것인 전기 화학 전지.
  15. 제14항에 있어서, 상기 음극의 표면과 접촉하는 상기 리드의 면적은 10.0 mm2 내지 92.6 mm2이고 캐소드에 대한 애노드의 이론적인 계면 입력 용량 비가 0.95 미만인 것인 전기 화학 전지.
  16. 제10항에 있어서, 상기 리드의 저항은 5 mΩ/cm 길이 미만이고, 상기 리드는 니켈 도금된 냉연 강철, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금 또는 스테인레스 스틸인 것인 전기 화학 전지.
  17. 제16항에 있어서, 음극 또는 양극과 용기 측벽의 직접적 접촉이 존재하지 않도록 전극 어셈블리의 외표면에는 분리막 또는 커버랩 또는 이의 조합이 존재하는 것인 전기 화학 전지.
  18. 폐쇄 단부, 단부 어셈블리로 밀봉된 개방 단부 및 상기 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에서 연장되는 측벽을 갖는 실질적으로 원통형인 전도성 용기;
    상기 용기 내에 배치되고 실질적으로 누적 표면적을 형성하는 소정의 길이 및 소정의 폭을 갖는 리튬 또는 리튬 합금으로 이루어지는 음극 스트립, 양극 스트립, 유기 비수성 전해질 및 상기 음극 스트립과 양극 스트립 사이에 배치된 분리막을 구비하는 나선형으로 권취된 전극 어셈블리; 및
    상기 용기 내에 배치되어 상기 용기에 상기 음극을 전기적으로 연결하는 내부 리드
    를 포함하는 전기 화학 전지로서,
    상기 리드의 일단부는 리튬 또는 리튬 합금에 연결되고,
    용기의 측벽 및 음극 또는 양극 사이에 직접적인 전기 접촉이 없으며,
    상기 리드는 음극의 기저부를 따라 연결되고 전극 어셈블리 외부로 연장되어 용기의 측벽 또는 바닥벽과 압력 접촉을 형성하며,
    상기 리드는 음극의 누적 표면적의 0.7% 미만에 연결되는 표면적을 가지며 음극의 폭 방향 일단으로부터 측정된 거리가 전지의 종축에 평행하게 측정된 음극의 폭의 10% 내지 88% 미만 연장되는 것인 전기 화학 전지.
  19. 제18항에 있어서, 상기 표면적은 누적 표면적의 0.02% 내지 0.5% 연결되고, 캐소드에 대한 애노드의 이론적인 계면 입력 용량비는 0.95 미만인 것인 전기 화학 전지.
  20. 제19항에 있어서, 상기 음극의 표면과 접촉하는 상기 리드의 면적은 5.0 mm2 내지 160 mm2 미만이고 상기 리드는 용기와 비용접 전기 접촉되는 것인 전기 화학 전지.
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