KR20110122131A - 외장 덮개를 구비한 갈바니 전지 ⅱ - Google Patents

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KR20110122131A
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클라우스-루퍼트 호헨타너
옌스 마인츄엘
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리-텍 배터리 게엠베하
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Abstract

특히 대략 프리즘 형태의 본 발명에 따른 갈바니 전지는 적어도 하나의 제1 전극 스택을 구비한다. 제1 집전체가 제1 전극 스택과 연결된다. 갈바니 전지는 제1 전극 스택을 적어도 부분적으로 둘러싸는 외장 덮개를 더 구비한다. 이때, 제1 집전체는 부분적으로 외장 덮개로부터 바깥쪽으로 연장된다. 또한, 갈바니 전지는 제2 전극 스택 및 제2 집전체를 구비한다. 외장 덮개는 적어도 하나의 제1 몰딩 및 제2 몰딩을 구비한다. 몰딩들 중의 하나는 나머지 몰딩들보다 더 높은 열전도도를 갖는다. 몰딩들은 적어도 하나의 전극 스택을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 마련된다.

Description

외장 덮개를 구비한 갈바니 전지 Ⅱ{GALVANIC CELL COMPRISING SHEATHING Ⅱ}
본 발명은 배터리용 갈바니 전지(galvanic cell)에 관한 것이다. 본 발명은 자동차 구동 장치에 급전하기 위한 리튬 이온 배터리와 관련된 것이다. 본 발명은 실제로 갈바니 전지의 화학적 특성, 구조와는 무관하게 또는 급전되는 구동 장치의 타입과는 무관하게 사용될 수 있음을 언급하고자 한다.
자동차 구동 장치에 급전하기 위한 다수의 갈바니 전지들을 구비한 배터리들이 선행 기술로부터 공지되어 있다. 그러한 배터리의 작동 동안, 갈바니 전지들에서는 비가역적 화학 반응들이 발생한다. 그러한 비가역적 화학 반응들은 갈바니 전지들의 충전 용량을 감소시키는 결과를 가져온다.
본 발명의 과제는 배터리의 갈바니 전지들의 충전 용량을 더 많은 충전 사이클들에 걸쳐 유지시키는 것이다. 그러한 과제는 본 발명에 따라 독립 청구항의 주제에 의해 달성된다. 종속 청구항들의 주제들은 본 발명의 바람직한 부가의 구성들에 관한 것이다.
특히 대략 프리즘 형태의 본 발명에 따른 갈바니 전지는 적어도 하나의 제1 전극 스택(electrode stack)을 포함한다. 제1 집전체(current collector)가 제1 전극 스택과 연결된다. 갈바니 전지는 제1 전극 스택을 적어도 부분적으로 둘러싸는 외장 덮개(sheathing)를 더 포함한다. 이때, 제1 집전체는 부분적으로 외장 덮개로부터 바깥쪽으로 연장된다. 또한, 갈바니 전지는 제2 전극 스택 및 제2 집전체를 구비한다. 외장 덮개는 적어도 하나의 제1 몰딩(moulding) 및 제2 몰딩을 포함한다. 몰딩들 중의 하나는 나머지 몰딩들보다 더 높은 열전도도를 갖는다. 몰딩들은 적어도 하나의 전극 스택을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 마련된다.
본 발명에서, 갈바니 전지란 전기 에너지를 내는 역할을 하는 장치를 의미한다. 갈바니 전지는 에너지를 화학적 형태로 저장한다. 전류를 방출하기 전에, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 상황에 따라, 갈바니 전지는 전기 에너지를 수용하고 화학 에너지로 변환하여 저장하는 데에도 적합하다. 그 경우, 그러한 갈바니 전지를 재충전 가능한 갈바니 전지라 말한다. 전기 에너지를 화학 에너지로 또는 그 반대로 변환하는 것은 많은 손실을 초래하고 비가역적 화학 반응들을 수반한다. 그러한 비가역적 화학 반응들은 에너지 저장 및 에너지 변환을 위한 갈바니 전지의 영역이 더 이상 이용될 수 없게 되는 결과를 가져온다. 따라서, 방전과 충전 과정들의 수 또는 충전 사이클들의 수가 증가함에 따라 갈바니 전지의 저장 능력 또는 충전 용량이 감소하게 된다. 갈바니 전지의 작동 온도가 상승함에 따라 비가역적 화학 반응들도 증가하게 된다. 갈바니 전지의 형태는 사용 장소의 가용 공간에 의존하여 선택될 수 있다. 갈바니 전지는 대략 원통형 또는 프리즘형으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 전극 스택이란 적어도 2개의 전극들과 그들 사이에 배치된 전해질의 어레이를 의미한다. 전해질은 부분적으로 분리막(separator)에 의해 흡수될 수 있다. 그 경우, 분리막은 전극들을 분리한다.
적어도 하나의 전극, 매우 바람직하게는 적어도 하나의 양극은 LiMPO4의 화학식을 갖는 화합물을 포함하는 것이 바람직한데, 여기서 M은 원소의 주기율표의 제1 계열에 속하는 적어도 하나의 전이 금속 양이온이다. 전이 금속 양이온은 Mn, Fe, Ni, 및 Ti 또는 그 원소들의 조합으로 이뤄진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 그러한 화합물은 올리빈(olivine)의 구조, 바람직하게는 상위 등급 올리빈의 구조를 갖는 것이 바람직하다.
다른 실시 형태에 있어서, 적어도 하나의 전극, 매우 바람직하게는 적어도 하나의 양극은 망간산 리튬, 바람직하게는 스피넬(spinel) 타입의 LiMn2O4, 코발트산 리튬, 바람직하게는 LiCoO2, 또는 니켈산 리튬, 바람직하게는 LiNiO2, 또는 그 2가지 또는 3가지 산화물들의 혼합물, 또는 망간, 코발트, 및 니켈을 함유한 리튬 혼합 산화물을 포함하는 것이 바람직하다.
마이너스 전극 및 플러스 전극은 하나 이상의 분리막들에 의해 서로 분리되는 것이 바람직하다. 그러한 분리막 재료들은 예컨대 분리막을 통한 물질 전달이 분리막 층과 수직으로 이뤄질 수 있는 반면에 분리막 층과 평행한 물질 전달이 방해되거나 심지어 방지되기까지 하도록 제공된 다공성 무기 재료들로 구성될 수 있다.
이때, 온도 임계치에 도달하거나 그를 넘어설 때에 용융되어 분리막 층의 다공들을 적어도 국부적으로 축소하거나 폐쇄하는 입자들이 곳곳에 산재하고 있거나 그러한 입자들을 적어도 그 표면에 구비하는 무기 재료들로 구성된 분리막 재료들이 매우 바람직하다. 그러한 입자들은 중합체들이나 중합체들의 혼합물, 왁스, 또는 그들의 혼합물을 포함하는 재료들의 군으로부터 선택된 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
모세관 작용에 의해 분리막 층의 다공들이 반응물로서 화학 반응에 참여하는 이동성 성분으로 채워지고, 그에 따라 갈바니 전지에 존재하는 이동성 성분의 총량 중의 상대적으로 적은 부분만이 분리막 층의 다공들의 밖에 있도록 분리막 층이 형성되는 본 발명의 실시 형태가 매우 바람직하다. 그와 관련하여, 갈바니 전지에 있는 전해질이나 그 화학 성분들 중의 하나 또는 그러한 성분들의 혼합물이 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라 가능한 한 전체의 다공성 분리막 층을 축이거나 적시지만 분리막 층의 밖에서는 마주치지 않거나 무시할 수 있는 양 또는 비교적 적은 양으로만 마주치게 되는 매우 바람직한 반응물이다. 그러한 어레이는 갈바니 전지의 제조 시에 다공성 분리막을 갈바니 전지에 있는 전해질 또는 적절히 선택된 화학 반응의 다른 반응물로 적셔 그 반응물이 계속해서 거의 분리막에만 있게 되도록 함으로써 얻어질 수 있다.
화학 반응에 의거한 기포 형성으로 인해 또는 국부적 가열로 인해 혹시 먼저 국부적인 압력 상승만 일어나게 되면, 그 반응물이 다른 영역들로부터 반응 영역으로 흐를 수 없게 된다. 반응물이 여전히 흐를 수 있는 경우 또는 그러한 한에는, 다른 지점들에 있는 그 반응물의 이용 가능성도 그에 상응하게 감소하게 된다. 결국, 반응이 정지하거나 적어도 바람직하게는 적은 영역으로 국한되게 된다.
본 발명에 따르면, 전자 전도성이 없거나 전자 전도성이 단지 열악한데 불과하고, 적어도 부분적인 물질 투과성을 갖는 캐리어(carrier)로 구성된 분리막을 사용하는 것이 바람직하다. 그러한 캐리어는 적어도 일 측면에서 무기 재료로 코팅되는 것이 바람직하다. 적어도 부분적인 물질 투과성을 갖는 캐리어로서는, 바람직하게는 부직포로서 형성된 유기 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 중합체, 매우 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 포함하는 그러한 유기 재료는 바람직하게는 -40℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 이온 전도성을 더 갖는 이온 전도성 무기 재료로 코팅되는 것이 바람직하다. 그러한 무기 재료는 Zr, Al, 및 Li 원소들 중의 적어도 하나를 갖는 산화물, 인산염, 황산염, 티탄산염, 규산염, 및 알루미노 규산염으로 이뤄진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물, 특히 바람직하게는 산화지르콘을 포함하는 것이 바람직하다. 이온 전도성 무기 재료는 최대 지름이 100 ㎚ 미만인 입자를 갖는 것이 바람직하다.
그러한 분리막은 예컨대 독일의 Evonik AG로부터 "Separion"이란 상품명으로 판매되고 있다.
전극 스택은 화학 에너지를 저장하고 그 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 역할도 한다. 재충전 가능한 갈바니 전지의 경우, 전극 스택은 전기 에너지를 화학 에너지로 변환할 수도 있다. 전극들은 예컨대 플레이트 형태 또는 포일 형태로 형성된다. 전극 스택은 권취되어 대략 원통형 형태를 가질 수도 있다. 그 경우에는 오히려 전극 코일이라 한다. 이하에서, 전극 스택의 개념은 전극 코일에도 적용된다. 제1 전극 스택 및 제2 전극 스택은 동일한 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 전극 스택은 리튬 또는 다른 알칼리 금속을 이온 형태로 가질 수 있다.
본 발명에서, 집전체란 전극으로부터 다른 전기 작용 장치, 특히 전기 소비 장치 쪽으로 전자들이 흐를 수 있게 하는 장치를 의미한다. 집전체는 전류 방향의 반대로 작용한다. 집전체는 전극 스택과 전기 전도되게 연결된다. 집전체는 접속 케이블과 연결된다. 집전체의 형태는 갈바니 전지 또는 전극 스택의 형태에 맞춰 형성된다. 집전체는 플레이트 형태 및/또는 포일 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 제1 집전체는 부분적으로 외장 덮개로부터 바깥쪽으로 연장된다. 제2 집전체는 부분적으로 외장 덮개로부터 바깥쪽으로 연장될 수 있거나 2개의 전극 스택들 간의 전도 연결을 이룰 수 있다. 전극 스택의 각각의 전극이 자체 집전체를 갖거나 동일한 극성의 전극들이 공통 집전체와 연결되는 것이 바람직하다. 집전체는 전기 절연되게 형성된 코팅으로 부분적으로 코팅되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 외장 덮개란 전극 스택으로부터 주변 환경으로 화학 약품들이 유출되는 것을 방지하는 장치를 의미한다. 외장 덮개는 전극 스택의 화학 성분을 주변 환경과의 원하지 않는 상호 작용으로부터 더 보호한다. 예컨대, 외장 덮개는 전극 스택을 주변 환경으로부터의 물 또는 수증기의 유입으로부터 보호한다. 외장 덮개는 포일 형태로 형성될 수 있다. 외장 덮개는 열 에너지의 통과를 가능한 한 덜 저해하여야 한다. 본 발명에서, 외장 덮개는 적어도 2개의 몰딩을 구비한다. 외장 덮개는 적어도 부분적으로 전극 스택의 형태에 맞춰 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 몰딩이란 전극 스택의 형태에 맞춰 형성된 고체를 의미한다. 상황에 따라, 몰딩은 다른 몰딩 및/또는 전극 스택과 협력하여서야 비로소 그 형태를 얻게 된다. 정사각형 전극 스택의 경우, 몰딩은 대략 직사각형으로 재단될 수 있다. 이때, 몰딩의 몇몇 치수들은 전극 스택의 정해진 치수들보다 더 크게 선택되는 것이 바람직하다. 2개의 몰딩들이 전극 스택의 둘레에 놓일 경우, 몰딩들은 부분적으로 전극 스택을 넘어 돌출되어 부분적으로 돌출 에지를 형성한다. 이때, 몰딩의 에지 영역은 또 다른 몰딩의 에지 영역과 접촉하는 것이, 바람직하게는 평면적으로 접촉하는 것이 바람직하다. 예컨대, 하나의 몰딩은 평탄한 플레이트로서 형성되는 한편, 또 다른 몰딩은 전극 스택의 둘레를 휘감아 제1 몰딩과 맞닿는다. 하나의 몰딩은 나머지 몰딩보다 더 높은 열전도도를 갖고, 하나 이상의 전극 스택과 열전도 접촉한다. 몰딩과 전극 스택 사이의 온도 차에 의존하여, 열 에너지가 전극 스택으로부터 밖으로 또는 전극 스택 내로 전달된다. 하나의 몰딩은 2개의 전극 스택들 사이에 배치되어 양 전극 스택들과 열전도 접촉하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 둘러싼다는 것은 하나의 몰딩이 또 다른 몰딩과 국부적으로 접촉하게 될 수 있다는 것을 의미한다. 이때, 적어도 하나의 전극 스택은 해당 몰딩들 사이에 놓이게 된다. 전극 스택을 둘러싼 후에는, 2개의 몰딩들이 국부적으로 바람직하게는 해당 몰딩의 접경 에지 또는 가장자리 영역을 따라 평면적으로 접촉하게 된다.
자동차 구동 장치에 급전하기 위해, 배터리로부터 일시적으로 높은 전류가 인출되고, 그것은 배터리의 갈바니 전지들이 눈에 뜨일 정도로 가열되는 결과를 가져올 수 있다. 갈바니 전지에서는, 온도의 상승에 따라 비가역적 화학 반응들도 증가하게 된다. 본 발명에 따르면, 갈바니 전지의 외장 덮개에는 외장 덮개의 나머지 부분들에 비해 열전도도가 현저히 더 높은 것을 특징으로 하는 몰딩이 형성된다. 즉, 열 저항이 현저히 감소하여 전극 스택으로의 또는 전극 스택으로부터의 열류가 증가할 수 있게 된다. 따라서 낮은 온도 차에서 갈바니 전지 내의 가열 출력을 반출해낼 수 있다. 그와 같이 갈바니 전지의 작동 온도를 제한하게 됨으로써, 비가역적 화학 반응들이 감소하고, 갈바니 전지의 충전 용량이 대폭 확보되며, 작동 수명이 향상되고, 본 발명의 과제들이 해결되게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 부가의 구성들에 관해 설명하기로 한다.
서로 연결될 외장 덮개의 적어도 2개의 몰딩들이 마련되는 것이 바람직하다. 연결은 예컨대 마찰 연결(frictional connection) 또는 재질 연결(material connection)에 의해 이뤄진다. 각종의 몰딩들의 재료에 의존하여, 몰딩들은 예컨대 접착 또는 용접 방법에 의해 서로 연결될 수 있다. 특히, 적어도 2개의 몰딩들을 연결하는데 초음파 용접 또는 레이저 용접이 사용될 수 있다. 이때, 해당 몰딩의 표면들 중의 적어도 하나를 전처리하거나 활성화하는 것이 아마도 유용할 수 있다. 마찰 연결 또는 재질 연결은 바람직하게는 둘레에 둘러진 스트립 형태의 연결부가 몰딩들 사이의 공간을 주변 환경에 대해 밀봉하도록 몰딩들을 연결한다. 접착성을 개선하기 위해, 예컨대 실링 테이프와 같은 인서트 스트립을 사용할 수도 있다. 적어도 2개의 몰딩들이 제1 연결 영역에서 특히 재질 연결로 서로 연결되는 것이 바람직하다. 제1 연결 영역은 해당 몰딩의 에지 영역을 따라 연장되는 것이 바람직하다. 이때, 제1 연결 영역은 스트립 형태로 형성된다. 제1 연결 영역이 몰딩의 접경 에지의 둘레를 따라 완전히 둘러질 필요는 없다. 해당 몰딩들의 연결 전에, 추가의 인서트 부품을 그것도 역시 몰딩들과 마찰 연결 또는 재질 연결에 의해 연결되도록 배치할 수 있다. 특히, 집전체를 그것이 부분적으로 외장 덮개로부터 바깥쪽으로 연장되도록 삽입한다. 즉, 외장 덮개가 집전체의 영역에서 주변 환경에 대해 기밀적으로 되게 된다.
외장 덮개의 적어도 하나의 몰딩은 열전달 영역을 구비하는 것이 바람직하다. 그러한 열전달 영역은 전극 스택으로의 또는 전극 스택으로부터의 열전달을 개선하는 역할을 한다. 열전달 영역에 제1 온도 제어 매체가 흘러들거나 열전달 영역이 온도 제어 요소와 열전도 접촉하고 있는 것이 바람직하다. 몰딩의 열전달 영역은 몰딩의 표면의 대부분에 해당할 수 있다. 동시에, 열전달 영역은 갈바니 전지를 예컨대 나사 결합, 리벳 접합, 접착, 또는 용접에 의해 온도 제어 요소에 고정하는 역할을 할 수도 있다.
외장 덮개의 적어도 하나의 몰딩은 굽힘 저항성이 있게 구성되는 것이 바람직하다. 그러한 몰딩은 전극 스택을 지지하거나, 전극 스택을 기계적 손상으로부터 보호하거나, 갈바니 전지를 수납 장치에 기계적으로 연결하는 역할을 할 수 있다. 그러한 몰딩은 금속 플레이트 또는 금속 시트로서 형성되는 것이 바람직하다. 몰딩은 예컨대 보강용 물결 주름, 세워 올린 에지 영역, 또는 리브에 의해 보강될 수 있다. 외장 덮개의 하나 이상의 몰딩은 얇은 벽으로 구성되는 것이 바람직하다. 벽 두께는 적어도 하나의 몰딩이 기계 응력, 전기 응력, 또는 열 응력에 맞춰지게 하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 벽 두께가 균일하여야 할 필요는 없다. 얇은 벽으로 된 몰딩의 두꺼운 벽 두께를 갖는 영역은 히트 싱크(heat sink) 또는 열원(heat reservoir)으로서 작용하여 전극 스택으로부터 열에너지를 반출하거나 전극 스택으로 열에너지를 운반하는데 기여할 수 있다. 얇은 벽으로 된 몰딩의 구성은 중량과 공간을 절감시키기도 한다. 하나 이상의 몰딩은 포일로서, 매우 바람직하게는 복합체 포일로서 형성되는 것이 바람직하다. 복합체 포일의 재료로서는 금속 또는 플라스틱이 고려된다.
외장 덮개의 하나 이상의 몰딩은 적어도 국부적으로 코팅을 구비하는 것이 바람직하다. 그러한 코팅은 몰딩들을 그것이 노출되는 각종의 응력들에 맞춰지게 하는 역할을 한다. 예컨대, 코팅은 몰딩을 전기 절연하거나, 몰딩을 갈바니 셀의 화학 약품들로부터 보호하거나, 몰딩의 접착 연결의 접착성을 개선하거나, 몰딩의 열전도도를 개선하거나, 몰딩을 주변 환경의 손상 작용으로부터 보호하는 역할을 한다. 코팅은 몰딩의 표면의 화학적 활성화를 일으킬 수 있다. 코팅은 몰딩의 재료와는 다른 재료로 이뤄지는 것이 바람직하다. 적어도 하나의 몰딩은 그 몰딩의 여러 위치들에 배치될 수 있는 다수의 상이한 코팅들을 구비할 수도 있다. 몰딩이 전극 스택과 전기 접촉하고 있으면, 집전체는 그 몰딩에 대해 전기 절연되는 것이 바람직하다.
외장 덮개의 하나 이상의 몰딩은 리세스, 특히 접시 모양의 리세스를 구비하는 것이 바람직하다. 그러한 구성에 의해, 몰딩이 증대된 평면 관성 모멘트 및 굽힘 강도를 얻게 된다. 그러한 리세스는 적어도 부분적으로 전극 스택을 수납하는 것이 바람직하다. 그것은 전극 스택을 보호하는 역할도 한다. 리세스를 구비한 몰딩의 벽 두께는 응력에 맞춰 형성되는 것이 바람직하다. 외장 덮개의 다수의 몰딩들이 전극 스택의 수납을 위한 공통의 공간을 형성하는 리세스들을 구비할 수 있다. 몰딩은 딥 드로잉(deep drawing) 또는 냉간 압출(cold extrusion) 가공된 판금으로서 형성되는 것이 바람직하다. 몰딩은 딥 드로잉 가공된 플라스틱 플레이트, 복합체 포일, 또는 플라스틱 포일로서 형성되는 것이 바람직하다. 리세스를 구비한 외장 덮개의 몰딩은 또 다른 몰딩과의 연결을 위해 마련된 적어도 하나의 제1 연결 영역을 추가로 구비한다.
적어도 하나의 몰딩은 제2 연결 영역을 구비하는 것이 바람직하다. 제2 연결 영역은 갈바니 전지를 예컨대 하우징 내에, 프레임 내에, 또는 베이스 플레이트 상에 고정하는 역할을 한다. 제2 연결 영역은 해당 몰딩을 또 다른 물체에 연결하는 것이 미리 정해진 방식으로만 이뤄지도록 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 제2 연결 영역은 또 다른 물체의 영역과 상응하는 형태를 갖는다. 예컨대, 구멍과 핀 등과 같은 형상 요소들을 배치함으로써, 몰딩과 또 다른 물체 사이의 연결이 미리 정해진 방식으로만 가능하게 되도록 할 수 있다. 관통 구멍과 나사를 배치하는 것도 역시 미리 정해진 방식으로만 연결을 허용하게 하도록 할 수 있다. 제2 연결 영역은 공간적으로 제1 연결 영역으로부터 분리되는 것이 바람직하다. 외장 덮개의 적어도 하나의 몰딩은 다수의 분리된 제2 연결 영역들을 구비하는 것이 바람직하다. 몰딩을 또 다른 물체와 연결하는 것은 예컨대 리벳 접합, 나사 결합, 용접, 또는 접착에 의해 이뤄진다. 몰딩의 제2 연결 영역과 그 몰딩의 열전달 영역은 일치하는 것이 바람직하다. 몰딩은 그 영역에서 예컨대 온도 제어 요소, 프레임, 또는 배터리 하우징의 베이스 플레이트와 연결된다.
본 발명에 따른 갈바니 전지의 적어도 2개의 전극 스택들은 서로 전기 전도되게 연결되는 것이 바람직하다. 그러한 전기 전도 연결은 전극 스택의 집전체를 통해 간접적으로 이뤄질 수 있다. 그 연결은 전극 스택의 전기적 직렬 접속 또는 그 병렬 접속을 이룰 수 있다. 제1 집전체는 제1 전극 스택과, 그리고 제2 집전체는 제2 전극 스택과 각각 연결된다. 그 2개의 집전체들이 부분적으로 외장 덮개로부터 바깥쪽으로 연장되면, 집전체 내지 전극 스택의 전기 전도 연결은 외장 덮개의 바깥에서 이뤄질 수 있다. 예컨대, 2개의 집전체들이 몰딩의 에지를 넘어 돌출한다. 이때, 적어도 하나의 집전체는 또 다른 집전체 쪽으로 연장되어 부분적으로 그와 전기 전도 접촉하거나 연결될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 집전체는 부분적으로 전기 절연되게 코팅될 수 있다.
적어도 하나의 몰딩은 특히 외장 덮개의 내부에 적어도 하나의 개구부를 구비하는 것이 바람직하다. 개구부는 바람직하게는 전기 절연되게 코팅된 에지와 접경한다. 제2 집전체는 몰딩의 개구부를 통해 안내된다. 제2 집전체는 개구부를 밀봉하게 형성되고/형성되거나 부분적으로 전기 절연되게 코팅되는 것이 바람직하다. 제2 집전체의 일 영역은 적어도 부분적으로 전기 전도되게 제1 집전체와 연결된다. 적어도 2개의 전극 스택들이 직렬로 접속되는 것이 바람직하다. 2개의 전극 스택들을 구비한 갈바니 전지는 바깥쪽으로 돌출된 상이한 극성의 2개의 집전체들만을 구비할 수도 있다.
적어도 2개의 갈바니 전지들을 배터리로 결합하는 것이 바람직하다. 이때, 적어도 2개의 갈바니 전지들은 서로 나란히 배치되는 것이 바람직하다. 프리즘 형태 또는 정사각형 형태의 전지들은 평면적으로 서로 접촉하게 되거나, 대략 정사각형 형태의 패키지를 형성할 수 있다. 또한, 배터리에는 적어도 하나의 온도 제어 요소가 부속된다. 그러한 온도 제어 요소는 시간에 따라 변할 수 있는 미리 정해진 온도를 갖는다. 온도 제어 요소의 온도는 갈바니 전지의 전극 스택의 온도에 의존하여 선택되는 것이 바람직하다. 미리 정해진 온도 강하는 그 전극 스택 내로의 또는 그 전극 스택으로부터 바깥으로의 열류를 발생시킨다. 이때, 온도 제어 요소는 적어도 하나의 몰딩 또는 온도 제어 요소와 접촉하고 있는 그 열전달 영역을 통해 전극 스택과 열에너지를 교환한다. 마련되는 갈바니 전지들은 제2 연결 영역을 통해 특히 마찰 연결 또는 재질 연결에 의해 온도 제어 요소와 연결될 수 있다.
온도 제어 요소는 온도 제어 요소의 미리 주어진 온도를 설정하기 위한 적어도 하나의 채널을 구비하는 것이 바람직하다. 그러한 채널은 제2 온도 제어 매체로 채워지는 것이 바람직하다. 제2 온도 제어 매체는 그 적어도 하나의 채널을 통과하여 유동하는 것이 매우 바람직하다. 이때, 유동하는 제2 온도 제어 매체는 온도 제어 요소에 열에너지를 공급하거나 그로부터 열에너지를 반출한다. 적어도 하나의 온도 제어 요소는 열교환기와 연동하는 것이 바람직하다. 열교환기는 특히 제2 온도 제어 매체를 사용하여 그 온도 제어 요소로부터 열에너지를 반출하거나 그 온도 제어 요소에 열에너지를 공급한다. 열교환기 또는 온도 제어 매체는 자동차의 공조 시스템과 상호 작용할 수 있다. 열교환기는 전기 가열 장치를 구비할 수 있다.
적어도 2개의 갈바니 전지들을 구비한 배터리는 갈바니 전지의 적어도 하나의 몰딩에 제1 온도 제어 매체가 흘러들도록 작동되는 것이 바람직하다. 예컨대, 외기 공기 또는 자동차의 공조 시스템의 냉매가 제1 온도 제어 매체로서 사용될 수 있다. 제1 온도 제어 매체는 적어도 하나의 몰딩, 그 열전달 영역, 또는 전극 스택보다 더 높거나 더 낮은 온도를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 갈바니 전지는 먼저 외장 덮개의 적어도 2개의 몰딩들이 전극 스택을 휘감아 포개지도록 제조된다. 이때, 갈바니 전지의 집전체들을 삽입할 수 있다. 이어서, 2개의 몰딩들을 특히 재질 연결에 의해 서로 연결하여 특히 적어도 2개의 몰딩들의 둘레를 두르는 연결이 생성되도록 한다. 즉, 전극 스택의 둘레에 기밀 외장 덮개를 생성한다.
이어서, 적어도 하나의 몰딩을 굽힘 가공에 의해, 특히 몰딩의 적어도 하나의 에지 영역을 세워 올리는 가공에 의해 변형 상태로 전이시킨다. 제1 연결 영역의 에지를 적어도 부분적으로 굽힘 가공하는 것이 바람직하다. 이때, 적어도 하나의 몰딩의 치수가 줄어들 수 있다. 몰딩의 세워 올린 영역이 전극 스택의 부가의 기계적 보호를 가져오는 것이 바람직하다. 세워 올린 에지 영역은 해당 몰딩의 평면 관성 모멘트를 증가시킨다.
본 발명에 따르면, 배터리의 갈바니 전지들의 충전 용량을 더 많은 충전 사이클들에 걸쳐 유지시킬 수 있다.
첨부 도면들과 연계된 이후의 설명으로부터 본 발명의 또 다른 이점들, 특징들, 및 이용 가능성이 명확히 드러날 것이다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 2개의 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지의 사시도이다.
도 2는 2개의 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지의 분해 사시도이다.
도 3은 2개의 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지의 측면도 및 단면도이다.
도 4는 2개의 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지의 부분 확대 단면도이다.
도 5는 집전체들이 연결된 2개의 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지의 사시도이다.
도 6은 집전체들이 연결된 2개의 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지의 부분 확대 단면도이다.
도 7은 내부에서 직렬로 전기 접속된 2개의 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지의 사시도이다.
도 8은 도 7의 갈바니 전지의 분해 사시도이다.
도 9는 도 7 및 도 8의 갈바니 전지의 개구부를 구비한 몰딩의 사시도이다.
도 10은 2개의 전극 스택들 및 내부 직렬 접속부를 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지의 부분 확대 단면도이다.
도 1은 2개의 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지를 도시하고 있다. 몰딩(5a)은 판금으로서 형성된다. 몰딩(5a)은 하부 에지를 따라 부분적으로 굽어 세워 올려져 있다. 그와 같이 세워 올린 영역은 열전달 영역(7)으로서 및 제2 고정 영역(12)으로서 작용한다. 몰딩(5a)의 양측에는 전극 스택(도시를 생략함)이 각각 배치된다. 제1 전극 스택에는 제1 집전체(3, 3a)가 연결된다. 제1 집전체(3, 3a)는 부분적으로 외장 덮개(4)로부터 바깥쪽으로 연장된다. 외장 덮개(4)는 2개의 또 다른 몰딩들(5, 5b)을 더 구비하는데, 그 2개의 몰딩들(5, 5b)은 제1 연결 영역(6)을 사용하여 그 몰딩들 사이에 배치된 몰딩(5a)과 재질 연결에 의해 연결된다. 그리하여, 전극 스택들이 빠져나오는 것이 방지되게 된다. 이때, 몰딩(5a)은 전극 스택을 지지한다. 또한, 몰딩(5a)은 갈바니 전지의 전극 스택들과 열에너지를 교환하는 역할을 한다. 몰딩(5a)이 제2 연결 영역을 사용하여 재질 연결에 의해 연결되고 열전달 영역(7)을 사용하여 전기 전도되게 연결되는 온도 제어 요소가 도면에 도시되어 있지는 않다.
도 2는 외장 덮개를 닫기 전의 상태에 있는 2개의 전극 스택들(2, 2a)을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지를 도시하고 있다. 재질 연결에 의한 연결을 이루기 전에 실링 테이프(16)가 집전체들(3, 3a)과 함께 몰딩들(5, 5a, 5b) 사이에 놓이는 것도 또한 도시되어 있다.
도 3은 도 1에 따른 2개의 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지의 측면도 및 단면도를 도시하고 있다. 도면의 단면도에서, 전극 스택들(2, 2a)을 볼 수 있다. 전극 스택들(2, 2a)은 다수의 음극 층들, 양극 층들, 및 분리막 층들을 각각 구비한다. 전해질은 부분적으로 분리막 층들에 흡수되어 있다.
도 4는 도 3의 갈바니 전지의 일부의 확대 단면도를 도시하고 있다. 전극 스택들이 가요성 전류 커넥터들을 통해 제1 집전체들(3, 3a)과 연결되는 다수의 음극들 및 양극들을 구비하는 것이 도시되어 있다. 그 경우, 연결은 용접에 의해 이뤄진다. 몰딩(5a)의 양측에 전극들(2, 2a)이 배치되어 그 몰딩(5a)과 열전도 접촉하는 것도 또한 도시되어 있다.
도 5는 서로 전기적으로 연결된 2개의 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지를 도시하고 있다. 그를 위해, 제2 집전체들(18, 18a)이 외장 덮개(4)의 외부에서 재질 연결에 의해 그리고 전기적으로 서로 연결된다. 상이한 극성들의 제2 집전체들이 연결됨으로써, 전극 스택이 직렬로 접속되게 된다.
도 6은 도 5의 갈바니 전지의 부분 확대 단면도를 도시하고 있다. 제2 집전체들(18, 18a)이 몰딩(5a)의 상부에서 서로 전기 전도되게 평면적으로 접촉하도록 꺾어져 있는 것이 도시되어 있다.
도 7은 서로 연결된 전극 스택들을 구비한 본 발명에 따른 갈바니 전지를 도시하고 있다. 상이한 극성들의 2개의 제1 집전체들(3, 3a)만이 외장 덮개(4)로부터 돌출한다. 외장 덮개(4)의 내부에 있는 2개의 전극 스택들이 제2 집전체들에 의해 전기 전도되게 연결되어 직렬로 접속되는 것은 도시되어 있지 않다. 접속은 병렬 접속으로서 구성될 수도 있다.
도 8은 외장 덮개(7)를 닫기 전의 상태에 있는 도 7의 갈바니 전지를 도시하고 있다. 중앙에 배치되고 판금으로서 형성되는 몰딩(5a)이 개구부(9)를 구비한다. 그러한 개구부의 에지들은 전기 절연되게 코팅(10)된다. 제2 집전체들(18, 18a)은 개구부(9)의 창의 영역에서 서로 전기 전도되게 접촉하도록 형성된다. 이때, 제2 집전체들(18, 18a)은 외장 덮개(4)의 바깥쪽으로 돌출하지 않는다.
도 9는 굽힘 저항을 갖고 판금으로서 형성되며 개구부(9)를 구비한 몰딩(5a)의 일부를 확대하여 도시하고 있다. 몰딩(5a)의 국부적 코팅(10)이 개구부(9)의 에지들을 따라 도시되어 있다. 그러한 코팅(10)은 전기 절연되게 중합체 재료로 형성된다.
도 10은 도 7에 따른 갈바니 전지의 대안적 구성을 도시하고 있다. 몰딩(5a)의 개구부(9)의 영역에 있는 부분이 확대되어 도시되어 있다. 2개의 전극 스택들(2, 2a)은 다이버터 러그(diverter lug)들을 통해 제2 집전체(18)에 용접된다. 제2 집전체(18)는 개구부(9)의 내부에 배치된다. 제2 집전체(18)는 절연 코팅(10)에 의해 몰딩(5a)에 대해 전기적으로 분리된다. 코팅(10)과 제2 집전체(18)는 제2 집전체(18)가 개구부(9)를 밀봉하기도 하도록 그 치수에 있어 서로 맞춰진다. 전극 스택들(2, 2a)을 수납하는 외장 덮개(4)의 양 공간들은 각각 기밀 밀봉될 수 있다.

Claims (18)

  1. 특히 대략 프리즘 형태의 갈바니 전지(1)로서, 적어도
    제1 전극 스택(2),
    제1 전극 스택(2)과 연결되는 제1 집전체(3, 3a), 및
    제1 전극 스택을 적어도 부분적으로 둘러싸는 외장 덮개(4)를 구비하되, 제1 집전체가 부분적으로 외장 덮개(4)로부터 바깥쪽으로 연장되는 갈바니 전지(1)에 있어서,
    갈바니 전지(1)는 제2 전극 스택(2a) 및 제2 집전체(18, 18a)를 더 구비하고,
    외장 덮개(4)는 적어도 하나의 제1 몰딩(5a) 및 제2 몰딩(5b)을 포함하되, 하나의 몰딩은 나머지 몰딩들보다 더 높은 열전도도를 가지며,
    몰딩들(5, 5a, 5b)은 적어도 하나의 전극 스택(2, 2a)을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 더 마련되는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  2. 선행 항에 있어서, 외장 덮개(4)의 적어도 2개의 몰딩들(5, 5a, 5b)은 적어도 부분적으로 특히 재질 연결에 의해 서로 연결되도록 마련되되, 외장 덮개(4)의 적어도 2개의 몰딩들(5, 5a, 5b)이 제1 연결 영역(6)에서 특히 재질 연결에 의해 서로 연결되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  3. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 외장 덮개(4)의 적어도 하나의 몰딩(5, 5a, 5b)은 특히 온도 제어 요소(8) 및/또는 제1 온도 제어 매체(14)와 접촉하도록 마련된 열전달 영역(7)을 구비하는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  4. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 외장 덮개(4)의 적어도 하나의 몰딩(5, 5a, 5b)은 굽힘 저항성을 갖도록 및/또는 얇은 벽으로 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  5. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 외장 덮개(4)의 적어도 하나의 몰딩(5, 5a, 5b)은 적어도 국부적으로 코팅(10)을 구비하는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  6. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 외장 덮개(4)의 적어도 하나의 몰딩(5, 5a, 5b)은 특히 전극 스택(2)을 수납하기 위한 리세스(11)를 구비하는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  7. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 외장 덮개(4)의 적어도 하나의 몰딩(5, 5a, 5b)은 제2 연결 영역(12)을 구비하는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  8. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 제1 집전체(3, 3a)는 제1 전극 스택(2)과 연결되고, 제2 집전체(18, 18a)는 제2 전극 스택(2a)과 연결되며, 제2 집전체(18, 18a)는 제1 집전체(3, 3a) 또는 제1 전극 스택(2)과 연결되는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  9. 제 8 항에 있어서, 적어도 하나의 몰딩(5, 5a, 5b)은 개구부(9)를 구비하고, 적어도 하나의 제2 집전체(18, 18a)는 개구부(9)를 통해 안내되며, 제2 집전체(18, 18a)는 특히 외장 덮개(4)의 내부에서 제1 집전체(3, 3a) 또는 제1 전극 스택(2)과 연결되는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  10. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 전극 스택(2, 2a)을 포함하고, 전극 스택(2, 2a)은 LiMPO4의 화학식을 갖는 화합물을 포함하는 적어도 하나의 전극, 바람직하게는 양극을 구비하되, 여기서 M은 원소의 주기율표의 제1 계열에 속하는 적어도 하나의 전이 금속 양이온이고, 그 전이 금속 양이온은 바람직하게는 Mn, Fe, Ni, 및 Ti 또는 그 원소들의 조합으로 이뤄진 군으로부터 선택되며, 상기 화합물은 올리빈의 구조, 바람직하게는 상위 등급 올리빈의 구조를 갖고, 상기 전이 금속 양이온은 매우 바람직하게는 Fe인 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  11. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 전극 스택(2, 2a)을 포함하고, 전극 스택(2, 2a)은 망간산 리튬, 바람직하게는 스피넬 타입의 LiMn2O4, 코발트산 리튬, 바람직하게는 LiCoO2, 또는 니켈산 리튬, 바람직하게는 LiNiO2, 또는 그 2가지 또는 3가지 산화물들의 혼합물, 또는 망간, 코발트, 및 니켈을 함유한 리튬 혼합 산화물을 포함하는 적어도 하나의 전극, 바람직하게는 적어도 하나의 양극을 구비하는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  12. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 전극 스택(2, 2a)을 포함하고, 전극 스택(2, 2a)은 전자 전도성이 없거나 전자 전도성이 열악한데 불과하고 적어도 부분적인 물질 투과성을 갖는 캐리어로 구성된 분리막을 포함하되, 캐리어는 적어도 일 측면에서 무기 재료로 코팅되고, 적어도 부분적인 물질 투과성을 갖는 캐리어로서 바람직하게는 부직포로서 형성된 유기 재료가 사용되며, 유기 재료는 바람직하게는 중합체, 매우 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 포함하고, 유기 재료는 바람직하게는 -40℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 이온 전도성을 더 갖는 이온 전도성 무기 재료로 코팅되며, 무기 재료는 Zr, Al, 및 Li 원소들 중의 적어도 하나의 산화물, 인산염, 황산염, 티탄산염, 규산염, 및 알루미노 규산염으로 이뤄진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물, 매우 바람직하게는 산화지르콘을 포함하고, 이온 전도성 무기 재료는 최대 지름이 100 ㎚ 미만인 입자를 갖는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 따른 적어도 2개의 갈바니 전지들(1)을 구비하는 배터리에 있어서,
    갈바니 전지들(1)은 대략 서로 평행하게 나란히 배치되고,
    적어도 하나의 온도 제어 요소(8)가 배터리에 더 부속되되, 적어도 하나의 온도 제어 요소(8)는 적어도 하나의 갈바니 전지(1)의 외장 덮개(4)의 적어도 하나의 몰딩(5, 5a, 5b)과 접촉하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  14. 제 13 항에 있어서, 제 1 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 따른 적어도 2개의 갈바니 전지들(1)을 구비하고, 적어도 하나의 온도 제어 요소(8)는 바람직하게는 제2 온도 제어 매체(14)로 채워진 적어도 하나의 채널(13)을 구비하고/구비하거나 적어도 하나의 온도 제어 요소(8)는 열교환기(15)와 연동하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 따른 배터리를 작동시키는 방법에 있어서,
    온도 제어 요소(8)의 온도를 배터리의 갈바니 전지(1)의 원하는 작동 온도에 의존하여 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리 작동 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 따른 배터리를 작동시키는 방법에 있어서,
    온도 제어 요소(8)의 적어도 하나의 채널(13)을 통해 제2 온도 제어 매체(14)를 유동시키는 것을 특징으로 하는 배터리 작동 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 따른 적어도 2개의 갈바니 전지들(1)을 구비한 배터리를 작동시키는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 몰딩(5, 5a, 5b), 특히 몰딩(5, 5a, 5b)의 열전달 영역에 또는 그 주위에 제1 온도 제어 매체(14)를 흘러 들이는 것을 특징으로 하는 배터리 작동 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 따른 갈바니 전지(1)를 제조하는 방법에 있어서,
    먼저 외장 덮개(4)의 적어도 2개의 몰딩들(5, 5a, 5b)을 특히 재질 연결에 의해 서로 연결하고, 이어서 외장 덮개(4)의 적어도 하나의 몰딩(5, 5a, 5b)을 굽힘 가공에 의해 출발 상태로부터 변형 상태로 전이시키되, 변형 상태에서는 적어도 몰딩(5, 5a, 5b)의 팽창이 출발 상태에 비해 감소하는 것을 특징으로 하는 갈바니 전지(1)의 제조 방법.
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