KR20120014249A - 개선된 동작을 가지는 쌍극형 전지 - Google Patents

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소피 메일리
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 소자가 구비된 단위 격실들(C1, C2)을 포함하는 쌍극형 전지에 관한 것으로서, 상기 소자들은 제 1 도전성 기판(110), 제 2 도전성 기판(112), 및 상기 제 1 기판(110) 및 상기 제 2 기판(112)을 연결하는 도전성도전성, 각 기판(110, 112)은 다른 기판의 제 1표면 및 제 2표면으로부터 분리되는 제 1표면 및 제 2표면을 포함하며, 상기 소자는 또한 상기 제 1 도체의 한 표면에 증착된 양극 재료(P1, P2) 및 또 다른 기판의 한 표면에 증착된 음극 재료(N1, N2)를 포함하는 쌍극형 전지에 관한 것이다.
상기 양극 재료(P1)는 제 1기판(110)에 의해 지지되고 음극 재료와 반대로 위치되며, 상기 음극 재료(N2)는 제 2기판(112)에 의해 지지되고 양극 재료와 반대로 위치하되, 상기 서로 반대로 놓여진 전극 재료들은 전해질을 함유하는 절연체에 의해 분리되므로, 두 개의 병렬 배치된 단위 격실들(C1, C2)을 형성한다.

Description

개선된 동작을 가지는 쌍극형 전지{Bipolar battery with improved operation}
본 발명은 개선된 동작을 가지는 쌍극형 전지에 관한 것이다.
전지, 예를 들어 리튬 축전지와 같은 것은 하나 이상의 전극에 리튬의 삽입 및 제거(또는 삽입 및 탈삽입)의 원리로 작동한다.
이러한 전지들을 위한 구조에는 여러 종류가 있다.
구조의 한 종류로는 단극형 구조가 있다. 양극 재료는 첫번째 집전체상에 증착되고 음극 재료는 두번째 집전체상에 증착된다. 두번째 집전체는 중첩되어서 양극 및 음극이 서로 마주보고 세라믹 또는 복합체 폴리머 세퍼레이터가 상기 두 전극 사이에 삽입된다. 전극 표면과 소자의 용량을 증가시키기 위하여 집전체는 양쪽 면 모두 코팅될 수 있다.
상기 적층(stack)은 원통형 형상을 갖기 위해 롤링될 수 있고, 이는 US2006/0121348에 기재되어 있다.
상기 적층들의 몇몇은 US2008/0060189에 기재된 바와 같이 중첩될 수 있다. 상기 적층들은 평행하게 연결되어 있다.
상기의 구조형은 재료의 큰 활성 표면을 제공하며, 이로써 높게 발생된 전류밀도를 제공한다. 그러나, 상기 구조들의 단말(terminal)에서의 전위차는 두 전극 재료들 사이로 제한된다.
전지의 단말에서의 전압을 증가시키기 위하여 또 다른 구조가 제안되었다. 이는 한 쪽은 양극과 마주보고 다른 쪽은 음극과 마주보는 쌍극형 집전체들을 제조하는 것으로 구성되며; 이 방식으로 제조된 집전체들은 중첩되고, 세퍼레이터들은 전극들 사이에 위치된다. 그 다음 적층은 직렬로 연결된 다수의 전기화학적 셀들(electrochemical cells)을 형성한다. 전지의 단말의 전압은 각 셀들의 단말의 전압의 합과 같다. 따라서, 이 구조는 쌍극형 전지가 단말에 높은 전압을 제공받는 것을 가능하게 한다. 이 구조 타입은 예를 들어 WO 2006/061696에 기재되어 있다.
그러나, 셀들 각각의 충분한 작동을 보장하기 위하여는 전해질과 양극, 음극 및 세퍼레이터와의 충분한 접촉이 있어야 하며, 이 접촉은 활성 표면을 정의한다. 또한, 각 셀들은 코팅되어 있어야 한다. 그러기 위해서 압축력이 적층에 가하진다. 이 압축력은 적층의 끝에서 집전체들에 가해진다. 그러나, 이 압축력은 결코 정해진 시간을 초과하여 계속되지 않는데, 이는 코팅 조인트(joint)의 크리프(creep)에 의존하기 때문이다. 또한, 적층의 셀들 각각에 균일한 압축력의 적용을 얻는 것은 복잡하다. 다른 셀들이 각기 다른 작동을 가질 것에는 위험부담이 있다. 즉, 각 셀들은 그 인접한 셀들에 역압(counter-pressure)을 발생시킨다. 그 다음, 몇몇 셀들은 더욱 빠르게 혹은 느리게 전위 한계에 도달하고; 그러면 전지는 불충분한 방식으로 충전된다.
또한, 이 적층 구조는 집적을 항상 허용하지는 않으며, 이는 응용에 적합한 것이다.
따라서, 본 발명의 한 목적은 단말에서 높은 전압을 갖고 다양한 셀들의 균일한 작동을 갖는 쌍극형 전지를 제공하는 것이며, 보다 일반적으로는 개선된 동작과 뛰어난 신뢰성을 갖는 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적은 직렬로 연결된 단위셀(unit cell)들의 병렬배치에 의해 형성된 구조에 의해 이룰 수 있고, 상기 구조는 전자 집전체에 의해 지지되는 음극 및 양극에 의해 형성된 각 소자들의 사용에 의해 얻어지되 상기 집전체의 양극 및 음극은 스태거(stagger)되어서 단위셀들이 소자들의 조립체에 의해 제조될 때 인접한 단위셀들이 적층되지 않는다. 그러므로, 압력이 다른 셀들과 독립적으로 각 셀들의 전극에 가해질 수 있고, 각각의 셀은 인접한 셀들에 의해 가해지는 후방 힘을 받지 않는다. 그리고 이것은 모든 셀들이 거의 균형잡힌 특성을 갖는 것을 가능하게 한다. 또한, 코팅제조가 단순화된다.
다시 말하면, 전지의 구조가 개발된 결과 셀에 의해 가해지는 후방 압력이 인접한 셀에 가해지지 않는다. 단위셀은 적층에 의해 제조되는 대신 병렬배치된다.
또한, 본 발명의 장점에 의하여, 응용에 따라 조정될 수 있는 형상의 전지를 제조하는 것이 가능하다. 즉, 특정 유연성을 갖고, 셀들이 서로에 대하여 매우 자유로이 배향되도록 할 수 있는 집전체를 사용하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명의 주목적은 제 1 도전성 지지부, 제 2 도전성 지지부, 및 상기 제 1 지지부 및 상기 제 2 지지부를 연결하는 도전성 연결부를 갖는 두 단위셀들의 제조를 위해 유도된 쌍극형 전지용 소자로서, 각 지지부는 다른 지지부의 제 1면 및 제 2면과 별개의 제 1면 및 제 2면을 갖고, 상기 소자는 또한 제 1 도체의 한 면에 증착된 양극 재료와 다른 지지부의 한 면에 증착된 음극 재료를 포함한다.
한 바람직한 실시예에서는, 양극 재료 및 음극 재료가 증착되는 면들은 지지부들에 의해 형성된 일반적인 표면에 대하여 반대로 위치한다.
제 1지지부 및 제 2지지부는 두 개의 평행한 평면에 위치하는 것이 바람직하다.
제 1지지부, 제 2지지부 및 그 연결부는 플레이트(plate)로부터 단일 조각으로 제조될 수 있다.
한 바람직한 예는 모양을 형성하기 쉽도록 하기 위하여 얇은 두께를 갖는 플레이트이다.
제 1지지부 및 제 2지지부는 예를 들어 니켈, 구리, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진다.
본 발명에 따른 쌍극형 전지 소자는 예를 들면 니켈, 구리 또는 알루미늄과 같은 금속 필름이 일면에 증착된 코팅된 탄소 섬유에 의해 형성될 수 있는 것이다.
양극 재료에는 예를 들면 PVDF 타입의 폴리머 바인더(polymer binder)와 혼합된 LiFePO4가 있고, 음극 재료에는 PVDF 타입의 폴리머 바인더와 혼합된 Li4Ti5O12가 있다.
본 발명에 따른 쌍극형 전지 소자는 연결부 영역에 주입에 의해 생성된 예를 들면 관통 구멍(via hole)과 같은 관통 채널들(through channels)을 포함할 수 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 본 발명에 따른 하나 이상의 소자를 포함하는 쌍극형 전지로서; 제 1지지부에 의해 지지되는 양극 재료는 음극 재료와 마주보도록 위치되고, 제 2지지부에 의해 지지되는 음극 재료는 양극 재료와 마주보도록 지지되며, 상기 마주보는 전극 재료들은 전해질을 함유하는 절연체에 의해 분리되므로, 이로써 두 개의 병렬배치된 단위셀들을 형성하는 것이다.
쌍극형 전지는 본 발명에 따른 제 1 소자 및 제 2소자를 하나 이상 포함할 수 있고, 제 1 소자의 양극 재료는 제 2소자의 음극 재료와 마주보도록 위치되고 제 1 소자의 음극재료는 양극 재료와 마주보도록 위치되며 제 2소자의 양극 재료는 음극 재료와 마주보도록 위치하되, 전해질을 함유하는 절연체가 마주보는 전극 재료쌍들 사이에 위치하여 세 개의 병렬배치된 단위셀들을 형성한다.
전기적으로 절연된 조인트는 단위셀들을 코팅하기 위하여 마주보는 지지부들 사이에 개재될 수 있고, 전기적 절연 필름은 지지부들의 자유면을 커버하며; 절연된 조인트는 예를 들면 엘라스토머(elastomer), 라텍스(latex) 또는 열가소성 고무로부터 만들어진다.
본 발명에 따른 쌍극형 전지는 상기 소자의 지지부 사이의 전자 연결부 영역에 있는 추가적인 필름 두께를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 쌍극형 전지는 각 단위셀에 압축력을 가하여 각 단위셀의 양극 재료, 음극 재료 및 절연체가 각각 서로에 대하여 압축력을 가하도록 하는 수단들을 포함하며, 이다.
상기 수단들은 단위셀들이 내부에 수용되는 타이트 재킷(jacket)에 의해 형성될 수 있고 상기 재킷은 진공으로 펌프다운(pump down)되어 단위셀들에 압축력이 가해진다.
단위셀들의 타이트함은 열가소성 폴리머와 같은 재료로 만들어지는 조인트의 분사에 의해 얻어지며, 각 셀들의 압축은 예를 들어 분사에 의하여 열 가소성 재료들로 코팅됨으로써 얻어진다. 이 경우, 상기 소자들은 관통형의 관통 채널들을 지지부들 사이의 연결부 영역에 갖는다.
한 실시예는 단위셀들이 직선형 스트립(strip)으로 배열되는 것이다. 예를 들면, 스트립의 한 부분은 한 도전성 스핀들(spindle)을, 다른 한 부분은 또다른 도전성 스핀들을 와인딩(winding)내에 삽입된 전기적 절연필름으로 감고, 이때 상기 전지의 단말들의 전압은 상기 두 도전성 스핀들 사이의 전압이다.
또 다른 예는, 두 인접한 단위셀들 모두 서로를 향하여 뒤로 접혀 적층되며, 전기적 절연 필름이 상기 인접한 단위셀들 사이에 위치하는 것이다.
인접 단위셀들은 다른 방향으로 배향될 수 있다.
또한, 단위셀들은 3차원 구조를 형성하기 위하여 배향될 수 있다.
본 발명에 따른 전지는 평행하게 연결된, 직렬로 연결된 둘 이상의 단위셀 배열을 포함할 수 있다.
요약하면, 본 발명은 소자가 피팅된 단위셀들(C1, C2)을 포함하는 쌍극형 전지로서, 상기 소자는 제 1 도전성 지지부(110), 제 2 도전성 지지부(112), 및 상기 제 1 지지부(110) 및 상기 제 2 지지부(112)를 연결하는 도전성 연결부를 포함하고 상기 각 지지부(110, 112)는 다른 지지부의 제 1면 및 제 2면과 분리된 제 1면 및 제 2면을 포함하며, 상기 소자는 또한, 상기 제 1 지지부의 한 면에 증착된 양극 재료(P1, P2) 및 제 2 지지부의 한 면에 증착된 음극 재료(N1, N2)를 포함한다.
그리고, 상기 양극 재료(P1)는 제 1지지부(110)에 의해 지지되고 음극 재료와 마주보도록 위치되며, 상기 음극 재료(N2)는 제 2지지부(112)에 의해 지지되고 양극 재료와 마주보도록 위치하되, 상기 마주보고 있는 전극 재료들은 전해질을 함유하는 절연체에 의해 분리되어서, 두 개의 병렬 배치된 단위셀들(C1, C2)을 형성한다.
본 발명은 하기의 설명 및 첨부된 도면을 사용하여 더욱 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 쌍극형 전지의 일 실시예의 개략도이다.
도 2A는 도 1의 전지의 한 소자의 도이다.
도 2B는 도 2A의 소자의 변형예이다.
도 2C는 도 2B의 상세 평면도이다.
도 2D는 도 2A의 소자의 한 변형예로서 양극 및 음극이 동일한 집전체면 위에 제조된 것이다.
도 3A는 본 발명에 따른 쌍극형 전지의 또 다른 실시예의 개략도로서 전자 집전체의 양면에 분포된 단위셀들을 사용한 것이다.
도 3B는 쌍극형 전지의 또 다른 실시예의 개략도로서 하나의 전자 집전체면 위에 분포된 단위셀들을 사용한 것이다.
도 4는 각 셀들에 압력을 가하는 수단을 나타낸 도 3A의 전지의 도이다.
도 5는 코팅의 제 1형태로 제조된 도 3의 전지의 도이다.
도 6은 코팅의 제 2형태로 제조된 도 3의 전지의 도이다.
도 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, 10B, 11A 내지 11D 및 12는 본 발명에 따른 전지가 택할 수 있는 다양한 배열을 나타낸 개략도이다.
도 1에서는 본 발명에 따른 쌍극형 전지의 제 1 실시예를 볼 수 있고, 도 2A에서는 이 전지의 절연된 소자를 볼 수 있다.
본 응용에서, 우리는 도전성 지지부가 두 면을 갖되 상기 두 면 중 하나는 양성 활성층으로 덮혀있고 다른 한 면은 음성 활성층으로 덮혀있어서 각각 양극과 음극을 형성하는 것을 쌍극형 전극이라고 지정할 것이다.
우리는 또한 전류 집전체에 의해 지지된 양극, 전해질 세퍼레이터 및 또 다른 전류 집전체에 의해 지지된 음극에 의해 형성되는 조립체를 "단위셀(unit cell)"로서 지정할 것이다.
유사한 구조 및 기능을 갖는 소자들을 지정하기 위하여 본 상세한 설명에 걸쳐 동일한 레퍼런스가 사용될 것이다.
도 1에서 전지 2는 직렬로 연결된 단위셀 C1 내지 C4에 의해 형성된다.
우리는 양극을 P로, 음극을 N으로 지정할 것이며, 이들이 속한 셀들을 가르키는 번호가 그 뒤에 붙을 것이다. 세퍼레이터들은 S로 지정될 것이다.
단위셀 C1은 양극 P1, 음극 N1 및 전극 P1 및 N1 사이에 개재된 세퍼레이터 S1를 갖는다.
단위셀 C2은 양극 P2, 음극 N2 및 전극 P2 및 N2 사이에 개재된 세퍼레이터 S2를 갖는다.
단위셀 C3은 양극 P3, 음극 N3 및 전극 P3 및 N3 사이에 개재된 세퍼레이터 S3를 갖는다.
단위셀 C4은 양극 P4, 음극 N4 및 전극 P4 및 N4 사이에 개재된 세퍼레이터 S4를 갖는다.
양극 P1은 전지 전원 장비(묘사되어있지 않음)의 단말에 연결되도록 의도된 단극형 전류 집전체 4 상에 증착된다. 음극 N4는 전지 전원 장비의 다른 단말에 연결되도록 의도된 단극형 전류 집전체 6 상에 증착된다.
셀 C1의 음극 N1 및 셀 C2의 양극 P2는 각각 전자 도전체 10의 표면에 지지된다.
셀 C2의 음극 N2 및 셀 C3의 양극 P3는 각각 전자 도전체 12의 표면에 지지된다.
셀 C3의 음극 N3 및 셀 C4의 양극 P4는 각각 전자 도전체 14의 표면에 지지된다.
본 발명에 따르면, 양극 P2, P3, P4 및 음극 N1, N2, N3은 전자 도전체 10, 12, 14 위에 스태거된 방식으로 각각 위치하여 하나가 다른 하나 위에 위치하지 않는다. 즉, 화살표 F의 방향에서 보면, 동일한 전자 도전체에 의해 지지된 셀의 양극 및 인접한 셀의 음극은 서로를 덮고 있지 않는다.
그 결과 두 인접한 단위셀들은 적층되지 않고 병렬배치된다. 나타난 예에서 전지는 계단형을 갖는다.
도 2A에서는 전자 도전체 10과 전극 N1 및 P2에 의해 형성된 쌍극형 전극 E1을 볼 수 있다.
도 2B 및 2C에서는 쌍극형 전극 E1'의 변형을 볼 수 있다; 전자 도체 10'이 채널 16을 갖는다는 점이 차이점으로서, 열가소성 재료의 분사에 의해 전지 구조의 제조를 용이하기 위하여 상기 채널 16은 두 전극 N1, P2 사이에 위치하는 구역의 양 면을 연결하며, 이는 후술되는 설명에서 알 수 있을 것이다. 상기 채널들은 관통형이다.
도 2D에서는 전극 N1 및 P2가 동일한 전자 도체면 위에 위치한다.
도 3A에서는 본 발명에 따른 전지의 또 다른 실시예를 볼 수 있으며, 이는 거의 평평한 구조를 가지고 있다는 이점을 가지고 있다.
이를 달성하기 위하여, 전자 도체 110, 112는 계단을 형성하도록 형성되어 있다. 각 전자 도체는 제 1평면에 위치된 제 1구역, 제 1평면에 거의 평행한 제 2평면에 위치된 제 2구역 및 제 1구역과 제 2구역을 연결하는 제 3구역을 갖고 있다.
각 쌍극형 전극 E101, E102는 제 1구역의 전극 N1과 제 2구역에 있는 전극 P2를 갖는다.
쌍극형 전극 E101, E102는 서로에게 꼭 맞춰져 있다.
양극 재료를 받는 면과 음극 재료를 받는 면 사이의 스태거링은 제조되기 위하여 평면구조를 형성할 수 있다. 전극 재료들을 지지하는 도체의 두 면 사이의 스태거링 높이는 양극 재료, 음극 재료 및 그 세퍼레이터의 적층 두께와 거의 같다. 한 예로서, 20 내지 250 ㎛의 두께를 갖는 전자 도체, 20 내지 150 ㎛의 두께를 갖는 세퍼레이터 및 30 내지 300 ㎛, 바람직하게는 80 내지 150 ㎛의 두께를 갖는 전극을 형성하는 쌍극형 플레이트, 및 80 및 750 ㎛의 높이를 갖는 스태거링이 선택될 수 있다. 만약 도체에 의해 형성되는 계단의 높이가 고려된다면 도체의 두께가 고려되어야 하고, 도체의 두께는 예를 들면 0.1 내지 1mm 사이가 된다.
코팅된 셀간 쌍극형 접합의 유연성은 얇은 전자 도체를 사용함으로써 얻을 수 있으며, 그 전자 도체의 두께는 예를 들면 20 내지 250 ㎛, 바람직하게는 20 내지 100 ㎛이고, 금속 속에 만들어지는 것이 더 바람직하다.
바람직하게는, 전자 도체는 단일 부분으로부터 제조되고, 접힘(folding) 또는 드로잉(drawing)에 의해 형성된다.
전자 도체 10, 12, 14, 110 및 114는 예를 들면 니켈, 구리, 알루미늄 또는 알류미늄 합금과 같은 전극 N 및 P를 구성하는 재료들과의 적합성에 따라 만들어지는 재료들로부터 선택된 것으로 만들어질 수 있다. 타이트한 탄소 복합체로부터 형성된 탄소 복합체를 사용하여 예상하는 것이 또한 가능하고, 이는 전극 재료와의 전기화학적 및 화학적 적합성을 위한 것으로, (니켈, 구리 또는 알루미늄의) 금속 필름은 진공 증착 공정에 의해 표면 중 하나에 DVD 또는 PVD 타입 또는 전기 도금 또는 무전해 도금 증착으로 증착되며, 이는 전자 전도를 위한 것이다.
도 3B는 도 2D의 도체의 구성이 사용된 경우를 보여준다. 두 셀들 사이에 도체를 접는 것은 필요하지 않다. 따라서, 이러한 시도는 더 증가된 두께 및 더 감소된 연성의 전자 도체가 사용될 수 있게 한다.
본 발명의 방법에 의하면, 독립적으로 조절될 수 있는 다양한 소자들 사이의 충분한 접촉을 보장하기 위하여 각 단위셀들에 압력이 가해지나, 이때 인접한 셀들에는 후방 압력의 영향이 미치지 않는다.
도 4에서는 도 1의 전지의 각 단위셀들에 화살표 18에 의해 표시되는 압축력을 가하는 수단이 개략적으로 나타나있음을 볼 수 있다. 예를 들면, 각 셀들로의 압축은 전극의 외측면에 위치한 단위 또는 타이트닝 플레이트(tightening plates) 20에 의해 생성된다.
특히 바람직한 방법으로, 조립체는 하나 이상의 폴리에스터 또는 나일론 외측 폴리머층으로부터 형성된 적층된 조립체로 구성된 코팅된 연성 패킷(packet), 폴리머 필름의 미세구멍을 제한하도록 의도된 금속(알루미늄) 필름 및 폴리올레핀(polyolefin)형의 제 2 폴리머층에 위치한다. 상기 적층된 조립체는 전지용 연성 패킷으로서 통상 사용되고, 따라서 기체-방지성을 보장하고 열적 코팅 단계(thermo-sealing step)를 허용한다. 이러한 코팅된 연성 패킷의 사용 때문에 패킷안을 진공으로 펌프다운하는 것이 가능하며, 이는 추가적인 압축시스템을 요구하지 않도록 셀에 충분한 압력을 가하는 것을 보장할 것이다. 이 진공으로 펌프다운하는 것은 압축 플레이트의 사용을 피할 수 있게 한다.
도 5에서는 도 3의 구성을 갖는 전지를 위한 셀들 사이의 코팅의 제 1실시예 및 외부환경에 대한 것을 볼 수 있다.
상기 제 1실시예에서 각 단위셀들은 그 측변부에 가스켓 22를 세퍼레이터 S1, S2 및 S3 안의 셀들 내에 전해질을 가두기 위하여 포함한다. 또한, 상기 가스켓 22는 전자 도체의 단락(short-circuiting)이 예방되도록 할 수 있다.
단위셀 C1 및 C3의 경우, 가스켓 22는 전류 집전체 6, 8 및 전자 도체 110, 112 사이에서 각각 셀 C1 및 C3의 전체 주변에 걸쳐 연장된다.
단위셀 C2의 경우, 조인트 22는 전자 도체 110 및 전자 도체 112 사이에서 셀 C2의 전체 주변에 걸쳐 연장된다.
조인트 22는 예를 들면, EPDM과 같은 에틸렌-프로필렌계, 라텍스와 같은 부타디엔 스티렌계, 실리콘계, 열가소성 고무계(TPE) 또는 스티렌형의 엘라스토머이며, SBS®이나 Kapton®과 같은 것이 있다.
전지는 또한 직렬연결된 모든 단위셀들을 커버하는 전기적 절연필름 24를 갖는다. 오직 전지의 연결 단말만이 재킷 24를 통과한다.
필름 24는 접착 필름형일 수 있고, 전자 도체 각각의 외측면에 부착될 수 있다. 후술할 내용과 같이, 특히 셀들의 접힌 구성의 경우, 상기 필름의 존재는 셀들의 단락이 서로 예방되도록 할 수 있다.
또한, 단위셀들 사이의 연결부 영역에 특별히 추가적인 전기적 절연층 26, 바람직하게는 접착성을 가진 것을 증착하는 것이 바람직하다. 후술할 내용과 같이, 상기 층 26은 변형될 수 있는 연결부 영역을 보다 견고히 코팅되도록 한다.
도 6에서는 도 3의 전지의 코팅 및 전기적 절연의 또 다른 실시예를 볼 수 있다.
다른 실시예에서는 분사기술이 사용된다. 플라스틱 분사에 의해 제조된 조인트 122는 각 셀의 코팅 및 전자 도체들로의 압축 모두를 제공한다.
분사된 재료는 절연 열가소성 폴리머 필름(에틸렌-프로필렌(ethylene-propylene) 및 에틸렌 노보넨 블록 코폴리머(ethylene norbornene block copolymers)일 수 있다.
그 다음 전지 조립체는 분사된 열가소성 재료 또는 나노-재료 28로 코팅되고, 상기 코팅재료는 예를 들면 PP, PEHD, COC, PMMA, PC PEEK 또는 PPS 타입이 있으며, 유리 또는 탄소 섬유와 같은 필러(fillers) 또는 탄소 나노튜브, 나노클레이(nanoclay) 등과 같은 나노-필러를 함유할 수 있다. 마지막으로, 전자 도체는 도 2C와 관련하여 묘사된 바와 같이 연결부 영역에 관통 채널을 갖는다.
전기 도체들 110, 112에 이미 묘사된 관통 구멍 16은 분사된 재료가 관통하여 지나도록 해준다. 상기 실시예는 전지가 고정된 형상으로 제조되도록 해주고, 이 코팅은 외부 충격으로부터 전지를 보호한다.
관통 구멍은 예를 틀면 0.5mm 내지 5mm, 바람직하게는 1mm 내지 2mm의 지름을 갖고, 1mm 내지 2mm 간격으로 떨어져 있다.
상기 실시예는 추가적인 압축 장치를 요하지 않고, 전지에 최종형상을 부여한다는 이점을 갖고있다. 후술할 내용과 같이, 본 발명은 전지가 다수의 구성으로 형성될 수 있도록 하고, 이러한 구성들이 코팅에 의해 고정되도록 한다. 전지는 원하는 형상으로 부여되고, 이 형상을 코팅하는 동안 고정된다. 양 실시예들을 합하는 것도 가능하며, 예를 들면 제 1실시예에 따라 조인트를 만들고 분사에 의해 전지를 코팅하는 것이 가능하다. 관통 구멍 구역은 반드시 폴리머의 충분한 분사가 허용되도록 구비되어야 한다.
본 발명은 단위셀들 사이의 연결부에 우수한 연성을 갖고 있다. 따라서, 셀들이 서로에 대하여 매우 자유로이 배향하는 것을 가능하게 한다. 이러한 방법으로 얻어진 형상은 그 다음 코팅되는 동안 고정된다.
우리는 이제 본 발명에 따른 쌍극형 전극의 일 실시예를 제공할 것이다.
PVDF타입의 폴리머 바인더와 혼합된 LiFePO4형의 양극 재료는 알루미늄 도체에 증착된다; 상기 전극 재료는 분무식으로 코팅, 페인팅, 스크린-프린팅 또는 증착될 수 있다.
PVDF타입의 폴리머 바인더와 혼합된 Li4Ti5O12형의 음극 재료는 그 다음 스태거 방식으로 도체의 양극에 관하여 반대면에 증착된다; 예를 들면, 음극 재료는 분무식으로 코팅, 페인팅, 스크린-프린팅 또는 증착된다.
증착 전에 전극 마스크(mask)들이 전극 표면을 한정하기 위하여 사용될 수 있다.
만약 마스크가 사용되지 않는다면, 불필요한 전극 재료의 스크래핑(scraping)에 의한 불필요한 전극 재료의 제거단계가 있을 수 있다.
전극들은 또한 전자 도체의 양면에 슬롯다이 코팅(slot die coating)에 의한 증착에 의하여 제조될 수 있고, 이는 쌍극형 전극을 서로에 대하여 스태거된 양 전극면과 함께 직접적으로 얻게 할 수 있다.
슬롯다이법은 잉크를 분사하는 헤드(head) 위치의 표면에 대하여 직각방향으로 조절하도록 하는 하나의 코팅방법으로, 증착 구역과 증착되지 않는 구역을 한정시킨다(코팅 헤드는 이 단계에서 기판과 접촉하지 않는다).
우리는 이제 본 발명의 방법에 의해 얻어질 수 있는 구성의 다양한 예를 기술할 것이다.
도 7A 및 7B에서는 와인딩 형태의 본 발명에 따른 전지를 볼 수 있다. 도 7A에서는 전지가 인접한 셀에 대하여 각각 직각으로 위치한 네 개의 셀 C1 내지 C4를 갖는다.
도 7B에서는 전지가 상대적으로 다르게 배향된 다섯개의 단위셀 C101 내지 C105를 갖는다.
도 8A에서는 한 면을 향하여 개구된 큐브(cube)를 형성하는 단위셀 조립체의 포지셔닝(positioning)을 볼 수 있다. 상기 큐브는 본 발명에 따른 쌍극형 셀에 의해 서로 연관되어 있다.
도 8B는 단위셀의 발전된 형상을 보여주고, 그 도체의 상대적인 포지셔닝은 도 8A의 구조가 3차원으로 제조될 수 있도록 허용한다. 이 전지는 10개의 단위셀들을 갖고, 셀 C3 및 C4는 셀 C1 내지 C3의 배향과 다른 배향을 갖고있는 것이 보여진다. 상기 다른 배향은 셀 C3 및 C4에 공통된 전자 도체를 셀 C2 및 C3에 공통적인 전자 도체에 대하여 직각으로 포지셔닝함으로써 얻어진다.
따라서, 본 발명의 장점에 의하면 리지(ridge)로된 기하학적인 형상을 형성하기 위하여 전자 도체들을 배향하는 것이 가능하다. 그러므로 도체들은 반드시 정렬되지는 않는다. 결과적으로, 3차원 형상이 제조된다. 또한, 전기적 절연된 재료로 코팅 또는 도포하기 때문에 한 단위셀이 하나 이상의 다른 단위셀들과 접촉이 이루어지는 것을 보장할 수 있다.
이러한 형상의 제조는 도구 또는 전기적으로 도움받는 자전거와 같은 작은 차량 내에 전지의 통합이 용이하도록 할 수 있고, 예를 들면 바퀴 허브에 장착된 모터(wheel hub-mounted motor) 또는 모터 하우징(motor housing)의 내부에서 가능하다.
나아가, 각 단위셀은 특정 연성을 가지며, 특히 이러한 사실 때문에 단일 전해 셀(electrolytic cell)만을 사용한다; 따라서, 도 9A 및 9B에서 볼 수 있는 바와 같은 와인딩을 제조하는 것이 가능하다. 그러면, 전지들의 전류 형상과 비슷하도록 하는 것이 가능하다.
도 9A 및 9B에서는 플라스틱 재료 내에서 두 개의 코일이 감긴 코팅된 원통을 볼 수 있다.
쌍극형 전극은 앞서 기술된 바와 같이 제조된다. 그 다음, 단위셀의 조립체는 스트립(strip)을 형성하기 위하여 제조된다. 그 다음, 상기 스트립은 전기적 절연 연성 필름의 삽입에 의하여 도 9A 및 9B에 나타난 바와 같이 두 개의 도전성 스핀들(spindle) X1, X2을 감는다. 상기 필름에는 예를 들면 PTFE, PVDF, 실리콘 폴리이미드, 폴리우레탄, 파릴렌 또는 PET와 같은 전기적 절연 연성 폴리머가 있다. 따라서, 제조된 전지의 단말에서의 전위차는 두 도전성 스핀들 사이의 전위차이다. 조립체의 형상은 분사에 의해 상기 기술된 폴리머 내에 고정될 수 있다.
단위셀들 사이의 연성은 도 10A에 나타난 바와 같이 아코디언형 적층을 형성하기 위하여 셀들 서로에 대하여 뒤로 접히기에 충분할 수 있다.
상기 구성은 셀들 사이의 압력 및 후방압력 문제를 방지하면서 본 발명의 기술분야와 비슷한 적층된 구조의 제조를 허용한다.
도 10B에서는 접히기 전 단위셀들의 발전된 형상의 일례를 볼 수 있다.
상기 기술된 바와 같이, 분사에 의하여 접힌 형상으로 고정하는 것을 예상할 수 있다. 그 다음, 분사분사들의 단락을 예방하고 셀간 압력의 조절을 유지할 목적으로, 예를 들면 (PTFE, PVDF, 실리콘 폴리이미드, 폴리우레탄, 파릴렌 또는 PET와 같은)전기적 절연 폴리머인 절연 시트 32가 각 쌍극형 셀들 사이에 바람직하게 사용될 수 있다.
도 10B의 도시에서는 단위셀들이 디스크 형상이다; 그러나, 다른 형성도 가능하다. n개 면을 가진 다면체일 수 있으며, 상기 n은 양의 정수이다.
도 10B에서는 셀들이 디스크 형상이다; 그 결과 전자 도체는 탭을 형성하는 더 얇은 연결부 34에 의해 연결되는 두 개의 디스크로 형성된다. 이 경우, 탭의 크기는 전류가 가해질 때 연결부 영역 내 구조의 국부적 가열을 예방하기에 충분히 크도록 만들어진다.
또한, 소정의 전류 또는 소정의 전압을 갖는 전지를 제조하기 위하여 단위셀의 세트를 직렬 또는 병렬로 연결하는 것이 가능하다.
도 11A 및 11B에서는 집전체 36 및 38에 의하여 병렬로 연결된 본 발명에 따른 다섯개의 적층 34.1, 34.2, 34.3, 34.4 및 34.5으로 구성된 전지의 실시예를 볼 수 있다.
도 11C에서는 아코디언형이 주어지기 전에 배치된 것으로서 적층 34.1 내지 34.5를 볼 수 있다.
적층 34.1 내지 34.5는 도 10A의 적층과 유사한 방법으로 제조된다.
도 11D에는 이 전지의 전기회로를 도식화한 것이다.
도 12에는 세퍼레이터를 삽입한 단극형의 양 적층 모두를 포함하는 본 발명에 따른 전지의 또 다른 실시예를 볼 수 있고, 이는 US2008/060189의 구조에 기재되어 있는 것으로서, 본 발명에 따른 전자 도체의 방법에 의해 직렬로 연결된 것이다.
절연 조인트 42는 인접한 전자 도체 40.1 내지 40.3의 각각의 쌍 사이에 제공된다.
우리는 이제 소정의 전기적 특성을 갖는 본 발명에 따른 전지의 예를 제시할 것이다.
한 예로서, 전기 드릴 내에 집적되어있는 공지된 형태의 Ni-Cd 9.6 V, 2Ah 전지를 교체시키는 전지 세트를 제조할 것이 요구된다.
쌍극형 전극의 제조를 위하여 상술된 방법예가 사용되고, 이 방법 예는 전극쌍으로서 1.9V의 전위를 생성하는 LiFePO4/Li4Ti5O12 쌍을 갖는다.
9.6V의 전압을 얻기 위하여 각 조립체는 다섯개의 단위셀을 갖고, 각 조립체는 그 단말에서 1.9V의 전압을 제공한다. 이를 완성하기 위하여, 네 개의 쌍극형 전극이 제조되고, 이는 다섯개의 단위셀들 사이에 공유되며 각 적층의 끝은 단극형 집전체로 연결되어 있다.
다섯 개의 조립체들은 병렬로 연결되고, 요구되는 전류를 제공한다.
각 조립체는 진공으로 펌프다운된 열접착성 전기적 절연 재킷에 위치할 수 있고, 오직 양극 및 음극 연결부만이 재킷을 가로지르며, 이는 다섯개의 조립체를 평행하게 연결하는 집전체가 구비된 연결부를 제공하기 위함이다. 요구되는 배열에 따라, 셀들은 조립체들일 수 있으므로 서로 다르게 배향될 수 있다.
또 다른 예로는, 24V 또는 36V의 전압을 출력하고, 자동차에 집적시킬 수 있는 전지를 제조하는 것이 요구된다.
도 11C에 나타난 바와 같이, LiFePO4/Li4Ti5O12 전극 재료들이 쌍극형 조립체에 포함될 수 있다.
24V의 공칭전압의 요구를 맞추기 위하여 직렬의 13개의 단위셀들의 조립체들이 제조된다. 상기 조립체들은 그 다음 평행하게 연결된다.
36V의 공칭 전압을 위하여 직렬의 19개의 단위셀들의 조립체들이 제조된다. 상기 조립체들은 그 다음 평행하게 연결된다.
상기 조립체들은 그 다음 상기 기술된 바와 같이 아코디언형으로 접힌다.
상기 기술된 실시예에서, 한 소자의 양극 및 음극은 두 반대면에 위치한다. 그러나, 이들이 동일한 면 또는 동일한 방향으로 배향된 두 개의 면에 위치하는 것도 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 두 개의 단위셀들(C1, C2, C3, C4)을 제조하기 위한 쌍극형 전지용 소자로서,
    상기 단위셀들은 제 1 도전성 지지부(10, 110), 제 2 도전성 지지부(12, 112), 상기 제 1 지지부(10, 110)와 상기 제 2 지지부(12, 112)를 연결하는 도전성 연결부를 포함하되, 상기 각 지지부(10, 110, 12, 112)는 나머지 다른 지지부의 제 1면 및 제 2면과 구별되는 제 1면 및 제 2면을 갖고,
    상기 소자는 또한 상기 제 1 도체의 한 면에 증착된 양극 재료(P1, P2) 및 상기 다른 지지부의 한 면에 증착된 음극 재료(N1, N2)를 포함하며,
    상기 제 1 지지부(10, 110), 상기 제 2지지부(12, 112) 및 상기 연결부는, 모양을 형성하기 쉽도록 하기 위하여 얇은 두께를 갖는 플레이트(plate)로부터 단일 조각으로 제조되는 것을 특징으로 하는 쌍극형 전지용 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 재료(P1, P2) 및 상기 음극 재료(N1, N2)가 위치하는 면들은 상기 지지부들(10, 110, 12, 112)에 의해 형성된 일반적인 표면에 대하여 서로 반대로 위치하는 쌍극형 전지용 소자.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1지지부(10, 110) 및 상기 제 2지지부(12, 112)는 두 평행한 평면에 위치하는 쌍극형 전지용 소자.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1지지부(110, 112) 및 상기 제 2지지부(12, 112)는 니켈, 구리, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로부터 만들어지는 쌍극형 전지용 소자.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쌍극형 전지용 소자는 코팅된 탄소 섬유에 의해 형성되고, 니켈, 구리 또는 알루미늄과 같은 금속 필름이 일면 위에 증착된 코팅된 탄소 섬유에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 쌍극형 전지용 소자.
  6. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 재료(P1, P2)는 PVDF타입의 폴리머 바인더와 혼합된 LiFePO4이고, 상기 음극 재료(N1, N2)는 PVDF타입의 폴리머 바인더와 혼합된 Li4Ti5O12인 쌍극형 전지용 소자.
  7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결부의 영역에 관통 구멍과 같은 관통 채널들(through channel, 16)을 포함하는 쌍극형 전지용 소자.
  8. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 소자를 포함하는 쌍극형 전지로서;
    상기 제 1지지부(10, 110)에 의해 지지되는 상기 양극 재료(P1)가 음극 재료와 마주보며 위치하고, 상기 제 2지지부(12)에 의해 지지되는 상기 음극 재료(N2)는 양극 재료와 마주보며 위치하며, 상기 마주보는 전극 재료들은 전해질을 함유하는 절연체에 의해 분리되어 두 병렬배치된 단위셀들(C1, C2)을 형성하는 쌍극형 전지.
  9. 제 8항에 있어서, 최소한 제 1항 내지 제 8항에 따른 제 1소자 및 제 2소자를 포함하고, 상기 제 1소자의 양극 재료(P1)는 상기 제 2소자의 음극 재료(N2)와 마주보며 위치하고 제 1소자의 상기 음극 재료(N1)는 양극 재료와 마주보고 위치하며 제 2 소자의 상기 양극 재료(P2)는 음극 재료와 마주보고 위치하고, 절연체는 상기 마주보는 전극 재료들의 쌍 사이에 위치하는 전해질을 함유함으로써, 세 개의 병렬 배치된 단위셀들(C1, C2, C3)을 형성하는 쌍극형 전지.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 전기적 절연 조인트(22)는 상기 단위셀들(C1, C2, C3)을 코팅하기 위하여 상기 마주보는 지지부들 사이에 개재되고, 전기적 절연 필름(24)는 상기 지지부들의 자유면에 도포되며; 상기 절연 조인트는 엘라스토머(elastomer), 라텍스(latex) 또는 열가소성 고무로부터 만들어지는 쌍극형 전지.
  11. 제 10항에 있어서, 어느 하나의 소자 지지부 사이의 전자 연결부 영역에 형성되는 추가적인 필름 두께(26)를 포함하는 쌍극형 전지.
  12. 제 11항에 있어서, 각 단위셀에 압축력을 가하여 상기 각 단위셀(C1, C2, C3)의 상기 양극 재료들, 음극 재료들 및 절연체가 각각 서로에 대하여 압축력을 가하도록 하는 수단들(20)을 포함하는 쌍극형 전지.
  13. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단위셀들이 내부에 수용되는 타이트 재킷(tight jacket)을 포함하되, 상기 재킷은 진공으로 펌프다운(pump down)되어 압축력들이 상기 단위셀들에 가해지는 것인 쌍극형 전지.
  14. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 단위셀들의 코팅은, 열가소성 폴리머와 같은 재료로 만들어지는 조인트(122)의 분사에 의해 얻어지며, 상기 셀들(C1, C2, C3)은 분사에 의하여 열가소성 재료로 코팅됨으로써 압축되는 쌍극형 전지.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 지지부들 사이의 연결부 영역에서 상기 소자들은 관통형의 관통 채널들(16)을 갖는 쌍극형 전지.
  16. 제 8항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단위셀들이 직선 스트립(strip)에 위치하는 쌍극형 전지.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 스트립의 일부는 도전성 스핀들(spindle)(X1)을, 상기 스트립의 또 다른 일부는 또다른 도전성 스핀들(X2)을 와인딩(winding)내에 삽입된 전기적 절연 필름으로 감고, 이때 상기 전지의 단말들에서의 전압은 상기 두 도전성 스핀들 사이의 전압인 쌍극형 전지.
  18. 제 16항에 있어서, 두 인접한 단위셀들은 서로를 향하여 뒤로 접혀 적층되며, 이때 전기적 절연 필름이 상기 인접한 단위셀들 사이에 위치하는 쌍극형 전지.
  19. 제 1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 인접한 단위셀들이 다른 방향으로 배향되어 있는 쌍극형 전지.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 단위셀들이 3차원 구조를 형성하기 위하여 배향되어 있는 쌍극형 전지.
  21. 제 8항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 평행하게 연결된, 직렬로 연결된 단위셀들의 둘 이상의 조립체들을 포함하는 쌍극형 전지.
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