KR20120038923A - 분리 가능한 결합 영역을 가진 갈바닉 셀 - Google Patents

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KR20120038923A
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galvanic cell
electrode stack
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partially
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팀 쉐퍼
안드레아즈 거츠
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리-텍 배터리 게엠베하
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Abstract

본 발명은 실질적으로 프리즘형 전극 스택(6), 전해질 및 하우징을 포함하는 갈바닉 셀(1)에 관한 것이다. 하우징은 전극 스택을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 제공된다. 전극 스택은 다층으로 형성되고, 하나 이상의 애노드 층(2), 캐소드 층(3) 및 세퍼레이터 층(4)을 포함한다. 세퍼레이터 층(4)은 적어도 부분적으로 애노드 층(2)과 캐소드 층(3) 사이에 배치된다. 세퍼레이터 층(4)은 전해질을 적어도 부분적으로 흡수한다. 하나 이상의 애노드 층(2), 하나 이상의 캐소드 층(3) 및 하나 이상의 세퍼레이터 층(4)은 특히 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치에 의해 하나 이상의 결합 영역에서 서로 분리 가능하게 결합되도록 제공된다.

Description

분리 가능한 결합 영역을 가진 갈바닉 셀{GALVANIC CELL HAVING RELEASABLE CONNECTING AREA}
본 발명은 청구항 제 1항의 전제부에 따른 갈바닉 셀에 관한 것이다. 본 발명은 자동차에 에너지 공급을 위한 리튬-이온 배터리와 관련해서 설명된다. 본 발명은 갈바닉 셀의 화학적 성질, 구성 또는 구동 장치의 방식과 관계없이 적용될 수 있다.
선행 기술에는 예컨대 기계적 손상 또는 과열의 경우 저장된 에너지를 제어되지 않은 상태로 방출하는 갈바닉 셀들이 개시되어 있다. 이로 인해, 주변이 위험해질 수 있다.
본 발명의 과제는 갈바닉 셀을 안전하게 형성하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1항의 특징들을 가진 갈바닉 셀에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다. 본 발명에 따른 갈바닉 셀의 바람직한 사용은 다른 독립항의 대상이다.
본 발명에 따른 갈바닉 셀은 실질적으로 프리즘형 전극 스택, 전해질 및 하우징을 포함한다. 하우징은 전극 스택을 적어도 부분적으로 둘러싼다. 전극 스택은 다층으로 형성되고, 하나 이상의 애노드 층, 캐소드 층 및 세퍼레이터 층을 포함한다.
하나 이상의 세퍼레이터 층은 적어도 부분적으로 애노드 층과 캐소드 층 사이에 배치된다. 하나 이상의 세퍼레이터 층은 전해질을 적어도 부분적으로 흡수한다. 하나 이상의 애노드 층, 하나 이상의 캐소드 층 및 하나 이상의 세퍼레이터 층은 하나 이상의 결합 영역에서 특히 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치에 의해 서로 분리 가능하게 결합된다.
본 발명의 의미에서, 갈바닉 셀은 화학적 에너지를 저장하고 전기 에너지를 방출하기 위해 사용되는 장치를 말한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 갈바닉 셀은 전극 스택 및 전해질을 포함한다. 또한, 갈바닉 셀은 충전시 전기 에너지를 흡수하도록 형성될 수 있다. 이러한 셀을 2차 셀 또는 어큐뮬레이터라고도 한다.
본 발명의 의미에서, 전극 스택은 갈바닉 셀의 어셈블리로서 화학적 에너지를 저장하고 전기 에너지를 방출하기 위해 사용되는 장치를 말한다. 전기 에너지의 방출 전에, 저장된 화학적 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 충전 동안, 전극 스택 또는 갈바닉 셀에 공급된 전기 에너지는 화학적 에너지로 변환되어 저장된다. 이를 위해, 전극 스택은 다수의 층들, 즉 하나 이상의 애노드 층, 캐소드 층 및 세퍼레이터 층을 포함한다. 상기 층들은 상하로 놓이거나 스택되며, 세퍼레이터 층은 적어도 부분적으로 애노드 층과 캐소드 층 사이에 배치된다. 바람직하게 전극 스택 내의 층들의 상기 시퀀스는 여러 번 반복된다. 바람직하게 몇몇 전극들은 서로 전기 접속되고, 특히 병렬 접속된다. 바람직하게는 층들이 감겨져서 전극 코일을 형성한다. 이하에서, "전극 스택"은 전극 코일에 대해서도 사용된다.
본 발명의 의미에서, 애노드 층 또는 애노드는 충전시 전자 및/또는 양전하 이온들을 흡수하는, 특히 침입형 자리들(intersitial site)로 흡인하는 장치를 말한다. 바람직하게 애노드는 얇은 벽으로 형성되고, 특히 바람직하게 애노드의 두께는 그 외주의 5%보다 작다. 바람직하게는 애노드가 금속 막 또는 금속 망 구조를 갖는다. 바람직하게는 애노드가 실질적으로 직사각형으로 형성된다.
본 발명의 의미에서, 캐소드 층 또는 캐소드는 방전시 또는 전기 에너지의 방출 동안 전자 및/또는 양전하 이온들을 방출하는 장치이다. 바람직하게 캐소드는 얇은 벽으로 형성되고, 특히 바람직하게 캐소드의 두께는 그 외주의 5%보다 작다. 바람직하게는 캐소드가 금속 막 또는 금속 망 구조를 갖는다. 바람직하게 캐소드의 형상은 전극 스택의 애노드의 형상에 실질적으로 상응한다. 캐소드는 애노드 또는 전해질과의 전기 화학적 상호작용을 위해서도 제공된다.
본 발명의 의미에서, 세퍼레이터 층 또는 세퍼레이터는 애노드를 캐소드로부터 분리하고 이격시키는 전기 절연 장치를 말한다. 바람직하게 세퍼레이터 층은 애노드 층 및/또는 캐소드 층에 제공된다. 세퍼레이터 층 또는 세퍼레이터는 전해질을 적어도 부분적으로 흡수하고, 전해질은 바람직하게 리튬 이온을 포함한다. 전해질은 전극 스택의 인접한 층들과 전기 화학적으로 작용 연결된다. 바람직하게는 세퍼레이터의 형상이 전극 스택의 애노드의 형상에 실질적으로 상응한다. 바람직하게 세퍼레이터 층 또는 세퍼레이터가 적어도 부분적으로 하나 이상의 특히 인접한 전극의 제한 에지에 걸쳐 연장된다. 특히 바람직하게 세퍼레이터 층 또는 세퍼레이터는 특히 인접한 전극의 전체 제한 에지에 결쳐 연장된다.
본 발명의 의미에서, 하우징은 전극 스택을 주변으로부터 분리하는 장치를 말한다. 이를 위해, 하우징은 전극 스택을 실질적으로 완전히 벽으로 둘러싼다. 이것 때문에, 상이한 전극 스택들 또는 특히 상위의 배터리의 갈바닉 셀들이 별도로 둘러싸이거나 또는 밀봉되는 것이 방해되지는 않는다. 바람직하게는 하우징이 전극 스택과 적어도 부분적으로 재료 결합 방식으로 결합된다. 바람직하게 하우징은 복합 막으로서 형성된다. 바람직하게 하우징은 전극 스택 둘레로 서로 특히 재료 결합 방식으로 결합되는 2개 이상의 바디로 형성된다. 2개 이상의 바디들은 구조적으로 서로 매칭된다. 바람직하게는 2개 이상의 바디들 중 하나 이상의 바디가 적어도 전기 전도성 재료, 특히 금속을 포함한다.
본 발명의 의미에서, 결합 영역은 전극 스택의 하나의 층이 하나 이상의 다른 층, 특히 인접한 층과 분리 가능하게 결합되는 영역을 말한다. 바람직하게는 다수의 결합 영역들이 적어도 부분적으로 커버된다. 바람직하게는 결합 영역 내의 인접한 층들이 특히 재료 결합 방식으로 및/또는 압력 끼워맞춤 결합 방식으로 서로 분리 가능하게 결합된다. 바람직하게, 분리 가능한 결합 영역은 전극 스택의 하나의 층의 제한 에지를 따라 및/또는 가장자리 영역에 배치된다. 바람직하게는 전극 스택의 인접한 층들이 다수의 결합 영역들을 포함한다.
본 발명의 의미에서, 결합 장치는 결합 영역에서 전극 스택의 2개 이상의 인접한 층들을 서로 분리 가능하게 결합하는 장치를 말한다. 바람직하게는 상이한 분리 가능한 결합 영역들에 각각 하나의 결합 장치가 할당 배치된다. 바람직하게, 전극 스택의 2개의 인접한 층들의 다수의 분리 가능한 결합 영역에 하나의 공통 분리 가능한 결합 장치가 할당 배치된다. 바람직하게, 결합 장치는 특히 부착 장치, 부착 브래킷, 부착 실, 접착제 점, 접착 스트립, 고정 장치, 클램프, 밴드, 직물로 이루어진 환형 벨트를 포함하는 장치 그룹에 속한다.
갈바닉 셀의 전극 스택의 영역의 온도 상승에 따라 전해질의 활동도(activity)가 높아진다. 전극 스택의 상기 영역은 상승된 전류를 방출하거나 또는 흡수할 수 있다. 상기 상승된 전류는 증가된 열 용량을 야기하고, 특히 관련 전도체의 저항은 온도에 따라 커진다. 따라서, 갈바닉 셀의 관련 영역의 온도 상승이 커진다. 이러한 상호 작용은 갈바닉 셀의 연소를 일으킬 수 있다.
본 발명에 따른 갈바닉 셀은 하나 이상의 분리 가능한 결합 영역 또는 분리 가능한 결합 장치가 고장나는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따라 전극 스택의 인접한 층들이 적어도 부분적으로 서로 떨어진다. 상기 서로 떨어진 영역들의 전기 화학적 상호 작용이 감소하거나 중단된다. 추가의 온도 상승 또는 저장된 에너지의 제어되지 않은 방출은 바람직하게 방지된다. 따라서, 본 발명의 과제가 해결된다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 개선이 설명된다.
바람직하게 하우징은 주로 전극 스택에 접촉한다. 바람직하게 하우징은 전극 스택을 적어도 부분적으로 형상 끼워맞춤 결합 방식으로 둘러싸고, 전극 스택을 지지하며, 전극 스택의 개별 층들을 결속한다. 바람직하게는 하우징이 예비 응력을 받고 전극 스택의 개별 층들을 서로 압착한다. 이경우, 하우징은 특히 분리 가능한 결합 장치로서 작용한다. 바람직하게는 하우징이 미리 정해진 조건에서 고장나는, 특히 연화되고, 끊어지며 및/또는 다공성으로 되는 재료로 형성된다. 바람직하게 하우징은 하나 이상의 시임을 포함하고, 상기 시임은 미리 정해진 조건에서, 특히 온도 및/또는 압력의 초과시, 적어도 부분적으로 고장난다. 재료가 연화된 후에 또는 하우징 또는 시임의 적어도 부분적인 파괴 후에, 전극 스택에 대한 하우징의 압축 작용이 감소한다. 따라서, 적어도 부분적으로 분리 가능한 결합 영역들이 분리되고 특히 전극 스택 내의 전기 화학적 상호 작용이 감소한다. 바람직하게는 하나 이상의 약한 지점을 가진 하우징이 형성되고, 상기 약한 지점은 미리 정해진 조건에서, 특히 온도 및/또는 압력의 초과시 고장난다. 하우징은 밀봉 영역에서 전극 스택과 부분적으로 특히 재료 결합 방식으로 결합된다. 바람직하게는 밀봉 영역이 갈바닉 셀의 작동으로부터 주어지는 부하에, 특히 발생하는 전단 응력에 맞춰진다. 바람직하게는 밀봉 영역이 부분적으로 얇아지고 설정 파괴점을 갖는다. 바람직하게는 미리 정해진 조건에서 하우징 및/또는 밀봉 영역을 연화시키거나 또는 밀도를 낮추는 첨가제가 전해질에 첨가된다. 바람직하게는 미리 주어진 온도 이상에서 전해질 또는 첨가제가 반응 성분, 특히 HF를 방출한다. 특히, 화학적 작용에 의해 하우징을 적어도 부분적으로 파괴하는 반응 성분이 제공된다. 바람직하게는 반응 성분이 하우징을 천공하고, 하우징을 연화하며 및/또는 하우징을 다공성으로 만든다. 바람직하게 하나 이상의 개방 장치는 열 변형 가능한 재료 또는 복합 재료로 이루어진 인서트로서 형성된다. 복합 재료는 바람직하게 상이한 열 팽창의 영역들을 포함한다. 복합 재료로 이루어진 인서트는 온도 변화에 따라 그 형상이 변한다. 인서트의 형상에 따라 인서트는 특히 하우징을 적어도 부분적으로 파괴하는 힘을 하우징에 가한다. 상기 인서트는 바람직하게 미리 주어진 온도 이상에서 하우징을 파괴하거나 또는 천공하는, 예리한 에지를 가진 또는 뾰족한 부재들을 포함한다. 바람직하게는 상기 인서트가 반응 성분과의 화학적 반응으로 인해 특히 가스의 존재시 용해되거나 또는 휘어짐으로써 구멍을 형성하는 재료로 제조된다.
바람직하게는 하나 이상의 분리 가능한 결합 영역 또는 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치가 미리 정해진 조건에서, 특히 미리 정해진 압력 및/또는 미리 정해진 온도의 초과시 고장난다. 바람직하게는 재료 결합 및/또는 형상 끼워맞춤 결합이 하나 이상의 관련 층의 연화 및/또는 변형에 의해 고장난다. 바람직하게는 부착 장치 또는 고정 장치가 미리 정해진 조건에서, 특히 미리 주어진 온도 이상에서 연화되거나 및/또는 고장나는 재료를 포함한다. 바람직하게 고정 장치는 미리 주어진 조건에서, 특히 미리 주어진 온도 이상에서 특히 그 강도를 떨어뜨리는 재료를 가진 부품을 포함한다. 바람직하게는 고정 장치가 스프링 부하를 받는다.
바람직하게, 분리 가능한 결합 장치가 하우징에 할당 배치된다. 바람직하게는 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치가 하우징과 연결된다. 바람직하게는 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치가 하우징에 관절형으로 연결된다. 바람직하게는 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치가 스프링 부하를 받는다. 바람직하게는 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치에 개방 장치가 할당 배치된다. 따라서, 전극 스택이 특히 하우징 내부에서 바람직하지 않은 변위로부터 보호된다.
바람직하게 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치는 하나 이상의 폴 콘택을 포함하고, 상기 폴 콘택은 특히 전극 스택의 전기 콘택팅을 위해 사용된다. 바람직하게 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치는 2개 이상의 서로 전기 절연된 영역들을 포함하고, 상기 영역들은 상이한 극성의 전극들과 작용 연결된다. 바람직하게는 분리 가능한 결합 장치의 상기 영역들이 각각 전극 스택의 전기 콘택팅을 위한 고유의 폴 콘택을 포함한다. 분리 가능한 결합 장치가 개방되면, 본 발명에 따라 특히 전극 스택의 콘택팅이 적어도 부분적으로 중단된다. 바람직하게는 분리 가능한 결합 장치의 개방 후에 하나 이상의 결합 영역 및 관련 층들이 적어도 부분적으로 서로 떨어진다. 바람직하게는 하나 이상의 폴 콘택이 하우징의 벽에 의해 안내되고 하우징의 외부에서 적어도 전기적으로 접촉된다. 바람직하게는 분리 가능한 결합 장치가 하나 이상의 프레임 부재를 포함한다. 바람직하게는 상기 하나 이상의 프레임 부재가 하우징과 결합된다. 바람직하게는 프레임 부재가 하우징의 벽의 일부를 형성한다.
바람직하게는 하우징에 하나 이상의 개방 장치가 할당 배치된다. 개방 장치는 미리 정해진 조건에서, 특히 미리 주어진 온도 및/또는 미리 주어진 압력 이상에서 하우징을 개방하도록 제공된다. 본 발명에 따라, 하우징의 개방 또는 하우징의 시임의 개방은 특히 하나 이상의 결합 영역의 분리를 야기한다. 전극 스택의 관련 층들은 적어도 부분적으로 서로 떨어지고 그들의 전기 화학적 상호 작용은 적어도 감소한다. 개방 장치는 바람직하게 외부 작동 없이 하우징을 개방하도록 형성된다. 바람직하게는 하나 이상의 개방 장치가 하우징의 부분이다. 바람직하게는 하나 이상의 개방 장치가 예리한 에지를 가진 및/또는 뾰족한 구조를 갖는다. 바람직하게, 개방 장치는 미리 정해진 변형시 하우징의 벽을 꿰뚫거나 또는 개방하도록 배치된다. 바람직하게는 하나 이상의 개방 장치가 칼날 또는 니들, 특히 중공 니들로서 형성된다. 바람직하게는, 유체가 중공 니들을 통해, 하우징 내 그를 위해 제공된 공간 또는 지점으로 안내된다. 바람직하게는 하나 이상의 개방 장치가 과압 밸브로서 형성된다. 바람직하게는 하나 이상의 개방 장치에 액추에이터가 할당 배치되고, 상기 액추에이터는 메커니즘, 배터리 관리 시스템 및/또는 제어 장치에 의해 작동된다. 바람직하게, 액추에이터는 개방 장치의 부분이다. 바람직하게, 액추에이터는 전기 펄스, 기계적, 전기적 및/또는 그 밖의 에너지에 의해 작동된다. 바람직하게, 특히 하우징의 표면에서 60℃의 온도가 초과되면, 하나 이상의 개방 장치는 하우징을 개방한다. 바람직하게 개방 장치는 하우징의 개방 후에 새어나가는 물질이 차량의 냉각 시스템 및/또는 그를 위해 제공된 공간, 특히 응축 카트리지에 공급되도록 배치된다. 바람직하게는 관리 유지 작업의 범주에서 응측 카트리지가 교체될 수 있다. 바람직하게, 하우징은 다수의 개방 장치들을 포함하고, 상기 개방 장치들은 상이한 조건에서 하우징을 개방한다. 따라서, 압력 및/또는 온도 상승에 따라 다른 개방 장치들이 하우징의 추가 개방을 일으킬 수 있다. 바람직하게는 하우징이 특히 밀봉 영역에 배치된 설정 파괴점을 갖는다. 바람직하게, 하우징 또는 밀봉 영역은 설정 파괴점의 영역에서 얇아진다. 바람직하게, 밀봉 영역은 특정 파괴 부하를 설정하기 위해 특히 그 형성 후에 전자기 방사선으로 처리되고, 열적으로 및/또는 기계적으로 약화된다. 바람직하게는, 하나 이상의 다른 재료가 밀봉 영역의 형성 전에 전극 스택과 하우징 사이에 삽입되거나 또는 외부에서, 형성된 밀봉 영역 상에 고정된다.
상기 다른 재료는 미리 정해진 조건에서 특히 하우징의 내부로부터 나온 화학 약품에 의해 약화되거나 및/또는 그 구조가 변한다. 상기 화학 약품은 바람직하게 전극 스택에 첨가된다. 바람직하게는 화학 약품이 미리 정해진 조건에서 하우징의 내부 공간에 또는 그 벽에 주사 바늘로 공급된다. 상기 화학 약품은 하우징의 재료를 약화시킨다. 바람직하게는 개방 장치가 차량의 에어컨디셔닝 시스템과 접속되고, 하우징으로부터 새어나온 물질이 냉각 시스템, 특히 에어컨디셔닝 시스템의 냉매에 의해 흡수된다. 바람직하게는 하우징으로부터 새어나온 물질이 공간에 안내된다. 바람직하게는 하우징으로부터 새어나온 물질이 상기 공간 내에서 냉각되거나 응축된다. 바람직하게는 냉각이 열 파이프에 의해 이루어진다. 바람직하게는 하우징으로부터 새어나온 물질을 흡수하기 위한 공간이 응축 카트리지로서 형성된다. 바람직하게는 응축 카트리지가 유지 관리 작업의 범주에서 교체된다. 바람직하게는 다수의 개방 장치가 하나의 공통 응축 카트리지와 연결된다. 바람직하게는 개방 장치가 회전 폐쇄부 또는 스크루 폐쇄부로서 형성된다. 바람직하게, 개방 장치는 마개가 접속부로부터 나온 규정된 힘으로 가압되도록 형성되며, 상기 접속부는 하우징의 부분이다. 바람직하게는 개방 장치가 하우징의 약한 지점으로서 형성되고, 상기 약한 지점은 선형의 얇은 지점 또는 노치를 갖는다. 바람직하게는 얇은 지점이 하우징 내에, 특히 밀봉 영역 내에 엠보싱된다. 바람직하게는 개방 장치가 스프링 부하를 받는 레버를 포함한다.
바람직하게는 하나 이상의 분리 가능한 결합 영역이 전극 스택의 하나 이상의 제한 에지를 따라 길게 연장되어 형성된다. 바람직하게는 하나 이상의 분리 가능한 결합 영역이 전극 스택의 제한 에지를 따라 길게 연장되어 형성된다. 바람직하게는 전극 스택이 실질적으로 장방형으로 형성되고, 4개의 에지를 가지며, 상기 에지들은 실질적으로 서로 평행하게 연장하고, 장방형의 나머지 제한 에지보다 더 길다. 바람직하게는 하나 이상의 결합 영역이 하나 이상의 상기 더 긴 제한 에지를 따라 연장한다. 바람직하게, 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치는 전극 스택과 관련해서, 결합 장치가 하나 이상의 긴 결합 영역을 형성하고 실질적으로 커버하도록 배치된다. 바람직하게는 갈바닉 셀이 2개 이상의 분리 가능한 결합 장치를 포함하고, 상기 결합 장치는 전극 스택의 2개의 대향 제한 에지를 따라 배치된다. 전극 스택은 2개 이상의 긴, 분리 가능한 결합 영역을 포함한다. 바람직하게는 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치가 갈바닉 셀의 하우징과 연결된다. 바람직하게는 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치가 미리 주어진 조건에서 전극 스택을 해제하거나 또는 하나 이상의 결합 영역의 분리를 허용한다.
바람직하게는 갈바닉 셀에 하나 이상의 측정 장치, 특히 갈바닉 셀의 온도 및/또는 압력을 검출하기 위한 측정 장치가 할당 배치된다. 측정 장치는 적어도 일시적으로 신호를 제공하며, 상기 신호는 갈바닉 셀에 속하지 않은 제어 장치에 의해 처리된다. 바람직하게 갈바닉 셀은 하나 이상의 냉각 장치를 포함하며, 상기 냉각 장치는 미리 정해진 조건에서 갈바닉 셀에게 열에너지를 공급하거나 또는 빼낸다. 바람직하게는 하나 이상의 냉각 장치가 스위칭 가능하다. 바람직하게는, 하나 이상의 냉각 장치의 스위칭 과정을 위해 하나 이상의 측정 장치의 신호가 고려된다.
바람직하게는 갈바닉 셀이 분리 가능한 결합 영역 또는 분리 가능한 결합 장치의 분리를 위한 하나 이상의 수단을 포함한다. 바람직하게는 수단이 미리 정해진 조건에서, 특히 미리 주어진 온도 및/또는 미리 주어진 압력의 초과시, 작동된다. 상기 수단은 특히 연화를 위한 규정된 파괴 부하 또는 규정된 조건을 가진 레버, 웨지, 스크루, 성형부를 포함하는 수단 그룹에 속한다.
바람직하게는, 상기 수단 또는 성형부가 분리 가능한 결합 영역 또는 분리 가능한 결합 장치와 작용 연결됨으로써, 미리 주어진 조건에서 하나 이상의 분리 가능한 결합 영역이 분리된다.
본 발명에 따라 바람직하게는 세퍼레이터가 사용되고, 상기 세퍼레이터는 다공성 캐리어로 이루어지며 바람직하게는 부분적으로 다공성이다. 즉, 하나 이상의 재료에 대해 실질적으로 다공성이고 하나 이상의 다른 재료에 대해 실질적으로 비다공성이다. 캐리어의 하나 이상의 면이 무기 재료로 코팅된다. 다공성 캐리어로는 바람직하게 유기 재료가 사용되고, 상기 유기 재료는 바람직하게 부직포로서 형성된다. 유기 재료, 바람직하게는 폴리머 및 특히 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 무기 이온 전도 재료로 코팅되고, 상기 이온 전도 재료는 바람직하게 -40℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 이온을 전도한다. 무기 이온 전도 재료는 바람직하게 원소 Zr, Al, Li들 중 하나 이상의 원소를 가진 산화물, 인산염, 황산염, 티탄산염, 규산염, 알루미노규산염의 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 화합물, 특히 바람직하게는 산화지르코늄을 포함한다. 바람직하게는 무기 이온 재료가 100 nm 미만의 최대 직경을 가진 입자를 포함한다. 이러한 세퍼레이터는 예컨대 독일의 Evonik AG 의 상표 "Separion"으로 판매된다.
바람직하게 갈바닉 셀, 그 전극 및 세퍼레이터는 하나 이상의 분리 가능한 결합 영역에서 서로 분리 가능하게 결합되므로, 미리 정해진 조건의 초과시, 특히 온도 및/또는 압력의 초과시, 하나 이상의 분리 가능한 결합 영역이 분리되도록 작동된다. 바람직하게는 하나 이상의 분리 가능한 결합 영역을 분리하기 위한 수단이 사용된다. 하나 이상의 결합 영역의 분리 후에, 전극 스택의 2개 이상의 층들이 적어도 부분적으로 서로 떨어진다. 따라서, 상기 2개의 층들 사이의 전기 화학적 상호 작용이 감소한다. 결합 장치의 분리 후에 전극 스택의 2개 이상의 층이 적어도 부분적으로 서로 떨어지고 및/또는 전극 스택의 콘택팅이 중단된다.
바람직하게, 하우징 및 하나 이상의 개방 장치를 가진 갈바닉 셀은 하나 이상의 개방 장치가 미리 정해진 조건에서, 특히 미리 정해진 압력 및/또는 미리 정해진 온도의 초과시, 하우징을 개방하도록 작동된다. 바람직하게는 하나 이상의 개방 장치를 작동하기 위한 수단이 사용된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 갈바닉 셀이 전기 구동 장치 또는 하이브리드 구동 장치를 구비한 자동차의 구동 장치에 에너지를 공급하기 위해 사용된다.
본 발명에 의해, 갈바닉 셀이 안전하게 형성된다.
본 발명의 다른 장점들, 특징들 및 사용 가능성들은 도면과 관련한 하기 실시예 설명에 제시된다.
도 1은 본 발명에 따른 갈바닉 셀의 전극 스택.
도 2는 분리 가능한 결합 영역 및 밀봉 영역을 가진 본 발명에 따른 갈바닉 셀.
도 3은 분리 가능한 결합 영역을 가진 본 발명에 따른 갈바닉 셀의 다른 실시예의 전극 스택.
도 4는 다수의 분리 가능한 결합 영역을 가진 본 발명에 따른 갈바닉 셀의 다른 실시예의 전극 스택.
도 5는 2개의 분리 가능한 결합 장치를 가진 본 발명에 따른 갈바닉 셀의 다른 실시예의 전극 스택.
도 6은 다양한 분리 가능한 결합 장치를 가진 본 발명에 따른 갈바닉 셀의 다른 실시예의 전극 스택.
도 7은 폴 콘택을 가진 분리 가능한 결합 장치를 구비한 본 발명에 따른 갈바닉 셀의 다른 실시예의 전극 스택.
도 8은 2개의 분리 가능한 결합 장치 및 프레임 부재를 가진 본 발명에 따른 갈바닉 셀의 다른 실시예의 전극 스택.
도 9는 본 발명에 따른 갈바닉 셀의 다른 실시예.
도 10은 본 발명에 따른 갈바닉 셀용 인서트.
이하에서, 동일한 또는 동일한 작용을 하는 부품들 또는 부재들은 동일한 도면 부호로 표시된다.
도 1은 다수의 애노드 층들(2), 다수의 캐소드 층들(3) 및 다수의 세퍼레이터 층들(4)을 포함하는 전극 스택(6)을 펼쳐진 상태로 도시한다.
세퍼레이터 층들(4)은 전극 층들(2, 3)이 그들을 돌출하도록 설계된다. 세퍼레이터 층(4)은 이온 액체로 습윤된다. 동일한 극성의 전극 층들이 서로 전기 전도 접속되는 것은 도시되지 않는다.
도 2는 하우징(5) 내에 전극 스택을 가진 본 발명에 따른 갈바닉 셀(1)을 도시한다. 전극 스택은 애노드(2), 캐소드(3) 및 세퍼레이터(4)를 포함한다. 여러 층들은 결합 영역(7, 7a)(파선으로 도시됨)에서 결합된다. 하우징(5)은 밀봉 영역(8)에서 전극 스택과 재료 결합 방식으로 결합된다. 하우징(5)은 시임(51)을 가지며, 상기 시임은 미리 정해진 조건에서 고장나도록 형성된다. 밀봉 영역(8)의 형성 전에, 하우징(5) 내부에 저압이 형성된다. 따라서, 하우징(5)은 전극 스택에 밀착하여 상기 전극 스택을 함께 압착한다. 시임(51)의 고장에 의해, 전극 스택에 대한 하우징(5)의 압축 작용이 감소한다. 후속해서, 결합 영역(7a)이 분리되고 전극 스택의 관련 층들이 적어도 부분적으로 서로 떨어진다. 따라서, 그들의 전기 화학적 상호 작용이 적어도 부분적으로 중단된다.
도 3은 2개의 전극 층들(2, 3) 및 하나의 세퍼레이터 층(4)을 가진 전극 스택(6)을 도시한다. 상기 층들은 분리 가능한 결합 영역(7)과 결합된다. 결합 영역(7)은 환형 직물 벨트(9)로 형성되고, 직물 벨트(9)는 미리 주어진 온도 이상에서 연화되고 특히 많이 팽창된다. 후속해서, 결합 영역(7) 및 전극 스택의 관련 층들이 적어도 부분적으로 서로 떨어진다. 따라서, 그들의 전기 화학적 상호 작용이 적어도 부분적으로 중단된다.
도 4는 2개의 전극 층들(2, 3) 및 하나의 세퍼레이터 층(4)을 가진 전극 스택(6)을 도시한다. 상기 층들은 분리 가능한 결합 영역들(7, 7a)에서 고정 레일(9a, 9b)에 의해 결합된다. 고정 레일들(9a, 9b)은 스프링 부하를 받는다. 스프링들은 도시되어 있지 않다. 스프링들은 그 스프링 상수가 온도의 상승에 따라 떨어지도록 형성된다. 온도의 상승에 따라 고정 레일들(9a, 9b)이 점점 더 유연해지며, 결합 영역들(7, 7a)은 점점 분리되고, 전극 스택의 관련 층들은 적어도 부분적으로 서로 떨어진다. 층들의 전기 화학적 상호 작용은 줄어들거나 중단된다.
도 5는 전극 스택(6)을 측면도로 도시한다. 애노드(2) 및 캐소드(3)는 세퍼레이터(4)를 둘러싸고, 상기 세퍼레이터는 전극들(2, 3)의 면을 지나 연장된다. 다수의 결합 영역들(표시되지 않음)에서, 레일들은 결합 장치(9, 9a)에 의해 결합된다. 또한, 전극 스택(6)에는 열을 방출하기 위한 냉각 장치(11)가 할당 배치되고, 상기 냉각 장치는 전극 스택(6)과 열 전도 접촉한다. 냉각 장치는 부분적으로 표면을 확대하는 구조를 가질 수 있다. 온도의 상승에 따라 고정 장치(9, 9a)가 연화됨으로써, 결합 영역들이 분리된다. 전기 비전도성 부착 장치(10)의 한 단부에 약한 지점이 형성된다. 전해질에 첨가제가 첨가된다. 미리 주어진 온도 이상에서, 첨가제는 부착 장치(10)의 재료에 손상을 일으킨다. 그들의 약한 지점들은 고장나며 관련 결합 영역을 분리시킨다. 대안으로서, 고정 장치(9, 9a)는 상이한 열 팽창 계수의 영역들을 포함하는 복합 재료, 예컨대 바이메탈로 형성된다.
도 6은 2개의 전극 층들(2, 3) 및 하나의 세퍼레이터 층(4)을 포함하는 전극 스택(6)을 도시한다. 상기 층들은 분리 가능한 결합 영역들(7, 7a, 7b, 7c)에서 서로 결합된다. 분리 가능한 결합 영역들(7, 7a)은 미리 주어진 온도 이상에서 고장나는, 즉 기능을 하지 않는 접착제로 형성된다. 전기 비전도성 니벳(10)은 미리 주어진 온도 이상에서 고장난다. 전기 비전도성 부착 브래킷(11)은 미리 주어진 온도 이상에서 유리되는 전해질의 첨가제의 손상 작용으로 인해 고장난다. 부착 실은 특히 열 작용으로 인해 파손된다. 도시되지 않은 액티베이터가 힘을 전극 스택에 가함으로써, 밴드 또는 부착 실이 끊어진다.
도 7 및 도 8은 하우징(5)에 의해 둘러싸인 전극 스택을 가진 갈바닉 셀(1)을 도시한다. 전극 스택의 층들(2, 4)은 결합 영역(7)에서 분리 가능하게 결합된다. 고정 장치들(9, 9a)은 전극 스택의 층들을 결합한다. 고정 장치(9, 9a)의 레그들은 서로 전기 절연되고, 각각 하나의 폴 콘택(12, 12a)을 갖는다. 고정 장치들(9, 9a)의 레그들은 전극 스택을 접촉시킨다. 폴 콘택들(12, 12a)은 하우징(5)으로부터 돌출한다. 폴 콘택들(12, 12a)에는 각각 하나의 밀봉체가 제공된다. 고정 장치(9)의 도시되지 않은 스프링들은 그 스프링 상수가 온도의 상승에 따라 점점 연화되도록 형성된다. 고정 장치들(9, 9a)이 전극 스택에 가하는 힘은 온도 상승에 따라 줄어든다. 대안으로서, 스프링들은 미리 정해진 온도 이상에서 전해질의 첨가제에 의해 점점 연화되는 재료로 형성된다. 고정 장치(9, 9a)의 개방 또는 고장 후에, 전극 스택의 콘택팅이 중단된다. 고정 장치가 분리를 위해 특히 레버를 갖는 것은 도시되지 않는다. 상기 레버는 특히 액티베이터에 의해 작동된다. 고정 장치가 특히 스프링 부하를 받는 니 레버(knee lever)에 의해 폐쇄되는 것은 도시되지 않는다. 스프링 부하를 받는 니 레버는 특히 미리 주어진 온도 및/또는 미리 주어진 압력 이상에서 개방된다.
도 8은 다수의 스프링 부하를 받는 고정 장치들(9, 9a)을 가진 갈바닉 셀을 도시한다. 상기 고정 장치들은 프레임 부재(13)와 특히 재료 결합 방식으로 결합된다. 고정 장치(9, 9a)가 프레임 부재(13)와 회전 운동 가능하게 결합되고 폐쇄 스프링이 프레임 부재(13)에 지지되는 것은 도시되지 않는다. 프레임 부재(13)는 하우징(5)의 부분이고, 상기 하우징과 특히 재료 결합 방식으로 결합된다. 스프링 부하를 받는 고정 장치는 특히 열에 의해 야기된 두께 변동을 보상한다. 특히 액티베이터에 의해 전극 스택에 가해지는 힘은 고정 장치로부터 스택의 변위를 야기한다. 이로 인해, 특히 전극 스택의 콘택팅이 중단된다.
도 9는 애노드(2), 캐소드(3), 하우징(5) 및 밀봉 영역(8)을 가진 본 발명에 따른 갈바닉 셀(1)을 도시한다. 밀봉 영역(8)은 얇은 지점(14)으로서 형성되는 영역을 포함한다. 미리 주어진 압력에서, 얇은 지점(14)은 고장나며, 특히 하우징(5) 내에 주어진 과압이 제거된다. 또한, 갈바닉 셀(1)은 미리 정해진 조건에서 하우징(5)을 개방하는 여러 개방 장치들(15, 15a, 15b)을 포함한다. 과압 밸브(15a)는 개방 후에 셀의 내압과 주변 사이의 압력 차이를 없앨 수 있다. 바람직하게 하우징(5)은 상이한 압력 차이에서 개방되는 다수의 안전 밸브들(15a)을 포함한다. 칼날 섹션(15)은 하우징에 대해 특정 간격을 두고 배치된다. 하우징(5)이 팽창되면, 하우징(5)의 영역이 칼날 섹션(15)에 도달한다. 이는 하우징(5)을 개방한다. 바람직하게는 다수의 칼날 섹션들(15)이 상이한 지점에 및/또는 하우징(5)과의 상이한 간격을 두고 배치된다. 개방 장치(15)는 첨단으로서 형성될 수 있다. 니들(15b)은 하우징(5)과 간격을 두고 배치된다. 팽창된 하우징(5)은 하우징(5)을 개방하는 니들(15b)에 대한 콘택을 수용한다. 니들(15b)은 배출 가스를 응축 카트리지로 안내하는 튜브 부분에 의해 둘러싸인다. 거기에 전해질이 모이고, 경우에 따라 액화된다. 응축 카트리지는 유지 관리 작업의 범주에서 교체될 수 있다. 바람직하게는 다수의 튜브 부분 또는 개방 장치가 동일한 응축 카트리지에 연결된다. 하우징이 전극 스택과 더불어 인서트를 수용하는 것은 도시되지 않는다. 인서트는 적어도 일시적으로 힘을 하우징에 가한다. 미리 정해진 조건에서 인서트에 의해 하우징에 가해지는 힘은, 하우징이 고장날 정도의 크기이다. 이로 인해, 하나 이상의 결합 영역이 분리되고, 전극 스택의 관련 층들이 적어도 부분적으로 서로 떨어진다.
도 10은 인서트(16)로서 형성된 개방 장치를 도시한다. 인서트(15)는 상이한 열 팽창 계수들을 가진 영역들(16a, 16b)을 포함하는 복합 재료로 제조된다. 또한, 인서트(16)는 아버(17)를 포함한다. 온도에 따라 인서트들(16c, 16d)의 형상이 변하고, 특히 힘을 도시되지 않은 하우징에 가한다. 하우징은 본 발명에 따라 특히 천공, 약한 지점 또는 시임에서 고장나고 및/또는 아버에 의해 관통된다.
전극 스택의 내부 전기 콘택팅의 중단을 위한 전술한 가능성은 바람직하게 수동 또는 자동 배터리 비상 스위치와 조합될 수 있다.
전극 스택을 프레임에 부착 및 고정하기 위한 전술한 가능성은 본 발명의 의미에서 서로 조합될 수 있다. 전극 스택을 본 발명에 따라 프레임에 고정 및/또는 부착하는 것은 동시에 부착 및/또는 고정되는 다수의 전극 스택으로 확장될 수 있다. 또한, 개별 세퍼레이터, 전극 또는 그 전도체만이 고정 및/또는 부착될 수도 있다.
전술한 실시예의 변형예에서, 본 발명은 코일 셀에도 실시될 수 있다.
1 갈바닉 셀
2 애노드 층
3 캐소드 층
4 세퍼레이터 층
5 하우징
6 전극 스택
7, 7a 결합 영역
9, 9a, 9b 결합 장치
14 얇은 지점
15, 15a, 15b 개방 장치

Claims (13)

  1. 실질적으로 프리즘형 전극 스택(6), 전해질 및 하우징(5)을 포함하고, 상기 하우징은 상기 전극 스택(6)을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 제공되며, 상기 전극 스택(6)은 다층으로 형성되고, 하나 이상의 애노드 층(2), 캐소드 층(3) 및 세퍼레이터 층(4)을 포함하며, 상기 하나 이상의 세퍼레이터 층(4)은 적어도 부분적으로 애노드 층(2)과 캐소드 층(3) 사이에 배치되고, 상기 하나 이상의 세퍼레이터 층(4)은 상기 전해질을 적어도 부분적으로 흡수하는, 갈바닉 셀(1)에 있어서,
    상기 하나 이상의 애노드 층(2), 상기 하나 이상의 캐소드 층(3) 및 상기 하나 이상의 세퍼레이터 층(4)은 특히 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치(9, 9a, 9b)에 의해 하나 이상의 결합 영역(7, 7a)에서 서로 분리 가능하게 결합되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(5)은 적어도 부분적으로 상기 전극 스택(6)에 접촉하고,
    상기 하우징(5)은 특히 밀봉 영역(8)에서 특히 재료 결합 방식으로 상기 전극 스택(6)과 결합되며, 그리고/또는
    상기 하우징(5)은 하나 이상의 얇은 지점(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하나 이상의 분리 가능한 결합 영역(7, 7a)이 제공되거나, 또는 상기 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치(9, 9a, 9b)가 제공되며, 미리 정해진 조건에서 분리되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치(9, 9a, 9b)가 상기 하우징(5)에 할당 배치되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치(9, 9a, 9b)는 하나 이상의 폴 콘택(12, 12a) 및/또는 프레임 부재(13)를 포함하고, 상기 프레임 부재(13)는 상기 전극 스택(5)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징(5)에는 하나 이상의 개방 장치(15, 15a, 15b)가 할당 배치되고, 상기 개방 장치는 미리 정해진 조건에서 상기 하우징(5)을 개방하는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 스택(6)은 하나 이상의 제한 에지를 포함하고, 상기 전극 스택(6)은 특히 분리 가능한 결합 장치(9, 9a, 9b)에 의해 적어도 부분적으로 상기 제한 에지를 따라 분리 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갈바닉 셀(1)에는 하나 이상의 측정 장치(16) 및/또는 하나 이상의 냉각 장치(11)가 할당 배치되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세퍼레이터 층(4)은 전기 비전도성 섬유로 이루어진 부직포로 형성되고, 상기 부직포의 하나 이상의 면이 무기 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갈바닉 셀(1)은 분리 가능한 결합 영역(7, 7a) 또는 분리 가능한 결합 장치(9, 9a, 9b)의 분리를 위한 하나 이상의 수단(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 세퍼레이터가 다공성 캐리어로 이루어지고, 바람직하게는 부분적으로 다공성이며, 즉 하나 이상의 재료에 대해 실질적으로 다공성이고 하나 이상의 다른 재료에 대해 실질적으로 비다공성이며,
    상기 캐리어의 하나 이상의 면이 무기 재료로 코팅되고,
    바람직하게는 부직포로서 형성된 유기 재료가 다공성 캐리어로서 사용되며,
    상기 유기 재료는 바람직하게 폴리머 및 특히 바람직하게 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 포함하고,
    상기 유기 재료는 바람직하게는 -40℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 이온을 전도하는 무기 이온 전도 재료로 코팅되며,
    상기 무기, 이온 전도 재료는 원소 Zr, Al, Li들 중 하나 이상의 원소를 가진 산화물, 인산염, 황산염, 티탄산염, 규산염, 알루미노규산염의 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 화합물, 특히 바람직하게는 산화지르코늄이고,
    상기 무기, 이온 전도 재료는 바람직하게 100 nm 미만의 최대 직경을 가진 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀.
  12. 하나 이상의 결합 영역(7, 7a)에서 특히, 하나 이상의 분리 가능한 결합 장치(9, 9a, 9b)에 의해 서로 분리 가능하게 결합되는, 하나 이상의 애노드 층(2), 캐소드 층(3) 및 세퍼레이터 층(4)을 포함하는 갈바닉 셀(1)의 작동 방법에 있어서,
    하나 이상의 결합 영역(7, 7a) 및/또는 결합 장치(9, 9a, 9b)가 미리 정해진 조건에서 분리되는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀의 작동 방법.
  13. 하우징(5) 및 하나 이상의 개방 장치(15, 15a, 15b)를 포함하는 갈바닉 셀(1)을 작동하기 위한 제 12 항에 따른 방법에 있어서,
    상기 하나 이상의 개방 장치는 미리 정해진 조건에서 상기 하우징(5)을 개방하는 것을 특징으로 하는 갈바닉 셀의 작동 방법.
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