KR20120105467A

KR20120105467A - 전력 전지 및 전기 에너지 장치

Info

Publication number: KR20120105467A
Application number: KR1020127014941A
Authority: KR
Inventors: 발터 라헨마이어; 안드레아스 구취; 팀 샤에퍼; 클라우스-루페르트 호헨타너
Original assignee: 리-텍 배터리 게엠베하
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2012-09-25
Also published as: EP2499684A1; JP2013510395A; WO2011054544A8; DE102009052480A1; WO2011054544A1; CN102598353A; US20120301775A1; BR112012010981A2

Abstract

각형 전기 에너지 전지는 전지의 외면 중 하나로부터 실질적으로 직각으로 돌출하고 서로 실질적으로 면에 평행하게 배치되어 있는 2개의 평면으로 구성된 집전체를 포함한다. 상기 집전체 각각은 그의 수직면 방향으로 적어도 하나의 홀을 갖되, 그 중 하나의 집전체의 홀 패턴은 다른 집전체의 홀 패턴과 거울-대칭이다. 본 발명은 또한 상기 전기 에너지 전지를 다수 포함하는 전기 에너지 장치에 관한 것이다.

Description

전력 전지 및 전기 에너지 장치{ELECTRIC POWER CELL AND ELECTRIC POWER UNIT}

본 발명은 전기 에너지 전지 및 하나의 블록으로 스택된 다수의 전기 에너지 전지로 구성된 전기 에너지 장치에 관한 것이다.

갈바니 일차전지로 구성된 배터리, 갈바니 이차전지로 구성된 축전 장치, 스택되어 모듈로 통합된 커패시터와 연료전지와 같이 블록으로 스택된 다수의 전기 에너지 전지가 조립되어 있는 전기 에너지 장치가 알려져 있다.

특히 충전 전류 인가시 전해질 내에 또는 전해질을 사이에 두고 양극과 음극 간의 전기화학 충전 반응으로 전기 에너지를 화학 에너지로 전환하여 저장하고 전기를 필요로 하는 장치가 적용될 때에는 전기화학 방전 반응으로 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 하나 이상의 축전지로 구성되는 전기 에너지 저장용 배터리(일차 저장 장치)와 축전 장치(이차 저장 장치)가 공지되어 있다. 일반적으로 일차 저장 장치는 단 한번만 충전될 뿐 방전 후에는 폐기처리되는 반면에, 이차 저장 장치는 여러 번(수백 내지 10,000 사이클이 넘는) 충방전이 가능하다. 이때 축전 장치는 때로는 예를 들면 잘 알려진 바와 같이 충전 사이클이 빈번하게 이루어지는 차량 배터리와 같은 배터리라고도 한다는 것을 명심해야 한다.

최근에 리튬 화합물을 기재로 하는 일차 및 이차 저장 장치의 중요성은 점점 증가하였다. 이들은 높은 에너지 밀도와 열안정성을 갖고 있고 낮은 자가 방전시 일정한 전압을 공급하며 소위 메모리 효과가 없다.

에너지 저장 장치 및 특히 리튬-배터리와 -축전지를 얇은 판형으로 제조하는 것이 알려져 있다. 리튬-이온 전지의 기능 원리에 대해 예를 들면 Dr. K. C. Moller, Dr. M. Winter, "Primare und wiederauffladbare Lithium-Batterien und -Akkumulatore" zum Praktikum Anorganisch-Chemische Technologie, TU Graz, Februar 2005을 참고할 수 있다.

실제로 자동차 배터리에서 얻고자 하는 전압과 용량을 목표로 하나의 스택에 다수 개의 전지를 배치하고 이들의 집전체를 적절한 방법으로 서로 접속시킬 필요가 있다. 개별 전지의 상호접속은 통상적으로 집전체가 돌출해 있는 전지의 좁은 측면 위(일반적으로 "상부"로서 정의함)에서 이루어진다. WO 2008/128764 A1, WO 2008/128769 Al, WO 2008/128770 A1과 WO 2008/128771 A1에는 이러한 상호접속 배치구조들이 예시되어 있다.

JP 07-282841 A에는 개별 전지들이 하우징에 삽입되어 있는 유사한 배치구조가 예시되어 있다. 이때 개별 전지들은 하우징의 각각의 구획 영역에 느슨하게 위치되어 있고 위로 돌출해 있는 접촉부가 볼트에 의해 서로 연결되어 있다. 다음, 전체 배치구조는 뚜껑에 의해 상부로부터 밀봉된다.

다수 개의 얇은 사각형 갈바니 전지를 하나 이상의 스택으로 통합하는 것으로 이들의 가장 큰 연장된 측면(평면 측면)은 서로 대면하거나 접촉해 있고 유지 고정 장치 내 주조되어 있는 개선된 배치구조가 아직 발표되지 않은 연구에 공지되어 있다.

본 발명자들은 문헌에는 자세히 기재되어 있지 않지만 다수 개의 평면 전지가 2개의 가압판 사이에 스택되어 있되 상기 스택이 가압판 사이에 연장되어 있는 인장 로드(나사 볼트 또는 원통형 나사)에 의해 서로 유지 고정되어 있는 배치구조를 알고 있다.

본 발명의 과제는 전기 에너지 전지 및 이러한 전지 다수 개로 구성되어 이들 전지의 블록화와 접촉을 개선시킬 수 있는 전기 에너지 장치를 제공하는데 있다.

상기 과제는 독립항의 특징부에 의해 해결된다. 본 발명의 유리한 실시형태들은 종속항의 요지를 구성한다.

본 발명의 일 요지에 따른 전기 에너지 전지는 다수 개의 외면을 가진 입체적인 몸체로서 구성되어 있고 상기 전지의 외면 중 하나로부터 실질적으로 직각으로 돌출해 있고 실질적으로 서로 면에 평행하게 배치되어 있는 평면으로 구성된 2개의 집전체를 포함한다. 상기 집전체는 각각 그의 수직면 방향으로 적어도 하나의 홀을 갖고 그 중 하나의 집전체의 홀 패턴은 다른 집전체의 홀 패턴과 거울 대칭이다.

본 발명의 범위에서 전기 에너지 전지라 함은 구조적으로 폐쇄된 상태에서도 전기 에너지를 공급할 수 있는 전지로 이해된다. 상기 전기 에너지 전지는 그 내부에 저장되어 있는 에너지를 단 한번만 공급할 수 있는 갈바니 일차전지이거나 여러 번 충방전될 수 있는 갈바니 이차전지이거나 또는 연료전지 또는 커패시터 전지 등일 수 있다. 특히 상기 전기 에너지 전지는 전지의 적어도 하나의 전자기적으로 활성인 재료가 리튬 또는 리튬 화합물을 포함하는 갈바니 이차전지일 수 있다. 본 발명의 범위에서 집전체라 함은 갈바니 전지 내부에 전기화학적 활성부와 연결 상태에 있고 전지의 극으로서 사용되는 외부에서 접근 가능한 접속부로서 이해된다. 본 발명의 범위에서 몸체의 외면이라 함은 몸체의 입체 체적의 외부 경계를 형성하는 표면으로서 이해된다. 본 발명의 범위에서 평면 몸체라 함은 그의 연장부가 제3의 공간 방향으로보다는 몸체-결합 직교 좌표계의 2개의 공간 방향으로 실질적으로 더 큰 몸체를 의미하는 것으로; 이때 상기 제3의 공간 방향은 두께 방향 또는 표면 수직 방향으로서 정의되고 2개의 다른 공간 방향은 면에 평행하는 방향으로서 정의된다. 본 발명의 범위에서 홀 패턴이라 함은 몸체 내 하나 이상의 홀이 배치되는 구조로서 이해된다. 본 발명의 범위에서 홀 패턴의 거울-대칭 배치구조라 함은 집전체 위, 집전체의 수직면과 집전체가 돌출해 있는 전지의 외면 방향에 의해 한정되는 면에 있는 홀이 이에 상응하는 다른 집전체의 홀에 대해 거울상인 배치구조로서 이해된다. 이때 거울면은 폭 방향으로 중앙 연장되어 있는 수직면인 것이 바람직하지만; 거울면이 폭 방향으로 중앙 연장되어 있지 않아도 본 발명을 실현하는데에는 지장을 주지않는다. 구분을 위해 상기 용어 거울 대칭은 합동, 즉 2개의 집전체에 있는 모든 홀의 정렬된 배치구조를 의미하지만 상기 홀 중 일부의 정렬된 배치구조를 배제하는 것은 아님을 명심해야 한다.

본 발명의 상기 요지에 따른 전기 에너지 전지는 다수 개의 전지가 하나의 블록으로 통합될 때 일렬 위치되어 있는 집전체의 홀은 개별 전지들의 극성과는 관계없이 항상 정렬된다는 장점이 있다. 이로 인해 예를 들면 조립시 홀에 따라 광학적 또는 기계적 정렬을 제어할 수 있게 된다. 케이블 등이 홀을 관통하여 연결될 수도 있다.

이러한 전기 에너지 전지의 입체적인 몸체는 2개의 평면 측면과 4개의 좁은 측면을 갖되(즉, 평면 구성을 갖되), 집전체가 돌출해 있는 외면이 상기 좁은 측면 중 하나에 의해 형성되면 스택 내 전지의 배치구조가 특히 단순하게 되어 더 큰 장치를 구성할 수 있다.

상기 집전체가 그의 수직면 방향으로, 특히 전지의 평면 측면의 모서리 가까이에 배치되면 집전체의 방향이 크게 바뀌지 않고 전지의 활성부 각각의 최외곽 층에 도달할 수 있어 유리한 것으로 밝혀졌다.

상기 집전체가 면에 평행한 방향으로, 특히 폭 방향으로 집전체 간 일정한 거리를 두고 떨어져 있도록 배치되면 집전체의 외형은 또 다른 집전체에 있는 홀을 결코 덮을 수 없게 된다. 또한 케이블 등이 집전체의 안쪽 가장자리를 관통하는 채널에 연결될 수도 있다.

바람직하게는 각 집전체의 중앙에 실질적으로 폭 방향으로 배치되어 있는 단 하나의 홀이 제공되는 것이 바람직하다. 이와 달리, 각 집전체의 폭에 걸쳐 분포되는 2개 이상의 홀이 제공된다.

또 다른 요지에서 본 발명은 다수의 전기 에너지 전지가 스태킹 방향으로 스택되어 형성된 전지 블록 내부에서 병렬 및/또는 직렬로 서로 접속되어 있는 전기 에너지 장치에 관한 것이다. 본 발명에서 전기 에너지 장치라 함은 전기 에너지를 공급할 수 있는 배치구조로 이해된다. 이러한 전기 에너지 장치에서 개별 전기 에너지 전지의 장점은 상술한 바와 같이 발현될 수 있다.

특히 바람직한 실시형태에서 대향하는 집전체 사이의 전기 접촉과 절연은 연속되어 있는 전지의 집전체 사이에 형성되는 갭에 배치되어 있는 전도성 또는 비전도성 스페이서에 의해 제공되는 상호접속에 따라 이루어지되, 상기 스페이서는 집전체의 정렬된 홀을 관통하여 연장되어 있는 인장 로드에 의해 발휘되는 가압력에 의해 집전체 사이에 고정된다. 이를 통해 전지 블록 내에 전지가 단순하고 신뢰성이 있으면서 안전하게 작동하고 손실이 없는 상호접속이 가능할 수 있게 된다.

상기 전기 에너지 장치의 제1접속극과 제2접속극은 전지 블록 내에서 제1접속극이 제1전지의 제1극성의 집전체와 연결되고 전지 블록 내에서 제2접속극이 마지막 전지의 제2극성의 집전체와 연결되도록 제공되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 접속극이라 함은 전기 에너지 장치의 외부로부터 접촉되어 전기 연결이 이루어질 있는 접촉부를 의미하는 것으로 이해된다.

상기 전지들은 극성이 교차되면서 스태킹 방향으로 배치되는 것이 바람직하다. 이 방법으로 연속하는 집전체 사이에서 전도성 및 비전도성 스페이서를 교호적으로 단순하게 배치하여 전지를 특히 단순하게 직렬 연결할 수 있다. 병렬 연결 또한 쉽게 구현할 수 있다. 또 다른 실시형태에서는 여러 군의 전지들을 전지 블록 내부에 형성하고 전기적으로 서로 분리할 수 있어 첫번째 군의 마지막 전지와 다음 군의 첫번째 전지로부터 일면의 집전체는 그 전의 전지와 그 다음 전지의 스태킹 방향으로 서로 대향하는 집전체로부터 전기적으로 절연되고 전기적으로 탭 오프될 수 있다.

상기 다수의 전지로 구성되는 전지 블록은 특히 바람직하게는 인장 앵커에 의해 고정되는 2개의 가압판 사이에 삽입되는 것이 바람직하다. 이 방법으로 상기 전지들은 단순하면서 신뢰성 있게 통합 및 고정될 수 있다.

상기 집전체와 접속극 사이의 연결은 각각의 집전체에 부착되어 있는 전도성 스페이서를 통해 특히 단순하게 이루어질 수 있다.

특히 바람직한 실시형태에서 상기 스페이서는 집전체의 홀과 정렬하는 통공 또는 절개부를 갖고 로드 위에 나사결합되거나 위치되어 있다. 제1변형예에서 상기 스페이서는 특히 손실없이 배치되지만; 제2변형예에서 상기 스페이서는 인장 로드를 완전히 분해하지 않고도 단순하게 조립할 수 있다.

청구범위에 언급되어 있는 본 발명의 다른 특징, 목적과 이점들은 첨부 도면을 참고하여 완성된 바람직한 실시형태의 후술하는 기재내용으로부터 더욱 명확하게 알 수 있을 것이다.

도면에서:
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 배터리의 절개 평면도이고;
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 절개한 도 1의 배터리의 단면도로서, 하부 영역은 생략되어 있는 도면이고;
도 3은 본 발명의 제2실시형태에 따른 배터리의 절개 평면도로서, 도 1의 도면에 상응하는 도면이고;
도 4는 본 발명의 제3실시형태에 따른 배터리의 단면도로서, 도 2의 도면에 상응하는 도면이고;
도 5는 본 발명의 제4실시형태에 따른 배터리의 단면도로서, 도 2의 도면에 상응하는 도면이다.

상기 도면들은 개략적으로 나타낸 것으로 본 발명의 이해를 위해 가장 중요한 특징부의 모방을 제한하기 위함이라는 것을 알려둔다. 도면에 나타낸 치수와 크기 비율은 단순히 명료하게 도시하기 위해 선택된 것으로 결코 한정하거나 강제적이지 않다는 것으로 이해되어야 한다.

이에 이하에서는 구체적인 실시형태와 이들의 가능한 변형예를 정확하게 기재한다. 동일한 구성부가 서로 다른 실시형태에서 사용되는 경우에 이들에 대해 동일하거나 유사한 도면부호가 제공된다. 실시형태와 관련하여 이미 설명한 특징에 대해서는 더 이상 반복하지 않는다. 그러나 명백하게 달리 언급하지 않거나 분명하게 기술적으로 무의미하지 않는 한 실시형태의 특징, 배치구조와 효과는 다른 실시형태에도 적용이 가능하다.

본 발명의 바람직한 제1실시형태가 도 1과 2에 도시되어 있다. 이때 도 1은 본 실시형태에서 배터리(2)의 절개 평면도이고, 도 2는 도 1의 II-II 선(2개의 축전지(4) 사이)을 따라 절개한 도 1의 배터리(2)의 단면도로서, 하부 영역은 생략되어 있다. 도 1의 단면은 집전체(14)의 거의 중간 높이에서 연장되어 있다.

배터리(2)는 다수 개의 축전지(4, storage cell or memory cell)를 포함하고 있다. 총 8개의 축전지(4(i) 내지 4(viii))가 제공되어 있다. 축전지(4)는 2개의 연장된 평면 측면 또는 말단면(전면과 후면)과 4개의 좁은 측면(우측, 좌측, 상부와 하부)을 가진 평면의 사각형 몸체를 가지고 있다. 축전지(4)는 각각 평면의 전면과 후면에서 서로 안착되어 하나의 스택을 형성한다. 상기 전체 스택은 접속-가압판(6)과 대향 가압판(8)에 의해 둘러싸여 있다. 가압판(6,8)은 너트(12)를 구비한 인장 앵커(10)에 의해 함께 결합되어 있다. 이 방법으로 상기 블록은 고정된다.

상기 바람직한 실시형태에서 축전지(4)는 리튬 축전지이다(본 출원의 범위에서는 배터리로서 축전 장치, 즉 이차 축전지라고도 함). 각 축전지(4)의 본체에는 전기 에너지 저장과 공급을 위한 전기화학반응(충방전 반응)이 일어나는 활성부가 제공되어 있다. 도면에는 자세히 도시되어 있지 않지만 상기 활성부의 내부 구성은 2개 유형(양극과 음극)의 전기화학적으로 활성인 전극 호일, 상기 전기화학적으로 활성인 영역으로 또한 이 영역으로부터 전류를 수집 및 공급하기 위한 전기 전도성 호일 및 상기 2개 유형의 전기화학적으로 활성인 영역을 서로 분리하기 위한 분리막 호일로 구성된 평면의 적층된 스택에 해당한다. 상기 전기화학적으로 활성인 전극 호일의 유형 중 적어도 하나는 리튬 또는 리튬 화합물을 포함한다. 상기 구성은 당업계에 잘 알려져 있어 본 명세서에서 더 자세히 설명하지 않는다. 본 명세서의 서두에서 언급하고 있고 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로서 포함되어 있는 Moller/Winter에 따른 종래기술을 참고하기로 한다.

2개의 집전체(14(14+, 14-))는 상부로서 정의되는 각 전지(4)의 좁은 면에 대해 수직으로 전지(4)의 내부로부터 바깥쪽으로 돌출되어 있다. 집전체(14)는 활성 영역의 내부에서 전기화학적으로 활성인 양극과 음극 영역에 연결되어 있어 전지(4)의 양극과 음극 접속부 역할을 한다. 특히, 집전체(14+)는 전지(4)의 양극을 구성하고 집전체(14-)는 전지(4)의 음극을 구성한다. 집전체(14)는 구리 또는 알루미늄과 같이 전도성이 좋은 재료로 제조된다. 접촉성을 향상시키기 위해서 예를 들면 은 또는 금 코팅층(증착층, 도금층 등)이 제공될 수 있다. 집전체(14)는 그 폭이 전지(4)의 폭의 1/2보다 약간 작고 그 높이가 폭보다 상당히 작은 평면 구조이다. 상기 집전체는 전지(4)의 상부에 두께 방향과 폭 방향으로 이동 배치되어 있다. 환언하면 전지(4)의 상부의 면질량중심 기준으로 집전체(14) 중 하나는 전면의 긴 모서리와 우측의 좁은 모서리 방향으로 이동되어 있고 다른 하나의 집전체(14)는 후면의 긴 모서리와 좌측의 좁은 모서리 방향으로 이동되어 있다. 집전체(14)는 말단면 또는 측면에서 봤을 때 서로 겹쳐 있지 않고 각각의 도면에서 이들의 돌출부는 일정 거리를 떨어져 있다. 집전체(14)의 배치구조는 전지(4) 상부의 각 대칭축에 대해 거울-대칭이다.

전지(4)는 집전체(14+,14-)의 극성이 교차되도록 스택되어 있다. 환언하면 제1전지(4(i))는 양극 집전체(14+)가 도면의 좌측면에 놓여지고 음극 집전체(14-)가 도면의 우측면에 놓여지도록 전지 블록 내에 배치되어 있다. 다음 전지(4(ii))는 극성이 반대가 되도록, 즉 양극 집전체(14+)가 도면의 우측면에 놓여지고 음극 집전체(14-)가 도면의 좌측면에 놓여지도록 배치되어 있다. 마지막(제8) 전지(4(viii))까지 나머지 전지들(4)의 극성도 각각 교차되어 있다.

접속 가압판(6)에는 포켓(16)이 형성되어 있다. 포켓(16)은 2개의 접속 단자(18(18+,18-))가 배치되어 있는 오목부이다. 접속단자(18)는 외부로부터 접근할 수 있고 배터리(2)의 극을 형성한다. 특히 접속단자(18+)는 배터리(2)의 양극을 형성하고 접속단자(18-)는 배터리(2)의 음극을 형성한다. 포켓(16)에는 배터리(2)와 개별 전지(4)를 제어 및 조절하기 위한 추가적인 구성 요소(자세히 도시되어 있지 않음)를 위한 공간이 제공되어 있다.

본 실시형태의 전지(4)는 직렬 회로로서 서로 연결되어 있다. 이를 위해 각 접촉 슬리브(20)가 전지(4)의 양극 집전체(14+)와 순번상 바로 다음 전지(4)의 음극 집전체(14-) 사이의 갭에 배치되어 있다. 상기 간격을 연결하고 대향 압력을 제공하기 위해서 절연 슬리브(22)가 전지(4)의 음극 집전체(14-)와 순번상 바로 다음 전지(4)의 양극 집전체(14+) 사이의 갭에 배치되어 있다.

각 측면의 접촉 슬리브(20)와 절연 슬리브(22) 및 집전체(14) 표면에 있는 홀(도면에는 상세하게 나타내지 않음)을 통해 연장되어 있는 인장 로드(24)는 잠금 너트(26)에 의해 접촉 슬리브(20), 절연 슬리브(22)와 집전체(14)를 서로 연결하고 대향 가압판(8)과 고정된다. 인장 로드(24)를 위한 잠금 너트(26)는 회전이 고정되어 있지만 축 방향으로 위치가 이동될 수 있고 접속 가압판(6)의 해당 오목부에 위치되어 있다. 잠금 너트(26)는 사각형 너트 또는 육각형 너트인 것이 바람직하다.

길이 조정을 위해서 첫 번째와 마지막 전지(4(i),4(viii))의 집전체(14+,14-)에서 스태킹 방향으로 바깥쪽으로 향하는 측면에는 접촉 슬리브(20)와 절연 슬리브(22)와 길이가 다른 말단-접촉 슬리브(20a,20b)와 말단-절연 슬리브(22a,22b)가 배치되어 있다. 말단-접촉 슬리브(20a,20b)는 집전체(14)의 타측면에 절연 슬리브(22)가 배치되어 있는 곳에 제공되고 말단-절연 슬리브(22a,22b)는 집전체(14)의 타측면에 접촉 슬리브(20)가 배치되어 있는 곳에 제공되어 있다.

보다 정확하게 말해서, 말단-접촉 슬리브(20a)는 첫 번째 전지(4(i))의 음극 집전체(14-)와 스택의 우측면에 있는 잠금 너트(26) 사이에 제공되는 반면에 절연 슬리브(22)는 첫 번째 전지(4(i))의 음극 집전체(14-)와 두 번째 전지(4(ii))의 양극 집전체(14+) 사이에 배치되어 있다. 또한 말단-절연 슬리브(22a)는 첫 번째 전지(4(i))의 양극 집전체(14+)와 스택의 좌측면에 있는 잠금 너트(26) 사이에 제공되는 반면에 접촉 슬리브(20)는 첫 번째 전지(4(i))의 양극 집전체(14+)와 두 번째 전지(4(ii))의 음극 집전체(141) 사이에 배치되어 있다. 또한 말단-접촉 슬리브(20b)는 마지막 전지(4(viii)의 양극 집전체(14+)와 스택의 우측면에 있는 대향 가압판(8) 사이에 제공되는 반면에 절연 슬리브(22)는 마지막 전지(4(viii)의 양극 집전체(14+)와 끝에서 두 번째 전지(4(vii)의 음극 집전체(14-) 사이에 배치되어 있다. 마지막으로, 말단-절연 슬리브(22b)는 마지막 전지(4(viii))의 음극 집전체(14-)와 스택의 좌측면에 있는 대향 가압판(8) 사이에 제공되는 반면에 접촉 슬리브(20)는 마지막 전지(4(viii))의 음극 집전체(14-)와 마지막 전지(4(viii))의 양극 집전체(14+) 사이에 제공되어 있다. 이 방법으로 대향 가압판(8)의 측면에 있는 고정 조립체가 축 방향으로 상기 측면에 지지된다. 접속 가압판(6)의 측면에는 축방향으로 어떠한 지지부도 제공되어 있지 않아; 잠금 너트(26)에 의해 힘이 직접 인가된다.

마지막 전지(4(viii))의 양극 집전체(14+)는 양극 배선(28+)을 통해 양극 접속단자(18+)에 연결되고 첫번째 전지(4(vi))의 음극 집전체(14-)는 음극 배선(28-)을 통해 음극 접속단자(18-)에 연결되어 있다. 전극 배선(28(28+,28-))은 각각 해당 접촉 슬리브에 고정되어 있다. 상기 연결은 또한 각각의 전극 배선(28)에 고정되고 인장 앵커(10) 위 각 집전체(14)와 이에 상응하는 접촉 슬리브 사이에서 나사결합되며 서로 고정되어 있는 접촉 링 등을 통해 이루어질 수 있다.

접촉 슬리브(20,20a,20b)는 전도성이 좋은 재료로 제조된다. 적합한 전도체 재료로는 구리, 황동, 청동 등을 예로 들 수 있지만, 강, 알루미늄, 니켈은 등의 다른 재료도 생각할 수 있다. 접촉부 사이의 접촉 저항을 감소시키기 위해서 접촉 표면을 은 도금 또는 금 도금하는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 접촉부를 더 강화하기 위해서 접촉부 표면을 거칠게 할 수 있다.

절연 슬리브(22,22a,22b)는 전기 절연성 재료로 제조된다. 절연체 재료로서 플라스틱, 고무, 세라믹 등을 예로 들 수 있다. 단락 방지를 위해서 인장 로드(24)를 경우에 따라서 섬유 보강된 플라스틱 등과 같은 전기 절연성 재료로 제조하기도 한다. 이와 달리, 전류 전도체(14) 또는 접촉 슬리브(20,20a,20b)와 같은 통전부에 모든 전기 접촉을 방지하는 절연 코팅이 형성되어 있다면 금속성 인장 앵커를 사용할 수도 있다. 가압판(6,8)은 플라스틱으로 제조하는 것이 바람직하다. 전지(4)의 스택 조립체를 제조하기 위한 인장 앵커(10)는 금속 또는 플라스틱으로 제조될 수 있다. 인장 앵커(10)와 너트(12)는 용융되어 말단이 뭉툭한 하나의 인장 앵커를 형성할 수도 있는데; 이 경우 풀림이 방지되어 안전상 바람직할 수 있다.

본 실시형태에서 집전체(14)는 예를 들면 그 표면 중앙에 홀(자세히 나타내지 않음)을 갖는다. 상기 홀(및 이에 따른 인장 로드(24)의 위치)을 바깥쪽으로 또는 안쪽으로 위치를 이동시키거나 다수 개의 홀(및 배터리(2)의 각 측면에 다수 열의 슬리브와 인장 앵커)을 제공할 수도 있다. 그러나 전지(4)의 2개의 집전체(14+,14-)의 홀 패턴은 거울-대칭이어서 전지 스택에서 극성이 교차할 때 일렬로 위치한 집전체(14)의 홀은 정렬한다는 점에 유의해야 한다(이때 전도체의 극성 식별을 위해서만 사용되는 전도체 내 노치 또는 홀은 무시하고 전도체(14), 슬리브(20,22), 인장 로드(24)와 잠금 너트(26)의 고정 조립체에서 어떠한 기능도 갖지 않는다). 또한 상기 집전체에 있는 어떠한 홀도 각각 또 다른 집전체의 외형에 의해 덮여지지 않는 것이 유리하다. 특히 집전체는 말단면 위 이들의 돌출부에서 일정 거리를 가져 양극 배선(28+)이 그 사이로 안내될 수 있어야 한다. 전지(4)의 집전체(14+,14-)가 말단면 방향으로부터 서로 겹쳐지면 인장 로드(24)를 수용하기 위한 홀 이외에 추가로 서로 정렬되는 홀 또는 틈이 집전체(14)에 제공되어 양극 배선(28-)이 관통하여 안내될 수 있다. 이와 관계없이 전극 배선(28)은 절연되어 단락을 방지할 수 있다.

본 실시형태에서 배터리(2)는 직렬로 연결되어 있는 8개의 축전지(4)로 구성되어 있다. 배터리 전압과 용량과 관련하여 미리 주어진 기준에 입각하여 배터리 내 전지(4)의 수와 이들의 상호접속은 각각 적절히 배치 구성될 수 있음은 물론이다.

도 3에는 본 발명의 바람직한 제2실시형태로서 배터리(102)가 도시되어 있다. 상기 도면은 인장 앵커(10)과 인장 로드(24)의 높이에서 절단한 도 1의 평면도에 해당한다. 배터리(102)는 제1실시형태의 배터리(2)와 다음과 같은 관점에서만 서로 다르다. 특히 전지(4), 가압판(6,8), 인장 앵커(10), 너트(12), 각 전지(4)의 집전체(14(14+,14-)), 접속단자(18(18+,18-)), (말단-)접촉 슬리브(20,20a,20b), (말단)절연 슬리브(22,22a,22b), 인장 로드(24), 잠금 너트(26), 전극 배선(28(28+,28-)) 등이 구비되어 있는 배터리(102)의 구성과 극성이 교차되는 전지(4)의 설치 위치는 후술하는 예외를 제외하고는 제1실시형태와 동일하다.

배터리(102)에는 모든 축전지(4)가 직렬로 연결되어 있는 것은 아니고; 정확히 말해서 각각 4개 씩의 축전지(4)로 이루어져 있는 2개 군의 병렬 회로이다. 이를 위해서 제4전지(4(iv))의 양극 집전체(14+)와 제5전지(4(v))의 음극 집전체(14-) 사이에 제1실시형태의 접촉 슬리브(20)가 각각 집전체(14+,14-) 간 거리의 대략 1/2인 중간-접촉 슬리브(120c)와 중간-절연 슬리브(122c)로 대체되어 있되, 중간-접촉 슬리브(120c)는 제4전지(4(iv))의 양극 집전체(14+)와 접촉되어 있다. 마찬가지로 제5전지(4(v))의 음극 집전체(14-)와 제6전지(4(vi))의 양극 집전체(14+) 사이에 제1실시형태의 절연 슬리브(22)가 중간-접촉 슬리브(120c)와 중간-절연 슬리브(122c)에 의해 대체되어 있되, 중간-접촉 슬리브(120c)는 제5전지(4(v))의 음극 집전체(14-)와 접촉되어 있다. 양극 배선(28+)과 통전되어 있는 양극 분기 배선(130+)은 제4전지(4(iv))의 양극 집전체(14+)에 있는 중간-접촉 슬리브(120c)로부터 연결이 진행된다. 음극 배선(28-)과 통전되어 있는 음극 분기 배선(130-)은 제5전지(4(v))의 음극 집전체(14-)에 있는 중간-접촉 슬리브(120c)로부터 연결이 진행된다.

이 방법으로 본 실시형태의 배터리(102)의 첫번째 4개의 축전지(4(i) 내지 4(iv))는 그의 극 전압이 음극 배선(28-)과 양극 분기 배선(130+)에 의해 탭 오프되는 제1직렬회로를 형성한다. 동일한 방식으로 본 실시형태의 배터리(102)의 마지막 4개의 축전지(4(v) 내지 4(viii))는 그의 극 전압이 음극 분기 배선(310-)과 양극 배선(28+)에 의해 탭 오프되는 제2직렬회로를 형성한다. 따라서 양극 배선(28+)과 양극 분기 배선(130+)에 의해 탭 오프되는 공통 전위는 양극 전위 단자(18+)에 있게 되고 음극 배선(28-)과 음극 분기 배선(130-)에 의해 탭 오프되는 공통 전위는 음극 전위 단자(18-)에 있게 된다.

제1실시형태의 배터리(2)의 단순한 직렬 회로에 비해 본 실시형태의 배터리(102)는 1/2의 단자 전압과 2배의 용량을 제공한다.

본 실시형태에서 중간-접촉 슬리브(20c)와 중간-절연 슬리브(22c)의 길이는 각각 집전체(14) 간 거리의 대략 1/2이다. 본 실시형태의 변형예에서 중간-절연 슬리브(22c)의 길이는 거의 집전체(14) 사이의 거리에 상응할 수 있지만, 중간-접촉 슬리브(20c)는 접촉 디스크 또는 접촉 링으로 짧게 된다.

도 4에서 배터리(202)는 본 발명의 바람직한 제3실시형태로서 도시되어 있다. 상기 도면은 도 2의 단면도에 해당한다. 배터리(202)는 제1실시형태의 배터리(2)와 다음과 같은 관점에서만 서로 다르다. 특히 배터리(202)의 구성과 관련하여 전지(4), 가압판(6,8), 인장 앵커(10), 너트(12), 각 전지(4)의 집전체(14(14+,14-)), 접속단자(18(18+,18-)), 인장 로드(24), 잠금 너트(26), 전극 배선(28(28+,28-))과 극성이 교차되는 설치 위치를 갖는 전지(4)를 구비한 제1실시형태의 배터리(2)의 설명과 도면을 참조한다.

제1실시형태와 비교하면 접촉 슬리브(20)는 장방형 단면의 접촉피(220)에 의해 대체되어 있고 절연 슬리브(22)는 장방형 단면의 절연피(222)에 의해 대체되어 있다. 접촉피(220)와 절연피(222)의 단면 영역은 접촉 슬리브(14)의 면적보다 약간 작다. 말단-접촉 슬리브(20a, 20b)와 말단-절연 슬리브(22a, 22b)에도 동일하게 적용되고, 제2실시형태의 변형예가 적용되는 경우에는 중간-접촉 슬리브(20c)와 중간-절연 슬리브(22c)에도 동일하게 적용된다.

이로 인해 인장 로드(24)에 의해 인가되는 압력은 더욱 균일하게 분포되고 접촉 부재(220)의 저항은 더 큰 단면에 의해 더 작게 된다.

도 5에서 배터리(302)는 본 발명의 바람직한 제4실시형태로서 도시되어 있다. 상기 도면은 도 2의 단면도에 해당한다. 배터리(302)는 제1실시형태의 배터리(2)와 다음과 같은 관점에서만 서로 다르다. 특히 배터리(302)의 구조와 관련하여 전지(4), 가압판(6,8), 인장 앵커(10), 너트(12), 각 전지(4)의 집전체(14(14+,14-)), 접속단자(18(18+,18-)), 인장 로드(24), 잠금 너트(26), 전극 배선(28(28+,28-))과 극성이 교차되는 설치 위치를 갖는 전지(4)를 구비한 제1실시형태의 배터리(2)의 설명과 도면을 참조한다.

제1실시형태와 비교하면 접촉 슬리브(20)는 장방향 단면의 접촉 브리지(320)에 의해 대체되어 있고 절연 슬리브(22)는 장방형 단면의 절연 브리지(322)에 의해 대체되어 있다. 접촉 브리지(320)와 절연 브리지(322)의 폭은 접촉 슬리브(14)의 폭보다 약간 작다. 접촉 브리지(320)와 절연 브리지(322)의 높이는 접촉 슬리브(14)의 높이보다 크다. 절연 브리지(322)의 접촉 브리지(320)는 홀을 갖지 않지만 아래쪽으로 개방되고 인장 로드(24)보다 넓으며 전지(4)의 상부에서 인장 로드(24)에 이르는 가장 큰 거리보다 더 멀리 연장되어 있는 절개부(320a 또는 322a)를 갖고 있다. 말단-접촉 슬리브(20a, 20b)와 말단-절연 슬리브(22a, 22b)에도 동일하게 적용되고, 제2실시형태의 변형예가 적용되는 경우에는 중간-접촉 슬리브(20c)와 중간-절연 슬리브(22c)에도 동일하게 적용된다.

이로 인해 인장 로드(24)에 의해 인가되는 압력은 더욱 균일하게 분포되고 접촉 부재(320)의 저항은 더 큰 단면에 의해 더 작게 된다. 또한 접촉 브리지(320,322)는 인장 로드(24)에 나사결합되지 않는다. 이에 따라 상기 접촉 브리지는 인장 로드(24)를 완전 분해하지 않고 집전체를 다시 나사결합하지 않으며 접촉 및 절연 부재를 필요로 하지 않으면서 인장 로드(24)를 단순히 느슨하게 하는 것만으로도 조립, 분리 및 교체할 수 있다.

접촉 및 절연 브리지(320,322)의 높이는 도시된 것보다 작아 예를 들면 가압판(6)의 상부 모서리보다 높게 돌출할 수 없다.

상술한 실시형태에서는 극성이 교차되어 있는 축전지(4)들이 배터리 블록에 설치된다. 또 다른 변형예에서 전지의 극성은 각 전지에 따라 교차되지 않고 각각 동일한 극성을 갖고 연속해 있는 여러 쌍 또는 군의 전지(4)가 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 쌍 또는 군은 각각 병렬 회로를 형성할 수 있고 연속해 있는 쌍 또는 군은 직렬 연결될 수 있다. 이를 위해 하나의 쌍 또는 군 내부에서 동일한 측면에 일렬로 위치되어 있는 동일한 극성의 집전체가 접촉 부재(접촉 슬리브, -피 또는 -브리지)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 하나의 쌍 또는 군에서 다음 쌍 또는 군으로 바뀌는 일측면에는 접촉 부재가 삽입되고 타측면에는 절연부재가 삽입된다. 특히 높은 용량의 전지 블록이 요구되고 단일 전지의 전지 전압이 충분한 경우에는 블록 내 배치되어 있는 모든 전지들은 동일한 극성을 가질 수 있고 각 측면의 집전체는 각각 접촉 부재에 의해 서로 연결될 수 있다.

인장 앵커(10)는 인장 로드(24)와 다른 높이에서 연장될 수 있다. 도면에는 자세히 도시되어 있지 않지만 배터리(2,102,202,302)의 하부 영역에는 인장 앵커(10)가 제공될 수도 있다.

이상, 바람직한 실시형태와 이들의 몇몇 변형예를 참고하여 본 발명을 기재하였다. 구체적인 실시형태는 청구된 발명을 부연 설명 및 예시하고 있지만 본 발명을 한정하지 않는 것으로 이해해야 한다. 본 발명 자체는 다만 청구범위의 가장 일반적인 이해에 의해서만 정의되고 한정된다. 또한 서로 다른 실시형태 및/또는 변형예의 특징은 각각의 장점을 이용하기 위해 조합 및/또는 호환될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

본 말명에서 축전지(4)라 함은 전기 에너지 전지이고; 배터리(2,102,202,302)라 함은 전기 에너지 장치를 의미한다. 본 발명에서 전지(4)의 스택이라 함은 전지 블록을 의미한다. 본 발명에서 접속단자(18+,18-)라 함은 접속극을 의미한다. 본 발명에서 양과 음이라 함은 극성을 의미한다. 본 발명에서 접촉 슬리브(20,20a,20b,20c), 접촉피(220)와 접촉 브리지(320)라 함은 전도성 스페이서를 의미하고, 본 발명에서 절연 슬리브(22,22a,22b,22c), 절연피(222)와 절연 브리지(322)라 함은 절연 스페이서를 의미한다.

도면부호 리스트:
2 배터리
4 축전지
6 접속-가압판
8 대향 가압판
10 인장 로드
12 너트
14+,14- 양극, 음극 전도체
16 단자 포켓
18+,18- 양극, 음극 접속단자
20 접촉 슬리브
20a,20b 말단-접촉 슬리브
22 절연 슬리브
22a,22b 말단-절연 슬리브
24 인장 로드
26 너트
28+,28- 양극, 음극 배선
102 배터리(제2실시형태)
120c 반-접촉 슬리브
122c 반-절연 슬리브
130+,130- 양극, 음극 분기 배선
202 배터리(제3실시형태)
220 접촉피
222 절연피
302 배터리(제4실시형태)
320 접촉 브리지(320a: 절개부)
322 절연 브리지(322a: 절개부)
상기 도면부호 리스트는 상세한 설명의 필수 구성요소인 것으로 분명하게 이해되어야 한다.

Claims

전기 에너지 전지에 있어서,
다수 개의 외면을 가진 입체적인 몸체로서 구성되고 상기 전지의 외면 중 하나로부터 실질적으로 직각으로 돌출해 있고 실질적으로 서로 면 평행하게 배치되어 있는 평면으로 구성된 2개의 집전체를 포함하고,
상기 집전체가 각각 그의 수직면 방향으로 적어도 하나의 홀을 갖고 그 중 하나의 집전체의 홀 패턴은 다른 집전체의 홀 패턴과 거울 대칭인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 전지.
제1항에 있어서,
상기 입체적인 몸체는 2개의 평면 측면과 4개의 좁은 측면을 갖고 상기 집전체가 돌출해 있는 외면이 상기 좁은 측면 중 하나에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 전지.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 집전체는, 그의 수직 방향, 특히 전지의 평면 측면의 모서리 가까이에 이동 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 전지.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 집전체는, 면에 평행한 방향, 특히 집전체 사이의 거리가 폭 방향으로 존재하도록 이동 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 전지.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
바람직하게는 상기 각 집전체의 중앙에 실질적으로 폭 방향으로 배치되어 있는 단 하나의 홀이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 전지.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
각 집전체의 폭에 걸쳐 분포되는 2개 이상의 홀이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 전지.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전지는 특히 전지의 전자기적으로 활성인 재료가 리튬 또는 리튬 화합물을 포함하는 갈바니 전지, 특히 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 전지.
스태킹 방향으로 스택되어 전지 블록을 형성하고 상기 전지 블록 내에서 병렬 및/또는 직렬로 서로 연결되어 있는 복수의 전지를 포함하는 전기 에너지 장치로서,
상기 전지는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 전기 에너지 전지인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 장치.
제8항에 있어서,
대향하는 집전체 사이의 전기 접촉과 절연이 연속되어 있는 전지의 집전체 사이에 형성되는 갭에 배치되어 있는 전도성 또는 비전도성 스페이서에 의해 제공되는 상호접속에 따라 이루어지되, 상기 스페이스가 집전체의 정렬된 홀을 관통하여 연장되어 있는 인장 로드에 의해 발휘되는 가압력에 의해 집전체 사이에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 장치.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 전기 에너지 장치의 제1접속극과 제2접속극을 포함하고,
상기 전지 블록 내에서 상기 제1접속극은 제1전지의 제1극성의 집전체와 연결되고 상기 제2접속극은 마지막 전지의 제2극성의 집전체에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 장치.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전지가 극성이 교차되면서 스태킹 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 장치.
제11항에 있어서,
여러 군의 전지들이 상기 전지 블록 내부에 형성되어 있고 전기적으로 서로 분리되어 첫 번째 군의 마지막 전지와 다음 군의 첫 번째 전지로부터 일면의 집전체가 그 전의 전지와 그 다음 전지의 스태킹 방향으로 서로 대향하는 집전체로부터 전기적으로 절연되고 전기적으로 탭 오프되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 장치.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다수의 전지로 구성되는 전지 블록이 바람직하게는 인장 앵커에 의해 고정되는 2개의 가압판 사이에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 장치.
제8항에 있어서,
집전체와 접속극 사이의 연결은, 각각의 집전체에 부착되어 있는 전도성 스페이서를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 장치.
제8항에 있어서,
상기 스페이서가 집전체의 홀과 정렬하는 통공 또는 절개부를 갖고 로드 위에 나사결합되거나 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 장치.