KR20120125291A - 상이한 2개의 유형의 전기화학 전지들을 포함하는 리튬 전기화학적 발전기 - Google Patents

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세바스챤 마르티네
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 제 1 유형의 전기화학 전지, 소위 《고에너지》 전지 및 제 2 유형의 전기화학 전지, 소위 《안전》 전지를 포함하는 전기화학 발전기에 관한 것이다.

Description

상이한 2개의 유형의 전기화학 전지들을 포함하는 리튬계 전기화학적 발전기{LITHIUM-BASED ELECTROCHEMICAL GENERATOR INCLUDING TWO TYPES OF DISTINCT ELECTROCHEMICAL CELLS}
본 발명은 2개의 유형의 전기화학적 전지들(cells)을 포함하는 소위 2극성 구조를 갖는 발전기에 관한 것으로, 동일한 발전기 내에서 많은 전압을 전달하고, 따라서 큰 저장 용량을 갖는 전지들, 소위 보다 낮은 전압을 전달하지만 더욱 많은 안정한 물질들에 기초한 안전 전지들을 갖는 전지들을 연합시키는 가능성을 제공한다.
본 발명의 발전기들은, 현저한 안전 기준이 요구되면서 에너지와 전력이 요구되는 부문들에서 적용될 수 있다.
본 발명의 기술분야는 따라서 에너지 저장 장치들의 분야로서 간주될 수 있을 것이다.
기존 에너지 저장 장치들 중, 직렬 또는 병렬로 탑재된 전기화학 전지들의 원리로 작동하는, 전해질에 의해 분리된 전극쌍들(각각 음극 및 양극) 각각에 존재하므써 전류를 전달할 수 있는, 전기화학 발전기들을 언급할 수 있으며, 상기 전극들은 산화-환원 반응에 따라 서로 반응할 수 있는 특이적 물질들로, 상기 반응에 의해 전류 기원의 전자들 및 이온들의 생산이 일어나고, 이는 전해질을 통해 한 전극에서 다른 전극으로 순환된다.
이러한 원리에 따르는 특이적 발전기들은 리튬 발전기들로, 이는 리튬의 삽입-탈착(intercalation-deintercalation) 원리에 따라 작동한다.
보다 구체적으로, 전류의 생산에 기원한 반응(즉, 발전기가 방전 모드에 있는 경우)은, 리튬 이온들을 전도하는 전해질을 통하여, 음전극으로부터의 리튬 양이온들의 이동을 작동시키며, 이는 양전극의 수용체 격자 내로 삽입되고, 음전극에서의 반응으로부터의 전자들은 상기 양전극 및 음전극에 연결된 외부 회로에 공급될 것이다.
최초의 리튬 발전기들은 그의 음전극들에 리튬 금속을 포함하였으며, 이는 고전압 및 뛰어난 질량 및 겉보기 에너지 밀도를 제공하였다. 그러나, 이러한 유형의 발전기의 반복된 충전 조작들이, 아주 빈번하게 전해질 함유 격리판을 손상시키는 리튬 덴드라이트들(lithium dendrites)의 형성을 필수적으로 수반한다는 것이 연구결과 밝혀졌다.
음전극들의 제조에 사용되는 리튬 금속에 내재하는 불안정성, 안전성 및 수명 문제들을 회피하기 위하여, 비금속성 리튬에 근거한, 주로 하기 유형의 전극들을 포함하는 전기화학 전지들을 기재로 한, 발전기들을 자리잡게 하는 방향으로 연구되었다:
- 흑연과 같은 탄소성 물질을 기초로 한 음전극;
- LiMO2 유형의 리튬화 전이금속의 산화물을 기초로 한 양전극, 식 중 M은 Co, Ni, Mn을 나타낸다.
US 5,595,839에서 설명된 발전기들에서 또다시 발견되는 것도 이러한 유형의 구조로, 상기 특허는 전기화학 전지들의 스택(stack)으로 이루어지는 스택 전지 구조를 개시하고 있으며, 여기에서 2개의 인접한 전기화학 전지들간의 접합점은, 하나의 조립체를 형성하는 나란히 배열된 2 개의 기판들의 각 측면 상에 배치된 양전극(하나의 전지에 속함) 및 음전극(인접 전지에 속함)을 포함하는 이극성 구조 단위에 의해 보호되며, 여기에서 음전극 상의 기판들은 구리 기판이고, 양전극 상의 기판은 알루미늄 기판이다.
WO 03/047021에서 또다시 발견되는 것도 이러한 유형의 구조로, 이는 양전극 측면 및 음전극 측면 모두 알루미늄 기판을 갖는다.
전극들의 구조로 인하여, 각 전지는 큰 전압 및 이에 따른 강한 에너지 밀도를 전달가능하고, 이는 스택의 모든 전지들이 작동하는 경우 스택의 온도가 현저하게 상승할 수 있거나, 또는 전지들에서 전지들로 전달되는 열 폭주가 생성될 수 있어서, 억제되지 않는다면 발전기의 비가역적 손상, 예컨대 전해질을 포함하여 분리판들(separators)의 용융에 의한 파괴가 일어날 수 있다. 따라서, 때로는 이러한 발전기들에 특이적인 안전 수단, 예컨대 회로 차단 시스템, 배기 시스템들을 제공하는 것이 필수불가결하다.
그러나, 이러한 유형의 안전 시스템의 제공은 발전기의 컴팩트성(compactness)에 유리하지 못하고, 이들 축전지들의 질량 및 겉보기 에너지 성능들을 감소시킨다.
본 발명자들은 이에 따라, 내재적으로 안전하면서 강한 에너지 밀도를 제공할 수 있는, 즉 상기 언급된 것과 같은 특이적 안전 시스템들에 의존할 필요가 없는, 이극성 구조를 기반으로 하는 발전기들을 제공하고자 하는 목표를 설정하였다.
본 발명자들은, 동일한 발전기 내에, 2개의 상이한 유형의 전기화학 전지들을 연합시킴에 있어, 상기 유형 중 하나는 다른 상이한 유형의 전지들에서 일어나는 전기화학 반응으로 인한 열폭주의 경우에 그 다른 상이한 유형의 전기화학 전지들에 대하여 안전 요소를 형성할 수 있는 것인, 놀라운 아이디어를 생각해내었다.
따라서, 본 발명은 다음을 포함하는 전기화학 발전기에 관한 것이다:
* 다음을 포함하는 적어도 하나의 제 1의 전기화학 전지:
- 스피넬(spinel) 구조를 갖는 망간 함유 리튬화 산화물, 라멜라 구조를 갖는 리튬화 산화물들 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 물질을 포함하는 양전극;
- 탄소성 물질, 리튬과 티타늄의 혼합 산화물들, 티타늄 이산화물 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 물질을 포함하는 음전극;
-　상기 양전극 및 상기 음전극 사이에 포함된 전해질; 및
* 다음을 포함하는 적어도 하나의 제 2의 전기화학 전지:
-　LiMy(XOz)n 식의 다중음이온(polyanionic) 구조를 갖는 리튬화 산화물들로부터 선택되는 물질을 포함하는 양전극, 상기 식 중 M은 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, V, Ca, Sr, Ba, Ti, Al, Si, B 및 Mo로부터 선택되는 성분(element)을 나타내고, X는 P, Si, Ge, S 및 As로부터 선택되는 성분을 나타내고, y, z 및 n은 양의 정수이다;
- 리튬과 티타늄의 혼합 산화물들, 티타늄 이산화물 및 이들의 혼합물들로부터 선택된 물질을 포함하는 음전극; 및
-　상기 양전극 및 상기 음전극 사이에 포함되는 전해질;
적어도 하나의 상기 제 1의 전기화학 전지들 및 적어도 하나의 상기 제 2의 전기화학 전지전기들은 전도성 기판을 통하여 서로 연결되고, 상기 기판은 그의 한 면에서 상기 제 1의 전기화학 전지의 전극을 지지하고, 다른 한 면에서 상기 제 2의 전기화학 전지의 전극을 지지한다.
본 발명을 보다 상세하게 설명하기 전, 본 발명자들은 다음의 정의들을 특정한다.
상기 및 이하에서, 양전극은 발전기가 전류를 출력할 때(즉, 방전 과정일 때) 캐쏘드(cathod)로서 작용하고, 발전기가 충전 과정일 때 아노드(anode)로서 작용하는 전극을 의미하는 것이 통상적이다.
상기 및 이하에서, 음전극이라 함은 발전기가 전류를 출력할 때(즉, 방전과정일 때) 아노드로서 작용하고, 발전기가 충전 과정일 때 캐쏘드로서 작용하는 전극을 의미하는 것이 통상적이다.
제 1 및 제 2의 전기화학 전지들의 전극들의 구성 물질들을 선택하므로써, 에너지의 현저한 방출이 수반되는 많은 전압을 전달할 수 있는 제 1의 전기화학 전지(따라서, 이는《고에너지》전지로서 언급될 수 있음), 및 제 1의 전지보다는 낮은 전압을 전달하지만 충전 및 방전 속도가 보다 빠르며, 제 1의 전지 물질의 열 안정성에 비하여 그 전극들의 구성 물질의 열 안정성에 의하여, 제 1의 전지에 의해 방출되는 열의 양호한 소실을 가능하게 하고, 그에 따라 열폭주 전달 현상을 회피할 수 있는 제 2의 전기화학 전지(따라서, 이는 《고전력(high power)》 전지로서 언급될 수 있음)를 수득하였다. 따라서 제 2의 전기화학 전지는 발전기의 안전성 보장 가능성을 제공하는《완충 전지(buffer cells)》의 역할을 한다.
또한, 본 발명의 발전기들을 이용하므로써, 제 1 및 제 2의 전기화학 전지들 모두의 연결 여부 또는 이들 중 단지 일부만이 연결되었는지의 여부에 따라, 고려되는 적용에 따라 변조(modulated)될 수 있는 출력 전압을 발전기의 출력시 수득하는 것이 가능하다. 고려되는 적용에 따라, 전압을 전달하기 위하여 전지들의 단지 일부만을 연결하므로써, 연결되지 않은 전지들의 부분을 예비로 계속 두어, 이에 따라 전지들의 작동을 관리하므로써 본 발명의 발전기들의 수명은 개선될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 발전기들은 상기 제 1 전기화학 전지에의 전기적인 연결 및 상기 제 2 전기화학 전지에의 전기적인 연결을 제공할 수 있다.
본 발명의 발전기들은, 제 2 전기화학 전지들의 존재로 인하여, 안전 시스템 없이도 잘 작동하는 가능성을 제공하기 때문에, 이에 따라 그러한 시스템을 갖는 발전기들에 비하여, 저감된 내부 저항을 갖는 발전기들에 대해 접근가능하며, 이는 전력 적용 또는 저온 작동에 중요한 것으로 입증될 수 있다.
상기 기재된 제 2의 전기화학 전지들의 유형의 전지(들)의 존재는 전해질의 감쇠와 관련된 문제들의 제거 또는 전해질 함유 격리판의 제거 가능성을 제공하며, 이들 전지들은 어떤 감쇠도 없이 상기 정의된 것과 같은 제 1의 전기화학 전지들의 유형의 전지들에 의해 전달된 에너지를 흡수할 수 있다.
제 1 전기화학 전지 및 제 2 전기화학 전지에서 일반적인, 전기전도성 지지체의 이용으로 인하여, 보다 컴팩트하고, 보다 튼튼한, 낮은 내부 저항을 갖는(이는 전력 적용 또는 저온 작동에서 중요할 수 있음) 발전기 구조들에 대한 접근도 가능해진다.
상기 언급된 것과 같이, 제 1 전기화학 전지는, 양전극 물질로서, 스피넬 구조를 갖는 망간 함유 리튬화 산화물 및 라멜라 구조의 리튬화 산화물로부터 선택되는 물질을 포함한다.
스피넬 구조를 갖는 망간 함유 리튬화 산화물들 중, 하기 식에 맞는 리튬화 산화물들이 언급될 수 있다:
Li1-aNi0.5-bMn1.5-cO4-d
식 중, a, b, c 및 d는 -0.5 내지 +0.5로, 예로서 -0.1 내지 +0.1, 즉 각 파라미터들, a, b, c 및 d가 -0.5 이상 및 +0.5 이하(a, b, c 및 d가 -0.5 및 +0.5를 포함하는 경우)이고, 예로서 -0.1 이상 및 +0.1 이하(a, b, c 및 d가 -0.1 및 +0.1을 포함하는 경우)이다.
특히, 이 정의에 따른 리튬화 산화물 및 특히 유리한 것은 일반식 LiNi0.5Mn1.5O4의 산화물로, 이는 약 4.7V의 리튬 삽입/탈착의 특징을 갖는다(이 전위는 참조쌍 Li+/Li에 상대적으로 표현된다).
스피넬 구조를 갖는 망간 함유 리튬화 산화물들로서, 일반식 LiMn2O4 또는 LiNiMnO4의 리튬화 산화물들도 언급될 수 있다.
라멜라 구조를 갖는 리튬화 산화물들 중 하기 일반식에 맞는 리튬화 산화물이 유리하게 언급될 수 있다:
LiMO2
상기 식 중, M은 Ni, Co, Mn, Al 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 성분이다.
이러한 산화물들의 예들로서, 리튬화 산화물들 LiCoO2, LiNiO2 및 혼합 산화물들 Li(Ni,Co,Mn)O2 (예컨대 NMC라는 이름으로도 알려진 Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2)), Li(Ni,Co,Al)O2 (예컨대 NCA라는 이름으로도 알려진 Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2) 또는 Li(Ni,Co,Mn,Al)O2을 언급할 수 있다.
특히, 산화물들 Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2 및 Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2는, 보다 낮거나 균등한 비용 및 특히 충전된 상태에서 개선된 화학 안정성에 대하여, LiMO2(식 중, M은 단일한 금속으로 혼합물이 아님)에 비해 유사하거나 또는 실질적으로 더욱 높은 전기화학 성능들의 수득 가능성을 제공한다.
이들은 하기 일반식에 맞는 라멜라 구조를 갖는 리튬화 산화물들일 수도 있다:
LiM2O3
상기 식 중 M은 Ni, Co, Mn, Al 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 성분이다.
이러한 산화물들의 예들로서, 라멜라 구조를 갖는 리튬화 산화물들 LiMn2O3이 언급될 수 있다.
상기 양전극 물질은 상기 정의된 것과 같은 일반식들에 대응하는, LiMO2 및 LiM2O3의 혼합물일 수도 있다.
제 1 전기화학 전지의 음전극은 탄소성 물질의 음전극일 수 있으며, 이는:
-　탄소, 예로서 흑연과 같은 이의 동질이형 형태 중 하나;
-　탄소, 및 실리콘 및 주석과 같은 또다른 성분을 포함하는 콤포지트 물질.
제 1 전기화학 전지의 음전극은 티타늄과 리튬의 혼합 산화물들, 예컨대 Li4Ti5O12, 이산화티타늄 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 물질로 된 음전극일 수도 있다.
제 1 전기화학 전지의 양전극 및 음전극의 구성 물질들을 선택하므로써 상당량의 열 방출이 수반될 수 있는 많은 전압, 따라서 상당량의 에너지를 전달할 수 있는 전기화학 전지에 접근할 수 있다.
발전기의 온전성(integrity)에 대한 어떤 부작용도 없이, 열의 전파를 보장하기 위하여, 제 1 전기화학 전지들 중 적어도 하나는 상기 정의된 것과 같은 전기전도 기판을 통하여 제 2 전기화학 전지와 접촉하며, 상기 제 2 전기화학 전지는 그들의 열 안정성으로 인하여 제 1 전기화학 전지에서 일어나는 반응에 의해 방출되는 열을 저장할 수 있는 물질을 기반으로 한다.
이를 실행하기 위하여, 상기 제 2 전기화학 전지들의 전극들의 구성 물질들의 선택은 이들 열 안정성 조건을 충족하고자 하는 동기를 갖고 이루어진다.
따라서, 상기 언급된 것과 같이 상기 제 2 전기화학 전지는 양전극으로서 일반식 LiMy(XOz)n의 다중음이온 구조를 갖는 리튬화 산화물들로부터 선택되는 물질로 된 전극을 포함하며, 상기 식 중 M은 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, V, Ca, Sr, Ba, Ti, Al, Si, B 및 Mo로부터 선택되는 성분을 나타내고, X는 P, Si, Ge, S 및 As로부터 선택되는 성분을 나타내며, y, z 및 n은 양의 정수를 나타낸다.
유리하게는, X는 P일 수 있으며, 이 경우 다중음이온 구조를 갖는 리튬화 산화물은 LiFePO4와 같은 인산리튬이다.
X는 Si일 수 있으며, 이 경우 리튬화 산화물은 리튬 실리케이트이다.
상기 제 2의 전기화학 전지용 음전극으로서, 티타늄과 리튬의 혼합 산화물들로부터 선택되는 물질로 된 전극이 있으며, 바람직하게는 Li4Ti5O12, 이산화티타늄 및 이들의 혼합물들로 된 전극이다.
상기 제 2 전기화학 전지의 양전극들 및 음전극들의 구성물질들의 성질로 인하여, 상기 전지는 제 1 전기화학 전지보다 더욱 낮은 전압을 전달할 수 있는 한편, 상당한 열 안정성을 가지고, 그 결과 상기 제 1 전기화학 전지에 의해 전달된 에너지를 흡수하는 능력에 의해 《안전》 전지 기능을 보장할 수 있고, 따라서 가능한 열폭주의 어떤 전달을 회피할 수 있다.
본 발명의 특이적인 발전기는 LiNi0.5Mn1.5O4로 된 양전극 및 흑연으로 된 음전극을 포함하는 적어도 하나의 제 1 전기화학 전지와, LiFePO4로 된 양전극 및 Li4Ti5O12로 된 음전극을 포함하는 적어도 하나의 제 2 전기화학 전지를 포함하는 전기화학 발전기일 수 있다.
제 1 전기화학 전지 또는 제 2 전기화학 전지에 대한 것이든, 소정의 전지에서 상기 양전극 및 음전극은 전해질에 의해 서로 분리되며, 이는 발전기의 모든 전지들에 대한 동일한 특성일 수 있는 것이고, 상기 전해질은 예로서 중합성 물질 중에 분리판을 함침할 수 있다.
상기 전해질은 리튬염이 그 안에 용해될 수 있는 용액을 포함할 수 있다. 상기 용매는 예컨대 에틸렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트 및 이들의 혼합물들과 같은 탄산염 용매, 디메톡시에탄, 디옥솔란, 디옥산 및 이들의 혼합물들과 같은 에테르 용매 및/또는 아세토니트릴과 같은 니트릴 용매이다.
상기 리튬염은 LiPF6, LiClO4, LiBF4 및 LiAsF6로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
유리하게는, 상기 전해질은, 실온에서 액체 상태로 존재하는 성질을 갖는, 무기 또는 유기 음이온들과 착화된, 리튬 이온들, 즉 리튬 양이온들로 이루어지는 염에 기초한 이온성 액체들일 수 있다. 이온성 액체는, 음이온의 성질에 따라, 친수성 또는 소수성일 수 있다.
전해질로서 사용된 이온성 액체들은 양호한 충전 전달 및 보다 큰 열 안정성을 가능하게 하며, 비휘발성 및 불연성이고, 따라서 이들이 포함되어지는 발전기들의 안전성 정도를 개선시키는 가능성을 제공한다. 따라서 이들은 넓은 범위의 작동 온도들을 가능하게 한다.
이온성 액체들의 예로서, 트리플루오로메탄술포네이트 (CF3SO3), 비스(트리플루오로메탄술포네이트) 이미드 [(CF3SO2)2N] 및 트리스(트리플루오로메탄술포네이트) 메타이드 [(CF3SO2)3C]와 같은 소수성 음이온계 이온성 액체들이 언급될 수 있다.
상기 언급된 전기전도성 지지체는 유리하게는 알루미늄이다.
본 발명의 발전기들은, 상기 설명된 것과 같은 수 개의 제 2의 전기화학 전지 유형의 전기화학 전지들과 연합된 상기 설명된 하나 또는 수 개의 제 1의 전기화학 전지 유형의 전지들을 포함할 수 있으며, 상기 정의된 것과 같이, 상기 제 1의 전기화학 전지 유형의 전지들의 적어도 하나는 제 2의 전기화학 전지 유형의 전지들 중 적어도 하나에, 전기전도성 기판을 통하여 결합될 것임을 알 것이며, 상기 전기전도성 기판은 그의 한 면에서 상기 제 1의 전기화학 전지 유형의 전지의 전극을 지지하고, 다른 한 면에서는 상기 제 2의 전기화학 전지 유형의 전지의 전극을 지지한다.
본 발명에 따른, 본 발명의 발전기들은, 상당량의 에너지가 요구되고(이 파라미터는, 본 발명의 설계에서 상기 설명된 제 1의 전기화학 전지들의 유형에 의해 보장된다), 상당량의 전력이 요구되는(이 파라미터는, 본 발명의 설계에서 상기 설명된 제 2의 전기화학 전지들의 유형의 전지들에 의해 보장된다) 한편, 엄격한 안전 기준들을 충족시키는(안전은 제 2의 전기화학 전지들의 유형의 전지들에 의하여 본 발명에 따라 보장된다) 컴팩트한 집적 구조들을 필요로 하는 제품들(예컨대 내장(on-board) 시스템, 일체완비형(self-contained) 시스템)에 특히 적합하다. 이러한 유형의 요구조건은 자동차 분야에서, 보다 일반적으로 일반 공공재용 제품들에서 요구될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 발전기들은 내장 용도를 포함하는 컴팩트성에 대한 요구를 충족시키면서 안전성 및 저장능 모두의 통합을 가능하게 한다.
본 발명은 이제, 첨부된 도면을 참조하여 하기에서 정의된 특정 구체예들을 참고로 상술될 것이다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 특정 구체예의 발전기를 예시한다.
첨부된 도 1은 본 발명의 특정 구체예에 따른 전기 에너지 저장용 발전기를 예시한다.
레퍼런스(1)은 상기 설명된 제 1 전기화학 전지들의 유형의, 소위 《고에너지 전지》인 전기화학 전지를 나타내며, 이 전지는 각각 다음을 포함한다:
-　예로서 구리인 전기전도성 지지체(5) 상에 배치된, 예로서 흑연인 음전극(3);
- 유리하게는 알루미늄인 전기전도성 지지체(9) 상에 배치된, 예로서 LiNi0.5Mn1.5O4인 양전극(7).
레퍼런스(11)은 상기 설명된 제 2 전기화학 전지들의 유형들의, 각각 (13), (15) 및 (17)의 직렬로 탑재된 3개의 동일한 전기화학 전지들로 이루어지는 발전기의 《안전》 부분을 나타낸다.
전기화학 전지들 (13), (15) 및 (17) 각각은 다음을 포함한다:
-　예로서 Li4Ti5O12인 음전극(각각 19, 21 및 23);
-　예로서 LiFePO4인 양전극 (각각 25, 27 및 29).
상기 전기화학 전지(13)는 전기전도성 기판(9)을 통하여, 상기 전기화학 전지(1)와 접촉하고, 상기 음전극(19)은 상기 기판 상에 배치되고, 기판의 반대쪽 면에는 상기 전기화학 전지(1)의 양전극(7)이 배치된다.
상기 전기화학 전지(15)는 전기전도성 기판(31)을 통하여 전기화학 전지(13)와 접촉하고, 상기 기판의 한 면은 전기화학 전지(13)의 양전극(25)에 의해 점유되고, 기판의 다른 한 면은 전기화학 전지(15)의 음전극(21)에 의해 점유되며, 또한 상기 전기화학 전지(15)는 전기전도성 기판(33)을 통해 전기화학 전지(17)과 접촉하고 있으며, 상기 기판(33)의 한 면은 전기화학 전지(15)의 양전극(27)에 의해 점유되어 있고, 기판의 다른 한 면은 상기 전기화학 전지(17)의 음전극(23)에 의해 점유되며, 상기 전기화학 전지(17)의 양전극(29)은 전기전도성 기판(35) 상에 배치된다.
전기전도성 기판들(9, 31, 33 및 35)은 유리하게는 알루미늄이다.
각 전기화학 전지에서, 상기 정의된 것과 같은 전해질은 음전극과 양전극의 사이에 제공된다(도에서 각각 37, 39, 41 및 43의 번호).
이 발전기의 다른 구성 전지들은, 전기전도성 기판들(5, 9, 31, 33 및 35)을 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다(이후 설명에서 각각 단자(terminals) (1, 2, 3, 4 및 5)로 언급됨).
각 전기화학 전지의 말단들에서 사용가능한 전압들은 첨부된 도 1에 포함되며, 즉:
- 음전극이 흑연이고, 양전극이 LiNi0.5Mn1.5O4인 경우, 제 1 전기화학 전지 (1)의 단자들 (1) 및 (2) 사이에서 전압 4.7V(Li+/Li 쌍에 대하여 표시됨);
- 음전극이 Li4Ti5O12이고, 양전극이 LiFePO4인 경우, 전기화학 전지들(13, 15 및 17) 각각의 단자들 상(즉, 각각 단자들 (2)와 (3) 사이, 단자들 (3)과 (4) 사이, 및 단자들 (4)와 (5) 사이)에서의 전압 1.9V(Li+/Li 쌍에 대하여 표시됨).
따라서, 사용가능한 전압의 값을 목적하는 적용에 따라 조정하는 것이 가능하며, 상기 사용가능한 전압의 값들은 다음과 같을 수 있다:
-　단자들 (1) 및 (2)를 전기적으로만 연결함에 의한 전압 4.7V;
-　전기화학 전지들(13, 15 또는 17) 중 하나를 전기적으로 연결함에 의한(이들의 각 단자들 (2 및 3), (3 및 4) 또는 (4 및 5)에 의하여) 전압 1.9V;
-　단자들 (2)와 (5) 사이에서 3개의 전기화학 전지들(13, 15 또는 17)을 전기적으로 연결함에 의한 전압 5.7V;
- 전기화학 전지 (1)과 3개의 전기화학 전지들(13, 15 및 17)을 단자들 (1) 내지 (5) 사이에서 전기적으로 연결함에 의한 전압 10.4V.
단자들 (1) 및 (2)를 연결하므로써, 즉 소위 《고에너지》 전지만을 작동시킴으로써, 인접 전기화학 전지들(13, 15 및 17)은 작동 전지(1)에 의해 방산된 에너지를 흡수할 수 있어, 전지들(13, 15 및 17)의 전극들의 구성 물질들을 손상시키는 에너지가 없으며, 이는 그의 재료들에 대한 고유의 전지 안전성으로 인한 것이다. 이는, 소위 《고에너지》 전지가 상기 전기화학 전지들(13, 15 및 17) 중 적어도 하나와 병렬로 작동하는 경우에도 동일하게 적용되며, 이들 전기화학 전지들은 전압을 전달하는 동안, 전기화학 전지(1)에 의해 방출된 열의 소실에 어떤 손상없이도 참여할 수 있다.

Claims (15)

  1. 다음을 포함하는 전기화학 발전기:
    * 다음을 포함하는 적어도 하나의 제 1의 전기화학 전지:
    - 스피넬 구조를 갖는 망간 함유 리튬화 산화물, 라멜라 구조를 갖는 리튬화 산화물들 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 물질을 포함하는 양전극;
    - 탄소성 물질, 리튬과 티타늄의 혼합 산화물들, 티타늄 이산화물 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 물질을 포함하는 음전극;
    -　상기 양전극 및 상기 음전극 사이에 포함된 전해질; 및
    * 다음을 포함하는 적어도 하나의 제 2의 전기화학 전지:
    -　LiMy(XOz)n 식의 다중음이온 구조를 갖는 리튬화 산화물들로부터 선택되는 물질을 포함하는 양전극, 상기 식 중 M은 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, V, Ca, Sr, Ba, Ti, Al, Si, B 및 Mo로부터 선택되는 성분을 나타내고, X는 P, Si, Ge, S 및 As로부터 선택되는 성분을 나타내고, y, z 및 n은 양의 정수이다;
    - 리튬과 티타늄의 혼합 산화물들, 티타늄 이산화물 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 물질을 포함하는 음전극; 및
    -　상기 양전극 및 상기 음전극 사이에 포함되는 전해질;
    적어도 하나의 상기 제 1의 전기화학 전지들 및 적어도 하나의 상기 제 2의 전기화학 전지들은 전기 전도성 기판을 통하여 서로 연결되고, 상기 기판은 그의 한 면에서 상기 제 1의 전기화학 전지의 전극을 지지하고, 다른 한 면에서 상기 제 2의 전기화학 전지의 전극을 지지한다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스피넬 구조를 갖는 망간 함유 리튬화 산화물은 하기 일반식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 발전기:
    Li1-aNi0.5-bMn1.5-cO4-d
    식 중, a, b, c 및 d는 -0.5 내지 +0.5를 포함한다.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 스피넬 구조를 갖는 망간 함유 리튬화 산화물은 LiNi0.5Mn1.5O4인 것을 특징으로 하는 발전기.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 스피넬 구조를 갖는 망간 함유 리튬화 산화물은 LiMn2O4 또는 LiNiMnO4인 것을 특징으로 하는 발전기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 라멜라 구조를 갖는 리튬화 산화물은 하기 일반식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 발전기:
    LiMO2
    식 중, M은 Ni, Co, Mn, Al 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 성분이다.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 라멜라 구조를 갖는 리튬화 산화물은 하기 일반식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 발전기:
    LiM2O3
    식 중, M은 Ni, Co, Mn, Al 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 성분이다.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 전기화학 전지의 양전극은 제 5항에 정의된 LiMO2 및 제 6항에 정의된 LiM2O3의 혼합물로 이루어진 물질인 것을 특징으로 하는 발전기.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다중음이온 구조를 갖는 리튬화 산화물은 LiFePO4인 것을 특징으로 하는 발전기.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소성 물질은 탄소, 또는 탄소와 함께 Sn 및 Si로부터 선택되는 화학 성분을 포함하는 복합 물질인 것을 특징으로 하는 발전기.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소성 물질은 흑연 형태의 탄소인 것을 특징으로 하는 발전기.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리튬과 티타늄의 혼합 산화물은 Li4Ti5O12인 것을 특징으로 하는 발전기.
  12. 제 1항에 있어서, LiNi0.5Mn1.5O4로 된 양전극 및 흑연으로 된 음전극을 포함하는 적어도 하나의 제 1 전기화학 전지, 및 LiFePO4로 된 양전극 및 Li4Ti5O12로 된 음전극을 포함하는 적어도 하나의 제 2 전기화학 전지를 포함하는 발전기.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기전도성 기판은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 발전기.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질은 이온성 액체인 것을 특징으로 하는 발전기.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1의 전기화학 전지에 대한 전기적 연결들 및 상기 제 2의 전기화학 전지에 대한 전기적 연결들이 제공되어있는 것을 특징으로 하는 발전기.
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