KR20140016955A - 전기 에너지를 저장하기 위한 전기화학 전지 - Google Patents

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KR20140016955A
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펠릭스 둔켈
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리-텍 배터리 게엠베하
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Abstract

전기 에너지를 저장하기 위한 전기화학 전지는 적어도 하나의 전극 스택을 포함하고, 상기 전극 스택은 적어도 2개의 전극 시트와 그 사이에 배치되는 적어도 하나의 분리막 시트를 포함하고, 여기서 전기화학 전지는 적어도 하나의 체적 보상 디바이스를 포함한다.

Description

전기 에너지를 저장하기 위한 전기화학 전지{ELECTROCHEMICAL CELL FOR STORING ELECTRICAL ENERGY}
본 발명은 전기 에너지를 저장하기 위한 전기화학 전지에 관한 것이다. 본 발명은 재충전 가능한 배터리와 관련해서 설명된다. 본 발명은 전기화학 전지의 구조, 전지화학 전지의 화학특성은 물론 전력 공급 용도의 특성에도 무관하게 이용될 수 있다.
예를 들어 자동차 구동을 위해 전력을 공급하기 위한 전기화학 전지를 구비하는 재충전될 수 있는 배터리들이 선행기술에 공지되어 있다. 이러한 종류의 전기화학 전지의 작동 도중에 전지 체적의 변동이 발생하고, 이러한 변동은 전지와 상기 전지를 둘러싸는 하우징 사이의 접촉에 영향을 미치며, 그 결과 전기화학 전지의 냉각 능력이 저하되고, 이는 전지를 손상시킬 수 있다. 부가적으로, 전지와 상기 전지를 둘러싸는 하우징 사이의 충분하지 않은 접촉은, 예를 들어 자동차 진동과 같은 운동적 영향들에 의해 전지가 손상되는 것을 야기할 수도 있다. 이러한 종류의 손상은 흔히 전기화학 전지 내에서 전지의 수명을 단축하는 비가역 화학 반응을 야기한다.
배터리 전지 케이스 내에 2개의 배터리 전지를 구비하는 차량용 배터리가, 예컨대 DE 10 2010 019 747 A1호에 개시되며, 여기서 각각의 배터리 전지는 배터리 케이스의 벽과 접촉하고, 스페이서 부재가 2개의 배터리 전지 사이에 배치되며, 상기 스페이서 부재는 열 방출을 개선하기 위해 배터리 전지들과 배터리 전지 케이스의 벽들 사이의 접촉을 개선하는 역할을 한다.
본 출원은 우선권 출원인 DE 10 2011 015 830.8호의 전체 내용을 참조로 포함한다.
본 발명의 과제는, 전지의 체적 변동을 보상하여 연장된 전지 수명을 가능하게 하는 개선된 전기화학 전지를 제공하는 것이고, 또한 이러한 종류의 전기화학 전지를 포함하는 전기 에너지를 저장하기 위한 장치 및 이러한 종류의 전기화학 전지를 제조하는 방법이 제안되도록 하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항의 대상에 의해 본 발명에 따라 해결된다. 본 발명의 바람직한 진전들은 종속 청구항의 대상이다.
전기 에너지를 저장하기 위한 본 발명에 따른 전기화학 전지는 적어도 하나의 전극 스택(electrode stack)을 포함하고, 상기 전극 스택은 적어도 2개의 전극 시트 및 이들 사이에 배치되는 적어도 하나의 분리막 시트(separator sheet)를 포함한다. 분리막 시트는 전극들을 서로 분리하고, 적어도 부분적으로 전해질을 수용할 수 있다. 바람직하게, 전극 스택은 다수 층의 전극 시트와 분리막 시트를 포함하고, 여기서 동일한 극성을 갖는 전극들은 각각 바람직하게 서로 전기적으로 접속되고, 특히 병렬로 접속된다. 전극 시트들은, 예를 들어, 다소 강성의 플레이트 형태의 재료 또는 연성의 필름 형상의 재료로 형성되고, 바람직하게 실질적으로 서로 평행하게 배치된다. 전극 스택은 또한 감기게 될 수 있고, 예를 들어, 실질적으로 원통형 형상을 구비할 수 있다. 전극 스택이라는 용어는 또힌 전극 두루말이(electrode windings)를 포함한다. 전극 스택은 이온 형태의 리튬 또는 다른 알칼리 금속을 포함할 수도 있다.
본 발명의 사상 이내에서, 전기화학 전지는, 화학 에너지를 저장하기 위해 그리고 전기 에너지를 운반하기 위해 사용되는 장치를 의미하는 것으로 이해된다. 또한, 전기화학 전지는 충전 도중에 전기적 에너지를 화학적 에너지로 변환하여 화학적 에너지를 저장하도록 구성될 수도 있다. 또한, 이것은 2차 전지 또는 축전지라고 언급될 수도 있다.
본 발명과 관련하여, 체적-보상 디바이스는, 외부 힘의 작용 하에서 바람직하게 온도에 의존하는 방식으로 소위 탄성 변형되기 쉬운, 하나의 부분으로 또는 복수의 부분으로 이루어진 장치를 언급하는 것으로 취해져야 한다. 이 경우에, 체적-보상 디바이스는 외부로부터 상기 디바이스에 작용하는 힘에, 체적-보상 디바이스의 점진적인 변형에 따라 커지는, 상응하는 저항력으로 대항하며, 따라서 힘들의 평형시에 변형이 중단된다. 외부 힘의 제거될 때, 체적-보상 디바이스의 변형은 완전히 축소된다. 본 발명과 관련하여, 체적-보상 디바이스는, 이상적인 탄성 특성이 적어도 근사하게 존재하는, 실질적으로 탄성의 디바이스를 의미하는 것으로 취해져야 한다.
바람직하게, 이러한 적어도 하나의 체적-보상 디바이스가 가하는 힘의 종류 및/또는 크기는 실질적으로 상기 디바이스의 온도 및 상기 디바이스에 작용하는 주변 압력에 의존한다. 바람직하게, 체적-보상 디바이스가 가하는 힘의 종류 및/또는 크기는 상기 디바이스의 기하학적 형태 및/또는 상기 디바이스를 형성하는 재료에 의해 사전 설정될 수 있다. 바람직하게, 온도에 의존하는 방식으로 체적-보상 디바이스에 의해 가해지는 힘은, 적어도 간격을 두고 일정한 주변 압력에 대해, 적어도 하나의 수학 함수에 의해 설명된다.
바람직한 실시예에서, 체적-보상 디바이스는 개방형 미세 구조를 가진 재료로 이루어진다. 이러한 재료는, 체적-보상 디바이스의 탄성 특성 외에, 전기화학 전지 내부에서의 또는 바람직하게 체적-보상 디바이스에 인접하는 2개의 전극 사이에서의 전하 교환에 영향을 미치지 않는 구조를 갖는다. 개방형 미세 구조에 의해, 이러한 실시예의 체적-보상 디바이스는 바람직하게 평면으로 형성될 수 있다. 개방형 미세 구조를 가진 예시적인 재료들은, 예컨대 부직포, 발포제 또는 다공성 구조를 가진 탄성 플라스틱과 같은, 다공성 재료들이다. 전기화학 전지 내에서 전하 교환에 방해가 되지 않는, 하이브리드 재료로 불리는, 적절한 탄성 재료들도 본 발명에 따른 체적-보상 디바이스를 위한 용도에 적합하다.
다른 바람직한 실시예에서, 체적-보상 디바이스는 개방형 매크로 구조를 갖는다. 이러한 실시예의 체적-보상 디바이스의 재료는, 체적-보상 디바이스의 탄성 특성에 부가하여, 폐쇄형 미세 구조를 가질 수 있다. 개방형 매크로 구조는, 예를 들어 체적-보상 디바이스의 격자 형태의 형상에 의해 또는 체적-보상 디바이스의 더 큰 통공으로 특징되는 다른 구조에 의해 얻어질 수 있고, 이러한 다른 구조는 체적-보상 디바이스에 의해 커버되어 폐쇄되는 영역과 비교하여 2개의 전극 사이의 통공으로 인한 개방 표면이 바람직하게 50%, 바람직하게는 70%, 그리고 특히 바람직하게 85% 더 큰 것이 보장된다. 전기화학 전지 내부에서의 또는 바람직하게 체적-보상 디바이스에 인접하는 2개의 전극 사이에서의 전하 교환은 또한, 개방형 매크로 구조를 갖는 이러한 체적-보상 디바이스에 의해, 영향을 받지 않는다.
다른 바람직한 실시예에서, 체적-보상 디바이스는 복수의 부분으로 형성된다. 제 1 바람직한 실시예에서, 체적-보상 디바이스는 전극 스택의 치수에 비해 작은 다수의 탄성 물체로 형성되고, 상기 탄성 물체는 바람직하게 전극 스택의 하나의 층 위에 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 체적-보상 디바이스는 예컨대 막대 형상으로 형성될 수 있는 균일하게 형성된 성형체 또는, 예컨대 과립과 같은, 불규칙하게 형성된 성형체로 형성될 수 있다. 제2 바람직한 실시예에서, 체적-보상 디바이스는 적절한 방식으로, 바람직하게는 평평하게 형성되는 다수의 탄성 디바이스들로 형성되고, 상기 탄성 디바이스들은 바람직하게 전극 스택의 하나의 층 위에 서로 나란히 배치된다.
체적-보상 디바이스는 전극 스택의 영역을 바람직하게 적어도 부분적으로 커버한다. 여기서, 변형되지 않는 전극 스택을 포함하는 각기둥 형태의 전지인지 또는 감긴 전극 스택을 포함하는 감긴 전지인지가 구별되어야 한다. 이러한 전극 스택은, 예를 들어 나선 형태로, Z-자 형태로, S-자 형태로 또는 다른 방식의 다른 형태로 김길 수 있을 것이다. 체적-보상 디바이스를 위한 각기둥 형태의 전지의 경우에, 전극 스택의 표면을 전체 영역에 걸쳐 균일하게 커버하도록, 또한 전기화학 전지 내부의 체적 변동 과정을 전기화학 전지 전체 표면에 걸쳐 균일하게 균형 맞추도록 하는 것이 바람직하지만, 감긴 전지의 경우에 감긴 상태에서 균일한 체적 보상을 달성하기 위해 전극 스택의 영역을 부분적으로만 커버하는 것이 바람직할 수 있다.
전기화학 전지의 다른 바람직한 실시예에서, 다수의 체적-보상 디바이스가 전극 스택의 사로 다른 층들 사이에 적절한 방식으로 배치된다. 바람직하게, 체적-보상 디바이스는, 그 위에 놓이는 층들의 균일한 접점 압력을 가능하게 하도록, 전극 스택의 중앙에 또는 대칭으로 배치된다. 그러나, 전극 스택 및 그것으로 제조된 전기화학 전지 또는 그 밖에 상기 전지를 수용하는 유지 디바이스의 형상 구조에 따라, 비대칭 배치가 균일한 접점 압력을 지원할 수도 있다. 이 경우, 다수 층의 전극 스택에 배치되는 하나 이상의 체적-보상 디바이스는, 체적 보상 도중에 바람직하게 서로 보완하게 될 수 있다. 마찬가지로, 체적-보상 디바이스의 체적 보상 능력이 상기 체적-보상 디바이스의 재료 및 재료 두께에 의해 설정되도록 할 수 있고, 체적-보상 디바이스가, 재료, 형태, 하나의 층에서의 파라미터의 배치 및 서로 다른 층들에서의 배치를 변경함에 의해, 전기화학 전지의 체적 보상과 관련하여 요구되는 특성들에 따라 형성되도록 할 수 있다.
전기화학 전지의 다른 바람직한 실시예에서, 체적-보상 디바이스는 전극 스택의 첫번째 층 및/또는 마지막 층에 배치된다. 이러한 종류의 배치는, 체적-보상 디바이스가 전극 스택의 주변에 대해 사실상 직접적으로 작용하는, 장점을 갖는다.
다른 바람직한 실시예에서, 체적-보상 디바이스는 감긴 전극 스택의 감김 코어를 형성한다. 이 경우, 바람직하게, 형태적으로 안정적인 체적-보상 디바이스가 전극 스택을 성형하기 위해 사용되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 감김 방향을 횡단하도록 배치되는 체적-보상 디바이스, 예컨대 원통형의 체적-보상 디바이스는 원통형 전기화학 전지의 코어를 형성할 것이다. 바람직하게, 자체의 길이 방향이 감김 방향을 횡단하도록 배치되는, 평평한, 실질적으로 직사각형의 체적-보상 디바이스는, 예를 들어, 바람직하게 Z-자 형태의 감김을 갖는 전지 또는 타출되는(stamped) 바람직하게 각기둥형의 전지의 코어를 형성한다.
다른 바람직한 실시예에서, 체적-보상 디바이스는 형태적으로 비안정적인 부재이다. 이 부재는, 전극 스택 내에 삽입되는 위치로부터 시작하여, 바람직하게 불규칙적으로 연장된다. 이러한 종류의 형태적으로 비안정적인 상기 부재는, 더 약한 압축력이 작용하는 전극 스택 내의 지점들에서 점진적으로 강해진다. 바람직하게, 이러한 종류의 체적-보상 디바이스는, 엘라스토머에 비해, 바람직하게 100 N/㎟ 보다 작은, 특히 바람직하게 10 N/㎟ 보다 작은 탄성 계수를 갖는다. 이 경우에, 단단함(consistency)은 예컨대 다소 겔과 유사하다.
또한, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치가 제안되고, 상기 장치는 적어도 하나의 본 발명에 따른 전기화학 전지를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 적어도 하나의 전지 유지 디바이스를 포함하고, 상기 유지 디바이스는, 적어도 하나의 전기화학 전지를 적어도 부분적으로 수용하기 위해 제공되는, 적어도 하나의 내부 공간을 구비한다. 또한, 본 발명에 따른 전지 유지 디바이스는, 적어도 하나의 제1 벽 부재를 포함하고, 상기 벽 부재는 전지 유지 디바이스의 내부 공간을 적어도 부분적으로 둘러싸고, 적어도 부분적으로 적어도 하나의 전기화학 전지에 능동적으로 연결된다.
특히, 체적-보상 디바이스는, 전지 유지 디바이스에 대해서, 특히 전지의 충전 및 방전 사이클로 인해 야기되는, 전기화학 전지의 체적 변동을 보상하기 위해 사용되며, 따라서 전지는 바람직하게, 억지 끼워 맞춤 방식 또는 마찰 접촉 방식으로 균일하게, 전지 유지 디바이스에 능동적으로 연결된다.
본 발명의 사상 이내에서, 전지 유지 디바이스는, 내부 공간 및 상기 내부 공간을 적어도 부분적으로 둘러싸는 적어도 하나의 제1 벽 부재를 포함하는 디바이스를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 벽 부재는, 상기 내부 공간를 완전히 둘러쌀 수도 있다. 상기 벽 부재 자체가 강성을 갖는 설계라면, 전지 유지 디바이스는 하드 케이스로도 언급된다. 전지 유지 디바이스의 다른 바람직한 실시예에서, 다른 전지 유지 디바이스들을 가질 필요가 있다면, 상기 전지 유지 디바이스는 동시에 바람직하게 강성으로 설계되는 하우징에 의해 둘러싸이고, 상기 하우징은 바람직하게 특히 전기화학 전지의 온도를 조절하기 위한 디바이스와 같은 다른 디바이스들을 포함한다. 전지 유지 디바이스의 내부 공간은 바람직하게, 적어도 하나의 전기화학 전지를 적어도 부분적으로 수용하도록 형성된다. 바람직하게, 내부 공간은, 적어도 하나의 전기화학 전지에 더하여, 특히 측정 디바이스 또는 제어 디바이스와 같은 추가의 디바이스들을 수용하도록 형성된다. 전기화학 전지에 대한 전지 유지 디바이스의 외부 공간의 전기적 접속을 위한 디바이스들 또한, 내부 공간 내에 배치되는 것이 바람직하다.
수용되는 적어도 하나의 전기화학 전지 및 수용되는 적어도 다른 디바이스들은 바람직하게, 상기 전지 유지 디바이스에 의해, 억지 끼워 맞춤 방식 및/또는 열 전도 방식으로 둘러싸인다. 바람직하게, 적어도 하나의 전기화학 전지는, 할당된 전지 케이스의 적어도 하나의 제1 외측 표면이 적어도 부분적으로 적어도 제1 벽 부재와 평면형의 고체-고체 접촉을 형성하도록, 전지 유지 디바이스에 의해 둘러싸인다. 이로 인해, 전기화학 전지는 바람직하게 진동-저항 방식으로 전지 유지 디바이스 내에 유지된다. 바람직하게, 이러한 배치의 다른 유익한 양태는, 전기화학 전지로부터 방출될 열 에너지가, 다른 고체-고체 접촉 없이, 전지 유지 디바이스의 외부로 직접 전도된다는 것이다. 바람직하게, 전지 유지 디바이스의 적어도 제1 벽 부재는, 예컨대 바람직하게 금속 그리고 특히 바람직하게 알루미늄과 같은, 높은 열전도성의 재료로 이루어진다.
특히, 전기화학 전지에 높은 열 부하가 있을 때, 열 에너지 흐름의 중단 또는 교란은 전기화학 전지 및/또는 전지 유지 디바이스 내부에 축열을 야기하고, 이로 인해 상기 전기화학 전지의 작동 온도가 상승한다. 특히, 전기화학 전지의 높은 작동 온도는 수명 단축을 초래하고, 따라서 충전 및 방전 사이클 가능 횟수의 감소를 초래한다. 매우 높은 열 부하가 있을 때, 결과적으로 예를 들어 리튬 이온-축전지에서 분리막의 용융을 초래할 수 있고, 이러한 용융은 축전지를 파손시킨다. 나아가, 시간이 지남에 따라, 특히 리튬과 전해질의 기생 반응(parasitic reaction)의 결과로서 리튬-이온 축전지의 용량이 감소한다. 이러한 분해 속도는 온도가 증가할수록 높아진다.
바람직하게, 충전 사이클에서 적어도 하나의 전기화학 전지의 체적 증가는 적어도 할당된 체적-보상 디바이스의 상응하는 체적 감소에 의해 보상되고, 적어도 하나의 전기화학 전지 및/또는 적어도 전지 유지 디바이스의 변형 및/또는 파손이 방지된다. 바람직하게, 체적-보상 디바이스는 적어도 제1 벽 부재에서 적어도 하나의 전기화학 전지의 접점 압력을 바람직하게 일정한 값으로 조절한다.
충전 및/또는 방전 사이클 도중에 불가피한 전기화학 전지의 체적 변동은, 이러한 체적-보상 디바이스에 의해 적어도 부분적으로 보상된다. 적어도 하나의 전기화학 전지와 제1 벽 부재 사이의 열 접촉은 체적-보상 디바이스에 의해 개선되고 및/또는 보장된다. 바람직하게, 방전 사이클 도중의 적어도 하나의 전기화학 전지의 체적 감소는, 적어도 할당된 체적-보상 디바이스의 상응하는 체적 증가에 의해 균형을 이루게 되고, 이러한 경우에도 역시 적어도 하나의 전기화학 전지와 적어도 하나의 제1 벽 부재 사이의 열 전도 방식의 고체 접촉이 유지된다. 특히, 적어도 제1 벽 부재에 대한 전기화학 전지의 과도하게 낮은 접점 압력은 적어도 하나의 전기화학 전지와 적어도 제1 벽 부재 사이의 열 에너지 흐름의 중단 또는 교란을 일으킨다. 바람직하게, 체적-보상 디바이스는 적어도 제1 벽 부재에 대한 적어도 하나의 전기화학 전지의 접점 압력을 바람직하게 일정한 값으로 조절한다.
본 발명의 다른 양태는, 본 발명에 따른 전기화학 전지의 제조 방법에 관한 것이다. 제1 단계에서, 전극 스택이 전극 시트를 교대로 분리막 시트 위에 배치함에 의해 제공된다. 전극 시트와 분리막 시트는 이 경우 실질적으로 동일한 길이를 가지며, 따라서 서로 실질적으로 중첩된다. 제 2 단계에서, 전극 스택의 제조 도중에, 적절한 형태의 체적-보상 디바이스가 전극 스택 내 적절한 위치에서 하나 이상의 전극 시트들과 분리막 시트들 사이에 배치된다.
제 3 단계에서, 전극 스택은 전해질을 공급받는다. 이는, 예를 들어, 전극 스택을 전해질 용액에 담금으로써 이루어질 수 있고, 전기화학 전지의 다른 변형의 경우, 전기화학 전지의 전극 스택은 바람직하게 케이싱의 일부분에 의해 둘러싸일 수 있고, 상기 케이싱 내로 전해질이 주입되고, 이때 상기 전해질은 특히 전극 스택 내의 분리막 시트에 의해 수용된다.
제 4 단계에서, 전극 스택은 액체 및 기체 밀폐 방식으로 밀봉된다. 전기화학 전지의 작동을 위해 필요한 전류 도선들이, 예를 들어 전극 시트로부터 직접 케이싱을 통해 외부로 안내될 수도 있고, 또는, 케이싱을 관통하는 전기적 연결을 제공하기 위해 전기화학 전지의 케이싱의 외부로 안내된 부분으로서, 케이싱 내부에서 전극 시트와 접촉할 수도 있다.
본 발명의 다른 장점들, 특징들 및 실시예는 도면과 관련해서 하기 설명으로부터 드러난다.
도 1은 개방형 미세 구조를 갖는 체적-보상 디바이스를 구비하는 예시적인 전극 스택을 도시한 도면;
도 2는 개방형 매크로 구조를 갖는 체적-보상 디바이스를 구비하는 예시적인 전극 스택을 도시한 도면;
도 3은 복수의 부분으로 이루어진 체적-보상 디바이스를 구비하는 예시적인 전극 스택을 도시한 도면;
도 4는 복수의 부분으로 이루어진 체적-보상 디바이스를 구비하는 다른 예시적인 전극 스택을 도시한 도면;
도 5는 형태적으로 안정적인 체적-보상 디바이스를 구비하는 감김 전지의 제조 도중의 예시적인 전극 스택을 도시한 도면;
도 6은 복수의 부분으로 이루어진 체적-보상 디바이스를 구비하는 감김 전지의 제조 도중의 다른 예시적인 전극 스택을 도시한 도면;
도 7은 형태적으로 안정적인 체적-보상 디바이스를 구비하는 감김 전지의 다른 예시적인 전극 스택을 도시한 도면;
도 8은 전지 유지 디바이스 내에 배치되는 예시적인 전극 스택을 도시한 도면;
도 9는 전지 유지 디바이스 내에 배치되는 다른 예시적인 전극 스택을 도시한 도면; 그리고
도 10은 에너지를 저장하기 위한 예시적인 장치를 도시한 도면.
도 1은, 교대로 배치되는 전극 시트(4)와 분리막 시트(5)로 구성되는, 예시적인 전극 스택(3)을 도시한다. 가장 위의 분리막 시트(5)의 아래에 체적-보상 디바이스(2)가 배치된다. 상기 체적-보상 디바이스(2)는, 2개의 인접한 전극 시트(4) 사이의 전하 교환을 방해하는 것을 회피하도록, 개방형 미세 구조를 갖는다.
도 2는, 도 1에 도시된 전극 스택(3)과 정확히 동일한 방식으로, 교대로 배치되는 전극 시트(4)와 분리막 시트(5)로 구성되는, 예시적인 전극 스택(3)을 도시한다. 체적-보상 디바이스(2)가 또한 이러한 전극 스택(3)에서 가장 위의 분리막 시트(5) 아래에 배치된다. 상기 체적-보상 디바이스(2)는 격자 형태로 형성된다. 따라서, 체적-보상 디바이스(2)는 개방형 매크로 구조를 갖고, 상기 매크로 구조는 인접하는 2개의 전극 시트(4) 사이의 전하 교환을 가능하게 한다.
도 3 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 전극 스택(3)과 동일한 방식으로, 교대로 배치되는 전극 시트(4)와 분리막 시트(5)로 구성되는, 예시적인 전극 스택(3)을 도시한다. 체적-보상 디바이스(2)가 또한 이러한 전극 스택(3)에서 가장 위의 분리막 시트(5) 아래에 배치된다. 이러한 예시적인 체적-보상 디바이스(2)는, 불규칙적으로 형성되는 탄성체들을 포함하는 복수의 부분으로 이루어진다. 이러한 방식에서, 도 3에 예로서 도시된 실시예의 체적-보상 디바이스(2) 또한, 인접한 2개의 전극 시트(4) 사이의 전하 교환을 가능하게 한다.
도 4는, 층들로 접힌 분리막 시트(5) 및 층들 사이에 배치되는 전극 시트(4)로 구성되는, 예시적인 전극 스택(3)의 횡단면도를 도시한다. 가장 위에 도시된 분리막-전극-분리막-층 아래에, 절단면을 횡단하도록 삽입되는 3개의 막대 형상의 부재로 형성되는, 체적-보상 디바이스(2)가 배치된다. 이러한 체적-보상 디바이스(2)의 탄성 재료를 덮는 전극 시트(4)의 표면에 따라, 이러한 체적-보상 디바이스(2)가 개방형 미세 구조를 갖는 것이 필요할 수 있다.
도 5는 감김 과정을 수행하고 있는 감김 전지의 예시적인 전극 스택(3)을 도시한다. 필름 형상의 전극 시트(4)와 그 사이에 배치되는 분리막 시트(5)로 구성되는 전극 스택(3)의 단부에, 형태적으로 안정적인 원통형의 체적-보상 디바이스(2)가 전극 스택(3)의 길이방향을 횡단하도록 배치된다. 상기 디바이스는 전기화학 전지의 감김 코어를 형성한다. 전극 스택(3)의 감김 후에 감김 코어는 체적-보상 디바이스를 형성하고, 상기 디바이스는 전기화학 전지의 체적 변동을 보상하고, 전지 유지 디바이스 내에서 전지에 대한 형태적으로 안정적인 조립을 보장한다.
도 6은 예시적인 다른 전극 스택(3)을 도시하고, 이 전극 스택의 기본 구조는 도 5의 전극 스택(3)과 동일하다. 과립 형태의 복수의 부분으로 이루어진 체적-보상 디바이스(2)가 가장 위의 전극 시트(4) 상에 배치되고, 상기 과립은, 전극 스택의 길이에 비해 작은, 불규칙하게 형성되는 성형체로 이루어진다. 도 5에 도시된 감김으로 형성되는 전기화학 전지(1)와 달리, 이 실시예에서 체적-보상 디바이스(2)는 감긴 전지의 전체 원주에 걸쳐 분포하게 되고, 그 결과 체적 보상 과정이 전기화학 전지(1)의 외측면에 더욱 가까운 위치에서 일어난다.
도 7은, 삽입되는 감김 코어이자 체적-보상 소자(2)가 원통형이 아니라 각기둥형이라는 차이점을 갖는, 도 5의 실시예와 유사한 방식으로 형성되는 감김 전지를 도시한다. 그로 인해, 실질적으로 각기둥 형태의 전지(1)가 형성된다.
도 8은, 전지 유지 디바이스(11)의 내부 공간(12)에 유지된 것으로 예시되는, 도 7의 전기화학 전지(1)를 도시한다. 충전된 상태에서, 예시적인 전기화학 전지(1)는 최대 체적에 이른다. 전지 유지 디바이스(11)는 형태적으로 안정적인 구조이며, 따라서 체적-보상 디바이스(2)는 탄성 변형을 행한다. 방전된 상태에서, 예시적인 전기화학 전지(1)는 최소 체적에 도달하며, 따라서 체적-보상 디바이스(2)는 팽창될 수 있고, 그로 인해 전기화학 전지(1)와 전지 유지 디바이스(11)의 벽 부재(13) 사이의 넓은 표면에 걸친 접촉이 보장된다.
도 9는 감기지 않은 전극 스택(3)으로 제조된 전기화학 전지를 도시하고, 여기서 시트 형태의 2개의 체적-보상 디바이스(2)가 가장자리에 배치되는 전극 시트들(4) 사이에 배치된다. 도 8에 도시된 실시예와 달리, 이러한 체적-보상 디바이스(2)의 탄성력은 전기화학 전지(1)의 전극 스택(3)의 스택 방향으로만 작용하며, 따라서 전기화학 전지(1)와 전지 유지 디바이스(11)의 벽 부재(13) 사이의 넓은 표면에 걸친 접촉도 마찬가지로 이러한 방향으로만 보장된다.
도 10은 에너지를 저장하기 위한 예시적인 장치를 도시하고, 여기서 명확한 설명을 위해 전지 유지 디바이스(11)는 전기화학 전지(1)와 분리되어 배열된다. 전지 유지 디바이스(11)는 벽 부재(13)를 포함하고, 상기 벽 부재(13)는 전지 유지 디바이스(11)의 내부 공간(12)을 둘러싼다. 전기화학 전지(1)와 전지 유지 디바이스(11)의 치수는, 체적-보상 디바이스(2)를 포함하는 전기화학 전지(1)가 방전된 상태에서, 전기화학 전지(1)와 전지 유지 디바이스(11)의 벽 부재(13) 사이에 넓은 표면에 걸친 접촉이 존재하는, 능동적인 잠금 방식으로 전지 유지 디바이스(11) 내에 유지될 수 있도록, 서로 조정된다. 충전 과정 도중에, 전기화학 전지(1)의 체적이 팽창되면, 이러한 체적력은, 탄성적으로 사전에 응력을 받는, 체적-보상 디바이스(2)에 작용하고, 그로 인해 상기 디바이스의 체적이 감소한다. 따라서, 넓은 표면에 걸친 일정한 접촉이 전기화학 전지(1)와 전지 유지 디바이스(11) 사이에 생성된다.
1: 전기화학 전지 2: 체적-보상 디바이스
3: 전극 스택 4: 전극 시트
5: 분리막 시트 6: 감김 코어

Claims (12)

  1. 전기 에너지를 저장하기 위한 전기화학 전지(1)로서,
    적어도 2개의 전극 시트(4)와 그 사이에 배치되는 적어도 하나의 분리막 시트(5)를 포함하는, 적어도 하나의 전극 스택(3)을 포함하는 전기화학 전지(1)에 있어서,
    상기 전기화학 전지(1)는, 상기 전극 스택(3) 내부에 배치되는, 적어도 하나의 체적-보상 디바이스(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 체적-보상 디바이스(2)는 개방형 미세 구조를 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 체적-보상 디바이스(2)는 개방형 매크로 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 체적-보상 디바이스(2)는 복수의 부분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 체적-보상 디바이스(2)는 상기 전극 스택(3)의 영역을 적어도 부분적으로 커버하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 체적-보상 디바이스(2)는 다수 층의 상기 전극 스택(3) 위에 분포하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 체적-보상 디바이스(2)는 상기 전극 스택(3)의 첫번째 층 및/또는 마지막 층에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 체적-보상 디바이스(2)는 김긴 전극 스택(3)의 감김 코어(6)를 구성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 체적-보상 디바이스(2)의 재료는, 부직포들, 발포제들, 플라스틱들 및 하이브리드 재료들를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 전기화학 전지(1)를 포함하는 전기 에너지를 저장하기 위한 장치에 있어서,
    적어도 하나의 전기화학 전지(1)를 적어도 부분적으로 수용하기 위해 제공되는 적어도 하나의 내부 공간(12)를 구비하며, 상기 전지 유지 디바이스(11)의 상기 내부 공간(12)을 적어도 부분적으로 둘러싸고, 적어도 부분적으로 적어도 하나의 전기화학 전지(1)에 능동적으로 연결되는 벽 부재(13)를 포함하는, 전지 유지 디바이스(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전지 유지 디바이스(11)는 하드 케이스로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 전기화학 전지(1)를 제조하는 방법으로서,
    하기의 단계들, 즉
    (a) 적어도 하나의 전극 시트(4)와 적어도 하나의 분리막 시트(5)를 교대로 배치함으로써 전극 스택(3)을 제조하는 단계,
    (b) 상기 전극 스택(3) 내부에 체적-보상 디바이스(2)를 배치하는 단계,
    (c) 상기 전극 스택(3)에 전해질을 공급하는 단계,
    (d) 상기 전극 스택(3)을 둘러싸는 단계를 포함하는 전기화학 전지 제조 방법.
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