KR20140105842A - 비정질 금속으로 제조된 집전체 - Google Patents

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더 스와치 그룹 리서치 앤 디벨롭먼트 엘티디
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Abstract

본 발명은 세퍼레이터 (6) 에 의해 서로 분리되는 캐소드 (2) 및 애노드 (4) 를 포함하는 전기화학적 디바이스 (배터리 또는 셀) 에 관한 것으로서, 디바이스는 추가로 애노드 및 캐소드가 각각 세퍼레이터와 집전체 사이에 배열되도록 2개의 집전체들 (9a, 9b) 을 더 포함하고, 2개의 집전체들은 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는 적어도 부분적으로 비정질인 재료로 제조되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 보다 큰 굽힘 응력에 견디고 보다 신뢰성있는 플렉서블 배터리의 제조를 가능하게 한다.

Description

비정질 금속으로 제조된 집전체{CURRENT COLLECTOR MADE OF AN AMORPHOUS METAL}
본 발명은 세퍼레이터에 의해 서로 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함하는 전기화학적 디바이스에 관한 것으로서, 전기화학적 디바이스는 애노드 및 캐소드가 각각 세퍼레이터와 집전체 사이에 배열되도록 2개의 집전체들을 더 포함한다. 이 디바이스는 배터리일 수도 있거나 또는 셀일 수도 있다.
다수의 기존 배터리들 및 셀들 중에서, 박막 배터리들로 불리는 배터리들이 알려져 있다. 도 1 에 도시된 이 배터리들은 세퍼레이터에 의해 서로 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함한다. 배터리는 또한 캐소드와 애노드 사이에서 전자들을 수송시키는 2개의 집전체들 및 배터리 외부의 전기 회로를 포함한다.
이들 배터리들 또는 전기화학적 디바이스들의 애플리케이션들 중 하나는 플렉서블 배터리들을 얻는 것이다. 이를 달성하기 위해서, 집전체들 및 세퍼레이터는 플렉서블해야 한다. 박막 배터리들의 가요성 (flexibility) 을 크게 제한하는 엘리먼트들 중 하나는 집전체이다. 집전체는, 전류에 의해 이동되는 거리가 훨씬 최장이기 때문에 (배터리의 전체 치수들에 따라 최장인 반면, 다른 엘리먼트들에서는 전류가 단지 최단 치수, 즉, 두께를 이동한다), 최적의 도전성을 가져야 하는 배터리의 엘리먼트이다. 집전체에서의 너무 높은 저항은 배터리 전압 강하와 열 형태의 에너지 소산으로 이어진다. 이러한 이유로, 금속들이 외기 온도의 재료들 중에서 최적의 도전성을 가지기 때문에, 금속들이 일반적으로 집전체에 사용된다. 집전체들이 도 1 에서와 같이 금속 시트들의 형태를 취하고 배터리 외측에 배치되는 경우, 이들은 전해질의 증발 및 배터리에 유해한 가스들 (배터리의 종류에 의존하지만, 예를 들어 CO2, O2, H2) 의 출입을 방지하는 배리어층들로서의 기능도 한다.
하지만, 다른 배터리 엘리먼트들의 경우 폴리머들 또는 복합물들과 같은 매우 플렉서블한 재료들이 사용될 수 있다. 집전체로서 금속 시트의 사용은 배터리의 가요성에 부정적인 영향을 갖는다. 더욱이, 집전체는 일반적으로 배터리의 단부들에 마련되기 때문에, 이에 따라 그 엘리먼트는 최고의 곡률 응력, 즉 외측에서의 최고 곡률 반경에서의 트랙션 (traction) 응력 및 내측에서의 최소 곡률 반경에서의 압축 응력을 경험한다. 결과적으로, 1.5 cm 미만의 곡률 반경에서 100회 정도의 굽힘 이후에 집전체들에 크랙이 나타난다. 이 크랙들은 굽힘 수가 증가함에 따라 보다 뚜렷해지고 배터리 내측의 액티브층들을 손상시키는 폴드들 (folds) 을 형성한다. 이것은 점점 더 뚜렷해지는 용량 저하를 초래하여, 마침내 배터리를 손상시킨다.
본 발명은 보다 큰 굽힘 응력에 견디고 보다 신뢰성있는 플렉서블 배터리를 제안함으로써 종래 기술의 상기 언급된 흠결들을 극복하는 배터리와 같은 전기화학적 디바이스에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 세퍼레이터에 의해 서로 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함하는 셀에 관한 것이다. 배터리는 또한 애노드 및 캐소드가 각각 세퍼레이터와 집전체 사이에 배열되도록 2개의 집전체들 및 전해질을 더 포함한다. 배터리는 2개의 집전체들이 적어도 부분적으로 비정질인 금속성 재료로 제조되는 것을 특징으로 한다.
이 셀의 이로운 실시형태들은 종속항들의 청구물을 형성한다.
제 1 의 이로운 실시형태에서, 2개의 집전체들은 완전히 비정질인 재료로 제조된다.
제 2 의 이로운 실시형태에서, 상기 재료는 Ti, Zr, Ni, Cu, Fe, Cr, Mn, V, W, Al 을 포함하는 리스트에 마련된 원소들 중 적어도 하나를 포함한다.
제 3 의 이로운 실시형태에서, 상기 재료는 최대 저항률이 10-5 Ohm*m 이다.
다른 이로운 실시형태에서, 상기 재료는 최대 저항률이 10-6 Ohm*m 이다.
또 다른 이로운 실시형태에서, 상기 재료는 47.5 중량% 의 구리, 47.5 중량% 의 지르코늄 및 5 중량% 의 알루미늄을 포함하다.
또 다른 이로운 실시형태에서, 집전체들의 두께는 1 ㎛ 와 50 ㎛ 사이이다.
또 다른 이로운 실시형태에서, 집전체들의 두께는 5 ㎛ 와 25 ㎛ 사이이다.
또 다른 이로운 실시형태에서, 집전체들의 두께는 동일하지 않다.
또 다른 이로운 실시형태에서, 집전체들의 에지들은 상기 집전체들의 중심 영역보다 더 두껍다.
또 다른 이로운 실시형태에서, 2개의 집전체들 중 적어도 하나는 그 하부 표면에 구조체들을 갖는다.
또 다른 이로운 실시형태에서, 적어도 하나의 금속성 원소를 포함하는 상기 적어도 부분적으로 비정질인 재료는 결정질 원소를 더 포함한다.
또 다른 이로운 실시형태에서서, 2개의 집전체들 중 적어도 하나는 용융 방사 (melt-spinning) 에 의해 제조된다.
또 다른 이로운 실시형태에서, 2개의 집전체들 중 적어도 하나는 전기분해 (electrolysis) 에 의해 제조된다.
또 다른 이로운 실시형태에서, 상기 디바이스는 셀 또는 배터리이다.
또 다른 이로운 실시형태에서, 셀 또는 배터리는 재충전가능하다.
본 발명의 배터리의 하나의 이점은 보다 이로운 탄성 특징을 갖는다는 것이다. 사실상, 비정질 재료의 경우, 비 σe/E 는 탄성률 σe 의 한계를 상승시키는 것에 의해 증가된다 (E 는 영률이다). 이로써, 응력이 증가하며, 그 응력을 지나면 재료가 그 초기 형상으로 복귀하지 않는다. 이로써, 비 σe/E 에서의 개선은 보다 큰 변형을 허용한다. 이것은, 배터리가 보다 높은 빈도로 보다 큰 굽힘 응력들을 경험할 수 있게 하다.
본 발명에 따른 전기화학적 디바이스의 목적들, 이점들 및 특징들은, 단지 비한정적인 예로써 주어지고 첨부된 도면들에 의해 나타내지는, 본 발명의 적어도 하나의 실시형태의 하기 상세한 설명에서 보다 명확히 나타날 것이다.
도 1 내지 도 3 은 배터리의 원리의 개략 단면도를 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 배터리의 제 1 변형예의 개략 단면도를 도시한다.
도 5 는 본 발명에 따른 배터리의 제 1 변형예에 대한 대안의 개략 단면도를 도시한다.
도 6 은 본 발명에 따른 배터리의 제 2 변형예의 개략 단면도를 도시한다.
도 7 은 본 발명에 따른 배터리의 제 3 변형예의 개략 단면도를 도시한다.
도 8 은 본 발명에 따른 배터리의 집전체를 제작하는 방법의 개략도이다.
도 9 는 본 발명에 따른 배터리의 제 5 변형예의 개략 단면도를 도시한다.
도 1 은 본 발명에 따른 전기화학적 디바이스 (1) 를 도시한다. 이 전기화학적 디바이스 (1) 는 세퍼레이터 (6) 에 의해 서로 분리되는 캐소드 (2) 및 애노드 (4) 를 포함하다. 배터리는 또한 애노드 (4) 및 캐소드 (2) 가 각각 세퍼레이터 (6) 와 집전체 (8) 사이에 배열되도록 2개의 집전체들 (8) 을 포함한다. 이로써, 애노드 집전체 (9b) 와 캐소드 집전체 (9a) 가 존재한다. 각각의 집전체는 하부 표면 (91) 및 상부 표면 (90) 을 갖는다. 세퍼레이터 (6) 는 일반적으로 폴리머들 또는 복합 재료들로 제조된다. 전기화학적 디바이스 (1) 는 또한 캐소드 (2) 와 애노드 (4) 사이에서 이온들을 교환하기 위한 전해질을 포함한다. 이 전해질은 도 1 에서와 같이 세퍼레이터 (6) 에 직접 통합될 수도 있으며, 세퍼레이터는 기공들이 액체 또는 겔 전해질로 충전된 다공성 세퍼레이터 (6) 이다. 애노드 (20) 및 캐소드 (40) 가 도 2 에서 보는 바와 같이 다공성인 경우, 전해질은 또한 이 기공들도 충전한다. 또한, 전해질이 완전히 고체층 (3) 으로 형성되는 것도 가능하며, 고체층은 이후 도 3 에서 보는 바와 같이 세퍼레이터를 대체한다.
이 전기화학적 디바이스 (1) 는, 예를 들어, 시계 (horological) 애플리케이션 또는 스마트 카드 또는 전기통신 애플리케이션과 같은 다양한 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 이 전기화학적 디바이스 (1) 는 배터리이거나 또는 셀일 수도 있으며, 배터리 또는 셀은 재충전가능하거나 또는 재충전가능하지 않을 수도 있다. 용어 "전기화학적 디바이스", "배터리" 또는 "셀" 은 본 발명을 명시하기 위해서 사용될 수도 있다.
다수의 굽힘 이후에도 집전체 (8) 에서의 크랙들의 출현을 방지하면서 전기화학적 디바이스 (1) 를 플렉서블 필름으로 제조하기 원한다면, 재료의 탄성 변형 범위 내에 있는 것이 필요하며, 또한 재료가 응력받는 영역에서 양호한 피로 저항을 갖는 것이 필요하다. 일반적으로, 주어진 합금의 경우, 응력 레벨이 탄성률의 한계로부터 멀어지는 경우, 피로 파단 (fatigue break) 이전의 사이클들의 수가 크게 증가한다. 소정의 응력 아래에서는, 피로 파손 (fatigue breakage) 이 사라진다. 이 거동은 일반적으로 뵐러 (Wohler) 곡선으로 나타내진다.
본 발명은 비정질 금속 집전체들 (8) 을 사용하는 것에 있다. 일반적으로 순수 금속들보다는 오히려 합금들인, 비정질 금속들 (또는 금속성 유리) 의 탄성 변형은 결정질 금속들보다 2 ~ 4 배 정도 더 높다.
이롭게는, 적어도 하나의, 바람직하게는 2개의 집전체들 (8) 이 적어도 부분적으로 비정질인 금속으로 제조된다. "적어도 부분적으로 비정질인 재료"는, 의도된 애플리케이션에 대해 요구되는 두께에 대해, 그 재료가 비정질 상 (phase) 에서 적어도 부분적으로 고형화할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 전기화학적 필름 디바이스들이 사용되는 애플리케이션들의 경우, 전기화학적 디바이스 (1) 의 총 두께는 일반적으로 0.4 mm 이다. 이 전기화학적 디바이스 (1) 의 집전체들 (8) 의 두께는 1 에서 50 ㎛ 까지 가변할 수도 있다. 바람직하게, 두께는 5 와 25 ㎛ 사이에 포함된다.
실제로, 이 비정질 금속 합금들의 이점은 제작 동안 비정질 재료들을 형성하는 원자들이 결정질 재료들의 경우와 같이 특정 구조로 배열되지 않는다는 사실로부터 발생한다. 이로써, 결정질 금속의 영률 E 및 비정질 금속의 영률 E 이 근접하는 경우라도, 탄성률의 σe 의 한계가 상이하다. 따라서, 비정질 금속은 결정질 금속의 탄성률 σec 보다 2 와 4 사이의 팩터만큼 더 높은 한계의 탄성률 σeA 를 가진다는 점에서 상이하다. 이것은, 비정질 금속들이 탄성률 σe 의 한계에 도달하기 이전에 보다 높은 응력을 경험할 수 있다는 것을 의미한다.
더욱이, 최소 곡률 반경이 최대 허용가능한 변형에 반비례한다는 것을 고려하면, 이것은 적어도 2 배 더 작은 곡률 반경이 종래의 경우에서와 같이 결정질 금속 대신에 비정질 금속을 사용함으로써 가능하다는 것을 의미한다. 더욱이, 결정질 금속과 동일한 곡률 반경에 대해서는, 비정질 금속의 탄성률의 한계가 유사한 화학적 조성물의 결정질 금속보다 일반적으로 2-4 배 더 높기 때문에 피로 파괴의 우려가 저하된다. 실제로, 비정질 금속의 경우 상대적인 순환 응력 (cyclical stress) 이 상당히 더 저하될 것이며, 이로써 파괴 이전의 순환 횟수가 상당히 증가할 것이다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 비정질 금속 집전체들과 함께 어셈블링된 셀들의 가요성은 결정질 금속을 사용하는 셀들에 비해 10 배보다 더 높다. 이것은, 배터리의 내측이 집전체들에 의해 보호된다는 사실에 기인한 것이다. 실제로, 결정질 금속의 경우에는, 셀의 굽힘과 이에 따른 집전체들의 굽힘의 경우 폴드들이 형성된다. 폴드들은 국부적으로 매우 높은 곡률들이다 (통상적으로 1cm 의 반경으로 굽혀지는 셀들의 경우, 폴드들은 1mm 미만의 반경을 갖는다). 비정질 금속은 그 굴곡 (flexion) 동안 폴드들을 형성하지 않기 때문에, 국부적인 변형들이 회피된다 (액티브층들의 박리 및 파괴). 결과적으로, 셀의 내부가 매우 작은 곡률 반경을 가지는 폴드들로부터 보호된다. 이것은 결국 개선된 가요성을 허용한다. 통상적으로, 전체 두께가 0.4mm 인 셀에 25 ㎛ 두께의 완전히 비정질 금속인 2개의 집전체들을 사용하여 1 cm 의 반경을 갖는 적어도 1500 굽힘들이, 셀을 손상시키지 않고 가능하다. 시장에서 현재 입수가능한 필름 배터리들 중에서는, 어떠한 셀도 1cm 의 반경을 갖는 150 굴곡들을 견디지 못한다. 비정질 금속으로부터 제조된 셀 집전체들의 가요성에서의 개선은, 비정질 금속들의 기계적 특성들을 분석함으로써 당업자가 가능하게 예측하는 2-4 의 팩터만큼의 증가보다 훨씬 더 크다.
집전체 (8) 에 사용될 수 있기 위해서는, 집전체의 어떠한 부식도 방지하도록, 전극 전위의 충전과 방전 상태 사이에 있는 전극의 전기화학적 전위창 내에서 재료가 안정해야 한다. 마찬가지로, 집전체 (8) 의 재료는 전극들 및 전해질 (3) 을 형성하는 물질과 화학적으로 반응해서는 안된다. 집전체 (8) 의 안정성은 열역학적일 수도 있거나, 동역학적일 수도 있거나 또는 패시베이션에 의해 달성될 수도 있다. 집전체 (8) 의 전기 저항률은 전기화학적 디바이스 (1) 의 전력 및 효율성에 영향을 주지 않도록 너무 높아서는 안된다. 통상적으로, 집전체 (8) 로서 사용되는 합금의 저항률은 10-5 Ohm*m 를 초과해서는 안되며, 보다 바람직하게 10-6 Ohm*m 를 초과해서는 안된다.
결과적으로, 하기 화학적 원소들로 형성된 비정질 합금들은 이 애플리케이션의 경우 특히 관심의 대상이 된다: Ti, Zr, Ni, Cu, Fe, Cr, Mn, V, W, Al. 이 애플리케이션에 사용될 수 있는 비정질 합금의 예는 Cu47.5Zr47.5Al5 이다. 이 합금의 높은 기계적 특성들과 조합된 양호한 도전성 (δe~1600MPa; E~87GPa; εe~2%) 은 이 합금을 특히 이로운 후보로 만든다. 비정질 금속 매트릭스 및 제 2 의 매우 전도성 있는 상 (예를 들어 순수 구리) 을 갖는 복합재를 사용하여 도전성을 더욱 증가시키는 것을 고려하는 것도 또한 가능하다.
집전체들 (8) 을 제조하기 위해서 용융 방사법 (melt-spinning method) 이 이용된다. 도 8 에 도시된 이 방법은 원칙적으로 압력 시스템일 수도 있는 가열 시스템 (14) 에 의해 가열된 따듯한 액체 (18)(예를 들어 용융 금속) 의 탱크를 취하는 것에 있으며, 떨어질 때 (예를 들어 구리로 제조된) 양호한 열 전도성 금속 실린더 (16) 와 접촉하게 되는, 스레드 (thread) 가 탱크로부터 흐른다. 용융 방사 휠은 고속으로 회전한 다음, 일반적으로 다른 차가운 액체, 액체 질소 또는 물과 접촉하는 것에 의해 냉각되어 차가운 상태를 유지할 수 있게 한다. 탱크 가압으로 액체가 토출되게 할 수 있다. 액체는 휠과 접촉시 냉각되어 두껍거나 또는 얇을 수도 있는 고체 스트립을 형성할 수 있다. 그 두께는 액체 금속의 유속에 또는 양호한 열 전도성 금속 실린더의 회전 속도에 대해 작업함으로써 조절된다.
집전체들 (8) 을 제조하는 다른 방법은 전기분해 증착이다. 이 방법은 도전성 서포트 상에 전류를 통해 금속 또는 금속 합금을 증착하는 원리에 기초한다.
이 방법에서는, 증착될 금속 양이온들을 함유하는 배쓰에 2개의 전극들이 침지된다. 2개의 전극들 사이의 전류 또는 전위 차의 인가가 원하는 금속 양이온들로 하여금 서포트로서 기능하는 캐소드 상에 증착될 수 있게 한다. 제작 이후, 형성된 금속 또는 합금은 물리적 또는 화학적 수단들에 의해 캐소드로부터 절연될 수 있다.
집전체 (8) 의 두께를 조절하기 위해서는, 전기분해의 기간을 조절하여 기간이 길수록 증착된 재료의 양이 크도록 한다.
증착된 재료가 합금인 경우에는, 여러 금속 양이온들이 배쓰에 함유된다. 집전체 (8) 를 형성할 합금의 조성은 배쓰의 조성, 온도 및 전류의 파라미터들을 조절함으로써 조정될 수 있다. 재료의 연성 성질들은 펄싱된 전류들의 사용에 의해 개선되거나 또는 변형될 수 있다.
연금술적 또는 물리적 제작 방법들에 비해 저온인 수성 매체에서 프로세스가 적용되는 경우, 그 프로세스는 비정질 상태의 금속들의 형성을 초래한다.
도 4 에서 볼 수 있는 본 발명에 따른 전기화학적 디바이스 (1) 의 제 1 구성 변형예에서는, 전기화학적 디바이스 (1) 가 집전체들 (8) 에 의해 클로징되어 있다. 이것은, 집전체들 (8) 이 구조체 (11) 를 형성하는 것을 의미한다. 이를 달성하기 위해서는, 각각의 집전체 (8) 가 주변 에지 (8a) 를 갖는, 평활한 판, 예를 들어 직사각형 판의 형태를 취한다. 이로써 이 주변 에지 (8a) 는 애노드 (2) 또는 캐소드 (4) 재료가 배치되는 하우징 (8b) 을 정의한다. 이 2개의 집전체들 (8) 은 이로써 세퍼레이터 (6) 에 의해 분리된다. 이 세퍼레이터 (6) 는 제 1 표면 (7a) 및 제 2 표면 (7b) 을 포함한다. 엘리먼트들은 도 4 에서 보는 바와 같이 애노드 집전체 (9b) 의 주변 에지 (8a) 가 세퍼레이터 (6) 의 제 1 표면 (7a) 에 웰딩되고 캐소드 집전체 (9a) 의 주변 에지 (8a) 가 세퍼레이터의 제 2 표면 (7b) 에 웰딩되도록 어셈블링된다. 웰딩부들은 바람직하게 세퍼레이터 (6) 의 단부들 (6a) 에 있다.
도 5 에 도시된, 제 1 변형예에 대한 대안에서는, 세퍼레이터 (6) 는 집전체들 (8) 이 웰딩되는 것을 불가능하게 하다. 따라서, 배터리 (1) 는 세퍼레이터에 안착된 (secured) 조인트 (10) 을 포함하며, 여기에 애노드 집전체 (9b) 의 주변 에지 (8a) 및 캐소드 집전체 (9a) 의 주변 에지 (8a) 가 웰딩된다.
도 6 에 도시된 제 2 변형예에서는, 집전체들 (8) 은 단순히 비정질 금속으로 제조된 평활한 시트이다. 애노드 재료 (4) 는 세퍼레이터 (6) 와 애노드 집전체 (9b) 사이에 배열되는 한편, 캐소드 재료 (2) 는 세퍼레이터 (6) 와 캐소드 집전체 (9a) 사이에 배열된다. 빈틈없게도, 이 변형예는 이로써 배열된 전기화학적 디바이스 (1) 를 수지층 (12) 으로 또는 진공 패킹된 적층형 폴리에틸렌/알루미늄/폴리에틸렌 봉지 내에서 인클로징한다. 이후 전도성 텅들 (tongues)(14) 이 집전체들 (8) 앞에 붙어 배터리 콘택들을 형성한다.
도 7 에 도시된 제 3 변형예에서는, 집전체들 (8) 의 하부 표면 (91) 이 구조화될 수 있다. 사실상, 전기화학적 디바이스 (1) 가 굽혀질 수 있기 때문에, 캐소드 (2) 또는 애노드 (4) 를 형성하는 전해질과 집전체 (8) 사이에 전단력들이 나타날 수도 있다. 이 전단력들이 너무 높은 경우에는, 배터리 (1) 가 박리되기 쉽다.
각각의 집전체 (8) 의 하부 표면 (91) 을 구조화하여 캐소드 (2) 또는 애노드 (4) 를 형성하는 전해질과 집전체 (8) 사이의 마찰력들을 증가시킨다. 결과적으로, 트위스트 동안, 구조체들에 의해 제공되는 부가적인 접착력이 박리의 한계를 뒤로 미룬다.
이 접착을 효율적이게 하기 위해서는, 접착이 개선되도록 구조체들 (93) 이 배열되어야 한다. 직사각형 필름 형태의 전기화학적 디바이스 (1) 를 예로 들자. 전기화학적 디바이스 (1) 의 폭에 평행한 축을 따라 굽히는 경우, 구조체들은 동일한 방향으로, 즉, 배터리 (1) 의 폭과 평행하게 배열되어야 한다. 반대로, 전기화학적 디바이스 (1) 의 길이에 평행한 축을 따라 굽히는 경우에는, 구조체들 (93) 은 동일한 방향으로, 즉, 전기화학적 디바이스 (1) 의 길이와 평행하게 배열되어야 한다.
그럼에도 불구하고, 각각의 집전체 (8) 의 하부 표면들 (91) 은 길이로 그리고 폭으로 구조화될 수 있다. 이 배열은 배터리 (1) 가 길이로 또는 폭으로 굽어지게 할 수 있다.
이 구조체들 (93) 을 제조하는 여러 방법들을 이용하는 것이 가능하다. 제 1 의 해결책은 집전체 (8) 의 제작 동안 곧바로, 즉, 도 8 에 도시된 바와 같은 용융 방사 단계 동안 곧바로 구조체들을 제조하는 것에 있다. 이를 달성하기 위해서는, 용융된 금속이 전송되어 스트립을 형성하도록 실린더가 곧바로 구조화된다. 실린더 (16) 가 그 표면에, 집전체 (8) 상에 형성되어야 하는 구조체들 (93) 의 네거티브 다이 (17) 를 갖는 것이 분명하다. 결과적으로, 이 용융 방사 단계 동안, 액체 금속은 실린더 (16) 의 네거티브 형상을 이용하여 지체없이 비정질 형태로 고형화된다.
다른 해결책은 가열 작업 원리를 이용하는 것에 있다. 이 방법은 2개의 다이들 사이에 집전체 (8) 를 배치하고, 그것을 완전히 또는 부분적으로 비정질인 구조체를 보존하기 위한 결정된 시간 동안 가압하면서 유리질 전이 온도 (Tg) 와 결정화 온도 (Tx) 사의 온도 범위 내에서 가열하는 것에 있다. 이것은 비정질 금속들의 특징적인 탄성 성질들을 유지하기 위한 목적으로 실행된다. 일단 가압이 마무리되면, 집전체 (8) 는 비정질 상태를 유지시키기 위해서 급속 냉각된다. 이 형상화 방법은, Tg 와 Tx 사이에서 합금의 점도가 크게 저하되고, 이에 따라 합금이 그 비정질 상태를 잃지 않고 다이들의 모든 디테일들에 매칭되기 때문에, 미세한 기하학 구조들을 매우 정밀하게 재현할 수 있다.
이 구조체들 (93) 을 형성하기 위해서는, 구조화되어 있는 캐소드 지지체를 선택함으로써, 전기분해에 의한 제작 동안 곧바로 집전체 (8) 를 형성하는 것도 가능하다. 전류 증착의 양태들 중 하나는, 이 방법이 본 발명의 요건들에 대해 기재된 것들과 같은 복잡한 양태들을 포함하여, 다양한 표면 양태들을 높은 레벨의 정밀도로 복제할 수 있다는 것이다.
제 4 의 변형예에서는, 미리 굽혀진 박막 배터리 (1) 를 고려하는 것이 가능하다. 이것은, 박막 전기화학적 디바이스 (1) 가 자연적으로 만곡된다는 것을 의미한다. 실제로, 전기화학적 디바이스 (1) 가 시계 팔찌와 같이 비선형적인 곳에 위치되는 것이 가능하거나, 또는 배터리가 의도되는 장치 또는 대상물로의 통합을 위해 폴딩되는 것이 가능하다. 이로써, 전기화학적 디바이스 (1) 가 통합을 보다 간단하게 하는 비선형 형상을 갖는 것이 자연히 이롭다. 이것은 또한 박막 전기화학적 디바이스 (1) 가 탄성적으로 또는 소성적으로 변형되어, 결과적으로 보다 취성적 (brittle) 으로 될 필요가 없다는 것을 의미한다.
이러한 종류의 전기화학적 디바이스 (1) 를 제조하기 위해서 가열 작업 기술이 사용된다. 각각의 집전체 (8) 가 2개의 다이들 사이에 배치된 다음, 유리질 온도 (Tg) 와 결정화 온도 (Tx) 사이에 포함되는 온도로 가열된다. 이로써 비정질 금속의 점도는 그 비정질 특징의 어떠한 손실도 없이 증가한다. 집전체 (8) 는 이후 2개의 다이들에 의해 가압되는데, 2개의 다이들은 다이들 중 하나가 볼록한 프로파일을 갖고 다이들 중 하나가 오목한 프로파일을 갖도록 만곡된 프로파일을 갖는다. 급속 냉각 단계는 비정질 상태를 보존하며 집전체 (8) 를 고형화한다. 물론, 원하는 곡률을 얻기 위해서 다이들의 프로파일이 계산된다.
동일한 목적으로, 미리 굽혀진 집전체 (8) 가 원하는 곡률의 엘리먼트를 갖는 캐소드-지지체를 사용함으로써 전기분해에 의한 제조 동안 곧바로 형성될 수 있다.
도 9 에 도시된 제 5 의 변형예에서는, 집전체들 (8) 이 불균일한 변형을 나타낼 수 있다. 이를 달성하기 위해서는, 각각의 집전체 (8) 가 가변하거나 또는 동일하지 않은 두께 (94) 를 갖는다. 실제로, 정의된 응력에 대해서, 집전체 (8) 의 변형은 그 두께에 따라 상이할 것이다. 이로써, 정의된 두께의 집전체 (8) 가 2배 더 두꺼운 집전체 (8) 보다 많이 변형될 것이라는 것이 분명하다. 가변하는 두께 (94) 의 집전체 (8) 를 갖는 것은, 두께가 보다 두꺼운 영역들의 변형이 두께가 보다 얇은 영역들의 변형보다 더 작도록 상기 집전체 (8) 가 구성될 수 있다는 것을 의미한다. 특히, 집전체 (8) 의 주변 영역들 (81) 이 중심 영역 (80) 보다 더 두꺼운 것이 이롭다. 실제로, 중심 영역 (80) 은 일반적으로 최고의 변형을 경험해야 하는 영역이다. 결과적으로, 이 중심 영역 (80) 은 너무 빨리 소성적으로 변형되지 않도록 용이하게 변형될 수 있어야 한다. 반대로, 집전체 (8) 의 에지들 (81) 은 거의 응력을 받지 않으며 거의 변형되지 않는다. 따라서, 에지들의 두께가 상이하며 특히 더 두꺼운 것이 가능하다.
첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 상기에 기재된 본 발명의 여러 실시형태들에 대해서, 당업자들에게 자명한 다양한 변형들 및/또는 개량들 및/또는 조합들이 이루어질 수도 있다는 것이 분명할 것이다.
그러므로, 제 1 의 구성 변형예에서, 집전체들 (8) 은 열간 성형 (hot forming) 에 의해 안착될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 세퍼레이터 (6, 60) 에 의해 서로 분리되는 캐소드 (2, 20) 및 애노드 (4, 40) 를 포함하는 셀로서,
    상기 전기화학적 디바이스는 전해질 (3) 과 2개의 집전체들 (8) 을 더 포함하고, 상기 애노드 및 상기 캐소드가 각각 상기 세퍼레이터와 하나의 집전체 사이에 배열되며,
    상기 2개의 집전체들은 적어도 하나의 금속성 원소를 포함하는 적어도 부분적으로 비정질인 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 집전체들 (8) 은 완전히 비정질인 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 재료는 Ti, Zr, Ni, Cu, Fe, Cr, Mn, V, W, Al 을 포함하는 리스트에 마련된 원소들 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료는 최대 저항률이 10-5 Ohm*m 인 것을 특징으로 하는 셀.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료는 최대 저항률이 10-6 Ohm*m 인 것을 특징으로 하는 셀.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료는 47.5 중량% 구리, 47.5 중량% 지르코늄 및 5 중량% 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체들 (8) 의 두께는 1 ㎛ 와 50 ㎛ 사이에 포함되는 것을 특징으로 하는 셀.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체들 (8) 의 두께는 5 ㎛ 와 25 ㎛ 사이에 포함되는 것을 특징으로 하는 셀.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체들 (8) 의 두께는 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 셀.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 집전체들 (8) 의 에지들 (81) 은 상기 집전체들의 중심 영역 (80) 보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 셀.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 집전체들 (8) 중 적어도 하나는 그 하부 표면 (91) 에 구조체들 (93) 을 갖는 것을 특징으로 하는 셀.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 금속성 원소를 포함하는 상기 적어도 부분적으로 비정질인 재료는 결정질 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체들 (8) 중 적어도 하나는 용융 방사 (melt-spinning) 에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 셀.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 집전체들 (8) 중 적어도 하나는 전기분해 (electrolysis) 에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 셀.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 또는 배터리는 재충전가능한 것을 특징으로 하는 셀.
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