KR20150060849A - 리튬 이온 배터리 - Google Patents

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KR20150060849A
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cathode
anode
core member
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크리스티나 램프-오네러드 마리아
퍼 옌스 오네러드 토드
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클로팀, 엘엘씨
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Publication date
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Abstract

본 발명은 다중-코어 리튬 이온 배터리에 관한 것으로서, 이 배터리는 밀봉된 외장 및 밀봉된 외장 내에 배치된 지지 부재를 포함한다. 지지 부재는 복수의 공동, 및 복수의 공동 내에 배치되는 복수의 리튬 이온 코어 부재를 포함한다. 배터리는 복수의 공동 라이너를 더 포함하고, 각각의 공동 라이너는 상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와, 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 배치된다.

Description

리튬 이온 배터리{LITHIUM ION BATTERY}
관련 출원의 상호 참조
본원은 2012년 10월 11일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/795,150호의 이익을 주장한다. 그러한 이전의 출원서 전체가 참조로서 본원에 포함된다.
본 발명은 리튬 이온 배터리에 관한 것이고, 보다 특히 안전성이 개선되고 제조 비용이 감소된 다중-코어 리튬 이온 배터리에 관한 것이다.
전기 차량 및 전력망(grid) 저장 시스템과 같은 적용예뿐만 아니라, 전기 자전거, 무정전 배터리 시스템 및 납축전지 대체 배터리와 같은 다른 다중-셀 배터리 적용예의 성장으로 인해서, 리튬 이온 배터리와 같은 전기-화학적 파워 셀(power cell)에 대한 수요가 계속해서 증가하고 있다. 높은 에너지 및 파워 밀도가 이러한 적용예에 요구되나, 더 중요하지는 않더라도 유사한 정도로 중요한 것으로서, 넓은 상업적 채택을 가능하게 하기 위한 낮은 제조 비용 및 증가된 안정성의 요건이 있다. 이러한 배터리의 에너지 대 파워 비율을 적용예의 비율에 맞추는 것이 추가로 요구된다.
큰 형태의(format) 적용예인, 전력망 저장 및 전기 차량의 경우에, 직렬 및 병렬 어레이로 연결된 복수의 셀이 요구된다. 셀의 공급자는, 본원에서 각각의 단일 셀에 대해서 10 Ah(암페어 시간) 초과로서 규정되는 대형 셀, 또는 10 Ah 미만으로서 본원에서 규정되는 소형 셀에 초점을 맞춘다. 적층된 또는 라미네이트된(laminated) 전극을 포함하는, 다면적 셀(prismatic cell) 또는 폴리머 셀과 같은 대형 셀이 LG 케미칼, AESC, ATL 및 다른 공급자에 의해서 제조되고 있다. 18650 또는 26650 원통형 셀, 또는 183765 또는 103450 셀과 같은 다면적 셀 및 기타 유사한 크기와 같은 소형 셀이 Sanyo, Panasonic, EoneMoli, Boston-Power, Johnson Controls, Saft, BYD, Gold Peak 및 기타에 의해서 제조되고 있다. 이러한 소형 셀은 종종 장방형(oblong) 또는 원통 형상의 젤리 롤(jelly roll) 구조물을 이용한다. 일부 소형 셀은, 대형 셀과 유사하나 용량이 적은, 적층된 전극을 가지는 폴리머 셀이다.
기존의 소형 및 대향 셀 배터리는 일부 현저한 단점을 가진다. 18650 셀과 같은 소형 셀과 관련하여, 그러한 소형 셀은 외장 또는 '캔(can)'에 의해서 전형적으로 구속되는 단점을 가지고, 이는 용량 유지 수명(cycle life) 및 캘린더 수명(calendar life)에 대한 제한을 유발하는데, 이는 부분적으로 기계적 응력 또는 전해질 고갈(starvation)에 기인한다. 리튬 이온 배터리가 충전됨에 따라, 전극이 팽창한다. 캔으로 인해서, 전극의 젤리 롤 구조물이 구속되고 기계적 응력이 젤리 롤 구조물 내에서 발생하고, 이는 용량 유지 수명을 제한한다. 점점 더 큰 저장 용량이 요구됨에 따라, 보다 활성적인 애노드(anode) 및 캐소드(cathode) 재료가 주어진 부피의 캔 내로 삽입되고, 이는 전극 상에서 추가적인 기계적 응력을 초래한다.
또한, 소형 셀 내의 전해질의 양을 증가시킬 수 있는 능력이 제한되고, 리튬이 삽입되고 제거(de-intercalate)됨에 따라, 전극 운동이 전해질을 젤리 롤로부터 외부로 압출시킨다(sqeeze). 이는 전극이 전해질 고갈 상태가 되게 하고, 파워 추출(drain) 중의 리튬 이온의 농도 구배뿐만 아니라, 전극의 건조(dry-out)를 초래하여, 부반응 및 건조 영역을 유발하고, 이는 이온 경로를 차단하여 배터리 수명을 단축시킨다. 특히 수명이 긴 배터리의 경우에는, 이러한 문제를 극복하기 위해서, 사용자는 충전 상태를 낮추는 것, 셀의 가용 용량을 제한하는 것, 또는 충전 레이트(rate)를 낮추는 것에 의한 성능상의 손실을 감수해야만 한다.
기계적 측면에서, 소형 셀은 큰 어레이로 조립하기가 어렵고 비용이 많이 든다. 용접 불량 가능성을 최소화하기 위해서, 복잡한 용접 패턴이 생성되어야 한다. 용접 불량은 낮은 용량 및 불량 용접 연결부에서의 가열 가능성을 초래한다. 어레이 내에 많은 셀이 존재할수록, 불량 위험이 커지고 제조 수득률(yield)이 낮아진다. 이는 높은 생산 비용 및 보증 비용으로 전환된다. 또한, 용접에서의 불량 문제 및 내부 단락(short)뿐만 아니라, 소형 셀의 포장과 관련된 잠재적 안전 문제가 존재한다. 하나의 셀의 불량의 결과로서의 연쇄적인 열 폭주(cascading thermal runaway)를 피하기 위해서, 소형 셀을 적절하게 포장할 것이 요구된다. 그러한 포장은 비용 증가를 초래한다.
대형 셀의 경우에, 단점은 주로 안전성, 낮은 부피 용량 및 중량 용량, 그리고 고비용의 제조 방법에 있다. 큰 면적의 전극을 가지는 대형 셀은 소형 셀에 비해서 낮은 제조 수득률의 문제를 가진다. 만약, 대형 셀 전극에 결함이 있다면, 소형 셀의 제조에 비해서, 보다 많은 재료가 폐기되고 전체적인 수득률이 감소한다. 5 Ah 셀에 대비되는 50 Ah 셀을 예로 든다. 2가지 생산 방법 모두에 대한 결함이 생산된 셀의 모든 50 Ah에서만 발생하는 경우에도, 50 Ah 셀 내의 결함은 5 Ah 셀에 비해서 10배의 재료 손실을 초래한다.
대형 셀에 대한 다른 문제는 안전성이다. 열 폭주로 진행하는 셀 내에서 방출되는 에너지는, 셀 내부에 존재하고 열 폭주 시나리오 중에 접근될 수 있는 전해질의 양에 비례한다. 셀이 클수록, 전극 구조물을 완전히 포화시키기 위해서 전해질이 이용할 수 있는 자유 공간이 커진다. 대형 셀의 경우에 Wh 당(per) 전해질의 양이 전형적으로 소형 셀보다 크기 때문에, 일반적으로, 대형 셀 배터리는 열 폭주 중에 보다 더 강력한 시스템이 되고 그에 따라 덜 안전하다. 당연하게, 임의의 열 폭주가 구체적인 시나리오에 의존할 것이나, 일반적으로, 재난 수준의 이벤트의 경우에 연료(fuel)(전해질)가 많을수록 화재가 더 강력해진다. 또한, 대형 셀이 열 폭주 모드로 일단 진입하면, 셀에 의해서 생성되는 열이 근접한 셀 내에서 열 폭주 반응을 유도하여, 전체 팩을 점화시켜 팩 및 주변 장비를 대량으로 파괴하고 사용자에게 안전하지 못한 환경을 제공하는 연쇄 효과를 유발한다.
소형 셀 및 대형 셀의 서로에 대한 성능 매개변수를 비교할 때, 일반적으로 소형 셀이 대형 셀에 비해서 더 큰 중량 용량(Wh/kg) 및 부피 용량(Wh/L)을 가진다는 것을 발견할 수 있다. 대형 셀에 비해서, 용량 및 임피던스를 위한 비닝(binning) 기술을 이용하여 복수의 소형 셀을 그룹화시키고 그리고 그에 의해서 생산 운전(production run)의 전체 분포를 보다 효과적인 방식으로 정합(matching)시키는 것이 용이하다. 이는 배터리 팩 대량 생산 중에 보다 큰 제조 수득률을 초래한다. 또한, 예를 들어 하나의 셀 내의 내부 단락에 의해서 점화된, 배터리 팩의 연쇄적인 열 폭주 반응(안전 문제에 대해서 당 업계에서 가장 일반적인 문제 중 하나이다)을 제한하는 부피적으로 효율적인 어레이로 소형 셀을 배열하는 것이 보다 용이하다. 또한, 소형 셀을 이용하는 것이 비용적으로 유리한데, 이는 산업계에서 큰 수득률의 생산 방법이 잘 구축되어 있고 불량 비율이 낮기 때문이다. 기계류를 용이하게 입수할 수 있고 제조 시스템에 비용이 들지 않는다.
다른 한편으로, 대형 셀의 장점은, 이용이 더 용이한 일반적인 전기화학적 커넥터를 위한 공간 및 분명하게 더 적은 셀을 종종 가지는 보다 강건한(robust) 큰 형태의 구조물을 활용할 수 있는, 배터리 팩 OEM을 위한 용이한 조립이며, 이는, 이는 복수의 문제를 해결할 필요가 없이 그리고 소형 셀의 어레이를 조립하는 데 있어서 요구되는 노하우를 가지지 않고도, 효과적인 팩 제조를 가능하게 한다.
소형 셀을 이용하는 것의 장점을 이용해, 대형 셀에 비하여, 보다 안전하고 제조 비용이 낮으면서도, 큰 크기의 그리고 큰 파워/에너지 용량을 가지는 배터리를 생성하기 위해서, 다중-코어(MC) 셀 구조물 내의 소형 셀의 조립체가 개발되었다.
BYD Company Ltd.에 의해서 개발된, 하나의 그러한 MC 셀 구조물은 금속(알루미늄, 구리 합금 또는 니켈 크롬)으로 제조된 하나의 컨테이너 내로 통합된 MC의 어레이를 이용한다. 이러한 어레이는 다음과 같은 서류에 기재되어 있다: EP 1952475 AO호; WO 2007/053990호; US 2009/0142658 Al호; CN 1964126A호. BYD 구조물은 MC를 둘러싸는 금속 재료만을 가지고, 그에 따라, 날카로운 물체가 코어 내로 침입하여 국지적인 단락을 유발하는 기계적인 충격 중에 단점을 가진다. 전해질이 코어들 사이에서 공유되는 공통 컨테이너 내에(개별 캔 내에 있는 것이 아님) 모든 코어가 있기 때문에, 제조 결함 또는 외부 가혹 조건(abuse)으로부터의 임의의 개별적인 불량이 다른 코어로 전파되는 것 및 MC 구조물의 파괴가 발생하기 쉽다. 그러한 셀은 안전하지 않다.
복수의 전기화학적 셀의 조립체 내의 열 폭주를 방지하기 위한 방법이 US 2012/0003508 A1호에 기재되어 있다. 이러한 특허 출원에 기재된 MC 구조물에서, 개별적인 셀이 병렬로 또는 직렬로 연결되고, 각각의 셀은 그 자체의 캔 내에 수용된 젤리 롤 구조물을 가진다. 이어서, 이러한 개별적인 셀은, 화재 지연 첨가제를 포함하는, 강성 폼(rigid foam)으로 충진된 컨테이너 내로 삽입된다. 이러한 안전 수단은, 부분적으로 경감(mitigating) 재료의 과다한 비용으로 인해서, 생산에 고비용이 들고 에너지 밀도를 제한한다.
다른 MC 구조물이 특허출원 US 2010/0190081 Al호 및 WO 2007/145441 Al호에 기재되어 있고, 그러한 특허출원은 단일 배터리에 의해서 둘 이상의 전압을 제공하는 복수의 셀을 가지는 둘 이상의 적층된-유형의 이차적인 배터리의 이용을 개시한다. 이러한 배열체(arrangement)에서, 단일 셀들이 외장 내에서 직렬로 연결되고 분리부를 이용한다. 직렬 요소들은 더 높은 전압의 셀만을 생성하나, 규칙적으로 적층된-유형의 단일 전압 셀에 대비하여, 어떠한 안전 문제 및 비용 문제도 해결하지 못한다.
이러한 MC 유형의 배터리는 대형 셀 배터리보다 우수한 특정 장점을 제공하나; 그러한 MC 유형의 배터리는 안전 및 비용 측면에서 특정의 단점을 여전히 가진다.
본 발명은, 배터리의 어레이의 용이한 조립 및 파워 대 에너지 비율을 맞출 수 있는 능력과 같은 대형 배터리의 장점을 제공하면서도, 제조 비용이 감소하고 안전성이 개선된 신규한 유형의 MC 리튬 이온 배터리 구조물을 제공한다.
지지 부재가 내부에 배치된 밀봉된 외장을 가지는 다중-코어 리튬 이온 배터리를 설명한다. 지지 부재는 복수의 공동, 및 복수의 공동 중 상응하는 하나의 공동 내에 배치되는 복수의 리튬 이온 코어 부재를 포함한다. 복수의 공동 라이너(cavity liner)가 존재하고, 각각의 공동 라이너는 상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와, 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 배치된다. 지지 부재는 운동 에너지 흡수 재료를 포함하고, 운동 에너지 흡수 재료는 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성된다. 공동 라이너가 플라스틱 재료로 형성되고, 복수의 공동 라이너가 단일체형(monolithic) 라이너 부재의 일부로서 형성된다. 코어의 각각의 내부에 수용되는 전해질이 추가로 포함되고, 전해질은 내연제, 가스 발생제 및 산화환원 셔틀(redox shuttle) 중에 적어도 하나를 포함한다. 각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리부를 포함한다. 상기 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하는 상기 외장 내의 전기 커넥터가 추가로 포함된다. 전기 커넥터는 2개의 버스 바아(bus bar)를 포함하고, 제1 버스 바아는 상기 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양의(positive) 단자 부재에 상호 연결하고, 제2 버스 바아는 상기 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음의 단자 부재에 상호 연결한다.
발명의 다른 양태에서, 코어 부재가 병렬로 연결되거나 코어 부재가 직렬로 연결된다. 대안적으로, 코어 부재의 제1 세트가 병렬로 연결되고 코어 부재의 제2 세트가 병렬로 연결되고, 코어 부재의 제1 세트가 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결된다. 지지 부재는 벌집 구조물의 형태이다. 운동 에너지 흡수 재료는 압축가능 매체를 포함한다. 외장은 압축가능 요소를 가지는 벽을 포함하고, 그러한 압축가능 요소는, 벽에 충격을 가하는 힘으로 인해서 압축될 때, 리튬 이온 배터리의 전기적 단락 회로를 생성한다. 지지 부재 내의 공동 및 공동의 상응하는 코어 부재가 원통형 형상, 긴 형태의 형상 및 다면적 형상 중 하나이다. 공동 중 적어도 하나 및 공동의 상응하는 코어 부재가 다른 공동 및 다른 공동의 상응하는 코어 부재와 상이한 형상을 가진다.
발명의 다른 양태에서, 코어 부재 중 적어도 하나가 큰 파워 특징을 가지고, 코어 부재 중 적어도 하나가 큰 에너지 특징을 가진다. 코어 부재들의 애노드들이 동일한 재료로 형성되고, 코어 부재들의 캐소드들이 동일한 재료로 형성된다. 각각의 분리부 부재는 세라믹 코팅을 포함하고, 각각의 애노드 및 각각의 캐소드가 세라믹 코팅을 포함한다. 코어 재료의 적어도 하나가, 다른 코어 부재의 애노드 및 캐소드의 두께와 상이한 두께의 애노드 및 캐소드 중 하나를 포함한다. 적어도 하나의 캐소드가 재료의 화합물 A 내지 M 그룹으로부터 적어도 2개를 포함한다. 각각의 캐소드는 표면 개질제(modifier)를 포함한다. 각각의 애노드는 Li 금속, 또는 탄소나 그래파이트 중 하나를 포함한다. 각각의 애노드는 Si를 포함한다. 각각의 코어 부재는 롤링된(rolled) 애노드, 캐소드 및 분리부 구조물을 포함하거나, 각각의 코어 부재가 적층형(stacked) 애노드, 캐소드 및 분리부 구조물을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에서, 코어 부재들이 실질적으로 동일한 전기적 용량을 가진다. 적어도 하나의 코어 부재가 다른 코어 부재와 상이한 전기적 용량을 가진다. 적어도 하나의 코어 부재가 파워 저장을 위해서 최적화되고, 적어도 하나의 코어 부재가 에너지 저장을 위해서 최적화된다. 각각의 애노드를 제1 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭이 추가로 포함되고, 각각의 탭은, 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 각각의 상기 탭을 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위한 수단을 포함한다. 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 퓨즈 요소를 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위해서, 제1 버스 바아는 제1 버스 바아에 대한 애노드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함하고, 제2 버스 바아는 제2 버스 바아에 대한 캐소드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함한다. 코어 부재의 각각을 둘러싸는 보호용 슬리브가 추가로 포함되고, 각각의 보호용 슬리브는, 상응하는 코어 부재를 포함하는 공동의 외부에 배치된다.
발명의 또 다른 양태에서, 코어 부재의 전기적 모니터링 및 균형(balacing)을 가능하게 하도록 구성된, 상기 코어 부재와 전기적으로 상호 연결된 감지 와이어가 포함된다. 밀봉된 외장은 화재 지연 부재를 포함하고, 화재 지연 부재는 외장의 외측부에 부착된 화재 지연 메시(mesh) 재료를 포함한다.
다른 실시예에서, 밀봉된 외장을 포함하는 다중-코어 리튬 이온 배터리가 설명된다. 지지 부재가 밀봉된 외장 내에 배치되고, 지지 부재는 복수의 공동을 포함하며, 지지 부재는 운동 에너지 흡수 재료를 포함한다. 복수의 공동 중 상응하는 하나의 공동 내에 배치된, 복수의 리튬 이온 코어 부재가 존재한다. 복수의 공동 라이너가 추가로 포함되고, 각각의 공동 라이너는 리튬 이온 코어 부재 중 상응하는 하나와 공동 중 상응하는 하나의 표면 사이에 배치된다. 공동 라이너는 플라스틱 재료로 형성되고, 복수의 공동 라이너가 단일체형 라이너 부재의 일부로서 형성된다. 운동 에너지 흡수 재료는 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성된다.
발명의 다른 양태에서, 전해질이 코어의 각각의 내부에 수용되고, 전해질은 내연제, 가스 발생제 및 산화환원 셔틀 중 적어도 하나를 포함한다. 각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리부를 포함한다. 상기 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하는 상기 외장 내의 전기 커넥터가 추가로 포함된다. 전기 커넥터는 2개의 버스 바아를 포함하고, 제1 버스 바아는 상기 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양의 단자 부재에 상호 연결하고, 제2 버스 바아는 상기 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음의 단자 부재에 상호 연결한다. 코어 부재가 병렬로 연결된다. 코어 부재가 직렬로 연결된다. 청구항 제51항의 리튬 이온 배터리에서, 코어 부재의 제1 세트가 병렬로 연결되고 코어 부재의 제2 세트가 병렬로 연결되며, 코어 부재의 제1 세트가 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결된다.
다른 양태에서, 지지 부재가 벌집 구조물의 형태이다. 운동 에너지 흡수 재료는 압축가능 매체를 포함한다. 리튬 외장은 압축가능 요소를 가지는 벽을 포함하고, 그러한 압축가능 요소는, 벽에 충격을 가하는 힘으로 인해서 압축될 때, 리튬 이온 배터리의 전기적 단락 회로를 생성한다. 지지 부재 내의 공동 및 그러한 공동의 상응하는 코어 부재가 원통형 형상, 장방형 형상 및 다면적 형상 중 하나이다. 공동 중 적어도 하나 및 공동의 상응하는 코어 부재가 다른 공동 및 다른 공동의 상응하는 코어 부재와 상이한 형상을 가진다. 코어 부재 중 적어도 하나가 큰 파워 특징을 가지고, 코어 부재 중 적어도 하나가 큰 에너지 특징을 가진다. 코어 부재들의 애노드들이 동일한 재료로 형성되고, 코어 부재들의 캐소드들이 동일한 재료로 형성된다. 각각의 분리부 부재가 세라믹 코팅을 포함한다. 각각의 애노드 및 각각의 캐소드가 세라믹 코팅을 포함한다. 코어 부재의 적어도 하나가, 다른 코어 부재의 애노드 및 캐소드의 두께와 상이한 두께의 애노드 및 캐소드 중 하나를 포함한다.
또 다른 양태에서, 적어도 하나의 캐소드가 재료의 화합물 A 내지 M 그룹으로부터 적어도 2개를 포함한다. 각각의 캐소드는 표면 개질제를 포함한다. 각각의 애노드는 Li 금속, 탄소, 그래파이트, 또는 Si를 포함한다. 각각의 코어 부재는 롤링된 애노드, 캐소드 및 분리부 구조물을 포함한다. 각각의 코어 부재가 적층형 애노드, 캐소드 및 분리부 구조물을 포함한다. 코어 부재들이 실질적으로 동일한 전기적 용량을 가진다. 적어도 하나의 코어 부재가 다른 코어 부재와 상이한 전기적 용량을 가진다. 적어도 하나의 코어 부재가 파워 저장을 위해서 최적화되고, 적어도 하나의 코어 부재가 에너지 저장을 위해서 최적화된다.
발명의 다른 양태에서, 각각의 애노드를 제1 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭이 추가로 포함되고, 각각의 탭은, 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 각각의 상기 탭을 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위한 수단을 포함한다. 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 퓨즈 요소를 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위해서, 제1 버스 바아는 제1 버스 바아에 대한 애노드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소 및 제2 버스 바아에 대한 캐소드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함한다. 코어 부재의 각각을 둘러싸는 보호용 슬리브가 추가로 포함되고, 각각의 보호용 슬리브는, 상응하는 코어 부재를 포함하는 공동의 외부에 배치된다.
발명의 다른 실시예에서, 코어 부재의 전기적 모니터링 및 균형을 가능하게 하도록 구성된, 상기 코어 부재와 전기적으로 상호 연결된 감지 와이어가 존재한다. 밀봉된 외장은 화재 지연 부재를 포함하고, 화재 지연 부재는 외장의 외측부에 부착된 화재 지연 메시 재료를 포함한다.
다른 실시예에서, 외장 내부의 리튬 이온 셀 영역 및 공유형 대기(atmosphere) 영역과 함께, 밀봉된 외장을 포함하는 다중-코어 리튬 이온 배터리가 설명된다. 지지 부재가 밀봉된 외장의 리튬 이온 셀 영역 내에 배치되고, 지지 부재는 복수의 공동을 포함하며, 각각의 공동은 공유형 대기 영역에 대해서 개방된 단부를 가진다. 복수의 리튬 이온 코어 부재가 존재하고, 각각의 리튬 이온 코어 부재는 복수의 공동 중 상응하는 하나 내에 배치된 애노드 및 캐소드를 구비하고, 상기 애노드 및 캐소드는 공동의 개방 단부에 의해서 공유형 대기 영역으로 노출되고, 상기 애노드 및 상기 캐소드는 그들의 길이를 따라서 상기 공동에 의해서 실질적으로 둘러싸인다. 지지 부재는 운동 에너지 흡수 재료를 포함한다. 운동 에너지 흡수 재료는 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성된다.
다른 양태에서, 복수의 공동 라이너가 존재하고, 각각의 공동 라이너는 리튬 이온 코어 부재 중 상응하는 하나와 공동 중 상응하는 하나의 표면 사이에 배치되고, 공동 라이너는 플라스틱 재료로 형성된다. 복수의 공동 라이너가 단일체형 라이너 부재의 일부로서 형성된다. 전해질이 코어의 각각의 내부에 수용되고, 전해질은 내연제, 가스 발생제 및 산화환원 셔틀 중 적어도 하나를 포함한다. 각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리부를 포함한다. 상기 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하는 전기 커넥터가 상기 외장 내에 존재한다. 전기 커넥터는 2개의 버스 바아를 포함하고, 제1 버스 바아는 상기 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양의 단자 부재에 상호 연결하고, 제2 버스 바아는 상기 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음의 단자 부재에 상호 연결한다.
또 다른 양태에서, 코어 부재가 병렬로 연결되거나 코어 부재가 직렬로 연결된다. 대안적으로, 코어 부재의 제1 세트가 병렬로 연결되고 코어 부재의 제2 세트가 병렬로 연결되며, 코어 부재의 제1 세트가 상기 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결된다.
다른 실시예에서, 리튬 이온 배터리가 설명되고, 밀봉된 외장 및 밀봉된 외장 내에 배치되는 적어도 하나의 리튬 이온 코어 부재를 포함한다. 리튬 이온 코어 부재는 애노드 및 캐소드를 구비하고, 캐소드는 화합물 A 내지 M의 그룹으로부터 선택된 적어도 2개의 화합물을 포함한다. 하나의 리튬 이온 코어 부재만이 존재한다. 밀봉된 외장이 폴리머 백이거나, 밀봉된 외장이 금속 캐니스터(canister)이다. 각각의 캐소드는 화합물 B, C, D, E, F, G, L 및 M의 그룹으로부터 선택된 적어도 2개의 화합물을 포함하고, 표면 개질제를 더 포함한다. 각각의 캐소드는 화합물 B, D, F, G 및 L의 그룹으로부터 선택된 적어도 2개의 화합물을 포함한다. 배터리는 4.2 V보다 더 높은 전압으로 충전된다. 각각의 애노드는 탄소 및 그래파이트 중 하나를 포함한다. 각각의 애노드는 Si를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 밀봉된 외장 및 밀봉된 외장 내에 배치된 적어도 하나의 리튬 이온 코어 부재를 구비하는 리튬 이온 배터리가 설명된다. 리튬 이온 코어 부재는 애노드 및 캐소드를 구비한다. 상기 외장 내의 전기 커넥터가 적어도 하나의 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하고; 전기 커넥터는, 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 상기 전기 커넥터를 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위한 수단을 포함한다. 전기 커넥터는 2개의 버스 바아를 포함하고, 제1 버스 바아는 상기 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양의 단자 부재에 상호 연결하고, 제2 버스 바아는 상기 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음의 단자 부재에 상호 연결한다. 전기 커넥터는 각각의 애노드를 제1 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭을 추가로 포함하고, 각각의 탭은, 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 각각의 상기 탭을 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위한 수단을 포함한다. 전기 커넥터에서, 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 퓨즈 요소를 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위해서, 제1 버스 바아는 제1 버스 바아에 대한 애노드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함하고, 제2 버스 바아는 제2 버스 바아에 대한 캐소드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함한다.
단지 비제한적인 예로서 제시되고 첨부 도면을 참조한, 이하의 설명으로부터 발명을 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 다중 코어, 리튬 이온 배터리의 분해 사시도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 다중 코어, 리튬 이온 배터리의 횡단면도이다.
도 1c는 본 발명에 따른 지지 부재의 예시적인 에너지 흡수 재료의 응력-변형 도표이다.
도 1d는 본 발명에 따른 다중 코어, 리튬 이온 배터리의 다른 실시예의 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 지지 부재 구성의 하향 관찰 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 다중 코어, 리튬 이온 배터리의 다른 실시예의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 혼합된 장방형 공동 및 원통형 공동을 가지는 지지 부재의 다른 실시예의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 다면적인 권취형(wound) 및 적층형 코어 부재의 사시도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 병렬/직렬 연결된 MC 리튬 이온 배터리를 도시한다.
도 6b는 본 발명에 따른 병렬/직렬 연결된 MC 리튬 이온 배터리의 사시도이다.
도 7a는 본 발명에 따른 외장의 계란-상자 형상의 벽의 횡단면도이다.
도 7b는 벽에 기계적인 충격을 가하는 동안의, 본 발명에 따른 외장의 계란-상자 형상의 벽의 횡단면도이다.
도 1a 및 1b에는, 젤리 롤 코어 구조물 및 원통형 형상을 가지는, 리튬 이온 코어 부재(102a 내지 102j)의 다중-코어(MC) 어레이(100)가 도시되어 있다. 여러 가지 형상 및 크기의 이온 코어 부재가 본 발명과 함께 이용될 수 있을 것이고, 특정 형상 및 크기가 이하에서 설명된다. 전기 전도성 탭(104)의 세트가 코어 부재(102a 내지 102j)의 각각의 캐소드에 연결되고, 전기 전도성 탭(106)의 세트가 코어 부재(102a 내지 102j)의 각각의 애노드에 연결된다. 탭(104)은 또한 캐소드 버스 바아(108)에 연결되고, 탭(106)은 애노드 버스 바아(110)에 연결된다. 스폿 용접 또는 레이저 용접 기술을 이용하여, 캐소드 탭(104) 및 애노드 탭(106)을 버스 바아(108, 110)에 용접한다. 버스 바아(108, 110)는, MC 외장(116)의 외부에서, 음의 단자(112) 및 양의 단자(114)에 각각 상호 연결된다. 이러한 구성에서, 모든 이온 코어 부재(102a 내지 102j)가 병렬로 연결되나, 당업자에게 자명한 바와 같이, 이온 코어 부재가 직렬로 연결될 수 있거나 다른 구성으로 연결될 수 있을 것이다.
도 1b에서, MC 외장(116)은 밀폐식으로(hermetically) 밀봉된다. 이온 코어 부재가 적절히 분리되어 수용될 수 있도록, 그에 따라 충전 및 방전 반응 중에 제한된 팽창이 이루어지고 그에 의해서 개별적인 이온 코어 부재의 기계적 상호작용을 방지할 수 있도록, 외장(116)의 부분일 수 있거나 분리된 부분일 수 있는 지지 구조물(120)이 구축된다. 바람직하게, 외장(116)은 플라스틱 또는 세라믹 재료로 제조되나, 금속으로도 제조될 수 있다. 만약 금속이 이용된다면, 노출된 스틸은 바람직하지 않고, 임의의 스틸 컨테이너는 니켈과 같은 불활성 금속으로 코팅될 필요가 있을 것이다. 바람직한 금속은 알루미늄, 니켈, 또는 사용되는 화학물질에 대해서 불활성적인 다른 금속이다. 화학적 및 전기화학적 분위기에 대해서 불활성적이기만 한다면, 많은 유형의 플라스틱 및 세라믹이 이용 가능하다. 플라스틱 및 세라믹의 예로서는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 알루미나, 지르코니아가 있다. 외장(116)은, 화재가 외장의 내부에 도달하는 것을 방지하기 위한 목적으로 외장의 외부에 부착된 화재 지연 메시를 포함할 수 있다.
외장(116) 내에서는, 세라믹, 및 폴리프로필렌, 폴리에틸렌과 같은 플라스틱 또는 알루미늄 폼과 같은 다른 재료로 제조될 수 있는 전기적으로 절연된 지지 부재(120)가 리튬 이온 코어 영역(118) 내에 위치된다. 지지 부재(120)는, 충격이 발생할 때, 손상으로부터 코어 부재를 보호하기 위해서 충분한 변형성/압축성을 가져야 한다. 또한, 배터리의 충전 및 방전 중에 열을 분산시켜 균일한 온도 분포를 생성하는 것에 의해서, 그리고 코어 부재의 열 폭주를 유발하는 내부 단락과 같은 재난 수준의 불량 중에 열을 발산하는 것에 의해서, 적용예에 맞춰 열 전도도를 맞추는 것이 요구된다. 적절한 열 분산 특성은 코어들 사이에서의 연쇄적인 폭주 가능성을 제한할 것이다. 전해질이 코어 부재의 가혹 조건 중에 방출된다면, 지지 부재가 또한 그러한 지지 부재 내에 구속될 수 있는 전해질에 대해서 흡수력을 가질 수 있다.
변형 가능한 그리고 운동 에너지를 흡수하는 지지 부재(120)가 특히 바람직한데, 이는 그러한 지지 부재가 보다 큰 면적에 걸쳐 충격 하중을 분산시켜 각각의 코어 부재(102a 내지 102j)에서의 국지적인 변형의 양을 감소시키고, 그에 의해서 전기 단락 회로의 가능성을 감소시키기 때문이다. 운동 에너지 흡수 재료의 예로서, 알루미늄 폼, 플라스틱 폼, 다공성 세라믹 구조물, 벌집형 구조물, 또는 다른 개방 구조물과 같은 폼, 섬유 충진형 수지 및 페놀계 재료가 있다. 플라스틱 및 수지 재료를 위한 섬유 충진재의 예가 유리 섬유 또는 탄소 섬유일 수 있다. 에너지 흡수제를 포함하는 알루미늄의 예로서, 개방형 또는 폐쇄형 기공을 가지는 알루미늄 폼, 알루미늄 벌집형 구조물 및 AltucoreTM 및 CrashLiteTM 재료와 같은 가공된(engineered) 재료가 있다. 지지 부재가 충격, 충돌 또는 다른 기계적 가혹 조건 중에 붕괴될 때, 내부의 기계적으로 유도되는 단락을 피하기 위해서, 코어가, 가능한 한 많이, 침입으로부터 보호되는 것이 중요하다. 이는 보다 안전한 구조물을 생성한다.
에너지 흡수재는, 반동하지 않고, 장거리에 걸쳐 비교적 일정한 응력으로 압축 또는 편향되는 것에 의해서, 운동역학적 기계적 에너지를 일반적으로 흡수하는 재료의 종류이다. 스프링이 다소 유사한 기능을 하나, 스프링은 반동하고, 그에 따라 스프링은 에너지 흡수재가 아니라 에너지 저장 장치이다. 인가된 응력이 운동 에너지 흡수 재료의 "충돌 정체부(crush plateau)"(도 1c의 '150' 참조)를 일단 초과하면, 에너지 흡수재가 재료의 변형의 약 50% 내지 70%까지 비교적 일정한 응력으로 압축되기 시작할 것이다. 이러한 응력/변형 곡선의 연장된 섹션은 이상적인 에너지 흡수재의 거동을 규정한다. 이러한 구역 내에서, 곡선 아래의 면적은 응력 x 변형의 곱(product), 또는 "일(work)"을 나타낸다. 지지 부재(120)와 같은 유한한 크기의 에너지 흡수재 재료의 실제 블록에서, 이는 이하와 같이 표현될 수 있을 것이다:
힘 x 변위
이하를 이해할 수 있을 것이다:
힘(파운드) x 변위(피트) = 일(피트·파운드)
그리고
일(피트·파운드) = 운동 에너지(피트·파운드)
지지 부재(120)를 압축하기 위해서 수행될 수 있는 일은, 지지 부재(120)에 충격을 가할 수 있는 질량체의 운동 에너지와 등가이다. 적절한 두께 및 압축 강도로 설계되었을 때, 당업자에게 자명한 바와 같이, 운동 에너지 흡수 재료로 제조될 수 있는 지지 부재(120)가, 예를 들어 전기 차량의 충돌에서, 배터리에 가해지는 충격의 운동 에너지 모두를 흡수할 수 있을 것이다. 보다 중요하게, 지지 부재(120) 내의 화물 즉, 리튬 이온 코어 부재(102a 내지 102j)가 재료의 충돌 강도(이하에서 규정됨) 보다 더 큰 힘을 받지 않을 것이다. 그에 따라, 일정한 힘으로 제어된 거리에 걸쳐서 충격을 가하는 질량체의 에너지를 흡수하는 것에 의해서, 질량체가 구조물에 직접적으로 충격을 가하는 경우에 발생하여 재난적인 결과를 초래할 수 있는 집중된 큰 에너지/큰 힘 충격을 피보호 구조물, 즉 리튬 이온 코어 부재(102a 내지 102j)가 견뎌야 할 필요가 없다.
하중이 에너지 흡수 재료로 제조된 구조물로 인가될 때, 그러한 구조물은 영률(Young's modulus) 방정식에 따라서 초기에 탄성적으로 구부러질(yield) 것이다. 그러나 Al 폼의 이러한 특별한 예에서는, 구조물 크기에 따라 변형의 약 4% 내지 6%(도 1c의 '152')에서 구조물이 구부러지기 시작하고 비교적 일정한 응력으로 계속 붕괴될 것이다. 이러한 Al 폼 재료의 경우에, 재료의 초기의 상대적인 밀도에 따라서, 이러한 일정한 붕괴가 변형의 약 50% 내지 70%(도 1c의 '154')까지 진행할 것이다. 그러한 지점에서, 에너지 흡수 재료가 "조밀화(densification)" 국면(phase)으로 진입함에 따라, 응력/변형 곡선이 상승하기 시작할 것이다. 재료가 탄성적 변형 국면으로부터 소성적 변형 국면으로 전이되는 응력/변형 곡선 내의 지점이 재료의 "충돌 강도"를 규정한다.
4% 내지 6% 전이와 50% 내지 70%의 변형 사이의 곡선의 길고 비교적 편평한 섹션(재료의 가능한 변형 값의 약 45% 내지 65%를 커버한다)은 "충돌 정체부"로 지칭된다. 운동 에너지 흡수 재료의 이러한 특유한 특징으로 인해서, 그러한 재료가 반송되는 화물을 보호하면서 충격을 가하는 질량체의 운동 에너지를 흡수하는 데 있어서 매우 유용하게 된다.
코어 부재를 추가로 보호하기 위해서, 금속, 세라믹 또는 플라스틱으로 제조된 원통형 재료가 코어 부재 주위의 슬리브(121)(도 1a)로서 부가될 수 있을 것이다. 이러한 슬리브는 라이너 재료의 외측에서 개별적인 코어 주위에 직접적으로 부가될 수 있거나, 지지 부재 내에서 공동 구조물의 내부에 도포될 수 있을 것이다. 이는 날카로운 물체가 코어를 침입하는 것을 방지한다. 비록 하나의 슬리브 만이 도면에 도시되어 있지만, 각각의 코어 부재마다 슬리브가 포함될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
대안적으로는, 지지 부재(120)가 충진 재료(162)를 포함하는, 도 1d에 도시된 바와 같은 개방 영역(160)과 함께 설계될 수 있을 것이다. 충진 재료의 예로서, 중공형이거나 조밀할 수 있는 불규칙적으로 또는 규칙적으로 성형된 매체가 있다. 중공형 매체의 예로서, 다양한 압력에서 압축 가능하게 제조될 수 있고 충돌 보호를 위한 에너지 흡수제로서 기능을 하기 위한 목적을 가지는, 금속, 세라믹 또는 플라스틱 구체(sphere)가 있다. 구체적인 예로서, 알루미늄 중공형 구체, 알루미나 또는 지르코니아의 세라믹 연마(grinding) 매체 및 폴리머 중공형 구체가 있다.
하나의 코어가 가혹 조건 중에 열 폭주를 경험하는 경우에, 지지 부재(120)가 또한 지지 부재 전체를 통해서 열을 신속하게 전달하도록 그리고 배터리 전체를 통해서 열을 균일하게 분산시키도록 또는 코어들 사이의 열 노출을 제한하도록 최적화될 수 있을 것이다. 보다 향상된 안전성 이외에도, 이는, 최대 동작 온도를 제한하는 것에 의해서 배터리 수명을 연장시킬 것이고 배터리의 열 관리를 할 필요가 없게 하거나 소극적인 열 관리를 가능하게 할 것이다. 가장 중요하게, 지지 부재(120)의 열적 특징은 불량 코어 부재로부터 다른 코어 부재로 불량이 전파되는 것을 방지하는데 도움이 되는데, 이는 재료의 최적화된 열 전달 특성 및 불꽃 전파를 방해할 수 있는 능력 때문이다. 재료가 또한 흡수성을 가지기 때문에, 누출되는 전해질을 재료 내로 흡수할 수 있고, 이는 재난적인 불량의 심각성을 감소시키는데 도움을 줄 수 있다.
지지 부재(120)는, a) 안전성 및 높은 에너지 밀도 모두를 위해서 배터리를 최적화하기 위한 이온 코어 부재(102a 내지 102j)의 분포를 허용하는 것에 의해서, b) 냉각을 허용하는 동시에, 이온 코어 부재(102a 내지 102j)의 급속한 열 전파를 방해하는 것에 의해서, c) 이온 코어 부재(102a 내지 102j) 및 반응성 화학물질을 위한 보호용 충돌 및 충격 흡수 구조물을 제공하는 것에 의해서, 그리고 d) 불꽃 억제를 통한 널리 인지된 내화 재료의 이용에 의해서, MC 배터리의 전체적인 안전성을 증가시킨다.
각 공동마다 하나의 코어씩, 리튬 이온 코어 부재(102a 내지 102i)를 수용하기 위해서, 원통형 공동(122)이 지지 부재(120) 내에 형성된다. 이러한 구성에서, 원통형 공동(122)은, 리튬 이온 코어 부재(102)의 직경보다 약간 더 큰 직경을 가지는 개구부(126)를 구비한다. 개구부(126)는 외장(116) 내의 공유형 대기 영역(128)과 대면하고 그러한 공유형 대기 영역에 대해서 노출된다. (활성 코어 부재들 사이의 밀봉을 밀폐식으로 제공하는 캔 또는 폴리머 백과 같은) 개별적인 보다 작은 외장을 구비하지 않고, 코어 부재의 애노드/캐소드가 또한 공유형 대기 영역(128)에 직접적으로 노출된다. 캔형 코어 부재의 배제가 제조 비용을 절감할 뿐만 아니라, 안전성을 또한 증가시킨다. 코어 부재의 불량 및 결과적인 화재의 경우에, 방출되는 가스가 공유형 분위기 영역(128)을 점유할 수 있고, 이는 전형적인 개별적 '캔형(canned)' 코어 부재에서 이용 가능한 것보다 상당히 더 큰 부피를 제공한다. 캔형 코어 부재 압력이 축적되면, 가스가 점유할 수 있는 보다 큰 부피를 제공하고 그에 따라 압력 축적 감소를 제공하는 본 발명보다 폭발 가능성이 더 커지게 된다. 또한, 전형적으로, 캔은 본 발명의 구조물보다 상당히 더 높은 압력에서 파단되고, 그에 따라 본 발명에서보다 더 온화한(milder) 불량 모드를 초래한다.
지지 부재(120)와 리튬 이온 코어 부재(102a 내지 102i) 사이에 배치되는 얇은 공동 라이너(124)가 각각의 공동(122) 내에 배치된다. 전형적으로, 모든 공동 라이너(이러한 경우에, 공동의 수에 상응하는 10개)가 단일체형 공동 라이너 부재(124')의 일부로서 형성된다. 바람직하게, 라이너는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 전해질에 대해서 화학적으로 불활성인 임의의 다른 플라스틱으로 제조된다. 라이너는 또한 세라믹 또는 금속 재료로 제조되나, 이들은 더 고가이고 바람직하지 않다. 그러나 지지 부재가 전기적으로 전도성인 경우에, 코어 부재를 지지 부재로부터 전기적으로 절연시키기 위해서, 라이너가 반드시 전기적으로 절연되어야 한다. 공동 라이너는 여러 가지 이유로 중요하다. 첫 번째로, 공동 라이너는 수분 및 전해질 불투과성이다. 두 번째로, 공동 라이너는 화재를 급히 소화할 수 있는 내연제를 포함할 수 있고, 세 번째로, 공동 라이너는 용이하게 밀봉 가능한 플라스틱 재료가 전해질을 밀폐형 밀봉체 내에 수용할 수 있게 한다.
제조 중에, 공동들(122)이 전해질로 동시적으로 충진될 수 있고 이어서 연속되는 제조 공정 중에 용량에 맞춰 동시적으로 형성되고 분류될(graded) 수 있다. 형성 공정은 셀을 일정 전압으로, 전형적으로 4.2 V로 충진하는 것 그리고 이어서 셀을 이러한 전위에서 12시간 내지 48시간 동안 유지시키는 것으로 이루어진다. 용량 분류는 충전/방전 공정 중에 이루어지고, 여기에서 셀은 2.5 V와 같은 낮은 전압까지 완전히 방전되고, 이어서 가장 높은 전압까지, 전형적으로 4.2 V 내지 4.5 V까지 충전되고, 후속하여 다시 방전되고, 그러한 방전 중에 용량이 기록된다. 충전/방전 공정에서의 비효율성으로 인해서, 정확한 용량 분류를 획득하기 위해서 복수의 충전/방전 사이클이 요구될 수 있을 것이다.
공동 라이너는 각각의 코어 부재 내로 정확하고 일정한 양의 전해질이 도입될 수 있게 하는데, 이는 공동 라이너가 코어와 꼭 끼워 맞춤(snug fit) 되기 때문이다. 충진을 달성하기 위한 하나의 방식은, 충진될 수 있고 그리고 전해질을 공동 내로 도입하고 처리한 후에 밀봉될 수 있는 외장(116) 내의 관통 홀을 이용하는 것이다. 약 3 Ah 용량을 가지는 젤리 롤 유형의 코어 부재는 밀도 및 주변의 다공성 재료에 따라 약 4 g 내지 8 g의 전해질을 필요로 한다. 전체 젤리 롤이 건조한 지역 없이 롤의 전체를 통해서 균등하게 습윤되도록(wetted), 전해질 충진이 이루어진다. 각각의 코어 부재는 0.5 g 이내의, 그리고 보다 바람직하게는 0.l g 이내의 그리고 보다 더 바람직하게는 0.05 g 이내의 변동(variation)으로, 코어마다 균등한 양의 전해질을 가지는 것이 바람직하다. 변동은 전체 전해질량에 따라 조정되고, 전형적으로 코어마다 총 전해질량의 5% 미만 또는 보다 바람직하게는 1% 미만이다. 조립체를 진공 내에 배치하는 것은 이러한 충진 공정을 돕고, 전극의 완전하고 균등한 습윤에 있어서 중요하다.
코어 부재들(102) 사이의 불량 전파를 경감하는 것과 같은, 전술한 안전성 특징을 여전히 달성하면서도 배터리의 희망 동작 특징을 달성하도록, 지지 부재(120) 내의 공동(122)의 크기, 간격, 형상 및 개수가 조정되고 최적화될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 지지 부재(220a 내지 220h)는, 바람직하게 7개 내지 11개 범위의 상이한 수의 공동을 가질 수 있으며, 또한 지지 부재(220d 및 220h)의 경우에서와 같이 상이한 크기의 공동을 가지는 지지 부재를 포함한, 상이한 구성을 가질 수 있을 것이다. 공동의 수는 항상 2 초과이고 상한선에 대해서는, 지지 부재의 기하 형태 및 젤리 롤 크기를 제외하고, 특별한 제한이 없다. 실용적인 공동의 개수는 전형적으로 2 내지 30이다. 공동은, 지지 부재(220f) 내에서와 같이 균일하게 분포될 수 있거나, 지지 부재(220g)의 경우와 같이 엇갈릴(staggered) 수 있다. 또한, 도 2에는, 도시된 지지 부재(220a 내지 220h)의 각각에 대해서, 공동 직경 및 공동 내로 삽입될 수 있는 코어 부재의 직경이 도시되어 있다. 또한, 각각의 구성에 대한 암페어 시간(Ah)의 용량이 도시되어 있다.
상이하게 성형된 공동 및 코어 부재가 또한 이용될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 지지 부재(320)는, 유사하게 성형된 코어 부재(302)를 수용하기 위해서 장방형 형상을 가지는 공동(322)을 포함한다. 도 4에서, 지지 부재(420)는, 유사하게 성형된 코어 부재(미도시)를 수용하기 위해서 장방형 공동(422) 및 원통형 공동(402)의 혼합을 가진다.
도 5에서, 본 발명에 적합한, 코어 부재(502a)의 다른 형상이 도시되어 있다. 이는 젤리 롤 구조물이나, 전술한 바와 같은 원통형이나 장방형 형상 대신에 다면적 형상을 가질 수 있다. 코어 부재는 애노드(530a), 캐소드(532a) 및 전기 절연성 분리부(534a)를 포함한다. 비록 이전의 도면에 도시되지는 않았지만, 각각의 코어 부재는 애노드와 캐소드 사이에 분리부를 포함한다. 코어 부재(502b)가 또한 다면적 형상이나, 적층형 구조가 이용되고, 애노드(530b), 캐소드(532b) 및 분리부(534b)를 포함한다.
여태까지 코어 부재가 병렬로 전기적으로 연결되어 도시되었지만, 코어 부재가 직렬로 또는 병렬 및 직렬 연결의 조합으로 연결될 수 있을 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 삽입된 젤리 롤 코어 부재(602)와 함께 지지 부재(620)(알루미늄 폼 또는 폴리머 폼으로 제조됨)가 존재한다. 명료함을 위해서, 버스 바아에 연결되는 코어 부재에 대한 탭을 도시하지 않았으나, 그러한 탭이 존재한다. 음의 배터리 단자 커넥터(640)가 저전압 버스 바아(642)에 전기적으로 연결된다. 양의 배터리 단지 커넥터(644)가 고전압 버스 바아(646)에 전기적으로 연결된다. 인접한 블록 버스 바아(648 및 650)는 각각의 코어 부재를 그들의 각각의 행(row) 내에 병렬로 연결한다. 각각의 버스 바아(642, 644, 648 및 650)는, 도시되지 않은, 코어 부재의 반대 측부(side) 상의 상보적인 버스 바아를 가진다. 모든 병렬 버스가 3개의 연결 바아(652)를 통해서 직렬로 개별적으로 연결되어, 직렬 전기 경로를 허용한다. 감지 케이블(654a 내지 654e)이 각각의 전기적으로 특유한 지점 상에 배치되어, 직렬 시스템 내의 병렬로 연결된 젤리 롤 전압 지점의 각각에 걸친 전압 레벨의 검출을 허용한다. 이러한 와이어는 또한, 충전 및 방전 동안 동일한 충전 상태에서 코어 부재를 유지하기 위한 균형 전류(balancing current)를 제공하기 위해서 이용될 수 있고, 피드 스루 콘택(feed through contact)(656)으로 연결된다. 셀 균형 시스템의 당업자는, 직렬로 연결된 코어를 가지는 발명의 유닛 내에서의 그러한 연결의 목적을 인식할 수 있을 것이다.
도 6b는, 지지 부재(320)를 수용하는 외장(616)을 도시한다. 외장(616)은, 초음파 용접을 통해서 밀폐식으로 밀봉된 플라스틱 덮개(658) 및 상자(660)로 이루어진다. 덮개(658) 측에 반대되는 외장(616)의 단부에, 피드 스루 감지 콘택(656)이 위치된다. 덮개(658)로부터, 음의 배터리 단자 커넥터(640) 및 양의 배터리 단자 커넥터(644)가 연장된다. 커넥터 감지 콘택의 위치와 관련한 여러 가지 배열체(arrangement)가 당업자에 의해서 달성될 수 있다는 것 그리고 또한 발명의 목적을 위해서 상이한 직렬 또는 병렬 배열체 셀이 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
금속 덮개의 경우에, 레이저 용접과 같은 용접 방법으로 덮개가 폐쇄되고, 플라스틱의 경우에, 접착제(글루; glue)가 이용될 수 있거나, 열 용접 방법 또는 초음파 용접 방법 또는 그들의 임의의 조합이 이용될 수 있다. 이는 적절하게 밀봉된 MC 배터리를 제공한다. 젤리 롤은 외장 내부에서 병렬로 또는 직렬로 연결된다.
모든 피드스루, 감지, 파워, 압력, 등이 밀폐식으로 밀봉될 필요가 있다. 밀폐식 밀봉은 약 1 atm 이상의 내부 압력 및 진공을, 바람직하게는 1.2 atm 초과를 견뎌야 한다. 또한, 밀봉이 허용하는 것보다 낮은 내부 압력으로 세팅된 환기부(vent)가 컨테이너에 수용될 수 있다.
균형 및 감지 능력을 제공하기 위한 다른 방식은, 컨테이너 외부의 커넥터가 개별적인 코어 부재 각각에 연결될 수 있게 하는 개별적인 코어 부재의 양의 단자 및 음의 단자 각각으로부터의 외부 리드(lead)를 제공하는 개별적인 커넥터를 가지는 것이다. 균형 회로는 직렬 셀의 전압의 불균형 또는 충전-상태(state-of-charge)를 검출하고, 당업자에게 공지된 수동적 또는 능동적 균형 수단을 제공할 것이다. 연결 리드는, 배터리로부터 파워를 제공하기 위한 목적으로 셀로부터 전류를 유도하는 수단을 제공하는 단자로부터 분리되고, 전형적으로, 셀이 하나의 컨테이너 내에서 직렬로 연결될 때에만 사용된다. 개별적인 젤리 롤을 통한 파워 전류가 감지 회로를 통해서 흐르는 것을 방지하기 위해서, 감지 리드가 선택적으로 컨테이너 외부에서 퓨즈화될(fused) 수 있다.
외장에 대한 기계적 충격 시에, MC 배터리가 외장의 외부적으로 단락 회로화될(short circuited) 수 있도록, 외장(116, 616)이 계란 상자 형상의 벽(700)(도 7a)으로 구성될 수 있을 것이다. 알루미늄으로 제조된, 벽(700)의 계란 상자 형상의 부분(702)은, 폴리에틸렌 플라스틱으로 제조된 비전도성 재료의 플레이트(704)와 접촉한다(충격 이전). 알루미늄 또는 다른 전도성 재료로 제조된 제2 플레이트(706)가 플라스틱 플레이트(704) 아래에 위치된다. 계란 상자 형상의 재료(702)는 MC 배터리의 음극 또는 양극에 연결되고, 다른 전도성 플레이트(706)가 반대 극에 연결된다. 충돌에서와 같은 충격, 못 침입 또는 비-정상적인 벽에서의 압력시에는, 계란 상자 형상의 벽(702)이 압축되고, 그에 따라 플라스틱 플레이트(704)가 침범되고 콘택 지점(708a 내지 708d)(도 7b) 외부에서 전도성 플레이트(706)와 접촉하여, MC 배터리 내에서 외부 전기 단락 회로를 생성한다.
전형적으로, 개별적인 코어 부재는, 전술한 바와 같이, 내부 버스 바아에 의해서 연결된다. 종종 버스 바아 공통 커넥터가 와이어 또는 플라스틱 코팅형 와이어일 수 있다. 또한, 버스 바아 공통 커넥터가 구리, 알루미늄 또는 니켈과 같은 중실형(solid) 금속일 수 있다. 이러한 버스 바아는 복수의 코어 부재를 직렬로 또는 병렬로 연결하고, 다중-코어 부재 구조물 내에서 커넥터로 전류를 전달할 수 있는 능력을 가지며, 그에 따라 다중-코어 어레이에 대한 외부 연결을 허용한다. 외부 버스 바아의 경우에, 각각의 젤리 롤로부터 외장을 통한 개별적인 피드 스루 커넥터가 필요할 수 있을 것이다.
내부 버스 바아가 이용되건 또는 외부 버스 바아가 이용되건 관계없이, 버스 바아는 코어 부재들 사이에 퓨즈를 제공하도록 구축될 수 있다. 이는, 버스 바아의 횡단면이 특정 전류만을 반송하도록 제한되는 지역을 생성하는 것 또는 코어 부재를 버스 바아에 연결하는 탭의 크기를 제한하는 것에 의한 것을 포함하는, 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 버스 바아 또는 탭이, 하나의 스탬핑 제조된 단편(piece)으로, 또는 다른 금속 형성 기술로, 또는 버스 바아의 구획(division)을 퓨즈 배열체와 연결하는 제2 부분을 이용하는 것에 의해서 구축될 수 있다. 예를 들어, 만약, 10개의 코어 부재의 애노드 탭 및 캐소드 탭이 10 mm2 의 횡단면 표면적을 각각 가지는 버스 바아에 의해서 서로 연결되는, 구리 버스 바아의 2개의 직사각형 횡단면 지역이 이용된다면, 버스 바아 상의 적어도 하나의 지역이 버스 바아의 나머지에 비해서 감소된 표면적을 가지도록 제조될 수 있다. 이는, 퓨즈 작용이 이루어지고 전류 반송 능력이 제한되는 위치를 제공한다. 이러한 퓨즈 지역은, 바람직하게 각각의 코어 부재 사이에서, 그러나 많은 셀의 경우에 가장 효과적으로 중간 지점에서, 버스 바아의 하나 이상의 지점에 위치될 수 있다. 만약 외부 단락이 발생하였다면, 이러한 퓨즈는 코어 부재의 가열을 제한할 것이고 잠재적으로 열 폭주를 방지할 수 있을 것이다. 또한, 제조 결함으로 인한 또는 코어 부재 내로 침입하여 셀에 대한 내부 단락을 유발하는, 못과 같은, 가혹 조건의 이벤트 중의 외부 침입으로 인한, 코어 부재 내의 내부 단락의 경우에, 이러한 퓨즈 배열체는 다른 병렬 코어에 대해 오작동 코어를 차단함으로써, 내부 단락으로 전달되는 전류의 양을 제한할 수 있다.
외장 내부의 공간은, 코어 부재에 대해 덜한 충격이 가해질 수 있게 하는 폼 또는 다른 구조물과 같은 충격 흡수 재료로 충진될 수 있고, 그에 의해서 내부 단락의 위험을 추가로 감소시킨다. 이러한 강건화(ruggedization)는 또한 내부 내용물의 자체-진동 주파수를 외장으로 천이(shifting)시키는 수단을 제공할 수 있고, 그에 따라 증가된 충격 및 진동에 대한 저항력(tolerance) 및 기계적 수명을 제공할 수 있다. 바람직하게, 충진 재료는, 셀의 열 폭주 중에 발생할 수 있는 임의 화재를 소화할 수 있게 하거나, 동일한 열 폭주 중에 용융되어 과다한 열을 흡수하고 셀의 가열을 제한할 수 있게 하는, 화재 지연 재료를 포함하여야 한다. 이는, 재난적인 이벤트의 경우에 증가된 안전성을 제공한다. 화재 지연제의 예는 Hanser Gardner Publications에 의해서 간행된 Polyurethanes Handbook 또는 US 5198473호에 설명된 바와 같은 공개된 공학 관련 문헌 및 편람에서 발견될 수 있다. 폴리우레탄 폼 이외에, 에폭시 폼 또는 유리 섬유 울(glass fiber wool) 및 유사한 비-화학적 또는 전기화학적 활성 재료가 외장 내에 있는 빈 공간 내에서 충진 재료로서 이용될 수 있다. 특히, 플라스틱, 금속 또는 세라믹으로 제조된 중공형 또는 조밀형 구체 또는 불규칙적으로 성형된 미립자가 저비용 충진재로서 이용될 수 있다. 중공형 구체의 경우에, 이들은, 다중 코어 셀의 충돌 시나리오 중에, 부가적인 에너지 흡수 수단을 제공할 것이다. 특별한 경우에, 지지 부재는 알루미늄 폼이다. 다른 특별한 경우에, 지지 부재는 알루미늄 밀도가 10% 내지 25%인 조밀한 알루미늄 폼이다. 또 다른 특별한 경우에, 알루미늄 폼 내의 기공이 1 mm 미만의 평균 직경을 가진다.
MC 배터리가 병렬로 배열된 코어 부재만을 가지는 경우에, 코어 부재는, 파워를 위해서 최적화된 하나 이상의 코어 부재 및 에너지를 위해서 최적화된 하나 이상의 코어 부재를 포함할 수 있을 것이다. 다른 특별한 경우에, MC 배터리는, 특정 재료를 이용하는 애노드 또는 캐소드를 가지는 일부 코어 부재 및 상이한 재료를 이용하는 애노드 및 캐소드를 이용하는 다른 코어 부재를 가질 수 있을 것이다. 또 다른 특별한 경우에, 애노드 또는 캐소드가 상이한 두께의 전극들을 가질 수 있을 것이다. 배터리의 에너지 대 파워 비율을 맞추기 위한 목적으로, 변화되는(varying) 전극 두께, 캐소드 또는 애노드 활성 재료, 또는 전극 구성(formulation)을 가지는 것의 임의의 조합이 병렬 문자열(string)로 조합될 수 있을 것이다. 일부 코어 부재가 빠른 파워 펄스를 견디도록 구성될 수 있을 것인 한편, 다른 코어 부재가 큰 에너지 저장을 위해서 최적화될 수 있을 것이며, 그에 따라 큰 파워 펄스를 취급할 수 있는 한편, 큰 에너지 내용량을 가지질 수 있는 배터리를 제공할 수 있을 것이다. 그러나 선택된 화학물질에 대해서 전압 윈도우(window) 내에서 화학적 안정성을 제공하도록, 코어 부재가 전기화학적으로 정합되는(matched) 화학물질을 가지는 것이 중요하다.
예를 들어, 4.2 V의 상한(upper) 전위가 이용되고 약 2 V 내지 2.5 V의 하한 전위가 이용되기만 한다면, LiCoO2 캐소드는 LiNi0.8Co0 . 15Al0 . 05O2 캐소드와 정합될 수 있으나, 전위가 4.2 V를 초과할 때, 예를 들어 4.3 V가 될 때에 예를 들어 마그네슘 도핑된 LiCoO2 재료는 NCA 재료와 정합되지 않아야 하는데, 그 이유는 NCA 재료가 더 높은 전압에서 열화(degrade) 되기 때문이다. 그러나 후자의 예에서, 상한 전위가 4.2 V로 제한되기만 한다면, 2개의 재료가 혼합될 수 있다. 정확한 전압 범위 내의 혼합된 캐소드 재료를 이용하는 것이 발명의 목적이고, 발명자는 큰 에너지 또는 큰 파워에 특히 유용한 특정 조합을 발견하였으며, 이에 대해서는 추후의 설명에서 구체적으로 설명한다.
파워 및 에너지 최적화는, 전기 전도도 증가를 위해서 많은 정도의 전도성 첨가제를 이용하는 것과 같이 전극의 구성을 조정하는 것에 의해서, 또는 상이한 두께의 전극을 이용하는 것에 의해서 이루어질 수 있다. 부가적으로, 에너지 코어가 하나의 세트의 활성 재료(캐소드 및 애노드)를 가질 수 있고 파워 코어가 다른 유형의 재료를 가질 수 있다. 이러한 방법을 이용할 때, 분해를 방지하기 위해서, 재료가 2.5 V 내지 4.2 V와 같은 또는 큰 전압 조합의 경우에 2.5 V 내지 4.5 V와 같은 정합된 전압 범위를 가지는 것이 바람직하다. 상한 전압은 4.2 V 초과로 특징지어지고, 전형적으로는 Li-이온 다중-코어 배터리 내의 절연된 코어 부재마다 5 V 미만이다.
이하는, 본원 발명과 함께 이용될 수 있는 애노드, 캐소드, 분리부 및 전해질에 관한 설명이다.
애노드
그래파이트, 도핑된 탄소, 경질 탄소(hard carbon), 비정질 탄소, 실리콘(예를 들어, 실리콘 나노 입자 또는 Si 필라(pillar) 또는 탄소를 가지는 분산형 실리콘), 주석, 주석 합금, Cu6Sn5, Li, 금속 호일 기판상으로 증착된 Li, Li를 가지는 Si, 그래파이트 내의 혼합된 Li 금속 분말(mixed in Li metal powder in graphite), 리튬 티타네이트 및 그들의 임의의 혼합물과 같이, 이러한 코어 부재의 애노드는 Li-이온 또는 Li 폴리머 배터리에서 일반적으로 발견되는 것들이고, 문헌에 기재되어 있다. 애노드 공급자에는, 예를 들어, Morgan Carbon, Hitachi Chemical, Nippon Carbon, BTR Energy, JFE Chemical, Shanshan, Taiwan Steel, Osaka Gas, Conoco, FMC Lithium, Mitsubishi Chemical가 포함된다. 본 발명은 임의의 특별한 애노드 화합물로 제한되지 않는다.
캐소드
젤리 롤을 위해서 이용되는 캐소드는 산업계 표준의 캐소드이고, 또한 이하에서 보다 구체적으로 설명되는 일부의 새로운 고전압 혼합물이다. 이러한 새로운 캐소드는 MC 구조물 내에서 또는 단일 셀 배터리 내에서 이용될 수 있고, 애노드/캐소드 구조물은 밀봉된 금속 캐니스터 또는 밀봉된 폴리머 백 내에 수용된다. 산업계에서 입수할 수 있는 캐소드 재료의 풍부함으로 인해서, 본원에서 각각의 재료 그룹과 관련된 재료의 분류를 "화합물"이라 지칭하고; 각각의 화합물은 소정 범위의 조성을 가지고, 결정 구조, 화학적 조성, 전압 범위 적합성, 또는 재료 조성 및 구배(gradient) 변화에서의 유사성을 기초로 그룹화된다. 적합한 개별적인 재료의 예로서는, LixCoO2(화합물 A로 지칭됨), LixMzCowO2(화합물 B로 지칭되고, 여기에서 M 은 Mg, Ti 및 Al로부터 선택되고 결정 격자 내에서 Co 또는 Li를 부분적으로 치환하고 Z=0% 내지 5% 범위로 첨가되고, 전형적으로 W는 1에 근접하고, 4.2 V 초과의 충전에 적합함), LixNiaMnbCocO2(특히 약 a=l/3, b=l/3, c=l/3의 조합(화합물 C) 그리고 a=0.5, b=0.3, c=0.2(화합물 D) 그리고 그 Mg 치환형 화합물(양자 모두 화합물 E로 그룹화됨))가 있다.
다른 예는 LixNidCoeAlfO2(화합물 F) 및 그 Mg 치환형 유도체(substituted derivative) LixMgyNidCoeAlfO2(화합물 G)이고, 특별한 경우에 d=0.8, e=0.15, f=0.05 이나, d, e 및 f는 몇 퍼센트로 변경될 수 있고, y는 0 내지 0.05 사이의 범위를 가진다. 개별적인 캐소드 재료의 또 다른 예는 LixFePO4(화합물 H), LixCoPO4(화합물 I), LixMnPO4(화합물　J) 및 LixMn2O4(화합물 K)이다. 이러한 화합물 모두에서, 과다한 리튬이 전형적으로 발견되나(x>l), X는 약 0.9로부터 1.1까지 변화될 수 있다. 4.2 V 초과로 충전될 때 큰 용량을 가지는, 고전압에 특히 적합한 재료의 분류는, 미국 특허 US 7358009호에 설명된 예를 들어 Thackeray 등의 소위 층상형(layered)-층상형 재료이고 BASF 및 TODA로부터 상업적으로 입수가 가능하다(화합물 L).
Thackeray에 의해서 처음 설명된 화합물은 4.2 V 초과의 전압에서 안정적이 될 수 있다. 이러한 캐소드의 일부는 4.2 V 초과(애노드로서 그래파이트를 이용하는 표준 최고 전압)의 고전압에서 안정적이고, 그러한 재료들이 바람직하게 혼합될 수 있다. 비록 상기 재료 중 하나가 발명에서 이용될 수 있지만, B, C, D, E, F, G I, J 및 L로부터 선택된 재료 화합물 중 둘 이상을 혼합하는 것이 바람직하다. 특히 화합물 B, D, F, G 및 L 중의 둘 이상의 성분의 혼합물이 바람직하다. 매우 높은 에너지 밀도 구성을 위해서, (B 및 L) 또는 (B 및 G) 또는 (G 및 L)의 혼합물이 가장 유리하고, 이들이 얇은 전극으로서 제조될 때, 또한 큰 파워가 달성될 수 있다. 동일한 적합한 전압 범위 및 화학물질을 가지면서도, 에너지 대 파워 비율의 맞추기 위해서 얇은 (파워) 그리고 두꺼운 (에너지) 전극이 코어 부재 내로 도입될 수 있다.
특별한 새로운 캐소드, 소위 코어 쉘 구배(core shell gradient; CSG) 재료(화합물 M으로 지칭됨)는 그 쉘에 비해 그 코어에서 상이한 조성을 가진다. 예를 들어, Ecopro(웹사이트 www.ecopro.co.kr 또는 (http://ecopro.co.kr/xe/?mid=emenu31, 2010년 10월 1일자) 또는 특허 출원 및 등록PCT/KR2007/001729(PCT)(2007), 이는 그들의 제품 문헌에서 그러한 화합물 M 재료를 xLi[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2(l-x)Li[Ni0 . 46Co0 . 23Mn0 . 31]O2와 같은 "CSG 재료"(코어 쉘 구배)로서 설명하고 있고, 다른 M-유형 화합물이 또한 Y-K Sun의 ElectrochimicaActa Vol. 55 Issue 28, 8621 내지 8627 페이지에 설명되어 있고, 그리고 M-유형 화합물에 관한 세 번째 설명은 Nature Materials 8 (2009), 320 내지 324(YK Sun 등의 논문) 페이지에서 찾아 볼 수 있으며, 이는 유사한 조성을 가지나 식이 Bulk=Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1O2, 구배 농도 = Li(Ni0 .8- xCo0 .1+ yMn0 .1+z, 여기에서 0<x<0.34, 0<y<0.13 및 0<z<0.21)인 CSG 재료; 및 표면 층 = Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2를 설명한다. 네 번째 설명은 특허 WO2012/011785A2("785A2" 특허)에서 찾아 볼 수 있고, 이는 Lix1[Ni1 -y1-z1-w1Coy1Mnz1Mw1]O2(여기에서, 상기 식에서, 0.9<xl<1.3, 0.1<yl<0.3, 0.0<zl<0.3, 0<wl<0.1이고, M은 Mg, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Al, Ga, In, Cr, Ge 및 Sn으로부터 선택된 적어도 하나의 금속이다)로서 설명된 화합물 M의 변형예의 제조를 설명하며; 그리고 외부 부분은 Lix2[Ni1 -y2-z2- w2Coy2Mnz2MW2]O2(여기에서, 외부 식(exterior formula)에서, 0.9<x2<l+z2, 0<y2<0.33, 0<z2<0.5, 0<w2<0.1이고, M은 Mg, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Al, Ga, In, Cr, Ge 및 Sn으로부터 선택된 적어도 하나의 금속임)의 화합물을 포함한다. 화합물 M의 변형예의 모든 4개의 범위가, 발명의 여러 가지 양태에서 이용되는 화합물 M에 대한 참조로서 본원에 포함된다.
M 화합물이, 약 1일 수 있으나 몇 퍼센트 이내에서 변화될 수 있는 Li 함량을 더 가질 수 있는 것, 그리고, 최적화에 의해서, Li 또는 Ni/Mn/Co 화합물이 Mg, Al 및 제1 행 전이 금속(first row transition metal)으로 치환될 수 있는 것이 바람직하고, 그리고 Li-이온 배터리에서의 이용을 위해서 전술한 바와 같이 이러한 M 화합물 중 하나 이상을 화합물 B, C, D, E, F, G, L과 혼합하는 것이 바람직하다. 코어 화합물 M 재료가 90%까지의 니켈 및 5% 정도로 낮은 코발트 및 40%까지의 Mn을 포함할 수 있는 가능성이 높고, 구배가 이러한 경계(boundary) 조성물 중 하나로부터 10% Ni, 90% 코발트 및 50% Mn 까지 낮게 진행될 수 있을 것이다.
일반적으로, 애노드 및 캐소드를 위해서 본 발명에서 설명된 화합물 또는 혼합물의 얇은 전극을 이용하는 것에 의해서, 큰 파워가 달성될 수 있다. 두꺼운 전극은, 알루미늄 호일로부터 전극 코팅 층 두께를 측정할 때, 전형적으로 60 ㎛ 초과의 두께로부터 약 200 ㎛까지인 것으로 간주되는 한편, 더 얇은 전극(즉, 60 ㎛ 미만)은 큰 파워 Li-이온 배터리 구성에 더 적합하다. 전형적으로, 큰 파워를 위해서, 보다 많은 카본 블랙 첨가제를 전극 구성에서 이용하여, 전극을 보다 전기 전도적이 되게 한다. 캐소드 화합물이 Umicore, BASF, TODA Kogyo, Ecopro, Nichia, MGL, Shanshan 및 Mitsubishi Chemical과 같은 몇몇 재료 공급자로부터 얻어질 수 있다. 화합물 M은 Ecopro로부터 입수할 수 있고, Ecopro의 제품 문헌에서 CSG 재료(예를 들어, xLi[Ni0 .8Co0 .1Mn0 .1]O2(l-x)Li[Ni0 .46Co0 .23Mn0 .31]O2)로서 설명되어 있고 그리고 다른 M-유형 화합물이 또한 Y-K Sun의 ElectrochimicaActa Vol. 55 Issue 28, 8621 내지 8627 페이지에 기재되어 있으며, 이들 모두는 바람직하게 전술한 바와 같이 화합물과 혼합될 수 있다.
고전압 캐소드 내로 둘 이상의 화합물로서 혼합된 화합물 A-M은, 바람직하게, 표면 개질제로 코팅될 수 있다. 표면 개질제가 이용될 때, 비록 필수적인 것은 아니지만, 각각의 화합물이 동일한 표면 개질제로 코팅되는 것이 바람직하다. 표면 개질제는 캐소드 혼합물의 제1 사이클 효율 및 레이트 능력(rate capability)을 증가시키는데 도움이 된다. 또한, 표면 개질 재료를 도포하는 것으로 유효 수명이 개선된다. 표면 개질제의 예로서는 Al2O3, Nb2O5, ZrO2, ZnO, MgO, TiO2, AlF3와 같은 금속 불화물, 금속 인화물 AlPO4 및 CoPO4가 있다. 그러한 표면 개질 화합물은 이전의 문헌[J. Liu 등의, Materials Chemistry 20 (2010), 3961 내지 3967 페이지의 J.; ST Myung 등의 Chemistry of Materials 17 (2005), 3695 내지 3704 페이지; S.T. Myung 등의 Physical Chemistry C 11-1 (2007), 4061 내지 4067 페이지의 J.; ST Myung 등의 Physical Chemistry C 1-154 (2010), 4710 내지 4718 페이지의 J.; BC Park 등의 Power Sources 178 (2008), 826 내지 831 페이지의 J.; J. Cho 등의 Electrochemical Society 151 (2004), A1707 내지 A1711 페이지의 J.]에 설명되어 있으나, 결코 4.2 V 초과의 전압에서 혼합된 캐소드와 함께 보고되어 있지는 않다. 특히, 4.2 V 초과에서 동작하기 위해서는 표면 개질된 화합물 B, C, D, E, F, G, L 및 M을 혼합하는 것이 유리하다.
캐소드 재료는 결합제 및 켓젠 블랙(ketjen black)과 같은 카본 블랙, 또는 다른 전도성 첨가제와 혼합된다. NMP는 전형적으로 결합제를 용해시키기 위해서 이용되고, PVDF는 Li-이온을 위한 바람직한 결합제인 한편, Li 폴리머 유형이 다른 결합제를 가질 수 있다. 캐소드 슬러리가 안정적 점도로 혼합되고 이는 당업계에 잘 알려져 있다. 화합물 A-M 및 전술한 그들의 혼합물은 여기에서 종종 집합적으로 "캐소드 활성 재료"로 지칭된다. 유사하게 애노드 화합물이 애노드 활성 재료로서 지칭된다.
캐소드 전극은, 예를 들어, 전술한 화합물 A-M의 혼합물 또는 개별적인 화합물과 같은 캐소드 화합물을 약 94% 캐소드 활성 재료 및 약 2% 카본 블랙 및 3% PVDF 결합제에서 혼합함으로써 제조될 수 있다. 카본 블랙은, AkzoNobel, Timcal 및 Cabot을 포함하는 복수의 공급자로부터 입수할 수 있는 켓젠 블랙, Super P, 아세틸렌 블랙 및 다른 전도성 첨가제일 수 있다. 슬러리는, 이러한 성분을 NMP 용매와 혼합함으로써 생성되고, 이어서 슬러리는 약 20 마이크로미터 두께의 알루미늄 호일의 양 측면 상으로 코팅되고 약 100℃ 내지 130℃에서 희망 두께 및 면적 중량(area weight)으로 건조된다. 이어서, 이러한 전극은, 롤에 의해서, 희망 두께 및 밀도로 캘린더 가공된다(calendared).
애노드가 유사하게 준비되나, 그래파이트의 경우에, 약 94% 내지 96% 애노드 활성 재료가 전형적으로 이용되는 한편, PVDF 결합제는 4%이다. 종종 SBR 결합제가 CMC와 혼합된 캐소드를 위해서 이용되고, 그러한 유형의 결합제의 경우에, 약 98%의 비교적 많은 양의 애노드 활성 재료가 전형적으로 이용될 수 있다. 애노드의 경우에, 레이트 능력을 증가시키기 위해서 카본 블랙이 종종 이용될 수 있다. 애노드가 약 10 마이크로미터의 구리 호일 상에 코팅된다.
당업자는 기능적인 전극을 위해서 전술한 바와 같은 조성물들을 용이하게 혼합할 수 있을 것이다.
충전 및 방전 중에 전극 팽창을 제한하기 위해서, PE, PP 및 탄소의 섬유 재료가 전극 구성으로 선택적으로 첨가될 수 있다. 다른 팽창 기술은, 전극 구성 내에서 SiO2, TiO2, ZrO2 또는 Al2O3 와 같은 불활성 세라믹 미립자를 이용한다. 일반적으로 캐소드의 밀도는 3 내지 4 g/cm3, 바람직하게 3.6 내지 3.8 g/cm3 이고, 그래파이트 애노드는 1.4 내지 1.9 g/cm3, 바람직하게 1.6 내지 1.8 g/cm3 이며, 이는 프레스 가공에 의해서 달성된다.
분리부
분리부는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 삽입되는 전기적 절연 필름일 필요가 있고, 인장 방향 및 횡 방향으로 큰 강도 및 큰 침입 강도뿐만 아니라, Li 이온에 대해서 큰 투과성을 가져야 한다. 기공 크기는 전형적으로 0.01 내지 1 마이크로미터이고, 두께는 5 마이크로미터 내지 50 마이크로미터이다. 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 PP/PE/PP 구조물과 같은 부직형(non-woven) 폴리올레핀의 시트가 전형적으로 이용된다. 전형적으로 Al2O3로 이루어지는 세라믹이 필름상으로 도포되어, 가열 중의 수축을 개선하고 내부 단락에 대한 보호를 개선할 수 있을 것이다. 또한, 캐소드 또는 애노드가 세라믹으로 유사하게 코팅될 수 있다. 분리부는 Celgard, SK, Ube, Asahi Kasei, Tonen/Exxon 및 WScope를 포함하는 산업계의 복수의 공급자로부터 입수될 수 있다.
전해질
용매 및 염(salt)을 포함하는 전해질이 산업계에서 전형적으로 발견된다. 용매는 전형적으로 DEC(디에틸 카보네이트), EC(에틸렌 카보네이트), EMC(에틸 메틸 카보네이트), PC(프로필렌 카보네이트), DMC(디메틸 카보네이트), 1,3디옥솔란, EA(에틸 아세테이트), 테트라히드로푸란(THF) 중에서 선택된다. 염은 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, 전해질 내에서 이용되는 황 또는 이미드 함유 화합물로서 LiCFSO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(CF3CF2SO2)2, 또는 EC/EMC/DMC(1:1:1 비율) 및 1M LiPF6와 같은 미리 혼합된 전해질을 통해서 SO2를 기포 발생시키는 것(bubbling)에 의한 일반적인 술폰화(plain sulfonation)를 포함하는 황 또는 이미드 함유 화합물 중에서 선택된다. 다른 염은 LiBOB(리튬 비스-옥살라테보레이트), TEATFB(테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트), TEMABF4(트리에틸메틸암모늄테트라플루오로보레이트)이다. BP(비페닐), FEC, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 에틸렌디아민, 헥사포스포릭트리아미드, 황, PS(프로필렌설파이트), ES(에틸렌술파이트), TPP(트리페닐포스페이트), 암모늄 염, 탄소 테트라클로라이드 또는 에틸렌 트리플루오라이드와 같은 할로겐 함유 용매 및 부가적으로 고온 저장 특징을 개선하기 위한 CO2 가스를 포함하는, 효과적인 SEI 형성, 가스 발생, 불꽃 지연 특성 또는 산화환원 셔틀링 능력을 위한 첨가제도 또한 이용될 수 있다. 고체/겔 또는 폴리머 전해질의 경우에는, PVDF, PVDF-HFP, EMITFSI, LiTFSI, PEO, PAN, PMMA, PVC, 이러한 폴리머의 임의의 혼합물이 다른 전해질 성분과 함께 이용되어 겔 전해질을 제공할 수 있다. 전해질 공급자에는 Cheil, Ube, Mitsubishi Chemical, BASF, Tomiyama, Guotsa-Huasong 및 Novolyte이 포함된다.
슈퍼 커패시터(전기화학적 이중 층을 가지는 슈퍼 커패시터) 및 표준형 Li-이온 배터리 모두에 대해서 역할을 하는 전해질이 존재한다. 그러한 전해질의 경우에, 하나 이상의 수퍼커패시터 코어가 하나 이상의 정규의 Li-이온 코어 부재와 외장 내에서 혼합될 수 있고, 그에 따라 수퍼커패시터 성분이 파워 작용물(agent)로서 역할을 하고 Li-이온 코어 부재가 에너지 수확 작용물로서의 역할을 한다.
실시예
이러한 실시예에서, 도 1에 도시된 MC 배터리 구성과 유사한, 그러나 단지 절반의 개수의 코어 부재를 가지는, 2개의 공통 버스 바아(양 및 음)에 병렬로 연결된 원통형 형상의 5개의 젤리 롤 유형 코어 부재의 세트가 제공된다. 음의 커넥터가 젤리 롤의 애노드 호일(구리)로부터 연장되는 탭에 연결되고, 코팅된 그래파이트 전극을 가지며, 젤리 롤의 캐소드 호일(알루미늄)에 대한 양의 커넥터는 화합물 M 및 화합물 F의 혼합된 산화물 전극 구조물을 가진다. 니켈로 제조된 애노드 탭 및 알루미늄으로 제조된 캐소드 탭이 스폿 용접 또는 레이저 용접 기술을 이용하여 버스 바아에 용접된다. 외장 및 지지 부재가 플라스틱 재료(폴리에틸렌)로 제조된다. 이러한 실시예에서, 직경이 18 mm인 원통형 공동 및 약간 더 작은 직경(17.9 mm)의 젤리 롤 코어 부재가 사용되었다. 외장 및 덮개는, 함께 초음파 용접되고 그에 의해서 밀폐식 밀봉을 생성하는 플라스틱 재료로 제조된다.
당업자는, 전술한 바와 같이, 코어 부재의 특성을 선택하고 변경할 수 있고, 큰 에너지 또는 큰 파워 코어를 달성할 수 있다. 이하에 기재된 표1은, 전술한 5개의 코어 부재 실시예의 코어 조성을 변화시키면서 그리고 달성될 수 있는 MC 배터리의 상이한 특성들과 함께, 3개의 실시예를 개략적으로 설명한다.
코어 실시예 1 실시예 2 실시예 3
1 3 Ah, 에너지 코어 M 캐소드 1.5 Ah, 파워 코어 D 캐소드 2.5 Ah, 파워 코어(0.8 F/0.2 D) 캐소드 혼합
2 3 Ah, 에너지 코어 M 캐소드 3.0 Ah, 에너지 코어 D 캐소드 3.0 Ah, 에너지 코어 M 캐소드
3 3 Ah, 에너지 코어 M 캐소드 3.0 Ah, 에너지 코어 D 캐소드 3.0 Ah, 에너지 코어 M 캐소드
4 3 Ah, 에너지 코어 M 캐소드 3.0 Ah, 에너지 코어 D 캐소드 3.0 Ah, 에너지 코어 M 캐소드
5 3 Ah, 에너지 코어 M 캐소드 1.5 Ah, 파워 코어 D 캐소드 3.0 Ah, 에너지 코어 M 캐소드
요약 모든 코어에서 동일한 특성 혼합된 파워 및 에너지 코어, 혼합된 용량, 동일한 전압 혼합된 파워 및 에너지 코어, 혼합된 용량, 혼합된 전압
발명의 사상 또는 본질적인 특징으로부터 벗어나지 않고도, 발명이 다른 구체적인 형태로 구현될 수 있을 것이다. 그에 따라, 본 실시예는 예시적인 것으로 간주되고, 제한적인 것으로 간주되지 않는다.

Claims (107)

  1. 다중-코어 리튬 이온 배터리로서,
    밀봉된 외장;
    밀봉된 외장 내에 배치된 지지 부재로서, 복수의 공동을 포함하는, 지지 부재;
    복수의 공동 중 상응하는 하나의 공동 내에 배치되는 복수의 리튬 이온 코어 부재; 및
    복수의 공동 라이너로서, 각각의 공동 라이너는 상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와, 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 배치되는, 복수의 공동 라이너를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    지지 부재가 운동 에너지 흡수 재료를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    운동 에너지 흡수 재료가 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    공동 라이너가 플라스틱 재료로 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  5. 제4항에 있어서,
    복수의 공동 라이너가 단일체형 라이너 부재의 일부로서 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  6. 제1항에 있어서,
    코어의 각각의 내부에 수용되는 전해질을 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  7. 제6항에 있어서,
    전해질은 내연제, 가스 발생제 및 산화환원 셔틀 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  8. 제1항에 있어서,
    각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리부를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하는 상기 외장 내의 전기 커넥터를 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기 커넥터는 2개의 버스 바아를 포함하고, 제1 버스 바아는 상기 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양의 단자 부재에 상호 연결하고, 제2 버스 바아는 상기 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음의 단자 부재에 상호 연결하는, 리튬 이온 배터리.
  11. 제10항에 있어서,
    코어 부재가 병렬로 연결되는, 리튬 이온 배터리.
  12. 제10항에 있어서,
    코어 부재가 직렬로 연결되는, 리튬 이온 배터리.
  13. 제10항에 있어서,
    코어 부재의 제1 세트가 병렬로 연결되고 코어 부재의 제2 세트가 병렬로 연결되고, 코어 부재의 제1 세트가 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결되는, 리튬 이온 배터리.
  14. 제1항에 있어서,
    지지 부재가 벌집 구조물의 형태인, 리튬 이온 배터리.
  15. 제2항에 있어서,
    운동 에너지 흡수 재료는 압축가능 매체를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  16. 제1항에 있어서,
    외장은 압축가능 요소를 가지는 벽을 포함하고, 그러한 압축가능 요소는, 벽에 충격을 가하는 힘으로 인해서 압축될 때, 리튬 이온 배터리의 전기적 단락 회로를 생성하는, 리튬 이온 배터리.
  17. 제1항에 있어서,
    지지 부재 내의 공동 및 공동의 상응하는 코어 부재가 원통형 형상, 긴 형태의 형상 및 다면적 형상 중 하나인, 리튬 이온 배터리.
  18. 제17항에 있어서,
    공동 중 적어도 하나 및 공동의 상응하는 코어 부재가 다른 공동 및 다른 공동의 상응하는 코어 부재와 상이한 형상을 가지는, 리튬 이온 배터리.
  19. 제1항에 있어서,
    코어 부재 중 적어도 하나가 큰 파워 특징을 가지고, 코어 부재 중 적어도 하나가 큰 에너지 특징을 가지는, 리튬 이온 배터리.
  20. 제8항에 있어서,
    코어 부재들의 애노드들이 동일한 재료로 형성되고, 코어 부재들의 캐소드들이 동일한 재료로 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  21. 제8항에 있어서,
    각각의 분리부 부재가 세라믹 코팅을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  22. 제8항에 있어서,
    각각의 애노드 및 각각의 캐소드가 세라믹 코팅을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  23. 제8항에 있어서,
    코어 재료의 적어도 하나가, 다른 코어 부재의 애노드 및 캐소드의 두께와 상이한 두께의 애노드 및 캐소드 중 하나를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  24. 제8항에 있어서,
    적어도 하나의 캐소드가 재료의 화합물 A 내지 M 그룹으로부터 적어도 2개를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  25. 제8항에 있어서,
    각각의 캐소드가 표면 개질제를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  26. 제8항에 있어서,
    각각의 애노드가 Li 금속을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  27. 제8항에 있어서,
    각각의 애노드가 탄소 및 그래파이트 중 하나를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  28. 제8항에 있어서,
    각각의 애노드가 Si를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  29. 제8항에 있어서,
    각각의 코어 부재가 롤링된 애노드, 캐소드 및 분리부 구조물을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  30. 제8항에 있어서,
    각각의 코어 부재가 적층형 애노드, 캐소드 및 분리부 구조물을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  31. 제1항에 있어서,
    코어 부재들이 실질적으로 동일한 전기적 용량을 가지는, 리튬 이온 배터리.
  32. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 코어 부재가 다른 코어 부재와 상이한 전기적 용량을 가지는, 리튬 이온 배터리.
  33. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 코어 부재가 파워 저장을 위해서 최적화되고, 적어도 하나의 코어 부재가 에너지 저장을 위해서 최적화되는, 리튬 이온 배터리.
  34. 제10항에 있어서,
    각각의 애노드를 제1 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭을 더 포함하고, 각각의 탭은, 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 각각의 상기 탭을 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위한 수단을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  35. 제10항에 있어서,
    미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 퓨즈 요소를 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위해서, 제1 버스 바아는 제1 버스 바아에 대한 애노드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함하고, 제2 버스 바아는 제2 버스 바아에 대한 캐소드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  36. 제1항에 있어서,
    코어 부재 각각을 둘러싸는 보호용 슬리브를 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  37. 제36항에 있어서,
    각각의 보호용 슬리브가, 상응하는 코어 부재를 포함하는 공동의 외부에 배치되는, 리튬 이온 배터리.
  38. 제1항 및 제13항에 있어서,
    코어 부재의 전기적 모니터링 및 균형을 가능하게 하도록 구성된, 상기 코어 부재와 전기적으로 상호 연결된 감지 와이어를 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  39. 제1항에 있어서,
    밀봉된 외장이 화재 지연 부재를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  40. 제39항에 있어서,
    화재 지연 부재는 외장의 외측부에 부착된 화재 지연 메시 재료를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  41. 다중-코어 리튬 이온 배터리로서,
    밀봉된 외장;
    밀봉된 외장 내에 배치되는 지지 부재로서, 지지 부재는 복수의 공동을 포함하며, 지지 부재는 운동 에너지 흡수 재료를 포함하는, 지지 부재; 및
    복수의 공동 중 상응하는 하나의 공동 내에 배치된, 복수의 리튬 이온 코어 부재를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  42. 제41항에 있어서,
    복수의 공동 라이너를 더 포함하고, 각각의 공동 라이너는 상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와, 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 배치되는, 리튬 이온 배터리.
  43. 제42항에 있어서,
    공동 라이너가 플라스틱 재료로 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  44. 제43항에 있어서,
    복수의 공동 라이너가 단일체형 라이너 부재의 일부로서 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  45. 제41항에 있어서,
    운동 에너지 흡수 재료는 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  46. 제41항에 있어서,
    코어의 각각의 내부에 수용된 전해질을 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  47. 제46항에 있어서,
    전해질은 내연제, 가스 발생제 및 산화환원 셔틀 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  48. 제41항에 있어서,
    각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리부를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하는 상기 외장 내의 전기 커넥터를 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  50. 제49항에 있어서,
    전기 커넥터는 2개의 버스 바아를 포함하고, 제1 버스 바아는 상기 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양의 단자 부재에 상호 연결하고, 제2 버스 바아는 상기 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음의 단자 부재에 상호 연결하는, 리튬 이온 배터리.
  51. 제50항에 있어서,
    코어 부재가 병렬로 연결되는, 리튬 이온 배터리.
  52. 제50항에 있어서,
    코어 부재가 직렬로 연결되는, 리튬 이온 배터리.
  53. 제50항에 있어서,
    코어 부재의 제1 세트가 병렬로 연결되고 코어 부재의 제2 세트가 병렬로 연결되며, 코어 부재의 제1 세트가 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결되는, 리튬 이온 배터리.
  54. 제41항에 있어서,
    지지 부재가 벌집 구조물의 형태인, 리튬 이온 배터리.
  55. 제41항에 있어서,
    운동 에너지 흡수 재료가 압축가능 매체를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  56. 제41항에 있어서,
    외장은 압축가능 요소를 가지는 벽을 포함하고, 그러한 압축가능 요소는, 벽에 충격을 가하는 힘으로 인해서 압축될 때, 리튬 이온 배터리의 전기적 단락 회로를 생성하는, 리튬 이온 배터리.
  57. 제41항에 있어서,
    지지 부재 내의 공동 및 그러한 공동의 상응하는 코어 부재가 원통형 형상, 길다란 형상 및 다면적 형상 중 하나인, 리튬 이온 배터리.
  58. 제57항에 있어서,
    공동 중 적어도 하나 및 공동의 상응하는 코어 부재가 다른 공동 및 다른 공동의 상응하는 코어 부재와 상이한 형상을 가지는, 리튬 이온 배터리.
  59. 제41항에 있어서,
    코어 부재 중 적어도 하나가 큰 파워 특징을 가지고, 코어 부재 중 적어도 하나가 큰 에너지 특징을 가지는, 리튬 이온 배터리.
  60. 제48항에 있어서,
    코어 부재들의 애노드들이 동일한 재료로 형성되고, 코어 부재들의 캐소드들이 동일한 재료로 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  61. 제48항에 있어서,
    각각의 분리부 부재가 세라믹 코팅을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  62. 제48항에 있어서,
    각각의 애노드 및 각각의 캐소드가 세라믹 코팅을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  63. 제48항에 있어서,
    코어 부재의 적어도 하나가, 다른 코어 부재의 애노드 및 캐소드의 두께와 상이한 두께의 애노드 및 캐소드 중 하나를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  64. 제48항에 있어서,
    적어도 하나의 캐소드가 재료의 화합물 A 내지 M 그룹으로부터 적어도 2개를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  65. 제48항에 있어서,
    각각의 캐소드가 표면 개질제를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  66. 제48항에 있어서,
    각각의 애노드가 Li 금속을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  67. 제48항에 있어서,
    각각의 애노드가 탄소 및 그래파이트 중 하나를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  68. 제48항에 있어서,
    각각의 애노드가 Si를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  69. 제48항에 있어서,
    각각의 코어 부재는 롤링된 애노드, 캐소드 및 분리부 구조물을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  70. 제48항에 있어서,
    각각의 코어 부재가 적층형 애노드, 캐소드 및 분리부 구조물을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  71. 제41항에 있어서,
    코어 부재들이 실질적으로 동일한 전기적 용량을 가지는, 리튬 이온 배터리.
  72. 제41항에 있어서,
    적어도 하나의 코어 부재가 다른 코어 부재와 상이한 전기적 용량을 가지는, 리튬 이온 배터리.
  73. 제41항에 있어서,
    적어도 하나의 코어 부재가 파워 저장을 위해서 최적화되고, 적어도 하나의 코어 부재가 에너지 저장을 위해서 최적화되는, 리튬 이온 배터리.
  74. 제50항에 있어서,
    각각의 애노드를 제1 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭을 더 포함하고, 각각의 탭은, 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 각각의 상기 탭을 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위한 수단을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  75. 제50항에 있어서,
    미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 퓨즈 요소를 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위해서, 제1 버스 바아는 제1 버스 바아에 대한 애노드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소 및 제2 버스 바아에 대한 캐소드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  76. 제41항에 있어서,
    코어 부재의 각각을 둘러싸는 보호용 슬리브를 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  77. 제76항에 있어서,
    각각의 보호용 슬리브는, 상응하는 코어 부재를 포함하는 공동의 외부에 배치되는, 리튬 이온 배터리.
  78. 제41항 및 제53항에 있어서,
    코어 부재의 전기적 모니터링 및 균형을 가능하게 하도록 구성된, 상기 코어 부재와 전기적으로 상호 연결된 감지 와이어를 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  79. 제41항에 있어서,
    밀봉된 외장이 화재 지연 부재를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  80. 제79항에 있어서,
    화재 지연 부재는 외장의 외측부에 부착된 화재 지연 메시 재료를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  81. 다중-코어 리튬 이온 배터리로서,
    외장 내부에 리튬 이온 셀 영역 및 공유형 대기 영역을 포함하는, 밀봉된 외장;
    밀봉된 외장의 리튬 이온 셀 영역 내에 배치되는 지지 부재로서, 지지 부재가 복수의 공동을 포함하며, 각각의 공동은 공유형 대기 영역에 대해서 개방된 단부를 가지는, 지지 부재; 및
    복수의 리튬 이온 코어 부재로서, 각각의 리튬 이온 코어 부재는 복수의 공동 중 상응하는 하나 내에 배치된 애노드 및 캐소드를 구비하고, 상기 애노드 및 캐소드는 공동의 개방 단부에 의해서 공유형 대기 영역으로 노출되고, 상기 애노드 및 상기 캐소드는 그들의 길이를 따라서 상기 공동에 의해서 실질적으로 둘러싸이는, 복수의 리튬 이온 코어 부재를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  82. 제81항에 있어서,
    지지 부재가 운동 에너지 흡수 재료를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  83. 제81항에 있어서,
    운동 에너지 흡수 재료가 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  84. 제81항에 있어서,
    복수의 공동 라이너를 더 포함하고, 각각의 공동 라이너는 상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와, 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 배치되는, 리튬 이온 배터리.
  85. 제84항에 있어서,
    공동 라이너가 플라스틱 재료로 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  86. 제84항에 있어서,
    복수의 공동 라이너가 단일체형 라이너 부재의 일부로서 형성되는, 리튬 이온 배터리.
  87. 제81항에 있어서,
    코어의 각각의 내부에 수용되는 전해질을 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  88. 제87항에 있어서,
    전해질은 내연제, 가스 발생제 및 산화환원 셔틀 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  89. 제81항에 있어서,
    각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리부를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  90. 제89항에 있어서,
    상기 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하는 전기 커넥터를 상기 외장 내에 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  91. 제90항에 있어서,
    전기 커넥터는 2개의 버스 바아를 포함하고, 제1 버스 바아는 상기 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양의 단자 부재에 상호 연결하고, 제2 버스 바아는 상기 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음의 단자 부재에 상호 연결하는, 리튬 이온 배터리.
  92. 제91항에 있어서,
    코어 부재가 병렬로 연결되는, 리튬 이온 배터리.
  93. 제91항에 있어서,
    코어 부재가 직렬로 연결되는, 리튬 이온 배터리.
  94. 제91항에 있어서,
    코어 부재의 제1 세트가 병렬로 연결되고 코어 부재의 제2 세트가 병렬로 연결되며, 코어 부재의 제1 세트가 상기 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결되는, 리튬 이온 배터리.
  95. 리튬 이온 배터리로서,
    밀봉된 외장; 및
    밀봉된 외장 내에 배치되는 적어도 하나의 리튬 이온 코어 부재로서, 리튬 이온 코어 부재는 애노드 및 캐소드를 구비하고, 캐소드는 화합물 A 내지 M의 그룹으로부터 선택된 적어도 2개의 화합물을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  96. 제95항에 있어서,
    하나의 리튬 이온 코어 부재만이 존재하는, 리튬 이온 배터리.
  97. 제95항에 있어서,
    밀봉된 외장이 폴리머 백인, 리튬 이온 배터리.
  98. 제95항에 있어서,
    밀봉된 외장이 금속 캐니스터인, 리튬 이온 배터리.
  99. 제95항에 있어서,
    각각의 캐소드가 화합물 B, C, D, E, F, G, L 및 M의 그룹으로부터 선택된 적어도 2개의 화합물을 포함하고, 표면 개질제를 더 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  100. 제95항에 있어서,
    각각의 캐소드는 화합물 B, D, F, G 및 L의 그룹으로부터 선택된 적어도 2개의 화합물을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  101. 제95항에 있어서,
    상기 배터리가 4.2 V보다 높은 전압으로 충전되는, 리튬 이온 배터리.
  102. 제95항에 있어서,
    각각의 애노드가 탄소 및 그래파이트 중 하나를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  103. 제95항에 있어서,
    각각의 애노드가 Si를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  104. 리튬 이온 배터리로서,
    밀봉된 외장; 및
    밀봉된 외장 내에 배치된 적어도 하나의 리튬 이온 코어 부재로서, 리튬 이온 코어 부재가 애노드 및 캐소드를 구비하는, 리튬 이온 코어 부재;
    적어도 하나의 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하는, 상기 외장 내의 전기 커넥터로서, 전기 커넥터는, 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 상기 전기 커넥터를 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위한 수단을 포함하는, 전기 커넥터를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  105. 제104항에 있어서,
    전기 커넥터는 2개의 버스 바아를 포함하고, 제1 버스 바아는 상기 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양의 단자 부재에 상호 연결하고, 제2 버스 바아는 상기 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음의 단자 부재에 상호 연결하는, 리튬 이온 배터리.
  106. 제104항에 있어서,
    전기 커넥터는 각각의 애노드를 제1 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 버스 바아에 전기적으로 연결하기 위한 탭을 더 포함하고, 각각의 탭은, 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 각각의 상기 탭을 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위한 수단을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  107. 제104항에 있어서,
    전기 커넥터에서, 미리 결정된 전류가 초과되었을 때, 퓨즈 요소를 통해서 전류가 흐르는 것을 중단시키기 위해서, 제1 버스 바아는 제1 버스 바아에 대한 애노드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함하고, 제2 버스 바아는 제2 버스 바아에 대한 캐소드들 사이의 상호 연결의 지점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함하는, 리튬 이온 배터리.
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