KR20150133270A - 전기화학 전지 - Google Patents

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제리코 린 몰
장-밥티스뜨 르랑
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Abstract

본 발명은 전기화학 전지에 관한 것으로서, 상당한 정도의 기계적 가요성을 특징으로 하고 그리고 반복된 굽힘 및 접힘 작동들을 견딘다. 이러한 기술적 효과들은,
- 전지를 더 얇게 제조함으로써: 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 는 이들의 제 1 접속 섹션 (24) 과 제 2 접속 섹션 (34) 을 개재하여 상호 접속되고, 제 1 접속 섹션 (24) 과 제 2 접속 섹션 (34) 사이의 거리 (d) 는 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 과 제 2 콜렉팅 섹션 (30) 사이의 거리 (D) 의 50% 와 동일하거나 그보다 더 작으며; 그리고
- 전지를 접힘가능하게 제조함으로써: 집전기들 중 적어도 하나는 접힘 구조물 (40, 41, 42, 43) 로서 작용할 수 있는 적어도 하나의 만입부를 포함함으로써, 달성된다.

Description

전기화학 전지 {ELECTROCHEMICAL CELL}
본 발명은, 각각의 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기 접촉하는 제 1 집전기 및 제 2 집전기를 포함하는 전기화학 전지들의 분야에 관한 것이다. 특히, 본원은 큰 정도의 기계적 가요성을 특징으로 하는 박막 배터리들 (thin film batteries) 에 관한 것이다.
다수의 상이한 배터리 종류들 중에서, 소위 박막 배터리들이 존재한다. 이러한 배터리들은 오직 나노미터, 마이크로미터, 또는 밀리미터 범위의 두께를 포함한다. 이러한 배터리들은 비교적 작은 치수들을 나타내고 그리하여 일반적으로 상이한 적용들의 큰 스펙트럼에 적용가능하다. 일반적으로, 이러한 배터리들 또는 전기화학 전지들은 어떠한 임의의 형상으로 형성될 수 있다. 이들은 적층될 수 있고, 평행하게 사용될 수 있으며 그리고 일반적으로 비교적 큰 에너지 밀도를 제공한다.
박막 전기화학 전지들은 또한 특정 기계적 가요성을 제공할 수 있다. 따라서, 이들은 통상적으로 굽힘가능하고 그리고 어떠한 정도로 탄성 변형가능하다.
전기화학 전지들은 통상적으로 애노드, 애노드 집전기, 캐소드, 캐소드 집전기 및 애노드와 캐소드 사이에서 연장되는 분리기를 포함한다. 전기화학 전지는 전해질로 침지되고 그리고 일반적으로 전해질은 액체이기 때문에 기밀한 외부 봉지재 (tight external encapsulation) 내측에 담겨져야 한다. 더욱이, 원하는 기계적 가요성을 제공하기 위해서, 애노드 및 캐소드 집전기들은 대응하는 가요 특성들을 제공해야 한다. 집전기들은 통상적으로 애노드 및 캐소드의 외부 대향 부분들에 배열되기 때문에, 이러한 집전기들은 전기화학 전지가 굽혀지면 특히 기계적 응력을 받을 수 있다.
실제 적용들에서 그리고 특히 다수의 굽힘 또는 접힘 작동들 이후에, 예를 들어 10 mm 의 곡률 반경에 대하여 약 100 또는 500 번의 굽힘 작동들 후에, 종래의 집전기들은 균열 구조물을 나타낼 수 있거나 심지어 적어도 이들의 표면에서 손상된 부분들을 나타내는 경향이 있을 수 있다. 그에 따라, 통상적으로 금속 호일들을 기초로 하여 형성된 이러한 집전기들은, 반복된 굽힘 또는 접힘 작동들에 응하여 열화되고 누수되는 경향이 있다.
막 종류의 배터리와 같이, 얇고 가요적인 전기화학 전지의 다층 구조물은, 상호 접착되거나 상호 접속된 층들 사이의 거리가 오히려 크면 굽힘 또는 접힘에 오히려 민감하다. 예를 들어 도 1 에 도시된 바와 같이 2 개의 중첩 기재들 (1, 2) 이 측방향 에지를 따라서, 예를 들어 특정 두께를 특징으로 하는 접착제 (3) 에 의해서 상호 접착되면, 이 기재들 (1, 2) 을 만곡되거나 굽혀진 형상 (1', 2') 으로 굽힘으로써 접착제 (3') 의 상당한 전단을 유도한다. 예를 들어 전기화학 전지의 실질적으로 중첩 층들을 접착하거나 상호 접속하기 위해, 접착제의 기밀성 및 내구성에 대한 악영향 및 굽힘 유도된 이러한 전단을 저감시키도록, 오히려 가요적인 접착제가 사용되어야 하거나 접착제의 두께를 최소로 저감시켜야 한다.
한편으로는, 오히려 가요성 또는 탄성 변형가능한 접착제들은 충분한 가스 배리어 특성들을 제공하지 못하여, 다층 구조물 또는 각각의 전기화학 전지는 과도하게 조기 노후화 (fast aging) 를 나타낼 수 있다. 다른 한편으로는, 상호 접착될 층들에 대하여 충분한 가스 기밀성을 특징으로 하는 비교적 강성 또는 강직한 접착제를 사용하는 것은, 다층 구조물의 가요성 굽힘이 항상 가능하도록 최대 두께를 초과하지 않아야 한다.
하지만, 배터리 적용시에 애노드 집전기 및 캐소드 집전기들로서 사용되는 2 개의 집전기들을 상호 접착하면, 서로에 대한 이들의 거리가 예를 들어 400 ㎛ 의 미리 결정된 최소 미만으로 저감될 수 없다. 그렇지 않으면, 전기 활성 재료에 대한 저감된 부피로 인해 배터리의 원하는 전기 용량을 달성할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 잘 규정된 큰 정도의 기계적 가요성을 나타내고 그리고 비교적 작은 굽힘 반경으로 반복된 굽힘 또는 접힘 작동들을 견디는 개선된 전기화학 전지를 제공하는 것이다. 추가로, 전기화학 전지의 내부 구조물은 오히려 간단하고, 공간 절약적이어야 하며 그리고 이 전기화학 전지의 제조는 비용 효율적이어야 한다. 더욱이, 전기화학 전지는 다차원 접힘 또는 다차원 가요성을 나타내어야 하고, 즉 전기화학 전지는 적어도 2 개의 상이한 방향들에 대하여 굽힘가능해야 한다.
제 1 양태에 있어서, 제 1 전극과 접촉하는 제 1 콜렉팅 섹션을 가지는 제 1 집전기를 포함하는 전기화학 전지가 제공된다. 제 1 집전기는 제 1 집전기를 제 2 집전기에 기계적으로 접속하기 위한 제 1 접속 섹션을 더 구비한다.
그 결과, 전기화학 전지는, 또한 제 1 집전기와 실질적으로 중첩하고 그리고 제 2 전극과 접촉하는 제 2 콜렉팅 섹션을 가지는 제 2 집전기를 포함한다. 제 2 집전기는 또한 제 2 접속 섹션을 가지고, 제 2 접속 섹션에 의해 제 2 집전기는 제 1 집전기에 기계적으로 접속가능하다.
그 결과, 제 1 집전기와 제 2 집전기는 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션을 개재하여 각각 기계적으로 그리고 상호 접속된다. 통상적으로, 제 1 집전기와 제 2 집전기는, 이들의 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션이 실질적으로 중첩하도록 중첩 방식으로 배열된다. 여기에서, 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리 (d) 는 제 1 집전기와 제 2 집전기의 제 1 콜렉팅 섹션과 제 2 콜렉팅 섹션 사이의 거리 (D) 의 50% 와 동일하거나 그보다 작다.
이러한 배열에 의하여, 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이의 거리는 제 1 집전기와 제 2 집전기의 전체 거리 (D) 와 비교하여 섹션들에서만 저감된다. 제 1 집전기와 제 2 집전기의 전체 거리 (D) 는 통상적으로 형상과 크기에 의해, 특히 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이에 끼워진 제 1 전극과 제 2 전극의 두께에 의해 지배된다. 하지만, 제 1 집전기와 제 2 집전기 사이의 상호 거리는, 이들의 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션의 구역에서, 예를 들어 이들의 외부 에지 또는 프레임 부분을 따라서 제 1 집전기와 제 2 집전기를 상호 접속하거나 접착하기 위해서 비교적 강성이지만 가스 기밀한 접착제를 사용할 수 있도록 저감된다. 가스 기밀한 접착제는 전기 절연성이다.
따라서, 제 1 집전기와 제 2 집전기 중 적어도 하나는 다른 집전기까지의 거리를 저감시키도록 엠보싱되거나 변형된 표면 부분을 포함한다. 이러한 방식으로, 제 1 집전기와 제 2 집전기의 콜렉팅 섹션들 사이의 거리 (D) 는 제 1 집전기와 제 2 집전기의 전기화학적 기능을 위해 합리적인 범위로 유지될 수 있는 반면, 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리 (d) 는, 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이에, 굽힘 또는 접힘 상태에서도 충분한 기밀성을 제공하는 접착 재료를 사용할 수 있도록 저감될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 제 1 집전기와 제 2 집전기 각각의 제 1 콜렉팅 섹션과 제 2 콜렉팅 섹션 중 적어도 하나는 각각의 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션과 일체로 형성된다. 통상적으로, 제 1 콜렉팅 섹션은 제 1 접속 섹션과 일체로 형성될 수 있는 반면, 제 2 콜렉팅 섹션은 제 2 접속 섹션과 일체로 형성될 수 있다. 제 1 콜렉팅 섹션과 제 2 콜렉팅 섹션은 그 후 실질적으로 일정한 거리 (D) 에 위치될 수 있는 반면, 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션은 저감된 거리 (d) 에 배열 및 위치될 수 있다.
제 1 집전기와 제 2 집전기의 콜렉팅 섹션들 뿐만 아니라 제 1 집전기와 제 2 집전기의 접속 섹션들은 실질적으로 평평한 구조물을 포함할 수 있다. 거리 (d 또는 D) 는 통상적으로 제 1 및/또는 제 2 콜렉팅 섹션들 또는 접속 섹션들의 각각의 평평한 구조물 또는 평평한 표면의 평면에 수직하게 연장된다. 다른 통상의 형상들에 있어서, 거리 (d) 는 D 의 30% 와 동일하거나 그 미만이다. 더욱이, 거리 (d) 는 D 의 20% 와 동일하거나 그 미만이다. 또한 거리 (d) 는 D 의 10% 와 동일하거나 그 미만이거나 거리 (d) 는 D 의 5% 와 동일하거나 그 미만이다.
일반적으로 그리고 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리 (d) 를 감소시킴으로써, 각각의 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이에서 연장되는 접착제에 대한 굽힘 유도된 기계적 응력 또는 전단 영향들을 저감시킬 수 있다. 이는, 비교적 강성이거나 강직하지만 가스 기밀하고 액밀한 접착 재료를 사용하도록 해준다.
다른 양태에 따라서, 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리 (d) 는 제 1 및/또는 제 2 집전기들 자체의 두께 범위에 있을 수 있다. 더욱이, 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리 (d) 는 제 1 집전기와 제 2 집전기 중 하나의 두께의 1 ~ 2 배 또는 1 ~ 3 배와 동일할 수 있다.
통상적인 형상에 있어서, 제 1 및/또는 제 2 집전기들은 무정형 금속을 포함할 수 있고, 각각의 집전기들의 두께는 20 ~ 30 ㎛ 범위에 있을 수 있다. 그 후, 제 1 및 제 2 집전기들의 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리 (d) 또는 틈은 10 ~ 60 ㎛ 범위일 수 있다. 거리 (d) 및 그로 인한 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 접착 구조물의 두께는 또한 대략 30 ㎛ 일 수 있다.
다른 실시형태에 따라서, 제 1 집전기와 제 2 집전기 중 적어도 하나는 제 1 또는 제 2 콜렉팅 섹션과 제 1 또는 제 2 접속 섹션 사이에 각각 제 1 또는 제 2 윤곽 섹션 (profiled section) 을 포함한다. 통상적으로, 제 1 집전기에 관하여, 제 1 윤곽 섹션은 제 1 접속 섹션과 제 1 콜렉팅 섹션 사이에 위치된다. 더욱이, 제 1 콜렉팅 섹션은 제 1 윤곽 섹션을 개재하여 제 1 접속 섹션에 병합된다.
제 2 집전기에 제 2 윤곽 섹션이 제공되면, 또한 동일하게 본원에서 유효하다. 그 후, 제 2 콜렉팅 섹션은 제 2 윤곽 섹션을 통하여 제 2 접속 섹션과 상호 접속된다. 또한 여기에서, 제 2 콜렉팅 섹션은 제 2 윤곽 섹션을 개재하여 제 2 접속 섹션에 병합될 수 있다.
윤곽 섹션은 제 1 집전기와 제 2 집전기의 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리를 저감시키도록 단차식 윤곽 (profile) 을 제공할 수 있다.
다른 실시형태에 따라서, 제 1 윤곽 섹션과 제 2 윤곽 섹션 중 적어도 하나는 제 1 또는 제 2 콜렉팅 섹션들 및 제 1 또는 제 2 접속 섹션들 각각과 병합된다. 통상적으로, 제 1 윤곽 섹션은 제 1 콜렉팅 섹션과 병합되고 그리고 제 1 접속 섹션과 반대 방향으로 병합된다. 제 2 집전기에 대해서도 동일하게 유효할 수 있다. 여기에서, 제 2 윤곽 섹션은 제 2 콜렉팅 섹션 그리고 제 2 접속 섹션과 반대 방향으로 병합될 수 있다.
제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션의 구역에서 거리를 저감시키기 위해서, 제 1 집전기와 제 2 집전기 중 하나만이 윤곽 섹션을 포함하는 반면 다른 집전기가 실질적으로 플랫 또는 심지어 형상화될 수 있다면, 일반적으로 충분하다. 하지만, 다른 실시형태들에 있어서, 제 1 집전기과 제 2 집전기 둘 다는 오히려 대칭적인 기하하학적 형상을 제공하도록 또한 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리 (d) 를 필요한 정도로 저감시키도록 상호 대응하는 윤곽 섹션들을 특징으로 하는 것을 상정할 수 있다. 제 1 집전기와 제 2 집전기의 이러한 대칭적인 형상은 집전기들을 가로질러 그리고 그 전체에 걸쳐 기계적 응력을 분배하는 면 및 이들의 상호 접속 면에서 더 유리하다.
다른 실시형태에 따라서, 제 1 윤곽 섹션과 제 2 윤곽 섹션 중 적어도 하나는 편탕화되거나 신장된 Z 형상의 윤곽을 포함한다. 통상적으로, 윤곽 섹션은 램프 부분을 단지 포함할 수 있고, 이 램프 부분에 의해서 실질적으로 평행하게 배향되고 평평한 형상의 접속 및 콜렉팅 섹션들이 상호 병합된다. 그리하여, 콜렉팅 섹션과 접속 섹션은 "Z" 의 상부 및 하부 분기부와 같이 실질적으로 평행하게 배향되는 반면, 그 사이에서 윤곽 섹션은 램프를 형성한다. 여기에서, 그리고 "Z" 의 형상과는 반대로, 윤곽 섹션과 인접하게 위치된 접속 또는 콜렉팅 섹션들 사이의 양측에서의 둘 다의 각들은 90°보다 크다. 평평한 형상의 콜렉팅 섹션의 표면 법선의 면에서, 각각의 콜렉팅 섹션은 반대편에 위치된 집전기 쪽으로 시프트된다. 제 1 집전기의 경우에, 제 1 접속 섹션은 제 1 콜렉팅 섹션의 평면에서부터 제 2 집전기 쪽으로의 방향으로 오프셋된다.
제 1 집전기와 제 2 집전기가 각각의 제 1 윤곽 섹션과 제 2 윤곽 섹션을 특징으로 하는 실시형태들에 있어서, 제 2 집전기에 대하여 또한 동일하게 유효하다.
다른 실시형태를 따르면, 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리 (d) 는 100 ㎛, 80 ㎛ 또는 50 ㎛ 와 동일하거나 그보다 작거나, 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리 (d) 는 50 ㎛ ~ 25 ㎛ 이다. 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 거리를 100 ㎛ 미만의 값들로 저감시킴으로써, 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 사이의 상호 접속 접착제의 전단 영향들은 충분히 저감될 수 있어서, 충분한 밀봉 및 기밀성을 제공하는 접착 재료들을 사용할 수 있도록 해준다.
다른 실시형태에 따라서, 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션은 전기 절연 접착제에 의해 상호 접착되어 전기화학 전지의 외부 에지를 형성한다. 통상적으로, 제 1 집전기와 제 2 집전기의 주변 에지는, 전기화학적으로 활성인 제 1 콜렉팅 섹션과 제 2 콜렉팅 섹션의 거리 (D) 에 비하여 저감된 거리 (d) 에 배열되는 각각의 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션으로서 구성된다.
제 1 집전기와 제 2 집전기의 외주부를 따라서 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션을 상호 접착함으로써, 제 1 전극과 제 2 전극 뿐만 아니라 이들 사이에 위치된 분리기는 제 1 집전기와 제 2 집전기에 의해 완전히 봉지될 수 있다. 그리하여, 제 1 집전기와 제 2 집전기의 상호 접착은 전기화학 전지의 봉지 하우징으로서 사용될 수 있다.
추가로, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치된 분리기는 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션의 구역으로 연장될 수 있다. 여기에서, 분리기는 접속 섹션들에 의해 핀치될 수 있고 그리고 제 1 집전기와 제 2 집전기의 접속 섹션들에 동일하게 접착될 수 있다.
다른 실시형태에 따라서, 제 1 집전기와 제 2 집전기의 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션을 상호 접속하도록 된 접착제는 통상적으로 에폭시 수지와 경화제를 포함하는 에폭시 글루를 포함한다. 통상적으로, 접착제는 열경화성 접착제를 포함한다. 전기화학 전지의 최종 조립 이전에 제 1 접속 섹션과 제 2 접속 섹션 중 적어도 하나에 부착가능한 접착 호일로서 제공될 수 있다. 접착제는 단일 성분의 에폭시 글루 또는 에폭시 수지를 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 접착제는 또한 화학적으로 개시되는 경화를 받을 수 있는 2 성분 이상의 에폭시 글루를 포함할 수 있다.
제 1 및/또는 제 2 집전기들은, 이들의 제 1 윤곽 섹션 또는 제 2 윤곽 섹션 각각에 의해 심지어 향상될 수 있는 고유의 강성 또는 고유의 강직성을 포함할 수 있다. 따라서, 실질적으로 평평한 형상의 집전기에 윤곽 섹션을 도입함으로써, 일반적으로 집전기 자체의 굽힘 거동에 대향할 수 있다.
다른 실시형태에 따라서, 적어도 섹션들에서 제 1 집전기와 제 2 집전기 중 적어도 하나는 각각의 집전기의 적어도 하나의 접힘 구조물을 형성하도록 적어도 하나의 내부로 연장되는 종방향 만입부를 포함한다. 통상적으로, 내부로 연장되는 종방향 만입부는 종방향 홈을 제공하고, 이 종방향 홈은, 기계적 관점에서, 힌지축이 상기 홈 또는 접힘 구조물을 따라서 연장되는 일종의 힌지를 나타내고 제공할 수 있다. 내부로 연장되는 만입부의 주변에서, 각각의 제 1 및/또는 제 2 집전기들의 내부 대향 부분과 기계적 접촉하는 전극은 국부적으로 두께가 저감될 수 있다. 하지만, 종방향 만입부에 의해 달성한 두께 저감은 전체 전기화학 전지 배열의 고유의 접힘 능력을 유발한다.
다른 실시형태에 있어서, 제 1 집전기와 제 2 집전기 중 적어도 하나는, 내부로 연장되는 종방향 만입부들에 의해 또는 각각의 제 1 집전기와 제 2 집전기에서의 각각의 홈들에 의해 제공된 적어도 2 개의 분리된 그리고/또는 상호 교차하는 접힘 구조물들을 포함한다. 통상적으로, 다수의 접힘 구조물들은 제 1 집전기와 제 2 집전기 중 적어도 하나에 제공된다. 각각의 접힘 구조물은 미리 결정된 거리에서 서로 평행하게 연장될 수 있다. 예를 들어, 다수의 접힘 구조물들은 서로에 대하여 평행하고 균등하게 연장될 수 있다. 제 1 집전기와 제 2 집전기 중 적어도 하나에서 이러한 두께 저감된 접힘 구조물을 도입함으로써, 전기화학 전지의 굽힘 능력과 가요성을 이미 개선시킬 수 있다.
다른 실시형태에 따라서, 제 1 집전기는 적어도 제 1 만입부 또는 각각의 제 1 접힘 구조물을 포함하고, 제 2 집전기는 제 1 만입부 또는 그로 인한 제 1 접힘 구조물과 실질적으로 중첩하는 적어도 제 2 만입부 또는 각각의 제 2 접힘 구조물을 포함한다. 집전기들 둘 다에 실질적으로 중첩하는 접힘 구조물들을 제공함으로써, 전체 전기화학 전지의 전체 가요적인 거동과 가요성은 추가로 개선될 수 있다.
다른 실시형태에 따라서, 접힘 구조물들 중 적어도 2 개는, 제 1 및/또는 제 2 콜렉팅 섹션들의 평면에서, 서로에 대하여 실질적으로 평행하게 또는 미리 결정된 각에서, 예를 들어 서로에 대하여 30°~ 90°에서 연장된다. 통상적으로, 접힘 구조물들은 제 1 및/또는 제 2 집전기들의 접속 섹션들 외부에 위치된다. 다른 실시형태들에 있어서, 제 1 집전기 또는 제 2 집전기 중 집전기를 가로질러 연장되는 적어도 하나의 접힘 구조물은 각각의 제 1 및/또는 제 2 접속 섹션들의 외부 표면으로 연장되거나 이와 병합된다.
따라서, 반대편 측면 에지들에 위치된 제 1 집전기 또는 제 2 집전기의 접속 섹션들은 각각의 접힘 구조물에 의해 상호 접속될 수 있다. 이러한 실시형태들에 있어서, 집전기의 콜렉팅 섹션을 가로질러 접힘 구조물로서 연장되는 종방향 만입부의 깊이는 각각의 집전기의 윤곽 섹션에 의해 제공된 두께 오프셋보다 실질적으로 작다.
굽힘 구조물들의 전체 개수, 배향 및 위치는 집전기들의 전체 기하학적 형상과 크기 및 전기화학 전지의 접힘 요건들에 따를 수 있다.
다른 실시형태에 따라서, 적어도 하나의 접힘 구조물은 집전기의 외부 에지의 연장부에 실질적으로 수직하게 배향된다. 예를 들어, 전기화학 전지가 제 1 및/또는 제 2 집전기들의 측방향 에지에 실질적으로 수직하게 연장되는 특정 굽힘 또는 접힘 축을 따라서 굽힘가능해야 한다면, 각각의 접힘 구조물은 각각의 측방향 에지의 연장부에 대하여 직각으로 연장되어야 한다. 집전기들이 실질적으로 이차 또는 직사각형 형상으로 된다면, 집전기의 형상과 심지어 일치할 수 있는, 대응하는 상호 수직한 방향들로 전기화학 전지의 접힘 또는 굽힘을 제공하도록 서로에 대하여 수직하게 연장되는 적어도 2 개의 접힘 구조물들을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 상기 양태에 있어서, 또한 각각의 접힘 구조물들 사이의 다양한 상이한 각들은 전기화학 전지의 접힘 요구에 따라서 실시될 수 있다.
더욱이, 다른 실시형태에 따라서, 접힘 구조물들은 각각의 집전기의 제 1 및 제 2 집전 부분들 중 적어도 하나를 가로질러 직사각형 및/또는 삼각형 패턴을 형성한다. 통상적으로, 종방향 및 오히려 직립 형상의 접힘 구조물들은 각각의 집전기의 완성 집전 부분을 가로질러 연장된다. 이러한 방식으로, 원주방향 접속 부분들의 대향 위치된 부분들에 의해 형성되는, 각각의 집전기들의 대향 위치된 외부 에지들은 각각의 접힘 구조물들에 의해 구조적으로 상호접속될 수 있다.
다른 실시형태에 따라서, 제 1 집전기 및 제 2 집전기는 또한 제 1 전극과 제 2 전극 그리고 그 사이에 통상적으로 배치되는 분리기를 위한 봉지 하우징을 형성할 수 있다. 이러한 방식으로, 전기화학 전지의 종래의 하우징 또는 봉지재는, 애노드 및 캐소드 집전기들을 나타내는 제 1 및 제 2 집전기들에 의해 효과적으로 교체될 수 있다. 여기에서, 제 1 및 제 2 집전기들은 또한 완성 전기화학 전지에 대하여 기계적 안정성 및 기계적 보호성을 제공해줄 수 있다.
이러한 기계적 양태와는 별개로, 집전기들은 애노드 및 캐소드 집전기 탭들과 일체로 형성될 수 있다. 따라서, 커넥터 탭들과 집전기들의 별개의 상호 접속은 불필요하게 될 것이다. 이러한 방식으로, 전기화학 전지에 대하여 오히려 공간 절약 배열이 제공될 수 있다. 별개의 봉지재 또는 하우징이 더 이상 필요하지 않기 때문에, 전기화학 전지 자체의 외부 치수들을 증가시키지 않고서 캐소드 및 애노드의 크기는 증가될 수 있다. 그 결과, 전기화학 전지의 저장 용량 및 그로 인한 에너지 밀도가 증가될 수 있다.
다른 실시형태에 따라서, 전기화학 전지는 일차 배터리 또는 이차 배터리로서 구성된다. 전기화학 전지는 다양한 적용 목적들을 위해 추가로 구성될 수 있다. 특히 제한없이, 전기화학 전지는 타임피스 또는 시계, 스마트카드 또는 휴대폰에 적용할 수 있다.
이하, 본원의 다양한 실시형태들을 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 은 상호 접착된 기재들 또는 층들을 굽힐 때 전단 영향을 개략적으로 도시한다.
도 2 는 전기화학 전지의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 3 은 도 2 에 따른 A-A 를 따른 단면을 개략적으로 도시한다.
도 4 는 도 2 에 따른 굽혀진 전기화학 전지의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 5 는 2 개의 별개의 평행하게 배향된 접힘 구조물들 가진 전기화학 전지의 다른 실시형태를 도시한다.
도 6 은 복수의 상이하게 배향된 접힘 구조물들을 가진 전기화학 전지의 다른 실시형태를 도시한다.
도 7 은 전기화학 전지의 다른 실시형태의 평면도를 도시한다.
도 8 은 도 7 에 따른 B-B 를 따른 단면을 도시한다.
도 9 는 도 7 에 따른 C-C 를 따른 단면을 도시한다.
도 10 은 도 7 에 따른 D-D 를 따른 단면을 도시한다.
도 2 ~ 도 4 에서 개략적으로 도시된 바와 같이 전기화학 전지 (10) 는 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 를 포함한다. 도 2 에 따른 사시도에서는 상부의 제 1 집전기 (16) 만이 도시되었지만, 제 2 또는 하부의 집전기 (18) 의 형상 및 배열은 도 3 및 도 4 로부터 알 수 있다. 제 1 집전기 (16) 는 이 제 1 집전기 (16) 와 일체로 형성될 수 있는 커넥터 탭 (12) 을 포함한다. 일체로 형성된 커넥터 탭 (14) 을 특징으로 하는 제 2 집전기 (18) 에 대해서도 또한 동일하게 적용될 수 있다.
제 1 집전기 (16) 및 제 2 집전기 (18) 각각은 도 3 에 도시된 바와 같이 콜렉팅 섹션 (20, 30) 및 접속 섹션 (24, 34 ) 을 포함한다. 예를 들어, 제 1 집전기 (16) 의 제 1 접속 섹션 (24) 은 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 과 일체로 형성된다. 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 은 제 1 윤곽 섹션 (22) 을 개재하여 제 1 접속 섹션 (24) 에 병합된다. 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 과 제 1 접속 섹션 (24) 이 서로 실질적으로 평행하게 배향되는 반면, 제 1 접속 섹션 (24) 과 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 과 병합하는 제 1 윤곽 섹션 (22) 은 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 또는 제 1 접속 섹션 (24) 의 표면 법선에 대하여 램프 또는 가교부 (bridging portion) 로서 사용된다.
유사한 방식으로 또한 제 2 집전기 (18) 는 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 과 중첩하는 제 2 콜렉팅 섹션 (30) 을 포함하고 그리고 제 1 접속 섹션 (24) 과 실질적으로 중첩하고 또한 제 1 접속 섹션 (24) 에 실질적으로 평행하게 연장되는 제 2 접속 섹션 (34) 을 포함한다. 제 2 집전기 (18) 는 또한 제 2 윤곽 섹션 (32) 을 포함한다. 제 1 윤곽 섹션 (22) 과 제 2 윤곽 섹션 (32) 으로 인해, 각각의 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 는, 제 1 집전 부분 (20) 과 제 2 집전 부분 (30) 사이 그리고 제 1 접속 부분 (24) 과 제 2 접속 부분 (34) 사이의 상이한 거리들 (D, d) 을 특징으로 한다.
특히, 제 1 중첩 접속 섹션 (24) 과 제 2 중첩 접속 섹션 (34) 의 영역에서, 거리 (d) 는 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 과 제 2 콜렉팅 섹션 (30) 의 거리 (D) 의 적어도 50% 로 저감된다. 이러한 방식으로, 제 1 접속 섹션 (24) 과 제 2 접속 섹션 (34) 사이에 끼워진 접착제 (26) 의 두께는 거리 (D) 에 비하여 효과적으로 저감될 수 있다. 이러한 방식으로, 전기화학 전지 (10) 에 대하여 충분한 기밀성 및 밀봉성을 제공하는 에폭시 글루 또는 에폭시 수지들과 같은 접착제들은 가스 기밀한 방식으로 그리고 액밀한 방식으로 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 를 상호 접속 및 상호 접착하는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 의 제 1 접속 섹션 (24) 과 제 2 접속 섹션 (34) 은 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 의 전체 원주를 따라서 연장된다. 이러한 방식으로, 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 는 전기화학 전지를 위한 봉지 하우징 (15) 을 제공한다.
측방향 제 1 접속 섹션 (24) 과 제 2 접속 섹션 (34) 의 구역에서 거리 저감으로 인해, 심지어 비교적 강성 또는 강직한 접착제들 (26) 을 사용할 때 전기화학 전지 (10) 의 우수한 굽힘 또는 가요적인 거동을 제공할 수 있다. 특히, 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 및/또는 전체 전기화학 전지 (10) 의 전체 가요성은 구부러짐이 없는 방식으로 20 mm, 50 mm 또는 심지어 10 mm 과 동일하거나 그보다 작은 굽힘 반경까지 굽힘 및 휨 작동들을 허용할 수 있다. 심지어 이러한 작은 굽힘 반경으로, 집전기 (16, 18) 또는 이들의 밀봉 접착제 (26) 의 전기적 또는 기계적 특성들을 상당히 열화시키지 않고 적어도 500 번 이상의 다수의 굽힘 또는 휨 작동들이 실시될 수 있다.
하지만, 도 3 에 도시된 바와 같은 제 1 윤곽 섹션 (22) 과 제 2 윤곽 섹션 (32) 은 전기화학 전지 (10) 의 가요성에 대향할 수 있다. 전기화학 전지 (10) 의 가요적인 거동을 적어도 보상하고 또한 일반적으로 개선하기 위해서, 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 중 적어도 하나에는 적어도 하나의 종방향 만입부 (44) 가 도입된다. 도 7 에 따른 실시형태에 있어서, 복수의 균등하게 위치되고 그리고 평행하게 배향된 접힘 구조물들 (40) 은 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 를 가로질러 도입된다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 제 1 만입부 (44) 는 제 1 집전기 (16) 의 외부 표면에 제공되어, 종방향 홈 (46) 을 형성한다. 만입부 (44) 는 전기화학 전지 (10) 의 내부 쪽으로 또한 그리하여 분리기 (16) 쪽으로 연장되고, 이 분리기는 제 1 집전기 (16) 와 제 2 집전기 (18) 각각과 전기 접속하고 있는 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (13) 을 전기적으로 분리시키는데 사용된다.
제 1 홈 (46) 과 중첩 방식으로, 또한 제 2 집전기 (18) 는 제 2 홈 (56) 을 형성하는 제 2 내부로 연장되는 만입부 (54) 를 포함한다. 제 1 홈 (46) 과 제 2 홈 (56) 은 중첩 방식으로 전기화학 전지 (10) 의 양측에 위치되기 때문에, 전기화학 전지 (10) 의 전체 두께는 국부적으로 저감되고, 이는 중첩 홈들 (46, 56) 에 의해 형성된 접힘 구조물 (40) 을 따라서 전기화학 전지 (10) 의 굽힘 또는 접힘을 가능하게 하고 그리고 지지한다.
제 1 집전기 (16) 및 제 2 집전기 (18) 를 따라서 다수의 접힘 구조물 (40) 을 규칙적으로 배열함으로써, 전기화학 전지 (10) 는 도 7 에 도시된 바와 같이 다양한 집전기 세그먼트 (16a, 16b, 16c) 로 세그먼트화될 수 있다. 이러한 세그먼트들 (16a, 16b, 16c) 각각은 오히려 강성 또는 강직될 수 있는 반면, 이들 사이에서 연장되는 접힘 구조물들 (40) 은 그에 따라 각각의 전기화학 전지 (10) 의 실질적으로 마모가 없는 굽힘 또는 접힘을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 다양한 세그먼트들 (16a, 16b, 16c) 은 일종의 팔찌 고리로서 작용 및 작동할 수 있다.
제 1 만입부 (44) 와 제 2 만입부 (54) 의 기하학적 형상 및 깊이는 전기화학 전지 (10) 의 필요한 가요성 거동에 따라서 변할 수 있다. 제 1 및/또는 제 2 만입부 (44) 의 깊이는 도 10 의 단면에 도시된 바와 같이 이들의 폭 범위에 있을 수 있다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 제 1 만입부 (44) 및/또는 제 2 만입부 (54) 의 깊이는 각각의 제 1 만입부 (44) 또는 제 2 만입부 (54) 의 폭의 2 배 또는 3 배만큼 클 수 있다. 더욱이, 또한 만입부 (44, 54) 의 기하학적 형상, 특히 경사와 내부로 위치된 바닥 부분은 라운딩처리되거나 테이퍼진 윤곽을 나타낼 수 있다.
도 5 에 도시된 바와 같은 실시형태는 제 1 집전기 (16) 의 3 개의 세그먼트들 (16a, 16b, 16c) 을 도시한다. 상기 세그먼트들 (16a, 16b, 16c) 을 분리하는 접힘 구조물들 (40) 이 실질적으로 평행하게 연장되기 때문에, 이들은 직사각형 패턴 (48) 을 형성한다. 그 결과, 세그먼트들 (16a, 16b, 16c) 은 또한 실질적으로 직사각형 구조물로 된다. 도 6 에 따른 실시형태에서, 2 쌍의 수직하게 배향된 접힘 구조물 (40, 41) 과 접힘 구조물 (42, 43) 이 제공된다. 여기에서, 제 1 집전기 (16) 는 8 개의 삼각형 형상의 섹션들로 분리되고, 접힘 구조물들 (40, 41, 42, 43) 은 삼각형 패턴 (49) 을 형성한다. 접힘 구조물들 (40, 41, 42, 43) 모두는 제 1 집전기 (16) 의 전체 집전 부분 (20) 을 가로질러 연장되고 그리고 제 1 집전기 (16) 의 중심 부분에서 교차한다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 접힘 구조물 (40) 은 접힘 구조물 (41) 에 실질적으로 수직하게 연장되고, 접힘 구조물 (42) 은 접힘 구조물 (43) 에 실질적으로 수직하게 연장된다. 추가로, 접힘 구조물들 (42, 43) 은 접힘 구조물들 (40, 41) 에 대하여 대략 45°의 각으로 연장된다.
복수의 상이하게 배향된 접힘 구조물들 (40, 41, 42, 43) 을 제공함으로써, 전기화학 전지 (10) 는 각각의 접힘 축 또는 방향을 따라서 굽혀질 수 있다.
본원의 전기화학 전지는, 특히 전기 동력원 유닛, 시간기록 회로 유닛, 및 시간 관련 데이터를 표시하기 위한 표시 유닛 그리고 적어도 하나의 상기 유닛들을 위한 가요성 기재를 포함하는 가요성 종류의 전자 손목시계에 유리하게 일체화될 수 있고, 상기 동력원 유닛은 전술한 바와 같이 가요성 전기화학 전지를 포함한다. 통상적으로, 상기 유닛들은 가요성 인쇄 회로 막에 장착되고, 이 막은 그후 손목밴드를 형성하는 절연 탄성 재료의 오버몰딩에 의해 일체화된다.
다른 적용들에 있어서, 본원의 전기화학 전지는 이동 전화 장치, 스마트카드, 휴대용 위성 위치 확인 시스템, 휴대용 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 심박 모니터, MP3 플레이어, 워크맨 등과 같은 다른 전자 디바이스들에서 동력원으로서 유리하게 일체화될 수 있다.
1 : 기재
2 : 기재
3 : 접착제
10 : 전기화학 전지
11 : 전극
12 : 커넥터 탭
13 : 전극
14 : 커넥터 탭
15 : 하우징
16 : 집전기
16a : 세그먼트
16b : 세그먼트
16c : 세그먼트
17 : 분리기
18 : 집전기
20 : 콜렉팅 섹션
22 : 윤곽 섹션
24 : 접속 섹션
26 : 접착제
28 : 에지
30 : 콜렉팅 섹션
32 : 윤곽 섹션
34 : 접속 섹션
40 : 접힘 구조물
41 : 접힘 구조물
42 : 접힘 구조물
44 : 접힘 구조물
44 : 만입부
46 : 홈
48 : 직사각형 패턴
49 : 삼각형 패턴
54: 만입부
56 : 홈

Claims (16)

  1. 전기화학 전지로서,
    - 제 1 전극 (11) 과 접촉하는 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 과 제 1 접속 섹션 (24) 을 가지는 제 1 집전기 (16),
    - 상기 제 1 집전기 (16) 와 중첩하고 그리고 제 2 전극 (13) 과 접촉하는 제 2 콜렉팅 섹션 (30) 과 제 2 접속 섹션 (34) 을 가지는 제 2 집전기 (18) 를 포함하고,
    - 상기 제 1 집전기 (16) 와 상기 제 2 집전기 (18) 는 이들의 상기 제 1 접속 섹션 (24) 과 상기 제 2 접속 섹션 (34) 을 개재하여 상호 접속되고, 상기 제 1 접속 섹션 (24) 과 상기 제 2 접속 섹션 (34) 사이의 거리 (d) 는 상기 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 과 상기 제 2 콜렉팅 섹션 (30) 사이의 거리 (D) 의 50% 와 동일하거나 그보다 더 작고, 적어도 섹션들에서 상기 제 1 집전기 (16) 와 상기 제 2 집전기 (18) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 접힘 구조물 (40, 41, 42, 43) 을 형성하도록 적어도 하나의 내부로 연장되는 종방향 만입부 (44, 54) 를 포함하고, 상기 제 1 집전기의 상기 내부로 연장되는 종방향 만입부 (44, 54) 는 상기 제 2 집전기의 상기 내부로 연장되는 종방향 만입부 (44, 54) 에 실질적으로 대면하도록 배열되는, 전기화학 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 과 상기 제 2 콜렉팅 섹션 (30) 중 적어도 하나는 각각의 상기 제 1 접속 섹션 (24) 및 상기 제 2 접속 섹션 (34) 과 일체로 형성되는, 전기화학 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 집전기 (16) 와 상기 제 2 집전기 (18) 중 적어도 하나는, 상기 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 또는 상기 제 2 콜렉팅 섹션 (30) 과 상기 제 1 접속 섹션 (24) 또는 상기 제 2 접속 섹션 (34) 사이에 각각 제 1 윤곽 섹션 (22) 또는 제 2 윤곽 섹션 (32) 을 포함하는, 전기화학 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 윤곽 섹션 (22) 과 상기 제 2 윤곽 섹션 (32) 중 적어도 하나는 상기 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 또는 상기 제 2 콜렉팅 섹션 (30) 그리고 상기 제 1 접속 섹션 (24) 또는 상기 제 2 접속 섹션 (34) 각각과 병합되는, 전기화학 전지.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 윤곽 섹션 (22) 과 상기 제 2 윤곽 섹션 (32) 중 적어도 하나는 평탄화되거나 신장된 Z 형상의 윤곽을 포함하는, 전기화학 전지.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 접속 섹션 (24) 과 상기 제 2 접속 섹션 (34) 사이의 거리 (d) 는 100 ㎛, 80 ㎛, 50 ㎛ 과 동일하거나 그보다 작거나 50 ㎛ ~ 25 ㎛ 인, 전기화학 전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 접속 섹션 (24) 과 상기 제 2 접속 섹션 (34) 은 외부 에지 (28) 를 형성하도록 절연 접착제 (26) 에 의해 상호 접착되는, 전기화학 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 접착제 (26) 는 에폭시 글루를 포함하는, 전기화학 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 집전기 (16) 와 상기 제 2 집전기 (18) 중 적어도 하나는, 적어도 2 개의 분리되거나 교차하는 접힘 구조물들 (40, 41, 42, 43) 을 포함하는, 전기화학 전지.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 집전기 (16) 는 적어도 제 1 만입부 (44) 를 포함하고, 상기 제 2 집전기 (18) 는 상기 제 1 만입부 (44) 와 실질적으로 중첩하는 적어도 제 2 만입부 (54) 를 포함하는, 전기화학 전지.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 접힘 구조물들 (40, 41, 42, 43) 중 적어도 2 개는, 상기 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 및/또는 상기 제 2 콜렉팅 섹션 (30) 의 평면에서, 서로에 대하여 실질적으로 평행하게 또는 서로에 대하여 30°~ 90°의 미리 결정된 각으로 연장되는, 전기화학 전지.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 접힘 구조물 (40, 41, 42, 43) 은 상기 외부 에지 (28) 의 연장부에 실질적으로 수직하게 배향되는, 전기화학 전지.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접힘 구조물들 (40, 41, 42, 43) 은 상기 제 1 콜렉팅 섹션 (20) 과 상기 제 2 콜렉팅 섹션 (30) 중 적어도 하나를 가로질러 직사각형 패턴 (48) 및/또는 삼각형 패턴 (49) 을 형성하는, 전기화학 전지.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 집전기 (16) 와 상기 제 2 집전기 (18) 는 상기 제 1 전극 (11) 과 상기 제 2 전극 (13) 을 위한 봉지 하우징 (15) 을 형성하는, 전기화학 전지.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지는, 이동 전화 장치, 스마트카드, 휴대용 위성 위치 확인 시스템, 휴대용 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 심박 모니터, MP3 플레이어, 및 워크맨 중에서 선택된 전자 디바이스에서 동력원으로서 일체화되는, 전기화학 전지.
  16. 전기 동력원 유닛, 시간기록 회로 유닛, 및 시간 관련 데이터를 표시하기 위한 표시 유닛 그리고 적어도 하나의 상기 유닛들을 위한 가요성 기재를 포함하는 가요성 종류의 전자 손목시계로서,
    상기 동력원 유닛은 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 가요성 전기화학 전지를 포함하는, 전자 손목시계.
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