KR20150137077A - 절첩된 전극 및 분리막을 갖는 전기화학 전지, 이를 포함하는 배터리, 및 이들의 제조 방법 - Google Patents

절첩된 전극 및 분리막을 갖는 전기화학 전지, 이를 포함하는 배터리, 및 이들의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

절첩된 전극 층 및 절첩된 분리막을 포함하는 전기화학 전지, 상기 전기화학 전지를 포함하는 배터리, 및 상기 전기화학 전지 및 배터리를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 제 1 방향과 제 2 방향이 서로 수직이도록, 전극 층을 제 1 방향으로 절첩하고 분리막을 제 2 방향으로 절첩한다.

Description

절첩된 전극 및 분리막을 갖는 전기화학 전지, 이를 포함하는 배터리, 및 이들의 제조 방법{ELECTROCHEMICAL CELL HAVING A FOLDED ELECTRODE AND SEPARATOR, BATTERY INCLUDING THE SAME, AND METHOD OF FORMING SAME}
본 발명은 일반적으로 전기화학 전지 및 전지를 포함하는 배터리에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 하나 이상의 절첩된 전극 및 절첩된 분리막을 포함하는 전기화학 전지, 전기화학 전지를 포함하는 배터리, 및 전기화학 전지와 배터리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본원은 2013년 3월 14일자로 출원된 미국 특허원 제 13/830,942 호에 대한 우선권을 주장하며, 이 특허원을 본원과 충돌하지 않는 한도 내에서 본원에 참고로 인용한다.
전형적인 배터리는 전기 에너지를 저장하기 위하여 하나 이상의 전기화학 전지를 포함한다. 각각의 전기화학 전지는 애노드(전지의 방전 동안 음으로 하전되는 전극), 캐쏘드(전지의 방전 동안 양으로 하전되는 전극), 애노드와 캐쏘드 사이의 전해질을 포함하고, 또한 전형적으로 특히 애노드와 캐쏘드가 서로 접촉하지 않도록 하기 위해 애노드와 캐쏘드 사이에 분리막을 포함한다.
전기화학 전지가 저장할 수 있는 전하량은 반응성 물질과 비반응성 물질의 조합인 전기화학 시스템, 및 전기화학 반응에 이용가능한 전극 물질 및/또는 전해질 물질의 양에 관련된다. 일반적으로, 이용가능한 전극 및/또는 전해질 물질의 양이 많을수록 충전 용량이 더 크다. 또한, 더 큰 전극 표면적은 배터리의 내부 저항을 감소시키고 확산 공정을 개선시킬 수 있는데, 이는 비교적 큰 전류에서 배터리의 충전 및 방전을 가능케 하고 전지의 다른 충전 및 방전 특성을 개선한다. 추가적인 전극 표면을 갖는 전기화학 전지를 제공함으로써 전지 성능을 개선하는 기술은 전지의 층을 원통형으로 감아서 감긴 전지를 형성시키는 기술 및 전지의 다수개의 층을 서로 위에 적층시켜 적층된 전지를 형성시키는 기술을 포함한다.
전형적으로는 예컨대 개별적인 층의 연속 롤로부터 애노드, 분리막 및 캐쏘드 층을 서로 인접하게 적층시킨 다음, 층들을 감아서 원통형 구조체를 형성시킴으로써, 감긴 전기화학 전지를 제조한다. 원통형 구조체를 평탄화시켜 편평한 팩 구조체를 형성시키는데, 이는 전지를 포함하는 배터리를 사용하는 장치의 디자인 형태에 더욱 잘 순응할 수 있다. 물질의 연속 롤로부터 감긴 전지를 형성시킬 수 있기 때문에, 감긴 전기화학 전지를 제조하는 것은 비교적 높은 충전 용량 및 다른 목적하는 특성을 갖는 전기화학 전지를 제조하는 비교적 저렴한 방법이다. 그러나, 감긴 전기화학 전지 및 이 전지를 포함하는 배터리는 전지의 충전 및 방전 동안 전지의 일부의 부피 변화에 의해 야기되는 압력 및 힘의 불균일한 분포를 겪게 될 수 있으며; 이는 감긴 전지가 편평한 팩으로 압축될 때 특히 그러하다. 이 압력 변화는 배터리의 성능, 배터리의 안전성 및/또는 배터리의 수명을 감소시킬 수 있다.
각각 애노드, 분리막 및 캐쏘드 층을 포함하는 다수개의 구조체를 수직 적층체로 위치시킴으로써 적층된 전지를 제조한다. 감긴 전지에 비해, 적층된 전지는 제조하기가 비교적 비싼데, 왜냐하면 애노드, 분리막 및 캐쏘드 층의 사전 절단되거나 형성된 시트를 별도로 제조한 다음 하나씩 적층해야 하는데 이는 시간이 많이 걸리는 층의 정밀한 정렬을 필요로 하기 때문이다. 또한, 각 층을 정밀하게 위치시키는데 필요한 장치가 비교적 비싸다. 그러나, 이 기술을 이용하여 제조된 전지 및 배터리는 전지의 충전 및 방전 동안 전지의 임의의 부피 변화에 의해 야기되는 비교적 균일한 힘 분포를 나타낸다. 따라서, 이들 전지는 감긴 전지 기술을 이용하여 제조된 유사한 전지에 비해 증가된 성능, 수명 및 안전성을 나타낼 수 있다.
전기화학 전지를 제조하는데 이용되는 다른 기술은 전기화학 전지의 하나 이상의 층의 z-절첩 또는 아코디언 절첩을 이용함을 포함한다. z-절첩 기술을 이용하는 것은 전지의 층을 감는 것에 비해 유리할 수 있는데, 왜냐하면 절첩 기술은 전지 내에서 더욱 균일한 압력 및 힘 분포를 가능케 할 수 있기 때문이다. 그러나, 전지 층을 절첩하는데 필요한 장치 및 시간은 통상 전지 층을 감는 경우보다 더 많다. 절첩 기술은 적층 방법보다 유리할 수 있는데, 왜냐하면 적층된 전지의 모든 층이 사전에 절단되는데 반해 전지 층의 적어도 일부가 물질의 연속 또는 반연속 시트로부터 유래될 수 있기 때문이다. 그러나, 절첩된 층을 포함하는 전지 내에서의 압력 분포가 적층된 전지 내에서만큼 균일할 수는 없다.
섀퍼(Schaefer) 등의 명의로 2012년 8월 16일자로 공개된 미국 특허 공개 제 2012/0208066 A1 호는 전기화학 전지의 전극 적층체를 형성시키는데 이용되는 z-절첩 기술을 개시한다. 개시된 방법은 z-절첩된 분리막 물질의 연속적인 층 및 분리막 물질의 z-절첩된 층 사이에 끼인 캐쏘드 및 애노드 판을 포함한다. 섀퍼 등에 개시된 전기화학 전지가 순수하게 적층된 전기화학 전지에 비해 약간의 이점을 갖기는 하지만, 섀퍼 등의 전지는 여전히 전지의 애노드 및 캐쏘드 판 둘 다의 정밀한 제조 및 정렬을 필요로 한다.
엘지 케미칼, 리미티드(LG CHEM., LTD.)의 명의로 2009년 6월 25일자로 공개된 PCT 공개 WO 2009/078632 A2 호는 복수개의 겹치는 전기화학 전지를 포함하는 배터리를 개시하는데, 여기에서 각각의 전지는 캐쏘드, 애노드 및 분리막을 포함하고, 연속적인 분리막 시트가 겹쳐진 전기화학 전지 사이에 배치된다. 개시된 전지가 분리막 물질의 연속적인 시트에 의해 둘러싸이는 이점을 갖기는 하지만, 이 전지는 여전히 분리막 물질의 연속적인 시트 상에서의 캐쏘드, 분리막 및 애노드 판의 정밀한 제조 및 정렬을 필요로 한다.
가즈히로(Kazuhiro)의 명의로 1997년 1월 17일자로 공개된 일본 특허 공개 제 09017441 A 호는 z-절첩된 애노드 층 및 z-절첩된 캐쏘드 층을 갖는 정사각형 배터리를 개시하며, 여기에서 캐쏘드 층은 분리막 물질의 연속적인 코팅으로 직접 코팅된다. 이 배터리는 또한 극판이 이동하지 않도록 방지하기 위하여 수직 및 수평으로 연장되는 집전기를 포함한다. 집전기는 전극 상에 탭(tab)을 필요로 하지 않는 이점을 갖는 것으로 주장된다. 그러나, 가즈히로에 개시된 집전기는 배터리에 상당한 중량 및 부피를 부가한다. 또한, 코팅된 캐쏘드 및 이러한 캐쏘드를 포함하는 전지는 제조하기가 비교적 어려운 것으로 생각된다.
전기 화학 전지 내의 다양한 층에 대한 z-절첩 또는 아코디언 절첩 기술이 개발되었으나, 이 기술들은 여전히 부가적인 단계, 다수개의 판의 정렬, 비교적 어려운 제조 단계를 포함하고/하거나 부가적인 부피 및 중량을 전지에 부가한다. 따라서, 개선된 전기화학 전지 및 배터리, 및 전지와 배터리를 제조하는 방법이 요구된다.
본 발명은 일반적으로 전기화학 전지, 전지를 포함하는 배터리, 및 전지 및 배터리를 제조하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본원의 다양한 실시양태는 제 1 전극(예컨대, 애노드 또는 캐쏘드), 제 2 전극(예를 들어, 캐쏘드 또는 애노드), 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 분리막을 포함하는 전기화학 전지로서, 이 때 제 1 전극, 제 2 전극 및 분리막중 둘 이상이 z-절첩 또는 아코디언 절첩을 포함하는 전기화학 전지에 관한 것이다. 예를 들면, 다양한 실시양태에 따른 예시적인 전지는 제 1 방향으로 절첩된 z-절첩된 제 1 전극(애노드 또는 캐쏘드) 및 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 z-절첩된 z-절첩된 분리막의 조합을 포함한다. 추가로 또는 다르게는, 예시적인 전지는 제 1 방향을 따라 z-절첩된 제 1 전극 및 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 z-절첩된 제 2 전극과 분리막의 조합을 포함한다. 아래에서 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 본원의 전기화학 전지는 비교적 용이하고 저렴한 비용의 제조, 높은 에너지 밀도 및 안전성을 비롯하여 종래 기술에 비해 이점을 제공한다.
본원의 다양한 실시양태에 따라, 전기화학 전지는 제 1 전극 층, 제 1 전극 층 위에 놓이고 제 1 방향으로 뒤로 절첩되어 제 1 분리막 구역, 제 2 분리막 구역 및 그 사이의 개구부(opening)를 형성하는 분리막 층, 제 1 분리막 구역과 제 2 분리막 구역 사이에 놓이는 판을 포함하는 제 2 전극을 포함한다. 제 1 전극 층은 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 분리막 층 위로 절첩되어, 제 1 분리막 구역 아래에 제 1 제 1 전극 구역 및 제 2 분리막 구역 위에 제 2 제 1 전극 구역을 형성한다. 이들 실시양태의 다양한 양태에 따라, 전기화학 전지는 제 1 전극 층과 분리막 층이 각각 z-절첩된 층을 형성하도록 복수개의(예를 들어, 2개보다 많은) 제 1 전극 구역, 분리막 구역 및 판을 포함한다. 이들 실시양태의 다른 양태에 따라, 제 1 전극 층은 활성 캐쏘드 물질을 포함하며, 이 물질은 기판 상에 패치 코팅될 수 있다. 다른 양태에 따라, 제 1 전극 층은 활성 애노드 물질을 포함한다. 다른 추가적인 양태에 따라, 절첩된 분리막 층은 제 1 전극 층과 제 2 전극 판 사이에서의 단락을 방지하기 위하여 판(들)이 절첩된 제 1 전극 층에 의해 겹쳐지는 구역에서 판(들) 위에 겹쳐진다. 절첩된 층의 사용은 예를 들어 제 1 전극 층 물질 및 분리막 물질의 연속적이거나 반역속적인 롤, 테이프 또는 웹 형태의 출발 물질로 전지를 비교적 용이하고 저렴하게 제조할 수 있도록 하고, 제 2 전극 판(들)의 사용은 비교적 균일한 압력 분포를 갖는 전지를 형성할 수 있도록 한다.
본원의 추가적인 실시양태에 따라, 전기화학 전지를 제조하는 방법은 제 1 전극 층에 수직인 방향으로 제 1 전극 층 위에 분리막 층을 위치시키는 단계; 분리막 층을 뒤로 절첩하여 제 1 분리막 구역, 제 2 분리막 구역 및 그 사이의 제 1 개구부를 형성하는 단계; 제 1 전극 층을 제 2 분리막 구역 위로 절첩하여 제 1 분리막 구역 아래에 놓이는 제 1 제 1 전극 구역 및 제 2 분리막 구역 위에 놓이는 제 2 제 1 전극 구역을 형성하는 단계; 및 개구부 내에 제 2 전극 물질의 제 1 시트를 위치시키는 단계를 포함한다. 목적하는 전기화학 전지 또는 배터리 특성을 수득하는데 필요한 수의 제 1 전극, 제 2 전극 및 분리막 구역에 대해 이들 단계를 반복할 수 있다. 이들 실시양태의 예시적인 양태에 따라, 제 1 전극 층을 제 2 분리막 구역 위로 절첩하는 단계 전에 제 1 시트를 위치시키는 단계를 수행한다. 다른 양태에 따라, 제 2 분리막 구역 위로 제 1 전극 층을 절첩하는 단계 후에 제 1 시트를 위치시키는 단계를 수행한다. 또 다른 양태에 따라, 방법은 제 1 전극 층의 제 1 구역 아래에 또는 전기화학 전지의 바닥에 분리막 구역을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 또한, 또 다른 양태에 따라, 방법은 제 1 전극 물질의 상부 구역 위에 또는 전기화학 전지의 상부에 분리막 구역을 제공함을 추가로 포함한다. 추가적인 양태에 따라, 방법은 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 통해 제 1 전극 층과 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 추가적인 양태에 따라, 방법은 활성 전극 물질로 덮이지 않은 제 2 전극 판 상의 접촉 구역 또는 영역을 사용하여 제 2 전극과 접촉부를 형성하는 단계를 포함한다. 또한 이들 실시양태의 추가적인 양태에 따라, 방법은 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 절단하여 가장자리 구역을 형성하는 단계 및 가장자리 구역에서 또는 그 근처에서 제 1 전극에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 포함한다.
본원의 추가적인 실시양태에 따라, 전기화학 전지는 제 1 제 1 전극 구역을 포함하는 제 1 전극 층, 제 1 전극 층 위에 놓이고 활성 물질을 포함하는 제 1 표면 및 제 2 표면을 포함하는 제 2 전극 층, 및 부분적으로 제 2 표면 위에 놓이는 분리막 층을 포함하며, 이 때 제 2 전극 층과 분리막 층의 조합을 제 1 방향에서 뒤로 절첩하고, 제 1 전극 층을 제 2 방향에서 상기 조합 위로 절첩하여 제 2 제 1 전극 구역을 형성하며, 제 1 방향과 제 2 방향은 서로 수직이다. 이들 실시양태의 다양한 양태에 따라, 전기화학 전지는 제 1 전극 층 및 제 2 전극 층과 분리막 층의 조합이 둘 다 z-절첩된 층을 형성하도록 복수개의 제 1 전극 구역 및 조합 구역을 포함한다. 이들 실시양태의 추가적인 양태에 따라, 제 1 전극 층은 활성 캐쏘드 물질을 포함한다. 다른 양태에 따라, 제 1 전극 층은 활성 애노드 물질을 포함한다. 추가적인 양태에 따라, 분리막 층 및 제 2 전극 층을 상쇄 위치에서 절첩하여 분리막 층에 의해 덮이지 않은 제 2 전극 층의 접촉 구역 또는 영역을 형성한다. 다른 추가적인 양태에 따라, 조합의 절첩된 분리막 층은 제 2 전극이 제 1 전극 층에 의해 겹쳐진 구역에서 제 2 전극 층에 겹쳐져서 제 1 전극 층과 제 2 전극 층 사이의 단락을 방지한다. 추가적인 양태에 따라, 제 1 및/또는 제 2 표면을 활성 물질로 부분적으로 코팅한다. 다른 추가적인 양태에 따라, 제 2 전극 층은 하나 이상의 접촉 구역 또는 영역을 포함한다. 다른 추가적인 양태에 따라, 제 1 전극 층은 층의 상부 표면 및 바닥 표면 상에 활성 물질을 포함한다. 다른 추가적인 양태에 따라, 전기화학 전지는 전기화학 전지의 바닥 및/또는 전기화학 전지의 상부에 분리막 층의 구역을 포함한다.
본원의 다른 추가적인 실시양태에 따라, 전기화학 전지를 제조하는 방법은 제 1 전극 층의 제 1 제 1 전극 구역 위에 제 2 전극 층과 분리막 층의 조합을 위치시키는(이 때, 조합의 방향은 제 1 전극 층에 수직인 방향임) 단계; 조합을 뒤로 절첩하여 제 1 조합 구역 및 제 2 조합 구역을 형성시키는 단계; 및 제 1 전극 층을 제 2 조합 구역 위로 절첩시켜 조합의 제 2 구역 위에 제 2 제 1 전극 구역을 형성시키는 단계를 포함한다. 이들 실시양태의 예시적인 양태에 따라, 방법은 목적하는 전기화학 전지 및 배터리 특성을 수득하기 위하여 추가적인 제 1 전극 구역 및 조합 구역을 형성시키는 단계를 포함한다. 다른 추가적인 양태에 따라, 방법은 전기화학 전지의 바닥 및/또는 전기화학 전지의 상부에 분리막 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 또 다른 양태에 따라, 방법은 기판 및 기판 위에 놓이는 활성 물질의 단속적인 구역을 포함하는 제 2 전극 층을 제공하는 단계를 포함한다. 다른 추가적인 양태에 따라, 방법은 기판 및 기판 위에 놓이는 활성 물질의 단속적인 구역을 포함하는 제 2 전극 층을 제공하는 단계를 또한 포함하며, 이 때 기판은 하나 이상의 접촉 구역 또는 영역을 포함하고, 접촉 구역 또는 영역은 적어도 부분적으로 활성 물질과 접촉하지 않는다. 다른 추가적인 양태에 따라, 방법은 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 통해 제 1 전극에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 포함한다. 다른 양태에 따라, 방법은 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 절단하여 가장자리 구역을 형성하는 단계, 및 가장자리 구역에서 또는 그 근처에서 제 1 전극에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 포함한다. 이들 실시양태의 다른 추가적인 양태에 따라, 방법은 탭, 집전기 또는 버스 바 또는 다른 접속 부품을 사용할 기회를 제공하기 위하여 제 2 전극으로의 접촉 구역 또는 영역을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
본원의 추가적인 실시양태에 따라, 전기화학 전지는 제 1 전극 층, 제 1 전극 층 위에 놓이고 활성 물질을 포함하는 제 1 표면 및 활성 물질을 포함하는 제 2 표면을 포함하는 제 2 전극 층, 부분적으로 제 1 표면 위에 놓이는 제 1 분리막 층, 및 부분적으로 제 2 표면 위에 놓이는 제 2 분리막 층을 포함하며, 이 때 제 1 분리막 층, 제 2 전극 층, 및 제 2 분리막 층의 조합은 제 1 전극 층의 제 1 구역 위에 놓이고, 제 1 전극 층은 이 조합 위에 수직으로 절첩되어 제 1 전극 층의 제 2 구역을 형성한다. 전기화학 전지는 목적하는 전기화학 전지 또는 배터리 특성을 수득하기 위하여 임의의 수의 제 1 전극 구역 및 조합 구역을 함유할 수 있다. 이들 실시양태의 다양한 양태에 따라, 제 1 전극 층은 활성 캐쏘드 물질을 포함하고, 제 2 전극 층은 활성 애노드 물질을 포함한다. 다른 양태에 따라, 제 1 전극 층은 활성 애노드 물질을 포함하고, 제 2 전극 층은 활성 캐쏘드 물질을 포함한다. 제 1 전극 층은 활성 물질로 부분적으로 코팅된 상부 및/또는 바닥 표면을 포함할 수 있다. 예시적인 전지는 전기화학 전지의 바닥 및/또는 상부에 분리막 물질을 포함할 수 있다. 다른 예시적인 양태에 따라, 제 2 전극 층은 태빙 또는 접속에 사용될 수 있는 하나 이상의 접촉 구역 또는 영역을 포함하며, 이 때 접촉 구역 또는 영역은 적어도 부분적으로 활성 전극 물질로 덮이지 않는다.
본원의 다른 추가적인 실시양태에 따라, 전기화학 전지를 제조하는 방법은 제 1 전극 층에 수직인 방향으로 제 1 전극 층의 구역 위에 제 1 분리막 층, 제 2 전극 층 및 제 2 분리막 층의 조합을 위치시키는 단계; 및 조합에 수직인 방향으로 조합 위에 제 1 전극 층을 절첩시키는 단계를 포함한다. 목적하는 수의 제 1 전극 구역 및 조합 구역이 형성될 때까지 이들 단계를 반복할 수 있다. 다른 양태에 따라, 방법은 전기화학 전지의 바닥에 분리막 구역을 제공하고/하거나 전기화학 전지의 상부에 분리막 구역 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 또 다른 양태에 따라, 방법은 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 통해 제 1 전극으로의 접촉 구역 또는 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 다른 양태에 따라, 방법은 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 절단하여 가장자리 구역을 형성하는 단계, 및 가장자리 구역에서 또는 그 근처에서 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 포함한다. 이들 실시양태의 다른 추가적인 양태에 따라, 방법은 예컨대 태빙에 적합한 접촉 구역 또는 영역을 이용하여 제 2 전극에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가적으로 포함한다.
본원의 추가적인 실시양태에 따라, 배터리는 본원에 개시된 하나 이상의 전기화학 전지를 포함한다. 배터리는 추가로 케이싱 및 단자를 포함할 수 있다.
또한, 다른 추가적인 실시양태에 따라, 배터리를 제조하는 방법은 본원에 기재된 전기화학 전지의 제조 방법을 포함한다. 방법은 하나 이상의 전기화학 전지에 단자를 제공하는 단계 및 하나 이상의 전기화학 전지를 케이싱에 넣는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
첨부된 도면과 관련하여 본 발명의 예시적인 실시양태를 기재한다.
도 1은 본원의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지의 일부를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 전기화학 전지 부분의 단면도를 도시한다.
도 3은 본원의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지의 제조 방법을 도시한다.
도 4는 본원의 추가의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지의 일부를 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 전기화학 전지 부분의 단면도를 도시한다.
도 6은 본원의 예시적인 실시양태에 따라 층을 절첩하기 전의 예시적인 제 1 전극, 제 2 전극 및 분리막 층을 도시한다.
도 7은 본원의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지를 제조하는 다른 방법을 도시한다.
도 8은 본원의 다른 추가의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지의 일부를 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 전기화학 전지 부분의 단면도를 도시한다.
도 10은 예시적인 실시양태에 따라 층을 절첩하기 전의 추가의 예시적인 제 1 전극, 제 2 전극 및 분리막 층을 도시한다.
도 11은 본원의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지를 제조하는 다른 방법을 도시한다.
도 12는 본원의 추가의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지 부분의 단면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 전기화학 전지 부분의 다른 면을 도시한다.
도 14a 및 도 14b는 본원의 추가의 예시적인 실시양태에 따라 층을 절첩하기 전의 예시적인 제 1 전극, 제 2 전극 및 분리막 층을 도시한다.
도 15는 본원의 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지를 제조하는 다른 방법을 도시한다.
도면이 반드시 축척대로 도시된 것은 아님을 알 것이다. 예를 들면, 본 발명의 도시된 실시양태를 더 잘 이해시키는데 도움을 주기 위하여 도면에서 일부 요소의 치수를 다른 요소에 비해 과장할 수 있다.
아래에 제공되는 본 발명의 예시적인 실시양태에 대한 기재내용은 예시적인 것일 뿐이며, 설명하고자 하는 것이고, 하기 기재내용은 본원에 개시된 본 발명의 영역을 한정하고자 하지 않는다.
아래에서 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 본원의 예시적인 전기화학 전지 및 전지를 포함하는 배터리는 감긴 전지 또는 적층된 전지를 비롯한 전기화학 전지에 비해 유리하다. 또한, 본원에 기재된 전기화학 전지는 하나 이상의 z-절첩된 층을 갖는 다른 전기화학 전지에 비해 제조하기가 비교적 용이하고, 비교적 높은 에너지 밀도를 가지며, 안전하다. 리튬 이온 전지, 리튬 중합체 전지, 니켈 금속 하이브리드 전지, 리튬 황 전지, 리튬 공기 전지, 리튬 산소 전지 등을 비롯한 다양한 전기화학 전지 기술과 함께 아래에 기재되는 전기화학 전지를 이용할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본원의 예시적인 실시양태에 따른 제 1 전극 층(102), 분리막 층(104) 및 제 2 전극 판(106)을 포함하는 전기화학 전지(100)의 일부를 도시한다. 도시되지는 않았지만, 전기화학 전지는 또한 적합한 전해질, 및/또는 제 1 전극 층(102) 및/또는 하나 이상의 제 2 전극 판(106)에 대한 접촉부도 포함할 수 있다. 또한, 본원에 기재된 전기화학 전지 또는 그의 일부는 도면에 도시되지 않은 추가적인 전극 및 분리막 층을 포함할 수 있다.
제 1 전극 층(102)이 분리막 층(104)에 수직이 되고 제 1 전극 층(102)의 절첩부(116)가 분리막 층(104)의 절첩부(120)에 수직이 되도록 제 1 전극 층(102) 및 분리막 층(104)을 서로에 대해 수직으로 z-절첩시킨다. 본원에 사용되는 용어 수직은 제 1 전극 및 분리막 층이 서로에 대해 z-절첩될 수 있도록 90° 또는 실질적으로 90°를 의미한다.
전기화학 전지(100)은 감긴 전지로부터 형성되는 편평한 팩 전기화학 전지에 비해 전지의 충전 및 방전으로부터 야기되는 덜 불균일한 압력 분포를 나타내는 것으로 생각되고, 따라서 이러한 전지보다는 더 안전한 것으로 생각된다. 또한, 전지(100)는 적층된 전지에 비해 제조하기가 비교적 용이하고 덜 비싼데, 왜냐하면 하나의 전극만이 판 형태로 제공되기 때문이다. 또한, 아래에서 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이 판(106)이 절첩된 분리막 층(104)에 형성된 개구부 내에 위치하는 바, 판(106)의 정렬이 적층된 전지 또는 유사한 전지를 제조하는데 이용되는 전통적인 선택 및 배치(pick-and-place) 기술에 비해 비교적 용이하다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 전기화학 전지(100)는 제 1 분리막 구역(108) 및 제 1 제 1 전극 구역(114) 위에 놓이는 제 2 분리막 구역(110)을 포함한다. 분리막 층(104)을 뒤로 절첩하여 구역(108, 110) 사이에 개구부(112)를 형성시킴으로써 구역(108, 110)을 형성시킨다. 제 2 전극 판(106)을 개구부(112) 내에 위치시킨다. 분리막 층(104)의 절첩된 가장자리는 판(106)를 유도하거나 정지시키는 가장자리로서의 역할을 할 수 있다. 분리막 층(104)은 제 1 전극 층(102)과 겹치는 판(106) 부분과 겹쳐져서(예를 들어, 폭을 지나 연장됨) 층(102)과 판(106) 사이의 단락을 방지하고, 이에 의해 전지(100) 및 전지를 포함하는 배터리의 성능 및 안전성을 개선할 수 있다. 전지(100)는 임의의 목적하는 수의 제 1 전극 구역, 분리막 구역 및 제 2 전극 판을 포함할 수 있고; 도시된 전지는 4개의 제 1 전극 구역, 9개의 분리막 구역 및 4개의 제 2 전극 판을 포함한다.
제 1 전극 층(102)에 대한 접촉부를 영역(116)에 또는 그 근처에 형성시킬 수 있다. 접촉부 형성을 용이하게 하기 위하여, 영역(116)을 분리막 층(104) 및 판(106)으로부터 바깥쪽으로 연장시킬 수 있다. 연장부는 전지(100)의 한 면(도시된 바와 같음) 또는 두 면에 있을 수 있다.
판(106)의 가장자리에서 또는 그 근처에서 판(106)에 대한 접촉부를 형성시킬 수 있다. 예를 들면, 접촉 구역 또는 영역(122)에서 판(106)에 대한 접촉부를 형성시킬 수 있다.
이들 실시양태의 예시적인 양태에 따라, 제 1 전극 층(102)은 활성 애노드 물질을 포함하고, 제 2 전극 판(106)은 활성 캐쏘드 물질을 포함한다. 다르게는, 제 1 전극 층(102)은 활성 캐쏘드 물질을 포함하고, 제 2 전극 판은 활성 애노드 물질을 포함한다. 예시적인 적합한 활성 캐쏘드 물질은 전기 활성 전이금속 칼코제나이드, 전기 활성 전도성 중합체 및 전기 활성 황-함유 물질, 및 이들의 조합을 포함한다. 적합한 활성 애노드 물질은 리튬 호일 및 기판(예컨대, 플라스틱 필름) 상에 침착된 리튬 같은 리튬 금속, 및 리튬-알루미늄 합금 및 리튬-주석 합금 같은 리튬 합금을 포함한다. 개별적인 활성 물질은 또한 결합제, 충전제 및 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예로서, 캐쏘드 활성 물질은 전기 활성 황 물질을 포함할 수 있고, 애노드는 리튬을 포함할 수 있다.
제 1 금속 층(102)은 기판(예컨대, 캐리어 호일)의 상부 표면 및 바닥 표면 상에 활성 전극 물질의 연속적인 또는 불연속적인 필름을 포함할 수 있거나, 또는 활성 물질의 고체 필름 또는 호일일 수 있다. 다르게는, 층(102)은 2010년 8월 10일자로 허여된 아피니토(Affinito) 등의 미국 특허 제 7,771,870 호(발명의 명칭: "재충전가능한 리튬 배터리를 비롯한 수성 및 비-수성 전기화학 전지에서의 전극 보호") 및 2012년 6월 12일자로 허여된 스코타임(Skotheim) 등의 미국 특허 제 8,197,971 호(발명의 명칭: "전기화학 전지의 리튬 애노드")에 개시되어 있는 구조체 같은 적층 구조체 또는 복합체를 포함할 수 있고, 상기 두 특허는 본원과 충돌하지 않는 한도까지 본원에 참고로 인용된다. 불연속 필름의 경우, 절첩된 영역(116)에서 활성 전극 물질을 뺄 수 있다.
유사하게, 판(106)은 집전기 같은 기판의 두 표면 상에 활성 전극 물질의 연속적이거나 불연속적인 층을 가질 수 있거나, 또는 물질의 고체 시트일 수 있다. 예시적인 양태에 따라, 판(106)은 기판 상으로 코팅된 활성 전극 물질을 갖는 기판(예를 들어, 집전기)을 포함한다. 판(106)에 대한 접촉부 형성을 용이하게 하기 위하여, 또한 제 1 전극 층(102)과 제 2 전극 판(106) 사이의 단락 기회를 경감하기 위하여, 판(106)은 제 2 전극 판(106)과 제 1 전극 층(102)이 겹쳐진 부분을 지나 연장되고 적어도 부분적으로 활성 전극 물질로 코팅되지 않는 접촉 구역 또는 영역(122)을 포함할 수 있다.
분리막 층(104)은 전기화학 전지 분리막으로서 사용하기에 적합한 임의의 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 층(104)은 애노드와 캐쏘드를 서로로부터 분리하거나 절연시키는 고체 비전도성 또는 절연성 물질을 포함할 수 있다. 분리막은 공극을 포함할 수 있는데, 이 공극은 전해질로 부분적으로 또는 실질적으로 채워질 수 있다. 또한, 분리막 층은 구역(122)을 부분적으로 덮는 영역(118)을 포함할 수 있다.
다양한 분리막 물질이 당 업계에 공지되어 있다. 적합한 고체 다공성 분리막 물질의 예는 예컨대 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 같은 폴리올레핀, 유리 섬유 여과지, 및 세라믹 물질을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 또한, 본원에 기재된 전지에 사용하기 적합한 분리막 및 분리막 물질의 추가적인 예는 미세다공성 제로젤(xerogel) 층, 예를 들어 미세다공성 슈도-뵈마이트 층을 포함하는 물질이며, 이는 자유 직립 필름으로서 또는 전극중 하나 상에 직접 코팅함으로써 제공될 수 있다. 고체 전해질은 또한 애노드와 캐쏘드 사이의 이온 수송을 가능케 하는 전해질 기능에 덧붙여 분리막으로서도 기능할 수 있다.
도 3은 전지(100)를 제조하는 예시적인 방법(300)을 도시한다. 방법(300)은 제 1 전극 층의 구역 위에 분리막 층을 위치시키는 단계(단계(302)), 분리막 층을 절첩시켜 개구부를 형성하는 단계(단계(304)), 제 1 전극을 분리막 층 위로 절첩시키는 단계(단계(306)), 및 제 2 전극 물질의 시트를 개구부 내로 위치시키는 단계(단계(308))를 포함한다. 제 1 전극 물질로부터 출발하는 것으로 도시되어 있지만, 예시적인 방법은 절첩된 분리막 층으로 또는 분리막 물질의 구역(분리막 구역이 전지의 바닥에 있도록)으로 시작될 수 있다. 유사하게, 방법(300)은 전기화학 전지의 상부에 분리막 구역을 형성함을 포함할 수 있다.
단계(302)는 제 1 전극 층에 수직인 방향으로 분리막 층을 위치시킴을 포함한다. 분리막 층 및 제 1 전극 층은 둘 다 개별적인 물질의 테이프, 롤 또는 웹 같은 연속적이거나 반연속적인 공급물로부터 수득될 수 있다.
단계(304) 동안, 분리막 층을 절첩시켜 구획 사이에 개구부를 갖는 두 개의 분리막 구획을 형성한다. 예를 들어, 이동 롤, 나이프 또는 다른 장치를 이용하여 분리막 층을 절첩할 수 있다. 예를 들어 캠-컨트롤을 이용하여 및/또는 선형 기계적, 전기적 또는 자기 드라이브로 드라이브 및 이동 메카니즘을 수행할 수 있다.
단계(306) 동안, 제 1 전극 층을 상부 분리막 구획 위로 절첩하여 제 1 전극 층의 다른 구역을 형성한다. 분리막 층과 관련하여 상기 기재된 것과 동일한 기술을 이용하여 제 1 전극 층을 절첩하고 이동시킬 수 있다.
단계(308) 동안, 제 2 전극 판을 분리막 층의 두 구획 사이에 형성된 개구부 내에 위치시킨다. 단계(308)를 단계(306) 전 또는 후에 실행할 수 있다.
목적하는 수의 제 1 전극 구역, 분리막 구역 및 제 2 전극 판이 형성될 때까지 단계(302) 내지 단계(308)를 반복할 수 있다. 이어, 전지를 평탄화시켜 전지의 부피를 감소시키고 평탄화된 영역(예를 들어, 영역(116, 120))을 생성시킬 수 있다.
상기 나타낸 바와 같이, 방법(300)은 전기화학 전지의 바닥 및/또는 상부에 분리막 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상부 및/또는 바닥에 분리막 물질을 갖는 전지를 제공하면, 전지를 다른 전지 및/또는 배터리 구성요소로부터 추가적으로 단리시킬 수 있다.
방법(300)은 또한 임의적으로 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계(단계(310)) 및/또는 제 2 전극 판에 대한 접촉부를 형성하는 단계(단계(312))를 포함할 수 있다. 단계(310) 동안, 예를 들어 침투 장치를 사용하여 층을 통한 구멍을 형성시킨 다음 구멍을 통해 전도성 접촉부를 형성시킴으로써 제 1 전극 층(102)의 절첩된 영역(116)에서 제 1 전극 층(102)에 대한 접촉부를 형성시킬 수 있다. 제 1 전극 층이 비전도성 물질을 포함하는 복합체 또는 적층체를 포함하는 경우 이 기술이 특히 유용할 수 있다. 다르게는, 제 1 전극을 절첩된 영역에서 절단하여 가장자리를 형성하고, 이 가장자리에서 또는 그 근처에서 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성할 수 있다. 다르게는, 층이 전도성인 경우에는 접촉부를 층에 바로 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극 물질 판의 접촉 구역 또는 영역 상에서 용접, 접착제 및/또는 기계적 침투 기술에 의해 제 2 전극 판에 대한 접촉부를 형성시킬 수 있다.
도 4 및 도 5는 본원의 추가적인 실시양태에 따른 다른 전기화학 전지(400)의 일부를 도시하고, 도 6은 전지(400)의 출발 층을 도시한다. 전기화학 전지(400)는 제 1 전극 층(402), 분리막 층(404), 및 제 2 전극 층(406)을 포함한다. 모든 층은 절첩되고 연속적인 공급원으로부터 유래될 수 있다. 따라서, 전지(400)는 제조하기가 비교적 용이하고 저렴하다. 또한, 모든 층이 절첩되기 때문에, 전지는 전지 내에서의 불균일한 압력 분포를 겪을 가능성이 적고, 따라서 전지는 유사한 편평한 팩에 비해 비교적 안전하다.
제 1 전극 층(402)은 층(102)과 관련하여 상기 기재된 임의의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 층(402)은 두 면이 전극 활성 물질로 코팅된 기판을 포함할 수 있다. 다르게는, 층(402)은 전극 활성 물질의 고체 시트 또는 전극 활성 물질을 포함하는 복합체 또는 적층체를 포함할 수 있다. 층(402)은 층(406)과 관련하여 아래에 기재되는 바와 같이 (예를 들어, 캐리어 호일 같은 기판 상에) 단속적인 접촉 구역 또는 영역을 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다.
유사하게, 분리막 층(404)은 분리막 층(104)과 관련하여 상기 기재된 임의의 물질을 포함할 수 있다. 제 1 전극 층(402)과 제 2 전극 층(406)의 접촉을 방지하기 위하여, 분리막 층(404)은 도 6에 도시된 바와 같이 구역(416)을 제외하고는 층(406)의 폭을 지나 연장될 수 있다. 몇몇 예시적인 실시양태에 따라, 층(404)을 층(406) 상으로 는 직접 코팅한다. 다르게는, 층(406) 물질을 층(404) 상으로 코팅할 수 있다.
제 2 전극 층(406)은 판(106)과 관련하여 기재된 임의의 물질을 포함할 수 있다. 그러나, 판 형이기보다는 층(406)은 전지(400) 내에서 연속적인 층이다. 층(406)은 고체 물질일 수 있거나 또는 기판 상으로 코팅되는 전극 활성 물질을 가질 수 있다. 예를 들면, 층(406)은 기판(412)(예를 들어, 집전기)을 포함할 수 있고, 한 면 상에서 활성 물질(414)로 단속적으로 코팅될 수 있다. 층(406)은 또한 접촉 구역 또는 영역(416)도 포함할 수 있는데, 이는 구역(416)의 코팅되지 않은 구역에 대해 접촉부가 형성될 수 있도록 적어도 부분적으로는 활성 물질로 코팅되지 않을 수 있다. 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 구역(416)은 층(406)의 다른 부분에 비해 폭이 더 넓은 층(406)의 부위로부터 형성될 수 있다. 다양한 예시적인 실시양태에 따라, 제 1 전극 층과 제 2 전극 층의 겹치는 범위는 양극 범위에 비해 더 큰 음극 범위를 포함한다.
도시된 예에서, 전지(400)는 제 1 제 1 전극 구역(408) 및 제 1 제 1 전극 구역(408) 위에 놓이는 제 2 전극 층(406)과 분리막 층(404)의 조합(410)을 포함한다. 조합(410)은 제 1 전극 층(402)에 대해 수직인 방향으로 위치되고, 조합(410)의 분리막 층(404)이 제 1 전극 층(402)과 제 2 전극 층(406) 사이에 들어가도록 조합(410)을 뒤로 절첩시킨다. 조합(410)의 절첩(예컨대, 선(418)을 따라)은 두 인접한 제 2 전극 구역을 형성시키는데, 이는 전지에 부가적인 부피를 더한다. 그러나, 전지 구성은 예컨대 개별적인 물질의 롤, 테이프 또는 웹으로부터의 제 1 전극, 분리막 및 제 2 전극 물질의 연속적인 공급원을 허용하는데, 이는 전극 물질의 개별적인 시트의 정밀한 배치 또는 절단을 필요로 하지 않으면서 전지(400)를 비교적 용이하고 저렴하게 제조할 수 있도록 한다.
전지(100)와 유사하게, 전지(400)는 제 1 전극 층 및 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 포함할 수 있다. 제 1 전극 층(402) 및 제 2 전극 층(406)에 대한 접촉부는 전극 층(102, 106)과 관련하여 상기 기재된 접촉부를 비롯한 임의의 적합한 형태를 포함할 수 있다.
도 7은 본원의 추가적인 실시양태에 따른 전기화학 전지(400)을 제조하는 방법(700)을 도시한다. 방법(700)은 제 1 전극 층의 제 1 제 1 전극 구역 위에 제 2 전극 층과 분리막 층의 조합을 위치시키는 단계(단계(702)), 조합을 뒤로 절첩시켜 제 1 조합 구역 및 제 2 조합 구역을 형성시키는 단계(단계(704)), 및 제 1 전극 층을 제 2 조합 구역 위로 절첩시켜 제 2 조합 구역 위에 제 2 제 1 전극 구역을 형성시키는 단계(단계(706))를 포함하며, 임의적으로 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계(단계(708)) 및/또는 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계(단계(710))를 포함한다. 제 1 전극 물질로 출발하는 것으로 도시되어 있으나, 예시적인 방법은 다르게는 분리막 구역이 전지의 바닥에 위치하도록 분리막 층 또는 분리막 구역으로 개시될 수 있다. 유사하게, 방법(700)은 전기화학 전지의 상부에 분리막 구역을 형성시킴을 포함할 수 있다.
단계(702)는 제 1 전극 층에 수직인 방향으로 제 1 전극 층의 제 1 구역 위에 제 2 전극 층 및 분리막 층의 조합을 위치시킴을 포함한다. 제 2 전극 층과 분리막 층의 조합은 단일 공급원(예컨대, 롤, 테이프 또는 웹)으로부터 유래될 수 있거나 또는 제 2 전극 층 및 분리막 층은 별도의 공급원으로부터 유래될 수 있다(이 경우에는, 별도의 층을 단계(704) 전에 함께 합친다).
단계(704) 동안, 분리막 층이 제 1 전극 층과 제 2 전극 층의 사이에 들어가도록 분리막 층과 제 2 전극 층의 조합을 이동시키고 뒤로 절첩시킨다(예를 들어, 단계(304, 306)와 관련하여 상기 기재된 임의의 기술을 이용하여). 조합이 절첩되면, 제 1 조합 구역과 제 2 조합 구역이 형성된다.
이어, 단계(706) 동안, 조합에 수직인 방향으로 조합의 제 2 구역 위로 제 1 전극 층을 이동시키고 뒤로 절첩시킨다(예를 들어, 단계(304, 306)와 관련하여 상기 기재된 임의의 기술을 이용하여). 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 전극 층을 절첩시켜 연장된 영역(420)을 형성함으로써 제 1 전극 층에 대한 접촉부 형성을 용이하게 할 수 있다.
목적하는 수의 제 1 전극 구역, 분리막 구역 및 제 2 전극 구역이 형성될 때까지 단계(702) 내지 단계(706)를 반복할 수 있다. 이어, 전지를 평탄화시켜 전지의 부피를 감소시키고 평탄화된 영역(예컨대, 영역(420))을 생성시킬 수 있다. 이어, 단계(310, 312)와 관련하여 상기 기재된 것과 동일하거나 유사한 기술을 이용하여 단계(708, 710) 동안 제 1 전극 층 및 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성시킬 수 있다.
도 12 및 도 13은 본원의 추가적인 실시양태에 따른 다른 전기화학 전지(1200)의 일부를 도시하고, 도 14a 및 도 14b는 전지(1200)를 제조하는데 사용될 수 있는 출발 층을 도시한다. 전기화학 전지(1200)는 전지(400)와 유사하고, 전지(1200)는 제 1 전극 층(1202), 분리막 층(1204) 및 제 2 전극 층(1206)을 포함하며, 이들은 층(402) 내지 층(406)을 제조하는데 사용된 물질에 상응하는 물질로 형성될 수 있다.
방법(1500)이 제 2 전극 층과 분리막 층의 조합 위에 제 1 전극 층을 위치시키고(단계(1502)), 조합을 뒤로 절첩시켜 제 1 조합 구역 및 제 2 조합 구역을 형성시키며(단계(1504)), 제 2 조합 구역 위로 제 1 전극 층을 절첩시켜 제 2 조합 구역 위에 제 2 제 1 전극 구역을 형성시키는(단계(1506)) 것으로 시작되고 임의적으로 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계(단계(1508)) 및/또는 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계(단계(1510))를 포함함을 제외하고는 방법(700)과 유사한 도 15에 도시된 방법(1500)에 따라 전기화학 전지(1200)를 제조할 수 있다. 본원에 기재된 임의의 기술을 이용하여 영역 또는 구역(1214)에서 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성시킬 수 있고 영역 또는 구역(1212)에서 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성시킬 수 있다.
도시된 예에 따라, 분리막 층(1204)과 제 2 전극 층(1206)을 상쇄 위치에서 절첩시키고; 분리막 층(1204) 물질을 포함하지 않는 접촉 구역 또는 영역(1212)이 형성되도록 분리막 층(1204)을 선(1208)으로 표시된 구역에서 절첩시킬 수 있고 제 2 전극 층을 선(1210)으로 표시된 구역에서 절첩시킬 수 있다. 도 14a에는, 예시하기 위한 목적으로 분리막 층이 제 2 전극 층으로부터 상쇄되는 것으로 도시되어 있고; 분리막 층은 제 2 전극(206) 바로 위에 놓일 수 있으며 제 2 전극(206)과 겹쳐져서 도 14b에 도시된 바와 같이 전지에 대한 추가의 보호력을 제공할 수 있다. 이 경우에는, 방법(1500) 동안 분리막 층을 별도의 테이프로서 도입할 수 있다. 방법(1500)의 나머지 단계는 방법(700)의 상응하는 단계와 동일하거나 유사할 수 있다. 접속 영역 또는 구역(1212)에 분리막 층 물질을 갖지 않는 것이 유리할 수 있는데, 왜냐하면 분리막 물질이 없으면 제 2 전극 층(1206)에 대한 전기 접촉부를 형성하기가 용이하고 전지(1200)의 중량을 감소시킴으로써 전지의 에너지 밀도를 증가시키기 때문이다. 이 기술은 제 1 전극 층(1202)이 캐쏘드 물질을 포함하고 제 2 전극 층(1206)이 분리막 층(1204)으로 덮인 애노드 물질을 포함하는 전지에 특히 적합할 수 있는데, 왜냐하면 이 디자인이 분리막 층(1204)을 제 1 전극 층(1202)에 충분히 겹치게 할 뿐만 아니라 잘못 겹쳐지고/지거나 겹쳐지지 않는 현상을 경감시켜 그렇지 않은 경우에 요구되는 품질 측정을 감소시키기 때문이다.
도 8 내지 도 10은 본원의 추가적인 실시양태에 따른 다른 전기화학 전지(800)의 일부 및 그의 구성요소를 도시한다. 전지(800)는, 전지(800)가 제 2 전극 층과 제 1 및 제 2 분리막 층의 조합을 포함하는 것을 제외하고는 전지(400)와 유사하다. 구조 내에 추가적인 분리막 층을 포함함으로써 조합을 뒤로 절첩시키지 않고도 전기화학 전지를 제조할 수 있게 된다.
전기화학 전지(800)는 제 1 전극 층(802), 제 1 분리막 층(804), 제 2 전극 층(806) 및 제 2 분리막 층(808)을 포함한다. 모든 층을 절첩시키고, 이들 층은 모두 연속적인 공급원 또는 반연속적인 공급원으로부터 유래될 수 있다. 따라서, 전지(800)는 제조하기가 비교적 용이하고 저렴하다. 또한, 모든 층이 절첩되기 때문에, 전지는 예컨대 편평한 팩에 비해 전지 내에서 불균일한 압력 분포를 겪을 가능성이 적으며, 따라서 전지는 유사한 편평한 팩에 비해 비교적 안전하다. 또한, 이 디자인은 전극을 분리막 물질로 덮어 전지에 추가적인 안전성을 제공할 수 있다.
제 1 전극 층(802)은 층(102, 402)과 관련하여 상기 기재된 임의의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 층(802)은 두 면 상에서 전극 활성 물질로 코팅된 기판을 포함할 수 있다. 다르게는, 층(802)은 전극 활성 물질의 고체 시트, 또는 활성 전극 물질을 포함하는 복합체 또는 적층체를 포함할 수 있다. 층(802)은 층(406)과 관련하여 상기 기재된 바와 같이 (예를 들어, 담체 호일 또는 기판 상에) 단속적인 접촉 구역 또는 영역을 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다. 분리막 층(804, 808)은 분리막 층(104, 404)과 관련하여 상기 기재된 임의의 물질을 포함할 수 있고, 별도의 층일 수 있거나 층(406) 상으로 직접 코팅될 수 있다. 유사하게, 제 2 전극 층(806)은 층(406)과 관련하여 기재된 임의의 물질을 포함할 수 있고, 상기 기재된 바와 같이 활성 물질의 단속적인 코팅(818) 및 접촉 구역 또는 영역을 포함할 수 있으나, 전지(800)가 예시적인 전지에 따라 2개의 분리막 물질 층을 포함하기 때문에, 층(806)은 두 표면 상에 전극 활성 물질(818)을, 예컨대 기판(820) 상에 활성 물질의 영역(818)을 포함할 수 있다.
도시된 예에서, 전지(800)는 제 1 제 1 전극 구역(810) 및 제 1 제 1 전극 구역(810) 위에 놓이는 제 1 분리막 층(804), 제 2 전극 층(806) 및 제 2 분리막 층(808)의 조합을 포함한다. 조합(812)의 제 1 분리막 층(804)이 제 1 제 1 전극 구역(810)과 제 2 전극 층(806)의 제 1 표면의 활성 물질 사이에 오도록, 또한 제 2 분리막 층(808)이 제 1 전극 층(802)을 조합(812) 위로 절첩시킴으로써 형성되는 제 1 전극 층의 제 2 구역(814)과 제 2 전극 층의 제 2 표면 사이에 들어가도록, 조합(812)을 제 1 전극 층(802)에 대해 수직 방향으로 위치시킨다.
도 10은 제 1 전극 층(802) 및 조합(812)을 매우 상세하게 도시한다. 도시된 예에서, 분리막 층(804, 808)은 부분적으로만 덮이는 층(806)의 영역(816)만 제외하고는 제 2 전극 층(806)보다 더 넓고 그 위에 놓인다. 도 10의 파선은 개별적인 층의 절첩 영역을 나타낸다.
전지(800)는 층(802) 및/또는 층(806)에 대한 접촉부를 포함할 수 있다. 접촉부는 전지(100, 400)와 관련하여 상기 기재된 접촉부와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 11은 전지(800) 같은 전기화학 전지를 제조하는 방법(1100)을 도시한다. 방법(1100)은 제 1 전극 층 위에 제 1 분리막 층, 제 2 전극 층 및 제 2 분리막 층의 조합을 위치시키는 단계(단계(1102)), 조합 위로 제 1 전극 층을 절첩시키는 단계(단계(1104))를 포함하고, 임의적으로 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계(단계(1106)) 및/또는 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계(단계(1108))를 포함한다. 제 1 전극 층으로 개시하는 것으로 도시되어 있지만, 방법(110)은 바닥 층이 분리막 층이도록 조합으로 개시될 수 있으며, 이는 추가적인 셀 단리를 제공한다. 마찬가지로, 방법은 상부에서 조합 층으로 종결되어 전지 상부에 전기 절연을 제공할 수 있다. 또는, 전지의 바닥 및/또는 상부에 추가적인 분리막 구역을 형성시켜 추가적인 전지 단리를 제공할 수 있다.
단계(1102)는 제 1 전극 층에 대해 수직인 방향으로 제 1 제 1 전극 층 구역 위에 제 2 전극 층과 두 분리막 층의 조합을 위치시킴을 포함한다. 제 1 분리막 층, 제 2 전극 층 및 제 2 분리막 층의 조합은 단일 공급원(예컨대, 롤, 테이프 또는 웹)으로부터 또는 별도의 공급원으로부터 유래될 수 있으며, 후자의 경우에는 별도의 층을 단계(1104) 전에 함께 합친다. 한 예에 따르면, 제 1 전극 층은 연속적인 공급원으로부터 유래되고, 제 2 전극 및 제 1 분리막 층과 제 2 분리막 층은 목적하는 길이로 사전에 절단한다.
단계(1104) 동안, 제 1 전극을 조합에 수직인 방향에서 조합 위로 절첩하여 조합 위에 제 2 제 1 전극 구역을 형성한다.
방법(300, 700)과 관련하여 상기 기재된 임의의 절첩 및 이동 기술에 따라 단계(1102) 내지 단계(1104)를 수행할 수 있다. 목적하는 수의 제 1 전극 구역과 조합 구역이 전지 내에서 형성될 때까지 단계를 반복할 수 있다. 이어, 전지를 평탄화시켜 전지의 부피를 감소시키고 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는데 적합한 평탄해진 영역(예를 들어, 영역(820))을 생성시킬 수 있다.
단계(1106, 1108) 동안 층(802) 및/또는 층(806)에 대한 접촉부를 형성시키는데, 이 단계는 상기 기재된 단계(310, 312 및 708, 710)와 동일하거나 유사할 수 있다.
다수의 예시적인 실시양태 및 실시예를 참조하여 본 발명을 상기에 기재하였다. 본원에 도시 및 기재된 특정 실시양태는 본 발명의 예시적인 실시양태를 예시하는 것이고 본 발명의 영역을 한정하고자 하지 않음을 알아야 한다. 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않으면서 본원에 기재된 실시양태를 변화 및 변경시킬 수 있음을 알 것이다. 이들 및 다른 변화 또는 변경은 본 발명의 영역 내에 포함시키고자 한다.

Claims (53)

  1. 제 1 전극 층; 제 1 전극 층에 근접하고 제 1 방향으로 뒤로 절첩되어 제 1 분리막 구역, 제 2 분리막 구역 및 그 사이의 개구부를 형성하는 분리막 층; 및 제 1 분리막 구역과 제 2 분리막 구역 사이에 놓이는 제 2 전극 판을 포함하는 전기화학 전지로서, 이 때 상기 제 1 전극 층이 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 분리막 층 위로 절첩되어, 제 1 분리막 구역 아래에 놓이는 제 1 제 1 전극 구역 및 제 2 분리막 구역 위에 제 2 제 1 전극 구역을 형성하는, 전기화학 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 층이 활성 캐쏘드 물질을 포함하고, 제 2 전극이 활성 애노드 물질을 포함하는, 전기화학 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 층이 활성 애노드 물질을 포함하고, 제 2 전극이 활성 캐쏘드 물질을 포함하는, 전기화학 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지가 제 1 전극 구역, 분리막 구역 및 판(plate) 각각을 2개보다 많이 포함하는, 전기화학 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 판이 전극 활성 물질로 코팅되지 않은 구역을 포함하는, 전기화학 전지.
  6. 제 1 전극 층에 수직인 방향으로 제 1 전극 층의 제 1 구역 위에 분리막 층을 위치시키는 단계; 분리막 층을 뒤로 절첩하여 제 1 분리막 구역, 제 2 분리막 구역 및 그 사이의 제 1 개구부를 형성하는 단계; 제 1 전극 층을 제 2 분리막 구역 위로 절첩하여 제 1 분리막 구역 아래에 놓이는 제 1 제 1 전극 구역 및 제 2 분리막 구역 위에 놓이는 제 2 제 1 전극 구역을 형성하는 단계; 및 개구부 내에 제 2 전극 물질을 포함하는 제 1 시트를 위치시키는 단계를 포함하는, 전기화학 전지의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 전극 구역, 분리막 구역 및 판 각각을 2개보다 많이 포함하는 전기화학 전지를 제조함을 추가로 포함하는, 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 시트를 위치시키는 단계를, 제 2 분리막 구역 위로 제 1 전극 층을 절첩하는 단계 전에 실행하는, 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 시트를 위치시키는 단계를, 제 2 분리막 구역 위로 제 1 전극 층을 절첩하는 단계 후에 실행하는, 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 제 1 전극 구역 아래에 놓이는 분리막 구역을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 방법이 전기화학 전지의 상부에 분리막 구역을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 통해 제 1 전극 층에 대한 접촉부(contact)를 형성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 방법이 판 상의 접촉 구역 상에 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 절단하여 가장자리 구역을 형성하는 단계 및 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제 1 전극 구역을 포함하는 제 1 전극 층; 제 1 전극 층 위에 놓이고, 활성 물질을 포함하는 제 1 표면 및 제 2 표면을 포함하는 제 2 전극 층; 및 부분적으로 제 2 표면 위에 놓이는 분리막 층을 포함하는 전기화학 전지로서, 이 때 상기 제 2 전극 층과 분리막 층의 조합이 제 1 방향에서 뒤로 절첩되고, 제 1 전극 층이 제 2 방향에서 상기 조합 위로 절첩되어 제 2 제 1 전극 구역을 형성하며, 제 1 방향과 제 2 방향이 서로 수직인, 전기화학 전지.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전지가 제 1 전극 구역, 제 2 전극 구역 및 분리막 구역 각각을 2개보다 많이 포함하는, 전기화학 전지.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 표면이 활성 물질로 단속적으로 코팅되는, 전기화학 전지.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 전극 층이 접촉 구역을 포함하는, 전기화학 전지.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 층이 상부(top) 표면 및 바닥(bottom) 표면 상에 활성 물질을 포함하는, 전기화학 전지.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 전지가 전기화학 전지의 바닥에 분리막 층의 구역을 포함하는, 전기화학 전지.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 전지가 전기화학 전지의 상부에 분리막 층의 구역을 포함하는, 전기화학 전지.
  22. 제 1 전극 층의 제 1 제 1 전극 구역 위에 제 2 전극 층과 분리막 층의 조합을 제 1 전극 층에 수직인 방향으로 위치시키는 단계; 상기 조합을 뒤로 절첩하여 제 1 조합 구역 및 제 2 조합 구역을 형성시키는 단계; 및 제 1 전극 층을 제 2 조합 구역 위로 절첩시켜 제 2 조합 구역 위에 제 2 제 1 전극 구역을 형성시키는 단계를 포함하는, 전기화학 전지의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 전극 구역 및 조합 구역 각각을 2개보다 많이 포함하는 전기화학 전지를 제조하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법이 전기화학 전지의 바닥에 분리막 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법이 전기화학 전지의 상부에 분리막 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 위치시키는 단계가 기판 및 기판 상에 놓이는 전극 활성 물질의 단속적인 구역을 포함하는 제 2 전극 층을 제공함을 포함하는, 방법.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 위치시키는 단계가 하나 이상의 접촉 구역을 포함하는 기판을 포함하는 제 2 전극 층을 제공함을 포함하는, 방법.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법이 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  29. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  30. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 통해 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  31. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 절단하여 가장자리 구역을 형성시키는 단계 및 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  32. 제 1 전극 층; 제 1 전극 층 위에 놓이고, 활성 물질을 포함하는 제 1 표면 및 활성 물질을 포함하는 제 2 표면을 포함하는 제 2 전극 층; 부분적으로 제 1 표면 위에 놓이는 제 1 분리막 층; 및 부분적으로 제 2 표면 위에 놓이는 제 2 분리막 층을 포함하는 전기화학 전지로서, 이 때 상기 제 1 분리막 층, 제 2 전극 층, 및 제 2 분리막 층의 조합이 제 1 제 1 전극 구역 위에 놓이고, 제 1 전극 층이 이 조합 위에 수직으로 절첩되어 제 2 제 1 전극 구역을 형성하는, 전기화학 전지.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 층이 활성 캐쏘드 물질을 포함하고, 제 2 전극 층이 활성 애노드 물질을 포함하는, 전기화학 전지.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 층이 활성 애노드 물질을 포함하고, 제 2 전극 층이 활성 캐쏘드 물질을 포함하는, 전기화학 전지.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 전지가 제 1 전극 구역, 제 2 전극 구역 및 분리막 구역 각각을 2개보다 많이 포함하는, 전기화학 전지.
  36. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 표면이 활성 물질로 부분적으로 코팅되는, 전기화학 전지.
  37. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 2 표면이 활성 물질로 부분적으로 코팅되는, 전기화학 전지.
  38. 제 32 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지의 바닥 층이 분리막 물질을 포함하는, 전기화학 전지.
  39. 제 32 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지의 상부 층이 분리막 물질을 포함하는, 전기화학 전지.
  40. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 2 전극 층이 하나 이상의 접촉 구역을 포함하는, 전기화학 전지.
  41. 제 1 전극 층에 수직인 방향으로, 제 1 전극 층의 제 1 제 1 전극 구역 위에, 제 1 분리막 층, 제 2 전극 층 및 제 2 분리막 층의 조합을 위치시키는 단계; 및 상기 조합에 수직인 방향으로 상기 조합 위에 제 1 전극 층을 절첩시키는 단계를 포함하는, 전기화학 전지의 제조 방법.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 전극 구역 및 상기 조합 구역 각각을 2개보다 많이 포함하는 전기화학 전지를 제조함을 포함하는, 방법.
  43. 제 41 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 제 1 전극 구역 아래에 놓이는 분리막 구역을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  44. 제 41 항에 있어서,
    상기 방법이 전기화학 전지의 상부에 분리막 구역을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  45. 제 41 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  46. 제 41 항에 있어서,
    상기 방법이 제 2 전극 층에 대한 접촉부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  47. 제 41 항에 있어서,
    상기 방법이 제 1 전극 층의 절첩된 구역을 절단하여 가장자리 구역을 형성시키고, 제 1 전극 층에 대한 접촉부를 형성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  48. 제 1 항에 따른 전기화학 전지를 포함하는 배터리.
  49. 제 15 항에 따른 전기화학 전지를 포함하는 배터리.
  50. 제 32 항에 따른 전기화학 전지를 포함하는 배터리.
  51. 제 6 항에 따른 방법을 포함하는, 배터리 제조 방법.
  52. 제 22 항에 따른 방법을 포함하는, 배터리 제조 방법.
  53. 제 41 항에 따른 방법을 포함하는, 배터리 제조 방법.
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