KR20160008617A - 다중 저항 레벨을 갖는 재충전 배터리 - Google Patents

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Abstract

다양한 온도 범위에 따른 2개 또는 그 이상의 내부 저항 레벨을 특징으로 하는 재충전 배터리가 개시된다.

Description

다중 저항 레벨을 갖는 재충전 배터리{RECHARGEABLE BATTERY WITH MULTIPLE RESISTANCE LEVELS}
본 출원은 2013년 5월 16일 출원된 미국 가출원 제61/824,211호의 이점을 청구하는 2014년 2월 25일 출원된 미국 일부 계속출원 제14/189,517호이며, 이들 문헌의 모든 내용은 참조를 위해 본원에 포함된다.
본 발명은 통상 재충전 배터리에 관한 것으로, 특히 하나 이상의 내부 저항 레벨로 구성된 재충전 배터리에 관한 것이다. 그와 같은 배터리는 하나 이상의 내부 저항 레벨을 갖는 리튬-이온 배터리를 포함한다.
전자, 운송 및 그리드 에너지 저장장치를 위한 재충전 배터리는 통상 극한의 온도에서 낮은 성능 및 안전상의 우려를 갖고 있다. 낮은 온도에서, 특히 빙점 아래의 온도에서, 재충전 배터리, 특히 리튬-이온 배터리는 배터리 셀에서 일어나는 부진한 전기화학 운동 및 전송 프로세스로 인해 매우 낮은 파워 성능 및 낮은 에너지를 나타낸다. 높은 온도에서, 리튬-이온 배터리는 안전이 위태로워진다. 모든 잠재적인 동작 온도에서 운송 및 그리드 에너지 저장장치 내의 이들 배터리의 강하고 안전한 사용이 강하게 요구되고 있다.
또한 그러한 배터리 성능을 콘트롤하는 전기화학 및 전송 프로세스들이 빠른 내부 온도 상승에 따라 크게 향상될 수 있도록 낮은 주변 온도로 배터리 셀 내의 빠른 내부 가열을 촉진시킬 필요성이 있다. 또한 배터리가 열 폭주에 들어가는 경우와 같이 배터리의 안전이 위태로워지기 전에, 배터리가 정상 온도를 넘어 동작하기 시작할 때 전압 또는 전류의 현저한 변화를 검출할 필요성이 있다. 그 모든 필요성은 본원에서 이중 저항 배터리라고 부르는 2개의 내부 저항 레벨을 갖는 배터리를 발명함으로써 해결될 수 있다.
본 발명은 다중 저항 레벨을 갖는 재충전 배터리를 제공하기 위한 것이다.
본 발명 개시의 장점은 하나 이상의 내부 저항 레벨을 갖는 리튬-이온 배터리와 같은 재충전 배터리이다. 장점으로, 그와 같은 배터리는 하나의 온도 범위에 걸친 하나의 내부 저항 레벨 및 다른 온도들 또는 온도 범위들에서의 다른 저항 레벨들에서 동작될 수 있다. 다양한 저항 레벨들간 차이는 2 내지 50배 또는 그 이상이 될 수 있다. 각기 다른 저항 레벨들간 스위칭은 재충전 배터리의 성능 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
이들 및 다른 장점들은 제1온도(T1)와 제2온도(T2)간 배터리의 온도 범위에 걸친 제1내부 저항 레벨(R1), 및 T1 또는 T2 범위 밖에서의 제2내부 저항 레벨(R2)을 포함하는 재충전 배터리에 의해 적어도 부분적으로 만족하며, 여기서 약 2℃ 이하의 T1에서 R2의 값은 T1에서 R1의 값에 적어도 2배이거나 또는 약 2℃ 이상의 T2에서 R2의 값은 T2에서 R1의 값에 적어도 2배이다. 상기 재충전 배터리는 추가의 저항 레벨들, 예컨대 제3온도 범위(T3, T4)와 연관된 제3저항 레벨(R3) 등을 가질 수 있다. 장점으로, 약 2℃ 이하의 T1에서 R2의 값은 T1에서 R1의 값에 적어도 2배 내지 50배이고, 약 2℃ 이상의 T2에서 R2의 값은 T2에서 R1의 값에 적어도 2배 내지 50배이다.
개시의 실시예들은 2개의 저항 레벨을 갖는 재충전 배터리, 예컨대 R1에서 배터리를 동작시키기 위한 적어도 2개의 단자 및 R2에서 배터리를 동작시키기 위한 적어도 2개의 단자를 갖는 이중 저항 레벨 배터리를 포함한다. 그러한 이중 저항 배터리는 R1에서 배터리를 동작시키기 위한 단자와 R2에서 배터리를 동작시키기 위한 단자간 스위칭하기 위한 온도 센서 또는 콘트롤러에 의해 구동된 스위치를 더 포함할 수 있다.
개시의 추가 실시예들은 온도에 따라 조절된 전극 전도성을 고려한 배터리의 셀의 하나 또는 그 이상의 전극 바인더에 부가된 열 감응성 재료 및/또는 온도의 함수로서 전해질의 점성 및/또는 이온 전도성을 변경하는 상기 전해질 내의 하나 또는 그 이상의 열 감응성 첨가제를 포함하는 재충전 배터리를 구비한다. 그와 같은 특징들은 온도의 함수로서 재충전 배터리의 내부 저항 레벨들을 변경하도록 작용할 수 있다.
본 발명 개시의 다른 형태는 다수의 내부 저항 레벨을 갖는 재충전 배터리를 동작시키는 방법이다. 상기 방법은 소정의 온도 범위에 걸친, 예컨대 T1 및 T2로 규정된 온도 범위에 걸친 제1내부 저항 레벨에서 재충전 배터리를 동작시키는 단계 및 다른 온도 범위에 걸친 제2내부 저항 레벨에서, 예컨대 배터리가 T1 및/또는 T2 범위 밖일 때 R2에서 재충전 배터리를 동작시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가 장점들은 이하 상세한 설명으로부터 통상의 기술자가 용이하게 알 수 있으며, 단지 그러한 발명의 바람직한 실시예는 그 발명을 수행하기 위해 고려된 최상 모드의 간단한 형태로 나타내고 기술했을 뿐이다. 실현되는 바와 같이, 본 발명은 다른 그리고 각기 다른 실시예들을 가능하게 하고, 그 몇가지 세부 항목은 모두 본 발명으로부터 벗어나지 않고 다양한 명확한 사항들로 변경할 수 있다. 따라서, 도면 및 그 설명은 사실상 예시로 고려될 뿐, 한정하는 것으로 고려하진 않는다.
첨부의 도면들에 대한 참조가 이루어지며, 여기서 동일한 참조부호를 갖는 요소들은 유사한 요소들을 나타내고, 여기서:
도 1은 본 발명 개시의 실시예에 따른 이상적인 재충전 배터리에서의 온도의 함수로서 저항을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명 개시의 실시예에 따른 세퍼레이트를 샌드위치하는 2개의 전극 시트로 구성된 이중-저항 셀 구성을 나타낸다.
도 3a는 본 발명 개시의 실시예에 따른 감겨진 이중-저항 배터리의 사시도를 나타낸다.
도 3b는 본 발명 개시의 실시예에 따른 감겨진 이중-저항 배터리의 횡단면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명 개시의 실시예에 따른 두 쌍의 단자를 갖춘 조립된 이중-저항 배터리를 나타내며, 여기서 한 쌍의 단자는 낮은 내부 저항을 위한 것이고, 다른 쌍의 단자는 높은 저항을 위한 것이다.
도 5a는 본 발명 개시의 실시예에 따른 낮은-저항 레벨에서 동작된 이중-저항 배터리에서의 전류 흐름을 나타낸다.
도 5b는 본 발명 개시의 실시예에 따른 높은-저항 레벨에서 동작된 이중-저항 배터리에서의 전류 흐름을 나타낸다.
도 6은 본 발명 개시의 실시예에 따른 이중-저항 배터리를 콘트롤하도록 구성된 배터리 관리 시스템을 나타내는 도면이다.
도 7a-7c는 본 발명 개시의 실시예에 따른 다중-레벨 저항 배터리의 성능을 더 나타내기 위한 일련의 그래프를 나타낸다.
도 7a는 배터리 온도의 함수로서 프로토타입 40 Ah 이중-저항 배터리의 내부 저항 특성을 나타낸다. 도 7b는 기존의 40 Ah 배터리의 내부 저항 특성을 나타낸다. 도 7c는 도 7a 및 7b와 연관된 저항 레벨 및 온도들에 대한 온도의 변화에 따른 저항의 변화(dR/dT)를 나타낸 차트이다.
도 8은 본 발명 개시의 실시예에 따른 -20℃ 대기에서 1C 비율로 방전된 도 7a의 40 Ah 이중-저항 배터리의 전압 및 온도 곡선을 나타낸다.
도 9는 25℃에서의 양 배터리의 기준 성능 곡선에 따른 -20℃에서 1C 비율로 방전된 기존 및 이중-저항 배터리의 방전 곡선을 비교하는 그래프이다.
도 10은 단락 상황을 격는 기존 및 이중-저항 배터리의 셀 전압 및 온도의 점진적 변화를 비교하는 그래프이다.
본 발명 개시는 2개 또는 그 이상의 내부 저항 레벨을 갖는 재충전 배터리에 관한 것이다. 본원에 사용한 바와 같이, 그러한 용어 배터리는 하나 또는 그 이상의 전기화학 셀을 포함하는 소정의 재충전 전기화학 에너지 저장장치를 나타내기 위해 사용된다. 본 발명 개시의 배터리 구성은 한정하진 않지만 리튬-이온, 리튬-폴리머, 니켈-금속 수소화물, 니켈-망간-코발트, 리튬-황 및 리튬-공기 배터리와 같은 다양한 배터리에 적용될 수 있다. 그와 같은 배터리들은 운송, 항공우주산업, 군대, 및 안정한 에너지 저장장치 애플리케이션에 유용하다. 본 발명 개시의 재충전 배터리의 장점은 그러한 배터리의 내부 저항이 배터리의 온도에 따라 순차적으로 변경될 수 있다는 것이다.
예컨대, 정상 또는 최적의 동작 온도 시와 같은 정상 동작 조건 중에, 본 발명 개시의 실시예에 따른 재충전 배터리의 내부 저항은 예컨대 기존의 배터리와 같이 낮아질 수 있다. 그러나, 그러한 배터리가 이러한 정상 또는 최적의 범위 밖의 온도를 경험할 때, 상기 배터리는 다른, 예컨대 보다 높은 저항 레벨에서 동작하도록 만들어질 수 있다. 본 발명 개시의 일 형태에 있어서, 재충전 배터리는 특정 온도 또는 온도 범위에 따라 변경될 수 있는 다수의 내부 저항 레벨을 가질 수 있다. 즉, 본 발명 개시의 재충전 배터리는 제1온도 범위(T1, T2)와 연관된 제1저항 레벨(R1), 제2온도 범위(T3, T4)와 연관된 제2저항 레벨(R2), 제3온도 범위(T5, T6)와 연관된 제3저항 레벨(R3) 등을 가질 수 있다. 소정의 특정 온도 범위와 연관된 그러한 저항 레벨들은 바람직하게 계단 또는 제곱 함수와 연관된 변화와 같이 갑작스럽게 변화한다. 즉, 온도 범위들간 그리고 그 온도 범위들중 그러한 저항 레벨의 비교적 갑작스런 변화가 일어난다.
본 발명 개시의 실시예에 있어서, 재충전 배터리는 배터리의 온도에 따라 적어도 2개의 내부 저항 레벨(이중 저항 레벨)을 가질 수 있다. 본원에 사용한 바와 같이, 배터리의 온도는 내부 온도 또는 외부 표면 온도일 수 있다. 본 실시예의 이중 저항 배터리는 배터리의 내부 온도가 최적 온도 이하일 때 더 높은 저항 레벨에서 동작하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 배터리를 가열하여 배터리 성능을 향상시킨다. 예컨대, 배터리의 내부 온도가 정상 범위 이하, 예컨대 약 5℃ 이하와 같이 정상 동작 온도 이하이거나 또는 빙점 아래 환경(약 0℃보다 작은, 예컨대 -10 또는 -20℃보다 작은)에 있을 때, 그 이중 저항 배터리의 내부 저항은 배터리가 정상 온도 범위(예컨대, 약 40 Ω㎠ 내지 약 200 Ω㎠의 범위)에서 동작할 때보다 몇배 더 높아진다. 결과적으로, 내부 가열을 더 증강시키고(배터리의 열 생성이 그 내부 저항에 비례함에 따라), 이는 배터리의 내부 온도의 빠른 상승을 야기한다. 이는 이후 빙점 아래 환경에서 동작하는 한편 배터리의 파워 및 에너지 출력을 빠르게 향상시킨다.
그와 같은 이중 저항 배터리는 또한 배터리의 내부 온도가 정상 동작 범위(예컨대, 약 45℃ 이상, 즉 약 50℃, 60℃ 및 70℃ 이상)의 최고점을 초과하면 높은 내부 저항으로 스위치하도록 구성될 수 있다. 그와 같은 보다 높은 내부 온도는 지나친 또는 불완전한 상황 동안 일어날 수 있다. 그러한 높은 내부 저항은 셀 과충전의 경우에 훨씬 확대된 셀 전압 오버슈트(overshoot)를 야기하고, 이에 따라 셀이 열 폭주 조건에 들어가기 전에 조기 검출 및 외부 충전 시스템의 중지를 매우 쉽게 할 수 있다. 단락의 경우, 예컨대 그러한 보다 높은 내부 저항은 더 느리게 그리고 콘트롤된 비율로 배터리 에너지를 방출하며, 이에 따라 셀 온도 상승의 비율을 감소시켜 열 폭주로부터 셀을 보호한다. 그러한 정상 온도 범위의 최고점에서 이러한 높은 내부 저항 특징은 배터리의 고유의 안전을 보장한다.
본 발명 개시의 일 실시예에서, 배터리의 온도에 따라 적어도 2개의 내부 저항 레벨을 나타내는 재충전 배터리가 기술된다. 그러한 재충전 배터리는 제1온도(T1)와 제2온도(T2)간 배터리의 온도 범위에 걸친 제1내부 저항 레벨(R1), 및 T1 또는 T2 범위 밖에서의 제2내부 저항 레벨(R2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, R2의 값은 T2 이하 및/또는 T2 이상으로 갑작스럽게 변화하며, 예컨대 약 2℃ 이하의 T1에서 R2의 값은 T1에서 R1의 값에 적어도 2배이거나 또는 약 2℃ 이상의 T2에서 R2의 값은 T2에서 R1의 값에 적어도 2배이다. 본 발명 개시의 일 형태에 있어서, 약 2℃ 이하의 T1 및/또는 약 2℃ 이상의 T2에서 R2의 값은 T1에서 R1의 값 또는 T2에서 R1의 값의 적어도 5배, 예컨대 적어도 10, 15, 20, 30배 또는 50배 정도이다. 그러한 개시의 다른 형태에 있어서, 그러한 R2의 값은 T1 이하 및 T2 이상 모두로 갑작스럽게 변화한다.
2개의 저항 레벨을 갖는 그와 같은 재충전 배터리의 이상적인 저항 대 온도 관계의 일 예가 도 1에 개략적으로 나타나 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 정상 동작 온도 범위 동안, 예컨대 T1＜T＜T2 동안(여기서, T1은 약 0℃이고, T2는 50℃인), 그 배터리는 예컨대 리튬-이온 배터리와 같은 기존의 재충전 배터리에서 경험한 내부 저항과 유사한 낮은 내부 저항(R1)을 나타낸다. 그러나, 이러한 동작 온도 범위 밖에서, 그 배터리의 내부 저항은 보다 높은 레벨(R2)로 점프하며, 여기서 R2는 바람직하게 이 R2의 값이 약 2℃의 T1 및/또는 T2 내에서 결정될 때 R1의 2-50배이다.
하나 이상의 내부 저항 레벨을 갖는 재충전 배터리는 리튬-이온 배터리로 실시될 수 있다. 하나 이상의 내부 저항 레벨을 갖도록 재충전 리튬-이온 배터리를 구성하는 것은 장점으로 복잡한 그리고 고비용의 배터리 관리 시스템을 필요로 하지 않고 비정상적으로 차갑거나 또는 뜨거운 환경에서 그와 같은 배터리가 안전하게 그리고 강하게 동작할 수 있게 한다. 그와 같은 리튬-이온 배터리에 있어서, 그러한 배터리는 예컨대 최적의 온도 범위 밖의 낮은 온도에서 그 내부 저항으로 점프하도록 구성될 수 있다. 그와 같은 저항의 점프가 발생하면, 배터리에 의해 생성된 내열이 증강되고, 차례로 빠른 내부 웜-업(warm-up)을 이끌고, 이에 따라 배터리의 파워 및 에너지 성능을 크게 향상시킨다. 배터리의 내열 생성은 그 내부 저항에 비례한다. 따라서, 재충전 리튬-이온 배터리의 저항의 2-50배 증가는 배터리를 동작시키기 위해 최적 온도 이하의 온도에서 열 생성의 비례 증가를 가질 수 있다.
또한, 그러한 재충전 배터리는 뜨거운 온도에서 보다 높은 내부 저항 레벨로 동작될 수 있을 뿐만 아니라 배터리의 안전을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 과도한 상황 동안, 예컨대 과충전 또는 과방전 상황 동안, 그러한 이중 저항 배터리는 일단 이 배터리가 T2를 초과하면 높은 내부-저항 레벨로 스위치될 수 있어, 각각 전압 오버슈트 또는 언더슈트(undershoot)를 확대시킨다. 이는, 전압 제한에 기초한 외부 전자 콘트롤 유닛, 예컨대 배터리 콘트롤러에, 그 이상의 온도 상승 및 비극적인 열 폭주가 계속해서 일어나기 전에 배터리의 동작을 정지시킬 충분한 기회를 준다.
본 발명 개시의 실시예에 있어서, 하나 이상의 내부 저항 레벨을 갖는 재충전 배터리는 배터리 시스템에 포함될 수 있다. 그러한 배터리 시스템은 배터리를 배터리 동작 중 다양한 저항 레벨로, 예컨대 배터리를 배터리 동작 중 소정 온도 또는 온도 범위에 걸친 어느 한 저항 레벨(예컨대, R1) 및 배터리 동작 중 다른 온도 범위의 또 다른 저항 레벨(예컨대, R2)로 스위치시킬 수 있는 콘트롤러를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 배터리 시스템은 배터리 또는 하나 이상의 배터리 셀의 내부 온도, 예컨대 온도 범위 (T1, T2), (T3, T4), (T5, T6) 등을 결정하기 위한 온도 센서를 포함할 수도 있다. 그러한 온도 센서는 셀의 온도를 검출하기 위해 배터리의 셀 외면 상에 또는 셀 내측에 설치된 열전대 또는 서미스터일 수 있다.
동작에 있어서, 상기 콘트롤러는 어느 한 온도 범위 내의 제1저항 레벨에서 그리고 또 다른 온도 범위 또는 소정 온도 이상 또는 이하 등에서의 제2저항 레벨에서 상기 배터리를 동작하게 한다. 즉, 제1온도(T1)와 제2온도(T2)간 배터리의 온도 범위에 걸친 제1내부 저항 레벨(R1), 및 T1 또는 T2 범위 밖에서의 제2내부 저항 레벨(R2)은 배터리가 T1 또는 T2 범위 밖일 때 T1 및 T2에 걸친 R1에서 동작되고 R2에서 동작될 수 있다.
본 발명 개시의 다중-저항 재충전 배터리는, 한정하진 않지만, (a) 열적으로 활성된 배터리 내에 셀 구성을 배열하는 단계, (b) 온도에 의해 조절된 전극 전도성을 고려한 셀의 하나 또는 그 이상의 전극 바인더에 부가된 열 감응성 재료를 구비한 배터리를 구성하는 단계, 및/또는 (c) 온도의 함수로서 전해질의 점성 및/또는 이온 전도성을 변화시키는 셀의 전해질에 하나 또는 그 이상의 열 감응성 첨가제를 구비한 배터리를 구성하는 단계를 포함하는 몇몇 방법에 의해 제조될 수 있다. 본 발명 개시의 다중-저항 재충전 배터리는 파우치(pouch)형, 원통형, 각주형(prismatic), 또는 각형(angular form)과 같은 소정의 기존 형태가 될 수 있으며, 리튬-이온, 니켈-금속 수소화물, 니켈-망간-코발트 등과 같은 소정 기존의 재충전 액티브(active) 캐소드 및 애노드 재료들에 의해 제조될 수 있다. 예컨대, 양극 활성 재료는 리튬 코발트 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈-코발트-망간 산화물, 리튬-풍부 층 산화물, 또는 그 혼합물을 포함할 수 있다. 음극 활성 재료는 예컨대 흑연, 실리콘, 실리콘 합금, 금속 합금, 리튬 금속, 리튬 티타네이트와 같은 리튬 금속 등을 포함할 수 있다. 본 발명 개시의 재충전 배터리는 액체, 폴리머-겔(polymer-gel), 또는 고체 형태의 전해질을 더 포함할 수 있다.
본 발명 개시의 실시예에 있어서, 재충전 배터리는 적어도 2개의 저항 레벨을 갖는 셀 구성을 포함한다. 예컨대, 도 2는 금속(예컨대, 동) 포일(9; foil) 상에 코팅된 애노드 재료(10; 예컨대, 흑연)를 갖춘 음극 시트(9, 10), 금속(예컨대, 알루미늄) 포일(13) 상에 코팅된 캐소드 재료(14)를 갖춘 양극 시트(13, 14), 및 그 사이의 세퍼레이터(12 및 8; separator)를 포함하는 배터리 셀 디자인을 나타낸다. 이러한 셀 구성은 리튬-이온, 니켈-금속 수소화물 등과 같은 재충전 배터리에 적용가능하다. 포일(9 및 13) 상의 코로게이트(corrugate) 형상은 이들 포일을 안에서 밖으로 기계가공한 전류-수집 탭(각각 9a 및 13a)을 나타낸다. 이들 시트가 도 3a에 나타낸 바와 같이 원통형 또는 납작한 젤리 롤을 형성하기 위해 둘둘 말릴 때, 음극 및 양극 시트 상의 이러한 작은 탭들은 소정의 기존 재충전 배터리에 채용될 수 있는 배터리를 위한 음극 단자(9a) 및 양극 단자(13a)를 형성하기 위해 정렬되어 함께 용접된다. 단자 9a 및 13a 외에, 본 발명 실시예의 다중-저항 재충전 배터리는 음극 금속 포일(9) 상의 스트립 탭(11; strip tab), 및 양극 금속 포일(13) 상의 또 다른 스트립 탭(15)을 더 포함한다. 이들 스트립 탭은 각각 포일(9 및 13) 상에 용접될 수 있다. 젤리 롤로 감긴 후, 이들 2개의 스트립 탭은 도 3a에 나타낸 바와 같은 2개의 새로운 단자를 생기게 하며, 그 중 하나는 음극이고 또 다른 하나는 양극이다. 납작한 젤리 롤의 단면 및 2개의 스트립 탭의 위치가 도 3b에 더 도시되어 있다. 이 도면은 또한 포일(9 및 13)들이 활성 재료로 그 주면 모두가 코팅되어 있는 것을 나타내고 있다.
이중 저항 배터리는 각주형 케이스로 도 2-3에 나타낸 바와 같은 젤리 롤을 삽입함으로써 제조될 수 있으며, 예컨대 전해질로 채워질 수 있다. 그와 같은 배터리가 도 4에 나타나 있으며, 여기에는 두 쌍의 음극 및 양극 단자가 존재한다. 함께 용접된 그러한 다수의 탭으로부터 제공된 상기 쌍(2 및 2')은 기존의 배터리(예컨대, 9a 및 13a)에서와 같이 낮은 내부 저항을 주며, 반면 단자(1 및 1')들은 도 2의 11 및 15로 나타낸 바와 같이 2개의 스트립 탭으로부터 기원하고 짧은 시간에 배터리를 동작시켜 높은 내부 저항을 제공한다.
도 5a 및 5b는 도 2-4의 예들에 의해 제조된 이중 저항 배터리에서 저항 레벨이 어떻게 변하는지를 나타낸다. 도 5a의 화살표로 나타낸 바와 같이, 배터리 활성 재료들로부터 생성된 전류가 가장 가까운 작은 탭으로 그리고 이후 단자 2 및 2'로 매우 짧은 거리를 이동할 때 그러한 배터리의 내부 저항이 작아질 수 있다. 한편, 그러한 단자 쌍(1 및 1')이 사용되면, 도 5b의 화살표로 나타낸 훨씬 더 긴 경로에 따른 전류 흐름으로 인해 배터리의 내부 저항이 갑작스럽게 증가한다. 서모스탯(thermostat) 또는 바이메탈 스위치(bimetal switch)와 같은 열 감응성 스위치가 셀 온도에 따라 그러한 낮은-저항 단자 쌍(2, 2')과 높은-저항 단자 쌍(1, 1')간 스위치하기 위해 사용될 때, 본질적으로 도 1에 나타낸 특성들을 갖는 이중 저항 배터리가 생성된다.
대안으로, 낮은-저항 단자(2, 2')에서 높은-저항 단자(1, 1')로 그리고 그 반대로의 스위치는 배터리 관리 시스템의 셀 온도 센서 및 전기 회로를 갖는 콘트롤러에 의해 수행될 수 있다. 예로서 그리고 도 6에 나타낸 바와 같이, 배터리 시스템은 다중-저항 재충전 배터리(3), 예컨대 도 2-5에 의해 나타낸 바와 같은 이중 저항 배터리, 온도 센서(20)와 전기 통신하는 콘트롤러(5) 및 전기 콘택트(6 및 7)를 포함한다. 배터리 사용 동안, 상기 온도 센서(20)는 배터리 온도를 검출하여 그 온도를 콘트롤러(5)로 전송한다. 만약 배터리 온도가 온도 범위(T1, T2) 내이면, 콘트롤러(5)는 곧바로 배터리의 단자(2, 2')들과 연결하도록 6과 7을 스위치하여, 배터리의 낮은 내부 저항을 야기시킨다. 한편, 만약 그 검출된 온도가 상기 범위(T1,T2) 밖이면, 콘트롤러(5)는 곧바로 단자(1, 1)들과 연결하도록 6과 7을 스위치함으로써, 높은 내부 저항을 생성한다.
장점으로, 그러한 이중 저항 배터리는 재충전 리튬-이온, 니켈-금속 수산화물과 같은 모든 배터리 화학 물질, 또는 리튬-황과 같은 진화된 리튬 배터리 또는 리튬-공기 배터리에, 그리고 파우치형, 원통형, 각주형 또는 각형에 상관없이 모든 형태의 요소에 실시될 수 있다. 도 2-5에 대해 상기 기술된 셀 구성은 제1세트의 단자에 대한 제1내부 저항 레벨(R1) 및 제2세트의 단자에 대한 제2내부 저항 레벨(R2)을 갖는 이중 저항 재충전 배터리를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 셀 구조는 특히 롤(roll) 전극 및 적층 전극 디자인을 수용할 수 있다. 더 나아가, 2개 이상의 내부 저항 레벨을 갖는 배터리가 본 발명 개시에 따라 구성될 수도 있다.
예
다음의 예들은 소정 발명의 바람직한 실시예들을 더 기술하기 위한 것으로, 사실상 한정하지 않는다. 통상의 기술자라면 일상적인 경험, 특정 물질에 대한 많은 등가물 및 본원에 기술한 절차들만을 이용하여 알 수 있거나 확인할 수 있을 것이다.
파우치형 셀의 형태로 그리고 리튬-니켈-망간-코발트(NMC) 캐소드 및 흑연 애노드로 이루어진 40Ah 실험-규모의 이중 저항 배터리가 개발되었다. 이러한 배터리의 내부 저항이 도 7a에 나타나 있으며, 여기서 저항 스위치는 각각 약 0℃ 및 약 50℃에서 발생하도록 디자인된다. 그러한 40Ah 이중 저항 배터리의 테스팅 동안, 열전대는 배터리의 외면 상에 설치되고 배터리 온도를 판독하기 위해 전압계에 연결된다. 낮은 저항 단자와 높은 저항 단자간 스위치는 배터리 온도 판독에 따라 수동으로 행해진다. 만약 그 온도가 0℃와 50℃의 온도 범위 밖이면, 외부 전자 부하는 높은-저항 단자(1, 1')에 연결된다. 만약 그 온도가 온도 범위 내이면, 그러한 외부 전자 부하는 낮은-저항 단자(2, 2')에 수동으로 연결된다. 대안으로, 열전대 판독에 기초한 자동 스위치가 단자 (2, 2')와 (1, 1')간 스위치하도록 고려될 수 있다.
이러한 리튬-이온 배터리를 동작시키기 위한 최적의 범위에서, 그 내부 저항은 최신의 리튬-이온 셀 만큼 낮다(예컨대, 약 1 mΩ와 6 mΩ 사이)는 것을 도 7a로부터 명확히 알 수 있다. 그러나, 그 저항은 일단 셀 온도가 빙점 이하로 떨어지면 5배(6 mΩ에서 30 mΩ까지)로 점프하고, 셀 온도가 50℃ 이상으로 상승하면 20배(1.25 mΩ에서 25 mΩ까지)로 점프한다. 빙점 이하의 대기 온도에서 셀이 방전될 때, 높은 셀 내부 저항은 신속한 셀 가열(I2R의 열 생성 비율, 여기서 R은 셀 저항)을 가능하게 하여, 상당한 배터리 에너지를 소모하는 공통-이용된 배터리 팩 대류 가열 프로세스의 필요성을 없애며, 이에 따라 구동 범위를 크게 감소시킨다.
비교예에서, 전류 컬렉터 상에 스트립 탭(11 및 15)이 없고 이에 따라 높은-저항 단자(1, 1')가 없는 것을 제외하고 상기 기술한 이중 저항 재충전 배터리와 동일한 방식으로 또 다른 40Ah 배터리가 개발되어 조립되었다. 이러한 비교예의 배터리는 단지 하나의 내부 저항 레벨, 예컨대 재충전 배터리와 연관된 통상의 저항 레벨만을 갖는다. 단일의 저항 레벨을 갖는 배터리는 이하의 설명에서 기존의 배터리와 연관될 것이다. 이러한 배터리의 내부 저항은 도 7b에 나타나 있다. 도 7b에 나타낸 바와 같이, 기존 배터리의 내부 저항은 거의 계속해서 온도에 따라 변화한다. 예컨대, 도 7a에 나타낸 바와 같이 온도의 함수에 따른 저항 레벨의 갑작스런 변화는 없다. 도 7c는 기존 배터리에 대한 본 발명의 재충전 배터리의 저항간 차이를 더 나타낸다. 도 7c는 도 7a 및 7b와 연관된 저항 레벨 및 온도들에 대한 온도의 변화에 따른 저항의 변화(dR/dT)를 나타낸다.
도 8은 상기 기술한 이중 저항 배터리의 -20℃ 대기에서 1C 방전 동안 전압 및 온도 곡선을 나타낸다. 이는 셀 내부 온도가 높은 내부 저항 및 그에 따른 높은 비율의 내열 생성으로 인해 첫번째 40초의 배터리 동작에서 0℃로 빠르게 상승하는 것을 보여주고 있다. 그 후, 배터리는 낮은-저항 레벨로 스위치되고, 그 셀 전압은 약 3.7-3.8V로 회복된 다음 1C 방전 진행에 따라 점차 하강한다. -20℃ 환경에서의 총 방전 에너지는 실온에서 약 144.9 Wh인 것과 비교해 볼 때 약 125.6 Wh인 것으로 산출되었다. 그러한 실온 하에서, 기존의 리튬-이온 배터리 및 본 예에 따른 이중-저항 배터리 모두는 이중-저항 배터리의 내부 저항이 기존의 배터리에서와 같은 동일한 낮은 레벨로 유지됨에 따라 동일한 에너지 및 파워 성능을 달성한다. 그러나, -20℃에서 이중 저항 배터리의 방전 에너지는 실온에서의 방전 에너지의 87%이다. 그에 반해, 기존의 배터리는 단지 기존 배터리의 59.3%인 -20℃ 환경의 1C 방전에서 85.9 Wh를 생성한다. -20℃ 대기에서의 기존 배터리 및 이중-저항 배터리에 대한 1C 방전 곡선의 직접 비교가 실온(25℃)에서 기준 성능 곡선에 따라 도 9에 나타나 있다. 분명히 이중-저항 배터리의 크나큰 장점은 낮은 온도에서 배터리 성능을 향상시키는데 있다.
전기 자동차에 대한 이중 저항 배터리의 효과는 테슬라 모델(Tesla Model) S 자동차를 고려하여 예시될 수 있다. 그와 같은 자동차는 서부 해안을 따라 환경 온도에서 추정된 285마일의 항속 거리를 갖는다. 그러나, 온도가 빙점 정도로 낮게 떨어지는 동부 해안의 경우, 그와 같은 자동차는 단지 176마일의 항속 거리를 갖는다. 만약 그와 같은 자동차가 본 예에 나타낸 성능을 갖는 이중 저항 배터리를 장착한다면, 그러한 동일한 자동차는 그 동부 해안의 일부 가장 차가운 온도에서 거의 248마일에 도달할 수 있다.
도 10은 내부 단락(ISC)이 있을시 그러한 이중 저항 배터리 및 기존의 리튬-이온 배터리 모두에 대한 전압 및 셀 온도를 나타낸다. 그러한 양 배터리에 있어서, 내부 온도는 첫번째 3초의 ISC 내에서 약 50℃로 상승한다. 그러나, 그 후에, 그 2개의 배터리는 완전히 다르게 반응하기 시작한다. 기존의 배터리는 10초 내에 90℃ 이상으로 급격한 온도 상승이 이어져, 열 폭주를 야기한다. 그와 반대로, 이중 저항 배터리는 일단 셀 온도가 50℃를 초과하면 높은 내부-저항 레벨로 스위치되고, 이에 따라 ISC 동안 배터리 에너지 방출이 감소한다. 따라서, 기존의 리튬-이온 배터리와 비교해 볼 때 이중 저항 배터리에서 온도 상승이 거의 8배로 더 길다. 이러한 여분의 시간은, 특히 배터리 시스템이 효과적인 냉각을 활성화하기 위한 능력을 가질 경우, 이중 저항 배터리에 대한 추가적인 귀중한 시간이 비극적인 열 폭주를 피하게 한다. 보잉 드림라이너(Boeing Dreamliner) 787 배터리의 최근의 사고는 그와 같은 리튬-이온 배터리의 자가 보호 성능의 치명적인 중요성을 보여준다.
또 다른 특정 예에 있어서, 만약 그러한 이중 저항 배터리가 정전류로 과충전되면, 이는 내부 온도를 50℃로 빠르게 상승시키고, 뒤이어 내부 저항 및 셀 전압이 갑작스럽게 점프한다. 그러한 보다 높은 내부 저항은 예컨대 도 7에 나타낸 바와 같이 배터리의 저항이 1.25mΩ에서 25mΩ로 스위치될 때 1C 충전으로 약 0.95V 이상의 전압 오버슈트와 같이 충전 동안 훨씬 더 높은 전압으로 상승하게 한다. 그와 같이 마크된 전압 오버슈트는 외부 전기 회로에 의해 쉽게 검출될 수 있고, 이에 따라 전해질 및 다른 배터리 재료들과의 부반응(side reaction)을 일으키기에 충분히 높은 값으로 셀 내부 온도가 도달하기 전에 과충전이 제거될 수 있다.
상술한 결과는 본 발명 개시의 다중 저항 재충전 배터리가 전기 자동차 및 파워 그리드를 위한 강하면서 안전한 에너지 저장장치를 어떻게 제공할 수 있는 지를 보여주고 있다. 리튬-이온 배터리에 대한 테스트 결과들이 나타나 있지만, 향상된 리튬-이온 배터리, 니켈-금속 수소화물(Ni-MH) 및 다른 배터리 화학 물질에 기초한 다중 저항 재충전 배터리는 그러한 동일한 장점들을 갖는 것으로 예상된다.
본 발명 개시의 바람직한 실시예 및 다용도 목적의 예들이 본 발명 개시에 나타나 있고 기술되어 있다. 본 발명은 다양한 다른 조합 및 환경에 사용할 수 있고 본원에 나타낸 바와 같은 발명의 개념 범위 내에서 변경 또는 변형할 수 있다는 것을 알아야 한다. 따라서, 이는 예컨대 단지 일상적인 실험에 불과할 뿐, 통상의 기술자라면 본원에 기술된 특정 물질, 절차 및 배열과 같은 다수의 동등물을 이용하여 알거나, 또는 알아낼 수 있을 것이다. 그와 같은 등가물들은 본 발명의 범주 내에 속하는 것으로 고려되며, 다음의 청구항들에 의해 커버된다.

Claims (20)

  1. 제1온도(T1)와 제2온도(T2)간 재충전 배터리의 온도 범위에 걸친 제1내부 저항 레벨(R1), 및 T1 또는 T2 범위 밖에서의 제2내부 저항 레벨(R2)을 포함하며,
    약 2℃ 이하의 T1에서 R2의 값은 T1에서 R1의 값에 적어도 2배이거나 또는 약 2℃ 이상의 T2에서 R2의 값은 T2에서 R1의 값에 적어도 2배인, 재충전 배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    약 2℃ 이하의 T1에서 R2의 값은 T1에서 R1의 값에 적어도 2배이고, 약 2℃ 이상의 T2에서 R2의 값은 T2에서 R1의 값에 적어도 2배인, 재충전 배터리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    T1은 약 5℃보다 작고, T2는 약 45℃보다 큰, 재충전 배터리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    약 2℃ 이하의 T1에서 R2의 값은 T1에서 R1의 값에 적어도 5배이거나 또는 약 2℃ 이상의 T2에서 R1의 값은 T2에서 R1의 값에 적어도 5배인, 재충전 배터리.
  5. 청구항 1에 있어서,
    재충전 배터리는 R1에서 재충전 배터리를 동작시키기 위한 적어도 2개의 단자 및 R2에서 재충전 배터리를 동작시키기 위한 적어도 2개의 단자를 포함하는, 재충전 배터리.
  6. 청구항 5에 있어서,
    R2에서 재충전 배터리를 동작시키기 위한 적어도 2개의 단자는 재충전 배터리의 음극 시트 및 양극 시트의 2개의 대향하는 단부 상에 2개의 스트립 탭인, 재충전 배터리.
  7. 청구항 5에 있어서,
    R1에서 재충전 배터리를 동작시키기 위한 단자와 R2에서 재충전 배터리를 동작시키기 위한 단자간 스위칭을 위해 온도 센서에 의해 구동된 스위치를 더 포함하는, 재충전 배터리.
  8. 청구항 7에 있어서,
    스위치는 서모스탯 또는 바이메탈 스위치인, 재충전 배터리.
  9. 청구항 8에 있어서,
    온도 센서는 재충전 배터리 내측에 또는 재충전 배터리의 셀 외면 상에 설치된 열전대 또는 서미스터인, 재충전 배터리.
  10. 청구항 1에 있어서,
    재충전 배터리는 온도에 의해 조절된 전극 전도성을 고려한 재충전 배터리의 셀의 하나 또는 그 이상의 전극 바인더에 부가된 열 감응성 재료를 포함하는, 재충전 배터리.
  11. 청구항 1에 있어서,
    온도의 함수로서 전해질의 점성 및/또는 이온 전도성을 변화시키는 전해질에 하나 또는 그 이상의 열 감응성 첨가제를 포함하는, 재충전 배터리.
  12. 청구항 1에 있어서,
    재충전 배터리는 리튬-이온 배터리인, 재충전 배터리.
  13. 청구항 12에 있어서,
    양극 활성 재료는 리튬 코발트 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈-코발트-망간 산화물, 리튬-풍부 층 산화물, 또는 그들 혼합물을 포함하는, 재충전 배터리.
  14. 청구항 12에 있어서,
    음극 활성 재료는 흑연, 실리콘, 실리콘 합금, 리튬 금속 또는 금속 합금을 포함하는, 재충전 배터리.
  15. 청구항 12에 있어서,
    재충전 배터리는 액체, 폴리머-겔, 또는 고체 형태의 전해질을 포함하는, 재충전 배터리.
  16. 청구항 1에 있어서,
    재충전 배터리는 니켈-금속 수소화물 배터리인, 재충전 배터리.
  17. 청구항 1에 있어서,
    재충전 배터리는 파우치형, 원통형, 각주형 또는 각형을 갖는, 재충전 배터리.
  18. 청구항 1에 따른 재충전 배터리 및 R1에서의 재충전 배터리 동작과 R2에서의 재충전 배터리 동작간 스위치할 수 있는 콘트롤러를 포함하는, 배터리 시스템.
  19. 청구항 19에 있어서,
    T1 및 T2의 온도를 결정하기 위한 온도 센서를 더 포함하는, 배터리 시스템.
  20. 재충전 배터리 동작 방법으로서,
    T1 및 T2에 걸친 R1에서 청구항 1의 재충전 배터리를 동작하는 단계, 및 재충전 배터리가 T1 또는 T2 밖의 범위일 때 R2에서 재충전 배터리를 동작시키는 단계를 포함하는, 재충전 배터리 동작 방법.
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