KR20170038672A - 전극 접속들을 수용하는 노치들을 가지는 감긴 배터리 셀들 - Google Patents

전극 접속들을 수용하는 노치들을 가지는 감긴 배터리 셀들 Download PDF

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Abstract

개시된 실시예들은 젤리-롤로 감긴 중간 분리기 층들로 코팅되는 교번하는 애노드 층 및 캐소드 층을 포함하는 젤리-롤 배터리의 설계에 관한 것이다. 교번하는 애노드 층과 캐소드 층은, 각자 애노드 활성 코팅 및 캐소드 활성 코팅으로 코팅된다. 제1 공통 노치 및 제2 공통 노치는 젤리-롤의 적어도 한 측면을 따라 형성된다. 공통 캐소드 탭은 제1 공통 노치 내의 캐소드 탭들에 결합될 수 있고, 공통 애노드 탭은 제2 공통 노치 내의 애노드 탭들에 결합될 수 있다. 젤리-롤 배터리는 젤리-롤을 둘러싸는 파우치를 또한 포함한다. 공통 애노드 및 캐소드 탭들은 배터리 셀에 대한 캐소드 단자 및 애노드 단자를 제공하기 위해 파우치를 통해 연장할 수 있다.

Description

전극 접속들을 수용하는 노치들을 가지는 감긴 배터리 셀들{WOUND BATTERY CELLS WITH NOTCHES ACCOMMODATING ELECTRODE CONNECTIONS}
개시된 실시예들은 일반적으로 휴대용 전자 디바이스들을 위한 배터리들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 개시된 실시예들은 배터리 셀로부터 연장하는 전극 탭들에 대한 접속들을 수용하기 위한 노치들을 포함하는 젤리-롤 배터리 셀의 설계에 관한 것이다.
랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 스마트폰, 및 디지털 음악 재생기를 포함하는 광범위한 휴대용 전자 디바이스들에 전력을 제공하기 위해 재충전가능한 배터리들이 현재 사용된다. 본원에서 감긴 배터리 설계라고도 지칭되는 젤리-롤 배터리 설계가 몇몇 이러한 배터리 설계들에서 사용된다. 젤리-롤 배터리 셀들은 중간 분리기 층들을 가지는 활성 재료로 커버되는 교번하는 애노드 층과 캐소드 층을 포함한다. 이러한 층들은 이후 "젤리-롤" 구성으로 감긴다.
젤리-롤 배터리 셀들은 애노드들 및 캐소드들에 커플링되며, 배터리 셀들의 외부 둘레를 초과하여 연장해서 휴대용 전자 디바이스 내의 회로에 전력을 제공하는 전도성 탭들을 통상적으로 포함한다. 불행히도, 이러한 전도성 탭들에 대한 접속들은 배터리 셀의 전체 프로파일에 더해지며, 이는 낭비되는 공간(예를 들어, 배터리의 에너지-생성 부분들에 의해 사용되지 않는 공간)을 초래하며, 이에 의해 배터리 셀의 유효 에너지 밀도를 감소시킨다.
따라서, 외부 회로에 전력을 제공하는 전도성 탭들에 대한 접속들에 의해 야기되는 낭비되는 공간을 감소시키는 젤리-롤 배터리 설계가 요구된다.
일부 양태들에서, 개시내용은 젤리-롤을 포함하는 배터리 셀에 관한 것이다. 젤리-롤은, 캐소드 층, 애노드 층, 각각의 캐소드 층과 애노드 층 사이에 배치되는 분리기 층들을 포함하는 함께 감긴 층들을 포함한다. 제1 공통 노치 및 제2 공통 노치는 젤리-롤의 적어도 한 측면을 따라 형성된다. 코팅되지 않은 캐소드 탭은 제1 공통 노치 내의 적어도 하나의 캐소드 층으로부터 연장하고, 코팅되지 않은 애노드 탭은 제2 공통 노치 내의 적어도 하나의 애노드 층으로부터 연장한다. 공통 캐소드 탭은 제1 공통 노치 내의 각각의 코팅되지 않은 캐소드 탭에 결합되고, 공통 애노드 탭은 제2 공통 노치 내의 각각의 코팅되지 않은 애노드 탭에 결합된다.
추가적인 양태에서, 개시내용은 배터리 셀을 제조하는 방법들에 관한 것이다. 노치들의 쌍들은 애노드 층, 캐소드 층, 및 하나 이상의 분리기 층들로 절단된다. 캐소드 층 및 애노드 층 상의 활성 재료는 캐소드 탭 및 애노드 탭과 연관된 영역들로부터 삭마된다. 캐소드 층, 애노드 층, 및 분리기 층들은 제1 공통 노치 및 제2 공통 노치를 포함하는 젤리-롤을 형성하도록 감긴다.
추가적인 양태에서, 개시내용은 프로세서, 메모리, 디스플레이, 및 본원에 기술된 바와 같은 배터리 셀을 가지는 휴대용 컴퓨팅 디바이스들에 관한 것이다.
일부 실시예들에서, 공통 애노드 탭은, 코팅되지 않은 애노드 탭들을 접고; 접힌 코팅되지 않은 애노드 탭들을 함께 결합시키고; 공통 애노드 탭을 접힌-및-결합된 코팅되지 않은 애노드 탭들에 결합시킴으로써 코팅되지 않은 애노드 탭들에 결합된다.
일부 실시예들에서, 제1 공통 노치 및 제2 공통 노치는 배터리 셀의 동일 측면 상에 형성된다.
일부 실시예들에서, 제1 공통 노치와 제2 공통 노치는 배터리 셀의 반대 측면들 상에 형성된다.
도 1a는 개시된 실시예들에 따른 젤리-롤 배터리 셀을 예시한다.
도 1b는 도 1a에 도시된 젤리-롤 배터리 셀의 층들의 상세한 뷰를 제공한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른, 감긴 구성에서의 젤리-롤 배터리 셀의 최상부 뷰를 제시한다.
도 3a 내지 3d는 개시된 실시예들에 따라 전극 탭들이 어떻게 접히고 공통 전극 탭에 결합되는지를 예시한다.
도 3e는 개시된 실시예들에 따라 전극 탭들을 접고 공통 전자 탭에 결합시키는 프로세스를 예시하는 흐름도를 예시한다.
도 4a-4b는 개시된 실시예들에 따른 전극 노치들에 대한 다수의 가능한 위치들을 예시한다.
도 5a-5b는 개시된 실시예들에 따라 전극 노치들이 어떻게 젤리-롤 배터리 셀의 내부 영역을 통과하는 홀의 형태를 취할 수 있는지를 예시한다.
도 6은 개시된 실시예들에 따라 캐소드 층을 제조하기 위한 기법을 예시한다.
도 7a-b는 개시된 실시예들에 따라 캐소드 및 애노드로부터 제1 노치 및 제2 노치를 가지는 젤리-롤을 형성하는 것을 예시한다.
도 7a는 예시적인 실시예에 따라, 젤리-롤의 측면 뷰를 제시한다.
도 7b는 젤리-롤로 감기 이전의, 도 7a의 캐소드 층 및 애노드 층의 일부분들을 예시한다.
도 8a는 예시적인 실시예에 따라, 각자 공통 캐소드 노치 및 공통 애노드 노치의 반대 부분들 상에 캐소드 탭들과 애노드 탭들을 가지는 젤리-롤의 측면 뷰를 제시한다.
도 8b는 젤리-롤로 감기 이전의, 도 8a의 캐소드 층 및 애노드 층의 일부분들을 예시한다.
도 9a는 예시적인 실시예에 따라, 각자, 공통 캐소드 노치 및 공통 애노드 노치의 인접한 부분들 상에 캐소드 탭들 및 애노드 탭들을 가지는 젤리-롤의 측면 뷰를 제시한다.
도 9b는 젤리-롤로 감기 이전에, 도 9a의 캐소드 층 및 애노드 층의 일부분들을 예시한다.
도 10a는 예시적인 실시예에 따라, 반대 측면들 상에 그리고 서로에 대해 엇갈리는, 공통 캐소드 노치와 공통 애노드 노치를 가지는 젤리-롤의 측면 뷰를 제시한다.
도 10b는 젤리-롤로 감기 이전에, 도 10a의 캐소드 층 및 애노드 층의 일부분들을 예시한다.
도 11a는 예시적인 실시예에 따라, 반대 측들 상에 그리고 서로에 대해 정렬되는, 공통 캐소드 노치와 공통 애노드 노치를 가지는 젤리-롤의 측면 뷰를 제시한다.
도 11b는 젤리-롤로 감기 이전에, 도 11a의 캐소드 층 및 애노드 층의 일부분들을 예시한다.
도 12a-b는 캐소드 층 및 애노드 층 각각 내의 여러 크기의 노치들을 예시한다.
도 13은 감긴 구성에서 층들의 세트를 가지는 하나 이상의 배터리 셀들을 포함하는 휴대용 전자 디바이스의 개략도를 제시한다.
후속하는 기재는 본 기술분야의 통상의 기술자가 개시된 실시예들을 제작하고 사용할 수 있도록 제시되며, 특정 응용예 및 그것의 요건들의 상황에서 제공된다. 개시된 실시예들에 대한 다양한 수정들이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 쉽게 명백할 것이며, 본원에 정의되는 일반적 원리들은 개시되는 실시예들의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 다른 실시예들 및 응용예들에 대해 적용될 수 있다. 따라서, 개시되는 실시예들은 도시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라, 본원에 개시되는 원리들 및 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위에 따라야 한다.
젤리-롤 배터리 셀
도 1a는 개시된 실시예들에 따른 젤리-롤 배터리 셀(100)을 예시한다. 젤리-롤 배터리 셀(100)은 랩톱 컴퓨터, 모바일 폰, 태블릿 컴퓨터, 휴대용 미디어 플레이어, 디지털 카메라, 또는 다른 타입의 배터리-전원공급형 전자 디바이스와 같은 전자 디바이스에 전력을 공급하는 리튬-폴리머 또는 다른 적절한 셀을 포함할 수 있다. 디바이스들의 조합들이 또한 젤리-롤 배터리 셀(100)에 의해 전원공급될 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 젤리-롤 배터리 셀(100)은 감긴 구성을 가지는 젤리-롤(102)을 포함한다. 도 1a에서, 젤리-롤 배터리 셀(100)은 장타원형 단면을 가지는 것으로 도시된다. 그러나, 이러한 도시는 단지 예시의 목적이며 제한으로서 의도되지 않는다. 젤리-롤(102)은 나선형(또는 원통형) 단면, 타원형 단면, 장타원형 단면, 또는 젤리-롤 배터리 셀(100)의 조립으로부터 초래되는 어떤 다른 단면을 보일 수 있다.
젤리-롤(102)은 캐소드 활성 코팅("캐소드 층"으로 지칭됨)을 가지는 캐소드 전류 콜렉터를 가지는 캐소드 전극, 분리기("분리기 층"으로 지칭됨), 및 애노드 활성 코팅("애노드 층"으로 지칭됨)을 가지는 애노드 전류 콜렉터를 포함한다. 예를 들어, 젤리-롤(102) 내의 층들의 인접한 세트는 하나의 분리기 재료(예를 들어, 전해질을 하우징하거나 그렇지 않은 경우 전해질로서 작용할 수 있는 전도성 폴리머)에 의해 분리되는 하나의 캐소드 층(예를 들어, 리튬 화합물로 코팅된 알루미늄 포일) 및 하나의 애노드 층(예를 들어, 탄소로 코팅된 구리 포일)을 포함할 수 있다.
그러나, 일반적으로, 젤리-롤(102)은 그 사이에 개재되는 분리기 층들을 가지는 캐소드 층들과 애노드 층들의 교번하는 시퀀스를 포함한다. 젤리-롤(102) 내의 시퀀스는 임의의 개수의 캐소드 층들, 애노드 층들, 및 분리기 층들을 포함할 수 있다. 또한, 시퀀스는 캐소드 층, 애노드 층 또는 분리기 층 중 임의의 하나로 시작하고 종료할 수 있다. 예를 들어, 그리고 제한 없이, 시퀀스는 애노드 층, 제1 분리기 층, 캐소드 층, 및 제2 분리기 층을 포함할 수 있다. 시퀀스는, 제1 분리기 층이 캐소드 활성 코팅과 애노드 활성 코팅 사이의 제1 인터페이스에 상주하고 제2 분리기 층이 캐소드 전류 콜렉터와 애노드 전류 콜렉터 사이의 제2 층 인터페이스에 상주하도록, 젤리 롤로 감길 수 있다.
분리기 층들의 특징들은 이들이 상주하는 인터페이스에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 그리고 제한 없이, 활성 코팅들 사이의 분리기 층들(예를 들어, 제1 분리기 층)은 전기적-절연성이고 이온적-전도성(ionically-conductive)일 수 있다. 그리고 전류 콜렉터들 사이의 분리기 층들(예를 들어, 제2 분리기 층)은 전기적-절연성이며 이온적-전도성이 아닐 수 있다. 다른 재료 특징들 및 이들의 조합들이 분리기 층들에 대해 가능하다.
젤리-롤(102)이 감긴 구성으로 형성된 이후, 젤리-롤(102)은 배터리 하우징(103)(예를 들어, 파우치) 내에 둘러싸일 수 있고, 전도성 탭들(104, 106)의 세트는 배터리 셀에 대한 단자들을 제공하기 위해 (예를 들어, 밀봉 테이프를 사용하여 형성되는) 배터리 하우징에서의 밀봉들을 통해 연장될 수 있다. 예를 들어, 제1 전도성 탭(104)은 캐소드 층들에 커플링될 수 있고(예를 들어, 캐소드 전류 콜렉터의 하나 이상의 부분들에 커플링될 수 있고), 제2 전도성 탭(106)은 애노드 층들에 커플링될 수 있다(예를 들어, 캐소드 전류 콜렉터의 하나 이상의 부분들에 커플링될 수 있다). 전도성 탭들(104, 106)은, 젤리-롤 배터리 셀(100)을 하나 이상의 다른 배터리 셀들과 전기적으로 커플링시켜서 배터리 팩을 형성하거나, 또는 젤리-롤 배터리 셀(100)을 직접 전자 디바이스에 커플링시켜서 그 디바이스에 전력을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 전도성 탭들(104, 106)은 다른 배터리 셀들에 직렬, 병렬, 또는 직렬-및-병렬 구성으로 커플링되어 배터리 팩을 추가로 형성할 수 있다. 커플링된 셀들은 하드 케이스 내에 둘러싸여서 배터리 팩을 완성할 수 있거나, 또는 커플링된 셀들은 휴대용 전자 디바이스의 인클로저(enclosure) 내에 내장될 수 있다.
종래의 배터리 설계들이 가지는 한 가지 문제점은 애노드 층 및 캐소드 층과 전도성 탭들 사이의 접속이 젤리-롤 내의 층들의 외부 둘레를 초과하여 추가적인 공간을 차지한다는 것이다. 이러한 추가적인 공간은 전극 층들(예를 들어, 애노드 층, 캐소드 층)을 전도성 탭들에 결합시키도록 요구되는데, 이는 개별 전극 층들을 함께 접속시키는 것, 및 전극 층들을 배터리 셀에 대한 단자를 제공하는 공통 전도성 탭에 결합시키는 것을 수반할 수 있다. 이러한 접속들에 의해 차지되는 공간은 배터리 하우징이 캐소드 층과 애노드 층의 측면들에 얼마나 가까울지를 제한할 수 있다. 이러한 문제는 하기에 더 상세히 기술될 바와 같이, 전도성 탭들(104, 106)을 수용하도록 젤리-롤 배터리 셀(100) 내에 하나 이상의 공통 노치들(108, 110)을 포함시킴으로써 해결될 수 있다.
개시된 실시예들에 따르면, 도 1b는 도 1a에 도시된 젤리-롤(102)의 층들의 상세 뷰를 제공한다. 젤리-롤(102)은 캐소드 전류 콜렉터(114) 및 캐소드 활성 코팅(116)을 가지는 캐소드 층(112)을 포함할 수 있다. 젤리-롤(102)은 애노드 활성 코팅(122) 및 애노드 전류 콜렉터(124)를 가지는 애노드 층(120)을 또한 포함할 수 있다. 분리기(118)는 캐소드 층(112)과 애노드 층(120) 사이에 배치될 수 있다. 젤리-롤(102)은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 배터리 셀로 감길 수 있다.
젤리-롤(102) 내의 층들(112, 120)은 임의의 적절한 재료 또는 재료들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 캐소드 전류 콜렉터(114)는 금속 포일(예를 들어, 알루미늄 포일)일 수 있고; 캐소드 활성 코팅(116)은 리튬 화합물(예를 들어, LiCoO2, LiNiCoMnO2, LiCoAlO2, LiMn2O4, 등) 또는 또다른 적절한 캐소드 활성 재료일 수 있고; 애노드 전류 콜렉터(124)는 금속 포일(예를 들어, 구리 포일)일 수 있고; 애노드 활성 코팅(122)은 탄소, 실리콘, 또는 또다른 적절한 애노드 활성 재료일 수 있고; 분리기(118)는 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌과 같은 중합체 재료를 포함할 수 있다.
추가적으로 분리기(118)는 단면(single-sided) 또는 양면(double-sided)일 수 있는, 마이크로-알루미나(Al2O3) 및/또는 다른 세라믹 코팅을 포함하는 코팅된 분리기일 수 있다. 이러한 알루미나 코팅은, 그것이 알루미나의 기계적 거칠기를 제공하기 때문에 유리하며, 이는 대략 캐소드 활성 코팅(116)의 구성 입자만큼 거칠다. 또한, 알루미나 층에 의해 제공되는 추가적인 거칠기는, 잠재적으로 션트(shunt)를 야기할 수 있는, 이러한 구성 입자들이 분리기(118)를 통해 작용하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 세라믹 코팅은 젤리-롤 배터리 셀(100)에서의 온도 안정성을 촉진시킬 수 있고, 기계적 응력, 관통, 천공, 및/또는 전기적 단락들에 의해 야기되는 결함들을 완화시킬 수 있다.
젤리 롤(102)은 또한 적어도 하나의 용매화된 리튬 종들을 포함하는 전해질을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 용매화된 리튬 종들은 리튬염을 포함할 수 있다. 리튬 염의 비-제한적인 예들은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiSO3CF3, LiN(SO2CF3)2, LiBC4O8, Li[PF3(C2CF5)3], 및 LiC(SO2CF3)3을 포함한다. 리튬 염들의 조합들을 포함한 다른 리튬 염들이 가능하다. 전해질(136)은 액체 용매를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 액체 용매는 유기 카보네이트(예를 들어, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸-메틸 카보네이트 등), 이온성 액체(예를 들어, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로인산, 1-에틸파이리디늄 테트라플루오로붕산, 등) 또는 이들의 어떤 조합일 수 있다. 다른 액체 용매들 및 이들의 조합들이 가능하다. 일부 경우들에서, 전해질은 겔 중합체를 포함한다. 이러한 경우들에서, 겔 중합체는 폴리에틸렌 산화물(PEO), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 및 폴리비닐리덴 불화물(PVdF)과 같은 중합체 호스트들을 포함할 수 있다. 다른 겔 폴리머들이 가능하다.
전해질은 캐소드 활성 코팅(116)과 애노드 활성 코팅(122) 사이에 배치될 수 있는데, 이는 분리기(118)를 통과하는 투과를 포함한다. 이러한 투과는 캐소드 활성 코팅(116)과 애노드 활성 코팅(122) 내로의 투과를 포함할 수 있다. 젤리 롤(102)의 동작 동안, 전해질은, 이를 통해 리튬 이온들이 캐소드 활성 코팅(116)과 애노드 활성 코팅(122) 사이에서 교환되는 매질로서 작용한다.
전극 접속들에 대한 노치들을 가지는 젤리-롤 배터리
위에서 언급된 바와 같이, 도 1a 내의 젤리-롤 배터리 셀(100)은 공간-효율적인 방식으로 캐소드 층들(112) 및 애노드 층들(120)의 배터리 단자들로의 결합을 용이하게 하기 위한 하나 이상의 공통 노치들(108, 110)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 공통 노치들(108, 110)은 젤리-롤의 조립 이전에 캐소드 층들, 애노드 층들, 및 분리기 층들 내에 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 도 2는 감긴 구성에서의 젤리-롤 배터리 셀(200)의 최상부 뷰를 예시한다. 젤리-롤 배터리 셀(200)은 감긴 전극 층들(202)을 포함한다. 감긴 전극 층들(202)은, 캐소드 활성 코팅을 가지는 캐소드 전류 콜렉터를 각각이 가지는 하나 이상의 캐소드 층들, 및 애노드 활성 코팅을 가지는 애노드 전류 콜렉터를 각각이 가지는 하나 이상의 애노드 층들을 포함한다. 분리기 층은 인접한 애노드 층과 캐소드 층 사이에 끼인다.
일부 경우들에서, 감긴 전극 층들(202)은 단일 캐소드 층 및 단일 애노드 층을 포함한다. 제1 분리기 층은 단일 캐소드 층과 단일 애노드 층 사이에 배치되어 캐소드 활성 코팅을 애노드 활성 코팅으로부터 분리시킨다. 제2 분리기 층은 단일 캐소드 층, 단일 애노드 층, 또는 둘 모두를 따라 배치될 수 있다. 감긴 구성일 때, 제2 분리기 층이 캐소드 전류 콜렉터를 애노드 전류 콜렉터로부터 분리시킨다. 캐소드 층, 제1 분리기 층, 애노드 층, 및 제2 분리기 층이 함께 감겨서 감긴 전극 층들(202)을 형성한다. 다른 경우들에서, 감긴 전극 층들(202)은 다수의 캐소드 층들 및 애노드 층들을 포함한다. 제1 분리기 층은 캐소드 층들의 캐소드 활성 코팅들을 애노드 층들의 애노드 활성 코팅들로부터 분리시킨다. 제2 분리기 층은 캐소드 층들의 캐소드 전류 콜렉터들을 애노드 층들의 애노드 전류 콜렉터들로부터 분리시킨다. 다수의 캐소드 층들 및 애노드 층은 대응하는 제1 분리기 층들 및 제2 분리기 층들과 함께 감겨서 젤리-롤 구성을 형성한다.
개별 캐소드 노치들 및 개별 애노드 노치들은 캐소드 층들, 애노드 층들 및 분리기 층들의 에지들을 따라 형성된다. 도 2에서, 개별 캐소드 노치들 및 개별 애노드 노치들은 젤리-롤의 동일 측면 상에 배치된다. 전극 층들(202)이 감길 때, 개별 캐소드 노치 및 개별 애노드 노치의 인스턴스들이 정렬되어, 각자 공통 캐소드 노치(204)(즉, 제1 공통 노치) 및 공통 애노드 노치(206)(즉, 제2 공통 노치)를 정의하도록, 이러한 개별 노치들이 에지들을 따라 이격된다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 개별 캐소드 노치들 및 개별 애노드 노치들은, 각자 개별 캐소드 층들 및 개별 애노드 층들 내의 노치들에 대응하는 반면, 공통 캐소드 노치(204)(즉, 제1 공통 노치) 및 공통 애노드 노치(206)(즉, 제2 공통 노치)는 젤리-롤 배터리 셀(200)의 노치들에 대응한다. 공통 캐소드 노치(204)는 캐소드 탭들(208)을 수용하도록 구성되고, 공통 애노드 노치(206)는 애노드 탭들(210)을 수용하도록 구성된다.
개별 캐소드 층들은 캐소드 전류 콜렉터로부터 공통 캐소드 노치(204) 내로 연장하는 하나 이상의 코팅되지 않은 캐소드 탭들(208)을 포함할 수 있다. 유사하게, 개별 애노드 층들은 애노드 전류 콜렉터로부터 애노드 노치(206)로 연장하는 하나 이상의 코팅되지 않은 애노드 탭들(210)을 포함할 수 있다. 공통 캐소드 노치(204) 및 공통 애노드 노치(206)를 제공함으로써, 전극 층들에 대한 접속들을 위한 공간이 만들어지는데, 이것은 캐소드 층이 캐소드 활성 코팅의 추가적인 양을 포함하게 해주고, 애노드 층이 애노드 활성 재료의 추가적인 양을 포함하게 해준다. 이러한 추가적인 양들은 젤리-롤 배터리 셀(200)의 에너지 밀도를 효과적으로 증가시킨다.
전극 탭들의 결합
위에서 언급된 바와 같이, 도 1a의 공통 노치들(108, 110)에 의해 제공되는 추가적인 공간은 배터리 단자들로서 역할을 하는 공통 탭들(예를 들어, 캐소드 층에 접속되는 공통 캐소드 탭 및 애노드 층에 접속되는 공통 애노드 탭)과 개별 전극 층들 사이의 접속들을 만들기 위해 사용될 수 있다. 종래의 젤리-롤 배터리들은 배터리 하우징(예를 들어, 하우징 또는 파우치)으로부터 연장하는 각자의 배터리 탭/단자와 캐소드 또는 애노드 전류 콜렉터 사이의 단일 접속점을 가질 수 있다. 전류 콜렉터의 길이를 따라 추가적인 접속점들을 제공함으로써, 배터리 탭/단자의 임피던스가 감소할 수 있다.
도 3a-3e는 배터리 탭이 젤리-롤 배터리의 상이한 층들로부터 연장할 수 있는 프로세스를 예시한다. 프로세스는 다양한 전극 및 분리기 층들이 도 3a에 예시된 바와 같은 젤리-롤(302)로 조립된 이후에 시작한다. 도 3a는 공통 노치(305)를 포함하는 젤리-롤(302)의 단면 뷰를 제공하며, 여기서 전극 탭들(304)은 노치 공통(305)을 통해 젤리-롤(302)로부터 연장한다.
공통 노치(305)는 공통 캐소드 노치 또는 공통 애노드 노치일 수 있고, 전극 탭들(304)은 캐소드 탭들 또는 애노드 탭들에 대응한다. 처음 2개의 제조 단계들은 전극 탭들(304)을 접고 결합시켜서 도 3b에 예시된 바와 같은 접힌-및-결합된 전극 탭들(306)을 생성하는 것을 수반한다. 다음으로, 공통 캐소드 탭 또는 공통 애노드 탭일 수 있는 공통 탭(307)은 접힌-및-결합된 전극 탭들(306)에 결합된다. 공통 탭(307)은 배터리 셀로부터 연장하여 도 3c에 예시된 바와 같이 배터리 셀에 대한 양의 단자 또는 음의 단자를 제공한다. (도 3d는 도 3c에 예시된 구성의 대응하는 최상부 뷰를 제공한다). 일부 실시예들에서, 공통 탭(307)은 노치(305) 내의 전극 탭들(306)에 접속될 수 있고, 노치(305)의 밖으로 연장할 수 있다. 전극 탭들(304)과 공통 탭(307) 사이의 접속은 전체적으로 노치 내에서, 부분적으로 노치 내에서, 또는 노치 밖에서 발생할 수 있다. 공통 탭(307)은 배터리 하우징의 밖에서 전자 디바이스의 하우징과의 상이한 위치들까지, 또는 배터리 인클로저 내의 상이한 위치들까지(예를 들어, 다수의 배터리들이 하우징되고 그리고/또는 공통 배터리 인클로저 내에서 접속되는 경우들에서) 연장할 수 있다.
노치들이 전극의 하나 이상의 측면들에 형성되지만, 배터리 하우징(및 따라서 전체 배터리 셀)은 전극의 노치들에 대응하는 노치들을 포함하지 않을 수 있다. 실제로, 노치들 내에서 적어도 부분적으로 전극 탭들을 접속시킴으로써 (그리고 이에 의해 노치들을 적어도 부분적으로 채움으로써), 배터리 하우징은 전극들의 전반적인 프로파일(profile)을 따를 수 있으며, 캐소드 및/또는 애노드 탭들이 전극의 외부 둘레로부터 연장하는 배터리들에 대한 축소된 풋프린트를 이용하여 그렇게 수행할 수 있다.
도 3e는 개시된 실시예들에 따라 전극 탭들을 접고 공통 전극 탭에 결합시키는 프로세스를 예시하는 플로우차트를 제시한다. 먼저, 전극 탭들이 접힌다(단계 310). 다음으로, 접힌 전극 탭들이 함께, 예를 들어, 초음파 용접을 통해 결합된다(단계 311). 마지막으로, 접힌-및-결합된 전극 탭들은 공통 전극 탭에 결합된다(단계 312). 위에서 열거된 단계들의 시퀀스가 특정 순서로 발생하는 것으로서 기술된다는 것에 유의한다. 그러나, 이러한 단계들은 다른 가능한 순서들로 대안적으로 수행될 수 있다.
도 3a-3e가 전극 탭들을 노치 내의 공통 전극 탭들에 접속시키기 위한 특정 기법을 예시하지만, 개시된 실시예들은 이러한 특정 기법들로 제한되도록 의도되지 않는다. 일반적으로, 노치 내의 공통 탭에 전극 탭들을 접속시키기 위해 임의의 효과적인 기법이 사용될 수 있다. 또한, 일부 경우들에서, 접속의 일부분들은 노치의 밖으로 연장할 수 있다.
노치들에 대한 위치들
도 4a-4b는 개시된 실시예들에 따른 전극 노치들에 대한 임의의 개수의 가능한 위치들을 예시한다. 도 4a에 예시된 바와 같이, 노치들은 배터리 셀의 측면 내에 포함되는 "포함형 노치"(402)를 포함할 수 있다. 도 4a는 배터리 셀의 동일 측면 상에 위치되는 노치들을 예시한다. 노치들은 젤리-롤 배터리 셀의 반대 측면들 상에 또한 위치될 수 있다. 도 4b는 배터리 셀의 반대 측면들 상의 2개의 포함형 노치들의 경우를 예시한다. 도 4b에서, 노치들은 정렬된 것으로서(즉, 서로 바로 반대로) 도시된다. 그러나, 이러한 도시는 제한으로서 의도되지 않는다. 예를 들어, 그리고 제한 없이, 노치들은 배터리 셀의 반대 측면들 상에 위치될 수 있지만, 서로에 대해 엇갈린다(즉, 비대칭 배열).
전극 탭들에 대한 홀들
도 5a-5b는 공통 노치들 중 하나 이상이 젤리-롤 배터리 셀의 내부 영역을 통하는 홀로 대체되는 변형예들을 예시한다. 더 구체적으로, 도 5a는 2개의 스루-홀들(502, 504)을 포함하는 감긴 구성인 전극들(500)을 예시한다. 캐소드 스루-홀(502)은 코팅되지 않은 캐소드 탭(506)을 포함하고, 애노드 스루-홀(504)은 코팅되지 않은 애노드 탭(508)을 포함한다. 스루-홀들(502, 504)이 존재하여 각각의 개별 스루-홀 내의 탭들(506, 508)이 서로와 접속하도록 하는데, 이는 캐소드 탭(506) 및 애노드 탭(508)의 다수의 경우들을 포함할 수 있다. 젤리-롤 배터리 셀이 중간 분리기 층들과 함께 교번하는 캐소드 층과 애노드 층을 적층시키고, 이 스택을 감긴 구성으로 말음으로써 형성될 수 있다는 것에 유의한다. 캐소드 층들은 이후 하나의 홀(502)을 통해(즉, 캐소드 탭들(506)을 통해) 서로 접속되고, 애노드 전극들은 다른 홀(504)을 통해(즉, 애노드 탭들(508)을 통해) 서로 접속된다.
전극 제조 기법들
노치들 및 전도성 탭들을 가지는 감긴 전극들은 다수의 상이한 기법들을 사용하여 제조될 수 있다.
젤리-롤로 감기는 전술된 캐소드 층 및 애노드 층은 임의의 개수의 기법들을 사용하여 제조될 수 있다. 도 6은 캐소드 층 또는 애노드 층의 일부가 어떻게 형성될 수 있는지를 예시한다. 전극 재료의 시트는 활성 재료(602)(즉, 캐소드 활성 코팅 또는 애노드 활성 코팅)으로 코팅된다. 절단 동작(604)은 도 6의 최상부에서 점선으로 예시되는 층(즉, 캐소드 층 또는 애노드 층)에 대한 외곽선(outline)에 기초하여 수행될 수 있다. 절단 동작들은 레이저-기반 절단 기법, 플라즈마 절단 기법, 또는 다른 절단 기법을 사용하는 것을 수반할 수 있다. 절단 동작은 탭을 포함할 수 있는 중간층(607)을 생성한다. 다음으로, 삭마 동작(606)이 중간층(607)에 대해 수행되어 활성 코팅을 탭으로부터 제거한다. 삭마 동작(606)은 코팅되지 않은 탭을 가지는 층(608)을 생성한다. 절단 동작(604)이 발생하기 이전에 삭마 동작(606)이 대안적으로 수행될 수 있다는 것에 유의한다. 개시내용의 변형들에서, 본원에 기술된 바와 같이, 절단 동작들은 노치들을 포함하는 캐소드 층 및 애노드 층을 제조하는 쪽으로 관련된다.
예시적인 실시예에 따르면, 도 7a는 젤리-롤의 측면 뷰를 제시한다. 젤리-롤은 캐소드 층(702) 및 애노드 층(704)을 포함한다. 캐소드 층(702) 및 애노드 층(704)은 각자, 캐소드 전류 콜렉터 상에 배치되는 캐소드 활성 코팅 및 애노드 전류 콜렉터 상에 배치되는 애노드 활성 코팅을 포함할 수 있다. 제1 분리기 층(703)은 캐소드 층(702)과 애노드 층(702) 사이에 배치되는데, 이는 캐소드 활성 코팅과 애노드 활성 코팅 사이에 배치되는 것을 포함할 수 있다. 제2 분리기 층(705)은 캐소드 층(702)과 애노드 층(704) 사이에 배치되는데, 이는 캐소드 전류 콜렉터와 애노드 전류 콜렉터 사이에 배치되는 것을 포함할 수 있다.
젤리-롤은 공통 캐소드 노치(742) 및 공통 애노드 노치(744)를 포함한다. 개별 캐소드 탭들(예를 들어, 730, 732 및 734)은 공통 캐소드 노치(742) 내에서 정렬되며, 캐소드 층(702)의 캐소드 전류 콜렉터에 커플링될 수 있다. 유사하게, 개별 애노드 탭들(예를 들어, 736, 738, 및 740)은 공통 애노드 노치(744) 내에서 정렬되며, 애노드 층(704)의 애노드 전류 콜렉터에 커플링될 수 있다. 다수의 탭들은 이에 의해 공통 노치 내에 놓일 수 있다. 도 7a는 다수의 탭들이, 각자, 공통 캐소드 노치(742) 및 공통 애노드 노치(744) 내의 모든 이용가능한 캐소드 및 애노드 위치들에 걸쳐 분포되는 일 실시예를 도시한다. 그러나, 이 도시는 제한으로서 의도되지 않는다. 탭들의 다른 분포들이 가능하며, 그 중 일부 실시예들이 도 8a-8b 및 도 9a-9b에 관해 기술된다.
도 7b는, 젤리-롤로 감기기 이전의, 캐소드 층(702)의 일부분 및 애노드 층(704)의 일부분을 예시한다. 캐소드 층(702)은 캐소드 에지를 따르는 캐소드 노치 쌍들(즉, 노치 쌍(706, 708); 노치 쌍(710, 712); 및 노치 쌍(714, 716))을 포함한다. 유사하게, 애노드 층(704)은 애노드 에지를 따르는 애노드 노치 쌍들(즉, 노치 쌍(718, 720); 노치 쌍(722, 724); 및 노치 쌍(726, 728))을 포함한다. 이러한 노치 쌍들은, 캐소드 층(702)이 애노드 층(704)에 인접하게 적층될 때, 캐소드 노치 쌍들이 애노드 노치 쌍들에 맞춰 정렬되도록 배열된다. 분리기 층들(703, 705)(미도시됨)은 캐소드 층(702) 및 애노드 층(704)의 노치 쌍들에 매치하는, 이들의 각자의 에지들을 따르는 노치 쌍들을 또한 가진다. 따라서, 캐소드 층(702), 제1 분리기(703), 애노드 층(704), 및 제2 분리기(705)가 젤리 롤로 감길 때, 이들의 각자의 노치 쌍들이 정렬되어 공통 캐소드 노치(742) 및 공통 애노드 노치(744)를 형성한다.
연속적인 노치 쌍들 사이의 이격이, 젤리 롤의 내부 에지(744)로부터 젤리 롤의 외부 에지(746)까지의 거리를 이동할 때 증가한다는 것이 이해될 것이다. 개별 캐소드 탭들 및 개별 애노드 탭들은, 각자, 캐소드 노치 쌍들 및 애노드 노치 쌍들 내에 선택적으로 위치되어 공통 캐소드 노치(742) 및 공통 애노드 노치(744) 내의 분포들을 생성할 수 있다. 도 7b는, 각자, 캐소드 층(702) 및 애노드 층(704) 내의 연속적인 노치 쌍들 사이의 캐소드 탭들과 애노드 탭들의 교번하는 패턴을 도시한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 이러한 교번하는 패턴은 공통 캐소드 노치(742) 내의 전체-파퓰레이트된 캐소드 분포 및 공통 애노드 노치(744)와의 전체-파퓰레이트된 애노드 분포를 초래한다.
도 7b의 캐소드 층들(702) 및 애노드 층들(704)은 도 6에 관련하여 기술된 기법들을 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 층들(702, 704)은 이후, 캐소드 층(702)과 애노드 층(704) 사이에 제1 분리기 층(703)을 배치하고 애노드 층(704)의 노출된 표면 상에 제2 분리기 층(705)을 배치하는 스택 내에 포함될 수 있다. 스택은 도 7a에 예시된 젤리-롤로 감길 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 도 8a는, 각자, 공통 캐소드 노치 및 공통 애노드 노치의 반대 부분들 상에 캐소드 탭들 및 애노드 탭들을 가지는 젤리-롤의 측면 뷰를 제시한다. 젤리-롤은 캐소드 층(802) 및 애노드 층(804)을 포함한다. 캐소드 층(802) 및 애노드 층(804)은 각자, 캐소드 전류 콜렉터 상에 배치되는 캐소드 활성 코팅, 및 애노드 전류 콜렉터 상에 배치되는 애노드 활성 코팅을 포함할 수 있다. 제1 분리기 층(803)은 캐소드 층(802)과 애노드 층(804) 사이에 배치되는데, 이는 캐소드 활성 코팅과 애노드 활성 코팅 사이에 배치되는 것을 포함할 수 있다. 제2 분리기 층(805)은 캐소드 층(802)과 애노드 층(804) 사이에 배치되며, 이는 캐소드 전류 콜렉터와 애노드 전류 콜렉터 사이에 배치되는 것을 포함한다.
젤리-롤은 공통 캐소드 노치(836) 및 공통 애노드 노치(838)를 포함한다. 개별 캐소드 탭들(예를 들어, 830, 840, 842, 및 844)은 공통 캐소드 노치(838) 내에서 정렬되며, 캐소드 층(802)의 캐소드 전류 콜렉터에 커플링될 수 있다. 유사하게, 개별 애노드 탭들(예를 들어, 832, 834, 846, 848, 및 850)은 공통 애노드 노치(838) 내에서 정렬되며, 애노드 층(804)의 애노드 전류 콜렉터에 커플링될 수 있다. 도 8a는 다수의 탭들이 각자, 공통 캐소드 노치(836) 및 공통 애노드 노치(838)의 반대 부분들 내의 캐소드 및 애노드 위치들에 걸쳐 분포되는 일 실시예를 도시한다.
도 8b는 젤리-롤로 감기기 이전의, 캐소드 층(802)의 일부분 및 애노드 층(804)의 일부분을 예시한다. 캐소드 층(802)은 캐소드 에지를 따르는 캐소드 노치 쌍들(즉, 노치 쌍(806, 808); 노치 쌍(810, 812); 및 노치 쌍(814, 816))을 포함한다. 유사하게, 애노드 층(804)은 애노드 에지를 따르는 애노드 노치 쌍들(즉, 노치 쌍(818, 820); 노치 쌍(822, 824); 및 노치 쌍(826, 828))을 포함한다. 이러한 노치 쌍들은, 캐소드 층(802)이 애노드 층(804)에 인접하게 적층될 때, 캐소드 노치 쌍들이 애노드 노치 쌍들에 맞춰 정렬되도록 배열된다. 분리기 층들(803, 805)(미도시됨)은 캐소드 층(802) 및 애노드 층(804)의 노치 쌍들에 매치하는, 이들의 각자의 에지들을 따르는 노치 쌍들을 또한 가진다. 따라서, 캐소드 층(802), 제1 분리기(803), 애노드 층(804), 및 제2 분리기(805)가 젤리 롤로 감길 때, 이들의 각자의 노치 쌍들이 정렬되어 공통 캐소드 노치(836) 및 공통 애노드 노치(838)를 형성한다.
연속적인 노치 쌍들의 이격이, 젤리 롤의 내부 에지(852)로부터 젤리 롤의 외부 에지(854)까지의 거리를 이동할 때 증가한다는 것이 이해될 것이다. 개별 캐소드 탭들 및 개별 애노드 탭들은, 각자 캐소드 노치 쌍들 및 애노드 노치 쌍들 내에 선택적으로 위치되어 공통 캐소드 노치(836) 및 공통 애노드 노치(838) 내의 분포들을 생성할 수 있다. 도 8b는 각자, 캐소드 층(802) 및 애노드 층(804) 내의 연속적인 노치 쌍들 사이의 개별 캐소드 탭들 및 개별 애노드 탭들의 패턴을 도시한다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 이러한 패턴은 공통 애노드 노치(838)와의 애노드 탭들의 부분적 분포에 반대인 공통 캐소드 노치(836) 내의 캐소드 탭들의 부분적 분포를 초래한다.
예시적인 실시예에 따르면, 도 9a는 각자, 공통 캐소드 노치 및 공통 애노드 노치의 인접한 부분들 상에 캐소드 탭들 및 애노드 탭들을 가지는 젤리-롤의 측면 뷰를 제시한다. 젤리-롤은 캐소드 층(902) 및 애노드 층(904)을 포함한다. 캐소드 층(902) 및 애노드 층(904)은, 각자, 캐소드 전류 콜렉터 상에 배치되는 캐소드 활성 코팅 및 애노드 전류 콜렉터 상에 배치되는 애노드 활성 코팅을 포함할 수 있다. 제1 분리기 층(903)은 캐소드 층(902)과 애노드 층(904) 사이에 배치되는데, 이는 캐소드 활성 코팅과 애노드 활성 코팅 사이에 배치되는 것을 포함할 수 있다. 제2 분리기 층(905)은 캐소드 층(902)과 애노드 층(904) 사이에 배치되는데, 이는 캐소드 전류 콜렉터와 애노드 전류 콜렉터 사이에 배치되는 것을 포함할 수 있다.
젤리-롤은 공통 캐소드 노치(934) 및 공통 애노드 노치(936)를 포함한다. 개별 캐소드 탭들(예를 들어, 930, 938, 940, 및 942)는 공통 캐소드 노치(934) 내에서 정렬되며, 캐소드 층(902)의 캐소드 전류 콜렉터에 커플링될 수 있다. 유사하게, 개별 애노드 탭들(예를 들어, 932, 944, 946, 및 948)은 공통 애노드 노치(936) 내에서 정렬되며, 애노드 층(904)의 애노드 전류 콜렉터에 커플링될 수 있다. 도 9a는, 다수의 탭들이, 각자 공통 캐소드 노치(934) 및 공통 애노드 노치(936)의 인접한 부분들 내의 캐소드 및 애노드 위치들에 걸쳐 분포되는 일 실시예를 도시한다.
도 9b는, 젤리-롤로 감기기 이전의, 캐소드 층(902)의 일부분 및 애노드 층(904)의 일부분을 예시한다. 캐소드 층(902)은 캐소드 에지를 따르는 캐소드 노치 쌍들(즉, 노치 쌍(906, 908); 노치 쌍(910, 912); 및 노치 쌍(914, 916))을 포함한다. 유사하게, 애노드 층(904)은 애노드 에지를 따르는 애노드 노치 쌍들(즉, 노치 쌍(918, 920); 노치 쌍(922, 924); 및 노치 쌍(926, 928))을 포함한다. 이러한 노치 쌍들은, 캐소드 층(902)이 애노드 층(904)에 인접하게 적층될 때, 캐소드 노치 쌍들이 애노드 노치 쌍들에 맞춰 정렬되도록 배열된다. 분리기 층들(903, 905)(미도시됨)은 캐소드 층(902) 및 애노드 층(904)의 노치 쌍들에 매치하는, 이들의 각자의 에지들을 따르는 노치 쌍들을 또한 가진다. 따라서, 캐소드 층(902), 제1 분리기(903), 애노드 층(904), 및 제2 분리기(905)가 젤리 롤로 감길 때, 이들의 각자의 노치 쌍들이 정렬되어 공통 캐소드 노치(934) 및 공통 애노드 노치(936)를 형성한다.
연속적인 노치 쌍들의 이격이, 젤리 롤의 내부 에지(950)로부터 젤리 롤의 외부 에지(952)까지의 거리를 이동할 때 증가한다는 것이 이해될 것이다. 개별 캐소드 탭들 및 개별 애노드 탭들은, 각자 캐소드 노치 쌍들 및 애노드 노치 쌍들 내에 선택적으로 위치되어 공통 캐소드 노치(836) 및 공통 애노드 노치(838) 내의 분포들을 생성할 수 있다. 도 9b는, 각자, 캐소드 층(902) 및 애노드 층(904) 내의 연속적인 노치 쌍들 사이의 개별 캐소드 탭들 및 개별 애노드 탭들의 패턴을 도시한다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 이 패턴은 공통 애노드 노치(936)와의 개별 애노드 탭들의 부분적 분포에 인접한 공통 캐소드 노치(934) 내의 개별 캐소드 탭들의 부분적 분포를 초래한다.
예시적인 실시예에 따르면, 도 10a는 반대 측면들 상에 공통 캐소드 노치와 공통 애노드 노치를 가지며 서로 엇갈리는 젤리-롤의 측면 뷰를 제시한다. 공통 캐소드 노치(1042)를 가지는 측면이 도 10a에 도시된다. 젤리-롤은 캐소드 층(1002) 및 애노드 층(1004)을 포함한다. 캐소드 층(1002) 및 애노드 층(1004)은, 각자, 캐소드 전류 콜렉터 상에 배치되는 캐소드 활성 코팅 및 애노드 전류 콜렉터 상에 배치되는 애노드 활성 코팅을 포함할 수 있다. 제1 분리기 층(1003)은 캐소드 층(1002)과 애노드 층(1004) 사이에 배치되며, 이는 캐소드 활성 코팅과 애노드 활성 코팅 사이에 배치되는 것을 포함할 수 있다. 제2 분리기 층(1005)은 캐소드 층(1002)과 애노드 층(1004) 사이에 배치되며, 이는 캐소드 전류 콜렉터와 애노드 전류 콜렉터 사이에 배치되는 것을 포함할 수 있다.
젤리-롤은 공통 캐소드 노치(1042) 및 공통 애노드 노치(미도시됨)를 포함한다. 개별 캐소드 탭들(예를 들어, 1030, 1032 및 1034)은 공통 캐소드 노치(1042) 내에 정렬되며, 캐소드 층(1002)의 캐소드 전류 콜렉터에 커플링될 수 있다. 유사하게, 개별 애노드 탭들은 공통 애노드 노치 내에 정렬되며, 애노드 층(1004)의 애노드 전류 콜렉터에 커플링될 수 있다. 도 10a는, 다수의 탭들이, 각자 공통 캐소드 노치(1042) 및 공통 애노드 노치 내의 모든 이용가능한 캐소드 및 애노드 위치들에 걸쳐 분포되는 일 실시예를 도시한다.
도 10b는 젤리-롤로 감기기 이전의, 캐소드 층(1002)의 일부분 및 애노드 층(1004)의 일부분을 예시한다. 캐소드 층(1002)은 반대의 캐소드 에지들을 따라 분할되는 캐소드 노치 쌍들(즉, 노치 쌍(1006, 1008); 노치 쌍(1010, 1012); 및 노치 쌍(1014, 1016))을 포함한다. 유사하게, 애노드 층(1004)은 반대의 애노드 에지들을 따라 분할되는 애노드 노치 쌍들(즉, 노치 쌍(1018, 1020); 노치 쌍(1022, 1024); 및 노치 쌍(1026, 1028))을 포함한다. 이러한 노치 쌍들은, 캐소드 층(1002)이 애노드 층(1004)에 인접하게 적층될 때, 캐소드 노치 쌍들이 애노드 노치 쌍들에 맞춰 정렬되도록 배열된다. 분리기 층들(1003, 1005)(미도시됨)은 캐소드 층(1002) 및 애노드 층(1004)의 노치 쌍들에 매치하는, 이들의 각자의 에지들을 따르는 노치 쌍들을 또한 가진다. 따라서, 캐소드 층(1002), 제1 분리기(1003), 애노드 층(1004), 및 제2 분리기(1005)이 젤리 롤로 감길 때, 이들의 각자의 노치 쌍들이 정렬되어 공통 캐소드 노치(1042) 및 공통 애노드 노치를 형성한다.
연속적인 노치 쌍들의 이격이, 젤리 롤의 내부 에지(1044)로부터 젤리 롤의 외부 에지(1046)까지의 거리를 이동할 때 증가한다는 것이 이해될 것이다. 개별 캐소드 탭들 및 개별 애노드 탭들은, 각자, 캐소드 노치 쌍들 및 애노드 노치 쌍들 내에 선택적으로 위치되어 공통 캐소드 노치(1042) 및 공통 애노드 노치 내의 분포들을 생성할 수 있다. 도 10b는 애노드 에지를 따르는 개별 애노드 탭들과는 반대로 캐소드 에지를 따라 패터닝되는 개별 캐소드 탭들을 도시한다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 이러한 패턴은 공통 캐소드 노치(1042) 내의 전체-파퓰레이트된 캐소드 분포 및 공통 애노드 노치와의 전체-파퓰레이트된 애노드 분포를 초래한다. 그러나, 이러한 전체-파퓰레이트된 분포들은 젤리 롤의 반대 측면들 상에 있으며, 서로 엇갈린다.
예시적인 실시예에 따르면, 도 11a는 반대 측면들 상에 공통 캐소드 노치와 공통 애노드 노치를 가지며 서로 정렬되는 젤리-롤의 측면 뷰를 제시한다. 공통 캐소드 노치(1142)를 가지는 측면이 도 11a에 도시된다. 젤리-롤은 캐소드 층(1102) 및 애노드 층(1104)을 포함한다. 캐소드 층(1102) 및 애노드 층(1104)은, 각자, 캐소드 전류 콜렉터 상에 배치되는 캐소드 활성 코팅 및 애노드 전류 콜렉터 상에 배치되는 애노드 활성 코팅을 포함할 수 있다. 제1 분리기 층(1103)은 캐소드 층(1102)과 애노드 층(1104) 사이에 배치되는데, 이는 캐소드 활성 코팅과 애노드 활성 코팅 사이에 배치되는 것을 포함할 수 있다. 제2 분리기 층(1105)은 캐소드 층(1102)과 애노드 층(1104) 사이에 배치되는데, 이는 캐소드 전류 콜렉터와 애노드 전류 콜렉터 사이에 배치되는 것을 포함할 수 있다.
젤리-롤은 공통 캐소드 노치(1142) 및 공통 애노드 노치(미도시됨)를 포함한다. 개별 캐소드 탭들(예를 들어, 1130, 1132, 및 1134)은 공통 캐소드 노치(1142) 내에 정렬되며, 캐소드 층(1102)의 캐소드 전류 콜렉터에 커플링될 수 있다. 유사하게, 개별 애노드 탭들은 공통 애노드 노치 내에 정렬되며, 애노드 층(1104)의 애노드 전류 콜렉터에 커플링될 수 있다. 도 11a는, 다수의 탭들이 각자 공통 캐소드 노치(1142) 및 공통 애노드 노치 내의 모든 이용가능한 캐소드 및 애노드 위치들에 걸쳐 분포되는 일 실시예를 도시한다.
도 11b는, 젤리-롤로 감기기 이전의, 캐소드 층(1102)의 일부분 및 애노드 층(1104)의 일부분을 예시한다. 캐소드 층(1102)은 반대의 캐소드 에지들을 따라 분할되는 캐소드 노치 쌍들(즉, 노치 쌍(1106, 1108); 노치 쌍(1110, 1112); 및 노치 쌍(1114, 1116))을 포함한다. 유사하게, 애노드 층(1104)은 반대의 애노드 에지들을 따라 분할되는 애노드 노치 쌍들(즉, 노치 쌍(1118, 1120); 노치 쌍(1122, 1124); 및 노치 쌍(1126, 1128))을 포함한다. 이러한 노치 쌍들은, 캐소드 층(1102)이 애노드 층(1104)에 인접하게 적층될 때, 캐소드 노치 쌍들이 애노드 노치 쌍들에 맞춰 정렬되도록 배열된다. 분리기 층들(1103, 1105)(미도시됨)은 캐소드 층(1102) 및 애노드 층(1104)의 노치 쌍들에 매치하는, 이들의 각자의 에지들을 따르는 노치 쌍들을 또한 가진다. 따라서, 캐소드 층(1102), 제1 분리기(1103), 애노드 층(1104), 및 제2 분리기(1105)가 젤리 롤로 감길 때, 이들의 각자의 노치 쌍들이 정렬되어 공통 캐소드 노치(1142) 및 공통 애노드 노치를 형성한다.
연속적인 노치 쌍들의 이격이, 젤리 롤의 내부 에지(1144)로부터 젤리 롤의 외부 에지(1146)까지의 거리를 이동할 때 증가한다는 것이 이해될 것이다. 개별 캐소드 탭들 및 개별 애노드 탭들은, 각자 캐소드 노치 쌍들 및 애노드 노치 쌍들 내에 선택적으로 위치되어, 공통 캐소드 노치(1142) 및 공통 애노드 노치 내의 분포들을 생성할 수 있다. 도 11b는 개별 애노드 탭들과는 반대의 캐소드 에지를 따라 패터닝되는 개별 캐소드 탭들을 도시한다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 이러한 패턴은 공통 캐소드 노치(1142) 내의 전체-파퓰레이트된 캐소드 분포 및 공통 애노드 노치와의 전체-파퓰레이트된 애노드 분포를 초래한다. 그러나, 이러한 전체-파퓰레이트된 분포들은 젤리-롤의 반대 측면들 상에 있으며 서로 정렬된다.
또한, 젤리 롤 배터리 셀의 중심 부분이 매우 단단히 감겨서 캐소드 층(1102) 및 애노드 층(1104)의 중심 부분 내로의 돌출부가 접속될 때 전극 탭들을 간섭할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 간섭을 완화시키기 위해, 캐소드 층(1102)은 내부 캐소드 에지(1148)에 인접한 노치 쌍을 이용할 수 있다. 노치들(1150 및 1152)은 제1 미리 결정된 길이를 따라 내부 캐소드 에지(1148)로부터 연장한다. 제1 미리 결정된 길이는 중심 부분에서의 간섭을 완화시키도록 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 선택된다. 유사하게, 애노드 층(1104)은 내부 애노드 에지(1154)에 인접한 노치형 쌍을 이용한다. 노치들(1156 및 1158)은 제2 미리 결정된 길이를 따라 내부 애노드 에지(1154)로부터 연장한다. 제2 미리 결정된 길이가 제1 미리 결정된 길이와 등가일 필요는 없다.
도 1a-3d 및 4a-11b에서, 젤리-롤 내의 노치들은 공통 크기를 공유하는 것으로서 도시된다. 그러나, 이러한 도시는 단지 예시의 목적이다. 캐소드 층들, 애노드 층들 및 분리기 층들의 노치들은 크기가 변경될 수 있다.
도 12a & 12b는 캐소드 층(1200), 분리기 층(1202) 및 애노드 층(1204) 내의 노치들을 예시하지만, 여기서 각각의 층 내의 노치들은 크기가 상이하다. 더 구체적으로, 분리기 노치(1208)는 캐소드 노치(1210) 또는 애노드 노치(1212)보다 폭이 더 작아서, 돌출부(overhang)를 생성한다. 추가로 또는 대안적으로, 캐소드 노치(1210)는 애노드 노치(1212)보다 폭이 더 작을 수 있다(또는 일부 경우들에서, 애노드 노치(1212)는 캐소드 노치(1210)보다 폭이 더 작을 수 있다). 조합하면, 이러한 노치 크기들의 분포는 (즉, 동작 동안) 캐소드 층(1200)과 애노드 층(1204) 사이의 회로-단락의 위험성을 감소시킬 수 있다. 도 12a는 캐소드 탭(1214)의 상황에서의 노치들(1208-1212)을 도시하고, 도 12b는 애노드 탭(1216)의 상황에서의 노치들(1208-1212)을 도시한다.
컴퓨팅 디바이스
전술된 재충전가능한 배터리 셀은 임의의 타입의 전자 디바이스에서 일반적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 13은, 모두가 배터리(1306)에 의해 전원공급되는 프로세서(1302), 메모리(1304) 및 디스플레이(1308)를 포함하는, 휴대용 전자 디바이스(1300)를 예시한다. 휴대용 전자 디바이스(1300)는 랩톱 컴퓨터, 모바일 폰, 태블릿 컴퓨터, 휴대용 미디어 플레이어, 디지털 카메라, 및/또는 다른 타입의 배터리-전원공급형 전자 디바이스에 대응할 수 있다. 배터리(1306)는 하나 이상의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 팩에 대응할 수 있다. 각각의 배터리 셀은 파우치 내에 밀봉되는 감긴 구성인 층들의 세트, 즉, 젤리-롤 배터리 셀을 포함할 수 있다. 젤리-롤 배터리 셀은 캐소드, 코팅된 분리기, 애노드, 및/또는 결합제(binder) 코팅을 포함한다.
실시예들의 전술한 기재들은 단지 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이들은 총망라적이도록, 또는 본 기재를 개시된 형태들로 제한하도록 의도되지 않는다. 따라서, 많은 수정들 및 변형들이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 추가로, 위 개시내용은 본 기재를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 기재의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.

Claims (21)

  1. 배터리 셀로서,
    함께-감긴 층들을 포함하는 젤리-롤(jelly-roll) ― 상기 층들은 캐소드 층, 애노드 층, 및 각각의 캐소드 층과 애노드 층 사이에 배치되는 하나 이상의 분리기 층들을 포함함 ― ;
    상기 젤리-롤의 적어도 한 측면을 따라 형성되는 제1 공통 노치 및 제2 공통 노치;
    상기 제1 공통 노치 내의 적어도 하나의 캐소드 층으로부터 연장하는 코팅되지 않은 캐소드 탭;
    상기 제2 공통 노치 내의 적어도 하나의 애노드 층으로부터 연장하는 코팅되지 않은 애노드 탭;
    상기 제1 공통 노치 내의 각각의 코팅되지 않은 캐소드 탭에 결합되는 공통 캐소드 탭; 및
    상기 제2 공통 노치 내의 각각의 코팅되지 않은 애노드 탭에 결합되는 공통 애노드 탭
    을 포함하는, 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 젤리-롤을 둘러싸는 파우치를 더 포함하고, 상기 공통 애노드 탭 및 상기 공통 캐소드 탭은 상기 파우치를 통해 연장하여, 각자, 상기 배터리 셀에 대한 캐소드 단자 및 애노드 단자를 제공하는, 배터리 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공통 캐소드 탭과 각각의 코팅되지 않은 캐소드 탭 사이의 결합은 상기 공통 캐소드 탭에 결합되는 접힌-및-결합된(folded-and-bonded) 캐소드 탭들을 포함하는, 배터리 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공통 애노드 탭과 상기 각각의 코팅되지 않은 애노드 탭 사이의 결합은 상기 공통 애노드 탭에 결합되는 접힌-및-결합된 애노드 탭들을 포함하는, 배터리 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공통 노치 및 상기 제2 공통 노치는 상기 배터리 셀의 동일 측면 상에 위치되는, 배터리 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공통 노치와 상기 제2 공통 노치는 상기 배터리 셀의 반대 측면들 상에 위치되는, 배터리 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공통 노치 및 상기 제2 공통 노치 중 어느 것이든 상기 배터리 셀의 한 측면 내에 포함되는 포함형 노치를 포함하는, 배터리 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 젤리-롤의 함께-감긴 층들을 통해 연장하는 배터리 셀의 내부 영역 내의 홀을 더 포함하고, 대응하는 전도성 탭은 상기 홀 내로 연장하는, 배터리 셀.
  9. 배터리 셀을 제조하기 위한 방법으로서,
    복수의 애노드 노치 쌍들을 애노드 층으로 절단하는 단계 ― 상기 애노드 층은 애노드 활성 코팅으로 코팅되는 애노드 전류 콜렉터를 포함함 ― ;
    복수의 캐소드 노치 쌍들을 캐소드 층으로 절단하는 단계 ― 상기 캐소드 층은 캐소드 활성 코팅으로 코팅되는 캐소드 전류 콜렉터를 포함함 ― ;
    복수의 분리기 노치 쌍들을 하나 이상의 분리기 층들로 절단하는 단계;
    상기 애노드 활성 코팅을 애노드 탭과 연관된 애노드 영역으로부터 삭마하여 이에 의해 상기 애노드 탭을 형성하는 단계;
    상기 캐소드 활성 코팅을 캐소드 탭과 연관된 캐소드 영역으로부터 삭마하여 이에 의해 상기 캐소드 탭을 형성하는 단계;
    상기 캐소드 층, 상기 애노드 층, 및 상기 하나 이상의 분리기 층들을 감아서 제1 공통 노치 및 제2 공통 노치를 포함하는 젤리-롤을 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 복수의 애노드 노치 쌍들, 상기 복수의 캐소드 노치 쌍들, 및 상기 복수의 분리기 노치 쌍들은 각자, 상기 애노드 층, 상기 캐소드 층, 및 상기 하나 이상의 분리기 층들을 따라 배열되고, 따라서, 상기 젤리 롤은, 감길 때, 적어도 한 측면을 따라 상기 제1 공통 노치 및 상기 제2 공통 노치를 형성하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공통 노치 내의 하나 이상의 캐소드 층들에 하나 이상의 캐소드 탭들을 결합시키는 단계,
    상기 제2 공통 노치 내의 하나 이상의 캐소드 층들에 하나 이상의 애노드 탭들을 결합시키는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 셀로부터 연장하는 공통 캐소드 탭에 각각의 캐소드 탭을 결합시키는 단계;
    상기 배터리 셀로부터 연장하는 공통 애노드 탭에 각각의 애노드 탭을 결합시키는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공통 애노드 탭 및 공통 캐소드 탭이 파우치 내의 개구들을 통해 연장하여 상기 배터리 셀에 대한 대응하는 캐소드 단자 및 애노드 단자를 제공하도록 상기 파우치 내에 상기 젤리-롤을 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    각각의 캐소드 층의 캐소드 활성 코팅 및 각각의 애노드 층의 애노드 활성 코팅은 상기 애노드 층과 캐소드 층을 절단하기 이전에 삭마되는, 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    각각의 캐소드 층의 캐소드 활성 코팅 및 각각의 애노드 층의 애노드 활성 코팅은 상기 애노드 층과 캐소드 층을 절단한 이후에 삭마되는, 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 공통 캐소드 탭에 각각의 캐소드 탭을 결합시키는 단계는:
    상기 캐소드 탭들을 접는 단계;
    상기 접힌 캐소드 탭들을 함께 결합시키는 단계; 및
    상기 접히고 결합된 캐소드 탭들에 상기 공통 캐소드 탭을 결합시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 공통 애노드 탭에 상기 애노드 탭들을 결합시키는 단계는:
    상기 애노드 탭들을 접는 단계;
    상기 접힌 애노드 탭들을 함께 결합시키는 단계; 및
    상기 접히고 결합된 애노드 탭들에 상기 공통 애노드 탭을 결합시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공통 노치 및 상기 제2 공통 노치는 상기 배터리 셀의 동일 측면 상에 형성되는, 방법.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공통 노치와 상기 제2 공통 노치는 상기 배터리 셀의 반대 측면들 상에 형성되는, 방법.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공통 노치 및 상기 제2 공통 노치는 상기 배터리 셀의 일 측면 내에 포함되는 포함형 노치를 포함하는, 방법.
  20. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공통 노치 및 상기 제2 공통 노치 중 적어도 하나는 상기 젤리-롤의 층들을 통해 연장하는 상기 배터리 셀의 내부 영역 내의 홀을 포함하고;
    대응하는 전도성 탭이 상기 홀 내로 연장하는, 방법.
  21. 휴대용 컴퓨팅 디바이스로서,
    프로세서;
    메모리;
    디스플레이; 및
    함께 감긴 층들을 포함하는 젤리-롤을 포함하는 배터리 셀 ― 상기 층들은 캐소드 층, 애노드 층, 및 각각의 캐소드 층과 애노드 층 사이에 배치되는 하나 이상의 분리기 층들을 포함함 ― ;
    상기 젤리-롤의 적어도 한 측면을 따라 형성되는 제1 공통 노치 및 제2 공통 노치;
    상기 제1 공통 노치 내의 적어도 하나의 캐소드 층으로부터 연장하는 코팅되지 않은 캐소드 탭;
    상기 제2 공통 노치 내의 적어도 하나의 애노드 층으로부터 연장하는 코팅되지 않은 애노드 탭;
    상기 제1 공통 노치 내의 각각의 코팅되지 않은 캐소드 탭에 결합된 공통 캐소드 탭; 및
    상기 제2 공통 노치 내의 각각의 코팅되지 않은 애노드 탭에 결합되는 공통 애노드 탭
    을 포함하는, 휴대용 컴퓨팅 디바이스.
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