KR20180069063A - 얇은 금속 호일 패키징을 갖는 전기화학 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

얇은 금속 호일 패키징을 갖는 전기화학 전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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럿거스, 더 스테이트 유니버시티 오브 뉴저지
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Abstract

적어도 하나의 금속 호일 시트로 형성되고 전기화학 전지의 적어도 일부 주위로 연장되는 둘레를 갖는 얇은 금속 호일 패키징, 얇은 금속 호일 패키징 내에 포함된 전기화학 전지 스택, 및 얇은 금속 호일 패키징의 둘레의 적어도 일부 주위에 위치하는 금속간 용접 밀봉부를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. 금속 대 금속 용접 밀봉부는 기밀하거나 거의 기밀하다. 또한, 금속간 용접 밀봉부는, 좁아서 약 1mm 미만의 폭을 갖고, 전기화학 전지 스택으로부터 약 5mm 미만으로 떨어져 있다. 일부 실시예에서, 얇은 금속 호일 패키징은, 기밀형 또는 근기밀형 밀봉 패키징으로서 기능할 뿐만 아니라 전지의 한 전극이 호일 패키징에 결합된 음극 또는 양극성 집전체로서도 기능한다.

Description

얇은 금속 호일 패키징을 갖는 전기화학 전지 및 그 제조 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 2015년 11월 2일에 출원된 미국 가특허출원번호 제62/249,590호에 대한 우선권을 주장하며, 가특허출원의 개시 내용의 전문은 본원에 참고로 원용된다.
정부 재정 보증서
본 발명은 미국 정부로부터의 계약에 의한 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대해 소정의 권리를 갖는다.
본 발명은 일반적으로 전기화학 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 더욱 효율적인 금속 호일 파우치 패키징을 갖는 전기화학 전지에 관한 것이다.
일반적으로 배터리라고 알려져 있는 효율적이고 오래 지속되는 전기화학적 에너지 저장 시스템에 대한 많은 요구가 계속되고 있다. 단위 중량당 및 단위 부피당 더욱 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 배터리를 개발하기 위해 지속적인 노력이 시도되고 있다. 개인용 전자 장치, 생물의학적 응용분야, 및 다른 기술에 통상적으로 사용되는 소형 배터리(즉, 1 내지 10암페어/시간(Ah) 또는 심지어 그 이하의 용량을 가짐)의 경우 단위 부피당 저장되는 에너지양을 증가시키는 것이 훨씬 더 중요하다.
전기화학 전지는 가장 기본적인 전기화학적 에너지 저장 유닛이다. 배터리는, 배터리의 의도된 사용 목적에 따라 단일 전기화학 전지 또는 다수의 전기화학 전지를 포함할 수 있다. 최소한, 각각의 전기화학 전지는 양극, 음극, 및 전해질을 포함한다. 때로는, 하나 이상의 세퍼레이터가, 전극들 사이에 또한 포함되며, 전해질로 함침될 수 있거나 그 외에는 전해질을 함유 또는 유지할 수 있다. 또한, 관련된 화학 물질에 따라, 일부 전기화학 전지는, 또한, 동작 중 전류 흐름을 용이하게 하도록 양극 및 음극에 각각 접속되거나 양극 및 음극과 각각 접촉하는 양극성 집전체 및 음극성 집전체를 포함할 수 있다. 전술한 기능적 구성요소들은 함께 권취되거나 적층되어 동작가능한 전기화학 전지를 형성할 수 있다. 통상적으로, 권취되거나 적층된 구성요소들은, 습기, 산소, 기타 물질과의 접촉을 포함하는 주변 조건으로부터 분리와 보호를 제공하는 기밀형(hermetic) 또는 근기밀형(near-hermetic) 패키징 또는 케이스 내에 밀폐되거나 포함된다. 전해질이 액체 또는 겔인 경우, 패키징 또는 케이스는 또한 전지 또는 배터리 내에 전해질을 함유하도록 기능한다.
"기밀형" 패키징은 일반적으로 기밀성이거나 가스 흐름의 영향을 받지 않는 것으로 이해되는 반면, "근기밀형" 패키징은 거의 기밀하거나 가스 흐름의 영향을 거의 받지 않는다. 패키징의 기밀성은 패키징 구성 및 두께에 의존하며, 예를 들어, 수증기 전달 속도(WVTR)를 24시간당 제곱미터당 그램 단위(g/m2/24hrs)로 측정함으로써 정량화될 수 있다. 대안으로, 패키징이 전기화학 전지 및 배터리를 위한 용기로서 기능하도록 충분히 "기밀한"지를 결정하기 위한 표준화된 시험이 확립되어 있으며, 이러한 시험으로는, Mil-STD-883 시험 방법 1014, Mil-STD-750 시험 방법 1071, 및 Mil-PRF-38534 내에 포함된 하이브리드 명세가 있지만, 이에 한정되지 않는다. 일반적으로, 통상의 기술자에게는, 폴리머 조성물로 이루어진 밀봉부가 폴리머의 기본 특성으로 인해 진정으로 기밀한 것으로 결코 간주될 수 없는 한편 금속, 유리, 세라믹 등의 결함 없는 무기 성분이 진정한 기밀성을 가능하게 한다고 널리 인식되어 있다.
단위 부피당 전기화학 전지 에너지의 저장을 최적화하기 위한 현재까지의 대부분의 노력은, 전기화학 전지의 특히 리튬계 전지의 경우의 전극 및 전해질을 제조하는 데 사용되는 활성 물질을 개선하는 데 집중되었다. 예를 들어, 훨씬 더 큰 에너지를 생산하는 리튬계 전지를 제조하도록 새로운 양극 및 음극 물질들이 개발되었다. 그러나, 새로운 전극 물질들은, 소형 전기화학 전지, 특히 1 내지 10Ah보다 작은 전지에서 이용되는 경우, 고 용량 전지에서 볼 수 있는 예상 에너지 증가에 필적하는 예상 에너지 증가를 전달하지 못하였다. 전체 배터리 에너지 밀도가 예상 에너지 증가보다 낮은 중요한 이유는, 전지들의 비효율적 패키징과 관련 있다고 여겨진다.
약 10Ah 미만의 용량을 갖는 전기화학 전지 및 배터리의 경우, 일반적으로 기밀형 또는 근기밀형 패키징 또는 케이스를 포함하는 세 가지 주요 유형이 있다. 이들은, 원통형, 프리즘형, 및 파우치형으로서, Chapter 35 of the Handbook of Batteries, 3rd Ed. (Linden, David, and Reddy, Thomas B., eds. Handbook of Batteries (3rd ed. New York: McGraw Hill, 2002. 35.31-35.34 and 35.71-35.74 참조)에 자세히 개시되어 있으며, 이 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다. 원통형 배터리 케이스는, 일반적으로 미리 용접되거나 일부 경우에는 성형 공정을 통해 인발된 원통형 금속 케이스로 이루어진다. 원통형 배터리 케이스는, 전기화학 전지 또는 배터리의 기능적 구성요소를 포함하도록 소량의 근기밀형 폴리머 실란트를 사용하여 밀봉되며, 내부에 초과 부피를 거의 갖지 않는다. 그러나, 원통형 배터리들은, 얇은 형태의 전기화학 전지를 필요로 하는 설계 시나리오에서 부피 측정에 효율적이지 않으며, 원통형 배터리의 둥근 단면으로 인해, 효율적으로 함께 패킹되지 못한다. 프리즘형 배터리는, 일반적으로 직사각형, 타원형, 또는 심지어 장방형 단면 형상을 갖는 경향이 있으며, 딥 드로잉 공정에 의해 빈번하게 형성되는 금속 상자와 유사한 패키징 또는 케이스를 갖는 경향이 있다. 프리즘형 배터리는, 또한, 부피상 효율적이지만, 케이스의 개구부의 두께가 제조 공정에 의해 제한되고 패키지 벽의 두께가 기계적으로 제한되기 때문에 얇은(즉, 두께가 몇 밀리미터 미만인) 배터리에 이상적이지 않다.
파우치형 설계는, 전기화학 배터리 설계의 세 번째 유형이며, 개인용 전자 장치 분야에서 사용하기에 적합한 수 밀리미터 미만의 두께를 갖는 전지를 제조하는 문제점을 다루도록, 예를 들어, 1 내지 10Ah 이하의 용량을 갖는 배터리를 생산하도록 개발되었다. 파우치형 배터리 패키징은, 통상적으로 내부의 전기화학 전지 또는 전지들을 밀폐하도록 열 밀봉된 가요성 다층 물질로 제조되며, 여기서 전기화학 전지들은, 전술한 모든 기능적 구성요소를 포함하는 전기화학 전지 스택의 형태로 되는 경향이 있다. 파우치형 전지는 더 얇은 형태의 응용분야에 효과적이지만, 더 개선해야 할 장벽이 있다. 대부분의 도전은, 전술한 프리즘형 및 원통형 전지들에 비해 파우치형 전지에서 훨씬 더 빈번하게 이용되는 폴리머 근기밀형 밀봉에 관한 것이다.
통상적으로, 파우치 패키징은 Low-Cost Flexible Packaging for High-Power Li-Ion HEV Batteries by Jansen, A.N., 등, (Jansen, A. N., K. Amine, and G. L. Henriksen. Low-Cost Flexible Packaging for High-Power Li-Ion HEV Batteries, United States; N.p., 2004. Web. doi:10.2172/828774.) 참조)에 개시된 바와 같은 적층형 다층 시트로부터 제조되며, 이 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다. 종래에, 각각의 적층 시트는, 적어도 열가소성 실란트층, 얇은 중간 금속 배리어층, 및 실란트층에 대향하는 보호층을 포함한다. 열가소성 실란트층은, 근기밀형이며, 열 밀봉 가능하고, 통상적으로 폴리올레핀 또는 산 개질된 폴리올레핀으로부터 제조되며, 조립 후 파우치의 내면으로 된다. 얇은 중간 금속 배리어층은, 전해질 용매의 조립된 파우치의 내부로부터의 누출 및 물의 외부 환경으로부터 파우치 내로의 진입을 최소화하도록 기능적 구성요소들을 둘러싸는 기밀형 배리어를 제공하는 금속 호일이다. 외부 보호층은, 통상적으로 조립 후에 파우치의 외면을 형성하고 전해질과 물의 통과를 허용할 수 있는 스크래치 및 기타 손상으로부터 금속층을 보호하는 폴리머 코팅이다. 때로는, 파우치 패키징은, 기능적 구성요소들을 사이에 두고 정렬된 두 개의 적층형 다층 시트를 사용하여 형성되며, 그 시트들은 4면 모두에서 열 밀봉된다. 다른 실시예에서는, 단일 시트가 접혀, 파우치를 형성하도록 열 밀봉될 필요가 있는 3개의 자유 면만이 존재하며, 이는 전체 파우치 패키징의 기밀성을 증가시킨다. 금속 호일층을 갖는 적층형 다층 시트로부터 제조된 파우치 패키징은, 폴리머 함유층만을 갖는 시트로부터 제조된 것에 비해 증가된 기밀성을 갖는다. 그러나, 이러한 종래의 파우치 패키징의 열 밀봉부는 최내측 폴리머층을 자신과 밀봉함으로써 형성되므로, 폴리머가, 밀봉부 내에 존재하고, 사실상 완전한 기밀형 금속간 밀봉부가 형성되는 것을 방지하며, 이는 종래의 파우치 패키징의 전체적 기밀성을 감소시키는 경향이 있다.
일반적으로, 부피 비효율은 두 가지 이유로 종래의 다층 파우치 패키징 물질에서 발생한다. 첫 번째 이유는 종래의 파우치 패키징이 비교적 두껍고 일반적으로 100 내지 300마이크로미터를 초과한다는 점이다. (파우치를 형성하도록 전지의 각 면에 하나씩) 파우치 패키징 물질의 2개 시트가 실제로 필요하므로, 이러한 파우치 패키징만으로 전기화학 전지 또는 배터리에 추가되는 총 두께는 약 200 내지 약 600마이크로미터이다. 1 또는 2밀리미터 미만, 또는 바람직하게는 500마이크로미터 미만의 두께의 얇은 배터리를 제조하는 경우, 기능적 구성요소들을 포함하는 전기화학 전지 스택을 위한 두께가 거의 남지 않게 된다. 이에 따라, 전자 장치를 동작시킬 수 있는 전지의 가용 용량이 감소된다. 두 번째 이유로, 전기화학 전지 주위에 파우치 패키징을 형성하기 위해서는, 패키지가 통상적으로 적어도 3면에서 밀봉되어야 하고, 이들 밀봉부는 밀봉부의 기계적 무결성을 보장하도록 충분히 넓어야 하며, 즉, 통상적으로 약 3 내지 약 6mm의 폭을 가져야 한다. 종래의 파우치 패키징 물질의 밀봉부에 대한 다른 우려 사항은, 밀봉부의 최내측 부분이 폴리머 열가소성 실란트층에 의해 점유되고, 이 내부 층이 패키지로부터의 전해질 용매 및 물이 패키징 내로 전달되는 것에 대하여 제한된 저항을 제공한다는 점이다. 이에 따라, 이들 밀봉부는, 충분한 폭과 길이를 갖지 않으면 (즉, 용매와 물이 전지 또는 배터리 내로 또는 전지 또는 배터리로부터 전달되는 것을 최소화하도록) 수용할만한 기밀형 밀봉부를 제공하지 않으며, 시간이 지남에 따라 파손될 가능성이 항상 있다. 이에 따라, 또한, 이들 밀봉부가 통상적으로 3 내지 6mm의 폭을 가져야 할 필요가 있다. 세 번째 어려움은, 밀봉부들이 전기화학 전지 스택에 너무 가깝게 형성되면 전기화학 전지 또는 배터리의 기능적 구성요소들이 열 밀봉 공정 중에 열적 손상을 받기 쉽다는 사실로부터 발생한다. 기계적 무결성 및 기밀 무결성을 보장하는 데 필요한 넓은 열 밀봉부와 종래의 다층 파우치 물질의 두께의 조합은, 전기화학 전지의 기능적 구성요소들에 할당될 수 있는 총 부피의 백분율을, 얇은 소형 전기화학 전지 및 배터리에 대하여 50%보다 훨씬 미만으로 심각하게 제한한다.
파우치 배터리 패키징의 설계 및 제조를 개선함으로써 소형 전기화학 전지 및 배터리의 용량과 성능을 더욱 개선할 것으로 여겨진다.
본 발명은, 얇은 소형 형태의 전지에 적용되는 경우의 파우치 전지의 전술한 모든 유해한 특성을 다룬다. 본 발명은, 얇은 금속 호일 패키징의 효율적인 통합 사용을 이용하고 1mm 미만의 전지 두께를 갖는 전기화학 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 전지의 고유 양태는, 얇은 금속 호일 패키징이 기밀형 또는 근기밀형 밀봉 패키징으로서 기능할 뿐만 아니라 전지의 한 전극이 호일 패키징에 결합된 음극 또는 양극성 집전체로서도 기능한다는 점이다. 이러한 일 실시예에서, 호일의 자유 에지들은, 전지의 둘레 주위로 약간 연장되고, 서로 용접되어 기밀형 금속간 결합부를 생성한다. 일 실시예에서는, 레이저 에너지를 이용하여 이러한 밀봉부를 형성하며, 레이저 에너지는 스캐닝 레이저를 사용하여 고속으로 호일에 인가된다. 이 방안은, 금속 호일 파우치 패키징 내에 위치설정된 전지 스택을 과도한 열 에너지로 손상시킬 위험을 감소시키면서 우수한 밀봉부를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 전기화학 전지는, 적어도 하나의 금속 호일 시트를 포함하고 전기화학 전지의 적어도 일부 주위로 연장되는 둘레를 갖는 얇은 금속 호일 패키징, 얇은 금속 호일 패키징 내에 포함된 전기화학 전지 스택, 및 얇은 금속 호일 패키징의 둘레의 적어도 일부 주위에 금속간 용접 밀봉부(metal-to-metal welded seal)를 포함한다. 금속간 용접 밀봉부는 기밀형이거나 근기밀형이다. 또한, 금속간 용접 밀봉부는 좁아서, 약 1mm 미만의 폭을 갖는다. 전기화학 전지의 금속간 용접 밀봉부는 전기화학 전지 스택으로부터 약 5mm 미만으로 떨어져 있다.
전기화학 전지의 일부 실시예에서, 얇은 금속 호일 패키징은 외부 집전체이고, 전기화학 전지 스택은, 내부 집전체; 내부 집전체에 전기적으로 접속되거나 전기적으로 접촉하는 내부 전극; 내부 전극에 인접하고 내부 전극의 반대측들 상에 있는 제1 다공성 세퍼레이터와 제2 다공성 세퍼레이터; 제1 다공성 세퍼레이터의 내부 전극과는 반대측 상에 위치설정되고, 또한, 얇은 금속 호일 패키징에 인접하고 전기적으로 접속되거나 전기적으로 접촉하는 제1 외부 전극; 제2 다공성 세퍼레이터의 내부 전극과는 반대측 상에 위치설정되고, 또한, 얇은 금속 호일 패키징에 인접하고 전기적으로 접속되거나 전기적으로 접촉하는 제2 외부 전극; 및 내부 전극, 제1 및 제2 외부 전극, 및 제1 및 제2 다공성 세퍼레이터 내에 분산된 전해질을 포함한다.
전기화학 전지의 일부 실시예에서, 내부 집전체는 양극성 집전체이고, 내부 전극은 양극이며, 제1 및 제2 외부 전극은 모두 음극이며, 얇은 금속 호일 패키징은 외부 음극성 집전체이다.
본 발명은, 또한, 저항 용접, 레이저 용접, 및 초음파 용접으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 기술에 의해 금속간 용접 밀봉부를 형성하는 단계를 포함하는 전술한 전기화학 전지 스택을 제조하는 방법을 제공한다. 전기화학 전지를 제조하는 이 방법의 일 실시예에서, 금속간 용접 밀봉부를 형성하는 단계는 레이저 용접에 의해 달성된다. 또한, 레이저 용접은 초당 0.1미터(m/s) 이상의 스캔 속도로 수행될 수 있다.
본 발명을 더욱 완전히 이해하도록, 동일한 구조가 여러 도에 걸쳐 동일한 참조 번호로 지칭되는 첨부 도면과 함께 고려되는 예시적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 참조한다.
도 1은 전기화학 전지의 일 실시예의 개략적 평면도이다.
도 2는 A-A 선을 따라 절취하여 화살표 방향으로 본 도 1의 전기화학 전지의 개략적 측단면도이다.
도 3은 금속 호일의 접힘에 의해 한정된 패키징의 하나의 에지를 갖는 전기화학 전지의 다른 일 실시예의 개략적 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전기화학 전지의 두 개의 실시예에 대한 사이클 수의 함수로서의 용량 플롯이다.
본 발명은, 전기화학 전지 스택 및 전기화학 전지 스택을 포함하고 전기화학 전지 스택에 결합되는 얇은 금속 호일 패키징을 갖는 전기화학 전지에 관한 것으로서, 얇은 금속 호일 패키징은 기존의 종래 파우치 전지보다 효율적으로 설계되고 제조된다. 더욱 구체적으로, 이하에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 금속 호일 시트는, 이들의 개방된 자유 에지를 따라 함께 직접 용접되어, 내부에 포함되어 있는 전기화학 전지 스택에 근접하게 있는 기밀형 또는 근기밀형 금속간 용접 밀봉부를 갖는 얇은 금속 호일 패키징을 형성하게 된다. 또한, 하나 이상의 금속 호일 시트는 전기화학 전지 스택의 전극들과 결합되며 전기적으로 접촉하여, 얇은 금속 호일 패키징이 전기화학 전지를 위한 패키징이자 집전체로 된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "근기밀형"이라는 용어는, 1mil(즉, 1000분의 1인치 또는 0.001인치)의 패키징 두께에 기초하는 25℃와 40% R.H에서 패키징이 약 100g/m2/24hrs 미만의 WVTR을 갖는 패키징을 의미한다. 예를 들어, 제한 없이, 근기밀형 패키징은, 25℃, 40% R.H, 및 1mil 두께에서 약 75g/m2/24hrs 미만, 또는 약 50g/m2/24hrs 미만, 또는 약 25g/m2/24hrs 미만, 또는 약 10g/m2/24hrs 미만, 또는 약 5g/m2/24hrs 미만, 또는 약 2g/m2/24hrs 미만, 또는 약 1g/m2/24hrs 미만, 또는 심지어 약 0.1g/m2/24hrs 미만의 WVTR을 갖는 패키징이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "기밀형"이라는 용어는, 1mil(즉, 1000분의 1인치 또는 0.001인치)의 패키징 두께에 기초하는 25℃와 40% R.H에서 패키징이 약 0.O1g/m2/24hrs 미만의 WVTR을 갖는 패키징을 의미한다. 예를 들어, 제한 없이, 기밀형 패키징은, 25℃, 40% R.H, 및 1mil 두께에서 약 0.005g/m2/24hrs 미만, 또는 약 0.001g/m2/24hrs 미만, 또는 약 0.0005g/m2/24hrs 미만, 또는 약 0.0001g/m2/24hrs 미만, 또는 약 0.00005g/m2/24hrs 미만, 또는 심지어 약 0.00001g/m2/24hrs 미만의 WVTR을 갖는 패키징이다.
본 발명의 실시예에서, 금속 호일 시트의 자유 에지에는 내부 열가소성 실란트층이 없으므로, 본원에서 설명되고 완성된 얇은 금속 호일 패키징의 금속간 밀봉부 내에는, 내부 집전체의 전기 탭의 전기적 절연을 유지하기 위한 내부 집전체의 전기 탭 관통 지점을 제외하고는 열가소성 실란트가 없다. 얇은 금속 호일 패키징의 밀봉부로부터 열가소성 실란트를 제거함으로써 더욱 안정한 밀봉부를 제공하여, 전지 스택으로부터의 전해질 누출 또는 환경으로부터 밀봉부를 통한 물의 침입의 위험이 감소된다. 이처럼, 얇은 금속 호일 패키징과 함께 생성된 금속 밀봉부는, 당연히 진정한 기밀형이 결코 될 수 없는 전통적인 파우치 전지에 이용되는 열가소성 폴리머 밀봉부와는 대조적으로 진정한 기밀형이다. 또한, 본 발명의 실시예에서, 패키징을 형성하는 금속 호일 시트 또는 시트들은, 전기화학 전지의 양극 또는 음극 중 어느 하나와 전기적으로 접촉하며, 이에 따라 자신들과 접촉하는 전극을 위한 집전체로서 기능하며, 이에 대해서도 상세히 후술한다. 본원에서 설명되고 고려되는 전기화학 전지의 실시예의 다른 특징은, 금속 호일 시트들의 에지들을 전술한 바와 같이 함께 용접하여 생성된 밀봉부가 종래의 파우치 전기화학 전지보다 좁은 폭을 갖고 전기화학 전지 스택에 더 가깝다는 것이다. 전술한 신규한 설계 요소들은, 고 에너지 용량을 갖지만 전지 두께가 약 1mm 미만인, 전기화학 전지 및 하나 이상의 이러한 전지를 포함하는 배터리를 제공한다. 또한, 전술한 전기화학 전지 및 하나 이상의 이러한 전지를 포함하는 배터리는, 약 10Ah 미만의 용량, 예컨대, 약 2Ah 미만, 또는 심지어 약 500mAh 미만의 용량을 갖는다.
당업계의 통상의 기술자가 인식하듯이, 본원에서 고려되는 전기화학 전지의 다양한 실시예는 단일 전지인 것으로서 후술되고 있지만, 본원에서 설명되는 기술적 특징부는, 단일 전기화학 전지, 또는 얇은 금속 호일 패키징의 금속 호일 시트 또는 시트들에 접속될 각 전지의 전극(양극 또는 음극)이 얇은 금속 호일 패키징 내의 배터리의 나머지 전지들의 전극들에 전기적으로 접속되는 다수의 전기화학 전지를 포함할 수 있는 전기화학 배터리에도 적용될 수 있다는 점에 주목한다. 또한, 전기화학 전지는 본원에서 리튬 및 리튬-이온 전지 및 배터리에 적합한 화학적 성질과 활성 물질을 갖는 것으로서 설명되고 있지만, 본원에서 설명되는 유익한 특징부와 기술은 기능적 구성요소를 위해 다른 화학적 성질과 다른 활성 물질을 갖는 전기화학 전지에도 적용될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 리튬 및 리튬-이온 전지 및 배터리는, Tarascon, J.M., and M. Armand. "Issues and Challenges Facing Rechargeable Lithium Batteries." Nature Magazine 414(2001): 359-67, 및 Scrosati, B., and J. Garche. "Lithium Batteries: Status, Prospects and Future."Journal of Power Sources 195(2010): 2419-430에 상세히 개시되어 있으며, 이들 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다.
이제 도 1과 도 2를 참조해 보면, 전기화학 전지(10)의 일반화된 실시예의 개략적 평면도 및 측면도가 제공되어 있다. 더욱 상세하게, 도 1에 도시된 바와 같이, 전기화학 전지(10)는 적어도 하나의 금속 호일 시트(20)에 의해 형성된 얇은 금속 호일 패키징(15)을 포함한다. 전기화학 전지 스택(25)(도 1에서는 볼 수 없지만, 점선으로 도시됨)은 얇은 금속 호일 패키징(15) 내에 포함되고 결합된다. 전기화학 전지(10)는 얇은 금속 호일 패키징(15)의 둘레의 적어도 일부 주위에 기밀형 금속간 용접 밀봉부(30)를 갖는다. 일부 실시예에서, 얇은 금속 호일 패키징(15)은, 도 1에서는 하부 금속 호일 시트(40)가 상부 금속 호일 시트(20)에 의해 가려져 있으므로, 도 2에 가장 잘 도시된 상부 및 하부 금속 호일 시트(20, 40)와 같은 2개의 금속 호일 시트를 포함할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 상부 및 하부 금속 호일 시트(20, 40)는, 전기화학 전지 스택(25)을 사이에 두면서 모든 4개의 자유 에지(80, 90, 85, 95)를 따라 금속 간에 함께 용접되었으며, 이에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 용접 밀봉부(30)를 형성하게 된다. 대안으로, 도 3은, 전기화학 전지 스택(125) 주위로 단일 금속 호일 시트(120)를 접어 접힌 에지(118)를 생성함으로써 얇은 금속 호일 패키징(115)이 형성된 전기화학 전지(110)의 일 실시예의 평면도를 도시한다. 이러한 대체 실시예에서, 전기화학 전지 스택(125)은 접힌 금속 호일 시트(120) 내로 접힌 에지(118)에 근접하게 삽입되고, 접힌 금속 호일 시트(120)의 자유 에지들(180, 190, 185, 195)은, 서로 정렬 및 밀봉되어 얇은 금속 호일 패키징(115)의 둘레의 약 3/4(예를 들어, 길이의 약 75%) 주위로 연장되는 기밀형 금속간 용접 밀봉부(130)를 형성하게 된다.
도 1과 도 2의 실시예를 다시 참조하면, 전해질 활성화 포트(26)의 위치가, 얇은 금속 호일 패키징(15)의 한 모서리에서 도 1의 평면도에 도시되어 있다. 포트(26)는 도 1에서 용접 밀봉부(28)로 이미 닫힌 것으로 도시되어 있다. 전기화학 전지(10)의 제조 중, 금속 호일 시트(20, 40)의 자유 에지들이 함께 용접되어 용접 밀봉부(30)를 형성하는 경우, 전해질 활성화 포트(26)는, 전해질이 패키징(15) 내의 전기화학 전지 스택(25)에 제공될 수 있도록 일시적으로 개방 상태로 된다. 전기화학 전지(10)의 조립을 완료하기 위해, 전해질이 전기화학 전지 스택(25)에 제공된 후, 전해질 활성화 포트(26)가 용접에 의해 밀봉되어, 기밀형 또는 근기밀형 용접 밀봉부(30)를 완성한다. 고체 상태 또는 겔화 전해질을 함유하는 전기화학 전지와 같은 일부 실시예에서, 전해질은 전기화학 전지 스택(25)의 초기 구성 동안 포함되며, 따라서 전해질 활성화 포트(26)가 필요하지 않으며 패키징(15)으로부터 생략될 수 있다.
또한, 전극 탭(32)은, 도 1의 평면도에서 얇은 금속 호일 패키징(15)으로부터 실란트(35)를 통해 돌출된 것으로 도시되어 있다. 폴리머, 세라믹, 유기-무기 복합체 또는 유리 실란트(35)는, 전극 탭(32)을 얇은 금속 호일 패키징(15)으로부터 전기적으로 절연시키고 또한 환경에 대해 얇은 금속 호일 패키징(15)을 밀봉하도록 사용될 수 있다. 전극 탭(32)의 성질과 목적은 이하에서 더욱 상세히 설명한다.
이제 A-A 선을 따라 절취하여 화살표 방향으로 본 도 1의 전기화학 전지(10)의 개략적 단면도를 제공하는 도 2를 참조해 보면, 얇은 금속 호일 패키징(15) 내에 단일 전기화학 전지 스택(25)이 포함된 것으로 도시되어 있다. 얇은 금속 호일 패키징(15) 내의 모든 구성요소는 전기화학 전지 스택(25)의 기능적 구성요소들로서 고려되며, 이들 구성을 이제 설명한다. 더욱 구체적으로, 도 2에 도시된 실시예에서, 전기화학 전지 스택(25)은, 내부 집전체(50), 내부 집전체(50)에 전기적으로 접속되거나 전기적으로 접촉하는 내부 전극(55), 및 내부 전극(55)의 반대측에 위치설정된 제1 및 제2 다공성 세퍼레이터(60, 65)를 포함한다. 내부 집전체(50)는, 전술한 바와 같이 얇은 금속 호일 패키징(15)으로부터 돌출하는 전극 탭(32)을 형성하는 연장된 부분과 전기적으로 접촉하고 사실상 이러한 연장된 부분을 포함할 수 있다(도 1 참조). 일부 실시예에서, 내부 집전체(50)와 내부 전극(55)은 양극일 수 있고, 따라서, 이러한 실시예에서, 전극 탭(32)도 양극일 것이다. 다른 실시예에서, 내부 집전체(50)와 내부 전극(55)은 음극일 수 있으며, 이러한 실시예에서는, 전극 탭(32)도 음극일 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학 전지 스택(25)은, 얇은 금속 호일 패키징(15)에 인접하도록 제1 다공성 세퍼레이터(60)의 내부 전극(55)과는 반대측에 위치설정된 제1 외부 전극(70)을 더 포함한다. 제2 외부 전극(75)도, 또한 얇은 금속 호일 패키징(15)에 인접하도록 제2 다공성 세퍼레이터(65)의 내부 전극(55)과는 반대측에 위치설정된다. 내부 집전체(50)와 내부 전극(55)이 양극인 실시예에서, 제1 및 제2 외부 전극(70, 75)은 음극이다. 대안으로, 내부 집전체(50)와 내부 전극(55)이 음극인 실시예에서, 제1 및 제2 외부 전극(70, 75)은 양극이다. 또한, 전기화학 전지 스택(25)의 다양한 집전체와 전극을 설명하도록 사용되는 "내부"와 "외부"라는 용어들은, 전기화학 전지 스택(25) 내에 위치하며 얇은 금속 호일 패키징(15)으로부터 분리된 내부 집전체(50)와 내부 전극(55) 및 전기화학 전지 스택(25)의 외부 부분을 형성하는 제1 및 제2 외부 전극(70, 75) 간을 구별하여 이들이 얇은 금속 호일 패키징(15)에 인접하며 얇은 금속 호일 패키징(15)에 쉽게 전기적으로 접속될 수 있거나 전기적으로 접촉될 수 있음을 의도한 것이라는 점에 주목한다.
전기화학 전지 스택(25)의 다른 기능적 구성요소들은, 내부 전극(55), 외부 전극(70, 75), 및 세퍼레이터(60, 65) 내에 분산된 전해질(도시하지 않음)이다. 일부 실시예에서, 전해질은 액체 전해질일 수 있다. 일부 실시예에서, 전해질은 고체 전해질 또는 심지어 겔 전해질일 수 있다. 고체 전해질의 경우, 전해질이 양극과 음극 사이의 분리를 기계적으로 유지할 수 있는 한, 전해질 자체가 세퍼레이터들(60, 65) 중 하나 또는 모두로서 이용될 수 있다.
전술한 전기화학 전지 스택(25)의 다양한 기능적 구성요소는, 당업계의 통상의 기술자에게 현재 알려져 있거나 향후의 임의의 방법에 의해 순차적으로 서로 접촉 및 부착하거나 그 외에는 물리적으로 결합된다. 결합은 기계적 수단 또는 화학적 수단에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 전지 스택(25)의 기능적 구성요소들 간의 결합은, 기능적 구성요소들 간에 (예를 들어, 제1 및 제2 다공성 세퍼레이터(60, 65)의 각각과 내부 전극(55) 내에, 제1 외부 전극(70)과 제1 다공성 세퍼레이터(60) 내에, 및 제1 외부 전극(70)과 연관된 금속 호일 시트(20) 사이에) 열가소성 폴리머를 배치한 후 열 에너지와 압력을 인가하여 각 기능적 구성요소들 간의 용융된 결합부를 형성함으로써 적절히 달성될 수 있다. 전극들의 결합을 달성하여 전기화학 전지 스택을 형성하는 적절한 공정은, 예를 들어 제한 없이, Tarascon, J. M. 등의 "Performance of Bellcore's Plastic Rechargeable Li-ion Batteries." Solid State Ionics 86-88 (1996): 49-54 및 Armand, M.(2001)(위에서 인용됨) 및 Stephan, A. M.의 "Review on Gel Polymer Electrolytes for Lithium Batteries." European Polymer Journal 42 (2006) : 21-42에 개시되어 있으며, 이들 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다.
(내부 전극(55) 또는 제1 및 제2 외부 전극(70, 75) 중 어느 것이든 상관없이) 양극은 탄소 및 적합한 결합제와 함께 적합한 활성 양극 물질로 제조될 수 있다. (내부 전극(55) 또는 제1 및 제2 외부 전극(70, 75) 중 어느 것이든 상관없이) 음극은, 유사한 조성, 즉, 적합한 활성 음극 물질인, 탄소 및 결합제로 제조될 수 있고, 또는 대안으로 금속으로 제조될 수 있다. 리튬 배터리의 경우, 음극을 제조하는 데 유용한 정확한 화학적 조성은 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, Zhang, W.의 "A review of the electrochemical performance of alloy anodes for lithium-ion batteries." Journal of Power Sources 196 (2011): 13-24, 및 Huggins, Robert A.의 "Chapter 18." Energy Storage. New York: Springer (2010)을 참고하기 바라며, 이들 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다. 유사하게, 리튬 배터리의 경우, 양극을 제조하는 데 유용한 정확한 화학적 조성은 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, Ohzuku, T. 및 Brodd R.J.의 "An overview of positive-electrode materials for advanced lithium-ion batteries." Journal of Power Sources 174 (2007): 449-456, 및 Ellis B. 등의 "Positive Electrode Materials for Li-ion and Li-Batteries, "Chem. Mater. 2010, 22: 691-714를 참고하기 바라며, 이들 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다. 양극을 위한 양극 활성 물질은, 예를 들어, LiCoO2, LiNiO2 등의 계층형 전이 금속 산화물들, 또는 다양한 비율로 Co 또는 Ni을 대체하도록 Al과 기타 제1 행의 전이 금속(즉, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn)으로 이루어진 다른 계층형 물질들로 제조될 수 있다. 다른 적합한 양극 물질은, 약 4V에서 동작하는 LiMn2O4계 스피넬 대 Li/Li+, 4.7에 근접하는 고 전압에서 동작하는 LiMn1.5Ni0.5O4 등의 Mn계 스피넬 대 Li/Li+, 및 FeF2, FeF3, BiF3에 기초하는 것 및 연관된 나노복합재료로 형성된 조성물 등의 금속 불화물 전극을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, Amatucci, G.G. and Pereira, N. "Fluoride based electrode materials for advanced energy storage devices." Journal of Fluorine Chemistry 128 (2007): 243-262을 참고하기 바라며, 이 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다.
리튬계 배터리용 음극(예를 들어, 위에서 인용된 Huggins, R.A. (2010) 참고)을 제조하는 데 적합한 음극 활성 물질은, 예를 들어, 흑연, 경질 탄소, 코크스, 및 금속 합금(예를 들어, 위에서 인용된 Zhang, W. (2011) 참고)， 특히, Si, Al, Ge로 이루어진 합금을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 카본 블랙, 흑연, 카본 나노튜브, 및 그래핀 등의 탄소 첨가물은 전자 전도성을 향상시키도록 첨가된다. 적합한 결합제는, 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리이미드, 셀룰로스, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리(에틸렌옥사이드)(PEO) 및 기타 등으로 이루어진 것을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
계속 도 2를 참조해 보면, 얇은 금속 호일 패키징(15)은, 도시된 제1 및 제2 금속 호일 시트(20, 40)와 같은 적어도 하나의 금속 호일 시트(20)를 포함한다. 또한, 얇은 금속 호일 패키징(15)은, 전기화학 전지(10)의 둘레 주위로 적어도 부분적으로 연장되는 금속간 용접 밀봉부(30)로 기밀하게 밀봉된 도시된 자유 에지(80, 90, 85, 95) 등의 적어도 하나의 자유 에지를 갖는다. 또한, 제1 및 제2 외부 전극(70, 75)의 각각은, 얇은 금속 호일 패키징(15)의 적어도 하나의 금속 호일 시트(20, 40)와 각각 접촉하여, 얇은 금속 호일 패키징(15)이 제1 및 제2 외부 전극(70, 75)용 음극성 집전체로서 또한 기능한다. 이러한 설계는 전체 구성요소, 즉, 전기화학 전지(10)로부터 음극성 집전체를 완전히 제거하며, 이는 종래 설계에 비해 본 전기화학 전지(10)의 효율을 증가시키면서 질량 및 부피를 감소시킨다.
이때, 당업계의 통상의 기술자라면 이미 이해하고 있을 수 있지만, 전기화학 전지(10)는 이차 전지로서 동작하도록 전극 및 전해질에 적합한 활성 물질로 구성될 수 있다는 점에 주목한다. 전술한 바와 같이, 도 1과 도 2에 도시된 전기화학 전지(10)의 실시예에서, 내부 집전체(50) 및 연관된 전극(55)은 양극 또는 음극일 수 있다. 유사하게, 제1 및 제2 외부 전극(70, 75)은 양극 또는 음극일 수 있지만, 이들 모두가 양극 또는 음극이어야 하며, 제1 및 제2 외부 전극(70, 75) 모두와 그리고 서로 전기적으로 접촉하는 얇은 금속 호일 패키징(15)의 금속 호일 시트들(20, 40)은, 각자의 연관된 집전체로서 기능하며, 제1 및 제2 외부 전극(70, 75)과 동일한 전하를 갖는다. 마지막으로, 물론, 내부 집전체(50) 및 연관된 전극(55)이 음극일 때, 제1 및 제2 외부 전극(70, 75) 및 금속 호일 시트(20, 40)는 양극이며, 반대의 경우도 마찬가지이다. 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 전극을 제조하도록 선택되는 전극 물질은, 각 전극이 양극인지 또는 음극인지를 결정하는 인자이다.
이에 따라, 적어도 하나의 금속 호일 시트를 포함하는 얇은 금속 호일 패키징 내에 포함된 전기화학 전지 스택을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시예에서, 전지 스택의 기능적 구성요소들은 다음과 같이 순차적으로 배열 및 결합되는데, 즉, 금속 호일 시트가 제1 음극에 결합되고, 제1 음극이 제1 세퍼레이터에 결합되고, 제1 세퍼레이터가 양극에 결합되고, 양극이 제2 세퍼레이터에 결합되고, 제2 세퍼레이터가 제2 음극에 결합되고, 그리고, 제2 음극이 금속 호일 시트(또는 가능하게는 제2 금속 호일 시트)에 결합된다. 또한, 단일 음극(즉, 전극들이 서로 물리적으로 전기적으로 분리되도록 양극과 세퍼레이터 주위로 연장되거나 접히는 단일 물리적 소자)이 전기화학 전지 스택의 제1 및 제2 음극으로서 기능할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 전지 스택의 기능적 구성요소들은 다음과 같이 순차적으로 배열 및 결합되는데, 즉, 금속 호일 시트가 제1 양극에 결합되고, 제1 양극이 제1 세퍼레이터에 결합되고, 제1 세퍼레이터가 음극에 결합되고, 음극이 제2 세퍼레이터에 결합되고, 그리고, 제2 세퍼레이터가 제2 양극에 결합되고, 제2 양극이 금속 호일 시트(또는 가능하게는 제2 금속 호일 시트)에 결합된다. 또한, 단일 양극(즉, 전극들이 서로 물리적으로 전기적으로 분리되도록 음극과 세퍼레이터 주위로 연장되거나 접히는 단일 물리적 소자)이 전기화학 전지 스택의 제1 및 제2 양극으로서 기능할 수 있다.
금속 호일 시트(20, 40)에 적합한 금속은 전기화학 전지의 유형 및 인접하는 전극과의 전기화학적 상용성에 크게 의존한다. 리튬계 전지 및 배터리용 금속 호일 시트(20, 40)에 적합한 금속은, 예를 들어, Al, Ni, Cu, Mo, Ta, Au, Pd, Ti, 또는 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 더욱 구체적으로, 얇은 금속 호일 패키징(15)의 금속 호일 시트(20, 40)가 음극성 집전체로서 이용되는 실시 예에서, Ni, Cu, Ta, Mo, Ti 및 이들 각각의 합금은 금속 호일 시트(20, 40)를 제조하는 데 모두 적합한 금속이며, 특히, Ti가 적합하다. 패키징(15)의 금속 호일 시트(20, 40)가 양극성 집전체로서 이용되는 다른 실시예에서, 이들을 제조하기 위한 적합한 금속은 A1, Au, Pt, Pd, Ti, 스테인리스 스틸, 및 이들 각각의 합금을 포함하며, 특히 Al이 적합하다. 금속 호일 시트(20, 40)를 위해 합금이 사용되는 당업계의 통상의 기술자라면 이해하는 바와 같이, 이들 합금은 서로 전기화학적 상용성이 있어야 한다. 금속 호일 시트(20, 40)는 약 50마이크로미터 미만, 예를 들어 약 10 내지 약 40마이크로미터의 두께를 가질 수 있으며, 이러한 두께는 종래의 다층 패키징 물질의 두께보다 현저히 10배 얇다. 예를 들어, 제한 없어, 금속 호일 시트(20, 40)는, 약 10 내지 약 35마이크로미터, 예컨대, 약 10 내지 약 30마이크로미터, 또는 약 10 내지 약 25마이크로미터론, 또는 약 15 내지 약 35마이크로미터, 또는 약 15 내지 약 30마이크로미터, 또는 심지어 약 15 내지 약 25마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 당업계에 공지된 바와 같이, 얇은 금속 호일 패키징(15)을 제조하는 데 사용되는 금속 호일 시트(20, 40)는, 전기화학 전지 스택(25)을 내부에 수용하기 위한 크기와 형상을 갖는 웰 또는 함몰부(이 자체는 도시되지 않음)를 내부에 포함하도록 가압 성형에 의해 성형될 수 있다.
당업계의 통상의 기술자라면, 금속 호일 시트(20, 40)에 사용할 금속의 적절한 선택은 해당 금속의 전기화학적 안정성에 적어도 부분적으로 의존한다는 것을 이해할 것이다. 이러한 금속 호일 물질의 선택 양태에 대한 일부 지침은, 예를 들어, Whitehead, A.H. and Schreiber M. "Current Collectors for Positive Electrodes of Lithium-Based Batteries." Journal of the Electrochemical Society 152(11)(2005): A2105-A2113에 제공되어 있으며, 이 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다. 또한, 금속 호일 시트(20, 40)는, 예를 들어, 레이저, 저항 용접 또는 초음파 용접에 의해 기밀형 또는 근기밀형 용접 이음부(30)를 형성하도록 함께 용접될 수 있어야 한다. 이러한 용접 방법들 중 어느 것이라도 얇은 금속 호일 패키징 상에 적합한 기밀형 또는 근기밀형 금속간 용접 이음부(30)를 형성한다. 저항 용접은 일반적으로 용접될 물질에 전류를 인가함으로써 수행되며, 이에 따라 물질을 용접하는 데 필요한 열은, 용접 동안 물질을 함께 유지하도록 인가되는 힘과 함께 물질의 전기 저항에 의해 발생한다. 레이저 용접은, 통상적으로 집중된 에너지 소스, 즉 레이저를 사용하는 것을 포함하고, 빠른 용접 속도로 좁고 깊은 용접부를 생성하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 예를 들어, 레이저 용접이 사용되는 경우, 선택되는 금속은 용접 수행 중에 금속 호일 시트(20, 40)에 부여되는 레이저 에너지의 양호한 흡광도가 가능한 것이어야 하며, 이것은, 또한, 당업계에 공지된 바와 같이, 이용되는 레이저 파장의 함수이다.
고온이 때때로 감온성 전기화학 전지 스택의 구성요소들을 손상시키는 것으로 알려져 있지만(예를 들어, 도 1 및 도 3에 각각 도시된 스택(25, 125) 참조)，놀랍게도, 전술한 기술을 사용하여 원하는 기밀형 또는 근기밀형 용접 이음부(30)를 형성하더라도 전기화학 전지 스택(25, 125)을 손상시키지 않는다고 밝혀졌다. 다시 말하면, 다른 경우에 감온성 전기화학 전지 스택이 손상을 유지하는 것으로 알려진 온도보다 높은 크기의 온도에서 용접이 수행되더라도, 심지어 용접 이음부가 전기화학 전지 스택에 매우 가깝게 형성되더라도, 이러한 손상이 스택에 발생하지 않았다. 이론에 의해 한정되려는 것이 아니라, 이는, 본원에서 설명되고 고려되는 용접 기술, 특히, 레이저 용접 동안 인가되는 에너지(및 이에 따른 열)가 연결될 금속 호일 시트(20, 40) 부분에 포커싱되기 때문이며, 용접이 빠른 속도로 진행되고, 이러한 용접 기술 동안 생성되는 열이 집중되고 빠르게 소산되어 전기화학 전지 스택이 손상으로부터 벗어나기 때문이라고 여겨진다.
전술한 바와 같이, 각각의 금속 호일 시트(20, 40)는 제1 및 제2 외부 전극(70, 75) 중 연관된 하나의 전극과 각각 접촉하고 결합되어야 한다(예를 들어, 도 2에 도시된 배치 참조)． 이는, 금속 호일 시트(20, 40) 또는 전극(70, 75) 또는 이들 모두 상에 배치될 수 있는 다양한 산 개질된 폴리머의 사용을 통해 달성될 수 있다. 상기 폴리머의 산성기는 열 및 압력이 인가되면 호일 시트(20, 40)의 표면 상의 천연 산화물과 반응하여 결합을 생성한다. 이러한 폴리머는, 또한, 집전 패키지와 전극 간의 전자 전도성을 개선하도록 탄소와 같은 전자 전도성 첨가제와 혼합될 수 있다. 이러한 폴리머의 예로는, (독일 뒤셀도르프의 Henkel 및 미국 커넥티컷주의 Rocky Hill에 의해 시판되고 있는) EB-20 Acheson 등의 산 개질된 폴리올레핀 및 (미국 펜실베니아주의 Arkema of King of Prussia에 의해 시판되고 있는) Kynar®ADX 등의 산 개질된 PVDF 호모폴리머 또는 코폴리머가 있지만, 이에 한정되지 않는다.
본 발명이 고 에너지 용량을 갖고 이에 따라 얇은 소형 응용분야에 유용하도록, 얇은 금속 호일 패키징(15) 상의 용접 이음부(30)의 폭은, 가능한 한 작아야 하며, 즉, 약 1mm 미만, 또는 약 0.5mm 미만, 또는 심지어 약 0.250mm 미만이어야 한다. 공간 및 부피를 보존하기 위해, 얇은 금속 호일 패키징(15) 상의 용접 밀봉부(30)는, 또한, 전기화학 전지 스택(25)에 매우 가깝게, 즉, 전지 스택(25)으로부터 약 5mm 미만, 예를 들어, 약 3mm 미만, 또는 약 2mm 미만, 또는 심지어 약 1mm 미만으로 위치해야 한다. 이는 호일들을 함께 용접하도록 매우 높은 온도를 필요로 한다. 예를 들어, Ti로 제조된 금속 호일 시트(20, 40)의 경우, 약 1668℃의 높은 용융 온도가 필요하다. 전기화학 전지 스택에 대한 손상은, 레이저 밀봉부로부터 겨우 몇 밀리미터 밖에 위치하는 경우 발생하는 것으로 관찰되었으며, 약 120℃(전기화학 전지 스택에서 통상적으로 이용되는 세퍼레이터 물질의 열화 온도)에서 시작된다. 전술한 상황에 기초할 때, 이전에는 레이저 용접을 사용하여 고 폴리머 함량의 전기화학 전지 또는 배터리의 수 밀리미터 내에 밀봉부를 형성하는 것이 불가능하다고 여겨졌다. 그러나, 본 발명에 따른 전기화학 전지의 경우에는, 전기화학 전지 스택의 기능에 악영향을 끼치지 않고 고 용융점 Ti를 사용하여 다수의 기밀형 금속간 용접부가 전기화학 전지 스택의 수 밀리미터 내에 놀랄 만큼 성공적으로 형성되었다고 밝혀졌다. 이러한 제조는, 즉 레이저 스캐닝이 초당 약 0.1미터(m/s) 이상의 속도로 발생하는 고속 레이저를 사용하여 달성되었다. 따라서, 레이저 용접은, 예를 들어, 적어도 약 0.05m/s, 또는 적어도 약 0.3m/s, 또는 적어도 약 0.6m/s, 또는 적어도 약 1.2m/s, 또는 적어도 약 2.4m/s, 또는 심지어 적어도 약 5m/s의 스캔 속도로 수행되는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지는 않는다.
전기화학 전지(10)의 전체 둘레 주위의 모든 밀봉부가 용접 밀봉부(30)를 포함해야 하는 것은 아니지만, 전기화학 전지의 둘레 주위의 모든 밀봉부의 길이의 합에 기초하는 총 길이의 적어도 25%는 전술한 바와 같이 용접에 의해 형성되는 금속간 기밀형 또는 근기밀형 용접 밀봉부(30)이어야 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 전기화학 전지의 둘레 주위의 밀봉부는, 전기화학 전지의 둘레 주위의 모든 밀봉부의 총 길이에 기초하는 적어도 약 35% 이상, 또는 금속간 기밀형 또는 근기밀형 용접 밀봉부(30)의 적어도 약 40% 이상, 또는 적어도 약 50% 이상, 또는 적어도 약 65% 이상, 또는 적어도 약 80% 이상, 또는 적어도 약 90% 이상, 또는 심지어 적어도 약 95% 이상의 길이를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
적어도 하나의 예시적인 실시예가 전술한 상세한 설명에 제시되었지만, 본원에 기술되고 고려되는 본 발명의 의도 및 기능 내에 있는 다양한 추가 실시예 및 수정예가 가능하다는 것을 이해해야 한다. 또한, 예시적인 실시예 또는 실시예들은, 예일 뿐이며, 본 발명의 범위, 적용가능성, 또는 구성을 어떤 식으로든 한정하려는 것이 아님을 인식해야 한다. 전술한 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시예를 구현하기 위한 편리한 로드맵을 통상의 기술자에게 제공하지만, 첨부된 청구범위 및 그 법적 균등물에 기재된 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 예시적인 실시예에서 설명된 요소들의 기능 및 배열에 다양한 변경이 가해질 수 있음을 이해할 수 있다.
실시예
전극 제조
79.5wt%의 LiCoO2, 5.6wt%의 2801 PVDF-HFP 코폴리머, 3.9wt% Super-P® 스위스 보디오(Bodio)에 본사를 둔 Timacal Graphite & Carbon의 제품) 카본 블랙, 및 11.1wt%의 프로필렌 카보네이트(PC)를 아세톤이 있는 블렌더에서 10분 동안 혼합하여 양극 용액을 준비함으로써 리튬-이온 배터리의 양극을 제조하였다.
양극 용액을 적절한 간격 설정을 갖춘 캐스터 박스에 부어, 19.4mg/cm2의 양극 타겟 막 밀도, 및 2.2 내지 2.4의 전체 매칭 비율(양극:음극 중량 비율)을 취득하는 데 필요한 두께를 확립하였다. 생성된 양극은 이후에 설명되는 바와 같이 궁극적으로 다공성이었다.
70.4중량%의 메소페이즈 마이크로비드("MCMB")(미국 뉴욕주 White Plains에 있는 Osaka Gas) 25/28 흑연, 6.9중량%의 2801 PVDF-HFP 코폴리머, 2.7중량%의 SP 카본 블랙, 및 20%의 프로필렌 카보네이트(PC)를 아세톤이 있는 블렌더에서 10분 동안 혼합하여 음극 용액을 준비함으로써 리튬 이온 배터리의 음극을 제조하였다.
음극 용액을 적절한 간격 설정을 갖춘 캐스터 박스에 부어, 9.1mg/cm2의 음극 타겟 막 밀도, 및 2.2 내지 2.4의 전체 매칭 비율(양극:음극 중량 비율)을 취득하는 데 필요한 두께를 확립하였다. 생성된 음극은 이후에 설명되는 바와 같이 궁극적으로 다공성이었다.
전기화학 전지 스택의 제조
위에서 제조된 음극을 120℃ 및 20파운드/제곱인치(psi)로 라미네이터에서 예비치밀화하였다. 이어서, 음극을 약 36mm×32mm의 원하는 크기로 다이 커팅하였다.
25마이크로미터 두께의 Al 그리드에 0.75mg/cm2의 Acheson DAG®EB-012(독일 뒤셀도르프의 Henkel 및 미국 커넥티컷주의 Rocky Hill에 의해 시판됨)를 분무하였다.
위에서 제조된 양극을 125℃ 및 25psi로 라미네이터에서 예비치밀화하였다. 이어서, 양극을 130℃ 및 30psi에서 전술한 Al 그리드에 적층하였다. 양극을, Al 탭이 가능하도록 35mm×32mm의 원하는 크기로 다이 커팅하였다. 코팅된 폴리올레핀 세퍼레이터(Celgard A114-1200-A, 미국 노스 캐롤라이나주에 있는 Celgard of Charlotte에 의해 시판됨)를 약 37mm×33mm의 원하는 크기로 다이 커팅하였으며, 이는 음극보다 컸다(그러나 후술하는 호일 팬의 포켓 함몰부보다는 작았다).
다음과 같이 음극/세퍼레이터/양극/세퍼레이터/음극인 기능적 구성요소들의 정렬된 스택으로 이루어지는 전기화학 전지 스택을 105℃ 및 20psi에서 적층하였다.
전체 전지 스택을, 10분 동안 디에틸 에테르로 2회 추출하고 70℃에서 10분 동안 건조시켜 PC를 제거하였다. PC 추출시, 양극 및 음극에 다공성 공극이 형성되었으며, 전해액을 첨가하고, 다공성 공극을 전해질로 채웠다.
얇은 금속 호일 패키징을 제조하기 위한 상부 및 하부 호일 시트의 제조
상부 및 하부 호일 시트를 형성하여 얇은 금속 호일 패키징을 제조하도록, 두 개의 정사각형을 Ti 금속 호일 시트로부터 절단하여 아세톤으로 세척하였다. 다이를 이용하여, 상부 및 하부 Ti 금속 호일 시트의 각각에 깊이 0.005"로 39mm×35mm의 근사 치수를 갖는 포켓 함몰부를 형성하였다. 탭 배출구를 위한 탭 함몰부도 상부 Ti 금속 호일 시트에 형성하였다. 포켓 함몰부 내에서, 1% SP 카본 블랙/ADX 2250 아세톤 용액으로 제조된 0.21mg/cm2 밀도의 접착 코트를 전사 인쇄 기술에 의해 첨가하였다.
Surlyn 폴리머 테이프(미국 Delaware Wilmington에 있는 DuPont에 의해 시판되는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌계 폴리머)를 포켓 함몰부에 부착하고, 또한, Al 탭의 각 면에 개별적으로 부착하였다. (전술한) 이전에 제조된 전기화학 전지 스택을, 105℃ 및 40psi에서 하부 Ti 금속 호일 시트에서 포켓 함몰부에 고온 가압하였다.
레이저 밀봉부의 형성 및 전기화학 전지 조립체의 제조
(전술한) 상부 호일 시트를, 전지 스택 조립체가 포켓 함몰부에 이미 접착된 하부 호일 시트 상에 배치하고, 이들 호일 시트의 4개의 자유 에지를 레이저 용접에 대비하여 서로 정렬하였다. 30마이크로미터의 적절한 스팟 크기를 갖는 텔레센트릭 렌즈를 통해 스캐닝 근적외선 100와트(W) 1070 나노미터(nm) SPI redPower R4-HS 레이저(영국 사우스햄톤에 있는 SPI Lasers에 의해 시판됨)로부터의 레이저 에너지를 사용하여, 탭 함몰부 및 전해질 활성화 포트를 제외한 4개의 자유 에지를 함께 용접하여 얇은 금속 호일 패키징을 형성하였다.
용접 조건은, 내부 폐쇄 펄스 용접, 40 펄스 형상 등화(PSE), 45% 출력 전력, 20KilohHertz(KHz), 37.5us, 선 속도 0.4m/s이었다.
약 75마이크로미터 폭의 3개의 용접부를 각각 형성한 후, 225㎛의 총 용접 밀봉부 폭에 대해, 레이저의 최종 패스를 이용하여, 40PSE, 70% 출력 전력, 50KHz, 20us, 0.1m/s의 선 속도에서 패키징의 자유 에지들로부터 여분의 금속을 절단하였다. 이어서, 용접되지 않은 탭 함몰부에 의해 남겨진 탭 돌출 개구부를, 180℃ 및 70psi에서 간단한 임펄스 열 밀봉기를 사용하여 6초 동안 열 밀봉하여 Surlyn 실란트 테이프를 상부 호일 시트에 부착하였다.
제조된 전기화학 전지 조립체는, 시트의 자유 에지에서 함께 용접된 상부 및 하부 Ti 금속 호일 시트를 갖고 얇은 금속 호일 패키징을 형성하고, 전기화학 전지 스택은 얇은 금속 호일 패키징 내부에 있고 탭 돌출 개구부는 밀봉되었으며 전해질 활성화 포트는 개방 상태로 되어 있다.
전기화학 전지 조립체에 전해질 첨가
위에서 제조된 전기화학 전지 조립체를 99℃에서 15시간 동안 진공 챔버에서 건조시켰다. 1M LiPF6 에틸렌 카보네이트/20ppm 미만의 물의 에틸 메틸 카보네이트(30%/70%wt) 전해질을 포함하는 100㎕의 전해질을, 아르곤으로 채워진 글로브박스 내에 있는 동안 전해질 활성화 포트를 통해 첨가하였다. 이어서, 전기화학 전지를 105℃ 및 20psi에서 30초 동안 고온 가압하여 코팅된 상부 호일 시트가 전기화학 전지 스택의 음극에 확실히 결합되는 것을 확실히 하였다. 이어서, 각 펄스가 250마이크로미터 증분되면서 중첩되는 400Amps에서 순차적 밀봉부를 갖는 마이크로 저항 용접기를 사용하여 전해질 활성화 포트를 밀봉하였다.
얇은 금속 호일 전기화학 전지 샘플의 성능
각각 상술한 바와 같이 제조되고 치수 39.5mm×35.5mm, 두께 <350㎛인 2개의 전기화학 전지("전지 A" 및 "전지 B")를 사이클링하였으며, 이때, 용접 밀봉부는 0.250mm의 폭을 갖고 전지 스택으로부터 약 1.8mm에 위치하였다.
전지 A와 전지 B의 각각을 8mA 충전에서 4.15V로 사이클링한 후, 0.8mA의 전류에 도달할 때까지 4.15V에서 유지하였다. 이어서, 각 전지를 3V 전압에 도달할 때까지 8mA에서 방전하였다. 도 4는 상술한 바와 같이 제조되고 테스트된 전지 A 및 전지 B에 대한 용량 대 사이클 수를 도시한다. 이 용량은, 부피가 0.5cc 미만인 전지에 대해 400Wh/L을 초과하는 매우 높은 부피 에너지 밀도를 나타낸다. 이것은 종래의 파우치 전기화학 전지 설계를 이용하여 달성될 수 있는 부피 에너지 밀도의 2배를 훨씬 초과한다.

Claims (17)

  1. 전기화학 전지로서,
    적어도 하나의 금속 호일 시트를 포함하고, 상기 전기화학 전지의 적어도 일부 주위로 연장되는 둘레를 갖는 얇은 금속 호일 패키징;
    상기 얇은 금속 호일 패키징에 결합된 전기화학 전지 스택; 및
    상기 얇은 금속 호일 패키징의 상기 둘레의 적어도 일부 주위에 위치하는 금속간 용접 밀봉부(metal-to-metal welded seal)를 포함하는, 전기화학 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 1mm 미만의 전지 두께를 갖는, 전기화학 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속간 용접 밀봉부는 기밀형(hermetic)인, 전기화학 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속간 용접 밀봉부는 약 1mm 미만의 폭을 갖는, 전기화학 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속간 용접 밀봉부는 상기 전기화학 전지 스택으로부터 약 5mm 미만으로 떨어져 있는, 전기화학 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 얇은 금속 호일 패키징의 상기 적어도 하나의 금속 호일 시트는 약 50마이크로미터 미만의 두께를 갖는, 전기화학 전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 얇은 금속 호일 패키징의 상기 적어도 하나의 금속 호일 시트는 Al, Ni, Cu, Mo, Ta, Au, Pd, Ti, 스테인리스 스틸, 및 이들의 합금으로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 형성된, 전기화학 전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 리튬계 전기화학 전지인, 전기화학 전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 리튬계 전기화학 전지는 재충전가능한, 전기화학 전지.
  10. 제8항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 리튬-이온 전기화학 전지이며 재충전가능한, 전기화학 전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 금속간 용접 밀봉부는 상기 얇은 금속 호일 패키징의 상기 둘레의 적어도 약 25% 주위에 위치하는, 전기화학 전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 얇은 금속 호일 패키징은 외부 집전체이고, 상기 전기화학 전지 스택은, 내부 집전체, 내부 전극, 제1 다공성 세퍼레이터와 제2 다공성 세퍼레이터, 제1 외부 전극과 제2 외부 전극, 및 전해질을 포함하고, 상기 내부 전극은 상기 내부 집전체에 전기적으로 접속되거나 전기적으로 접촉하고, 상기 제1 및 제2 다공성 세퍼레이터는 상기 내부 전극에 인접하며 상기 내부 전극의 대응하는 반대측들 상에 있으며, 상기 제1 외부 전극은 상기 제1 다공성 세퍼레이터의 상기 내부 전극과는 반대측 상에 위치설정되고, 상기 제1 외부 전극은, 또한, 상기 얇은 금속 호일 패키징에 인접하고 전기적으로 접속되거나 전기적으로 접촉하며, 상기 제2 외부 전극은 상기 제2 다공성 세퍼레이터의 상기 내부 전극과는 반대측 상에 위치설정되고, 상기 제2 외부 전극은, 또한, 상기 얇은 금속 호일 패키징에 인접하고 전기적으로 접속되거나 전기적으로 접촉하며, 상기 전해질은 상기 내부 전극, 상기 제1 및 제2 외부 전극, 및 상기 제1 및 제2 다공성 세퍼레이터 내에 분산된, 전기화학 전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 내부 집전체는 양극성 집전체이고, 상기 내부 전극은 양극이고, 상기 제1 및 제2 외부 전극은 모두 음극이고, 상기 얇은 금속 호일 패키징은 외부 음극성 집전체인, 전기화학 전지.
  14. 제12항에 있어서, 상기 내부 집전체는 음극성 집전체이고, 상기 내부 전극은 음극이고, 상기 제1 및 제2 외부 전극은 모두 양극이고, 상기 얇은 금속 호일 패키징은 외부 양극성 집전체인, 전기화학 전지.
  15. 제1항의 전기화학 전지 스택을 제조하는 방법으로서,
    저항 용접, 레이저 용접, 및 초음파 용접으로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 기술에 의해 상기 금속간 용접 밀봉부를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 금속간 용접 밀봉부를 형성하는 단계는 레이저 용접에 의해 달성되는, 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 레이저 용접은 적어도 초당 0.1 미터(m/s)의 스캔 속도로 수행되는, 방법.
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