KR20180088467A - 리튬 이온 배터리용 로우 프로파일 압력 차단 장치 - Google Patents

리튬 이온 배터리용 로우 프로파일 압력 차단 장치 Download PDF

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lithium ion
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ion battery
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토드 퍼 젠스 오너루드
제이 지에 시
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카덴차 이노베이션, 인크
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Abstract

베이스, 측벽 및 상부 또는 덮개를 한정하는 컨테이너 또는 어셈블리, 및 컨테이너 또는 어셈블리와 관련된 배기 구조를 포함하는 리튬 이온 배터리용 케이싱이 제공된다. 배기 구조에 근접하여 역화 방지기가 배치될 수 있다. 리튬 이온 배터리는 케이싱과 관련된 압력 차단 장치를 또한 포함할 수 있다. 압력 차단 장치는 휨 돔-기반 활성화 메커니즘을 포함할 수 있고, 휨 돔-기반 활성화 메커니즘은, 예를 들어 돔-기반 활성화 메커니즘의 질량 증가, 돔-기반 활성화 메커니즘에 재료(예를 들어, 포일)의 첨가, 및 이들의 조합에 의해 연소 침식을 방지하도록 구성되고 치수화될 수 있다. 연소 침식은 목표 트리거 압력에서 돔-기반 활성화 메커니즘이 응답하는 속도에 적어도 부분적으로 기초하여 또한 방지될 수 있다.

Description

리튬 이온 배터리용 로우 프로파일 압력 차단 장치
정부의 권리
본 발명은 미국 에너지국이 수여한 DE-AR0000392 하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 일정한 권리를 갖는다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 다음과 같이 2개의 미국 가특허 출원에 대한 우선권 이익을 주장한다: (i) 2015년 12월 14일 출원된 "Current Interrupt and Vent Systems for Lithium Ion Batteries"라는 명칭의 미국 가특허 출원(제62/266,813호), 및 (ii) 2016년 9월 15일 출원된 "Current Vent/Pressure Disconnect Device System for Lithium Ion Batteries"라는 명칭의 미국 가특허 출원(제62/395,050호). 상기 가특허 출원의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
또한, 본 출원은 이전 특허 출원에 기재된 특징 및 기능과 관련되고 이들을 이용한 리튬 이온 배터리 기술에 관한 것이다. 특히, 본 출원은 (i) 2013년 11월 1일 출원된 "Lithium Ion Battery"라는 명칭의 PCT 출원(제PCT/US2013/064654호, 2015년 8월 27일에 WO 2014/059348로 재발행), 및 (iii) 2015년 5월 21일 출원된 "Lithium Ion Battery with Thermal Runaway Protection"이라는 명칭의 PCT 출원(제PCT/US2015/031948호)에 개시된 요지와 관련된다. 상기 PCT 출원 및 그 기초가 되는 가특허 출원의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
기술 분야
본 발명은 리튬 이온 배터리에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 안전성이 향상되고, 제조 비용은 감소된, 멀티 코어 리튬 이온 배터리에 관한 것이다.
리튬 이온 셀은 초기에 노트북, 휴대 전화 및 기타 휴대용 전자 기기용 배터리로서 사용되었다. 최근, 배출 저감 및 휘발유와 전기 비용의 절감뿐만 아니라 배출 제한의 필요성으로 인해, 더 큰 용도, 예컨대 배터리 전기 차량(BEV), 플러그인 하이브리드 전기 차량(PHEV), 및 하이브리드 전기 차량(HEV), 전기 기차의 증가뿐만 아니라, 그리드 스토리지(GRID), 건설, 광업 및 임업 장비, 포크리프트, 기타 구동 장치 및 납축전지 대체(LAR)와 같은 기타 더 큰 형태의 시스템이 시장에 진입하고 있다. 수천 개의 보다 작은 원통형 및 각형 셀, 예컨대, 1 Ah 내지 7 Ah 용량 범위의 18650 및 183765 셀의 사용뿐만 아니라 수개 내지 수백 개의 보다 큰 셀, 예컨대 15 Ah 내지 100 Ah 범위의 용량을 갖는 각형 또는 폴리머 셀에 이르는 이들 대형 배터리 용도에서 다양한 Li 이온 셀이 사용되고 있다. 이러한 유형의 셀은 Panasonic, Sony, Sanyo, ATL, JCI, Boston-Power, SDI, LG 화학, SK, BAK, BYD, Lishen, Coslight 및 기타 Li 이온 셀 제조업체와 같은 회사에서 생산된다.
일반적으로, 보다 긴 실행 시간을 달성하기 위해 업계는 에너지 밀도를 더 높일 필요가 있고, 이로 인해, 전기 차량의 경우 전기 범위가 증가되고, 그리드 스토리지 시스템의 경우 더 길고 더 비용 효과적인 사용으로 이어진다. 전기 차량, 특히 BEV 및 PHEV의 경우, 에너지 밀도가 증가하면 더 많은 용량이 배터리 박스에 들어갈 수 있으므로 차량의 주행 거리를 증가시킬 수 있다. 또한 에너지 밀도가 더 높아지면, kWh 당 비활성 재료, 예컨대 배터리 박스, 배선, BMS 전자장치, 고정 구조, 냉각 시스템, 및 기타 부품의 비용이 더 적어지므로 kWh 당 비용을 더 낮출 수 있다. 마찬가지로, 그리드 스토리지와 같은 다른 배터리 시스템의 경우, 특히 피크부하 저감 용도(즉, 요금이 가장 높은 피크 시간 동안 유틸리티로부터의 구입 에너지량의 감소를 지원하는 용도)를 위한 더 높은 에너지 밀도에 대한 시장 요구가 존재한다. 또한, 높은 에너지 밀도의 경우 kWh 당 상대적으로 적은 건물 및 비활성 부품이 사용될 수 있으므로 kWh 당 비용이 적다. 또한, 뉴욕, 도쿄, 상하이 및 베이징의 대도시권과 같은 인구 밀집 지역의 경우, 시스템의 크기를 최소화할 필요가 있다. 그리드 피크 전력 감소 전략에 기여하여, 낮은 효율로 작동하는 피커 발전소(즉, 전기 수요가 높은 경우에만 가동되는 발전소)의 감소 및 전기료 절감을 유도하기 위해 배터리 시스템을 상업용 및 주거용 건물 및 컨테이너에 맞출 필요가 있다.
다른 배터리 및 전력 공급 기술과 비교할 때 시장에서 경쟁 우위를 확보하려면 이러한 유형의 요구를 만족시키는 Li 이온 배터리는 비용이 더 저렴해지고 에너지 밀도가 더 높아져야 한다. 그러나, Li 이온 셀들이 더 높은 밀도로 패키징됨에 따라, 오용으로부터 하나의 셀이 파손되면 폭발 및 화재의 위험과 함께 전체 시스템에서의 전파성(연쇄적) 폭주로 이어질 수 있는 위험이 있다. 이러한 오용은 충돌 및 화재와 같은 외부 이벤트로부터 비롯될 수 있고, 충전 전자 장치 고장으로 인한 의도치 않은 과충전 또는 제조 공정에서 발생한 금속 미립자로 인한 내부 단락과 같은 내부 이벤트로부터 비롯될 수도 있다.
오용으로 인한 파손이 연쇄적 폭주로 이어지지 않고, 그로 인해 더 높은 에너지 밀도 및 더 낮은 비용의 시스템을 가능하게 하는 새로운 해결책을 찾을 필요가 있다. 신뢰성 있는 비연쇄적 특성을 갖는 셀은 적어도 부분적으로는 고가의 포장 구조의 감소에 기초하여 배터리 팩 비용을 더 낮출 수 있을 것이다.
언급된 연쇄적 문제를 완화하기 위해 Li 이온 셀에 대한 많은 솔루션이 과거에 사용되었다:
1. 가연성 가스를 배출하고 셀 내부에 쌓인 압력을 방출하기 위한 배기 구조.
2. 높은 내부 압력에 의해 작동되는 과충전 차단 장치 또는 압력 안전 장치(전류 차단 장치, CID라고도 함)(셀 내부 압력을 증가시키는 가연성 가스의 생성/방출을 초래할 수 있는 전기화학 전압창을 넘어 충전된 셀이 기계적 절두체에 의해 차단됨)
3. 팽창성 코팅, 난연제로 채워진 플라스틱, 또는 세라믹 구조와 같은 방화 장벽 또는 거리에 의한 셀의 분리.
4. 열 또는 연기에 의해 작동되는 소화 시스템.
다양한 배기 기술이 개시되어 있다. 대부분의 방법은 제어된 방식으로 컨테이너의 과압을 방출시켜 접합부의 치명적 파손 또는 제어되지 않은 컨테이너 위치에서 벽의 파열까지도 방지하기 위해 금속 하우징에 개구부가 생길 수 있도록 금속 덮개에 새김을 하는 것에 기반을 두고 있다. 상이한 새김(score) 형상, 예를 들어 선형 새김, 개뼈 형상의 새김 또는 거의 완전한 원형의 새김이 사용 및/또는 개시되었다. 이러한 새김선은 흔히 컨테이너 표면의 위치에 배치되고, 이 목적을 위해, 게이지 섹션은 기계적으로 또는 화학적으로 감소되어 다이어프램형 구조를 형성한다.
큰 개구는 배기 화염의 역화를 일으키기 쉽고, 이는 전체 셀의 발화를 초래할 수 있다. 작은 배기 개구는 피해야 할 추가 위험의 원인이 된다. 예를 들어, 부분적으로 열린 배기구로부터 발생하는 높은 가스 속도는 새어 나오는 Li 이온 셀 전해질의 원자화를 초래하여 반응성이 높은 가스 스트림을 형성할 수 있다. 배기 압력은 일반적으로 10 내지 15 bar 범위이다. 배기 중의 역화 위험을 줄여 시스템의 화재/폭발 위험을 최소할 필요가 있다.
전술한 배기 기술 외에도, 수많은 압력 차단 설계가 Li 이온 배터리에 사용하기 위해 사용 및/또는 개시되어 있다. 리튬 이온 배터리 셀이 최대 허용 전압을 초과하여 충전되면, 셀을 손상시킬 가능성이 있고, 일부 경우에, 치명적인 결과, 예를 들어 배터리 폭발 및/또는 화재를 일으킬 수 있는 열 폭주의 가능성이 있다. 이전에 개시된 장치들은 일반적으로 과충전시 배기 구조가 열리기 전에 내부적으로 전류 경로를 방해하는 반전 돔(inversion dome)과 같은 압력에 의해 작동되는 금속 구조이다. 이러한 전류 경로 방해는 전극 구조의 추가 충전을 방지하고 가스 발생이 중단된다.
업계에서는 퓨즈 기반 기술을 통합시켜 과충전 상황으로부터의 잠재적인 악영향을 제어하는 설계를 평가하였다. 그러나, 종래의 과충전 안전 장치와 관련된 퓨즈는 리튬 이온 배터리의 하우징 내부에 배치되었다. 예를 들어, Kohlberger의 미국 특허 2014/0272491호 참조. 퓨즈의 내부 배치는, 특히 개별 코어에서의 과충전 방해가 열 폭주 및 과충전 상황으로부터의 기타 바람직하지 않은 악영향을 방지하는 데 효과적이지 않을 수 있기 때문에, 본원에 개시된 유형의 멀티 코어 배터리 설계에 불리하다.
Li 이온 배터리에 잘 작동하도록 이러한 해결책들 중 일부의 경우, CHB(시클로헥실벤젠) 및 BP(비페닐)와 같은 소위 가스 발생 첨가제가 첨가되며, 이는 다른 전해질 성분보다 더 낮은 전압에서 가스를 생성하여, 더 높은 충전 상태에서 화학 시스템의 증가된 반응성으로 인해 셀이 전기화학적으로 불안정해지기 전에 차단을 작동시킬 수 있다.
언급된 압력 차단 방법은 특히 소형 셀에 잘 작동하며, 이들은 일반적으로, 누출의 위험 없이 더 높은 압력에서 견딜 수 있는 컨테이너 구조를 특징으로 한다. 대형 Li 이온 셀의 경우, 압력 차단은 폭발 파손의 위험을 제한하기 위해 더 낮은 압력에서 작동할 필요가 있다.
셀 컨테이너의 팽창은 조기에 셀을 개방할 수 있기 때문에 셀 컨테이너의 팽창을 제한할 필요가 있다. 셀의 임의의 조기 개방, 예를 들어, 밀봉 위치에서의 개방 또는 피드스루 단자 주위의 개방은 장치를 파손시킬 것이고, 또한 가스 누출은 화재의 위험 요소일 것이다. 특히, 셀이 팽창함에 따라, 배기구의 기계적 팽창 피로로 인한 조기 배기구 개방이 발생할 수 있다. 결과적으로, 현재의 설계에서, 업계에서는 팽창이 가장 제한적인 용접 덮개와 같은 각형 캔의 가장 낮은 영역의 면에 배기구를 배치하였고, 오용시 셀 컨테이너 내부에 발생하는 비교적 높은 압력 때문에 이러한 덮개 구조는 일반적으로 매우 두껍고 캔에 용접되어 있다. 따라서, 예를 들어 배기 작용의 방향 유연성을 허용하기 위해, 특정 용도에서 캔의 넓은 영역 측에 배기구를 배치시킬 수 있는 해결책을 찾을 필요가 있다.
본 발명은 위에서 요약한 요구 및 단점을 해결하는 유리한 설계를 제공한다. 개시된 배터리 시스템의 부가적인 특징, 기능 및 이점은 특히 첨부된 도면(들), 실시예 및 실험 데이터와 함께 읽을 때 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
특히, (i) 베이스, 측벽 및 상부 또는 덮개를 한정하고 전기화학 유닛을 수용하기 위한 컨테이너 또는 어셈블리, 및 (ii) 컨테이너 또는 어셈블리와 관련된 압력 차단 장치를 포함하는, 리튬 이온 배터리용의 유리한 케이싱이 제공된다. 개시된 압력 차단 장치는 유리하게는, 소정의 압력 임계치를 초과하는 컨테이너 내 압력 상승에 응답하여 리튬 이온 배터리와 관련된 전기화학 유닛들을 전기적으로 절연시킨다. 개시된 컨테이너는 또한 유리하게는, 컨테이너 내부로부터 압력을 방출하는 기능을 하는 배기 구조, 및 배기 구조에 근접하여 배치된 역화 방지기를 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적 구현예에서, 특히, (i) 베이스, 측벽 및 상부 또는 덮개를 한정하는 컨테이너/어셈블리, (ii) 컨테이너/어셈블리와 관련된 휨 돔 구조, 및 (iii) 임계 압력 레벨을 초과하는 컨테이너/어셈블리 내 압력 상승에 응답하여, 컨테이너 내에 배치된 리튬 이온 배터리 구성요소들을 전기적으로 절연시키도록 구성된, 컨테이너/어셈블리 외부에 배치된 퓨즈 어셈블리를 포함하는, 리튬 이온 배터리용 케이싱이 제공된다. 퓨즈 어셈블리는 컨테이너 외부에 배치된 퓨즈 홀더 내에 배치된 퓨즈를 포함할 수 있다. 퓨즈 홀더는 컨테이너/어셈블리의 측벽에 대해 장착될 수 있다. 개시된 케이싱은 컨테이너의 측벽에 대해 퓨즈 어셈블리에 인접하여 형성된 배기 구조, 및/또는 배기 구조에 인접하여 배치된 역화 방지기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적 구현예에서, 휨 돔은 케이싱에 직접 장착된다. 보다 구체적으로, 휨 돔은 케이싱(케이싱의 베이스, 측벽 또는 상부/덮개)에 형성된 개구의 내부에 장착되고, 휨 돔이 장착된 케이싱 면에 대해, 케이싱에 의해 한정된 내부 용적 내로 처음에 휘어져 있다. 케이싱의 외면에 대해 장착된 퓨즈 어셈블리는 유리하게는, 휨 돔의 중심선과 정렬되어 케이싱 내 압력 상승에 의해 휨 돔이 작동될 때 이들 사이의 전기적 연통을 용이하게 하는 해머 또는 다른 구조적 특징부를 포함한다.
휨 돔은 유리하게는, 휨 돔이 돔의 중심선 및 그 주위에서 더 큰 두께를 한정하고, 그 반경 방향 외측으로 더 작은 두께를 한정하는 두께 프로파일을 포함할 수 있다. 돔의 중심선 및 그 주위에서의 더 큰 두께는 개시된 해머 또는 다른 구조적 특징부와 휨 돔 사이에, 즉, 케이싱 내 증가된 압력에 의해 휨 돔이 작동될 때, 바람직한 전기적 연통 경로를 제공한다. 휨 돔에 의해 한정된 더 두꺼운 영역의 반경 방향 외측에 존재하는 더 작은 두께는 이러한 감소된 두께 영역으로부터 해머 또는 다른 구조적 특징부로의 아크 발생 가능성을 줄인다. 또한, 돔은 가능한 한 낮은 압력에서 작동되어야 하고, 바람직하게는 최고의 안전성을 제공하기 위해 일단 활성화되면 빠르게 이동해야 한다. 더 주목할 것은, 휨 돔의 중심선 및 그 주위에서의 더 큰 두께가 유리하게는, 퓨즈 어셈블리와 관련된 해머 또는 다른 구조적 특징부와 휨 돔 사이에 전류가 통과할 때 연소 침식(burn through)의 가능성을 줄인다는 것이다.
본 발명의 개시된 압력 차단 장치는 가장 유리하게는, Lampe-Onnerud 등에게 공동 양도된 미국 특허 공개 2015/0280185호에 개시된 유형의 멀티 코어 리튬 이온 배터리 어셈블리로 구현된다. 상기 '185 공개의 내용은 본원에 참조로 포함된다. 특히 주목되는 것은, 다수의 리튬 이온 코어(즉, 전기화학 유닛)가 지지 부재에 의해 한정된 개별 공동(cavity)에 배치되지만, 개별적으로 밀봉되지는 않는다는 것이다. 오히려, 전기화학 유닛 각각은 케이스/컨테이너 내에 한정된 공유 대기 영역과 연통되어 있고 개방되어 있다. 그 결과, 하나의 전기화학 유닛과 관련된 임의의 압력 상승은 공유 대기 영역으로 옮겨지고, 이로 인해 압력의 증가가 완화된다. 이러한 방식으로, 공유 대기 영역과 유리하게 압력 연통된 본 발명의 압력 차단 장치는 개별 전기화학 유닛에 장착된 것에 비해 더 큰 크기로 인해, '185 공개문헌에 개시된 방식으로 공유 대기 영역을 포함하지 않는 종래의 리튬 이온 배터리 시스템에 비해 더 낮은 임계 압력에서 작동될 수 있다.
또한, '185 공개문헌의 멀티 코어 리튬 이온 배터리 설계는 공유 대기 영역이 일반적으로 케이싱의 넓은 영역에 의해 접해지기 때문에 휨 돔의 크기가 유리하게 더 커질 수 있고, 휨 돔은 케이싱의 이러한 넓은 영역에 형성된 개구를 덮어 케이싱 내 압력 상승에 효과적으로 응답하는 크기로 될 수 있다. 더 큰 휨 돔은 특히, 압력 응답성의 희생 없이 더 두꺼울 수 있기 때문에 바람직하다.
본 발명의 압력 차단 장치가 활성화되는 압력은 일반적으로 리튬 이온 배터리의 전체적인 설계에 의존한다. 그러나, 개시된 압력 차단 장치를 활성화시키는 케이싱 내 임계 압력은 일반적으로 10 psig 이상이고, 일반적으로 10~40 psig의 범위이다. 배기 구조를 또한 포함하는 구현예에서, 배기 구조가 케이싱으로부터 가압 가스를 배기, 즉 방출시키도록 활성화되는 압력은 일반적으로, 압력 차단 장치가 활성화되는 압력보다 적어도 5 psig 더 크다. 케이싱 자체의 전체 압력 등급, 즉 케이싱이 파손될 수 있는 압력은 일반적으로, 배기 구조가 활성화되는 압력보다 적어도 5 psig 더 큰 압력으로 설정된다. 케이싱의 압력 등급은 파손이 일어날 가능성이 더 높은 밀봉 메커니즘을 포함하는 계면 용접부 및 기타 접합부/개구와 관련하여 특히 더 중요하다.
본 발명의 예시적 압력 차단 장치에서, 해머 또는 다른 구조 요소는 장착면에서 퓨즈 어셈블리에 대해 장착되고, 장착면에 대해 유리하게는 휨 돔을 향해 연장되는 부분을 포함한다. 이러한 방식으로, 압력 차단 장치가 활성화되는 것이 요구될 때 휨 돔에 필요한 이동 거리는 감소된다. 일반적으로 해머 또는 다른 구조 요소는 둘 이상의 이격된 위치에서 퓨즈 어셈블리의 장착면에 대해 고정적으로 장착된다. 예를 들어, 해머 또는 다른 구조 장치는 실질적으로 U자형인 형상을 한정함으로써 해머를 휨 돔과 더 가까이 근접시킬 수 있다. 해머 또는 다른 구조의 U자형 형상의 중심선은 일반적으로 휨 돔의 중심선과 정렬됨으로써, 케이싱 내 압력 상승에 의해 휨 돔이 작동될 때 바람직한 접촉 영역을 한정한다.
예시적 구현예에서, 휨 돔은 케이싱(예를 들어, 케이싱의 베이스, 측벽 또는 상부/덮개)에 의해 한정된 평면 내부에 장착되고, 해머 또는 다른 구조 부재는 케이싱에 의해 한정된 평면 외부에 장착된다. 그러나, 해머 또는 다른 구조 요소는, 케이싱에 의해 한정된 평면을 가로질러 연장됨으로써 적어도 부분적으로 이러한 평면의 내부에 배치된 형상, 예를 들어, U자형 형상을 한정한다. 해머 또는 다른 구조 요소의 U자형 형상이 구체적으로 고려되지만, 대안적 형상, 예를 들어 포물선 형상, 실질적으로 편평한 접촉 영역을 갖는 톱니 형상 등도 사용될 수 있다.
본 발명의 예시적 구현예에 제공될 수 있는 배기 구조로 돌아가서, 배기 구조는 새김선에 의해 한정될 수 있다. 컨테이너/어셈블리 내부의 배기 구조에 의해 한정된 영역을 가로질러 연장되도록 컨테이너/어셈블리에 대해 역화 방지기가 유리하게 장착될 수 있다. 예시적 구현예에서, 역화 방지기는 메쉬 구조, 예를 들어 30 US 메쉬의 형태를 가질 수 있다. 다른 예시적 구현예에서, 역화 방지기는 구리선으로 제작될 수 있다.
본 발명의 배기 구조는 약 10 psi 내지 140 psi의 배기 압력에 응답하여 배기하도록 구성될 수 있다. 컨테이너의 구조적 한계 압력(P4)은 배기 압력보다 적어도 약 10 퍼센트 더 클 수 있다.
개시된 리튬 이온 배터리 구성요소들은 다양한 용도, 예를 들어 배터리 전기 차량(BEV), 플러그인 하이브리드 전기 차량(PHEV), 하이브리드 전기 차량(HEV), 전기 기차, 그리드 스토리지(GRID), 건설, 광업, 원예, 및 임업 장비, 포크리프트, 납축전지 대체(LAR) 및 기타 일반적으로 다수의 리튬 이온 셀을 사용하는 배터리-지원 장치 및 시스템에서의 사용을 위해 설계될 수 있다.
본 발명의 다른 예시적 구현예에서, 특히, (i) 베이스, 측벽 및 상부 또는 덮개를 한정하는 컨테이너/어셈블리, (ii) 컨테이너/어셈블리에 대해 한정된 배기 구조, 및 (iii) 배기 구조와 중첩되도록 컨테이너/어셈블리에 대해 장착된 역화 방지기를 포함하되, 역화 방지기는 배출 가스 스트림의 온도를 자동 발화 온도 미만으로 감소시키고/시키거나, 역화 방지기를 통한 배출 가스 스트림의 배출과 관련된 배압을 실질적으로 방지하기 위해 배출 가스 스트림이 비교적 자유롭게 역화 방지기를 통과할 수 있도록 구성되고 치수화된 리튬 이온 배터리용 케이싱이 제공된다.
개시된 배기 구조는 케이싱, 예를 들어, 케이싱의 베이스, 측벽 중 하나 또는 상부/덮개의 외면에 대해 압력 차단 장치에 인접하여 형성되거나 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 예시적 구현예에서, 배기 구조 및 압력 차단 장치는 케이싱의 서로 다른 외면에 대해 장착될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 압력 차단 장치는 측벽에 대해 장착되는 한편 배기 구조는 케이싱의 상부/덮개에 장착될 수 있다(또는 그 반대). 배기 구조 및 압력 차단 장치를 배치함에 있어 향상된 유연성은 전술한 바와 같은 공유 대기 영역을 특징으로 하는 '185 공개문헌(Lampe-Onnerud)에 개시된 유형의 리튬 이온 배터리 설계에 용이해진다. 배기 구조는 컨테이너/어셈블리의 상부 커버 또는 덮개의 외면에 대해 중앙에 위치할 수 있다. 배기 구조에 인접하여 역화 방지기가 배치될 수 있다.
대안적 구현예에서, 컨테이너/어셈블리의 상부 커버 또는 덮개의 외면에 대향하는 표면에, 또는 원하는 케이싱의 그러한 다른 표면에 배기 구조, 또는 다수의 배기구가 위치하거나 배치될 수 있다.
퓨즈 어셈블리는 개시된 휨 돔과 퓨즈 사이에 배치된 브레이드(braid) 어셈블리를 포함할 수 있다. 퓨즈 어셈블리는 휨 돔과 퓨즈 사이에 배치된 차단 해머를 포함할 수 있다. 차단 해머는 휨 돔의 휨과 전기적 연통에 응답하여 퓨즈와 전기적으로 연통될 수 있다.
개시된 리튬 이온 배터리는 일반적으로, 컨테이너/어셈블리 내에 배치된 복수의 리튬 이온 코어 부재, 즉 전기화학 유닛을 포함한다. 리튬 이온 코어 부재 중 하나 이상에 근접하여 하나 이상의 흡열 재료가 배치될 수 있다. 컨테이너에 의해 한정된 내부 영역에 지지 부재가 배치될 수 있고, 지지 부재는 복수의 공동 중 상응하는 하나의 공동 내에 복수의 리튬 이온 코어 부재가 배치될 수 있도록 복수의 공동을 유리하게 한정할 수 있다.
지지 부재는 운동 에너지 흡수 재료를 포함할 수 있다. 운동 에너지 흡수 재료는 알루미늄 폼, 세라믹, 세라믹 섬유, 및 플라스틱 중 하나로 형성될 수 있다.
상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와, 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 각각 배치된 복수의 공동 라이너(cavity liner)가 제공될 수 있다. 공동 라이너는 폴리머 및 금속 포일 적층 파우치를 한정할 수 있다. 각각의 리튬 이온 코어 부재와, 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 공동 라이너가 배치될 수 있다. 공동 라이너는 플라스틱 또는 알루미늄 재료로 형성될 수 있다. 복수의 공동 라이너는 단일체형(monolithic) 라이너 부재의 일부로서 형성될 수 있다.
각각의 리튬 이온 코어 부재 내에는 일반적으로 전해질이 들어있다. 전해질은 내연제, 가스 발생제, 및/또는 산화환원 셔틀을 포함할 수 있다.
각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함한다. 전기 커넥터가 컨테이너 내에 배치되고, 코어 부재를 컨테이너 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결한다. 퓨즈는 컨테이너 외부의 전기 단자에 또는 그에 인접하여 위치할 수 있다.
전기 커넥터는 2개의 모선, 즉 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양극 단자 부재에 상호 연결하는 제1 모선, 및 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음극 단자 부재에 상호 연결하는 제2 모선을 포함할 수 있다. 코어 부재는 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다. 코어 부재의 제1 세트는 병렬로 연결될 수 있고, 코어 부재의 제2 세트는 병렬로 연결될 수 있다. 코어 부재의 제1 세트는 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결될 수 있다.
지지 부재는 벌집 구조의 형태를 가질 수 있다. 컨테이너는 압축가능 요소를 갖는 벽을 포함할 수 있고, 압축가능 요소는, 벽에 충격을 가하는 힘으로 인해 압축될 때, 리튬 이온 배터리의 전기적 단락 회로를 생성한다. 지지 부재 내에 한정된 공동 및 이에 상응하는 코어 부재는 원통형, 장방형, 또는 각형 형상을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이온 배터리에서, 컨테이너는 내부 영역에 난연성 부재를 포함한다.
개시된 리튬 이온 배터리는 난연성 부재, 예를 들어 컨테이너의 외면에 부착된 난연성 메쉬 재료를 포함할 수 있다.
개시된 리튬 이온 배터리는, 예를 들어 세라믹 매트릭스 내에, 하나 이상의 흡열 재료를 포함할 수 있다. 흡열 재료(들)는 무기 가스 발생 흡열 재료일 수 있다. 흡열 재료(들)는 근접한 하나 이상의 리튬 이온 코어 부재와 관련된 상한 정상 작동 온도 이상에서 단열 특성을 제공할 수 있다. 흡열 재료(들)는 상한 정상 작동 온도와 더 높은 임계 온도(이보다 온도가 높으면 리튬 이온 코어 부재가 열 폭주를 일으키기 쉽다) 사이에서 하나 이상의 흡열 반응을 겪도록 선택될 수 있다. 흡열 재료(들)와 관련된 흡열 반응은 가스를 발생시킬 수 있다.
흡열 재료(들)는 세라믹 매트릭스 내에 포함될 수 있고, 세라믹 매트릭스는 흡열 재료(들)와 관련된 흡열 반응에 의해 생성된 가스를 배기시켜 흡열 재료로부터 열을 제거할 수 있도록 충분한 다공성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, WO 2015/179625(Onnerud 등, 그 내용은 본원에 참조로 포함됨)를 참조.
개시된 리튬 이온 배터리는 흡열 재료(들)와 관련된 흡열 반응에 적어도 부분적으로 기초하여 작동되는 배기 구조를 포함할 수 있다. 리튬 이온 배터리는 케이싱과 관련된 압력 차단 장치를 포함할 수 있다. 압력 차단 장치는 유리하게는 휨 돔-기반 활성화 메커니즘을 포함할 수 있다. 휨 돔-기반 활성화 메커니즘은 연소 침식을 방지하도록 구성되고 치수화될 수 있다. 연소 침식은 (i) 돔-기반 활성화 메커니즘의 질량 증가, (ii) 돔-기반 활성화 메커니즘에 재료(예를 들어, 포일)의 첨가, 또는 (iii) 이들의 조합에 의해 방지될 수 있다.
돔-기반 활성화 메커니즘의 증가된 질량 및/또는 돔-기반 활성화 메커니즘에 첨가된 재료는 돔-기반 활성화 메커니즘을 제작하는 데 사용된 것과 동일한 유형의 재료를 사용할 수 있다. 돔-기반 활성화 메커니즘의 증가된 질량 및/또는 돔-기반 활성화 메커니즘에 첨가된 재료는 돔-기반 활성화 메커니즘을 제작하는 데 사용된 재료와 비교하여 (적어도 부분적으로) 다른 유형의 재료를 또한 사용할 수 있다.
목표 트리거 압력에서 돔-기반 활성화 메커니즘이 응답하는 속도에 적어도 부분적으로 기초한 돔-기반 활성화 메커니즘의 설계(예를 들어, 구성 재료(들), 형상, 및/또는 두께/질량)는 연소 침식을 방지하는 데 효과적일 수 있다.
본 발명의 다른 예시적 구현예에서, (i) 베이스, 측벽 및 상면을 한정하는 컨테이너, (ii) 컨테이너와 관련된 휨 돔 구조, 및 (iii) 컨테이너에 대해 외부에 배치된 전기 단자에 또는 그에 인접하여 위치하는 퓨즈를 포함하는 퓨즈 어셈블리를 포함하는 리튬 이온 배터리가 제공된다. 퓨즈는 임계 압력 레벨을 초과하는 컨테이너 내 압력 상승에 응답하여, 컨테이너 내에 배치된 리튬 이온 배터리 구성요소들을 전기적으로 절연시키도록 구성될 수 있다. 퓨즈는 퓨즈 홀더 내에 배치될 수 있다. 개시된 리튬 이온 배터리는 약 10 psi 내지 140 psi의 배기 압력에 응답하여 배기하도록 구성된 배기 구조를 또한 포함할 수 있다.
본 발명의 부가적인 특징, 기능 및 이점은 특히 첨부된 도면과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
개시된 어셈블리, 시스템 및 방법을 제조하고 사용함에 있어 당업자에게 도움이 되도록 첨부 도면이 참조된다.
도 1은 본 발명에 따른 컨테이너 설계를 위한 파손 방지 메커니즘의 시퀀스를 나타내는 개략도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 정상 작동에서 멀티 코어 리튬 이온 배터리와 관련된 예시적 모듈 회로의 개략도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 압력 차단 장치("PDD")의 활성화 후 도 2a의 멀티 코어 리튬 이온 배터리와 관련된 예시적 모듈 회로의 개략도이다.
도 3은 퓨즈가 배터리 케이싱/커버의 외부에 배치되고 그 음극 단자와 관련되어 있는 예시적 PDD 설계(정상 작동 상태)의 개략도이다.
도 4는 배터리 케이싱 내 과압 상태에 응답하여 PDD가 활성화되고 음극 단자와 관련된 퓨즈가 단선된 도 3의 예시적 PDD 설계의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 분해도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 도 5의 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 조립도이다.
도 6은 본 발명에 따른 안전 장치(safety features)와 관련된 예시적 케이싱 어셈블리의 분해도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 도 6의 예시적 케이싱 어셈블리의 조립도이다.
도 7은 본 발명에 따른 예시적 멀티 코어 서브어셈블리의 분해도이다.
도 7a는 본 발명에 따른 도 7의 예시적 멀티 코어 서브어셈블리의 조립도이다.
도 8은 본 발명에 따른 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 분해도이다.
도 8a는 본 발명에 따른 도 8의 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 조립도이다.
도 9는 본 발명에 따른 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 분해도이다.
도 9a는 본 발명에 따른 도 9의 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 조립도이다.
도 10는 본 발명에 따른 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 분해도이다.
도 10a는 본 발명에 따른 도 10의 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 조립도이다.
도 11은 본 발명에 따른 또 다른 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 분해도이다.
도 11a는 본 발명에 따른 도 11의 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 조립도이다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 예시적 구현예에 따른 케이싱 내 압력 증가에 응답하여 휨 돔이 진행하는 것을 보여주는 3개의 개략적 측면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 예시적 휨 돔의 측단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 실험적 테스트에 대한 충전 전류, 셀 전압 및 셀 표면 온도의 플롯이다.
도 15는 본 발명에 따른 압력 차단 장치를 테스트하는 데 사용된 테스트 픽스쳐의 개략도이다.
도 16은 본 발명에 따른 압력 차단 장치 어셈블리의 테스트 동안의 전류와 온도 변화의 플롯이다.
위에서 언급한 문제들을 극복하고, 대형 각형 셀을 비롯한 다양한 크기의 안전하고 신뢰성 있는 각형 셀을 실현하기 위해, 본 발명은 역화의 위험 없이, 정상적 사용에서 불필요한 파손 없이 효과적이고 신뢰성 있는 방식으로 배기 및 압력 차단 작용을 수행하는 유리한 설계를 제공한다. 본원에 개시된 설계들은 바람직한 각형 셀 시스템을 달성하기 위해 조합하여 사용되고/되거나 전체적으로 또는 부분적으로 구현될 수 있다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 개시된 설계는 배터리 전기 차량(BEV), 플러그인 하이브리드 전기 차량(PHEV), 하이브리드 전기 차량(HEV), 전기 기차, 그리드 스토리지(GRID), 건설, 광업 및 임업 장비, 포크리프트, 납축전지 대체(LAR), 및 기타 일반적으로 다수의 리튬 이온 셀을 사용하는 배터리-지원 장치 및 시스템에서 사용하기 위해 설계된 리튬 이온 배터리 시스템을 비롯하여, 광범위하게 적용되고 다양한 용도에서 상당한 이점을 제공한다.
개시된 설계/시스템은 Lithium Ion Battery라는 명칭의 PCT 출원(PCT/US2013/064654) 및 Lithium Ion Battery with Thermal Runaway Protection이라는 명칭의 PCT 출원(PCT/US2015/031948)과 같은, 개별 젤리 롤의 어레이를 사용한 Li 이온 셀의 맥락에서 주로 기술되지만, 개시된 설계 및 해결책이 (AESC, LG에서 제조된 것과 같이) 하나 또는 복수의 셀을 패키징하거나, (SDI, ATL 및 Panasonic에서 제조된 것과 같이) 하나 이상의 분리되지 않은 편평한 권취 또는 적층 전극 구조를 갖는 표준 각형 셀을 패키징하는 다른 각형 및 다른 원통형 셀 시스템에서도 사용될 수 있음을 당업자는 이해한다. 개시된 설계/시스템은 밀봉된 Li 이온 셀의 모듈을 캡슐화하기 위해서도 사용될 수 있다. 따라서, 개시된 압력 차단 장치 및/또는 개시된 배기 구조는 전기화학 유닛 또는 젤리 롤들이 개별적으로 밀봉되거나 개별적으로 밀봉되지 않은 리튬 이온 배터리에 도입될 수 있다.
우선 주목할 것은, 대형 각형 Li 이온 셀을 위한 일반적인 컨테이너 구조는 일반적으로 알루미늄으로 제조된 직사각형의 금속 컨테이너라는 것이다. 이러한 컨테이너/케이싱은 일반적으로 두 가지 주요 요인으로 인해 팽창한다:
1. 사이클링되는 전극 구조는 충전과 방전 중에 애노드 및 캐소드 구조에 리튬이 삽입되므로 컨테이너 벽의 팽창 및 수축을 일으킬 것이다. 컨테이너가 외부 압력을 통한 제약을 받지 않아 이러한 휨이 크게 탄성적으로 되면, 컨테이너는 영구적으로 팽창할 것이다. 전극에 외부 압력이 가해지지 않는 한, 이러한 팽창은 스택 압력의 저하 및 심지어 전극 구조의 분리를 초래하여, 사이클 수명이 나빠지고 전극 구조 내부가 건조해진다. 이러한 압력은 일반적으로, 모듈 구조를 통해(이는 에너지 밀도 및 비에너지의 저하와 함께 중량 및 부피의 증가를 초래하는 무겁고 두꺼운 게이지 재료로 이어짐), 또는 필요한 스택 압력을 지지하는 매우 두꺼운 벽을 만들어 가해진다.
2. 정상적 사용 중에 셀 내 가스 압력이 상승되는 경우 컨테이너는 영구적으로 팽창한다. 이러한 압력은 일반적으로 5 psig 미만이고, 이는 상기 전극 팽창으로부터 벽이 겪는 압력보다 훨씬 낮다.
각형 셀 컨테이너가, 개별적으로 밀봉되지 않은, 즉 상기 PCT 출원에 기재된 바와 같이, 공유 대기 영역에 개방된 개별 젤리 롤들을 수용하는 경우, 어떤 젤리 롤도 컨테이너 벽에 압력을 가하지 않으므로 상기 언급한 첫 번째 문제(컨테이너 벽 팽창 및 수축)는 중요하지 않다. 그러나, 내부 압력은 여전히 관심사이다.
각형 컨테이너가, 벽에 압력을 가하는 전극 구조를 수용하는 경우, 컨테이너는 팽창을 제한하기 위해 일반적으로 기계적 지지를 필요로 하며, 그렇지 않을 경우, 셀은 팩 내에서 변위되고 셀은 전극 스택 압력을 잃어 셀의 조기 파손을 초래할 것이다. 본원에 기술된 설계 혁신이 없으면, 이러한 근본적인 설계 문제를 해결하기 위해, 컨테이너/케이싱의 벽 두께가 증가되거나 외부 압력이 가해질 필요가 있다. 특히, 벽이 더 얇게 제조될 수 있으면, 전극을 위한 더 많은 공간이 이용될 수 있어 체적 용량이 더 높아지기 때문에 더 얇은 벽이 바람직한 것은 분명하다. 일반적으로, 벽이 얇을수록 중량이 줄어들고 내부 용적이 더 커져 에너지 밀도 및 비용량이 증가하므로, 구조적 안전성을 잃지 않고 가능한 한 얇은 벽 두께를 갖는 것이 바람직하다.
팽창하는 벽에 배기 구조가 장착되거나 팽창하는 벽에 대해 달리 배기 구조가 한정되는 경우, 배기는 배기 구조의 균열 및 열화로 인한 변형 위험이 있고, 이는 배기 압력을 저하시켜 배기 기능의 전체적인 신뢰성에 제어할 수 없게 부정적 영향을 미친다.
압력 차단(및/또는 배기)을 위한 작동 압력이 너무 높으면, 컨테이너/케이싱이 팽창할 때의 굽힘 작용이 밀봉을 파괴할 가능성이 있어 시스템 고장을 야기하므로, 캔 또는 컨테이너를 기계적으로 또는 레이저 용접으로 효과적으로 밀봉하는 데 문제가 있다.
또한, 배기 개구가 너무 작으면, 컨테이너/케이싱 내부 압력이 증가하고 이러한 증가된 압력은 내부 단락과 같은 특정 유형의 오용시 충분히 빨리 방출될 수 없으므로, 밀봉 또는 단자 구조가 누출되기 시작될 수 있다는 것도 발견되었다.
도 1은 컨테이너/케이싱 설계에 대한 파손 방지 메커니즘의 시퀀스를 보여준다(x축은 시스템 내의 압력을 개략적으로 나타낸다). P1은 배터리의 정상 작동에 대한 압력을 나타내고, P2는 압력 차단 장치(사용되는 경우)가 활성화되어야 하는 압력을 나타내고, P3는 배기 메커니즘이 활성화되어야 하는 압력을 나타내고, P4는 캔/컨테이너 밀봉, 단자 피드스루 및/또는 컨테이너의 기타 부품이 누출되기 시작할 때의 압력(즉, 컨테이너/케이싱의 전체 압력 등급)을 나타낸다. 하나의 구성요소의 작동 압력 생성을 위한 정규 분포가 다른 구성요소에 대한 정규 분포의 영역에 들어가는 능력 없이 이들 압력의 간격이 대량 생산에서 달성될 수 있다는 것이 안전한 작동을 위해 필수적이다.
예를 들어, 과충전 차단(즉, 압력 차단 장치)은 배터리의 작동을 조기에 불가능하게 하므로, 배터리의 조기 단락을 일으킬 수 없다(즉 P2가 P1 범위 내에 있음). 유사하게, 다른 구조들이 누출되기 시작하기 전에 배기가 활성화하지 않으면(즉, P3가 P4 범위 내에 있음), 누출(또는 다른 시스템 고장)로 인한 배기의 방향이 제어될 수 없고, 이는 고온 가스 또는 화염을 인접 셀에 배출하여 연쇄적 고장을 일으킬 수 있다.
본원에 개시된 유형의 배터리 시스템에서 배기 구조를 수립함에 있어, 비교적 높은 금속 잔여물이 새김 부위에 유지될 수 있기 때문에 정상 사용에서 불필요한 파손의 위험 없이 매우 낮은 압력(도 1의 P3)에서 작동하는 배기 메커니즘을 제공하는 것이 바람직하다. P3에 대한 이러한 낮은 압력은 결국 기계적으로 밀봉된 캔/컨테이너를 사용할 수 있게 하거나, P3와 중복되는 위험 없이 P4 압력이 감소될 수도 있기 때문에, 대안적으로 레이저 용접을 이용하여 캔을 밀봉할 수 있다. 따라서, P3를 안정적으로 감소시킬 수 있는 능력은 배터리 시스템 설계 및 작동의 전반적인 개선으로 이어질 수 있다.
또한, 제어 가능한 유동 면적으로 신뢰성 있는 개방 압력을 가능하게 하여, 보다 빨리 압력을 방출할 수 있고 전해질의 원자화를 제거하도록 배기구 면적은 비교적 커야 한다. 더 큰 배기구 면적은 일반적으로 안전성이 증가된 설계를 만들어 낼 것이다.
배기 메커니즘만을 단독으로(즉, 압력 차단 장치 없이) 포함하는 본 발명의 예시적 구현예에서, 배기 압력(P3)은 약 10 psig 내지 약 140 psig 정도이고, 컨테이너의 구조적 한계 압력(P4)은 배기 압력보다 적어도 약 10% 더 높다.
압력 차단 장치 및 배기 메커니즘을 모두 포함하는 예시적 구현예에서, 압력 차단 장치가 활성화되는 압력은 일반적으로 리튬 이온 배터리의 전체적인 설계에 의존한다. 그러나, 개시된 압력 차단 장치를 활성화시키는 케이싱 내 임계 압력은 일반적으로 10 psig 이상이고, 일반적으로 10~40 psig의 범위이다. 배기 메커니즘을 또한 포함하는 구현예에서, 배기 메커니즘이 케이싱으로부터 가압 가스를 배기, 즉 방출시키도록 활성화되는 압력은 일반적으로, 압력 차단 장치가 활성화되는 압력보다 적어도 5 psig 더 크다. 따라서, 예를 들어, 압력 차단 장치가 15 psig에서 활성화하도록 설정되는 경우, 본 발명의 예시적 구현예에서, 독립적인 배기 구조는 20 psig에서 배기하도록 선택될 수 있다. 주목할 것은, 케이싱 자체의 전체 압력 등급, 즉 케이싱이 파손될 수 있는 압력은 일반적으로, 배기 구조가 활성화되는 압력보다 적어도 5 psig 더 큰 압력으로 설정된다는 것이다. 따라서, 상기 예에서(15 psig에서 압력 차단 장치의 활성화, 20 psig에서 배기 구조의 활성화), 케이싱은 일반적으로, 적어도 25 psig의 내부 압력을 견디도록 설계된다. 케이싱의 압력 등급은 파손이 일어날 가능성이 더 높은 밀봉 메커니즘을 포함하는 계면 용접부 및 기타 접합부/개구와 관련하여 특히 더 중요하다.
여러 배기 유형의 기하학적 형상이 현재 존재하고, 일반적으로 특정 압력에서 배기를 한정하는 새김선(들)에서 파손되도록 설계되어 있다. 직선 배기구, "Y" 배기구, 및 방사형 배기구의 주요 관심사는 균열 전파가 항상 동일한 경로를 선택하지 않을 수 있으므로 이들 배기구가 일반적으로 완전히 개방되지 않는다는 것이다. 원형 배기구는 넓은 면적을 빨리 개방할 수 있고 잔여 금속 뚜껑이 방해가 안 되도록 빨리 휘어질 수 있어 컨테이너의 상당한 압력 증가 없이 가스가 방출될 수 있기 때문에 원형 배기구가 일반적으로 바람직하다. 최적의 배기 설계는, 배기 이벤트시, 추가적 가스 발생으로 인한 캔/컨테이너 내부에 증가된 압력의 상승 없이 모든 가스가 빨리 방출될 수 있다는 점에서 효과적이다.
예를 들어, 원형 또는 실질적으로 원형인 배기 개구의 경우, 특정 배터리 구현의 특징/기능에 기초하여 대안적 직경의 개구가 사용될 수 있지만, 약 1½ 인치의 개구 직경이 본 발명의 배터리에 적합한 배기 기능을 제공할 수 있다. 비원형 배기 개구의 경우, 특정 배터리 구현의 특징/기능에 기초하여 다시 대안적인 배기구 면적이 제공될 수 있지만, 약 0.4 cm2 내지 약 12 cm2의 전체 배기구 면적이 효과적으로 사용될 수 있다.
증가된 배기구 면적은 배기 이벤트와 관련하여 전해질의 원자화를 제한하지만, 역화의 위험이 있다. 이러한 역화는 내부 단락과 같은 오용 상태에서 파손되지 않은 셀 내부의 격리된 전극 구조의 전해질을 발화시킬 수 있다. 이러한 위험을 제한하기 위해, 역화 방지기는 화염면(flame front)이 멀티롤 구조를 포함하는 외장에 다시 들어가는 것을 방지하기 위해 유리하게는 배기구에 근접하여 배치될 수 있다. 본 발명의 예시적 구현예에서, 역화 방지기는 배기 구조의 내부에, 즉 배기 기능을 개시하고/하거나 배기 구조를 형성/한정하는 새김선에 의해 한정되고/되거나 그 부근에 한정된 영역을 가로질러 배치된다.
개별 젤리롤이 파손되는 경우, 많은 양의 가스가 발생되고(약 10 리터), 이 가스는 고온(약 250~300℃)일 뿐만 아니라 가연성이다. 이 가스는 배기가 일어난 후 멀티 젤리롤 외장의 외부에서 발화할 가능성이 있다. 화염이 셀에 들어갈 가능성을 방지하고/하거나 감소시키기 위해, 유리하게는 배기 영역 상에 메쉬가 위치/배치되어 역화 방지기로서 기능할 수 있다. 이러한 메쉬는 배출 가스 스트림의 온도를 자동 발화 온도 미만으로 감소시키는 기능을 한다.
메쉬는 열교환기 역할을 하므로, 표면적이 클수록 그리고 개구가 작을수록 더 많은 열이 제거되지만, 메쉬의 개구 면적이 감소하면 배기 중에 메쉬에 가해지는 힘이 증가한다. 테스트한 대형 Li 이온 배터리의 경우, 30 US 표준 메쉬, 0.012" 와이어 직경이 역화 방지에 효과적인 것으로 확인되었다. 다른 메쉬 크기도 효과적으로 기능할 것으로 예상되지만, 일반적인 공급 가능성 및 Li 이온 배터리에 대한 효과적인 역화 방지기 기능 때문에 30 메쉬가 바람직하다. 30 메쉬는 40%의 개구 면적을 가지며, 이는 70 psi에서의 배기에서, 메쉬가 70 psi*0.6 = 1 평방 인치의 개구 면적 당 42 lbf의 순간적인 힘을 견뎌야 함을 의미한다. Li 이온 적용분야에 사용되는 것과 같은 적정한 배기구 면적의 경우, 이러한 하중으로부터 계산된 응력은 그다지 크지 않다. 예를 들어, (종래의 배터리 컨테이너 측벽에 끼울 수 있는 것보다 큰) 2 인치 직경의 배기구의 경우, 배기시 메쉬에서의 순간적인 응력은 대략 다음과 같다:
((pi * 1 in2) * 42 lbf/in2)/(pi*2 in*0.012*0.6*0.7854) = 약 3714 psi
구리의 항복 강도는 약 20,000 psi이다.
예시적 압력 차단 장치(PDD)의 구현예
본 발명의 예시적 구현예에서, 리튬 이온 배터리, 특히 멀티 코어 리튬 이온 배터리의 내부 압력 조건에 의해 활성화될 수 있는 전류 차단 어셈블리, 즉 압력 차단 장치가 제공된다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 복수의 멀티 코어 리튬 이온 전기화학 유닛(예를 들어, 젤리 롤)을 포함하는 예시적 배터리 모듈이 개략적으로 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 2a 및 도 2b의 개략도는 3개의 다른 멀티 코어 리튬 이온 전기화학 유닛을 포함한다. 3개의 멀티 코어 리튬 이온 유닛이 도 2 a 및 도 2b에 개략적으로 도시되어 있지만, 본 발명이 3개의 멀티 코어 리튬 이온 유닛을 포함하는 구현예에 의해 또는 그 구현예로 한정되는 것은 아니다.
각각의 멀티 코어 리튬 이온 전기화학 유닛은 압력 차단 장치(PDD)와 관련되고, 도 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 두 번째 유닛은 PDD의 활성화를 유발한 과충전 상태를 경험하였다(회로에서 "X"로 개략적으로 표시한 바와 같음). 두 번째 유닛에 대한 PDD의 활성화는 셀의 외부 단락을 초래했고, 단선된 퓨즈에 기초하여, 이 전기화학 유닛은 전체 회로로부터 격리된다. 후술하는 바와 같이, 퓨즈는 유리하게는 배터리 케이싱의 외부에 배치되고 음극 단자와 관련된다. PDD의 활성화에 응답하여, 전류는 배터리의 케이싱을 통해 바이패스된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따라 압력 활성화되는 예시적 PDD 어셈블리(10)의 개략도가 제공된다. PDD 어셈블리(10)는 리튬 이온 배터리 케이싱(미도시)의 커버(14)와 관련된 휨/변형 돔(16)을 포함한다. 본 발명의 사상/범위에서 벗어나지 않고 대안적인 재료(예를 들어, 스테인리스 스틸)가 사용될 수 있지만, 커버(14)는 유리하게는 알루미늄으로 제작된다. 휨/변형 돔(16)은 커버(14)와 관련된다. 휨/변형 돔(16)은 커버(14)의 나머지 부분에 비해 단면적이 감소된 알루미늄을 비롯한 다양한 재료로 제작될 수 있다. 따라서, 휨/변형 돔(16)은 커버(14)와 일체로 형성되거나, 커버(14) 내에 한정된 개구에 대해 부착 또는 접합, 예를 들어 용접될 수 있다.
커버(14)와 PDD 활성화 암(20) 사이에 절연층(18)이 배치된다. 절연층(18)은 일반적으로 전극 영역(22) 내로 연장되어, 예를 들어 직립 구리 단자(24)와 모선(26)을 커버(14)로부터 전기적으로 절연시킨다. 퓨즈 요소(28)는 직립 단자(24)와 단자 요소(25) 사이에 회로를 완성하도록 전극 영역(22)과 관련된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 돔(16) 및 PDD 활성화 암(20)은 처음에 서로에 대해 이격되어 있어, 이들 사이의 전기적 연통을 막는다. 절연층(18)의 갭이 돔(16)에 인접하여 제공됨으로써, 배터리 케이싱 내에서 임계 내부 압력에 도달할 때 돔(16)과 PDD 활성화 암(20) 사이의 물리적 접촉 및 전기적 연통을 가능하게 한다. 예시적 구현예에서, PDD 활성화 암(20)은 돔(16)의 형상과 일체성을 갖는 형상, 예를 들어 활성화 암(20)의 단부 영역으로부터 연장되는 버섯형 노브(30)를 한정하여 이들 사이의 효과적인 접촉을 보장할 수 있다. 당업자라면 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 대안적인 일체성 형상이 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 케이싱 내의 내부 압력이 특정 레벨을 초과하면, 돔(16)은 위로 휘어져 PDD 활성화 암(20)의 노브(30)와 접촉함으로써, 모선(26), 직립 단자(24), 퓨즈(28), 단자 요소(25), 활성화 암(20) 및 커버(14) 사이의 전자 회로를 완성할 것이다. 이 회로의 완성은 퓨즈(28)의 용량을 초과하여 (도 4에 도시된 바와 같이) 퓨즈가 "단선"됨으로써 배터리와 관련된 모든 전류를 배터리의 케이싱(커버를 포함)을 통해 바이패스시킨다.
적절한 퓨즈 직경은 Onderdonk 식을 이용해 계산될 수 있다.
Ifuse = Area *SQRT(LOG((Tmelt - Tambient) / (234 - Tambient)+1)/Time * 33)
여기서,
Tmelt는 와이어의 용융 온도(℃)이고,
Tambient는 대기 온도(℃)이고,
Time은 용융 시간(초)이고,
Ifuse는 용단 전류(암페어)이고,
Area는 와이어의 면적(원주 밀)(여기서, "원주 밀"은 1000 분의 1 인치(mils) 와이어 직경의 제곱임. 즉, 직경이 0.001"인 원의 면적)
용단 전류에 대해 700 암페어의 전류를 가정할 때, Onderdonk 식을 적용하면 다음의 와이어 직경 결과가 산출된다:
Figure pct00001
따라서, Onderdonk 식은 700 암페어의 용단 전류를 가정할 때, 5초의 용융 시간에 대해 도 3 및 도 4의 예시적 어셈블리에서 2.73 mm의 알루미늄 퓨즈 직경이 효과적임을 보여준다. 당업자라면 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 대안적인 퓨즈 재료/직경이 사용될 수 있다.
도 5 내지 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 이온 배터리 구현예의 개략도가 제공된다. 도 5를 먼저 참조하면, 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리(100)의 분해도가 제공된다. 이 예시적 리튬 이온 배터리의 조립도는 도 5a에 제공된다.
배터리(100)는 다음과 같은 구성요소를 수용하기 위한 내부 영역을 한정하는 외장 캔 또는 케이싱(102)을 포함한다:
Figure pct00002
복수(24개)의 개구(예를 들어, 원형 개구)를 한정하는 알루미늄 모선(104);
Figure pct00003
젤리 롤/젤리 롤 슬리브 서브어셈블리를 수용하도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 이격된 실질적으로 원통형인 영역 또는 공동을 한정하는 하우징 또는 지지 구조(106);
Figure pct00004
하우징(106)에 의해 한정된 원통형 영역 내에 배치되고 해당 젤리 롤을 수용하도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 젤리 롤 슬리브(108)(젤리 롤 슬리브(108)는 다양한 재료, 예를 들어 폴리머 또는 금속으로 제작될 수 있고, 폴리머 및 금속 포일 적층 포일 파우치의 형태를 가질 수 있음);
Figure pct00005
젤리 롤 하우징(108) 내에 배치되도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 젤리 롤(110), 즉 전기화학 유닛;
Figure pct00006
모선(104)과 젤리 롤(110) 사이에 배치된 복수(24개)의 실질적으로 원형인 젤리 롤 배면 시트(111);
Figure pct00007
하우징(106)에 의해 한정된 공동 내에 배치된 젤리 롤(110)을 덮도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 젤리 롤 커버(112);
Figure pct00008
각각의 젤리 롤(110)과 전기적으로 연통하도록 하는 실질적으로 H자형인 형상을 한정하는 구리 모선(114);
Figure pct00009
배터리 어셈블리의 상부 커버에 대해 모선(114)을 절연시키도록 모선(114)의 형상에 대체로 대응하는 형상을 한정하는 모선 절연체(116);
Figure pct00010
모선 절연체(116)와 상부 커버 사이에 배치되어 잠재적 진동을 흡수하고 이들 사이의 상대 이동을 최소화하는 복수(6개)의 방진 매트;
Figure pct00011
외장 캔(102)과 함께 상기 구성요소들을 내부에 넣도록 구성되고 치수화된 실질적으로 직사각형인 상부 커버(120);
Figure pct00012
상부 커버(120)에 형성된 개구를 막아 젤리 롤에 전해액을 용이하게 주입하도록 상부 커버(120)의 외면에 배치된 복수(24개)의 스틸 볼(122);
Figure pct00013
외장 캔(102)과 하우징(106)의 외벽(들) 사이에 배치되어 진동을 더 약화시키고 이들 사이의 움직임을 방지하는 하나 이상의 방진 매트(124).
주목할 것은, 크기를 최소화하고 제조/조립을 용이하게 하기 위해 외장 캔/케이싱(102), 모선(104), 하우징(106) 및 상부 덮개(120)의 모서리는 이들 각각의 모서리가 대체로 둥글다는 것이다. 더 주목할 것은, 하우징(106) 내에 배치된 젤리 롤(110)이 외장 캔(102)과 상부 커버(120) 내의 헤드스페이스를 대체로 공유하는 멀티 코어 어셈블리를 한정하지만, 서로 병렬적(side-to-side)으로 연통하지는 않는다는 것이다. 따라서, 젤리 롤(110) 중 임의의 하나 이상의 작동과 관련된 어떠한 압력 및/또는 온도의 상승도 공유 헤드스페이스에 걸쳐 확산될 것이고 이하 본원에 기술된 안전 장치에 의해 필요에 따라 해결될 것이다. 그러나, 하우징(106)에 의해 한정된 실질적으로 원통형인 영역이 병렬적 관점에서 젤리 롤(110)을 서로로부터 격리시키기 때문에 제1 젤리 롤(110)과 관련된 전해질은 인접한 젤리 롤(110)과 연통하지 않는다. 슬리브(108)는 인접한 젤리 롤(110) 사이에서와 같이 병렬적인 전해질 격리에 또한 기여한다.
도 5, 도 5a, 도 6, 도 6a, 도 7, 도 7a, 도 8 및 도 8a(총괄하여 도 5 내지 도 8)를 참조하면, 리튬 이온 배터리(100)와 관련된 예시적 안전 장치는 배기 어셈블리(200) 및 압력 차단 장치(PDD) 어셈블리(300)를 포함한다. 도 5 내지 도 8의 예시적 배터리(100)에 따르면, 배기 어셈블리(200)와 PDD 어셈블리(300)의 작동 구성요소는 외장 캔(102)의 상부 벽(126)을 따라 장착/배치된다. 그러나, 본 발명을 기초로 당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명의 사상/범위에서 벗어나지 않고, 배기 어셈블리(200) 및/또는 PDD 어셈블리(300) 중 하나 또는 모두의 대안적인 (전체적 또는 부분적) 배치가 효과적일 수 있다.
배기 어셈블리(200)를 먼저 참조하면, 외장 캔 또는 케이싱(102)의 상부 벽(126)이 개구(128)를 한정한다는 것이 주목된다. 개구(128)를 가로질러 역화 방지기(202) 및 배기 디스크(204)가 장착된다. 배기 어댑터 링(206)에 의해 역화 방지기(202) 및 배기 디스크(204)의 영역에서 밀봉이 유지된다. 배기 어댑터 링(206)을 상부 벽(126)에 고정하기 위해 다양한 장착 메커니즘, 예를 들어 용접, 접착제, 기계적 장착 구조 등(이들의 조합을 포함)이 사용될 수 있다. 주목할 것은, 배기 디스크(204)는 상부 벽(126)에 대해 반드시 밀봉식으로 결합되고, 당업계에 알려진 바와 같이, 예를 들어 새김선(들) 및/또는 상부 벽(126)에 비해 감소된 두께에 의해 본래의 환경에서(in situ) 형성될 수 있다는 것이다.
전술한 바와 같이, 개별 젤리 롤(또는 다수의 젤리 롤)이 파손되는 경우, 많은 양의 가스가 발생될 수 있고(약 10 리터), 이 가스는 고온(약 250~300℃)일 뿐만 아니라 가연성이다. 이 가스는 배기가 일어난 후 멀티 젤리 롤 외장의 외부에서 발화할 가능성이 있다. 화염면이 케이싱에 들어가는 것을 방지하기 위해, 메쉬가 제공되어 화염 방지기(202)로서 기능할 수 있고, 유리하게는 배기 영역, 즉 개구(128) 상에 위치되거나 배치될 수 있다. 이러한 메쉬는 배출 가스 스트림의 온도를 자동 발화 온도 미만으로 감소시키는 기능을 한다. 메쉬는 열교환기 역할을 하므로, 표면적이 클수록 그리고 개구가 작을수록 더 많은 열이 제거되지만, 메쉬의 개구 면적이 감소하면 배기 중에 메쉬에 가해지는 힘이 증가한다.
배터리(100)의 전기적 측면을 살펴보면, 도 5 및 도 6의 분해도에는 개시된 리튬 이온 배터리용 애노드로서 기능하고, 외장 캔 또는 케이싱(102)의 상부 벽(126)에 형성된 다른 개구(130)를 통해 상향 연장되도록 구성되고 치수화된 직립 구리 단자(115)가 도시되어 있다. 직립 단자(115)는 케이싱(102) 내부의 구리 모선(114) 및 모선 커넥터(117)와 전기적으로 연통되며, 외장 캔/케이싱(102)의 위쪽 외부로 노출되도록 모선 커넥터 절연체(119)를 통해 연장된다. 직립 구리 단자(115)의 상단은, 외장 캔/케이싱(102)의 상부 벽(126)을 따라 장착된 실질적으로 직사각형인 비전도성(예를 들어, 폴리머) 구조를 한정할 수 있는 퓨즈 홀더(302) 내에 배치된다. 직립 단자(115)는 퓨즈(304)를 통해 단자 접촉면(121)과 전기적으로 연통된다.
퓨즈(304)는 퓨즈 홀더(302) 내에, 그리고 직립 구리 단자(115) 및 단자 접촉면(121)과 전기적으로 연통된 외장 캔/케이싱(102)의 외부에 배치된다. 퓨즈 홀더(302) 및 직립 단자(115)에 대해 퓨즈(304)를 고정하기 위해 단자 나사(306)가 제공될 수 있고, 퓨즈 구성요소들은 퓨즈 커버(308)에 의해 퓨즈 홀더(302) 내에서 전기적으로 절연될 수 있다.
실질적으로 U자형인 단자(310)는 외장 캔/케이싱(102)의 상부 벽(126)에 장착되어 전기적으로 접촉되는 이격된 플랜지 표면(311)을 한정한다. 케이싱(102) 내부에 있는 알루미늄 모선(104)은 외장 캔/케이싱(102)과 전기적으로 연통됨으로써 단자(310)와 전기적으로 연통된다. 당업자라면 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 단자(310)는 다양한 기하학적 형태를 가질 수 있다. 단자(310)는 일반적으로 알루미늄으로 제작되고, 개시된 리튬 이온 배터리용 캐소드로서 기능한다.
따라서, 애노드 단자 접촉면(121) 및 캐소드 단자(310)는 케이싱(102)의 상부 벽(126)에 병렬적(side-by-side) 관계로 배치되고 전기적 연결이 가능하므로, 배터리(100)로부터 원하는 용도(들)에 에너지를 공급하도록 할 수 있다.
예시적 PDD 어셈블리(300)를 참조하면, 외장 캔/케이싱(102)의 상부 벽(126)에 한정된 다른 개구(132)에 대해 전도성 돔(312)이 배치된다. 돔(312)은 처음에 외장 캔/케이싱(102)에 대해 내측으로 휘어져 있고, 이에 따라 돔의 외향/상향 휨에 의해 외장 캔 내의 압력 증가에 응답하도록 배치된다. 돔(312)은 일반적으로 상부 벽(126)에 대해 용접되어 있는 돔 어댑터 링(314)에 의해 상부 벽(126)에 대해 장착될 수 있다. 예시적 구현예에서 제조의 용이성을 위해, 돔 어댑터 링(314)은 돔(312) 둘레에 미리 용접될 수 있고, 이에 따라 돔 어댑터 링(314)에 의해 제공되는 증가된 표면적으로 인해 상부 벽(126)에 대한 돔(312)의 장착과 관련된 용접 작업을 용이하게 할 수 있다.
도 5 내지 도 8에 도시된 예시적 구현예에서, 비전도성(즉, 절연성) 해머 홀더(315)가 돔(312)의 상면과 결합하여 배치됨으로써, 후술하는 바와 같이, 돔(312)을 단자 접촉면(121)의 하측으로부터 전기적으로 절연시킨다.
그러나, 본원에 기술된 바와 같이, 본 발명의 대안적 구현예에서 비전도성 해머 홀더(315) 및 브레이드 어셈블리가 제거될 수 있음이 고려된다. 브레이드가 없는 예시적 구현예에서, (외장 캔/케이싱(102) 내 증가된 압력에 기초한) 돔(312)의 상향/외향 휨은 돔(312)을 단자 접촉면(121)의 하측에 직접 접촉시킬 수 있다. 이러한 접근법을 선택함에 있어, 돔(312)을 통해 흐르는 전류가 돔(312)의 구조적 완전성에 부정적 영향을 미치지 않도록 주의를 기울여야 한다. 이와 관련하여, 도 5 내지 도 8의 구현예를 참조하여 기술된 해머 홀더/브레이드 어셈블리 구현예는 단자 접촉면(121)과의 직접적 접촉으로부터 돔을 전기적으로 절연시킴으로써 돔의 잠재적인 구조적 손상 및/또는 파손을 방지 및/또는 최소화하기 위한 예시적 접근법을 제공한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 해머 홀더(315)는 전도성 브레이드(317)에 한정된 개구를 통과하여 브레이드(317)의 타측에 배치된 차단 해머(320)에 대한 연결을 끊도록 구성되고 치수화된 상향 연장을 포함한다. 이러한 방식으로, 해머 홀더(315) 및 차단 해머(320)는 브레이드(317)에 대해 고정되고 그와 함께 움직인다. 브레이드(317)는 브레이드 클램프(318)에 의해 브레이드 베이스(316)에 대해 장착되고, 이 서브어셈블리는, 예를 들어 용접에 의해, 외장 캔/케이싱(102)의 상부 벽(126)에 대해 고정된다. 주목할 것은, 전도성 브레이드(317)는 외장 캔/케이싱(102)에 대한 돔(312), 해머 홀더(315) 및 차단 해머(320)의 상향 이동을 수용하도록 연장 가능하다는 것이다.
사용시 그리고 외장 캔/케이싱(102) 및 상부 커버(120)에 의해 한정된 어셈블리 내 압력 상승에 응답하여, 돔(312)은 외장 캔/케이싱(102)의 상부 벽(126)에 대해 위로 휘어질 것이다. 충분히 위로 휘어지면(즉, 임계 레벨에 도달한 배터리(100)와 관련된 내부 압력에 기초한 휨), 차단 해머(320)는 퓨즈 홀더(302) 내 퓨즈(304)와 전기적으로 연통된 단자 접촉면(121)의 하측과 접촉된다. 차단 해머(320)의 상향 이동은 브레이드(317)의 "연신"으로 인해 허용된다. (전도성인) 차단 해머(320)와의 접촉은 브레이드(317), 해머 헤드(320), 단자 접촉면(121), 퓨즈(302), 및 직립 단자(115)를 통해 커버(126)로부터 이어지는 회로를 완성한다. 이 회로의 완성은 퓨즈(302)의 "단선"을 야기함으로써, 외장 캔(102) 및 상부 커버(120)에 의해 한정되는 어셈블리 내에 배치된 멀티 코어 구성요소로부터 회로를 차단할 것이다. 전류는 외장 캔(102)을 통해 바이패스된다. 주목할 것은, (휨 돔(312)을 제외한) PDD 어셈블리(300)의 모든 작동 구성요소는 유리하게 외장 캔(102) 및 상부 커버(120)의 외부에 배치된다는 것이다.
도 9를 참조하면, 다른 예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리(400)의 분해도가 제공된다. 이 예시적 리튬 이온 배터리의 조립도는 도 9a에 제공된다. 도 5 내지 도 8의 구현예를 참조하여 처음에 기술한 바와 같이, 도 9는 배기 어셈블리(200) 및 PDD 어셈블리(300)에 대한 대안적 위치를 제공한다. 보다 구체적으로, 도 9의 구현예에서, 배기 어셈블리(200) 및 PDD 어셈블리(300)는 배터리(400)의 상부 커버(404)에 배치된다. 배터리(400)는 다음과 같은 구성요소를 수용하기 위한 내부 영역을 한정하는 외장 캔(402)을 포함한다:
Figure pct00014
복수(24개)의 개구(예를 들어, 원형 개구)를 한정하는 알루미늄 모선(104);
Figure pct00015
젤리 롤/젤리 롤 슬리브 서브어셈블리를 수용하고 병렬적 관점에서 젤리 롤을 서로에 대해 격리시키도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 이격된 실질적으로 원통형인 영역을 한정하는 하우징 또는 지지 구조(106);
Figure pct00016
하우징(106)에 의해 한정된 원통형 영역 내에 배치되고 해당 젤리 롤(즉, 전기화학 유닛)을 수용하도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 젤리 롤 슬리브(108)(젤리 롤 슬리브(108)는 다양한 재료, 예를 들어 폴리머 또는 금속으로 제작될 수 있고, 폴리머 및 금속 포일 적층 포일 파우치의 형태를 가질 수 있고, 개별 젤리 롤/전기화학 유닛과 관련된 전해질을 잠재적 측면 유동을 통해 인접 공동과의 연통으로부터 더 격리시키는 역할을 함);
Figure pct00017
젤리 롤 하우징(108) 내에 배치되도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 젤리 롤/전기화학 유닛(110);
Figure pct00018
모선(104)과 젤리 롤(110) 사이에 배치된 복수(24개)의 실질적으로 원형인 젤리 롤 배면 시트(미도시);
Figure pct00019
하우징(106) 내에 배치된 젤리 롤(110)을 덮도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 젤리 롤 커버(112);
Figure pct00020
각각의 젤리 롤(110)과 전기적으로 연통하도록 하는 실질적으로 U자형인 형상을 한정하는 구리 모선(410);
Figure pct00021
배터리 어셈블리의 상부 커버에 대해 모선(410)을 절연시키도록 모선(410)의 형상에 대체로 대응하는 형상을 한정하는 모선 절연체(412);
Figure pct00022
모선 절연체(412)와 상부 커버 사이에 배치되어 잠재적 진동을 흡수하고 이들 사이의 상대 이동을 최소화하는 복수(6개)의 방진 매트(118);
Figure pct00023
외장 캔(402)와 함께 상기 구성요소들을 내부에 넣고 배기 어셈블리(200) 및 PDD 어셈블리(300)를 지지/수용하도록 구성되고 치수화된 실질적으로 직사각형인 상부 커버 또는 덮개(404);
Figure pct00024
상부 커버(404)에 형성된 개구를 막아 젤리 롤에 전해액을 용이하게 주입하도록 상부 커버(404)의 외면에 배치된 복수(24개)의 스틸 볼(122); 및
Figure pct00025
외장 캔(402)과 하우징(106)의 외벽(들) 사이에 배치되어 진동을 더 약화시키고 이들 사이의 움직임을 방지하는 하나 이상의 방진 매트(124).
주목할 것은, 크기를 최소화하고 제조/조립을 용이하게 하기 위해 외장 캔(402), 모선(104), 하우징(106) 및 상부 덮개(404)의 모서리는 이들 각각의 모서리가 대체로 둥글다는 것이다. 더 주목할 것은, 하우징(106) 내에 배치된 젤리 롤(110)이 외장 캔(402)과 상부 커버(404) 내의 헤드스페이스/대기 영역을 대체로 공유하는 멀티 코어 어셈블리를 한정하지만, 병렬적 관점에서 서로로부터 격리되어 있다는 것이다. 따라서, 젤리 롤(110) 중 임의의 하나 이상의 작동과 관련된 어떠한 압력 및/또는 온도의 상승도 공유 헤드스페이스/대기 영역에 걸쳐 확산될 것이고 이하 본원에 기술된 안전 장치에 의해 필요에 따라 해결될 것이다.
도 9를 더 참조하면, 개시된 리튬 이온 배터리(400)와 관련된 안전 장치는 배기 어셈블리(200) 및 압력 차단 장치(PDD) 어셈블리(300)를 포함한다. 도 9의 예시적 배터리(400)에 따르면, 배기 어셈블리(200)와 PDD 어셈블리(300)의 작동 구성요소는 상부 커버(404)의 표면(416)에 또는 그에 대해 장착/배치된다.
배기 어셈블리(200)를 참조하면, 상부 커버(404)의 표면(416)이 개구(418)를 한정한다는 것이 주목된다. 개구(418)에 대해, 즉 이러한 개구를 가로질러 역화 방지기(202) 및 배기 디스크(204)가 장착된다. 역화 방지기(202) 및 배기 디스크(204)는 배기 어댑터 링(206)에 의해 상부 커버(404)의 표면(416)에 대해 장착된다. 배기 어댑터 링(206)을 표면(416)에 고정하기 위해 다양한 장착 메커니즘, 예를 들어 용접, 접착제, 기계적 장착 구조 등(이들의 조합을 포함)이 사용될 수 있다. 주목할 것은, 배기 디스크(204)는 표면(416)에 대해 반드시 밀봉식으로 결합되고, 당업계에 알려진 바와 같이, 예를 들어 새김선(들) 및/또는 표면(416)에 비해 감소된 두께에 의해 본래의 환경에서 형성될 수 있다는 것이다.
전술한 바와 같이, 개별 젤리롤이 파손되는 경우, 많은 양의 가스가 발생될 수 있고(약 10 리터), 이 가스는 고온(약 250~300℃)일 뿐만 아니라 가연성이다. 이 가스는 배기가 일어난 후 멀티 젤리롤 외장의 외부에서 발화할 가능성이 있다. 화염면이 외장 캔(402) 및 상부 커버(404)에 의해 한정된 내부 용적으로 들어가는 것을 방지하기 위해, 메쉬가 제공되어 화염 방지기(202)로서 기능할 수 있고, 유리하게는 배기 영역, 즉 개구(418) 상에 위치/배치될 수 있다. 이러한 메쉬는 유리하게는 배출 가스 스트림의 온도를 자동 발화 온도 미만으로 감소시키는 기능을 한다. 메쉬는 열교환기 역할을 하므로, 표면적이 클수록/개구가 작을수록 더 많은 열이 제거되지만, 메쉬의 개구 면적이 감소하면 배기 중에 메쉬에 가해지는 힘이 증가한다.
PDD 어셈블리(300)를 참조하면, 도 9의 분해도에는 리튬 이온 배터리(400)용 애노드로서 기능하고, 상부 커버(404)의 표면(416)에 형성된 다른 개구(420)를 통해 상향 연장되도록 구성되고 치수화된 직립 구리 단자(115)가 도시되어 있다. 직립 단자(115)는 외장 캔(402) 및 상부 커버(404)에 의해 한정되는 내부 용적 내에 배치된 구리 모선(410)과 전기적으로 연통되며, 상부 커버(404)의 위쪽으로 노출되도록 모선 절연체(412) 및 밀봉 링(422)을 통해 연장된다. 직립 구리 단자(115)의 상단은, 상부 커버(404)의 표면(416)에 장착된 반원형이고 정사각형인 비전도성(예를 들어, 폴리머) 구조를 한정할 수 있는 퓨즈 홀더(406) 내에 배치된다.
직립 단자(115)는 퓨즈(304) 및 단자 접촉면(305)을 포함하거나 한정하는 전도성 요소(313)와 전기적으로 연통된다. 전도성 요소(313)는 퓨즈 홀더(406) 내에 배치되고, 상부 커버(404)의 외부에 장착된다. 해머 헤드 나사(428)는 퓨즈 홀더(406)에 대해 전도성 요소(313)를 고정하고, 도 9a에 도시된 바와 같이, 전도성 요소(313)와 함께 실질적으로 직사각형인 단자 접촉면을 한정한다. 노출된 단자 접촉면(305) 외에, 전도성 요소(313)의 전도성 부분은 퓨즈 커버(308)에 의해 퓨즈 홀더(406) 내에서 전기적으로 절연될 수 있다. 전도성 요소(313)는 퓨즈 홀더(406)의 노출면 상의 공동 안에 놓인 퓨즈 홀더 홀드 다운 링(426) 위에 놓인다.
PDD 어셈블리(300)를 더 참조하면, 상부 커버(404)의 표면(416)에 한정된 다른 개구(414)에 전도성 돔(312)이 배치되고, 예를 들어 돔(312)의 주연을 상부 커버(404)에 용접함으로써, 그 개구에 대해 장착된다. 돔(312)은 처음에 상부 커버(404)에 대해 내측으로 휘어져 있고, 이에 따라 돔의 외향 휨에 의해 외장 캔(402) 및 상부 커버(404)에 의해 한정된 케이싱 내의 압력 증가에 응답하도록 배치된다. 돔(312)은 외장 캔(402) 및 상부 커버(404)에 의해 한정된 어셈블리 내 압력 상승, 즉 임계 압력 레벨을 넘는 압력 상승에 기초하여 전도성 요소(313) 및/또는 해머 헤드(428)의 하측과 직접 접촉된다.
사용시 그리고 외장 캔(402) 및 상부 커버(404)에 의해 한정된 어셈블리 내 압력 상승에 응답하여, 돔(312)은 상부 커버(404)의 표면(416)에 의해 한정된 평면에 대해 위로 휘어질 것이다. 충분히 위로 휘어지면(즉, 임계 레벨에 도달한 배터리(400)와 관련된 내부 압력에 기초한 휨), 돔(312)은 전도성 요소(313) 및/또는 해머 헤드(428)의 하측과 직접 접촉된다. (전도성인) 전도성 요소/차단 해머(428)와의 접촉은 돔(312), 해머 헤드(428), 전도성 요소(313), 퓨즈(304), 및 직립 단자(115)를 통해 상부 커버(404)로부터 이어지는 회로를 완성한다. 이 회로의 완성은 퓨즈(304)의 "단선"을 야기함으로써, 외장 캔(402) 및 상부 커버(404)에 의해 한정되는 어셈블리 내에 배치된 멀티 코어 구성요소로부터 회로를 차단할 것이다. 전류는 외장 캔(402) 및 상부 커버(404)에 의해 한정된 케이싱을 통해 바이패스된다. 주목할 것은, 돔(312) 이외의 PDD 어셈블리(300)의 모든 작동 구성요소가 유리하게는 외장 캔(402)/상부 커버(404)의 외부에 배치되고, 돔(312)이 유리하게는 상부 커버(404)에서 한정된 개구(418)에 대해 장착된다는 것이다.
장착 플랜지(311)가 있는 실질적으로 U자형인 단자(310)가 표면(416)에 대해 상부 커버(404)의 반대 모서리 영역에 장착된다. 단자(310)는 일반적으로 알루미늄으로 제작되고, 배터리(400)용 캐소드로서 기능한다. 당업자라면 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 단자(310)는 다양한 기하학적 형태를 가질 수 있다.
배터리(400)의 멀티 코어 설계 및 어셈블리는 그 외장 캔(402) 및 상부 커버(404)에 대한 배기 어셈블리(200) 및 PDD 어셈블리(300) 배치의 유연성을 허용한다. 따라서, 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 배기 어셈블리 및 PDD 어셈블리가 모두 외장 캔(102)의 상부 벽에 대해 장착된 배터리 설계가 제공되는 반면, 도 9에서는, 결과적으로 외장 캔(402)에 대해 장착되는 상부 커버(404)에 대해 배기 어셈블리 및 PDD 어셈블리가 모두 장착된 배터리 설계가 제공된다. 전기화학 유닛/젤리 롤이 개별적으로 밀봉되는 대신 개방/비-밀봉되고 공유 헤드 스페이스/대기 영역과 연통된 개시된 리튬 이온 배터리의 멀티 코어 설계에 의해 적어도 부분적으로 배치의 유연성이 허용된다. 따라서, 케이싱의 전체 내부 용적은 내부에 배치된 전기화학 유닛/젤리 롤 중 어느 하나의 파손으로 인해 발생할 수 있는 내부 압력의 증가를 경험하며, 배기 어셈블리/PDD 어셈블리는 배기 어셈블리/PDD 어셈블리가 내부 공유 대기의 압력 증가를 감지하고 이에 응답할 수만 있다면 임의의 편리한 위치에 위치할 수 있다. 또한, 도 11 및 도 11a를 참조하여 아래 예시된 바와 같이, 배기 어셈블리 및 PDD 어셈블리가 케이싱의 동일한 표면에 배치될 필요는 없다.
도 10을 참조하면, 도 9 및 도 9a를 참조하여 기술된 배터리 어셈블리(400)와 실질적으로 유사한 다른 예시적 배터리 어셈블리(500)가 제공된다. 그러나, 배기 어셈블리(600)는 이전 예시적 구현예를 참조하여 기술된 배기 어셈블리(200)와 다르다.
대안적 배기 어셈블리(600)를 가진 이 예시적 리튬 이온 배터리의 조립도는 도 10a에 제공된다. 배기 어셈블리(600)는 개구(602)의 축에 그리고 상부 커버(404)의 표면(416) 아래에 장착된다. 도 5, 도 6 및 도 9에 도시된 배기 어댑터 링(206)은 제거되었고, 역화 방지기(202) 및 배기 디스크(204)는 다른 설치 방법, 예를 들어 용접, 접착제, 기계적 장착 구조 등(이들의 조합을 포함)을 통해 상부 커버(404)의 표면(416) 아래에 부착된다. 주목할 것은, 배기 디스크(204)는 표면(416)에 대해 반드시 밀봉식으로 결합되고, 당업계에 알려진 바와 같이, 예를 들어 새김 선(들) 및/또는 표면(416)에 비해 감소된 두께에 의해 본래의 환경에서 형성될 수 있다는 것이다. 배기 어셈블리(600)의 기능은 전술한 배기 어셈블리(200)의 기능과 다르지 않다.
도 11 및 도 11a를 참조하면, 본 발명에 따른 다른 예시적 배터리(700)가 개략적으로 도시되어 있다. 배터리(700)는 다음과 같은 구성요소를 수용하기 위한 내부 영역을 한정하는 외장 캔 또는 케이싱(702)을 포함한다:
Figure pct00026
복수(24개)의 개구(예를 들어, 원형 개구)를 한정하는 알루미늄 모선(704);
Figure pct00027
젤리 롤/젤리 롤 슬리브 서브어셈블리를 수용하도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 이격된 실질적으로 원통형인 영역 또는 공동을 한정하는 하우징 또는 지지 구조(706);
Figure pct00028
하우징(706)에 의해 한정된 원통형 영역 내에 배치되고 해당 젤리 롤을 수용하도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 젤리 롤 슬리브(708)(젤리 롤 슬리브(708)는 다양한 재료, 예를 들어 폴리머 또는 금속으로 제작될 수 있고, 폴리머 및 금속 포일 적층 포일 파우치의 형태를 가질 수 있음);
Figure pct00029
젤리 롤 하우징(708) 내에 배치되도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 젤리 롤(710), 즉 전기화학 유닛;
Figure pct00030
하우징(706)에 의해 한정된 공동 내에 배치된 젤리 롤(710)을 덮도록 구성되고 치수화된 복수(24개)의 젤리 롤 커버(712);
Figure pct00031
각각의 젤리 롤(710)과 전기적으로 연통하도록 하는 실질적으로 H자형인 형상을 한정하는 구리 모선(714);
Figure pct00032
배터리 어셈블리의 상부 커버에 대해 모선(714)을 절연시키도록 모선(714)의 형상에 대체로 대응하는 형상을 한정하는 모선 절연체(716);
Figure pct00033
구리 모선(714)의 위와 아래에서 추가 내열성 절연을 제공하는 절연 테이프(713 및 715), 예를 들어 폴리이미드 테이프;
Figure pct00034
외장 캔(702)과 함께 상기 구성요소들을 내부에 넣도록 구성되고 치수화된 실질적으로 직사각형인 상부 커버(720);
Figure pct00035
하우징(706)으로부터 연장되고, 상부 커버(720)와 함께 그 사이의 지지/보강을 제공하는 복수(3개)의 지지체 또는 기둥(711)(지지체(711)는 다양한 방식, 예를 들어 스레딩 결합, 용접 고정, 대응하는 구멍에 대한 단순한 끼워 맞춤 등으로 상부 커버(720)에 대해 고정될 수 있고; 상부 커버(720)에 대한 연결점들 중 하나(723)가 이점쇄선으로 도시되어 있음);
Figure pct00036
상부 커버(120)에 형성된 개구를 막아 젤리 롤에 전해액을 용이하게 주입하도록 상부 커버(720)의 외면에 배치된 복수(24개)의 스틸 볼(722);
Figure pct00037
외장 캔(702)과 하우징(706)의 외벽(들) 사이에 배치되어 진동을 더 약화시키고 이들 사이의 움직임을 방지하는 하나 이상의 방진 매트(724).
크기를 최소화하고 제조/조립을 용이하게 하기 위해 외장 캔/케이싱(702), 모선(704), 하우징(706) 및 상부 덮개(720)의 모서리는 이들 각각의 모서리가 대체로 둥글다. 하우징(706) 내에 배치된 젤리 롤(710)은 외장 캔(702)과 상부 커버(720) 내의 헤드스페이스를 대체로 공유하는 멀티 코어 어셈블리를 한정하지만, 서로 병렬적으로 연통하지는 않는다. 따라서, 젤리 롤(710) 중 임의의 하나 이상의 작동과 관련된 어떠한 압력 및/또는 온도의 상승도 공유 헤드스페이스에 걸쳐 확산될 것이고 이하 본원에 기술된 안전 장치에 의해 필요에 따라 해결될 것이다. 그러나, 하우징(706)에 의해 한정된 실질적으로 원통형인 영역이 병렬적 관점에서 젤리 롤(710)을 서로로부터 격리시키기 때문에 제1 젤리 롤(710)과 관련된 전해질은 인접한 젤리 롤(710)과 연통하지 않는다. 슬리브(708)는 인접한 젤리 롤(710) 사이에서와 같이 병렬적인 전해질 격리에 또한 기여한다.
개시된 리튬 이온 배터리(700)와 관련된 예시적 안전 장치는 배기 어셈블리(800) 및 압력 차단 장치(PDD) 어셈블리(900)를 포함한다. 도 5 내지 도 10을 참조하여 기술된 예시적 배터리 설계와 달리, 배기 어셈블리(800) 및 PDD 어셈블리(900)의 작동 구성요소는 배터리 케이싱의 동일한 외부 표면에 대해, 예를 들어 (도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이) 배터리의 외장 캔(102)의 상부 벽(126) 또는 (도 10에 도시된 바와 같이) 배터리의 상부 커버(404)에 장착/배치되지 않는 대신 배터리 케이싱의 다른 외부 표면에 배치된다.
배기 어셈블리(800)를 먼저 참조하면, 상부 커버(720)는 개구(728)를 한정한다. 개구(728)를 가로질러 역화 방지기(802) 및 배기 디스크(804)가 장착된다. 역화 방지기(802) 및 배기 디스크(804)의 영역에서, 예를 들어 배기 어댑터 링(미도시)에 의해, 밀봉이 유지된다. 배기 어셈블리(800)와 관련된 구조를 상부 커버(720)에 대해 고정하기 위해 다양한 장착 메커니즘, 예를 들어 용접, 접착제, 기계적 장착 구조 등(이들의 조합을 포함)이 사용될 수 있다. 주목할 것은, 배기 디스크(804)는 상부 커버(720)에 대해 반드시 밀봉식으로 결합되고, 당업계에 알려진 바와 같이, 예를 들어 새김선(들) 및/또는 상부 커버(720)에 비해 감소된 두께에 의해 본래의 환경에서 형성될 수 있다는 것이다.
개별 젤리 롤(또는 다수의 젤리 롤)이 파손되는 경우, 많은 양의 가스가 발생될 수 있고(약 10 리터), 이 가스는 고온(약 250~300℃)일 뿐만 아니라 가연성이다. 이 가스는 배기가 일어난 후 멀티 젤리 롤 외장의 외부에서 발화할 가능성이 있다. 화염면이 케이싱에 들어가는 것을 방지하기 위해, 메쉬가 제공되어 화염 방지기(802)로서 기능할 수 있고, 유리하게는 배기 영역, 즉 개구(728) 상에 위치되거나 배치될 수 있다. 이러한 메쉬는 배출 가스 스트림의 온도를 자동 발화 온도 미만으로 감소시키는 기능을 한다. 메쉬는 열교환기 역할을 하므로, 표면적이 클수록 그리고 개구가 작을수록 더 많은 열이 제거되지만, 메쉬의 개구 면적이 감소하면 배기 중에 메쉬에 가해지는 힘이 증가한다.
개시된 리튬 이온 배터리용 애노드로서 기능하는 직립 구리 단자(725)가, 외장 캔 또는 케이싱(702)의 상부 벽(726)에 형성된 개구(730)를 통해 상향 연장되도록 구성되고 치수화되어 있다. 직립 단자(725)는 케이싱(702) 내부의 구리 모선(714) 및 모선 커넥터(717)와 전기적으로 연통되며, 외장 캔/케이싱(702)의 위쪽 외부로 노출되도록 모선 커넥터 절연체(719)를 통해 연장된다. 직립 구리 단자(725)의 상단은, 외장 캔/케이싱(702)의 상부 벽(726)을 따라 장착된 실질적으로 직사각형인 비전도성(예를 들어, 폴리머) 구조를 한정할 수 있는 퓨즈 홀더(902) 내에 배치된다. 직립 단자(725)는 퓨즈(904)를 통해 단자 접촉면(721)과 전기적으로 연통된다.
퓨즈(904)는 퓨즈 홀더(902) 내에, 그리고 직립 구리 단자(725) 및 단자 접촉면(721)과 전기적으로 연통된 외장 캔/케이싱(702)의 외부에 배치된다. 퓨즈 구성요소들은 퓨즈 커버(908)에 의해 퓨즈 홀더(902) 내에서 전기적으로 절연될 수 있다.
실질적으로 U자형인 단자(910)는 외장 캔/케이싱(702)의 상부 벽(726)에 장착되어 전기적으로 접촉되는 이격된 플랜지 표면(911)을 한정한다. 예시적 구현예에서, 단자(910)는 단자(910)의 배치를 용이하게 하는 퓨즈 홀더(902)의 연장부(903) 위에 배치된다. 연장부(903)에 형성된 구멍 내에 종래의 O-링(905)이 수용되어 상단 벽(726)에 대한 퓨즈 홀더(902)의 잠재적 진동/이동을 약화시킬 수 있다. O-링(905)은 상부 벽(726)과 결합하고 퓨즈 홀더(902)와 상부 벽(726) 사이의 관계를 안정화하도록 연장부(903)에 형성된 구멍(907)에 수용될 수 있다.
케이싱(702) 내부에 있는 알루미늄 모선(704)은 외장 캔/케이싱(702)과 전기적으로 연통됨으로써 단자(910)와 전기적으로 연통된다. 당업자라면 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 단자(910)는 다양한 기하학적 형태를 가질 수 있다. 단자(910)는 일반적으로 알루미늄으로 제작되고, 개시된 리튬 이온 배터리(700)용 캐소드로서 기능한다. 따라서, 애노드 단자 접촉면(721) 및 캐소드 단자(910)는 케이싱(702)의 상부 벽(726)에 병렬적 관계로 배치되고 전기적 연결이 가능하므로, 배터리(700)로부터 원하는 용도(들)에 에너지를 공급하도록 할 수 있다.
예시적 PDD 어셈블리(900)를 참조하면, 외장 캔/케이싱(702)의 상부 벽(726)에 한정된 제2 개구(732)에 대해 전도성 돔(912)이 배치된다. 돔(912)은 그 중앙에 증가된 단면 두께의 영역을 한정한다. 따라서, 예시적 구현예에서, 돔(912)의 중앙 영역에, 예를 들어 용접 또는 다른 부착 방법에 의해, 전도성 필름 디스크(913)가 적용됨으로써 이러한 중앙 영역에서 돔(912)의 단면 치수를 증가시킨다.
돔(912)은 처음에 외장 캔/케이싱(702)에 대해 내측으로 휘어져 있고, 이에 따라 돔의 외향/상향 휨에 의해 외장 캔 내의 압력 증가에 응답하도록 배치된다. 돔(912)은 돔 어댑터 링에 의해 상부 벽(726)에 대해 장착될 수 있는데, 돔 어댑터 링은 일반적으로 돔(912)의 둘레에 용접된 후 상부 벽(726)에 대해 추가로 용접되어 돔(912)의 둘레를 상부 벽(726)에 대해 고정시킨다. 퓨즈 홀더(902)와 돔(912) 사이의 계면 영역에서의 향상된 밀봉을 제공하기 위해 밀봉 O-링(915)이 포함될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하여, 예시적인 구체적으로는 돔(912) 및 해머 헤드(928)를 비롯한, PDD(900)의 추가 특징 및 기능이 본 발명에 따라 기술된다. 해머 헤드(928)는 환상 플랜지 또는 헤드 영역(930) 및 이로부터 연장된 나사형 생크(shank)(932)를 한정한다. 나사형 생크(932)는 퓨즈 홀더(902)에 한정된 구멍(934)에 형성된 해당 나사와 결합하도록 구성된다. 헤드 영역(930)은 단자 접촉면(721)과 함께 실질적으로 같은 높이의 상면을 한정한다. 툴과의 상호작용을 용이하게 하기 위해 헤드 영역(930) 상에 드라이브 특징부(936), 예를 들어 스크루 드라이버 등이 한정되어 해머 헤드(928)를 구멍(932)에 대해 나사식으로 결합시킨다. 일단 제자리에 나사 결합되면, 해머 헤드(928)는 돔(912)에 대해 원하는 위치에 단단히 고정됨으로써, 배터리 케이싱 내 압력 조건이 돔(912)을 활성화시킬 때 돔(912)과 해머 헤드(928) 사이의 신뢰성 있는 정확한 전기적 접촉을 보장한다.
도 12a 내지 도 12c에 도시된 조립된 상태에서, 해머 헤드(928)의 선단면(938)은 유리하게는 퓨즈 홀더(902)의 하측 너머로 연장된다. 해머 헤드(928)의 중심축(도 12b에서 파선 "X"로 도시됨)은 실질적으로 원형 돔(912)의 중심과 정렬된다. 도 12a의 초기 위치에서, 돔(912)은 해머 헤드(928)의 선단면(938)으로부터 멀리 휘어져 있다. 이러한 상대적 방향은 캔(702) 및 상부 커버(720)에 의해 제한된 용적 내의 압력이 정상 작동 범위 내인, 즉 돔(912)의 휨 응답이 개시되도록 상승된 레벨이 아닌 상태를 반영한다. 본 발명에 따른 리튬 이온 배터리의 정상 작동 조건과 관련된 압력은 배터리의 전력/에너지 용량, 케이싱 내에 배치된 젤리 롤/전기화학 유닛의 수, 공유 대기 영역의 용적, 전해질의 조성(구체적으로 탈기제의 유형 및 수준을 포함)을 비롯해 많은 요인에 따라 달라질 것이다.
배터리 용량이 30 암페어-시간 이상인 본 발명의 일반적인 리튬 이온 배터리 구현예에서, 정상 상태에서의 작동 압력은 0 내지 5 psig이다. 따라서, 더 낮은 압력 범위, 예를 들어 10 psig 내지 30 psig 범위의 압력이 본 발명의 예시적 구현예에서 허용 가능한 압력 작동 범위로 간주될 수 있지만, 10 psig 내지 70 psig의 작동 압력이 PDD 활성화에 대한 허용 가능한 것으로 간주될 수 있다. 본 발명의 PDD는 배터리의 케이싱 내 선택된 압력(또는 제한된 압력 범위), 예를 들어 20 psig ± 0.1 psig 등에서 응답하도록 설계된다. 주목할 것은, 배터리 케이싱 내 온도가 허용 가능한 수준을 초과하지 않음(예를 들어 110℃ 내지 120℃를 초과하지 않는 내부 온도)을 보장하기 위해 적어도 부분적으로 PDD 활성화 압력이 선택될 수 있다는 것이다. 내부 온도가 약 110℃ 내지 120℃를 초과하도록 허용되는 경우, (예를 들어, 세퍼레이터 수축 또는 파열에 기초한) 젤리 롤(들)/전기화학 유닛(들)의 내부 단락(들) 및/또는 열 폭주를 초래할 수 있는 심각한 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에 따르며, 소정의 압력 임계치에서의 개시된 PDD의 활성화는 일반적으로 열 폭주 및 기타 잠재적으로 치명적인 고장 상황을 방지하는 데 효과적이다.
특히 본 발명의 예시적 구현예에서, 내부 압력이 PDD 임계치에 도달할 경우, 돔 디스크가 튀어 올라 해머 헤드와 접촉하여 양극 단자와 음극 단자 사이에 단락을 일으키고 이로 인해 퓨즈가 단선된다. 퓨즈가 끊어진(즉 "단선된") 후, 외부 회로에 연결되는 음극 단자는 컨테이너 내의 젤리 롤로부터 격리되고, 음극 단자는 케이스 및 해머 헤드를 통해 양극 단자에 계속 연결되어, 음극 단자로부터 케이스로 직접, 즉 젤리 롤을 바이패스하여 전류가 흐르게 된다.
본 발명의 예시적 구현예에서, 그리고 도 13의 단면도에 도시된 바와 같이, (전도성 필름 디스크(913)의 추가 전에) 돔(912)은 외주(그러나, 환상 장착 플랜지(942)의 내부)에 환상 홈(940)을 포함하거나 한정할 수 있다. 홈(940)은 배터리 케이싱 내에 발생된 내부 압력에 대한 돔(912)의 응답을 용이하게 한다.
중앙 영역 두께가 약 0.015 내지 0.022 인치(필름 디스크(913)를 포함하거나 포함하지 않음)이고, 돔(912)(장착 플랜지 영역(942) 제외)의 직경이 약 1.18 인치이고, 홈(940) 내부의 돔(912)의 직경이 약 1.03 인치이고, 해머 헤드(928)의 선단면(938)의 반경이 약 0.06 내지 0.08 인치이고, 활성화 압력이 약 20 내지 25 psig가 되도록 돔(912)이 알루미늄으로 제작된 본 발명의 예시적 구현예에서, 돔(912)의 중앙 영역에 필름 디스크(913)(약 0.404 인치의 직경)가 적용되었을 때(도 13에는 미도시) 중심점에서 장착 플랜지(942)의 상면으로부터 돔(912)의 표면까지의 거리 "D"는 약 0.115 인치 내지 약 0.123 인치이다.
주목할 것은, 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이, 해머 헤드(928)의 선단면(938)은 퓨즈 홀더(902)의 하부면에 의해 한정된 평면 아래로 연장됨으로써 이러한 선단면(938)과 돔(912)의 중앙 영역 사이의 갭을 폐쇄한다는 것이다. 해머 헤드(928)의 선단면(938)과 (필름 디스크(913)가 적용된) 돔(912)의 중앙 영역 사이의 초기 거리 "Y"는 약 0.063 인치이다. 따라서, 퓨즈 홀더(902)의 하부면에 대한 해머 헤드(928)의 하향 연장은 돔(912)이 해머 헤드(928)와 접촉하는 데 필요한 이동 거리를 감소시키고 이와 함께 전기 회로를 완성한다. 초기 이격 거리 "Y"는 배터리 내에 제공될 작동 압력, 돔(912)의 설계 파라미터 및 PDD(900)가 활성화될 압력과 같은 요인에 기초하여 PDD 설계의 세부사항에 따라 달라질 것이다.
소정의 압력 임계치를 충족하거나 초과하는 압력이 배터리 케이싱 내에서 도달되면, 도 12b 및 도 12c에 개략적으로 도시된 시퀀스가 본 발명의 예시적 구현예에 따라 시작된다. 외장 캔 및 상부 커버에 의해 한정된 배터리 케이싱 내 상승 압력에 응답한 돔(912)의 반전 진행을 참조하면, 돔(912)은 해머 헤드(928)의 선단면(938)에 대해 위로 휘어질 것이다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 충분히 위로 휘어지면(즉, 임계 레벨에 도달한 배터리와 관련된 내부 압력에 기초한 휨), 돔(912)이 중앙 영역은 해머 헤드(928)의 선단면(938)과 직접 물리적으로 접촉된다. 돔(912)과 해머 헤드를 초기 접촉 위치에 배치하는 데 필요한 이동 거리는 초기 이격 거리 "Y"와 같다. 그러나, 해머 헤드(928)의 선단면(938) 전체에 걸쳐 일관되고 연속적이며 넓은 면적 접촉을 보장하기 위해, 돔(912)은, 예를 들어 도 12c에 도시된 바와 같이, 반전이 완료될 때 초기 이격 거리 "Y"보다 적어도 약 0.02 인치 더 큰 최소 이동 거리를 겪도록 구성되고 치수화된다. 따라서, 예를 들어, 전술한 바와 같이 초기 이격 거리 "Y"가 약 0.063 인치인 경우, 완전히 반전되었을 때 돔(912)의 최소 이동 거리는 적어도 약 0.083 인치이다. 따라서, 최소 이동 거리는 초기 이격 거리 "Y"의 적어도 약 120% 내지 140% 정도이다. 돔(912)의 최소 이동 거리가 초기 이격 거리 "Y"를 초과한다는 사실에 의해 설정된 "간섭"은 배터리로부터 안정적으로 전류를 바이패스시킬 수 있는 단락 모드에서의 명확한 전기적 연결을 보장하는 데 도움이 되고, 방전 전류와 관련된 바람직하지 않은 온도 증가의 가능성을 최소화한다.
도 12c에 도시된 바와 같이, 돔(912)의 완전 반전은 돔(912)이 해머 헤드(928)의 선단면(938) 주위에서 변형되도록 함으로써, 해머 헤드(928)에 대한 돔(912)의 일관되고 연속적이며 넓은 면적 접촉을 더 보장한다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 돔(912)과 해머 헤드(928) 사이의 보다 완전하고 신뢰성 있는 전기적 접촉은 돔(912)의 연소 침식 가능성뿐만 아니라, 전기화학 유닛 및/또는 전해질의 온도 상승 및 열 폭주의 가능성을 증가시킬 수 있는 간헐적인 접촉으로 인한 전기 서지/펄스에 대한 불리한 잠재력을 감소시킨다. 필름 디스크(913)의 존재 또는 달리 돔(912)의 중앙 영역을 두껍게 함은 돔(912)과 해머 헤드(928) 사이의 일관되고 연속적이며 넓은 면적 접촉을 더 향상시킨다.
도 12a 내지 도 12c를 더 참조하면, 지지 구조(706) 및 젤리 롤/전기화학 유닛(710)에 대한 PDD(900)의 물리적 근접성 및 관계가 주목된다. 도 12a 내지 도 12c에 개략적으로 도시된 바와 같이, 지지 구조(706)의 측벽(740)은 돔(712)의 배치 및 작동에 필요한 공간이 명확하게 설정되고 유지되도록 한정된 방식으로 퓨즈 홀더(902)의 하측으로부터 이격된다. 따라서, 돔(712)을 수용하기 위해 최소의 공간이 필요하고, 이에 따라 PDD 작동의 희생 없이 전기화학 유닛(710)에 대한 충전 밀도를 최대로 할 수 있다. 돔(712)이 이동하는 데 필요한 용적은 지지 구조(706)에 배치된 밀봉되지 않은 전기화학 유닛에 대한 공유 대기 영역을 구성한다. 돔(712)의 배치 및 작동에 이용 가능한 비교적 넓은 공간 및 공유 대기 영역의 결과로서, 개시된 PDD는 30 Ah 이상의 용량을 갖는 배터리에 대해 비교적 낮은, 예를 들어 10 psig만큼 낮은 압력에서 효과적이고 안정적으로 작동할 수 있다.
또한, 본 발명의 PDD는 제1 압력, 예를 들어 10 내지 40 psig(또는 배터리 설계에 따라 그 이상)에서 활성화되도록 설계될 수 있고, 배기 어셈블리는 PDD의 활성화 압력보다 적어도 5 내지 10 psig 더 높은 제2 압력에서 활성화(즉, 압력 방출/배기)되도록 설계될 수 있고, 배터리 케이싱의 전체적인 설계(즉, 용접, 밀봉, 접합 등)는 배기 어셈블리의 활성화 압력보다 적어도 5 내지 10 psig 더 높은 파손 압력 등급으로 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 배터리 설계의 안전성 응답에 대한 시퀀스는 배터리 설계 및 작동과 관련된 위험을 최소화하도록 설정될 수 있다.
개시된 배터리 시스템 각각으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 PDD 구성요소 및 배기 구조는 케이싱의 덮개 또는 캔에 직접 형성된 구멍/개구에 대해 장착된 구성요소에 기초하여 배터리 케이싱 내의 상태와 유리하게 상호작용하고 이에 응답한다. 예를 들어, 도 5, 도 6 및 도 11에서 개시된 돔은 캔 자체에 형성된 개구에 대해 장착되는 반면, 도 9 및 도 10에서 개시된 돔은 덮개에 형성된 개구에 대해 장착된다. 마찬가지로 유리하게, 도 5 및 도 6에서 배기구는 캔에 직접 형성된 개구에 대해 장착되는 반면, 도 9 내지 도 11에서 개시된 배기구는 덮개에 형성된 개구에 대해 장착된다.
본 발명의 PPD 및/또는 배기 구조를 지지하기 위해 어떤 중간 구조 또는 보조 구조도 필요하지 않다. 실제로, 본 발명의 구현예에 따라 배터리의 내부에 대한 하나의 추가 개구, 즉 Cu 단자의 통로를 수용하기 위한 개구만 필요하다. 개시된 배터리 시스템의 단순성 및 제조/조립 용이성은 개시된 배터리 시스템의 제조 가능성 및 비용 파라미터를 개선한다. 또한, 개시된 배터리의 캔 및/또는 덮개에 대한 PDD 및 배기 어셈블리의 직접 장착은 개시된 배터리의 로우 프로파일을 더 향상시킨다. 로우 프로파일이란 배터리 시스템의 높은, 예를 들어 30 Ah 이상의 용량을 전달하면서, 개시된 PDD 및 배기 안전 구조/시스템을 수용하는 데 필요한 용적 또는 공간의 감소를 의미한다.
예시적 압력 차단 장치에서 돔에 대한 아크 발생의 완화
돔이 활성화될 때 아크 발생으로 인해 홀(들)을 생성할 수 있는 돔 디스크 연소 침식의 가능성을 방지하기 위해, 본 발명에 따라 두 가지 유리한 설계 옵션이 개발되었다: (i) 더 두꺼운 돔 디스크, 및 (ii) 디스크 상에 추가 포일의 용접. 두 가지 옵션은 독립적으로 구현되거나 조합으로 구현될 수 있다.
돔 디스크를 두껍게 하는 것과 돔 디스크 상에 추가 포일을 용접하는 것(이에 따른 돔 디스크의 영역에서의 질량 증가)은 모두 800 A 직류 전류를 인가할 때 돔 디스크에서 연소 침식 홀을 제거하는 것으로 나타났다. 이들 테스트의 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
높은 직류 전류를 인가한 후 PDD 서브어셈블리 내 돔 디스크
돔 재료 및 두께 용접 금속 및 두께 해머 반경 활성화 압력(psig) 인가 전류(A) 퓨즈 돔 손상
Al / 0.012" 해당 없음 0.025" 20-25 800 Littelfuse MIDI 200A
 큰 연소 침식 홀
Al / 0.012" 해당 없음 0.060" 20-25 800 작은 연소 침식 홀
Al / 0.015" 해당 없음 0.060" 35 800 연소 침식 홀 없음
Al / 0.012" 0.004" Al 0.060" 20-25 800 연소 침식 홀 없음
Al / 0.012" 0.004" Al 0.080" 20-25 800 연소 침식 홀 없음
Al/0.012" 해당 없음 0.025" 20-25 800 Cadenza
 큰 연소 침식
Al/0.012" 0.010" Al 0.060" 20-25 900 연소 침식 홀 없음
Al / 0.012" Cu 테이프(3M 1187) 0.060" 20-25 800 Littelfuse MIDI 200A 연소 침식 홀 없음
Al 돔 디스크 상에 용접된 Al 포일 및 Cu 포일의 상이한 두께에 따른 돔 디스크 작동 압력(popping pressure)에 미치는 추가 용접 금속 포일의 두께 및 유형의 영향 이 연구에 기초하면, 표 2에 나타낸 바와 같이, Al 포일 두께 또는 Cu 포일 두께는 돔 작동 압력에 큰 영향을 주지 않는다.
용접된 추가 포일에 따른 돔 작동 압력
추가 포일 재료 포일 두께(인치) 돔 작동 압력(psi)
최대 최소 평균
Al 0.004 22 20 22
Al 0.010 22 20 21
Al 0.012 25 19 21
Cu 0.010 23 20 21
표준 해당 없음 15 25 20
추가 금속 포일은 아크가 발생될 때 유리하게 희생층으로서 작용하여 돔 디스크가 연소 침식되지 않도록 보호할 수 있다. 또한, 본원에 개시된 옵션과 관련된 더 큰 열 용량 및 더 낮은 저항은 해머와 돔 디스크 사이의 접촉 영역에서 유리하게 국부적 열을 감소시킨다. 포일이 더 두껍고 더 전도성일수록, 아크의 연소 침식을 방지함에 있어 개시된 설계가 더 효과적일 것으로 예상된다.
돔이 활성화될 때, 즉 개시된 압력 차단 장치가 작동될 때 연소 침식의 위험을 완화하기 위한 설계를 구현함에 있어, 상이한 재료들이 유리하게 선택되고 사용될 수 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 더 높은 융점을 나타내는 재료가 연소 침식되기 덜 용이하기 때문에 유리할 수 있다. 또한, 선택된 재료의 전기 전도도는 돔 트리거의 설계 및 작동에 도움이 될 수 있는데, 예를 들어 더 큰 전기 전도도를 나타내는 재료일수록 돔 영역으로부터 전류를 더 효과적으로/빨리 소산시켜 연소 침식의 위험을 줄일 것이다.
실제로, 돔(또는 다른 PDD 작동 메커니즘)이 압력 차단 조건에 응답하는 속도는 설계가 잠재적 연소 침식에 대해 완화시켜야 하는 정도에 영향을 미치는데, 즉 돔/트리거가 더 빨리 응답할수록 연소 침식이 발생할 가능성이 더 적다(반대의 경우도 마찬가지임). 따라서, 주어진 PDD 방출 압력(예를 들어, 40 psi)에 대해, 그 압력에 응답하도록 설계된 돔/트리거 메커니즘은 구성 재료(들), 형상, 두께/질량 등에 기초하여 특정 속도로 응답할 것으로 예상될 수 있다. 제2 PDD 방출 압력(예를 들어, 90 psi)에 대해, 그 압력에 응답하도록 설계된 특정 돔/트리거 메커니즘은 구성 재료(들), 형상, 두께/질량 등에 기초하여 잠재적으로 다른 속도로 응답할 것으로 예상될 수 있다. 본 발명에 따르면, 돔/트리거 메커니즘의 설계는 예상되는 PDD 응답 속도를 고려하여 연소 침식을 방지하도록 (예를 들어, 구성 재료(들), 형상, 두께/질량 등에 기초하여) 선택될 수 있다.
실험 결과
1. 압력 차단 장치가 있는 셀의 과충전 테스트
a. 테스트 절차
Figure pct00038
도 5의 설계에 따라 제작된 리튬 이온 배터리를 이용하여, 24개의 젤리 롤을 포함하는 80 Ah 셀을 실온에서 16 A의 정전류로 4.2 V까지 100% 충전 상태(SOC)까지 충전한 후, 4.2 V에서 정전압 충전하고, 4 A에 도달하는 전류에서 종료한다. 전압과 용량을 기록한다.
Figure pct00039
과충전 테스트: 32 A의 정전류로 셀을 충전한다. 셀의 중앙에 열전대를 배치한다. 셀의 SOC가 200%에 도달하면 충전을 종료한다.
Figure pct00040
과충전 동안의 충전 전류, 셀 전압 및 셀 표면 온도 변화를 도 14에 플롯팅하였다.
b. 결과
Figure pct00041
약 4.63 V의 시스템 조건에 의해 압력 차단 장치를 활성화시켰다.
Figure pct00042
PDD 활성화 후, 충전 전류를 셀에 바이패스시켰다.
Figure pct00043
최고 셀 표면 온도는 38℃였다. 단선된 퓨즈를 제외하고, 셀은 다른 변화를 나타내지 않았다. 따라서, PDD 장치는 셀이 손상되지 않도록 보호하는 데 효과적으로 기능하였다.
2. 압력 차단 장치 어셈블리의 테스트
도 15에 도시된 테스트 설정을 이용하여 본 발명에 따른 압력 차단 장치를 테스트하였다. 압력 차단 장치 어셈블리는 알루미늄 쿠폰 위에 용접된 압력 돔, 해머, 퓨즈 및 퓨즈 홀더를 포함한다. 테스트 픽스쳐는 압력 돔을 조정하기 위한 어댑터를 갖는다. 압력 돔 어댑터를 통해 소정의 압력을 가한다. 해머 접촉 영역의 가장자리 근처의 압력 돔에 열전대를 부착한다. 어셈블리에 전류 클램프를 연결하고 900 암페어 전류를 인가한다.
25 psi의 압력을 가하여 유닛을 활성화시킨다. 테스트 동안의 전류 및 온도 변화를 도 16에 플롯팅하였다. 압력 돔 활성화 약 0.6초 후에 퓨즈가 단선되었다. 압력 돔에서 측정된 최고 온도는 약 86℃이다. 따라서, 압력 차단 장치는 원하는 대로 작동하였고, 본원에 기술된 바와 같이 리튬 배터리에 대해 장착된 경우 셀을 보호하는 데 효과적이었을 것이다.
예시적 멀티 코어 리튬 이온 배터리 시스템/어셈블리
본 발명의 예시적 구현예에서, 멀티 코어 리튬 이온 배터리 컨테이너의 덮개에 배기 구조가 한정된다. 배기 압력에 도달하면, 배기 구조가 금속 뚜껑, 즉 배기 구조의 새겨지지 않은 영역에 대해 휘어짐에 따라 새김선을 따라 배기 구조의 실질적으로 순간적인 파괴가 발생하여, 배기 개구로부터 (30 메쉬 역화 방지기를 통해) 압력/가스를 방출한다.
본 발명에 따른 유리한 멀티 코어 리튬 이온 배터리 구조는 배터리의 어레이의 용이한 조립 및 전력 대 에너지 비율을 맞출 수 있는 능력과 같은 대형 배터리의 이점을 제공하면서, 제조 비용의 감소 및 안전성 개선을 제공한다. 본원에 개시된 유리한 시스템들은 멀티 코어 셀 구조 및 멀티 셀 배터리 모듈에 적용 가능하다. 당업자는 아래에 기술된 Li 이온 구조가 대부분의 경우에 젤리 롤과 같은 활성 코어 및 전해질을 이용하는 기타 전기화학 유닛용으로 이용될 수도 있음을 이해한다. 가능한 대안적인 구현예로는 미국 특허 제8,233,267호에 기술된 것들과 같은 울트라 커패시터, 그리고 니켈 금속 수소화물 배터리 또는 권취 납 축전지 시스템을 포함한다.
예시적인 구현예에서, 애노드 전극 및 캐소드 전극으로부터 유래하는 양극 집전체 및 음극 집전체에 연결된 멀티 코어 어셈블리를 포함하는 리튬 이온 배터리가 제공된다. 리튬 이온 배터리는 복수의 젤리 롤, 양극 집전체와 음극 집전체, 및 금속 케이스를 포함한다. 일 구현예에서, 젤리 롤은 다수의 젤리 롤을 전기적으로 연결하는 음극 모선 또는 양극 모선 위에 직접 용접된 적어도 하나의 베어(bare) 집전체 영역을 갖는다. 다른 구현예에서, 젤리 롤의 베어 집전체 영역 중 적어도 하나는 그러한 연결을 위해 모선을 사용하지 않고, 둘러싸는 케이스 구조에 직접 용접된다. 이 경우, 케이스는 모선으로 기능한다. 이는 롤을 케이스에, 즉, 금속 캔에 곧바로 용접하거나, 슬리브 구조를 이용함으로써 달성될 수 있는데, 슬리브 구조에서는, 젤리 롤과 용접된 바닥에 고정된 모선은 결과적으로 캔 구조에 용접된다. Li 이온 배터리의 경우, 베어 애노드 집전체는 일반적으로 Cu 포일이고 베어 캐소드 집전체는 일반적으로 Al 포일이다. 베어 전극들이 용접되는 금속 플레이트는 음극 모선(또는 NBB)으로 지칭되고, 젤리 롤 내의 베어 캐소드가 연결된 모선 말단은 양극 모선(또는 PBB)으로 지칭된다. 일 구현예에서, 전해질 충진을 위한 개구부를 허용하기 위하여, NBB의 각각의 개별적인 젤리 롤의 위치에 대응하는 슬릿 개구부가 존재한다. 이는 일부 경우에 전해질이 젤리 롤 자체에 수용되도록 할 수 있고, 전해질을 수용하는 추가 구성요소, 예컨대 금속 또는 플라스틱 라이너는 필요하지 않다. 다른 예시적인 구현예에서, NBB와 PBB가 각각 젤리 롤 내의 베어 애노드 전류 말단 및 캐소드 전류 말단에 용접된 단일 코어 전기화학 어셈블리가 제공된다. NBB에 슬릿 개구부가 제공될 수 있다. 어셈블리는 금속 슬리브에 삽입된다. PBB는 금속 케이스의 바닥인 금속 슬리브의 벽에 용접될 수 있다.
본 발명에 따르면, 지지 부재가 내부에 배치된 밀봉된 외장을 갖는 예시적인 멀티 코어 리튬 이온 배터리도 기술된다. 지지 부재는 복수의 공동, 및 복수의 공동 중 상응하는 하나의 공동 내에 배치된 복수의 리튬 이온 코어 부재를 포함한다. 복수의 공동 라이너가 존재하고, 각각의 공동 라이너는 상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와, 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 배치된다. 지지 부재는 운동 에너지 흡수 재료를 포함하고, 운동 에너지 흡수 재료는 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성된다. 플라스틱 또는 알루미늄 재료로 형성된 공동 라이너가 존재하고, 복수의 공동 라이너는 단일체형 라이너 부재의 일부로서 형성된다. 코어 부재들을 수용하기 위하여, 플라스틱 라이너 대신 개방형 알루미늄 원통형 슬리브 또는 캔 구조도 이용될 수 있다. 각각의 코어 내에 들어있는 전해질이 추가로 포함되고, 전해질은 내연제, 가스 발생제, 및 산화환원 셔틀 중 적어도 하나를 포함한다. 각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함한다. 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하는 전기 커넥터가 상기 외장 내에 추가로 포함된다. 전기 커넥터는 2개의 모선, 즉 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양극 단자 부재에 상호 연결하는 제1 모선, 및 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음극 단자 부재에 상호 연결하는 제2 모선을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에서, 코어 부재는 병렬로 연결되거나, 직렬로 연결된다. 대안적으로, 코어 부재의 제1 세트는 병렬로 연결되고 코어 부재의 제2 세트는 병렬로 연결되고, 코어 부재의 제1 세트는 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결된다. 지지 부재는 벌집 구조의 형태이다. 운동 에너지 흡수 재료는 압축가능 매체를 포함한다. 외장은 압축가능 요소를 갖는 벽을 포함하고, 압축가능 요소는, 벽에 충격을 가하는 힘으로 인해 압축될 때, 리튬 이온 배터리의 전기적 단락 회로를 생성한다. 지지 부재 내의 공동 및 이에 상응하는 코어 부재는 원통형, 장방형, 및 각형 형상 중 하나이다. 공동 중 적어도 하나 및 이에 상응하는 코어 부재는 다른 공동 및 이에 상응하는 코어 부재와는 다른 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 코어 부재 중 적어도 하나는 높은 전력 특성을 갖고, 코어 부재 중 적어도 하나는 높은 에너지 특성을 갖는다. 코어 부재의 애노드는 동일한 재료로 형성되고, 코어 부재의 캐소드는 동일한 재료로 형성된다. 각각의 세퍼레이터 부재는 세라믹 코팅을 포함할 수 있고, 각각의 애노드 및 각각의 캐소드는 세라믹 코팅을 포함할 수 있다. 코어 부재 중 적어도 하나는 다른 코어 부재의 애노드 및 캐소드의 두께와는 다른 두께의 애노드 및 캐소드 중 하나를 포함한다. 적어도 하나의 캐소드는 화합물 A 내지 M 그룹의 재료 중 적어도 2개를 포함한다. 각각의 캐소드는 표면 개질제를 포함한다. 각각의 애노드는 탄소 또는 흑연 중 하나 또는 Li 금속을 포함한다. 각각의 애노드는 Si를 포함한다. 각각의 코어 부재는 압연된 애노드, 캐소드 및 세퍼레이터 구조를 포함하거나, 각각의 코어 부재는 적층된 애노드, 캐소드 및 세퍼레이터 구조를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에서, 코어 부재는 실질적으로 동일한 전기 용량을 갖는다. 코어 부재 중 적어도 하나는 다른 코어 부재와 비교하여 상이한 전기 용량을 갖는다. 코어 부재 중 적어도 하나는 전력 저장을 위해 최적화되고, 코어 부재 중 적어도 하나는 에너지 저장을 위해 최적화된다. 각각의 애노드를 제1 모선에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 모선에 전기적으로 연결하기 위한 탭이 추가로 포함되고, 각각의 탭은, 소정의 전류가 초과되었을 때, 각각의 상기 탭을 통해 전류가 흐르는 것을 차단시키기 위한 수단을 포함한다. 소정의 전류가 초과되었을 때, 퓨즈 요소를 통해 전류가 흐르는 것을 차단시키기 위해, 제1 모선은 제1 모선에 대한 애노드들 사이의 상호 연결점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함하고, 제2 모선은 제2 모선에 대한 캐소드들 사이의 상호 연결점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함한다. 각각의 코어 부재를 둘러싸는 보호용 슬리브가 추가로 포함되고, 각각의 보호용 슬리브는 상응하는 코어 부재를 수용하는 공동의 외부에 배치된다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 코어 부재의 전기적 모니터링 및 밸런싱을 가능하게 하도록 구성된, 코어 부재와 전기적으로 상호 연결된 감지 와이어가 포함된다. 밀봉된 외장은 난연성 부재를 포함하고, 난연성 부재는 외장의 외면에 부착된 난연성 메쉬 재료를 포함한다.
다른 구현예에서, 밀봉된 외장을 포함하는 멀티 코어 리튬 이온 배터리가 기술된다. 복수의 공동을 포함하는 지지 부재가 밀봉된 외장 내에 배치되고, 지지 부재는 운동 에너지 흡수 재료를 포함한다. 복수의 공동 중 상응하는 하나의 공동 내에 배치된 복수의 리튬 이온 코어 부재가 존재한다. 복수의 공동 라이너가 추가로 포함되고, 각각의 공동 라이너는 상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와, 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 배치된다. 공동 라이너는 플라스틱 또는 알루미늄 재료(예를 들어, 폴리머 및 금속 포일 적층 파우치)로 형성되고, 복수의 공동 라이너는 단일체형 라이너 부재의 일부로서 형성될 수 있다. 운동 에너지 흡수 재료는 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성된다.
본 발명의 다른 양태에서, 각각의 코어 내에 전해질이 들어있고, 전해질은 내연제, 가스 발생제, 및 산화환원 셔틀 중 적어도 하나를 포함한다. 각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함한다. 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하는 전기 커넥터가 외장 내에 추가로 포함된다. 전기 커넥터는 2개의 모선, 즉 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양극 단자 부재에 상호 연결하는 제1 모선, 및 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음극 단자 부재에 상호 연결하는 제2 모선을 포함한다. 코어 부재는 병렬로 연결될 수 있다. 코어 부재는 직렬로 연결될 수 있다. 코어 부재의 제1 세트는 병렬로 연결될 수 있고 코어 부재의 제2 세트는 병렬로 연결될 수 있으며, 코어 부재의 제1 세트는 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결될 수 있다.
다른 양태에서, 지지 부재는 벌집 구조의 형태이다. 운동 에너지 흡수 재료는 압축가능 매체를 포함한다. 리튬 외장은 압축가능 요소를 갖는 벽을 포함하고, 압축가능 요소는, 벽에 충격을 가하는 힘으로 인해 압축될 때, 리튬 이온 배터리의 전기적 단락 회로를 생성한다. 지지 부재 내의 공동 및 이에 상응하는 코어 부재는 원통형, 장방형, 및 각형 형상 중 하나이다. 공동 중 적어도 하나 및 이에 상응하는 코어 부재는 다른 공동 및 이에 상응하는 코어 부재와 비교하여 상이한 형상을 가질 수 있다. 코어 부재 중 적어도 하나는 높은 전력 특성을 가질 수 있고, 코어 부재 중 적어도 하나는 높은 에너지 특성을 가질 수 있다. 코어 부재의 애노드는 동일한 재료로 형성될 수 있고, 코어 부재의 캐소드는 동일한 재료로 형성될 수 있다. 각각의 세퍼레이터 부재는 세라믹 코팅을 포함할 수 있다. 각각의 애노드 및 각각의 캐소드는 세라믹 코팅을 포함할 수 있다. 코어 부재 중 적어도 하나는 다른 코어 부재의 애노드 및 캐소드의 두께와 비교하여 상이한 두께의 애노드 및 캐소드 중 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 적어도 하나의 캐소드는 화합물 A 내지 M 그룹의 재료 중 적어도 2개를 포함한다. 각각의 캐소드는 표면 개질제를 포함할 수 있다. 각각의 애노드는 Li 금속, 탄소, 흑연 또는 Si를 포함한다. 각각의 코어 부재는 압연된 애노드, 캐소드 및 세퍼레이터 구조를 포함할 수 있다. 각각의 코어 부재는 적층된 애노드, 캐소드 및 세퍼레이터 구조를 포함할 수 있다. 코어 부재는 실질적으로 동일한 전기 용량을 가질 수 있다. 코어 부재 중 적어도 하나는 다른 코어 부재와 비교하여 상이한 전기 용량을 가질 수 있다. 코어 부재 중 적어도 하나는 전력 저장을 위해 최적화될 수 있고, 코어 부재 중 적어도 하나는 에너지 저장을 위해 최적화될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 각각의 애노드를 제1 모선에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 모선에 전기적으로 연결하기 위한 탭이 추가로 포함되고, 각각의 탭은, 소정의 전류가 초과되었을 때, 각각의 상기 탭을 통해 전류가 흐르는 것을 차단시키기 위한 수단/메커니즘/구조를 포함한다. 소정의 전류가 초과되었을 때, 퓨즈 요소를 통해 전류가 흐르는 것을 차단시키기 위해, 제1 모선은 제1 모선에 대한 애노드들 사이의 상호 연결점 각각에 근접한 퓨즈 요소 및/또는 제2 모선에 대한 캐소드들 사이의 상호 연결점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함할 수 있다. 각각의 코어 부재를 둘러싸는 보호용 슬리브가 추가로 포함될 수 있고, 각각의 보호용 슬리브는 상응하는 코어 부재를 수용하는 공동의 외부에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 감지 와이어는 코어 부재의 전기적 모니터링 및 밸런싱을 가능하게 하도록 구성된 코어 부재와 전기적으로 상호 연결된다. 밀봉된 외장은 난연성 부재를 포함할 수 있고, 난연성 부재는 외장의 외면에 부착된 난연성 메쉬 재료를 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 외장 내부에 리튬 이온 셀 영역 및 공유 대기 영역이 있는 밀봉된 외장을 포함하는 멀티 코어 리튬 이온 배터리가 기술된다. 지지 부재는 밀봉된 외장의 리튬 이온 셀 영역 내에 배치되고, 지지 부재는 복수의 공동을 포함하며, 각각의 공동은 공유 대기 영역에 대해서 개방된 말단부를 갖는다. 복수의 리튬 이온 코어 부재가 제공되는데, 각각의 리튬 이온 코어 부재는 복수의 공동 중 상응하는 공동 내에 배치된 애노드 및 캐소드를 가지고 있고, 애노드 및 캐소드는 공동의 개방 말단부에 의해서 공유 대기 영역에 노출되고, 애노드 및 캐소드는 이들의 길이를 따라 공동에 의해 실질적으로 둘러싸여 있다. 지지 부재는 운동 에너지 흡수 재료를 포함할 수 있다. 운동 에너지 흡수 재료는 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성된다.
다른 양태에서, 복수의 공동 라이너가 존재하고, 각각의 공동 라이너는 상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와, 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 배치된다. 공동 라이너는 플라스틱 또는 알루미늄 재료로 형성될 수 있다. 복수의 공동 라이너는 단일체형 라이너 부재의 일부로서 형성될 수 있다. 각각의 코어 내에 전해질이 들어있고, 전해질은 내연제, 가스 발생제, 및 산화환원 셔틀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함한다. 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하는 전기 커넥터가 외장 내에 존재한다. 전기 커넥터는 2개의 모선, 즉 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양극 단자 부재에 상호 연결하는 제1 모선, 및 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음극 단자 부재에 상호 연결하는 제2 모선을 포함한다.
또 다른 양태에서, 코어 부재는 병렬 또는 직렬로 연결된다. 대안적으로, 코어 부재의 제1 세트는 병렬로 연결되고 코어 부재의 제2 세트는 병렬로 연결되고, 코어 부재의 제1 세트는 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결된다.
다른 구현예에서, 리튬 이온 배터리가 기술되고, 밀봉된 외장 및 밀봉된 외장 내에 배치된 적어도 하나의 리튬 이온 코어 부재를 포함한다. 리튬 이온 코어 부재는 애노드 및 캐소드를 포함하고, 캐소드는 화합물 A 내지 M의 그룹으로부터 선택되는 적어도 2개의 화합물을 포함한다. 하나의 리튬 이온 코어 부재만 존재할 수 있다. 밀봉된 외장은 폴리머 백(bag)일 수 있거나, 밀봉된 외장은 금속 용기일 수 있다. 각각의 캐소드는 화합물 B, C, D, E, F, G, L 및 M의 그룹으로부터 선택되는 적어도 2개의 화합물을 포함할 수 있고, 표면 개질제를 더 포함할 수 있다. 각각의 캐소드는 화합물 B, D, F, G 및 L의 그룹으로부터 선택되는 적어도 2개의 화합물을 포함할 수 있다. 배터리는 4.2 V보다 더 높은 전압까지 충전될 수 있다. 각각의 애노드는 탄소 및 흑연 중 하나를 포함할 수 있다. 각각의 애노드는 Si를 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에서, 밀봉된 외장 및 밀봉된 외장 내에 배치된 적어도 하나의 리튬 이온 코어 부재를 갖는 리튬 이온 배터리가 기술된다. 리튬 이온 코어 부재는 애노드 및 캐소드를 포함한다. 외장 내의 전기 커넥터는 적어도 하나의 코어 부재를 밀봉된 외장 외부의 전기 단자에 전기적으로 연결하고; 전기 커넥터는, 소정의 전류가 초과되었을 때, 전기 커넥터를 통해 전류가 흐르는 것을 차단시키기 위한 수단/메커니즘/구조를 포함한다. 전기 커넥터는 2개의 모선, 즉 코어 부재의 애노드를 외장 외부의 단자의 양극 단자 부재에 상호 연결하는 제1 모선, 및 코어 부재의 캐소드를 외장 외부의 단자의 음극 단자 부재에 상호 연결하는 제2 모선을 포함한다. 전기 커넥터는 각각의 애노드를 제1 모선 탭에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및/또는 각각의 캐소드를 제2 모선에 전기적으로 연결하기 위한 탭을 추가로 포함할 수 있고, 각각의 탭은, 소정의 전류가 초과되었을 때, 각각의 탭을 통해 전류가 흐르는 것을 차단시키기 위한 수단/메커니즘/구조를 포함한다. 소정의 전류가 초과되었을 때, 퓨즈 요소를 통해 전류가 흐르는 것을 차단시키기 위해, 제1 모선은 제1 모선에 대한 애노드들 사이의 상호 연결점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함할 수 있고, 제2 모선은 제2 모선에 대한 캐소드들 사이의 상호 연결점 각각에 근접한 퓨즈 요소를 포함할 수 있다.
본 발명은, 예를 들어 열/온도 조건을 관리하고 잠재적인 열 폭주 조건의 가능성 및/또는 규모를 감소시킴으로써, 특히 배터리의 안전성 및/또는 안정성에 기여하는 유리한 흡열 기능을 제공하는 재료를 포함하는 리튬 이온 배터리를 더 제공한다. 본 발명의 예시적인 구현예에서, 흡열 재료/시스템은 무기 가스 발생 흡열 재료를 포함하는 세라믹 매트릭스를 포함한다. 개시된 흡열 재료/시스템은 아래에서 더욱 상세히 기술되는 바와 같이 다양한 방식 및 다양한 수준으로 리튬 배터리에 도입될 수 있다.
사용에 있어서, 개시된 흡열 재료/시스템은, 온도가 소정의 수준, 예컨대, 정상 작동과 관련된 최대 수준을 초과하여 상승하는 경우, 흡열 재료/시스템이 열 폭주의 가능성을 방지 및/또는 최소화하기 위한 목적으로 하나 이상의 기능을 제공하는 역할을 하도록 작동한다. 예를 들어, 개시된 흡열 재료/시스템은 유리하게는 다음의 기능 중 하나 이상을 제공할 수 있다: (i) (특히 고온에서) 단열; (ii) 에너지 흡수; (3) 흡열 재료/시스템과 관련된 흡열 반응(들)으로부터, 전체적으로 또는 부분적으로, 생성된 가스의 배기, (iv) 배터리 구조 내의 전체 압력 상승; (v) 흡열 재료/시스템과 관련된 흡열 반응(들) 중에 생성된 가스의 배기를 통한 배터리 시스템으로부터 흡수 열의 제거, 및/또는 (vi) 유독 가스(존재할 경우)의 희석 및 배터리 시스템으로부터 (전체적으로 또는 부분적으로) 유독 가스의 안전한 방출. 또한, 흡열 반응(들)과 관련된 배기 가스는 전해질 가스를 희석시켜 전해질 가스와 관련된 발화점 및/또는 가연성을 늦추거나 제거할 기회를 제공한다는 점이 주목된다.
개시된 흡열 재료/시스템의 단열 특성은 이러한 흡열 재료/시스템을 리튬 이온 배터리 시스템에 적용하는 상이한 단계들에서 그 성질들을 조합하는 데 유리하다. 제조된 대로의 상태에서, 흡열 재료/시스템은 작은 온도 상승 동안, 또는 열적 이벤트의 초기 부분 동안 단열을 제공한다. 이러한 비교적 낮은 온도에서, 단열 기능은 열 에너지를 열 용량 전체에 서서히 확산시키기 위하여 제한된 전도를 허용하는 한편, 열 발생을 억제하는 작용을 한다. 이러한 낮은 온도에서, 흡열 재료/시스템 재료는 어떤 흡열 가스 발생 반응도 겪지 않도록 선택 및/또는 설계된다. 이는 전체적으로 단열 및/또는 리튬 이온 배터리에 어떤 영구적인 손상도 입히지 않고 온도 이탈을 가능하게 하는 창을 제공한다. 리튬 이온 유형의 저장 장치의 경우, 이탈 또는 낮은 수준의 상승과 관련된 일반적인 범위는 60℃ 내지 200℃이다. 언급된 온도 범위에서 흡열 반응에 견디는 무기 흡열 재료/시스템의 선택을 통해, 원하는 높은 온도에서 제2의 흡열 기능을 개시하는 리튬 이온 배터리가 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 개시된 흡열 재료/시스템과 관련된 흡열 반응(들)은 60℃에서 200℃를 훨씬 초과하는 온도까지의 온도 범위에서 먼저 개시되는 것이 일반적으로 바람직하다. 본 발명에 따른 사용을 위한 예시적인 흡열 재료/시스템은 하기 표 3에 기재된 것들을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
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일반적으로, 이들 흡열 재료는 가능하게는 기타 탄산염 또는 황산염과 조합된 하이드록실 또는 함수 성분을 함유한다. 대안적인 재료로는 비함수 탄산염, 황산염 및 인산염을 포함한다. 일반적인 예는 50℃보다 높은 온도에서 분해되어 탄산나트륨, 이산화탄소 및 물을 생성하는 중탄산나트륨일 것이다. 리튬 이온 배터리와 관련된 열적 이벤트가 선택된 흡열 가스 발생 재료의 흡열 반응(들)을 위한 활성화 온도를 초과하는 온도 상승을 초래할 경우, 개시된 흡열 재료/시스템 재료는 유리하게도 열 에너지를 흡수하기 시작함으로써 리튬 이온 배터리 시스템을 냉각시킬 뿐만 아니라 단열시킬 것이다. 가능한 에너지 흡수량은 일반적으로 구성에 포함된 흡열 가스 발생 재료의 양 및 유형뿐만 아니라, 리튬 이온 배터리 내의 에너지 발생 공급원에 대한 흡열 재료/시스템의 전체적인 설계/배치에 의존한다. 주어진 용도에 대한 흡열 재료/시스템의 정확한 첨가량 및 유형(들)은, 흡수된 열이 이러한 단열 재료가 나머지 갇힌 열을 전체 에너지 저장 장치/리튬 이온 배터리의 열 용량까지 전도하도록 허용하기에 충분하도록, 단열 재료와 함께 작용하도록 선택된다. 제어된 방식으로 열을 전체 열 용량까지 분산시킴으로써, 인접 셀의 온도는 결정적인 분해 또는 발화 온도 미만으로 유지될 수 있다. 그러나, 단열 재료를 통한 열의 흐름이 너무 클 경우, 즉, 에너지 전도가 임계 수준을 초과하면, 인접 셀은 전체 열 용량이 저장된 열을 소산시키기 전에 분해 또는 발화 온도에 도달할 것이다.
이러한 매개변수들을 염두에 두고, 본 발명과 관련된 단열 재료는 900℃를 초과하는 온도에 이를 수 있는, 리튬 이온 배터리 시스템에 대한 일반적인 열적 이벤트의 전체 온도 범위에 걸쳐 과도한 수축에 대해 열적으로 안정하도록 설계 및/또는 선택된다. 이러한 단열 관련 요건은 낮은 융점의 유리 섬유, 탄소 섬유, 또는 300℃를 초과하는 온도에서 광범위하게 수축하고 심지어 발화하는 충진재를 기초로 하는 여러 단열 재료와는 대조적이다. 또한, 본원에 개시된 재료는 팽창 압력을 견디기 위한 장치 구성요소의 설계를 필요로 하지 않으므로, 이러한 단열 관련 요건은 본원에 개시된 단열 기능을 팽창성 재료와 구별 짓는다. 따라서, 상 변화 재료를 이용하는 다른 에너지 저장 단열 시스템과는 달리, 본 발명의 흡열 물질/시스템은 유기물이 아니므로 높은 온도에서 산소에 노출되었을 때 연소하지 않는다. 더욱이, 개시된 흡열 재료/시스템에 의한 가스의 발생은, 에너지 저장 장치/리튬 이온 배터리 시스템으로부터 열을 제거하고 임의의 유독 가스를 희석시키는 이중적인 목적과 함께, 열 폭주 조건을 제어 및/또는 회피하는 데 특히 유리하다.
예시적인 구현예에 따르면, 개시된 흡열 재료/시스템은 바람직하게는, 그것들이 이용되는 에너지 저장 장치/리튬 이온 배터리에 기계적 강도 및 안정성을 제공한다. 개시된 흡열 재료/시스템은 높은 다공성, 즉, 재료가 약간 압축될 수 있도록 하는 다공성을 가질 수 있다. 이는 부품들이 서로 압입되어 매우 단단히 고정된 패키지를 만들 수 있기 때문에 조립시 유리할 수 있다. 이는 결과적으로 자동차, 우주 항공 및 산업 환경에 요구되는 진동 및 충격 저항력을 제공한다.
주목할 것은, 흡열 반응(들)이 개시되는 충분한 규모의 열적 이벤트가 발생하는 경우, 개시된 흡열 재료/시스템의 기계적 특성은 일반적으로 변한다는 것이다. 예를 들어, 흡열 반응(들)과 관련된 가스의 발생은 초기의 조립된 압력을 유지하는 흡열 재료/시스템의 기계적 능력을 감소시킬 수 있다. 그러나 이러한 규모의 열적 이벤트를 경험하는 에너지 저장 장치/리튬 이온 배터리는 일반적으로 더 이상 서비스에 적합하지 않으므로, 기계적 특성의 변화는 대부분의 용도에서 받아들여질 수 있다. 본 발명의 예시적인 구현예에 따르면, 흡열 반응(들)과 관련된 가스의 발생은 다공성 단열 매트릭스를 남겨둔다.
개시된 흡열 가스 발생 흡열 재료/시스템에 의해 생성된 가스로는 CO2, H2O 및/또는 이들의 조합을 포함한다(그러나 이에 한정되지는 않는다). 이들 가스의 발생은 일련의 후속 기능 및/또는 관련 기능을 제공한다. 첫 번째로, 상한 정상 작동 온도와 더 높은 임계 온도(이보다 온도가 높으면, 에너지 저장 장치/리튬 이온 배터리가 제어되지 않은 방전/열 폭주를 일으키기 쉽다) 사이에서의 가스의 발생은 에너지 저장 장치/리튬 이온 배터리용 배기 시스템을 강제로 개방하는 수단으로서 유리하게 기능할 수 있다.
가스의 발생은 열적 이벤트 중에 발생된 임의의 독성 및/또는 부식성 증기를 부분적으로 희석시키는 역할을 할 수 있다. 배기 시스템이 활성화되면, 방출된 가스는 배기 시스템을 통해 장치 외부로 나갈 때 열 에너지를 밖으로 가져가는 역할도 한다. 또한, 개시된 흡열 재료/시스템에 의한 가스의 발생은 배기 시스템을 통해 에너지 저장 장치/리튬 이온 배터리 밖으로 임의의 유독 가스를 강제로 배출시키는 것을 돕는다. 또한, 열 폭주 중에 형성된 임의의 가스를 희석시킴으로써, 가스의 발화 가능성은 줄어든다.
흡열 재료/시스템은 다양한 방법 및 다양한 수준으로 에너지 저장 장치/리튬 이온 배터리 시스템의 일부로서 도입 및/또는 구현될 수 있다. 예를 들어, 개시된 흡열 재료/시스템은 건식 가압 성형법, 진공 성형법, 침입법 및 직접 주입법과 같은 공정을 통해 도입될 수 있다. 또한, 개시된 흡열 재료/시스템은 원하는 온도/에너지 제어 기능을 제공하도록 에너지 저장 장치/리튬 이온 배터리 내의 하나 이상의 위치에 배치될 수 있다.
본 발명에 따라 캔/컨테이너에 대해 덮개를 고정시키기 위한 바람직한 기계적 밀봉은 이중 접합(double seam)이다. 이중 접합은 특정 패턴의 에지 폴딩(edge folding)에 의해 캔의 측벽에 상부 또는 하부를 연결하는 수단이다. 이중 접합된 접합부는 상당한 내부 압력을 견딜 수 있고 상부와 측벽을 서로 밀접하게 연결할 수 있지만, 접합부에서 심한 굽힘이 필요하기 때문에 서로 접합될 2개의 플랜지는 (알루미늄 시트의 경우) 충분히 얇아야 하고, 이중 접합된 접합부는 0.5 mm 미만의 두께에서 가능하다. 셀의 작동 압력이 더 두꺼운 덮개 또는 캔을 필요로 하는 경우, 이중 접합을 캔의 밀봉을 위한 가능한 방법으로 하기 위해 이러한 더 두꺼운 부재의 접합 플랜지가 0.5 mm 이하의 두께로 줄어야 한다.
컨테이너 구조에 대한 밀봉 메커니즘의 전체적인 설계 및 설계 파라미터(전체 치수, 재료 두께, 및 기계적 특성)에 대한 그 의존성은 특히 내부 압력뿐만 아니라 외부 하중에 대한 기계적 응답에 영향을 미치므로 매우 상호의존적이다. 이는 결국 배기 구조 및 압력 차단 구조에도 영향을 미친다. 배기 압력이 낮은 경우, 저비용의 이중 접합과 같은 특정 밀봉 메커니즘만이 사용될 수 있다. 레이저 용접과 같은 다른 밀봉 메커니즘이 더 튼튼하지만, 컨테이너가 구속되지 않은 경우 압력을 제한하는 것에 여전히 의존한다. 재료의 특성 및 치수는 마개(closure)의 밀봉을 수행하기 위해 선택된 방법에 의존한다. 이러한 상호의존성은 복잡하고 설계 공간에서 이들의 관계는 직관적이지 않다. 본 발명자들은 대형 Li 이온 셀의 기능 및 비용을 최적화할 때 특정 구조가 특히 유용함을 발견하였다.
하나의 주요 목표는 셀의 정상 작동 조건 하에서의 컨테이너 치수의 전체적인 증가를 제한하는 것이다. 이러한 증가량은 컨테이너의 길이와 폭, 상부의 두께 및 상부 마개를 컨테이너 벽에 접합하는 방법에 크게 의존한다(고정된 컨테이너 치수에 대한 변위에 미치는 두께 영향의 실시예에 대한 도 8 내지 도 10 참조). 직사각형 컨테이너의 경우, 평면도 치수(덮개의 길이와 폭)가 더 클수록 작동 압력에서의 변형 한계를 충족시키기 위해 덮개는 더 두꺼워야 한다. 압력 하중을 받는 직사각형 플레이트의 최대 휨에 대한 지배 방정식(도 7)으로부터, 휨은 고정 경계 치수에 대해 두께와 역 3차 관계이고, 추가 휨은 플레이트의 링(ling) 치수의 공칭 5차 함수이다. 이는 컨테이너 치수가 변함에 따라 덮개 두께가 매우 빠르게 증가하도록 한다. 이는 중량 및 부피가 증가되므로 바람직하지 않다. 경계에서의 추가 응력은 두께 제곱의 역수로 감소하며, 이는 컨테이너의 가장 중요한 영역, 밀봉 접합부에서의 응력을 줄이는 이점을 가질 것이다. 덮개 및/또는 벽 내의 변위 및 응력은 덮개를 베이스 또는 대향 벽에 서로 연결하는 연결 부재의 형태로 지지체의 추가를 통해 벽 또는 덮개의 유효 범위를 제한함으로써 감소될 수도 있다. 이러한 연결점들은 도 1의 식에서 a 또는 b 치수를 효과적으로 줄일 것이므로, 컨테이너의 변위 대 압력 프로파일에 긍정적인 영향을 미친다(도 11 참조). 이러한 결과는 덮개를 컨테이너 벽에 용접하는 개념과 잘 맞지만, 덮개를 컨테이너에 기계적으로 접합시키기 위한 중요한 설계 과제가 된다. 기계적 접합 공정은 덮개를 컨테이너에 기계적으로 고정하고 밀봉하는 데 필요한 기계적 변형을 허용하기 위해 컨테이너 벽 및/또는 덮개가 특정 두께 미만으로 유지될 것을 필요로 한다.
기계적 접합(특히 이중 접합 및 크림프)은 덮개 및 컨테이너 벽이 셀의 작동 압력을 견디는 데 필요한 것보다 훨씬 더 얇을 것을 필요로 할 수 있다. 이러한 제한은 접합부에 국부적인 재료 두께를 변경하는 여러 기계적 공정(예를 들어, 압인, 기계가공, 아이어닝 등)을 통해 완화될 수 있다. 접합을 용이하게 하기 위해 두께가 감소되면, 접합부에서 새로 생긴 응력이 분석되고 최적화되어야 한다. 압력이 작동 압력보다 훨씬 더 높아질 수 있는 과부하 경우에 이러한 동일한 문제를 추가로 다루고 고려해야 한다. 다른 곳에서 약술한 바와 같이, 고려되어야 할 4가지 압력 영역이 존재하고, 작동 압력 한계는 작동 환경에서 컨테이너의 변형 한계에 의해 결정된다. 컨테이너의 경우 압력이 정상적인 셀 작동 한계를 벗어나면, 이벤트는 예외적인 것으로 간주되어야 하므로, 새로운 요건이 컨테이너에 부과된다. 컨테이너가 작동 압력 영역을 벗어나면, 컨테이너 팽창에 대한 제한은 완화되지만, 이제 덮개와 컨테이너 벽의 접합부는 컨테이너가 컨테이너 내에 설치된 배기 장치를 통해 내부 압력을 방출하는 영역 4에 설정된 값을 초과하는 압력을 포함할 필요가 있다. 과압 이벤트에서, 접합부에서의 응력은 지배적인 설계 특징이 되고, 기계적 방법으로 접합하는 데 필요한 두께 감소로 인한 강도 변화뿐만 아니라 레이저 용접된 덮개의 HAZ에서의 강도 변화 가능성도 고려되어야 한다. 이러한 설계 균형은 복잡하고 명확하지 않으며, 재료, 제조 공정 및 접합 방법에 대한 상당한 이해를 필요로 하고, 이들은 컨테이너의 제조 과정에서 서로 상호작용한다.
실시예 1.
공급된 30 메쉬 구리 와이어 메쉬는 압력이 해제되었을 때 메쉬가 배기를 통해 찢어지거나 압출되지 않도록 하기 위한 배기 설계로 성공적으로 테스트되었다. 이 테스트에서 아크릴 접착제를 사용하여 메쉬를 시트 금속의 하측에 대해 부착하였다. 역화 방지기의 필요한 홀 크기는 발생 가스의 자동 발화 온도 및 속도에 의해 결정된다.
배기 중의 정상 상태에서 메쉬를 가로지르는 압력 강하가 배기 압력을 초과하면, 배기구가 개방되었더라도 가스 발생이 컨테이너를 계속 가압할 것이다. 이는 바람직하지 않지만 가능성은 희박해 보인다. 이러한 상황에서의 가압 가능성이 희박하다는 견해는 http://naca.central.cranfield.ac.uk/reports/arc/cp/0538.pdf에서의 실험 결과에 의해 뒷받침되는데, 이 문헌은 마하 2 내지 4의 공기 속도의 풍동에서 울 필터(wool filter) 요소를 사용한 유사한 메쉬를 가로지르는 실제 압력 강하가 1 psi 미만이었음을 보여준다.
개시된 역화 방지기는 열 전달 기능을 통해 배출 가스의 온도를 유리하게는 자동 발화 온도 미만으로 낮춘다. 본 발명의 예시적 구현예는 언급된 열 흡수를 달성하기 위해 메쉬(예를 들어, 30 US 메쉬)를 사용하지만, 열 전달 기능은 미세 메쉬, 오픈 셀 폼, 경로가 복잡한 얇은 관, 충분히 작은 직경의 긴 직관, 또는 천공된 시트를 통해 가스를 통과시킴으로써 달성될 수 있다. 앞 문장에서 열거된 모든 경우에, 가스 경로 방해물은 가스 온도가 자동 발화 온도 미만으로 낮추어 지도록 충분히 전도성인 재료로 제작되어야 한다.
흑연 애노드 및 NMC 캐소드로 이루어진 23개의 개별 젤리 롤을 이용한 80 Ah 셀의 덮개 위에 실질적으로 원형인 개구와 구리 30 메쉬를 갖는 배기구를 장착하였다. 젤리 롤이 NCA계 캐소드 및 94 Ah의 용량을 갖는 점에서 차이가 있는 두 번째 셀을 유사하게 테스트하였다. 컨테이너는 알루미늄 3003-0 금속으로 제작되었다. 두 셀을 모두 4.2 V에서 얻어진 최대 용량까지 충전시켰다. NREL에 의해 기술된 바와 같이 젤리 롤 중 하나를 내부 단락되도록 하였다. 사용된 내부 단락 장치, ISD는 ISD 위치에서 52℃의 온도에 도달했을 때 셀을 단락시키도록 설계되었다. 이를 달성하기 위해 70℃보다 높게 가열하였다. 셀이 단락되었을 때, 셀은 배기되고 ISD 장치가 들어있는 젤리 롤이 완전히 연소되었지만, 인접한 젤리 롤은 연쇄적 폭주로 이어지지 않았고, 이는 배기가 시스템의 다른 젤리 롤에 대한 역화를 방지하는 데 효과적이었음을 보여준다.
예시적 구현예들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예시적 구현예에 의해 또는 이러한 예시적 구현예로 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형예, 개선예 및/또는 대안적 구현예가 채택될 수 있다.

Claims (61)

  1. 리튬 이온 배터리용 케이싱으로서,
    베이스 및 측벽을 한정하는 캔;
    캔과 덮개가 내부 용적을 한정하도록 캔에 대해 장착된 덮개;
    캔 및 덮개 중 적어도 하나에 형성된 개구에 대해 장착된 압력 차단 장치를 포함하되,
    압력 차단 장치는 내부 용적 내에 장착된 휨 돔 및 내부 용적 외부에 장착된 해머 헤드를 포함하고,
    해머 헤드는 내부 용적으로 연장되도록 고정 배치된 케이싱.
  2. 제1항에 있어서, 압력 차단 장치는 캔 및 덮개 중 적어도 하나에 직접 형성된 개구에 대해 장착된 케이싱.
  3. 제1항에 있어서, 해머 헤드는 퓨즈 홀더에 대해 장착되고, 상기 퓨즈 홀더는 해머 헤드와 전기적으로 연통된 퓨즈를 포함하는 케이싱.
  4. 제1항에 있어서, 휨 돔은 휨 돔의 둘레에 비해 증가된 두께의 중앙 영역을 포함하는 케이싱.
  5. 제4항에 있어서, 중앙 영역의 증가된 두께는 돔에 대해 고정된 필름 디스크에 적어도 부분적으로 기초하는 케이싱.
  6. 제1항에 있어서, 돔은 돔이 해머 헤드로부터 이격된 제1 비반전 위치, 및 돔의 적어도 중앙 영역이 해머 헤드와 접촉하는 반전 위치를 취하도록 구성되고 치수화된 케이싱.
  7. 제6항에 있어서, 휨 돔은 반전 위치에서 휨 돔이 해머 헤드 주위에서 변형되도록 구성되고 치수화된 케이싱.
  8. 제6항에 있어서, 비반전 위치로부터 반전 위치로 이동할 때 해머 헤드와의 접촉이 없다면, 휨 돔의 중앙 영역은 해머 헤드와 비반전 위치의 휨 돔 사이의 간격을 초과하는 거리를 이동하는 케이싱.
  9. 제8항에 있어서, 해머 헤드와 비반전 위치의 휨 돔 사이의 간격을 초과하는 이동 거리는 적어도 0.02 인치인 케이싱.
  10. 제6항에 있어서, 휨 돔은 캔과 덮개에 의해 한정된 내부 용적 내의 소정의 압력에 응답하여 비반전 위치로부터 비반전 위치로 이동하도록 구성된 케이싱.
  11. 제10항에 있어서, 소정의 압력은 약 10 psig 내지 40 psig인 케이싱.
  12. 제1항에 있어서, 캔 및 덮개 중 적어도 하나에 형성된 개구에 대해 장착된 배기 구조를 더 포함하는 케이싱.
  13. 제12항에 있어서, 배기 구조는 새김선에 의해 한정되는 케이싱.
  14. 제12항에 있어서, 배기 구조에 근접하여 장착된 역화 방지기를 더 포함하는 케이싱.
  15. 제14항에 있어서, 역화 방지기는 캔 또는 덮개 내부에 배기 구조에 의해 한정된 영역에 걸쳐 연장되도록 캔 또는 덮개에 대해 장착된 케이싱.
  16. 제14항에 있어서, 역화 방지기는 메쉬 구조인 케이싱.
  17. 제14항에 있어서, 역화 방지기는 30 US 메쉬인 케이싱.
  18. 제14항에 있어서, 역화 방지기는 구리선으로 제작된 케이싱.
  19. 제12항에 있어서, 배기 구조는 약 10 psi 내지 140 psi의 배기 압력에 응답하여 배기하도록 구성된 케이싱.
  20. 제12항에 있어서, 컨테이너의 구조적 한계 압력(P4)은 배기 압력보다 적어도 약 10 퍼센트 더 큰 케이싱.
  21. 제12항에 있어서, 압력 차단 장치 및 배기 구조는 모두 캔의 동일 측벽에 대해 장착된 케이싱.
  22. 제12항에 있어서, 압력 차단 장치 및 배기 구조는 모두 덮개에 대해 장착된 케이싱.
  23. 제12항에 있어서, (i) 압력 차단 장치는 캔의 측벽에 대해 장착되고 배기 구조는 덮개에 대해 장착되거나, (ii) 압력 차단 장치는 덮개에 대해 장착되고 배기 구조는 캔의 측벽에 대해 장착된 케이싱.
  24. 제1항에 있어서, 내부 용적 내에 배치된 리튬 이온 배터리 구성요소를 더 포함하는 케이싱.
  25. 제24항에 있어서, 리튬 이온 배터리 구성요소는 개별 전기화학 유닛의 수용을 위한 공동을 한정하는 지지 구조에 배치된 복수의 밀봉되지 않은 전기화학 유닛을 포함하는 케이싱.
  26. 제25항에 있어서, 밀봉되지 않은 전기화학 유닛은 공유 대기 영역과 연통된 케이싱.
  27. 제26항에 있어서, 압력 차단 장치의 돔은 공유 대기 영역 내로 연장되고, 임계 압력 레벨 이상의 공유 대기 영역의 압력은 돔을 활성화시키는 케이싱.
  28. 제24항에 있어서, 리튬 이온 배터리 구성요소는 배터리 전기 차량(BEV), 플러그인 하이브리드 전기 차량(PHEV), 하이브리드 전기 차량(HEV), 그리드 스토리지(GRID) 및 납축전지 대체(LAR)로 이루어진 군으로부터 선택되는 용도에 사용하기에 적합한 케이싱.
  29. 제14항에 있어서, 역화 방지기는 (i) 배출 가스 스트림의 온도를 자동 발화 온도 미만으로 감소시키고, (ii) 역화 방지기를 통한 배출 가스 스트림의 배출과 관련된 배압을 실질적으로 방지하기 위해 배출 가스 스트림이 비교적 자유롭게 역화 방지기를 통과할 수 있도록 구성되고 치수화된 케이싱.
  30. 리튬 이온 배터리용 케이싱으로서,
    베이스, 측벽 및 덮개를 한정하는 컨테이너;
    컨테이너 내에 한정된 개구에 대해 장착된 휨 돔을 포함하는 압력 차단 장치; 및
    임계 압력 레벨을 초과하는 컨테이너 내 압력 상승에 응답하여, 컨테이너 내에 배치된 리튬 이온 배터리 구성요소들을 전기적으로 절연시키도록 구성된, 컨테이너 외부에 배치된 퓨즈 어셈블리를 포함하는 케이싱.
  31. 제30항에 있어서, 퓨즈 어셈블리는 컨테이너 외부에 배치된 퓨즈 홀더 내에 배치된 퓨즈를 포함하는 케이싱.
  32. 제30항에 있어서, 퓨즈 홀더는 휨 돔이 장착된 컨테이너의 측벽에 대해 장착된 케이싱.
  33. 제32항에 있어서, 컨테이너의 측벽에 대해 퓨즈 어셈블리에 인접하여 형성된 배기 구조를 더 포함하는 케이싱.
  34. 제33항에 있어서, 배기 구조에 인접하여 배치된 역화 방지기를 더 포함하는 케이싱.
  35. 제30항에 있어서, 압력 차단 장치 및 퓨즈 홀더는 컨테이너의 측벽에 대해 장착된 케이싱.
  36. 제35항에 있어서, 컨테이너의 측벽의 외면에 대해 퓨즈 어셈블리에 인접하여 형성된 배기 구조를 더 포함하는 케이싱.
  37. 제30항에 있어서, 컨테이너의 측벽의 외면에 대해 중앙에 위치한 배기 구조를 더 포함하는 케이싱.
  38. 제37항에 있어서, 배기 구조에 인접하여 배치된 역화 방지기를 더 포함하는 케이싱.
  39. 제30항에 있어서, (i) 휨 돔이 장착된 측벽 이외의 컨테이너 측벽, 또는 (ii) 컨테이너의 베이스, 또는 (iii) 컨테이너의 덮개 중 하나에 위치한 배기 구조를 더 포함하는 케이싱.
  40. 제30항에 있어서, 퓨즈 어셈블리는 돔과 퓨즈 사이에 배치된 브레이드(braid) 어셈블리를 포함하는 케이싱.
  41. 제30항에 있어서, 퓨즈 어셈블리는 돔과 퓨즈 사이에 배치된 차단 해머를 포함하는 케이싱.
  42. 제41항에 있어서, 차단 해머는 휨 돔의 휨에 응답하여 퓨즈와 전기적으로 연통되도록 이동하는 케이싱.
  43. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항의 케이싱으로 제작된 리튬 이온 배터리.
  44. 제43항에 있어서, 컨테이너 내에 복수의 리튬 이온 코어 부재가 배치된 리튬 이온 배터리.
  45. 제44항에 있어서, 리튬 이온 코어 부재 중 하나 이상에 근접하여 배치된 하나 이상의 흡열 재료를 더 포함하는 리튬 이온 배터리.
  46. 제44항에 있어서, 컨테이너에 의해 한정된 내부 영역에 배치되어 복수의 공동을 한정하는 지지 부재를 더 포함하되, 복수의 공동 중 상응하는 하나의 공동 내에 복수의 리튬 이온 코어 부재가 배치된 리튬 이온 배터리.
  47. 제46항에 있어서, 지지 부재는 운동 에너지 흡수 재료를 포함하는 리튬 이온 배터리.
  48. 제47항에 있어서, 운동 에너지 흡수 재료는 알루미늄 폼, 세라믹, 세라믹 섬유, 및 플라스틱 중 하나로 형성된 리튬 이온 배터리.
  49. 제46항에 있어서, 상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 각각 배치된 복수의 공동 라이너를 더 포함하되, 공동 라이너는 폴리머 및 금속 포일 적층 파우치를 한정하는 리튬 이온 배터리.
  50. 제46항에 있어서, 상응하는 하나의 리튬 이온 코어 부재와 상응하는 하나의 공동의 표면 사이에 각각 배치된 복수의 공동 라이너를 더 포함하되, 공동 라이너는 플라스틱 또는 알루미늄 재료로 형성된 리튬 이온 배터리.
  51. 제50항에 있어서, 복수의 공동 라이너는 단일체형 라이너 부재의 일부로서 형성된 리튬 이온 배터리.
  52. 제44항에 있어서, 각각의 리튬 이온 코어 부재 내에 들어있는 전해질을 더 포함하는 리튬 이온 배터리.
  53. 제52항에 있어서, 전해질은 내연제, 가스 발생제, 및 산화환원 셔틀 중 적어도 하나를 포함하는 리튬 이온 배터리.
  54. 제43항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 흡열 재료를 더 포함하되, 하나 이상의 흡열 재료 중 적어도 하나는 세라믹 매트릭스 내에 포함되는 리튬 이온 배터리.
  55. 제43항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 케이싱 내에 배치된 전기화학 유닛 또는 젤리 롤은 (i) 개별적으로 밀봉되거나, (ii) 개별적으로 밀봉되지 않은 리튬 이온 배터리.
  56. 제55항에 있어서, 압력 차단 장치는 휨 돔-기반 활성화 메커니즘을 포함하는 리튬 이온 배터리.
  57. 제56항에 있어서, 휨 돔-기반 활성화 메커니즘은 연소 침식을 방지하도록 구성되고 치수화된 리튬 이온 배터리.
  58. 제57항에 있어서, 연소 침식은 (i) 돔-기반 활성화 메커니즘의 질량 증가, (ii) 돔-기반 활성화 메커니즘에 재료(예를 들어, 포일)의 첨가, 및 (iii) 이들의 조합 중 하나 이상에 의해 방지되는 리튬 이온 배터리.
  59. 제58항에 있어서, 돔-기반 활성화 메커니즘의 증가된 질량 및/또는 돔-기반 활성화 메커니즘에 첨가된 재료는 돔-기반 활성화 메커니즘을 제작하는 데 사용된 것과 동일한 유형의 재료를 사용한 리튬 이온 배터리.
  60. 제58항에 있어서, 돔-기반 활성화 메커니즘의 증가된 질량 및/또는 돔-기반 활성화 메커니즘에 첨가된 재료는 돔-기반 활성화 메커니즘을 제작하는 데 사용된 재료와 비교하여 (적어도 부분적으로) 다른 유형의 재료를 사용한 리튬 이온 배터리.
  61. 제55항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 연소 침식을 방지하기 위한 돔-기반 활성화 메커니즘의 설계(예를 들어, 구성 재료(들), 형상, 및/또는 두께/질량)는 목표 트리거 압력에서 돔-기반 활성화 메커니즘이 응답하는 속도에 적어도 부분적으로 기초하는 리튬 이온 배터리.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11183732B2 (en) 2018-11-26 2021-11-23 International Business Machines Corporation Non-sealed apparatus for batteries with a containment structure for gasses

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10790489B2 (en) 2012-10-11 2020-09-29 Cadenza Innovation, Inc. Lithium ion battery
US10637022B2 (en) 2012-10-11 2020-04-28 Cadenza Innovation, Inc. Lithium ion battery
AU2016372041B2 (en) 2015-12-14 2021-09-09 Cadenza Innovation, Inc. Low profile pressure disconnect device for lithium ion batteries
CN106329671B (zh) * 2016-11-07 2019-03-19 天津市天楚科技有限公司 一种组合移动电源
CA3062702C (en) 2017-06-29 2023-08-15 Sargent Manufacturing Company Electrochemical cell housing including at least one catalyst and method of mitigating a venting and/or thermal runaway event
US10665909B2 (en) 2017-07-17 2020-05-26 International Business Machines Corporation Battery thermal run-away and combustion prevention system
CN111670509A (zh) * 2017-09-22 2020-09-15 凯尊创新有限公司 具有模块化汇流条组件的锂离子电池
AU2018385435B2 (en) * 2017-12-13 2022-11-17 Cadenza Innovation, Inc. Lithium ion battery
US20190181419A1 (en) * 2017-12-13 2019-06-13 Cadenza Innovation, Inc. Overcharge Electrical Disconnect System
CN110277533B (zh) 2018-03-16 2020-12-29 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池模组
US11764432B2 (en) * 2018-04-09 2023-09-19 Tesla, Inc. Aggregated battery system
GB2575981B (en) * 2018-07-30 2022-09-07 Gp Batteries International Ltd A battery
AU2019315371A1 (en) 2018-07-30 2021-03-11 Cadenza Innovation, Inc. Housing for rechargeable batteries
CN110061254B (zh) * 2019-03-04 2021-01-26 惠州亿纬锂能股份有限公司 纽扣电池制造设备的联动传动结构
CN110400894A (zh) * 2019-07-25 2019-11-01 清华大学 具有灭火功能的电池端盖
US11942653B2 (en) 2020-03-04 2024-03-26 Donaldson Company, Inc. Housing with integrated spark arrestor
US20210288374A1 (en) * 2020-03-16 2021-09-16 Volvo Car Corporation Cover for a battery module
JP7329181B2 (ja) * 2020-06-04 2023-08-18 トヨタ自動車株式会社 電池ユニット、電池モジュールおよび電池パック
US11349147B2 (en) 2020-06-26 2022-05-31 Cadenza Innovation, Inc. Battery systems
DE102020120041A1 (de) * 2020-07-29 2022-02-03 Audi Aktiengesellschaft Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem
KR20220091958A (ko) * 2020-12-24 2022-07-01 에스케이온 주식회사 파우치형 배터리셀 및 이를 포함하는 배터리 팩
CN112670635A (zh) * 2020-12-29 2021-04-16 东莞新能安科技有限公司 电池模组的制造方法、电池模组、电池包及无人机
CN113571831B (zh) * 2021-09-27 2021-12-31 天津七一二移动通信有限公司 一种铁路机车用铅酸蓄电池的快速拆固装置及使用方法
US20230192369A1 (en) * 2021-12-16 2023-06-22 Underwriters Laboratories Inc. Container for Holding Batteries or Cells
EP4322290A1 (en) * 2022-08-11 2024-02-14 Northvolt AB Folded sheet casing of a battery
US11710957B1 (en) * 2022-10-07 2023-07-25 Archer Aviation, Inc. Systems and methods for redundant control of active fuses for battery pack safety

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5741606A (en) * 1995-07-31 1998-04-21 Polystor Corporation Overcharge protection battery vent
US6746795B2 (en) * 1997-11-26 2004-06-08 William R. Schwarz Lead-acid safety battery cap
US6444359B1 (en) * 1998-12-18 2002-09-03 Nec Corporation Liquid electrolyte solution including a halogenated and aliphatic polyolefin dissolved therein and secondary battery
JP5081486B2 (ja) * 2007-01-12 2012-11-28 株式会社Ｎｔｔファシリティーズ 電池容器及び栓
US9246140B2 (en) 2009-07-09 2016-01-26 Samsung Sdi Co., Ltd. Rechargeable battery with a cap assembly having a first tab located outside of the case
US8877361B2 (en) 2009-09-01 2014-11-04 Samsung Sdi Co., Ltd. Rechargeable battery
US8440336B2 (en) * 2009-12-08 2013-05-14 Samsung Sdi Co., Ltd. Rechargeable battery with short circuit member
US8748030B2 (en) 2010-06-09 2014-06-10 Samsung Sdi Co., Ltd. Secondary battery
US9905821B2 (en) * 2010-11-15 2018-02-27 Volkswagen Ag Vehicle battery packaging
US8753765B2 (en) 2011-03-14 2014-06-17 Samsung Sdi Co., Ltd. Secondary battery
KR101222232B1 (ko) 2011-04-07 2013-01-16 로베르트 보쉬 게엠베하 이차 전지
KR101265202B1 (ko) 2011-06-08 2013-05-27 로베르트 보쉬 게엠베하 이차 전지
US9023498B2 (en) 2011-07-07 2015-05-05 Samsung Sdi Co., Ltd. Rechargeable battery
KR101683210B1 (ko) 2011-11-17 2016-12-07 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
US9172079B2 (en) 2012-02-01 2015-10-27 Samsung Sdi Co., Ltd. Rechargeable battery
ES2745218T3 (es) 2012-10-11 2020-02-28 Cadenza Innovation Inc Batería de iones de litio
CN104781946B (zh) * 2012-11-26 2017-12-12 日立汽车系统株式会社 四方形二次电池
DE102013204341A1 (de) 2013-03-13 2014-09-18 Robert Bosch Gmbh Sicherheitselement für Batteriezelle
KR20150042618A (ko) * 2013-10-11 2015-04-21 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
KR102272264B1 (ko) * 2014-01-20 2021-07-02 삼성에스디아이 주식회사 단락 연결부를 갖는 전지 모듈
US10396416B2 (en) * 2014-05-21 2019-08-27 Thermal Ceramics, Inc. Passive insulation materials
AU2016372041B2 (en) 2015-12-14 2021-09-09 Cadenza Innovation, Inc. Low profile pressure disconnect device for lithium ion batteries

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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