KR20180093105A - 일체형 배터리 탭 - Google Patents

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마이클 바론
요나 에스. 마이어버그
니콜라스 바라모
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에이일이삼 시스템즈, 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 일 형태는 권취식 전기화학적 저장 장치 조립체에 관한 것으로서, 음극 시트와, 상기 음극 시트와 일체형이고 상기 음극 시트로부터 연장되는 복수의 음극 탭과, 양극 시트와, 상기 양극 시트와 일체형이고 상기 양극 시트로부터 연장되는 복수의 양극 탭과, 상기 음극 시트와 상기 양극 시트 사이에 배치되는 분리 시트를 포함하며, 상기 음극 시트, 양극 시트, 및 분리 시트는 공통 축 주위로 권취되어 복수의 권선을 형성하고, 각각의 권선은 하나의 음극 탭 및 하나의 양극 탭을 포함한다.

Description

일체형 배터리 탭 {INTEGRAL BATTERY TAB}
본 발명은 전기화학적 저장 유닛(배터리)의 구성 및 이용에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배터리 탭 장치와, 그 제조 및 이용 방법에 관한 것이다.
전력을 저장 및 제공하기 위한 장치가 오랜 시간동안 사용되고 있다. 일반적으로 배터리(battery)라는 설명어에서, 이러한 장치는 적어도 한 세트의 단자 사이에서 전위를 제공하는 전기화학적 셀(cell) 및 셀들의 집합을 포함한다. 단자들은 전기 부하를 여기시키거나 전기 부하에 전력을 공급하기 위해 전기(가령, 직류, DC) 부하에 연결될 수 있다. 배터리는 건식 셀, 습식 셀(가령, 납-산 셀), 및 화학적으로 가용한 기전력을 일반적으로 전류로 변환시키는 다른 타입의 유닛을 포함한다.
배터리는 종종 "1차" 및 "2차" 타입으로 분류된다. 1차 배터리는 제한된 전기화학적 용량을 갖는 제조자로부터의 1회용 유닛이고, 소모되어 이용후 폐기된다. 2차 배터리는 사용 후 "재충전"될 수 있고, 그 용량이 무한하지는 않지만, 어느 정도까지 방전 프로세스를 역행함으로써 동일 셀을 반복 이용할 수 있게 한다.
배터리 용량을 증가시키기 위해, 셀들은 셀의 애노드(음극) 및 캐소드(양극) 요소들 사이에 큰 표면적을 활용하도록 구성되고 있다. 이러한 하나의 설계는 전해질 용액에 많은 평행판들을 배치하여 애노드와 캐소드 사이에서 이온 교환을 할 수 있게 하며, 이는 일반적으로 "각형" 셀("prismatic" cell)이라 불린다.
다른 설계는 다공질 막과 함께 애노드 및 캐소드 물질의 평면형 층상 시트를 분리시키고, 층들을 하나의 롤(컴팩트하고 기계적으로 안정한 배터리를 제공하는 "젤리 롤"(jelly roll)로 불림)로 권취하며, 이는 일반적으로 "원통형" 셀이라 불린다. 권취된 배터리 설계에서, 애노드, 분리막, 및 캐소드 물질의 복수의 교번 시트가 배터리의 공간적 고려에 의해 허용되는 범위에서 사용되고, 애노드 시트는 애노드 단자에 집합적으로 연결되고 캐소드 시트는 캐소드 단자에 집합적으로 연결된다. 전체 장치는 통상적으로 원통형 캔과 같은, 강체형 인클로저 내에 패키징된다.
배터리 단자에 전기적 연결을 제공하기 위해, 일반적으로, 권취되기 전에 구조물 내에 조심스럽게 선택된 간격으로 용접함으로써 복수의 전도 탭이 삽입된다. 30개의 권선을 갖는 종래의 탭달린 젤리 롤은 애노드 및 캐소드 각각에 대해 약 6개의 탭을 갖는 것이 일반적이다. 일부 설계는 캐소드 및 애노드 각각에 대해 단 하나의 탭만을 갖는다. 탭들이 권취 이전에 용접되기 때문에, 탭은 정밀하게 배치되어야 하고, 젤리 롤은 최종 권취된 셀 내에 정렬된 탭을 생성하기 위해, 정밀하게 권취되어야 한다.
본 발명의 일 형태는 권취식 전기화학적 저장 장치 조립체에 관한 것으로서, 음극 시트와, 상기 음극 시트와 일체형이고 상기 음극 시트로부터 연장되는 복수의 음극 탭과, 양극 시트와, 상기 양극 시트와 일체형이고 상기 양극 시트로부터 연장되는 복수의 양극 탭과, 상기 음극 시트와 상기 양극 시트 사이에 배치되는 분리 시트를 포함하며, 상기 음극 시트, 양극 시트, 및 분리 시트는 공통 축 주위로 권취되어 복수의 권선을 형성하고, 각각의 권선은 하나의 음극 탭 및 하나의 양극 탭을 포함한다.
일부 실시예에서, 복수의 음극 탭 및 복수의 양극 탭 각각이 정렬된다. 일부 실시예에서, 양극 시트 및 양극 탭이 모두 알루미늄으로 구성된다. 일부 실시예에서, 음극 시트 및 음극 탭이 모두 구리로 구성된다. 일부 실시예에서, 실질적으로 동심의 권선은 실질적으로 원통형의 프로파일을 갖는다. 일부 실시예에서, 실질적으로 동심의 권선은 실질적으로 각형 프로파일을 갖는다. 일부 실시예에서, 각 탭은 약 3mm 내지 약 8mm의 폭을 갖고, 약 8mm 내지 약 25mm의 길이를 갖는다. 일부 실시예에서, 각각의 탭은 전극 활성 물질로부터 실질적으로 자유롭다. 일부 실시예에서, 각각의 탭은 삼각형 또는 장방형 프로파일을 갖는다.
발명의 다른 형태는 전기화학적 저장 장치의 제조 방법에 관련되며, 음극 시트와 양극 시트 사이에 분리 시트를 배열하는 단계로서, 각각의 양극 시트 및 음극 시트는 전극 활성 물질로부터 실질적으로 자유로운 에지 영역을 갖는, 단계와, 상기 음극 시트, 분리 시트, 및 양극 시트를 공통축 주위로 권취하여 권취식 조립체를 형성하는 단계와, 각각의 에지 영역을 절단하여 복수의 전극 탭을 형성하는 단계로서, 코일화 조립체의 각각의 권선은 음극 시트 및 양극 시트 각각에 대해 하나의 탭을 포함하는, 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 절단은 초음파 절단을 포함한다. 일부 실시예에서, 복수의 전극 탭이 정렬된다. 일부 실시예에서, 각각의 탭은 약 3mm 내지 약 8mm의 폭을 갖는다. 일부 실시예에서, 각각의 탭은 약 3mm 내지 약 8mm의 폭과, 약 8mm 내지 약 25mm의 길이를 갖는다. 일부 실시예에서, 각각의 에지 영역은 약 10mm 내지 약 30mm의 폭을 갖는다. 일부 실시예에서, 각각의 에지 영역은 약 20mm의 폭을 갖는다. 일부 실시예에서, 각각의 탭은 삼각형 또는 장방형 프로파일을 갖는다. 일부 실시예에서, 권취식 조립체는 원통형 또는 각형 프로파일을 갖는다.
본 발명의 다양한 목적, 특징, 및 장점은, 유사한 도면 부호들이 유사한 요소들을 나타내는 다음의 도면과 연계하여 고려될 때, 발명의 다음의 상세한 설명을 참조하여 더욱 완전하게 이해될 수 있다. 다음의 도면은 설명을 위한 것일 뿐, 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 그 범위는 이어지는 청구범위에 제시된다.
도 1은 종래 기술에 따른 권취식 전기화학적 저장 장치를 도시한다.
도 2a는 종래 기술에 따라, 도 1의 권취식 장치의 일 단부와, 여기서부터 연장된 복수의 탭을 도시한다.
도 2b는 종래 기술에 따라 제조된 배터리 장치의 사진이다.
도 3은 발명의 일 실시예에 따른, 예시적인 전극 시트를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 청구되는 장치에 대한 전기화학적 저장(배터리) 프리스테이지의 일부분의 모습을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 4의 구조를 생성하기 위해 리본-형상 물질을 동시에 권취하는 한가지 방법을 도시한다.
도 6은 발명의 실시예에 따른 절단 젤리 롤 셀(cut jelly roll cell)을 도시한다.
도 7A는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탭을 도시한다.
도 7B는 종래의 용접 관습에 따라 제조된 탭을 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 복수의 용접없는 탭을 갖는 셀을 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른, 캔 내로 배치되는 셀을 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른, 일체형 배터리 탭(1010, 1020)을 갖는, 권취식 각형 셀(1000)을 도시한다.
다음은 여기서 설명되는 방법 및 장치에 도달하기에 적합한 하나 이상의 실시예를 세부적으로 설명하고, 배타적이거나, 포괄적이거나, 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다.
개시되는 설계는 포일 초음파 용접 정션에 대한 전류 컬렉터 탭을 제거하는 젤리 롤 배터리를 제공한다. 대신에, 바 전극 포일이 셀의 전극 코팅 너머로 연장된다. 젤리 롤이 권취되면, 탭 프로파일이 노출된 포일 단부로부터 절단된다. 이 시스템 및 방법은 권선 당 하나 이상의 전류 컬렉터 탭을 가능하게 한다. 더 많은 탭들의 셀 임피던스가 저하되면, 열 전달이 개선되고, 전체 셀 성능이 개선된다. 탭이 전극 포일과 일체형이기 때문에, 탭을 통한 전류 흐름에 대한 임피던스가 감소한다. 탭 프로파일은 초음파 블레이드를 이용하여 절단될 수 있다. 이러한 절단은 훌륭한 에지 품질을 나타내고, 셀에 어떤 주목할만한 손상도 미치지 않는다.
개시되는 설계의 세부사항을 논하기 전에, 다음의 문단은 젤리 롤 배터리 설계를 일반적으로 설명한다. 도 1은 종래 기술에 따른 배터리 장치(100)의 일부분을 보여준다. 애노드(104) 및 캐소드(108)의 스트립 또는 시트들이 분리막(106)에 의해 분리된다. 애노드(104) 및 캐소드(108)의 조성은 배터리의 구체적 타입에 따라 좌우되고, 전기 전도 기판 또는 포일 상에 전기활성 물질층, 예를 들어, 그래파이트, 금속, 및 다른 물질을 포함한다. 포일은 전류 컬렉터로 기능할 수 있다. Li-이온 배터리에서, LiCoO2, LiMn2O4, Li(Fe,Mn)PO4, 또는 (Li,Nb)(Fe,Mn)PO4가 전형적인 전기활성 캐소드 물질이다. 분리막(106)은 다공질이고, 애노드(104)와 캐소드(108) 사이에서 이온을 이동시킬 수 있으나, 전기적으로 절연성이고, 두 전극을 서로로부터 절연시키는 기능을 한다.
장치(100)는 리본-형상 물질(104, 106, 108)을 "젤리 롤"(110)로 함께 권취함으로써 형성된다. 배터리 단자에 전기적 연결을 제공하기 위해, 권취되기 전에 구조물 내에 조심스럽게 선택된 간격으로 용접함으로써 복수의 전도 탭(112, 114)이 삽입된다. 제 1 세트의 탭(112)은 애노드 물질(104)과 접촉하도록 제조되어, 일 단부 상에서 권취 부분(110)으로부터 외향으로 연장되어 배터리 장치의 애노드 단자를 형성한다. 제 2 세트의 탭(114)은 캐소드 물질(108)과 접촉하도록 제조되어, 다른 단부 상에서 권취 부분(110)으로부터 외향으로 연장되어 배터리 장치의 캐소드 단자를 형성한다. 30개의 권선을 갖는 종래 기술의 탭 달린 젤리 롤은 통상적으로 애노드 및 캐소드 각각에 대해 약 6개의 탭을 갖는다. 일부 설계는 캐소드 및 애노드 각각에 대해 단 하나의 탭만을 갖는다.
도 2a는, 배터리 장치의 권취 부분(110)으로부터 연장되는 6개의 컬렉터 탭(112)의 그룹을 보여주는, 종래 기술에 따른 장치의 애노드부를 도시한다. 도 2a는 이상적인 도해로서, 실제로 6개의 컬렉터 탭(112)이 완벽하게 정렬되지 않고, 종래 기술에 따라 제조된 배터리 장치의 사진인 도 2b에 도시되는 바와 같이, 오정렬되는 경우가 자주 있다. 캔(120)은 전체 젤리 롤 조립체를 하우징하고, 그리고, 기계적 보호를 조립체에 제공하고, 오염을 방지하며, 히트 싱크로 작용하고, 그리고, 캐소드 단자(도시되지 않음)를 제공한다.
복수의 연장된 애노드(112) 및 캐소드(114) 탭 또는 연장부가 서로에 연결되고 배터리의 다른 부분에 연결되는 방식은, 설계의 문제다. 권취식 배터리의 이러한 형태의 종래 기술의 설계는 수많은 단점들을 갖고, 그 중 일부는 앞서 논의한 바 있다. 이러한 단점들은 전기적 성질 불량(가령, 고 임피던스), 열적 성질 불량(열 소산 저조), 그리고, 기계적 및 제조 성질 불량을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 통상적으로, 탭(112)은 캐소드(114) 또는 애노드(112)에 초음파로 용접된다. 초음파 용접 프로세스는 값비싸고 복잡하며, 제조 상의 당면 과제를 요구한다. 예를 들어, 권취식 젤리 롤 내 용접된 탭의 정렬은 어려운 작업인 것으로 입증되었다. 탭을 정렬시키기 위해, 각각의 탭은 전극에 정밀하게 용접되어야 하고 롤 자체는 정밀하게 권취되어야 한다. 이러한 이유로, 종래 기술의 시스템에서 6개보다 많은 탭을 성공적으로 정렬시키기가 어려운 것이다. 셀 내의 오옴 저항은, 궁극적으로 전류 컬렉터 탭을 통해 셀을 빠져나가도록, 애노드 및 캐소드로부터 젤리 롤의 권선 주위로 이어지는 전자의 대향 흐름에 의해 생성된다. 전류 컬렉터 탭 사이의 거리가 클수록, 전자가 셀 내외로 이동할 때 거쳐야 하는 거리가 멀다. 따라서, 젤리 롤은 임피던스 감소와 열 소산 증가를 위해 권선 당 하나의 탭을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 제조 프로세스의 제한사항은 이상적인 개수보다 적은 탭을 도출하여, 열적 및 전기적 성질이 불량한 셀로 귀결되는 값비싸고 복잡한 제조 프로세스를 유도한다.
이 문제를 해결하기 위해, 일 에지 상에 편조(braided) 구리 및 알루미늄 스트립을 갖는 전극을 생성하려는 시도가 있었다. 이는 무한한 양의 탭을 갖는 셀 내외로 전자가 유동하기 위한 하나의 연속 경로를 생성하여 임피던스를 낮추려는 시도였다. 그러나, 이러한 설계는 전극 포일에 대한 편조물의 부착의 문제점을 갖는다.
본 방법 및 시스템은 전극 코팅 너머로 약 15mm 내지 약 25mm 또는 약 20mm까지 애노드 및 캐소드 상의 포일 기판을 연장시키고, 그 후 권취식 젤리 롤로부터 탭 프로파일을 절단해낸다. 앞서 논의한 바와 같이, 전자가 셀 내외로 드나드는 데 이동해야할 거리를 단축시킴으로써 임피던스가 감소한다.
도 3은 전극 코팅부(302) 및 전극 연장부(304)를 포함하는, 예시적인 전극(300)을 도시한다. 전극 연장부(304)는 전극 코팅부(302) 너머로 전극(300)의 포일 기판의 연장이다. 통상적으로, 전극 연장부(304)는 약 20mm 연장된다. 그러나, 전극 연장부(304)는 전극 코팅부(302) 너머로 약 10nm 내지 약 30mm 사이로 연장될 수 있다. 전극 연장부(304)가 전극(300)으로부터 포일의 연장부이기 때문에, 전극 코팅부(302)와 전극 연장부(304) 사이에 용접이 없다. 따라서, 전극 연장부(304)는 전극(300)과 일체형이다. 전극(300)은 젤리 롤 셀에 사용하기 위한 애노드 또는 캐소드일 수 있다. 통상적으로, 애노드용 연장 물질은 구리이고, 캐소드용 연장 물질은 알루미늄이다.
도 4는 전기화학적 저장(배터리) 장치의 일부분의 모습을 도시한다. 장치는 명료성을 위해 부분 권취부(210)와 부분 비-권취부(202)가 도시된다. 권취부(210)는 시트 또는 리본-형상 요소(202)로 형성된다. 캐소드(204) 및 애노드(208)의 교번 시트는 분리막 시트(206)에 의해 분리된다. 도 4의 장치(200)는 단일 캐소드(204) 및 단일 애노드(208)를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 장치(200)는 여러 개의 캐소드(204) 및 애노드(208)를 포함할 수 있다. 애노드(208)는 전류 컬렉터와 같이, 전기 전도 기판 상에 배치되는 전기활성 물질층을 포함한다. 리튬-이온 배터리의 애노드층 형성에 통상적으로 사용되는 물질이 현재의 설계에 사용될 수 있다(예를 들어, 알루미늄). 앞서 논의한 바와 같이, 각각의 애노드(208)는 애노드(208)의 활성 영역으로부터 연장되는 애노드 연장부(214)를 포함한다. 애노드 연장부(214)는 도 3에 도시되는 바와 같이, 애노드(208)에 일체형이다. 애노드 연장부(214)는 전도성이고, 애노드(208)에 대한 전기적 및 열적 결합을 위한 경로를 제공한다. 각각의 캐소드(204) 역시 캐소드(204)의 활성부로부터 연장되는 캐소드 연장부(212)를 마찬가지로 포함한다. 캐소드 연장부(212)는 도 3에 도시되는 바와 같이, 캐소드(204)에 일체형이다. 캐소드(204)는 전기 전도 기판 상에 배치되는 전기활성 물질층을 포함한다. 리튬-이온 배터리의 캐소드층 형성에 통상적으로 사용되는 물질이 본 설계에 사용될 수 있다(예를 들어, 알루미늄). 애노드 연장부(214) 및 캐소드 연장부(212)는 배터리 장치(200)의 대향 단부에 놓인다. 분리막(206)은 이온 전도도를 제공하지만, 앞서 논의한 바와 같이 전자 전도를 방지한다.
애노드(208), 캐소드(204), 및 분리 시트(206)(애노드 연장부(214) 및 캐소드 연장부(212) 포함)는 중심축(224) 주위로 함께 권취되어 권취 구조(210)를 형성한다. 배터리 셀을 구성하기 위해 임의의 권취 또는 적층, 또는 층상 방법이 이용될 수 있다. 도 4의 권취 구조(210)는 중심축(224) 주위로 권취된다. 따라서, 각각의 시트-형상 물질은 (단면에서 보았을 때) 동일한 중심축(224) 주위로 나선을 형성한다.
시트를 함께 권취한다는 표현이 함부로 해석되어서는 안된다. 즉, 시트 또는 시트-형 물질들의 하나 이상의 층이 스풀에 또는 서로의 주위로 함께 감겨서 각각의 물질의 나선 구조를 도출할 수 있고, 그 안에는 다른 물질이 배치된다. 또한, 축(224) 주위로 코일화, 권취, 또는 감김은, 층들이 축(224) 주위로 정밀 원형층을 형성함을 암시하지 않는다. 다른 권취 또는 적층 구조가 고려된다. 일부 실시예에서, 롤은 일정-반경 원형 링보다는 반경이 증가하는 나선을 형성한다.
도 5는 도 4의 구조를 생성하기 위해 리본-형상 물질을 함께 권취하는 일 방식을 도시한다. 일반적으로, 구성 물질 각각의 롤은 적절한 공급 속도로 스풀링되고, 앞서 설명한 권취 배터리 구조 내로 함께 권취된다. 애노드, 캐소드, 및 분리기 물질은 각각 스풀(404, 406, 402)로부터 제공될 수 있다.
젤리 롤이 형성되면, 애노드 및 캐소드 연장부 각각이 절단되어 전도 전극 탭을 형성할 수 있다. 도 6은 발명의 실시예에 따른 절단 젤리 롤(600)을 도시한다. 젤리 롤(600)은 복수의 캐소드 탭(602) 및 복수의 애노드 탭(604)을 가져서, 젤리 롤(600)의 각각의 권선이 캐소트 탭 및 애노드 탭 각각을 갖게 되고, 각각의 탭은 캐소드 또는 애노드에 일체형이 된다(즉, 탭이 캐소드 또는 애노드에 용접되지 않는다). 최종 절단 탭의 크기 및 형상은 최종 셀 설계에 기초하여 변할 수 있다. 저중량, 저-임피던스 셀의 경우, 탭은 약 3mm 내지 약 4mm 폭일 수 있다. 고-전력 응용예의 경우, 탭은 약 8mm 폭일 수 있다. 탭이 가변적인 단면적을 가질 수도 있다. 예를 들어, 일부 응용예의 경우, 탭은 도 6에 도시되는 바와 같이 대체로 삼각형 프로파일을 가질 수 있고, 다른 응용예의 경우 탭은 도 7A에 도시되는 바와 같이 정사각형 프로파일을 가질 수 있다. 더욱이, 탭의 길이는 셀의 직경에 좌우된다. 예를 들어, 큰 직경을 갖는 셀은 긴 탭을 갖고, 작은 직경의 탭은 작은 탭을 갖는다. 일부 실시예에서, 탭의 길이는 셀의 중심으로부터 탭의 거리가 증가함에 따라 크기가 증가할 수 있다. 즉, 짧은 탭은 셀의 중심에 있고, 긴 탭은 셀의 에지 상에 있다. 통상적으로, 탭은 약 8mm 내지 약 25mm 사이의 길이 범위를 가질 수 있다.
도 7A는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탭을 도시한다. 탭(700)은 전극 영역(702)으로부터 연장되는 포일의 하나의 연속 조각으로부터 절단된다. 탭(700)은 전극(702)에 대한 용접 조인트가 없고, 전극(700)에 일체형이다. 도 7B는 종래의 용접 관례에 따라 제조된 탭(710)을 도시한다. 탭(710)은 전극(712)에 용접된다. 따라서, 용접 조인트(714)가 탭(710)과 전극(712) 사이에 존재한다.
일체형 탭은 애노드 및 캐소드 시트가 전기화학 셀 내로 조립된 후 요망 형상의 탭으로 포일 연장부를 절단함으로써 제조될 수 있다. 개시되는 절단 프로세스는 (1) 부스러기를 거의 또는 전혀 생성하지 않고, (2) 선명한 에지를 남기며, (3) 대량 제조 단계로 확장가능하고, (4) 서로의 90도 내에서 애노드 및 캐소드 탭을 생성한다. 이러한 최종 요건은 셀이 권취된 후 젤리 롤의 탭 정렬을 의미한다. 모든 탭이 정렬되는 것이 바람직하다(즉, 탭은 2개의 가장 먼 탭의 중심으로부터 측정되는 90도 영역 내에 놓인다). 따라서, 모든 애노드 탭은 서로의 90도 내에 있고, 모든 캐소드 탭은 서로의 90도 내에 있다. 이 프로세스에 대한 바람직한 정렬은, 가장 먼 2개의 탭의 중심으로부터 +/- 5도일 것이다(즉, 탭은 서로의 10도 내에 있다). 예를 들어, 정렬이 2개의 가장 먼 캐소드 탭의 중심으로부터 +/- 5도일 수 있고, 2개의 가장 먼 애노드 탭의 중심으로부터 +/- 5도일 수 있다. 위 프로세스 제한사항을 충족시키기 위해 초음파 절단 프로세스가 사용되고 있다. 초음파 절단 기계는 예를 들어, 칼 또는 블레이드와 같은 절단 툴 또는 혼(horn)을 고주파수에서 진동시킨다. 초음파 블레이드는 통상적으로 절단하기 어려운 물질을 통한 블레이드 통과를 용이하기 하기 위해 수직 발진을 이용한다. 블레이드는, 고주파수에서 진동할 때, 그 주변의 에어 분자들을 붕괴시키고, 블레이드와 절단 물질 사이의 거의 마찰없는 환경을 생성한다. 그 결과, 선명하고 정확한 전달을 행하는 데 정규 압력이 거의 필요치 않고, 블레이드 수명은 우수하다. 미국, 코네티컷, Newtown에 소재한 Sonics & Materials의 초음파 절단 툴은, 배터리 제조에 사용되는 알루미늄 및 구리 포일이 극히 전성이 좋다는 사실에도 불구하고, 개시되는 젤리 롤의 순수 포일 단부의 임의의 파쇄없이 극히 정밀한 절단을 행하는 데 사용되었다. 도 8은 Sonics & Materials로부터의 초음파 절단 툴을 이용하여 복수의 용접없는 연장 탭(802)를 갖는 셀(800)을 도시한다. 도 8에 도시되는 바와 같이, 남은 에지들은 선명하고, 절단 중 부스러기가 거의 생성되지 않았다. 절단은 최초에 타이어 절단용으로 설계된 K형 에지(double beveled edge)를 갖는 블레이드로 제조되었고, 젤리 롤은 손으로 보지되었다. V형 에지(single beveled edge)를 갖는 블레이드도 물론 사용될 수 있다. 확장가능하고, 그리고, 선명한 에지를 남기는 부스러기 생성없이 포일을 통해 절단할 수 있는 다른 절단 기술이 또한 사용될 수 있다. 도 8은 포일의 다수를 제거하면서 포일의 절단 블레이드 남김 에지를 보여주지만, 전극 코팅 영역까지 모든 포일이 제거될 것이다.
도 9는 캔 내로 배치되는 셀을 도시한다. 탭(900)이 절단된 후, 탭은 커버(910)에 연결된다. 커버(910)는 외부 전기 회로에 배터리를 연결하는 데 사용되는 전도성 중심 단자를 갖는다. 커버(910)는 중심 단자 주위로 배치되는 절연 링(914)을 더 포함한다. 조립되면, 전기 전도성 경로가 탭 사이에 존재하고, 따라서, 커버(910)의 중심 단자와 권취 조립체의 탭에 전극이 연결된다. 권취 조립체는 그 후 전도성 캔(912) 내로 삽입되고, 제 2 커버(도시되지 않음)가 (다른 전극의) 제 2 세트의 탭과 캔(912)에 모두 연결된다. 전해질은 커버(91)가 캔(912)에 부착되면 포트(도시되지 않음)를 통해 커버(910)와 캔(912)에 의해 형성되는 내부 공간 내로 유입될 수 있다. 포트는 내부 공간이 성공적으로 충전된 후 플러깅(plugging)된다. 포트는 커버(910) 내에, 또는, 대안으로서, 캔(912) 내에, 제공될 수 있다. 대안으로서, 전해질이 커버(912) 부착 이전에 캔의 내부 공간 내로 유입될 수 있다.
전해질 충전재 유체 및 겔은 진공 백-충전(vacuum back-filling)과 같이, 알려진 기술에 의해 형성될 때 배터리 롤 내로 유입될 수 있다. 배터리 롤이 충전될 수 있는 한가지 방식은, 배터리의 충전 및 방전 중 가스 교환을 또한 가능하게 한다.
개시되는 일체형 배터리 탭은 권취식 각형 셀에 또한 사용될 수 있다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 일체형 배터리 탭(1010, 1020)을 갖는 권취식 각형 셀(1000)을 도시한다. 권취식 각형 셀은 각형 프로파일을 갖는 평판 주위로 애노드, 캐소드, 및 분리기를 권취함으로써 제조되는 셀이다. 앞서 논의한 다른 권취식 셀에서처럼, 전류 컬렉터 탭은 통상적으로 권취 이전에 전극에 용접된다. 동일한 제조 과제가 원통형 셀로 권취된 각형 셀에 존재한다. 탭은 외부 파우치 또는 캔에 적절한 연결을 위해 소정의 허용공차 내에서 정렬될 수 있다. (젤리 롤 원통형 셀과 관련하여 앞서 논의한 바와 같이) 코팅되지 않은 알루미늄 및 구리 포일을 각각의 셀 단부로부터 연장함으로써, 요망 위치에 전류 컬렉터 탭의 스트립을 남기도록 원치않는 포일을 제거하는 데 절단 프로세스가 사용될 수 있다. 앞서 논의한 바와 같이, 이는 전극을 세척할 필요성을 제거하고, 전류 컬렉터 탭을 포일에 초음파 용접할 필요성을 제거하며, 권취 프로세스를 나타내기 위한 공학용의 복잡한 탭 정렬 공식을 제거한다. 추가적으로, 로트 수율(lot yield), 전체 셀 품질, 및 셀 성능이 개선되고, 제조 단가가 감소한다.
고전력 애플리케이션에 요망 결과를 제공하기 위해 종래의 배터리 설계가 현재 분투중이지만, 여기서 설명되는 실시예는 고전력 및 고전류 응용예에 대해 개선된 전기적 특성을 제공하는 감소-임피던스 설계를 가능하게 한다. 배터리 셀 내부 및 탭의 저-저항은 열 발생 및 배터리로부터의 열 소산을 또한 감소시킨다. 설명되는 탭은 외측 배터리 구성요소로의 우수한 히트 싱크를 제공하고, 배터리 내 원치않는 열 축적을 방지한다.
본 설명 및 실시예를 살펴보면, 당 업자는 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 개시내용의 다양한 형태의 유용한 수정예 및 동등한 치환물을 인지할 것이다. 따라서, 발명의 범위는 앞서 논의한 구체적 실시예에 제한되지 않는다.

Claims (7)

  1. 전기화학적 저장 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    음극 시트와 양극 시트 사이에 분리 시트를 배열하는 단계로서, 각각의 양극 시트 및 음극 시트는 전극 활성 물질로부터 자유로운 에지 영역을 갖는, 단계와,
    상기 음극 시트, 분리 시트, 및 양극 시트를 공통축 주위로 권취하여 권취식 조립체를 형성하는 단계와,
    각각의 에지 영역을 초음파적으로 절단하여 복수의 전극 탭을 형성하는 단계로서, 코일화 조립체의 각각의 권선은 음극 시트 및 양극 시트 각각에 대해 하나의 탭을 포함하는, 단계
    를 포함하고,
    각각의 탭은 복수의 삼각형의 단면적을 가지고, 각각의 탭은 8mm 내지 25mm의 길이로 연장되는, 전기화학적 저장 장치 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    복수의 전극 탭이 정렬되는
    전기화학적 저장 장치 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 탭은 3mm 내지 8mm의 폭을 갖는
    전기화학적 저장 장치 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각각의 에지 영역은 10mm 내지 30mm의 폭을 갖는
    전기화학적 저장 장치 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 에지 영역은 20mm의 폭을 갖는
    전기화학적 저장 장치 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 권취식 조립체는 원통형 프로파일을 갖는
    전기화학적 저장 장치 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 권취식 조립체는 각형 프로파일을 갖는
    전기화학적 저장 장치 제조 방법.
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