KR20180105362A - 온도 변화에 따른 가변층을 포함하는 재충전가능한 배터리 - Google Patents

온도 변화에 따른 가변층을 포함하는 재충전가능한 배터리 Download PDF

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Abstract

본 발명에는 재충전가능한 배터리가 개시된다. 개시된 배터리는 양극 기재층; 상기 양극 기재층에 인접하여 형성된 양극 활물질층; 음극 기재층; 상기 음극 기재층에 인접하여 형성된 음극 활물질층; 상기 양극 활물질층 및 음극 활물질층 사이에 형성된 분리막; 및 상기 양극 기재층과 상기 양극 활물질층 사이, 또는 상기 음극 기재층과 상기 음극 활물질층 사이에 배치된 형상 가변층을 포함할 수 있다.

Description

온도 변화에 따른 가변층을 포함하는 재충전가능한 배터리{RECHARGEABLE BATTERY WITH VARIABLE LAYER DEPENDENT TO TEMPERATURE CHANGE}
본 발명의 다양한 실시예는 온도 변화에 따른 가변층을 포함하는 재충전가능한 배터리에 관한 것이다.
스마트 폰과 같은 휴대용 전자 장치의 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 또는 각형의 금속캔에 내장되어 있는 각형 전지, 또는 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지 등으로 분류될 수 있다.
배터리 전극 조립체는 젤리-롤형(jellyroll type)(권취형)과 스택형(stacked type)(적층형)으로 구분될 수 있다. 젤리-롤형 전극 조립체는 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅한 후 프레싱 및 슬리팅 공정을 통해 전극을 제작하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후, 나선형으로 감아 제조될 수 있다.
스택형 전극 조립체는 분리막으로 격막한 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한구 조로서, 각형, 파우치 형 전지에 모두 적용 가능하다.또한, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합형태인 전극 조립체가 사용될 수 있다.
재충전가능한 배터리는 내외부의 다양한 열적 원인으로 온도가 상승하는 경우, 예를 들어, 못과 같이 전기 전도성을 가진 날카로운 침상 도체로 관통될 경우에, 양극과 음극이 침상 도체에 의해 전기적으로 연결되면서 전류가 저항이 낮은 침상 도체로 흐르게 된다. 이때, 양극 활물질/기재과 음극 활물질/기재간의 접촉저항부에 통전되는 전류에 의해 높은 저항열이 발생하게 된다.
상기 열로 인하여 재충전가능한 배터리의 온도가 임계치 이상으로 상승하게 되면, 분리막의 수축으로 인해 양극과 음극의 직접적인접촉이 발생하며 이는 열폭주 현상을 유발하여 재충전가능한 배터리를 과열, 발화 또는 폭발시키는 주요한 원인으로 작용할 수 있다.
또한, 재충전가능한 배터리는 배터리 셀 제조 불량 등의 원인으로 금속 이물질이 혼입되는 경우, 양극과 음극 사이에 정상적으로 절연이 되지 못하게 되어서, 내부단락이 발생하게 되고 이 때, 국부적인 부분의 발열이 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 배터리는 국부적인 부분의 발열을 차단하는 기능을 가지고 있지 않아서, 열폭주 과정을 거쳐, 최종적으로 발화 현상으로 이어지는 심각한 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 배터리의 과열 현상을 차단하는 구조를 가진 재충전가능한 배터리를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 온도에 따라 형상이 변경되는 형상 가변층을 이용하여 양극 또는 음극 활물질을 전극 기재와 분리 또는 탈리시켜서 과열 현상을 차단할 수 있는 재충전가능한 배터리를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 온도에 따라 저항 특성이 변경되는 온도 제어층을 이용하여 양극 또는 음극 활물질을 전극 기재와 분리 또는 탈리시켜서 과열 현상을 차단할 수 있는 재충전가능한 배터리를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 배터리 전극 조립체의 국부적 과열 현상을 차단하는 구조를 가진 재충전가능한 배터리를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 양극 기재층; 상기 양극 기재층에 인접하여 형성된 양극 활물질층; 음극 기재층; 상기 음극 기재층에 인접하여 형성된 음극 활물질층; 상기 양극 활물질층 및 음극 활물질층 사이에 형성된 분리막; 및 상기 양극 기재층과 상기 양극 활물질층 사이, 또는 상기 음극 기재층과 상기 음극 활물질층 사이에 배치된 형상 가변층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 전극층; 상기 전극층에 대응하는 전극 활물질층; 및 임의로 설정된 온도 이상 범위에서 상기 전극층과 상기 전극 활물질층 간의 전류가 조정되도록 상기 전측층과 전극 활물질층 사이에 형성된 형상 가변층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 전극층; 상기 전극층에 대응하는 전극 활물질층; 및 온도에 따라 상기 전극층과 상기 전극 활물질층 사이의 전류가 조정되도록 상기 전극층 및 상기 전극 활물질층 사이에 형성된 형상 가변층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 배터리의 과열 현상(또는 열 폭주 또는 발화 현상)을 미리 차단할 수 있어서, 안정화된 재충전가능한 배터리를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전자 장치의 전면을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전자 장치의 후면을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전자 장치의 전체적인 구성을 나타내는 분리 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리가 적용되는 전자 장치의 하우징을 도시한 사시도이다.
도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리가 적용되는 전자 장치의 하우징의 평면도이다.
도 4c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리가 전자 장치의 하우징에 장착된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리의 분리 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 셀이 롤 타입으로 권선된 배터리 전극 조립체의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 셀이 롤 타입으로 권선된 배터리 전극 조립체의 구성을 나타내는 일측면도이다.
도 7a는 본 발명의 다양한 다른 실시예에 따른 배터리 셀이 롤 타입으로 권선된 배터리 전극 조립체의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 7b는 본 발명의 다양한 다른 실시예에 따른 배터리 셀이 롤 타입으로 권선된 배터리 전극 조립체의 구성을 나타내는 일측면도이다.
도 8a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 구성을 확대하여 나타내는 사시도이다.
도 8b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 구성을 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 8c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체에 구비된 형상 가변층의 온도 변화에 따른 전후 상태를 나타내는 예시도이다.
도 8d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체에 핫 스팟 영역이 발생할 경우, 형상 가변층의 핫 스팟 영역과 비 핫 스팟 영역의 형상 가변층의 상태를 나타내는 예시도이다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 구성을 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 구성을 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 구성을 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 나노 메쉬 구조를 각각 나타내는 예시도이다.
도 13a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 롤 타입으로 권선된 배터리 전극 조립체를 나타내는 사시도이다.
도 13b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 제1,2영역에 각각 구비된 제1,2패턴을 각각 나타내는 도면이다.
도 13c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 제1,2영역에 구비된 다른 제1,2패턴을 각각 나타내는 도면이다.
도 14a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 롤 타입으로 권선된 배터리 전극 조립체를 나타내는 사시도이다.
도 14b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 제1,2,3영역에 각각 구비된 제1,2,3패턴을 각각 나타내는 도면이다.
도 14c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 각각의 제1,2,3영역에 구비된 다른 제1,2,3패턴을 각각 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 제1,2영역에 각각 구비된 제1,2패턴을 각각 나타내는 단면도이다.
도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 제1,2영역에 각각 구비된 제1,2패턴을 각각 나타내는 단면도이다.
도 17a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체에 핫 스팟이 발생한 상태를 나타내는 도면이다.
도 17b는 도 17a의 라인 A-A'를 따라 절개한 단면도이다.
도 17c는 핫 스팟 영역에 전극층과 활물질층이 형상 가변층의 형상 변경에 따라서 격리된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 18a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 활물질층에 형상 가변층이 하나의 층으로 형성된 상태를 나타내는 측면도이다.
도 18b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 활물질층에 형상 가변층이 하나의 층으로 형성된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 19a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 전극 구조에서, 형상 가변층(1913), 예를 들어 PTC(Positive Temperature Coefficient) 물질이 없을 경우(without PTC)(도 19a의 a)와, PTC 물질이 전체면에 있을 경우(PTC_total)(도 19a의 b)와, PTC 물질이 패턴 형상으로 있을 경우(PTC_square)(도 19a의 c)의 구조를 각각 나타내는 단면도이다.
도 19b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 전극 구조에서, 형상 가변층, 예를 들어 PTC(Positive Temperature Coefficient) 물질이 없을 경우(without PTC)와, PTC 물질이 전체면에 있을 경우(PTC_total)와, PTC 물질이 패턴 형상으로 있을 경우(PTC_square)의 이차 전치의 성능에 미치는 영향을 비교하여 나타내는 그래프이다.
이하, 본 개시의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 개시를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 실시예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
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어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어 ((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나, "접속되어 (connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예:제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소 (예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소 (예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 문서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된 (또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한 (suitable for)," "하는 능력을 가지는 (having the capacity to)," "하도록 설계된 (designed to)," "하도록 변경된 (adapted to)," "~하도록 만들어진 (made to)," 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성 (또는 설정)된"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to) 것만 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치" 라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는"것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 A, B, 및 C를 수행하도록 구성(또는 설정)된 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치는, 예를 들면, 전자 장치는 스마트폰(smartphone), 태블릿 PC(tablet personal computer), 이동 전화기(mobile phone), 화상 전화기, 전자북 리더기(e-book reader), 데스크탑 PC(desktop personal computer), 랩탑 PC(laptop personal computer), 넷북 컴퓨터(netbook computer), 워크스테이션(workstation), 서버, PDA(personal digital assistant), PMP(portable multimedia player), MP3 플레이어, 모바일 의료기기, 카메라(camera), 또는 웨어러블 장치(wearable device)(예: 스마트 안경, 머리 착용형 장치(head-mounted-device(HMD)), 전자 의복, 전자 팔찌, 전자 목걸이, 전자 앱세서리(appcessory), 전자 문신, 스마트 미러, 또는 스마트 와치(smart watch))중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
어떤 실시예들에서, 전자 장치는 스마트 가전 제품(smart home appliance)일 수 있다. 스마트 가전 제품은, 예를 들면, 텔레비전, DVD(digital video disk) 플레이어, 오디오, 냉장고, 에어컨, 청소기, 오븐, 전자레인지, 세탁기, 공기 청정기, 셋톱 박스(set-top box), 홈 오토매이션 컨트롤 패널(home automation control panel), 보안 컨트롤 패널(security control panel), TV 박스(예: 삼성 HomeSync™, 애플TVTM 또는 구글 TVTM, 게임 콘솔 (예:Xbox™, PlayStation™), 전자 사전, 전자 키, 캠코더(camcorder), 또는 전자 액자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 전자 장치는, 각종 의료기기(예:각종 휴대용 의료측정기기 (혈당 측정기, 심박 측정기, 혈압 측정기, 또는 체온 측정기 등), MRA(magnetic resonance angiography), MRI(magnetic resonance imaging), CT(computed tomography), 촬영기, 또는 초음파기 등), 네비게이션(navigation) 장치, GPS 수신기(global positioning system receiver), EDR(event data recorder), FDR(flight data recorder), 자동차 인포테인먼트(infotainment) 장치, 선박용 전자 장비(예: 선박용 항법 장치, 자이로 콤파스 등), 항공 전자기기(avionics), 보안 기기, 차량용 헤드 유닛(head unit), 산업용 또는 가정용 로봇, 금융 기관의 ATM(automatic teller's machine), 상점의 POS(point of sales), 또는 사물 인터넷 장치 (internet of things)(예:전구, 각종 센서, 전기 또는 가스 미터기, 스프링클러 장치, 화재경보기, 온도조절기(thermostat), 가로등, 토스터(toaster), 운동기구, 온수탱크, 히터, 보일러 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에 따르면, 전자 장치는 가구(furniture) 또는 건물/구조물의 일부, 전자 보드(electronic board), 전자 사인 수신 장치(electronic signature receiving device), 프로젝터(projector), 또는 각종 계측 기기(예:수도, 전기, 가스, 또는 전파 계측 기기 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 전자 장치는 전술한 다양한 장치들 중 하나 또는 그 이상의 조합일 수 있다. 어떤 실시예에 따른 전자 장치는 플렉서블 전자 장치일 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예에 따른 전자 장치는 전술한 기기들에 한정되지 않으며, 기술 발전에 따른 새로운 전자 장치를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치의 전면을 나타내는 사시도이다. 도 2는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치의 후면을 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 다양한 실시예에 따른 전자 장치(100)는 제1면(1001)(예:전면)에 배치되는 디스플레이(101)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 디스플레이(101)는 터치 센서를 포함하여 터치 스크린 장치로 동작할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 디스플레이(101)는 압력 센서를 포함하여 압력 반응형 터치 스크린 장치로 동작할 수도 있다.
다양한 실시예에 따른 전자 장치(100)는 상대방의 음성을 출력하기 위하여 배치되는 리시버(102)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 전자 장치(100)는 상대방에게 사용자의 음성을 송신하기 위하여 배치되는 마이크로폰 장치(103)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 전자 장치(100)는 리시버(102)가 설치되는 주변에 전자 장치(100)의 다양한 기능을 수행하기 위한 부품(component)들이 배치될 수 있다. 부품들은 적어도 하나의 센서 모듈(104)을 포함할 수 있다. 이러한 센서 모듈(104)은, 예컨대, 조도 센서(예: 광센서), 근접 센서(예: 광센서), 적외선 센서, 초음파 센서, 지문 인식 센서 또는 홍채 인식 센서 중 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 부품은 전면 카메라 장치(105)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 부품은 전자 장치의 상태 정보를 사용자에게 인지시켜주기 위한 인디케이터(106)(예: LED 장치)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 전자 장치(100)는 마이크로폰 장치(103)의 일측으로 배치되는 스피커 장치(108)를 포함할 수 있다. 마이크로폰 장치(103)의 타측으로 배치되며, 외부 장치에 의한 데이터 송수신 기능 및 외부 전원을 인가받아 전자 장치(100)를 충전시키기 위한 인터페이스 컨넥터 포트(107)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 전자 장치(100)는 인터페이스 컨넥터 포트(107)의 일측에 배치되는 이어잭 홀(109)을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 전자 장치(100)는 하우징(110)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 하우징(110)은 도전성 부재 및 비도전성 부재로 형성될 수 있다. 하우징(110)은 전자 장치(100)의 테두리를 따라 배치되며, 전면의 일부 또는 후면의 적어도 일부 영역까지 확장되는 방식으로 배치될 수 있다. 하우징(110)은 전자 장치(100)의 테두리를 따라 전자 장치(100)의 두께의 적어도 일부를 정의하며, 폐루프 형상으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 국한되지 않으며, 하우징(110)은 전자 장치(100)의 두께 중 적어도 일부에 형성될 수도 있다. 하우징(110)은 적어도 일부가 전자 장치(100)의 내부에 내장될 수도 있다.
다양한 실시예에 따른 전자 장치(100)는 제1면(1001)과 대향되는 제2면(1002)(예:후면)에 배치되는 후면 윈도우(111)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 전자 장치(100)는 후면 윈도우(111)를 통하여 배치되는 후면 카메라 장치(112)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 전자 장치(100)는 후면 카메라 장치(112)의 일측에 배치되는 적어도 하나의 전자 부품(113)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 전자 부품(113)은 조도 센서(예: 광 센서), 근접 센서(예: 광 센서), 적외선 센서, 초음파 센서, 심박 센서, 플래시 장치 또는 지문 인식 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 전자 장치(100)는 전원 공급 수단으로 전자 장치(100)의 내부에서 하우징(110)에 고정되는 재충전가능한 배터리(미도시 됨)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리는 파우치형 배터리를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치의 분리 사시도이다.
도 3의 전자 장치(300)는 도 1 및 도 2의 전자 장치(100)와 유사하거나 전자 장치의 다른 실시예를 포함할 수 있다.
도 3을 참고하면, 다양한 실시예에 따른 전자 장치(300)는 하우징(320)을 기준으로 상측에 순차적으로 배치되는 키입력 장치(330), 적어도 하나의 시일 부재(350) 및 디스플레이 모듈(3012)과 윈도우(3011)를 포함하는 디스플레이(301)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 전자 장치(300)는 하우징(320)을 기준으로 하측에 순차적으로 배치되는 인쇄회로기판(360)(예: PCB, FPC 또는 메인 보드 등), 재충전가능한 배터리(370), 무선 전력 송수신 부재(380), 후면 시일 부재(390) 및 후면 윈도우(311)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리(370)는 하우징(320)에 형성된 수용 공간에 수용되며, 인쇄회로기판(360)을 회피하여 배치될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리(370)와 인쇄회로기판(360)은 중첩되지 않고 병렬 방식으로 배치될 수 있다. 그러나 이에 국한되지 않으며, 재충전가능한 배터리(370)의 적어도 일부 영역은 인쇄회로기판(360)과 중첩되도록 배치될 수도 있다.
다양한 실시예에 따른 본 발명의 예시적인 실시예에서는 하우징(320)이 단독으로 사용되었으나, 하우징(320)과 결합되는 적어도 하나의 플레이트(예: 중간 플레이트, 리어 플레이트 또는, 분리 가능한 배터리 커버 등)가 함께 사용될 수도 있다. 다양한 실시예에 따른 하우징(320)은 도전성 부재(예: 금속 부재 등) 및 비도전성 부재(예: 수지 등)가 함께 사용되어 형성될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 하우징(320)은 도전성 부재 및 비도전성 부재가 인서트 사출 공정 또는 이중 사출 공정에 의해 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 디스플레이(301)는 윈도우(3011)의 배면에 디스플레이 모듈(3012)이 부착된 후, 하우징(320)에 조립될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 윈도우(3011)는 글라스 또는 수지 등의 투명 재질로 형성될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 디스플레이 모듈(3012)은 터치 센서를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 디스플레이 모듈은 터치 센서 및 압력 감지 센서(force sensor)를 포함할 수도 있다. 다양한 실시예에 따른 전자 장치(300)는 하우징(320)과 디스플레이(301) 사이에 개재되며 방수를 목적으로 배치되는 적어도 하나의 시일 부재(seal member)(350)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 전자 장치(300)는 하우징(320)의 후면과 후면 윈도우(311) 사이에서 그 테두리를 따라 방수를 목적으로 배치되는 시일(seal) 부재(390)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 후면 윈도우(311)는 유리, 플라스틱, 복합 수지 또는 금속 중 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 시일 부재(350, 390)는 테이프, 접착제, 방수 디스펜싱, 실리콘, 방수 러버 및 우레탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 인쇄회로기판(360)은 메모리, 프로세서, 각종 센서, 입출력 단자 등을 포함하며, 재충전가능한 배터리(370)로부터 공급되는 전력을 이용하여, 전자 장치의 각종 기능을 수행할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 인쇄회로기판(360)은 재충전가능한 배터리(370)와 인접하게 배치될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 인쇄회로기판(360)은 그 일면이 재충전가능한 배터리(370)의 일면과 맞닿아 배터리 팩(370)과 적어도 일부가 중첩되는 형태로 배치되거나, 재충전가능한 배터리(370)의 배치 공간을 도피하는 'ㄱ', 'ㄷ'형태로 구성되어 동일 평면을 재충전가능한 배터리(370)과 분할하여 점유하는 형태로 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리(370)는 디스플레이(301), 인쇄회로기판 (360)등 주요 부품에 전력을 공급하고, 무선 전력 송수신 부재(380) 또는 각종 시트형(sheet type) 센서 등의 안착 평면을 제공할 수 있다. 재충전가능한 배터리(370)는 부피와 무게에 의해 안정적인 조립과 사용간의 유동 방지를 위해 하우징(320)의 일부 영역에 마련되는 안착 Cavity 공간 또는 가이드 리브 등으로 일정 공간이 확보된 배터리 팩 장착 영역에 배치될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리(370)는 전자 장치(300)에 내장되는 내장형 배터리(built-in battery pack)으로 사용되거나, 배터리 커버의 개방에 따라 사용자가 전자 장치로부터 교환을 목적으로 전자 장치에서 분리될 수도 있다.
다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리(370)는 배터리 셀이 담지된 배터리 파우치와, 배터리 파우치에서 인출되는 단자가 전기적으로 연결되는 PCM(protective circuit module)(예: 회로기판) 및 PCM을 보호하기 위한 케이스(예: PCM 하우징 또는 PCM 케이스)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 PCM을 수용한 케이스는 배터리 파우치에 내충격성 향상을 위한 조립 구조로 고정될 수 있으며, 이로 인하여 전자 장치의 외부 충격에도 재충전가능한 배터리의 구성 요소들(예: 배터리 파우치, PCM 또는 단자 등)의 파손이 방지될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리가 적용되는 전자 장치의 하우징을 도시한 사시도이다. 도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리가 적용되는 전자 장치의 하우징의 평면도이다. 도 4c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리가 전자 장치의 하우징에 장착된 상태를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c의 하우징(400)은 도 1 및 도 2의 하우징(110) 또는 도 3의 하우징(320)과 유사하거나, 하우징의 다른 실시예를 포함할 수 있다.
도 4a를 참고하면, 하우징(400)은 도전성 부재 및 비도전성 부재로 형성될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 하우징(400)은 도전성 부재와 비도전성 부재로 형성될 경우, 이중 사출 공정, 인서트 사출 공정 또는 CNC(computer numericla control)를 통한 공정에 의해 형성될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 하우징(400)은 재충전가능한 배터리(예: 도 4c의 재충전가능한 배터리(430))를 수용하기 위한 장착부(410)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 장착부(410)는 대체적으로 배터리 팩이 안착될 수 있는 안착부의 형태로 형성될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 장착부(410)는 제1가이드 리브(411)와, 제1가이드 리브(411)와 대향되도록 이격 형성되는 제2가이드 리브(412)와, 제1가이드 리브(411) 및 제2가이드 리브(412)의 각 일단을 연결시키는 제3가이드 리브(413) 및 제1가이드 리브(411)와 제2가이드 리브(412)의 각 타단을 연결시키는 제4가이드 리브(414)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 제1, 2, 3, 4 가이드 리브(411, 412, 413, 414)는 하우징(400)의 면에서 일정 높이로 돌출 형성될 수 있으며, 각 가이드 리브(411, 412, 413, 414)에 의해 장착부(410)는 리세스(recess) 형태로 배터리 팩의 적어도 일부 두께를 수용할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 각 가이드 리브(411, 412, 413, 414)의 돌출량은 배터리 팩 두께의 50~80%의 범위로 형성될 수 있으며, 나머지 돌출되는 재충전가능한 배터리의 부분은 하우징(400)과 조립되는 구조체(예: 중간 플레이트, 리어 플레이트, 후면 하우징 또는 배터리 커버 등)에 의해 보상(예: 지지 또는 밀봉)받을 수 있다. 그러나 이에 국한되지 않으며, 장착부(410)는 별도의 돌출되는 가이드 리브 없이, 하우징의 면에서 일정 깊이로 형성된 홈 형태로 형성될 수도 있다.
다양한 실시예에 따른각 가이드 리브(411,412,413,414) 중 적어도 하나는 일부 또는 전체 영역이 시각적으로 투명한(visually transparent) 형태로 제공될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 시각적으로 투명하게 제공된 가이드 리브(411-414)는 재충전가능한 배터리가 장착부(410)에 안착되는 안착 상태를 조립 시 또는 그 이후에 확인 가능하도록 할 수 있다. 이러한 경우, 하우징의 내부에서 신장되는 가이드 리브(411-414)는 하우징과 다른 이종의 투명 재질로 이중 사출 또는 인서트 사출 공정을 통해 형성될 수도 있다.
다양한 실시예에 따른 장착부(410)에는 재충전가능한 배터리의 스웰링(swelling) 현상에 대응하기 위하여 형성되는 개구(opeing)(416)을 포함할 수 있다. 그러나 이에 국한되지 않으며, 장착부(410)에는 재충전가능한 배터리의 스웰링 현상에 대비하여 장착부보다 낮은 홈(gap)이 형성될 수도 있다. 다양한 실시예에 따른 장착부(410)는 재충전가능한 배터리를 장착부(410)에 고정시키기 위한 테이프 안착부(417)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 장착부(410)는 장착되는 재충전가능한 배터리에서 인출되는 컨넥터를 포함하는 가요성 인쇄회로(FPCB)(예: 도 4c의 가요성 인쇄회로(431))를 주변의 인쇄회로기판으로 인출시키기 위한 개방부(415)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 개방부(415)는 상술한 가이드 리브들(411, 412, 413, 414) 중 적어도 일부 영역이 배제됨으로써 자연스럽게 형성될 수 있다.
도 4b를 참고하면, 장착부(410)의 테이프 안착부(417)에는 재충전가능한 배터리(예: 도 4c의 배터리 팩(430))을 고정시키기 위한 테이프(421)(예: 양면 테이프 등)가 배치될 수 있다. 그러나 이에 국한되지 않으며, 테이프 대신 접착제 또는 접착성 레진으로 대체되어도 무방하다. 다양한 실시예에 따른 장착부(410)에는 재충전가능한 배터리의 단차진 영역을 보상(예: 지지 또는 밀봉)하기 위하여 배치되는 적어도 하나의 지지 부재(422)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른지지 부재(422)는 테이프 안착부(417)의 적어도 일부 영역을 이용하여 대체될 수 있으며, 이러한 경우 지지 부재(422)는 양면 테이프와 같은 접착 기능을 함께 수행할 수도 있다.
다양한 실시예에 따른 지지 부재(422) 또는 테이프(421)는 시각적으로 투명한 재질로 형성될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 투명 재질로 형성된 지지 부재(422) 또는 테이프는 재충전가능한 배터리가 장착부(410)에 안착되는 안착 상태를 조립 시 또는 그 이후에 확인 가능하도록 할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 지지 부재(422) 또는 테이프 대신 투명 재질에 의한 본딩, 디스펜싱 또는 UV 조사 또는 자연 건조를 수반하는 curing을 통하여 대체될 수도 있다.
도 4c를 참고하면, 하우징(400)은 장착부(예:도 4a의 장착부(410))의 테이프 안착부(예: 도 4a의 테이프 안착부(417))를 통해 양면 테이프(예: 도 4b의 양면 테이프(421)) 및 지지 부재(예: 도 4b의 지지 부재(422))가 배치된 상태에서 재충전가능한 배터리(430)를 수용할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 양면 테이프 및 지지 부재는 테이프 안착부(417)가 아닌 배터리 팩(430)의 대응 외면에 부착된 상태로 하우징(400)의 장착부(410)에 장착될 수도 있다. 다양한 실시예에 따른 장착부(410)에 재충전가능한 배터리(430)가 장착되면, 재충전가능한 배터리(430)의 가요성 인쇄회로(431)는 개방부(예: 도 4a의 개방부(415))를 통해 장착부(410)의 외측으로 인출될 수 있으며, 주변에 배치되는 인쇄회로기판(미도시 됨)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리의 분리 사시도이다.
도 5의 재충전가능한 배터리는 도 3의 재충전가능한 배터리(370) 또는 도 4c의 재충전가능한 배터리(430)와 유사하거나, 재충전가능한 배터리의 다른 실시예를 포함할 수 있다.
도 5를 참고하면, 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리(500)는 배터리 셀(예: 도 6a의 배터리 셀(600) 또는 도 7a의 배터리 셀(700))을 포함하는 배터리 파우치(510)와, 배터리 파우치(510)에서 인출된 도전성 단자들(511,512)과 전기적으로 연결되는 PCM(protective circuit module)(520)과, PCM(520)을 수용하는 케이스(530)와, 케이스(530)를 배터리 파우치(510)에 고정시킴과 동시에 완충 작용을 수행하는 결합 부재(540) 및 PCM(520)이 수용된 케이스(530)와 배터리 파우치(510)를 함께 커버하도록 마감하는 마감 부재(550)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 파우치(510)는 내부에 배터리 셀(예: 도 6a의 배터리 셀(600) 또는 도 7a의 배터리 셀(700))을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 배터리 셀(예: 도 6a의 배터리 셀(600) 또는 도 7a의 배터리 셀(700))은 권취 또는 스택(stack)이 가능한 복수의 판상형 셀들을 포함할 수 있으며, 전해질을 채운 배터리 파우치(510)내에 의해 단속되는 방식으로 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 파우치(510)는 전해질을 채운 배터리 셀을 단속하기 위한 봉합 부분인 파우치 테라스(5101)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 파우치 테라스(5101)가 돌출되는 배터리 파우치(510)의 측벽(5102) 또는 파우치 테라스(5101)는 PCM(520)이 수용된 케이스(510)의 접촉 또는 고정 영역으로 활용될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 배터리 파우치(510)는 CPP(cast polypropylene-coated paper), 알루미늄 또는 나일론 등의 재질로 형성될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 파우치 테라스(5101)는 열 또는 레이저 등의 방법을 통해 봉합 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 파우치(510)는 PCM 등이 안착되는 파우치 테라스(5101)가 존재하며, 내부의 배터리 셀(예: 도 6a의 배터리 셀(600) 또는 도 7a의 배터리 셀(700))과 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 도전성 단자(511, 512)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 도전성 단자들(511, 512)은 음극 단자 및 양극 단자를 포함할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 롤 타입으로 배터리 셀(600)이 권선된 배터리 전극 조립체의 구성을 각각 나타낸 도면으로써, 배터리 파우치(예:도 5의 배터리 파우치(510))내에 배치되는 배터리 셀(600)은 권취가 가능한 판상형 제1의 전극(610)과 제2의 전극(630) 및 제1의 전극(610)과 제2 전극(630)을 분리시키는 한 쌍의 분리막(620,640)이 함께 권취되는 방식으로 형성될 수 있다. 배터리 셀이 분리막과 함께 롤 타입으로 권선된 후 상태를 배터리 전극 조립체라고 정의할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 한 쌍의 분리막(620,640)은 제1 전극(610) 및 제2 전극(630)이 상호 전기적으로 연결되지 않도록 분리시키는 역할을 할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 다수번 권취된 제1, 2 전극들(610,630)은 중심 영역에서 돌출되는 대응 도전성 단자들(611, 631)(예:양극 단자, 음극 단자)을 포함할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 셀(700)의 구성을 각각 나타낸 도면으로써, 배터리 파우치(예;도 5의 배터리 파우치(610))내에 배치되는 배터리 셀(700)은 권취가 가능한 판상형 제1 전극(710)과 제2 전극(730) 및 제1 전극(710)과 제2 전극(730)을 분리시키는 한 쌍의 분리막(720,740)이 함께 권취되는 방식으로 형성될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 한 쌍의 분리막(720,740)은 제1전극(710) 및 제2 전극(730)이 상호 전기적으로 연결되지 않도록 분리시키는 역할을 할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 다수번 권취된 제1,2 전극들(710, 730)은 임의의 두께를 가질 수 있으며, 외측 영역에서 돌출되는 다수의 도전성 단자들(711,731)(예:양극 단자, 음극 단자)을 포함할 수 있다.
다시 도 5를 참고하면, 재충전가능한 배터리(500)는 파우치 테라스(5101)에서 인출된 도전성 단자들(511, 512)과 전기적으로 연결되기 위한 PCM(protective circuit module)(520)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 PCM(520)은 재충전가능한 배터리(500)의 전체 또는 일부를 전기적으로 보호할 수 있는 하나 이상의 회로 소자들과, 회로 소자들이 실장될 수 있는 회로 기판(예: 강성 기판(PCB; printed circuit board))을 포함할 수 있으며, 도전성 플레이트(523, 524)를 통해 파우치 테라스(5101)에서 인출된 도전성 단자들(511, 512)과 전기적으로 연결될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 PCM(520)은 배터리 셀의 충, 방전 시, 일정 범위로 전압을 유지(예: 과충전 또는 과방전을 방지)시키기 위하여 사용될 수 있다. 예컨대, 배터리 셀이 리튬 전지일 경우, PCM(520)은 셀 전압을 안전성이 확보된 임의의 범위 (예:2V~4.5V)에서 동작하도록 제어하여 배터리 셀의 파손을 방지할 수 있다.
이하에서는 첨부 도면들을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 재충전가능한(rechargeable) 배터리의 전극 조립체의 구성에 대해서 설명하기로 한다. 예컨대, 배터리 전극 조립체는 기준 온도 이상의 과열 상태일 경우, 양극이나 음극 또는 양극 및 음극 모두에 과열 상태를 차단하기 위한 층을 구비하여, 이차 전지인 배터리의 발화나 국부적인 발화 상태를 방지하기 위한 조립체일 수 있다. 전극을 포함한 배터리 셀을 배터리 전극 조립체라 정의할수 있고, 배터리 전극 조립체를 PCM 등과 조립한 상태를 재충전이 가능한 배터리 라고 정의 할 수 있다. 또한, 재충전가능한 배터리는 배터리 파우치를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 과열 상태를 조절하거나 차단하기 위한 층은 다양하게 구성될 수 있는데, 온도 가변층 또는 온도 제어층이 구성될 수 있으며, 온도 가변층 또는 온도 제어층의 일예로서, 도전성 코팅층이나, 저항 가변층이거나, 형상 가변층 중 어느 하나의 층으로 구성될 수 있다. 저항 가변층은 온도에 따라 저항이 변하여 전극의 전기적 기능을 차단하는 기능을 수행하기 때문에 온도 가변 저항층이라 지칭할 수 있다. 저항 가변층은 달리 형상 가변층으로 지칭할 수 있다.
이하에서 상기 배터리 전극 조립체의 과열 상태를 차단하기 위한 다양한 구조에 대해서 설명하기로 한다. 배터리 전극 조립체의 과열 상태를 차단하기 위한 층으로 형상 가변층이 채용된 배터리 전극 조립체의 실시예에 대해서 설명하기로 한다. 예컨대 배터리 전극 조립체가 적용되는 이차 전치는 리튬-이온 배터리 셀이 적용될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 구성을 확대하여 나타내는 사시도이다. 도 8b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 구성을 확대하여 나타내는 단면도이다. 도 8c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체에 구비된 형상 가변층의 온도 변화에 따른 전후 상태를 나타내는 예시도이다. 도 8d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체에 핫 스팟 영역이 발생할 경우, 형상 가변층의 핫 스팟 영역과 비 핫 스팟 영역의 형상 가변층의 상태를 나타내는 예시도이다.
도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 이차 전지의 배터리 전극 조립체(800)는 양극(810)과, 음극(820)과, 분리막(830)을 포함할 수 있다. 양극(810)은 양극 기재층(811)과 양극 활물질층(812)을 포함할 수 있고, 음극(820)은 음극 기재층(821)과 음극 활물질층(822)을 포함할 수 있다. 양극 기재층(811)은 양극 기재(substrate)로 지칭할 수 있고, 음극 기재층(821)은 음극 기재로 지칭할 수 있다.
예컨대, 이차 전지의 배터리 전극 조립체(800)는 양극(810)에 형상(形相) 가변층(可變層)이 구비되거나(도 8a 내지 도 8d 참조), 음극(820)에 형상 가변층이 구비되거나(도 9 참조), 양극(810) 및 음극(820) 모두에 형상 가변층이 구비되어서(도 10 참조), 양극 기재층(811)과 양극 활물질층(812) 사이나, 음극 기재층(821)과 음극 활물질층(822) 사이를 차단함으로서, 배터리 전극 조립체(800)의 발열 상태 또는 열 폭주 상태를 미연에 방지할 수 있다. 형상 가변층(813)은 전극층과 전극 활물질층 간의 전류가 조정되게 하며, 양자 간의 전류 이동을 감소시키거나, 차단할 수 있다. 예컨대, 형상 가변층은 온도 제어층 또는 도전성 코팅층을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리 구조는 젤리 롤 타입 배터리에 적용되는 것으로 한정될 필요는 없으며, 본 발명은 스택형 배터리에 동일하게 채용될 수 있음에 유의해야 한다.
다양한 실시예에 따른 형상 가변층(813)은 온도 변화에 따라 가변 저항특성을 가지는 혼합물로서, 결정성 고분자 소재, 예컨대 절연 폴리머 메트릭스(8132)(insulating polymer matrix)와, 전도성을 갖는 필러 입자들(8134)(conductive filler particles), 예컨대 카본의 혼합물로 구성될 수 있다. 형상 가변층(813)은 온도가 특정 온도(melting point) 이상으로 상승함에 따라 결정성 영역에 포함된 고분자(3132)가 무정형으로 전이되면서 부피 팽창이 발생하게 되며, 이로 인해 연결된 상태의 카본 입자들(8134) 사이가 벌어지게 되어서 전자의 흐름이 차단될 수 있다. 즉, 카본 입자들(8134)에 의해 형성된 도전성 경로(8136)(conductive path)가 형성되지 않아서, 전자의 이동이 차단될 수 있다.
예를 들어, 과부하 또는 과열과 같은 국부적인 핫 스팟(hot spot) 영역(s)이 발생하는 비정상 상태에서는 결정성 고분자(8132)의 열응용 및 미세 체적 팽창에 의한 비결정화가 이루어짐으로서, 고분자(8132)와 전도성 물질(8134), 예컨대 카본 입자 간의 격자 거리가 이격되어서, 특정 온도 이상(melting point)의 범위에서 비전도성(고 저항 상태)으로 급격한 자발적 전이가 일어나게 될 수 있다. 이 때, 형상 가변층(813)은 전자 회로에 인가되는 전류를 순간적으로 차단하여 전자 회로를 보호하는 기능을 담당할 수 있다.
한편, 다양한 실시예에 따른 형상 가변층(813)은 특정 온도(melting point) 이하, 예를 들어, 상온 및 정상 상태에서는 카본 입자들(8134)에 의해 도전성 경로(electronic path)들(8136)이 형성되어서, 전자가 흐를 수 있다. 즉, 카본 입자들(8134)은 복수 개의 전기적 경로들(8136)을 제공하여서, 도전체로 작용할 수 있다.
비정상 상태의 조건이 제거되어 온도가 낮아지면, 형상 가변층(813)은 원래의 낮은 저항치로 복귀하게 되어서, 전자 회로의 정상적인 동작이 가능할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 형상 가변층(813)을 구성하는 고분자 수지의 예로, 폴리에스테르, 미세결정성을 갖는 폴리우레탄 및 폴리올레핀계, 폴리올레핀(Polyolefine)계 수지로서 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene) 및 에틸렌초산비닐(EVA, Ethylene Vinyl Acetate) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시에에 따른 형상 가변층(813)은 재충전가능한 배터리의 적어도 일부 영역에 대응하는 부분의 온도에 적어도 일부 기반하여 변할 수 있다. 형상 가변층(813)은 형상의 변화에 일부 기반하여, 양극 기재층(811)과 음극 기재층(821) 중 대응하는 기재층 및 양극 활물질층(812)과 음극 활물질층(822) 중 대응하는 활물질층 사이의 전류가 조정되도록 설정될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 형상 가변층(813)은 예를 들어, 형상 기억 고분자가 사용될 수 있다. 배터리 전극 조립체(800)는 형상 기억 고분자를 전극 기재층(811.821)에 코팅, 부착 또는 혼입한 구조일 수 있다. 전극 기재층은 양극 기재층(811)이나 음극 기재층(821)을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 형상 가변층(813)은 제1방향으로 향하는 제1면과, 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 향하는 제2면을 포함할 수 있다. 형상 가변층(813)의 제1면에는 양극 기재층(811)과 음극 기재층(821) 중 대응하는 극층이 부착되고, 제2면에는 양극 활물질층(812)과 음극 활물질층(822) 중 대응하는 물질층이 부착될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 형상 가변층(813)은 형상에 대한 변화를 통해 온도 제어를 수행할 수 있는 역할을 수행할 수 있다. 형상 가변층(813)과 양극 활물질(812)의 경계면은 평면으로 표현되어 있지만, 이는 전극의 구조를 모식적으로 표현하기 위한 것 일뿐, 실제로는 이들의 경계면에서 혼합되어 있는 구간이 존재할 수 있으며, 따라서, 이들 사이의 경계면을 명확하게 확정하기 어려울 수 있다.
한편, 재충전가능한 배터리의 일반적인 작동온도에서는 양극 활물질(812)과 양극층(811) 사이에서 전자의 이동이 원활하며, 이는 형상 가변층(813)에 포함된 물질이 해당 온도에서 일정한 도전성을 가지기 때문이다.다만, 재충전가능한 배터리의 온도가 상승하는 경우, 형상 가변층(813)에 포함된 물질의 저항이 급격히 상승하게 되므로, 전자가 온도 제어층(813)을 경유하여 양극 활물질층(812)과 양극 기재층(811) 사이를 이동할 수 없으므로 전류가 차단되며, 결과적으로, 전지의 열폭주 등 현상을 방지할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 양극(810)은 예를 들어, 양극 기재층(811)에 양극 활물질층(812), 도전재 및 바인더가 혼합된 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 양극 기재층(811)은 일반적으로 매우 얇은 3 ~ 300 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 재충전가능한 배터리에 화학적 변화를 유발하지 않으면서, 높은 도전성을 가지는 것 이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈,티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리한 것 중 에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 양극 활물질층(812)은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 또는 그 이상의 전이 금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3,LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x =0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토 금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
다양한 실시예에 따른 음극은 음극 기재층에 음극 활물질, 점증제, 도전재, 및 바인더를 포함하는 음극합제를 도포하여 제조될 수 있으며, 이에 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 음극 기재층의 물질은 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 음극 기재층의 두께는 3 내지 300 ㎛의 범위 내에서 모두 동일할 수 있으나, 경우에 따라서는 각각 서로 다른 값을 가질 수 있다.
다양한 실시예에 따른 음극 활물질층의 물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1),SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합산화물; 리튬 금속; 리튬합 금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO,PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계재료 등을 사용할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로 미터고, 두께는 일반적으로 5 ~ 30 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할수 도 있다.
또한, 다양한 실시예에 따른 재충전가능한 배터리는 배터리 전극 조립체가 전해액과 함께 전지 케이스에 내장되어 제조되며, 상기 배터리는 스택/폴딩형 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지 케이스에 내장되어 리튬염 함유 비수전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 상기 리튬염 함유 비수전해질은 비수전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수전해질로는 비수계 유기용매, 유기고체전해질, 무기고체전해질 등이 사용되지만 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 구성을 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 이차 전지의 배터리 전극 조립체(900)는 양극(910)과, 음극(920)과, 분리막(930)을 포함할 수 있다. 양극(910)은 양극 기재층(911)과 양극 활물질층(912)을 포함할 수 있고, 음극(920)은 음극 기재층(921)과 음극 활물질층(922)을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체(900)는 음극(920)에 형상 가변층(923)이 구비되어, 음극층(911)과 음극 활물질층(912) 사이를 차단함으로서, 배터리 전극 조립체(900)의 발열 상태 또는 열 폭주 상태를 미연에 방지할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 형상 가변층(923)은 온도 변화에 따라 가변 저항특성을 가지는 혼합물로서, 예컨대 결정성 고분자 소재와 전도성을 갖는 카본의 혼합물로 구성될 수 있다. 형상 가변층(923)은 온도가 상승함에 따라 결정성 영역에 포함된 고분자가 무정형으로 전이되면서 부피 팽창이 발생하게 되며, 이로 인해 연결된 상태의 카본 입자들 사이가 벌어지게 되어서 전자의 흐름이 차단될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 구성을 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 이차 전지의 배터리 전극 조립체(1000)는 양극(1010)과, 음극(1020)과, 분리막(1030)을 포함할 수 있다. 양극(1010)은 양극 기재층(1011)과 양극 활물질층(1012)을 포함할 수 있고, 음극(1020)은 음극 기재층(1021)과 음극 활물질층(1022)을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체(1000)는 양극(1010)에 제1형상 가변층(1013)이 구비되어, 양극 기재층(1011)과 양극 활물질층(1012) 사이를 차단함으로서, 배터리 전극 조립체(1000)의 발열 상태 또는 열 폭주 상태를 미연에 방지할 수 있다. 또한, 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체(1000)는 음극(1020)에 제2형상 가변층(1023)이 구비되어, 음극 기재층(1011)과 음극 활물질층(1012) 사이를 차단함으로서, 배터리 전극 조립체(1000)의 발열 상태 또는 열 폭주 상태를 미연에 방지할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 각각의 제1,2형상 가변층(1013,1023)은 온도 변화에 따라 가변 저항특성을 가지는 혼합물로서, 예컨대 결정성 고분자 소재와 전도성을 갖는 카본의 혼합물로 구성될 수 있다. 각각의 제1,2형상 가변층(1013,1023)은 온도가 상승함에 따라 결정성 영역에 포함된 고분자가 무정형으로 전이되면서 부피 팽창이 발생하게 되며, 이로 인해 연결된 상태의 카본 입자들 사이가 벌어지게 되어서 전자의 흐름이 차단될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 구성을 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체(1100)는 정상 사용 온도에서 배터리 동작에 영향을 미치지 않는 수준의 낮은 저항 증가를 보이다가, 특정 온도 이상에서는 형상 가변층(1113,1123)의 형상이 변경되어 짐으로서, 전극의 전기적 기능을 차단할 수 있다.
예컨대, 형상 가변층(1113)은 방향성을 가지게 형상이 변경되며, 양극 기재층(1111)과 양극 활물질층(1112)이 서로 멀어지는 방향으로 격리, 즉 양극 기재층(1111)과 양극활물질층(1112) 사이를 차단할 수 있다. 또한, 형상 가변층(1123)은 방향성을 가지게 형상이 변경되며 음극 기재층(1121)과 음극 활물질층(1122)이 서로 멀어지는 방향으로 격리, 즉 음극 기재층(1121)과 음극 활물질층(1122) 사이를 차단할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 형상 가변층(1113,1123)은 형상 기억 고분자층으로서, 가역상(reversible phase)과 고정상(stationary phase)의 이중 구조를 가지는 물질에서 나타나는 고분자 물질일 수 있다. 예컨대, 형상 기억 고분자층은 외부에서 주는 충격(온도, 빛, 습도, pH, 전기장, 자기장 등)에 따라 모양이 달라지고, 더 이상의 충격을 받지 않는 한 그 모양을 유지할 수 있다. 그러나, 고정상에 있는 물질을 가열하면 어느 온도에 이르러 가역상으로 전환되는데 이 온도를 유리질 온도(Tg)라고 하며, 형상 회복 온도라고 한다. 형상 가변층(1113,1123)의 예로 폴리노보넨(polynorbornene)이 대표적이다. 형상 가변층(1113,1123)은 온도 또는 압력에 따른 사이즈가 변하는데, 이러한 사이즈 변화도 형상의 변화로 간주할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체는 형상 가변층이 고정상에서 가역상으로 전환할 때의 저항 증가 등의 변화를 검출하기 위하여 사용하고 있는 기기에 알람 팝업으로 사용자에게 통보해줌으로써, 배터리 결함에 따른 안전 사고를 방지할 수 있다.
도 12a 내지 도 12d를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 형상 가변층은 다양한 형상의 패턴을 가진 나노 메쉬 구조로 구성될 수 있다. 형상 가변층은 나노 메쉬 구조로 하여, 형상 가변층을 전극층과 전극 활물질층 사이의 바인더 기능을 수행할 수 있다.
도 12a를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 형상 가변층(1210)(예를 들어, 도 8a의 참조부호 813이나 도 9의 참조부호 923이나, 도 10의 1013,1023)은 사각형 배열의 반복적인 패턴(1211)으로 구성될 수 있다. 반복적인 패턴은 형상 가변층 전부 또는 일부에 형성될 수 있다.
도 12b를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 형상 가변층(1220))(예를 들어, 도 8a의 참조부호 813이나 도 9의 참조부호 923이나, 도 10의 1013,1023)은 마름모형 배열의 반복적인 패턴(1221)으로 구성될 수 있다.
도 12c를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 형상 가변층(1230))(예를 들어, 도 8a의 참조부호 813이나 도 9의 참조부호 923이나, 도 10의 1013,1023)은 벌집형 배열의 반복적인 패턴(1231)으로 구성될 수 있다.
도 12d를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 형상 가변층(1240))(예를 들어, 도 8a의 참조부호 813이나 도 9의 참조부호 923이나, 도 10의 1013,1023)은 랜덤형 배열의 반복적인 패턴(1241)으로 구성될 수 있다.
상기 각각의 형상 가변층은 상기 열거된 나노 메쉬 구조로 각각 구성되어서, 비정상 온도, 예컨대 과열 온도에서 전극층과 전극 활물질층 간을 격리시켜서, 전자의 흐름을 차단할 수 있다. 정상 온도에서 나노 메쉬 구조와 같이 패턴 코팅을 할 경우, 양/음극층과 양/음극 활물질층 사이에 형상 가변층이 전면에 도포된 구조에 대비하여 셀 특성에 유리할 수 있으며, 전극층과 전극 활물질층 간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 배터리 전극 조립체에 구비된 형상 가변층은 패턴 형상이나 패턴 라인의 두께, 또는 패턴 라인의 조밀도(간격), 기타 속성에 따라서 다양하게 구성될 수 있다.
도 13a는 배터리 셀(1310)이 롤 타입으로 복수 번 권선된 후의 배터리 전극 조립체(1300)를 나타내고, 도 13b는 배터리 셀(1310)이 권선되기 전의 펼쳐진 상태를 나타내는 도면이다.
도 13a, 도 13b를 참조하면, 직교좌표계가 사용되었는데, X축은 배터리 전극 조립체(1300)의 가로 방향을 나타내고, Y축은 배터리 전극 조립체(1300)의 세로 방향을 나타내며, Z축은 배터리 전극 조립체(1300)의 두께 방향, 예컨대 상하 방향을 나타낸다. 또한, X축은 배터리 셀(1310)이 펼쳐진 상태(도 13b)일 경우 길이 방향을 나타낸다.
다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체(1300)는 배터리 셀(1310)이 복수 번 권선되어 구성되는 롤 타입 이차 전지로서, 배터리 셀(1310)을 권선하되, 두께에 따라 권선 회수는 상이할 수 있다. 제작이 완료된 배터리 전극 조립체(1300)는 대략적으로 판 형상이며, 적어도 하나 이상의 평탄 부분(1320)(flat portion)과, 평탄 부분(1320) 사이에 있는 적어도 하나 이상의 벤딩 부분(1330)(bending portion)을 포함할 수 있다. 벤딩 부분(1330)은 휘어진 부분이라서, 휜 부분이나, 곡형 부분(curved portion)이라고 달리 지칭할 수 있고, 응력(스트레스)를 받는 부분이라서, 응력 발생 부분(stress generating portion) 또는 응력 집중 부분이라고 지칭할 수 있다.
평탄 부분(영역)(1320)은 윗면 또는 아랫면으로서, 실질적으로 평탄하며, 일부 허용 오차가 가능한 영역일 수 있다. 벤딩 부분(휜 영역)(1330)은 윗면 또는 아랫면으로서, 실질적으로 휘어지며, 일부 허용 오차가 가능한 영역일 수 있다.
도 13b와 같은 상태의 배터리 셀(1310)을 적어도 한번 이상 권선하게 되면, 적어도 하나 이상의 평탄 부분(1320)과, 적어도 하나 이상의 벤딩 부분(휜 부분)(1330)이 발생할 수 있다. 예컨대, 평탄 부분(1320)보다 벤딩 부분(1330)에서 스트레스가 높게 발생할 수 있어서, 평탄 부분(1320)에 있는 형상 가변층(또는 온도 제어층)과 벤딩 부분(1330)에 있는 형상 가변층은 상이하게 구성될 수 있다. 이하 평탄한 영역을 제1영역(a1)이라 하고, 벤딩된 영역을 제2영역(a2)이라 지칭하기로 한다. 한편, 이미 설명한 도 12a 내지 도 12d는 형상 가변층에 형성된 패턴이 동일한 패턴으로 각각 구성될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 셀(1310)은 길이방향을 따라서 제1,2영역(a1,a2)이 번갈아 가면서 형성될 수 있는데, 제1영역(a1)에 있는 형상 가변층의 제1패턴(1321)과, 제2영역(a2)에 있는 형상 가변층의 제2패턴(1331)을 상이하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1패턴(1321)의 패턴 간 거리(제1간격)보다 제2패턴(1331)의 패턴 간 거리(제2간격)를더 조밀하게 구성할 수 있다. 복수 개의 제1패턴들(1321)은 각각Y축 방향으로 향하고, 복수개의 제2패턴들(1331)은 각각 Y축 방향으로 향하되, 제2패턴(1331)의 각각의 패턴간 거리가 조밀하게 구성될 수 있다. 이는 배터리 셀(1310)을 롤 타입으로 구성하기 위하여 제2영역(a2)을 벤딩할 경우에 발생하는 스트레스를 고려할 것이다. 제1패턴(1321)의 패턴 간 거리는 등간격으로 구성되고, 제2패턴(1331)의 패턴 간 거리는 등간격으로 구성되지만, 이에 제한되지 않으며, 제1패턴(1321)의 패턴 간 거리가 등간격으로 구성되지 않을 수 있고, 제2패턴(1331)의 패턴 간 거리가 등간격으로 구성되지 않을 수 있다.
다양한 실시예에 따른 각각의 제1패턴(1321) 및 제2패턴(1331)은 온도에 따라서 변하는 패턴이라서, 각각 제1온도 가변 패턴 및 제2온도 가변 패턴이라고 달리 지칭할 수 있다. 참조부호 1301 및 1302는 각각 양극 단자(양극 탭) 및 음극 단자(음극 탭)를 지칭한다. 다양한 실시예에 따른 제1패턴(1321)의 패턴 라인은 지정된 방향에 대해 제1간격으로 형성되고, 제2패턴(1331)의 패턴 라인은 상기 지정된 방향에 대하여 제2간격으로 형성될 수 있다. 언급된 지정된 방향은 길이 방향, 넓이 방향, 또는 높이 방향을 포함할 수 있다.
도 13c를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 제2영역(a2)에 있는 형상 가변층의 패턴 간의 거리는 서로 상이하게 구성될 수 있다. 예컨대, 제2영역(a2)에서 중심 부분은 패턴(1351) 간의 거리가 조밀하고, 중심에서 벗어난 양측 부분은 중심 부분보다 조밀하지 않은 패턴(1350)으로 구성될 수 있다. 제2영역(a2)에서 중심 부분이 벤딩될 경우에 가장 스트레스가 심하기 때문에, 이를 고려하여 제2영역(a2)의 중심 부분에 있는 패턴(1351) 간의 거리를 상대적으로 양측 부분보다 조밀하게 구성할 수 있다.
또한, 도면에는 미도시되었지만, 형상 가변층의 제2영역(a2)에 있는 패턴 간 거리는 중심 부분으로 갈수록 점차적으로 조밀해지고, 양측 부분으로 갈수록 점차적으로 넓게 구성될 수 있다.
도 14a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 롤 타입으로 권선된 배터리 전극 조립체를 나타내는 사시도이다. 도 14b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 제1,2,3영역에 각각 구비된 제1,2,3패턴을 각각 나타내는 도면이다.
도 14a, 도 14b를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체(1400)는 도 13a, 도 13b에 도시된 배터리 전극 조립체(1300)와 비교하여, 상이한 부분만을 설명하고, 동일한 구성으로 이루어진 부분들의 상세한 설명은 중복 기재를 피하기 위하여 생략하기로 한다. 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체(1400)는 제2영역(a2)에 적어도 하나 이상의 제3패턴들(1451)이 구성된 적어도 하나 이상의 제3영역들(a3)이 구성될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 셀(1410)은 제2영역(a2)에 적어도 하나 이상의 제3패턴(1451)이 형성될 수 있다. 예컨대, 제3패턴(1451)은 X축 방향으로 향하는 적어도 하나 이상의 패턴들로 구성될 수 있다. 제3패턴(1451)은 각각의 제2영역(a2)에 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 예를 들어, 제3패턴(1451)은 제2영역(a2)의 상단이나 하단 또는 상하단에 각각 형성될 수 있다. 제3패턴(1451)은 배터리 전극 조립체(1400)의 각각의 모서리 부분에 형성될 수 있다. 제3패턴(1451)을 구성하는 각각의 패턴은 등각격으로 구성될 수 있고, 등간격으로 구성되지 않을 수 있다. 예컨대, 제3패턴(1451)의 각각의 패턴들은 밴딩이 심한 곳일 수로 조밀하게 구성될 수 있다. 즉, 배터리 셀(1410)을 권선할 경우, 각각의 제2영역(a2)에 발생하는 벤딩 시의 스트레스는 상이할 수 있기 때문에, 각각의 제2영역(a2)에 구성된 각각의 제3패턴은 동일한 간격으로 구성될 수 있고, 상이한 간격으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 롤러 타입으로 제작된 배터리 전극 조립체(1400)에서 각각의 모서리 부분들은 충격에 예민하고 벤딩된 부분들이기 때문에, 제3패턴들(1451)의 각각의 패턴은 제1영역(a1)의 제1패턴(1421)이나, 제2영역(a2)의 제2패턴(1431)의 각각의 패턴보다 조밀하게 구성될 수 있다.
도 14c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 각각의 제1,2,3영역에 구비된 다른 제1,2,3패턴을 각각 나타내는 도면이다
도 14c를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 제3영역(a3)에 있는 형상 가변층의 패턴(1461) 간의 거리는 서로 상이하게 구성될 수 있다. 예컨대, 제3영역(a3)에서 중심 부분보다 둘레쪽 영역에서 패턴(1461) 간의 거리가 조밀하고, 둘레에서 멀어지면 조밀하지 않은 패턴으로 구성될 수 있다. 제3영역(a3)에서 중심 부분이 벤딩될 경우, 모서리 부분에 가장 스트레스가 심하기 때문에, 이를 고려하여 제3영역(a3)의 둘레 영역쪽 패턴 간의 거리를 상대적으로 중심 부분보다 조밀하게 구성할 수 있다.
또한, 도면에는 미도시되었지만, 형상 가변층의 제3영역에 있는 패턴 간 거리는 둘레 영역 부분으로 갈수록 점차적으로 조밀해지고, 중심 부분으로 갈수록 점차적으로 넓게 구성될 수 있다.
도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 제1,2영역에 각각 구비된 제1,2패턴을 각각 나타내는 단면도이다.
도 15를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체(1500)는 도 13a, 도 13b에 도시된 배터리 전극 조립체(1300)와 비교하여, 상이한 부분만을 설명하고, 동일한 구성으로 이루어진 부분들의 상세한 설명은 중복 기재를 피하기 위하여 생략하기로 한다.
다양한 실시예에 따른 제2영역(a2)에 형성된 제2패턴(1514)은 제1영역(a1)에 형성된 제1패턴(1513)보다 서로 간의 간격이 조밀하게 구성될 수 있고, 제2패턴(1514)의 각각의 패턴 단면은 제1패턴(1513)의 각각의 패턴 단면과 상이하게 구성될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체(1500)는 형상 가변층(1513,1514)이 활물질층(1512) 내에 포함되게 구성될 수 있다. 즉, 동일 층에 형상 가변층(1513,1514)과 활물질층(1512)이 배치될 수 있다. 예컨대, 전극층(1511)은 양극층이고, 활물질층은 양극 활물질층(1512)일수 있고, 전극층(1511)이 음극층이면, 활물질층은 음극 활물질층(1512)으로 구성될 수 있다.
도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 형상 가변층의 제1,2영역에 각각 구비된 제1,2패턴을 각각 나타내는 단면도이다.
도 16을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 배터리 셀(1610)은전극층(1612)과, 전극층(1612) 상에 형성되는 형상 가변층(1613,1614) 및 형상 가변층 상에 형성된 전극 활물질층(1611)을 포함할 수 있다. 예컨대, 형상 가변층은 제1영역(a1) 및 제2영역(a2)에서 서로 다른 두께를 가지게 구성될 수 있다.
제1영역(a1)에 있는 형상 가변층(1613) 두께(제1두께)보다 제2영역(a2)에 있는 형상 가변층(1614)의 두께(제2두께)를 얇게 구성할 수 있다. 제2영역(a2)이 벤딩 구간이기 때문에 스트레스가 심할 수 있어서, 형상 가변층(1614)의 두께를 제1영역의 형상 가변층(1613)보다 얇게 구성될 수 있다.
도 17a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체에 핫 스팟이 발생한 상태를 나타내는 도면이다. 도 17b는 도 17a의 라인 A-A'를 따라 절개한 단면도이다. 도 17c는 핫 스팟 영역에 전극층과 활물질층이 형상 가변층의 형상 변경에 따라서 격리된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 17a 내지 도 17c를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 배터리 셀(1710)은일부분에 핫 스팟 영역(s)이 발생할 수 있고, 상기 핫 스팟 영역(a)만을 국부적으로 제어가 가능하게 구성될 수 있다. 배터리 셀(1710)에서 핫 스팟 영역(s)이 발생할 경우, 핫 스팟 영역(s)과 대응하는 형상 가변층(1713)(예컨대 온도 제어층을 포함)은 형상 변형되어서, 전극층(1711)과 전극 활물질층(1712)을 서로 멀어지는 방향으로 격리시킴으로, 핫 스팟 영역(s)에 의한 과열 현상이나 열 폭주 상태를 효율적으로 차단할 수 있다.
발명의 한 실시예에 따르면, 형상 가변층을 전체 영역에 형성할 경우 발생할 수 있는 비용 증가나 두께가 두꺼워지는 등에 따른 문제를 해결하기 위하여, 일부 영역만 핫 스팟 영역을 형성할 수 있다. 예컨대, 온도가 높아지는 문제가 발생할 가능성이 높은 영역을 집중적으로 핫 스팟 영역으로 설정할 수 있다. 전극층(1711)은 양극 기재층이나 음극 기재층일 수 있고, 전극 활물질층(1712)은 양극 활물질층이나 음극 활물질층일 수 있다.
도 18a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 활물질층에 형상 가변층이 하나의 층으로 형성된 상태를 나타내는 측면도이다. 도 18b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 활물질층에 형상 가변층이 하나의 층으로 형성된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 18a, 도 18b를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체(1800)는 형상 가변층(1813)이 전극 활물질층(1812) 내에 포함되게 구성될 수 있다. 즉, 동일 층에 형상 가변층(1813)과 전극 활물질층(1812)이 배치될 수 있다. 예컨대, 전극층(1811)은 양극 기재층이고, 활물질층(1812)은 양극 활물질층일수 있고, 전극층(1811)이 음극 기재층이면, 활물질층(1812)은 음극 활물질층으로 구성될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 형상 가변층(1813)은 전극 활물질층(1812)에 일정 패턴을 가지게 형성될 수 있다. 예컨대 형상 가변층(1813)은 사각형 배열 패턴으로 전극 활물질층(1812)에 반복적으로 형성될 수 있다.
도 19a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 전극 구조에서, 형상 변경층(1913), 예를 들어 PTC(Positive Temperature Coefficient) 물질이 없을 경우(without PTC)(도 19a의 a)와, PTC 물질이 전체면에 있을 경우(PTC_total)(도 19a의 b)와, PTC 물질이 패턴 형상으로 있을 경우(PTC_square)(도 19a의 c)의 구조를 각각 나타내는 단면도이다.
도 19b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체의 전극 구조에서, 형상 가변층(1913), 예를 들어 PTC(Positive Temperature Coefficient) 물질이 없을 경우(without PTC)와, PTC 물질이 전체면에 있을 경우(PTC_total)와, PTC 물질이 패턴 형상으로 있을 경우(PTC_square)의 이차 전치의 성능에 미치는 영향을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 19a를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 배터리 전극 조립체는 양극 기재층(1911)과, 양극 활물질층(1912) 사이(도 8a, 도 8b 참조)에 형상 가변층(1913)이 구비될 수 있다. 예컨대, 형상 가변층(1913)은 전면에 코팅될 수 있거나(b), 일정 패턴 형상, 예컨대 사각 패턴 형상의 반복적인 배열 형태로 형성(c)될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 형상 변경층은 음극 기재층과 음극 활물질층 사이(도 9 참조)에도 형성될 수 있고, 또는 이들의 조합 구조(도 10 참조)에 형상 가변층이 일정 패턴을 가진 구조로 형성될 수 있다.
이하에서는 배터리 전극 조립체에 형상 변경층(예컨대, PTC 물질)이 없을 경우와, 형상 변경층(예컨대, PTC 물질)이 일정 패턴 구조가 아니라 전체면(total surface)에 형성되는 경우와, 형상 변경층(예컨대, PTC 물질)이 일정 패턴 구조, 예를 들어 사각형(square)의 반복적인 패턴 배열 구조로 구성된 경우를 구비할 경우의 이차 전지의 성능을 비교해 보면 다음과 같다.
예를 들어, 다양한 실시예에 따른 형상 변경층(1913)은 온도 감응성 코팅층(temperature sensitive coating layer)으로서, 대략적으로(substantially) 0.015/m(10mΩ)의 두께로, 이러한 온도 감응성 코팅층이 전체면에 구비되면, 저항에 의한 전압 강하 증가로 인해 이차 전지의 용량 및 수명을 감소시킬 수 있다.
한편, 온도 감음성 코팅층이 대략적으로(substantially) 0.015/m(10mΩ)의 두께로 일정 형상의 반복적인 패턴 배열로 구성될 경우, 온도 감응성 코팅층이 없을 경우와 동등 수준이며, 특히 온도 감응성 코팅층이 국부적으로 위치할 경우, 이차 전지의 성능 손실의 감소가 최소화될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어 "모듈"은 예를 들면, 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어 (firmware) 중 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함하는 단위 (unit)를 의미할 수 있다. "모듈"은, 예를 들면, 유닛 (unit), 로직 (logic), 논리 블록 (logical block), 부품 (component), 또는 회로 (circuit) 등의 용어와 바꾸어 사용 (interchangeably use)될 수 있다. "모듈"은, 일체로 구성된 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. "모듈"은 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수도 있다. 은 기계적으로 또는 전자적으로 구현될 수 있다. 예를 들면, "모듈"은, 알려졌거나 앞으로 개발될, 어떤 동작들을 수행하는 ASIC(application-specific integrated circuit) 칩, FPGAs(field-programmable gate arrays) 또는 프로그램 가능 논리 장치(programmable-logic device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 본 개시에 따른 장치(예: 모듈들 또는 그 기능들) 또는 방법(예: 동작들)의 적어도 일부는, 예컨대, 프로그래밍 모듈의 형태로 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장매체(computer-readable storage media)에 저장된 명령어로 구현될 수 있다. 상기 명령어는, 하나 이상의 프로세서 (예: 상기 프로세서 210)에 의해 실행될 경우, 상기 하나 이상의 프로세서가 상기 명령어에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장매체는, 예를 들면, 상기 메모리 220가 될 수 있다. 상기 프로그래밍 모듈의 적어도 일부는, 예를 들면, 프로세서에 의해 구현(implement)(예:실행)될 수 있다. 상기 프로그래밍 모듈의 적어도 일부는 하나 이상의 기능을 수행하기 위한, 예를 들면, 모듈, 프로그램, 루틴, 명령어 세트(sets of instructions) 또는 프로세스 등을 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에는 하드디스크, 플로피디스크 및 자기 테이프와 같은 마그네틱 매체(Magnetic Media)와, CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory), DVD(Digital Versatile Disc)와 같은 광기록 매체(Optical Media)와, 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media)와, 그리고 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령(예: 프로그래밍 모듈)을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 또한, 프로그램 명령에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 상술한 하드웨어 장치는 본 개시의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지다.
본 개시에 따른 모듈 또는 프로그래밍 모듈은 전술한 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하거나, 일부가 생략되거나, 또는 추가적인 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다. 본 개시에 따른 모듈, 프로그래밍 모듈 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱(heuristic)한 방법으로 실행될 수 있다. 또한, 일부 동작은 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.
그리고, 본 명세서와 도면에 개시된 본 개시의 다양한 실시예들은 본 개시의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 개시의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 개시의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 개시의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 개시의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 개시의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 양극 기재층;
    상기 양극 기재층에 인접하여형성된 양극 활물질층;
    음극 기재층;
    상기 음극 기재층에 인접하여형성된 음극 활물질층;
    상기 양극 활물질층 및 음극 활물질층 사이에 형성된 분리막; 및
    상기 양극 기재층과 상기 양극 활물질층 사이, 또는 상기 음극 기재층과 상기 음극 활물질층 사이에 배치된 형상 가변층을 포함하는 재충전가능한(rechargeable) 배터리.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 형상 가변층의 일부 영역의 형상은
    상기 재충전가능한 배터리의 상기 적어도 일부 영역에 대응하는 부분의 온도에 적어도 일부 기반하여 변할 수 있는 재충전가능한 배터리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 형상 가변층은 상기 형상의 상기 변화에 적어도 일부 기반하여, 상기 양극 기재층과 상기 음극 기재층 중 대응하는 극층, 및 상기 양극 활물질층과 상기 음극 활물질층 중 대응하는 활물질층 사이의 전류가 조정되도록 설정된 재충전가능한 배터리.
  4. 제2항에 있어서, 상기 형상 가변층은 상기 양극 기재층과 상기 양극 활물질층 사이에 형성된 제1형상 가변층 및 상기 음극 기재층과 상기 음극 활물질층 사이에 형성된 제2형상 가변층을 포함하는 재충전가능한 배터리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 형상 가변층은 폴리노보넨을 포함하는 재충전가능한 배터리.
  6. 제3항에 있어서, 상기 형상 가변층의 제1면에는
    상기 양극 기재층과 상기 음극 기재층 중 대응하는 극층이 부착되고, 상기 형상 가변층의 제1면과 대향하는 제2면에는 상기 양극 활물질층과 상기 음극 활물질층 중 대응하는 물질층이 부착된 재충전가능한 배터리.
  7. 전극층;
    상기 전극층에 대응하는 전극 활물질층; 및
    지정된 온도 이상의 온도에서 상기 전극층과 상기 전극 활물질층 간의 전류가 조정되도록 상기 전측층과 전극 활물질층 사이에 형성된 형상 가변층을 포함하는 재충전가능한 배터리.
  8. 제7항에 있어서, 상기 형상 가변층은 나노 메쉬 구조를 갖는 형상 기억 합금으로 형성된 재충전가능한 배터리.
  9. 제7항에 있어서, 상기 재충전가능한 배터리는 평탄 영역 및 휜 영역을 포함하는 롤 타입배터리이고, 상기 형상 가변층은
    상기 평탄 영역과 휜 영역에 동일한 패턴을 형성하는 재충전가능한 배터리.
  10. 제7항에 있어서, 상기 재충전가능한 배터리는 평탄 영역 및 휜 영역을 포함하는 롤 타입 배터리이고, 상기 형상 가변층은
    상기 평탄 영역에는 제1패턴을 형성하고, 상기 휜 영역에는 상기 제1패턴과 다른 제2패턴을 형성하는 재충전가능한 배터리.
  11. 제10항에 있어서, 상기 형상 가변층은
    상기 제1패턴을 형성하는 패턴 라인이 지정된 방향에 대하여 제1간격으로 형성되고,
    상기 제2패턴을 형성하는 패턴 라인이 상기 지정된 방향에 대하여 제2간격으로 형성된 재충전가능한 배터리.
  12. 제7항에 있어서, 상기 형상 가변층은 제1두께를 갖는 제1영역과, 제2두께를 갖는 제2영역을 포함하는 재충전가능한 배터리.
  13. 제7항에 있어서, 상기 형상 가변층은 저항 가변층을 포함하는 재충전가능한 배터리.
  14. 제13항에 있어서, 상기 저항 가변층은
    제1온도 범위에서는 전류를 통과시키고, 제2온도 범위에서는 상기 전류를 통과시키지 않는 고분자 수지로 형성된 재충전가능한 배터리.
  15. 제14항에 있어서, 상기 저항 가변층은 폴리에스테르, 미세결정성을 갖는 폴리우레탄(polyurethane) 및 폴리올레핀계, 폴리올레핀(Polyolefine)계 수지로서 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene) 또는 에틸렌초산비닐(EVA, Ethylene Vinyl Acetate)를 포함하는 재충전가능한 배터리.
  16. 제7항에 있어서, 상기 전극층은 양극 기재층 및 음극 기재층을 포함하고,
    상기 전극 활물질층은 양극 활물질층 및 음극 활물질층을 포함하며,
    상기 형상 가변층은 상기 양극 기재층 및 양극 활물질층 사이에 형성된 제1형상 가변층 및 상기 음극 기재층 및 음극 활물질층 사이에 형성된 제2형상 가변층을 포함하는 재충전가능한 배터리.
  17. 전극층;
    상기 전극층에 대응하는전극 활물질층; 및
    온도에 따라 상기 전극층과 상기 전극 활물질층 사이의 전류가 조정되도록 상기 전극층 및 상기 전극 활물질층 사이에 형성된 형상 가변층을 포함하는 재충전가능한 배터리.
  18. 제17항에 있어서, 상기 형상 가변층은 일정 형상이 반복적으로 배열된 패턴을 형성하는 재충전가능한 배터리.
  19. 제18항에 있어서, 상기 형상 가변층은 제1패턴을 형성하는 제1영역과, 제2패턴을 형성하는 제2영역을 포함하는 재충전가능한 배터리.
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