KR20190006965A - 각주형 전기화학 셀 - Google Patents
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Abstract
전기화학 셀은 셀 하우징 및 상기 하우징에 배치된 전극 어셈블리를 가진다. 전극 어셈블리는 음의 전극 판들과 교번하고 적어도 하나의 분리기에 의해 분리된 양의 전극 판들을 포함한다. 양 및 음의 전극 판들의 각각의 단부는 활성 재료가 없으며 개구를 포함하는 클리어 레인을 포함한다. 전기적 도전성 제 1 내부 판은 각각의 양의 전극 판에서 개구들을 통해 연장되고, 전기적 도전성 제 2 내부 판은 각각의 음의 전극 판에서 개구들을 통해 연장된다. 양의 클리어 레인들은 제 1 내부 판 및 제 1 외부 판 사이에 끼워 넣어지고, 그것에 전기적으로 연결된다. 음의 클리어 레인들은 제 2 내부 판 및 제 2 외부 판 사이에 끼워 넣어지고 그것에 전기적으로 연결된다. 제 1 외부 판은 하우징에 전기적으로 연결되고, 제 2 외부 판은 단자에 전기적으로 연결된다.
Description
본 개시는 전극 판들의 적층 배열을 포함하는 전기화학 셀에 관한 것이며, 보다 특히 전극 판의 배향 및 셀 하우징에 대한 전극 판들의 전기적 연결들에 관한 것이다. 전기화학 셀을 제조하는 방법이 또한 설명된다.
배터리 팩들은 범위가 휴대용 전자 장치들에서부터 재생 가능한 전력 시스템들 및 환경 친화적 차량들에 이르는 다양한 기술들을 위한 전력을 제공한다. 예를 들면, 하이브리드 전기 자동차들(HEV)은 연비를 증가시키기 위해 연소 기관과 함께 배터리 팩 및 전기 모터를 사용한다. 배터리 팩들은 복수의 배터리 모듈들로 형성될 수 있으며, 여기에서 각각의 배터리 모듈은 여러 개의 전기화학 셀들을 포함한다. 배터리 모듈들 내에서, 셀들은 2 또는 3차원 어레이들에 배열되며 전기적으로 직렬로 및/또는 병렬로 연결된다. 마찬가지로, 배터리 팩 내에서의 배터리 모듈들은 전기적으로 직렬로 및/또는 병렬로 연결된다.
상이한 셀 유형들은 매우 다양한 설치 상황들의 공간 요건들을 다루기 위해 생겨났으며, 자동차들에서 사용된 가장 일반적인 유형들은 원통형 셀들, 각주형 셀들, 및 파우치 셀들이다. 셀 유형에 관계없이, 각각의 셀은 셀 하우징 및 상기 셀 하우징에 배치된 전극 어셈블리를 포함할 수 있다. 전극 어셈블리는 중간 분리기 재료에 의해 분리되는 교번하는 일련의 적층형 또는 롤링형 양의 전극 판들 및 음의 전극 판들을 포함한다. 각각의 셀은 또한 양의 전극 판들에 전기적으로 결합되며 셀 하우징 바깥쪽에 배치된 양의 셀 단자에 양의 전극 판들을 결합하는 제 1 집전기, 및 음의 전극 판들에 전기적으로 연결되며 셀 하우징 바깥쪽에 배치된 음의 셀 단자에 음의 전극 판들을 결합하는 제 2 집전기를 포함할 수 있다. 요구된 전력 출력을 제공하기 위해 사용된 다수의 셀들로 인해, 차량 배터리 팩들은 큰 경향이 있으며 따라서 셀을 포함한 배터리 시스템의 구성요소들의 볼륨 효율이 중요해진다.
셀의 내부 볼륨의 개선된 사용에 대한 요구가 존재한다.
몇몇 양상들에서, 전기화학 셀은 셀 하우징 및 상기 셀 하우징에 배치된 전극 어셈블리를 포함한다. 상기 전극 어셈블리는 음의 전극 판들과 교번하고 적어도 하나의 분리기에 의해 분리된 양의 전극 판들을 포함한다. 양의 전극 판들의 각각은 전기적 도전성 제 1 기판; 상기 제 1 기판상에 배치되고 제 1 활성 재료로 형성되는 제 1 코팅; 상기 양의 전극 판의 에지를 따라 배치되고 상기 제 1 코팅이 없는 제 1 클리어 레인; 상기 제 1 클리어 레인 내에 배치된 제 1 개구, 및 상기 개구의 마진을 따라 연장된 제 1 폴드 라인을 따르는 폴드로서, 그에 의해 상기 제 1 클리어 레인의 일 부분이 상기 전극 스택의 측면 위에 놓이는 폴드를 포함한다. 상기 음의 전극 판들의 각각은 전기적 도전성 제 2 기판; 상기 제 2 기판상에 배치되고 제 2 활성 재료로 형성되는 제 2 코팅; 상기 음의 전극 판의 에지를 따라 배치되고 상기 제 2 코팅이 없는 제 2 클리어 레인; 상기 제 2 클리어 레인 내에 배치된 제 2 개구, 및 상기 제 2 개구의 마진을 따라 연장된 제 2 폴드 라인을 따르는 폴드로서, 그에 의해 상기 제 2 클리어 레인의 일 부분이 전극 스택의 측면 위에 놓이는, 상기 폴드를 포함한다. 상기 셀은 각각의 제 1 개구를 통해 연장되며 상기 양의 전극 판들의 각각에 전기적으로 연결되며, 제 1 클리어 레인들의 부분들의 각각과 상기 전극 스택 사이에 배치되는 전기적 도전성 제 1 내부 판을 포함한다. 또한, 상기 셀은 각각의 제 2 개구를 통해 연장되고, 상기 음의 전극 판들의 각각에 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 클리어 레인들의 부분들의 각각과 상기 전극 스택 사이에 배치되는 전기적 도전성 제 2 내부 판을 포함한다.
상기 전기화학 셀은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 상기 셀은 상기 제 1 클리어 레인들의 부분들이 제 1 외부 판 및 제 1 내부 판 사이에 배치되고 상기 제 1 외부 판 및 제 1 내부판과 전기적 연결을 형성하도록 상기 제 1 내부 판 위에 놓인 전기적 도전성 제 1 외부 판을 포함한다. 상기 셀은 상기 제 2 클리어 레인들의 부분들이 제 2 외부 판 및 제 2 내부 판 사이에 배치되며, 상기 제 2 외부 판 및 제 2 내부 판과 전기적 연결을 형성하도록 상기 제 2 내부 판 위에 놓인 전기적 도전성 제 2 외부 판을 포함한다. 상기 제 1 외부 판은 상기 셀 하우징에 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 외부 판은 상기 셀 하우징을 통해 돌출되는 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 단자는 상기 셀 하우징으로부터 전기적으로 격리된다. 상기 셀 하우징에 상기 제 1 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 제 1 커넥터가 사용되며, 상기 단자에 상기 제 2 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 제 2 커넥터가 사용된다. 상기 단자에 상기 제 2 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 커넥터가 사용되며, 상기 제 1 외부 판은 상기 셀 하우징과의 직접 접촉을 통해 상기 셀 하우징에 전기적으로 연결된다. 상기 셀은 상기 제 2 외부 판 및 상기 셀 하우징 사이에서 상기 셀 하우징에 배치된 커넥터를 포함한다. 상기 커넥터는 제 2 레그부와 마주보는 제 1 레그부를 포함하는 U자형 구성을 제공하도록 자체적으로 폴딩되는 재료의 전기적 도전성 스트립, 및 상기 셀 하우징의 외부 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출되는 단자를 포함한다. 상기 제 1 레그부는 상기 단자에 전기적으로 연결되며 상기 제 2 레그부는 상기 제 1 외부 판에 전기적으로 연결된다. 제 1 기판을 형성하기 위해 사용된 재료는 상기 제 2 기판을 형성하기 위해 사용된 재료와 상이하며, 상기 제 1 활성 재료는 상기 제 2 활성 재료와 상이하다. 상기 적어도 하나의 분리기는 z 폴드 구성으로 배열된 단일 분리기를 포함한다. 상기 양의 전극 판들 및 상기 음의 전극 판들은 각각 스택 축을 따라 적층되는 복수의 개개의 판들을 포함한다. 상기 셀 하우징은 전기적 도전성 재료로 형성된다. 전기적 도전성 단자는 상기 셀 하우징의 제 1 단부를 통해 돌출되고, 상기 단자는 상기 양의 전극 판들 및 상기 음의 전극 판들 중 하나에 전기적으로 연결되며, 상기 양의 전극 판들 및 상기 음의 전극 판들 중 다른 하나는 상기 셀 하우징에 전기적으로 연결된다. 상기 셀 하우징은 직사각형 프리즘의 형태를 가지며, 긴 직사각형 제 1 단부, 긴 직사각형 제 2 단부, 및 제 1 단부를 제 2 단부에 연결하는 측벽을 포함하고, 상기 측벽은 직사각형 단면 형태를 가진 관의 형태를 갖는다. 상기 제 1 외부 판은 상기 셀 하우징의 제 2 단부에 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 외부 판은 상기 셀 하우징의 제 1 단부를 통해 돌출되는 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 단자는 상기 셀 하우징으로부터 전기적으로 격리된다.
몇몇 양상들에서, 전기화학 셀은 셀 하우징, 및 상기 셀 하우징에 배치된 전극 어셈블리를 포함한다. 상기 전극 어셈블리는 음의 전극 판들과 교번하고 적어도 하나의 분리기에 의해 분리된 양의 전극 판들을 포함한다. 양의 전극 판들의 각각은 전기적 도전성 제 1 기판; 상기 양의 전극 판의 에지를 따라 배치되고 상기 제 1 기판이 제 1 클리어 레인에 노출되도록 코팅이 없는 상기 제 1 클리어 레인; 및 상기 제 1 클리어 레인 내에 배치된 제 1 개구를 포함한다. 상기 음의 전극 판들의 각각은 전기적 도전성 제 2 기판; 상기 음의 전극 판의 에지를 따라 배치되고 상기 제 2 기판이 제 2 클리어 레인에 노출되도록 코팅이 없는 상기 제 2 클리어 레인; 및 상기 제 2 클리어 레인 내에 배치된 제 2 개구를 포함한다. 상기 전기화학 셀은 각각의 제 1 개구를 통해 연장된 전기적 도전성 제 1 내부 판; 각각의 제 2 개구를 통해 연장된 전기적 도전성 제 2 내부 판, 상기 제 1 클리어 레인들의 부분들이 상기 제 1 외부 판 및 상기 제 1 내부 판 사이에 배치되며, 상기 제 1 외부 판 및 제 2 내부 판과 전기적 연결을 형성하도록 상기 제 1 내부 판 위에 놓인 전기적 도전성 제 1 외부 판, 및 상기 제 2 클리어 레인들의 부분들이 상기 제 2 외부 판 및 제 2 내부 판 사이에 배치되고 상기 제 2 외부 판 및 제 2 내부 판과 전기적 연결을 형성하도록 상기 제 2 내부 판 위에 놓인 전기적 도전성 제 2 외부 판을 포함한다.
상기 셀은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 상기 제 1 외부 판은 상기 셀 하우징에 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 외부 판은 상기 셀 하우징을 통해 돌출되는 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 단자는 상기 셀 하우징으로부터 전기적으로 격리된다. 상기 셀 하우징에 상기 제 1 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 제 1 커넥터가 사용되며, 상기 단자에 상기 제 2 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 제 2 커넥터가 사용된다. 상기 단자에 상기 제 2 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 커넥터가 사용되며, 상기 제 1 외부 판은 상기 셀 하우징과의 직접 접촉을 통해 상기 셀 하우징에 전기적으로 연결된다. 상기 셀은 상기 제 2 외부 판 및 상기 셀 하우징 사이에서 상기 셀 하우징에 배치되는 커넥터를 포함하며, 상기 커넥터는 제 2 레그부와 마주보는 제 1 레그부를 포함하는 U자형 구성을 제공하도록 자체적으로 폴딩되는 재료의 전기적 도전성 스트립을 포함한다. 또한, 상기 셀은 상기 셀 하우징의 외부 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출되는 단자를 포함한다. 상기 제 1 레그부는 상기 단자에 전기적으로 연결되며 상기 제 2 레그부는 상기 제 1 외부 판에 전기적으로 연결된다.
몇몇 양상들에서, 각주형 전기화학 셀은 상기 셀 하우징 내에서 개선된 전극 배열 및 배향을 제공함으로써 상기 셀 하우징의 내부 볼륨의 사용의 개선된 효율을 제공하도록 하는 방식으로 단단한 셀 하우징에 배치된 전극 어셈블리를 포함한다.
몇몇 양상들에서, 상기 셀은 제 1 단부, 제 2 단부 및 상기 제 1 단부를 상기 제 2 단부에 연결하는 측벽을 포함한 단단한 각주형 셀 하우징을 포함한다. 상기 측벽은 직사각형 단면 형태를 가진 관이며, 한 쌍의 부 측면들에 의해 결합된 한 쌍의 주 측면들을 포함하고, 여기에서 주 측면들의 쌍의 각각의 측면은 상기 부 측면들의 쌍의 각각의 측면보다 면적이 더 크다. 상기 하우징에 배치된 전극 어셈블리는 전극 판들의 적층 배열을 포함한다. 상기 전극 어셈블리는 상기 전극 판들의 적층 방향이 상기 부 측면들의 쌍의 각각의 측면에 수직인 축에 평행하며, 그것을 통과하도록 상기 셀 하우징 내에서 배향된다. 적층된 직사각형 전극 판들의 사용은 유리하게는 각주형 셀 내에서의 젤리-롤 전극 구성의 사용에 비교하여 각주형 셀의 내부 볼륨의 개선된 충진을 허용한다. 또한, 상기 셀 하우징의 주 측면들에 수직이도록 상기 전극 판들을 배향시킴으로써, 셀 성장으로 인한 상기 셀 하우징의 주 측면들의 바깥쪽 벌징(bulging)이, 젤리 롤 전극 어셈블리를 포함한 각주형 셀들에 비교하여, 및 전극 판들이 셀 하우징의 주 측면들에 평행하여 배향되는 적층형 전극 어셈블리를 포함한 각주형 셀들에 비교하여 감소된다.
몇몇 양상들에서, 상기 셀은 전기 접촉 면적으로서 큰 표면을 제공하는 단자들을 포함한다. 상기 전기 접촉 면적은 상기 단자가 돌출되는 셀 하우징의 표면에 평행하는 외향 표면이다. 몇몇 실시예들에서, 상기 단자는 전기 접촉 면적이 상기 단자가 돌출되는 셀 하우징의 표면의 면적의 20 내지 90퍼센트의 범위에 있도록 사이징된다. 또한, 상기 단자들은 전기 접촉 면적의 치수들이 상기 단자의 높이보다 크다는 점에서 저 프로파일이다. 상기 접촉 표면이 상기 단자가 돌출되는 셀 하우징의 표면과 평행하는 단자를 제공함으로써, 및 비교적 큰 면적으로서 상기 접촉 표면을 제공함으로써, 직접 압력 접촉을 통해 셀 팩의 인접한 셀들 사이에 또는 셀 및 모듈 또는 팩 하우징 사이에 전기적 연결을 형성하고, 그에 의해 버스 바들 및 다른 유형들의 전기 커넥터들의 사용이 감소되거나 또는 함께 회피될 수 있는 것이 가능하다.
몇몇 양상들에서, 셀 하우징이 함께 용접되는 별개의 요소들로 형성되는 전기화학 셀을 제조하는 방법이 제공된다. 몇몇 실시예들에서, 상기 셀 하우징은 제 1 단부, 제 2 단부, 및 각각이 별도로 형성되는 관형 측벽을 포함한다. 전극 어셈블리의 셀 하우징으로의 삽입 후, 상기 제 1 단부 및 상기 제 2 단부는 용접 프로세스를 사용하여 측벽의 각각의 단부들에 부착된다. 이것은 관형 측벽 및 제 2 단부가 예를 들면 프레싱 프로세스에서 일체형으로 형성되며, 제 1 단부가 크림핑 프로세스를 통해 측벽에 부착되는 몇몇 종래의 원통형 셀 하우징들에 비교될 수 있다. 각주형 셀에서 측벽에 단부들을 연결하기 위한 용접의 사용은 각주형 하우징의 코너 부분들에서 신뢰 가능한 크림프를 제공하는 것이 어려우므로 유리하다.
셀의 제조 동안, 상기 전극 어셈블리는 상기 측벽 내에 위치되며, 상기 음의 전극 판들은 일 단부가 측벽에 결합되기 전에 일 단부(예를 들면 셀 하우징 제 1 단부)에 전기적으로 연결된다. 또한, 양의 전극 판들은 다른 단부가 측벽에 결합되기 전에 다른 단부(예를 들면, 셀 하우징 제 2 단부)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전기적 연결들은, 예를 들면, 용접 또는 다른 적절한 기술에 의해 달성될 수 있다. 관형 측벽의 양쪽 단부들 모두가 개방되므로, 및 셀 하우징 제 1 및 제 2 단부들이 아직 측벽에 결합되지 않았으므로, 제 1 단부로의 음의 전극 판들의 및 상기 제 2 단부로의 양의 전극 판들의 전기적 연결은 단순화되며 컨테이너의 블라인드 단부에 이러한 용접된 연결을 형성하는 것에 비교하여 개선된 신뢰 가능성을 가진다.
몇몇 양상들에서, 단자는 상기 셀 하우징의 일 단부(예를 들면 제 1 단부)를 통해 돌출된다. 상기 전극 판들 및 상기 단자 사이에서의 전기적 연결은 폴딩 가능한 전기 커넥터를 사용하여 이루어지며 상기 제 1 단부의 하우징 측벽으로의 부착 이전에 수행된다. 전기 커넥터는 제 1 단부가 측벽으로부터 분리되는 동안 상기 커넥터의 일 단부를 단자에 및 상기 커넥터의 반대 단부를 전극 판에 연결하기 위해 용접 프로세스의 사용을 가능하게 한다. 또한, 상기 전기 커넥터는 용접 단계가 수행될 수 있도록 상기 측벽과 상기 제 1 단부의 조립을 가능하게 한다.
본 발명의 각주형 전기화학 셀은 셀 하우징 내에서 개선된 전극 배열 및 배향을 제공함으로써 셀 하우징의 내부 볼륨의 사용의 개선된 효율을 제공한다.
도 1은 배터리 팩의 요소들을 예시하며, 여기에서 배터리 팩의 요소들은 투시도에 도시된다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 셀의 확대 투시도이다.
도 3은 격리된 양의 전극 판 및 격리된 음의 전극 판의 상세한 평면도를 포함한, 도 2의 셀의 전극 스택의 일 부분의 개략적인 단면도이다.
도 4는 셀 하우징 내에서 전극 판들의 배향을 예시한 셀의 개략적인 투시도이다.
도 5는 폴딩된 클리어 레인을 예시한 전극 판의 일 부분의 투시도이다.
도 6은 공통 극성의 전극 판들의 중첩하는 루버 구성을 예시한 전극 스택의 일 부분의 투시도이다. 집전기 어셈블리는 각각의 전극 판에서 개구들의 가시화를 허용하기 위해 이 도면으로부터 생략된다.
도 7은 셀의 전극 어셈블리의 확대 투시도이다.
도 8은 셀의 전극 어셈블리의 측면도이다.
도 9는 제 1 집전기 어셈블리의 확대 투시도이다.
도 10은 제 2 집전기 어셈블리의 확대 투시도이다.
도 11은 공통 극성의 전극 판들의 중첩하는 루버 구성을 예시한 전극 스택의 일 부분의 투시도이다. 집전기 어셈블리의 내부 판은 이 도면에 포함된다.
도 12는 공통 극성의 전극 판들의 중첩하는 루버 구성을 예시한 전극 스택의 일 부분의 투시도이다. 집전기 어셈블리의 내부 판 및 외부 판은 이 도면에 포함된다.
도 13은 단자들의 쌍의 확대 투시도이다.
도 14는 단자들의 쌍의 측단면도이다.
도 15는 인서트의 투시도이다.
도 16은 도 1의 라인(16-16)을 따라 보여지는 바와 같이 셀의 일 부분의 투시 단면도이며, 전극 스택은 명확성을 위해 생략된다.
도 17은 도 1의 라인(17-17)을 따라 보여지는 바와 같이 셀의 일 부분의 투시 단면도이며, 전극 스택은 단일의 양의 전극 판 및 단일의 음의 전극 판을 제외하고 명확성을 위해 생략된다.
도 18a 및 도 18b는 셀을 제조하는 방법을 예시한 흐름도이다.
도 19는 클리어 레인들을 폴딩하기 전에 전극 판들의 개구들로 제 1 및 제 2 내부 판들을 삽입하는 방법 단계를 예시하는 전극 스택의 일 부분의 개략적인 단면도이다. 분리기는 생략되며 단지 전극 판들의 서브세트만이 명확성을 위해 예시된다.
도 20은 제 1 및 제 2 커넥터들의 폴딩 이전에 셀 하우징 구성을 예시한, 그것의 제조 동안 셀의 투시도이다.
도 21은 대안적인 실시예 셀 하우징을 포함한 셀의 확대 투시도이다.
도 22는 대안적인 실시예 단자 구성을 예시한 셀 하우징 제 1 단부의 투시도이다.
도 23은 단자들 및 집전기 어셈블리 사이에서의 대안적인 실시예 전기적 연결의 투시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 셀의 확대 투시도이다.
도 3은 격리된 양의 전극 판 및 격리된 음의 전극 판의 상세한 평면도를 포함한, 도 2의 셀의 전극 스택의 일 부분의 개략적인 단면도이다.
도 4는 셀 하우징 내에서 전극 판들의 배향을 예시한 셀의 개략적인 투시도이다.
도 5는 폴딩된 클리어 레인을 예시한 전극 판의 일 부분의 투시도이다.
도 6은 공통 극성의 전극 판들의 중첩하는 루버 구성을 예시한 전극 스택의 일 부분의 투시도이다. 집전기 어셈블리는 각각의 전극 판에서 개구들의 가시화를 허용하기 위해 이 도면으로부터 생략된다.
도 7은 셀의 전극 어셈블리의 확대 투시도이다.
도 8은 셀의 전극 어셈블리의 측면도이다.
도 9는 제 1 집전기 어셈블리의 확대 투시도이다.
도 10은 제 2 집전기 어셈블리의 확대 투시도이다.
도 11은 공통 극성의 전극 판들의 중첩하는 루버 구성을 예시한 전극 스택의 일 부분의 투시도이다. 집전기 어셈블리의 내부 판은 이 도면에 포함된다.
도 12는 공통 극성의 전극 판들의 중첩하는 루버 구성을 예시한 전극 스택의 일 부분의 투시도이다. 집전기 어셈블리의 내부 판 및 외부 판은 이 도면에 포함된다.
도 13은 단자들의 쌍의 확대 투시도이다.
도 14는 단자들의 쌍의 측단면도이다.
도 15는 인서트의 투시도이다.
도 16은 도 1의 라인(16-16)을 따라 보여지는 바와 같이 셀의 일 부분의 투시 단면도이며, 전극 스택은 명확성을 위해 생략된다.
도 17은 도 1의 라인(17-17)을 따라 보여지는 바와 같이 셀의 일 부분의 투시 단면도이며, 전극 스택은 단일의 양의 전극 판 및 단일의 음의 전극 판을 제외하고 명확성을 위해 생략된다.
도 18a 및 도 18b는 셀을 제조하는 방법을 예시한 흐름도이다.
도 19는 클리어 레인들을 폴딩하기 전에 전극 판들의 개구들로 제 1 및 제 2 내부 판들을 삽입하는 방법 단계를 예시하는 전극 스택의 일 부분의 개략적인 단면도이다. 분리기는 생략되며 단지 전극 판들의 서브세트만이 명확성을 위해 예시된다.
도 20은 제 1 및 제 2 커넥터들의 폴딩 이전에 셀 하우징 구성을 예시한, 그것의 제조 동안 셀의 투시도이다.
도 21은 대안적인 실시예 셀 하우징을 포함한 셀의 확대 투시도이다.
도 22는 대안적인 실시예 단자 구성을 예시한 셀 하우징 제 1 단부의 투시도이다.
도 23은 단자들 및 집전기 어셈블리 사이에서의 대안적인 실시예 전기적 연결의 투시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전기 전력을 제공하기 위해 사용된 배터리 팩(1)은 배터리 팩 하우징(2) 내에서 조직화된 방식으로 전기적으로 상호 연결되고 저장되는 전기화학 셀들(20)을 포함한다. 배터리 팩 하우징(2)은 팩 컨테이너 부분(4) 및 분해식 팩 뚜껑(도시되지 않음)을 포함한다. 셀들(20)은 전력 발생 및 저장 유닛을 형성하기 위해 전해질과 함께 셀 하우징(22) 내에 밀봉되는 전극 어셈블리(60)를 포함하는 리튬-이온 셀들이다. 몇몇 실시예들에서, 셀들(20)의 그룹들은 배터리 모듈들(8)을 형성하기 위해 함께 번들링될 수 있으며, 이것은 결과적으로 배터리 팩 하우징(2) 내에 저장된다. 배터리 팩 하우징(2) 내에서, 셀들(20)은 전기적으로 직렬로 및/또는 병렬로 연결된다.
각각의 셀(20)은 각주형 셀 하우징(22)을 포함한다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어("각주형")는 셀 하우징(22)의 형태를 나타내며, 특히 직사각형 형태를 갖는 것을 나타낸다. 예시된 실시예에서, 셀 하우징(22)은 한 쌍의 단자들(140, 142)을 지지하는 긴 직사각형 제 1 단부(23), 및 제 1 단부(23)로부터 이격되며, 그것에 평행하는 긴 직사각형 제 2 단부(24)를 포함한다. 셀 하우징(22)은 제 1 단부(23)를 제 2 단부(24)에 결합하는 측벽(25)을 포함한다. 측벽(25)은 직사각형 단면 형태를 가진 관이다. 측벽(25)은 제 1 및 제 2 단부들(23, 24)의 각각으로부터 개별적으로 형성된다. 측벽(25)은 한 쌍의 부 측면들(28, 29)에 의해 결합된 한 쌍의 주 측면들(26, 27)을 포함한다. 제 2 주 측면(27)은 제 1 주 측면(26)으로부터 이격되며, 그것에 평행한다. 제 2 부 측면(29)은 제 1 부 측면(28)으로부터 이격되며, 그것에 평행한다. 또한, 주 측면들의 쌍의 각각의 측면(26, 27)은 부 측면들의 쌍의 각각의 측면(28, 29)보다 면적이 더 크다. 제 1 단부(23), 제 2 단부(24) 및 측벽(25)은 전극 어셈블리(60)에 의해 점유된 밀봉된 내부 공간을 함께 정의한다.
셀 하우징(22)은 제 1 주 측면(26)에 평행하여 연장된 길이(lc) 및 제 1 부 측면(28)에 평행하여 연장된 두께(tc)를 갖는다. 셀 하우징(22)은 길이(lc) 및 두께(tc) 양쪽 모두에 수직인 높이(hc)를 가지며, 제 1 및 제 2 단부들(23, 24) 사이에서의 간격에 대응한다. 몇몇 실시예들에서, 길이(lc) 대 두께(tc)의 비는 2:1 내지 5:1의 범위에 있다. 예를 들면, 예시된 실시예에서, 길이(lc) 대 두께(tc)의 비는 3.0이다. 셀 하우징(22)의 높이(hc)는 단지 특정 애플리케이션의 요건들에 의해서만 제한된다. 예시된 실시예에서, 길이(lc) 대 높이(hc)의 비는 1.3이다.
셀 하우징(22)은 금속과 같은, 전기적 도전성 재료로 형성된다. 따라서, 셀 하우징(22)은 가요성 라미네이트 재료로 형성되는 파우치-형 셀 하우징들과 같은 몇몇 다른 유형들의 전기화학 셀 하우징들에 비교하여 단단하다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전극 어셈블리(60)는 셀 하우징(22)에 배치되며 음의 전극 판들(62)과 교번하고 중간 z-폴딩 분리기(63)에 의해 분리된 일련의 적층된 양의 전극 판들(61)을 포함한다.
양 및 음의 전극 판들(61, 62)의 각각은 리튬-이온들의 삽입 및/또는 움직임을 가능하게 하기 위해 계층화 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 예시된 실시예에서, 양의 전극 판(61)은 알루미늄과 같은 제 1 전기적-도전성 재료로 형성된 제 1 기판(50)을 포함한다. 또한, 양의 전극 판(61)은 제 1 기판(50)의 양쪽 측면들(51, 52) 상에 배치된 리튬화 금속 산화물과 같은 제 1 활성 재료(53)로 형성된 코팅을 포함한다. 제 1 활성 재료(53)는 예를 들면, 슬러리 코팅 프로세스, 인쇄 프로세스 또는 다른 적절한 프로세스에서 적용된다. 제 1 활성 재료(53)는 양의 전극 판(61)의 하나의 세로 에지(54)를 따라 좁은 코팅이 없는 영역 내에서를 제외하고 양의 전극 판(61)의 측면들(51, 52)을 커버하며, 그에 의해 베어 기판의 양의 클리어 레인(56)이 양의 전극 판(61)의 세로 에지(54)를 따라 제공된다. 양의 클리어 레인(56)은 전기적으로 도전성이며 활성 재료가 없다. 각각의 양의 전극 판(61)은 양의 클리어 레인(56)에 배치된 개구(58)를 포함한다. 개구(58)는 세로 방향으로 길며 판 세로 에지(54)보다 제 1 활성 재료(53)와 판 세로 에지(54) 사이에서의 경계(57)에 더 가깝다. 개구(58)는 이하에서 상세하게 논의되는 바와 같이, 제 1 집전기 어셈블리(80)의 일 부분을 수용한다.
음의 전극 판(62)은 구리와 같은 제 2 전기적-도전성 재료로 형성된 제 2 기판(70)을 포함한다. 또한, 음의 전극 판(62)은 제 2 기판(70)의 양쪽 측면들(71, 72) 상에 배치된 흑연과 같은 제 2 활성 재료(73)로 형성된 코팅을 포함한다. 제 2 활성 재료(73)는 예를 들면 슬러리 코팅 프로세스, 인쇄 프로세스 또는 다른 적절한 프로세스에서 적용된다. 제 2 활성 재료(73)는 음의 전극 판(62)의 하나의 세로 에지(74)를 따라 좁은 코팅이 없는 영역 내에서를 제외하고 음의 전극 판(62)의 측면들(71, 72)을 커버하며, 그에 의해 베어 기판의 음의 클리어 레인(76)은 음의 전극 판(62)의 세로 에지(74)를 따라 제공된다. 음의 클리어 레인(76)은 전기적으로 도전성이며 활성 재료가 없다. 각각의 음의 전극 판(62)은 음의 클리어 레인(76)에 배치된 개구(78)를 포함한다. 개구(78)는 세로 방향으로 길며, 판 세로 에지(74)보다 제 2 활성 재료(73)와 판 세로 에지(74) 사이에서의 경계(77)에 더 가깝다. 개구(78)는 이하에서 상세하게 논의되는 바와 같이, 제 2 집전기 어셈블리(90)의 일 부분을 수용한다.
양 및 음의 전극 판들(61, 62)의 각각은 긴 직사각형 판들이다. 전극 판들(60, 61)은 매우 얇으며, 따라서 종종 포일들로서 불리운다. 예를 들면, 예시된 실시예에서, 전극 판들(60, 61)은 약 0.012mm의 기판 두께, 및 약 0.108mm의 코팅 두께(tp)를 갖는다. 전극 판들(60, 61)은 예를 들면, 약 수십 mm의 판 길이(lp)를 가진, 판 두께(tp)보다 훨씬 더 큰 판 길이(lp)를 갖는다. 판 높이(hp)는 셀 하우징(22)의 높이(hc)에 의해 결정되며, 따라서 또한 수십 mm일 수 있다. 예시된 실시예에서, 전극 판들(60, 61)은 판 길이(lp)보다 큰 판 높이(hp)를 갖는다. 예를 들면, 몇몇 실시예들에서, 판 높이(hp) 대 판 길이(lp)의 비는 약 2:1이다.
분리기(63)는 전해질에 제공된 이온성 전하 캐리어들의 통과를 또한 허용하면서 전기 단락 회로들을 방지하기 위해 양 및 음의 전극 판들(61, 62)을 떨어진 채로 유지하도록 기능하며 셀(20) 내에서 전류의 통과 동안 회로를 폐쇄하도록 요구되는 투과성 막이다. 분리기(63)는 예를 들면, 삼층 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌 막과 같은 전기적 절연 재료로 형성된다.
전극 어셈블리(60)의 적층 동안, 전극 어셈블리(60)를 형성하는 양의 전극 판들(61), 음의 전극 판들(62) 및 분리기(63)는 적층 방향에서 계층화 또는 적층 구성으로 배열된다. 일련의 적층된 전극 판들(61, 62) 및 분리기(63)는 여기에서 "전극 스택"(64)으로 불리울 것이며, 전극 스택(64)의 스택 축(66)은 적층 방향에 평행하며 전극 판들(61, 62)의 코팅 표면들(51, 52, 71, 72)에 수직인 방향으로 전극 스택(64)의 중심을 통해 연장된다. 전극 스택(64)의 일 부분은 도 3에서 개략적으로 도시된다. 적층 구성에서, 분리기(63)는 주변 에지들 및 분리기(63)의 폴드들이 스택 축(66)에 평행한 방향으로 정렬되도록 Z 구성에서 폴딩된다.
양 및 음의 전극 판들(61, 62)은 서로 평행하며 위에 놓이도록 분리기(63)의 교번하는 폴드들에 배치된다. 또한, 양 및 음의 전극 판들(61, 62)은 스택 축에 가로 방향으로 및 각각의 분리기(63)에 대하여 전극 판의 높이 방향으로 부분적으로 오프셋된다. 특히, 양의 전극 판들(61)은 양의 전극 판들(61)의 주변 에지들이 스택 축(66)의 방향에 평행한 방향으로 서로 동조되지만 높이 방향에 평행한 제 1 방향으로 분리기(63)에 대하여 부분적으로 오프셋되도록 스택 축(66)을 따라 적층된다. 제 1 방향은 도 3에서 화살표(37)로 나타내어진다. 특히, 양의 전극 판(61)은 양의 전극 판들(61)의 각각의 양의 클리어 레인(56)이 분리기(63)의 대응하는 에지(63a)를 넘어 연장되도록 분리기(63)에 대하여 배열된다.
음의 전극 판들(62)은 음의 전극 판들(62)의 주변 에지들이 스택 축(66)의 방향에 평행한 방향으로 서로 동조되지만 제 2 방향으로 분리기(63)에 대하여 부분적으로 오프셋되도록 스택 축(66)을 따라 적층되며, 여기에서 제 2 방향은 높이 방향에 평행하며 제 1 방향의 것에 반대편에 있다. 제 2 방향은 도 3에서 화살표(38)로 나타내어진다. 특히, 음의 전극 판(62)은 음의 전극 판들(62)의 각각의 음의 클리어 레인(76)이 분리기(63)의 대응 에지(63b)를 넘어 연장되도록 분리기(63)에 대하여 배열된다.
전극 어셈블리(60)가 셀 하우징(22)에 배치될 때, 양의 전극 판(61)은 셀 하우징 제 2 단부(24)를 향해 분리기(63)에 대하여 오프셋되며, 음의 전극 판(62)은 셀 하우징 제 1 단부(23)를 향해 분리기(63)에 대하여 오프셋된다. 또한, 분리기(63)는 분리기(63)의 폴드 에지들(65)이 셀 하우징(20)의 주 측면들(26, 27)에 인접해 있으며 셀 하우징 제 1 및 제 2 단부들(23, 24) 사이에서 연장되도록 배향된다. 전극 판들(61, 62)은 전극 판들(61, 62)의 코팅 표면들(51, 52, 71, 72)이 셀 하우징 부 측면들(28, 29)에 평행하도록 및 스택 축(66)이 셀 하우징 부 측면들(28, 29)에 수직인 방향으로 연장되도록 분리기(63)의 폴드들에 배치된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 각각의 양의 전극 판(61)의 클리어 레인(56)은 전극 스택(65)의 측면에 대고 폴딩된다. 마찬가지로, 각각의 음의 전극 판(62)의 클리어 레인(76)은 전극 스택(64)의 반대 측면에 대고 폴딩된다. 도 5에 보여지는 바와 같이, 클리어 레인들(56, 76)은 개구(58, 78)의 외부 마진을 따라 폴딩된다(도 5는 단지 음의 전극 판(62)만을 도시한다). 스택 축(66)을 따르는 개개의 전극 판들(61, 62)의 상대적인 간격으로 인해, 폴딩된 클리어 레인들(56, 76)은 각각의 클리어 레인(56, 76)의 일 부분이 노출되고 셀 하우징(22)의 내부 측면과 마주보는 중첩 루버 구성을 형성한다. 전극 스택(64)의 주어진 측면 상에서 폴딩된 클리어 레인들(56, 76)은 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 대응하는 집전 어셈블리(80, 90)와의 전기적 연결을 형성하기 위해 사용될 수 있는 일반적으로 평면 전기적 도전성 표면(69)을 형성하도록 협력한다.
다시 도 2를 참조하면, 전극 어셈블리(60)는 전극 스택(64)을 빽빽히 둘러싸는 절연 밴드(68)를 선택적으로 포함할 수 있다. 그 결과, 절연 밴드(68)는 전극 스택(64)과 측벽(25) 사이에 배치된다. 이러한 구성에서, 클리어 레인들(56, 76)은 절연 밴드(68)에 의해 둘러 싸여지지 않으며, 대신에 절연 밴드(68)의 반대편 개방 단부들로부터 돌출되고, 그것에서 노출된다. 절연 밴드(68)는, 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 스택 축(66)에 평행한 방향으로 압축 상태에서 전극 스택(64)을 유지하며, 셀 조립 동안 셀 하우징(22)으로의 전극 스택(64)의 삽입을 가능하게 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 전극 어셈블리(60)는 또한 전극 스택(64)의 전극 판들(61, 62)과 전기적 연결을 형성하는 제 1 집전기 어셈블리(80) 및 제 2 집전기 어셈블리(90)를 포함한다. 제 1 집전기 어셈블리(80)는 전극 스택(64)과 셀 하우징 제 2 단부(24) 사이에 배치되며, 전극 어셈블리(60)의 양의 전극 판들(61)과 전기적 연결을 형성한다. 제 2 집전기 어셈블리(90)는 전극 스택(64)과 셀 하우징 제 1 단부(23) 사이에 배치되도록 전극 스택(64)의 반대 측면 상에 있으며, 전극 어셈블리(60)의 음의 전극 판들(62)과 전기적 연결을 형성한다.
도 9를 참조하면, 제 1 집전기 어셈블리(80)는 전기적 도전성 제 1 내부 판(81) 및 상기 제 1 내부 판(81)에 평행하는 전기적 도전성 제 1 외부 판(84)을 포함한다. 제 1 내부 판(81) 및 제 1 외부 판(84)은 양의 전극 판들(61)을 형성하기 위해 사용된 제 1 기판(50)과 동일한 재료로 형성된다. 제 1 내부 판(81)은 양의 전극 판들(61)의 개구들(58)보다 약간 더 작도록 치수화되는 직사각형 단면을 갖는다. 제 1 내부 판(81)은 양의 전극 판들(61)의 각각의 개구(58)를 통해 연장된다. 또한, 제 1 내부 판(81)은 양의 클리어 레인들(56)의 폴딩 부분들의 각각과 전극 스택(64) 사이에 배치된다. 이것은, 예를 들면, 전극 판 적층 동안, 및 양의 클리어 레인들(56)을 폴딩하기 전에 제 1 내부 판(81)으로 각각의 양의 전극 판(61)의 개구(58)를 슬라이딩시킴으로써, 달성된다.
제 1 외부 판(84)은 폴딩된 양의 클리어 레인들(56)이 제 1 외부 판(84) 및 제 1 내부 판(81) 사이에 배치되며, 상기 제 1 외부 판 및 제 1 내부 판과 전기적 연결을 형성하도록 제 1 내부 판(81) 위에 놓인다. 예시된 실시예에서, 제 1 외부 판(84), 제 1 내부 판(81) 및 양의 클리어 레인들(56)의 폴딩 부분들은 용접을 통해 전기적으로 연결된다.
몇몇 실시예들에서, 절연 시트(88)는 제 1 내부 판(81) 및 음의 전극 판들(62)의 주변 에지 사이에서 전기적 단락 회로를 방지하기 위해 제 1 내부 판(81) 및 양의 전극 판 개구(58)의 내부 마진 사이에 배치된다. 몇몇 실시예들에서, 절연 시트(88)는 제 1 내부 판(81)의 내향(예로서, 전극 스택-향) 측면(85)에 고정되는 전기적 절연성 접착 테이프일 수 있다.
제 1 집전기 어셈블리(80)는 또한 제 1 외부 판(84) 및 셀 하우징 제 2 단부(24) 사이에 전기적 연결을 형성하기 위해 사용되는 제 1 커넥터(100)를 포함한다. 제 1 커넥터(100)는 제 1 외부 판(84) 및 셀 하우징 제 2 단부(24) 사이에서 셀 하우징(22)에 배치된다. 제 1 커넥터(100)는 스트립 신장의 방향에 평행하며 제 1 커넥터(100)를 부분들로 분리하는 폴드 라인들을 따라 부분적으로 폴딩되는 재료의 긴, 전기적 도전성 스트립으로 형성된다. 특히, 제 1 커넥터(100)는 베이스 부분(103)을 통해 제 2 레그부(102)에 연결되는 제 1 레그부(101)를 포함한다. 셀 하우징 내에서의 조립 이전에, 제 1 및 제 2 레그부들(101, 102)은 각각 베이스 부분(103)(도 7 내지 도 9)에 대하여 둔각에 있으며, 그에 의해 제 1 커넥터(100)는 단면에 보여질 때 스플레이 U 형태를 갖는다. 제 1 레그부(101)는, 예를 들면 용접에 의해, 제 1 외부 판(84)에 전기적으로 연결된다. 또한, 제 2 레그부(102)는, 예를 들면, 용접에 의해, 셀 하우징 제 2 단부(24)에 전기적으로 연결된다. 전기적 연결은 관형 측벽(25)으로의 셀 하우징 제 2 단부(24)의 연결 이전에 이루어지며, 따라서 제 1 커넥터(100)의 스플레이 U 형 구성은 용접될 표면들로의 액세스를 가능하게 한다. 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 제 1 집전기 어셈블리(80)가 셀 하우징(22) 내에서 조립될 때, 베이스 부분(103)은 제 2 레그부(102)가 가깝게 위에 놓이며 평탄화된 U-형 구성(도시되지 않음)을 형성하기 위해 제 1 레그부(101)에 평행하도록 추가로 폴딩된다. 또한, 베이스 부분(103)의 폴드는 셀 하우징(22)의 주 측면들(26, 27)에 평행하여 연장된다. 제 1 커넥터(100)의 제 1 및 제 2 레그들(101, 102)이 비교적 큰 표면들을 가지므로, 제 1 외부 판(84) 및 제 1 커넥터(100) 사이에서의 전기적 연결의 면적, 및 제 1 커넥터(100) 및 하우징 제 2 단부(24) 사이에서의 전기적 연결의 면적은 각각 크게 만들어질 수 있다. 또한, 제 1 커넥터(100)가 조립 동안 평탄화된 U-형 구성으로 폴딩되므로, 제 1 커넥터(100)는 큰 전기적 연결 면적을 제공하면서 작게 만들어진다. 예시된 실시예에서, 제 1 집전기 어셈블리(80)는 양의 전극 판들(61)에 전기적으로 연결되며, 그에 의해 셀 하우징(22)은 양의 전기적 극성을 가지며 셀(20)의 양의 단자로서 작용한다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 제 1 집전기 어셈블리(80)처럼, 제 2 집전기 어셈블리(90)는 전기적 도전성 제 2 내부 판(91) 및 상기 제 2 내부 판(91)에 평행하는 전기적 도전성 제 2 외부 판(94)을 포함한다. 제 2 내부 판(91) 및 제 2 외부 판(94)은 음의 전극 판들(62)을 형성하기 위해 사용된 제 2 기판(70)과 동일한 재료로 형성된다. 제 2 내부 판(91)은 음의 전극 판들(62)의 개구들(78)보다 약간 더 작도록 치수화되는 직사각형 단면을 가진다. 제 2 내부 판(91)은 음의 전극 판들(62)(도 11)의 각각의 개구들(78)을 통해 연장된다. 또한, 제 2 내부 판(91)은 음의 클리어 레인들(76)의 폴딩 부분들의 각각과 전극 스택(64) 사이에 배치된다. 이것은, 예를 들면, 전극 판 적층 동안, 및 음의 클리어 레인들(76)을 폴딩하기 전에 제 2 내부 판(91)으로 각각의 음의 전극 판(62)의 개구(78)를 슬라이딩시킴으로써, 달성된다.
제 2 외부 판(94)은 폴딩된 음의 클리어 레인들(76)이 제 2 외부 판(94) 및 제 2 내부 판(91)(도 12) 사이에 배치되며, 상기 제 2 외부 판 및 제 2 내부 판과 전기적 연결을 형성하도록 제 2 내부 판(91) 위에 놓인다. 예시된 실시예에서, 제 2 외부 판(94), 제 2 내부 판(91) 및 음의 클리어 레인들(76)의 폴딩 부분들은 예를 들면 용접을 통해 전기적으로 연결된다.
몇몇 실시예들에서, 절연 시트(98)는 제 2 내부 판(91) 및 양의 전극 판들(61)의 주변 에지 사이에서 전기적 단락 회로를 방지하기 위해 제 2 내부 판(91) 및 음의 전극 판 개구(78)의 내부 마진 사이에 배치된다. 몇몇 실시예들에서, 절연 시트(98)는 제 2 내부 판(91)의 내향(예로서, 전극 스택-향) 측면(95)에 고정되는 전기적 절연성 접착 테이프일 수 있다.
제 2 집전기 어셈블리(90)는 또한 제 2 외부 판(94) 및 단자들(140, 142)의 각각 사이에 전기적 연결을 형성하기 위해 사용되는 제 2 커넥터(120)를 포함한다. 제 2 커넥터(120)는 제 2 외부 판(94) 및 셀 하우징 제 1 단부(23) 사이에서 셀 하우징(22)에 배치된다. 제 2 커넥터(120)는 스트립 시장의 방향에 평행하는 폴드 라인을 따라 부분적으로 폴딩되며 제 2 커넥터(120)를 레그부들로 분리하는 재료의 긴, 전기적 도전성 스트립으로 형성된다. 특히, 제 2 커넥터(120)는 베이스 부분(123)에 대응하는, 폴드를 통해 제 2 레그부(122)에 연결되는 제 1 레그부(121)를 포함한다. 셀 하우징 내에서의 조립 이전에, 제 1 및 제 2 레그부들(121, 122)은 각각 베이스 부분(123)(도시되지 않음)에 대하여 둔각에 있으며, 그에 의해 제 2 커넥터(120)는 단면에서 보여질 때 스플레이 U 형태를 갖는다. 재료는 베이스(123) 및 제 2 레그(122)의 중심 부분으로부터 제거되며, 그에 의해 제 2 레그부(122)는 한 쌍의 이격된 탭들(122a, 122b)을 형성한다. 제 1 레그부(121)는, 예를 들면, 용접에 의해, 제 2 외부 판(94)에 전기적으로 연결된다. 또한, 제 2 레그부(122)는 예를 들면, 용접에 의해, 단자들(140, 142)의 각각에 전기적으로 연결된다. 보다 구체적으로, 제 1 탭(122a)은 제 1 단자(140)에 연결되며, 제 2 탭(122b)은 제 2 단자(142)에 연결된다. 전기적 연결들은 관형 측벽(25)으로의 셀 하우징 제 1 단부(23)의 연결 이전에 이루어지며, 따라서 제 2 커넥터(120)의 스플레이 U자형 구성은 용접될 표면들로의 액세스를 가능하게 한다. 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 제 2 집전기 어셈블리(90)가 셀 하우징(22) 내에서 조립될 때, 베이스 부분(123)은 평탄화된 U-형 구성(도 10)을 형성하기 위해 제 2 레그부(122)가 가깝게 위에 놓이며 제 1 레그부(121)에 평행하도록 추가로 폴딩된다. 또한, 베이스 부분(123)의 폴드는 셀 하우징(22)의 주 측면들(26, 27)에 평행하여 연장된다. 제 2 커넥터(120)의 제 1 및 제 2 레그들(121, 122)이 비교적 큰 표면들을 가지므로, 제 2 외부 판(84)와 제 2 커넥터(120) 사이에서의 전기적 연결의 면적, 및 제 2 커넥터(120)와 각각의 단자들(140, 142) 사이에서의 전기적 연결의 면적은 각각 크게 만들어질 수 있다. 또한, 제 2 커넥터(120)가 조립 동안 평탄화된 U-형 구성으로 폴딩되므로, 제 2 커넥터(120)는 큰 전기적 연결 면적을 제공하면서 작게 만들어진다. 예시된 실시예에서, 제 2 집전기 어셈블리(90)는 음의 전극 판들(62)에 전기적으로 연결되며, 그에 의해 단자들(140, 142) 각각은 음의 전기적 극성을 갖는다.
제 1 및 제 2 내부 판들(81, 91)은 제 1 및 제 2 외부 판들(84, 94)의 두께보다 큰 두께, 및 전극 판들(61, 62)에서 개구들(58, 78)의 폭보다 약간 더 작은 폭을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 내부 판(81) 또는 제 2 내부 판(91)의 두께(tinner) 대 제 1 외부 판(84) 또는 제 2 외부 판(94)의 두께(touter)의 비는 2:1 내지 4:1의 범위에 있다. 예를 들면, 예시된 실시예에서, 제 1 내부 판(84)은 약 0.75mm의 두께를 가지며 제 1 외부 판(81)은 약 0.25mm의 두께를 갖고, 그에 의해 tinner 대 touter의 비는 약 3:1이다. 각각의 내부 판들(81, 91) 및 외부 판들(84, 94) 사이에 폴딩된 클리어 렌즈들(56, 76)을 끼워넣음으로써, 용접 프로세스의 열을 통해 전극 판들을 태워 없애지 않고 내부 및 외부 판들(81, 91, 84, 94)로 전극 판들(61, 62)을 용접하는 것이 가능하다. 또한, 제 1 및 제 2 외부 판들(84, 94)보다 큰 두께를 제 1 및 제 2 내부 판들(81, 91)에 제공함으로써, 내부 판들(81, 91)이 상대적 열 싱크로서 작용하므로, 전극 판들(61, 62)의 코팅 부분들을 손상시키지 않고 내부 판들로의 외부 판들의 신뢰 가능한 용접을 달성하는 것이 가능하다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 이전에 논의된 바와 같이, 제 2 집전기 어셈블리(90)는 전기적 도전성 단자들(140, 142)의 쌍에 전기적으로 연결된다. 단자들의 쌍의 각각의 단자(140, 142)는 동일하며, 그에 의해 단지 하나의 단자(140)만이 상세하게 설명될 것이고, 공통 참조 숫자들이 공통 요소들을 나타내기 위해 사용될 것이다.
단자(140)는 셀 하우징 제 1 단부(23)를 통해 돌출되며, 전기적 도전성이고 셀(20)의 외부 전기적 접촉으로서 작용하는 외부 접촉부(141)를 포함한다. 단자(140)는 외부 접촉부(141) 및 제 2 외부 판(94) 사이에서 전기적 연결을 제공하는 전기적 도전성 내부 접촉부(170)를 포함한다. 특히, 외부 접촉부(141)는 외향 표면(146) 및 반대편 내향 표면(148)을 가진 접촉 판(144)을 포함한다. 포스트(150)는 내향 표면(148)으로부터 돌출된다. 포스트(150)는 내부 접촉부(170)에 형성된 개구(178) 내에 수용되며, 그것과 전기적 연결을 형성한다.
단자(140)는 셀 하우징 제 1 단부(23)로부터 전기적으로 격리된다. 이를 위해, 단자(140)는 외부 접촉부(141)를 수용하고 그것을 셀 하우징 제 1 단부(23)의 외부 표면으로부터 분리하는 외부 절연 시트(152), 및 내부 접촉부(170)를 수용하며 그것을 셀 하우징 제 1 단부(23)의 내부 표면으로부터 분리하는 내부 절연 시트(160)를 포함한다. 칼라(164)는 내부 절연 시트(160)의 외향 표면으로부터 돌출된다. 칼라(164)는 포스트(150)를 수용하며 접촉 판 내향 표면(148)에 인접해 있다. 이를 위해, 칼라(164)는 셀 하우징 단부(35) 및 외부 절연 판(154)에서 각각의 개구들(35, 158)을 통과하며, 그에 의해 단자(140)는 셀 하우징 제 1 단부(23)로부터 전기적으로 격리된다. 외부 절연 시트(152) 및 내부 절연 시트(160)의 각각은 전기적 절연 재료로 형성된다.
단자(140)의 접촉 판(144)은 일반적으로 형태가 직사각형이며, 셀 하우징 제 1 단부(23)에 평행하는 접촉 표면(예로서, 외향 표면(146))을 제공한다. 접촉 판 외향 표면(146)의 면적은 셀 하우징 제 1 단부(23)의 면적에 대하여 크다. 예를 들면, 외향 표면(146)의 면적은 셀 하우징 제 1 단부(23)의 면적의 15 내지 40 퍼센트일 수 있다. 또한, 외향 표면(146)의 치수(예를 들면, 길이 또는 폭)는 제 1 단부(23)에 수직인 방향에서 단자(140)의 치수(예를 들면, 높이)보다 크며, 그에 의해 단자(140)는 프로파일이 낮다.
도 15 내지 도 17을 참조하면, 절연 인서트(40)가 전극 스택(64) 및 셀 하우징 제 1 단부(23) 사이에서 셀 하우징(22)에 배치된다. 인서트(40)는 폐쇄된, 긴 직사각형 섹션을 형성하도록 배열되며, 전극 스택(64)의 단부를 둘러싸도록 치수화된 4개의 단단한 벽 부분들(41, 42, 43, 44)을 포함한다. 셸프(45)는 인서트(40)의 긴 벽 부분들(42, 44)의 각각의 내부 표면으로부터 안쪽으로 돌출된다. 셸프들(45) 각각은 전극 스택(64)을 향해 돌출되는 립(48)을 포함한다. 립(48)은 긴 벽 부분들(42, 44)로부터 이격되며, 제 2 외부 판(94)의 외향 표면(96)에 인접하도록 구성된다. 셸프들(45) 중 하나는 제 2 집전기 케넉터(120)(도 16)의 베이스(123)를 지지한다. 인서트(40)는 또한 긴 벽 부분들(42, 44) 사이에서 연장된 버팀대들(46, 47)을 포함한다. 버팀대들(46, 47)은 짧은 벽 부분들(41, 43) 사이의 중간에 위치되며, 가스 완화 밸브(36) 및 전해질 유입 포트(39)와 연관된 내부 구조들을 둘러싸며 그것을 보호하도록 구성된다. 인서트(40)는 플라스틱과 같은 전기적 절연 재료로 형성되며, 전극 스택(64)의 단부(예로서, 도 17에 도시된 배향에 대하여 상부 단부)를 격리할 뿐만 아니라 셀 하우징(22)의 측벽(25)으로 전극 스택(64)의 삽입을 가능하게 하도록 작용한다.
도 18a 및 도 18b를 참조하면, 상기 설명된 전기화학 셀(20)을 제조하는 방법이 이제 설명될 것이다. 이전에 논의된 바와 같이, 셀(20)은 셀 하우징(22)에 배치된 전극 어셈블리(60) 및 직사각형 각기둥의 형태를 가진 단단한 셀 하우징(22)을 포함한다. 초기 방법 단계들에서, 셀 하우징 제 1 단부(23), 셀 하우징 제 2 단부(24) 및 셀 하우징 측벽(25)은 이하에서 설명되는 바와 같이, 뒤이은 방법 단계들에서 함께 조립될 별개의 요소들(단계들 601, 602, 603)로서 제공된다.
셀 하우징 측벽(25)은 직사각형 단면 형태를 가진 단단한 관이며 셀 하우징 제 1 단부(23), 셀 하우징 제 2 단부(24) 및 셀 하우징 측벽(25)의 각각은 금속과 같은 전기적 도전성 재료로 형성된다. 예시된 실시예에서, 셀 하우징(22)은 알루미늄으로 형성된다. 셀 하우징 제 1 단부(23)는 도 13 및 도 14에 대하여 상기 설명된 바와 같이, 단자들(140, 142)의 쌍을 포함한다.
전극 어셈블리(60)의 전극 스택(64)이 또한 제공된다(단계 604). 이를 위해, 양의 전극 판들(61)은 음의 전극 판들(62)과 교번하는 방식으로 적층되며 분리기(63)에 의해 분리된다. 적층 절차 동안, 양의 전극 판들(61) 및 음의 전극 판들(62)은 각각의 전극 판들(61, 62)의 클리어 레인들(56, 76)이 분리기(63)의 주변부를 넘어 돌출되도록, 및 양의 전극 판들(61)이 음의 전극 판(62)(도 3)의 오프셋의 방향에 반대 방향으로 오프셋되도록 분리기(63)에 대하여 오프셋된다. 이러한 구성에서, 각각의 전극 판들(61, 62)의 개구들(58, 78)은 분리기의 주변부를 넘어 배치된다.
절연 밴드(68)는 그 후 전극 스택(64)을 빽빽히 둘러싸도록 양의 및 음의 전극 판들(61, 62) 및 분리기의 적층 배열 주위에서 래핑된다(단계 605). 절연 밴드(68)는 클리어 레인들(56, 76)이 절연 밴드(68)에 의해 둘러싸여지지 않으며, 대신에 절연 밴드(68)의 반대편 개방 단부들로부터 돌출되고, 그것에 노출되도록 치수화된다. 절연 밴드(68)는, 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 스택 축(66)에 평행한 방향으로 압축 상태에서 전극 스택(64)을 유지하며, 셀 조립 동안 셀 하우징(22)으로 전극 스택(64)의 삽입을 가능하게 한다.
각각의 클리어 레인들(56, 76)을 폴딩하기 전에, 전기적 도전성 제 1 내부 판(81)은 양의 전극 판들(61)의 각각의 클리어 레인(56)에서 개구(58)를 통해 삽입되며(단계 606), 전기적 도전성 제 2 내부 판(91)은 음의 전극 판들(62)의 각각의 클리어 레인(76)에서 개구(78)를 통해 삽입된다(단계 607)(도 19). 몇몇 실시예들에서, 절연 층은, 예를 들면, 접착 절연 테이프를 사용함으로써, 제 1 내부 판(81) 및 제 2 내부 판(91)의 각각의 내향 표면에 도포될 수 있다. 각각의 개구들(58, 78)을 통한 삽입 시, 제 1 내부 판(81) 및 제 2 내부 판(91)은 전극 스택(64)의 반대 측면들 상에 배치되며, 각각은 양의 및 음의 전극 판들(61, 62)에 수직인 방향으로 연장된다. 몇몇 제조 프로세스들에서, 대안적인 방법 단계들은 이격된, 평행 관계에서 제 1 및 제 2 내부 판들(81, 91)을 제공하는 것, 및 개구들(58)을 통해 제 1 내부 판 상에 양의 판들을 장착하며, 개구들(78)을 통해 제 2 내부 판(91) 상에 음의 전극 판들(62)을 장착함으로써 교번하는 방식으로 전극 판들(61, 62)을 적층하는 것을 포함하는 단계들(605 및 606)로 대체될 수 있다. 대안적인 방법 단계들은 Z-폴딩 구성으로 인접한 전극 판들(61, 62) 사이에 분리기(63)를 배열하는 것을 포함한다. 이러한 접근법은 전극 판들(61, 62)의 정밀한 정렬을 가능하게 한다.
제 1 내부 판(81)이 각각의 양의 전극 판(61)의 각각의 개구들(58)에 배치된 후, 각각의 양의 전극 판(61)의 클리어 레인(56)은, 클리어 레인(56)이 전극 스택(64)의 일 측면 및 제 1 내부 판(81) 위에 놓이도록 하는 방식으로, 개구(58)의 마진을 따라 연장된 제 1 폴드 라인(59)을 따라 폴딩된다(단계 608). 유사하게, 제 2 내부 판(91)이 각각의 음의 전극 판(62)의 각각의 개구들(78)에 배치된 후, 각각의 음의 전극 판(62)의 클리어 레인(76)은, 클리어 레인(76)이 전극 스택(64)의 반대 측면 및 제 2 내부 판(91) 위에 놓이도록 하는 방식으로, 개구(78)의 마진을 따라 연장된 제 2 폴드(79) 라인을 따라 폴딩된다(단계 609)(도 11).
전기적 도전성 제 1 외부 판(84)은 그 후 제 1 외부 판(84)이 제 1 내부 판(81) 위에 놓이며 양의 클리어 레인들(56)이 제 1 외부 판(84)과 제 1 내부 판(81) 사이에 배치되도록 폴딩된 양의 클리어 레인들(56) 위에 배치된다(단계 610). 마찬가지로, 전기적 도전성 제 2 외부 판(94)은 그 후 제 2 외부 판(94)이 제 2 내부 판(91) 위에 놓이며 제 2 클리어 레인들(76)이 제 2 외부 판(94)과 제 2 내부 판(91) 사이에 배치되도록 폴딩된 음의 클리어 레인들(76) 위에 배치된다(단계 611)(도 12).
폴딩된 양의 클리어 레인들(56) 위에서 제 1 외부 판(84)의 배치 다음에, 제 1 내부 판(81), 폴딩된 양의 클리어 레인들(56), 및 제 1 외부 판(84)은, 예를 들면, 용접 또는 다른 적절한 기술을 통해, 함께 전기적으로 연결되며, 그에 의해 전기적 연결이 제 1 내부 판(81), 폴딩된 양의 클리어 레인들(56), 및 제 1 외부 판(84) 사이에 형성된다(단계 612). 또한, 폴딩된 음의 클리어 레인들(76) 위에서 제 2 외부 판(94)의 배치 다음에, 제 2 내부 판(91), 폴딩된 음의 클리어 레인들(76), 및 제 2 외부 판(94)은, 예를 들면, 용접 또는 다른 적절한 기술을 통해, 제 2 내부 판(91), 폴딩된 음의 클리어 레인들(76), 및 제 2 외부 판(94) 사이에 전기적 연결을 형성하기 위해, 함께 전기적으로 연결된다(단계 613). 이들 연결 단계들(611, 612)의 결과로서, 전극 어셈블리(60)가 부분적으로 조립된다. 전극 어셈블리는, 이하에서 논의되는 바와 같이, 이러한 부분적으로 조립된 상태(예로서, 완전히 조립되기 전에)에서 측벽(25)으로 삽입된다.
측벽(25)으로의 부분적으로 조립된 전극 어셈블리의 삽입 이전에, 인서트(40)가 부분적으로 조립된 전극 어셈블리의 일 단부 상에 위치된다(단계 614). 특히, 인서트(40)는 벽 부분들(41, 42, 43, 44)이 제 2 내부 판(91), 폴딩된 음의 클리어 레인들(76), 및 제 2 외부 판(94), 뿐만 아니라 전극 스택(64)의 인접한 부분들을 둘러싸도록 배열된다. 이러한 구성에 의해, 인서트(40)는 그것이 측벽(25)으로 삽입되는 바와 같이 부분적으로 조립된 전극 스택을 보호한다.
부분적으로 조립된 전극 어셈블리 및 인서트(40)는 셀 하우징 측벽(25)으로 유닛으로서 삽입된다(단계 615). 측벽(25)으로의 부분적으로 조립된 전극 어셈블리의 삽입 동안, 전극 스택(64)은 그것이 셀 하우징(22) 내에 배치될 때, 스택 축(66)이 부 측면들의 쌍의 각각의 측면(28, 29)에 수직인 방향으로 연장되며, 그것을 통과하도록 배향된다. 또한, 전극 스택(64)은 삽입 동안 인서트(40)가 리딩 단부를 제공하도록 배향되며, 그에 의해 인서트(40)는 측벽(25)으로의 삽입 동안 전극 스택을 보호한다. 부분적으로 조립된 전극 어셈블리 및 인서트(40)는 인서트(40)의 단부가 측벽(25)의 단부와 동조될 때까지 측벽(25)을 통해 삽입된다(도 17).
측벽(25) 내에 배치된 부분적으로 조립된 전극 어셈블리 및 인서트(40)를 갖고, 제 1 커넥터(100)의 제 1 레그(101)는, 예를 들면, 용접을 통해, 제 1 외부 판(84)에 전기적으로 연결된다. 또한, 제 1 커넥터(100)의 제 2 레그(102)는, 예를 들면 용접을 통해, 셀 하우징 제 2 단부(24)에 전기적으로 연결된다(단계 616). 유사하게, 제 2 커넥터(120)의 제 1 레그(121)는, 예를 들면 용접을 통해, 제 2 외부 판(94)에 전기적으로 연결된다. 또한, 제 2 커넥터(120)의 제 2 레그(122)는, 예를 들면 용접을 통해 단자들(140, 142)에 전기적으로 연결된다(단계 617). 특히, 제 2 레그(122)의 제 1 탭(122a)은 제 1 단자(140)에 전기적으로 연결되며, 제 2 레그(122)의 제 2 탭(122b)은 제 2 단자(142)에 전기적으로 연결된다. 도 20에 보여지는 바와 같이, 단계들(616 및 617) 동안, 셀 하우징 제 1 및 제 2 단부들(23, 24)은 셀 하우징 측벽(25)에 아직 연결되지 않으며, 제 1 및 제 2 커넥터들(100, 120)은 스플레이 구성을 갖는다. 이러한 배열은 제 1 및 제 2 커넥터들(100, 120) 상에서 용접 위치들로의 액세스를 가능하게 하며, 그에 의해 용접 프로세스는 용이해지고 용접 신뢰 가능성은 개선된다.
일단 전기적 연결들이 제 1 집전기 어셈블리(80)와 셀 하우징 제 2 단부(24) 사이에 및 제 2 집전기 어셈블리(90)와 단자들(140, 142) 사이에 수립되었다면, 셀 하우징(22)이 조립된다. 특히, 제 1 커넥터(100)는 제 1 레그(101)가 제 2 레그(102) 위에 놓이도록 폴딩된다(618). 폴딩 단계(618)의 결과로서, 셀 하우징 제 2 단부(24)는 셀 하우징 측벽(25)의 일 개방 단부에 인접하며, 그것을 폐쇄한다. 제 2 커넥터(120)는 제 1 레그(121)가 제 2 레그(122) 위에 놓이도록 폴딩된다(단계 619). 폴딩 단계(619)의 결과로서, 셀 하우징 제 1 단부(23)는 셀 하우징 측벽(25)의, 반대 단부에 인접하며, 그것의 반대 단부를 폐쇄한다.
제 1 커넥터(100)의 폴딩에 이어서, 셀 하우징 제 2 단부(24)는, 예를 들면 용접에 의해, 셀 하우징 측벽(25)의 일 단부에 고정된다(단계 620). 또한, 제 2 커넥터(120)의 폴딩에 이어서, 셀 하우징 제 1 단부(23)는 셀 하우징 측벽(25)의 반대 단부에 용접된다(단계 621). 용접 단계들(620, 621)에서, 용접 라인은 측벽(25)에 각각의 제 1 및 제 2 단부들(23, 24)을 고정시키기 위해 및 셀 하우징(22)을 완전히 조립하기 위해 셀 하우징 측벽의 각각의 단부의 둘레 주위에 형성된다. 용접 단계들(620, 621)의 결과로서, 폐쇄된 내부 공간이 셀 하우징(22) 내에 형성되며, 전극 어셈블리(60)가 내부 공간 내에 배치된다.
다음 단계들에서, 셀 하우징(22)은 셀(20)을 제공하기 위해 전해질 유입 포트(39)를 통해 전해질로 채워지고 밀봉되며(단계 622), 셀(20)의 형성이 그 후 종래의 기술들을 사용하여 수행된다(단계 623).
예시된 실시예에서, 셀 하우징(22)은 3개의 별개의 요소들, 예로서 제 1 단부(23), 관형 측벽(25) 및 제 2 단부(24)로 형성되며, 이것은 밀봉된 컨테이너를 형성하기 위해 제조 동안 함께 결합된다. 그러나, 셀 하우징(22)은 이러한 구성에 제한되지 않는다. 예를 들면, 도 21을 참조하면, 셀(20)은 두 개의 별개의 요소들, 예로서 밀봉된 컨테이너를 형성하기 위해 제조 동안 함께 결합되는 제 1 단부(323) 및 5면 컨테이너(325)로 형성되는 대안적인 실시예 셀 하우징(322)을 포함한다. 셀 하우징(322)에서, 컨테이너(325)는 제 2 단부(325(24))와 일체형으로 형성되는 관형 측벽(325(25))을 포함한다. 이러한 컨테이너(325)는 예를 들면, 인출 프로세스에서, 편리하게 형성될 수 있다. 그러나, 전극 스택(64)과 제 2 집전기(90) 사이에, 및 제 2 집전기(90)와 셀 하우징 제 2 단부(325(24))의 내부 표면 사이에 용접된 전기적 연결들을 형성하는 것은 도전적이게 될 수 있다.
이러한 도전은 대안적인 제 1 커넥터(100')를 이용함으로써 처리될 수 있다. 대안적인 제 1 커넥터(100')는 도 9에 예시된 제 1 커넥터(100)에 대해 수정된 형태를 갖는다. 예를 들면, 대안적인 제 1 커넥터(100')는 U-형이며 베이스/폴드 에지는 셀 하우징(22)의 부 측면(29)에 인접하고, 그것에 평행한다. 그 결과, 대안적인 제 1 커넥터(100')는 제 1 외부 판(84)으로의 제 1 레그의 용접 및 일체형 제 2 단부(325(24))의 내부 표면으로의 제 2 레그의 용접을 허용하기에 충분한 길이의 긴 제 1 및 제 2 레그들(101', 102')을 가지며, 여기에서 이들 용접 단계들은 관형 측벽(325(25))으로의 전극 스택(64)의 삽입 이전에 발생한다.
5-면 컨테이너를 사용하는 것과 연관된 도전들은 대안적으로 그것이 제 1 외부 판(84) 및 셀 하우징 제 2 단부(325(24)) 사이에 전기적 연결을 제공하는 스프링 요소로서 작용하도록 형태 및/또는 재료에서 제 1 커넥터(100)의 수정에 의해 처리될 수 있다. 제 1 커넥터(100)는 제 1 외부 판(84) 및 셀 하우징 제 2 단부(325(24)) 사이에서 상기 설명된 위치에서 셀 하우징(325)에 배치될 수 있지만, 이들 요소들에 용접되지 않는다. 대신에, 제 1 커넥터는 셀 하우징 제 2 단부(325(24)) 및 제 1 외부 판(84)과 용접이 없는 직접 및 가압된 전기 접촉을 형성한다.
또 다른 대안으로, 5-면 컨테이너를 사용하는 것과 연관된 도전들은 전극 스택(64) 및 셀 하우징 제 2 단부(325(24)) 사이에 직접, 용접이 없는 전기적 연결을 제공함으로써 처리될 수 있다. 예를 들면, 제 1 집전기 어셈블리(80)의 제 1 커넥터(100)는 생략될 수 있으며, 제 1 외부 판(84)은 셀 하우징 제 2 단부(325(24))를 직접 접촉하고, 그에 의해 셀 하우징 제 2 단부(325(24))와의 전기적 연결을 형성한다. 그 결과, 셀 하우징(322)은 양의 극성을 가지며 셀(20)의 양의 단자로서 작용한다. 또한, 인서트(40)는 셀 하우징 제 2 단부(24)를 향해 전극 스택(64)을 이끄는 힘을 전극 스택(64)에 인가하도록 치수화될 수 있다. 이러한 구성은 또한 제 1 집전기 어셈블리(80) 및 셀 하우징 제 2 단부(325(24)) 사이에 용접이 없는 전기적 연결을 제공하며, 여기에서 전기적 연결은 직접 물리적 접촉을 통해 이루어진다. 제 1 커넥터(100)가 생략되는 대안적인 실시예 셀의 제조 동안, 제조 방법은 방법 단계들(616, 618 및 620)이 생략될 수 있다는 점에서 수정될 것이다.
예시된 실시예에서, 셀 하우징(22)은, 또한 알루미늄으로 형성되는, 제 1 집전기 어셈블리(80)를 통해 양의 전극 판들(61)과의 연결을 허용하도록 알루미늄으로 형성된다. 그러나, 몇몇 실시예들에서, 셀 하우징(22)은 다른 재료들, 예를 들면, 니켈-도금 스틸로 형성될 수 있다. 니켈-도금 스틸의 셀 하우징(22)을 형성함으로써, 셀 하우징에 양의 전극 판들(61) 또는 음의 전극 판들(62)을, 및 단자들(140, 142)에 다른 것을 연결하는 것이 가능해진다. 대안적으로, 양의 전극 판들(61)을 단자들 중 하나(예를 들면, 제 1 단자(140))로 및 음의 전극 판들(62)을 단자들 중 다른 하나(예를 들면, 제 2 단자(142))로 연결하는 것이 가능해진다.
예시된 실시예에서, 양의 전극 판들(61)에 전기적으로 연결되는, 제 1 집전기 어셈블리(80)는 셀 하우징 제 2 단부(24)에 전기적으로 연결되며, 그에 의해 셀 하우징(22)은 양의 극성을 갖는다. 그러나, 제 1 집전기 어셈블리(80)는 대안적으로, 예를 들면, 스택 축(66)에 대하여 180도로 셀 하우징 내에서 전극 스택(64)을 회전시킴으로써 음의 전극 판들(62)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 그에 의해 셀 하우징(22)은 음의 극성을 가질 것이다. 이러한 대안적인 실시예에서, 제 2 집전기 어셈블리(90)는 양의 전극 판들(61)에 전기적으로 연결되며, 단자들(140, 142)로의 전기적 연결을 제공할 것이다.
예시된 실시예들에서, 셀 하우징(22)은 셀 하우징 제 1 단부(23) 상에 지지되는 두 개의 개개의 단자들(140, 142)을 포함한다. 셀 하우징은 두 개의 개개의 단자들(140, 142)을 갖는 것에 제한되지 않는다는 것이 이해된다. 예를 들면, 몇몇 실시예들에서, 셀 하우징(22)은 대신에 단일 단자(440)(도 22)를 포함한다. 유리하게는, 단일 단자(440)의 사용은 셀 하우징 제 1 단부(23)의 면적의 적어도 75%인 전기적 도전성 접촉부(442)를 제공하며, 통풍구 및 전해질 유입구로의 액세스를 허용하기 위해 컷 아웃들(443, 445)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 셀 하우징(22)은 두 개 이상의 단자들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
예시된 실시예에서, 제 2 집전기 어셈블리(90)는 제 2 커넥터(120)를 통해 단자들(140, 142)에 전기적으로 연결되며, 이것은 단자들(140, 142) 및 제 2 외부 판(94) 양쪽 모두에 용접된다. 그러나, 몇몇 실시예들에서, 단자들(140, 142) 및 제 2 집전기 어셈블리 사이에서의 전기적 연결은 용접이 없는 연결일 수 있다. 예를 들면, 도 23을 참조하면, 몇몇 실시예들에서, 제 2 커넥터(120)는 전기적 도전성 스냅-핏 연결 어셈블리(500)에 의해 교체될 수 있다. 연결 어셈블리(500)는 각각의 단자(140, 140)의 내부 접촉부(170)에 인접해 있는 전기적 도전성 커넥터 판(510)을 포함한다. 커넥터 판(510)은 전극 스택(64)을 향해 돌출되는 성형 포스트들(502, 504)을 포함한다. 연결 어셈블리는 또한 제 2 외부 판(94)의 외향 표면(96)으로 고정되는 전기적 도전성 스프링 클립들(522, 524)을 포함한다. 스프링 클립들(522, 524)은 탄력적으로 변형 가능하며, 스냅-핏 방식으로 성형 포스트들(502, 504)을 수용하고 유지하도록 성형되고 치수화된다. 예시된 실시예에서, 스프링 클립들(522, 524) 각각은 성형 포스트들(502, 504)의 형태에 보완적인 형태를 가진 레그들(526, 527)의 쌍을 포함한다. 또한, 레그들(526, 527)은 성형 포스트들(502, 504)의 대응하는 치수보다 작은 거리로 이격된다. 성형 포스트들(502, 504)이 스프링 클립들(522, 524)로 삽입될 때, 레그들(526, 527)은 떨어져 편향되며, 레그들(526, 527)의 탄성 속성들뿐만 아니라 레그들(526, 527) 및 성형 포스트들(502, 504)의 보완적 형태는 스트링 클립들(522, 524) 내에서 성형 포스트들(502, 504)을 유지하도록 작용하며, 그에 의해 단자들(140, 142) 및 제 2 집전기 어셈블리 사이에서의 전기적 연결이 용접이 없는 스냅 핏 연결을 통해 달성된다.
상기 설명된 대표적인 셀 실시예들 외에, 셀(20)은 종래의 셀, 예를 들면 셀 제 1 단부(23) 상에 배치된 하나의 양의 단자, 및 셀 제 1 단부(23) 상에 배치된 하나의 음의 단자를 닯도록 만들어질 수 있다는 것이 고려된다. 이것은 단지 상기 단자를 음으로 만드는 구리 집전기에 음의 단자 밑면들을 용접하고 상기 단자를 양이게 만드는 커버 판 자체에 양의 단자를 연결함으로써 성취될 수 있다.
전극 어셈블리(60)는 음의 전극 판들(62)과 교번하고 z-폴딩 분리기(63)에 의해 분리된 일련의 적층된 양의 전극 판들(61)을 포함하는 것으로 여기에서 설명되지만, 전극 어셈블리는 이러한 구성에 제한되지 않는다. 예를 들면, 몇몇 실시예들에서, 전극 판들(61)은 개개의 분리기 판들을 사용하여 음의 전극 판들(62)로부터 분리될 수 있다.
전극 어셈블리는 여기에서 일련의 적층 판들을 포함하는 "적층된" 전극 어셈블리인 것으로 설명되지만, 전극 어셈블리는 이러한 구성에 제한되지 않는다. 예를 들면, 몇몇 실시예들에서, 전극 어셈블리는 롤형 전극 어셈블리(예로서, 젤리 롤 어셈블리), 폴딩 전극 어셈블리(즉, Z-폴드 어셈블리), 또는 다른 전극 배열을 포함할 수 있다.
셀 하우징(22)은 대표적인 실시예들에서 긴 직사각형 형태를 갖지만, 셀 하우징(22)은 이러한 형태에 제한되지 않는다. 예를 들면, 셀 하우징은 형태가 직육면체일 수 있다. 또 다른 예에서, 셀 하우징은 6각형으로 배열된 측면들(도시되지 않음)을 가진 8 표면 구조와 같은 폐쇄 패킹을 허용하는 다른 다각형 형태들을 가질 수 있다.
게다가, 셀들(20)은 리튬-이온 배터리인 것에 제한되지 않는다. 예를 들면, 셀들은 알루미늄-이온, 알칼리, 니켈-카드뮴, 니켈 금속 수소화물, 또는 다른 유형의 셀일 수 있다.
셀을 포함한 배터리 팩의 선택적인 예시적 실시예들은 상기에서 상세하게 설명된다. 이들 디바이스들을 명료화하기 위해 필요하다고 고려되는 구조들만이 여기에서 설명되었다는 것이 이해되어야 한다. 다른 종래의 구조들, 및 배터리 팩의 및 셀의 부수적 및 보조 구성요소들의 것들이 이 기술분야의 숙련자들에 의해 알려져 있고 이해되는 것으로 가정된다. 게다가, 배터리 팩 및 셀의 작동 예들이 상기 설명되었지만, 배터리 팩 및/또는 셀은 상기 설명된 작동 예들에 제한되지 않으며, 다양한 설계 변경들이 청구항들에 제시된 바와 같이 디바이스들로부터 벗어나지 않고 실행될 수 있다.
1: 배터리 팩
2: 배터리 팩 하우징
4: 팩 컨테이너 부분 8: 배터리 모듈
20: 셀 22: 셀 하우징
25: 측벽 26, 27: 주 측면
28, 29: 부 측면 40: 인서트
45: 셸프 48: 립
56: 양의 클리어 레인 58: 개구
60: 전극 어셈블리 61: 양의 전극 판
62: 음의 전극 판 63: z-폴딩 분리기
64: 전극 스택 65: 폴드 에지
66: 스택 축 68: 절연 밴드
76: 음의 클리어 레인 80: 제 1 집전기 어셈블리
88: 절연 시트 90: 제 2 집전기 어셈블리
98: 절연 시트 101: 제 1 레그부
102: 제 2 레그부 103: 베이스 부분
141: 외부 접촉부 150: 포스트
152: 외부 절연 시트 154: 외부 절연 판
164: 칼라 170: 내부 접촉부
178: 개구 322, 325: 셀 하우징
442: 전기적 도전성 접촉부 443, 445: 컷 아웃
500: 연결 어셈블리 502, 504: 성형된 포스트
522, 524: 스프링 클립 526, 527: 레그
4: 팩 컨테이너 부분 8: 배터리 모듈
20: 셀 22: 셀 하우징
25: 측벽 26, 27: 주 측면
28, 29: 부 측면 40: 인서트
45: 셸프 48: 립
56: 양의 클리어 레인 58: 개구
60: 전극 어셈블리 61: 양의 전극 판
62: 음의 전극 판 63: z-폴딩 분리기
64: 전극 스택 65: 폴드 에지
66: 스택 축 68: 절연 밴드
76: 음의 클리어 레인 80: 제 1 집전기 어셈블리
88: 절연 시트 90: 제 2 집전기 어셈블리
98: 절연 시트 101: 제 1 레그부
102: 제 2 레그부 103: 베이스 부분
141: 외부 접촉부 150: 포스트
152: 외부 절연 시트 154: 외부 절연 판
164: 칼라 170: 내부 접촉부
178: 개구 322, 325: 셀 하우징
442: 전기적 도전성 접촉부 443, 445: 컷 아웃
500: 연결 어셈블리 502, 504: 성형된 포스트
522, 524: 스프링 클립 526, 527: 레그
Claims (17)
- 전기화학 셀에 있어서,
셀 하우징, 및
상기 셀 하우징에 배치된 전극 어셈블리로서, 상기 전극 어셈블리는 음의 전극 판들과 교번하고 적어도 하나의 분리기에 의해 분리된 양의 전극 판들을 포함하는, 상기 전극 어셈블리를 포함하고,
상기 양의 전극 판들의 각각은:
전기적 도전성 제 1 기판;
상기 제 1 기판상에 배치되고 제 1 활성 재료로 형성되는 제 1 코팅;
상기 양의 전극 판의 에지를 따라 배치되고 상기 제 1 코팅이 없는 제 1 클리어 레인;
상기 제 1 클리어 레인 내에 배치된 제 1 개구; 및
상기 개구의 마진을 따라 연장된 제 1 폴드 라인을 따르는 폴드로서, 그에 의해 상기 제 1 클리어 레인의 일 부분이 상기 전극 스택의 측면 위에 놓인, 상기 폴드를 포함하고,
상기 음의 전극 판들의 각각은:
전기적 도전성 제 2 기판;
상기 제 2 기판상에 배치되고 제 2 활성 재료로 형성되는 제 2 코팅;
상기 음의 전극 판의 에지를 따라 배치되고 상기 제 2 코팅이 없는 제 2 클리어 레인;
상기 제 2 클리어 레인 내에 배치된 제 2 개구; 및
상기 제 2 개구의 마진을 따라 연장된 제 2 폴드 라인을 따르는 폴드로서, 그에 의해 상기 제 2 클리어 레인의 일 부분이 상기 전극 스택의 측면 위에 놓인, 상기 폴드를 포함하고,
상기 전기화학 셀은,
각각의 제 1 개구를 통해 연장되고 상기 양의 전극 판들의 각각에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 클리어 레인들의 부분들의 각각과 상기 전극 스택 사이에 배치되는 전기적 도전성 제 1 내부 판, 및
각각의 제 2 개구를 통해 연장되고 상기 음의 전극 판들의 각각에 전기적으로 연결되고, 상기 제 2 클리어 레인들의 부분들의 각각과 상기 전극 스택 사이에 배치되는 전기적 도전성 제 2 내부 판을 포함하는, 전기화학 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 클리어 레인들의 부분들이 상기 제 1 외부 판 및 상기 제 1 내부 판 사이에 배치되고, 상기 제 1 외부 판 및 상기 제 1 내부 판과 전기적 연결을 형성하도록 상기 제 1 내부 판 위에 놓인 전기적 도전성 제 1 외부 판, 및
상기 제 2 클리어 레인들의 부분들이 상기 제 2 외부 판 및 상기 제 2 내부 판 사이에 배치되고, 상기 제 2 외부 판 및 상기 제 2 내부 판과 전기적 연결을 형성하도록 상기 제 2 내부 판 위에 놓인 전기적 도전성 제 2 외부 판을 포함하는, 전기화학 셀. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 외부 판은 상기 셀 하우징에 전기적으로 연결되고,
상기 제 2 외부 판은 상기 셀 하우징을 통해 돌출되는 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 단자는 상기 셀 하우징으로부터 전기적으로 격리되는, 전기화학 셀. - 제 3 항에 있어서,
상기 셀 하우징에 상기 제 1 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 제 1 커넥터가 사용되고, 상기 단자에 상기 제 2 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 제 2 커넥터가 사용되는, 전기화학 셀. - 제 3 항에 있어서,
상기 단자에 상기 제 2 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 커넥터가 사용되고, 상기 제 1 외부 판은 상기 셀 하우징과의 직접 접촉을 통해 상기 셀 하우징에 전기적으로 연결되는, 전기화학 셀. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 외부 판 및 상기 셀 하우징 사이에서 상기 셀 하우징에 배치된 커넥터로서, 상기 커넥터는 제 2 레그부와 마주보는 제 1 레그부를 포함하는 U자형 구성을 제공하도록 자체적으로 폴딩되는 재료의 전기적 도전성 스트립을 포함하는, 상기 커넥터, 및
상기 셀 하우징의 외부 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출되는 단자를 포함하고,
상기 제 1 레그부는 상기 단자에 전기적으로 연결되고 상기 제 2 레그부는 상기 제 1 외부 판에 전기적으로 연결되는, 전기화학 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 기판을 형성하기 위해 사용된 재료는 상기 제 2 기판을 형성하기 위해 사용된 재료와 상이하고, 상기 제 1 활성 재료는 상기 제 2 활성 재료와 상이한, 전기화학 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 분리기는 z 폴드 구성으로 배열된 단일 분리기를 포함하는, 전기화학 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 양의 전극 판들 및 상기 음의 전극 판들은 각각 상기 스택 축을 따라 적층된 복수의 개개의 판들을 포함하는, 전기화학 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 셀 하우징은 전기적 도전성 재료로 형성되는, 전기화학 셀. - 제 10 항에 있어서,
전기적 도전성 단자는 상기 셀 하우징의 제 1 단부를 통해 돌출되고,
상기 단자는 상기 양의 전극 판들 및 상기 음의 전극 판들 중 하나에 전기적으로 연결되고,
상기 양의 전극 판들 및 상기 음의 전극 판들 중 다른 하나는 상기 셀 하우징에 전기적으로 연결되는, 전기화학 셀. - 제 2 항에 있어서,
상기 셀 하우징은 직사각형 각기둥의 형태를 갖고,
긴 직사각형 제 1 단부,
긴 직사각형 제 2 단부, 및
상기 제 2 단부에 상기 제 1 단부를 연결하는 측벽으로서, 상기 측벽은 직사각형 단면 형태를 가진 관의 형태를 갖는, 상기 측벽을 포함하고,
상기 제 1 외부 판은 상기 셀 하우징의 상기 제 2 단부에 전기적으로 연결되고,
상기 제 2 외부 판은 상기 셀 하우징의 상기 제 1 단부를 통해 돌출되는 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 단자는 상기 셀 하우징으로부터 전기적으로 격리되는, 전기화학 셀. - 전기화학 셀에 있어서,
셀 하우징, 및
상기 셀 하우징에 배치된 전극 어셈블리로서, 상기 전극 어셈블리는 음의 전극 판들과 교번하고 적어도 하나의 분리기에 의해 분리된 양의 전극 판들을 포함하는, 상기 전극 어셈블리를 포함하고,
상기 양의 전극 판들의 각각은:
전기적 도전성 제 1 기판;
상기 양의 전극 판의 에지를 따라 배치되고 상기 제 1 기판이 제 1 클리어 레인에 노출되도록 코팅이 없는 상기 제 1 클리어 레인; 및
상기 제 1 클리어 레인 내에 배치된 제 1 개구를 포함하고,
상기 음의 전극 판들의 각각은:
전기적 도전성 제 2 기판;
상기 음의 전극 판의 에지를 따라 배치되고 상기 제 2 기판이 제 2 클리어 레인에 노출되도록 코팅이 없는 상기 제 2 클리어 레인; 및
상기 제 2 클리어 레인 내에 배치된 제 2 개구를 포함하고,
상기 전기화학 셀은,
각각의 제 1 개구를 통해 연장된 전기적 도전성 제 1 내부 판,
각각의 제 2 개구를 통해 연장된 전기적 도전성 제 2 내부 판,
상기 제 1 클리어 레인들의 부분들이 상기 제 1 외부 판 및 상기 제 1 내부 판 사이에 배치되고, 상기 제 1 외부 판 및 상기 제 1 내부 판과 전기적 연결을 형성하도록 상기 제 1 내부 판 위에 놓인 전기적 도전성 제 1 외부 판, 및
상기 제 2 클리어 레인들의 부분들이 상기 제 2 외부 판 및 상기 제 2 내부 판 사이에 배치되고, 상기 제 2 외부 판 및 상기 제 2 내부 판과 전기적 연결을 형성하도록 상기 제 2 내부 판 위에 놓인 전기적 도전성 제 2 외부 판을 포함하는, 전기화학 셀. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 외부 판은 상기 셀 하우징에 전기적으로 연결되고,
상기 제 2 외부 판은 상기 셀 하우징을 통해 돌출되는 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 단자는 상기 셀 하우징으로부터 전기적으로 격리되는, 전기화학 셀. - 제 14 항에 있어서,
상기 셀 하우징에 상기 제 1 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 제 1 커넥터가 사용되고, 상기 단자에 상기 제 2 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 제 2 커넥터가 사용되는, 전기화학 셀. - 제 14 항에 있어서,
상기 단자에 상기 제 2 외부 판을 전기적으로 연결하기 위해 커넥터가 사용되고, 상기 제 1 외부 판은 상기 셀 하우징과의 직접 접촉을 통해 상기 셀 하우징에 전기적으로 연결되는, 전기화학 셀. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 2 외부 판 및 상기 셀 하우징 사이에서 상기 셀 하우징에 배치되는 커넥터로서, 상기 커넥터는 제 2 레그부와 마주보는 제 1 레그부를 포함하는 U자형 구성을 제공하도록 자체적으로 폴딩되는 재료의 전기적 도전성 스트립을 포함하는, 상기 커넥터, 및
상기 셀 하우징의 외부 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출되는 단자를 포함하고,
상기 제 1 레그부는 상기 단자에 전기적으로 연결되고 상기 제 2 레그부는 상기 제 1 외부 판에 전기적으로 연결되는, 전기화학 셀.
Applications Claiming Priority (3)
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| US15/153,281 US10490842B2 (en) | 2016-05-12 | 2016-05-12 | Prismatic electrochemical cell having an improved electrical connection between the electrode assembly and the terminal |
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