KR20190082823A - 배터리 셀용 전극 어셈블리 및 배터리 셀 - Google Patents

배터리 셀용 전극 어셈블리 및 배터리 셀 Download PDF

Info

Publication number
KR20190082823A
KR20190082823A KR1020197015476A KR20197015476A KR20190082823A KR 20190082823 A KR20190082823 A KR 20190082823A KR 1020197015476 A KR1020197015476 A KR 1020197015476A KR 20197015476 A KR20197015476 A KR 20197015476A KR 20190082823 A KR20190082823 A KR 20190082823A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery cell
conductive layer
electrode assembly
separator
protective film
Prior art date
Application number
KR1020197015476A
Other languages
English (en)
Inventor
칼린 율리우스 부름
니콜라 밍기룰리
마르틴 마누엘 힐러
프란츠 푹스
Original Assignee
로베르트 보쉬 게엠베하
가부시키가이샤 지에스 유아사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 로베르트 보쉬 게엠베하, 가부시키가이샤 지에스 유아사 filed Critical 로베르트 보쉬 게엠베하
Publication of KR20190082823A publication Critical patent/KR20190082823A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M2/1686—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H01M2/145—
    • H01M2/1646—
    • H01M2/1673—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0438—Processes of manufacture in general by electrochemical processing
    • H01M4/044—Activating, forming or electrochemical attack of the supporting material
    • H01M4/0442—Anodisation, Oxidation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0438—Processes of manufacture in general by electrochemical processing
    • H01M4/0464—Electro organic synthesis
    • H01M4/0466—Electrochemical polymerisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/403—Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/451—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising layers of only organic material and layers containing inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/457—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/10—Batteries in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Separators (AREA)

Abstract

본 발명은 세퍼레이터(18)에 의해 서로 분리된 애노드(11) 및 캐소드(12)를 포함하는 배터리 셀(2)용 전극 어셈블리(10)에 관한 것으로, 도전층(32)이 세퍼레이터(18) 상에 배치되고, 이 도전층(32)은 적어도 부분적으로 보호막(34)으로 피복된다. 보호막(34)은 고밀도의 부동태 층 또는 폴리머 코팅이다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 전극 어셈블리(10)를 포함하는 배터리 셀(2)에 관한 것이다.

Description

배터리 셀용 전극 어셈블리 및 배터리 셀
본 발명은 세퍼레이터에 의해 서로 분리되는 애노드 및 캐소드를 포함하고, 도전층이 세퍼레이터 상에 배치되는 배터리 셀용 전극 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 적어도 하나의 전극 어셈블리를 포함하는 배터리 셀에 관한 것이다.
전기 에너지는 배터리를 사용하여 저장할 수 있다. 배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 변화시킨다. 특히, 수 차례 충전 및 방전될 수 있는 충전식 배터리가 공지되어 있다. 배터리 또는 배터리 시스템은 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결되는 여러 개의 배터리 셀을 포함한다.
특히, 리튬 이온 배터리 셀이 충전식 배터리 또는 배터리 시스템에서 사용된다. 리튬 이온 배터리 셀은 비교적 높은 에너지 밀도를 갖는다. 리튬 이온 배터리 셀은, 예를 들면, 자동차, 특히 전기 차량(EV), 하이브리드 전기 차량(HEV) 및 플러그인 하이브리드 차량(PHEV)에서 사용된다. 리튬 이온 배터리 셀은 하나 이상의 전극 어셈블리를 포함할 수 있다.
전극 어셈블리는 캐소드로 불리는 양극과 애노드로 불리는 음극을 갖는다. 애노드 및 캐소드는 세퍼레이터에 의해 서로 분리된다. 배터리 셀의 전극은 포일처럼 형성되고, 세퍼레이터를 개재하여 권취되어 젤리롤(jelly-roll)이라고도 부르는 전극 롤을 형성한다. 대안적으로, 전극은 적층되어 전극 스택을 형성할 수 있다.
전극 및 세퍼레이터는 통상적으로 액체 상태 또는 고체 상태인 전해질에 의해 함침된다. 전극 어셈블리의 전극은 배터리 셀의 단자에 연결된다. 배터리 셀은 이 단자를 통해 충전 및 방전될 수 있다.
캐소드 및 애노드는 각각 활물질이 도포되는 집전체를 포함한다. 캐소드의 집전체는 전형적으로 알루미늄으로 제조되고, 애노드의 집전체는 전형적으로 구리로 제조된다. 캐소드를 위한 활물질은, 예를 들면, 금속 산화물이다. 애노드를 위한 활물질은, 예를 들면, 흑연 또는 실리콘(silicon)이다. 애노드 및 캐소드의 활물질에서 리튬 이온이 인터칼레이션(intercalation)된다.
배터리 셀의 충전 프로세스에서, 리튬 이온은 전해질에 의해 캐소드로부터 세퍼레이터를 횡단하여 애노드로 이동한다. 이것에 의해, 리튬 이온은 애노드의 활물질 내에 가역적으로 저장된다. 동시에, 전자가 외부 회로에서 캐소드로부터 애노드로 흐른다. 방전 프로세스에서, 전자는 외부 회로에서 애노드로부터 캐소드로 흐르고, 리튬 이온은 배터리 셀 내에서 애노드로부터 캐소드로 이동한다.
제조 공정 중에 금속 오염물, 특히 구리가 배터리 셀 내에 도입되면, 상기 오염물은 애노드로부터 캐소드로 성장하는 금속 덴드라이트를 형성할 수 있다. 이러한 덴드라이트는 배터리 셀 내에 전기적 단락을 일으킬 수 있다. 문헌 US 2014/0329120A1은 성장하는 덴드라이트를 검출하기 위한 내부 수단을 가진 배터리 셀을 개시한다. 상기 수단은 적어도 하나의 기능층을 포함하는 세퍼레이터를 포함한다. 이 기능층은 특히 금속이고, 전기 전도성이다.
그러나, 애노드와 캐소드 사이에 금속층을 배치하면 애노드와 캐소드 사이에 존재하는 전기장의 도움으로 전해질 또는 그 성분과의 화학 반응으로 인해 상기 금속이 용해될 수 있다. 용해된 금속 이온은 확산되어 애노드로 이동하는 경향이 있고, 거기서 환원된다. 따라서, 금속층은 배터리 셀의 성능에 영향을 줄 수 있고, 배터리 셀의 고장의 위험을 증가시킬 수 있다
문헌 US 2010/0330425 A1은 애노드와 캐소드 사이의 다공질 금속층을 포함하는 배터리 셀용 전극 어셈블리를 개시한다. 거기서, 금속층은 부동태 막으로 코팅된다.
문헌 US 2011/0033755 A1은 배터리 셀용 리튬 금속 애노드 및 이 애노드를 제조하는 방법을 개시한다. 이 애노드는 블록 코폴리머, 특히 디블록(diblock) 또는 트리블록(triblock) 폴리머로 코팅된다.
문헌 US 2014/00779995 A1은 배터리 셀용 양극을 제조하는 방법을 개시한다. 이 양극의 활물질의 입자는 전해질에 용해되지 않는 그리고 전해질 용액 중에서 팽창할 수 있는 폴리머로 코팅된다.
본 발명은 이온 전도성인 세퍼레이터에 의해 서로 분리되는 애노드 및 캐소드를 포함하는 배터리 셀용 전극 어셈블리에 관한 것이다. 거기서, 마찬가지로 이온 전도성인 도전층이 세퍼레이터 상에 배치된다. 상기 도전층은 애노드로부터 캐소드를 향해 성장하는 덴드라이트를 검출하는 역할을 한다. 이러한 덴드라이트가 도전층에 도달하면, 애노드와 도전층 사이에 측정가능한 단락이 발생한다.
이 도전층 특히 다공질 도전층은, 특히 초기 기공률을 상실하지 않으면서, 적어도 부분적으로 보호막으로 피복된다. 상기 보호막은 도전층을 용해시킬 수 있는 전해질에 대해 도전층을 보호하는 역할을 한다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 보호막은 고밀도의 부동태 층이다.
특히, 고밀도의 부동태 층은 양극 산화(anodic oxidation)에 의해 도전층의 표면 상에서 형성된다. 예를 들면, 이는 일정한 기간 동안 세퍼레이터 상의 전도층을 캐소드에 연결함으로써 실현될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시형태에 따르면, 도전층은 알루미늄으로 제조된다.
유리하게도, 보호막은 알루미늄 화합물로 제조된다. 이러한 알루미늄 화합물을, 예를 들면, 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 알루미늄 플루오라이드(AlF3) 또는 혼합된 알루미늄 플루오라이드 옥사이드(AlxFyOz; 여기서 x는 1 내지 2의 범위이고, y는 0 내지 3의 범위이고, z는 0 내지 3의 범위임)이다.
본 발명의 유리한 실시형태에 따르면, 도전층은 티타늄으로 제조된다.
유리하게도, 보호막은 티타늄 화합물로 제조된다. 이러한 티타늄 화합물은, 예를 들면, 티타늄 옥사이드(TiO2), 티타늄 플루오라이드(TiF4) 또는 혼합된 티타늄 플루오라이드 옥사이드(TixOyFz; 여기서 x는 1 내지 2의 범위이고, y는 0 내지 4의 범위이고, z는 0 내지 4의 범위임)이다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 보호막은 폴리머 코팅이다.
특히, 폴리머 코팅은 전기화학적 중합에 의해 도전층의 표면 상에 형성된다.
본 발명의 유리한 실시형태에 따르면, 도전층은 구리로 제조된다.
유리한 실시형태에 따르면, 알칸으로 이루어지는 비도전성 폴리머로 제조된다.
바람직하게는, 폴리머 코팅은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 제조된다.
대안적인 실시형태에 따르면, 폴리머 코팅은 아닐린 또는 티오펜으로 제조된다.
본 발명의 제 1 양태 및 제 2 양태의 추가의 개발에 따르면, 도전층은 다공질이고, 따라서 이온 투과성이다.
본 발명의 유리한 실시형태에 따르면, 보호막은 적어도 부분적으로 전기 절연성이다.
바람직하게는, 도전층은 세퍼레이터와 애노드 사이에 배치된다. 따라서, 애노드로부터 캐소드로 성장하는 덴드라이트는 이 덴드라이트가 세퍼레이터에 도달하기 전에 검출될 수 있다.
또한, 보호막은 세퍼레이터에 대하여 도전층의 먼쪽에 배치된다. 거기서, 보호막은 도전층이 배터리 셀 내에 존재하는 전해질과 접촉하지 않도록 도전층을 피복한다. 따라서, 도전층은 보호막과 세퍼레이터 사이에 봉입된다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 적어도 하나의 전극 어셈블리를 포함하는 배터리 셀에 관한 것이다.
본 발명에 따른 배터리 셀은 특히 전기 차량(EV), 하이브리드 전기 차량(HEV), 플러그인 하이브리드 차량(PHEV) 또는, 예를 들면, 광기전 셀 또는 셀 어셈블리의 전기 에너지를 저장하는 임의의 정치 용도(stationary application)에서 유리하게 사용가능하다.
전술한 바와 같이, 도전층은 애노드로부터 캐소드를 향해 성장하는 덴드라이트를 검출하는 역할을 하고, 보호막은 도전층을 용해시킬 수 있는 전해질에 대해 도전층을 보호하는 역할을 한다.
덴드라이트를 검출하기 위한 도전층으로서 전극 어셈블리 내에서 사용될 수 있는 몇몇 종류의 금속에 대해, 고밀도의 부동태 층이 특히 양극 산화에 의해 도전층의 표면 상에 비교적 쉽게 제조될 수 있다. 덴드라이트를 검출하기 위한 도전층으로서 전극 어셈블리 내에서 사용될 수 있는 다른 종류의 금속에 대해, 폴리머 코팅이 특히 전기화학적 중합에 의해 도전층의 표면 상에 비교적 쉽게 도포될 수 있다.
따라서, 전극 어셈블리(10) 내에서 사용되는 금속의 종류에 무관하게, 덴드라이트의 조기 검출이 가능하고, 따라서 종래기술에서 공지된 전극 어셈블리에 비해 도전층의 용해가 방지되거나 적어도 대대적으로 감소된다. 두 종류의 보호막, 즉 고밀도의 부동태 층 및 폴리머 코팅은 비교적 저렴하고, 도전층의 표면 상에 쉽게 도포된다.
본 발명의 전술한 실시형태 및 그 추가의 실시형태의 더 나은 이해를 위해, 이하에서 첨부 도면과 연결하여 실시형태를 설명한다.
도 1은 배터리 셀의 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 배터리 셀의 도전층 및 보호막을 갖는 세퍼레이터의 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도면은 단지 본 발명의 개략도를 제공한다. 유사한 참조 번호는 달리 지시되지 않는 한 도면 전체를 통해 대응하는 부품, 요소 또는 구성요소를 지칭한다.
도 1은 배터리 셀(2)의 개략도를 도시한다. 이 배터리 셀(2)은, 예를 들면, 각주형이나 원통형 형상을 갖는 하우징(3)을 포함한다. 배터리 셀(2)은 또한 이 하우징(3) 내에 배치되는 전극 어셈블리(10)를 포함한다.
전극 어셈블리(10)는 애노드(11), 캐소드(12) 및 이 애노드(11)와 캐소드(12) 사이에 배치된 세퍼레이터(18)를 포함한다. 또한, 배터리 셀(2)은 음극 단자(15) 및 양극 단자(16)를 포함한다. 이 단자(15, 16)는 배터리 셀(2)을 충전 및 방전시키는 역할을 하고, 하우징(3) 상에 장착된다.
현재, 전극 어셈블리(10)는 젤리롤(jelly roll)로서 성형된다. 이는 전극 어셈블리(10)의 애노드(11) 및 캐소드(12)가 일축선을 중심으로 권취되는 평평한 포일(foil)임을 의미한다. 마찬가지로 평평한 포일인 세퍼레이터(18)가 동일한 축선을 중심으로 애노드(11)와 캐소드(12) 사이에서 권취된다.
배터리 셀(2)의 하우징(3)은 액체 전해질로 채워지므로 전극 어셈블리(10)는 이 전해질에 의해 둘러싸인다. 세퍼레이터(18), 이 세퍼레이터(18)의 각각의 부분은 상기 액체 전해질에 침지된다. 이 전해질은 이온 전도성이다. 세퍼레이터(18)도 또한 이온 전도성이며, 전기 절연성이다.
배터리 셀(2)은, 예를 들면, 파우치 유형일 수도 있다. 이것은 전극 어셈블리(10)의 애노드(11)와 캐소드(12)가 교번으로 적층되어 파일(pile) 또는 스택을 형성하는 여러 개의 평평한 포일로 이루어짐을 의미한다. 세퍼레이터(18)는 또한 애노드(11)의 포일과 캐소드(12)의 포일 사이에 적층된 여러 개의 평평한 포일로 이루어진다. 전기 절연성 재료로 제조된 백 또는 파우치가 전극 어셈블리(10)를 둘러싸므로 전극 어셈블리(10)는 전기적으로 절연된다.
도전층(32)이 전극 어셈블리(10)의 세퍼레이터(18) 상에 배치된다. 따라서 도전층(32)은 보호막(34)으로 피복된다. 도전층(32)은 세퍼레이터(18)와 직접 접촉한다. 보호막(34)은 세퍼레이터(18)에 대하여 도전층(32)의 먼쪽에 도포된다. 이는 도전층(32)이 세퍼레이터(18)와 보호막(34) 사이에 배치됨을 의미한다.
도전층(32) 상의 보호막(34)에 더하여, 애노드(11)에 대해 도전층(32)을 절연시키는 제 2 절연성 다공질 층이 있을 수 있다.
세퍼레이터(18) 상에 배치된 도전층(32)은 금속, 특히 구리, 알루미늄 또는 티타늄으로 제조된다. 거기서, 도전층(32)은 다공질이고, 현재 메시(mesh), 각각의 기공을 포함하는 망처럼 형성된다. 상기 기공은 이온이 통과하도록 허용한다. 따라서, 도전층(32)도 또한 이온 전도성이다.
도전층(32) 상에 배치된 보호막(34)은 전기 절연성이다. 그러나, 보호막(34)은 도전층(32)과 세퍼레이터(18)의 기공률을 유지하면서 연속적으로 도전층(32)을 피복한다. 따라서, 세퍼레이터(18), 도전층(32) 및 보호막(34)을 포함하는 유닛은 전기 절연성 및 이온 전도성이다.
애노드(11)는 평평한 포일로서 형성된 애노드 활물질(21) 및 평평한 포일로서 형성된 애노드 집전체(23)를 포함한다. 애노드 활물질(21) 및 애노드 집전체(23)는 서로 부착된다. 애노드 집전체(23)는 전기 전도성이며, 금속, 특히 구리로 제조된다. 애노드 집전체(23)는 배터리 셀(2)의 음극 단자(15)에 전기적으로 연결된다.
캐소드(12)는 평평한 포일로서 형성된 캐소드 활물질(22) 및 평평한 포일로 형성된 캐소드 집전체(24)를 포함한다. 캐소드 활물질(22) 및 캐소드 집전체(24)는 서로 부착된다. 캐소드 집전체(24)는 전기 전도성이며, 금속, 특히 알루미늄 제조된다. 캐소드 집전체(24)는 배터리 셀(2)의 양극 단자(16)에 전기적으로 연결된다.
세퍼레이터(18), 도전층(32) 및 보호막(34)을 포함하는 유닛은 세퍼레이터(18)가 캐소드 활물질(22)과 직접 접촉하도록 전극 어셈블리(10) 내에 배치된다. 도전층(32) 상의 보호막(34)은 애노드 활물질(21)과 직접 접촉한다. 따라서, 도전층(32)은 세퍼레이터(18)와 애노드(11) 사이에 배치된다. 또한 이 보호막(34)은 세퍼레이터(18)와 애노드(11) 사이에 배치된다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 셀(2)의 전극 어셈블리(10)의 세퍼레이터(18), 도전층(32) 및 보호막(34)을 포함하는 유닛의 개략 상세도를 도시한다. 거기에, 상기 유닛의 개략 단면도가 제시되어 있다.
전술한 바와 같이, 전극 어셈블리(10)의 세퍼레이터(18) 상에 배치된 도전층(32)은 다공질이며, 메시, 각각의 기공을 포함하는 망처럼 형성된다. 상기 기공은 이온이 통과하도록 허용하고, 따라서 이 기공은 상기 도전층(32)을 이온 전도성의 상태가 되게 한다.
보호막(34)이 도전층(32)을 피복하므로 도전층(32)은 배터리 셀(2) 내에서 전해질과 접촉할 수 없다. 도전층(32)은 보호막(34)과 세퍼레이터(18) 사이에 봉입된다.
본 발명의 제 1 양태에 대응하는 제 1 예시적 실시형태에 따르면, 도전층(32)은 알루미늄으로 제조된다. 도전층(32)은 세퍼레이터(18) 상에 배치되고, 보호막(34)은 도전층(32) 상에 배치된다.
보호막(34)은 양극 산화에 의해 도전층(32)의 표면 상에 형성되는 부동태 층이며, 세퍼레이터(18)에 대하여 도전층(32)의 먼쪽에 위치한다. 거기서, 보호막(34)은 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 알루미늄 플루오라이드(AlF3) 또는 혼합된 알루미늄 플루오라이드 옥사이드(AlxFyOz)이고, 여기서 x는 1 내지 2의 범위이고, y는 0 내지 3의 범위이고, z는 0 내지 3의 범위이다. 부동태 층으로서 보호막(34)을 생성하는 상기 방법은 다른 금속, 특히 티타늄에도 적용할 수 있다. 유리하게도, 보호막(34)은 티타늄 옥사이드(TiO2), 티타늄 플루오라이드(TiF4) 또는 혼합된 티타늄 플루오라이드 옥사이드(TixOyFz)이고, 여기서, x는 1 내지 2의 범위이고, y는 0 내지 4의 범위이고, z는 0 내지 4의 범위이다.
본 발명의 제 2 양태에 대응하는 제 2 예시적 실시형태에 따르면, 도전층(32)은 구리로 제조된다. 도전층(32)은 세퍼레이터(18) 상에 배치되고, 보호막(34)은 도전층(32) 상에 배치된다.
보호막(34)은 전기화학적 중합에 의해 도전층(32)의 표면 상에 형성되는 폴리머 코팅이며, 세퍼레이터(18)에 대하여 도전층(32)의 먼쪽에 위치한다. 거기서, 보호막(34)은 폴리프로필렌으로 제조된다. 대안적으로, 보호막(34)은, 예를 들면, 아닐린 또는 티오펜으로 제조될 수 있다.
앞의 설명은 설명의 목적을 위해 특정 실시형태를 참조하여 설명되었다. 그러나, 위의 예시적인 설명은 본 발명을 개시된 정확한 형태를 포괄하거나 그것에 제한하려는 의도를 갖지 않는다. 상기 교시의 관점에서 많은 수정형태 및 변형형태가 가능하며, 이들은 첨부된 청구항에 포함된다. 이 실시형태는 본 발명의 원리 및 그것의 실제적 적용을 설명하기 위해, 그리고 그 결과 당업자가 본 발명 및 의도된 특정 용도에 적합한 다양한 수정형태를 갖는 다양한 실시형태를 활용할 수 있도록 하기 위해 선택되고 설명되었다.

Claims (16)

  1. 세퍼레이터(18)에 의해 서로 분리된 애노드(11) 및 캐소드(12)를 포함하는 배터리 셀(2)용 전극 어셈블리(10)로서,
    도전층(32)이 상기 세퍼레이터(18) 상에 배치되고, 상기 도전층(32)은 적어도 부분적으로 보호막(34)으로 피복되고, 상기 보호막(34)은 고밀도의 부동태 층인,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고밀도의 부동태 층은 상기 도전층(32)의 표면 상에서 양극 산화에 의해 형성된,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도전층(32)은 알루미늄 및/또는 알루미늄 화합물로 제조된,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전층(32)은 티타늄 및/또는 티타늄 화합물로 제조된,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  5. 세퍼레이터(18)에 의해 서로 분리된 애노드(11) 및 캐소드(12)를 포함하는 배터리 셀(2)용 전극 어셈블리(10)로서,
    도전층(32)이 상기 세퍼레이터(18) 상에 배치되고, 상기 도전층(32)은 적어도 부분적으로 보호막(34)으로 피복되고, 상기 보호막(34)은 폴리머 코팅인,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 폴리머 코팅은 전기화학적 중합에 의해 상기 도전층(32)의 표면 상에 형성된,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 도전층(32)은 구리로 제조된,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머 코팅은 알칸으로 이루어지는 비도전성 폴리머로 제조된,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머 코팅은 아닐린 또는 티오펜으로 제조된,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전층(32)은 다공질인,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호막(34)은 적어도 부분적으로 전기 절연성인,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전층(32)은 상기 세퍼레이터(18)와 상기 애노드(11) 사이에 배치된,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전층(32)은 상기 세퍼레이터(18)와 상기 캐소드(12) 사이에 배치된,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호막(34)은 상기 세퍼레이터(18)에 대하여 상기 도전층(32)의 먼쪽에 배치된,
    배터리 셀용 전극 어셈블리.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 전극 어셈블리(10)를 포함하는 배터리 셀(2).
  16. 전기 차량(EV), 하이브리드 전기 차량(HEV), 플러그인 하이브리드 차량(PHEV) 또는 정치(stationary) 용으로 제 15 항에 따른 배터리 셀(2)의 용도.
KR1020197015476A 2016-11-29 2017-11-16 배터리 셀용 전극 어셈블리 및 배터리 셀 KR20190082823A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16201032.6 2016-11-29
EP16201032.6A EP3327823A1 (en) 2016-11-29 2016-11-29 Electrode assembly for a battery cell and battery cell
PCT/EP2017/079465 WO2018099730A1 (en) 2016-11-29 2017-11-16 Electrode assembly for a battery cell and battery cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20190082823A true KR20190082823A (ko) 2019-07-10

Family

ID=57421734

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197015476A KR20190082823A (ko) 2016-11-29 2017-11-16 배터리 셀용 전극 어셈블리 및 배터리 셀

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20190280275A1 (ko)
EP (1) EP3327823A1 (ko)
KR (1) KR20190082823A (ko)
WO (1) WO2018099730A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019231892A1 (en) * 2018-05-31 2019-12-05 Robert Bosch Gmbh Electrode configuration with a protrusion inhibiting separator

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7598003B1 (en) * 2004-02-04 2009-10-06 Quallion Llc Battery having enhanced energy density
US20110033755A1 (en) 2008-04-21 2011-02-10 Seeo, Inc Protected lithium metal electrodes for rechargeable batteries
US20100330425A1 (en) 2009-06-29 2010-12-30 Applied Materials, Inc. Passivation film for solid electrolyte interface of three dimensional copper containing electrode in energy storage device
CN103563133B (zh) 2011-05-31 2016-08-17 日本瑞翁株式会社 锂二次电池正极用复合粒子、锂二次电池正极用复合粒子的制造方法、锂二次电池用正极的制造方法、锂二次电池用正极、及锂二次电池
US10476114B2 (en) 2013-05-03 2019-11-12 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Rechargeable battery safety by multifunctional separators and electrodes
US9705167B2 (en) * 2013-06-19 2017-07-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Lithium ion conducting protective film and method of use
DE102014218277A1 (de) * 2014-09-12 2016-03-17 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von Lithium-Dendriten in einer Batteriezelle und zum Batteriemanagement

Also Published As

Publication number Publication date
EP3327823A1 (en) 2018-05-30
US20190280275A1 (en) 2019-09-12
WO2018099730A1 (en) 2018-06-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1998401A2 (en) Electrode assembley and secondary battery using the same
KR101049331B1 (ko) 리튬 이차 전지
US10658125B2 (en) Electrochemical device and method of manufacturing electrochemical device
KR20130105362A (ko) 전기 디바이스용 정극 및 이것을 사용한 전기 디바이스
US9520583B2 (en) Galvanic element with enhanced safety properties
JP2020537309A (ja) リチウム金属二次電池及びそれを含む電池モジュール
CN110476278B (zh) 电极和蓄电元件
KR101455943B1 (ko) 이차 전지용 분리막, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 이차 전지
CN107871893B (zh) 用于制造用于电池单池的电极堆叠的方法和电池单池
KR101806416B1 (ko) 기준 전극(reference electrode)을 포함하는 리튬 이온 이차 전지
US20160315314A1 (en) Lithium electrode for a lithium-ion battery, and method for the production thereof
CN110915036A (zh) 具有单离子导电层的电池组
US10199622B2 (en) Battery cell and method for controlling ion flow within the battery cell
EP3297085A1 (en) Electrode assembly for a battery cell and battery cell
KR20190082823A (ko) 배터리 셀용 전극 어셈블리 및 배터리 셀
CN109804486B (zh) 生产锂离子原电池的方法及锂离子原电池
KR101138482B1 (ko) 리튬 이온 커패시터
JP6437114B2 (ja) バッテリセル用電極、及び、バッテリセル
JP2016181491A (ja) 蓄電素子
EP3327853A1 (en) Method and circuit arrangement for pre-indication of dendrite formation in an electrode assembly of a battery cell and battery cell
JP2003317695A (ja) 非水電解質リチウムイオン電池とそのためのセパレータ
KR102101428B1 (ko) 방열 성능이 개선된 전기화학소자용 전극 조립체
CN106328912B (zh) 用于电池组电池的阳极、用制造阳极的方法和电池组电池
CN107548525B (zh) 用于电池组电池的隔离物和电池组电池
JP6579422B2 (ja) 蓄電素子

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
WITB Written withdrawal of application