KR20190122771A - 에너지 저장 장치 - Google Patents

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Abstract

에너지 저장 장치(1)는 용기(2), 맨드렐(3), 세퍼레이터 재료의 적어도 하나의 시트(4), 및 2 개 이상의 전극(5)을 포함한다. 용기(2)는 내부 공간(9)을 형성하는 베이스(7) 및 내면(10)을 포함한다. 맨드렐(3)은 용기(2) 내에 위치되며, 내면(10)으로부터 이격되어 용기(2) 내에 공동(9a)을 형성한다. 세퍼레이터 재료(4)의 시트는 맨드렐(3)의 주위에 배치되어 공동(9a) 내에 복수의 개별 세퍼레이터 층을 제공한다. 적어도 하나의 전극(5)이 각각의 개별 세퍼레이터 층들 사이에 제공되고, 용기(2)의 외면의 적어도 일부는 만곡된 프로파일을 갖는다.

Description

에너지 저장 장치
본 발명은 에너지 저장 장치용 용기에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 전기화학 셀용 용기에 관한 것이다.
에너지 저장 장치 내에 수용된 전기화학 셀은 반응성의 유해한 물질을 포함하며, 이것은 제품의 안전을 보장하기 위해 신중한 패킹을 필요로 한다. 패킹은 유해한 물질을 봉쇄해야 하고, 셀의 충전 및 방전에 따라 물질의 온도 및 체적의 변화에도 대응해야 한다. 원하는 견고성을 가질 뿐만 아니라, 패키징은 에너지 저장 장치의 전체 에너지 밀도를 감소시키지 않도록 낮은 중량 및 체적 효율을 가져야 한다. 패킹 및 이 패키징의 설계는 에너지 저장 장치에 어떤 불필요한 저항 이득을 가하는 것도 방지해야 한다.
에너지 저장 기술의 발전으로 에너지 밀도가 증가된 전기화학 셀이 생산되었다. 이로 인해 종래의 전기화학 셀과 비교하여 충전/방전 사이클 중에 동작 온도가 더 높아 질 수 있고, 활물질의 체적 변화가 더 커질 수 있다. 종래의 에너지 저장 장치의 패키징은 에너지 밀도가 증가된 셀을 안전하고 효율적으로 수용하지 못할 수 있다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 용기, 맨드렐, 세퍼레이터 재료의 적어도 하나의 시트, 및 2 개 이상의 개별 전극을 포함하는 에너지 저장 장치로서, 상기 용기는 내부 공간을 형성하는 베이스 및 내면을 포함하고, 상기 맨드렐은 상기 용기 내에 위치되고, 상기 맨드렐과 상기 내면은 이격되어 상기 용기 내에 공동을 형성하고, 상기 세퍼레이터 재료의 시트는 상기 맨드렐의 주위에 배치되어 상기 공동 내에 복수의 개별 세퍼레이터 층을 제공하고, 적어도 하나의 전극이 각각의 개별 세퍼레이터 층들 사이의 공간을 점유하도록 제공되고, 상기 용기의 외면의 적어도 일부는 만곡된 프로파일을 갖는 에너지 저장 장치가 제공된다.
본 발명은, 어레이 내에서 조합되었을 때, 다른 유사한 장치와 이어붙임(tessellation)될 수 있음과 동시에, 어레이 내에 있을 때, 인접하는 에너지 저장 장치와의 접촉이 저감될 수 있는 외면을 갖는 높은 에너지 밀도의 전기 저장 장치를 제공한다. 이것은 어레이의 전체 에너지 밀도를 저감시키지만, 외면의 만곡부에 의해 유발되는 장치들 사이의 공극으로 인해 장치들 사이에서 냉각 유체가 흐를 수 있고, 충전/방전 중에 장치로부터 과도한 열을 제거할 수 있다.
본 발명의 개별 전극 시트 및 압축성 맨드렐의 조합으로 인해 셀은 세퍼레이터 재료 내에 권취된 애노드/캐소드 전극 재료의 연속 시트에 의존하는 전형적인 권취 셀과 대조적으로 탄성 보호 용기 내에 격납된 효율적으로 연결된 높은 에너지 밀도 전극의 스택을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 장치는 2 개 이상의 개별 양극 및 2 개 이상의 개별 음극을 포함할 수 있다. 충전 및 방전 사이클 중에, 각각의 장치 내의 수집 에너지 밀도가 높은 전극 재료는 다량의 열을 생성할 것으로 예상되며, 이 열은 장치로부터 방출되어야 한다. 또한, 장치들 사이의 공기 또는 유체 간극은 열폭주(thermal runaway)의 경우에 어레이 내의 장치를 격리시킬 수 있게 한다.
맨드렐의 면은 만곡될 수 있다. 맨드렐의 만곡면은 패키징 내의 전극의 표면에 균일한 스택 압력을 제공할 수 있다. 또한, 맨드렐은 셀의 팽창 중에 임의의 압력의 축적을 완화시키기 위해 그 형상을 효과적으로 조정할 수 있다. 맨드렐은 그 표면이 용기의 내면의 곡선과 동심이 되도록 형성될 수 있다. 또한, 맨드렐의 형상은 용기의 전체 외형과 동심일 수 있다. 본 발명은 맨드렐 주위에 감겨질 전기화학 셀의 구성요소에 의존하지 않고, 맨드렐의 주요 기능은 충전 또는 방전 중의 전극 체적에 따라 수축 또는 팽창함으로써 용기의 내면에 세퍼레이터 재료를 지지하는 것이다.
맨드렐은 단일 표면을 가질 수 있으며, 원형 또는 아치형일 수 있으며, 또는 대안적으로 맨드렐은 제 2 표면을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 맨드렐의 제 2 표면은 맨드렐의 단면 형상이 타원형이 되도록 만곡될 수 있다. 대안적인 구성에서, 제 2 맨드렐 표면은 평평할 수 있고, 용기의 다른 내벽 또는 내면에 지지될 수 있다. 대안적으로, 제 2 맨드렐 표면은 세퍼레이터 재료와 접촉하여 압축력을 제공할 수 있다. 제 2 맨드렐 표면과 접촉하는 세퍼레이터 재료는 제 1 맨드렐 표면과 접촉하는 동일하거나 상이한 세퍼레이터 재료일 수 있다.
용기의 내면은 용기가 대체로 원통 형상이 되도록 만곡될 수 있다. 맨드렐은 그 종축선이 용기의 종축선과 정렬되도록 위치될 수 있다. 본 실시형태에서, 공동은 대체로 파이프 형상이며, 세퍼레이터 재료 시트(들)은 맨드렐의 주위에 권취되어 공동을 채운다. 이 실시형태의 장치는 구성하기가 비교적 쉽다. 그러나, 세퍼레이터 재료 시트(들)의 나선 및 각 세퍼레이터 층의 크기 차이로 인해, 전극의 크기는 패킹 축선을 따라 맨드렐로부터 멀어짐에 따라 증가한다.
대안적 실시형태에서, 용기는 내면에 대향하는 제 2 내면을 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 용기는 입방체이거나 대향면이 만곡된 장방체(cuboid)일 수 있다. 이 대안적 실시형태에서, 패킹 축선은 내면으로부터 제 2 내면까지 용기를 통과할 수 있고, 맨드렐은 제 2 공동을 제공하도록 상기 패킹 축선을 따라 위치될 수 있다. 세퍼레이터 재료의 적어도 하나의 시트는 제 2 공동 내에 배치되어 패킹 축선을 따라 제 2 복수의 세퍼레이터 층을 제공하고, 하나 이상의 전극은 제 2 세퍼레이터 층들 사이에 제공된다. 대체로 입방체 또는 장방체방체 형상의 용기를 가짐으로써 전극을 유사한 크기로 하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시형태에서, 맨드렐 주위의 세퍼레이터 재료의 시트(들)의 배치는 몇 가지 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 세퍼레이터 재료가 맨드렐의 주위에 권취되거나, 세퍼레이터 재료의 시트가 공동 내에 절첩될 수 있다. 하나를 초과하는 공동이 존재하는 경우, 각각의 공동 내에 세퍼레이터 재료의 적어도 하나의 시트가 제공될 수 있다. 각각의 공동은 세퍼레이터 재료의 적어도 하나의 시트를 포함한다. 또한, 세퍼레이터 재료의 개별 롤(roll)이 각각의 공동 내에 제공될 수 있다. 세퍼레이터 재료의 시트를 하나를 초과하여 가짐으로써 공동/공동들 내에 상이한 패킹 배치가 가능해지고, 또한 이는 장치의 일부 내의 전극 또는 세퍼레이터 재료의 손상을 분리시킬 수 있음을 의미한다.
용기의 내면 및/또는 제 2 내면은 오목할 수 있다. 맨드렐 표면에 대면하는 표면을 만곡시킴으로써 공동 내의 셀에 더 균일한 압력을 가할 수 있다. 이는 전극과 세퍼레이터 재료 사이에 균일한 압력을 제공함으로써 셀의 효율을 향상시킨다.
본 발명을 더 잘 이해하기 위해, 그리고 본 발명이 실시될 수 있는 방법을 더 명확하게 보여주기 위해, 본 발명을 일례로서 이하의 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 에너지 저장 장치의 개략 분해도이고;
도 2a 내지 도 2d는 에너지 저장 장치 내의 세퍼레이터 재료 및 맨드렐의 대안적인 레이아웃의 개략도이고;
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 에너지 저장 장치의 대안적인 실시형태의 개략도이고;
도 4a 및 도 4b는 대안적인 용기 형상의 어레이의 개략도이다.
도 1은 용기(2), 압축성 맨드렐(3), 세퍼레이터 재료(4), 및 개별 전극(5)을 포함하는 에너지 저장 장치(1)를 도시한다. 용기(2)는 케이싱(6), 베이스(7) 및 캡(8)을 가지며, 이들은 함께 에너지 저장 장치(1)의 셸을 형성한다. 케이싱(6)은 외부 물체에 의해 본 장치(1)가 관통되거나 파열되는 것을 방지하도록 견고한 재료로 형성된다. 케이싱(6)은 베이스(7) 및 캡(8)과 함께 전기화학 셀 구성요소, 즉 압축성 맨드렐(3), 세퍼레이터 재료(4), 및 전극(5)를 수용하기 위한 내부 공간(9)을 형성하도록 딥드로잉/압연/셰이핑(shaping) 및 포밍(forming)될 수 있다. 케이싱(6)은 공간(9)을 향하는 내면(10)을 갖는다. 베이스(7) 및 캡(8)이 용기(2) 내에 전기화학 셀 구성요소(3, 4, 5)를 둘러싸도록 케이싱(6)의 개방 단부 상에 제공된다. 베이스(7)와 캡(8)이 케이싱(6)과는 별개의 부품으로서 도시되어 있으나, 케이싱(6)은 사전형성된 베이스(7) 및 캡(8)을 포함하거나 그것들에 부착될 수 있음을 생각할 수 있다.
맨드렐(3)은 암(13)에 의해 연결된 제 1 맨드렐 표면(11) 및 제 2 맨드렐 표면(12)을 갖는다. 맨드렐(3)은 플라스틱 또는 금속과 같은 단일 부재의 유연성 재료로 형성된다. 맨드렐(3)의 단면은 대체로 S자 형상이며, 그 윤곽은 타원형이다. 맨드렐(3)은 만곡면(11, 12) 및 암(13)에 의해 형성된 S자 형상에 수직인 종축선(L)을 갖는다. 맨드렐(3)은 길이가 용기(2)의 길이와 유사하도록 그 종축선(L)을 따라 연장된다. 맨드렐(3)의 대체적인 단면 형상은 그 종축선(L)의 전체 길이를 따라 동일하다.
맨드렐(3)은 용기(2)의 내부 공간(9) 내에 배치될 수 있도록 형성된다. 맨드렐(3)이 내부 공간(9) 내에 위치되었을 때, 맨드렐 표면(11, 12)과 용기(2)의 내면(10) 사이에 공동(9a)이 남는다. 맨드렐(3)의 형상으로 인해, 종축선(L)을 따라 연장되는 맨드렐 표면(11, 12)과 암(13) 사이에 사공간인 빈 컬럼이 존재한다. 이 빈 컬럼은, 전기화학 셀 구성요소(3, 4, 5)를 용기(2) 내에 배치할 때, 맨드렐(3)이 압착될 수 있는 공간 뿐만 아니라 베이스(7)의 적어도 일부에 용접하기 위해 접근할 수 있는 공간을 제공한다.
맨드렐(3)은 패킹 축선의 방향으로 압축가능하며, 이에 대해서는 세퍼레이터 재료(4)와 관련하여 더 상세히 설명할 것이다. 일반적으로, 맨드렐(3)은 대체로 타원형인 그 단면 윤곽의 크기가 감소되도록 압착 및/또는 변형될 수 있다. 맨드렐(3)이 점유하는 공간(9)의 용적은 맨드렐(3)이 압착됨에 따라 감소된다. 또한, 맨드렐 표면(11, 12)은 그 표면에 가해지는 압축력에 따라 곡률 또는 원호가 변할 수 있도록 극단의 압력 하에서 변형될 수 있다.
도 1에 제시된 세퍼레이터 재료(4)는 전자 절연성 다공질 재료의 연속 시트이다. 세퍼레이터 재료(4)는 롤링(rolling)되어 용기(2)와 맨드렐(3) 사이의 공동(9a) 내에 위치된다. 세퍼레이터 재료(4)는, 전기화학 셀 용기(1)가 그 완전한 형태를 이루었을 때, 맨드렐(3)의 종축선(L) 상에 위치하는 권취 축선(W)을 중심으로 맨드렐(3)의 주위에 권취된다. 세퍼레이터 재료(4)의 시트가 권취 축선(W)을 중심으로 권취될 때, 그 시트가 감겨 적층됨에 따라 세퍼레이터 재료(4)의 층이 형성된다. 완성된 에너지 저장 장치(1)에서, 세퍼레이터 재료(4)는 용기(2) 내에 배치되어 패킹 축선(P)을 따라 배치된 복수의 세퍼레이터 층을 제공한다. 이것은 세퍼레이터 재료(4)의 층들 사이에 공간(14)을 생성하며, 이 공간은 전극에 의해 점유된다.
전극(5)은 권취된 세퍼레이터 재료(4)의 공간(14) 내에 패킹 축선(P)을 따라 위치된다. 간단히 하기 위해, 도 1에서는 2 개의 전극(5)(셀을 형성하는 세퍼레이터 재료(4)를 따라 하나의 애노드 및 하나의 캐소드)만이 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 전기화학 셀 용기(1)는 많은 전극(5)을 수용하여 다수의 전기화학 셀을 형성할 수 있다.
전극(5)은 각각 베이스(7) 및 캡(8)의 내면에 고정될 수 있는 탭(15a, 15b)을 포함한다. 각각의 전극(5) 상에 탭(15a, 15b)을 제공함으로써 각각의 전극(5)에 대한 전류 경로 길이가 감축되고, 셀의 내부 저항이 감소된다.
셀이 충전/방전됨에 따라, 전극(5)은 팽창 및 수축될 수 있다. 전극(5)이 팽창하여 내부 공간(9) 내의 더 많은 용적을 차지함에 따라 맨드렐(3)은 압착된다. 유사하게, 전극이 수축하면, 맨드렐(3)은 팽창하여 용적을 다시 점유하고, 세퍼레이터 재료(4)와 전극(5) 사이에 패킹 축선(P)을 따라 일정한 압축력을 제공한다. 만곡된 맨드렐 표면(11, 12)은 전극(5)의 표면 상에 균일한 압력이 유지되도록 한다.
본 발명의 범위 내에 있는 다양한 대안적인 전기화학 셀 용기(1)의 구성이 도 2a 내지 도 2d에 개략적으로 도시되어 있다. 이 전기화학 셀 용기(1)는 간단히 하기 위해 전극(5)이 없는 상태로 맨드렐(3)의 종축선(L)을 따라 단면으로 도시되어 있다. 각각의 전기화학 셀 용기(1)는 사각형 용기(2)와 같은 매우 단순화된 방식으로 도시되어 있다. 그러나, 용기(2)의 내부 공간(9)을 점유하기 위해 만곡될 수 있다는 것이 이해된다.
도 2a에서, 두 시트의 세퍼레이터 재료(4)가 맨드렐(3)의 주위에 권취되어 있다. 맨드렐(3)은 세퍼레이터 재료(4)의 권취 축선(W)을 따라 위치된다. 세퍼레이터 재료(4)의 시트는 맨드렐(3)의 종축선(L)을 중심으로 동심이다. 권취된 세퍼레이터 재료(4)의 층들 사이에 전극(5)을 수용하기 위한 다수의 층(14)이 제공된다. 전극(5)은 패킹 축선(P)을 따라 배치된다.
도 2b에서, 맨드렐(3)에는 단일의 만곡면(11)이 제공된다. 맨드렐 암(13)은 용기(2)의 내면(10)에 지지된다. 하나의 시트의 세퍼레이터 재료(4)가 내부 공간(9)에 제공되며, 권취 축선(W)을 중심으로 권취되어 있다. 권취 축선(W)은 맨드렐(3)의 종축선(L) 상에 위치하지 않는다. 세퍼레이터 재료(4)의 롤 내에는 전극을 수용하기 위한 개별 층(14)이 제공된다. 전극(5)은 패킹 축선(P)을 따라 배치된다.
도 2c 및 도 2d는 본 발명의 추가의 대안례를 예시한 것이며, 여기서 롤링되거나 절첩된 세퍼레이터 재료의 시트(4)는 맨드렐(3)을 중심으로 공동(9a) 내에 위치되며, 세퍼레이터(4)는 맨드렐(3)을 중심으로 권취되어 있지 않다. 도 2c의 장치는 각각의 공동(9a) 내에 2 개의 롤링된 시트의 세퍼레이터 재료(4)를 포함한다. 도 2d에서, 세퍼레이터 재료(4)의 시트는 공동(9a) 내에 절첩되어 있다. 전극(5)은 세퍼레이터 재료(4)의 나선층 또는 절첩부 내에 배치될 수 있다. 이들 경우에, 맨드렐(3)은 장치(1) 내에서 전극(5)의 팽창을 흡수하는 기능만을 가지며, 재료(4, 5)가 권취되는 보빈(bobbin)을 제공하지는 않는다.
도 1의 용기(2)는 원통형으로서 도시되어 있으나, 임의의 각주형 셀의 형상을 취할 수도 있다. 도 3a 내지 도 3c에는 본 발명의 장치(1)의 개략 단면도가 도시되어 있다. 세퍼레이터 재료(4)의 층은 단지 도면을 단순화하기 위해 공동(9a) 내의 연속적인 롤링 시트 대신 동심의 링으로서 도시되어 있다. 전극(5)은 점선으로 개략적으로 도시되어 있으며, 세퍼레이터 재료(4)의 롤링된 시트들 사이의 층(14) 내의 임의의 위치에 배치될 수 있다. 도 3a는 완성된 도 1의 장치(1)의 단순화된 단면도를 도시한다. 내면(10)은 하나의 연속 표면이며, 맨드렐 표면(11, 12)은 동일한 내면(10)의 상이한 영역과 대면한다.
도 3b는 대체로 장방체 형상의 용기(2)를 갖는 장치(1)를 도시하며, 여기서 맨드렐 면(11, 12)을 향하는 내면(10)은 오목하다. 세퍼레이터 재료(4)는 맨드렐 표면(11, 12)과 용기(2)의 내면(10) 사이의 공동(9b)을 채우도록 절첩되거나 권취된다. 세퍼레이터 재료(4)는 패킹 축선(P)을 따라 층(14)을 제공하도록 배치되며, 이 층은 전극(5)에 의해 채워진다. 오목한 내면(10)의 곡률은 세퍼레이터 재료(4)의 층(14) 내에서 전극(5)의 표면의 전체에 걸쳐 균일한 압력이 가해지도록 맨드렐 표면(11, 12)의 곡률과 유사하다.
도 3c는 대체로 입방체 형상의 용기(2)를 갖는 장치(1)를 도시한 것이며, 여기서 장치(1)는 전기화학 셀로 채워진 하나의 공동(9c)만을 갖고 있다. 맨드렐 면(11)을 향하는 내면(10)은 오목하다. 세퍼레이터 재료(4)는 맨드렐 표면(11, 12)과 용기(2)의 내면(10) 사이의 공동(9c)을 채우도록 절첩되거나 권취된다. 세퍼레이터 재료(4)는 패킹 축선(P)을 따라 층(14)을 제공하도록 배치되며, 이 층은 전극(5)에 의해 채워진다. 오목한 내면(10)의 곡률은 세퍼레이터 재료(4)의 층(14) 내에서 전극(5)의 표면의 전체에 걸쳐 균일한 압력이 가해지도록 맨드렐 표면(11, 12)의 곡률과 유사하다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 실시례에서, 외부 케이싱의 곡률은 내면(10)의 오목한 형상과 일치하며, 외부 케이싱은 외부의 장방체 형상을 제공하도록 평탄화될 수 있다. 그러나, 케이싱(6)의 곡률을 유지하는 것이 유리할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 3b 및 도 3c에 따른 에너지 저장 장치(1)의 어레이를 도시한다. 케이싱(6)의 곡률은 어레이로 배치되었을 때 용기(2)들 사이에 간극(16)을 허용한다. 만곡된 케이싱(6)에 의해 인접한 용기(2)들 사이의 물리적인 접촉이 확실하게 감소된다. 용기(2)들 사이의 간극(16)에는 공기와 같은 유체가 제공될 수 있다. 용기(2)들 사이의 접촉이 감소됨으로써 인접한 장치(1) 사이의 열전달이 확실히 낮아진다. 또한, 유체는 용기의 어레이에 걸쳐 자유롭게 흐르고, 냉각제로서 작용하여 장치(1) 내의 셀에 의해 방출된 과도한 열을 제거한다.

Claims (8)

  1. 용기, 맨드렐, 세퍼레이터 재료의 적어도 하나의 시트, 및 2 개 이상의 개별 전극을 포함하는 에너지 저장 장치로서,
    상기 용기는 내부 공간을 형성하는 베이스 및 내면을 포함하고,
    상기 맨드렐은 상기 용기 내에 위치되고, 상기 맨드렐과 상기 내면은 이격되어 상기 용기 내에 공동을 형성하고,
    상기 세퍼레이터 재료의 시트는 상기 맨드렐의 주위에 배치되어 상기 공동 내에 복수의 개별 세퍼레이터 층을 제공하고,
    적어도 하나의 전극이 각각의 개별 세퍼레이터 층들 사이의 공간을 점유하도록 제공되고, 상기 용기의 외면의 적어도 일부는 만곡된 프로파일을 갖는, 에너지 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 맨드렐은 만곡면을 갖는, 에너지 저장 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 맨드렐은 제 2 면을 갖는, 에너지 저장 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 맨드렐의 제 2 면은 상기 맨드렐의 단면이 타원형을 갖도록 만곡된, 에너지 저장 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 용기의 적어도 하나의 벽은 상기 맨드렐의 만곡면에 대향하는 오목한 내면을 갖는, 에너지 저장 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 오목한 내면은 상기 용기 벽의 외면의 적어도 일부의 만곡된 프로파일로 인해 형성된, 에너지 저장 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 맨드렐의 표면은 상기 용기의 내면의 곡선과 동심인, 에너지 저장 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 2 개 이상의 개별 양극 및 2 개 이상의 개별 음극을 포함하는, 에너지 저장 장치.
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