KR20200017371A - 수평 복합 전기 공급 구조 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 제1 절연층, 제2 절연층, 2개의 패터닝된 도전층, 및 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹을 포함하는 수평 복합 전기 공급 구조체에 관한 것이다. 2개의 패터닝된 도전층은 각각 제1 및 제2 절연층 상에 배치된다. 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹은 제1 절연층과 제2 절연층 사이에 배치되고, 패터닝된 도전층을 통해 직렬 및/또는 병렬로 접속된다. 전기 화학 시스템 요소 그룹은 하나 이상의 전기 화학 시스템 요소를 직렬로 접속함으로써 형성된다. 각각의 전기 화학 시스템 요소는 측벽 상에 패키지층을 포함하여, 이들의 전해질 시스템은 순환하지 않는다. 이에 의해, 접속에 의해 생성된 고전압은 임의의 단일 전기 화학 시스템 요소에 영향을 미치거나 이의 전해질 시스템을 분해하지 않을 것이다. 따라서 직렬 및/또는 병렬 접속이 수평 복합 전기 공급 구조체에서 동시에 이루어질 수 있다.

Description

수평 복합 전기 공급 구조 {HORIZONTAL COMPOSITE ELECTRICITY SUPPLY STRUCTURE}
본 개시는 일반적으로 전기 공급 구조체에 관한 것으로서, 특히 전기 화학 시스템 요소를 직렬로 접속하고 전기 공급 구조체의 전기 화학 시스템 요소 그룹을 병렬 및/또는 직렬로 동시에 접속함으로써 고전압, 고용량 및 3차원 수평 복합 전기 공급 요소 그룹에 관한 것이다.
최근 석유 화학 연료의 고갈과 환경 보호 의식의 확산으로 인해, 사람들은 석유 화학 연료를 전력원으로 사용하고 대규모 온실 가스를 배출하는 이러한 객체에 대한 생활 편의와 환경 보호 사이에서 어떻게 균형을 이룰지를 재고해야 한다. 중요한 운송 차량으로서의 자동차가 검사해야 할 주요 객체 중 하나가 된다. 따라서, 전 세계적인 에너지 절약 및 탄소 감소 추세에서, 전 세계 많은 국가는 자동차 전기화를 이산화탄소 감소의 중요한 목표로 설정했다. 불행하게도, 전기 자동차는 실제 응용에서 많은 문제에 직면한다. 예를 들어, 전기 공급 요소의 용량은 내구성을 제한한다. 따라서, 용량을 늘려 주행 거리를 늘리려면 더 많은 배터리가 직렬 또는 병렬로 접속되어야 한다.
주행 거리를 늘리기 위해 차량 중량을 줄이려면, 리튬-이온 2차 배터리와 같이 높은 에너지 밀도 및 가벼운 중량을 갖는 2차 배터리가 전기 자동차의 배터리에 가장 좋은 선택이 된다. 그럼에도 불구하고, 안전하고 안정적인 전원을 형성하기 위해 복수의 리튬-이온 2차 전지를 조립하는 방법은 사람들에게 시급한 문제가 되었다.
우선 통상적인 방법을 나타내는 도 1a 및 도 1b를 참조한다. 복수의 배터리 요소(71)의 세트가 병렬로 접속된 후, 배터리 셀(73)을 시일링 및 형성하기 위해 하우징(72)이 사용된다. 배터리 셀(73)의 하우징(72)으로부터 돌출하는 도전성 리드(74)가 충분한 전압에 도달하기 위해 외부에 직렬로 접속되어 자동차용 배터리 모듈(75)을 제공한다. 다른 방법에 따르면, 단일 하우징(72)이 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 복수의 배터리 요소(71)를 덮기 위해 채택된다. 즉, 배터리 셀(76)의 전압을 증가시키기 위해 내부 직렬 접속이 채택된다. 그 후, 복수의 배터리 셀(76)이 자동차용 배터리 모듈(77)을 형성하기에 충분한 용량에 도달하기 위해 병렬로 그리고 외부로 접속된다. 불행하게도, 현재 전해질은 약 5 볼트만 유지할 수 있다. 또한, 내부의 구조적 문제로 인해 전해질용 폐쇄 시스템을 형성하는 것은 어렵다. 일단 전압이 전해질의 유지 가능한 범위를 초과하면, 전해질은 분해되어 배터리 모듈(77)을 고장나게 할 것이다. 심지어 배터리가 폭발할 수도 있다. 따라서, 시장에는 이러한 제품이 없다.
미국 특허 출원 번호 제2004/0091771호에 따르면, 인접한 배터리 모듈은 공통 집전층(electricity collecting layer)을 공유한다. 이 방법을 사용함으로써, 상술한 바와 같은 전해질 분해 문제가 해결될 수 있다. 불행하게도, 공통 집전층에 대한 직렬 접속으로 인해, 설계는 덜 유연할 것이다. 내부 직렬 접속만이 채택될 수 있다. 배터리 모듈을 형성하기 위해, 여전히 복수의 배터리 셀의 외부 병렬 접속이 채택되어야 한다.
또한, 대만 특허 출원 제106136071호의 복합 배터리 셀에 따르면, 고전압 및 높은 단위 용량 배터리 셀을 제공하기 위해 배터리 셀 내부에 직렬 및 병렬 접속이 직접 이루어질 수 있어, 종래 기술에 따른 외부 접속으로 인한 성능 저하 및 용량 밀도 감소의 단점을 제거한다. 불행하게도, 그 기술에 따르면, 전기 공급 요소 그룹은 직렬 및/또는 병렬 접속을 위해 매우 많은 수의 전기 공급 요소를 수직으로 적층함으로써 고용량 및 고전압을 달성한다.
그럼에도 불구하고, 금속 물체의 천공에 직면하는 동안, 천공에 의한 고전압 강하는 완전 고체, 의사(pseudo) 고체(고체/액체) 또는 액체 전해질 시스템의 경우 불가피하게 극도로 위험하다. 이는 내부에 대량의 전기 공급 요소를 수직으로 적층함으로써 형성된 배터리 셀에 특히 위험하다.
단점에 따라, 본 개시는 금속 물체에 의한 배터리 요소의 천공에 의해 야기되는 안전 문제를 피하기 위한 새로운 수평 복합 전기 공급 구조체를 제공한다.
본 개시의 목적은 수직으로 적층된 전기 화학 시스템 요소의 개수를 감소시키고 금속 물체에 의한 천공으로 인해 야기되는 안전 문제를 피하기 위해 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹을 전기적으로 접속시키기 위해 수평 방향으로 직렬 및/또는 병렬 접속을 채택하는 수평 복합 전기 공급 구조체를 제공하는 것이다.
본 개시의 다른 목적은 수평 복합 전기 공급 구조체를 제공하는 것이다. 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 최상부 및 바닥에 배치된다. 수평으로 연장되고 직렬 및/또는 병렬로 접속된 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹이 제1 및 제2 절연층 사이에 배치된다. 제1 및 제2 절연층을 사용함으로써, 외부 금속 물체에 의한 배터리 셀에 대한 천공으로 인해 야기되는 잠재적 손상이 방지될 수 있다.
본 개시의 다른 목적은 수평 복합 전기 공급 구조체를 제공하는 것이다. 전하 전달을 제외하고는 인접한 전기 화학 시스템 요소 간에 전기 화학 반응이 없다. 이에 의해, 전기 공급 요소는 전해질의 최대 허용 전압으로 제한되지 않을 것이며, 직렬 및/또는 병렬 방식으로 접속될 수 있다. 따라서, 용량 밀도 및 전압이 향상될 수 있다.
본 개시의 또 다른 목적은 수평 복합 전기 공급 구조체를 제공하는 것이다. 인접한 전기 화학 시스템 요소 그룹 사이에 복수의 채널이 형성되어 방열을 위한 경로로서 작용한다.
본 개시의 추가적인 목적은 수평 복합 전기 공급 구조체를 제공하는 것이다. 인접한 전기 화학 시스템 요소 사이의 집전층이 접속을 위해 공유된다. 접촉 면적은 종래 기술에 따른 니켈 판 납땜에 의한 면적보다 훨씬 더 크다. 이에 의해, 전기 화학 시스템 요소 그룹의 내부 저항이 실질적으로 감소될 수 있다. 전기 화학 시스템 요소 그룹에 의해 형성된 전력 모듈의 성능은 거의 상실되지 않는다. 또한, 저항의 감소로 인하여 충전 및 방전 속도가 상당히 증가하고, 가열 문제가 상당히 감소된다. 그러면 전기 화학 시스템 요소 그룹의 냉각 시스템이 단순화될 수 있으며 용이하게 관리 및 제어될 수 있다. 이에 의해, 전체 복합 전기 공급 구조체의 신뢰성 및 안전성이 향상될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 개시는 제1 절연층, 제2 절연층, 2개의 패터닝된 도전층 및 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹을 포함하는 수평 복합 전기 공급 구조체를 제공한다. 제2 절연층은 제1 절연층과 대향하여 배치된다. 2개의 패터닝된 도전층은 각각 제1 및 제2 절연층의 대응 표면 상에 배치되고 서로를 향한다. 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹은 제1 절연층과 제2 절연층 사이에 배치되고, 패터닝된 도전층을 통해 직렬 및/또는 병렬로 접속된다. 각각의 전기 화학 시스템 요소 그룹은 하나 이상의 전기 화학 시스템 요소에 의해 형성된다. 패키지층이 각각의 전기 화학 시스템 요소의 주변에 배치되어, 전하 전달을 제외하고는 인접한 전해질 시스템 요소 사이에 순환이 없다. 이에 의해, 전기 공급 요소는 전해질의 최대 허용 전압으로 제한되지 않을 것이며, 직렬 및/또는 병렬로 동시에 접속될 수 있다. 각각의 전기 화학 시스템 요소는 격리층, 2개의 활물질층 및 전해질 시스템을 포함한다. 2개의 활물질층은 각각 격리층의 양측 상에 배치된다. 전해질 시스템은 활물질층에 배치된다. 각각의 전기 화학 시스템 요소 그룹의 2개의 최외측 상의 전기 화학 시스템 요소는 패터닝된 도전층을 집전층으로서 채택한다.
이하에서, 구체적인 실시예가 본 개시에 의해 제공되는 목적, 기술, 특징 및 효과를 이해하기 위해 상세히 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 제1 실시예에 따른 배터리 셀 및 배터리 모듈의 개략도를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 제2 실시예에 따른 배터리 셀 및 배터리 모듈의 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 개시의 제1 실시예에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체의 개략도를 나타낸다.
도 4a는 본 개시에 따른 전기 화학 시스템 요소 및 패키지층의 구조 개략도를 나타낸다.
도 4b는 본 개시에 따른 전기 화학 시스템 요소 및 패키지층의 다른 구조 개략도를 나타낸다.
도 5a는 수평 복합 전기 공급 구조체의 전기 화학 시스템 요소 그룹이 복수의 전기 화학 시스템 요소를 직렬로 접속하여 형성되는 도 3의 실시예의 개략도를 나타낸다.
도 5b는 도 5a의 영역 A의 부분 확대도를 나타낸다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체의 내부 및 병렬 접속 전기 화학 시스템 요소 그룹의 개략도를 나타낸다.
도 7은 본 개시의 다른 실시예에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체의 개략도를 나타낸다.
도 8a는 본 개시의 실시예에 따른 복수의 외부 및 직렬 접속 수평 복합 전기 공급 구조체의 개략도를 나타낸다.
도 8b는 본 개시의 실시예에 따른 복수의 외부 및 병렬 접속 수평 복합 전기 공급 구조체의 개략도이다.
도 9는 본 개시의 다른 실시예에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체의 개략도를 나타낸다.
도 10은 본 개시의 다른 실시예에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체의 개략도를 나타낸다.
도 11은 본 개시의 다른 실시예에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체의 개략도를 나타낸다.
도 12 내지 도 14는 본 개시에 따른 전기 화학 시스템 요소 그룹의 복수의 전기 화학 시스템 요소의 직렬 및/또는 병렬 전기 접속도를 나타낸다.
도 15는 본 개시에 따른 전기 화학 시스템 요소의 공통 집전층 상에 형성된 탭(tab)의 개략도를 나타낸다.
본 개시는 고전압 및 고용량의 요구에 대해 금속의 예리한 물체에 의해 수직으로 적층되고 직렬로 접속되는 복수의 전기 화학 시스템 요소에 대한 천공에 의해 야기되는 안전 문제에 대해, 천공 문제를 해결하기 위한 새로운 수평 복합 전기 공급 구조체를 제공한다.
본 개시는 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹을 포함하는 수평 복합 전기 공급 구조체를 주로 개시한다. 전기 화학 시스템 요소 그룹은 하나 이상의 상호 직렬 및/또는 병렬 접속된 전기 화학 시스템 요소를 포함한다. 그러면, 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹이 패터닝된 도전층을 통해 직렬 및/또는 병렬로 상호 접속된 후, 제1 도전성 단자 및 제2 도전성 단자가 전기 화학 시스템 요소 그룹에 접속되어 복합 전기 공급 구조체를 형성한다. 즉, 복합 전기 공급 구조체 내에서, 직렬 및 병렬 접속이 동시에 이루어질 수 있다. 본 개시에 따른 전기 화학 시스템 요소 그룹을 형성하는 전기 화학 시스템 요소는 전해질 시스템을 서로 공유하지 않는다. 추가적인 설명을 위해 도면이 사용된다. 상술한 복합 전기 공급 구조체는 에너지를 저장할 수 있는 임의의 공급 요소 및 배터리 또는 커패시터와 같은 공급 외부 디바이스일 수 있다.
우선, 본 개시의 제1 실시예에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체의 개략도를 나타내는 도 3을 참조한다. 도면에 나타낸 바와 같이, 본 개시에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체(10)는 주로 제1 절연층(12), 제2 절연층(14), 패터닝된 도전층(16(16a, 16b, 16c)), 다른 패터닝된 도전층(18(18a, 18b)) 및 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)을 포함한다. 제2 절연층(14)은 수평 방향으로 제1 절연층(12)에 대향한다. 패터닝된 도전층(16)은 제1 절연층(12) 내부에서 수평으로 연장되는 제1 표면(12s) 상에 위치된다. 패터닝된 도전층(18)은 제2 절연층(14) 내부에서 수평으로 연장되는 제2 표면(14s) 상에 위치된다. 패터닝된 도전층(16)은 패터닝된 도전층(18)에 대향한다. 제1 및 제2 패터닝된 도전층(16, 18)의 물질은 금속 및 임의의 도전성 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)은 제1 및 제2 절연층(12, 14) 사이에 샌드위칭되어 직렬 접속을 형성하기 위해 패터닝된 도전층(16, 18)을 통해 상이한 극성에 전기적으로 접속된다. 편의를 위해, 배터리가 설명을 위해 후술하는 실시예에서 채택된다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는, 실시예가 본 개시의 범위를 제한하는 데 사용되지 않음을 잘 알 것이다.
상술한 바와 같은 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)은 하나 이상의 전기 화학 시스템 요소(22)에 의해 형성된다. 예를 들어, 도 3에서, 수평 복합 전기 공급 구조체(10)는 4개의 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)을 전기 화학 시스템 요소(22)에 의해 형성된 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)의 각각의 하나와 직렬로 접속함으로써 형성된다. 상술한 전기 화학 시스템 요소(22)의 구조가 도 4a에 나타내어져 있다. 각각의 전기 화학 시스템 요소(22)는 제1 활물질층(225), 격리층(226), 제2 활물질층(227) 및 제1 활물질층(225)과 제2 활물질층(227)에 배치된 전해질 시스템을 포함한다. 제1 활물질층(225)은 집전층(16)에 접속되고, 제2 활물질층(227)은 다른 집전층(18)에 접속된다. 격리층(226)은 제1 활물질층(225)과 제2 활물질층(227) 사이에 위치된다. 패키지층(23)이 각각의 전기 화학 시스템 요소(22)의 주변에 배치되어, 전하 전달을 제외하고는 인접한 전기 화학 시스템 요소의 전해질 시스템은 순환하지 않는다. 전기 화학 반응이 없으므로, 전기 화학 시스템 요소는 전해질의 최대 허용 전압으로 제한되지 않을 것이며, 직렬 및/또는 병렬로 동시에 접속될 수 있다.
이온이 통과할 수 있는 미세 구멍을 갖는 격리층(226)의 재료는 중합체 재료, 세라믹 재료 및 유리 섬유 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 미세 구멍은 관통 구멍, 비선형 구멍일 수 있거나, 심지어 다공성 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 다공성 세라믹 절연 재료가 기판의 미세 구멍 내부에 분포될 수 있다. 세라믹 절연 재료는 마이크로미터- 또는 나노미터-등급 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 이산화규소(SiO2) 또는 알킬화된 세라믹 입자와 같은 재료로 형성될 수 있다. 세라믹 절연 물질은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 아크릴산 접착제, 에폭시, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 또는 폴리이미드(PI)와 같은 중합체 접착제를 추가로 포함할 수 있다.
전해질 시스템은 제1 및 제2 활물질층(225, 227)에 배치된다. 전해질 시스템의 형태는 액체 상태, 의사 고체 상태, 겔 상태, 고체 상태 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 활물질층(225,227)의 활물질은 사용(전기 공급)을 위해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 저장(충전)을 위해 전기 에너지를 화학 에너지로 변환할 수 있으며, 이온 전도 및 운송을 동시에 달성할 수 있다. 생성된 전자는 인접한 집전층을 통해 외부로 도출될 수 있다.
패키지층(23)의 재료는 에폭시, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 열가소성 폴리이미드, 실리콘, 아크릴 수지 또는 자외선-경화 접착제를 포함할 수 있다. 패키지층(23)은 전기 화학 시스템 요소(22)의 양측 상의 집전층에 접착된 2개의 단부를 갖는 전기 화학 시스템 요소(22)의 주변에 배치된다. 본 실시예에 따르면, 패키지층(23)은 다른 전기 화학 시스템 요소(22)의 전해질 시스템과의 누설 및 순환을 피하기 위해 패터닝된 도전층(16, 18)과 패키지층(23) 사이에 전해질 시스템을 시일링하기 위해 패터닝된 도전층(16, 18)에 접착된다. 이에 의해, 전기 화학 시스템 요소(22)는 독립적이고 완전한 전기 공급 모듈이다.
패키지층(23)의 시일링 효과를 향상시키기 위해, 패키지층(23)은 3개의 층을 갖도록 설계될 수 있다. 도 4b를 참조한다. 최상부층 및 바닥층(23a, 23b)은 개질된 실리콘이고 중간층은 실리콘층(23c)이다. 양측의 개질된 실리콘층(23a, 23b)은 이종(heterogeneous) 재료를 접착하기 위한 첨가 및 축합 실리콘의 비율을 조정함으로써 개질된다. 설계를 사용하여 계면의 응집력이 향상된다. 동시에, 전체 외관이 더 완전하고 생산 수율이 향상된다. 또한, 이 설계는 수분 침투를 차단할 수 있다. 내부적으로, 주요 구조로서 작용하는 실리콘층(23c)은 극성 용매 및 플라스틱 작용제에 의해 야기되는 손상을 차단할 수 있다. 이에 의해, 전체 시일링 구조가 보다 완전해질 수 있다.
또한, 보다 용이한 설명 및 식별을 위해, 수평 복합 전기 공급 구조체 예시하기 위한 도면에서 전기 화학 시스템 요소(22)는 도 4a 및 도 4b에서 나타낸 바와 같이 전기 화학 시스템 요소(22)의 상세한 구성 요소를 플롯팅하는 대신, 전기적 특성을 예시하기 위해 양 및 음의 전기 극성을 식별하기 위해 단순한 양 및 음의 부호를 사용한다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 양극 및 음극의 의미를 알아야 한다. 따라서, 상세 사항은 다시 설명되지 않을 것이다.
도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 단일 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)은 반대 극성의 복수의 수직으로 적층된 전기 화학 시스템 요소(22)를 직렬로 접속함으로써 형성된다. 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)의 최외측 상의 전기 화학 시스템 요소(22)의 외측은 집전층으로서 직접 패터닝된 도전층(16, 18)을 사용한다. 2개의 적층된 전기 화학 시스템 요소(22)는 전자를 격리 및 수집하기 위해 공통 집전층(19)을 사용한다. 이에 의해, 인접 전기 화학 시스템 요소(22)의 제2 활물질층(227) 및 제1 활물질층(225)이 공통 집전층을 통해 전기적으로 접속된다. 예를 들어, 도면에 나타낸 바와 같이, 제1 활물질층(225)은 양의 층이고, 제2 활물질층(227)은 음의 층이다. 그 후 최상부 전기 화학 시스템 요소(22)의 제2 활물질층(227)은 공통 집전층(19)에 접촉하고; 인접한(바닥) 전기 화학 시스템 요소(22)의 제1 활물질층(225)은 공통 집전층(19)에 접촉한다. 순차적으로 적층함으로써, 직렬 접속의 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)이 형성될 수 있다. 각각의 전기 화학 시스템 요소(22)의 전해질 시스템이 순환하지 않으므로, 전하 전달을 제외하고 인접한 전기 화학 시스템 요소(22) 사이에 전기 화학 반응이 없다(즉, 이온이 전달 또는 전도되지 않을 것임). 따라서, 복수의 전기 화학 시스템 요소(22)가 직렬로 접속되어 고전압을 형성하더라도, 개별 전기 화학 시스템 요소(22) 내부의 전해질 시스템은 영향을 받지 않을 것이다. 내부 전압은 여전히 단일 전기 화학 시스템 요소(22)의 전압으로 유지된다. 이에 의해, 이는 전해질 시스템의 최대 전압(일반적으로, 약 5 볼트)으로 제한하지 않을 것이며, 고전압을 갖는 전기 공급 요소 그룹(20)은 복수의 전기 공급 요소(22)를 직렬 적층함으로써 형성될 수 있다. 또한, 인접한 전기 화학 시스템 요소(22) 사이의 집전층이 접속을 위해 공유된다. 접촉 면적은 종래 기술에 따른 니켈 판 납땜에 의한 면적보다 훨씬 더 크다. 이에 의해, 전기 화학 시스템 요소 그룹의 내부 저항이 실질적으로 감소될 수 있다. 전기 화학 시스템 요소 그룹에 의해 형성된 전력 모듈의 성능은 거의 상실되지 않는다. 또한, 저항의 감소로 인하여 충전 및 방전 속도가 상당히 증가하고, 가열 문제가 상당히 감소된다. 그러면 전기 화학 시스템 요소 그룹의 냉각 시스템이 단순화될 수 있으며 용이하게 관리 및 제어될 수 있다. 이에 의해, 전체 복합 전기 공급 구조체의 신뢰성 및 안전성이 향상될 수 있다.
양극 및 음극(활물질층(225, 227))과 동시 접촉의 요건으로 인해, 상술한 패터닝된 도전층(16, 18) 및/또는 공통 집전층(19)의 재료는 고전압 및 저전압을 견딜 수 있어야 하고, 산화 반응이 일어나지 않아야 한다. 예를 들어, 재료는 스테인레스 강(SUS) 또는 흑연을 포함한다. 또한, 재료는 알루미늄, 구리, 티타늄, 니켈, 스테인레스 강 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 분말일 수 있다. 접착제와 혼합된 금속 전력을 분사 또는 캘린더링(calendering)함으로써, 패터닝된 도전층(16, 18) 및/또는 공통 집전층(19)이 제조될 수 있다.
본 개시에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체(10)는 제1 도전성 리드(24) 및 제2 도전성 리드(26)를 추가로 포함한다. 도 3에서, 제1 도전성 리드(24) 및 제2 도전성 리드(26)는 패터닝된 도전층(16)에 동시에 전기적으로 접속된다. 물론, 이들은 다른 패터닝된 도전층에 접속될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 도전성 리드(24)는 패터닝된 도전층(16)에 전기적으로 접속되며, 제2 도전성 리드(26)는 패터닝된 도전층(18)에 전기적으로 접속된다.
또한, 제1 도전성 리드(24) 및 제2 도전성 리드(26)는 이들과 전기적으로 접속된 패터닝된 도전층(16, 18)과 일체로 형성될 수 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 패터닝된 도전층의 일부(16a)의 일부는 제1 절연층(12)의 외부로 연장되어 제1 도전성 리드(24)로서 작용하고; 패터닝된 도전층의 일부(16c)는 제1 절연층(12)의 외부로 연장되어 제2 도전성 리드(26)로서 작용한다. 즉, 패터닝 프로세스 동안, 제1 도전성 리드(24) 및 제2 도전성 리드(26)의 패턴이 예비된다.
제1 및 제2 도전성 리드(24, 26)가 일체형 방법을 채택하지 않고 형성될 때, 제1 및 제2 도전성 리드(24, 26)의 재료는 패터닝된 도전층(16, 18)의 재료와 상이할 수 있다. 또한, 직접 접촉은 납땜 재료를 사용하거나 사용하지 않고 납땜하거나 용융 방법에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, 도전성 은(silver) 접착제 또는 도전성 천(cloth)이 채택될 수 있다.
본 개시에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체의 아키텍처 하에서, 배터리 모듈의 전체 용량 또는 전체 전압을 증가시키기 위해서, 단지 해야 할 것은 제1 및 제2 도전성 리드(24, 26)를 사용하여 복수의 수평 복합 전기 공급 구조체(10)의 외부 직렬/병렬 접속을 수행하는 것이다. 그러면 배터리 모듈의 전체 용량 또는 전체 전압이 증가될 수 있다. 예를 들어, 복수의 수평 복합 전기 공급 구조체(10)를 직렬로 외부에 접속함으로써, 전체 전압이 도 8a에 나타낸 바와 같이 증가될 수 있다. 복수의 수평 복합 전기 공급 구조체(10)를 병렬로 외부에 접속함으로써, 도 8b에 나타낸 바와 같이 전체 용량이 증가될 수 있다.
단일 수평 복합 전기 공급 구조체의 전압을 증가시키기 위해, 단순히 전기 화학 요소 그룹을 추가한다. 예를 들어, 도 9에 나타낸 바와 같이, 도 3과 비교하여, 2개의 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)이 패터닝된 도전층(16, 18)을 통해 직렬로 추가 및 접속된다.
도 6을 참조한다. 이러한 수평 복합 전기 공급 구조체(10)는 2개의 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)을 사용하여, 패터닝된 도전층(16, 18)을 통해 동일 극성을 병렬 접속함으로써 새로운 세트(28)를 형성한다. 그 후, 새로운 세트(28)가 요소로서 사용된다. 제1 및 제2 패터닝된 도전층(16, 18)을 통해 반대 극성을 접속함으로써, 직렬 접속이 형성된다. 또한, 새로운 세트(28)가 전기 화학 시스템 요소로 통합될 수 있지만, 분리되는 경우 갭(30)의 개수는 증가될 수 있다.
도 10을 참조한다. 접속된 전기 화학 시스템 요소 그룹(20) 사이의 갭은 수평 복합 전기 공급 구조체(10)에 대한 방열 채널로서 작용할 수 있다. 복수의 위치 결정 부재(32)가 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)을 향하는 제1 절연층(12) 및/또는 제2 절연층(14)의 표면 상에 형성된다. 위치 결정 부재(32)는 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)의 위치를 제한하기 위해 패터닝된 도전층(16, 18) 외부에 노출된다. 예를 들어, 위치 결정 부재(32)의 존재는 패터닝된 도전층(16, 18)을 정확한 위치에 고정시키는 것을 도울 수 있다. 또한, 가스 또는 액체와 같은 유체가 방열 효과를 증가시키기 위해 갭에 추가될 수 있다.
본 개시의 이점이 추가로 설명될 것이다. 예를 들어, 대만 특허 출원 번호 제106136071호의 복합 전기 공급 구조체에 따르면, 24개의 전기 화학 시스템 요소가 수직 및 직렬로 접속되어 24*4.2 볼트의 전압값을 제공한다. 동일한 전압값 및 전기 화학 시스템 요소의 갯수에 대해 본 개시에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체를 채택함으로써, 24개의 단일 전기 화학 시스템 요소가 도 9에 나타낸 바와 같이, 패터닝된 도전층(16, 18)을 통해 수평으로 반대 극성으로 접속될 수 있다. 대안적으로, 도 11에 나타낸 바와 같이, 12쌍의 적층된 전기 화학 시스템 요소가 패터닝된 도전층(16, 18)을 통해 수평으로 반대 극성으로 접속될 수 있다. 대안적으로, 다른 개수의 적층된 전기 화학 시스템 요소가 채택될 수 있다. 이러한 아키텍처 하에서, 예리한 금속 물체(34)가 24개의 수직으로 적층된 전기 화학 시스템 요소 대신 수평 복합 전기 공급 구조체를 외부로부터 천공할 때, 천공되는 물체는 단지 몇 개의 스택일 것이다. 이에 의해, 대량의 직렬로 적층된 전기 화학 시스템 요소에 대한 천공의 위험이 효과적으로 회피될 수 있다.
다음으로, 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)이 2 이상의 전기 화학 시스템 요소(22)에 의해 형성될 때, 복수의 전기 화학 시스템 요소(22)의 직렬 및/또는 병렬 구성이 설명된다.
도 5a를 참조한다. 도면에서, 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)의 복수의 전기 화학 시스템 요소(22)는 전기적으로 직렬로 그리고 반대 극성으로 접속된다. 도 12를 참조하면, 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)의 복수의 전기 화학 시스템 요소(22)는 전기적으로 병렬로 그리고 동일 극성으로 접속된다. 도 13을 참조하면, 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)의 복수의 전기 화학 시스템 요소(22)는 우선 병렬 접속 후 직렬 접속에 의한 혼합 방법으로 접속된다. 도 14를 참조하면, 전기 화학 시스템 요소 그룹(20)의 복수의 전기 화학 시스템 요소(22)는 우선 직렬 접속 후 병렬 접속에 의한 혼합 방법으로 접속된다. 상술한 혼합 접속 방법에서, 적절한 도선(78)이 전기 화학 시스템 요소(22)의 양/음의 단자(집전층)를 대응하는 패터닝된 도전층에 접속시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 전기 화학 시스템 요소(22)의 집전층 또는 공통 집전층(19)과 도선(78)의 편리한 접속을 위해, 도 15에 나타낸 바와 같이, 돌출 탭(79)이 집전층에 배치될 수 있다. 튀어나온 돌출 탭(79)은 전기 접속을 위해 사용될 수 있다.
요약하면, 본 개시는 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹을 포함하는 수평 복합 전기 공급 구조체를 제공한다. 전기 화학 시스템 요소 그룹은 특정 전압 및 용량에 도달하기 위해 패터닝된 도전층을 통해 수평 연장 방법으로 내부에 직렬 및/또는 병렬로 접속된다. 또한, 복수의 수평 복합 전기 공급 구조체의 외부 직렬 및/또는 병렬 접속은 수평 복합 전기 공급 구조체의 제1 및 제2 도전성 리드를 통해 수행될 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 수평 복합 전기 공급 구조체는 전기 공급 구조체에 대한 금속 물체의 천공으로 야기되는 잠재적인 손상을 효과적으로 방지하기 위해 제1 및 제2 절연층을 최상부 및 바닥에 포함한다.
또한, 천공을 효과적으로 차단하는 것에 더하여, 본 개시에 따른 제1 및 제2 절연층(12, 14)은, 복수의 전기 공급 구조체(10)가 외부에 직렬 및/또는 병렬로 접속될 때, 패터닝된 도전층 사이의 전기 접촉에 대한 차단층 역할을 할 수 있다.
따라서, 본 개시는 신규성, 진보성 및 유용성으로 인한 법적 요건에 따른다. 그러나, 상술한 설명은 본 개시의 실시예일 뿐이며, 본 개시의 범주 및 범위를 제한하는 데 사용되는 것은 아니다. 본 개시의 청구 범위에 설명된 형상, 구조, 특징 또는 사상에 따라 이루어진 이러한 동등한 변경 또는 수정은 본 개시의 첨부된 청구 범위에 포함된다.

Claims (19)

  1. 수평 복합 전기 공급 구조체로서,
    제1 절연층;
    상기 제1 절연층과 대향하여 배치된 제2 절연층;
    상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 대응 표면들 상에 배치된 2개의 패터닝된 도전층; 및
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층 사이에 샌드위치되고, 상기 패터닝된 도전층들과 접속하여 내부에 직렬 및/또는 병렬 접속을 형성하는 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹으로서, 각각의 상기 전기 화학 시스템 요소 그룹은 하나 이상의 전기 화학 시스템 요소에 의해 형성되고, 상기 전기 화학 시스템 요소는 개별적으로 상기 복수의 전기 화학 시스템 요소의 전해질 시스템들을 분리하기 위해 측벽 상에 패키지층을 포함하고, 각각의 상기 전기 화학 시스템 요소 그룹은 전하 전달을 제외하고는 전기 화학 반응을 갖지 않는 인접한 전기 화학 시스템 요소들을 갖고, 각각의 상기 전기 화학 시스템 요소 그룹의 양쪽의 최외측들 상의 상기 전기 화학 시스템 요소들은 상기 패터닝된 도전층들을 집전층들로서 직접 사용하는, 복수의 전기 화학 시스템 요소 그룹을 포함하는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 화학 시스템 요소 그룹이 하나 이상의 전기 화학 시스템 요소에 의해 형성될 때, 상기 복수의 전기 화학 시스템 요소는 수직으로 적층되고 인접한 전기 화학 시스템 요소들은 공통 집전층을 공유하는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전기 화학 시스템 요소는,
    인접한 패터닝된 도전층 또는 상기 공통 집전층과 접촉하는 제1 활물질층;
    다른 인접한 패터닝된 도전층 또는 다른 공통 집전층과 접촉하는 제2 활물질층;
    상기 제1 활물질층과 상기 제2 활물질층 사이에 샌드위치된 격리층; 및
    상기 제1 활물질층과 상기 제2 활물질층에 배치된 상기 전해질 시스템을 포함하는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 동일하거나 상이한 패터닝된 도전층들에 전기적으로 접속된 제1 도전성 리드 및 제2 도전성 리드를 더 포함하는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 도전성 리드 및 상기 제2 도전성 리드는 이들과 접속된 상기 패터닝된 도전층들과 일체로 형성되는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  6. 제4항에 있어서, 복수의 상기 수평 복합 전기 공급 구조체가 필요할 때, 상기 복수의 수평 복합 전기 공급 구조체는 상기 제1 도전성 리드 및 상기 제2 도전성 리드를 사용하여 직렬 및/또는 병렬적으로 외부로 접속되는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  7. 제1항에 있어서, 인접한 상기 전기 화학 시스템 요소 그룹들 사이에 배치된 복수의 방열 채널을 더 포함하는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  8. 제1항에 있어서, 복수의 위치 결정 부재가 상기 전기 화학 시스템 요소 그룹을 향하는 상기 제1 절연층 및/또는 상기 제2 절연층의 표면 상에 형성되고, 상기 복수의 위치 결정 부재가 상기 전기 화학 시스템 요소 그룹의 위치를 제한하기 위해 상기 패터닝된 도전층들 외부에 노출되는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전해질 시스템은 겔 상태, 액체 상태, 의사(pseudo) 고체 상태, 고체 상태 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  10. 제2항에 있어서, 상기 복수의 전기 화학 시스템 요소는 상이한 극성을 갖는 상기 제1 활물질층 및 상기 제2 활물질층을 사용하여 직렬 접속을 형성하기 위해 상기 공통 집전층과 접촉하는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 패키지층은 실리콘층 및 상기 실리콘층의 양 측 상의 2개의 개질된 실리콘층을 포함하는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  12. 제7항에 있어서, 유체가 상기 방열 채널들 내부에 추가되는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  13. 제2항에 있어서, 상기 패터닝된 도전층들 및/또는 상기 공통 집전층의 재료는 스테인레스 강 또는 흑연을 포함하는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  14. 제12항에 있어서, 상기 유체는 가스 또는 액체인, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  15. 제4항에 있어서, 상기 제1 도전성 리드, 상기 제2 도전성 리드 및 상기 제1 패터닝된 도전층들이 상이한 재료들일 때, 이들은 물리적 또는 화학적 접속에 의해 접속되는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 도전성 리드 및 상기 제2 도전성 리드는 납땜, 용융, 도전성 접착제 또는 도전성 천에 의해 상기 패터닝된 도전층들에 접속되는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  17. 제2항에 있어서, 상기 패터닝된 도전층들 및/또는 상기 공통 집전층은 알루미늄, 구리, 티타늄, 니켈, 스테인레스 강 및 하나 이상의 접착제와 혼합된 이들의 합금들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 분말들을 분사 또는 캘린더링(calendering)함으로써 제조되는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  18. 제2항에 있어서, 상기 패터닝된 도전층들 및/또는 상기 공통 집전층의 재료들은 고전압 및 저전압을 견디고 산화 반응을 갖지 않는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
  19. 제3항에 있어서, 상기 전기 화학 시스템 요소 그룹이 복수의 전기 화학 시스템 요소에 의해 형성될 때, 임의의 상기 전기 화학 시스템 요소 그룹의 상기 복수의 전기 화학 시스템 요소는 병렬 및/또는 직렬로 전기적으로 접속되는, 수평 복합 전기 공급 구조체.
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