KR20200074246A - 전극 어셈블리 및 2차 배터리 - Google Patents

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아쇼크 라히리
무랄리 라마수브라마니안
브루노 에이. 발데스
가드너 카메론 데일스
크리스토퍼 제이. 스핀트
제프리 매튜 호
3세 해롤드 제이. 러스트
제임스 디. 윌콕스
존 에프. 바니
킴 한 리
니라브 에스. 샤
리차드 제이. 콘트레라스
린 반 에르덴
켄 에스. 마츠바야시
제레미 제이. 달톤
제이슨 뉴튼 하워드
로버트 키스 로젠
조나단 씨. 도안
마이클 제이. 암스트롱
앤서니 칼카테라
벤자민 엘. 카르도조
조슈아 데이비드 위넌스
닐람 싱
제프리 글렌 벅
토마스 존 슈어레인
킴 레스터 포르투나티
닐 사스와트
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Abstract

전극 어셈블리들을 갖는 2차 배터리들의 실시예들이 제공된다. 2차 배터리는 적층된 일련의 층들을 갖는 전극 어셈블리를 포함할 수 있고, 적층된 일련의 층들은 적층된 일련의 단위 셀 멤버에서의 전극과 상대 전극 층들 사이의 오프셋을 갖는다. 제약들의 세트에는 세로 방향으로 서로로부터 분리되는, 그리고 적어도 하나의 1차 연결 멤버에 의해 연결되는 제1 및 제2 1차 성장 제약들이 있는 1차 제약 시스템이 제공될 수 있고, 2차 제약 시스템은 제2 방향으로 분리되는 그리고 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함한다. 1차 제약 시스템은 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제할 수 있고, 2차 제약 시스템은 세로 방향에 직교하는 제2 방향에서의 성장을 적어도 부분적으로 억제할 수 있다.

Description

전극 어셈블리 및 2차 배터리
본 개시내용은 2차 배터리들과 같은 에너지 저장 디바이스들에서 사용하기 위한 전극 어셈블리들에 일반적으로 관련된다.
흔들 의자식(rocking chair) 또는 삽입식 2차 배터리들은, 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘 또는 마그네슘 이온들 등과 같은, 캐리어 이온들이 전해질을 통해 양극(positive electrode)과 음극(negative electrode) 사이에 이동하는 에너지 저장 디바이스의 타입이다. 2차 배터리는 단일 배터리 셀, 또는 배터리를 형성하도록 전기적으로 연결된 2개 이상의 배터리 셀들을 포함할 수 있으며, 각각의 배터리 셀은 양극, 음극, 미세다공성 분리기(microporous separator), 및 전해질을 포함한다.
흔들 의자식 배터리 셀들에서, 양극 및 음극 양자 모두는 캐리어 이온이 삽입되고 추출되는 재료들을 포함한다. 셀이 방전됨에 따라, 캐리어 이온들은 음극으로부터 추출되어 양극에 삽입된다. 셀이 충전됨에 따라, 역방향 프로세스가 발생한다: 캐리어 이온은 양극으로부터 추출되어 음극에 삽입된다.
캐리어 이온들이 전극들 사이에 이동할 때, 지속적인 과제들 중 하나는 배터리가 반복하여 충전되고 방전됨에 따라 전극들이 팽창하고 수축하는 경향이 있다는 사실에 존재한다. 전극들이 팽창할 때 전기적 단락들 및 배터리 장애들이 발생하기 때문에 사이클링 동안의 팽창 및 수축은 배터리의 신뢰성 및 사이클 수명에 대해 문제가 되는 경향이 있다. 발생할 수 있는 또 다른 쟁점은, 예를 들어 제조, 사용 또는 수송 동안 배터리 상의 물리적 또는 기계적 스트레스들에 의해 야기되는 전극 정렬에서의 불일치가 배터리의 단락 및 장애를 초래할 수 있다는 점이다.
따라서, 배터리의 신뢰성 및 사이클 수명을 개선하기 위해 배터리 사이클링 동안 전극들의 팽창 및 수축을 제어하는 것에 대한 필요성이 남아 있다. 배터리 풋프린트를 과도하게 증가시키지 않고 배터리의 기계적 안정성을 개선하는 구조체들, 및 전극 정렬을 제어하는 것에 대한 필요성이 또한 남아 있다.
또한, 이러한 배터리들의 신뢰할 수 있고 효과적인 제조의 수단에 대한 필요성이 남아 있다. 즉, 배터리의 사이클링 동안 정렬이 신중히 제어되는, 그리고 전극 어셈블리의 팽창이 제어되는 전극 어셈블리들을 갖는 배터리들을 제공하기 위한 효율적인 제조 방법들에 대한 필요성이 남아 있다.
본 개시내용의 하나의 양태는 충전 및 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리에 관련되고, 이러한 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 및 배터리 인클로저 내의 리튬 이온들, 및 전극 제약들의 세트를 포함하고,
(a) 전극 어셈블리는 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면, 및 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면을 갖고, 측방향 표면은 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 전극 어셈블리는 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, 최대 길이 LEA 및 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 2:1이고
(b) 전극 어셈블리는 전극 어셈블리 내에서 세로 축과 평행한 적층 방향으로 적층되는 일련의 층들을 포함하고, 적층된 일련의 층들은 음극 활성 재료 층들의 집단, 음극 전류 수집기 층들의 집단, 분리기 재료 층들의 집단, 양극 활성 재료 층들의 집단, 및 양극 전류 수집기 재료 층들의 집단을 포함하고,
(i) 음극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LE, 및 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE, 및 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE를 갖고, LE 대 HE 및 WE의 비율은 적어도 5:1이고;
(ii) 양극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC를 갖고, LC 대 HC 및 WC의 비율은 적어도 5:1이고
(iii) 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 60 wt%의 음극 활성 재료, 20 wt% 미만의 도전성 보조제, 및 결합제 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하고, 음극 활성 재료는 실리콘 함유 재료를 포함하고,
(c) 전극 제약들의 세트는 1차 제약 시스템 및 2차 제약 시스템을 포함하고,
(i) 1차 제약 시스템은 제1 및 제2 성장 제약들 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버를 포함하고, 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 멤버는 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 연결하여 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고,
(ii) 2차 제약 시스템은 제2 방향으로 분리되는 그리고 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하고, 2차 제약 시스템은 2차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고, 제2 방향은 세로 방향에 직교하고,
(iii) 1차 제약 시스템은 상호 수직인 그리고 적층 방향에 수직인 2개의 방향들 각각으로 전극 어셈블리 상에 유지되는 압력을 초과하는 적층 방향에서의 전극 어셈블리 상의 압력을 유지하고,
(d) 전극 어셈블리는 단위 셀들의 집단을 포함하고, 각각의 단위 셀은 전극 전류 수집기 층 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분, 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기 집단의 멤버, 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버, 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분 및 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 포함하고, (aa) 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 제1 측에 근접하고 상대 전극 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 대향 제2 측에 근접하고, (bb) 분리기는 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버로부터 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 전기적으로 격리시키고, 충전 및 방전 상태 사이의 배터리의 사이클링 동안 각각의 이러한 단위 셀의 분리기를 통해 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버와 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버 사이에 캐리어 이온들이 주로 교환되고, (cc) 각각의 단위 셀 내에서,
a. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, EVP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, CEVP1를 추적하고, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 플롯들 EVP1 및 CEVP1 사이의 분리 거리, SZ1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
b. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 각각, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들에 대향하고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, EVP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, CEVP2를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 플롯들 EVP2 및 CEVP2 사이의 분리 거리, SZ2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
본 개시내용의 다른 양태는 충전 및 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리에 관련되고, 이러한 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 및 배터리 인클로저 내의 캐리어 이온들, 및 전극 제약들의 세트를 포함하고,
(a) 전극 어셈블리는 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면, 및 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면을 갖고, 측방향 표면은 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 전극 어셈블리는 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, 최대 길이 LEA 및/또는 최대 폭 WEA은 최대 높이 HEA 초과이고,　
(b) 전극 어셈블리는 전극 어셈블리 내에서 세로 축과 평행한 적층 방향으로 적층되는 일련의 층들을 포함하고, 적층된 일련의 층들은 음극 활성 재료 층들의 집단, 음극 전류 수집기 층들의 집단, 분리기 재료 층들의 집단, 양극 활성 재료 층들의 집단, 및 양극 전류 수집기 재료 층들의 집단을 포함하고,
(i) 음극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LE, 및 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE, 및 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE를 갖고, LE 대 HE 및 WE의 비율은 적어도 5:1이고;
(ii) 양극 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC를 갖고, LC 대 HC 및 WC의 비율은 적어도 5:1이고
(iii) 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 60 wt%의 음극 활성 재료, 20 wt% 미만의 도전성 보조제, 및 결합제 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하고,
(c) 전극 제약들의 세트는 1차 제약 시스템 및 2차 제약 시스템을 포함하고,
(i) 1차 제약 시스템은 제1 및 제2 성장 제약들 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버를 포함하고, 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 멤버는 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 연결하여 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고,
(ii) 2차 제약 시스템은 제2 방향으로 분리되는 그리고 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하고, 2차 제약 시스템은 2차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고, 제2 방향은 세로 방향에 직교하고,
(iii) 1차 제약 시스템은 상호 수직인 그리고 적층 방향에 수직인 2개의 방향들 각각으로 전극 어셈블리 상에 유지되는 압력을 초과하는 적층 방향에서의 전극 어셈블리 상의 압력을 유지하고,
(d) 적층된 일련의 층들은 가로 방향으로 서로로부터 이격되는 대향 단부 표면들이 있는 층들을 포함하고, 층들의 복수의 대향 단부 표면들은, 대향 단부 표면들에서의 층들의 신장 및 좁힘으로 인해, 가로 방향으로 배향되는 소성 변형 및 균열을 드러낸다.
본 개시내용의 다른 양태들, 특징들 및 실시예들이 다음 설명 및 도면에서, 부분적으로, 논의될 것이고, 부분적으로, 명백할 것이다.
도 1a는 전극 어셈블리와 함께 이용되는 제약 시스템의 하나의 실시예의 사시도이다.
도 1b는 2차 배터리에 대한 3차원 전극 어셈블리의 하나의 실시예의 개략도이다.
도 1c는 도 1b의 전극 어셈블리의 삽도 단면도이다.
도 1d는, 도 1b에서의 라인 E를 따라서 취해지는, 도 1b의 전극 어셈블리의 단면도이다.
도 2a는 3차원 전극 어셈블리의 하나의 실시예의 개략도이다.
도 2b 및 도 2c는, 제약된 및 팽창된 구성들에서의 애노드 구조체 집단 멤버들을 묘사하는, 3차원 전극 어셈블리의 하나의 실시예의 개략도들이다.
도 3a 내지 도 3h는 전극 어셈블리에 대한 상이한 형상들 및 크기들의 예시적인 실시예들을 도시한다.
도 4a는 도 1a에 도시되는 바와 같은 라인 A-A'를 따라서 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 예시하고, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들의 엘리먼트들을 추가로 예시한다.
도 4b는 도 1a에 도시되는 바와 같은 라인 B-B'를 따라서 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 예시하고, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들의 엘리먼트들을 추가로 예시한다.
도 4c는 도 1a에 도시되는 바와 같은 라인 B-B'를 따라서 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 예시하고, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들의 엘리먼트들을 추가로 예시한다.
도 5는 도 1a에 도시되는 바와 같은 라인 A-A1'를 따라서 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 예시한다.
도 6a는 전극 어셈블리 위의 다공성 2차 성장 제약의 평면도의 하나의 실시예, 및 이러한 2차 성장 제약을 전극 어셈블리에 접착시키기 위한 하나의 실시예를 예시한다.
도 6b는 전극 어셈블리 위의 다공성 2차 성장 제약의 평면도의 하나의 실시예, 및 이러한 2차 성장 제약을 전극 어셈블리에 접착시키기 위한 다른 실시예를 예시한다.
도 7은, 1차 제약 시스템의 하나의 실시예 및 2차 제약 시스템의 하나의 실시예를 포함하는, 전극 제약들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1a에 도시되는 바와 같은 라인 A-A'를 따라서 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 예시한다.
도 8a 및 도 8b는, 전극 어셈블리를 포함하는 배터리의 반복 사이클링 시에 전극 구조체들에 의해 가해지는 힘들 뿐만 아니라, 전극 제약들의 세트에 의해 전극 어셈블리 상에 가해지는 힘들을 도시하는, 하나의 실시예에 따른, 힘 개략도들을 예시한다.
도 9a는, 전극 백본들이 전극 제약들의 세트를 어셈블링하기 위해 사용되는 1차 성장 제약 시스템의 하나의 실시예 및 2차 성장 제약 시스템의 하나의 실시예를 포함하는, 전극 제약들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1a에 도시되는 바와 같은 라인 A-A'를 따라서 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 예시한다.
도 9b는, 전극 전류 수집기들이 전극 제약들의 세트를 어셈블링하기 위해 사용되는 1차 성장 제약 시스템의 하나의 실시예 및 2차 성장 제약 시스템의 하나의 실시예를 포함하는, 전극 제약들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1a에 도시되는 바와 같은 라인 A-A'를 따라서 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 예시한다.
도 10은 성장 제약들의 세트의 하나의 실시예를 이용하는 에너지 저장 디바이스 또는 2차 배터리의 실시예의 분해도를 예시한다.
도 11a 내지 도 11c는, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 수직 단부 표면들 사이의, 수직 오프셋들 및/또는 분리 거리들 SZ1 및 SZ2의 결정을 위한 실시예들을 예시한다.
도 12a 내지 도 12c는, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 가로 단부 표면들 사이의, 가로 오프셋들 및/또는 분리 거리들 SX1 및 SX2의 결정을 위한 실시예들을 예시한다.
도 13a 및 13b는 전극 및/또는 상대 전극 활성 재료 층들의, 이들의 Feret 직경들에 따른, 높이 HE, HC 및 길이 LE, LC의 결정을 위한 실시예들을 예시한다.
도 14a 내지 도 14h는, 양자 모두 수직 오프셋들 및/또는 분리 거리들이 있는 그리고 없는, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들을 갖는 단위 셀들의 실시예들의, Z-Y 평면에서의 단면들을 예시한다.
도 15a 내지 도 15f는, 양자 모두 가로 오프셋들 및/또는 분리 거리들이 있는 그리고 없는, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들을 갖는 단위 셀들의 실시예들의, Y-X 평면에서의 단면들을 예시한다.
도 16a 및 도 16b는 전극 및/또는 상대 전극 버스바들을 갖는 전극 어셈블리들의 실시예들을 예시한다. 도 16aa 및 도 16bb는 X-Y 평면에서 취해지는 도 16a 내지 도 16f의 각각의 단면들을 예시한다.
도 17은 전극 및 상대 전극 구조체들의 교대 배열을 갖는 2차 배터리의 실시예를 예시한다.
도 18a 및 도 18b는, 보조 전극들이 있는, 전극 어셈블리의 실시예들의, Z-Y 평면에서의 단면들을 예시한다.
도 19는 음극 서브유닛의 단부 부분의 제거 다음에 전류 수집기 단부가 노출되기 전과 후의 음극 서브유닛의 이미지의 개략도이고, 전류 수집기 단부에서의 단부 부분의 제거로부터 초래되는 전류 수집기 단부의 부분들에서의 소성 변형을 도시한다.
본 발명 주제의 다른 양태들, 실시예들 및 특징들은 첨부 도면과 함께 고려될 때 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 첨부 도면들은 개략도이며 축척대로 그려지도록 의도된 것은 아니다. 명확성의 목적들을 위해, 모든 엘리먼트 또는 컴포넌트가 모든 도면에 라벨링되어 있는 것은 아니며, 해당 분야에서의 통상의 기술자가 본 발명 주제를 이해하는 것을 허용하기 위해 예시가 필요하지 않은 경우 본 발명 주제의 각각의 실시예의 모든 엘리먼트 또는 컴포넌트가 도시되어 있는 것도 아니다.
<정의들>
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "a", "an" 및 "the"(즉, 단수 형태들)는 맥락이 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지칭대상들을 지칭한다. 예를 들어, 하나의 사례에서, "전극(an electrode)"이라는 지칭은 단일의 전극 및 복수의 유사한 전극들 양자 모두를 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "약(about)" 및 "대략(approximately)"은 언급된 값의 플러스 또는 마이너스 10%, 5%, 또는 1%를 지칭한다. 예를 들어, 하나의 사례에서, 약 250 ㎛는 225 ㎛ 내지 275 ㎛를 포함할 것이다. 추가의 예로서, 하나의 사례에서, 약 1,000 μm은 900 μm 내지 1,100 μm을 포함할 것이다. 달리 표시되지 않는 한, 명세서 및 청구항들에서 사용되는 수량들(예를 들어, 측정들 등) 등을 표현하는 모든 숫자들은 모든 사례들에서 "약(about)"이라는 용어에 의해 수정되는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 표시되지 않는 한, 다음의 명세서 및 첨부된 청구항들에 제시되는 수치 파라미터들은 근사화들이다. 각각의 수치 파라미터는 보고된 중요 디지트들의 수에 비추어 그리고 통상의 반올림 기법들을 적용하는 것에 의해 적어도 해석되어야 한다.
2차 배터리의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "애노드(anode)"는 2차 배터리에서의 음극을 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "애노드형 활성(anodically active)"은 2차 배터리의 애노드에서 사용하기에 적합한 재료를 의미한다.
2차 배터리의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "캐소드(cathode)"는 2차 배터리에서의 양극을 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "캐소드형 활성(cathodically active)"은 2차 배터리의 캐소드에서 사용하기에 적합한 재료를 의미한다.
2차 배터리의 상태의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "충전 상태(charged state)"는 2차 배터리가 자신의 정격 용량의 적어도 75%로 충전되는 상태를 지칭한다. 예를 들어, 배터리는 자신의 정격 용량의 적어도 80%, 자신의 정격 용량의 적어도 90%, 그리고 심지어, 자신의 정격 용량의 100%와 같은, 자신의 정격 용량의 적어도 95%로 충전될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "C-레이트(C-rate)"는 2차 배터리가 방전되는 레이트의 척도를 지칭하고, 방전 전류를 배터리가 1 시간 내에 자신의 공칭 정격 용량을 전달할 이론적인 유입 전류(current draw)로 나눈 것으로서 정의된다. 예를 들어, 1C의 C-레이트는 1 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, 2C의 레이트는 1/2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, C/2의 레이트는 2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, 등이다.
2차 배터리의 상태의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "방전 상태(discharged state)"는 2차 배터리가 자신의 정격 용량의 25% 미만으로 방전되는 상태를 지칭한다. 예를 들어, 배터리는, 자신의 정격 용량의 10% 미만과 같은, 자신의 정격 용량의 20% 미만, 그리고 심지어, 자신의 정격 용량의 0%와 같은, 자신의 정격 용량의 5% 미만으로 방전될 수 있다.
충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리의 사이클링의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "사이클(cycle)"은 배터리를 충전 및/또는 방전시켜 배터리를 사이클에서 충전 상태 또는 방전 상태 중 어느 하나인 제1 상태로부터 제1 상태의 반대인 제2 상태(즉, 제1 상태가 방전이라면 충전 상태, 또는 제1 상태가 충전이라면 방전 상태)로 이동시키고, 다음으로 배터리를 다시 제1 상태로 이동시켜 이러한 사이클을 완료하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리의 단일 사이클은, 충전 사이클에서와 같이, 배터리를 방전 상태로부터 충전 상태로 충전시키고, 다음으로 다시 방전 상태로 방전시켜, 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다. 단일 사이클은, 방전 사이클에서와 같이, 배터리를 충전 상태로부터 방전 상태로 방전시키고, 다음으로 다시 충전 상태로 충전시켜, 사이클을 완료하는 것을 또한 포함할 수 있다.
전극 어셈블리, 전극 활성 재료 층 및/또는 상대 전극 활성 재료 층에 대하여 본 명세서에서 참조되는 바와 같은 "Feret 직경(Feret diameter)"은 구조체, 즉, 전극 어셈블리 전극 활성 재료 층 및/또는 상대 전극 활성 재료 층을 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이의, 이러한 2개의 평면들에 수직인 방향으로 측정되는 바와 같은, 거리로서 정의된다. 예를 들어, 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경은 세로 방향에 수직인 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 다른 예로서, 가로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경은 가로 방향에 수직인 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 또 다른 예로서, 수직 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경은 수직 방향에 수직인 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 다른 예로서, 가로 방향에서의 전극 활성 재료 층의 Feret 직경은 가로 방향에 수직인 전극 활성 재료 층을 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 또 다른 예로서, 수직 방향에서의 전극 활성 재료 층의 Feret 직경은 수직 방향에 수직인 전극 활성 재료 층을 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 다른 예로서, 가로 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경은 가로 방향에 수직인 상대 전극 활성 재료 층을 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 또 다른 예로서, 수직 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경은 수직 방향에 수직인 상대 전극 활성 재료 층을 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "세로 축(longitudinal axis)", "가로 축(transverse axis)", 및 "수직 축(vertical axis)"은 상호 수직인 축들(즉, 각각이 서로 직교임)을 지칭한다. 예를 들어, 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "세로 축(longitudinal axis)", "가로 축(transverse axis)", 및 "수직 축(vertical axis)"은 3차원 양태들 또는 배향들을 정의하기 위해 사용되는 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate system)와 유사하다. 이와 같이, 본 명세서에서의 본 발명 주제의 엘리먼트들의 설명들은 이러한 엘리먼트들의 3차원 배향들을 설명하기 위해 사용되는 특정 축 또는 축들에 제한되는 것은 아니다. 대안적으로 언급되면, 본 발명 주제의 3차원 양태들을 참조할 때 이러한 축들이 교환가능할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "세로 방향(longitudinal direction)", "가로 방향(transverse direction)", 및 "수직 방향(vertical direction)"은 상호 수직인 방향들(즉, 각각이 서로 직교임)을 지칭한다. 예를 들어, 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "세로 방향(longitudinal direction)", "가로 방향(transverse direction)", 및 "수직 방향(vertical direction)"은 3차원 양태들 또는 배향들을 정의하기 위해 사용되는 데카르트 좌표계의 세로 축, 가로 축, 및 수직 축에, 각각, 일반적으로 평행할 수 있다.
2차 배터리의 충전 및 방전 상태들 사이의 사이클링의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "반복 사이클링(repeated cycling)"은 방전 상태로부터 충전 상태로, 또는 충전 상태로부터 방전 상태로 1회 초과 사이클링하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 충전 및 방전 상태들 사이의 반복 사이클링은, 방전 상태로부터 충전 상태로 충전시키는 것, 다시 방전 상태로 방전시키는 것, 다시 충전 상태로 충전시키는 것 그리고 최종적으로 다시 방전 상태로 방전시키는 것과 같이, 방전으로부터 충전 상태로 적어도 2회 사이클링하는 것을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 적어도 2 회 충전 및 방전 상태 사이의 반복 사이클링은 충전 상태로부터 방전 상태로 방전하는 것, 충전 상태로 다시 충전하는 것, 방전 상태로 다시 방전하는 것 그리고 최종적으로 충전 상태로 다시 충전하는 것을 포함할 수 있다. 추가의 예로서, 충전 및 방전 상태들 사이의 반복 사이클링은 방전으로부터 충전 상태로 적어도 5회, 그리고 심지어 적어도 10회 사이클링하는 것을 포함할 수 있다. 추가의 예로서, 충전 및 방전 상태들 사이의 반복 사이클링은 방전으로부터 충전 상태로 적어도 25회, 50회, 100회, 300회, 500회 그리고 심지어 1000회 사이클링하는 것을 포함할 수 있다.
2차 배터리의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "정격 용량(rated capacity)"은 표준 온도 조건들(25ºC) 하에서 측정되는 바와 같은, 기간에 걸쳐 명시된 전류를 전달하는 2차 배터리의 용량을 지칭한다. 예를 들어, 이러한 정격 용량은, 명시된 시간 동안 전류 출력을 결정하는 것에 의해, 또는 명시된 전류에 대해 전류가 출력될 수 있는 시간을 결정하고, 전류와 시간의 곱을 취하는 것에 의해, 암페어·시간(Amp·hour)의 단위들로 측정될 수 있다. 예를 들어, 정격이 20 Amp·hr인 배터리에 대해, 전류가 정격에 대해 2 암페어로 명시되면, 배터리는 10 시간 동안 그 전류 출력을 제공할 것인 것으로 이해될 수 있으며, 반대로 정격에 대해 시간이 10 시간으로 명시되면, 배터리는 10 시간 동안 2 암페어를 출력할 것인 것으로 이해될 수 있다. 특히, 2차 배터리에 대한 정격 용량은, C-레이트와 같은, 명시된 방전 전류에서의 정격 용량으로서 주어질 수 있고, C-레이트는 배터리가 자신의 용량에 비해 방전되는 레이트의 척도이다. 예를 들어, 1C의 C-레이트는 1 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, 2C는 1/2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, C/2는 2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, 등이다. 따라서, 예를 들어, 정격이 1C의 C-레이트에서 20 Amp·hr인 배터리는 1 시간 동안 20 암페어의 방전 전류를 제공할 것이고, 한편 정격이 2C의 C-레이트에서 20 Amp·hr인 배터리는 ½ 시간 동안 40 암페어의 방전 전류를 제공할 것이고, 정격이 C/2의 C-레이트에서 20 Amp·hr인 배터리는 2 시간에 걸쳐 10 암페어의 방전 전류를 제공할 것이다.
전극 어셈블리의 치수의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "최대 폭(Maximum width)"(WEA)은 세로 방향으로 전극 어셈블리의 세로 단부 표면들의 대향 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 가장 큰 폭에 대응한다.
전극 어셈블리의 치수의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "최대 길이(maximum length)"(LEA)는 가로 방향으로 전극 어셈블리의 측방향 표면의 대향 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 가장 큰 길이에 대응한다.
전극 어셈블리의 치수의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "최대 높이(maximum height)"(HEA)는 가로 방향으로 전극 어셈블리의 측방향 표면의 대향 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 가장 큰 높이에 대응한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "중심(centroid)"은 평면 객체의 기하학적 중심을 지칭하고, 이는 이러한 객체에서의 모든 지점들의 산술 평균 위치이다. n차원 공간에서, 이러한 중심은 좌표 방향들 모두에서의 객체의 모든 지점들의 평균 위치이다. 예를 들어 음극 및 양극 서브유닛들 및 음극 및 양극 활성 재료 층들과 같은, 본 명세서에서의 객체들의 중심을 설명하는 목적들을 위해, 이러한 객체들은 사실상 2-D 객체들로서 취급될 수 있어, 이러한 중심은 이러한 객체에 대한 질량 중심과 사실상 동일하다. 예를 들어, 양극 또는 음극 서브유닛의 중심, 또는 양극 또는 음극 활성 재료 층은, 이들의 질량 중심과 사실상 동일할 수 있다.
<상세한 설명>
일반적으로, 본 개시내용의 양태들은, 충전 및 방전 상태 사이에 사이클링하는 예를 들어 도 1b, 도 2a 및/또는 도 20에 도시되는 바와 같은, 2차 배터리(102)와 같은, 에너지 저장 디바이스(100), 및 그 제조의 방법에 관한 것이다. 2차 배터리(102)는 배터리 인클로저(104), 전극 어셈블리(106), 및 캐리어 이온들을 포함하고, 배터리 인클로저 내에 비-수성 액체 전해질을 또한 포함할 수 있다. 2차 배터리(102)는 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하는 전극 제약들의 세트(108)를 또한 포함할 수 있다. 제약되고 있는 전극 어셈블리(106)의 성장은 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 치수에서의 거시적 증가일 수 있다.
본 개시내용의 양태들은, 아래에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 2차 배터리의 단락 또는 장애의 위험을 과도하게 증가시키지 않고, 2차 배터리의 저장 용량을 개선할 수 있는, 전극 활성 재료 층들 및 상대 전극 활성 재료 층들에 대한, 수직 및 가로 방향들에서의 감소된 오프셋 및/또는 분리 거리를 추가로 제공한다. 본 개시내용의 양태들은 2차 배터리들을 제조하는 방법들, 및/또는 감소된 풋프린트가 있는 2차 배터리의 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있는 구조체들 및 구성들을 또한 제공할 수 있다.
추가로, 특정 실시예들에서, 본 개시내용의 양태들은 배터리들, 커패시터들, 연료 셀들 등과 같은 에너지 저장 디바이스들(100)에 통합될 때 특정 이점들을 제공하는 3차원 제약 구조체들을 포함한다. 하나의 실시예에서, 이러한 제약 구조체들은 2차 배터리(102)가 충전 및 방전 상태들 사이에 반복하여 사이클링될 때 달리 발생할 수 있는 전극 어셈블리(106)의 성장, 팽윤, 및/또는 팽창 중 적어도 하나에 저항하도록 선택되는 구성 및/또는 구조체를 갖는다. 특히, 방전 상태로부터 충전 상태로 이동함에 있어서, 예를 들어, 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘 및 마그네슘 중 하나 이상과 같은 캐리어 이온들이 배터리에서 양극과 음극 사이에 이동한다. 전극에 도달할 때, 캐리어 이온들은 다음으로 전극 재료 내로 인터칼레이트(intercalate)되거나 또는 합금화(alloy)될 수 있고, 따라서 해당 전극의 크기 및 체적을 증가시킨다. 반대로, 충전 상태로부터 방전 상태로 이동하는 역방향은 이온들로 하여금 디-인터칼레이트(de-intercalate)되거나 또는 탈-합금화(de-alloy)되게 할 수 있고, 따라서 전극을 수축시킨다. 이러한 합금화(alloying) 및/또는 인터칼레이션(intercalation) 및 탈-합금화(de-alloying) 및/또는 디-인터칼레이션(de-intercalation)은 전극에서의 상당한 체적 변경을 야기할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전극들로부터의 캐리어 이온들의 수송은, 예를 들어 재료의 나머지 층들의 정전 반발을 (예를 들어, LCO 및 일부 다른 재료들로) 증가시키는 것에 의해, 전극의 크기를 증가시킬 수 있다. 2차 배터리들(102)에서 팽윤을 야기할 수 있는 다른 메커니즘들은, 예를 들어, 전극들 상의 SEI의 형성, 전해질 및 다른 컴포넌트들의 분해, 및 심지어 가스 형성을 포함할 수 있다. 따라서, 충전 및 방전 시에 전극들의 반복 팽창 및 수축 뿐만 아니라, 다른 팽윤 메커니즘들은, 전극 어셈블리(106)에서 변형을 생성할 수 있으며, 이는 2차 배터리의 감소된 성능 및 궁극적으로는 심지어 장애로 이어질 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 개시내용의 실시예에 따른, 전극 어셈블리(106)의 반복 팽창 및/또는 수축의 효과들이 설명될 수 있다. 도 2a는, 전극 구조체들(110)의 집단 및 상대 전극 구조체들(112)의 집단(예를 들어, 각각, 애노드 및 캐소드 구조체들의 집단)이 있는, 3차원 전극 어셈블리(106)의 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서의 3차원 전극 어셈블리(106)는 서로와 맞물리는 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)의 교대 세트를 제공하고, 도 2a에 도시되는 실시예에서, Y 축에 평행한 세로 축 AEA, X 축에 평행한 가로 축(도시되지 않음), 및 Z 축에 평행한 수직 축(도시되지 않음)을 갖는다. 본 명세서에 도시되는 X, Y 및 Z 축들은 이러한 축들이 참조 공간에서 서로 상호 수직인 기본 세트(basis set)를 도시하도록만 의도되는 임의의 축들이고, 본 명세서에서의 구조체들을 구체적인 배향으로 제한하도록 의도되는 것은 결코 아니다. 전극 어셈블리(106)를 갖는 2차 배터리(102)의 충전 및 방전 사이클링 시에, 캐리어 이온들은, 일반적으로 도 2a에 묘사되는 실시예에 도시되는 바와 같은 Y 축에 평행한 방향으로와 같이, 전극 및 상대 전극 구조체들(각각, 110 및 112) 사이에 이동하고, 이동 방향 내에 위치되는 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112) 중 하나 이상의 전극 재료 내로 인터칼레이트될 수 있다. 전극 재료 내로의 캐리어 이온들의 인터칼레이션 및/또는 합금화의 효과는 도 2b 및 도 2c에 예시되는 실시예들에서 볼 수 있다. 특히, 도 2b는, 충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리(106)의 반복 사이클링 이전과 같은, 비교적 팽창되지 않은 상태에 있는 전극 구조체들(110)이 있는 전극 어셈블리(106)의 실시예를 묘사한다. 그에 비해, 도 2c는 미리 결정된 수의 사이클들에 대한 2차 배터리의 반복 사이클링 후의 전극 구조체들(110)이 있는 전극 어셈블리(106)의 실시예를 묘사한다. 이러한 도면에 도시되는 바와 같이, 전극 구조체들(110)의 치수들은, 전극 재료 내로의 캐리어 이온들의 인터칼레이션 및/또는 합금화로 인해, 또는 위에 설명된 것들과 같은 다른 메커니즘들에 의해, 적층 방향(예를 들어, Y 방향)으로 상당히 증가할 수 있다. 전극 구조체들(110)의 치수들은, Z 방향(도 2c에 도시되지 않음)으로와 같은, 다른 방향으로 또한 상당히 증가할 수 있다. 또한, 전극 구조체들(110)의 크기에서의 증가는, 전극 구조체들(110)에서의 팽창을 수용하기 위해, 어셈블리에서의 상대 전극 구조체들(112) 및 분리기(130)의 변형(deformation)과 같은, 전극 어셈블리 내부의 구조체들의 변형을 초래할 수 있다. 전극 구조체들(110)의 팽창은, (Z 방향에서의 상부 및 하부 표면들에서와 같은 다른 방향들에서 뿐만 아니라) 도 2c에 도시되는 실시예에 묘사되는 바와 같이, 이들의 세로 단부들에서 전극 어셈블리(106)의 벌징(bulging) 및/또는 워핑(warping)을 궁극적으로 초래할 수 있다. 따라서, 하나의 실시예에 따른 전극 어셈블리(106)는, 충전 및 방전 프로세스 동안 캐리어 이온들의 인터칼레이션 및 디-인터칼레이션으로 인해, 다른 축 뿐만 아니라, 어셈블리(106)의 세로(Y 축)를 따라 상당한 팽창 및 수축을 드러낼 수 있다.
따라서, 하나의 실시예에서, 예를 들어, 도 1a에 도시되는 바와 같이, 세로 방향에서의 (즉, Y 축과 평행한 방향에서의) 전극 어셈블리(106)의 성장, 팽창, 및/또는 팽윤 중 적어도 하나를 완화 및/또는 감소시키기 위해 1차 성장 제약 시스템(151)이 제공된다. 예를 들어, 이러한 1차 성장 제약 시스템(151)은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)에서의 팽창에 대향 것에 의해 성장을 제약하도록 구성되는 구조체들을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은, 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 그리고 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)을 함께 연결하는 적어도 하나의 1차 연결 멤버(162)와 함께 동작하여 전극 어셈블리(106)에서의 성장을 억제하는, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)을 포함한다. 예를 들어, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)은 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118)을 적어도 부분적으로 커버할 수 있고, 1차 성장 제약들(154, 156)을 서로 연결하는 연결 멤버(162, 164)와 함께 동작하여, 충전 및/또는 방전의 반복 사이클들 동안 발생하는 전극 어셈블리(106)에서의 임의의 성장에 대향하고 이를 억제할 수 있다. 1차 성장 제약 시스템(151)의 실시예들 및 동작의 추가의 논의가 아래에 보다 상세히 제공된다.
추가적으로, 2차 배터리(102)에서의 충전 및 방전 프로세스들을 통한 반복 사이클링은 전극 어셈블리(106)의 세로 방향(예를 들어, 도 2a에서의 Y 축)에서의 성장 및 변형을 유도할 수 있을 뿐만 아니라, 가로 및 수직 방향들(예를 들어, 도 2a에서의, 각각, X 및 Z 축들)과 같은, 위에 논의된 바와 같은, 세로 방향에 직교하는 방향들에서의 성장 및 변형을 또한 유도할 수 있다. 또한, 특정 실시예들에서, 하나의 방향에서의 성장을 억제하는 1차 성장 제약 시스템(151)의 통합은 심지어 하나 이상의 다른 방향에서의 성장 및/또는 팽윤을 악화시킬 수 있다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)이 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하도록 제공되는 경우에, 충전 및 방전의 사이클들 동안의 캐리어 이온들의 인터칼레이션 및 전극 구조체들의 결과적인 팽윤은 하나 이상의 다른 방향에서의 변형을 유도할 수 있다. 특히, 하나의 실시예에서, 전극 성장/팽윤 및 세로 성장 제약들의 조합에 의해 발생되는 변형은 수직 방향(예를 들어, 도 2a에 도시되는 바와 같은 Z 축)에서의, 또는 심지어 가로 방향(예를 들어, 도 2a에 도시되는 바와 같이 X 축)에서의 전극 어셈블리(106)의 버클링 또는 다른 장애(들)를 초래할 수 있다.
따라서, 본 개시내용의 하나의 실시예에서, 2차 배터리(102)는 1차 성장 제약 시스템(151) 뿐만 아니라, 1차 성장 제약 시스템(151)과 함께 동작하여 전극 어셈블리(106)의 다수의 축들을 따라 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있는 적어도 하나의 2차 성장 제약 시스템(152)을 또한 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 1차 성장 제약 시스템(151)과 인터로킹(interlock)하도록, 또는 달리 이와 상승적으로(synergistically) 동작하도록 구성될 수 있어, 전극 어셈블리(106)와 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151 및 152)을 갖는 2차 배터리의 개선된 성능 및 감소된 장애의 발생률을 전하도록 전극 어셈블리(106)의 전체적인 성장이 억제될 수 있다. 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151 및 152) 사이의 상호관계 및 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하는 이들의 동작의 실시예들의 추가의 논의가 아래에 보다 상세히 제공된다.
전극 어셈블리(106)의 성장을 제약하는 것에 의하면, 위에 논의된 바와 같이, 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 치수에서의 전체적인 거시적 증가가 제약된다는 점을 의미한다. 즉, 심지어 전극 어셈블리(106) 내의 하나 이상의 전극의 체적에서의 변경이 충전 및 방전 사이클들 동안 보다 작은(예를 들어, 미시적) 축척으로 그럼에도 불구하고 발생할 수 있을지라도, (X, Y, 및 Z 축들)을 따른 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 치수의 증가가 제어되도록 전극 어셈블리(106)의 전체적인 성장이 제약될 수 있다. 전극 체적에서의 미시적 변경은, 예를 들어, SEM(scanning electron microscopy)을 통해 관찰가능할 수 있다. 전극 제약들의 세트(108)가 미시적 레벨의 일부 개별 전극 성장을 억제하는 것이 가능할 수 있는 한편, 해당 성장이 적어도 억제될 수 있더라도, 일부 성장이 여전히 발생할 수 있다. 충전/방전 시의 개별 전극들에서의 체적 변경은, 이것이 각각의 개별 전극에 대해 미시적 레벨의 작은 변경일 수는 있지만, 그럼에도 불구하고 충전 및 방전 상태들 사이의 사이클링에 있어서 전체적인 전극 어셈블리(106)에 대한 거시적 레벨의 비교적 더 큰 체적 변경을 초래하는 부가 효과(additive effect)를 가질 수 있고, 그렇게 함으로써 전극 어셈블리(106)에서의 변형을 잠재적으로 야기할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)의 애노드에 대응하는 전극 구조체(110)에 사용되는 전극 활성 재료는 2차 배터리(102)의 충전 동안 전극 활성 재료 내로의 캐리어 이온들의 삽입 시에 팽창하는 재료를 포함한다. 예를 들어, 전극 활성 재료들은, 전극 활성 재료의 체적에서의 증가를 발생시키기에 충분한 양으로, 캐리어 이온들과 인터칼레이트하는 것 또는 이들과 합금화하는 것에 의해서와 같이, 2차 배터리의 충전 동안 캐리어 이온들을 수용하는 애노드형 활성 재료들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 활성 재료는, 2차 배터리(102)가 방전으로부터 충전 상태로 충전될 때, 전극 활성 재료의 몰 당 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 추가의 예로서, 전극 활성 재료는, 전극 활성 재료의 몰 당 2.0 몰 이상의 캐리어 이온과 같은, 전극 활성 재료의 몰 당 1.5 몰 이상의 캐리어 이온, 및, 전극 활성 재료의 몰 당 3.5 몰 이상의 캐리어 이온과 같은, 전극 활성 재료의 몰 당 심지어 2.5 몰 이상의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 전극 활성 재료에 의해 수용되는 캐리어 이온은 리튬, 칼륨, 나트륨, 칼슘, 및 마그네슘 중 적어도 하나일 수 있다. 이러한 체적 변경을 제공하도록 팽창되는 전극 활성 재료들의 예들은 실리콘(예를 들어, SiO), 알루미늄, 주석, 아연, 은, 안티몬, 비스무트, 금, 백금, 게르마늄, 팔라듐, 및 이들의 합금들 및 화합물들 중 하나 이상을 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 활성 재료는, 미립자 실리콘, 미립자 실리콘 산화물, 및 이들의 혼합물들 중 하나 이상과 같은, 미립자 형태로 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전극 활성 재료는 더 작은 또는 심지어 무시할 수 있는 체적 변경을 드러내는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 활성 재료는, 흑연과 같은, 탄소 함유 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전극 구조체는 리튬의 층을 포함하고, 이는 전극 활성 재료 층으로서 역할을 한다.
본 개시내용의 또 추가의 실시예들은, 2차 배터리들(102)과 같은, 에너지 저장 디바이스들(100), 및/또는, 전극 어셈블리들(106)을 포함하는, 제약 시스템들을 포함하지 않는, 또는 본 명세서에 설명되는 전극 제약들의 세트(108) 이외의 제약 시스템으로 제약되는, 이들을 위한 구조체들을 포함할 수 있다.
전극 어셈블리
도 1b 및 도 2a를 다시 참조하면, 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 전극 구조체들(110)의 집단, 상대 전극 구조체들(112)의 집단, 및 상대 전극 구조체들(112)로부터 전극 구조체들(110)을 전기적으로 절연시키는 전기적 절연성 분리기(130)를 포함한다. 하나의 예에서, 도 1b에 도시되는 바와 같이, 전극 어셈블리는 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들을 교대 배열로 포함하는 일련의 적층된 층들(800)을 포함한다. 도 1c는 도 1b의 전극 어셈블리(106)가 있는 2차 배터리를 도시하는 삽도이고, 도 1d는 도 1b의 전극 어셈블리(106)가 있는 2차 배터리의 단면이다. 또 다른 예로서, 도 2a에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 서로와 맞물리는 전극 및 상대 전극 구조체들이 있는 맞물림형 전극 어셈블리(106)를 포함한다.
또한, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "전극 구조체(electrode structure)" 또는 "전극 활성 재료(electrode active material)"와 같이 "전극(electrode)"이라는 용어를 사용하는 재료 또는 구조체를 설명하는 각각의 실시예에 대해, 이러한 구조체 및/또는 재료는 특정 실시예들에서, "음극 구조체(negative electrode structure)" 또는 "음극 활성 재료(negative electrode active material)"와 같이, "음극(negative electrode)"의 것에 대응할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 유사하게, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "상대 전극 구조체(counter-electrode structure" 또는 "상대 전극 활성 재료(counter-electrode active material)"와 같이 "상대 전극(counter-electrode)"이라는 용어를 사용하는 재료 또는 구조체를 설명하는 각각의 실시예에 대해, 이러한 구조체 및/또는 재료는 특정 실시예들에서, "양극", "양극 구조체(positive electrode structure)" 또는 "양극 활성 재료(positive electrode active material)"와 같이, "양극(positive electrode)"의 것에 대응할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 즉, 적합한 경우에, 전극 및/또는 상대 전극에 대해 설명되는 임의의 실시예들은 전극 및/또는 상대 전극이, 각각, 이들의 대응하는 구조체들 및 재료들을 포함하는, 구체적으로 음극 및/또는 양극인 동일한 실시예들에 대응할 수 있다.
하나의 실시예에서, 전극 구조체들(110)은, 도 7에 묘사되는 실시예에 도시되는 바와 같이, 전극 활성 재료 층(132), 전극 활성 재료 층(132)을 지지하는 전극 백본(134), 및, 이온들이 이들을 통해 통과하는 것을 허용하는 이온적 다공성 전류 수집기일 수 있는, 전극 전류 수집기(136)를 포함한다. 예를 들어, 전극 구조체(110)는, 하나의 실시예에서, 애노드형 활성 재료 층, 애노드 백본, 및 애노드 전류 수집기가 있는, 애노드 구조체를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전극 구조체(110)는, 도 1b에 도시되는 바와 같이, 애노드 전류 수집기(136) 및 애노드형 활성 재료 층(132)이 있는 애노드 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 애노드 전류형 수집기(136)는 하나 이상의 애노드 활성 재료 층 사이에 배치되는 애노드 전류 수집기 층을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전극 구조체(110)는, 리튬 시트 전극과 같은, 단일 층의 재료를 포함할 수 있다. 유사하게, 하나의 실시예에서, 상대 전극 구조체들(112)은, 예를 들어 도 7에 묘사되는 실시예에 도시되는 바와 같이, 상대 전극 활성 재료 층(138), 상대 전극 전류 수집기(140), 및 상대 전극 전류 수집기(140) 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138) 중 하나 이상을 지지하는 상대 전극 백본(141)을 포함한다. 예를 들어, 상대 전극 구조체(112)는, 하나의 실시예에서, 캐소드형 활성 재료 층, 캐소드 전류 수집기, 및 캐소드 백본을 포함하는 캐소드 구조체를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상대 전극 구조체(110)는, 도 1b에 도시되는 바와 같이, 캐소드 전류 수집기(140) 및 캐소드형 활성 재료 층(138)이 있는 캐소드 구조체를 포함할 수 있다. 전기적 절연성 미세다공성 분리기(130)는 충전 및/또는 방전 프로세스들 동안 캐리어 이온들이 이들을 통해 통과하여, 전극 어셈블리(106)에서의 전극 구조체들(110)과 상대 전극 구조체들(112) 사이에 이동하는 것을 허용한다. 또한, 전극 및 상대 전극 구조체들(각각, 110 및 112)은 본 명세서에 설명되는 구체적인 실시예들 및 구조체들에 제한되는 것은 아니고, 본 명세서에 구체적으로 설명되는 것들 이외의 다른 구성들, 구조체들, 및/또는 재료들이 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)을 형성하도록 또한 제공될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 전극 및 상대 전극 구조체들(110,112)은, 도 1b의 경우에서와 같이, 및/또는 백본들을 포함할 전극 및/또는 상대 전극 구조체들(110,112)의 영역이 대신에 전극 활성 재료 및/또는 상대 전극 활성 재료로 구성되는 경우에서와 같이, 구조체들이 임의의 전극 및/또는 상대 전극 백본들(134,141)에 실질적으로 존재하지 않는 형태로 제공될 수 있다.
도 1b 및 도 2a에 도시되는 바와 같은 실시예에 따르면, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들(각각, 110 및 112)의 멤버들은 교대 시퀀스로 배열되고, 이러한 교대 시퀀스의 방향은 적층 방향 D에 대응한다. 이러한 실시예에 따른 전극 어셈블리(106)는 상호 수직인 세로, 가로, 및 수직 축들을 추가로 포함하고, 세로 축 AEA는 전극 및 상대 전극 구조체 집단들의 멤버들의 적층 방향 D에 일반적으로 대응하거나 또는 평행하다. 도 2a에서의 실시예에 도시되는 바와 같이, 세로 축 AEA는 Y 축에 대응하는 것으로서 묘사되고, 가로 축은 X 축에 대응하는 것으로서 묘사되고, 수직 축은 Z 축에 대응하는 것으로서 묘사된다. 도 2a는, 2차 배터리 및 전극 어셈블리에 대한 치수들 및 축을 포함하는, 다양한 특징들의 설명을 위해 본 명세서에서 참조되지만, 이러한 설명들은, 도 1b 내지 도 1e의 실시예들을 포함하는, 본 명세서의 다른 도면들에 묘사되는 바와 같은 실시예들에 또한 적용된다는 점이 이해되어야 한다.
추가로, 전극 어셈블리(106)는 세로 방향으로(즉, y 축을 따라) 측정되는 최대 폭 WEA, 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 가로 방향으로(즉, x 축을 따라) 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방향 표면에 의해 또한 경계가 정해지고 수직 방향으로(즉, z 축을 따라) 측정되는 최대 높이 HEA를 갖는다. 최대 폭 WEA는 전극 어셈블리가 세로 방향으로 가장 넓은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116,118)의 대향 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리(106)의 가장 큰 폭에 대응하는 것으로서 이해될 수 있다. 예를 들어, 도 2a에서의 전극 어셈블리(106)의 실시예를 참조하면, 최대 폭 WEA는 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 어셈블리(106)의 폭에 단순히 대응하는 것으로서 이해될 수 있다. 그러나, 도 3h에 도시되는 전극 어셈블리(106)의 실시예를 참조하면, 최대 폭 WEA는 2개의 대향 지점들(300a, 300b)로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 폭에 대응하고, 여기서 전극 어셈블리는 전극 어셈블리(106)가 보다 좁은 대향 지점들(301a, 301b)로부터 측정되는 바와 같은 폭과 반대로, 세로 방향으로 가장 넓다는 점을 알 수 있다. 유사하게, 최대 길이 LEA는 전극 어셈블리는 가로 방향으로 가장 긴 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 대향 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 가장 큰 길이에 대응하는 것으로서 이해될 수 있다. 도 2a에서의 실시예를 다시 참조하면, 최대 길이 LEA는 단순히 전극 어셈블리(106)의 길이로서 이해될 수 있는 반면, 도 3h에 도시되는 실시예에서, 최대 길이 LEA는 2개의 대향 지점들(302a, 302b)로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 길이에 대응하고, 여기서 전극 어셈블리는, 전극 어셈블리가 더 짧은 대향 지점들(303a, 303b)로부터 측정되는 바와 같은 길이에 반대로, 가로 방향으로 가장 긴 것이다. 유사한 라인들을 따라, 최대 높이 HEA는 전극 어셈블리가 수직 방향으로 가장 높은 전극 어셈블리의 측방향 표면(143)의 대향 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 가장 큰 높이에 대응하는 것으로서 이해될 수 있다. 즉, 도 2a에 도시되는 실시예에서, 최대 높이 HEA는 단순히 전극 어셈블리의 높이이다. 도 3h에 도시되는 실시예에서 구체적으로 묘사되지 않지만, 전극 어셈블리가 세로 및 가로 방향 중 하나 이상에 걸쳐 지점들에서 상이한 높이들을 가졌다면, 전극 어셈블리의 최대 높이 HEA는, 최대 폭 WEA 및 최대 길이 LEA에 대해 유사하게 설명되는 바와 같이, 전극 어셈블리가 더 짧은 대향 지점들로부터 측정되는 바와 같은 높이와는 반대로, 전극 어셈블리가 수직 방향으로 가장 높은 2개의 대향 지점들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 높이에 대응하는 것으로 이해될 것이다. 전극 어셈블리(106)의 최대 길이 LEA, 최대 폭 WEA, 및 최대 높이 HEA는 에너지 저장 디바이스(100) 및 이들의 의도되는 용도에 의존하여 달라질 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 종래의 2차 배터리 치수들의 통상적인 최대 길이들 LEA, 폭들 WEA, 및 높이들 HEA를 포함할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 박막 배터리 치수들의 통상적인 최대 길이들 LEA, 폭들 WEA, 및 높이들 HEA를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 치수들 LEA, WEA이고, HEA는 수직 축(Z 축)을 따르는 최대 높이 HEA보다 긴 세로 축(Y축)을 따르는 최대 폭 WEA 및/또는 가로 축(X 축)을 따르는 최대 길이 LEA를 갖는 전극 어셈블리(106)를 제공하도록 선택된다. 예를 들어, 도 2a에 도시되는 실시예에서, 치수들 LEA, WEA, 및 HEA 는, 전극 구조체 적층 방향 D와 일치하는 세로 축(Y 축)을 따르는 뿐만 아니라, 전극 구조체 적층 방향 D와 직교하는 가로 축(X 축)을 따르는 가장 큰 치수를 갖는 전극 어셈블리(106)를 제공하도록 선택된다. 즉, 최대 길이 LEA 및/또는 최대 폭 WEA는 최대 높이 HEA 초과일 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 2:1일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 5:1일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 10:1일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 15:1일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 20:1일 수 있다. 상이한 치수들의 비율들은 에너지 저장 디바이스 내의 최적의 구성들이 활성 재료들의 양을 최대화하는 것을 허용할 수 있고, 그렇게 함으로써 에너지 밀도를 증가시킨다.
일부 실시예들에서, 최대 폭 WEA은 최대 높이 HEA 초과인 전극 어셈블리(106)의 폭을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 2:1일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 5:1일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 10:1일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 15:1일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 20:1일 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비율은 최적의 구성을 제공하는 미리 결정된 범위 내에 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비율은 1:5 내지 5:1의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비율은 1:3 내지 3:1의 범위에 있을 수 있다. 또 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비율은 1:2 내지 2:1의 범위에 있을 수 있다.
도 1b 및 도 2a에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA을 따라 제1 세로 단부 표면(116)으로부터 분리되는 대향 제2 세로 단부 표면(118) 및 제1 세로 단부 표면(116)을 갖는다. 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 적어도 부분적으로 둘러싸는, 그리고 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116,118)을 연결하는 측방향 표면(142)을 추가로 포함한다. 하나의 실시예에서, 최대 폭 WEA는, 제1 세로 단부 표면(116)으로부터 제2 세로 단부 표면(118)까지 측정되는 바와 같은 세로 축 AEA를 따르는 치수이다. 유사하게, 최대 길이 LEA은 측방향 표면(142)에 의해 경계가 정해질 수 있고, 하나의 실시예에서, 세로 축에 직교하는 가로 축을 따라 측방향 표면(142)의 대향 제1 및 제2 영역들(144,146)로부터 측정되는 바와 같은 치수일 수 있다. 하나의 실시예에서, 최대 높이 HEA,는 측방향 표면(142)에 의해 경계가 정해질 수 있고, 세로 축에 직교하는 수직 축을 따라 측방향 표면(142)의 대향 제1 및 제2 영역들(148,150)로부터 측정될 수 있다.
명확성의 목적들을 위해, 4개의 전극 구조체들(110) 및 4개의 상대 전극 구조체들(112)만이 도 2a에 도시되는 실시예에 예시되고, 유사하게, 제한된 수의 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들만이 도 1b에 도시된다. 하나의 실시예에서, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들(각각, 110 및 112)의 멤버들의 교대 시퀀스는, 에너지 저장 디바이스(100) 및 이들의 의도된 용도에 의존하여, 각각의 집단에 대한 임의의 수의 멤버들을 포함할 수 있고, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들(110 및 112)의 멤버들의 교대 시퀀스는, 예를 들어, 도 2a에 도시되는 바와 같이, 맞물릴 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는, 교대 시퀀스가 적층 방향 D를 따라서 종료될 때를 제외하고는, 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 2개의 멤버들 사이에 존재할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버는, 교대 시퀀스가 적층 방향 D를 따라서 종료될 때를 제외하고는, 전극 구조체들(110)의 집단의 2개의 멤버들 사이에 존재할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 그리고 보다 일반적으로 언급하면, 전극 구조체들(110)의 집단 및 상대 전극 구조체들(112)의 집단은 N개의 멤버들을 각각 갖고, N-1개의 전극 구조체 멤버들(110) 각각은 2개의 상대 전극 구조체 멤버들(112) 사이에 있고, N-1개의 상대 전극 구조체 멤버들(112) 각각은 2개의 전극 구조체 멤버들(110) 사이에 있으며, N은 적어도 2이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, N은 적어도 4이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, N은 적어도 5이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, N은 적어도 10이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, N은 적어도 25이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, N은 적어도 50이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, N은 적어도 100 이상이다. 하나의 실시예에서, 전극 및/또는 상대 전극 집단들의 멤버들은 백플레인에서의 멤버들의 기하학적 풋프린트(즉, 투영)의 2배 초과인 표면 면적(다공률을 무시함)을 갖도록 가상 백플레인(예를 들어, 전극 어셈블리의 표면과 실질적으로 일치하는 평면)으로부터 충분히 연장된다. 특정 실시예들에서, 비-층상(즉, 3차원) 전극 및/또는 상대 전극 구조체의 표면 면적 대 가상 백플레인에서의 자신의 기하학적 풋프린트의 비율은 적어도 약 5, 적어도 약 10, 적어도 약 50, 적어도 약 100, 및/또는 심지어 적어도 약 500일 수 있다. 그러나, 일반적으로, 이러한 비율은 약 2 내지 약 1000일 것이다. 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단의 멤버들은 사실상 비-층상이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 집단의 멤버들은 사실상 비-층상이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단의 멤버들 및 상대 전극 집단의 멤버들은 사실상 비-층상이다.
하나의 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리(106)가 종료되는 세로 단부들(117, 119)을 갖는다. 하나의 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)에서의 전극 및 상대 전극 구조체들(각각, 110 및 112)의 교대 시퀀스는, 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 각각의 단부(117, 119)에서의 전극 구조체들(110)로, 또는, 세로 방향에서의, 전극 어셈블리(106)의, 각각의 단부(117, 119)에서의 상대 전극 구조체들(112)로와 같이, 세로 방향을 따라 대칭 방식으로 종료된다. 다른 실시예에서, 전극(110) 및 상대 전극 구조체들(112)의 교대 시퀀스는, 세로 축 AEA의 하나의 단부(117)에서의 전극 구조체(110)로, 및 세로 축 AEA의 다른 단부(119)에서의 상대 전극 구조체(112)로와 같이, 세로 방향을 따라 비대칭 방식으로 종료될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 단부(117, 119)에서의 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112) 중 하나 이상의 서브구조체(substructure)로 종료될 수 있다. 예로서, 하나의 실시예에 따르면, 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)의 교대 시퀀스는, 전극 백본(134), 상대 전극 백본(141), 전극 전류 수집기(136), 상대 전극 전류 수집기(140), 전극 활성 재료 층(132), 상대 전극 활성 재료 층(138) 등을 포함하는, 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)의 하나 이상의 서브구조체에서 종료될 수 있고, 또한 분리기(130)와 같은 구조체로 종료될 수 있으며, 전극 어셈블리(106)의 각각의 세로 단부(117, 119)에서의 구조체가 동일(대칭)하거나 상이(비대칭)할 수 있다. 전극 어셈블리(106)의 세로 단자 단부들(longitudinal terminal ends)(117, 119)은 전극 어셈블리(106)의 전체적인 성장을 제약하도록 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)에 의해 접촉되는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118)을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 전극 및/또는 상대 전극 구조체들(110, 112)을 부하(load) 및/또는 전압 공급원(voltage supply)(도시되지 않음)에 전기적으로 연결하는데 사용될 수 있는 하나 이상의 전극 및/또는 상대 전극 탭(190, 192)(예를 들어, 도 20 참조)과 접촉할 수 있는 제1 및 제2 가로 단부들(145, 147)(예를 들어, 도 1b 및 도 2a 참조)을 갖는다. 예를 들어, 전극 어셈블리(106)는, 각각의 전극 구조체(110)가 연결될 수 있는, 그리고 전극 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버로부터의 전류를 풀링(pool)하는, 전극 버스(194)(예를 들어, 도 2a 참조)를 포함할 수 있다. 유사하게, 전극 어셈블리(106)는, 각각의 상대 전극 구조체(112)에 연결될 수 있는, 그리고 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버로부터의 전류를 풀링하는, 상대 전극 버스(196)를 포함할 수 있다. 전극 및/또는 상대 전극 버스들(194,196)은 방향 D에서 측정되는, 그리고 맞물리는 일련의 전극 구조체들(110,112)의 전체 길이를 실질적으로 연장하는 길이를 각각 갖는다. 도 20에 예시되는 실시예에서, 전극 탭(190) 및/또는 상대 전극 탭(192)은, 전극 및/또는 상대 전극 버스들(194, 196)의 전체 길이와 전기적으로 연결되는, 그리고 이를 실질적으로 실행하는, 전극 탭 연장들(191, 193)을 포함한다. 대안적으로, 전극 및/또는 상대 전극 탭들(190, 192)은, 탭 연장들(191, 193)을 요구하지 않고, 예를 들어, 버스들(194, 196)의 길이를 따라 이들의 단부 또는 중간 위치에서, 전극 및/또는 상대 전극 버스들(194, 196)에 직접 연결될 수 있다. 따라서, 하나의 실시예에서, 전극 및/또는 상대 전극 버스들(194, 196)은 가로 방향로 전극 어셈블리(106)의 단자 단부들(145, 147)의 적어도 일부분을 형성할 수 있고, 부하 및/또는 전압 공급원(도시되지 않음)으로의 전기적 연결을 위해 전극 어셈블리를 탭들(190, 192)에 연결할 수 있다. 또한, 또 다른 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 수직(Z) 축을 따라 배치되는 제1 및 제2 단자 단부들(149, 153)을 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에 따르면, 각각의 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112)에는, 도 2a에 도시되는 바와 같이, 분리기 재료의 상부 및 하부 코팅이 제공되고, 이러한 코팅들은 수직 방향으로 전극 어셈블리(106)의 단자 단부들(149, 153)을 형성한다. 분리기 재료의 코팅으로 형성될 수 있는 단자 단부들(149, 153)은 수직 방향에서의 성장을 제약하도록 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)과 접촉하게 배치될 수 있는 수직 축을 따라 측방향 표면(142)의 제1 및 제2 표면 영역들(148, 150)을 포함할 수 있다.
일반적으로, 전극 어셈블리(106)는 평면(planar)이거나, 동일-평면(co-planar)이거나, 또는 비-평면(non-planar)인 세로 단부 표면들(116, 118)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 대향 세로 단부 표면들(116, 118)은 볼록할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 대향 세로 단부 표면들(116, 118)은 오목할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 대향 세로 단부 표면들(116, 118)은 실질적으로 평면이다. 특정 실시예들에서, 전극 어셈블리(106)는 평면 상으로 투영될 때 임의의 범위의 2차원 형상들을 갖는 대향 세로 단부 표면들(116, 118)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 세로 단부 표면들(116, 118)은 매끄러운 곡선 형상(예를 들어, 원형, 타원형, 쌍곡선 또는 포물선)을 독립적으로 가질 수 있거나, 이들은 일련의 라인들 및 정점들(예를 들어, 다각형)을 독립적으로 포함할 수 있거나, 또는 이들은 매끄러운 곡선 형상을 독립적으로 포함하고 하나 이상의 라인 및 정점을 포함할 수 있다. 유사하게, 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)은 매끄러운 곡선 형상일 수 있거나(예를 들어, 전극 어셈블리(106)는 원형, 타원형, 쌍곡선, 또는 포물선 단면 형상을 가질 수 있음), 또는 이러한 측방향 표면(142)은 정점들에서 연결되는 2개 이상의 라인들을 포함할 수 있다(예를 들어, 전극 어셈블리(106)는 다각형 단면을 가질 수 있음). 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 원통형, 타원 원통형, 포물선 원통형, 또는 쌍곡선 원통형 형상을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는, 동일한 크기 및 형상의 대향 세로 단부 표면들(116, 118) 및 평행사변형 형상인 측방향 표면(142)(즉, 대향 세로 단부 표면들(116 및 118) 사이에 연장되는 면들(faces))을 갖는, 프리즘 형상을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 삼각형 프리즘에 대응하는 형상을 갖고, 전극 어셈블리(106)는 2개의 대향 삼각형 세로 단부 표면들(116 및 118) 및 2개의 세로 단부들 사이에 연장되는 3개의 평행사변형(예를 들어, 직사각형)으로 구성되는 측방향 표면(142)을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 직사각형 프리즘에 대응하는 형상을 갖고, 전극 어셈블리(106)는 2개의 대향 직사각형 세로 단부 표면(116 및 118), 및 4개의 평행사변형(예를 들어, 직사각형) 면들을 포함하는 측방향 표면(142)을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 오각형 프리즘, 육각형 프리즘 등에 대응하는 형상을 갖고, 전극 어셈블리(106)는, 각각, 평행사변형(예를 들어, 직사각형) 면들을 5개, 6개 등 포함하는 측방향 표면 및 세로 단부 표면들(116 및 118)에, 각각, 대향 2개의 오각형, 육각형 등을 갖는다.
이제 도 3a 내지 도 3h를 참조하면, 전극 어셈블리(106)에 대한 몇몇 예시적인 기하학적 형상들이 개략적으로 예시된다. 보다 구체적으로, 도 3a에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116,118), 및 세로 축 AEA 주위에 있는 세로 단부 표면들(116,118)을 연결하는 3개의 직사각형 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 삼각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3b에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향 제1 및 제2 평행사변형 세로 단부 표면들(116, 118), 및 2개의 세로 단부 표면들(116, 118)을 연결하는, 그리고 세로 축 AEA를 둘러싸는 4개의 평행사변형 형상의 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 평행육면체 형상을 갖는다. 도 3c에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향 제1 및 제2 직사각형 세로 단부 표면들(116,118), 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 연결하는, 그리고 세로 축 AEA를 둘러싸는 4개의 직사각형 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 직사각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3d에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향 제1 및 제2 오각형 세로 단부 표면들(116,118), 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 연결하는 그리고 세로 축 AEA를 둘러싸는 5개의 직사각형 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 오각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3e에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향 제1 및 제2 육각형 세로 단부 표면들(116,118), 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 연결하는, 그리고 세로 축 AEA를 둘러싸는 6개의 직사각형 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 육각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 3e에서, 전극 어셈블리는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향 제1 및 제2 정사각형 단부 표면들(116,118), 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 연결하는 그리고 세로 축 AEA를 둘러싸는 4개의 사다리꼴 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 정사각형 피라미드 절두체 형상을 갖고, 이러한 사다리꼴 면들은 제1 표면(116)에서의 더 큰 치수로부터 제2 표면(118)에서의 더 작은 치수까지 세로 축을 따라 치수에 있어서 테이퍼링되고, 제2 표면의 크기는 제1 표면의 것보다 작다. 도 3f에서, 전극 어셈블리는 세로 축 AEA, 를 따라 분리되는 대향 제1 및 제2 정사각형 단부 표면들(116,118), 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 연결하는 그리고 세로 축 AEA를 둘러싸는 5개의 사다리꼴 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 오각형 피라미드 절두체 형상을 갖고, 이러한 사다리꼴 면들은 제1 표면(116)에서의 더 큰 치수로부터 제2 표면(118)에서의 더 작은 치수까지 세로 축을 따라 치수에 있어서 테이퍼링되고, 제2 표면의 크기는 제1 표면의 것보다 작다. 도 3h에서, 전극 및 상대 전극 구조체들(110, 112)이 세로 축 상의 전극 어셈블리(106)의 중간을 향해 제1 길이로부터 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에서의 제2 길이들까지 감소하는 길이들을 갖는 것에 의해, 전극 어셈블리(106)는 세로 방향으로 피라미드 형상을 갖는다.
전극/상대 전극 분리 거리
하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)을 갖고, 이웃 전극 및 상대 전극 구조체들(110, 112)에서의, 전극 활성 재료 층들(132)과 상대 전극 재료 층들(138) 사이의 (수직 방향에서의) 높이 및/또는 (가로 방향에서의) 길이에 있어서의 오프셋은 미리 결정된 범위 내에 있도록 선택된다. 설명으로서, 도 14a는, 이들 사이의 미세다공성 분리기(130)로, 상대 전극 구조체(112)의 상대 전극 활성 재료 층(138)에 인접하여, 전극 구조체(110)의 전극 활성 재료 층(132)을 포함하는 전극 어셈블리(106)의 섹션의 하나의 실시예를 묘사한다. 도시되는 바와 같은 이러한 단면 컷-어웨이에서, 전극 활성 재료 층(132)의 z 방향에서의 높이는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 z 방향에서의 높이와 대략 동일하다. 전극 활성 재료 층(132) 및 상대 전극 활성 재료 층(138)의 동일한 높이가 있는 구조체들은 층들 사이의 캐리어 이온 용량의 매칭의 면에서 이점들을 가질 수 있고, 그렇게 함으로써 동일한 높이 층들을 갖는 2차 배터리(102)의 저장 용량을 개선하지만, 이러한 동일한 높이 층들이 또한 문제가 될 수 있다. 구체적으로, 전극 활성 재료 층들(132)의 것에 과도하게 가까운 높이를 갖는 상대 전극 활성 재료 층들(138)에 대해, 캐리어 이온들은 전극 활성 재료 층(132)의 수직 단부 표면(500), 및/또는 전극 구조체(110)의 부분을 형성하는 전극 전류 수집기(136)의 노출 부분으로 끌어당겨질 수 있다. 이러한 결과는 캐리어 이온들로부터 도금될 수 있고 및/또는 수상돌기들의 형성일 수 있으며, 이는 궁극적으로 배터리의 성능 저하 및/또는 장애로 이어질 수 있다. 캐소드 활성 재료 층(138)의 높이는 이러한 쟁점을 완화시키기 위해 전극 활성 재료 층(34)에 대하여 감소될 수 있지만, 크기에 있어서의 과도한 불균등들은 2차 배터리의 저장 용량 및 기능에 영향을 준다. 또한, 심지어 층들(138, 132) 사이의 오프셋 또는 분리 거리가 제공될 때, 이것은 2차 배터리(106)의 사용 또는 수송 동안과 같은, 층들을 갖는 2차 배터리의 기계적 충돌 또는 부딪힘은, 층들(138, 132)의 정렬을 이동시키고 변경할 수 있어, 층들 사이의 임의의 원래 오프셋 및/또는 분리 거리가 무시할만하게 되거나 또는 심지어 제거되는 경우일 수 있다.
따라서, 본 개시내용의 양태들은, (본 명세서에 설명되는 실시예들 중 임의의 것에 대응하는 세트와 같은) 제약들의 세트(108)를 제공하는 것에 의해, 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)에서의 층들(138, 132) 사이의 정렬이, 심지어 2차 배터리의 정상적인 사용 또는 수송 동안 마주치는 물리적 및 기계적 스트레스들 하에서, 유지될 수 있다는 발견에 관한 것이다. 따라서, 배터리의 단락 또는 장애의 감소된 위험을 또한 전하면서, 2차 배터리(106)의 양호한 저장 용량을 제공하기에 충분히 작은 미리 결정된 오프셋 및/또는 분리 거리가 선택될 수 있고, 미리 결정된 오프셋은 5 ㎛만큼 작고, 일반적으로 500 ㎛ 이하이다.
도 14a 내지 도 14h를 참조하면, 본 개시내용에 따른 추가의 양태들이 설명된다. 구체적으로, 전극 어셈블리(106)는 전극 구조체들(110)의 집단, 전극 전류 수집기들(136)의 집단, 분리기들(130)의 집단, 상대 전극 구조체들(112)의 집단, 상대 전극 수집기들(140)의 집단, 및 단위 셀들(504)의 집단을 포함한다는 점이 주목된다. 도 1b 및 도 2a를 참조하여 또한 도시되는 바와 같이, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들의 멤버들은 세로 방향으로 교대 시퀀스로 배열된다. 전극 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는 전극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들(502a,b) 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 Feret 직경에 대응하는 길이 LE(예를 들어, 도 15a 참조) 및 전극 활성 재료 층(132)의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들(500a,b) 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 전극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE(예를 들어, 도 17 참조)를 갖는 전극 활성 재료의 층(132) 및 전극 전류 수집기(136)를 포함한다. 전극 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는 전극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 전극 활성 재료 층(132)의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE(예를 들어, 도 14a 참조)를 갖는 전극 활성 재료의 층(132)을 또한 갖는다. 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들(503a,b) 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은, 상대 전극 활성 재료의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC(예를 들어, 도 15a 참조), 및 상대 전극 활성 재료 층(138)의제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들(501a, 501b) 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 Feret 직경에 대응하는 높이 HC(예를 들어, 도 17 참조)를 갖는 상대 전극 활성 재료의 층(138) 및 상대 전극 전류 수집기(140)를 추가로 포함한다. 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버는 전극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 상대 전극 활성 재료 층(138)의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC(예를 들어, 도 14a 참조)를 갖는 상대 전극 활성 재료의 층(138)을 또한 갖는다.
위에 정의된 바와 같이, 가로 방향에서의 전극 활성 재료 층(132)의 Feret 직경은 가로 방향에 수직인 전극 활성 재료 층을 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 수직 방향에서의 전극 활성 재료 층(132)의 Feret 직경은 수직 방향에 수직인 전극 활성 재료 층을 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 가로 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 Feret 직경은 가로 방향에 수직인 상대 전극 활성 재료 층을 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 수직 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 Feret 직경은 수직 방향에 수직인 상대 전극 활성 재료 층을 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 설명의 목적들을 위해, 도 13a 및 도 13b는, 단일 2D 평면에서 결정되는 바와 같은, 전극 활성 재료 층(132) 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138)에 대한 Feret 직경을 묘사한다. 구체적으로, 도 13a는, Z-Y 평면에서 취해지는 바와 같은, 전극 활성 재료 층(132) 및/또는 상대 전극 활성 재료 층의 2D 슬라이스를 묘사한다. z 방향(수직 방향)으로 층을 제한하는 2개의 평행한 X-Y 평면들(505a, 505b) 사이의 거리는 평면에서의 층의 높이 H(즉, HE 또는 HC)에 대응한다. 즉, 수직 방향에서의 Feret 직경은 층의 최대 높이의 척도에 대응하는 것으로 이해될 수 있다. 도 13a에서의 묘사는 2D 슬라이스에 대한 것일 뿐이지만, 설명의 목적들을 위해, 3D 공간에서 수직 방향에서의 Feret 직경은 단일 슬라이스로 제한되지 않지만, 이들 사이의 3차원 층을 제한하는 수직 방향으로 서로로부터 분리되는 X-Y 평면들(505a, 505b) 사이의 거리라는 점이 이해될 수 있다. 유사하게, 도 13b는, X-Z 평면에서 취해지는 바와 같은, 전극 활성 재료 층(132) 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 2D 슬라이스를 묘사한다. x 방향(가로 방향)으로 층을 제한하는 2개의 평행 Z-Y 평면들(505c, 505d) 사이의 거리는 평면에서의 층의 길이 L(즉, LE 또는 LC)에 대응한다. 즉, 가로 방향에서의 Feret 직경은 층의 최대 길이의 척도에 대응하는 것으로 이해될 수 있다. 도 13b에서의 묘사는 2D 슬라이스에 대한 것일 뿐이지만, 설명의 목적들을 위해, 3D 공간에서 가로 방향에서의 Feret 직경은 단일 슬라이스로 제한되지 않지만, 이들 사이의 3차원 층을 제한하는 가로 방향으로 서로로부터 분리되는 Z-Y 평면들(505c, 505d) 사이의 거리라는 점이 이해될 수 있다. 전극 활성 재료 층(132)의 폭 WE 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 폭 WC를 획득하기 위해, 세로 방향에서의 전극 활성 재료 층 및/또는 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경들이 유사하게 획득될 수 있다.
하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는, 본 명세서의 다른 곳에서 또한 설명된 바와 같이, 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면, 및 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면을 갖고, 측방향 표면은 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 전극 어셈블리는 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖는 것으로서 이해될 수 있다.
도 14a 내지 도 14h를 다시 참조하면, 각각의 단위 셀(504)은 전극 전류 수집기 집단의 제1 전극 전류 수집기(136)의 단위 셀 부분, 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기(130)(예를 들어, 다공성 재료를 포함하는 분리기), 전극 집단의 하나의 멤버의 제1 전극 활성 재료 층(132), 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 상대 전극 전류 수집기(140)의 단위 셀 부분 및 상대 전극 집단의 하나의 멤버의 제1 상대 전극 활성 재료 층(138)을 포함한다는 점을 알 수 있다. 하나의 실시예에서, (예를 들어, 도 18a에 묘사되는 바와 같이) 단위 셀 집단의 연속적인 및/또는 인접한 멤버들(504a, 504b, 504c)의 경우에, 전극 전류 수집기(136) 및/또는 상대 전극 전류 수집기의 적어도 일부분은 유닛들(504a와 504b, 및 504b와 504c) 사이에 공유될 수 있다. 예를 들어, 도 18a를 참조하면, 단위 셀들(504a 및 504b)은 상대 전극 전류 수집기(140)를 공유하고, 한편 단위 셀들(504b 및 504c)은 전극 전류 수집기(136)를 공유한다는 점을 알 수 있다. 하나의 실시예에서, 각각의 단위 셀은, 다른 구조적 배열들이 또한 제공될 수 있더라도, 공유 전류 수집기의 1/2을 포함한다. 또 다른 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부에서 단자 단위 셀의 일부분을 형성하는 전류 수집기에 대해, 단위 셀(504)은 공유되지 않은 전류 수집기를 포함할 수 있고, 따라서 전체 전류 수집기를 셀의 일부분으로서 포함한다.
또한, 도 14a 내지 도 14h 및 도 18a에 묘사되는 단위 셀들을 다시 참조하면, 각각의 단위 셀(504) 내에서, 제1 전극 활성 재료 층(132a)은 분리기(130)의 제1 측(506a)에 근접하고 제1 상대 전극 재료 층(138a)은 분리기(130)의 대향 제2 측(506b)에 근접한다는 점을 알 수 있다. 도 18a의 실시예에 도시되는 바와 같이, 전극 구조체들(110)은, 세로 방향으로 다음 인접 단위 셀의 일부분을 형성하는 제2 전극 활성 재료 층(132b) 뿐만 아니라, 단위 셀(504a)의 일부분을 형성하는 제1 전극 활성 재료 층(132a) 양자 모두를 포함한다. 유사하게, 상대 전극 구조체들(112)은, 세로 방향으로 다음 인접 단위 셀(504b)의 일부분을 형성하는 제2 상대 전극 활성 재료 층(138b) 뿐만 아니라, 단위 셀(504a)의 일부분을 형성하는 제1 상대 전극 활성 재료 층(138a) 양자 모두를 포함한다. 분리기(130)는 제1 상대 전극 활성 재료 층(138a)으로부터 제1 전극 활성 재료 층(132a)을 전기적으로 격리시키고, 캐리어 이온들은 충전 및 방전 상태 사이의 배터리의 사이클링 동안 각각의 이러한 단위 셀(504)의 분리기(130)를 통해 제1 전극 활성 재료 층(132a)과 제1 상대 전극 활성 재료(138a) 층 사이에 주로 교환된다.
각각의 단위 셀(504)에서의 제1 전극 활성 재료 층(132a)과 제1 상대 전극 활성 재료 층(138a) 사이의 오프셋 및/또는 분리 거리를 추가로 명확하게 하기 위해, 도 11a 내지 도 11c 및 12a 내지 도 12c에 대한 참조가 이루어진다. 구체적으로, 도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 수직 방향에서의 오프셋 및/또는 분리 거리가 설명된다. 이러한 실시예의 도 11a에 묘사되는 바와 같이, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 수직 단부 표면들(500a, 501a)은 전극 어셈블리(106)의 동일 측 상에 있다. 또한, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료(132)의 제1 대향 수직 단부 표면(500a)의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE를 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, EVP1를 추적한다. 즉, 도 11c를 참조하여 도시되는 바와 같이, 가로 방향(X)를 따라 각각의 ZY 평면에 대해, 전극 활성 재료 층(132)의 수직 단부 표면(500a)의 중간 수직 위치(z 위치)는, 그 표면에 대한 z 위치의 중간을, 해당 ZY 평면에 대한 구체적인 가로 위치(예를 들어, X1, X2, X3 등)에서, y의 함수로서, 취하는 것에 의해 결정될 수 있다. 도 11c는 선택된 x 슬라이스(예를 들어, X1에서의 슬라이스)에서 구체적인 ZY 평면에 대한 수직 단부 표면(500a)의 중간 수직 위치(z 위치)를 도시하는 라인의 예를 일반적으로 묘사한다. (도 11c는 일반적으로 수직 단부 표면들, 즉, 전극 활성 재료 층(132)의 제1 및 제2 수직 단부 표면(500a,b), 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 및 제2 수직 단부 표면들(501a,b)에 대한 중간 수직 위치들(도면들의 상부 및 하부에서의 점선들)의 결정을 일반적으로 묘사한다는 점에 주목한다.) 도 11b는, 전극 활성 재료의 길이 LE를 따라(즉, 길이 LE을 따라 각각의 x 위치 X1, X2, X3에서) 결정되는 바와 같은, 이러한 중간 수직 위치의 2D 맵이, (예를 들어, X1, X2, X3 등에서) x의 함수로서 플로팅되는 중간 수직 위치(z 위치)에 대응하는 제1 수직 단부 표면 플롯 EVP1를 추적하는 실시예를 묘사한다. 예를 들어, 전극 활성 재료 층(132)의 수직 단부 표면(500a)의 중간 수직 위치는 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부에서의 X0E 내지 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부에서의 XLE에 대응하는 x 위치들에 대한 x(가로 위치)의 함수로서 플로팅될 수 있고, XLE-XL0는 가로 방향에서의 전극 활성 재료 층(132)의 Feret 직경(전극 활성 재료 층(132)의 길이 LE)과 동일하다.
유사하게, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 대향 단부 표면(501a)의 경우에, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 대향 수직 단부 표면(501a)의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 길이 LC를 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, CEVP1를 추적한다. 도 11c를 다시 참조하면, 가로 방향을 따라 각각의 ZY 평면에 대해, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 수직 단부 표면(501a)의 중간 수직 위치(z 위치)가, 해당 ZY 평면에 대한 구체적인 가로 위치(예를 들어, X1, X2, X3 등)에서, y의 함수로서, 그 표면에 대한 z 위치의 중간을 취하는 것에 의해, 결정될 수 있다는 점이 이해될 수 있다. 도 11c는 선택된 x 슬라이스(예를 들어, X1에서의 슬라이스)에서 구체적인 YZ 평면에 대한 수직 단부 표면(501a)의 중간 수직 위치(z 위치)를 도시하는 라인의 예를 일반적으로 묘사한다. 도 11b는, 상대 전극 활성 재료의 길이 LC를 따라(즉, 길이 LC을 따라 각각의 x 위치 X1, X2, X3에서) 결정되는 바와 같은, 이러한 중간 수직 위치의 2D 맵이, (예를 들어, X1, X2, X3 등에서) x의 함수로서 플로팅되는 중간 수직 위치(z 위치)에 대응하는 제1 수직 단부 표면 플롯 CEVP1를 추적하는 실시예를 묘사한다. 예를 들어, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 수직 단부 표면(501a)의 중간 수직 위치는 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부에서의 X0C 내지 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부에서의 XLC에 대응하는 x 위치들에 대한 x(가로 위치)의 함수로서 플로팅될 수 있고, XLC-XL0는 가로 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 Feret 직경(상대 전극 활성 재료 층(138)의 길이 LC)과 동일하다.
또한, 전극 활성 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 수직 표면들(500a, 501a) 사이의 수직 분리에 대한 오프셋 및/또는 분리 거리 요건들은, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 플롯들 EVP1 및 CEVP1 사이의 분리 거리, SZ1의 절대값이 1000 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 5 ㎛인 것을 요구한다. 또한, 하나의 실시예에서, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 수직 단부 표면들(500a, 500b) 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로(예를 들어, 508을 따라 내측으로) 배치되는 것이 요구된다. 즉, 도 11b를 참조하는 것에 의해, x를 따르는 임의의 주어진 지점에서의 플롯들 EVP1 및 CEVP1 사이의 거리에 대응하는 분리 거리 Sz1의 절대값이, 제1 상대 전극 활성 재료 층(138)의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, 즉 X0C 내지 XLc의 위치 x의 적어도 60%(가로 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 1000 ㎛ 초과가 아니고, 5 ㎛ 미만이 아닐 것이 요구된다는 점을 알 수 있다. 또한, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은, 제1 상대 전극 활성 재료 층(138)의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, 즉, X0C 내지 XLc의 위치 x의 적어도 60%(가로 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다는 점을 알 수 있다.
하나의 실시예에서, SZ1의 절대값은, ≥ 10 ㎛, ≥ 15 ㎛, ≥ 20 ㎛, ≥ 35 ㎛, ≥ 45 ㎛, ≥ 50 ㎛, ≥ 75 ㎛, ≥ 100 ㎛, ≥ 150 ㎛, 및 ≥ 200 ㎛와 같이, ≥ 5 ㎛일 수 있다. 다른 실시예에서, SZ1의 절대값은, ≤ 475 ㎛, ≤ 425 ㎛, ≤ 400 ㎛, ≤ 375 ㎛, ≤ 350 ㎛, ≤ 325 ㎛, ≤ 300 ㎛, 및 ≤ 250 ㎛와 같이, ≤ 500 ㎛와 같이, ≤ 1000 마이크로미터일 수 있다. 하나의 실시예에서, SZ1의 절대값은 관계 1000 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 5 ㎛, 및/또는 500㎛ ≥ |SZ1| ≥ 10 ㎛, 및/또는 250 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 20 ㎛를 따를 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단위 셀에서의 상대 전극 활성 재료 층(132)의 폭 WE의 Feret 직경에 대해, SZ1의 절대값은 5 x WE ≥ |SZ1| ≥ 0.05 x WE의 범위에 있을 수 있다. 또한, 하나의 실시예에서, |SZ1|에 대한 위 값들 및/또는 관계들 중 임의의 것은, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 및 심지어 적어도 95%에 대해서와 같이, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 60% 초과에 대해 유효할 수 있다.
또한, X0C 내지 XLc의 위치 x의 적어도 60%(가로 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다. 즉, 전극 활성 재료 층(132)은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, 상대 전극 활성 재료 층(130)보다, 측방향 표면에 더 가까운 중간 수직 위치(도 11c에서와 같이, 명시된 X 슬라이스에 대한 YZ 평면에서의 z에서의 위치)를 갖는 것으로 이해될 수 있다. 다른 방식으로 언급되면, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 전극 활성 재료 층(132)의 중간 수직 위치보다, 전극 어셈블리(106)의 내측 방향(508)을 따라 추가로 있는 중간 수직 위치(도 11c에서와 같이, 명시된 X 슬라이스에 대한 YZ 평면에서의 z에서의 위치)를 갖는 것으로 이해될 수 있다. 상대 전극 활성 재료 층(138)에 대한 전극 활성 재료 층(132)의 이러한 수직 오프셋은, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 것을 초과하는 전극 재료 층(132)의 높이를 묘사하는, 도 11a에서의 실시예, 및 가로 방향을 따른 상대 전극 활성 재료 층의 중간 수직 위치 CEVP1를 초과하는 전극 활성 재료 층(132)의 중간 수직 위치 EVP1를 묘사하는, 도 11b의 플롯들에 대하여 또한 보여질 수 있다. 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 및 심지어 적어도 95%에 대해서와 같이, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 60% 초과에 대해 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
하나의 실시예에서, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 수직 단부 표면들(500a, 501a)에 대한 분리 거리 Sz1에 대해 위에 설명된 관계는, (예를 들어, 도 18a에 도시되는 바와 같이) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제2 수직 표면들(500b, 501b)에 대해 또한 유사하게 결정될 수 있다. 즉, 제2 수직 단부 표면들(500b 및 501b)은 서로와 동일 측의 전극 어셈블리(106) 상에 있고, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 수직 단부 표면들(500a, 501a)에, 각각, 대향한다. 또한, 위에 주어진 분리 거리 및/또는 오프셋 Sz1에 대해 주어지는 설명과 유사하게, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료(132)의 제2 대향 수직 단부 표면(500b)의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE를 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, EVP2를 추적한다. 즉, 도 11a 내지 도 11c를 참조하여 도시되는 바와 같이, 가로 방향을 따라 각각의 YZ 평면에 대해, 전극 활성 재료 층(132)의 제2 수직 단부 표면(500b)의 중간 수직 위치(z 위치)는, 그 표면에 대한 z 위치의 중간을, 해당 YZ 평면에 대한 구체적인 가로 위치(예를 들어, X1, X2, X3 등)에서, y의 함수로서, 취하는 것에 의해 결정될 수 있다. 도 11c는 선택된 x 슬라이스(예를 들어, X1에서의 슬라이스)에서 구체적인 YZ 평면에 대한 제2 수직 단부 표면(500b)의 중간 수직 위치(z 위치)를 도시하는 라인의 예를 일반적으로 묘사한다. 도 11b는, 전극 활성 재료의 길이 LE를 따라(즉, 길이 LE을 따라 각각의 x 위치 X1, X2, X3에서) 결정되는 바와 같은, 이러한 중간 수직 위치의 2D 맵이, (예를 들어, X1, X2, X3 등에서) x의 함수로서 플로팅되는 중간 수직 위치(z 위치)에 대응하는 제2 수직 단부 표면 플롯 EVP2를 추적하는 실시예를 묘사한다. 예를 들어, 전극 활성 재료 층(132)의 제2 수직 단부 표면(500b)의 중간 수직 위치는 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부에서의 X0E 내지 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부에서의 XLE에 대응하는 x 위치들에 대한 x(가로 위치)의 함수로서 플로팅될 수 있고, XLE-XL0는 가로 방향에서의 전극 활성 재료 층(132)의 Feret 직경(전극 활성 재료 층(132)의 길이 LE)과 동일하다.
유사하게, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 대향 단부 표면(501b)의 경우에, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 대향 수직 단부 표면(501b)의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 길이 LC를 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, CEVP2를 추적한다. 도 11a 내지 도 11c를 다시 참조하면, 가로 방향을 따라 각각의 YZ 평면에 대해, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 수직 단부 표면(501b)의 중간 수직 위치(z 위치)가, 해당 YZ 평면에 대한 구체적인 가로 위치(예를 들어, X1, X2, X3 등)에서, y의 함수로서, 그 표면에 대한 z 위치의 중간을 취하는 것에 의해, 결정될 수 있다는 점이 이해될 수 있다. 도 11c는 선택된 x 슬라이스(예를 들어, X1에서의 슬라이스)에서 구체적인 YZ 평면에 대한 제2 수직 단부 표면(501b)의 중간 수직 위치(z 위치)를 도시하는 라인의 예를 일반적으로 묘사한다. 도 11b는, 상대 전극 활성 재료의 길이 LC를 따라(즉, 길이 LC을 따라 각각의 x 위치 X1, X2, X3에서) 결정되는 바와 같은, 이러한 중간 수직 위치의 2D 맵이, (예를 들어, X1, X2, X3 등에서) x의 함수로서 플로팅되는 중간 수직 위치(z 위치)에 대응하는 제2 수직 단부 표면 플롯 CEVP2를 추적하는 실시예를 묘사한다. 예를 들어, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 수직 단부 표면(501b)의 중간 수직 위치는 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부에서의 X0C 내지 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부에서의 XLC에 대응하는 x 위치들에 대한 x(가로 위치)의 함수로서 플로팅될 수 있고, XLC-XL0는 가로 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 Feret 직경(상대 전극 활성 재료 층(138)의 길이 LC)과 동일하다.
또한, 전극 활성 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제2 수직 표면들(500b, 501b) 사이의 수직 분리에 대한 오프셋 및/또는 분리 거리 요건들은, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 플롯들 EVP2 및 CEVP2 사이의 분리 거리, SZ2의 절대값이 1000 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 5 ㎛인 것을 요구한다. 또한, 하나의 실시예에서, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제2 수직 단부 표면들(500b, 501b) 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되는 것이 요구된다. 즉, 도 11b를 참조하는 것에 의해, x를 따르는 임의의 주어진 지점에서의 플롯들 EVP2 및 CEVP2 사이의 거리에 대응하는 분리 거리 Sz2의 절대값이, 제1 상대 전극 활성 재료 층(138)의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, 즉 X0C 내지 XLc의 위치 x의 적어도 60%(가로 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 1000 ㎛ 초과가 아니고, 5 ㎛ 미만이 아닐 것이 요구된다는 점을 알 수 있다. 또한, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은, 제1 상대 전극 활성 재료 층(138)의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, 즉, X0C 내지 XLc의 위치 x의 적어도 60%(가로 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다는 점을 알 수 있다.
하나의 실시예에서, SZ2의 절대값은, ≥ 10 ㎛, ≥ 15 ㎛, ≥ 20 ㎛, ≥ 35 ㎛, ≥ 45 ㎛, ≥ 50 ㎛, ≥ 75 ㎛, ≥ 100 ㎛, ≥ 150 ㎛, 및 ≥ 200 ㎛와 같이, ≥ 5 ㎛일 수 있다. 다른 실시예에서, SZ2의 절대값은, ≤ 475 ㎛, ≤ 425 ㎛, ≤ 400 ㎛, ≤ 375 ㎛, ≤ 350 ㎛, ≤ 325 ㎛, ≤ 300 ㎛, 및 ≤ 250 ㎛와 같이, ≤ 500 ㎛와 같이, ≤ 1000 마이크로미터일 수 있다. 하나의 실시예에서, SZ2의 절대값은 관계 1000 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 5 ㎛, 및/또는 500㎛ ≥ |SZ2| ≥ 10 ㎛, 및/또는 250 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 20 ㎛를 따를 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단위 셀에서의 상대 전극 활성 재료 층(132)의 폭 WE의 Feret 직경에 대해, SZ2의 절대값은 5 x WE ≥ |SZ2| ≥ 0.05 x WE의 범위에 있을 수 있다. 또한, 하나의 실시예에서, |SZ2|에 대한 위 값들 및/또는 관계들 중 임의의 것은, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 및 심지어 적어도 95%에 대해서와 같이, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 60% 초과에 대해 유효할 수 있다. 또한, SZ2에 대해 위에 설명된 값 및/또는 관계들은 SZ1에 대한 것들과 동일 및/또는 상이할 수 있고, 및/또는 SZ1에 대해서보다 길이 Lc의 상이한 백분율에 대해 유효할 수 있다.
또한, X0C 내지 XLc의 위치 x의 적어도 60%(가로 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다. 즉, 전극 활성 재료 층(132)은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, 상대 전극 활성 재료 층(130)보다, 측방향 표면에 더 가까운 중간 수직 위치(도 11c에서와 같이, 명시된 X 슬라이스에 대한 YZ 평면에서의 z에서의 위치)를 갖는 것으로 이해될 수 있다. 다른 방식으로 언급되면, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 전극 활성 재료 층(132)의 중간 수직 위치보다, 전극 어셈블리(106)의 내측 방향(508)을 따라 추가로 있는 중간 수직 위치(도 11c에서와 같이, 명시된 X 슬라이스에 대한 YZ 평면에서의 z에서의 위치)를 갖는 것으로 이해될 수 있다. 상대 전극 활성 재료 층(138)에 대한 전극 활성 재료 층(132)의 이러한 수직 오프셋은, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 것을 초과하는 전극 재료 층(132)의 높이를 묘사하는, 도 11a에서의 실시예, 및 가로 방향을 따른 상대 전극 활성 재료 층의 중간 수직 위치 CEVP2 아래의 전극 활성 재료 층(132)의 중간 수직 위치 EVP2를 묘사하는, 도 11b의 플롯들에 대하여 또한 보여질 수 있다. 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 및 심지어 적어도 95%에 대해서와 같이, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 60% 초과에 대해 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다. 또한, 그것을 따라 상대 전극 활성 재료가 전극 활성 재료보다 더 내측에 있는 길이 Lc의 백분율은 제2 수직 표면들에 비해 제1 수직 표면들에서 상이할 수 있다.
또한, 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 각각의 단위 셀에서의 전극 및/또는 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 가로 단부들 사이의 가로 오프셋 및/또는 분리 거리를 추가로 포함한다. 도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 가로 방향에서의 오프셋 및/또는 분리 거리가 설명된다. 이러한 실시예의 도 12a에 묘사되는 바와 같이, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 가로 단부 표면들(502a, 503a)은 전극 어셈블리(106)의 동일 측 상에 있다(또한, 도 15a 내지 도 15f 참조). 또한, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료(132)의 제1 대향 가로 단부 표면(502a)의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, ETP1를 추적한다. 즉, 도 12a를 참조하여 도시되는 바와 같이, 수직 방향을 따라 각각의 YX 평면에 대해, 전극 활성 재료 층(132)의 가로 단부 표면(502a)의 중간 가로 위치(x 위치)는, 해당 YX 평면에 대한 구체적인 수직 위치(예를 들어, Z1, Z2, Z3 등)에서, y의 함수로서, 그 표면에 대한 x 위치의 중간을 취하는 것에 의해, 결정될 수 있다. 도 23c는 선택된 z 슬라이스(예를 들어, Z1에서의 슬라이스)에서 구체적인 YX 평면에 대한 제1 가로 단부 표면(502a)의 중간 가로 위치(x 위치)를 도시하는 라인의 예를 일반적으로 묘사한다. (도 23c는 일반적으로 가로 단부 표면들, 즉, 전극 활성 재료 층(132)의 제1 및 제2 가로 단부 표면(5002a,b), 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 및 제2 가로 단부 표면들(503a,b)에 대한 중간 가로 위치들(도면들의 상부 및 하부에서의 점선들)의 결정을 일반적으로 묘사한다는 점에 주목한다.) 도 12b는, 전극 활성 재료의 높이 HE를 따라(즉, 높이 HE를 따라 각각의 z 위치 Z1, Z2, Z3에서) 결정되는 바와 같은, 이러한 중간 가로 위치의 2D 맵이, (예를 들어, Z1, Z2, Z3 등에서) z의 함수로서 플로팅되는 중간 가로 위치(x 위치)에 대응하는 제1 가로 단부 표면 플롯 ETP1를 추적하는 실시예를 묘사한다. 예를 들어, 전극 활성 재료 층(132)의 가로 단부 표면(502a)의 중간 가로 위치는 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부에서의 Z0E 내지 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부에서의 ZHE에 대응하는 z 위치들에 대한 z(수직 위치)의 함수로서 플로팅될 수 있고, ZHE-Z0E는 수직 방향에서의 전극 활성 재료 층(132)의 Feret 직경(전극 활성 재료 층(132)의 높이 HE)과 동일하다.
유사하게, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 가로 단부 표면(503a)의 경우에, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 대향 가로 단부 표면(503a)의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HC를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, CETP1를 추적한다. 도 12a 내지 도 12c를 다시 참조하면, 수직 방향을 따라 각각의 YX 평면에 대해, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 가로 단부 표면(503a)의 중간 가로 위치(x 위치)가, 해당 YX 평면에 대한 구체적인 수직 위치(예를 들어, Z1, Z2, Z3 등)에서, y의 함수로서, 그 표면에 대한 x 위치의 중간을 취하는 것에 의해, 결정될 수 있다는 점이 이해될 수 있다. 도 23c는 선택된 z 슬라이스(예를 들어, Z1에서의 슬라이스)에서 구체적인 YX 평면에 대한 가로 단부 표면(503a)의 중간 가로 위치(x 위치)를 도시하는 라인의 예를 일반적으로 묘사한다. 도 12b는, 상대 전극 활성 재료의 높이 HC를 따라(즉, 높이 HC를 따라 각각의 z 위치 Z1, Z2, Z3에서) 결정되는 바와 같은, 이러한 중간 가로 위치의 2D 맵이, (예를 들어, Z1, Z2, Z3 등에서) z의 함수로서 플로팅되는 중간 가로 위치(x 위치)에 대응하는 제1 가로 단부 표면 플롯 CETP1를 추적하는 실시예를 묘사한다. 예를 들어, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 가로 단부 표면(503a)의 중간 가로 위치는 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부에서의 Z0C 내지 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부에서의 ZHC에 대응하는 z 위치들에 대한 z(수직 위치)의 함수로서 플로팅될 수 있고, ZHC-Z0C는 수직 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 Feret 직경(상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HC)과 동일하다.
또한, 전극 활성 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 가로 표면들(502a, 502b) 사이의 가로 분리에 대한 오프셋 및/또는 분리 거리 요건들은, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 플롯들 ETP1 및 CETP1 사이의 분리 거리, SX1의 절대값이 1000 ㎛ ≥ |SX1| ≥ 5 ㎛인 것을 요구한다. 또한, 하나의 실시예에서, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 가로 단부 표면들(502a, 503a) 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되는 것이 요구된다. 즉, 도 12b를 참조하는 것에 의해, z를 따르는 임의의 주어진 지점에서의 플롯들 ETP1 및 CETP1 사이의 거리에 대응하는 분리 거리 SX1의 절대값이, 제1 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, 즉 Z0C 내지 ZHc의 위치 z의 적어도 60%(수직 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 1000 ㎛ 초과가 아니고, 5 ㎛ 미만이 아닐 것이 요구된다는 점을 알 수 있다. 또한, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은, 제1 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, 즉, Z0C 내지 ZHc의 위치 z의 적어도 60%(수직 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다는 점을 알 수 있다.
하나의 실시예에서, Sx1의 절대값은, ≥ 10 ㎛, ≥ 15 ㎛, ≥ 20 ㎛, ≥ 35 ㎛, ≥ 45 ㎛, ≥ 50 ㎛, ≥ 75 ㎛, ≥ 100 ㎛, ≥ 150 ㎛, 및 ≥ 200 ㎛와 같이, ≥ 5 ㎛일 수 있다. 다른 실시예에서, SX1의 절대값은, ≤ 475 ㎛, ≤ 425 ㎛, ≤ 400 ㎛, ≤ 375 ㎛, ≤ 350 ㎛, ≤ 325 ㎛, ≤ 300 ㎛, 및 ≤ 250 ㎛와 같이, ≤ 500 ㎛와 같이, ≤ 1000 마이크로미터일 수 있다. 하나의 실시예에서, SX1의 절대값은 관계 1000 ㎛ ≥ |SX1| ≥ 5 ㎛, 및/또는 500㎛ ≥ |SX1| ≥ 10 ㎛, 및/또는 250 ㎛ ≥ |SX1| ≥ 20 ㎛를 따를 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단위 셀에서의 상대 전극 활성 재료 층(132)의 폭 WE의 Feret 직경에 대해, SX1의 절대값은 5 x WE ≥ |SX1| ≥ 0.05 x WE의 범위에 있을 수 있다. 또한, 하나의 실시예에서, |SX1|에 대한 위 값들 및/또는 관계들 중 임의의 것은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 및 심지어 적어도 95%에 대해서와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 60% 초과에 대해 유효할 수 있다. 또한, SX1에 대해 위에 설명된 값 및/또는 관계들은 SZ1 및/또는 SZ2에 대한 것들과 동일 및/또는 상이할 수 있다.
또한, Z0C 내지 ZHC의 위치 z의 적어도 60%(수직 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다. 즉, 전극 활성 재료 층(132)은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, 상대 전극 활성 재료 층(130)보다, 측방향 표면에 더 가까운 중간 가로 위치(도 23c에서와 같이, 명시된 Z 슬라이스에 대한 XY 평면에서의 x에서의 위치)를 갖는 것으로 이해될 수 있다. 다른 방식으로 언급되면, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 전극 활성 재료 층(132)의 중간 가로 위치보다, 전극 어셈블리(106)의 내측 방향(510)을 따라 추가로 있는 중간 가로 위치(도 23c에서와 같이, 명시된 X 슬라이스에 대한 XY 평면에서의 x에서의 위치)를 갖는 것으로 이해될 수 있다. 상대 전극 활성 재료 층(138)에 대한 전극 활성 재료 층(132)의 이러한 가로 오프셋은, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 것을 초과하는 전극 재료 층(132)의 길이를 묘사하는, 도 12a에서의 실시예, 및 수직 방향을 따른 상대 전극 활성 재료 층의 중간 가로 위치 CETP1를 초과하는 전극 활성 재료 층(132)의 중간 가로 위치 ETP1를 묘사하는, 도 12b의 플롯들에 대하여 또한 보여질 수 있다. 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 및 심지어 적어도 95%에 대해서와 같이, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 60% 초과에 대해 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다. 또한, 그것을 따라 상대 전극 활성 재료가 전극 활성 재료보다 더 내측에 있는 높이 Hc의 백분율은 제2 가로 단부 표면들에 비해 제1 가로 단부 표면들에서 상이할 수 있다.
하나의 실시예에서, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 가로 단부 표면들(502a, 503a)에 대한 분리 거리 SX1에 대해 위에 설명된 관계는, (예를 들어, 도 15a 내지 도 15f에 도시되는 바와 같이) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제2 가로 표면들(502b, 503b)에 대해 또한 유사하게 결정될 수 있다. 즉, 제2 가로 단부 표면들(502b 및 503b)은 서로의 전극 어셈블리(106)와 동일 측방향 표면 상에 있고, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 가로 단부 표면들(502a, 503a)에, 각각, 대향한다. 또한, 위에 주어진 분리 거리 및/또는 오프셋 SX1에 대해 주어지는 설명과 유사하게, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료(132)의 제2 대향 가로 단부 표면(502b)의 중간 가로 위치의 2D 맵은 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, ETP2 를 추적한다. 즉, 도 12a 내지 도 12c를 참조하여 도시되는 바와 같이, 수직 방향을 따라 각각의 YX 평면에 대해, 전극 활성 재료 층(132)의 제2 가로 단부 표면(502b)의 중간 가로 위치(x 위치)는, 해당 YX 평면에 대한 구체적인 수직 위치(예를 들어, Z1, Z2, Z3 등)에서, y의 함수로서, 그 표면에 대한 x 위치의 중간을 취하는 것에 의해, 결정될 수 있다. 도 23c는 선택된 슬라이스(예를 들어, Z1에서의 슬라이스)에서 구체적인 YX 평면에 대한 제2 가로 단부 표면(502b)의 중간 가로 위치(x 위치)를 도시하는 라인의 예를 일반적으로 묘사한다. 도 12b는, 전극 활성 재료의 높이 HE를 따라(즉, 높이 HE를 따라 각각의 z 위치 Z1, Z2, Z3에서) 결정되는 바와 같은, 이러한 중간 가로 위치의 2D 맵이, (예를 들어, Z1, Z2, Z3 등에서) z의 함수로서 플로팅되는 중간 가로 위치(x 위치)에 대응하는 제2 가로 단부 표면 플롯 ETP2를 추적하는 실시예를 묘사한다. 예를 들어, 전극 활성 재료 층(132)의 제2 가로 단부 표면(502b)의 중간 가로 위치는 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부에서의 Z0E 내지 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부에서의 ZHE에 대응하는 z 위치들에 대한 z(수직 위치)의 함수로서 플로팅될 수 있고, ZHE-Z0E는 수직 방향에서의 전극 활성 재료 층(132)의 Feret 직경(전극 활성 재료 층(132)의 높이 HE)과 동일하다.
유사하게, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 대향 가로 단부 표면(503b)의 경우에, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 대향 가로 단부 표면(503b)의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HC를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, CETP2를 추적한다. 도 12a 내지 도 12c를 다시 참조하면, 수직 방향을 따라 각각의 YX 평면에 대해, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 가로 단부 표면(503b)의 중간 가로 위치(x 위치)가, 해당 YX 평면에 대한 구체적인 수직 위치(예를 들어, Z1, Z2, Z3 등)에서, y의 함수로서, 그 표면에 대한 z 위치의 중간을 취하는 것에 의해, 결정될 수 있다는 점이 이해될 수 있다. 도 23c는 선택된 z 슬라이스(예를 들어, Z1에서의 슬라이스)에서 구체적인 YX 평면에 대한 제2 가로 단부 표면(503b)의 중간 가로 위치(x 위치)를 도시하는 라인의 예를 일반적으로 묘사한다. 도 12b는, 상대 전극 활성 재료의 높이 HC를 따라(즉, 높이 HC를 따라 각각의 z 위치 Z1, Z2, Z3에서) 결정되는 바와 같은, 이러한 중간 가로 위치의 2D 맵이, (예를 들어, Z1, Z2, Z3 등에서) z의 함수로서 플로팅되는 중간 가로 위치(x 위치)에 대응하는 제2 가로 단부 표면 플롯 CETP2를 추적하는 실시예를 묘사한다. 예를 들어, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 가로 단부 표면(503b)의 중간 가로 위치는 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부에서의 Z0C 내지 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부에서의 ZHC에 대응하는 z 위치들에 대한 z(수직 위치)의 함수로서 플로팅될 수 있고, ZHC-X0C는 수직 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 Feret 직경(상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HC)과 동일하다.
또한, 전극 활성 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제2 가로 표면들(502b, 503b) 사이의 가로 분리에 대한 오프셋 및/또는 분리 거리 요건들은, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 플롯들 ETP2 및 CETP2 사이의 분리 거리, SX2의 절대값이 1000 ㎛ ≥ |SX2| ≥ 5 ㎛인 것을 요구한다. 또한, 하나의 실시예에서, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제2 가로 단부 표면들(502b, 503b) 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되는 것이 요구된다. 즉, 도 12b를 참조하는 것에 의해, z를 따르는 임의의 주어진 지점에서의 플롯들 ETP2 및 CETP2 사이의 거리에 대응하는 분리 거리 SX2의 절대값이, 제1 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, 즉 Z0C 내지 ZHc의 위치 z의 적어도 60%(수직 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 1000 ㎛ 초과가 아니고, 5 ㎛ 미만이 아닐 것이 요구된다는 점을 알 수 있다. 또한, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은, 제1 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, 즉, Z0C 내지 ZHc의 위치 z의 적어도 60%(수직 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다는 점을 알 수 있다.
하나의 실시예에서, Sx2의 절대값은, ≥ 10 ㎛, ≥ 15 ㎛, ≥ 20 ㎛, ≥ 35 ㎛, ≥ 45 ㎛, ≥ 50 ㎛, ≥ 75 ㎛, ≥ 100 ㎛, ≥ 150 ㎛, 및 ≥ 200 ㎛와 같이, ≥ 5 ㎛일 수 있다. 다른 실시예에서, SX2의 절대값은, ≤ 475 ㎛, ≤ 425 ㎛, ≤ 400 ㎛, ≤ 375 ㎛, ≤ 350 ㎛, ≤ 325 ㎛, ≤ 300 ㎛, 및 ≤ 250 ㎛와 같이, ≤ 500 ㎛와 같이, ≤ 1000 마이크로미터일 수 있다. 하나의 실시예에서, SX2의 절대값은 관계 1000 ㎛ ≥ |SX2| ≥ 5 ㎛, 및/또는 500㎛ ≥ |SX2| ≥ 10 ㎛, 및/또는 250 ㎛ ≥ |SX2| ≥ 20 ㎛를 따를 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단위 셀에서의 상대 전극 활성 재료 층(132)의 폭 WE의 Feret 직경에 대해, SX2의 절대값은 5 x WE ≥ |SX2| ≥ 0.05 x WE의 범위에 있을 수 있다. 또한, 하나의 실시예에서, |SX2|에 대한 위 값들 및/또는 관계들 중 임의의 것은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 및 심지어 적어도 95%에 대해서와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 60% 초과에 대해 유효할 수 있다. 또한, SX2에 대해 위에 설명된 값 및/또는 관계들은 SX1, SZ1 및/또는 SZ2에 대한 것들과 동일 및/또는 상이할 수 있다.
또한, Z0C 내지 ZHC의 위치 z의 적어도 60%(수직 방향에서의 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경의 60%)에 대해, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다. 즉, 전극 활성 재료 층(132)은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, 상대 전극 활성 재료 층(130)보다, 측방향 표면에 더 가까운 중간 가로 위치(도 23c에서와 같이, 명시된 Z 슬라이스에 대한 XY 평면에서의 x에서의 위치)를 갖는 것으로 이해될 수 있다. 다른 방식으로 언급되면, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 전극 활성 재료 층(132)의 중간 가로 위치보다, 전극 어셈블리(106)의 내측 방향(510)을 따라 추가로 있는 중간 가로 위치(도 23c에서와 같이, 명시된 X 슬라이스에 대한 XY 평면에서의 x에서의 위치)를 갖는 것으로 이해될 수 있다. 상대 전극 활성 재료 층(138)에 대한 전극 활성 재료 층(132)의 이러한 가로 오프셋은, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 것을 초과하는 전극 재료 층(132)의 길이를 묘사하는, 도 12a에서의 실시예, 및 수직 방향을 따른 상대 전극 활성 재료 층의 중간 가로 위치 CETP2 아래의 전극 활성 재료 층(132)의 중간 가로 위치 ETP2를 묘사하는, 도 12b의 플롯들에 대하여 또한 보여질 수 있다. 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 및 심지어 적어도 95%에 대해서와 같이, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 60% 초과에 대해 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다. 또한, 그것을 따라 상대 전극 활성 재료가 전극 활성 재료보다 더 내측에 있는 높이 Hc의 백분율은 제2 가로 단부 표면들에 비해 제1 가로 단부 표면들에서 상이할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 수직 및/또는 가로 방향들에서의 오프셋 및/또는 분리 거리들은, 각각의 단위 셀에서의 전극 활성 재료 층들(132) 및 상대 전극 활성 재료 층들(138)의 정렬을 유지하고 안정화할 수 있는, 그리고 심지어 전극 어셈블리(106)에서 서로에 대하여 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)의 위치를 안정화할 수 있는 전극 제약들의 세트(108)를 제공하는 것에 의해 유지될 수 있다. 하나의 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는, 이들의 임의의 조합 또는 부분을 포함하는, 본 명세서에 설명되는 것들 중 임의의 것을 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버(162)를 포함하는 1차 제약 시스템(151)- 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)은 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 멤버(162)는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)을 연결함 -을 포함하고, 이러한 1차 제약 시스템(151)은 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하여, 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가는 20% 미만이다. 또 다른 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 제2 방향으로 분리되는 그리고 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)을 포함하는 2차 제약 시스템(152)을 추가로 포함하고, 이러한 2차 제약 시스템(155)은 2차 배터리(106)의 사이클링 시에 제2 방향- 이러한 제2 방향은 세로 방향에 직교함 -으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 적어도 부분적으로 억제한다. 전극 제약들의 세트(108)의 추가의 실시예들이 아래에 설명된다.
도 14a 내지 도 14h로 돌아가서, 수직 분리 거리 및/또는 오프셋에 대한, 단위 셀들(504)의 다양한 상이한 구성들이 설명된다. 도시되는 실시예들에서, 제약들의 세트(108)의 일부분은 층들(132)의 적어도 하나의 수직 단부에 배치되고, 단위 셀(504)의 하나 이상의 구조체에 연결될 수 있다. 예를 들어, 전극 제약들의 세트(108)는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)을 포함하고, 이러한 성장 제약들은 단위 셀에서의 구조체들의 수직 단부들에 연결될 수 있다. 도 14a에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 제1 및 제2 성장 제약들(158, 160)은 단위 셀의 구조체들을 제약들(158, 160)에 본딩하는 접착제 층들(516)을 통해 부착된다(도 1a의 컷-어웨이는 상위 제약(158)을 도시함). 도 14a에서, 전극 전류 수집기(136), 분리기 층(130) 및 상대 전극 전류 수집기(140)의 수직 단부들은 접착제 층(516)을 통해 제1 및 제2 성장 제약들(158, 160)에 본딩된다. 따라서, 아래에 추가로 상세히 설명되는 바와 같이, 전극 전류 수집기(136), 분리기 층(130) 및 상대 전극 전류 수집기(140) 중 하나 이상은, 개별적으로 또는 집합적으로, 제1 및 제2 성장 제약들을 연결하는 2차 연결 멤버(166)로서 작용하여, 전극 어셈블리(106)의 성장을 제약할 수 있다. 도 14b는 단위 셀(504)의 전극 전류 수집기(136), 분리기 층(130) 및 상대 전극 전류 수집기(140) 모두가 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)에 본딩되는 추가의 실시예를 도시한다. 대안적으로, 특정 구조체들은 제1 2차 성장 제약(158)에 본딩될 수 있고, 한편 다른 것들은 제2 2차 성장 제약에 본딩된다. 도 14c에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 전극 전류 수집기(136) 및 분리기 층(130) 양자 모두의 수직 단부들은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)에 본딩되고, 한편 상대 전극 전류 수집기(140)는 수직 방향으로 제1 및 2차 성장 제약들에 접촉하기 전에 종료된다. 도 14d 내지 도 14e에 도시되는 바와 같은 실시예들에서, 전극 전류 수집기(136) 및 상대 전극 전류 수집기(140) 양자 모두의 수직 단부들은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)에 본딩되고, 한편 분리기(130)는 수직 방향으로 제1 및 2차 성장 제약들에 접촉하기 전에 종료된다. 도 14f에 도시되는 바와 같은 실시예들에서, 전극 전류 수집기(136)의 수직 단부들은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)에 본딩되고, 한편 분리기(130) 및 상대 전극 전류 수집기(140)는 수직 방향으로 제1 및 2차 성장 제약들에 접촉하기 전에 종료된다. 도 14g 내지 도 14h에 도시되는 바와 같은 실시예들에서, 상대 전극 전류 수집기(140)의 수직 단부들은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)에 본딩되고, 한편 분리기(130) 및 전극 전류 수집기(136)는 수직 방향으로 제1 및 2차 성장 제약들에 접촉하기 전에 종료된다.
또한, 하나의 실시예에서, 단위 셀들(504)은 전극 활성 재료 층(132) 및/또는 상대 전극 활성 재료 층의 제1 및 제2 수직 표면들 중 하나 이상 사이에 배치되는 하나 이상의 절연체 멤버(514)를 포함할 수 있다. 절연체 멤버들(514)은 단위 셀(504)에서의 구조체들 사이의 단락을 억제하기 위해 전기적 절연성일 수 있다. 절연체 멤버들은, 이들을 통한 캐리어 이온들의 통과를 억제하기 위해, 또한 비-이온적 투과성이거나, 또는 분리기(130)보다 적어도 덜 이온적 투과성일 수 있다. 즉, 절연 멤버들(514)이 있는 단위 셀들(504)을 갖는 2차 배터리(102)의 수명을 연장하기 위해, 노출된 표면들이 그렇지 않으면 취약할 수 있는 도금, 수상돌기 형성, 및/또는 다른 전기화학적 반응들로부터, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 수직 표면들을 절연하도록 절연체 멤버들(514)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 절연 멤버(514)는 동일한 단위 셀(504)에서 제공되는 분리기(130)의 것 미만인 이온 투과율 및/또는 이온 컨덕턴스를 가질 수 있다. 예를 들어, 절연 멤버(514)는 아래에 추가로 설명되는 캐리어 이온 절연 재료 층(674)의 것과 동일한 및/또는 유사한 캐리어 이온들에 대한 투과율 및/또는 컨덕턴스를 가질 수 있다. 절연 멤버(514)는, 세라믹들, 폴리머들, 유리, 및 이들의 조합들 및/또는 복합물들을 포함하는, 다수의 상이한 재료들로부터 준비될 수 있다.
도 14a에 도시되는 실시예에서, 단위 셀(504)은 절연 멤버(514)를 갖지 않는데, 그 이유는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 수직 단부 표면들(500a, 501a) 양자 모두가 제1 2차 성장 제약(158)에 근접하는, 그리고 심지어 이와 실질적으로 동일한 높이인 수직 치수 z를 갖기 때문이다. 제2 수직 단부 표면들(500b, 501b)은 대향 수직 방향으로 제2 2차 성장 제약(160)에 유사하게 도달할 수 있다(도시되지 않음). 특정 실시예들에서, 심지어 절연 멤버(514)가 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138) 중 하나 이상의 수직 표면에 제공되지 않더라도, 단위 셀은, 위에 설명된 바와 같이, 미리 결정된 수직 오프셋들 Sz1 및 Sz2를 포함할 수 있다. 따라서, 하나의 양태에서, 도 14a에 도시되는 바와 같은 실시예는, 심지어 절연 멤버(514)가 제공되지 않더라도, 오프셋 Sz1 및/또는 Sz2(명시적으로 도시되지 않음)를 가질 수 있다.
도 14b에 도시되는 실시예는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들(500a, 501a) 사이의 명확한 오프셋 Sz1, 및 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 수직 단부 표면들(500a, 501a) 사이의 오프셋 Sz2(도시되지 않음)를 갖는 단위 셀(504)을 묘사한다. 이러한 실시예에서, 절연 멤버(514)는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 수직 단부 표면(501a)과 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면 사이에, 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 수직 단부 표면(501b)과 제2 2차 성장 제약(160)(도시되지 않음)의 내부 표면 사이에 제공된다. 도 14b에 도시되는 2D Z-Y 평면에 도시되지 않더라도, 절연 멤버(515)는 수직 표면들(501a, b) 중 하나 이상을 커버하기 위해, 세로 방향(y 방향) 및 가로 방향(x 방향 - 도 14b에서의 페이지 내로)으로와 같이, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 수직 표면(들) 위에 실질적으로 그리고 심지어 전체적으로 연장될 수 있다. 또한, 도 14b에 묘사되는 실시예에서, 절연체 멤버(514)는, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 하나의 세로 단부에서의 분리기(130), 및 다른 세로 단부에서의 상대 전극 전류 수집기(140) 사이에 배치되고 및/또는 이들에 의해 경계가 정해진다.
도 14c에 도시되는 실시예는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들(500a, 501a) 사이의 명확한 오프셋 Sz1, 및 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 수직 단부 표면들(500b, 501b) 사이의 오프셋 Sz2(도시되지 않음)를 갖는 단위 셀(504)을 또한 묘사한다. 또한 이러한 실시예에서, 절연 멤버(514)는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 수직 단부 표면(500a)과 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면 사이에, 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 수직 단부 표면(501b)과 제2 2차 성장 제약(160)(도시되지 않음)의 내부 표면 사이에 제공된다. 도 14c에 도시되는 2D Z-Y 평면에 도시되지 않더라도, 절연 멤버(515)는 수직 표면들(501a, b) 중 하나 이상을 커버하기 위해, 세로 방향(y 방향) 및 가로 방향(x 방향 - 도 14c에서의 페이지 내로)으로와 같이, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 수직 표면(들) 위에 실질적으로 그리고 심지어 전체적으로 연장될 수 있다. 또한, 도 14c에 묘사되는 실시예에서, 절연체 멤버(514)는, 상대 전극 활성 재료 층의 하나의 세로 단부에서의 분리기(130)에 의해 경계가 정해지지만, 다른 세로 단부에서의 상대 전극 전류 수집기(140)의 수직 표면(들)(516a) 위로 연장된다. 즉, 절연 멤버는, 이웃 단위 셀 구조체의 인접한 상대 전극 활성 재료 층(138)과 같이, 이웃 단위 셀 구조체를 향해 그리고 이에 인접하여 세로로 연장될 수 있다. 하나의 실시예에서, 절연 멤버(514)는, 인접한 단위 셀들(504a, 504b)에서의 층들(138)을 분리하는 상대 전극 전류 수집기(140) 위로, 그리고 이웃 셀들에서의 인접한 상대 전극 활성 재료 층들(138)의 수직 표면들 위로 통과하는 것에 의해, 인접한 상대 전극 활성 재료 층들(138)의 하나 이상의 수직 표면들(501a,b)에 걸쳐 연장될 수 있다. 즉, 절연 멤버(514)는, 단위 셀들(504a,b)을 세로 방향으로 서로로부터 분리하는 상대 전극 전류 수집기(140)의 수직 표면을 횡단하는 것에 의해, 제1 단위 셀(504a)에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 하나 이상의 수직 표면(501a,b)에 걸쳐, 그리고 제1 단위 셀(504a)에 인접하는 제2 단위 셀(504b)에서의 상대 전극 활성 재료 층(138)의 하나 이상의 수직 표면(501a,b) 위로 연장될 수 있다.
도 14d에 도시되는 실시예는 절연 멤버(514)가 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 수직 단부 표면(500a)과 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면 사이에, 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 수직 단부 표면(500b)과 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(도시되지 않음) 사이에 제공되고, 전극 활성 재료 층(138)의 하나 이상의 수직 단부 표면(500a, 500b)을 또한 커버하기 위해 분리기(130)의 하나 이상의 수직 표면(518a,b) 위로 또한 연장되는 단위 셀(504)을 도시한다. 즉, 절연 멤버(514)는 전극 활성 재료 층(132)의 제1 수직 단부 표면(500a)과 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면 사이에, 및/또는 (분리기(130)의 수직 표면들(518a,b)과 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 사이의 공간에서 뿐만 아니라) 전극 활성 재료 층(132)의 제2 수직 단부 표면(500b)과 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(도시되지 않음) 사이에 또한 제공된다. 도 14d에 도시되는 2D Z-Y 평면에 도시되지 않더라도, 절연 멤버(515)는 수직 표면들(500a,b, 501a,b) 중 하나 이상을 커버하기 위해, 세로 방향(y 방향) 및 가로 방향(x 방향 - 도 14d에서의 페이지 내로)으로와 같이, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 수직 표면(들) 위에 실질적으로 그리고 심지어 전체적으로 연장될 수 있다. 또한, 도 14d에 묘사되는 실시예에서, 절연체 멤버(514)는 단위 셀(504)의 하나의 세로 단부에서의 전극 전류 수집기(136), 및 다른 세로 단부에서의 상대 전극 전류 수집기(140) 사이에 배치되고 및/또는 이들에 의해 경계가 정해진다.
도 14d에 묘사되는 실시예는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들(500a, 501a) 사이의 오프셋 SV1, 및/또는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 수직 단부 표면들(500a, 501a) 사이의 오프셋 SV2를 명확히 묘사하지 않지만, 도 14d에 묘사되는 실시예의 양태들은, 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 수직 오프셋들 Sz1 및/또는 Sz2 중 하나 이상을 포함하는 것에 의해 또한 수정될 수 있다. 예를 들어, 도 14e에 도시되는 바와 같은 실시예는, 절연 멤버(514)가 상대 전극 활성 재료 층(138)의 하나 이상의 수직 단부 표면들(501a,b)을 커버할 뿐만 아니라 전극 활성 재료 층(132)의 하나 이상의 수직 단부 표면들(500a,b)을 또한 커버한다는 점에서, 도 14d와 동일한 및/또는 유사한 구조체들을 포함한다. 그러나, 도 14e는 전극 활성 재료 층(132)의 수직 단부 표면들(500a,b)과 상대 전극 활성 재료 층(138)의 수직 단부 표면들(501a,b) 사이의 명확한 수직 오프셋 및/또는 분리 거리 Sz1을 묘사한다. 따라서, 도시되는 바와 같은 실시예에서, 절연 멤버(514)는, 전극 활성 재료 층(132)의 제1 및 제2 수직 단부 표면들(500a,b) 위에, 절연 멤버(514)의 내부 및 외부 수직 표면들 사이에 측정되는 바와 같은, 제1 두께 T1, 및 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 및 제2 수직 단부 표면들(501a,b) 위에, 절연 멤버(514)의 내부 및 외부 수직 표면들 사이에 측정되는 바와 같은, 제2 두께들 T2를 포함하고, 제1 두께 T1은 제2 두께 T2 미만이다. 또한, 단일 절연 멤버(514)만이 도시되지만, 이것은 또한, 전극 활성 재료 층 위에 제1 두께 T1을 갖는 제1 멤버, 및 상대 전극 활성 재료 층(138) 위에 제2 두께 T2를 갖는 제2 절연 멤버(514)와 같은, 복수의 절연 멤버들(514)이 제공되는 경우일 수 있다. 도 14f에 묘사되는 실시예는, 하나 이상의 절연 멤버(514)가 전극 활성 재료 층 및 상대 전극 활성 재료 층의 수직 단부 표면들 위의 배치에 대하여, 각각, 두께 T1 및 T2를 갖는다는 점에서 도 14e에서의 것과 유사하다. 그러나, 이러한 실시예에서, 절연 멤버(514)는 상대 전극 전류 수집기(140)의 하나 이상의 수직 표면(516) 위로 연장되고, 도 14c를 참조하여 위에 설명된 바와 같이, 심지어 인접하는 단위 셀에서의 표면들을 커버하도록 연장될 수도 있다.
도 14g에 도시되는 실시예는 절연 멤버(514)가 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 수직 단부 표면(500a)과 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면 사이에, 및/또는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제2 수직 단부 표면(500b)과 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(도시되지 않음) 사이에 제공되고, 전극 활성 재료 층(138)의 하나 이상의 수직 단부 표면(500a, 500b)을 또한 커버하기 위해 분리기(130)의 하나 이상의 수직 표면(518a,b) 위로 또한 연장되는 단위 셀(504)을 도시한다. 즉, 절연 멤버(514)는 전극 활성 재료 층(132)의 제1 수직 단부 표면(500a)과 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면 사이에, 및/또는 (분리기(130)의 수직 표면들(518a,b)과 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 사이의 공간에서 뿐만 아니라) 전극 활성 재료 층(132)의 제2 수직 단부 표면(500b)과 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(도시되지 않음) 사이에 또한 제공된다. 도 14d에 도시되는 2D Z-Y 평면에 도시되지 않더라도, 절연 멤버(515)는 수직 표면들(500a,b, 501a,b) 중 하나 이상을 커버하기 위해, 세로 방향(y 방향) 및 가로 방향(x 방향 - 도 14d에서의 페이지 내로)으로와 같이, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 수직 표면(들) 위에 실질적으로 그리고 심지어 전체적으로 연장될 수 있다. 또한, 도 14g에 묘사되는 실시예에서, 절연체 멤버(514)는 단위 셀(504)의 하나의 세로 단부에서의 상대 전극 전류 수집기(140)에 의해 경계가 정해지지만, 전극 전류 수집기(136)의 하나 이상의 수직 단부 표면들(520) 위에 다른 세로 방향으로 연장된다. 예를 들어, 위의 도 14c와 유사하게, 절연 멤버(514)는, 이웃 단위 셀 구조체의 인접한 전극 활성 재료 층(132)과 같은, 이웃 단위 셀 구조체를 향해 그리고 이에 인접하여 세로로 연장될 수 있다. 하나의 실시예에서, 절연 멤버(514)는, 인접한 단위 셀들(504a, 504b) 사이의 층들(132)을 분리하는 전극 전류 수집기(136) 위로, 그리고 이웃 셀들에서의 인접한 전극 활성 재료 층들(132)의 수직 표면들 위로 통과하는 것에 의해, 인접한 전극 활성 재료 층들(132)의 하나 이상의 수직 표면(500a,b)에 걸쳐 연장될 수 있다. 즉, 절연 멤버(514)는, 단위 셀들(504a,b)을 세로 방향으로 서로로부터 분리하는 상대 전극 전류 수집기(140)의 수직 단부 표면(520a,b)을 횡단하는 것에 의해, 제1 단위 셀(504a)에서의 전극 활성 재료 층(132)의 하나 이상의 수직 표면(500a,b)에 걸쳐, 그리고 제1 단위 셀(504a)에 인접하는 제2 단위 셀(504b)에서의 전극 활성 재료 층(132)의 수직 표면들(500a,b) 위로 연장될 수 있다.
도 14g에 묘사되는 실시예는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들(500a, 501a) 사이의 오프셋 Sz1, 및/또는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 수직 단부 표면들(500a, 501a) 사이의 오프셋 Sz2를 명확히 묘사하지 않지만, 도 14g에 묘사되는 실시예의 양태들은, 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 수직 오프셋들 Sz1 및/또는 Sz2 중 하나 이상을 포함하는 것에 의해 또한 수정될 수 있다. 예를 들어, 도 14h에 도시되는 바와 같은 실시예는, 절연 멤버(514)가 상대 전극 활성 재료 층(138)의 하나 이상의 수직 단부 표면들(501a,b)을 커버할 뿐만 아니라 전극 활성 재료 층(132)의 하나 이상의 수직 단부 표면들(500a,b)을 또한 커버한다는 점에서, 도 14g와 동일한 및/또는 유사한 구조체들을 포함한다. 그러나, 도 14h는 전극 활성 재료 층(132)의 수직 단부 표면들(500a,b)과 상대 전극 활성 재료 층(138)의 수직 단부 표면들(501a,b) 사이의 명확한 수직 오프셋 및/또는 분리 거리 Sv1를 묘사한다. 따라서, 도시되는 바와 같은 실시예에서, 절연 멤버(514)는, 전극 활성 재료 층(132)의 제1 및 제2 수직 단부 표면들(500a,b) 위에, 절연 멤버(514)의 내부 및 외부 수직 표면들 사이에 측정되는 바와 같은, 제1 두께 T1, 및 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 및 제2 수직 단부 표면들(501a,b) 위에, 절연 멤버(514)의 내부 및 외부 수직 표면들 사이에 측정되는 바와 같은, 제2 두께들 T2를 포함하고, 제1 두께 T1은 제2 두께 T2 미만이다. 또한, 단일 절연 멤버(514)만이 도시되지만, 이것은 또한, 전극 활성 재료 층 위에 제1 두께 T1을 갖는 제1 멤버, 및 상대 전극 활성 재료 층(138) 위에 제2 두께 T2를 갖는 제2 절연 멤버(514)와 같은, 복수의 절연 멤버들(514)이 제공되는 경우일 수 있다.
도 15a 내지 도 15f를 참조하면, 절연 멤버들(514) 및/또는 가로 오프셋들 SX1 및 SX2이 있는 또는 없는, 단위 셀들(504)의 추가의 실시예들이 설명된다. 도 15a에 도시되는 실시예에서, 위에 설명된 오프셋 및/또는 분리 거리가, 예를 들어, 도 15b의 실시예에 도시되는 바와 같이, x 축을 따라 제공될 수 있더라도, 전극 활성 재료 층(132 및 138)은 식별가능한 가로 오프셋 SX1 및/또는 SX2를 갖지 않는 것으로 묘사된다. Y-X 평면에서의 2D 슬라이스를 통해 도시되는 바와 같이, 도 15a에 묘사되는 바와 같은 단위 셀(504)은 전극 전류 수집기(136), 전극 활성 재료 층(132), 분리기(130), 상대 전극 활성 재료 층(138), 및 상대 전극 전류 수집기(140)를 포함한다. 도 15a에서의 실시예는 절연 멤버(514)를 포함하지 않지만, 전극 전류 수집기(136)는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제2 가로 단부들(502b, 503b)을 지나 연장되고, 예를 들어, 도 16a 내지 도 16f에 도시되는 바와 같이, 전극 버스바(600)에 연결될 수 있다는 점을 알 수 있다. 유사하게, 상대 전극 전류 수집기(140)는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 가로 단부들(502a, 503a)을 지나 연장되고, 예를 들어, 도 16a 내지 도 16f에 도시되는 바와 같이, 상대 전극 버스바(602)에 연결될 수 있다.
도 15b에 도시되는 실시예를 참조하면, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 가로 표면들(503a,b) 중 적어도 하나 위로 연장되는 절연 멤버(514)가 있는 단위 셀 구성이 도시된다. 도시되는 바와 같은 실시예에서, 절연 멤버(514)는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 어느 한 쪽 가로 단부에 배치되고, 단위 셀(504)의 하나의 세로 단부 상의 상대 전극 전류 수집기(140)와, 단위 셀의 다른 세로 단부에서의 분리기(130) 사이에 배치된다(그리고 이들에 의해 경계가 정해진다). 절연 멤버들은, 도시되는 바와 같이 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)의 길이 LE에 매칭되는 가로 정도를 갖고, 전극 활성 재료 층과 가로 방향에서의 동일한 길이를 갖는 분리기에 의해 전극 활성 재료 층(132)으로부터 분리된다. x 방향에서의 절연 멤버(514)의 가로 정도는, 하나의 실시예에서, 도 15b에 도시되는 바와 같이, 가로 분리 거리 및/또는 오프셋 SX1, SX2와 동일할 수 있다. 또한, 도 15b에 묘사되는 2D Y-X 평면에 도시되지 않지만, 절연 멤버는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HE를 따라서와 같이, z 방향으로, 그리고 대향 수직 단부 표면들(501a,b) 사이에 또한 연장될 수 있다.
도 15c에 도시되는 실시예는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 가로 표면들(503a,b) 중 적어도 하나 위로 연장되는 절연 멤버(514)가 있는 단위 셀 구성을 또한 묘사한다. 도시되는 바와 실시예에서, 절연 멤버(514)는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 어느 한 쪽 가로 단부에 배치되고, 단위 셀(504)의 적어도 하나의 세로 단부 상의 분리기 층(130)을 갖는다. 다른 세로 단부 상에서, 절연 멤버들 중 적어도 하나는 상대 전극 전류 수집기(140)에 의해 추가로 경계가 정해진다. 그러나, 절연 멤버들(514) 중 적어도 하나는 단위 셀(504)의 다른 세로 단부에서의 상대 전극 전류 수집기(140)의 가로 표면들(522a,b) 중 하나 위로 또한 연장될 수 있다. 즉, 절연 멤버(514)는 상대 전극 전류 수집기(140)를 커버하도록 상대 전극 활성 재료 층(138)의 가로 단부 표면을 지나 세로 방향으로 연장될 수 있고, 심지어 이웃 단위 셀의 상대 전극 활성 층의 가로 표면을 커버하도록 연장될 수 있다. 도 15b에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 절연 멤버들(514)은 전극 활성 재료 층(132)의 길이 LE에 매칭되는 가로 정도를 갖고, 전극 활성 재료 층(132)과 가로 방향에서의 동일한 길이를 갖는 분리기에 의해 전극 활성 재료 층(132)으로부터 분리된다. x 방향에서의 절연 멤버(514)의 가로 정도는, 하나의 실시예에서, 도 15c에 도시되는 바와 같이, 가로 분리 거리 및/또는 오프셋 SX1, SX2와 동일할 수 있다. 또한, 도 15c에 묘사되는 2D Y-X 평면에 도시되지 않지만, 절연 멤버는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HE를 따라서와 같이, z 방향으로, 그리고 대향 수직 단부 표면들(501a,b) 사이에 또한 연장될 수 있다. 도 15e는, 상대 전극 전류 수집기(140)가 절연 멤버(514)의 가로 표면들을 지나 연장되는 길이를 갖고, 전류 수집기(136)의 길이가 전극 활성 재료 층의 가로 단부 표면들을 지나 또한 연장되는 점을 제외하고는, 도 15c와 유사한 구성을 갖는다.
도 15d에 도시되는 실시예는 전극 활성 재료 층(132) 및 상대 전극 활성 재료 층(138) 양자 모두의 가로 표면들(502a,b, 503a,b) 중 적어도 하나 위로 연장되는 절연 멤버(514)가 있는 단위 셀 구성을 도시한다. 도시되는 바와 같은 실시예에서, 절연 멤버(514)는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 어느 한 쪽 가로 단부에 배치된다. 절연 멤버는 하나의 세로 단부 상의 전극 전류 수집기(136), 및 다른 세로 단부 상의 상대 전극 전류 수집기(140) 사이에 배치된다(그리고 이들에 의해 경계가 정해진다). 절연 멤버(514)는 전극 및 상대 전극 층들(132, 138)의 가로 표면들 위를 통과하도록 분리기(130)의 가로 단부 표면들(524a,b) 위로 연장될 수 있다. 도 15d에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 절연 멤버들(514)은 하나의 가로 단부 상의 전극 전류 수집기(136)의 길이, 및 다른 가로 단부 상의 상대 전극 전류 수집기(140)의 길이와 매칭되는 가로 정도를 갖는다. 도시되는 실시예에서, 분리 거리 및/또는 오프셋이 또한 제공될 수 있더라도, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)은 가로 오프셋 및/또는 분리 거리를 갖는 것으로서 묘사되지 않는다. 또한, 도 15d에 묘사되는 2D Y-X 평면에 도시되지 않지만, 절연 멤버는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HE를 따라서와 같이 z 방향으로, 그리고 대향 수직 단부 표면들(501a,b) 사이에 또한 연장될 수 있다.
도 15f에 도시되는 실시예는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 가로 표면들(503a,b) 중 적어도 하나 위로 연장되는 절연 멤버(514)가 있는 단위 셀 구성을 또한 묘사한다. 도시되는 바와 같은 실시예에서, 절연 멤버(514)는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 어느 한 쪽 가로 단부에 배치된다. 절연 멤버(514)는 전극 및 상대 전극 활성 재료 층 양자 모두의 가로 표면들을 커버하고, 하나의 세로 단부 상에서, 전극 전류 수집기(136), 및 다른 단부 상에서, 적어도 하나의 가로 단부에서, 상대 전극 전류 수집기(140) 사이에 배치된다(그리고 이들에 의해 경계가 정해진다). 도시되는 바와 같은 실시예에서, 절연 멤버는, 전극과 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138) 사이에, 분리기(130)의 가로 표면들(524a,b) 위로 추가로 연장되어, 이러한 표면들 위로 연장된다. 도시되는 바와 같은 실시예에서, 절연 멤버(514)는 전극 활성 재료 층(132)의 수직 단부 표면으로부터 연장되는 제1 가로 두께 T1을 갖고, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 수직 단부 표면으로부터 연장되는 제2 가로 두께 T2를 가지며, 제2 가로 두께는 제1 가로 두께 초과이다. 하나의 실시예에서, 제2 두께 T2 마이너스 제1 두께 T1의 가로 정도에서의 차이는 가로 오프셋 및/또는 분리 거리, SX1 및/또는 SX2와 동일할 수 있다. 또한, 도시되는 바와 같은 실시예에서, 절연 멤버들(514) 중 적어도 하나는 단위 셀(504)의 세로 단부들 중 하나에서의 상대 전극 전류 수집기(138)의 가로 표면들(522a,b) 중 하나 위로 또한 연장될 수 있다. 즉, 절연 멤버(514)는 상대 전극 전류 수집기(140)를 커버하도록 상대 전극 활성 재료 층(138)의 가로 단부 표면을 지나 세로 방향으로 연장될 수 있고, 심지어 이웃 단위 셀의 상대 전극 활성 층의 가로 표면을 커버하도록 연장될 수 있다. 상대 전극 활성 재료 층의 대향 가로 단부에서의 절연 멤버(514)는, 다른 한편으로, 가로 방향에서의 상대 전극 전류 수집기의 길이가 절연 멤버(514)의 가로 두께를 초과하도록, 상대 전극 전류 수집기에 의해 경계가 정해질 수 있다. 다른 세로 단부 상에서, 절연 멤버(514)는 전극 전류 수집기(136)에 의해 경계가 정해지고, 절연 멤버의 가로 두께는 하나의 가로 단부에서의 전극 전류 수집기(136)의 가로 길이를 충족시키고, 전극 전류 수집기(136)는 다른 가로 단부에서의 절연 멤버의 가로 두께를 초과한다. 또한, 도 15c에 묘사되는 2D Y-X 평면에 도시되지 않지만, 절연 멤버는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HE를 따라서와 같이, z 방향으로, 그리고 대향 수직 단부 표면들(501a,b) 사이에 또한 연장될 수 있다.
또한, 전극 활성 재료 층 및/또는 상대 전극 활성 재료 층들(132 및 138)의 제1 및 제2 수직 및/또는 가로 단부 표면들을 결정하는 목적들을 위해, 각각의 단위 셀(504)에서의 전기화학적 반응들에 참여할 수 있는 전극 및/또는 상대 전극 활성을 포함하는 층들의 부분들만이 활성 재료 층들(132, 138)의 일부분인 것으로 고려된다는 점이 주목된다. 즉, 전극 또는 상대 전극 활성 재료가, 예를 들어, 이온적 절연 재료로 활성 재료를 커버하는 것에 의해서와 같이, 전극 또는 상대 전극 활성 재료로서 더 이상 작용할 수 없는 방식으로 수정되면, 전기화학적 단위 셀에서의 참여제로서 사실상 제거된 재료의 부분은 전극 활성 및/또는 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 일부분으로서 간주되지 않는다.
전극 및 상대 전극 버스바들
하나의 실시예에서, 2차 배터리(102)는 전극 버스바(600) 및 상대 전극 버스바(602)(예를 들어, 도 17에 도시되는 바와 같음) 중 하나 이상을 포함하여, 전극 전류 수집기들(136) 및 상대 전극 전류 수집기들로부터, 각각, 전류를 수집한다. 위의 오프셋 및/또는 분리 거리를 갖는 실시예들에 대하여 유사하게 설명된 바와 같이, 전극 어셈블리(106)는 전극 구조체들의 집단, 전극 전류 수집기들의 집단, 분리기들의 집단, 상대 전극 구조체들의 집단, 상대 전극 수집기들의 집단, 및 단위 셀들의 집단을 포함할 수 있고, 전극 및 상대 전극 구조체 집단들의 멤버들은 세로 방향으로 교대 시퀀스로 배열되는 다. 또한, 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 전극 전류 수집기, 및 전극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 전극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LE, 및 전극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 전극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE, 및 전극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 전극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE를 갖는 전극 활성 재료의 층을 포함한다. 또한, 상대 전극 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 상대 전극 전류 수집기, 및 상대 전극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC, 및 상대 전극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HC, 및 상대 전극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 상대 전극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC를 갖는 상대 전극 활성 재료의 층을 포함한다.
또한, 본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 바와 같이, 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리는, 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면, 및 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면을 갖고, 측방향 표면은 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 전극 어셈블리는 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖는다.
도 17을 참조하면, 전극 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는 전극 활성 재료 층(132)으로부터 전류를 수집하는 전극 전류 수집기(136)를 포함하고, 이러한 전극 전류 수집기는 가로 방향으로 전극 활성 재료 층(132)의 길이 LE을 따라 적어도 부분적으로 연장되고, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 가로 단부 표면(503a)을 지나 연장되는 전극 전류 수집기 단부(604)를 포함한다. 또한, 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버는 상대 전극 활성 재료 층(138)으로부터 전류를 수집하는 상대 전극 전류 수집기(140)를 포함하고, 상대 전극 전류 수집기(140)는 가로 방향으로 상대 전극 활성 재료 층(132)의 길이 LC를 따라 적어도 부분적으로 연장되고 가로 방향으로 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면(502b)을 지나 연장되는 상대 전극 전류 수집기 단부(606)를 포함한다(예를 들어, 도 15a에 또한 도시되는 바와 같음). 도 17에 묘사되는 실시예에서, 전극 및 상대 전극 전류 수집기들(136, 140)은 (전극 구조체들(110)의 경우에) 전극 활성 재료의 인접한 층들 또는 (상대 전극 구조체들(112)의 경우에) 상대 전극 활성 재료의 인접한 층들 사이에 샌드위치된다. 그러나, 전류 수집기들은 또한 전극 및 상대 전극 구조체들(110, 112) 사이에서 분리기(130)에 대면하는 전극 및/또는 상대 전극 활성 재료 층들의 표면의 적어도 일부분 상에 존재하는 표면 전류 수집기일 수 있다. 또한, 도 17에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 전극 버스바(600) 및 상대 전극 버스바(602)는 전극 어셈블리(106)의 대향 가로 측들 상에 배치되고, 전극 전류 수집기 단부들(604)은 하나의 가로 단부에서 전극 버스바(600)에 전기적으로 및/또는 물리적으로 연결되고, 상대 전극 전류 수집기 단부들(606)은 대향 가로 단부에서 상대 전극 버스바(602)에 전기적 및/또는 물리적으로 연결된다.
또한, 위에 설명된 바와 유사하게, 전극 어셈블리의 각각의 단위 셀(504)은 전극 전류 수집기 집단의 제1 전극 전류 수집기의 단위 셀 부분, 전극 집단의 하나의 멤버의 제1 전극 활성 재료 층, 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기, 상대 전극 집단의 하나의 멤버의 제1 상대 전극 활성 재료 층, 및 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 상대 전극 전류 수집기의 단위 셀 부분을 포함하고, (aa) 제1 전극 활성 재료 층은 분리기의 제1 측에 근접하고, 제1 상대 전극 활성 재료 층은 분리기의 대향 제2 측에 근접하고, (bb) 분리기는 제1 상대 전극 활성 재료 층으로부터 제1 전극 활성 재료 층을 전기적으로 격리시키고, 충전 및 방전 상태 사이의 배터리의 사이클링 동안 각각의 이러한 단위 셀의 분리기를 통해 제1 전극 활성 재료 층과 제1 상대 전극 활성 재료 층 사이에 캐리어 이온들이 주로 교환된다.
(전극 전류 수집기들 또는 상대 전극 전류 수집기들이 이들에 부착되는지에 따라) 전극 버스바(600) 또는 상대 전극 버스바(602) 중 어느 하나일 수 있는 버스바의 실시예를 도시하는, 도 16a를 참조한다. 즉 도 16a는 전극 버스바(600) 또는 상대 전극 버스바(602) 중 어느 하나에 적합한 구조체들을 묘사하는 것으로서 이해될 수 있다. 도 16aa는 전극 버스바(600)에 대하여 묘사되지만, 그러나, 그 안에 묘사되는 동일한 구조체들은, 심지어 구체적으로 도시되지 않더라도, 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 상대 전극 버스바(602)에 또한 적합하다는 점이 이해되어야 한다. 2차 배터리는 전극 어셈블리(106)의, 전극 전류 수집기들 및 상대 전극 전류 수집기들 모두에, 각각에 연결하는 단일의 전극 버스바(600) 및 단일의 상대 전극 버스바(602)를 포함할 수 있고, 및/또는 복수의 버스바들 및/또는 상대 전극 버스바들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 16a가 전극 버스바(600)의 실시예를 도시하는 것으로서 이해되는 경우, 전극 버스바(600)는 전극 전류 수집기들(136)의 집단에 전기적으로 연결하도록 구성되는, 그리고 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 사이에 세로 방향(Y 방향)으로 연장되는 적어도 하나의 도전성 세그먼트(608)를 포함한다는 점을 알 수 있다. 도전성 세그먼트(608)는 상대 전극 활성 재료 층들(136)의 제1 가로 단부 표면들(503a)을 대면하는 내부 표면(612)을 갖는 제1 측(610), 및 외부 표면(616)을 갖는 대향 제2 측(614)을 포함한다. 또한, 도전성 세그먼트(608)는 세로 방향을 따라 이격되는 복수의 개구들(618)을 선택적으로 포함한다. 전극 버스바(600)의 도전성 세그먼트(608)는 전극 전류 수집기 단부들(604)에 대하여 배열되어, 전극 전류 수집기 단부들(604)은 도전성 세그먼트(608)의 두께를 지나 적어도 부분적으로 지나 연장되어, 이에 전기적으로 연결된다. 도전성 세그먼트(608)의 총 두께 t는 내부(612)와 외부 표면들(616) 사이에서 측정될 수 있고, 전극 전류 수집기 단부들(608)은, 개구들(618)을 통해서와 같이, 도전성 세그먼트의 두께 내로 적어도 거리를 연장할 수 있고, 심지어 도전성 세그먼트의 두께를 지나 전체적으로 연장될 수 있다(즉, 가로 방향으로 측정되는 두께 t를 지나 연장됨). 단일의 도전성 세그먼트(608)를 갖는 전극 버스바(600)가 도 16a에 묘사되지만, 특정 실시예들은 복수의 도전성 세그먼트들을 또한 포함할 수 있다.
또한, 도 16a가 상대 전극 버스바(602)의 실시예를 도시하는 것으로서 이해되는 경우, 상대 전극 버스바(602)는 상대 전극 전류 수집기들(140)의 집단에 전기적으로 연결하도록 구성되는, 그리고 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 사이에 세로 방향(y 방향)으로 연장되는 적어도 하나의 도전성 세그먼트(608)를 포함한다는 점을 알 수 있다. 도전성 세그먼트(608)는 전극 활성 재료 층들(136)의 제2 가로 단부 표면들(502b)을 대면하는 내부 표면(612)을 갖는 제1 측(610), 및 외부 표면(616)을 갖는 대향 제2 측(614)을 포함한다. 또한, 도전성 세그먼트(608)는 세로 방향을 따라 이격되는 복수의 개구들(618)을 선택적으로 포함한다. 전극 버스바(600)의 도전성 세그먼트(608)는 상대 전극 전류 수집기 단부들(606)에 대하여 배열되어, 상대 전극 전류 수집기 단부들(606)은 도전성 세그먼트(608)의 두께를 지나 적어도 부분적으로 지나 연장되어, 이에 전기적으로 연결된다. 도전성 세그먼트(608)의 총 두께 t는 내부(612)와 외부 표면들(616) 사이에서 측정될 수 있고, 상대 전극 전류 수집기 단부들(606)은, 개구들(618)을 통해, 도전성 세그먼트의 두께 내로 적어도 거리를 연장할 수 있고, 심지어 도전성 세그먼트의 두께를 지나 전체적으로 연장될 수 있다(즉, 가로 방향으로 측정되는 두께 t를 지나 연장됨). 단일의 도전성 세그먼트(608)를 갖는 상대 전극 버스바(602)가 도 16a에 묘사되지만, 특정 실시예들은 복수의 도전성 세그먼트들을 또한 포함할 수 있다.
또한, 하나의 실시예에 따르면, 버스바 및 상대 전극 버스바(600, 602)를 갖는 2차 배터리(102)는, 본 명세서에 설명되는 제약들 중 임의의 것과 같은, 전극 제약들의 세트를 추가로 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버(162)를 포함하는 1차 제약 시스템(151)- 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)은 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 멤버(162)는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)을 연결함 -을 포함하고, 이러한 1차 제약 시스템(151)은 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하여, 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가는 20% 미만이다. 또 다른 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 제2 방향으로 분리되는 그리고 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)을 포함하는 2차 제약 시스템(152)을 추가로 포함하고, 이러한 2차 제약 시스템(155)은 2차 배터리(106)의 사이클링 시에 제2 방향- 이러한 제2 방향은 세로 방향에 직교함 -으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 적어도 부분적으로 억제한다. 전극 제약들의 세트(108)의 추가의 실시예들이 아래에 설명된다.
전극 버스바(600) 및/또는 상대 전극 버스바(602)의 추가의 실시예들이 도 16a를 참조하여 설명된다. 하나의 실시예에서, 도 16a에 도시되는 바와 같이, 전극 버스바(600)는 세로 방향을 따라 이격되는 복수의 개구들(618)을 갖는 도전성 세그먼트(608)를 포함하고, 복수의 개구들(618) 각각은 하나 이상의 전극 전류 수집기 단부(604)가 이들을 통해 적어도 부분적으로 연장되는 것을 허용하여 하나 이상의 전극 전류 수집기 단부(604)를 전극 버스바(600)에 전기적으로 연결하게 하도록 구성된다. 유사하게, 상대 전극 버스바(602)는 세로 방향을 따라 이격되는 복수의 개구들(618)을 포함하는 도전성 세그먼트(608)를 포함할 수 있고, 복수의 개구들(618) 각각은 하나 이상의 상대 전극 전류 수집기 단부(606)가 이들을 통해 적어도 부분적으로 연장되는 것을 허용하여 하나 이상의 상대 전극 전류 수집기 단부(606)를 상대 전극 버스바(602)에 전기적으로 연결하게 하도록 구성된다. 도 16aa에 도시되는 바와 같은 컷-어웨이를 참조하면, 전극 버스바 측 상에서, 전극 구조체들(110)의 전류 수집기들(136)이 전극 활성 재료 층들(132)의 제1 가로 표면들(502a)을 지나 연장되고, 도전성 세그먼트에 형성되는 개구들(618)을 통해 연장된다는 점을 알 수 있다. 전극 전류 수집기 단부들(604)은 전극 버스바(600)의 외부 표면(616)에 연결된다. 유사하게, 구체적으로 도시되지 않더라도, 상대 전극 버스바(602)가 위치되는 다른 가로 단부 상에서, 상대 전극 구조체들(112)의 전극 전류 수집기들(140)이 상대 전극 활성 재료 층들(138)의 제2 가로 표면들(503b)을 지나 연장되고, 도전성 세그먼트에 형성되는 개구들(618)을 통해 연장된다. 상대 전극 전류 수집기 단부들(606)은 상대 전극 버스바(600)의 외부 표면(616)에 연결된다.
또한, 하나의 실시예에서는 전극 버스바 및 상대 전극 버스바(600, 602) 양자 모두가 복수의 개구들(618)을 양자 모두 포함할 수 있지만, 또 다른 실시예에서는 전극 버스바(600)만이 개구들(618)을 포함하고, 추가의 실시예에서는 상대 전극 버스바(602)만이 개구들(618)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 2차 배터리는 전극 버스바 및 상대 전극 버스바 양자 모두를 포함할 수 있는 반면, 추가의 실시예들에서 2차 배터리는 전극 버스바 또는 상대 전극 버스바만을 포함할 수 있고, 상이한 메커니즘을 통해 나머지 전류 수집기들로부터 전류가 수집된다. 도 16a 및 도 16aa에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 개구들(618)은 이들을 통해 전극 전류 수집기 또는 상대 전극 전류 수집기를 허용하도록 크기가 정해지는 것으로서 도시된다. 하나의 실시예에서, 개구들은 각각의 개구를 통해 단일 전류 수집기만을 허용하도록 크기가 정해지고 구성될 수 있지만, 또 다른 실시예에서 개구들은 이들을 통해 하나 초과의 전극 전류 수집기(136) 및/또는 상대 전극 전류 수집기(140)를 허용하도록 크기가 정해질 수 있다. 또한, 도 16a 및 도 16aa에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 전극 전류 수집기 단부들 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들은 개구들(618) 중 하나 이상을 통해 전체적으로 연장되고, 단부들(604, 606)은 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 외부 표면(616)을 향해 굴곡되어, 개구들(618) 사이의 외부 표면 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 부분(622)에 부착된다. 단부들(604, 608)은, 수직 방향으로 개구들 위의 또는 아래의 도전성 세그먼트의 부분들과 같은, 도전성 세그먼트(608)의 다른 부분들에, 및/또는 개구들(618) 자체의 내부 표면(624)에, 또한 및/또는 선택적으로 연결될 수 있다.
도 16b 및 도 16bb에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 전극 전류 수집기 단부들 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들(604, 606)은 개구들(618) 중 하나 이상을 통해 전체적으로 연장되고, 이러한 단부들은 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 외부 표면(616)을 향해 굴곡된다. 그러나, 이러한 실시예에서, 전류 수집기 단부들 중 적어도 하나 이상은 인접 개구(618)를 지나(예를 들어, 도 16bb에 도시되는 바와 같이 인접 개구를 지나) 또는 이에 세로 방향으로 적어도 부분적으로 연장되어, 별도의 전극 전류 수집기 단부 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부에 부착된다. 즉, 전극 및/또는 상대 전극 전류 수집기들의 단부들은 서로 부착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 도 16bb에 또한 도시되는 바와 같이, 전극 전류 수집기 단부들 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들은 제1 단부 영역(624)에서 개구들(618) 사이에 있는 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 외부 표면(616)의 부분(622)에 부착되고, 제2 단부 영역(626)에서 다른 별도의 전극 전류 수집기 단부 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부에 부착된다.
하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 단부들(604) 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들(606)은, 접착제, 용접, 크림핑, 브레이징, 비아 리벳들, 기계적 압력/마찰, 클램핑 및 솔더링 중 적어도 하나를 통해 (인접한 개구를 통해 연장되는 인접한 전류 수집기와 같이), 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 외부 표면의 부분(622), 및/또는 별도의 전극 전류 수집기 단부 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부 중 하나 이상에 부착된다. 단부들(604, 604)은, 이러한 부착을 또한 통해, 개구들(618)의 내부 표면(624) 또는 버스바들의 다른 부분들과 같은, 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 다른 부분들에 또한 연결될 수 있다. 또한, 버스바들에만 부착되는 것에 비해 서로 부착되는 전류 수집기 단부들의 수는 바람직한 실시예에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 단부들 및 상대 전극 전류 수집기 단부들 각각은, 주어진 집단에서, 전극 및/또는 상대 전극 버스바(600, 602)의 외부 표면(616)의 부분(622)에 별도로 부착된다. 또 다른 실시예에서, 전극 전류 수집기 단부들 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들 중 적어도 일부는 (예를 들어, 인접한 개구들을 통해 연장되는 인접한 전류 수집기 단부들에 연결하기 위해 개구들을 통해 그리고 다음으로 인접한 개구들을 향해 또는 지나 세로로 연장되는 것에 의해) 서로 부착되고, 한편 전극 전류 수집기 단부들 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들 중 적어도 하나는 (예를 들어, 서로에 부착되는 전류 수집기 단부들과 버스바들 사이의 전기적 연결을 제공하기 위해) 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 외부 표면의 일부분에 부착된다. 또 다른 실시예에서, 집단에서의 전류 수집기들 모두는, 다른 전류 수집기 단부들에 부착되지 않고, 버스바에 개별적으로 연결될 수 있다.
또 다른 추가의 실시예에서, 전극 전류 수집기 단부들 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들은 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 (외부 표면과 같은) 표면에 부착되는 (제1 영역(624)과 같은) 표면 영역을 갖는다. 예를 들어, 전극 전류 수집기 단부들 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들은 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 외부 표면, 및 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 개구(618)의 내부 표면(624) 중 적어도 하나에 부착되는 표면 영역을 갖는다. 하나의 실시예에서, 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 단부들 중 하나 이상은 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 내부 표면(612)에 부착되는 표면 영역을 포함할 수 있다. 연결 표면 영역의 크기는 전극 및/또는 상대 전극 버스바에 단부들을 부착하기 위해 선택될 부착의 타입에 따라 선택될 수 있다. 하나의 실시예에서, 예를 들어 도 16aa 및 도 16bb에 도시되는 바와 같이, 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바는 전극 및/또는 상대 전극들의 가로 단부들에 근접하는 내부 표면(612) 상의 절연 재료의 층(628), 및 내부 표면에 대향 외부 표면(616) 상의 도전성 재료의 층(예를 들어, 도전성 세그먼트(608))을 포함한다. 절연 재료의 층(628)은, 전극 및/또는 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 가로 표면들과 버스바 사이에 배치되는, 본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 바와 같은 절연 멤버(514)를 포함할 수 있고, 및/또는 버스바의 도전성 세그먼트로부터 전극 어셈블리를 절연하기 위해 버스바의 내부 표면을 따라 절연 재료의 별도의 층(632)을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 전극 및/또는 상대 전극 전류 수집기들(136, 140)의 재료 및/또는 물리적 속성들은, 전극 어셈블리에 양호한 구조적 안정성을 또한 부여하면서, 버스바에 양호한 전기적 접촉을 제공도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 단부들(604) 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들(606)(및 선택적으로, 전극 및/또는 상대 전극 전류 수집기의 적어도 일부분 및 심지어 전체)은 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바를 구성하는 재료와 동일한 재료를 포함한다. 예를 들어, 버스바 및/또는 상대 전극 버스바가 알루미늄을 포함하는 경우, 전극 및/또는 상대 전극 전류 수집기들이 알루미늄을 또한 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 단부들 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들은 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, 니켈, 니켈 합금들, 탄소, 및 이들의 조합들/합금들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 임의의 것을 포함한다. 또한, 하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 단부들 및/또는 상대 전극 전류 수집기 단부들은 전극 버스 및/또는 상대 전극 버스의 재료의 도전율에 비교적 가까운 도전율을 갖는 재료를 포함하고, 및/또는 전극 및/또는 상대 전극 전류 수집기들은 전극 및/또는 상대 전극 버스의 재료의 것과 동일한 재료를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 전극 전류 수집기들 및/또는 상대 전극 전류 수집기들의 단부들은 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바의 개구들(618)을 통해 연장되고, 전극 버스바 및/또는 상대 전극 버스바 바의 외부 표면(616)을 향해 다시 굴곡되어 이들에 부착되고, 외부 표면에 부착하도록 굴곡되는 단부들의 영역(624)은, 예를 들어 도 16a 및 도 16aa에 도시되는 바와 같이 실질적으로 평면이다.
하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 및/또는 상대 전극 전류 수집기(136, 140)는 가로 방향으로, 각각, 전극 재료의 층의 길이 LE 및/또는 상대 전극 재료의 층의 길이 LC을 따라 적어도 50% 연장되며, LE 및 LC는 위에 설명된 바와 같이 정의된다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 및/또는 상대 전극 전류 수집기는 가로 방향으로, 각각, 전극 재료의 층의 길이 LE 및/또는 상대 전극 재료의 층의 길이 LC을 따라 적어도 60% 연장된다. 다른 실시예에서, 전극 전류 수집기 및/또는 상대 전극 전류 수집기는 가로 방향으로, 각각, 전극 재료의 층의 길이 LE 및/또는 상대 전극 재료의 층의 길이 LC을 따라 적어도 70% 연장된다. 또 다른 실시예에서, 전극 전류 수집기 및/또는 상대 전극 전류 수집기는 가로 방향으로, 각각, 전극 재료의 층의 길이 LE 및/또는 상대 전극 재료의 층의 길이 LC을 따라 적어도 80% 연장된다. 추가 실시예에서, 전극 전류 수집기 및/또는 상대 전극 전류 수집기는 가로 방향으로, 각각, 전극 재료의 층의 길이 LE 및/또는 상대 전극 재료의 층의 길이 LC을 따라 적어도 90% 연장된다.
또한, 하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 및/또는 상대 전극 전류 수집기는, 수직 방향으로, 각각, 전극 재료의 층의 높이 HE 및/또는 상대 전극 재료의 층의 높이 HC를 따라 적어도 50% 연장되고, HE 및 HC은 위에 설명된 바와 같이 정의된다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 및/또는 상대 전극 전류 수집기는, 수직 방향으로, 각각, 전극 재료의 층의 높이 HE 및/또는 상대 전극 재료의 층의 높이 HC를 따라 적어도 60% 연장된다. 다른 실시예에서, 전극 전류 수집기 및/또는 상대 전극 전류 수집기는, 수직 방향으로, 각각, 전극 재료의 층의 높이 HE 및/또는 상대 전극 재료의 층의 높이 HC를 따라 적어도 70% 연장된다. 또 다른 실시예에서, 전극 전류 수집기 및/또는 상대 전극 전류 수집기는, 수직 방향으로, 각각, 전극 재료의 층의 높이 HE 및/또는 상대 전극 재료의 층의 높이 HC를 따라 적어도 80% 연장된다. 추가의 실시예에서, 전극 전류 수집기 및/또는 상대 전극 전류 수집기는, 수직 방향으로, 각각, 전극 재료의 층의 높이 HE 및/또는 상대 전극 재료의 층의 높이 HC를 따라 적어도 90% 연장된다.
또 다른 실시예 양태에 따라, 도 18a 및 18b를 참조하면, 전극 어셈블리(106)는 인접 전극 활성 재료 층들(132) 및/또는 상대 전극 활성 재료 층들(138)의 제1 및 제2 수직 표면들(500a,b, 501a,b) 중 하나 이상을 지나 연장되는 수직 전극 전류 수집기 단부들(640) 및 수직 상대 전극 전류 수집기 단부들(642) 중 적어도 하나를 포함한다. 하나의 실시예에서, 수직 전류 수집기 단부들(640, 642)은, 아래에 추가로 상세히 설명되는 바와 같이, 캐리어 이온 절연 재료로 적어도 부분적으로 또한 코팅될 수 있어, 노출된 수직 전류 수집기 단부들 상의 캐리어 이온들로부터의 단락 및/또는 도금의 가능성을 감소시킨다.
하나의 실시예에 따르면, 전극 집단의 멤버들 및 상대 전극 집단의 멤버들 중 적어도 하나에 대해, (I) 전극 구조체(110)들의 집단의 각각의 멤버는 전극 활성 재료 층(132)으로부터 전류를 수집하는 전극 전류 수집기(136)를 포함하고, 이러한 전극 전류 수집기(136)는 수직 방향으로 전극 활성 재료 층(132)의 높이 HE를 따라 적어도 부분적으로 연장되고, (a) 전극 활성 재료 층(132)의 제1 수직 단부 표면(500a)을 지나 연장되는 제1 수직 전극 전류 수집기 단부(640a), 및 (b) 전극 활성 재료 층(132)의 제2 수직 단부 표면(500b)을 지나 연장되는 제2 수직 전극 전류 수집기 단부(640b) 중 적어도 하나를 포함하고, 및/또는 (II) 상대 전극 구조체(112)들의 집단의 각각의 멤버는 상대 전극 활성 재료 층(138)으로부터 전류를 수집하는 상대 전극 전류 수집기(140)를 포함하고, 이러한 상대 전극 전류 수집기(140)는 수직 방향으로 상대 전극 활성 재료 층(138)의 높이 HC를 따라 적어도 부분적으로 연장되고, (a) 수직 방향으로 상대 전극 활성 재료 층(138)의 제1 수직 단부 표면(501a)을 지나 연장되는 제1 수직 상대 전극 전류 수집기 단부(642a), 및 (b) 전극 활성 재료 층(138)의 제2 수직 단부 표면(501b)을 지나 연장되는 제2 수직 전극 전류 수집기 단부(642b) 중 적어도 하나를 포함한다. 도 18a에 도시되는 바와 같은 실시예를 참조하면, 전극 전류 수집기들(136) 및 상대 전극 전류 수집기들(140) 양자 모두의 수직 단부들(640a,b, 642a,b)가 전극 활성 및 상대 전극 활성 재료 층들(132, 138)의 제1 및 제2 수직 단부 표면을 지나 연장된다는 점을 알 수 있다.
전극 제약들
하나의 실시예에서, 예를 들어 도 1a에 예시되는 바와 같이, 전극 어셈블리(106)의 전체적인 거시적 성장을 억제하는 전극 제약들의 세트(108)가 제공된다. 전극 제약들의 세트(108)는, 전극 어셈블리(106)의 팽윤 및 변형을 감소시키고 그렇게 함으로써 전극 제약들의 세트(108)를 갖는 에너지 저장 디바이스(100)의 신뢰성 및 사이클링 수명을 개선하기 위해서와 같이, 하나 이상의 치수를 따르는 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 위에 논의된 바와 같이, 임의의 하나의 특정 이론으로 제한되지 않고, 2차 배터리(102)의 충전 및/또는 방전 동안 전극 구조체들(110)과 상대 전극 구조체들(112) 사이에 이동하는 캐리어 이온들이 전극 활성 재료에 삽입될 수 있어, 전극 활성 재료 및/또는 전극 구조체(110)로 하여금 팽창하게 하는 것이라고 여겨진다. 전극 구조체(110)의 이러한 팽창은 전극들 및/또는 전극 어셈블리(106)로 하여금 변형 및 팽윤하게 할 수 있고, 그렇게 함으로써 전극 어셈블리(106)의 구조적 무결성을 훼손시키고, 및/또는 전기적 단락 또는 다른 장애들의 가능성을 증가시킨다. 하나의 예에서, 에너지 저장 디바이스(100)의 사이클링 동안 전극 활성 재료 층(132)의 과도한 팽윤 및/또는 팽창 및 수축은 전극 활성 재료의 단편들로 하여금 전극 활성 재료 층(132)으로부터 이탈(break away)하게 및/또는 박리(delaminate)하게 할 수 있고, 그렇게 함으로써 에너지 저장 디바이스(100)의 효율 및 사이클링 수명을 훼손시킬 수 있다. 또 다른 예에서, 전극 활성 재료 층(132)의 과도한 팽윤 및/또는 팽창 및 수축은 전극 활성 재료로 하여금 전기적 절연 미세다공성 분리기(130)를 침해하게 할 수 있고, 그렇게 함으로써 전극 어셈블리(106)의 전기적 단락 및 다른 장애들을 야기한다. 따라서, 전극 제약들의 세트(108)는 에너지 저장 디바이스(100)의 신뢰성, 효율, 및/또는 사이클링 수명을 개선하기 위해 충전 및 방전 상태 사이의 사이클링으로 달리 발생할 수 있는 이러한 팽윤 또는 성장을 억제한다.
하나의 실시예에 따르면, 전극 제약들의 세트(108)는 전극 어셈블리(106)의 세로 축(예를 들어, 도 1a에서의 Y 축)을 따르는 성장 및/또는 팽윤을 억제하는 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함한다. 다른 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 수직 축(예를 들어, 도 1a에서의 Z 축)을 따르는 성장을 억제하는 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 가로 축(예를 들어, 도 4c에서의 X 축)을 따르는 성장을 억제하는 3차 성장 제약 시스템(155)을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는, 세로 및 수직 축(예를 들어, Y 축 및 Z 축)을 따라, 그리고 심지어 세로 축, 수직 축, 및 가로 축(예를 들어, Y 축, Z 축 및 X 축) 모두를 따라서 동시에와 같이, 하나 이상의 방향에서의 성장을 동시에 억제하도록 협력하여 동작하는 1차 성장 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152), 그리고 심지어 3차 성장 제약 시스템들(155)을 포함한다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)은 충전 및 방전 상태 사이의 사이클링 동안 전극 어셈블리(106)의 적층 방향 D를 따라서 달리 발생할 수 있는 성장을 억제할 수 있고, 한편 2차 성장 제약 시스템(152)은, 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 버클링 또는 다른 변형을 방지하도록, 수직 축을 따라 발생할 수 있는 팽윤 및 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 1차 성장 제약 시스템(151)에 의해 부과되는 성장에 대한 억제에 의해 달리 악화될 수직 축을 따르는 팽윤 및/또는 팽창을 감소시킬 수 있다. 3차 성장 제약 시스템(155)은 사이클링 프로세스들 동안 발생할 수 있는 가로 축을 따르는 팽윤 및/또는 팽창을 또한 선택적으로 감소시킬 수 있다. 즉, 하나의 실시예에 따르면, 1차 성장 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152), 그리고 선택적으로는 3차 성장 제약 시스템(155)은, 전극 어셈블리(106)의 다차원 성장을 협력하여 억제하도록 함께 동작할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 전극 어셈블리(106)에 대한 1차 성장 제약 시스템(151) 및 2차 성장 제약 시스템(152)을 갖는 전극 제약들의 세트(108)의 실시예가 도시된다. 도 4a는, 결과적인 2-D 단면이 수직 축(Z 축) 및 세로 축(Y 축)으로 예시되도록, 세로 축(Y 축)을 따라 취해지는 도 1a에서의 전극 어셈블리(106)의 단면을 도시한다. 도 4b는, 결과적인 2-D 단면이 수직 축(Z 축) 및 가로 축(X 축)으로 예시되도록, 가로 축(X 축)을 따라 취해지는 도 1a에서의 전극 어셈블리(106)의 단면을 도시한다. 도 4a에 도시되는 바와 같이, 1차 성장 제약 시스템(151)은 세로 방향(Y 축)을 따라 서로 분리되는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 일반적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)은 전극 어셈블리(106)의 제1 세로 단부 표면(116)을 적어도 부분적으로 또는 심지어 전체적으로 커버하는 제1 1차 성장 제약(154), 및 전극 어셈블리(106)의 제2 세로 단부 표면(118)을 적어도 부분적으로 또는 심지어 전체적으로 커버하는 제2 1차 성장 제약(156)을 포함한다. 또 다른 버전에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 중 하나 이상은, 1차 성장 제약들 중 하나 이상이 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체를 포함할 때와 같이, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부(117, 119)의 내부에 있을 수 있다. 1차 성장 제약 시스템(151)은, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)을 연결하는, 그리고 세로 방향에 평행한 주요 축을 가질 수 있는, 적어도 하나의 1차 연결 멤버(162)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)은, 이러한 실시예에 묘사되는 바와 같은 수직 축(Z 축)을 따라서와 같이, 세로 축에 직교하는 축을 따라 서로로부터 분리되는 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164)은 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 서로 연결하는, 그리고, 전극 어셈블리(106)의 세로 축을 따르는 성장을 억제하기 위해, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 서로 장력을 받도록 유지하는 역할을 할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함하는 전극 제약들의 세트(108)는 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태 사이에 20% 미만이도록 세로 방향(즉, 전극 적층 방향, D)으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함하는 전극 제약들의 세트(108)는 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태들 사이에서 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함하는 전극 제약들의 세트(108)는 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태 사이에 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태 사이에 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함하는 전극 제약들의 세트(108)는 2차 배터리의 사이클 당 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태 사이에 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
충전 상태에 의하면 2차 배터리(102)가, 자신의 정격 용량의 적어도 80%과 같은, 자신의 정격 용량의 적어도 75%, 그리고 심지어, 자신의 정격 용량의 적어도 95%, 그리고 심지어 자신의 정격 용량의 100%와 같은, 자신의 정격 용량의 적어도 90%로 충전된다는 점이 의미된다. 방전 상태에 의하면 2차 배터리가, 자신의 정격 용량의 20% 미만과 같은, 자신의 정격 용량의 25% 미만, 그리고 심지어, 자신의 정격 용량의 5% 미만, 그리고 심지어 자신의 정격 용량의 0%와 같은, 10% 미만으로 방전된다는 점이 의미된다. 또한, 2차 배터리(102)의 실제 용량은 시간에 걸쳐 그리고 배터리가 겪은 사이클들의 수에 따라 달라질 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 즉, 2차 배터리(102)가 초기에는 자신의 정격 용량에 가까운 실제 측정 용량을 드러낼 수 있지만, 배터리의 실제 용량은 시간에 걸쳐 감소할 것이고, 실제 용량이 충전 상태로부터 방전 상태로 가면서 측정되는 바와 같은 정격 용량의 80% 아래로 떨어질 때 2차 배터리(102)는 자신의 수명을 다한 것으로 고려된다.
도 4a 및 도 4b에 추가로 도시되는 바와 같이, 전극 제약들의 세트(108)는, 도시되는 바와 같은 실시예에서 수직 축(Z 축)을 따라서와 같이, 세로 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 서로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 일반적으로 포함할 수 있는 2차 성장 제약 시스템(152)을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 제1 2차 성장 제약(158)은 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제1 영역(148)에 걸쳐 적어도 부분적으로 연장되고, 제2 2차 성장 제약(160)은 제1 영역(148)에 반대인 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제2 영역(150)에 걸쳐 적어도 부분적으로 연장된다. 또 다른 버전에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(154, 156) 중 하나 이상은, 2차 성장 제약들 중 하나 이상이 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체를 포함할 때와 같이, 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142) 내부에 있을 수 있다. 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은, 수직 축과 같은, 제2 방향에 평행한 주요 축을 가질 수 있는, 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)에 의해 연결된다. 2차 연결 멤버(166)는, 예를 들어, 수직 방향에서의 (예를 들어, Z 축을 따르는) 성장을 억제하기 위해서와 같이, 세로 방향에 직교하는 방향을 따르는 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하기 위해, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 연결하여 서로 장력을 받도록 유지하는 역할을 할 수 있다. 도 4a에 묘사되는 실시예에서, 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 중 적어도 하나에 대응할 수 있다. 그러나, 2차 연결 멤버(166)가 이에 제한되는 것은 아니고, 대안적으로 및/또는 추가적으로 다른 구조체들 및/또는 구성들을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함하는 제약들의 세트는, 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 수직 방향(Z 축)과 같은, 세로 방향에 직교하는 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태 사이에 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함하는 제약들의 세트는 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태 사이에 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함하는 제약들의 세트는 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태 사이에 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함하는 제약들의 세트는 2차 배터리의 사이클 당 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태 사이에 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
도 4c는, 가로 방향(X 방향)과 같은, 세로 및 제2 방향들에 직교하는 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 제약하는 3차 성장 제약 시스템(155)을 추가로 포함하는 전극 제약들의 세트(108)의 하나의 실시예를 도시한다. 3차 성장 제약 시스템(155)은, 3개의 치수들에서의 전극 어셈블리(106)의 전체적인 성장을 제약하도록, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)에 추가적으로 제공될 수 있고, 및/또는 2개의 치수들에서의 전극 어셈블리(106)의 전체적인 성장을 제약하도록, 1차 또는 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 하나와 조합하여 제공될 수 있다. 도 4c는, 결과적인 2-D 단면이 수직 축(Z 축) 및 가로 축(X 축)으로 예시되도록, 가로 축(X 축)을 따라 취해지는 도 1a에서의 전극 어셈블리(106)의 단면을 도시한다. 도 4c에 도시되는 바와 같이, 3차 성장 제약 시스템(155)은 가로 방향(X 축)과 같은 제3 방향을 따라 서로 분리되는 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)을 일반적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 제1 3차 성장 제약(157)은 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제1 영역(144)에 걸쳐 적어도 부분적으로 연장되고, 제2 3차 성장 제약(159)은 가로 방향으로 제1 영역(144)에 반대인 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제2 영역(146)에 걸쳐 적어도 부분적으로 연장된다. 또 다른 버전에서, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(157, 159) 중 하나 이상은, 3차 성장 제약들 중 하나 이상이 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체를 포함할 때와 같이, 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142) 내부에 있을 수 있다. 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)은, 제3 방향에 평행한 주요 축을 가질 수 있는, 적어도 하나의 3차 연결 멤버(165)에 의해 연결된다. 3차 연결 멤버(165)는, 세로 방향에 직교하는 방향을 따르는 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하기 위해, 예를 들어, 가로 방향에서의 (예를 들어, X 축을 따르는) 성장을 억제하기 위해, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)을 연결하여 서로 장력을 받도록 유지하는 역할을 할 수 있다. 도 4c에 묘사되는 실시예에서, 적어도 하나의 3차 연결 멤버(165)는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 중 적어도 하나에 대응할 수 있다. 그러나, 3차 연결 멤버(165)가 이에 제한되는 것은 아니고, 대안적으로 및/또는 추가적으로 다른 구조체들 및/또는 구성들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 3차 연결 멤버(165)는, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 중 적어도 하나에 대응할 수 있다(도시되지 않음).
하나의 실시예에 따르면, 3차 성장 제약 시스템(155)을 갖는 제약들의 세트는, 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 가로 방향(X 축)과 같은, 세로 방향에 직교하는 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
하나의 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)을 갖는 제약들의 세트는 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태 사이에 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
하나의 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)을 갖는 제약들의 세트는 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
하나의 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)을 갖는 제약들의 세트는 2차 배터리의 사이클 당 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 충전 및 방전 상태 사이에 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 및 선택적으로 3차 성장 제약 시스템(155)은, 1차 성장 제약 시스템(151)의 부분들이 2차 성장 제약 시스템(152)의 부분으로서 협력하여 작용하고, 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)의 부분들이 1차 성장 제약 시스템(151)의 부분으로서 협력하여 작용하고, 1차 및/또는 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 임의의 것의 부분들이 3차 성장 제약 시스템의 부분으로서 협력하여 또한 작용할 수 있고, 그리고 그 반대도 가능도록, 협력하여 동작하도록 구성된다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b에 도시되는 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164)은 세로 방향에 직교하는 제2 방향에서의 성장을 제약하는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)의 적어도 일부분으로서, 또는 심지어 이들의 전체 구조체로서 역할을 할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 위에 언급된 바와 같이, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 중 하나 이상은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 연결하는 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)로서 역할을 할 수 있다. 반대로, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)의 적어도 일부분이 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164)로서 작용할 수 있고, 2차 성장 제약 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)는, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 중 하나 이상으로서 작용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164), 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)의 적어도 일부분은 세로 방향에 직교하는 가로 방향에서의 성장을 제약하는 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)의 적어도 일부분으로서, 또는 심지어 이들의 전체 구조체로서 역할을 할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156), 및/또는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 하나 이상은 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)을 연결하는 하나 이상의 3차 연결 멤버들(166)로서 역할을 할 수 있다. 반대로, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)의 적어도 일부분이 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164), 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)로서 작용할 수 있고, 3차 성장 제약 시스템(155)의 적어도 하나의 3차 연결 멤버(165)는 하나의 실시예에서 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 중 하나 이상, 및/또는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 하나 이상으로서 작용할 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 1차 및/또는 2차 및/또는 3차 성장 제약들은 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하도록 협력하는 다른 구조체들을 포함할 수 있다. 따라서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152), 및 선택적으로 3차 성장 제약 시스템(155)은 전극 어셈블리(106)의 성장에 대한 억제를 가하는 컴포넌트들 및/또는 구조체들을 공유할 수 있다.
하나의 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는, 배터리 인클로저(104) 외부에 및/또는 내부에 있거나, 또는 배터리 인클로저(104) 자체의 부분일 수 있는 구조체들인, 1차 및 2차 연결 멤버들, 및 1차 및 2차 성장 제약들 같은 구조체들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극 제약들의 세트(108)는 배터리 인클로저(104)는 물론 다른 구조적 컴포넌트들을 포함하는 구조체들의 조합을 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 배터리 인클로저(104)는 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)의 컴포넌트일 수 있고; 상이하게 언급하면, 하나의 실시예에서, 배터리 인클로저(104)는, 단독으로 또는 하나 이상의 다른 구조체(배터리 인클로저(104) 내의 및/또는 외부의, 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152))와 조합하여, 전극 적층 방향 D으로의 및/또는 적층 방향 D에 직교하는 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 예를 들어, 1차 성장 제약들(154, 156) 및 2차 성장 제약들(158, 160) 중 하나 이상은 전극 어셈블리 내부에 있는 구조체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)은 배터리 인클로저(104)를 포함하지 않고, 그 대신에 배터리 인클로저(104) 이외의 (배터리 인클로저(104) 내의 및/또는 외부의) 하나 이상의 개별 구조체가 전극 적층 방향 D에서의, 및/또는 적층 방향 D에 직교하는 제2 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 다른 실시예에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들, 및 선택적으로 또한 3차 성장 제약 시스템은, 밀봉 실링된 배터리 인클로저와 같은, 실링된 배터리 인클로저일 수 있는, 배터리 인클로저 내에 있다. 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리(106)를 갖는 2차 배터리 또는 에너지 저장 디바이스(100)의 반복 사이클링 동안 전극 어셈블리(106)의 성장 및/또는 팽윤에 의해 가해지는 압력 초과인 압력으로 전극 제약들의 세트(108)에 의해 억제될 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 전극 어셈블리(106)의 부분으로서 전극 구조체(110)를 갖는 2차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 적층 방향 D에서의 전극 구조체(110)에 의해 발생되는 압력을 초과하는 압력을 가하는 것에 의해 적층 방향 D에서의 전극 구조체(110)의 성장을 억제하는 배터리 인클로저(104) 내의 하나 이상의 개별 구조체(들)를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 전극 어셈블리(106)의 부분으로서 상대 전극 구조체(112)를 갖는 2차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 적층 방향 D에서의 상대 전극 구조체(112)에 의해 발생되는 압력을 초과하는 적층 방향 D에서의 압력을 가하는 것에 의해 적층 방향 D에서의 상대 전극 구조체(112)의 성장을 억제하는 배터리 인클로저(104) 내의 하나 이상의 개별 구조체를 포함한다. 2차 성장 제약 시스템(152)은, 유사하게, 전극 또는 상대 전극 구조체들(각각, 110, 112)을 갖는 2차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 제2 방향에서의 전극 또는 상대 전극 구조체(각각, 110, 112)에 의해 발생되는 압력을 초과하는 제2 방향에서의 압력을 가하는 것에 의해, 수직 축(Z 축)을 따라서와 같이, 적층 방향 D에 직교하는 제2 방향에서의 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112) 중 적어도 하나의 성장을 억제하는 배터리 인클로저(104) 내의 하나 이상의 개별 구조체를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)은, 가로 축 및/또는 수직 축을 따르는 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 대향 제1 및 제2 영역들과 같은, 세로 방향에 직교하는 방향으로 있을 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들 상에 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)에 의해 가해지는 압력을 초과하는 압력을, 세로 방향에서, 의미하는, 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상에 가하는 것에 의해 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 즉, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)은, 가로(X 축) 방향 및 수직(Z 축) 방향과 같은, 이에 직교하는 방향들로 그렇게 함으로써 발생되는 압력을 초과하는 압력을 세로 방향(Y 축)으로 가할 수 있다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 1차 성장 제약 시스템(151)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 3배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상의 (즉, 적층 방향 D에서의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 1차 성장 제약 시스템(151)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 4배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상의 (즉, 적층 방향 D에서의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 5배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상의 (즉, 적층 방향 D에서의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다.
유사하게, 하나의 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은, 제2 방향에 직교하는 방향으로 있을 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들 상에 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)에 의해 가해지는 압력을 초과하는 압력을, 수직 축을 따르는 제1 및 제2 대향 표면 영역들(각각, 148, 150)과 같은, 세로 방향에 직교하는 제2 방향으로(즉, 수직 방향으로) 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제1 및 제2 대향 영역들 상에 가하는 것에 의해 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 즉, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은, 가로(X 축) 방향 및 세로(Y 축) 방향과 같은, 이에 직교하는 방향들로 그렇게 함으로써 발생되는 압력을 초과하는 압력을 수직 방향(Z 축)으로 가할 수 있다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은, 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 2차 성장 제약 시스템(152)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 3배 초과하는 대향 제1 및 제2 대향 표면 영역들(각각, 148, 150) 상의 (즉, 수직 방향에서의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 2차 성장 제약 시스템(152)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 4배 초과하는 제1 및 제2 대향 표면 영역들(각각, 148, 150) 상의 (즉, 수직 방향에서의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 5배 초과하는 제1 및 제2 대향 표면 영역들(각각, 148, 150) 상의 (즉, 수직 방향에서의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다.
또 다른 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)의 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)은, 가로 방향에 직교하는 방향으로 있을 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들 상에 3차 성장 제약 시스템(155)에 의해 가해지는 압력을 초과하는 압력을, 가로 축을 따르는 제1 및 제2 대향 표면 영역들(각각, 161, 163)과 같은, 세로 방향 및 제2 방향에 직교하는 방향으로(즉, 가로 방향으로) 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제1 및 제2 대향 영역들 상에 가하는 것에 의해 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 즉, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)은, 수직(Z 축) 방향 및 세로(Y 축) 방향과 같은, 이에 직교하는 방향들로 그렇게 함으로써 발생되는 압력을 초과하는 압력을 가로 방향(X 축)으로 가할 수 있다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)은 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 3차 성장 제약 시스템(155)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 3배 초과하는 제1 및 제2 대향 표면 영역들(144, 146) 상의 (즉, 가로 방향에서의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)은 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 3차 성장 제약 시스템(155)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 4배 초과하는 제1 및 제2 대향 표면 영역들(각각, 144, 146) 상의 (즉, 가로 방향에서의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)은 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 5배 초과하는 제1 및 제2 대향 표면 영역들(각각, 144, 146) 상의 (즉, 가로 방향에서의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제한다.
하나의 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151), 2차 성장 제약 시스템(152), 및 선택적으로 3차 성장 제약 시스템(155)을 포함할 수 있는, 전극 제약들의 세트(108)는, 전극 제약들의 세트(108)에 의해 세로 방향을 따라 가해지는 압력이 세로 방향에 직교하는 방향들(예를 들어, Z 및 X 방향들) 중 임의의 것으로 전극 제약들의 세트(108)에 의해 가해지는 임의의 압력(들) 초과인 것으로, 이들의 2개 이상의 치수들을 따라(예를 들어, 세로 및 수직 방향을 따라, 그리고 선택적으로 가로 방향을 따라) 전극 어셈블리(106) 상에 압력을 가하도록 구성된다. 즉, 전극 제약들의 세트(108)를 구성하는, 1차, 2차, 및 선택적으로 3차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152, 155)에 의해 가해지는 압력(들)이 함께 합산될 때, 세로 축을 따라 전극 어셈블리(106) 상에 가해지는 압력은 이에 직교하는 방향들에서의 전극 어셈블리(106) 상에 가해지는 압력(들)을 초과한다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나 또는 심지어 양자 모두로 전극 제약들의 세트(108)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 3배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상의 (즉, 적층 방향 D에서의) 압력을 가한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 전극 제약들의 세트(108)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 4배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상의 (즉, 적층 방향 D에서의) 압력을 가한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나 또는 심지어 양자 모두로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 5배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116,118) 상의 (즉, 적층 방향 D에서의)의 압력을 가한다.
하나의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)은 전체 전극 어셈블리(106)의 전체적인 표면 면적의 미리 결정된 양 미만인 조합 표면 면적(combined surface area)을 갖는다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118) 및 단부 표면들(각각, 116, 118) 사이에 연장되는 측방향 표면(142)이 있는 직사각형 프리즘의 것에 대응하는 기하학적 형상을 가질 수 있으며, 측방향 표면은 전극 어셈블리(106)의 나머지 표면을 구성하고, X 방향에서의 대향 표면 영역들(144, 146)(즉, 직사각형 프리즘의 측 표면들) 및 Z 방향에서의 대향 표면 영역들(148, 150)(즉, 직사각형 프리즘의 상부 및 하부 표면들, X, Y 및 Z는, 각각, X 축, Y 축, 및 Z 축에 대응하는 방향들에서 측정되는 치수들임)을 갖는다. 전체적인 표면 면적은 따라서, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적에 가산되는, 측방향 표면(142)에 의해 커버되는 표면 면적(즉, X 및 Z에서의 대향 표면들(144, 146, 148, 및 150)의 표면 면적)의 합이다. 본 개시내용의 하나의 양태에 따르면, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적들의 합은 전극 어셈블리(106)의 총 표면의 표면 면적의 33% 미만이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적들의 합은 전극 어셈블리(106)의 총 표면의 표면 면적의 25% 미만이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면 면적의 20% 미만이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면 면적의 15% 미만이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면 면적의 10% 미만이다.
또 다른 실시예에서, 적층 방향(즉, 세로 방향)에 직교하는 평면에서의 전극 어셈블리(106)의 투영의 표면 면적이 다른 직교 평면들 상으로의 전극 어셈블리(106)의 투영들의 표면 면적들보다 작도록 전극 어셈블리(106)가 구성된다. 예를 들어, 도 2a에 도시되는 전극 어셈블리(106) 실시예(예를 들어, 직사각형 프리즘)를 참조하면, 적층 방향에 직교하는 평면(즉, X-Z 평면)으로의 전극 어셈블리(106)의 투영의 표면 면적은 LEA X HEA에 대응한다는 점을 알 수 있다. 유사하게, 전극 어셈블리(106)의 Z-Y 평면으로의 투영은 WEA X HEA에 대응하고, 전극 어셈블리(106)의 X-Y 평면으로의 투영은 LEA X WEA에 대응한다. 따라서, 최소 표면 면적을 갖는 투영이 놓이는 평면과 적층 방향이 교차하도록 전극 어셈블리(106)가 구성된다. 따라서, 도 2a에서의 실시예에서, HEA X LEA 에 대응하는 최소 표면 면적 투영이 놓이는 X-Z 평면과 적층 방향이 교차하도록 전극 어셈블리(106)가 배치된다. 즉, 최소 표면 면적(예를 들어, HEA X LEA)을 갖는 투영이 적층 방향에 직교하도록 전극 어셈블리가 배치된다.
또 다른 실시예에서, 2차 배터리(102)는, 전극 스택을 형성하도록 함께 적층되는, 복수의 전극 어셈블리들(106)을 포함할 수 있고, 하나 이상의 공유 전극 제약에 의해 제약될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및 2차 성장 제약 시스템(152) 중 하나 이상의 적어도 일부분은 전극 어셈블리 스택을 형성하는 복수의 전극 어셈블리들(106)에 의해 공유될 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리 스택을 형성하는 복수의 전극 어셈블리들은, 스택을 형성하는 복수의 전극 어셈블리들(106)이 공유 2차 성장 제약 시스템에 의해 수직 방향으로 제약되도록, 스택의 상부 전극 어셈블리(106)에 있는 제1 2차 성장 제약(158) 및 스택의 하부 전극 어셈블리(106)에 있는 제2 2차 성장 제약(160)을 갖는 2차 성장 제약 시스템(152)에 의해 수직 방향으로 제약될 수 있다. 유사하게, 1차 성장 제약 시스템(151)의 부분들이 또한 공유될 수 있다. 따라서, 하나의 실시예에서, 위에 설명된 단일 전극 어셈블리에 유사하게, 적층 방향(즉, 세로 방향)에 직교하는 평면에서의 전극 어셈블리들(106)의 스택의 투영의 표면 면적은 다른 직교 평면들 상으로의 전극 어셈블리들(106)의 스택의 투영들의 표면 면적들보다 작다. 즉, 적층 방향(즉, 세로 방향)이 전극 어셈블리 스택의 다른 직교 투영들 전부 중 최소인 전극 어셈블리들(106)의 스택의 투영을 갖는 평면에 교차하고 이에 직교하도록 복수의 전극 어셈블리들(106)이 구성될 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 적층 방향(즉, 세로 방향)에 직교하는 평면으로의 전극 구조체들(110)의 투영의 표면 면적이 다른 직교 평면들 상으로의 전극 구조체들(100)의 투영들의 표면 면적들보다 크도록 구성되는 전극 구조체들(110)을 전극 어셈블리(106)가 추가로 포함한다. 예를 들어, 도 2 및 도 7에 도시되는 바와 같은 실시예들을 참조하면, 전극들(110)은 가로 방향으로 측정되는 길이 LES, 세로 방향으로 측정되는 폭 WES, 및 수직 방향으로 측정되는 높이 HES를 갖는 것으로 각각 이해될 수 있다. 따라서, 도 2 및 7에 도시되는 바와 같은 X-Z 평면으로의 투영은 표면 면적 LES X HES를 갖고, Y-Z 평면으로의 투영은 표면 면적 WES X HES를 갖고, XY 평면으로의 투영은 표면 면적 LES X WES를 갖는다. 이들 중에서, 최대 표면 면적을 갖는 투영에 대응하는 평면은 적층 방향에 직교하도록 선택되는 하나이다. 유사하게, 적층 방향에 직교하는 평면으로의 전극 활성 재료 층(132)의 투영의 표면 면적이 다른 직교 평면들 상으로의 전극 활성 재료 층의 투영들의 표면 면적들보다 크도록 전극들(110)이 또한 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 7에 도시되는 실시예에서, 전극 활성 재료 층은 가로 방향으로 측정되는 길이 LA, 세로 방향으로 측정되는 폭 WA, 및 수직 방향으로 측정되는 높이 HA를 가질 수 있고, 이들은 돌출의 표면 면적들로부터 계산될 수 있다(전극 구조체 및/또는 전극 활성 재료 층(132)의 치수들이 하나 이상의 축을 따라 달라지는 경우에, LES, LA, WES, WA HES 및 HA가 이러한 치수들 중 최대에 또한 대응할 수 있음). 하나의 실시예에서, 전극 구조체(100) 및/또는 전극 활성 재료 층(132)의 가장 높은 투영 표면 면적을 갖는 평면이 적층 방향에 직교하도록 전극 구조체들(110)을 배치하는 것에 의해, 전극 활성 재료의 가장 큰 표면 면적을 갖는 전극 구조체(110)의 표면이 캐리어 이온들의 이동의 방향을 대면하고, 따라서 인터칼레이션 및/또는 합금화로 인해 충전 및 방전 상태들 사이의 사이클링 동안 가장 큰 성장을 경험하는 구성이 달성될 수 있다.
하나의 실시예에서, 전극 구조체(110) 및/또는 전극 활성 재료 층(132)의 최대 표면 면적 투영 및 전극 어셈블리(106)의 최소 표면 면적 투영이, 적층 방향에 직교하는 평면에 동시에 있도록 전극 구조체(110) 및 전극 어셈블리(106)가 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 7에 도시되는 바와 같이, 전극 활성 재료 층(132)의 X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층(132)의 투영(LA X HA)이 가장 높은 경우에, 전극 구조체(110) 및/또는 전극 활성 재료 층(132)은 전극 어셈블리의 최소 표면 면적 투영(LEA X HEA)에 대하여 배치되어, 양자 모두의 투영에 대한 투영 평면은 적층 방향에 직교한다. 즉, 전극 구조체(110) 및/또는 전극 활성 재료의 가장 큰 표면 면적 투영을 갖는 평면은 전극 어셈블리(106)의 최소 표면 면적 투영을 갖는 평면에 평행하다(및/또는 이와 동일한 평면에 있음). 이러한 방식으로, 하나 실시예에 따르면, 가장 높은 체적 성장을 경험할 가능성이 가장 많은 전극 구조체들의 표면들, 즉 가장 높은 함량의 전극 활성 재료 층을 갖는 표면들, 및/또는 2차 배터리의 충전/방전 동안 캐리어 이온들의 이동의 방향과 교차하는(예를 들어, 이에 직교하는) 표면들은, 최저 표면 면적을 갖는 전극 어셈블리(106)의 표면들과 대면한다. 이러한 구성을 제공하는 것의 이점은 이러한 가장 큰 성장의 방향으로, 예를 들어, 세로 축을 따라 제약하기 위해 사용되는 성장 제약 시스템이, 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들의 면적에 비해, 그들 자체가 비교적 작은 표면 면적을 갖는 성장 제약들로 구현될 수 있고, 그렇게 함으로써 전극 어셈블리의 성장을 억제하도록 제약 시스템을 구현하는데 요구되는 체적을 감소시킨다는 점이다.
하나의 실시예에서, 제약들의 세트는 충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리의 사이클링 동안 전극 어셈블리에 의해 가해지는 2 MPa 이상의 압력에 저항할 수 있다. 다른 실시예에서, 제약들의 세트는 충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리의 사이클링 동안 전극 어셈블리에 의해 가해지는 5 MPa 이상의 압력에 저항할 수 있다. 다른 실시예에서, 제약들의 세트는 충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리의 사이클링 동안 전극 어셈블리에 의해 가해지는 7 MPa 이상의 압력에 저항할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제약들의 세트는 충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리의 사이클링 동안 전극 어셈블리에 의해 가해지는 10 MPa 이상의 압력에 저항할 수 있다. 제약들의 세트는, 실질적으로 제약들의 세트의 파괴 또는 장애 없이, 이러한 압력들에 저항하고 견딜 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 아래에 설명되는 바와 같이, 제약들의 세트는 2차 배터리(102)에서의 비교적 작은 체적을 또한 제공하면서 압력에 저항할 수 있다.
하나의 실시예에서, 제약 시스템(108)은 전극 어셈블리(106) 및 제약 시스템(108)의 조합 체적(combined volume)의 비교적 낮은 체적 %를 점유한다. 즉, 전극 어셈블리(106)는 자신의 외부 표면들에 의해 경계가 정해지는 체적(즉, 변위 체적(displacement volume)), 즉 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 및 이러한 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면(42)에 의해 에워싸이는 체적을 갖는 것으로 이해될 수 있다. 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)이 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에 위치되고, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)이 측방향 표면(142)의 대향 단부들에 있는 경우와 같은, 전극 어셈블리(106) 외부에(즉, 세로 단부 표면들(116, 118) 및 측방향 표면 외부에) 있는 제약 시스템(108)의 부분들인, 제약 시스템(108)의 부분들은 유사하게 제약 시스템 부분들의 변위 체적에 대응하는 체적을 점유한다. 따라서, 하나의 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분들(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버 중 임의의 것, 또는 이들의 외부 부분들)은 물론, 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분들(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 및 적어도 하나의 2차 연결 멤버 중 임의의 것, 또는 이들의 외부 부분들)을 포함할 수 있는, 전극 제약들의 세트(108)의 외부 부분들은 전극 어셈블리(106) 및 전극 제약들의 세트(108)의 외부 부분의 총 조합 체적의 80% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 전극 제약들의 세트의 외부 부분들은 전극 어셈블리(106) 및 전극 제약들의 세트의 외부 부분들의 총 조합 체적의 60% 이하를 점유한다. 또 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 전극 제약들의 세트(106)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 전극 제약들의 세트의 외부 부분의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다. 또 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 전극 제약들의 세트(106)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 전극 제약들의 세트의 외부 부분의 총 조합 체적의 20% 이하를 점유한다. 또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버 중 임의의 것, 또는 이들의 외부 부분들)은 전극 어셈블리(106) 및 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 30% 이하를 점유한다. 또 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 20% 이하를 점유한다. 또 추가의 예로서, 하나의 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 10% 이하를 점유한다. 또 다른 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 및 적어도 하나의 2차 연결 멤버 중 임의의 것, 또는 이들의 외부 부분들)은 전극 어셈블리(106) 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 30% 이하를 점유한다. 또 다른 예로서, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 20% 이하를 점유한다. 또 다른 예로서, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 10% 이하를 점유한다.
하나의 실시예에 따르면, 전극 제약들의 세트(108)의 부분들에 의해 점유되는 비교적 낮은 체적에 대한 이론적 근거(rationale)는 도 8a 및 도 8b에 도시되는 힘 개략도들을 참조하는 것에 의해 이해될 수 있다. 도 8a는, 전극 활성 재료 층들(132)의 체적에서의 증가로 인해, 2차 배터리(102)의 사이클링 시에 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 상에 가해지는 힘들을 도시하는 실시예를 묘사한다. 화살표들(198b)은 이들의 팽창 시에 전극 활성 재료 층들(132)에 의해 가해지는 힘들을 묘사하며, w는, 전극 활성 재료 층들(132)의 성장으로 인해, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)에 인가되는 부하를 도시하고, P는 전극 활성 재료 층들(132)의 체적에서의 증가의 결과로서 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)에 인가되는 압력을 도시한다. 유사하게, 도 8b는, 전극 활성 재료 층들(132)의 체적에서의 증가로 인해, 2차 배터리(102)의 사이클링 시에 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 상에 가해지는 힘들을 도시하는 실시예를 묘사한다. 화살표들(198a)은 이들의 팽창 시에 전극 활성 재료 층들(132)에 의해 가해지는 힘들을 묘사하며, w는, 전극 활성 재료 층들(132)의 성장으로 인해, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)에 인가되는 부하를 도시하고, P는 전극 활성 재료 층들(132)의 체적에서의 증가의 결과로서 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)에 인가되는 압력을 도시한다. 2차 배터리의 사이클링 동안, 전극 활성 재료가 등방성으로(즉, 모든 방향들에서) 팽창하고, 따라서 각각의 방향에서의 압력 P가 동일하지만, 각각의 방향에서 가해지는 부하 w는 상이하다. 설명으로서, 도 8a 및 8b에 묘사되는 실시예를 참조하면, 제1 또는 2차 성장 제약(154, 156) 상의 X-Z 평면에서의 부하는 P X LES X HES에 비례하며, P는 1차 성장 제약들(154, 156) 상의 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 가해지는 압력이고, LES는 가로 방향에서의 전극 구조체들(110)의 길이이고, HES는 수직 방향에서의 전극 구조체들(110)의 높이인 점이 이해될 수 있다. 유사하게, 제1 또는 제2 2차 성장 제약(158, 160) 상의 X-Y 평면에서의 부하는 P X LES X WES에 비례하며, P는 2차 성장 제약들(158, 160) 상의 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 가해지는 압력이고, LES는 가로 방향에서의 전극 구조체들(110)의 길이이고, WES는 세로 방향에서의 전극 구조체들(110)의 폭이다. 3차 제약 시스템이 제공되는 경우에, 제1 또는 제2 3차 성장 제약(157, 159) 상의 Y-Z 평면에서의 부하는 P X HES X WES에 비례하며, P는 3차 성장 제약들(157, 159) 상의 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 가해지는 압력이고, HES는 수직 방향에서의 전극 구조체들(110)의 높이이고, WES는 세로 방향에서의 전극 구조체들의 폭이다. 따라서, LES이 WES 및 HES 양자 모두를 초과하는 경우, Y-Z 평면에서의 부하는 최소일 것이고, HES > WES인 경우, X-Y 평면에서의 부하는 X-Z 평면에서의 부하 미만일 것이고, 이는 X-Z 평면이 직교 평면들 사이에 수용될 가장 높은 부하를 갖는다는 점을 의미한다.
또한, 하나의 실시예에 따르면, X-Y 평면에서 1차 제약을 제공하는 것과는 반대로, 해당 평면에서의 부하가 가장 큰 경우에 X-Z 평면에서 1차 제약이 제공되면, X-Z 평면에서의 1차 제약은, 1차 제약이 X-Y 평면에 있다면 가질 것이 요구될 것보다 훨씬 더 낮은 체적을 요구할 수 있다. 이것은, 1차 제약이 X-Z 평면 대신에 X-Y 평면에 있다면, 요구될 성장에 대한 강성(stiffness)을 갖기 위해 제약이 훨씬 더 두꺼울 것이 요구되기 때문이다. 특히, 본 명세서에서 아래에 추가로 상세히 설명되는 바와 같이, 1차 연결 멤버들 사이의 거리가 증가함에 따라, 버클링 굴절이 또한 증가될 수 있고, 스트레스가 또한 증가한다. 예를 들어, 1차 성장 제약들(154, 156)의 굴곡으로 인한 굴절을 지배하는 방정식은 다음과 같이 작성될 수 있고:
δ= 60wL4/Eh3
w = 전극 팽창으로 인해 1차 성장 제약(154, 156)에 인가되는 총 분포 부하이고; L = 수직 방향을 따른 1차 연결 멤버들(158, 160) 사이의 거리이고; E = 1차 성장 제약들(154, 156)의 탄성 계수이고, h = 1차 성장 제약들(154, 156)의 두께(폭)이다. 전극 활성 재료(132)의 팽창으로 인한 1차 성장 제약들(154, 156) 상의 스트레스는 다음의 방정식을 사용하여 계산될 수 있고:
σ= 3wL2/4h2
w = 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 1차 성장 제약들(154, 156)에 인가되는 총 분포 부하이고; L = 수직 방향을 따른 1차 연결 멤버들(158, 160) 사이의 거리이고; h = 1차 성장 제약들(154, 156)의 두께(폭)이다. 따라서, 1차 성장 제약들이 X-Y 평면에 있다면, 그리고 1차 연결 멤버들이, 1차 제약이 X-Z 평면에 있다면 이들이 그렇지 않을 것보다 (예를 들어, 세로 단부들에서) 훨씬 추가로 떨어진다면, 이것은, 1차 성장 제약들이 더 두꺼울 것이 요구되고 따라서 이들이 X-Z 평면에 있다면 이들이 그렇지 않을 더 큰 체적을 점유한다는 점을 의미할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상으로의 전극 및 상대 전극 집단들의 멤버들의 투영은 제1 및 제2 투영 면적들(2002a, 2002b)을 한정한다. 일반적으로, 제1 및 제2 투영 면적들(2002a, 2002b)은 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 122, 124)의 표면 면적의 상당한 분율(significant fraction)을 통상적으로 포함할 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서 제1 및 제2 투영 면적들 각각은, 각각, 제1 및 제2 세로 단부 표면들의 표면 면적의 적어도 50%를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 투영 면적들 각각은, 각각, 제1 및 제2 세로 단부 표면들의 표면 면적의 적어도 75%를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 투영 면적들 각각은, 각각, 제1 및 제2 세로 단부 표면들의 표면 면적의 적어도 90%를 포함한다.
특정 실시예들에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)은 상당한 압축 부하 하에 있을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 0.7 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 1.75 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 2.8 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 3.5 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 5.25 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 7kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 8.75 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 약 10 kPa 이하의 압축 부하 하에 있을 것이다. 세로 단부 표면들 상으로의 전극 및 상대 전극 집단들의 멤버들의 투영과 일치하는 전극 어셈블리의 세로 단부 표면의 영역들(즉, 투영 표면 영역들)은 (각각의 투영 표면 영역의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균되는 바와 같은) 위 압축 부하들 하에 또한 있을 수 있다. 전술한 예시적인 실시예들 각각에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)은 전극 어셈블리(106)를 갖는 에너지 저장 디바이스(100)가 자신의 정격 용량의 적어도 약 80%로 충전될 때 이러한 압축 부하들을 경험할 것이다.
하나의 실시예에 따르면, 2차 성장 제약 시스템(152)은, 미리 결정된 값의 억제력(restraining force)을 인가하는 것에 의해, 그리고 성장 억제들의 과도한 스큐(skew) 없이, 수직 방향(Z 방향)으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 1000 psi 초과의 억제력을 대향 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것 및 0.2 mm/m 미만의 스큐에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 10,000 psi 이하에서의 5% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 억제력을 대향 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 10,000 psi 이하에서의 3% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 억제력을 대향 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 10,000 psi 이하에서의 1% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 억제력을 대향 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 50개의 배터리 사이클들 이후에 10,000 psi 이하에서의 15% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 수직 방향에서의 억제력을 대향 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 150개의 배터리 사이클들 이후에 10,000 psi 이하에서의 5% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 억제력을 대향 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 도 1a에 도시되는 바와 같은 라인 A-A'를 따라 취해지는 단면으로, 전극 제약들의 세트(108)가 있는 전극 어셈블리(106)의 실시예가 도시된다. 도 5에 도시되는 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)에 있는, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 포함할 수 있고, 2차 성장 제약 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 대향 제1 및 제2 표면 영역들(148, 150)에 있는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)을 포함한다. 이러한 실시예에 따르면, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)을 연결하고 성장 제약들을 세로 방향에 직교하는 제2 방향(예를 들어, 수직 방향)으로 서로 장력을 받도록 유지하는 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)로서 역할을 할 수 있다. 그러나, 추가적으로 및/또는 대안적으로, 2차 성장 제약 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)이외의 영역에 위치되는 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)는, 전극 어셈블리의 세로 단부들(116, 118)의 내부에 있는, 그리고 성장을 억제하기 위해 전극 어셈블리(106)의 세로 단부(116, 118)에서의 1차 성장 억제 및/또는 다른 내부 1차 성장 억제와 함께 작용할 수 있는, 제1 및 제2 1차 성장 제약(154, 156) 중 적어도 하나로서 작용하는 것으로 이해될 수 있다. 도 5에 도시되는 실시예를 참조하면, 전극 어셈블리(106)의 중심 영역을 향해서와 같이, 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)로부터 떨어져 세로 축을 따라 이격되는 2차 연결 멤버(166)가 제공될 수 있다. 2차 연결 멤버(166)는 전극 어셈블리 단부 표면들(116, 118)로부터 내부 위치에서 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 연결할 수 있고, 그 위치에서 2차 성장 제약들(158, 160) 사이의 장력 하에 있을 수 있다. 하나의 실시예에서, 세로 단부 표면들(116, 118)에 있는 1차 성장 제약들(154, 156)로서 또한 역할을 하는 2차 연결 멤버들(166)과 같은, 전극 어셈블리 단부 표면들(116, 118)에서 제공되는 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)에 추가적으로, 단부 표면들(116, 118)로부터 내부 위치에서 2차 성장 제약들(158, 160)을 연결하는 2차 연결 멤버(166)가 제공된다. 다른 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은, 세로 단부 표면들(116, 118)에서의 2차 연결 멤버들(166)이 있고 또는 없고, 세로 단부 표면들(116, 118)로부터 이격되는 내부 위치들에서 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)과 연결하는 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)를 포함한다. 내부 2차 연결 멤버들(166)은, 하나의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)로서 작용하는 것으로서 또한 이해될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 내부 2차 연결 멤버들(166) 중 적어도 하나는, 아래에 추가로 상세히 설명되는 바와 같이, 전극 또는 상대 전극 구조체(110, 112)의 적어도 일부분을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5에 도시되는 실시예에 대하여, 2차 성장 제약 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 상위 영역(148) 위에 놓이는(overlies) 제1 2차 성장 제약(158), 및 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 하위 영역(150) 위에 놓이는 대향 제2 2차 성장 제약(160)을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)은 수직 방향으로(즉, Z 축을 따라) 서로 분리된다. 추가적으로, 2차 성장 제약 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)로부터 이격되는 적어도 하나의 내부 2차 연결 멤버(166)를 추가로 포함할 수 있다. 내부 2차 연결 멤버(166)는 Z 축에 평행하게 정렬될 수 있고, 성장 제약들을 서로 장력을 받도록 유지하기 위해 그리고 2차 제약 시스템(152)의 적어도 일부분을 형성하기 위해, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 연결한다. 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 내부 2차 연결 멤버(166)는, 단독으로 또는 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)에 위치되는 2차 연결 멤버들(166)과 함께, 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 감소시키기 위해, 전극 어셈블리(106)를 갖는 2차 배터리(102) 또는 에너지 저장 디바이스(100)의 반복 충전 및/또는 방전 동안, 수직 방향에서의(즉, Z 축을 따르는) 제1 및 2차 성장 제약들(158, 160) 사이의 장력 하에 있을 수 있다. 또한, 도 5에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 전극 어셈블리(106)의 상위 및 하위 측방향 표면 영역들(각각, 148, 150)에서 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164)에 의해 연결되는 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 갖는 1차 성장 제약 시스템(151)을 추가로 포함한다. 하나의 실시예에서, 2차 내부 연결 멤버(166)는 그 자체가, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)이 위치될 수 있는 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)과 2차 내부 연결 멤버(166) 사이에 세로 방향으로 놓이는 전극 어셈블리(106)의 각각의 부분 상에 제약 압력(constraining pressure)을 가하기 위해, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 중 하나 이상과 협력하여 작용하는 것으로서 이해될 수 있다.
하나의 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및 2차 성장 제약 시스템(152) 중 하나 이상은 복수의 제약 멤버들을 포함하는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 및/또는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 포함한다. 즉, 1차 성장 제약들(154, 156) 및/또는 2차 성장 제약들(158, 160) 각각은 단일 일체형 멤버(single unitary member)일 수 있거나, 또는 복수의 멤버들이 이러한 성장 제약들 중 하나 이상을 구성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 전극 어셈블리 측방향 표면(142)의 상위 및 하위 표면 영역들(각각, 148, 150)을 따라 연장되는 단일 제약 멤버들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 측방향 표면의 대향 표면 영역들(148, 150)에 걸쳐 연장되는 복수의 멤버를 포함한다. 유사하게, 1차 성장 제약들(154, 156)은 복수의 멤버들로 또한 이루어질 수 있거나, 또는 각각이 각각의 전극 어셈블리 세로 단부(117, 119)에서 단일 일체형 멤버를 포함할 수 있다. 1차 성장 제약들(154, 156)과 2차 성장 제약들(158, 160) 각각 사이에 장력을 유지하기 위해, 성장 제약들 사이의 전극 어셈블리(106) 상에 압력을 가하는 방식으로 성장 제약들을 포함하는 하나의 또는 복수의 멤버를 대향 성장 제약 멤버들에 연결하는 연결 멤버들(예를 들어, 162, 164, 165, 166)이 제공된다.
하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)는 성장 제약들을 서로 장력을 받도록 유지하기 위해 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)과의 접촉의 면적들(168, 170)을 형성한다. 접촉의 면적들(168, 170)은, 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)의 단부의 표면이 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)에 접착되는 또는 점착되는(glued) 곳들과 같은, 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)의 단부들(172, 174)에 있는 표면들이 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 터치 및/또는 접촉하는 이러한 면적들이다. 접촉의 면적들(168, 170)은 각각의 단부(172, 174)에 있을 수 있고, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)의 표면 면적에 걸쳐 연장되어, 이들 사이의 양호한 접촉을 제공할 수 있다. 접촉의 면적들(168, 170)은 2차 연결 멤버(166)와 성장 제약들(158, 160) 사이에 세로 방향(Y 축)에서의 접촉을 제공하며, 접촉의 면적들(168, 170)은 양호한 접촉 및 연결을 제공하여 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)을 서로 장력을 받도록 유지하기 위해 가로 방향(X 축)으로 또한 연장될 수 있다. 하나의 실시예에서, 접촉의 면적들(168, 170)은 적어도 1%인 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158, 160)과의 세로 방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적(예를 들어, 모든 면적들(168)의 합 및 모든 면적들(170)의 합)의 비율을 제공한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158, 160)과의 세로 방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 2%이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158, 160)과의 세로 방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 5%이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158, 160)과의 세로 방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 10%이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 세로 방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 25% 이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 세로 방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 50% 이다. 일반적으로, 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 세로 방향(Y 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은, 하나 이상의 연결 멤버(166)가 전체 세로 축에 걸쳐 연장되는 접촉의 면적(168,170)을 통상적으로 갖지 않으므로, 90% 미만, 그리고 심지어 75% 미만과 같은, 100% 미만일 것이다. 그러나, 하나의 실시예에서, 성장 제약들(158,160)과의 2차 연결 멤버들(166)의 접촉의 면적(168,170)은, 가로 축(X 축)의 상당 부분에 걸쳐 연장될 수 있고, 심지어 가로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 전체 LEA에 걸쳐 연장될 수 있다. 예를 들어, 가로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 LEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 가로 방향(X 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적(예를 들어, 모든 면적들(168)의 합 및 모든 면적들(170)의 합)의 비율은 적어도 약 50%일 수 있다. 추가의 예로서, 가로 방향(X 축)에서의 전극 어셈블리(106)의 LEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 가로 방향(X 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 약 75%일 수 있다. 추가의 예로서, 가로 방향(X 축)에서의 전극 어셈블리(106)의 LEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 가로 방향(X 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 약 90%일 수 있다. 추가의 예로서, 가로 방향(X 축)에서의 전극 어셈블리(106)의 LEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 가로 방향(X 축)에서의 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 약 95%일 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)와 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 사이의 접촉의 면적들(168, 170)은 전극 어셈블리(106)를 갖는 2차 배터리(102) 또는 에너지 저장 디바이스(100)의 사이클링 동안 성장 제약들(158, 160) 사이에 적절한 유지 및 장력을 제공하기에 충분히 크다. 예를 들어, 접촉의 면적들(168, 170)은, 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 표면 면적의 적어도 10%, 그리고 심지어 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 표면 면적의 적어도 20%와 같은, 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 표면 면적의 적어도 2%를 구성하는 각각의 성장 제약(158, 160)과의 접촉의 면적을 형성할 수 있다. 추가의 예로서, 접촉의 면적들(168, 170)은 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 표면 면적의 적어도 35%, 그리고 심지어 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 표면 면적의 적어도 40%를 구성하는 각각의 성장 제약(158, 160)과의 접촉의 면적을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상위 및 하위 대향 표면 영역들(각각, 148, 150)을 갖는 전극 어셈블리(106)에 대해, 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)는, 상위 및 하위 대향 표면 영역들(각각, 148, 150)의 표면 면적의 적어도 10%, 그리고 심지어 상위 및 하위 대향 표면 영역들(각각, 148, 150)의 표면 면적의 적어도 20%를 따라서와 같이, 상위 및 하위 대향 표면 영역들(각각, 148, 150)의 표면 면적의 적어도 5%를 따라서 성장 제약들(158, 160)과의 접촉의 면적들(168, 170)을 형성할 수 있다. 추가의 예로서, 상위 및 하위 대향 표면 영역들(각각, 148, 150)을 갖는 전극 어셈블리(106)에 대해, 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)는, 상위 및 하위 대향 표면 영역들(각각, 148, 150)의 표면 면적의 적어도 50%를 따라서와 같이, 상위 및 하위 대향 표면 영역들(각각, 148, 150)의 표면 면적의 적어도 40%를 따라서 성장 제약들(158, 160)과의 접촉의 면적들(168, 170)을 형성할 수 있다. 전극 어셈블리(106)의 총 표면 면적에 비해 최소 표면 면적을 구성하는 적어도 하나의 연결 멤버(166)와 성장 제약들(158, 160) 사이의 접촉을 형성하는 것에 의해, 성장 제약들(158, 160) 사이의 적절한 장력이 제공될 수 있다. 또한, 하나의 실시예에 따르면, 접촉의 면적들(168, 170)이 단일 2차 연결 멤버(166)에 의해 제공될 수 있거나, 또는 접촉의 총 면적이, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에 위치되는 하나의 또는 복수의 2차 연결 멤버(166), 및/또는 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)로부터 이격되는 하나의 또는 복수의 내부 2차 연결 멤버(166)와 같은, 복수의 2차 연결 멤버들(166)에 의해 제공되는 다수의 접촉의 면적들(168, 170)의 합일 수 있다.
추가로 여전히, 하나의 실시예에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)(및 선택적으로 3차 성장 제약 시스템)은, 전극 어셈블리의 체적 성장 %를 억제하기 위해, 세로 방향 및, 수직 방향(Z 축)과 같은, 세로 방향에 직교하는 제2 방향 양자 모두로의(그리고 선택적으로, X 축을 따라와 같은, 제3 방향에서의) 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제할 수 있다.
특정 실시예들에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 하나 이상은, 다공성 재료로 이루어는 멤버와 같은, 그 안에 공극들을 갖는 멤버를 포함한다. 예를 들어, 전극 어셈블리(106) 위의 2차 성장 제약(158)의 평면도를 묘사하는 도 6a를 참조하면, 2차 성장 제약(158)은, 2차 성장 제약(158)에 의해 적어도 부분적으로 커버되는 전극 어셈블리(106)에 액세스하기 위해, 전해질이 이들을 통과하는 것을 허용하는 공극들(176)을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 그 안에 공극들(176)을 갖는다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 및 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 각각은 그 안에 공극들(176)을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 하나만 또는 일부분만이 그 안에 공극들을 포함한다. 또 추가의 실시예에서, 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164), 및 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166) 중 하나 이상은 그 안에 공극들을 포함한다. 공극들(176)을 제공하는 것은, 예를 들어, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102)가, 전해질이 도 20에 묘사되는 실시예에 도시되는 바와 같이, 예를 들어, 2차 배터리(102)에서의 상이한 전극 어셈블리들(106) 사이에 유동하는 것을 허용하기 위해, 배터리 인클로저(104) 내에 함께 적층되는 복수의 전극 어셈블리들(106)을 포함할 때, 유리할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템(각각, 151, 152)의 적어도 일부분을 구성하는 다공성 멤버는 적어도 0.25의 공극률(void fraction)을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)의 적어도 일부분을 구성하는 다공성 멤버는 적어도 0.375의 공극률을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)의 적어도 일부분을 구성하는 다공성 멤버는 적어도 0.5의 공극률을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)의 적어도 일부분을 구성하는 다공성 멤버는 적어도 0.625의 공극률을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)의 적어도 일부분을 구성하는 다공성 멤버는 적어도 0.75의 공극률을 가질 수 있다.
하나의 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 1차 성장 제약 시스템(151)의 컴포넌트들을 2차 성장 제약 시스템(152)의 컴포넌트들에 접착, 본딩, 및/또는 점착시키는 것 중 적어도 하나에 의해 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하도록 조립되고 고정(secure)될 수 있다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)의 컴포넌트들은 2차 성장 제약 시스템(152)의 컴포넌트들에 점착되거나, 용접되거나, 본딩되거나, 또는 달리 접착되고 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에 도시되는 바와 같이, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)로서 또한 역할을 할 수 있는 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164)에 접착될 수 있다. 반대로, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 150)은, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에 있는 성장 제약들과 같은, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 중 적어도 하나로서 역할을 하는 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)에 접착될 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 세로 단부들(117, 119)로부터 이격되는 내부 연결 멤버(166)인 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)에 또한 접착될 수 있다. 하나의 실시예에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)의 부분들을 서로에 고정시키는 것에 의해, 전극 어셈블리(106) 성장의 협력적 억제가 제공될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 하나 이상을 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)에 고정시키기 위한 실시예를 예시한다. 도 6a 및 도 6b는 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 상위 표면 영역(148) 위에 제1 2차 성장 제약(158)을 갖는 전극 어셈블리(106)의 실시예의 평면도를 제공한다. 세로 축(Y 축)을 따라서 이격되는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)이 또한 도시된다. 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112)의 적어도 일부분에 대응할 수 있는 2차 연결 멤버(166)가 또한 도시된다. 도시되는 바와 같은 실시예에서, 제1 2차 성장 제약(158)은 전해질 및 캐리어 이온들이 전극(110) 및 상대 전극(112) 구조체들에 도달하는 것을 허용하기 위해 그 안에 공극들(176)을 갖는다. 위에 설명된 바와 같이, 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 연결하는 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)로서 역할을 할 수 있다. 따라서, 도시되는 바와 같은 버전에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 전극 어셈블리(106)의 주변부(periphery)에서 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)에 연결될 수 있다. 그러나, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 내부 2차 연결 멤버(166)인 2차 연결 멤버(166)를 통해 또한 연결될 수 있다. 도시되는 바와 같은 버전에서, 제1 2차 성장 제약(158)은 아래에 있는 내부 2차 연결 멤버(166)에 성장 제약(158)이 본딩되는 본딩 영역들(178)을 포함하고, 아래에 있는 2차 연결 멤버(166)에 성장 제약(158)이 본딩되지 않는 비-본딩 영역들(180)을 추가로 포함하여, 비-본딩 영역들(180)의 면적들과 교대로 있는 본딩 영역들(178)의 칼럼들(columns)의 형태로 성장 제약(158)과 아래에 있는 2차 연결 멤버(166) 사이의 접촉의 면적들(168)을 제공한다. 하나의 실시예에서, 비-본딩 영역들(180)은 전해질 및 캐리어 이온들이 통과할 수 있는 개방 공극들(176)을 추가로 포함한다. 하나의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 전극(110) 또는 상대 전극(112) 구조체의 적어도 일부분, 또는 전극 어셈블리(106)의 다른 내부 구조체를 포함하는 2차 연결 멤버(166)에 접착된다. 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은, 하나의 실시예에서, 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)의 상부 및 하부 단부들 또는 2차 연결 멤버(166)를 형성하는 다른 내부 구조체들에 접착되어, 제약이 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극(112) 또는 다른 내부 구조체에 접착되는 곳에 대응하는 접착 면적들(178)의 칼럼들, 및 상대 전극(112) 또는 다른 내부 구조체들 사이의 비-접착 면적들(180)의 칼럼들을 형성할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 공극들(176)이 적어도 비-본딩 면적들(180)에서 개방으로 남도록 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112) 또는 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)를 형성하는 다른 구조체에 본딩 또는 접착될 수 있고, 전해질 및 캐리어 이온들이 이들을 통과하는 것을 허용하기 위해 본딩 영역들(178)에서의 공극들(176)이 비교적 개방으로 남을 수 있도록 또한 접착될 수 있다.
도 6b에 도시되는 바와 같은 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 전극 어셈블리(106)의 주변부에서 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)에 연결되고, 내부 2차 연결 멤버(166)인 2차 연결 멤버(166)를 통해 또한 연결될 수 있다. 도시되는 바와 같은 버전에서, 제1 2차 성장 제약(158)은 아래에 있는 내부 2차 연결 멤버(166)에 성장 제약(158)이 본딩되는 본딩 영역들(178)을 포함하고, 아래에 있는 2차 연결 멤버(166)에 성장 제약(158)이 본딩되지 않는 비-본딩 영역들(180)을 추가로 포함하여, 비-본딩 영역들(180)의 면적들과 교대로 있는 본딩 영역들(178)의 로우들(rows)의 형태로 성장 제약(158)과 아래에 있는 2차 연결 멤버(166) 사이의 접촉의 면적들(168)을 제공한다. 이러한 실시예에서의 이러한 본딩 및 비-본딩 영역들(각각, 178, 180)은, 도 6a에서와 같이 세로 방향(Y 축)에 반대로와 같이, 도 6b에 도시되는 바와 같은 가로 방향(X 축)으로 있을 수 있는, 2차 연결 멤버(166)의 치수에 걸쳐 연장될 수 있다. 대안적으로, 이러한 본딩 및 비-본딩 영역들(각각, 178, 180)은 미리 결정된 패턴으로 세로 및 가로 방향들 양자 모두에 걸쳐 연장될 수 있다. 하나의 실시예에서, 비-본딩 영역들(180)은 전해질 및 캐리어 이온들이 통과할 수 있는 개방 공극들(176)을 추가로 포함한다. 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은, 하나의 실시예에서, 전극 구조체들(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)의 상부 및 하부 단부들 또는 2차 연결 멤버(166)를 형성하는 다른 내부 구조체들에 접착되어, 성장 제약이 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극(112) 또는 다른 내부 구조체에 접착되는 곳에 대응하는 접착 면적들(178)의 로우들, 및 상대 전극(112) 또는 다른 내부 구조체들 사이의 비-접착 면적들(180)의 면적들을 형성할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 공극들(176)이 적어도 비-본딩 면적들(180)에서 개방으로 남도록 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112) 또는 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)를 형성하는 다른 구조체에 본딩 또는 접착될 수 있고, 전해질 및 캐리어 이온들이 이들을 통과하는 것을 허용하기 위해 본딩 영역들(178)에서의 공극들(176)이 비교적 개방으로 남을 수 있도록 또한 접착될 수 있다.
2차 제약 시스템 서브-아키텍처
하나의 실시예에 따르면, 위에 논의된 바와 같이, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 하나 이상은, 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112)의 일부분과 같은, 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체의 일부분인 2차 연결 멤버(166)를 통해 함께 연결될 수 있다. 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106) 내의 구조체들을 통해 제약들 사이의 연결을 제공하는 것에 의해, 전극 구조체(110)의 성장에 의해 생성되는 변형을 적절히 보상하는 타이트하게 제약된 구조체(tightly constrained structure)가 실현될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 전극(110) 또는 상대 전극 구조체(112)의 부분인 연결 멤버(166)를 통한 연결을 통해 서로 장력을 받게 배치되는 것에 의해, 수직 방향과 같은, 세로 방향에 직교하는 방향에서의 성장을 제약할 수 있다. 또 추가의 실시예에서, 전극 구조체(110)(예를 들어, 애노드 구조체)의 성장은 2차 연결 멤버(166)로서 역할을 하는 전극 구조체(110)(예를 들어, 음극 전류 수집기 층)를 통해 2차 성장 제약들(158, 160)의 연결에 의해 상대될 수 있다. 또 추가의 실시예에서, 전극 구조체(110)(예를 들어, 애노드 구조체)의 성장은 2차 연결 멤버(166)로서 역할을 하는 상대 전극 구조체(112)(예를 들어, 양극 전류 수집기 층)를 통해 2차 성장 제약들(158, 160)의 연결에 의해 상대될 수 있다.
일반적으로, 특정 실시예들에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 컴포넌트들은 전극 어셈블리(106) 내의 전극(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)에, 각각, 부착될 수 있고, 2차 성장 제약 시스템(152)의 컴포넌트들은 또한, 전극 어셈블리(106)를 갖는 에너지 저장 디바이스(110) 또는 2차 배터리(102)의 크기를 과도하게 증가시키지 않고 효과적인 억제를 제공할 뿐만 아니라 전극 어셈블리(106)의 체적을 또한 보다 효율적으로 이용하기 위해, 전극 어셈블리(106) 내에 전극(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)로서, 각각, 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)은 하나 이상의 전극 구조체(110)에 부착될 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)은 하나 이상의 상대 전극 구조체(112)에 부착될 수 있다. 추가의 예로서, 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)는 전극 구조체들(110)의 집단으로서 구현될 수 있다. 추가의 예로서, 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)는 상대 전극 구조체들(112)의 집단으로서 구현될 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 수직 축(Z 축), 세로 축(Y 축), 및 가로 축(X 축)을 갖는 데카르트 좌표계가 참조를 위해 도시되며; X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되고; 위에 설명된 바와 같이, 적층 방향 D의 지정은 Y 축과 상호 평행하다(co-parallel). 보다 구체적으로, 도 7은, 1차 성장 제약 시스템(151)의 하나의 실시예 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 하나의 실시예 양자 모두를 포함하는, 전극 제약들의 세트(108)의, 도 1a에서와 같은 라인 A-A'를 따른, 단면을 도시한다. 1차 성장 제약 시스템(151)은, 위에 설명된 바와 같은, 제1 1차 성장 제약(154) 및 제2 1차 성장 제약(156), 및, 위에 설명된 바와 같은, 제1 1차 연결 멤버(162) 및 제2 1차 연결 멤버(164)를 포함한다. 2차 성장 제약 시스템(152)은 제1 2차 성장 제약(158), 제2 2차 성장 제약(160), 및 전극 구조체들(110)의 집단 및/또는 상대 전극 구조체들(112)의 집단으로서 구현되는 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)를 포함하고; 따라서, 이러한 실시예에서, 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166), 전극 구조체들(110), 및/또는 상대 전극 구조체들(112)은 상호교환가능한 것으로 이해될 수 있다. 또한, 분리기(130)가 2차 연결 멤버(166)의 일부분을 또한 형성할 수 있다. 추가로, 이러한 실시예에서, 제1 1차 연결 멤버(162) 및 제1 2차 성장 제약(158)은, 위에 설명된 바와 같이, 교환가능하다. 추가로 여전히, 이러한 실시예에서, 제2 1차 연결 멤버(164) 및 제2 2차 성장 제약(160)은, 위에 설명된 바와 같이, 교환가능하다. 보다 구체적으로, 도 7에는 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)과의 전극(110) 또는 상대 전극 구조체(112)에 대응하는 2차 연결 멤버(166)의 플러시 연결의 하나의 실시예가 예시된다. 플러시 연결은 제1 2차 성장 제약(158)과 2차 연결 멤버(166) 사이의 글루의 층(layer of glue)(182), 및 제2 2차 성장 제약(160)과 2차 연결 멤버(166) 사이의 글루의 층(182)을 추가로 포함할 수 있다. 글루의 층들(182)은 제1 2차 성장 제약(158)을 2차 연결 멤버(166)에 부착(affix)시키고, 제2 2차 성장 제약(160)을 2차 연결 멤버(166)에 부착시킨다.
또한, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156), 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(162, 164), 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160), 및 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166) 중 하나 이상은 단일 멤버를 형성하도록 함께 접합될 수 있는 복수의 세그먼트들(1088) 또는 부분들의 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 예시되는 바와 같은 실시예에 도시되는 바와 같이, 제1 2차 성장 제약(158)은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)을 향해 위치되는 메인 중간 세그먼트(main middle segment)(1088a) 및 제1 및 제2 단부 세그먼트들(1088b)의 형태로 제공되고, 중간 세그먼트(1088a)는, 세그먼트들(1088)을 서로 접합시키기 위해 상호연결될 수 있는 세그먼트들(1088)에 형성되는 노치들과 같은, 세그먼트들(1088)을 연결하기 위해 제공되는 연결 부분(1089)에 의해 각각의 제1 및 제2 단부 세그먼트(1088b)에 연결된다. 제2 2차 성장 제약(160)은, 도 7에 도시되는 바와 같이, 제약을 형성하기 위해 함께 연결될 수 있는 복수의 세그먼트(1088)의 형태로 유사하게 제공될 수 있다. 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약들(158, 160), 적어도 하나의 1차 연결 멤버(162), 및/또는 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166) 중 하나 이상이, 완전한 멤버를 형성하기 위해 노치들과 같은, 연결 부분들을 통해 함께 연결될 수 있는 복수의 세그먼트(1088)의 형태로 또한 제공될 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 노치 또는 다른 연결 부분을 통해 세그먼트들(1088)을 함께 연결하는 것은 세그먼트들이 연결될 때 복수의 세그먼트로 형성되는 멤버의 프리-텐셔닝(pre-tensioning)을 제공할 수 있다.
하나의 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132), 이온적 다공성 전극 전류 수집기(136), 및 전극 활성 재료 층(132) 및 전극 전류 수집기(136)를 지지하는 전극 백본(134)을 갖는 전극 집단(110)의 멤버들이 도 7에 추가로 예시된다. 유사하게, 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138), 상대 전극 전류 수집기(140), 및 상대 전극 활성 재료 층(138) 및 상대 전극 전류 수집기(140)를 지지하는 상대 전극 백본(141)을 갖는 상대 전극 집단(112)의 멤버들이 도 7에 예시된다.
(예를 들어, 도 7에서와 같이) 특정 실시예들에서, 전극 집단(110)의 멤버들은 전극 활성 재료 층(132), 전극 전류 수집기(136), 및 전극 활성 재료 층(132) 및 전극 전류 수집기(136)를 지지하는 전극 백본(134)을 포함한다. 다른 실시예에서, 도 1b에 도시되는 바와 같이, 전극 집단(110)의 멤버들은 전극 활성 재료 층들(132), 및 인접한 전극 활성 재료 층들(132) 사이에 배치되는 전극 전류 수집기(136)를 포함한다. 유사하게, 특정 실시예들에서(예를 들어, 도 7에서), 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 상대 전극 활성 재료 층(138), 상대 전극 전류 수집기(140), 및 상대 전극 활성 재료 층(138) 및 상대 전극 전류 수집기(140)를 지지하는 상대 전극 백본(141)을 포함한다. 다른 실시예에서, 도 1b에 도시되는 바와 같이, 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 상대 전극 활성 재료 층들(138), 및 인접한 전극 활성 재료 층들(138) 사이에 배치되는 상대 전극 전류 수집기(140)를 포함한다.
전극 집단(110)의 멤버들이 전극 백본(134)에 바로 인접하는 전극 활성 재료 층(132), 전극 백본(134) 및 전극 활성 재료 층(132)에 바로 인접하는 그리고 이들을 사실상 둘러싸는 전극 전류 수집기(136)를 포함하는 것으로 도 7에서 본 명세서에 예시되고 설명되었지만, 해당 분야에서의 기술자는 전극 집단(110)의 다른 배열들이 고려되어 왔다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예(도시되지 않음)에서, 전극 집단(110)은 전극 전류 수집기(136)에 바로 인접하는 전극 활성 재료 층(132), 및 전극 백본(134)에 바로 인접하는 전극 전류 수집기(136)를 포함할 수 있다. 대안적으로 언급하자면, 전극 백본(134)은 전극 전류 수집기(136)에 의해 사실상 둘러싸일 수 있고, 전극 활성 재료 층(132)은 전극 전류 수집기(136)에 플랭킹하고(flanking) 그에 바로 인접해 있다. 다른 실시예에서, 도 1b에 도시되는 바와 같이, 전극 집단(110)의 멤버들은 전극 활성 재료 층들(132), 및 인접한 전극 활성 재료 층들(132) 사이에 배치되는 전극 전류 수집기(136)를 포함한다. 해당 분야에서의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, 전극 활성 재료 층(132)이 분리기(130)를 통해 상대 전극 활성 재료 층(138)으로부터 분리되는 한, 전극 집단(110) 및/또는 상대 전극 집단(112)의 임의의 적합한 구성이 본 명세서에 설명되는 발명 주제에 적용가능할 수 있다. 또한, 전극 전류 수집기(136)는 전극 활성 재료 층(132)과 분리기(130) 사이에 위치되면 이온 투과성일 것이 요구되고; 상대 전극 전류 수집기(140)는 상대 전극 활성 재료 층(138)과 분리기(130) 사이에 위치되면 이온 투과성일 것이 요구된다.
예시의 용이함을 위해, 전극 집단(110)의 3개의 멤버들 및 상대 전극 집단(112)의 4개의 멤버만이 묘사되지만; 그러나, 실제로, 본 명세서에서의 발명 주제를 사용하는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102)는, 위에 설명된 바와 같이, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102)의 적용에 의존하여 전극 집단(110) 및 상대 전극 집단(112)의 추가적 멤버들을 포함할 수 있다. 추가로 여전히, 전극 활성 재료 층(132)을 상대 전극 활성 재료 층(138)으로부터 전기적으로 절연시키는 미세다공성 분리기(130)가 도 7(및 도 1b)에 예시된다.
위에 설명된 바와 같이, 특정 실시예들에서, 전극 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는 전극 구조체들(110) 내로의 전해질(도시되지 않음) 내의 캐리어 이온들(도시되지 않음)의 삽입 시에 팽창하고, 전극 구조체들(110)로부터의 캐리어 이온들의 추출 시에 수축할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 구조체들(110)은 애노드형 활성일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 구조체들(110)은 캐소드형 활성일 수 있다.
또한, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 연결하기 위해, 제약들(158, 160)이, 도시되는 바와 같이 점착에 의해서와 같은, 적합한 수단에 의해, 또는 대안적으로, 전류 수집기들(136, 140)에 용접되는 것에 의해서와 같은, 용접되는 것에 의해 적어도 하나의 연결 멤버(166)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 제1 및/또는 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 접착, 점착, 본딩, 용접 등 중 적어도 하나에 의해, 전극 및/또는 상대 전극 백본(각각, 134, 141), 전극 및/또는 상대 전극 전류 수집기(각각, 136, 140) 중 적어도 하나와 같은, 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112) 중 적어도 하나에 대응하는 2차 연결 멤버(166)에 부착될 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 전극 구조체들(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)의 하나 이상의 단부를 제1 및/또는 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 적어도 하나에 접착시키는데 글루 또는 다른 접착제 재료를 사용하면서, 제1 및/또는 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)이 제1 및/또는 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을, 전극 구조체들의 집단(100) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 단부들과 같은, 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)의 단부에 기계적으로 가압(pressing)하는 것에 의해 2차 연결 멤버(166)에 부착될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는, 전극 어셈블리(106)를 포함하는 2차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 전극 구조체들(110)에 의해 가해지는 힘들 뿐만 아니라, 전극 제약들의 세트(108)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 가해지는 힘들을 도시하는, 하나의 실시예에 따른, 힘 개략도들을 묘사한다. 도 8a 및 도 8b에 도시되는 바와 같이, 2차 배터리(102)의 충전 및 방전을 통한 반복 사이클링은, 전극 구조체들(110)의 전극 활성 재료 층들(132) 내로의 이온들(예를 들어, Li)의 인터칼레이션 및/또는 합금화로 인해, 전극 구조체들(110)의 전극 활성 재료 층들(132)에서와 같은, 전극 구조체들(110)에서의 성장을 야기할 수 있다. 따라서, 전극 구조체(110)의 체적의 성장으로 인해, 전극 구조체들(110)은 수직 방향으로 대향 힘들(198a)은 물론, 세로 방향으로 대향 힘들(198b)을 가할 수 있다. 구체적으로 도시되지는 않지만, 전극 구조체(110)는 또한 체적에서의 변경으로 인해 가로 방향로 대향 힘들을 가할 수 있다. 이러한 힘들에 대항하기 위해, 그리고 전극 어셈블리(106)의 전체적인 성장을 억제하기 위해, 하나의 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 전극 구조체(110)에 의해 가해지는 세로 힘들(198b)에 대항하기 위해 세로 방향으로 힘들(200a)을 가하는, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에 있는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)이 있는 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함한다. 유사하게, 하나의 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 전극 구조체(110)에 의해 가해지는 수직 힘들(198a)에 대항하기 위해 수직 방향으로 힘들(200b)을 가하는, 전극 어셈블리(106)의 수직 방향을 따라서 있는 대향 표면들에 있는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)이 있는 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함한다. 또한, 전극 어셈블리(106)에서의 전극 구조체들(110)의 체적 변경들에 의해 가해지는 가로 힘들에 대항하기 위해 가로 방향으로 상대 힘들을 가하기 위해, 3차 성장 제약 시스템(155)(도시되지 않음)이, 대안적으로 또는 추가적으로, 제1 및 제2 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 하나 이상에 또한 제공될 수 있다. 따라서, 전극 어셈블리(106)의 전체적인 거시적 성장이 제어되고 억제될 수 있도록, 전극 제약들의 세트(108)는 충전과 방전 사이의 사이클링 동안 전극 구조체(110)의 체적 변경에 의해 전극 구조체(110)에 의해 가해지는 힘들에 적어도 부분적으로 상대할 수 있다.
전극 구조체들의 집단
도 7을 다시 참조하면, 전극 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는 제1 2차 성장 제약(158)에 인접하는 상부(1052), 제2 2차 성장 제약(160)에 인접하는 하부(1054), 및 Z 축에 평행한 수직 축 AES(표기되지 않음)를 둘러싸는 측방향 표면(표기되지 않음)을 또한 포함할 수 있고, 이러한 측방향 표면은 상부(1052) 및 하부(1054)를 연결한다. 전극 구조체들(110)은 길이 LES, 폭 WES, 및 높이 HES를 추가로 포함한다. 길이 LES는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 X 축을 따라 측정된다. 폭 WES는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 Y 축을 따라 측정되고, 높이 HES는 수직 축 AES 또는 Z 축을 따라 상부(1052)로부터 하부(1054)까지 측정된다.
전극 집단(110)의 멤버들의 LES는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 집단(110)의 멤버들은 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LES를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단(110)의 멤버들은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LES를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단(110)의 멤버들은 약 20 mm 내지 약 100 mm의 LES를 갖는다.
전극 집단(110)의 멤버들의 WES는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 집단(110)의 각각의 멤버는 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위 내의 WES를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 집단(110)의 각각의 멤버의 WES는 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 집단(110)의 각각의 멤버의 WES는 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
전극 집단(110)의 멤버들의 HES는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 집단(110)의 멤버들은 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위 내의 HES를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 집단(110)의 각각의 멤버의 HES는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 집단(110)의 각각의 멤버의 HES는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
다른 실시예에서, 전극 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는 Z 축에 평행한 수직 축 AESB를 갖는 전극 구조체 백본(134)을 포함할 수 있다. 전극 구조체 백본(134)은 수직 축 AESB 주위에 전극 구조체 백본(134)을 둘러싸는 전극 활성 재료의 층(132)을 또한 포함할 수 있다. 대안적으로 언급하자면, 전극 구조체 백본(134)은 전극 활성 재료의 층(132)에 대한 기계적 안정성을 제공하고, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 제약 시스템(152)에 대한 부착의 지점을 제공할 수 있다. 다른 실시예들에서, 도 1b에서의 실시예에 도시되는 바와 같이, 전극 전류 수집기(136)는 전극 활성 재료의 층(132)에 대한 기계적 안정성을 제공할 수 있고, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 제약 시스템(152)에 대한 부착의 지점을 제공할 수 있다. 즉, 특정 실시예들에서, 전극 전류 수집기(136)는 전극 구조체 백본으로서 역할을 할 수 있다. 특정 실시예들에서, 전극 활성 재료의 층(132)은 전극 활성 재료의 층(132) 내로의 캐리어 이온들의 삽입 시에 팽창하고, 전극 활성 재료 층(132)으로부터의 캐리어 이온들의 추출 시에 수축한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 활성 재료의 층(132)은 애노드형 활성일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 활성 재료의 층(132)은 캐소드형 활성일 수 있다. 전극 구조체 백본(134)은 제1 2차 성장 제약(158)에 인접하는 상부(1056), 제2 2차 성장 제약(160)에 인접하는 하부(1058), 및 수직 축 AESB를 둘러싸고 상부(1056) 및 하부(1058)를 연결하는 측방향 표면(표기되지 않음)을 또한 포함할 수 있다. 전극 구조체 백본(134)은 길이 LESB, 폭 WESB, 및 높이 HESB를 추가로 포함한다. 길이 LESB는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 X 축을 따라 측정된다. 폭 WESB는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 Y 축을 따라 측정되고, 높이 HESB는 상부(1056)로부터 하부(1058)까지 Z 축을 따라 측정된다.
전극 구조체 백본(134)의 LESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 구조체 백본(134)은 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LESB를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 약 20 mm 내지 약 100 mm의 LESB를 가질 것이다. 하나의 실시예에 따르면, 전극 구조체 백본(134)은 적어도 하나의 연결 멤버(166)로서 작용하는 전극 구조체(110)의 서브구조체일 수 있다.
전극 구조체 백본(134)의 WESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 각각의 전극 구조체 백본(134)은 적어도 1 마이크로미터의 WESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 각각의 전극 구조체 백본(134)의 WESB는 실질적으로 더 두꺼울 수 있지만, 일반적으로 500 마이크로미터를 초과하는 두께를 갖지 않을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 각각의 전극 구조체 백본(134)의 WESB는 약 1 내지 약 50 마이크로미터의 범위에 있을 것이다.
전극 구조체 백본(134)의 HESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 구조체 백본(134)은 적어도 약 50 마이크로미터, 보다 통상적으로는 적어도 약 100 마이크로미터의 HESB를 통상적으로 가질 것이다. 추가로, 일반적으로, 전극 구조체 백본(134)은 약 10,000 마이크로미터 이하, 보다 통상적으로는 약 5,000 마이크로미터 이하의 HESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 각각의 전극 구조체 백본(134)의 HESB는 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 각각의 전극 구조체 백본(134)의 HESB는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 각각의 전극 구조체 백본(134)의 HESB는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
적용에 의존하여, 전극 구조체 백본(134)은 전기적 도전성 또는 절연성일 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 전기적 도전성일 수 있고, 전극 활성 재료(132)에 대한 전극 전류 수집기(136)를 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 적어도 약 103 Siemens/cm의 도전율을 갖는 전극 전류 수집기(136)를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 적어도 약 104 Siemens/cm의 도전율을 갖는 전극 전류 수집기(136)를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 적어도 약 105 Siemens/cm의 도전율을 갖는 전극 전류 수집기(136)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 전극 구조체 백본(134)은 비교적 비도전성이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 10 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 1 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 10-1 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다.
특정 실시예들에서, 전극 구조체 백본(134)은, 금속들, 반도체들, 유기물들, 세라믹들, 및 유리들과 같은, 형상화될 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 재료들은 실리콘 및 게르마늄과 같은 반도체 재료들을 포함한다. 그러나, 대안적으로, 탄소계 유기 재료들, 또는, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 텅스텐과 같은, 금속들이 전극 구조체 백본(134)에 또한 통합될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 전극 구조체 백본(134)은 실리콘을 포함한다. 이러한 실리콘은, 예를 들어, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 또는 이들의 조합일 수 있다.
특정 실시예들에서, 전극 활성 재료 층(132)은 적어도 1 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 통상적으로, 전극 활성 재료 층(132) 두께는, 200 마이크로미터를 초과하지 않는 것과 같이, 500 마이크로미터를 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)은 약 1 내지 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)은 약 2 내지 약 75 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 활성 재료 층(132)은 약 5 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
특정 실시예들에서, 전극 전류 수집기(136)는 분리기(130)로부터 전극 활성 재료 층(132)으로의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하기 위해 캐리어 이온들에 대한 충분한 이온 투과율, 및 전류 수집기로서 역할을 할 수 있게 해주기에 충분한 전기 도전율을 갖는 이온적 투과성 도전체 재료를 포함한다. 전극 전류 수집기(136)가 전극 활성 재료 층(132)과 분리기(130) 사이에 배치되는 실시예들에서, 전극 전류 수집기(136)는 전극 활성 재료 층(132)의 표면에 걸쳐 전극 전류 수집기(136)로부터 전류를 분포시키는 것에 의해 보다 균일한 캐리어 이온 수송을 용이하게 할 수 있다. 이것은, 결국, 캐리어 이온들의 보다 균일한 삽입 및 추출을 용이하게 하고, 그렇게 함으로써 사이클링 동안 전극 활성 재료 층(132)에서의 스트레스를 감소시킬 수 있고; 전극 전류 수집기(136)가 분리기(130)를 대면하는 전극 활성 재료 층(132)의 표면에 전류를 분포시키므로, 캐리어 이온들에 대한 전극 활성 재료 층(132)의 반응성은 캐리어 이온 농도가 가장 큰 곳에서 가장 클 것이다.
전극 전류 수집기(136)는 이온적 그리고 전기적 양자 모두로 도전성인 이온적 투과성 도전체 재료를 포함할 수 있다. 상이하게 언급하자면, 전극 전류 수집기(136)는 이온적 투과성 도전체 층의 하나의 측 상의 바로 인접하는 전극 활성 재료 층(132)과 전기화학적 스택 또는 전극 어셈블리(106)에서의 전극 전류 수집기(136)의 다른 측 상의 바로 인접하는 분리기 층(130) 사이의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 캐리어 이온들에 대한 두께, 전기 도전율, 및 이온 도전율을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전극 전류 수집기(136)는, 도 1b에서와 같이, 전극 전류 수집기(136)가 전극 구조체(110)의 내부 백본을 형성하는 경우에서와 같이, 임의의 이온 도전율(예를 들어, 재료는 이온 도전율을 보유하거나 또는 그렇지 않을 수 있음)에 관계없이, 전기적 도전성인 도전체 재료를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 전극 전류 수집기는 음극 활성 재료로의 캐리어 이온들의 이동을 억제하지 않도록 전극 구조체(100) 내에 내부적으로 배치될 수 있어서, 이온들을 도전시키는 능력은 필수적이지 않을 수 있다. 비교적, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)는 자신의 이온 컨덕턴스(ionic conductance) 초과의 전기 컨덕턴스(electrical conductance)를 갖는다. 예를 들어, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은 통상적으로, 각각, 적어도 1,000:1일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 5,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 10,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136) 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 50,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 100,000:1이다.
하나의 실시예에서, 그리고 2차 배터리(102)가 충전 또는 방전되고 있을 때와 같이, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때, 전극 전류 수집기(136)는 인접하는 분리기 층(130)의 이온 컨덕턴스와 비슷한 이온 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때, 전극 전류 수집기(136)는 분리기 층(130)의 이온 컨덕턴스의 적어도 50%(즉, 각각, 0.5:1의 비율)인 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스를 갖는다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1.25:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1.5:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 2:1이다.
하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기(136)는 실질적으로 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스 초과인 전기 컨덕턴스를 또한 갖는다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 전기 컨덕턴스 대 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 100:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 전기 컨덕턴스 대 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 500:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 전기 컨덕턴스 대 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 1000:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 전기 컨덕턴스 대 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 5000:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 전극 전류 수집기(136)의 전기 컨덕턴스 대 전극 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 10,000:1이다.
특정 실시예들에서의 세로 방향에서의 전극 전류 수집기 층(136)의 두께(즉, 전극 전류 수집기 층(136)이 이들 사이에 샌드위치되는 분리기(130)와, 하나의 실시예에서, 애노드형 활성 재료 층(예를 들어, 전극 활성 재료 층(132)) 사이의 최단 거리, 또는, 도 1b에서의 실시예에서와 같이, 전극 전류 수집기가 이들 사이에 샌드위치되는 인접 전극 활성 재료 층들 사이에 측정되는 두께)는, 층(136)의 조성 및 전기화학적 스택에 대한 성능 사양들에 의존할 것이다. 일반적으로, 전극 전류 수집기 층(136)이 이온적 투과성 도전체 층일 때, 이것은 적어도 약 300 옹스트롬의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이것은 약 300 내지 800 옹스트롬의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 그러나, 보다 통상적으로, 이것은 약 0.1 마이크로미터 초과의 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 이온적 투과성 도전체 층은 약 100 마이크로미터 이하의 두께를 가질 것이다. 따라서, 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 층(136)은 약 0.1 내지 약 10 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 전극 전류 수집기 층(136)은 약 0.1 내지 약 5 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 전극 전류 수집기 층(136)은 약 0.5 내지 약 3 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 전극 전류 수집기 층(136)이, (예를 들어, 도 1b에 도시되는 실시예에서와 같이) 인접 전극 활성 재료 층들 사이에 샌드위치되는 내부 층과 같은, 전극 구조체(110)의 내부 구조체인 경우를 포함하는, 다른 실시예들에서, 이러한 두께는 일반적으로 이온적 투과성 도전체 층에 대해 설명될 수 있고, 보다 일반적으로는 2 마이크로미터 내지 20 마이크로미터, 6 마이크로미터 내지 18 마이크로미터, 및/또는 8 마이크로미터 내지 14 마이크로미터의 범위에 있는 것과 같이, 20 마이크로미터 미만의 범위에 있을 수 있다. 즉, 전극 전류 수집기의 두께는, 18 마이크로미터 미만, 및 심지어 14 마이크로미터 미만과 같이, 20 마이크로미터 미만일 수 있고, 일반적으로, 적어도 6 마이크로미터, 및 심지어 적어도 8 마이크로미터과 같이, 적어도 2 마이크로미터일 수 있다. 일반적으로, 전극 전류 수집기 층(136)의 두께가 대략 균일한 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 층(136)이 약 25% 미만의 두께 불균일성(thickness non-uniformity)을 갖는 것이 바람직하다. 특정 실시예들에서는, 두께 변동이 훨씬 덜하다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 전극 전류 수집기 층(136)은 약 20% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 전극 전류 수집기 층(136)은 약 15% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 이온적 투과성 도전체 층은 약 10% 미만의 두께 불균일성을 갖는다.
하나의 실시예에서, 전극 전류 수집기 층(136)은 이온 투과율 및 전기 도전율에 기여하는 전기적 도전성 컴포넌트 및 이온 도전성 컴포넌트를 포함하는 이온적 투과성 도전체 층이다. 통상적으로, 전기적 도전성 컴포넌트는 연속적인 전기적 도전성 재료(예를 들어, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 포함하는 메시 또는 패터닝된 표면, 막, 또는 복합 재료의 형태인 연속적인 전기적 도전성 재료(예를 들어, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 포함할 것이다. 추가적으로, 이온 도전성 컴포넌트는 공극들, 예를 들어, 메시의 간극들, 패터닝된 금속 또는 금속 합금 함유 재료 층 사이의 공간들, 금속 막에서의 공극들, 또는 캐리어 이온들에 대해 충분한 확산도를 갖는 고체 이온 도전체를 통상적으로 포함할 것이다. 특정 실시예들에서, 이온적 투과성 도전체 층은 퇴적된 다공성 재료, 이온 수송 재료, 이온 반응성 재료, 복합 재료, 또는 물리적 다공성 재료를 포함한다. 다공성, 예를 들어, 이온적 투과성 도전체 층은 적어도 약 0.25의 공극률을 가질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 공극률은 약 0.95를 통상적으로 초과하지 않을 것이다. 보다 통상적으로, 이온적 투과성 도전체 층이 다공성일 때 공극률은 약 0.25 내지 약 0.85의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 이온적 투과성 도전체 층이 다공성일 때 공극률은 약 0.35 내지 약 0.65의 범위에 있을 수 있다.
도 7에 예시되는 실시예에서, 전극 전류 수집기 층(136)이 전극 활성 재료 층(132)에 대한 유일한 애노드 전류 수집기이다. 상이하게 언급하자면, 전극 구조체 백본(134)은 애노드 전류 수집기를 포함할 수 있다. 그러나, 특정 다른 실시예들에서, 전극 구조체 백본(134)은 선택적으로 애노드 전류 수집기를 포함하지 않을 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 예를 들어 도 1b에 도시되는 바와 같이, 전극 전류 수집기 층(136)은 전극 구조체(110)의 내부 구조체이고, 전극 구조체(110)의 코어 또는 백본 구조체로서 역할을 할 수 있으며, 내부 전극 전류 수집기 층(136)의 대향 측들 상에 전극 활성 재료 층들(132)이 배치된다.
상대 전극 구조체들의 집단
도 7을 다시 참조하면, 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버는 제1 2차 성장 제약(158)에 인접하는 상부(1068), 제2 2차 성장 제약(160)에 인접하는 하부(1070), 및 Z축에 평행한 수직 축 ACES(표기되지 않음)를 둘러싸는 측방향 표면(표기되지 않음)을 또한 포함할 수 있고, 이러한 측방향 표면은 상부(1068) 및 하부(1070)를 연결한다. 상대 전극 구조체들(112)은 길이 LCES, 폭 WCES, 및 높이 HCES를 추가로 포함한다. 길이 LCES는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 X 축을 따라 측정된다. 폭 WCES는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 Y 축을 따라 측정되고, 높이 HCES는 수직 축 ACES 또는 Z 축을 따라 상부(1068)로부터 하부(1070)까지 측정된다.
상대 전극 집단(112)의 멤버들의 LCES는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LCES를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LCES를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 약 25 mm 내지 약 100 mm의 LCES를 갖는다.
상대 전극 집단(112)의 멤버들의 WCES는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 상대 전극 집단(112)의 각각의 멤버는 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위 내의 WCES를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 각각의 멤버의 WCES는 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 각각의 멤버의 WCES는 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
상대 전극 집단(112)의 멤버들의 HCES는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 상대 전극 집단(112)의 멤버들은 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위 내의 HCES를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단(112)의 각각의 멤버의 HCES는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 집단(112)의 각각의 멤버의 HCES는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
다른 실시예에서, 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버는 Z 축에 평행한 수직 축 ACESB를 갖는 상대 전극 구조체 백본(141)을 포함할 수 있다. 상대 전극 구조체 백본(141)은 수직 축 ACESB 주위에 상대 전극 구조체 백본(141)을 둘러싸는 상대 전극 활성 재료의 층(138)을 또한 포함할 수 있다. 대안적으로 언급하자면, 상대 전극 구조체 백본(141)은 상대 전극 활성 재료의(138) 층에 대한 기계적 안정성을 제공하고, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)에 대한 부착의 지점을 제공할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 도 1b에 도시되는 바와 같이, 상대 전극 전류 수집기(140)는 상대 전극 활성 재료의 층(138)에 대한 기계적 안정성을 제공할 수 있고, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)에 대한 부착의 지점을 제공할 수 있다. 즉, 상대 전극 전류 수집기(140)는, 특정 실시예들에서, 상대 전극 구조체 백본으로서 역할을 할 수 있다. 특정 실시예들에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 상대 전극 활성 재료 층(138) 내로의 캐리어 이온들의 삽입 시에 팽창하고, 상대 전극 활성 재료 층(138)으로부터의 캐리어 이온들의 추출 시에 수축한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료의 층(138)은 애노드형 활성일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료의 층(138)은 캐소드형 활성일 수 있다. 상대 전극 구조체 백본(141)은 제1 2차 성장 제약(158)에 인접하는 상부(1072), 제2 2차 성장 제약(160)에 인접하는 하부(1074), 및 수직 축 ACESB를 둘러싸고 상부(1072) 및 하부(1074)를 연결하는 측방향 표면(표기되지 않음)을 또한 포함할 수 있다. 상대 전극 구조체 백본(141)은 길이 LCESB, 폭 WCESB, 및 높이 HCESB를 추가로 포함한다. 길이 LCESB는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 X 축을 따라 측정된다. 폭 WCESB는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 Y 축을 따라 측정되고, 높이 HCESB는 상부(1072)로부터 하부(1074)까지 Z 축을 따라 측정된다.
상대 전극 구조체 백본(141)의 LCESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 상대 전극 구조체 백본(141)은 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LCESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LCESB를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 약 20 mm 내지 약 100 mm의 LCESB를 가질 것이다.
상대 전극 구조체 백본(141)의 WCESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)은 적어도 1 마이크로미터의 WCESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)의 WCESB는 실질적으로 더 두꺼울 수 있지만, 일반적으로 500 마이크로미터를 초과하는 두께를 갖지 않을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)의 WCESB는 약 1 내지 약 50 마이크로미터의 범위에 있을 것이다.
상대 전극 구조체 백본(141)의 HCESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 상대 전극 구조체 백본(141)은 적어도 약 50 마이크로미터, 보다 통상적으로는 적어도 약 100 마이크로미터의 HCESB를 통상적으로 가질 것이다. 추가로, 일반적으로, 상대 전극 구조체 백본(141)은 약 10,000 마이크로미터 이하, 보다 통상적으로는 약 5, 000 마이크로미터 이하의 HCESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)의 HCESB는 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)의 HCESB는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 각각의 상대 전극 구조체 백본(141)의 HCESB는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
적용에 의존하여, 상대 전극 구조체 백본(141)은 전기적 도전성 또는 절연성일 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 전기적 도전성일 수 있고, 상대 전극 활성 재료(138)에 대한 상대 전극 전류 수집기(140)를 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 적어도 약 103 Siemens/cm의 도전율을 갖는 상대 전극 전류 수집기(140)를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 적어도 약 104 Siemens/cm의 도전율을 갖는 상대 전극 전류 수집기(140)를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 적어도 약 105 Siemens/cm의 도전율을 갖는 상대 전극 전류 수집기(140)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 비교적 비도전성이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 10 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 1 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 10-1 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다.
특정 실시예들에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은, 금속들, 반도체들, 유기물들, 세라믹들, 및 유리들과 같은, 형상화될 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 재료들은 실리콘 및 게르마늄과 같은 반도체 재료들을 포함한다. 그러나, 대안적으로, 탄소계 유기 재료들, 또는, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 텅스텐과 같은, 금속들이 상대 전극 구조체 백본(141)에 또한 통합될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 실리콘을 포함한다. 이러한 실리콘은, 예를 들어, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 또는 이들의 조합일 수 있다.
특정 실시예들에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 적어도 1 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 통상적으로, 상대 전극 활성 재료 층(138)의 두께는 200 마이크로미터를 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 약 1 내지 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 약 2 내지 약 75 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 활성 재료 층(138)은 약 5 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
특정 실시예들에서, 상대 전극 전류 수집기(140)는 분리기(130)로부터 상대 전극 활성 재료 층(138)으로의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하기 위해 캐리어 이온들에 대한 충분한 이온 투과율, 및 전류 수집기로서 역할을 할 수 있게 해주기에 충분한 전기 도전율을 갖는 이온적 투과성 도전체 재료를 포함한다. 상대 전극 활성 재료 층(138)과 분리기(130) 사이에 배치되는지 여부에 관계없이, 상대 전극 전류 수집기(140)는 상대 전극 전류 수집기(140)로부터의 전류를 상대 전극 활성 재료 층(138)의 표면에 걸쳐 분포시키는 것에 의해 보다 균일한 캐리어 이온 수송을 용이하게 할 수 있다. 이것은, 결국, 캐리어 이온들의 보다 균일한 삽입 및 추출을 용이하게 하고, 그렇게 함으로써 사이클링 동안 상대 전극 활성 재료 층(138)에서의 스트레스를 감소시킬 수 있고; 상대 전극 전류 수집기(140)가 분리기(130)를 대면하는 상대 전극 활성 재료 층(138)의 표면에 전류를 분포시키므로, 캐리어 이온들에 대한 상대 전극 활성 재료 층(138)의 반응성은 캐리어 이온 농도가 가장 큰 곳에서 가장 클 것이다.
상대 전극 전류 수집기(140)는 이온적 그리고 전기적 양자 모두로 도전성인 이온적 투과성 도전체 재료를 포함할 수 있다. 상이하게 언급하자면, 상대 전극 전류 수집기(140)는 이온적 투과성 도전체 층의 하나의 측 상의 바로 인접하는 상대 전극 활성 재료 층(138)과 전기화학적 스택 또는 전극 어셈블리(106)에서의 상대 전극 전류 수집기(140)의 다른 측 상의 바로 인접하는 분리기 층(130) 사이의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 캐리어 이온들에 대한 두께, 전기 도전율, 및 이온 도전율을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상대 전극 전류 수집기(140)는, 도 1b에서와 같이, 상대 전극 전류 수집기(140)가 상대 전극 구조체(111)의 내부 백본을 형성하는 경우에서와 같이, 임의의 이온 도전율(예를 들어, 재료는 이온 도전율을 보유하거나 또는 그렇지 않을 수 있음)에 관계없이, 전기적 도전성인 도전체 재료를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 전극 전류 수집기는 음극 활성 재료로의 캐리어 이온들의 이동을 억제하지 않도록 전극 구조체(100) 내에 내부적으로 배치될 수 있어서, 이온들을 도전시키는 능력은 필수적이지 않을 수 있다. 비교적, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)는 자신의 이온 컨덕턴스 초과의 전기 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은 통상적으로, 각각, 적어도 1,000:1일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 5,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 10,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140) 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 50,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 100,000:1이다.
하나의 실시예에서, 그리고 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102)가 충전 또는 방전되고 있을 때와 같이, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때, 상대 전극 전류 수집기(140)는 인접한 분리기 층(130)의 이온 컨덕턴스와 비슷한 이온 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때, 상대 전극 전류 수집기(140)는 분리기 층(130)의 이온 컨덕턴스의 적어도 50%(즉, 각각, 0.5:1의 비율)인 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스를 갖는다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1.25:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1.5:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 ((애노드 전류 수집기 층) 캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 2:1이다.
하나의 실시예에서, 상대 전극 전류 수집기(140)는 실질적으로 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스 초과인 전기 컨덕턴스를 또한 갖는다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 전기 컨덕턴스 대 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 100:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 전기 컨덕턴스 대 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 500:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 전기 컨덕턴스 대 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 1000:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 전기 컨덕턴스 대 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 5000:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 상대 전극 전류 수집기(140)의 전기 컨덕턴스 대 상대 전극 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 10,000:1이다.
특정 실시예들에서의 상대 전극 전류 수집기 층(140)의 두께(즉, 상대 전극 전류 수집기 층(140)이 이들 사이에 샌드위치되는 분리기(130)와, 하나의 실시예에서, 캐소드형 활성 재료 층(예를 들어, 상대 전극 활성 재료 층(138)) 사이의 최단 거리는 층(140)의 조성 및 전기화학적 스택에 대한 성능 사양들에 의존할 것이다. 일반적으로, 상대 전극 전류 수집기 층(140)이 이온적 투과성 도전체 층일 때, 이것은 적어도 약 300 옹스트롬의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이것은 약 300 내지 800 옹스트롬의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 그러나, 보다 통상적으로, 이것은 약 0.1 마이크로미터 초과의 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 이온적 투과성 도전체 층은 약 100 마이크로미터 이하의 두께를 가질 것이다. 따라서, 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 전류 수집기 층(140)은 약 0.1 내지 약 10 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 상대 전극 전류 수집기 층(140)은 약 0.1 내지 약 5 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 상대 전극 전류 수집기 층(140)은 약 0.5 내지 약 3 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 상대 전극 전류 수집기 층(140)이, (예를 들어, 도 1b에 도시되는 실시예에서와 같이) 인접 상대 전극 활성 재료 층들 사이에 샌드위치되는 내부 층과 같은, 상대 전극 구조체(112)의 내부 구조체인 경우를 포함하는, 다른 실시예들에서, 이러한 두께는 일반적으로 이온적 투과성 도전체 층에 대해 설명될 수 있고, 보다 일반적으로는 2 마이크로미터 내지 20 마이크로미터, 6 마이크로미터 내지 18 마이크로미터, 및/또는 8 마이크로미터 내지 14 마이크로미터의 범위에 있는 것과 같이, 20 마이크로미터 미만의 범위에 있을 수 있다. 즉, 상대 전극 전류 수집기의 두께는, 18 마이크로미터 미만, 및 심지어 14 마이크로미터 미만과 같이, 20 마이크로미터 미만일 수 있고, 일반적으로, 적어도 6 마이크로미터, 및 심지어 적어도 8 마이크로미터과 같이, 적어도 2 마이크로미터일 수 있다. 일반적으로, 상대 전극 전류 수집기 층(140)의 두께가 대략 균일한 것이 바람직하다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 전류 수집기 층(140)이 약 25% 미만의 두께 불균일성을 갖는 것이 바람직하다. 특정 실시예들에서는, 두께 변동이 훨씬 덜하다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 상대 전극 전류 수집기 층(140)은 약 20% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 상대 전극 전류 수집기 층(140)은 약 15% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 상대 전극 전류 수집기 층(140)은 약 10% 미만의 두께 불균일성을 갖는다.
하나의 실시예에서, 상대 전극 전류 수집기 층(140)은 이온 투과율 및 전기 도전율에 기여하는 전기적 도전성 컴포넌트 및 이온 도전성 컴포넌트를 포함하는 이온적 투과성 도전체 층이다. 통상적으로, 전기적 도전성 컴포넌트는 연속적인 전기적 도전성 재료(예를 들어, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 포함하는 메시 또는 패터닝된 표면, 막, 또는 복합 재료의 형태인 연속적인 전기적 도전성 재료(예를 들어, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 포함할 것이다. 추가적으로, 이온 도전성 컴포넌트는 공극들, 예를 들어, 메시의 간극들, 패터닝된 금속 또는 금속 합금 함유 재료 층 사이의 공간들, 금속 막에서의 공극들, 또는 캐리어 이온들에 대해 충분한 확산도를 갖는 고체 이온 도전체를 통상적으로 포함할 것이다. 특정 실시예들에서, 이온적 투과성 도전체 층은 퇴적된 다공성 재료, 이온 수송 재료, 이온 반응성 재료, 복합 재료, 또는 물리적 다공성 재료를 포함한다. 다공성, 예를 들어, 이온적 투과성 도전체 층은 적어도 약 0.25의 공극률을 가질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 공극률은 약 0.95를 통상적으로 초과하지 않을 것이다. 보다 통상적으로, 이온적 투과성 도전체 층이 다공성일 때 공극률은 약 0.25 내지 약 0.85의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 이온적 투과성 도전체 층이 다공성일 때 공극률은 약 0.35 내지 약 0.65의 범위에 있을 수 있다.
도 7에 예시되는 실시예에서, 상대 전극 전류 수집기 층(140)이 상대 전극 활성 재료 층(138)에 대한 유일한 캐소드 전류 수집기이다. 상이하게 언급하자면, 상대 전극 구조체 백본(141)은 캐소드 전류 수집기(140)를 포함할 수 있다. 그러나, 특정 다른 실시예들에서, 상대 전극 구조체 백본(141)은 선택적으로 캐소드 전류 수집기(140)를 포함하지 않을 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 예를 들어 도 1b에 도시되는 바와 같이, 전극 전류 수집기 층(136)은 전극 구조체(110)의 내부 구조체이고, 전극 구조체(110)의 코어 또는 백본 구조체로서 역할을 할 수 있으며, 내부 전극 전류 수집기 층(136)의 대향 측들 상에 전극 활성 재료 층들(132)이 배치된다.
하나의 실시예에서, 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160) 각각은 내부 표면(각각, 1060 및 1062), 및 z 축을 따라 분리되는 대향 외부 표면(각각, 1064 및 1066)을 포함할 수 있고 그렇게 함으로써 제1 2차 성장 제약(158) 높이 H158 및 제2 2차 성장 제약(160) 높이 H160을 정의한다. 본 개시내용의 양태들에 따르면, 제1 및/또는 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)의 높이들을 증가시키는 것은 제약들의 강성을 증가시킬 수 있지만, 증가된 체적을 또한 요구할 수 있고, 따라서 전극 어셈블리(106) 및 제약들의 세트(108)를 포함하는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102)에 대한 에너지 밀도에서의 감소를 야기한다. 따라서, 제약들(158, 160)의 두께는 제약 재료 속성들, 전극(100)의 미리 결정된 팽창으로부터의 압력을 상쇄하는데 요구되는 제약의 강도, 및 다른 인자들에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약 높이들 H158 및 H160은, 각각, 높이 HES의 50% 미만일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약 높이들 H158 및 H160는, 각각, 높이 HES의 25% 미만일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약 높이들 H158 및 H160는, 각각, 높이 HES의 10% 미만일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약 높이들 H158 및 H160는 높이 HES의 약 5% 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서는, 제1 2차 성장 제약 높이 H158 및 제2 2차 성장 제약 높이 H160가 상이할 수 있고, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 각각에 대해 사용되는 재료들이 또한 상이할 수 있다.
특정 실시예들에서, 내부 표면들(1060 및 1062)은 전극 구조체들(110)의 집단 및/또는 상대 전극 구조체들(112)의 집단을 이에 부착시키는데 알맞는 표면 특징들을 포함할 수 있고, 외부 표면들(1064 및 1066)은 복수의 제약된 전극 어셈블리들(106)을 적층시키는데 알맞는 표면 특징들을 포함할 수 있다(즉, 도 7 내에서 추론되지만, 명확성을 위해 도시되지 않음). 예를 들어, 하나의 실시예에서, 내부 표면들(1060 및 1062) 또는 외부 표면들(1064 및 1066)은 평면일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 내부 표면들(1060 및 1062) 또는 외부 표면들(1064 및 1066)은 비-평면일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 내부 표면들(1060 및 1062) 및 외부 표면들(1064 및 1066)은 평면일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 내부 표면들(1060 및 1062) 및 외부 표면들(1064 및 1066)은 비-평면일 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 내부 표면들(1060 및 1062) 및 외부 표면들(1064 및 1066)은 실질적으로 평면일 수 있다.
본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 바와 같이, 전극 구조체들(110) 및/또는 상대 전극들(112)로서 구현되는 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)를 내부 표면들(1060 및 1062)에 부착시키기 위한 모드들은 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 달라질 수 있다. 도 7에 도시되는 하나의 예시적인 실시예에서, 전극 구조체들(110)의 집단(즉, 도시되는 바와 같이, 전극 전류 수집기(136))의 상부(1052) 및 하부(1054) 그리고 상대 전극 구조체들(112)의 집단(즉, 도시되는 바와 같이, 상대 전극 전류 수집기(140))의 상부(1068) 및 하부(1070)는 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다. 유사하게, 제1 1차 성장 제약(154)의 상부(1076) 및 하부(1078), 및 제2 1차 성장 제약(156)의 상부(1080) 및 하부(1082)는 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다.
대안적으로 언급하자면, 도 7에 도시되는 실시예에서, 전극 구조체들(110)의 집단의 상부(1052) 및 하부(1054)는 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062) 양자 모두를 사실상 충족시키는 높이 HES를 포함하고, 플러시 실시예에서 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다. 추가적으로, 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 상부(1068) 및 하부(1070)는 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062) 양자 모두를 사실상 충족시키는 높이 HCES를 포함하고, 플러시 실시예에서 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다.
추가로, 다른 예시적인 실시예에서, 전극 백본들(134)의 상부(1056) 및 하부(1058), 및 상대 전극 백본들(141)의 상부(1072) 및 하부(1074)는 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다(도시되지 않음). 유사하게, 제1 1차 성장 제약(154)의 상부(1076) 및 하부(1078), 및 제2 1차 성장 제약(156)의 상부(1080) 및 하부(1082)는 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다(이러한 단락에 설명되는 실시예에 대하여 예시되지 않음). 대안적으로 언급하자면, 전극 백본들(134)의 상부(1056) 및 하부(1058)는 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062) 양자 모두를 사실상 충족시키는 높이 HESB를 포함하고, 플러시 실시예에서 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다. 추가적으로, 상대 전극 백본들(141)의 상부(1072) 및 하부(1074)는 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062) 양자 모두를 사실상 충족시키는 높이 HCESB를 포함하고, 플러시 실시예에서 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다.
따라서, 하나의 실시예에서, 분리기(130), 및/또는 전극(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112)의 집단의 적어도 일부분은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 2차 성장 제약 시스템(152)에서 서로 연결하는 하나 이상의 2차 연결 멤버(166)로서 역할을 할 수 있고, 그렇게 함으로써 이들의 사이클링 동안 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하는 콤팩트하고 공간 효율적인 제약 시스템을 제공한다. 하나의 실시예에 따르면, 전극(110) 및/또는 상대 전극 구조체들(112), 및/또는 분리기(130)의 임의의 부분은, 충전 및 방전 사이클들로 체적에서 팽윤하는 전극(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112)의 임의의 부분을 제외하고는, 하나 이상의 2차 연결 멤버들(166)로서 역할을 할 수 있다. 즉, 전극 어셈블리(106)에서의 체적 변경의 원인인, 전극 활성 재료(132)와 같은, 전극 구조체(110) 및/또는 상대 전극 구조체(112)의 해당 부분은 전극 제약들의 세트(108)의 일부분으로서 통상적으로 역할을 하지 않을 것이다. 하나의 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 일부분으로서 제공되는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)은 세로 방향에서의 성장을 추가로 억제하고, 2차 성장 제약 시스템(152)의 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 연결하는 2차 연결 멤버(166)로서 또한 역할을 할 수 있고, 그렇게 함으로써 전극 성장/팽윤의 억제를 위한 협력적, 상승적 제약 시스템(즉, 전극 제약들의 세트(108))을 제공할 수 있다.
전극 구조체들을 통한 연결들
아래에 설명되는 대안적인 실시예들에서는, 전극 구조체들(110)이 또한 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)에 독립적으로 부착될 수 있다. 이제 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 수직 축(Z 축), 세로 축(Y 축), 및 가로 축(X 축)을 갖는 데카르트 좌표계가 참조를 위해 도시되며; X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향되고; 위에 설명된 바와 같이, 분리기(130), 및 적층 방향 D의 지정은 Y 축과 상호 평행하다(co-parallel). 보다 구체적으로, 도 9a 및 도 9b 각각은, 도 1에서와 같은 라인 A-A'를 따른, 단면을 도시하며, 각각의 제1 1차 성장 제약(154) 및 각각의 제2 1차 성장 제약(156)은, 위에 설명된 바와 같이, 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 도 9a 및 도 9b 각각에 도시되는 바와 같이, 비-부착 상대 전극 구조체들(112)은 이들의 상부들(1068)과 제1 2차 성장 제약(158) 사이의, 그리고 이들의 하부들(1070)과 제2 2차 성장 제약(160) 사이의 상대 전극 갭들(1086)을 포함할 수 있다. 대안적으로 언급하자면, 특정 실시예들에서, 각각의 상대 전극 구조체(112)의 상부(1068) 및 하부(1070)는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 사이의 갭(1086)을 가질 수 있다. 추가로, 도 9a 및 도 9b에 또한 도시되는, 특정 실시예들에서, 상대 전극 구조체(112)의 상부(1068)는, 이에 부착되지는 않지만, 제1 2차 성장 제약(158)과 접촉할 수 있고, 상대 전극 구조체(112)의 하부(1070)는, 이에 부착되지는 않지만, 제2 2차 성장 제약(160)과 접촉할 수 있거나, 또는 상대 전극 구조체(112)의 상부(1068)는, 이에 부착되지는 않지만, 제1 2차 성장 제약(158)과 접촉할 수 있고, 상대 전극 구조체(112)의 하부(1070)는, 이에 부착되지는 않지만, 제2 2차 성장 제약(160)과 접촉할 수 있다(예시되지 않음).
보다 구체적으로, 도 9a에 도시되는 바와 같은, 하나의 실시예에서, 복수의 전극 백본들(134)은 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)에 부착되는 복수의 전극 백본들(134)은 부착 전극 백본들(134)에 대하여 점착 축 AG에 관한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)에 부착되는 복수의 전극 백본들(134)은 부착 전극 백본들(134)에 대하여 점착 축 AG에 에 관한 비대칭 또는 랜덤 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 전극 백본들(134)은 전극 전류 수집기들(136)을 포함할 수 있고, 및/또는 전극 전류 수집기들(136)은, 예를 들어 도 1b에 도시되는 실시예에 도시되는 바와 같이, 전극 백본들 대신에 제공될 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 위와 같이, 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)에 부착되는 2개의 전극 백본들(134)을 포함할 수 있으며, 이러한 2개의 부착 전극 백본들(134)은 하나의 상대 전극 구조체(112)에 플랭킹한다. 따라서, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 위와 같이, 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)에 부착되는 2개의 전극 백본들(134)을 포함할 수 있으며, 이러한 2개의 부착 전극 백본들(134)은 2개 이상의 상대 전극 구조체들(112) 및 하나 이상의 비-부착 전극 백본(134)에 플랭킹한다. 따라서, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 해당 분야에서의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, 다른 예시적인 대칭 부착 패턴 유닛들이 고려되어 왔다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 비대칭 또는 랜덤 부착 패턴은, 위와 같이, 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)에 부착되는 2개 이상의 전극 백본들(134)을 포함할 수 있으며, 이러한 2개 이상의 부착 전극 백본들(134)은 부착 전극 백본(134A), 부착 전극 백본(134B), 부착 전극 백본(134C), 및 부착 전극 백본(134D)으로서 개별적으로 지정될 수 있다. 부착 전극 백본(134A) 및 부착 전극 백본(134B)은 (1+x)개의 상대 전극 구조체들(112)에 플랭킹할 수 있고, 부착 전극 백본(134B) 및 부착 전극 백본(134C)은 (1+y)개의 상대 전극 구조체들(112)에 플랭킹할 수 있고, 부착 전극 백본(134C) 및 부착 전극 백본(134D)은 (1+z)개의 상대 전극 구조체들(112)에 플랭킹할 수 있으며, 임의의 2개의 부착 전극 백본들(134A 내지 134D) 사이의 상대 전극 구조체들(112)의 총량(즉, x, y, 또는 z)은 동일하지 않고(즉, x ≠ y ≠ z), 비-부착 전극 백본들(134)에 의해 추가로 분리될 수 있다. 대안적으로 언급하자면, 임의의 수의 전극 백본들(134)이, 위와 같이, 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)에 부착될 수 있으며, 임의의 2개의 부착 전극 백본들(134) 사이에는 비-부착 전극 백본들(134)에 의해 분리되는 임의의 동일하지 않은 수의 상대 전극 구조체들(112)이 포함될 수 있다. 해당 분야에서의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, 다른 예시적인 비대칭 또는 랜덤 부착 패턴들이 고려되어 왔다.
보다 구체적으로, 도 9b에 도시되는 바와 같은, 하나의 실시예에서, 복수의 전극 전류 수집기들(136)은 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)에 부착되는 복수의 전극 전류 수집기들(136)은 부착 전극 전류 수집기들(136)에 대하여 점착 축 AG에 관한 대칭 패턴을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)에 부착되는 복수의 전극 전류 수집기들(136)은 부착 전극 전류 수집기들(136)에 대하여 점착 축 AG에 관한 비대칭 또는 랜덤 패턴을 포함할 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 위와 같이, 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)에 부착되는 2개의 전극 전류 수집기들(136)을 포함할 수 있으며, 이러한 2개의 부착 전극 전류 수집기들(136)은 하나의 상대 전극 구조체(112)에 플랭킹한다. 따라서, 제1 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 위와 같이, 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)에 부착되는 2개의 전극 전류 수집기들(136)을 포함할 수 있으며, 이러한 2개의 부착 전극 전류 수집기들(136)은 2개 이상의 상대 전극 구조체들(112) 및 하나 이상의 비-부착 전극 전류 수집기(136)에 플랭킹한다. 따라서, 제2 대칭 부착 패턴 유닛은, 필요에 따라, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 이들의 의도된 용도(들)에 의존하여 적층 방향 D를 따라서 반복될 수 있다. 해당 분야에서의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, 다른 예시적인 대칭 부착 패턴 유닛들이 고려되어 왔다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 비대칭 또는 랜덤 부착 패턴은, 위와 같이, 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)에 부착되는 2개 이상의 전극 전류 수집기들(136)을 포함할 수 있으며, 이러한 2개 이상의 부착 전극 전류 수집기들(136)은 부착 전극 전류 수집기(136A), 부착 전극 전류 수집기(136B), 부착 전극 전류 수집기(136C), 및 부착 전극 전류 수집기(136D)로서 개별적으로 지정될 수 있다. 부착 전극 전류 수집기(136A) 및 부착 전극 전류 수집기(136B)는 (1+x)개의 상대 전극 구조체들(112)에 플랭킹할 수 있고, 부착 전극 전류 수집기(136B) 및 부착 전극 전류 수집기(136C)는 (1+y)개의 상대 전극 구조체들(112)에 플랭킹할 수 있고, 부착 전극 전류 수집기(136C) 및 부착 전극 전류 수집기(136D)는 (1+z)개의 상대 전극 구조체들(112)에 플랭킹할 수 있으며, 임의의 2개의 부착 전극 전류 수집기들(136A 내지 136D) 사이의 상대 전극 구조체들(112)의 총량(즉, x, y, 또는 z)은 동일하지 않고(즉, x ≠ y ≠ z), 비-부착 전극 전류 수집기들(136)에 의해 추가로 분리될 수 있다. 대안적으로 언급하자면, 임의의 수의 전극 전류 수집기들(136)이, 위와 같이, 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)에 부착될 수 있으며, 임의의 2개의 부착 전극 전류 수집기들(136) 사이에는 비-부착 전극 전류 수집기들(136)에 의해 분리되는 임의의 동일하지 않은 수의 상대 전극 구조체들(112)이 포함될 수 있다. 해당 분야에서의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, 다른 예시적인 비대칭 또는 랜덤 부착 패턴들이 고려되어 왔다.
2차 배터리
이제 도 10을 참조하면, 본 개시내용의 복수의 전극 제약의 세트들(108a)을 갖는 2차 배터리(102)의 하나의 실시예의 분해도가 예시된다. 이러한 2차 배터리(102)는 배터리 인클로저(104) 및 배터리 인클로저(104) 내의 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 포함하며, 전극 어셈블리들(106) 각각은, 위에 설명된 바와 같이, 제1 세로 단부 표면(116), 대향 제2 세로 단부 표면(118)(즉, 도시되는 데카르트 좌표계의 Y 축을 따라 제1 세로 단부 표면(116)으로부터 분리됨)을 갖는다. 각각의 전극 어셈블리(106)는 적층 방향 D에서의 전극 어셈블리들(106) 각각 내에서 서로에 대해 적층되는, 전극 구조체들(110)의 집단 및 상대 전극 구조체의 집단(112)을 포함하고; 상이하게 언급하자면, 전극(110) 및 상대 전극 구조체들(112)의 집단들은 교대하는 일련의 전극들(110) 및 상대 전극들(112)에 배열되고, 이러한 일련의 것들은, 위에 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118) 사이에 적층 방향 D로 진행한다(예를 들어, 도 2a를 참조; 도 2a 및 도 10에 예시되는 바와 같이, 적층 방향 D는 도시되는 데카르트 좌표계(들)의 Y 축과 평행함). 추가적으로, 개별 전극 어셈블리(106) 내의 적층 방향 D는 세트(106a) 내의 전극 어셈블리들(106)의 집합의 적층의 방향(즉, 전극 어셈블리 적층 방향)에 수직이며; 상이하게 언급하자면, 전극 어셈블리들(106)은 개별 전극 어셈블리(106) 내의 적층 방향 D에 수직인 세트(106a) 내의 방향으로 서로에 대해 배치된다(예를 들어, 전극 어셈블리 적층 방향은 도시되는 데카르트 좌표계의 Z 축에 대응하는 방향으로 있는 반면, 개별 전극 어셈블리들(106) 내의 적층 방향 D는 도시되는 데카르트 좌표계의 Y 축에 대응하는 방향으로 있음).
도 10에 도시되는 실시예에 묘사되는 전극 어셈블리들의 세트(106a)는 동일한 일반 크기를 갖는 개별 전극 어셈블리들(106)을 포함하지만, 이러한 개별 전극 어셈블리들(106) 중 하나 이상은 또한 및/또는 대안적으로 세트(106a)에서의 다른 전극 어셈블리들(106)과, 이들의 적어도 하나의 치수에서 상이한 크기들을 가질 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에 따르면, 2차 배터리(102)에 제공되는 세트(106a)를 형성하도록 함께 적층되는 전극 어셈블리들(106)은 각각의 어셈블리(106)의 세로 방향(즉, 적층 방향 D)으로 상이한 최대 폭들 WEA를 가질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 2차 배터리(102)에 제공되는 적층되는 세트(106a)를 구성하는 전극 어셈블리들(106)은 세로 축에 직교하는 가로 축을 따라 상이한 최대 길이들 LEA를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 2차 배터리(102)에서 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 형성하도록 함께 적층되는 각각의 전극 어셈블리(106)는, 전극 어셈블리들(106)이 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 형성하도록 함께 적층되는 방향을 따라 감소하는 LEAx WEA의 면적을 제공하도록 선택되는 가로 축을 따르는 최대 길이 LEA 및 세로 축을 따르는 최대 폭 WEA를 갖는다. 예를 들어, 각각의 전극 어셈블리(106)의 최대 폭 WEA 및 최대 길이 LEA는, 피라미드 형상으로 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 갖는 2차 배터리(102)를 형성하도록 전극 어셈블리들(106)이 함께 적층되도록, 어셈블리들(106)이 적층되는 제1 방향으로 이에 인접하는 전극 어셈블리(106) 것 미만이도록, 그리고 이에 반대인 제2 방향으로 이에 인접하는 전극 어셈블리(106)의 것 초과이도록 선택될 수 있다. 대안적으로, 적층된 전극 어셈블리 세트(106a)에 대한 상이한 형상들 및/또는 구성들을 제공하도록 각각의 전극 어셈블리(106)에 대한 최대 길이들 LEA 및 최대 폭들 WEA가 선택될 수 있다. 세트(106a)에서의 다른 어셈블리들(106)과 상이하도록 및/또는 미리 결정된 형상 및/또는 구성을 갖는 적층된 세트(106a)를 제공하도록 전극 어셈블리들(106) 중 하나 이상에 대한 최대 수직 높이 HEA가 또한 및/또는 대안적으로 선택될 수 있다.
탭들(190, 192)은 배터리 인클로저(104) 밖으로 돌출하고, 세트(106a)의 전극 어셈블리들(106)과 에너지 공급원 또는 소비자(도시되지 않음) 사이의 전기 연결을 제공한다. 보다 구체적으로, 이러한 실시예에서 탭(190)은(예를 들어, 전기적 도전성 글루(electrically conductive glue)를 사용하여) 탭 연장(191)에 전기적으로 연결되고, 탭 연장(191)은 전극 어셈블리들(106) 각각에 의해 포함되는 전극들(110)에 전기적으로 연결된다. 유사하게, 탭(192)은 (예를 들어, 전기적 도전성 글루를 사용하여) 탭 연장(193)에 전기적으로 연결되고, 탭 연장(193)은 전극 어셈블리들(106) 각각에 의해 포함되는 상대 전극들(112)에 전기적으로 연결된다.
도 10에 예시되는 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(106)는 세로 방향(즉, 적층 방향 D)에서의 성장을 억제하기 위한 관련 1차 성장 제약 시스템(151)을 갖는다. 대안적으로, 하나의 실시예에서, 세트(106a)를 구성하는 복수의 전극 어셈블리들(106)은 1차 성장 제약 시스템(151)의 적어도 일부분을 공유할 수 있다. 도시되는 바와 같은 실시예에서, 각각의 1차 성장 제약 시스템(151)은, 위에 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118) 위에 놓일 수 있는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156); 및, 위에 설명된 바와 같이, 측방향 표면들(142) 위에 놓일 수 있는 제1 및 제2 대향 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164)을 포함한다. 제1 및 제2 대향 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164)은 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 서로를 향해 당기거나, 또는 대안적으로 언급하자면, 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하는 것을 보조할 수 있고, 1차 성장 제약들(154, 156)은 대향 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)에 압축력 또는 억제력(compressive or restraint force)을 인가할 수 있다. 결과로서, 충전 및 방전 상태 사이의 배터리(102)의 사이클링 및/또는 이의 형성 동안 세로 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 팽창이 억제된다. 추가적으로, 1차 성장 제약 시스템(151)은 서로 상호 수직이고 세로 방향에 수직인 2개의 방향들 중 어느 한 방향으로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 초과하는 세로 방향(즉, 적층 방향 D)으로의 전극 어셈블리(106) 상의 압력을 가한다(예를 들어, 예시되는 바와 같이, 세로 방향은 Y 축의 방향에 대응하고, 서로 상호 수직이고 세로 방향에 수직인 2개의 방향은 예시되는 데카르트 좌표계의 X 축 및 Z 축의 방향들에, 각각, 대응함).
추가로, 도 10에 예시되는 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(106)는 수직 방향에서의 성장(즉, 수직 방향에서의(즉, 데카르트 좌표계의 Z 축을 따른) 전극 어셈블리(106), 전극들(110), 및/또는 상대 전극들(112)의 팽창)을 억제하기 위한 관련 2차 성장 제약 시스템(152)을 갖는다. 대안적으로, 하나의 실시예에서, 세트(106a)를 구성하는 복수의 전극 어셈블리들(106)은 2차 성장 제약 시스템(152)의 적어도 일부분을 공유한다. 각각 위에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 각각의 2차 성장 제약 시스템(152)은 대응하는 측방향 표면들(142) 위에, 각각, 놓일 수 있는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160), 및 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)를 포함한다. 각각 위에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 2차 연결 멤버들(166)은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 서로를 향해 당기거나, 또는 대안적으로 언급하자면, 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 억제하는 것을 보조할 수 있고, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 측방향 표면들(142)에 압축력 또는 억제력을 인가할 수 있다. 결과로서, 충전 및 방전 상태 사이의 배터리(102)의 사이클링 및/또는 형성 동안 수직 방향에서의 전극 어셈블리(106)의 팽창이 억제된다. 추가적으로, 2차 성장 제약 시스템(152)은 서로 상호 수직이고 수직 방향에 수직인 2개의 방향들 중 어느 한 방향으로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 초과하는 수직 방향(즉, 데카르트 좌표계의 Z 축에 평행함)으로의 전극 어셈블리(106) 상의 압력을 가한다(예를 들어, 예시되는 바와 같이, 수직 방향은 Z 축의 방향에 대응하고, 서로 상호 수직이고 수직 방향에 수직인 2개의 방향은 예시되는 데카르트 좌표계의 X 축 및 Y 축의 방향들에, 각각, 대응함).
추가로 여전히, 도 10에 예시되는 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(106)는, 위에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 세로 방향 및 수직 방향으로의 성장을 억제하기 위한 관련 1차 성장 제약 시스템(151) - 및 관련 2차 성장 제약 시스템(152) -을 가질 수 있다. 또한, 특정 실시예들에 따르면, 전극 및/또는 상대 전극 탭들(각각, 190, 192) 및 탭 연장들(191, 193)은 3차 성장 제약 시스템(155)의 일부분으로서 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 탭 연장들(191, 193)은, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(157, 159)과 같은, 3차 제약 시스템(155)의 부분으로서 작용하도록 대향 가로 표면 영역들(144, 146)을 따라서 연장될 수 있다. 1차 성장 제약들(154, 156)이, 전극 어셈블리(106)를 가로 방향을 따라 압축하기 위해 탭 연장들(191, 193)을 서로 장력을 받게 배치하는 적어도 하나의 3차 연결 멤버(165)로서 역할을 하고, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)로서 작용하도록, 탭 연장들(191, 193)은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에서 1차 성장 제약들(154, 156)에 연결될 수 있다. 반대로, 탭들(190, 192) 및/또는 탭 연장들(191, 193)은, 하나의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)에 대한 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(각각, 162, 164)로서 또한 역할을 할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 2차 성장 제약들(158, 160)을 연결하는 적어도 하나의 2차 연결 멤버(166)의 일부분을 형성하는 것에 의해서와 같이, 탭들(190, 192) 및/또는 탭 연장들(191, 193)이 2차 성장 제약 시스템(152)의 부분으로서 역할을 할 수 있다. 따라서, 탭들(190, 192) 및/또는 탭 연장들(191, 193)은 1차 및 2차 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 하나 이상의 일부분으로서 역할을 하는 것, 및/또는 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 하나 이상에 의해 제약되는 방향에 직교하는 방향에서 전극 어셈블리(106)를 제약하기 위해 3차 성장 제약 시스템(155)의 일부분을 형성하는 것 중 어느 하나에 의해 전극 어셈블리(106)의 전체적인 거시적 성장을 억제하는 것을 보조할 수 있다.
2차 배터리(102)의 조립을 완료하기 위해, 배터리 인클로저(104)는 비-수성 전해질(도시되지 않음)로 채워지고(filled) 리드(lid)(104a)는(FL(fold line)을 따라) 상위 표면(104b) 위로 폴딩되어 이에 실링(seal)된다. 완전히 조립될 때, 실링된 2차 배터리(102)는 자신의 외부 표면들에 의해 경계가 정해지는 체적(즉, 변위 체적)을 점유하고, 2차 배터리 인클로저(104)는 자신의 내부 체적(즉, 내부 표면들(104c, 104d, 104e, 104f, 104g) 및 리드(104a)에 의해 경계가 정해지는 프리즘 체적) 미만인(리드(104a)를 포함하는) 배터리의 변위 체적에 대응하는 체적을 점유하며, 세트(106a)의 각각의 성장 제약(151, 152)은 자신의 각각의 변위 체적에 대응하는 체적을 점유한다. 조합하여, 따라서, 배터리 인클로저(104) 및 성장 제약들(151, 152)은 배터리 인클로저(104)의 외부 표면에 의해 경계가 정해지는 체적(즉, 배터리의 변위 체적)의 75% 이하를 점유한다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 성장 제약들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저(104)의 외부 표면에 의해 경계가 정해지는 체적의 60% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제약들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저(104)의 외부 표면에 의해 경계가 정해지는 체적의 45% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제약들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저(104)의 외부 표면에 의해 경계가 정해지는 체적의 30% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제약들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외부 표면에 의해 경계가 정해지는 체적의 20% 이하를 점유한다.
도 10에서의 예시의 용이함 위해, 2차 배터리(102)는 전극 어셈블리들(106)의 하나의 세트(106a)만을 포함하고, 이러한 세트(106a)는 6개의 전극 어셈블리들(106)만을 포함한다. 실제로, 2차 배터리(102)는 하나 초과의 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 포함할 수 있으며, 이러한 세트들(106a) 각각은 서로에 대해 측방향으로(예를 들어, 도 10의 데카르트 좌표계의 X-Y 평면 내에 놓이는 상대 방향(relative direction)으로) 또는 서로에 대해 수직으로(예를 들어, 도 10의 데카르트 좌표계의 Z 축에 실질적으로 평행한 방향으로) 배치된다. 추가적으로, 이러한 실시예들 각각에서, 전극 어셈블리들의 세트들(106a) 각각은 하나 이상의 전극 어셈블리(106)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 2차 배터리(102)는 1개, 2개, 또는 그 이상의 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 포함할 수 있고, 각각의 이러한 세트(106a)는 하나 이상의 전극 어셈블리(106)(예를 들어, 각각의 이러한 세트(106a) 내의 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 10개, 15개, 또는 그 이상의 전극 어셈블리(106))를 포함하며, 배터리(102)가 2개 이상의 이러한 세트들(106a)을 포함할 때, 이러한 세트들(106a)은 2차 배터리(102)에 포함되는 다른 전극 어셈블리들의 세트들(106a)에 대해 측방향으로 또는 수직으로 배치될 수 있다. 이러한 다양한 실시예들 각각에서, 각각의 개별 전극 어셈블리(106)는, 위에 설명된 바와 같이, 자기 자신의 성장 제약(들)을 가질 수 있고(즉, 전극 어셈블리들(106)과 제약들(151, 152) 사이의 1:1 관계), 2개 이상의 전극 어셈블리들(106)은, 위에 설명된 바와 같이, 공통 성장 제약(들)(151, 152)(즉, 2개 이상의 전극 어셈블리들(106)에 대한 제약들의 세트(108))를 가질 수 있거나, 또는 2개 이상의 전극 어셈블리들(106)은 성장 제약(들)(151, 152)의 컴포넌트들을 공유할 수 있다(즉, 위에 설명된 바와 같이, 2개 이상의 전극 어셈블리들(106)은, 예를 들어, 융합 실시예에서와 같이, 공통 압축 멤버(예를 들어, 제2 2차 성장 제약(158)) 및/또는 장력 멤버들(166)을 가질 수 있음).
다른 배터리 컴포넌트들
특정 실시예들에서, 위에 설명된 바와 같이, 1차 성장 제약 시스템(151) 및 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함하는 전극 제약들의 세트(108)는, 예를 들어, 도 10에 도시되는 바와 같이, 길이 L1, 폭 W1, 및 두께 t1를 갖는 시트(2000)로부터 도출될 수 있다. 보다 구체적으로, 1차 성장 제약 시스템(151)을 형성하기 위해, 시트(2000)는 전극 어셈블리(106)를 에워싸기 위해 전극 어셈블리(106) 주위에 래핑되고 에지들(2001)에서 폴딩될 수 있다. 대안적으로, 하나의 실시예에서, 시트(2000)는 전극 어셈블리 세트(106a)를 형성하도록 적층되는 복수의 전극 어셈블리들(106) 주위에 래핑될 수 있다. 이러한 시트의 에지들은 서로 중첩할 수 있고, 제1 1차 성장 제약(154) 및 제2 1차 성장 제약(156)을 포함하는 1차 성장 제약 시스템(151), 및 제1 1차 연결 멤버(162) 및 제2 1차 연결 멤버(164)를 형성하도록 서로에 용접, 점착, 또는 달리 고정된다. 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 시트(2000)의 변위 체적에 대응하는 체적을 갖는다(즉, L1, W1의 t1의 곱셈 곱). 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 1차 연결 멤버는 멤버를 장력을 받도록 배치하기 위해 적층 방향 D으로 신장되고, 이는 압축력으로 하여금 제1 및 제2 1차 성장 제약들에 의해 가해지게 한다. 대안적으로, 적어도 하나의 2차 연결 멤버는 멤버를 장력을 받도록 배치하기 위해 제2 방향으로 신장될 수 있고, 이는 압축력으로 하여금 제1 및 제2 2차 성장 제약들에 의해 가해지게 한다. 대안적인 실시예에서, 연결 멤버들을 장력을 받도록 배치하기 위해 그들을 신장시키는 대신에, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들 중 하나 이상의 연결 멤버 및/또는 성장 제약들 또는 다른 부분이 전극 어셈블리 위에 및/또는 그 내에 설치되기 이전에 프리텐셔닝될 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들 중 하나 이상의 연결 멤버들 및/또는 성장 제약들 및/또는 다른 부분들이 전극 어셈블리 내에 및/또는 그 위에 설치될 때 초기에는 장력을 받지 않지만, 오히려, 배터리의 형성이 전극 어셈블리로 하여금 팽창되게 그리고 연결 멤버들 및/또는 성장 제약들과 같은 1차 및/또는 2차 성장 제약 시스템들의 부분들에 장력을 유도하게 한다. (즉, 자체-텐셔닝(self-tensioning)).
시트(2000)는 전극 어셈블리(106)에 원하는 힘을 인가할 수 있는 광범위한 호환가능 재료들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(155)은, 적어도 10,000 psi(>70MPa)의 궁극적 인장 강도를 갖고, 배터리 전해질과 호환가능하고, 배터리(102)에 대한 유동 또는 애노드 전위에서 상당히 부식되지는 않으며, 45°C, 그리고 심지어 70°C까지에서 상당히 반응하지는 않거나 또는 기계적 강도를 상실하지는 않는, 재료를 통상적으로 포함할 것이다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템은 광범위한 금속들, 합금들, 세라믹들, 유리, 플라스틱들, 또는 이들의 조합(즉, 복합물) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(155)은 스테인레스 스틸(예를 들어, SS 316, 440C 또는 440C hard), 알루미늄(예를 들어, aluminum 7075-T6, hard H18), 티타늄(예를 들어, 6Al-4V), 베릴륨, 베릴륨 구리(hard), 구리(O2 free, hard), 니켈과 같은 금속을 포함하지만; 그러나, 일반적으로, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(155)이 금속을 포함할 때 전극들(110)과 상대 전극들(112) 사이의 부식을 제한하고 이들 사이의 전기 단락을 생성하는 것을 제한하는 방식으로 포함되는 것이 일반적으로 바람직하다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(155)은 알루미나(예를 들어, sintered 또는 Coorstek AD96), 지르코니아(예를 들어, Coorstek YZTP), 이트리아-안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia)(예를 들어, ENrG E-Strate®)와 같은 세라믹을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 Schott D263 강화 유리(tempered glass)와 같은 유리를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(155)은 PEEK(polyetheretherketone)(예를 들어, Aptiv 1102), 탄소가 있는 PEEK(예를 들어, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 탄소가 있는 PPS(polyphenylene sulfide)(예를 들어, Tepex Dynalite 207), 30% 유리가 있는 PEEK(polyetheretherketone)(예를 들어, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 폴리이미드(예를 들어, Kapton®)와 같은 플라스틱을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템은 E Glass Std Fabric/Epoxy, 0 deg, E Glass UD/Epoxy, 0 deg, Kevlar Std Fabric/Epoxy, 0 deg, Kevlar UD/Epoxy, 0 deg, Carbon Std Fabric/Epoxy, 0 deg, Carbon UD/Epoxy, 0 deg, Toyobo Zylon® HM Fiber/Epoxy와 같은 복합물을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(155)은 Kevlar 49 Aramid Fiber, S Glass Fibers, Carbon Fibers, Vectran UM LCP Fibers, Dyneema, Zylon과 같은 섬유들을 포함한다.
1차 성장 제약 시스템(151)의 두께(t1)는, 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)의 구성의 재료(들), 전극 어셈블리(106)의 전체적인 치수들, 및 배터리 애노드 및 캐소드의 조성을 포함하는 인자들의 범위에 의존할 것이다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 시트를 포함할 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 약 30 ㎛의 두께를 갖는 스테인레스 스틸 시트(예를 들어, SS316)를 포함한다. 추가의 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 약 40 ㎛의 두께를 갖는 알루미늄 시트(예를 들어, 7075-T6)를 포함한다. 추가의 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 약 30 ㎛의 두께를 갖는 지르코니아 시트(예를 들어, Coorstek YZTP)를 포함한다. 추가의 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 약 75 ㎛의 두께를 갖는 E Glass UD/Epoxy 0 deg 시트를 포함한다. 추가의 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 >50% 패킹 밀도로 12 ㎛ 탄소 섬유들을 포함한다.
임의의 특정 이론에 제약되지 않고, 점착을 위한 방법들은, 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 점착, 솔더링, 본딩, 소결(sintering), 압착(press contacting), 브레이징(brazing), 열 스프레잉 접합(thermal spraying joining), 클램핑(clamping), 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 점착은 도전 에폭시들, 도전 엘라스토머들과 같은 도전성 재료들, 니켈이 채워진 에폭시(nickel filled epoxy), 탄소가 채워진 에폭시(carbon filled epoxy) 등과 같은, 도전 금속들로 채워지는 절연 유기 글루의 혼합물들로 재료들을 접합시키는 것을 포함할 수 있다. 도전성 페이스트들이 재료들을 함께 접합시키기 위해 사용될 수 있고, 접합 강도는 온도(소결), 광(UV 경화, 가교 결합), 화학적 경화(촉매 기반 가교 결합)에 의해 조정될(tailored) 수 있다. 본딩 프로세스들은 와이어 본딩, 리본 본딩, 초음파 본딩을 포함할 수 있다. 용접 프로세스들은 초음파 용접, 저항 용접, 레이저 빔 용접, 전자 빔 용접, 유도 용접, 및 냉간 용접을 포함할 수 있다. 이러한 재료들의 접합은 재료들을 함께 접합시키기 위해 플라즈마 스프레잉, 플레임 스프레잉(flame spraying), 아크 스프레잉과 같은 열 스프레이 코팅과 같은 코팅 프로세스를 사용하여 또한 수행될 수 있다. 예를 들어, 니켈 또는 구리 메시는 니켈의 열 스프레이를 글루로서 사용하여 니켈 버스 상에 접합될 수 있다.
전극(110) 및 상대 전극 구조체(112)의 집단들의 멤버들은 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 또는 알루미늄 이온들과 같은 캐리어 이온을 흡수 및 방출할 수 있는 전기활성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 구조체(110)의 집단의 멤버들은 애노드형 활성 전기활성 재료(anodically active electroactive material)(때때로 음극이라고 지칭됨)를 포함하고, 상대 전극 구조체(112)의 집단의 멤버들은 캐소드형 활성 전기활성 재료(cathodically active electroactive material)(때때로 양극이라고 지칭됨)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들은 캐소드형 활성 전기활성 재료를 포함하고, 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들은 애노드형 활성 전기활성 재료를 포함한다. 이러한 단락에 나열되는 실시예들 및 예들 각각에서, 음극 활성 재료는, 미립자 응집체 전극(particulate agglomerate electrode), 미립자 재료의 슬러리를 형성하는 것 및 층 형상으로 주조하는 것에 의해서와 같이, 미립자 재료로 형성되는 전극 활성 재료, 또는 모놀리식 전극일 수 있다.
예시적인 애노드형 활성 전기활성 재료들은 흑연 및 연질 또는 경질 탄소들과 같은 탄소 재료들, 또는 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속들, 반금속들(semi-metals), 합금들, 산화물들 및 화합물들의 범위 중 임의의 것을 포함한다. 애노드 재료를 구성할 수 있는 금속 또는 반금속의 구체적인 예들은, 흑연, 주석, 납, 마그네슘, 알루미늄, 붕소, 갈륨, 실리콘, Si/C 복합물들, Si/흑연 블렌드들, SiOx, 다공성 Si, 금속간 Si 합금, 인듐, 지르코늄, 게르마늄, 비스무트, 카드뮴, 안티몬, 은, 아연, 비소, 하프늄, 이트륨, 리튬, 나트륨, 흑연, 탄소, 리튬 티타네이트, 팔라듐 및 이들의 혼합물을 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 애노드형 활성 재료는 알루미늄, 주석, 또는 실리콘, 또는 이들의 산화물, 또는 이들의 질화물, 이들의 플루오르화물, 또는 이들의 다른 합금을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 애노드형 활성 재료는 실리콘, 실리콘 산화물, 또는 그 합금을 포함한다.
또 추가의 실시예에서, 애노드형 활성 재료는 리튬 금속들, 리튬 합금들, 탄소, 석유 코크들, 활성화 탄소, 흑연, 실리콘 화합물들, 주석 화합물들, 및 이들의 합금들을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 애노드형 활성 재료는 흑연화 불가능 탄소, 흑연계 탄소 등과 같은 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표에서의 1 족, 2 족 및 3 족에서 발견되는 원소들, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등과 같은 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 실리콘계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등과 같은 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등과 같은 도전성 폴리머; Li-Co-Ni계 재료 등을 포함한다. 하나의 실시예에서, 애노드형 활성 재료는 탄소계 활성 재료를 포함할 수 있고, 이는, 천연 흑연, 합성 흑연 등과 같은 결정질 흑연, 및 연질 탄소, 경질 탄소 등과 같은 비정질 탄소를 포함한다. 애노드형 활성 재료에 적합한 탄소 재료의 다른 예들은 흑연, Kish 흑연, 열분해 탄소, 중간상 피치계 탄소 섬유들, 메조-카본 마이크로비드들, 중간상 피치들, 흑연화된 탄소 섬유, 및 석유 또는 석탄 타르 피치 도출된 코크들과 같은 고온 소결된 탄소를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료는 주석 산화물, 티타늄 니트레이트 및 실리콘을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 음극은, 리튬 금속 막과 같은, 리튬 금속, 또는, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 타입의 금속 및 리튬의 합금과 같은, 리튬 합금을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 애노드형 활성 재료는, Si, Al, C, Pt, Sn, Pb, Ir, Ni, Cu, Ti, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Ca, Sr, Sb, Ba, Ra, Ge, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si 합금, Sn 합금, Al 합금 등과 같은, 리튬을 합금화 및/또는 이와 인터칼레이팅할 수 있는 금속 화합물; SiOv (0<v<2), SnO2, 바나듐 산화물 또는 리튬 바나듐 산화물과 같은 리튬 이온들을 도핑 및 디도핑할 수 있는 금속 산화물; 및 Si-C 복합물 또는 Sn-C 복합물과 같은 금속 화합물 및 탄소 재료를 포함하는 복합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 리튬과 합금화/인터칼레이팅할 수 있는 재료는, 리튬, 인듐, 주석, 알루미늄, 또는 실리콘과 같은 금속, 또는 이들의 합금; Li4/3Ti5/3O4 또는 SnO와 같은, 전이 금속 산화물; 및 인공 흑연, 흑연 탄소 섬유, 수지 하소 탄소, 열 분해 기상 성장 탄소, 코르크들, "MCMB"(mesocarbon microbeads), 푸르푸릴 알코올 수지 하소 탄소, 폴리아센, 피치계 탄소 섬유, 기상 성장 탄소 섬유, 또는 천연 흑연과 같은, 탄소질 재료일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 음극 활성 재료는 나트륨 또는 마그네슘과 같은 캐리어 이온에 적합한 조성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료는 층형 탄소질 재료; 및 층형 탄소질 재료의 층들 사이에 배치되는 화학식 NaxSny-zMz 의 조성을 포함할 수 있고, M은 Ti, K, Ge, P, 또는 이들의 조합이고, 0<x≤15, 1≤y≤5, 및 0≤z≤1이다.
하나의 실시예에서, 음극 활성 재료는, 탄소계 재료, 카본 블랙, 흑연, 그래핀, 활성 탄소, 탄소 섬유, 아세틸렌 블랙, Ketjen 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 열 블랙 등과 같은 카본 블랙 등과 같은, 도전성 재료 및/또는 도전성 보조제; 탄소 섬유, 금속 섬유 등과 같은 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브들 등과 같은 도전성 튜브; 탄소 플루오르화물 분말, 알루미늄 분말, 니켈 분말 등과 같은 금속 분말; 아연 산화물, 칼륨 티타네이트 등과 같은 도전성 위스커; 티타늄 산화물 등과 같은 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 파생물 등과 같은 도전성 재료를 추가로 포함할 수 있다. 추가적으로, 금속 메시와 같은 금속 섬유들; 구리, 은, 니켈 및 알루미늄과 같은 금속 분말; 또는 폴리페닐렌 파생물들과 같은 유기 도전성 재료들이 또한 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 산화물, 폴리프로필렌, PTFE(polytetrafluoroethylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), 스티렌-부타디엔 고무, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐 에테르 코폴리머, 비닐리덴 플루오르화물-헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 비닐리덴 플루오르화물-클로로트리플루오로에틸렌 코폴리머, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 코폴리머, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 비닐리덴 플루오르화물-헥사플루오로 프로필렌 코폴리머, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 코폴리머, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 코폴리머, 비닐리덴 플루오르화물-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 코폴리머, 비닐리덴 플루오르화물-퍼플루오로에틸렌 에테르-테트라플루오로 에틸렌 코폴리머, 에틸렌-아크릴산 코폴리머 등 중 하나 이상이 단독으로 또는 혼합물로서 사용될 수 있는 바와 같이, 결합제가 제공될 수 있다.
예시적인 캐소드형 활성 재료들은 광범위한 캐소드 활성 재료들 중 임의의 것을 포함한다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리에 대해, 캐소드형 활성 재료는, 선택적으로 사용될 수 있는, 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 전이 금속 질화물들, 리튬-전이 금속 산화물들, 리튬-전이 금속 황화물들, 및 리튬-전이 금속 질화물들로부터 선택되는 캐소드 재료를 포함할 수 있다. 이러한 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 및 전이 금속 질화물들의 전이 금속 원소들은 d-껍질 또는 f-껍질을 갖는 금속 원소들을 포함할 수 있다. 이러한 금속 원소의 구체적인 예들은 Sc, Y, 란타노이드들(lanthanoids), 악티노이드들(actinoids), Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pb, Pt, Cu, Ag, 및 Au이다. 추가적인 캐소드 활성 재료들은 LiCoO2, LiNi0.5Mn1.5O4, Li(NixCoyAlz)O2, LiFePO4, Li2MnO4, V2O5, 몰리브덴 옥시설파이드들, 포스페이트들, 실리케이트들, 바나데이트들, 황, 황 화합물들, 산소(공기), Li(NixMnyCoz)O2, 및 이들의 조합들을 포함한다. 또한, 캐소드형 활성 재료 층들에 대한 화합물들은, 리튬, 코발트 및 산소를 포함하는 화합물들(예를 들어, LiCoO2), 리튬, 망간 및 산소를 포함하는 화합물들(예를 들어, LiMn2O4), 및 리튬 철 및 포스페이트를 포함하는 화합물들(예를 들어, LiFePO)과 같은 금속 산화물들 또는 금속 포스페이트들을 추가로 포함하는 리튬 함유 화합물들을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 캐소드형 활성 재료는 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 철 포스페이트, 또는 전술한 산화물들의 조합으로부터 형성되는 복합 산화물 중 적어도 하나를 포함한다. 다른 실시예에서, 캐소드형 활성 재료는, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등 또는 하나 이상의 전이 금속으로 치환되는 화합물; Li1+xMn2-xO4(여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등과 같은 리튬 망간 산화물; 리튬 구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등과 같은 바나듐 산화물; LiNi1-xMxO2(여기서, M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x=0.01 내지 0.3임)의 화학식에 의해 표현되는 Ni 사이트 타입 리튬 니켈 산화물; LiMn2-xMxO2(여기서, M=Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x=0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M=Fe, Co, Ni, Cu or Zn임)의 화학식에 의해 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; Li의 일부분이 알칼리 토금속 이온들로 치환되는 LiMn2O4; 이황화물 화합물; Fe2(MoO4)3 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 캐소드형 활성 재료는 화학식 2: Li1+aFe1-xM'x(PO4-b)Xb의 올리빈 결정 구조체를 갖는 리튬 금속 포스페이트를 포함할 수 있으며, M'은 Al, Mg, Ni, Co, Mn, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Ce, In, Zn 및 Y로부터 선택되는 적어도 하나이고, X는 F, S 및 N으로부터 선택되는 적어도 하나이고, LiFePO4, Li(Fe, Mn)PO4, Li(Fe, Co)PO4, Li(Fe, Ni)PO4 등 중 적어도 하나와 같이, -0.5≤a≤+0.5, 0≤x≤0.5이고, 0≤b≤0.1이다. 하나의 실시예에서, 캐소드형 활성 재료는, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNi1-yCoyO2, LiCo1-yMnyO2, LiNi1-yMnyO2(0≤y≤1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2이고, a+b+c=2임), LiMn2-zNizO4, LiMn2-zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4 중 적어도 하나, 또는 이들 중 2개 이상의 혼합물을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 캐소드형 활성 재료는 원소 황(S8), 황 계열 화합물들 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다. 황 계열 화합물은 구체적으로 Li2Sn(n≥1임), 유기황 화합물, 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 내지 50, n≥2임) 등일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 캐소드형 활성 재료는 리튬 및 지르코늄의 산화물을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 캐소드형 활성 재료는, 코발트, 망간, 니켈, 또는 이들의 조합과 같은, 리튬 및 금속의 적어도 하나의 복합 산화물을 포함할 수 있고, 사용될 수 있으며, 이들의 예들은, LiaA1-bMbD2(여기서, 0.90≤a≤1이고, 0≤b≤0.5임); LiaE1-bMbO2-cDc(여기서, 0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5이고, 0≤c≤0.05임); LiE2-bMbO4-cDc(여기서, 0≤b≤0.5이고, 0≤c≤0.05임); LiaNi1-b-cCobMcDa(여기서, 0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이고, 0<a≤2임); LiaNi1-b-cCobMcO2-aXa(여기서, 0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이고, 0<a<2임); LiaNi1-b-cCobMcO2-aX2(여기서, 0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이고, 0<a<2임); LiaNi1-b-cMnbMcDa(여기서, 0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이고, 0<a≤2임); LiaNi1-b-cMnbMcO2-aXa(여기서, 0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이고, 0<a<2임); LiaNi1-b-cMnbMcO2-aX2(여기서, 0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이고, 0<a<2임); LiaNibEcGdO2(여기서, 0.90≤a≤1, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5이고, 0.001≤d≤0.1임); LiaNibCocMndGeO2(여기서, 0.90≤a≤1, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5이고, 0.001≤e≤0.1임); LiaNiGbO2(여기서, 0.90≤a≤1 및 0.001≤b≤0.1임); LiaCoGbO2(여기서, 0.90≤a≤1 및 0.001≤b≤0.1임); LiaMnGbO2(여기서, 0.90≤a≤1 및 0.001≤b≤0.1임); LiaMn2GbO4(여기서, 0.90≤a≤1 및 0.001≤b≤0.1임); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiX'O2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0≤f≤2임); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≤f≤2임); 및 LiFePO4이다. 위 화학식들에서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; M은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소, 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; X는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; X'는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다. 예를 들어, LiCoO2, LiMnxO2x (x=1 또는 2임), LiNi1-xMnxO2x(0<x<1임), LiNi1-x-yCoxMnyO2 (0≤x≤0.5이고, 0≤y≤0.5임), 또는 FePO4가 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 캐소드형 활성 재료는 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 니켈 코발트 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 망간 산화물, 또는 리튬 철 포스페이트와 같은 리튬 화합물; 니켈 황화물; 구리 황화물; 황; 철 산화물; 또는 바나듐 산화물 중 적어도 하나를 포함한다.
하나의 실시예에서, 캐소드형 활성 재료는, NaFeO2, NaMnO2, NaNiO2, 또는 NaCoO2와 같은 화학식 NaM1 aO2 의 산화물; 또는 화학식 NaMn1-aM1 aO2에 의해 표현되는 산화물 중 적어도 하나와 같은, 나트륨 함유 재료를 포함할 수 있으며, M1은 적어도 하나의 전이 금속 원소이고, 0≤a<1이다. 대표적 양의 활성 재료들은, Na[Ni1/2Mn1/2]O2, Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 등; Na0.44Mn1-aM1 aO2에 의해 표현되는 산화물, Na0.7Mn1-aM1 aO2.05에 의해 표현되는 산화물(여기서 M1은 적어도 하나의 전이 금속 원소이고, 0≤a<1임); Na6Fe2Si12O30 또는 Na2Fe5Si12O로서 NabM2 cSi12O30에 의해 표현되는 산화물(여기서 M2은 적어도 하나의 전이 금속 원소이고, 2≤b≤6이고, 2≤c≤5임); Na2Fe2Si6O18 또는 Na2MnFeSi6O18와 같은 NadM3 eSi6O18에 의해 표현되는 산화물(여기서 M3은 적어도 하나의 전이 금속 원소이고, 3≤d≤6이고,1≤e≤2임); Na2FeSiO6와 같은 NafM4 gSi2O6에 의해 표현되는 산화물(여기서 M4은 전이 금속 원소들, Mg(magnesium) 및 Al(aluminum)로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고, 1≤f≤2이고 1≤g≤2임); NaFePO4, Na3Fe2(PO4)3, Na3V2(PO4)3, Na4Co3(PO4)2P2O7 등과 같은 포스페이트; NaFeBO4 또는 Na3Fe2(BO4)3과 같은 붕산염; Na3FeF6 또는 Na2MnF6와 같은 NahM5F6에 의해 표현되는 플루오르화물(여기서 M5은 적어도 하나의 전이 금속 원소이고, 2≤h≤3임), Na3V2(PO4)2F3, Na3V2(PO4)2FO2 등과 같은 플루오르 포스페이트 등을 포함한다. 양의 활성 재료는 전술한 것에 제한되지 않으며, 해당 분야에서 사용되는 임의의 적합한 양의 활성 재료가 사용될 수 있다. 실시예에서, 양의 활성 재료가 바람직하게는 NaMnO2, Na[Ni1/2Mn1/2]O2 및 Na2/3[Fe1/2Mns1/2]O2와 같은 층형 타입 산화물 캐소드 재료, Na3V2(PO4)3 및 Na4Co3(PO4)2P2O7와 같은 포스페이트 캐소드, 또는 Na3V2(PO4)2F3 및 Na3V2(PO4)2FO2와 같은 플루오르포스페이트 캐소드를 포함한다.
하나의 실시예에서, 음극 전류 수집기(136)는, 금속 재료와 같은, 적합한 도전성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 음극 전류 수집기는 구리, 니켈, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 티타늄, 팔라듐, 베이킹된 탄소, 하소된 탄소, 인듐, 철, 마그네슘, 코발트, 게르마늄, 리튬, 탄소, 니켈, 티타늄, 은, 알루미늄-카드뮴 합금, 및/또는 이들의 다른 합금들로 표면 처리된 구리 또는 스테인레스 스틸의 재료 중 적어도 하나를 포함한다. 다른 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 전류 수집기는 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 베이킹된 탄소, 탄소, 니켈, 티타늄, 은, 알루미늄-카드뮴 합금, 및/또는 이들의 다른 합금들로 표면 처리된 구리 또는 스테인레스 스틸의 재료 중 적어도 하나를 포함한다. 하나의 실시예에서, 음극 전류 수집기는 구리 및 스테인레스 스틸 중 적어도 하나를 포함한다.
하나의 실시예에서, 양극 전류 수집기(140)는, 금속 재료와 같은, 적합한 도전성 재료를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 양극 전류 수집기는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 베이킹된 탄소, 소결된 탄소, 탄소, 니켈, 티타늄, 은, 및/또는 이들의 다른 합금들로 표면 처리된 알루미늄 또는 스테인레스 스틸의 재료 중 적어도 하나를 포함한다. 하나의 실시예에서, 양극 전류 수집기는 알루미늄을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 캐소드형 활성 재료는, 예를 들어, 본 명세서에서 애노드형 활성 재료에 대해 설명되는 도전성 보조제들 및/또는 결합제들 중 임의의 것일 수 있는, 도전성 보조제 및/또는 결합제 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 애노드형 활성 재료는 리튬 이온들(또는 다른 캐리어 이온들)이 충전 및 방전 프로세스들 동안 음극 활성 재료 내에 통합되거나 또는 이를 이탈함에 따라 체적 팽창 및 수축을 수용하기 위해 상당한 공극 체적 분율을 제공하도록 미세구조화된다. 일반적으로, 음극 활성 재료의 공극 체적 분율은 적어도 0.1이다. 그러나, 통상적으로, 음극 활성 재료의 공극 체적 분율은 0.8 이하이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료의 공극 체적 분율은 약 0.15 내지 약 0.75이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료의 공극 체적 분율은 약 0.2 내지 약 0.7이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료의 공극 체적 분율은 약 0.25 내지 약 0.6이다.
미세구조화된 음극 활성 재료의 조성 및 이들의 형성 방법에 의존하여, 미세구조화된 음극 활성 재료는 거대다공성(macroporous), 미세다공성(microporous), 또는 중간다공성(mesoporous) 재료 층들 또는, 미세다공성과 중간다공성의 조합 또는 중간다공성과 거대다공성의 조합과 같은, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 미세다공성 재료는 10 nm 미만의 공극 치수(pore dimension), 10 nm 미만의 벽 치수(wall dimension), 1 내지 50 마이크로미터의 공극 깊이(pore depth), 그리고 "해면질(spongy)"이고 불규칙한 외관, 매끄럽지 않은 벽들, 및 분기형 공극들(branched pores)에 의해 일반적으로 특징화되는 공극 형태론(pore morphology)에 의해 통상적으로 특징화된다. 중간다공성 재료는, 통상적으로, 10 내지 50 nm의 공극 치수, 10 내지 50 nm의 벽 치수, 1 내지 100 마이크로미터의 공극 깊이, 및 일반적으로 어느 정도 잘 정의된 또는 수지상(well defined or dendritic) 공극들인 분기형 공극들에 의해 특징화되는 공극 형태론에 의해 특징화된다. 거대다공성 재료는 50 nm 초과의 공극 치수, 50 nm 초과의 벽 치수, 1 내지 500 마이크로미터의 공극 깊이, 및 다양한, 직선의, 분기형, 또는 수지상, 그리고 매끄러운 또는 거친 벽을 가질 수 있는 공극 형태론에 의해 통상적으로 특징화된다. 추가적으로, 공극 체적은 개방(open) 또는 폐쇄(closed) 공극들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 공극 체적은 개방 공극들을 포함한다, 즉, 음극 활성 재료는, 리튬 이온들(또는 다른 캐리어 이온들)이 이를 통해 음극 활성 재료에 진입하거나 또는 이탈할 수 있는 음극 활성 재료의 측방향 표면에 있는 개구들을 갖는 공극들을 포함하고; 예를 들어, 리튬 이온들이 양극 활성 재료를 이탈한 이후에 공극 개구들을 통해 음극 활성 재료에 진입할 수 있다. 다른 실시예에서, 공극 체적은 폐쇄 공극들을 포함한다, 즉, 음극 활성 재료는 음극 활성 재료에 의해 에워싸이는 공극들을 포함한다. 일반적으로, 개방 공극들은 캐리어 이온들에 대한 더 큰 계면 표면 면적을 제공할 수 있는 반면 폐쇄 공극들은 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface)에 덜 취약한 경향이 있지만 각각이 캐리어 이온들의 진입 시에 음극 활성 재료의 팽창을 위한 공간(room)을 제공한다. 특정 실시예들에서, 따라서, 음극 활성 재료가 개방 및 폐쇄 공극들의 조합을 포함하는 것이 바람직하다.
하나의 실시예에서, 음극 활성 재료는 다공성 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 이들의 합금을 포함한다. 다공성 실리콘 층들은, 예를 들어, 애노드화(anodization)에 의해, 에칭에 의해(예를 들어, 금, 백금, 은 또는 금/팔라듐과 같은 귀금속들을 단결정 실리콘의 표면 상에 퇴적시키고 이러한 표면을 불화수소 산과 수소 과산화물의 혼합물로 에칭하는 것에 의해), 또는 패터닝된 화학적 에칭(patterned chemical etching)과 같은 해당 분야에 알려진 다른 방법들에 의해 형성될 수 있다. 추가적으로, 다공성 음극 활성 재료는 일반적으로 적어도 약 0.1의, 그러나 0.8 미만의 다공률 분율(porosity fraction)을 갖고 약 1 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 음극 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료는(니켈 실리사이드와 같은) 다공성 실리콘 합금을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공률 분율을 갖는다.
다른 실시예에서, 음극 활성 재료는 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 이들의 합금의 섬유들을 포함한다. 개별 섬유들은 약 5 nm 내지 약 10,000 nm의 직경(두께 치수) 및 음극 활성 재료의 두께에 일반적으로 대응하는 길이를 가질 수 있다. 실리콘의 섬유들(나노와이어들)은, 예를 들어, 화학 기상 퇴적 또는 VLS(vapor liquid solid) 성장 및 SLS(solid liquid solid) 성장과 같은 해당 분야에 알려진 다른 기법들에 의해 형성될 수 있다. 추가적으로, 음극 활성 재료는 일반적으로 적어도 약 0.1의, 그러나 0.8 미만의 다공률 분율(porosity fraction)을 갖고 약 1 내지 약 200 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료는 실리콘 나노와이어들을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료는 실리콘 나노와이어들을 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 음극 활성 재료는 실리콘 나노와이어들을 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료는(니켈 실리사이드와 같은) 실리콘 합금의 나노와이어들을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공률 분율을 갖는다.
하나의 실시예에서, 전극(110) 집단의 각각의 멤버는 하부, 상부, 및 하부로부터 상부로 그리고 전극 구조체들(110) 및 상대 전극 구조체들(112)의 교대 시퀀스가 진행하는 방향에 일반적으로 수직인 방향으로 연장되는 세로 축(AE)을 갖는다. 추가적으로, 전극(110) 집단의 각각의 멤버는 전극의 세로 축(AE)을 따라 측정되는 길이(LE), 전극 구조체들 ?? 상대 전극 구조체들의 교대 시퀀스가 진행하는 방향으로 측정되는 폭(WE), 및 길이(LE) 및 폭(WE)의 측정의 방향들 각각에 수직인 방향으로 측정되는 높이(HE)를 갖는다. 전극 집단의 각각의 멤버는 자신의 세로 축에 수직인 평면에서의 전극의 투영의 측(들)의 길이(들)의 합에 대응하는 둘레(PE)를 또한 갖는다.
전극 집단의 멤버들의 길이(LE)는 에너지 저장 디바이스 및 이것의 의도된 용도에 의존하여 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 집단의 멤버들은 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 길이(LE)를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단의 멤버들은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이(LE)를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 집단의 멤버들은 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이(LE)를 갖는다.
전극 집단의 멤버들의 폭(WE)은 에너지 저장 디바이스 및 이것의 의도된 용도에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 집단의 각각의 멤버는 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위 내의 폭(WE)을 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 폭(WE)은 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 폭(WE)은 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
전극 집단의 멤버들의 높이(HE)는 에너지 저장 디바이스 및 이것의 의도된 용도에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 집단의 멤버들은 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위 내의 높이(HE)를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 높이(HE)는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 높이 HE는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다. 하나의 실시예에 따르면, 전극 집단의 멤버들은 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 전극 멤버, 및 제1 높이 이외의 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 전극 멤버를 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 멤버는 전극 멤버들이 2차 제약 시스템의 일부분과 수직 방향(Z 축)으로 접촉하는 것을 허용하도록 선택되는 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극 멤버들 중 적어도 하나 또는 이들의 서브구조체가 2차 연결 멤버(166)로서 역할을 할 때와 같이, 제1 전극 멤버들이 수직 축을 따라서 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 사이에 연장되도록 그리고 이들 양자 모두와 접촉하도록 하나 이상의 제1 전극 멤버의 높이가 충분할 수 있다. 또한, 하나의 실시예에 따르면, 예를 들어, 하나 이상의 제2 전극 멤버가 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 양자 모두와 접촉하도록 완전히 연장되지 않도록, 하나 이상의 제2 전극 멤버는 하나 이상의 제1 전극 멤버 미만의 높이를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 멤버 및 하나 이상의 제2 전극 멤버에 대한 상이한 높이들은, 세로 및/또는 가로 축 중 하나 이상을 따라서 상이한 높이들을 갖는 전극 어셈블리 형상과 같은, 전극 어셈블리(106)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록, 그리고/또는 2차 배터리에 미리 결정된 성능 특성들을 제공하도록 선택될 수 있다.
전극 집단의 멤버들의 둘레(PE)는 에너지 저장 디바이스 및 이것의 의도된 용도에 의존하여 유사하게 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 집단의 멤버들은 약 0.025 mm 내지 약 25 mm의 범위 내의 둘레(PE)를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 둘레(PE)는 약 0.1 mm 내지 약 15 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버의 둘레(PE)는 약 0.5 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다.
일반적으로, 전극 집단의 멤버들은 실질적으로 자신의 폭(WE) 및 자신의 높이(HE) 각각을 초과하는 길이(LE)를 갖는다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 WE 및 HE 각각의 비율은, 각각, 적어도 5:1 이다(즉, LE 대 WE의 비율은, 각각, 적어도 5:1이고, LE 대 HE의 비율은, 각각, 적어도 5:1임). 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, LE 대 WE 및 HE 각각의 비율은 적어도 10:1이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, LE 대 WE 및 HE 각각의 비율은 적어도 15:1이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 WE 및 HE 각각의 비율은 적어도 20:1이다.
추가적으로, 전극 집단의 멤버들은 실질적으로 자신의 둘레(PE) 초과인 길이(LE)를 갖는 것이 일반적으로 바람직하고; 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 PE의 비율은, 각각, 적어도 1.25:1이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 PE의 비율은 적어도 2.5:1이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LE 대 PE의 비율은 적어도 3.75:1이다.
하나의 실시예에서, 전극 집단의 멤버들의 높이(HE) 대 폭(WE)의 비율은, 각각, 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HE 대 WE의 비율은, 각각, 적어도 2:1일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, HE 대 WE의 비율은, 각각, 적어도 10:1일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, HE 대 WE의 비율은, 각각, 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 통상적으로, HE 대 WE의 비율은 일반적으로, 각각, 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, HE 대 WE의 비율은, 각각, 500:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, HE 대 WE의 비율은, 각각, 100:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, HE 대 WE의 비율은, 각각, 10:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HE 대 WE의 비율은, 각각, 약 2:1 내지 약 100:1의 범위에 있을 것이다.
상대 전극 집단의 각각의 멤버는 하부, 상부, 및 하부로부터 상부로 그리고 전극 구조체들 및 상대 전극 구조체들의 교대 시퀀스가 진행하는 방향에 일반적으로 수직인 방향으로 연장되는 세로 축(ACE)을 갖는다. 추가적으로, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 세로 축(ACE)을 따라 측정되는 길이(LCE), 전극 구조체들 및 상대 전극 구조체들의 교대 시퀀스가 진행하는 방향으로 측정되는 폭(WCE), 및 길이(LCE) 및 폭(WCE)의 측정의 방향들 각각에 수직인 방향으로 측정되는 높이(HCE)를 갖는다. 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 자신의 세로 방향 축에 수직인 평면에서의 상대 전극의 투영의 측방향 표면(들)의 길이(들)의 합에 대응하는 둘레(PCE)을 또한 갖는다.
상대 전극 집단의 멤버들의 길이(LCE)는 에너지 저장 디바이스 및 이것의 의도된 용도에 의존하여 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 길이(LCE)를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이(LCE)를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이(LCE)를 갖는다.
상대 전극 집단의 멤버들의 폭(WCE)은 에너지 저장 디바이스 및 이것의 의도된 용도에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 상대 전극 집단의 멤버들은 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위 내의 폭(WCE)을 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 폭(WCE)은 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 폭(WCE)은 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
상대 전극 집단의 멤버들의 높이(HCE)는 에너지 저장 디바이스 및 이것의 의도된 용도에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 상대 전극 집단의 멤버들은 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위 내의 높이(HCE)를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 높이(HCE)는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 높이(HCE)는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다. 하나의 실시예에 따르면, 상대 전극 집단의 멤버들은 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 상대 전극 멤버, 및 제1 높이 이외의 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 상대 전극 멤버를 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 하나 이상의 제1 상대 전극 멤버는 상대 전극 멤버들이 2차 제약 시스템의 일부분과 수직 방향(Z 축)으로 접촉하는 것을 허용하도록 선택되는 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 상대 전극 멤버들 중 적어도 하나 또는 이들의 서브구조체가 2차 연결 멤버(166)로서 역할을 할 때와 같이, 제1 상대 전극 멤버들이 수직 축을 따라서 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 사이에 연장되도록 그리고 이들 양자 모두와 접촉하도록 하나 이상의 제1 상대 전극 멤버의 높이가 충분할 수 있다. 또한, 하나의 실시예에 따르면, 예를 들어, 하나 이상의 제2 상대 전극 멤버가 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 양자 모두와 접촉하도록 완전히 연장되지 않도록, 하나 이상의 제2 상대 전극 멤버는 하나 이상의 제1 상대 전극 멤버 미만의 높이를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 상대 전극 멤버 및 하나 이상의 제2 상대 전극 멤버에 대한 상이한 높이들은, 세로 및/또는 가로 축 중 하나 이상을 따라서 상이한 높이들을 갖는 전극 어셈블리 형상과 같은, 전극 어셈블리(106)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록, 그리고/또는 2차 배터리에 미리 결정된 성능 특성들을 제공하도록 선택될 수 있다.
상대 전극 집단의 멤버들의 둘레(PCE)는 에너지 저장 디바이스 및 이것의 의도된 용도에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 상대 전극 집단의 멤버들은 약 0.025 mm 내지 약 25 mm 범위 내의 둘레(PCE)를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 둘레(PCE)는 약 0.1 mm 내지 약 15 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버의 둘레(PCE)는 약 0.5 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다.
일반적으로, 상대 전극 집단의 각각의 멤버는 실질적으로 폭(WCE) 초과이고 실질적으로 자신의 높이(HCE) 초과인 길이(LCE)를 갖는다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 WCE 및 HCE의 비율은, 각각, 적어도 5:1이다(즉, LCE 대 WCE의 비율은, 각각, 적어도 5:1이고, LCE 대 HCE의 비율은, 각각, 적어도 5:1임). 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해 LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비율은 적어도 10:1이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해 LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비율은 적어도 15:1이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해 LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비율은 적어도 20:1이다.
추가적으로, 상대 전극 집단의 멤버들은 실질적으로 자신의 둘레(PCE) 초과의 길이(LCE)를 갖는 것이 일반적으로 바람직하고; 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 PCE의 비율은, 각각, 적어도 1.25:1이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 PCE의 비율은, 각각, 적어도 2.5:1이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, LCE 대 PCE의 비율은, 각각, 적어도 3.75:1이다.
하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 멤버들의 높이(HCE) 대 폭(WCE)의 비율은, 각각, 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비율은, 각각, 적어도 2:1일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비율은, 각각, 적어도 10:1일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비율은, 각각, 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 통상적으로, 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비율은 일반적으로, 각각, 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비율은, 각각, 500:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, HCE 대 WCE의 비율은, 각각, 100:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, HCE 대 WCE의 비율은, 각각, 10:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 상대 전극 집단의 각각의 멤버에 대해, HCE 대 WCE의 비율은, 각각, 약 2:1 내지 약 100:1의 범위에 있을 것이다.
하나의 실시예에서, 음극 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 음극 전류 도전체 층(136)은 이러한 음극 전류 수집기를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 적어도 50%인 길이 LNC를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 음극 전류 도전체 층(136)은 이러한 음극 전류 수집기를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 적어도 60%인 길이 LNC를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 음극 전류 도전체 층(136)은 이러한 음극 전류 수집기를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 적어도 70%인 길이 LNC를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 음극 전류 도전체 층(136)은 이러한 음극 전류 수집기를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 적어도 80%인 길이 LNC를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 음극 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 음극 전류 도전체(136)는 이러한 음극 전류 수집기를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 적어도 90%인 길이 LNC를 갖는다.
하나의 실시예에서, 양극 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 양극 전류 도전체(140)는 이러한 양극 전류 수집기를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 적어도 50%인 길이 LPC를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 양극 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 양극 전류 도전체(140)는 이러한 양극 전류 수집기를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 적어도 60%인 길이 LPC를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 양극 집단의 각각의 멤버에 포함되는 양극 전류 도전체(140)는 이러한 양극 전류 수집기를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 적어도 70%인 길이 LPC를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 양극 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 양극 전류 도전체(140)는 이러한 양극 전류 수집기를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 적어도 80%인 길이 LPC를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 양극 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 양극 전류 도전체(140)는 이러한 양극 전류 수집기를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 적어도 90%인 길이 LPC를 갖는다.
특정 실시예들에서, 음극 활성 재료 층과 분리기 사이에 배치되는 것에 의해, 음극 전류 수집기(136)는 음극 전류 수집기로부터의 전류를 음극 활성 재료 층의 표면에 걸쳐 분포시키는 것에 의해 보다 균일한 캐리어 이온 수송을 용이하게 할 수 있다. 이것은, 결국, 캐리어 이온들의 보다 균일한 삽입 및 추출을 용이하게 하고 그렇게 함으로써 사이클링 동안 음극 활성 재료에서의 스트레스를 감소시킬 수 있고; 음극 전류 수집기(136)가 분리기를 대면하는 음극 활성 재료 층의 표면에 전류를 분포시키므로, 캐리어 이온들에 대한 음극 활성 재료 층의 반응성은 캐리어 이온 농도가 가장 큰 곳에서 가장 클 것이다. 또 다른 실시예에서, 음극 전류 수집기(136) 및 음극 활성 재료 층의 위치들은, 예를 들어 도 1b에 도시되는 바와 같이, 반전될 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 양극들의 각각의 멤버는, 예를 들어, 양극 백본과 양극 활성 재료 층 사이에 배치될 수 있는 양극 전류 수집기(140)를 갖는다. 또한, 음극 전류 수집기(136) 및 양극 전류 수집기(140) 중 하나 이상은 알루미늄, 탄소, 크롬, 금, 니켈, NiP, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 실리콘과 니켈의 합금, 티타늄, 또는 이들의 조합과 같은 금속을 포함할 수 있다("Current collectors for positive electrodes of lithium-based batteries" by A. H. Whitehead and M. Schreiber, Journal of the Electrochemical Society, 152(11) A2105-A2113 (2005) 참조). 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 양극 전류 수집기(140)는 금 또는 금 실리사이드와 같은 그 합금을 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 양극 전류 수집기(140)는 니켈 또는 니켈 실리사이드와 같은 그 합금을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 양극 전류 수집기(140)는, 예를 들어 도 1b에 도시되는 바와 같이, 인접한 양극 활성 재료 층들(136) 사이에 배치될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 예를 들어, 양극 전류 수집기 층이 분리기 층과 양극 활성 재료 층 사이에 배치되도록, 양극 전류 수집기 층 및 양극 활성 재료 층의 위치들이 반전될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 바로 인접하는 양극 활성 재료 층에 대한 양극 전류 수집기(140)는 음극 전류 수집기 층과 관련하여 설명되는 바와 같은 조성 및 구성을 갖는 이온적 투과성 도전체를 포함한다; 즉, 양극 전류 수집기 층은 이온적 및 전기적 양자 모두로 도전성인 이온적 투과성 도전체 재료의 층을 포함한다. 이러한 실시예에서, 양극 전류 수집기 층은 전기화학적 스택에서 양극 전류 수집기 층의 하나의 측 상의 바로 인접하는 양극 활성 재료 층과 양극 전류 수집기 층의 다른 측 상의 바로 인접하는 분리기 층 사이의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 두께, 전기 도전율, 및 캐리어 이온들에 대한 이온 도전율을 갖는다.
전기적 절연성 분리기 층들(130)은 전극 구조체(110) 집단의 각각의 멤버를 둘러싸고 이를 상대 전극 구조체(112) 집단의 각각의 멤버로부터 전기적으로 격리시킨다. 전기적 절연 분리기 층들(130)은 비-수성 전해질로 침투될 수 있는 미세다공성 분리기 재료를 통상적으로 포함할 것이고; 예를 들어, 하나의 실시예에서, 미세다공성 분리기 재료는 적어도 50 Å의, 보다 통상적으로는 약 2,500 Å의 범위에 있는 직경, 및 약 25% 내지 약 75%의 범위에 있는, 보다 통상적으로는 약 35 내지 55%의 범위에 있는 다공률을 갖는 공극들을 포함한다. 추가적으로, 미세다공성 분리기 재료는 전극 및 상대 전극 집단들의 인접하는 멤버들 사이의 캐리어 이온들의 도전을 허용하도록 비-수성 전해질로 침투될 수 있다. 특정 실시예들에서, 예를 들어, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 충전 또는 방전 사이클 동안 이온 교환을 위한 전극 구조체(110) 집단의 멤버와 상대 전극 구조체(112) 집단의 가장 가까운 멤버(들)(즉, "인접하는 쌍(adjacent pair)) 사이의 전기적 절연 분리기 재료의 적어도 70 vol%는 미세다공성 분리기 재료이고; 상이하게 언급하자면, 미세다공성 분리기 재료는 전극 구조체(110) 집단의 멤버와 상대 전극(112) 구조체 집단의 가장 가까운 멤버 사이의 전기적 절연 재료의 적어도 70 vol%를 구성한다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들 및 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기적 절연성 분리기 재료 층의 적어도 75 vol%를 구성한다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들 및 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기적 절연성 분리기 재료 층의 적어도 80 vol%를 구성한다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들 및 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기적 절연성 분리기 재료 층의 적어도 85 vol%를 구성한다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들 및 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버의 인접 쌍들 사이의 전기적 절연성 분리기 재료 층의 적어도 90 vol%를 구성한다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들 및 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기적 절연성 분리기 재료 층의 적어도 95 vol%를 구성한다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 전극 구조체(110) 집단의 멤버들 및 상대 전극 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접 쌍들 사이의 전기적 절연성 분리기 재료 층의 적어도 99 vol%를 구성한다.
하나의 실시예에서, 미세다공성 분리기 재료는 미립자 재료(particulate material) 및 결합제를 포함하고, 적어도 약 20 vol.%의 다공률(공극률)을 갖는다. 미세다공성 분리기 재료의 공극들은 적어도 50 Å의 직경을 가질 것이고 약 250 내지 2,500 Å의 범위 내에 통상적으로 속할 것이다. 미세다공성 분리기 재료는 약 75% 미만의 다공률을 통상적으로 가질 것이다. 하나의 실시예에서, 미세다공성 분리기 재료는 적어도 약 25 vol%의 다공률(공극률)을 갖는다. 하나의 실시예에서, 미세다공성 분리기 재료는 약 35 내지 55%의 다공률을 가질 것이다.
미세다공성 분리기 재료를 위한 결합제는 광범위한 무기 또는 폴리머 재료들로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 결합제는 실리케이트들, 포스페이트들, 알루미네이트들, 알루미노실리케이트들, 및 마그네슘 수산화물, 칼슘 수산화물 등과 같은 수산화물들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 유기 재료이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 결합제는 비닐리덴 플루오르화물, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜 등을 함유하는 단량체들로부터 도출되는 플루오로폴리머이다. 또 다른 실시예에서, 결합제는 임의의 범위의 변화하는 분자량들 및 밀도들을 갖는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리부텐과 같은 폴리올레핀이다. 또 다른 실시예에서, 결합제는 에틸렌-디엔-프로펜 3량체(ethylene-diene-propene terpolymer), 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈, 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 결합제는 메틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 스티렌 고무(styrene rubber), 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴 산, 폴리메타크릴 산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오르화물 폴리아크릴로니트릴 및 폴리에틸렌 산화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 결합제는 아크릴레이트들, 스티렌들, 에폭시들, 및 실리콘들로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 다른 적합한 결합제들은 폴리비닐리덴 플루오르화물-코-헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오르화물-코-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 폴리에틸렌-코-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌 산화물, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸 폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복시메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 코폴리머, 폴리이미드 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 결합제는 폴리비닐리덴 플루오르화물-헥사플루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오르화물-트리클로로에틸렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머, 폴리에틸렌 산화물, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸 풀루란, 시아노에틸 폴리비닐 알코올, 시아노에틸 셀룰로오스, 시아노에틸 수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴 스티렌 부타디엔 코폴리머, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르 술폰, 폴리페닐렌 산화물, 폴리페닐렌 황화물, 폴리에틸렌 나프탈렌, 및/또는 이들의 조합들 중 임의의 것으로부터 선택될 수 있다. 다른 실시예에서, 결합제는 전술된 폴리머들 중 2개 이상의 폴리머들의 코폴리머(copolymer) 또는 블렌드(blend)이다.
미세다공성 분리기 재료에 의해 포함되는 미립자 재료는 광범위한 재료들로부터 또한 선택될 수 있다. 일반적으로, 이러한 재료들은 동작 온도들에서 비교적 낮은 전자 및 이온 도전율을 갖고, 미세다공성 분리기 재료와 접촉하는 전류 수집기 또는 배터리 전극의 동작 전압들 하에서 부식되지 않는다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 미립자 재료는 1 x 10-4 S/cm 미만의 캐리어 이온들(예를 들어, 리튬)에 대한 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 미립자 재료는 1 x 10-5 S/cm 미만의 캐리어 이온들에 대한 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 실시예에서, 미립자 재료는 1 x 10-6 S/cm 미만의 캐리어 이온들에 대한 도전율을 갖는다. 예시적인 미립자 재료들은 미립자 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, TiO2-폴리머 복합물, 실리카 에어로겔, 흄드 실리카(fumed silica), 실리카 겔, 실리카 하이드로겔, 실리카 크세로겔, 실리카 졸, 콜로이드성 실리카, 알루미나, 티타니아, 마그네시아, 카올린, 탤크, 규조토, 칼슘 실리케이트, 알루미늄 실리케이트, 칼슘 카보네이트, 마그네슘 카보네이트, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 미립자 재료는, TiO2, SiO2, Al2O3, GeO2, B2O3, Bi2O3, BaO, ZnO, ZrO2, BN, Si3N4, Ge3N4와 같은 미립자 산화물 또는 질화물을 포함한다. 예를 들어, P. Arora and J. Zhang, "Battery Separators" Chemical Reviews 2004, 104, 4419-4462를 참조한다. 다른 적합한 미립자들은 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), hafnia (HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiC 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 미립자 재료는 약 20 nm 내지 2 마이크로미터, 보다 통상적으로는 200 nm 내지 1.5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다. 하나의 실시예에서, 미립자 재료는 약 500 nm 내지 1 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다.
대안적인 실시예에서, 배터리가 기능하기 위한 이온 도전율을 제공하기 위해 전해질 침입(electrolyte ingress)에 대해 원하는 공극률을 유지하면서, 소결, 결합, 경화 등과 같은 기법들에 의해, 미세다공성 분리기 재료에 의해 포함되는 미립자 재료가 결합될 수 있다.
미세다공성 분리기 재료들은, 예를 들어, 미립자들이 정전기 인력 또는 반 데르 발스 힘들과 같은 표면 에너지에 의해 합체되는(coalesced) 미립자 분리기 재료의 전기영동 퇴적, 미립자 분리기 재료의(스핀 또는 스프레이 코팅을 포함하는) 슬러리 퇴적, 스크린 인쇄, 딥 코팅(dip coating), 및 정전기 스프레이 퇴적에 의해 퇴적될 수 있다. 결합제들은 퇴적 프로세스에서 포함될 수 있다; 예를 들어, 미립자 재료는 용매 증발 시에 침전되는 용해된 결합제로 슬러리 퇴적될 수 있거나, 용해된 결합제 재료의 존재 하에 전기영동으로 퇴적될 수 있거나, 또는 결합제 및 절연 미립자들 등으로 공동-전기영동으로(co-electrophoretically) 퇴적될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 미립자들이 전극 구조체 내에 또는 그 상에 퇴적된 이후에 결합제들이 추가될 수 있다; 예를 들어, 미립자 재료는 유기 결합제 용액에 분산되어 딥 코팅 또는 스프레이 코팅될 수 있으며, 후속하여 부착 강도를 제공하기 위해 결합제 재료를 건조, 용융, 또는 가교 결합(cross-link)시킬 수 있다.
조립된 에너지 저장 디바이스에서, 미세다공성 분리기 재료는 2차 배터리 전해질로서 사용하기에 적합한 비-수성 전해질로 침투된다. 통상적으로, 비-수성 전해질은 리튬 염 및/또는 유기 용매 및/또는 용매 혼합물에 용해되는 염들의 혼합물을 포함한다. 예시적인 리튬 염들은 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiCl, 및 LiBr과 같은 무기 리튬 염들; 및 LiB(C6H5)4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF3)3, LiNSO2CF3, LiNSO2CF5, LiNSO2C4F9, LiNSO2C5F11, LiNSO2C6F13, 및 LiNSO2C7F15와 같은 유기 리튬 염들을 포함한다. 또 다른 예로서, 전해질은, 예를 들어, NaClO4, NaPF6, NaBF4, NaCF3SO3, NaN(CF3SO2)2, NaN(C2F5SO2)2, NaC(CF3SO2)3 중 임의의 하나 이상과 같은, 그 안에 용해되는 나트륨 이온들을 포함할 수 있다. 마그네슘 및/또는 칼륨의 염들이 유사하게 제공될 수 있다. 예를 들어, 마그네슘 과염소산염(Mg(ClO4)2), 마그네슘 질화물(Mg(NO3)2), 마그네슘 황산염(MgSO4), 마그네슘 테트라플루오르붕산염(Mg(BF4)2), 마그네슘 테트라페닐붕산염(Mg(B(C6H5)4)2, 마그네슘 헥사플루오로포스페이트(Mg(PF6)2), 마그네슘 헥사플루오로비산염(Mg(AsF6)2), 마그네슘 퍼플루오로알킬술폰산염((Mg(Rf1SO3)2), 여기서 Rf1은 퍼플루오로알킬 그룹임), 마그네슘 퍼플루오로알킬술포닐이미드(Mg((Rf2SO2)2N)2, 여기서 Rf2은 퍼플루오로알킬 그룹임), 및 마그네슘 헥사알킬 디실라자이드((Mg(HRDS)2), 여기서 R은 알킬 그룹임)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있는 마그네슘 염 뿐만 아니라, 마그네슘 염화물(MgCl2), 마그네슘 브롬화물(MgBr2), 또는 마그네슘 요오드화물(MgI2)과 같은 마그네슘 염들이 제공될 수 있다. 리튬 염을 용해하는 예시적인 유기 용매들은 환상 에스테르들(cyclic esters), 사슬 에스테르들(chain esters), 환상 에테르들, 및 사슬 에테르들을 포함한다. 환상 에스테르들의 구체적인 예들은 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부틸로락톤, 비닐렌 카보네이트, 2-메틸-γ-부틸로락톤, 아세틸-γ-부틸로락톤, 및 γ-발레로락톤을 포함한다. 사슬 에스테르들의 구체적인 예들은 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 에틸 카보네이트, 메틸 부틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 부틸 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸 프로필 카보네이트, 알킬 프로피오네이트, 디알킬 말로네이트, 및 알킬 아세테이트를 포함한다. 환상 에테르들의 구체적인 예들은 테트라히드로푸란, 알킬테트라히드로푸란, 디알킬테트라히드로푸란, 알콕시테트라히드라푸란, 디알콕시테트라히드라푸란, 1,3-디옥솔란, 알킬-1,3-디옥솔란, 1,4-디옥솔란을 포함한다. 사슬 에테르들의 구체적인 예들은 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 디에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 디에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 및 테트라에틸렌 글리콜 디알킬 에테르를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 2차 배터리(102)는 유기 액체 전해질, 무기 액체 전해질, 고체 폴리머 전해질, 겔 폴리머 전해질, 무기 고체 전해질, 용융형 무기 전해질 등 중 임의의 것일 수 있는 전해질을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전해질이 고체 전해질인 경우, 고체 전해질은 전극들 사이의 절연 및 이들을 통한 캐리어 이온들의 통과를 자체로 제공할 수 있어, 별도의 분리기 층이 요구되지 않을 수 있다. 즉, 특정 실시예들에서, 고체 전해질은 본 명세서의 실시예들에서 설명되는 분리기(130)를 대신할 수 있다. 하나의 실시예에서, 고체 폴리머 전해질은 PEO(polyethylene oxide)계, PVA(polyvinyl acetate)계, PEI(polyethyleneimine)계, PVDF(polyvinylidene fluoride)계, PAN(polyacrylonitrile)계, LiPON, 및 PMMA(polymethyl methacrylate)계 폴리머들 또는 이들의 코폴리머들로 형성되는 폴리머들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, Li2S 및 P2S5 중 적어도 하나와 같은, 리튬 및/또는 인 중 적어도 하나를 포함하는 황화물계 고체 전해질, 및/또는 SiS2, GeS2, Li3PS4, Li4P2S7, Li4SiS4, Li2S-P2S5, 및 50Li4SiO4, 50Li3BO3, 및/또는 B2S3와 같은 다른 황화물들과 같은, 황화물계 고체 전해질이 제공될 수 있다. 고체 전해질의 또 다른 실시예들은 Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, 및 Li3PO4-Li2S-SiS2와 같은 Li(lithium)의 질화물들, 할로겐화물들 및 황산염들을 포함할 수 있다.
또한, 하나의 실시예에 따르면, 미세다공성 분리기(130) 및 다른 전극(110) 및/또는 상대 전극(112) 구조체들을 포함하는 2차 배터리(102)의 컴포넌트들은, 심지어 2차 배터리(102)의 충전 및 방전 동안 전극 활성 재료(132)의 팽창이 발생하는 경우에도, 이러한 컴포넌트들이 기능하는 것을 허용하는 구성 및 조성을 포함한다. 즉, 이러한 컴포넌트들은 이들의 충전/방전 동안의 애노드 전극 활성 재료(132)의 팽창으로 인한 컴포넌트들의 장애가 수용 가능한 제한들 내에 있도록 구조화될 수 있다.
전극 제약 파라미터들
하나의 실시예에 따르면, 전극 제약들의 세트(108)의 설계는, (i) 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 전극 제약들의 세트(108)의 컴포넌트들 상에 가해지는 힘; 및 (ii) 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창에 의해 가해지는 힘에 대항하는데 요구되는 전극 제약들의 세트(108)의 강도를 포함하는 파라미터들에 의존한다. 예를 들어, 하나의 실시예에 따르면, 전극 활성 재료의 팽창에 의해 시스템 상에 가해지는 힘들은 특정 방향을 따르는 단면 전극 면적에 의존한다. 예를 들어, 세로 방향에서 가해지는 힘은 전극의 높이(HE)가 곱해지는 전극의 길이(LE)에 비례할 것이고; 수직 방향에서, 이러한 힘은 전극의 폭(WE)이 곱해지는 전극의 길이(LE)에 비례할 것이고, 가로 방향에서의 힘은 전극의 높이(HE)가 곱해지는 전극의 폭(WE)에 비례할 것이다.
1차 성장 제약들(154, 156)의 설계는 다수의 변수들에 의존할 수 있다. 1차 성장 제약들(154, 156)은 세로 방향에서의 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인한 전극 어셈블리(106)의 거시적 성장을 억제한다. 도 8a에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 1차 성장 제약들(154, 156)은, 전극 활성 재료 층들(132)을 갖는 전극 구조체들(110)의 성장을 억제하기 위해, 적어도 하나의 1차 연결 멤버(158)(예를 들어, 제1 및 제2 1차 연결 멤버들(158 및 160))와 협력하여 작용한다. 성장을 억제함에 있어서, 적어도 하나의 연결 멤버(158)는 1차 성장 제약들(154, 156)을 서로 장력을 받도록 배치하여, 이들은 전극 활성 재료 층들(132)의 성장에 의해 가해지는 힘들에 대항하는 압축력을 가한다. 하나의 실시예에 따르면, 1차 성장 제약들(154, 156) 상에 힘이 가해질 때, 1차 연결 멤버들(158)의 인장 강도에 의존하여, 1차 성장 제약들(154, 156)은, 이러한 힘을 수용하기 위해, (i) 서로로부터 떨어져 이동(translate)하는 것(세로 방향으로 떨어져 이동하는 것); (ii) 두께에 있어서 압축되는 것; 및 (iii) 세로 방향을 따라서 굴곡되고 및/또는 굴절되는 것 중 적어도 하나를 행한다.
서로로부터 떨어지는 1차 성장 제약들(154, 156)의 이동의 정도는 1차 연결 멤버들(158, 160)의 설계에 의존할 수 있다.
1차 성장 제약들(154, 156)이 압축될 수 있는 양은 1차 성장 제약 재료 속성들, 예를 들어, 1차 성장 제약들(154, 156)을 형성하는 재료의 압축 강도의 함수이다. 하나의 실시예에 따르면, 1차 성장 제약들(154, 156)이 굴곡될 수 있는 양은 다음: (i) 세로 방향에서의 전극 구조체들(110)의 성장에 의해 가해지는 힘; (ii) 1차 성장 제약들(154, 156)의 탄성 계수;(iii) 수직 방향에서의 1차 연결 멤버들(158, 160) 사이의 거리; 및 (iv) 1차 성장 제약들(154, 156)의 두께(폭)에 의존할 수 있다. 하나의 실시예에서, 1차 성장 제약들(154, 156)의 최대 굴절은 1차 연결 멤버들(158, 160) 사이의 수직 방향에서의 성장 제약들(154, 156)의 중간 지점에서 발생할 수 있다. 이러한 굴절은 수직 방향을 따르는 1차 연결 멤버들(158, 160) 사이의 거리의 네제곱으로 증가하고, 제약 재료 계수로 선형으로 감소하고, 1차 성장 제약 두께(폭)의 세제곱으로 감소한다.
1차 성장 제약들(154, 156)의 굴곡으로 인한 굴절을 지배하는 방정식은 다음과 같이 작성될 수 있고:
δ= 60wL4/Eh3
w = 전극 팽창으로 인해 1차 성장 제약(154, 156)에 인가되는 총 분포 부하이고; L = 수직 방향을 따른 1차 연결 멤버들(158, 160) 사이의 거리이고; E = 1차 성장 제약들(154, 156)의 탄성 계수이고, h = 1차 성장 제약들(154, 156)의 두께(폭)이다.
하나의 실시예에서, 전극 활성 재료(132)의 팽창으로 인한 1차 성장 제약들(154, 156) 상의 스트레스는 다음의 방정식을 사용하여 계산될 수 있고:
σ= 3wL2/4h2
w = 전극 활성 재료 층들(132)의 팽창으로 인해 1차 성장 제약들(154, 156)에 인가되는 총 분포 부하이고; L = 수직 방향을 따른 1차 연결 멤버들(158, 160) 사이의 거리이고; h = 1차 성장 제약들(154, 156)의 두께(폭)이다. 하나의 실시예에서, 1차 성장 제약들(154, 156) 상의 가장 높은 스트레스는 1차 연결 멤버들(158, 160)에 대한 1차 성장 제약들(154, 156)의 부착의 지점에 있다. 하나의 실시예에서, 이러한 스트레스는 1차 연결 멤버들(158, 160) 사이의 거리의 제곱으로 증가하고, 1차 성장 제약들(154, 156)의 두께의 제곱으로 감소한다.
Li 이온 2차 배터리
도 1b를 다시 참조하면, 하나의 실시예에서, 실리콘 함유 전극 활성 재료를 포함하는 리튬 이온 2차 배터리가 제공된다. 리튬 이온 2차 배터리(102)는 충전 및 방전 상태 사이에 사이클링할 수 있고, 2차 배터리는 배터리 인클로저(104), 전극 어셈블리(106), 및 배터리 인클로저 내의 리튬 이온들을 포함하는 캐리어 이온들, 및 전극 제약들의 세트(108)를 포함한다. 이러한 실시예에서, (a) 2차 배터리의 전극 어셈블리는 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면(116) 및 제2 세로 단부 표면(118), 및 (예를 들어, 도 2a에 묘사되는 바와 같이) 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면(142)을 갖고, (예를 들어, 도 2a에 묘사되는 바와 같이) 측방향 표면은 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 전극 어셈블리는 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, 최대 길이 LEA 및 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 2:1 이다.
하나의 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리(106) 내에서 세로 축과 평행한 적층 방향으로 적층되는 일련의 층들(800)을 포함하고, 적층된 일련의 층들(800)은 음극 활성 재료 층들(132)의 집단, 음극 전류 수집기 층들(136)의 집단, 분리기 재료 층들(130)의 집단, 양극 활성 재료 층들(138)의 집단, 및 양극 전류 수집기 층들(140)의 집단을 포함한다. 이러한 실시예에 따르면, 음극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 음극 활성 재료 층(132)의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층(132)의 Feret 직경에 대응하는 길이 LE, 및 음극 활성 재료 층(132)의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층(132)의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE, 및 음극 활성 재료 층(132)의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층(132)의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE를 갖고, LE 대 HE 및 WE의 비율은 적어도 5:1이다. 또한, 양극 활성 재료 층들(138)의 집단의 각각의 멤버는 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층(138)의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC, 및 양극 활성 재료 층(138)의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층(138)의 Feret 직경에 대응하는 높이 HC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC를 갖고, LC 대 HC 및 WC의 비율은 적어도 5:1이다.
하나의 실시예에서, 리튬 이온 2차 배터리에 대해 제공되는 전극 제약들의 세트(108)는 1차 제약 시스템(151) 및 2차 제약 시스템(155)을 포함한다. 1차 제약 시스템(151)은 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버(162)를 포함하고, 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 멤버는 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 연결하여 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제한다. 2차 제약 시스템(155)은 제2 방향으로 분리되는 그리고 적층된 일련의 층들(800)의 멤버들에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)을 포함하고, 2차 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고, 제2 방향은 세로 방향에 직교한다. 예를 들어, 도 1b를 참조하면, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)은 음극 전류 수집기 층들(136)의 집단의 멤버들, 양극 전류 수집기 층들(140)의 집단의 멤버들, 음극 활성 재료 층들(132)의 집단의 멤버들, 양극 활성 재료 층들(138)의 집단의 멤버들, 분리기 층들(130)의 집단의 멤버들, 또는 이들의 임의의 조합 중 임의의 하나 이상에 의해 서로 연결될 수 있다. 도 1b 및 도 29a 내지 도 29d를 참조하면, 하나의 실시예에서 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)은 음극 전류 수집기 층들(136)의 집단 및/또는 양극 전류 수집기 층들(140)의 집단의 멤버들 중 하나 이상을 통해 연결될 수 있다. 또한, 하나의 실시예에 따르면, 1차 제약 시스템은 상호 수직인 그리고 적층 방향에 수직인 2개의 방향들 각각으로 전극 어셈블리 상에 유지되는 압력을 초과하는 적층 방향에서의 전극 어셈블리 상의 압력을 유지한다.
또 다른 실시예에서, 리튬 이온 2차 배터리(102)는, 본 명세서의 다른 곳에서 논의되는 바와 같이, 동일한 단위 셀(504) 내의 음극 활성 재료 층들(132)과 양극 재료 층들(138) 사이의 오프셋을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 단위 셀들(504)의 집단을 포함하고, 각각의 단위 셀(504)은 전극 전류 수집기 층 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분, 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기 집단의 멤버, 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버, 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분 및 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 포함한다. 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기 층의 제1 측에 근접하고 상대 전극 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기 층의 대향 제2 측에 근접한다. 분리기는 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버로부터 전기적으로 격리시키고, 캐리어 이온들은 충전 및 방전 상태 사이의 배터리의 사이클링 동안 각각의 이러한 단위 셀의 분리기를 통해 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버와 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버 사이에 주로 교환된다.
또한 각각의 단위 셀 내에서, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, EVP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, CEVP1를 추적하고, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 플롯들 EVP1 및 CEVP1 사이의 분리 거리, SZ1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
또한, 하나의 실시예에 따르면, 각각의 단위 셀 내에서, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 각각, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들에 대향하고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, EVP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, CEVP2를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 플롯들 EVP2 및 CEVP2 사이의 분리 거리, SZ2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
또 다른 실시예에 따르면, 각각의 단위 셀 내에서, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, ETP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, CETP1를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, (i) 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP1 및 CETP1 사이의, 분리 거리, SX1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다. 또한, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들에, 각각, 대향하고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, ETP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, CETP2를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (i) 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP2 및 CETP2 사이의, 분리 거리, SX2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
또 다른 실시예에서, 리튬 이온 2차 배터리(102)는, 음극 및/또는 양극 시트들 및/또는 서브유닛들의 약화된 영역들이 제조 프로세스의 일부분으로서 제공되는 제조 방법에 의해서와 같이, 본 명세서에 설명되는 임의의 제조 방법에 따라 제조되는 것일 수 있다. 따라서, 특정 실시예들에서, 적층된 일련의 층들(800)은 가로 방향으로 서로로부터 이격되는 대향 단부 표면들이 있는 층들을 포함하고, 이러한 층들의 복수의 대향 단부 표면들은, 대향 단부 표면들에서의 재료의 층들의 신장 및 좁힘으로 인해, 가로 방향으로 배향되는 소성 변형 및 균열을 드러낸다. 예를 들어, 도 19를 참조하면, 하나의 실시예에서 음극 및/또는 양극 전류 수집기 층(136, 140) 중 하나 이상은, 영역(705)에 근접하는 약화된 영역에서의 분리로 인해, 소성 변형 및 균열을 드러내는 그 영역(705)을 갖는 대향 단부 표면들(978a,b, 982a,b)을 포함한다.
하나의 실시예에서, 리튬 이온 2차 배터리는 적어도 60 wt%의 음극 활성 재료, 20 wt% 미만의 도전성 보조제, 및 결합제 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하는 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들을 포함한다. 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 80 wt%의 음극 활성 재료를 갖는 미립자 재료를 포함한다. 다른 실시예에서, 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 90 wt%의 음극 활성 재료를 갖는 미립자 재료를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 95 wt%의 음극 활성 재료를 갖는 미립자 재료를 포함한다. 또한, 하나의 실시예에서, 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 10 wt% 미만의 도전성 보조제, 및 적어도 1 wt%의 도전성 보조제를 포함한다. 하나의 실시예에서, 실리콘 함유 재료를 포함하는 전극 활성 재료는 실리콘, 실리콘 산화물, 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전극 활성 재료 층은 실리콘 함유 미립자 전극 활성 재료의 콤팩트(compact)를 포함한다. 다른 실시예에서, 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 구리, 니켈 및 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 도전성 보조제를 포함한다. 다른 실시예에서, 양극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 리튬 및 코발트와 니켈 중 적어도 하나를 함유하는 전이 금속 산화물 재료를 포함하는 양극 활성 재료를 포함한다.
하나의 실시예에서, 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은, 예를 들어, 도 1b 내지 도 1d 및 도 29a 내지 도 29d에 도시되는 바와 같이, 음극 전류 수집기 층들(136)의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들(800)의 멤버들에 의해 서로 연결된다. 예를 들어, 도 1b를 참조하면, 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 음극 전류 수집기 층들(136)의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들(800)의 멤버들에 의해 서로 연결될 수 있고, 음극 전류 수집기 층들(136)은 그들이 일부분인 전극 구조체들(110)에 대한 음극 백본 층들을 형성한다. 즉, 음극 전류 수집기 층 집단(136)의 멤버들은 전극 구조체들(110)의 백본을 형성할 수 있고, 적어도 하나의 음극 활성 재료 층(132)은 이들의 표면 상에 배치되고, 심지어 전극 구조체들(110)의 코어를 형성할 수 있고, 전극 활성 재료 층들(132)은 이들의 양쪽 대향 표면들 상에 배치된다.
하나의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 2차 제약들(158, 160)을 연결하는 역할을 하는(예를 들어, 연결 멤버들(166)로서 역할을 하는) 음극 전류 수집기 층 집단(136)의 멤버들은, 구리 및 스테인레스 스틸 중 하나 이상과 같은, 과도한 압축에 저항하기에 적합한 도전율 및 압축 강도를 갖는 재료를 포함할 수 있고, 하나의 실시예에서 음극 전류 수집기 층들(136)은 구리 막들로 형성된다. 음극 전류 수집기들의 두께는 전체적인 층에 대한 적합한 컨덕턴스 뿐만 아니라, 적어도 2 마이크로미터의, 그러나, 6 마이크로미터 내지 18 마이크로미터, 및/또는 8 마이크로미터 내지 14 마이크로미터와 같이, 통상적으로 20 마이크로미터 미만인 두께와 같은, 압축 강도를 제공하도록 또한 선택될 수 있다.
하나의 실시예에서, 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 구리 함유 층들을 포함하고, 적층된 일련의 층들(800)은 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들이 음극 전류 수집기 층들의 대향 측들 상에 배치되는 적층 시퀀스로 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들은 미립자 실리콘 함유 재료의 콤팩트를 포함하고, 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들은 음극 백본을 형성하는 구리 함유 음극 전류 수집기들의 대향 측들 상에 배치된다. 또한, 하나의 실시예에 따르면, 전극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들은, 적어도 3 mm와 같은, 적어도 2.5 mm인 높이 치수 HE를 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 리튬 이온 2차 배터리는 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하고, 이들은 양극 전류 수집기 층들(140)의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들(800)의 멤버들에 의해 서로 연결된다. 위 음극 전류 수집기들과 유사하게, 양극 전류 수집기들의 재료들 및 속성들은 과도한 압축에 저항하기에 충분한 압축 강도를 또한 전하면서 적합한 컨덕턴스를 제공하도록 선택될 수 있다. 하나의 실시예에서, 양극 전류 수집기 층의 멤버들은 알루미늄을 포함한다. 양극 전류 수집기의 두께는 적어도 2 마이크로미터일 수 있지만, 6 마이크로미터 내지 18 마이크로미터, 및/또는 8 마이크로미터 내지 14 마이크로미터와 같이, 통상적으로 20 마이크로미터 미만일 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 리튬 이온 2차 배터리는 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하고, 이들은 음극 활성 재료 층들(132)의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들(800)의 멤버들에 의해 서로 연결된다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 양극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결된다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 분리기 재료 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결된다. 즉, 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 양극 전류 수집기 층들의 집단의 적어도 일부 멤버들, 및 심지어 분리기 재료 층들의 집단의 적어도 일부 멤버들, 또는 적층된 일련의 층들(800)을 구성하는 층들의 일부 다른 조합에 추가적으로, 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 통해 서로 연결될 수 있다.
특정 실시예들에서, 위에 논의된 바와 같이, 전극 어셈블리(106)를 포함하는 배터리 인클로저(104)는 밀봉 실링될 수 있다. 또한, 전극 제약들의 세트의 적어도 일부분 및 심지어 전부는 1차 및 2차 제약 시스템들 중 하나 이상, 또는 이들의 적어도 일부분과 같은, 밀봉 실링된 인클로저 내에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 2차 배터리는, X 방향으로와 같이, 위에 논의된 바와 같이, 제3 방향으로 제약하기 위한 3차 제약 시스템을 추가로 포함할 수 있고, 3차 제약 시스템의 적어도 일부분 및 심지어 전부는 실링된 인클로저 내에 또한 제공될 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 리튬 이온 2차 배터리는 위에 논의된 바와 같은 정도까지 성장을 제약할 수 있는 제약들의 세트(108)를 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 1차 제약 시스템은 2차 배터리의 20개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제하고, 2차 배터리의 충전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 적어도 75%이고, 2차 배터리의 방전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만이다. 다른 실시예에서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 50개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다. 또 다른 실시예에서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 100개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 20% 미만으로 억제한다. 추가의 실시예에서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 10개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다. 또 다른 실시예에서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 30개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다. 다른 실시예에서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 80개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다. 또 다른 실시예에서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 5개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다. 추가의 실시예에서, 임의의 선행하는 청구항에서와 같은 2차 배터리로서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 20개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다. 다른 실시예에서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 50개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다. 다른 실시예에서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 사이클 당 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다. 또한, 하나의 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템은 2차 배터리의 반복 사이클링 시에 20개의 연속 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다. 다른 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템은 2차 배터리의 5개의 연속 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다. 또 다른 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템은 2차 배터리의 사이클 당 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
예들
본 예들은 2차 배터리(102)에 대한 제약들의 세트(108)를 갖는 전극 어셈블리(106)를 제조하는 방법을 보여준다. 본 개시내용의 양태들에 따른 전극 어셈블리(106) 및/또는 2차 배터리(102)를 형성하기 위한 프로세스의 구체적인 예들이 아래에 제공된다. 이러한 예들은 본 개시내용의 양태들을 예시하는 목적들로 제공되고, 제한적인 것으로 의도되는 것은 아니다.
예 1: 스프레이-온 분리기가 있는 LMO/Si
이러한 예에서는, Cu 포일의 양쪽 측들 상에 Si를 포함하는 전극 활성 재료 층(132)이 코팅되고, 이는 전극 전류 수집기(136)로서 제공된다. 전극 활성 재료 층(132)에서 사용하기에 적합한 활성 Si 함유 재료들의 예들은 Si, Si/C 복합물들, Si/흑연 블렌드들, SiOx, 다공성 Si, 및 금속간 Si 합금들을 포함할 수 있다. Si 함유 전극 활성 재료 층(132)의 상부 상에 분리기 재료가 스프레이된다. 전극 구조체들(110)을 형성하기 위해, Si 함유 전극 활성 재료 층/Cu 포일/분리기 조합은 미리 결정된 길이 및 높이(예를 들어, 미리 결정된 LE 및 HE)로 다이싱된다. 또한, 전극 버스바(600)에 연결될 수 있는 가로 전극 전류 수집기 단부들을 제공하기 위해, Cu 포일의 영역이 노출되어 남겨질 수 있다(예를 들어, Si 함유 전극 활성 재료 층(132)에 의해 코팅되지 않음).
또한, Al 포일의 양쪽 측들 상에, LCO(lithium cobalt oxide), NCA(lithium nickel cobalt aluminum oxide), NMC(lithium nickel manganese cobalt oxide), 또는 이들의 조합과 같은, LMO(lithium containing metal oxide)를 포함하는 상대 전극 활성 재료 층(138)이 코팅되고, 이는 상대 전극 전류 수집기(140)로서 제공된다. LMO 함유 상대 전극 활성 재료 층(138)의 상부 상에 분리기 재료가 스프레이된다. 상대 전극 구조체들(110)을 형성하기 위해, LMO 함유 상대 전극 활성 재료 층/Al 포일/분리기 조합은 미리 결정된 길이 및 높이(예를 들어, 미리 결정된 LE 및 HE)로 다이싱된다. 또한, 상대 전극 버스바(602)에 연결될 수 있는 가로 상대 전극 전류 수집기 단부들을 제공하기 위해, Al 포일의 영역이 노출되어 남겨질 수 있다(예를 들어, LMO 함유 상대 전극 활성 재료 층(13 138)에 의해 코팅되지 않음). 분리기/Si/Cu 포일/Si/분리기/LMO/Al 포일/LMO/분리기의 반복 구조체를 형성하도록 분리기 층들이 있는 애노드 구조체들(110) 및 캐소드 구조체들(112)이 교대 방식으로 적층된다. 또한, 최종 적층된 구조체에서, 상대 전극 활성 재료 층들(138)에는, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 전극 활성 재료 층들(132)에 대한 수직 및/또는 가로 오프셋들을 제공될 수 있다.
적층하는 동안, 전극 전류 수집기들의 가로 단부들은, 예를 들어, 버스 바에서의 개구들 및/또는 슬롯들을 통해 삽입되는 것에 의해 전극 버스바에 부착될 수 있다. 유사하게, 상대 전극 전류 수집기들의 가로 단부들은, 예를 들어, 상대 전극 버스 바에서의 개구들 및/또는 슬롯들을 통해 삽입되는 것에 의해 상대 전극 버스바에 부착될 수 있다. 예를 들어, 각각의 전류 수집기 및/또는 상대 전류 수집기 단부가 별도의 개구에 개별적으로 삽입될 수 있거나, 또는 다수의 단부들이 동일한 개구를 통해 삽입될 수 있다. 이러한 단부들은 용접(예를 들어, 스티치, 레이저, 초음파)과 같은 적합한 부착 방법들에 의해 버스바에 부착될 수 있다.
또한, 전극 어셈블리의 수직 단부들에서 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 제공하기 위해, 적층된 전극 어셈블리(106)의 XY 치수들과 매칭되도록 제약 재료(예를 들어, 유리섬유/에폭시 복합물, 또는 다른 재료들)가 다이싱된다. (예를 들어, 도 6c 및 도 6d에 도시되는 실시예들에 묘사되는 바와 같이) 적층된 전극들로의 전해질의 자유 유동을 허용하기 위해, 제약들에는 그 안에 홀들이 제공될 수 있다. 또한, 전극 및/또는 상대 전극 구조체들(110, 112)의 미리 결정된 수의 "백본들"에 수직 제약들 부착될 수 있고, 이는 이러한 예에서 전극 및/또는 상대 전극 전류 수집기들(136, 140)을 형성하는 Cu 및/또는 Al 포일들일 수 있다. 예를 들어, 에폭시와 같은 접착제를 통해, 미리 결정된 수의 전극 및/또는 상대 전극 전류 수집기들(136, 140)의 수직 단부들에 제1 및 제2 수직 제약들이 부착될 수 있다.
금속화된 라미네이트 파우치와 같은, 외부 패키징 재료에 전체 전극 어셈블리, 제약, 버스 바들 및 탭 연장들이 배치될 수 있다. 이러한 파우치는 실링되고, 버스 바 단부들은 파우치 실링들 중 하나를 통해 돌출된다. 대안적으로, 이러한 어셈블리는 캔에 배치된다. 이러한 캔의 양 및 음 연결들에 버스바 연장들이 부착된다. 용접 또는 크림핑 방법에 의해 이러한 캔이 실링될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 파우치에 어셈블리를 배치하기 이전에, 상부 제약 시스템의 외부 상에 Li를 방출할 수 있는 제3 보조 전극이 배치된다. 대안적으로, 하부 제약 시스템의 외부 상에 추가적 Li 방출 전극이 또한 배치된다. 보조 전극들 중 하나 또는 양자 모두가 탭에 연결된다. 이러한 시스템은 충전 전극 대 상대 전극에 의해 초기에 형성될 수 있다. 형성 프로세스를 완료한 후에, 파우치가 개방될 수 있고, 보조 전극이 제거될 수 있고, 파우치가 재실링된다.
본 개시내용의 양태들을 예시하기 위해 다음의 실시예들이 제공더라도, 이러한 실시예들이 제한하는 것으로 의도되는 것은 아니고 다른 양태들 및/또는 실시예들이 또한 제공될 수 있다.
실시예 1. 충전 및 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리로서, 이러한 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 및 배터리 인클로저 내의 리튬 이온들, 및 전극 제약들의 세트를 포함하고,
(a) 전극 어셈블리는 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면, 및 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면을 갖고, 측방향 표면은 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 전극 어셈블리는 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, 최대 길이 LEA 및 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 2:1이고
(b) 전극 어셈블리는 전극 어셈블리 내에서 세로 축과 평행한 적층 방향으로 적층되는 일련의 층들을 포함하고, 적층된 일련의 층들은 음극 활성 재료 층들의 집단, 음극 전류 수집기 층들의 집단, 분리기 재료 층들의 집단, 양극 활성 재료 층들의 집단, 및 양극 전류 수집기 재료 층들의 집단을 포함하고,
(i) 음극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LE, 및 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE, 및 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE를 갖고, LE 대 HE 및 WE의 비율은 적어도 5:1이고;
(ii) 양극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC를 갖고, LC 대 HC 및 WC의 비율은 적어도 5:1이고
(iii) 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 60 wt%의 음극 활성 재료, 20 wt% 미만의 도전성 보조제, 및 결합제 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하고, 음극 활성 재료는 실리콘 함유 재료를 포함하고,
(c) 전극 제약들의 세트는 1차 제약 시스템 및 2차 제약 시스템을 포함하고,
(i) 1차 제약 시스템은 제1 및 제2 성장 제약들 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버를 포함하고, 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 멤버는 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 연결하여 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고,
(ii) 2차 제약 시스템은 제2 방향으로 분리되는 그리고 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하고, 2차 제약 시스템은 2차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고, 제2 방향은 세로 방향에 직교하고,
(iii) 1차 제약 시스템은 상호 수직인 그리고 적층 방향에 수직인 2개의 방향들 각각으로 전극 어셈블리 상에 유지되는 압력을 초과하는 적층 방향에서의 전극 어셈블리 상의 압력을 유지하고,
(d) 전극 어셈블리는 단위 셀들의 집단을 포함하고, 각각의 단위 셀은 전극 전류 수집기 층 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분, 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기 집단의 멤버, 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버, 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분 및 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 포함하고, (aa) 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 제1 측에 근접하고 상대 전극 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 대향 제2 측에 근접하고, (bb) 분리기는 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버로부터 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 전기적으로 격리시키고, 충전 및 방전 상태 사이의 배터리의 사이클링 동안 각각의 이러한 단위 셀의 분리기를 통해 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버와 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버 사이에 캐리어 이온들이 주로 교환되고, (cc) 각각의 단위 셀 내에서,
a. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, EVP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, CEVP1를 추적하고, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 플롯들 EVP1 및 CEVP1 사이의 분리 거리, SZ1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
b. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 각각, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들에 대향하고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, EVP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, CEVP2를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 플롯들 EVP2 및 CEVP2 사이의 분리 거리, SZ2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
실시예 2. 실시예 1에 따른 2차 배터리로서, 적층된 일련의 층들은 가로 방향으로 서로로부터 이격되는 대향 단부 표면들이 있는 층들을 포함하고, 이러한 층들의 복수의 대향 단부 표면들은, 대향 단부 표면들에서의 층들의 신장 및 좁힘으로 인해, 가로 방향으로 배향되는 소성 변형 및 균열을 드러낸다.
실시예 3. 실시예들 1 내지 2 중 임의의 것에 따른 2차 배터리로서, 각각의 단위 셀 내에서,
c. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, ETP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, CETP1를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, (i) 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP1 및 CETP1 사이의, 분리 거리, SX1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
d. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들에, 각각, 대향하고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, ETP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, CETP2를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (i) 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP2 및 CETP2 사이의, 분리 거리, SX2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
실시예 4. 충전 및 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리로서, 이러한 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 및 배터리 인클로저 내의 캐리어 이온들, 및 전극 제약들의 세트를 포함하고,
(a) 전극 어셈블리는 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면, 및 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면을 갖고, 측방향 표면은 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 전극 어셈블리는 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, 최대 길이 LEA 및/또는 최대 폭 WEA은 최대 높이 HEA 초과이고,　
(b) 전극 어셈블리는 전극 어셈블리 내에서 세로 축과 평행한 적층 방향으로 적층되는 일련의 층들을 포함하고, 적층된 일련의 층들은 음극 활성 재료 층들의 집단, 음극 전류 수집기 층들의 집단, 분리기 재료 층들의 집단, 양극 활성 재료 층들의 집단, 및 양극 전류 수집기 재료 층들의 집단을 포함하고,
(i) 음극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LE, 및 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE, 및 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE를 갖고, LE 대 HE 및 WE의 비율은 적어도 5:1이고;
(ii) 양극 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC를 갖고, LC 대 HC 및 WC의 비율은 적어도 5:1이고
(iii) 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 60 wt%의 음극 활성 재료, 20 wt% 미만의 도전성 보조제, 및 결합제 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하고,
(c) 전극 제약들의 세트는 1차 제약 시스템 및 2차 제약 시스템을 포함하고,
(i) 1차 제약 시스템은 제1 및 제2 성장 제약들 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버를 포함하고, 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 멤버는 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 연결하여 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고,
(ii) 2차 제약 시스템은 제2 방향으로 분리되는 그리고 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하고, 2차 제약 시스템은 2차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고, 제2 방향은 세로 방향에 직교하고,
(iii) 1차 제약 시스템은 상호 수직인 그리고 적층 방향에 수직인 2개의 방향들 각각으로 전극 어셈블리 상에 유지되는 압력을 초과하는 적층 방향에서의 전극 어셈블리 상의 압력을 유지하고,
(d) 적층된 일련의 층들은 가로 방향으로 서로로부터 이격되는 대향 단부 표면들이 있는 층들을 포함하고, 층들의 복수의 대향 단부 표면들은, 대향 단부 표면들에서의 층들의 신장 및 좁힘으로 인해, 가로 방향으로 배향되는 소성 변형 및 균열을 드러낸다.
실시예 5. 실시예 4에 따른 2차 배터리로서, 전극 어셈블리는 단위 셀들의 집단을 포함하고, 각각의 단위 셀은 전극 전류 수집기 층 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분, 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기 집단의 멤버, 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버, 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분 및 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 포함하고, (aa) 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 제1 측에 근접하고 상대 전극 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 대향 제2 측에 근접하고, (bb) 분리기는 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버로부터 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 전기적으로 격리시키고, 충전 및 방전 상태 사이의 배터리의 사이클링 동안 각각의 이러한 단위 셀의 분리기를 통해 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버와 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버 사이에 캐리어 이온들이 주로 교환되고, (cc) 각각의 단위 셀 내에서,
a. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, EVP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, CEVP1를 추적하고, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 플롯들 EVP1 및 CEVP1 사이의 분리 거리, SZ1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
b. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 각각, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들에 대향하고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, EVP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, CEVP2를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 플롯들 EVP2 및 CEVP2 사이의 분리 거리, SZ2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
실시예 6. 실시예들 4 내지 5 중 임의의 것에 따른 2차 배터리로서, 전극 어셈블리는 단위 셀들의 집단을 포함하고, 각각의 단위 셀은 전극 전류 수집기 층 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분, 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기 집단의 멤버, 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버, 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분 및 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 포함하고, (aa) 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 제1 측에 근접하고 상대 전극 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 대향 제2 측에 근접하고, (bb) 분리기는 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버로부터 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 전기적으로 격리시키고, 충전 및 방전 상태 사이의 배터리의 사이클링 동안 각각의 이러한 단위 셀의 분리기를 통해 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버와 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버 사이에 캐리어 이온들이 주로 교환되고, (cc) 각각의 단위 셀 내에서,
c. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, ETP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, CETP1를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, (i) 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP1 및 CETP1 사이의, 분리 거리, SX1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
d. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들에, 각각, 대향하고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, ETP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, CETP2를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (i) 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP2 및 CETP2 사이의, 분리 거리, SX2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
실시예 7. 충전 및 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리로서, 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 및 배터리 인클로저 내의 리튬 이온들, 및 전극 제약들의 세트를 포함하고,
(a) 전극 어셈블리는 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면, 및 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면을 갖고, 측방향 표면은 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 전극 어셈블리는 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, 최대 길이 LEA 및 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 2:1이고
(b) 전극 어셈블리는 전극 어셈블리 내에서 세로 축과 평행한 적층 방향으로 적층되는 일련의 층들을 포함하고, 적층된 일련의 층들은 음극 활성 재료 층들의 집단, 음극 전류 수집기 층들의 집단, 분리기 재료 층들의 집단, 양극 활성 재료 층들의 집단, 및 양극 전류 수집기 재료 층들의 집단을 포함하고,
(i) 음극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LE, 및 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE, 및 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE를 갖고, LE 대 HE 및 WE의 비율은 적어도 5:1이고;
(ii) 양극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HC, 및 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC를 갖고, LC 대 HC 및 WC의 비율은 적어도 5:1이고
(iii) 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 60 wt%의 음극 활성 재료, 20 wt% 미만의 도전성 보조제, 및 결합제 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하고, 음극 활성 재료는 실리콘 함유 재료를 포함하고,
(c) 전극 제약들의 세트는 1차 제약 시스템 및 2차 제약 시스템을 포함하고,
(i) 1차 제약 시스템은 제1 및 제2 성장 제약들 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버를 포함하고, 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 적어도 하나의 1차 연결 멤버는 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 연결하여 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고,
(ii) 2차 제약 시스템은 제2 방향으로 분리되는 그리고 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하고, 2차 제약 시스템은 2차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고, 제2 방향은 세로 방향에 직교하고,
(iii) 1차 제약 시스템은 상호 수직인 그리고 적층 방향에 수직인 2개의 방향들 각각으로 전극 어셈블리 상에 유지되는 압력을 초과하는 적층 방향에서의 전극 어셈블리 상의 압력을 유지하고,
(d) 전극 어셈블리는 단위 셀들의 집단을 포함하고, 각각의 단위 셀은 전극 전류 수집기 층 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분, 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기 집단의 멤버, 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버, 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분 및 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 포함하고, (aa) 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 제1 측에 근접하고 상대 전극 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 대향 제2 측에 근접하고, (bb) 분리기는 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버로부터 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 전기적으로 격리시키고, 충전 및 방전 상태 사이의 배터리의 사이클링 동안 각각의 이러한 단위 셀의 분리기를 통해 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버와 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버 사이에 캐리어 이온들이 주로 교환되고, (cc) 각각의 단위 셀 내에서,
c. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, ETP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, CETP1를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, (i) 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP1 및 CETP1 사이의, 분리 거리, SX1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
d. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들에, 각각, 대향하고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, ETP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, CETP2를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (i) 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP2 및 CETP2 사이의, 분리 거리, SX2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
실시예 8. 실시예 7에 따른 2차 배터리로서, 적층된 일련의 층들은 가로 방향으로 서로로부터 이격되는 대향 단부 표면들이 있는 층들을 포함하고, 이러한 층들의 복수의 대향 단부 표면들은, 대향 단부 표면들에서의 층들의 신장 및 좁힘으로 인해, 가로 방향으로 배향되는 소성 변형 및 균열을 드러낸다.
실시예 9. 실시예들 7 내지 8 중 임의의 것에 따른 2차 배터리로서, 각각의 단위 셀 내에서,
a. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, EVP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, CEVP1를 추적하고, 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 플롯들 EVP1 및 CEVP1 사이의 분리 거리, SZ1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
b. 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들은 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 각각, 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들에 대향하고, X-Z 평면에서의 전극 활성 재료의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, EVP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상대 전극 활성 재료 층의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, CEVP2를 추적하고, 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, (i) 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 플롯들 EVP2 및 CEVP2 사이의 분리 거리, SZ2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치된다.
실시예 10. 실시예들 1 내지 9 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 80 wt%의 음극 활성 재료를 갖는 미립자 재료를 포함한다.
실시예 11. 실시예들 1 내지 10 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 90 wt%의 음극 활성 재료를 갖는 미립자 재료를 포함한다.
실시예 12. 실시예들 1 내지 11 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 95 wt%의 음극 활성 재료를 갖는 미립자 재료를 포함한다.
실시예 13. 실시예들 1 내지 12 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 실리콘 함유 재료를 포함하는 전극 활성 재료는 실리콘, 실리콘 산화물, 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예 14. 실시예들 1 내지 13 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 10 wt% 미만의 도전성 보조제를 포함한다.
실시예 15. 실시예들 1 내지 14 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 구리, 니켈 및 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 도전성 보조제를 포함한다.
실시예 16. 실시예들 1 내지 15 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 양극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 리튬 및 코발트와 니켈 중 적어도 하나를 함유하는 전이 금속 산화물 재료를 포함한다.
실시예 17. 실시예들 1 내지 16 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결된다.
실시예 18. 실시예들 1 내지 17 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되고, 음극 전류 수집기 층들은 음극 백본 층들을 포함한다.
실시예 19. 실시예들 1 내지 18 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되고, 음극 전류 수집기 층들의 집단의 각각의 멤버에 대해, 음극 전류 수집기 층 멤버는 그 표면 상에 배치되는 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버를 갖는다.
실시예 20. 실시예들 1 내지 19 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되고, 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 적층된 일련의 층들에서 이들의 양쪽 대향 표면들 상에 배치되는 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들을 포함한다.
실시예 21. 실시예들 1 내지 20 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 구리 및 스테인레스 스틸 중 하나 이상을 포함한다.
실시예 22. 실시예들 1 내지 21 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 20 마이크로미터 미만 및 적어도 2 마이크로미터의 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함한다.
실시예 23. 실시예들 1 내지 22 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 6 내지 18 마이크로미터의 범위에 있는 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함한다.
실시예 24. 실시예들 1 내지 23 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 8 내지 14 마이크로미터의 범위에 있는 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함한다.
실시예 25. 실시예들 1 내지 24 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 양극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결된다.
실시예 26. 실시예들 1 내지 25 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 양극 전류 수집기 층의 멤버들은 알루미늄을 포함한다.
실시예 27. 실시예들 1 내지 26 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 양극 전류 수집기 층의 멤버들은 20 마이크로미터 미만 및 적어도 2 마이크로미터의 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함한다.
실시예 28. 실시예들 1 내지 27 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 양극 전류 수집기 층의 멤버들은 6 내지 18 마이크로미터의 범위에 있는 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함한다.
실시예 29. 실시예들 1 내지 28 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 양극 전류 수집기 층의 멤버들은 8 내지 14 마이크로미터의 범위에 있는 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함한다.
실시예 30. 실시예들 1 내지 29 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결된다.
실시예 31. 실시예들 1 내지 30 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 양극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결된다.
실시예 32. 실시예들 1 내지 31 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 분리기 재료 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결된다.
실시예 33. 실시예들 1 내지 32 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 인클로저는 밀봉 실링된다.
실시예 34. 실시예들 1 내지 33 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제약들의 세트는 배터리 인클로저 내에 있다.
실시예 35. 실시예들 1 내지 34 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 시스템은 배터리 인클로저 내에 있다.
실시예 36. 실시예들 1 내지 35 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 2차 제약 시스템은 배터리 인클로저 내에 있다.
실시예 37. 실시예들 1 내지 36 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제1 및 제2 3차 성장 제약들 및 적어도 하나의 3차 연결 멤버를 포함하는 3차 제약 시스템을 추가로 포함하고, 제1 및 제2 3차 성장 제약들은 세로 및 제2 방향들에 직교하는 제3 방향으로 서로로부터 분리되고, 적어도 하나의 3차 연결 멤버는 제1 및 제2 3차 성장 제약들을 연결하여 3차 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제한다.
실시예 38. 실시예들 1 내지 37 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 3차 제약 시스템은 배터리 인클로저 내에 있다.
실시예 39. 제1항 내지 제38항 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 분리기 재료 층은 폴리머 전해질을 포함하거나, 또는 이들을 통해 액체 전해질을 통과시키는 미세다공성 분리기 재료를 포함한다.
실시예 40. 실시예들 1 내지 39 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 전극 활성 재료는 실리콘 함유 미립자 전극 활성 재료의 콤팩트를 포함한다.
실시예 41. 실시예들 1 내지 40 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 구리 함유 층들을 포함하고, 적층된 일련의 층들은 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들이 음극 전류 수집기 층들의 대향 측들 상에 배치되는 적층 시퀀스로 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함한다.
실시예 42. 실시예들 1 내지 41 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들은 미립자 실리콘 함유 재료의 콤팩트를 포함하고, 이러한 멤버들은 음극 백본을 형성하는 구리 함유 음극 전류 수집기들의 대향 측들 상에 배치된다.
실시예 43. 실시예들 1 내지 42 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 전극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들은 적어도 2.5 mm인 높이 치수 HE를 포함한다.
실시예 44. 실시예들 1 내지 43 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 전극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들은 적어도 3 mm인 높이 치수 HE를 포함한다.
실시예 45. 실시예들 1 내지 44 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 음극 전류 수집기들은 도전성 버스바에 용접되는 세로 대향 단부들을 갖는다.
실시예 46. 실시예들 1 내지 45 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 양극 전류 수집기들의 집단의 멤버들은 알루미늄 함유 재료를 포함한다.
실시예 47. 실시예들 1 내지 46 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 시스템은 2차 배터리의 20개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제하고, 2차 배터리의 충전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 적어도 75%이고, 2차 배터리의 방전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만이다.
실시예 48. 실시예들 1 내지 47 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 50개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 49. 실시예들 1 내지 48 중 임의의 것의 청구항들 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 100개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 20% 미만으로 억제한다.
실시예 50. 실시예들 1 내지 49 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 10개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 51. 실시예들 1 내지 50 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 30개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 52. 실시예들 1 내지 51 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 80개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 53. 실시예들 1 내지 52 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 5개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 54. 실시예들 1 내지 53 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 20개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 55. 실시예들 1 내지 54 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 50개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 56. 실시예들 1 내지 55 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 사이클 당 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 57. 실시예들 1 내지 56 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 2차 성장 제약 시스템은 2차 배터리의 반복 사이클링 시에 20개의 연속 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 58. 실시예들 1 내지 57 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 2차 성장 제약 시스템은 2차 배터리의 5개의 연속 사이클들에 걸쳐 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 59. 실시예들 1 내지 58 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 2차 성장 제약 시스템은 2차 배터리의 사이클 당 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제한다.
실시예 60. 실시예들 1 내지 59 중 임의의 것에 따른 2차 배터리로서, 제약들의 세트는 충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리의 사이클링 동안 전극 어셈블리에 의해 가해지는 2 MPa 이상의 압력에 저항할 수 있다.
실시예 61. 실시예들 1 내지 60 중 임의의 것에 따른 2차 배터리로서, 제약들의 세트는 충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리의 사이클링 동안 전극 어셈블리에 의해 가해지는 5 MPa 이상의 압력에 저항할 수 있다.
실시예 62. 실시예들 1 내지 61 중 임의의 것의 2차 배터리로서, 제약들의 세트는 충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리의 사이클링 동안 전극 어셈블리에 의해 가해지는 7 MPa 이상의 압력에 저항할 수 있다.
실시예 63. 실시예 1 내지 62 중 임의의 것에 따른 2차 배터리로서, 제약들의 세트는 충전 및 방전 상태들 사이의 2차 배터리의 사이클링 동안 전극 어셈블리에 의해 가해지는 10 MPa 이상의 압력에 저항할 수 있다.
실시예 64. 실시예 1 내지 63 중 임의의 것에 따른 2차 배터리로서, 전극 어셈블리의 외부에 있는 전극 제약들의 세트의 부분들은 전극 어셈블리 및 전극 제약들의 외부 부분들의 총 조합 체적의 80% 이하를 점유한다.
실시예 65. 실시예들 1 내지 64 중 임의의 것에 따른 2차 배터리로서, 전극 어셈블리의 외부에 있는 1차 성장 제약 시스템의 부분들은 전극 어셈블리 및 1차 성장 제약 시스템의 외부 부분들의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다.
실시예 66. 실시예들 1 내지 65 중 임의의 것에 따른 2차 배터리로서, 전극 어셈블리의 외부에 있는 2차 성장 제약 시스템의 부분들은 전극 어셈블리 및 2차 성장 제약 시스템의 외부 부분들의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다.
<참조에 의한 원용>
아래에 열거되는 아이템들을 포함하는, 본 명세서에 언급되는 모든 공보들 및 특허들은, 각각의 개별 공보 또는 특허가 참조에 의해 구체적으로 그리고 개별적으로 원용되는 것처럼 모든 목적들을 위해 이들의 전체가 참조로 본 명세서에 의해 원용된다. 충돌들의 경우에, 본 명세서에서의 임의의 정의들을 포함하는, 본 출원이 제어할 것이다.
<균등물들>
구체적인 실시예들이 논의되었지만, 위 명세서는, 제한적이 아니라, 예시적이다. 많은 변형들이 본 명세서의 검토 시에 해당 분야에서의 기술자들에게 명백해질 것이다. 실시예들의 전체 범위는 청구항들을, 균등물들의 이들의 전체 범위와 함께, 그리고 명세서를, 이러한 변형들과 함께, 참조하여 결정되어야 한다.
달리 표시되지 않는 한, 명세서 및 청구항들에서 사용되는 구성 엘리먼트들의 수량들, 반응 조건들 등을 표현하는 모든 수들은 모든 사례들에서 "약(about)"이라는 용어에 의해 수정되는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 표시되지 않는 한, 본 명세서 및 첨부 청구항들에서 제시되는 수치 파라미터들은 획득될 것으로 추구되는 원하는 속성들에 의존하여 달라질 수 있는 근사화들이다.

Claims (50)

  1. 충전 및 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리로서, 상기 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 및 상기 배터리 인클로저 내의 리튬 이온들, 및 전극 제약들의 세트를 포함하고,
    (a) 상기 전극 어셈블리는 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 상기 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면, 및 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 상기 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면을 갖고, 상기 측방향 표면은 상기 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 상기 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 상기 전극 어셈블리는 상기 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 상기 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 상기 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 상기 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 상기 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, 상기 최대 길이 LEA 및 최대 폭 WEA 대 상기 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 2:1이고
    (b) 상기 전극 어셈블리는 상기 전극 어셈블리 내에서 상기 세로 축과 평행한 적층 방향으로 적층되는 일련의 층들을 포함하고, 상기 적층된 일련의 층들은 음극 활성 재료 층들의 집단, 음극 전류 수집기 층들의 집단, 분리기 재료 층들의 집단, 양극 활성 재료 층들의 집단, 및 양극 전류 수집기 재료 층들의 집단을 포함하고,
    (i) 상기 음극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 상기 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LE, 및 상기 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE, 및 상기 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE를 갖고, LE 대 HE 및 WE의 비율은 적어도 5:1이고;
    (ii) 상기 양극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 상기 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC, 및 상기 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HC, 및 상기 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC를 갖고, LC 대 HC 및 WC의 비율은 적어도 5:1이고
    (iii) 상기 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 60 wt%의 음극 활성 재료, 20 wt% 미만의 도전성 보조제, 및 결합제 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하고, 상기 음극 활성 재료는 실리콘 함유 재료를 포함하고,
    (c) 상기 전극 제약들의 세트는 1차 제약 시스템 및 2차 제약 시스템을 포함하고,
    (i) 상기 1차 제약 시스템은 제1 및 제2 성장 제약들 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버를 포함하고, 상기 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 상기 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 상기 적어도 하나의 1차 연결 멤버는 상기 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 연결하여 상기 세로 방향에서의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고,
    (ii) 상기 2차 제약 시스템은 제2 방향으로 분리되는 그리고 상기 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하고, 상기 2차 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 사이클링 시에 상기 제2 방향에서의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고, 상기 제2 방향은 상기 세로 방향에 직교하고,
    (iii) 상기 1차 제약 시스템은 상호 수직인 그리고 상기 적층 방향에 수직인 2개의 방향들 각각으로 상기 전극 어셈블리 상에 유지되는 압력을 초과하는 상기 적층 방향에서의 상기 전극 어셈블리 상의 압력을 유지하고,
    (d) 상기 전극 어셈블리는 단위 셀들의 집단을 포함하고, 각각의 단위 셀은 전극 전류 수집기 층 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분, 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기 집단의 멤버, 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버, 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분 및 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 포함하고, (aa) 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 제1 측에 근접하고 상기 상대 전극 재료 층 집단의 제1 멤버는 상기 분리기의 대향 제2 측에 근접하고, (bb) 상기 분리기는 상기 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버로부터 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 전기적으로 격리시키고, 충전 및 방전 상태 사이의 상기 배터리의 사이클링 동안 각각의 상기 단위 셀의 분리기를 통해 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버와 상기 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버 사이에 캐리어 이온들이 주로 교환되고, (cc) 각각의 단위 셀 내에서,
    a. 상기 전극 및 상기 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 상기 전극 활성 재료의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, EVP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, CEVP1를 추적하고, 상기 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 수직 방향으로 측정되는 플롯들 EVP1 및 CEVP1 사이의 분리 거리, SZ1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
    b. 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 각각, 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들에 대향하고, X-Z 평면에서의 상기 전극 활성 재료의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, EVP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, CEVP2를 추적하고, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 플롯들 EVP2 및 CEVP2 사이의 분리 거리, SZ2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되는 2차 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적층된 일련의 층들은 상기 가로 방향으로 서로로부터 이격되는 대향 단부 표면들이 있는 층들을 포함하고, 상기 층들의 복수의 대향 단부 표면들은, 상기 대향 단부 표면들에서의 층들의 신장 및 좁힘으로 인해, 상기 가로 방향으로 배향되는 소성 변형 및 균열을 드러내는 2차 배터리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 단위 셀 내에서,
    c. 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 상기 X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, ETP1를 추적하고, 상기 X-Z 평면에서의 상대 전극의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, CETP1를 추적하고, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP1 및 CETP1 사이의, 분리 거리, SX1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
    d. 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들에, 각각, 대향하고, 상기 X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, ETP2를 추적하고, 상기 X-Z 평면에서의 상대 전극의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, CETP2를 추적하고, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP2 및 CETP2 사이의, 분리 거리, SX2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되는 2차 배터리.
  4. 충전 및 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리로서, 상기 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 및 상기 배터리 인클로저 내의 캐리어 이온들, 및 전극 제약들의 세트를 포함하고,
    (a) 상기 전극 어셈블리는 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 상기 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면, 및 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 상기 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면을 갖고, 상기 측방향 표면은 상기 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 상기 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 상기 전극 어셈블리는 상기 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 상기 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 상기 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 상기 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 상기 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, 상기 최대 길이 LEA 및/또는 최대 폭 WEA은 상기 최대 높이 HEA 초과이고,　
    (b) 상기 전극 어셈블리는 상기 전극 어셈블리 내에서 상기 세로 축과 평행한 적층 방향으로 적층되는 일련의 층들을 포함하고, 상기 적층된 일련의 층들은 음극 활성 재료 층들의 집단, 음극 전류 수집기 층들의 집단, 분리기 재료 층들의 집단, 양극 활성 재료 층들의 집단, 및 양극 전류 수집기 재료 층들의 집단을 포함하고,
    (i) 상기 음극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 상기 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LE, 및 상기 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE, 및 상기 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE를 갖고, LE 대 HE 및 WE의 비율은 적어도 5:1이고;
    (ii) 상기 양극 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 상기 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC, 및 상기 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HC, 및 상기 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC를 갖고, LC 대 HC 및 WC의 비율은 적어도 5:1이고
    (iii) 상기 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 60 wt%의 음극 활성 재료, 20 wt% 미만의 도전성 보조제, 및 결합제 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하고,
    (c) 상기 전극 제약들의 세트는 1차 제약 시스템 및 2차 제약 시스템을 포함하고,
    (i) 상기 1차 제약 시스템은 제1 및 제2 성장 제약들 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버를 포함하고, 상기 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 상기 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 상기 적어도 하나의 1차 연결 멤버는 상기 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 연결하여 상기 세로 방향에서의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고,
    (ii) 상기 2차 제약 시스템은 제2 방향으로 분리되는 그리고 상기 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하고, 상기 2차 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 사이클링 시에 상기 제2 방향에서의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고, 상기 제2 방향은 상기 세로 방향에 직교하고,
    (iii) 상기 1차 제약 시스템은 상호 수직인 그리고 상기 적층 방향에 수직인 2개의 방향들 각각으로 상기 전극 어셈블리 상에 유지되는 압력을 초과하는 상기 적층 방향에서의 상기 전극 어셈블리 상의 압력을 유지하고,
    (d) 상기 적층된 일련의 층들은 상기 가로 방향으로 서로로부터 이격되는 대향 단부 표면들이 있는 층들을 포함하고, 상기 층들의 복수의 대향 단부 표면들은, 상기 대향 단부 표면들에서의 상기 층들의 신장 및 좁힘으로 인해, 상기 가로 방향으로 배향되는 소성 변형 및 균열을 드러내는 2차 배터리.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전극 어셈블리는 단위 셀들의 집단을 포함하고, 각각의 단위 셀은 상기 전극 전류 수집기 층 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분, 상기 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기 집단의 멤버, 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버, 상기 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분 및 상기 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 포함하고, (aa) 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버는 상기 분리기의 제1 측에 근접하고 상기 상대 전극 재료 층 집단의 제1 멤버는 상기 분리기의 대향 제2 측에 근접하고, (bb) 상기 분리기는 상기 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버로부터 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 전기적으로 격리시키고, 충전 및 방전 상태 사이의 상기 배터리의 사이클링 동안 각각의 상기 단위 셀의 분리기를 통해 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버와 상기 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버 사이에 캐리어 이온들이 주로 교환되고, (cc) 각각의 단위 셀 내에서,
    a. 상기 전극 및 상기 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 상기 전극 활성 재료의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, EVP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, CEVP1를 추적하고, 상기 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 수직 방향으로 측정되는 플롯들 EVP1 및 CEVP1 사이의 분리 거리, SZ1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
    b. 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 각각, 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들에 대향하고, X-Z 평면에서의 상기 전극 활성 재료의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, EVP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, CEVP2를 추적하고, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 플롯들 EVP2 및 CEVP2 사이의 분리 거리, SZ2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되는 2차 배터리.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 전극 어셈블리는 단위 셀들의 집단을 포함하고, 각각의 단위 셀은 상기 전극 전류 수집기 층 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분, 상기 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기 집단의 멤버, 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버, 상기 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분 및 상기 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 포함하고, (aa) 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버는 상기 분리기의 제1 측에 근접하고 상기 상대 전극 재료 층 집단의 제1 멤버는 상기 분리기의 대향 제2 측에 근접하고, (bb) 상기 분리기는 상기 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버로부터 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 전기적으로 격리시키고, 충전 및 방전 상태 사이의 상기 배터리의 사이클링 동안 각각의 상기 단위 셀의 분리기를 통해 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버와 상기 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버 사이에 캐리어 이온들이 주로 교환되고, (cc) 각각의 단위 셀 내에서,
    c. 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 상기 X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, ETP1를 추적하고, 상기 X-Z 평면에서의 상대 전극의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, CETP1를 추적하고, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP1 및 CETP1 사이의, 분리 거리, SX1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
    d. 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들에, 각각, 대향하고, 상기 X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, ETP2를 추적하고, 상기 X-Z 평면에서의 상대 전극의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, CETP2를 추적하고, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP2 및 CETP2 사이의, 분리 거리, SX2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되는 2차 배터리.
  7. 충전 및 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리로서, 상기 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 및 상기 배터리 인클로저 내의 리튬 이온들, 및 전극 제약들의 세트를 포함하고,
    (a) 상기 전극 어셈블리는 가상의 3차원 데카르트 좌표계의 x, y 및 z 축들에, 각각, 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축들, 상기 세로 방향으로 서로로부터 분리되는 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면, 및 전극 어셈블리 세로 축 AEA를 둘러싸는 그리고 상기 제1 및 제2 세로 단부 표면들을 연결하는 측방향 표면을 갖고, 상기 측방향 표면은 상기 세로 축의 반대 측들 상의 대향 제1 및 제2 영역들을 갖고 상기 세로 축에 직교하는 제1 방향으로 분리되고, 상기 전극 어셈블리는 상기 세로 방향으로 측정되는 최대 폭 WEA, 상기 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 상기 가로 방향으로 측정되는 최대 길이 LEA, 및 상기 측방향 표면에 의해 경계가 정해지는 그리고 상기 수직 방향으로 측정되는 최대 높이 HEA를 갖고, 상기 최대 길이 LEA 및 최대 폭 WEA 대 상기 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 2:1이고
    (b) 상기 전극 어셈블리는 상기 전극 어셈블리 내에서 상기 세로 축과 평행한 적층 방향으로 적층되는 일련의 층들을 포함하고, 상기 적층된 일련의 층들은 음극 활성 재료 층들의 집단, 음극 전류 수집기 층들의 집단, 분리기 재료 층들의 집단, 양극 활성 재료 층들의 집단, 및 양극 전류 수집기 재료 층들의 집단을 포함하고,
    (i) 상기 음극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 상기 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LE, 및 상기 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HE, 및 상기 음극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 음극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WE를 갖고, LE 대 HE 및 WE의 비율은 적어도 5:1이고;
    (ii) 상기 양극 활성 재료 층들의 집단의 각각의 멤버는 상기 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 가로 단부 표면들 사이에 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 길이 LC, 및 상기 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 수직 단부 표면들 사이에 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 높이 HC, 및 상기 양극 활성 재료 층의 제1 및 제2 대향 표면들 사이에 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 상기 양극 활성 재료 층의 Feret 직경에 대응하는 폭 WC를 갖고, LC 대 HC 및 WC의 비율은 적어도 5:1이고
    (iii) 상기 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 60 wt%의 음극 활성 재료, 20 wt% 미만의 도전성 보조제, 및 결합제 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하고, 상기 음극 활성 재료는 실리콘 함유 재료를 포함하고,
    (c) 상기 전극 제약들의 세트는 1차 제약 시스템 및 2차 제약 시스템을 포함하고,
    (i) 상기 1차 제약 시스템은 제1 및 제2 성장 제약들 및 적어도 하나의 1차 연결 멤버를 포함하고, 상기 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 상기 세로 방향으로 서로로부터 분리되고, 상기 적어도 하나의 1차 연결 멤버는 상기 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 연결하여 상기 세로 방향에서의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고,
    (ii) 상기 2차 제약 시스템은 제2 방향으로 분리되는 그리고 상기 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 연결되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하고, 상기 2차 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 사이클링 시에 상기 제2 방향에서의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하고, 상기 제2 방향은 상기 세로 방향에 직교하고,
    (iii) 상기 1차 제약 시스템은 상호 수직인 그리고 상기 적층 방향에 수직인 2개의 방향들 각각으로 상기 전극 어셈블리 상에 유지되는 압력을 초과하는 상기 적층 방향에서의 상기 전극 어셈블리 상의 압력을 유지하고,
    (d) 상기 전극 어셈블리는 단위 셀들의 집단을 포함하고, 각각의 단위 셀은 전극 전류 수집기 층 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분, 캐리어 이온들에 이온적 투과성인 분리기 집단의 멤버, 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버, 상대 전극 전류 수집기 집단의 제1 멤버의 단위 셀 부분 및 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 포함하고, (aa) 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버는 분리기의 제1 측에 근접하고 상기 상대 전극 재료 층 집단의 제1 멤버는 상기 분리기의 대향하는 제2 측에 근접하고, (bb) 상기 분리기는 상기 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버로부터 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버를 전기적으로 격리시키고, 충전 및 방전 상태 사이의 상기 배터리의 사이클링 동안 각각의 상기 단위 셀의 분리기를 통해 상기 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버와 상기 상대 전극 활성 재료 층 집단의 제1 멤버 사이에 캐리어 이온들이 주로 교환되고, (cc) 각각의 단위 셀 내에서,
    c. 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 상기 X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, ETP1를 추적하고, 상기 X-Z 평면에서의 상대 전극의 제1 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제1 가로 단부 표면 플롯, CETP1를 추적하고, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP1 및 CETP1 사이의, 분리 거리, SX1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제1 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
    d. 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 가로 단부 표면들에, 각각, 대향하고, 상기 X-Z 평면에서의 전극 활성 재료 층의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 높이 HE를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, ETP2를 추적하고, 상기 X-Z 평면에서의 상대 전극의 제2 대향 가로 단부 표면의 중간 가로 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 HC를 따라, 제2 가로 단부 표면 플롯, CETP2를 추적하고, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 높이 Hc의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 가로 방향으로 측정되는 플롯들 ETP2 및 CETP2 사이의, 분리 거리, SX2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SX2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제2 가로 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제2 가로 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되는 2차 배터리.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적층된 일련의 층들은 상기 가로 방향으로 서로로부터 이격되는 대향 단부 표면들이 있는 층들을 포함하고, 상기 층들의 복수의 대향 단부 표면들은, 상기 대향 단부 표면들에서의 층들의 신장 및 좁힘으로 인해, 상기 가로 방향으로 배향되는 소성 변형 및 균열을 드러내는 2차 배터리.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 각각의 단위 셀 내에서,
    a. 상기 전극 및 상기 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, X-Z 평면에서의 상기 전극 활성 재료의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, EVP1를 추적하고, X-Z 평면에서의 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제1 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제1 수직 단부 표면 플롯, CEVP1를 추적하고, 상기 제1 상대 전극 활성 재료 층의 길이 Lc의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 수직 방향으로 측정되는 플롯들 EVP1 및 CEVP1 사이의 분리 거리, SZ1의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ1| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제1 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되고,
    b. 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들은 상기 전극 어셈블리의 동일 측 상에 있고, 각각, 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층들의 제1 수직 단부 표면들에 대향하고, X-Z 평면에서의 상기 전극 활성 재료의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 전극 활성 재료 층의 길이 LE을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, EVP2를 추적하고, X-Z 평면에서의 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제2 대향 수직 단부 표면의 중간 수직 위치의 2D 맵은, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC을 따라, 제2 수직 단부 표면 플롯, CEVP2를 추적하고, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 길이 LC의 적어도 60%에 대해, (i) 상기 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 플롯들 EVP2 및 CEVP2 사이의 분리 거리, SZ2의 절대값은 1000 ㎛ ≥ |SZ2| ≥ 5 ㎛이고, (ii) 상기 전극 및 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면들 사이와 같이, 상기 상대 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면은 상기 전극 활성 재료 층의 제2 수직 단부 표면에 대하여 내측으로 배치되는 2차 배터리.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 80 wt%의 음극 활성 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하는 2차 배터리.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 90 wt%의 음극 활성 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하는 2차 배터리.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 적어도 95 wt%의 음극 활성 재료를 갖는 미립자 재료를 포함하는 2차 배터리.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 함유 재료를 포함하는 전극 활성 재료는 실리콘, 실리콘 산화물, 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 2차 배터리.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 10 wt% 미만의 도전성 보조제를 포함하는 2차 배터리.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 구리, 니켈 및 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 도전성 보조제를 포함하는 2차 배터리.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 활성 재료 층 집단의 멤버들은 리튬 및 코발트와 니켈 중 적어도 하나를 함유하는 전이 금속 산화물 재료를 포함하는 2차 배터리.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되는 2차 배터리.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되고, 상기 음극 전류 수집기 층들은 음극 백본 층들을 포함하는 2차 배터리.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되고, 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 각각의 멤버에 대해, 상기 음극 전류 수집기 층 멤버는 이들의 표면 상에 배치되는 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버를 갖는 2차 배터리.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되고, 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 상기 적층된 일련의 층들에서 이들의 양쪽 대향 표면들 상에 배치되는 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 2차 배터리.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 구리 및 스테인레스 스틸 중 하나 이상을 포함하는 2차 배터리.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 20 마이크로미터 미만 및 적어도 2 마이크로미터의 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함하는 2차 배터리.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 6 내지 18 마이크로미터의 범위에 있는 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함하는 2차 배터리.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 8 내지 14 마이크로미터의 범위에 있는 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함하는 2차 배터리.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 상기 양극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되는 2차 배터리.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 전류 수집기 층의 멤버들은 알루미늄을 포함하는 2차 배터리.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 전류 수집기 층의 멤버들은 20 마이크로미터 미만 및 적어도 2 마이크로미터의 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함하는 2차 배터리.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 전류 수집기 층의 멤버들은 6 내지 18 마이크로미터의 범위에 있는 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함하는 2차 배터리.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 전류 수집기 층의 멤버들은 8 내지 14 마이크로미터의 범위에 있는 적층 방향으로 측정되는 두께를 포함하는 2차 배터리.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 상기 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되는 2차 배터리.
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 상기 양극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되는 2차 배터리.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 방향으로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들은 분리기 재료 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 적층된 일련의 층들의 멤버들에 의해 서로 연결되는 2차 배터리.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인클로저는 밀봉 실링되는 2차 배터리.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제약들의 세트는 상기 배터리 인클로저 내에 있는 2차 배터리.
  35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은 상기 배터리 인클로저 내에 있는 2차 배터리.
  36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 제약 시스템은 상기 배터리 인클로저 내에 있는 2차 배터리.
  37. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 3차 성장 제약들 및 적어도 하나의 3차 연결 멤버를 포함하는 3차 제약 시스템(tertiary constraint system)을 추가로 포함하고, 상기 제1 및 제2 3차 성장 제약들은 상기 세로 및 제2 방향에 직교하는 제3 방향으로 서로로부터 분리되고, 상기 적어도 하나의 3차 연결 멤버는 상기 제1 및 제2 3차 성장 제약들을 연결하여 상기 3차 방향에서의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 억제하는 2차 배터리.
  38. 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3차 제약 시스템은 상기 배터리 인클로저 내에 있는 2차 배터리.
  39. 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기 재료 층은 폴리머 전해질을 포함하거나, 또는 이들을 통해 액체 전해질을 통과시키는 미세다공성 분리기 재료를 포함하는 2차 배터리.
  40. 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 활성 재료는 실리콘 함유 미립자 전극 활성 재료의 콤팩트를 포함하는 2차 배터리.
  41. 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들은 구리 함유 층들을 포함하고, 상기 적층된 일련의 층들은 상기 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들이 음극 전류 수집기 층들의 대향 측들 상에 배치되는 적층 시퀀스로 음극 전류 수집기 층들의 집단의 멤버들을 포함하는 2차 배터리.
  42. 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들은 미립자 실리콘 함유 재료의 콤팩트를 포함하고, 상기 멤버들은 음극 백본을 형성하는 구리 함유 음극 전류 수집기들의 대향 측들 상에 배치되는 2차 배터리.
  43. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들은 적어도 2.5 mm인 높이 치수 HE를 포함하는 2차 배터리.
  44. 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 활성 재료 층들의 집단의 멤버들은 적어도 3 mm인 높이 치수 HE를 포함하는 2차 배터리.
  45. 제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 전류 수집기들은 도전성 버스바에 용접되는 세로 대향 단부들을 갖는 2차 배터리.
  46. 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 전류 수집기들의 집단의 멤버들은 알루미늄 함유 재료를 포함하는 2차 배터리.
  47. 제1항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은 2차 배터리의 20개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제하고, 2차 배터리의 충전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 적어도 75%이고, 2차 배터리의 방전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만인 2차 배터리.
  48. 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 50개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제하는 2차 배터리.
  49. 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 100개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 20% 미만으로 억제하는 2차 배터리.
  50. 제1항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 어레이는 2차 배터리의 10개의 연속 사이클들에 걸쳐 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 Feret 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향에서의 전극 어셈블리의 성장을 억제하는 2차 배터리.
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