KR20200124723A - 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리 - Google Patents

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KR20200124723A
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유안 양
궈유 키안
시 첸
시앙바이오 리아오
창민 쉬
티안양 왕
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더 트러스티스 오브 콜롬비아 유니버시티 인 더 시티 오브 뉴욕
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Abstract

에너지 저장 디바이스는 2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛 및 인접한 경질 에너지 저장 유닛을 분리하는 가요성 전도 컴포넌트를 갖는 축방향 구조체를 포함한다. 경질 에너지 저장 유닛은 애노드 층, 캐소드 층, 제1 전류 콜렉터 층, 제2 전류 콜렉터 층, 하나 이상의 분리기 층 및 하나 이상의 테이프 층을 포함하는 복수의 폴드 층을 포함한다. 인접한 경질 에너지 저장 유닛은 축방향 구조체를 따라 복수의 위치에서 복수의 층을 그 자체로 1회 이상 폴딩함으로써 생성된다. 축방향 구조체는 전해질 재료와 함께 알루미늄 케이싱 내에 밀봉된다. 에너지 저장 디바이스는 높은 접힘성 및 가요성 도전 컴포넌트에 의해 연결된 폴드 경질 에너지 저장 세그먼트로 인해 우수한 전기화학적 성능을 나타낸다. 가요성 도전 컴포넌트는 척추의 척추 사이의 연골수와 유사한 방식으로 기능하여 전반적으로 우수한 유연성을 제공한다.

Description

변형 가능한 고밀도 에너지 배터리
[0001] 관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2018년 3월 9일 출원된 미국 가출원 제62/640,700호, 2018년 11월 21일 출원된 미국 가출원 제62/770,395호, 2018년 11월 28일 출원된 미국 가출원 제62/772,422호, 2018년 11월 28일 출원된 미국 가출원 제62/772,432호 및 2018년 11월 30일 출원된 미국 가출원 제62/773,673호에 기초한 우선권을 주장하고, 이들은 각각 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
[0002] 연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술
본 발명은 미국 국립과학재단이 수여한 과제 1420634에 따라 정부의 지원을 받아 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 소정의 권리를 갖는다.
배경
[0003] 최근 몇년 동안 스마트 워치와 같은 웨어러블 전자 장치의 급속한 발전으로 호환 가능한 고성능 가요성 배터리에 대한 수요가 증가하고 있다. 상기 배터리는 의료, 군사, 디스플레이 등과 같은 거의 모든 측면에서 사용될 수 있다. 현재 가요성 배터리의 설계는, 상업용 배터리에서 볼 수 있는 높은 에너지 밀도와 비용 효율적인 제조를 유지하면서, 가혹하지만 통상적인 변형-폴딩(deformation-folding)을 처리하기에는 적합하지 않다.
[0004] 뿐만 아니라, 고성능 신축성 배터리는 신축성 디바이스를 위한 핵심 구성요소이다. 그러나 높은 신축성과 높은 에너지 밀도를 동시에 구비하는 것은 어려운 일이다. 신축성은 의료, 센싱, 디스플레이 및 웨어러블 디바이스에 매우 매력적인 성질로 신축성 디바이스는 인체 및 임의의 모양을 가진 기타 표면에 적합하게 적용될 수 있다. 신축성 배터리는 다른 신축성 구성요소와 원활하게 통합될 수 있고 일정한 전력을 제공할 수 있어 높이 평가된다.
[0005] 리튬-이온 배터리(LIBs)는 에너지 밀도가 높아 전자 디바이스에 전력을 공급하는데 사용하기에 매력적이나 높은 에너지 밀도를 유지하면서 이와 동시에 충분한 유연성을 가진 LIBs를 실현하는 것은 매우 어려운 문제이다. 최근, 신축성 LIBs 개발에 많은 노력이 기울여져왔다. PDMS 및 기타 신축성 폴리머 기반 디바이스가 사용되어져 왔으나 에너지 밀도가 낮다는 문제점이 있다. 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브와 같은 탄소 버클구조(buckled carbon structure)가 신축성을 나타냈으나 에너지 밀도는 여전히 만족스럽지 않다.
요약
[0006] 본 발명의 일부 실시예에 의하면, 본 발명은 변형하는 동안에도 상업용 배터리에 필적하는 일정한 전력을 계속해서 제공하는 변형 가능한 에너지 저장 디바이스에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스는 2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛을 갖는 축방향 구조체를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 경질 에너지 저장 유닛은 복수의 폴드(folded) 층을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 복수의 폴드 층은 애노드(anode) 층, 캐소드(cathode) 층, 제1 전류 콜렉터 층, 제2 전류 콜렉터 층, 및 하나 이상의 분리기 층을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스는 2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛을 둘러싸는 케이싱(casing) 및 케이싱 내의 전해질 재료를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서 케이싱은 알루미늄 백(aluminized bag)을 포함한다.
[0007] 본 발명의 일부 실시예에서, 하나 이상의 분리기 층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 애노드 층은 흑연을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 제1 전류 콜렉터 층은 구리를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서 제1 분리기 층은 애노드 층과 캐소드 층 사이에 배치된다. 본 발명의 일부 실시예에서 제2 전류 콜렉터 층은 캐소드 층과 제2 분리기 층 사이에 배치된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 제2 전류 콜렉터 층은 알루미늄을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 캐소드 층은 리튬을 포함한다.
[0008] 본 발명의 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스는 인접한 경질 에너지 저장 유닛을 분리하는 가요성 도전(conductive) 컴포넌트를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트는 테이프 층을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트는 2개의 테이프 층들 사이에 배치된 금속층을 포함한다.
[0009] 본 발명의 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스는 축방향 백본(backbone)을 포함하고, 복수의 폴드 층은 백본 주위를 적어도 1회 감싼다. 본 발명의 일부 실시예에서, 2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛들은 에너지 저장 디바이스가 일반적으로 갈지자형 형태로 되도록 서로 폴드된 복수의 층을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트는 하나 이상의 폴드를 포함하여, 가요성 도전 컴포넌트가 제1 길이에서 제2 길이로 늘어날 수 있게 한다.본 발명의 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스는 L/a가 0.30 내지 1.0 사이로 구성된다. 여기서 L은 가요성 도전 컴포넌트의 길이이고, a는 가요성 도전 컴포넌트에 인접한 경질 에너지 저장 유닛의 에너지 저장 길이이다.
[0010] 본 발명의 일부 실시예는 에너지 저장 디바이스 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 복수의 층을 포함하는 축방향 구조체를 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 경질 에너지 저장 유닛 및 인접한 가요성 도전 컴포넌트를 생성하기 위해 제1 위치에서 복수의 층을 그 자체로 1회 이상 폴딩(folding)하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 인접한 가요성 컴포넌트를 구비하는 추가 경질 에너지 저장 유닛을 생성하기 위해 추가 위치에서 층들 상에 1회 이상 폴딩하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 알루미늄 케이싱 내에 축방향 구조체를 밀봉하는 단계를 포함한다.
[0011] 본 발명의 일부 실시예는 에너지 저장 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 제1 전극층 및 제2 전극층을 포함하는 축방향 구조체를 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 축방향 백본으로부터 연장되는 복수의 브랜치(branches)를 생성하기 위해 상기 축방향 구조체를 절개하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛 및 인접한 경질 에너지 저장 유닛을 분리하는 가요성 도전 컴포넌트들을 제공하기 위해 축방향 백본 주위에 복수의 브랜치를 감싸는 단계를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서 상기 방법은 테이프 층을 이용하여 상기 도전성 신축성 컴포넌트에서 축방향 백본을 적층하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 전해질 재료를 포함하는 알루미늄 케이싱(aluminized casing)에서 상기 축방향 구조체를 밀봉하는 단계를 포함한다.
[0012] 도면은 본 발명을 설명하기 위해 개시된 요지의 실시예를 도시한다. 그러나 본 출원은 도면에 도시된 정확한 배열 및 수단에 제한되지 않는다.
[0013] 도 1a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리의 개략도이다.
[0014] 도 1b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리의 개략도이다.
[0015] 도 1c는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리의 개략도이다.
[0016] 도 2a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리의 개략도이다.
[0017] 도 2b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리의 개략도이다.
[0018] 도 2c는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리의 개략도이다.
[0019] 도 2d는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리의 개략도이다.
[0020] 도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리의 개략도이다.
[0021] 도 4는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리를 제조하기 위한 방법의 차트이다.
[0022] 도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리를 제조하기 위한 방법의 차트이다; 그리고
[0023] 도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 변형중인 변형 가능한 고밀도 에너지 배터리의 이미지이다.
[0024] 도 1a를 참조하면, 본 발명 대상의 일부 측면은 축방향 구조체(102)를 포함하는 에너지 저장 디바이스(100)를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스(100)는 축방향 구조체를 따라 배열된 2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛(104)을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스(100)는 복수의 에너지 저장 유닛(104)을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트(106)는 인접한 경질 에너지 저장 유닛(104)을 분리한다. 도 1b를 참조하면, 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스 (100)는 L/a가 0.03 내지 1.0 사이에 있도록 구성된다. 여기서 L은 가요성 도전 컴포넌트(106)의 길이이고, a는 가요성 도전 컴포넌트에 인접한 경질 에너지 저장 유닛(104)의 에너지 저장 길이이다.
[0025] 도 1c를 참조하면, 일부 실시예에서, 축방향 구조체(102)는 복수의 층(108)을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 복수의 층은 애노드 층(110), 캐소드 층(112), 제1 전류 콜렉터 층(114), 제2 전류 콜렉터 층(116), 하나 이상의 분리기 층(118), 하나 이상의 테이프 층(120), 또는 이들의 조합들을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 애노드 층(110)은 흑연을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 제1 전류 콜렉터 층(114)은 애노드 층(110)위에 배치된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 제1 전류 콜렉터 층(114)은 구리를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 제 1 분리기 층(118A)은 애노드 층(110)과 캐소드 층(112)사이에 배치된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 캐소드 층(112)은 리튬을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 채소드 층(112)은 리튬 금속, 리튬 화합물 또는 화학적으로 유사한 재료 또는 이들의 조합으로 구성된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 캐소드 층(112)은 LiCoO2, Li(NixCoyMnz)O2, LiFePO4, Li4Ti5O12 또는 이들의 조합으로 구성된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 하나 이상의 분리기 층(118)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 제2 전류 콜렉터 층(116)은 캐소드 층(112)상에 배치된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 제2 전류 콜렉터 층(116)은 캐소드 층(112)과 제2 분리기 층(118B) 사이에 배치된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 제 2 전류 콜렉터 층(116)은 알루미늄을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트 (106)는 복수의 테이프 층(120)사이에 배치된 금속층을 포함한다.
[0026] 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 일부 실시예에서, 층(108) 중 적어도 일부는 경질 에너지 저장 유닛들(104)을 형성하기 위해 포개어 폴드된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 경질 에너지 저장 유닛(104)은 복수의 폴드 층(108')을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 복수의 폴드 층(108')은 층(108)의 폴드 버전이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 복수의 첩힌 층(108')은 그 자체로 폴드 층(108)이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스(100)는 축방향 백본(122)을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 축방향 백본(122)은 층(108), 복수의 층(108') 또는 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 복수의 폴드 층(108')은 축방향 백본(122) 주위에 감긴다. 이는 아래에서 더 상세히 논의될 것이다.
[0027] 도 2b를 구체적으로 살펴보면, 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스(200B)는 축방향 구조체(202B)를 포함한다. 에너지 저장 디바이스(200B)는 복수의 경질 에너지 저장 유닛(204B)을 포함한다. 경질 에너지 저장 유닛(204B)은 예를 들어, 축방향 백본(222B) 주위에 층(208B)이 적어도 1회 감김으로써 접혀진 복수의 폴드 층(208B')으로 구성된다. 경질 에너지 저장 유닛(204B)은 임의의 적합한 형상, 예를 들어, 난형, 원형, 다면체, 갈지자형 등, 또는 이들의 조합일 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 복수의 층(208B)은 축방향 백본(222B)으로부터 연장되는 하나 이상의 치형부(teeth portions)(224B)를 갖는 빗형 구조이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 복수의 층(208B)은 인접한 층의 축방향 백본(222B)을 정렬하기 위해 먼저 쌓여진다. 그 다음 치형부(224B)는 경질 에너지 저장 유닛(204B)을 형성하도록 축방향 백본(222B) 둘레에 감긴다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트(206B)는 인접한 경질 에너지 저장 유닛(204B)사이에 배치된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트(206B)는 복수의 테이프 층 사이에 배치된 금속층을 포함한다.
[0028] 도 2c를 참조하면, 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스(200C)는 축방향 구조체(202C)를 포함한다. 에너지 저장 디바이스(200C)는 복수의 경질 에너지 저장 유닛(204C)을 포함한다. 경질 에너지 저장 유닛(204C)은 서로 접힌 복수의 폴드 층(208C)으로 구성된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 복수의 층(208C)은 에너지 저장 디바이스(200C)가 일반적으로 갈지자형 형태가 되도록 서로 접힌다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트(206C)는 인접한 경질 에너지 저장 유닛(204C) 사이에 배치된다. 가요성 도전 컴포넌트(206C)는 하나 이상의 테이프 층(220C) 사이에 배치된 금속층을 포함한다.
[0029] 도 2d를 참조하면, 일부 실시예에서, 에너지 저장 디바이스(200D)는 축방향 구조체(202D)를 포함한다. 에너지 저장 디바이스(200D)는 적어도 2개의 경질 에너지 저장 유닛(204D)을 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 경질 에너지 저장 유닛(204D)은 임의의 적합한 형상, 예를 들어, 난형, 원형, 다면체, 갈지자형 등 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트(206D)는 인접한 경질 에너지 저장 유닛들(204D) 사이에 배치된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트(206D)는 복수의 테이프 층(222D) 사이에 배치된 금속층을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트 (206D)는 하나 이상의 폴드(226D)를 포함하여, 가요성 도전 컴포넌트가 제1 길이에서 제2 길이로 늘어날 수 있게 한다.
[0030] 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니지만, 에너지 저장 디바이스(100)의 신축성은 에너지 저장 유닛(104)(에너지 저장 길이, a)에 대한 가요성 도전 컴포넌트(106)(신장 길이, L)의 상대적 치수에 따라 달라진다. 눌린 상태에서:
L = 2Nr + 2r
여기서 N은 주기 수이고 r은 굽힘 반경이다. N의 최소값은 1이다.
[0031] 늘려진 상태에서, 가요성 도전 컴포넌트(206D) 길이(L)는 l로 대체된다.
l = πr(N+1) + N(h-4r) + 2r(N-1)
신축성은 다음과 같이 정의될 수 있다:
Figure pct00001
상대적 에너지 밀도는 다음과 같이 정의될 수 있다:
Figure pct00002
최대 스트레인(strain):
Figure pct00003
여기서 t는 테이프 층(120)을 구비하는 가요성 도전 컴포넌트(106)의 두께이다. 일부 실시예에서 t=0.270mm이다. r이 0.75mm일 때,
Figure pct00004
=18.0%이고, r이 1mm이면,
Figure pct00005
=13.5%이다.
[0032] 예를 들면, r은 0.75mm 또는 1mm일 수 있고, a는 10mm이고, h는 5mm일 수 있다고 가정한다. N은 정수인 변수이다. 도 2d에서 도시된 바와 같이, 반경 r이 0.75mm 이고, L/a의 비가 0.30일 때 신축성은 약 29%에 도달할 수 있고 해당 에너지 밀도는 기존 포장 배터리의 약 77%이다.
[0033] 도 3을 참조하면, 에너지 저장 디바이스(100)는 2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛(104)을 둘러싸는 케이싱(128)을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 케이싱(124)은 전해질 재료, 예를 들어, 에틸렌 카보네이트/디에틸카보네이트(1:1 vol/vol) 내의 LiPF6을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 케이싱(124)는 상기 백을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 백은 알루미늄층을 포함한다.
[0034] 도 4를 참조하면, 본 발명의 일부 양상들은 에너지 저장 디바이스를 제조하는 방법(400)을 포함한다. 단계(402)에서 복수의 층을 포함하는 축방향 구조체가 형성된다. 단계(404)에서, 복수의 층은 제1 위치에서 1회 이상 그 자체로 접혀져, 제1 위치에서 경질 에너지 저장 유닛을 생성한다. 단계(406)에서 복수의 층은 추가 위치에서 추가 경질 에너지 저장 유닛을 생성하기 위해 추가 위치에서 1회 이상 그 자체로 접힌다. 일부 실시예에서, 추가 위치에서 층을 1회 이상 그 자체로 접으면 갈지자형 형태로 인접한 가요성 컴포넌트를 구비하는 추가 경질 에너지 저장 유닛이 생성된다. 위에서 논의된 바와 같이, 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트는 경질 에너지 저장 유닛에 인접하고, 인접한 경질 에너지 저장 유닛을 연결한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 단계(408)에서, 인접한 가요성 컴포넌트는 테이프층과 적층된다. 일부 실시예에서, 가요성 도전 컴포넌트는 복수, 예를 들어, 적어도 2개의 테이프층 사이에 배치된 금속층을 포함한다. 단계(410)에서, 축방향 구조체는, 예를 들어, 알루미늄 백과 같은 케이싱에 밀봉된다.
[0035] 도5를 참조하면, 일부 실시예에서, 방법(500)은 502에서 제1 전극층 및 제2 전극층을 포함하는 축방향 구조체를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 논의된 바와 같이, 일부 실시예에서, 제1 전극층은 흑연을 포함하는 애노드 층이고 제2 전극층은 리튬을 포함하는 캐소드 층이다. 단계(504)에서, 축방향 구조체는 축방향 백본으로부터 연장되는 복수의 브랜치를 생성하도록 절단된다. 단계(506)에서 복수의 브랜치는 2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛 및 인접한 경질 에너지 저장 유닛을 분리하는 가요성 도전 컴포넌트를 제공하기 위해 축방향 백본 주위에 감긴다. 단계(508)에서 축방향 백본은 테이프 층과 함께 도전성 신축성 컴포넌트에 적층된다. 단계(510)에서, 축방향 구조체는 전해질 재료를 포함하는 알루미늄 케이싱 내에 밀봉되었다.
[0036] 본 발명의 방법 및 시스템은 높은 에너지 밀도 (275 Wh/L, 종래 대응물의 96.4%), 높은 접힘성 및 가요성 도전 컴포넌트에 의해 연결된 폴드 경질 에너지 저장 세그먼트로 인해 우수한 전기화학적 성능을 나타낸다는 데에 이점이 있다. 가요성 도전 컴포넌트는 척추의 척추골 사이의 연골수와 유사한 방식으로 기능하여 전체 디바이스에 우수한 유연성을 제공한다. 다양한 종류의 기계적 변형이 가해지더라도 초기 방전 용량이 151mA h g-1이고 유지율이 94.3%인 여러 사이클에 걸쳐 안정적인 사이클링이 달성될 수 있다.
[0037] 제어가능한 기하학적 구조를 갖는 접이식 배터리는 여러 디바이스와 호환되도록 쉽게 만들어진다. 나아가, 이러한 배터리 제조에 사용되는 모든 재료는 비용이 많이 들지 않는 것으로 입증되었다. 상기 디바이스는 지속적인 동적 기계적 부하테스트에서도 견디며 기존 배터리 설계에 비해 훨씬 더 기계적으로 견고하다는 것이 입증되었다. 도 6에서, 본 발명의 일부 실시예에 따른 상기 접이식 배터리는 17개의 LED에 전원을 공급하는 것으로 나타났으며, 빛이 켜져 있는 동안 연속적인 기계적 변형에도 불구하고 LED의 밝기는 안정적으로 유지된다. 또한, 상기 배터리는 큰 전류 밀도(0.5 C~3 C)에서도 매우 잘 작동한다.
[0038] 본 발명의 시스템은 신축성 컴포넌트와 에너지 저장 컴포넌트를 분리한다는 점에서 이점이 있다. 따라서 높은 에너지 밀도 및 높은 신축성이 동시에 얻어질 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 테이프는 가요성 도전 컴포넌트에만 적용되므로 에너지 저장 유닛의 과잉 부피를 초래하지 않으며 용적 에너지 밀도에 거의 영향을 미치지 않는다.
[0039] 본 발명은 상기 실시예와 관련하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 실시예의 특징이 본 발명의 범위 내에서 추가 실시예를 생성하기 위해 결합, 또는 재배열 될 수 있으며, 다양한 다른 변경, 생략 및 추가가 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 복수의 폴드 층을 포함한 2개 이상의 에너지 저장 유닛을 갖는 축방향 구조체; 및
    인접한 경질 에너지 저장 유닛을 분리하는 가요성 도전 컴포넌트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 폴드 층은 애노드 층, 캐소드 층, 제1 전류 콜렉터 층, 제2 전류 콜렉터 층, 및 하나 이상의 분리기 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 애노드 층은 흑연을 포함하며;
    상기 제1 전류 콜렉터 층은 상기 애노드 층 위에 배치되고, 상기 제1 전류 콜렉터 층은 구리를 포함하고;
    하나의 제1 분리기 층이 상기 애노드 층과 상기 캐소드 층 사이에 배치되고;
    상기 제2 전류 콜렉터 층은 상기 캐소드 층과 제2 분리기 층 사이에 배치되고, 상기 제2 전류 콜렉터 층은 알루미늄을 포함하고; 그리고
    상기 캐소드 층은 리튬을 포함하는;
    것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  4. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 분리기 층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛을 둘러싸는 하나의 케이싱 및 상기 케이싱 내에 하나의 전해질 재료를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 케이싱은 알루미늄 백(aluminized bag)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 축방향 백본을 포함하고, 상기 복수의 폴드 층은 상기 백본 주위에 적어도 한번 감겨 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛은 서로 접힌 복수의 층을 포함하여 에너지 저장 디바이스는 일반적으로 갈지자형 형태가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가요성 도전 컴포넌트는 하나 이상의 폴드를 포함하여 상기 가요성 도전 컴포넌트가 제1 길이에서 제2 길이로 길어질 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 디바이스는 L/a가 0.30 내지 1.0 사이이고, L은 상기 가요성 도전 컴포넌트의 길이이고, a는 상기 가요성 도전 컴포넌트에 인접한 경질 에너지 저장 유닛들의 에너지 저장 길이인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 가요성 도전 컴포넌트는 테이프 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 가요성 도전 컴포넌트는 2개의 테이프 층 사이에 배치된 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  13. 복수의 층을 포함하는 축방향 구조체를 형성하고;
    경질 에너지 저장 유닛 및 인접한 가요성 도전 컴포넌트를 생성하기 위해 상기 복수의 층들을 제1 위치에서 그 자체로 1회 이상 접고;
    인접한 가요성 컴포넌트를 구비하는 추가 경질 에너지 저장 유닛을 생성하기 위해 추가 위치에서 그 자체로 1회 이상 접고; 그리고
    알루미늄 케이싱 내에 상기 축방향 구조체를 밀봉하는;
    단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 층을 포함하는 축방향 구조체를 형성하는 단계가 축방향 백본으로부터 연장되는 복수의 브랜치를 생성하기 위해 복수의 층을 절개하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 인접한 가요성 컴포넌트를 하나의 테이프 층과 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 추가 위치에서 그 자체로 1회 이상 접는 단계가 갈지자형 형태로 인접한 가요성 컴포넌트를 구비하는 추가 경질 에너지 저장 유닛을 생성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  17. 제13항에 있어서, 애노드 층은 흑연을 포함하고;
    상기 제1전류 콜렉터 층은 상기 애노드 층 위에 배치되고, 상기 제1 전류 콜렉터 층은 구리를 포함하고;
    제1 분리기 층이 상기 애노드 층과 상기 캐소드 층 사이에 배치되고;
    상기 제2 전류 콜렉터 층은 상기 캐소드 층과 제2 분리기 층 사이에 배치되고, 상기 제2 전류 콜렉터 층은 알루미늄을 포함하는 단계; 그리고
    상기 캐소드 층은 리튬을 포함하는;
    것을 특징으로 하는 제조방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 디바이스는 L/a가 0.30 내지 1.0이 되도록 구성되고, 여기서 L은 상기 가요성 도전 컴포넌트의 길이이고, a는 상기 가요성 도전 컴포넌트에 인접한 경질 에너지 저장 유닛의 에너지 저장 길이인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 디바이스.
  19. 에너지 저장 디바이스 제조방법에 있어서,
    제1 전극층 및 제2 전극층을 포함하는 축방향 구조체를 제공하고;
    축방향 백본으로부터 연장되는 복수의 브랜치를 생성하기 위해 상기 축방향 구조체를 절개하고;
    2개 이상의 경질 에너지 저장 유닛 및 상기 인접한 경질 에너지 저장 유닛을 분리하는 가요성 도전 컴포넌트를 제공하기 위하여 상기 축방향 백본 주위에 상기 복수의 브랜치를 감싸고;
    테이프 층을 이용하여 상기 가요성 도전 컴포넌트에 상기 축방향 백본을 적층하고; 그리고
    전해질 재료를 포함하는 알루미늄 케이싱 내의 축방향 구조체를 밀봉하는;
    단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 전극층은 흑연을 포함하는 애노드 층이고, 제2 전극층은 리튬을 포함하는 캐소드 층을 갖고; 그리고
    상기 축방향 구조체가 상기 애노드 층 위에 배치되고 구리를 포함하는 제1 전류 콜렉터 층; 상기 애노드 층과 상기 캐소드 층 사이에 배치된 제1 분리기 층; 및 상기 캐소드 층과 제2 분리기 층 사이에 배치되고 알루미늄을 포함하는 제2 전류 콜렉터 층을 포함하는,
    것을 특징으로 하는 제조방법.
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