KR20210058892A - 배터리 셀의 젤리 롤 영역과 셀 캔 사이의 인터페이스 - Google Patents

배터리 셀의 젤리 롤 영역과 셀 캔 사이의 인터페이스 Download PDF

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랄프 마이쉬
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외르크 다마스케
발렌틴 브로코프
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Abstract

실시예는 원통형 배터리 셀에 관한 것이며, 원통형 배터리 셀은 셀 캔, 애노드 전극, 분리기, 및 캐소드 전극 호일들의 젤리 롤 영역은 셀 캔의 중간 섹션에 배열된다. 애노드 전극 호일들, 캐소드 전극 호일들, 또는 둘 모두는 젤리 롤 영역 밖으로 셀 캔의 전해질 영역으로 연장한다. 일 실시예에서, 연장된 전극 호일들 중 일부는 셀 캔의 단부(예컨대, 최상부 또는 저부)와 직접 접촉한다. 다른 실시예에서, 연장된 전극 호일들은, 셀 캔의 단부(예컨대, 최상부 또는 저부)에 열적으로 그리고 전기적으로 연결되는 복수의 연결 탭들에 접촉한다. 다른 실시예에서, 연장된 전극 호일들은, 셀 캔의 단부(예컨대, 최상부 또는 저부)에 열적으로 그리고 전기적으로 연결되는 호일-통합형 연결 탭으로서 기능하도록 구부러지고 그리고 적층된다.

Description

배터리 셀의 젤리 롤 영역과 셀 캔 사이의 인터페이스
[0001] 본 특허출원은, 2018년 9월 13일자로 출원된 명칭이 “INTERFACE BETWEEN JELLY ROLL AREA OF A BATTERY CELL AND BOTTOM OF CELL CAN”인, 대리인 서류 번호 제TIV-180006P1호를 갖는 미국 가특허 출원 번호 제62/730,722의 이익을 주장하며, 이는 이의 양수인에게 양도되고 그리고 이에 의해 그 전체가 본원에 인용에 의해 명백하게 포함된다.
[0002] 실시예들은 배터리 셀의 젤리 롤 영역과 배터리 셀의 셀 캔 사이의 인터페이스에 관한 것이다.
[0003] 에너지 저장 시스템들은 전기 전력의 저장을 위한 배터리 셀들에 의존할 수 있다. 작동(예컨대, 충전-방전 사이클들) 동안, 배터리 셀들은 배터리 셀들의 열적 노화(aging)에 기여할 수 있는 열을 생성한다. 이들의 사이클 수명을 연장시키도록 배터리 셀들에 대한 열적 노화의 충격을 감소시킬 필요가 존재한다.
[0004] 실시예는 원통형 배터리 셀에 관한 것이며, 원통형 배터리 셀은, 셀 캔, 셀 캔의 중간 섹션에 배열되는 애노드 전극 호일들, 분리기 호일들, 및 캐소드 전극 호일들의 젤리 롤 영역 ─ 전극 호일들 중 적어도 하나(예컨대, 애노드 전극 호일들, 캐소드 전극 호일들, 또는 둘 모두)는 젤리 롤 영역 밖으로 전해질 영역으로 연장함 ─ , 셀 캔의 제1 단부(예컨대, 최상부 또는 저부)에 열적으로 그리고 전기적으로 연결되는 연결 탭(connection tap)을 포함하고, 전극 호일들 중 적어도 하나의 제1 하위세트는 셀 캔의 제1 단부와 직접 접촉한다.
[0005] 다른 실시예는 원통형 배터리 셀에 관한 것이며, 원통형 배터리 셀은, 셀 캔, 셀 캔의 중간 섹션에 배열되는 애노드 전극 호일들, 분리기 호일들, 및 캐소드 전극 호일들의 젤리 롤 영역 ─ 전극 호일들 중 적어도 하나(예컨대, 애노드 전극 호일들, 캐소드 전극 호일들, 또는 둘 모두)는 젤리 롤 영역 밖으로 전해질 영역으로 연장함 ─, 및 셀 캔의 제1 단부(예컨대, 최상부 또는 저부)에 열적으로 그리고 전기적으로 연결되는 복수의 연결 탭들을 포함하며, 전극 호일들 중 적어도 하나의 제1 하위세트는 복수의 연결 탭들 중 제1 연결 탭과 직접 접촉하며, 그리고 전극 호일들 중 적어도 하나의 제2 하위세트는 복수의 연결 탭들 중 제2 연결 탭과 직접 접촉한다.
[0006] 다른 실시예는 원통형 배터리 셀에 관한 것이며, 원통형 배터리 셀은, 셀 캔, 및 셀 캔의 중간 섹션에 배열되는 애노드 전극 호일들, 분리기 호일들 및 캐소드 전극 호일들의 젤리 롤 영역 ─ 전극 호일들 중 적어도 하나(예컨대, 애노드 전극 호일들, 캐소드 전극 호일들, 또는 둘 모두)는 젤리 롤 영역 밖으로 전해질 영역으로 연장하는 부분들을 포함함 ─ , 전극 호일들 중 적어도 하나의 연장된 부분들은, 상기 셀 캔의 제1 단부(예컨대, 최상부 또는 저부)에 열적으로 그리고 전기적으로 연결되는 호일-통합형 연결 탭으로서 기능하도록 구부러지고 그리고 적층된다.
[0007] 본 개시내용의 실시예들의 보다 완전한 이해는, 예시를 위해 단독으로 제시되고 그리고 개시 내용의 제한이 아닌 첨부 도면들과 연관되게 고려될 때, 동일한 것이 하기의 상세한 설명을 참조하여 보다 양호하게 이해됨에 따라 용이하게 획득될 것이다.
[0008] 도 1은, 본원에서 설명되는 구성요소들, 재료들, 방법들, 및 다른 기술들, 또는 이의 조합이 다양한 실시예들에 따라 적용될 수 있는 예시적인 금속-이온(예컨대, Li-이온) 배터리를 예시한다.
[0009] 도 2는, 다수의 배터리 셀들이 함께 배열되는 배터리 모듈의 예를 예시한다.
[0010] 도 3a는 배터리 셀의 저부에서 (예컨대, 층형성된 애노드/캐소드/분리기 호일들을 포함하는) 젤리 롤 영역과 연결 탭 사이의 종래의 인터페이스를 예시한다.
[0011] 도 3b는 도 3a에서 도시된 배터리 셀의 종래의 인터페이스를 통해 열적 유동(또는 열 이동)을 표시하는 화살표들을 묘사한다.
[0012] 도 4a는 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 셀의 저부에서 (예컨대, 층형성된 애노드/캐소드/분리기 호일들을 포함하는) 젤리 롤 영역과 셀 캔과 연결 탭 사이의 인터페이스를 예시한다.
[0013] 도 4b는 도 4a에서 도시된 배터리 셀의 인터페이스를 통해 열 전도율 또는 유동(또는 열 이동)을 표시하는 화살표들을 묘사한다.
[0014] 도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 셀의 저부에서 (예컨대, 층형성된 애노드/캐소드/분리기 호일들을 포함하는) 젤리 롤 영역과 복수의 연결 탭들 사이의 인터페이스를 예시한다.
[0015] 도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 셀의 저부에서 (예컨대, 층형성된 애노드/캐소드/분리기 호일들을 포함하는) 젤리 롤 영역과 호일 통합식 연결 탭 사이의 인터페이스를 예시한다.
[0016] 도 7a 내지 도 7d는 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 셀을 형성하는 프로세스를 예시한다.
[0017] 도 8은 도 4a, 도 5 및/또는 도 6 중 임의의 도면에서 묘사되는 설계들과 대조되는 도 3a 및 도 3b의 종래의 설계를 사용하여 달성가능한 열 전도율의 병렬 비교를 예시한다.
[0018] 본 개시내용의 실시예들은 하기의 설명 및 관련된 도면들에서 제공된다. 대안적인 실시예들은 본 개시내용의 범주로부터 벗어나지 않고 고안될 수 있다. 또한, 본 개시내용의 주지된 요소들은 상세하게 설명되지 않을 것이거나, 본 개시내용의 관련된 상세들을 모호하게 하지 않도록 생략될 것이다.
[0019] 에너지 저장 시스템들은 전기 전력의 저장을 위한 배터리들에 의존할 수 있다. 예를 들어, 특정한 종래의 전기차(EV)(예컨대, 완전 전기 차량들, 하이브리드 전기 차량들 등) 설계들에서, 전기 차량 내로 장착되는 배터리 하우징은 복수의 배터리 셀들(예컨대, 복수의 배터리 셀들은 배터리 하우징 내로 개별적으로 장착될 수 있거나, 대안적으로 배터리 셀들의 세트를 각각 포함하는 개개의 배터리 모듈들 내에 분류될 수 있으며, 개개의 배터리 모듈들은 배터리 하우징 내에 장착됨)을 수납한다. 배터리 하우징의 배터리 모듈들은 버스바들(busbars)을 통해 배터리 정션 박스(battery junction box, BJB)에 연결되며, 버스바들은, 전기 차량의 다양한 다른 전기 구성요소들(예컨대, 라디오, 컨트롤 콘솔, 차량 HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning) 시스템, 내부 라이트들, 헤드 라이트들 및 브레이크 라이트들 등과 같은 외부 라이트들)뿐만 아니라 전기 차량을 구동시키는 전기 모터로 전기 전력을 분배한다.
[0020] 도 1은, 본원에서 설명되는 구성요소들, 재료들, 방법들, 및 다른 기술들, 또는 이의 조합이 다양한 실시예들에 따라 적용될 수 있는 예시적인 금속-이온(예컨대, Li-이온) 배터리를 예시한다. 원통형 배터리는 본원에서 예시 목적들을 위해 도시되지만, 각기둥(prismatic) 또는 파우치(pouch)(적층-유형) 배터리들을 포함하는 다른 유형들의 배열들이 또한 바람직하다면 사용될 수 있다. 예시적인 배터리(100)는 음 애노드(102), 양 캐소드(103), 애노드(102)와 캐소드(103) 사이에 끼워넣어진 분리기(104), 분리기(104)를 함침하는 전해질(암시적으로 도시됨), 배터리 케이스(105), 및 배터리 케이스(105)를 밀봉하는 밀봉 부재(106)를 포함한다.
[0021] 도 1의 배터리 셀(100)의 층은 "젤리 롤" 구성에 가깝다. 예에서, 애노드(102)는 코팅된 구리 호일에 대응할 수 있으며, 캐소드(103)는 코팅된 알루미늄 호일에 대응하며, 그리고 분리기(104)는 마찬가지로 분리기 호일을 통해 구현될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100)의 젤리 롤 구성은 코팅된 구리 호일 - 분리기 호일 - 코팅된 알루미늄 호일 -분리기 호일 등의 권선된 층 스택에 대응할 수 있다. 일부 설계에서, 도 1에 명백하게 도시되지 않았지만, 코팅된 구리 호일은 배터리 셀(100)의 저부에 용접되는 탭에 연결될 수 있다. 이러한 용접은, 즉, 젤리 롤 구성을 셀 캔에 전기적으로 연결시킴으로써 배터리 셀(100)의 저부가 배터리 셀(100)을 위한 음 단자로서 기능하는 것을 용이하게 한다.
[0022] 특정한 구현예들에서, 도 1의 배터리 셀(100)과 같은 배터리 셀들의 냉각은 셀 저부에서 구현된다. 예를 들어, 도 1에 도시되는 배터리(100)와 같은 배터리들은 배터리 모듈의 부품으로 제조될 수 있다. 도 2는 이러한 배터리 모듈(200)의 예를 도시하며, 이에 의해 다수의 배터리 셀들(205)은 함께 (예컨대, 배터리 셀들의 P-그룹들의 병렬 그룹들으로, 이 때 P-그룹들이 전압을 증가시키기 위해 직렬로 연결됨) 배열된다. 이러한 배터리 모듈에서, 냉각판(미도시)이 배터리 모듈 아래에 배열될 수 있고 그리고 배터리 셀들(205)의 저부들에 (예를 들어, 열 전도성 및 전기 절연 커플링 인터페이스를 통해) 열적으로 커플링될 수 있다. 냉각 튜브(미도시)는 추가적으로, 열을 셀 저부로부터 멀리 전송하기 위해 냉각판 아래에 배열되며, 이에 의해 냉각 튜브는 외부 냉각 시스템으로부터 제공되는 액체 냉각제를 펌핑하도록 구성된다.
[0023] 도 3a는 배터리 셀의 저부에서(예컨대, 층형성된 애노드/캐소드/분리기 호일들을 포함하는) 젤리 롤 영역과 연결 탭(335) 사이의 종래의 인터페이스(300)를 예시한다. 도 3a를 참조하면, 젤리 롤 영역은 코팅된 알루미늄 호일(305) 및 코팅된 구리 호일(310)의 층들을 포함하며, 이 때 분리기 호일(315)은 그 사이에 배열된다. 분리기 호일(315)은 젤리 롤 영역(예컨대, 전해질(325)에서 파형-검정 선들(wavy-black lines)로서 묘사됨) 아래로 연장되고 그리고 분리 디스크(320)에서 정지한다. 도 3a에 명백하게 도시되지 않았지만, 코팅된 구리 호일들(310)은 전해질(325)을 통해 연장되고 그리고 연결 탭(335)에 전기적으로 연결된다. 그와 대조적으로, 코팅된 알루미늄 호일(305)(또는 캐소드 호일)은 젤리 롤 영역에서 종단될 수 있다. 게다가, 배터리 셀은 셀 캔(330)에서 감싸진다(encased).
[0024] 도 3b는 도 3a에서 도시된 배터리 셀의 종래의 인터페이스(300)를 통해 열적 유동(또는 열 이동)을 표시하는 화살표들을 묘사한다. 도 3b에 묘사되는 화살표들은 실척으로 도시되지 않지만, 보다 두꺼운 화살표들은 더 큰 열적 유동을 표시하는데 사용된다. 도 3b에 도시되는 바와 같이, 열은 일반적으로, 코팅된 구리 호일들(310) 및/또는 셀 캔(330)으로 가로질러, 그리고 그 후, 배터리 셀이 냉각 기구(예컨대, 냉각판)에 열적으로 커플링되는 배터리 셀의 저부를 향해 아래로 이동한다.
[0025] 도 4a는 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 셀의 저부에서(예컨대, 층형성된 애노드/캐소드/분리기 호일들을 포함하는) 젤리 롤 영역과 셀 캔(425)과 연결 탭(430) 사이의 인터페이스(400)를 예시한다. 예에서, 연결 탭(430)은 셀 조립 동안 셀 캔(425)에 용접된다. 도 4a를 참조하면, 젤리 롤 영역은 코팅된 알루미늄 호일(405) 및 코팅된 구리 호일(410)의 층들을 포함한다. 분리기 호일(415)은 분리기 호일(315)에 대해 단축되고, 그리고, 분리 디스크(320)가 도 3a에서 배열되는 젤리 롤 영역 아래에서 아래로 연장하지 않으며, 이 때 코팅된 구리 호일들(410)은 분리기 호일(415)을 지나 그리고 그 후 전해질(420)을 통해 추가적으로 연장한다. 도 3a에 도시되는 관점에서, 분리 디스크(320) 위의 전해질(325)에 도시되는 파형 검정 선들은 분리기 호일들(315)에 대응하는 반면, 도 4a의 관점에서, 도 4a의 전해질(420)에 도시되는 파형 흰색 선들은 코팅된 구리 호일들(410)에 대응하는 것이 유의된다.
[0026] 분리기 호일(415)은 도 3a의 분리기 호일(315)보다 수직으로 더 짧으며, 그리고 도 3a의 분리 디스크(320)는 도 4a의 배터리 셀에서 전부 제거된다. 특히, 분리기 호일(315)이 하부 섹션으로 연장하고 그리고 분리 디스크(320)에서 종단되는 도 3a와 대조적으로, (캐소드 호일(405)뿐만 아니라) 분리기 호일(415)은 젤리 롤 영역 내부에서 종단된다. 예를 들어, 코팅된 알루미늄 호일(405) 및 코팅된 구리 호일(410)은, 배터리의 충방전(charge-discharge) 주기들 동안 전자 수송(electron transport)을 용이하게 하기 위해 일반적으로 활성 재료 코팅(예컨대, 그래핀/흑연, 실리콘 등)으로 코팅되는 전류 콜렉터들(current collectors)로서 역할을 한다. 다른 설계들에서, 층 스택의 다양한 호일들이 길이가 변할 수 있다. 일부 설계들에서, 층 스택의 단부들(예컨대, 최상부 및 저부)의 치수들은 동일할 수 있다.
[0027] 게다가, 코팅된 구리 호일들(410)의 제1 서브 세트는 연결 탭(430)과 직접 접촉하고 전기적으로 연결되는 반면, 코팅된 구리 호일(410)의 제2 서브 세트는 셀 캔(425)과 직접 접촉하고 그리고 셀 캔에 적어도 열적으로 연결된다. 예에서, 코팅된 구리 호일들(410)은 추가적으로, 직접 연결을 통해 또는 연결 탭(430)을 통한 간접 연결을 통해 셀 캔(425)에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 4a에 도시되는 바와 같이, 전지 캔(430)과 직접 접촉하는 전해질(420)에서의 코팅된 구리 호일들(410)은 스프링의 유형으로 배열되도록(즉, '스프링-로딩되도록(spring-loaded)') 휘어질 수 있으며, 이에 의해 스프링 장력은, 코팅된 구리 호일(410)이 시간에 걸쳐 셀 캔(430)에 대해 가압된(예를 들어, 열적으로 그리고/또는 전기적으로 커플링된) 상태를 유지하는 것을 유발하는 것을 도울 수 있다. 추가의 예에서, 연결 탭(430)과 직접 접촉하는 코팅된 구리 호일들(410)은 마찬가지로, 연결 탭(430)에 스프링 장력을 가하기 위해 스프링-로딩될 수 있다. 예에서, 전해질(420)은 연관된 부품들을 습윤시킴으로써 부가의 열 전도율을 제공할 수 있다.
[0028] 도 4b는 도 4a에서 도시된 배터리 셀의 인터페이스(400)를 통해 열 전도율 또는 유동(또는 열 이동)을 표시하는 화살표들을 묘사한다. 도 4b에 묘사되는 화살표들은 실척으로 도시되지 않지만, 보다 두꺼운 화살표들은 더 큰 열적 유동을 표시하는데 사용된다. 그러므로, 도 3b의 화살표들에 대한 도 4b의 화살표들의 두께에 의해 입증된 바와 같이, 배터리 셀의 열 전도율은 도 3a의 인터페이스(300)에 비해 도 4a의 인터페이스(400)에 걸쳐 증가된다. 도 4b에 도시되는 바와 같이, 열은 일반적으로, 코팅된 구리 호일들(410) 및/또는 셀 캔(430)으로 가로질러, 그리고 그 후, 배터리 셀이 냉각 기구(예컨대, 냉각판)에 열적으로 커플링되는 배터리 셀의 저부를 향해 아래로 이동한다. 코팅된 구리 호일(410)의 일부 또는 전부를 셀 캔(430)의 저부에 열적으로 커플링함으로써, 인터페이스(400)의 열 전도율이 증가되고, 이는 사이클링 동안 배터리 셀의 열적 '노화(aging)'를 감소시킨다(예컨대, 배터리 셀의 배터리 수명을 확장함). 게다가, 코팅된 구리 호일들(410)이 셀 캔(430)의 저부에 열적으로뿐만 아니라 전기적으로 커플링되는 시나리오에서, 배터리 셀의 전기 저항이 감소된다(예컨대, 셀 작동 동안 전력 손실 및 열 생성을 감소시킴).
[0029] 도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 셀의 저부에서(예컨대, 층형성된 애노드/캐소드/분리기 호일들을 포함하는) 젤리 롤 영역과 복수의 연결 탭들(535) 사이의 인터페이스(500)를 예시한다. 도 5를 참조하면, 젤리 롤 영역은 코팅된 알루미늄 호일(505) 및 코팅된 구리 호일(510)의 층들을 포함한다. 분리기 호일(515)은 분리기 호일(315)에 대해 단축되고, 그리고, 분리 디스크(320)가 도 3a에서 배열되는 젤리 롤 영역 아래에서 아래로 연장하지 않으며, 이 때 코팅된 구리 호일들(510)은 분리기 호일(515)을 지나 그리고 그 후 전해질(520)을 통해 추가적으로 연장한다. 특히, 분리기 호일(315)이 하부 섹션으로 연장하고 그리고 분리 디스크(320)에서 종단되는 도 3a와 대조적으로, (캐소드 호일(505)뿐만 아니라) 분리기 호일(515)은 젤리 롤 영역 내부에서 종단된다. 다른 설계들에서, 층 스택의 다양한 호일들이 길이가 변할 수 있다. 일부 설계들에서, 층 스택의 단부들(예컨대, 최상부 및 저부)의 치수들은 동일할 수 있다. 도 3a에 도시되는 관점에서, 분리 디스크(320) 위의 전해질(325)에 도시되는 파형 검정 선들은 분리기 호일들(315)에 대응하는 반면, 도 5의 관점에서, 전해질(520)에 도시되는 파형 흰색 선들은 코팅된 구리 호일들(510)에 대응하는 것이 유의된다.
[0030] 도 4a와 유사하게, 도 5의 분리기 호일(515)은 도 3a의 분리기 호일(315)보다 수직으로 더 짧으며, 그리고 도 3a의 분리 디스크(320)는 도 5의 배터리 셀에서 전부 제거된다. 도 5의 인터페이스(500)에서, 코팅된 구리 호일들(510)은 다수의 연결 탭들(535)에 열적으로 그리고 전기적으로 커플링되고, 연결 탭들은 차례로 셀 캔(530)에 열적으로뿐만 아니라 전기적으로 커플링된다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 전해질(520)에서의 코팅된 구리 호일들(510)은 스프링의 유형으로 배열되도록(즉, '스프링-로딩되도록(spring-loaded)') 휘어질 수 있으며, 이에 의해 스프링 장력은, 코팅된 구리 호일(510)이 시간에 걸쳐 다수의 연결 탭들(535)에 대해 가압된(예를 들어, 열적으로 그리고 전기적으로 커플링된) 상태를 유지하는 것을 유발하는 것을 도울 수 있다. 예에서, 전해질(520)은 연관된 부품들을 습윤시킴으로써 부가의 열 전도율을 제공할 수 있다. 예시적으로 도시되지 않았지만, 도 5의 배터리 셀의 열 전도율 특성은 도 4b에 대한 화살표들을 통해 묘사되는 열 전도율 또는 유동과 유사할 수 있다. 다른 설계들에서, 층 스택의 다양한 호일들이 길이가 변할 수 있다. 일부 설계들에서, 층 스택의 단부들(예컨대, 최상부 및 저부)의 치수들은 동일할 수 있다.
[0031] 도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 셀의 저부에서(예컨대, 층형성된 애노드/캐소드/분리기 호일들을 포함하는) 젤리 롤 영역과 호일 통합식 연결 탭(635) 사이의 인터페이스(600)를 예시한다. 도 6을 참조하면, 젤리 롤 영역은 코팅된 알루미늄 호일(605) 및 코팅된 구리 호일(610)의 층들을 포함한다. 분리기 호일(615)은 분리기 호일(315)에 대해 단축되고, 그리고, 분리 디스크(320)가 도 3a에서 배열되는 젤리 롤 영역 아래에서 아래로 연장하지 않으며, 이 때 코팅된 구리 호일들(610)은 분리기 호일(615)을 지나 그리고 그 후 전해질(620)을 통해 추가적으로 연장한다. 다시 말해, 분리기 호일(315)이 하부 섹션으로 연장하고 그리고 분리 디스크(320)에서 종단되는 도 3a와 대조적으로, (캐소드 호일(605)뿐만 아니라) 분리기 호일(615)은 젤리 롤 영역 내부에서 종단된다. 다른 설계들에서, 층 스택의 다양한 호일들이 길이가 변할 수 있다. 일부 설계들에서, 층 스택의 단부들(예컨대, 최상부 및 저부)의 치수들은 동일할 수 있다. 도 3a에 도시되는 관점에서, 분리 디스크(320) 위의 전해질(325)에 도시되는 파형 검정 선들은 분리기 호일들(315)에 대응하는 반면, 도 6의 관점에서, 전해질(620)에 도시되는 파형 흰색 선들은 코팅된 구리 호일들(610)에 대응하는 것이 유의된다.
[0032] 도 4a 및 도 5와 유사하게, 도 6의 분리기 호일(615)은 도 3a의 분리기 호일(315)보다 수직으로 더 짧으며, 그리고 도 3a의 분리 디스크(320)는 도 6의 배터리 셀에서 전부 제거된다. 다른 설계들에서, 층 스택의 다양한 호일들이 길이가 변할 수 있다. 일부 설계들에서, 층 스택의 단부들(예컨대, 최상부 및 저부)의 치수들은 동일할 수 있다. 도 6의 인터페이스(600)에서, 코팅된 구리 호일들(610)은 연결 탭(635)에 통합된다. 보다 구체적으로, 호일-통합형 연결 탭(635)은 적층된 구리 호일들(610)의 다수의 층들로 구성된다. 호일-통합형 연결 탭(635)은 셀 캔(630)에 열적으로뿐만 아니라 전기적으로 커플링된다. 예에서, 전해질(620)은 연관된 부품들을 습윤시킴으로써 부가의 열 전도율을 제공할 수 있다. 예시적으로 도시되지 않았지만, 도 6의 배터리 셀의 열 전도율 특성은 도 4b에 대한 화살표들을 통해 묘사되는 열 전도율 또는 유동과 유사할 수 있다.
[0033] 도 7a 내지 도 7d는 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 셀을 형성하는 프로세스를 예시한다. 특히, 도 7a 내지 도 7d의 프로세스는 도 6에 묘사되는 호일-통합형 연결 탭(635)을 갖는 인터페이스(600)를 포함하는 배터리 셀을 형성하는 방법의 예를 도시한다.
[0034] 도 7a에서, 배터리 셀의 젤리 롤 구성이 권선된다. 도 7a에 도시되는 바와 같이, (예컨대, 젤리 롤 영역에 제한되는 코팅된 알루미늄 호일들 및 분리기 호일들과는 대조적으로) 코팅된 구리 호일들(610)은 젤리 롤 영역을 지나 아래로 연장된다. 도 7b에서, 호일-통합형 연결 탭(635)은 (예컨대, 코팅된 구리 호일들(610)의 단부들을 구부림으로써) 형성된다. 도 7c에서, (호일-통합형 연결 탭(635)을 갖는) 젤리 롤 구성은 셀 캔(630)과 결합된다. 도 7d에서, 호일-통합형 연결 탭(635)(미도시)은 셀 캔(630)에 용접된다.
[0035] 도 8은 도 4a, 도 5 및/또는 도 6 중 임의의 도면에서 묘사되는 설계들과 대조되는 도 3a의 종래의 설계를 사용하여 달성가능한 열 전도율의 병렬 비교를 예시한다. 도 8에서, 배터리 셀(800)에는 냉각판(805)이 배열된다. 보다 구체적으로, 냉각판(805)은 셀 저부에서 배터리 셀(800) 아래에 배열된다. 실척으로 도시되지 않았지만, 화살표들(810 및 815)은, (예컨대, 젤리 롤 구성의 내측으로부터 셀의 저부까지의) 열적 유동이 본 개시내용(815 ─ 도 4a, 도 5 또는 도 6 중 임의의 도면)의 특정한 실시예들과 대조되는 특정한 종래의 설계들(810 ─ 도 3a)에 따라 배터리 셀(800)을 위해 달성될 수 있는 정도들을 시각적으로 묘사하도록 의도된다. 화살표들(810 내지 815)의 두께는 실척으로 도시되지 않았지만, 일반적으로 배터리 셀(800)에서의 열 전도율의 정도를 나타내는 것으로 의도된다.
[0036] 실시예들이 애노드 호일들과 셀 캔의 저부 사이의 인터페이스와의 내용에서 전술되지만, 다른 실시예들은 캐소드 호일들과 셀 캔의 최상부 사이의 유사한 인터페이스에 관한 것이다. 그러므로, 애노드 특정 맥락에서 예시되었지만, 도 4a 내지 도 8은 또한 셀 캔의 최상부에서 채택될 수 있는 캐소드 구현예를 나타낸다. 일부 설계들에서, 애노드 호일들은 셀 캔의 저부와 인터페이스하도록 젤리 롤 영역 밖으로 제1 전해질 영역으로 연장할 수 있는 반면, 캐소드 호일들은 (예컨대, 셀 캔의 저부 대신에 셀 캔의 최상부에 매핑되는 것을 제외하고, 도 4a 내지 도 8 중 어느 하나에 대해 전술되는 바와 같은 배열에서) 셀 캔의 최상부와 인터페이스하도록 젤리 롤 영역 밖으로 제2 전해질 영역으로 유사하게 연장할 수 있다. 이에 의해, 젤리 롤 영역은 셀 캔의 최상부과 저부 사이에 배열되는 "중간” 영역(또는 섹션)에 위치결정되는 것으로 특징화될 수 있다.
[0037] 본 발명의 임의의 실시예와 관련하여 본원에서 설명되는 임의의 수치 범위는, 연관된 수치 범위의 상부 경계 및 하부 경계를 규정할뿐만 아니라, 상부 경계 및 하부 경계가 특성화되는 정밀도의 레벨과 일치하는 상부 경계 및 하부 경계가 특징화되는 단위 또는 증분에서의 이러한 범위 내의 각각의 이산 값의 암시적인 개시하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 마치 사이에 있는 숫자들(8 내지 19)이 1의 단위들 또는 증분들로 명백하게 개시되었던 것과 같이, 7nm로부터 20nm까지의 수치의 거리 범위(즉, 1의 단위들 또는 증분들의 정밀도 수준)는 [7, 8, 9, 10,…, 19, 20]의 세트(nm 단위로)를 포함한다. 다른 예에서, 마치 백분의 몇(hundredths)의 단위들 또는 증분들의 30.92 내지 47.44의 사이에 있는 숫자들이 명백하게 개시되었던 것과 같이, 30.92%로부터 47.44 %까지의 수치적인 퍼센트 범위(즉, 백분의 몇의 단위들 또는 증분들의 정밀도 수준)는 [30.92, 30.93, 30.94,…, 47.43, 47.44]의 세트를 (% 단위로) 포함한다. 따라서, 임의의 개시된 수치 범위에 의해 포함된 사이에 있는 숫자들 중 임의의 숫자는, 마치 그의 사이에 있는 숫자들이 명백하게 개시되었던 것과 같이 해석되도록 의도되며, 그리고 임의의 이러한 사이에 있는 숫자는 이에 의해, 보다 넓은 범위 내부에 속하는 하위 범위의 그의 자신의 상부 경계 및/또는 하부 경계를 구성할 수 있다. 이에 의해, 각각의 하위 범위(예컨대, 상부 경계 및/또는 하부 경계로서 보다 넓은 범위로부터 적어도 하나의 사이에 있는 숫자를 포함하는 각각의 범위)는 보다 넓은 범위의 명백한 개시내용으로 인해 암시적으로 개시된 것으로 해석되도록 의도된다.
[0038] 이전의 설명은, 당업자가 본 발명의 실시예들을 만들거나 사용하는 것을 가능하게 하도록 제공된다. 그러나, 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들이 당업자에게 용이하게 명백할 것이기 때문에, 본 발명은 본 명세서에 개시된 특정한 제형들, 프로세스 단계들, 및 재료에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 즉, 본원에 규정되는 일반적인 원리들은 본 발명의 실시예들의 사상 또는 범주로부터 벗어나지 않고 다른 실시예들에 적용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 원통형 배터리 셀(cylindrical battery cell)로서,
    셀 캔(cell can);
    상기 셀 캔의 중간 섹션에 배열되는 애노드 전극 호일들, 분리기 호일들, 및 캐소드 전극 호일들의 젤리 롤 영역(jelly roll area) ─ 상기 전극 호일들 중 적어도 하나는 상기 젤리 롤 영역 밖으로 전해질 영역으로 연장함 ─ ; 및
    상기 셀 캔의 제1 단부에 열적으로 그리고 전기적으로 연결되는 연결 탭(connection tap)을 포함하며,
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나의 제1 하위세트는 상기 셀 캔의 제1 단부와 직접 접촉하는,
    원통형 배터리 셀.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나는 상기 애노드 호일들을 포함하며,
    상기 애노드 호일들은 상기 젤리 롤 영역 밖으로 상기 셀 캔의 하부 섹션으로 연장하고,
    상기 연결 탭은 상기 하부 섹션에 배열되며, 그리고
    상기 셀 캔의 제1 단부는 상기 셀 캔의 저부에 대응할 수 있는,
    원통형 배터리 셀.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 하부세트의 애노드 호일들 중의 각각의 애노드 호일을 위해, 상기 셀 캔의 하부 섹션에서의 상기 애노드 호일의 개개의 일부는 상기 셀 캔에 스프링 장력을 가하도록 스프링-로딩되는(spring-loaded),
    원통형 배터리 셀.
  4. 제2 항에 있어서,
    제2 하부세트의 상기 애노드 호일들은 상기 연결 탭과 직접 접촉하는,
    원통형 배터리 셀.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 하부세트의 애노드 호일들 중의 각각의 애노드 호일을 위해, 상기 셀 캔의 하부 섹션에서의 상기 애노드 호일의 개개의 일부는 상기 연결 탭에 스프링 장력을 가하도록 스프링-로딩되는,
    원통형 배터리 셀.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 애노드 호일들은 구리를 포함하며, 그리고
    상기 캐소드 호일들은 알루미늄을 포함하는,
    원통형 배터리 셀.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 하부세트의 애노드 호일들은 적어도 상기 셀 캔의 저부에 열적으로 커플링되는,
    원통형 배터리 셀.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 하부세트의 애노드 호일들은 상기 셀 캔의 저부에 열적으로뿐만 아니라 전기적으로 커플링되는,
    원통형 배터리 셀.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나는 상기 캐소드 호일들을 포함하며,
    상기 캐소드 호일들은 상기 젤리 롤 영역 밖으로 상기 셀 캔의 최상부 섹션으로 연장하고,
    상기 연결 탭은 최상부 섹션에 배열되며, 그리고
    상기 셀 캔의 제1 단부는 상기 셀 캔의 최상부에 대응할 수 있는,
    원통형 배터리 셀.
  10. 원통형 배터리 셀로서,
    상기 원통형 배터리 셀은,
    셀 캔;
    상기 셀 캔의 중간 섹션에 배열되는 애노드 전극 호일들, 분리기 호일들, 및 캐소드 전극 호일들의 젤리 롤 영역 ─ 상기 전극 호일들 중 적어도 하나는 상기 젤리 롤 영역 밖으로 전해질 영역으로 연장함 ─ ; 및
    상기 셀 캔의 제1 단부에 열적으로 그리고 전기적으로 연결되는 복수의 연결 탭들을 포함하며,
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나의 제1 하위세트는 상기 복수의 연결 탭들 중 제1 연결 탭과 직접 접촉하며, 그리고
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나의 제2 하위세트는 상기 복수의 연결 탭들 중 제2 연결 탭과 직접 접촉하는,
    원통형 배터리 셀.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나는 상기 애노드 호일들을 포함하며,
    상기 애노드 호일들은 상기 젤리 롤 영역 밖으로 상기 셀 캔의 하부 섹션으로 연장하고,
    상기 복수의 연결 탭들은 상기 하부 섹션에 배열되며, 그리고
    상기 셀 캔의 제1 단부는 상기 셀 캔의 저부에 대응할 수 있는,
    원통형 배터리 셀.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 하부세트들의 애노드 호일들 중의 각각의 애노드 호일을 위해, 상기 셀 캔의 하부 섹션에서의 상기 애노드 호일의 개개의 일부는 개개의 연결 탭에 스프링 장력을 가하도록 스프링-로딩되는,
    원통형 배터리 셀.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 애노드 호일들은 구리를 포함하며, 그리고
    상기 캐소드 호일들은 알루미늄을 포함하는,
    원통형 배터리 셀.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나는 상기 캐소드 호일들을 포함하며,
    상기 캐소드 호일들은 상기 젤리 롤 영역 밖으로 상기 셀 캔의 최상부 섹션으로 연장하고,
    상기 복수의 연결 탭들은 상기 최상부 섹션에 배열되며, 그리고
    상기 셀 캔의 제1 단부는 상기 셀 캔의 최상부에 대응할 수 있는,
    원통형 배터리 셀.
  15. 원통형 배터리 셀로서,
    셀 캔; 및
    상기 셀 캔의 중간 섹션에 배열되는 애노드 전극 호일들, 분리기 호일들, 및 캐소드 전극 호일들의 젤리 롤 영역을 포함하며,
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나는 상기 젤리 롤 영역 밖으로 전해질 영역으로 연장하는 부분들을 포함하며,
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나의 연장된 부분들은, 상기 셀 캔의 제1 단부에 열적으로 그리고 전기적으로 연결되는 호일-통합형 연결 탭으로서 기능하도록 구부러지고 그리고 적층되는,
    원통형 배터리 셀.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나는 상기 애노드 호일들을 포함하며,
    상기 애노드 호일들은 상기 젤리 롤 영역 밖으로 상기 셀 캔의 하부 섹션으로 연장하고, 그리고
    상기 셀 캔의 제1 단부는 상기 셀 캔의 저부에 대응할 수 있는,
    원통형 배터리 셀.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 애노드 호일들은 구리를 포함하며, 그리고
    상기 캐소드 호일들은 알루미늄을 포함하는,
    원통형 배터리 셀.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 전극 호일들 중 적어도 하나는 상기 캐소드 호일들을 포함하며,
    상기 캐소드 호일들은 상기 젤리 롤 영역 밖으로 상기 셀 캔의 최상부 섹션으로 연장하고, 그리고
    상기 셀 캔의 제1 단부는 상기 셀 캔의 최상부에 대응할 수 있는,
    원통형 배터리 셀.
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