KR20220013567A - 전기화학적 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전기화학적 전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전기화학적 전지(100)는 애노드(115), 적어도 하나의 분리막(116, 117) 및 캐소드(118)를 갖는 전극-분리막 복합체(101)를 포함한다. 애노드(115) 및 캐소드(118) 각각은 적어도 하나의 금속으로 구성되며 전극 활물질의 적어도 하나의 층(115b, 118b)이 적재된 표면을 갖는 집전체(115a, 118a)를 포함한다. 집전체(115a, 118a)의 표면은 전극 활물질이 적재되지 않은 적어도 하나의 클리어 영역(115c, 118c)을 포함한다. 대신, 이들은 코팅되는 표면보다 높은 열 안정성을 갖는 지지 물질(119)로 적어도 하나의 클리어 영역(115c, 118c)에서 코팅된다. 셀(100)의 제작에서, 지지 물질(119)은 전극-분리막 복합체(101)의 제조 전 또는 후에 적어도 하나의 클리어 영역(115c, 118c)에서 도포되거나 형성될 수 있다.

Description

전기화학적 전지 및 이의 제조 방법
본 발명은 애노드, 적어도 하나의 분리막, 및 캐소드를 포함하는, 전극-분리막 복합부를 갖는 전기화학적 전지와 관련된다.
이러한 유형의 전지의 원리는 DE 10 2009 060 800 A1에 잘 공지되어 있다. 이 독일 특허 출원은 원통형 금속 하우징으로 삽입되는 전극-분리막 복합부의 원통형 권선을 기재한다. 활 전극 물질로 만들어진 집전체를 이용해 전극드링 전기적으로 접촉된다. 집전체는 각각 개별 전류 전도체로서 기능하고 전류 전도체를 하우징에 전기적으로 연결하는 금속 포일에 용접된다.
DE 10 2009 060 800 A1에 기재된 절차는 전극의 전기 접촉 연결에 효율적이며 저렴하다. 그러나 특정 적용분야에서는 바람직하지 않다. 한가지 문제는, 예를 들어, 금속 포일을 통한 전극의 전기적 연결이라는 것이다. 이러한 방식으로 연결된 전극에 의해 높은 전류가 짧은 시간 내에 저장되거나 방출될 경우, 금속 포일이 매우 크게 가열된다.
WO 2017/215900 A1은 전극-분리막 복합체 및 이의 전극이 스트립 형태이고 권선 또는 스택의 형태를 취하는 일반적인 유형의 전기화학적 전지를 개시한다. 각각의 전극이 전극 물질이 실린 집전체를 가진다. 반대 극성의 전극이 전극-분리막 복합체 내에서 서로 오프셋되어 배열되며, 양극의 집전체의 종방향 에지가 권선 또는 스택의 하나의 측부에서 돌출되고, 음극의 집전체의 종방향 에지가 다른 측부에서 돌출된다. 집전체는 선형 접속 구역을 도출하기 위해 종방향 에지들 중 하나와 인접하는 적어도 하나의 접속 플레이트를 갖는 전지에 의해 전기적으로 접촉된다. 접속 플레이트는 선형 접속 구역을 따라 종방향 에지에 용접됨으로써 접합된다. 이로 인해 집전체 및 따라서 이의 전체 길이를 따라 대응하는 전극과 전기적으로 접속하는 것이 가능하다. 이는 기재된 전지 내 내부 저항을 매우 눈에 띄게 낮춘다. 따라서 큰 전류의 발생이, 예를 들어, DE 10 2009 060 800 A1에서 공지된 전지에 의한 것보다 훨씬 잘 다뤄질 수 있다.
그러나 WO 2017/215900 A1에 기재된 전지가 갖는 문제는 종방향 에지와 접속 플레이트를 서로 용접하는 것이 매우 어렵다는 것이다. 접속 플레이트와 관련하여, 전극의 집전체의 두께가 매우 작다. 따라서 집전체의 에지 영역은 극도록 기계적으로 민감하고 용접 작업 동안 의도치 않게 눌리거나 융해될 수 있다. 또한, 접속 플레이트가 용접되는 동안 전극-분리막 복합체의 분리막의 융해가 있을 수 있다. 극단적인 경우, 이는 단락을 초래할 수 있다.
종래 기술에 비교해서 개선된 전류 내구성뿐 아니라 개선된 생산성까지 특징으로 하는 일반적인 유형의 전기화학적 전지를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
이 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 청구항 1의 특징을 갖는 전기화학적 전지 및 청구항 13의 특징을 갖는 방법을 제안한다. 본 발명의 구체 형태는 종속청구항에 기재되어 있다. 모든 청구항의 기재는 참조로서 포함된다.
본 발명의 전기화학전 전지는 항상 다음의 특징 a-d를 가진다:
a.상기 전지는 애노드, 적어도 하나의 분리막 및 캐소드를 갖는 전극-분리막 복합체를 포함하며,
b.애노드는 적어도 하나의 금속으로 구성되며 음극 활물질의 적어도 하나의 층이 적재된 표면을 갖는 애노드 집전체를 포함하며,
c.캐소드는 적어도 하나의 금속으로 구성되며 양극 활물질의 적어도 하나의 층이 적재된 표면을 갖는 캐소드 집전체를 포함하고,
d.애노드 집전체의 표면 및 캐소드 집전체의 표면 중 적어도 하나는 각자의 전극 활물질이 적재되지 않은 적어도 하나의 클리어 영역을 포함한다.
전지는 특히 다음의 특징을 가진다:
e.적어도 하나의 클리어 영역에서 애노드 집전체의 표면 및 캐소드 집전체의 표면 중 적어도 하나가 표면보다 높은 열 안정성의 지지 물질로 코팅된다.
본 명세서에서의 "더 높은 열 안정성"의 의미는 지지 물질이 표면이 융해되는 온도에서 고체 상태로 유지됨을 의미한다. 따라서 표면보다 더 높은 융해점을 갖거나 표면이 이미 융해된 온도까지 분해되지 않는다.
바람직하게는, 애노드 집전체의 표면 및 캐소드 집전체의 표면 모두는 각자의 전극 활물질이 적재되지 않은 클리어 영역을 가진다. 하나의 형태에서, 애노드 집전체의 표면 상의 클리어 영역과 캐소드 집전체의 표면 상의 클리어 영역 모두는 지지 물질로 코팅되는 것이 바람직하다. 각각의 영역에 대해 동일한 지지 물질을 이용하는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 전지는 이차 전지, 즉, 재충전 가능한 전지인 것이 바람직하다. 따라서 본 발명의 전지에 대한 유용한 전극 활물질은 이차 전기화학적 전지에서 사용될 수 있는 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
더 바람직하게는, 전기화학적 전지는 리튬 이온 전지이다. 이 경우 유용한 전극 활물질이 리튬 이온을 흡수하고 리륨 이온을 다시 방출할 수 있는 모든 물질이다. 예를 들어, 음극 활물질은 탄소계 물질, 가령, 흑연 탄소 또는 리튬 이온의 인터칼레이션을 할 수 있는 또 다른 물질일 수 있다. 또한 음극 물질로서 리튬과 금속간 상을 형성할 수 있는 금속 및 반금속, 예를 들어 실리콘을 특히 리튬 이온의 인터칼레이션을 할 수 있는 탄소계 물질과의 혼합물로 사용하는 것이 가능하다. 유용한 양극 활물질의 예는 리튬-금속 옥사이드 화합물 및 리튬-금속 포스페이트 화합물, 가령, LiCoO2 및 LiFePO4을 포함한다. 추가로 적절한 물질은 NMC(리튬 니켈 망간 코발트 산화물), LTO(리튬 티타네이트) 및 NCA(리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드)에 기반한 것들을 포함한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 본 발명의 전지는 음극 측 상에 전극 활물질로서 수소 저장 합금을 갖는 니켈 금속 히드라이드 전지 및 양극 측 상에 니켈 히드록사이드/니켈 옥시히드록사이드일 수 있다.
또한, 본 발명의 전지의 전극은 WO 2016/005529 A1 및 WO 2016/005528 A2에 기재된 시스템의 전극과 같이 설계될 수 있다. 이들 간행물은 양극이 니켈 옥시히드록사이드/니켈 히드록사이드 기반 전극 활물질을 포함하고, 음극이 전극 활물질로서 활성화된 칸소 및 수소 저장 합금의 혼합물 또는 금속 및/또는 산화된 형태로의 활성화된 탄소 및 철의 혼합물을 포함하는 시스템을 설명한다.
언급된 모든 경우에, 양극 측부 및 음극 측부 모두 상의 전극 활물질은 바람직하게는 미립자 형태이다
전극 활물질 및 집전체 뿐만 아니라, 본 발명의 전지의 전극은 또한 추가 성분을 가질 수 있다. 특히, 이들은 일반적으로 전극 바인더 및 전도체이다. 전극 바인더는 전극의 기계적 안정성을 보장하고 전극 활물질 입자가 서로 그리고 집전체에 전기적 및 기계적을 접속되는 것을 보장한다. 전도체, 가령, 카본 블랙이 전극의 전기 전도율을 증가시키는 역할을 한다.
일반적으로, 전극-분리막 복합체는 전극이 침지되고 전지의 충방전 시에 발생하는 전지의 전극들 사이의 이온 전류를 보장하는 전해질을 포함한다. 리튬 이온 배터리의 경우, 사용되는 전해질은 일반적으로 전도성 리튬 염을 함유하는 유기 카보네이트의 혼합물이다. 니켈 금속 히드라이드 전지 및 WO 2016/005529 A1 및 WO 2016/005528 A2에 기재된 전지의 경우, 사용되는 전해질은 바람직하게는 알칼리 수용액이다.
적어도 하나의 분리막이 반대 극성의 전극들 사이의 직접적인 접속을 방지하는 역할을 한다. 동시에, 충전 및 방전 작업 과정에서 전극들 간에 왕래하는 이온이 침투할 수 있어야 한다. 본 발명의 전지의 전극-분리막 복합체를 위한 유용한 분리막은 특히 다공성 폴리머 필름, 예를 들어 폴리올레핀 또는 폴리에테르 케톤으로 제조된 분리막을 포함한다. 이러한 물질로 만든 부직물(nonwovens) 및 직조물(weaves)을 사용할 수 있다.
일반적으로, 전극-분리막 복합체는 양극/분리막/음극의 순서로 전극 및 하나 이상의 분리막을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 복합체는 예를 들어 음극/제1 분리막/양극/제2 분리막 또는 양극/제1 분리막/음극/제2 분리막의 가능한 순서를 갖는 2개의 분리막의 형태를 가진다.
일부 실시예에서, 전극-분리막 복합체는 또한 하나보다 많은 양극 또는 하나보다 많은 음극을 가질 수 있다. 예를 들어, 복합체는 음극/제1 분리막/양극/제2 분리막/음극의 순서 또는 양극/제1 분리막/음극/제2 분리막/양극의 순서를 가질 수 있다.
복합체 내에서, 전극 및 분리막은 바람직하게는 라미네이트 및/또는 접착적 본딩을 통해 서로 연결된다.
전극의 집전체는 최대 면적에 걸쳐 전극 활물질과 전기적으로 접속하는 역할을 한다.
보다 바람직하게는, 본 발명의 전지의 집전체 및 따라서 또한 본 발명의 전지 자체는 다음의 추가 특징 a 내지 f 중 적어도 하나를 가진다:
a.애노드 집전체의 표면을 구성하는 적어도 하나의 금속은 구리, 구리 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 니켈, 니켈 합금 및 스테인리스 강으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고,
b.애노드 집전체는 적어도 하나의 금속으로 구성되며,
c.애노드 집전체는 금속 포일, 금속 스폰지, 직물 섬유 또는 익스팬디드 금속(expanded metal)이고,
d.캐소드 집전체의 표면을 구성하는 적어도 하나의 금속은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 티타늄 합금 및 스테인리스 강으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고,
e.캐소드 집전체는 적어도 하나의 금속으로 구성되며,
f.캐소드 집전체는 금속 포일, 금속 스폰지, 직물 섬유 또는 익스팬디드 금속(expanded metal)이다.
바람직한 실시예에서, 상기의 특징 a 내지 c가 서로 조합되어 동시에 구현된다. 추가의 바람직한 실시예에서, 상기의 특징 d 내지 f가 서로 조합되어 동시에 구현된다. 바람직한 실시예에서, 상기의 특징 a 내지 f가 서로 조합되어 동시에 구현된다.
보다 바람직하게는, 애노드 집전체는 구리 또는 구리 합금으로 이루어지고, 캐소드 집전체는 동시에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진다.
그러나 전체적으로 적어도 하나의 금속으로 구성되는 집전체뿐 아니라, 적어도 하나의 금속으로 구성된 표면이 비금속 구조, 가령, 유리 또는 플라스틱의 필라멘트로 구성된 직물 섬유를 둘러 싸는 집전체를 이용하는 것이 가능하다. 여기서 "직물 섬유(textile fabric)"라는 용어는 특히 부직물, 직조물, 메쉬 및 편물을 의미한다.
특히 바람직한 실시예에서, 캐소드 집전체는 바람직하게는 5 μm 내지 30 μm범위의 두께를 갖는 알루미늄 포일로 이루어진다. 더 바람직하게는, 애노드 집전체는 구리 포일, 바람직하게는, 5 μm 내지 15 μm 범위의 두께를 갖는 구리 포일, 또는 니켈 포일, 바람직하게는 3 μm 내지 10 μm 범위의 두께를 갖는 니켈 포일로 이루어진다.
특히 바람직하게는, 본 발명의 전지의 집전체 및 따라서 또한 본 발명의 전지 자체는 다음의 추가 특징 a 내지 d 중 적어도 하나를 가진다:
a.애노드 집전체는 적어도 하나의 에지에 의해 서로 분리된 두 개의 편평한 측부를 갖고,
b.애노드 집전체의 두 개의 편평한 측부 상에 음극 활물질의 적어도 하나의 층이 적재되며,
c.애노드 집전체의 표면은 지지 물질로 코팅되며 두 개의 편평한 측부 상ㅇ의 두 개의 서브영역으로 분할되는 클리어 영역을 포함하고,
d.애노드 집전체의 두 개의 서브영역은 지지 물질로 코팅된다.
더 바람직하게는, 상기의 특징 a 내지 d가 서로 조합되어 동시에 구현된다.
특히 바람직하게는, 본 발명의 전지의 집전체 및 따라서 또한 본 발명의 전지 자체는 다음의 추가 특징 a 내지 d 중 적어도 하나를 가진다:
a.캐소드 집전체는 적어도 하나의 에지에 의해 서로 분리된 두 개의 편평한 측부를 갖고,
b.캐소드 집전체의 두 개의 편평한 측부 상에 양극 활물질의 적어도 하나의 층이 적재되며,
c.캐소드 집전체의 표면은 지지 물질로 코팅되며 두 개의 편평한 측부 상ㅇ의 두 개의 서브영역으로 분할되는 클리어 영역을 포함하고,
d.캐소드 집전체의 두 개의 서브영역은 지지 물질로 코팅된다.
더 바람직하게는, 상기의 특징 a 내지 d가 서로 조합되어 동시에 구현된다.
클리어 영역(clear region) 또는 서브영역이 지지 물질로 완전히 또는 부분적으로 코팅된다. 대조적으로, 편평한 측부 및 따라서 두 개의 서브영역을 서로 분리하는 적어도 하나의 에지는 지지 물질로 코팅되지 않는 것이 바람직하다.
하나의 형태에서, 캐소드 집전체 및 애노드 집전체 모두는 상기 편평한 측부와, 두 개의 서브영역으로 분할되는, 지지 물질로 코팅되는 클리어 영역을 가진다. 이는 사용되는 캐소드 집전체 및 애노드 집전체가 각각 포일 또는 언급된 기재들 중 다른 것, 예를 들어 언급된 직물 섬유인 경우에 특히 그렇다. 이러한 기판의 경우, 집전체의 표면적은 본질적으로 두 개의 편평한 측부의 면적에 대응한다. 적어도 하나의 에지는 표면의 정량적 등록에서 무시될 수준일 수 있다. 언급된 기판의 두께가 낮기 때문에, 일반적으로 집전체 표면의 관련 비율을 고려하지 않는다.
보다 바람직하게는, 캐소드 집전체 상의 두 개의 서브영역 및 애노드 집전체 상의 두 개의 서브영역 모두가 지지 물질로 코팅된다.
보다 바람직하게는, 애노드 집전체의 표면 및/또는 캐소드 집전체의 표면 상의 적어도 하나의 클리어 영역만이 지지 물질로 코팅되는 것은 아니다. 대신에, 양극 및 음극 물질의 층이 동시에 지지 물질로 코팅되는 것이 바람직할 수 있다. 처리상의 이유로, 지지 물질이 적어도 하나의 클리어 영역에 도포되는 경우, 다른 경우라면 이들 층을 마스킹하는 것이 필요할 수 있기 때문에 지지 물질을 전극 물질의 층까지 도포하는 것이 더 간단하다.
본 발명의 맥락에서 사용가능한 지지 물질은 원칙적으로 지지 물질로 코팅된 표면이 구성되는 금속보다 더 높은 융점을 가진다면 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 그러나, 많은 실시예에서, 본 발명의 전지는 바람직하게는 다음의 추가 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나를 가진다:
a.지지 물질은 비금속 물질이고,
b.비금속 물질은 세라믹 물질, 유리-세라믹 물질 또는 유리이며,
c.세라믹 물질은 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 또는 티타늄 옥사이드(TiO2), 티타늄 니트라이드(TiN), 티타늄 알루미늄 니트라이드(TiAlN) 또는 티타늄 카보니트라이드(TiCN)이다.
본 명세서에서 "세라믹 물질"이라는 용어는 광범위하게 해석되어야 한다. 이는 특히 카바이드, 니트라이드, 옥사이드, 실리사이드 또는 이들의 혼합물 및 유도물을 의미하는 것으로 이해된다. 본 발명에 따르면, 지지 물질은 보다 바람직하게는 상기 특징 c에 따른 형태를 취한다.
"유리-세라믹 물질"이라는 용어는 특히 비정질 유리 상에 매립된 결정질 입자를 포함하는 물질을 의미한다.
"유리"라는 용어는 원칙적으로 앞서 정의된 열 안정성 기준을 충족하고 전지에 존재하는 모든 전해질에 화학적으로 안정한 모든 무기 유리를 의미한다.
보다 바람직하게는, 애노드 집전체는 구리 또는 구리 합금으로 이루어지고, 캐소드 집전체는 동시에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 지지 물질은 알루미늄 옥사이드 또는 티타늄 옥사이드이다.
본 발명의 전지의 특히 바람직한 첫 번째 변형에서, 이는 이하의 추가 특징들 a 내지 g 중 적어도 하나를 가진다:
a.전극-분리막 복합체는 두 개의 단부면을 갖는 권선의 형태를 가지며,
b.전극-분리막 복합체 및 상기 복합체에 포함되는 적어도 하나의 분리막, 상기 복합체에 포함되는 전극, 애노드 집전체 및 캐소드 집전체는 스트립(strip) 형태를 가지며 각각 두 개의 종방향 에지를 갖고,
c.전극-분리막 복합체의 두 개의 단부면은 적어도 하나의 분리막의 종방향 에지에 의해 형성되며,
d.애노드 집전체의 표면 및 캐소드 집전체의 표면 모두는 전극 활물질이 적재되지 않은 클리어 영역을 포함하고,
e.애노드 집전체의 표면 상의 클리어 영역은 두 개의 종방향 에지 중 하나를 따르는 스트립 형태의 에지 영역이고,
e.캐소드 집전체의 표면 상의 클리어 영역은 두 개의 종방향 에지 중 하나를 따르는 스트립 형태의 에지 영역이고,
g.스트립 형태의 애노드 및 스트립 형태의 캐소드는 전극-분리막 복합체 내에서 서로 오프셋되어 배열되어,
· 애노드 집전체의 종방향 에지는 애노드 집전체의 클리어 영역과 함께 두 개의 단부면 중 하나로부터 돌출되고,
· 캐소드 집전체의 종방향 에지는 캐소드 집전체의 클리어 영역과 함께 두 개의 단부면 중 다른 하나로부터 돌출된다.
바람직하게는, 상기의 특징 a 내지 g가 서로 조합되어 동시에 구현된다.
전극-분리막 복합체의 이러한 권취 구성의 경우에도, 집전체는 바람직하게는 2개의 편평한 측부를 갖고 바람직하게는 각자의 전극 물질의 층이 각각의 측부에 적재되어 있다. 더 바람직하게는, 애노드 집전체 표면 상의 에지 영역 및 캐소드 집전체 표면 상의 에지 영역 모두가 각자의 종방향 에지에 의해 분할되며 종방향 에지를 따라 이들은 각각 스트립 형태의 2개의 서브영역으로 뻗어 있으며, 이들 모두 지지 물질에 의해 코팅된다. 더 바람직하게는, 서브영역은 각각 지지 물질의 스트립으로 코팅된다. 따라서, 그 경우의 집전체는 두 측부 모두 상의 각자의 전극 물질을 적재할 뿐 아니라 두 측부 모두 상에 지지 물질로도 코팅된다. 종방향 에지는 바람직하게는 지지 물질로 코팅되지 않는다.
전극-분리막 복합체의 제작에서, 돌출부는 단락의 위험을 증가시킬 수 있기 때문에 일반적으로 반대 극성의 집전체의 한 측부에 돌출부가 없는 방식으로 전극과 집전체를 서로 결합하는 것이 보장된다. 그러나 기재되 오프셋 배열의 경우 반대 극성의 집전체가 권선의 서로 반대쪽 끝면에서 돌출되기 때문에 단락 위험이 최소화된다.
권선은 바람직하게는 30mm 내지 100mm 범위의 최대 높이 및 10mm 내지 45mm 범위의 최대 직경을 가진다.
스트립 형태의 애노드 및 캐소드 집전체는 바람직하게는 50 mm 내지 300 cm 범위의 길이, 30 mm 내지 100 mm 범위의 폭 및 30 μm 내지 200 μm 범위의 두께를 가진다.
스트립 형태의 에지 영역 및 스트립 형태의 서브영역은 바람직하게는 0.5mm 내지 5mm 범위의 폭을 가진다.
바람직한 실시예에서, 권선은 원통형 권선이다. 다른 실시예에서, 권선은 대안적으로 각주 평면 권선일 수 있다. 잘 알려진 바와 같이, 각주형 편평 권선의 구조는 원통형 권선의 구조와 유사하다. 그러나, 편평한 권선의 제작을 위한 전극-분리막 복합체는 축을 중심으로 나선형이 아니라 편평한 방식으로 권취되어, 편평한 권선을 제공하도록 가공된 복합체가 편평한 권선 내 적층 방식으로 서로 상하로 놓이는 편평한 만곡되지 않은 섹션을 포함한다.
본 발명의 전지의 특히 바람직한 두 번째 변형에서, 이는 이하의 추가 특징들 a 내지 e 중 적어도 하나를 가진다:
a.전극-분리막 복합체는, 적어도 하나의 추가 동일한 전극-분리막 복합체와 함께, 적어도 두 개의 전극-분리막 복합체가 상하로 적층되는 스택의 일부가 되며,
b.적어도 두 개의 전극-분리막 복합체 및 이들의 애노드, 캐소드, 및 분리막, 그리고 따라서 이들의 애노드 집전체 및 캐소드 집전체 각각은 적어도 하나의 종방향 에지를 가지며,
c.각각의 애노드 집전체는 종방향 에지 또는 종방향 에지 중 하나를 따르는 클리어 영역, 특히, 스트립 형태의 에지 영역의 형태로 된 클리어 영역을 가지며,
d.각각의 캐소드 집전체는 종방향 에지 또는 종방향 에지 중 하나를 따르는 클리어 영역, 특히, 스트립 형태의 에지 영역의 형태로 된 클리어 영역을 가지며,
e.적어도 두 개의 전극-분리막 복합체의 애노드 및 캐소드는 스택 내에서 그리고 따라서 복합제 내에서 서로 오프셋되어 배열되어,
· 애노드 집전체의 클리어 영역은 스택의 하나의 측부 상에서 겹치고,
· 캐소드 집전체의 클리어 영역은 스택의 또 다른 측부 상에서 겹친다.
바람직하게는, 상기의 특징 a 내지 e가 서로 조합되어 동시에 구현된다.
이러한 스택 형태 구성에서, 집전체는 바람직하게는 2개의 편평한 측부를 갖고 바람직하게는 각자의 전극 물질의 층이 각각의 측부에 적재되어 있다. 더 바람직하게는, 애노드 집전체 표면 상의 에지 영역 및 캐소드 집전체 표면 상의 에지 영역 모두가 각자의 종방향 에지에 의해 분할되며 종방향 에지를 따라 이들은 각각 스트립 형태의 2개의 서브영역으로 뻗어 있으며, 이들 모두 지지 물질에 의해 코팅된다. 더 바람직하게는, 서브영역은 각각 지지 물질의 스트립으로 코팅된다. 따라서, 그 경우의 집전체는 두 측부 모두 상의 각자의 전극 물질을 적재할 뿐 아니라 두 측부 모두 상에 지지 물질로도 코팅된다. 종방향 에지는 바람직하게는 지지 물질로 코팅되지 않는다.
스택은 바람직하게는 5mm 내지 20mm 범위의 최대 높이를 가진다.
애노드 및 캐소드 집전체는 전극과 마찬가지로 직사각형 형태인 것이 바람직하다. 이들은 보다 바람직하게는 100mm 내지 300mm 범위의 길이, 50mm 내지 150mm 범위의 폭 및 50μm 내지 250μm 범위의 두께를 가진다.
스트립 형태의 에지 영역 및 스트립 형태의 서브영역은 바람직하게는 0.5mm 내지 5mm 범위의 폭을 가진다.
본 발명의 전지는 바람직하게는 다음의 추가 특징들 a 내지 d 중 적어도 하나를 가진다:
a.지지 물질에 의한 적어도 하나의 클리어 영역의 코팅은 0.015 내지 1.0 mm, 바람직하게는 0.05 내지 0.2 mm의 두께를 갖고,
b.애노드 집전체 상의 음극 물질의 적어도 하나의 층은 0.03 내지 1.0 mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.2 mm의 두께를 가지며,
c.캐소드 집전체 상의 양극 물질의 적어도 하나의 층은 0.03 내지 1.0 mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.2　mm의 두께를 갖고,
d.애노드 집전체 또는 캐소드 집전체 상의 지지 물질에 의한 코팅의 두께는 그 위에 존재하는 전극 물질의 층의 두께의 1% 내지 100%이다.
바람직하게는, 상기의 특징 a 내지 d가 서로 조합되어 동시에 구현된다.
하나의 형태에서, 애노드 집전체 또는 캐소드 집전체 상의 지지 물질에 의한 코팅의 두께는 그 위에 존재하는 전극 물질의 층의 두께의 5% 내지 50%, 더 바람직하게는, 2% 내지 25%이다.
본 발명의 전지는 바람직하게는 다음의 추가 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나를 가진다:
a.애노드 집전체 및 캐소드 집전체는 청구항 3 및 4에 따라 설계되는데, 즉, 이들은 두 개의 편평한 측부 측부와 지지 물질로 코팅되며 두 개의 서브영역으로 분할되는 클리어 영역을 갖고,
b.전지는 애노드 집전체의 에지 상에 용접되는 제1 전기 전도체를 포함하고,
c.전지는 캐소드 집전체의 에지 상에 용접되는 제2 전기 전도체를 포함한다.
바람직하게는, 상기의 특징 a 내지 d가 서로 조합되어 동시에 구현된다.
전기 전도체는 특히 레이저 용접 또는 TIG 용접(텅스텐-비활성 가스 용접)을 통해 용접될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 전지는 다음의 추가 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나를 가진다:
a.전지는 청구항 6에 따라 설계되는데, 즉두 개의 단부면을 갖는 권선의 형태로 된 전극-분리막 복합체 및 각각 두 개의 종방향 에지를 갖는 스트립 형태의 애노드 집전체 및 스트립 형태로 된 캐소드 집전체를 가진다.
b.제1 전기 전도체가 스트립의 형태로 애노드 집전체의 종방향 에지 상에 용접되며, 상기 스트립을 따라 애노드 집전체의 클리어 영역이 뻗어 있고,
c.제2 전기 전도체가 스트립의 형태로 캐소드 집전체의 종방향 에지 상에 용접되며, 상기 스트립을 따라 캐소드 집전체의 클리어 영역이 뻗어 있고,
바람직하게는, 상기의 특징 a 내지 c가 서로 조합되어 동시에 구현된다.
특징 a 내지 c에 따른 바람직한 실시예의 형태에서, 본 발명의 전지는 이하의 특징 a 내지 d 중 적어도 하나을 더 가진다:
a.제1 전기 전도체는 금속 접속 플레이트이고,
b.제2 전기 전도체는 금속 접속 플레이트이고,
c.제1 금속 접속 플레이트는 접속 플레이트가 용접되는 종방향 에지가 돌출되는 권선의 단부면에 대해 편평하게 놓이며,
d.제2 금속 접속 플레이트는 접속 플레이트가 용접되는 종방향 에지가 돌출되는 권선의 단부면에 대해 편평하게 놓인다.
바람직하게는, 상기의 특징 a 내지 d가 서로 조합되어 동시에 구현된다.
본 발명의 전지의 이러한 형태에서, 오프셋 배열로 인한 집전체의 남는 부분은 접속 플레이트에 의해 넓은 영역에 걸쳐 접촉함으로써 이용된다. 접속 플레이트에 의해, 집전체와 전기적으로 접촉하는 것이 가능하고, 따라서 전체 길이에 걸쳐 대응하는 전극과도 접속할 수 있다. 이는 권선의 단부면에 평평하게 놓이면 선형 접촉 영역이 생성되기 때문이다. 예를 들어, 본 발명의 형태에서, 전극-분리막 복합체가 나선형 권선 형태인 경우, 권선의 단부면에서 돌출된 양극 집전체 및 음극 집전체의 종방향 에지가 마찬가지로 나선형을 가진다. 그런 다음 접속 플레이트가 종방향 에지에 용접되는 선형 접속 구역에 대해서도 유사하다.
바람직하게는, 접속 플레이트는 선형 접속 구역을 따라 종방향 에지에 의해 용접에 의해 접합된다. WO 2017/215900 A1에 기술된 바와 같이, 이러한 구성은 많은 전류 발생을 처리하는 데 탁월할 수 있다.
접속 플레이트는 차례로 본 발명의 전지의 극, 예를 들어 양극 및 음극 하우징 극에 연결될 수 있다.
길이 방향접속 플레이트는 적어도 하나의 용접 이음매를 통해 또는 다수의 용접 지점을 통해 선형 접속 구역을 따라 종방향 에지에 연결될 수 있다.더 바람직하게는, 종방향 에지는 전체 길이에 걸쳐 용접 이음매에 의해 연속적으로 접속 플레이트에 각각 연결된 하나 이상의 섹션을 포함한다. 종방향 에지는 선택적으로 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 접속 플레이트에 용접된다.
종방향 에지에 대한 접속 플레이트의 용접은 처음에 언급된 문제, 즉 의도하지 않은 집전 장치의 모서리 영역이 눌리거나 녹는 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 문제는 지지 물질에 의해 보상된다. 집전체의 에지를 기계적으로 지지하고, 특히 집전체의 두 측부가 지지 물질로 코팅된 경우 에지가 융해되는 것이 방지된다. 또한, 지지 물질은 서두에서 언급한 전극-분리막 복합체의 분리막 융해로 인한 단락을 방지한다. 지지 물질은 이로 코팅되는 클리어 영역을 전기적으로 절연시킨다. 따라서 바람직한 실시예에서 전기적으로 절연된다.
접속 플레이트는 바람직하게는 200 μm 내지 1000 μm, 바람직하게는 400 내지 500 μm 범위의 두께를 갖는 금속 플레이트이다. 이들은 바람직하게는 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 스테인리스 강 또는 니켈 도금 강으로 구성된다. 이들은 바람직하게는 이들이 용접되는 집전체와 동일한 물질로 구성된다.
접속 플레이트는 각각 적어도 하나의 슬롯 및/또는 적어도 하나의 천공을 갖는 것이 바람직하다. 슬롯 및/또는 천공은 용접 작업 시 접속 플레이트가 휘지 않도록 한다. 또한, 접속 플레이트가 권취되거나 적층된 전극-분리막 복합체로 전해질의 침투를 방지하지 않음이 보장된다.
바람직한 실시예에서, 접속 플레이트는 디스크 형태, 특히 원형 또는 적어도 대략 원형 디스크 형태이다. 그 경우에, 이들은 따라서 외부 원형 또는 적어도 대략 원형의 디스크 에지를 가진다. 대략적인 원형 디스크는 특히 적어도 하나의 원 세그먼트가 제거된, 바람직하게는 2 내지 4개의 원 세그먼트가 제거된 원 모양을 갖는 디스크를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 접속 플레이트는 또한 다각형, 바람직하게는 정다각형, 특히 4 내지 10개의 꼭지점 및 변을 갖는 정다각형의 형상을 가질 수 있다.
특히 리튬 이온 전지로서의 실시예에서, 본 발명의 전지는 바람직하게는 원통형 원형 전지로 구성된다. 그 경우, 전지로 구성된 권선의 전극-분리막 복합체를 포함하는 원통형 하우징을 포함한다. 원통형 원형 전지는 직경보다 높이가 더 크다. 이 제품은 특히 자동차 부문, 전기 자전거 또는 에너지 수요가 높은 기타 응용 분야에 적합하다.
클리어 영역(clear region) 또는 서브영역이 지지 물질로 완전히 또는 부분적으로 코팅된다. 대조적으로, 편평한 측부 및 따라서 두 개의 서브영역을 서로 분리하는 적어도 하나의 에지는 지지 물질로 코팅되지 않는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 원형 전지 형태의 리튬 이온 전지의 높이는 15mm 내지 150mm이다. 원통형 원형 셀의 직경은 바람직하게는 10mm 내지 50mm이다. 이러한 범위 내에서, 예를 들어 18 x 65(직경 x 높이(mm)) 또는 21 x 70(직경 x 높이(mm))의 폼 팩터가 특히 바람직하다. 이러한 폼 팩터를 갖는 원통형 원형 셀은 자동차의 전기 구동 장치의 전원 공급에 특히 적합하다.
원통형 원형 전지 형태의 본 발명의 리튬 이온 전지의 공칭 용량은 바람직하게는 최대 6000mAh이다. 21 x 70의 폼 팩터로, 리튬 이온 전지로서의 하나의 실시예에서 전지는 바람직하게는 2000 mAh 내지 5000 mAh, 보다 바람직하게는 3000 mAh 내지 4500 mAh 범위의 공칭 용량을 가진다.
일부 실시예에서, 본 발명의 전지는 또한 버튼 전지, 특히 리튬 이온 버튼 전지일 수 있으며, 이는 예를 들어 DE 10 2009 060 800 A1의 1의 도 1에 도시된 바와 같이 전기 절연 씰에 의해 서로 절연된 2개의 하우징 부품으로 구성된 금속성 하우징을 가진다. 이 경우, 접속 플레이트는 예를 들어 하우징의 양극성의 절반부에 연결될 수 있다. 버튼 셀은 원통형이며 높이가 직경보다 낮다. 높이는 4mm 내지 15mm인 것이 바람직하다. 버튼 셀은 5mm 내지 25mm 범위의 직경을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 버튼 셀은 전기 에너지를 사용하는 시계, 보청기 및 무선 헤드폰과 같은 소형 전자 장치의 공급에 적합하다.
버튼 전지 형태의 본 발명의 리튬 이온 전지의 공칭 용량은 일반적으로 최대 1500mAh이다. 공칭 용량은 바람직하게는 100 mAh 내지 1000 mAh, 더욱 바람직하게는 100 내지 800 mAh이다.
유럽 연합에서는 이차 전지의 공칭 용량과 관련된 수치에 대한 제조업체 데이터가 엄격하게 규제된다. 예를 들어, 이차 니켈-카드뮴 배터리의 공칭 용량에 대한 수치는 표준 IEC/EN 61951-1 및 IEC/EN 60622에 따른 측정을 기반으로 해야 하며, 이차 니켈-금속 히드라이브 배터리의 공칭 용량에 대한 수치는 IEC/EN 61951-2 표준에 따른 측정을 기반으로 해야 하고, 이차 리튬 배터리의 공칭 용량은 표준 IEC/EN 61960에 따른 측정을 기반으로 하며, 이차 납-산 배터리의 공칭 용량은 표준 IEC/EN 61056-1에 따른 측정에 기반해야 한다. 본 출원의 공칭 용량에 대한 임의의 수치는 바람직하게는 마찬가지로 이러한 표준을 기반으로 한다.
본 발명의 전지는 대안적으로 적어도 하나의 추가의 동일한 전지와 함께 배터리의 일부일 수 있으며, 이 경우 바람직하게는 적어도 하나의 추가의 동일한 전지에 병렬 또는 직렬로 연결되고 2개의 전지는 추가로 바람직하게는 공통 하우징 및 선택적으로 공통 전해질을 가진다.
기재된 전기화학적 전지의 제조를 위한 본 발명의 방법은 항상 다음의 단계를 포함한다:
a.적어도 하나의 금속으로 구성되며 음극 활물질의 적어도 하나의 층이 적재된 표면을 갖는 애노드 집전체를 포함하는 애노드를 제공하는 단계,
b.적어도 하나의 금속으로 구성되며 양극 활물질의 적어도 하나의 층이 적재된 표면을 갖는 캐소드 집전체를 포함하는 캐소드를 제공하는 단계
c.제공되는 애노드 및 제공되는 캐소드를 이용해 애노드, 적어도 하나의 분리막 및 캐소드를 포함하는 전극-분리막 복합체를 제조하는 단계.
본 발명에 따르면, 전극-분리막복합체의 제조가 선행되거나 후속된다:
d.음극 활물질이 적재되지 않은 애노드 집전체의 표면 상의 클리어 영역 및 양극 활물질이 적재되지 않은 캐소드 집전체의 표면 상의 클리어 영역 중 적어도 하나를 표면보다 높은 열 안정성의 지지 물질로 코팅하는 단계.
방법에 사용된 재료 및 전지 구성요소는 이미 본 발명의 전지의 설명에서 언급되었다. 이러한 기재를 참조할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 방법은 다음의 추가 특징 중 하나를 가진다:
a.지지 물질은 기체 상태로부터 클리어 영역 상에 증착되고,
b.지지 물질은 현탁액 또는 페이스트의 일부로서 클리어 영역 상에 도포되고,
c.지지 물질은 졸-겔 공정(sol-gel process)으로부터 획득된다.
지지 물질로 집전체를 코팅하는 최적의 절차는 지지 물질의 유형에 따라 달라진다. 기체 상으로부터의 증착은 예를 들어 CVD 또는 PVD 방법(CVD = 화학 기상 증착, CVD = 물리적 기상 증착) 또는 이러한 방법의 변형(가령, 원자층 증착, 즉 ALD 방벙)에 의해 이뤄질 수 있다. PVD 방법에서 증착되는 물질은 종종 이미 증기 형태의 기체 상태인 반면(물리적 방법에 의해 기체 상태로 전환됨) 증착될 원소의 화학적 화합물(전구체라고 함)은 CVD법으로 증발시킨다. 이들은 기판의 표면에서 분해되어 원하는 포일 물질을 제공한다. PVD 방법에서 코팅은 증착, 스퍼터링, 이온 도금 및 이러한 공정의 변형에 의해 형성될 수 있다.
알루미늄 옥사이드의 코팅은 예를 들어 전구체로서 트리메틸알루미늄과 같은 유기금속 알루미늄 화합물로부터 진행하여 생성될 수 있다. 언급된 바와 같이 티타늄 카보니트라이드(TCN) 코팅을 생성하는 것이 특히 CVD 방법에 의해 또한 가능하다. TiN 코팅 및 Ti-AlN 코팅은 PVD를 통해 생성될 수 있다.해당 절차는 문헌에서 알려져 있다.
현탁액 또는 페이스트는 스프레이 방법, 딥 코팅, 인쇄 및 압출과 같은 일반적인 코팅 방법을 통해 도포될 수 있다.
알루미늄 옥사이드 코팅과 같은 산화 코팅은 또한 문헌에 공지된 졸-겔 공정을 통해 추가로 생성될 수 있다. 알루미늄 옥사이드는 예를 들어 알루미늄 트리-세크-부톡시드 또는 알루미늄 트리이소프로폭시드와 같은 알루미늄 알킬로부터 진행하여 제조할 수 있다.
원칙적으로 집전체에 전극 재료가 적재되기 전에 지지 물질를 도포하는 것이 가능하다. 이 경우, 후속 단계에서 전극 활물질이 침지될 집전체 영역을 마스킹하는 것이 적절하다. 그러나, 바람직하게는, 지지 물질은 전극 활물질이 이미 적재된 집전체에 도포된다. 이 경우 적절한 마스킹이 제공되면 언급된 클리어 영역만 코팅할 수 있다. 그러나, 처리상의 이유로, 지지 물질로 클리어 영역뿐만 아니라 전극 전체, 즉 전극 활물질의 층을 포함하는 전극을 코팅하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우 마스킹이 필요하지 않다.
일부 바람직한 실시예에서, 지지 물질은 각각의 전극 물질의 제1 넓은 스트립과 함께 클리어 영역에 도포되지만 클리어 영역을 완전히 덮지는 않는다. 대신에, 양극 집전체 및/또는 음극 집전체의 종방향 에지를 따라 두 번째 스트립 또는 두 번째 라인의 형태로 적용되는 반면, 이 종방향 에지를 따라 그에 평행한 각 클리어 영역의 세 번째 스트립 또는 세 번째 라인이 덮이지 않은 채로 유지된다. 더 바람직하게는, 제2 스트립 또는 제2 라인은 전극 물질의 제1 스트립을 제2 스트립 또는 제2 라인으로부터 분리한다.
본 발명의 추가 특징 및 본 발명으로 인한 이점은 도면 및 하기 도면의 설명으로부터 명백하다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 본 발명의 설명 및 더 나은 이해를 위한 것이며 제한적인 방식으로 고려되어서는 안 된다.
도 1 및 도 5는 본 발명의 전지(100)를 제공하도록 가공될 수 있는 나선형 권선 형태의 전극-분리기 복합체(101)의 실시양태를 비스듬히 위에서 본 단면 및 개략적인 형태로 도시한다. 권선은 2개의 단부면(103, 109)을 가지며, 그 중 하나인 단부면(103)만이 도 1에서 볼 수 있다. 전극-분리막 복합체(101)는 스트립 형태의 분리막(116, 117)에 의해 서로 분리되는 스트립 형태의 애노드(115) 및 스트립 형태의 캐소드(118)를 포함한다.
2개의 단부면(103, 109)은 스트립 형태의 분리막(116, 117)의 종방향 에지에 의해 형성된다. 전극-분리막 복합체(100) 내에서, 전극(115, 118)은 애노드(115)의 종방향 에지가 단부면 중 하나로부터 돌출되어 잉여부(excess)(110)를 형성하며, 캐소드(118)의 종방향 에지는 반대쪽 단부면에서 돌출되어 잉여부(102)를 형성하도록, 서로 오프셋되어 배열된다.
도 6은 도 1 및 5에 도시된 권선의 구성을 예시하는 역할을 한다. 애노드(115) 및 캐소드(118)의 횡단면, 그리고 2개의 전극(115 및 118) 각각의 전구체가 여기에 도시되어 있다. 전극(115, 118)은 지지 물질(119)의 코팅을 가진다는 점에서 전구체는 전극(115, 118)과 다르다. 전극(115, 118)과 마찬가지로, 그들은 애노드 집전체(115a) 및 캐소드 집전체(118a)를 포함한다. 애노드 집전체(115a)는 구리 포일이다. 캐소드 집전체(118a)는 알루미늄 포일이다. 포일 각각은 종방향 에지(115f, 115g 및 118f, 118g)에 의해 서로 분리된 2개의 편평한 측부(115d, 115e 및 118d, 118e)을 가지며, 각각 전극 활물질의 층(115b; 118b)이 어느 한 측부 상에 적재되어 있다.
애노드 집전체(115a)의 표면 및 캐소드 집전체(118a)의 표면은 각각, 각자의 전극 활물질이 적재되지 않은 스트립 형태의 클리어 영역(115c; 118c)을 포함한다. 이들 클리어 영역은 각각 애노드 집전체(115a)의 2개의 편평한 측부(115d, 115e) 및 캐소드 집전체(118a)의 두 개의 편평한 측부(118d, 118e) 상의 스트립 내 두 개의 서브영역을 포함한다. 권선(101)의 전극에서 이들 서브영역은 각각 지지 물질(119)로서 알루미늄 옥사이드 층으로 코팅된다. 종방향 에지(118f 및 115g) 자체에는 지지 물질(119)이 없다.
클리어 영역(115c, 118c)은 두 측부에 도포된 지지 물질(119) 덕분에 기계적 및 열적 응력에 더 안정적이다. 또한, 지지 물질(119)은 영역(115c, 118c)을 전기적으로 절연시킨다.
도 6의 횡단면으로 도시된 애노드(115)의 평면도가 도 8에 나타난다.
도 1 및 도 5에 도시된 권취 형태의 전극-분리막 복합체(101)에서, 지지 물질(119)로 코팅된 클리어 영역(115c)과 함께 애노드 집전체(115a)의 종방향 에지(115g)가 단자 단부면(109)으로부터 돌출된다. 캐소드 집전체(118a)의 종방향 에지(118f)는 클리어 영역(118c)과 함께 단부면(103)으로부터 돌출된다. 전극-분리막 복합체(101)의 나선형 권선의 결과로서, 돌출되는 종방향 에지(115g 및 118f)가 마찬가지로 나선형을 가진다.
본 발명의 전지(100)의 제조를 위해, 두 개의 접속 플레이트(104)가 권선의 단부면(103, 109) 상에 평평하게 놓여 있다. 도 3은 단부면(103) 상에 접속 플레이트(104)를 놓는 것을 도시한다. 이는 접속 플레이트와 단부면(103, 109)으로부터 돌출하는 종방향 에지(115g, 118f) 사이의 선형 접속 구역을 도출한다. 접속 플레이트는 선형 접속 구역을 따라 종방향 에지(115g, 118f)에 용접함으로써 접합된다. 이는 전체 길이에 걸쳐 집전체(115a, 118a)를 전기적으로 접속시키는 것을 가능하게 한다.
접속 플레이트(104)가 도 2에 도시되어 있다. 그들은 대략 구형 디스크의 형태를 취한다. 디스크 에지(113)가 평평한 원형 세그먼트가 제거된 4개의 지점(113a 내지 113d)에서 완전한 원형 기하학에서 벗어나기 때문에 그것들은 대략 구형이다. 접속 플레이트(104)은 슬롯(105a, 105b, 105c, 105d)을 가진다. 4개의 슬롯은 외부 디스크 에지(113)로부터 접속 플레이트의 중심 방향으로 방사상으로 진행하여 정렬된다. 그 중심에, 접속 플레이트(104)는 원형 구멍 형태의 통로(114)를 가진다. 중앙 개구(114)의 우측 및 좌측에 2개의 추가 통로(120, 121)가 있다. 이들은 접속 플레이트(104)의 장착에서 위치 결정 보조 장치로 작용할 수 있다.
용접 결과는 도 4(위에서 비스듬한 평면도) 및 도 7(횡단면)에 나타나 있다. 접속 플레이트(104) 및 종방향 에지(118f)는 용접 이음매(122)를 통해 연결된다. 여기서 후자는 종방향 에지(118f)와 동일한 나선형 프로파일을 가진다. 용접 이음매(122)는 종방향 에지(118f)의 나선형 프로파일을 정확히 따른다. 그러나, 슬롯(105a 내지 105d) 때문에 종방향 에지(118f)가 접속 플레이트(104)의 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 용접될 수 없다. 대신에, 슬롯(105a 내지 105d)에 의해 중단된 종방향 에지(118f)는 용접 이음매(122)를 통해 접속 구역을 따라 접속 플레이트(104)에 전체 길이에 걸쳐 각각 연속적으로 연결된 다수의 섹션을 가진다.

Claims (14)

  1. 전기화학적 전지(100)로서,
    a.상기 전지는 애노드(115), 적어도 하나의 분리막(116, 117) 및 캐소드(118)를 갖는 전극-분리막 복합체(101)를 포함하며,
    b.애노드(115)는 적어도 하나의 금속으로 구성되며 음극 활물질의 적어도 하나의 층(115b)이 적재된 표면을 갖는 애노드 집전체(115a)를 포함하며,
    c.캐소드(118)는 적어도 하나의 금속으로 구성되며 양극 활물질의 적어도 하나의 층(118b)이 적재된 표면을 갖는 캐소드 집전체(118a)를 포함하고,
    d.애노드 집전체(115a)의 표면 및 캐소드 집전체(118a)의 표면 중 적어도 하나는 각자의 전극 활물질이 적재되지 않은 적어도 하나의 클리어 영역(115c; 118c)을 포함하고,
    e.적어도 하나의 클리어 영역(115c; 118c)에서 애노드 집전체(115a)의 표면 및 캐소드 집전체(118a)의 표면 중 적어도 하나가 표면보다 높은 열 안정성의 지지 물질(119)로 코팅된, 전기화학적 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    a.애노드 집전체(115a)의 표면을 구성하는 적어도 하나의 금속은 구리, 구리 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 니켈, 니켈 합금 및 스테인리스 강으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고,
    b.애노드 집전체(115a)는 적어도 하나의 금속으로 구성되며,
    c.애노드 집전체(115a)는 금속 포일, 금속 스폰지, 직물 섬유 또는 익스팬디드 금속(expanded metal)이고,
    d.캐소드 집전체(118a)의 표면을 구성하는 적어도 하나의 금속은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 티타늄 합금 및 스테인리스 강으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고,
    e.캐소드 집전체(118a)는 적어도 하나의 금속으로 구성되며,
    f.캐소드 집전체(118a)는 금속 포일, 금속 스폰지, 직물 섬유 또는 익스팬디드 금속(expanded metal)인, 전기화학적 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    a.애노드 집전체(115a)는 적어도 하나의 에지(115f, 115g)에 의해 서로 분리된 두 개의 편평한 측부(115d, 115e)를 갖고,
    b.애노드 집전체(115a)의 두 개의 편평한 측부(115d, 115e) 상에 음극 활물질의 적어도 하나의 층이 적재되며,
    c.적어도 하나의 클리어 영역은 애노드 집전체(115a)는 두 개의 편평한 측부(115d, 115e) 상에 두 개의 서브영역을 포함하고,
    d.애노드 집전체(115a)의 두 개의 서브영역은 지지 물질(119)로 코팅되는, 전기화학적 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    a.캐소드 집전체(118a)는 적어도 하나의 에지(118f, 118g)에 의해 서로 분리된 두 개의 편평한 측부(118d, 118e)를 갖고,
    b.캐소드 집전체(118a)의 두 개의 편평한 측부(118d, 118e) 상에 양극 활물질의 적어도 하나의 층이 적재되며,
    c.적어도 하나의 클리어 영역(115c, 118c)은 캐소드 집전체(118a)는 두 개의 편평한 측부(118d, 118e) 상에 두 개의 서브영역을 포함하고,
    d.캐소드 집전체(118a)의 두 개의 서브영역은 지지 물질(119)로 코팅되는, 전기화학적 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    a.지지 물질(119)은 비금속 물질이고,
    b.비금속 물질은 세라믹 물질, 유리-세라믹 물질 또는 유리이며,
    c.세라믹 물질은 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 또는 티타늄 옥사이드(TiO2)인, 전기화학적 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    a.전극-분리막 복합체(101)는 두 개의 단부면(103, 109)을 갖는 권선의 형태를 가지며,
    b.전극-분리막 복합체(101) 및 상기 복합체에 포함되는 적어도 하나의 분리막(116, 117), 상기 복합체에 포함되는 전극(115, 118), 애노드 집전체(115a) 및 캐소드 집전체(118a)는 스트립(strip) 형태를 가지며 각각 두 개의 종방향 에지를 갖고,
    c.전극-분리막 복합체의 두 개의 단부면(103, 109)은 적어도 하나의 분리막(116, 117)의 종방향 에지에 의해 형성되며,
    d.애노드 집전체(115a)의 표면 및 캐소드 집전체(118a)의 표면 모두는 전극 활물질이 적재되지 않은 클리어 영역(115c, 118c)을 포함하고,
    e.애노드 집전체(115a)의 표면 상의 클리어 영역(115c)은 두 개의 종방향 에지(115g) 중 하나를 따르는 스트립 형태의 에지 영역이고,
    f.캐소드 집전체(118a)의 표면 상의 클리어 영역(118c)은 두 개의 종방향 에지(118f) 중 하나를 따르는 스트립 형태의 에지 영역이며,
    g.스트립 형태의 애노드(115) 및 스트립 형태의 캐소드(118)는 전극-분리막 복합체(100) 내에서 서로 오프셋되어 배열되어,
    · 애노드 집전체(115a)의 종방향 에지(115g)는 애노드 집전체(115a)의 클리어 영역(115c)과 함께 두 개의 단부면 중 하나(109)로부터 돌출되고,
    · 캐소드 집전체(118a)의 종방향 에지(118f)는 캐소드 집전체(118a)의 클리어 영역(118c)과 함께 두 개의 단부면 중 다른 하나(103)로부터 돌출되는, 전기화학적 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    a.전극-분리막 복합체는, 적어도 하나의 추가 동일한 전극-분리막 복합체와 함께, 적어도 두 개의 전극-분리막 복합체가 상하로 적층되는 스택의 일부가 되며,
    b.적어도 두 개의 전극-분리막 복합체 및 이들의 애노드, 캐소드, 및 분리막, 그리고 따라서 이들의 애노드 집전체 및 캐소드 집전체 각각은 적어도 하나의 종방향 에지를 가지며,
    c.각각의 애노드 집전체는 종방향 에지 또는 종방향 에지 중 하나를 따라 클리어 영역을 갖고,
    d.각각의 캐소드 집전체는 종방향 에지 또는 종방향 에지 중 하나를 따라 클리어 영역을 갖고,
    e.적어도 두 개의 전극-분리막 복합체의 애노드 및 캐소드는 스택 내에서 서로 오프셋되어 배열되어,
    · 애노드 집전체의 클리어 영역은 스택의 하나의 측부 상에서 겹치고,
    · 캐소드 집전체의 클리어 영역은 스택의 또 다른 측부 상에서 겹치는, 전기화학적 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    a.지지 물질(119)에 의한 적어도 하나의 클리어 영역(115c, 118c)의 코팅은 0.015 내지 1.0 mm, 바람직하게는 0.05 내지 0.2 mm의 두께를 갖고,
    b.애노드 집전체(115a) 상의 음극 물질의 적어도 하나의 층(115b)은 0.03 내지 1.0 mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.2 mm의 두께를 가지며,
    c.캐소드 집전체(118a) 상의 양극 물질의 적어도 하나의 층(118b)은 0.03 내지 1.0 mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.2　mm의 두께를 갖고,
    d.애노드 집전체 또는 캐소드 집전체 상의 지지 물질(119)에 의한 코팅의 두께는 그 위에 존재하는 전극 물질의 층의 두께의 50% 내지 100%인, 전기화학적 전지.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    a.애노드 집전체(115a) 및 캐소드 집전체(118a)는 청구항 3 및 4에 따라 설계되며,
    b.전지(100)는 애노드 집전체(115a)의 에지(115g) 상에 용접되는 제1 전기 전도체(104)를 포함하고,
    c.전지(100)는 캐소드 집전체(118a)의 에지(118f) 상에 용접되는 제2 전기 전도체(104)를 포함하는, 전기화학적 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    a.전지(100)는 청구항 6에 따라 설계되고,
    b.제1 전기 전도체(104)가 스트립의 형태로 애노드 집전체(115a)의 종방향 에지(115g) 상에 용접되며, 상기 스트립을 따라 애노드 집전체(115a)의 클리어 영역(115c)이 뻗어 있고,
    c.제2 전기 전도체(104)가 스트립의 형태로 캐소드 집전체(118a)의 종방향 에지(118f) 상에 용접되며, 상기 스트립을 따라 캐소드 집전체(118)의 클리어 영역(118c)이 뻗어 있는, 전기화학적 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    a.제1 전기 전도체(104)는 금속 접속 플레이트이고,
    b.제2 전기 전도체(104)는 금속 접속 플레이트이고,
    c.제1 금속 접속 플레이트(104)는 접속 플레이트가 용접되는 종방향 에지(115g)가 돌출되는 권선의 단부면(109)에 대해 편평하게 놓이며,
    d.제2 금속 접속 플레이트(104)는 접속 플레이트가 용접되는 종방향 에지(118f)가 돌출되는 권선의 단부면(103)에 대해 편평하게 놓이는, 전기화학적 전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    a.적어도 하나의 추가 동일한 전지와 함께 배터리의 일부가 되는, 전기화학적 전지.
  13. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 따르는 전기화학적 전지(100)를 제작하는 방법으로서,

    a.적어도 하나의 금속으로 구성되며 음극 활물질의 적어도 하나의 층(115b)이 적재된 표면을 갖는 애노드 집전체(115a)를 포함하는 애노드(115)를 제공하는 단계,
    b.적어도 하나의 금속으로 구성되며 양극 활물질의 적어도 하나의 층(118b)이 적재된 표면을 갖는 캐소드 집전체(118a)를 포함하는 캐소드(118)를 제공하는 단계, 및
    c.제공되는 애노드(115) 및 제공되는 캐소드(118)를 이용해 애노드, 적어도 하나의 분리막 및 캐소드를 포함하는 전극-분리막 복합체(101)를 제조하는 단계를 포함하며,
    상기 전극-분리막 복합체의 제조는,
    d.음극 활물질이 적재되지 않은 애노드 집전체(115a)의 표면 상의 클리어 영역(115c) 및 양극 활물질이 적재되지 않은 캐소드 집전체(118a)의 표면 상의 클리어 영역(118c) 중 적어도 하나를 표면보다 높은 열 안정성의 지지 물질(119)로 코팅하는 단계가 선행되거나 후속되는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    a.지지 물질(119)은 기체 상태로부터 클리어 영역(115c, 118c) 상에 증착되고,
    b.지지 물질(119)은 현탁액 또는 페이스트의 일부로서 클리어 영역(115c, 118c) 상에 도포되는, 방법.
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