KR20220116236A - 3차원 전극 구조체를 갖는 전기화학 셀 - Google Patents

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KR20220116236A
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electrode
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electrodes
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니콜라 베스나드
빅터 샤도이
데이비드 르레이
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르노 에스.아.에스.
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Abstract

본 발명은 용기(14)를 포함하는 케이싱(12)을 포함하는 전기적인 전기화학 셀(10)에 관한 것이며, 여기서, 용기(14)의 내부 표면은, 음의 전극(60)을 위한 집전체 및 상부 커버(18)를 형성하도록, 구리 층(15)에 의해 적어도 부분적으로 덮여 있고, 케이싱(12)은 3차원 양의 전극(+) 구조체를 수용하고, 케이싱(12)은 고체 전해질을 함유하고, 3차원 양의 전극 구조체는 일련의 양의 전극들(50)을 포함하며, 양의 전극들(50) 각각은 수직 막대(50)이다.

Description

3차원 전극 구조체를 갖는 전기화학 셀
본 발명은 3차원 전극 구조체를 갖는 전기화학 셀에 관한 것이다.
본 발명은 특히 3차원 전극 구조체 및 고체 전해질을 갖는 전기화학 셀에 관한 것이다.
전기 배터리 및/또는 축전지(accumulators)라고도 하는 배터리 시스템은 다음과 같은 다양한 규모의 다양한 요소 또는 하위 어셈블리로 구성된다: 재료; 전극; 셀; 모듈; 팩(packs).
한 규모에서 다른 규모로의 전환은 패키징, 전기 연결 구성요소 등의 추가로 인해, 시스템의 에너지 밀도라고도 하는 시스템의 질량 전기 에너지 저장 용량에 직접적인 영향을 미치는 부피 및 질량 손실을 유발한다.
셀의 크기는 전극 층들 및 세퍼레이터들을 적층하는 단계를 포함하는 그것의 조립 방법에 의해 제한된다. 전극들은 얇고, 층들의 개수는 여전히 제한되는데, 이는, 정렬 문제가 특히 고려되고 해결되어야 하기 때문이다.
실제로, 층들의 개수가 많아질수록, 정렬 손실 위험이 증가하고, 이는 셀들의 치수들(두께, 길이, 폭)을 제한한다.
해결되어야 할 기술적인 문제는 셀의 부피를 증가시킬 수 있는 것을 포함하는데, 이는 종래의 셀을 형상화하고 조립하는 방법에 의존한다. 셀의 부피를 증가시키면, 비활성 재료들의 일부를 제거함으로써, 팩(packs)의 충전 비율(filling ratio)을 증가시키는 것이 가능해 지고, 셀들의 개수를 감소시키는 것이 가능해 진다.
문헌 EP-A1-3,157,090은 이미 내포되고 개재된 전극들(nested and interposed electrodes)의 3차원 구조체를 갖는 셀을 제안한다.
그러한 설계는, 여러 개의 음의 전극들 및 양의 전극들을 단일 단계에서 동시에 내포시키는 것을 가능하게 한다. 그러나, 전극들은 평평하고, 종래의 코팅 기술을 사용하여 얻어진다. 전극들의 크기 규모는 여전히 작으며, 그에 따라, 전극들을 정렬할 때 오류가 발생할 위험이 있다.
또한, 삽입하는 동안, 잘못된 접촉을 일으킬 위험이 존재하는 상태에서 사용 가능한 공간을 전극들이 정확하게 채워야 하기 때문에, 전극들의 정확한 치수를 얻는 것이 치명적으로 중요하다. 전극들의 두께 균일성은 치명적으로 중요하며, 보장하기 어렵다.
본 발명의 목적은, 앞에서 언급한 단점들을 극복하는 3차원 전극(들) 구조체를 갖는 전기화학 셀의 새로운 설계를 제안하는 것이다.
본 발명은 케이싱(casing)을 포함하는 전기화학 셀을 제안하는데, 여기서:
상기 케이싱은 용기 형태의 하부 제1 요소를 포함하고, 상기 용기의 내부 표면은, 제1 극성을 갖는 제1 전극의 집전체를 형성하도록, 전도성 재료의 층에 의해 적어도 부분적으로 덮여 있고;
상기 케이싱은 상기 용기를 폐쇄하기 위한 커버 형태의 상부 제2 요소를 포함하고;
상기 케이싱은 제1 전기 극성을 갖는 3차원 전극 구조체를 수용하고;
상기 케이싱은, 상기 제1 전기 극성과 반대되는 제2 전기 극성을 갖는, 그리고 제1 극성을 갖는 상기 3차원 전극 구조체 내에 내포된(nested), 3차원 전극 구조체를 수용하고;
상기 케이싱은 이온 전도성 매질로서 전해질을 함유하며,
제2 극성을 갖는 상기 3차원 전극 구조체는 제2 극성을 갖는 일련의 전극들을 포함하고, 상기 전극들 각각은 수직 배향(vertical orientation)을 갖는 세장형 몸체(elongated body)이다.
본 발명의 다른 특징들에 따르면:
제2 극성을 갖는 상기 전극들은 규칙적인 패턴으로 상기 케이싱 내부에 분포된다;
상기 용기는 제1 극성을 갖는 일련의 전도성 요소들을 수용하고, 상기 전도성 요소들은 전도성 재료의 상기 층에 전기적으로 연결되며, 상기 전도성 요소들 각각은 수직 배향을 갖는 세장형 형상(elongated shape)의 요소이다;
제1 극성을 갖는 상기 전도성 요소들은 규칙적인 패턴으로 상기 케이싱의 내부에 분포된다;
제1 극성을 갖는 상기 전도성 요소들은 제2 극성을 갖는 상기 전극들 사이에 등거리로 분포된다;
제2 극성을 갖는 상기 전극들 각각은 수직 막대이고, 상기 수직 막대는, 제2 극성을 갖는 활성 전극 재료의 층으로 덮인, 전도성 재료로 만들어진 중심 코어를 포함한다;
전도성 재료로 만들어진 각각의 중심 코어의 상부 단부 구역(upper end section)은 상기 용기를 폐쇄하기 위한 상기 커버를 통해 수직으로 연장하고, 전도성 재료로 만들어진 상기 중심 코어들의 모든 상기 상부 단부 구역들은 상기 커버 위에 배열된 집전판에 의해 전기적으로 함께 연결된다;
상기 음의 전극(제1 극성을 갖는 전극)은 상기 케이싱의 상기 용기 내로 캐스팅된다(cast);
제2 극성을 갖는 상기 전극의 활성 재료의 상기 층은 고체 전해질의 주위 층(peripheral layer)으로 덮인다;
제2 극성을 갖는 각각의 전극의 하부 단부 구역은 추가의 전기적으로 절연된 하우징 내에 고정되고, 상기 하우징은 상기 케이싱의 상기 용기의 하부 벽에 형성된다;
상기 제1 극성은 음이고, 상기 제2 극성은 양이다;
제1 극성을 갖는 상기 전극의 집전체로서의 전도성 재료의 상기 층은 구리 층이다;
제2 극성을 갖는 상기 전극의 상기 집전체를 형성하기 위한 전도성 재료의 상기 층은 알루미늄 층이다;
제2 극성을 갖는 각각의 전극의 상기 활성 재료는 NMC(LiNixMnyCozO2) 범주에 속할 수 있는 재료이다;
제1 극성을 갖는 각각의 전극의 상기 활성 재료는 흑연 범주에 속할 수 있는 재료이다;
상기 전해질은, 폴리머 전해질, 또는 캐스팅된 세라믹/폴리머 하이브리드 전해질이다.
상기 양의 전극은 전자 침투(electronic percolation)를 보장하기 위한 전자 전도제(electronic conductive agent)를 함유한다;
상기 음의 전극은 전자 침투를 보장하기 위한 전자 전도제를 함유한다;
상기 전기화학 셀은 다음을 특징으로 한다:
- 제1 극성을 갖는 상기 전극을 형성하는 상기 혼합물은, 구리 코팅으로 덮인 제1 극성을 갖는 상기 전도성 요소들 상의 활성 재료, 전기 전도제 및 고체 전해질을 기반으로 하는 혼합물이다;
- 제2 극성을 갖는 상기 전극을 형성하는 혼합물은, 알루미늄 코팅으로 덮인 전도성 재료로 만들어진 상기 중심 코어 상의 활성 재료, 전자 전도제 및 고체 전해질을 기반으로 하는 혼합물이다;
- 제1 극성 및 제2 극성을 갖는 상기 전극들 사이의 전기 절연 필름은 고체 전해질이다;
- 상기 고체 전해질은 폴리머 전해질 또는 세라믹/폴리머 하이브리드 재료이다.
본 발명의 추가 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 설명을 읽으면 명백해질 것이고, 다음의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조하여 이해될 수 있으며, 첨부 도면에서:
[도 1] - 도 1은 본 발명에 따른 전기화학 셀의 일 구현예의 개략적인 사시도이다;
[도 2] - 도 2는 도 1에 도시된 전기화학 셀의 구성요소들 중 일부의 분해 부분 사시도이다;
[도 3] - 도 3은 도 1에 도시된 전기화학 셀의 수평 절단 평면을 따른 부분 사시도이다;
[도 4] - 도 4는 도 3의 수직 및 종방향 절단 평면(4-4)을 따른 부분 단면도이다;
[도 5] - 도 5는 도 3의 수직 및 종방향 절단 평면(5-5)을 따른 부분 단면도이다;
[도 6] - 도 6은 도 3의 수직 및 종방향 절단 평면(6-6)을 따른 부분 단면도이다;
[도 7] - 도 7은 도 1 및 도 2의 전기화학 셀의 케이싱의 용기의 일 부분을 나타내는 사시도이다;
[도 8] - 도 8은 도 7에 도시된 용기의 일 부분의 코너 부분의 확대도이다;
[도 9] - 도 9는 도 8과 유사한 도면으로서, 양의 전극들 중 하나를 막대 형태로 용기의 바닥에 고정하는 모습을 나타내는 제1 제조 단계를 보여준다;
[도 10] - 도 10은 도 8 및 도 9와 유사한 도면으로서, 전극이 용기의 바닥에 형성된 그것의 하우징 내에 장착 및 고정되는 위치에 있는 상기 전극을 보여준다.
본 발명의 설명을 위해 그리고 청구범위를 이해하기 위해, 비제한적인 예로서, 그리고 지구 중력에 대한 참조 없이, 수직, 종방향 및 횡방향 방향들이 채택될 것이며, 여기서, 그러한 방향들은 도면들에 표시된 V, L, T 좌표계에 따르며, 이때, 종방향 L 축 및 횡방향 T 축은 수평 평면에서 연장한다.
관례상, 횡방향 축은 뒤로부터 앞으로, 종방향 축은 왼쪽으로부터 오른쪽으로 향한다.
이하의 설명 전체에 걸쳐서, 동일하거나 유사한 요소들은 동일한 지시 번호를 사용하여 지시될 것이다.
달리 표시되지 않는 한, 하기 상세한 설명 전반에 걸쳐서, 전기 법칙과 관련하여, 전도성(conductive), 전도하는(conducting), 절연성(insulating), 극성(polarity), 분극된(polarized), 등의 용어가 사용될 것이다.
도 1 및 도 2는, 비제한적인 예로서, 이 경우에서는 대략적으로 직육면체 형상을 취하는 전기화학 셀(10)를 보여준다.
따라서, 전기화학 셀(10)은, 직육면체 케이싱(12)(이것은 기본적으로 하부 용기(14)에 의해 형성되고, 그것의 상부 면(16)은 수직 상방으로 개방됨), 및 하부 용기(14)를 밀봉가능하게 폐쇄하는 상부 덮개(18)를 포함하고, 이 경우에서는, 직사각형 프로파일을 갖는 환형 씰(20)이 삽입되어 있다.
하부 용기(14)는, 수평 바닥 벽(22), 2개의 수직 및 횡방향 왼쪽(24) 및 오른쪽(26) 측벽들, 및 2개의 수직 전면(28) 및 후면(30) 종방향 측벽들을 포함한다.
상부 덮개(18)와 마찬가지로, 하부 용기(14)는 절연성 합성 재료, 특히 플라스틱 또는 복합재료로 만들어진다.
비제한적인 예로서, 하부 용기(14)의 전체 내부 표면은, 특히 바닥 벽(22)의 상부 면(23)은, 전도성 금속 층(15)으로, 예를 들어 구리로, 덮이며, 그에 따라, 전기화학 셀(10)의 음의 전극의 집전체를 형성하게 된다.
구리 층(15)은, 예를 들면, 증착법에 의해 형성된다.
상부 덮개(18)는 대략적으로 직사각형 판의 형태이고, 그것의 하부 면(17)은 전도성 재료로 코팅되지 않는다. 따라서, 상부 덮개(18)는 절연성 요소이다.
또한, 하부 면(17)은 전기 절연성 재료의 층으로 코팅된다.
그것의 상부 면(19)에서, 상부 덮개(18)는, 걸맞은(matching) 형상 및 두께를 갖는 상부 집전체 판 또는 시트(34)를 수용 및 수납하는 직사각형 프로파일을 갖는 하우징(32)을 한정(define)하고, 상부 집전체 판 또는 시트(34)는 이 경우에서는 알루미늄으로 만들어진다.
상부 덮개(18) 및 집전체(34)는, 각각, 일련의 수직 관통 구멍들(36 및 38)을 갖도록 천공되어 있으며, 이들은 규칙적인 패턴으로 집전체(32)의 전체 이용가능한 수평 표면에 걸쳐 분포되며, 이 경우에서는, 종방향으로 정렬된 구멍들의 행들의 횡방향 평행 정렬들로 구성된다.
도 7에서 특히 볼 수 있는 바와 같이, 하부 케이싱(14)의 수평 바닥 벽(22)은 일련의 하우징들(40)을 포함하며, 이들은 제한된 깊이에 걸쳐 연장하고, 이들 각각은 대략적으로 원통형인 측벽(42)과 평평한 수평 바닥 벽(44)에 의해 한정(define)된다.
각각의 하우징(40)의 벽들(42, 44)에는 어떠한 구리 코팅 층도 없기 때문에, 각각의 하우징(40)은 절연성 하우징이다.
하우징(40)은, 예를 들어, 바닥 벽(22)을 제조할 때 몰딩(molding)에 의해 생성된다. 하부 용기(14)의 내부 표면의 나머지 상에 구리 층이 침착될 때 그것들이 구리로 코팅되는 것을 방지하기 위해, 하우징들(40)을 보호하기 위한 마스크가 구리 층의 증착을 포함하는 작업 동안 사용될 수 있다.
바닥 벽(22)의 전체 이용가능한 내부 표면에는 일련의 하우징들(40)이 제공되며, 이것들은 종방향 및 횡방향으로 오프셋된 정렬들의 형태로 규칙적인 패턴으로 엇갈린(staggered) 방식으로 배열된다.
전기화학 셀(10)의 음의 전극을 형성하는 하부 용기(14)는 일련의 전도성 요소들(46)을 포함하고, 이것들 각각은, 이 경우에서는, 그것이 고정되는 바닥 벽(22)으로부터 연장하는 수직 로드(rod)에 의해 형성된다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 음의 전극의 집전체로서 작용하는 각각의 로드(46)는 상부 덮개(18)의 높이까지 연장하지 않으며, 음의 전극의 집전체로서 작용하는 각각의 로드(46)의 상부 단부와, 상부 덮개(18)의 하부 면(17)에 대면하는 부분 사이에, 수직 간극(vertical clearance)이 존재한다.
음의 전극의 집전체로서 작용하는 각각의 로드(46)는 절연성 재료로 만들어질 수 있고, 또한, 구리 층으로 코팅될 수 있으며, 이것은 하부 용기(14)의 내부 표면을 코팅하는 구리 층과 동시에 증착에 의해 생성될 수 있다.
전도성 재료로 만들어지거나, 구리층과 같은 전도성 재료로 코팅된 음의 전극의 집전체 역할을 하는 로드(46)는 하부 용기(14)의 내부 표면의 전도성 코팅(이 경우에서는 구리로 만들어짐)에 전기적으로 연결되며, 그에 따라, 하부 용기(14) 내부에 있는 음의 전극의 "연장부들(extensions)"을 형성하게 된다.
음의 전극의 집전체로서 작용하는 로드들(46)은 바닥 벽(22)의 내부 면의 전체 이용가능한 표면에 걸쳐 배열되고, 규칙적인 패턴으로 분포되며, 이 경우에서는 그것들 각각이 삼각형으로서 3개의 인접한 하우징들(40) 사이에 배치된다.
도 7에서 특히 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 하우징(40)은 정사각형으로 배열된 4개의 로드들(46)에 의해 직접 둘러싸이거나, 또는 심지어, 하우징(40)이 속하는 종방향 열에 좌우되어, 그것은 2개의 횡방향으로 정렬된 로드들(46)에 의해 둘러싸이며, 이는 하우징들(40)에 대해 등거리 방식으로 존재한다.
하우징들(40)의, 음의 전극의 집전체로서 작용하는 로드들(46)의, 및 수직 구멍들(36, 38)의 다른 기하학적 패턴들 및 배열들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않은 채 가능하다.
본 발명의 가르침에 따르면, 양의 전극 구조체는, 각각이 수직 배향을 갖는 막대(50) 형태인 일련의 전극들로 이루어진 3차원 구조체이다.
비제한적인 예로서, 이 경우에서 각각의 막대(50)는 원형 단면을 갖는 원통형 막대이다.
각각의 양의 전극 막대(50)는 중심 허브 또는 코어(52)를 포함하고, 이것은 이 경우에서 알루미늄 수직 중심 로드이고, 그것의 상부 구역(54)은 원통형 막대의 수평 상부 면(49)을 넘어 수직으로 연장하며, 그에 따라, 전기화학 셀(10)의 양의 전극 3차원 구조체의 모든 양의 전극들(50)에 대한 집전체를 형성하는 알루미늄 판(34)의 그리고 상부 덮개(18)의 정렬된 구멍들(38, 36)을 통해 수직으로 수용된다.
대안적인 구현예로서, 각각의 중심 코어(52)는 알루미늄 층으로 외부에서 코팅된 절연성 재료로 만들어질 수 있다. 판(34)에 연결된 각각의 중심 코어(52)는 집전체로서 작용한다.
각각의 중심 코어(52)의 직경은, 예를 들어, 대략 2 밀리미터이고, 또한 각각의 중심 코어(52)는, 양의 전극 재료와 고체 전해질의 혼합물이고 딥 코팅(dip coating)에 의해 생성되는 층(56)으로 외부 코팅된다.
양의 전극 재료는, 예를 들어, "NMC" 범주에 속하는 재료이며, 그것의 조성의 일반적인 정의는 (LiNixMnyCozO2)이며, 여기서 x, y 및 z는 다양한 성분들의 화학양론비적 비율에 해당한다.
양의 전극 재료의 튜브형 층(56)의 반경 방향 두께는, 예를 들어, 4 밀리미터이다.
예를 들면, 그것의 대향하는 상부(49) 및 하부(51) 수평 면들에 의해 한정(define)되는 각각의 양의 전극 막대(50)의 높이는, 예를 들어, 200 밀리미터이다.
비제한적인 예로서, 양의 전극 재료의 층(56)은, 바람직하게는 전기화학 셀(10)의 고체 전해질과 동일한 고체 전해질 코팅의 추가적인 얇은 층으로 외부 코팅되며, 그것의 조성 및 생성은 이하에서 설명될 것이다.
각각의 양극 막대(50) 상에 형성되는 고체 전해질 코팅의 주위 층(peripheral layer)은, 예를 들어, 그것의 중심 코어(52) 및 양의 전극 재료의 층(56)으로 구성된 막대를 딥 코팅함으로써 생성되며, 여기서, 상기 양의 전극 재료는 활성 재료 및 전해질로 구성되며, 여기서, 상기 양의 전극 재료는 그 다음에 전해질(이것 또한 미리 가열 및 용융됨)에 딥핑하기 위해 미리 가열 및 용융된다.
냉각되면, 고체 전해질 코팅 필름이 양의 전극 막대(50)의 전체 외부 주위 표면에 걸쳐서 형성된다. 이 필름은, 양의 전극과 음의 전극을 전기적으로 절연함으로써, 세퍼레이터로서 작용한다. 그것의 두께는, 폴리머 형태의 전해질을 함유하는 선택된 혼합물의 점도의 함수로서, 변화된다.
두께는, 양의 전극(50)과 음의 전극(60) 사이에 우수한 기계적 강도 및 충분한 전기 절연을 제공하기 위해, 예를 들어, 20 마이크론 정도이다.
각각의 양의 전극 막대(50)를 장착 및 고정하기 위해, 각각의 양의 전극 막대(50)의 자유 하부 단부 구역(free lower end section)(58)이, 하부 용기(14)의 바닥 벽(22)의 결부된 하우징(40) 내에, 수용 및 고정된다.
고정은, 예를 들어, 결부된 하우징(40)의 바닥(44) 내로 침착된 절연성 접착제의 액적에 의한, 또는 용융 폴리머 전해질(59)의 액적에 의한, 접합 작업에 의해 제공된다.
도 6에서 특히 알 수 있는 바와 같이, 각각의 양의 전극 막대(50)는 실질적으로 케이싱(12)의 전체 내부 높이에 걸쳐 연장하고, 그것의 상부 단부 면(49)은 상부 덮개(18)의 내부 면(17)에 인접한다.
전기화학 셀(10)은 최종적으로, 이 경우에서는 고체 전해질인 전해질 및 활성 재료(예를 들어, 흑연)를 포함하는 음의 전극 혼합물(60)을 포함한다. 혼합물(60)은, 특히 양의 전극 막대들(50) 주위에서 및 음의 전극의 집전체로서 작용하는 로드들(46) 주위에서, 하부 용기(14) 내로 캐스팅(casting)된다.
캐스팅 및 냉각된 후, 혼합물(60)이 고화(set)된다. 혼합물은 하부 용기(14) 내부의 이용가능한 공간을 완전히 채운다.
그 다음, 하부 용기(14)는 상부 덮개(18)에 의해 밀봉가능하게 폐쇄되며, 이때, 양의 전극 막대들(50)의 코어들(52)의 상부 자유 단부 구역들(54)은 상부 덮개(18) 및 외부 알루미늄 판(34)을 통과한다.
그에 따라, 양의 전극 막대들(50)을 연결하기 위한 외부 알루미늄 판(34) 및 상부 자유 단부 구역들(54)을 형성하는 어셈블리는 외부 환경으로부터 기밀적으로(hermetically) 보호될 수 있다.
양의 전극들과 외부 전기 회로의 전기적 연결은 알루미늄 전도성 연결 피팅(70)에 의해 구현되며, 알루미늄 전도성 연결 피팅(70)은 판(34)에 연결되고, 또한 오른쪽 측벽(26)의 상부 부분 상에 배열된다.
음의 전극과 외부 전기 회로의 전기적 연결은 구리 전도성 연결 피팅(72)에 의해 구현되며, 구리 전도성 연결 피팅(72)은 구리 층(15)에 연결되고, 또한 오른쪽 측벽(26)의 하부 부분 상에 배열된다.
유리하게는, 본 발명에 따른 설계는 "고체" 전기화학 셀(10)이 임의의 용매의 사용없이 제조되고 구현되는 것을 가능하게 하며, 이는 다공성의 형성을 방지한다는 이점을 갖는다.
양의 전극들(50) 및 음의 전극 케이싱(12)의 치수들은 상당한 범위 내에서 변할 수 있다. 적용분야에 따라, 그리고, 예를 들어 저장된 에너지 용량을 최대화하기 위해, 예를 들어 전기 견인 모터(electric traction motor)를 갖는 자동차용 전력 배터리에 적용되는 경우, 수십 센티미터 길이의 케이싱이, 매우 두꺼운 전극들, 예를 들어 수 밀리미터 두께의 전극들과 함께, 선택될 수 있다.
용량이 작고 부피가 작은 시스템의 경우, 동일한 치수들을 갖는 전극을 유지하면서도, 케이싱의 크기가 감소될 수 있다.
상당한 이용가능 전력을 얻으려는 의도라면, 전해질의 이온 확산 시간을 감소시키기 위해, 전극들의 두께들이 감소될 수 있다.
본 발명의 덕분으로, 모든 음의 및 양의 전극 서브어셈블리들이 병렬로 장착되며, 그에 따라, 배터리 시스템의 에너지 밀도를 증가시킨다.
몰딩에 의해 생성될 수 있는 하부 용기(14)에 의해 형성되는 음의 3차원 전극을 제조하기 위해, 그리고 양의 3차원 전극을 제조하기 위해, 제안된 본 기술들은, 기껏해야 100 마이크론 두께인 종래의 액체 코팅 기술들을 사용하여 얻은 것보다 훨씬 더 두꺼운 전극 두께가 생성되는 것을 가능하게 한다.
전극들이 고체 전해질을 함유하는 단단한 용기의 형태로 구획화될 수 있다는 사실은, 평평한 전극들의 스택을 사용하는 종래의 설계들에 비해 단락 위험을 감소시키는 것을 가능하게 한다.
게다가, 본 발명에 따른 전기화학 셀 시스템의 전기적 구성은, 전압 값이 선택될 수 있다는 의미에서, 적응성(adaptable)을 갖는다.

Claims (12)

  1. 전기화학 셀(10)로서, 상기 전기화학 셀(10)은 케이싱(12)을 포함하고,
    상기 케이싱(12)은 용기(14) 형태의 하부 제1 요소를 포함하고, 상기 용기(14)의 내부 표면은, 제1 극성(-)을 갖는 제1 전극의 집전체를 형성하도록, 전도성 재료의 층(15)에 의해 적어도 부분적으로 덮여 있고,
    상기 케이싱(12)은 상기 용기(14)를 폐쇄하기 위한 커버(18) 형태의 상부 제2 요소를 포함하고,
    상기 케이싱(12)은 제1 전기 극성을 갖는 3차원 전극 구조체를 수용하고,
    상기 케이싱(12)은 상기 제1 전기 극성과 반대되는 제2 전기 극성(+)을 갖는 3차원 전극 구조체를 수용하고,
    상기 케이싱(12)은 이온 전도성 매질로서 전해질을 함유하며,
    제2 극성(+)을 갖는 상기 3차원 전극 구조체는 제2 극성을 갖는 일련의 전극들(50)을 포함하고, 상기 전극들(50) 각각은 수직 배향(vertical orientation)을 갖는 세장형 몸체(elongated body)인,
    전기화학 셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 제2 극성을 갖는 상기 전극들(50)은 규칙적인 패턴으로 상기 케이싱(12) 내부에 분포되는, 전기화학 셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 용기(14)는 제1 극성(-)을 갖는 일련의 전도성 요소들(46)을 수용하고, 상기 전도성 요소들(46)은 전도성 재료의 상기 층(15)에 전기적으로 연결되며, 상기 전도성 요소들(46) 각각은 수직 배향을 갖는 세장형 형상(elongated shape)의 요소인, 전기화학 셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 제1 극성을 갖는 상기 전도성 요소들(46)은 규칙적인 패턴으로 상기 케이싱(12)의 내부에 분포되는, 전기화학 셀.
  5. 제 2 항과 조합된 제 3 항에 있어서, 제1 극성(-)을 갖는 상기 전도성 요소들(46)은 제2 극성(+)을 갖는 상기 전극들(50) 사이에 등거리로 분포되는, 전기화학 셀.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 극성을 갖는 상기 전극들(50) 각각은 수직 막대이고, 상기 수직 막대는, 제2 극성을 갖는 활성 전극 재료 및 전해질의 층(56)으로 덮인, 전도성 재료로 만들어진 중심 코어(52)를 포함하는, 전기화학 셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 전도성 재료로 만들어진 각각의 중심 코어(52, 54)의 상부 단부 구역(upper end section)은 상기 용기(14)를 폐쇄하기 위한 상기 커버(18)를 통해 수직으로 연장하고, 전도성 재료로 만들어진 상기 중심 코어들(52)의 모든 상기 상부 단부 구역들(54)은 상기 커버(18) 위에 배열된 집전판(34)에 의해 전기적으로 함께 연결된, 전기화학 셀.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 극성을 갖는 상기 전극(60)을 형성하기 위한 혼합물은 상기 케이싱(12)의 상기 용기(14) 내로 캐스팅된 고체 전해질 기반 혼합물인, 전기화학 셀.
  9. 제 6 항과 조합된 제 8 항에 있어서, 제2 극성을 갖는 상기 전극(50)의 활물질의 상기 층(56)은 상기 고체 전해질의 주위 층(peripheral layer)으로 덮인, 전기화학 셀.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 극성을 갖는 각각의 전극(50)의 하부 단부 구역(58)은 추가의 전기적으로 절연된 하우징(40) 내에 고정되고, 상기 하우징(40)은 상기 케이싱(12)의 상기 용기(14)의 하부 벽에 형성된, 전기화학 셀.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 극성은 음이고, 상기 제2 극성은 양인, 전기화학 셀.
  12. 제 6 항 및 제 8 항과 조합된 제 11 항에 있어서,
    - 제1 극성을 갖는 상기 전극을 형성하는 상기 혼합물(60)은, 구리 코팅(15)으로 덮인 제1 극성을 갖는 상기 전도성 요소들(46) 상의 활성 재료, 전기 전도제 및 고체 전해질을 기반으로 하는 혼합물이고,
    - 제2 극성을 갖는 상기 전극(50)을 형성하는 혼합물(56)은, 알루미늄 코팅으로 덮인 전도성 재료로 만들어진 상기 중심 코어들(52) 상의 활성 재료, 전자 전도제 및 고체 전해질을 기반으로 하는 혼합물이고,
    - 제1 극성을 갖는 상기 전극과 제2 극성을 갖는 상기 전극 사이의 전기 절연성 필름은 고체 전해질이며,
    - 상기 고체 전해질은 폴리머 전해질 또는 폴리머/세라믹 하이브리드 재료인,
    전기화학 셀.
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