KR20220122644A - 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장장치의 배터리 접점 및 금속화 필름 구성요소 - Google Patents

Abstract

에너지 저장 장치는 애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 분리막, 전해질, 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체, 및 상기 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체에 부착된 적어도 하나의 탭을 포함하며, 상기 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체는 상단 및 하단 표면을 갖는 폴리머 기판 층을 가지며, 제 1 금속화된 층은 상기 폴리머 기판 상단 층에 배치되고 제 2 금속화된 층은 상기 폴리머 기판 하단 층에 부착되며, 상기 집전체는 상기 제 1 및 제 2 금속화된 층의 적어도 일부가 서로 접촉하도록 내부에 용접 디봇을 나타낸다.

Description

내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치의 배터리 접점 및 금속화 필름 구성요소

본 개시는 리튬 배터리 물품의 구조적 구성요소 및 물리적 특성의 개선에 관한 것이다. 본 기술은 얇은 금속화 표면 복합 집전체(예로서, 알루미늄 및/또는 구리), 높은 수축률 재료, 고온에 노출되면 비-전도성이 되는 재료 및 이들의 조합물의 활용과 관련하여 사용하기 위한 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치의 배터리 연결 및 금속화 필름 구성요소에 관한 것이다. 그러한 개선은 단락으로 인한 바람직하지 않은 고온 결과를 방지하는 대상 리튬 배터리 자체 내에 표면적으로 내부 퓨즈를 제공함으로써 타겟 리튬 배터리 내의 특정 결함(수지상 돌기, 예상치 못한 전기 서지(surge) 등)을 견딜 수 있는 능력을 부여한다. 그러한 개선을 포함한 배터리 물품 및 그의 사용 방법이 또한 본 개시에 포함된다.

예를 들어, 표준 리튬 이온 배터리는 단락과 관련된 특정 현상에 민감하고 결과적으로 고온 발생 및 궁극적인 발화를 경험했다. 배터리 구성요소에 대한 구조적 관심이 그러한 문제에 기여하는 것으로 밝혀졌다.

리튬 배터리는 무수한 제품 내에서 전력 공급원으로서 전 세계적으로 널리 퍼져 있다. 충전식 전동 공구로부터, 전자 자동차, 유비쿼터스(ubiquitous) 휴대폰(태블릿, 휴대용 컴퓨터 등)에 이르기까지 리튬 배터리(다양한 이온 유형)가 신뢰성, 위에서 언급한 재충전성 및 사용 수명으로 인해 1차 전원으로 활용된다. 그러나, 널리 활용되는 그러한 전원으로 인해 특정 문제가 발생하며, 그 중 일부는 점점 더 심각한 것으로 판명되었다. 특히, 초기 제작 문제 또는 시간 관련 성능저하 문제로 인해 그러한 리튬 배터리 내의 특정 결함이 단락 이벤트 동안 발화 가능성에 대한 민감성을 유발하는 안전 문제점이 밝혀졌다. 기본적으로, 전도성 재료의 내부 결함은 그러한 배터리 구조 내에서 바람직하지 않은 고열 및 궁극적으로 발화를 발생시키는 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 휴대용 컴퓨터 장치(하나의 악명 높은 상황으로서, 삼성 갤럭시 노트 7)로부터 전체 항공기(보잉 787)에 이르기까지 리튬 배터리를 활용하는 특정 제품은 그 내부에 사용되고 그와 함께 사용된 손상된 리튬 배터리에 대한 해결책이 제공될 때까지(그리고 삼성 갤럭시 노트 7이 특정 지역의 임의의 항공기에서 금지된 범위까지) 판매 및/또는 사용이 금지되었다. 테슬라(Tesla) 전기 자동차 라인조차도 리튬 배터리 구성요소에 주목할만한 문제점을 드러내 배터리 문제점으로 인해 불덩어리처럼 폭발하는 그러한 고가 차량에 대한 헤드라인 장식 이야기로 이어졌다. 따라서 그러한 리튬 배터리 문제점과 관련하여 광범위한 리콜 또는 전면 금지가 오늘날에도 남아 있어서, 그러한 문제점을 극복해야 할 상당한 필요성을 초래한다.

이들 문제점은 만들어진 그대로의 개별 배터리 구성요소의 측면에서든 그러한 구성요소가 개별 배터리 자체로 구성되든 제작 문제로 인해서 주로 존재한다. 자세히 살펴보면, 리튬 전지는 6 개의 주요 구성요소, 즉 캐소드 재료, 캐소드 재료가 코팅된 캐소드 집전체(예컨대, 알루미늄 호일), 애노드 재료, 애노드 재료가 코팅된 애노드 집전체(예컨대, 구리 호일), 각각의 애노드와 캐소드 층 사이에 위치되고 전형적으로 플라스틱 재료로 만들어진 분리막, 및 다른 재료를 포화시켜 이온이 애노드와 캐소드 사이에서 전도하는 메커니즘을 제공하는 전도성 유기 용매로서의 전해질로 현재 만들어진다. 이들 재료는 전형적으로, 종래 기술인 도 1에 도시된 바와 같이 캔(can)으로 함께 권취되거나 적층된다. 파우치형 전지(pouch cell), 각형 전지, 코인 전지, 원통형 전지, 권취된 각형 전지, 권취된 파우치형 전지 등등을 포함한 그러한 배터리 제조 목적을 위해 활용되고 활용될 수 있는 다른 많은 구성이 있다. 이들 배터리 전지는 올바르게 만들고 부드럽게 다루면 눈에 띄는 어떠한 안전사고 없이도 수천 번의 충전-방전 주기 동안 다양한 용례에 에너지를 제공할 수 있다. 그러나, 위에서 언급한 바와 같이 특정 이벤트, 특히 특정 결함으로 인해 내부 전도성 재료 사이에 내부 단락이 발생하여 열 발생 및 내부 열 폭주(thermal runaway)가 발생할 수 있으며, 이는 이러한 리튬 배터리 내에서 화재 위험의 궁극적인 원인으로 공지되어 있다. 그러한 이벤트는 위에서 언급한 바와 같이, 배터리 내부의 금속 입자 존재, 집전체 재료의 버(bur), 분리막의 얇은 반점 또는 홀(포함되거나 후속 처리 중에 유발되지 여부), 배터리 층의 오정렬(원하지 않는 전도성 발생을 위한 "개구"를 남기김), 배터리를 관통하는 외부 파편(예컨대, 이동 차량에 충격을 주는 도로 파편), 전지 자체의 분쇄 및/또는 불안정화(예컨대, 사고로 인한), 밀폐된 공간에서 전지 충전 등을 포함한 내부 결함에 의해 추가로 유발될 수 있다. 일반적으로 말하면, 이들 유형의 결함은 애노드와 캐소드 사이에 작은 전자 전도성 경로를 생성하는 것으로 공지되어 있다. 그러한 이벤트가 발생할 때, 전지가 충전되면 그러한 전도성 경로는 궁극적으로 과도한 열을 생성하는 전지의 방전을 일으켜, 배터리 구조를 손상시키고 이에 의해 전원이 공급되는 기본 장치를 위태롭게 할 수 있다. 배터리 전해질(일반적으로 배터리 작동에 필수적임)과 같은 가연성 유기 용매 재료의 존재와 결합하여, 그러한 과도한 열은 발화를 유발하여 궁극적으로 매우 위험한 상황을 초래하는 것으로 나타났다. 그러한 문제점은 적어도 일단 시작되면 제어하기 어렵고 소비자에게 심각한 부상을 초래한다. 그러한 잠재적인 재앙 상황은 그러한 방식으로 가연성 유기 전해질을 손상시키지 않으면서 전기 에너지를 전달하는 배터리의 제공을 통해 확실히 방지할 수 있다.

내부적으로 과도한 열이 발생하면 플라스틱 분리막이 더 수축되어 배터리에서 멀어지거나 분리되거나 아니면, 배터리 내 단락 영역이 증가할 수 있다. 그러한 상황에서, 배터리 내의 노출된 짧은 영역이 더 크면 전류가 계속되고 내부 가열이 증가하여, 고온 이벤트가 초래하며 이는 파열, 배출, 및 심지어 화염과 화재를 포함한 심각한 손상을 전지에 유발시킬 수 있다.

그러한 손상은 발화 및 악화 가능성이 빠르게 발생하고 결과적으로 배터리 및 잠재적으로 기본 장치가 폭발을 일으키고 사용자도 심각한 위험에 빠뜨릴 수 있기 때문에 특히 문제가 된다.

(많은 다양한 유형의)리튬 배터리는 특히 단락과 관련된 문제에 민감하다. 통상적인 배터리는 위에서 언급한 바와 같이, 때때로 제어되지 않은(폭주) 플레어링(flaring) 및 발화로 이어지는 고온 노출로 증가된 방전율을 나타내는 경향이 있다. 이들 가능성 때문에, 그러한 배터리 물품의 실제 활용, 보관, 심지어 운송을 다루는 특정 규정이 시행되었다. 단락과 관련된 그러한 폭주 이벤트를 방지하기 위해서 적절한 프로토콜(protocol)을 실행하는 능력은 확실히 매우 중요하다. 그러나 문제점은 특히, 구성요소 제조가 수많은 공급업체와 전 세계 여러 위치에서 제공되는 경우, 그러한 문제를 실제로 억제하는 방법에 관하여 여전히 남아 있다.

일부는 그러한 리튬 배터리 화재의 가능성을 완화하는데 도움이 되는 수단으로서 적절하고/하거나 개선된 분리막을 제공하기 위해서 노력했다. 낮은 융점 및/또는 수축률 플라스틱 멤브레인은 그러한 배터리 발화 발생 가능성을 높이는 것으로 보인다. 일반적인 생각은 실제 활용 중에 전해질 분리 능력을 감소시키지 않으면서 그러한 분리막 재료에 특정 코팅을 포함하는 것이다. 따라서, 예를 들어 세라믹 입자는 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌 필름 코팅으로 그러한 필름의 치수 안정성을 증가(예를 들어, 융점 증가)시키는 수단으로서 활용되었다. 세라믹 입자 간의 응집력과 플라스틱 멤브레인(필름)에 대한 접착력을 향상시키기 위한 성분으로서 결합제 폴리머도 포함되었다. 그러나 실제로, 세라믹 입자 코팅으로 전체 필름 구조에 부여되는 열 증가는 상대적으로 낮은 것으로 밝혀졌으며, 따라서 그러한 분리막 문제에 대한 지배적인 요인은 실제 분리막 재료(들) 자체가 된다.

그 결과, 그러한 전형적인 세라믹 코팅 분리막의 베이스 층을 구성하는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 다공성 필름보다 열적으로 훨씬 더 안정적인 분리막 재료가 적어도 어느 정도 설계되고 구현되었다. 수축률이 낮고 치수적으로 안정한 이들 분리막은 최소 200 ℃(최대 250,300 ℃ 및 심지어 그 초과)의 온도에 노출되었을 때 5% 미만의 수축률을 나타내며, 이는 베어(bare) 폴리머 필름(150 ℃에서 대략 40%의 수축률) 및 세라믹 코팅된 필름(180℃에서 20% 초과)(그러한 수축율 측정 비교는 종래 기술인 도 2에 제공됨)에서 나타나는 높은 수축률보다 훨씬 양호하다. 그러한 낮은 수축률 재료는 단락이 발생할 때 타겟 전지 내부의 열 열화 메커니즘을 변경할 수 있다. 일반적으로 말해서, 그러한 배터리 전지 내에서 단락이 발생하면 항상 열이 발생할 것이다. 그러한 단락과 관련하여 분리막이 수축하지 않으면, 배터리 내의 다른 재료가 열화될 때까지 열이 계속 생성되고 "축적(build up)"된다. 이러한 현상은 업계 표준 네일 침투 테스트(nail penetration test)로 시뮬레이션되었다. 예를 들어, 파라-아라미드 섬유(para-aramid fiber)를 포함하고 550 ℃까지 수축 안정성을 나타내는 분리막을 사용하더라도, 대상 테스트 배터리는 고유한 내부 결과와 함께 단락 경향을 보였다. 그러한 전지는 전지를 열고 과잉 전해질을 증발시키고 에폭시로 채우고 전지에 남겨진 네일에 수직으로 절단되는 그러한 처리 이후에 더 자세히 조사되었다. 그런 다음 주사 전자 현미경 이미지는 후방 산란 전자 이미징(BEI)을 사용하여 수행되었으며, 이를 통해 다른 배터리 요소를 매핑하여 그러한 네일 침투 활동의 효과를 보여준다. 이들은 종래 기술 도 3 및 도 3a에 도시된다.

종래 기술 도 3에서, 구리 층이 알루미늄 층보다 네일에 일관되게 더 가깝다는 것을 알 수 있다. 또한 높은 안정성 분리막은 전극 사이에서 여전히 손상되지 않은 상태임에 주목한다. 종래 기술 도 3a는 하나의 알루미늄 층의 단부를 더 높은 배율로 확대한 것으로, 균열된 회백질(cracked grey matter) 층에서 끝나는 것을 보여준다. 이를 BEI로 조사한 결과, 생성된 물질이 실제로 절연성 세라믹인 산화알루미늄임을 알 수 있다. 그러한 증거는 분리막 자체가 열적으로 안정적일 때 알루미늄 집전체가 산화되어 회로를 효과적으로 차단하고 결과적으로 절연 산화 알루미늄이 형성되면 단락을 중지한다는 제안된 결론으로 이어졌다. 회로가 끊어지면, 전류가 흐르지 않고 더 이상 열이 생성되지 않으며, 이 과정을 반대로 하면 분리막이 덜 안정적이어서 열 폭주가 발생한다.

그러나 이러한 가능한 해결책은 더 낮은 수축률 특성을 갖는 분리막만을 단순히 교체하는 것으로 제한된다. 그러한 간단한 해결책은 큰 가치가 있는 것처럼 보이지만 널리 사용되며 허용되는 배터리 제품에서 대체하기 어려울 수 있는 다른 제작 절차 및 특정 구성요소(예컨대, 세라믹 코팅 분리막 유형)가 여전히 남아 있다. 따라서, 열적으로 안정한 분리막의 활용 및 포함의 명백한 이득에도 불구하고, 특히 세라믹 코팅 분리막 제품이 그러한 목적에 안전한 것으로 간주되는 경우에 바람직하지 않은 배터리 화재가 여전히 발생할 수 있다. 따라서, 그러한 고도로 열적으로 안정한 분리막 재료의 활용에 추가하여, 내부 단락으로 인한 열 발생 가능성을 개선하거나 적어도 감소시킬 수 있는 적어도 다른 단독 내부 배터리 전지 구조적 메커니즘이 존재하는 것으로 결정되었다. 그러한 상황에서, 그러한 배터리 전지 내에서 단락이 발생하더라도 사실상 내부 퓨즈 생성을 통해 완성된 내부 회로의 중단으로 인해 유해한 고온 손상이 발생하지 않는다. 그러나 지금까지, 리튬 전지 분야에서는 이들 문제점을 쉽게 해결할 수 있는 기술이 제시되지 않았다. 본 개시는 리튬 배터리 전지를 다수의 시장에서 극도로 안전하고 신뢰할 수 있게 하는 매우 바람직한 경화를 제공한다.

추가로 특히 관심이 있는 것은 대상 리튬이온 배터리에서 외부 소스로의 전하 전도를 적절하게 허용하는 것에 대한 고려이다. 이는 일반적으로, 외부 소스에 필요한 컨덕턴스 특성을 제공하기 위해서 집전체 또는 잠재적으로 어떤 방식으로든 애노드 및 캐소드 집전체에 접촉 및 부착되는 탭의 활용을 통해 달성된다. 탭은 표면상으로, 그러한 내부 배터리 구성요소와 접촉하는 기능을 하고 그러한 전도성 목적을 위한 접촉점을 갖는 배터리 전지 케이싱의 외부로 연장된다. 따라서 탭은 제자리에 있어야 하고 집전체(들)로부터 분리되지 않아야 하고 내부적으로 제거되거나 외부적으로 분리되지 않고 외부 소스에 대한 감소되지 않은 액세스를 허용해야 한다. 그러한 박막 집전체에 관한 리튬 이온 배터리 기술 내에서 어떠한 개시도 없었기 때문에, 마찬가지로 그러한 탭 연결 문제를 개선하거나 최적화하려는 시도도 없었다. 확실히, 표준 유형의 탭은 주지되어 있으며 표준 배터리 전지의 대형 집전체와 연결되나; 이는 박막 집전체(예를 들어, 내부 퓨즈)의 영향을 보호하는 동시에 구조적 손상으로 인한 배터리 고장으로부터 보호하기 위해서 전체적으로 치수 안정적인 결과를 제공하는 것과 관련하여 어떠한 고려사항도 제공하지 않는다.

특히 중요한 것은 플라스틱과 같은 전기 절연 재료의 두꺼운 층에 부착된 얇은 금속 층으로 구성된 탭에 용접하는 능력이다. 고체 금속 탭을 고체 금속 호일에 용접하려면 표면 연결만 필요하며, 이는 반대쪽 호일 또는 탭 전체에 전기 연결을 허용한다. 그러나, 집전체의 양면이 절연 층을 지지하여 전기적으로 절연되는 경우, 한 면에 표면을 연결하는 것은 비효율적이며, 다른 면은 전기적으로 절연된다. 그 때문에, 현재 리튬 이온 배터리 기술 또는 산업 내에서 그러한 효과에 대해 논의되거나 개시된 바가 없다. 그러나, 본 개시는 그러한 패러다임을 극복하고 관련 산업 내에서 지금까지 탐구되지 않고/않거나 이해되지 않은 결과를 제공한다.

따라서, 얇은 금속화 표면 복합 집전체(예로서, 알루미늄 및/또는 구리), 높은 수축률 재료, 고온에 노출되면 비전도성이 되는 재료 및 이들의 조합을 활용할 수 있는 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에서 새롭고 개선된 배터리 연결 및 금속화 필름 구성요소에 대한 필요성이 존재한다. 이와 관련하여, 본 기술은 이러한 요구를 실질적으로 충족시킨다. 이와 관련하여, 본 기술에 따른 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치의 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소는 종래 기술의 종래 개념 및 설계에서 실질적으로 벗어남으로써, 얇은 금속화된 표면 복합 집전체(예로서, 알루미늄 및/또는 구리), 수축률이 높은 재료, 고온에 노출되면 비-전도성이 되는 재료, 및 이들의 조합을 활용할 목적으로 주로 개발된 장치를 제공한다.

공지된 유형의 리튬 배터리 연결에 내재된 전술한 단점의 관점에서, 본 기술은 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에서 개선된 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 제공하고, 전술한 종래 기술의 단점 및 약점을 극복한다. 그 때문에, 이후에 보다 상세히 설명될 본 기술의 일반적인 목적은 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에 새롭고 개선된 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 제공하고 앞서 언급한 종래 기술의 모든 장점 및 종래 기술에 의해 예상, 자백, 제안, 또는 심지어 암시되지 않는 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에서 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 초래하는 많은 신규 특징을 단독으로 또는 이들의 임의의 조합으로 갖는 방법을 제공하는 것이다.

본 기술의 일 양태는 대상 장치에 전력을 공급하기 위해서 내부 부분으로부터 외부로의 전도를 허용하도록 필요한 탭 리드를 포함하는 리튬 배터리 전지를 포함할 수 있으며, 이는 전극의 얇은 특성으로 인해 특별한 제공일 수 있고 잠재적으로 전극 재료의 두 면이 서로 전도성이 아닐 수 있다. 본 기술에서 제공되는 탭은 위에서 언급한 내부 퓨즈 특성과 함께 충분한 안전 수준을 나타내는 동시에 사용 중에 제자리에 유지되는 인장 강도를 표시할 뿐만 아니라 그러한 전기 전도도 결과를 위한 박막 금속 집전체로의 완전한 적용 범위를 표시한다. 그러한 탭에는 외부 장치에 대한 전술한 충분한 전도도를 갖는 기본 내부 퓨즈 결과를 달성하기 위해서 놀라운 수준의 암페어 및 온도 저항을 나타내는 수준에서 필요한 접촉을 위한 효과적인 용접이 추가로 제공된다. 그러한 탭 리드 구성요소 및 용접된 구조물에 의해서, 리튬 배터리 기술 내에서 추가 개선이 산업계에 제공된다.

또한, 극도로 얇은 집전체 구조를 나타내는 본 기술의 내부 퓨즈 개발은 단일 전지 내에서 반복적인 접힘 가능성을 추가로 허용한다. 그러한 접힘 가능성은 과도한 내부 중량 및/또는 배터리 부피 요구 없이, 두 전도층 사이에 위치한 폴리머 층에 의해 전기적으로 절연될 수 있는 집전체의 두 면을 연결할 수 있는 능력을 제공한다. 표면적으로, 접힌 집전체는 내부 퓨즈 특성을 유지하는 동시에 그러한 전력 증가를 허용하며, 잠재적으로 앞서 언급한 과도한 중량 및 부피 요구 없이 임의의 수의 크기 배터리 내에서 임의의 수의 전력 증가를 허용하며, 목표한 높은 전력 수준과 가능한 한 높은 안전 이득으로 다양한 목적을 위한 신규한 배터리 제품을 생성한다.

일 양태에 따르면, 본 기술은 애노드, 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 분리막, 전해질, 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체, 및 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체에 부착된 적어도 하나의 탭을 포함하는 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체는 상단 및 하단 표면을 갖는 폴리머 기판 층을 가진다. 제 1 금속화된 층이 폴리머 기판 상단 층에 배치되고 제 2 금속화된 층이 폴리머 기판 하단 층에 부착된다. 집전체는 제 1 및 제 2 금속화된 층의 적어도 일부가 서로 접촉하도록 내부에 용접 디봇( weld divot)을 나타낸다.

다른 양태에 따르면, 본 기술은 애노드, 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 분리막, 전해질, 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체, 및 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체에 부착된 적어도 하나의 탭을 포함하는 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체는 상단 및 하단 표면을 갖는 폴리머 기판 층을 가지며, 제 1 금속화된 층은 폴리머 기판 상단 층에 부착되고 탭은 폴리머 기판 하단 층에 배치된다. 집전체는 제 1 금속화된 층의 적어도 일부가 탭과 접촉하도록 내부에 용접 디봇을 나타낸다.

또 다른 양태에 따르면, 본 기술은 애노드 및 캐소드를 포함하는 에너지 저장 장치와 함께 활용하기 위한 집전체 탭 시스템을 포함할 수 있다. 집전체 탭 시스템은 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체, 적어도 하나의 탭, 및 하나 이상의 용접 디봇을 포함할 수 있다. 집전체는 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉할 수 있다. 집전체는 상단 및 하단 표면을 갖는 폴리머 기판 층을 포함할 수 있다. 제 1 금속화된 층은 폴리머 기판 상단 층에 부착될 수 있고 제 2 금속화된 층은 폴리머 기판 하단 층에 부착될 수 있다. 탭은 폴리머 기판 상단 표면 또는 폴리머 기판 하단 표면에 부착될 수 있다. 용접 디봇은 탭이 제 1 금속화된 층의 적어도 일부 또는 제 2 금속화된 층의 일부와 각각 접촉하도록 집전체에 나타날 수 있다. 용접 디봇은 제 1 금속화된 층 및 제 2 금속화된 층이 접촉하도록 폴리머 기판 층을 이동시키도록 구성될 수 있다.

또 다른 양태에 따르면, 본 기술은 리튬 이온 배터리를 제조하는 공정을 포함할 수 있으며, 상기 공정은 a) 이온 저장 재료의 코팅을 갖춘 적어도 하나의 금속화된 기판을 갖는 전극을 제공하는 단계; b) 상대 전극을 제공하는 단계; c) 전극과 상대 전극 사이에 분리막 구성요소를 개재하여 전극과 상대 전극을 서로 대향하게 적층하는 단계; d) 전기 접촉 구성요소를 포함하는 패키지 재료를 제공하는 단계로서, 접촉은 패키지 재료 내부에 존재하는 부분 및 패키지 재료 외부에 존재하는 부분을 포함하는, 단계; e) 전기 접점을 금속화된 기판과 전기적으로 연결하는 단계; f) 패키지 재료 내부에 이온이 있는 하나 이상의 액체 전해질을 도입하는 단계; 및 g) 패키지 재료를 밀봉하는 단계를 포함한다. e) 단계에서 전기적으로 연결하는 단계는 금속화된 기판의 적어도 하나의 금속 층이 금속화된 기판의 폴리머 기판을 통해 가압되어 전기 접점과 1 옴 미만의 저항으로 전기 연결을 만드는 공정을 포함한다.

또 다른 측면에 따르면, 본 기술은 리튬 이온 전지의 집전 탭의 제조 방법을 포함할 수 있다. 상기 방법은 집전체의 폴리머 기판의 상단 층에 제 1 금속화된 층을 부착하는 단계, 폴리머 기판의 하단 층에 제 2 금속화된 층을 부착하는 단계, 집전체를 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 단계, 및 탭을 제 1 금속화된 층 및 제2 금속화된 층에 각각 접촉시키는 용접 디봇을 형성하도록 탭의 일부를 제 1 금속화된 층과 제 2 금속화된 층 중 하나에 용접하는 단계를 포함할 수 있다.

본 기술의 일부 또는 모든 실시예는 용접 디봇을 통해 집전체의 금속화된 층에 부착된 적어도 하나의 전기 연결 탭을 포함할 수 있다.

일부 또는 모든 실시예에서, 용접 디봇은 애노드와 캐소드 중 하나와 연관될 수 있다.

일부 또는 모든 실시예에서, 탭은 용접 디봇을 통해 애노드 또는 캐소드에 전기적으로 연결될 수 있다.

본 기술의 일부 또는 모든 실시예는 용접부에 제공된 보강재를 포함할 수 있다.

일부 또는 모든 실시예에서, 금속화된 필름은 최대 25 개의 층을 포함한다.

일부 또는 모든 실시예에서, 탭은 25 개까지 존재하는 다중 탭일 수 있다.

일부 또는 모든 실시예에서, 금속 층의 적어도 일부는 인접한 집전체를 통해 압출되어 압출된 금속 층과 대면 접촉하지 않는 다른 집전체의 금속화된 층과 접촉한다.

일부 또는 모든 실시예에서, 용접 디봇은 완전히 채워진, 희박하게 채워진, 부분 그리드 엇갈림 또는 부분 그리드 정렬된 패턴을 나타내는 다중 디봇일 수 있다.

일부 또는 모든 실시예에서, 용접 디봇은 선형, 절두 피라미드(truncated pyramid), 둥근 피라미드 또는 구형의 디봇 형상을 포함할 수 있다.

일부 또는 모든 실시예에서, 폴리머 기판 층은 각각의 개별 금속화된 필름 사이에 폴리머 기판을 갖는 다층 금속화된 필름 구조를 포함할 수 있고, 다층 금속화된 필름 구조의 최하단 금속화된 필름은 제 2 금속화된 층이다. 다층의 금속화된 필름 구조는 용접 인터페이스에서 다층의 금속화된 필름 구조를 함께 연결하기 위해 용접 디봇을 통해 조작되도록 구성될 수 있다.

일부 또는 모든 실시예에서, 용접 디봇은 다층 금속화된 필름 구조를 통한 완전한 용접 압력 적용을 용이하게 하기 위해서 용접 디봇을 둘러싸는 점진적 윤곽을 생성하도록 구성될 수 있다. 용접 디봇의 점진적인 윤곽은 용접 디봇의 상단 에지에서 융기된 주변 에지를 포함할 수 있다.

따라서, 이하의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있고 본 기술 분야에 대한 본 발명의 기여가 더 잘 이해될 수 있도록 기술의 특징이 다소 광범위하게 요약되었다.

본 기술의 다수의 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 취해질 때 본 기술의 현재 바람직하지만 그럼에도 불구하고 예시적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 읽을 때 당업자에게 용이하게 자명해질 것이다. 이와 관련하여, 본 기술의 본 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 기술은 구성의 세부사항 및 하기 설명에 제시되거나 도면에 예시된 구성요소의 배열에 대한 적용에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 기술은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실행 및 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안 됨을 이해해야 한다.

그 때문에, 당업자는 본 개시의 기초가 되는 개념이 본 기술의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법 및 시스템의 설계를 위한 기초로서 쉽게 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 청구범위가 본 기술의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 한 그러한 등가 구성을 포함하는 것으로 간주되는 것이 중요하다.

본 기술의 다른 목적은 용이하고 효율적으로 제작 및 판매될 수 있는 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에서 새롭고 개선된 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 제공하는 것이다.

본 기술의 또 다른 목적은 재료 및 노동력 모두에 대해 제작 비용이 낮고 그에 따라 소비 대중에게 낮은 가격으로 판매할 수 있는 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에서 새롭고 개선된 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 제공으로써, 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에서 그러한 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 구매 대중에게 경제적으로 이용할 수 있게 하는 것이다.

본 기술의 또 다른 목적은 그와 일반적으로 관련되어 있는 일부 단점을 동시에 극복하면서, 종래 기술의 장치 및 방법에 일부 장점을 제공하는 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에 신규한 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 제공하는 것이다.

본 기술의 또 다른 목적은 얇은 금속화된 표면 복합 집전체(예로서, 알루미늄 및/또는 구리), 높은 수축률 재료, 고온에 노출되면 비-전도성이 되는 재료 및 이들의 조합을 활용하기 위한 내부 퓨즈를 갖는 에너지 저장 장치에 배터리 연결 및 금속화된 필름 구성요소를 제공하는 것이다.

기술을 특징짓는 신규성의 다양한 특징과 함께 기술의 다른 목적과 함께 이들은 본 개시의 일부를 형성하고 첨부된 청구 범위에서 구체적으로 지적된다. 기술, 그 작동 장점 및 그 사용에 의해 달성되는 특정 목적에 대한 더 나은 이해를 위해서, 기술의 실시예가 예시되는 첨부 도면 및 설명 항목이 참조되어야 한다.

본 기술은 이하의 상세한 설명을 고려하면 더 잘 이해되고 전술한 것 이외의 목적이 자명해질 것이다. 이러한 설명은 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 18650 전지와 같은 권취형 전지의 구조에 대한 종래 기술의 도면이다.
도 2는 섹션 3.5에서, 원용에 의해 본 명세서에 포함되는, NASA/TM-2010-216099 “Battery Separator Characterization and Evaluation Procedures for NASA's Advanced Lithium Ion Batteries”에 따라 측정된 바와 같은, 여러 리튬 이온 배터리 분리막의 동적 기계적 분석에 의해 측정된 온도의 함수로서의 수축율에 대한 종래 기술의 도면이며, 1세대 분리막(Celgard PP, Celgard tri-layer), 2세대 분리막(세라믹 PE) 및 3세대 분리막(Silver, Gold, Silver AR)이 포함된다.
도 3은 네일 침투 시험을 거친 파우치형 전지의 단면에 대한 주사 전자 현미경 사진(SEM)의 종래 기술의 도면이며, 층은 BEI(backscattered electron imaging: 후방 산란 전자 이미징)로 매핑된 알루미늄과 구리이며, 네일은 왼쪽에 수직이며, 각각의 경우에 알루미늄 층이 네일에서 물러나 절연체인 산화알루미늄의 "스킨(skin)"을 남긴다.
도 3a는 도 3에 도시된 이미지로부터 층 중 하나를 확대한 종래 기술의 도면이며, 이는 산화알루미늄 층의 클로즈업을 보여주고 또한 분리막이 전혀 수축되지 않았으며 여전히 전극을 가장 에지까지 분리하고 있음을 보여준다.
도 4는 본 발명에 사용된 금속화된 필름을 도시한 것으로, 얇은 전도성 재료 층이 외부에 있고 중앙 기판은 열 폭주에 필요한 온도에서 열적으로 불안정한 층이며, 이러한 기판은 용융 층, 수축 층, 용해 층, 산화 층 또는 100 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열적 불안정성을 겪는 다른 층일 수 있다.
도 5는 일반적으로 12 내지 20 마이크론 두께의 두꺼운 알루미늄 집전체의 종래 기술의 도면이다.
도 5a는 본 발명에 사용된 금속화된 필름을 도시한 것으로, 각각의 면에 1 마이크론의 알루미늄이 있는 14 마이크론 두께의 기판을 보여주며, 본 발명의 집전체의 경우, 단락과 관련된 고전류를 전달할 수 없지만 두꺼운 본 발명의 기술은 전달할 수 있다.
도 6 및 도 6a는 각각 고온 인두 선단과 접촉된 후의 비교 예 1 내지 예 2의 이미지를 도시한다. 비교 예는 고온 인두와 접촉한 후에도 변하지 않았다.
도 7, 도 7a 및 도 7b는 각각 고온 인두의 선단에 접촉시킨 후의 예 1 내지 예 3의 이미지를 도시한다. 예 1 내지 예 3은 모두 금속화될 기판에 대해 본 개시에 기판된 바와 같은 수축을 나타낸다.
도 8, 도 8a 및 도 8b는 각각 고온 인두의 선단과 접촉한 후의 예 4 내지 예 6의 이미지를 도시한다. 예 4는 금속화될 기판에 대해 본 개시에 기판된 바와 같은 수축을 나타낸다. 예 5는 리튬 이온 전해질에 열을 가하면 용해되는 섬유를 가진다. 예 6은 본 발명으로서 기능을 하기 위해서 얇은 전도성 층을 필요로 하는 열적으로 안정한 기판의 예이다.
도 9, 도 9a, 및 도 9b는 단면에서 상이한 배율의 SEM이며, 예 9에 기술된 바와 같이 이제 개시된 바와 같은 하나의 집전체의 가능한 일 실시예의 금속화된 표면을 나타내는 도면이다. 금속은 두께가 20 마이크론이었던 원래 기판보다 분명히 훨씬 더 얇다.
도 10 및 도 10a는 비교 예 3 및 4의 단락 후 광학 현미경 사진으로, 홀이 없는 단락 주변 영역의 절제부를 도시한다.
도 11 및 도 11a는 단락 후의 예 14의 두 영역의 광학 현미경 사진으로, 단락의 높은 전류 밀도로 인해 재료에 명확한 홀이 있음을 도시한다.
도 12는 하기에 언급된 예에 사용된 집전체의 전류 전달 용량을 테스트하기 위한 테스트 스트립의 크기 및 형상을 도시한 도면이다.
도 13은 하나의 잠재적으로 바람직한 실시예로서 용접된 탭을 갖는 단층 집전체의 측면 사시도를 도시한다.
도 14는 다른 잠재적으로 바람직한 실시예로서 테이프 탭이 있는 단층 집전체의 측면 투시도를 도시한다.
도 15는 다른 잠재적으로 바람직한 실시예로서 스테이플 탭(stapled tab)을 갖는 단일 층 집전체의 측면 사시도를 도시한다.
도 16은 내부에 단일의 둥근 접힘부 및 다른 잠재적으로 바람직한 실시예로서 테이프 탭을 갖는 단일층 집전체의 측면 투시도를 도시한다.
도 17은 내부에 이중으로 둥글게 접혀 있고 다른 잠재적으로 바람직한 실시예로서 테이프 탭이 있는 단층 집전체의 측면 투시도를 도시한다.
도 18은 다른 잠재적으로 바람직한 실시예로서 2 개의 평행한 용접 탭을 갖는 단층 집전체의 측면 사시도를 도시한다.
도 19는 다른 잠재적으로 바람직한 실시예로서 단일 접힌 용접 탭을 갖는 단일 층 집전체의 측면 투시도를 도시한다.
도 20은 내부에 이중 둥근 접힘부 및 다른 잠재적으로 바람직한 실시예로서 용접된 탭을 갖는 단층 집전체의 측면 투시도를 도시한다.
도 21은 내부에 이중으로 둥근 접힘부 및 다른 잠재적으로 바람직한 실시예로서 용접된 탭을 각각 갖는 복수의 단층 집전체의 측면 투시도를 도시한다.
도 22는 다른 잠재적으로 바람직한 실시예로서 내부에 이중 둥근 접힘부 및 2개의 대향 용접된 탭을 각각 갖는 복수의 단층 집전체의 측면 투시도를 도시한다.
도 23은 다른 잠재적으로 바람직한 실시예로서 다중 Z-접힌 클램핑 탭과 접촉하는 복수의 단일 층 집전체의 측면 사시도를 도시한다.
도 24는 금속화된 필름의 2 개의 개별 층 및 단일 용접이 존재하는 폴리머 기판을 갖는 복합 집전체의 정면 사시도를 도시한다.
도 25는 잘 연결된 탭이 부착된 금속화된 필름의 2 개의 개별 층 및 폴리머 기판을 갖는 복합 집전체의 측면도를 도시한다.
도 26은 (도 25에서와 같이)용접된 집전체/폴리머 기판 복합체의 100 마이크론 길이 투시도의 고배율 전자 현미경 단면도이다.
도 26a는 도 26의 복합체의 50-마이크론 길이 사시 단면도이다.
도 27은 용접 탭이 부착된 금속화된 필름의 2 개의 개별 층 및 폴리머 기판을 갖는 복합 집전체의 측면 투시도를 도시한다.
도 27a는 도 27의 용접 위치에 도시된 바와 같은 금속화된 필름, 폴리머 기판, 및 탭 사이의 인터페이스의 500 마이크론 부분의 고배율 전자 현미경 단면도이다.
도 27b는 도 27a의 인터페이스의 100마이크론 부분이다.
도 28은 폴리머 기판 및 용접된 탭이 부착된 금속화된 필름의 다층을 갖는 복합 집전체의 측면 투시도를 도시한다.
도 28a는 도 28에 도시된 용접된 다층 금속화된 필름/폴리머 기판 복합체의 500 마이크론 길이 투시도의 고배율 전자 현미경 단면도이다.
도 28b는 도 28a의 복합체의 200-마이크론 길이 투시도이다.
도 29는 탭에 용접된 금속화된 필름 집전체의 다층의 측면 분해 사시도를 도시한다.
도 30은 금속화된 필름 집전체 및 용접 탭 복합체를 포함하는 강성 플라스틱 인클로저 배터리의 투명한 측면 투시도를 도시한다.
도 31은 용접된 탭을 갖는 젤리 롤 복합체 집전체를 갖는 원통형 배터리의 측면 투명도를 도시한다.
도 32는 금속화된 필름 집전체 및 용접된 탭 복합체를 포함하는 파우치형 인클로저 배터리의 투명 측면 투시도를 도시한다.
도 33은 금속화된 필름 집전체 및 용접된 탭의 다층을 갖는 다층 배터리 복합체의 전면 투시도를 도시한다.
도 33a는 도 33의 배터리 복합체의 다른 측면 사시도이다.
도 34는 금속화된 필름 집전체 및 탭과 관련된 대안적인 용접 구조의 상이한 잠재적 실시예를 도시한다.
도 35는 완전히 채워진 용접 그리드 구조의 가능한 실시예 구성을 도시한다.
도 35a는 드물게 채워진 용접 그리드 구조의 가능한 실시예 구성을 도시한다.
도 36은 부분 엇갈린 용접 그리드 구조의 가능한 실시예 구성을 도시한다.
도 37은 부분적으로 정렬된 용접 그리드 구조의 가능한 실시예 구성을 도시한다.
도 38은 상단-측 용접이 존재하는 집전체 및 탭 배터리 복합체의 측면 사시도를 도시한다.
도 39는 필름-측 용접이 존재하는 집전체 및 탭 배터리 복합체의 측면 사시도를 도시한다.
도 40은 단일 접힌 용접 탭 및 집전체 복합체의 측면 투시도를 도시한다.
도 41은 다층 집전체 및 다중 탭 복합체의 부분 분해 측면 투시도를 도시한다.
도 42는 분리 퓨즈 구조를 포함하는 용접된 탭과 전극의 복합체의 측면 사시도를 도시한다.
도 43은 부착용 테이프를 갖는 집전체/전극/탭 복합체의 일부의 측면 사시도를 도시한다.
도 44는 다층 집전체 및 전극 및 용접된 탭을 위한 감긴 테이프 연결부를 갖는 배터리 복합체의 측면 사시도를 도시한다.
도 45는 다층 집전체 및 전극 및 용접된 탭을 위한 클램핑된 테이프 연결을 갖는 배터리 복합체의 측면 투시도를 도시한다.
동일한 참조 부호는 다양한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 지칭한다.

본 개시의 분명한 장점은 내부 단락이 발생할 때 전도성 경로를 차단하는 메커니즘을 제공하는 구조적 구성요소를 통한 능력으로, 타겟 배터리 전지 내에서 열을 생성할 수 있는 전류의 흐름을 중단하거나 크게 감소시킨다.

다른 장점은 리튬 배터리 전지 내에서 그러한 보호 구조 형식을 제공할 수 있는 능력으로, 이는 또한 전체 전지 제작, 운송 및 활용에 유리한 중량 및 비용 개선을 제공한다. 따라서, 다른 장점은 활성화의 필요성이 필요할 때까지 타겟 배터리 전지 내에서 내부 퓨즈 구조를 생성하고 유지하는 것이다. 다른 장점은 단락 또는 유사 이벤트 동안 열 폭주를 방지하는 박막 베이스 집전체의 활용을 통해 더 가벼운 배터리를 제공하는 것이다. 또 다른 장점은 단락 또는 이와 유사한 이벤트 동안 발화에 대해 감지할 수 있는 경향 없이 배터리 내에서 가연성 유기 전해질 재료를 사용할 수 있는 능력이다. 다른 분명한 장점은 내부 퓨즈 집전체와 용접되거나 다른 방식으로 접촉하는 충분한 전도성 탭 구성요소를 제공할 수 있는 능력, 특히 상부 표면 및 하부 표면 모두와 동시에 접촉하는 능력이다. 또 다른 장점은 과도한 중량 또는 부피 측정을 필요로 하지 않고 강력한 주문형 배터리 결과를 제공하도록 일련의 다중 전류 전도 내부 구조에서 누적 발전을 허용하기 위해서 본 명세서에 개시된 얇은 집전체 구성요소 내에 접힘을 생성할 수 있는 능력이다.

따라서, 본 발명은 애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 폴리머 또는 직물 분리막, 전해질, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체를 포함하는 에너지 저장 장치를 포함하며; 상기 애노드 또는 상기 캐소드 중 어느 하나는 상기 집전체와 상기 분리막의 적어도 일부 사이에 개재되고, 상기 집전체는 폴리머 재료 기판에 코팅된 전도성 재료를 포함하고, 상기 집전체는 상기 에너지 저장 장치의 작동 전압에서 노출된 단락 회로의 접촉 지점에서 전도를 중단하고, 상기 전압은 적어도 2.0 볼트이다. 일 예는 팁 크기가 1 mm² 이하인 0.1 암페어/mm²의 접점에서의 전류 밀도이다. 물론, 더 큰 전지의 경우, 요구되는 임계 전류 밀도가 더 높을 수 있고, 전지는 적어도 0.6 암페어/mm², 또는 심지어 적어도 1.0 암페어/mm²와 같은 적어도 0.3 암페어/mm²의 전류 밀도에서만 전도를 멈출 수 있다. 그러한 코팅된 폴리머 재료 기판은 또한, 하기에 더 상세히 기술되는 바와 같이 최대 25 마이크론의 전체 두께를 나타내야 한다. 에너지 저장 장치(리튬 이온 배터리와 같은 배터리, 커패시터 등) 내에서 그러한 유익한 집전체 구성요소를 활용하는 방법도 본 개시에 포함된다. 또한, 그러한 박막 집전체 배터리 물품에는 상기 집전체의 길이를 따라 이어지는 2 내지 50 개의 용접부(이는 균일한 간격 및 크기일 수 있음)를 통해 베이스 박막 집전체와 접촉하는 적어도 하나의 탭이 제공될 수 있으며, 상기 적어도 하나의 탭이 상기 박막 집전체의 덮인 표면과 접촉하는 노출된 상단 표면 또는 하단 표면을 갖도록 상기 적어도 하나의 탭이 상기 박막 상에 놓이며, 상기 용접부는 노출된 상단 표면으로부터 상기 박막 집전체의 상기 덮인 표면까지 상기 탭을 통과하는 전도성 재료의 배치를 나타낸다. 단일 배터리 물품 내에서 직렬로 연결된 별도의 발전 영역을 제공하도록 접힐 수 있는 위에 개시된 바와 같은 다중 집전체의 활용이 본 명세서에 추가로 포함된다.

또한, 매우 짧은 시간 동안 또는 매우 작은 선단을 갖는 프로브에서 훨씬 더 큰 전류 밀도를 지원할 수 있다. 그러한 상황에서 5 암페어, 10 암페어 또는 15 암페어와 같은 더 큰 전류가 매우 짧은 시간 동안(예를 들어, 1 초 미만, 대안적으로 0.1 초 미만, 또는 심지어 1 밀리초(0.001 초) 미만] 연결될 수 있다. 본 개시 내에서, 더 큰 전류를 측정하는 것이 가능할 수 있지만, 그러한 전류에 대한 전달 시간은 전달된 총 에너지가 매우 작고 대상 배터리 전지 내부에서 열 폭주 이벤트를 일으키는데 충분한 열을 생성하는데 충분하지 않을 정도로 충분히 짧다. 예를 들어, 기존 구성의 전지 내의 단락은 4.2 볼트에 걸쳐 30 초 동안 10 암페어를 생성하는 것으로 공지되어 있으며, 그 결과 그러한 배터리 내의 작은 로컬 영역에 1200 주울의 에너지를 전달했다. 이러한 결과적인 측정은 대상 배터리의 1-g 섹션 온도를 약 300 ℃까지 증가시킬 수 있으며, 이러한 온도는 내부에 존재하는 기존의 분리막 재료를 용융시킬 뿐만 아니라 전체 전지를 폭주 열 상황으로 몰아넣을 만큼 충분히 높은 온도이다(이는 위에서 언급한 바와 같이, 그 내부에 존재하는 전해질 재료의 전술한 절충을 야기할 수 있고, 대상 배터리뿐만 아니라 그것이 존재하는 장치/구현예 및 주변 환경의 잠재적인 파괴를 유발할 수 있다). 따라서 단락 지속 시간을 줄이는 능력뿐만 아니라, 그러한 단락에서 낮은 주울 측정, 열 폭주(및 이와 관련된 잠재적 재해)와 관련된 결과적으로 전달된 에너지 수준이 완전히 방지되지 않은 경우, 방지될 수 있는 가능성이 있다. 예를 들어, 집전체 내에서 단락 체류 시간을 1 밀리초 이하로 줄이면 이후에 전달된 에너지의 양을 0.04 주울(위에서 언급한 1200 주울과 대조적으로, 예를 들어 대상 배터리의 1-g 로컬 영역 내에서 과도하게 300 ℃ 이하)까지 낮게 낮출 수 있다. 따라서 그러한 낮은 수준은 배터리의 이러한 1-g 로컬 영역 내에서 0.01 ℃의 온도 증가만 생성하므로 대상 전지 및 전체 배터리 내에서 열 폭주가 방지된다.

따라서, 프로브 팁을 통해 타겟 집전체 표면에 인가되는 전류 레벨의 전달 시간을 (내부 제작 결함, 수지상 돌기, 또는 대상 배터리 내에서 내부 단락을 유발하는 외부 이벤트의 영향을 제어 가능하게 본보기로 삼기 위해)1 초 미만, 바람직하게 0.01 초 미만, 보다 바람직하게 1 밀리초 미만, 가장 바람직하게 특히 훨씬 더 큰 전류의 경우, 아마도 심지어 100 마이크로초 미만으로 극적으로 제한하는 집전체를 배터리에 제공하는 것이 본 개시의 다른 중요한 장점이다. 물론, 그러한 전류는 5.0 V 또는 4.5 V 또는 4.2 V 또는 심지어 그 미만, 예컨대 4.0 V 또는 3.8 V일 수 있지만 최소 2.0 V인 전지의 내부 전압으로 제한된다.

그러한 신규한 집전체 구성요소는 실제로 오늘날 리튬(및 기타 유형)의 배터리 및 에너지 저장 장치 내에서 전형적으로 활용되고 발견되는 것들에 반-직관적이다. 표준 집전체는 알루미늄 및/또는 구리 패널과 같은 전도성 금속 구조로 제공되며, 이는 제작 공정에서 살아남는데 필요한 강도를 제공하는 것으로 생각된다. 이들 금속의 강도는 전지의 전기적 요구를 훨씬 초과하는 두께를 필요로 한다. 예를 들어, 전지의 전기적 요구 사항에 따라 500 nm 정도의 알루미늄 두께가 필요한 반면에, 제작 공정을 견딜 수 있는 가장 얇은 고체 호일 알루미늄은 약 10 pm이다. 그러나 특히 오늘날의 에너지 저장 장치에 널리 사용되는 두꺼운 패널이 단락이 발생할 때 전형적으로 낮은 임피던스 전지가 전달할 수 있는 모든 전류를 실제로 지원하고 따라서 그러한 상황이 발생했을 때 폭주 온도에 크게 기여할 수 있기 때문에 그러한 믿음은 실제로 잘못 이해된 것 같다. 그러한 단락은 예를 들어, 애노드와 캐소드 사이의 수지상 형성으로 인해 발생할 수 있다. 그러한 기형(제작 시 또는 제작 동안 또는 장기간 사용의 결과로 인한 잠재적 열화)은 전압이 예기치 않게 애노드로부터 캐소드로 흐르게 하여 전류를 증가시키고 결과적으로 그러한 것이 발생하는 위치에서 온도를 증가시킬 수 있다. 실제로, 결함을 일으키는 단락 회로의 잠재적인 원인 중 하나는 여러 제품의 반복적인 제작 공정(오늘날은 일반적임) 동안 마모된 블레이드로 잘리거나 절단될 때 이들 두꺼운 전형적인 집전체의 에지에 형성되는 버(burr)이다. 그러나 표준 집전체 재료는 단지 내구성 있는 단락을 생성하고 온도 상승을 허용하는 경향을 나타낼 뿐이며, 그러한 발생 동안에 존재하는 전류가 장치를 통해 계속 흐르도록 허용하므로, 자유로운 생성과 이동을 허용하여 전류를 억제할 수단을 남기지 않고 따라서 온도 수준이 상승하는 것을 방지한다는 것이 반복적으로 분석되고 이해되었다. 이러한 문제는 폭주하는 고온 결과로 직접 이어이며; 그러한 상황을 막을 임의의 내부 수단이 없으면 화재가 발생하고 궁극적으로 장치를 불태우고 파괴할 가능성이 전형적으로 임박한다. 또한, 표준 집전체의 전류 경로(충전 방향)는 단락 전과 단락 동안 모두 상당히 정적 상태를 유지하며 기본적으로 캐소드로부터 애노드로 이동한 다음 특정 방향으로 집전체를 따라 수평으로 이동할 때 예상한 것과 동일한 잠재적인 전하 이동을 나타낸다. 그러나 단락으로 인해 이러한 전류 경로는 그러한 전하 이동을 방지하거나 최소한 억제하거나 지연시키지 못하여, 다시 말해 배터리 자체 전체에서 폭주 방식으로 급속 방전을 허용한다. 그러한 급속 방전과 관련된 고온과 함께 위에서 언급한 치명적인 문제(화재, 폭발 등)가 발생한다.

반대로, 그리고 다시, 리튬 배터리의 전형적인 구조 및 구성에 대해 매우 예상치 못한 그리고 반-직관적이지만, 적어도 본 개시의 집전체의 사용은 극도로 높은 전류 밀도 측정(전도성 요소의 감소된 두께로 인해) 및 단락 시 전하 이동 방지(예를 들어, 전하 방향 없음)를 초래한다. 다시 말해서, 본 명세서에 개시된 집전체 구성요소에 부여된 특정한 구조적 제한으로, 전류 밀도는 재료가 온전한 상태로 남아 있을 수 없고 기화에 의해 실패하는 정도로 증가한다.

전도체의 이러한 고장을 유발하는데 필요한 총 에너지 양은 위에서 논의한 바와 같이 낮고 이벤트에서 생성된 매우 낮은 온도를 초래한다. 그러한 집전체 구성요소의 다른 구조적 고려사항, 즉 그러한 전도성 재료 층과 접촉하는 치수적으로 안정한 폴리머 재료의 실제 결여와 결합하여, 전도성 재료는 그 위의 충전 지점에서 즉시 산화되어 예를 들어, 둘 다 비-전도성 재료인 알루미늄 또는 산화 제2 구리를 남긴다. 그러한 순간적인 비-전도성 재료 생성으로 인해 단락 전하가 이동하는 방향이 없기 때문에 소산되는 것처럼 보인다. 따라서, 지금 설명된 집전체에서 내부 단락 발생은 전류의 즉각적인 중단을 초래하고, 그러한 단락으로 인한 즉각적인 고온 결과를 효과적으로 활용하여 추가 전하 이동에 대한 장벽을 생성한다. 그 때문에, 에너지 저장 장치의 본체 전체에 추가 전류가 부족하면(물론, 단락과 관련하여) 단락이 완전히 억제되고 폭주 전류 또는 고온 결과가 그 이후에 발생하고 아마도 가장 중요한 것은 에너지 저장 장치(배터리 등)가 의도한 대로 작동할 때 그 당시 존재하는 국부적인 비전도성 재료가 전류 흐름의 임의의 현저한 감소를 일으키지 않기 때문에 집전체가 초기 및 보호 목적을 위해 실행 가능한 상태를 유지하는 정도로 그러한 바람직하지 않은 이벤트를 억제한다. 더욱이, 비-전도성 재료 생성의 상대적으로 작은 영역은 수리, 교체 또는 기타 개선 조치가 필요 없이 추가 활용을 위해 집전체에 상당한 표면적 등을 남긴다. 물론, 항상 발생하는 것은 아니지만 현재 공개된 특정 예방 조치 및 수정 없이는 그러한 고온 손상 및 파괴 이벤트의 가능성이 실제로 일반적으로 허용되는 것보다 훨씬 더 높은 상황을 보장해야 할 필요성이 있다. 따라서 전체 집전체는 단락 조건 하에서의 불안정성으로 인해 2 차원 전기 퓨즈가 되어 해당 고전류의 순간 효과를 사용하여 단락과 관련된 잠재적으로 치명적인 고전류를 방지하여 단락 지점에서 전류를 전도하기 위한 집전체의 능력을 파괴한다.

그러한 장점은 다수의 상이한 대안을 통해 유사한 최종 결과로 제공될 수 있는 신규한 결과적인 집전체와 관련하여 허용된다. 이들 대안적인 구성들 중 임의의 것에서, 본 명세서에 기판된 바와 같은 집전체는 표면적으로 타겟 에너지 저장 장치(예를 들어, 리튬 배터리, 커패시터 등) 내의 내부 퓨즈로서 기능을 한다. 그러나, 각각의 경우(대안)에서, 적어도 하나의 금속화된 면이 타겟 에너지 저장 장치의 애노드 또는 캐소드와 접촉하여 그 한쪽 또는 양쪽 면이 금속화된 폴리머 층을 포함하는 집전체가 있다. 하나의 대안은 집전체의 전체 금속화된(코팅된) 폴리머 기판의 총 두께가 20 마이크론 미만, 잠재적으로 바람직하게 15 마이크론 미만, 잠재적으로 더 바람직하게 10 마이크론 미만인 경우이고, 모두 1 옴/제곱 미만, 잠재적으로 바람직하게 0.1 옴/제곱 미만, 잠재적으로 더 바람직하게 50 milli-옴/제곱 미만의 저항 측정값을 가진다. 전형적인 집전체는 이들 특징을 나타낼 수 있지만, 강화 폴리머 기판으로 만들어진 것보다 훨씬 더 높은 중량에서 그리고 현재 개시된 변형예의 고유한 안전 장점 없이 이들 특징을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 두께가 10 마이크론인 구리 호일은 90 g/m²의 무게를 가질 수 있다. 그러나 구리 도금 호일은 전지가 기능을 하는데 필요한 적절한 전기적 성능을 제공하면서 무게가 50 g/m², 심지어 30 g/m² 또는 심지어 20 g/m² 미만일 수 있다. 그러나 이러한 대체 구조에서, 매우 얇은 구성요소는 단락이 금속 코팅과 반응하도록 하고 전체 저항 수준과 관련하여 그러한 단락 동안의 전류 스파이크로 인한 과도한 높은 온도에 의해서 그로부터 임의의 추가의 전류 이동을 즉시 방지하는 금속 산화물의 국부적 영역을 생성하게 한다.

그러한 신규한 집전체에 대한 다른 가능한 대안은 단락 동안 열원에서 수축하거나 특정 재료 위치에서 비-전도성 재료(예컨대, 일 예로서 그리고 다른 방식으로 위에서 언급한 바와 같은 알루미늄 집전체로부터의 산화알루미늄) 비-전도성 재료로 쉽게 분해되는 온도 의존 금속(또는 금속화된) 재료를 제공하는 것이다. 이러한 방식으로, 집전체는 고온에서 열적으로 매우 안정적인 오늘날 사용되는 알루미늄 및 구리 집전체와 극명하게 대조적으로 열적으로 약해진다. 그 결과, 고유 용융 온도가 더 낮은 금속 합금은 더 낮은 단락 전류 밀도에서 열화될 수 있어서, 본 명세서에 개시된 리튬 기반 에너지 장치의 안전성 장점이 향상된다. 다른 대안은 상대적으로 낮은 온도에서 상대적으로 높은 수축률을 나타내는 섬유 또는 필름에 구리 또는 알루미늄과 같은 전도성 재료 층을 코팅하여 집전체를 제작하는 것이다. 이들의 예는 용융 온도가 250 ℃ 또는 심지어 200 ℃ 미만인 열가소성 필름을 포함하고, 비-제한적인 예로서 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함할 수 있다. 그러한 결과를 달성하는 다른 가능한 방법은 재료가 전지의 작동 온도에 비해 비교적 높지만 열 폭주를 유발할 수 있는 온도에 비해 낮은 온도로 가열될 때 전해질에서 팽창하거나 용해될 수 있는 섬유 또는 필름에 위와 같은 전도성 재료, 예를 들어 구리 또는 알루미늄의 층을 코팅하여 집전체를 제작하는 것이다. 리튬 이온 전해질에서 팽윤할 수 있는 그러한 폴리머의 예는 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리 아크릴로니트릴을 포함하지만, 당업자에게 공지된 다른 것도 있다. 그러한 대안적인 내부 전기 퓨즈 생성 공정을 달성하는 또 다른 방법은 열 하에서 산화될 수 있는 금속, 예를 들어 알루미늄을 리튬 배터리에 일반적으로 사용되는 것보다 훨씬 더 얇은 총 금속 두께로 기판에 코팅하는 것이다. 예를 들어, 오늘날 사용되는 매우 얇은 알루미늄 집전체는 두께가 20 마이크론일 수 있다. 총 5 마이크론 미만의 코팅 두께는 회로를 더 빨리 깨뜨릴 것이며, 2 마이크론 미만 또는 1 마이크론 미만의 코팅 두께는 회로를 훨씬 더 빨리 깨뜨릴 것이다. 그럼에도 불구하고, 전도성 경로의 차단을 달성하는 다른 방법은 현재 상용 퓨즈에서 발견되는 열화와 유사하게 단락을 둘러싸는 높은 전류 밀도에서 열화되는 제한된 전도율을 갖는 집전체를 제공하는 것이다. 이는 5 m옴/제곱, 또는 10 m옴/제곱보다 큰 저항률, 또는 잠재적으로 바람직하게 20 m옴/제곱보다 큰 저항률, 또는 50 m옴/제곱보다 잠재적으로 더 선호되는 수준을 갖는 전류 집전체를 제공함으로써 달성될 수 있다. 이러한 측정은 양면에 코팅된 재료의 한 면 또는 양면에서 있을 수 있다. 다른 저항의 집전체의 사용은 더 낮은 전력 및 더 높은 에너지를 위해 설계된 전지과 비교하여 상대적으로 낮은 저항을 사용할 수 있는 고 전력용으로 설계된 배터리 및/또는 상대적으로 높은 저항을 사용할 수 있는 배터리에 대해 다르게 선택될 수 있다. 전도성 경로의 단절을 달성하는 또 다른 방법은 알루미늄보다 훨씬 낮은 온도에서 비-전도성 재료로 산화되는 집전체를 제공하여 분리막이 열화되기 전에 집전체가 단락 전 단락 영역에서 불활성이 되도록 하는 것이다. 특정 알루미늄 합금은 알루미늄 자체보다 더 빨리 산화되며 이러한 합금은 전도성 경로가 더 빨리 또는 더 낮은 온도에서 악화되게 한다. 가능한 대안으로서, 금, 은, 바나듐, 루비듐, 이리듐, 인듐, 백금 및 다른 것(기본적으로, 매우 얇은 층에서, 그러한 금속 사용과 관련된 비용은 전도도를 희생하지 않고 여전히 단락 또는 유사 이벤트 동안 열 폭주 전위로부터 보호를 허용하면서 극적으로 감소될 수 있다)을 제한 없이 포함하는, 전기 전도성을 나타내는 얇은 층 용량의 임의의 유형의 금속이 사용될 수 있다. 또한, 상이한 금속의 층이 사용될 수 있거나, 심지어 분리된 층 구성요소로서 또는 그 내부에 증착된 금속의 개별 영역이 사용될 수 있다. 물론, 또한, 그러한 코팅된 집전체 기판의 한 면은 반대 면과 상이한 금속 종을 포함할 수 있고, 또한 비교하여 상이한 층 두께를 가질 수도 있다.

전지의 전기적 특성을 개선하는 한 가지 방법은 코팅된 집전체가 두 개의 전도성 코팅된 면을 포함하도록 하여 표면적으로 한 면의 코팅으로부터 다른 면의 코팅으로 전도성을 허용하는 것이다. 예를 들어, 코팅되지 않은 폴리머 필름에서는 그러한 결과가 불가능하다. 그러나, 그러한 양면 전도성 처리량은 하나의 비-제한적인 예로서, 특정 비율의 전도성 섬유를 포함하는 부직포, 또는 전도성 물질이 로딩된 부직포, 또는 전도성 재료(예컨대, 탄소 섬유 또는 금속 섬유와 같은), 또는 위에서 언급한 바와 같이 전도성 재료로 코팅된 섬유를 포함하는 부직포(예컨대, 표면에 금속 코팅이 있는 섬유)에 의해 달성될 수 있다. 상단에서 하단으로의 전도도를 나타내는 신규한 유형의 얇은 집전체 재료는 예컨대, 고유 전도성 재료(예를 들어, 예컨대, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린 또는 폴리비닐피롤리돈)의 활용을 통해, 또는 필름 제작 중 또는 후에 전도성 재료(예컨대, 흑연 또는 그래핀 또는 금속 입자 또는 섬유)의 로딩을 통해 전도성으로 만들어진 필름일 수 있다. 추가로, 다른 가능한 양면 얇은 집전체 재료는 금속화 공정 동안 금속(알루미늄 또는 구리)으로 코팅된 측면이 있는 작은 천공된 홀을 갖는 폴리머 기판이다. 한 면으로부터 다른 면으로의 그러한 전도성 결과는 전도성 코팅만큼 전도성일 필요가 없다.

따라서, 표면적으로 동일한 집전체 결과 및 물리적 특성을 얻는 그러한 대안적인 구성은 a) 코팅된 폴리머 기판의 총 두께가 20 마이크론 미만이고 저항이 1 옴/제곱 미만이고, b) 집전체가 폴리머 재료를 포함하는 기판에 코팅된 전도성 재료를 포함하고, 폴리머 재료는 225 ℃에서 적어도 5 %의 열 수축을 나타내며, c) 집전체 금속화된 폴리머 재료가 배터리의 전해질에서 팽창하고, 그러한 팽창은 폴리머 재료가 가열됨에 따라 증가하고, d) 집전체 전도성 재료의 총 두께가 폴리머 기판에 적용될 때 5 마이크론 미만이고, e) 집전체의 전도도는 10 밀리옴/제곱 내지 1 오옴/제곱이고, f) 집전체의 금속화된 폴리머 기판은 최대 60 %의 다공도를 나타낸다. 225 ℃에서 1 시간 후에 5 % 미만의 열 수축을 나타내는 분리막을 갖는 에너지 저장 장치 내에서 이들 대안적 구성 중 임의의 것을 이용하는 것도 본 개시의 범위 내에 있을 것이다. 이러한 유형의 에너지 저장 장치(배터리, 커패시터 등)의 전체 활용(사용 방법)도 본 발명에 포함된다.

본 발명의 주요 장점은 전지에 대한 향상된 안전성이지만, 그러한 집전체 구성요소와 관련하여 감소된 양의 금속 중량을 통해 전체 에너지 저장 장치의 감소된 중량을 포함하는, 위에서 언급된 바와 같은 다른 장점이 있다. 다시 말하지만, 그러한 배터리 물품 내의 집전체를 위해 특히 낮은 치수 안정성 특성을 갖는 얇은 금속화된 코팅된 폴리머 층을 사용하는 것은 완전히 반-직관적이다. 이러한 업계의 현재 사고방식은 원하는 보호 결과(특히 잠재적인 단락 사고로부터)를 달성하기 위해서 더 많은 양의 실제 금속 및/또는 절연체 구성요소가 필요하다는 생각이 남아 있다. 그러한 패러다임이 올바르지 않을 뿐만 아니라, 리튬 배터리 등의 단락 문제에 대한 효과적인 해결책은 금속의 양을 증가시키보다는 감소시키고 이를 열적으로 불안정한 베이스 층과 커플링하는 것이다. 따라서 그러한 불안정한 베이스 층이 있는 얇은 금속 층이 단락 중에 방전 이벤트를 방지하고 효과적으로 중지할 수 있는 능력을 제공할 뿐만 아니라, 전반적인 효과가 훨씬 더 안전하고 신뢰할 수 있을 뿐만 아니라 그러한 구성 부품의 전체 중량 및 부피가 현저히 낮다는 것을 다시 한 번 매우 예기치 않게 깨달았다. 따라서 에너지 저장 제품(배터리 등) 내에서 요구되는 중량 및 부피를 낮추고 특성을 개선하는 예상치 못한 이득은 처음에 이해했던 것보다 훨씬 더 많은 것을 업계에 제공한다.

추가 설명으로, 2.7 g/cm³의 밀도에서 20 마이크론 두께의 알루미늄의 무게는 54 g/m²이다. 그러나 10 마이크론 두께의 폴리프로필렌 필름(밀도 0.9 g/cm³)에 1 마이크론으로 코팅된 동일한 금속의 무게는 11.7 g/m²이다. 이러한 집전체 무게 감소는 전체 대상 에너지 저장 장치(예를 들어, 배터리)의 무게를 줄이고 이동성을 증가시키고 연료 마일리지 또는 전기 범위를 증가시키며 일반적으로 모바일 전기 용례의 가치를 향상시킬 수 있다.

또한, 필름의 강도가 높기 때문에, 위의 예는 예를 들어, 20 마이크론에 비해 총 두께 11마이크론으로 더 얇게 만들 수 있으며, 다시 전지의 부피를 줄여 에너지 밀도를 효과적으로 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 15 마이크론 미만, 바람직하게 12마이크론 미만, 보다 바람직하게 10 마이크론 미만, 가장 바람직하게 8 마이크론 미만의 총 두께의 집전체가 이러한 목적 및 기능을 위해 만들어지고 활용될 수 있다. 2.7 xlO^-8 옴-m에서 알루미늄의 벌크 저항과 1.68 x lO^-8 옴-m에서 구리의 벌크 저항으로 얇은 코팅은 1 옴/제곱 미만, 또는 0.5 옴/제곱 미만, 또는 심지어 0.1 옴/제곱 또는 0.05 옴/제곱 미만으로 만들어질 수 있다. 이들 전도성 코팅의 두께는 5 마이크론 미만, 바람직하게 3 마이크론 미만, 보다 바람직하게 2 마이크론 미만, 잠재적으로 가장 바람직하게 심지어 1 마이크론 미만일 수 있다. 시장에서 일반적으로 사용되는 표준 재료에 10 마이크론 이상의 금속이 포함되어 있을 때 훨씬 적은 양의 금속을 사용하여 적절한 성능을 얻을 수 있다는 것은 매우 반-직관적이다. 실제로, 일반적인 저장 장치에 존재하는 대부분의 금속은 고속 및 자동화 처리에 적합한 기계적 특성을 제공하기 위해 포함된다. 기계적 특성을 제공하기 위해서 훨씬 더 낮은 밀도의 폴리머 재료를 사용하는 것이 본 발명의 장점 중 하나이며, 내부 전기 단락과 열 폭주, 연기 및 화재를 초래하는 위험할 정도로 높은 전류 밀도를 집전체가 지원할 수 없기 때문에 금속 두께를 전지의 안전성이 개선되는 수준으로 감소시킬 수 있다.

또한, 이들 전도성 층은 다중 층으로 만들 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 층은 구리의 얇은 층으로 코팅된 베이스 층일 수 있다. 이러한 방식으로, 벌크 전도성은 가볍고 고가인 알루미늄에 의해 제공될 수 있고 기상 증착 기술에 의해 쉽게 증착될 수 있다. 구리는 상당한 추가 비용과 무게를 추가하지 않으면서 애노드에 추가적인 전도도와 패시베이션을 제공할 수 있다. 이러한 예는 단지 예시하기 위해 제공되며, 당업자는 본 발명의 우수한 예인 많은 다른 다층 전도성 구조를 제공할 수 있다.

이들 얇은 금속 코팅은 일반적으로 일반적인 관행의 알루미늄 또는 구리 집전체에서보다 더 높은 저항을 가져오고, 비교하면 본 발명의 구별되는 특징을 제공한다. 그러한 신규한 적합한 집전체는 10 밀리옴/제곱 초과, 바람직하게 20 밀리옴/제곱 초과, 보다 바람직하게 50 밀리옴/제곱 초과, 잠재적으로 가장 바람직하게 100 밀리옴/제곱 초과로 만들어질 수 있다.

또한, 전술한 열적으로 약한 집전체로 만든 전지는 1 시간 동안 200 ℃의 온도에 노출 후, 바람직하게 1 시간 동안 250 ℃의 온도에 노출 후, 잠재적으로 더 바람직하게 1시간 동안 300 ℃의 온도에 노출 후 5 % 미만의 수축을 포함한, 고온에서 잠재적으로 낮은 수축을 나타내는 것과 같이, 분리막이 높은 열 안정성을 가지면 훨씬 더 안전할 수 있다. 기존 분리막은 용융 온도가 138 ℃인 폴리에틸렌과 용융 온도가 164 ℃인 폴리프로필렌으로 만들어진다. 이들 재료는 도 2에서와 같이 150 ℃에서 >50%의 수축을 나타낸다. 그러한 결과는 이제 본 명세서에서 설명하는 얇은 집전체로 활용하기에는 너무 높다. 그러한 문제를 해결하기 위해서, NASA TM-2010-216099 섹션 3.5에 따라 측정된 150 ℃에서 50% 미만, 또는 심지어 30% 미만, 또는 10% 미만으로의 수축이 필요한 특정 분리막의 활용이 실현되었다. 세라믹으로 코팅된 분리막도 비교적 적당한 온도에서 상당한 수축을 보이며 완전히 파손되거나 180 ℃에서 20% 초과로 수축된다. 따라서 테스트 중에 파손되지 않고 동일한 테스트 표준에서 측정할 때 180 ℃(적어도), 보다 바람직하게 10% 초과의 노출에서 20% 초과로 수축하지 않는 분리막을 사용하는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 실시예는 200 ℃, 250 ℃, 또는 심지어 300 ℃의 온도에 노출될 때 10% 미만으로 수축하는 분리막을 이용하는 것이다.

이들 금속화된 기판의 경우, 전지의 에너지 밀도 증가를 용이하게 하기 위해서 낮은 두께를 갖는 것이 바람직하다. 캘린더링(calendering), 압축(compressing), 고온 프레싱(hot press), 또는 전체 두께를 감소시키는 방식으로 표면으로부터 재료 절제(ablation)를 포함한 어떠한 수단도 그러한 두께를 얻기 위해 사용될 수 있다. 이들 두께 감소 공정은 금속화 전 또는 후에 수행될 수 있다. 따라서, 25 마이크론 미만, 바람직하게 20 마이크론 미만, 보다 바람직하게 16 마이크론 미만, 잠재적으로 가장 바람직하게 14 마이크론 미만의 금속화된 기판의 총 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상업용 폴리에스터 필름은 최대 3 마이크론의 두께로 구현되었으며 1.2 마이크론에서는 두께가 훨씬 더 낮다. 이들 유형은 적합한 기판으로 작용할 수 있고 집전체의 총 두께가 10 마이크론 미만, 바람직하게 6 마이크론 미만, 더욱 바람직하게 4 마이크론 미만이 되도록 할 수 있다. 그러한 초박형 집전체(위에서 그리고 전체에 걸쳐 설명된 적절한 전도도를 가짐)는 개선된 안전 성능과 함께 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 허용할 수 있으며, 그 결과는 지금까지 연구되지 않았다.

이들 금속화된 기판에 대해 낮은 중량을 갖는 것이 또한 바람직하다. 이는 폴리올레핀과 같은 저밀도 폴리머 재료 또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리메틸펜텐을 포함한 다른 저밀도 폴리머를 단지 예로서 사용함으로써 달성될 수 있다. 이는 또한, 기판에 개방된 기공 구조를 가짐으로써 또는 심지어 낮은 평량 기판의 활용을 통해서도 달성될 수 있다. 따라서, 기판 재료에 사용되는 폴리머의 밀도는 1.4 g/cm³ 미만, 바람직하게 1.2 g/cm³ 미만, 잠재적으로 더 바람직하게 1.0 g/cm³ 미만일 수 있다. 또한, 기판 재료의 면적 밀도는 20 g/m² 미만, 바람직하게 16 g/m² 미만, 잠재적으로 가장 바람직하게 14 g/m² 미만일 수 있다. 또한, 금속 코팅된 폴리머 기판 재료의 면적 밀도는 40 g/m² 미만, 바람직하게 30 g/m² 미만, 더 바람직하게 25 g/m² 미만, 잠재적으로 가장 바람직하게 20 g/m² 미만일 수 있다.

또한, 다공성 폴리머 기판을 사용하여 경량화를 달성할 수 있다. 그러나 이들 재료의 경우 다공성이 너무 높아서는 안 되는데, 이유는 강도가 낮고 두께가 높아져 관련 목표의 목적을 효과적으로 달성할 수 없기 때문이다. 따라서, 그러한 베이스 재료는 약 60% 미만, 바람직하게 50% 미만, 잠재적으로 더 바람직하게 40% 미만의 다공성을 나타낼 것이다. 이러한 유형의 금속 코팅 집전체에는 고체 재료를 사용할 수 있으므로 다공성에 하한이 없다.

재료를 배터리로 고속으로 가공하려면 고강도가 필요하다. 이는 연신된 섬유 또는 일축 또는 이축 연신 필름에서 연장된 폴리머를 사용하여 달성할 수 있다.

첨부 도면 및 그의 설명에서 아래에 제시되는 바와 같이, 배터리, 커패시터, 슈퍼커패시터 등에 상관없이 에너지 저장 장치는 본 개시에 따라 제작되고 그에 따라 제공되며, 여기서 캐소드, 애노드, 또는 둘 모두와 접촉하는 두 개의 개별 집전체와 접촉하고, 분리막과 전해질이 모두 존재하고 표준(적합) 에너지 저장 장치 용기 내에서 밀봉되는, 단락 후 인식할 수 있는 전류 이동이 없는 것과 관련된 특성을 나타내는 적어도 하나의 집전체가 제공된다. 캐소드, 애노드, 용기, 전해질 및 일부 상황에서 분리막, 구성요소 모두는 대부분의 경우에 표준이다. 그러나, 본 명세서에서 그리고 본 명세서에서 사용되는 집전체는 개시된 바와 같이 본 기술 내에서 신규하고 탐구되지 않았을 뿐만 아니라 실제 에너지 저장 장치 구성요소로서 반-직관적이다. 이는 다시 아래에서 더 자세히 설명된다.

위에서 언급한 바와 같이, 배터리 전지(특히, 리튬 이온 충전식, 물론 다른 것도 가능함) 내부의 열 폭주를 완전히 방지하지는 못하더라도 가능성을 줄이기 위해서, 내부의 단락이 대상 집전체 내부 또는 집전체 상의 감소된 체류 시간과 함께 기본적으로 짧은 시간 내에 존재하고, 궁극적으로 최소 주울 수준(즉, 10 미만, 바람직하게 1 미만, 가장 바람직하게는 0.01 미만)의 결과적인 에너지 준위를 나타내도록 하는 특정 수단이 필요하다. 그런 상황에서, 그리고 앞서 언급한 바와 같이, 얇은 전도성 집전체가 제자리에 있고 유기 가연성 전해질이 있는 상태에서 애노드로부터 분리막을 통해 캐소드까지의 전기 경로에서, 저 중량의 얇은 집전체는 특히 집전체 표면에서 불량 전하의 소산과 전해질 성분의 점화가 임박할 정도로 인식할 수 있는 온도 증가의 관점에서 그러한 바람직한 결과를 허용하는 것으로 관찰되었다. 놀랍게도, 그리고 특정한 과학적 설명이나 이론에 얽매이지 않고, 얇은 집전체 재료의 전도성 특성은 단락 회로 전하가 얇은 전도성 집전체에 도달하고 집전체 표면의 금속과 전하 자체 사이에 반응하여 집전체 표면의 특정 지점에서 금속 산화물이 생성되게 하는 짧은 기간의 고 에너지 이벤트를 즉시 생성하도록 허용한다고 믿어진다. 금속 산화물은 추가 전기 활동에 절연을 제공하고 인가된 전류는 순간적으로 소산되어 집전체 자체 내에 잠재적인 변형을 남기지만 앞서 언급한 금속 산화물은 특정 위치에서 추가 전하 활동으로부터 보호하기 위해 존재한다. 따라서 나머지 집전체는 손상되지 않고 이전과 동일한 기능을 제공할 수 있으므로 더 이상의 잠재적인 단락 또는 유사한 현상에 대한 보호를 추가로 제공할 수 있다. 종래 기술의 배터리 제품에서 열 폭주의 경우, 애노드, 캐소드, 집전체 및 분리막은 예로서, 단락에 대한 반응으로 전지를 점화하기 위해 열을 생성하고 스파크를 제공하는 전기 경로를 포함한다. 따라서 이온 수송 가연성 전해질의 추가 존재는 이러한 예기치 않은 전하와 관련된 고온 결과와 함께 효과적인 위험을 허용한다. 본질적으로, 종래 기술의 집전체에서 생성된 열은 전해질 재료 내에서 초기 전기화학 반응을 일으켜 궁극적으로 전해질 재료 자체의 제어되지 않은 점화를 초래한다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 본 발명의 집전체는 그러한 가연성 전해질을 포함하는 배터리 전지 내에서 사용될 때 특히 가치가 있다. 예로서, 그러한 전해질은 일반적으로 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 및 디메틸 카보네이트 등을 포함하는 카보네이트와 같은 유기 용매를 포함한다. 이들 전해질은 일반적으로 상기 재료의 혼합물로 존재하며 아마도 다양한 유형의 첨가제를 포함하는 다른 용매 재료와 함께 존재할 수 있다. 이들 전해질은 또한 리튬 염 성분을 갖고 있으며, 그 예로 육불화인산리튬(LiPF₆)이 있다. 그러한 전해질은 배터리 산업에서 선호되지만 언급한 바와 같이 위험한 상황에 잠재적으로 기여할 수 있다. 또한, 다른 배터리 구성요소와 관련된 본 발명의 집전체는 상당히 그리고 놀랍게도 이들 문제를 해결한다.

이러한 집전체가 그의 유용성을 나타내는 한 가지 방법은 다음 테스트이다. 전압 및 전류 제한이 모두 있는 전류 소스는 해당 에너지 저장 장치의 작동 전압과 유사한 전압 제한으로 설정할 수 있다. 그런 다음 전류를 조정할 수 있으며 집전체는 2 개 미만의 구성을 테스트했다. 제 1 테스트에서 알려진 폭의 집전체의 짧은 스트립은 샘플의 전체 폭과 접촉하는 2 개의 금속 커넥터를 통해 접촉한다. 전류 소스의 전류 제한은 전류를 전달하는 재료의 능력에 대한 제한이 있는지 확인하기 위해서 상승될 수 있으며, 이는 총 전류를 폭으로 나누어 측정할 수 있으며 본 명세서에서 수평 전류 밀도로 지정된 A/cm 단위의 결과를 얻을 수 있다. 제 2 구성은 전류 소스의 접지를 전체 폭 금속 접점 중 하나에 접촉시킨 다음 프로브의 팁(약 0.25 mm²)을 집전체의 스트립을 따르는 위치에 접촉하는 것이다. 전류가 너무 높으면 국부적으로 번져 전류가 흐르지 않으며, 전류가 집전체에 대해 너무 높지 않으면 전류 소스의 한계까지 전체 전류가 흐를 것이다. 결과는 A/mm² 단위의 전류 한계이며 본 명세서에서 수직 전류 밀도로 지정된다. 이러한 방식으로, 두 구성 모두에서 고전류에 도달할 수 있는 집전체는 종래 기술과 유사할 것이고, 전체 폭 아래에서 접촉할 때 수평 전류를 지원할 수 있지만 유사한 수직 전류를 점 접촉 하에서 지원하지 않는 집전체는 본 명세서에 설명된 본 발명의 예가 될 것이다.

예를 들어, 집전체가 수평 전류 밀도 0.1 A/cm, 또는 0.5 A/cm, 또는 1 A/cm 또는 2 A/cm 또는 심지어 5 A/cm를 지원할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 그리고 위와 같이 수평 전류 밀도를 지원할 수 있는 집전체의 경우, 수직 전류 밀도 0.1 A/mm², 0.5 A/mm², 1 A/mm², 2 A/mm² 또는 심지어 5 A/mm²를 지원하지 않는 것이 바람직하다.

위에서 언급한 바와 같이, 일반적으로 리튬 이온 배터리 전지 내에 탭 용접이 존재하여 내부 구성요소, 특히 집전체를 함께 결합하여 외부 소스로 전하를 전달하기 위해 탭 리드에 연결된다. 이러한 상황에서, 매우 얇은 유형의 집전체를 사용하는 경우 이러한 탭 리드가 내부 금속화 필름 집전체와 효과적으로 접촉하고 외부 소스와도 접촉할 수 있을 정도로 충분히 제자리에 유지되는 것이 가장 중요하다. 또한, 배터리 전지 자체의 필요한 작동을 허용하는 앞서 언급한 예상외로 우수한 금속화된 박막 집전체의 효율성뿐만 아니라, 가능한 문제(수지상 돌기 형성 등) 동안 폭주 전류를 방지하기 위해서 내부 퓨즈 특성을 제공하는 기능으로 인해, 그러한 탭은 동일한 잠재적 폭주 문제 자체를 해결하기 위해서 어느 정도의 변위 또는 비효율성을 나타내지 않아야 한다. 즉, 내부 퓨즈 결과의 효율성이 탭 문제로 인해 취소되거나 손상되어서는 안 된다. 놀랍게도, 그러한 필요한 특성이 이러한 탭 구성요소에 허용되는 것으로 결정되었다.

그 수준까지, 금속화된 박막 집전체는 실제로 탭의 효과적이고 강한 용접을 가능하게 하고 실제로 양쪽 필름 면에서 전도를 허용할 수 있는 능력이 있다는 것을 깨달았다. 탭 자체는 실제로 각각의 개별 집전체보다 더 두껍고 서로 접촉하게 배치될 때 용접 자체의 모양 및 깊이와 관련하여 탭 재료를 부분적으로 관통하는 깊이까지 용접이 수행될 수 있다. 그러나 놀라운 결과는 용접부가 실제로 탭을 얇은 "스트림" 또는 이와 유사한 형태로 통과할 수 있으므로, 이러한 용접 재료를 통해 탭으로 전도될 수 있다는 것이다. 이러한 방식으로, 탭에 대한 용접 위치(그런 다음 배터리 전지 케이싱에서 외부 소스로)에 필요한 컨덕턴스를 허용할 뿐만 아니라, 각각의 용접 위치에서 그러한 전도성 흐름에 의해 생성된 실제 암페어 및 온도를 제한하는 수단을 제공하기 위해서 제한적이지만 효과적인 전도 경로가 생성된다. 그러한 결과는 전기 전하가 실제 집전체 표면에서 멈추고 폭주 전하에 대한 다른 경로가 제공되지 않기 때문에 단락(수지상 돌기 형성 등)이 발생하는 경우 금속화된 필름 집전체로부터의 폭주 전도도에 대한 전술한 제어를 허용한다. 따라서 용접부는 하나의 예로서 서로 균일하게 이격되어 집전체를 따라 이어지는 탭 구성요소의 길이를 따라 제공될 수 있으며, 따라서 호일 집전체(들)로부터 외부 소스에 대한 배터리 케이스를 통해 탭으로의 효과적인 전도성을 허용한다. 따라서 제한된 수의 용접은 가능한 폭주 전하 사이트의 수도 감소시키지만, 각각이 제한된 암페어를 나타낼지라도 이러한 레벨의 배수는 일부 상황에서 확실히 증가한다. 그러나 고전력 또는 고전류 배터리의 경우 탭 당 용접 수를 늘려 배터리가 그의 용례에서 효과적이게 하는데 필요한 많은 양의 전류를 수용할 수 있다. 이 경우 탭당 10 개, 20 개, 심지어 50 개까지 더 많은 수의 용접이 필요할 수 있다. 매우 높은 전력 또는 매우 높은 전류 전지의 드문 상황에서, 심지어 50 개 초과의 용접이 필요할 수도 있다. 용접은 또한 사용 중 탭의 움직임을 방지하기 위해서 기본 강도를 제공한다. 배터리 전체의 적절한 작동을 보장하기 위해서 안정성과 강성이 필요하다. 제한된 용접은 이와 관련하여 특정 수준의 신뢰성을 제공하는 반면에, 집전체 필름에 적용되는 풀 테이프를 추가하는 것도 이러한 잠재적인 문제로부터 보호하는데 도움이 된다.

실제로 금속화된 박막 집전체는 단락 시 폭주 전하 방지에 예상외로 좋다. 그러나, 배터리 전지 외부에서 효과적인 전도성을 허용하기 위해서 그러한 집전체와 충분히 접촉하는 탭 리드의 필요성은 표준 탭 구성요소와 함께 금속화된 집전체 박막을 사용할 수 있도록 하는 구조적 상황을 필요로 한다. 위에서 언급한 바와 같이, 폭주 전하에 대한 적절한 낮은 전위를 여전히 나타내면서 전류가 배터리 작동을 위해 효과적으로 통과하기 위한 효과적인 부착 및 접촉을 위한 적합한 용접으로 집전체 필름(들) 및 탭 모두의 적절한 치수를 결정하는 능력은 특히, 오늘날 최신 기술에 대한 특정하고 허용되는 두꺼운 모놀리식 집전체 구성요소의 관점에서 볼 때 어려운 것으로 판명되었다. 특히 위에서 언급한 바와 같이 결정된 탭 접촉 및 인장 강도 특성과 함께 이러한 예상하지 않은 효과적인 결과는 단락 이벤트 중 폭주 전하로부터 완전한 보호를 제공하는 동시에 배터리 발전 능력을 희생하지 않으면서 다른 구성요소에 대해 감소된 중량 또는 더 큰 내부 용량을 제공할 수 있는 완전한 리튬 이온 배터리를 제공한다.

또한, 중요한 것은 이러한 금속 전도체(다시 말해서 탭)와 발전 전지를 포함하는 박막 집전체 내의 전극 사이에 효과적이고 신뢰할 수 있는 연결을 제공하기 위해서 지금까지 미개척된 용접 작업 및 방법론을 활용하는 능력이다. 이러한 효과적인 연결에 대한 필요성은 이러한 전지(본 명세서에 설명된 박막 집전체 사용)에 안전 측면을 부여할 뿐만 아니라, 전극에서 외부 세계로의 중요한 전도도(즉, 그러한 발전 전지, 즉 배터리, 커패시터 등의 적절하고 효과적인 활용을 허용하기 위해서)를 부여한다. 금속화된 플라스틱 백, 금속 캔 및 강성/반강성 플라스틱 인클로저 뿐만 아니라, 위에서 언급한 용기로 구성 및 구조화될 수 있는 이러한 전력 전지는 다시 말하지만 금속화 박막 집전체의 열 폭주에 대한 훨씬 개선된 가능성을 나타낸다. 따라서 이러한 전력 전지과 외부 접점 사이의 적절한 연결은 실제 기능적 목적을 위해서 특히, 그러한 신뢰성 있고 안전한 연결을 박막 재료에 제공하는 복잡성과 관련하여 매우 필요하다.

이를 위해, 그리고 다시 한번 더, 금속화된 박막 금속화된 집전체 및 위의 일반적인 탭 가능성에 대한 설명 및 개시에 추가하여, 특정 용접 구성 및 실제 용접 도구가 이러한 유익하고 놀라울 정도로 그러한 독특한 전력 전지 구조에 대한 효과적인 탭 전극 연결을 제공한다는 것을 깨달았다. 특히 중요한 배터리(전력 전지) 유형에는 파우치, 실린더, 각형 및 젤리 롤 구조가 포함되지만 이에 제한되지는 않는데, 이러한 유형의 전지는 특정 산업 분야에서 가장 널리 퍼져 있고 대상 장치에도 더 큰 다양성을 허용하기 때문이다.

이러한 독특한 용접 방법 및 작업의 역학은 특정 구성, 특히 폴리머 기판에 의해 분리된 2 개 이상의 금속화 층이 있는 금속화된 필름의 1 개 이상의 층이 있는 금속화된 박막 집전체에 영향을 미친다. 그런 다음, 용접의 디봇이 폴리머 기판을 통해 제 2 금속화된 층을 통해 제 1 금속화된 층으로부터 돌출되도록 그러한 구조에 용접을 부여해야 한다. 이러한 방식으로, 적절한 용접 모루를 사용하면 집전체의 대상 영역 내에 특정 3 차원 디봇이 생성되어 상단(제 1) 금속화된 층이 하단(제 2) 금속화된 층과 접촉하며, 용접 디봇과 반대되는 관계로 그리고 2 개의 금속화된 층의 범위 내에서 폴리머 기판이 이동하며, 결과적인 용접 구조는 용접 영역 외부의 폴리머 기판에 의해 분리된 상단 및 하단 금속화된 층을 유지한다. 이러한 용접 결과를 통해서, 집전체와 탭 구조 사이에 이러한 연결을 생성하는 기능은 타겟 전지 내에서 박막 집전체 자체의 필수 안전 이점을 잃지 않고 사용할 수 있다. 물론, 이는 한 면만 금속화된 필름에도 적용될 수 있으며, 탭이나 후속 금속화된 박막 집전기의 금속화된 면과 같은 폴리머 기판의 다른 면에 있는 구성요소에 전기적 접촉이 요구된다. 이 경우, 용접부는 금속화된 층으로부터 폴리머 기판을 통해 전기 접촉이 요구되는 부품으로 돌출되도록 용접부가 부여되어야 한다.

따라서 용접 내에 탭 재료를 포함하면 용접 모루가 탭을 통해 누르고 집전체(다시 말하면, 폴리머 기판에 의해 분리된 적어도 2 개의 금속화된 층의 박막)를 동일한 방식으로 이동시켜, 전도성 목적을 위한 복합체를 형성하기 위해서 두 구조 사이의 연결 기능을 위해 탭과 집전체 내에 디봇을 동시에 생성한다. 그러한 탭 용접 부착은 그러한 박막 집전체의 상단 또는 하단 중 어느 하나에서도 수행될 수 있고, 이로써 탭이 기본적으로 어느 쪽 방식으로든 동시에 상단 및 하단 금속화 층과 연결되도록 할 수 있다. 따라서, 집전체에 전극(코팅 또는 기타)을 추가로 포함함으로써, 전도성을 추가로 제공하기 위해서 이러한 개선된 안전성(박막 집전체) 전력 전지의 외부에 전도성을 추가로 제공하기 위해 전체 전력 전지 구조(적어도 전극/집전체)를 타겟 탭에 적절하고 효과적으로 연결하는 능력이 달성된다. 집전체(두 금속화된 필름 층)에서 외부 전력 전송을 위한 탭으로 동시에 적합하고 효과적으로 전도성을 제공하는 이러한 능력은 전체 기능을 허용하고, 그 문제에 대해서 그 후 다시 한 번 지금까지 탐구되지 않은 그러한 안전한 배터리 장치의 적절한 활용을 허용한다. 베이스 집전체의 두 금속화 필름 층에 대한 효과적인 용접 작업이 없으면 기본적으로 이러한 전력 전달이 방해를 받는다. 물론, 위에서 언급한 바와 같이, 집전체는 각각의 그러한 구조(즉, 원하는 대로 상단 및 하단 금속화된 필름을 갖는 박막 폴리머 기판의 반복 유닛; 적어도 하나의 그러한 베이스 구조는 최종 용도에 따라 약 12 내지 15 개 또는 그 초과까지 서로 겹친 임의의 수로 존재할 수 있음)에서 2 개의 금속화된 층을 분리하는 단일 폴리머 기판의 다중 층 구조일 수 있다. 그러한 다중 베이스 구조 전력 전지는 타겟 전력 전지의 기능을 위해서 적어도 하나의 베이스 기판/상단 및 하단 금속화된 필름 구조와 동일한 필요한 용접 연결(들)을 필요로 할 것이다. 함께 용접되는 금속화된 필름의 층의 수는 단일 스택에서 15 개일 수 있거나 더 높거나 25 개 또는 심지어 50 개일 수 있다. 수치가 너무 높으면 아래 층과 접촉하기 위해 금속화된 필름이 압출되는 거리가 매우 커질 수 있다. 따라서, 스택의 최대 층 수는 250 개 미만, 또는 바람직하게 100 개 미만, 또는 훨씬 더 바람직하게 50 개 미만일 수 있다.

박막 집전체(다시 말해서, 상단 및 하단 금속화된 필름, 및 적어도 하나의 그러한 구조가 존재하는 폴리머 기판)와 탭 사이의 이러한 연결 목적을 위해 하나 이상의 용접 디봇이 사용될 수 있다. 그러한 용접부는 집전체(및 그에 따른 탭)의 작은 영역 내에 제공될 수 있거나 패턴에서 동일한 3 차원 구조의 반복된 디봇으로서 제공되거나 가능하게는 패턴화된 또는 무작위 구성에서 상이한 3 차원 구조로 제공될 수 있다. 또한, 동일한 3 차원 용접 구조의 무작위 구성도 사용될 수 있다. 그러한 용접 디봇의 중요성은 탭과 집전체 사이에 적절하고 효과적인 연결을 부여하는 동시에, 박막이 이와 관련된 필요한 안전 측면을 유지하도록 허용하면서(열 폭주의 경향 감소) 전하를 전달하는 적절한 능력 및 따라서 전력 전지 자체 외부의 전도도를 여전히 유지하는 것이다. 그러한 용접 구조는 탭과 집전체의 제한된 영역이 폴리머 기판의 일정한 변위와 접촉하도록 하는 3 차원 구조를 허용하여 상단 및 하단 금속화된 필름 층이 탭과 서로 접촉하도록 허용할 뿐만 아니라 그러한 상단 및 하단 금속화 층 접촉과 조작된 접촉을 허용한다. 다중 디봇은 요구에 따라 전도성을 증가시킬 뿐만 아니라, 탭과 집전체 사이에 보다 안정적인 부착을 위해서 표면적 연결을 증가시킨다. 그러한 3 차원 용접 디봇은 직사각형(선형) 3차원 모루, 구형(또는 반구형), 절두 피라미드(정사각형 바닥 및 더 작은 정사각형 상단 포함), 둥근 피라미드(상단에 곡선 모서리가 있음) 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 수의 용접 모루 구조로 만들 수 있다. 그러한 구조는 상단 금속화 층(또는 집전체의 상단 또는 하단에 관계없이 실제 용접 위치에 따라 하단)이 필름을 끊지 않고 아래쪽으로 변형되고 특정 영역에 대해 바닥 금속화 층과의 접촉을 허용하는 디봇을 부여하는 반면에, 폴리머 기판은 그러한 용접 작업에 후속하는 치수 안정성을 위해 그러한 조작된 영역에 대한 힘을 제공하기 위해서 조작된 금속화된 필름 층과 접촉하지만 변위된 상태를 유지한다. 위에서 언급한 바와 같이, 그러한 용접은 그러한 탭/집전체 복합 구조 내에 단독으로 제공될 수 있거나, 균일하게, 무작위로, 전체적으로(특정 영역에 걸쳐), 또는 드물게(영역 내) 두 복합 구성요소 사이의 증가된 표면적 접촉을 위해서 다중으로 적용될 수 있다. 다시 말하면, 전도 목적을 위해 탭과 적절하고 효과적인 연결을 허용하면서 목표 전력 전지 내에서 집전체 구조의 안전 측면을 부여하는 능력은 이 상황에서 가장 중요하다. 따라서 박막 집전체는 예기치 않게 탭과 함께 이러한 용접 작업에서 결과적으로 효과를 크게 발휘하여 활용될 수 있다.

그러한 용접 작업은 초음파, 열 적용(예를 들어, 모루를 통해) 또는 압력 적용(또한, 모루를 통해)을 사용할 수 있다. 그러한 용례는 탭 및 집전체/전극 본체의 특정 영역에 적용되는 그리드 내에서 동시에 단일 모루 또는 다중 모루의 활용을 포함할 수 있다(위에서 언급됨). 따라서 그러한 용접 기능은 과거에 탐구되지 않은 많은 다른 유익한 기회를 허용한다. 이들은 전체 또는 개별적으로 함께 용접된 여러 집전체 및 여러 탭의 구성 가능성을 포함한다. 단일 탭은 용접을 통해 여러 층의 집전체에 또한 연결될 수 있으며, 그러한 다층 구조(적어도 2 개, 예를 들어 25 개 이하의 임의의 수) 내에서 그러한 상단 및 하단 금속화된 층의 연결을 허용한다. 또한, 원하는 경우 안전 또는 전력 전달을 손상시키지 않으면서 집전체 및 탭의 엇갈린 구성을 사용할 수 있다. 그러한 전극 탭은 전도도 및/또는 연결 목적을 위해 더 큰 표면적을 위해 더 많은 용접을 허용하도록 확장된 영역을 가질 수 있다. 추가로, 탭/전극 연결은 "내장된" 전지 퓨즈를 제공하기 위해서 탭의 좁은 영역과 조합될 수 있다. 그러한 전지 퓨즈는 또한 능력을 부여하여 안전 측면을 훨씬 더 증가시킬 수 있다. 추가적인 금속 층이 또한 집전체 필름 층 사이에 삽입되어 그러한 필름 스택(특히 다중 층이 다시 약 25 개까지 존재함) 사이의 용접 능력을 도울 수 있다.

또한 탭 자체(또는 전기 커넥터라고도 함)와 관련하여 그러한 구성요소는 위에서 언급한 바와 같이 전극에 용접되고 후속적으로 다른 전지 구성요소(용기 내)에 연결되거나 타겟 전지 케이싱에(및 가능하면 이를 통해) 부착됨으로써, 외부 장치와의 연결을 위한(즉, 그에 전력을 전달하기 위해) 외부 전극으로 기능을 한다.

위에서 언급한 바와 같이, 용접 작업 및 공정은 타겟 복합 전지 구조의 상단(탭 측) 또는 하단(집전체 필름 측)에서 수행될 수 있다. 그러한 상황에서, 용접은 탭 측에서(이러한 표면 위에 움직이는 혼 장치를 사용하여) 필름 측에서 눌린 모루(비-움직임)(위에서 언급한 바와 같이)로 이루어질 수 있다. 그러나 반대의 경우도 (궁극적으로는 모루가 누를 수 있는 부드러운 구조를 제공하기 위해서)필름 쪽 아래에서 움직이는 혼이 있는 탭으로 눌린 모루와 함께 사용될 수 있다. 어느 경우든, 탭을 통한 외부적으로 안전하고 신뢰할 수 있으며 효과적인 연결을 위해서 얇은 금속 집전체와 관련하여 연결 및 접착 목적으로 원하는 용접 디봇을 부여하는 능력이 허용된다.

또한, 어떠한 박막 집전체 상황에서도 지금까지 탐구되지 않은 용접 스택 구성과 관련하여 더 유리한 용접 기능을 제공하는 능력이 실현되었다. 예를 들어, 단일 탭은 제한없이 하나 이상 및 최대 약 25 개의 금속화된 필름 층과 함께 사용될 수 있다. 반대로, 아마도, 하나 내지 약 25 개의 금속화된 필름 층을 갖는 다중 탭이 하나의 비-제한적인 가능성으로서 금속화된 필름 층 스택의 상단 및 하단에 존재하는 탭과 함께 사용될 수 있다. 대안적으로, 그런 다음, 그러한 다중 탭은 또한 필요 및/또는 원하는 대로 균일하게 또는 드물게 금속화된 필름 층(집전체) 스택 전체에 걸쳐 산재될 수 있다. 이는 안전한(낮은 열 폭주 성향) 전지를 사용한 발전 및 전송에 대한 다양한 결과와 가능성을 허용한다.

또한, 박막 집전체(또는 이의 다층)를 접을 수 있을 정도로 길이가 충분하고 기본적으로 박막 집전체(들)뿐만 아니라 (사실상, 집전체(들) 주위의 클램프처럼 작용하는)그 자체에 용접되는 단일 탭이 활용될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 다중 용접의 활용은 탭을 통해 외부에서 전력 전지로부터 증가된 전도 전위 뿐만 아니라, 그에 의해 생성된 복합체에 대한 전체 강도에 대한 충분한 연결을 제공하는데 도움이 된다. 사용된 용접의 수는 용접이 실패하고 탭에 대한 연결이 끊어지는 전지의 최대 전류를 달성하도록 번호가 매겨질 수 있다. 그러한 용접은 원하는 대로 임의의 수로 전극(애노드 또는 캐소드) 중 하나에 단독으로 또는 두 전극에 동시에 동일하거나 다른 수로 원하는 대로 적용할 수 있다.

그러한 용접 기능의 측면에서, 집전체/전극과 탭 사이의 연결이 용접 자체를 넘어 강화되도록 보장할 가능성(때로는 필요)도 있다. 약화된 용접으로 인해 그러한 구성요소 간의 분리 가능성이 전체 전력 전지 기능을 손상시킬 수 있다. 안전한(얇은 집전체) 구조, 테이프, 클램프, 및 이들의 가능한 조합과 같은 발전 및 전송 이점을 더욱 강화하고 향상시키기 위해서 용접 자체를 보완하도록 사용될 수 있다.

그러한 리튬 이온 배터리 박막은 고유한 품질로 인해 특정되고 고유한 처리 단계가 필요할 수 있다. 그러나, 당업계에 주지된 많은 처리 단계가 또한 사용될 수 있다. 일반적으로, 본 발명의 필름으로 리튬 이온 배터리를 제조하는 방법:

a. 이온 저장 재료의 코팅을 갖는 적어도 하나의 금속화된 기판을 갖는 전극을 제공하는 단계;

b. 상대전극을 제공하는 단계;

c. 상기 전극과 상기 상대 전극 사이에 개재된 분리막 구성요소로 서로 대향하게 상기 전극과 상대 전극을 적층하는 단계;

d. 전기 접촉 구성요소를 포함하는 패키지 재료를 제공하는 단계로서, 상기 접촉은 상기 패키지 재료 내부에 존재하는 부분 및 상기 패키지 재료 외부에 존재하는 부분을 포함하는, 단계;

e. 상기 전기 접점을 상기 금속화된 기판과 전기적으로 연결하는 단계;

f. 상기 패키지 재료 내부에 이온을 갖는 적어도 하나의 액체 전해질을 도입하는 단계; 및

g. 상기 포장재를 밀봉하는 단계를 포함한다.

금속화된 기판은 본 개시 내에서 설명된 바와 같은 임의의 기판일 수 있다.

이온 저장 재료는 예를 들어, 당업계에 주지된 바와 같이 리튬 이온 배터리용 캐소드 또는 애노드 재료일 수 있다. 캐소드 재료는 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 철 인산염(LiFePO₄), 리튬 망간 산화물(LiMn₂O₄), 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LiNi_xMn_yCo_z0₂), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(LiNi_xCO_yAl_zO₂), 또는 당업계에 공지된 바와 같은 상기 또는 다른 것들의 혼합물을 포함할 수 있다. 애노드 재료는 흑연, 리튬 티타네이트(Li₄Ti₅0₁₂), 경질 탄소, 주석, 규소 또는 이들의 혼합물 또는 당업계에 공지된 다른 것들을 포함할 수 있다. 또한, 이온 저장 재료는 슈퍼커패시터와 같은 다른 에너지 저장 장치에 사용되는 재료를 포함할 수 있다. 그러한 슈퍼커패시터에서, 이온 저장 재료는 활성탄, 활성탄 섬유, 탄화물-유도 탄소, 탄소 에어로겔, 흑연, 그래핀, 그래핀 및 탄소 나노튜브를 포함한다.

코팅 공정은 당업계에 일반적으로 공지된 임의의 코팅 공정일 수 있다. 나이프-오버-롤(Knife- over-roll) 및 슬롯 다이(slot die)는 리튬 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 코팅 공정이지만, 전해 도금을 포함하여 다른 코팅 공정도 사용할 수 있다. 코팅 공정에서, 이온 저장 재료는 일반적으로 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 카르복시메틸 전지룰로오스와 같은 결합제 또는 기타 필름 형성 폴리머를 비롯한 다른 재료와 혼합된다. 혼합물에 대한 기타 첨가제는 카본 블랙 및 기타 전도성 첨가제를 포함한다.

상대 전극은 이온 저장 재료와 전기화학적 전위가 상이한 다른 전극 재료를 포함한다. 일반적으로, 이온 저장 재료가 리튬 이온 애노드 재료인 경우 상대 전극은 리튬 이온 캐소드 재료로 만들어진다. 이온 저장 재료가 리튬 이온 캐소드 재료인 경우, 상대 전극은 리튬 이온 애노드 재료일 수 있다. 이온 저장 재료가 슈퍼커패시터 재료인 경우, 상대 전극은 슈퍼커패시터 재료로 만들어지거나 일부 경우에는 리튬 이온 애노드 또는 리튬 이온 캐소드 재료로 만들어질 수 있다. 각각의 경우에, 상대 전극은 금속 호일 또는 본 발명에서와 같은 금속화된 필름일 수 있는 집전체 재료 상에 코팅된 이온 저장 재료를 포함할 것이다.

적층 공정에서, 본 발명의 전극은 전극 재료가 서로 마주하는 상대 전극 및 그들 사이에 있는 다공성 분리막으로 적층된다. 당업계에 일반적으로 공지된 바와 같이, 전극은 양면에 코팅될 수 있고, 본 발명의 전극으로 형성된 전극 스택 및 상대 전극은 각각의 층 사이에서 분리막으로 교대로 형성될 수 있다. 대안적으로, 또한 당업계에 공지된 바와 같이, 전극 재료의 스트립은 위와 같이 적층될 수 있고, 그 다음 실린더에 권취될 수 있다.

포장 재료는 원통형 전지용 캔, 평평한 하드 케이스 또는 폴리머 파우치와 같은 하드 패키지를 포함할 수 있다. 각각의 경우에 서로 다른 전압에서 유지될 수 있고 전류를 전도할 수 있는 케이스를 통해 전기 접촉을 만드는 두 가지 수단이 있어야 한다. 어떤 경우에, 케이스 자체의 일부가 하나의 수단을 형성하는 반면에, 다른 하나는 제 1 부분과 전기적으로 절연된 케이스의 다른 부분이다. 다른 경우에, 케이스가 비-전도성일 수 있지만, 종종 탭이라고 지칭되는 두 개의 금속 전도체가 케이스를 통해 돌출할 수 있다.

금속화된 기판과 전기적으로 접촉하는 수단을 연결하는 것은 용접, 테이핑, 클램핑(clamping), 스테이플링(stapling), 리벳팅 또는 기타 기계적 수단과 같은 일반적으로 사용되는 방법을 포함할 수 있다. 금속화된 기판의 금속은 매우 얇을 수 있기 때문에 고전류 흐름을 허용하는 인터페이스를 가능하게 하기 위해서 일반적으로 케이스 및 금속화된 기판을 통해 전기 접촉을 만드는 수단 사이에 높은 표면적을 제공하는 대면 접촉이 필요하다. 충분한 전류를 전달하기 위해서, 이러한 표면적은 1 제곱밀리미터(10^-12 제곱미터)보다 높아야 하지만, 3 제곱밀리미터, 또는 5 제곱밀리미터 또는 더 바람직하게 10 제곱밀리미터보다 높아야 할 수도 있다.

물론, 대면 접촉에 더하여, 이러한 용접은 플라스틱 층을 통해 얇은 금속 층을 압출하여 이전에 상기 플라스틱 층의 다른 면에 있던 금속과 접촉함으로써 접점을 포함할 수 있으며, 이는 초음파 용접 또는 다른 용접 방법을 통해 생성된 디봇의 형태일 수 있다.

액체 전해질은 전형적으로 극성 용매와 리튬 염의 조합/혼합물이다. 일반적으로 사용되는 극성 용매는 위에서 언급한 바와 같이, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트를 포함하지만, 이온성 액체 또는 심지어 물을 포함하는 다른 극성 용매가 사용될 수 있다. 이러한 산업에서 일반적으로 사용되는 리튬 염은 제한 없이, LiPF₆, LiPF₄, LiBF₄, LiC₁₀ 및 다른 것들을 포함한다. 전해질은 또한 당업계에 공지된 첨가제를 함유할 수 있다. 많은 경우에, 전해질은 가연성일 수 있고, 여기서 본 발명의 금속화된 기판 집전체의 안전 특징은 화재 그리고 전지와 전지 외부 모두의 손상을 초래하는 위험한 열 폭주 이벤트를 방지하는데 유리할 수 있다.

다음 설명 및 예는 단지 본 개시의 잠재적인 실시예의 표현일 뿐이다. 그러한 개시의 범주 및 하기 청구범위와 관련하여 그 폭은 본 분야의 통상의 기술자에 의해 잘 이해될 것이다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 개시는 중요한 변화이며 리튬 배터리(및 기타 에너지 저장 장치) 산업 내에서 수행된 모든 사전 이해 및 구제책과 반-직관적이다. 반대로, 본 명세서에 설명된 신규 장치는 이러한 분야 내에서 예상치 못한 것은 물론이고 지금까지 탐구되지 않은 많은 유익한 결과 및 특성을 제공한다. 먼저 비교 예로서, 종래 장치와 현재 개시되고 본 명세서에서 광범위하게 다루어지는 장치 사이에 포함된 뚜렷한 차이점에 주목하는 것이 중요하다.

단락 이벤트 예

비교 예 1

리튬 인산철 배터리용 캐소드는 중국 GB Systems로부터 입수했다. 시판되는 집전체의 일 예로서 알루미늄 탭을 제거하고 두께, 면적 밀도 및 저항을 측정하여 아래 표 1에 나타냈다. 그런 다음 알루미늄 호일을 고온 납땜 인두로 5 초 동안 접촉했다. 적외선 온도계를 사용하여 측정한 온도는 500 내지 525 °F이다. 집전체에 납땜 인두를 접촉하는 효과는 없었다. 두께, 면적 밀도 및 저항이 측정되었다. 재료를 175 °C의 오븐에 30 분 동안 놓고 수축을 측정했다. 사진을 촬영하여 도 6에 포함시켰다. 도 5는 그러한 비교 배터리 내의 전통적인 집전체의 표현을 제공한다.

비교 예 2

리튬 인산철 배터리용 애노드는 중국의 GB Systems로부터 입수했다. 시판되는 집전체의 일 예로서 구리 탭을 제거하고 두께, 면적 밀도 및 저항을 측정하여 아래 표 1에 나타냈다. 그런 다음 예 1과 동일한 방법으로 구리 호일을 고온 납땜 인두와 접촉시켰다. 땜납 인두를 집전체에 접촉시키는 효과는 없었다. 두께, 면적 밀도 및 저항이 측정되었다. 재료를 175°C의 오븐에 30 분 동안 놓고 수축을 측정했다. 사진을 촬영하여 도 6에 포함시켰다. 비교 예 1에서와 같이, 도 5는 그러한 배터리의 내부 구조의 표현을 제공한다. 집전체의 두께는 지금 개시된 것과 같은 얇은 형태가 아닌 모놀리식 금속 구조이기 때문에 중요하다.

예 1

폴리프로필렌 리튬 배터리 분리막 재료는 MTI Corporation으로부터 입수했다. 이 재료는 제품 번호 2500으로 Celgard에서 제작했다. 두께, 면적 밀도 애노드 저항이 측정되었으며, 이는 아래 표 1에 나타냈다. 그런 다음 예 1과 동일한 방식으로 분리막을 고온 납땜 인두와 접촉시켰다. 온도계를 집전체에 접촉시키면 작은 홀이 생성되었다. 직경을 측정하여 표 1에 포함시켰다. 두께, 면적 밀도 및 저항이 측정되었다. 재료를 175°C의 오븐에 30 분 동안 놓고 수축을 측정했다. 사진을 촬영하여 도 7에 포함시켰다.

예 2

세라믹 코팅된 폴리에틸렌 리튬 배터리 분리막 재료는 MTI Corporation으로부터 입수했다. 두께, 면적 밀도 및 저항을 측정하여 아래 표 1에 나타냈다. 그런 다음 예 1과 동일한 방식으로 분리막을 고온 납땜 인두와 접촉시켰다. 인두를 집전체와 접촉시키면 작은 홀이 생성되었다. 직경을 측정하여 표 1에 포함시켰다. 두께, 면적 밀도 및 저항이 측정되었다. 재료를 175°C의 오븐에 30 분 동안 놓고 수축을 측정했다. 사진을 촬영하여 도 7a에 포함시켰다.

예 3

세라믹 코팅된 폴리에틸렌 리튬 배터리 분리막 재료는 MTI Corporation으로부터 입수했다. 두께, 면적 밀도 및 저항을 측정하여 아래 표 1에 나타냈다. 그런 다음 예 1과 동일한 방식으로 분리막을 고온 납땜 인두와 접촉시켰다. 인두를 집전체와 접촉시키면 작은 홀이 생성되었다. 직경을 측정하여 표 1에 포함시켰다. 두께, 면적 밀도 및 저항이 측정되었다. 재료를 175°C의 오븐에 30 분 동안 놓고 수축을 측정했다. 사진을 촬영하여 도 7b에 포함시켰다.

예 4

알루미늄으로 처리된 이축 지향 폴리에스터 필름은 All Foils Inc.으로부터 입수되었으며, 이는 헬륨으로 채워진 파티 풍선에 사용되도록 설계되었다. 알루미늄 코팅은 헬륨을 더 오래 유지하여 파티 풍선에 더 오래 지속되는 로프트(loft)를 제공한다. 두께, 면적 밀도 및 저항을 측정하여 아래 표 1에 나타냈다. 그런 다음 필름을 예 1과 동일한 방식으로 49 고온 납땜 인두와 접촉시켰다. 인두를 집전체와 접촉시키면 작은 홀이 생성되었다. 직경을 측정하여 표 1에 포함시켰다. 두께, 면적 밀도 및 저항이 측정되었다. 재료를 175°C의 오븐에 30분 동안 놓고 수축을 측정했다. 사진을 촬영하여 도 8에 포함시켰다. 시중에 입수 가능한 비교 예 1의 알루미늄 집전체에 비해서, 이러한 재료는 두께가 65%, 무게가 85% 더 가벼우며, 내부 단락이 있는 리튬 이온 전지에서 내부 단락을 차단하는 효과를 가질 것이다.

예 5

상용 리튬 이온 배터리 분리막인 Dreamweaver Silver 25가 입수되었다. 전지룰로오스와 폴리아크릴로니트릴 나노섬유와 폴리에스터 극세사를 제지공정에서 혼합하여 만들어지며 얇은 두께로 캘린더링된다(calendered). 그런 다음 예 1과 동일한 방식으로 분리막을 고온 납땜 인두와 접촉시켰다. 인두를 집전체와 접촉시켜도 홀이 생성되지 않았다. 두께, 면적 밀도 및 저항이 측정되었다. 재료를 175°C의 오븐에 30분 동안 놓고 수축을 측정했다. 종래 기술인 비교 예 #3 내지 5에 비해서, 이들 재료는 열에 의해 녹거나 수축하지 않는 장점이 있어서, 내부 단락이 있는 리튬이온 배터리는 균일한 더 큰 내부 단락을 생성하도록 후퇴하지 않을 것이다. 이는 도 8a에서 볼 수 있다.

예 6

상업적으로 입수 가능한 프로토타입 리튬 이온 배터리 분리막인 Dreamweaver Gold 20가 입수되었다. 이는 제지 공정에서 전지룰로오스와 파라-아라미드 나노섬유와 폴리에스터 극세사를 혼합하여 만들어지며 얇은 두께로 캘린더링된다. 그런 다음 예 1과 동일한 방법으로 분리막을 고온 납땜 인두와 접촉시켰다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 집전체에 납땜 인두를 접촉시켜도 구멍이 생성되지 않았다. 두께, 면적 밀도 및 저항이 측정되었다. 재료를 175°C의 오븐에 30분 동안 놓고 수축을 측정했다. 종래 기술의 분리막과 비교하여 이러한 분리막의 장점은 예 2와 동일하다.

비교 예 1 및 2는 기존의 집전체 재료로, 저항이 매우 낮고, 면적 밀도가 높으며, 고온 납땜 선단에 노출되거나 175°C에서 수축이 발생해도 반응이 없다.

예 1 내지 예 3은 저항이 무한대이고 면적 밀도가 낮고 175°C 또는 고온 납땜 선단에 노출되면 녹는 재료이다. 이들은 본 발명에 따른 금속화를 위한 우수한 기판이다.

예 4는 적당한 저항, 낮은 면적 밀도를 나타내고 175°C 또는 고온 납땜 선단에 노출될 때 수축하는 알루미늄화된 폴리머 필름의 예이다. 이는 본 발명에 따른 전위 캐소드 집전체 복합 필름의 예이다. 실제로, 그리고 추가의 예에 나타낸 바와 같이, 더 높은 전력 배터리에 대해 더 높은 수준의 금속 코팅을 부여하는 것이 바람직할 수 있다.

예 5 및 예 6은 저항이 무한대이고 면적 밀도가 낮지만, 175°C 또는 고온 납땜 선단에 노출될 때 수축이 매우 낮은 재료이다. 이들은 금속화된 코팅의 두께가 단락과 관련된 고전류 조건하에서 열화될 정도로 금속화된 코팅의 두께가 충분히 얇을 때 본 발명에 따른 폴리머 기판의 예이다. 또한, 전지룰로오스 나노섬유와 폴리에스터 마이크로섬유는 현재 실제로 사용되는 금속 집전체의 용융 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 산화, 수축 및 제거된다.

예 5는 또한, 전통적인 리튬 이온 탄산염 전해질에 노출되면 팽창하는 폴리 아크릴로니트릴 섬유로 만들어지며, 이는 또한, 열 하에서 팽창이 증가하고 전도 경로를 파괴하게 될 금속 코팅에 균열을 생성하여, 배터리 내부의 열에 노출될 때 집전체의 균일한 전도 경로를 제거하거나 크게 감소시켜 전지의 안전성을 향상시키도록 본 발명에 따른 폴리머 기판의 예이다.

예 7

예 5에서 사용된 재료는 금속간 도가니(intermetallic crucible)와 알루미늄 펠릿을 사용하여 엠브라운 진공 증착 시스템(MBraun Vacuum Deposition System)의 증착 위치에 놓였다. 챔버는 3x10^-5 mbar로 비웠졌다. 알루미늄이 녹을 때까지 전력을 증가시킨 다음 증착 속도가 3 옹스트롬(Angstroms)/s가 되도록 전력을 설정했다. 4 개의 샘플이 증착 플레이트에서 회전하면서 증착을 1시간 동안 실행했다. 이 과정은 3 회 반복되어 총 증착 시간은 4시간이 소요되었다. 샘플의 무게, 두께 및 저항(DC 및 1 kHz, 1 인치 떨어진 전극 사이에서 측정된 1 인치 스트립)에 대해 측정되었으며, 이는 하기 표 2에 나와 있다. 포인트 저항(Point resistance)은 또한, 프로브 선단을 1 인치 간격으로 1 kHz에서 Hioki 3555 Battery HiTester를 사용하여 측정했다. 첨가된 알루미늄의 중량은 공정 중에 첨가된 중량을 샘플 면적으로 나누어 계산하였다. 이는 코팅의 평균 두께를 제공하기 위해서 재료의 밀도로 나누어진다.

예 8

평평한 단면을 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 극세사를 가지고 Tappi T206의 공정을 사용하여 20 g/m²의 핸드 시트(hand sheet)를 만들어 부직포 폴리머 기판을 만들었다. 그런 다음 이들 핸드 시트를 250°F에서 경화된 강철 롤을 사용하여 10 m/min, 2000 lbs/inch 압력으로 캘린더링했다. 이러한 재료는 예 7의 공정에 따라 금속화되었고, 동일한 측정이 수행되어 표 8에 보고되었다.

예 9

코팅이 5 옹스트롬/초의 설정에서 60 분 동안 행해진 것을 제외하면, 예 5에 따른 재료가 예 7의 공정에 따라 증착되었다. 동일한 절차에 따라 샘플을 뒤집어 뒷면에 코팅했다. 이들 재료는 표면 및 단면 모두에서 주사 전자 현미경(SEM) 하에서 이미지화되었고, 이미지는 도 9, 도 9a 및 도 9b에 제시되어 있다.

예 10

각각의 면에 단 20 분 동안 증착된 것을 제외하면, 예 9의 절차에 따라 재료가 준비되었다.

예 11

시트를 캘린더링하지 않은 것을 제외하고, 예 8의 폴리머 기판이 준비되었다. 알루미늄 증착은 각각의 면에서 20 분 동안 5 Angstroms/초이다. 재료가 캘린더링되지 않았기 때문에, 다공성이 매우 높아 얇은 코팅 중량으로 매우 높은 저항 값을 제공한다. 예 11과 예 8을 비교하면 캘린더링의 이점이 예상외로 높다는 것을 알 수 있다.

예 12

예 9로부터의 알루미늄 코팅된 폴리머 기판이 N-메틸-2-피롤리돈 용액에서 97% NCM 캐소드 재료(NCM523, BASF로부터 입수), 1% 카본 블랙 및 2% PVDF 결합제의 혼합물로 코팅되었다. 코팅 중량은 71 마이크론의 두께에서 12.7 mg/cm²였다. 이러한 재료는 2032 코인 전지에 맞게 절단되었으며 구리 호일 집전체(6 mg/cm², 96.75% 흑연(BTR), 0.75% 카본 블랙, 1.5% SBR 및 1% CMC)에 코팅된 흑연 애노드와 쌍을 이룬다. 애노드, 분리막(Celgard 2320) 및 NCM 코팅된 재료를 전지에 놓고 전해질(EC:DEC:DMC=4:4:2 vol + 60 uL, 10M LiPF₆ in EC:DEC:2 vol + 2w.% VC) 및 쉘(shell)을 압착하여 전지를 밀봉했다. 적절한 전도성을 얻기 위해, 실시예 9의 알루미늄 코팅된 폴리머 기판의 일부를 캐소드 물질로 코팅하지 않은 채로 두고 접혀서 코인 전지의 쉘과 접촉하여 전도성 경로를 완성하였다. 0.18 mA 내지 4.2 V의 정전류로 충전한 후, 전류가 0.04 mA로 떨어질 때까지 정전압(4.2V)으로 충전하여 전지를 형성하였다. 전지는 4.2 V 내지 3.0 Vat 0.37 mA에서 3 번 순환되었고 1.2 mAh의 평균 방전 용량을 제공했다.

예 13

전지는 4.2V 내지 3.0 Vat 0.37mA에서 3 번 순환되었고 1.2 mAh의 평균 방전 용량을 제공했다. 0.18 mA 내지 4.2 V의 정전류로 충전한 후, 전류가 0.04 mA로 떨어질 때까지 정전압(4.2V)으로 충전하여 전지를 형성하였다. 전지는 4.2 V 내지 3.0 Vat 0.37 mA에서 3 번 순환되었고 0.8 mAh의 평균 방전 용량을 제공했다. 따라서 본 예와 이전 예에서 작동하는 충전식 리튬 이온 전지는 1 마이크론 미만의 알루미늄 두께로 만들어졌다.

비교 예 3

비교예 1의 알루미늄 탭(약 2cm x 4cm)을 샘플의 전체 폭에 접촉하는 금속 커넥터를 통해 전류 소스의 접지에 연결하였다. 전압 제한은 4.0 V로, 전류 제한은 1.0 A로 설정되었다. 전류 소스의 고전압에 연결된 프로브를 샘플의 전체 폭과 접촉하는 금속 커넥터에 먼저 터치한 다음 알루미늄 탭에 여러 번 터치하여 1.0 A에서 단락을 생성했다. 프로브의 선단은 약 0.25 mm² 면적이었다. 전폭에 걸쳐 접촉했을 때 전류는 정상적으로 흐른다. 프로브를 선단에 처음 접촉했을 때 매우 높은 초기 전류 밀도를 나타내는 스파크가 생성되었다. 집전체의 결과적인 결함으로 인해 때때로 홀이 생겼고, 다른 경우에는 절제가 있었지만 집전체는 손상되지 않았다. 모든 경우에 회로는 1.0 a가 흐르는 상태에서 단락 상태를 유지했다. 홀이 없는 절제된 결함의 현미경 사진을 촬영되고 도 10에 도시된다. 전류 소스 제한을 5.0 A, 3.0 A, 0.6 A, 0.3 A 및 0.1 A로 설정하여 실험을 반복했으며, 모든 경우에 결과는 집전체의 전체 폭에 걸쳐 접촉했을 때 그리고 약 0.25 mm² 선단 크기의 포인트 프로브를 사용했을 때 모두 테스트 전류 제한에서 연속 전류였다.

비교 예 4

유사한 치수의 비교 예 2의 구리 선단을 비교 예 3과 동일한 방법으로 시험하였다. 전폭에 걸쳐 접촉했을 때 전류는 정상적으로 흐른다. 프로브를 선단에 처음 접촉했을 때 매우 높은 초기 전류 밀도를 나타내는 스파크가 생성되었다. 집전체의 결과적인 결함으로 인해 때때로 홀이 생겼고, 다른 경우에는 절제가 있었지만 집전체는 손상되지 않았다. 모든 경우에 회로는 0.8 a가 흐르면서 단락 상태를 유지했다. 홀이 없는 절제된 결함의 현미경 사진이 촬영되고 도 10a에 도시된다. 전류 소스 제한을 5.0 A, 3.0 A, 0.6 A, 0.3 A 및 0.1 A로 설정하여 실험을 반복했으며, 모든 경우에 결과는 집전체의 전체 폭에 걸쳐 접촉했을 때 그리고 약 0.25 mm² 선단 크기의 포인트 프로브를 사용했을 때 모두 테스트 전류 제한에서 연속 전류였다.

예 14

유사한 치수의 예 7의 본 발명의 알루미늄 코팅된 폴리머 기판 재료를 비교 예 3 및 4와 동일한 방법을 사용하여 시험하였다. 전폭에 걸쳐 접촉했을 때 전류는 정상적으로 흐른다. 프로브를 본 발명의 집전체에 직접 접촉한 각각의 경우에 생성된 스파크는 훨씬 적었고 초기 스파크 이후에 전류가 흐르지 않아 개방 회로를 남겼다. 모든 경우에 결과적인 결함은 홀이었다. 홀의 여러 예의 현미경 사진이 도 11 및 도 11a에 도시된다. 전류 소스 제한을 5.0 A, 3.0 A, 0.6 A, 0.3 A 및 0.1 A로 설정하여 실험을 반복했으며, 모든 경우에 전체 폭 커넥터를 통해 접촉할 때 전류가 연속적으로 흐르고, 프로브로부터 본 발명의 집전체로 직접 접촉될 때 본 발명에 따라 전류가 흐르지 않았다.

도시된 주요 발명은 비교예 3 및 4 그리고 예 14에서와 같이 단락에 노출될 때, 종래 기술의 경우 결과적으로 지속적인 단락이 발생하는 반면에, 본 발명의 재료의 경우에 결과는 개방 회로이며, 진행 중인 전류가 흐르지 않았다(즉, 감지할 수 있는 전류 이동이 없었다). 따라서, 종래 기술의 단락 회로는 분리막을 녹이고, SEI 층을 용해시키고, 전지의 열 폭주를 초래하여 전해질을 점화할 수 있는 열을 생성할 수 있고 생성한다. 본 발명의 집전체의 개방 회로는 열을 생성하지 않을 것이고, 따라서 열 폭주 및 결과적인 연기, 열 및 화염을 허용하지 않고 내부 단락을 지원할 수 있는 전지를 제공한다.

예 15 및 16 그리고 비교예 5 및 6

2 개의 금속화된 필름이 롤-투-롤 공정에서 10 마이크론 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름에 생성되었다. 이러한 과정에서, 필름 롤을 진공 금속화 제조 기계(그 예는 Applied Materials로부터 입수 가능한 TopMet 4450임)에 넣고 챔버를 저압으로 배기했다. 롤은 용융 알루미늄을 포함하는 가열된 보트(boat) 위로 고속, 예를 들어 50 m/min으로 통과되었다. 용융 알루미늄을 포함하는 가열된 보트 위에는 필름에 증착되는 알루미늄 가스 기둥이 있으며 증착 속도는 속도와 알루미늄 온도에 의해 제어된다. 알루미늄 코팅이 -300 nm가 될 때까지 여러 번 통과하여 길이 약 500 m, 폭 70 cm의 롤이 제조되었다. 코팅 공정을 반복하여 필름의 다른 면을 코팅하고, 생성된 제품을 본 명세서에서 예 15로 사용하였다(도 4의 본 발명의 집전체에 함께 본 실시예에서 사용된 것을 도시하였다). 따라서 보트의 금속이 구리인 것을(본 발명의 구조에서 사용되는 집전체를 나타내는 도 5b의 묘사와 함께) 제외하면 동일한 방식으로 예 16이 제조되었다. 각각의 필름의 평량, 두께 및 전도도를 측정하여 아래 표 3에 보고하였다. 코팅 중량은 10 마이크론 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름의 평량인 13.8 g/m²를 빼서 계산했다. "계산된 코팅 두께"는 코팅 중량을 재료의 밀도(알루미늄의 경우 2.7 g/cm³, 구리의 경우 8.96 g/cm³)로 나누고 양쪽에 동일한 코팅을 가정하여 계산되었다.

비교 예 5는 17 마이크론 두께의 상업적으로 입수한 알루미늄 호일이다. 비교 예 6은 50 마이크론 두께의 상업적으로 입수한 구리 호일이다. 비교 예 7은 9마이크론 두께의 상업적으로 입수한 구리 호일이다.

예 15, 예 16, 비교 예 5 및 비교 예 6은 매우 높은 전류 밀도를 전달하는 능력에 대한 추가 테스트를 거쳤다. 반경 0.51 mm(24 AWG 게이지)의 연마된 구리 와이어를 집전체 필름 또는 호일과 접촉하도록 유지하는 테스트 장치가 만들어졌다. 테스트 중인 필름 또는 호일은 접촉 면적이 > 1 제곱센티미터인 테스트 중인 필름 또는 호일과 접촉한 상태로 유지되는 알루미늄 접점으로 접지되었다. 프로브는 0.335 옴 값의 고전력 400 W 저항과 직렬로 연결되었고 전류를 제어하도록 설정된 Volteq HY3050EX power supply에 연결되었다. 측정할 집전체를 제로 입력 전류에서 집전체의 표면과 접촉하는 연마된 와이어와 함께 설정에 배치했다. 전류는 0.2 암페어 단위로 증가하고 저항 양단의 전압이 측정되는 동안 각각의 증분마다 30 초로 유지되었다. 전압이 0으로 떨어졌을 때 전류가 더 이상 흐르지 않음을 나타내는 샘플은 실패한 것으로 나타났다. 예 15, 예 16, 예 5 및 비교 예 6이 각각 시험되었다. 예 15는 7 A(2 회 측정의 평균)에서 실패했다. 예 16은 10.2 A에서 실패했다(2 회 측정의 평균). 비교 예 5 및 비교 예 6 모두는 20 A 미만에서 실패하지 않았다. 예 15 및 예 16 모두는 반경 > 1 mm의 집전체에 홀을 보여주었지만, 비교 예 5 또는 6 중 어느 것도 호일에 대한 손상을 나타내지 않았다. 이러한 예시적인 테스트에서, 20 A 초과, 또는 바람직하게 15 A 초과 또는 더 바람직하게 12 A 초과의 전류를 전달할 수 없는 집전체를 갖는 것이 유리할 것이다.

사용 중인 전기 장치에 전지의 전극 스택을 연결하는 탭으로 이들 본 발명의 집전체를 사용하여 시뮬레이션하기 위한 다른 테스트에서, 예 15 및 예 16 그리고 비교 예 5 및 비교 예 6은 스트립을 따라 전류 용량 테스트를 받았다. 테스트용 샘플을 준비하기 위해서, 집전체를 도 12에 도시된 형태로 절단하였으며, 이는 4 cm x 1 cm 크기의 스트립으로 구성되며 스트립의 단부는 측면 4 cm의 절두형 직각 이등변 삼각형(truncated right isosceles triangle)으로 끝난다. 테스트 조각의 각각의 삼각형은 접촉 표면적이 > 1 cm인 알루미늄 조각을 통해 접촉되었다. 한쪽은 400 W, 0.335 ohm 저항을 통해 연결하고 이러한 회로는 Volteq HY3050EX power supply에 연결했다. 전류를 측정하기 위해서 저항 양단의 전압을 측정했으며 이 전압이 0으로 떨어지면 부품이 고장난 것으로 나타났다. 각각의 테스트에 대해 조각을 0 전류로 설정된 전원 공급 장치에 연결한 다음 0.2 A 증분으로 증가시키고 샘플이 실패하고 흐르는 전류가 0으로 떨어질 때까지 각각의 새로운 전압에서 30 초 동안 그대로 두었다. 테스트는 금속화된 집전체가 금속화된 집전체의 한쪽 또는 양쪽에서 접촉하여 측정될 수 있도록 구성되었다. 실패 시 전류는 아래 표 4에 나와 있다. 4 cm x 1 cm 스트립에서 테스트된 재료의 경우, 각각 20 A 미만, 바람직하게 15A 미만, 보다 바람직하게 10A 미만으로 흐를 수 있는 전류량을 제한하여 내부 퓨즈를 제공하는 것이 유리할 것이며, 각각은 단면 또는 양면 접촉이 있다.

예 15 및 예 16의 표준 호일 집전체 및 금속화된 PET 필름 집전체를 전극 재료로 코팅하여 전지가 만들어졌다. NMC 523 캐소드 재료는 NMP 용매 중 BASF NMC523(97%), 카본 블랙(2%) 및 PVDF(1%)를 사용하여 준비되었고, 알루미늄 집전체(15 마이크론 알루미늄 집전체)에 코팅되었으며 예 15는 3.3 mAh/cm²의 캐소드 로딩 밀도에 대응하는 220 g/m²의 평량이었다. NMP 용매에 흑연 BTR-918S(94%), 카본 블랙(5%) 및 PVDF(1%)를 사용하고, 4.0 mAh/cm²의 애노드 로딩 밀도에 대응하는 118 g/m²에서 구리 집전체(18 마이크론 구리 집전체)에 코팅하여 애노드 재료가 준비되었다. 4 개의 양면 캐소드, 3 개의 양면 애노드 및 2 개의 단면 애노드를 준비하였다. 이들은 Celgard 2500 분리막으로 적층하여 작은 파우치형 전지를 형성한 다음 전해질로 채우고 설계된 용량 1 Ah로 밀봉했다. 호일 재료의 다른 조합으로 4 가지 유형의 전지를 만들고 C/10 및 C/5(즉, 0.1 A 및 0.2 A)에서 측정된 용량을 사용했다. 전지는 100 mA에서 4.2 V로 충전하여 형성되었고 전류가 10 mA로 떨어질 때까지 4.2 V로 유지되었다. 그런 다음 완전히 형성된 전지의 무게를 측정하고 C/10에서 방전한 다음 C/10에서 충전하고 C/5에서 방전하여 용량을 테스트했다. 이들 결과를 아래 표 5에 나타냈다.

따라서, 위에서 제공된 실시예는 전해질 함유 배터리 내에서 열 폭주를 방지하는데 필요한 바람직한 두께, 금속 코팅 및 전도도 결과를 나타내므로, 훨씬 더 안전하고 신뢰할 수 있는 유형일 뿐만 아니라 안전성을 희생하지 않고 실제로는 이를 개선하면서 그 어느 때보다 훨씬 적은 내부 중량 구성요소를 요구하는 유형을 제공하는 것으로 나타났다.

위에서 언급한 바와 같이, 그러한 얇은 집전체를 (리튬 배터리 물품 내의 내부 퓨즈로서)제공할 뿐만 아니라 생성된 전압이 대상 배터리 전지의 외부로 전달되도록 보장하기 위해서 탭 구조의 필수 이점을 제공하는 능력이 그에 따라 본 개시 내에서 부여된다. 또한, 위와 같이 집전체의 유익한 얇은 구조를 추가로 활용하는 능력은 대상 배터리 물품 자체의 범위 내에서 임의의 수의 무수한 구성에 적합하여 제자리에 있는 유익한 내부 퓨즈 구성요소(들)로 누적 전력 레벨을 잠재적으로 생성할 수 있다. 그러한 것들은 도 12 내지 도 22에서 더 상세히 논의된다.

도 13은 금속화된 필름 층(614) 및 하부 비금속 층(616)을 갖는 단일 박막 전류 탭/집전체(600)를 도시한다. 전도 탭(610)(배터리의 외부 전력 전달 구성요소로 연결됨)이 또한 제공되고, 집전체에 수직으로 정렬되고 용접부(612)로 연결된다. 도 14는 유사한 집전체(620)를 도시하지만, 탭(622)은 그러한 전도성 목적을 위해 탭(622)을 집전체(634)에 연결하는 테이프(624)와 함께 존재한다. 전술한 바와 같이, 탭/집전체(620)는 금속화된 필름 층(626) 및 하부 비금속 층(632)을 가진다. 테이프 구성요소(622)는 탭의 외부 표면(628)에 제공되고 집전체의 비금속 층(626)으로 연결되며, 탭이 전도 목적에 적합한 방식으로 고정된 상태를 유지하기 위한 전단 강도 접착제 품질이 제공된다.

도 15는 탭(642)을 단일 얇은 집전체(648)(금속화된 필름 층(644) 및 하부 비금속 층(650) 포함)에 연결하여, 스테이플 구성요소(646)의 활용을 통해 두 구성요소를 연결하는 다른 방식을 보여주는 다른 탭/컬렉터(640)를 제공한다.

도 18은 마찬가지로 동일한 유형의 상부(758) 및 하부 표면(762)을 갖는 평평한 탭/집전체(750)를 포함한다. 이 경우에 탭(752, 754)은 집전체(762)의 상부(758) 및 하부 표면(760) 모두와 접촉하는 2 개의 평행한 구조로서 제공된다. 그러한 탭(752, 754)은 양쪽 표면(758, 760)과의 연결을 위한 용접부(756)를 포함한다. 도 17은 도 16과 유사한 구조(780)를 도시하지만, 접힌 탭(794)의 2 개의 연장된 갈래(782, 784)가 그로부터 이어지는 용접부(786)를 통해 집전체(792)의 양 표면(788, 790)과 접촉하는 단일 접힌 탭(794)이 제자리에 있다.

그러한 편평한 집전체 구조는 (예를 들어, 도 1에서와 같이)컴팩트한 배터리 구조를 갖는 전형적인 배터리 구조를 허용한다. 도 16은 금속화된 필름 표면(712)(위와 같이 비금속 층(708)을 덮음)에 부착된 단일 테이프 탭(702)을 갖는 단일 접힘 탭/집전체(700)를 도시한다. 이러한 방식으로, 단일 접힘부(710) 집전체(704)는 결과적으로 배터리 전지 내에서 발전의 증가 능력을 부여하지만, 평평한 구조로부터 배터리 크기를 약간 증가시킬 필요가 있다. 도 17은 동일한 얇은 구조 집전체(724)를 사용하는 이중 접힌부(732) 탭/집전체(720)를 도시한다. 따라서 그러한 이중 접힘부(732)는 2 개의 전기 전도성 층 사이에 위치된 폴리머 필름에 의해 전기적으로 절연될 수 있는 집전체(724)의 2 개의 측면(726, 728)을 연결하는 능력을 추가로 제공한다. 탭(722)은 그러한 이중 접힘부(732) 전도성 목적을 위해 집전체 표면(730)에 부착된다. 도 20은 이중 접힘부(810) 탭/집전체(800)에 대한 용접부(804) 탭(802)을 도시하며, 따라서 집전체(806)의 일부로서 전기적으로 절연된 층(808, 812)을 연결하는 동일한 능력을 나타내지만, 보다 신뢰성 있고 전력 전송 목적에 더 잠재적으로 효과적인 위치에 더 안전한 용접부(804)를 가진다. 따라서 도 21은 상단 이중 둥근 접힌부 집전체(826)와의 전도를 위해 연결하는 용접부(824)를 단일 탭(822)을 통해 전도를 위해 전기적으로 절연된 층과 연결하기 위한 훨씬 더 많은 능력을 위해 직렬로 연결된, 금속화된 필름 층(858, 860, 862, 864, 866) 및 하부 비-금속 층(846, 848, 850, 852, 854)을 갖춘 복수의(여기서는 5개의) 그러한 이중 둥근 접힘부(856) 집전체(826, 828, 830, 832, 834)를 갖춘 복합 탭/다중 집전체 구조물(820)을 도시한다. 용접된 탭(822)은 또한 신뢰성 향상을 위해 제자리에 강하게 유지된다. 제 2 대향되게 용접된(906) 탭(904)이 도 22에 제공되며, 여기서 그러한 다수의 다중 둥근 접힘부(938) 집전체 어레이(908, 910, 912, 914, 916)가 제자리에 제공된다. 그러한 탭/집전체 구조물(900)은 이전에 언급된 바와 같이 2 개의 외부 집전체(908, 916)와 구성되고 연결된 2 개의 탭(902, 904)을 통해 대상 배터리 전지에 대한 부피 증가에 따른 무게를 필요로 하지 않고 증가된 발전을 허용한다. 금속화된 필름 층(940,942,944,946,948)은 위와 같이 제공되며, 대향하는 비금속 층(928, 930, 932, 934,936)이 그러한 다른 컬렉터 예에서와 같이 존재한다. 마지막으로, 또 다른 비-제한적인 예시적인 탭/컬렉터 구조(960)로서, 일련의 평행하고 평평한 얇은 집전체(964, 966, 968, 970)(여기서 4 개)에 클램핑된 다중 Z-접힘부(972) 탭(962)(위에서 설명됨), 금속화된 필름 층(974, 978, 982, 986) 및 하부 비금속 층(976, 980, 982, 984)을 사용하여, (다중 내부 퓨즈로 작용하는)평평한 얇은 집전체(964, 966, 968, 970)를 사용하더라도 직렬로 누적 전력을 생성하는 다른 방식을 제공한다.

따라서 도 13 내지 도 23의 그러한 구조는 스탠딩 리튬 배터리(standing lithium battery)의 내부 퓨즈 구성 요소에 대한 다양한 외부 연결을 허용한다.

도 24는 중간 폴리머 기판(1015)과 상단 금속화된 필름(1012), 하단 금속화된 필름(1014), 용접 방향(1018)이 표시된 용접 디봇(1020), 및 상단(1012)과 하단 금속화된 필름(1014)을 갖는 박막 집전체(1010)의 단일 용접 복합체를 도시한다. 폴리머 기판(1015)은 상단(1012)과 하단(1014) 금속화된 필름 사이의 인터페이스(1022) 연결을 허용하도록 용접 디봇(1020)으로부터 바깥쪽으로(1016) 조작되었다. 일반적으로 더 적은 전력과 더 많은 압력을 사용하여 금속을 파괴하지 않고 폴리머를 이동하려면 용접 매개변수의 신중한 제어가 필요하다.

정확한 출력과 압력은 용접 노드(welding node)의 정확한 구성, 금속 층 두께, 폴리머 두께 및 금속 및 폴리머 재료 유형을 기반으로 실험적으로 결정되어야 하지만, 순수한 금속 용접보다 더 적은 전력과 더 많은 압력이 본 개시의 본 도면 및 다른 도면에 도시된 바와 같이 원하는 구성을 생성한다는 것은 일반적으로 사실이다. 도 24는 단일 이상적인 노드의 프로파일을 도시한다. 실제로, 많은 노드가 존재할 것이고 도 34, 도 35, 도 35a, 도 36, 및 도 37에 도시된 바와 같이 상이한 단면 및 노드 구성으로 구성될 수 있다. 바람직한 효과는 초음파 용접의 경우 전력, 주파수 및 압력, 열 용접의 경우 온도 및 압력과 같은 노드 기하학 및 처리 매개변수를 변경함으로써 인터페이스(1022)를 최대화하는 것이다.

도 25는 상단 금속화된 필름(1012), 폴리머 기판(1015), 및 하단 금속화된 필름(1014)을 갖는 탭(1032) 및 박막 집전체(도 24의 1010)의 용접된 복합체(1030)를 도시한다. 도 24에서와 같이, 상단 적용 용접부(1020)는 금속화된 필름(1012, 1014)이 접촉하도록 폴리머 기판(1015)을 이동시킨다. 탭(1032)은 마찬가지로 탭(1032)과 집전체(도 24의 1010) 사이의 연결을 위해 용접 방향(1034)과 관련하여 상단 필름(1012)과 접촉하여 하단 필름(1014)으로부터 상단 필름(1012)을 통해 탭(1032)으로의 전도성을 허용한다.

실제 구조적 정의에서 실제 잠재적인 실시예를 도시하기 위해서, 도 26 및 도 26a는 금속화된 필름(1012), 폴리머 기판(1015) 및 바닥 필름(1014)의 복합체의 용접 인터페이스의 현미경 사진(각각 100- 및 50-마이크론 길이)을 도시한다. 용접 방향(1018)은 폴리머 기판(1015)을 통해 두 재료(1013) 사이의 연결을 생성하는 방식으로 금속화된 필름(1012)을 하단 필름(1014)에 가압한다. 이러한 연결(1013)은 개선된 배터리 작동을 위해서 금속화된 필름(1012)으로부터 탭(예를 들어, 도 27의 1042)으로의 전도도를 촉진하고 최적화하도록 상단 필름(1012)과 하단 필름(1014) 사이의 침투를 허용한다.

도 27은 도 24(1010)에서와 동일한 집전체를 갖는 탭/집전체 복합체(1040) 및 하단 필름 층(1014)과 연결된 탭(1042)을 도시한다. 상단 용접부(1020)가 집전체 상단 필름(1012)에 적용된 상태에서, 폴리머 기판(1015)은 상단(1012) 및 하단(1014) 필름이 인터페이스하도록 이동되고, 이에 따라 금속화된 필름(1012, 1014)과 탭(1042) 사이에 허용된 전도성이 허용된다. 도 27a 및 도 27b는 내부의 명확한 묘사를 보여주는, 하단 필름과 탭 사이의 용접 인터페이스 계면의 현미경 사진을 도시한다. 도 27b는 특히 용접 공정 동안 금속화된 필름으로부터 존재하는 금속 파편과 인터페이스된 탭 및 하단 필름 용접 층을 도시한다.

도 28은 도 24(1010)에서와 같은 집전체와 유사한 상단 박막 금속화 필름 집전체(2042)를 갖는 탭/집전체 복합체(2040) 및 다층 금속화된 필름 구조물(2046)의 하단 필름 층과 연결된 탭(2044)(각각의 개별 층 사이에 폴리머 기판이 있음)을 도시한다. 그러한 층은 탭(2044) 자체의 상단에 그러한 다층 구조물(2046)을 형성하도록 압출될 수 있다. 상단 층(2042)을 포함하는 층(2046)은 도 24(1010)에서와 동일한 박막 구조물을 가진다. 다중 층(2042, 2046)은 용접 인터페이스(2049)에서 다중 층(2042, 2046)을 함께 연결하기 위해서 용접 디봇(2048)을 통해 조작된다. 추가로, 다중 박막 집전체 층(2042, 2043)으로, 용접 디봇(2048)은 다중 집전체 층(2042, 2046)을 통한 전체 용접 압력 적용을 용이하게 하기 위해서 전체 용접 디봇(2048)을 둘러싸는 점진적인 윤곽(2047)을 생성하는 방식으로 적용될 수 있다. 이러한 윤곽(2047)으로, 용접 디봇(2048)의 상단 에지에서 융기된 주변 에지(2045)가 추가로 생성된다. 따라서 생성된 복합체(2040)는 외부 전력 전달을 위한 배터리 내에서 추가 활용을 위해서 탭(2044)에 대한 모든 금속화된 필름 집전체 층(2042, 2046) 사이의 전도성을 허용한다. 도 28a 및 도 28b는 도 28의 동일한 복합 구조의 현미경 사진을 제공한다. 그러한 박막 구조의 상부 집전체 층(2042) 및 다층(2046) 아래가 눈에 띈다. 용접 인터페이스(2049)는 그러한 다중 집전체 층(2042, 2046)을 탭(2044)에 연결한다. 융기된 주변 에지(2047)로 용접부를 둘러싸는 가시적 윤곽(2047)도 존재한다. 도 28b에서, 용접 인터페이스(2049)는 상단 박막 집전체 층(2042)과 탭(2044)뿐만 아니라 탭(2044)을 갖는 다중 집전체 층(2046) 사이의 전도성을 허용하기 위해서 폴리머 기판 내에 박막 집전체 부분의 존재를 나타낸다. 위와 같이, 그러한 복합체(2040)는 그러한 탭(2044)을 통해 전지로부터 외부로 배터리 전송 능력을 허용한다.

도 29는 탭(1054)의 다른 가능한 복합체(1050), 금속화된 필름(1052) 및 용접(1056)을 통해 서로 연결된 금속화된 박막 집전체(1058)의 다층을 제공하여, 탭(1054)을 통한 그러한 금속화된 필름(1058, 1052)의 전도성을 허용한다.

도 30, 도 31 및 도 32는 박막 집전체 전원 전지에 용접 탭을 사용하는 다양한 유형의 배터리 장치를 도시한다. 도 30은 강성 플라스틱 용기(1062), 전력 전지(1066) 및 장치(미도시)에 대한 추가 연결을 위한 연결된 외부 탭(1064)을 갖는 배터리(1060)를 도시한다. 도 31은 용기(1072), 전력 전지(전극/집전체)(1074) 및 연장 탭(1076)을 갖는 원통형 배터리(1070)를 도시한다. 도 32는 파우치 용기(1082), 전원 전지(1084) 및 외부 장치(미도시)와의 접촉을 위해서 연결된 외부 탭(1086)을 갖는 파우치 배터리(1080)를 도시한다.

도 33 및 도 33a는 본 명세서에 기판된 바와 같이 모두 함께 용접된 다중 탭(1098), 다중 전극/집전체 층(1096), 상단 탭(1094), 및 상단 전극 집전체 층(1092)을 갖는 전력 전지 복합체(1090)를 도시한다.

도 34, 도 35, 도 35a, 도 36, 및 도 37은 타겟 탭/전력 전지 복합체 내에서 용접 디봇 형상 및 구조(3차원)를 부여하고 그 내에서 활용하기 위한 용접 앤빌 구조 및 패턴/구성의 다양한 잠재적 실시예에 관한 것이다. 도 34는 다수의 상이한 가능한 앤빌 구조 실시예(1100)를 도시한다. 하나는 3 차원의 직사각형 구조를 갖는 선형(1102) 구조이다. 또한 절두 피라미드 3 차원 구조물(1108)(정사각형 모서리에서 더 작은 정사각형 상단으로 좁아지는 기울기를 가짐), 둥근 피라미드 구조물(1106) 및 구형 구조물(1104)(리브가 있는 주변부를 가짐)이 도시된다. 따라서 그러한 3차원 앤빌(1100)은 복합 전류 집전체(도 24의 1010) 및/또는 집전체 그리고 탭(도 25의 1020) 내에서 초음파, 열 또는 압력만으로 압착되어 집전체 필름과 탭 사이에 필요한 계면을 부여할 수 있다. 따라서, 도 35는 유사한 패턴으로 용접을 적용하기 위해서 전체 그리드에서 절두 피라미드 구조물(1110)을 반복하는 하나의 가능한 실시예를 도시한다. 도 35a는 동일한 목적을 위한 드문드문 잘린 절두 피라미드 모루(1120) 그리드의 다른 가능한 실시예를 도시한다. 도 36 및 도 37은 타겟 복합체에 패턴(정렬된 것과 비교하여 엇갈림) 적용을 위한 절두 피라미드(1130, 1140) 그리드의 균일성에 관한 것이다. 따라서 그러한 3차원 모루는 본 명세서에서 논의되고 설명된 바와 같이, 연결 및 전도성 목적을 위한 완성된 용접부(도 24의 1020)과 관련하여 상단 필름(도 24의 1012)을 아래쪽으로 눌러 하단 필름(도 24의 1014)과 접촉하는 것과 관련하여 폴리머 기판(예를 들어, 도 24의 1015)을 조작할 수 있게 한다.

도 38 및 도 39는 상단 용접부(도 38) 및 하단 용접부(도 39)의 상이한 잠재적인 실시예를 도시한다. 도 38은 탭(1154), 금속화된 필름(들)(1152), 상단 용접 방향(1154), 및 금속화된 필름(들)(1152)을 탭(1154)과 연결하는 마무리 용접부(1156)을 갖는 용접된 복합체(1150)를 도시한다. 도 39는 탭(1164m) 금속화된 필름(들)(1162), 하단 용접 방향(1164), 및 금속화된 필름(들)(1162)을 탭(1164)과 연결하는 완성된 용접부(1166)를 갖는 용접된 복합체(1160)를 도시한다.

도 40은 단일 굴곡부(1175), 집전체/전극(1172), 및 탭(1174)과 집전체/전극(1172) 사이의 다중 용접부(1176), 및 탭이 자체에 부착된 단부 용접부(1178)를 갖는 단일 접힘 탭(1174)을 갖는 용접된 복합체(1170)의 가능한 실시예를 도시한다. 도 41은 그러한 집전체(1182) 및 탭(1184)을 함께 부착하기 위한 다중 용접부(1186)를 갖는 엇갈린 금속화 필름 집전체(1182) 및 엇갈린 탭(1184)의 용접 복합체(1180)의 가능한 실시예를 도시한다. 이러한 구성에서, 각각의 집전체(1182)의 각각의 금속 면은 탭(1184) 중 적어도 하나와 대면 접촉하게 된다. 도 42는 퓨즈 영역(1198)의 제한된 용접 영역(1196) 내의 탭(1194)에 용접된 퓨즈 영역(1198)에 연결된 전극/집전체(1192)를 갖는 용접된 복합체(1190)의 가능한 실시예를 도시한다. 이들 실시예는 박막 집전체를 사용하는 그러한 용접 기술과 관련하여 이용 가능한 융통성의 일부를 제공한다.

도 43, 도 44 및 도 45는 전력 전지 복합체 내에서 그러한 용접 작업을 보완하기 위한 보강재와 관련된 가능한 실시예의 묘사를 제공한다. 도 43은 용접 탭(1208), 강화 테이프(1206), 및 그러한 증가된 강화 능력을 위한 추가 중첩부(1210)를 갖는 대향 전극(1202, 1204)을 갖는 용접 복합체(1200)를 도시한다. 도 44는 다중 박막(1224), 상단 층 박막(1222), 및 용접 탭(1226)을 갖는 다중-필름 용접 복합체(1220)를 도시한다. 강화 테이프(1228)는 탭 용접부(미도시)에 다시 적용되어 그러한 용접 영역에 대한 강화 능력을 위한 인가된 압력을 증가시킨다. 도 45는 다중 박막(1234), 상단 층 박막(1232), 및 용접 탭(1236)을 갖는 다중-필름 용접 복합체(1230)를 도시한다. 그러한 용접부(들)를 강화하기 위해서 클램프(1238)가 용접 인터페이스 위에 적용된다(도시되지 않음). 따라서, 그러한 용접부의 강화는 다양한 가능한 대안을 통해 달성될 수 있다.

그러한 독특하고 지금까지 탐구되지 않은 용접부, 그 패턴, 다양한 용접부 유형 자체, 심지어 증가된 안전성, 신뢰성 및 효율성을 위한 보강재를 사용하여, 효과적인 전력 전달 및 감소된 열 폭주 가능성을 위해 리튬 이온(및 유사) 배터리, 커패시터, 전력 전지 등 내에서 금속 박막 집전체를 활용하는 새로운 접근 방식이 제공된다.

본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 본 발명에 변형 및 수정을 수행할 것임은 자명하다. 따라서, 본 발명의 범주는 본 명세서에 첨부된 청구범위에 의해서만 결정되어야 한다.

Claims (15)

1. 에너지 저장 장치로서,
   애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 분리막, 전해질, 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체, 및 상기 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체에 부착된 적어도 하나의 탭을 포함하며, 상기 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체는 상단 및 하단 표면을 갖는 폴리머 기판 층을 가지며, 제 1 금속화된 층은 상기 폴리머 기판 상단 층에 배치되고 제 2 금속화된 층은 상기 폴리머 기판 하단 층에 부착되며, 상기 집전체는 상기 제 1 및 제 2 금속화된 층의 적어도 일부가 서로 접촉하도록 내부에 용접 디봇을 나타내는,
   에너지 저장 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 장치는 상기 용접 디봇을 통해 상기 집전체의 금속화된 층에 부착된 적어도 하나의 전기 연결 탭을 더 포함하는,
   에너지 저장 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 용접 디봇은 상기 애노드와 상기 캐소드 중 하나와 연관되는,
   에너지 저장 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 탭은 상기 용접 디봇을 통해 상기 애노드 또는 상기 캐소드에 전기적으로 연결되는,
   에너지 저장 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   보강재가 상기 용접부에 제공되는,
   에너지 저장 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속화된 필름은 최대 25 개의 층을 포함하는,
   에너지 저장 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   다중 탭은 25 개까지 존재하는,
   에너지 저장 장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   금속 층의 적어도 일부는 인접한 집전체를 통해 압출되어 압출된 금속 층과 대면 접촉하지 않는 다른 집전체의 금속화된 층과 접촉하는,
   에너지 저장 장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   완전히 채워진, 희박하게 채워진, 부분 그리드 엇갈림 또는 부분 그리드 정렬된 패턴을 나타내는 다중 디봇이 제공되는,
   에너지 저장 장치.
10. 제 1 항에 있어서,
    용접 디봇은 선형, 절두 피라미드(truncated pyramid), 둥근 피라미드 또는 구형인,
    에너지 저장 장치.
11. 에너지 저장 장치로서,
    애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 존재하는 적어도 하나의 분리막, 전해질, 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체, 및 상기 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체에 부착된 적어도 하나의 탭을 포함하며, 상기 적어도 하나의 금속화된 박막 집전체는 상단 및 하단 표면을 갖는 폴리머 기판 층을 가지며, 제 1 금속화된 층은 상기 폴리머 기판 상단 층에 부착되고 탭은 상기 폴리머 기판 하단 층에 배치되며, 상기 집전체는 상기 제 1 금속화된 층의 적어도 일부가 상기 탭과 접촉하도록 내부에 용접 디봇을 나타내는,
    에너지 저장 장치.
12. 애노드 및 캐소드를 포함하는 에너지 저장 장치와 함께 활용하기 위한 집전체 탭 시스템으로서,
    집전체 탭 시스템은:
    상기 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체로서, 상기 집전체는 상단 및 하단 표면을 갖는 폴리머 기판 층을 포함하며, 제 1 금속화된 층은 상기 폴리머 기판 상단 층에 부착되고 제 2 금속화된 층은 상기 폴리머 기판 하단 층에 부착되는, 적어도 하나의 집전체;
    폴리머 기판 상단 표면 또는 폴리머 기판 하단 표면에 부착되는 적어도 하나의 탭; 및
    탭이 제 1 금속화된 층의 적어도 일부 또는 제 2 금속화된 층의 일부와 각각 접촉하도록 상기 집전체에 나타나는 하나 이상의 용접 디봇을 포함하며;
    용접 디봇은 제 1 금속화된 층 및 제 2 금속화된 층이 접촉하도록 폴리머 기판 층을 이동시키도록 구성되는,
    집전체 탭 시스템.
13. 제 12 항에 있어서,
    폴리머 기판 층은 각각의 개별 금속화된 필름 사이에 폴리머 기판을 갖는 다층 금속화된 필름 구조를 포함하며, 다층 금속화된 필름 구조의 최하단 금속화된 필름은 제 2 금속화된 층이며, 다층의 금속화된 필름 구조는 용접 인터페이스에서 다층의 금속화된 필름 구조를 함께 연결하기 위해 용접 디봇을 통해 조작되도록 구성되는,
    집전체 탭 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,
    용접 디봇은 다층 금속화된 필름 구조를 통한 완전한 용접 압력 인가를 용이하게 하기 위해서 용접 디봇을 둘러싸는 점진적 윤곽을 생성하도록 구성되며, 용접 디봇의 점진적인 윤곽은 용접 디봇의 상단 에지에서 융기된 주변 에지를 포함하는,
    집전체 탭 시스템.
15. 리튬 이온 배터리를 제조하는 공정으로서,
    a) 이온 저장 재료의 코팅을 갖춘 적어도 하나의 금속화된 기판을 갖는 전극을 제공하는 단계;
    b) 상대 전극을 제공하는 단계;
    c) 상기 전극과 상기 상대 전극 사이에 분리막 구성요소를 개재하여 상기 전극과 상기 상대 전극을 서로 대향하게 적층하는 단계;
    d) 전기 접촉 구성요소를 포함하는 패키지 재료를 제공하는 단계로서, 상기 접촉은 상기 패키지 재료 내부에 존재하는 부분 및 상기 패키지 재료 외부에 존재하는 부분을 포함하는, 단계;
    e) 상기 전기 접점을 상기 금속화된 기판과 전기적으로 연결하는 단계;
    f) 상기 패키지 재료 내부에 이온이 있는 하나 이상의 액체 전해질을 도입하는 단계; 및
    g) 패키지 재료를 밀봉하는 단계를 포함하며;
    상기 e) 단계에서 전기적으로 연결하는 단계는 상기 금속화된 기판의 적어도 하나의 금속 층이 상기 금속화된 기판의 폴리머 기판을 통해 가압되어 상기 전기 접점과 1 옴 미만의 저항으로 전기 연결을 만드는 공정을 포함하는,
    리튬 이온 배터리를 제조하는 공정.

Images