KR20220137911A - 고출력 및 고에너지 밀도를 제공하는 배터리 - Google Patents
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Abstract
고에너지 밀도를 유지하면서 고출력을 전달하기 위한 배터리 구성을 제공하는 시스템 및 방법이 기술된다. 구현예는 적어도 일부, 개개의 캐소드(cathode) 또는 애노드(anode)의 종방향 에지의 연장된 길이에 걸쳐 캐소드 및/또는 애노드용 전극 물질을 배치하는 전극 구성을 통해 고출력 밀도를 가지면서 고에너지 밀도를 전달하도록 구성된 원통형 배터리를 제공한다. 전극 구성은 캐소드 또는 애노드 중 적어도 하나의 종방향 에지를 따라 배치된 연속 길이의 전극 물질을 제공할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전극 구성은 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나의 종방향 에지를 따라 이격된 전극 물질의 복수의 전극 탭(electrode tap)을 제공할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조문헌
본 출원은 2020년 1월 10일에 출원된 미국특허출원 제16/739,823호의 우선권의 혜택을 주장하며, 이러한 문헌은 전문이 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 배터리에 관한 것이고, 더욱 구체적으로, 고출력 및 고에너지 밀도를 제공하도록 구성된 배터리에 관한 것이다.
다양한 형태의 배터리의 사용은 오늘날 세계에서 거의 보편화되고 있다. 전동 공구(예를 들어, 드릴, 톱, 잔디 트리머(grass trimmer), 송풍기, 샌더(sander) 등), 소형 가전제품(예를 들어, 믹서, 블렌더, 커피 그라인더 등), 통신 장치(예를 들어, 스마트폰, 개인 정보 단말기 등), 및 사무 장비(예를 들어, 컴퓨터, 태블릿, 프린터 등)와 같은 점점 더 많은 휴대용 또는 무선 장치들이 널리 사용되고 있는 바, 다양한 화학 및 구성의 배터리 기술의 사용은 일반적이다.
리튬-이온 배터리(Lithium-ion battery: LiB) 구성은 휴대용 또는 무선 장치와 관련한 사용에 대해 최근 몇 년 동안 인기를 얻고 있다. LiB는, 잠재적으로 NiCd와 같은 배터리 구성보다 덜 안정적인 화학(예를 들어, 가연성 전해질 함유)을 제공하지만, 그럼에도 불구하고, 많은 재충전 가능한 배터리 구성(예를 들어, NiCd)보다 더 높은 에너지 밀도를 가지고, 통상적으로 메모리 효과(memory effect)를 가지지 않고, 낮은 자가-방전을 나타내고 이에 따라 오늘날의 휴대용 또는 무선 장치에서 일반적으로 사용되는 재충전 가능한 배터리 구성을 제공한다.
휴대용 또는 무선 장치의 크기 및 중량은 종종 중요한 고려사항이다. 종종 배터리 팩 형태의 다수의 개별 배터리를 포함하는, 온-보드 재충전 가능한 배터리 시스템(on-board rechargeable battery system)의 크기 및 중량이 종종 휴대용 또는 무선 장치의 전체 크기 및/또는 중량에 상당히 기여하기 때문에, 재충전 가능한 배터리의 크기 및 중량은 호스트 장치의 디자인에서 중요할 수 있다. 이러한 크기 및 중량 문제는 호스트 휴대용 또는 무선 장치의 효과적이고 요망되는 사용을 가능하게 하기에 충분한 출력의 저장 및 전달의 필요성과 균형을 이룬다.
본 발명은 고에너지 밀도를 유지하면서 고출력을 전달하기 위한 배터리 구성을 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 구현예는 고에너지 밀도를 전달할 수 있고 고출력 밀도를 갖는 롤 구성의 배터리 구현을 제공한다. 구현예의 리튬-이온 배터리(LiB) 구현은, 예를 들어, 킬로그램 당 110 와트시(Wh/kg) 초과의 에너지 밀도를 전달하고, 킬로그램 당 2 킬로와트(kW/kg) 초과의 출력 밀도를 갖는다.
본 발명의 구현예의 원통형 배터리 구현은 애노드(anode), 캐소드(cathode), 전해질, 및 원통형 하우징(cylindrical housing)을 포함하며, 여기서 애노드 및 캐소드는 원통형 하우징 내에 롤 구성으로 병치되며, 전해질은 롤 구성으로 병치된 애노드 및 캐소드의 대향 표면(facing surface)들 사이에 배치된다. 구현예의 원통형 배터리는 적어도 부분적으로 개개의 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지의 연장된 길이에 걸쳐 캐소드 및/또는 애노드용 전극 물질을 배치하는 전극 구성을 통해 본 발명의 개념에 따른 고출력 밀도를 가지면서 고에너지 밀도를 전달하도록 구성된다. 전극 물질이 위에 배치되는 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지의 연장된 길이는, 예를 들어, 롤 구성의 외주(outer circumference)의 2배 이상인 길이, 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지 길이의 절반 또는 그 초과인 길이, 실질적으로 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지의 길이인 길이 등을 포함할 수 있다.
일부 구현예에 따르면, 개개의 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지의 연장된 길이에 걸쳐 캐소드 및/또는 애노드용 전극 물질을 배치하는 전극 구성은 캐소드 또는 애노드 중 적어도 하나의 종방향 에지를 따라 배치된 연속 길이의 전극 물질을 제공하며, 여기서, 전극 물질의 연속 길이는 캐소드/애노드의 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이이다. 연속 길이의 전극 물질은, 예를 들어, 전극의 종방향 에지를 따라 배터리의 원통형 하우징의 단자(terminal)에 연속적으로 커플링될 수 있다. 이러한 배터리 구성은 본 발명의 개념에 따라 낮은 임피던스, 개선된 구조적 안정성 등을 갖는 원통형 셀을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 일부 구현예에 따르면, 개개의 애노드 또는 캐소드의 종방향 에지의 연장된 길이에 걸친 애노드 및/또는 캐소드용 전극 물질을 배치하는 전극 구성은 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나의 종방향 에지에 따라 이격된 전극 물질의 복수의 전극 탭(electrode tap)을 제공하며, 여기서, 전극 물질의 복수의 전극 탭은 애노드/캐소드의 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 이격되어 있다. 복수의 전극 탭은, 예를 들어, 롤 구성의 적어도 외주 크기의 길이 전반에 걸쳐 불균등하게 이격된 적어도 4개의 전극 탭(예를 들어, 4 내지 10개의 전극 탭)을 포함할 수 있으며, 여기서, 불균등하게 이격된 전극 탭은 개개의 애노드 또는 캐소드의 평면 바디가 롤 구성으로 롤링될 때 병치로 나열되도록 구성된다. 복수의 전극 탭은, 예를 들어, 단일의 병치된 탭 유닛으로서 배터리의 원통형 하우징의 단자에 커플링될 수 있다. 이러한 배터리 구성은 배터리 단자에 대한 커플링을 용이하게 하면서 비교적 낮은 임피던스를 갖는 원통형 셀을 제공하는 데 이용될 수 있다.
상기는 하기 본 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 특징 및 기술적 이점을 다소 광범위하게 개략하였다. 본 발명의 청구범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 하기에서 설명될 것이다. 개시된 개념 및 특정 구현예는 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위해 다른 구조를 변형 또는 디자인하기 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 또한, 이러한 등가의 구성은 첨부된 청구범위에 기술된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는다는 것이 당업자에 의해 인식되어야 한다. 추가 목적 및 이점과 함께, 이의 구성 및 작동 방법 둘 모두에 관한 본 발명의 특징으로 여겨지는 신규한 특징은 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 하기 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 단지 예시 및 설명의 목적으로 제공되고 본 발명의 한계의 정의로서 의도되지 않는 것으로 명백히 이해되어야 한다.
본 발명의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부된 도면과 함께 기술되는 하기 설명이 참조된다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 구현예에 따라 감소된 배터리 임피던스를 제공하도록 구성된 연속 전극 부재를 사용하여 셀 구조 기술을 구현하는 배터리 구성을 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 구현예에 따라 감소된 배터리 임피던스를 제공하도록 구성된 복수의 전극 탭을 사용하여 셀 구조 기술을 구현하는 배터리 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 구현예에 따른 개개의 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지의 연장된 길이에 걸친 캐소드 및/또는 애노드용 전극 물질을 배치하는 전극 구성을 갖는 애노드 및 캐소드의 롤 구성으로부터 형성된 원통형 셀을 도시한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 구현예에 따라 감소된 배터리 임피던스를 제공하도록 구성된 연속 전극 부재를 사용하여 셀 구조 기술을 구현하는 배터리 구성을 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 구현예에 따라 감소된 배터리 임피던스를 제공하도록 구성된 복수의 전극 탭을 사용하여 셀 구조 기술을 구현하는 배터리 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 구현예에 따른 개개의 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지의 연장된 길이에 걸친 캐소드 및/또는 애노드용 전극 물질을 배치하는 전극 구성을 갖는 애노드 및 캐소드의 롤 구성으로부터 형성된 원통형 셀을 도시한다.
다양한 형태의 배터리를 제조하는 데 이용되는 셀 구조 기술은 종종 바람직하지 않은 특성을 갖는 배터리를 야기시킨다. 예를 들어, 현 배터리 구성에서 전극 층들 사이의 계면 및 집전체와의 접촉에서 전기 접촉 저항으로부터 발생하는 에너지 손실은 통상적인 작동 조건 하에서, 배터리의 전체 에너지 흐름의 20%만큼 높을 수 있다. 따라서, 본 발명의 구현예에 따라 제공된 배터리 구성은 배터리의 임피던스를 감소시키도록 구성된 셀 구성을 구현한다.
도 1a 내지 도 1c 및 도 2a 내지 도 2c는 감소된 배터리 임피던스를 제공하는 셀 구조 기술을 구현하는 배터리 구성의 구현예를 도시한다. 도 1a 내지 도 1c의 배터리 구성(100) 및 도 2a 내지 도 2c의 배터리 구성(200)은 캐소드(도 1a 내지 도 1c에서 캐소드(110)로 도시되고 도 2a 내지 도 2c에서 캐소드(210)로 도시됨) 및 애노드(도 1a 내지 도 1c에서 애노드(120)로 도시되고 도 2a 내지 도 2c의 애노드(220)로 도시됨)를 포함하며, 이들 각각은 적합한 물질의 평면 바디로부터 형성될 수 있다. 리튬-이온 배터리(LiB) 구현에서, 예를 들어, 캐소드(110, 210)는 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2), 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드(LiNixMnyCozO2(x+y+z=1) 또는 NMC), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(LiNixCoyAlzO2(x+y+z=1)), 폴리음이온(예를 들어, 리튬 철 포스페이트(LiFePO4)), 스피넬(예를 들어, 리튬 망간 옥사이드(LiMn2O4, Li2MnO, 또는 LMO)) 등과 같은 리튬 옥사이드 합금 또는 화합물로 코팅되거나 이로부터 형성된 평면 바디(예를 들어, 시트 또는 패널)로 구성될 수 있다. 이러한 LiB 구현에서, 애노드(120 및 220)는 흑연(C6), 그래핀(예를 들어, 그래핀 캡슐화된 실리콘(Si) 나노입자), 실리콘 또는 실리콘 옥사이드 등의 평면 바디(예를 들어, 시트 또는 패널)로 구성될 수 있다.
본 발명의 구현예는 고에너지 밀도를 전달할 수 있고 고출력 밀도를 갖는 롤 또는 원통형 구성의 배터리 구현을 제공한다. 본 발명의 구현예의 원통형 배터리 구현은 애노드, 캐소드, 전해질, 및 원통형 하우징을 포함한다. 따라서, 배터리 구성(100 및 200)의 캐소드(110 및 210) 및 애노드(120 및 220)는 바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이 종방향으로 함께 롤링되어 배터리 셀을 형성한다. 롤링된 구성에서, 애노드(120/220) 및 캐소드(110/210)는 도 3에서 Co로 표시된 외주를 갖는 원통형 셀에서 병치된, 대향 나선으로 존재한다. 도 1a 내지 도 1c 및 도 2a 내지 도 2c에는 도시되지 않았지만, 전해질(도 3에서 전해질(301)로 도시됨)은 롤 구성의 병치된 애노드와 캐소드의 대향 표면들 사이에 배치된다. LiB 구현에서, 예를 들어, 전해질(301)은 유기 용매, 폴리머 전해질, 세라믹 고체 전해질, 이온성 액체 전해질 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 구현예에 따르면, 전해질(301)은 리튬 이온의 착물(예를 들어, 음이온 염, 예컨대, 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 헥사플루오로아르세네이트 일수화물(LiAsF6), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 트리플레이트(LiCF3SO3) 등)을 함유하는 유기 카보네이트(예를 들어, 에틸렌 카보네이트 또는 디에틸 카보네이트)와 같은 유기 용매 중의 리튬 염을 포함할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c 및 도 2a 내지 도 2c의 구현예의 예시적인 배터리 구성은 본 발명의 개념에 따라 고에너지 밀도를 유지하면서 고출력을 전달하도록 구성된다. 특히, 도 1a 내지 도 1c의 배터리 구성(100) 및 도 2a 내지 도 2c의 배터리 구성(200)은 개개의 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지의 연장된 길이에 걸쳐 캐소드 및/또는 애노드용 전극 물질을 제공하는 전극 구성을 제공한다. 예를 들어, 캐소드(110 및 210)는 리튬 옥사이드 합금 또는 다른 화합물로 코팅된 전도성 시트 또는 호일 물질(예를 들어, 알루미늄) 기재를 포함할 수 있는 반면, 애노드(120 및 220)는 흑연(C6), 그래핀(예를 들어, 그래핀 캡슐화된 실리콘(Si) 나노입자), 실리콘 또는 실리콘 옥사이드 등으로 코팅된 전도성 시트 또는 호일 물질(예를 들어, 구리) 기재를 포함할 수 있다. 하기 논의로부터 더 잘 이해되는 바와 같이, 도 1a 내지 도 1c의 배터리 구성(100)은 배터리 애노드 및/또는 캐소드와 관련하여 사용될 수 있기 때문에, 연속 전극(예를 들어, 개개의 캐소드 및/또는 애노드 코팅 물질을 넘어 연장하는 전도성 시트 물질의 연속 스트립) 디자인을 제공한다. 다른 구현에서, 도 2a 내지 도 2c의 배터리 구성(200)은 배터리 애노드 및/또는 캐소드와 관련하여 사용될 수 있기 때문에, 다중 전극 탭(예를 들어, 개개의 캐소드 및/또는 애노드 코팅 물질을 넘어 연장하는 전도성 시트 물질의 탭형, 노치형, 톱니형 등의 경우) 디자인을 제공한다. 구현예의 배터리 구성(100 및 200)에서 전극 물질이 위에 배치되는 캐소드(LC) 또는 애노드(LA)의 종방향 에지의 연장된 길이는, 예를 들어, 롤 구성의 외주의 2배 이상인 길이(즉, 캐소드 전극의 길이, LCE, 및 애노드 전극의 길이, LAE, > 2·Co)를 포함할 수 있다. 본 발명의 구현예의 전극 물질이 위에 배치되는 연장된 길이는, 예를 들어, 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지의 길이의 절반 이상인 길이, 실질적으로 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지의 길이인 길이 등을 포함할 수 있다.
배터리 구성(100)의 전극 디자인은, 예를 들어, 특정 배터리 구현의 애노드(110) 및 캐소드(120) 중 하나 또는 둘 모두에 이용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 배터리 구성(200)의 전극 디자인은 특정 배터리 구현의 애노드(210) 및 캐소드(220) 중 하나 또는 둘 모두에 이용될 수 있다. 일부 배터리 구현에서, 예를 들어, 배터리 구성(100)의 전극 디자인은 애노드 또는 캐소드와 관련하여 이용될 수 있는 반면, 배터리 구성(200)의 전극 디자인은 캐소드 또는 애노드 중 다른 것과 관련하여 이용될 수 있다. 이러한 혼합 전극 디자인 구성은, 예를 들어, 애노드 또는 캐소드 중 하나의 전극을 배터리의 상응하는 단자에 부착하거나 달리 커플링하는 것과 관련하여 제조상의 어려움을 수용하면서 감소된 임피던스를 갖는 배터리 구성을 제공하는 데 이용될 수 있다.
전극 구성이 개개의 캐소드 또는 애노드의 종방향 에지의 연장된 길이에 걸쳐 캐소드 및/또는 애노드용 전극 물질을 배치하는 배터리 구성을 일반적으로 기술하는 것과 관련하여, 연속 전극 디자인이 배터리 애노드 및/또는 캐소드와 관련하여 이용되는 예시적인 구현예는 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 도 1a에 도시된 예에서, 캐소드(110)는 캐소드 평면 바디의 종방향 에지를 따라 배치된 전극 부재(111)를 갖는 평면 바디를 포함하며, 여기서, 전극 부재는 연속 길이의 전극 물질을 포함한다. 또한, 도 1a에 예시된 예에서, 애노드(120)는 애노드 평면 바디의 종방향 에지를 따라 배치된 전극 부재(121)를 갖는 평면 바디를 포함하며, 여기서, 전극 부재는 연속 길이의 전극 물질을 포함한다.
배터리 구성(100)의 캐소드(110) 및 애노드(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 크기 Co의 외주를 갖는 원통형 셀을 제공하기 위해 캐소드 평면 바디 및 애노드 평면 바디의 종방향 축을 따라 롤 구성으로 롤링될 수 있다. 본 발명의 구현예에 따르면, 전극 부재(111)의 전극 물질의 연속 길이는 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이를 갖는다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 전극 부재(111)의 길이는 캐소드 평면 바디의 종방향 에지의 길이(예를 들어, 전극 부재(111)가 캐소드의 길이의 전체 범위를 연장할 수 있음)와 동일하거나, 캐소드 평면 바디의 종방향 에지의 길이(예를 들어, 전극 부재(111)가 캐소드 길이보다 약간 더 짧은 길이, 예컨대, 캐소드의 취급, 배터리의 제작 등을 용이하게 하기 위해 예를 들어, 캐소드 길이의 적어도 90%의 길이로 연장할 수 있음)와 실질적으로 동일할 수 있다. 유사하게, 도 1a에 도시된 바와 같이, 전극 부재(121)의 길이는 애노드 평면 바디의 종방향 에지의 길이(예를 들어, 전극 부재(121)가 애노드의 길이의 전체 범위를 연장할 수 있음)와 동일하거나, 애노드 평면 바디의 종방향 에지의 길이(예를 들어, 전극 부재(121)가 애노드 길이보다 약간 더 짧은 길이, 예컨대, 애노드의 취급, 배터리의 제작 등을 용이하게 하기 위해 예를 들어, 애노드 길이의 적어도 90%의 길이로 연장할 수 있음)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 1b는 전극 물질의 동심 나선 부분이 보이도록 하기 위해 약간 등각 투시에서 도 3의 라인 1B/2B-1B/2B를 따른 부분 단면도를 도시한다. 도 1b에서 알 수 있는 바와 같이, 전극 부재(111)의 전극 물질(캐소드(110))은 캐소드 및 애노드가 롤 구성으로 롤링될 때 캐소드(110)의 동심 나선 부분과 개재된 애노드(120)의 동심 나선 부분의 단부를 넘어 연장된다. 따라서, 전극 부재(111)는 원통형 셀이 배치되는 원통형 배터리 하우징의 단자에 커플링하기 위한 전극 유닛으로 형성하기 위해 정위된다(예를 들어, 애노드(120)가 없다). 예를 들어, 도 1c의 부분 단면도에 예시된 바와 같이, 캐소드(110) 및 애노드(120)의 롤 구성은 원통형 하우징의 단부에 배치된 포지티브 단자(131)에 커플링된 캐소드(110) 및 원통형 하우징(130) 내에 배치될 수 있다(애노드(120)는 유사하게 네거티브 단자에 커플링됨, 미도시됨). 전극 부재(111)가 캐소드(110)의 종방향 길이의 상당한 길이(예를 들어, 캐소드 전극의 길이는 Co의 적어도 2배 초과의 길이(LCE > 2·Co), 및 예시된 예에서, 캐소드 길이와 동일하거나 실질적으로 동일한 길이임)를 따라 연장하기 때문에, 전극 부재(111)는 저 임피던스를 갖는 원통형 셀을 가능하게 하는 구성, 및 이에 따라, 고출력 및 고에너지 밀도를 제공하는 배터리 구성을 제공한다.
예시를 단순화하기 위해 도 1c에 도시되지는 않았지만, 전해질(301)은 롤 구성에서 병치된 애노드(110)와 캐소드(120)의 대향 표면들 사이에 배치된다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 도 1c에 도시되지 않았지만, 원통형 셀이 배터리 내에서 이동하는 것을 방지하기 위해, 애노드(120)의 외부 표면과 원통형 하우징(130)의 내부 표면 사이에 접착제가 적용될 수 있다.
저 임피던스 배터리 구현을 제공함에 있어서, 구현예의 전극 부재(111)는 전극 부재의 종방향 에지를 따라 원통형 하우징(130)의 포지티브 단자(131)에 연속적으로 커플링된다. 예를 들어, 캐소드(110) 및 애노드(120)를 롤 구성으로 권취한 후, 전극 부재(111)의 전극 물질의 동심 나선 부분과 관련하여 균일한 높이를 제공하기 위해 전극 부재(111)의 전극 물질의 원위 에지에 대해 평활화 공정(smoothening process)이 적용될 수 있다. 이러한 평활화는 전극 물질을 트리밍하고(trimming), 동심 부분들 중 복수의 인접한 부분을 함께 압축하고, 함께 압축된 동심 부분들 중 인접한 부분을 폴딩하거나 롤링하고, 압축된 균일한 평면/표면을 형성하기 위해 베어 호일(bare foil)을 문지르는 것 등을 포함할 수 있다. 도 1c는, 예를 들어, 전극 부재(111)의 전극 물질의 인접한 모든 동심 부분들이 평활화 공정에 의해 함께 압축되고(예를 들어, 응집되고) 폴딩되어, 포지티브 단자(131)에 연속적으로 커플링하기 위한 균일한 표면을 나타내는 저 임피던스 전극 부재를 제공하는 예를 예시한다. 함께 압축된 전극 물질의 동심 부분은, 예를 들어, 레이저 용접되고/되거나 다른 방식으로 서로에게 전도성으로 부착될 수 있다(예를 들어, 납땜, 전도성 에폭시 등). 추가적으로 또는 대안적으로, 전극 물질의 함께 압축된 동심 부분들에 의해 제공되는 균일한 표면은 레이저 용접, 스폿 용접, 저항 용접 등, 및/또는 전도성 부착의 다른 수단(예를 들어, 납땜, 전도성 에폭시 등)에 의해, 포지티브 단자(131)의 표면과 같은 상응하는 표면에 연속적으로 연결될 수 있다.
도 1c에 예시된 예가 포지티브 단자(131)의 표면에 직접 커플링된 전극 부재(111)의 전극 물질을 도시하지만, 전극 부재(111)와 포지티브 단자(131) 간의 커플링은 본 발명의 구현예에 따라 간접적일 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 배터리 모니터링 전자장치(예를 들어, 과충전 및/또는 심방전 보호 회로)는 원통형 셀과 원통형 하우징의 하나 이상의 단자 사이에 배치될 수 있다. 이러한 구현예에서, 전극 물질의 함께 압축된 동심 부분에 의해 제공되는 균일한 표면은 개재 배터리 모니터링 전자 장치의 표면(예를 들어, 링 트레이스(ring trace))에 연속적으로 연결될 수 있다.
도 1b 및 도 1c의 부분 단면도가 전극 부재(111)가 연장되는 원통형 셀의 단부를 예시하지만, 도 1a의 예에 상응하는 원통형 셀의 다른 단부는 전극 부재(121)가 유사하게 연장하는 단부를 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 평활화 공정은 전극 부재(121)의 전극 물질에 대해 적용될 수 있으며, 전극 부재(111)와 관련하여 상술된 바와 같이, 전극 부재(121)의 전극 물질은 네거티브 단자의 표면과 같은 상응하는 표면에 연속적으로 연결된다.
도 1a 내지 도 1c의 예에 따르면, 연속 길이의 전극 부재(111)는 캐소드(111)의 상당한 부분을 포지티브 단자(131)에 커플링시키며, 연속 길이의 전극 부재(121)는 캐소드(121)의 상당한 부분을 네거티브 단자(미도시됨)에 커플링하는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 구현은 저 임피던스(예를 들어, 예시적인 LiB 구현에서 교류 내부 저항(ACIR) < 5 mohm 및 직류 내부 저항(DCIR) < 10 mohm)를 갖는 원통형 셀 구성을 제공한다. 또한, 본 발명의 구현예에 따른 연속 길이의 응집된 전극 물질은 배터리 하우징 내에 배치된 원통형 셀에 대해 개선된 구조적 안정성을 제공한다.
연속 전극 디자인이 이용되는 구현예를 기술하였지만, 배터리 애노드 및/또는 캐소드와 관련하여 다중 탭 전극 디자인이 이용되는 예시적인 구현예는 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 상세히 설명될 것이다. 도 2a에 도시된 예에서, 캐소드(210)는 캐소드 평면 바디의 종방향 에지를 따라 배치된 전극 탭(211a 내지 211n)(예를 들어, 전도성 시트 물질의 탭형, 노치형, 톱니형 등의 경우)을 갖는 평면 바디를 포함하며, 여기서, 전극 탭은 적어도 4개의 전극 탭을 포함한다. 또한, 도 2a에 예시된 예에서, 애노드(220)는 애노드 평면 바디의 종방향 에지를 따라 배치된 전극 탭(221a 내지 221n)을 갖는 평면 바디를 포함하며, 여기서, 전극 탭은 적어도 4개의 전극 탭을 포함한다. 캐소드 및/또는 애노드에 대해 제공되는 적어도 4개의 전극 탭은, 예를 들어, 롤 구성(예를 들어, 캐소드의 평면 바디가 6 회전을 완료한 롤 구성은 6개의 전극 탭을 포함할 수 있음)으로 롤링될 때 다수의 동심 회전의 캐소드/애노드에 해당할 수 있다. 구현예의 원통형 배터리 구현에서, 캐소드/애노드의 길이와 실질적으로 동일한 길이를 따라 배치된 8 내지 9개의 전극 탭은 배터리 임피던스의 최적 감소를 제공하는 데 이용된다(예를 들어, 추가적인 전극 탭의 추가는 임피던스를 추가로 상당히 감소시키지 않을 수 있음). 도 2a의 예가 동일한 수의 전극 탭(211a 내지 211n) 및 전극 탭(221a 내지 221n)을 도시하지만, 본 발명의 구현예는 캐소드 및 전극과 관련하여 상이한 수의 전극 탭을 이용할 수 있다.
배터리 구성(200)의 캐소드(210) 및 애노드(220)는 도 3에 도시된 바와 같이 크기 Co의 외주를 갖는 원통형 셀을 제공하기 위해 캐소드 및 애노드 평면 바디의 종방향 축을 따라 롤 구성으로 롤링될 수 있다. 본 발명의 구현예에 따르면, 전극 탭(211a 내지 211n)의 전극 물질이 확산되는 길이는 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이(즉, 캐소드 전극이 배치되는 길이, LCE, 및 애노드 전극이 배치되는 길이, LAE, > 2·Co)이다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 전극 탭(211a 내지 211n)은 캐소드 평면 바디의 종방향 에지의 길이와 동일한 길이(예를 들어, 전극 탭(211a 내지 211n)의 확산은 캐소드의 길이의 전체 범위를 연장할 수 있음) 또는 이와 실질적으로 동일한 길이(예를 들어, 예컨대, 롤링된 구성에 있을 때 탭의 병치된 정렬을 가능하게 하기 위해 전극 탭(211a 내지 211n)의 확산은 캐소드의 길이보다 약간 짧은 길이, 예를 들어, 캐소드의 길이를 적어도 90%의 길이로 연장할 수 있음)에 걸쳐 확산될 수 있다. 유사하게, 도 2a에 도시된 바와 같이, 전극 탭(221a 내지 221n)은 애노드 평면 바디의 종방향 에지의 길이와 동일한 길이(예를 들어, 전극 탭(221a 내지 221n)의 확산은 애노드의 길이의 전체 범위를 연장할 수 있음) 또는 이와 실질적으로 동일한 길이(예를 들어, 예컨대, 롤링된 구성에 있을 때 탭의 병치된 정렬을 가능하게 하기 위해 전극 탭(221a 내지 221n)의 확산은 애노드의 길이보다 약간 짧은 길이, 예를 들어, 애노드의 길이를 적어도 90%의 길이로 연장할 수 있음)에 걸쳐 확산될 수 있다.
도 2b는 동심 전극 탭의 일부가 보이도록 하기 위해 약간 등각 투시에서 도 3의 라인 1B/2B-1B/2B를 따른 부분 단면도를 도시한다. 도 2b에서 알 수 있는 바와 같이, 캐소드(210)에 대한 전극 탭(211a 내지 211n)의 전극 물질은 롤 구성으로 롤링될 때 애노드(220)의 종방향 에지의 단부를 넘어 연장한다. 따라서, 전극 탭(211a 내지 211n)은 원통형 셀이 배치되는 원통형 배터리 하우징의 단자에 커플링하기 위해 정위된다. 예를 들어, 도 2c의 부분 단면도에 예시된 바와 같이, 캐소드(210) 및 애노드(220)의 롤 구성은 원통형 하우징(230) 내에 배치될 수 있으며, 캐소드(210)는 원통형 하우징의 단부에 배치된 포지티브 단자(231)에 커플링된다(애노드(220)는 네거티브 단자에 유사하게 커플링됨, 미도시됨). 전극 탭(211a 내지 211n)이 캐소드(210)의 종방향 길이의 상당한 길이(예를 들어, 적어도 Co의 2배 초과의 길이(LCE, > 2·Co, 및 예시된 예에서, 캐소드(210)의 종방향 길이와 동일하거나 실질적으로 동일한 길이)를 따라 확산하기 때문에, 전극 탭(211a 내지 211n)은 비교적 낮은 임피던스를 갖는 원통형 셀을 가능하게 하는 구성을 제공하며, 이에 따라, 비교적 고출력 및 고에너지 밀도를 제공하는 배터리 구성을 제공한다.
예시를 단순화하기 위해 도 2c에 도시되지는 않았지만, 전해질(301)은 롤 구성에서 병치된 애노드(210)와 캐소드(220)의 대향 표면들 사이에 배치되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 도 2c에 도시되지 않았지만, 원통형 셀이 배터리 내에서 이동하는 것을 방지하기 위해, 애노드(220)의 외부 표면과 원통형 하우징(230)의 내부 표면 사이에 접착제(예를 들어, 팽창 테이프, 아교, 점착 테이프 등)가 적용될 수 있다.
비교적 낮은 임피던스 배터리 구현을 제공함에 있어서, 구현예의 전극 탭(211a 내지 211n)은 원통형 하우징(230)의 포지티브 단자(231)에 집합적으로 커플링된다. 예를 들어, 전극 탭(211a 내지 211n)은 바람직하게는 롤 구성의 외부 원주 크기의 적어도 2배의 길이 전반에 걸쳐 불균등하게 이격되며(예를 들어, 길이 LCE 및/또는 LAE 전반에 걸쳐 불균등하게 이격되며, 여기서 LCE 및 LAE, > 2·Co), 여기서, 불균등하게 이격된 제1 전극 탭은 캐소드(210)의 평면 바디가 롤 구성으로 롤링될 때 병치로 나열되도록 구성된다. 캐소드(210) 및 애노드(220)를 롤 구성으로 권취한 후, 전극 탭(211a 내지 211n)의 병치된 전극 물질에 대해 균일한 높이를 제공하기 위해 전극 탭(211a 내지 211n)의 전극 물질의 원위 에지에 대해 평활화 공정이 적용될 수 있다. 이러한 평활화는 전극 물질을 트리밍하고, 전극 탭들 중 복수의 인접합 것을 함께 압축하고, 함께 압축된 전극 탭들 중 인접한 탭을 폴딩하거나 롤링하는 것 등을 포함할 수 있다. 도 2c는 예를 들어, 모든 병치된 전극 탭(211a 내지 211n)이 평활화 공정에 의해 함께 압축되고(예를 들어, 응집되고) 폴딩되어 포지티브 단자(231)에 커플링하기 위한 균일한 표면을 제공하는 저 임피던스 병치된 탭 유닛을 제공한다. 함께 압축된 전극 물질의 부분은, 예를 들어, 레이저 용접되고/되거나 다른 방식으로 서로에게 전도성으로 부착될 수 있다(예를 들어, 납땜, 전도성 에폭시 등). 추가적으로 또는 대안적으로, 전극 물질의 함께 압축된 부분에 의해 제공되는 균일한 표면은 레이저 용접, 스폿 용접, 저항 용접 등, 및/또는 전도성 부착의 다른 수단(예를 들어, 납땜, 전도성 에폭시 등)에 의해, 포지티브 단자(231)의 표면과 같은 상응하는 표면에 연결될 수 있다.
도 2c에 예시된 예는 포지티브 단자(231)의 표면에 직접 커플링된 전극 탭(211a 내지 211n)의 전극 물질을 도시하지만, 전극 탭(211a 내지 211n)과 포지티브 단자(231) 간의 커플링은 본 발명의 구현예에 따라 간접적일 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 배터리 모니터링 전자 장치(예를 들어, 과충전 및/또는 심방전 보호 회로)는 원통형 셀과 원통형 하우징의 하나 이상의 단자 사이에 배치될 수 있다. 이러한 구현예에서, 전극 물질의 함께 압축된 부분에 의해 제공되는 균일한 표면은 개재 배터리 모니터링 전자 장치의 표면(예를 들어, 납땜 패드)에 연결될 수 있다.
도 2b 및 도 2c의 부분 단면도가 전극 탭(211a 내지 211n)이 연장되는 원통형 셀의 단부를 예시하지만, 도 2a의 예에 상응하는 원통형 셀의 다른 단부가 유사하게 전극 탭(221a 내지 221n)이 연장하는 단부를 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 평활화 공정은 전극 탭(221a 내지 221n)의 전극 물질에 대해 적용될 수 있으며, 전극 탭(221a 내지 221n)과 관련하여 상술된 바와 같이, 전극 탭(221a 내지 221n)의 전극 물질은 네거티브 단자의 표면과 같은, 상응하는 표면에 연결된다.
도 2a 내지 도 2c의 예에 따르면, 전극 탭(211a 내지 211n)은 캐소드(211)의 상당한 부분을 포지티브 단자(231)에 커플링시키며, 전극 탭(221a 내지 221n)은 캐소드(221)의 상당한 부분을 네거티브 단자(도시되지 않음)에 커플링하는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 구현은 비교적 낮은 임피던스를 갖는 원통형 셀 구성을 제공한다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상술된 배터리 구성(100 및 200)에 따른 원통형 배터리 구현을 제공하기 위한 방법은 병치된 애노드 및 캐소드 평면 바디의 대향 표면들 사이에 배치된 전해질(예를 들어, 전해질(301))과 함께 롤 구성으로 애노드(예를 들어, 애노드(120 또는 220))의 평면 바디 및 캐소드(예를 들어, 캐소드(110 또는 120))의 평면 바디를 병치시키는 것을 포함한다. 상술된 바와 같이, 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 롤 구성의 외주(예를 들어, Co)의 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 평면 바디의 종방향 에지를 따라 전극 물질을 배치하는 전극 구성(예를 들어, 전극 부재(111), 전극 부재(121), 전극 탭(211a 내지 211n), 및/또는 전극 탭(221a 내지 221n))을 포함한다. 전극 구성은, 예를 들어, 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 연속 길이의 전극 물질을 갖는 전극 부재를 포함할 수 있다(예를 들어, 제1 전극 물질의 연속 길이는 제1 평면 바디의 종방향 에지의 길이와 동일하거나 이와 실질적으로 동일할 수 있음). 다른 예로서, 전극 구성은 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 이격된 전극 물질의 복수의 전극 탭을 포함할 수 있다(예를 들어, 복수의 전극 탭은 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이 전반에 걸쳐 불균등하게 이격된 적어도 4개의 전극을 포함할 수 있으며, 여기서, 평면 바디가 롤 구성으로 롤링될 때, 불균등하게 이격된 전극 탭은 병치로 나열되도록 구성된다).
원통형 배터리 구현을 제공하는 방법의 구현예에 따르면, 원통형 배터리의 상응하는 단자에 커플링하기 위한 균일한 표면을 제공하기 위해 전극 구성에 대해 평활화 공정이 구현될 수 있다. 롤 구성으로 롤링된 병치된 애노드 및 캐소드 평면 바디는 원통형 배터리의 원통형 하우징(예를 들어, 원통형 하우징(130) 또는 원통형 하우징(230)), 및 원통형 하우징의 개개의 단자 중 적어도 하나의 전극 물질(예를 들어, 포지티브 단자(131)에 커플링된 전극 부재(111), 네거티브 단자에 커플링된 전극 부재(121), 포지티브 단자(231)에 커플링된 전극 탭(211a 내지 211n), 및/또는 네거티브 단자에 커플링된 전극 탭(221a 내지 221n)) 내에 배치될 수 있다. 전극 물질을 단자에 커플링시키는 것은, 예를 들어, 전극 부재가 연속 길이의 전극 물질의 전극 부재의 종방향 에지를 따라 연속적으로 연결되도록 원통형 하우징의 단자에 전극 부재를 커플링시키는 것을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 전극 물질을 단자에 커플링하는 것은 복수의 전극 탭을 단일의 병치된 탭 유닛으로서 원통형 하우징의 단자에 커플링하는 것을 포함할 수 있다.
상기 예와 일치하는 원통형 배터리 구현을 제공하는 방법은 본 발명의 구현예에 따른 리튬-이온 배터리(LiB) 구현을 제공하는 데 이용될 수 있다. 이러한 방법에 따라 제공된 LiB(예를 들어, 배터리 구성(100 및 200) 중 하나를 이용하는 LiB)는 킬로그램 당 110 와트시(Wh/kg) 초과의 에너지 밀도를 전달하도록 구성되고, 킬로그램 당 2 킬로와트(kW/kg) 초과의 출력 밀도를 갖는다.
본 발명의 구현예에 따라 감소된 배터리 임피던스를 제공하는 셀 구조 기술을 구현하는 배터리 구성을 사용하여 제공된 배터리는 고출력 및 고에너지 밀도 배터리 팩의 다양한 구성들의 구조에 사용하기에 매우 적합하다. 예를 들어, 본 발명의 구현예에 따른 배터리는 5 직렬 1 병렬(5S1P) 구조, 5 직렬 2 병렬(5S2P) 구조, 7 직렬 2 병렬(7S2P) 구조, 10 직렬 1 병렬(10S1P) 구조, 10 직렬 2 병렬(10S2P) 구조, 10 직렬 3 병렬(10S3P) 구조, 20 직렬 1 병렬(20S1P) 구조, 20 직렬 2 병렬(20S2P) 구조, 20 직렬 3 병렬(20S3P) 구조뿐만 아니라 다른 다중 배터리 구조로 복수의 개별 원통형 셀을 갖는 배터리 팩을 구조화하는 데 사용될 수 있다.
하기 표는 상기 예에 따른 연속 길이의 전극 물질 구성을 사용하여 구현되고 최대 충전 전압이 21 V인 5S1P 구조 배터리 팩으로 제조된 21700 포맷의 5 Ah 셀의 특성을 나타낸다.
이로부터 구조화된 배터리 및 배터리 팩은 고출력 및 고에너지 밀도를 제공하고, 전동 공구(예를 들어, 드릴, 톱, 잔디 트리머, 송풍기, 샌더 등), 소형 가전제품(예를 들어, 믹서, 블렌더, 커피 그라인더 등), 통신 장치(예를 들어, 스마트폰, 개인 정보 단말기 등), 및 사무 장비(예를 들어, 컴퓨터, 태블릿, 프린터 등)와 같은, 다양한 휴대용 또는 무선 장치와 관련하여 사용하기에 매우 적합하다. 예를 들어, 이러한 배터리 및 배터리 팩의 개선된 출력 및 에너지 밀도 특성은 이러한 휴대용 또는 무선 장치, 모터 및/또는 휴대용 또는 무선 장치 등에서 증가된 출력의 다른 구성요소의 연장된 사용을 가능하게 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이러한 배터리 및 배터리 팩의 개선된 출력 및 에너지 밀도 특성은 휴대용 또는 무선 장치 또는 감소된 크기 및/또는 중량을 가능하게 한다.
본 발명의 개념에 따라 구현되는 배터리 및 배터리 팩의 구현예가 다양한 휴대용 또는 무선 장치에서의 사용과 관련하여 설명되었지만, 이러한 배터리 및 배터리 팩의 사용은 이로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본원의 개념에 따라 고출력 및 고에너지 밀도를 제공하도록 구성된 배터리 및 배터리 팩은, 예를 들어, 전기 자동차, 백업/무정전 전원 공급 장치 등과 같은 이러한 장치에 전력을 공급하는 데 이용될 수 있다.
본 발명 및 이의 이점이 상세히 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형, 대체 및 변경이 본원에서 이루어질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 출원의 범위는 명세서에 기술된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 및 단계의 특정 구현예로 제한되도록 의도되지 않는다. 당업자가 본 발명의 개시로부터 용이하게 인지할 것이기 때문에, 본원에 기술된 상응하는 구현예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 이와 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 향후 개발될 공정, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 또는 단계는 본 발명에 따라 이용될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 이들의 범위 내에 이러한 공정, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 또는 단계를 포함하도록 의도된다.
또한, 본 출원의 범위는 명세서에 기술된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 및 단계의 특정 구현예로 제한되도록 의도되지 않는다.
Claims (30)
- 리튬-이온 배터리(lithium-ion battery: LiB)로서,
애노드(anode);
캐소드(cathode);
전해질; 및
원통형 하우징(cylindrical housing)을 포함하며,
애노드 및 캐소드는 원통형 하우징 내에서 롤 구성으로 병치되며,
전해질은 롤 구성으로 병치된 애노드와 캐소드의 대향 표면(facing surface)들 사이에 배치되며,
LiB는 킬로그램 당 2 킬로와트(kW/kg) 초과로 방전하는 동안 킬로그램 당 110 와트시(Wh/kg) 초과를 전달하도록 구성되는 리튬-이온 배터리. - 제1항에 있어서, 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나가 제1 평면 바디의 종축을 따라 롤 구성으로 롤링된 제1 평면 바디 및 제1 평면 바디의 종방향 에지를 따라 배치된 제1 전극 부재를 포함하며,
제1 전극 부재는 롤 구성의 외주(outer circumference) 크기의 적어도 2배의 연속 길이의 제1 전극 물질을 포함하는, LiB. - 제2항에 있어서, 애노드 또는 캐소드 중 다른 하나가 제2 평면 바디의 종축을 따라 롤 구성으로 롤링된 제2 평면 바디 및 제2 평면 바디의 종방향 에지를 따라 배치된 제2 전극 부재를 포함하며,
제2 전극 부재는 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 연속 길이의 제2 전극 물질을 포함하는, LiB. - 제2항에 있어서, 제1 전극 물질의 연속 길이가 제1 평면 바디의 종방향 에지의 길이와 실질적으로 동일한, LiB.
- 제2항에 있어서, 제1 전극 부재가 연속 길이의 제1 전극 물질의 제1 전극 부재의 종방향 에지를 따라 원통형 하우징의 단자(terminal)에 연속적으로 커플링되는, LiB.
- 제1항에 있어서, 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나가 제1 평면 바디의 종축을 따라 롤 구성으로 롤링된 제1 평면 바디 및 제1 평면 바디의 종방향 에지를 따라 배치된 복수의 제1 전극 탭(electrode tap)을 포함하며,
복수의 제1 전극 탭은 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 이격된 적어도 4개의 제1 전극 물질의 제1 전극 탭을 포함하는, LiB. - 제6항에 있어서, 애노드 또는 캐소드 중 다른 하나가 제2 평면 바디의 종축을 따라 롤 구성으로 롤링된 제2 평면 바디 및 제2 평면 바디의 종방향 에지를 따라 배치된 복수의 제2 전극 탭을 포함하며,
복수의 제2 전극 탭은 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 이격된 적어도 4개의 제2 전극 물질의 제1 전극 탭을 포함하는, LiB. - 제6항에 있어서, 복수의 제1 전극 탭이 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이 전반에 걸쳐 불균등하게 이격되며,
불균등하게 이격된 복수의 제1 전극 탭은, 제1 평면 바디가 롤 구성으로 롤링될 때, 병치로 나열되도록 구성되며,
복수의 제1 전극 탭은 단일의 병치된 탭 유닛으로서 원통형 하우징의 단자에 커플링되어 있는, LiB. - 제6항에 있어서, 복수의 제1 전극 탭이 적어도 8개의 제1 전극 탭을 포함하는, LiB.
- 제1항에 있어서, LiB가 배터리 팩을 형성하는 복수의 LiB들 중 하나이며,
복수의 LiB들의 각각의 LiB는 킬로그램 당 2 킬로와트(kW/kg) 초과로 방전하는 동안 킬로그램 당 110 와트시(Wh/kg) 초과를 전달하도록 구성되는, LiB. - 제10항에 있어서, 복수의 LiB가
5 직렬 1 병렬(5S1P) 구조;
5 직렬 2 병렬(5S2P) 구조;
7 직렬 2 병렬(7S2P) 구조;
10 직렬 1 병렬(10S1P) 구조;
10 직렬 2 병렬(10S2P) 구조;
10 직렬 3 병렬(10S3P) 구조;
20 직렬 1 병렬(20S1P) 구조;
20 직렬 2 병렬(20S2P) 구조; 및
20 직렬 3 병렬(20S3P) 구조로 구성되는 군으로부터 선택된 팩 구조를 포함하는 LiB. - 원통형 배터리로서,
애노드;
캐소드;
전해질; 및
원통형 하우징을 포함하며,
애노드 및 캐소드는 원통형 하우징 내에서 롤 구성으로 병치되며,
전해질은 롤 구성으로 병치된 애노드와 캐소드의 대향 표면들 사이에 배치되며,
애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 제1 평면 바디의 종축을 따라 롤 구성으로 롤링된 제1 평면 바디 및 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 제1 평면 바디의 종방향 에지를 따라 제1 전극 물질을 배치하는 제1 전극 구성을 포함하는, 원통형 배터리. - 제12항에 있어서, 제1 전극 구성이 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 연속 길이의 제1 전극 물질을 갖는 제1 전극 부재를 포함하는, 원통형 배터리.
- 제13항에 있어서, 제1 전극 물질의 연속 길이가 제1 평면 바디의 종방향 에지의 길이와 실질적으로 동일한, 원통형 배터리.
- 제13항에 있어서, 제1 전극 부재가 연속 길이의 제1 전극 물질의 제1 전극 부재의 종방향 에지를 따라 원통형 하우징의 단자에 연속적으로 연결되는, 원통형 배터리.
- 제12항에 있어서, 제1 전극 구성이 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 이격된 제1 전극 물질의 복수의 제1 전극 탭을 포함하는, 원통형 배터리.
- 제16항에 있어서, 복수의 제1 전극 탭이 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이 전반에 걸쳐 불균등하게 이격되며,
불균등하게 이격된 복수의 제1 전극 탭은, 제1 평면 바디가 롤 구성으로 롤링될 때, 병치로 나열되도록 구성되며,
복수의 제1 전극 탭은 단일의 병치된 탭 유닛으로서 원통형 하우징의 단자에 커플링되어 있는, 원통형 배터리. - 제16항에 있어서, 복수의 제1 전극 탭이 적어도 8개의 제1 전극 탭을 포함하는, 원통형 배터리.
- 제12항에 있어서, 애노드 또는 캐소드 중 다른 하나가 제2 평면 바디의 종축을 따라 롤 구성으로 롤링된 제2 평면 바디 및 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸친 제2 평면 바디의 종방향 에지를 따라 제2 전극 물질을 배치하는 제2 전극 구성을 포함하는, 원통형 배터리.
- 제12항에 있어서, 원통형 배터리가 배터리 팩을 형성하는 복수의 원통형 배터리들 중 하나이며,
복수의 원통형 배터리들의 각각의 원통형 배터리는 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸친 제1 전극 물질을 배치하는 제1 전극 구성을 적어도 일부 사용하여 킬로그램 당 2 킬로와트(kW/kg) 초과로 방전하는 동안 킬로그램 당 110 와트시(Wh/kg) 초과를 전달하는 배터리 팩용으로 구성되는, 원통형 배터리. - 제12항에 있어서, 원통형 배터리가 리튬-이온 배터리(LiB)인, 원통형 배터리.
- 원통형 배터리를 제공하는 방법으로서, 방법은
롤 구성의 애노드의 평면 바디 및 캐소드의 평면 바디를, 병치된 애노드 평면 바디 및 캐소드 평면 바디의 대향 표면들 사이에 배치된 전해질과 함께 병치하는 단계로서, 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 평면 바디의 종방향 에지를 따라 전극 물질을 배치하는 전극 구성을 포함하는 단계;
원통형 하우징 내에 병치된 애노드 평면 바디 및 캐소드 평면 바디를 배치하는 단계; 및
애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나의 전극 물질을 원통형 하우징의 단자에 커플링시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제22항에 있어서, 전극 구성이 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 연속 길이의 전극 물질을 갖는 전극 부재를 포함하는, 방법.
- 제23항에 있어서, 제1 전극 물질의 연속 길이가 제1 평면 바디의 종방향 에지의 길이와 실질적으로 동일한, 방법.
- 제23항에 있어서, 전극 물질을 단자에 커플링시키는 단계가
전극 부재가 연속 길이의 전극 물질의 전극 부재의 종방향 에지를 따라 연속적으로 연결되도록 전극 부재를 원통형 하우징의 단자에 커플링시키는 것을 포함하는, 방법. - 제22항에 있어서, 전극 구성이 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 이격된 전극 물질의 복수의 전극 탭을 포함하는, 방법.
- 제25항에 있어서, 복수의 전극 탭이 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이 전반에 걸쳐 불균등하게 이격되며,
불균등하게 이격된 복수의 전극 탭은, 평면 바디가 롤 구성으로 롤링될 때, 병치로 나열되도록 구성되며,
전극 물질을 단자에 커플링하는 단계는 복수의 전극 탭을 단일의 병치된 탭 유닛으로서 원통형 하우징의 단자에 커플링시키는 것을 포함하는, 방법. - 제25항에 있어서, 복수의 전극 탭이 적어도 8개의 제1 전극 탭을 포함하는, 방법.
- 제22항에 있어서, 애노드 또는 캐소드 중 다른 하나가 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 평면 바디의 종방향 에지를 따라 전극 물질을 배치하는 전극 구성을 포함하는, 방법.
- 제22항에 있어서, 원통형 배터리가 배터리 팩을 형성하는 복수의 원통형 배터리들 중 하나이며,
복수의 원통형 배터리들의 각각의 원통형 배터리는 롤 구성의 외주 크기의 적어도 2배의 길이에 걸쳐 전극 물질을 배치하는 전극 구성을 적어도 일부 사용하여 킬로그램 당 2 킬로와트(kW/kg) 초과로 방전하는 동안 킬로그램 당 110 와트시(Wh/kg) 초과를 전달하는 배터리 팩용으로 구성되는, 방법.
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