KR20230017314A - 전기화학 전지 - Google Patents

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KR20230017314A
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에드워드 피틀릭
데이비드 엔슬링
마틴 엘머
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바르타 마이크로바테리 게엠베하
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 스트립형 음극 및 적어도 하나의 스트립형형 양극을 포함하는 전지화학 전지(10; 100)에 관한 것이다. 상기 적어도 하나의 음극 및 상기 적어도 하나의 양극은 각각 집전 장치 및 상기 집전 장치에 적용된 전기화학적 활성 성분을 포함한다. 과정에서, 상기 적어도 하나의 음극 및 상기 적어도 하나의 양극은 조립체를 형성하고 적어도 하나의 분리막에 의해 서로 분리된다. 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리막 및 적어도 하나의 양극을 포함하는 조립체는 와인딩 축(14) 둘레에 나선형으로 감겨져 와인딩(19)을 형성한다. 음극 및 양극은 음극의 집전 장치의 종방향 에지가 단자 단부면 중 하나 및 집전 장치의 종방향 에지로부터 돌출하도록 서로에 대해 조립체 내에서 구성 및/또는 배치된다. 전지는 돌출된 종방향 에지 중 하나와 직접 접촉하고 용접에 의해 이 종방향 에지에 연결되는 적어도 하나의 접촉 판금 부재를 포함한다. 와인딩(19)은 와인딩 축(14) 이 통과하는 중앙 캐비티(20) 를 포함하고, 전지는 제1 및 제2 단부면(11, 12) 을 갖는 하우징 및 와인딩(19) 이 배치되는 내부 공간을 밀봉하여 둘러싸는 환형 하우징 쉘(13) 을 갖는다. 와인딩(19)의 상태 변화를 정성적 및/또는 정량적으로 검출할 수 있는 적어도 하나의 센서 수단(24, 21) 또는 센서 수단의 적어도 일부(25)가 중앙 캐비티(20)에 배치되고, 상기 제1 및/또는 제2 단부면(11, 12) 에는 적어도 하나의 센서 수단(24, 21, 25)에 의해 검출된 측정값을 표시할 수 있고/있거나 이러한 측정값이 수신 유닛 및/또는 평가 유닛으로 전송될 수 있는 디스플레이 수단 및/또는 접촉 수단(23)이 있다.

Description

전기화학 전지
본 발명은 전기화학 전지, 특히 2차 전기화학 전지 및 이러한 전기화학 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
전기화학 전지에서 전기적으로 결합되었지만 공간적으로 분리된 두 부분 반응으로 구성된 전기화학 에너지 공급 반응이 발생한다. 상대적으로 낮은 산화환원 전위에서 발생하는 한 부분 반응은 음극에서 발생하고 상대적으로 높은 산화환원 전위에서 발생하는 부분 반응은 양극에서 발생한다. 방전하는 동안 전자는 산화 과정의 결과로 음극에서 방출되어 외부 소비자를 통해 양극으로 전자 흐름이 발생하고 해당 양의 전자가 흡수된다. 따라서 양극에서 환원 과정이 일어난다. 동시에, 전하 균등화를 위해 전극 반응에 상응하는 이온 전류가 전기화학 전지 내에서 발생한다. 이 이온 전류는 분리막을 통과하고 이온 전도성 전해질에 의해 보장된다.
2차(충전식) 전기화학 전지에서 이 방전 반응은 가역적이므로 방전 중에 발생한 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 역전시킬 수 있다.
"애노드(anode)" 및 "캐소드(cathode)"이라는 용어가 2차 전기화학 전지와 관련하여 사용될 때, 전극은 일반적으로 방전 기능에 따라 명명된다. 따라서 이러한 전지의 음극(negative electrode)은 애노드(anode)이고 양극(positive electrode)은 캐소드(cathode)이다.
2차 전기화학 전지의 잘 알려진 예는 리튬 이온 전지이다. 그것은 리튬 이온을 가역적으로 흡수 및 방출할 수 있는 전극과 리튬 이온을 포함하는 전해질을 포함한다.
리튬 이온 전지는 일반적으로 조립체 형태의 전극과 분리막을 포함한다. 이러한 조립체는 여러 전지로 구성된 전지 스택일 수 있다. 그러나 대부분의 경우 조립체는 감긴(wound) 형태의 단일 전지다(와인딩(winding) 조립체 또는 간단히 와인딩(winding) 전지).
조립체에서 양극 및 음극과 분리막은 일반적으로 서로 위에 평평하게 놓인다. 대부분의 경우 전극과 분리막은 예를 들어 라미네이션 또는 본딩으로 연결된다. 일반적으로 복합재 조립체는 와인딩 여부에 관계없이 시퀀스 양극/분리막/음극을 포함한다. 종종 조립체는 가능한 시퀀스들 음극/분리막/양극/분리막/음극 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극을 갖는 소위 바이전지(bi-cells)로 제조된다.
자동차 응용 분야 또는 높은 에너지 요구 사항이 있는 기타 응용 분야의 경우 여러 와인딩 전기화학 전지가 연결되어 고전압을 생성하는 배터리 모듈을 형성하는 경우가 많다. 전지 중 하나만 정상 작동에서 벗어나면 전체 모듈이 손상될 수 있다. 따라서 전지의 작동을 모니터링하는 것이 바람직한데, 모니터링을 통해 전지의 문제 상태를 적시에 감지할 수 있고 적절한 조치를 시작할 수 있기 때문이다.
전기화학 전지에 센서 기술을 통합하기 위한 다양한 접근법이 이미 알려져 있다. 예를 들어, 국제 특허 출원 WO 2013/120668 A1은 전기 에너지 저장 장치의 전지용 센서 장치를 기술하고 있으며, 전지의 하우징 내의 기준 전극에 더하여 센서 데이터를 기록하기 위한 장치가 제공되며, 여기서 장치는 애노드와 캐소드에 연결된다. 이로써, 예를 들어 전지의 온도 및/또는 압력에 대한 데이터를 얻을 수 있다.
독일 특허 출원 공보 DE 10 2012 223 480 A1은 전지의 적어도 하나의 파라미터를 모니터링하기 위한 장치를 갖는 전지를 기술하고 있으며, 상기 장치는 적어도 하나의 센서, 예를 들어 화학 센서 또는 전압 센서를 포함한다. 모니터링 장치의 작동에 필요한 작동 전압은 전지에서 인출된다.
본 발명은 배터리 모듈에서 개별 전기화학 전지의 작동을 모니터링할 수 있는 기술적 솔루션을 제공하는 목적을 기반으로 한다. 솔루션은 전기화학 전지 제조 공정에 가능한 한 쉽게 통합되어야 한다.
이 목적은 후술하는 전기화학 전지 및 방법, 특히 청구항 1의 특징을 갖는 후술하는 전기화학 전지의 바람직한 실시예에 의해 달성된다. 이 전지의 바람직한 실시예는 또한 종속항으로부터 명백할 것이다. 또한, 이 목적은 또 다른 독립항에 따른 이러한 전지 제조 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 전기화학 전지는 항상 다음 특징을 특징으로 한다:
a. 전지는 적어도 하나의 리본형 음극을 포함하고,
b. 전지는 적어도 하나의 리본형 양극을 포함하며,
c. 상기 적어도 하나의 음극 및 상기 적어도 하나의 양극은 조립체를 형성하고 적어도 하나의 분리막에 의해 서로 분리되고,
d. 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리막 및 적어도 하나의 양극의 조립체는 와인딩 축 주위에 감겨져 와인딩을 형성하며,
e. 와인딩은 와인딩 축이 통과하는 중앙 캐비티를 포함하고,
f. 전지는 제1 및 제2 단부면을 갖는 하우징 및 와인딩이 배치되는 내부 공간을 밀봉하여 둘러싸는 환형 하우징 쉘을 갖는다.
전지의 특정 특징은 다음과 같다:
g. 와인딩의 상태 변화를 정성적 및/또는 정량적으로 검출할 수 있는 적어도 하나의 센서 수단 또는 센서 수단의 적어도 일부가 중앙 캐비티에 배치되고,
h. 상기 제1 및/또는 제2 단부면에는 적어도 하나의 센서 수단에 의해 검출된 측정값을 표시할 수 있고/있거나 이러한 측정값이 수신 유닛 및/또는 평가 유닛으로 전송될 수 있는 디스플레이 수단 및/또는 접촉 수단이 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전기화학 전지는 다음 특징을 특징으로 한다:
a. 전지는 적어도 하나의 리본형 음극을 포함하고,
b. 전지는 적어도 하나의 리본형 양극을 포함하며,
c. 상기 적어도 하나의 음극 및 상기 적어도 하나의 양극은 각각 집전 장치 및 상기 집전 장치에 적용된 전기화학적 활성 성분을 포함하고,
d. 상기 적어도 하나의 음극 및 상기 적어도 하나의 양극은 조립체를 형성하고 적어도 하나의 분리막에 의해 서로 분리되고,
e. 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리막 및 적어도 하나의 양극을 포함하는 조립체는 와인딩 축 둘레에 나선형으로 감겨져 와인딩을 형성하고, 와인딩은 2개의 단자 단부면과 원주형 와인딩 쉘을 갖고,
f. 음극 및 양극은, 음극의 집전 장치의 종방향 에지가 단자 단부면 중 하나로부터 돌출하고 양극의 집전 장치의 종방향 에지가 와인딩의 단자 단부면 중 다른 하나로부터 돌출하도록, 구성되고/구성되거나 서로에 대해 조립체 내에서 배치되고,
g. 전지는 돌출된 종방향 에지 중 하나와 직접 접촉하고 용접에 의해 이 종방향 에지에 연결되는 적어도 하나의 접촉 판금 부재를 포함하고,
h. 와인딩은 와인딩 축이 통과하는 중앙 캐비티를 포함하고,
i. 전지는 제1 및 제2 단부면을 갖는 하우징 및 와인딩이 배치되는 내부 공간을 밀봉하여 둘러싸는 환형 하우징 쉘을 갖고,
j. 와인딩의 상태 변화를 정성적 및/또는 정량적으로 검출할 수 있는 적어도 하나의 센서 수단 또는 센서 수단의 적어도 일부가 중앙 캐비티에 배치되고,
k. 상기 제1 및/또는 제2 단부면에는 적어도 하나의 센서 수단에 의해 검출된 측정값을 표시할 수 있고/있거나 이러한 측정값이 수신 유닛 및/또는 평가 유닛으로 전송될 수 있는 디스플레이 수단 및/또는 접촉 수단이 있다.
따라서 본 발명에 따른 전지는 특히 와인딩의 중앙 캐비티가 내부에 적어도 하나의 센서 수단 또는 센서 수단의 적어도 일부를 배치함으로써 기능적으로 사용된다는 사실을 특징으로 한다. 센서 수단 또는 센서 수단의 도움으로 다양한 유형의 와인딩 상태 변화를 감지할 수 있으므로 센서 수단의 설계에 따라 전지의 상태 모니터링 및/또는 진단이 가능하다. 와인딩의 중앙 캐비티에 센서 수단 또는 센서 수단의 일부를 배치함으로써, 전기화학 전지에 센서 수단을 장착하기 위한 특히 구현하기 쉽고 실행 가능한 솔루션이 제공된다.
전술한 상태의 변화는 여기에서 전지의 기능에 중요한 전지의 특성으로 이해된다. 특히 압력 변화, 온도 변화 및/또는 전압 변화가 여기에서 중요한 역할을 한다.
원칙적으로, 여기에 기술된 센서 수단 또는 센서 수단의 일부의 배치는 재충전 가능(2차) 및 재충전 불가능(1차) 전지 모두에 적합하다. 그러나 모니터링 기능에 대한 필요성은 일반적으로 1차 전지에 대해 적고 센서 수단과 관련된 비용이 1차 전지에 대한 이점에 비례하지 않을 수 있으므로, 기술된 개념에 따른 센서 수단의 배치는 주로 2차 전지에 유리하다. 따라서 본 발명에 따른 전지는 바람직하게는 2차 전기화학 전지이다.
바람직하게는, 리본형 애노드 및 리본형 캐소드는 전극-분리막 조립체 내에서 서로로부터 오프셋되어 애노드 집전 장치의 제1 종방향 에지가 단자 단부면 중 하나로부터 돌출되고 캐소드 집전 장치의 제1 종방향 에지가 단자 단부면 중 다른 하나로부터돌출되도록 보장한다.
오프셋 배치 및 적어도 하나의 접촉 판금 부재와 각각의 집전 장치의 돌출된 종방향 에지(들)의 접촉은 와인딩 내부에 배치된 센서 시스템의 특정 이점이 특히 유리하고 시너지 효과적인 방식으로 이용되도록 허용한다.
바람직하게는, 돌출 종방향 에지 중 하나와 직접 접촉하고 용접에 의해 결합되는 적어도 하나의 접촉 판금 부재는 상기 종방향 에지에 직접 안착된다.
바람직한 실시예에서, 접촉 판금 부재는 플레이트 형상, 즉 접촉 플레이트 형태이다. 따라서 전지는 바람직하게는 접촉을 위해 형성된 종방향 에지 또는 에지들 상에 놓이는 적어도 하나의 접촉 플레이트를 포함한다.
단부면으로부터 돌출하는 종방향 에지 또는 에지들은 바람직하게는 전지 하우징의 일부와 접촉하도록 설계된다. 이를 위해, 종방향 에지는 예를 들어 각각의 전기화학적 활성 성분이 없이 유지될 수 있거나, 각각의 전기화학적 활성 성분이 없어졌을 수 있다.
따라서, 바람직하게는 애노드 집전 장치 및/또는 캐소드 집전 장치는 종방향 에지 중 하나를 따라 연장되고 전극 물질이 담지되지(loaded) 않은 적어도 하나의 자유 에지 스트립을 갖는다.
접촉을 위해, 전극의 각각의 종방향 에지는 바람직하게는 전극 물질이 없다. 종방향 에지 또는 에지들은 전기 전도성 방식으로 각각의 접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트에 직접 연결되는 것이 바람직하다. 접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트는 전지 하우징의 일부일 수 있다. 선택적인 실시예에서, 그것은 하우징 부분에 전기적으로 연결된다. 이러한 유형의 접촉부는 WO 2017/215900 A1에 자세히 설명되어 있다. 이로써 WO 2017/215900 A1에 대한 전체적인 참조가 이루어진다.
전극 및 분리막의 조립체의 제조에서, 반대 극 집전 장치들이 동일한 단부면들로부터 돌출하지 않는 것을 보장하도록 보통 주의하는데, 이는 단락의 위험을 증가시킬 수 있기 때문이다. 그러나, 상술한 스태거형(staggered) 배치에서, 단락의 위험은 반대 극성을 갖는 집전 장치들이 와인딩의 반대 단부면들로부터 돌출되기 때문에 최소화된다.
오프셋 배치로 인한 집전 장치의 돌출은 적절한 분류 가감기(diverter)에 의해 가능한 경우 전체 길이에 걸쳐 종방향 에지와 접촉함으로써 이점을 도출하는 데 사용될 수 있다. WO 2017/215900 A1에 기술된 것과 같은 접촉 플레이트는 분류 가감기로서 특히 적합하다. 여기에 기술된 접촉 플레이트는 또한 본 발명에 따른 전지 내의 내부 저항을 상당히 감소시킬 수 있다. 따라서 기술된 배치는 큰 전류의 발생을 매우 잘 흡수할 수 있다.
내부 저항을 최소화하여 고전류에서 열 손실을 줄인다.
전반적으로, 본 발명에 따른 전지는 접촉 판금 부재를 통해 집전 장치의 종방향 에지를 접촉한 결과로서 특히 우수한 온도 거동을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 따른 와인딩 내부에 제공된 센서 시스템과 결합하여, 본 발명에 따른 전지는 전지의 최적 상태 관리 가능성을 제공한다.
바람직하게는, 접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트는 200㎛ 내지 1000㎛ 범위의 두께를 갖는 금속 플레이트이다. 바람직하게는, 접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트는 알루미늄, 티타늄, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 니켈 도금된 스틸로 구성된다.
접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트가 종방향 에지에 연결될 수 있는 여러 가지 방법이 있다. 접촉 판금 부재와 애노드 집전 장치 또는 캐소드 집전 장치의 에지 스트립 사이의 연결이 직접 연결되는 것이 중요하다. 접촉 판금 부재를 전극의 집전 장치에 직접 연결하면 우수한 방열 특성을 제공할 수 있다. 접촉 판금 부재(들)는 전기 전도성 방식으로 하우징에 직접 연결될 수 있거나, 접촉 판금 부재(들)는 하우징의 일부일 수 있다. 접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트는 선형 접촉 영역을 따라 종방향 에지와 접촉할 수 있다. 본 발명에 따르면, 종방향 에지는 하나 이상의 섹션을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 용접 이음새에 의해 전체 길이에 걸쳐 접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트에 연속적으로 연결된다.
가능한 국면에서, 전체 길이에 걸쳐 접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트에 연속적으로 연결된 섹션 또는 섹션들은 각각의 종방향 에지의 전체 길이의 적어도 25%, 바람직하게는 적어도 50%, 특히 바람직하게는 적어도 75%에 걸쳐 연장될 수 있다.
일부 실시예에서, 종방향 에지 또는 에지들은 전체 길이를 따라 접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트에 연속적으로 용접될 수 있다.
적어도 하나의 접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트는 적어도 하나의 슬롯 및/또는 적어도 하나의 개구를 가질 수 있다. 이들은 용접 조인트를 생산하는 동안 판금, 특히 플레이트의 변형을 방지하는 기능을 한다.
바람직한 실시예에서, 접촉 판금 부재, 특히 접촉 플레이트는 디스크 형상, 특히 원형 또는 적어도 대략 원형 디스크 형상을 갖는다. 그런 다음 외부 원형 또는 적어도 대략적인 원형 디스크 에지를 갖는다. 여기서 대략적인 원형 디스크는 특히 적어도 하나의 절단된 원형 세그먼트, 바람직하게는 2개 내지 4개의 절단된 원형 세그먼트를 갖는 원형 형상을 갖는 디스크로 이해되어야 한다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 전지는 나선형 기하 구조를 갖는 선형 제1 접촉 영역을 생성하기 위해 제1 접촉 판금 부재, 특히 음극의 집전 장치의 종방향 에지에 놓이는 제1 접촉 플레이트를 갖고, 나선형 기하 구조를 갖는 선형의 두 번째 접촉 영역을 생성하기 위해 제2 접촉 판금 부재, 특히 양극의 집전 장치의 종방향 에지에 놓이는 제2 접촉 플레이트를 갖는다.
특히 바람직한 실시예에서, 제1 접촉 판금 부재, 특히 제1 접촉 플레이트 및 음극의 집전 장치는 모두 동일한 재료로 구성된다. 이것은 특히 바람직하게는 구리, 니켈, 티타늄, 니켈 도금된 스틸 및 스테인리스 스틸을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
제2 접촉 판금 부재, 특히 제2 접촉 플레이트 및 양극의 집전 장치는 특히 바람직하게는 모두 알루미늄, 니켈, 티타늄, 니켈 도금된 스틸 및 스테인리스 스틸을 포함하는 그룹으로부터의 동일한 재료로 구성된다.
본 발명에 따른 전지의 센서 수단은 상이한 유형의 센서 또는 센서 수단을 포함할 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 하기의 추가 특징 a 내지 c 중 적어도 하나가 제공된다:
a. 적어도 하나의 센서 수단은 기준 전극을 포함하거나 기준 전극이다.
b. 적어도 하나의 센서 수단은 온도 센서를 포함하거나 온도 센서이다.
c. 적어도 하나의 센서 수단은 압력 센서를 포함하거나 압력 센서이다.
특히 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 센서 수단은 기준 전극 및 온도 센서를 포함한다. 또한, 기준 전극과 압력 센서의 조합도 바람직할 수 있다. 또한, 온도 센서와 압력 센서의 조합이 바람직할 수 있다. 특히 바람직한 방식으로, 기준 전극, 온도 센서 및 압력 센서의 조합이 바람직하다.
또한, 적어도 하나의 센서 수단은 특히 전지에서 방출될 수 있는 다양한 화학 물질을 검출하기 위한 다른 센서 수단, 예를 들어 가스 센서를 포함할 수도 있다. 예를 들어 가스 센서는 광학 측정 원리 또는 기타 측정 원리를 기반으로 할 수 있다. 또한, 다른 센서, 예를 들어 다른 광학 센서도 사용될 수 있다.
기준전극을 통해 전지의 전극전위를 측정할 수 있다. 전극 전위는 전지의 상태(예: 충전 상태)를 평가하기 위한 중요한 측정 변수이다. 특히, 기준 전극과 음극 및/또는 기준 전극과 양극 사이의 전위차는 이러한 방식으로 기록될 수 있다.
온도 센서는 전지 내부의 온도를 기록하고 모니터링하는 데 사용할 수 있다. 온도는 또한 전지의 상태에 대한 결론을 도출할 수 있게 한다. 특히 전지의 기능에 매우 해로운 영향을 미칠 수 있는 과도한 가열(코어 과열)이 감지될 수 있다. 또한 온도 센서는 예를 들어 충전 프로세스에 바람직하지 않은 너무 낮은 온도를 감지하는 데 사용될 수도 있다. 특히, 온도 센서는 전지의 열 관리를 가능하게 한다.
온도 센서는 광학 센서, 예를 들어, 적외선 센서일 수 있다. 그러나 온도 센서는 온도의 함수로 저항을 변경하는 열전쌍 또는 전자 온도 센서를 포함할 수도 있다.
압력 센서는 특히 전지 내부 압력(와인딩 압력)을 기록하는 데 사용할 수 있으며, 이를 통해 전지 상태에 대한 결론을 도출할 수도 있다. 전지 내부의 증가하는 내부 압력은 전해질의 분해를 나타낼 수 있으며, 이는 해당 가스 방출과 관련되어 가스 압력이 증가한다.
기준 전극과 관련하여, 바람직한 실시예에서 전지는 특히 하기 추가 특징들 a 및 b 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 기준 전극은 중앙 캐비티에 있다.
b. 센서 수단은 기준 전극에 의해 결정된 측정값이 디스플레이 및/또는 접촉 수단으로 전송될 수 있는 적어도 하나의 연결 수단을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 바로 직전의 특징 a 및 b는 함께 실현된다.
특히 바람직한 실시예에서, 전지는 하기 특징 a에 의해 기준 전극과 관련하여 특징지어진다:
a. 기준 전극은 리튬 또는 리튬 함유 물질을 포함하고 적어도 하나의 연결 수단은 전기 전도체이다.
전기 전도체는 리튬 또는 리튬 함유 물질과 전기 접촉하고, 바람직하게는 직접 접촉한다.
기준 전극에 대한 리튬 또는 리튬 함유 물질의 사용은 물론 본 발명에 따른 전지가 리튬-이온 전지인 경우에 특히 유리하다. 이미 설명한 바와 같이, 리튬 또는 리튬 함유 물질의 정의된 전위는 전위차를 측정하기 위한 기준으로 사용될 수 있다.
또한, 리튬 또는 리튬 함유 물질은 또한 리튬 저장소 역할을 할 수 있다. 리튬 이온 전지는 자유 리튬 또는 리튬 이온의 가용성에 의존하며, 이에 따라 전지의 작동 수명 동안 이용 가능한 자유 리튬(이동성 리튬)의 함량이 감소한다. 따라서 전지 내에 추가 리튬 소스를 추가하면 리튬 이온 전지의 수명을 연장할 수 있다. 따라서 필요에 따라 저장소에서 전지의 전극으로 리튬을 공급하거나 전극에서 과도한 리튬을 제거하여 리튬 도금을 방지할 수 있다. 이를 위해, 리튬 저장소 역할을 하는 전극은 예를 들어 연결 수단 역할을 할 수 있는 전기 전도체를 통해 리튬 이온 전지의 음극 또는 양극에 반대하여(against) 연결될 수 있다. 여분의 리튬은 리튬 저장소에 공급할 수 있으며 필요한 경우 거기에 보관할 수 있다. 이들 적용을 위해, DVA(차등 전압 분석)와 같은 전기화학적 분석을 통해 전지 내 애노드 및 캐소드의 개별 전위의 개별 모니터링 및/또는 전지 균형의 외부 모니터링을 허용하는 수단이 제공될 수 있다.
전기 전도체의 한 말단은 바람직하게는 기준 전극 또는 기준 전극의 리튬 또는 리튬 함유 물질과 전기 접촉하고, 전기 전도체의 다른 말단은 디스플레이 수단 및/또는 접촉 수단과 전기 접촉한다. 기준 전극은 전지의 양극(positive pole)과 음극(negative pole)에 더하여 전지의 제3극(third pole)을 형성한다.
전기 전도체와 이에 연결된 기준 전극 또는 리튬 저장소는 제3극으로서 전지의 다른 두 극, 즉 양극 및 음극과 전기적으로 그들에 연결된 임의의 추가 전지 구성 요소에 대해 전기적으로 절연되어야 한다.
기준 전극 또는 리튬 저장소의 리튬 또는 리튬 함유 물질은 예를 들어 금속 리튬, 리튬 금속 산화물, 리튬 금속 인산염 또는 당업자에게 잘 알려진 다른 물질일 수 있다. 일반적으로 이러한 재료는 전해질과 접촉한다. 리튬을 포함하거나 리튬 함유 물질을 포함하는 기준 전극의 실시예는 특히 적시에 리튬 도금을 검출하고, 필요한 경우 이를 방지하는 데 매우 적합하다.
온도 센서와 관련하여, 전지는 유리하게 하기 추가 특징들 a 및 b 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 온도 센서는 중앙 캐비티에 있다.
b. 센서 수단은 온도 센서에 의해 결정된 측정값이 디스플레이 및/또는 접촉 수단으로 전송될 수 있는 적어도 하나의 연결 수단을 포함한다.
유리하게는, 바로 직전의 특징들 a 및 b는 함께 실현된다.
와인딩의 중앙 캐비티에 온도 센서를 배치하면 전지 중앙에서 온도를 감지할 수 있으므로 예를 들어 전지 하우징의 온도 센서와 비교할 때 특히 정확하고 전지의 온도에 대한 의미 있는 정보를 얻을 수 있다.
연결 수단을 통해 온도 센서 수단에 의해 검출될 수 있는 센서 데이터는 디스플레이 수단 및/또는 접촉 수단으로 전송될 수 있으므로 전지의 온도 관리는 해당 데이터의 포워딩 및/또는 평가에 의해 가능하다.
온도 센서에 관한 특히 바람직한 실시예에서, 전지는 다음 특징을 특징으로 한다:
a. 온도 센서는 온도 의존 저항기이거나 온도 의존 저항기를 포함하고 적어도 하나의 연결 수단은 전기 전도체를 포함한다.
온도 의존 저항기(예: NTC 요소(음의 온도 계수 서미스터) 또는 PTC 요소(양의 온도 계수 서미스터)로 온도 센서를 설계하면 전지에서 온도 센서를 특히 비용 효율적이고 실용적으로 구현할 수 있다. NTC 및 PTC 소자는 소형화 형태로 제조될 수 있으므로 본 발명에 따른 전지의 온도 센서 수단으로서 특히 적합하다. 편의상, 온도 의존 저항기는 온도 센서에 연결되는 전기 전도체를 통해 디스플레이 수단 및/또는 접촉 수단에 연결된다.
축 캐비티는 일반적으로 전지 하우징의 단부면 사이의 거리의 85 내지 99%, 바람직하게는 90 내지 99%인 길이를 갖는다. 바람직하게는, 온도 센서는 캐비티의 중앙 영역, 특히 캐비티의 중간 1/3에 배치된다. 이 조치는 감지된 온도 값이 와인딩 내부 중앙 지점의 온도를 반영하도록 보장한다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 추가 특징을 제공한다:
a. 세장형 캐리어 몸체, 특히 세장형 중공형 바디는 와인딩의 중앙 캐비티에 배치된다.
캐리어 몸체세장형 캐리어 몸체 및 특히 세장형 중공 몸체를 사용하여, 본 발명에 따른 전지 내부로의 센서 수단의 삽입은 특히 유리한 방식으로 실현될 수 있다. 따라서 세장형 캐리어 몸체는 센서 및/또는 적어도 하나의 센서 수단을 위한 캐리어의 기능을 맡는다.
세장형 중공 몸체는 특히 본 발명에 따른 전지의 제조 동안 와인딩의 중앙 캐비티로 삽입되거나 전극 및 분리막이 감겨지는 세장형 튜브일 수 있다. 종종 와인딩 코어로 지칭되는 이러한 튜브는 전지의 주기적 부하 하에서 중앙 캐비티로 와인딩의 변형을 방지할 수 있고 및/또는 남용 조건 하에서 와인딩의 붕괴를 방지할 수 있다. 예를 들어 상승하는 기체 압력은 파열 막을 통해 효율적으로 완화될 수 있다.
세장형 중공 몸체는 바람직하게는 적어도 부분적 영역에서 또는 필요하다면 완전히 중공 실린더로 설계된다.
세장형 중공 몸체는 예를 들어 1 내지 10mm, 특히 2 내지 7mm, 바람직하게는 2 내지 5mm 범위의 외경을 가질 수 있다. 세장형 중공 몸체의 벽 두께는 예를 들어 0.1 내지 1mm 범위, 예를 들어 0.5mm일 수 있다. 예를 들어, 외경이 3mm인 세장형 중공 몸체는 내경이 2mm일 수 있다. 다른 실시예에서, 치수는 예를 들어 5mm의 외경 및 예를 들어 4mm의 내경과 같이 다소 클 수 있다.
본 발명에 따른 전지의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 특히 와인딩 코어로서의 실시예에서 세장형 중공 몸체는 적어도 하나의 센서 수단 또는 그 부분을 와인딩의 중앙 캐비티에 특히 유리한 방식으로 배치하는 데 사용된다. 예를 들어, 세장형 중공 몸체는 중앙 캐비티에 온도 센서 및/또는 기준 전극을 배치하기 위한 캐리어 몸체로서 사용될 수 있다.
세장형 캐리어 몸체 및 특히 세장형 중공 몸체와 관련하여, 또한 와인딩 코어로서의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바람직한 실시예에서 다음 추가 특징 중 적어도 하나에 의해 특징지어진다:
a. 세장형 캐리어 몸체는 적어도 부분적으로 유리 및/또는 세라믹 및/또는 금속 및/또는 플라스틱으로 구성된다.
b. 세장형 캐리어 몸체는 적어도 부분적으로 또는 완전히 전기 전도성이다.
c. 세장형 캐리어 몸체는 전기 전도성 재료로 적어도 부분적으로 코팅되어 있다.
d. 세장형 캐리어 몸체는 하우징 및/또는 적어도 하나의 전극에 대해 전기적으로 절연되어 있다.
e. 세장형 캐리어 몸체는 하우징의 단부면 중 적어도 하나에 밀봉식으로 연결된다.
일반적으로, 세장형 캐리어 몸체가 전해질에 안정한 재료 또는 유리 또는 스테인리스 스틸과 같은 재료 또는 테플론과 같은 전해질에 안정한 플라스틱으로 제조되는 것이 유리하다. 캐리어 몸체의 전해질에 안정한 재료는 전해질과 캐리어 몸체의 화학적 상호 작용을 방지한다.
특히 유리한 방식으로, 상기 특징 b에 따른 세장형 캐리어 몸체는 전기 전도성이며, 이에 의해 와인딩의 중앙 캐비티 내부의 센서 수단과 디스플레이 수단 및/또는 단부면의 접촉 수단의 전기적 접촉이 추가 전기 전도체 없이 실현될 수 있다. 이를 위해, 세장형 캐리어 몸체는 특히 상기 특징 a에 따른 금속, 예를 들어 구리, 니켈, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 니켈 도금된 스틸 또는 다른 합금으로 제조될 수 있다. 이 실시예에서, 캐리어 몸체는 예를 들어 기준 전극 또는 리튬 저장소 및/또는 전술한 온도 센서를 디스플레이 수단 및/또는 접촉 수단에 연결하는 전기 전도체로서 역할을 할 수 있다. 이 실시예에서, 예를 들어 와인딩의 중앙 캐비티 내로 돌출하는 세장형 캐리어 몸체의 일단부는 금속 리튬 또는 리튬 함유 재료와 같은 기준 전극 재료로 코팅될 수 있다. 이 기준 전극의 전기 연결은 전기 전도성 캐리어 몸체를 통해 이루어질 수 있다. 그러나 일반적으로 전지 하우징으로부터 캐리어 몸체를 전기적으로 절연하는 것, 즉 바로 직전의 특징 d에 따라 하우징 및/또는 적어도 하나의 전극으로부터 캐리어 몸체를 전기적으로 분리하는 것이 필요하다.
다른 실시예에서, 특히 세장형 캐리어 몸체가 상기 특징 a에 따른 유리 및/또는 세라믹으로 제조되는 경우, 특징 c에 따른 세장형 캐리어 몸체는 또한 전기 전도성을 실현하기 위해 전기 전도성 재료로 적어도 부분적으로 코팅될 수 있다. 이러한 방식으로 캐리어 몸체 내에 또는 캐리어 몸체 상에 위치한 센서 수단의 전기적 연결이 추가 전기 전도체 없이 또한 실현될 수 있다. 그러나 필요한 경우 코팅 또는 코팅과 함께 캐리어 몸체는 전지 하우징으로부터 그 후 전기적으로 절연되어야 한다.
바람직하게는 바로 직전의 특징 b 또는 c와 조합하여, 바로 직전의 특징 d에 따른 전지의 하우징 및/또는 적어도 하나, 바람직하게는 양 전극으로부터 세장형 캐리어 몸체의 전기적 분리가 특히 유리하다. 이 방법은 전지에 배치된 센서 시스템이 전지의 전압 상태 및 충전과 독립적으로 작동하도록 보장하여 예를 들어 센서 시스템에 의한 전지의 의도하지 않은 방전이 발생하지 않도록 한다.
일반적으로, 전지 자체의 저장 및 충전 용량이 영향을 받지 않도록 본 명세서에 기술된 적어도 하나의 센서 수단이 자체 전기 회로로 작동되는 것이 유리하다.
센서 수단으로서 기준 전극의 경우, 바람직하게는 세장형 캐리어 몸체와 함께 기준 전극이 하우징 및 전극에 대해 전기적으로 절연되는 것이 필수적이다.
상기 특징 e에 따른 하우징의 단부면 중 적어도 하나에 대한 세장형 캐리어 몸체의 밀봉 연결은 특히 간단한 방식으로 본 발명에 따른 전지를 제조하는 것을 가능하게 하고, 상기 적어도 하나의 센서 수단은, 세장형 캐리어 몸체와 함께, 제조 중에 와인딩의 내부로 삽입될 수 있고 전지 하우징의 필요한 밀봉은 하우징 또는 하우징의 단부면에 대한 세장형 캐리어 몸체의 밀봉 연결에 의해 보장된다. 실링 연결은 예를 들어 캐리어 몸체와 하우징 사이에 실런트를 배치하거나 접착제, 용접, 납땜 또는 기타 연결에 의해 실현될 수 있다.
특히 센서 수단으로서 온도 센서 및/또는 압력 센서의 경우에, 세장형 캐리어 몸체는 예를 들어 유리 및/또는 세라믹으로 제조된 전기 비전도성일 수도 있다. 이러한 실시예에서, 예를 들어 와인딩의 내부에 배치된 온도 센서는 적절한 전기 전도체에 의해 전기적으로 연결될 수 있으며, 이는 세장형 중공 몸체 내부에서 또는 그 벽을 따라 디스플레이 수단 및/또는 접촉 수단으로 라우팅된다(routed).
온도 센서의 경우 세장형 캐리어 몸체를 통해 와인딩 내부의 나머지 부분과 열 연결이 양호하면 유용할 수 있다. 특히, 좋은 온도 교환을 허용하는 세장형 캐리어를 위한 재료가 사용되어야 한다.
원칙적으로, 세장형 캐리어 몸체는 와인딩의 중앙 캐비티의 전체 길이를 차지할 수 있다. 그러나, 세장형 캐리어 몸체가 중앙 캐비티 길이의 일부, 예를 들어 와인딩의 전체 길이의 50 내지 80% 범위의 길이만을 차지하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 전지의 또 다른 특히 바람직한 실시예에서, 전지는 바로 다음에 오는 추가적인 특징들 a 및 b 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 세장형 캐리어 몸체는 전지의 온도 제어를 위해 구성된다.
b. 세장형 캐리어 몸체는 외부 온도 제어 장치와 접촉한다.
바람직한 방식으로, 바로 직전의 특징 a.및 b는 조합으로 구현된다.
이 실시예에서, 세장형 캐리어 몸체는 냉각 및/또는 가열 바디로서 사용되어 전지의 온도 관리가 특히 유리한 방식으로 가능하다. 가열 기능은 특히 전지의 충전 프로세스에 특정 최소 온도가 필요하기 때문에 낮은 외부 온도에서 매우 유용할 수 있다. 냉각은 전지의 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 전지의 과도한 가열이 발생하는 경우에 특히 유리할 수 있다. 바람직하게는, 이 실시예에서 캐리어 몸체는 적어도 부분적으로 금속으로 구성된다.
원칙적으로, 외부 온도 제어 장치를 구비하거나 또는 필요하다면 외부 온도 제어 장치를 구비하지 않은 전지의 온도 제어는 와인딩의 중앙 중공 본체에 세장형 중공 몸체가 삽입되지 않더라도 또한 가능하다. 그러나 와인딩 내부에 세장형 캐리어 몸체를 사용하면 온도 제어에 특히 유리하다. 세장형 캐리어 몸체가 와인딩 중앙에서 직접 냉각이 이루어지도록 하기 때문이다. 냉각은 능동적이거나 수동적일 수 있다. 능동 냉각의 경우 캐리어 몸체를 통해 냉각제(coolant)가 흐르도록 설계해야 한다. 예를 들어, 세장형 캐리어 몸체 및 이러한 맥락에서 특히 세장형 중공 몸체에 금속 튜브가 적합하며, 이는 예를 들어 전지의 온도 제어를 위한 외부 온도 제어 장치로서 수냉 시스템과 결합될 수 있다. 이 튜브는 전지 내부로 외부에서 작동하는 냉각 시스템의 확장을 형성한다.
상기 압력 센서와 관련하여, 바람직한 실시예에서 전지는 하기 특징 a 내지 c 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 압력 센서는 하우징의 단부면 중 하나에 있다.
b. 센서 수단은 중앙 캐비티 내로 돌출하는 중공 몸체를 포함하며, 이를 통해 하우징에 의해 둘러싸인 내부 공간이 압력 센서와 연통(communication)한다.
c. 압력 센서는 피에조(piezo) 압력 센서이다.
특히 바람직한 실시예에서, 바로 직전의 특징 a 및 b는 서로 조합하여 실현된다. 바로 직전의 특징 a, b 및 c의 조합이 특히 바람직하다.
상기 특징 b에 따른 중공 몸체는 바람직하게는 전술한 캐리어 몸체의 바람직한 실시예이다. 따라서 이 중공 몸체는 센서 수단, 즉 중앙 캐비티에 배치된 압력 센서의 일부인 것이 바람직하다. 중공 몸체는 캐비티 내부의 압력 변화를 단부면에 위치한 압력 센서에 연통하는 데 사용할 수 있다.
하우징의 단부면 중 하나에 배치된 압력 센서와 함께 중앙 캐비티 내로 돌출된 중공 몸체의 연통 연결은 압력 센서를 통해 와인딩 내부의 압력을 감지할 수 있게 한다. 전지 내부에 가스 압력이 축적되어 발생할 수 있는 내부 압력 증가는 전지 파열(rupturing) 또는 파열(bursting)의 위험과 관련이 있다. 이와 관련하여 압력 모니터링은 필요한 경우 위험을 방지하기 위해 압력 완화 또는 유사한 조치를 시작할 수 있도록 하기 위해 중요한 모니터링 변수를 나타낸다.
바람직한 실시예에서 압력 센서로 사용될 수 있는 피에조 압력 센서는 본 발명에 따른 전지에 특히 적합한 저비용 구성요소이다.
가능한 국면에서 전지는 압력 센서와 관련하여 바로 다음의 특징 a 내지 c 중 적어도 하나에 의해 특징지어진다:
a. 압력 센서는 중공 몸체를 구분한다(delimit).
b. 중공 몸체는 세장형 중공 몸체며, 한쪽 단부는 압력 센서로 둘러싸여 있다(bound).
c. 중공 몸체는 와인딩과의 압력 평형 접촉을 위한 적어도 하나의 개구를 갖는다.
바람직한 실시예에서, 바로 직전의 특징 a 및 b, 특히 특징 a, b 및 c는 함께 실현된다.
와인딩의 중앙 캐비티에 위치한 중공 몸체를 압력 센서로 구분함으로써 중공 몸체의 내부 공간과 압력 센서 사이의 연통 연결이 특히 간단하고 실용적인 방식으로 실현된다.
와인딩의 중앙 캐비티에 삽입할 수 있는 세장형 튜브 모양은 중공 몸체에 특히 적합하다.
이 실시예에서, 중공 몸체는 그 내부가 전지 하우징의 내부 공간에 연결되고 이를 통해 내부와 와인딩이 배치된 전지 하우징에 의해 둘러싸인 공간 사이의 압력이 균등화될 수 있는 적어도 하나의 개구를 갖는 것이 유리하다. 중공 몸체의 개구 또는 개구들은 어떤 방식으로든 설계할 수 있다. 예를 들어, 전지의 내부 또는 와인딩의 내부로 돌출하는 세장형 튜브의 단부와 같은 중공 몸체의 단부는 개구로서 구성될 수 있다. 추가로 또는 대안적인 실시예에서, 하나 이상의 개구 또는 다른 개구가 중공 몸체의 벽에 제공될 수 있다. 이들은 예를 들어 미세 개구일 수 있으며, 개구의 총 면적은 예를 들어 0.1 내지 10mm2의 범위, 예를 들어 약 0.5mm2이다. 중공 몸체의 적어도 하나의 개구의 설계를 위한 결정적인 요인은 와인딩 영역과 중공 몸체 내부 사이의 압력 균등화가 가능한 한 빨리 발생하는지이다.
그러나, 압력 센서가 없는 일부 추가 실시예에서, 중공 몸체의 내부는 바람직하게는 기밀 방식으로 격리되고 개구(openings) 및/또는 개구(apertures)를 통해 전지의 다른 캐비티에 연결되지 않는다.
가장 간단한 경우에, 디스플레이 및/또는 접촉 수단은 전지 하우징 외부로부터 접촉할 수 있고 적어도 하나의 센서 수단, 예를 들어 기준 전극에 전기적으로 연결되는 전기 접촉부일 수 있다.
본 발명에 따른 전지의 특히 바람직한 실시예에서, 전지는 바로 다음의 추가 특징 a 및 b 중 하나를 특징으로 한다:
a. 디스플레이 및/또는 접촉 수단은 PCB 보드를 포함한다.
b. 디스플레이 및/또는 접촉 수단은 PCB 보드이다.
c. 디스플레이 및/또는 접촉 수단은 PCB 보드에 배치된다.
PCB 보드(Printed Circuit Board)은 전자 부품의 캐리어 역할을 하는 보드이다. 이러한 PCB는 일반적으로 예를 들어 얇은 구리층으로부터 에칭된 전도체 트랙이 제공되는 전기 절연 재료로 구성된다. 예를 들어 전기 절연 재료는 예를 들어 에폭시 수지 기반 유리 섬유 복합재일 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 그러한 PCB 보드는 본 발명에 따른 전지의 디스플레이 및/또는 접촉 수단을 형성하거나 포함하거나 또는 디스플레이 및/또는 접촉 수단의 부분이다. 이들 실시예에서, 센서 수단은 PCB 보드와 직접 또는 간접적으로 접촉한다. 이 경우 PCB 보드는 하우징의 일부, 특히 전지의 하우징의 단부면 또는 단부면의 일부를 형성할 수 있거나, PCB 보드는 하우징의 단부면에 부착된다.
디스플레이 및/또는 접촉 수단은 또한 전지 하우징 외부로부터 접촉될 수 있는 상기 접촉부일 수 있으며, 접촉부는 PCB 보드 상에 위치된다.
적어도 하나의 센서 수단을 PCB 보드와 상호 연결함으로써, 추가 외부 장치, 특히 외부 평가 장치 및/또는 전지의 외부 관리 시스템에 대한 연결이 간단한 방식으로 실현될 수 있다.
원칙적으로, 센서 수단에 의해 검출될 수 있는 측정값을 디스플레이 및/또는 전송하기 위한 PCB 보드에 대한 대안으로서 다른 접촉 및/또는 디스플레이 수단이 사용될 수 있다.
전지의 특히 바람직한 실시예에서, 전지는 PCB 보드에 대해 하기의 추가 특징 a 및 b 중 적어도 하나에 의해 특징지어진다:
a. PCB 보드는 상술한 바와 같이 적어도 하나의 센서 수단 및/또는 세장형 캐리어 몸체를 수용하기 위한 중앙 오목부 또는 개구를 갖는다.
b. PCB 보드는 단부면의 주변 영역 또는 주변 하우징 쉘에 밀봉식으로 연결된다.
특히 바람직한 실시예에서, 직전의 특징 a 및 b가 조합된다.
원통형 원형 전지 또는 버튼 전지 형태의 전지의 고전적 또는 통상적인 디자인에서, 리드(lid)에 의한 클로저(closure)는 일반적으로 전지 하우징의 한쪽 단부면에 제공된다. 이 측은 아래에서 클로저측이라고 한다. 다른 단부면은 하우징 바닥을 형성한다.
디스플레이 및/또는 접촉 수단, 특히 PCB 보드는 하우징 바닥에 배치되거나 하우징 바닥의 일부를 형성하는 것이 바람직하며, 특히 여기에 통합된다.
따라서, 적어도 하나의 센서 수단 및, 적절하다면, 세장형 캐리어 몸체를 하우징의 바닥을 통해 와인딩의 내부 또는 중앙 중공 몸체 내로 도입하고 바닥측의 접촉 및/또는 디스플레이 수단을 통해 외부로 그들을 연결하는 것이 또한 유리할 수 있고, 이 연결은 바닥측의 단부면 상의 PCB 보드를 통해 이루어지는 것이 바람직하다.
그러나 적어도 하나의 센서 수단 및/또는 디스플레이 및/또는 접촉 수단을 클로저측 상에 또는 클로저측 내에 통합하는 것도 가능하다.
특히 바람직한 방식으로, PCB 보드에는 적어도 하나의 센서 수단 및/또는 센서 수단의 적어도 일부 및/또는 세장형 캐리어 몸체가 삽입될 수 있는 오목부 또는 개구가 제공된다. 이러한 경우에 전지의 기능을 보장하기 위해 이 중앙 오목부 또는 개구를 밀봉하고 마찬가지로 단부면의 주변 영역 또는 인접한 하우징 쉘에 대해 PCB 보드를 밀봉하는 것이 편리하며, 이는 단단한(tight) 하우징을 필요로 한다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음 특징 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 전지는 리튬 이온 전지이다.
b. 전지는 원통형 원형 전지이다.
c. 전지는 버튼 전지이다.
여기서, 바로 직전의 특징 a와 b의 조합 또는 바로 직전의 특징 a와 c의 조합이 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 전지는 특히 바람직한 리튬 이온 전지, 특히 이차 리튬 이온 전지이다. 리튬-이온 전지는 특히 높은 에너지 밀도를 특징으로 하며, 따라서 예를 들어 자동차 부문과 같이 에너지 요구 사항이 높은 다양한 응용 분야에 특히 유리하게 사용할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 전지는 다른 기반의 전지, 예를 들어 니켈-금속 수소화물 전지일 수도 있다.
일반적으로, 리튬-이온 전지의 전극은 보통 복합재 전극에 의해 형성되며, 각각은 전기 전도성 집전 장치 및 전기화학적 활성 성분(종종 활성 물질이라고 함) 및 전기화학적 비활성 성분을 포함한다. 이것은 또한 본 발명에 따른 경우일 수 있다.
집전 장치는 가능한 한 넓은 면적에 걸쳐 전기화학적 활성 성분을 전기적으로 접촉시키는 기능을 갖는다. 그들은 보통 리본형 금속 기판, 예를 들어 금속 호일로 구성된다. 그들은 또한 구조화될 수 있고, 예를 들어 천공되거나 신장될 수 있거나, 금속 발포체 또는 금속 메쉬 또는 금속 그리드 또는 금속화된 부직포로부터 형성될 수 있다. 음극의 집전 장치는 예를 들어 구리 또는 니켈과 같은 금속으로 형성될 수 있고 및/또는 전기 전도성 호일로 형성될 수 있다. 양극의 집전 장치에 적합한 기본 재료는 예를 들어 알루미늄 또는 티타늄을 포함한다.
필요에 따라 리튬 저장소로부터 리튬을 전지에 공급하거나, 리튬 도금을 방지하기 위해 전극으로부터 과잉의 리튬을 제거하는 앞서 언급된 경우들에서, 집전 장치는 리튬 이온이 투과성인 것이 바람직하다. 이러한 목적을 위해, 예를 들어 집전 장치는 개구를 가질 수 있으며, 금속성 또는 금속화 부직포 또는 개방 기공 발포체를 집전 장치로 사용할 수 있지만, 특히 천공 필름 또는 다른 방식으로 개구로 구조화된 필름도 사용할 수 있다.
리튬 이온을 흡수하고 방출할 수 있는 모든 재료는 리튬 이온 이차 전지의 전극용 활성 물질로 사용할 수 있다. 특히, 리튬을 인터칼레이트할 수 있는 흑연계 탄소 또는 비흑연계 탄소 물질과 같은 탄소계 물질이 음극으로 사용될 수 있다. 티탄산리튬(Li4Ti5O12)도 활성 물질로서 적합하다. 또한, 리튬과 합금 가능한 금속 및 반금속(semi-metallic) 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 주석, 안티몬 및 규소 원소는 리튬과 금속간 상을 형성할 수 있다. 특히, 탄소계 활성 물질은 또한 금속 및/또는 반금속 물질과 조합될 수 있다.
예를 들어, LiCoO2 및 LiFePO4와 같은 리튬 금속 산화물 화합물 및 리튬 금속 인산염 화합물은 리튬 이온 이차 전지의 양극으로 적합하다. 또한, 특히 적합한 재료는 화학식 LiNixMnyCozO2 (여기서 x + y + z는 전형적으로 1)의 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 화학식 LiMn2O4의 리튬 망간 스피넬(LMO) 또는 화학식 LiNixCoyAlzO2 (여기서 x + y + z는 전형적으로 1)의 리튬 니켈 코발트 알루미나(NCA) 이다. 상기 물질의 혼합물이 또한 사용될 수 있다.
전기화학적 불활성 성분으로서, 가장 중요한 전극 바인더 및 도전제가 언급될 것이다. 전극 바인더는 전극의 기계적 안정성을 보장하고 전기화학적 활성 물질의 입자와 집전 장치 사이의 접촉을 제공한다. 공통 전극 바인더는 예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴레이트 또는 카르복시메틸전지룰로스를 기반으로 한다. 카본 블랙과 같은 도전제는 전극의 전기 전도성을 증가시키는 기능이 있다.
예를 들어 폴리올레핀 또는 폴리에테르 케톤으로 만들어진 다공성 플라스틱 필름은 리튬 이온 전지용 분리막으로 특히 적합하다. 이러한 재료로 만든 부직포 및 직물도 사용할 수 있다.
이온 전도성 전해질로서, 리튬 이온 전지는 예를 들어 리튬 염이 용해된 유기 카보네이트의 혼합물을 함유할 수 있다. 리튬-이온 전지에 대한 종래 기술로부터 공지된 임의의 리튬 염이 이러한 목적에 적합하다. 눈에 띄는 예는 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)이다. 바람직하게는, 리튬-이온 전지의 전극 및 분리막은 전해질로 함침된다.
설명된 센서 시스템의 통합은 애노드와 캐소드가 중앙 캐비티가 있는 와인딩 형태로 배치된다면 다양한 유형의 전지에 적합하다.
상기 특징 b에 따르면, 본 발명에 따른 전지의 특히 바람직한 실시예에서 전지는 원통형 원형 전지이다.
버튼 전지와 구별되는 원통형 원형 전지는 직경보다 높이가 더 크다. 그들은 전기 계량기, 수도 계량기, 가스 계량기, 난방 비용 소비 계량기, 의료 피펫, 센서 및 경보 시스템, 가정용 경보 시스템, 센서 및 센서 네트워크, 자동차 도난 방지 시스템용 백업 배터리와 같은 현대식 계량, 보안 및 자동차 응용 분야에 전기 에너지를 공급하는 데 적합하다.
바람직하게는, 원형 전지의 높이는 15mm 내지 150mm 범위이다. 원통형 원형 전지의 직경은 바람직하게는 10mm 내지 50mm 범위이다. 이러한 범위 내에서, 예를 들어 18 x 65(직경 * 높이(mm)) 또는 21 x 70(직경 * 높이(mm))의 폼 팩터(form factors)가 특히 바람직하다. 이러한 폼 팩터가 있는 원통형 원형 전지는 특히 자동차 및 도구의 전기 드라이브(electric drives)에 전원을 공급하는 데 적합하다.
리튬-이온 전지로서의 일 실시예에서, 원통형 원형 전지로서 설계된 본 발명에 따른 전지의 공칭 용량은 일반적으로 최대 6000mAh이다. 21 x 70의 폼 팩터에서, 리튬-이온 전지로서 일 실시예에서 전지는 바람직하게는 2000mAh 내지 5000mAh 범위, 특히 바람직하게는 3000 내지 4500mAh 범위의 공칭 용량을 갖는다.
유럽 연합에서는 제조업체가 2차 전지 및 배터리의 공칭 용량에 대한 정보를 제공하는 데 있어 엄격한 규제를 받는다. 예를 들어, 이차 니켈-카드뮴 배터리의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61951-1 및 IEC/EN 60622 표준에 따른 측정을 기반으로 해야 하며, 이차 니켈-금속 수소화물 배터리의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61951-2 표준에 따른 측정을 기반으로 해야하고, 이차 리튬 배터리의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61960 표준에 따른 측정을 기반으로 해야하며, 이차 납-산 배터리의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61056-1 표준에 따른 측정을 기반으로 해야 한다. 본 출원의 공칭 용량에 대한 임의의 정보는 바람직하게는 이러한 표준을 기반으로 한다.
본 발명에 따른 전지가 원통형 원형 전지인 실시예에서, 애노드 집전 장치, 캐소드 집전 장치 및 분리막은 바람직하게는 리본형이고 바람직하게는 다음 치수를 갖는다:
- 0.5m 내지 25m 범위의 길이
- 30mm 내지 145mm 범위의 폭
이러한 경우에, 제1 종방향 에지를 따라 연장되고 전극 물질이 담지되지 않은 전술한 자유 에지 스트립은 바람직하게는 5000㎛ 이하의 폭을 갖는다.
폼 팩터가 18 x 65인 원통형 원형 전지의 경우, 집전 장치는 바람직하게는
- 56mm 내지 62mm, 바람직하게는 60mm의 폭, 및
- 길이는 2m 이하, 바람직하게는 1.5m 이하를 갖는다.
폼 팩터가 21 x 70인 원통형 원형 전지의 경우, 집전 장치는 바람직하게는
- 56mm 내지 68mm, 바람직하게는 65mm의 폭, 및
- 길이는 3m 이하, 바람직하게는 2.5m 이하를 갖는다.
대안적으로, 본 발명에 따른 전지는 상기 특징 c에 따른 버튼 전지일 수 있다. 버튼 전지는 모양이 원통형이며 원통형 원형 전지와 달리 높이가 직경보다 작다. 시계, 보청기 및 무선 헤드폰과 같은 소형 전자 장치에 전기 에너지를 공급하는 데 특히 적합하다.
일반적으로 버튼 전지는 적어도 중앙 섹션에서 평평한 원형 상단 표면과 적어도 중앙 섹션에서 평평한 원형 바닥 표면을 가지며 그 사이에 환형 쉘이 있다. 상측의 평평한 영역 또는 일부 영역에 있는 지점과 바닥측의 영역 또는 일부 영역에 있는 지점 사이의 최단 거리는 바람직하게는 4mm 내지 15mm 범위(버튼 전지의 높이)이다. 버튼 전지의 쉘(shell)에 있는 2개의 대향 지점 사이의 최대 거리는 바람직하게는 5mm 내지 25mm(버튼 전지의 직경) 범위이다. 여기서 요구 사항은 맨틀측(mantle side)의 두 지점 사이의 최대 거리가 상측과 하측 상의 두 지점 사이의 거리보다 커야 한다는 것이다. 따라서 원통형 원형 전지와 달리 버튼 전지의 전체 높이는 일반적으로 전체 직경보다 작다.
리튬-이온 전지로서의 일 실시예에서, 버튼 전지 형태의 본 발명에 따른 전지의 공칭 용량은 일반적으로 최대 1500mAh이다. 바람직하게는, 공칭 용량은 100mAh 내지 1000mAh 범위, 특히 바람직하게는 100 내지 800mAh 범위이다.
리본형 전극 및 적어도 하나의 리본형 분리막을 나선형으로 감아 생성된 리튬 이온 기반 와인딩을 갖는 버튼 전지는 예를 들어 WO 2010/146154 A2, WO 2012/048995 A1 및 WO 2010/089152 A1로부터 알려져 있다.
원통형 원형 전지 및 버튼 전지는 바람직하게는 예를 들어 니켈 도금된 강철 또는 스테인리스 스틸로 구성된 원통형 하우징을 가질 수 있다. 하우징은 보통 두 개의 금속 하우징 부분을 포함하며 그 사이에 전기 절연 시일(seal)이 배치된다. 하우징 부분 중 하나는 하우징에 둘러싸인 양극과 전기적으로 연결되어 양극성을 갖는다. 다른 하우징 부분은 하우징에 둘러싸인 음극과 전기적으로 연결되어 음극성을 갖는다. 시일은 극이 반대인 하우징 부분 사이의 전기적 접촉을 방지하기 위한 것이다. 또한 하우징으로부터 또는 하우징으로의 액체, 습기 또는 가스의 누출 및 침투를 방지하기 위한 것이다.
와인딩의 바람직한 실시예
리본형 애노드, 리본형 캐소드 및 리본형 분리막(들)는 와인딩 형태로 성형된 전극-분리막 조립체에서 바람직하게는 나선형으로 감긴다. 바람직하게는, 전극-분리막 조립체를 제조하기 위해, 리본형 전극은 리본형 분리막(들)과 함께 와인딩 장치에 공급되고, 여기서 바람직하게는 와인딩 축 주위에 나선형으로 감긴다. 대안적으로, 전극 및 분리막은 조립체에 결합된 후 권취될 수 있다. 일부 실시예에서, 전극 및 분리막은 이러한 목적을 위해 중공 원통형 와인딩 코어 상에 와인딩되며, 와인딩 맨드릴(mandrel) 상에 안착되고 와인딩 후에 와인딩 상태로 남게 된다. 와인딩의 쉘은 예를 들어 플라스틱 필름 또는 접착 테이프로 형성될 수 있다. 와인딩 쉘이 분리막의 1회 이상의 턴에 의해 형성되는 것도 가능하다.
와인딩은 원통형 접촉 판금 부재 또는 중공 원통형 기하학적 구조를 갖는 것이 바람직하다.
와인딩 형태로 성형된 전극-분리막 조립체의 말단 단부면은 분리막(들)의 종방향 에지에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 애노드 집전 장치 및/또는 캐소드 집전 장치의 종방향 에지가 와인딩의 단부면으로부터 5000㎛ 초과하여, 바람직하게는 3500㎛ 이상으로 돌출하지 않는 것이 더 바람직하다.
특히 바람직하게는, 애노드 집전 장치의 종방향 에지는 와인딩의 단부면으로부터 2500㎛ 이하, 특히 바람직하게는 1500㎛ 이하로 돌출된다. 특히 바람직하게는, 캐소드 집전 장치의 종방향 에지는 와인딩의 단부면으로부터 3500㎛ 이하, 특히 바람직하게는 2500㎛ 이하로 돌출된다.
전극-분리막 조립체 내에서, 전극들은, 애노드 집전 장치의 제1 종방향 에지가 전극-분리막 조립체의 단자 단부면 중 하나로부터 돌출하고 캐소드 집전 장치의 제1 종방향 에지가 전극-분리막 조립체의 다른 하나의 단자 단부면으로부터 돌출하도록, 배치된다. 이를 위해 애노드와 캐소드는 전극-분리막 조립체 내에서 서로로부터 오프셋될 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학 전지가 2개의 접촉 판금 부재, - 그 중 하나는 용접에 의해 애노드 집전 장치의 자유 에지 스트립에 연결되고 다른 하나는 용접에 의해 캐소드 집전 장치의 자유 에지 스트립에 연결됨 - 를 포함하는 것이 특히 바람직하다.
집전 장치의 바람직한 실시예
본 발명에 따른 전지의 집전 장치는 가능한 한 넓은 면적에 걸쳐 각각의 전극 물질에 함유된 전기화학적 활성 성분을 전기적으로 접촉시키는 기능을 갖는다. 바람직하게는, 집전 장치는 금속으로 구성되거나 적어도 표면에서 금속화된다. 애노드 집전 장치에 적합한 금속은 구리 또는 니켈 또는 다른 전기 전도성 재료, 특히 구리 및 니켈 합금 또는 니켈-코팅된 금속을 포함한다. 스테인레스 스틸도 일반적으로 가능하다. 캐소드 집전 장치에 적합한 금속은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 다른 전기 전도성 재료이다. 여기에서도 스테인리스 스틸, 예를 들어, 1.4404 타입을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 캐소드 집전 장치 및/또는 상기 애노드 집전 장치는 각각 4㎛ 내지 30㎛ 범위의 두께를 갖는 금속 호일이고, 특히 4㎛ 내지 30㎛ 범위의 두께를 갖는 리본형 금속 호일이다.
특히 바람직한 실시예에서, 캐소드 집전 장치는 알루미늄을 포함하거나 알루미늄 합금으로 구성되거나 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된다. 또한, 애노드 집전 장치는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하거나 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되는 것이 바람직하다.
특히, 애노드 측에 알루미늄 집전 장치를 사용하면 예를 들어 구리 기반 집전 장치를 사용하는 것보다 이점을 가져올 수 있다. 알루미늄은 구리보다 가볍기 때문에 전지의 에너지 밀도를 크게 높일 수 있다. 또한, 이러한 전지는 과방전(deep discharge)에 대해 매우 안정적일 수 있으며 덴드라이트(dendrites)를 형성하는 경향이 감소한다.
특히 바람직하게는, 집전 장치, 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 기반으로 하는 집전 장치의 표면은 특히 접촉 저항을 감소시키기 위해 탄소층으로 코팅될 수 있다. 층은 바람직하게는 수 nm 내지 수 μm 두께이고, 예를 들어 기상으로부터의 증착, 예를 들어 화학 기상 증착(CVD) 방법 또는 분무 방법에 의해 형성될 수 있다.
호일 외에, 금속성 또는 금속화 부직포 또는 개방 기공 금속 발포체 또는 팽창형(expanded) 메탈과 같은 다른 테이프형 기판이 집전 장치로 사용될 수 있다.
집전 장치는 바람직하게는 각각의 전극 재료로 양면에 담지된다.
집전 장치와 관련하여 알루미늄, 구리 또는 니켈 합금을 언급하는 경우, 이는 바람직하게는 각각의 베이스 금속(base metal)인 알루미늄, 구리 또는 니켈 함량이 적어도 70중량%, 바람직하게는 적어도 90중량%인 합금을 의미한다.
하우징의 특별한 실시예
전기화학 전지의 특히 바람직한 실시예에서, 전지는 전극 분리막 조립체를 둘러싸는 하우징이 터미널 원형 개구를 갖는 금속 관형 하우징 부분을 갖는 것을 특징으로 한다. 하우징에서, 와인딩으로 형성되는 전극 분리막 조립체는 바람직하게는 와인딩 쉘이 관형 하우징 부분의 내부에 안착되도록 축방향으로 정렬된다.
일부 특히 바람직한 실시예에서, 접촉 판금 부재 또는 접촉 판금 부재 중 하나는 하우징 또는 하우징의 적어도 하나의 개구를 폐쇄한다. 이를 위해 원형 에지가 있을 수 있다. 바람직하게는, 접촉 판금 부재는 관형 하우징 부분의 단자 원형 개구를 폐쇄한다. 따라서 접촉 판금 부재는 전극과 전기적으로 접촉하는 역할을 할 뿐만 아니라 하우징 부분의 역할도 한다. 이는 접촉 판금 부재와 하우징 부분 사이에 별도의 전기 연결이 더 이상 필요하지 않기 때문에 큰 이점이 있다. 이는 하우징 내에 공간을 만들고 전지 조립체를 단순화한다. 또한 하우징 부분과 전지의 집전 장치를 직접 연결하여 전지의 방열 특성이 우수하다.
접촉 판금 부재의 특별한 실시예
또한, 접촉 판금 부재는 에지가 접촉 판금 부재의 원형 에지에 상응하거나 상기 원형 에지의 일부를 형성하는 금속 디스크이거나 상기 금속 디스크를 포함하는 것이 바람직하다. 금속 디스크는 그 에지가 원주 접촉 영역을 따라 관형 하우징 부분의 내부에 접하는 방식으로 관형 하우징 부분에 배치될 수 있다. 또한, 금속 디스크의 에지는 원주 용접 또는 납땜 이음새에 의해 관형 하우징 부분에 연결될 수 있다. 제1 종방향 에지 중 하나는 용접에 의해 접촉 판금 부재, 특히 금속 디스크에 연결될 수 있다.
바람직하게는, 금속 디스크는 제1 종방향 에지 상에 편평하게 안착되어 나선형으로 감긴 전극의 경우에 나선형 형상을 갖는 선형 접촉 영역을 초래한다. 일부 실시예에서, 제1 종방향 에지도 구부러지거나 변형될 수 있다.
금속 디스크의 에지가 원주 접촉 영역을 따라 관형 하우징 부분의 내부에 맞닿을 수 있도록 하기 위해, 관형 하우징 부분은 적어도 금속 디스크의 에지가 맞닿는 섹션에서 원형 단면을 갖는 것이 바람직하다. 이 목적을 위해 섹션이 중공 원통형인 것이 편리하다. 이 섹션에서 관형 하우징 부분의 내경은 접촉 판금 부재의 에지의 외경, 특히 금속 디스크의 외경에 상응하게 적응된다.
관형 하우징 부분에 대한 금속 디스크의 에지 용접은 특히 레이저에 의해 수행될 수 있다. 그러나 대안적으로 납땜이나 본딩에 의해 금속 디스크를 고정하는 것도 가능할 것이다.
원주 용접 또는 납땜 이음새에는 별도의 실링 요소가 필요하지 않는다. 금속 디스크와 관형 하우징 부분은 용접 이음새 또는 납땜을 통해 밀봉 연결된다. 또한 용접 또는 납땜 조인트는 금속 디스크와 관형 하우징 부분 사이에 사실상 저항이 없는 전기 연결을 보장한다. 이 경우 금속 디스크와 관형 하우징 부분은 동일한 극성을 갖는다.
추가의 바람직한 국면에서, 접촉 판금 부재는 금속 디스크이거나 상기 금속 디스크를 포함하고 상기 금속 디스크의 에지는 접촉 판금 부재의 원형 에지에 상응하거나 상기 원형 에지의 부분을 형성하고, 전기 절연 재료로 만들어진 환형 시일이 접촉 판금 부재의 원형 에지, 특히 상기 금속 디스크를 둘러싼다. 또한, 금속 디스크는 환형 시일이 원주 접촉 영역을 따라 관형 하우징 부분의 내부에 접하는 방식으로 관형 하우징 부분에 배치될 수 있다.
따라서 본 실시예에서, 접촉 판금 부재로서 원형 에지를 갖는 것을 접촉 판금 부재의 원형 에지에 전기 절연 재료로 만들어진 환형 시일을 적용하고, 접촉 판금 부재로 관형 하우징 부분의 단자 원형 개구를 폐쇄하는데 사용하는 것이 제안된다.
이 경우 전지는 예를 들어 비딩(beading) 또는 크림핑(crimping) 공정에 의해 폐쇄될 수 있으며, 이에 의해 시일은 압축되는 것이 바람직하다.
시일은 적용 가능한 전해질에 화학적으로 내성이 있어야 하는 기존의 플라스틱 시일일 수 있다. 적합한 밀봉 재료는 당업자에게 알려져 있다.
전기 절연 재료로 만들어진 환형 시일을 갖는 클로저 변형예는 접촉 판금 부재가 관형 하우징 부분으로부터 전기적으로 절연되는 결과를 가져온다. 그것은 전지의 전기적 극(pole)을 형성한다. 금속 디스크의 에지가 원주 용접 또는 납땜된 이음새에 의해 관형 하우징 부분에 결합되는 클로저 변형예의 경우, 관형 하우징 부분 및 접촉 판금 부재는 동일한 극성을 갖는다.
접촉 판금 부재는 금속 디스크를 포함하는 복수의 개별 부분으로 구성될 수 있다. 일부 특히 바람직한 실시예에서, 금속 디스크는 접촉 판금 부재이다.
가장 간단한 실시예에서, 금속 디스크는 단 하나의 평면으로 연장되는 원형 둘레를 갖는 편평한 판금 부분이다. 그러나 많은 경우에 더 정교한 디자인이 선호될 수 있다. 예를 들어, 금속 디스크는 바람직하게는 동심원 배치로, 예를 들어 그 중심 주위에 하나 이상의 원형 함몰부 및/또는 융기부를 갖는 프로파일링될 수 있으며, 이는 예를 들어 물결 모양의(undulating) 단면을 초래할 수 있다. 내부 표면에 하나 이상의 융기부 또는 선형 함몰부 및/또는 융기가 있는 것도 가능하다. 또한, 디스크는, 예를 들어 U자형 단면을 갖는 이중층 에지 영역을 갖도록 방사상으로 안쪽으로 구부러지거나, L자형 단면이 되도록 방사상으로 90° 만큼 구부러진 에지를 가질 수 있다.
특히 바람직한 방식으로, 금속 디스크는 2개의 측면 중 하나에 적어도 하나의 채널형 및/또는 첨단형(point-shaped) 오목부를 가질 수 있고, 이는 다른 측면에서 적어도 하나의 선형 및/또는 첨단형 돌출부로서 나타난다. 적어도 하나의 융기가 있는 측면은 제1 종방향 에지 중 하나와 직접 접촉할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 융기와 제1 종방향 에지 중 하나는 적어도 하나의 용접 또는 납땜 스폿 및/또는 적어도 하나의 용접 또는 납땜 이음새를 통해 연결될 수 있다. 바람직하게는, 종방향 에지는 적어도 하나의 융기부에 직접 용접되거나 납땜된다.
일부 실시예에서, 제1 종방향 에지 중 하나는 적어도 하나의 융기부(elevation)와의 접촉에 의해 구부러지거나 변형될 수 있다.
또한, 비드가 세장형 함몰부로서 도입되는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명에 따른 전지의 금속 디스크의 바람직한 국면에서, 금속 디스크는 측면 중 하나에 바람직하게는 별 모양 배치의 복수의 채널 모양 함몰부를 가질 수 있고, 함몰부는 다른 측면에서 선형 융기부로서 돌출한다. 또한, 금속 디스크는 금속 디스크를 제1 종방향 에지 중 하나에 용접한 결과로서 각각의 채널형 오목부에 적어도 하나의 용접 또는 납땜 이음새, 바람직하게는 2개의 평행한 용접 이음새를 가질 수 있다. 별 모양 배치와 필요한 경우 이중 용접 이음새는 금속 디스크를 제1 종방향 에지 중 하나에 양호하고, 무엇보다도, 균일하게 연결한다.
접촉 판금 부재로 집전 장치의 에지를 용접하는 개념은 WO 2017/215900 A1 또는 JP 2004-119330 A에서 이미 알려져 있다. 이 기술은 특히 높은 전류 전달 용량과 낮은 내부 저항을 가능하게 한다. 접촉 판금 부재, 특히 또한 디스크형 접촉 판금 부재를 집전 장치의 에지에 전기적으로 연결하기 위한 방법과 관련하여 WO 2017/215900 A1 및 JP 2004-119330 A의 내용을 모두 참조한다.
하우징 컵을 포함하는 하우징의 바람직한 실시예
전술한 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지의 하우징은 단자 원형 개구를 갖는 금속 관형 하우징 부분을 포함하는 것을 특징으로 하고, 접촉 판금 부재는 원형 에지를 포함하고 관형 하우징 부분의 종단 원형 개구를 폐쇄하고 제1 종방향 에지 중 하나는 용접에 의해 접촉 판금 부재에 연결된다.
특히 바람직한 국면에서, 본 발명에 따른 전지는 관형 하우징 부분이 원형 바닥을 포함하는 금속 하우징 컵의 일부라는 점에서 그 하우징과 관련하여 특징이 있다. 제1 종방향 에지 중 다른 하나는 바닥에 직접 접하고 바람직하게는 용접에 의해 바닥에 연결되는 것이 제공될 수 있다.
이 변형예는 전기 절연 재료로 만들어진 환형 시일과 함께 위에서 설명한 클로저 변형예에 따른 전지에 특히 적합하다. 금속 디스크의 에지가 원주 용접 또는 납땜 이음새에 의해 관형 하우징 부분에 연결되는 클로저 변형예가 사용된다면, 폴 부싱(pole bushing)이 일반적으로 필요하다.
하우징 컵의 사용은 예를 들어 상기 언급된 WO 2017/215900 A1로부터 전지 하우징의 구성에서 오랫동안 알려져 왔다. 그러나 여기에서 제안된 바와 같이 하우징 컵의 바닥에 집전 장치의 종방향 에지를 직접 연결하는 방법은 알려져 있지 않다.
따라서, 본 발명에 따르면, 와인딩으로서 형성된 전극-분리막 조립체의 대향 단부면들로부터 돌출하는 양극 및 음극의 집전 장치 에지들을 각각의 경우에 하우징 부분 즉 컵의 바닥과 클로저 요소로 작동하는 상술한 접촉 판금 부재에 직접 결합시키는 것이 가능하고 일부 실시예에서는 바람직하다. 따라서 활성 요소들에 대한 전지 하우징의 사용 가능한 내부 용적을 사용하면 이론상 최적에 도달한다.
하우징 재료의 바람직한 실시예
하우징 컵, 접촉 판금 부재 및 그 가능한 구성요소가 만들어지는 재료의 선택은 각각의 하우징 부분에 애노드 또는 캐소드 집전 장치가 부착되는지에 따라 대부분 좌우된다. 바람직한 재료는 기본적으로 집전 장치 자체가 만들어지는 것과 동일한 재료이다. 예를 들어, 상기 하우징 부분은 다음 재료로 구성될 수 있다:
합금 또는 비합금 알루미늄, 합금 또는 비합금 티타늄, 합금 또는 비합금 니켈, 합금 또는 비합금 구리, 스테인리스 스틸(예: 유형 1.4303 또는 1.4404), 니켈 도금 강.
또한, 하우징 및 그 구성 요소는 예를 들어 강철 층과 알루미늄 또는 구리 층을 포함하는 다층 재료(클래드 재료)로 구성될 수 있다. 이러한 경우, 알루미늄 층 또는 구리 층은 예를 들어 하우징 컵의 내부 또는 하우징 컵의 바닥을 형성한다. 다른 적합한 재료는 당업자에게 공지되어 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 접촉 판금 부재가 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하거나 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이 실시예에서, 애노드 집전 장치는 용접에 의해 접촉 판금 부재에 조립될 수 있고 캐소드 집전 장치는 용접에 의해 클로저 부재에 조립될 수 있다.
이 실시예는 애노드 집전 장치 및 캐소드 집전 장치도 각각 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되는 경우에 특히 바람직하다.
하우징 재료와 관련하여 알루미늄, 구리 또는 니켈 합금에 대한 언급이 있는 경우, 이는 바람직하게는 각각의 베이스 금속인 알루미늄, 구리 또는 니켈의 적어도 70 중량%, 바람직하게는 적어도 90 중량%의 함량을 갖는 합금을 의미한다.
전지의 추가 특정 실시예
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 하우징의 단부면 및 바람직하게는 접촉 판금 부재가 압력 임계값이 초과할 경우 하우징으로부터 압력이 빠져나갈 수 있는 안전 밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 안전 밸브는 예를 들어 전지의 폭발을 방지하기 위해 전지에서 정의된 과압(overpressure)에서 파열될 수 있는 파열 다이어프램(diaphragm), 파열 크로스 또는 이와 유사한 미리 결정된 크래킹 포인트일 수 있다. 특히 바람직하게는, 접촉 판금 부재의 금속 디스크는 특히 미리 결정된 크래킹 포인트의 형태로 안전 밸브를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 전지의 특히 바람직한 실시예에서, 전지는 전기적으로 상호 연결된 여러 개의, 바람직하게는 동일한 전기화학 전지를 포함하는 전지 모듈의 부분이다. 이러한 배터리 모듈은 특히 자동차 부문의 애플리케이션에 적합하다. 특히 높은 전력 소비 및 높은 전력 출력과 관련된 이러한 애플리케이션에서 신뢰할 수 있는 모니터링 시스템은 불규칙한 작동 상태를 적시에 감지하고 필요한 경우 이를 제거하기 위해 유용하고 중요하다.
마지막으로, 본 발명은 또한 설명된 전지를 제조하는 방법을 포함하며, 상기 방법은 특히 다음 단계를 특징으로 한다:
a. 적어도 하나의 리본형 음극, 적어도 하나의 분리막, 및 적어도 하나의 리본형 양극의 나선형으로 감긴 조립체를 포함하는 중앙 캐비티를 갖는 원통형 와인딩이 제공되는 단계.
b. 환형 하우징 쉘, 하우징 바닥 및 단부면 개구를 포함하는 컵형 하우징 부분이 제공되는 단계.
c. 와인딩은 단부면 개구를 통해 하우징 부분에 삽입되는 단계.
d. 단부면 개구는 예를 들어 플랜징 프로세스에 의해 제2, 바람직하게는 디스크형 하우징 부분에 의해 폐쇄되는 단계.
e. 와인딩은 전해질로 적셔지는 단계.
f. 와인딩 상태의 변화를 정성적으로 및/또는 정량적으로 검출할 수 있는 적어도 하나의 센서 수단 또는 센서 수단의 적어도 일부가 와인딩의 중앙 캐비티에 도입되는 단계.
g. 적어도 하나의 센서 수단에 의해 검출되는 측정된 값들을 표시할 수 있고/있거나 상기 측정된 값들이 수신 및/또는 평가 유닛으로 전송될 수 있는 하우징 바닥에 디스플레이 수단 및/또는 접촉 수단이 배치되는 단계.
지정된 단계는 지정된 순서대로 수행할 필요가 없다. 예를 들어, 와인딩을 삽입하기 전이나 후에 하우징 바닥에 디스플레이 및/또는 접촉 수단을 배치하는 것이 가능하다. 센서 수단은 와인딩이 하우징 바닥에 삽입되기 전이나 후에 배치될 수도 있다. 센서 수단이 삽입되기 전 또는 단부면 개구가 닫힌 후에 반드시 전해질로 와인딩을 함침시킬 필요는 없다. 그러나 일반적으로 와인딩을 하우징에 삽입한 후에 와인딩에 전해액을 함침시키는 것이 바람직하다.
프로세스 단계에서 사용되는 전지 구성요소의 바람직한 실시예에 관하여, 반복을 피하기 위해 본 발명에 따른 전지의 상기 설명을 참조한다.
음극 및 양극은 바람직하게는, 상기 단계 c 및 d 후에, 그러나 바람직하게는 상기 단계 e 전에, 하우징을 통과할 수 있는 전기 전도체 또는 하우징과 전기적으로 접촉된다.
제조 프로세스의 특히 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 센서 수단 또는 센서 수단의 적어도 하나의 부분은 삽입되고 특히 상술한 세장형 캐리어 몸체, 특히 상술한 세장형 중공 몸체와 함께 와인딩의 중앙 캐비티 내로 밀어넣어진다. 이 조치는 상대적으로 적은 수작업으로 전지의 특히 간단한 제조를 허용하므로 이 제조 프로세스는 자동화된 제조에 특히 적합하다.
센서 수단 또는 센서 수단의 부분은 바람직하게는 하우징의 단부면 중 하나, 특히 하우징 바닥에 있는 중앙 오목부 또는 개구를 통해 와인딩의 내부 또는 중앙 캐비티로 도입된다. 특히 바람직한 방식으로, 센서 수단 또는 센서 수단의 부분의 이러한 삽입은, 제공되는 경우, 와인딩의 중앙 캐비티 내로 삽입되는 세장형 캐리어 몸체와 함께 수행된다. 중앙 오목부 또는 개구는 예를 들어, 제공되는 경우, PCB 보드 내에 위치할 수 있으며 하우징 바닥의 부분을 형성하거나 하우징을 폐쇄할 수 있으므로, 전술된 방식으로 전지의 접촉 및/또는 디스플레이 수단을 형성할 수 있다.
제조 프로세스의 특히 바람직한 실시예에서, 하우징 바닥 및 가능하면 PCB 보드에 있는 이 중앙 개구는 전해질을 투여하거나 전지 내부로 도입하기 위해 사용된다. 이러한 맥락에서, 예를 들어, 먼저 전해질이 주입된 다음 세장형 캐리어 몸체가 와인딩의 내부 또는 중앙 캐비티로 도입되는 것이 제공될 수 있다. 그런 다음 하우징은 하우징 바닥에서 밀봉된다. 이는 예를 들어 기존 조인트 및 접촉 영역을 접착(gluing), 납땜 또는 용접하여 수행할 수 있다.
전지의 나머지 생산, 예를 들어 리드의 비딩 및 기타는 특히 원통형 원형 전지 또는 버튼 전지에 대해 공지된 바와 같이 그 자체로 공지된 방식으로 수행될 수 있다.
선택적으로 제공되는 압력 센서의 배치는 예를 들어 선택적으로 제공되는 PCB 보드의 표면에서 또는 PCB 보드의 오목부 또는 개구에서 발생할 수 있으며, 이 압력 센서는 바람직하게는 중공 몸체로서 설계된 선택적으로 제공되는 세장형 캐리어 몸체의 내부와 연통 연결되어 있어서, 와인딩 내부로부터 압력 변동 또는 압력 변화가 압력 센서로 직접 전달되도록 한다.
와인딩 내부로의 센서 수단 또는 센서 수단의 부분의 통합은 예를 들어 PCB 보드 단부면을 사용하는 대신 플라스틱 밀봉 또는 유리 대 금속(glass-to-metal) 부싱에 의해 다른 방식으로 실현될 수도 있다.
PCB 보드는 바람직하게는 그 자체로 공지된 방식으로 인출될 수 있는 접촉부를 갖는다. 신호의 추가 처리 및/또는 평가를 위해, 예를 들어 추가 평가 및/또는 처리 장치에 대한 유선 또는 무선 연결이 제공될 수 있다. 예를 들어 PCB 보드의 접촉부는 일반적인 방식으로 배선되어 외부 장치로의 신호 라우팅을 수행할 수 있다. 필요한 경우 신호 전달은 무선일 수도 있지만 일반적으로 낮은 전력 요구 사항으로 인해 유선 신호 전달이 선호된다.
이러한 방식으로, 예를 들어 중앙 배터리 관리 시스템은 본 발명에 따른 복수의 개별 전지가 상호 연결될 때 구현될 수 있다. 예를 들어, 10개에서 1000개 사이, 예를 들어 100개의 개별 전지는 공통 배터리 관리 및 모니터링 시스템으로 상호 연결되고 모니터링 및 제어될 수 있다.
조립하는 동안 PCB 보드는 예를 들어 필요한 경우 특히 하우징의 바닥면에 제공된 금속 하우징의 상응하는 원형 오목부에 삽입될 수 있다. 센서 수단 및 해당되는 경우 세장형 캐리어 몸체 및 해당되는 경우 전해질의 삽입 후 PCB는 밀봉 본딩, 용접 또는 예를 들어 납땜될 수 있다. 접촉 기능과 필요한 경우 신호 표시 및/또는 전달 기능 외에도 PCB 보드는 밀봉 기능도 수행한다.
적어도 하나의 접촉 판금 부재를 갖는 실시예 전지에서, 와인딩의 내부 또는 중앙 캐비티 내로 센서 수단 또는 센서 수단의 부분을 삽입하기 위해 접촉 판금 부재 중 하나에 중앙 오목부가 제공될 수 있다.
본 발명의 추가 특징 및 장점은 도면과 함께 실시예의 예에 대한 다음 설명으로부터 명백해질 것이다. 이와 관련하여 개별 특징들은 개별적으로 또는 서로 결합하여 각각 실현될 수 있다.
도면에서:
도 1 은 원형 전지의 중앙 캐비티에 관형 세장형 캐리어 몸체가 있는 원통형 원형 전지의 도면.
도 2는 본 발명에 따른 전지의 실시예의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 전지의 추가 실시예의 단면도; 그리고
도 4는 본 발명에 따른 전지의 추가 실시예의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 접촉 판금 부재를 갖는 원통형 원형 전지의 단면도.
를 개략적으로 보여준다.
도 1은 원통형 원형 전지(10)의 개략적인 외부도를 도시하며, 이 도면에서 본 발명에 따른 센서 수단의 배치의 세부사항은 도시되지 않는다. 전지(10)는 제1(리드측) 단부면(11) 및 제2(하부측) 단부면(12) 및 환형 하우징 쉘(13)을 갖는 하우징을 포함한다. 단부면(11)은 전지(10)의 양극(16)을 포함한다. 바닥측 단부면(12)은 전지의 음극을 형성한다.
이 하우징은 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리막 및 적어도 하나의 양극의 조립체인 와인딩을 수용하도록 설계된다. 예를 들어 추가 접착 테이프를 사용하여 와인딩을 안정화할 수 있다. 전극과 분리막의 조립체는 도 1에서 점선(14)으로 표시된 와인딩 축 둘레에 감겨 있다. 이 와인딩 축(14)은 와인딩(여기에는 도시되지 않음)에 의해 포함되는 중앙 캐비티를 통과한다. 세장형 중공 캐리어 몸체(15)가 이 중앙 캐비티에 배치된다. 본 발명에 따르면, 이 캐리어 몸체(15)는 하나 이상의 센서 수단을 수용하기 위해 제공될 수 있거나 그 자체가 센서 수단의 부분일 수 있다.
본 발명에 따른 전지의 다른 실시예에서, 이러한 캐리어 몸체(15)는 생략될 수 있고, 어떤 경우에도 적어도 하나의 센서 수단 또는 센서 수단의 적어도 부분은 와인딩에 의해 포함된 중앙 캐비티에 배치된다.
도 2는 본 발명에 따른 전지(50)의 단면을 더 상세하게 도시한다. 도 1에서 설명된 요소에 상응하는 요소에는 동일한 참조 번호가 부여된다. 이 도면에서, 하부 단부면(12)은 상부에 도시되어 있다. 리드(11)는 플랜징(17)에 의해 하우징 쉘(13)에 고정된다. 시일(18)은 하우징 쉘(13)로부터 리드(11)을 절연시킨다. 와인딩(19)은 하우징 내부에 위치된다. 와인딩(19)의 전극 중 하나는 리드(11)에 전기적으로 연결되고 따라서 도체(31)를 통해 극(16)에도 연결된다. 와인딩(19)의 제2 전극은 도체(32)를 통해 바닥 단부면(12)에 전기적으로 연결된다.
와인딩(19)은 중앙 캐비티(20)를 포함한다. 중앙 캐비티(20) 내에는 세장형 중공 캐리어 몸체(15)가 배치된다. 중공 캐리어(15) 내부에는 온도 센서(21)로서의 NTC 소자가 있다. 온도 센서(21)는 한 쌍의 전기 전도체(22)를 통해 외부로 유도되고 하우징의 바닥 단부면(12)의 부분인 PCB 보드(23)와 접촉한다.
이 실시예에서, 세장형 캐리어 몸체(15)는 단부면(12)으로부터 멀어지는 캐리어 몸체(15)의 단부에 정의된 전위를 갖는 금속 코팅, 바람직하게는 금속 리튬 또는 선택적으로 또 다른 리튬 함유 물질에 의한 코팅을 제공함으로써 기준 전극(24)의 기능을 추가로 갖는다.
기준 전극으로서의 이 실시예에서, 세장형 캐리어 몸체(15)는 바람직하게는 금속 재료, 예를 들어 구리로 구성되거나, 예를 들어 상응하는 재료로 코팅됨으로써 전기 전도성을 가져서, 기준 전극(24)과 와인딩(19)의 애노드 또는 캐소드 사이의 절대 전압 차이가 단부면(12) 영역에서 기준 전극(24)에 의해 인출될 수 있다.
또한, 이 실시예에서, 압력 센서(25)는 중공 캐리어 몸체(15)의 내부와 연통하는 PCB 보드(23) 상에 배치된다. 여기서, 중공 캐리어 몸체(15)에는 여기에서 더 상세하게 도시되지 않은 적어도 하나의 개구가 제공되어, 세장형 캐리어 몸체(15)의 내부 공간과 전지(50) 내의 주변 내부 공간 사이에서 압력 균등화가 일어난다.
따라서, 압력 센서(25)의 맥락에서, 중공 캐리어 몸체(15)는 센서 수단의 부분을 구성하며 이는 전지(50) 내에서 변화하는 압력이 혹시 존재한다면 중공 캐리어 몸체(15)를 통해 단부면에 위치한 압력 센서(25)로 전달되기 때문이다.
PCB 보드는 하우징의 바닥 단부면(12)에 있는 상응하는 오목부에 밀봉식으로 삽입되며, 원주 밀봉부(26)가 제공된다. 다른 실시예에서, 예를 들어 본딩, 용접, 납땜 등이 대신 제공될 수 있다.
센서 시스템을 위한 접촉 및/또는 디스플레이 수단으로서 PCB 보드(23)의 사용은 센서 시스템과 접촉하기 위한 구현하기 쉽고 유리한 설계 옵션을 제공한다. 마찬가지로, 예를 들어 PCB 보드(23) 대신에 유리 또는 플라스틱 등으로 만들어진 유사한 플레이트를 사용하고 다른 방식으로 센서 시스템의 접촉을 제공하는 것도 가능하다.
도 3은 도 2의 전지(50) 또는 도 5를 참조하여 아래에서 설명되는 전지(100)와 대체로 유사한 본 발명에 따른 전지로부터의 센서 시스템에 관한 섹션을 도시한다. 대조적으로, 도 3에 도시된 실시예는 압력 센서를 포함하지 않는다. 여기에 도시된 전지는 기준 전극(24)과 온도 센서(21)로서의 NTC 요소의 조합을 포함하며, 이들은 단부면 PCB 보드(23) 또는 유사한 요소에 연결된다. 이 섹션은 센서 시스템을 전지에 통합하기 위해 본 발명에 따른 전지 제조 동안 전지의 와인딩의 중앙 캐비티에 삽입될 수 있는 요소를 예시한다.
도 4는 또한 이 경우에 방울 모양인 기준 전극(24) 및 온도 센서(21)로서 NTC 소자를 갖는 본 발명에 따른 전지의 단면을도시한다. 이들 센서 수단은 세장형 그리고 중공 캐리어 몸체(15) 상에 또는 내부에 배치된다. 온도 센서(21)의 리드(22)는 외부로 안내되고 PCB 보드(23)의 전도체 구조(27)와의 접촉을 위해 제공된다.
PCB 보드(23)는 전지의 바닥 단부면(12)에 있는 상응하는 오목부 또는 개구에 삽입되고, 예를 들어 땜납(28) 또는 접착제 또는 다른 실런트를 사용하여 하우징에 밀봉식으로 삽입된다.
도 5에 도시된 전지(100)는 와인딩(19)으로부터 돌출된 집전 장치의 종방향 에지(115a, 125a)가 단부면에 배치된 접촉 판금 부재(113, 114)에 직접 연결되는 접촉 판금 부재를 갖는 전지를 도시한다. 또한, 도 2와 유사하게, 와인딩(19)은 중앙 캐비티(20)를 포함한다. 중앙 캐비티(20) 내에서, 세장형 캐리어 몸체(15)는 중공 몸체 형태로 배치된다. 중공 캐리어(15) 내부에는 온도 센서(21)로서의 NTC 요소가 있다. 온도 센서(21)는 한 쌍의 전기 전도체(22)를 통해 외부로 유도되고 하우징의 바닥 단부면(12)의 부분인 PCB 보드(23)와 접촉한다.
이 실시예에서, 세장형 캐리어 몸체(15)는 단부면(12)으로부터 멀어지는 캐리어 몸체(15)의 단부에 정의된 전위를 갖는 금속 코팅, 바람직하게는 금속 리튬 또는 선택적으로 또 다른 리튬 함유 물질의 코팅을 제공함으로써 기준 전극(24)의 기능을 추가로 갖는다.
이 실시예에서, 세장형 캐리어 몸체(15)는 바람직하게는 금속 재료, 예를 들어 구리로 구성되거나, 예를 들어 상응하는 재료로 코팅됨으로써 전기 전도성을 가져서, 기준 전극(24)과 와인딩(19)의 애노드 또는 캐소드 사이의 절대 전압 차이가 단부면(12) 영역에서 기준 전극(24)에 의해 인출될 수 있다.
또한, 이 실시예에서, 압력 센서(25)는 중공 캐리어 몸체(15)의 내부와 연통하는 PCB 보드(23) 상에 배치된다. 여기서, 중공 캐리어 몸체(15)는 여기서는 더 상세하게 도시되지 않은 적어도 하나의 개구가 제공되어서, 세장형 캐리어 몸체(15)의 내부 공간과 전지(100) 내의 주변 내부 공간 사이에서 압력 균등화가 일어난다.
따라서, 압력 센서(25)의 맥락에서, 중공 캐리어 몸체(15)는 센서 수단의 부분을 구성하며 이는 전지(100) 내에서 변화하는 압력이 혹시 존재한다면 중공 캐리어 몸체(15)를 통해 단부면에 위치한 압력 센서(25)로 전달되기 때문이다.
PCB 보드는 하우징의 바닥 단부면(12)에 있는 상응하는 오목부에 밀봉식으로 삽입되며, 원주 시일(26)이 제공된다. 다른 실시예에서, 예를 들어 본딩, 용접, 납땜 등이 대신 제공될 수 있다.
센서 시스템을 위한 접촉 및/또는 디스플레이 수단으로서 PCB 보드(23)의 사용은 센서 시스템과 접촉하기 위한 구현하기 쉽고 유리한 설계 옵션을 제공한다. 마찬가지로, 예를 들어 PCB 보드(23) 대신에 유리 또는 플라스틱 등으로 만들어진 유사한 플레이트를 사용하고 다른 방식으로 센서 시스템의 접촉을 제공하는 것도 가능하다.
전지(100)의 추가 세부 사항은 아래에서 설명된다.
전지(100)는 바닥(12) 및 리드(11)과 함께 전지의 하우징을 형성하는 중공 원통형 하우징 부분(101)을 포함한다. 리드(111)는 원형 둘레를 갖는 금속 디스크로 형성된다. 리드(11)의 영역에서, 하우징 부분(101)은 리드(11)에 의해 폐쇄되는 원형 개구(테두리(101a)에 의해 정의됨)를 갖는다. 전지의 하우징은 중공 원통형 와인딩(19)으로 형성된 전극 분리막 조립체가 축방향으로 정렬되는 내부 공간을 둘러싼다. 리드(111)는 그 에지(111a)가 원주 접촉 영역을 따라 관형 하우징 부분(101)의 내부 표면에 접하도록 관형 하우징 부분(101) 내에 배치된다. 에지(111a)는 원주 방향의 용접 또는 납땜 이음새에 의해 관형 하우징 부분(101)에 연결된다. 관형 하우징 부분(101)의 에지(101a)는 금속 디스크(111)의 에지 위에서 안쪽으로 반경 방향으로(여기서는 약 90°만큼) 구부러져 있다.
전극-분리막 조립체는 2개의 단자 단부면을 갖는 원통형 와인딩(19)의 형태이며, 2개의 단자 단부면 사이에는 중공-실린더형 하우징 부분(101)의 내부에 기대는 원주형 와인딩 쉘이 연장된다. 그것은 양극과 음극, 분리막(118, 119)으로 이루어지며, 이들의 각각은 리본형이고 나선형으로 감겨져있다. 전극-분리막 조립체 또는 와인딩(19)의 2개의 단부면은 분리막(118 및 119)의 종방향 에지에 의해 형성된다. 집전 장치(115 및 125)는 이들 단부면으로부터 돌출한다. 캐소드 집전 장치(125)는 예를 들어 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 애노드 집전 장치(115)는 예를 들어 구리, 니켈 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다.
애노드 집전 장치(115)는 전극-분리막 조립체의 상단면에서 돌출되고, 캐소드 집전 장치(125)는 하단면에서 돌출된다. 애노드 집전 장치(115)는 음극 물질(155)의 층을 갖는 스트립형 메인 영역에 담지된다. 캐소드 집전 장치(125)는 양극 물질(123)의 층을 갖는 스트립형 메인 영역에 담지된다. 애노드 집전 장치(115)는 종방향 에지(115a)를 따라 연장되는 에지 스트립(117)을 가지며, 이는 전극 물질(155)로 담지되지 않는다. 대신에, 세라믹 지지체 재료의 코팅(165)이 이 영역에서 집전 장치를 안정화시키기 위한 선택적인 조치로서 여기에 적용된다. 캐소드 집전 장치(125)는 전극 물질(123)이 담지되지 않은 종방향 에지(125a)를 따라 연장되는 에지 스트립(121)을 갖는다. 대신에, 세라믹 지지체 재료의 선택적인 코팅(165)이 이 영역에도 적용된다.
리드(111)은 극 핀(108)을 통해 접촉 판금 부재(110)에 전기적으로 연결된다. 금속 접촉 판금 부재(113)는 2개의 측면을 포함하고, 그 중 하나인, 도면에서 상부 측면이 리드(111)를 향한다. 접촉 판금 부재(113)의 타측면인, 이 경우 하측에서 종방향 에지(115a)는 전체 길이에 걸쳐 접촉 판금 부재(113)와 직접 접촉하여 리드(111)와 전기적으로 접촉하고 용접에 의해 후자에 연결된다.
바람직한 실시예에서, 리드(111), 접촉 판금 부재(113) 및 극 핀은 함께 단일 단계로 조립될 수 있는 리드 조립체(110)를 형성한다.
극 핀(108)은 접촉 판금 부재(113)에 용접되거나 납땜되고 금속 디스크(111)의 중앙 개구를 통해 전지(100)의 하우징 밖으로 연장된다. 리드 조립체(110)는 절연 수단(103)을 더 포함하며, 이는 극 핀(108) 및 따라서 또한 극 핀에 용접되거나 납땜된 접촉 판금 부재(113)를 리드(111)로부터 전기적으로 절연시킨다. 리드(111)만이 하우징 부분(101)과 직접 접촉하여 전기적으로 접촉한다. 극 핀(108)과 접촉 판금 부재(113)는 하우징 컵으로부터 절연된다.
양극 집전 장치(125)의 에지(125a)는, 바람직하게는 전체 길이에 걸쳐, 접촉 판금 부재(114)와 직접 접촉하는 것이 바람직하다. 에지(125a)는 용접에 의해(특히 레이저에 의해) 접촉 판금 부재(114)와 조립된다. 접촉 판금 부재(114)는 전지의 대향 단부면 상의 접촉 판금 부재(113)와 기능적으로 유사하지만, 접촉 판금 부재(114)는 세장형 캐리어 몸체(15)가 통과하기 위한 중앙 오목부를 갖는다. 접촉 판금 부재(114)는 예를 들어 용접에 의해 하우징의 바닥(12)에 전기 전도성으로 연결된다.

Claims (14)

  1. 전기화학 전지(10; 100)로서,
    a. 전지는 적어도 하나의 리본형 음극을 포함하고,
    b. 전지는 적어도 하나의 리본형 양극을 포함하며,
    c. 상기 적어도 하나의 음극 및 상기 적어도 하나의 양극은 각각 집전 장치 및 상기 집전 장치에 적용된 전기화학적 활성 성분을 포함하고,
    d. 상기 적어도 하나의 음극 및 상기 적어도 하나의 양극은 조립체를 형성하고 적어도 하나의 분리막에 의해 서로 분리되고,
    e. 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리막 및 적어도 하나의 양극을 포함하는 조립체는 와인딩 축(14) 둘레에 나선형으로 감겨져 와인딩(19)을 형성하며, 와인딩은 2개의 단자 단부면과 원주형 와인딩 쉘을 갖고,
    f. 음극 및 양극은, 음극의 집전 장치의 종방향 에지가 단자 단부면 중 하나로부터 돌출하고 양극의 집전 장치의 종방향 에지가 와인딩의 다른 쪽 단부면으로부터 돌출하도록, 구성되고/구성되거나 서로에 대해 조립체 내에서 배치되고,
    g. 전지는 돌출된 종방향 에지 중 하나와 직접 접촉하고 용접에 의해 상기 종방향 에지에 연결되는 적어도 하나의 접촉 판금 부재를 포함하고,
    h. 와인딩(19)은 와인딩 축(14)이 통과하는 중앙 캐비티(20)를 포함하고,
    i. 전지는 제1 및 제2 단부면(11, 12)을 갖는 하우징 및 와인딩(19)이 배치되는 내부 공간을 밀봉하여 둘러싸는 환형 하우징 쉘(13)을 갖고,
    j. 와인딩(19)의 상태 변화를 정성적 및/또는 정량적으로 검출할 수 있는 적어도 하나의 센서 수단(24, 21) 또는 센서 수단의 적어도 일부(25)가 중앙 캐비티(20)에 배치되고,
    k. 상기 제1 및/또는 제2 단부면(11, 12)에는 적어도 하나의 센서 수단(24, 21, 25)에 의해 검출된 측정값을 표시할 수 있고/있거나 상기 측정값이 수신 유닛 및/또는 평가 유닛으로 전송될 수 있는 디스플레이 수단 및/또는 접촉 수단(23)이 있는
    전기화학 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    a. 적어도 하나의 센서 수단은 기준 전극(24)을 포함한다.
    b. 적어도 하나의 센서 수단은 온도 센서(21)를 포함한다.
    c. 적어도 하나의 센서 수단은 압력 센서(25)를 포함한다.
    중 적어도 하나의 추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    a. 기준 전극(24)은 중앙 캐비티(20)에 위치한다.
    b. 센서 수단은 기준 전극(24)에 의해 결정된 측정값이 디스플레이 및/또는 접촉 수단(23)으로 전송될 수 있는 적어도 하나의 연결 수단(15)을 포함한다.
    중 적어도 하나의 추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    a. 기준 전극(24)은 리튬 또는 리튬 함유 물질을 포함하고, 적어도 하나의 연결 수단(15)은 전기 전도체인
    추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  5. 제2항 내지 제4항에 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 온도 센서(21)는 중앙 캐비티(20)에 위치한다.
    b. 센서 수단은 온도 센서(21)에 의해 결정된 측정값이 디스플레이 및/또는 접촉 수단(23)으로 전송될 수 있는 적어도 하나의 연결 수단(22)을 포함한다.
    중 적어도 하나의 추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    a. 온도 센서(21)는 온도 종속 저항이거나 온도 종속 저항을 포함하고, 적어도 하나의 연결 수단은 전기 전도체(22)를 포함하는
    추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 세장형 캐리어 몸체(15), 특히 세장형 중공 몸체는 와인딩(19)의 중앙 캐비티(20)에 배치되는
    추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    a. 세장형 캐리어 몸체(15)는 적어도 일부가 유리 및/또는 세라믹 및/또는 금속 및/또는 플라스틱으로 구성된다.
    b. 세장형 캐리어 몸체(15)는 적어도 부분적으로 또는 완전히 전기 전도성이다.
    c. 세장형 캐리어 몸체(15)는 전기 전도성 재료로 적어도 부분적으로 코팅된다.
    d. 세장형 캐리어 몸체(15)는 하우징 및/또는 적어도 하나의 전극에 대해 전기적으로 절연된다.
    e. 세장형 캐리어 몸체(15)는 하우징의 단부면(11, 12) 중 적어도 하나에 밀봉식으로 연결된다.
    중 적어도 하나의 추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    a. 압력 센서(25)는 하우징의 단부면(12) 중 하나에 있다.
    b. 센서 수단은 중앙 캐비티 내로 돌출하는 세장형 중공 몸체(15)를 포함하며, 상기 세장형 중공 몸체(15)를 통해 하우징에 의해 둘러싸인 내부 공간이 압력 센서(25)와 연통 연결된다.
    c. 압력 센서(25)는 피에조 압력 센서이다.
    중 적어도 하나의 추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 세장형 캐리어 몸체(15)는 전지(10)의 온도 제어를 위해 배치된다.
    b. 세장형 캐리어 몸체(15)는 외부 온도 조절 장치와 접촉한다.
    중 적어도 하나의 추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 디스플레이 및/또는 접촉 수단은 PCB 보드(23)를 포함한다.
    b. 디스플레이 및/또는 접촉 수단은 PCB 보드(23)이다.
    c. 디스플레이 및/또는 접촉 수단은 PCB 보드에 배치된다.
    중 적어도 하나의 추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    a. PCB 보드(23)는 적어도 하나의 센서 수단(24, 21, 25) 및/또는 청구항 제9항에 따른 세장형 캐리어 몸체(15)를 수용하기 위한 중앙 오목부 또는 개구를 갖는다.
    b. PCB 보드(23)는 단부면(11, 12)의 주변 영역 또는 주변 하우징 쉘에 밀봉식으로 연결된다.
    c. PCB 보드(23)는 단부면(11, 12)의 주변 영역 또는 주변 하우징 쉘에 밀봉식으로 연결된다.
    d. PCB 보드(23)는 전지 하우징의 일부, 특히 하우징의 단부면 또는 단부면의 일부를 형성한다.
    중 적어도 하나의 추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 전지(10)는 리튬 이온 전지이다.
    b. 전지(10)는 원통형 원형 전지이다.
    c. 전지(10)는 버튼 전지(button cell)이다.
    중 적어도 하나의 추가적인 특징을 갖는
    전기화학 전지.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 전지의 제조방법에 있어서,
    a. 적어도 하나의 리본형 음극, 적어도 하나의 분리막, 및 적어도 하나의 리본형 양극의 나선형으로 감긴 조립체를 포함하는 중앙 캐비티를 갖는 원통형 와인딩이 제공되는 단계.
    b. 환형 하우징 쉘(13), 하우징 바닥 및 단부면 개구를 갖는 컵형 하우징 부분이 제공되는 단계.
    c. 와인딩(19)은 단부면 개구를 통해 하우징 부분에 삽입되는 단계.
    d. 단부면 개구는 제2, 바람직하게는 디스크형 하우징 부분에 의해 폐쇄되는 단계.
    e. 와인딩(19)은 전해질로 적셔지는 단계.
    f. 와인딩 상태의 변화를 정성적으로 및/또는 정량적으로 검출할 수 있는 적어도 하나의 센서 수단 또는 센서 수단의 적어도 일부가 와인딩의 중앙 캐비티에 도입되는 단계.
    g. 적어도 하나의 센서 수단(24, 21, 25)에 의해 검출되는 측정된 값들을 표시할 수 있고/있거나 상기 측정된 값들이 수신 및/또는 평가 유닛으로 전송될 수 있는 하우징 바닥(12)에 디스플레이 및/또는 접촉 수단(23)이 배치되는 단계를 포함하는
    전지 제조방법.
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