KR20230019122A - 높은 비에너지 밀도를 가진 리튬 이온 셀 - Google Patents

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KR20230019122A
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에드워드 피틀릭
마이클 갓샬크
데이비드 엔슬링
마틴 엘머
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바르타 마이크로바테리 게엠베하
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Abstract

본 발명은 애노드(120)/분리막(118)/캐소드(130) 시퀀스를 구비한 권선의 형태의 스트립형 전극-분리막 복합재(104)를 포함하는 리튬 이온 셀(100)에 관한 것으로서, 애노드 집전체(110) 및 캐소드 집전체(115)를 형성하기 위해, 애노드(120)와 캐소드(130)는 4μm 내지 30μm 범위의 두께를 갖고 제1 및 제2 길이방향 에지(110e; 115e) 및 두 개의 말단들을 갖는 각각의 스트립형 금속 호일(metal foil)에 연결된다. 애노드 집전체(110)와 캐소드 집전체(115)는 전극 재료(123; 125)의 층으로 담지된 각각의 스트립형 메인 영역(122; 116) 및 제1 길이방향 에지(110e; 115e)를 따라 연장하고 전극 재료(23; 125)로 담지되지 않은 각각의 자유 에지 스트립(121; 117)을 갖는다. 애노드 집전체(110)의 제1 길이방향 에지(110e)가 터미널 말단 면(104b)으로부터 나오고(exit) 캐소드 집전체(115)의 제1 길이방향 에지(115e)가 권선의 다른 터미널 말단 면(104a)을 나오도록, 애노드(120)와 캐소드(130)는 설계되고/설계되거나 전극-분리막 복합재(104) 내부에서 서로에 대해 배열된다. 셀(100)은 제1 길이방향 에지(110e; 115e)들 중 하나와 직접 접촉하고 용접 공정에 의해 상기 길이방향 에지에 연결되는 접촉 시트 금속 부재를 갖는다. 용접 공정에 의해 시트 금속 접촉 부분(105; 106)에 연결되는 집전체(110; 115)의 스트립형 메인 영역(122; 116)은 복수의 개구(111)를 갖는다(도 2 참조).

Description

높은 비에너지 밀도를 가진 리튬 이온 셀
이하에서 설명되는 본 발명은 권선(winding)의 형태로 전극-분리막 조립체를 포함하는 리튬-이온 셀에 관한 것이다.
전기 화학 셀은 산화 환원 반응을 통해 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 그것은 일반적으로 분리막에 의해 서로 분리된 양극과 음극을 포함한다. 방전 중에 전자는 산화 과정의 결과로 음극에서 방출된다. 그 결과 외부 전기 소비자가 끌어낼 수 있는 전자 전류가 생성되며, 이러한 경우에 전기화학 셀은 에너지 공급자 역할을 한다. 동시에, 전극 반응에 해당하는 이온 전류가 셀 내에서 발생한다. 상기 이온 전류는 분리막을 가로지르며 이온 전도성 전해질에 의해 보장된다.
방전이 가역적이면, 즉 방전 중에 발생한 화학 에너지의 전기 에너지로의 변환하여 다시 셀을 충전하는 것이 가능하면, 이는 2차 셀이라고 불린다. 음극을 애노드로 지정하고 양극을 캐소드로 지정하는 것은, 2차 셀에 대해 일반적으로 사용되며, 전기 화학 셀의 방전 기능을 나타낸다.
널리 사용되는 2차 리튬 이온 셀은, 이온 형태로 셀의 전극들 사이를 이동할 수 있는 리튬의 사용을 기반으로 한다. 리튬 이온 셀은 비교적 높은 에너지 밀도를 특징으로 한다. 리튬 이온 셀의 음극 및 양극은 전기 화학적 활성 성분 뿐만 아니라 전기 화학적 비활성 성분을 포함하는 소위 복합 전극에 의해 일반적으로 형성된다.
원칙적으로, 리튬 이온을 흡수 및 방출할 수있는 모든 물질은 2차 리튬 이온 셀의 전기 화학적 활성 성분(활성 물질)으로 사용될 수있다. 흑연 탄소와 같은 탄소계 입자가 음극에 대해 자주 사용된다. 리튬의 삽입(intercalation)에 적합한 다른, 비 흑연성 탄소 재료가 또한 사용될 수있다. 또한, 리튬과 합금가능한 금속 및 반-금속(semi-metallic) 재료도 사용될 수 있다. 예를 들어, 원소들 주석, 알루미늄, 안티몬 및 실리콘은 리튬과 금속 간(intermetallic) 상을 형성 할 수 있다. 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4), 리튬 티타네이트(Li4Ti5O12) 또는 리튬 철 인산염(LiFePO4) 또는 이들의 유도체가 양극의 활성 물질로 사용될 수 있다. 전기화학적 활성 물질은 일반적으로 전극 내에 입자 형태로 함유된다.
전기화학적 불활성 성분으로서, 복합 전극은 평면 및/또는 스트립형 전류 컬렉터, 예를 들어 활성 물질로 코팅된 금속 호일을 일반적으로 포함한다. 예를 들어, 음극용 집전체(애노드 집전체)는 구리 또는 니켈로 형성될 수 있고, 양극용 집전체(캐소드 집전체)는 예를 들면, 알루미늄으로 형성될 수 있다. 또한, 전극은 전극 바인더(예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 다른 중합체, 예를 들어 카르복시메틸 셀룰로오스)를 포함할 수 있다. 이것은 전극의 기계적 안정성을 보장하고 종종 집전체에 대한 활성 물질의 접착력(adhesion)을 보장한다. 또한, 전극은 전도성 향상 첨가제 및 다른 첨가제를 함유할 수 있다.
전해질로서, 리튬 이온 셀은 일반적으로 유기 용매(예를들어 탄산 에스테르 및 에테르)에서 리튬 헥사플루오로인산염 (LiPF6)과 같은 리튬염 용액을 포함한다.
리튬 이온 셀의 제조 동안, 복합 전극은 하나 이상의 분리막과 결합되어 조립체를 형성한다. 대부분의 경우에, 전극 및 분리막은 라미네이션 또는 본딩(bonding)에 의해 함께 결합된다. 그런 다음 전해질로 복합재를 함침시켜 셀의 기본 기능이 확립될 수 있다.
많은 실시예에서, 조립체는 다중 조립들이 서로 위에 평평하게 적층될 수 있도록 평평하게 형성된다. 그러나 자주, 조립체는 권선(winding)으로 생산되거나 권선으로 가공된다.
일반적으로, 조립체는, 감기든 감기지 않든, 시퀀스 양극/분리막/음극을 포함한다. 종종, 조립체는 가능한 시퀀스들 음극 / 분리막 / 양극 / 분리막 / 음극 또는 양극 / 분리막 / 음극 / 분리막 / 양극을 구비한 소위 바이셀(bicell)로 제조된다.
자동차 섹터에서의 응용들에 대해, 전기 자전거(e-bikes)에 대해 또는 공구에서와 같이 높은 에너지 요구 사항이 있는 기타 응용들에 대해, 충전 및 방전 중에 고전류로 로딩될(loaded) 수도 있는 가능한 가장 높은 에너지 밀도를 구비한 리튬 이온 셀이 필요하다. 이러한 셀은 예를 들어 WO 2017/215900 A1에 기재되어 있다.
언급된 응용들을 위한 셀은 종종 예를 들어 형수(form factor) 21 x 70(mm의 직경 * 높이)을 갖는 원통형 둥근 셀로서 설계된다., 이러한 유형의 셀은 항상 권선 형태의 조립체를 포함한다. 이러한 형수의 최신 리튬 이온 셀은 이미 최대 270Wh / kg의 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 그러나, 이러한 에너지 밀도는 중간 단계로 고려되고 있을 뿐이다. 시장은 이미 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 가진 셀을 요구하고 있다.
그러나, 향상된 리튬 이온 셀의 개발에서 에너지 밀도만이 아니라 고려해야 할 다른 요소들이 있다. 매우 중요한 파라미터는 충전 및 방전 중 전력 손실을 줄이기 위해 가능한 한 낮게 유지해야하는 셀의 내부 저항, 및 셀의 온도 조절에 필수적일 수 있는 전극의 열적 연결이다. 이러한 매개 변수들은 권선 형태의 복합재 조립체를 포함하는 원통형 둥근 셀에 대해서도 매우 중요하다. 셀의 빠른 충전 동안, 전력 손실로 인해 셀에 열 축적(heat accumulation)이 발생할 수 있고, 이는 막대한 열기계적 응력(thermo-mechanical stresses) 그리고 후속적으로 셀 구조에 변형과 손상에 이를 수 있다. 특히 집전체의 전기적 연결이 감긴 조립체로부터 축선 방향으로 돌출된, 집전체에 용접된 별도의 전기 전도체 탭들을 통해 이루어진다면 위험이 증가되는데, 충전 또는 방전 중 과부하 동안 이러한 도체 탭들에서 가열이 국부적으로 발생할 수 있기 때문이다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 비해 향상된 에너지 밀도를 특징으로 하는 동시에 내부 저항 및 수동 방열 능력(passive heat dissipation capabilities)과 관련하여 우수한 특징들을 갖는 리튬 이온 셀을 제공하는 것이었다.
이러한 목적은 청구항 제1 항의 특징을 갖는 리튬 이온 셀에 의해 달성된다. 이러한 셀의 바람직한 실시양태는 또한 종속 청구항으로부터 명백할 것이다.
본 발명에 따른 리튬 이온 셀은 항상 다음의 특징들 a 내지 i에 의해 특징지어진다:
a. 셀은 시퀀스 애노드/분리막/캐소드를 구비한 리본형 전극-분리막 조립체를 포함함,b. 애노드는 애노드 집전체로서 4μm 내지 30μm 범위의 두께를 갖고 제1 및 제2 길이방향 에지 및 두 개의 말단들을 갖는 리본형 금속 호일(metal foil)을 포함함,
c. 애노드 집전체는 음극 재료의 층으로 담지된 스트립형 메인 영역 및 제1 길이방향 에지를 따라 연장하고 상기 전극 재료로 담지되지 않은 자유 에지 스트립을 가짐,
d. 캐소드는 캐소드 집전체로서 4μm 내지 30μm 범위의 두께를 갖고 제1 및 제2 길이방향 에지들 및 두 개의 말단들을 갖는 리본형 금속 호일을 포함함,
e. 캐소드 집전체는 양극 재료의 층으로 담지된 스트립형 메인 영역 및 제1 길이방향 에지를 따라 연장하고 상기 전극 재료로 담지되지 않은 자유 에지 스트립을 가짐,
f. 전극-분리막 조립체는 두 개의 터미널 말단 면들을 구비한 권선(winding)의 형태임,
g. 애노드 집전체의 제1 길이방향 에지가 터미널 면들 중 하나로부터 돌출하고 캐소드 집전체의 제1 길이방향 에지가 터미널 말단 면들 중 다른 하나로부터 돌출하도록, 애노드와 캐소드는 형성되고/형성되거나 전극-분리막 조립체 내부에서 서로에 대해 배열됨,
h. 셀은 제1 길이방향 에지들 중 하나와 직접 접촉하는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
i. 접촉 시트 금속 부재는 용접에 의해 이 길이방향 에지에 연결됨.
집전체는 전극 재료에 포함된 전기화학적 활성 성분을 가능한 한 넓은 면적에 걸쳐 전기적으로 접촉시키는 기능을 갖는다. 애노드 집전체에 적합한 금속은 구리 또는 니켈 또는 다른 전기 전도성 물질, 특히 구리 및 니켈 합금 또는 니켈 코팅된 금속을 포함한다. 스테인레스 스틸 호일도 일반적으로 적합하다. 캐소드 집전체에 적합한 금속은 알루미늄 또는 다른 전기 전도성 물질, 특히 알루미늄 합금을 포함한다.
집전체는 각각의 전극 재료로 양면에 담지되는(loaded) 것이 바람직하다.
자유 에지 스트립에서, 각각의 집전체의 금속은 각각의 전극 재료가 없다. 바람직하게는, 각각의 집전체의 금속은 예를 들어 용접에 의해 전기적 접촉이 가능하도록 노출되어 있다.
그러나, 일부 실시예에서, 자유 에지 스트립 내의 각각의 집전체의 금속은 그와 함께 코팅된 집전체보다 열적으로 더 내성인 지지 재료(support material)로 코팅될 수 있다.
본 문맥에서 "열적으로 더 내성"은 지지 재료가 집전체의 금속이 녹는 온도에서 고체 상태를 유지한다는 것을 의미하도록 의도된다. 따라서 금속보다 융점이 높거나 금속이 이미 녹은 온도에서만 승화 또는 분해된다.
바람직하게는, 음극 집전체 및 양극 집전체 양자는 각각의 전극 재료가 담지되지 않은 적어도 하나의 자유 에지 스트립을 각각 갖는다. 추가적인 국면(development)에서, 애노드 전류 집전체의 적어도 하나의 자유 에지 스트립 및 캐소드 전류 집전체의 적어도 하나의 자유 에지 스트립 양자는 지지 재료로 코팅되는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 동일한 지지 재료가 각각의 영역에 대해 사용된다.
본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있는 지지 재료는 원칙적으로 금속 또는 금속 합금일 수 있으며, 단, 이것 또는 이들은 지지 재료로 코팅되는 표면이 구성되는 금속보다 더 높은 융점을 갖는다. 그러나, 많은 실시예에서, 본 발명에 따른 리튬 이온 셀은 바람직하게는 바로 다음의 추가적인 특징들 a 내지 d에 의해 특징지어진다:
a. 지지 재료는 비금속 물질임,
b. 지지 재료는 전기적 절연 물질임,
c. 비금속 물질은 세라믹 물질, 유리 세라믹 물질 또는 유리임,
d. 세라믹 물질은 산화 알루미늄 (Al2O3), 산화 티타늄 (TiO2), 티타늄 질화물 (TiN), 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN) 또는 티타늄 탄질화물 (TiCN)임.
본 발명에 따르면, 지지 재료는 특히 바람직하게는 바로 앞의 특징 b에 따라 형성되고, 특별히 바람직하게는 바로 앞의 특징 d에 따라 구체화된다.
세라믹 물질이라는 용어는 본 맥락에서 넓게 이해되어야 한다. 특히, 그것은 탄화물, 질화물, 산화물, 실리사이드 또는 이들 화합물의 혼합물 및 유도체를 포함한다.
용어 "유리 세라믹 물질"에 의해 비정질 유리상(amorphous glass phase)에 매립된 결정질 입자(crystalline particles)를 포함하는 물질이 특히 의미하도록 의도된다.
용어 "유리"는 기본적으로 상기에서 정의된 열적 안정성 기준을 충족하고 셀에 존재할 수 있는 전해질에 대해 화학적으로 안정한 임의의 무기 유리(inorganic glass)를 의미한다.
특히 바람직하게는, 애노드 집전체는 구리 또는 구리 합금으로 구성되는 반면에 캐소드 집전체는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되며, 지지 재료는 산화 알루미늄 또는 산화 티타늄이다.
애노드 및/또는 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립이 지지 재료의 스트립으로 코팅되는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
바람직하게는, 애노드 집전체와 캐소드 집전체의 스트립형 메인 영역은 집전체의 각각의 길이방향 에지에 평행하게 연장한다. 바람직하게는, 스트립형 메인 영역은 애노드 집전체 및 캐소드 집전체의 영역의 적어도 90%에 걸쳐, 특히 바람직하게는 적어도 95%에 걸쳐 연장된다.
일부 바람직한 실시양태에서, 지지 재료는 스트립형 메인 영역에 인접하여 적용되지만, 프로세스에서 자유 영역을 완전히 덮지는 않는다. 예를 들어, 애노드 및/또는 캐소드 집전체의 길이방향 에지를 따라 스트립 또는 선의 형태로 적용되어서, 각각의 에지 스트립을 부분적으로만 덮는다. 이러한 길이방향 에지를 바로 따라, 자유 에지 스트립의 세장형 섹션은 덮히지 않은 상태로 남아있을 수 있다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 리튬이온 셀은 이차 리튬이온 셀이다.
기본적으로 리튬 이온 셀에 대해 알려진 모든 전극 재료는 애노드 및 캐소드에 사용될 수 있다.
음극에 있어서, 리튬을 삽입할 수 있는 흑연성 탄소 또는 비흑연성 탄소 재료와 같은 탄소계 입자가, 바람직하게는 입자 형태로도, 활성 물질로서 선호된다. 리튬 티타네이트(Li4Ti5O12)도 역시 활성 물질로서 적합하다. 대안적으로 또는 추가적으로, 리튬과 합금가능한 금속 및 반-금속 재료도 역시 이용될 수 있고, 예를 들어 리튬과 금속간 상을 형성할 수 있는 원소들 주석, 안티몬 및 실리콘이 사용하는 것이다. 이들 물질들은 또한 입자 형태로 바람직하게 사용된다.
양극의 경우, 리튬 금속 산화물 화합물 및 LiCoO2 및 LiFePO4와 같은 리튬 금속 인산염 화합물이 활성 물질로 고려될 수 있다. 또한, 화학식 LiNixMnyCozO2(여기서 x+y+z는 전형적으로 1임)인 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC)은 특히 양호하게 적당하고, 화학식 LiMn2O4인 리튬 망간 스피넬(LMO), 또는 화학식 LiNixCoyAlzO2 (여기서, x+y+z는 전형적으로 1임)인 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA). 이의 유도체, 예를 들어 화학식 Li1.11(Ni0.40Mn0.39Co0.16Al0.05)0.89O2인 리튬 니켈 망간 코발트 알루미나(NMCA) 또는 Li1+xM-O 화합물 및/또는 상기 물질의 혼합물 또한 사용될 수 있다 .
전기화학적 비활성 성분으로서, 전극 재료은, 예를 들어, 전극 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다. 미립자(particulate) 활성 물질은 바람직하게는 전극 바인더의 매트릭스 내에 매립되고, 매트릭스 내의 인접한 입자들은 서로 직접 접촉하는 것이 바람직하다. 도전제는 전극의 전기 전도도를 증가시키는 기능을 갖는다. 일반적인 전극 바인더는 예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴레이트 또는 카르복시메틸셀룰로오스를 기반으로 한다. 일반적인 전도제는 카본 블랙과 금속 분말이다.
또한, 셀은 특히 유기 용매에(예를 들어, 유기 카보네이트의 혼합물) 용해되는 적어도 하나의 리튬염, 예컨대 리튬 헥사플루오로포스페이트에 기초하는 전해질을 포함하는 것이 바람직하다.
분리막은, 예를 들어, 전해질에 의해 침투될 수 있는 전기 절연성 플라스틱 필름으로서, 예를 들어 미세 기공을 갖기 때문이다. 필름은 예를 들어 폴리올레핀으로부터 또는 폴리에테르 케톤으로부터 형성될 수 있다. 이러한 플라스틱 재료로부터 만들어진 부직포(nonwovens) 및 직물도 분리막으로 사용될 수 있다.
언급된 요소들에 더하여, 본 발명에 따른 리튬-이온 셀은 또한 권선의 형태의 전극-분리막 조립체를, 바람직하게는 가스-기밀 및/또는 액체-기밀 방식으로 둘러싸는 하우징을 포함한다.
하우징은 원통형 하우징 쉘뿐만 아니라 원형 상부 부분 및 원형 하부을 일반적으로 포함한다. 예를 들면, 하우징은 그 바닥부가 원형 하부 부분에 상응하는 컵형 제1 하우징 부분, 및 제1 하우징 부분을 폐쇄하는 기능을 하는 제2 하우징 부분으로서 원형 뚜껑을 포함할 수 있다. 대게, 두 개의 하우징 부분들은 전기 절연성 시일에 의해 서로로부터 분리된다. 하우징 부분들은 예를 들면 니켈 도금 시트 스틸 또는 유사한 금속 재료로 구성될 수 있다.
전극-분리막 조립체는 원통형 권선의 형태인 것이 바람직하다. 이러한 권선의 형태로 전극을 제공하는 것은 원통형 하우징에서 공간의 특히 유리한 사용을 허용한다. 하우징은 그에 따라 바람직한 실시예에서 역시 원통형이다.
본 발명에 따른 셀은 바로 다음 특징 j에 의해 특히 특징지어진다:
j. 용접에 의해 접촉 시트 금속 부재에 연결된 집전체의 스트립형 메인 영역은 복수의 개구들을 가짐.
복수의 개구들에 의해 부피가 줄어들고 집전체의 무게도 줄어든다. 이것은 셀 내부로 더 많은 활성 물질을 도입하는 것을 가능하게하고 따라서 셀의 에너지 밀도를 크게 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 방식으로 두 자릿수 백분율 범위(double-digit percentage range)까지 에너지 밀도 증가가 달성될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 셀은 바로 아래의 특징 a 및 b 중 적어도 하나에 의해 특징지어진다:
a. 메인 영역의 개구들은 둥근 또는 정사각형 구멍들, 특히 천공(punched) 또는 드릴(drilled) 구멍들임,
b. 용접에 의해 접촉 시트 금속 부재에 연결된 집전체는 메인 영역이, 특히 둥근 구멍 또는 슬롯(slotted) 구멍 천공(perforation)에 의해, 천공됨(perforated).
일부 바람직한 실시양태에서, 개구는 레이저에 의해 스트립형 메인 영역 내부로 도입된다.
원칙적으로, 개구의 기하학적 구조는 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 중요한 것은 개구를 삽입한 결과 집전체의 질량이 감소하고 개구가 활성 물질로 채워질 수 있기 때문에 활성 물질을위한 더 많은 공간이 있다는 것이다.
한편, 개구를 삽입할 때 개구의 최대 직경이 너무 크지 않도록 하는 것이 매우 유리할 수 있다. 바람직하게는, 개구는 각각의 집전체 상의 전극 재료 층의 두께의 2배를 초과해서는 안된다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 셀은 바로 아래의 특징 a에 의해 특징지어진다:
a. 집전체에서의, 특히 메인 영역에서의, 개구는 1μm 내지 3000μm 범위의 직경을 가짐.
이러한 바람직한 범위 내에서, 10 μm 내지 2000 μm, 바람직하게는 10 μm 내지 1000 μm, 특히 50 μm 내지 250 μm 범위의 직경이 더욱 바람직하다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 셀은 바로 다음의 특징들 a 및 b 중 적어도 하나에 의해 추가적으로 특징지어진다:
a. 용접에 의해 접촉 시트 금속 부재에 연결되는 집전체는, 적어도 메인 영역의 일부 섹션에서, 동일한 집전체의 자유 에지 스트립보다 단위 면적당 무게가 낮음,
b. 용접에 의해 접촉 시트 금속 부재에 연결된 집전체는 개구가 없거나 메인 영역보다 자유 에지 스트립의 단위 면적당 개구가 적음.
직전의 특징들(a 및 b)이 서로 조합하여 실현되는 것이 더욱 바람직하다.
애노드 및 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립들은 메인 영역을 제1 길이방향 에지를 향해 제한한다(bound). 바람직하게는, 애노드 및 캐소드 집전체들은 그들 각각의 길이방향 에지들을 따라 자유 에지 스트립들을 포함한다.
개구는 메인 영역을 특징짓는다. 즉, 메인 영역과 자유 에지 스트립(들) 사이의 경계는 개구가 있는 영역과 개구가 없는 영역 사이의 전환에 대응한다.
개구는 바람직하게는 메인 영역에 걸쳐 실질적으로 고르게 분포된다.
추가적으로 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 셀은 바로 다음의 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나에 의해 특징지어진다:
a. 메인 영역에서 집전체의 단위 면적당 무게는 자유 에지 스트립에서 집전체의 단위 면적당 무게에 비해 5 % 내지 80 % 만큼 감소함,
b. 집전체는 메인 영역에서 5% 내지 80% 범위의 구멍 영역을 가짐,
c. 집전체는 메인 영역에서 20 N / mm2 내지 250 N / mm2의 인장 강도를 가짐.
자유 단면이라고도 하는 구멍 영역은 ISO 7806-1983에 따라 결정될 수 있다. 메인 영역에서 집전체의 인장 강도는 개구가없는 집전체에 비해 감소된다. 그것의 결정은 DIN EN ISO 527 파트 3에 따라 행해질 수 있다.
애노드 집전체와 캐소드 집전체는 개구의 측면에서 동일하거나 유사한 것이 바람직하다. 달성 가능한 각각의 에너지 밀도 개선이 합산된다. 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 셀은 따라서 바로 다음의 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나에 의해 추가적으로 특징지어진다:
a. 애노드 집전체의 스트립형 메인 영역과 캐소드 집전체의 스트립형 메인 영역은 모두 복수의 개구에 의해 특징지어짐,
b. 셀은 제1 접촉 시트 금속 부재로서 제1 길이방향 에지들 중 하나와 직접 접촉하는 접촉 시트 금속 부재를 포함하고, 제1 길이방향 에지들 중 다른 하나와 직접 접촉하는 제2 접촉 시트 금속 부재를 더 포함함,
c. 제2 접촉 시트 금속 부재는 용접에 의해 이 다른 길이방향 에지에 연결됨.
직전의 특징들 a 내지 c가 서로 조합되어 실현되는 것이 특히 바람직하다. 그러나, 특징들 b 및 c는 또한 특징 a 없이 조합하여 구현될 수 있다.
상술한 개구가 제공된 집전체의 바람직한 실시예는 애노드 집전체와 캐소드 집전체에 독립적으로 적용가능하다.
천공형 집전체 또는 그와는 달리 복수의 개구가 제공된 집전체의 사용은 리튬 이온 셀에 대해 아직 심각하게 고려되지 않았는데, 이는 이러한 집전체와 전기적으로 접촉하는 것이 매우 어렵기 때문이다. 처음에 언급했듯이, 집전체의 전기적 연결은 종종 별도의 전기 전도체 탭을 통해 이루어진다. 그러나, 산업 대량 생산 공정에서 천공형 집전체에 대한 이러한 전도체 탭의 안정적인 용접은 허용 가능한 오류율(error rate) 없이는 실현하기 어렵다.
본 발명에 따르면, 이러한 문제는 설명된 바와 같이 집전체 에지들을 접촉 시트 금속 부재(들)에 용접함으로써 해결된다. 본 발명에 따른 개념은 별도의 전도체 탭을 완전히 생략하는 것을 가능하게 하고, 따라서 낮은 재료 함량을 갖고 개구가 제공된 집전체의 사용을 허용한다. 특히, 집전체의 자유 에지 스트립에 개구가 제공되지 않는 실시예에서, 용접은 예외적으로 낮은 거부율(reject rates)로 신뢰성 있게 수행될 수 있다.
접촉 시트 금속 부재와 집전체의 에지를 용접하는 개념은 WO 2017/215900 A1 또는 JP 2004-119330 A로부터 이미 공지되어 있다. 접촉 시트 금속 부재를 사용하면 특히 높은 전류 전달 용량과 낮은 내부 저항이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 접촉 시트 금속 부재 및 접촉 시트 금속 부재를 집전체의 에지에 전기적으로 연결하는 방법과 관련하여, WO 2017/215900 A1 및 JP 2004-119330 A의 내용을 완전히 참조한다.
매우 얇은 금속 호일이 집전체로 사용된다면, 집전체의 길이방향 에지는 기계적으로 매우 민감할 수 있으며 접촉 시트 금속 부재들과 용접하는 동안 의도하지 않게 아래로 가압되거나 녹아 내릴 수 있다. 또한, 접촉 시트 금속 부재의 용접 동안, 전극-분리막 조립체의 분리막의 용융이 발생할 수 있다. 위에서 설명한 지지 층은 이에 대응한다(counteract).
본 발명에서 사용에 바람직한 접촉 시트 금속 부재는 또한 접촉 플레이트로 지칭될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 이들은 판형(plate-shaped)이다.
일부 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 셀은 바로 아래 특징들 a 및 b 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 시트 금속 부재, 특히 100 μm 내지 600 μm, 바람직하게는 150 - 350 μm 범위의 두께를 갖는 금속 플레이트가 접촉 시트 금속 부재로 사용됨,
b. 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트는 알루미늄, 티타늄, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 니켈 도금 강(steel)으로 구성됨.
접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트는 적어도 하나의 슬롯 및/또는 적어도 하나의 천공을 가질 수 있다. 이들은 용접된 조인트의 생산 동안 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트의 변형을 막는 기능을 갖는다.
접촉 시트 금속 부재는 스트립, 특히 100 μm 내지 600 μm, 바람직하게는 150 내지 350 μm 범위의 상기 두께의 스트립의 형태이거나, 또는 이러한 금속 스트립을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트는 디스크의 형상, 특히 원형 또는 적어도 대략 원형 디스크의 형상을 갖는다. 그런 다음 외부 원형 또는 적어도 대략 원형 디스크 에지를 갖는다. 이러한 맥락에서, 대략 원형 디스크란 특히 하나 이상의 절취된 원형 세그먼트, 바람직하게는 2 내지 4개의 절취된 원형 세그먼트를 갖는 원의 형상을 갖는 디스크로서 이해되어야 한다.
삽입가능한 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트는 또한 다각형, 예를 들어 직사각형, 오각형 또는 육각형 베이스를 가질 수 있다.
2개의 접촉 시트 금속 부재, 특히 2개의 접촉 플레이트를 갖는 경우에, 양자의 접촉 시트 금속 부재들, 특히 양자의 접촉 플레이트들은 바람직하게는 본 발명에 따른 셀의 극, 예를 들어 하우징 극(housing pole)에 전기적으로 연결된다.
특히 바람직한 실시예에서, 애노드 집전체 및 그에 용접된 접촉 시트 금속 부재, 특히 그에 용접된 접촉 플레이트는 양자가 동일한 재료로 구성된다. 이는 구리, 니켈, 티타늄, 니켈 도금 강 및 스테인리스 스틸을 포함하는 군으로부터 선택되는 것이 특히 바람직하다.
추가적으로 특히 바람직한 실시예에서, 캐소드 집전체 및 그에 용접된 접촉 시트 금속 부재, 특히 그에 용접된 접촉 플레이트는 양자가 동일한 재료로 구성된다. 이는 알루미늄, 티타늄 및 스테인리스 스틸(예를 들어 유형 1.4404)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것이 특히 바람직하다.
가능한 바람직한 추가적인 국면에서, 본 발명에 따른 셀은 바로 다음의 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나에 의해 특징지어진다:
a.용접에 의해 애노드 집전체의 길이방향 에지에 연결된 접촉 시트 금속 부재, 특히 용접에 의해 애노드 집전체의 길이방향 에지에 연결된 접촉 시트 금속 플레이트는, 선형 접촉 영역이 생기는 방식으로 길이방향 에지와 접촉함,
b. 용접에 의해 캐소드 집전체의 길이방향 에지에 연결된 접촉 시트 금속 부재, 특히 용접에 의해 캐소드 집전체의 길이방향 에지에 연결된 접촉 시트 금속 플레이트는, 선형 접촉 영역이 생기는 방식으로 길이방향 에지와 접촉함,
c. 애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체의 제1 길이방향 에지는 용접 이음매(weld seam)에 의해 각각의 접촉 시트 금속 부재, 특히 각각의 접촉 플레이트에 그 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 각각 연결되는 하나 또는 그 초과의 섹션을 포함함.
바로 앞의 특징들 a 및 b는 서로 독립적으로 그리고 조합하여 모두 구현될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 특징들 a 및 b는 바로 앞의 특징 c와 조합하여 두 경우 모두에서 구현된다.
접촉 시트 금속 부재를 통해, 전체 길이에 걸쳐 집전체 및 이에 따라 관련된 전극에도 전기적으로 접촉하는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 셀 내에서 이는 내부 저항을 상당히 감소시킨다. 따라서 설명된 배열은 큰 전류의 발생을 매우 잘 흡수할 수 있다. 최소화된 내부 저항으로, 고전류에서의 열 손실이 감소된다. 또한, 감긴 전극-분리막 조립체로부터의 열 에너지의 소산이 선호된다. 과부하 상태에서, 가열은 국부적으로 발생하지 않고 고르게 분포된다.
접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트가 길이방향 에지에 연결될 수 있는 여러가지 방법이 있다.
접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트는 적어도 하나의 용접 이음매에 의해 선형 접촉 영역을 따라 길이방향 에지에 결합될(joined) 수 있다. 따라서 길이방향 에지는 하나 또는 그 초과의 섹션을 포함할 수 있으며, 각 섹션은 용접 이음매를 통해 그 전체 길이에 걸쳐 접촉 시트 금속 부재(들), 특히 접촉 플레이트(들)에 연속적으로 연결된다. 특히 바람직하게는, 이들 섹션은 5 mm, 바람직하게는 10 mm, 특히 바람직하게는 20 mm의 최소 길이를 갖는다.
가능한 추가적인 국면에서, 그 전체 길이에 걸쳐 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트에 연속적으로 연결된 섹션 또는 섹션들은 각각의 길이방향 에지의 전체 길이에 걸쳐 각각의 길이방향 에지의 전체 길이의 적어도 25%에 걸쳐, 바람직하게는 적어도 50%에 걸쳐, 특히 바람직하게는 적어도 75%에 걸쳐 연장된다.
일부 바람직한 실시양태에서, 길이방향 에지는 그들의 전체 길이에 걸쳐 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트에 연속적으로 용접된다.
추가적인 가능한 실시양태에서, 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트는 복수 또는 복수의 용접 스폿들을 통해 각각의 길이방향 에지에 연결된다.
전극-분리막 조립체가 나선형 권선의 형태인 것이 바람직하다. 그 결과, 권선의 터미널 단부 면들로부터 돌출하는 애노드 집전체 및 캐소드 집전체의 길이방향 에지들도 나선형 기하학적 구조를 갖는다. 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트가 각각의 길이방향 에지에 그를 따라 용접되는 선형 접촉 영역에도 동일하게 적용된다.
접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트가 사용될 때, 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트를 하우징 또는 하우징 밖으로 인도된 전기 전도체에 전기적으로 연결하는 것이 일반적으로 필요하다. 예를 들어, 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트는 이러한 목적을 위해 직접 또는 전기 전도체를 통해 언급된 하우징 부분들에 연결될 수 있다. 하우징 부분은 종종 셀의 전기 극으로서 기능하기 때문에, 이것은 종종 강제된다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 리튬-이온 셀의 하우징의 원형 상부 부분 및/또는 원형 하부 부분은 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 하우징 부분을 폐쇄하는 역할을 하는 상기 원형 뚜껑은, 접촉 시트 금속 부재로서, 특히 접촉 플레이트로서, 권선의 터미널 말단 면들로부터 돌출하는 애노드 집전체 또는 캐소드 집전체의 길이방향 에지들 중 하나에 용접될 수 있다. 유사하게, 이들 길이방향 에지들 중 하나를 컵형 제1 하우징 부분의 바닥부의 내부 측에 용접하는 것을 생각할 수 있다.
이러한 실시예가 특히 유리할 수 있다. 한편으로는, 그것은 방열 관점에서 최적이다. 권선 내에서 생성된 열은 병목 현상 없이 선형(lined) 접촉 영역을 따라 용접하는 경우 길이방향 에지를 통해 하우징으로 직접 소산될 수 있다. 둘째, 셀 하우징의 내부 용적은 이러한 방식으로 거의 최적으로 활용될 수 있다. 별도의 접촉 시트 금속 부재, 특히 별도의 접촉 플레이트 및 접촉 시트 금속 부재를 하우징에 연결하기 위한 전기 전도체는 셀 하우징 내부에 공간을 필요로 한다. 이러한 별도의 구성 요소가 생략되면, 이 공간은 활성 물질을 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 셀의 에너지 밀도는 더욱 증가될 수 있다.
이 실시예는 청구항 제1 항의 특징 j와 완전히 독립적으로 실현될 수 있다는 점이 강조되어야 한다. 따라서, 본 발명은 또한 청구항 제1항의 특징 a 내지 i를 갖는 셀을 포함하며, 여기서 원형 상부 부분 및/또는 원형 하부 부분은 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트로서 기능하지만, 집전체는 반드시 복수의 개구를 가지지는 않는다.
추가적으로 가능한 바람직한 추가적인 국면에서, 본 발명에 따른 셀은 바로 다음의 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나에 의해 특징지어진다:
a. 분리막은 5 μm 내지 50 μm의 범위, 바람직하게는 7 μm 내지 12 μm의 범위의 두께를 가지며, 제 1 및 제 2 길이방향 에지와 두 개의 말단들을 갖는 리본형 플라스틱 기판임,
b. 분리막의 길이방향 에지들은 전극-분리막 조립체의 터미널 말단 면들을 형성함,
c. 애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체의 길이방향 에지는 권선의 터미널 말단 면들로부터 5000μm를 초과하여 돌출하지 않으며, 바람직하게는 3500μm를 초과하여 돌출하지 않음.
직전의 특징들 a 내지 c가 서로 조합되어 실현되는 것이 특히 바람직하다.
특히 바람직하게는, 애노드 집전체의 길이방향 에지는 권선의 말단 면으로부터 2500 μm 이하, 특히 바람직하게는 1500 μm 이하로 돌출한다.
특히 바람직하게는, 캐소드 집전체의 길이방향 에지는 권선의 말단 면으로부터 3500 μm 이하, 특히 바람직하게는 2500 μm 이하로 돌출한다.
애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체의 말단 면 돌출부에 대한 도면들은 말단 면이 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트와 접촉 상태가 되기 전의 자유 돌출부를 나타낸다. 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트의 접촉 및 용접 동안, 집전체의 에지의 변형이 발생할 수 있다.
자유 돌출부가 더 작게 선택될수록, 전극 재료로 덮히는 집전체의 스트립형 메인 영역이 더 넓게 형성될 수 있다. 이는 본 발명에 따른 셀의 에너지 밀도에 긍정적으로 기여한다.
바람직하게는, 리본형 애노드 및 리본형 캐소드는 전극-분리막 조립체 내에서 서로로부터 오프셋되어, 애노드 집전체의 제1 길이방향 에지가 터미널 말단 면들 중 하나로부터 돌출되고, 캐소드 집전체의 제1 길이방향 에지가 터미널 말단 면들 중 다른 하나로부터 돌출되는 것을 보장한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 셀은 버튼 셀(button cell)일 수 있다. 버튼 셀은 형상이 원통형이며 높이가 지름보다 작다. 바람직하게는, 높이는 4 mm 내지 15 mm의 범위이다. 버튼 셀이 5 mm 내지 25 mm 범위의 직경을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 버튼 셀은 예를 들어 시계, 보청기 및 무선 헤드폰과 같은 소형 전자 장치에 전기 에너지를 공급하는데 적합하다.
본 발명에 따른 버튼 셀 형태의 리튬 이온 셀의 공칭 용량(nominal capacity)은 일반적으로 최대 1500 mAh이다. 바람직하게는, 공칭 용량은 100 mAh 내지 1000 mAh의 범위이고, 특히 바람직하게는 100 내지 800 mAh의 범위이다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 리튬 이온 셀은 원통형 둥근 셀이다. 원통형 둥근 셀은 직경보다 큰 높이를 갖는다. 그들은 자동차 부문의 응용예들에 대해, 전기 자전거에 대해 또는 에너지 요구 사항이 높은 기타 응용예들에 대해서도 특히 적합하다.
바람직하게는, 원형 셀로 설계된 리튬 이온 셀의 높이는 15mm 내지 150mm의 범위이다. 상기 원통형 둥근 셀의 직경은 10 mm 내지 60 mm의 범위인 것이 바람직하다. 이들 범위 내에서, 예를 들어 18 x 65 (mm단위의 직경 * 높이) 또는 21 x 70 (mm 단위의 직경 * 높이)의 형수가 특히 바람직하다. 이러한 형수를 갖는 원통형 둥근 셀은 자동차(motor vehicles)의 전기 드라이브(electric drives)에 전력을 공급하는 데 특히 적합하다.
원통형 둥근 셀로서 설계되는 본 발명에 따른 리튬 이온 셀의 공칭 용량은 바람직하게는 최대 90000 mAh이다. 21 x 70의 형수를 갖는, 리튬 이온 셀로서 일 실시양태에서 셀은 바람직하게는 1500 mAh 내지 7000 mAh의 범위, 특히 바람직하게는 3000 내지 5500 mAh의 범위의 공칭 용량을 갖는다. 18 x 65의 형수를 갖는, 리튬 이온 셀로서 일 실시양태에서 셀은 바람직하게는 1000 mAh 내지 5000 mAh의 범위, 특히 바람직하게는 2000 내지 4000 mAh의 범위의 공칭 용량을 갖는다.
유럽 연합에서, 이차 전지의 공칭 용량에 관한 정보를 제공하는데 있어 제조업체는 엄격하게 규제를 받는다. 예를 들어, 2차 니켈-카드뮴 전지의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61951-1 및 IEC/EN 60622 표준에 따른 측정을 기반으로 해야 하며, 이차 니켈-금속 수소화물 전지의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61951-2 표준에 따른 측정을 기반으로 해야 하며, 이차 리튬 전지의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61960 표준에 따른 측정을 기반으로 해야 하며, 2차 납-산(lead-acid) 전지의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61056-1 표준에 따른 측정을 기반으로 해야한다. 본 출원에서 공칭 용량의 임의의 정보는 바람직하게는 또한 이들 표준들에 기초한다.
본 발명에 따른 셀이 원통형 둥근 셀인 실시예에서 애노드 집전체, 캐소드 집전체 및 분리막은 다음과 같은 치수를 갖는 것이 바람직하다:
- 0.5m 내지 25m 범위의 길이,
- 30mm 내지 145mm 범위의 폭.
이들 경우에서, 제1 길이방향 에지를 따라 연장되고 전극 재료로 담지되지 않은 자유 에지 스트립은 바람직하게는 이들 경우에 5000 μm 이하의 폭을 갖는다.
18 x 65의 형수를 갖는 원통형 둥근 셀의 경우, 집전체는 바람직하게는 다음을 갖는다:
- 56mm 내지 62mm, 바람직하게는 60mm의 폭, 및
- 1.5m 이하의 길이.
21 x 70의 형수를 갖는 원통형 둥근 셀의 경우, 집전체는 바람직하게는 다음을 갖는다:
- 56mm 내지 68mm, 바람직하게는 65mm의 폭, 및
- 2.5m 이하의 길이.
본 발명에 따른 셀의 상술한 설계는 또 다른 중요한 이점을 가능하게 한다. 집전체가 처음에 언급된 별도의 전도체 탭을 통해 전기적으로 연결된 전극의 경우, 전도체 탭으로부터 멀리 떨어져 있는 것보다 전도체 탭의 바로 근처에서 충전 및 방전 중에 더 큰 열-기계적 부하(thermo-mechanical load)가 발생한다. 이러한 차이는 일정 비율의 실리콘, 주석 및/또는 안티몬을 활성 물질로 하는 음극의 경우에 특히 두드러지는데, 이는 이러한 물질로 만들어진 입자가 충전 및 방전 중에 비교적 강한 부피 변화를 받기 때문이다. 따라서 예를 들어, 음극에서 10 % 초과의 실리콘의 비율은 지금까지 제어하기가 어려운 것으로 판명되었다.
접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트를 통한 집전체의 전기적 연결은 상기 셀의 균일한 열 방출을 가능하게 할 뿐만 아니라, 충전 및 방전 중에 발생하는 열-기계적 부하를 권선에 고르게 분산시킬 수 있게 한다. 놀랍게도, 이것은 음극에서 실리콘 및/또는 주석 및/또는 안티몬의 매우 높은 비율을 제어하는 것을 가능하게 한다. 20 %> 비율에서, 열 기계적 부하의 결과로 충전 및 방전 중에 비교적 드물거나 손상이 관찰되지 않았다. 예를 들어, 애노드 중의 실리콘의 비율을 증가시킴으로써, 셀의 에너지 밀도도 또한 더 증가될 수 있다.
따라서, 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 셀은 바로 다음의 특징 a에 의해 특징지어진다:
a. 음극 재료는 음극 활성 물질로서 실리콘, 알루미늄, 주석 및/또는 안티몬, 특히 미립자 실리콘, 알루미늄, 주석 및/또는 안티몬을 20 중량% 내지 90 중량%의 비율로 포함함.
여기서 주어진 중량은 음극 재료의 건조 질량(dry mass), 즉 전해질이 없고 애노드 집전체의 중량을 고려하지 않은 것을 나타낸다.
이 실시예는 또한 청구항 제1 항으로부터의 특징 j와 완전히 독립적으로 실현될 수 있다는 것이 강조되어야 한다. 따라서, 본 발명은 또한 제1 항의 특징 a 내지 i를 갖는 셀을 포함하며, 여기서 충전된 상태의 애노드는 20중량% 내지 90중량%의 비율로 미립자 실리콘을 포함하지만, 집전체가 반드시 복수의 개구를 갖지는 않는다.
활성 물질들 실리콘, 알루미늄, 주석 및 안티몬 중에서, 실리콘이 특히 바람직하다.
통상의 기술자는 주석, 알루미늄, 실리콘 및 안티몬이 반드시 가장 순수한 형태의 금속이어야 하는 것은 아니다라는 것을 이해한다. 예를 들어, 실리콘 입자는 또한 다른 원소, 특히 다른 금속 (리튬을 제외하고)의 미량(traces)을 예를 들어 최대 10 중량%의 비율로 함유할 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 본 발명으로부터 발생하는 이점들은 도면뿐만 아니라 도면에 대한 후술하는 설명에 나타난다. 이하에서 설명되는 실시예들은 단지 본 발명을 설명하고 더 나은 이해를 제공하는 것이며, 어떠한 식으로든 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
도면에서 개략적으로 다음이 보여진다:
도 1은 본 발명에 따른 셀의 가능한 실시예의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 실시예에서 집전체의 평면도,
도 3은 도 2에 도시된 집전체의 단면도,
도 4는 권선의 형태로 전극-분리막 조립체로 가공될 수 있는 애노드의 평면도,
도 5는 도 4에 도시된 애노드 단면도,
도 6은 도 4에 도시된 애노드를 이용하여 제조된 전극-분리막 조립체의 평면도이고,
도 7은 도 6에 도시된 전극-분리막 조립체의 단면도.
도 1에 도시된 리튬 이온 셀(100)은 컵형 하우징 부분(101) 및 디스크형 하우징 부분(102)으로 구성된 하우징을 포함한다. 두 개의 하우징 부분(101; 102)은 시일(103)에 의해 서로로부터 분리된다. 하우징 내부에, 전극-분리막 조립체(104)는 말단 면(104a 및 104b)들을 갖는 나선형 권선(spiral winding)의 형태로 배열된다. 전극-분리막 조립체(104)는 나선형으로 감긴 애노드 및 나선형으로 감긴 캐소드를 포함하며, 각각은 집전체로서 리본형 금속 호일을 갖는다(도 1에 별도로 도시되지 않음). 전극들은 복합재(104) 내에서 서로로부터 오프셋되어, 애노드의 집전체의 길이방향 에지(110e)가 말단 면(104a 및 104b)들 중 하나로부터 돌출되고, 캐소드의 집전체의 길이방향 에지(115e)가 말단 면들 중 다른 면으로부터 돌출된다. 셀(100)은 길이방향 에지(110e 및 115e)들과 직접 접촉하고 용접된 두 개의 금속 접촉 플레이트(105 및 106)들을 포함한다. 접촉 플레이트(105)는 전기 전도체(107)를 통해 하우징 부분(102)에 연결된다. 접촉 플레이트(106)는 컵형 하우징 부분(101)의 바닥부에 직접 용접된다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 셀에 사용될 수 있는 집전체(100)의 설계를 도시한다. 도 3은 S1을 따른 단면도이다. 집전체(110)는 직사각형 구멍인 복수의 개구(111)를 포함한다. 영역(110a)은 개구(111)에 의해 특징지어지는 반면, 길이방향 에지(110e)를 따라 영역(110b)에는 개구가 없다. 따라서 집전체(110)는 영역(110b)에서보다 영역(110a)에서 단위 면적당 상당히 낮은 중량을 갖는다.
도 4 및 도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 집전체(110)의 양 측들에 음극 재료(123)를 적용함으로써 제조된 애노드(120)를 도시한 것이다. 도 5는 S2를 따른 단면도이다. 집전체(110)는 이제 음극 재료(123)의 층으로 담지되는 스트립형 메인 영역(122)과, 길이방향 에지(110e)를 따라 연장되고 전극 재료(123)가 담지되지 않은 자유 에지 스트립(121)을 갖는다. 또한, 전극 재료(123)는 개구(111)를 채운다.
도 6 및 도 7은 도 4 및 도 5에 도시된 애노드(120)를 이용하여 제조된 전극-분리막 조립체(104)를 도시한다. 또한, 그것은 캐소드(115) 및 분리막(118, 119)들을 포함한다. 도 7은 S3에 따른 단면도이다. 캐소드(115)는 애노드(120)와 동일한 집전체 설계로 형성된다. 바람직하게는, 애노드(120) 및 캐소드(130)의 집전체(110, 115)들은 단지 그들 각각의 재료 선택에 있어서 상이하다. 예를 들면, 캐소드(130)의 집전체(115)는 양극 재료(125)의 층이 담지된 스트립형 메인 영역(116) 및 전극 재료(125)가 담지되지 않은 길이방향 에지(115e)를 따라 연장되는 자유 에지 스트립(117)을 포함한다. 전극-분리막 조립체(104)를 나선형으로 감음으로써, 그것은 본 발명에 따른 셀에 적합한 권선으로 변형될 수 있다.

Claims (8)

  1. 리튬 이온 셀(100)로서, 다음의 특징들 즉:
    a. 상기 셀(100)은 시퀀스 애노드(120)/분리막(118)/캐소드(130)를 갖는 리본형 전극-분리막 조립체(104)를 포함함,
    b. 상기 애노드(120)는 애노드 집전체(110)로서 4μm 내지 30μm 범위의 두께를 갖고 제1 길이방향 에지(110e) 및 제2 길이방향 에지 및 두 개의 말단들을 갖는 리본형 금속 호일(metal foil)을 포함함,
    c. 상기 애노드 집전체(110)는 음극 재료(123)의 층으로 담지된(loaded) 스트립형 메인 영역(122) 및 상기 제1 길이방향 에지(110e)를 따라 연장하고 상기 전극 재료(123)로 담지되지 않은 자유 에지 스트립(121)을 포함함,
    d. 상기 캐소드는 캐소드 집전체(115)로서 4μm 내지 30μm 범위의 두께를 갖고 제1 길이방향 에지(115e) 및 제2 길이방향 에지 및 두 개의 말단들을 갖는 리본형 금속 호일을 포함함,
    e. 상기 캐소드 집전체(115)는 양극 재료(125)의 층으로 담지된 스트립형 메인 영역(116) 및 상기 제1 길이방향 에지(115e)를 따라 연장하고 상기 전극 재료(125)로 담지되지 않은 자유 에지 스트립(117)을 가짐,
    f. 상기 전극-분리막 조립체(104)는 두 개의 터미널 말단 면(104a, 104b)들을 구비한 권선(winding)의 형태임,
    g. 상기 애노드 집전체(110)의 상기 제1 길이방향 에지(110e)가 상기 터미널 면들 중 하나(104b)로부터 돌출하고 상기 캐소드 집전체(115)의 상기 제1 길이방향 에지(115e)가 상기 터미널 면들 중 다른 하나(104a)로부터 돌출하도록, 상기 애노드와 상기 캐소드는 형성되고/형성되거나 상기 전극-분리막 조립체(104) 내부에서 서로에 대해 배열됨,
    h. 상기 셀(100)은 상기 제1 길이방향 에지(110e, 115e)들 중 하나와 직접 접촉하는 접촉 시트 금속 부재(105, 106)를 포함함, 및
    i. 상기 접촉 시트 금속 부재(105, 106)는 용접에 의해 상기 길이방향 에지(110e, 115e)에 연결됨,
    및 추가적인 특징적인 특징 즉,
    j. 용접에 의해 상기 접촉 시트 금속 부재(105, 106)에 연결된 상기 집전체(110, 115)의 상기 스트립형 메인 영역(122, 116)은 복수의 개구(111)들을 가짐
    을 갖는,
    리튬 이온 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 메인 영역의 상기 개구(111)들은 둥근 또는 정사각형 구멍들, 특히 천공(punched) 또는 드릴(drilled) 구멍들임,
    b. 용접에 의해 상기 접촉 시트 금속 부재(105, 106)에 연결된 상기 집전체(110, 115)는 상기 메인 영역(122, 116)이, 특히 둥근 구멍 또는 슬롯(slotted) 구멍 천공(perforation)에 의해, 천공됨(perforated)
    중 적어도 하나를 구비한,
    리튬 이온 셀.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 집전체의, 특히 상기 메인 영역의 상기 개구(111)들은 1μm 내지 2000μm 범위의 평균 직경을 가짐
    을 갖는,
    리튬 이온 셀.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    추가적인 특징들 즉:
    a. 용접에 의해 상기 접촉 시트 금속 부재(105, 106)에 연결되는 상기 집전체(110, 115)는 적어도 상기 메인 영역(122, 116)의 일부 섹션에서 동일한 집전체의 상기 자유 에지 스트립(121, 117)보다 단위 면적당 무게가 낮음,
    b. 용접에 의해 상기 접촉 시트 금속 부재(105, 106)에 연결된 상기 집전체(110, 115)는 개구(111)들이 없거나 상기 메인 영역(122, 116)보다 상기 자유 에지 스트립(121, 117)의 단위 면적당 개구(111)들이 적음
    중 적어도 하나를 구비한,
    리튬 이온 셀.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 메인 영역(122, 116)에서 상기 집전체(110, 115)의 단위 면적당 무게는 상기 자유 에지 스트립(121, 117)에서 상기 집전체(110, 115)의 단위 면적당 무게에 비해 5 % 내지 80 % 만큼 감소함,
    b. 상기 집전체(110, 115)는 상기 메인 영역(122, 116)에서 5% 내지 80% 범위의 구멍 영역을 가짐,
    c. 상기 집전체(110, 115)는 상기 메인 영역에서 20 N / mm2 내지 250 N / mm2의 인장 강도를 가짐
    중 적어도 하나를 구비한,
    리튬 이온 셀.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 애노드 집전체(110)의 상기 스트립형 메인 영역(122)과 상기 캐소드 집전체(115)의 상기 스트립형 메인 영역(116)은 모두 복수의 개구(111)들에 의해 특징지어짐,
    b. 상기 셀(100)은 상기 제1 접촉 시트 금속 부재로서 상기 제1 길이방향 에지들 중 하나(110e)와 직접 접촉하는 상기 접촉 시트 금속 부재(106)를 포함하고, 상기 제1 길이방향 에지들 중 다른 하나(115e)와 직접 접촉하는 제2 접촉 시트 금속 부재(105)를 더 포함함,
    c. 상기 제2 접촉 시트 금속 부재(105)는 용접에 의해 상기 다른 길이방향 에지(115e)에 연결됨
    을 갖는,
    리튬 이온 셀.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적인 특징들 즉:
    a. 용접에 의해 상기 애노드 집전체(110)의 상기 제1 길이방향 에지(110e)에 연결된 상기 접촉 시트 금속 부재(106)는 상기 길이방향 에지와 접촉하여, 선형 접촉 영역이 형성됨,
    b. 용접에 의해 상기 캐소드 집전체(115)의 상기 제1 길이방향 에지(115e)에 연결된 상기 접촉 시트 금속 부재(105)는 상기 길이방향 에지(115e)와 접촉하여, 선형 접촉 영역이 생성됨,
    c. 상기 애노드 집전체(110) 및/또는 상기 캐소드 집전체(115)의 상기 제1 길이방향 에지(110e, 115e)는 용접 이음매(weld seam)에 의해 각각의 상기 접촉 시트 금속 부재(106, 105)에 그 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 각각 연결되는 하나 또는 그 초과의 섹션들을 포함함
    중 적어도 하나를 갖는,
    리튬 이온 셀.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 분리막(118, 119)은 5 μm 내지 50 μm의 범위의 두께를 가지며 제1 및 제2 길이방향 에지들과 두 개의 말단들을 갖는 리본형 플라스틱 기판임,
    b. 상기 분리막(118, 119)의 상기 길이방향 에지들은 상기 전극-분리막 조립체(104)의 상기 터미널 말단 면(104a, 104b)들을 형성함,
    c. 상기 권선의 상기 터미널 말단 면(104a, 104b)들로부터 돌출하는 상기 애노드 집전체(110) 및/또는 상기 캐소드 집전체(115)의 상기 길이방향 에지(110e, 115e)들은 상기 말단 면(104a, 104b)들로부터 최대 5000μm까지 돌출함
    중 적어도 하나를 갖는,
    리튬 이온 셀.
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