KR20230019136A - 리튬 이온 배터리, 배터리 팩, 전기 차량, 및 에너지 저장 디바이스 - Google Patents

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KR20230019136A
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화쥔 쑨
가오우 왕
원성 린
링 자오
옌 주
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비와이디 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 개시내용은 리튬 이온 배터리, 전력 배터리 모듈, 배터리 팩, 전기 차량 및 에너지 저장 디바이스를 제공한다. 리튬 이온 배터리는 케이싱 및 케이싱 내에 패키징된 전극 코어를 포함한다. 전극 코어는 양극 시트, 음극 시트, 및 양극 시트와 음극 시트 사이에 위치된 분리기를 포함한다. 양극 시트는 양극 전류 집전체, 및 양극 전류 집전체 상에 탑재된 양극 재료 층을 포함한다. 양극 전류 집전체, 양극 재료 층, 음극 시트, 및 분리기 중에서, 가장 낮은 융점을 갖는 것이 유효 컴포넌트로서 정의된다. 유효 컴포넌트는 다음을 충족한다:
Figure pct00019

Description

리튬 이온 배터리, 전력 배터리 모듈, 배터리 팩, 전기 차량, 및 에너지 저장 디바이스
본 개시내용은 리튬 이온 배터리 기술 분야에 관한 것으로, 구체적으로, 리튬 이온 배터리, 전력 배터리 모듈, 배터리 팩, 전기 차량 및 에너지 저장 디바이스에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리들은, 그들의 고유한 특성들로 인해, 점점 더 많은 분야들에서 사용되어 왔다. 특히, 전력 배터리들은 급속하게 개발되고 있다. 리튬 배터리들이 전기 차량들을 위한 주 에너지 공급원으로서 이용될 때, 특히 최근 수년간의 3원 배터리들의 폭넓은 사용으로, 리튬-이온 전력 배터리들의 열 폭주(과열, 화재, 및 배터리에서의 발열 연쇄 반응에 의해 야기되는 급속하게 변화하는 온도 상승률로 인한 배터리의 폭발)로 인해, 화재 및 폭발과 같은 사고들이 때때로 발생한다. 배터리 팩에서, 일단 배터리가 열 폭주를 경험하면, 배터리 팩 또는 시스템에서의 인접한 배터리들의 열 폭주, 즉 열 확산이 종종 촉발된다. 결과적으로, 전체 배터리 팩은 제어되지 않고, 화재 및 폭발과 같은 심각한 결과들이 발생할 수 있다. 현재, 사용 동안의 리튬 이온 배터리들의 안전성은 난제이다.
본 개시내용은 관련 기술의 기술적 문제들 중 적어도 하나를 어느 정도 해결하기를 의도한다. 이를 고려하여, 본 개시내용의 목적은 사용 동안 효과적으로 개선된 열 폭주 및 개선된 안전성을 갖는 리튬 이온 배터리를 제공하는 것이다.
본 개시내용의 양태에서, 본 개시내용은 리튬 이온 배터리를 제공한다. 본 개시내용의 실시예에 따르면, 리튬 이온 배터리는 케이싱 및 케이싱 내에 패키징된 전극 코어를 포함한다. 전극 코어는 양극 시트, 음극 시트, 및 양극 시트와 음극 시트 사이에 위치된 분리기를 포함한다. 양극 시트는 양극 전류 집전체, 및 양극 전류 집전체 상에 탑재된 양극 재료 층을 포함한다. 양극 전류 집전체, 양극 재료 층, 음극 시트, 및 분리기 중에서, 가장 낮은 융점을 갖는 것이 유효 컴포넌트로서 정의된다. 유효 컴포넌트는 다음을 충족한다:
Figure pct00001
여기서, n은 유효 컴포넌트의 층 수이고; L은 제1 방향의 유효 컴포넌트의 치수이고, 단위는 m이고; W는 제2 방향의 유효 컴포넌트의 치수이고, 단위는 m이고; d2는 유효 컴포넌트의 두께이고, 단위는 m이고; ρ는 유효 컴포넌트의 밀도이고, 단위는 kg/m3이고; Cp은 유효 컴포넌트의 비열용량이고(열용량, 비열용량 및 비열은 본 명세서에서 교환 가능하게 사용됨), 단위는 J/(Kg·℃)(즉, J/(Kg·K))이다(J/(Kg·℃) 및 J/(Kg·K)는 본 명세서에서 교환 가능하게 사용됨). 제1 방향은, 유효 컴포넌트에서의 전류가 출력되는 방향과 평행하고, 제2 방향은 제1 방향과 교차한다. 리튬 이온 배터리에서, 전극 코어 컴포넌트의 층 수, 상이한 방향들에서의 치수들 및 다른 파라미터들의 합리적 최적화 및 설계에 의해, 배터리 안전성이 크게 개선된다. 상기 조건들을 충족시키는 리튬 이온 배터리들은 배터리의 열 폭주 또는 열 확산의 확률을 효과적으로 감소시킨다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 본 개시내용은 리튬 이온 배터리를 제공한다. 본 개시내용의 실시예에 따라, 리튬 이온 배터리는 케이싱 및 케이싱 내에 수용된 전극 코어를 포함한다. 전극 코어는 양극 시트, 음극 시트, 및 양극 시트와 음극 시트 사이에 위치된 분리기를 포함한다. 양극 시트는 양극 전류 집전체, 및 양극 전류 집전체 상에 탑재된 양극 재료 층을 포함한다. 양극 전류 집전체는 다음을 충족한다:
Figure pct00002
여기서, n은 양극 전류 집전체의 층 수이고; L은 제1 방향의 양극 전류 집전체의 치수이고, 단위는 m이고; W는 제2 방향에서의 양극 전류 집전체의 치수이고, 단위는 m이고; d2는 양극 전류 집전체의 두께이고, 단위는 m이고, ρ는 양극 전류 집전체의 밀도이고, 단위는 kg/m3이고; Cp는 양극 전류 집전체의 비열용량이고, 단위는 J/(Kg·℃)이다. 제1 방향은, 양극 전류 집전체에서 전류가 인출되는 방향과 평행하고, 제2 방향은 제1 방향과 교차한다.
본 개시내용의 다른 양태에서, 본 개시내용은 전력 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 제공한다. 본 개시내용의 실시예에 따르면, 전력 배터리 모듈 또는 배터리 팩은 전술한 바와 같은 적어도 하나의 리튬 이온 배터리를 포함한다. 전력 배터리 모듈의 열 폭주 및 열 확산의 가능성이 상당히 감소되고, 사용 동안의 안전성이 상당히 개선된다.
본 개시내용의 다른 양태에서, 본 개시내용은 전기 차량 또는 에너지 저장 디바이스를 제공한다. 본 개시내용의 실시예에 따르면, 전기 차량 또는 에너지 저장 디바이스는 전술한 바와 같은 전력 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 포함한다. 전기 차량은 우수한 안전성 및 긴 서비스 수명을 갖는다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 적층된 전극 코어의 개략적인 구조도이다.
도 2는 도 1의 양극의 라인 A-A를 따른 개략적인 단면 구조도이다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 권취 전극 코어를 형성하는 적층된 구조의 평탄화된 상태의 개략적인 구조도이다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른 권취 전극 코어의 개략적인 구조도이다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 권취 전극 코어의 개략적인 구조도이다.
도 6은 도 4 및 도 5의 권취 섹션의 개략적인 평면 구조도이다.
도 7은 라인 B-B를 따른 도 6의 개략적인 단면 구조도이다.
도 8은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 권취 섹션의 개략적인 평면 구조도이다.
본 개시내용의 실시예들은 아래에 상세히 설명된다. 후술된 실시예들은 예시적이고 본 개시내용을 설명하기 위해서만 사용되며, 본 개시내용에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 특정 기법 또는 조건이 특정되지 않는 실시예들은 본 기술 분야의 문헌에 설명된 기법 또는 조건에 따라 또는 제품 사양에 따라 구현된다. 사용되는 시약들 또는 계기들은 제조자를 나타내지 않으며 상업적으로 입수가능한 종래의 제품들이다.
본 개시내용의 양태에서, 본 개시내용은 리튬 이온 배터리를 제공한다. 본 개시내용의 실시예에 따르면, 리튬 이온 배터리는 케이싱 및 케이싱 내에 패키징된 전극 코어를 포함한다. 전극 코어는 양극 시트, 음극 시트, 및 양극 시트와 음극 시트 사이에 위치된 분리기를 포함한다. 양극 시트는 양극 전류 집전체, 및 양극 전류 집전체 상에 탑재된 양극 재료 층을 포함한다. 양극 전류 집전체, 양극 재료 층, 음극 시트, 및 분리기 중에서, 가장 낮은 융점을 갖는 것이 유효 컴포넌트로서 정의된다. 유효 컴포넌트는 다음을 충족한다:
Figure pct00003
여기서, n은 유효 컴포넌트의 층 수이고; L은 제1 방향의 유효 컴포넌트의 치수이고, 단위는 m이고; W는 제2 방향의 유효 컴포넌트의 치수이고, 단위는 m이고;
Figure pct00004
는 유효 컴포넌트의 두께이고, 단위는 m이고; ρ는 유효 컴포넌트의 밀도이고, 단위는 kg/m3이고; Cp는 유효 컴포넌트의 비열용량이고, 단위는 J/(Kg·℃)이다. 제1 방향은, 유효 컴포넌트에서의 전류가 출력되는 방향과 평행하고, 제2 방향은 제1 방향과 교차한다. 리튬 이온 배터리에서, 전극 코어 컴포넌트의 층 수, 상이한 방향들에서의 치수들 및 다른 파라미터들의 합리적 최적화 및 설계에 의해, 배터리 안전성이 크게 개선된다. 상기 조건들을 충족시키는 리튬 이온 배터리들은, 어떠한 부품들도 새롭게 추가하지 않고, 배터리 시스템 설계를 변경하고, 추가적으로 비용을 증가시키지 않고서, 배터리의 열 폭주 또는 열 확산의 확률을 효과적으로 감소시킨다.
일부 실시예들에서, 유효 컴포넌트는 다음을 충족한다:
Figure pct00005
따라서, 리튬 이온 배터리의 안전성이 더 개선되고, 열 폭주 및 열 확산의 확률이 더 감소된다.
본 개시내용에서, 본 개시내용의 리튬 이온 배터리는 다음 2개의 수학식 및 모델에 기초한 합리적 설계 및 최적화 후에 본 발명자들에 의해 얻어졌다.
본 개시내용에서, 다음의 일반적인 열 균형 수학식에 따르면:
Figure pct00006
경계 조건은 다음과 같고:
Figure pct00007
여기서, ρ는 시스템 내의 미리 결정된 컴포넌트의 밀도를 나타내고, T는 시스템이 열 균형에 도달하는 온도를 나타내고, t는 시간을 나타내고, Cp는 미리 결정된 컴포넌트의 비열을 나타내고, k는 열 전도율의 계수를 나타내고, Q는 발생된 열을 나타내고, h는 케이싱 및 공기의 열 계수를 나타내고, E는 기전력을 나타내고, U는 단자 전압을 나타내고, I는 충전 및 방전 전류를 나타내고, Tsurface는 시스템의 표면 온도를 나타내고, Troom는 실온을 나타낸다.
1차원 열 확산 모델은 다음과 같고:
Figure pct00008
여기서, Q는 순간 t=0에서 x=0에서 주어진 열이고, ΔT는 실온에 대하여 제로 포인트로부터 거리 x=R에서의 온도의 증분이고, ρ는 열 전도체의 밀도이고, c는 열 전도체의 비열용량이고, δ는 열 전도체의 두께이고, α는 열 전도율의 계수 α=k/(ρc)이고, k는 열 전도체의 열 전도율의 계수이고, m2=2h/(kδ)이다.
본 발명자의 실제 연구 경험과 조합하여, 상기 수학식들 및 모델들에 기초하여, 본 개시내용은 아래의 원리들을 따라 본 발명자에 의해 제안된다. 열 폭주는 주로 배터리 내부의 단락에 의해 야기된다. 일단 단락이 발생하면, 단락 지점에서의 온도가 급속히 상승하여, 배터리의 열 폭주를 초래하고, 화재 또는 폭발을 쉽게 야기한다. 본 개시내용의 리튬 이온 배터리에서, 배터리 내의 유효 컴포넌트의 수, 크기 및 열역학적 파라미터들을 제어함으로써, 배터리가 단락될 때 단락 회로 지점이 신속하게 용융 단절되어, 단락 회로 지점을 차단하고, 추가의 열 발생을 방지하고, 재료가 통제 불능 지점에 도달하지 않음을 보장한다. 이는, 배터리의 안전성을 크게 보장하고, 열 폭주의 발생을 회피하고, 배터리의 안전성을 크게 개선할 수 있다.
본 개시내용의 리튬 이온 배터리는 액체 배터리, 고체 상태 배터리 또는 폴리머 배터리일 수 있다. 액체 배터리 및 폴리머 배터리는 양극 시트, 음극 시트, 및 양극 시트와 음극 시트 사이의 분리 필름(즉, 분리기)을 포함할 수 있다. 분명히, 전극 코어는 또한 전해질 용액을 포함한다. 고체 상태 배터리는 양극 시트, 음극 시트, 및 양극 시트와 음극 시트 사이의 고체 전해질 층(즉, 분리기)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 음극 시트는 음극 전류 집전체, 및 음극 전류 집전체 상에 탑재된 음극 재료 층을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 양극 전류 집전체, 양극 재료 층, 음극 전류 집전체, 음극 재료 층, 및 분리기 중에서, 가장 낮은 융점을 갖는 것이 유효 컴포넌트로서 정의된다.
일부 다른 실시예들에서, 음극 시트는 리튬 포일 또는 리튬 스트립일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 양극 전류 집전체, 양극 재료 층, 리튬 포일(또는 리튬 스트립), 및 분리기 중에서, 가장 낮은 융점을 갖는 것이 유효 컴포넌트로서 정의된다.
일부 실시예들에서, 음극 시트는 다공성 전류 집전체, 및 다공성 전류 집전체에 증착된 음극 활물질을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 양극 전류 집전체, 양극 재료 층, 다공성 전류 집전체, 및 분리기 중에서, 가장 낮은 융점을 갖는 것이 유효 컴포넌트로서 정의된다.
또한, 양극 시트 및 음극 시트에는 전류 출력을 위한 양극 탭 및 음극 탭이 각각 제공된다. 일부 실시예들에서, 양극 탭 및 음극은 각각, 양극 시트 및 음극 시트의 일 측면으로부터 도출되고, 양극 탭 및 음극은 (도 8에 도시된 바와 같이) 동일한 측면에, 또는 (도 1 및 7에 도시된 바와 같이) 대향 측면들에 배열될 수 있다. 탭이 도출되는 방향은 전류가 출력되는 방향이다. 전극 코어에서, 다수의 양극 시트들(10) 및 음극 시트들(20)은 (도 1의 개략적인 구조도에 도시된 바와 같이) 적층된 전극 코어를 형성하기 위해 교번적으로 적층될 수 있고, 여기서 분리기는 인접한 양극 시트와 음극 시트 사이에 제공된다. 대안적으로, (도 2의 개략적인 구조도에 도시된 바와 같이) 양극 시트, 분리기, 및 음극 시트가 적층된 다음, 권취 전극 코어를 형성하도록 권취된다. 특정 배열은 종래의 기법들을 참조할 수 있으며, 여기서 다시 상세히 설명되지 않을 것이다.
도 1을 참조하면, 적층된 전극 코어는 교번적으로 적층된 다수의 양극 시트들(10) 및 음극 시트들(20)을 포함하고, 인접한 양극 시트(10)와 음극 시트(20) 사이에 분리기(도시되지 않음)가 제공된다는 것을 유의하여야 한다. 이 경우에, n은 적층된 유효 컴포넌트의 수이고, L은 제1 방향에서의 유효 컴포넌트의 치수이고, W는 제2 방향에서의 유효 컴포넌트의 치수이고, d2는 유효 컴포넌트의 두께(적층 방향에서의 치수)이다.
도 3, 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7을 참조하면, 권취 전극 코어에서, 양극 시트(10), 음극 시트(20) 및 분리기(40)가 적층된 다음 권취된다. 일부 실시예들에서, 순차적으로 적층된 양극 시트(10), 분리기(40) 및 음극 시트(20)는 적층체(30)로서 정의된다. 적층체(30)는 다수의 연속적으로 연결된 권취 세그먼트(31)로 분할된다(도 3 참조). 권취될 때, 다수의 권취 세그먼트(31)는 순차적으로 적층된다(도 4 참조). 이 경우, n은 권취 세그먼트의 수(또는 유효 컴포넌트의 권취 턴(turn)의 수의 2배)이고, L은 제1 방향의 하나의 권취 세그먼트 내의 유효 컴포넌트의 치수이고, W는 제2 방향에서의 다수의 권취 세그먼트 내의 유효 컴포넌트들의 평균 치수이고, d2는 하나의 권취 섹션 내의 유효 컴포넌트의 두께이다.
또한, 본 명세서에 설명된 제1 방향과 교차하는 제2 방향은 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도가 0도보다 크고 90도보다 작거나 같을 수 있다는 것이라는 점에도 유의해야 한다. 일부 실시예들에서, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도는 90도일 수 있는데, 즉, 제1 방향은 제2 방향에 수직이다.
일부 실시예들에서, 리튬 이온 배터리의 다양한 컴포넌트들에서 일반적으로 사용되는 재료들에 따르면, 양극 전류 집전체의 융점이 일반적으로 더 낮다. 양극 전류 집전체가 열 폭주 시에 용융 단절될 때, 전극 재료는 제어를 벗어나지 않고, 따라서 배터리의 안전성을 크게 보장한다. 열 폭주를 초래하는 배터리 내부의 다양한 형태들의 단락 회로들 중에서, 예를 들어, 양의 재료와 음의 재료 사이의 단락 회로, 양극 전류 집전체와 음극 시트 사이의 단락 회로, 및 음극 전류 집전체와 양극 시트 사이의 단락 회로가 있다. 양극 전류 집전체가 음극 재료와 접촉하고 단락될 때, 발생되는 열은 최대이다. 일단 단락이 발생하면, 단락 지점에서의 온도는 급속하게 200 ℃로 상승할 수 있고, 재료가 제어를 벗어나게 하고, 화재 또는 폭발을 쉽게 야기하는 것으로 밝혀졌다. 본 개시내용의 리튬 이온 배터리에서, 단락 회로 지점이 용융 단절될 때 재료가 통제 불능 지점에 도달하지 않는 기본적인 목적을 달성하기 위해, 양극 전류 집전체가, 열 폭주 및 열 확산을 효과적으로 회피하고 배터리의 안전성을 크게 개선하기 위해 유효 컴포넌트로서 사용된다.
이하, 본 개시내용의 해결책이 유효 컴포넌트로서 양극 전류 집전체를 이용하여 더 상세히 설명된다.
본 개시내용의 실시예에 따르면, 도 1 및 2를 참조하면, 양극 탭(11)은 양극 시트(10)의 일 측면으로부터 도출된다. 일부 실시예들에서, 양극 탭이 도출되는 방향은 전류가 양극 전류 집전체에서 출력되는 방향이다. 따라서, 제1 방향은 양극 탭이 도출되는 방향과 평행하다.
일부 실시예들에서, 양극 탭은 양극 전류 집전체에 용접되거나, 양극 전류 집전체로부터 컷팅될 수 있다(즉, 양극 탭은 양극 전류 집전체와 일체로 형성된다). 양극 탭이 양극 전류 집전체로부터 어떻게 도출되든지, 제1 방향에서의 양극 전류 집전체의 치수는 제1 방향에서의 양극 탭의 치수를 포함하지 않음을 유의하여야 한다. 음극 탭의 조건은 양의 탭의 조건과 동일할 수 있으며, 여기서 다시 상세히 설명되지 않을 것임을 이해할 수 있다.
또한, 제2 방향은 실제 상황에 따라 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 방향은 제1 방향에 수직이다. 따라서, 상기 조건들의 더 높은 정도의 일치가 달성되고, 따라서, 열 폭주 및 열 확산의 확률이 더 낮고, 배터리의 안전성이 더 높다.
일부 실시예들에서, 도 1 및 2를 참조하면, 리튬 이온 배터리 내의 전극 코어는 적층된 전극 코어일 수 있다. 적층된 전극 코어는, 교번적으로 적층된 다수의 양극 시트들(10) 및 음극 시트들(20)을 포함한다. 이 경우, n은 다수의 양극 시트들(10)의 양극 전류 집전체(12)의 수이고, L은 제1 방향에서의 하나의 양극 시트(10) 내의 양극 전류 집전체(12)의 치수이고, W는 제2 방향에서의 하나의 양극 시트(10)에서의 양극 전류 집전체(12)의 치수이고, d2는 하나의 양극 시트(10) 내의 양극 전류 집전체(12)의 두께이다. 도 1 및 2에 도시된 전극 코어에서, 양극 전류 집전체의 수(n)는 3이고, L, W 및 d2는 도면에 도시된 바와 같다.
일부 다른 실시예들에서, 리튬 이온 배터리의 전극 코어는 권취 전극 코어일 수 있다. 도 3 내지 도 7을 참조하면, 권취 전극 코어는 순차적으로 연결된 다수의 권취 세그먼트(31)로 분할된 적층체(30)를 권취함으로써 형성된다. 권취 전극 코어에서, 다수의 권취 세그먼트(31)가 적층된다. 권취 섹션들(31) 각각은 양극 시트(10)를 포함하고, 순차적으로 적층된 분리기(40) 및 음극 시트(20)를 포함한다. 이 경우에, n은 권취 세그먼트(31)의 수이고, L은 제1 방향에서의 하나의 권취 섹션(31)에서의 양극 전류 집전체(12)의 치수이고, W는 제2 방향에서의 다수의 권취 세그먼트(31) 내의 양극 전류 집전체들(12)의 평균 치수이고, d2는 하나의 권취 세그먼트(31)에서의 양극 전류 집전체(12)의 두께이다. 도 3 내지 7에 도시된 권취 전극 코어에서, n=5이고, W=(W1+W2+W3+W4+W5)/5이고, L = L1이다.
일부 실시예들에서, 양극 전류 집전체의 재료는 알루미늄 포일과 같은 알루미늄을 포함하고, 음극 전류 집전체는 구리 포일이다. 배터리 파라미터들(층 수, 상이한 방향들에서의 치수들, 두께, 비열용량 및 유효 컴포넌트의 다른 것들)의 합리적인 설계들을 이용하여, 알루미늄의 낮은 융점과 조합하여, 단락 지점이 용융 단절될 때, 재료가 제어를 벗어나지 않고, 따라서 열 폭주 및 열 확산을 회피하고, 리튬 이온 배터리의 안전성을 크게 보장하는 것이 효과적으로 보장될 수 있다.
일부 실시예들에서, 양극 전류 집전체의 두께
Figure pct00009
는 6 μm 내지 15 μm(예를 들어, 6 μm, 7 μm, 8 μm, 9 μm, 10 μm, 11 μm, 12 μm, 13 μm, 14 μm, 또는 15 μm) 범위일 수 있다. 양극 전류 집전체의 밀도 ρ는 2000 kg·m-3 내지 3000 kg·m-3의 범위이다(예를 들어, 2000 kg·m-3, 2100 kg·m-3, 2200 kg·m-3, 2300 kg·m-3, 2400 kg·m-3, 2500 kg·m-3, 2600 kg·m-3, 2700 kg·m-3, 2800 kg·m-3, 2900 kg·m-3, 또는 3000 kg·m-3). 양극 전류 집전체의 비열용량
Figure pct00010
은 800 J·kg-1·K-1 내지 900 J·kg-1·K-1(예를 들어, 800 J·kg-1·K-1, 810 J·kg-1·K-1, 820 J·kg-1·K-1, 830 J·kg-1·K-1, 840 J·kg-1·K-1, 850 J·kg-1·K-1, 860 J·kg-1·K-1, 870 J·kg-1·K-1, 880 J·kg-1·K-1, 890 J·kg-1·K-1, 또는 900 J·kg-1·K-1)의 범위이다. 본 개시내용에 따르면, d2, ρ, 및 Cp는 양극 전류 집전체의 열 특성 속성들이다. 이 3개의 곱이 증가함에 따라, 단락 회로 포인트는 용융 단절되기가 더 어렵고, 제어를 벗어날 위험이 더 크다. 위에서 정의된 범위들에서, 단락 지점이 용융 단절될 때, 재료는 제어를 벗어나지 않고, 따라서 배터리의 안전성을 잘 보장하는 것이 효과적으로 보장될 수 있다.
일부 실시예들에서, 양극 전류 집전체의 층 수 n은 1 내지 150(예를 들어, 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 또는 150)의 범위이다. n은 양극 전류 집전체의 총 층 수이다. n의 값이 증가함에 따라, 단락 시에 방출되는 열이 증가하고, 제어를 벗어날 위험이 더 크다. 위에서 정의된 범위에서는, 제어를 벗어날 위험이 낮으면서, 배터리의 에너지 밀도가 보장된다.
일부 실시예들에서, 제2 방향에서의 양극 전류 집전체의 치수(W)에 대한 제1 방향에서의 양극 전류 집전체의 치수(L)의 비 L/w는 0 내지 30(예를 들어, 1, 2, 5, 8, 10, 12, 15, 18, 20, 22, 25, 28, 또는 30)의 범위에 있다. L/w는 양극 전류 집전체의 임피던스를 결정한다. 값이 더 클수록, 전극 코어가 단락 회로 지점에서 용융 단절되기 전에 발생되는 총 열이 더 커질 것이고, 제어를 벗어날 위험이 높을 것이다. 위에서 정의된 범위들에서, 배터리는 정상적으로 작동하는 것이 보장되며, 제어를 벗어날 위험이 낮다.
일부 실시예들에서, 본 개시내용의 리튬 이온 배터리에서, 양극 재료 층 및 음극 활물질의 타입들은 특별히 제한되지 않으며, 실제 필요들에 따라 본 기술 분야의 통상의 기술자들에 의해 유연하게 선택되고 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 양극 재료 층은 리튬 철 인산염 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 음극 시트는 흑연, 연질 탄소, 경질 탄소, 탄소 섬유들, 메소카본 미세 구체들, 규소 기반 재료, 주석 기반 재료 및 티탄산리튬 중 적어도 하나를 포함하는 음극 활물질을 포함한다. 따라서, 상기 열 폭주 조건들에 더 높은 정도의 일치가 달성되고, 리튬 이온 배터리의 열 폭주의 위험이 더 낮다.
일부 실시예들에서, 리튬 이온 배터리는 직사각형 배터리일 수 있다. 또한, 리튬 이온 배터리의 길이는 500 mm-2500 mm(예를 들어, 500 mm, 800 mm, 1000 mm, 1500 mm, 1800 mm, 2000 mm, 2200 mm, 또는 2500 mm)일 수 있다. 이 범위의 형상 및 크기를 갖는 리튬 이온 배터리들은 상기 열 폭주 조건들과 잘 일치할 수 있다. 상기 열 폭주 조건들을 통해, 리튬 이온 배터리는 열 폭주의 더 낮은 위험을 갖도록 더 정확하게 제어될 수 있다.
이전에 설명된 컴포넌트들에 더하여, 리튬 이온 배터리는 또한, 종래의 리튬 이온 배터리의 필요한 구조들 및 컴포넌트들, 예를 들어, 전해질 용액 또는 고체 전해질, 필요한 연결 와이어들 등이 포함될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 특정 배열은 종래의 기법들을 참조할 수 있으며, 여기서 다시 상세히 설명되지 않을 것이다.
일부 실시예들에서, 다수의 전극 코어들이 케이싱에 패키징되고, 다수의 전극 코어들은 직렬로 연결된 여러 개의 전극 코어 조립체들에 할당된다. 예를 들어, 15개의 전극 코어들이 케이싱에 패키징되고, 각각의 5개의 전극 코어는 하나의 전극 코어 조립체에 할당된다. 다음으로, 3개의 전극 코어 조립체가 케이싱 내에 포함되고, 3 전극 코어 조립체들은 직렬로 연결된다.
일부 실시예들에서, 캡슐화 필름이 케이싱과 전극 코어 사이에 추가로 제공되고, 여기서, 전극 코어는 캡슐화 필름에 패키징된다. 따라서, 전극 코어는, 손상의 문제를 피하고, 배터리의 안전성을 개선하고, 배터리의 서비스 수명을 연장하기 위해 잘 보호될 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 본 개시내용은 리튬 이온 배터리를 제공한다. 본 개시내용의 실시예에 따르면, 리튬 이온 배터리는 케이싱, 및 케이싱 내에 수용되는 전극 코어를 포함한다. 전극 코어는 양극 시트, 음극 시트, 및 양극 시트와 음극 시트 사이에 위치된 분리기를 포함한다. 양극 시트는 양극 전류 집전체, 및 양극 전류 집전체 상에 탑재된 양극 재료 층을 포함한다. 양극 전류 집전체는 다음을 충족한다:
Figure pct00011
여기서, n은 양극 전류 집전체의 층 수이고, L은 제1 방향의 양극 전류 집전체의 치수이고, 단위는 m이고; W는 제2 방향에서의 양극 전류 집전체의 치수이고, 단위는 m이고; d2는 양극 전류 집전체의 두께이고, 단위는 m이고; ρ는 양극 전류 집전체의 밀도이고, 단위는 kg/m3이고; Cp는 양극 전류 집전체의 비열용량이고, 단위는 J/(Kg·℃)이다. 제1 방향은 양극 전류 집전체에서의 전류 출력 방향에 평행하고, 제2 방향은 제1 방향과 교차한다.
리튬 이온 배터리의 케이싱, 양극 시트, 음극 시트, 및 분리기는 전술한 바와 같고, 여기서 다시 상세히 설명되지 않을 것임을 이해할 수 있다.
본 개시내용의 다른 양태에서, 본 개시내용은 전력 배터리 모듈을 제공한다. 본 개시내용의 실시예에 따르면, 전력 배터리 모듈은 전술한 바와 같은 적어도 하나의 리튬 이온 배터리를 포함한다. 전력 배터리 모듈의 열 폭주 및 열 확산의 가능성이 상당히 감소되고, 사용 동안의 안전성이 상당히 개선된다.
전력 배터리 모듈에서, 다수의 리튬 이온 배터리들이 직렬로, 병렬로 또는 혼성 패턴으로 연결될 수 있거나, 또는 일부 리튬 이온 배터리들이 연결되어 조립체를 형성하고, 그 후 다수의 조립체가 추가로 연결되어 전력 배터리 모듈을 형성한다. 분명히, 이는 실제 필요들에 따라 설계되고 선택될 수 있으며, 여기서 다시 상세히 설명되지 않을 것이다.
본 개시내용의 다른 양태에서, 본 개시내용은 배터리 팩을 제공한다. 본 개시내용의 실시예에 따르면, 배터리 팩은 전술한 바와 같은 적어도 하나의 리튬 이온 배터리 또는 전력 배터리 모듈을 포함한다. 배터리 팩은 사용 동안 높은 안전성 및 긴 서비스 수명을 갖는다.
본 개시내용의 다른 양태에서, 본 개시내용은 전기 차량을 제공한다. 본 개시내용의 실시예에 따르면, 전기 차량은 전술한 바와 같은 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 포함한다. 전기 차량은 우수한 안전성 및 긴 서비스 수명을 갖는다.
앞에서 설명된 전력 배터리 모듈에 더하여, 전기 차량은 종래의 전기 차량을 위한 필요한 구조물들 및 컴포넌트들, 예를 들어, 차체, 타이어, 모터, 프레임, 내부들 등을 더 포함할 수 있음을 이해할 수 있다. 특정 배열은 종래의 기법들을 참조할 수 있으며, 여기서 다시 상세히 설명되지 않을 것이다.
본 개시내용의 다른 양태에서, 본 개시내용은 에너지 저장 디바이스를 제공한다. 본 개시내용의 실시예에 따르면, 에너지 저장 디바이스는 전술한 바와 같은 전력 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 포함한다. 에너지 저장 디바이스는 열 폭주 및 열 확산의 확률이 명백하게 감소되었고, 따라서 우수한 안전성 및 긴 서비스 수명을 갖는다.
본 개시내용의 실시예들이 아래에 상세히 설명된다.
다음의 예들 및 비교예들에서, 전력 배터리 모듈이 사용되고, 이는 다수의 리튬 이온 배터리를 직렬로 연결함으로써 형성된다. 각각의 리튬 이온 배터리는 적층형 배터리이고, 양극 전류 집전체는 알루미늄 포일이고, 양극 재료는 리튬 철 인산염 재료이고, 음극 전류 집전체는 구리 포일이고, 음극 재료는 흑연이고, 분리기는 폴리올레핀 분리기이고, 전해질 용액은 리튬 헥사플루오로포스페이트의 유기 전해질 용액이고, 리튬 이온 배터리는 직사각형 배터리이고, 길이는 1000 mm이다.
성능 시험
못 침투 시험이 "GB/T 31485-2015 안전 요건들 및 전기 차량의 견인 배터리에 대한 테스트 방법들"에 설명된 바와 같은 방법에 따라 수행되었다. 못 침투는 다음과 같았다:
충전: 실온에서, 배터리 셀은 1C+0.2C의 전류에서 2.0V의 최종 전압으로 방전되었고, 30분 동안 정치된 다음, 1C+0.2C의 전류에서 3.8V로 충전되었다.
못 침투: 배터리는, 전극 시트에 수직인 방향으로부터, (25±5) mm/s의 속도로,
Figure pct00012
5-8 mm의 직경 및 45°-60°의 원추각(못 표면은 평활하고, 녹, 산화물 층 및 오일 스테인들이 없음)을 갖는 고온 내성 강철 못으로 관통되었다. 침투 위치는 침투된 표면의 기하학적 중심에 편리하게 가깝고, 강철 못은 배터리에 남겨져 1 시간 동안 관찰되었다.
각각의 예 및 비교예의 파라미터들 및 시험 결과들은 다음의 표에 나타나 있다:
양극 전류 집전체의 층 수 n 제1 방향 및 제2 방향에서의 양극 전류 집전체의 치수들의 비 L/W 양극 전류 집전체의 두께 d2 양극 전류 집전체의 밀도 ρ/kg·m-3 양극 전류 집전체의 비열용량 Cp/J·kg-1·K-1 A 못 침투 시험 결과
예 1 13 14 12μm 2710 880 1211.41 양호, 화재 없음, 폭발 없음, 및 침투에 의한 인접 배터리들에 대한 영향 없음
예 2 20 13 12μm 3000 850 1304.99 양호, 화재 없음, 폭발 없음, 및 침투에 의한 인접 배터리들에 대한 영향 없음
예 3 30 11 10μm 2200 820 746.36 양호, 화재 없음, 폭발 없음, 및 침투에 의한 인접 배터리들에 대한 영향 없음
예 4 40 10 10μm 2710 880 1011.08 양호, 화재 없음, 폭발 없음, 및 침투에 의한 인접 배터리들에 대한 영향 없음
예 5 50 8 8μm 2710 880 780.77 양호, 화재 없음, 폭발 없음, 및 침투에 의한 인접 배터리들에 대한 영향 없음
예 6 8 15 13μm 2800 890 1372.60 양호, 화재 없음, 폭발 없음, 및 침투에 의한 인접 배터리들에 대한 영향 없음
예 7 3 2 6μm 2000 800 94.8576 양호, 화재 없음, 폭발 없음, 및 침투에 의한 인접 배터리들에 대한 영향 없음
비교예 1 10 30 12μm 2710 880 2258.08 불량, 폭발-방지 밸브가 개방되고, 열 폭주가 발생한다.
비교예 2 40 45 10μm 2710 880 3049.94 불량, 폭발-방지 밸브가 개방되고, 열 폭주가 발생한다.
Figure pct00013
시험 결과들로부터, A가 2000보다 클 때, 배터리는 못 침투 시험을 통과할 수 없고, 열 폭주가 발생한다는 것을 알 수 있다. A가 2000 미만 80 초과일 때, 배터리는 못 침투 시험을 통과하고, 열 폭주가 발생하지 않는다. 이는, 본 개시내용의 조건들을 충족시키는 리튬 이온 배터리가, 열 폭주의 더 낮은 위험 및 더 높은 안전성을 갖는다는 것을 보여준다.
본 명세서의 설명들에서, "실시예", "일부 실시예들", "예", "특정 예", 또는 "일부 예들"과 같은 참조 용어의 설명은, 실시예 또는 예를 참조하여 설명되는 특정 특징, 구조, 재료, 또는 특성이 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예 또는 예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서에서, 전술한 용어들의 개략적인 설명들은 반드시 동일한 실시예 또는 예에 관한 것은 아니다. 게다가, 설명되는 특정 특징들, 구조들, 재료들 또는 특성들은 임의의 하나 이상의 실시예 또는 예에서 적절한 방식들로 조합될 수 있다. 추가로, 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 명세서에 설명된 상이한 실시예들 또는 예들과, 상이한 실시예들 또는 예들의 특징들이 서로 모순되지 않는 한, 이들을 통합하거나 조합할 수 있다.
본 개시내용의 실시예들이 위에서 도시되고 설명되었지만, 전술한 실시예들은 예시적인 것이고, 본 개시내용에 대한 제한으로서 해석될 수 없다는 점이 이해될 수 있다. 본 개시내용의 범위 내에서, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 전술한 실시예들에 대해 변경들, 수정들, 대체 및 변형들을 행할 수 있다.

Claims (14)

  1. 리튬 이온 배터리로서, 케이싱 및 상기 케이싱 내에 패키징되는 전극 코어를 포함하고, 상기 전극 코어는 양극 시트, 음극 시트, 및 상기 양극 시트와 상기 음극 시트 사이에 위치되는 분리기를 포함하고, 상기 양극 시트는 양극 전류 집전체 및 상기 양극 전류 집전체 상에 탑재된 양극 재료 층을 포함하고, 상기 양극 전류 집전체, 상기 양극 재료 층, 상기 음극 시트, 및 상기 분리기 중에서, 가장 낮은 융점을 갖는 것이 유효 컴포넌트로서 정의되고; 상기 유효 컴포넌트는 다음을 충족시키고:
    Figure pct00014

    여기서, n은 유효 컴포넌트의 층 수이고; L은 제1 방향의 상기 유효 컴포넌트의 치수이고, 단위는 m이고; W는 제2 방향의 상기 유효 컴포넌트의 치수이고, 단위는 m이고; d2는 상기 유효 컴포넌트의 두께이고, 단위는 m이고; ρ는 상기 유효 컴포넌트의 밀도이고, 단위는 kg/m3이고; Cp는 상기 유효 컴포넌트의 비열용량이고, 단위는 J/(Kg·℃)이고; 상기 제1 방향은, 상기 유효 컴포넌트에서의 전류가 출력되는 방향과 평행하고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 교차하는, 리튬 이온 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유효 컴포넌트는
    Figure pct00015

    을 충족시키는, 리튬 이온 배터리
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유효 컴포넌트는 상기 양극 전류 집전체인, 리튬 이온 배터리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 전류 집전체의 일 측면으로부터 양극 탭이 도출되고, 상기 제1 방향은 상기 양극 탭이 도출되는 방향과 평행한, 리튬 이온 배터리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 수직인, 리튬 이온 배터리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 전류 집전체는 다음의 조건들:
    양극 전류 집전체의 두께
    Figure pct00016
    는 6 μm 내지 15 μm의 범위인 것;
    양극 전류 집전체의 밀도 ρ는 2000 kg·m-3 내지 3000 kg·m-3의 범위인 것;
    양극 전류 집전체의 비열용량
    Figure pct00017
    의 범위는 800J·kg-1·K-1 내지 900J·kg-1·K-1인 것;
    상기 양극 전류 집전체의 상기 층 수 n은 1 내지 150의 범위인 것; 및
    상기 제1 방향에서의 상기 양극 전류 집전체의 치수 L 대 상기 제2 방향에서의 상기 양극 전류 집전체의 치수 W의 비 L/W는 0-30의 범위에 있는 것 중 적어도 하나를 충족시키는, 리튬 이온 배터리.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 전류 집전체의 재료는 알루미늄을 포함하는, 리튬 이온 배터리.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 코어는 다음의 조건들:
    상기 양극 재료 층은 리튬 철 인산염 재료를 포함하는 것;
    상기 음극 시트는 음극 활물질을 포함하고, 상기 음극 활물질은 흑연, 연질 탄소, 경질 탄소, 탄소 섬유들, 메소카본 미세 구체들, 규소 기반 재료, 주석 기반 재료 및 티탄산리튬 중 적어도 하나를 포함하는 것 중 적어도 하나를 충족시키는, 리튬 이온 배터리.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리튬 이온 배터리는 다음의 조건들:
    상기 리튬 이온 배터리는 직사각형 배터리인 것,
    상기 리튬 이온 배터리의 길이는 500-2500 mm인 것 중 적어도 하나를 충족시키는, 리튬 이온 배터리.
  10. 리튬 이온 배터리로서, 케이싱 및 상기 케이싱 내에 수용되는 전극 코어를 포함하고, 상기 전극 코어는 양극 시트, 음극 시트, 및 상기 양극 시트와 상기 음극 시트 사이에 위치되는 분리기를 포함하고, 상기 양극 시트는 양극 전류 집전체 및 상기 양극 전류 집전체 상에 탑재된 양극 재료 층을 포함하고, 상기 양극 전류 집전체는 다음을 충족하고:
    Figure pct00018

    여기서, n은 상기 양극 전류 집전체의 층 수이고, L은 제1 방향의 상기 양극 전류 집전체의 치수이고, 단위는 m이고; W는 제2 방향의 상기 양극 전류 집전체의 치수이고, 단위는 m이고; d2는 상기 양극 전류 집전체의 두께이고, 단위는 m이고; ρ는 상기 양극 전류 집전체의 밀도이고, 단위는 kg/m3이고; Cp는 상기 양극 전류 집전체의 비열용량이고, 단위는 J/(Kg·℃)이며, 상기 제1 방향은 상기 양극 전류 집전체에서의 전류 출력 방향에 평행하고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 교차하는, 리튬 이온 배터리.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 전극 코어들이 상기 케이싱에 패키징되고, 상기 다수의 전극 코어들은 직렬로 연결된 여러 개의 전극 코어 조립체들에 할당되는, 리튬 이온 배터리.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이싱과 상기 전극 코어 사이에 캡슐화 필름이 추가로 제공되고, 상기 전극 코어는 상기 캡슐화 필름에 패키징되는, 리튬 이온 배터리.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 리튬 이온 배터리를 포함하는 전력 배터리 모듈 또는 배터리 팩.
  14. 제13항에 따른 전력 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 포함하는 전기 차량 또는 에너지 저장 디바이스.
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