KR20230023718A - 높은 비에너지 밀도를 구비한 리튬-이온 전지 - Google Patents

높은 비에너지 밀도를 구비한 리튬-이온 전지 Download PDF

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Abstract

알려지는 리튬 이온 전지(100)는 시퀀스 애노드(120)/분리막(118)/캐소드(130)를 갖는 전극-분리막 복합재(104)를 포함하고, 애노드(120)와 캐소드(130)는 각각 제1 및 제 2 에지(110e, 115e)를 갖는 집전체(110, 115)를 포함하고, 집전체는 각각의 전극 재료(123, 125)의 층이 담지된(loaded) 메인 영역(122, 126) 및 제1 에지(110e, 115e)를 따라 연장하고 전극 재료가 담지되지 않는 자유 에지 스트립(121, 117)을 각각 갖는다. 조립체(104)는 두 개의 터미널 말단 면들을 갖는 권선의 형태이거나 또는 스택의 일부이고, 스택은 두 개 또는 그 초과의 동일한 전극-분리막 조립체로부터 형성되고 이는 마찬가지로 두 개의 터미널 면들을 가지며, 선택적으로는 스택의 추가적인 동일한 전극-분리막 조립체 또는 조립체들과 함께, 하우징에 의해 둘러싸여 있다. 애노드(120)와 캐소드(130)는, 애노드 집전체의 제1 에지(110e)가 터미널 말단 면들 또는 스택의 페이지들 중 하나로부터 돌출하고 캐소드 집전체의 제1 에지(115e)가 터미널 말단 면들 또는 스택의 페이지들 중 다른 하나로부터 돌출하도록, 형성되고/형성되거나 조립체(104) 내에서 서로에 대해 배치된다. 셀(100)은 제1 에지(110e, 115e)들 중 하나가 직접 접촉하고 용접에 의해 연결되는 접촉 시트 금속 부재(101a, 102, 155)를 갖는다. 음극 재료는 20 중량% 내지 90 중량%의 비율로, 리튬을 가역적으로 삽입하고 삽입제거할 수 있는 실리콘, 알루미늄, 주석, 안티몬 및 이를 재료들의 화합물 또는 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료를 활성 물질로서 포함하는 것이 제안된다.

Description

높은 비에너지 밀도를 구비한 리튬-이온 전지
이하에서 설명되는 본 발명은 전극-분리막 조립체를 포함하는 리튬-이온 전지에 관한 것이다.
전기 화학 전지는 산화 환원 반응에 의해 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 그들은 분리막에 의해 분리된 양극과 음극을 일반적으로 포함한다. 방전 중에 전자는 산화 과정의 결과로 음극에서 방출된다. 그 결과 외부 전기 소비자가 끌어낼 수 있는 전자 전류가 생성되며, 이러한 경우에 전기화학 전지는 에너지 공급자 역할을 한다. 동시에, 전극 반응에 상응하는 이온 전류가 전지 내에서 발생한다. 상기 이온 전류는 분리막을 건너며 이온-전도성 전해질에 의해 보장된다.
만약 방전이 가역적이면, 즉, 만약 방전 중에 발생한 화학 에너지의 전기 에너지로의 변환을 역전시켜 다시 전지를 충전할 수 있다면, 이것은 2차 전지로 불려진다. 음극을 애노드로 지정하고 양극을 캐소드로 지정하는 것은, 2차 전지에서 일반적으로 사용되며, 전기 화학 전지의 방전 기능을 나타낸다.
널리 사용되는 2차 리튬-이온 전지는, 이온의 형태로 전지의 전극들 사이를 앞뒤로 이동할 수 있는 리튬의 사용을 기반으로 한다. 리튬-이온 전지는 비교적 높은 에너지 밀도를 특징으로 한다. 리튬-이온 전지의 음극 및 양극은 전기 화학적 활성 성분 뿐만 아니라 전기 화학적 비활성 성분을 포함하는, 소위 복합재 전극(composite electrodes)에 의해 일반적으로 형성된다.
원칙적으로, 리튬 이온을 흡수 및 방출할 수있는 모든 물질은 2차 리튬-이온 전지를 위한 전기 화학적 활성 성분(활성 물질)으로 사용될 수 있다. 음극의 경우, 그래파이트계 탄소와 같은 탄소계 입자가 자주 사용된다. 리튬의 삽입(intercalation)에 적합한 다른, 비 그래파이트계(non-graphitic) 탄소 재료가 또한 사용될 수 있다. 또한, 리튬과 합금될 수있는 금속 및 반-금속(semi-metallic) 재료도 사용될 수 있다. 예를 들어, 원소들 주석, 알루미늄, 안티몬 및 실리콘은 리튬과 금속 간(intermetallic) 상을 형성할 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 물질로서 사용될 수 있다. 전기화학적 활성 물질은 일반적으로 전극 내에 입자 형태로 함유된다.
전기화학적 비활성 성분으로서, 복합재 전극은 평평한 및/또는 스트립형 집전체, 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 보장다. 또한, 전극은 전도성 향상 첨가제 및 다른 첨가제를 함유할 수 있다.
전해질로서, 리튬-이온 전지는 일반적으로 유기 용매(예를들어 탄산 에스테르 및 에테르)에서 리튬 헥사플루오로인산염 (LiPF6)과 같은 리튬염 용액을 포함한다.
리튬-이온 전지의 제조에서, 복합재 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 전지의 기본 기능이 확립될 수 있다.
많은 실시예에서, 조립체는 다수의 조립체가 서로 위에 평평하게 적층될 수 있도록 평평하게 형성된다. 그러나 자주, 조립체는 권선(winding)으로서 생산되거나 권선이 되도록 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 바이 전지(bi-cell)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 동시에(simultaneously) 로딩될(loaded) 수 있는 가능한 가장 높은 에너지 밀도를 구비한 리튬-이온 전지가 필요하다. 이러한 전지는 예를 들어 WO 2017/215900 A1에 기재되어 있다.
언급된 이러한 응용들을 위한 전지는 종종 예를 들어 형수(form factor) 21 x 70(mm의 직경 * 높이)을 갖는 원통형 둥근 전지로서 설계된다. 이러한 유형의 전지는 항상 권선 형태의 조립체를 포함한다. 이러한 형수의 최신 리튬-이온 전지는 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 전지를 요구하고 있다.
그러나, 향상된 리튬-이온 전지의 개발에 있어서, 단지 에너지 밀도만이 아니라 고려해야 할 다른 요소들이 있다. 매우 중요한 파라미터는 충전 및 방전 중 전력 손실을 줄이기 위해 가능한 한 낮게 유지해야 하는 전지의 내부 저항, 및 전지의 온도 조절에 필수적일 수 있는 전극의 열적 연결이다. 이러한 매개 변수들은 권선 형태의 복합재를 포함하는 원통형 둥근 전지에 대해서도 매우 중요하다. 전지의 빠른 충전 동안, 전력 손실로 인해 전지에 열 축적(heat accumulation)이 발생할 수 있고, 이는 막대한 열기계적 응력(thermomechanical stresses) 그리고 후속적으로 전지 구조에 변형과 손상에 이를 수 있다. 집전체의 전기적 연결이 감긴 조립체로부터 축선 방향으로 돌출된, 집전체에 용접된 별도의 전기 전도체 탭들을 통해 이루어진다면 위험이 증폭되는데, 충전 또는 방전 중 과부하 동안 이러한 전도체 탭들에서 가열이 국부적으로 발생할 수 있기 때문이다.
음극에서 활성 물질로서 주석, 알루미늄, 안티몬 및/또는 실리콘이 사용될 때 매우 높은 에너지 밀도가 달성될 수 있다. 실리콘은 3500 mAh/g 초과의 최대 용량을 갖는다. 이는 그래파이트의 비용량(specific capacity)보다 10배 정도를 초과하는 것이다. 그러나 실제로 언급된 금속성 활성 물질의 높은 비율을 구비한 전극 재료의 사용은 어려움들과 관련된다. 이러한 재료들로 만들어진 입자들은 충전과 방전 중에 상대적으로 강한 용적 변화를 겪게 된다. 이는 기계적 응력과 가능하게는 또한 기계적 손상을 초래한다. 예를 들면, 음극에서 10% 초과 실리콘의 비율들은 지금까지 제어하기 어려웠다.
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 전지를 제공하는 것이었다.
이러한 목적은 아래에 기재된 리튬-이온 전지, 특히 청구항 제1 항의 특징을 갖는 아래에 기재된 리튬-이온 전지의 바람직한 실시예에 의해 달성된다. 이러한 바람직한 실시예의 바람직한 실시형태들은 또한 종속 청구항으로부터 명백할 것이다.
본 발명에 따른 리튬-이온 전지는 항상 다음의 특징들 a 내지 j에 의해 특징지어진다:
a. 전지는 시퀀스 애노드/분리막/캐소드를 갖는 리본형 전극-분리막 조립체, 바람직하게는 시퀀스 애노드/분리막/캐소드를 갖는 리본형 전극-분리막 조립체를 포함함,
b. 애노드는 제1 및 제2 에지들을 갖는 애노드 집전체, 바람직하게는 제1 길이방향 에지 및 제2 길이방향 에지 및 두 개의 말단들을 갖는 리본형 애노드 집전체를 포함함,
c. 애노드 집전체는
- 음극 재료의 층으로 담지된 메인 영역, 바람직하게는 음극 재료의 층으로 담지된 스트립형 메인 영역 및
- 애노드 집전체의 제1 에지를 따라서, 특히 애노드 집전체의 제1 길이방향 에지를 따라서 연장하고 상기 전극 재료로 담지되지 않은 자유 에지 스트립
을 가짐,
d. 캐소드는 제1 및 제2 에지들을 갖는 캐소드 집전체, 바람직하게는 제1 길이방향 에지 및 제2 길이방향 에지 및 두 개의 말단들을 갖는 리본형 캐소드 집전체를 포함함,
e. 캐소드 집전체는
- 양극 재료의 층으로 담지된 메인 영역, 바람직하게는 양극 재료의 층으로 담지된 스트립형 메인 영역 및
- 캐소드 집전체의 제1 에지를 따라서, 특히 캐소드 집전체의 제1 길이방향 에지를 따라서 연장하고 상기 전극 재료로 담지되지 않은 자유 에지 스트립
을 가짐,
f. 전극-분리막 조립체는 두 개의 터미널 말단 면들을 구비한 권선의 형태이거나 또는 두 개 또는 그 초과의 동일한 전극-분리막 조립체들로 형성되고 역시 두 개의 터미널 면들을 갖는 스택의 일부임,
g. 전극-분리막 조립체는, 필요하면 다른 하나의 동일한 전극-분리막 조립체 또는 스택의 다른 동일한 전극-분리막 조립체(들)과 함께, 하우징에 둘러싸임,
h. 애노드와 캐소드는, 애노드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가 터미널 면들 또는 스택의 측들 중 하나로부터 돌출되고 캐소드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가 터미널 면들 또는 스택의 측들 중 다른 하나로부터 돌출하도록, 형성되고/형성되거나 서로에 대해 전극-분리막 조립체 내에 배치됨,
i. 전지는, 제1 에지들 또는 길이방향 에지들 중 하나와, 특히 길이방향으로, 직접 접촉하는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
j. 접촉 시트 금속 부재는 용접에 의해 상기 에지 또는 길이방향 에지에 연결됨.
특히 바람직하게는, 전지는 두 개의 접촉 시트 금속 부재를 포함하고, 그 중 하나는 애노드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지와 직접 접촉하고, 그 중 다른 하나는 캐소드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지와 직접 접촉하며, 접촉 금속 시트 부재들과 그들과 접촉하는 에지들 또는 길이방향 에지들은 각각 용접에 의해 서로 결합된다.
집전체는 전극 재료에 포함된 전기화학적 활성 성분을 가능한 한 넓은 면적에 걸쳐 전기적으로 접촉시키는 기능을 갖는다. 바람직하게는, 집전체는 금속으로 제조되거나 적어도 표면 상에서 금속화된다. 애노드 집전체에 적합한 금속은 구리 또는 니켈 또는 다른 전기 전도성 물질, 특히 구리 및 니켈 합금 또는 니켈 코팅된 금속이다. 스테인리스 스틸도 일반적으로 가능성이 있다. 캐소드 집전체에 적합한 금속은 알루미늄 또는 다른 전기 전도성 물질, 특히 알루미늄 합금을 포함한다.
바람직하게는, 애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체는 각각 두께가 4μm 내지 30μm 범위인 금속 호일, 특히 두께가 4μm 내지 30μm 범위인 리본형 금속 호일(metal foil)이다.
그러나, 호일 외에도, 금속성 또는 금속화된 부직포 또는 개방-기공 폼(open-pore foam)과 같은 다른 리본형 기판이 집전체로 사용될 수 있다.
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 이러한 영역들에서 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.
이러한 맥락에서 "열적으로 더 내성"은 지지 재료가 집전체의 금속이 녹는 온도에서 고체 상태를 유지한다는 것을 의미하도록 의도된다. 따라서 그것은 금속보다 융점이 높거나 금속이 이미 녹은 온도에서만 승화 또는 분해된다.
바람직하게는, 애노드 집전체 및 캐소드 집전체 양자는 제1 에지를 따라서, 바람직하게는 제1 길이방향 에지를 따라서 각각의 전극 재료가 담지되지 않은 자유 에지 스트립을 각각 갖는다. 추가적인 국면(development)에서, 애노드 집전체의 적어도 하나의 자유 에지 스트립 및 캐소드 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 전지는 바람직하게는 바로 다음의 추가적인 특징들 a 내지 d 중 적어도 하나를 갖는다:
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), 실리콘 산화물, 특히 실리콘 이산화물(SiO2), 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 형성된다.
용어 비금속 물질은 특히 플라스틱, 유리 및 세라믹 물질을 포함한다.
"전기적 절연 물질"이라는 용어는 이러한 맥락에서 넓게 이해되어야 한다. 원칙적으로, 그것은 임의의 전기적 절연 물질, 특히 상기 플라스틱도 포함한다.
이러한 맥락에서 세라믹 물질이라는 용어는 넓게 이해되어야 한다. 특히, 이것은 탄화물, 질화물, 산화물, 실리사이드 또는 이들 화합물의 혼합물 및 유도체를 포함한다.
용어 "유리-세라믹 물질"은 특히 비정질 유리상(amorphous glass phase)에 매립된(embedded) 결정질 입자(crystalline particles)를 포함하는 물질을 의미한다.
용어 "유리"는 기본적으로 상기에서 정의된 열적 안정성 기준을 충족하고 전지에 함유될 수 있는 임의의 전해질에 화학적으로 안정한 임의의 무기 유리(inorganic glass)를 의미한다.
특히 바람직하게는, 애노드 집전체는 구리 또는 구리 합금으로 구성되는 반면에 동시에 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.
메인 영역, 특히 애노드 집전체와 캐소드 집전체의 스트립형 메인 영역은 집전체의 각각의 에지 또는 길이방향 에지에 평행하게 연장되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 스트립형 메인 영역은 애노드 집전체 및 캐소드 집전체의 영역의 적어도 90%, 특히 바람직하게는 적어도 95%에 걸쳐 연장된다.
일부 바람직한 실시예에서, 지지 재료는 바람직하게는 스트립형 메인 영역에 인접하여 적용되지만, 자유 영역을 완전히 덮지는 않는다. 예를 들어, 그것은 애노드 및/또는 캐소드 집전체의 에지, 특히 애노드 및/또는 캐소드 집전체의 길이방향 에지를 따라 스트립 또는 선의 형태로 적용되어서, 그것은 각각의 에지 스트립을 부분적으로만 덮는다. 이러한 에지 또는 길이방향 에지를 바로 따라, 자유 에지 스트립의 세장형 부분 영역은 덮히지 않은 상태로 남아있을 수 있다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 리튬-이온 전지는 이차 리튬-이온 전지이다.
기본적으로, 리튬-이온 전지에 대해 알려진 모든 전극 재료는 전지의 애노드 및 캐소드에 대해 사용될 수 있다.
리튬을 삽입할 수 있는 그래파이트계 탄소 또는 비그래파이트계 탄소 재료와 같은 탄소계 입자가, 바람직하게는 입자 형태로도, 활성 물질로서 음극에서 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 리튬 티타네이트(Li4Ti5O12) 또는 그 유도체가 음극에, 바람직하게는 미립자 형태로도, 포함될 수 있다.
그러나, 매우 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는, 상기 언급된 필수적(obligatory) 특징 a 내지 j에 더하여, 바로 다음의 특징 k를 갖는다:
k. 음극 재료는 실리콘, 알루미늄, 주석, 안티몬, 및 리튬을 가역적으로 삽입하고(intercalating) 삽입제거할 수 있는(deintercalating) 상기 재료들의 화합물 또는 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 활성 물질로서 20 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함함.
여기서 주어진 무게는 음극 재료의 건조 질량(dry mass), 즉 전해질이 없고 애노드 집전체의 무게를 고려하지 않은 것을 나타낸다.
처음에 언급되었듯이, 주석, 알루미늄, 안티몬 및 실리콘은 리튬과 금속 간 상을 형성할 수 있다. 리튬을 흡수하는 용량은, 특히 실리콘의 경우, 그래파이트 또는 유사한 재료의 그것을 몇 배나 초과한다.
바람직하게는 입자의 형태로도 사용되는, 언급된 활성 물질 중에서도, 실리콘이 특히 바람직하다. 본 발명에 따르면, 음극이 활성 물질로서 실리콘을 20 중량% 내지 90 중량%의 비율로 함유하는 전지가 특히 바람직하다.
또한 실리콘, 알루미늄, 주석 및/또는 안티몬의 일부 화합물은 리튬을 가역적으로 침착하고 제거할 수 있다. 예를 들어, 일부 바람직한 실시예에서, 실리콘은 음극에서 산화 형태(oxidic form)로 함유될 수 있다. 이들 실시예에서, 음극이 실리콘 산화물을 20 중량% 내지 90 중량% 범위의 양으로 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 전지의 설계는 중요한 이점을 가능하게 한다. 처음에 언급된 바와 같이, 집전체가 처음에 언급된 별도의 전도체 탭을 통해 전기적으로 연결된 전극은 전도체 탭으로부터 멀리 떨어져 있는 것보다 전도체 탭의 바로 근처에서 충전 및 방전 중에 더 큰 열기계적 응력(thermomechanical stresses)을 경험한다. 이러한 차이는 실리콘, 알루미늄, 주석 및/또는 안티몬을 활성 물질로서 함유하는 음극의 경우에서 특히 두드러진다.
접촉 시트 금속 부재를 통한 집전체(들)의 전기적 연결은 본 발명에 따른 전지에서 상대적으로 균일하고 효율적인 열 소산을 가능하게 할 뿐만 아니라, 충전 및 방전 중에 발생하는 열기계적 응력을 권선에 걸쳐 고르게 분산시킨다. 놀랍게도, 이것은 음극에서 실리콘 및/또는 주석 및/또는 안티몬의 매우 높은 비율을 제어하는 것을 가능하게 한다; 50 % 초과의 비율에서, 열기계적 부하의 결과로 충전 및 방전 중에 손상이 비교적 드물게 발생하거나 전혀 발생하지 않았다. 예를 들어, 애노드에서, 실리콘의 비율을 증가시킴으로써, 전지의 에너지 밀도는 크게 증가될 수 있다.
통상의 기술자는 주석, 알루미늄, 실리콘 및 안티몬이 반드시 가장 순수한 형태의 금속일 필요가 없다는 것을 이해한다. 예를 들어, 실리콘 입자는 또한 다른 원소, 특히 다른 금속(전하의 상태의 함수로서 임의의 경우에 함유된 리튬을 제외하고)을, 예를 들어 최대 40 중량%의 비율로, 특히 최대 10 중량%의 비율로, 미량 또는 비율을 함유할 수 있다. 따라서, 주석, 알루미늄, 실리콘 및 안티몬의 합금도 사용될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징 a 및 b 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 음극 재료는 가역적인 리튬 삽입(insertion) 및 제거(removal)가 가능한 탄소계 입자들 - 예를 들면 그래파이트계 탄소, 특히 실리콘 및 상기 탄소계 입자들의 혼합물 - 을 음극 활성 물질로서 추가적으로 포함함,
b. 리튬을 사이에 끼울 수 있는(intercalating) 상기 탄소계 입자들은 5 중량% 내지 75 중량%의 비율로, 특히 15 중량% 내지 45 중량%의 비율로 전극 재료에 함유됨.
더욱 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 아래의 다음 특징 a 내지 c 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 음극 재료는 전극 바인더 및/또는 도전제(conductive agent)를 포함함,
b. 전극 바인더는 음극 재료에 1 중량% 내지 15 중량%의 비율로, 특히 1 중량% 내지 5 중량%의 비율로, 함유됨,
c. 도전제는 음극 재료에 0.1 중량% 내지 15 중량%의 비율로, 특히 1 중량% 내지 5 중량%의 비율로, 함유됨.
직전의 특징들 a 내지 c가 서로 조합하여 실현되는 것이 특히 바람직하다.
활성 물질은, 바람직하게는 전극 바인더의 매트릭스 내에 매립되고, 매트릭스 내의 인접한 입자들은 바람직하게는 서로 직접 접촉한다.
도전제는 전극의 전기 전도도를 높이는 기능을 갖는다. 일반적인 전극 바인더는 예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴레이트 또는 카르복시메틸 셀룰로오스를 기반으로 한다. 일반적인 전도제는 카본 블랙과 금속 분말이다.
본 발명의 맥락에서, 양극 재료가 PVDF 바인더를 포함하고 음극 재료가 폴리아크릴레이트 바인더, 특히 리튬 폴리아크릴산을 포함하는 것이 특히 바람직하다.
양극에 적합한 활성 물질은 LiCoO2 및 LiFePO4와 같은 리튬 금속 산화물 화합물 및 리튬 금속 인산염 화합물을 포함한다. 또한, 화학식 LiNixMnyCozO2(여기서 x+y+z는 전형적으로 1임)인 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC)이 특히 적합하고, 화학식 LiMn2O4인 리튬 망간 스피넬(LMO), 또는 화학식 LiNixCoyAlzO2(여기서, x+y+z는 전형적으로 1임)인 리튬 니켈 코발트 알루미나. 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 재료의 혼합물 또한 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전지의 애노드에서 높은 실리콘 함량은 양호한 전지 균형을 달성하기 위해 상응하게 고-용량 캐소드를 요구한다. 따라서, NMC, NCA 또는 NMCA가 특히 바람직하다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징 a 내지 e 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 양극 재료는 가역적인 리튬 삽입(insertion) 및 제거(removal)를 할 수 있는 적어도 하나의 금속 산화물 화합물, 바람직하게는 상기 화합물들 중 하나, 특히 NMC, NCA 또는 NMCA를 활성 물질로서 포함함,
b. 상기 적어도 하나의 산화물 화합물은 전극 재료에 50 중량% 내지 99 중량%의 비율로, 특히 80 중량% 내지 99 중량%의 비율로 함유됨,
c. 양극 재료는 전극 바인더 및/또는 도전제(conductive agent)를 또한 바람직하게 포함함,
d. 전극 바인더는 양극 재료에 1 중량% 내지 15 중량%의 비율로, 특히 2 중량% 내지 5 중량%의 비율로 함유됨,
e. 도전제는 양극 재료에 0.1 중량% 내지 15 중량%의 비율로 함유됨.
직전 특징 a 내지 e가 서로 조합하여 실현되는 것이 특히 바람직하다.
양극 및 음극 양자의 경우에, 전극 재료에 함유된 각각의 성분의 백분율이 합쳐서 최대 100 중량%에 이르는 것이 바람직하다.
고-용량 캐소드들이 200 - 250 mAh/g 범위에서 가역적으로 리튬을 저장할 수 있는 반면, 실리콘의 이론적인 용량은 약 3500 mAh/g이다. 이것으로 인해 높은 표면 전하를 갖는 상대적으로 두꺼운 캐소드들 및 낮은 표면 전하를 갖는 아주 얇은 애노드들을 얻는다. 실리콘과 같은 재료들은 아주 높은 커패시턴스로 인해 작은 전압 변화에 강하게 반응하기 때문에, 애노드 집전체는 가능하면 균질하게 코팅되어야 한다. 집전체의 로딩(loading) 및/또는 전극 재료의 압축(compaction)에서의 아주 작은 변화에도 전극 균형 및/또는 안정성에서 강한 국부적인 이탈을 초래할 수 있다.
이러한 이유 때문에, 바람직한 실시예에서 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징을 갖는다:
a. 음극(120)의 단위 면적당 중량은 적어도 10 cm2의 단위 면적당 평균값으로부터 최대 2% 만큼 벗어남.
평균값은 수행된 측정의 개수에 의해 나누어진 적어도 10개의 측정 결과의 합계의 비율(quotient)이다.
또한, 전지는 예를 들어 유기 용매에(예를 들어, 유기 카보네이트의 혼합물) 용해되는 적어도 하나의 리튬염, 예컨대 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)에 기초하는 전해질을 포함하는 것이 바람직하다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 내지 d 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 전지는 테트라하이드로퓨란(THF) 및 2-메틸테트라하이드로퓨란(mTHF)의 혼합물을 포함하는 전해질을 포함함,
b. 혼합물에서 THF:mTHF의 용적비는 2:1 내지 1:2의 범위에 있고, 특히 바람직하게는 1:1임,
c. 전지는 전도성 염(conducting salt)으로서 LiPF6를 포함하는 전해질을 포함함,
d. 전도성 염은 전해질에 1.5 내지 2.5 M, 특히 2 M의 비율로 함유됨.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 전지의 전해질은 상기 모든 특징 a 내지 d에 의해 특징지어진다.
대안적인 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 내지 e중 적어도 하나를 갖는다:
a. 전지는 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 및 에틸 메틸 카보네이트(EMC)의 혼합물을 포함하는 전해질을 포함함,
b. 혼합물에서 FEC:EMC의 용적비는 1:7 내지 5:7의 범위에 있고, 특히 바람직하게는 3:7임,
c. 전지는 전도성 염(conducting salt)으로서 LiPF6를 포함하는 전해질을 포함함,
d. 전도성 염은 전해질에 1.0 내지 2.0 M, 특히 1.5 M의 농도로 함유됨,
e. 전해질은 바이닐렌 카보네이트(VC)를 특히 1 내지 3 중량%의 비율로 포함함.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 전지의 전해질은 상기 a 내지 e의 모든 특징에 의해 특징지어진다.
분리막은, 예를 들어, 전해질에 의해 침투될 수 있는 전기 절연성 플라스틱 필름으로서, 예를 들어 그것이 미세 기공을 갖기 때문이다. 호일은 예를 들어 폴리올레핀으로부터 또는 폴리에테르 케톤으로부터 제조될 수 있다. 이러한 플라스틱 재료로부터 만들어진 부직포 및 직물도 분리막으로 사용될 수 있다.
사이클링 안정성을 향상시키기 위해, 본 발명의 전지의 캐소드에 대한 애노드의 커패시턴스의 비율은 실리콘의 잠재적 커패시턴스가 충분히 활용되지 않도록 균형을 이루는 것이 바람직하다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음과 같은 특징 a를 갖는다:
e. 본 발명의 전지의 애노드-대-캐소드 커패시턴스는 음극의 전극 재료의 그램 당 동작 중에 단지 700-1500 mAh만이 가역적으로 사용되도록 균형을 이룬다.
이러한 조치를 사용하면 용적 변화를 상당히 감소시킬 수 있다.
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.
전극 및 분리막의 조립체의 제조에서, 반대 극 집전체가 한 측으로부터 돌출하지 않는 것을 보장하도록 보통 주의하는데, 이는 단락의 위험을 상승시킬 수 있기 때문이다. 그러나, 상술한 애노드와 캐소드의 스태거형(staggered) 배열에 의해, 단락 위험성은 반대 극성을 갖는 집전체들이 권선의 반대 말단 면들 또는 스택의 반대 측들로부터 돌출되기 때문에 최소화된다.
스태거형 배치로부터 발생하는 집전체의 돌출부는 바람직하게는 그들의 전체 길이에 걸쳐, 적합한 분류 가감기(diverter)에 의해 그들을 접촉시킴으로써 본 발명에 따라 활용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 언급된 접촉 시트 금속 부재는 분류 가감기로서 기능한다. 이러한 전기적 접촉은 본 발명에 따른 전지 내의 내부 저항을 상당히 감소시킨다. 따라서 설명된 배치는 큰 전류의 발생을 매우 잘 흡수할 수 있다. 최소화된 내부 저항으로, 고전류에서의 열 손실이 감소된다. 또한, 감긴 전극-분리막 조립체로부터의 열 에너지의 소산이 선호된다. 과부하에서, 가열은 국부적으로 발생하지 않고 고르게 분포된다.
언급된 원소들에 더해, 본 발명에 따른 리튬-이온 전지는 바람직하게는 전극-분리막 조립체를 권선의 형태로 가스-기밀 및/또는 액체-기밀 방식으로 둘러싸는, 두 개 또는 그 초과의 하우징 부분들로 구성되는 하우징을 또한 유리하게 포함한다.
접촉 시트 금속 부재가 사용될 때, 일반적으로 접촉 시트 금속 부재를 하우징에 또는 하우징 밖으로 인도되는 전기 전도체에 전기적으로 연결하는 것이 필요하다. 예를 들어, 접촉 시트 금속 부재는 하우징 부분들에 직접 또는 전기 전도체를 통해 연결될 수 있다.
만약 전극-분리막 조립체가 상기 두 개 또는 그 초과의 동일한 전극-분리막 조립체의 스택의 일부라면, 동일한 전극-분리막 조립체들은, 그들의 애노드 집전체의 에지들, 선택적으로 그들의 애노드 집전체의 길이 방향 에지들과 그들의 캐소드 집전체의 에지들, 선택적으로 그들의 캐소드 집전체의 길이방향 에지들이, 스택의 동일한 페이지(page)으로부터 각각 돌출되는 방식으로 스택 내에 배치된다. 따라서, 모든 애노드 집전체들 및 모든 캐소드 집전체들은 각각의 경우에 동일한 접촉 시트 금속 부재와 동시에 전기적으로 접촉될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 하우징의 부분이 접촉 시트 금속 부재로서 기능하고/기능하거나 접촉 시트 금속 부재가 전극-분리막 조립체를 둘러싸는 하우징의 부분을 형성함에 의해 특징지어진다.
이러한 실시예들은 특히 유리하다. 한편으로는, 그것은 방열과 관련하여 최적이다. 권선 내에서 생성된 열은 에지들, 특히 길이방향 에지들을 통해 하우징으로 직접 소산될 수 있다. 둘째로, 주어진 외부 치수를 갖는 하우징의 내부 용적은 이러한 방식으로 거의 최적으로 활용될 수 있다. 각각의 개별 접촉 시트 금속 부재 및 하우징에 접촉 시트 금속 부재를 연결하기 위한 각각의 개별 전기 전도체는 하우징 내부의 공간을 필요로 하며 전지의 무게에 더해진다. 이러한 개별 구성 요소를 제거함으로써, 이러한 공간을 활성 물질을 위해 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전지의 에너지 밀도는 더욱 상승될 수 있다.
제1, 특히 바람직한 접촉 변형예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 및 b 중 적어도 하나, 특히 바람직하게는 두 개의 특징들의 조합을 갖는다:
a. 하우징은 바닥부, 원주 측벽 및 개구를 갖는 컵형 제1 하우징 부분 및 개구를 폐쇄하는 제2 하우징 부분을 포함함,
b. 접촉 시트 금속 부재는 제1 하우징 부분의 바닥부임.
바람직하게는, 하우징은 형상이 원통형 또는 각형(prismatic)이다. 따라서, 컵형 제1 하우징 부분은 원형 또는 직사각형 단면을 갖는 것이 바람직하고, 제2 하우징 부분과 제1 하우징 부분의 바닥부는 모양이 원형 또는 직사각형인 것이 바람직하다.
전극-분리막 조립체가 두 개의 터미널 단부 면들을 구비한 권선의 형태라면, 하우징은 바람직하게는 원통형이다. 한편, 만약 전극-분리막 조립체가 두 개 또는 그 초과의 동일한 전극-분리막 조립체의 스택의 부분이라면, 하우징은 바람직하게는 각형이다.
만약 하우징이 원통형이라면, 그것은 원형 상부 부분 및 원형 하부 부분뿐만 아니라 원통형 하우징 쉘을 일반적으로 포함하고, 이에 의해 이러한 변형예에서 제1 하우징 부분은 하우징 쉘 및 원형 하부 부분을 포함하는 반면, 제2 하우징 부분은 원형 상부 부분에 상응한다. 원형 상부 부분 및/또는 원형 하부 부분은 접촉 시트 금속 부재로서 기능할 수 있다.
만약 하우징이 각형이라면, 하우징은 다각형, 특히 직사각형 상부 부분 및 다각형, 특히 직사각형 하부 부분뿐만 아니라 여러 개의 직사각형 측벽들을 일반적으로 포함하며, 이에 의해 이러한 변형예에서 제1 하우징 부분은 측벽들과 다각형 하부 부분을 포함하는 반면, 제2 하우징 부분은 원형 다각형 상부 부분에 상응한다. 상부 부분 및/또는 하부 부분은 접촉 시트 금속 부재들로서 기능할 수 있다.
제1 및 제2 하우징 부분은 모두 전기 전도성 재료, 특히 금속 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 하우징 부분들은 서로 독립적으로, 예를 들어, 니켈 도금 강판(sheet steel) 또는 합금 또는 비합금 알루미늄으로 구성될 수 있다.
제1 접촉 변형예의 바람직한 추가적인 국면에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 내지 e, 특히 특징들 a 내지 e의 조합을 갖는다:
a. 전지는 애노드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고 이러한 에지 또는 길이방향 에지가 용접에 의해 결합되는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
b. 전지는 캐소드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고 이러한 에지 또는 길이방향 에지가 용접에 의해 연결되는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
c. 접촉 시트 금속 부재들 중 하나는 제1 하우징 부분의 바닥부임,
d. 접촉 시트 금속 부재들 중 다른 하나는 전기 전도체를 통해 제2 하우징 부분에 연결됨,
e. 전지는 제1 하우징 부분과 제2 하우징 부분을 서로로부터 전기적으로 이격시키는 시일(seal)을 포함함.
이 실시예에서, 통상적인 하우징 부분들은 전극-분리막 조립체를 둘러싸기 위해 사용될 수 있다. 바닥부와 전극-분리막 조립체 사이에 배치되는 전기 전도체를 위한 공간이 낭비되지 않는다. 바닥부 측에는 별도의 접촉 시트 금속 부재가 필요하지 않는다. 하우징을 폐쇄하기 위해, 전기 절연 시일이 제 2 하우징 부분의 하나의 에지에 장착될 수 있다. 제2 하우징 부분과 시일로 구성되는 조립체는 제1 하우징 부분의 개구에 삽입되고 예를 들어 압착 공정(crimping process)에 의해 거기에 기계적으로 고정될 수 있다.
제1 접촉 변형예의 특히 바람직한 실시예에서, 제2 하우징 부분은 또한 접촉 시트 금속 부재로서 기능할 수 있다. 이 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 중 적어도 하나, 특히 다음의 특징들 a 내지 e의 조합을 갖는다.
a. 전지는 애노드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고 이러한 에지 또는 길이방향 에지가 용접에 의해 결합되는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
b. 전지는 캐소드 집전체의 제1 에지 길이방향 에지가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고 이러한 에지 또는 길이방향 에지가 용접에 의해 연결되는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
c. 접촉 시트 금속 부재들 중 하나는 제1 하우징 부분의 바닥부임,
d. 접촉 시트 금속 부재들 중 다른 하나는 제2 하우징 부분임,
e. 전지는 제1 하우징 부분과 제2 하우징 부분을 서로로부터 전기적으로 이격시키는 시일을 포함함.
이 실시예에서, 전기 전도체는 접촉 시트 금속 부재를 하우징 부분들에 연결하기 위해 전극-분리막 조립체의 어느 페이지(page)에도 필요하지 않다. 하나의 페이지 상에서, 접촉 시트 금속 부재들 중 하나가 하우징 부분으로서 기능하는 반면, 다른 하나의 페이지 상에서 하우징의 부분이 접촉 시트 금속 부재로서 기능한다. 하우징 내부 공간은 최적으로 사용될 수 있다.
제1 접촉 변형예의 추가적으로 바람직한 추가적인 국면에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 내지 e 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 전지는 애노드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고 이러한 에지 또는 길이방향 에지가 용접에 의해 결합되는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
b. 전지는 캐소드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고 이러한 에지 또는 길이방향 에지가 용접에 의해 연결되는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
c. 접촉 시트 금속 부재들 중 하나는 제1 하우징 부분의 바닥부임,
d. 제2 하우징 부분은 제1 하우징 부분의 개구 내부로 용접되고 극 부싱, 예를 들면 전기 절연체에 의해 둘러싸인 극 스터드(pole stud)를 포함하고, 이를 통해 전기 전도체가 하우징 밖으로 인도됨,
e. 접촉 시트 금속 부재들 중 다른 하나는 이 전기 전도체에 전기적으로 연결됨.
직전의 특징들 a 내지 e가 서로 조합하여 실현되는 것이 특히 바람직하다.
이 실시예에서, 하우징 부분들은 함께 용접되어 전기적으로 연결된다. 이러한 이유로, 상기 폴 부싱이 요구된다.
제2 바람직한 접촉 변형예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 및 b 중 적어도 하나, 특히 바람직하게는 두 개의 특징들의 조합을 갖는다:
a. 하우징은 두 개의 터미널 개구들을 갖는 관형 제1 하우징 부분, 개구들 중 하나를 폐쇄하는 제2 하우징 부분, 및 개구들 중 다른 하나를 폐쇄하는 제3 하우징 부분을 포함함,
b. 접촉 시트 금속 부재는 제2 하우징 부분 또는 제3 하우징 부분임.
이 접촉 변형예에서도, 전지의 하우징은 바람직하게는 원통형 또는 각형이다. 관형 제1 하우징 부분은 원형 또는 직사각형 단면을 갖고, 제2 및 제3 하우징 부분은 원형 또는 직사각형인 것이 바람직하다.
만약 하우징이 원통형이라면, 제1 하우징 부분은 일반적으로 중공 원통형인 반면, 제2 및 제3 하우징 부분들은 원형이며 접촉 시트 금속 부재로서 그리고 동시에 바닥부와 뚜껑(lid)으로서 - 제1 하우징 부분을 터미널 방식으로 닫을 수 있음 - 기능할 수 있다.
만약 하우징이 각형이라면, 제1 하우징 부분은 공통 에지들에 의해 함께 결합된 복수 개의 직사각형 측벽들을 일반적으로 포함하는 반면, 제2 및 제3 하우징 부분들은 각각 다각형, 특히 직사각형이다. 제2 및 제3 하우징 부분들은 모두 접촉 시트 금속 부재로서 기능할 수 있다.
제1 및 제2 하우징 부분은 모두 전기 전도성 재료, 특히 금속성 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 하우징 부분들은, 예를 들어, 니켈 도금 강판(steel sheet), 스테인리스 스틸(예를 들면 유형 1.4303 또는 1.4304), 구리, 니켈 도금 구리 또는 합금 또는 비합금 알루미늄으로 구성될 수 있다. 또한, 캐소드에 전기적으로 연결되는 하우징 부분들은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 애노드에 전기적으로 연결되는 하우징 부분들은 구리 또는 구리 합금 또는 니켈 도금 구리로 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
이 변형예의 주요한 장점은 업스트림 성형(upstream forming) 및/또는 주조 작업(casting operations)으로 생산될 컵형 하우징 부분들이 하우징을 형성하기 위해 필요되지 않다는 것이다. 대신에, 관형 제1 하우징 부분이 출발점으로서 기능한다.
제2 변형예의 바람직한 추가적인 국면에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 내지 e 중 적어도 하나, 특히 바로 다음의 특징들 a 내지 e의 조합을 갖는다:
a. 전지는 애노드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고 이러한 에지 또는 길이방향 에지가 용접에 의해 결합되는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
b. 전지는 캐소드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고 이러한 에지 또는 길이방향 에지가 용접에 의해 연결되는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
c. 접촉 시트 금속 부재들 중 하나는 제1 하우징 부분의 터미널 개구들 중 하나 내부로 용접되고 제 2 하우징 부분임,
d. 제3 하우징 부분은 제1 하우징 부분의 터미널 개구들 중 다른 하나 내부로 용접되고 전기 전도체가 하우징 밖으로 인도되는 극 부싱, 예를 들면 전기 절연체에 의해 둘러싸이는 극 스터드를 포함함,
e. 접촉 시트 금속 부재들 중 다른 하나는 이 전기 전도체에 전기적으로 연결됨.
직전의 특징들 a 내지 e가 서로 조합하여 실현되는 것이 특히 바람직하다.
제2 변형예의 추가적으로 바람직한 추가적인 국면에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 내지 d 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 전지는 애노드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고 이러한 에지 또는 길이방향 에지가 용접에 의해 결합되는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
b. 전지는 캐소드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고 이러한 에지 또는 길이방향 에지가 용접에 의해 연결되는 접촉 시트 금속 부재를 가짐,
c. 접촉 시트 금속 부재들 중 하나는 제1 하우징 부분의 터미널 개구들 중 하나 내부로 용접되고 제2 하우징 부분임,
d. 접촉 시트 금속 부재들 중 다른 하나는 제3 하우징 부분으로서 제1 하우징 부분의 터미널 개구들 중 다른 하나를 폐쇄하고 제1 하우징 부분으로부터 시일에 의해 절연됨.
직전의 특징들 a 내지 d가 서로 조합하여 실현되는 것이 특히 바람직하다.
양자의 실시예들은 하우징의 하나의 측으로는 접촉 시트 금속 부재가 하우징 부분으로서 기능하고 용접에 의해 제1 하우징 부분에 연결된다는 사실에 의해 특징지어진다. 다른 하나의 측으로는, 접촉 시트 금속 부재가 또한 하우징 부분으로서 기능할 수 있다. 그러나, 이것은 제1 하우징 부분으로부터 전기적으로 절연되어야 한다. 대안적으로, 폴 부싱이 여기에서도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전지의 폴 부싱은 하우징과 하우징 밖으로 인도된 전기 전도체 사이의 전기적 접촉을 방지하는 전기 절연체를 포함한다. 전기 절연체는 예를 들어 유리 또는 세라믹 재료 또는 플라스틱일 수 있다.
전극-분리막 조립체는 원통형 권선의 형태인 것이 바람직하다. 이러한 권선의 형태로 전극을 제공하는 것은 원통형 하우징에서 공간의 특히 유리한 사용을 허용한다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 하우징도 원통형이다.
다른 바람직한 실시예에서, 전극-분리막 조립체는 각형 권선의 형태이다. 이러한 권선의 형태로 전극을 제공하는 것은 각형 하우징에서 공간의 특히 유리한 사용을 허용한다. 바람직한 실시예에서, 하우징도 따라서 각형이다.
또한, 각형 하우징은 위에서 소개한 동일한 전극-분리막 조립체들의 각형 스택에 의해 특히 잘 채워질 수 있다. 이러한 목적을 위해, 전극-분리막 조립체들은 특히 바람직하게는 실질적으로 직사각형 기본 형상을 가질 수 있다.
하우징의 부분이 접촉 시트 금속 부재로서 기능하고/기능하거나 접촉 시트 금속 부재가 전극-분리막 조립체를 둘러싸는 하우징의 부분을 형성하는 모든 설명된 실시예들, 특히 제1 및 제2 접촉 변형예는 청구항 제1항의 특징 k와 완전히 독립적으로도 실현될 수 있다는 점이 강조되어야 한다. 따라서, 본 발명은 또한 청구항 제1항의 특징 a 내지 j를 갖는 전지를 포함하며, 여기서 하우징의 부분이 접촉 시트 금속 부재로서 기능하고/기능하거나 접촉 시트 금속 부재가 하우징의 부분을 형성하지만, 애노드는 활성 물질로서 20 중량% 내지 90 중량%의 비율로 실리콘, 알루미늄, 주석 및/또는 안티몬을 반드시 가질 필요는 없다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나에 의해 특징지어진다:
a. 용접에 의해 접촉 시트 금속 부재에 연결된 집전체의 스트립형 메인 영역, 바람직하게는 용접에 의해 접촉 시트 금속 부재에 연결된 집전체의 스트립형 메인 영역은 복수의 개구들을 가짐,
b. 메인 영역의 구멍들은 둥근 또는 정방형 구멍들, 특히 펀칭된(punched) 또는 드릴링된(drilled) 홀들임,
c. 용접에 의해 접촉 시트 금속 부재에 연결된 집전체는 메인 영역이, 특히 둥근 홀 또는 슬롯형(slotted) 홀 천공에 의해, 천공됨(perforated).
복수 개의 구멍들에 의해 용적이 줄어들고 집전체의 무게도 줄어든다. 이것은 전지 내부로 더 많은 활성 물질을 도입하는 것을 가능하게 하고 따라서 전지의 에너지 밀도를 크게 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 방식으로 두 자릿수 백분율 범위(double-digit percentage range)까지 에너지 밀도 증가가 달성될 수 있다.
일부 바람직한 실시예에서, 구멍은 레이저에 의해 스트립형 메인 영역 내부로 도입된다.
원칙적으로, 구멍의 기하학적 구조는 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 중요한 것은 구멍을 삽입한 결과 집전체의 질량이 감소하고 구멍이 활성 물질로 채워질 수 있기 때문에 활성 물질을 위한 더 많은 공간이 있다는 것이다.
한편, 그들을 삽입할 때 구멍들의 최대 직경이 너무 크지 않도록 하는 것이 매우 유리할 수 있다. 바람직하게는, 구멍은 각각의 집전체 상의 전극 재료 층의 두께의 2배를 초과해서는 안된다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 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 전지는 바로 다음의 특징들 a 및 b 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 용접에 의해 집전체에 결합되는 접촉 시트 금속 부재는 적어도 메인 영역의 일부 섹션에서 동일한 집전체의 자유 에지 스트립보다 단위 면적당 무게가 낮음,
b. 용접에 의해 접촉 시트 금속 부재에 연결된 집전체는 구멍이 없거나 메인 영역에서보다 자유 에지 스트립에서 단위 면적당 구멍이 적음.
직전의 특징들 a 및 b가 서로 조합하여 실현되는 것이 더욱 바람직하다.
애노드 및 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립들은 메인 영역을 제1 에지 또는 길이방향 에지로 구분한다(bound). 바람직하게는, 애노드 및 캐소드 집전체들 양자는 그들 모두의 에지들을 따라, 특히 그들 모두의 길이방향 에지들을 따라 자유 에지 스트립들을 포함한다.
구멍은 메인 영역을 특징짓는다. 즉, 메인 영역과 자유 에지 스트립(들) 사이의 경계는 구멍이 있는 영역과 구멍이 없는 영역 사이의 전환에 상응한다.
구멍은 바람직하게는 메인 영역에 걸쳐 실질적으로 고르게 분포된다.
추가적으로 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나를 갖는다:
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 홀 영역을 가짐,
c. 집전체는 20 N / mm2 내지 250 N / mm2의 메인 영역에서의 인장 강도를 가짐.
자유 단면이라고도 하는 홀 면적은 ISO 7806-1983에 따라 결정될 수 있다. 메인 영역에서 집전체의 인장 강도는 구멍이 없는 집전체에 비해 감소된다. 그것은 DIN EN ISO 527 파트 3에 따라 결정될 수 있다.
애노드 집전체와 캐소드 집전체는 구멍에 있어서 동일하거나 유사한 것이 바람직하다. 달성 가능한 각각의 에너지 밀도 개선이 합산된다. 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 따라서 바로 다음의 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 애노드 집전체 메인 영역과 캐소드 집전체 메인 영역, 바람직하게는 스트립형 애노드 집전체 메인 영역과 스트립형 캐소드 집전체 메인 영역은 모두 복수의 구멍에 의해 특징지어짐,
b.전지는 제1 접촉 시트 금속 부재로서 제1 에지들 또는 길이방향 에지들 중 하나에 안착하는 접촉 시트 금속 부재를 포함하고, 제1 에지들 또는 길이방향 에지들 중 다른 하나에 안착되는 제2 접촉 시트 금속 부재를 더 포함함,
c. 제2 접촉 시트 금속 부재는 용접에 의해 이 다른 에지 또는 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 구멍이 제공된 집전체의 바람직한 실시예는 애노드 집전체와 캐소드 집전체에 독립적으로 적용가능하다.
천공형 집전체 또는 그와는 달리 복수의 구멍이 제공된 집전체의 사용은 리튬-이온 전지에 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 부재들에 용접함으로써 해결된다. 본 발명에 따른 개념은 별도의 전도체 탭을 완전히 생략하는 것을 가능하게 하고, 따라서 낮은 재료 함량을 갖고 구멍이 제공된 집전체의 사용을 가능하게 한다. 특히, 집전체의 자유 에지 스트립에 구멍이 제공되지 않는 실시예에서, 용접은 예외적으로 낮은 거부율(reject rates)로 신뢰성 있게 수행될 수 있다.
만약 매우 얇은 금속 호일이 집전체로 사용된다면, 집전체의 에지, 특히 집전체의 길이방향 에지는 기계적으로 매우 민감할 수 있으며 접촉 시트 금속 부재들과 용접하는 동안 의도하지 않게 아래로 멀리 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).
용접에 의해 접촉 시트 금속 부재에 연결된 집전체의 바람직하게 스트립형 메인 영역이 복수 개의 구멍을 갖는 설명된 모든 실시예들은 청구항 제1항의 특징 k와 완전히 독립적으로도 실현될 수 있다는 점이 강조되어야 한다. 따라서, 본 발명은 또한 청구항 제1항의 특징 a 내지 j를 갖는 전지를 포함하며, 여기서 용접에 의해 접촉 시트 금속 부재에 연결된 집전체의 스트립형 메인 영역이 복수 개의 구멍을 가지지만, 애노드는 활성 물질로서 20 중량% 내지 90 중량%의 비율로 실리콘, 알루미늄, 주석 및/또는 안티몬을 반드시 가질 필요는 없다.
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, 접촉 시트 금속 부재를 집전체의 에지에 전기적으로 연결하는 방법과 관련하여, WO 2017/215900 A1 및 JP 2004-119330 A의 내용을 완전히 참조한다.
본 발명에서 사용을 위해 바람직한 접촉 시트 금속 부재는 또한 접촉 플레이트로 지칭될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 그들은 플레이트형(plate-shaped)이다.
일부 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 및 b 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 50 μm 내지 600 μm, 바람직하게는 150 - 350 μm 범위의 두께를 갖는 금속 플레이트는 접촉 시트 금속 부재로서, 특히 접촉 플레이트로서 사용됨,
b. 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트는 합금 또는 비 합금 알루미늄, 티타늄, 니켈 또는 구리로 구성되지만필요하다면 스테인리스 스틸(예를들면 유형 1.4303 또는 1.4304) 또는 니켈 도금 강으로 구성됨.
표시된 두께는 접촉 시트 금속 부재가 하우징의 부분인 설명된 경우와 접촉 시트 금속 부재가 하우징의 부분으로서 기능하지 않는 경우 모두에서 바람직하다.
특히, 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트가 하우징의 부분으로서 기능하지 않는 실시예들에서, 그것은 적어도 하나의 슬롯 및/또는 적어도 하나의 천공을 가질 수 있다. 이들은 용접된 조인트의 생산 동안 시트 금속 부분, 특히 플레이트의 변형을 막는 기능을 갖는다.
특히, 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트가 하우징의 부분으로서 기능하는 실시예들에서, 슬롯 및 천공은 생략되는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 접촉 시트 금속 부재, 특히 이러한 접촉 플레이트는 중앙 영역에 구멍, 특히 홀을 가질 수 있다.
하우징이 원통형인 경우에, 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트가 디스크의 형상, 특히 원형 또는 적어도 대략 원형 디스크의 형상을 갖는 것이 바람직하게 사용된다. 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 디스크라고 이해된다.
하우징이 원통형인 경우에, 접촉 시트 금속 부재, 특히 접촉 플레이트가 직사각형 기본 형상을 갖는 것이 바람직하게 사용된다.
특히 바람직한 실시예에서, 애노드 집전체 및 그에 용접된 접촉 플레이트, 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 플레이트, 특히 그에 용접된 접촉 플레이트는 양자가 동일한 재료로 구성된다. 이는 합금 또는 비합금 알루미늄, 티타늄 및 스테인리스 스틸(예를 들어 유형 1.4404)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것이 특히 바람직하다.
상기 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 전지는 제1 에지들 중 하나, 특히 제1 길이방향 에지들 중 하나가, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하는 접촉 시트 금속 부재를 가진다. 이로 인해 선형(line-shaped) 접촉 영역(contact zone)이 생성될 수 있다.
가능한 바람직한 국면에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 애노드 집전체의 제1 에지, 특히 애노드 집전체의 제1 길이방향 에지는 접촉 시트 금속 부재와, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고, 이러한 접촉 시트 금속 부재에 용접에 의해 연결되며, 에지 또는 길이방향 에지와 접촉 시트 금속 부재 사이에 선형 접촉 영역이 존재함,
b. 캐소드 집전체의 제1 에지, 특히 캐소드 집전체의 제1 길이방향 에지는 접촉 시트 금속 부재와, 바람직하게는 길이방향으로, 직접 접촉하고, 이러한 접촉 시트 금속 부재에 용접에 의해 연결되며, 에지 또는 길이방향 에지와 접촉 시트 금속 부재 사이에 선형 접촉 영역이 존재함,
c. 애노드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지 및/또는 캐소드 집전체의 제1 에지 또는 길이방향 에지는 용접 이음새(weld seam)에 의해 그 전체 길이를 따라 각각의 접촉 시트 금속 부재에 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 집전체 및 따라서 관련된 전극들 또한 그들의 전체 길이에 걸쳐 전기적으로 접촉시키는 것이 가능하다. 이것은 본 발명에 따른 전지 내의 내부 저항을 상당히 감소시킨다. 따라서 설명된 배치는 큰 전류의 발생을 탁월하게 흡수할 수 있다. 최소화된 내부 저항으로, 고전류에서의 열 손실이 감소된다. 또한, 전극-분리막 조립체로부터의 열 에너지의 소산이 선호된다.
접촉 시트 금속 부재가 에지, 특히 길이방향 에지에 연결될 수 있는 여러가지 방법이 있다.
접촉 시트 금속 부재는 적어도 하나의 용접 이음새에 의해 선형 접촉 영역을 따라 에지 또는 길이방향 에지에 결합될 수 있다. 따라서 에지 또는 길이방향 에지는 하나 또는 그 초과의 섹션을 포함할 수 있으며, 각 섹션은 용접 이음새에 의해 그 전체 길이에 걸쳐 접촉 시트 금속 부재 또는 접촉 시트 금속 부재들에 연속적으로 연결된다. 특히 바람직하게는, 이들 섹션은 5 mm, 바람직하게는 10 mm, 특히 바람직하게는 20 mm의 최소 길이를 갖는다.
하나의 가능한 추가적인 국면에서, 그 전체 길이에 걸쳐 접촉 시트 금속 부재에 연속적으로 연결된 섹션 또는 섹션들은 각각의 에지 또는 길이방향 에지의 전체 길이의 적어도 25% 초과, 바람직하게는 적어도 50% 초과, 특히 바람직하게는 적어도 75% 초과에 걸쳐 연장된다.
일부 바람직한 실시양태에서, 에지 또는 길이방향 에지는 그들의 전체 길이를 따라 접촉 시트 금속 부재에 연속적으로 용접된다.
추가적인 가능한 실시양태에서, 접촉 시트 금속 부재는 복수 또는 복수개의 용접 스폿들을 통해 각각의 에지 또는 길이방향 에지에 연결된다.
만약 전극-분리막 조립체가 나선형 권선의 형태라면, 권선의 터미널 단부 면들로부터 돌출하는 애노드 집전체 및 캐소드 집전체의 길이방향 에지들도 나선형 기하학적 구조를 일반적으로 갖는다. 그러면, 접촉 시트 금속 부재가 각각의 길이방향 에지에 그를 따라 용접되는 선형 접촉 영역에도 동일하게 적용된다.
만약 전극-분리막 조립체가 둘 또는 그 초과의 동일한 전극-분리막 조립체들의 스택의 부분이라면, 스택의 터미널 페이지들로부터 돌출하는 애노드 집전체 및 캐소드 집전체의 에지들은 선형 기하학적 구조를 종종 갖는다. 그러면, 접촉 시트 금속 부재가 각각의 에지에 그를 따라 용접되는 선형 접촉 영역에도 동일하게 적용된다.
추가적으로 가능한 바람직한 추가적인 국면에서, 본 발명에 따른 전지는 바로 다음의 특징들 a 내지 c 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 분리막은 바람직하게는 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 에지들, 특히 분리막의 길이방향 에지들은 전극-분리막 조립체의 터미널 측들 또는 말단 면들을 형성함,
c. 권선의 터미널 말단 면들 또는 스택의 측들로부터 돌출하는 애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체의 길이방향 에지 또는 마진(margins)은 5000μm를 초과하지 않으며, 바람직하게는 3500μm를 초과하지 않음.
직전의 특징들 a 내지 c가 서로 조합되어 실현되는 것이 특히 바람직하다.
특히 바람직하게는, 애노드 집전체의 에지 또는 길이방향 에지는 스택의 페이지 또는 권선의 말단 면으로부터 2500 μm 이하, 특히 바람직하게는 1500 μm 이하로 돌출한다. 특히 바람직하게는, 캐소드 집전체의 에지 또는 길이방향 에지는 스택의 페이지 또는 권선의 말단 면으로부터 3500 μm 이하, 특히 바람직하게는 2500 μm 이하로 돌출한다.
애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체의 돌출부에 대한 도면들은 페이지들 또는 말단 면들이 접촉 시트 금속 부재와 접촉 상태가 되기 전의 자유 돌출부를 나타낸다. 접촉 시트 금속 부재 또는 접촉 시트 금속 부재들을 용접할 때, 집전체의 에지의 변형이 발생할 수 있다.
자유 돌출부가 더 작게 선택될수록, 전극 물질로 덮히는 집전체의 바람직하게 리본형 메인 영역이 더 넓게 형성될 수 있다. 이는 본 발명에 따른 전지의 에너지 밀도에 긍정적으로 기여할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬-이온 전지는 버튼 전지(button cell)일 수 있다. 버튼 전지는 형상이 원통형이며 높이가 지름보다 작다. 바람직하게는, 높이는 4 mm 내지 15 mm의 범위이다. 버튼 전지가 5 mm 내지 25 mm 범위의 직경을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 버튼 전지는 예를 들어 시계, 보청기 및 무선 헤드폰과 같은 소형 전자 장치에 전기 에너지를 공급하는데 적합하다.
본 발명에 따른 버튼 전지 형태의 리튬-이온 전지의 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 전지는 원통형 둥근 전지이다. 원통형 둥근 전지는 직경보다 큰 높이를 갖는다. 그들은 자동차 부문의 응용예들에 대해, 전기 자전거에 대해 또는 에너지 요구 사항이 높은 기타 응용예들에 대해서도 특히 적합하다.
바람직하게는, 둥근 전지로 설계된 리튬-이온 전지의 높이는 15mm 내지 150mm의 범위이다. 상기 원통형 둥근 전지의 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 전지는 자동차(motor vehicles)의 전기 드라이브(electric drives)에 전력을 공급하는 데 특히 적합하다.
원통형 둥근 전지로서 설계되는 본 발명에 따른 리튬-이온 전지의 공칭 용량은 바람직하게는 최대 90000 mAh이다. 21 x 70의 형수를 갖는, 리튬-이온 전지로서 일 실시양태에서 전지는 바람직하게는 1500 mAh 내지 7000 mAh의 범위, 특히 바람직하게는 3000 내지 5500 mAh의 범위의 공칭 용량을 갖는다. 18 x 65의 형수를 갖는, 리튬-이온 전지로서 일 실시양태에서 전지는 바람직하게는 1000 mAh 내지 5000 mAh의 범위, 특히 바람직하게는 2000 내지 4000 mAh의 범위의 공칭 용량을 갖는다.
유럽 연합에서는 이차 전지의 공칭 용량에 관한 정보를 제공함에 있어 제조업체가 엄격하게 규제된다. 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 전지가 원통형 둥근 전지인 실시예에서, 애노드 집전체, 캐소드 집전체 및 분리막은 리본형인 것이 바람직하고 다음과 같은 치수를 갖는 것이 바람직하다:
- 0.5m 내지 25m 범위의 길이
- 30mm 내지 145mm 범위의 폭
이들 경우에, 제1 길이방향 에지를 따라 연장되고 전극 재료로 담지되지 않은 자유 에지 스트립은 바람직하게는 5000 μm 이하의 폭을 갖는다.
18 x 65형수를 갖는 원통형 둥근 전지의 경우, 집전체는 바람직하게는 다음을 갖는다
- 56mm 내지 62mm, 바람직하게는 60mm의 폭, 및
- 1.5m 이하의 길이.
21 x 70의 형수를 갖는 원통형 원형 전지의 경우, 집전체는 바람직하게는 다음을 갖는다
- 56mm 내지 68mm, 바람직하게는 65mm의 폭, 및
- 2.5m 이하의 길이.
리튬-이온 전지의 기능은 애노드와 캐소드 또는 음극과 양극 사이의 이동에 의해 인출된 전류의 균형을 맞추기에 충분한 모바일 리튬 이온(모바일 리튬)의 가용성을 기반으로 한다. 본 출원의 맥락에서 모바일 리튬이란 리튬이 리튬-이온 전지의 방전 및 충전 프로세스의 과정에서 전극 내의 저장 및 제거 프로세스를 위해 이용가능하거나 이러한 목적을 위해 활성화될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 리튬-이온 전지의 방전 및 충전 프로세스의 과정에서 시간이 지남에 따라 모바일 리튬의 손실이 발생한다. 이러한 손실은 다양하고 일반적으로 피할 수 없는 부작용의 결과로 발생한다. 모바일 리튬의 손실은 리튬-이온 전지의 제1 충전 및 방전 사이클 동안 이미 발생한다. 이 제1 충전 및 방전 사이클 동안, 상부층(top layer)은 일반적으로 음극 상의 전기화학적 활성 성분의 표면 상에 형성된다. 이 상부층을 고체 전해질 간상(SEI)이라고 하며 일반적으로 주로 전해질 분해 생성물과 이 층에 단단히 묶인(bound) 일정량의 리튬으로 구성된다.
이러한 프로세스와 관련된 모바일 리튬의 손실은 애노드가 실리콘의 부분들을 갖는 전지에서 특히 심각하다. 이러한 손실을 보상하기 위해, 본 발명에 따른 전지는 바람직한 실시예에서 바로 다음 특징들 a 및 b 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 전지는 양극 및/또는 음극에 의해 포함되지 않은 리튬 또는 리튬-함유 재료의 저장소를 포함하고, 이는 작동 중에 전지에서의 모바일 리튬의 손실을 보상하는데 이용될 수 있음,
b. 저장소는 전지의 전해질과 접촉함,
c. 전지는 저장소가 양극 또는 음극에 전기적으로 연결될 수 있는 전기 전도체 및 필요하다면 또한 제어가능한 스위치를 가짐.
바로 직전의 특징 a 내지 c가 서로 조합하여 실현되는 것이 특히 바람직하다.
특히 바람직하게는, 저장소는 본 발명에 따른 전지의 하우징 내부에 배치되고 전기 전도체가 하우징 밖으로, 예를 들면 적합한 극 부싱을 통해, 특히 하우징 밖으로부터 인출될 수 있는 전기 접촉부까지 인도된다.
전기적으로 접촉가능한 리튬 저장소는 필요에 따라 전지의 전극으로 리튬을 공급하거나 리튬 도금을 방지하기 위해 전극으로부터 과도한 리튬을 방출하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 리튬 저장소는 전기 전도체를 통해 리튬-이온 전지의 음극 또는 양극에 반대하여(against) 연결될 수 있다. 과도한 리튬은 리튬 저장소에 공급될 수 있으며 필요하다면 거기에 보관될 수 있다. 이러한 적용들을 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 전도체 및 관련된 리튬 저장소는 양극과 음극 및 전지의 임의의 전기적 결합 구성성분으로부터 전기적으로 절연되어야 한다.
리튬 저장소의 리튬 또는 리튬-함유 재료는 예를 들어 금속성 리튬, 리튬 금속 산화물, 리튬 금속 인산염, 또는 통상의 기술자에게 잘 알려진 다른 재료일 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 본 발명으로부터 발생하는 이점들은 도면 뿐만 아니라도면에 대한 후술하는 설명에서 보여진다. 이하에서 설명되는 실시예들은 단지 본 발명을 설명하고 더 잘 이해하는 기능을 하는 것이며, 어떠한 식으로든 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
도면에서는 개략적으로 다음을 나타낸다:
도 1은 본 발명에 따른 실시예에서 집전체의 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 집전체의 단면도,
도 3은 권선의 형태로 전극-분리막 조립체로 가공될 수 있는 애노드의 평면도,
도 4는 도 3에 도시된 애노드의 단면도,
도 5는 도 3에 도시된 애노드를 이용하여 제조된 전극-분리막 조립체의 평면도,
도 6은 도 5에 도시된 전극-분리막 조립체의 단면도,
도 7은 원통형 둥근 전지의 형태로 본 발명에 따른 전지의 실시예를 나타내는 단면도,
도 8은 원통형 둥근 전지의 형태로 본 발명에 따른 전지의 추가적인 실시예를 나타내는 단면도,
도 9는 원통형 둥근 전지의 형태로 본 발명에 따른 전지의 추가적인 실시예를 나타내는 단면도,
도 10은 원통형 둥근 전지의 형태로 본 발명에 따른 전지의 추가적인 실시예를 나타내는 단면도,
도 11은 원통형 둥근 전지의 형태로 본 발명에 따른 전지의 추가적인 실시예를 나타내는 단면도.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 전지에 사용될 수 있는 집전체(110)의 설계를 도시한 것이다. 도 2는 S1을 따른 단면도이다. 집전체(110)는 직사각형 홀인 복수의 구멍(111)을 포함한다. 영역(110a)은 개구(111)에 의해 특징지어지는 반면, 길이방향 에지(110e)를 따라 영역(110b)에는 구멍이 없다. 따라서, 집전체(110)는 영역(110b)에서보다 영역(110a)에서 단위 면적당 상당히 낮은 중량을 갖는다.
도 3 및 도 4 는 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. 나아가, 전극 재료(123)는 또한 구멍(111)을 채운다.
도 5 및 도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 애노드(120)를 이용하여 제조된 전극-분리막 조립체(104)를 도시한다. 부가적으로, 그것은 캐소드(115) 및 분리막(118, 119)들을 포함한다. 도 6은 S3에 따른 단면도이다. 캐소드(115)는 애노드(120)와 동일한 집전체 설계로 만들어진다. 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. 나선형 권선에 의해, 전극-분리막 조립체(104)는 본 발명의 전지에 포함될 수 있는 것과 같은 권선으로 변형될 수 있다.
일부 바람직한 실시예에서, 자유 에지 스트립(117 및 121)들은 양 측에서 그리고 전술한 지지 재료들 중 하나를 구비한 적어도 일부 영역들에서 코팅된다.
도 7은 제1 하우징 부분(101) 및 제2 하우징 부분(102)을 포함하는 하우징을 갖는 전지(100)을 도시한다. 전극-분리막 조립체(104)는 하우징 내부에서 둘러싸인다. 하우징은 일반적으로 형상이 원통형이며, 하우징 부분(101)은 원형 바닥부(101a), 중공 원통형 쉘(101b) 및 바닥부(101a)를 대향하는 원형 개구를 갖는다. 하우징 부분(102)은 원형 개구를 폐쇄하는 기능을 하며 원형 뚜껑으로서 형성된다. 전극-분리막 조립체(104)는 두 개의 터미널 말단 면들을 갖는 원통형 권선의 형태이다.
각형 하우징의 경우, 전지를 통과하는 섹션이 정확히 동일하게 보일 수 있다. 이 경우 하우징 부분(101)은 직사각형 바닥부(101a), 직사각형 측벽(101b) 및 직사각형 단면, 및 직사각형 개구를 가질 것이며, 하우징 부분(102)은 직사각형 개구를 폐쇄하기 위한 직사각형 뚜껑으로서 형성될 것이다. 그리고 이 경우에 참조 번호(104)는 원통형 형상의 전극-분리막 조립체를 나타내는 것이 아니라 복수 개의 동일한 전극-분리막 조립체들의 스택 또는 각형 권선을 나타낸다.
애노드 집전체(110)의 자유 에지 스트립(121)은 전극-분리막 조립체(104)의 일 말단 면으로부터 돌출되고, 캐소드 집전체(115)의 자유 에지 스트립(117)은 다른 말단 면으로부터 돌출된다. 애노드 집전체(110)의 에지(110e)는 하우징 부분(101)의 바닥부(101a)와 그 전체 길이에 걸쳐 직접 접촉하고, 적어도 여러 개의 섹션에 걸쳐, 바람직하게는 전체 길이에 걸쳐 용접함으로써 그에 연결된다. 캐소드 집전체(115)의 에지(115e)는 그의 전체 길이에 걸쳐 플레이트형 접촉 시트 금속 부재(105)와 직접 접촉하고, 적어도 여러 개의 섹션에 걸쳐, 바람직하게는 전체 길이에 걸쳐 용접함으로써 그에 연결된다.
차례로, 접촉 시트 금속 부재(105)는 전기 전도체(107)를 통해 하우징 부분(102)에 전기적으로 연결된다.
바람직하게는, 하나의 페이지 상에는 전도체(107)와 접촉 시트 금속 부재(105), 다른 하나의 페이지 상에는 전도체(107)와 하우징 부분(102) 사이에 각각 용접 접속부가 존재한다.
개선된 개관을 위해, 전극-분리막 조립체(104)의 다른 구성요소(특히 분리막들 및 전극 재료들)는 - 집전체(110 및 115)들을 제외하고는 - 도시되지 않는다.
하우징 부분(101, 102)들은 시일(103)에 의해 서로로부터 전기적으로 절연되어 있다. 하우징은 예를 들어 플랜지 가공(flanging)에 의해 폐쇄된다. 하우징 부분(101)은 전지(100)의 음극을 형성하고 하우징 부분(102)은 전지(100)의 양극을 형성한다.
도 8은 제1 하우징 부분(101) 및 제2 하우징 부분(102)을 포함하는 하우징을 갖는 전지(100)을 도시한다. 전극-분리막 조립체(104)는 하우징 내에서 둘려싸인다. 하우징은 일반적으로 형상이 원통형이고, 하우징 부분(101)은 원형 바닥부(101a), 중공 원통형 쉘(101b) 및 바닥부(101a)에 대향하는 원형 개구를 갖는다. 하우징 부분(102)은 원형 개구를 폐쇄하는 기능을 하며 원형 뚜껑으로서 형성된다. 전극-분리막 조립체(104)는 두 개의 터미널 말단 면들을 갖는 원통형 권선의 형태이다.
각형 하우징의 경우, 전지를 통과하는 섹션이 정확히 동일하게 보일 수 있다. 이 경우 하우징 부분(101)은 직사각형 바닥부(101a), 직사각형 측벽(101b) 및 직사각형 단면, 및 직사각형 개구를 가질 것이며, 하우징 부분(102)은 직사각형 개구를 폐쇄하기 위한 직사각형 뚜껑으로서 형성될 것이다. 그리고 이 경우에 참조 번호(104)는 원통형 형상의 전극-분리막 조립체를 나타내는 것이 아니라 복수 개의 동일한 전극-분리막 조립체들의 스택 또는 각형 권선을 나타낸다.
애노드 집전체(110)의 자유 에지 스트립(121)은 전극-분리막 조립체(104)의 일 말단 면으로부터 돌출되고, 캐소드 집전체(115)의 자유 에지 스트립(117)은 다른 말단 면으로부터 돌출된다. 애노드 집전체(110)의 에지(110e)는 하우징 부분(101)의 바닥부(101a)와 그 전체 길이에 걸쳐 직접 접촉하고, 적어도 여러 개의 섹션에 걸쳐, 바람직하게는 전체 길이에 걸쳐 용접함으로써 그에 연결된다. 캐소드 집전체(115)의 에지(115e)는 그의 전체 길이에 걸쳐 접촉 시트 금속 부재(105)와 직접 접촉하고, 적어도 여러 개의 섹션에 걸쳐, 바람직하게는 전체 길이에 걸쳐 용접함으로써 그에 연결된다.
접촉 시트 금속 부재(105)는 금속성 극 스터드(108)에 직접 연결되고, 바람직하게는 용접된다. 이것은 하우징 부분(102)의 구멍을 통해 하우징 밖으로 인도되고 전기 절연체(106)에 의해 하우징 부분(102)으로부터 절연된다. 극 스터드(108) 및 전기 절연체(106)는 함께 극 부싱(pole bushing)을 형성한다.
개선된 개관을 위해, 전극-분리막 조립체(104)의 다른 구성요소(특히 분리막들 및 전극 재료들)는 - 집전체(110 및 115)들을 제외하고는 - 여기서도 도시되지 않는다.
바닥부(101a)에는 예를 들어 납땜, 용접 또는 본딩에 의해 폐쇄되고, 예를 들어 전해질을 하우징 내부로 도입하기 위해 사용될 수 있는 홀(109)이 있다. 대안적으로, 동일한 목적을 위해 하우징 부분(102)에 홀이 만들어질 수 있다.
하우징 부분(102)은 하우징 부분(101)의 원형 개구 내부로 용접된다. 따라서 하우징 부분(101, 102)들은 동일한 극성을 가지며 전지(100)의 음극을 형성한다. 극 스터드(108)는 전지(100)의 양극을 형성한다.
도 9는 제1 하우징 부분(101) 및 제2 하우징 부분(102)을 포함하는 하우징을 갖는 전지(100)을 나타낸다. 전극-분리막 조립체(104)는 하우징 내에서 둘러싸인다. 하우징은 일반적으로 형상이 원통형이고, 하우징 부분(101)은 원형 바닥부(101a), 중공 원통형 쉘(101b) 및 바닥부(101a)를 대향하는 원형 개구를 갖는다. 하우징 부분(102)은 원형 개구를 폐쇄하는 기능을 하며 원형 뚜껑으로서 형성된다. 전극-분리막 조립체(104)는 두 개의 터미널 말단 면들을 갖는 원통형 권선의 형태이다.
각형 하우징의 경우, 전지를 통과하는 섹션이 정확히 동일하게 보일 수 있다. 이 경우 하우징 부분(101)은 직사각형 바닥부(101a), 직사각형 측벽(101b) 및 직사각형 단면, 및 직사각형 개구를 가질 것이며, 하우징 부분(102)은 직사각형 개구를 폐쇄하기 위한 직사각형 뚜껑으로서 형성될 것이다. 그리고 이 경우에 참조 번호(104)는 원통형 형상의 전극-분리막 조립체를 나타내는 것이 아니라 복수 개의 동일한 전극-분리막 조립체들의 스택 또는 각형 권선을 나타낸다.
애노드 전류 집전체(110)의 자유 에지 스트립(121)은 전극-분리막 조립체(104)의 일 말단 면으로부터 돌출되고, 캐소드 집전체(115)의 자유 에지 스트립(117)은 다른 말단 면으로부터 돌출된다. 애노드 집전체(110)의 에지(110e)는 하우징 부분(101)의 바닥부(101a)와 그 전체 길이에 걸쳐 직접 접촉하고, 적어도 여러 개의 섹션에 걸쳐, 바람직하게는 전체 길이에 걸쳐 용접함으로써 그에 연결된다. 캐소드 집전체(115)의 에지(115e)는 그의 전체 길이에 걸쳐 하우징 부분(102)과 직접 접촉하고, 적어도 여러 개의 섹션에 걸쳐, 바람직하게는 전체 길이에 걸쳐 용접함으로써 그에 연결된다.
개선된 개관을 위해, 전극-분리막 조립체(104)의 다른 구성요소(특히 분리막들 및 전극 재료들)는 - 집전체(110 및 115)들을 제외하고 - 여기에서도 도시되지 않는다.
바닥부(101a)에는, 예를 들어, 납땜, 용접 또는 본딩에 의해 폐쇄되고, 예를 들어 전해질을 하우징 내부로 도입하는 기능을 할 수 있는 홀(109)이 발견된다. 동일한 목적을 수행할 수 있는 다른 홀(109)이 여기 하우징 부분(102)에서 발견된다. 바람직하게는, 이것은 예를 들어 하우징 부분(102) 상으로 용접될 수 있는 압력 릴리프 밸브(141)에 의해 폐쇄된다.
도시된 홀(109)들은 일반적으로 둘 다 필요하지는 않다. 따라서, 많은 경우들에서, 도 9에 도시된 전지(100)은 두 개의 홀들 중 하나만 갖는다.
하우징 부분(101, 102)은 시일(103)에 의해 서로로부터 전기적으로 절연되어 있다. 하우징은 예를 들어 플랜징에 의해 폐쇄된다. 하우징 부분(101)은 전지(100)의 음극을 형성하고 하우징 부분(102)은 전지(100)의 양극을 형성한다.
도 10은 제1 하우징 부분(101), 제2 하우징 부분(102) 및 제3 하우징 부분(155)을 포함하는 하우징을 갖는 전지(100)을 도시한다. 전극-분리막 조립체(104)는 하우징 내에 둘러싸인다. 하우징은 전체적으로 원통형 형상을 갖고, 하우징 부분(101)은 두 개의 말단 면 원형 개구들을 갖는 중공 실린더로서 여기에 형성된다. 하우징 부분(102, 155)는 원형 개구를 폐쇄하는 기능을 하며, 원형 뚜껑으로서 형성된다. 전극-분리막 조립체(104)는 두 개의 터미널 말단 면들을 갖는 원통형 권선의 형태이다.
각형 하우징의 경우 전지를 통과하는 섹션이 정확히 동일하게 보일 수 있다. 이 경우, 하우징 부분(101)은 직사각형 단면과 두 개의 직사각형 개구들을 가질 것이고, 하우징 부분(102, 155)은 직사각형 개구들을 폐쇄하기 위한 직사각형 뚜껑들이 될 것이다. 그리고 이 경우에 참조 번호(104)는 원통형 형태의 전극-분리막 조립체를 나타내는 것이 아니라 여러 개의 동일한 전극-분리막 조립체들의 스택 또는 각형 권선을 나타낸다.
애노드 집전체(110)의 자유 에지 스트립(121)은 전극-분리막 조립체(104)의 일 말단 면으로부터 돌출되고, 캐소드 집전체(115)의 자유 에지 스트립(117)은 다른 말단 면으로부터 돌출된다. 애노드 집전체(110)의 에지(110e)는 그의 전체 길이에 걸쳐 하우징 부분(155)과 직접 접촉하고, 적어도 여러 개의 섹션에 걸쳐, 바람직하게는 그의 전체 길이에 걸쳐 용접함으로써 그에 연결된다. 따라서 하우징 부분(155)은 또한 본 발명의 의미 내에서 접촉 시트 금속 부재 또는 접촉 플레이트로서 기능한다. 캐소드 집전체(115)의 에지(115e)는 그의 전체 길이에 걸쳐 접촉 시트 금속 부재(105)와 직접 접촉하고, 적어도 여러 개의 섹션에 걸쳐, 바람직하게는 그의 전체 길이에 걸쳐 용접에 의해 그에 연결된다.
개선된 개관을 위해, 전극-분리막 조립체(104)의 다른 구성요소(특히 분리막들 및 전극 재료들)는 - 집전체(110 및 115)들을 제외하고 - 여기에서도 도시되지 않는다.
접촉 시트 금속 부재(105)는 금속성 극 스터드(108)에 직접 연결되고, 바람직하게는 용접된다. 이것은 하우징 부분(102)의 구멍을 통해 하우징 밖으로 인도되고 전기 절연체(106)에 의해 하우징 부분(102)으로부터 절연된다. 극 스터드(108) 및 전기 절연체(106)는 함께 극 부싱을 형성한다.
하우징 부분(102)에는 예를 들어 납땜, 용접 또는 본딩에 의해 폐쇄되고, 예를 들어 전해질을 하우징 내부로 도입하기 위해 사용될 수 있는 홀(109)이 있다. 대안적으로, 동일한 목적을 위해 하우징 부분(155)에 홀이 만들어질 수 있다.
하우징 부분(102, 155)은 하우징 부분(101)의 원형 개구 내부로 용접된다. 따라서 하우징 부분(101, 102 및 155)은 동일한 극성을 가지며 전지(100)의 음극을 형성한다. 극 스터드(108)는 전지(100)의 양극을 형성한다.
도 11은 제1 하우징 부분(101) 및 제2 하우징 부분(102)을 포함하는 하우징을 갖는 전지(100)을 도시한다. 전극-분리막 조립체(104)는 하우징 내에서 둘러싸인다. 하우징은 일반적으로 형상이 원통형이고, 하우징 부분(101)은 원형 바닥부(101a), 중공 원통형 쉘(101b) 및 바닥부(101a)에 대향하는 원형 개구를 갖는다. 하우징 부분(102)은 원형 개구를 폐쇄하는 기능을 하며 원형 뚜껑으로 형성된다. 전극-분리막 조립체(104)는 두 개의 터미널 말단 면들을 갖는 원통형 권선의 형태이다.
각형 하우징의 경우 전지를 통과하는 섹션이 정확히 동일하게 보일 수 있다. 이 경우 하우징 부분(101)은 직사각형 바닥부(101a), 직사각형 측벽(101b) 및 직사각형 단면, 및 직사각형 개구를 가질 것이며, 하우징 부분(102)은 직사각형 개구를 폐쇄하기 위한 직사각형 뚜껑으로 형성될 것이다. 그리고 이 경우에 참조 번호(104)는 원통형 형상의 전극-분리막 조립체를 나타내는 것이 아니라 복수 개의 동일한 전극-분리막 조립체들의 스택 또는 각형 권선을 나타낸다.
애노드 전류 집전체(110)의 자유 에지 스트립(121)은 전극-분리막 조립체(104)의 일 말단 단면으로부터 돌출되고, 캐소드 집전체(115)의 자유 에지 스트립(117)은 다른 말단 면으로부터 돌출된다. 애노드 집전체(110)의 에지(110e)는 그 전체 길이에 걸쳐 하우징 부분(101)의 바닥부(101a)와 직접 접촉하고, 용접에 의해 적어도 여러 개의 섹션에 걸쳐, 바람직하게는 전체 길이에 걸쳐 그에 연결된다.
캐소드 집전체(115)의 에지(115e)는 그의 전체 길이에 걸쳐 하우징 부분(102)과 직접 접촉하고, 적어도 여러 개의 섹션에 걸쳐, 바람직하게는 그 전체 길이에 걸쳐 용접에 의해 연결된다. 따라서, 하우징 부분(102)은 여기에서 동시에 접촉 시트 금속 부재 또는 접촉 플레이트로서 기능한다.
애노드 집전체(110)는 음극 재료(123)의 층으로 양 측들에 담지되지만, 전극 재료(123)가 담지되지 않고 길이방향 에지(110e)를 따라 연장되는 자유 에지 스트립(121)을 갖는다. 대신에, 자유 에지 스트립(121)은 세라믹 지지 재료(165)로 양 측들에 코팅된다.
캐소드 집전체(115)는 음극 재료(125)의 층으로 양 측들에 담지되지만, 전극 재료(125)가 담지되지 않고 길이방향 에지(115e)를 따라 연장되는 자유 에지 스트립(117)을 갖는다. 대신에, 자유 에지 스트립(117)은 세라믹 지지 재료(165)로 양 측들에 코팅된다.
전극-분리막 조립체(104)는 분리막(118, 119)들의 길이방향 에지(118a, 119a 및 118b, 119b)에 의해 형성된 두 개의 말단 면들을 갖는다. 집전체(110, 115)들의 길이방향 에지들은 이들 말단 면들로부터 돌출된다. 대응하는 돌출부들은 d1 및 d2로 라벨링된다.
하우징 부분(102)에는, 예를 들어 전해질을 하우징 내부로 도입하는데 사용될 수 있는 홀(109)이 발견된다. 홀은 압력 릴리프 밸브(141)에 의해 폐쇄되고, 이는 예를 들어 용접에 의해 하우징 부분(102)에 연결된다.
하우징 부분(101, 102)은 시일(103)에 의해 서로로부터 전기적으로 절연되어 있다. 하우징은 플랜징에 의해 폐쇄된다. 이를 위해, 하우징 부분의 개방 에지(101c)는 반경 방향 내측으로 절곡된다. 하우징 부분(101)은 전지(100)의 음극을 형성하고 하우징 부분(102)은 전지(100)의 양극을 형성한다.
도 11에 도시된 전지는 도 12에 따라 제조될 수 있으며, 개별 공정 단계들 A 내지 I는 이하에서 설명된다. 먼저, 전극-분리막 조립체(104)가 제공되고, 그 상부 말단 면에는 접촉 시트 금속 부재 또는 접촉 플레이트로서 기능하는 하우징 부분(102)이 배치된다. 단계 B에서, 이것은 캐소드 집전체(115)의 길이방향 에지(115e)에 용접된다. 단계 C에서, 원주 시일(103)은 하우징 부분(102)의 에지에 적용된다. 이에 의해, 단계 D에서, 전극-분리막 조립체(104)는 애노드 집전체(110)의 길이방향 에지(110e)가 하우징 부분(101)의 바닥부(101a)과 직접 접촉할 때까지 하우징 부분(101) 내부로 삽입된다. 단계 E에서, 이것은 하우징 부분(101)의 바닥부(101a)에 용접된다. 단계 F에서, 하우징은 플랜징에 의해 폐쇄된다. 이러한 목적을 위해, 하우징 부분(101)의 개방 에지(101c)는 반경 방향으로 내측으로 절곡된다. 단계 G에서, 하우징은 전해질로 충전되고, 전해질은 개구(109)를 통해 하우징 내부로 계량된다(metered). 개구(109)는 하우징 부분(102) 상에 용접되는 압력 릴리프 밸브(141)에 의해 단계들 H 및 I에서 폐쇄된다.
예를 들면, 전극-분리막 조립체(104)는 95 중량% NMCA의 양극, 2 중량%의 전극 바인더, 및 도전제로서 3 중량% 카본 블랙을 포함할 수 있다. 음극은 개방 기공 구조를 구비한 다공성, 전기 전도성 매트릭스를 포함할 수 있다.
예를 들면, 전극-분리막 조립체(104)는 95 중량% NMCA의 양극, 2 중량%의 전극 바인더, 도전제로서 3 중량% 카본 블랙, 70 중량% 실리콘의 음극, 25 중량% 그래파이트, 2 중량%의 전극 바인더, 및 도전제로서 3 중량% 카본 블랙을 포함할 수 있다. 2 중량% VC와 함께 THF:mTHF(1:1)에서 LiPF6의 2 M 용액 또는 FEC:EMC(3:7)에서 LiPF6의 1.5 M 용액이 전해질로서 사용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 리튬-이온 전지로서, 특징들 즉:
    a. 상기 전지는 시퀀스 애노드(120) / 분리막(118) / 캐소드(130)를 갖는 리본형 전극-분리막 조립체(104)를 포함함,
    b. 상기 애노드(120)는 제1 길이방향 에지(110e) 및 제2 길이방향 에지 및 두 개의 말단들을 갖는 리본형 애노드 집전체(110)를 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 가짐,
    d. 상기 캐소드(130)는 제1 길이방향 에지(115e) 및 제2 길이방향 에지 및 두 개의 말단들을 갖는 리본형 캐소드 집전체(115)를 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 면들을 구비한 권선(winding)의 형태이거나 또는 두 개 또는 그 초과의 동일한 전극-분리막 조립체(104)들에 의해 형성되고 유사하게 두 개의 터미널 면들을 갖는 스택의 일부임,
    g. 상기 전극-분리막 조립체(104)는, 선택적으로 상기 스택의 추가적인 동일한 전극-분리막 조립체(들)과 함께, 하우징에 의해 둘러싸임,
    h. 상기 애노드(120)와 상기 캐소드(130)는, 상기 애노드 집전체(110)의 상기 제1 길이방향 에지(110e)가 상기 터미널 면들 또는 상기 스택의 측들 중 하나로부터 돌출되고 상기 캐소드 집전체(115)의 상기 제1 길이방향 에지(115e)가 상기 터미널 면들 또는 상기 스택의 측들 중 다른 하나로부터 돌출하도록, 형성되고/형성되거나 서로에 대해 상기 전극-분리막 조립체(104) 내에 배치됨,
    i. 상기 전지는 상기 제1 길이방향 에지(110e, 115e) 중 하나와 직접 접촉하는 접촉 시트 금속 부재(101a, 102, 155)를 가짐, 및
    j. 상기 접촉 시트 금속 부재(101a, 102, 155)는 용접에 의해 상기 길이방향 에지(110e, 115e)에 연결됨,
    및 추가적인 특징적인 특징 즉,
    k. 상기 음극 재료(123)는 실리콘, 알루미늄, 주석, 안티몬, 및 리튬을 가역적으로 통합하고(incorporating) 방출할 수 있는 상기 재료들의 화합물 또는 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 활성 물질로서 20 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함함
    을 구비한,
    리튬-이온 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 음극 재료(123)는 가역적인 리튬 삽입(insertion) 및 제거(removal)가 가능한 탄소계 입자들 - 예를 들면 그래파이트계 탄소, 특히 실리콘 및 상기 탄소계 입자들의 혼합물 - 을 음극 활성 물질로서 추가적으로 포함함,
    b. 리튬을 사이에 삽입할 수 있는(intercalating) 상기 탄소계 입자들은 5 중량% 내지 75 중량%의 비율, 특히 15 중량% 내지 45 중량%의 비율로 상기 전극 재료에 함유됨
    을 구비한,
    리튬-이온 전지.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 음극 재료(123)는 전극 바인더 및/또는 도전제(conductive agent)를 포함함,
    b. 상기 전극 바인더는 상기 음극 재료(123)에 1 중량% 내지 15 중량%의 비율로 함유됨,
    c. 상기 도전제는 상기 음극 재료(123)에 0.1 중량% 내지 15 중량%의 비율로 함유됨
    중 적어도 하나를 구비한,
    리튬-이온 전지.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 양극 재료(125)는 가역적인 리튬 침착(deposition) 및 제거(removal)를 할 수 있는 적어도 하나의 금속 산화물, 바람직하게는 상기 화합물들 중 하나, 특히 NMC, NCA 또는 NMCA를 활성 물질로서 포함함,
    b. 상기 적어도 하나의 산화물 코발트 및/또는 망간 화합물은 상기 전극 재료(125)에 80 중량% 내지 99 중량%의 양으로 함유됨,
    c. 상기 양극 재료(125)는 전극 바인더 및/또는 도전제(conductive agent)를 포함함,
    d. 상기 전극 바인더는 상기 양극 재료(125)에 1 중량% 내지 15 중량%의 비율로 함유됨,
    e. 상기 도전제는 상기 양극 재료(123)에 0.1 중량% 내지 15 중량%의 비율로 함유됨
    중 적어도 하나를 갖는,
    리튬-이온 전지.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 음극(120)의 단위 면적당 중량은 적어도 10 cm2의 단위 면적당 평균값으로부터 최대 2% 만큼 벗어남
    중 적어도 하나를 갖는,
    리튬-이온 전지.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 전지는 테트라하이드로퓨란(THF) 및 2-메틸테트라하이드로퓨란(mTHF)의 혼합물을 포함하는 전해질을 포함함,
    b. 상기 혼합물에서 THF:mTHF의 용적비는 2:1 내지 1:2의 범위에 있고, 특히 바람직하게는 1:1임,
    c. 상기 전지는 전도성 염(conducting salt)으로서 LiPF6를 포함하는 전해질을 포함함,
    d. 상기 전도성 염은 상기 전해질에 1.5 내지 2.5 M, 특히 2 M의 비율로 함유됨
    중 적어도 하나를 갖는,
    리튬-이온 전지.
  7. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 전지는 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 및 에틸 메틸 카보네이트(EMC)의 혼합물을 포함하는 전해질을 포함함,
    b. 상기 혼합물에서 FEC:EMC의 용적비는 1:7 내지 5:7의 범위에 있고, 특히 바람직하게는 3:7임,
    c. 상기 전지는 전도성 염(conducting salt)으로서 LiPF6를 포함하는 전해질을 포함함,
    d. 상기 전도성 염은 상기 전해질에 1.0 내지 2.0 M, 특히 1.5 M의 농도로 함유됨,
    e. 상기 전해질은 바이닐렌 카보네이트를 특히 1 내지 3 중량%의 비율로 포함함
    중 적어도 하나를 갖는,
    리튬-이온 전지.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들 즉:
    a. 용접에 의해 상기 접촉 시트 금속 부재(101a, 102, 155)에 연결된 상기 집전체(110, 115)의 상기 스트립형 메인 영역(110a)은 복수의 구멍(111)들을 가짐,
    b. 상기 메인 영역(110a) 내의 상기 구멍(111)들은 둥근 또는 정방형(square) 홀들, 특히 펀칭된 또는 드릴링된 홀들임,
    c. 용접에 의해 상기 접촉 시트 금속 부재(101a, 102, 155)에 연결된 상기 집전체(110)는 상기 메인 영역(110a)에서, 특히 둥근 홀 또는 슬롯형 홀 천공에 의해, 천공됨
    중 적어도 하나를 갖는,
    리튬-이온 전지.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징 즉:
    a. 상기 집전체(110) 내의, 특히 상기 메인 영역(110a) 내의 상기 구멍(111)들은 1 ㎛ 내지 2000 ㎛의 범위의 평균 직경을 가짐
    을 갖는,
    리튬-이온 전지.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들 즉:
    a. 용접에 의해 상기 접촉 시트 금속 부재(101a, 102, 155)에 연결된 상기 집전체(110)는 상기 메인 영역(110a)의 적어도 부분적인 섹션에서 동일한 집전체(110)의 상기 자유 에지 스트립(110b)보다 더 낮은 단위 면적당 중량을 가짐,
    b. 용접에 의해 상기 접촉 시트 금속 부재(101a, 102, 155)에 연결된 상기 집전체(110)는 구멍(111)이 없거나 또는 상기 메인 영역(110a)에서보다 상기 자유 에지 스트립(110b)에서 더 적은 단위 면적당 구멍(111)들을 가짐
    중 적어도 하나를 갖는,
    리튬-이온 전지.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들 즉:
    a. 상기 메인 영역(110a)에서 상기 집전체(110)의 단위 면적당 중량은 상기 자유 에지 스트립(110b)에서 상기 집전체(110)의 단위 면적당 중량과 비교하여 5% 내지 80%만큼 감소됨,
    b. 상기 집전체(110)는 상기 메인 영역(110a)에서 5% 내지 80%의 범위에서 홀 면적을 가짐,
    c. 상기 집전체(110)는 상기 메인 영역(110a)에서 20 N/mm2 내지 250 N/mm2의 인장 강도를 가짐
    중 적어도 하나를 갖는,
    리튬-이온 전지.
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