KR20230049638A - 배터리를 위한 파괴 가능한 분리막 - Google Patents

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KR20230049638A
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스리칸스 판날라
니크힐 케이. 이. 베르게세
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사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
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Abstract

본 개시는 배터리를 작동시키기 위한 시스템, 디바이스 및 방법을 포함한다. 배터리는 제1 집전체에 결합된 제1 전극 및 제2 전극을 갖는 전원 유닛을 포함한다. 제1 집전체는 제1 전도성 부재에 결합된다. 배터리는 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 제1 부분 및 제2 전극과 제1 전도성 부재 사이에 위치된 제2 부분을 갖는 분리막을 추가로 포함한다. 일부 양태에서, 분리막의 제2 부분은 열 폭주 및 치명적인 손상 없이 전원 유닛을 안전하게 방전하기 위해 배터리가 힘을 받는 것에 응답하여 파괴되도록 구성된다.

Description

배터리용 파손가능 분리막
본 개시는 일반적으로 배터리 셀에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 재충전 가능한 배터리 셀과 함께 사용하기 위한 파괴 가능한 분리막에 관한 것이지만 이에 제한되지 않는다.
배터리는 휴대폰, 태블릿, 개인용 컴퓨터, 하이브리드 전기 차량, 완전 전기 차량 및 에너지 저장 시스템과 같은 광범위한 응용에서 전자 및 기계 디바이스에 전력을 공급하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다. 구체적으로, 리튬-이온(Li-이온) 배터리와 같은 재충전 가능한 배터리는 높은 전력 및 에너지 밀도, 긴 사이클 수명, 우수한 저장 능력 및 메모리가 없는 재충전 특성과 같은 몇 가지의 매력적인 특징으로 인해 대중화되었다. 재충전 가능한 배터리는 높은 전력 출력을 제공하고 장기간 사용을 위해 반복적으로 충전 및 방전 상태에 있도록 설계된다. 보다 크고 보다 까다로운 응용에서는, 보다 높은 용량과 전력 출력을 갖는 배터리 팩을 생성하기 위해 몇 개의 재충전 가능한 배터리가 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
그러한 배터리 및 배터리 팩은 몇 가지 이점을 제공하지만, 이러한 배터리는 외부적으로(예를 들어, 주변 환경으로부터) 및 내부적으로(예를 들어, 배터리의 정상 작동, 급속 충전 및 방전 동안에 생성된 열) 모두에서 온도 상승에 민감하다. 배터리의 열 폭주 및 배터리 팩의 잠재적인 폭발과 같은 심각한 열적 위험은 다양한 이유로 일어날 수 있다. 재충전 가능한 배터리 및 배터리 팩의 기계적 충격은 누전, 방전 불량, 단락 또는 열 폭주를 야기하는 다른 일련의 열 방출 이벤트를 유발할 수 있다. 예를 들어, 일부 충격은 전극 사이의 집중 단락과 같은 즉각적인 손상을 발생하는 반면, 다른 충격은 열 폭주 및 배터리 파괴를 천천히 야기하는 누전과 같이 사용자가 즉시 인지할 수 없는 점진적인 손상을 유발할 수 있다.
본 개시는 일반적으로 배터리 셀, 모듈 또는 팩의 분리막의 시스템, 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 분리막은 파괴 가능하고 온도 제어를 제공하고/하거나 열 폭주를 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 제1 집전체를 갖는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1 전원 유닛, 및 분리막을 갖는 배터리 셀을 포함할 수 있다. 분리막은 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 제1 부분 및 제2 전극과 제1 전도성 부재 사이에 위치된 제2 부분을 포함한다. 제1 전도성 부재는 제1 집전체의 일부, 제1 집전체에 결합된 버스바 또는 다른 전도성 구조물, 배터리 셀의 용기의 표면 또는 용기(예를 들어, 셀 인클로저) 상의 전도성 코팅과 같은 코팅, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 분리막의 제2 부분은 배터리가 힘을 받는 것에 응답하여 파괴되도록 구성된다. 예를 들어, 분리막의 제2 부분은 0.2 내지 5 MPa·m1/2의 파괴 인성(KIc)을 가질 수 있으며, 그에 따라 제2 부분은 높은 스트레인 이벤트 동안에 파손되도록 구성된다. 제2 부분의 파괴는 제1 전극과 연관된 제1 집전체와 제2 전극과 연관된 제2 집전체 사이의 단락과 같은 전원 유닛에서의 단락을 생성하고, 배터리 셀이 저장된 에너지를 안전하게 방전할 수 있게 하고 손상된 배터리 셀의 추가 작동을 금지할 수 있다. 일부 그러한 구현예에서, 제2 전극은 분리막의 제2 부분이 파손될 때 전기 단락을 생성하도록 제1 전도성 부재(예를 들어, 제1 버스바 또는 제1 집전체)에 결합하도록 구성된다. 제1 전도성 부재는 집중 단락 및 열 폭주 가능성을 방지하는 생성된 열의 안전한 제거를 보장하기 위해 열 및 전류가 전원 유닛을 용이하게 빠져나갈 수 있게 하도록 전기 단락 동안에 열을 전도 및 분배하도록 구성된다. 이와 같이, 본 시스템, 디바이스 및 방법은 종래의 배터리의 기계적 충격으로 인해 발생할 수 있는 심각한 열 위험(예를 들어, 열 폭주, 연소, 및/또는 폭발 등)을 완화한다.
본 시스템의 일부 구현예에서, 분리막은 노치, 취성 코팅, UV 처리 또는 열 처리와 같은 취성 특징부를 포함할 수 있다. 일부 그러한 구현예에서, 분리막의 제2 부분의 파괴 인성은 분리막의 제1 부분보다 작거나 동일하다. 제1 전극은 제1 흑연 층, 제2 흑연 층 및 제1 집전체를 포함할 수 있다. 제1 집전체는 제1 흑연 층과 제2 흑연 층 사이에 개재된 제1 부분을 포함한다. 추가적으로, 일부 구현예에서, 제1 집전체는 제1 전도성 부재를 포함하거나 그와 일체형이다. 전술한 구현예 중 일부에서, 제2 전극은 제1 캐소드 층, 제2 캐소드 층, 및 제1 캐소드 층과 제2 캐소드 층 사이에 개재된 제1 부분을 포함하는 제2 집전체를 포함한다.
일부 구현예에서, 제1 집전체는 제1 부분 및 제1 부분으로부터 멀리 연장되는 제1 전도성 부재와 같은 탭 부분을 포함한다. 일부 구현예에서, 탭 부분은 제1 버스바의 길이와 실질적으로 평행한 방향으로 연장된다. 배터리 셀의 일부는 제2 집전체를 포함할 수 있으며, 제2 집전체는 제2 전극 및 제2 전도성 부재에 결합된다. 제2 전도성 부재는 제2 집전체의 일부, 제2 버스바 또는 다른 전도성 구조물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바 및 제1 전극은 구리를 포함하고, 제2 버스바 및 제2 전극은 알루미늄을 포함한다. 본 시스템, 디바이스 및 방법의 일부 구현예에서, 셀은 공동을 한정하는 하나 이상의 벽을 포함하는 용기를 포함한다. 일부 그러한 구현예에서, 하나 이상의 벽은 제1 벽 및 제1 벽에 대향하는 제2 벽을 포함하며, 제1 버스바는 제1 전극과 제1 벽 사이에 배치될 수 있고/있거나, 제2 버스바는 제2 전극과 제2 벽 사이에 배치될 수 있다.
본 시스템의 일부 구현예에서, 셀은 제3 집전체를 포함하는 제3 전극 및 제4 집전체를 포함하는 제4 전극을 갖는 제2 전원 유닛을 포함한다. 그러한 구현예에서, 분리막은 제3 전극과 제4 전극 사이에 개재된 제3 부분 및 제4 전극과 제1 버스바 사이에 위치된 제4 부분을 포함할 수 있다. 제1 버스바는 제3 집전체에 결합될 수 있고, 제2 버스바는 제4 집전체에 결합될 수 있다. 본 시스템의 일부 구현예는 2 개 이상의 배터리 셀을 갖는 배터리 서브팩을 포함한다. 배터리 셀 각각은 제1 전원 유닛, 제1 버스바 및 분리막을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 각각의 배터리 셀은 제2 전원 유닛을 포함할 수 있다.
본 시스템, 디바이스 및 방법의 일부 구현예에서, 배터리 셀을 작동시키고 배터리가 힘을 받는 방법을 포함하며, 여기서 힘은 분리막의 제2 부분이 파괴되게 하고 제2 전극을 제1 전도성 부재에 결합시킨다. 제2 전극을 제1 전도성 부재에 결합시키는 것은 전기 단락을 유발할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 전도성 부재 및/또는 제1 버스바는 전기 단락 동안에 열을 전도할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 힘은 다른 물체 또는 지면과의 충돌에 대응할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 다양한 전문용어는 특정 구현예를 설명하기 위한 목적만을 위한 것이며, 구현예를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 본원에 사용된 바와 같이, 구조, 구성요소, 동작 등의 요소를 수식하는 데 사용되는 서수 용어(예를 들어, "제1", "제2", "제3" 등)는 그 자체로 다른 요소에 대한 요소의 임의의 우선순위 또는 순서를 나타내는 것이 아니라, 오히려 단순히 요소를 동일한 명칭(단, 서수 용어를 사용함)을 갖는 다른 요소와 구별하는 것일 뿐이다. 용어 "결합된"은 반드시 직접적으로나 반드시 기계적으로는 아니지만 연결된 것으로 정의되며; "결합된" 2 개의 물품은 서로 일체형일 수 있다. 단수 용어("a" 및 "an")는 본 개시에서 달리 명시적으로 요구하지 않는 한 하나 이상으로 정의된다. 용어 "실질적으로"는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 지정된 것의 대부분이지만 반드시 전부는 아닌 것으로 정의된다(그리고, 지정된 것을 포함하며; 예를 들어, 실질적으로 90도는 90도를 포함하고, 실질적으로 평행은 평행을 포함함). 임의의 개시된 구현예에서, 용어 "실질적으로"는 지정된 것의 "[백분율] 이내"로 대체될 수 있으며, 여기서 백분율은 .1%, 1%, 5% 및 10%를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같은 용어 "약"은 값 또는 범위에서 어느 정도의 변동성, 예를 들어 언급된 값 또는 언급된 범위의 한계의 10% 이내, 5% 이내 또는 1% 이내의 변동성을 허용할 수 있으며, 정확한 언급된 값 또는 범위를 포함한다. 용어 "실질적으로"는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 지정된 것의 대부분이지만 반드시 전부는 아닌 것으로 정의된다(그리고, 지정된 것을 포함하며; 예를 들어, 실질적으로 90도는 90도를 포함하고, 실질적으로 평행은 평행을 포함함). 임의의 개시된 구현예에서, 용어 "실질적으로"는 지정된 것의 "[백분율] 이내"로 대체될 수 있으며, 여기서 백분율은 .1%, 1%, 5%를 포함하며; 용어 "대략"은 지정된 것의 "10% 이내"로 대체될 수 있다. 표현 "실질적으로 X 내지 Y"는 달리 지시되지 않는 한, "실질적으로 X 내지 실질적으로 Y"와 동일한 의미를 갖는다. 마찬가지로, 표현 "실질적으로 X, Y, 또는 실질적으로 Z"는 달리 지시되지 않는 한, "실질적으로 X, 실질적으로 Y 또는 실질적으로 Z"와 동일한 의미를 갖는다. 문구 "및/또는"은 "및" 또는 "또는"을 의미한다. 예시를 위해, A, B 및/또는 C는 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B의 조합, A와 C의 조합, B와 C의 조합, 또는 A와 B와 C의 조합을 포함한다. 다시 말해서, "및/또는"은 포괄적 "또는"으로서 작동한다. 추가적으로, 문구 "A, B, C 또는 이들의 조합' 또는 "A, B, C 또는 이들의 임의의 조합"은 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B의 조합, A와 C의 조합, B와 C의 조합, 또는 A와 B와 C의 조합을 포함한다.
본 문서 전체에 걸쳐, 범위 형식으로 표현된 값은 범위의 한계로서 명시적으로 기재된 수치 값을 포함할 뿐만 아니라, 각각의 수치 값 및 하위 범위가 명시적으로 기재된 것처럼 해당 범위 내에 포함되는 모든 개별 수치 값 또는 하위 범위를 포함하는 것으로 유연한 방식으로 해석되어야 한다. 예를 들어, "약 0.1% 내지 약 5%" 또는 "약 0.1% 내지 5%"의 범위는 약 0.1% 내지 약 5%뿐만 아니라, 표시된 범위 내의 개별 값(예를 들어, 1%, 2%, 3% 및 4%) 및 하위 범위(예를 들어, 0.1% 내지 0.5%, 1.1% 내지 2.2%, 3.3% 내지 4.4%)를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "포함하다(comprise)"(및 "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 포함하다의 임의의 형태), "갖다(have)"(및 "갖는다" 및 "갖는"과 같은 갖다의 임의의 형태) 및 "포함하다(include)"(및 "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 포함하다의 임의의 형태)는 개방형 연결 동사이다. 결과적으로, 하나 이상의 요소를 "포함하거나", "갖거나", 또는 "포함하는" 장치는 그러한 하나 이상의 요소를 가지지만, 그러한 하나 이상의 요소만을 가지는 것에 제한되지 않는다. 마찬가지로, 하나 이상의 단계를 "포함하거나", "갖거나", 또는 "포함하는" 방법은 그러한 하나 이상의 단계를 가지지만, 그러한 하나 이상의 단계만을 가지는 것에 제한되지 않는다.
임의의 시스템, 방법 및 제조 물품의 임의의 구현예는 임의의 설명된 단계, 요소 및/또는 특징으로(이들을 포함하다/갖는다/포함하다보다는) 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있다. 따라서, 임의의 청구항에서, 용어 "구성되는" 또는 "본질적으로 구성되는"은 상기에 기재된 임의의 개방형 연결 동사를 대체하여, 개방형 연결 동사를 사용하여 다르게 되는 것으로부터 주어진 청구항의 범위를 변경할 수 있다. 또한, 용어 "여기서(wherein)"는 "거기서(where)"와 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 또한, 특정 방식으로 구성된 디바이스 또는 시스템은 적어도 해당 방식으로 구성되지만, 구체적으로 설명된 것과 다른 방식으로 구성될 수도 있다. 본 개시 또는 구현예의 특성에 의해 명시적으로 금지되지 않는 한, 설명되거나 예시되지 않은 경우에도 하나의 구현예의 특징 또는 특징들이 다른 구현예에 적용될 수 있다.
구현예와 연관된 일부 세부사항은 상기에 설명되어 있으며, 다른 세부사항은 하기에서 설명된다. 본 개시의 다른 구현예, 이점 및 특징은 하기의 섹션, 즉 도면의 간단한 설명, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 청구범위를 포함하는 전체 출원을 검토한 후에 명백해질 것이다.
하기의 도면은 제한 없이 예로서 예시한다. 간결화 및 명확화를 위해, 주어진 구조의 모든 특징들은 해당 구조가 나타나는 모든 도면에서 항상 부호가 지정되는 것은 아니다. 동일한 참조 번호가 반드시 동일한 구조를 나타내는 것은 아니다. 오히려, 유사한 특징 또는 유사한 기능을 갖는 특징을 나타내기 위해 동일한 참조 번호가 사용될 수 있고, 동일하지 않은 참조 번호가 사용될 수도 있다.
도 1a는 제1 상태에 있는 배터리 셀의 일 예의 상부 단면도이다.
도 1b는 기계적 충격 후에 제2 상태에 있는 도 1a의 배터리 셀의 상부 단면도이다.
도 2a는 본 기계적 충격/전기/열 관리 시스템의 배터리 셀의 일 예의 사시도이다.
도 2b는 제1 상태에 있는 도 2a의 배터리 셀의 상부 단면도이다.
도 2c는 제2 상태에 있는 도 2a의 배터리 셀의 상부 단면도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 열 관리 시스템의 분리막의 예들의 예시적인 도면이다.
도 4는 본 기계적 충격/전기/열 관리 시스템의 배터리를 작동시키는 방법의 일 예의 흐름도이다.
도 5는 본 열 관리 시스템의 배터리 셀을 제작하기 위한 시스템의 일 예의 블록도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 기계적 충격/전기/열 관리 시스템(100)의 예시적인 도면이 도시되어 있다. 예를 들어, 도 1a는 배터리 셀(102)("셀")을 포함하는 기계적 충격/전기/열 관리 시스템(100)의 상부 단면도를 도시하고, 도 1b는 기계적 충격 후의 제2 상태에 있는 셀의 상부 단면도를 도시한다. 시스템(100)은 셀 전체에 걸쳐 방전을 가능하게 하고 셀에 걸쳐 열을 분배함으로써 기계적 충격으로 인한 열 폭주 가능성을 방지하도록 구성될 수 있다.
셀(102)은 복수의 발전 유닛("전원 유닛")(110), 제1 버스바(150) 및/또는 제2 버스바(152)를 포함할 수 있다. 각각의 버스바(150, 152)는 전원 유닛으로부터 열을 전달하도록 구성된다. 본원에서는 전원 유닛(110)으로 지칭되지만, 용기(100)는 셀 샌드위치(cell sandwich), 젤리 롤(jelly roll) 등으로도 지칭될 수 있다. 일부 구현예에서, 전원 유닛(110) 및/또는 버스바(150 및 152)는 셀(102)의 안전한 취급을 허용하기 위해 셀 인클로저(cell enclosure)와 같은 용기(160) 내에 배치된다. 셀(102)은 전자 디바이스에 전력을 제공하도록 하나 이상의 전자 디바이스에 (예를 들어, 배선 또는 다른 연결부를 통해) 연결되도록 구성된 하나 이상의 전기 연결부(예를 들어, 단자)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 셀(102)은 다수 회 방전 및 재충전될 수 있는 재충전 가능한 또는 이차 배터리이다. 예시적이고 비제한적인 예에서, 배터리(102)는 납산 배터리, 니켈-카드뮴(NiCd) 배터리, 니켈-금속 수소화물(NiMH) 배터리, 리튬-이온(Li-이온) 배터리, 및/또는 리튬-이온 폴리머 배터리, 전고체 리튬-이온 배터리 등일 수 있다. 제1 및 제2 버스바(150, 152)를 포함하는 것으로 설명되지만, 다른 구현예에서, 셀(102)은 제1 및 제2 버스바(150, 152)를 포함하지 않을 수 있다. 제1 및 제2 버스바(150, 152)를 포함하지 않는 구현예에서, 제1 및 제2 버스바(150, 152)의 기능적 양태는 셀 인클로저(cell enclosure)와 같은 용기(160) 등에 의해 실현될 수 있다. 예시를 위해, 용기(160), 예컨대 용기(160)의 코팅 또는 내부 전도성 표면은 전기 단락 동안 열을 분배하도록 구성될 수 있다.
전원 유닛(110)은 제1 전극(112)(예를 들어, 애노드), 제2 전극(114)(예를 들어, 캐소드), 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 분리막(120)을 포함한다. 분리막(120)은 이온이 제1 및 제2 전극(112, 114) 사이의 분리막을 통과할 수 있게 하고, 분리막을 통한 전류의 흐름을 방지할 수 있다. 도시된 구현예에서, 전원 유닛(110)은 제1 커넥터(130) 및 제2 커넥터(140)를 포함한다. 전원 유닛(110)의 구성요소는 전기적 및/또는 화학적 반응을 유발하여 전력을 생성하도록 상호작용할 수 있다. 예를 들어, 제1 커넥터(130)(예를 들어, 제1 집전체)는 제1 전극(112)으로부터 전류를 이송하도록 구성될 수 있고, 제2 커넥터(140)(예를 들어, 제2 집전체)는 전극(114)으로부터 전류를 이송하도록 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전도성 부재(151)는 제1 커넥터(130)(예를 들어, 제1 집전체)의 적어도 일부, 제1 버스바(150)의 적어도 일부, 제1 커넥터(130) 및/또는 제1 버스바(150)에 결합된 다른 전도성 구조물(예를 들어, 메시, 와이어, 플레이트, 핀(fin), 코일, 강성 구조물, 및/또는 용기(160) 등의 코팅 또는 내부 전도성 층 등), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전도성 부재(151)는 분리막(120)이 파손되는 이벤트 시에 제1 커넥터(130)와 제2 커넥터(140) 사이에 단락을 생성하도록 구성된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전도성 부재(151)는 작동 동안에 전원 유닛으로부터 열을 분배(또는 소산)하도록 구성된다.
제1 전극(112)은 애노드 또는 캐소드를 포함할 수 있고, 제2 전극(114)은 애노드 또는 캐소드 중 다른 하나를 포함할 수 있다. 재충전 가능한 셀 샌드위치에서, 제1 전극은 셀(102)의 상태에 기초하여 캐소드와 애노드 사이에서 교번할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(112)은 방전 상태에서 캐소드이고 충전 상태에서 애노드이다. 제1 및 제2 전극(112, 114)은 임의의 적합한 재료의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 예시적이고 비제한적인 예에서, 제1 전극(112)은 전이 금속 산화물 층(예를 들어, 리튬 코발트 산화물, 리튬 인산철, 및/또는 리튬 망간 산화물 등)을 포함할 수 있고, 제2 전극(114)은 탄소 또는 실리콘 층 또는 Li-금속(예를 들어, 흑연, 경질 탄소, 실리콘 탄소 복합재, 및/또는 Li-금속 애노드 등)을 포함할 수 있다.
전원 유닛(110)을 위한 전류에 대한 저저항 경로를 제공하고 제1 및 제2 버스바를 통해 열을 제거함으로써 셀(102)의 작동 및 불균일 온도를 강하시키기 위해, 제1 커넥터(130)는 제1 전극(112)을 제1 버스바(150)에 결합할 수 있고, 제2 커넥터(140)는 제2 전극(114)을 제2 버스바(152)에 결합할 수 있다. 제1 커넥터(130)는 제1 전극(112)으로부터 제1 버스바(150)까지 연장되어 제1 전극과 제1 버스바를 연결하고, 제2 커넥터(140)는 제2 전극(114)으로부터 제2 버스바(152)까지 연장되어 제2 전극과 제2 버스바를 연결할 수 있다. 제1 및 제2 커넥터(130, 140)는, 전원 유닛(110)으로부터 멀리 열을 전달하고 전류를 전도하기 위해, 알루미늄, 금, 구리, 은, 텅스텐, 아연, 합금, 구조화 탄소(섬유, 나노튜브, 그래핀 등), 및/또는 섬유 강화 복합재, 또는 이들의 조합과 같은 열 전도성 재료를 포함할 수 있다. 본원에서는 별도의 구성요소로서 설명되지만, 제1 커넥터(130) 및 전극(112) 및/또는 제2 커넥터(140) 및 전극(114)은 단일의 일체형 구성요소(예를 들어, 활성 재료 및 전도성 섬유를 갖는 섬유 강화 복합재)일 수 있다.
분리막(120)은 적어도 하나의 본체 부분(122) 및 하나 이상의 단부 부분(예를 들어, 124)을 포함한다. 예를 들어, 분리막(120)은 본체 부분(122)의 대향 단부에 결합된 제1 단부 부분(124) 및 제2 단부 부분(126)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 본체 부분(122)은 셀(102)의 작동 동안에 제1 전극(112)과 제2 전극(114) 사이에 배리어(barrier)를 제공하기 위해(예를 들어, 절연하고/하거나 단락을 방지하기 위해) 제1 전극(112)과 제2 전극(114) 사이에 위치된다(예를 들어, 사이에 개재됨). 그러한 구현예에서, 제1 단부 부분(124)은 제2 전극(114)과 제1 전도성 부재(151)(예를 들어, 제1 버스바(150)) 사이에 위치된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 단부 부분(126)은 제1 전극(112)과 제2 전도성 부재(예를 들어, 제2 버스바(152), 제2 커넥터, 다른 전도성 구조물, 또는 이들의 조합) 사이에 위치된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 본체 부분(122)은 평면형이고, 제1 단부 부분(124)은 본체 부분(122)의 단부로부터 멀리 연장된다. 일부 구현예에서, 제1 단부 부분(124)의 적어도 세그먼트는 본체 부분(122)에 실질적으로 수직인 방향으로 연장된다. 제1 단부 부분(124)은 본체 부분(122)의 단부를 다른 구성요소(예를 들어, 다른 본체 부분(122), 용기(160), 버스바 등)에 연결하는 분리막(120)의 세그먼트를 한정할 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 구현예에서, 제1 단부 부분(124)은 2 개의 별개의 본체 부분(예를 들어, 122) 사이에서 연장된다. 일부 구현예에서, 제1 단부 부분(124)은 U자형 단면을 갖는 아치형 표면을 한정하는 반면, 다른 구현예에서, 제1 단부 부분은 직선형, 곡선형, 파상형(예를 들어, 지그재그형) 등이든지 간에 임의의 적합한 형상을 한정할 수 있다. 제2 단부 부분(126)은 제1 단부 부분(124)에 대향하는 본체 부분(122)의 단부로부터 연장될 수 있고, 제1 단부 부분의 반대 방향으로 연장될 수 있다.
단부 부분(124, 126)은 상대적으로 작은 소성 변형을 나타내도록 구성되어, 제1 단부 부분은 파괴 전에 소량의 에너지만을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 단부 부분(124, 126)은 0.2 내지 5 MPa·m1/2의 파괴 인성(KIc)을 가질 수 있다. 각각의 단부 부분(예를 들어, 124, 126)의 파괴 인성은 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7, 0.75, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5 또는 5 MPa·m1/2(예컨대, 0.2 내지 0.75 MPa·m1/2) 중 어느 하나보다 크거나 실질적으로 동일하거나, 이들 중 임의의 두 수치 사이에 있을 수 있다. 파괴 인성은 표준 ASTM 파생 프로토콜(예를 들어, 충격 인장 또는 단일 에지 노치 굽힘과 같은 시편 기하형상을 사용하는 ASTM D5045, 평면 스트레인으로부터 평면 응력 조건으로의 얇은 멤브레인 전이의 파괴 인성에 대한 필수 파괴 일(Essential Work of Fracture) 방법1 등)을 사용하여 측정할 수 있다(1 Y-W Mai and B. Cotterell, Engng. Fract. Mech., 21, 123 (1985); Y-W Mai and B. Cotterell, Int. J. Fract., 32, 105 (1986)). 예시적인 구현예에서, 단부 부분(124, 126)은 예를 들어 본체 부분의 파괴 인성의 75%, 50% 또는 30% 미만의 파괴 인성과 같은 본체 부분(122)의 파괴 인성의 90% 미만인 파괴 인성을 가질 수 있다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 분리막의 일부는 조립 및 일반 작동을 위해 충분히 연성이지만, 높은 스트레인 조건에서 파괴될 정도로 충분히 취성일 수 있다.
일부 구현예에서, 제1 단부 부분(124) 및/또는 제2 단부 부분(126)은 본체 부분(122)과는 상이한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 분리막(160)은 분리막을 형성하도록 2 개의 재료를 스트라이핑(striping)하고 하나의 재료가 단부 부분(124, 126)과 정렬되고 다른 재료가 본체 부분(122)과 정렬되도록 셀(102) 내에서 분리막을 조립함(예를 들어, 접음)으로써 제조될 수 있다. 일부 구현예에서, 셀(102)은 단부 부분에서 파괴를 유도하기에 충분히 낮은 파괴 인성(예를 들어, 10 MPa·m1/2 미만)을 단부 부분이 가질 수 있게 하기 위해 하나 이상의 취성 특징부를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 취성 특징부는 단부 부분의 파괴 인성을 감소시키기 위해 단부 부분(124, 126) 상에 배치된 하나 이상의 재료 층(예를 들어, 코팅)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 층은 예시적이고 비제한적인 예로서 세라믹, 폴리올레핀, 다른 재료 등을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 취성 특징부는 단부 부분에서 균열 전파를 개시하기 위해 단부 부분(124, 126)에 한정된 하나 이상의 노치(예를 들어, 만입부)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 단부 부분(124, 126)은 파괴 가능성을 증가시키도록 처리(예를 들어, 열, 자외선(UV) 또는 다른 처리)될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 셀(102)의 하나 이상의 다른 구성요소는 단부 부분(124, 126)에서 파괴를 유도하기 위한 특징부를 포함할 수 있다. 예시를 위해, 제1 버스바(150) 및/또는 제2 버스바(152), 제1 커넥터(130) 및/또는 제2 커넥터(140), 제1 전도성 부재(151) 및/또는 제2 전도성 부재, 용기(160), 예컨대 용기(160)의 코팅 또는 내부 전도성 표면(161), 또는 이들의 조합은 충돌 동안에 단부 부분(124, 126)을 관통하도록 구성된 에지(예를 들어, 주름부(corrugation), 스파이크(spike), 프롱(prong) 또는 다른 돌출부)를 포함할 수 있다. 결과적으로, 단부 부분(124, 126)은 취성을 갖고 상대적으로 높은 강성을 가지며, 그에 따라 단부 부분은 셀(102)의 충격과 연관된 힘(예를 들어, 106)을 받는 것에 응답하여 파괴되도록 구성된다.
전술한 구현예 중 일부에서, 취성 특징부는 전원 유닛의 형성 동안에 단부 부분의 의도치 않은 파괴를 방지하기 위해 전원 유닛(110)의 조립 후에(그리고 셀(102)의 최종 형성 전에) 형성될 수 있다. 예시를 위해, 분리막(160)은 전극(예를 들어, 130, 112 및/또는 140, 114) 위로 접히는 평면형 부재로서 시작할 수 있다. 이와 같이, 단부 부분은 (충전 및 방전 시에 전극 체적의 변화를 수용하기 위해) 조립 동안에 그리고 정상 작동 동안에도 연성을 가질 필요가 있지만, 충돌과 같은 높은 스트레인 속도 이벤트를 받는 동안에는 파괴에 대한 취성을 가질 필요가 있다. 일부 그러한 구현예에서, 단부 부분(124, 126)의 코팅, 단부 부분의 처리, 또는 단부 부분에의 노치 형성은 조립 후에 수행된다.
일부 구현예에서, 분리막(120)은 중합체 재료로 제조된 단층 필름 또는 다층 필름일 수 있다. 분리막(120)은 예를 들어 유기 용매 중의 리튬 염, 수계 전해질, 유기 카보네이트의 혼합물(예를 들어, 에틸렌 카보네이트 또는 디에틸 카보네이트), 수성 전해질, 복합 전해질, 고체 세라믹 전해질, 및/또는 고체 폴리머 전해질 등과 같은 전해질을 포함할 수 있다.
제1 버스바(150) 및 제2 버스바(152)는 전원 유닛으로부터의 열을 추가로 분배하고 전원 유닛에 의해 생성된 전류를 지향시키기 위해 전원 유닛(110)에 인접하게 위치된다. 예를 들어, 제1 버스바(150)는 외부 냉각 구성요소에 의해 보다 쉽게 분배(또는 소산)될 수 있는 셀(102)의 외부를 향해 열을 지향시키기 위해 전원 유닛(110)과 용기(160) 사이에 개재될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(150)는 제1 전극(112) 및/또는 제1 커넥터(130)에 실질적으로 수직으로 위치될 수 있다. 제1 버스바(150)는 제1 전극(112)에 수직인 평면을 따라 증가된 열 전도도를 제공하기 위해 전원 유닛(110)의 적어도 일부(예를 들어, 적어도 30%)에 걸쳐 있을 수 있다. 제2 버스바(152)는 제1 버스바(150)와 유사하게 위치될 수 있다. 예를 들어, 제2 버스바(152)는 제1 버스바와 평행한 평면을 따라 열을 제거하기 위해 제1 버스바(150)와 실질적으로 평행할 수 있다. 각각의 버스바(예를 들어, 150, 152)는 알루미늄, 금, 구리, 은, 텅스텐, 아연, 탄소(예를 들어, 흑연, 섬유, 그래핀, 나노튜브), 및/또는 이들의 합금 등과 같은 적합한 높은 열 전도성 재료를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(150), 제2 버스바(152), 제1 커넥터(130) 및 제2 커넥터(140)는 30 W/(mK) 이상의 열 전도도를 갖는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 커넥터(예를 들어, 130)는 전기화학적 적합성을 보장하기 위해 제1 버스바(예를 들어, 150)와 동일한 재료를 포함할 수 있다. 예시를 위해, 제1 버스바(140) 및 제1 커넥터(130)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있고, 제2 버스바(150) 및 제2 커넥터(140)는 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(150) 및 제1 커넥터(130)는 단일의 일체형 구성요소이거나, 제2 버스바(152) 및 제2 커넥터(140)는 단일의 일체형 구성요소이거나, 이들의 조합이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 버스바(150), 제2 버스바(152)는 용기(160)에 비전도적으로 결합될 수 있다.
용기(160)는 공동(162)을 한정하고, 제1 측면(164)(예를 들어, 제1 벽) 및 제2 측면(166)(예를 들어, 제2 벽)을 포함한다. 제1 측면(164)은 제2 측면(166)에 대향하여 있으며, 각각의 측면은 공동(162)의 적어도 일부를 한정하도록 협력한다. 용기는 또한 내부 전도성 표면 또는 코팅된 표면(예를 들어, 전도성 코팅)과 같은 내부 표면(161)을 가질 수 있다. 용기(160)는 강성, 반강성 또는 가요성 재료를 포함할 수 있고, 셀(102)의 원하는 응용에 기초하여 임의의 적합한 방식(예를 들어, 원통형, 각주형 등)으로 형상화될 수 있다. 일부 구현예에서, 용기(160)는 소형의 고전력 배터리가 요구되는 응용에서 셀(102)이 이용될 수 있게 할 수 있는 직사각형 각주체에 대응할 수 있다. 전원 유닛(110), 버스바(예를 들어, 150, 152), 및 셀(102)의 다른 구성요소는 공동(162) 내에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 용기(160)는 전원 유닛(110) 주위에 절연성 보호 케이스를 제공할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 버스바(150, 152) 및/또는 하나 이상의 전도성 부재(예를 들어, 151)는 셀(102)의 취급에서 발생할 수 있는 전기적 사고 또는 손상을 방지할 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 구현예에서, 분리막(120)은 힘 또는 충격(106)의 인가 시에 파괴되도록 구성된다. 일부 구현예에서, 셀(102)(예를 들어, 용기(160))은 힘(106)의 인가 시에 압축 가능할 수 있으며, 그에 따라 전원 유닛(110)의 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 제1 커넥터(130), 제1 전극(112), 분리막(120), 제2 전극(114) 및/또는 제2 커넥터(140))가 충격부에 더 근접한 압축력 및 충격부로부터 멀리 떨어진 인장력으로 충격 지점에서 압축된다. 그러한 힘(106)의 인가는 제1 단부 부분(124) 및 제2 단부 부분(126)이 파괴(예를 들어, 파단)되게 할 수 있다. 결과적으로, 제1 단부 부분(124)은 다수의 개별 세그먼트(예컨대, 도 1b에 도시된 바와 같은 2 개의 세그먼트)로 절단된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 단부 부분(126)은 2 개 이상의 개별 세그먼트로 파괴될 수 있다. 제1 단부 부분(124) 및 제2 단부 부분(126)의 결과적인 파괴는 전원 유닛(110)에 단락을 생성하여, 열 폭주 가능성을 감소시킴으로써 전원 유닛을 안전하게 방전할 수 있다. 예를 들어, 제1 단부 부분(124)의 파괴는 제1 커넥터(130)와 제2 커넥터(140)에 결합된 제2 전도성 부재(예를 들어, 제2 버스바(152) 및/또는 제2 커넥터(140)) 사이, 및/또는 제2 커넥터(140)와 제1 전도성 부재(151) 사이의 계속적인 접촉을 가능하게 하여 전원 유닛을 균일하게 방전한다. 이러한 구성요소의 높은 열 전도도는 단락으로부터 생성되는 열의 안전한 제거를 가능하게 하여, 집중 단락 및 열 폭주 가능성을 방지할 것이다. 이러한 방식으로, 셀(102)의 연소 및 과압(예를 들어, 폭발)과 함께 열 폭주가 방지된다.
힘(106)은 셀(102)과 다른 구성요소 또는 지면의 충격력과 대응할 수 있다. 그러한 충격력은 500 뉴턴 이상일 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩은 측면 충돌 시에 500 kN, 정면 충돌 시에 200 kN의 전형적인 힘을 받을 수 있으며, 이러한 힘은 배터리 팩/모듈/셀 설계, 팩 인클로저 및 구조적 요소에 기초하여 셀 사이에 분배된다. 일부 구현예에서, 힘(106)은 제1 단부 부분 및/또는 제2 단부 부분에 작용하는 인장력을 생성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 셀(102)은 제1 집전체(130)에 결합된 제1 전극(112) 및 제2 전극(114)을 갖는 제1 전원 유닛(110), 제1 집전체에 결합된 제1 전도성 부재(151), 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 제1 부분(예를 들어, 122) 및 제2 전극과 제1 전도성 부재(151) 사이에 위치된 제2 부분(예를 들어, 124)을 갖는 분리막(120)을 포함한다. 그러한 구현예에서, 분리막(120)의 제2 부분(예를 들어, 124)은 셀(102)에서 힘(예를 들어, 106)을 받는 것에 응답하여 파괴되도록 구성된다.
전술한 구현예에서, 분리막(120)은 안전한 방식으로 셀(102)을 균일하게 방전하도록 작동하여, 집중 단락 및 열 폭주를 방지할 수 있다. 예를 들어, 제1 단부 부분(124) 또는 제2 단부 부분(126)은 셀(102)에 대한 충격(예를 들어, 106) 시에 파괴되도록 구성된다. 이것은 집전체의 결합이 주변 구성요소에 대한 손상 없이 전원 유닛을 방전하는 경미한 단락을 생성할 수 있게 한다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 집전체는 경미한 단락을 생성하도록 버스바와 결합될 수 있다. 추가적으로, 전기 단락은 셀이 손상되었음을 작업자에게 통지하기 위해 추가 충전 및 방전을 방지할 것이다. 이러한 방식으로, 셀(102)은 작업자가 증가된 열 폭주 위험을 갖는 부분적으로 손상된 배터리를 부지불식간에 사용하는 것을 방지한다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 기계적 충격, 전기 및 열 관리 시스템(200)의 셀(202)의 예가 도시되어 있다. 도 2a는 셀(202)의 사시도를 도시하고, 도 2b 및 도 2c는 평면(2B)을 따라 취해진 셀의 단면도를 도시한다. 셀(202)은 셀(102)을 포함하거나 그에 대응할 수 있다. 예를 들어, 셀(202)은 용기(260) 내에 배치된 복수의 전원 유닛(210), 제1 버스바(250) 및 제2 버스바(252)를 포함한다. 전원 유닛(210), 제1 버스바(250), 제2 버스바(252) 및 용기(260)는 각각 전원 유닛(110), 제1 버스바(150), 제2 버스바(152) 및 용기(160)를 포함하거나 이들에 대응할 수 있다. 버스바(150, 152)를 포함하는 것으로 설명되지만, 다른 구현예에서, 셀(202)은 버스바(150, 152)를 포함하지 않을 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 셀(202)은 전자 디바이스에 전력을 제공하도록 하나 이상의 전자 디바이스(도시되지 않음)에 (예를 들어, 배선 또는 다른 연결부를 통해) 연결되도록 구성된 하나 이상의 전기 연결부(204)(예를 들어, 단자)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 전기 연결부(204)는 한 쌍의 전극 단자를 포함하며, 전극 단자는 디바이스가 단자에 결합될 때 디바이스에 전류를 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 단자(예를 들어, 204)는 양극 단자에 대응하고, 제2 단자(예를 들어, 204)는 음극 단자에 대응한다. 단일 셀(예를 들어, 202)만이 도시되어 있지만, 기계적 충격, 전기 및 열 관리 시스템(200)의 일부 구현예는 셀 팩에 함께 결합된 복수의 배터리(예를 들어, 202)를 포함하고 하나 이상의 추가 구성요소(예를 들어, 회로 기판, 프로세서, 제어기, 배선, 전도체, 저항체, 단자 블록, 및/또는 전극 단자 등)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 단자(예를 들어, 204)는 제1 버스바(예를 들어, 150)에 결합되고, 제2 단자(예를 들어, 204)는 제2 버스바(예를 들어, 152)에 결합된다.
예시로서, 셀(202)은 도 2a에 도시된 바와 같이 오른손 좌표계를 참조하여 설명되며, 여기서 x축은 페이지의 좌우 방향에 대응하고, y축은 페이지의 상하 방향에 대응하며, z축은 페이지 내 또는 밖으로 직교하여 진행하는 축에 대응한다. 용기(260)는 폭(D1), 두께(D2) 및 길이(D3)를 가지며, 이들 각각은 용기(260)의 대향 측면(예를 들어, 벽)으로부터 직선을 따라 측정될 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 폭(D1)은 x축을 따라 측정되고, 두께(D2)는 z축을 따라 측정되며, 길이(D3)는 y축을 따라 측정된다. 도시된 구현예에서, 두께(D2)는 폭(D1)보다 클 수 있지만(예를 들어, 10% 더 클 수 있음), 다른 구현예에서, 폭(D1)은 두께(D2)와 실질적으로 동일할 수 있으며(예를 들어, 직육면체), 또 다른 구현예에서, 폭(D1)은 두께(D2)보다 클 수 있다.
용기(260)는 하나 이상의 벽(261), 제1 측면(264) 및 제1 측면에 대향하는 제2 측면(266)을 포함한다. 벽(261)은 셀(202)의 구성요소가 저장될 수 있는 공동(262)을 한정하도록 협력한다. 일부 구현예에서, 제1 측면(264) 및 제2 측면(266)은 각각 하나 이상의 벽(261) 중 제1 벽 및 제2 벽에 대응한다. 도시된 구현예에서, 용기(260)는 각주형(예를 들어, 직육면체, 직사각형 각주체)이고, 4 개의 벽(예를 들어, 261)을 포함하지만, 다른 구현예에서, 용기(260)는 셀(202)의 응용에 기초하여 크기설정 및 형상화될 수 있다. 예를 들어, 용기(260)의 단면은 직사각형(도 2b 및 도 2c의 구현예에 도시됨), 삼각형, 오각형, 육각형 또는 다른 다각형(날카로운 모서리 및/또는 둥근 모서리를 갖는 것에 관계없음), 원형, 타원형 또는 다른 둥근 형상일 수 있거나, 불규칙한 형상을 가질 수 있다.
이제 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 평면(2B)에 대해 취해진 셀(202)의 상부 단면도가 각각 제1 상태 및 제2 상태로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 오른손 좌표계는 x축이 페이지의 좌우 방향에 대응하고, z축이 페이지의 상하 방향에 대응하도록 회전되며, Y축은 페이지 내외로 연장되므로 도시되어 있지 않다.
도 2b에 도시된 셀(202)은 제1 버스바(250), 제2 버스바(252), 및 제1 전극(212), 제1 커넥터(230)(예를 들어, 제1 집전체), 분리막(220), 제2 전극(214) 및 제2 커넥터(240)(예를 들어, 제2 집전체)를 갖는 복수의 전원 유닛(210)을 포함한다. 버스바(250, 252)를 포함하는 것으로 설명되지만, 다른 구현예에서, 버스바(250, 252)는 셀(202)에서 생략될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 셀(202)은 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명된 바와 같은 전도성 부재(151)와 같은 하나 이상의 전도성 부재를 포함할 수 있다. 제1 전극(212)은 제1 커넥터(230)에 결합되고 제2 전극(214)은 제2 커넥터(240)에 결합되어, 셀이 전력을 생성할 때 전류가 셀(202)을 통해 흐를 수 있게 하는 전기 경로를 생성한다. 일부 구현예에서, 전원 유닛(210)은 전원 유닛의 체적을 감소시키고 셀(202)이 보다 콤팩트하게 될 수 있도록 하나 이상의 구성요소를 공유할 수 있다. 예를 들어, 단일의 제1 커넥터(예를 들어, 230)가 2 개의 인접한 전원 유닛을 위한 제1 커넥터로서 이용될 수 있다. 그러한 구현예에서, 제1 커넥터(예를 들어, 230)는 제1 전극(예를 들어, 212)의 2 개의 층 사이에 개재된다. 예시를 위해, 각각의 전원 유닛(210)은 전원 유닛이 스택을 형성하도록 하나의 다른 전원 유닛과 (예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이 Z축을 따라) 정렬될 수 있다. 예를 들어, 각각의 전원 유닛(210)은 각주형일 수 있고(예를 들어, 직사각형 단면을 포함함), 다수의 전원 유닛이 작은 공간(예를 들어, 262) 내에 위치될 수 있게 하도록 하나의 다른 전원 유닛에 인접하게 배치될 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 셀(202)은 스택에 배치된 5 개의 전원 유닛(210)을 포함하지만; 다른 구현예에서, 셀(202)은 5 개 미만의 전원 유닛(예를 들어, 1 개, 2 개, 3 개 또는 4 개의 전원 유닛) 또는 5 개 초과의 전원 유닛(예를 들어, 6 개, 8 개, 10 개, 12 개, 18 개, 24 개, 30 개 또는 그 초과 중 어느 하나보다 많거나 동일하거나, 이들 중 임의의 두 수치 사이의 개수의 전원 유닛)을 포함할 수 있다.
제1 커넥터(230)는 본체(232)(예를 들어, 제1 부분) 및 본체로부터 멀리 연장되는 탭(234)(예를 들어, 제2 부분)을 포함할 수 있다. 탭(234)으로서 설명되고 지칭되지만, 다른 구현예에서, 탭(234)은 전도성 부재(예를 들어, 151)를 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 다른 구현예에서, 탭(234)은 생략될 수 있다. 본체(232)는 전원 유닛(210)이 충전 및 방전될 때 전하를 이송하도록 제1 전극(212)에 결합된다(예를 들어, 접촉함). 예시를 위해, 본체(232)는 제1 전극(212)과 평행한 방향으로 연장될 수 있고, 일부 구현예에서, 본체는 대략 제1 전극(212) 전체에 걸쳐 있을(전체를 덮을) 수 있다(예를 들어, 본체의 표면적이 제1 전극의 표면적보다 큼). 복수의 전원 유닛(예를 들어, 210)을 갖는 구현예에서, 본체(232)는 단일 커넥터(예를 들어, 230)가 2 개의 인접한 전원 유닛(예를 들어, 210)에 의해 생성된 전류를 지향시킬 수 있도록 활성 재료의 제1 층(예를 들어, 212)과 활성 재료의 제2 층(예를 들어, 212) 사이에 개재될 수 있다. 탭(234)은 본체에 대해 각을 이루어 배치된 평면에서 제1 전극(212)으로부터 생성된 열을 분배하기 위해 본체(232)에 대해 각을 이루어(예를 들어 수직으로) 배치된다. 일부 구현예에서, 탭(234)은 제1 버스바(250)와 실질적으로 평행한 방향으로 연장될 수 있다(예를 들어, 탭의 길이는 제1 버스바의 길이와 평행함). 탭(234)은 제1 버스바에 전류를 전달하고 전원 유닛(210)으로부터 생성된 열을 제1 버스바에 분배하도록 제1 버스바(250)에 결합(예를 들어, 접촉)된다.
제2 커넥터(240)는 제1 커넥터(230)와 유사한 하나 이상의 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 커넥터(240)는 본체(242)(예를 들어, 제1 부분) 및 본체(242)로부터 멀리 연장되는 탭(244)(예를 들어, 제2 부분)을 포함한다. 탭(244)으로서 설명되고 지칭되지만, 다른 구현예에서, 탭(244)은 전도성 부재(예를 들어, 151)를 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 다른 구현예에서, 탭(244)은 생략될 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 본체(242)는 하나 이상의 제2 전극(214)과 접촉하고 탭(244)은 제2 버스바(252)와 접촉하여, 전원 유닛(210)에 의해 생성된 열을 제2 버스바에 분배하고 전류를 분배한다. 예를 들어, 본체(242)는 제1 캐소드 층(예를 들어, 214)과 제2 캐소드 층(예를 들어, 214) 사이에 개재될 수 있다.
도시된 바와 같이, 분리막(220)은 분리막의 일부가 각각의 전원 유닛의 제1 전극(212)과 제2 전극(214) 사이에 배치되도록 각각의 전원 유닛(210)을 통해 연장되는 일체형 본체를 갖는 Z-폴딩형 분리막(220)을 포함할 수 있다. 그러한 구현예에서, 분리막(220)은 복수의 본체 부분(222) 및 각각의 본체 부분 사이에서 연장되는 복수의 단부 부분(예를 들어, 224, 226)을 포함한다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 분리막(220)은 본체 부분의 일 단부로부터 연장되는 제1 단부 부분(224) 및 각각의 본체 부분의 타 단부로부터 연장되는 제2 단부 부분(226)을 포함한다. 각각의 본체 부분(222)은 입자가 제1 및 제2 전극 사이에서 이동하는 것을 선택적으로 허용하기 위해 본체 부분이 제1 및 제2 전극(212, 214) 사이에 개재될 수 있도록 제1 및 제2 전극(212, 214)과 유사하게 형상화(예를 들어, 평면형)될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 단부 부분(224)의 적어도 세그먼트는 인접한 본체 부분을 연결하기 위해 본체 부분(222)에 실질적으로 수직인 방향으로 연장된다.
일부 구현예에서, 제1 단부 부분(224)은 제2 커넥터(240)와 제1 버스바(250)(또는 전도성 부재(예를 들어, 151)) 사이에 위치된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 단부 부분(224)은 제2 커넥터(240)(예를 들어, 본체(242))와 제1 커넥터(230)(예를 들어, 탭(234)) 사이에 위치될 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 단부 부분(224)은 전류가 제2 커넥터(240)와 제1 버스바(250) 사이에서 흐르는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 분리막(220)은 셀(202) 내의 전기 단락 및/또는 누전을 방지할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 단부 부분(226)은 전기 단락을 방지하기 위해 제1 커넥터(230)와 제2 버스바(252) 사이에 위치된다.
도 2c를 참조하면, 셀(202)의 상부 단면도가 분리막(220)의 일부가 파괴된 제2 상태로 도시되어 있다. 그러한 파괴는 셀(202)에 작용하는 힘(206)에 의해 유발될 수 있다. 분리막(220)은 힘(206)을 받은 후에 제1 단부 부분(224) 및/또는 제2 단부 부분(226)의 파괴를 촉진하도록 취성일 수 있다. 이러한 방식으로, 셀(202)이 열 폭주 및 폭발 없이 전원 유닛(210)을 안전하게 방전할 수 있게 하는 전기 단락을 생성하기 위해 제2 전극(214)과 제1 버스바(250) 사이에서 전류가 흐를 수 있다. 결과적으로, 전통적인 이차 배터리의 기계적 충격과 전형적으로 연관된 심각한 열 위험(예를 들어, 열 폭주, 연소, 및/또는 폭발 등)이 회피될 수 있다.
제1 및 제2 단부 부분(224, 226)은 셀(202)에서 힘(206)을 받는 것에 응답하여 파괴되도록 구성된다. 예를 들어, 제1 단부 부분(224) 및/또는 제2 단부 부분(226)은 0.2 내지 5 MPa·m1/2의 파괴 인성(KIc)을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 및 제2 단부 부분(224, 226)은 0.2 내지 5 MPa·m1/2의 파괴 인성(KIc)을 갖는다. 예를 들어, 각각의 제1 단부 부분(224)의 적어도 세그먼트(예를 들어, 일부)는 0.2 내지 5 MPa·m1/2의 파괴 인성(KIc)을 가질 수 있다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 분리막(260)은 에지(예를 들어, 224, 226)에서 항복하여, 셀(202) 전체에 걸쳐 단락이 생기고, 따라서 셀은 열 폭주 사고 없이 안전한 방식으로 저장된 에너지를 분배할 수 있다. 일부 그러한 구현예에서, 전원 유닛(210)은 단부 부분이 충분히 낮은 파괴 인성(예를 들어, 10 MPa·m1/2 미만)을 가질 수 있게 하는 하나 이상의 취성 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 단부 부분(124) 및/또는 제2 단부 부분(126)은 노치 또는 만입부를 한정할 수 있거나, 재료의 하나 이상의 층(예를 들어, 코트(coat))을 포함할 수 있거나, 처리(예를 들어, 열, 자외선(UV) 처리)될 수 있거나, 이들의 조합일 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(150) 및/또는 제2 버스바(152), 탭(234) 및/또는 탭(244), 하나 이상의 전도성 부재(예를 들어, 151), 또는 이들의 조합은 충돌 동안에 단부 부분(124, 126)을 관통하도록 구성된 날카로운 에지(예를 들어, 주름부, 스파이크, 프롱, 또는 다른 돌출부)를 포함할 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 제1 단부 부분(224) 및 제2 단부 부분(226)이 파괴될 수 있지만, 다른 구현예에서, 제1 단부 부분(224) 및 제2 단부 부분(226) 중 하나만이 파괴되도록 구성된다. 또 다른 구현예에서, 제1 단부 부분(224) 및/또는 제2 단부 부분(226)의 일부분(예를 들어, 전체보다 작음)만이 파괴되도록 구성된다.
일부 구현예에서, 제1 및 제2 단부 부분(224, 226)은 분리막(220)을 따라 약한 지점을 제공하기 위해 적어도 하나의 만곡부를 한정할 수 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 단부 부분(224, 226)은 단일 U자형 만곡부를 한정하지만, 단부 부분은 복수의 만곡부(예를 들어, 지그재그부)를 한정할 수 있거나, 힘(206)으로 인해 분리막(220)이 단부 부분에서 파괴되도록 다른 방식으로 형상화될 수 있다. 이러한 방식으로, 셀(202)에 대한 임의의 배향에서 힘(206)을 받으면, 분리막(220)이 본체 부분(222)이 아닌 단부 부분(224, 226)에서 파괴된다. 따라서, 셀(202)은 (예를 들어, 제1 및 제2 전극(212, 214) 사이의) 집중 단락을 방지하고, 점진적인 누전으로 인한 열 폭주 가능성을 감소(또는 제거)할 수 있다.
분리막(220)은, 전류가 분리막 사이를 통과하여 전기 단락을 유발하는 것을 방지하기 위해, 예를 들어 유기 용매 중의 리튬 염, 수계 전해질, 유기 카보네이트의 혼합물(예를 들어, 에틸렌 카보네이트 또는 디에틸 카보네이트), 수성 전해질, 복합 전해질, 고체 세라믹 전해질, 및/또는 고체 폴리머 전해질 등과 같은 전해질을 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 구현예에서, 셀(202)(예를 들어, 용기(260))은 전원 유닛(210)의 하나 이상의 구성요소가 함께 압착되도록 힘(206)의 인가 시에 압축 가능할 수 있다. 다른 구현예에서, 용기(260)는 강성일 수 있고, 분리막(220)은 힘(206)을 받을 때 파괴되도록 공동(262) 내에 위치될 수 있다. 전술한 구현예 중 일부에서, 분리막(220)은 기계적 충격이 힘(예를 들어, 압축, 인장, 전단 등)을 분리막 또는 분리막에 결합된 구성요소에 전달하여 분리막을 따른 몇 개의 상이한 지점에서 파손을 발생하도록 용기(260) 내에 위치된다. 이러한 방식으로, 기계적 충격은 몇 개의 위치에서 파손을 유발하여, 전류가 국부 가열, 온도 상승 및 열 폭주를 야기하는 단일 위치에서 방전되기보다는 몇 개의 위치에서 방전될 수 있게 할 것이다. 예를 들어, 각각의 단부 부분(224, 226)은 (도 2c에 도시된 바와 같이) 적어도 2 개의 개별 세그먼트로 절단될 수 있다. 결과적인 파괴는 제1 커넥터(230)와 제2 버스바(252) 사이의 전류 흐름 및/또는 제2 커넥터(240)와 제1 버스바(250) 및/또는 탭(234) 사이의 전류 흐름을 가능하게 하여, 전원 유닛을 균일하게 방전하여 집중 단락을 방지하고 열 폭주 위험을 최소화한다. 이러한 방식으로, 셀(202)의 연소 및 과압(예를 들어, 폭발)과 함께 열 폭주가 방지된다.
예시적인 구현예에서, 셀(202)은 제1 집전체(230)에 결합된 제1 전극(212) 및 제2 전극(214)을 갖는 제1 전원 유닛(210), 제1 집전체에 결합된 제1 전도성 부재, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 제1 부분(예를 들어, 222) 및 제2 전극과 제1 전도성 부재(예를 들어, 151) 사이에 위치된 제2 부분(예를 들어, 224)을 갖는 분리막(220)을 포함한다. 그러한 구현예에서, 분리막(220)의 제2 부분(예를 들어, 224)은 셀(202)에서 힘(예를 들어, 206)을 받는 것에 응답하여 파괴되도록 구성된다. 또 다른 예시적인 구현예에서, 열 관리 시스템(200)은 2 개 이상의 배터리(예를 들어, 202)를 갖는 배터리 서브팩을 포함한다. 2 개 이상의 배터리(예를 들어, 202) 중 적어도 하나는 제1 집전체(230)에 결합된 제1 전극(212) 및 제2 전극(214)을 갖는 제1 전원 유닛(210), 제1 집전체에 결합된 제1 전도성 부재(예를 들어, 151), 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 제1 부분(222) 및 제2 전극과 제1 전도성 부재 사이에 위치된 제2 부분(예를 들어, 224)을 갖는 분리막(220)을 포함한다. 그러한 구현예에서, 분리막(220)의 제2 부분(예를 들어, 224)은 셀(202)에서 힘(예를 들어, 206)을 받는 것에 응답하여 파괴되도록 구성된다.
전술한 구현예에서, 분리막(220)은 안전한 방식으로 셀(202)을 균일하게 방전하도록 작동하여, 집중 단락 및 열 폭주를 방지할 수 있다. 예를 들어, 제1 단부 부분(224) 또는 제2 단부 부분(226)은 충격(예를 들어, 206) 시에 파괴되도록 구성되어, 주변 구성요소에 대한 손상 없이 전원 유닛을 방전하는 전원 유닛(210)의 경미한 단락을 생성한다. 이러한 방식으로, 배터리 팩에 대한 충격은 실제로 손상된 배터리(예를 들어, 202)에 포함될 수 있다. 그러면, 손상된 배터리가 교체될 수 있으며, 미지의 부분적으로 손상된 배터리가 배터리 팩에 남아있을 위험(나중에 연소하거나 폭발할 수 있음)이 최소화된다.
이제 도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 열 관리 시스템과 연관된 분리막(320)의 다양한 예가 도시되어 있다. 분리막(320)은 분리막(120, 220)을 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 분리막(320)은 본체 부분(322) 및 단부 부분(324)을 포함한다. 단부 부분(324) 및 본체 부분은 각각 단부 부분(124, 126, 224, 226) 및 본체 부분(122, 222)을 포함하거나 이들에 대응할 수 있다. 추가적으로, 분리막은 제1 표면(373) 및 제1 표면(373)에 대향하는 제2 표면(374)을 포함한다. 일부 구현예에서, 계면(325)이 본체 부분(322)과 단부 부분(324) 사이에 존재할 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 분리막(320)은 스트라이프형이고, 제1 재료(370) 및 제2 재료(372)를 포함할 수 있다. 제1 재료(370)는 제2 재료(372)의 2 개의 부분 사이에 위치될 수 있으며, 그에 따라 분리막(320)이 조립될 때(예를 들어, 접힐 때), 단부 부분(324)이 제1 재료를 포함하고 본체 부분(322)이 제2 재료를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 재료(370)는 제2 재료(372)보다 낮은 파괴 인성을 포함한다. 제1 재료(370)는, 본원에 설명된 바와 같이, 조립 동안에 온전한 상태로 유지될 정도로 충분히 연성이지만, 충격 동안에 파괴될 정도로 충분히 취성인 재료를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 재료(370)는 세라믹을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 재료(370)는 제2 재료(372)와는 상이한 재료일 수 있고, 적어도 도 3b를 참조하여 설명된 바와 같이 코팅이 도포될 수 있고/있거나, 적어도 도 3c를 참조하여 설명된 바와 같이 처리를 받을 수 있다.
도 3b를 참조하면, 단부 부분(324)은 코팅(376)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 코팅은 분리막(320)의 조립 후에 도포될 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 코팅(376)은 단부 부분(324)의 파괴 인성을 낮추는 적합한 재료를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 코팅(376)은 단부 부분(324) 전체에 배치될 수 있지만, 다른 구현예에서, 코팅은 단부 부분의 세그먼트에만 걸쳐 있을 수 있다. 도 3c에 도시된 것과 같은 일부 구현예에서, 단부 부분(324)은 처리(예를 들어, 화학적 처리, 방사선 처리 등)를 받을 수 있다. 예를 들어, 단부 부분(324)은 열처리, UV 처리 등이 될 수 있다. 도시된 구현예에서, 처리 디바이스(378)는 단부 부분의 파괴 인성을 감소시키기 위해 방사선(예를 들어, 자외선), 열(예를 들어, 대류 열), 하나 이상의 화학물질(예를 들어, 코팅(376))을 단부 부분(324)에 적용할 수 있다. 처리 디바이스는 당업계에 알려진 임의의 적합한 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, (예를 들어, 디바이스(378)를 통한) 단부 부분(324)의 코팅(376) 또는 처리는 셀(예를 들어, 102, 202)의 충격 동안에 단부 부분의 파괴를 여전히 가능하게 하면서도 분리막(320)이 단부 부분에 대한 손상 없이 조립될 수 있게 하도록 조립 후에 수행된다. 단부 부분(324)의 외부 표면에 적용되는 것으로 도시되어 있지만, 단부 부분의 코팅(376) 및/또는 처리는 단부 부분의 내부 표면, 단부 부분의 임의의 다른 표면(예를 들어, 측면), 또는 이들의 조합에 적용될 수 있다.
도 3d 및 도 3e에 도시된 바와 같이, 셀(예를 들어, 102, 202)의 하나 이상의 구성요소는 취성 특징부를 한정할 수 있다. 도 3d에 도시된 구현예에서, 단부 부분(324)은 충격 동안에 균열 전파를 개시하도록 구성된 노치(382)(예를 들어, 만입부)를 한정할 수 있다. 2 개의 노치(382)가 도시되어 있지만, 분리막(320)의 다른 구현예는 단일 노치(예를 들어, 382) 또는 3 개 이상의 노치(예를 들어, 382)를 한정하는 단부 부분(324)을 갖는다. 노치(382)는 외부 표면, 내부 표면, 임의의 다른 표면 또는 이들의 조합에서 단부 부분(324) 상에 한정될 수 있다. 일부 구현예에서, 팁은 날카로운 팁과 같은, 에지를 갖는 팁을 갖는 v-노치 또는 셰브론(chevron) v-노치일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 노치는 분리막 두께의 50% 이하인 깊이를 가질 수 있고, 조기 파손을 회피하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 분리막이 10 미크론의 두께를 갖는 경우, 노치는 5 미크론 이하의 깊이를 가질 수 있다. 다른 예로서, 분리막이 15 미크론의 두께를 갖는 경우, 노치는 7.5 미크론 이하의 깊이를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 셀(예를 들어, 102, 202)의 다른 구성요소는 단부 부분(324)의 파괴를 가능하게 하는 취성 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3e에 도시된 바와 같이, 전도성 부재(151)와 같은 전도성 부재(350)는 균열 전파를 개시하기 위해 단부 부분(324)과 접촉하도록 구성된 하나 이상의 돌출부(384)를 한정할 수 있다. 돌출부(384)(예를 들어, 주름부)는 전도성 부재(350)가 단부 부분에 대해 가압될 때 단부 부분(324)을 파열시키는 날카로운 에지를 포함한다. 전도성 부재(350)는 제1 또는 제2 버스바(150, 152, 250, 252), 커넥터(130, 140, 230, 240), 탭(234, 244), 용기(160, 260), 용기(160, 260)의 표면 또는 용기 상의 코팅, 비전도성 구조물, 또는 이들의 조합을 포함하거나 이들에 대응할 수 있다. 노치(382) 및/또는 돌출부(382)는 조립 동안의 손상 가능성을 증가시키지 않으면서 파괴 가능성을 증대시키기 위해 분리막(320)의 조립 후에 형성될 수 있다.
도 3f를 참조하면, 분리막(320)의 상이한 노치의 예가 도시되어 있다. 분리막(320)은 제1 표면(373), 제2 표면(374)(제1 표면(373)에 대향함), 제3 표면(385), 제4 표면(386)(제3 표면(385)에 대향함), 제5 표면(387) 및 제6 표면(388)(제5 표면(387)에 대향함)을 포함한다. 6 개의 표면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 다른 구현예에서, 분리막은 6 개 초과의 표면 또는 6 개 미만의 표면을 포함할 수 있다. 추가적으로, 표면으로서 설명되지만, 다른 구현예에서, 373, 374, 385 내지 388 각각은 분리막(320)의 측면(예를 들어, 상대 측면)을 지칭할 수 있다.
분리막(320)은 하나 이상의 노치(389 내지 393)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 노치(389 내지 393) 중 적어도 하나는 노치(382)를 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 노치(389, 390)는 제1 표면(373)에 형성될 수 있고, 제5 표면(387)으로부터 제6 표면(388)까지 연장될 수 있다. 도시된 바와 같이, 노치(389)는 둥근 또는 U자형 홈 또는 채널을 한정하고, 노치(390)는 V자형 홈 또는 채널을 한정한다. 다른 구현예에서, 노치(389, 390)는 다른 기하형상을 가질 수 있고/있거나, 상이한 형상의 홈을 한정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 노치(389, 390)는 제5 표면(387)으로부터 제6 표면(388)을 향해 연장되지만, 제6 표면(388)까지 완전히 연장되지는 않을 수 있다. 노치(389, 390)는 제5 표면(387)과 제6 표면(388) 사이에 위치되지만, 이들 중 어느 쪽으로도 연장되지 않을 수 있다는 점이 또한 주목된다.
노치(391)는 제1 표면(373)과 제5 표면(387) 사이의 에지에 형성된다. 노치(392, 393)는 제5 표면(387)에 형성된다. 하나 이상의 노치의 세트(394)가 제1 표면(373) 상에 형성된다. 세트(394)가 다수의 노치를 포함하는 경우, 노치 중 2 개 이상은 동일한 크기이거나(예를 들어, 동일한 치수를 가짐) 상이한 크기일 수 있다. 일부 구현예에서, 다수의 노치의 세트의 각 노치는 상이한 크기이다. 노치는 적어도 임계치의 힘에 응답하여 분리막의 파괴를 촉진하도록 크기설정되고 위치되거나 배치될 수 있다. 도 3f는 다수의 상이한 유형의 노치(389 내지 394)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 다른 구현예에서, 분리막(320)은 단일의 노치 유형 또는 노치 유형의 임의의 조합을 가질 수 있다. 추가적으로, 노치(389 내지 394)가 특정 표면(또는 측면)을 참조하여 설명되었지만, 다른 구현예에서, 노치(389 내지 394) 각각은 상이한 표면(또는 측면)을 참조하여 형성될 수 있다.
일부 구현예에서, 도 3a 내지 도 3f의 하나 이상의 양태는 도 3a 내지 도 3f 중 적어도 다른 하나의 하나 이상의 양태와 조합될 수 있다. 예를 들어, 도 3b의 분리막(320) 상의 코팅(376)은 도 3e의 돌출부(384)와 조합하여 사용될 수 있다. 다른 예로서, 임의의 노치(389 내지 394)는 도 3a 내지 도 3e 중 임의의 도면의 분리막(320)에 의해 포함되거나 한정될 수 있다. 추가적으로, 임의의 노치는 본체 부분(322), 단부 부분(324) 또는 이들의 조합에 형성될 수 있다. 다른 예로서, 도 3d의 노치(382)는 접힌 후에 형성될 수 있고, 노치(389 내지 394) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 노치(382)를 형성한 후에, 코팅(376) 및/또는 처리(378)가 도포/수행될 수 있다. 예시를 위해, 코팅(376)이 도포된 후에, 처리(378)가 수행될 수 있다. 대안적으로, 처리(378)가 수행된 후에, 코팅(376)이 도포될 수 있다.
도 4를 참조하면, 배터리를 작동시키는 방법의 일 예가 도시되어 있다. 방법(400)은 비제한적인 예로서 셀(102, 202)에 의해 수행될 수 있다.
방법(400)은, 402에서, 배터리 셀을 작동시키는 단계를 포함한다. 배터리 셀은 제1 전원 유닛, 제1 전도성 부재(예를 들어, 151, 350) 및 분리막을 포함할 수 있다. 제1 전원 유닛은 전원 유닛(110, 210)을 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 전원 유닛은 제1 버스바를 포함할 수 있다. 추가적으로, 제1 버스바 및 분리막은 각각 버스바(150, 152, 250, 252) 및 분리막(120, 220)에 대응할 수 있다. 일부 구현예에서, 방법(400)은 복수의 전원 유닛을 충전 또는 방전하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 셀을 작동시키는 것은 복수의 전원 유닛으로부터 전기 디바이스로 전력을 전달하는 것을 포함할 수 있다.
방법(400)은, 404에서, 배터리 셀에서 힘을 받는 단계를 포함하며, 이 힘은 분리막의 일부가 파괴되어 제2 전극을 제1 전도성 부재에 결합하게 하도록, 예컨대 제2 전극과 제1 전도성 부재 사이의 전기적 결합을 가능하게 하도록 구성된다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 분리막의 파괴는 제1 전극이 제1 전도성 부재를 통해 제2 전극에 결합될 수 있게 할 수 있다. 분리막의 일부는 제1 단부 부분(124, 224) 또는 제2 단부 부분(126, 226)을 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 일부 구현예에서, 제2 전극은 제2 전극(114, 214)에 대응하고, 제1 전도성 부재는 제1 전도성 부재(151)에 대응할 수 있다. 제1 전도성 부재에 대한 제2 전극의 결합은 전기 단락을 유발할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극을 제1 전도성 부재에 연결하는 것은 (예를 들어, 제2 커넥터 및/또는 제1 커넥터를 통해) 제2 전극으로부터 제1 전도성 부재로 전류를 이송하는 것을 포함할 수 있다. 방법(400)은 전기 단락 동안에 제1 전도성 부재 및/또는 제1 버스바에 의해 열을 전도하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 힘을 받는 것은 다른 물체 또는 지면과의 충돌에 대응한다.
따라서, 방법(400)은 배터리 셀의 연소 또는 폭발 위험을 완화시킨다. 예를 들어, 제1 전도성 부재에 결합된 제2 전극 및/또는 제2 집전체는 집중 단락 또는 열 폭주 없이 하나 이상의 전원 유닛으로부터 안전하게 열을 전도하고 방전할 수 있다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 분리막은 충격의 경우에 셀이 균등하게 방전될 수 있게 할 수 있다.
본 개시의 일부 구현예는 배터리 셀(예를 들어, 102, 202)을 제조하는 방법을 포함한다. 일부 그러한 방법은 분리막을 형성 및/또는 조립하는 단계를 포함할 수 있다. 분리막은 분리막(120, 220, 320)에 대응할 수 있다. 일부 구현예에서, 분리막을 형성하는 단계는 하나의 재료가 분리막의 단부 부분과 정렬되고 다른 하나의 재료가 분리막의 본체 부분과 정렬되도록 2 개 이상의 재료(예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같은 370, 372)를 스트라이핑하는 단계를 포함한다. 단부 부분 및 본체 부분은 각각 단부 부분(124, 126, 224, 226, 324) 및 본체 부분(122, 222, 322)을 포함하거나 이들에 대응할 수 있다.
일부 구현예에서, 분리막을 조립하는 단계는 복수의 전극 위로 분리막을 접는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예(예를 들어, 도 3b 내지 도 3d에 도시된 구현예)는 단부 부분을 코팅하는 것, 단부 부분을 처리(예를 들어, 열 또는 UV 처리)하는 것, 단부 부분에 만입부(예를 들어, 노치)를 형성하는 것, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 그러한 구현예에서, 단부 부분을 코팅하거나, 처리하거나, 노치 형성하는 것은 셀이 조립된 후에 수행될 수 있다. 배터리를 제조하는 일부 구현예(예를 들어, 도 3e에 도시됨)는 열 버스바 또는 다른 구조물에 주름부를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 열 버스바는 제1 버스바(150, 250) 및/또는 제2 버스바(152, 252), 제1 전도성 부재(151) 또는 이들의 조합을 포함하거나 이에 대응할 수 있다.
전술한 배터리 셀(예를 들어, 102, 202)은 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 컴퓨터 파일로 설계 및 구성될 수 있다. 그러한 파일의 일부 또는 전부는 그러한 파일에 기초하여 셀을 제작하는 제작 핸들러(fabrication handler)에 제공될 수 있다. 도 5는 배터리 팩, 셀, 모듈 등을 제작하기 위한 시스템(500)의 일 예를 도시한다.
배터리 정보(502)(예를 들어, 기계적 충격, 전기 및 열 관리 시스템 정보, 배터리 셀 정보, 배터리 팩 정보 및/또는 분리막 정보)가 연구/설계 컴퓨터(506)에서 수신된다. 배터리 정보(502)는 열 관리 시스템(100, 200), 배터리 셀(102, 202) 또는 배터리 팩과 같은 배터리의 적어도 하나의 물리적 특성을 나타내는 설계 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 정보(502)는 연구/설계 컴퓨터(506)에 결합된 사용자 인터페이스(504)를 통해 입력되는 분리막(예를 들어, 120, 220, 320)의 파괴 인성의 측정치, 셀의 취성 특징부(예를 들어, 도 3a 내지 3e에 도시됨), 및/또는 셀 기하형상 등을 포함할 수 있다. 연구/설계 컴퓨터(506)는 메모리(510)와 같은 컴퓨터 판독가능 매체(예를 들어, 컴퓨터 판독가능 저장 디바이스)에 결합된 하나 이상의 처리 코어와 같은 프로세서(508)를 포함한다. 메모리(510)는 프로세서(508)가 배터리 정보(502)를 설계 파일(512)로 변환하게 하도록 실행 가능한 컴퓨터 판독가능 명령을 저장할 수 있다. 설계 파일(512)은 배터리 셀(예를 들어, 102, 202), 배터리 팩, 또는 열 관리 시스템의 다른 구성요소에 대한 설계를 나타내는 정보를 포함할 수 있다. 설계 파일(512)은 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이 제작을 수행하기 위해 다른 시스템에 의해 사용 가능한 형식일 수 있다.
설계 파일(512)은 재료(520)에 대한 제작 프로세스 동안에 제작 장비를 제어하도록 제작 컴퓨터(514)에 제공된다. 제작 컴퓨터(514)는 하나 이상의 처리 코어와 같은 프로세서(516)(예를 들어, 하나 이상의 프로세서) 및 메모리(518)를 포함한다. 메모리(518)는 프로세서(516)와 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 컴퓨터 판독가능 명령 또는 프로세서 판독가능 명령과 같은 실행 가능한 명령을 포함할 수 있다. 실행 가능한 명령은 프로세서(516)가 재료(520)에 대한 제작 프로세스 동안에, 예컨대 하나 이상의 제어 신호 또는 데이터를 송신함으로써, 제작 장비를 제어할 수 있게 할 수 있다. 일부 구현예에서, 제작 시스템(예를 들어, 제작 프로세스를 수행하는 자동화 시스템)은 분산 아키텍처를 가질 수 있다. 예를 들어, 상위-레벨 시스템(예를 들어, 프로세서(516))은 하나 이상의 하위-레벨 시스템(예를 들어, 제작 장비의 개별 피스)의 제어기에 의해 실행될 명령을 내릴 수 있다. 하위-레벨 시스템은 명령을 수신할 수 있고, 종속 모듈 또는 프로세스 툴에 하위-지령을 내릴 수 있으며, 상위-레벨 시스템에 상태를 다시 전달할 수 있다. 따라서, 다수의 프로세서(예를 들어, 프로세서(516) 및 하나 이상의 제어기)가 제작 시스템에 분산될 수 있다.
제작 장비는 예시적이고 비제한적인 예로서 제1 제작 장비(522), 조립 장비(526) 및 제2 제작 장비(530)를 포함할 수 있다. 제1 제작 장비(522)는 재료(520)로부터 분리막(120, 220, 420)과 같은 배터리 셀(예를 들어, 102, 202)의 구성요소를 형성하도록 구성된다. 분리막은 압출, 라미네이팅, 프레싱, 성형, 사출, 에칭 커팅, 밀링 등에 의해 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 제작 장비(522)는 제1 집전체(130, 230), 제2 집전체(140, 240), 제1 버스바(150, 250) 또는 제2 버스바(152, 252)와 같은 셀의 하나 이상의 다른 구성요소를 형성할 수 있다. 조립 장비(526)는 제작된 피스를 하나 이상의 디바이스로 조립하도록 구성된다. 예를 들어, 분리막은 배터리 셀을 형성하기 위해 다른 구성요소와 조립될 수 있다. 일부 구현예에서, 조립 장비(526)는 셀을 형성하기 위해 전원 유닛(110, 210)의 캐소드 및 애노드 위로 분리막을 접도록 구성될 수 있다. 제2 제작 장비(530)는 조립 후에 셀의 하나 이상의 구성요소를 제작하도록 구성된다. 예를 들어, 제2 제작 장비(530)는 (예를 들어, 도 3a 내지 도 3e에 설명된 바와 같이) 셀의 하나 이상의 취성 특징부를 형성할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 제작 장비(530)는 하나 이상의 전원 유닛을 용기(예를 들어, 160) 내에 포함시키거나, 하나 이상의 전원 유닛을 하나 이상의 전기 연결부(예를 들어, 204)에 결합시키거나, 이들의 조합을 수행하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제2 제작 장비(530)의 작동 후에, 배터리 셀(532)의 형성이 완료된다. 배터리 셀을 형성하는 것으로 설명되지만, 다른 구현예에서, 제2 제작 장비 또는 추가 제작 장비는 배터리 서브팩을 형성하도록 다수의 배터리 셀을 결합할 수 있다. 추가적으로, 제작 장비가 제1 제작 장비(522), 조립 장비(526) 및 제2 제작 장비(530)를 포함하는 것으로 설명되었지만, 그러한 장비의 식별은 단지 예시를 위한 것이며, 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 예를 들어, 제작 장비는 배터리 서브팩을 형성하기 위해 보다 적은 장비 피스, 보다 많은 장비 피스 및/또는 상이한 장비 피스를 포함할 수 있다.
시스템(500)은 본원에 설명된 바와 같이 하나 이상의 배터리 셀 또는 배터리 팩의 제작을 가능하게 한다. 예를 들어, 하나 이상의 배터리 셀은 기계적 충격/전기/열 관리 시스템(400)에서 설명된 바와 같이 하나 이상의 취성 특징부를 갖는 분리막을 포함할 수 있다. 따라서, 시스템(500)은 유리하게는 힘을 받을 때 안전한 방식으로 균일하게 방전하도록 작동하는 배터리 셀을 제공하도록 배터리를 형성하여, 집중 단락 및 열 폭주를 방지할 수 있다. 추가적으로, 시스템(500)은 고응력 충격 시에 파괴되도록 방전 부분(예를 들어, 단부 부분(124, 126, 224, 226))을 따라 취성을 여전히 유지하면서도 분리막에 대한 손상 없이 셀의 조립을 가능하게 할 수 있다.
본 출원의 양태 및 그 이점이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 개시의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변화, 대체 및 변경이 본원에서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 및 단계의 특정 구현예에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 당업자는, 상기 개시로부터, 본원에 설명된 대응하는 구현예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 나중에 개발될 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 또는 단계가 이용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 그 범위 내에 그러한 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 또는 단계를 포함하는 것으로 의도된다.
상기 명세서는 예시적인 구성의 구조 및 사용에 대한 완전한 설명을 제공한다. 특정 구성이 특정 정도의 상세내용에 의해 또는 하나 이상의 개별 구성을 참조하여 상기에서 설명되었지만, 당업자는 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 개시된 구성에 많은 변경을 이룰 수 있다. 이와 같이, 방법 및 시스템의 다양한 예시적인 구성은 개시된 특정 형태에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 이들은 청구범위의 범위 내에 속하는 모든 변형예 및 대안예를 포함하며, 도시된 것 이외의 구성은 기술된 구성의 특징들 중 일부 또는 모두를 포함할 수 있다. 예를 들어, 요소가 생략되거나 일체형 구조로서 조합되거나, 연결이 대체되거나, 둘 모두가 수행될 수 있다. 또한, 적절한 경우, 전술한 임의의 예의 양태는 필적하거나 상이한 특성 및/또는 기능을 갖고 동일하거나 상이한 문제를 다루는 추가 예를 형성하기 위해 설명된 임의의 다른 예의 양태와 조합될 수 있다. 유사하게, 전술한 이익 및 이점은 하나의 구성에 관련될 수 있거나, 몇 개의 구성에 관련될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본원에 설명된 단일 구현예는 제한적인 것으로 해석되어서는 안 되며, 본 개시의 구현예는 본 개시의 교시로부터 벗어남이 없이 적절하게 조합될 수 있다.
개시된 구현예의 이전 설명은 당업자가 개시된 구현예를 형성하거나 사용할 수 있게 하도록 제공된다. 이러한 구현예에 대한 다양한 변형예가 당업자에게 쉽게 명백할 것이며, 본원에 규정된 원리는 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 구현예에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시는 본원에 나타낸 구현예에 제한되는 것으로 의도되지 않으며, 하기의 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 원리 및 신규 특징과 일치하는 가능한 가장 넓은 범위에 부여되어야 한다. 청구범위는, 기능식 제한(means-plus-function or step-plus-function limitation)이 문구 "~을 위한 수단" 또는 "~를 위한 단계"를 사용하여 주어진 청구범위에서 명시적으로 기재되지 않는 한, 그러한 제한을 포함하는 것으로 의도되지 않으며 그러한 제한을 포함하는 것으로 해석되어서도 안 된다.

Claims (15)

  1. 배터리 셀로서,
    제1 전원 유닛으로서,
    제1 전도성 부재에 결합된 제1 집전체를 포함하는 제1 전극; 및
    제2 전극을 포함하는, 제1 전원 유닛; 및
    분리막으로서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 제1 부분; 및
    상기 제2 전극과 상기 제1 전도성 부재 사이에 위치된 제2 부분을 포함하는, 분리막을 포함하며;
    상기 분리막의 제2 부분은 상기 배터리 셀이 힘을 받는 것에 응답하여 파괴되도록 구성되는, 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도성 부재는 상기 제1 집전체에 결합된 제1 버스바, 상기 제1 집전체의 일부, 상기 배터리 셀의 용기의 표면 또는 상기 용기 상의 코팅, 또는 이들의 조합을 포함하며;
    상기 제2 전극은 상기 분리막의 제2 부분이 파괴될 때 전기 단락을 생성하도록 상기 제1 전도성 부재에 결합되도록 구성되는, 배터리 셀.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 전도성 부재는 상기 전기 단락 동안에 열을 전도 및 분배하도록 구성되는, 배터리 셀.
  4. 제1항에 있어서, 상기 분리막의 제2 부분은 0.2 내지 5 MPa·m1/2의 파괴 인성(KIc)을 갖는, 배터리 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    제1 흑연 층; 및
    제2 흑연 층을 포함하며;
    상기 제1 집전체의 제1 부분은 상기 제1 흑연 층과 상기 제2 흑연 층 사이에 개재되는, 배터리 셀.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 전극은,
    제1 캐소드 층;
    제2 캐소드 층; 및
    상기 제1 캐소드 층과 상기 제2 캐소드 층 사이에 개재된 제1 부분을 포함하는 제2 집전체를 포함하는, 배터리 셀.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 리튬-이온 배터리 셀을 포함하는, 배터리 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집전체는 제1 부분 및 상기 제1 부분으로부터 멀리 연장되는 상기 제1 전도성 부재를 포함하며;
    상기 제1 집전체의 제1 전도성 부재는 열을 분배하도록 구성된 제1 버스바의 길이와 실질적으로 평행한 방향으로 연장되는, 배터리 셀.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전극에 결합된 제2 집전체; 및
    상기 제2 집전체에 결합되고 상기 제2 집전체로부터의 열을 분배하도록 구성된 제2 버스바를 추가로 포함하는, 배터리 셀.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 버스바 및 상기 제1 전극은 구리를 포함하며;
    상기 제2 버스바 및 상기 제2 전극은 알루미늄을 포함하는, 배터리 셀.
  11. 제9항에 있어서,
    제2 전원 유닛을 추가로 포함하며, 상기 제2 전원 유닛은,
    제3 집전체를 포함하는 제3 전극; 및
    제4 집전체를 포함하는 제4 전극을 포함하며;
    상기 분리막은 상기 제3 전극과 상기 제4 전극 사이에 개재된 제3 부분 및 상기 제4 전극과 상기 제1 버스바 사이에 위치된 제4 부분을 포함하고;
    상기 제1 버스바는 상기 제3 집전체에 결합되고;
    상기 제2 버스바는 상기 제4 집전체에 결합되는, 배터리 셀.
  12. 배터리를 작동시키기 위한 방법으로서,
    배터리를 충전 또는 방전하는 단계로서, 상기 배터리는,
    제1 전원 유닛으로서,
    제1 전도성 부재에 결합된 제1 집전체에 결합된 제1 전극; 및
    제2 전극을 포함하는, 제1 전원 유닛; 및
    분리막으로서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 제1 부분; 및
    상기 제2 전극과 상기 제1 전도성 부재 사이에 위치된 제2 부분을 포함하는, 분리막을 포함하는, 단계; 및
    상기 배터리가 힘을 받는 단계를 포함하며, 여기서 상기 힘은 상기 분리막의 제2 부분이 파괴되게 하고 상기 제2 전극을 상기 제1 전도성 부재에 결합시키는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리는 상기 제1 집전체에 결합된 제1 버스바를 포함하고;
    상기 제1 전도성 부재는 상기 제1 버스바 또는 상기 제1 집전체의 일부를 포함하고;
    상기 제2 전극을 상기 제1 전도성 부재에 결합시키는 것은 전기 단락을 유발하며;
    상기 제1 버스바는 상기 전기 단락 동안에 열을 전도하는, 방법.
  14. 배터리 서브팩으로서,
    상기 배터리 서브팩은 2 개 이상의 배터리를 포함하며, 상기 2 개 이상의 배터리 중 적어도 하나는,
    제1 전원 유닛으로서,
    전도성 부재를 포함하는 제1 집전체에 결합된 제1 전극; 및
    제2 전극을 포함하는, 제1 전원 유닛; 및
    분리막으로서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 제1 부분; 및
    상기 제2 전극과 상기 제1 전도성 부재 사이에 위치된 제2 부분을 포함하는, 분리막을 포함하며;
    상기 분리막의 제2 부분은 대응하는 배터리가 힘을 받는 것에 응답하여 파괴되도록 구성되는, 배터리 서브팩.
  15. 제14항에 있어서, 상기 2 개 이상의 배터리 중 적어도 하나는,
    상기 제2 전극에 결합된 제2 집전체; 및
    제2 전원 유닛을 추가로 포함하며, 상기 제2 전원 유닛은,
    제3 집전체에 결합된 제3 전극; 및
    제4 집전체에 결합된 제4 전극을 포함하고;
    상기 제1 집전체 및 상기 제3 집전체에 제1 버스바가 결합되고;
    상기 제2 집전체 및 상기 제4 집전체에 제2 버스바가 결합되는, 배터리 서브팩.
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