KR20230109680A - 전극용 스페이서, 전극 스택 및 배터리, 및 그 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
배터리는 전극 조립체를 포함한다. 전극 조립체는 단위 전지의 집합체를 갖고, 각각의 단위 전지는 연속하여 적층된 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 갖는다. 전극 층은 전극 활성 재료를 갖고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 갖는다. 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이다. 단위 전지 집합체의 서브세트가 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 위치된 한 쌍의 스페이서 부재를 포함한다. 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에서 스페이서 부재들 사이에 위치된다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 11월 18일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 63/115,266 및 2020년 11월 18일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 63/115,578에 대한 우선권을 주장한다. 이들 가출원은 양자 모두 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다.
2018년 8월 6일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/715,233을 우선권 주장하는, 2019년 8월 6일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 16/533,082, 및 2017년 11월 15일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/586,737 및 2018년 8월 6일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/715,233을 우선권 주장하는, 2018년 11월 15일자로 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/US2018/061245를 참조하며, 이들 출원 각각은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 개시내용의 분야는 일반적으로 배터리 기술과 같은 에너지 저장 기술에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시내용의 분야는 리튬 기반 배터리를 포함하는 2차 배터리에서 사용하기 위한 전극과 같은 에너지 저장 시스템의 조립을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
리튬 기반 2차 배터리는 비교적 높은 에너지 밀도, 출력 및 저장 수명으로 인해 바람직한 에너지원이 되었다. 리튬 2차 배터리의 예는 리튬-이온 및 리튬-폴리머 배터리와 같은 비-수성 배터리를 포함한다.
배터리, 연료 전지 및 전기화학적 커패시터와 같은 공지된 에너지 저장 디바이스는 통상적으로 평면형 또는 나선형으로 권취된(즉, 젤리롤) 라미네이트 구조와 같은 2차원 박판형 아키텍처(laminar architecture)를 갖고, 여기서 각각의 라미네이트의 표면적은 기하학적 설치 공간과 대략 동일하다(다공도 및 표면 거칠기는 무시함).
도 1은 일반적으로 10으로 나타낸, 공지된 박판형 2차 배터리의 단면도를 예시한다. 배터리(10)는 양극(20)과 접촉하는 양극 집전체(15)를 포함한다. 음극(25)은 분리막(30)에 의해 양극(20)으로부터 분리된다. 음극(25)은 음극 집전체(35)와 접촉한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리(10)는 스택으로 형성된다. 스택은 때때로 음극 집전체(35) 위에 또 다른 분리막 층(도시되지 않음)으로 덮은 다음, 롤링되어 캔(도시되지 않음)에 배치되어 배터리(10)를 조립한다. 충전 프로세스 중에, 캐리어 이온(통상적으로 리튬)은 양극(20)을 떠나 분리막(30)을 통해 음극(25)으로 이동한다. 사용된 애노드 재료에 따라, 캐리어 이온은 인터칼레이션(intercalation)하거나(예를 들어, 합금을 형성하지 않고 음극 재료의 매트릭스에 안착됨) 음극 재료와 합금을 형성한다. 방전 프로세스 동안, 캐리어 이온은 음극(25)을 떠나 다시 분리막 층(30)을 통해 다시 양극(20)으로 이동한다.
3차원 2차 배터리는 박판형 2차 배터리에 비해 용량 및 수명을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이러한 3차원 2차 배터리의 생산에는 제조 및 비용 문제가 존재한다. 지금까지 사용된 정밀 제조 기술은 사이클 수명이 개선된 2차 배터리를 생산할 수 있지만 생산성과 제조 비용이 희생된다. 그러나, 공지된 제조 기술이 가속화되는 경우, 배터리의 결함 수 증가, 용량 손실 및 수명 감소가 초래될 수 있다.
따라서, 공지된 기술에서의 문제를 해결하면서 3차원 배터리를 제조하는 것이 바람직할 것이다.
일 실시예는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하기 위한 2차 배터리를 포함한다. 배터리는 인클로저 및 인클로저 내에 배치된 전극 조립체를 포함하고, 전극 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖는다. 전극 조립체는 단위 전지의 집합체를 포함하고, 각각의 단위 전지는 종방향으로 연속하여 적층된 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함한다. 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료(cathodically active material)이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료(anodically active material)이다. 단위 전지 집합체의 서브세트는 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층되어 위치된 한 쌍의 스페이서 부재를 더 포함한다. 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격된다. 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은, 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치된다.
다른 실시예는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖는 전극 조립체를 포함한다. 전극 조립체는 단위 전지의 집합체를 포함하고, 각각의 단위 전지는 종방향으로 연속하여 적층된 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함한다. 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료(cathodically active material)이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료(anodically active material)이다. 단위 전지 집합체의 서브세트는 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층되어 위치된 한 쌍의 스페이서 부재를 더 포함한다. 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격된다. 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은, 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치된다.
다른 실시예는 2차 배터리와 함께 사용하기 위한 단위 전지를 제조하는 방법을 포함한다. 이 방법은 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 종방향으로 연속적으로 적층하는 단계를 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함한다. 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이다. 이 방법은 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층된 한 쌍의 스페이서 부재를 배치하는 단계를 포함한다. 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격된다. 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은, 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치된다.
다른 실시예는 2차 배터리와 함께 사용하기 위한 전극 조립체를 제조하는 방법을 포함한다. 이 방법은 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 종방향으로 연속적으로 적층하는 단계를 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함한다. 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이다. 이 방법은 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층된 한 쌍의 스페이서 부재를 배치하는 단계를 포함한다. 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격된다. 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은, 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치된다.
다른 실시예는 전극 재료의 복수의 웨브를 병합하기 위한 방법을 포함한다. 프로세스는 제1 웨브 병합 경로를 따라 전극 재료의 제1 웨브를 권출하는 단계를 포함하고, 제1 웨브는 대응하는 약화된 인열 패턴에 의해 윤곽 형성(delineating)된 전극 서브-유닛의 집합체 및 제1 반송 피처의 집합체를 포함한다. 이 프로세스는 제1 웨브 병합 경로의 하류의 제2 웨브 병합 경로를 따라 전극 재료의 제2 웨브를 권출하는 단계를 더 포함하고, 제2 웨브는 대응하는 약화된 인열 패턴에 의해 윤곽 형성된 전극 서브-유닛의 집합체 및 제2 반송 피처의 집합체를 포함한다. 이 프로세스는 또한 제1 웨브 병합 경로 및 제2 웨브 병합 경로에 인접하게 웨브 병합 방향으로 복수의 돌출부를 포함하는 벨트를 반송하는 단계를 포함한다. 복수의 돌출부는 제1 웨브의 제1 반송 피처 및 제2 웨브의 제2 반송 피처와 맞물리도록 구성된다. 이 프로세스는 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 스페이서 부재의 집합체를 삽입하는 단계를 더 포함한다. 이 프로세스는 제1 웨브 병합 위치의 하류의 제2 웨브 병합 위치에서 전극 재료의 제1 웨브 상에 전극 재료의 제2 웨브를 중첩시키는 단계를 포함하고, 스페이서 부재의 집합체는 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 포획된다.
또 다른 실시예는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하기 위한 배터리를 포함하고, 배터리는 인클로저 및 인클로저 내에 배치되는 전극 조립체를 포함하고, 전극 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에, 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖는다. 전극 조립체는 단위 전지의 집합체를 포함하고, 각각의 단위 전지는 본체, 제1 에지 마진, 제1 에지 마진으로부터 횡방향으로 분리된 제2 에지 마진, 전방부, 전방부로부터 종방향으로 분리된 후방부, 상단, 및 상단으로부터 수직 방향으로 분리된 저부를 갖고, 각각의 본체는 종방향으로 연속하여 적층된, 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하며, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이다. 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 각각은 (i) 전극 집전체 층, 분리막 층, 및 상대 전극 집전체 층, 및 (ii) 테이프 스페이서를 포함하고, 테이프 스페이서들 각각은 (i) 전극 집전체, (ii) 전극 층, (iii) 분리막, 및 (iv) 상대 전극 집전체 중 적어도 하나에 접착되고, 상대 전극 층은 상대 전극 층의 횡방향 범위를 규정하기 위해 제1 단부 및 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층의 횡방향 범위는 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 전에 종단된다.
또 다른 실시예는 배터리 내에서 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하기 위한 전극 조립체를 포함하고, 배터리는 인클로저 및 인클로저 내에 배치되는 전극 조립체를 포함하고, 전극 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에, 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖는다. 전극 조립체는 단위 전지의 집합체를 포함하고, 각각의 단위 전지는 본체, 제1 에지 마진, 제1 에지 마진으로부터 횡방향으로 분리된 제2 에지 마진, 전방부, 전방부로부터 종방향으로 분리된 후방부, 상단, 및 상단으로부터 수직 방향으로 분리된 저부를 갖고, 각각의 본체는 종방향으로 연속하여 적층된, 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하며, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이다. 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 각각은 (i) 전극 집전체 층, 분리막 층, 및 상대 전극 집전체 층, 및 (ii) 테이프 스페이서를 포함하고, 테이프 스페이서들 각각은 (i) 전극 집전체, (ii) 전극 층, (iii) 분리막, 및 (iv) 상대 전극 집전체 중 적어도 하나에 접착되고, 상대 전극 층은 상대 전극 층의 횡방향 범위를 규정하기 위해 제1 단부 및 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층의 횡방향 범위는 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 전에 종단된다.
또 다른 실시예는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하도록 구성된 배터리를 위한 단위 전지를 포함하고, 단위 전지는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖고, 단위 전지는 본체, 제1 에지 마진, 제1 에지 마진으로부터 횡방향으로 분리된 제2 에지 마진, 전방부, 전방부로부터 종방향으로 분리된 후방부, 상단, 및 상단으로부터 수직 방향의 저부를 갖고, 본체는 종방향으로 연속하여 적층된 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하며, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이다. 본체의 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 각각은 (i) 전극 집전체 층, 분리막 층, 및 상대 전극 집전체 층, 및 (ii) 제1 에지 마진에 배치된 제1 테이프 스페이서 및 제2 에지 마진에 배치된 제2 테이프 스페이서를 포함하고; 제1 테이프 스페이서 및 제2 테이프 스페이서 각각은 (i) 전극 집전체, (ii) 전극 층, (iii) 분리막, 및 (iv) 상대 전극 집전체 중 적어도 하나에 접착되고, 상대 전극 층은 상대 전극 층의 횡방향 범위를 규정하기 위해 제1 단부 및 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층의 횡방향 범위는 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 전에 종단된다.
또 다른 실시예는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하도록 구성된 배터리를 위한 전극 조립체를 포함하고, 전극 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖고, 전극 조립체는 본체, 제1 에지 마진, 제1 에지 마진으로부터 횡방향으로 분리된 제2 에지 마진, 전방부, 전방부로부터 종방향으로 분리된 후방부, 상단, 및 상단으로부터 수직 방향의 저부를 갖고, 본체는 종방향으로 연속하여 적층된 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하며, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이다. 본체의 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 각각은 (i) 전극 집전체 층, 분리막 층, 및 상대 전극 집전체 층, 및 (ii) 제1 에지 마진에 배치된 제1 테이프 스페이서 및 제2 에지 마진에 배치된 제2 테이프 스페이서를 포함하고; 제1 테이프 스페이서 및 제2 테이프 스페이서 각각은 (i) 전극 집전체, (ii) 전극 층, (iii) 분리막, 및 (iv) 상대 전극 집전체 중 적어도 하나에 접착되고, 상대 전극 층은 상대 전극 층의 횡방향 범위를 규정하기 위해 제1 단부 및 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층의 횡방향 범위는 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 전에 종단된다.
다른 실시예는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하도록 구성된 배터리를 위한 단위 전지를 준비하는 방법을 포함하고, 이 방법은 종방향으로 연속하여 적층되게 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 적층하는 단계로서, 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료인, 단계; 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 내에서 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 또는 상대 전극 집전체 층 중 적어도 하나에 테이프 스페이서를 접착하는 단계로서, 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진은 (i) 전극 집전체 층, 분리막 층, 및 상대 전극 집전체 층, 및 (ii) 테이프 스페이서를 포함하게 되고, 상대 전극 층은 제1 단부 및 상대 전극 층의 횡방향 범위를 규정하기 위해 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층은 상대 전극 층의 횡방향 범위가 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 전에 종단하도록 제공되는, 단계를 포함한다.
다른 실시예는 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하도록 구성된 배터리를 위한 전극 조립체를 준비하는 방법을 포함하고, 이 방법은 종방향으로 연속하여 적층되게 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 적층하는 단계로서, 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료인, 단계; 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 내에서 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 또는 상대 전극 집전체 층 중 적어도 하나에 테이프 스페이서를 접착하는 단계로서, 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진은 (i) 전극 집전체 층, 분리막 층, 및 상대 전극 집전체 층, 및 (ii) 테이프 스페이서를 포함하게 되고, 상대 전극 층은 제1 단부 및 상대 전극 층의 횡방향 범위를 규정하기 위해 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층은 상대 전극 층의 횡방향 범위가 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 전에 종단하도록 제공되는, 단계를 포함한다.
도 1은 기존 박판형 배터리(laminar battery)의 단면이다.
도 2는 본 개시내용에 따른 전극 제조 시스템의 하나의 적절한 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 개시내용에 따른 레이저 시스템의 하나의 적절한 실시예의 확대된 개략도이다.
도 4는 본 개시내용에 따른 절단 플레넘의 하나의 적절한 실시예의 등각도이다.
도 5는 본 개시내용의 전극 제조 시스템을 통해 가공된 후에 전극으로 형성된 베이스 재료의 예시적인 웨브의 절두 평면도이다.
도 6은 전극 패턴이 상부에 형성된 베이스 재료의 예시적인 웨브의 평면도이다.
도 6a는 예시적인 음극으로서 베이스 재료의 웨브의 일 부분의 사시도이다.
도 6b는 예시적인 양극으로서 베이스 재료의 웨브의 일 부분의 사시도이다.
도 7은 예시적인 전극 패턴이 상부에 형성된 베이스 재료의 웨브의 일 부분의 확대 평면도이다.
도 8은 본 개시내용의 전극 제조 시스템을 통해 가공된 후에 전극 패턴을 포함하는 전극 재료의 웨브로 형성된 베이스 재료의 등각도이다.
도 8a는 도 8의 전극 재료의 웨브의 일 부분의 평면도이다.
도 9는 본 개시내용의 전극 제조 시스템의 재권취 롤러의 하나의 적절한 실시예의 등각도이다.
도 10은 본 개시내용의 브러싱 스테이션의 하나의 적절한 실시예의 평면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 예시적인 브러싱 스테이션의 측면도이다.
도 12는 본 개시내용에 따른 검사 스테이션의 하나의 적절한 실시예의 등각도이다.
도 13은 본 개시내용의 하나의 적절한 실시예에 따른 척의 평면도이다.
도 14는 본 개시내용에 따른 병합 및 적층 배열의 부분 개략도이다.
도 14a는 본 개시내용에 따른 적층 디바이스의 부분 측면도이다.
도 14b는 도 14a의 적층 디바이스의 권출 섹션의 일 부분을 나타낸 확대된 상세도이다.
도 14c의 (1) 내지 도 14c의 (3)는 각각 본 개시내용에 따른 병합 배열의 측면도, 정면도 및 평면도를 도시한다.
도 14d는 본 개시내용의 전극 제조 시스템의 전극 재료 인장 섹션(electrode material tensioning section)의 등각도이다.
도 14e의 (1) 및 도 14e의 (2)는 본 개시내용의 실시예에 따른 테이퍼 형성되지 않은(상단) 및 테이퍼된(저부) 돌출부의 측면도를 포함하고, 도 14e의 (3) 및 도 14e의 (4)는 그 상면도를 포함한다.
도 14f의 (1)은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 역회전 브러시의 등각도(좌측)를 도시하고, 도 14f의 (2)는 평면도를 도시하고, 도 14f의 (3)은 측면도(우측)를 도시한다.
도 14g는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 병합 스프로켓을 갖는 웨브의 도 14b에 도시된 초기 접촉점의 확대도를 도시한다.
도 14h의 (1) 내지 도 14h의 (3)은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 병합 스프로켓과 상호작용하는 웨브의 3개의 도면, 평면도, 측면도 및 사시도를 각각 도시한다.
도 15는 본 개시내용에 따른 전극의 다층 스택의 단면도이다.
도 15a는 본 개시내용에 따른 전극 재료의 웨브의 부분 평면도이다.
도 16a는 본 개시내용에 따른 전극 서브-유닛의 다층 스택의 측면도이다.
도 16b는 도 16a의 전극 서브-유닛의 다층 스택의 부분 평면도이다.
도 16c는 제2 천공의 파열 후 도 16a의 다층 스택의 부분 평면도이다.
도 17은 본 개시내용에 따른 적층된 전지의 등각도이다.
도 18a 및 도 18b는 배터리 패키지가 상부에 배치된 적층된 전지의 순차적인 등각도이다.
도 19는 본 개시내용의 시스템의 병합 섹션의 측면도이다.
도 20은 본 개시내용의 고용량 적층 시스템(high volume stacking system)의 측면도이다.
도 20a는 도 20의 고용량 적층 시스템의 아래의 치형부의 부분 확대도이다.
도 21은 본 개시내용에 따른 수용 유닛의 사시도이다.
도 22는 도 21의 수용 유닛의 정면도이다.
도 23은 본 개시내용의 펀칭 및 적층 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 24a, 24b 및 24c는 각각 본 개시내용에 따른 하나의 전극 서브-유닛을 강조한 병합된 재료 웨브, 전극 서브-유닛 및 일련의 적층된 전극 서브-유닛의 평면도이다.
도 24d는 전극 서브-유닛의 집합체를 포함하는 병합된 재료 웨브의 일 실시예의 절두도이다.
도 24e는 본 개시내용의 수용 유닛의 등각도이다.
도 24f는 전극 서브-유닛의 집합체가 상부에 적층되어 있는 수용 유닛을 도시한 정면도이다.
도 25는 본 개시내용의 펀칭 및 적층 시스템의 병합해제 스프로켓의 등각도이다.
도 26a는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 펀칭 동작 동안의 펀치 헤드의 평면도이다.
도 26b는 도 26a에 도시된 펀치 헤드의 등각도이다.
도 26c는 도 26a의 부분 C의 상세도이다.
도 27은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 전극 재료의 웨브 상의 스페이서 부재를 도시한다.
도 28은 도 27의 스페이서 부재를 갖는 전극 재료의 웨브의 라인 A-A를 따른 단면도이다.
도 29는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 스페이서 부재를 포함하는 적층된 전지의 등각도이다.
도 30a 내지 도 30f는 본 개시내용의 상이한 실시예에 따른 단일 전극 서브-유닛을 나타낸, 도 29의 섹션(30A-D)을 따라 취해진 단면도이다.
도 31a 내지 도 31d는 본 개시내용의 상이한 실시예에 따른 단일 전극 서브-유닛을 나타낸, 도 29의 섹션(31A-D)을 따라 취해진 단면도이다.
도 32a 내지 도 32d는 본 개시내용의 상이한 실시예에 따른 단일 전극 서브-유닛을 나타낸, 도 29의 섹션(32A-D)을 따라 취해진 단면도이다.
도 33a 및 도 33b는 본 개시내용의 실시예에 따른 단위 전지 및 전극 서브-유닛의 실시예를 도시한다.
도 34a 및 도 34b는 보충 스페이서를 포함하는 본 개시내용의 상이한 실시예에 따른 단일 전극 서브-유닛을 나타낸, 도 29의 섹션(30A-D)을 따라 취해진 단면도를 도시한다.
도 35는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 적층되는 스페이서 부재를 포함하는 전극 서브-유닛을 도시한다.
도 2는 본 개시내용에 따른 전극 제조 시스템의 하나의 적절한 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 개시내용에 따른 레이저 시스템의 하나의 적절한 실시예의 확대된 개략도이다.
도 4는 본 개시내용에 따른 절단 플레넘의 하나의 적절한 실시예의 등각도이다.
도 5는 본 개시내용의 전극 제조 시스템을 통해 가공된 후에 전극으로 형성된 베이스 재료의 예시적인 웨브의 절두 평면도이다.
도 6은 전극 패턴이 상부에 형성된 베이스 재료의 예시적인 웨브의 평면도이다.
도 6a는 예시적인 음극으로서 베이스 재료의 웨브의 일 부분의 사시도이다.
도 6b는 예시적인 양극으로서 베이스 재료의 웨브의 일 부분의 사시도이다.
도 7은 예시적인 전극 패턴이 상부에 형성된 베이스 재료의 웨브의 일 부분의 확대 평면도이다.
도 8은 본 개시내용의 전극 제조 시스템을 통해 가공된 후에 전극 패턴을 포함하는 전극 재료의 웨브로 형성된 베이스 재료의 등각도이다.
도 8a는 도 8의 전극 재료의 웨브의 일 부분의 평면도이다.
도 9는 본 개시내용의 전극 제조 시스템의 재권취 롤러의 하나의 적절한 실시예의 등각도이다.
도 10은 본 개시내용의 브러싱 스테이션의 하나의 적절한 실시예의 평면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 예시적인 브러싱 스테이션의 측면도이다.
도 12는 본 개시내용에 따른 검사 스테이션의 하나의 적절한 실시예의 등각도이다.
도 13은 본 개시내용의 하나의 적절한 실시예에 따른 척의 평면도이다.
도 14는 본 개시내용에 따른 병합 및 적층 배열의 부분 개략도이다.
도 14a는 본 개시내용에 따른 적층 디바이스의 부분 측면도이다.
도 14b는 도 14a의 적층 디바이스의 권출 섹션의 일 부분을 나타낸 확대된 상세도이다.
도 14c의 (1) 내지 도 14c의 (3)는 각각 본 개시내용에 따른 병합 배열의 측면도, 정면도 및 평면도를 도시한다.
도 14d는 본 개시내용의 전극 제조 시스템의 전극 재료 인장 섹션(electrode material tensioning section)의 등각도이다.
도 14e의 (1) 및 도 14e의 (2)는 본 개시내용의 실시예에 따른 테이퍼 형성되지 않은(상단) 및 테이퍼된(저부) 돌출부의 측면도를 포함하고, 도 14e의 (3) 및 도 14e의 (4)는 그 상면도를 포함한다.
도 14f의 (1)은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 역회전 브러시의 등각도(좌측)를 도시하고, 도 14f의 (2)는 평면도를 도시하고, 도 14f의 (3)은 측면도(우측)를 도시한다.
도 14g는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 병합 스프로켓을 갖는 웨브의 도 14b에 도시된 초기 접촉점의 확대도를 도시한다.
도 14h의 (1) 내지 도 14h의 (3)은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 병합 스프로켓과 상호작용하는 웨브의 3개의 도면, 평면도, 측면도 및 사시도를 각각 도시한다.
도 15는 본 개시내용에 따른 전극의 다층 스택의 단면도이다.
도 15a는 본 개시내용에 따른 전극 재료의 웨브의 부분 평면도이다.
도 16a는 본 개시내용에 따른 전극 서브-유닛의 다층 스택의 측면도이다.
도 16b는 도 16a의 전극 서브-유닛의 다층 스택의 부분 평면도이다.
도 16c는 제2 천공의 파열 후 도 16a의 다층 스택의 부분 평면도이다.
도 17은 본 개시내용에 따른 적층된 전지의 등각도이다.
도 18a 및 도 18b는 배터리 패키지가 상부에 배치된 적층된 전지의 순차적인 등각도이다.
도 19는 본 개시내용의 시스템의 병합 섹션의 측면도이다.
도 20은 본 개시내용의 고용량 적층 시스템(high volume stacking system)의 측면도이다.
도 20a는 도 20의 고용량 적층 시스템의 아래의 치형부의 부분 확대도이다.
도 21은 본 개시내용에 따른 수용 유닛의 사시도이다.
도 22는 도 21의 수용 유닛의 정면도이다.
도 23은 본 개시내용의 펀칭 및 적층 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 24a, 24b 및 24c는 각각 본 개시내용에 따른 하나의 전극 서브-유닛을 강조한 병합된 재료 웨브, 전극 서브-유닛 및 일련의 적층된 전극 서브-유닛의 평면도이다.
도 24d는 전극 서브-유닛의 집합체를 포함하는 병합된 재료 웨브의 일 실시예의 절두도이다.
도 24e는 본 개시내용의 수용 유닛의 등각도이다.
도 24f는 전극 서브-유닛의 집합체가 상부에 적층되어 있는 수용 유닛을 도시한 정면도이다.
도 25는 본 개시내용의 펀칭 및 적층 시스템의 병합해제 스프로켓의 등각도이다.
도 26a는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 펀칭 동작 동안의 펀치 헤드의 평면도이다.
도 26b는 도 26a에 도시된 펀치 헤드의 등각도이다.
도 26c는 도 26a의 부분 C의 상세도이다.
도 27은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 전극 재료의 웨브 상의 스페이서 부재를 도시한다.
도 28은 도 27의 스페이서 부재를 갖는 전극 재료의 웨브의 라인 A-A를 따른 단면도이다.
도 29는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 스페이서 부재를 포함하는 적층된 전지의 등각도이다.
도 30a 내지 도 30f는 본 개시내용의 상이한 실시예에 따른 단일 전극 서브-유닛을 나타낸, 도 29의 섹션(30A-D)을 따라 취해진 단면도이다.
도 31a 내지 도 31d는 본 개시내용의 상이한 실시예에 따른 단일 전극 서브-유닛을 나타낸, 도 29의 섹션(31A-D)을 따라 취해진 단면도이다.
도 32a 내지 도 32d는 본 개시내용의 상이한 실시예에 따른 단일 전극 서브-유닛을 나타낸, 도 29의 섹션(32A-D)을 따라 취해진 단면도이다.
도 33a 및 도 33b는 본 개시내용의 실시예에 따른 단위 전지 및 전극 서브-유닛의 실시예를 도시한다.
도 34a 및 도 34b는 보충 스페이서를 포함하는 본 개시내용의 상이한 실시예에 따른 단일 전극 서브-유닛을 나타낸, 도 29의 섹션(30A-D)을 따라 취해진 단면도를 도시한다.
도 35는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 적층되는 스페이서 부재를 포함하는 전극 서브-유닛을 도시한다.
정의
본 명세서에 사용된 "a", "an" 및 "the" (즉, 단수형)는 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 대상을 나타낸다. 예를 들어, 하나의 사례로서, "전극"에 대한 언급은 단일 전극과 복수의 유사한 전극을 모두 포함한다.
본 명세서에 사용된 "약" 및 "대략"은 언급된 값의 플러스 또는 마이너스 10%, 5%, 또는 1%를 지칭한다. 예를 들어, 한 예에서, 약 250 μm은 225 μm 내지 275 μm을 포함할 것이다. 추가의 예로서, 하나의 경우에, 약 1,000 μm은 900 μm 내지 1,100 μm을 포함할 것이다. 달리 나타내지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 사용된 양(예를 들어, 측정값 등) 등을 나타내는 모든 수치는 "약"이라는 용어에 의해 모든 경우에 수정되는 것으로 이해하여야 한다. 따라서, 달리 나타내지 않는 한, 하기 명세서 및 첨부된 청구범위에 기재된 수치 파라미터는 근사치이다. 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자의 수에 비추어 그리고 통상의 반올림 기술을 적용함으로써 해석되어야 한다.
2차 배터리와 관련하여 본 명세서에 사용되는 애노드는 2차 배터리의 음극을 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 "애노드 재료" 또는 "애노드 활성"은 2차 배터리의 음극으로서 사용하기에 적절한 재료를 의미한다.
2차 배터리와 관련하여 본 명세서에 사용되는 캐소드는 2차 배터리의 양극을 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 "캐소드 재료" 또는 "캐소드 활성"은 2차 배터리의 양극으로서 사용하기에 적절한 재료를 의미한다.
"전환 화학 활성 재료" 또는 "전환 화학 재료"는 2차 배터리의 충전 및 방전 사이클 동안 화학 반응을 겪은 재료를 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 "상대 전극"은 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 전극의 반대쪽인 2차 배터리의 음극 또는 양극(애노드 또는 캐소드)을 지칭할 수 있다.
충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 2차 배터리의 사이클링과 관련하여 본 명세서에 사용되는 사이클은, 배터리를 충전 또는 방전된 상태인 제1 상태로부터 제1 상태와 반대인 제2 상태(즉, 제1 상태가 방전된 경우 충전된 상태, 또는 제1 상태가 충전된 경우 방전된 상태)로 하나의 사이클에서 이동시킨 다음, 배터리를 다시 제1 상태로 이동시켜 사이클을 완료하도록 배터리를 충전 및/또는 방전하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 충전된 상태와 방전된 상태 사이의 2차 배터리의 단일 사이클은, 충전 사이클에서와 마찬가지로, 배터리를 방전된 상태로부터 충전된 상태로 충전한 다음, 다시 방전된 상태로 방전하여 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다. 단일 사이클은 또한, 방전 사이클과 마찬가지로, 배터리를 충전된 상태로부터 방전된 상태로 방전한 다음, 다시 충전된 상태로 충전하여 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 "전기화학적 활성 재료"는 애노드 활성 재료 또는 캐소드 활성 재료를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 "전극"은, 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 2차 배터리의 음극 또는 양극(애노드 또는 캐소드)을 지칭할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 "전극 집전체 층"은 애노드(예를 들어, 음극) 집전체 층 또는 캐소드(예를 들어, 양극) 집전체 층을 지칭할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 "전극 재료"는, 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 애노드 재료 또는 캐소드 재료를 지칭할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 "전극 구조체"는, 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 배터리에 사용하도록 구성된 애노드 구조체(예를 들어, 음극 구조체) 또는 캐소드 구조체(예를 들어, 양극 구조체)를 지칭할 수 있다.
"종방향 축", "횡방향 축", 및 "수직 축"은, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상호 직교하는 축들을 지칭한다(즉, 각각이 서로 직교한다). 예를 들어, 본 명세서에 사용되는 "종방향 축", "횡방향 축" 및 "수직 축"은 3차원 양태 또는 배향을 규정하는 데 사용되는 데카르트 좌표계와 유사하다. 이와 같이, 본 명세서에 개시된 주제의 요소에 대한 설명은 요소의 3차원 배향을 설명하는 데 사용되는 특정 축 또는 축들로 제한되지 않는다. 달리 말하면, 개시된 주제의 3차원 양태를 언급할 때 축은 교환 가능할 수 있다. "약화된 영역"은 스코어링, 절단, 천공 등과 같은 가공 작업을 받은 웨브의 일 부분을 지칭하며, 따라서 약화된 영역의 국소 파열 강도는 약화되지 않은 영역의 파열 강도보다 낮다.
본 개시내용의 실시예는, 배터리 용량 및 배터리 수명을 유지하거나 개선하고, 제조 프로세스 중에 결함 발생을 감소시키면서, 배터리 구성요소의 제조 속도를 개선하는 3차원 2차 배터리와 같은 배터리용 전극 구성요소의 생산을 위한 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
배터리에 사용하기 위한 전극 및 분리막을 비롯한 전극 구성요소의 생산을 위한 예시적인 시스템이 도 2를 참조하여 설명될 것이다. 전체적으로 100으로 나타낸 전극 생산(또는 제조) 시스템은 배터리에 사용하기 위한 정밀 전극의 효율적인 생산을 가능하게 하는 기능을 하는 다수의 개별 스테이션, 시스템, 구성요소 또는 장치를 포함한다. 먼저 생산 시스템(100)이 도 2와 관련하여 일반적으로 설명되고, 각각의 구성요소의 후속하는 추가적인 세부 사항은 더 광범위한 생산 시스템(100)이 소개된 후에 추가로 설명된다.
예시된 예시적인 실시예에서, 생산 시스템(100)은 베이스 재료(104)의 웨브를 유지하고 권출하기 위한 베이스 권출 롤러(102)를 포함한다. 베이스 재료(104)의 웨브는 전극 재료의 웨브(즉, 애노드 재료의 웨브 또는 캐소드 재료의 웨브), 2차 배터리용 전극 조립체의 생산에 적절한 분리막 재료 등일 수 있다. 베이스 재료(104)의 웨브는 롤 형태로 권취된 얇은 재료 시트이며, 베이스 권출 롤러(102) 상에 배치하기 위한 크기의 중심 관통 구멍을 갖는다. 일부 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는, 예를 들어, 전극 집전체 층(즉, 애노드 집전체 층 또는 캐소드 집전체 층), 및 적어도 하나의 주 표면 상의 전기화학적 활성 재료 층(즉, 애노드 활성 재료의 층 또는 캐소드 활성 재료의 층)을 포함하는 다층 재료이고, 다른 실시예에서, 베이스 재료의 웨브는 단일 층(예를 들어, 분리막 재료의 웨브)일 수 있다. 베이스 권출 롤러(102)는 금속, 금속 합금, 복합재, 플라스틱 또는 생산 시스템(100)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 권출 롤러(102)는 스테인리스강으로 제조되고 3 인치(76.2 mm)의 직경을 갖는다.
도 2의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 베이스 재료(104)의 웨브는 베이스 재료(104)의 웨브 권출을 용이하게 하기 위해 에지 가이드(106)를 가로질러 통과된다. 일 실시예에서, 에지 가이드(106)는 고정된 기준점에 대한 베이스 재료(104)의 웨브의 하나의 에지의 위치를 검출하기 위해 투과빔 유형 광학 센서를 사용한다. 피드백은 에지 가이드(106)로부터 "웨브 스티어링(web steering)" 롤러, 일반적으로 권출 롤러(102)로 전송되며, 롤러는 베이스 재료(104)의 웨브의 이동 방향에 수직인 방향으로 이동할 것이다. 이 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 이어서 아이들러(idler)(108a) 둘레를 거쳐 스플라이싱 스테이션(splicing station)(110)으로 지나간다. 아이들러(108a)(또한 아이들 롤러로 지칭될 수 있음)는 베이스 재료(104)의 웨브의 적절한 위치 설정 및 장력을 유지하는 것을 용이하게 할 뿐만 아니라 베이스 재료(104)의 웨브의 방향을 변경하는 것을 용이하게 한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 아이들러(108a)는 수직 방향으로 베이스 재료(104)의 웨브를 수용하고, 베이스 재료(104)의 웨브가 아이들러(108a)를 입력 방향으로부터 실질적으로 90도인 출력 방향으로 떠나도록 아이들러(108a) 둘레에 부분적으로 랩핑된다. 그러나, 입력 및 출력 방향은 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 변경될 수 있음을 이해하여야 한다. 일부 실시예에서, 생산 시스템(100)은 베이스 재료의 웨브가 생산 시스템(100)을 통해 반송될 때 1회 이상 웨브의 방향을 변경하기 위해 다수의 아이들러(108a-108x)를 사용할 수 있다. 아이들러(108a-108x)는 금속, 금속 합금, 복합재, 플라스틱, 고무 또는 생산 시스템(100)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 아이들러(108a-108x)는 스테인리스강으로 제조되고 1 인치(25.4 mm) 직경 x 18 인치(457.2 mm) 길이의 치수를 갖는다.
스플라이싱 스테이션(110)은 2개의 별개의 웨브를 함께 스플라이싱하는 것을 용이하게 하도록 구성된다. 하나의 적절한 실시예에서, 베이스 재료(104)의 제1 웨브가 권출되어, 베이스 재료(104)의 상기 웨브의 후단 에지(도시되지 않음)가 스플라이싱 스테이션(110) 내에서 정지됨에 따라, 베이스 재료(104)의 제2 웨브의 선단 에지(도시되지 않음)는 스플라이싱 스테이션(110)으로 권출되어, 제1 웨브의 후단 에지와 제2 웨브의 선단 에지가 서로 인접하게 된다. 이어서, 사용자는 접착 테이프와 같은 접착제를 적용하여 제2 웨브의 선단 에지를 제1 웨브의 후단 에지에 결합하여 2개의 웨브 사이에 이음매를 형성하고 베이스 재료의 연속 웨브를 생성할 수 있다. 이러한 프로세스는 사용자에 의해 좌우되는 바와 같이 베이스 재료(104)의 수많은 웨브에 대해 반복될 수 있다. 따라서, 스플라이싱 스테이션(110)은 하나의 연속적인 웨브를 형성하기 위해 함께 스플라이싱되는 베이스 재료의 다수의 웨브를 가질 가능성을 허용한다. 다른 실시예에서, 사용자는 원하는 경우 동일하거나 상이한 재료의 웨브를 함께 스플라이싱할 수 있음을 이해하여야 한다.
하나의 적절한 실시예에서, 스플라이싱 스테이션(110)을 빠져나갈 때, 베이스 재료(104)의 웨브는 이어서 웨브-다운 방향(down-web direction)(WD)으로 반송되어, 닙 롤러(112)에 진입할 수 있다. 닙 롤러(112)는 베이스 재료(104)의 웨브가 생산 시스템(100)을 통해 반송되는 속력의 제어를 용이하게 하도록 구성된다. 일 실시예에서, 닙 롤러(112)는 사이에 닙을 형성하는 공간을 갖는 적어도 2개의 인접한 롤러를 포함한다. 닙은, 베이스 재료(104)의 웨브를 이동시키기 위한 롤러의 마찰을 허용하기에 충분한 압력이지만 베이스 재료(104)의 웨브에 대한 어떠한 상당한 변형 또는 손상을 방지하기에 충분히 낮은 압력으로, 베이스 재료(104)의 웨브가 2개의 인접한 롤러(114) 각각에 대해 가압되도록 크기 설정된다. 일부 적절한 실시예에서, 인접한 롤러(114)(예를 들어, 닙 롤러)에 의해 베이스 재료(104)의 웨브에 대해 인가되는 압력은 교차-웨브 방향(cross-web direction)(XWD)에서 베이스 재료(104)의 웨브의 교차-웨브 스팬(Sw)(즉, 교차-웨브 방향(XWD)에서 웨브의 에지 간 거리)(도 6, 도 8a)에 걸쳐 0 내지 210 파운드의 힘, 예컨대 0 lb, 5 lb, 10 lb, 15 lb, 20 lb, 25 lb, 30 lb, 35 lb, 40 lb, 45 lb, 50 lb, 55 lb, 60 lb, 65 lb, 70 lb, 75 lb, 80 lb, 85 lb, 90 lb, 95 lb, 100 lb, 110 lb, 120 lb, 130 lb, 140 lb, 150 lb, 160 lb, 170 lb, 180 lb, 190 lb, 200 lb, 또는 210 lb의 힘으로 설정된다.
하나의 적절한 실시예에서, 인접한 롤러(114) 중 적어도 하나는 전기 모터에 의해 구동되는 고마찰 롤러일 수 있는 유연성 롤러이고, 인접한 롤러(114) 중 다른 하나는 저마찰 수동 롤러이다. 유연성 롤러는 적어도, 베이스 재료(104)의 웨브에 밀거나 당기는 힘을 제공하여 생산 시스템(100)을 통해 이를 반송하기 위해 베이스 재료(104)의 웨브에 충분한 그립을 제공할 수 있는 고무 또는 폴리머로 제조된 외부 표면을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 인접한 롤러(114) 중 적어도 하나는 약 3.863 인치(98.12 mm)의 직경을 갖는 강철 롤러이다. 다른 실시예에서, 인접한 롤러(114) 중 적어도 하나는 약 2.54 인치(64.51 mm)의 직경을 갖는 고무 롤러이다. 또 다른 실시예에서, 인접한 롤러(114) 중 하나 이상은 롤러의 폭을 따라 임의의 위치에 배치하기 위해 조정될 수 있는, 그 위에 배치된 고무 링을 포함하고, 각각의 링은 약 3.90 인치(99.06 mm)의 외경을 갖는다. 일 실시예에서, 하나 이상의 고무 링은 롤러 상에 배치되어 베이스 재료(104)의 웨브와 그 연속적인 외부 에지에서 접촉하여 웨브-다운 방향(WD)으로 베이스 재료(104)의 웨브를 구동한다. 따라서, 베이스 재료(104)의 웨브의 속력은 사용자 인터페이스(116)를 통해 고마찰 롤러의 회전 속도를 제어함으로써 제어된다. 실시예에서, 웨브 방향에서의 웨브의 속력은 0.001 m/s 내지 10 m/s가 되도록 제어된다. 실시예에서, 웨브 방향(WD)에서의 웨브의 최대 속력은 웨브 및 시스템 구성요소의 관성에 의해 결정되어, 웨브는 본 명세서에 추가로 설명되는 바와 같이 적절한 정렬, 평탄도 및 장력을 유지한다. 다른 실시예에서, 각각의 인접한 롤러(114)는 생산 시스템(100)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 고마찰 또는 저마찰 재료로 제조될 수 있다. 인접한 롤러(114) 중 하나 또는 양자 모두가 닙을 통과하는 베이스 재료(104)의 웨브의 속력을 제어하기 위해 모터(도시되지 않음)에 연결될 수 있음을 이해하여야 한다. 생산 시스템(100)은 사용자 인터페이스(116)를 통해 제어될 수 있는 생산 시스템(100)을 통해 반송되는 베이스 재료(104)의 웨브의 속력 제어를 용이하게 하기 위해 하나 이상의 추가 닙 롤러(122, 132)를 포함할 수 있다. 다수의 닙 롤러가 사용될 때, 각각의 닙 롤러는 베이스 재료(104)의 웨브가 생산 시스템(100)을 통해 원활하게 반송되도록 사용자 인터페이스(116)를 통해 동일한 속력으로 설정될 수 있다. 실시예에서, 웨브 방향(WD)에서 베이스 재료(104)의 웨브의 속력은 0.001 m/s 내지 10 m/s가 되도록 제어된다.
생산 시스템(100)은 또한 댄서(dancer)(118)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예시된 댄서(118)는 서로 이격된 한 쌍의 롤러를 포함하지만, 댄서(118)의 상기 한 쌍의 롤러 사이에서 중심축을 중심으로 연결된다. 댄서(118)의 한 쌍의 롤러는 중심축을 중심으로 회전할 수 있으며, 이에 의해 베이스 재료(104)의 웨브에 대한 장력을 수동적으로 조정할 수 있다. 예를 들어, 베이스 재료(104)의 웨브 상의 장력이 미리 결정된 임계값을 초과하면, 댄서(118)의 한 쌍의 롤러는 웨브 상의 장력을 감소시키기 위해 중심축을 중심으로 회전한다. 따라서, 댄서(118)는 댄서 단독의 질량(예를 들어, 한 쌍의 롤러 중 하나 이상의 질량), 스프링, 비틀림 로드(torsion rod) 또는 사용자 인터페이스(116)를 통해 사용자 조정 가능하거나 제어 가능할 수 있는 다른 편향/장력 디바이스(tensioning device)를 사용하여, 베이스 재료의 웨브에서 적절한 장력이 일관되게 유지되는 것을 보장할 수 있다. 일 실시예에서, 댄서(118)의 질량 및 댄서의 관성은 예를 들어 알루미늄으로 제조된 중공 롤러를 사용함으로써 500 그램 힘(gram force) 이하의 웨브 장력을 허용하도록 감소되거나 최소화된다. 다른 실시예에서, 댄서(118)의 롤러는 탄소 섬유, 알루미늄 합금, 마그네슘, 다른 경량 금속 및 금속 합금, 유리 섬유 또는 500 그램 힘 이하의 웨브 장력을 제공하기에 충분히 낮은 질량을 가능하게 하는 임의의 다른 적절한 재료와 같은 다른 경량 재료로 제조된다. 또 다른 실시예에서, 댄서(118)의 롤러는 250 그램 힘 이하의 베이스 재료(104)의 웨브의 장력을 허용하도록 평형을 이룬다.
생산 시스템(100)은 하나 이상의 레이저 시스템(120a, 120b, 120c)을 포함한다. 도 2에 도시된 실시예는 3개의 레이저 시스템(120a 내지 120c)을 포함하지만, 생산 시스템(100)이 본 명세서에서 설명된 바와 같이 기능하게 하기 위해 임의의 수의 레이저 시스템이 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 레이저 시스템(120a 내지 120c)에 대한 추가 설명은 도 3을 참조하여 이루어진다. 하나의 적절한 실시예에서, 레이저 시스템(120a 내지 120c) 중 적어도 하나는 절단 플레넘(304)(도 3)을 향해 레이저 빔(302)을 방출하도록 구성된 레이저 디바이스(300)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 절단 플레넘(304)은 척(306) 및 진공(308)을 포함한다. 척(306)의 세부 사항은 도 4 및 도 13에 가장 잘 도시되어 있으며, 아래에서 더 설명된다. 하나의 적절한 실시예에서 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 시스템(120)에 인접하여 하나 이상의 검사 디바이스(310, 312)가 있으며, 이 검사 디바이스는 생산 시스템(100)이 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이 기능하게 하는 카메라 또는 임의의 다른 적절한 검사 시스템과 같은 시각적 검사 디바이스일 수 있다.
도 2에 예시된 예시적인 생산 시스템(100)은 브러싱 스테이션(124) 및 에어 나이프(126)와 같은 하나 이상의 세정 스테이션을 포함한다. 각각의 세정 스테이션은 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이 베이스 재료(104)의 웨브로부터 부스러기(debris)(도시되지 않음)를 제거하거나 그 제거를 달리 용이하게 하도록 구성된다.
도 2의 생산 시스템(100)은 결함을 식별하기 위한 검사 시스템(128) 및 식별된 결함의 위치를 식별하기 위해 베이스 재료(104)의 웨브를 마킹하기 위한 관련 결함 마킹 디바이스(130)을 포함하며, 이는 본 명세서에서 추가로 설명된다.
하나의 적절한 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 간지 재료(138)의 웨브와 함께 재권취 롤러(134)를 통해 재권취되는데, 간지 재료의 웨브는 간지 롤러(136)를 통해 권출되어 간지 재료(138)에 의해 분리된 전극 층을 갖는 전극의 롤(140)을 생성한다. 일부 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 간지 재료(138)의 웨브 없이 재권취 롤러(134)를 통해 되감길 수 있다.
일련의 닙 롤러(112, 122 및 132), 아이들러(108a 내지 108x), 및 댄서(118a 내지 118x)는 생산 시스템(100)을 통해 베이스 재료(104)의 웨브를 반송하기 위한 반송 시스템으로 함께 지칭될 수 있음에 유의해야 한다. 본 명세서에 사용될 때, 베이스 재료(104)의 웨브의 반송 시스템 또는 반송은 생산 시스템(100)을 통한 웨브 방향(WD)으로의 베이스 재료(104)의 웨브의 의도된 움직임을 지칭한다.
도 5를 참조하면, 베이스 재료(104)의 웨브는 본 명세서에 설명되는 바와 같이 배터리에 사용하기 위한 전극 구성요소의 생산에 적절한 임의의 재료일 수 있다. 예를 들어, 베이스 재료(104)의 웨브는 전기 절연성 분리막 층(500), 애노드 재료(502) 또는 캐소드 재료(504)일 수 있다. 하나의 적절한 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 2차 배터리에서 분리막으로서 사용하기에 적절한 전기 절연성 및 이온 투과성 폴리머 직조 재료이다.
다른 적절한 실시예에서 그리고 도 5를 또한 참조하면, 베이스 재료(104)의 웨브는 애노드 집전체 층(506) 및 애노드 활성 재료 층(508)을 포함할 수 있는 애노드 재료(502)의 웨브이다. 애노드 집전체 층(506)은 구리, 구리 합금 또는 애노드 집전체 층으로서 적절한 임의의 다른 재료와 같은 전도성 금속을 포함할 수 있다. 애노드 활성 재료 층(508)은 애노드 집전체 층(506)의 제1 표면 상에 제1 층으로 형성되고 애노드 집전체 층(506)의 제2 대향 표면 상에 제2 층으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 애노드 집전체 층(506) 및 애노드 활성 재료 층(508)은 혼일(intermixing)될 수 있다. 제1 표면 및 제2 대향 표면은 베이스 재료(104)의 웨브의 주 표면, 또는 전방 표면 및 후방 표면으로 지칭될 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 주 표면은 웨브-다운 방향(WD)에서 베이스 재료의 웨브의 길이 및 교차-웨브 방향(XWD)에서 베이스 재료(104)의 웨브의 스팬에 의해 형성된 평면에 의해 형성된 표면을 지칭한다.
일반적으로, 베이스 재료(104)의 웨브가 애노드 재료의 웨브인 경우, 그 애노드 활성 재료 층(들)은 (각각) 적어도 약 10 μm의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료 층(들)은 (각각) 적어도 약 40 μm의 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 활성 재료 층(들)은 (각각) 적어도 약 80 μm의 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 활성 재료 층은 (각각) 적어도 약 120 μm의 두께를 가질 것이다. 그러나, 통상적으로, 애노드 활성 재료 층(들)은 (각각) 약 60 μm 미만 또는 심지어 약 30 μm 미만의 두께를 가질 것이다.
일반적으로, 음극 활성 재료는 이하로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다: (a) 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 카드뮴(Cd); (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Ni, Co 또는 Cd와 다른 원소의 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 또는 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀레늄화물 및 텔루르화물, 및 그의 혼합물, 복합재 또는 리튬-함유 복합재; (d) Sn의 염 및 수산화물; (e) 리튬 티타네이트, 리튬 망가네이트, 리튬 알루미네이트, 리튬-함유 티타늄 옥사이드, 리튬 전이 금속 옥사이드, ZnCo2O4; (f) 흑연 및 탄소의 입자; (g) 리튬 금속, 및 (h) 이들의 조합.
예시적인 애노드 활성 재료는 탄소 재료, 예컨대 흑연 및 연질 또는 경질 탄소, 또는 그래핀(예를 들어, 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브), 또는 리튬을 인터칼레이션하거나 리튬과 합금을 형성할 수 있는 임의의 다양한 금속, 반금속, 합금, 산화물, 질화물 및 화합물을 포함한다. 애노드 재료를 구성할 수 있는 금속 또는 반금속의 특정 예는 흑연, 주석, 납, 마그네슘, 알루미늄, 붕소, 갈륨, 실리콘, Si/C 복합재, Si/흑연 블렌드, 산화규소(SiOx), 다공성 Si, 금속간 Si 합금, 인듐, 지르코늄, 게르마늄, 비스무트, 카드뮴, 안티모니, 은, 아연, 비소, 하프늄, 이트륨, 리튬, 나트륨, 흑연, 탄소, 리튬 티타네이트, 팔라듐, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 애노드 활성 재료는 알루미늄, 주석, 또는 실리콘, 또는 이의 산화물, 이의 질화물, 이의 불화물, 또는 이의 다른 합금을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 애노드 활성 재료는 실리콘 또는 그 합금 또는 산화물을 포함한다.
일 실시예에서, 애노드 활성 재료는, 리튬 이온(또는 다른 캐리어 이온)이 충전 및 방전 프로세스 동안 음극 활성 재료에 혼입되거나 애노드 활성 재료 층을 떠날 때 체적 팽창 및 수축을 수용하기 위해 상당한 공극 체적 분율을 제공하도록 미세 구조화된다. 일반적으로, (각각의) 애노드 활성 재료 층(들)의 공극 체적 분율은 적어도 0.1이다. 그러나, 통상적으로, (각각의) 애노드 활성 재료 층(들)의 공극 체적 분율은 0.8 이하이다. 예를 들어, 일 실시예에서, (각각의) 애노드 활성 재료 층(들)의 공극 체적 분율은 약 0.15 내지 약 0.75이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, (각각의) 애노드 활성 재료 층(들)의 공극 체적 분율은 약 0.2 내지 약 0.7이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, (각각의) 애노드 활성 재료 층(들)의 공극 체적 분율은 약 0.25 내지 약 0.6이다.
미세 구조화된 애노드 활성 재료의 조성 및 그 형성 방법에 따라, 미세 구조화된 애노드 활성 재료는 거대다공성, 미세다공성 또는 메소다공성 재료 층 또는 그 조합, 예컨대 미세다공성 및 메소다공성의 조합, 또는 메소다공성 및 거대다공성의 조합을 포함할 수 있다. 미세다공성 재료는 통상적으로 10 nm 미만의 공극 치수, 10 nm 미만의 벽 치수, 1-50 마이크로미터의 공극 깊이, 및 일반적으로 "스펀지" 및 불규칙한 외관, 매끄럽지 않은 벽, 및 분지형 공극을 특징으로 하는 공극 형태를 특징으로 한다. 메소다공성 재료는 통상적으로 10-50 nm의 공극 치수, 10-50 nm의 벽 치수, 1-100 마이크로미터의 공극 깊이, 및 일반적으로 다소 잘 형성된 분지형 공극(branched pore) 또는 수지상 공극(dendritic pore)을 특징으로 하는 공극 형태를 특징으로 한다. 거대다공성 재료는 통상적으로 50 nm 초과의 공극 치수, 50 nm 초과의 벽 치수, 1-500 마이크로미터의 공극 깊이, 및 가변성, 직선형, 분지형, 또는 수지상이고 매끄럽거나 거친 벽일 수 있는 공극 형태를 특징으로 한다. 추가적으로, 공극 체적은 개방 또는 폐쇄 공극, 또는 그의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 공극 체적은 개방 공극을 포함하는 데, 즉, 음극 활성 재료는 리튬 이온(또는 다른 캐리어 이온)이 애노드 활성 재료에 진입하거나 애노드 활성 재료를 떠날 수 있는 개구를 음극 활성 재료의 측방향 표면에 갖는 공극을 포함하고; 예를 들어, 리튬 이온은 캐소드 활성 재료를 떠난 후에 공극 개구를 통해 애노드 활성 재료에 진입할 수 있다. 다른 실시예에서, 공극 체적은 폐쇄 공극을 포함하는 데, 즉, 애노드 활성 재료는 애노드 활성 재료에 의해 둘러싸인 공극을 포함한다. 일반적으로, 개방 공극은 캐리어 이온에 대해 더 큰 계면 표면적을 제공할 수 있는 반면, 폐쇄 공극은 캐리어 이온의 진입 시 애노드 활성 재료의 팽창을 위한 공간을 각각 제공하면서 고체 전해질 계면에 덜 민감한 경향이 있다. 따라서, 특정 실시예에서, 애노드 활성 재료는 개방 및 폐쇄 공극의 조합을 포함하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 다공성 알루미늄, 주석 또는 실리콘 또는 이들의 합금, 산화물 또는 질화물을 포함한다. 다공성 실리콘 층(Porous silicon layer)은, 예를 들어 양극 산화에 의해, 에칭에 의해(예를 들어, 단결정 실리콘의 표면에 금, 백금, 은 또는 금/팔라듐과 같은 귀금속을 퇴적하고 표면을 불화수소산 및 과산화수소의 혼합물로 에칭함으로써), 또는 패턴화된 화학 에칭과 같은 본 기술 분야에 알려진 다른 방법에 의해 형성될 수 있다. 추가로, 다공성 애노드 활성 재료는 일반적으로 적어도 약 0.1, 그러나 0.8 미만의 다공도 분율을 갖고 약 1 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공도 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공도 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공도 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 다공성 실리콘 합금(예컨대, 니켈 실리사이드)을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공도 분율을 갖는다.
다른 실시예에서, 애노드 활성 재료 층은 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 이들의 합금의 섬유를 포함한다. 개별 섬유는 약 5 nm 내지 약 10,000 nm의 직경(두께 치수) 및 애노드 활성 재료의 두께에 대체로 대응하는 길이를 가질 수 있다. 실리콘의 섬유(나노와이어)는, 예를 들어 화학 기상 증착 또는 증기 액체 고체(vapor liquid solid)(VLS) 성장 및 고체 액체 고체(solid liquid solid)(SLS) 성장과 같은 본 기술 분야에 알려진 다른 기술에 의해 형성될 수 있다. 추가적으로, 애노드 활성 재료는 대체로 적어도 약 0.1, 그러나 0.8 미만의 다공도 분율을 가질 것이고, 약 1 내지 약 200 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 실리콘 나노와이어를 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공도 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 실리콘 나노와이어를 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공도 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 활성 재료는 실리콘 나노와이어를 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공도 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 실리콘 합금(예컨대, 니켈 실리사이드)의 나노와이어를 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공도 분율을 갖는다.
또 다른 실시예에서, 음극(즉, 전극 또는 상대 전극)은, 안정화 리튬 금속 입자(stabilized lithium metal particle), 예를 들어 리튬 카르보네이트-안정화 리튬 금속 분말, 리튬 실리케이트 안정화 리튬 금속 분말, 또는 안정화 리튬 금속 분말 또는 잉크의 다른 공급원으로 구성된 그룹으로부터 선택된 미립자 리튬 재료로 코팅된다. 미립자 리튬 재료는 약 0.05 내지 5 mg/cm2, 예를 들어 약 0.1 내지 4 mg/cm2, 또는 심지어 약 0.5 내지 3 mg/cm2의 로딩 양으로 리튬 미립자 재료를 음극 활성 재료 층 상에 분무, 로딩 또는 달리 배치함으로써 음극 활성 재료 층 상에 적용될 수 있다. 리튬 미립자 재료의 평균 입자 크기(D50)는 5 내지 200 μm, 예를 들어 약 10 내지 100 μm, 20 내지 80 μm, 또는 심지어 약 30 내지 50 μm일 수 있다. 평균 입자 크기(D50)는 누적 체적-기반 입자 크기 분포 곡선에서 50%에 대응하는 입자 크기로서 규정될 수 있다. 평균 입자 크기(D50)는, 예를 들어 레이저 회절 방법을 사용하여 측정될 수 있다.
일반적으로, 애노드 집전체는 적어도 약 103 Siemens/cm의 전기 전도도를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 집전체는 적어도 약 104 Siemens/cm의 전도도를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 집전체는 적어도 약 105 Siemens/cm의 전도도를 가질 것이다. 애노드 집전체로서 사용하기에 적절한 예시적인 전기 전도성 재료는 구리, 니켈, 코발트, 티타늄 및 텅스텐과 같은 금속 및 이들의 합금을 포함한다.
다시 도 5를 참조하면, 또 다른 적절한 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 캐소드 집전체 층(510) 및 캐소드 활성 재료 층(512)을 포함할 수 있는 캐소드 재료(504)의 웨브이다. 캐소드 재료의 캐소드 집전체 층(510)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄 또는 캐소드 집전체 층으로서 사용하기에 적절한 임의의 다른 재료를 포함할 수 있다. 캐소드 활성 재료 층(512)은 캐소드 집전체 층(510)의 제1 표면에 제1 층으로서 형성되고, 캐소드 집전체 층(510)의 제2 대향 표면에 제2 층으로서 형성될 수 있다. 캐소드 활성 재료 층(512)은 캐소드 집전체 층(510)의 일면 또는 양면 상에 코팅될 수 있다. 유사하게, 캐소드 활성 재료 층(512)은 캐소드 집전체 층(510)의 하나 또는 양자 모두의 주 표면 상에 코팅될 수 있다. 다른 실시예에서, 캐소드 집전체 층(510)은 캐소드 활성 재료 층(512)과 혼일될 수 있다.
일반적으로, 베이스 재료(104)의 웨브가 캐소드 재료의 웨브인 경우, 그 캐소드 활성 재료 층(들)은 (각각) 적어도 약 20 μm의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(들)은 (각각) 적어도 약 40 μm의 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(들)은 (각각) 적어도 약 60 μm의 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(들)은 (각각) 적어도 약 100 μm의 두께를 가질 것이다. 그러나, 통상적으로, 캐소드 활성 재료 층(들)은 (각각) 약 90 μm 미만 또는 심지어 약 70 μm 미만의 두께를 가질 것이다.
일 실시예에서, 양극은 인터칼레이션형 화학 활성 재료, 전환 화학 활성 재료, 또는 이의 조합일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
본 개시내용에 유용한 예시적인 전환 화학 재료는 S(또는 리튬화 상태(lithiated state)의 Li2S), LiF, Fe, Cu, Ni, FeF2, FeOdF3.2d, FeF3, CoF3, CoF2, CuF2, NiF2 등을 포함하지만 이에 제한되지 않으며, 여기서 0 ≤ d ≤0.5이다.
예시적인 캐소드 활성 재료는 또한 매우 다양한 인터칼레이션형 캐소드 활성 재료들 중 임의의 것을 포함한다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리의 경우, 캐소드 활성 재료는 전이 금속 옥사이드, 전이 금속 술피드, 전이 금속 나이트라이드, 리튬-전이 금속 옥사이드, 리튬-전이 금속 술피드, 및 리튬-전이 금속 나이트라이드로부터 선택된 캐소드 활성 재료를 포함하여 선택적으로 사용될 수 있다. 이들 전이 금속 산화물, 전이 금속 황화물, 및 전이 금속 질화물의 전이 금속 원소는 d-쉘 또는 f-쉘을 갖는 금속 원소를 포함할 수 있다. 이러한 금속 원소의 특정 예는 Sc, Y, 란타노이드, 악티노이드(actinoids), Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pb, Pt, Cu, Ag 및 Au이다. 추가적인 캐소드 활성 재료는 LiCoO2, LiNi0.5Mn1.5O4, Li(NixCoyAlz)O2, LiFePO4, Li2MnO4, V2O5, 몰리브데넘 옥시술피드, 포스페이트, 실리케이트, 바나데이트, 황, 황 화합물, 산소(공기), Li(NixMnyCoz)O2, 및 이들의 조합을 포함한다.
일반적으로, 캐소드 집전체는 적어도 약 103 Siemens/cm의 전기 전도도를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 집전체는 적어도 약 104 Siemens/cm의 전도도를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 집전체는 적어도 약 105 Siemens/cm의 전도도를 가질 것이다. 예시적인 캐소드 집전체는 알루미늄, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 텅스텐과 같은 금속 및 이의 합금을 포함한다.
다시 도 5를 참조하면, 또 다른 적절한 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 전기 절연성이지만 이온 투과성인 분리막 재료의 웨브이다. 전기 절연성 분리막 층(500)은 2차 배터리의 캐소드 집합체의 각각의 구성체(member)로부터 애노드 집합체의 각각의 구성체를 전기적으로 격리하도록 구성된다. 전기 절연성 분리막 층(500)은 통상적으로 비-수성 전해질로 침투할 수 있는 미세다공성 분리막 재료를 포함할 것이고; 예를 들어, 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료는 적어도 50 Å, 더욱 전형적으로 약 2,500 Å 범위의 직경, 및 약 25% 내지 약 75% 범위, 더욱 전형적으로는 약 35-55% 범위의 다공도를 갖는 공극을 포함한다.
일반적으로, 베이스 재료(104)의 웨브가 전기 절연성 분리막 재료의 웨브일 때, 전기 절연성 분리막 재료는 적어도 약 4 μm의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전기 절연성 분리막 재료는 적어도 약 8 μm의 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전기 절연성 분리막 재료는 적어도 약 12 μm의 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전기 절연성 분리막 재료는 적어도 약 15 μm의 두께를 가질 것이다. 그러나, 통상적으로, 전기 절연성 분리막 재료는 약 12 μm 미만 또는 심지어 약 10 μm 미만의 두께를 가질 것이다.
일반적으로, 분리막은 단위 전지의 양극 및 음극 활성 재료 사이에서 캐리어 이온을 전도하는 능력을 갖는 매우 다양한 분리막으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 분리막은 액체, 비수성 전해질이 침투될 수 있는 미세다공성 분리막 재료를 포함할 수 있다. 대안적으로, 분리막은 단위 전지의 양극과 음극 사이에서 캐리어 이온을 전도할 수 있는 겔 또는 고체 전해질을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 분리막은 폴리머 기반 전해질을 포함할 수 있다. 예시적인 폴리머 전해질은 PEO-기반 폴리머 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질, 및 폴리머-세라믹 복합 전해질을 포함한다.
다른 실시예에서, 분리막은 산화물 기반 재료 전해질을 포함할 수 있다. 예시적인 산화물 기반 전해질은 리튬 란타넘 티타네이트((Li0.34La0.56TiO3), Al-도핑된 리튬 란타넘 지르코네이트(Li6.24La3Zr2Al0.24O11.98), Ta-도핑된 리튬 란타넘 지르코네이트(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12) 및 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3)를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 분리막은 고체 전해질을 포함할 수 있다. 예시적인 고체 전해질은 황화물 기반 전해질, 예컨대 리튬 주석 포스포러스 술피드(Li10SnP2S12), 리튬 포스포러스 술피드(β-Li3PS4) 및 리튬 포스포러스 황 클로라이드 아이오다이드(Li6PS5Cl0.9I0.1)를 포함한다.
일 실시예에서, 분리막은 미립자 재료 및 바인더를 포함하고, 적어도 약 20 체적%의 다공도(공극률)를 갖는 미세다공성 분리막 재료를 포함한다. 미세다공성 분리막 재료의 공극은 적어도 50 Å의 직경을 가질 것이고 통상적으로 약 250 내지 2,500 Å 범위 내에 속한다. 미세다공성 분리막 재료는 통상적으로 약 75% 미만의 다공도를 가질 것이다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료는 적어도 약 25 체적%의 다공도(공극률)를 갖는다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료는 약 35 내지 55%의 다공도를 가질 것이다.
미세다공성 분리막 재료용 바인더는 광범위한 무기 또는 폴리머 재료로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 바인더는 실리케이트, 포스페이트, 알루미네이트, 알루미노실리케이트, 및 히드록시드, 예컨대 수산화마그네슘, 수산화칼슘 등으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 유기 재료이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 바인더는 비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜, 등을 함유하는 단량체로부터 유도된 플루오로중합체이다. 또 다른 실시예에서, 바인더는 임의의 다양한 가변 분자량 및 밀도를 갖는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리부텐과 같은 폴리올레핀이다. 또 다른 실시예에서, 바인더는 에틸렌-디엔-프로펜 삼원공중합체, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈, 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 바인더는 메틸 셀룰로스, 카르복시메틸 셀룰로스, 스티렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 및 폴리에틸렌 옥시드로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 바인더는 아크릴레이트, 스티렌, 에폭시, 및 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 바인더는 전술한 폴리머 중 2개 이상의 공중합체 또는 블렌드이다.
미세다공성 분리막 재료에 의해 포함된 미립자 재료는 또한 광범위한 재료로부터 선택될 수 있다. 일반적으로, 이러한 재료는 작동 온도에서 상대적으로 낮은 전자 및 이온 전도도를 가지며 미세다공성 분리막 재료와 접촉하는 배터리 전극 또는 집전체의 작동 전압 하에서 부식되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 미립자 재료는 1x10-4S/cm 미만의 캐리어 이온(예를 들어, 리튬)에 대한 전도도를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 미립자 재료는 1x10-5 S/cm 미만의 캐리어 이온에 대한 전도도를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 미립자 재료는 1x10-6 S/cm 미만의 캐리어 이온에 대한 전도도를 갖는다. 예시적인 미립자 재료는 미립자 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, TiO2-폴리머 복합재, 실리카 에어로겔, 흄드 실리카, 실리카 겔, 실리카 히드로겔, 실리카 크세로겔, 실리카 졸, 콜로이드성 실리카, 알루미나, 티타니아, 마그네시아, 카올린, 활석, 규조토, 규산칼슘, 규산알루미늄, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 미립자 재료는 TiO2, SiO2, Al2O3, GeO2, B2O3, Bi2O3, BaO, ZnO, ZrO2, BN, Si3N4, Ge3N4와 같은 미립자 산화물 또는 질화물을 포함한다. 예를 들어, 문헌 [P. Arora and J. Zhang, "Battery Separators" Chemical Reviews 2004, 104, 4419-4462]을 참조한다. 일 실시예에서, 미립자 재료는 약 20 nm 내지 2 마이크로미터, 보다 통상적으로는 200 nm 내지 1.5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다. 일 실시예에서, 미립자 재료는 약 500 nm 내지 1 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다.
대안 실시예에서, 미세다공성 분리막 재료에 의해 포함된 미립자 재료는 소결, 결합, 경화 등과 같은 기술에 의해 결합될 수 있으며, 배터리 기능을 위한 이온 전도도를 제공하기 위해 전해질 침입에 요망되는 공극률을 유지한다.
조립된 에너지 저장 디바이스에서, 미세다공성 분리막 재료는 2차 배터리 전해질로서 사용하기에 적절한 비-수성 전해질로 침투된다. 통상적으로, 비-수성 전해질은 리튬 염 및/또는 유기 용매 및/또는 용매 혼합물에 용해된 염의 혼합물을 포함한다. 예시적인 리튬 염은 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiCl, 및 LiBr와 같은 무기 리튬 염; 및 LiB(C6H5)4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF3)3, LiNSO2CF3, LiNSO2CF5, LiNSO2C4F9, LiNSO2C5F11, LiNSO2C6F13, 및 LiNSO2C7F15와 같은 유기 리튬 염을 포함한다. 리튬 염을 용해시키기 위한 예시적인 유기 용매는 환형 에스테르, 사슬형 에스테르, 환형 에테르 및 사슬형 에테르를 포함한다. 환형 에스테르의 특정 예는 프로필렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, γ-부티로락톤, 비닐렌 카르보네이트, 2-메틸-γ-부티로락톤, 아세틸-γ-부티로락톤, 및 γ-발레로락톤을 포함한다. 사슬형 에스테르의 특정 예는 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 디부틸 카르보네이트, 디프로필 카르보네이트, 메틸 에틸 카르보네이트, 메틸 부틸 카르보네이트, 메틸 프로필 카르보네이트, 에틸 부틸 카르보네이트, 에틸 프로필 카르보네이트, 부틸 프로필 카르보네이트, 알킬 프로피오네이트, 디알킬 말로네이트, 및 알킬 아세테이트를 포함한다. 환형 에테르의 특정 예는 테트라히드로푸란, 알킬테트라히드로푸란, 디알킬테트라히드로푸란, 알콕시테트라히드로푸란, 디알콕시테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 알킬-1,3-디옥솔란, 및 1,4-디옥솔란을 포함한다. 사슬형 에테르의 특정 예는 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시탄, 디에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 디에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 및 테트라에틸렌 글리콜 디알킬 에테르를 포함한다.
일 실시예에서, 미세다공성 분리막은 리튬 염과 고순도 유기 용매의 혼합물을 포함하는 비-수성 유기 전해질로 침투될 수 있다. 또한, 전해질은 폴리머 전해질 또는 고체 전해질을 사용하는 폴리머일 수 있다.
일 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 각각 애노드 활성 재료 층(508) 또는 캐소드 활성 재료 층(512)의 일 표면 또는 양 표면에 접착된 접착 테이프 층(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 이어서, 원치 않는 재료 또는 부스러기를 제거하기 위해 접착층이 절제 및 절단(아래에서 설명함)에 후속하여 이후에 제거될 수 있다.
레이저 시스템(120a 내지 120c)의 실시예는 도 2 내지 도 6을 참조하여 추가로 설명된다. 베이스 재료(104)의 웨브는 웨브 방향(WD)으로 레이저 시스템(120)에 진입한다. 일 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 아직 절제되거나 절단되지 않은 제1 조건(400)으로 레이저 시스템(120a)에 진입한다. 따라서, 제1 조건(400)의 베이스 재료(104)의 웨브는 초기 상태로부터 결함 또는 변경이 실질적으로 없어야 한다. 베이스 재료(104)의 웨브는 복수의 진공 구멍(406)을 포함하는 척(306) 위로 통과한다. 진공 구멍(406)은 진공(308)과 유체 연결되어, 진공 구멍(406) 위를 통과하는 베이스 재료(104)의 웨브에 진공 압력을 도출한다. 진공 구멍(406)은 베이스 재료(104)의 웨브가 걸림 없이 진공 구멍 위로 더 쉽게 통과하게 하도록 엇갈리고 및/또는 모따기될 수 있다. 구멍의 단면적은 베이스 재료(104)의 웨브가 구멍으로 견인되는 것을 방지할 만큼 충분히 작아야 하지만 구멍을 통한 진공으로부터 적절한 기류를 허용할 만큼 충분히 커야 한다. 진공 압력은 베이스 재료(104)의 웨브가 척(306)을 가로질러 반송될 때 실질적으로 평탄한/평면형 상태로 유지하는 것을 용이하게 한다. 일부 적절한 실시예에서, 레이저 시스템(120)은 포커스에 민감하고, 이러한 실시예에서, 레이저 빔(302)이 절단 또는 절제 프로세스 동안 베이스 재료(104)의 웨브와 접촉할 때 포커스가 맞는 것을 보장하기 위해, 베이스 재료(104)의 웨브를 레이저 출력부(313)로부터 실질적으로 일정한 거리에서 유지하는 것이 중요하다. 따라서, 진공 구멍(406)을 통한 진공 압력은, 베이스 재료(104)의 웨브가 가공되는 동안 척(306)을 가로질러 실질적으로 평탄하게 유지되고 들리거나 좌굴되지 않는 것을 보장하기 위해, 예를 들어 사용자 인터페이스(116)를 통해 실시간으로 모니터링되고 조정될 수 있다. 진공 구멍의 단면 형상은 원형, 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 척(306)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 형상일 수 있다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 척(306)은 상류 에지(412) 및 하류 에지(414)에 의해 형성되는 개구(410)를 포함한다. 예시된 척(306)은 하류 에지(414)에 모따기부(416)를 포함한다. 이 실시예에서, 모따기부(416)는 베이스 재료(104)의 웨브가 하류 에지(414)에 포획되거나 걸리지 않고 베이스 재료(104)의 웨브가 하류 에지(414) 위를 통과하는 것을 용이하게 한다. 모따기부(416)의 각도(α)는 1도 내지 90도, 예컨대 5도, 10도, 15도, 20도, 25도, 30도, 35도, 40도, 45도, 50도, 55도, 60도, 65도, 70도, 75도, 80도, 85도 또는 모따기부(416)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 각도일 수 있다. 예시된 실시예에서, 예를 들어, 각도(α)는 약 25도이다. 모따기부(416)의 각도(α)가 모따기부(416) 위를 통과하는 베이스 재료(104)의 웨브의 편향보다 크면 성능이 개선된다는 것이 밝혀졌다. 모따기부(416)의 상부 에지(418)는 모따기부(416)로부터 척(306)의 표면으로의 매끄러운 전이를 제공하기 위해 둥글게 될 수 있다.
하나의 적절한 실시예에서, 척(306)은 알루미늄으로 형성된다. 그러나, 척(306)은 알루미늄 합금, 복합재, 금속 또는 금속 합금 또는 척(306)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 적절한 재료로 형성될 수 있다.
하나의 적절한 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 먼저 레이저 빔(302)(도 3)에 의해 절제되어 베이스 재료(104)의 웨브에 절제부(404)(도 4)를 생성한다. 일 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 애노드 재료(502)이고, 절제부(404)는 애노드 활성 재료 층(508)을 제거하여 애노드 집전체 층(506)을 노출시킨다(도 5). 다른 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 캐소드 재료(504)이고, 절제부(404)는 캐소드 활성 재료 층(512)을 제거하여 캐소드 집전체 층(510)을 노출시킨다. 일 실시예에서, 절제부(404)는 전극 탭(520)으로서 구성된다(캐소드 집전체 층 및 애노드 집전체 층을 각각 2차 배터리의 양극 및 음극 단자에 전기적으로 연결하도록 구성된다). 베이스 재료(104)의 웨브에 절제부(404)를 만들기 위해 레이저 시스템(120a)을 사용할 때, 레이저 빔(302)의 출력은 코팅 층을 실질적으로 완전히 또는 완전히 제거할 수 있지만 집전체 층을 손상시키거나 절단하지 않는 수준으로 설정된다. 사용 시에, 레이저 빔(302)은, 베이스 재료(104)의 웨브가 이동 중이고 다운-웨브 방향(WD)으로 반송하고 있는 동안에 절제부(404)를 생성하도록, 예를 들어, 사용자 인터페이스(116)를 통해 제어된다. 절제부(404)는 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이 베이스 재료(104)의 웨브의 각각의 측면에 생성된다. 일 실시예에서, 절제부(404)를 만든 후에, 레이저 시스템(120a)은 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이, 기점 피처(602)를 형성한다. 다른 실시예에서, 다수의 레이저는 각각 하나 이상의 절제부(404)를 생성하여 생산 시스템(100)의 처리량을 증가시키기 위해 베이스 재료(104)의 웨브의 일 부분을 각각 절제하는 데 사용될 수 있다.
도 2, 도 3 및 도 4를 더 참조하면, 생산 프로세스의 또 다른 스테이지에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 레이저 시스템(120a)의 절단 영역(408)을 향해 다운-웨브 방향(WD)으로 반송된다. 절단 영역(408)은 척(306)의 개구(410)를 포함한다. 일 실시예에서, 개구(410)는 진공(308)과 유체 연통하여, 개구(410) 위를 통과하는 베이스 재료(104)의 웨브에 진공 압력을 도출한다. 하나의 적합한 실시예에서, 개구(410)는 교차-웨브 방향(XWD)에서 베이스 재료(104)의 웨브의 전체 폭이 개구(410) 위에 현수되도록 베이스 재료(104)의 웨브보다 교차-웨브 방향(XWD)에서 더 넓다. 일 실시예에서, 척(306) 반대쪽에 있는 베이스 재료(104)의 웨브 상의 압력을 균등화하도록 구성된 제2 진공이 있을 수 있다. 이 실시예에서, 압력 균등화는 베이스 재료(104)의 웨브를 개구(410) 위를 통과할 때 실질적으로 평탄한/평면형 상태로 그리고 일정한 높이로 유지하는 것을 용이하게 하고, 이는 베이스 재료(104)의 웨브 상에 레이저 빔(302)의 포커스를 유지하는 것을 용이하게 한다. 일 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브를 지지하기 위해 캐리어 웨브가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어 웨브는 저점착성 접착제 또는 정전기 피닝을 사용하여 베이스 재료의 웨브에 제거 가능하게 부착된다. 이러한 실시예에서, 부착물은 가공 동안 베이스 재료의 웨브에 부착된 상태를 유지하기에 충분한 접착력을 갖지만 베이스 재료의 웨브에 손상을 유발하지 않고 제거 가능하다. 일 실시예에서, 캐리어 웨브는 베이스 재료(104)의 웨브를 가공하는 동안 사용되는 레이저 파장을 흡수하지 않는 재료이고, 그에 따라 캐리어 웨브는 절단, 기화(vaporizing) 또는 절제되지 않으며, 따라서 베이스 재료의 다른 웨브에서 재사용될 수 있다.
레이저 시스템(120a)은 베이스 재료(104)의 웨브가 개구(410) 위에 있는 동안 베이스 재료(104)의 웨브에서 하나 이상의 패턴(예컨대, 전극 인열 패턴으로 지칭될 수 있는 개별 전극 패턴(800)(도 8))을 절단하도록 구성되며, 이들 각각은 전극 구조체의 집합체 중 하나의 구성체이다. 도 6을 참조하면, 패턴은 교차-웨브 방향(XWD)에서 전극의 종방향 에지를 규정하는 하나 이상의 종방향 에지 절단부(600)를 포함할 수 있다. 종방향 에지 절단부(600)는 베이스 재료의 웨브가 다운-웨브 방향(WD)으로 반송되는 동안 교차-웨브 방향(XWD)으로 베이스 재료(104)의 웨브를 절단하는 레이저 빔(302)을 사용하여 절단된다. 교차-웨브 방향(XWD)은 다운-웨브 방향(WD)에 직교한다. 일 실시예에서, 다운-웨브 방향(WD)에 실질적으로 수직인 종방향 에지 절단부(600)를 생성하기 위해, 레이저 빔(302)은 다운-웨브 방향(WD)으로 베이스 재료(104)의 웨브의 움직임을 고려하기 위해 다운-웨브 방향(WD)에 대해 일정 각도로 이동하도록 제어되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 베이스 재료(104)의 웨브가 다운-웨브 방향(WD)으로 이동함에 따라, 레이저 빔(302)의 경로는 초기 절단 위치(604)에서 베이스 재료(104)의 웨브 상으로 투영된 다음, 웨브 방향으로 베이스 재료(104)의 웨브의 동작과 동기화된다. 따라서, 레이저 빔(302)의 경로는 종방향 에지 절단부(600)를 생성하기 위해 말단 절단 위치(606)에 도달할 때까지 교차-웨브 방향(XWD) 및 다운-웨브 방향(WD) 모두로 이동하도록 제어된다. 이 실시예에서, 레이저 빔(302)의 경로에 보상 인자가 적용되어 베이스 재료의 웨브가 웨브 방향(WD)으로 계속 이동하는 동안 교차-웨브 방향(XWD)으로 절단이 이루어지도록 한다. 레이저 빔(302)이 이동하는 각도는 다운-웨브 방향(WD)에서 베이스 재료(104)의 웨브의 속력에 기초하여 달라진다는 것을 이해하여야 한다. 다른 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 레이저 가공 작업 동안 일시적으로 정지되고, 이와 같이, 레이저 빔(302)의 경로는 다운-웨브 방향(WD)으로 베이스 재료의 웨브의 이동 동작을 고려할 필요가 없다. 이러한 실시예는 단계 프로세스, 또는 단계 및 반복 프로세스로 지칭될 수 있다. 레이저 가공 동안, 레이저 시스템(120a 내지 120c) 중 하나 이상은 레이저 가공 작업 동안 레이저 빔(302)을 조정/정렬하기 위해, 예를 들어 베이스 재료(104)의 웨브의 위치 설정에서 가능한 변동을 보상하기 위해 기점 피처(602)와 같은 반복 정렬 피처를 사용한다.
종방향 에지 절단부(600)가 교차-웨브 방향(XWD)으로 규정되고 전극 패턴의 반복 패턴이 교차-웨브 방향(XWD)으로 정렬되도록 레이저 가공 작업이 본 명세서에 설명되어 있지만, 다른 실시예에서, 본 명세서에 설명된 레이저 가공 작업은 종방향 에지 절단부(600) 및 모든 관련 절단부, 천공 및 절제 동작이 각각 직교하게 배향되도록 제어될 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 종방향 에지 절단부(600)는 다운-웨브 방향(WD)으로 정렬될 수 있어, 전극 패턴(800)의 집합체는 교차-웨브 방향(XWD)이 아니라 다운-웨브 방향(WD)으로 정렬된다.
일 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은 전극 패턴 중 하나 이상 사이에서 타이 바아(614)를 절단한다. 타이 바아(614)는 전극 패턴의 그룹 사이에서 윤곽 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 실시예에서, 타이 바아(614)는 5개의 개별 전극 패턴의 그룹 사이에서 절단된다. 그러나, 다른 실시예에서, 타이 바아(614)는 임의의 수의 개별 전극 패턴 후방에 포함될 수 있거나, 전혀 존재하지 않을 수 있다. 타이 바아는 상류 및 하류 타이 바아 에지 절단부(616, 618)에 의해 각각 형성된다. 일부 실시예에서, 타이 바아(614)는 가공 동안 웨브에 추가적인 구조적 강성도를 제공하도록 크기 설정된다.
또한, 하나의 적절한 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은 베이스 재료(104)의 웨브에서 복수의 기점 피처(602)와 같은 반복 정렬 피처 중 하나 이상을 절단한다. 일 실시예에서, 기점 피처(602)는 기점 관통 구멍이다. 기점 피처(602)는 베이스 재료(104)의 웨브 상의 알려진 위치에서 절단된다. 기점 피처(602)는 도 6에 원형으로 도시되어 있지만, 도 5에 도시된 바와 같이 직사각형일 수도 있거나, 또는 생산 시스템(100)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 크기 또는 형상일 수도 있다. 기점 피처(602)는 위치 및 이동 속력(speed of travel)을 측정하는 시각적 검사 시스템(310, 312) 중 하나 이상에 의해 추적된다. 이어서, 기점 피처(602)의 측정은 다운-웨브 방향(WD) 및 교차-웨브 방향(XWD) 모두에서 베이스 재료(104)의 웨브 상의 패턴의 전후 정렬을 정확하게 허용하기 위해 사용된다. 레이저 시스템(120a)은 또한 베이스 재료(104)의 웨브 정렬에 사용될 수 있는 복수의 트랙터 구멍(612)을 절단할 수 있거나, 또는 베이스 재료(104)의 웨브의 반송, 위치 설정 및 장력 제어를 위해 기어 휠(1210)(도 12)과 맞물리는 구멍으로서 사용될 수 있다. 트랙터 구멍(612)은 원형, 정사각형 또는 생산 시스템(100)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 형상일 수 있다. 다른 적절한 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 생산 시스템(100)을 통해 권출되고 반송되기 전에 미리 절단된 복수의 트랙터 구멍(612) 및/또는 기점 피처(602)를 갖는다. 일 실시예에서, 기점 피처(602) 대 전극 패턴(800)의 일대일 비율이 존재한다. 다른 실시예에서, 각각의 전극 패턴(800)당 2개 이상의 기점 피처가 있을 수 있다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 하나의 적절한 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은 전극 패턴의 일 부분으로서 베이스 재료(104)의 웨브에서 제1 천공(608) 및 제2 천공(610)을 절단한다. 제1 천공(608)은 또한 교차-웨브 방향(XWD)으로 전극 패턴의 외측에 있기 때문에 "외부 천공"이라고도 지칭될 수 있고, 제2 천공(610)은 또한 교차-웨브 방향(XWD)에서 외부 천공의 내부에 있기 때문에 "내부 천공"이라고 지칭될 수 있다. 천공(608, 610)은 베이스 재료(104)의 웨브의 부분(611)(도 6)의 확대도인 도 7에 가장 잘 도시되어 있다. 제1 천공(608)은, 베이스 재료의 웨브가 척(306)의 개구(410) 위에 위치 설정되는 동안, 레이저 빔(302)을 사용하는 레이저 절단에 의해 형성된다. 제1 천공(608)은 다운-웨브 방향(WD)과 정렬된 방향으로 선형 슬릿(예를 들어, 관통 절단부)으로서 형성된다. 중요한 것은, 제1 천공(608)이 전극(We)의 폭 전체에 걸쳐 연장되지 않는다는 것이다. 대신에, 전극 패턴이 베이스 재료(104)의 웨브에 연결된 상태로 유지되는 것을 보장하기 위해, 외부 인열 스트립(700)이 천공(608)의 상류 및 하류 에지 모두에 남아 있다.
유사하게, 도 6 및 도 7을 추가로 참조하면, 제2 천공(610)은 제1 천공(608)으로부터 (교차-웨브 방향(XWD)으로) 내부에 형성된다. 하나의 적절한 실시예에서, 제2 천공(610)은 내부 인열 스트립(702)에 의해 분리된 다운-웨브 방향(WD)의 슬릿 라인으로서 형성된다. 도시된 실시예에서, 제2 천공(610)은 관통 구멍(704)과 교차한다. 예시된 실시예에서, 내부 인열 스트립(702)은 외부 인열 스트립(700)의 길이의 적어도 2배이고, 그에 따라 외부 인열 스트립을 분리하는 데 필요한 파열력은 베이스 재료(104)의 웨브로부터 내부 인열 스트립(702)을 분리하는 데 필요한 파열력의 대략 절반이다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 인열 스트립의 파열 강도의 비율은 달라질 수 있지만, 외부 인열 스트립(700)이 내부 인열 스트립(702)보다 낮은 파열 강도를 갖는 것이 바람직하며, 그에 따라 베이스 재료(104)의 웨브 에지에 인장력 또는 전단력이 인가될 때, 외부 인열 스트립(700)이 내부 인열 스트립(702) 전에 파열될 것이다.
도 3, 도 4 및 도 6을 참조하면, 종방향 에지 절단부(600), 기점 피처(602), 및 척(306)의 개구(410) 위의 제1 및 제2 천공(608, 610)에 대한 레이저 절단을 수행함으로써, 부스러기가 개구(410)를 통해 떨어지는 것이 허용되고 또한 진공(308)이 레이저 절단 프로세스 중에 형성된 부스러기를 수집하게 한다.
하나의 적절한 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은 제1 절제 스테이션으로서 구성된다. 이 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은 베이스 재료(104)의 웨브의 제1 표면 상에 전술한 바와 같이 절제부(404)를 형성한다. 레이저 시스템(120a)을 빠져나갈 때, 베이스 재료(104)의 웨브는, 베이스 재료의 웨브의 제2 표면(제1 표면과 대향함)이 이 실시예에서 제2 절제 스테이션으로서 구성된 레이저 시스템(120b)에 의해 가공하도록 위치 설정되는 방식으로 베이스 재료의 웨브를 뒤집은 아이들러(108d) 위를 통과한다. 이 실시예에서, 레이저 시스템(120b)은 다운-웨브 방향(WD) 및 교차-웨브 방향(XWD)에서의 정렬을 보장하기 위해 기점 피처(602)를 사용하도록 구성된다. 따라서, 레이저 시스템(120b)은 베이스 재료(104)의 웨브의 대향 표면 상에 제2 절제 프로세스를 수행하고, 그에 따라 베이스 재료(104)의 웨브의 각각의 표면 상의 절제부(404)가 다운-웨브 방향(WD) 및 교차-웨브 방향(XWD)으로 정렬된다. 일 실시예에서, 절제부(404)는 전극의 집전체 탭으로서 구성된다.
일 실시예에서, 도 2에 도시된 레이저 시스템(120c)은 레이저 절단 스테이션으로서 구성된다. 이 실시예에서, 레이저 시스템(120c)은 종방향 에지 절단부(600), 제1 및 제2 천공(608, 610)과 같은 레이저 절단을 수행한다.
하나의 적절한 실시예에서, 레이저 시스템(120a 내지 120c)의 레이저 디바이스(300) 중 하나 이상은 20 와트 섬유 레이저이다. 실시예에서, 레이저 시스템(120a 내지 120c)의 적절한 레이저 디바이스(300)는 10 W 내지 5,000 W, 예컨대 10 W 내지 100 W, 100 W 내지 250 W, 250 W 내지 1 kW, 1 kW 내지 2.5 kW, 2.5 kW 내지 5 kW 범위 내의 레이저 출력을 갖는다. 적절한 레이저 디바이스(300)는, 예를 들어 150 nm 내지 375 nm, 375 nm 내지 750 nm, 750 nm 내지 1,500 nm, 및 1,500 nm 내지 10.6 μm와 같은 150 nm 내지 10.6 μm의 파장을 갖는 레이저 빔을 포함할 것이다. 실시예에서, 레이저 디바이스(300)는 연속파(cw), 마이크로초(μs), 나노초(ns), 피코초(ps) 및 펨토초(fs) 펄스 유형 중 하나 이상의 레이저 펄스 폭 유형이 가능할 것이다. 이러한 유형의 레이저 중 임의의 것은 단독으로 또는 레이저 시스템(120a 내지 120c)의 레이저 디바이스(300)로서 조합하여 사용될 수 있다. 다른 적절한 실시예에서, 레이저 디바이스(300)는 레이저 시스템(120a 내지 120c)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 수행하게 할 수 있는 임의의 다른 레이저이다.
일부 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 생산 시스템(100)에 로딩되기 전에 기계 펀칭 또는 레이저 절단된 기점 피처(602)를 포함할 수 있다. 다른 적절한 실시예에서, 기점 피처(602)는 베이스 재료의 웨브의 제1 표면 상에 절제부(404)를 형성한 후에 기계적으로 기계 펀칭될 수 있다. 다른 적절한 실시예에서, 생산 시스템(100)은 종방향 에지 절단부(600) 및/또는 제1 및 제2 천공(608, 610) 중 하나 이상을 형성하는 데 사용될 수 있는 하나 이상의 추가적인 기계적 펀치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 컨베이어 시스템의 롤러 중 하나 이상은 롤러가 편심을 갖도록 완벽하게 둥글지 않을 수 있다. 이러한 경우에, 특히 편심 롤러가 닙 롤러인 경우, 편심 롤러의 어떤 부분이 웨브와 접촉하는 지에 따라 베이스 재료(104)의 웨브의 위치가 상이한 방식으로 전진하는 방식으로 베이스 재료의 웨브가 반송될 수 있다. 예를 들어, 편심기의 반경의 일 부분이 롤러의 예상 반경을 초과하는 경우, 롤러의 더 큰 반경 부분이 웨브를 밀거나 당길 때 웨브가 예상보다 다운-웨브 방향(WD)으로 더 전진할 수 있다. 마찬가지로, 편심 롤러가 감소된 반경 부분을 갖는 경우, 웨브는 예상보다 다운-웨브 방향(WD)으로 감소된 거리를 전진할 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 편심 롤러(들)는 반경 대 반경방향 위치를 결정하기 위해 맵핑될 수 있다. 그 후, 레이저 시스템(120a 내지 120c)은 롤러(들)의 맵핑에 기초하여 편심을 고려하기 위해 레이저 빔(302) 위치를 조정하도록 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 롤러의 맵핑은 사용자 인터페이스(116)의 메모리에 저장될 수 있다.
레이저 시스템(120a 내지 120c) 중 하나 이상을 빠져나가면, 베이스 재료의 웨브는 브러싱 스테이션(124) 및 에어 나이프(126)와 같은 하나 이상의 세정 스테이션으로 반송될 수 있다. 하나의 적절한 실시예에서, 브러싱 스테이션(124)은 교차-웨브 방향(XWD)으로 이동하는 브러시(1000)(도 10 및 도 11)를 포함한다. 브러시(1000)는 강모 홀더(1004)에 의해 유지되는 강모 세트(1002)를 포함한다. 브러시(1000)는 강모(1002)가 베이스 재료(104)의 웨브 표면과 섬세하게 접촉하여 그로부터 임의의 부스러기를 제거하거나 치우도록 구성된다. 베이스 재료(104)의 웨브 표면에 대한 강모(1002)의 접촉 압력은 전극 패턴을 파괴, 파열하거나 달리 결함을 유발하지 않고 전극 패턴을 베이스 재료(104)의 웨브에 부착된 상태로 유지하기에 충분히 낮아야 한다. 일 실시예에서, 강모(1002)와 베이스 재료(104)의 웨브 표면 사이의 수직력은 0 내지 2 lbs, 예컨대 0.1 lbs, 0.2 lbs, 0.3 lbs, 0.4 lbs, 0.5 lbs, 0.6 lbs, 0.7 lbs, 0.8 lbs, 0.9 lbs, 1.0 lbs, 1.1 lbs, 1.2 lbs, 1.3 lbs, 1.4 lbs, 1.5 lbs, 1.6 lbs, 1.7 lbs, 1.8 lbs, 1.9 lbs 또는 2.0 lbs이다. 다른 실시예에서, 수직력은 2.0 lbs보다 클 수 있다.
일 실시예에서, 강모(1002)의 길이는 ¾ 인치(19.05 mm)이다. 일 실시예에서, 강모(1002)는 강모 홀더(1004) 내에 약 1/8인치만큼 삽입되거나 클램핑된다. 강모의 직경은 0.003 인치(0.076 mm) 내지 0.010 인치(0.254 mm), 예컨대 0.003 인치(0.076), 0.004 인치(0.101 mm), 0.005 인치(0.127 mm), 0.006 인치(0.152 mm), 0.007 인치(0.177 mm), 0.008 인치(0.203 mm), 0.009 인치(0.228 mm) 및 0.010 인치(0.254 mm)일 수 있다. 하나의 적절한 실시예에서, 강모(1002)는 나일론 강모이다. 그러나, 다른 실시예에서, 강모(1002)는 브러시(1000)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 천연 또는 합성 재료일 수 있다.
도 10 및 도 11을 추가로 참조하면, 하나의 적절한 실시예에서, 교차-웨브 방향(XWD)으로 브러시(1000)의 움직임을 실행하기 위해, 브러시(1000)는 베어링, 부싱 등과 같은 회전 가능한 커플링(1008)을 통해 크랭크 아암(1006)에 연결된다. 크랭크 아암(1006)은 제2 회전 가능 커플링(1012)을 통해 구동 휠(1010)에 회전 가능하게 결합된다. 회전 가능한 커플링은 구동 휠(1010)의 중심에서 벗어난 위치에 결합되어, 크랭크 아암(1006)은 교차-웨브 방향(XWD)에서 전후 동작으로 브러시(1000)를 진동시킨다. 구동 휠(1010)은 모터(1014)에 결합되어 구동 휠의 회전을 실행한다. 위치 센서(1016)가 구동 휠(1010)에 커플링된 브러시 위치 마커(1018)의 위치를 감지한다. 따라서, 위치 센서(1016)는 구동 휠(1010)의 위상(예를 들어, 각도 위치) 및 시간당 회전을 측정할 수 있다. 일 실시예에서, 구동 휠(1010)은 분당 0 내지 300 회전("rpm")(예를 들어, 브러시(1000)의 분당 0 내지 300 스트로크) 범위 내에 있도록, 예컨대 0 rpm, 25 rpm, 50 rpm, 75 rpm, 100 rpm, 125 rpm, 150 rpm, 175 rpm, 200 rpm, 225 rpm, 250 rpm, 275 rpm 및 300 rpm이 되도록 제어된다. 다른 실시예에서, 구동 휠(1010)의 rpm은 300 rpm보다 클 수 있다. 구동 휠(1010)의 일정한 rpm은 구동 휠(1010)에 대한 크랭크 아암(1006) 연결로 인해 브러시(1000)의 정현파 속력 변동을 야기할 것이라는 점에 유의한다.
하나의 적절한 실시예에서, 제2 브러시(도시되지 않음)는 베이스 재료(104)의 웨브의 대향 표면과 접촉하는 위치에 위치된다. 이 실시예에서, 제1 브러시(1000)와 실질적으로 동일할 수 있는 제2 브러시는 제1 브러시와 반대 방향으로, 적절하게는 제1 브러시와 180도 위상차로 이동하도록 구성된다. 제1 브러시 및 제2 브러시의 위상은 위치 센서(1016), 및 제2 브러시의 등가 위치 센서를 통해 결정될 수 있다. 이 실시예에서, 제1 브러시의 강모와 제2 브러시의 접촉 압력은 함께 전극 패턴을 파괴, 파열하거나 달리 결함을 유발하지 않고 전극 패턴을 베이스 재료(104)의 웨브에 부착된 상태로 유지하기에 충분히 낮아야 한다.
일 실시예에서, 브러시(1000)는 교차-웨브 방향(XWD)으로의 베이스 재료(104)의 웨브의 폭보다 교차-웨브 방향(XWD)으로 더 넓은 강모 폭(1022)을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 강모 폭(1022)은, 브러시(1000)가 교차-웨브 방향(XWD)으로 진동함에 따라, 강모(1002)가 브러시(1000)의 전체 동작 범위에 전체에 걸쳐 베이스 재료(104)의 웨브의 표면과 접촉을 유지하기에 충분한 폭으로 된다. 브러시(1000)의 진동 속도 및 베이스 재료(104)의 웨브 표면에 대해 강모(1002)에 의해 인가되는 압력은 사용자 인터페이스(116)를 사용하여 사용자에 의해 제어될 수 있다.
브러싱 스테이션(124)은 베이스 재료(104)의 웨브의 하나 이상의 표면으로부터 브러싱된 부스러기를 배출하기 위해 브러시 스테이션 오리피스(1020)를 통해 진공을 생성하도록 구성된 진공 시스템을 구비할 수 있다. 이 실시예에서, 부스러기는 베이스 재료(104)의 웨브로부터 브러싱되어 떨어지거나, 브러시 스테이션 오리피스(1020)를 통해 흡인될 수 있다. 브러시 스테이션 오리피스(1020)는 원형인 것으로 예시되어 있지만, 브러싱 스테이션(124)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 형상일 수 있다. 또한, 브러시 스테이션 오리피스(1020)의 상부 에지는 모따기될 수 있고, 및/또는 베이스 재료의 웨브의 에지가 걸리지 않고 베이스 재료(104)의 웨브가 그 위를 더 쉽게 통과하게 하는 위치에서 엇갈리게 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 진공 수준은 0 내지 140 인치 H2O, 예컨대 0 인치 H20, 10 인치 H20, 20 인치 H20, 30 인치 H20, 40 인치 H20, 50 인치 H20, 60 인치 H20, 70 인치 H20, 80 인치 H20, 90 인치 H20, 100 인치 H20, 110 인치 H20, 120 인치 H20, 130 인치 H20, 및 140 인치 H20이 되도록 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 진공의 유량은 분당 약 0 내지 425 입방피트("cfm"), 예컨대 0 cfm, 25 cfm, 50 cfm, 75 cfm, 100 cfm, 125 cfm, 150 cfm, 175 cfm, 200 cfm, 225 cfm, 250 cfm, 275 cfm, 300 cfm, 325 cfm, 350 cfm, 375 cfm, 400 cfm 및 425 cfm이 되도록 제어된다. 다른 실시예에서, 진공 수준 및 유량은 각각 140 in H2O 및 425 cfm보다 클 수 있다. 진공 수준 및 유량은, 베이스 재료(104)의 웨브와 반송 시스템 구성요소 사이에 불필요한 마찰을 생성하지 않고 부스러기가 베이스 재료(104)의 웨브로부터 멀어지게 당겨지는 범위 내에 있도록 제어된다. 이러한 진공 수준 및 유량은, 일부 실시예에서, 진공을 사용하는 시스템의 모든 다른 구성요소에 적용 가능하다.
다른 적절한 실시예에서, 제1 브러시 및 제2 브러시 중 하나 이상은 브러시가 전극 재료(802)의 웨브에 인가하는 압력을 측정하거나 모니터링하는 부하 센서를 포함할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 전극 재료(802)의 웨브는, 개별 전극 패턴(800)의 집합체가 그 내부에 형성되도록, 본 명세서에 설명된 바와 같이 가공된 후의 웨브를 지칭한다. 이 실시예에서, 제1 브러시 및 제2 브러시는 브러시 강모 마모 또는 전극 두께 또는 표면 거칠기의 변동에 기초하여 전극 재료(802)의 웨브에 균일한 브러싱 압력을 유지하기 위해 사용자 인터페이스(116)를 통해 제어될 수 있다.
다른 적절한 실시예에서, 제1 브러시 및 제2 브러시 중 하나 이상은, 전극 재료(802)의 웨브의 속력 비율(rate of speed)과 등가의 속력 비율로 다운-웨브 방향(WD)에서 적어도 부분적으로 이동하고, 따라서 다운-웨브 방향(WD)에서 브러시와 전극 재료(802)의 웨브 사이의 속력 차이를 실질적으로 0으로 유지하도록 구성된다.
또 다른 적절한 실시예에서, 브러싱 스테이션(124)은 제1 브러시 및 제2 브러시의 위상을 결정하기 위해 위상 측정 센서(1016)를 구비할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 위상 센서는 제1 브러시 및 제2 브러시의 홈 센서 플래그(1018)의 위치를 측정할 수 있다. 이 실시예에서, 위상 측정 센서(1016)는 제1 및 제2 브러시가 다양한 미리 결정된 위상차, 예컨대 180도 위상차, 90도 위상차 또는 0도 위상차 또는 생산 시스템(100)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 적절한 위상차에 내에 있는지 여부를 결정한다. 본 명세서에 사용될 때, 브러시의 "위상"은 2개의 별개의 브러시의 강모가 "동위상"일 때 정렬되도록 하는 브러시의 각도 위치를 지칭한다.
또 다른 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(도시되지 않음)는 초음파 진동을 제1 및 제2 브러시 중 하나 이상에 부여하여 전극 재료(802)의 웨브로부터 부스러기 제거를 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
도 2를 더 참조하면, 하나의 적절한 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 에어 나이프(126)를 통해 반송된다. 본 명세서에 사용될 때, 에어 나이프라는 용어는 베이스 재료(104)의 웨브에 송풍되는 고압 공기를 사용하는 디바이스를 지칭한다. 고압 공기는 베이스 재료(104)의 웨브의 표면과 접촉하고 이 표면으로부터 부스러기를 제거한다. 에어 나이프(126)는 전극 패턴을 파괴, 파열하거나 달리 결함을 유발하지 않고 전극 패턴을 베이스 재료(104)의 웨브에 부착된 상태로 유지하도록 하는 압력/속도로 공기를 공급하도록 제어된다. 또 다른 실시예에서, 제2 에어 나이프(126)는 베이스 재료(104)의 웨브의 대향 표면에 공기를 송풍하여 그로부터 부스러기를 제거하도록 구성된다. 이 실시예에서, 제2 에어 나이프는 제1 에어 나이프와 동일한 방향으로, 또는 제1 에어 나이프와 반대 방향으로, 또는 에어 나이프(126)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 방향으로 공기를 송풍할 수 있다. 일 실시예에서, 에어 나이프(126) 스테이션은 에어 나이프(126)에 의해 제거된 부스러기의 제거를 용이하게 하는 진공을 구비한다.
도 8을 참조하면, 레이저 시스템(120a 내지 120c)에 의해 가공되고 브러시 스테이션(124) 및 에어 나이프(126)에 의해 세정된 후, 베이스 재료(104)의 웨브는 베이스 재료(104)의 웨브 내에 전극 패턴(800)의 집합체를 포함하는 웨브(집합적으로, 전극 재료(802)의 웨브)으로서 세정 스테이션을 빠져나간다.
도 2, 도 8 및 도 12를 추가로 참조하면, 일 실시예에서, 전극 재료(802)의 웨브는 검사 디바이스(128)를 통과한다. 검사 디바이스(128)는 전극 재료(802)를 분석하고 웨브 상의 결함을 식별하도록 구성된 디바이스이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 검사 디바이스(128)는 전극 재료(802)의 웨브 상의 전극 패턴을 분석하도록 구성된 디지털 3-D 카메라와 같은 디지털 카메라일 수 있는 카메라(1200)를 포함하는 시각적 검사 디바이스이다. 일 실시예에서, 카메라(1200)는 48 메가픽셀 감도를 갖는 CMOS를 포함하는 디지털 광 카메라이다. 카메라(1200)는 넓은 시야 렌즈일 수 있는 렌즈(1202)에 광학적으로 결합된다. 일 실시예에서, 렌즈(1202)는 텔레센트릭 렌즈이다. 렌즈(1202)는, 일 실시예에서, 렌즈(1202)의 포커스를 제어하기 위해 수직 방향(V)으로 조정 가능할 수 있는 렌즈 장착부(1204)에 의해 제자리에 유지된다. 렌즈(1202)는 검사판(1206) 위를 통과할 때 전극 재료(802)의 웨브에 포커싱하도록 조준된다. 일 실시예에서, 검사판(1206)은 백라이트를 생성하기 위해 검사판(1206) 내에 수용된 광원(도시되지 않음)으로부터의 광이 검사판을 통해 비추게 하는 투명 또는 반투명 상단(1208)을 포함한다. 하나의 적절한 실시예에서, 광의 강도 및/또는 색상은 사용자 인터페이스(116)를 통해 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 상류 광 및 하류 광과 같은 하나 이상의 추가 광원이 검사 스테이션(128) 내에 있는 동안 전극 재료(802)의 웨브를 조명한다. 일부 실시예에서, 각각의 광원은 강도 및 색상에 대해 독립적으로 제어 가능하다. 일 실시예에서, 백라이트는 확산 저각 링 라이트를 포함한다. 전극 재료(802)의 웨브는 전극 재료(802)의 웨브의 트랙터 구멍(612)과 맞물리도록 구성된 기어 휠(1210)에 의해 검사판(1206) 위에 고정되고 반송될 수 있다. 그렇게 함으로써, 전극 재료(802)의 웨브는 전극 재료(802)의 웨브의 말림을 실질적으로 제거하기 위해 검사 플레이트(1206)에 대해 견고하게 유지된다. 검사판 선단 에지(1214) 및 검사판 후단 에지(1216) 각각은 (예를 들어, 각도(α)와 유사한 각도로) 모따기되어 전극 재료의 웨브가 걸림 없이 원활하게 통과하게 할 수 있다.
도 12를 계속 참조하면, 일 실시예에서, 검사 디바이스(128)는 기점 피처(602), 종방향 에지 절단부(600), 또는 검사 디바이스(128)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 피처와 같은 전극 재료(802)의 웨브의 미리 결정된 피처를 검출하는 트리거 센서(1212)를 포함한다. 미리 결정된 피처의 검출 시, 트리거 센서(1212)는 신호를 카메라(1200)에 직접 또는 사용자 인터페이스(116)를 통해 간접적으로 전송하여, 카메라(1200)가 전극 재료(802)의 웨브의 전극을 이미징하도록 트리거한다. 전극을 이미징할 때, 카메라(1200)는 전극의 높이, 레이저 디바이스(120a-120c)(도 2) 중 하나에 의해 절단된 피처의 크기 또는 형상, 전극들 사이의 피치(거리), 또는 검사 디바이스가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 피처와 같은 하나 이상의 메트릭을 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 적절한 실시예에서, 검사 디바이스(128)는, 절제부(404)(도 4), 종방향 에지 절단부(600), 기점 피처(602), 트랙터 구멍(612), 개별 전극 구조체들 사이의 피치, 트랙터 구멍(612)의 교차-웨브 및 웨브 방향에서의 오프셋, 및 제1 및 제2 천공(608, 610)(도 6)이 크기, 형상, 배치 및 배향의 미리 규정된 공차 내에 있는지 여부를 검출한다. 하나의 적절한 실시예에서, 사용자는 사용자 인터페이스(116)를 사용하여 어느 피처를 검사할 지를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 전극 재료(802)의 웨브는 검사 디바이스(128)에 의한, 예컨대 균형 잡힌 진공 또는 유체(예를 들어, 공기) 유동을 전극 재료(802)의 웨브의 대향 측면 위로 인가하는 것의 사용에 의한 분석 동안 실질적으로 평탄하게 유지된다. 이 실시예에서, 검사 동안 전극 재료(802)의 웨브를 평탄하게 함으로써, 전극 재료(802)의 웨브 상에서 더욱 정밀한 이미징 및 분석이 수행될 수 있고, 따라서 더 높은 품질의 오류 및 결함 검출이 가능해진다. 일 실시예에서, 검사 시스템은 베이스 재료(104)의 웨브 및/또는 전극 재료(802)의 웨브의 인라인 계측을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 검사 디바이스(128)는 웨브가 다운-웨브 방향(WD)으로 반송되는 동안 웨브 두께, 전극 패턴의 크기 및 형상 등과 같은 메트릭을 측정하도록 구성될 수 있다. 이러한 메트릭은 뷰잉(viewing) 또는 메모리 저장을 위해 사용자 인터페이스(116)로 송신되거나, 또는 달리 생산 시스템(100)의 생산 파라미터를 조정하는 데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 검사 시스템(128)이 결함이 전극 재료(802)의 웨브(도 8) 상에 존재한다고 결정하는 경우, 마킹 디바이스(130)(도 2)은 이러한 결함을 식별하기 위해 전극 재료의 웨브를 마킹할 것이다. 마킹 디바이스(130)는 레이저 에칭 디바이스, 프린터, 스탬퍼 또는 전극 재료(802)의 웨브 상에 결함이 존재하는 것을 나타내는 마크를 배치할 수 있는 임의의 다른 마킹 디바이스일 수 있다. 다른 적절한 실시예에서, 마킹 디바이스(130)는 식별 번호(ID) 및 알려진 양호 전극(known good electrode)(KGE) 중 하나 이상으로 전극 재료(802)의 웨브를 마킹하도록 제어 가능하여, 전극 재료(802)의 웨브 내의 특정 전극의 품질 측정(예컨대, 결함의 수 또는 유형)을 나타내는 A 등급, B 등급, C 등급 등과 같은 등급으로 전극 재료(802)의 웨브를 추가로 마킹할 가능성을 허용한다.
베이스 재료(104)의 웨브를 전극 재료(802)의 웨브로 가공할 때, 전극 재료(802)의 웨브는 가공되지 않은 베이스 재료(104)의 웨브와 비교하여 다운-웨브 방향(WD)에서 25% 내지 90%의 웨브 강도 감소를 갖는다. 도 8a를 참조하면, 전극 재료(802)의 웨브의 일 부분이 도시되어 있다. 이 실시예에서, 전극 재료(802)의 웨브는 타이 바아(614)에 의해 분리된 5개의 전극 패턴(800)을 포함하는 전극 클러스터(EC)를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 전극 클러스터(EC)는 타이 바아(614) 사이에 하나 이상, 예를 들어 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20개 또는 임의의 다른 수의 전극 패턴(800)을 비롯하여 임의의 수의 개별 전극 패턴을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다. 거리(LEC)가 전극 클러스터(EC)의 제1 전극 패턴의 중심점과 제2 전극 클러스터(EC) 내의 제1 전극의 중심점 사이의 다운-웨브 방향(WD)으로의 거리로서 규정된다.
예시적인 실시예에서, 웨브의 교차-웨브 스팬(SW)은 교차-웨브 방향으로 3X mm이고 다운-웨브 방향(WD)으로 각각의 개별 전극 패턴(800)의 폭(WEP)은 X mm이다. 이 실시예에서, 다운-웨브 방향(WD)에서 웨브 강도 감소는 가공되지 않은 베이스 재료(104)의 웨브와 비교하여 33%이다. 웨브 강도 감소는 폭(WEP)을 교차-웨브 스팬(SW)으로 나눈 값으로서 계산된다(즉, X mm/3X mm = 0.33).
다른 예시적인 실시예에서, 웨브의 교차-웨브 스팬(SW)은 교차-웨브 방향에서 1.5X mm이고, 다운-웨브 방향(WD)에서의 각각의 전극 패턴(800)의 폭(WEP)은 1.3X mm이다. 이 실시예에서, 다운-웨브 방향(WD)에서 웨브 강도 감소는 가공되지 않은 베이스 재료(104)의 웨브와 비교하여 87%이다. 웹 강도의 감소는 WEP / Sw으로서 계산된다(즉, 1.3X/1.5X = 0.87). 다운-웨브 방향(WD)에서 웨브 강도는 적어도 힘 피드백이 있는 전기기계식 또는 유압식 재료 시험기를 사용하여 전극 재료(802)의 웨브의 파괴 강도로서 검증 및 측정되며, 인스트론 브랜드 시험 기계와 같은 변위 피드백을 포함할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브와 비교하여 전극 재료(802)의 웨브의 교차-웨브 방향(XWD)에서 강도 감소가 있다. 제1 예시적인 실시예에서, 전극 클러스터 폭(WEC)은 다운-웨브 방향(WD)에서 6X mm이고, 타이 바아(614)의 폭(WTB)은 다운-웨브 방향(WD)에서 X mm이며, 전극 패턴의 폭(WEP)은 다운-웨브 방향(WD)에서 X mm이고 전극 패턴의 길이(LE)는 교차-웨브 방향(XWD)에서 1.7X mm이다. 이 실시예에서, 교차-웨브 방향(XWD)에서 전극 재료(802)의 웨브의 강도 감소는 가공되지 않은 베이스 재료(104)의 웨브와 비교하여 약 77%이다. 다른 예시적인 실시예에서, 전극 클러스터 길이(LEC)는 10X mm이고, 타이 바(614)의 폭(WTB)은 0X mm이고(즉, 타이 바 없음), 전극 패턴의 폭(WEP)은 2X mm이고, 전극 패턴의 길이(LE)는 1.7X mm이다. 이 실시예에서, 교차-웨브 방향(XWD)에서 전극 재료(802)의 웨브의 강도 감소는 가공되지 않은 베이스 재료(104)의 웨브와 비교하여 약 92%이다. 교차-웨브 방향(XWD)에서 웨브 강도는 적어도 힘 피드백이 있는 전기기계식 또는 유압식 재료 시험기를 사용하여 전극 재료(802)의 웨브의 파괴 강도로서 검증 및 측정되며, 인스트론 브랜드 시험 기계와 같은 변위 피드백을 포함할 수 있다.
도 9를 추가로 참조하면, 전극 재료(802)의 웨브는 이어서 재권취 롤러(134)로 반송되고, 여기서 간지 재료(138)의 웨브와 함께 권취되어 전극 재료(802)의 웨브와 간지 재료(138)의 웨브의 교번하는 층을 갖는 스풀(900)을 생성한다.
하나의 적절한 실시예에서, 사용자 인터페이스(116)는 생산 시스템(100)이 본 명세서에서 설명된 바와 같이 기능하게 하는 명령을 저장 및 실행하도록 구성된 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(116)는, 사용자가 생산 시스템(100)의 파라미터를 제어하고 조정하게 할 뿐만 아니라 웨브 반송 속력, 장력, 결함의 수, 및 생산 시스템(100)이 본 명세서에서 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 파라미터와 같은 메트릭을 보게 하는 LCD 또는 LED 디스플레이와 같은 디스플레이 디바이스 및 제어부 또는 가상 제어부의 세트를 더 포함할 수 있다.
사용 시, 도 2를 참조하면, 생산 시스템(100)의 베이스 권출 롤러(102)는 베이스 재료(104)의 웨브로 로딩된다. 베이스 재료(104)의 웨브는 베이스 재료(104)의 웨브 권출을 용이하게 하기 위해 에지 가이드(106)를 가로질러 통과된다. 이 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 이어서 아이들러(108a) 둘레를 통과하여 스플라이싱 스테이션(110)으로 나아간다. 아이들러(108a)는 베이스 재료(104)의 웨브의 적절한 위치 설정 및 장력을 유지하는 것을 용이하게 할 뿐만 아니라 베이스 재료(104)의 웨브의 방향을 변경하는 데 사용된다. 아이들러(108a)는 수직 방향으로 베이스 재료(104)의 웨브를 수용하고, 이는 베이스 재료(104)의 웨브가 아이들러(108a)를 입력 방향으로부터 실질적으로 90도인 출력 방향으로 떠나도록 아이들러(108a) 둘레에 부분적으로 랩핑된다. 그러나, 입력 및 출력 방향은 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 변경될 수 있음을 이해하여야 한다. 일부 실시예에서, 생산 시스템(100)은 베이스 재료의 웨브가 생산 시스템(100)을 통해 반송될 때 1회 이상 웨브의 방향을 변경하기 위해 다수의 아이들러(108a-108x)를 사용할 수 있다. 이 실시예에서, 사용자는, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 아이들러(108a-108x)를 통해 베이스 재료(104)를 권출한다.
일 실시예에서, 스플라이싱 스테이션(110)은 2개의 별개의 웨브를 함께 스플라이싱하는 데 사용된다. 이 실시예에서, 베이스 재료(104)의 제1 웨브는, 베이스 재료(104)의 웨브의 후단 에지(도시되지 않음)가 스플라이싱 스테이션(110) 내에서 정지되고, 베이스 재료(104)의 제2 웨브의 선단 에지(도시되지 않음)가 스플라이싱 스테이션(110)으로 권출되며 그에 따라 제1 웨브의 후단 에지와 제2 웨브의 선단 에지가 서로 인접하게 되도록, 권출된다. 이어서, 사용자는 접착 테이프와 같은 접착제를 적용하여 제2 웨브의 선단 에지를 제1 웨브의 후단 에지에 결합하여 2개의 웨브 사이에 이음매를 형성하고 베이스 재료의 연속 웨브를 생성한다. 이러한 프로세스는 사용자에 의해 좌우되는 바와 같이 베이스 재료(104)의 수많은 웨브에 대해 반복될 수 있다.
하나의 적절한 실시예에서, 스플라이싱 스테이션(110)을 빠져나갈 때, 베이스 재료(104)의 웨브는 닙 롤러(112)를 향해 다운-웨브 방향(WD)으로 반송된다. 닙 롤러(112)는 베이스 재료(104)의 웨브가 생산 시스템(100)을 통해 반송되는 속력을 조정/유지하기 위해 사용자 인터페이스(116)를 통해 제어된다. 베이스 재료(104)의 웨브는, 베이스 재료(104)의 웨브를 이동시키기 위해 롤러의 마찰을 허용하기에 충분한 압력이지만 베이스 재료(104)의 웨브에 대한 임의의 상당한 변형 또는 손상을 피하기에 충분히 낮은 압력으로 닙 롤러(112)의 2개의 인접한 롤러(114) 각각에 대해 가압된다.
일 실시예에서, 사용 동안, 베이스 재료(104)의 웨브의 속력은 사용자 인터페이스(116)를 통해 닙 롤러(112)의 고마찰 롤러의 회전 속도를 제어함으로써 제어된다. 다른 실시예에서, 생산 시스템(100)은, 베이스 재료(104)의 웨브의 속력 제어를 용이하게 하기 위해 하나 이상의 추가 닙 롤러(122, 132)를 포함할 수 있으며, 베이스 재료의 웨브는 이를 통해 반송된다. 이 실시예에서, 추가 닙 롤러(122, 132)의 속력은 사용자 인터페이스(116)를 통해 제어될 수 있다. 사용 시, 다수의 닙 롤러가 사용될 때, 각각의 닙 롤러(112, 122, 132)의 각각의 속력은 사용자 인터페이스(116)를 통해 필요에 따라 동일한 속력 또는 상이한 속력으로 설정될 수 있고, 그에 따라 베이스 재료(104)의 웨브는 생산 시스템(100)을 통해 원활하게 반송된다.
사용 시, 일 실시예에서, 베이스 재료의 웨브는 댄서(118)를 통해 권출된다. 이 실시예에서, 댄서(118)의 한 쌍의 롤러는 베이스 재료(104)의 웨브 상의 장력을 수동적으로 조정하기 위해 그 중심축을 중심으로 회전한다.
도 2를 추가로 참조하면, 사용 시, 베이스 재료의 웨브는 하나 이상의 레이저 시스템(120a, 120b, 120c)을 통해 반송된다. 도 2에 도시된 실시예는 3개의 레이저 시스템(120a 내지 120c)을 포함하지만, 생산 시스템(100)이 본 명세서에서 설명된 바와 같이 기능하게 하기 위해 임의의 수의 레이저 시스템이 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
생산 시스템의 사용은 도 2 내지 도 6을 추가로 참조하여 더 설명된다. 베이스 재료(104)의 웨브는 다운-웨브 방향(WD)으로 레이저 시스템(120a 내지 120c)을 통해 반송된다. 일 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 아직 절제되거나 절단되지 않은 제1 조건(400)에서 레이저 시스템(120a)으로 반송된다. 베이스 재료(104)의 웨브는 척(306) 위로, 따라서 복수의 진공 구멍(406) 위로 반송된다. 진공 구멍(406)은 진공(308)과 유체 연결되어 있고, 진공(308)은 사용자 인터페이스(116)를 통해 제어되어 진공 구멍(406) 위를 통과하는 베이스 재료(104)의 웨브에 진공 압력을 도출한다. 진공 압력은 베이스 재료(104)의 웨브가 척(306)을 가로질러 반송될 때 실질적으로 평탄한/평면형 상태로 유지하도록 제어된다. 사용의 일 실시예에서, 진공 구멍(406)을 통한 진공 압력은, 베이스 재료(104)의 웨브가 가공되는 동안 척(306)을 가로질러 실질적으로 평탄하게 유지되고 들리거나 좌굴되지 않는 것을 보장하기 위해, 사용자 인터페이스(116)를 통해 실시간으로 모니터링되고 조정된다.
도 4를 참조하면, 베이스 재료(104)의 웨브는 척(306)의 개구(410) 위로, 또한 하류 에지(414) 상의 모따기부(416) 위로 반송된다. 이 실시예에서, 모따기부(416)는 베이스 재료(104)의 웨브가 하류 에지(414)에 포획되거나 걸리지 않고 베이스 재료(104)의 웨브가 하류 에지(414) 위를 통과하는 것을 용이하게 한다.
도 3 내지 도 5를 추가로 참조하면, 사용의 일 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 레이저 빔(302)(도 3)에 의해 절제되어 베이스 재료(104)의 웨브에 절제부(404)(도 4)를 생성한다. 일 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 애노드 재료(502)이고, 절제부(404)는 애노드 활성 재료 층(508)을 제거하여 애노드 집전체 층(506)을 노출시킨다(도 5). 다른 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 캐소드 재료(504)이고, 절제부(404)는 캐소드 활성 재료 층(512)을 제거하여 캐소드 집전체 층(510)을 노출시킨다.
사용 동안, 베이스 재료(104)의 웨브에 절제부(404)를 만들기 위해 레이저 시스템(120a)을 사용할 때, 레이저 빔(302)의 출력은 사용자 인터페이스(116)를 통해 코팅 층을 실질적으로 완전히 또는 완전히 제거할 수 있지만 집전체 층을 손상시키거나 절단하지 않는 수준으로 제어된다. 사용 시에, 레이저 빔(302)은, 베이스 재료(104)의 웨브가 이동 중이고 다운-웨브 방향(WD)으로 반송하고 있는 동안에 절제부(404)를 생성하도록, 예를 들어, 사용자 인터페이스(116)를 통해 제어된다. 레이저 빔(302)은, 절제부(404)가 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이 베이스 재료(104)의 웨브의 각 측방향 측에 생성되도록 제어된다. 사용의 일 실시예에서, 절제부(404)를 만든 후, 레이저 시스템(120a)은 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이 베이스 재료(104)의 웨브에서 기점 피처(602)를 절단하도록 제어된다. 일부 실시예에서, 다수의 레이저는 각각 하나 이상의 절제부(404)를 생성하여 생산 시스템(100)의 처리량을 증가시키기 위해 베이스 재료(104)의 웨브의 일 부분을 각각 절제하는 데 사용된다.
도 2, 도 3 및 도 4를 더 참조하면, 생산 프로세스를 사용하는 또 다른 스테이지에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 레이저 시스템(120a)의 절단 영역(408)을 향해 다운-웨브 방향(WD)으로 반송된다. 이 실시예에서, 개구(410)는 진공(308)과 유체 연통하고, 진공(308)은 개구(410) 위를 통과할 때 베이스 재료(104)의 웨브 상에 진공 압력을 도출하도록 제어된다. 다른 실시예에서, 제2 진공은 척(306) 반대쪽의 베이스 재료(104)의 웨브 상의 압력을 균등화하도록 제어된다. 이 실시예에서, 압력 균등화는, 베이스 재료(104)의 웨브 상의 레이저 빔(302)의 포커싱을 용이하게 하기 위해, 베이스 재료(104)의 웨브를 개구(410) 위를 통과할 때 실질적으로 평탄한/평면형 상태로 그리고 일정한 높이로 유지하도록 모니터링되고 제어된다.
사용의 일 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은 베이스 재료의 웨브가 개구(410) 위에 있는 동안 베이스 재료(104)의 웨브에서 하나 이상의 패턴을 절단하도록 제어된다. 도 6을 참조하면, 레이저 시스템은 교차-웨브 방향(XWD)으로 전극의 종방향 에지를 형성하기 위해 하나 이상의 종방향 에지 절단부(600)를 절단하도록 제어된다. 종방향 에지 절단부(600)는 베이스 재료의 웨브가 다운-웨브 방향(WD)으로 반송되는 동안 교차-웨브 방향(XWD)으로 베이스 재료(104)의 웨브를 절단함으로써 레이저 빔(302)을 사용하여 절단된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 레이저 빔(302)의 경로 동작은 다운-웨브 방향(WD)으로 베이스 재료(104)의 웨브의 동작으로 제어되고 및/또는 그와 동기화된다. 따라서, 레이저 빔(302)의 경로는 다운-웨브 방향(WD)에 대해 일정 각도로 이동하여, 다운-웨브 방향(WD)으로의 베이스 재료(104)의 웨브의 움직임을 고려한다. 이 실시예에서, 레이저 빔(302)의 경로에 보상 인자가 적용되어 베이스 재료의 웨브가 다운-웨브 방향(WD)으로 계속 이동하는 동안 교차-웨브 방향(XWD)으로 절단이 이루어지도록 한다. 이 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브가 웨브 방향(WD)으로 이동함에 따라, 레이저는 초기 절단 위치(604)에서 베이스 재료(104)의 웨브 상으로 투영된 다음, 종방향 에지 절단부(600)를 생성하기 위해 말단 절단 위치(606)에 도달할 때까지 교차-웨브 방향(XWD) 및 웨브 방향(WD) 모두로 이동하도록 제어된다. 레이저 빔(302)이 이동하도록 제어되는 각도는 다운-웨브 방향(WD)에서 베이스 재료(104)의 웨브의 속력에 기초하여 달라진다는 것을 이해하여야 한다. 다른 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 레이저 가공 작업 동안 일시적으로 정지되고, 이와 같이, 레이저 빔(302)의 경로는 베이스 재료(104)의 웨브의 이동 움직임을 고려할 필요가 없다. 이러한 실시예는 단계 프로세스, 또는 단계 및 반복 프로세스로 지칭될 수 있다. 레이저 가공 동안, 레이저 시스템(120a 내지 120c) 중 하나 이상은 레이저 가공 작업 동안 레이저 빔(302)을 조정 및/또는 정렬하기 위해, 예를 들어 베이스 재료(104)의 웨브의 위치 설정에서 가능한 변동을 보상하기 위해 기점 피처(602)와 같은 반복 정렬 피처를 사용한다.
도 6을 추가로 참조하면, 사용의 일 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은 베이스 재료(104)의 웨브에서 복수의 기점 피처(602)와 같은 반복 정렬 피처 중 하나 이상을 절단하도록 제어된다. 기점 피처(602)는 베이스 재료(104)의 웨브 상의 미리 결정된/알려진 위치에서 절단된다. 사용의 일 실시예에서, 기점 피처(602)는 베이스 재료(104)의 웨브의 위치 및 이동 속력을 측정하기 위해 시각적 검사 시스템(310, 312) 중 하나 이상에 의해 추적된다. 이어서, 기점 피처(602)의 측정은 다운-웨브 방향(WD) 및 교차-웨브 방향(XWD) 모두에서 베이스 재료(104)의 웨브 상의 패턴의 전후 정렬을 정확하게 유지하는 데 사용된다. 사용의 일부 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은 복수의 트랙터 구멍(612) 및/또는 기점 피처(602)를 절단한다. 다른 실시예에서, 기점 피처(602)는 레이저 시스템(120a 내지 120c) 중 하나 이상이 전술한 바와 같이 위치 설정/정렬을 위해 기점 피처를 사용하도록 베이스 재료(104)의 웨브로 미리 형성되어 있다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 하나의 적절한 사용 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은, 베이스 재료의 웨브가 다운-웨브 방향(WD)으로 이동 중일 때, 전극 패턴의 일 부분으로서 베이스 재료(104)의 웨브에서 제1 천공(608) 및 제2 천공(610)을 절단하도록 제어된다. 제1 천공(608)은, 베이스 재료의 웨브가 척(306)의 개구(410) 위에 위치 설정되는 동안, 레이저 빔(302)을 사용하는 레이저 절단에 의해 형성된다. 제1 천공(608)은 다운-웨브 방향(WD)과 정렬된 방향으로 선형 슬릿(예를 들어, 관통 절단부)으로서 형성된다. 중요한 것은, 제1 천공(608)이 전극(We)의 전체 폭에 걸쳐 연장하지 않도록 절단된다는 것이다. 대신에, 레이저 시스템(120a)은 패턴을 절단하도록 제어되어, 전극 패턴이 베이스 재료(104)의 웨브에 연결된 상태로 유지되는 것을 보장하기 위해, 외부 인열 스트립(700)이 천공(608)의 상류 및 하류 에지 모두에 남아 있다.
도 6 및 도 7을 추가로 참조하면, 사용 시, 제2 천공(610)은 제1 천공(608)으로부터 내부에서 (교차-웨브 방향(XWD)으로) 절단된다. 이 사용 실시예에서, 제2 천공(610)은 내부 인열 스트립(702)에 의해 분리된 다운-웨브 방향(WD)의 슬릿 라인으로 절단된다. 도시된 실시예에서, 제2 천공(610)은 관통 구멍(704)과 교차하도록 절단된다. 예시된 실시예에서, 내부 인열 스트립(702)은 외부 인열 스트립(700) 길이의 적어도 2배로 절단되지만, 생산 시스템(100)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하기 위해 상이한 길이로 절단될 수 있다.
사용 시, 도 3, 도 4 및 도 6을 참조하면, 종방향 에지 절단부(600), 기점 피처(602), 및 척(306)의 개구(410) 위의 제1 및 제2 천공(608, 610)에 대한 레이저 절단으로부터의 부스러기는 개구(410)를 통해 떨어지는 것이 허용되고 진공(308)은 레이저 절단 프로세스 중에 형성된 부스러기를 수집하도록 제어된다.
하나의 적절한 사용 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은 제1 절제 스테이션으로서 구성된다. 이 실시예에서, 레이저 시스템(120a)은 베이스 재료(104)의 웨브의 제1 표면 상에 전술한 바와 같이 절제부(404)를 형성하도록 제어된다. 레이저 시스템(120a)을 빠져나갈 때, 베이스 재료의 웨브는, 베이스 재료(104)의 웨브의 제2 표면(제1 표면에 대향함)이 레이저 시스템(120b)에 의해 가공하도록 위치 설정되는 방식으로 베이스 재료(104)의 웨브를 뒤집기 위해 아이들러(108d) 위로 반송된다. 이 실시예에서, 레이저 시스템(120b)은 제2 절제 스테이션으로서 구성되고 기점 피처(602)를 사용하여 다운-웨브 방향(WD) 및 교차-웨브 방향(XWD)으로 절제부(404)의 정렬을 보장한다. 따라서, 레이저 시스템(120b)은 베이스 재료(104)의 웨브의 대향 표면 상에 제2 절제 프로세스를 수행하도록 제어되고, 그에 따라 베이스 재료(104)의 웨브의 각각의 표면 상의 절제부(404)가 웨브 방향(WD) 및 교차-웨브 방향(XWD)으로 정렬된다.
사용의 일 실시예에서, 도 2에 도시된 레이저 시스템(120c)은 레이저 절단 스테이션으로서 구성된다. 이 실시예에서, 레이저 시스템(120c)은 종방향 에지 절단부(600), 및 제1 및 제2 천공(608, 610)에 대한 레이저 절단을 수행하도록 제어된다.
도 2, 도 10 및 도 11을 추가로 참조하면, 사용의 일 실시예에서, 베이스 재료의 웨브는 레이저 시스템(120a 내지 120c) 중 하나 이상을 빠져나간 후 브러싱 스테이션(124) 및 에어 나이프(126)와 같은 하나 이상의 세정 스테이션을 통해 반송된다. 하나의 적절한 사용 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 브러싱 스테이션(124)을 통해 반송되고, 강모(1002)는 베이스 재료(104)의 웨브의 표면과 섬세하게 접촉하여 그 표면으로부터 임의의 부스러기를 제거하거나 치우도록 제어된다. 베이스 재료(104)의 웨브 표면에 대한 강모(1002)의 접촉 압력은 전극 패턴을 파괴, 파열하거나 달리 결함을 유발하지 않고 전극 패턴을 베이스 재료(104)의 웨브에 부착된 상태로 유지하기에 충분히 낮도록 제어된다.
도 10 및 도 11을 추가로 참조하면, 하나의 적절한 사용 실시예에서, 브러시(1000)는 구동 휠(1010)의 회전을 실행하도록 모터(1014)를 제어함으로써 교차-웨브 방향(XWD)으로 이동하도록 제어된다. 위치 센서(1016)는 브러시 위치 마커(1018)의 위치를 감지하여 구동 휠(1010)의 위상(예를 들어, 각도 위치) 및 시간당 회전을 측정하도록 제어된다.
하나의 적절한 사용 실시예에서, 제2 브러시(도시되지 않음)는 베이스 재료(104)의 웨브의 대향 표면과 접촉하도록 제어된다. 이 실시예에서, 제1 브러시(1000)와 실질적으로 동일할 수 있는 제2 브러시는 제1 브러시와 반대 방향으로, 적절하게는 제1 브러시와 180도 위상차로 이동하도록 제어된다. 제1 브러시 및 제2 브러시의 위상은 위치 센서(1016), 및 제2 브러시의 등가 위치 센서를 통해 모니터링될 수 있다. 이 실시예에서, 제1 브러시의 강모와 제2 브러시의 접촉 압력은 함께 전극 패턴을 파괴, 파열하거나 달리 결함을 유발하지 않고 전극 패턴을 베이스 재료(104)의 웨브에 부착된 상태로 유지하기에 충분히 낮도록 제어된다.
사용 시, 브러시(1000)의 진동 속도 및 베이스 재료(104)의 웨브 표면에 대해 강모(1002)에 의해 인가되는 압력은 사용자 인터페이스(116)를 사용하여 사용자에 의해 제어될 수 있다.
사용의 일 실시예에서, 브러싱 스테이션(124)은 진공 시스템을 구비하고 베이스 재료(104)의 웨브의 하나 이상의 표면으로부터 브러싱된 부스러기를 배출하기 위해 브러시 스테이션 오리피스(1020)를 통해 진공을 생성하도록 제어된다. 이 실시예에서, 부스러기는 베이스 재료(104)의 웨브로부터 브러싱되어 떨어지거나, 브러시 스테이션 오리피스(1020)를 통해 흡인된다.
다른 적절한 사용 실시예에서, 제1 브러시 및 제2 브러시 중 하나 이상은 브러시가 전극 재료(802)의 웨브에 가하는 압력을 결정하기 위해 측정되거나 모니터링되는 부하 센서를 포함한다. 이 실시예에서, 제1 브러시 및 제2 브러시는 브러시 강모 마모 또는 전극 두께 또는 표면 거칠기의 변동에 기초하여 전극 재료(802)의 웨브에 실질적으로 균일한 브러싱 압력을 유지하기 위해 사용자 인터페이스(116)를 통해 제어된다.
다른 적절한 사용 실시예에서, 제1 브러시 및 제2 브러시 중 하나 이상은, 전극 재료(802)의 웨브의 속력 비율과 등가의 속력 비율로 다운-웨브 방향(WD)에서 적어도 부분적으로 이동하여, 다운-웨브 방향(WD)에서 브러시와 전극 재료(802)의 웨브 사이의 속력 차이를 실질적으로 0으로 유지하도록 제어된다.
또 다른 적절한 사용 실시예에서, 브러싱 스테이션(124)은 제1 브러시 및 제2 브러시의 위상을 결정하는 위상 측정 센서(1016)를 구비한다. 이 실시예에서, 위상 센서는 제1 브러시 및 제2 브러시의 홈 센서 플래그(1018)의 위치를 측정한다. 이 실시예에서, 위상 측정 센서(1016)는 제1 및 제2 브러시가 다양한 미리 결정된 위상차, 예컨대 180도 위상차, 90도 위상차 또는 0도 위상차 또는 생산 시스템(100)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 적절한 위상차에 내에 있는지 여부를 결정하고, 그 보정을 허용하거나 브러시가 적절하게 페이징(phasing)되지 않는다는 경보를 사용자 인터페이스(116) 또는 다른 경보 디바이스를 통해 사용자에게 제공한다
또 다른 사용 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(도시되지 않음)는 초음파 진동을 제1 및 제2 브러시 중 하나 이상에 부여하여 전극 재료(802)의 웨브로부터 부스러기 제거를 용이하게 하도록 활성화된다.
도 2를 추가로 참조하면, 하나의 적절한 사용 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 에어 나이프(126)를 통해 반송된다. 이 실시예에서, 고압 공기는 베이스 재료(104)의 웨브 표면과 접촉하여 이 표면으로부터 부스러기를 제거하도록 제어된다. 에어 나이프(126)는, 예를 들어 사용자 인터페이스(116)를 통해, 전극 패턴을 파괴, 파열하거나 달리 결함을 유발하지 않고 전극 패턴을 베이스 재료(104)의 웨브에 부착된 상태로 유지하도록 하는 압력/속도로 공기를 공급하도록 제어된다. 또 다른 실시예에서, 제2 에어 나이프(126)는 베이스 재료(104)의 웨브의 대향 표면에 공기를 송풍하여 표면으로부터 부스러기를 제거하도록 제어된다. 이 실시예에서, 제2 에어 나이프는 제1 에어 나이프(126)와 동일한 방향으로, 또는 제1 에어 나이프와 반대 방향으로, 또는 에어 나이프가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 방향으로 공기를 송풍하도록 제어된다. 또 다른 실시예에서, 에어 나이프(126)는 에어 나이프(126) 스테이션에 의해 제거된 부스러기의 제거를 용이하게 하도록 제어되는 진공을 구비한다.
도 8을 참조하면, 레이저 시스템(120a 내지 120c)에 의해 가공되고 브러시 스테이션(124) 및 에어 나이프(126)에 의해 세정된 후, 베이스 재료(104)의 웨브는 베이스 재료(104)의 웨브 내에 복수의 전극 패턴(800)을 포함하는 웨브(집합적으로, 전극 재료(802)의 웨브)으로서 세정 스테이션을 빠져나간다.
도 2, 도 8 및 도 12를 추가로 참조하면, 사용의 일 실시예에서, 전극 재료(802)의 웨브는 검사 디바이스(128)를 통해 반송된다. 검사 디바이스(128)는 전극 재료(802)를 분석하고 웨브 상의 결함을 식별하도록 제어된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 검사 디바이스(128)는 카메라(1200)를 포함하는 시각적 검사 디바이스이다. 렌즈(1202)는 검사판(1206) 위를 통과할 때 전극 재료(802)의 웨브에 포커싱하도록 조준된다. 사용의 일 실시예에서, 검사판(1206)은 검사판(1206) 내에 수용된 광원(도시되지 않음)으로부터의 광이 검사판을 통해 비추게 하는 투명 또는 반투명 상단(1208)을 포함한다. 하나의 적절한 실시예에서, 광의 강도 및/또는 색상은 사용자 인터페이스(116)를 통해 제어된다. 사용의 일 실시예에서, 전극 재료(802)의 웨브는 전극 재료(802)의 웨브의 트랙터 구멍(612)과 맞물리는 기어 휠(1210)에 의해 검사판(1206) 위로 반송된다. 그렇게 함으로써, 전극 재료(802)의 웨브는 전극 재료(802)의 웨브의 말림을 실질적으로 제거하기 위해 검사 플레이트(1206)에 대해 견고하게 유지된다.
도 12를 추가로 참조하면, 사용의 일 실시예에서, 검사 디바이스(128)는 기점 피처(602), 종방향 에지 절단부(600), 또는 검사 디바이스(128)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 피처와 같은 전극 재료(802)의 웨브의 미리 결정된 피처를 검출하도록 제어되는 트리거 센서(1212)를 포함한다. 미리 결정된 피처의 검출 시, 트리거 센서(1212)는 신호를 카메라(1200)에 직접 또는 사용자 인터페이스(116)를 통해 간접적으로 전송하여, 카메라(1200)가 전극 재료(802)의 웨브의 전극을 이미징하도록 트리거한다. 전극을 이미징할 때, 카메라(1200)는 전극의 높이, 레이저 디바이스(120a-120c)(도 2) 중 하나에 의해 절단된 피처의 크기 또는 형상, 전극들 사이의 피치(거리), 또는 검사 디바이스가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 피처와 같은 하나 이상의 메트릭을 검출하도록 제어된다. 예를 들어, 하나의 적합한 실시예에서, 검사 디바이스(128)는 절제부(404)(도 4), 종방향 에지 절단부(600), 기점 피처(602), 및 제1 및 제2 천공(608, 610)(도 6), 개별 전극 구조체 교차-웨브 방향(XWD) 치수, 개별 전극 구조체 다운-웨브 방향(WD) 치수, 개별 전극 활성 영역 오프셋, 및 전극 재료(802)의 웨브의 임의의 다른 절제부 또는 절단부가 크기, 형상, 배치, 교차-기계 방향 피치(cross-machine direction pitch), 기계 방향 피치, 및 배향의 미리 규정된 공차 내에 있는지 여부를 검출하도록 제어되고, 사용자 인터페이스(116)를 통해 사용자에게 이 정보를 제시한다. 하나의 적절한 실시예에서, 사용자는 사용자 인터페이스(116)를 사용하여 어느 피처를 검사할 지를 제어할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 검사 디바이스(128)는 전극 재료(802)의 웨브의 하나 이상의 전극 구조체에 대한 클러스터 식별 코드를 검출할 수 있다.
사용의 일 실시예에서, 검사 시스템(128)은 베이스 재료(104)의 웨브 및/또는 전극 재료(802)의 웨브의 인라인 계측을 제공하는 데 사용된다. 이 실시예에서, 검사 디바이스(128)는 웨브가 기계 방향으로 반송되는 동안 웨브 두께, 전극 패턴의 크기 및 형상 등과 같은 메트릭을 측정하도록 제어된다. 이러한 메트릭은 뷰잉 또는 메모리 저장을 위해 사용자 인터페이스(116)로 송신되거나, 또는 달리 생산 시스템(100)의 생산 파라미터를 조정하는 데 사용된다.
사용의 일 실시예에서, 검사 시스템(128)이 결함이 전극 재료(802)의 웨브 상에 존재한다고 결정하면(도 8), 마킹 디바이스(130)(도 2)는 전극 재료(802)의 웨브를 마킹하고 레이저 에칭 디바이스, 프린터, 스탬퍼 또는 전극 재료(802)의 웨브 상에 결함이 존재함을 나타내는 마크를 배치할 수 있는 임의의 다른 마킹 디바이스를 사용하여 이러한 결함을 식별하도록 제어된다. 다른 적절한 사용 실시예에서, 마킹 디바이스(130)는 식별 번호(ID) 및 알려진 양호 전극(KGE) 중 하나 이상으로 전극 재료(802)의 웨브를 마킹하도록 제어되어, 전극 재료(802)의 웨브 내의 특정 전극의 품질 측정(예컨대, 결함의 수 또는 유형)을 나타내는 A 등급, B 등급, C 등급 등과 같은 등급으로 전극 재료(802)의 웨브를 추가로 마킹할 가능성을 허용한다.
도 9를 추가로 참조하면, 전극 재료(802)의 웨브는 이어서 재권취 롤러(134)로 반송되고, 여기서 간지 재료(138)의 웨브와 함께 권취되어 전극 재료(802)의 웨브와 간지 재료(138)의 웨브의 교번하는 층을 갖는 스풀(900)을 생성한다.
하나의 적절한 사용 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 간지 재료(138)의 웨브와 함께 재권취 롤러(134)를 통해 재권취되는데, 간지 재료의 웨브는 간지 롤러(136)를 통해 권출되어 간지 재료(138)에 의해 분리된 전극 층을 갖는 전극의 롤(140)을 생성한다. 일부 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 간지 재료(138)의 웨브 없이 재권취 롤러(134)를 거쳐 재권취된다.
일 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브는 각각 애노드 활성 재료 층(508) 또는 캐소드 활성 재료 층(512)의 일 표면 또는 양 표면에 접착된 접착 테이프 층(도시되지 않음)을 갖는다. 이 실시예에서, 사용 시, 접착층은 원치 않는 재료 또는 부스러기를 제거하기 위해 절제 및 절단(앞서 설명됨)에 이어 제거된다.
사용의 일 실시예에서, 컨베이어 시스템의 롤러 중 하나 이상은 롤러가 편심을 갖도록 완벽하게 둥글지 않는다. 이러한 실시예에서, 편심 롤러(들)는 반경 대 반경방향 위치를 결정하기 위해 맵핑된다. 그 후, 레이저 시스템(120a 내지 120c)은 롤러(들)의 맵핑에 기초하여 편심을 고려하기 위해 레이저 빔(302) 위치를 조정하도록 제어된다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 전극 재료(802)의 웨브는 배터리를 생산하는 데 사용된다. 이 실시예에서, 전극 재료의 웨브의 개별 스풀(1402, 1404, 및 1406A 및 1406B)은 각각 분리막 재료(1406)에 의해 분리된 캐소드(1402) 및 애노드(1404)의 적어도 하나의 층을 포함하는 교번 구성으로 각각 병합 구역(1408)에서 권출 및 병합되고 펀칭 및 적층 구역(1410)에서 적층된다. 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 및 1406A 및 1406B)은 본 명세서에 설명된 바와 같이 전극 재료(802)의 웨브로서 생산되었음을 이해하여야 한다.
도 14a 및 도 15a를 참조하여, 병합 구역(1408) 및 병합 프로세스의 추가적인 세부 사항이 설명된다. 병합 구역(1408)에서, 전극 재료의 웨브의 스풀(1402, 1404, 및 1406A, 1406B)은 화살표(U)에 의해 표시된 방향으로 개별적으로 권출된다. 일 실시예에서, 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 및 1406A 및 1406B)은 전술한 전극의 롤(140)이다. 도 14a에 도시된 실시예에서, 스풀(1406)은 외부 천공(608) 및 종방향 에지 절단부(600)에 의해 각각 경계 형성된, 개별 전극 분리막(1506)의 집합체가 내부에 형성된 권취된 웨브 분리막 재료의 스풀이다. 스풀(1402)은 외부 천공(608) 및 종방향 에지 절단부(600)에 의해 각각 경계 형성된, 개별 캐소드 전극(1502)의 집합체가 내부에 형성된 캐소드 재료의 권취된 웨브의 스풀이다. 스풀(1404)은 외부 천공(608) 및 종방향 에지 절단부(600)에 의해 각각 경계 형성된, 개별 애노드 전극(1504)의 집합체가 내부에 형성된 권취된 웨브 애노드 재료의 스풀이다.
도 15a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 전극 재료의 각각의 스풀(1402, 1404, 1406)은 트랙터 구멍(612)이 형성되어 있는 연속적인 외부 에지(1508) 및 웨브의 외주를 형성하는 웨브 에지 경계(1510)를 갖는 웨브로 형성된다. 다른 실시예에서, 병합 프로세스 동안의 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 및 1406)의 순서 및 배치는 단락을 방지하기 위해 애노드 재료와 캐소드 재료의 임의의 인접한 층들 사이에 분리막 재료가 배치되기만 한다면 변경될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
전극 재료의 각각의 스풀(1402, 1404, 및 1406)이 권출됨에 따라, 각각의 스풀(1402, 1404, 및 1406)의 권출된 웨브는 예를 들어 도 14b에 도시된 바와 같이, 병합 스프로켓(1414)과 맞물리기 전에 현수선 곡선(1412)을 형성하도록 제어된다. 실시예에서, 병합 스프로켓(1414)은 19 mm 이상의 반경(Rs)(도 14h), 예컨대 38 mm, 51 mm, 76 mm, 114 mm, 152 mm 또는 시스템이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 반경을 가질 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 다른 스프로켓, 스풀 및 롤러 중 임의의 것 또는 모두는 시스템이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 동일하거나 유사한 반경을 가질 수 있다는 것이 유의한다. 실용적인 관점에서, 일부 실시예에서, 더 적은 공간을 차지하도록 병합 스프로켓(1414)(및 임의의 다른 스프로켓, 스풀 또는 롤러)의 크기를 감소시키는 것이 바람직하고, 따라서 시스템은 이에 따라 더 작게 제조될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 더 작은 스프로켓, 스풀 및 롤러를 사용하면, 웨브가 시스템 내에서 가공되는 동안 이동하는 전체 경로 길이가 감소되고, 이는 웨브의 낭비 감소 및 정렬 향상을 촉진할 수 있다. 병합 스프로켓(1414)의 각각은 웨브의 트랙터 구멍(612)과 정밀하게 맞물리거나 정렬하도록 크기 설정되고, 성형되고, 배치된 치형부(1416)(예를 들어, 핀 또는 돌출부)의 집합체를 포함한다. 예를 들어, 트랙터 구멍(612)이 정사각형 단면 형상을 가지면, 치형부(1416)는 대응하는 정사각형 단면 형상을 가질 것이다. 그러나, 트랙터 구멍(612) 및 치형부(1416)의 임의의 테이퍼를 포함하는 크기 및 형상은 이하의 단면 형상, 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 다각형 또는 이들의 조합과 같은, 시스템이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 크기 및 형상일 수 있다.
도 14a, 도 14b 및 도 14h를 참조하면, 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 웨브는 반전 치형 스프로켓(1418)과 맞물릴 때까지 각각의 병합 스프로켓(1414) 주위의 원형 경로에서 이동된다. 실시예에서, 반전 치형 스프로켓(1418)의 반경은 19 mm 이상, 예컨대 38 mm, 51 mm, 76 mm, 114 mm, 152 mm 또는 시스템이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 다른 반경이다. 반전 치형 스프로켓(1418)의 각각은 권출 절차 중에 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 1406)로부터 웨브의 적절한 위치 설정 및 장력을 유지하는 것을 용이하게 하기 위해, 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 웨브의 각각의 하나가 그 사이에 위치되어 있는 상태에서, 병합 스프로켓(1414)의 치형부(1416)와 맞물리도록 구성된 반전 치형부(1420)의 집합체를 포함한다. 하나의 적합한 실시예에서, 병합 스프로켓(1414)은 모터에 의해 구동되고, 그 속력은 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 웨브의 적절한 장력을 보장하도록 제어된다. 다른 실시예에서, 병합 스프로켓(1414)은 자유롭게 회전하고 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 및 1406)의 속력은 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 웨브의 적절한 장력을 보장하도록 제어된다. 하나의 이러한 실시예에서, 광학 센서 또는 물리적 센서와 같은 루프 센서(1422)는 현수선 곡선(1412)의 처짐(sag)(곡률)의 양을 결정하고, 이는 이후에 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 1406)로부터 웨브 상의 장력을 계산하는데 사용된다. 예를 들어, 처짐이 너무 큰 것(즉, 너무 낮은 장력)으로 결정되면, 처짐을 미리 결정된 범위 내로 감소시키기 위해(즉, 장력을 증가시키기 위해) 병합 스프로켓(1414)의 속력이 증가되거나, 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 1406)의 속도가 감소된다. 대안적으로, 처짐이 너무 적은 것(즉, 너무 높은 장력)으로 결정되면, 처짐을 미리 결정된 범위 내로 증가시키기 위해(즉, 장력을 감소시키기 위해) 병합 스프로켓(1414)의 속력이 감소되거나 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 1406)의 속력이 증가된다. 일 실시예에서, 처짐은 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 웨브가 병합 스프로켓(1414)과 접촉하는 각도(αCL)를 제어하는 것을 목표로 한다. 하나의 이러한 실시예에서, αCL는 수직으로부터 반시계 방향으로 측정된 0o 내지 90o이고, 예를 들어 실시예에서 αCL는 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 85° 또는 90°이다. 다른 실시예에서, αCL는 진공 장력기(1442)로부터 +/- 5도 내에 있도록 제어된다. 도 14h의 (i)에 도시된 실시예에서, αCL는 시계 위치(clock positions)를 이용하여 표시될 수 있으며, 여기서 12:00은 상단 수직 위치를 지칭하고, 시계 방향으로의 각각의 시간은 30도의 움직임을 지칭한다. 따라서, 도 14h의 (i)에 도시된 실시예에서, 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 웨브는 병합 스프로켓(1414) 상의 10:30 위치에서 병합 스프로켓(1414)과 접촉하고, 브러시(1440)는 11:00 위치에 위치 설정된다.
스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브가 반전 치형 스프로켓(1418) 상으로 권출된 후에, 각각의 웨브는 이어서 안내되어 전달 위치(transfer location)(1426)에서 핀 플레이트(1424) 상으로 전달된다. 일 실시예에서, 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브 상의 장력은 각각의 웨브가 (예를 들어, 수직 하향으로) 6시 위치에서 핀 플레이트(1424) 상에 전달되도록 제어된다. 핀 플레이트(1424)는 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 트랙터 구멍(612) 그리고 또한 반전 치형 스프로켓(1418)의 반전 치형부(1420)와 정밀하게 맞물리도록 크기 설정 및 성형된 일련의 핀(1428)을 포함한다. 따라서, 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 각각은 핀 플레이트(1424) 상으로 전달될 때 핀 플레이트(1424)와 반전 치형 스프로켓(1418) 사이에 개재되는 한편, 핀(1428)은 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 핀 플레이트(1424) 상으로의 정렬을 용이하게 하기 위해 트랙터 구멍(612)을 통해 반전 치형(1420) 내로 연장한다.
일 실시예에서, 반전 치형 스프로켓(1418)은 Z-방향으로 핀 플레이트(1424) 위의 적합한 높이, 예컨대 1 마이크로미터 내지 10 밀리미터에 위치 설정되어, 웨브가 그 위로 전달되기 전에 핀 플레이트(1424) 위에서 부유하게 한다. 이와 관련하여, "부유(float)"는 웨브가 핀(1428)에 대한 트랙터 구멍(612)의 자기 정렬을 용이하게 하는 약간의 슬랙(slack)을 갖도록, 반전 치형 스프로켓(1418) 또는 핀 플레이트(1424)와 접촉하지 않는 부분을 갖는 웨브를 지칭한다. 실시예에서, 핀 플레이트(1424) 위의 반전 치형 스프로켓(1418)의 높이는 핀(1428)에 대한 트랙터 구멍(612)의 자기 정렬을 보장하기 위해 자동으로 또는 수동으로 조정 가능할 수 있다. 핀 플레이트(1424) 위의 반전 치형 스프로켓(1418)의 높이는 또한 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브 중 어느 것이 핀 플레이트(1424)로 전달되는지에 따라 변경될 수 있다.
일 실시예에서, 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브가 반전된 치형 스프로켓(1418)과 핀 플레이트(1424) 사이에서 자유롭게 부유하기에 충분한 공간을 갖도록 반전된 치형 스프로켓(1418)과 핀 플레이트(1424) 사이에 닙(즉, 간극)이 형성된다. 일 실시예에서, 반전 치형 스프로켓(1418)은 1 마이크로미터 내지 10 밀리미터의 간극을 생성하도록 Z-방향으로 핀 플레이트(1424) 위의 적합한 높이에 위치 설정되어, 웨브가 그 위로 전달되기 전에 핀 플레이트(1424) 위에서 부유하게 한다. 이와 관련하여, "부유"는 웨브가 핀(1428)에 대한 트랙터 구멍(612)의 자기 정렬을 용이하게 하는 약간의 슬랙을 갖도록, 반전 치형 스프로켓(1418) 또는 핀 플레이트(1424)와 접촉하지 않는 부분을 갖는 웨브를 지칭한다. 실시예에서, 핀 플레이트(1424) 위의 반전 치형 스프로켓(1418)의 높이는 핀(1428)에 대한 트랙터 구멍(612)의 자기 정렬을 보장하기 위해 자동으로 또는 수동으로 조정 가능할 수 있다. 핀 플레이트(1424) 위의 반전 치형 스프로켓(1418)의 높이는 또한 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브 중 어느 것이 핀 플레이트(1424)로 전달되는지에 따라 변경될 수 있다. 이 실시예에서, 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브가 자체-조정되고 그에 따라 핀 플레이트(1424)에 대해 각각의 트랙터 구멍(612)을 정렬시키는 데 충분한 양의 부유(즉, 반전 치형 스프로켓(1418) 또는 핀 플레이트(1424)와 접촉되지 않는 웨브)를 갖게 함으로써, 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 각각의 웨브의 소량의 잠재적 오정렬이 감소 또는 제거된다. 하나의 적합한 실시예에서, 슬랙은 반전 치형 스프로켓(1418)과 핀 플레이트(1424) 사이에 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 S형 곡선을 형성하기에 충분하다. 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 각각의 층이 핀 플레이트(1424) 상에 배치됨에 따라, 반전된 치형 스프로켓(1418)과 핀 플레이트(1424) 사이에 형성된 후속(즉, 하류) 닙은 그 위에 배치된 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 이전의 층을 고려하기 위해 크기가 증가할 것이라는 것이 이해되어야 한다. 하나의 적합한 실시예에서, 닙 거리는 핀 플레이트(1424) 상으로 배치된 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 이전의 층의 두께와 동일한 양만큼 증가한다.
일 실시예에서, 도 14a에 도시된 바와 같이, 전극 재료의 웨브의 4개의 스풀(1402, 1406, 1404, 1406)이 존재한다. 이 실시예에서, 스풀(1402, 1406, 1404, 1406)은 그들이 순차적으로 권출되어 핀 플레이트(1424) 상에서 병합될 수 있도록 위치된다. 이 실시예에서, 핀 플레이트(1424)는 제1 전달 위치(1426)의 상류에 위치된 병합전 위치(1430)로부터 연장된다. 핀 플레이트(1424)는 마지막 전달 위치(1426X)(도 14a)를 지난 하류 위치로 연장된다. 이 실시예에서, 전극 재료의 웨브의 4개의 스풀(1402, 1406A, 1404, 1406B) 각각은 그 자신의 전달 위치(1426, 1426A, 1426B 및 1425X)를 각각 갖는다. 다른 실시예에서, 전극 재료의 추가의 스풀이 권출 및 병합될 수 있고, 그에 따라 각각의 추가의 스풀에 대한 추가의 전달 위치가 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 14a 내지 도 14c를 참조하면, 스풀(1402, 1406A, 1404, 1406B)로부터의 전극 재료의 웨브의 개별 층들이 병합되어(예를 들어, 순차적으로 층을 형성하여) 병합된 재료 웨브(1432)를 형성한다. 스풀(1402, 1406A, 1404, 1406B)로부터의 전극 재료의 웨브의 각각의 층은 병합된 재료 웨브의 각각의 층이 수직으로 정렬되도록, 예를 들어 각각의 전극 패턴의 종방향 축(AE)(도 7), 트랙터 구멍(612), 기점 피처(602) 및 종방향 에지 절단부(600), 및 각각의 층의 전극 패턴의 천공(608, 610)(도 6) 중 하나 이상이 웨브 방향 및 교차-웨브 방향(XWD)의 모두에서 정렬되도록 병합된다. 웨브의 정렬의 변동은 펀칭 및 적층과 같은 이후의 동작에서 결함을 유발할 수 있고, 따라서 이들이 병합됨에 따라 스풀(1402, 1406A, 1404, 1406B)로부터 웨브의 정렬을 유지하는 것은 일부 실시예에서 중요하다. 분리막 재료의 스풀(1406A 및 1406B)이 동일하거나 상이한 분리막 재료일 수 있다는 것에 유의한다. 본 명세서에 사용될 때, 일반적으로 분리막 재료의 웨브의 스풀을 설명할 때, 1406A 및 1406B는 일반적으로 분리막 재료(1406)의 웨브의 스풀로서 지칭될 수 있다.
병합된 재료 웨브(1432)의 각각의 층은 수직으로 정렬되도록 상기 프로세스에서 설명된 바와 같이, 층상(layer by layer)으로 순차적으로 전달되었다. 즉, 스풀(1406)로부터의 분리막 재료의 웨브로 구성된 이 실시예의 초기 층은 전달 위치(1426)에서 핀 플레이트(1424)로 전달된다. 후속하여, 전달 위치(1426)의 하류에 위치되는 전달 위치(1426A)에서, 스풀(1402)로부터의 캐소드 재료의 웨브가 스풀(1406)로부터의 분리막 재료의 웨브의 정상(atop)에 전달된다. 다음으로, (별도의 스풀을 통해) 스풀(1406)로부터의 분리막 재료의 제2 층이 전달 위치(1426A)의 하류인 전달 위치(1426B)에서 스풀(1406)로부터의 분리막 재료의 층의 정상에 전달된다. 이 실시예에서, 스풀(1404)로부터의 애노드 재료 웨브의 층이 전달 위치(1426X)에서 스풀(1406)로부터의 분리막 재료 웨브의 제2 층의 정상에 전달된다. 4개의 층 모두가 적층되거나 병합되었을 때, 4개 라미네이트 웨브는 병합된 재료 웨브(1432)라고 지칭된다. 핀 플레이트(1424) 상으로의 각각의 층의 전달 중에, 병합된 재료 웨브(1432)의 각각의 층 상의 목표 다운-웨브 장력은 0이다. 일 실시예에서, 병합된 재료 웨브(1432)의 각각의 층 상의 다운-웨브 장력은 개별적으로 각각의 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 웨브의 질량, 및 병합 스프로켓(1414)과 핀 플레이트(1424)의 핀(1428) 사이의 이러한 웨브의 처짐의 양에 의해 결정된다.
각각의 층의 전달 중에는, 핀 플레이트(1424)의 핀(1428)이 서로에 대한 각각의 층의 정렬을 유지하기 위해 재료의 각각의 층을 통해 반전 치형 스프로켓(1418)의 반전된 치형부(1420) 내로 연장하도록 크기 설정된다는 것이 이해되어야 한다. 각각의 전달 위치에서, 닙(즉, 간극)이 각각의 반전 치형 스프로켓(1418)과 핀 플레이트(1424) 사이의 전달 위치(1426)에 형성되고, 이는 웨브 위에 100 내지 1000 μm의 고정된 간극 거리로 설정된다. 일 실시예에서, 닙은 웨브의 두께의 대략 3배로 설정된다. 예를 들어, Z-방향에서 웨브의 두께가 100 미크론이면, 닙 간극은 Z-방향에서 약 300 미크론일 것이다. 각각의 반전 치형 스프로켓(1418)과 핀 플레이트(1424) 사이의 실제 간극 거리는 핀 플레이트(1424) 상에 전달된 각각의 이전의 층의 추가된 두께를 고려하기 위해 각각의 하류 전달 위치(1426)에서 증가된다는 것이 이해되어야 한다. 일 실시예에서, 각각의 후속하는 하류 전달 위치에서의 간극 거리의 증가는 Z-방향으로의 추가된 층의 높이와 대략 등가이다. 일 실시예에서, 닙 간극은 각각의 전달 위치(1426)에서의 병합된 재료 웨브의 높이의 약 3배이다. 도 14e에 도시된 바와 같이, 핀 플레이트(1424)의 핀(1428)은 도 14e의 상부 도면에 도시된 바와 같이 Z-방향에서 일정한 단면적을 가질 수 있고, 또는 Z-방향에서 핀 플레이트(1424)에 근접하여 더 큰 단면적을 갖도록 테이퍼 형성될 수 있다. 핀(1428)이 이러한 테이퍼를 갖는 실시예에서, 병합된 재료 웨브는 바람직하게는 Z-방향에서 핀(1428)의 대략 중간에서 핀 플레이트(1424) 위에 놓인다. 또한, 다른 실시예에서, 층의 순서는 원하는 결과에 따라 상이할 수 있으며, 따라서, 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터 웨브의 적절한 층 형성(layering)을 용이하게 하기 위해 각각의 스풀(1402, 1404, 1406)의 위치 설정이 대응하는 전달 위치에 배치될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 전극 재료의 추가의 스풀이 포함될 수 있고, 대응하는 개수의 전달 위치가 추가의 스풀로부터의 추가의 웨브의 층 형성을 용이하게 하도록 사용될 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다.
병합된 재료 웨브(1432)의 일 실시예의 단면도(1500)가 도 15에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 병합된 재료 웨브(1432)는 적층된 형태로 중심의 애노드 집전체 층(506), 애노드 활성 재료 층(508), 분리막(500), 캐소드 활성 재료 층(512) 및 캐소드 집전체 층(510)을 포함한다. 애노드의 스풀(1404), 분리막의 스풀(1406), 및 캐소드의 스풀(1402)로부터의 웨브의 층을 교번시킴으로써, 추가적인 층이 병합될 수 있어, 병합된 재료 웨브(1432)를 위해 원하는 수의 층을 형성한다. 일 실시예에서, 애노드의 스풀(1404), 분리막(1406)의 스풀, 및 캐소드의 스풀(1402)은 전술된 바와 같이, 전극의 롤(140)일 수 있다.
일부 실시예에서, 핀 플레이트(1424)는 각각이 핀 플레이트의 연속 스트림을 형성하도록 서로 인접되고 인덱싱되는 별개의 개별 핀 플레이트(각각 핀 플레이트(1424)와 유사함)의 집합체를 포함한다. 이 실시예에서, 각각의 층이 핀 플레이트 상으로 전달될 때 병합된 재료 웨브(1432)의 층의 적절한 정합이 유지되도록, 개별적인 핀 플레이트들은 서로에 대해서 정밀하게 위치 설정되는 것이 중요하다. 따라서, 일부 실시예에서, 각각의 핀 플레이트(1424)는 핀 플레이트(1424)의 적절한 정합을 유지하기 위해 핀, 자석, 돌출부 등과 같은 지그 또는 다른 정렬 디바이스에 의해 유지될 수 있다. 핀 플레이트(1424)는 병합된 재료 웨브(1432)의 층이 핀 플레이트(1424)의 핀(1428)에 적절하게 정렬되도록, 반전 치형 스프로켓(1418)과 동일한 속력으로 이동하도록 제어되는 컨베이어 메커니즘(1436)을 거쳐 웨브 방향으로 반송된다. 일 실시예에서, 반전 치형부(1420)와 핀(1428)의 맞물림은 다운-웨브 방향(WD)으로 핀 플레이트(1424)를 추진하는 것이다. 따라서, 이러한 실시예에서, 적절한 속력이 핀 플레이트(1424)와 반전 치형 스프로켓(1418) 사이에 유지된다.
일 실시예에서, 스풀(1402, 1404 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브가 결함 센서(1434)에 인접하게 통과하도록, 전달 위치(1426, 1426A-X) 중 하나 이상에 전극 결함 센서(1434)가 위치된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 1426X는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 임의의 수의 추가적인 전달 위치를 지칭하기 위해 사용된다는 점에 유의한다. 결함 센서(1434)는 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브 내의 결함을 검출하도록 구성된다. 예를 들어, 결함 센서(1434)는 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브 내에서 웨브로부터 누락 전극, 오정렬 또는 누락 트랙터 구멍(612), 기점 피처(602), 절제부, 절단부, 천공 또는 다른 약화된 영역을 검출하도록 구성될 수 있다. 결함 센서(1434)가 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브 내의 결함을 검출하는 경우에, 웨브는 결함을 표시하기 위해 결함 센서(1434)와 병치된 마킹 디바이스를 사용하여 마킹될 수 있다. 결함의 마킹은 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 결함 부분이 추가로 후술되는 적층 페이즈에서 사용되지 않거나 적층된 전지(1704)의 일부가 되기 전에 다른 방식으로 폐기되는 것을 보장하기 위해 후속의 프로세스 단계에서 사용될 수 있다.
도 14d를 참조하면, 제조 시스템의 일 실시예는 전달 위치(1426)에 진입하기 전에 스풀(1402, 1404 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브를 평탄화하도록 구성된 전극 재료 인장 섹션(1438)을 포함한다. 일부 경우에, 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브는 웨브가 U-형상을 갖도록 말리거나 컵 형상을 취하는 경향이 있을 수 있다. 이러한 말림은 웨브의 중심 부분을 처지게 하는, 종방향 에지 절단부(600)로 인한 웨브 구조의 약화에 의해 야기될 수 있다고 추측된다. 또한, 스풀(1402, 1404 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 종방향 에지를 따른 전기적 또는 정적 전하 축적은 그러한 에지를 내향으로 말리게 할 수 있다. 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브가 이러한 말림을 가지면, 트랙터 구멍(612)의 위치 및 대향하는 트랙터 구멍들(612) 사이의 공간 배치(spacing)는 병합 스프로켓(1414)에 정렬되지 않을 것이다.
따라서, 말림을 교정하기 위해, 인장 섹션(1438)은 역회전 브러시(1440)(도 14d, 14f, 14g, 14h) 및 진공 장력기(1442) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 역회전 브러시(1440)는 교차-웨브 방향(XWD)로 반대 방향(Wb)으로 전기 모터(도시되지 않음)에 의해 구동된다. 일 실시예에서, 역회전 브러시는 25 mm 내지 150 mm의 외경(Db) 및 10 mm 내지 50 mm의 내경(Da)를 갖는다. 일 실시예에서, 역회전 브러시는 5 mm 내지 25 mm의 직경을 갖는 중앙 관통 보어(1441)를 가지며, 중앙 관통 보어의 중심은 역회전 브러시(1440)가 회전하는 축을 형성한다. 역회전 브러시(1440) 각각은 2 mm 내지 20 mm의 두께(TB)를 갖는다. 역회전 브러시는 동물성 체모, 나일론, 탄소 섬유, 고밀도 폴리에틸렌, 고온 나일론, PEEK, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 금속, 금속 합금, 플라스틱 등과 같은 천연 또는 합성 재료로 이루어질 수 있는 복수의 강모(1443)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 강모(1443)는 나일론으로 제조된다. 강모 재료는 웨브에 마모 또는 다른 손상을 유발하지 않고 브러시가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하도록 적절하게 선택되어야 한다. 역회전 브러시(1440)는, 역회전 브러시(1440)가 병합 스프로켓(1414)과 맞물리기 전에 스풀(1402, 1404 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 종방향 에지를 말림 제거하고 평탄화하게 하기에 충분한 압력으로 브러시 피치 각도(αbp)(도 14g)로 웨브와 접촉하도록, 조정 가능하게 인접하여 위치 설정되어, 전극 재료(1402, 1404 및 1406)의 웨브를 평탄화 한다. 일부 실시예에서, 역회전 브러시(1440)의 회전 속력 및 접촉 압력은 스풀(1402, 1404 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 충분한 평탄도가 획득되는 것을 보장하도록 모니터링되고 조정될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 도 14h의 도면 (ii)에 도시된 바와 같이, 브러시 속력은 교차-웨브 방향(XWD)으로의 속도 성분(Vb) 및 다운 웨브 방향(WD)으로의 속도 성분(Vs)를 갖는 속도 벡터(Vbs)로서 참조된다. 실시예에서, 속도 성분(Vb)은 (예컨대, 브러시의 회전 속력(예를 들어, rpm)을 조정함으로써) 50 mm/sec 내지 250 mm/sec 사이, 예컨대 50 mm/sec, 60 mm/sec, 70 mm/sec, 80 mm/sec, 90 mm/sec, 100 mm/sec, 110 mm/sec, 120 mm/sec, 130 mm/sec, 140 mm/sec, 150 mm/sec, 160 mm/sec, 170 mm/sec, 180 mm/sec, 190 mm/sec, 200 mm/sec, 210 mm/sec, 220 mm/sec, 230 mm/sec, 240 mm/sec 또는 250 mm/sec 또는 상기 범위 내의 임의의 속도로 설정될 수 있다. 실시예에서, 속도 성분(Vs)은 (예컨대, 웨브 방향(WD)으로의 웨브의 속력을 조정함으로써) 10 mm/sec 내지 100 mm/sec, 예컨대 10mm/sec, 20 mm/sec, 30 mm/sec, 40 mm/sec, 50 mm/sec, 60 mm/sec, 70 mm/sec, 80 mm/sec, 90 mm/sec, 100 mm/sec 또는 상기 범위 내의 임의의 속도로 설정될 수 있다. 따라서, 웨브를 가로지르는 브러시 팁 속력은 Vbs = sqrt(Vb 2+Vs 2)와 같이 계산될 수 있다. 일부 실시예에서, Vbs는 51 mm/sec 내지 270 mm/sec의 범위 내에 있을 수 있다.
일 실시예에서, 인장 섹션은 스풀(1402, 1404 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브 상의 정전하를 감소시키거나 제거하도록 구성된 탈이온화기 디바이스(1447)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 탈이온화기 디바이스(1447)는 진공 장력기(1442) 및 역회전 브러시(1440) 직전의 상류에 배치된다. 탈이온화기 디바이스(1447)는 일부 실시예에서 플라스틱 파이프, 예컨대 PVC로부터 형성될 수 있는 진공 장력기(1442)와 같은 구성요소의 전하를 중화시키도록 구성된다. 예를 들어, 탈이온화기가 사용되지 않는 경우, 스풀(1406)로부터의 분리막 재료가 진공 장력기 위를 통과할 때, 또는 작은 입자가 진공 장력기를 통한 기류에 의해 운반될 때, 이는 진공 장력기(1442) 상에 정전하를 축적할 수 있다. 따라서, 탈이온화기 디바이스(1447)는 진공 장력기(1442) 상의 전하를 중화시키는데 사용될 수 있으며, 따라서 스풀(1402, 1404 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브가 진공 장력기(1442)에 전기적으로 끌어당겨지지 않고 통과할 수 있게 한다. 탈이온화기 디바이스가 진공 장력기(1442)와 관련하여 기재되었지만, 하나 이상의 탈이온화기 디바이스(1447)는, 스풀(1402, 1404 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브와 접촉하거나 또는 그에 매우 근접한 임의의 구성요소와 같은, 전하에 의해 영향을 받고 전하 중화로부터 이익을 얻는 시스템 내의 임의의 구성요소 상에서 사용될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 일부 실시예에서, 탈이온화기 디바이스(1447)는 DC 이온화 바아이다. 일부 실시예에서, 탈이온화기 디바이스(1447)는 단거리 용례, 예컨대 20 mm 내지 200 mm에 대해 펄스화된 DC 이온화가 가능하다. 일부 실시예에서, 펄스의 주파수는 영향을 받는 구성요소에 대한 탈이온화기 디바이스(1447)의 효과를 조정하기 위해 1 Hz 내지 20 Hz로 설정되도록 자동으로 또는 사용자에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 탈이온화기 디바이스(1447)는 이온화기 이미터로서 사용되는 금속 핀, 예컨대 티타늄 핀 등으로 구성된다. 이러한 핀은 펄스형 DC 모드에서 -3kV 내지 +7.5kV의 출력을 가질 수 있고, 이는 80:20 내지 20:80의 양전하 이온 대 음전하 이온 비율을 허용하는 것을 용이하게 한다. 따라서, 탈이온화기 디바이스(1447). 다른 실시예에서, 탈이온화기 디바이스(1447), 진공 장력기(1442) 및 역회전 브러시(1440)의 순서는 변경될 수 있다. 다른 실시예에서, 전하 축적은 영향을 받는 구성요소를 접지함으로써 방지될 수 있다. 이 실시예에서, 접지 스트랩 또는 접지 와이어(도시되지 않음)는 접지로의 경로를 갖도록 전하를 제공함으로써 전하 축적을 방지하기 위해 진공 장력기(1442)와 같은 영향받는 디바이스에 전기적으로 연결된다. 또 다른 실시예에서, 전하 축적을 방지하기 위해 영향받는 디바이스를 전도성 코팅으로 코팅함으로써 구성요소의 전하 축적이 방지될 수 있다.
하나의 적합한 실시예에서, 역회전 브러시(1440)의 회전 속력은 전극 재료(1402, 1404 및 1406)의 웨브와 접촉하는 역회전 브러시(1440)의 마찰에 의해 야기되는 과도한 마모 또는 열 축적을 감소시키거나 제거하도록 충분히 낮게 유지된다. 일 실시예에서, 역회전 브러시(1440)는 스풀(1402, 1404 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브에 존재하는 주름을 매끄럽게하거나 다른 방식으로 감소시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 역회전 브러시(1440)는 전극 재료(1402, 1404 및 1406)의 웨브에서 마이크로-주름(micro-wrinkle)을 감소시키거나 제거하도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 마이크로-주름은 탈이온화기(1447) 또는 진공 장력기(1442)에 의해 제거되기에는 너무 작은 웨브 내의 주름이다. 하나의 이러한 실시예에서, 마이크로-주름(micro-wrinkle)은 탈이온화기(1447) 또는 진공 장력기(1442)에 의해 제거되는 마크로-주름의 크기의 대략 20%인 주름으로서 규정된다. 하나의 적절한 예에서, 마크로-수준 주름이 Z-방향으로 크기가 대략 100 mm인 경우, 마이크로-주름은 Z-방향으로 20 mm 이하의 크기를 가질 것이다. 다른 실시예에서, 마크로-주름은 1 mm 내지 250 mm 사이의 크기를 가질 수 있고, 마이크로-주름은 0.2 mm 내지 약 50 mm의 크기를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 역회전 브러시(1440)에 추가하여 또는 대안적으로, 재료 인장 섹션(1438)은 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브에 인접한 진공 장력기(1442)의 표면 상에 위치된 복수의 진공 오리피스(1444)를 포함하는 진공 장력기(1442)를 포함한다. 이 실시예에서, 진공은 진공 장력기(1442)를 통해 당겨지고, 이는 진공 오리피스(1444)를 통한 흡인을 생성한다. 진공 장력기(1442)는 수직 방향에 대해 각도(αvac)(도 14g)로 위치된다. 진공 오리피스(1444)로부터의 흡인은 진공 오리피스(1444)에 대면하는 스풀(1402)로부터의 전극 재료의 웨브의 표면을 가로지르는 유체 유동(통상적으로 공기 유동)을 생성한다. 유체 유동이 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 대향 측면 상에서보다 진공 오리피스(1444)에 대면하는 스풀(1402, 1404, 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 표면을 가로질러 더 빠르기 때문에, 효과(즉, 베르누가 효과)는 진공 장력기(1442)에 대해 교시된 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브를 당기고, 병합 스프로켓(1414)의 치형부(1416)와 트랙터 구멍(612)의 정렬을 용이하게 한다.
도 14b를 더 참조하면, 하나의 적합한 실시예에서, 병합 스프로켓(1414)의 치형부(1416)는, 트랙터 구멍(612)이 치형부(1416) 상에 안착됨에 따라 교차 웨브 방향(XWD)으로의 트랙터 구멍(612)의 외부 에지가 이격되는 것을 용이하게 하는 방식으로 테이퍼 형성된다. 예를 들어, 치형부(1416)는 (병합 스프로켓(1414)의 중심에 대해 근위인) 근위 단부에서 더 큰 단면을 갖도록 테이퍼 형성될 수 있고, 단면이 원위 방향에서(즉, 병합 스프로켓(1414)의 중심에 대해 원위로) 더 작은 단면으로 연속적으로 변경될 수 있다. 따라서, 치형부(1416)의 테이퍼는 교차 웨브 방향(XWD)으로 웨브의 처짐 및 말림을 제거하기 위해 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브 상에 충분한 교차-웨브 장력을 인가한다. 이 실시예에서, 진공 장력기(1442)의 진공 오리피스(1444)는 단지 병합 스프로켓(1414)의 치형부(1416)에 대한 전극 재료(1402, 1404, 및 1406)의 웨브의 병합 지점에 또는 그 부근에 위치되는데, 이는 해당 지점 후에 전극 재료(1402, 1404, 및 1406)의 웨브가 치형부(1416)의 테이퍼에 의해 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브에 인가된 장력을 거쳐 병합 스프로켓(1414)에 대해 안착되기 때문이다.
일 실시예에서, 역회전 브러시(1440)는 진공 장력기(1442)의 웨브 방향(WD)에서 하류 위치에 위치된다. 그러나, 다른 실시예에서, 역회전 브러시는 진공 장력기(1442)와 함께 또는 진공 장력기(1442)의 상류에 위치된다. 일 실시예에서, 전달 위치(1426, 1426A-X) 각각은 역회전 브러시(1440) 및 진공 장력기를 포함한다. 다른 실시예에서, 분리막 재료의 웨브를 전달하는 전달 스테이션만이 역회전 브러시(1440)를 포함하지만, 모든 전달 스테이션은 진공 장력기(1442)를 포함한다.
도 19를 참조하면, 일 실시예에서, 정렬 피처 검출 시스템(1900)은 병합 구역(1408)의 하류에 위치 설정된다. 실시예에서, 병합된 재료 웨브의 층들의 정렬은 웨브 방향(WD) 및 교차 웨브 방향(XWD)의 각각에서 층들의 중심점으로부터 측정될 때 1 mm 이내이다. 정렬 피처 검출 시스템(1900)은 광학 센서(1902) 및 백라이트(1904)를 포함한다. 광학 센서는 디지털 카메라 또는 디바이스가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 할 수 있는 다른 감광 디바이스일 수 있다. 이 실시예에서, 광학 센서(1902)는 광이 병합된 재료 웨브(1432)를 통과한 후에 백라이트(1904)로부터의 광을 포획하여, 병합된 재료 웨브(1432)의 실루엣이 광학 센서(1902)에 의해 포착되도록 위치 설정된다. 병합된 재료 웨브(1432)의 실루엣은 광학 센서(1902)에 의해 분석되어 기점 피처(602)를 정확하게 위치시킨다. 광학 센서(1902)에 의해 위치되는 바와 같은, 기점 피처(602)의 위치는 사용자 인터페이스(116)(도 1)에 의해 저장될 수 있고, 병합된 재료 웨브(1432)가 후속 가공을 위해 정밀하게 위치 설정되는 것을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 정확한 위치 설정은, 예를 들어 각각의 전극 패턴의 종방향 축(AE)(도 7), 트랙터 구멍(612), 기점 피처(602) 및 각각의 층의 전극 패턴의 에지(종방향 에지 절단부(600), 천공(608, 610))(도 6)가 웨브 방향 및 교차-웨브 방향(XWD)의 모두에서 정렬되도록, 병합된 재료 웨브의 각각의 층이 수직으로 정렬되는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 추가로 후술되는 바와 같이, 광학 센서(1902)에 의해 위치된 바와 같은 위치, 기점 피처(602)는 기점 피처(602)와 정렬하도록 수용 유닛(들)(2010) 및 정렬 핀(2012)의 위치를 제어하는데 사용된다. 따라서, 각각의 층의 기점 피처가 정렬되는 것이 중요하다. 일 실시예에서, 수용 유닛(2010)은 정렬 핀의 중심을 웨브-방향(WD)에서 기점 피처(602)의 중심의 +/- 10 μm 내지 50 μm 내로 정렬시키도록 제어된다. 다른 실시예에서, 수용 유닛(2010)은 정렬 핀(2012)의 중심이 교차-웨브 방향(XWD)으로 기점 피처(602)와 +/- 10 um 내지 50 um 내로 정렬되도록 제어되게 하는 제어기이다.
도 20 및 도 20a를 참조하면, 일 실시예에서, 고용량 적층 시스템(2000)이 사용된다. 이 실시예에서, 병합 구역(1408)은 전술한 것과 유사하다. 그러나, 이 실시예에서, 치형 벨트(2002)(점선으로 표시됨)가 사용된다. 일 실시예에서, 치형 벨트(2002)는 스테인리스강을 포함하고, 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터의 전극 재료의 웨브의 트랙터 구멍(612) 또는 기점 피처(602) 중 하나 이상 및 후속적으로 병합된 재료 웨브(1432)를 맞물리도록 크기 설정, 성형 및 위치 설정되는 반송 치형부(2033)(도 20a)의 집합체를 포함한다. 치형 벨트(2002)는 병합 구역(1408) 및 적층 및 펀칭 구역(2004)을 통해 무단(endless) 구성으로 동작되도록 구성된다. 치형 벨트(2002)는 치형 벨트(2002)의 구동부와 맞물려서 그 속력을 제어하는 하나 이상의 동기화 스프로켓(2006)을 사용하여 반송되며, 이는 전술한 병합 구역(1408) 내의 프로세스와 동기화된다.
도 20을 더 참조하면, 고용량 적층 시스템은 펀칭 및 적층 구역(1410) 내에 자동화된 지그 로딩 조립체(2008)를 포함한다. 자동화된 지그 로딩 조립체는 하나 이상의 수용 유닛(2010)을 포함한다. 도 20에 도시된 실시예에서, 치형 벨트(2002)의 경로를 따라 순차적으로 정렬된 4개의 수용 유닛(2010)이 존재한다. 일 실시예에서, 각각의 수용 유닛(2010)은 모든 수용 유닛(2010)의 동시 동작을 생성하도록 동일한 작동 디바이스에 의해 구동되며, 이는 수용 유닛(2010)의 동작을 구동하는 캠일 수 있다. 다른 실시예에서, 수용 유닛(2010) 각각은 독립적으로 제어되거나 구동될 수 있다.
도 21 및 도 22를 참조하면, 각각의 수용 유닛(2010)은 수용기 베이스(2014)로부터 연장하는 하나 이상의 정렬 핀(2012)을 포함한다. 정렬 핀(2012)은 기점 피처(602) 또는 트랙터 구멍(612) 중 하나 이상과 맞물리도록 구성된다. 각각의 수용 유닛(2010)은 수용 유닛(2010)이 교차-웨브 방향(XWD)뿐만 아니라 다운 웨브 방향(WD)으로 이동할 수 있게 하는 2-축 동작 제어 디바이스, 예컨대 서보, 모터 등에 커플링될 수 있다. 일 실시예에서, 동작 제어 디바이스는 광학 센서(1902)에 의해 위치된 바와 같은, 기점 피처(602)의 위치에 기초하여 제어된다. 이 실시예에서, 기점 피처(602)의 위치는 정렬 핀(2012)이 병합된 재료 웨브(1432)의 대응하는 기점 피처(602)를 통과하도록 적절하게 위치 설정되게 수용 유닛(2010)을 위치 설정하도록 동작 제어 디바이스를 제어하는데 사용된다. 동작 제어 디바이스는 추가로 후술되는 바와 같이, 펀칭 및 적층 구역(1410)에서 수행된 각각의 펀칭 동작에 대해 수용 유닛(2010)을 적절하게 위치 설정하도록 제어될 것이다.
도 23 및 도 26a 내지 도 26c를 추가로 참조하여, 펀칭 및 적층 동작이 설명된다. 이 실시예에서, 병합된 재료 웨브(1432)는 병합 구역(1408)으로부터 펀칭 및 적층 구역(1410)으로 반송된다. 병합된 재료 웨브(1432)는, 동기화 스프로켓(2006) 중 하나 이상에 의해 반송되는 치형 벨트(2002)에 의해 반송될 때, 펀치 헤드(2016) 아래 및 수용 유닛(2010) 위를 통과한다. 일 실시예에서, 펀치 헤드(2016)는 양방향 화살표로 표시된 바와 같이 상하 동작으로 Z-방향에서(예를 들어, 수직으로) 이동하도록 제어된다. 일 실시예에서, 수용 유닛(2010)은 양방향 화살표로 표시된 바와 같이, 상하 동작으로 Z-방향에서(예를 들어, 수직으로) 이동하도록 제어된다.
도 24a 내지 도 24c를 참조하면, 일 실시예에서, 각각의 수용 유닛(2010)은, 각각의 전극 서브-유닛(2018)의 기점 피처(602)에 대응하도록 크기 설정되고 이격되는, 전술된 바와 같은 단일 쌍의 정렬 핀(2012)을 갖는다. 일 실시예에서, 정렬 핀(2012)은 기점 피처(602)의 내주의 일 부분에만 맞물리도록 구성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 기점 피처(602)는 실질적으로 직사각형인 내주를 갖고, 정렬 핀(2012)은 기점 피처(602)의 외부 에지(2400), 다운-웨브 에지(2402) 및 업-웨브 에지(2404)에만 접촉하고 내측 에지(2406)(도 24d)에는 접촉하지 않도록 구성된다. 단일 펀칭 동작 동안, 단일 전극 서브-유닛(2018)이 펀칭되어 수용 유닛(2010) 상에 로딩된다. 다른 실시예에서, 정렬 핀(2012) 및 기점 피처(602)는, 정렬 핀(2012) 및 기점 피처(602)의 모든 에지(외부 에지(2400), 다운-웨브 에지(2402), 업-웨브 에지(2404), 및 내측 에지(2406)) 사이에 틈새가 존재하도록 대응적으로 크기 설정 및 위치 설정된다. 이 실시예에서, 정렬 핀(2012)과 외부 에지(2400), 다운-웨브 에지(2402), 업-웨브 에지(2404) 및 내측 에지(2406)의 각각 사이에 약 50 마이크로미터의 틈새가 존재할 수 있다. 다른 실시예에서, 정렬 핀(2012)과 외부 에지(2400), 다운-웨브 에지(2402), 업-웨브 에지(2404) 및 내측 에지(2406) 각각 사이의 틈새는 0 내지 2000 마이크로미터의 범위 내, 예컨대 0 마이크로미터, 50 마이크로미터, 100 마이크로미터, 150 마이크로미터, 200 마이크로미터, 250 마이크로미터, 300 마이크로미터, 350 마이크로미터, 400 마이크로미터, 450 마이크로미터, 500 마이크로미터, 550 마이크로미터, 600 마이크로미터, 650 마이크로미터, 700 마이크로미터, 750 마이크로미터, 800 마이크로미터, 850 마이크로미터, 900 마이크로미터, 950 마이크로미터, 1000 마이크로미터, 1050 마이크로미터, 1100 마이크로미터, 1150 마이크로미터, 1200 마이크로미터, 1250 마이크로미터, 1300 마이크로미터, 1350 마이크로미터, 1400 마이크로미터, 1450 마이크로미터, 1500 마이크로미터, 1550 마이크로미터, 1600 마이크로미터, 1650 마이크로미터, 1700 마이크로미터, 1750 마이크로미터, 1800 마이크로미터, 1850 마이크로미터, 1900 마이크로미터, 1950 마이크로미터 및 200 마이크로미터일 수 있다. 일 실시예에서, 정렬 핀(2012)과 다운-웨브 에지(2402) 및 업-웨브 에지(2404) 사이의 틈새는 각각 50 마이크로미터 내지 2000 마이크로미터의 범위 내에 있다. 또 다른 실시예에서, 정렬 핀(2012)과 외부 에지(2400), 다운-웨브 에지(2402), 업-웨브 에지(2404) 및 내측 에지(2406) 각각 사이의 틈새는 시스템이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하기 위해 동일하거나 상이한 틈새일 수 있다.
도 24e에 도시된 바와 같이, 수용 유닛(2010)은 Z-방향으로 이동하고 펀치 헤드(2016)를 향한 방향으로 Z-방향 힘을 유지하는 가동 플랫폼(2034)을 포함할 수 있다. 가동 플랫폼(2034)은, 전극 서브-유닛(2018)이 병합된 재료 웨브(1432)로부터 분리될 때, 2018'에 도시된 바와 같이, 전극 서브-유닛의 불균일한 시프팅(shifting)를 방지하기 위해서 펀칭 프로세스 중에 병합된 재료 웨브(1432)에 매우 근접하여 이동되도록 제어된다. 또한, 전극 서브-유닛(2018)의 층들의 임의의 오정렬이, 예를 들어, 각각의 층의 기점 피처(602)가 웨브 방향(WD) 및 교차 웨브 방향(XWD)으로 정밀하게 정렬되지 않은 경우(예를 들어, 감소된 단면적을 야기함), 정렬 핀(2012) 상에 추가적인 마찰을 생성할 수 있어, 2018'에 도시된 바와 같이, 전극 서브-유닛의 불균일한 시프팅을 야기할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 일 실시예에서, 가동 플랫폼(2034)은 병합된 재료 웨브(1432)의 전극 서브-유닛(2018)에 접촉하도록 제어된다(예를 들어, 틈새 0). 다른 실시예에서, 가동 플랫폼(2034)은 병합된 재료 웨브(1432)의 0 내지 1000 마이크로미터의 범위 내이도록, 예를 들어, 0 마이크로미터, 50 마이크로미터, 100 마이크로미터, 150 마이크로미터, 200 마이크로미터, 250 마이크로미터, 300 마이크로미터, 350 마이크로미터, 400 마이크로미터, 450 마이크로미터, 500 마이크로미터, 550 마이크로미터, 600 마이크로미터, 650 마이크로미터, 700 마이크로미터, 750 마이크로미터, 800 마이크로미터, 850 마이크로미터, 900 마이크로미터, 950 마이크로미터 또는 1000 마이크로미터이도록 제어된다. 일 실시예에서, 가동 플랫폼(2034)은 Z-방향으로의 움직임을 허용하는 볼-베어링 활주 메커니즘에 부착된다. 일 실시예에서, 가동 플랫폼(2034)은 각각의 펀칭 동작 직전에 및/또는 각각의 펀칭 동작 직후에 이동하도록 활성화되는 스테퍼 모터에 의해 구동되는 기어 구동 메커니즘에 커플링될 수 있다.
실시예에서, 펀치 헤드(2016)는 금속 또는 금속 합금, 예컨대 스테인리스강, 알루미늄, 티타늄, 강철, 다른 금속 및 이들의 합금으로 이루어진다. 다른 실시예에서, 펀치 헤드(2016)는 플라스틱, 탄소 섬유, 목재 등과 같은 시스템이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하게 하는 임의의 재료로부터 제조될 수 있다. 펀치 헤드는 전극 서브-유닛(2018)에 힘을 인가할 때 변형되지 않도록 충분한 강도 및 강성을 가져야 한다. 도 26a 내지 도 26c를 참조하면, 일 실시예에서, 펀치 헤드(2016)는 펀치면(2017)을 갖고, 펀치면(2017)은 펀치면(2017)에 대면하는 전극 서브-유닛(2018)의 표면의 전체를 실질적으로 덮도록 크기 설정되고 성형된다. 일 실시예에서, 펀치면(2017)은 기점 피처(602)와 동일하거나 실질적으로 동일하도록 크기 설정되고 성형되는 기점 보어(2019)를 포함한다. 따라서, 정렬 핀(2012)은 펀칭 동작 동안 기점 보어(2019)를 통과할 수 있다. 일 실시예에서, 펀치 헤드(2016)는 전극 서브-유닛(2018)보다 약간 작도록 교차-웨브 방향으로 크기 설정된 펀치면(2017)을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 서브-유닛(2018)은 예를 들어 도 26c에 도시된 바와 같이, 교차-웨브 방향(XWD)에서 펀치면(2017)의 원위 단부(2021)를 지나 0 내지 100 마이크로미터 연장하는 부분(2023)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 펀치면(2017)은 웨브 방향(WD)에서 전극 서브-유닛(2018)보다 약간 더 클 수 있어, 펀치면(2017)은 웨브 방향(WD)에서 0 내지 100 마이크로미터만큼 종방향 에지 절단부(600) 내로 종방향 에지(2026)를 지나 연장한다. 일 실시예에서, 펀치면(2017)은, 일부 경우에서 전극 서브-유닛(2018)의 층의 오염을 야기할 수 있는, 전극 서브-유닛(2018)을 절단하기 위한 임의의 날카로운 절단 에지를 포함하지 않는다. 오히려, 펀치면(2017)은 무딘 에지를 갖고, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 천공을 파열하기 위해 하향력을 사용하여 웨브로부터 전극 서브-유닛(2018)을 분리한다.
일 실시예에서, 펀치 헤드(2016)는 전극 서브-유닛(2018)에 Z-방향 힘을 인가하고, 전극 서브-유닛(2018)은 이러한 힘을 가동 플랫폼(2034)에 전달하고, 가동 플랫폼(2034)은 (예를 들어, 최대 정지 토크(holding torque)를 생성하도록 스테퍼 모터를 제어함으로써) 그에 대향력을 가한다. 일 실시예에서, 이러한 대향력은 전극 서브-유닛(2018)의 기점 피처(602)와 정렬 핀들 사이의 정적 마찰을 극복하는 것을 용이하게 하는 전극 서브-유닛에서의 약간의 압축을 야기하며, 이는 정렬 핀(2012)과 직교하는 이상적인 평면과 전극 서브-유닛(2018)의 평행성을 유지하는 것을 용이하게 한다. 일 실시예에서, 펀치 헤드(2016)에 의해 가동 플랫폼(2034)에 가해지는 힘은 가동 플랫폼(2034)이 전극 서브-유닛(2018)의 높이와 동일한 거리를 Z-방향으로 이동하게 하고, 따라서 종방향 에지 절단부(600) 및 천공(608)에 의해 형성되는 경로를 따라 약화된 영역을 파열시켜서, 다음 전극 서브-유닛(2018)을 수용할 준비가 된다. 다른 실시예에서, 가동 플랫폼(2034)은, 예를 들어, 스테퍼 모터를 사용하여, 각각의 전극 서브-유닛(2018)이 펀치 헤드(2016)에 의해 펀칭된 후에 전극 서브-유닛(2018)의 z-방향 치수와 동일한 미리 결정된 거리를 펀치 헤드(2016)로부터 Z-방향으로 멀어지게 이동하도록 제어될 수 있다. 따라서, 가동 플랫폼(2034)은 펀칭 동작 동안 정렬 핀(2012)과 직교하는 전극 서브-유닛을 유지하는 것을 용이하게 한다.
도 24c에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 병합된 재료 웨브(1432)는 이어서 펀칭되고 적층될 위치에 추가의 전극 서브-유닛(2018)을 배치하기 위해 전진할 수 있고, 이 프로세스는 미리 결정된 수의 전극 서브-유닛(2018)이 수용 유닛(2010) 상에 로딩될 때까지 계속될 수 있다. 도 24c에 도시된 실시예에서, 3개의 적층된 전극 서브-유닛(2018)이 존재하지만, 임의의 수의 전극 서브-유닛이 수용 유닛(2010) 상에 적층될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 실시예에서, 적층되는 전극 서브-유닛(2018)의 수는 1개 내지 300개의 범위에 있을 수 있다. 본 실시예에서, 각각의 전극 서브-유닛은 4개의 층을 포함하지만, 본 개시내용에 따른 임의의 수의 층을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 펀칭 동작을 개시하기 전에, 고용량 적층 시스템(2000)은 전극 서브-유닛(2018) 내에 (전극 결함 센서(1434)에 의해 결정된 바와 같은) 결함이 존재하지 않는다는 것을 검증하고, 결함이 검출되는 경우에, 시스템은 결함이 있는 전극 서브-유닛(2018)의 펀칭 및 적층을 방지하도록 제어된다. 다수의 수용 유닛(2010) 및 대응하는 펀치 헤드(2016)가 사용되는 일 실시예에서, 결함이 전극 서브-유닛(2018) 중 하나에서 발견되면, 모든 수용 유닛(2010) 및 대응하는 펀치 헤드(2016)는 펀칭 및 적층 동작을 생략하도록 제어되고, 병합된 재료 웨브(1432)는 모든 수용 유닛(2010) 및 대응하는 펀치 헤드(2016)가 무결함 전극 서브-유닛(2018) 아래에 정렬되도록 하는 위치로 전방으로 반송된다.
일 실시예에서, 전극-서브 유닛(2018) 각각을 병합된 재료 웨브(1432)로부터 분리하기 위해, 펀치 헤드(2016)는 병합된 재료 웨브(1432)를 향해 Z-방향으로, 예를 들어 병합된 재료 웨브의 표면으로부터 약 0.15 mm 내지 약 0.50 mm 내로 이동된다. 수용 지그의 정렬 핀(2012)은 병합된 재료 웨브(1432)의 대향 표면을 향해 Z-방향으로 이동하도록 제어된다. 정렬 핀(2012) 및 펀치 헤드(2016)의 정렬은 광학 센서(1902)를 사용하여 검증될 수 있다. 정렬 핀(2012)이 펀치 헤드(2016)와 적절하게 정렬되지 않은 것으로 결정되면, 펀치 헤드(2016), 수용 유닛(2010) 또는 병합된 재료 웨브(1432) 중 하나 이상은 만족스러운 정렬이 달성될 때까지 웨브 방향(WD)으로 이동될 수 있다. 이러한 실시예에서, 수용 유닛(2010) 및 펀치 헤드(2016) 중 하나 이상은 동력식 캐리지 조립체(도시되지 않음)를 통해 웨브 방향으로 병진하도록 구성될 수 있다. 정렬 핀(2012)과 펀치 헤드(2016)의 만족스러운 정렬이 달성되면, 수용 유닛은 정렬 핀(2012)이 기점 피처(602)를 통해 펀치 헤드(2016) 내의 대응 펀치 헤드 구멍(2020) 내로 이동하도록 Z-방향으로 이동된다. 일 실시예에서, 정렬 핀(2012)은 펀치 헤드 구멍(2020) 내로 적어도 2 mm 진입한다. 일 실시예에서, 펀치 헤드 구멍(2020)은 펀칭 및 적층 동작 중에 임의의 시프트 또는 오정렬을 최소화하기 위해 정렬 핀(2012)의 외경에 밀접하게 정합하도록 크기 설정되고 성형된다.
다음에, 펀치 헤드(2016)는 수용 유닛(2010)을 향해 Z-방향으로, 예를 들어 병합된 재료 웨브(1432)의 대향 표면을 지나 적어도 5 mm 이동하도록 제어된다. 펀치 헤드(2016)가 이동함에 따라, 전극 서브-유닛(2018)은 전극 서브-유닛(2018)의 외주를 형성하는 약화된 영역을 따라 병합된 재료 웨브(1432)로부터 분리된다. 예를 들어, 약화된 영역은 각각의 층의 전극 패턴의 종방향 에지 절단부(600) 및 천공(608)(도 6)을 따르는 경로를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 천공(608)은 파열되어, 전극 서브-유닛(2018)을 병합된 재료 웨브(1432)로부터 자유롭게 한다. 이러한 펀칭된 전극 서브-유닛(2018)의 웨브 하류는 소비된 웨브(2022)라고 지칭된다. 일 실시예에서, 병합된 재료 웨브(1432)의 층들은 애노드 재료(1404)가 상단에 있도록(즉, 펀치 헤드(2016)에 의해 접촉되도록) 배치되었다. 다른 실시예에서, 병합된 재료 웨브(1432)의 층들은 캐소드 재료(1402)가 상단에 있도록(즉, 펀치 헤드(2016)에 의해 접촉되도록) 배치되었다. 다른 실시예에서, 병합된 재료 웨브(1432)의 층들은 분리막 재료(1406)가 상단에 있도록(즉, 펀치 헤드(2016)에 의해 접촉되도록) 배치되었다. 일부 실시예에서, 애노드 재료(1404) 또는 캐소드 재료(1402)는 이들이 분리막 재료(1406)보다 높은 질량을 갖기 때문에 펀치 헤드(2016)에 의해 접촉되는 것이 바람직하다. 따라서, 이러한 실시예에서, 애노드 재료(1404) 및 캐소드 재료(1402)는, 펀칭 동작 후에 펀치 헤드(2016)가 후퇴할 때 병합된 재료 웨브(1432)로부터 멀어지게 Z-방향으로 다시 당겨질 가능성이 적다. 예를 들어, 분리막 재료(1406)가 낮은 질량인 실시예에서, 이는 진공 효과로 인해 펀치 헤드(2016)가 후퇴할 때 펀치 헤드(2016)와 함께 특정 조건 하에서 위로 견인될 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에서, 그러한 효과를 방지하기 위해서, 병합된 재료 웨브(1432)가 그 상단 층이 애노드 재료(1404) 또는 캐소드 재료(1402)가 되게 하는 것이 바람직하다.
전극 서브-유닛이 병합된 재료 웨브(1432)로부터 분리된 후에, 펀치 헤드(2016)는 수용 유닛(2010)으로부터 이격하여 Z-방향으로 이동하고, 수용 유닛은 펀치 헤드(2016)로부터 이격하여 Z-방향으로 이동한다. 일 실시예에서, 펀치 헤드(2016) 및 수용 유닛(2010) 모두는 동시에 이동한다. 다른 실시예에서, 펀치 헤드(2016) 및 수용 유닛(2010) 각각은 순차적으로 이동하도록 제어된다. 일 실시예에서, 펀치 헤드(2016) 및 수용 유닛(2010)의 각각은 Z-방향에서 병합된 재료 웨브(1432)의 각각의 표면으로부터 멀어지게 약 0.5 mm의 거리를 이동한다.
도 23은 단일 펀치 헤드(2016) 및 수용 유닛(2010)만을 도시하지만, 다른 실시예에서는 대응하는 펀치 헤드(2016) 및 수용 유닛(2010)의 집합체가 동시에 사용될 수 있어, 단위 시간 동안 병합된 재료 웨브(1432)로부터 분리된 전극 서브-유닛의 수를 증가시킬 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 도 20에 도시된 것과 같은 일 실시예에서, 일련의 4개의 펀치 헤드(2016) 및 수용 유닛(2010)이 사용된다. 또 다른 실시예에서, 1개 내지 100개의 펀치 헤드(2016) 및 수용 유닛(2010) 각각이 동시에 작동할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 펀칭 및 적층 동작은 간헐적으로(즉, 병합된 재료 웨브가 정지되는 동안) 수행된다는 것에 또한 유의한다. 그러나, 다른 실시예에서, 시스템은 병합된 재료 웨브가 펀칭 및 적층 동작 중에 웨브 방향(WD)으로 이동을 유지하도록, 펀칭 및 적층 동작이 연속적이도록 구성될 수 있다.
전극 서브-유닛이 병합된 재료 웨브(1432)로부터 분리된 후에, 하류 잔여 웨브는 소비된 웨브(2022)로 지칭되며, 이는 소비된 웨브(2022)의 트랙터 구멍(612)과 맞물리는 병합 해제 스프로켓(2024)(도 25)을 사용하여 웨브 방향(WD)으로 반송된다. 예를 들어, 도 25에 도시된 바와 같이, 소비된 웨브(2022)는 트랙터 구멍(612) 및 타이 바(614)를 갖는 웨브의 부분을 포함한다. 소비된 웨브는 또한 비펀칭 전극 서브-유닛(2025) 중 하나 이상에서의 오정렬 또는 다른 결함으로 인해 펀칭되지 않은 임의의 비펀칭 전극 서브-유닛(2025)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 소비된 웨브(2022)는 소비된 웨브 권취 롤러(2026) 상에 재권취된다. 따라서, 소비된 웨브(2022)는 치형 벨트(2002)로부터 깨끗하게 제거되고, 이는 따라서 치형 벨트(2002)가 가공될 병합된 재료 웨브(1432)를 수용하기 위해 연속 루프 방식으로 웨브-방향(WD)으로 전방으로 진행하는 것을 용이하게 한다.
일 실시예에서, 고용량 적층 시스템(2000)은 하나 이상의 교차-웨브 벨트 장력기(2028)를 포함한다. 교차-웨브 벨트 장력기(2028)는 치형 벨트(2002)의 치형부(2032)의 2차 세트(도 20a)와 맞물리도록 구성된다. 2차 세트의 치형부(2032)는 치형 벨트(2002)의 대향 측면 상에 위치되며, 여기서 스프로켓(2006)이 치형 벨트(2002)와 맞물린다. 교차-웨브 벨트 장력기(2028)는 기점 피처(602)의 정렬 및 위치 설정을 용이하게 하기 위해 교차-웨브 방향에서 병합된 재료 웨브(1432) 상에 교차-웨브 장력을 제공하도록 기능한다. 일 실시예에서, 교차-웨브 벨트 장력기(2028)는 치형부(2032)의 2차 세트와 맞물리는 반전 치형부 세트를 포함한다. 교차-웨브 벨트 장력기는 교차-웨브 벨트 장력기(2028)를 교차-웨브 방향(XWD)으로 이동시키기 위해 서보, 모터 또는 다른 동작 제어 디바이스에 부착될 수 있다. 교차-웨브 벨트 장력기(2028)가 교차-웨브 방향(XWD)으로 외향(웨브의 중심으로부터 멀어지게) 이동됨에 따라, 병합된 재료 웨브(1432) 상의 교차-웨브 장력이 증가된다. 마찬가지로, 교차-웨브 벨트 장력기(2028)가 교차-웨브 방향으로 내향(웨브의 중심을 향한 방향으로) 이동됨에 따라, 교차-웨브 장력의 감소가 병합된 재료 웨브(1432) 상에 실행된다. 각각의 교차-웨브 벨트 장력기(2028)는 병합된 재료 웨브(1432)의 이동 경로를 따른 상이한 지점에서 병합된 재료 웨브(1432) 상에 상이한 양의 교차-웨브 장력을 인가하도록 개별적으로 제어될 수 있다. 따라서, 교차-웨브 벨트 장력기(2028)는 병합된 재료 웨브(1432)의 평탄화(예를 들어, 주름 제거, 말림 제거, 처짐 제거 등)를 용이하게 하도록 기능한다. 일부 실시예에서, 외부 천공(608)의 파열 강도의 0 내지 50% 범위 내의 교차-웨브 벨트 장력이 교차-웨브 벨트 장력기(2028)에 의해 제공된다. 실시예에서, 교차-웨브 벨트 장력기(2028)는 병합된 재료 웨브(1432)를 평탄화함으로써 처짐, 주름 또는 말림에 의해 유발된 변형으로 인한 기점 피처(602)의 오정렬을 방지하는데 유리하다.
일부 실시예에서, 충분한 다운-웨브 장력이 동기화 스프로켓(2006)에 의해 병합된 재료 웨브(1432)에 인가되면, 병합된 재료 웨브(1432)는 다운-웨브 방향으로 신장될 수 있어, 기점 피처(602)가 의도된 것보다 다운-웨브 방향으로 더 이격되게 한다. 이러한 실시예에서, 치형 벨트(2002)는 그 속력을 감소시키도록 제어되고, 이는 웨브 방향(WD)에서 병합된 재료 웨브(1432) 상의 다운-웨브 장력의 대응하는 감소를 유발하거나, 또는 대안적으로 치형 벨트(2002)는 속력을 증가시키도록 제어될 수 있고, 이는 웨브 방향(WD)에서 병합된 재료 웨브(1432) 상의 장력의 대응하는 증가를 유발한다.
펀칭 동작 중에, 전극 서브-유닛(2018)은 외부 천공(608) 및 내부 천공(610)(도 15a)의 강도에 의해 규정된 미리 결정된 방식으로 병합된 재료 웨브(1432)로부터 분리되도록 구성된다. 일 실시예에서, 외부 천공은 내부 천공(610)보다 낮은 파열 강도를 갖는다(즉, 더 쉽게 파괴된다). 이 실시예에서, 전극 서브-유닛(2018)은 외부 천공(608) 및 종방향 에지 절단부(600)에 의해 형성된 경로를 따라 병합된 재료 웨브로부터 분리될 것이다.
일 실시예에서, 미리 결정된 수의 전극 서브-유닛(2018)이 수용 유닛(2010) 상에 적층되어 다중-유닛 전극 스택(2030)을 형성한다(도 24c). 각각의 적층된 전극 서브-유닛(2018)은 각각의 기점 피처(602), 종방향 에지 절단부(600) 및 천공(608, 610)이 웨브 방향(WD) 및 교차-웨브 방향(XWD)으로 정렬되도록 정렬된다는 것이 이해되어야 한다. 이어서, 다중-유닛 전극 스택(2030)은 압력 화살표(P)에 의해 도시된 방향으로 다중-유닛 전극 스택(2030)에 압력을 인가하는 압력 플레이트(1604, 1606)를 갖는 가압 구속부(1602) 내에 배치된다. 다중-유닛 전극 스택(2030)에 인가되는 압력은 압력 플레이트(1604, 1606)에 의해 다중-유닛 전극 스택(2030)에 인가되는 압력(P)을 제어하기 위해 사용자 인터페이스(116)를 사용하여 조정 가능할 수 있다. 충분한 압력(P)이 다중-유닛 전극 스택(2030)에 인가되면, 정렬 핀(1600)은 제거 방향(R)으로 이동될 수 있으며, 이는 제2 천공(610)이 그 길이를 따라 파열되게 하여, 절제부(404)(예를 들어, 전극 탭(520))는 도 16c에 도시된 바와 같이 다중-유닛 전극 스택(2030)의 외부 에지가 된다.
천공(610)이 파열된 후에, 다중-유닛 전극 스택(2030)은 탭 용접 스테이션으로 진행하여 적층된 전지(1704)를 형성하기 위해 버스 바아(1700, 1702)를 절제부(404)에 용접한다. 용접 전에, 버스 바아(1700, 1702)는 각각의 전극의 버스 바아 개구(1608)를 통해 배치된다. 일 실시예에서, 버스 바아(1700, 1702)가 버스 바아 개구(1608)를 통해 배치되면, 절제부(404)는 용접 전에 각각 버스 바아(1700, 1702)를 향해 아래로 절첩된다. 이 실시예에서, 버스 바아(1700)는 구리 버스 바아이고 애노드 집전체 층(506)의 절제부(404)(애노드 탭)에 용접되고, 버스 바아(1702)는 알루미늄 버스 바아이고 캐소드 집전체 층(510)의 절제부(404)(캐소드 탭)에 용접된다. 그러나, 다른 실시예에서, 버스 바아(1700 및 1702)는 배터리(1804)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 적절한 전도성 재료일 수 있다. 용접은 레이저 용접기, 마찰 용접, 초음파 용접 또는 버스 바아(1700, 1702)를 전극 탭(520)에 용접하기 위한 임의의 적절한 용접 방법을 사용하여 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 버스 바아(1700 및 1702)는 각각 애노드 및 캐소드에 대한 모든 전극 탭(520)과 전기적으로 접촉한다.
적층된 전지(1704)의 형성 시, 적층된 전지는 패키징 스테이션(1800)으로 진행한다. 패키징 스테이션(1800)에서, 적층된 전지(1704)는 다층 알루미늄 폴리머 재료, 플라스틱 등과 같은 절연 패키징 재료로 코팅되어 배터리 패키지(1802)를 형성한다. 일 실시예에서, 배터리 패키지(1802)는 진공을 사용하여 배출되고 개구(도시되지 않음)를 통해 전해질 재료로 채워진다. 절연 패키징 재료는 열 밀봉부, 레이저 용접, 접착제 또는 임의의 적절한 밀봉 방법을 사용하여 적층 전지(1704) 둘레에 밀봉될 수 있다. 버스 바아(1700, 1702)는 노출된 상태로 유지되고, 배터리 패키지(1802)에 의해 덮이지 않아서, 사용자는 버스 바아(1700, 1702)를 전력이 공급될 디바이스 또는 배터리 충전기에 연결할 수 있게 한다. 배터리 패키지(1802)가 적층된 전지(1704) 상에 배치되면, 이는 완성된 배터리(1804)를 형성한다. 이 실시예에서, 완성된 배터리는 3-D 리튬 이온형 배터리이다. 다른 실시예에서, 완성된 배터리는 본 명세서에 설명된 디바이스 및 방법을 사용하여 생산하기에 적절한 임의의 배터리 유형일 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리(1804)는, 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900f) 또는 단위 전지(3300)를 포함한다.
일 실시예에서, 애노드 집합체의 각각의 구성체는 저부, 상단, 및 종방향 축(AE)(도 7)을 갖는다. 일 실시예에서, 종방향 축(AE)은 그 저부로부터 상단까지 교차-웨브 방향(XWD)으로 연장된다. 대안적인 실시예에서, 종방향 축(AE)은 그 저부로부터 상단으로 다운-웨브 방향(WD)으로 연장한다. 일 실시예에서, 애노드 집합체 중 하나의 구성체는 애노드 재료(502)인 베이스 재료(104)의 웨브로부터 형성된다. 추가적으로, 애노드 집합체의 각각의 구성체는 전극의 종방향 축(AE)을 따라 측정된 길이(LE)(도 6a), 음극 구조체와 양극 구조체의 교번하는 시퀀스가 진행하는 방향(즉, 웨브 방향(WD))으로 측정된 폭(WE), 및 길이(LE)와 폭(WE)의 측정 방향들 각각과 직교하는 방향("Z-방향")으로 측정된 높이(HE)(도 6a)를 갖는다. 애노드 집합체의 각각의 구성체는 또한 그 종방향 축에 수직인 평면에서 전극의 투영의 측면(들)의 길이(들)의 합에 대응하는 둘레(PE)를 갖는다.
애노드 집합체 구성체의 구성체의 길이(LE)는 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 변경될 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집합체의 구성체는 통상적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm 범위의 길이(LE)를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 집합체의 구성체는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이(LE)를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서 애노드 집합체의 구성체는 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이(LE)를 갖는다.
애노드 집합체의 구성체의 폭(WE)은 또한 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 변경될 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집합체의 각각의 구성체는 통상적으로 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위 내의 폭(WE)을 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 집합체의 각각의 구성체의 폭(WE)은 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 집합체의 각각의 구성체의 폭(WE)은 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
애노드 집합체의 구성체의 높이(HE)는 또한 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 변경될 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집합체의 구성체는 통상적으로 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위 내의 높이(HE)를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 집합체의 각각의 구성체의 높이(HE)는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 집합체의 각각의 구성체의 높이(HE)는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다. 일 실시예에 따르면, 애노드 집합체의 구성체는 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 높이와 다른 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재 및 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 상이한 높이는 전극 조립체(예를 들어, 다층 서브-스택(1501)(도 15))에 대한 미리 결정된 형상, 예컨대 종방향 축 및/또는 횡방향 축 중 하나 이상을 따라 상이한 높이를 갖는 전극 조립체 형상을 수용하고, 및/또는 2차 배터리에 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 애노드 집합체의 구성체는 그 폭(WE) 및 그 높이(HE) 각각보다 실질적으로 더 큰 길이(LE)를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, LE 대 WE 및 HE 각각의 비율은 애노드 집합체의 각각의 구성체에 대해 각각 적어도 5:1(즉, LE 대 WE의 비율은 각각 적어도 5:1이고 LE 대 HE의 비율은 각각 적어도 5:1임)이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LE 대 WE 및 HE 각각의 비율은 적어도 10:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LE 대 WE 및 HE 각각의 비율은 적어도 15:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LE 대 WE 및 HE 각각의 비율은 애노드 집합체의 각각의 구성체에 대해 적어도 20:1이다.
일 실시예에서, 애노드 집합체의 구성체의 높이(HE) 대 폭(WE)의 비율은 각각 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, WE 에 대한 HE 의 비율은 애노드 집합체의 각각의 구성체에 대해, 각각, 적어도 2:1일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비율은 적어도, 각각, 10:1일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비율은, 각각 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 통상적으로, HE 대 WE의 비율은 대체로 각각 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, WE에 대한 HE의 비율은 각각 500:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비율은 각각 100:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, WE에 대한 HE의 비율은 각각 10:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, HE 대 WE의 비율은, 애노드 집합체의 각각의 구성체에 대해, 각각 약 2:1 내지 약 100:1의 범위에 있을 것이다.
일 실시예에서, 캐소드 집합체 중 하나의 구성체는 캐소드 재료(504)인 베이스 재료(104)의 웨브로부터 형성된다. 이제 도 6b를 참조하면, 캐소드 집합체의 각각의 구성체는 저부, 상단, 및 교차-웨브 방향(XWD)으로 그리고 음극 구조체 및 양극 구조체의 교번 시퀀스가 진행하는 방향과 대체로 직교하는 방향으로 그의 저부로부터 상단으로 연장되는 종방향 축(ACE)을 갖는다. 추가로, 캐소드 집합체의 각각의 구성체는 교차-웨브 방향(XWD)에 평행한 종방향 축(ACE)을 따라 측정된 길이(LCE), 음극 구조체 및 양극 구조체의 교번 시퀀스가 진행되는 다운-웨브 방향(WD)으로 측정된 폭(WCE), 및 길이(LCE) 및 폭(WCE)의 측정 방향 각각과 직교하는 방향으로 측정된 높이(HCE)를 갖는다.
캐소드 집합체의 구성체의 길이(LCE)는 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 변경될 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 집합체의 각각의 구성체는 전형적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위의 길이(LCE)를 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 집합체의 각각의 구성체는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이(LCE)를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 집합체의 각각의 구성체는 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이(LCE)를 갖는다.
캐소드 집합체의 구성체의 폭(WCE)은 또한 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 변경될 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 집합체의 구성체는 통상적으로 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위 내의 폭(WCE)을 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집합체의 각각의 구성체의 폭(WCE)은 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집합체의 각각의 구성체의 폭(WCE)은 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
캐소드 집합체의 구성체의 높이(HCE)는 또한 에너지 저장 디바이스 및 그의 의도된 용도에 따라 변경될 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 집합체의 구성체는 통상적으로 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위 내의 높이(HCE)를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집합체의 각각의 구성체의 높이(HCE)는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집합체의 각각의 구성체의 높이(HCE)는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다. 일 실시예에 따르면, 캐소드 집합체의 구성체는 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 캐소드 부재, 및 제1 높이와 다른 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 캐소드 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 캐소드 부재 및 하나 이상의 제2 캐소드 부재에 대한 상이한 높이는 전극 조립체에 대한 미리 결정된 형상, 예컨대 종방향 축 및/또는 횡방향 축 중 하나 이상을 따라 상이한 높이를 갖는 전극 조립체 형상을 수용하고, 및/또는 2차 배터리에 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 캐소드 집합체의 각각의 구성체는, 폭(WCE)보다 실질적으로 크고 그 높이(HCE)보다 실질적으로 큰, 길이(LCE})를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집합체의 각각의 구성체에 대해, LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비율은 각각 적어도 5:1이다(즉, LCE 대 WCE의 비율은 각각 적어도 5:1이고, LCE 대 HCE의 비율은 각각 적어도 5:1이다). 추가의 예로서, 일 실시예에서, WCE 및 HCE 각각에 대한 LCE 의 비율은 캐소드 집합체의 각각의 구성체에 대해 적어도 10:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비율은 캐소드 집합체의 각각의 구성체에 대해 적어도 15:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비율은 캐소드 집합체의 각각의 구성체에 대해 적어도 20:1이다.
일 실시예에서, 캐소드 집합체의 구성체의 높이(HCE) 대 폭(WCE)의 비율은 각각 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HCE 대 WCE 의 비율은 캐소드 집합체의 각각의 구성체에 대해 각각 적어도 2:1일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE 의 비율은, 캐소드 집합체의 각각의 구성체에 대해, 각각, 적어도 10:1일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE 의 비율은, 캐소드 집합체의 각각의 구성체에 대해, 각각, 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 통상적으로, HCE 대 WCE 의 비율은 대체로 애노드 집합체의 각각의 구성체에 대해 각각 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HCE 대 WCE 의 비율은 캐소드 집합체의 각각의 구성체에 대해 각각 500:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE 의 비율은, 각각, 100:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE 의 비율은, 각각, 10:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, HCE 대 WCE의 비율은, 캐소드 집합체의 각각의 구성체에 대해, 각각, 약 2:1 내지 약 100:1의 범위에 있을 것이다.
일 실시예에서, 애노드 집전체(506)는 또한 음극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스보다 실질적으로 큰 전기 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스에 에너지를 저장하기 위한 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키기 위한 인가된 부하가 존재할 때 애노드 집전체(506)의 전기 컨덕턴스 대 음극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 100:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예에서는, 디바이스에 에너지를 저장하기 위한 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키기 위한 인가된 부하가 존재할 때 애노드 집전체(506)의 전기 컨덕턴스 대 음극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 500:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예에서는, 디바이스에 에너지를 저장하기 위한 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키기 위한 인가된 부하가 존재할 때 애노드 집전체(506)의 전기 컨덕턴스 대 음극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 1000:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예에서는, 디바이스에 에너지를 저장하기 위한 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키기 위한 인가된 부하가 존재할 때 애노드 집전체(506)의 전기 컨덕턴스 대 음극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 5000:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예에서는, 디바이스에 에너지를 저장하기 위한 인가된 전류 또는 디바이스를 방전시키기 위한 인가된 부하가 존재할 때 애노드 집전체(506)의 전기 컨덕턴스 대 음극 활성 재료 층의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 10,000:1이다.
일반적으로, 캐소드 집전체 층(510)은 금속, 예컨대 알루미늄, 탄소, 크로뮴, 금, 니켈, NiP, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 실리콘과 니켈의 합금, 티타늄, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다(문헌 ["Current collectors for positive electrodes of lithium-based batteries" by A. H. Whitehead and M. Schreiber, Journal of the Electrochemical Society, 152(11) A2105-A2113 (2005)] 참조). 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집전체 층(510)은 금 또는 그의 함금, 예컨대 금 실리사이드를 포함한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집전체 층(510)은 니켈 또는 그의 합금, 예컨대 니켈 실리사이드를 포함한다.
스페이서
도 27 내지 도 32d를 참조하여, 스페이서 부재를 갖는 본 개시내용의 실시예가 설명된다. 일 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 베이스 재료(104)의 웨브에 추가된다. 다른 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 전극 재료(1402, 1404, 및 1406)의 웨브 중 하나 이상에 추가된다. 일 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 유기 또는 무기 재료의 연속 또는 불연속 스트립이다. 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 Z-축 및 X-축 중 하나 이상에서 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 일부 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 전기 절연성 재료 및/또는 이온 투과성 폴리머 직조 재료로부터 제조된다. 일 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 분리막 층(500) 또는 분리막 재료(1406)와 동일한 재료로 제조된다. 일부 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드(PI)를 포함한다. 다른 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 전기 전도성 재료를 포함한다. 스페이서 부재가 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)로서 참조되지만, 1개 이상으로부터의 임의의 개수의 스페이서 부재가 존재할 수 있고, 일부 실시예에서, 어떠한 스페이서 부재도 사용되지 않는다는 것에 유의해야 한다.
일반적으로, 스페이서 부재는 폴리머 재료, 복합재, 예컨대 접착 테이프, 전극 집전체, 전극 활성 재료, 상대 전극 활성 재료, 상대 전극 집전체, 분리막 재료, 또는 (배터리 환경에서) 화학적으로 불활성인 재료를 포함하는 스페이서 재료를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 스페이서 부재는 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는 애노드 활성 재료를 포함하고; 이 실시예에서, 애노드 활성 재료는, 흑연, 그래핀, 또는 스페이서 재료의 몰당 캐리어 이온이 1 몰 미만인 캐리어 이온에 대한 용량을 갖는 다른의 애노드 활성 재료를 포함하는 것이 일반적으로 바람직하다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 스페이서 부재는 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는 캐소드 활성 재료를 포함한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 스페이서 부재는 폴리머 재료(예를 들어, 단독중합체, 공중합체 또는 중합체 블렌드)를 포함할 수 있고; 이러한 실시예에서, 스페이서 부재는 비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜, 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리부텐, 에틸렌-디엔-프로펜 삼원공중합체, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈, 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 메틸 셀룰로스, 카르복시메틸 셀룰로스, 스티렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 옥시드, 아크릴레이트, 스티렌, 에폭시, 실리콘, 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 폴리에틸렌-코-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌 옥시드, 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸 폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로스, 시아노에틸수크로스, 풀루란, 카르복시메틸 셀룰로스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌 옥시드, 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸 풀루란, 시아노에틸 폴리비닐 알콜, 시아노에틸 셀룰로스, 시아노에틸 수크로스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로스, 아크릴로니트릴 스티렌 부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르 술폰, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에틸렌 나프탈렌, 및/또는 그의 조합 또는 공중합체를 함유하는 단량체로부터 유도된 플루오로중합체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 스페이서 부재는 베이스 및 베이스의 일 표면 상에 제공된 접착층을 갖는 접착 테이프의 형태이다. 접착 테이프 베이스의 조성은 특별히 제한되지 않으며, 접착 테이프에 사용 가능한 것으로 알려진 다양한 베이스가 사용될 수 있다. 일반적으로, 플라스틱 필름이 바람직하고, 구체적인 예는 폴리올레핀 필름, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 술피드, 폴리이미드 또는 폴리아미드 필름을 포함한다. 일부 실시예에서, 폴리올레핀, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드 필름은 배터리 응용에 적합한 내열성 및 내화학성의 관점에서 바람직할 수 있다. 접착 테이프 베이스는 약 4 내지 200 μm의 범위, 예를 들어 6 내지 150 μm의 범위, 또는 심지어 약 25 내지 100 μm 범위의 두께를 가질 수 있다. 접착 테이프의 접착층을 구성하는 접착제는 예를 들어, 고무 기반 접착제, 아크릴 접착제, 실리콘 기반 접착제 또는 이의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 Z-축 방향에서 연속적일 수 있고(예를 들어, 연속적인 테이프 또는 리본), Z-축 또는 X-축 방향에서 불연속적일 수 있고(예를 들어, 일련의 불연속적인 스트립, 돌출부 등)(또는 모두), 또는 다공성일 수 있다(예를 들어, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)의 체적 내에 공극 공간을 가짐).
일 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 본 명세서에 설명된 스플라이싱, 절단 또는 천공 동작 중 임의의 것 또는 모두에 앞서 베이스 재료(104)의 웨브에 적용될 수 있다. 다른 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 본 명세서에 설명된 스플라이싱, 절단 또는 천공 동작 중 하나 이상 후에 적용된다. 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)가 본 명세서에 설명된 스플라이싱, 절단 또는 천공 동작 전에 적용되는 실시예에서, 스페이서 부재는 또한, 예컨대 그 내부의 관통 구멍(2704)(도 27)을 절단하기 위해, 본 명세서에 설명된 스플라이싱, 절단 또는 천공 동작 중 하나 이상을 가질 것이다. 관통 구멍(2704)은 베이스 재료(104)의 웨브의 관통 구멍(704)과 정렬하도록 크기 설정되고, 성형되고, 위치 설정된다. 일 실시예에서, 베이스 재료(104)의 웨브 내의 관통 구멍(704)을 절단하는데 사용된 바와 같은 본 명세서에 설명된 프로세스는 스페이서 부재(2700a 내지 2700d) 내의 관통 구멍(2704)을 절단하는데 유사하게 사용될 수 있다. 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 Y-축 방향의 폭(Wsl), X-축 방향의 길이(Lsl) 및 Z-축 방향의 높이(Hsl)를 갖는다(도 27 및 도 28). X-축, Y-축 및 Z-축 방향은 각각 상호 직교하며, x, y, z 데카르트 좌표계에 관련된다. 폭(Wsl)은 전극 서브-유닛이 조립될 때, 스페이서 부재가 서브-유닛의 인접한 층들 사이의 Y-축 방향으로의 거리를 특정된 양만큼 증가시키도록 미리 결정될 수 있다. 베이스 재료의 웨브는, 실시예에서, 분리막 층(500), 애노드 재료(502) 또는 캐소드 재료(504) 중 임의의 것일 수 있다는 점에 유의한다.
일 실시예에서, 폭(Wsl)은 Y-축 방향으로의 캐소드 활성 재료 층(512) 폭의 50% 이상이다. 또 다른 실시예에서, 폭(Wsl)은 Y-축 방향으로의 캐소드 집전체 층(510)의 폭 + 캐소드 활성 재료 층(512)의 50% 이상이다. 또 다른 실시예에서, 폭(Wsl)은, Y-축 방향으로의 확장 간극(3002)의 폭(WG) + 캐소드 활성 재료 층(512)의 50% 이상이다.
일 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)를 베이스 재료(104)의 웨브에 고정하는 스페이서 부재의 제1 표면(2720)에 도포된 접착제를 갖는 테이프 재료이다. 일부 실시예에서, 접착제는 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)를 베이스 재료(104)의 웨브에 영구적으로 고정하는 강한 접착제이다. 다른 실시예에서, 접착제는 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)를 베이스 재료(104)의 웨브에 제거 가능하게 고정하는 약한 접착제이다. 본 명세서에 사용될 때, 강한 접착제는 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)가 스페이서 부재(2700a, 2700b 또는 2700c, 2700d) 중 하나 또는 양자 모두 및/또는 베이스 재료(104)의 웨브에 손상을 주지 않고는 베이스 재료(104)의 웨브로부터 제거될 수 없는 충분한 강도를 갖는 접착제로서 규정된다. 본 명세서에 사용될 때, 약한 접착제는 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)를 베이스 재료(104)의 웨브에 접착하지만 적어도 베이스 재료(104)의 웨브에 재료 손상을 유발하지 않고 스페이서 부재가 제거되는 것을 허용하기에 충분한 강도를 갖는 것으로서 규정된다. 약한 접착제를 사용하는 실시예에서, 접착층은 제거될 때 베이스 재료(104)의 웨브 상에 어떠한 잔류물도 남기지 않는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 스페이서 부재는 제1 표면(2720) 및 제2 대향 표면(2721) 모두에 도포된 접착제를 갖는다. 이 실시예에서, 릴리스 층은 인접한 층에 접착하기 전에 제거되는 제2 표면(2021)에 도포될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 임의의 층에 접착되지 않은 상태에서 적용된다. 다른 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 3-D 프린팅 프로세스와 같은 프린팅 프로세스를 사용하여 적용된다. 또 다른 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)를 각각의 층에 용융 또는 용접함으로써 적용된다.
또 다른 실시예에서, 스페이서 부재는 본 명세서에 설명된 바와 같은 병합 및 적층 동작 중 하나 이상 동안 추가될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 스페이서 부재 재료의 추가 스풀이 권출되고 원하는 위치에서 병합된 재료 웨브 내로 병합되며, 상기 원하는 위치는 병합된 재료 웨브의 인접한 층들 사이이다. 이 실시예에서, 스페이서 부재는 전극 재료의 스풀(1402, 1404 및 1406)로부터의 웨브와 유사한 방식으로 병합되는 재료 웨브의 일부를 형성할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스페이서 부재는 2700a 및 2700b 각각에 대해 하나씩 2개의 개별 리본을 형성할 수 있고, 각각의 리본은 그 자신의 트랙터 구멍을 사용하여 반송되고, 전극 재료의 스풀(1402, 1404, 및 1406)로부터 웨브를 병합하는 것과 함께 설명된 것과 유사한 프로세스를 사용하여 병합된다.
또 다른 실시예에서, 도 35를 참조하면, 스페이서 부재는 적층 동작 중에 추가된다. 이 실시예에서, 애노드 집전체 층(506) 및 애노드 활성 재료 층(508) 등의 제1 전극이 수용기(2014) 상에 적층된다. 후속하여, 그 위에 분리막(500)을 적층한다. 다음으로, 한 쌍의 개별 스페이서 부재(3700a, 3700b)가 분리막(500) 상에 적층된다. 개별 스페이서 부재(3700a, 3700b)는 스페이서 부재(2700a, 2700b)와 유사한 재료로 이루어질 수 있고, 유사한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 그러나, 이 실시예에서, 각각의 개별 스페이서 부재(3700a, 3700b)는 병합된 재료 웨브 내로 병합되기보다는, 적층 프로세스 중에 정렬 핀(2012) 아래로 각각 가압된다. 개별 스페이서 부재(3700a, 3700b)는 정렬 핀(2012)에 대응하는 크기 및 형상을 갖는 중심 보어를 갖는 링 형상일 수 있으며, 그로 인해 개별 스페이서 부재의 각각은 결합 또는 재료 손상 없이 정렬 핀을 따라 제 위치로 활주될 수 있다. 개별 스페이서 부재(3700a, 3700b)가 분리막(500) 상에 적층된 후, 그 위에 캐소드 층이 적층된다. 이 실시예에서, 캐소드 층은 공유된 캐소드 집전체(510)를 포함하고, 그 각각의 대향 측면 상에 캐소드 활성 재료 층(512, 512')을 갖는다. 이 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(512)은 개별 스페이서 부재(3700a, 3700b)에 인접하는 영역에서 절제되거나 다른 방식으로 제거되었다. 개별 스페이서 부재(3700a, 3700b)는 Y-축 방향에서의 캐소드 활성 재료 층(512)의 폭보다 큰 Y-축 방향에서의 폭(Wsl)을 갖기 때문에, 확장 간극(3002)은 스페이서(500)와 캐소드 활성 재료 층(512) 사이에 형성된다. 도시된 바와 같이, 개별 스페이서 부재(3700a, 3700b) 및/또는 캐소드 층(510, 512, 512')이 적층되면, 분리막(500)은 그의 원위 단부(501, 503)에서 "L"자 형상 부분으로 절첩되고/구부러진다(예컨대, 합치된다). 이 실시예에서, 제2 쌍의 개별 스페이서 부재(3700c, 3700d)는 대향하는 캐소드 활성 재료 층(512') 상에 배치된다. 이 실시예에서, 대향하는 캐소드 활성 재료 층(512')은 유사하게 절제되거나, 달리 개별 스페이서 층(3700c, 3700d)에 인접하는 영역으로부터 제거된 캐소드 활성 재료를 가졌다. 따라서, X-축 방향에서의 캐소드 활성 재료 층의 길이 + X-축 방향에서의 한 쌍의 개별 스페이서 층(3700a, 3700b)의 길이는 캐소드 집전체(510)의 X-축 방향에서의 길이와 등가이다. 이 실시예에서, 제2 쌍의 개별 스페이서 부재(3700c, 3700d)는 대향하는 캐소드 활성 재료 층(512') 상에 배치된다. 제2 분리막(500')가 개별 스페이서 부재(3700c, 3700d) 상에 유사하게 적층된다. 일 실시예에서, 제2 쌍의 스페이서 부재(3700c, 3700d) 각각의 폭(Wsl)은 캐소드 활성 재료 층(512')의 폭보다 크며, 따라서 스페이서(500')와 캐소드 활성 재료 층(512') 사이에 제2 확장 간극(도시되지 않음)을 생성한다. 일 실시예에서, 애노드 활성 재료 층(508') 및 애노드 집전체(506')를 포함하는 거울상 애노드 층이 분리막 층(500') 상에 적층되어, 전극 서브-유닛 조립체를 완성한다. 일부 실시예에서, 분리막(500')은 분리막(500)과 유사한 방식으로, 그의 원위 단부에서 "L"자형 부분으로 절첩되거나/구부러진다(예를 들어, 합치된다)는 것에 유의한다. 일부 실시예에서, 상기 프로세스는 원하는 수의 서브-유닛이 적층될 때까지 임의의 횟수로 반복될 수 있다.
일 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 스페이서 부재(2700a 내지 2700d) 전체가 내부 천공(608)에 의해 형성되는 외부 경계의, 전극 중심점(2702)을 향한 교차-웨브 방향으로의, 내부에 있도록 위치 설정된다. 다른 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 내부 천공(608) 또는 외부 천공(610)과 부분적으로 중첩하여 위치 설정될 수 있다. 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)의 사용 및 배치에 관하여, 이는 베이스 재료(104)의 웨브에 관하여 전술된 것과 실질적으로 유사한 방식으로, 전극 재료(1402, 1404, 및 1406)의 웨브 또는 애노드 집전체 층(506), 애노드 활성 재료 층(508), 분리막(500), 캐소드 활성 재료 층(512) 및 캐소드 집전체(510) 중 하나 이상에 유사하게 적용될 수 있다.
스페이서 부재(2700a 내지 2700d)의 사용은 이제 적층된 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d) 및 적층된 전지(2904)와 관련하여 설명될 것이다. 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)은, 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900e)이 하나 이상의 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)를 포함하는 것을 제외하고는, 전극 서브-유닛(2018)과 유사하다. 적층된 전지(2904)는, 적층된 전지(2904)가 전극 서브 유닛(2900a 내지 2900d) 중 하나 이상을 사용하여 조립되는 것을 제외하고는, 적층된 전지(1704)와 유사하다. 적층된 전지(2904)는 하나 이상의 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900e), 예컨대 1개 내지 100개의 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 적층된 전지(2904)는 특정 응용에 대해 요구될 수 있는 바와 같은 임의의 수의 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)을 포함할 수 있다.
이제 도 29 및 도 30a 내지 도 30f를 참조하여 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900f)을 설명한다. 도 30a에 도시된 바와 같이, 적층된 전지(2904)의 섹션 라인(30A-D)을 따라 취해진 단면은 적층된 전지(2904)의 전극 서브-유닛(2900a)의 집합체 중 하나의 전극 서브-유닛(2900a)의 단면을 예시한다. 이 실시예에서, 각각의 전극 서브-유닛(2900a)은 캐소드(상대 전극) 집전체 층(510), 캐소드 활성 층(상대 전극)(512), 분리막 층(500), 애노드 활성 재료 층(전극)(508), 애노드 집전체 층(506) 및 스페이서 부재(2700a, 2700b)를 포함한다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는, 분리막 층이 캐소드 집전체 층(510)과 접촉하는 "L-형상"(3008)을 갖도록 (교차-웨브 방향으로) 각각의 원위 단부(3000a, 3000b)에서 절첩되게 하는 방식으로 분리막 층(500)에 바로 인접하여 위치 설정된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 애노드 집전체(506)의 하부 경계(3006)로부터 캐소드 활성 재료 층(512)의 상부 경계(3004)와 하부 경계(3010) 사이 내에서 수직으로(Z-방향으로) 소정 영역으로 연장된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 각각, 확장 간극(3002)이 분리막 층(500)과 애노드 활성 재료 층(508) 사이에 형성되는 충분한 폭(Wsl)이다. 폭(Wsl)은 확장 간극(3002)이 특정된 바와 같이 폭(WG)을 갖도록 제어된다. 실시예에서, 높이(HG)는 0 마이크로미터(예를 들어, 간극 없음) 내지 1000 마이크로미터, 예컨대 1μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm, 600 μm¸700 μm¸800 μm¸900 μm 또는 1000μm 또는 그 이상으로 설정될 수 있다.
일부 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)가 교차-웨브 방향으로 위치 설정되는 위치는 마진(2701a, 2701b)으로 지칭한다. 마진(2701a, 2701b)은 웨브(또는 전극 서브-유닛 또는 단위 전지)의 외측 에지(2750)로부터 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)의 내측 에지(2752)까지 연장되는 것으로 규정된다. 상대 전극(예를 들어, 캐소드 집전체 층(510) 및 캐소드 활성 재료 층(512)을 포함함) 및/또는 전극(예를 들어, 애노드 집전체(506) 및 애노드 활성 재료 층(508)을 포함함)의 마진(2701a, 2701b)에 대응하는 전극 층의 이 영역은 상대 전극 또는 전극의 플랭크 부분(flank portion)으로 지칭될 수 있다. 즉, 플랭크 부분(3027a, 3027b)(도 30a 참조)은, 일부 실시예에서, 스페이서 부재와 정렬되거나 그에 인접하는 애노드 층 또는 캐소드 층의 부분이다. 플랭크 부분(3027a, 3027b) 사이의 애노드 층 또는 캐소드 층의 영역은 중심 부분, 또는 그 본체 부분으로 지칭될 수 있다.
일부 실시예에서, 마진(2701a, 2701b)(예를 들어, 제1 에지 마진(2701a) 및 제2 에지 마진(2701b))은 단위 전지에 대해, 교차-웨브 방향으로, 애노드(예를 들어, 전극) 집전체 층(506), 분리막 층(500), 및 캐소드(예를 들어, 상대 전극) 집전체 층(510), 및 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)(예를 들어, 테이프 스페이서)를 포함하고, 테이프 스페이서들 각각은 (i) 전극 집전체, (ii) 전극 층, (iii) 분리막, 및 (iv) 상대 전극 집전체 중 적어도 하나에 접착된다. 본체(2725)는 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)의 중심(즉, 마진(2701a)과 마진(2701b) 사이의 영역)에 대해 교차-웨브 방향으로 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)의 근위에 있는 웨브, 전극 서브-유닛 또는 단위 전지의 부분이다. 본체(2725)는, Z-방향으로, 애노드(예를 들어, 전극) 집전체 층(506), 애노드 활성 재료 층(508), 분리막 층(500), 캐소드(예를 들어, 상대 전극) 집전체 층(510), 캐소드 활성 재료 층(512) 및 확장 간극(3002) 각각 중 하나 이상을 포함하지만, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 포함하지 않는다. 다른 실시예에서, 각각의 전극 서브-유닛(2900b)은 캐소드(상대 전극) 집전체 층(510), 캐소드 활성 층(상대 전극)(512), 분리막 층(500), 애노드 활성 재료 층(전극)(508), 애노드 집전체 층(506) 및 스페이서 부재(2700a, 2700b)를 포함한다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는, 분리막 층이 캐소드 집전체 층(510)과 접촉하는 "L-형상"(3008)을 갖도록 (교차-웨브 방향으로) 각각의 원위 단부(3000a, 3000b)에서 절첩되게/구부러지게(예를 들어, 합치되게) 하는 방식으로 분리막 층(500)에 바로 인접하여 위치 설정된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 애노드 집전체(506)의 하부 경계(3006)로부터 캐소드 활성 재료 층(512)의 상부 경계(3004)와 수직으로 정렬된 영역까지 연장된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 각각, 확장 간극(3002)이 분리막 층(500)과 애노드 활성 재료 층(508) 사이에 형성되는 충분한 폭(Wsl)이다. 폭(Wsl)은 확장 간극(3002)이 특정된 바와 같이 높이(WG)를 갖도록 제어된다. 실시예에서, 폭(WG)은 0 마이크로미터(예를 들어, 간극 없음) 내지 1000 마이크로미터, 예컨대 1μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm, 600 μm¸700 μm¸800 μm¸900 μm 또는 1000μm 또는 그 이상으로 설정될 수 있다.
일부 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 X-축 방향으로 길이(Lsl)를 갖는다. 길이(Lsl)는, (예를 들어, 도 30e 및 30f에 도시된 바와 같이 원위 단부(3015a, 3015b 및 3021a, 3021b)로부터) 절제되었거나 또는 달리 제거된 애노드 활성 재료 층 및/또는 캐소드 활성 재료 층의 X-축 방향으로의 오프셋과 등가이다. 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)의 길이(Lsl)는 X-축 방향으로 측정될 때, 0 마이크로미터 내지 500 마이크로미터, 예컨대, 100 마이크로미터, 200 마이크로미터, 300 마이크로미터, 400 마이크로미터 또는 500 마이크로미터 또는 그 이상이도록 설정되고, 따라서, 0 마이크로미터 내지 500 마이크로미터, 예컨대, 100 마이크로미터, 200 마이크로미터, 300 마이크로미터, 400 마이크로미터 또는 500 마이크로미터 또는 그 이상의 등가 오프셋을 생성한다.
일부 실시예에서, 상대 전극 층(캐소드 집전체(510) 및 캐소드 활성 재료 층(512)과 함께)의 플랭크 부분(3027a, 3027b)은 상대 전극의 중심 부분의 폭의 50% 이하, 예컨대 중심 부분의 폭의 40% 미만, 또는 예컨대 중심 부분의 폭의 20% 미만, 또는 예컨대 중심 부분의 폭의 10% 미만인 Y-축 방향으로의 폭을 갖는다.
확장 간극(3002)에 의해 점유되는 체적은 또한 공극률로서 지칭될 수 있고, 적층된 전지(2904) 내의 활성 재료에 대한 개방 공간(즉, 공극)의 비율로서 표현될 수 있다. 증가된 폭(Wsl)을 갖는 스페이서 부재(2700a, 2700b)에 의해 촉진되는 증가된 폭(WG)을 가짐으로써 더 높은 공극률 또는 더 큰 확장 간극(3002)이 제공된다. 일반적으로, 더 큰 확장 간극(3002)은 활성 재료를 위한 더 많은 공간을 위한 적층된 전지를 제공하며, 이는 일부 실시예에서 방전 또는 충전 동작 동안 팽창할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 확장 간극(3002) 및 테이프 스페이서(2700a, 2700b)는 활성 재료를 구성하지 않고 따라서 적층된 전지(2904)에 대한 이론적인 배터리 용량을 추가하지 않기 때문에, 증가된 확장 간극(3002) 크기로 인해 배터리 용량이 희생된다.
도 30b에 도시된 바와 같이, 적층된 전지(2904)의 섹션 라인(30A-D)을 따라 취해진 단면이 적층된 전지(2904)의 전극 서브-유닛(2900b)의 집합체 중 하나의 전극 서브-유닛(2900b)의 단면을 예시하는 다른 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, 각각의 전극 서브-유닛(2900b)은 캐소드(상대 전극) 집전체 층(510), 캐소드 활성 층(상대 전극)(512), 분리막 층(500), 애노드 활성 재료 층(전극)(508), 애노드 집전체 층(506) 및 스페이서 부재(2700a, 2700b)를 포함한다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는, 분리막 층이 애노드 활성 재료 층(508)과 접촉하는 "L-형상"(3008)을 갖도록 (교차-웨브 방향으로) 각각의 원위 단부(3000a, 3000b)에서 절첩되게/구부러지게(예를 들어, 합치되게) 하는 방식으로 분리막 층(500)에 바로 인접하여 위치 설정된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 애노드 활성 재료 층(508)의 하부 경계(3007)로부터 캐소드 활성 재료 층(512)의 상부 경계(3004)와 수직으로 정렬된 영역으로 연장된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 각각, 확장 간극(3002)이 분리막 층(500)과 애노드 활성 재료 층(508) 사이에 형성되는 충분한 폭(Wsl)이다. 폭(Wsl)은 확장 간극(3002)이 특정된 바와 같이 폭(WG)을 갖도록 제어된다. 실시예에서, 폭(WG)은 0 마이크로미터(예를 들어, 간극 없음) 내지 1000 마이크로미터, 예컨대 1μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm, 600 μm¸700 μm¸800 μm¸900 μm 또는 1000μm 또는 그 이상으로 설정될 수 있다.
도 30c에 도시된 바와 같이, 적층된 전지(2904)의 섹션 라인(30A-D)을 따라 취해진 단면이 적층된 전지(2904)의 전극 서브-유닛(2900c)의 집합체 중 하나의 전극 서브-유닛(2900c)의 단면을 예시하는 다른 실시예가 도시된다. 이 실시예는, 애노드 층 및 캐소드 층이 교환되어, 캐소드 층이 상단에 도시되고 애노드 층이 저부에 도시되는 것을 제외하면, 도 30b에 도시된 것과 유사하다. 이 실시예에서, 각각의 전극 서브-유닛(2900b)은 캐소드(상대 전극) 집전체 층(510), 캐소드 활성 층(상대 전극)(512), 분리막 층(500), 애노드 활성 재료 층(전극)(508), 애노드 집전체 층(506) 및 스페이서 부재(2700a, 2700b)를 포함한다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는, 분리막 층이 애노드 집전체 층(506)과 접촉하는 "L-형상"을 갖도록 (교차-웨브 방향으로) 각각의 원위 단부(3000a, 3000b)에서 절첩되게/구부러지게(예를 들어, 합치되게) 하는 방식으로 분리막 층(500)에 바로 인접하여 위치 설정된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 캐소드 집전체 층(510)의 하부 경계로부터 애노드 활성 재료 층(508)의 상부 경계와 수직으로 정렬된 영역으로 연장된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 각각, 확장 간극(3002)이 분리막 층(500)과 캐소드 활성 재료 층(512) 사이에 형성되는 충분한 폭(Wsl)이다. 폭(Wsl)은 확장 간극(3002)이 특정된 바와 같이 폭(WG)을 갖도록 제어된다. 실시예에서, 폭(WG)은 0 마이크로미터(예를 들어, 간극 없음) 내지 1000 마이크로미터, 예컨대 1μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm, 600 μm¸700 μm¸800 μm¸900 μm 또는 1000μm 또는 그 이상으로 설정될 수 있다.
도 30d에 도시된 바와 같이, 적층된 전지(2904)의 섹션 라인(30A-D)을 따라 취해진 단면이 적층된 전지(2904)의 전극 서브-유닛(2900d)의 집합체 중 하나의 전극 서브-유닛(2900d)의 단면을 예시하는 다른 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, 전극 서브-유닛(2900d)은 제1 애노드 집전체 층(506a), 제1 애노드 활성 재료 층(508a), 제1 분리막 층(500a), 제1 확장 간극(3002a), 제1 캐소드 활성 재료 층(512a), 캐소드 집전체 층(510), 제2 캐소드 활성 재료 층(512b), 제2 확장 간극(3002b), 제2 분리막 층(500b), 제2 애노드 활성 재료 층(508b), 제2 애노드 집전체 층(506b)을 포함한다. 이 실시예는 또한 스페이서 부재(2700a, 2700b) 및 제2 스페이서 부재(2700c, 2700d)를 포함한다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는, 제1 분리막 층(500a)이 애노드 집전체 층(506a)과 접촉하는 "L-형상"(3008)을 갖도록 (교차-웨브 방향으로) 각각의 원위 단부(3000a, 3000b)에서 절첩되게 하는 방식으로 제1 분리막 층(500a)에 바로 인접하여 위치 설정된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 애노드 활성 재료 층(508a)의 하부 경계(3012)와 수직으로 정렬된 위치에서 제1 분리막 층(500a)으로부터 캐소드 집전체 층(510)의 상부 경계(3014)로 연장된다. 따라서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 확장 간극(3002a)이 제1 분리막 층(500a)과 제1 캐소드 활성 재료 층(512a) 사이에 형성되는 것을 용이하게 한다. 또한, 제2 스페이서 부재(2700c, 2700d)는 제2 애노드 활성 재료 층(508b)의 상부 경계(3018)와 수직으로 정렬되는 제2 분리막 층(2700c, 2700d)에 인접한 위치에서 제2 분리막 층(500b)과 캐소드 집전체 층(510)의 하부 경계(3016) 사이에 위치 설정된다. 이는 수직으로 508이다. 따라서, 제2 확장 간극(3002b)은 제2 캐소드 활성 재료 층(512b)과 제2 분리막 층(500b) 사이에 형성된다. 폭(Wsl)은, 확장 간극(3002a, 3002b)이 특정된 바와 같이 각각 폭(WGa 및 WGb)을 갖도록 제어된다. 실시예에서, 폭(WGa 및 WGb)은 0 마이크로미터(예를 들어, 간극 없음) 내지 1000 마이크로미터, 예컨대 1μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm, 600 μm¸700 μm¸800 μm¸900 μm 또는 1000μm 또는 그 이상으로 설정될 수 있다.
도 30e에 도시된 바와 같이, 적층된 전지(2904)의 섹션 라인(30A-D)을 따라 취해진 단면이 적층된 전지(2904)의 전극 서브-유닛(2900e)의 집합체 중 하나의 전극 서브-유닛(2900e)의 단면을 예시하는 다른 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, 각각의 전극 서브-유닛(2900e)은 캐소드(상대 전극) 집전체 층(510), 캐소드 활성 층(상대 전극)(512), 분리막 층(500), 애노드 활성 재료 층(전극)(508), 애노드 집전체 층(506) 및 스페이서 부재(2700a, 2700b)를 포함한다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 분리막 층(500), 캐소드 활성 재료 층(512) 및 캐소드 집전체 층(510)에 바로 인접하여 위치 설정된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 분리막(500)의 하부 경계(3011)로부터 캐소드 집전체(510)의 상부 경계(3013)로 Y-축 방향으로 연장된다. 캐소드 활성 재료 층은, 캐소드 활성 재료 층(512)의 X-축 방향의 총 길이 + 두 스페이서 부재(2700a, 2700b)의 길이(Lsl)가 캐소드 집전체 층(510)의 X-축 방향의 길이와 동일하도록, 스페이서 부재(2700a, 2700b)의 길이(Lsl)와 등가인 양으로 그 원위 단부(3015a, 3015b)에서 절제되거나 또는 달리 제거되었다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b) 각각은, Y-축 방향에서의 캐소드 활성 재료 층(512)의 폭과 등가이거나 그보다 큰 폭(Wsl)이다. 폭(Wsl)이 Y-축 방향으로 캐소드 활성 재료 층(512)의 폭보다 큰 실시예에서, 확장 간극(3002)은 캐소드 활성 재료 층(512)과 분리막(500) 사이에 형성된다. 실시예에서, 폭(Wsl)은 확장 간극(3002)이 특정된 바와 같이 폭(WG)를 갖도록 제어된다. 실시예에서, 폭(WG)은 0 마이크로미터(예를 들어, 간극 없음) 내지 1000 마이크로미터, 예컨대 1μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm, 600 μm¸700 μm¸800 μm¸900 μm 또는 1000μm 또는 그 이상으로 설정될 수 있다.
도 30f에 도시된 바와 같이, 적층된 전지(2904)의 섹션 라인(30A-D)을 따라 취해진 단면이 적층된 전지(2904)의 전극 서브-유닛(2900f)의 집합체 중 하나의 전극 서브-유닛(2900f)의 단면을 예시하는 다른 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, 각각의 전극 서브-유닛(2900f)은 캐소드(상대 전극) 집전체 층(510), 캐소드 활성 층(상대 전극)(512), 분리막 층(500), 애노드 활성 재료 층(전극)(508), 애노드 집전체 층(506) 및 스페이서 부재(2700a, 2700d)를 포함한다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 분리막 층(500), 캐소드 활성 재료 층(512) 및 캐소드 집전체 층(510)에 바로 인접하여 위치 설정된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 분리막(500)의 하부 경계(3011)로부터 캐소드 집전체(510)의 상부 경계(3013)로 Y-축 방향으로 연장된다. 캐소드 활성 재료 층은, 캐소드 활성 재료 층(512)의 X-축 방향의 총 길이 + 두 스페이서 부재(2700a, 2700b)의 길이(Lsl)가 캐소드 집전체 층(510)의 X-축 방향의 길이와 동일하도록, 스페이서 부재(2700a, 2700b)의 길이(Lsl)와 등가인 양으로 그 원위 단부(3015a, 3015b)에서 절제되거나 또는 달리 제거되었다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b) 각각은, Y-축 방향에서의 캐소드 활성 재료 층(512)의 폭과 등가이거나 그보다 큰 폭(Wsl)이다. 폭(Wsl)이 Y-축 방향으로 캐소드 활성 재료 층(512)의 폭보다 큰 실시예에서, 확장 간극(3002)은 캐소드 활성 재료 층(512)과 분리막(500) 사이에 형성된다. 실시예에서, 폭(Wsl)은 확장 간극(3002a)이 특정된 바와 같이 폭(WG)를 갖도록 제어된다. 실시예에서, 폭(WG)은 0 마이크로미터 내지 1000 마이크로미터로 설정된다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700c, 2700d)는 Y-축 방향으로 분리막(500)의 상부 경계(3017)로부터 애노드 집전체(506)의 하부 경계(3019)로 연장된다. 애노드 활성 재료 층(508)은, 애노드 활성 재료 층(508)의 X-축 방향의 총 길이 + 두 스페이서 부재(2700c, 2700d)의 길이(Lsl)가 애노드 집전체 층(506)의 X-축 방향의 길이와 동일하도록, 스페이서 부재(2700c, 2700d)의 길이(Lsl)와 등가인 양만큼 그 원위 단부(3021a, 3021b)에서 절제되거나 또는 달리 제거되었다. 이 실시예에서, 스페이서 부재(2700c, 2700d) 각각은 Y-축 방향에서의 애노드 활성 재료 층(512)의 폭과 등가이거나 그보다 큰 폭(Wsl)이다. 폭(Wsl)이 Y-축 방향으로 캐소드 활성 재료 층(508)의 폭보다 큰 실시예에서, 확장 간극(3002b)은 애노드 활성 재료 층(508)과 분리막(500) 사이에 형성된다. 실시예에서, 폭(Wsl)은 확장 간극(3002b)이 특정된 바와 같이 폭(WG)를 갖도록 제어된다. 실시예에서, 폭(WG)은 0 마이크로미터(예를 들어, 간극 없음) 내지 1000 마이크로미터, 예컨대 1μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm, 600 μm¸700 μm¸800 μm¸900 μm 또는 1000μm 또는 그 이상으로 설정될 수 있다.
일부 실시예에서, 예를 들어, 도 30a, 도 30c, 도 30d, 도 30e 및 도 30f에 도시된 바와 같이, 상대 전극 층(예를 들어, 캐소드 집전체(510) 및 캐소드 활성 재료 층(512)을 포함함)의 캐소드 활성 재료(512)(예를 들어, 상대 전극 활성 재료)의 적어도 일 부분은, 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재(2700a, 2700b) 사이에 위치된다.
이제, 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)의 추가 설명이 도 31a 내지 도 31d를 참조하여 설명된다. 도 31a 내지 도 31d는 도 29의 섹션(31A-D)을 따라 취해진 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)의 단면도를 도시하고, 도 32a-d는 도 29의 섹션(32A-D)을 따라 취해진 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)의 단면도를 도시한다.
도 31a에 도시된 바와 같이, 도 29의 섹션(31A-D)을 따라 취해진 섹션에서, 전극 서브-유닛(2900a)은, 좌측에서 우측으로, 애노드 집전체 층(506), 애노드 활성 재료 층(508), 확장 간극(3002), 분리막 층(500), 캐소드 활성 재료 층(512) 및 캐소드 집전체 층(510)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 전극 서브-유닛(2900a)의 층은 전극 서브-유닛(2900a)을 둘러싸는 케이싱(2901)에 의해 경계 형성된다. 특히, 전극 서브-유닛(2900a)의 이 섹션에는, 스페이서 부재(2700a, 2700b)가 존재하지 않는다. 그러나, 스페이서 부재(2700a, 2700b)에 의해 촉진된 확장 간극(3002)이 존재한다. 도 32를 참조하면, 전극 서브-유닛(2900a)의 이 섹션에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 보이지만, 확장 간극(3002)은 보이지 않는다.
도 31b에 도시된 바와 같이, 도 29의 섹션(31A-D)을 따라 취해진 섹션에서, 전극 서브-유닛(2900b)은, 좌측에서 우측으로, 애노드 집전체 층(506), 애노드 활성 재료 층(508), 확장 간극(3002), 분리막 층(500), 캐소드 활성 재료 층(512) 및 캐소드 집전체 층(510)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 전극 서브-유닛(2900a)의 층은 전극 서브-유닛(2900b)을 둘러싸는 케이싱(2901)에 의해 경계 형성된다. 특히, 전극 서브-유닛(2900b)의 이 섹션에는, 스페이서 부재(2700a, 2700b)가 존재하지 않는다. 그러나, 스페이서 부재(2700a, 2700b)에 의해 촉진된 확장 간극(3002)이 존재한다. 도 32b를 참조하면, 전극 서브-유닛(2900b)의 이 섹션에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 보이지만, 확장 간극(3002)은 보이지 않는다.
도 31c에 도시된 바와 같이, 도 29의 섹션(31A-D)을 따라 취해진 섹션에서, 전극 서브-유닛(2900c)은, 좌측에서 우측으로, 캐소드 집전체 층(510), 캐소드 활성 재료 층(512), 확장 간극(3002), 분리막 층(500), 애노드 활성 재료 층(508) 및 애노드 집전체 층(506)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 전극 서브-유닛(2900c)의 층은 전극 서브-유닛(2900c)을 둘러싸는 케이싱(2901)에 의해 경계 형성된다. 특히, 전극 서브-유닛(2900c)의 이 섹션에는, 스페이서 부재(2700a, 2700b)가 존재하지 않는다. 그러나, 스페이서 부재(2700a, 2700b)에 의해 촉진된 확장 간극(3002)이 존재한다. 도 32c를 참조하면, 전극 서브-유닛(2900c)의 이 섹션에서, 스페이서 부재(2700a, 2700b)는 보이지만, 확장 간극(3002)은 보이지 않는다.
도 31d에 도시된 바와 같이, 도 29의 섹션(31A-D)을 따라 취해진 섹션에서, 전극 서브-유닛(2900c)은, 좌측에서 우측으로, 제1 애노드 집전체 층(506a), 제1 애노드 활성 재료 층(508a), 제1 분리막 층(500a), 제1 확장 간극(3002a), 제1 캐소드 활성 재료 층(512a), 캐소드 집전체 층(510), 제2 캐소드 활성 재료 층(512b), 제2 확장 간극(3002b), 제2 분리막 층(500b), 제2 애노드 활성 재료 층(508b), 제2 애노드 집전체 층(506b)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 전극 서브-유닛(2900c)의 층은 전극 서브-유닛(2900c)을 둘러싸는 케이싱(2901)에 의해 경계 형성된다. 특히, 전극 서브-유닛(2900c)의 이 섹션에는, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)가 존재하지 않는다. 그러나, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)에 의해 촉진되는 확장 간극(3002a, 3002b)이 존재한다. 도 32d를 참조하면, 전극 서브-유닛(2900d)의 이 섹션에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 보이지만, 확장 간극(3002a, 3002b)은 보이지 않는다.
적층된 전지는 반복하여 적층된 배열로 임의의 수의 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 적층될 때, 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)은, 적층된 전지(2904)의 단락을 방지하기 위해 분리막 층(500)이 항상 인접한 애노드 활성 재료 층(508)과 캐소드 활성 재료 층(512) 사이에 있도록 적층된다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 분리막 층(500)은, 애노드 활성 재료 층(508)과 캐소드 활성 재료 층(512) 사이의 캐리어 이온의 교환을 허용하면서 애노드 활성 재료 층(508)을 전기적으로 격리하도록 구성된다.
실시예에서, 전술된 바와 같은 확장 간극(3002)(및 3002a, 3200b)은 적층된 전지(2904) 내의 활성 재료가 확장하기 위한 공간을 제공하기 위해 사용된다. 적층된 전지(2904)를 갖는 배터리(1804)의 충전 및 방전 사이클링 시에, 캐리어 이온은 전극(508, 512)과 상대 전극 구조체(508, 512) 사이에서 이동하고, 이동 방향 내에 위치되는 애노드 또는 캐소드 활성 전극 재료 내로 인터칼레이션할 수 있다. 전극 재료 내로의 캐리어 이온의 인터칼레이션 및/또는 합금화의 효과는 재료를 팽창 또는 확장시킬 수 있다. 따라서, 확장 간극(3002)에 의해 제공되는 공극 공간은 배터리(1804)에 대한 구조적 손상을 야기하지 않고, 재료가 내부에서 확장하는 것을 허용한다. 일부 경우에, 불충분한 공극 공간이 확장 간극(3002)에 의해 제공되거나, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)가 사용되지 않아서 확장 간극이 제공되지 않으면, 배터리(1804)는 그 외부 케이싱이 파열되거나 내부 단락이 발생하는 지점까지 팽창할 수 있다. 따라서, 적절한 확장 간극(3002)은 사용된 재료 및 배터리(1804)의 원하는 성능에 따라 필요에 따라 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)를 사용하여 제공되어야 한다. 일부 실시예에서, 활성 재료 체적에 대한 확장 간극 체적의 공극률은 55% 미만, 예컨대 50% 미만, 45% 미만, 40% 미만, 및/또는 심지어 35% 미만일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 공극률은 90% 초과, 예컨대 95% 초과, 98% 초과, 및/또는 심지어 99% 초과일 수 있다.
일 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 전극 집전체 층과 상대 전극 활성 재료 층 사이의 전기적 연결을 유지하기 위해 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 전극 집전체 층과 상대 전극 활성 재료 층 사이에 배치된 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 또한 돌출부, 표면 거칠기, 또는 의도된 확장 간극 및/또는 공극률을 부여하는 다른 피처를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 스페이서 부재(270a 내지 270d)는 인접한 구조체(전극 구조체, 상대 전극 구조체, 분리막, 배터리 케이싱 재료 등)와, 또는 배터리(1804) 또는 적층된 전지(2904) 내의 전해질 및/또는 캐리어 이온과 이온적으로, 전기적으로, 그리고 전기화학적으로 양립 가능한(예컨대, 부식하지 않는) 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 게다가, 구조체(예컨대, 전극 활성 재료, 상대 전극 집전체, 전극 활성 재료, 상대 전극 집전체, 분리막) 자체가 특정 영역에서 확장 간극 및/또는 증가된 공극률을 달성하기 위해 스페이서 기능을 하는 돌출부 및/또는 다른 피처(예컨대, 표면 거칠기)를 구비하는 경우에, 돌출부 및/또는 다른 피처는 배터리 내에서 인접한 구조체, 전해질 및/또는 캐리어 이온과 유사하게 양립 가능할 수 있다.
일부 실시예에서, 확장 간극(3002) 또는 계산된 공극률은 복수의 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)에 대해 제공될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 하나의 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d) 내의 확장 간극(3002) 또는 공극률은 전체 배터리(1804) 또는 적층된 전지(2904)에 대한 전체 의도된 확장 간극 또는 공극률보다 작을 수 있지만, 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d) 중 다른 것들은 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d) 중 다른 것들 내의 더 작은 확장 간극(3002) 또는 공극률을 수용하기 위해 더 큰 확장 간극(3002) 또는 공극률을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 집합체 내의 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d)의 매 두 번째 전극 서브-유닛은, 실질적으로 간극 및/또는 공극률을 갖지 않거나 또는 더 작은 확장 간극 또는 공극률을 갖는 전극 서브-유닛(2900a 내지 2900d) 중 다른 전극 서브-유닛을 수용하기 위해, 2x인 확장 간극(3002) 및/또는 공극률을 포함할 수 있으며, 여기서 전극 서브-유닛의 집합체에 대한 누적 간극은 N의 x배가 되도록 의도된다(N은 집합체 내의 개별 전극 서브-유닛의 수). 다른 실시예에서, 집합체 내의 매 다섯 번째 전극 서브-유닛은, 실질적으로 확장 간극 및/또는 공극률을 갖지 않는 다른 단위 전지를 수용하기 위해 5x인 확장 간극 및/또는 공극률을 포함할 수 있으며, 여기서 단위 전지의 집합체에 대한 누적 간극은 N의 x배가 되도록 의도된다(여기서, N은 집합체 내의 전극 서브-유닛의 수). 또 다른 실시예에서, 집합체 내의 매 10번째 전극 서브 유닛은 실질적으로 확장 간극 및/또는 공극률을 갖지 않는 다른 전극 서브 유닛을 수용하기 위해 10x인 확장 간극 및/또는 공극률을 포함할 수 있으며, 여기서 전극 서브 유닛의 집합체에 대한 누적 간극은 N의 x배가 되도록 의도된다(여기서 N은 집합체 내의 단위 전지의 수). 또 다른 실시예에서, N의 x배가 되도록 의도된 전극 서브 유닛의 집합체에 대한 누적 간극(여기서 N은 집합체 내의 전극 서브 유닛의 수)에 대해, 집합체 내의 전극 서브 유닛 내의 확장 간극 및/또는 공극률은 집합체에 대해 의도된 평균 간극 및/또는 공극 공간의 적어도 1%, 적어도 5%, 적어도 10%, 및/또는 적어도 15%일 수 있고(예를 들어, (N의 x배)/(집합체 내의 단위 전지의 수)), 집합체에 대해 의도된 평균 확장 간극 및/또는 공극 공간의 90% 미만, 80% 미만, 75% 미만, 50% 미만, 35% 미만, 20% 미만, 10% 미만, 및/또는 5% 미만일 수 있다(예를 들어, (N의 x배)/(집합체 내의 전극 서브-유닛의 수)). 집합체 내의 단위 전지의 수(N)는, 예를 들어, 적어도 2, 5, 8, 10, 15, 20, 25, 30,40, 50, 75, 80, 80, 100, 150, 200, 300, 500, 800, 1000이거나 심지어 이를 초과할 수 있고 및/또는 전극 서브-유닛의 수(N)는 배터리(1804) 내의 전극 서브-유닛의 전체 수에 대응할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 전극 서브-유닛의 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 전극 서브-유닛의 집합체를 적층된 전지(2904)로 적층하기 전에 제거될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 스페이서 부재가 교차-웨브 방향(XWD)에서 천공(608, 610) 중 하나 이상의 외측에 있도록(원위에 있도록) 베이스 재료 층의 (X-축 방향으로) 원위에 형성된 마진 내에 제공될 수 있으며, 그로 인해 본 명세서에 설명된 펀칭 및 적층 동작 중에 천공이 파열될 때, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)는 제거되고 적층된 전지(2904)의 일부가 되지 않는다. 이러한 실시예에서, 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)에 의해 형성된 확장 간극(3002)은 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)가 전극 서브-유닛으로부터 제거된 후에도 여전히 남는다.
도 33을 참조하여, 예시적인 단위 전지(3300)가 전극 서브-유닛(3018)의 실시예와 관련하여 설명된다. 전극 서브-유닛은 본 명세서에 설명된 전극 서브-유닛(2018 또는 2900a 내지 2900d)과 동일하거나 유사하다. 도 33에 도시된 실시예에서, 전극 서브-유닛(3018)은, 상단으로부터 저부까지 적층된 구성으로, 애노드 활성 재료 층(3508a), 애노드 집전체 층(3506), 애노드 활성 재료 층(3508b), 분리막(3500a), 캐소드 활성 재료 층(3512a), 캐소드 집전체 층(3510), 캐소드 활성 재료 층(3512b) 및 분리막(500b)을 포함한다. 애노드 활성 재료 층(3508a, 3508b)은 애노드 활성 재료 층(508)과 동일하거나 유사할 수 있고, 애노드 집전체 층(3506)은 애노드 집전체(506)와 동일하거나 유사할 수 있고, 캐소드 활성 재료 층(3512a, 3512b)은 캐소드 활성 재료 층(512)과 동일하거나 유사할 수 있고, 캐소드 집전체(3510)는 캐소드 집전체(510)와 동일하거나 유사할 수 있고, 분리막(3500a, 3500b)은 본 명세서에서 설명된 분리막(500)과 동일하거나 유사할 수 있다는 점에 유의한다. 일 실시예에서, 단위 전지(3300)는 전극 서브-유닛(3018)의 일 부분만을 포함한다. 이 실시예에서, 단위 전지(3300)는, 상단에서 저부로, 애노드 집전체(3506)의 일 부분, 애노드 활성 재료 층(3508b), 분리막(3500a), 캐소드 활성 재료 층(512a) 및 캐소드 집전체(3510)의 일 부분을 포함한다. 전극 서브-유닛(3018)은, 원하는 바에 따라, 적어도 하나의 단위 전지(3300) 및 임의의 수의 추가적인 전체 또는 부분 단위 전지를 포함할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 일 실시예에서, 단일 단위 전지(3300)는, 애노드 집전체(3506), 애노드 활성 재료 층(3508b), 분리막(3500a), 캐소드 활성 재료 층(512a) 및 캐소드 집전체(3510)만을 포함한다.
도 33b에 도시된 바와 같이, 3개의 전극 서브-유닛(3018)이 서로의 정상에 인접하여 적층되어, 적층된 전지(3020)를 형성한다. 전극 서브-유닛(3018)은 전극 서브-유닛(3020)의 적층된 집합체를 형성하기 위해 (전극 서브-유닛(2018)과 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로) 적층된다. 도 33b에 도시된 실시예에서는, Y-축 방향으로 서로 수직으로 인접한 일련의 3개의 전극 서브-유닛(3018)이 존재한다. 따라서, 전극 서브-유닛(3020)의 이러한 적층된 집합체는 3개의 단위 전지(3300), 2개의 단위 전지(3300') 및 2개의 부분 단위 전지(3025a, 3025b)를 포함한다. 단위 전지(3300')는 단위 전지(3300)와 동등하지만, Y-축 방향으로 단위 전지(3300)의 거울상이다. 이 실시예에서, 부분 단위 전지(3025a)는 애노드 활성 재료 층(3508a)과 애노드 집전체(3506)의 일 부분만을 포함하고, 부분 단위 전지(3025b)는 캐소드 집전체(3510)의 일 부분, 캐소드 활성 재료 층(3512b) 및 분리막(3500b)을 포함한다. 다른 실시예에서, 전극 서브-유닛(3018)의 층상 배열은 층의 순서 및 수에 있어서 변경될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 34a 및 도 34b를 참조하면, 하나 이상의 본체 스페이서(3400)가 전극 서브-유닛(3400)의 본체(2725)(예컨대, 중심 부분) 내에 제공될 수 있다. 전극 서브 유닛(3400)은 하나 이상의 본체 스페이서(3400)가 추가된 것을 제외하면 전극 서브 유닛(2018, 3018, 및 2900a 내지 2900d)과 동일하거나 유사할 수 있다. 이 실시예에서, 본체 스페이서는 확장 간극(3002)을 제공함으로써 스페이서 부재(2700a 내지 2700d)와 유사한 기능을 수행한다. 본체 스페이서는 본 명세서에서 보충 스페이서로도 지칭될 수 있다. 그러나, 이 실시예에서, 본체 스페이서(3402)는, 예를 들어, 도 34a에 도시된 바와 같이, 애노드 활성 재료 층(508)에 인접할 때, 애노드 활성 재료 층(508)과 동일한 재료를 포함할 수 있다. 도 34b에 도시된 것과 같은 다른 실시예에서, 본체 스페이서(3402)는 캐소드 활성 재료 층(512)에 인접할 때 캐소드 활성 재료 층(512)과 동일한 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 본체 스페이서(3402)는 확장 간극(3002)의 형성 후에 언제라도 용해되거나 다른 방식으로 제거되는 희생 재료를 포함할 수 있다. 본체 스페이서(3400)는 본체 영역(2725)의 원하는 층 위에 분산된 연속 스페이서 또는 복수의 별개의 스페이서를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 본체 스페이서(3400)는 또한 원하는 확장 간극(3002)을 제공하기에 충분한 일련의 범프, 돌출부 또는 표면 거칠기를 포함할 수 있다.
다음의 실시예는 본 개시내용의 양태를 예시하기 위해 제공되지만, 그러한 실시예는 제한하도록 의도되지 않고 다른 양태 및/또는 실시예가 제공될 수도 있다.
실시예 1. 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하기 위한 2차 배터리이며, 배터리는 인클로저 및 인클로저 내에 배치된 전극 조립체를 포함하고, 전극 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 가지며, 전극 조립체는 단위 전지의 집합체를 포함하고, 각각의 단위 전지는 종방향에서 연속하여 적층된 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함하며, 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하며, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이고, 단위 전지 집합체의 서브세트가 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층되어 위치된 한 쌍의 스페이서 부재를 더 포함하며, 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격되고, 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치되는, 2차 배터리.
실시예 1A. 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖는 전극 조립체. 전극 조립체는 단위 전지의 집합체를 포함하고, 각각의 단위 전지는 종방향으로 연속하여 적층된 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함한다. 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료(cathodically active material)이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료(anodically active material)이다. 단위 전지 집합체의 서브세트는 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층되어 위치된 한 쌍의 스페이서 부재를 더 포함한다. 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격된다. 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은, 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치된다.
실시예 1B. 배터리 내에서 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하기 위한 전극 조립체이며, 배터리는 인클로저 및 인클로저 내에 배치되는 전극 조립체를 포함하고, 전극 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에, 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖는, 전극 조립체. 전극 조립체는 단위 전지의 집합체를 포함하고, 각각의 단위 전지는 본체, 제1 에지 마진, 제1 에지 마진으로부터 횡방향으로 분리된 제2 에지 마진, 전방부, 전방부로부터 종방향으로 분리된 후방부, 상단, 및 상단으로부터 수직 방향으로 분리된 저부를 갖고, 각각의 본체는 종방향으로 연속하여 적층된, 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하며, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이다. 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 각각은 (i) 전극 집전체 층, 분리막 층, 및 상대 전극 집전체 층, 및 (ii) 테이프 스페이서를 포함하고, 테이프 스페이서들 각각은 (i) 전극 집전체, (ii) 전극 층, (iii) 분리막, 및 (iv) 상대 전극 집전체 중 적어도 하나에 접착되고, 상대 전극 층은 상대 전극 층의 횡방향 범위를 규정하기 위해 제1 단부 및 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층의 횡방향 범위는 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 전에 종단된다.
실시예 1C. 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하도록 구성된 배터리를 위한 전극 조립체이며, 전극 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖고, 전극 조립체는 본체, 제1 에지 마진, 제1 에지 마진으로부터 횡방향으로 분리된 제2 에지 마진, 전방부, 전방부로부터 종방향으로 분리된 후방부, 상단, 및 상단으로부터 수직 방향의 저부를 갖고, 본체는 종방향으로 연속하여 적층된 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함하는 전극 조립체. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하며, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이다. 본체의 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 각각은 (i) 전극 집전체 층, 분리막 층, 및 상대 전극 집전체 층, 및 (ii) 제1 에지 마진에 배치된 제1 테이프 스페이서 및 제2 에지 마진에 배치된 제2 테이프 스페이서를 포함하고; 제1 테이프 스페이서 및 제2 테이프 스페이서 각각은 (i) 전극 집전체, (ii) 전극 층, (iii) 분리막, 및 (iv) 상대 전극 집전체 중 적어도 하나에 접착되고, 상대 전극 층은 상대 전극 층의 횡방향 범위를 규정하기 위해 제1 단부 및 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층의 횡방향 범위는 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 전에 종단된다.
실시예 1D. 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하기 위한 2차 배터리이며, 배터리는 인클로저 및 인클로저 내에 배치된 전극 조립체를 포함하고, 전극 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 가지며, 전극 조립체는 단위 전지의 집합체를 포함하고, 각각의 단위 전지는 종방향에서 연속하여 적층된 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함하며, 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하며, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이고, 단위 전지 집합체의 서브세트가 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층되어 위치된 한 쌍의 스페이서 부재를 더 포함하며, 스페이서 부재들 중 하나는 스페이서 부재의 쌍의 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격되고, 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재의 쌍 사이에 위치되는, 2차 배터리.
실시예 2. 실시예 1 내지 실시예 1C 중 어느 하나에 있어서, 상대 전극 층은 중심 부분 및 중심 부분의 양측 상의 한 쌍의 플랭크 부분을 갖고, 플랭크 부분은 중심 부분의 폭의 50% 이하의 폭을 갖는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 3. 임의 선행 실시예에 있어서, 플랭크 부분의 폭은 중심 부분의 폭의 40% 미만인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 4. 임의 선행 실시예에 있어서, 플랭크 부분의 폭은 중심 부분의 폭의 30% 미만인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 5. 임의 선행 실시예에 있어서, 플랭크 부분의 폭은 중심 부분의 폭의 20% 미만인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 6. 임의 선행 실시예에 있어서, 플랭크 부분의 폭은 중심 부분의 폭의 10% 미만인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 7. 임의 선행 실시예에 있어서, 상대 전극 층은 상대 전극 집전체 층과의 계면과 분리막 층과의 계면 사이에서 측정된 최대 폭을 갖고, 공통 평면은 최대 폭의 적어도 50%에 걸쳐 발생하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 8. 임의 선행 실시예에 있어서, 공통 평면은 최대 폭의 적어도 60%에 걸쳐 발생하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 9. 임의 선행 실시예에 있어서, 공통 평면은 최대 폭의 적어도 70%에 걸쳐 발생하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 10. 임의 선행 실시예에 있어서, 공통 평면은 최대 폭의 적어도 80%에 걸쳐 발생하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 11. 제10항에 있어서, 공통 평면은 최대 폭의 적어도 90%에 걸쳐 발생하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 12. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 횡방향으로 연장되는 길이를 가지며, 스페이서 부재의 길이는 500 μm 이하인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 13. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재의 길이는 400 μm 미만인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 14. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재의 길이는 300 μm 미만인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 15. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재의 길이는 200 μm 미만인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 16. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재의 길이는 100 μm 미만인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 17. 임의 선행 실시예에 있어서, 상대 전극 층은 제1 단부 및 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층의 제1 단부는 스페이서 부재들 중 하나에 인접하고, 상대 전극 층의 제2 단부는 스페이서 부재들 중 다른 하나에 인접하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 18. 임의 선행 실시예에 있어서, 제1 단부 및 제2 단부는 플랭크 부분 쌍에 대응하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 19. 임의 선행 실시예에 있어서, 상대 전극 재료는 캐소드 활성 재료이고, 전극 활성 재료는 애노드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 20. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 재료는 캐소드 활성 재료이고, 상대 전극 활성 재료는 애노드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 21. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층과 전극 층 사이에 배치되는, 2차 배터리 및 전극 조립체.
실시예 22. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층과 전극 집전체 층 사이에 배치되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 23. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층과 상대 전극 층 사이에 배치되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 24. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 배치되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 25. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층 중 적어도 하나에 접착되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체 및 전극 조립체.
실시예 26. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 전극 집전체 층에 접착되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 27. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 전극 층에 접착되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 28. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층에 접착되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 29. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 상대 전극 집전체 층에 접착되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 30. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 층은 제1 단부 및 전극 층의 횡방향 범위를 형성하도록 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 전극 층의 횡방향 범위는 단위 전지의 말단 전에 종단되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 31. 임의 선행 실시예에 있어서, (i) 단위 전지 집합체의 구성체는 종방향으로 연속하여 적층되고, (ii) 단위 전지 집합체는 단위 전지의 2세트의 인접한 쌍을 포함하고, (iii) 2세트의 인접한 쌍 중 하나는 공통 전극 집전체 층을 공유하고, 2세트의 인접한 쌍 중 다른 하나는 공통 상대 전극 집전체 층을 공유하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 32. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지 집합체는 적어도 5개의 구성체를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 33. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지 집합체는 적어도 10개의 구성체를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 34. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지 집합체는 적어도 25 구성체를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 35. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지 집합체는 적어도 50개의 구성체를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 36. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지 집합체는 적어도 100개의 구성체를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 37. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지 집합체는 적어도 250개의 구성체를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 38. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지 집합체는 적어도 500개의 구성체를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 39. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 전기 절연성 재료를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 40. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 41. 임의 선행 실시예에 있어서, 보충 스페이서는 분리막 층과 동일한 재료를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 42. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는 안정화 리튬 금속 입자를 포함하는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 43. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지가 리튬 카르보네이트-안정화 리튬 금속 분말, 리튬 실리케이트-안정화 리튬 금속 분말로 구성된 그룹으로부터 선택된 안정화 리튬 금속 입자를 포함하는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 44. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는, 안정화 리튬 금속 입자를 약 0.05 내지 5 mg/cm2의 로딩 양으로 분무, 로딩 또는 달리 배치함으로써 적용된 안정화 리튬 금속 입자를 포함하는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 45. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는, 안정화 리튬 금속 입자를 약 0.1 내지 4 mg/cm2의 로딩 양으로 분무, 로딩 또는 달리 배치함으로써 적용된 안정화 리튬 금속 입자를 포함하는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 46. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는, 안정화 리튬 금속 입자를 약 0.5 내지 3 mg/cm2의 로딩 양으로 분무, 로딩 또는 달리 배치함으로써 적용된 안정화 리튬 금속 입자를 포함하는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 47. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는 약 5 내지 200 μm의 평균 입자 크기(D50)를 갖는 안정화 리튬 금속 입자를 포함하는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 48. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는 약 10 내지 100 μm의 평균 입자 크기(D50)를 갖는 안정화 리튬 금속 입자를 포함하는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 49. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는 약 20 내지 80 μm의 평균 입자 크기(D50)를 갖는 안정화 리튬 금속 입자를 포함하는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 50. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는 약 30 내지 50 μm의 평균 입자 크기(D50)를 갖는 안정화 리튬 금속 입자를 포함하는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 51. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 폴리머 재료, 복합재, 전극 집전체에 의해 포함된 재료, 전극 활성 재료, 상대 전극 활성 재료, 상대 전극 집전체에 의해 포함된 재료, 분리막에 의해 포함된 재료, 또는 배터리 환경에서 화학적으로 불활성인 재료로 구성된 그룹으로부터 선택된 스페이서 재료를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 52. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 애노드 활성 재료를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 53. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 스페이서 재료의 몰당 캐리어 이온이 1몰 미만인 캐리어 이온에 대한 용량을 갖는 애노드 활성 재료를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 54. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 흑연 또는 그래핀을 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 55. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 캐소드 활성 재료를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 56. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 폴리머 재료를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 57. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 단독중합체, 공중합체 또는 중합체 블렌드를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 58. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜, 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리부텐, 에틸렌-디엔-프로펜 삼원공중합체, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈, 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 메틸 셀룰로스, 카르복시메틸 셀룰로스, 스티렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 옥시드, 아크릴레이트, 스티렌, 에폭시, 실리콘, 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 폴리에틸렌-코-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌 옥시드, 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸 폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로스, 시아노에틸수크로스, 풀루란, 카르복시메틸 셀룰로스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌 옥시드, 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸 풀루란, 시아노에틸 폴리비닐 알콜, 시아노에틸 셀룰로스, 시아노에틸 수크로스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로스, 아크릴로니트릴 스티렌 부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르 술폰, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에틸렌 나프탈렌, 및/또는 그의 조합 또는 공중합체를 함유하는 단량체로부터 유도된 플루오로중합체를 포함할 수 있는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 59. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 플루오로중합체를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 60. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 폴리올레핀을 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 61. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 폴리부텐의 단독중합체, 공중합체 및 중합체 블렌드로 구성된 그룹으로부터 선택된 폴리올레핀을 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 62. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 63. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 베이스 및 베이스의 일 표면에 제공되는 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 64. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 베이스 및 베이스의 일 표면 상에 제공된 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하고, 접착 테이프 베이스는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 술피드, 폴리이미드, 및 폴리아미드 필름, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 폴리머 필름을 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 65. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 베이스 및 베이스의 일 표면 상에 제공된 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하고, 접착 테이프 베이스는 폴리올레핀, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드 필름으로 구성된 그룹으로부터 선택된 폴리머 필름을 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 66. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 베이스 및 베이스의 일 표면 상에 제공된 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하고, 접착 테이프 베이스는 약 4 내지 200 μm 범위의 두께를 갖는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 67. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 베이스 및 베이스의 일 표면 상에 제공된 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하고, 접착 테이프 베이스는 약 6 내지 150 μm 범위의 두께를 갖는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 68. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 베이스 및 베이스의 일 표면 상에 제공된 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하고, 접착 테이프 베이스는 약 25 내지 100 μm 범위의 두께를 갖는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 69. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 베이스 및 베이스의 일 표면 상에 제공된 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하고, 접착 테이프의 접착층을 구성하는 접착제는 고무 기반 접착제, 아크릴 접착제, 실리콘 기반 접착제 또는 이들의 조합을 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 70. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층과 동일한 재료를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 71. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 전기 전도성 재료를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 72. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 전극 층과 동일한 재료를 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 73. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 부분적으로 단위 전지의 횡방향 말단을 형성하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 74. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는, 배터리가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는, 동안 종방향으로의 전극 층 및 상대 전극 층 중 적어도 하나의 확장을 수용하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 75. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 전극 층의 확장을 수용하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 76. 임의 선행 실시예에 있어서, 분리막 층의 제1 부분이 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 제1 평면에 놓이고, 분리막 층의 한 쌍의 제2 부분은 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 제2 평면에 놓이며, 제2 평면은 종방향으로 제1 평면으로부터 오프셋되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 77. 임의 선행 실시예에 있어서, 분리막 층의 제1 부분은 상대 전극 층과 면대면 맞물림으로 배치되고, 분리막 층의 제2 부분은 상대 전극 층의 제1 단부 및 제2 단부에 인접하게 배치되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 78. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 층은 횡방향 범위를 갖고, 상대 전극 층은 횡방향 범위를 갖고, 전극 층의 횡방향 범위는 상대 전극 층의 횡방향 범위보다 큰, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 79. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 층의 횡방향 범위는 상대 전극 층의 횡방향 범위보다 500 μm 미만으로 더 큰, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 80. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 층의 횡방향 범위는 상대 전극 층의 횡방향 범위보다 400 μm 미만으로 더 큰, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 81. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 층의 횡방향 범위는 상대 전극 층의 횡방향 범위보다 300 μm 미만으로 더 큰, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 82. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 층의 횡방향 범위는 상대 전극 층의 횡방향 범위보다 200 μm 미만으로 더 큰, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 83. 제82항에 있어서, 전극 층의 횡방향 범위는 상대 전극 층의 횡방향 범위보다 100 μm 미만으로 더 큰, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 84. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 층은 횡방향 범위를 갖고, 상대 전극 층은 횡방향 범위를 갖고, 전극 층의 횡방향 범위는 상대 전극 층의 횡방향 범위와 동일한, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 85. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는 수직 방향으로 측정된 높이를 갖고, 스페이서 부재는 수직 방향으로 측정된 높이를 갖고, 단위 전지의 높이는 스페이서 부재의 높이와 동일한, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 86. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는 수직 방향으로 측정된 높이를 갖고, 스페이서 부재는 수직 방향으로 측정된 높이를 갖고, 단위 전지의 높이는 스페이서 부재의 높이보다 큰, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 87. 임의 선행 실시예에 있어서, 단위 전지는 수직 방향으로 측정된 높이를 갖고, 스페이서 부재는 수직 방향으로 측정된 높이를 갖고, 단위 전지의 높이는 스페이서 부재의 높이보다 작은, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 88. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재 쌍은 제1 쌍의 스페이서 부재를 형성하고, 단위 전지 집합체의 서브세트는 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층되어 위치된 제2 쌍의 스페이서 부재를 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 89. 임의 선행 실시예에 있어서, 제1 쌍의 스페이서 부재의 스페이서 부재는 분리막 층의 일 측에 배치되고, 제2 쌍의 스페이서 부재의 스페이서 부재는 분리막 층 상의 반대 측에 배치되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 90. 임의 선행 실시예에 있어서, 제1 쌍의 스페이서 부재의 스페이서 부재는 분리막 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 배치되고, 제2 쌍의 스페이서 부재의 스페이서 부재는 분리막 층과 전극 집전체 층 사이에 배치되는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 91. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나가, (a) 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 카드뮴(Cd); (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Ni, Co 또는 Cd와 다른 원소의 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 또는 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀레늄화물 및 텔루르화물, 및 그의 혼합물, 복합재 또는 리튬-함유 복합재; (d) Sn의 염 및 수산화물; (e) 리튬 티타네이트, 리튬 망가네이트, 리튬 알루미네이트, 리튬-함유 티타늄 옥사이드, 리튬 전이 금속 옥사이드, ZnCo2O4; (f) 흑연 및 탄소의 입자; (g) 리튬 금속; 및 (h) 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 애노드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 92. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 및 카드뮴(Cd)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 애노드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 93. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Ni, Co, 또는 Cd와 다른 원소의 합금 및 금속간 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 애노드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 94. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V, 및 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀레늄화물, 및 텔루르화물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 애노드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 95. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 Si의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀레늄화물, 및 텔루르화물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 애노드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 96. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 실리콘 및 실리콘의 산화물 및 탄화물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 애노드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 97. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 리튬 금속을 포함하는 애노드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 98. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 흑연 및 탄소로 구성된 그룹으로부터 선택된 애노드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 99. 임의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에 2차 배터리는 비-수성 유기 전해질을 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 100. 임의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에 2차 배터리는 리튬 염 및 유기 용매의 혼합물을 포함하는 비-수성 전해질을 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 101. 임의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에 2차 배터리는 폴리머 전해질을 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 102. 임의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에 2차 배터리는 고체 전해질을 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 103. 임의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에 2차 배터리는 황화물 기반 전해질로 구성되는 그룹으로부터 선택된 고체 전해질을 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 104. 임의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에 2차 배터리는 리튬 주석 포스포러스 술피드(Li10SnP2S12), 리튬 포스포러스 술피드(β-Li3PS4) 및 리튬 포스포러스 황 클로라이드 아이오다이드(Li6PS5Cl0.9I0.1)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 고체 전해질을 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 105. 임의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에 2차 배터리는 폴리머 기반 전해질을 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 106. 임의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 2차 배터리는 PEO-기반 폴리머 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질(고체), 폴리머-세라믹 복합 전해질, 및 폴리머-세라믹 복합 전해질로 구성된 그룹으로부터 선택된 폴리머 전해질을 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 107. 임의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에 2차 배터리는 산화물 기반 전해질로 구성되는 그룹으로부터 선택된 고체 전해질을 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 108. 임의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에 2차 배터리는, 리튬 란타넘 티타네이트((Li0.34La0.56TiO3), Al-도핑된 리튬 란타넘 지르코네이트(Li6.24La3Zr2Al0.24O11.98), Ta-도핑된 리튬 란타넘 지르코네이트(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12) 및 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3)로 구성된 그룹으로부터 선택된 고체 전해질을 더 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 109. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 인터칼레이션 화학 양극 및 전환 화학 양극으로 구성된 그룹으로부터 선택된 캐소드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 110. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 인터칼레이션 화학 양극 재료를 포함하는 캐소드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 111. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 전환 화학 양극 활성 재료를 포함하는 캐소드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 112. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 S(또는 리튬화 상태의 Li2S), LiF, Fe, Cu, Ni, FeF2, FeOdF3.2d, FeF3, CoF3, CoF2, CuF2, NiF2(여기서, 0 ≤ d ≤ 0.5)로 구성된 그룹으로부터 선택된 캐소드 활성 재료인, 2차 배터리 또는 전극 조립체.
실시예 113. 2차 배터리와 함께 사용하기 위한 단위 전지를 제조하는 방법이며, 상기 방법은 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 종방향으로 연속적으로 적층하는 단계로서, 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료인, 단계 및 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층된 한 쌍의 스페이서 부재를 배치하는 단계로서, 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격되고, 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은, 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치되는, 단계를 포함한다.
실시예 113A. 2차 배터리와 함께 사용하기 위한 전극 조립체를 제조하는 방법. 이 방법은 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 종방향으로 연속적으로 적층하는 단계를 포함한다. 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함한다. 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이다. 이 방법은 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층된 한 쌍의 스페이서 부재를 배치하는 단계를 포함한다. 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격된다. 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은, 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치된다.
실시예 113B. 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하도록 구성된 배터리를 위한 전극 조립체를 준비하는 방법이며, 상기 방법은 종방향으로 연속하여 적층되게 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 적층하는 단계로서, 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료인, 단계; 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 내에서 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 또는 상대 전극 집전체 층 중 적어도 하나에 테이프 스페이서를 접착하는 단계로서, 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진은 (i) 전극 집전체 층, 분리막 층, 및 상대 전극 집전체 층, 및 (ii) 테이프 스페이서를 포함하게 되고, 상대 전극 층은 제1 단부 및 상대 전극 층의 횡방향 범위를 규정하기 위해 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층은 상대 전극 층의 횡방향 범위가 제1 에지 마진 및 제2 에지 마진 전에 종단하도록 제공되는, 단계를 포함한다.
실시예 113C. 실시예 1 내지 실시예 112 중 어느 하나에 있어서, 방법은 실시예 113, 113A 및 113B 중 어느 하나의 방법을 포함하는, 2차 배터리 또는 전극 조립체 제조 방법.
실시예 113D. 2차 배터리와 함께 사용하기 위한 단위 전지를 제조하는 방법이며, 단위 전지는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖고, 상기 방법은, 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 종방향 축 방향으로 연속적으로 적층하는 단계로서, 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료인, 단계 및 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층된 한 쌍의 스페이서 부재를 배치하는 단계로서, 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격되고, 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은, 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치되는, 단계를 포함하는 방법.
실시예 114. 실시예 113 내지 실시예 113C 중 어느 하나에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층과 전극 층 사이에 배치되는, 방법.
실시예 115. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층과 전극 집전체 층 사이에 배치되는, 방법.
실시예 116. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층과 상대 전극 층 사이에 배치되는, 방법.
실시예 117. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 배치되는, 방법.
실시예 118. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층 중 적어도 하나에 접착되는, 방법.
실시예 119. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 전극 집전체 층에 접착되는, 방법.
실시예 120. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 전극 층에 접착되는, 방법.
실시예 121. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 분리막 층에 접착되는, 방법.
실시예 122. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재는 상대 전극 집전체 층에 접착되는, 방법.
실시예 123. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층된 보충 스페이서를 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 124. 임의 선행 실시예에 있어서, 분리막 층의 제1 부분이 상대 전극 층과 면대면 맞물림으로 적층되고, 분리막 층의 제2 부분이 상대 전극 층의 제1 단부 및 제2 단부에 인접하게 적층되는, 방법.
실시예 125. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층은 정렬 핀들 상에 적층되는, 방법.
실시예 126. 임의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재 쌍은 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에서 정렬 핀 상에 배치되는, 방법.
실시예 127. 전극 재료의 복수의 웨브를 병합하기 위한 방법이며, 프로세스는 제1 웨브 병합 경로를 따라 전극 재료의 제1 웨브를 권출하는 단계로서, 제1 웨브는 대응하는 약화된 인열 패턴에 의해 윤곽 형성된 전극 서브-유닛의 집합체 및 제1 반송 피처의 집합체를 포함하는, 단계, 제1 웨브 병합 경로의 하류의 제2 웨브 병합 경로를 따라 전극 재료의 제2 웨브를 권출하는 단계로서, 제2 웨브는 대응하는 약화된 인열 패턴에 의해 윤곽 형성된 전극 서브-유닛의 집합체 및 제2 반송 피처의 집합체를 포함하는, 단계, 제1 웨브 병합 경로 및 제2 웨브 병합 경로에 인접하게 웨브 병합 방향으로 복수의 돌출부를 포함하는 벨트를 반송하는 단계로서, 복수의 돌출부는 제1 웨브의 제1 반송 피처 및 제2 웨브의 제2 반송 피처와 맞물리도록 구성되는, 단계, 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 스페이서 부재의 집합체를 삽입하는 단계, 및 제1 웨브 병합 위치의 하류의 제2 웨브 병합 위치에서 전극 재료의 제1 웨브 상에 전극 재료의 제2 웨브를 중첩시키는 단계로서, 스페이서 부재의 집합체는 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 포획되는, 단계를 포함하는, 방법.
실시예 127A. 전극 재료의 복수의 웨브를 병합하기 위한 방법이며, 프로세스는 제1 웨브 병합 경로를 따라 전극 재료의 제1 웨브를 권출하는 단계로서, 제1 웨브는 대응하는 약화된 인열 패턴에 의해 윤곽 형성된 전극 서브-유닛의 집합체 및 제1 반송 피처의 집합체를 포함하는, 단계, 제1 웨브 병합 경로의 하류의 제2 웨브 병합 경로를 따라 전극 재료의 제2 웨브를 권출하는 단계로서, 제2 웨브는 대응하는 약화된 인열 패턴에 의해 윤곽 형성된 전극 서브-유닛의 집합체 및 제2 반송 피처의 집합체를 포함하는, 단계, 제1 웨브 병합 경로 및 제2 웨브 병합 경로에 인접하게 웨브 병합 방향으로 복수의 돌출부를 포함하는 벨트를 반송하는 단계로서, 복수의 돌출부는 제1 웨브의 제1 반송 피처 및 제2 웨브의 제2 반송 피처와 맞물리도록 구성되는, 단계, 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 스페이서 부재의 집합체를 삽입하는 단계, 및 제1 웨브 병합 위치의 하류의 제2 웨브 병합 위치에서 전극 재료의 제1 웨브 상에 전극 재료의 제2 웨브를 중첩시키는 단계로서, 스페이서 부재의 집합체는 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 포획되는, 단계를 포함하는, 방법.
실시예 128. 임의 선행 실시예에 있어서, 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 스페이서 부재의 집합체를 삽입하는 단계는 스페이서 부재의 집합체를 포함하는 웨브를 권출하는 단계 및 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 스페이서 부재의 웨브를 병합하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 129.
임의 선행 실시예에 있어서, 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 스페이서 부재의 집합체를 삽입하는 단계는 스페이서 부재의 집합체를 포함하는 웨브를 권출하는 단계 및 복수의 분리막 부재를 포함하는 웨브를 권출하는 단계, 및 분리막 부재의 웨브에 인접한 그리고 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 스페이서 부재의 웨브를 병합하는 단계를 포함하는, 방법.
최상의 모드를 포함하는 기술된 상세한 설명은 본 발명을 개시하기 위해, 그리고 관련 기술분야의 임의의 통상의 기술자가 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작하고 이용하는 것 그리고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하는 본 개시내용의 실시를 가능하게 하기 위해 예를 이용한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 청구항에 의해 규정되며, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 청구항의 문자 그대로의 언어와 상이하지 않은 구조적 요소를 갖는 경우, 또는 청구항의 문자 그대로의 언어와 비실질적인 차이를 갖는 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우, 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
Claims (30)
- 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하기 위한 2차 배터리이며, 배터리는 인클로저 및 인클로저 내에 배치된 전극 조립체를 포함하고,
전극 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖고,
전극 조립체는 단위 전지의 집합체를 포함하고, 각각의 단위 전지는 종방향으로 연속하여 적층된 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 포함하고,
전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하며, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료이며,
단위 전지 집합체의 서브세트는 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층되어 위치된 한 쌍의 스페이서 부재를 더 포함하고, 스페이서 부재들 중 하나는 스페이서 부재의 쌍의 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격되고, 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재의 쌍 사이에 위치되는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
상대 전극 층은 중심 부분 및 중심 부분의 양측 상의 한 쌍의 플랭크 부분을 갖고, 플랭크 부분은 중심 부분의 폭의 50% 이하의 폭을 가지며, 중심 부분은 공통 평면에 놓이는 상대 전극 활성 재료의 상기 부분인, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
상대 전극 층은 중심 부분 및 중심 부분의 양측 상의 한 쌍의 플랭크 부분을 갖고, 플랭크 부분은 중심 부분의 폭의 30% 이하의 폭을 가지며, 플랭크 부분은 공통 평면에 놓이는 상대 전극 활성 재료의 부분인, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
상대 전극 층은 상대 전극 집전체 층과의 계면과 분리막 층과의 계면 사이에서 측정된 최대 폭을 갖고, 공통 평면은 최대 폭의 적어도 50%에 걸쳐 발생하는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
각각의 스페이서 부재는 횡방향으로 연장되는 길이를 가지며, 스페이서 부재의 길이는 500 μm 이하인, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
상대 전극 층은 제1 단부 및 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 상대 전극 층의 제1 단부는 스페이서 부재들 중 하나에 인접하고, 상대 전극 층의 제2 단부는 스페이서 부재들 중 다른 하나에 인접하는, 2차 배터리. - 제6항에 있어서,
제1 단부 및 제2 단부는 플랭크 부분 쌍에 대응하는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
스페이서 부재는 분리막 층과 전극 층 사이에 배치되는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
스페이서 부재는 분리막 층과 전극 집전체 층 사이에 배치되는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
스페이서 부재는 분리막 층과 상대 전극 층 사이에 배치되는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
스페이서 부재는 분리막 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 배치되는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
스페이서 부재는 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층 중 적어도 하나에 접착되는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
전극 층은 제1 단부 및 전극 층의 횡방향 범위를 형성하도록 제1 단부로부터 횡방향으로 이격된 제2 단부를 갖고, 전극 층의 횡방향 범위는 단위 전지의 말단 전에 종단되는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
(i) 단위 전지 집합체의 구성체는 종방향으로 연속하여 적층되고, (ii) 단위 전지 집합체는 단위 전지의 2세트의 인접한 쌍을 포함하고, (iii) 2세트의 인접한 쌍 중 하나는 공통 전극 집전체 층을 공유하고, 2세트의 인접한 쌍 중 다른 하나는 공통 상대 전극 집전체 층을 공유하는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
스페이서 부재는 전기 절연성 재료를 포함하는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
단위 전지는 안정화 리튬 금속 입자를 포함하는 보충 스페이서를 포함하는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
스페이서 부재는 베이스 및 베이스의 일 표면에 제공되는 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
스페이서 부재는 분리막 층과 동일한 재료를 포함하는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
스페이서 부재는 단위 전지의 횡방향 말단을 부분적으로 형성하는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
스페이서 부재는, 배터리가 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 사이클링하는 동안, 종방향으로의 전극 층 및 상대 전극 층 중 적어도 하나의 확장을 수용하는, 2차 배터리. - 제1항에 있어서,
분리막 층의 제1 부분이 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 제1 평면에 놓이고, 분리막 층의 한 쌍의 제2 부분은 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 제2 평면에 놓이며, 제2 평면은 종방향으로 제1 평면으로부터 오프셋되는, 2차 배터리. - 제21항에 있어서,
분리막 층의 제1 부분은 상대 전극 층과 면대면 맞물림으로 배치되고, 분리막 층의 제2 부분은 상대 전극 층의 제1 단부 및 제2 단부에 인접하게 배치되는, 2차 배터리. - 2차 배터리와 함께 사용하기 위한 단위 전지를 제조하는 방법이며,
단위 전지는 3차원 데카르트 좌표계의 x 축, y 축 및 z 축에 각각 대응하는 상호 직교하는 횡방향 축, 종방향 축 및 수직 축을 갖고, 상기 방법은
상기 방법은, 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층을 종방향 축 방향으로 연속적으로 적층하는 단계로서, 전극 층은 전극 활성 재료를 포함하고, 상대 전극 층은 상대 전극 활성 재료를 포함하며, 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 하나는 캐소드 활성 재료이고 전극 활성 재료 및 상대 전극 재료 중 다른 하나는 애노드 활성 재료인, 단계,
전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 연속하여 적층된 한 쌍의 스페이서 부재를 배치하는 단계로서, 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 횡방향으로 이격되고, 상대 전극 층의 상대 전극 활성 재료의 적어도 일 부분은, 상대 전극 활성 재료의 상기 부분과 스페이서 부재가 x 축 및 z 축에 의해 형성되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치되는, 단계를 포함하는, 방법. - 제23항에 있어서,
스페이서 부재는 분리막 층과 전극 층 또는 상대 전극 층 사이에 배치되는, 방법. - 제23항에 있어서,
스페이서 부재는 분리막 층과 전극 집전체 층 또는 상대 전극 집전체 층 사이에 배치되는, 방법. - 제23항에 있어서,
스페이서 부재는 전극 집전체 층, 전극 층, 분리막 층, 상대 전극 층, 및 상대 전극 집전체 층 중 적어도 하나에 접착되는, 방법. - 제23항에 있어서,
스페이서 부재 쌍은 전극 집전체 층과 상대 전극 집전체 층 사이에 배치되는, 방법. - 전극 재료의 복수의 웨브를 병합하기 위한 방법이며, 프로세스는
제1 웨브 병합 경로를 따라 전극 재료의 제1 웨브를 권출하는 단계로서, 제1 웨브는 대응하는 약화된 인열 패턴에 의해 윤곽 형성된 전극 서브-유닛의 집합체 및 제1 반송 피처의 집합체를 포함하는, 단계,
제1 웨브 병합 경로의 하류의 제2 웨브 병합 경로를 따라 전극 재료의 제2 웨브를 권출하는 단계로서, 제2 웨브는 대응하는 약화된 인열 패턴에 의해 윤곽 형성된 전극 서브-유닛의 집합체 및 제2 반송 피처의 집합체를 포함하는, 단계,
제1 웨브 병합 경로 및 제2 웨브 병합 경로에 인접하게 웨브 병합 방향으로 복수의 돌출부를 포함하는 벨트를 반송하는 단계로서, 복수의 돌출부는 제1 웨브의 제1 반송 피처 및 제2 웨브의 제2 반송 피처와 맞물리도록 구성되는, 단계,
전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 스페이서 부재의 집합체를 삽입하는 단계, 및
제1 웨브 병합 위치의 하류의 제2 웨브 병합 위치에서 전극 재료의 제1 웨브 상에 전극 재료의 제2 웨브를 중첩시키는 단계로서, 스페이서 부재의 집합체는 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 포획되는, 단계를 포함하는, 방법. - 제28항에 있어서,
전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 스페이서 부재의 집합체를 삽입하는 단계는 스페이서 부재의 집합체를 포함하는 웨브를 권출하는 단계 및 전극 재료의 제1 웨브와 전극 재료의 제2 웨브 사이에 스페이서 부재의 웨브를 병합하는 단계를 포함하는, 방법. - 제29항에 있어서,
전극 재료의 제1 웨브는 중심 부분 및 중심 부분의 양측 상의 한 쌍의 플랭크 부분을 포함하고, 플랭크 부분은 중심 부분의 폭의 50% 이하의 폭을 가지며, 스페이서 부재의 집합체를 삽입하는 단계는 전극의 제1 웨브의 플랭크 부분에서 스페이서 부재의 웨브를 병합하는 단계를 포함하는, 방법.
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