KR20230154225A - 전기화학적 에너지 저장 요소를 제조하는 방법 - Google Patents

전기화학적 에너지 저장 요소를 제조하는 방법 Download PDF

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KR20230154225A
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마틴 휘르스트
마틴 엘머
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바르타 마이크로바테리 게엠베하
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Abstract

전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 생산하는 방법에서, 에너지 저장 요소는 적어도 하나의 금속 하우징 부분(101)을 갖는 하우징, 및 하우징 내에 위치되는 전극-분리막 조립체(105)를 포함한다. 방법은 다음 방법들은 단계들을 포함한다. ― 금속 하우징 부분(101) 및 전극-분리막 조립체(105)가 제공되고; ― 금속 하우징 부분(101)이 가열되어 하우징 부분이 팽창하게 하고; ― 전극-분리막 조립체(105)가 팽창된 금속 하우징 부분(101) 내로 도입되고; ― 금속 하우징 부분(101)은 하우징을 형성하기 위해 폐쇄된다.

Description

전기화학적 에너지 저장 요소를 제조하는 방법
본 발명은 전기화학적 에너지 저장 요소를 제조하는 방법 및 이 방법에 따라 제조된 전기화학적 에너지 저장 요소에 관한 것이다.
전기화학적 에너지 저장 요소는 산화환원 반응을 통해, 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 이는 일반적으로 분리막(separator)에 의해 분리된 양극 및 음극을 갖는 적어도 하나의 에너지 저장 셀을 포함한다. 방전 동안, 산화 프로세스에 의해 음극에서 전자들이 방출된다. 이는, 적어도 하나의 전기화학적 에너지 저장 셀이 에너지 공급자로서 역할을 하는 외부 전기 로드에 의해 태핑(tapped)될 수 있는 전자 전류를 발생시킨다. 동시에, 전극 반응에 대응하는 이온 전류가 셀 내에서 발생한다. 이 이온 전류는 분리막을 통과하며 이온 전도성 전해질에 의해 가능해진다. 방전이 가역적인 경우, 즉 방전 동안 발생하는, 전기 에너지로의 화학 에너지의 변환을 리버싱(reverse)하고 이에 따라 셀을 재충전하는 것이 가능한 경우, 셀은 2차 전지(secondary cell)로 불린다. 음극을 애노드로 지정하고, 양극을 캐소드로 지정하는 것 ― 이는 일반적으로 2차 전지에 사용됨 ― 은 전기화학 셀의 방전 기능을 지칭한다.
2차 리튬 이온 셀들은 고전류를 제공할 수 있고 비교적 높은 에너지 밀도를 특징으로 하기 때문에, 오늘날 다수의 애플리케이션들에 사용된다. 이들은 이온 형태로 셀의 전극들 사이를 앞뒤로 이동할 수 있는 리튬의 사용에 기초한다. 자동차 섹터들, 전기 자전거들 또는 또한 도구들과 같이 높은 에너지 요건을 갖는 애플리케이션들의 경우, 가능한 가장 높은 에너지 밀도를 갖는 2차 리튬 이온 셀들이 필요하며, 이는 동시에 충전 및 방전 동안 높은 전류들로 로딩될 수 있다.
에너지 저장 셀의 음극 및 양극은 종종 전기화학적 활성 성분뿐만 아니라 전기화학적 비활성 성분을 포함하는 소위 복합 전극이다. 복합 전극은 일반적으로 하나 이상의 분리막과 결합되어 조립체를 형성한다. 조립체를 얻기 위해, 전극 및 분리막은 일반적으로 압력 하에서, 어쩌면, 라미네이션에 의해 또는 본딩에 의해 합께 본딩된다. 그런 다음, 셀의 기본 기능은 조립체에 전해질을 함침시킴으로써 확립될 수 있다.
대안적으로, 전해질에 담가진 분리막 대신에 고체 전해질이 사용될 수 있다.
다수의 실시예에서, 조립체는 권선 형태로 생산되거나 권선으로 변형된다. 일반적으로 조립체는 양극/분리막/음극의 시퀀스를 갖는다. 종종 조립체는 음극/분리막/양극/분리막/음극 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극의 가능한 시퀀스들을 갖는 소위 바이-셀(bi-cell)로서 생산된다.
에너지 저장 셀들은 종종 하우징이 원형 또는 필요한 경우 타원형 베이스 및 원통형 쉘을 특징으로 하는 원통형 라운드 셀들로서 설계된다. 이러한 유형의 에너지 저장 셀들은 일반적으로 권선 형태의 전극-분리막 조립체를 포함한다. 원통형 베이스 형상을 갖는 에너지 저장 셀을 형성하기 위해, 밴드-형상 전극 및 분리막이 프로세싱되어 나선-형상 권선을 형성할 수 있다. 이러한 권선은 원통형 하우징에 완벽하게 맞는다.
예컨대, 원통형 라운드 셀에 대한 일반적인 폼 팩터는 21 x 70 폼 팩터(mm 단위의 직경 x 높이))이다. 예컨대, 이 폼 팩터의 최신 리튬 이온 셀은 최대 270Wh/kg의 에너지 밀도를 달성할 수 있다.
높이가 일반적으로 직경보다 큰 이러한 원통형 라운드 셀 외에도, 원통형 버튼 셀은 특히 보청기 또는 무선 헤드폰과 같은 소형 전자 디바이스에 전력을 공급하는 데 널리 사용되며 일반적으로 직경보다 작은 높이를 특징으로 한다.
WO 2017/215900 A1은 전극 및 전극-분리막 조립체가 스트립-형상이고 권선의 형태인 에너지 저장 셀을 설명한다. 전극들 각각은 전극 재료가 로딩된 전류 집전체(current collector)를 갖는다. 반대 극성 전극들이 전극 분리막 조립체 내에서 서로 오프셋되게 배열되어서, 양극의 집전체의 세로 에지가 일 측 상에서 권선으로부터 나오고 음극의 집전체의 세로 에지가 맞은편 측 상에서 나온다. 집전체의 전기적 접촉을 위해, 셀은 세로 에지 중 하나에 놓이는 적어도 하나의 접촉 요소를 갖는다. 접촉 요소는 용접에 의해 세로 에지에 연결된다. 이는 집전체 및 이에 따라, 또한 그의 전체 길이에 걸쳐 연관된 전극을 전기적으로 접촉하는 것을 가능하게 한다. 이는 설명된 셀 내의 내부 저항을 매우 크게 감소시킨다. 큰 전류의 발생은 후속적으로 훨씬 더 잘 흡수될 수 있다.
다른 경우에, 에너지 저장 요소는 스택된 전극의 각형 조립체를 포함할 수 있다. 이러한 에너지 저장 요소의 하우징은 다각형, 특히 직사각형 베이스를 특징으로 한다. 이 경우, 다각형 베이스를 가진 전극은 각형 조립체가 형성되는 방식으로 스택된다. 스택 내에서 반대 극성 전극들은 일반적으로 분리막 또는 고체 전해질의 층에 의해 서로 분리되어서, 반대 극성 전극들 사이에 직접적인 접촉이 없다. 예컨대, 전극의 직사각형 스택으로 형성된 각형 또는 직육면체 조립체는 대응하는 각형 또는 직육면체 하우징에 완벽하게 맞는다. 하우징 내에서, 스택의 전극은 전기적으로 상호 연결될 수 있다. 전형적으로, 동일한 극성을 갖는 전극은 하우징 내에서 공통 전류 도체에 커플링되며, 이는 하우징 부분들 중 하나에 전기적으로 연결되거나 대응하는 어퍼처를 통해 하우징 밖으로 유도된다.
전기화학적 에너지 저장 요소는 종종 금속 하우징을 갖는다. 에너지 저장 요소의 제조에서, 설명된 권선 또는 스택 형태의 전극-분리막 조립체는 이러한 경우에서, 원통형 또는 각형 금속 하우징에 삽입되어야 하며, 이는 그 후 밀봉된다. 이러한 동작은 일반적으로 산업 제조 프로세스의 일부로 자동화된 방식으로 수행된다.
그러므로 본 발명은 매우 높은 에너지 밀도를 갖는 에너지 저장 요소를 제공하는 작업에 기초한다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 전기화학적 에너지 저장 요소를 제조하기 위한 방법에 의해 해결된다. 또한, 목적은 청구항 13의 특징을 갖는 전기화학적 에너지 저장 요소에 의해 해결된다. 프로세스 또는 에너지 저장 요소의 바람직한 실시예는 종속항에 정의된다.
본 발명에 따른 방법은 전기화학적 에너지 저장 요소를 제조하는데 사용되며, 이 에너지 저장 요소는 적어도 하나의 금속 하우징 부분을 갖는 하우징 및 하우징 내부에 배열된 전극-분리막 조립체를 갖는다. 제조 프로세스는 다음 프로세스 단계들을 포함한다:
a. 금속 하우징 부분 및 전극-분리막 조립체가 제공되며, 그리고
b. 금속 하우징 부분이 가열되어 하우징 부분의 팽창을 야기하고,
c. 전극-분리막 조립체가 팽창된 금속 하우징 부분에 삽입되고, 그리고
d. 금속 하우징 부분은 폐쇄되어 하우징을 형성한다.
금속 하우징 부분은 전극-분리막 조립체가 삽입될 수 있는 내부 공간을 에워싼다. 원통형 라운드 셀 또는 버튼 셀의 경우, 하우징 부분은 바람직하게는 중공 원통형, 특히 컵 형상이다. 각형 에너지 저장 요소의 경우, 금속 하우징 부분은 바람직하게는 각형이다. 제조될 에너지 저장 요소의 형상에 의존하여, 금속 하우징 부분은 상응하게 라운드형, 타원형 또는 다각형, 특히 직사각형 베이스를 가질 수 있다.
원통형 라운드 셀의 경우, 하우징 부분은 바람직하게는, 라운드형 또는 타원형 단면을 갖는 원주형 하우징 쉘을 포함하고, 특히 바람직하게는 라운드형 또는 타원형 베이스를 갖는 바닥을 포함한다. 각형 셀의 경우, 하우징 부분은 바람직하게는, n개의 측면 부분을 포함하며, 여기서 n은 베이스의 모서리(angle)의 수에 대응하고 각각의 측면 부분은 공통 모서리를 통해 제1 인접 측면 부분에 연결되고, 추가 공통 모서리를 통해 제2 인접 측면 부분에 연결된다. 측면 부분은 바람직하게는 직사각형 형상이다. 특히 바람직하게는, 각형 에너지 저장 요소의 경우, 하우징 부분은 다각형, 특히 직사각형 베이스를 갖는 바닥을 포함한다.
하우징 부분은 적어도 하나의 개구를 포함하며, 이 개구를 통해 전극-분리막 조립체가 금속 하우징 부분 내로 삽입될 수 있고, 특히 밀어질 수 있다. 원통형 셀의 경우, 이 개구는 원형 또는 타원형이며 하우징 쉘의 에지에 의해 정의된다. 각형 에너지 저장 요소의 경우, 이 개구는 베이스와 마찬가지로 다각형 형태를 가지며 측면 부분의 에지에 의해 정의된다. 개구의 크기 및 형상은 삽입될 전극-분리막 조립체의 크기 및 형상을 제한한다.
금속 하우징 부분 및 전극-분리막 조립체의 치수 및 형상은 내부 공간의 볼륨을 최대한 활용하기 위해 서로 적합하게 매칭된다. 전극-분리막 조립체가 원통형인 경우, 이에 따라 금속 하우징 부분은 바람직하게는 원통형 전극-분리막 조립체를 완벽하게 에워쌀 수 있도록 중공 원통형이다. 전극-분리막 조립체가 프리즘 또는 직육면체 형상을 갖는 경우, 금속 하우징 부분은 상응하게 프리즘 또는 직육면체 형상이다.
본 발명의 방법에 따른 가열은, 금속 하우징 부분의 재료가 팽창(열 팽창)되게 하며, 금속 하우징 부분의 개구가 넓어지고 하우징 부분에 의해 에워싸인 내부 공간의 볼륨이 증가한다. 한편으로는 이는 더 많은 공간이 사용 가능하므로, 하우징 부분 내로의 전극-분리막 조립체의 삽입을 단순화된다. 반면에, 이는 금속 하우징 부분 내부의 이용 가능한 공간이 더 잘 활용되는 것을 가능하게 하는데, 그 이유는, 종래의 방법을 사용하여 하우징 부분을 가열하지 않고 가능했었을 것보다 더 큰 전극-분리막 조립체가 도입될 수 있기 때문이다. 따라서, 종래의 방법보다 더 큰 직경을 갖는 전극 분리막 조립체, 예컨대, 원통형 권선이 도입될 수 있다. 이는 더 많은 전기화학적 활성 재료가 에너지 저장 요소 내로 도입되도록 허용하여, 에너지 저장 요소의 용량의 이득 및 더 큰 에너지 밀도의 결과를 가져온다. 전반적으로, 본 발명에 따른 방법은 종래에 제조된 에너지 저장 요소에 제공된 하우징과 전극-분리막 조립체 사이의 자유 공간 ― 이는 제조 동안 하우징 내로 전극-분리막 조립체를 문제 없이 삽입하는 데 요구됨 ― 을 없애는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 프로세스의 추가의 특정한 이점은 금속 하우징 부분을 가열함으로써 하우징 부분으로부터, 특히 하우징 부분의 내부로부터 수분이 제거될 수 있다는 점이다. 하우징 내부에 존재하는 임의의 수분은 셀 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 수분의 부정적인 영향은 제조된 에너지 저장 요소에서 본 발명에 따른 제조 프로세스에 의해 방지되거나 적어도 최소화된다.
충전 및 방전 프로세스들 동안, 전기화학적 에너지 저장 요소의 전극은 볼륨 변동을 겪을 수 있다. 이는 특히 리튬 이온 셀의 경우 문제가 될 수 있는데, 그 이유는 볼륨 변동은 전극 상의 기계적 응력을 동반하고 에너지 저장 셀의 서비스 수명을 감소시킬 수 있기 때문이다. 이 문제는 또한 본 발명에 따른 접근법에 의해 상쇄된다. 본 발명에 따라 하우징 부분 내부의 볼륨 활용을 최적화함으로써, 하우징에 의해 팽창하는 전극 상에 역압(counterpressure)이 가해져서, 전극이 더 잘 고정되며, 이는 충전 프로세스 동안 기계적 응력을 감소시키는 것이 달성된다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 에너지 저장 요소 내 볼륨의 최적화된 사용은 하우징 내 전극-분리막 조립체의 진동들을 또한 방지할 수 있다. 응용 분야에 의존하여 예컨대, 전력 도구에서, 종래에 제조된 에너지 저장 요소에서 발생하는 진동은 상당한 응력을 야기할 수 있다. 이러한 진동 로드는 본 발명에 따라 제조된 에너지 저장 요소에서 상당히 감소될 수 있는데, 그 이유는 이용 가능한 내부 공간이 최적으로 활용되기 때문이다. 이러한 관점에서, 본 발명에 따라 제조된 에너지 저장 요소의 서비스 수명의 증가가 달성될 수 있다.
본 발명에 따라 제공된 금속 하우징 부분의 가열은 자동화된 형태로 쉽게 구현될 수 있어서, 본 발명에 따른 프로세스는 산업 생산 프로세스에서 매우 잘 구현될 수 있다.
특히 바람직한 방식으로, 전극-분리막 조립체의 삽입 이전에 금속 하우징 부분의 가열은 다음과 같은 방식으로 본 발명에 따른 프로세스의 일부로서 구현될 수 있다:
a. 금속 하우징 부분의 가열은 전기 에너지의 입력에 의해, 특히 유도성 및/또는 옴 에너지의 입력에 의해 수행된다.
앞서 언급한 특징 a.에 따라 전기 에너지를 인가함으로써, 금속 하우징 부분의 가열이 매우 빠르고 매우 타겟팅된 방식으로 달성될 수 있다.
유도 에너지 입력 또는 유도 가열 동안, 교류 전류가 흐르는 코일인 인덕터는 금속 하우징 부분에 와전류를 유도하는 교류 자기장을 생성한다. 생성된 와전류 손실은 금속 하우징 부분이 가열되게 한다. 열은 하우징 부분 자체에서 생성되기 때문에, 열전도에 의한 전달이 필요하지 않다. 열 출력은 매우 잘 제어될 수 있어서, 금속 하우징 부분을 가열하기 위한 이 프로세스는 또한, 특히 프로세스의 자동화와 관련하여 매우 적합하다.
특히 유도 에너지 입력을 사용하여 다른 영역에서 보다 하나의 영역에서 하우징 부분을 더 강하게 가열하는 것이 가능하다. 예컨대, 컵 형상 하우징 부분의 경우, 개구의 에지를 외부 에지보다 더 강하게 가열하는 것이 바람직할 수 있다.
옴 에너지의 입력 동안 금속 하우징 부분을 통해 전류가 흐르고, 이에 따라 전기 에너지가 열 에너지로 변환되고 이 과정에서 하우징 부분이 가열된다. 바람직하게는, 하우징 부분과 직접 접촉하는 2개 이상의 전극을 통해 하우징 부분에 전압이 인가된다. 이 프로세스는 또한 매우 잘 제어되고 타겟팅된 방식으로 사용될 수 있어서, 특히 프로세스의 자동화와 관련하여 매우 적합하다.
특히 바람직한 방식으로, 본 방법은 바로 다음 부가적인 특징들 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 금속 하우징 부분의 가열은 고온 국면을 포함한다.
b. 고온 국면에서, 금속 하우징 부분은 적어도 일부 영역들에서 80 내지 150℃, 바람직하게는 90 내지 110℃, 특히 바람직하게는 95 내지 105℃ 범위의 온도로 가열된다.
고온 국면에서, 금속 하우징 부분은 바람직하게는 80 내지 150℃ 범위의 온도로 가열된다. 특히 바람직하게는, 온도는 90 내지 110℃, 특히 95 내지 105℃ 범위에 있다. 이 온도는 어쩌면, 전체 하우징 부분의 하나의 섹션 또는 하나의 영역에서만 도달된다고 예상할 수 있다. 하우징 부분의 개구는 가열에 의해 커버되는 것이 중요하다.
고온 국면의 온도는 전극-분리막 조립체에 사용되는 분리막의 용융 점보다 낮은 것이 바람직하다. 이 사양을 통해, 전극 분리막 조립체에 대한 열 손상을 신뢰할 수 있게 회피될 수 있다. 한편, 고온 국면의 온도는 금속 하우징 부분의 개구 폭의 팽창을 달성할 수 있을 만큼 충분히 높아야 한다.
고온 국면의 지속기간은 상대적으로 짧을 수 있다. 일반적으로 원하는 팽창을 달성하기 위해 금속 하우징 부분의 이러한 높은 가열을 위해 몇 초 또는 심지어 몇 분의 1초면 충분하다.
특히 바람직한 방식으로, 본 방법은 바로 다음 부가적인 특징들 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 금속 하우징 부분의 가열은 예열 국면을 포함한다.
b. 예열 국면에서, 금속 하우징 부분은 35 내지 80℃, 바람직하게는 40 내지 70℃, 특히 바람직하게는 50 내지 60℃ 범위의 온도로 가열된다.
예열 국면은 일반적으로 고온 국면 이전에 발생되고, 바람직하게는 금속 하우징 부분의 상대적으로 느린 예열을 위해 사용된다. 예열 국면은 하우징 부분의 재료에 갑작스러운 큰 온도 급등들을 회피하여서, 갑작스러운 온도 변화로 인한 재료 손상이 발생하지 않게 한다. 바람직하게는 예열 국면에서, 금속 하우징은 35 내지 80℃, 바람직하게는 40 내지 70℃, 특히 바람직하게는 50 내지 60℃ 범위의 온도로 가열된다. 원칙적으로, 고온 국면에서와 마찬가지로, 이 국면에서 금속 하우징 부분의 일부만이 또한 가열될 수 있다. 그러나 일반적으로, 특히 예열 국면에서, 재료 응력을 회피하기 위해 전체 금속 하우징 부분이 가열되는 것이 바람직하다. 고온 국면에 비해 더 낮은 온도로 인해, 예열 국면에서 금속 하우징 부분의 균일한 가열은 짧은 시간 기간에도 쉽게 가능하여서, 금속 하우징 부분의 완전한 예열이 고속의 자동화된 프로세스를 방해하지 않는다.
본 프로세스의 특히 바람직한 실시예에서, 예열 국면 바로 다음에는 고온 국면가 이어진다. 고온 국면에서, 하우징 부분은 매우 짧은 시간 동안만, 즉 단 몇 초(1~10초) 또는 어쩌면, 1초 미만 동안만 요구된 온도가 되는 것이 바람직하다.
특히 바람직한 방식에서, 금속 하우징 부분을 가열하기 위한 고온 국면에 대해 전기 에너지의 입력, 특히 유도성 및/또는 옴 에너지의 입력이 제공된다. 이러한 방법을 통해, 고온 국면이 매우 신속하고 타겟팅된 방식으로 수행될 수 있다. 기술적 구현을 위해, 위에서 언급된 전극은 특히, 금속 하우징 부분에 적용되고 전류를 공급받을 수 있어서, 매우 짧은 시간 내에 옴 에너지 입력에 의해 타겟팅된 가열이 수행될 수 있다.
바람직하게는, 예열 국면은 특히 경제적으로 유리한 프로세스를 가능하게 하기 위해 폐열을 사용하여 수행된다.
특히 바람직한 방식으로, 본 방법은 바로 다음 부가적인 특징들 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 금속 하우징 부분은 전극-분리막 조립체를 삽입한 후 냉각된다.
b. 하우징을 폐쇄하기 전에 하우징의 금속 부분이 냉각된다.
전극-분리막 조립체가 금속 하우징 부분에 도입된 후, 하우징 부분은 일반적으로 매우 신속하게 냉각되고 금속 하우징 부분의 오리지널 크기로 다시 수축된다. 따라서, 본 발명에 따른 프로세스를 통해, 종래의 프로세스에서 가능한 것보다 더 큰 전극-분리막 조립체가 하우징 부분의 내부 내로 도입하는 것이 가능하다. 따라서 하우징 부분의 내부의 볼륨이 최적으로 활용될 수 있다.
하우징 부분을 냉각하는 단계는 수동적으로 설계될 수 있다. 가장 간단한 경우에, 하우징 부분이 다시 실온에 도달할 때까지 기다린다. 그러나 특히 생산 상의 이유로, 예컨대, 전극-분리막 조립체가 휘발성 전해질로 함침되는 것을 가능하게 하기 위해 냉각 프로세스를 적극적으로 지원하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 예컨대, 냉각 팬을 통해 이를 지원될 수 있다.
금속 하우징 부분의 재료는 예컨대, 니켈 도금된 스틸 또는 필요한 경우 니켈 도금될 수 있는 스테인레스 스틸, 또는 한 측 또는 양 측들이 알루미늄으로 코팅된 재료일 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 하우징은 스틸, 특히 스테인레스 스틸로 만들어지고, 적어도 특정 영역이 알루미늄으로 코팅된 내부 측을 갖는다. 니켈 또는 다른 부식 방지 재료로 코팅된 외부는 선택적이다. 추가 가능한 실시예에서, 재료들은 상이한 금속 재료의 복합물, 예컨대, 소위 삼금속(trimetal), 예컨대, 구리, 스테인레스 스틸 및 니켈의 복합물일 수 있다. 게다가, 알루미늄과의 재료 페어링이 유리할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 하우징 부분의 금속 재료는 그 금속 재료의 열팽창 특성과 관련하여 최적화된다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 제조 프로세스의 과정에서 가열에 의해 하우징 부분의 최적화된 팽창이 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 바람직한 실시예에서, 방법은 다음 부가적인 특징을 특징으로 한다:
a. 전극-분리막 조립체를 금속 하우징 부분에 삽입하기 전에, 전극-분리막 조립체가 냉각된다.
전극-분리막 조립체를 금속 하우징 부분에 삽입하기 전에 냉각함으로써 전극-분리막 조립체의 특정 수축을 달성될 수 있다. 이는 금속 하우징 부분의 가열 및 열 팽창과 결합하여, 하우징 부분 내로의 전극-분리막 조립체의 삽입을 추가로 용이하게 할 수 있으며, 필요한 경우, 종래의 제조 프로세스들에 비해 전극-분리막 조립체의 추가 확대를 허용한다. 일반적으로 전극-분리막 조립체의 비열 용량은 금속 하우징 부분의 비열 용량보다 크므로, 전극-분리막 조립체를 냉각하는 것이 금속 하우징 부분을 가열하는 것보다 다소 덜 효과적이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 냉각 국면은 본 발명에 따른 방법의 추가 이점 또는 추가 개선을 허용할 수 있다. 이러한 맥락에서, 전극-분리막 조립체의 생산을 위한 출발 재료가 이미 냉각된 경우가 더욱 유리할 수 있다. 예컨대, 권선 형태로 전극-분리막 조립체의 생산 동안 전극이 자동 권취기(automatic winding machine) 내로 도입될 때 전극들은 이미 냉각되어 있는 것이 규정될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예에서, 방법은 다음 부가적인 특징들 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 적어도 금속 하우징 부분의 가열은 제습 조건들 하에서 수행된다.
b. 금속 하우징 부분 내로의 적어도 전극-분리막 조립체의 삽입은 제습 조건들 하에서 수행된다.
c. 적어도 금속 하우징 부분의 가열은 부압 조건들 하에서 수행된다.
d. 금속 하우징 부분 내로의 적어도 전극-분리막 조립체의 삽입은 부압 조건들 하에서 수행된다.
특히 바람직한 방식으로, 위에서 언급된 특징들은 a. 및 c., 특히 특징들 a. 및 c. 및 d., 특히 바람직하게는 특징들 a.내지 d.가 결합된다.
위에서 언급된 특징 a.에 따른 가열 동안 및/또는 위에서 언급된 특징 b.에 따라 하우징 부분 내로의 전극-분리막 조립체의 삽입 동안 제습 조건들은 특히 효과적인 방식으로 셀 성능에 대한 부정적인 수분 영향을 방지할 수 있다. 제습 조건은 예컨대, 산업 제조 프로세스들에서 일반적으로 이미 흔히 발생하는 것처럼 청정실 및/또는 건조실에서 수행되는 에너지 저장 셀의 생산에 의해 실현될 수 있다. 타겟팅된 방식으로 더 낮은 이슬점을 갖는 공기를 도입하는 것이 또한 가능하다. 필요한 경우, 예컨대, 진공 건조가 부가적으로 수행될 수 있다. 바람직하게는 잔류 수분이 300ppm 미만, 특히 바람직하게는 100ppm 미만이 되도록 조건이 설정된다. 건조실 내 적합한 주변 조건은 예컨대, 1 ± 0.5% 상대 습도이다.
대안적으로 또는 부가적으로, 위에서 언급된 특징 c.에 따라 가열 동안 그리고/또는 위에서 언급된 특징 d.에 따라 금속 하우징 부분 내로의 전극-분리막 조립체의 삽입 동안 부압 조건들이 제공될 수 있다. 한편으로, 부압 조건은 제습을 지원한다. 반면, 부압 조건은 하우징 부분 내로의 전극-분리막 조립체의 삽입을 용이하게 할 수 있다. 프로세스가 주변 압력에서 수행될 때, 전극-분리막 조립체가 삽입된 경우 하우징 부분 내부에 함유된 공기가 역압을 발휘하거나, 하우징 부분에 존재하는 공기가 충분히 빠르게 빠져나가지 못할 수 있다. 이는 부압 조건에 의해 회피된다. 이는 프로세스 속도를 추가로 증가시킬 수 있다는 특정한 이점을 갖는다. 유리한 실시예에서, 압력은 1mbar - 800mbar 범위, 예컨대, 바람직하게는 10mbar 내지 500mbar 범위에 있을 수 있다.
금속 하우징 부분의 가열이 건조와 결합되는 경우, 특히 건조 공기의 추가 및/또는 진공 또는 부압의 사용에 의해 건조가 지원되는 것이 특히 바람직하다. 이러한 맥락에서 진공은 주변 압력 미만의 압력, 특히 800mbar 이하, 바람직하게는 500mbar 이하로 설정되는 것을 의미한다.
하우징을 폐쇄하고 전극을 하우징과 접촉시키는 것은 종래의 프로세스들과 비교하여 그 자체로 알려진 방식으로 행해질 수 있다. 예컨대, 컵 형상 하우징 부분의 개구는 전기 절연 밀봉부를 사용한 플랜징 프로세스에 의해 폐쇄될 수 있거나, 커버에 용접함으로써 개구가 폐쇄될 수 있다.
본 발명에 따른 프로세스는 원통형 에너지 저장 요소의 생산 및 각형 에너지 저장 요소의 생산 둘 모두에 적합하다. 따라서, 에너지 저장 요소의 하우징은 원통형 하우징 또는 각형 하우징일 수 있다.
특히 바람직한 방식으로, 본 발명에 따른 프로세스는 원통형 라운드 셀을 제조하는데 사용된다. 21 x 70(mm 단위의 직경 x 높이)의 폼 팩터를 갖는 에너지 저장 요소가 여기서 특히 바람직하다. 물론, 본 발명에 따른 프로세스는 또한 다른 폼 팩터를 갖는 에너지 저장 요소의 생산에 유리하게 사용될 수 있다.
전극-분리막 조립체는 원통형 권선 또는 각형 전극 스택일 수 있다. 특히 바람직한 방식에서, 이는 원통형 라운드 셀에 일반적으로 사용되는 바와 같은 원통형 권취 조립체이다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예에서, 방법은 다음 부가적인 특징들 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 전기화학적 에너지 저장 요소는 리튬 이온 셀이거나 하나 이상의 리튬 이온 셀들을 포함한다.
원칙적으로 리튬 이온을 흡수하고 릴리스할 수 있는 모든 재료들이 리튬 이온 셀의 전기화학적 활성 성분(활성 재료)으로서 사용될 수 있다. 탄소계 입자, 특히 흑연 탄소가 음극에 적합하다. 리튬을 삽입할 수 있는 다른 비흑연 탄소 재료들이 또한 사용될 수 있다. 또한, 리튬과 합금 가능한 금속 및 반금속 재료가 또한 사용될 수 있다. 예컨대, 주석, 알루미늄, 안티몬 및 실리콘 원소들이 리튬과 금속간 상(intermetallic phase)을 형성할 수 있다. 예컨대, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4), 리튬 철 인산염(LiFePO4) 또는 이들의 유도체가 양극을 위한 활성 재료로서 사용될 수 있다. 전기화학적 활성 재료들은 특히 입자 형태로 전극에 포함될 수 있다.
리튬 이온 셀들에 대한 전극들은 바람직하게는 전기화학적 활성 성분 이외에, 전기화학적 비활성 성분을 또한 포함하는 복합 전극으로서 구축된다. 또한, 복합 전극은 바람직하게는 개개의 활성 재료에 대한 캐리어로서 역할을 하는 편평한 및/또는 스트립형 집전체, 예컨대, 금속 호일을 포함한다. 음극용 집전체(애노드 집전체)는 예컨대, 구리 또는 니켈로 형성될 수 있고, 양극용 집전체(캐소드 집전체)는 예컨대, 알루미늄으로 형성될 수 있다. 전기화학적 비활성 성분으로서, 전극은 바람직하게는 전극 바인더, 예컨대, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 다른 중합체, 예컨대, 카르복시메틸 셀룰로오스뿐만 아니라 전도율 향상 첨가제 및/또는 다른 첨가제를 포함한다. 전극 바인더는 전극의 기계적 안정성을 보장하고 종종 집전체에 대한 활성 재료의 접착을 또한 보장한다.
특히, 예컨대, 폴리올레핀 또는 폴리에테르 케톤으로 만들어진 다공성 플라스틱 막이 전극들 사이의 분리막으로서 사용될 수 있다.
리튬 이온 셀에 가장 적합한 전해질은 유기 용매(예컨대, 에테르 및 탄산의 에스테르)에 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)과 같은 리튬염의 용액이다.
본 발명은 적어도 하나의 금속 하우징 부분을 갖는 하우징 및 하우징 내부에 배열된 전극-분리막 조립체를 갖는 전기화학적 에너지 저장 요소를 더 포함한다. 본 발명에 따른 전기화학적 에너지 저장 요소는 위에서 설명된 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다. 따라서 에너지 저장 요소의 추가 특징들에 관해, 위의 설명에 대한 참조가 이루어진다.
특히, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 하우징의 볼륨의 최적화된 활용을 실현하고, 그 결과 에너지 저장 요소의 용량이 종래의 에너지 저장 요소에 비해 증가되고, 따라서 최적화된 에너지 밀도가 달성된다는 사실을 특징으로 한다. 하우징의 내부의 최적 활용은 하우징에 의해 가해지는 역압으로 인해 전극-분리막 조립체의 경우 충전 프로세스와 연관된 전극 팽창을 최소화하고 그리하여 전극 상에 가해지는 기계적 응력을 감소시킨다. 또한, 하우징 내의 전극-분리막 조립체의 진동은 하우징의 내부 공간의 최적 활용에 의해 방지되거나 최소화된다. 동시에, 본 발명에 따른 제조 프로세스는 하우징 내의 잔류 수분을 감소시켜서, 셀 성능에 대한 수분의 부정적인 영향이 방지된다.
특히 바람직한 방식으로, 본 발명에 따른 전기화학적 에너지 저장 요소는 다음 부가적인 특징들을 특징으로 한다:
a. 에너지 저장 요소는 원통형 하우징을 갖고, 전극-분리막 조립체로서 권선을 갖는 원통형 라운드 셀이다.
b. 원통형 라운드 셀의 직경과 관련하여, 에너지 저장 요소는 존재할 수 있는 권선의 어떠한 중앙 공동도 고려함 없이, 권선에 의한 하우징 내부 볼륨의 공간 활용도가 95% 초과, 바람직하게는 99% 초과, 바람직하게는 100%이다.
위에서 언급된 특징 b.에 대한 에너지 저장 셀의 특성은 이 경우에, 권선이 하우징 내부에 직접 또는 매우 작은 거리에 놓이는 원통형 하우징의 부분 또는 섹션과 관련된다. 따라서, 에너지 저장 셀의 이러한 특징은 권선의 단부면과 원통형 하우징의 단부면 부분 사이에 있는 에너지 저장 셀의 부분과 관련되지 않는다. 또한, 위에서 언급된 특징 b.에 따라 정의된 권선에 의한 하우징의 내부 볼륨의 공간적 활용에서, 존재할 수 있고 권선 코어로 부분적으로 또는 완전히 채워질 수 있는 권선의 임의의 중앙 공동은 고려되지 않는다. 따라서 이는 위에서 언급된 95% 또는 바람직하게는 99% 초과 또는 100%가 오로지 권선의 외부 원주와 하우징 내부 사이의 공간을 지칭한다는 것을 의미한다.
이에 따라, 원통형 라운드 셀의 하우징의 내부 볼륨은 하우징의 직경에 대해 최대로 활용될 수 있고 그리하여 라운드 셀의 불용 볼륨(dead volume)을 최소화할 수 있다. 제조 프로세스 동안 금속 하우징 부분을 가열함으로써, 전극-분리막 조립체가 실온에서 하우징 부분의 내주에 대응되는 외주를 갖는 하우징 부분의 내부로 도입될 수 있다. 하우징 부분을 가열함으로써 달성되는 하우징 부분의 개구의 팽창은 전극-분리막 조립체가 제조 프로세스 동안 충분한 간격을 두고 삽입되도록 허용한다. 하우징 부분의 후속 냉각은 하우징의 벽이 전극-분리막 조립체의 외주에 직접, 즉 간격 없이 접촉하게 하여서 최대 볼륨 활용이 달성된다. 종래의 에너지 저장 요소에 비해 확대된 전극-분리막 조립체는 에너지 저장 요소의 용량이 증가되는 것을 가능하게 한다. 동시에, 전극 팽창 동안 왜곡을 방지하고 하우징 내부의 진동을 회피하기 위해 전극 분리막 조립체의 안정화가 달성된다.
바람직하게는 단면적과 관련하여 100%인 하우징의 내부 볼륨의 공간 활용은 충전되지 않은 상태의 전극-분리막 조립체를 지칭한다. 충전 프로세스 동안 전극의 과도한 팽창은 하우징의 지지대에 의해 흡수된다.
본 발명의 추가의 특징들 및 이점들은 도면들과 관련된 실시 예들의 다음 설명으로부터 비롯된다. 여기서 개별 특징은 개별적으로 또는 서로 결합하여 실현될 수 있다.
도면들은 다음을 도시한다:
도 1은 예시적인 원통형 라운드 셀의 개략적 종단면도이다.
도 2는 원통형 라운드 셀 제조의 다양한 단계들(단계들 A ― I)을 각각 종단면으로 나타낸 개략도이다.
도 1의 종단면에 도시된 에너지 저장 셀(100)은 소위 접촉 플레이트 설계의 원통형 라운드 셀로서 구성되고 본 발명에 따른 프로세스를 사용하여 제조될 수 있는 전기화학적 에너지 저장 요소의 가능한 예를 나타낸다. 에너지 저장 셀(100)은 디스크 형상 바닥(101a) 및 상부 영역에 원형 개구(림(101b)에 의해 정의됨)를 갖는 컵-형상 금속 하우징 부분(101)을 포함한다. 금속 하우징 부분(101)은 특히 컵 형상의 딥 드로잉 부분(cup-shaped deep-drawn part)이다. 여기에 도시된 에너지 저장 셀(100)의 폐쇄된 또는 완전 조립된 형태에서, 림(101b)은 하우징을 폐쇄하기 위해 직각으로 방사상 내향으로 구부러진다. 하우징의 상부 마개는 중앙 구멍(104)을 갖는 디스크 형상 접촉 요소(접촉 플레이트)(102)에 의해 형성된다. 중앙 구멍(104)은 그 위에 배열된 폴 캡(107)과 함께 금속 디스크(106)에 의해 폐쇄된다. 접촉 플레이트(102)의 외부 에지와 컵-형상의 금속 하우징 부분(101)의 상부 에지(101b) 사이에 밀봉부(103)가 제공된다. 컵 형상의 금속 하우징 부분(101)의 내향으로 구부러진 상부 에지(101b)는 이로써 밀봉부(103)와 접촉 플레이트(102)의 외부 에지를 수용한다.
금속 하우징 부분(101)은 접촉 플레이트(102)와 함께, 권선으로서 형성된 전극-분리막 조립체(105)가 축방향으로 정렬되는 내부 공간을 에워싼다. 접촉 플레이트(102) 내 구멍(104)은 금속 디스크(판금 디스크)(106)로 구멍(104)이 폐쇄되기 전에 제조 프로세스 동안 에너지 저장 셀(100)의 하우징 내에 전해질을 채우기 위해 제공된다. 조립될 때, 구멍(104)은 금속 디스크(106)에 의해 밀봉된다. 금속 디스크(106)는 미리 결정된 파단점으로서 하나 이상의 세장형 리세스를 가질 수 있어서, 금속 디스크(106)는 압력 완화 밸브로서 역할을 할 수 있다.
전극-분리막 조립체(105)는 2개의 단부면을 갖는 원통형 권선의 형태이며, 2개의 단부면 사이에 원주 권선 쉘이 연장되고, 이는 컵 형상의 금속 하우징 부분(101)의 원주 내측에 기대어 놓인다. 전극-분리막 조립체(105)는 양극 및 음극, 그리고 그 사이에 개재된 분리막(108, 109)으로 형성되며, 이들 각각은 벨트 형상으로 형성되고 나선 형상으로 권취된다. 전극-분리막 조립체(105)의 단부면은 분리막(108 및 109)의 세로 에지에 의해 형성된다. 권선 또는 전극-분리막 조립체(105)의 중심에, 중앙 공동 및/또는 권선 코어가 있을 수 있다.
전극-분리막 조립체(105)의 단부면으로부터 집전체(110, 120)가 돌출한다. 대응하는 돌출부들은 d1 및 d2로 라벨링된다. 캐소드 집전체(110)는 전극-분리막 조립체(105)의 상부 단부면으로부터 나온다. 애노드 집전체(120)는 하부 단부면으로부터 나온다. 캐소드 집전체(110)는 밴드 형상 메인 구역에 양극 재료(111)의 층이 로딩된다. 애노드 집전체(120)는 밴드 형상 메인 구역에 음극 재료(121)의 층이 로딩된다. 캐소드 집전체(110)는 양극 재료(111)로 로딩되지 않은 캐소드 집전체(110)의 상부 세로 에지(110a)를 따라 연장되는 에지 스트립(112)을 갖는다. 대신에, 세라믹 지지 재료의 코팅(113)이 여기에 도포되어 이 영역에서 집전체(110)를 안정화시킨다. 애노드 집전체(120)는 음극 재료(121)로 로딩되지 않은 애노드 집전체(120)의 하부 세로 에지(120a)를 따라 연장되는 에지 스트립(122)을 갖는다. 대신, 세라믹 지지 재료의 코팅(123)이 또한 이 영역에 도포된다.
음극 전류 집전체(110)의 상부 에지(110a)는 그의 전체 길이에 걸쳐 디스크 형상 접촉 요소(접촉 플레이트)(102)와 직접 접촉하고 예컨대, 용접(특히 레이저의 도움으로)을 통해 적어도 여러 섹션들에 걸쳐, 바람직하게는 그의 전체 길이에 걸쳐 디스크 형상 접촉 요소에 연결된다. 따라서 접촉 요소(102)는 캐소드의 전기적 접촉을 위해 동시에 그리고 하우징 커버로서 역할을 한다.
애노드 집전체(120)의 하부 에지(120a)는 전체 길이에 걸쳐 컵 형상의 금속 하우징 부분(101)의 바닥(101a)과 직접 접촉하고 예컨대, 용접(특히 레이저의 도움으로)을 통해 적어도 여러 섹션들에 걸쳐, 바람직하게는 그의 전체 길이에 걸쳐 컵 형상 금속 하우징 부분의 바닥에 연결된다. 따라서 컵 형상의 금속 하우징 부분(101)의 바닥(101a)은 하우징의 일부로서뿐만 아니라 애노드의 전기적 접촉을 위한 역할도 한다.
컵 형상의 금속 하우징 부분(101)의 상부 에지(101b)와 종결 디스크 형상 접촉 요소(102) 사이의 밀봉부(103)는 부분들을 서로 전기적으로 절연시킨다. 컵 형상 금속 하우징 부분(101)의 에지(101b)는 밀봉부(103)에 의해 에워싸인 접촉 요소(102)의 에지 위에서 방사상 내향으로 구부러지고 컵 형상의 금속 하우징 부분(101)의 원형 개구에 접촉 요소(102)를 고정한다. 컵 형상의 금속 하우징 부분(101)의 상부 에지(101b)의 굽힘부 아래에는 어레인지먼트를 안정화시키는 원주 비드(130)가 있다.
도 2는 접촉 플레이트 설계에서 원통형 라운드 셀로서 형성되는, 본 발명에 따른 이러한 에너지 저장 셀(100)의 제조에 있어서 다양한 단계들(A 내지 I)을 예시한다. 먼저, 단계(A)에서, 전극-분리막 조립체(105)가 제공되고, 디스크 형상 접촉 요소(접촉 플레이트)(102)가 그 상부 단부면 상에 배치된다.
단계(B)에서, 접촉 요소(102)는 캐소드 집전체의 상부 돌출 세로 에지(110a)의 구역에서 전극-분리막 조립체(105)에 용접된다.
단계(C)에서, 원주 밀봉부(103)는 디스크 형상 접촉 요소(102)의 에지에 도포된다.
본 발명에 따른 방법의 중요한 특징으로서, 금속 하우징 부분(101)의 가열은 전극-분리막 조립체(105)가 금속 하우징 부분 내로 삽입되기 전에 단계(D)에서 일어난다. 가열로 인해 하우징 부분(101)의 열 팽창이 달성된다. 열 팽창은 금속 하우징 부분(101)의 개구 폭을 증가시켜서, 한편으로는 전극-분리막 조립체(105)의 삽입을 용이하게 한다. 다른 한편으로, 이러한 조치에 의해, 종래의 제조 방법들에 비해 더 큰 외주를 갖는 전극-분리막 조립체(105)가 사용할 수 있다. 따라서, 한편으로는 금속 하우징 부분(101)의 내부 볼륨이 최적으로 활용될 수 있으며, 에너지 저장 셀의 용량 증가가 달성되고 에너지 밀도가 최적화된다. 예컨대, 전극-분리막 조립체(105)의 치수에 대한 볼륨 이득은 권선 형상 전극-분리막 조립체의 경우, 특히 매우 얇은 전극의 경우 부가적인 권선 거의 전체에 해당할 수 있다. 권선 외부 구역의 부가적인 권선은 전극 길이의 큰 이득을 제공하고 이에 따라 커패시턴스의 상당한 증가를 제공한다. 다른 한편으로, 최적화된 볼륨 활용은 특히, 충전 프로세스 동안 전극의 공간적 팽창 및 전극 상의 연관된 기계적 응력과 관련하여 그리고 에너지 저장 셀 하우징 내의 가능한 진동의 회피와 관련하여 안정화 효과를 달성한다.
단계(D)의 가열은 바람직하게는 2개의 국면들, 즉 예열 국면 및 후속 고온 국면에서 발생한다. 예열 국면에서, 금속 하우징 부분(101)의 재료는 먼저 예컨대, 대략 50 내지 60℃의 온도가 된다. 유리하게는, 다른 프로세스의 폐열이 이러한 목적으로 사용될 수 있다. 이러한 예열 국면은 부압 분위기에서 및/또는 제습 조건 하에서 이미 수행될 수 있어서, 금속 하우징 부분(101) 내부에 여전히 존재하는 잔류 수분이 제거된다. 전극-분리막 조립체(105)가 금속 하우징 부분(101) 내에 삽입되기 직전에, 고온 국면이 발생하고, 금속 하우징 부분(101)은 예컨대, 약 100℃의 온도로 가열된다. 이러한 고온 국면 동안, 전극-분리막 조립체(105)가 삽입될 수 있도록 금속 하우징 부분(101)의 원하는 개방 폭이 달성된다.
예컨대, 21 x 70(표준 21700)의 폼 팩터를 갖는 원통형 라운드 셀에 대한 일반적인 금속 하우징 부분(101)은 20℃에서 개구의 면적이 대략 20.6mm의 내부 치수를 갖는다. 100℃, 즉 80K 차이에서, 니켈 도금된 스틸로 만들어진 금속 하우징 부분(101)에 대해 20.8mm보다 큰 내경이 달성된다. 따라서, 이 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은 20.6mm의 최대 외경을 갖는 권취 전극-분리막 조립체(105)를 도입하는 데 사용될 수 있다.
가열에 의해 팽창된 금속 하우징 부분(101)의 내주와 전극-분리막 조립체(105)(충전되지 않은 상태)의 최대 외주 사이의 0.2mm의 차이는 일반적으로 0.2mm의 차이가 볼륨 손실과 삽입을 위해 인가되는 힘 사이의 절충점(compromise)을 나타내기 때문에 특히 적합한 것으로 입증되었다. 차이가 0.2mm 미만으로 떨어지는 경우, 예컨대, 단지 0.1mm의 차이만 있으면, 삽입력이 일반적으로 경계선 위에 있다. 삽입력이 부압 분위기에 의해 감소될 수 있지만, 자동화된 조립 프로세스에서 적합한 프로세스 속도의 관점에서 일반적으로 0.2mm의 차이를 유지하는 것이 유리하다. 전극-분리막 조립체(105)의 외주와 하우징의 내주 간의 0.2mm의 차이를 유지하는 것은 추가로, 하우징 부분(101) 내로의 삽입 동안 전극-분리막 조립체에 대한 손상이 발생하지 않도록 보장한다.
금속 하우징 부분(101) 내로의 전극-분리막 조립체(105)의 삽입은 또한 바람직하게는 최적화된 프로세스 속도에 추가하여, 여전히 존재할 수 있는 임의의 잔류 수분을 제거하기 위해 그리로 냉각 프로세스를 늦추어 부드러운 재료 취급이 보장하기 위해 부압 분위기 하에서 수행된다.
전극-분리막 조립체(105)가 컵 형상의 금속 하우징 부분(101) 내에 삽입될 때, 전극-분리막 조립체(105)는 바닥에서 전극-분리막 조립체로부터 돌출하는 애노드 집전체의 세로 에지(120a)가 컵 형상의 금속 하우징 부분(101)의 바닥과 직접 접촉할 때까지 삽입된다.
단계(E)에서, 애노드 집전체의 세로 에지(120a)는 컵 형상 금속 하우징 부분(101)의 바닥에 용접된다.
단계(F)에서, 컵 형상 금속 하우징 부분(101)의 개구 에지(101b)가 방사상 내향으로 구부러진다.
단계(G)에서, 하우징은 개구(104)를 통해 하우징 안으로 계량되는 전해질로 채워진다.
이 후 단계(H)에서, 폴 커버가 배열되어 있는 금속 디스크(106)가 개구(104) 상에 배치되고 단계(I)에서 레이저 용접에 의해 고정되어서, 하우징이 폐쇄되고 이에 따라 에너지 저장 셀(100)이 완성된다.
도 1 및 2를 기반으로 설명된 작업 예는 소위 접촉 플레이트 설계를 갖춘 원통형 라운드 셀의 특수 설계를 도시한다. 대응하는 방식으로, 본 발명에 따른 프로세스는 또한 다른 에너지 저장 셀의 제조에도 적용 가능하다. 본 발명에 따른 프로세스의 적용을 위한 전제조건은 전극-분리막 조립체가 도입되는 금속 하우징 또는 금속 하우징 부분의 사용이다. 이러한 점에서, 본 발명에 따른 프로세스는 원칙적으로 금속 하우징을 갖는 모든 에너지 저장 셀에 유리하게 사용될 수 있다. 따라서 이는 원통형 라운드 셀 및 버튼형 셀뿐만 아니라 각형 셀에도 적용된다.

Claims (13)

  1. 전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법으로서,
    상기 에너지 저장 요소는 적어도 하나의 금속 하우징 부분(101)을 갖는 하우징 및 상기 하우징 내부에 배치된 전극-분리막 조립체(105)를 포함하고, 상기 방법은, 다음 방법 단계들:
    a. 상기 금속 하우징 부분(101) 및 상기 전극-분리막 조립체(105)가 제공되는 것; 그리고
    b. 상기 금속 하우징 부분(101)이 가열되어 하우징 부분의 팽창을 야기하는 것;
    c. 상기 전극-분리막 조립체(105)가 상기 팽창된 금속 하우징 부분(101)에 삽입되는 것, 그리고
    d. 상기 금속 하우징 부분(101)은 폐쇄되어 상기 하우징을 형성하는 것
    을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징:
    a. 제1 항의 단계 b.에 따라 상기 금속 하우징 부분(101)의 가열은 전기 에너지의 입력에 의해, 특히 유도성 및/또는 옴 에너지의 입력에 의해 수행되는 것
    을 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징들:
    a. 제1 항의 단계 b.에 따라 상기 금속 하우징 부분(101)을 가열하는 것은 고온 국면을 포함하는 것,
    b. 상기 고온 국면에서, 상기 금속 하우징 부분(101)은 적어도 일부 영역들에서 80 내지 150℃, 바람직하게는 90 내지 110℃, 특히 바람직하게는 95 내지 105℃ 범위의 온도로 가열되는 것
    중 적어도 하나를 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징들:
    a. 제1 항의 단계 b.에 따라 상기 금속 하우징 부분(101)을 가열하는 것은 예열 국면을 포함하는 것,
    b. 상기 예열 국면에서, 상기 금속 하우징 부분(101)은 35 내지 80℃, 바람직하게는 40 내지 70℃, 특히 바람직하게는 50 내지 60℃ 범위의 온도로 가열되는 것
    중 적어도 하나를 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징:
    a. 상기 예열 국면에서 상기 금속 하우징 부분(101)의 온도는 폐열을 이용하여 발생되는 것
    을 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징들:
    a. 상기 금속 하우징 부분(101)은 상기 전극-분리막 조립체(105)를 삽입한 후 냉각되는 것,
    b. 상기 금속 하우징 부분(101)은 상기 하우징이 폐쇄되기 전에 냉각되는 것
    을 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징:
    a. 제1 항의 단계 c.에 따라 상기 전극-분리막 조립체(105)를 상기 금속 하우징 부분(101)에 삽입하기 전에, 상기 전극-분리막 조립체(105)는 냉각되는 것
    을 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징들:
    a. 제1 항의 단계 b.에 따라 적어도 상기 금속 하우징 부분(101)을 가열하는 것은 제습 조건들 하에서 수행되는 것,
    b. 제1 항의 단계 c.에 따라 상기 금속 하우징 부분(101)에 적어도 상기 전극-분리막 조립체를 삽입하는 것은 제습 조건들 하에서 수행되는 것,
    c. 제1 항의 단계 b.에 따라 적어도 상기 금속 하우징 부분(101)을 가열하는 것은 부압 조건들 하에서 수행되는 것,
    d. 제1 항의 단계 c.에 따라 상기 금속 하우징 부분(101)에 적어도 상기 전극-분리막 조립체를 삽입하는 것은 부압 조건들 하에서 수행되는 것
    중 적어도 하나를 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징들:
    a. 상기 에너지 저장 요소(100)의 하우징은 원통형 하우징인 것,
    b. 상기 에너지 저장 요소(100)의 하우징은 각형(prismatic) 하우징인 것
    중 임의의 하나를 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징들:
    a. 상기 전극-분리막 조립체(105)는 권선인 것,
    b. 상기 전극-분리막 조립체는 스택인 것
    중 임의의 하나를 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징:
    a. 상기 전기화학적 에너지 저장 요소(100)는 리튬 이온 셀이거나 하나 이상의 리튬 이온 셀들을 포함하는 것
    을 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법.
  12. 적어도 하나의 금속 하우징 부분(101)을 갖는 하우징 및 상기 하우징 내에 배치된 전극-분리막 조립체(105)를 포함하는 전기화학적 에너지 저장 요소(100)로서,
    상기 전기화학적 에너지 저장 요소는 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100).
  13. 제12 항에 있어서,
    다음 부가적인 특징들:
    a. 상기 에너지 저장 요소(100)는 원통형 하우징을 갖고, 전극-분리막 조립체(105)로서 권선을 갖는 원통형 라운드 셀인 것,
    b. 상기 원통형 라운드 셀의 직경과 관련하여, 상기 에너지 저장 요소는 존재할 수 있는 상기 권선의 어떠한 중앙 공동도 고려함 없이, 상기 권선에 의한 상기 하우징의 내부 볼륨의 공간 활용도가 99%를 초과하는 것
    을 갖는,
    전기화학적 에너지 저장 요소(100).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4803201B2 (ja) * 2008-04-04 2011-10-26 トヨタ自動車株式会社 捲回型電池および捲回型電池の製造方法
DE102011005681A1 (de) * 2011-02-15 2012-08-16 Robert Bosch Gmbh Lithium-Ionen Akkumulator und Verfahren zu dess Herstellung
JP7007297B2 (ja) * 2016-04-19 2022-02-10 ブルー・ソリューションズ・カナダ・インコーポレイテッド 加圧式リチウム金属ポリマバッテリ
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